(57)【要約】      （修正有）【課題】コヒーレント照明干渉法による物体の画像のスペックルノイズを低減する方法及び装置を提供する。【解決手段】物体光束の光路に沿った干渉計の第１の位置に物体を位置決めすることと、物体を物体光束によって照射することと、物体光束の光路に沿って物体を光軸方向にシフトすることによって物体を第１の位置から第２の位置へ移動させることと、第２の位置で物体を物体光束によって照射することと、を含む。第１の位置及び第２の位置の各々で、物体光束と参照光束との干渉によって形成されたホログラフィック画像が記録される。ホログラフィック画像を平均することによって、スペックルノイズが低減された物体画像が取得される。ホログラフィック画像の平均に際して算術平均又は加重平均のいずれかが用いられる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体の画像におけるスペックルノイズを低減する方法であって、
前記物体を第１の位置に位置決めして前記物体を物体光束によって照射することと、
前記第１の位置にある前記物体を照射する前記物体光束と前記物体を照射しない参照光束との干渉によって形成された第１のホログラフィック画像を記録することと、
前記物体を前記第１の位置から前記第１の位置とは異なる第２の位置へ移動させて前記物体を前記物体光束によって照射することと、
前記第２の位置にある前記物体を照射する前記物体光束と前記物体を照射しない前記参照光束との干渉によって形成された第２のホログラフィック画像を記録することと、
前記第１のホログラフィック画像と前記第２のホログラフィック画像とを平均することによって物体画像を生成することと、
を備え、
前記物体を前記第１の位置から前記第２の位置へ移動させることは、前記物体を前記物体光束の光路に沿って光軸方向にシフトすることを含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記第１のホログラフィック画像と前記第２のホログラフィック画像とを平均することによって前記物体画像を生成することは、
前記第１の位置で記録された前記第１のホログラフィック画像から第１の電場画像を再構成し、前記第２の位置で記録された前記第２のホログラフィック画像から第２の電場画像を再構成することと、
前記第１の電場画像と前記第２の電場画像とを平均することと、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のホログラフィック画像から第１の再構成位相画像及び第１の再構成振幅画像を生成することと、
前記第２のホログラフィック画像から第２の再構成位相画像及び第２の再構成振幅画像を生成することと、
を更に備え、
前記第１のホログラフィック画像と前記第２のホログラフィック画像とを平均することは、前記第１の再構成位相画像と前記第２の再構成位相画像とを平均し、且つ、前記第１の再構成振幅画像と前記第２の再構成振幅画像とを平均することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の再構成位相画像及び前記第１の再構成振幅画像が合焦点であるか否かを判定することを更に備え、
前記第１の再構成位相画像及び前記第１の再構成振幅画像が合焦点ではない場合、前記物体画像を生成することは、前記第１の再構成位相画像及び前記第１の再構成振幅画像を数値的に合焦することを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の再構成位相画像及び前記第２の再構成振幅画像が合焦点であるか否かを判定することを更に備え、
前記第２の再構成位相画像及び前記第２の再構成振幅画像が合焦点ではない場合、前記物体画像を生成することは、前記第２の再構成位相画像及び前記第２の再構成振幅画像を数値的に合焦することを更に含むことを特徴とする請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記第１の再構成位相画像と前記第２の再構成位相画像とを平均することは、前記数値的に合焦された第１の再構成位相画像と前記数値的に合焦された第２の再構成位相画像とを平均することを含み、
前記第１の再構成振幅画像と前記第２の再構成振幅画像とを平均することは、前記数値的に合焦された第１の再構成振幅画像と前記数値的に合焦された第２の再構成振幅画像とを平均することを含むことを特徴とする請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記物体光束の前記光路は、前記物体光束と平行な方向に延在し、前記物体光束は、前記物体を透過することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記物体光束の前記光路は、前記物体光束と平行な方向に延在し、前記物体光束は、前記物体の面から反射されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のホログラフィック画像を記録する前に、前記物体を光学的な合焦点位置に位置決めすることを更に備え、
前記光学的な合焦点位置は、前記第１の位置であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のホログラフィック画像から第１の再構成位相画像及び第１の再構成振幅画像を生成することと、
前記第２のホログラフィック画像から第１の再構成位相画像及び第２の再構成振幅画像を生成することと、
を更に備え、
前記物体画像を生成することは、前記第１の再構成位相画像と前記第２の再構成位相画像とを平均すること、及び、前記第１の再構成振幅画像と前記第２の再構成振幅画像とを平均することによって前記第１のホログラム及び前記第２のホログラムのスペックルノイズを低減することを更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記物体光束は、オフアクシスで前記参照光束と干渉することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記物体光束は、インラインで前記参照光束と干渉することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記物体光束及び前記参照光束は、コヒーレント光源から予め定められた波長で射出されたコヒーレント光を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のホログラフィック画像と前記第２のホログラフィック画像とを平均することは、前記第１の位置で記録された前記第１のホログラフィック画像から再構成された第１の電場画像と前記第２の位置で記録された前記第２のホログラフィック画像から再構成された第２の電場画像との算術平均又は加重平均のいずれかを取得することを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
物体の画像におけるスペックルノイズを低減する方法であって、
コヒーレント放射源によって物体光束及び参照光束を生成することと、
前記物体光束の光路に沿った第１の位置に前記物体を位置決めして前記第１の位置で前記物体を前記物体光束によって露光することと、
前記第１の位置に位置決めされた前記物体により変調された前記物体光束と前記物体により変調されない前記参照光束との干渉によって形成された第１のホログラフィック画像を記録することと、
前記物体光束の前記光路に沿って前記物体を前記第１の位置から前記第１の位置とは異なる第２の位置へ光軸方向に移動させて前記第２の位置で前記物体を前記物体光束によって露光することと、
前記第２の位置に位置決めされた前記物体により変調された前記物体光束と前記物体により変調されない前記参照光束との干渉によって形成された第２のホログラフィック画像を記録することと、
前記第１の位置で記録された前記第１のホログラフィック画像から第１の電場画像を再構成し、前記第２の位置で記録された前記第２のホログラフィック画像から第２の電場画像を再構成することと、
前記第１の電場画像と前記第２の電場画像とを平均することによって物体画像を生成することと、
を備え、
前記物体画像を生成することは、前記第１の電場画像又は前記第２の電場画像のうち少なくとも一方の画像の数値的なフォーカシングを実行し、前記第１の電場画像と前記第２の電場画像との算術平均又は加重平均のいずれかを取得することを含むことを特徴とする方法。
【請求項１６】
物体の画像を記録し、前記物体の前記画像におけるスペックルノイズを低減する装置であって、
放射光束を生成する放射源と、
前記放射光束を物体光束及び参照光束に分割する干渉計と、
前記物体光束の光路に沿って前記物体の位置を光軸方向にシフトすることによって、前記物体を前記物体光束の前記光路に沿った複数の光軸方向位置へ移動させる可動ホルダと、
前記物体により変調された前記物体光束と前記物体により変調されない前記参照光束との干渉によって前記複数の光軸方向位置のうち対応する１つの位置で形成される複数のホログラムを検出する放射検出器と、
プロセッサを有し、前記ホログラムが検出された前記複数の光軸方向位置に対応して前記複数のホログラムを記憶するコンピュータと、
を備え、
前記プロセッサは、前記複数の記憶されたホログラムから複数の電場画像を再構成し、前記複数の再構成電場画像を平均することによって出力画像を生成することを特徴とする装置。
【請求項１７】
前記複数の再構成電場画像を平均することによって前記出力画像を生成するために、前記プロセッサは、更に、前記複数の再構成電場画像のうち少なくとも１つの画像に対して数値的なフォーカシングを実行することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記プロセッサは、更に、前記再構成電場画像のうち少なくとも１つの画像が光学的に合焦点であるか否かを判定し、
前記再構成電場画像のうち少なくとも１つの画像が光学的に合焦点ではない場合、前記プロセッサは、前記複数の再構成電場画像の各々が数値的に合焦されるか又は光学的に合焦されるように数値的なフォーカシングを実行することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項１９】
前記再構成電場画像の各々は、振幅電場画像及び位相電場画像を含むことを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２０】
前記物体光束の前記光路の少なくとも一部は、デジタルホログラフィック顕微鏡の光学系に対応することを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【請求項２１】
前記複数の再構成電場画像を平均することは、前記複数の再構成電場画像の算術平均又は加重平均のいずれかを取得することを含み、
前記複数の再構成電場画像のうち予め定められた位置で記録されたホログラムから取得された１つの電場画像は、最大の重みを与えられることを特徴とする請求項１６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般には、光干渉法に関し、特に、サンプルの光軸方向シフトを使用してコヒーレント照明干渉法におけるスペックルノイズ除去を実現するのに好適な方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
干渉撮像、特に、ホログラフィック干渉法は、多様な用途に利用されている。一般に、ホログラフィは、干渉パターンを記録し、その記録したデータから電場を再構成する。詳細には、ホログラフィック撮像において、物体により散乱されたコヒーレント光束（物体光束）と物体により散乱されないコヒーレント参照光束（参照光束）との干渉のパターンを記録することによってホログラムが形成される。非コヒーレント光を用いるホログラフィも実証されているが、一般には殆ど利用されていない。従来のアナログホログラフィでは、ホログラムは、写真フィルム又は写真板などの写真材料に記録され、通常、物体の画像は、同一のコヒーレント参照光束でホログラムを照明することによって再構成される。デジタルホログラフィでは、ホログラムは、電荷結合素子（ＣＣＤ）又は相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサなどの検出器アレイにより記録され、物体の画像は、数値アルゴリズムを用いてコンピュータにより再構成される。デジタルホログラフィの主な利点は、化学写真材料を使用しないこと、写真処理が不要であること、並びに、最新の計算技術及び処理技術の進歩によってホログラフィック画像をほぼリアルタイムで記録でき、且つ、再構成できることである。
【０００３】
一般に使用されているデジタルホログラフィック技術として、オフアクシスホログラフィがある。オフアクシスホログラフィでは、参照光束は、物体光束（物体に入射する物体光束の光軸）に対して傾斜している。オフアクシスホログラフィには多くの用途があるが、特に、光コヒーレンス断層撮影（ＯＣＴ）において粒子（パーティクル）サイズ、光の偏光又はコヒーレンス、位相差、光の遅れ時間を判定するための精密測定、及び、３次元（３Ｄ）撮像のための精密測定に用いられている。スケールの大小にかかわらず、物体の形状の測定は、３Ｄ撮像の重要な用途である。例えば、車体や人体などの大型の物体又は生体細胞や細胞中の分子粒子などの微小な物体の３Ｄ画像を取得するためにホログラフィック干渉法が適用されている。
【０００４】
一般に使用されているもう１つのホログラフィ技術は、位相シフトホログラフィである。位相シフトホログラフィでは、参照光束は、物体光束とインライン（即ち、同一軸）である。一般に、各画像の間に２π／３又はπ／２の位相差を設定して、３つ又は４つの画像が記録される。共役画像エイリアスが真の画像と重複するため、インラインでホログラムを記録するには、連続する画像の間の位相シフトを非常に正確に設定する必要がある。従って、共役画像を真の画像から減算することによって、画像エイリアスは抑制される。位相シフトホログラフィの用途は、オンアクシスホログラフィの用途と実質的に同様である。実際に、オフアクシスホログラフィと位相シフトホログラフィとの組み合わせを用いる用途も幾つか提案されている。例えば、Ｇｒｏｓｓ他の「Ｎｏｉｓｅ  ａｎｄ  ａｌｉａｓｅｓ  ｉｎ  ｏｆｆ−ａｘｉｓ  ａｎｄ  ｐｈａｓｅ−ｓｈｉｆｔｉｎｇ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ」（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、第４７巻、第１１号、２００８年４月）を参照。
【０００５】
ホログラフィック干渉法では、特にコヒーレント照明を用いる場合、画質を向上させる主な手段として、スペックルノイズを最小限に抑える方法がある。特に、コヒーレント照明が用いられるため、サンプルの凹凸面、光学系の屈折性の不均質、光束の多重反射、塵芥粒子などによって発生するコヒーレントノイズ又はスペックル（スペックルノイズ）が画質を劣化させ、且つ、測定精度を低下させる。これまで、スペックルノイズを軽減するための多くの技術が提案されている。離散型フーリエフィルタリング、ウィーナーフィルタリング、ウェーブレットフィルタリングなどの空間又はデジタルフィルタリング方法はよく知られている。フィルタリング技術は、画像解像度を低下させるという欠点がある。他の周知の方法として、複数のホログラムを記録し、異なるスペックルパターンを有する複数の再構成画像を互いに重ね合わせる方法が挙げられる。例えば、複数の波長を使用すること、照明の入射角度を変化させること、照明の偏光を変化させること、照明を複数の角度に傾斜させることなどを含む種々の光学的な構成を用いて、複数のホログラムが取得する。スペックルノイズを低減するために用いられる代表的な技術の例を、その欠点と共に以下に要約して示す。
【０００６】
Ｙｏｎｇ−Ｋｕｅｍ  Ｐａｒｋ他（以下、「Ｐａｒｋ」）は、論文「Ｓｐｅｃｋｌｅ−ｆｉｅｌｄ  ｄｉｇｉｔａｌ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ」（ＯｐｔｉｃｓＥｘｐｒｅｓｓ１７（１５）、１２２８５ページ、２００９年７月刊）において、スペックル照明によってサンプルにより発生する位相遅れを抽出する技術が開示されている。詳細には、Ｐａｒｋは、レーザーによってホログラフィック拡散板を照明することによりスペックル場を発生させる。スペックル場は、顕微鏡を通って、検出器に結像される。検出器に平面波参照光束を入射させることによって、スペックル場のホログラムが生成される。ヘテロダインマッハツェンダー干渉計を用いて、スペックルの複素電場を再生する。次に、液浸オイルに浸漬させたサンプル（直径１０μｍのポリスチレンビーズ）を、同一のスペックル場照明の下で干渉計のサンプルステージの上に配置する。サンプルを干渉計の内部に導入することによって、オリジナルのスペックルパターンが変化する。次に、オリジナルのスペックルパターンを記録したのと同様の方法で変化後のスペックルの電場を記録する。サンプルの画像はスペックル場の複素パターンと重なり合っているので、取得された画像において、サンプルはほぼ見えなくなる。なお、この技術によれば、レーザーのコヒーレンス長が拡散板の散乱距離よりも著しく長いため、スペックルは静止している。従って、背景スペックル場は除去可能であり、スペックル場を、サンプルなしの場合のスペックル場で除算することによって、スペックル場からサンプルにより形成される複素電場画像を検索できる。換言すれば、この技術は、サンプルの鮮明な画像を生成できる。
【０００７】
しかしながら、Ｐａｒｋが開示した技術は、信号（サンプルを含めて撮像された位相画像）から背景（サンプルなしで撮像された位相画像）を適切に減算できるという前提に依存しているため、この技術を、１つのビーズ又は１つの細胞よりも大きな複雑なサンプルに適用するのは容易ではない。適用が難しい理由は、サンプルを挿入することによって、検出器が観測するスペックルが変化し、その結果、背景減算が不可能とはいえないまでも非常に困難になるからである。更に、Ｐａｒｋの技術は位相シフト構成に適用されるため、空間コヒーレンスを必要とするオフアクシス構成に実際に適用するのは非常に難しい。オフアクシス構成は、例えば、高速断層位相画像撮影に用いるのが非常に望ましい。従って、Ｐａｒｋの技術は、原理上実現可能であるが、高速断層位相画像撮影などの商業用途に適用するには実用的ではない。
【０００８】
Ｆｅｎｇ  Ｐａｎ他（以下、「Ｐａｎ」）は、論文「Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  Ｉｎ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｐｈａｓｅ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｂｙ  Ｓｌｉｇｈｔｌｙ  Ｓｈｉｆｔｉｎｇ  Ｏｂｊｅｃｔ」（Ｏｐｔｉｃｓ  Ｅｘｐｒｅｓｓ  １９（５）、３８６２ページ、２０１１年２月刊）において、デジタルホログラフィック位相差顕微鏡検査におけるコヒーレントノイズを低減するための方法を開示している。Ｐａｎによれば、サンプルを横方向（光軸に垂直な方向）にわずかにシフトすることによって、それぞれ異なるコヒーレントノイズパターンを有する一連のデジタルホログラムが記録される。各ホログラムは個別に再構成されるが、数値パラメトリックレンズ法を用いることで、試料のシフトに起因する再構成複素振幅の位相傾斜の差異はホログラム平面で補正される。その後、デジタル画像位置合わせ方法を用いることで、異なるホログラムから得られた位相マップの横方向変位は画像平面で補償される。従って、全ての位相画像は同一の分布を有するが、無相関のコヒーレントノイズパターンを含む。適正な平均化手順によって、位相差画像のコヒーレントノイズは著しく低減される。
【０００９】
Ｐａｎによって開示された方法では、異なる横方向位置で撮像された位相画像を平均化することによって、スペックルノイズの低減が実現される。詳細には、スペックルパターンの相関を失わせるように位置を互いに大きく離した場合、平均画像が信号を明示しようとする一方で、スペックルノイズは抑制される。Ｐａｎが提案した方法の問題点は、スペックルパターンの相関を失わせるために、サンプルの横方向シフトごとのシフト量を数ミクロン（μｍ）よりも大きくしなければならないことである。詳細には、Ｐａｎが公開した結果によれば、相関係数を０．０７未満まで減少させるためには、シフトごとに約５μｍが必要である。従って、２５の画像（５×５）の平均化のために、少なくとも２０μｍ×２０μｍのシフトが必要とされる。これにより、特に、視野（ＦＯＶ）が１００μｍ程度と狭い顕微鏡検査においては、ＦＯＶが著しく狭められてしまう。更に、横方向位置に応じて変化する球面収差を含む光学収差は、異なる横方向位置で撮像された各画像でそれぞれ異なることもある。その結果、画像ごとの収差補正を一貫して実行するのが難しくなる。
【００１０】
特許協力条約（ＰＣＴ）の下で公開され、且つ、Ｒｏｂｅｒｔ  Ｆ．  Ｄｉｌｌｏｎ他により開示された国際公開第ＷＯ２０１０／０９６６３４号（以下、「Ｄｉｌｌｏｎ」）は、発明の名称「Ｓｐｅｃｋｌｅ  Ｎｏｉｓｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ａ  Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ  ＩｍａｇｉｎｇＳｙｓｔｅｍ」の技術を開示する。Ｄｉｌｌｏｎの方法は、複数の方向角度でコヒーレント放射によって物体を照明することと、各方向角度で照明された物体の画像を取得することと、複数の方向角度の各々で照明された物体の画像を加算してスペックルノイズが低減された照明物体の画像を生成することとを含む。しかしながら、Ｄｉｌｌｏｎの方法は、強度画像からスペックルノイズを除去することを目指しており、位相画像撮影には不適切であることがわかる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、必要とされている技術は、上述の欠点を克服でき、且つ、位相画像及び振幅（強度）画像の双方に対して簡単に効率よくスペックルノイズを確実、且つ、正確に低減できる技術である。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
開示される少なくとも１つの例によれば、本発明は、光軸方向シフトを用いてコヒーレント照明干渉法におけるスペックルノイズの低減を実現するのに簡易であり、非常に精度の高い方法及び装置を提供する。
【００１３】
本発明の１つの態様によれば、光軸方向シフトを用いてコヒーレント照明干渉法におけるスペックルノイズの低減を実現する方法は、物体を第１の位置に位置決めして物体を物体光束によって照射することと、第１の位置にある物体を照射する物体光束と物体を照射しない参照光束との干渉によって形成される第１のホログラフィック画像を記録することと、物体を第１の位置から第１の位置とは異なる第２の位置へ移動させて物体を物体光束によって照射することと、第２の位置にある物体を照射する物体光束と物体を照射しない参照光束との干渉によって形成される第２のホログラフィック画像を記録することと、第１のホログラフィック画像と第２のホログラフィック画像とを平均することによって物体画像を生成することと、を含む。物体を第１の位置から第２の位置へ移動させることは、物体光束の光路に沿って物体を光軸方向にシフトすることを含む。
【００１４】
本発明の別の態様によれば、光軸方向シフトを用いてコヒーレント照明干渉法におけるスペックルノイズの低減を実現する装置は、放射光束を発生する放射源と、放射光束を物体光束と参照光束とに分割する干渉計と、物体光束の光路に沿って物体の位置を光軸方向にシフトすることによって、物体を物体光束の光路に沿った複数の光軸方向位置へ移動させる可動ホルダと、物体により変調された物体光束と物体により変調されない参照光束との干渉によって複数の光軸方向位置のうち対応する１つの位置でそれぞれ形成される複数のホログラムを検出する放射検出器と、プロセッサを有し、複数のホログラムが検出された複数の光軸方向位置に対応して複数のホログラムを記憶するコンピュータと、を含み、プロセッサは、複数の記憶されたホログラムから複数の電場画像を再構成し、複数の再構成電場画像を平均することによって出力画像を生成する。
【００１５】
平均する画像の数が増加するにつれて、物体画像におけるスペックルノイズはそれに対応して減少するという利点が実験によって実証されている。一方、加重平均が用いられる場合、数値的に合焦された画像よりも光学的な合焦画像に高い重みを割り当てることによって、平均する画像の数を増加させることなく物体画像におけるスペックルノイズを低減することができる。更に、異なる光学的なデフォーカス量で撮像された数値的に合焦された画像にそれぞれ異なる重みを割り当てることによって、平均する画像の数を増加させることなく物体画像におけるスペックルノイズを低減することができる。
【００１６】
本発明の他の変形及び／又は利点は、以下、添付図面を参照して説明される詳細な説明から当業者には容易に明らかにされるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、サンプルのホログラフィック画像を取得し、サンプルの画像に対してスペックルノイズ除去を実行する本発明の第１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、サンプルを光軸方向にシフトすることによってホログラフィック画像を取得する本発明に係る一般的な概念の概要を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、サンプルを光軸方向にシフトすることによってホログラフィック画像を取得する本発明に係る一般的な概念の概要を示す図である。
【図２Ｃ】図２Ｃは、サンプルを光軸方向にシフトすることによってホログラフィック画像を取得する本発明に係る一般的な概念の概要を示す図である。
【図３】図３は、複数の光軸方向にシフトされたホログラフィック画像を平均することによって物体の画像におけるスペックルノイズを低減する本発明に係る方法を実行するための例示的な処理フローを示すフローチャートである。
【図４】図４は、数値的に合焦された位相画像及び数値的に合焦された振幅画像を取得するために光軸方向にシフトされたホログラフィック画像を再構成する本発明に係る概念の例示的な処理フローを示す図である。
【図５】図５は、本発明に係る物体の画像におけるスペックルノイズを低減する方法の実験結果を示す図である。
【図６Ａ】図６Ａは、スペックルノイズを含む１つのホログラフィック画像から取得された位相画像及びその一部領域の拡大画像を示す図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、複数のホログラフィック画像を平均することによって取得されたスペックルノイズが低減された位相画像及びその一部領域の拡大画像を示す図である。
【図７】図７は、本発明に係る位相画像のビーズを含まない領域におけるスペックルノイズの高さ標準偏差を平均された画像の数の関数として示す特性図である。
【図８】図８は、１つのビーズ画像の中心における強度プロファイルを、スペックルノイズを低減するために平均された画像の数の関数として示す特性図である。
【図９】図９は、サンプルのホログラフィック画像を取得し、サンプルの画像に対してスペックルノイズ除去を実行する本発明の第２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照して、開示される方法及び装置を実施可能な実施形態を例示的に説明する。当業者は、以下の開示される技術を用いて、構造や機能を拡張することが可能であろう。
【００１９】
説明において、開示される例を理解できるようにするために、特定の詳細な事項が提供される。一方、本開示を無用に冗長にしないように、周知の方法、手順、構成要素及び回路が詳細に説明されないこともある。本発明の幾つかの実施形態は、一般的に、情報及び命令を処理する１つ以上のプロセッサと、情報及び命令を記憶するランダムアクセス（揮発性）メモリ（ＲＡＭ）と、静的情報及び命令を記憶する読み取り専用（不揮発性）メモリ（ＲＯＭ）と、情報及び命令を記憶する磁気ディスク又は光ディスク、ディスクドライブなどのデータ記憶デバイスと、コンピュータのユーザに対して情報を表示するディスプレイデバイス（例えば、モニタ）などのオプションのユーザ出力デバイスと、情報及びコマンド選択をプロセッサへ通信する英数字キー及びファンクションキー（例えば、キーボード）を含むオプションのユーザ入力デバイスと、ユーザ入力情報及びコマンド選択をプロセッサへ通信するカーソル制御デバイス（例えば、マウス又はポインティングデバイス）などのオプションのユーザ入力デバイスと、を含むコンピュータシステムにおいて実施される。
【００２０】
当業者に理解されるように、本発明の例の少なくとも一部は、システム、方法又はプログラムを記憶した有形の（非一時的な）コンピュータ可読媒体として実現される。従って、幾つかの例は、完全にハードウェアの実施形態、完全にソフトウェアの実施形態（ファームウェア、常駐ソフトウェア、マイクロコードなどを含む）、或いは、ソフトウェアの態様とハードウェアの態様とを組み合わせた実施形態の形態をとるが、本明細書において、それらは全て概して「回路」、「モジュール」又は「システム」と呼ばれる。更に、幾つかの実施形態は、コンピュータ可読プログラムコードが記憶された何らかの有形の記憶媒体として実現されたコンピュータプログラムの形態をとる。例えば、方法、装置（システム）及びコンピュータプログラム製品のフローチャート及び／又はブロック図を参照して以下に説明される幾つかの実施形態又は処理は、コンピュータプログラム命令によって実現可能である。それらのコンピュータプログラム命令は、コンピュータ可読媒体に記憶され、コンピュータに読み取られると、コンピュータプログラム命令は、フローチャート及び／又はブロック図で指定される機能／動作／ステップを実現するために特定の方式で機能するようにコンピュータ又は他のプログラマブルデバイスに指示する。
【００２１】
本明細書において用いられる全ての用語は、本明細書を参照して、文脈上、本出願に関連する分野の当業者が理解する通常の慣例的な意味を有するとみなされるべきである。本出願の特定の文脈に関連して、ある特定の用語によって特定された意味が与えられる場合もある。例えば、本明細書において用いられる用語「放射」は、可視光線、近赤外線（ＮＩＲ）、赤外線（ＩＲ）及び紫外線（ＵＶ）の各範囲を含む電磁放射を表すのが好ましい。更に、放射は、宇宙線放射又は高エネルギー粒子光束放射も表す。換言すれば、本明細書において用いられる放射は、α線、β線、放射崩壊によって放射されるγ線、Ｘ線、粒子光束、宇宙線及び他の放射を含む。用語「平均」又は「平均化」は、場合によっては、互換性をもって用いられ、幾つかの量を全て加算し、次に、その総和を量の数で除算することによって取得される結果を意味する。従って、「平均」又は「平均化」は、加算された幾つかの量の「平均（ｍｅａｎ）」とも呼ばれる数学的な概念を説明することを意図する。但し、当業者に知られているように、平均又は平均化は、算術「平均」に限定されない。実際に、本明細書において用いられる平均は、各成分をその重要度を反映した係数と乗算することによって得られる加重平均を用いて取得されるのが好ましい。次に、図面を参照して、本発明の例示的な実施形態を説明する。図中、同一の参照番号は、同様の部分を示す。
【００２２】
図１は、サンプルＳ（物体）のホログラフィック画像を取得し、サンプルの画像に対してスペックルノイズ除去を実行する本発明の実施形態に係る光学装置１００の構成を示す図である。図１に示されるように、装置１００は、放射源１０と、干渉計と、放射検出器２０と、コンピュータ３０（プロセッサ）と、を含む。放射源１０は、例えば、所望の波長のコヒーレント放射光束を発生するレーザー装置などの周知の放射源によって実現される。別の実施形態において、放射源１０は、水銀灯又はタングステン灯などの非コヒーレント放射源によって実現される。更に別の実施形態において、放射源１０は、Ｘ線源などの高エネルギー放射源によって実現される。本実施形態では、発明者は、５４３ｎｍの波長を有するコヒーレント放射光束を放射するヘリウムネオンレーザーを用いた。放射源１０から放射された放射光束は、空間フィルタ１５を通過する。空間フィルタ１５は、第１のレンズＬ１、ピンホール１２及び第２のレンズＬ２から構成される。放射光束は、空間フィルタ１５によって適切な大きさの平行光束に変換され、ビーム分割器ＢＳ１によって物体光束ＢＯ（物体光束）と参照光束ＢＲ（参照光束）とに分割される。従って、物体光束ＢＯ及び参照光束ＢＲは、共に、位相、振幅、波長などに関して同一のパラメータで発生されるのが好ましい。物体光束ＢＯ及び参照光束ＢＲは、画像面（像面）Ｈで適切な干渉パターンを発生するために適切な強度、偏光などを有するように追加の光学系によってそれぞれ調整されるのが更に好ましい。
【００２３】
干渉計の一方のアームは、物体光束光路を含み、干渉計の他方のアームは、参照光束光路を含む。物体光束光路は、ビームスプリッターＢＳ１から画像面Ｈ（ホログラム面）にまで存在し、第１のミラーＭ１と、第２のミラーＭ２と、第３のレンズＬ３と、第３のミラーＭ３と、集光レンズ１４と、対物レンズ１６と、第４のミラーＭ４と、チューブレンズ１８と、第２のビームスプリッターＢＳ２と、を含む。物体光束光路に沿って、物体光束ＢＯは平行光束に変換され、光束の直径の大きさは４ｆリレーレンズ光学系によって調整される。４ｆリレーレンズ光学系は、第３のレンズＬ３と、集光レンズ１４と、を含む。第３のレンズＬ３は、第２のミラーＭ２と第３のミラーＭ３との間に配置されるが、物体光束光路に沿った別の場所に配置されてもよい。光束が適切な大きさに調整され、且つ、コリメーションが適切に実行されると、物体光束ＢＯは、サンプルＳ（物体）を通過する。物体光束ＢＯがサンプルＳを通過する間に、物体光束ＢＯは、サンプルと相互に作用し、サンプルが物体光束ＢＯの波面を変調することによって、サンプル変調信号（サンプル画像）が形成される。次いで、サンプル変調信号は拡大され、対物レンズ１６及びレンズ１８を介して、放射検出器２０に投影される。本実施形態において、放射検出器２０は、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサ、ホログラフィック膜板（例えば、ハロゲン化銀膜）などのうちのいずれか１つによって実現される。別の実施形態において、干渉計又は少なくともその一部は、従来のデジタルホログラフィック顕微鏡の光学系によって実現される。この場合、物体光束光路において、少なくとも集光レンズ１４及び対物レンズ１６は、デジタルホログラフィック顕微鏡の内部に配置されている光学素子である。
【００２４】
参照光束光路は、ビームスプリッターＢＳ１から画像面Ｈにまで存在し、第５のミラーＭ５と、第６のミラーＭ６と、第４のレンズＬ４と、ビームスプリッターＢＳ２と、を含む。従って、参照光束ＢＲは、参照光束光路に沿って、ビームスプリッターＢＳ１から画像面Ｈまで妨げられることなく自由に進む。換言すれば、参照光束ＢＲは、サンプルと相互に作用せず、ビームスプリッターＢＳ１からビームスプリッターＢＳ２まで妨げられることなく進み、放射検出器２０に投影される。参照光束ＢＲの大きさ及び波面形状（湾曲）は、放射検出器２０の画像面Ｈにおける物体光束ＢＯの大きさ及び波面形状（湾曲）と一致するように、第４のレンズＬ４によって調整される。更に詳細には、参照光束ＢＲがビームスプリッターＢＳ２によって放射検出器２０に向かって導かれた後、参照光束ＢＲ及び物体光束ＢＯは重なり合うように画像面Ｈに投影される。オフアクシス構成を実現するために、参照光束ＢＲは、制御された角度θで画像面Ｈに入射するように調整される。図１において角度θで表される物体光束ＢＯと参照光束ＢＲとがなす傾斜角度は、例えば、放射検出器２０の前方でビームスプリッターＢＳ２を傾斜させることによって精密に調整される。別の実施形態において、物体光束ＢＯ及び参照光束ＢＲは、互いに角度をなさないように重なり合ってもよい。この場合、物体光束ＢＯ及び参照光束ＢＲは、位相シフト構成においてインラインで干渉パターンを形成すると考えられる。
【００２５】
画像面Ｈでは、参照光束ＢＲと物体光束ＢＯとを予め定められた角度θで重ね合わせることによって形成された組み合わせ光束が干渉パターンを生成し、かかる干渉パターンは放射検出器２０のセンサによって検出される。詳細には、サンプルが存在しない場合、物体光束ＢＯと参照光束ＢＲとの干渉によって形成された組み合わせ光束は、干渉縞を発生させる。しかしながら、サンプルが存在する場合、干渉縞は、サンプルが存在することによって誘起される物体光束の位相変化によって変調される。物体光束の波面位相変化に関する情報及び振幅変化（強度）に関する情報を含む変調干渉縞は、少なくともパターンの３つの空間位相に関して干渉パターンの画像として放射検出器２０によって取得される。検出された画像は、アナログ／デジタル変換器２２（又はそれに類似する周知のハードウェア）によってデジタル化され、検出された画像を表すデジタル化データは、特別にプログラムされた汎用コンピュータ、分散型計算ネットワークなどのコンピュータ３０へ転送される。そして、検出された画像を表すデータは、周知の画像処理技術によって数値的に処理され、検出された画像に含まれる所望の情報が抽出されて出力（例えば、表示又は印刷）される。本出願において、典型的なコンピュータ３０は、少なくとも、プロセッサ又はマイクロプロセッサなどの中央処理装置と、１つ以上のデータ記憶装置と、キーボード、マウス、タッチスクリーンなどの入力デバイスと、表示装置、印刷装置などの１つ以上の出力デバイスと、を含む。
【００２６】
次に、検出された画像の処理及び所望の情報の抽出という特定の課題について説明する。なお、物体光束ＢＯ及び参照光束ＢＲは、共に、コヒーレントな放射又は実質的にコヒーレントな放射を含むため、検出された画像に含まれる情報は、スペックルノイズの存在によって不明瞭となる場合が多い。従って、本発明の１つの態様は、検出された画像におけるスペックルノイズを効率よく低減する技術に関する。
【００２７】
本明細書の背景技術で説明したように、スペックルノイズを低減する従来の方法の１つは、異なる横方向位置で取得された位相画像を平均することを含む。しかしながら、スペックルパターンの相関を失わせるために、各横方向シフトの量は数μより大きくなければならず、適切な結果を得るためには多数の画像を平均しなければならない。従って、１００μｍ程度の小さな視野（ＦＯＶ）を有する顕微鏡による検査の場合、横方向シフトは視野を著しく狭めてしまうので不都合である。例えば、５μｍずつシフトさせて撮像された２５の画像（５×５）を平均するためには、合計で２０μｍ×２０μｍのシフトが必要である。これは、横方向シフトによって重複が起こるため、ＦＯＶの大部分の領域が使用されないことを意味する。更に、従来の明視野顕微鏡検査では、光の強度を観測又は記録することによってサンプルのごく狭い領域しか一度に検査することができないため、結像されるべき各領域が焦点に位置決めされるように、一般的に、横方向シフトが用いられる。従って、従来の明視野顕微鏡検査では、サンプルを光軸方向にシフトさせると、サンプルが焦点から外れてしまうので、光軸方向シフトは望ましくない。
【００２８】
一方、本発明の実施形態は、コヒーレント照明干渉法に際して光軸方向シフトを用いてスペックルノイズを低減する新規な構成を開示する。従来の方法と比較して、本明細書において開示される技術は、少なくとも、（１）背景減算に際して厳格な画像位置合わせに依存しない、（２）オフアクシス構成及び位相シフト構成の双方で実現可能である、（３）横方向シフトのように利用可能なＦＯＶを縮小することがない、及び、（４）サンプルを所定の場所に配置し、僅かな光軸方向シフトを実行することによって、ＦＯＶ又は光学的パラメータの変化が実質的にない状態で全てのホログラムが取得されるため、異なるホログラムの間の収差の差が小さい、という利点を有する。光軸方向シフトは僅かな光学的デフォーカスを発生させるが、各位置でサンプルを数値的に合焦するために、各ホログラムに含まれる位相情報及び振幅情報は信頼性をもって用いることができる。
【００２９】
次に、図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃを参照して、サンプルを光軸方向にシフトすることによってホログラフィック画像を取得する一般的な概念の概要を説明する。図を明確にするために、図２Ａには、サンプルＳの光軸方向シフトの概念に関連する部分のみが示されている。図１で既に説明された参照番号については、繰り返し説明しない。更に、例示を容易にするために、図２Ｂ及び図２Ｃでは参照番号を示さないが、同様の形状の素子には同一の参照番号が付されることは当業者には理解されるであろう。光軸方向シフトによってスペックルノイズを低減する基本概念は、（ｉ）それぞれ異なる光軸方向位置で一連のＮ個のホログラムを取得することと、（ｉｉ）それぞれ異なる位置で取得された各ホログラムから位相画像及び振幅画像を再構成することによって、一連のＮ個の位相画像及びＮ個の振幅画像を取得することと、（ｉｉｉ）Ｎ個の位相画像及びＮ個の振幅画像をそれぞれ平均することによって、結果画像（出力画像）を取得することと、を含む。特に、それぞれ異なる位置で撮像された各ホログラムから位相画像及び振幅画像を再構成することは、焦点外れ画像の焦点を合わせるために数値的なフォーカシングを実行することを含む。図２Ａ乃至図２Ｃは、サンプルＳが配置される複数のＮ個の位置を表す第１の位置（位置１）、第２の位置（位置２）及び第Ｎの位置（位置Ｎ）を示す。
【００３０】
更に詳細には、第１のホログラムＨ１は、図２Ａに示されるように、サンプルＳが第１の光軸方向位置ｚ１に位置決めされた状態で撮像される。再構成位相画像ＰＩ＿１及び再構成振幅画像ＡＩ＿１の焦点を光学的に合わせるようにサンプルＳを光学系の焦点面に（即ち、合焦点位置に）位置決めするために、数値的に合焦された位置はｚ１に設定される。ホログラムＨ１が取得された後、サンプルＳは、物体光束の伝播方向と平行な方向に、位置ｚ１から位置ｚ２へ移動される。図１において、物体光束ＢＯがサンプルＳを透過する（サンプルＳを通過して進む）につれて、サンプルＳは、物体光束の光軸ＯＡに沿って、正（＋ｚ）の方向又は負の（−ｚ）の方向のいずれかに移動される。サンプルＳを移動させるために、例えば、コンピュータ３０によって制御されるステップモータに接続された従来から周知の平行移動ステージ４０が配置される。サンプルＳが所定の距離ｄだけ平行移動されると、図２Ｂに示されるように、サンプルＳが第２の光軸方向位置ｚ２に位置決めされた状態で第２のホログラムＨ２が撮像される。なお、図２Ｂにおいて、物体光束ＢＯの光束光路に沿ったサンプルＳのシフト移動を示すために、第２の光軸方向位置ｚ２は、第１の光軸方向位置ｚ１より高い位置にある。換言すれば、第２の位置ｚ２は、第１の位置ｚ１とは異なる。数値的に合焦された位置がまだｚ１に設定されていた場合、第２のホログラムＨ２から再構成された位相画像及び振幅画像は、サンプルを焦点外れ状態で撮像したものになる。しかしながら、数値的に合焦された位置が位置ｚ２に設定されている場合、サンプルは、再構成位相画像ＰＩ＿２及び再構成振幅画像ＡＩ＿２に対して再び合焦点となる。なお、第１のセットの画像ＰＩ＿１及びＡＩ＿１、並びに、第２のセットの画像ＰＩ＿２及びＡＩ＿２は、サンプルを合焦点位置に配置しているが、それらの２つのセットの画像に含まれるスペックルノイズパターンは同一ではない。詳細には、スペックルノイズは位置によって異なるため、２つのセットの画像がそれぞれ異なる光軸方向位置ｚ１及びｚ２で撮像された２つのホログラムＨ１及びＨ２から再構成されていると、それらの画像は数値的に合焦されているが、各セットの画像のスペックルノイズは異なり、ランダムである。従って、位相画像及び振幅画像を平均することによって、スペックルノイズを効果的に低減することができる。異なる光軸方向位置で撮像されたホログラフィック画像の数が多いほど、それに対応してスペックルノイズ除去は改善されるという利点が得られる。そのため、異なる光軸方向位置で撮像されるＮ個のホログラフィック画像の数、並びに、それに対応するＮ個の再構成位相画像及び振幅画像の数を必要に応じて増加させてもよい。
【００３１】
次に、ホログラフィック再構成及び数値的な合焦に関連する数学的概念を説明する。詳細には、サンプルＳを、例えば、ｚ１及びｚ２のような異なるｚ位置に位置決めしてホログラムが撮像される。各位置で、物体光束ＢＯがサンプルＳと相互に作用することによって発生する電場ＥＯが参照光束ＢＲから発生した電場ＥＲと干渉すると、ホログラフィック面Ｈにホログラムが形成される。従って、これにより発生される干渉パターンの強度は、｜ＥＯ＋ＥＲ｜２で表される。この強度パターンは、サンプルＳが各ｚ位置に位置決めされるたびに検出器２０によって記録される。従って、サンプルＳが２つの異なる光軸方向位置ｚ１及びｚ２に位置決めされた際に撮像されたホログラムは、以下の式（１）及び式（２）で表される。
【００３２】
【数１】
2013178484.tif 000002
【００３３】
【数２】
2013178484.tif 000003
【００３４】
式（１）及び式（２）において、ｚ０は、画像光学系の焦点面の位置であり、ＥＯ，ｚ１（ｘ、ｙ、ｚ０）及びＥＯ，ｚ２（ｘ、ｙ、ｚ０）は、それぞれ、サンプルＳが光軸方向位置ｚ１及びｚ２に位置決めされた際の物体光束に対する電場であり、ＥＲ（ｘ、ｙ、ｚ０）は、参照光束に対する電場である。
【００３５】
式（１）及び式（２）において、第１の項及び第２の項は０次の光に対応し、第３の項は＋１次の光（又は真の画像）に対応し、第４の項は−１次の光（又は虚の画像）に対応する。第３の項は、以下の式（３）及び式（４）に書き換えることができる。式（３）及び式（４）から、光は非常に速い速度で伝播するために位相自体を直接測定することは不可能であるが、位相差を求めるのは可能であることがわかる。詳細には、以下に示される式において、（φＯ、ｚ１（ｘ、ｙ、ｚ０）−φＲ）及び（φＯ，ｚ２（ｘ、ｙ、ｚ０）−φＲ）は、それぞれ、位置ｚ１及びｚ２にサンプルＳが位置決めされた状態でホログラフィック画像が記録される場合のホログラフィック面Ｈにおける物体光束ＢＯと参照光束ＢＲとの式（１）及び式（２）の第３項の位相差を表す。
【００３６】
【数３】
2013178484.tif 000004
【００３７】
【数４】
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【００３８】
適切に設定された開口数を用いることで＋１次の光をピックアップすることができ、＋１次の光のフーリエ変換は、上記の式に相当する。これにより、位相分布が再構成される。ＥＯ，ｚ１（ｘ、ｙ、ｚ０）及びＥＯ，ｚ２（ｘ、ｙ、ｚ０）は、２つの再構成電場である。｜ＥＯ，ｚ１（ｘ、ｙ、ｚ０）｜及び｜ＥＯ，ｚ２（ｘ、ｙ、ｚ０）｜は、電場振幅画像（ＡＩ）であり、（φＯ、ｚ１（ｘ、ｙ、ｚ０）−φＲ）及び（φＯ，ｚ２（ｘ、ｙ、ｚ０）−φＲ）は、電場位相画像（ＰＩ）である。
【００３９】
これらの複素電場は、画像光学系の焦点面がｚ０に設定され、サンプルＳが位置ｚ１及びｚ２へ光軸方向にシフトされる間に取得されたホログラムから再構成される。サンプルＳが焦点から外れた場合（ｚ１及びｚ２が画像光学系の焦点面に位置していない場合）、再構成複素電場は、ｚ０面にスペックルパターンを含むが、サンプル画像は、焦点を外れている。かかる焦点外れサンプル画像を数値的に合焦することによって、合焦点サンプル画像が得られる。数値的な合焦は、以下に示す式（５）及び式（６）に従って実行可能である。
【００４０】
【数５】
2013178484.tif 000006
【００４１】
【数６】
2013178484.tif 000007
【００４２】
式（５）及び式（６）において、ｚ０は、画像光学系の焦点面の位置であり、λは、ホログラフィック画像を生成するために用いられる照明の波長であり、α及びβは、フーリエ空間におけるｘ座標及びｙ座標である。式（５）及び式（６）の第１の式は、それぞれ、サンプルが位置ｚ１及びｚ２に位置決めされた際の物体光束電場のフーリエ変換を表し、式（５）及び式（６）の第２の式は、それぞれ、ｊ＝１又は２とした場合における数値的に合焦された係数
2013178484.tif 000008
による逆フーリエ変換を表す。エバネッセント波の影響を除き、第２の式は、厳密にｚ０＝ｚｊの場合の逆フーリエ変換である。数値的に合焦された複素電場Ｅ’Ｏ，ｚ１（ｘ、ｙ、ｚ０）及びＥ’Ｏ，ｚ２（ｘ、ｙ、ｚ０）は、スペックルパターンを焦点面ｚ０ではなく、光軸方向位置ｚ１及びｚ２に含むが、サンプルＳの画像は、合焦点画像である。
【００４３】
上述したように、式（５）及び式（６）を用いて数値的な合焦を実行することによって、サンプルＳが光学系の焦点面ｚ０に位置決めされていない場合であっても各サンプル画像を確実に合焦点画像とすることができる。このように、位置ｚ１及びｚ２で撮像されたホログラムから再構成され、数値的に合焦された電場を単純に平均することによって、電場平均が以下のように取得される。
【００４４】
【数７】
2013178484.tif 000009
【００４５】
従って、一般化すると、光軸方向位置ｚ１、ｚ２、．．．ｚＮ（平面）で撮像されたＮ個のホログラムを用いた平均電場は、以下の式（８）に示されるように、算術平均として計算できる。
【００４６】
【数８】
2013178484.tif 000010
【００４７】
また、加重平均を用いて電場平均を取得してもよく、かかる方法は算術平均を用いる方法よりも好ましい。この場合、各ｚ位置で取得された電場をその重要度を表す係数と乗算することによって合成電場平均が取得される。
【００４８】
【数９】
2013178484.tif 000011
【００４９】
式（９）において、ｗｊは、サンプルが光軸方向位置ｚｊに位置決めされた状態で撮像されたｊ番目の電場に割り当てられる重みを示す。例えば、光学的に合焦位置（例えば、ｚ＝０）で取得される電場には最大の重みが与えられ、光学的な合焦位置から最も遠い位置で取得される電場には最小の重みが与えられる。加重平均関数又は加重平均アルゴリズムは当業者には周知であり、光学的な焦点で又はそれに最も近い位置で取得される電場に高い重みが割り当てられるのであれば、どのような関数又はアルゴリズムを用いてもよい。
【００５０】
上述した数学的な概念を最も明確に例示するために、本発明に係る物体の画像におけるスペックルノイズを低減する方法の一例を説明する。図３は、図１に示される装置及び図２に示される光軸方向シフトの概念を用いる本発明の方法を実行するための例示的な処理フローを示す。図３において、サンプルを検査する場合、ステップＳ１０２において、サンプルは、装置１００、例えば、平行移動ステージ４０に配置される。当業者には理解されるだろうが、撮像処理を開始するためには、サンプルを物体光束ＢＯと適正に位置合わせし、画像面Ｈに対して光学的な合焦を実行しなければならない。例えば、装置１００又はその一部が顕微鏡として使用されている場合、サンプル又はその一部の領域を顕微鏡の視野に位置決めするために、サンプルは、横方向に平行移動される。更に、サンプルＳが放射検出器２０の画像面Ｈに対して光学的に合焦されるように、サンプルＳは、光軸方向にも平行移動される。サンプルを適切な位置に配置し、サンプルを放射検出器２０に対して適切に合焦する処理は、マニュアル操作によって実行されるか、又は、例えば、コンピュータ３０によってステージ４０を制御することで自動的に実行される。サンプルの位置決め及びフィードバックの制御は、当業者には周知であると考えられる。サンプルが初期位置に適正に位置合わせされると、図３の処理は、ステップＳ１０４へ進む。ステップＳ１０４において、撮像動作を初期設定するために、コンピュータ３０（図１を参照）の動作準備が実行される。詳細には、ステップＳ１０４において、撮像処理を開始する前に、取得するべき画像の数Ｎなどのパラメータ及び変数「ｉ」が初期設定される。例えば、ホログラムの数は事前に設定され、Ｎの値として入力される。詳細には、平均を取得するために、少なくとも２つのホログラム（それぞれ異なる光軸方向位置）が必要とされるので、画像の数Ｎは、少なくとも１よりも大きい値に設定されなければならない（Ｎ＞１）。同様に、取得される画像の数を記録し続けるために、図３の処理が開始される時点において、変数ｉは１に初期設定される（ｉ＝１）。なお、ステップＳ１０２及びステップＳ１０４は好適な順序を表すものではなく、それらのステップは逆の順序で又は同時に実行可能である。ステップＳ１０４で撮像ループが初期設定されると、ステップＳ１０６へ進む。
【００５１】
ステップＳ１０６において、放射検出器２０は、第１の位置ｚｉに位置決めされたサンプルの第１のホログラムＨ１を取得する。図２Ａは、第１の位置ｚ１に配置されたサンプルＳの例を示す。取得されたホログラムＨ１は、Ａ／Ｄ変換器２２によってデジタル化され、コンピュータ３０のメモリ（図示せず）に記憶される。ステップＳ１０８において、コンピュータ３０は、変数ｉによって示されるホログラムの数が所望の画像の予め定められた数Ｎと等しいか否かを判定する。画像の数Ｎは１よりも大きくなければならないため、第１のループでは、ステップＳ１０８の判定は否定（ＮＯ）である。そして、ステップＳ１１０へ進み、変数ｉは１だけ増加される。従って、ステップＳ１１２へ進んだ時点において、第２の撮像ループが開始される。
【００５２】
ステップＳ１１２において、コンピュータ３０は、サンプルＳを予め定められた距離ｄだけ光軸方向に平行移動させるために、装置１００の平行移動ステージ４０を制御する。換言すれば、ステップＳ１１２において、サンプルＳは、第１の位置ｚ１から第１の位置とは異なる第２の位置ｚ２に、予め定められた距離ｄだけ移動される。距離ｄは、サンプルＳの光軸方向シフトを実現するための０よりも大きい任意の光軸方向距離である。詳細には、本明細書で用いられる「光軸方向シフト」は、物体光束ＢＯがサンプルを通過する際の物体光束ＢＯに沿った方向の位置の変化であると理解されるべきである。なお、最小限のスペックルノイズで最大限の画像解像度を得るために必要な最短距離を決定するように、距離ｄは、試行錯誤方式で設定されてもよい。また、例えば、事前に準備された実験データから予め定められた距離ｄのテーブルが事前に設定されてもよい。予め定められた距離ｄのテーブルが存在する場合、かかるテーブルの値は、コンピュータ３０のメモリ（図示せず）に記憶されるか、又は、装置１００のオペレータによってマニュアル操作で入力される。距離ｄを設定する方法にかかわらず、サンプルＳが光軸方向に距離ｄだけシフトされた後、ステップＳ１０６に戻る。
【００５３】
ステップＳ１０６において、上述したように、対応するホログラムＨ［ｉ］（この場合、第２のホログラムＨ２）が放射検出器２０によって検出され、Ａ／Ｄ変換器２２によってデジタル化され、メモリ３０に記憶される。なお、ステップＳ１０６において、各ホログラムＨ［ｉ］は、そのホログラムが取得されたときにサンプルＳが配置されていた位置ｚ［ｉ］と関連づけられて記憶される。例えば、ホログラムＨ１が位置ｚ１にあるサンプルから取得され、ホログラムＨ２が位置ｚ２にあるサンプルから取得され、ホログラムＨＮが位置ｚＮにあるサンプルから取得された場合、ホログラムごとのデータは、コンピュータ３０によって、以下の表１に示されるような形態で記録される。以下で更に詳細に説明するように、表１のデータは、サンプルＳの数値的に合焦された位相画像及び数値的に合焦された振幅画像を取得するためのホログラムＨ［ｉ〜Ｎ］を再構成するために用いられる。
【００５４】
【表１】
2013178484.tif 000012
【００５５】
図３のステップＳ１０８に戻って、所望の数Ｎのホログラムが取得されたとコンピュータ３０が判定した場合（Ｓ１０８でＹＥＳ）、ステップＳ１２０へ進む。処理の初めにおいて、スペックルノイズ除去レベルの初期評価を実行するために、Ｎ＝２の値、即ち、少なくとも２つのホログラフィック画像が用いられる。
【００５６】
ステップＳ１２０において、図４を参照して以下で更に詳細に説明するように、Ｎ個の位相画像及びＮ個の振幅画像を取得するために、ホログラムｉ〜Ｎの各々が再構成される。位相画像及び振幅画像が取得されると、ステップＳ１２２へ進む。ステップＳ１２２において、取得されたＮ個の画像を平均することによって、結果画像が取得される。上述したように、式（７）及び式（８）では、Ｎ個の画像の算術平均を用いることができる。しかしながら、予め定められた画像に対して、より高い重みが与えられる加重平均を用いるのが好ましい。まず、Ｎ個の画像の算術平均を計算し、その出力画像を目視評価のために表示するのが更に好ましい。そして、観測された精度レベル又は所望の精度レベル（スペックルノイズ）に基づいて、画像を更に取得すべきか又は加重平均を用いるべきかを選択する。例えば、ステップＳ１２２において、結果画像を評価するために、結果画像がコンピュータ３０のディスプレイデバイスに表示されるか、又は、印刷される。ステップＳ１２４において、結果画像に基づいて、その画像を容認するべきか否かに関しての評価が実行される。例えば、結果画像が所望の解像度及びスペックルノイズ除去レベルに適合するか否かを目視評価するために、目視解析が実行される。また、スペックルノイズが所望のレベルまで低減されたか否かを判定するために、例えば、信号対ノイズ（Ｓ／Ｎ）比の閾値に基づいて、自動解析が実行されてもよい。取得された結果画像が所期の解像度、画質、スペックルノイズ除去レベルなどに適合するとステップＳ１２４で判定された場合、処理は継続されず（Ｓ１２４でＮＯ）、終了する。
【００５７】
一方、取得された結果画像が所期のレベルに適合しないとステップＳ１２４で判定された場合、ホログラムが更に取得される。従って、処理フローを継続する（Ｓ１２４でＹＥＳ）。詳細には、ステップＳ１２６へ進み、変数ｉが１だけ増加され、ホログラムＮの数はｉと等しくなるように設定される。次いで、ステップＳ１１２へ進み、サンプルが再び光軸方向にシフトされ、上述したように、新たなホログラムが取得される。ステップＳ１２４において処理を終了すると判定されるまで、処理は継続される。このように、スペックルノイズが低減され、且つ、解像度が向上された結果画像を取得するために、任意の数のホログラムを用いることができる。
【００５８】
次に、図４を参照するに、サンプルＳの数値的に合焦された位相画像及び数値的に合焦された振幅画像を取得するために、図３のステップＳ１２０においてホログラムｉ〜Ｎを再構成する概念の処理フローの一例が示される。詳細には、ステップＳ２０２において、コンピュータ３０に記憶されたホログラムＨ［ｉ］を参照するために、変数ｉが使用される。例えば、コンピュータ３０は、表１に記憶されている情報を参照し、ホログラムＨ［ｉ］のパラメータやサンプル位置及び距離ｄなどのそのホログラムに関連する情報を抽出するために、変数ｉを使用する。変数ｉを参照することによって、ステップＳ２０４において、対応するホログラムＨ［ｉ］から位相画像ＰＩ［ｉ］及び振幅画像ＡＩ［ｉ］が取得される。ホログラフィによる波面再構成の原理は、本出願に関連する分野の当業者には周知であると考えられる。各再構成ホログラムから位相画像及び振幅画像を取得するために、フーリエ変換などのホログラフィック再構成に適用可能な既知の処理を用いることができる。各ホログラムから位相画像及び振幅画像を取得する処理は、上述した式（１）〜式（４）を用いて数学的に実行されるのが好ましい。
【００５９】
ホログラムＨ［ｉ］の位相画像及び振幅画像が取得されると、ステップＳ２０６において、サンプルの位相画像及び振幅画像が合焦点であるか否かに関しての判定が実行される。例えば、ｉ＝１であるとき、サンプルの初期位置は既に光学的に合焦されているため、ホログラムＨ１から再構成された位相画像及び振幅画像が既に合焦点になっている可能性がある。このような場合（Ｓ２０６でＹＥＳ）、ステップＳ２１０へ進む。また、例えば、サンプルが光軸方向に第１の位置ｚ１から第２の位置ｚ２へシフトされた後、第２の位置ｚ２にあるサンプルの画像は合焦点ではないことが多い（Ｓ２０６でＮＯ）。サンプルの画像が合焦点ではない場合、ステップＳ２０８へ進む。
【００６０】
ステップＳ２０８において、サンプルは位置ｚ２に配置されているため、コンピュータ３０は、そのサンプルの位相画像及び振幅画像を数値的に合焦する。数値的に合焦された計算は、例えば、式（５）及び式（６）で表される数学的概念を実現するプログラムコードを実行することによって、コンピュータ３０で実行される。換言すれば、数値的に合焦された計算は、上述したように、式（５）及び式（６）、並びに、図３及び図４の処理フローを用いてプロセッサによって実現される。
【００６１】
ステップＳ２０８において物体の位相画像及び振幅画像が数値的に合焦されると、或いは、ステップＳ２０６において位相画像及び振幅画像が既に合焦点であると判定されると、数値的に合焦された位相画像ＰＩ［ｉ］及び数値的に合焦された振幅画像ＡＩ［ｉ］は、コンピュータ３０のメモリ（不図示）に記憶される。次に、ステップＳ２１２において、Ｎ個のホログラムの全てが位相画像及び振幅画像に再構成されたか否かを判定する。Ｎ個のホログラムの全てが処理されていない場合（Ｓ２１２でＮＯ）、ステップＳ２１４において、変数ｉが１だけ増加され、ステップＳ２０４に戻る。取得されたＮ個のホログラムの全てが処理される（Ｓ２１２でＹＥＳ）まで、ステップＳ２０４〜Ｓ２１２が繰り返される。Ｎ個のホログラムの全てが処理されると、ステップＳ２１６へ進み、Ｎ個の数値的に合焦された位相画像及びＮ個の数値的に合焦された振幅画像は、図３の処理フローのステップＳ１２０に戻される。
【００６２】
次に、図５〜図８は、物体の画像におけるスペックルノイズを低減する方法の原理を実験によって実証した結果を示す。本出願の上述した原理及び概念を実験によって実証するために、オイルに浸漬させた２．５ミクロンのビーズをサンプルとして使用し、図３及び図４を参照して上述した方法で複数のホログラフィック画像（ホログラム）を取得した。
【００６３】
図５は、物体の画像におけるスペックルノイズを低減する方法を実験によって実証した線形グレイスケールで表わされる画像を示す。図５に示す画像を提供した実証実験において、サンプルは、光学的に透明なオイルの中に浸漬された２．５μｍのビーズを含む。ビーズは、Ｔｈｅｒｍｏ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃから取得した（Ｄｕｋｅ  Ｓｔａｎｄａｒｄｓ、カタログ番号４０２５Ａ、Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｍｉｃｒｏｓｐｈｅｒｅｓ  ｉｎ  Ｗａｔｅｒ）。オイルは、Ｏｌｙｍｐｕｓから取得した（Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ  Ｏｉｌ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ、商品番号ＡＸ９６０３、日本製）。図５の画像（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）は、サンプルを、それぞれ、ｚ＝＋３６μｍ、０μｍ及び−３６μｍの間で光軸方向にシフトすることによって撮像したホログラムから再構成された位相画像である。サンプルが光学的に合焦点である場合、ｚは０μｍに等しいと定義される。なお、図２Ａ〜図２Ｃを参照するに、サンプルは、複数の位置ｉ〜Ｎで撮像されてもよい。更に、図３及び図４を参照するに、サンプルが光学的に合焦されていない場合であっても、各位相画像は数値的に合焦可能である。従って、図５において、３つの位相画像の全てが数値的に合焦されるように、３つのケースの全てについて、数値的に合焦された位置はサンプルの位置と一致する。
【００６４】
電場位相は、ビーズとオイルとの屈折率差と、ビーズ高さとの積に等しいため、ベンダーの屈折率の仕様を用いて屈折率差を知ることができれば、電場位相画像を測定することによってビーズ高さ画像を間接的に測定することができる。図５において、カラーバーのスケールは、高さを示す。屈折率差が一定に保たれるため、高さにおけるノイズ除去は、電場位相におけるノイズ除去と同等である。実証結果とビーズの直径である既知の数とを直接比較することができるため、本発明の実証実験では、高さを用いる。しかしながら、実際に測定されたのは電場位相である。図５において、画像（ａ）の全体領域はホログラムＨ（ｘ，ｙ，＋３６μｍ）の位相再構成を表し、画像（ｂ）の領域はホログラムＨ（ｘ，ｙ，０）の位相再構成を表し、画像（ｃ）の領域はホログラムＨ（ｘ，ｙ，−３６μｍ）の位相再構成を表す。画像（ａ）において、画像（ａ）の右上のコーナー（ボックスで囲まれている領域）は、ビーズを全く含まないサンプルの領域に対応する。画像（ｄ）に示されるように、ビーズを含まないサンプルの領域を拡大することによって、位相画像の空間変化は、主に、スペックルノイズに起因することがわかる。更に詳細には、スペックルノイズパターンは、ｚ位置によって変化することがわかる。換言すれば、サンプルのｚ位置が変化するにつれて、スペックルノイズパターンは、ランダムに変化する。スペックルノイズのｚ位置の依存性及びランダム性は、図５に示される拡大位相画像（ｄ）、（ｅ）及び（ｆ）で観測されたスペックルノイズパターンの差異によって立証される。
【００６５】
位相画像が平均されると、スペックルノイズパターンも平均され、実質的に、低減される。詳細には、図５の画像（ｇ）及び（ｈ）は、画像（ｂ）からそれぞれ取り出されたオイル中の１つのビーズ及び３つのビーズの拡大画像である。なお、拡大画像（ｇ）及び（ｈ）を観測する際、２つの拡大画像の背景はランダムなスペックルノイズパターンを示し、ビーズ画像の形状は、スペックルノイズが存在するために、完全な円形ではない。ビーズの画像は同一であるが、ｚ位置が異なればスペックルノイズも異なるため、幾つかのｚ位置から取得された画像を平均することによって、ビーズ画像に対するスペックルノイズを効果的に低減できることがわかる。この注目に値する効果は、４つのホログラフィック画像、９つのホログラフィック画像、１６のホログラフィック画像及び２５のホログラフィック画像をそれぞれ平均することによって取得された位相再構成画像である図５の画像（ｉ）、（ｊ）、（ｋ）及び（ｌ）を解析することで更に明確に実証される。図５の各画像（ｉ）、（ｊ）、（ｋ）及び（ｌ）は、ｚ位置のステップサイズを３μｍとし、異なるｚ位置でそれぞれ撮像された４つのホログラフィック画像、９つのホログラフィック画像、１６のホログラフィック画像及び２５のホログラフィック画像を平均した結果である。最後に、図５の画像（ｍ）及び（ｎ）は、それぞれ、オイル中に分散された１つのビーズ及び３つのビーズの２５の画像を平均した画像の拡大（ズーム）領域を示す。換言すれば、図５の画像（ｍ）及び（ｎ）は、図５の画像（ｌ）に示される中央のボックス（１つのビーズ）及び下部のボックス（３つのビーズ）の拡大画像である。１つのビーズに対応する拡大画像（ｇ）及び（ｍ）と、３つのビーズに対応する拡大画像（ｈ）及び（ｎ）とを詳細に比較することによって、平均画像である画像（ｍ）及び（ｎ）に含まれるスペックルノイズは、平均前の対応する画像（ｇ）及び（ｈ）と比べて、それぞれ相当に低減され、画像（ｍ）及び（ｎ）の解像度は、画像（ｇ）及び（ｈ）よりも高いことが当業者には容易に理解されるだろう。
【００６６】
光軸方向にシフトされたホログラムを平均することの顕著な利点を更に例示するために、図６Ａは、スペックルノイズを含む１つのホログラフィック画像から取得された位相画像及びその拡大領域を示し、図６Ｂは、複数のホログラフィック画像を平均することによって取得されたスペックルノイズを低減させた位相画像及びその拡大領域を示す。更に詳細には、図６Ａは、図５の画像（ｂ）に対応する画像３００を示す。更に、図６Ａにおいて、画像３１０、３２０及び３３０は、それぞれ、図５の画像（ｅ）、画像（ｇ）及び画像（ｈ）に対応する。図６Ａに示されるように、画像３１０は、画像３００の右上のコーナーのボックス（ビーズを含まない）のズーム画像であり、画像３２０は、画像３００の中央のボックス（１つのビーズ）のズーム画像であり、画像３３０は、画像３００の下部のボックス（３つのビーズ）のズーム画像である。図６Ａは、ｚ＝０μｍに位置決めされたサンプルを撮像した１つのホログラムから再構成された位相画像に対応する。
【００６７】
図６Ｂは、図５の画像（ｌ）に対応する画像４００を示す。更に、図６Ｂにおいて、画像４２０及び４３０は、それぞれ、図５の画像（ｍ）及び画像（ｎ）に対応する。図６Ｂに示されるように、画像４１０は、画像４００の左上のコーナーのボックス（ビーズを含まない）のズーム画像であり、画像４２０は、画像４００の中央のボックス（１つのビーズ）のズーム画像であり、画像４３０は、画像４００の下部のボックス（３つのビーズ）のズーム画像である。図６Ｂは、物体光束に光路に沿って、光軸方向に３ミクロンずつサンプルをシフトすることによって撮像された２５の位相画像を平均することで取得された画像に対応する。
【００６８】
図６Ａと図６Ｂとを比較すると、サンプルがｚ＝０μｍの位置にある場合（即ち、サンプルが光学的に合焦されている場合）に取得された画像３００に存在するスペックルノイズは、サンプルを光軸方向にシフトさせて撮像した複数の画像を平均することによって取得された画像４００に存在するスペックルノイズよりも非常に大きいことが明らかにわかる。換言すれば、図６Ａ及び図６Ｂは、測定されたホログラフィック画像から再構成された電場画像を平均することによって取得される物体画像がビーズ画像形状（解像度）及び背景ノイズの低減の双方に関して優れていることを実証する。このような２つの改善が見られたのは、サンプルに上述の光軸方向シフトを適用することでスペックルノイズが低減されたためである。
【００６９】
図７は、本発明に係る位相画像のビーズなしの領域におけるスペックルノイズの高さ標準偏差を、平均された画像の数の関数として示す図である。詳細には、図７は、図６Ａの画像３１０（右上のコーナーのボックスの内側の領域）及び図６Ｂの画像４１０（左上のコーナーのボックスの内側の領域）の高さ標準偏差を、平均された画像の数の関数として示す図である。上述した結果に加えて、平均される画像の数が増加するほど、位相画像のビーズを含まない領域におけるスペックルノイズの高さ標準偏差は減少することが図７から見て取れる。詳細には、図７に示されるように、平均されていない位相画像のビーズなしの領域におけるスペックルノイズの高さ標準偏差は、０．１１μｍよりも大きい。しかしながら、２５の画像を平均することによって取得された位相画像のビーズなしの領域におけるスペックルノイズの高さ標準偏差は、０．０８μｍまで減少している。これらの結果は、平均される画像の数が増加するにつれて、スペックルノイズが指数関数的に減少することを実証している。
【００７０】
図８は、１つのビーズ画像の中心を通る強度プロファイルを、スペックルノイズを低減するために平均された画像の数の関数として示す特性図である。詳細には、図８は、例えば、図６Ａの画像３２０又は図６Ｂの画像４２０の中央の１つのビーズの中心を通る高さプロファイルを、平均された画像の数の関数として示す。図７と同様に、平均される画像の数が増加するにつれて、スペックルノイズが低減され、更に重要な点として、ビーズ１つの画像の中心強度がより鮮明になることが図８から見て取れる。従って、図７及び図８の結果は、共に、光軸方向シフトを用いて測定されたホログラフィック画像から再構成される電場画像を平均することによって、スペックルノイズによる空間変化を減少できることを量的に実証する。
【００７１】
上述した説明では、ホログラフィック撮像技術のオフアクシス構成を説明した。更に、参照光束と物体光束とがなす角度が０ではないオフアクシスホログラフィの実施形態（図１に示される）を用いて、サンプルを光軸方向にシフトすることによって取得された複数の画像を平均することでスペックルノイズを効果的に低減でき、画像の解像度を大幅に向上できることが実験で実証された。しかしながら、本発明は、オフアクシス構成のみに限定されるものではない。実際に、参照光束と物体光束とが平行であるインライン構成の位相シフトホログラフィに本発明の適用範囲を広げることは容易である。詳細には、スペックルノイズは位置依存性を有するため、物体光束と参照光束がインラインで互いに平行である場合でも、サンプルの光軸方向シフトによって無相関スペックルノイズを含むホログラムを生成することができる。換言すれば、サンプルの光軸方向位置が変化するため、異なるホログラムから再構成された位相画像及び振幅画像のスペックルノイズの相関は失われる。従って、上述したように、検索され、数値的に合焦された位相画像及び数値的に合焦された振幅画像は依然として同一の空間分布を有するが、そのスペックルノイズパターンは互いに異なる。その結果、インライン構成が用いられる場合であっても、処理された位相画像及び振幅画像を平均することによって、スペックルノイズは低減され、サンプルの位相画像及び振幅画像の画質が改善される。実際には、位相シフトホログラフィ又はオフアクシスホログラフィのいずれかを用いて電場画像が再構成されるのであれば、光軸方向シフトの量が同じであれば同等の効果が得られるはずである。
【００７２】
更に、図１は、物体光束がサンプルを透過する（サンプルを通って進む）実施形態を示し、この特定の構成を用いて実証実験が実行されたが、当業者は、物体光束がサンプルから反射される実施形態にも上述の概念を容易に適用できると考えられる。
【００７３】
図９は、サンプルのホログラフィック画像を取得し、サンプルの画像に対してスペックルノイズ除去を実行する本発明の第２の実施形態に係る光学装置の構成を示す。図９に示される第２の実施形態の装置１００は、実質的には、図１の第１の実施形態で説明した装置１００と同様である。従って、第２の実施形態において、無用な繰り返しを避けるために不要な説明は省略され、関連する相違点のみが説明される。第２の実施形態において、物体光束ＢＯはサンプルＳを透過せず、物体光束ＢＯはサンプルＳの面から反射される。第１の実施形態及び第２の実施形態において、動作モード、ホログラフィック記録方法及びホログラムの再構成は変わらない。詳細には、第１の実施形態と同様に、第２の実施形態では、サンプルＳは物体光束ＢＯの光軸（ＯＡ）に沿って移動され、対応するＮ個の異なるｚ位置で複数の（Ｎ個の）ホログラフィック画像（ホログラム）が記録される。注目に値する１つの相違点は、第２の実施形態では、第１の実施形態とは異なり、図１のミラーＭ４が取り除かれ、その代わりに、サンプルＳの面から反射された光を検出器２０に向かって導くためのビームスプリッターＢＳ３が用いられていることである。
【００７４】
反射モードでは、電場位相画像がサンプルＳの表面形態、表面輪郭形状、表面の凹凸又は表面形状に対応するという利点が得られる。電場位相画像におけるノイズは、表面凹凸測定ノイズに変換される。従って、平均を実行するために無相関スペックルノイズを含む複数の電場位相画像を提供することによって、サンプルの表面の形態特徴を測定できるという利点が得られる。これにより、例えば、薄い波長板サンプル又は半導体基板の表面がある特定のパターンで覆われている場合であっても、そのようなパターンを示す特徴を高精度で測定することができる。従って、第１の実施形態（図１）の透過構成又は第２の実施形態（図９）の反射構成がスペックルノイズの低減に関して同一の利点をもたらすことは言うまでもない。
【００７５】
本明細書において説明される例の範囲内で多くの変形が可能であることが当業者には理解されるであろう。従って、特定の実施形態を参照して本発明の特徴を説明したが、添付の特許請求の範囲の内容を用いて、構造や機能を拡張することが可能であろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【外国語明細書】
2013178484000001.pdf