(57)【要約】  照明部１０は、照明光１２を被検物４に照射する。撮像素子２０は、光電変換面２２に２次元状に配置された複数の画素を含み、被検物４と作用した照明光１４が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する。制限部５０は、光電変換面２２に形成される干渉パターンの空間周波数および光電変換面２２に入射する光の入射角の少なくとも一方を制限する。
2017203661.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を被検物に照射する照明部と、
光電変換面に２次元状に配置された複数の画素を含み、前記被検物と作用した前記照明光が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する撮像素子と、
前記光電変換面に形成される前記干渉パターンの空間周波数および前記光電変換面に入射する光の入射角の少なくとも一方を制限する制限部と、
を備えるデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項２】
前記制限部は、前記被検物と前記光電変換面の間に設けられることを特徴とする請求項１に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項３】
前記制限部は、前記撮像素子の画素ピッチをｐとするとき、１／２ｐ以下の空間周波数成分を透過させることを特徴とする請求項１または２に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項４】
前記制限部は、前記光電変換面に入射する光の入射角を制限する入射角制限部を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項５】
前記入射角制限部は、前記撮像素子の内部に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項６】
前記照明光は平行光であり、前記照明光の出射角をθｉｌｌ、波長をλ、前記撮像素子の画素ピッチをｐとするとき、前記入射角制限部は、
｜ｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｌｌ｜＞λ／２ｐ
を満たす入射角θの光を制限することを特徴とする請求項４または５に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項７】
前記照明光は球面波であり、前記照明光の波長をλ、前記撮像素子の画素ピッチをｐ、前記光電変換面と前記照明部の出射面の距離をｚｉｌｌ、前記光電変換面と前記被検物が位置する試料面の距離をｚｏｂｊとするとき、前記入射角制限部は、
｜ｓｉｎθ｜＞βλ／２ｐ
ただし、β＝ｚｉｌｌ／（ｚｉｌｌ−ｚｏｂｊ）
を満たす入射角θの光を制限することを特徴とする請求項４または５に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項８】
前記制限部は、光学ローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項９】
照明光を被検物に照射する照明部と、
光電変換面に２次元状に配置された複数の画素を含み、前記被検物と作用した前記照明光が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する撮像素子と、
前記光電変換面と前記被検物の間に設けられ、前記撮像素子が撮影した画像データにもとづいて再構成された画像から偽信号が除去されるように、前記光電変換面に入射する光に作用する制限部と、
を備えるデジタルホログラフィック撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルホログラフィック撮像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
細胞試料などの位相分布情報や強度分布情報を撮影するために、レンズフリーのデジタルホログラフィック撮像装置が利用される（たとえば特許文献１参照）。デジタルホログラフィック撮像装置は、被検物に照明光を照射し、その結果得られる干渉パターンを撮像素子によって測定し、干渉パターンから、演算処理によって被検物の位相分布情報あるいは強度分布情報を再構成（Reconstruct）する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１３−５０８７７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者は、デジタルホログラフィック撮像装置について検討した結果、以下の課題を認識するに至った。【０００５】
デジタルカメラでは、ナイキスト周波数を超える空間周波数を有する被写体を撮影すると対応する被写体情報の位置にモアレが発生する。一方、デジタルホログラフィック撮像装置では、撮像面と被写体面が離間しているため、撮像素子面からの伝播演算（再構成処理）により、撮像面上の局所的なナイキスト周波数を超える高周波成分の影響が、被写体情報全体に影響を及ぼす。具体的には、再構成した被検物の位相分布あるいは強度分布に、被検物の本物の像の周囲に規則的に偽の像（本明細書において偽信号と称する）が発生する場合がある。この偽信号を、デジタルカメラ等で生ずるモアレと混同してはならない。特に培養細胞などの大きさの近しい微細な被写体が多く分布するような被写体の位相分布あるいは強度分布を詳細に再構成するためには、偽信号の影響を無視できないことがわかった。なお、以上の考察を当業者の一般的な認識と捉えてはならない。【０００６】
本発明はかかる状況においてなされたものであり、そのある態様の例示的な目的のひとつは、偽信号を抑制したデジタルホログラフィック撮像装置の提供にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のある態様は、デジタルホログラフィック撮像装置に関する。デジタルホログラフィック撮像装置は、照明光を被検物に照射する照明部と、光電変換面に２次元状に配置された複数の画素を含み、被検物と作用した照明光が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する撮像素子と、光電変換面に形成される干渉パターンの空間周波数および光電変換面に入射する光の入射角の少なくとも一方を制限する制限部と、を備える。【０００８】
本発明のある態様は、デジタルホログラフィック撮像装置に関する。デジタルホログラフィック撮像装置は、照明光を被検物に照射する照明部と、光電変換面に２次元状に配置された複数の画素を含み、被検物と作用した照明光が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する撮像素子と、光電変換面と被検物の間に設けられ、撮像素子が撮影した画像データにもとづいて再構成された画像から偽信号が除去されるように、光電変換面に入射する光に作用する制限部と、を備える。【０００９】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システム、などの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のある態様によれば、偽信号を抑制し、画質を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置の基本構成を示す図である。
【図２】デジタルホログラフィック撮像装置の原理を説明する図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｃ）は、制限部を備えないデジタルホログラフィック撮像装置のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】図４（ａ）〜（ｄ）は、制限部を備えるデジタルホログラフィック撮像装置のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】図５（ａ）、（ｂ）は、制限部を無効とした場合、有効とした場合において得られる被写体画像を示す図である。
【図６】第１実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置を示す図である。
【図７】第２実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置を示す図である。
【図８】図８（ａ）、（ｂ）は、入射角制限部を説明する図である。
【図９】図９（ａ）〜（ｃ）は、干渉パターンと空間周波数の関係を説明する図である。
【図１０】入射角制限部の作用を模式的に説明する図である。
【図１１】図１１（ａ）は、第２実施例の第１変形例に係るデジタルホログラフィック撮像装置を示す図であり、図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のデジタルホログラフィック撮像装置における入射角制限部の特性を示す図である。
【図１２】図１２（ａ）は、第２実施例の第２変形例に係るデジタルホログラフィック撮像装置を示す図であり、図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のデジタルホログラフィック撮像装置における入射角制限部の特性を示す図である。
【図１３】第３実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置を示す図である。
【図１４】入射角制限部が内蔵された撮像素子の断面図である。
【図１５】第３実施例の第１変形例に係る撮像素子の断面図である。
【図１６】第３実施例の第２変形例に係る撮像素子の断面図である。
【図１７】第４実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（概要）
はじめに、本発明に係るいくつかの実施の形態の概要を説明する。
【００１３】
本発明のある態様は、デジタルホログラフィック撮像装置に関する。デジタルホログラフィック撮像装置は、照明光を被検物に照射する照明部と、光電変換面に２次元状に配置された複数の画素を含み、被検物と作用した照明光が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する撮像素子と、光電変換面に形成される干渉パターンの空間周波数および光電変換面に入射する光の入射角の少なくとも一方を制限する制限部と、を備える。
【００１４】
この態様によると、撮像素子が取得する画像のナイキスト周波数を超える高周波成分が低減あるいは除去される。これにより、撮像素子が撮像した画像から演算処理によって再構成される被検物の位相分布もしくは強度分布を表す画像から偽信号を除去あるいは抑制できる。
【００１５】
制限部は、被検物と光電変換面の間に設けられてもよい。制限部を、撮像素子に入射する光に作用させることにより、高周波成分を好適に抑制、除去できる。
【００１６】
制限部は、撮像素子の画素ピッチをｐとするとき、１／２ｐ以下の空間周波数成分を透過させてもよい。これにより、偽信号を好適に除去、抑制できる。
【００１７】
制限部は、光電変換面に入射する光の入射角を制限する入射角制限部を含んでもよい。撮像素子上の任意の領域に着目したとき、その領域に対する入射角を制限することで、その領域に形成される強度分布の高周波成分を抑制することができる。
【００１８】
入射角制限部は、撮像素子の内部に形成されていてもよい。これにより、光電変換面に最も近い位置で入射角を制限できる。
【００１９】
照明光は平行光であってもよい。照明光の出射角をθｉｌｌ、波長をλ、撮像素子の画素ピッチをｐとするとき、入射角制限部は、
｜ｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｌｌ｜＞λ／２ｐ
を満たす入射角θの光を制限してもよい。
【００２０】
照明光は球面波であってもよい。照明光の波長をλ、撮像素子の画素ピッチをｐ、光電変換面と照明部の出射面の距離をｚｉｌｌ、光電変換面と被検物が位置する試料面の距離をｚｏｂｊとするとき、入射角制限部は、
｜ｓｉｎθ｜＞βλ／２ｐ
ただし、β＝ｚｉｌｌ／（ｚｉｌｌ−ｚｏｂｊ）
を満たす入射角θの光を制限してもよい。
【００２１】
制限部は、光学ローパスフィルタを含んでもよい。
【００２２】
（実施の形態）
以下、本発明を好適な実施の形態をもとに図面を参照しながら説明する。各図面に示される同一または同等の構成要素、部材、処理には、同一の符号を付するものとし、適宜重複した説明は省略する。また、実施の形態は、発明を限定するものではなく例示であって、実施の形態に記述されるすべての特徴やその組み合わせは、必ずしも発明の本質的なものであるとは限らない。
【００２３】
図１は、実施の形態に係るデジタルホログラフィック撮像装置２の基本構成を示す図である。図面に記載される各部材の寸法（厚み、長さ、幅など）は、理解の容易化のために適宜、拡大縮小されている場合がある。さらには複数の部材の寸法は、必ずしもそれらの大小関係を表しているとは限らず、図面上で、ある部材Ａが、別の部材Ｂよりも厚く（長く）描かれていても、部材Ａが部材Ｂよりも薄い（短い）こともあり得る。
【００２４】
デジタルホログラフィック撮像装置２は位相物体、振幅物体あるいはそれらの両方の特性を有する物体の観察に利用することができるが、その観察対象は特に限定されない。本実施の形態では、観察対象（被検物４）として細胞のような位相物体を例とする。被検物４は、試料ホルダ６によって所定の位置に保持される。被検物４が位置する面を試料面８と称する。デジタルホログラフィック撮像装置２は、被検物４の位相分布を示す被写体画像Ｓ１を出力する。
【００２５】
デジタルホログラフィック撮像装置２は、照明部１０、撮像素子２０、演算部３０、表示装置４０、制限部５０を備える。デジタルホログラフィック撮像装置２は本質的にはレンズフリーの光学系で構成しうるが、必要に応じて図示しない光学系を有してもよい。
【００２６】
照明部１０は、可干渉性を有する照明光１２を被検物４に照射する。照明部１０の構成は特に限定されず、半導体レーザやＬＥＤを用いることができる。また後述するように、照明光１２は、平面波であってもよいし球面波であってもよいが、図１では平面波として示している。図中、光線を実線で、波面を点線で表すものとする。
【００２７】
図２は、デジタルホログラフィック撮像装置２の原理を説明する図である。位相物体である被検物４は、試料面８の第１方向（ｘ方向）およびそれと垂直な第２方向（ｙ方向）に位相分布φ（ｘ，ｙ）を有する。位相分布φ（ｘ，ｙ）は、被検物４の形状や構造、組成等に応じており、この位相分布φ（ｘ，ｙ）が、デジタルホログラフィック撮像装置２による観測対象である。被検物４を透過した照明光１４は、位相分布φ（ｘ，ｙ）に応じた位相シフトを受け、その波面が被検物４によって乱される。被検物４を透過後の照明光１４は、被検物４による擾乱（回折）を受けない光と、被検物４により回折された光を含んでおり、それらがｚ方向に距離ｚｏｂｊ伝搬し、撮像素子２０の光電変換面２２に干渉パターン（光強度分布ともいう）Ｉ（ｘ，ｙ）を形成する。
【００２８】
図１に戻る。撮像素子２０は、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）あるいはＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）センサなどであり、光電変換面２２に２次元状に配置された複数の画素を含む。撮像素子２０は、被検物４と作用した照明光１４が形成する干渉パターンの強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を撮像し、画像データＳ２を生成する。図２に示すように撮像素子２０による撮像は、空間的なサンプリングに他ならない。サンプリング（量子化）された強度分布をＩＳ（ｘ，ｙ）と表記する。撮像素子２０から出力される画像データＳ２は、演算部３０に入力される。
【００２９】
演算部３０は、画像データＳ２が示す強度分布ＩＳ（ｘ，ｙ）を演算処理することにより、位相分布φＲ（ｘ，ｙ）を表す被写体画像Ｓ１を再構成する。再構成された位相分布φＲ（ｘ，ｙ）は、被検物４の位相分布φ（ｘ，ｙ）に対応する。演算部３０は、汎用コンピュータとソフトウェアプログラムの組み合わせであってもよいし、専用ハードウェアであってもよい。画像データＳ２から被写体画像Ｓ１を再構成する演算処理（アルゴリズム）は公知であるため、説明を省略する。たとえば被写体画像Ｓ１の再構成にはフーリエ反復法をはじめとする位相回復法が利用可能である。
【００３０】
表示装置４０は、演算部３０が生成した被写体画像Ｓ１を表示する。また表示装置４０は、デジタルホログラフィック撮像装置２のユーザインタフェースとしての機能も有する。
【００３１】
本実施の形態の特徴のひとつは、制限部５０である。詳しくは後述するが、制限部５０の構成、配置、作用等にはさまざまなバリエーションが存在しており、それらに共通して、制限部５０は、（i）撮像素子２０の光電変換面２２に形成される強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）の空間周波数を制限し、または（ii）光電変換面２２に入射する光の入射角を制限し、あるいはそれらの両方を制限するように構成されている。なお図１では、制限部５０が照明光１４の光路上に設けられているが、それに限定されない。
【００３２】
以上がデジタルホログラフィック撮像装置２の基本構成である。続いてその動作を説明する。
【００３３】
まず図３（ａ）〜（ｃ）を参照して偽信号について説明する。図３（ａ）〜（ｃ）は、制限部５０を備えないデジタルホログラフィック撮像装置２のシミュレーション結果を示す図である。ここでは、説明の簡潔化のために、振幅物体を例とする。図３（ａ）は、試料面８における振幅分布Ａ（ｘ，ｙ）を示しており、ここでは中央の半径５ミクロンの内側の透過率を０、それ以外の範囲の透過率を１としている。
【００３４】
図３（ｂ）は、撮像素子２０の光電変換面２２の光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を、空間的にサンプリング（すなわち撮像）して得られる画像データＳ２（すなわち光強度分布ＩＳ（ｘ，ｙ））である。光電変換面２２上の光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、光電変換面２２と試料面８の距離を１ｍｍとして、図３（ａ）の振幅分布Ａを有する光をｚ方向にフレネル伝搬させることで計算される。
【００３５】
画素ピッチｐを有する撮像素子２０のナイキスト周波数ｆｎは、
ｆｎ＝１／２ｐ
で与えられる。サンプリング前の光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）は、ナイキスト周波数ｆｎを超える周波数成分を含んでおり、これをサンプリングすることにより得られる画像データＳ２すなわち光強度分布ＩＳ（ｘ，ｙ）には、標本化定理にもとづくエイリアシング（折り返しノイズ）が発生する。
【００３６】
図３（ｃ）は、図３（ｂ）の画像データＳ２から再構成された被写体画像（振幅分布）Ｓ１を示す。再構成された被写体画像Ｓ１は、図３（ｂ）の画像データＳ２を、ｚ方向に−１ｍｍ、フレネル伝搬させることで計算できる。再構成される被写体画像Ｓ１が表す振幅分布ＡＲ（ｘ，ｙ）は理想的には図３（ａ）の振幅分布Ａ（ｘ，ｙ）と一致すべきである。しかしながら元となる画像データＳ２の光強度分布ＩＳ（ｘ，ｙ）に折り返しノイズが含まれると、その影響が再構成後の被写体画像Ｓ１の全体に広がり、本物の像（半径５ミクロンの円）の周囲に規則的な偽信号が発生する。以上が偽信号の説明である。
【００３７】
続いて、制限部５０による偽信号の抑制を説明する。図４（ａ）〜（ｃ）は、制限部５０を備えるデジタルホログラフィック撮像装置２のシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）、（ｂ）は図３（ａ）、（ｂ）と同様である。図４（ｃ）は、制限部５０を有効としたときの光電変換面２２の光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を、空間的にサンプリングして得られる光強度分布ＩＳ（ｘ，ｙ）を表す画像データＳ２である。なおこのシミュレーションでは、制限部５０として光学ローパスフィルタを用いている。図４（ｄ）は、図４（ｃ）の画像データＳ２から再構成された被写体画像Ｓ１（振幅分布ＡＲ（ｘ，ｙ））を示す。
【００３８】
制限部５０は、ナイキスト周波数ｆｎより高い空間周波数成分を除去もしくは減衰させる。この制限部５０を有効とすることで、光電変換面２２の光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）に含まれるナイキスト周波数ｆｎを超える高周波成分が低減され、この光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）をサンプリングして得られる図４（ｃ）の光強度分布ＩＳ（ｘ，ｙ）に含まれる折り返しノイズは、図４（ｂ）の画像データＳ２に比べて小さくなる。折り返しノイズの抑制された画像データＳ２から再構成された被写体画像Ｓ１は、偽信号が抑制されたものとなる。
【００３９】
以上がデジタルホログラフィック撮像装置２の動作である。図５（ａ）、（ｂ）は、制限部５０を無効とした場合、有効とした場合において得られる被写体（再構成）画像Ｓ１を示す図である。この対比からも明らかなように、制限部５０を設けることにより、偽信号を抑制できる。
【００４０】
偽信号を抑制するために、画素ピッチｐを小さくしてナイキスト周波数ｆｎを高くするというアプローチも考えられる。しかしながら、同じ視野（撮像面積）を維持して画素ピッチｐを狭小化することは、撮像素子２０の画素数の増加を意味する。画素数の増加は、画像データＳ２から被写体画像Ｓ１を再構成する際の演算量を爆発的に増加させる。再構成に繰り返し演算による位相回復（たとえばフーリエ反復法）を用いる場合、演算量増加への影響は特に大きくなる。この点、制限部５０による偽信号の抑制は、演算量の増加を抑制できるという利点もある。
【００４１】
なお図５（ｂ）の被写体画像Ｓ１には、偽信号の抑制と引きかえに、図５（ａ）の被写体画像Ｓ１には見られない座標（ｘ０，ｙ０）を中心とする同心円状の縞が現れている。この縞はローパスフィルタを最適化すること、あるいはローパスフィルタ以外の制限部５０を用いることで低減できると考えられるが、完全には除去できずに好ましくない場合もある。そこで、制限部５０を有効とする撮影モードと、無効とする撮影モードとを、被検物４に応じて切りかえ可能としてもよい。
【００４２】
以上がデジタルホログラフィック撮像装置２の基本構成である。本発明は、図１として把握され、あるいは上述の説明から導かれるさまざまな装置に及ぶものであり、特定の構成に限定されるものではない。以下、本発明の範囲を狭めるためではなく、発明の本質や回路動作の理解を助け、またそれらを明確化するために、より具体的な実施例を説明する。
【００４３】
（第１実施例）
図６は、第１実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置２ａを示す図である。以降、演算部３０および表示装置４０は省略する。この実施例では、制限部５０は、上述した光学ローパスフィルタ５２を含む。光学ローパスフィルタ５２は、たとえば水晶などの材料の複屈折性を利用したものであってもよいし、微細構造を用いた構造複屈折を利用したものであってもよい。照明部１０の光源が直線偏光に近い場合には、照明部１０に波長板を設け、円偏光とするとよい。
【００４４】
第１実施例における制限部５０は、光電変換面２２に形成される干渉パターン（光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ））の空間周波数を制限するものと把握される。光学ローパスフィルタ５２は、被検物４と光電変換面２２の間に設けることができる。ここで光学ローパスフィルタ５２が光電変換面２２から離れていると、光学ローパスフィルタ５２が位置する面における光強度分布に含まれる高周波成分が除去されるが、それがさらに伝搬して光電変換面２２上に形成される光強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）には、ナイキスト周波数ｆｎを超える高周波成分が現れる可能性がある。たとえば光学ローパスフィルタの裏面に小径のごみの付着やキズが生じた場合、そこで新たな高周波成分が発生し、光電変換面２２まで伝搬し、光電変換面２２においてサンプリングされる。そこで好ましくは光学ローパスフィルタ５２は、光電変換面２２になるべく近い位置に配置される。そのように構成することで、高周波成分の発生は撮像素子面において局所的となり、たとえば既知形状のサンプルを測定し、高周波成分が局所的に発生する箇所を特定し、その箇所を周辺画素の情報から補間するなどの処理によって、最終的に得られる被写体画像Ｓ１への影響を低減することができる。
【００４５】
また、本質的には制限部５０以降での高周波成分の発生を抑制することが有効であり、たとえば光学ローパスフィルタ５２は撮像素子２０と一体に形成されてもよい。光学ローパスフィルタ５２と撮像素子２０は、距離ゼロで密に接合されていてもよい。
【００４６】
また、光学ローパスフィルタ５２と撮像素子２０を離間して配置する場合、それらの間を樹脂などの封止部剤で充填し、光学ローパスフィルタ５２と撮像素子２０を一体化することで、上述のごみの付着やキズの発生、あるいはそれらに類する要因で発生する高周波成分の発生を抑制することができる。
【００４７】
さらに制限部５０を光電変換面２２に近接させることのさらなる効果として、装置の高さ（厚み）を抑制できるという点が挙げられる。
【００４８】
（第２実施例）
図７は、第２実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置２ｂを示す図である。この実施例では、制限部５０は、光電変換面２２に入射する光の入射角を制限する入射角制限部５４を含む。入射角制限部５４もまた光学ローパスフィルタ５２と同様に、光電変換面２２の近傍に設けることが好ましい。
【００４９】
図８（ａ）、（ｂ）は、入射角制限部５４を説明する図である。図８（ａ）は、入射角制限部５４の断面図であり、図８（ｂ）は入射角制限部５４の透過率の入射角依存性を示す図である。入射角制限部５４は、その面法線方向に入射する光（入射角θ＝０°）に対して最大の透過率を有し、斜めに入射する光の透過率が低くなっている。
【００５０】
入射角制限部５４は、例えばガラスなどの基板上に誘電体多層膜を形成し、透過率の入射角度依存性を付すことで製作することができる。入射角制限部５４は、偏光について等方的に設計されているのが望ましい。入射角制限部５４は、複屈折性を利用したものでないため、光学ローパスフィルタ５２に比べて偏光に関する制約を受けにくいという利点を有する。なお入射角制限部５４の特性が、偏光方向の依存性を有する場合、照明光１２を直線偏光になるよう偏光子を追加してもよい。
【００５１】
図８（ｂ）の特性を有する入射角制限部５４は、照明光１２の波面と平行に配置される。これにより入射角制限部５４は、被検物４により擾乱（回折）を受けない光を透過させ、被検物４により回折された物体光のうち、回折角の大きい成分を抑制あるいは除去する。
【００５２】
続いて、入射角制限部５４の作用を説明する。図９（ａ）〜（ｃ）は、干渉パターンと空間周波数の関係を説明する図である。簡単のため撮像素子２０の面法線に垂直な波面が照明光１２として入射する場合を考える。図９（ａ）に示すように、照明光１２が被検物４に入射し、その一部Ｌ１はそのまま被検物４による擾乱（回折）を受けずに撮像素子２０に入射する。また他の一部（物体光）Ｌ２は被検物４で回折し、撮像素子２０に入射する。これら２つの光Ｌ１，Ｌ２の干渉により撮像素子２０で干渉縞が観測される。
【００５３】
図９（ｂ）を参照する。被検物４の持つ空間周波数の内、単一の空間周波数（周期ｄとする）に注目する。物体光Ｌ２の進行方向は回折格子の公式に従い、
ｄ・ｓｉｎθ＝λ
を満たす方向に回折される（１次光）。つまり物体光Ｌ２の波面の進行方向（つまり光線の向き）は被検物４の持つ空間周波数に依存する。
【００５４】
図９（ｃ）を参照し、撮像素子２０上で観測される干渉縞の空間周波数を考える。照明光Ｌ１と物体光Ｌ２の波面の山が重なり合う間隔Ｐｓｉｇは、
Ｐｓｉｇ＝λ／ｓｉｎθ＝ｄ
であり、物体の周期（１/空間周波数）と一致することが分かる。一方、撮像素子２０の画素ピッチがｐであるとき、正しくサンプリングできる被検物４の周期はナイキストの条件より、Ｐｓｉｇ≧２ｐの範囲となる。
【００５５】
被検物４から撮像素子２０の一点を見込む角度をθＭとすると、撮像素子２０上の一点で観測される最大の空間周波数は、
ｓｉｎθＭ／λ＝ＮＡ／λ
となる。ＮＡは開口数である。
【００５６】
図１０は、入射角制限部５４の作用を模式的に説明する図である。撮像素子２０上のある１点（観測点）Ｘに着目する。被検物４の３点Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３それぞれから観測点Ｘを見込む角度をθＭ１，θＭ２，θＭ３とする。点Ｐ１に関しては、ｄ１＝λ／ｓｉｎθＭ１の間隔を有するときに、点Ｐ１で回折された光が観測点Ｘに入射し、干渉縞のピッチはＰｓｉｇ１＝ｄ１となる。
同様に点Ｐ２に関しては、ｄ２＝λ／ｓｉｎθＭ２の間隔を有するときに、点Ｐ２で回折された光が観測点Ｘに入射し、干渉縞のピッチはＰｓｉｇ２＝ｄ２となる。
同様に点Ｐ３に関しては、ｄ３＝λ／ｓｉｎθＭ３の間隔を有するときに、点Ｐ３で回折された光が観測点Ｘに入射し、干渉縞のピッチはＰｓｉｇ３＝ｄ３となる。
【００５７】
θＭ１＜θＭ２＜θＭ３が成り立つから、ｄ１＞ｄ２＞ｄ３、すなわちＰｓｉｇ１＞Ｐｓｉｇ２＞Ｐｓｉｇ３が成り立つ。つまり、観測点Ｘへの入射角が大きい点ほど、観測点Ｘに高い空間周波数（狭いピッチ）を有する干渉縞を形成する。
【００５８】
入射角制限部５４は、撮像素子２０への入射角θを制限するものであり、たとえば点Ｐ３からの入射を除去することを意味する。これにより、光電変換面２２の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）から、点Ｐ３が形成する高い空間周波数の成分Ｐｓｉｇ３を除去できる。
【００５９】
第２実施例によれば、入射角制限部５４によって、干渉パターンから高い空間周波数を除去でき、したがってエイリアシングの影響を低減できる。上述の説明から明らかなように、入射角制限部５４によって、光電変換面２２に入射する光の入射角θを制限することは、光電変換面２２上の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）の空間周波数を制限することと等価であるといえる。
【００６０】
これまでの説明は、照明光１２の波面がｚ軸と垂直な平面波としたが、本発明はその限りではない。以下、いくつかの変形例を説明する。
【００６１】
（第２実施例の第１変形例）
図１１（ａ）は、第２実施例の第１変形例に係るデジタルホログラフィック撮像装置２ｃを示す図である。この変形例では、照明部１０からの照明光１２の波面は、試料面８および光電変換面２２に対して傾いている。入射角制限部５４ｃは、その面法線が照明光１２の光線と平行となるように、つまりその面法線が照明光１２の波面と垂直となるように形成され、または配置される。したがってこの変形例では、照明光１２の出射角をθｉｌｌとするとき、入射角制限部５４ｃは、光電変換面２２に対してθｉｌｌ傾斜して配置される。
【００６２】
図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のデジタルホログラフィック撮像装置２ｃにおける入射角制限部５４ｃの特性を示す図である。θは、ｚ軸方向（鉛直方向）をゼロととっている。図８（ｂ）の特性を有する入射角制限部５４ｃをθｉｌｌ傾斜させることにより、入射角制限部５４ｃの透過特性はシフトする。これにより、入射角制限部５４ｃは、被検物４により擾乱（回折）を受けない光を透過させ、被検物４により回折された物体光のうち、回折角の大きい成分を抑制あるいは除去することができる。
【００６３】
続いて、照明光１２が平行光の場合の入射角制限部５４の好ましい透過特性を説明する。照明光１２の出射角をθｉｌｌ、波長をλ、撮像素子２０の画素ピッチをｐとするとき、入射角制限部５４は、
｜ｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｌｌ｜＞λ／２ｐ
を満たす入射角θの光を制限するように設計される。したがって制限部５０は、
｜ｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｌｌ｜＜λ／２ｐ
を満たす入射角θの光を透過させる。
【００６４】
（第２実施例の第２変形例）
図１２（ａ）は、第２実施例の第２変形例に係るデジタルホログラフィック撮像装置２ｄを示す図である。この変形例では、照明部１０からの照明光１２は球面波である。この変形例では、入射角制限部５４ｄは、その面法線が照明光１２の光線と平行となるように、つまりその面法線が照明光１２の波面と垂直となるように、球面に湾曲して形成される。入射角制限部５４ｄの曲率半径は、点光源の球心位置までの距離と等しい。
【００６５】
このような入射角制限部５４ｄは、あらかじめ湾曲した基板に、誘電体多層膜を形成し、透過率の入射角度依存性を付すことで製作することができる。
【００６６】
図１２（ｂ）は、図１２（ａ）のデジタルホログラフィック撮像装置２ｄにおける入射角制限部５４ｄの特性を示す図である。θは、ｚ軸方向（鉛直方向）をゼロととっている。入射角制限部５４ｄを湾曲させ、面法線方向への入射の透過率を最大とすることで、点Ａ，Ｂそれぞれの透過特性をシフトさせることができる。これにより、入射角制限部５４ｄは、被検物４により擾乱（回折）を受けない光を透過させ、被検物４により回折された物体光のうち、回折角の大きい成分を抑制あるいは除去することができる。
【００６７】
続いて、照明光１２が球面波の場合の入射角制限部５４ｄの好ましい透過特性を説明する。照明光１２の波長をλ、撮像素子２０の画素ピッチをｐ、光電変換面２２と照明部１０の出射面の距離をｚｉｌｌ、光電変換面２２と試料面８の距離をｚｏｂｊとするとき、入射角制限部５４は、
｜ｓｉｎθ｜＞βλ／２ｐ
ただし、β＝ｚｉｌｌ／（ｚｉｌｌ−ｚｏｂｊ）
を満たす入射角θの光を制限する。したがって
｜ｓｉｎθ｜＜βλ／２ｐ
を満たす光は、入射角制限部５４ｄを透過し、撮像素子２０に入射可能となっている。
【００６８】
なお照明光１２が傾いている場合に、入射角制限部５４を光電変換面２２と平行に配置することも可能である。この場合、入射角制限部５４の透過率が入射角θｉｌｌで最大となるように成膜すればよい。
【００６９】
また照明光１２が球面波である場合に、入射角制限部５４を平面としてもよい。この場合、入射角制限部５４の透過率が入射角制限部５４の位置依存性を有するように成膜すればよい。
【００７０】
（第３実施例）
図１３は、第３実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置２ｅを示す図である。この実施例では、制限部５０は、第２実施例と同様に光電変換面２２に入射する光の入射角を制限する入射角制限部５６を有するが、入射角制限部５６が撮像素子２０ｅの内部に形成されている点で異なっている。
【００７１】
図１４は、入射角制限部５６が内蔵された撮像素子２０ｅの断面図である。ここでは表面照射型（ＦＳＩ）を例とするが、裏面照射型（ＢＳＩ）でも同様の構成が可能である。撮像素子２０ｅは、マトリクス状に配置された複数の画素２４を含む。各画素２４は、光電変換素子２５、マイクロレンズ２６、遮光部２７を含む。遮光部２７は、マイクロレンズ２６の焦点位置近傍に設けられるアパーチャであり、遮光部２７はマイクロレンズ２６とともに、光電変換素子２５への入射角を制限する入射角制限部５６として機能する。遮光部２７は、半導体製造プロセスにより作成することができる。
【００７２】
第３実施例の入射角制限部５６は、光源の偏光の制約がさらに小さく、したがって偏光板等が不要となる。
【００７３】
第１あるいは第２実施例では、光学ローパスフィルタ５２あるいは入射角制限部５４のような平面部材が撮像素子２０と被検物４の間に存在するため、多重反射による不要な干渉パターンが発生し、対策を施さないと画質が低下するおそれがある。これに対して第３実施例によれば、平面部材が存在しないため多重反射の影響を排除でき、これにより画質を改善できる。
【００７４】
第３実施例においても、照明光１２の波面はｚ軸と垂直な平面波に限定されない。
【００７５】
（第３実施例の第１変形例）
図１５は、第３実施例の第１変形例に係る撮像素子２０ｆの断面図である。この撮像素子２０ｆは、図１１（ａ）に示したように、照明光１２がｚ軸に対して傾いて出射される場合に好適に利用できる。この変形例では、マイクロレンズ２６の頂点（中心点）が光電変換素子２５の中心２８からオフセットして配置される。オフセット量を最適化することにより、図１１（ｂ）に示すような透過特性を得ることができる。
【００７６】
（第３実施例の第２変形例）
図１６は、第３実施例の第２変形例に係る撮像素子２０ｇの断面図である。この撮像素子２０ｇは、図１２（ａ）に示したように、照明光１２が球面波の場合に好適に利用できる。この変形例では、マイクロレンズ２６の頂点（中心点）と光電変換素子２５の中心２８とのオフセット量が、画素毎に異なっている。好ましくは、各画素のマイクロレンズ２６の中心点と光電変換素子２５の中心点を通る直線が、照明光１２の球心位置で交わることが好ましい。これにより、図１２（ｂ）に示すような透過特性を得ることができる。
【００７７】
（第３実施例の第３変形例）
図１５あるいは図１６において、マイクロレンズ２６をオフセットさせることに加えて、あるいはそれに代えて、遮光部２７の開口径を画素毎に異ならしめてもよい。
【００７８】
（第４実施例）
図１７は、第４実施例に係るデジタルホログラフィック撮像装置２ｈを示す図である。このデジタルホログラフィック撮像装置２ｈは、図１のデジタルホログラフィック撮像装置２に加えて追加の光学系６０を備える。光学系６０のビームスプリッタ６２は、照明光１２を、参照光１６と物体光１７に分割する。参照光１６は、ミラー６４，６６およびビームスプリッタ６８により反射され、撮像素子２０に入射する。物体光１７は被検物４に照射され、被検物４と作用した物体光１８は、ビームスプリッタ６８を透過して撮像素子２０に入射する。光電変換面２２には、参照光１６と物体光１８の干渉パターンが形成される。
【００７９】
本発明は、このように参照光と物体光の経路が分離したデジタルホログラフィック撮像装置にも適用可能である。第４実施例において制限部５０は、上述した光学ローパスフィルタ５２、入射角制限部５４、５６のいずれで構成してもよい。
【００８０】
以上、本発明について、実施の形態をもとに説明した。この実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、こうした変形例について説明する。
【００８１】
実施の形態では、被検物４の透過光を測定するデジタルホログラフィック撮像装置２を説明したが、反射光を測定するタイプであってもよい。
【００８２】
実施の形態では、被検物４が、位相分布を有する位相物体であるとしたが、被検物４は、強度分布を有する振幅物体であってもよいし、位相分布と強度分布を有してもよい。
【００８３】
制限部５０は、撮像素子２０あるいは被検物４を、露光時間中に高速に微振動させてもよい。
【００８４】
被検物４としては、細胞のほか、半導体デバイスや金属などが例示される。
【符号の説明】
【００８５】
２…デジタルホログラフィック撮像装置、４…被検物、６…試料ホルダ、８…試料面、１０…照明部、１２，１４…照明光、１６…参照光、１８…物体光、２０…撮像素子、２２…光電変換面、２４…画素、２５…光電変換素子、２６…マイクロレンズ、２７…遮光部、３０…演算部、４０…表示装置、５０…制限部、５２…光学ローパスフィルタ、５４，５６…入射角制限部、６０…光学系、６２…ビームスプリッタ、６４，６６…ミラー、６８…ビームスプリッタ。
【産業上の利用可能性】
【００８６】
本発明は、デジタルホログラフィック撮像装置に利用できる。
【図１】
2017203661.tif 000003
【図２】
2017203661.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2017203661.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2017203661.tif 000014
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年9月6日(2017.9.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光を被検物に照射する照明部と、
光電変換面に２次元状に配置された複数の画素を含み、前記被検物と作用した前記照明光が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する撮像素子と、
前記光電変換面に形成される前記干渉パターンの空間周波数および前記光電変換面に入射する光の入射角の少なくとも一方を制限する制限部と、
を備えるデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項２】
前記制限部は、前記被検物と前記光電変換面の間に設けられることを特徴とする請求項１に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項３】
前記制限部は、前記撮像素子の画素ピッチをｐとするとき、１／２ｐ以下の空間周波数成分を透過させることを特徴とする請求項１または２に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項４】
前記制限部は、前記光電変換面に入射する光の入射角を制限する入射角制限部を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項５】
前記入射角制限部は、前記撮像素子の内部に形成されていることを特徴とする請求項４に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項６】
前記照明光は平行光であり、前記照明光の出射角をθｉｌｌ、波長をλ、前記撮像素子の画素ピッチをｐとするとき、前記入射角制限部は、
｜ｓｉｎθ−ｓｉｎθｉｌｌ｜＞λ／２ｐ
を満たす入射角θの光を制限することを特徴とする請求項４または５に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項７】
前記照明光は球面波であり、前記照明光の波長をλ、前記撮像素子の画素ピッチをｐ、前記光電変換面と前記照明部の出射面の距離をｚｉｌｌ、前記光電変換面と前記被検物が位置する試料面の距離をｚｏｂｊとするとき、前記入射角制限部は、
｜ｓｉｎθ｜＞βλ／２ｐ
ただし、β＝ｚｉｌｌ／（ｚｉｌｌ−ｚｏｂｊ）
を満たす入射角θの光を制限することを特徴とする請求項４または５に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項８】
前記制限部は、光学ローパスフィルタを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項９】
照明光を被検物に照射する照明部と、
光電変換面に２次元状に配置された複数の画素を含み、前記被検物と作用した前記照明光が形成する干渉パターンの強度分布を撮像する撮像素子と、
前記光電変換面と前記被検物の間に設けられ、前記撮像素子が撮影した画像データにもとづいて再構成された画像から偽信号が除去されるように、前記光電変換面に入射する光に作用する制限部と、
を備えるデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項１０】
前記制限部は、前記被検物と前記光電変換面の間に、前記光源変換面と近接させて設けられることを特徴とする請求項１に記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項１１】
前記制限部から前記光電変換面までの光路中で発生した高周波成分の前記光電変換面上での発生領域を特定する手段を有し、
前記発生領域の周辺の画素の値を用いて前記発生領域内の画素の値を補完することを特徴とする請求項１から５，１０のいずれかに記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項１２】
前記制限部と前記撮像素子とが一体化されていることを特徴とする請求項１から５、１０、１１のいずれかに記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【請求項１３】
前記制限部と前記光電変換面との間の空間を封止する封止構造を有することを特徴とする請求項１から５、１０、１１、１２のいずれかに記載のデジタルホログラフィック撮像装置。
【国際調査報告】
2017203661.tif 000020
2017203661.tif 000021
2017203661.tif 000022
2017203661.tif 000023