(57)【要約】【課題】位相コントラスト撮像【解決手段】物体（１００）は、少なくとも１つの照明方向（１１０−１，１１０−２）から照明される。各照明方向（１１０−１，１１０−２）に関して、照明中に物体（１００）の強度画像が取得される。少なくとも１つの強度画像に基づいて、物体（１００）の位相コントラスト画像が生成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学装置（５００）を用いて物体（１００）の位相コントラスト画像（４１０）を生成する方法であって、
少なくとも２つの照明方向（１１０−１〜１１０−４）から前記物体（１００）を順次照明するステップと、
各照明方向（１１０−１〜１１０−４）に関して、それぞれの照明方向（１１０−１〜１１０−４）からの照明中に物体（１００）の強度画像（４０１−１〜４０１−６）を取得するステップとを含み、
少なくとも２つの照明方向（１１０−１〜１１０−４）が、それぞれの場合において一対（４２０−１〜４２０−３）の照明方向（１１０−１〜１１０−４）に割り当てられ、
前記方法は、画像空間内において前記物体（１００）の位相コントラスト画像（４１０）を得るために、取り込まれた強度画像（４０１−１〜４０１−６）に基づく複数の原画像（４０１−２〜４０２−６）を合成するステップをさらに含む
方法。
【請求項２】
対（４２０−１〜４２０−３）を構成する前記２つの照明方向（１１０−１〜１１０−４）は、前記光学装置（５００）の光軸（１２０）と相互に関連のある角度を形成する
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
照明方向（１１０−１〜１１０−４）の対の照明ベクトルは、互いに１０°より大きく、好ましくは２０°より大きく、特に好ましくは４０°より大きい角度を形成する
請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
照明方向（１１０−１〜１１０−４）の対の照明ベクトルは、それぞれの場合において、５°より大きい、好ましくは１０°より大きい、特に好ましくは２０°より大きい角度を前記光学装置（５００）の光軸（１２０）と形成する
請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
照明方向（１１０−１〜１１０−４）の第１の対（４２０−１〜４２０−３）は、関連する照明ベクトルの第１の差分ベクトルを決定し、
照明方向（１１０−１〜１１０−４）の第２の対（４２０−１〜４２０−３）は、関連する関連する照明ベクトルの第２の差分ベクトルを決定し、
前記第１の差分ベクトル（１１５−１，１１５−２）と前記第２の差分ベクトル（１１５−１，１１５−２）とは、互いに角度を形成する
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
照明方向（１１０−１〜１１０−４）の前記第１の対（４２０−１〜４２０−３）と照明方向（１１０−１〜１１０−４）の前記第２の対（４２０−１〜４２０−３）とは、３つ以上の照明方向（１１０−１〜１１０−４）を含む
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記位相コントラスト画像（４１０）を生成するための前記方法は、第１の位相コントラスト画像（４１０）及び第２の位相コントラスト画像（４１０）を生成するために、照明方向（１１０−１〜１１０−４）の前記第１の対（４２０−１〜４２０−３）及び前記第２の対（４２０−１〜４２０−３）に対して使用される
請求項５に記載の方法。
【請求項８】
対（４２０−１〜４２０−３）で配置された複数の照明方向（１１０−１〜１１０−４）から物体（１００）を順次照明するステップは、
各対（４２０−１〜４２０−３）に対して、前記光学装置（５００）の照明装置の発光ダイオードアレイの第１の発光ダイオードを作動させて、第１の照明方向（１１０−１〜１１０−４）から前記物体（１００）を照明するとともに、前記発光ダイオードアレイの第２の発光ダイオード（３００−１〜３００−１６）を作動させて、第２の照明方向（１１０−１〜１１０−４）から前記物体（１００）を照明するステップを含み、
前記発光ダイオードアレイは、ｎ列とｍ列とを有し、
前記第１の発光ダイオード（３００−１〜３００−１６）は、前記発光ダイオードアレイのｉ，ｊ番目の発光ダイオード（３００−１〜３００−１６）に対応し、
前記第２の発光ダイオード（３００−１〜３００−１６）は、ｎ−ｉ＋１，ｊ番目の発光ダイオード（３００−１〜３００−１６）、ｉ，ｍ−ｊ＋１番目の発光ダイオード（３００−１〜３００−１６）、ｎ−ｉ＋１，ｍ−ｊ＋１番目の発光ダイオード（３００−１〜３００−１６）からなるグループから選択される
請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
各場合において原画像を生成するために、照明方向（１１０−１〜１１０−４）の対（４２０−１〜４２０−３）に対応する複数の強度画像を合成するステップ
を含む請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
原画像（４０２−１〜４０２−６）を取得するために、捕捉された強度画像に演算子を適用するステップを含み、
前記演算子は、絶対値、自乗、平方根、符号逆転、画素の平滑化、画素の収差補正、各強度画像（４０１−１〜４０１−６）の画素値の平均値に対する正規化からなるグループから選択される
請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
原画像（４０２−１〜４０２−６）の合成は、原画像（４０２−１〜４０２−６）の加重和を含み、各原画像には重み係数が割り当てられ、
前記方法はオプションで、
各原画像に対して、対応する照明方向（１１０−１〜１１０−４）が光学装置（５００）の光軸（１２０）となす角度に基づいて重み付け係数を決定するステップを含む
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
物体（１００）を照明するステップは、
インコヒーレントな光を用いて照明すること、
白色光を用いて照明すること、及び、
前記物体（１００）と検出器との間の光学装置（５００）の光路内の光が、極フィルタ、プリズム、ウォラストンプリズム、位相リング、グレースケールフィルタからなるグループから選択される任意の要素を通過しないように照明すること
からなるグループから選択される基準を満たす
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
物体（１００）の位相コントラスト画像（４１０）を生成するように構成された光学装置（５００）であって、
少なくとも２つの照明方向（１１０−１〜１１０−４）から物体（１００）を照明するように構成された照明装置（５１１）を備え、
前記少なくとも２つの照明方向（１１０−１〜１１０−４）は、それぞれの場合において一対（４２０−１〜４２０−３）の照明方向（１１０−１〜１１０−４）に割り当てられ、
前記光学装置（５００）は、
前記各照明方向（１１０−１〜１１０−４）からの照明中に、照明方向（１１０−１〜１１０−４）ごとに前記物体（１００）の強度画像（４０１−１〜４０１−６）を取得するように構成された検出器（５１２）と、
前記物体（１００）の位相コントラスト画像（４１０）を生成するために、画像空間内で捕捉された強度画像（４０１−１〜４０１−６）に基づいて複数の原画像（４０２−１〜４０２−６）を合成するように構成された演算ユニット（５１４）とをさらに備える
光学装置（５００）。
【請求項１４】
請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された
請求項１３に記載の光学装置（５００）。
【請求項１５】
光学装置（５００）を用いて物体（１００）の位相コントラスト画像（４１０）を生成する方法であって、
１つの照明方向（１１０−１〜１１０−４）から物体を照明するステップを含み、
前記照明方向（１１０−１〜１１０−４）は、光学装置（５００）の光軸と有限の角度を形成し、
前記方法は、
前記照明方向（１１０−１〜１１０−４）からの照明中に物体（１００）の強度画像（４０１−１〜４０１−６）を取得するステップと、
位相コントラスト画像（４１０）を生成するために強度画像（４０１−１〜４０１−６）を処理するステップとをさらに含み、
前記強度画像（４０１−１〜４０１−６）を処理するステップは、前記位相コントラスト画像（４１０）の再スケーリングを含む
方法。
【請求項１６】
前記再スケーリングは、前記強度画像（４０１−１〜４０１−６）の画素値から前記強度画像（４０１−１〜４０１−６）の画素値の平均値を減算することを含む
請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記強度画像（４０１−１〜４０１−６）を処理するステップは、再スケーリングされた前記強度画像（４０１−１〜４０１−６）に絶対値演算子を適用することを含む
請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
物体（１００）の位相コントラスト画像（４１０）を生成するように構成された光学装置（５００）であって、
１つの照明方向（１１０−１〜１１０−４）から物体（１００）を照明するように構成され照明装置（５１１）を備え、
前記照明方向（１１０−１〜１１０−４）は、前記光学装置（５００）の光軸と有限の角度を形成し、
前記光学装置（５００）は、
前記照明方向（１１０−１〜１１０−４）からの照明中に物体（１００）の強度画像（４０１−１〜４０１−６）を取得するように構成された検出器（５１２）と、
前記位相コントラスト画像（４１０）を生成するために、前記強度画像（４０１−１〜４０１−６）を処理するように構成された演算ユニット（５１４）とをさらに備え、
前記強度画像（４０１−１〜４０１−６）を処理することは、前記位相コントラスト画像（４１０）の再スケーリングを含む
光学装置（５００）。
【請求項１９】
請求項１５乃至１７のいずれか一項に記載の方法を実行するように構成された
請求項１８に記載の光学装置（５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、物体の位相コントラスト画像を生成する方法及び対応する光学装置に関する。特に、本願は、物体が少なくとも２つの照明方向から順次照明され、対応する複数の強度画像に基づいて位相コントラスト画像が生成される技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の光学的撮像では、位相コントラスト画像として知られているものを生成することがしばしば望ましい。位相コントラスト画像においては、画像コントラストの少なくとも一部は、描写された物体を通る光の位相シフトによって引き起こされる。このことは、特定の物体では、光の振幅を減衰させないか、減衰したとしてもわずかな量に留めることを可能にするが、著しい位相シフト（位相物体）が比較的高いコントラストで描写されることになる。典型的には、顕微鏡における物体としての生物学的標本は、電磁場の振幅の変化よりも大きな位相変化を引き起こし得る。
【０００３】
例えば暗視野照明、斜め照明、微分干渉コントラスト（ＤＩＣ）又はゼルニケ位相コントラストのような位相コントラスト撮像のための様々な技術が知られている。さらなる技術は、例えばシュリーレン（ナイフエッジ）法又はヘリカル位相コントラストである。
【０００４】
このような前述の技術は、様々な欠点又は制約を有する。例えば、ＤＩＣ技法、ゼルニケ技法、シュリーレン法、及びヘリカル位相コントラストの場合であれば、従来の振幅撮像と比較すると、典型的には、検出光学系として知られる領域内の試料と検出器との間に追加の光学要素を必要とする。これは、特にモジュラー構造の顕微鏡の場合において、構造設計の制限につながる可能性がある。通常、コストが増加する。薄い標本の場合であれば、通常わずかな光子しか画像の生成に貢献しない暗視野照明では、ノイズの多い劣等品質の画像につながる可能性がある。画像のその後の評価又は分析が、可能ではないか、又は限定された範囲でのみ可能となる。斜めの照明は、典型的にはコントラストの非対称的な増加をもたらし、その結果、画像の品質が低下する可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願第１０２０１４１０１２１９．４号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、位相コントラスト撮像の改良された技術が必要とされている。特に、堅牢で簡単な光学装置の構成を可能にし、かつ、良好な画像品質を可能にするような技術が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的は、独立請求項の特徴によって達成される。従属請求項は、実施の形態を規定する。
【０００８】
一態様によれば、本発明は、光学装置を用いて物体の位相コントラスト画像を生成する方法に関する。この方法は、少なくとも２つの照明方向から物体を順次照明することを含む。この方法はまた、各照明方向に関して、それぞれの照明方向からの照明中に物体の強度画像を取得することを含む。この方法はまた、物体の位相コントラスト画像を得るために複数の原画像を合成することを含む。複数の原画像は、取り込まれた強度画像に基づくものである。上記少なくとも２つの照明方向は、それぞれの場合において、一対の照明方向に割り当てられる。
【０００９】
言い換えれば、上記少なくとも２つの照明方向は、それぞれの場合に対を形成してもよいし、対として配置されてもよい。この場合において、１つの照明方向は１つの対にしか割り当てられない可能性がある。しかしながら、照明方向の少なくともいくつかが複数の対に割り当てられることもまた、可能である。
【００１０】
例えば、光学装置は顕微鏡装置であってもよい。したがって、位相コントラスト画像は、拡大された物体を示すことができる。少なくとも２つの照明方向は、特に、理想的な光ビームが偏向を受けない又はわずかな偏光のみを受ける光学装置の軸（光軸）に対して異なる角度を形成し得る。シンプルな実装では、例えば、光軸に対して異なる角度を形成する任意の２つ又は３つ又はそれ以上の照明方向からの物体の強度画像を組み合わせることができる。そして、位相コントラスト画像において特定の位相コントラスト成分が既に得られている可能性がある。
【００１１】
強度画像は典型的には位相コントラストを有さず、また有意な位相コントラストをもたないが、原画像の合成によって、有意な位相コントラスト成分を有する位相コントラスト画像が生成され得る。特に、位相コントラスト撮像の他の従来技術と比較して、本発明の方法によれば、一方では位相コントラスト撮像の特に簡単な実行という効果が得られ、他方では特に簡単で結果的に低コストかつ光学デバイスの強固な構成という効果が達成され得る。特に、検出光学系の変更を必要とすることなく、本明細書に記載の技術に従って様々な従来の顕微鏡装置を使用することが可能である。
【００１２】
２つの照明方向を１つの組に割り当てるために、様々な基準が適用され得る。例えば、一対の照明方向の幾何学的基準が、例えば光軸に関して適用されてもよい。この方法では、例えば、位相コントラスト画像において特に高い位相コントラスト成分を生成することが可能となり得る。例えば、一対の照明方向は、光軸及び／又は光軸を含む平面に対して対称に配置され得る。しかし、代替的に又は追加的に、照明及び捕捉の時点が、２つの照明方向が対に属するための代替又は追加の基準として考慮されることも可能である。例えば、それぞれの強度画像が次々と直接的に捕捉される照明方向、又はまもなく次々と捕捉される照明方向は、対をなしてもよい。このようなやり方によれば、例えば運動アーチファクトに対する一定のロバスト性が達成され得る。一般に、位相コントラスト画像を生成するためのその後の評価は、２つの照明方向が対に属するための代替的又は追加の基準として考慮されてもよい。例えば、これらの強度画像を組み合わせることによって、対をなす２つの強度画像に対して単一の原画像が常に生成され得る。
【００１３】
対をなす２つの照明方向は、光軸と相互に関連のある角度を形成することができる。相互に関連のある角度は、例えば、実質的に同じ角度、又は、絶対的な意味で実質的に同じ角度を意味し、実質的に、光学装置による強度画像の捕捉における体系的又は統計的誤差、及び／又は、光学装置の照明装置の構造的に引き起こされる制限など、精度に関する技術的限界に対して特に特徴付けられ得る。絶対的な意味では異なるが、例えば光学装置の精度内で同一である角度が実現される限り、これは実質的に同じ角度の基準を満たすことができる。そのような基準は、以下では、光学装置の照明方向の角度及び／又は他の特性の対応する表示に適用される。
【００１４】
照明ベクトルの照明方向を記述するために、照明方向の幾何学的特性の記述が有用であり得る。照明ベクトルは、光学装置の原点に対して、例えば物体及び／又は焦点面と光軸との交差点に対して定義され得る。照明ベクトルの長さは、例えば、各照明方向からの照明の振幅に対応し得る。様々な照明ベクトルの方向についての以下の議論では、照明ベクトルの長さを考慮に入れることは不必要である。照明ベクトルが光軸と形成する角度は、各照明方向の角度に対応する。
【００１５】
例えば、一対の照明方向の照明ベクトルは、互いに１０°より大きく、好ましくは２０°より大きく、特に好ましくは４０°より大きい角度を形成することが望ましい場合がある。代替的に又は追加的に、一対の照明方向の照明ベクトルが各場合においてそれぞれ５°より大きい、好ましくは１０°より大きい、特に好ましくは２０°より大きい角度を光軸と形成することも可能である。これによれば、一対の照明方向の２つの照明ベクトル間の差分ベクトルが、光軸に垂直な有意成分を有することが達成され、このことは、位相コントラスト画像における位相コントラストを特に強く増加させ得る。
【００１６】
特に、一対の照明方向の２つの照明方向の照明ベクトルは、光学装置の光学軸を中心にして２５°よりも大きい角度、好ましくは５０°より大きい角度、特に好ましくは８５°より大きい角度だけ回転することによって、相互に変換され得る。その結果として、差分ベクトルが特に大きくなる。
【００１７】
一対の照明方向の２つの照明方向はまた、１６０°〜２００°、有利には１７５°〜１８５°、特に有利には１８０°の角度だけ光軸を中心にした回転によって関連する照明ベクトルを互いに変換され得るようにも配置され得る。関連する照明ベクトルは、光軸を中心に７０°〜１１０°、有利には８５°〜９５°、特に有利には９０°の角度だけ回転させることによっても互いに変換され得る、とすることも可能である。言い換えれば、一対の照明方向の２つの照明ベクトルは、１つの平面内にあり、光軸に対して対称的又は実質的に対称的に配置され得る。例えば、１８０°の回転が２つの照明ベクトルを互いに変換する場合、光軸はこの平面内にあり得る（この平面によって含まれ得る）。これによれば、一対の２つの照明方向が互いに対して相補的に配置されるので、位相コントラスト画像において比較的大きな位相コントラスト成分を得ることができる。
【００１８】
位相コントラスト画像を得るためには、一般的に、より多くの照明方向を使用することが望ましい。特に、様々な照明方向の適切な配置により、位相コントラスト画像における位相コントラスト成分が増加し得る。例えば、照明方向の複数の対を考慮に入れることが可能である。例えば、２つ又は４つ又は６つ又は８つの照明方向又はより多くの照明方向から物体を順次照明することが可能である。例えば、照明方向の第１の対は、関連する照明ベクトルの第１の差分ベクトルを決定することができる。照明方向の第２の対は、対応して、関連する照明ベクトルの第２の差分ベクトルを決定することができる。第１及び第２の差分ベクトルは互いに、例えば７０°〜１１０°、有利には８５°〜９５°、特に有利には９０°の角度を形成していてもよい。
【００１９】
これに対応して、第１の平面が照明方向の第１の対の照明ベクトルによって定義されることも可能である。第２の平面は、例えば、照明方向の第２の対の照明ベクトルによって定義されてもよい。第１の平面及び第２の平面は互いに、例えば７０°〜１１０°、有利には８５°〜９５°、特に有利には９０°の角度を成していてもよい。これらの平面は、例えば、平面内にある各照明ベクトルによって定義されてもよい。これらの平面は、各照明ベクトルの差分ベクトルに対して平行な法線ベクトルによって定義されることも可能である。光軸は、平面内に位置してもよい。
【００２０】
これによれば、２対の照明方向の照明ベクトルの差分ベクトルは、互いに９０°までの比較的大きな角度を形成することができる。その結果、様々な画像方向に沿って位相コントラスト画像における位相コントラストを増加させることができる。例えば、位相コントラスト画像における位相コントラスト成分は、一対の照明方向の照明ベクトルが光軸に垂直な成分を有する画像方向に沿って特に大きくなり得る。特に、位相コントラスト画像の位相コントラスト成分は、一対の照明方向の照明ベクトルの差分ベクトルが光軸に垂直な成分を有する方向に沿って特に大きくなることがある。このため、相補的及び／又は対称的に配置された照明方向を使用することが望ましい場合がある。位相コントラスト画像に等方性位相コントラストを生成するためには、照明方向が光軸に対して均一に分布した角度を形成することが望ましい。
【００２１】
例えば、方向に依存する位相コントラストを有する複数の位相コントラスト画像を生成することが可能である。例えば、第１の位相コントラスト画像は、第１の画像方向に沿って有意な位相コントラストを有することができ、第２の位相コントラスト画像は、第２の画像方向に沿って有意な位相コントラストを有することができ、第１及び第２の画像方向は互いに、例えば７０°〜１１０°、有利には８５°〜９５°、特に有利には９０°の角度を成す。
【００２２】
本態様によれば、位相コントラスト画像を生成するための方法は、例えば、照明方向の第１の対に対して使用され、かつ、照明方向の第２の対に使用されてもよく、それにより、第１の位相コントラスト画像及び第２の位相コントラスト画像が生成される。第１の対及び第２の対のそれぞれの照明ベクトルの差ベクトルは、互いに７０°〜１１０°の角度、有利には８５°〜９５°の角度、特に有利には９０°の角度を形成し得る。さらにまた、第１の位相コントラスト画像が第２の位相コントラスト画像とは異なる画像方向に沿って有意な位相コントラストを有することが達成され得る。方向に依存する位相コントラストが生成され得る。これは、位相コントラスト画像のその後の評価又は分析において特に高い情報内容を可能にする。
【００２３】
これに対応して、照明方向の第１の対の照明ベクトルは、光軸を含む第１の平面でミラーリングすることによって互いに変換することが可能である。照明方向の第２の対の照明ベクトルは、光軸を含み第１の平面に垂直である第２の平面でミラーリングすることによって互いに変換され得る。これは、一対の照明方向の照明ベクトルの差分ベクトルが互いに実質的に９０°の角度をなすことを意味する。すると、位相コントラスト画像は、色々な方向に沿って高い位相コントラストを有し得る。
【００２４】
上では、少なくとも２つの照明方向の様々な幾何学的配置について言及した。原理的には、多岐にわたる照明装置が様々な照明方向で物体の照明を行うために使用され得る。例えば、走査ミラーが例えば照明装置の視野停止面に使用され得る。照明装置の開口絞り又は照明瞳内においては、適応構成要素もまた使用され得る。例えば、特許文献１による照明装置が使用され得る。照明装置が発光ダイオードアレイを含むこともまた、可能である。例えば、発光ダイオードアレイの各発光ダイオードは、格子の個々のセルを正方形又は長方形とすることが可能になるデカルト格子に従って配置されてもよい。他のグリッド、例えば六角形の格子などを実装することもできる。例えば、発光ダイオードアレイは、例えば異なる半径を有する１つ以上の発光ダイオードのリングを含むことも可能である。例えば、光軸から特定の距離にある発光ダイオードアレイの特定の発光ダイオードを作動させることによって、特定の照明方向を実装することが可能になる。
【００２５】
したがって、この方法は、例えば、照明方向の各対に対して、発光ダイオードアレイの第１の発光ダイオードを作動させて、第１の照明方向から物体を照明するステップと、前記発光ダイオードアレイの第２の発光ダイオードを作動させて、前記物体を第２の照明方向から照明するステップとを含む。発光ダイオードアレイは、例えば、ｎ列の発光ダイオードとｍ列の発光ダイオードとを有することができる。第１の発光ダイオードは、発光ダイオードアレイのｉ，ｊ番目の発光ダイオードに対応し、これに対応して、第２の発光ダイオードは、ｎ−ｉ＋１，ｊ番目の発光ダイオード、ｉ，ｍ−ｊ＋１番目の発光ダイオード、ｎ−ｉ＋１，ｍ−ｊ＋１番目の発光ダイオードからなるグループから選択され得る。
【００２６】
したがって、ｉは発光ダイオードアレイの行インデックスを示し、したがって１からｎの範囲で選択される。したがって、ｊは、発光ダイオードアレイの列インデックスを示し、したがって、１からｍの範囲で選択される。正方形の発光ダイオードアレイであれば、ｍ＝ｎである。
【００２７】
このようにして発光ダイオードを対で対称的に活性化することにより、上述した特別な幾何学的関係を具体的に実現することができる。第２の発光ダイオードがｎ−ｉ＋１，ｊ又はｉ，ｍ−ｊ＋１に従って選択される場合、第３の平面に関して上述したようなシナリオが生じ得る。第２の発光ダイオードがｉ，ｍ−ｊ＋１に従って選択され、第３の発光ダイオードがｎ−ｉ＋１，ｊに従って選択される場合、第３及び第４の平面に関して上述したようなケースが発生し得る。第２の発光ダイオードがｎ−ｉ＋１，ｍ−ｊ＋１に従って選択される場合には、光軸回りの回転によって照明方向を実質的に１８０°変換する上記のケースが生じ得る。
【００２８】
上述したように、一般には、色々な数及び配置の照明方向が選択され得る。特に、互いに特定の幾何学的関係にある照明方向の対が選択され得る。そのような場合、一般に、１つの対は、位相コントラスト画像内の線の構造の位相コントラストを、対の中の接続線に対して垂直に、すなわち差分ベクトルに対して平行に、増加させることができる。対の中の接続線は、この場合、照明ベクトルの差の変化に対応し得る。一般に、位相コントラスト画像を生成するための方法は、特に迅速に実行されることが望ましい。これは、典型的には、１対又は２対の照明方向で既に達成され得る。例えば２対の照明方向が使用されている限り、その２つの対は、９０°回転され得る。一般に、生成された位相コントラスト画像における位相コントラストのより均一な増加は、照明方向の空間のより高い走査速度とともに達成され得る。これは一般に、例えば照明方向の対応する空間にわたって均一又はランダムに分配される、より多くの対の照明方向が望ましいことを意味する。異なる斜めの照明方向は、特に、位相コントラスト画像の可塑性を増加させることがある。光軸に対して有限の角度を形成する照明方向については上で具体的に議論したが、光軸に平行な照明方向を使用することも一般に可能である。考えられる照明方向の数、又は、位相コントラスト画像の位相コントラストに使用される強度画像の影響とは別に、比較的多数の照明方向の使用もまた、信号対ノイズ比に関連して望ましいことがある。一般に、位相コントラスト画像を得るためにより多くの強度画像が使用されるほど、位相コントラスト画像はノイズの影響を受けにくくなり得る。信号ノイズは、例えば光子ノイズ及び／又は個々の強度画像のカメラノイズによって引き起こされ得る。
【００２９】
上では照明方向のタイプ及び／又は配置に関係する技術が主に説明されたが、以下では、取り込まれた強度画像に基づいて位相コントラスト画像を生成することに関係する技術が主に説明される。
【００３０】
簡単な実施例では、原画像は強度画像に対応し得る。しかしながら原画像は、特定の後処理ステップを使用することによっても、強度画像から取得され得る。その結果、例えば、比較的高い位相コントラスト及び／又は比較的高い信号対ノイズ比を有する位相コントラスト画像を生成することが可能であり得る。例えば、原画像は、捕捉された強度画像に演算子を適用することによって取得され得る。この演算子は、例えば、絶対値、自乗、平方根、符号逆転、画素の平滑化、画素の収差補正、各強度画像の画素値の平均値に対する正規化からなるグループから選択され得る。例えば、平均値に対する正規化は、対応する原画像を得るために、各強度画像の各画素値から各強度画像の画素値の平均値を減算することを含み得る。
【００３１】
原画像が各強度画像に対して決定されること、すなわち、強度画像と原画像との間に１：１の関係が成り立つことは、一般的に可能である。しかし、複数の強度画像を組み合わせて原画像を形成することも可能である。例えば、原画像はしたがって、複数の強度画像を組み合わせることによって決定され得る。
【００３２】
この方法はまた、例えば、各場合において原画像を形成するために、一対の照明方向に対応する複数の強度画像を合成することを含むことが可能である。特に、１つの対に割り当てられた複数の照明方向が特定の幾何学的関係を満たす場合、この方法で、生成された位相コントラスト画像において特に高い位相コントラスト成分が取得され得る。このようにして得られた原画像は、その後、位相コントラスト画像を生成するために組み合わされ得る。
【００３３】
各場合において原画像を形成するために一対の照明方向の２つの強度画像を合成することにより、合成動作において特に大きな柔軟性が保証される。特に、合成動作において、例えば、個々の画像をより大きな又はより小さな程度に重み付けすることが可能であり得る。これによれば、例えば、それぞれの照明方向が光軸となす角度に起因して生じ得る光学的効果を補償することが可能である。例えば、各照明方向が光軸とより大きい（より小さい）角度で捕捉された度画像の中間強度は、より小さく（より大きく）なり得る。適切な組み合わせ技術によって、そのような効果を補償することが可能であり得る。特に、比較的多数の強度画像及び／又は原画像を一度に組み合わせる技術と比較して、柔軟性を高めることができる。
【００３４】
例えば、強度画像の合成は、原画像を得るためにそれぞれの強度画像の減算を含むことができる。原画像の合成は、位相コントラスト画像を生成するために原画像の絶対値の加算を含むことができる。
【００３５】
したがって、一般的には、合成の手法は特に限定されない。種々の原画像は、例えば減算されてもよいし、加算されてもよい。それらが原画像を得るために組み合わされる限り、強度画像に対応して同じことが適用される。
【００３６】
例えば、原画像の合成は、原画像の加重和を含むことができる。加重和では、各原画像に重み係数が割り当てられ得る。この方法は、例えば、各原画像に対して、対応する照明方向が光学装置の光軸となす角度に基づいて重み付け係数を決定することも含むことができる。例えば、重み付け係数は、光軸に対する対応する照明方向の角度が大きい（小さい）ほど大きく（小さく）なるように決定されてもよい。典型的には、各強度画像の信号対ノイズ比は、対応する照明フィールドの振幅が同じ値を維持するとすれば、光軸に対する各照明方向の角度が大きい（小さい）ほど、小さく（大きく）なる。これによれば、より大きな照明方向の角度に対して、より小さな強度画像の信号対ノイズ比が補償され得る。例えば、重み付け係数は、光軸に平行である各照明ベクトルの成分が所定の長さ、例えば様々な照明方向について同じ長さをとるように決定されてもよい。
【００３７】
したがって、加重和を実行することにより、結合動作において、様々な照明方向又は各様々な照明方向の対の各強度画像に対する様々な影響を考慮に入れることができる。これによれば、例えば様々な照明方向を光軸の左右で区別せずに組み合わせる技術と特に比較して、特に高品質の位相コントラスト画像を生成することが可能である。
【００３８】
前述の技術によれば、例えば従来の位相コントラスト画像形成技術で使用されるようなさらなる光学素子を使用することが不要となり得る。特に、例えば、光を用いた照明は、物体と検出器との間の光学装置の光路内の光が、極フィルタ、プリズム、ウォラストンプリズム、位相リング、グレースケールフィルタからなるグループから選択される任意の要素を通過しないように実行され得る。したがって、光学装置の簡略化された構成は、特に、例えばＤＩＣ技術又はゼルニケ技術のような確立された既知の位相コントラスト撮像技術に関連して達成され得る。これは、運用コストを低下させるか、運用中の障害の発生し易さを低下させ得る。さらに、本方法にとっては、とりわけコヒーレントな光及び／又は単色光を使用することが不要であり得る。例えば、インコヒーレントな光で照明を行うことができる。特に、物体の照明は、有意なスペクトル幅を有する白色光で実行されてもよい。これによれば、光学装置の照明装置を障害に対して比較的低コストかつ頑強にすることが可能になる。
【００３９】
特に、従来の強度撮像に関して、検出光学系内、すなわち物体と検出器との間で修正を実行することが不要になり得る。このことは、様々な顕微鏡で前述の技術を使用することを可能にする。特に、ＤＩＣ技術、ゼルニケ技術、及び検出光学系に介在する他の技術、例えばシュリーレン法又はヘリカル位相コントラストと比較して、これは使用の柔軟性を高める効果を有する。さらに、位相強度画像を合成して位相コントラスト画像を生成することにより、薄い試料であっても位相コントラスト画像において明るく見えることが保証され、これは、暗視野照明に基づく位相コントラスト画像技術と比較して特に有利である。上述したように照明方向を適切に選択することにより、生成された位相コントラスト画像における位相コントラストが色々な方向で均一又は意図的に増加することを確実にすることができる。特に、これによれば、斜め照明の従来技術と比較して、改良された位相コントラスト画像が生成され得る。さらに、上述の技術によって、光学装置の検出装置の絞りと同じ又は実質的に同じである照明装置の絞りを選択することが可能となり、特に、照明絞りを検出絞りよりも大きくすることが不要となる。このようにして、例えば暗視野照明と比較して単純化された構成の光学装置を得ることが可能になる。上述の技術によれば、生成された位相コントラスト画像のコントラストが位相シフトに比例する定量的位相再構成を実行することも可能である。特に、これによれば、例えば暗視野照明、斜め照明、ＤＩＣ技術、ゼルニケ位相コントラスト、シュリーレン法、又はヘリカル位相コントラストのような画像空間で動作する従来の技術と比較して、特に有意義な位相コントラスト画像が生成され得る。画像空間の代わりに空間周波数空間で動作する、例えばフーリエパターンのようなさらなる技術は、本件のように、典型的には現在の技術よりも広範囲かつより複雑な計算ステップを必要とし、画像空間で動作する。したがって、特に、リアルタイム用途又は位相コントラスト画像の迅速な生成が望まれる用途の場合には、前述の技術の適用が特に望ましいことがある。
【００４０】
一般に、原画像の合成又は強度画像からの原画像の生成は、柔軟に適応可能である。したがって、例えば、原画像の加重和における重み付け係数は、例えば、標本依存的に又はユーザによって適合させられ得る。これは、例えば、調査される特定の標本に対して最適化された、生成された位相コントラスト画像の位相コントラストを可能にする。これは特に、光学装置のハードウェアに介入を行う必要なしに可能であり得る。これは、特に位相コントラスト撮像の従来技術と比較して、位相コントラスト画像を生成するための撮像パラメータの単純化された適合を可能にすることができる。特に、そのような撮像パラメータは、より堅牢かつより確実に適合させられ得る。また、撮像パラメータを遡及的に、すなわち物体を照明して捕捉した後に適応させることも可能である。このことは、撮像における柔軟性を向上させ得る。さらに、描写された物体の振幅情報の項目が結果としての画像において考慮される。これは、特に暗視野照明の従来技術と比較して、有利であり得る。
【００４１】
さらなる態様によれば、本願は光学装置に関する。光学装置は、物体の位相コントラスト画像を生成するように構成される。光学装置は、照明装置を備え、この照明装置は、少なくとも２つの照明方向から物体を照明するように構成される。この少なくとも２つの照明方向は、それぞれの場合において、一対の照明方向に割り当てられる。光学装置は検出器を含み、この検出器は、各照明方向からの照明中に、照明方向ごとに物体の強度画像を取得するように構成される。光学装置はまた、演算ユニットを備え、この演算ユニットは、物体の位相コントラスト画像を生成するために、画像空間内で捕捉された強度画像に基づいて複数の原画像を合成するように構成される。
【００４２】
照明装置は、発光ダイオードアレイを備えることができる。発光ダイオードアレイの各発光ダイオードは、インコヒーレントな光で物体を照明することができる。
【００４３】
本願のここで議論する態様による光学装置は、本願のさらなる態様による位相コントラスト画像を生成する方法を実行するように構成され得る。
【００４４】
本発明のさらなる態様による位相コントラスト画像を生成する方法で得られる効果に匹敵する効果が、このような光学装置に対して達成され得る。
【００４５】
さらなる態様によれば、本願は、光学装置を用いて物体の位相コントラスト画像を生成する方法に関する。この方法は、１つの照明方向から物体を照明することを含む。この照明方向は、光学装置の光軸と有限の角度を形成する。この方法はまた、上記照明方向からの照明中に物体の強度画像を取得することを含む。この方法はまた、位相コントラスト画像を生成するために強度画像を処理することを含む。強度画像の処理は、位相コントラスト画像の再スケーリングを含む。
【００４６】
したがって、単一の強度画像のみに基づいて位相コントラスト画像を生成することが可能であり得る。そのような技術によれば、位相コントラスト画像を特に迅速に生成することが可能である。これは、例えば、移動する試料に関して利点を有し得る。比較的低い露光量で物体を照らすことも可能である。さらに、そのような技術は、位相コントラスト画像を生成する際の計算能力の低下という影響を有し得る。したがって、例えば、複数の強度画像又は比較的多数の強度画像を処理することは不要であり得る。これによれば、後処理によって位相コントラスト画像を生成することを、特に迅速に行うことができる。
【００４７】
この方法はまた、様々な照明方向に対して強度画像の捕捉及び処理を繰り返し実行すること、及び、生成された位相コントラスト画像を合成することを含むことが可能である。これによれば、例えば、位相コントラスト画像において特に高い位相コントラスト成分を生成することが可能であり得る。このようにして得られた位相コントラスト画像における信号対雑音比を特に高くすることも達成される。
【００４８】
一般的には、様々な技術が再スケーリングのために使用され得る。例えば、再スケーリングは、強度画像の画素値から強度画像の画素値の平均値を減算することを含み得る。例えば、各場合において、強度画像の各画素値からすべての画素値の平均値が減算され得る。画素値は、例えば、各画素によって表される位置における物体の輝度に比例することができる。
【００４９】
一般に、強度画像の処理は、さらなるステップ、例えば平滑化ステップなどを含むことができる。例えば、強度画像の処理はまた、再スケーリングされた強度画像に絶対値演算子を適用することを含む。例えば、絶対値演算子の適用は、各画素について、正の符号を有する画素値がそれぞれ出力されるという効果を有し得る。
【００５０】
さらなる態様によれば、本願は、物体の位相コントラスト画像を生成するように構成された光学装置に関する。光学装置は照明装置を備え、この照明装置は、１つの照明方向から物体を照明するように構成される。この照明方向は、光学装置の光軸と有限の角度を形成する。照明装置はまた、検出器を備え、この検出器は、上記照明方向からの照明中に物体の強度画像を取得するように構成される。光学装置はまた、演算ユニットを備え、この演算ユニットは、位相コントラスト画像を生成するために強度画像を処理するように構成される。この処理は、位相コントラスト画像の再スケーリングを含む。
【００５１】
例えば、ここで議論される態様による光学装置は、本発明のさらなる態様による位相コントラスト画像を決定するための方法を実行するように構成され得る。
【００５２】
本発明のさらなる態様による位相コントラスト画像を決定するための方法で達成され得る効果に匹敵する効果が、そのような光学装置に対して達成され得る。
【００５３】
上で提示された特徴及び以下で説明される特徴は、対応して明示的に提示された組み合わせだけでなく、本発明の保護の範囲から逸脱することなく、それ自体での組み合わせに対して使用され得る。特に、１つ又は複数の強度画像に基づいて位相コントラスト画像が生成される場合の態様を参照して上述された様々な特徴を組み合わせることが可能であり得る。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
上で説明された本発明の特性、特徴、及び利点、並びに、それらが達成される方法は、図面と併せてより詳細に説明される例示的な実施形態の以下の説明と関連して、より明瞭になり、より容易に理解できるようになる。
【図１】図１は、２つの異なる照明方向から物体を照明することを２次元的に示す。
【図２Ａ】図２Ａは、４つの照明方向から物体を照明することを３次元的に示し、２つの照明方向は各場合において対を形成する。
【図２Ｂ】図２Ｂは、３つの異なる照明方向から物体を照明することを３次元的に示し、２つの照明方向は各場合において対を形成する。
【図３】図３は、異なる照明方向から物体を照明するために使用され得る発光ダイオードアレイを模式的に示す。
【図４Ａ】図４Ａは、様々な照明方向から物体を照明しながら捕捉された強度画像から位相コントラスト画像を生成するシーケンスを示し、原画像は強度画像ごとに生成され、位相コントラスト画像を生成するために結合される。
【図４Ｂ】図４Ｂは、様々な照明方向から物体を照明しながら捕捉された強度画像から位相コントラスト画像を生成するシーケンスを示し、強度画像は対として結合されて原画像を形成し、原画像は位相コントラスト画像を生成するために結合される。
【図５】図５は、光学装置を模式的に示す。
【図６】図６は、位相コントラスト画像を生成するための方法のフロー図である。
【図７】図７は、原画像の加重和に関して、対応する照明方向の角度に対する重み係数の依存性を示す。
【図８】図８は、光軸に対して有限の角度を形成する照明方向から物体を照明することを示す。
【図９】図９は、図８の照明方向に関して捕捉された強度画像の画素値を示す。
【図１０】図１０は、図９に対応するもので、画素値が再スケーリングされている。
【図１１】図１１は、図１０に対応するもので、絶対値演算子が画素値に適用されている。
【発明を実施するための形態】
【００５５】
本発明は、図面を参照して、好ましい実施形態に基づき、以下でより詳細に説明される。図面において、同じ参照符号は同じ又は類似の要素を示す。図面は、本発明の様々な実施形態の模式的な表現である。図面に描かれた要素は、必ずしも縮尺通りに示されていない。むしろ、図面に描かれた様々な要素は、それらの機能及び汎用目的が当業者に理解可能となるように再現されている。図面に示されている機能ユニットと要素との間の接続及び結合は、間接的な接続又は結合として実装され得る。接続又は結合は、有線又は無線方式で実施することができる。機能ユニットは、ハードウェア、ソフトウェア、又はハードウェアとソフトウェアの組み合わせとして実装され得る。
【００５６】
光学装置を用いて位相コントラスト画像を生成する技術が以下で説明される。これらの技術は、特定の照明方向に対して取り込まれた物体の１つ又は複数の強度画像の処理又は後処理に基づく。１つのシナリオでは、位相コントラスト画像は、単一の強度画像に基づいて生成され得る。さらなるシナリオでは、位相コントラスト画像は、複数の強度画像に基づいて生成され得る。強度画像に基づく原画像を合成することにより、位相コントラスト画像において位相コントラストを得ることができる。そのようなシナリオでは、照明方向は、特に対として構成され、各場合において、一対の照明方向に対応する強度画像が結合されて原画像を形成する。続いて、このようにして得られた原画像が、位相コントラスト画像を生成するために合成され得る。
【００５７】
位相コントラスト画像の位相コントラストは、照明方向の適切な選択によって制御され得る。特に、１つの対に割り当てられた複数の照明方向の幾何学的関係が、位相コントラストに特定の寄与をなし得る。例えば、一対の照明方向の２つの照明方向は、光学装置の光軸と相関する角度を形成し得る。相関角度は、例えば、１つの対の２つの照明方向が、光軸に関して対称であるか、又は、とにかくそれと同じ絶対値の角度を形成することを意味する。このような手法によれば、例えば、位相コントラスト画像の様々な画像方向にわたって、等方性又は異方性である位相コントラストを意図的に生成することが可能である。位相のコントラストはまた、照明方向、及び、場合によっては振幅などの各照明フィールドのさらなるパラメータが分かっている限り、定量的に決定され得る。一般に、一対の照明方向の２つの照明方向は、可能な限り大きい角度、例えば１０°より大きく、又は２０°より大きく、又は４０°より大きい角度を互いに形成することが望ましい場合がある。一対の照明方向の第１の照明方向が、例えば５°より大きく、又は１０°より大きく、又は２０°より大きい第１の角度を光軸と形成することが望ましい場合もある。一対の照明方向の第２照明方向が、例えば５°より大きく、又は１０°より大きく、又は２０°より大きい第２の角度を光軸と形成することが望ましい場合もある。一対の照明方向の間、又は、照明方向と光軸の間にそのような比較的大きな角度を形成することは、位相コントラスト画像において比較的大きな位相コントラスト成分が得られることを可能にする。
【００５８】
したがって、本技術は、強度画像の適切な処理によって、すなわち実際の捕捉後に、強度画像から位相コントラスト画像を生成することを可能にする。光学装置の検出器の領域にさらなる光学素子を設ける必要はない。光を用いた照明は、特に、物体と検出器との間の光学装置の光路内の光が、極フィルタ、プリズム、ウォラストンプリズム、位相リング、グレースケールフィルタからなるグループから選択される任意の要素を通過しないように実行され得る。これによれば、例えばＤＩＣ技術などの確立された位相コントラスト撮像技術と比較して、光学装置の単純化された、特に堅牢な構成が達成され得る。光は、有意なスペクトル帯域幅を有することができ、特定のコヒーレンス基準を満たす必要はない。
【００５９】
図１では、第１に、第１の照明方向１１０−１および第２の照明方向１１０−２の１次元ビューが表されている。図１にはまた、光軸１２０及び照明される物体１００も示されている。図１から理解されるように、第１の照明方向１１０−１は、光軸１２０と第１の角度１１１−１を形成する。さらに、第２の照明方向１１０−２は、光軸１２０と第２の角度１１１−２を形成する。特に、第１の照明方向１１０−１及び第２の照明方向１１０−２は、光軸１２０に関して対称に配置される。角度１１１−１，１１１−２は、絶対的な意味で同一である（角度の値は、光軸１２０から始まってゼロから上方に数えられるが、方向に応じて代数符号が与えられる）。
【００６０】
照明方向１１０−１，１１０−２のより良い幾何学的記述のために、照明ベクトルに頼ることが可能である。照明ベクトルは、物体１００内で終わることができ、光軸１２０との間に、それぞれの照明装置１１０−１，１１０−２の角度１１１−１，１１１−２に対応する角度を形成することができる。
【００６１】
図２Ａには、そのようなシナリオが３次元的に表されている。図２Ａでは、４つの照明方向１１０−１〜１１０−４が照明ベクトルによって表されている。照明方向１１０−１〜１１０−４は、光軸１２０に対して同じ角度を形成する。第１の照明方向１１０−１は、光軸１２０を中心に１８０°回転することによって、第３の照明方向１１０−３に変換され得る。これに対応して、第１の照明方向１１０−１及び第３の照明方向１１０−３並びに光軸１２０は、（図２Ａに破線で表される）第１の平面２０１−１内に位置する。第１の照明方向１１０−１及び第３の照明方向１１０−３は、一対の照明方向を形成する。例えば、第１及び第３の照明方向１１０−１，１１０−３の関連する強度画像は、原画像を形成するために、例えばこれらの強度画像の減算又は加算によって結合され得る。
【００６２】
図２Ａから、第２の照明方向１１０−２が１８０°の光軸１２０の周りの回転によって第４の照明方向１１０−４に変換され得ることが理解される。第２の照明方向１１０−２、第４の照明方向１１０−４、及び光軸１２０は、（図２Ａに破線で表される）第２の平面２０１−２内にある。例えば、第２及び第４の照明方向１１０−２，１１０−４の関連する強度画像は、原画像を形成するために結合され得る。このようにして得られた２つの原画像は、位相コントラスト画像を生成するために、例えばこれらの強度画像の減算または加算によって、次々に結合され得る。位相コントラスト画像は、例えば、図２Ａに示されるｘ方向およびｙ方向に沿って配置され得る。
【００６３】
照明方向１１０−１，１１０−３からなる第１の対の第１の平面２０１−１、及び、照明方向１１０−２，１１０−４からなる第２の対の第２の平面２０１−２は、互いに９０°の角度をなす。図２Ａには、照明方向１１０−１，１１０−３からなる第１の対の照明ベクトルの接続線、すなわち第１の差分ベクトル１１５−１も示されている。照明方向１１０−２，１１０−４からなる第２の対の照明ベクトルの第２の差分ベクトル１１５−２も表されている。図２Ａから、これらの差分ベクトル１１５−１，１１５−２もまた、第１及び第２の平面２０１−１，２０１−２に明確に対応して９０°の角度を形成することが理解される。典型的には、照明方向１１０−１，１１０−３の第１の対は、対応する差分ベクトル１１５−１に対して垂直に、位相コントラスト画像における位相コントラストを増加させる。これに対応して、照明方向１１０−２，１１０−４の第２の対は、対応する差分ベクトル１１５−２に対して垂直に、位相コントラスト画像における位相コントラストを増加させる。図２Ａのシナリオでは、２つの差分ベクトル１１５−１，１１５−２は、互いに９０°の角度を形成する、すなわち照明方向１１０−１〜１１０−４の空間にわたって均一に分布するので、比較的等方性の位相コントラストが様々な画像方向に沿って、位相コントラスト画像において生成され得る。例えば、光軸１２０とさらなる角度を形成するさらなる照明方向（図２Ａには示されていない）を考慮することによって、位相コントラスト画像の様々な画像方向に沿って位相コントラストの等方性を増加させることが可能である。
【００６４】
図２Ａのシナリオでは、高い位相コントラストが存在する方向は、ｘｙ画像軸位相コントラスト画像に対して４５°傾いている。照明方向１１０−１〜１１０−４の対を適切に形成することによって、ｘｙ画像軸に沿って位相コントラスト画像の位相コントラストを増加させることも可能である。図２Ｂには、このことが示されている。図２Ｂのシナリオでは、照明方向１１０−１及び１１０−２が第１の対を形成する。照明方向１１０−１，１１０−４は、第２の対を形成する。このことは、第２の照明方向１１０−２が２つの対に割り当てられていることを意味する。図２Ｂから、（図２Ｂに破線で示される）第３の平面２０１−３が光軸１２０を含むことも理解される。さらに、（図２Ｂに破線で示される）第４の平面２０１−４は、光軸１２０を含む。第３の平面２０１−３及び第４の平面２０１−４は、互いに対して垂直に方向付けられている。第１の対の照明方向１１０−１，１１０−２の照明ベクトルは、第３の平面２０１−３のミラーリングによって互いに変換され得る。対照的に、照明方向の第２のペアの照明ベクトル１１０−１，１１０−４は、第４の平面２０１−４のミラーリングによって相互に変換され得る。
【００６５】
図２Ｂから理解されるように、第１及び第２の対の照明方向１１０−１，１１０−２，１１０−４の差分ベクトル１１５−１，１１５−２は、９０°の角度で互いに垂直に方向付けられている（図２Ａも参照）。同時に、差分ベクトル１１５−１，１１５−２は、各場合において、（図２Ａとは異なり）位相コントラスト画像のｘ、ｙ画像軸に平行に方向付けられている。照明方向１１０−１，１１０−２，１１０−４からなる１つの対に属する複数の強度画像は、各場合において、原画像を形成するために順次結合され得る。これらの原画像は次いで、単一の位相コントラスト画像を形成ために結合され得る。この位相コントラスト画像は、様々な方向に沿って比較的等方的に分布した位相コントラストを有する。
【００６６】
しかし、照明方向１１０−１，１１０−２からなる第１の対に対して第１の位相コントラスト画像を生成し、照明方向１１０−１，１１０−４からなる第２の対に対して第２の位相コントラスト画像を生成することも可能である。これら２つの位相コントラスト画像は、異なる画像方向に沿って増加する位相コントラストを有する。これは例えば、描写された物体１００の特性の分析において有利であり得る。特に、照明方向１１０−１，１１０−２からなる第１の対に基づいて決定される第１の位相コントラスト画像は、ｙ画像方向に沿って増加する位相コントラストを有する。相応して、照明方向１１０−１，１１０−４からなる第２の対に基づいて決定される第２の位相コントラスト画像は、ｘ画像方向に沿って増加する位相コントラストを有する。
【００６７】
図２Ａ及び図２Ｂでは、それぞれ対称性の高いケースが示されている。図２Ａでは、実質的に１８０°の角度だけ光軸を中心に回転することによって、対を形成する照明方向１１０−１〜１１０−４を互いに変換することが可能である。図２Ｂでは、実質的に９０°の角度だけ光軸１２０を中心に回転することによって、対を形成する照明方向１１０−１〜１１０−４を互いに変換することが可能である。例えば、図２Ｂを参照して詳細に説明すると、ここでは第１の照明方向１１０−１は、光軸１２０を中心に９０°回転することによって第２の照明方向１１０−２に、−９０°の回転によって第４の照明方向１１０−４に、変換されることができる。しかし、光軸１２０の周りの他の回転角度によって互いに変換され得るように、複数の照明方向を配置することも可能である。したがって、対を形成する照明方向１１０−１〜１１０−４は、光軸１２０を中心に、例えば２５°より大きく、好ましくは５０°より大きい９０°又は１８０°以外の角度だけ回転することによって、互いに変換され得る。一般に、照明方向１１０−１〜１１０−４の対の照明ベクトルは、光軸１２０を含む平面２０１−３，２０１−４でミラーリングすることによって互いに変換されることができ、対を形成する照明方向１１０−１〜１１０−４の間の対応する差分ベクトル１１５−１，１１５−２と平行に方向付けられる法線ベクトルを有する。
【００６８】
一般に、様々な照明方向１１０−１〜１１０−４の照明ベクトルは、図２Ａ及び図２Ｂの高度に対称的なケースのように、光軸１２０に関して円上に配置されている、すなわち、光学的な軸の周りの回転によって相互に変換され得る必要はない。例えば、一対の照明方向の照明方向１１０−１〜１１０−４は、光軸１２０と異なる角度を形成してもよい。
【００６９】
図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したような幾何学的関係は、有限数の可能な照明方向１１０−１，１１０−４のみを提供する様々な照明装置によって実施され得る。換言すれば、照明装置に依存して、極めて特定の照明方向１１０−１〜１１０−４のみが実現され得る。そして、例えば、それぞれの場合に、所定の幾何学的基準（例えば、特定の角度による光軸１２０周りの回転など）を満たす最も近い照明方向１１０−１〜１１０−４が可能な限り選択され得る。この選択は、照明装置の精度の限界内で幾何学的基準を満たす。
【００７０】
したがって、原則として、様々な照明方向１１０−１〜１１０−４から物体を照明するために、多種多様な照明装置５１１を使用することが可能である。図３には、照明装置５１１の一例が、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイの形態で示されている。図３のＬＥＤアレイ５１１は、光軸１２０に関して対称的に配置された４列のＬＥＤおよび４列のＬＥＤを含む。例えば、ＬＥＤ３００−１１は、照明方向１１０−１に沿って物体１００を照明することを可能にするために作動させられ得る。ＬＥＤ３００−１０は、物体１００を照明方向１１０−２に沿って照明することを可能にするために作動させられ得る。ＬＥＤ３００−６は、物体１００を照明方向１１０−３に沿って照明することを可能にするために作動させられ得る。ＬＥＤ３００−７は、照明方向１１０−４に沿って物体１００を照明することを可能にするために作動させられ得る。例えば、図２Ｂに示すような技術からの類推により、以下のＬＥＤ３００−１〜３００−１６は、照明方向１１０−１〜１１０−４の対に対応する。すなわち、ＬＥＤ３００−１及びＬＥＤ３００−１２、ＬＥＤ３００−５及びＬＥＤ３００−９、ＬＥＤ３００−２及びＬＥＤ３００−１４、ＬＥＤ３００−６及びＬＥＤ３００−１０、ＬＥＤ３００−２及びＬＥＤ３００−１５、ＬＥＤ３００−７及びＬＥＤ３００−１１、ＬＥＤ３００−４及びＬＥＤ３００−１６、ＬＥＤ３００−８及びＬＥＤ３００−１２である。例えば、照明方向１１０−１〜１１０−４の対のそれぞれの強度画像は、各場合において原画像を得るために順に減算され得る。次いで、このようにして得られた原画像は、その後、第１の位相コントラスト画像を生成するために合計され得る。第１の位相コントラスト画像は、ｘ画像方向に沿って特に高い位相コントラストを有する。
【００７１】
これに対応し、ｙ方向に沿って高い位相コントラストを生成するために、各場合において、以下のＬＥＤ３００−１〜３００−１６を照明方向１１０−１〜１１０−４の対に組み合わせることも可能である。すなわち、ＬＥＤ３００−１及びＬＥＤ３００−４、ＬＥＤ３００−５及びＬＥＤ３００−８、ＬＥＤ３００−２及びＬＥＤ３００−３、ＬＥＤ３００−６及びＬＥＤ３００−７、ＬＥＤ３００−９及びＬＥＤ３００−１２、ＬＥＤ３００−１３及びＬＥＤ３００−１６、ＬＥＤ３００−１０及びＬＥＤ３００−１１、ＬＥＤ３００−１４及びＬＥＤ３００−１５である。そのようなシナリオでは、第１の位相コントラスト画像ＤＰＧＣｘは、以下の式に従って計算され得る。
ＤＰＧＣｘ＝Ｉ１−Ｉ１３＋Ｉ５−Ｉ９＋Ｉ２−Ｉ１４＋Ｉ６−Ｉ１０＋Ｉ３−Ｉ１５＋Ｉ７−Ｉ１１＋Ｉ４−Ｉ１６＋Ｉ８−Ｉ１２        （１）
【００７２】
同様に、以下の式に従って第２の位相コントラスト画像ＤＰＧＣｙを計算することが可能である。
ＤＰＧＣｙ＝Ｉ１−Ｉ４＋Ｉ５−Ｉ８＋Ｉ２−Ｉ３＋Ｉ６−Ｉ７＋Ｉ９−Ｉ１２＋Ｉ１３−Ｉ１６＋Ｉ１０−Ｉ１１＋Ｉ１４−Ｉ１５        （２）
【００７３】
ここで、それぞれの場合におけるＩｉは、対応するＬＥＤ３００−１〜３００−１６の活性化に対応する各照明方向１１０−１〜１１０−１４からの物体１００の照明による強度画像を示す。
【００７４】
図３では、ＬＥＤ３００−１〜３００−１６について行及び列のインデックスが示されている。例えば、ＬＥＤ３００−７は、行インデックスｉ＝３、及び、列インデックスｊ＝２を有する。一般に、例えば図２Ａ及び図２Ｂのうちの１つによる照明方向１１０−１〜１１０−４を実施するために、本方法は、第１の照明方向１１０−１〜１１０−４から物体を照明するための第１の発光ダイオード３００−１〜３００−１６を作動させること、及び、と、第２の照明方向１１０−１〜１１０−４から物体を照明するための第２のＬＥＤ３００−１〜３００−４を作動させることを含む。第１のＬＥＤ３００−１〜３００−１６は、行インデックスｉと列インデックスｊとを有する。そのとき、第２のＬＥＤ３００−１〜３００−１６は、行インデックスｎ−ｉ＋１と変更されていない列インデックスｊとを有し得る（図２Ｂのシナリオにおける照明方向１１０−１，１１０−２を参照）。第２のＬＥＤ３００−１〜３００−１６はまた、変更されていない行インデックスｉを有し、列インデックスｍ−ｊ＋１を有してもよい（図２Ｂのシナリオにおける照明方向１１０−１，１１０−４を参照）。第２のＬＥＤ３００−１〜３００−１６は、行インデックスｎ−ｉ＋１と列インデックスｍ−ｊ＋１とを有することも可能である（図２Ａの対を形成する照明方向１１０−１，１１０−３、及び、対を形成する照明方向１１０−２，１１０−４を参照）。
【００７５】
図３では、ＬＥＤ３００−１〜３００−１６のデカルトグリッドを有するシナリオが議論されたが、ＬＥＤアレイ５１１には一般に、ＬＥＤ３００−１〜１００−１６の他の構成が使用され得る。例えば、ＬＥＤアレイ５１１としてＬＥＤ３００−１〜１００−１６の円形配置を使用することが可能である。そうすることで、特に図２Ａ及び図２Ｂを参照して上で議論した、様々な照明方向１１０−１〜１１０−４が光軸１２０の周りの回転によって相互に変換され得るシナリオを、特に簡単に又は特に正確に実施することが可能にある。
【００７６】
図４Ａには、強度画像４０１−１〜４０１−６の合成が示されている。図４Ａのシナリオでは、各場合において２つの強度画像４０１−１〜４０１−６からなる３つの対４２０−１〜４２０−３が得られる。例えば、強度画像４０１−１，４０１−２からなる第１の対４２０−１は、照明方向１１０−１及び照明方向１１０−３（図２Ａ参照）に対応し得る。図４Ａのシナリオでは、強度画像４０１−１〜４０１−６のそれぞれについて、対応する原画像４０２−１〜４０２−６が決定される（図４Ａでは水平矢印によって表される）。シンプルな実施例では、原画像４０２−１〜４０２−６は強度画像４０１−１〜４０１−６に対応する。取り込まれた強度画像４０１−１〜４０１−６には、原画像４０２−１〜４０２−６を生成するために演算子が適用され得る。例えば、演算子は、例えば、絶対値、自乗、平方根、符号逆転、画素の平滑化、画素の収差補正、各強度画像の画素値の平均値に対する正規化というグループから選択され得る。次に、位相コントラスト画像４１０を生成するために原画像４０２−１〜４０２−６が合成される。この合成は、例えば、様々な原画像４０２−１〜４０２−６相互の加算、減算、除算、又は乗算によって実行され得る。ここで、例えば、強度画像４０１−１〜４０１−６の異なる対４２０−１〜４２０−３に対応する異なる原画像４０２−１〜４０２−６は、異なる代数符号を与えられることができる。これに対応し、各場合において、対４２０−１〜４２０−３の第１の強度画像４０１−１〜４０１−６に対応する第１の原画像４０２−１〜４０２−６は、第２の原画像４０２−１〜４０２−６と比較して反対の代数符号を与えられることができる。原画像４０２−１〜４０２−６を合成する際に、個々の原画像４０２−１〜４０２−６の重み付け係数も考慮され得る。その結果として、様々な原画像４０２−１〜４０２−６、ひいては様々な照明方向１１０−１〜１１０−４の位相コントラスト画像４１０への影響が制御され得る。
【００７７】
図４Ｂには、位相コントラスト画像４１０を生成するためのさらなる技術が示されている。図４Ｂのシナリオでは、各場合において、対４２０−１〜４２０−３の２つの強度画像４０１−１〜４０１−６が、例えば加算、減算、乗算、又は除算により、画像４０２−１〜４０２−２を形成するために結合される。同時に、このようにして得られた様々な強度画像４０１−１〜４０１−６又は原画像４０２−１〜４０２−３に対して、上述した演算子のうちの１つを適用することが可能である。その後、原画像４０２−１〜４０２−３は順次、位相コントラスト画像４１０を生成するために結合される。
【００７８】
図４Ａ及び図４Ｂでは、それぞれの場合において合計６つの強度画像４０１−１〜４０１−６が使用されているが、一般には、２つの強度画像４０１−１〜４０１−６のみで位相コントラスト画像４１０を生成することが可能である。
【００７９】
図５には、上述の技術を実施することができる光デバイス５００が示されている。光学装置５００は照明装置５１１を備え、照明装置５１１は、例えばＬＥＤアレイ（図３参照）の形態で実装され得る。物体１００は、照明装置５１１から検出器５１２への光の光路上の試料ホルダ５１３によって保持される。例えば、その内部において試料ホルダ５１３が照明装置５１１と検出器５１２との間に配置される透過幾何形状が実装されてもよい。反射幾何形状を実装することもまた、可能である。光学装置５００はまた、位相コントラスト画像４１０（図４Ａおよび図４Ｂ参照）を生成するための様々なステップを実行するように構成された演算ユニット５１４を有する。光学装置５００はまた、例えば不揮発性メモリ又は揮発性メモリなどのメモリ５１５を有し得る。メモリ５１５は、演算ユニット５１４が上記した位相コントラスト画像を生成するための様々な技術を実行できるように、演算ユニット５１４のための制御情報の対応する項目を含むことができる。
【００８０】
図６には、位相コントラスト画像を生成する方法のフロー図が示されている。この方法はステップＳ６０１から始まる。ステップＳ６０１では、物体１００が照明される。特に、この照明は、インコヒーレントな光で行われ得る。ステップＳ６０１で物体１００が照明される光は、特に有意な帯域幅を有することができ、すなわち、単色ではない可能性がある。例えば、ステップＳ６０１において、物体１００は白色光で照明され得る。
【００８１】
特に、ステップＳ６０１における物体１００の照明は、少なくとも２つの照明方向１１０−１〜１１０−４から実行される。ステップＳ６０１において物体は、例えば第１の照明方向１１０−１〜１１０−４から最初に照明され、同時に強度画像４０１−１〜４０１−６が取得される。次に、物体１００の照明は、第２の照明方向１１０−１〜１１０−４から実行される。同時に、さらなる強度画像４０１−１〜４０１−６が取得される。
【００８２】
ステップＳ６０２では、位相コントラスト画像４１０を生成するために強度画像４０１−１〜４０１−６の合成が行われる。この合成には様々な技術が使用され得る。特に、様々な強度画像４０１−１〜４０１−６又は原画像４０２−１〜４０２−６、そのうえ位相コントラスト画像にも基づいて、様々な強度画像４０１−１〜４０１−６又は原画像４０２−１〜４０２−６の影響を決定する重み係数は、合成動作において決定され得る。ステップＳ６０２では、各場合において、対を構成する２つの強度画像４０１−１〜４０１−６を組み合わせが、原画像４０２−１〜４０２−６を形成するために例えば合成され得る。
【００８３】
図７において、様々な強度画像４０１−１〜４０１−６の位相コントラスト画像４１０への影響の例による依存性は、それぞれの照明方向１１０−１〜１１０−４が光軸１２０と形成する角度１１１に応じて表される。例えば、各強度画像４０１−１〜４０１−６の影響は、角度１１１の絶対値が大きい（小さい）ほど、大きく（小さく）なり得る。
【００８４】
図８には、物体１００が単一の照明方向１１０−１から照明されるシナリオが示されている。この目的のために、例えば、単一のＬＥＤ３００−１〜３００−１６が活性化され得る。図８から、照明方向１１０−１は、光軸１２０と有限の角度１１１−１を形成することが理解される。図８の物体１００は、２つの階段状のエッジ又は周辺部を有し、それらの間に台地を形成する。
【００８５】
図８のシナリオでは、対応する強度画像４０１−１が取り込まれる（図９参照）。図９には、強度画像４０１−１の画素値がｘ−ｚ平面で表されている。図９から、画素値は、図８の左側（右側）に示されている物体１００のエッジで特に大きい（小さい）値をとることが理解される。物体１００の台地領域では、画素値は実質的に一定の値をとる。
【００８６】
その後、位相コントラスト画像４１０を生成するために、強度画像４０１−１が処理される。図１０には、再スケーリングされた強度画像４０１−１が原画像４０２−１として示され、表示されている。この目的のために、強度画像４０１−１の画素値の平均値が決定され、この平均値がすべての画素値から減算される。このため、図１０の表現では、画素値の曲線が下方にシフトしている。
【００８７】
次に、各画素値の絶対値を供給する絶対値演算子が原画像４０２−１に適用される。平滑化もまた、実行され得る。その結果、位相コントラスト画像４１０が生成される（図１１参照）。
【００８８】
したがって、このような技術に基づけば、相当な位相コントラスト成分を有する位相コントラスト画像４１０が、例えば単一の強度画像４０１−１〜４０１−６に基づいてのみ比較的簡単に生成され得る。言うまでもなく、信号対ノイズ比を改善し、又は、生成された結果画像内でより等方的な位相コントラスト成分を得るため、このようにして得られた複数の位相コントラスト画像４１０を、例えば様々な照明方向１１０−１〜１１０−４について合成して結果画像を生成することもまた、オプションとして可能である。そのようなシナリオでは、様々な照明方向１１０−１〜１１０−４が対として配置されることは不要であり得る。
【００８９】
まとめると、異なる照明方向から取り込まれた複数の強度画像を具体的に組み合わせることによって位相コントラスト画像を生成することを可能にする技術が説明された。強度画像を選択的に処理することによって位相コントラスト画像を生成することを可能にする技術も示された。この点で、例えばデジタル位相勾配コントラストについて話すことが可能である。特に、位相コントラスト撮像の従来技術に従うプリズム等のような特別な光学素子を使用することは不要であり得る。
【００９０】
本発明は、好ましい例示の実施の形態によって、より具体的に示されかつ詳細に説明されたけれども、本発明は、開示された例に限定されるものではなく、そこから当業者によって、本発明の保護範囲を離れることなく他の変形例が引き出され得る。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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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】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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