(57)【要約】本願開示の特定の態様は、フーリエタイコグラフィー撮像システム、装置、及び方法に関連するのであり、例えば、高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システムや反射モードＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム等に関する。
2016530567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システムであって、
異なる時刻において複数の入射角で試料を照射するように構成された可変照明装置と、
高ＮＡであるレンズを備える光学系であって、前記レンズは前記試料から出る光をフィルタするように構成されており、前記複数の入射角及び前記高ＮＡは１．０より大きい拡張ＮＡを包括するフーリエドメイン内の複数の重複領域に対応する、光学系と、
複数の輝度画像を取得するように構成されている放射検出器であって、各輝度画像は前記複数の入射角の異なる入射角に対応する、放射検出器と
を備える、システム。
【請求項２】
フーリエドメイン内の前記重複領域を輝度画像測定値で反復的に更新することによって前記輝度画像の分解能よりも高い分解能を有する画像を生成するように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項３】
前記レンズはその受光角度内にて受光された光を通過させることによって前記試料からの光をフィルタするように構成されている、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項４】
前記フィルタリング光学素子の前記高ＮＡは約０．５０である、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項５】
前記フィルタリング光学素子の前記高ＮＡは約０．４０から約０．５０の範囲内である、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項６】
前記可変照明装置は発光素子の円形環を１以上備える、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項７】
前記可変照明装置は等間隔に配された発光素子の同心環を複数備える、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項８】
各アウター環は直径がより小さい隣の環よりも多くの発光素子を有する、請求項７に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項９】
各同心環は少なくとも６個の発光素子を有する、請求項７に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１０】
各同心環の発光素子は少なくとも約３０°離されている、請求項７に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１１】
各同心環は約２０ｍｍより大きい直径を有する、請求項７に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１２】
各同心環は約４０ｍｍより大きい直径を有する、請求項７に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１３】
前記光学系は前記試料から反射された光を受光するように構成された集光光学素子を備え、
前記可変照明装置及び前記集光光学素子は落射照明モードにおいて前記試料との関係で同じ側に位置している、
請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１４】
前記レンズは試料から反射された光を受光するように構成されており、
前記可変照明装置及び前記レンズ光学素子は落射照明モードにおいて前記試料との関係で同じ側に位置している、
請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１５】
前記複数の重複領域の隣り合う重複領域は、前記重複領域の一方の面積の少なくとも約２０％から約９０％になる重複面積を有する、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１６】
前記複数の重複領域の隣り合う重複領域は、前記重複領域の一方の面積の少なくとも約７０％になる重複面積を有する、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１７】
前記複数の重複領域の隣り合う重複領域は、前記重複領域の一方の面積の少なくとも約７５％になる重複面積を有する、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１８】
前記複数の重複領域の隣り合う重複領域は、前記重複領域の一方の面積の少なくとも約２％から約９９．５％になる重複面積を有する、請求項１に記載の超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項１９】
反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システムであって、
落射照明モードで異なる時刻において複数の入射角で試料を照射するように構成された可変照明装置と、
フィルタリング機能を有するフィルタリング光学素子を備える光学系であって、前記光学系は前記試料から反射された光を受光し及び前記フィルタリング光学素子を用いて前記試料から反射された光をフィルタするように構成されており、前記複数の入射角及び前記フィルタリング機能はフーリエドメイン内の重複領域に対応する、光学系と、
複数の輝度画像を取得するように構成されている放射検出器であって、各輝度画像は前記複数の入射角の異なる入射角に対応する、放射検出器と
を備える、システム。
【請求項２０】
フーリエドメイン内の前記重複領域を輝度画像測定値で反復的に更新することによって前記輝度画像の分解能よりも高い分解能を有する画像を生成するように構成されたプロセッサをさらに備える、請求項１９に記載の反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項２１】
前記フィルタリング光学素子はその受光角度内にて受光された光を通過させることによって光をフィルタするように構成されているレンズである、請求項１９に記載の反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項２２】
前記可変照明装置は前記フィルタリング光学素子の中心軸にセンタリングされた発光素子の円形環の第１のセットを備える、請求項１９に記載の反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項２３】
前記光学系はビームスプリッタであって、４５°の角度で及び前記フィルタリング光学素子の後ろに配置されており並びに入射光の約半分を通過させ及び入射光の約半分を反射するように構成された、ビームスプリッタをさらに備え、
前記可変照明装置は発光素子の円形環の第２のセットであって、前記ビームスプリッタによって反射された照射を前記フィルタリング光学素子を通して前記試料にもたらすように配置された、発光素子の円形環の第２のセットをさらに備える、
請求項２２に記載の反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項２４】
前記光学系はビームスプリッタであって、前記フィルタリング光学素子の後ろ４５°の角度で配置された、ビームスプリッタをさらに備え、
前記フィルタリング光学素子は前記試料から出た光をフィルタするように構成されており、
前記ビームスプリッタは、前記フィルタリング光学素子によってフィルタされた光を受光するように構成されており及び前記フィルタされた光の半分を前記放射検出器へと通過させる、
請求項１９に記載の反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【請求項２５】
前記光学系はセカンダリレンズをさらに備え、
前記セカンダリレンズは、複数の入射角で前記可変照明装置からの照射を受光するように構成されており及び前記照射を前記ビームスプリッタへと通過させ、
前記ビームスプリッタは前記照射の半分を前記フィルタリング光学素子を通して前記試料へと通過させるように構成されている、
請求項１９に記載の反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
背景
本明細書にて説明される特定の実施形態は、一般的に撮像手法に関する。より具体的には、特定の側面は、例えば病理学、血液学、半導体ウエハー検査並びにＸ線及び電子線イメージング等の高分解能撮像用途に用いることのできる可変照明フーリエタイコグラフィー撮像（variable-illumination Fourier ptychographic imaging）システム、装置及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願への相互参照
本願は、米国仮特許出願第６１／８９９，７１５号（名称：「フーリエタイコグラフィー顕微鏡法によって乾式対物素子の開口数の値を１に増大させること」、出願日：２０１３年１１月４日）、米国仮特許出願第６１／８６８，９６７号（名称：「フーリエタイコグラフィー顕微鏡法のための代替的光学的構成」、出願日：２０１３年８月２２日）及び米国仮特許出願第６２／０００，７２２号（名称：「フーリエタイコグラフィー顕微鏡法による超高ＮＡ顕微鏡」、出願日：２０１４年５月２０日）の利益を主張しており、これらはいずれも全体において及び全ての目的において参照によって取り込まれる。
【０００３】
連邦政府によって支援された研究又は開発
国立衛生研究所によって付与された助成第ＯＤ００７３０７号の下での政府支援を伴って、この発明はなされた。政府は、本発明に関して特定の権利を有する。
【０００４】
顕微鏡対物レンズや人工衛星搭載型カメラ等の多岐にわたるイメージング用レンズは、解像することができる総フィーチャー個数に関して物理的に制限されている。これらの制限は、結像系の点広がり関数（ＰＳＦ、point-spread function）のサイズ及び結像面視野（ＦＯＶ、field of view）上での固有の収差に関しての関数である。この物理的制限は、空間帯域幅積（space-bandwidth product）と称され、レンズの寸法とスケールするのであり、拡大係数又は開口数（ＮＡ、numerical aperture）によらず通常は１０メガピクセルのオーダーである。従来的な結像系の空間帯域幅積に関しての記述は、非特許文献１にあり、該文献は本願明細書に参照により取り込まれる。従来的な結像系は１０メガピクセルまで解像できるが、典型的にはＰＳＦとＦＯＶとの間でトレードオフが生じる。例えば、特定の従来的な顕微鏡対物レンズは、鮮明なＰＳＦ（例えば、０．５μｍ）を狭いＦＯＶ（例えば、１ｍｍ）にわたってもたらすことができ、広角レンズを備える他の結像系は、ぼやけたＰＳＦ（例えば、５μｍ）という代償の下で広いＦＯＶ（例えば、１０ｍｍ）をもたらすことができる。
【０００５】
空間帯域幅積を増大させようとする幾つかの干渉法による合成開口技術は、非特許文献２〜１５に記載されており、これらの文献全ては空間帯域幅積を増大させようとする試みとの関係で参照によって取り込まれる。上述の干渉法合成開口技術の多くは、オフラインホログラフィーや位相シフトホログラフィー等の干渉法ホログラフィーを用いて輝度及び位相情報を共に記録する設定を含む。干渉法ホログラフィーには限界がある。例えば、干渉法ホログラフィー記録は、通常は高度にコヒーレントな光源を用いる。このため、構成された画像は、スペックルノイズ、（ビーム経路中の塵埃粒子及び他の光学的欠陥による回折によって導入される）固定パターンノイズ、及び異なる光学的界面間の複数の干渉等のコヒーレントノイズ源の悪影響を通常は受ける。したがって、画像品質は、従来型顕微鏡のそれに劣る。他方、オフアクシスホログラフィー法の利用は、画像センサの空間帯域幅積を犠牲にする（即ち、総画素数を減少させる）。オフアクシスホログラフィー法の幾つかは非特許文献１６に記載されており、該文献は本記述との関係で参照によって取り込まれる。また、干渉法による撮像手法においては、異なる測定間で制御不可能な位相揺らぎがもたらされる場合がある。したがって、画像復元プロセスにおける基準点を設定するためには標本位置についての先験的で正確な知識が必要になる。これらの干渉法による撮像システムにおける他の限界としては、試料を回転させるために機械的走査が必要とされることがあり、また、精密な光学的位置合わせ、サブミクロンレベルの機械的制御、及び関連する保守が、これらのシステムにとって必要となる。空間帯域幅積の観点からは、これらの干渉法による撮像システムは従来的な顕微鏡に対して何も優位性をもたらさないか僅かな優位性しかもたらさない。
【０００６】
インラインホログラフィーや接触撮像顕微鏡法等の以前のレンズレス顕微鏡法も欠点をもたらす。例えば、従来のデジタルインラインホログラフィーは、連続した試料に対しては良好に機能せず、接触撮像顕微鏡法は、試料をセンサに近接させることを必要とする。幾つかのデジタルインラインホログラフィー装置については、非特許文献１７〜１９に記載されており、これらは本記述との関係で参照によって取り込まれる。幾つかの接触撮像顕微鏡法の例については、非特許文献２０〜２１に記載されており、これらは本記述との関係で参照によって取り込まれる。
【０００７】
病理学、血液学、植物解剖学、免疫組織化学、及び神経解剖学のような生物医学用途においては、大きな空間帯域幅積が大いに望まれる。例えば、生物医学及び神経科学においては、非常に多数の組織スライドを分析用に撮像する強い必要性がある。この必要性が洗練された機械走査顕微鏡システム及びレンズレス顕微鏡システムの開発を促した。これらのシステムは、アクチュエーション、光学的アラインメント、及びモーショントラッキングを高精度で制御する複雑な機構を用いて空間帯域幅積を増大させている。これらの複雑な機構は製造が高価となり、その使用及び維持が困難となりがちである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願第１４／０６５，２８０号
【特許文献２】米国特許出願第１４／０６５，３０５号
【特許文献３】国際公開公報第ＷＯ１９９９０５３４６９号
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Lohmann, A. W., Dorsch, R. G., Mendlovic, D., Zalevsky, Z. & Ferreira, C., "Space-bandwidth product of optical signals and systems," J. Opt. Soc. Am. A. 13, pages 470-473 (1996)
【非特許文献２】Di, J. et al., "High resolution digital holographic microscopy with a wide field of view based on a synthetic aperture technique and use of linear CCD scanning," Appl. Opt. 47, pp. 5654-5659 (2008)
【非特許文献３】Hillman, T. R., Gutzler, T., Alexandrov, S. A., and Sampson, D. D., "High-resolution, wide-field object reconstruction with synthetic aperture Fourier holographic optical microscopy," Opt. Express 17, pp. 7873-7892 (2009)
【非特許文献４】Granero, L., Mico, V., Zalevsky, Z., and Garcia, J., "Synthetic aperture superresolved microscopy in digital lensless Fourier holography by time and angular multiplexing of the object information," Appl. Opt. 49, pp. 845-857 (2010)
【非特許文献５】Kim, M. et al., "High-speed synthetic aperture microscopy for live cell imaging," Opt. Lett. 36, pp. 148-150 (2011)
【非特許文献６】Turpin, T., Gesell, L., Lapides, J., and Price, C., "Theory of the synthetic aperture microscope," pp. 230-240
【非特許文献７】Schwarz, C. J., Kuznetsova, Y., and Brueck, S., "Imaging interferometric microscopy," Optics letters 28, pp. 1424-1426 (2003)
【非特許文献８】Feng, P., Wen, X., and Lu, R., "Long-working-distance synthetic aperture Fresnel off-axis digital holography," Optics Express 17, pp. 5473-5480 (2009)
【非特許文献９】Mico, V., Zalevsky, Z., Garcia-Martinez, P., and Garcia, J., "Synthetic aperture superresolution with multiple off-axis holograms," JOSA A 23, pp.3162-3170 (2006)
【非特許文献１０】Yuan, C., Zhai, H., and Liu, H., "Angular multiplexing in pulsed digital holography for aperture synthesis," Optics Letters 33, pp. 2356-2358 (2008)
【非特許文献１１】Mico, V., Zalevsky, Z., and Garcia, J., "Synthetic aperture microscopy using off-axis illumination and polarization coding," Optics Communications, pp. 276, 209-217 (2007)
【非特許文献１２】Alexandrov, S., and Sampson, D., "Spatial information transmission beyond a system's diffraction limit using optical spectral encoding of the spatial frequency," Journal of Optics A: Pure and Applied Optics 10, 025304 (2008)
【非特許文献１３】Tippie, A.E., Kumar, A., and Fienup, J.R., "High-resolution synthetic-aperture digital holography with digital phase and pupil correction," Opt. Express 19, pp. 12027-12038 (2011)
【非特許文献１４】Gutzler, T., Hillman, T.R., Alexandrov, S.A., and Sampson, D.D., "Coherent aperture-synthesis, wide-field, high-resolution holographic microscopy of biological tissue," Opt. Lett. 35, pp. 1136-1138 (2010)
【非特許文献１５】Alexandrov, S.A., Hillman, T.R., Gutzler, T., and Sampson, D.D., "Synthetic aperture Fourier holographic optical microscopy," Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 339, pp. 521-553 (1992)
【非特許文献１６】Schnars,U. and Juptner,W.P.O., "Digital recording and numerical reconstruction of holograms," Measurement Science and Technology, 13, R85 (2002)
【非特許文献１７】Denis, L., Lorenz, D., Thiebaut, E., Fournier, C. and Trede, D., "Inline hologram reconstruction with sparsity constraints," Opt. Lett. 34, pp. 3475-3477 (2009)
【非特許文献１８】Xu, W., Jericho, M., Meinertzhagen, I., and Kreuzer, H., "Digital in-line holography for biological applications," Proc. Natl Acad. Sci. USA 98, pp. 11301-11305 (2001)
【非特許文献１９】Greenbaum, A. et al., "Increased space-bandwidth product in pixel super-resolved lensfree on-chip microscopy," Sci. Rep. 3, page 1717 (2013)
【非特許文献２０】Zheng, G., Lee, S. A., Antebi, Y., Elowitz, M. B. and Yang, C., "The ePetri dish, an on-chip cell imaging platform based on subpixel perspective sweeping microscopy (SPSM)," Proc. Natl Acad. Sci. USA 108, pp. 16889-16894 (2011)
【非特許文献２１】Zheng, G., Lee, S. A., Yang, S. & Yang, C., "Sub-pixel resolving optofluidic microscope for on-chip cell imaging," Lab Chip 10, pages 3125-3129 (2010)
【非特許文献２２】G. Zheng, R. Horstmeyer and C. Yang, "Wide-field, high-resolution Fourier ptychographic microscopy," Nature Photonics, 2013
【発明の概要】
【００１０】
本願明細書にて説明される特定の実施形態は、一般的には撮像手法に関する。より具体的には、幾つかの観点においては、例えば病理学、血液学、半導体ウエハー検査並びにＸ線及び電子線イメージング等の高分解能撮像用途において使用されることができる可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム、装置、及び方法に関連する。
【００１１】
特定の実施形態は、超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システムであって、可変照明装置と光学系と放射検出器とを備える、システムに向けられている。可変照明装置は、異なる時刻において複数の入射角で試料を照射するように構成されている。光学系は、高ＮＡであるレンズを備え、レンズは試料から出る光をフィルタするように構成されている。１つの例では、高いＮＡは約０．５０とすることができ、別の例では高いＮＡは約０．４０から約０．５０等の範囲内とすることができる。複数の入射角及び高ＮＡは、１．０より大きい拡張ＮＡを包括するフーリエドメイン（Fourier domain）内の複数の重複領域に対応する。１つの例では、複数の重複領域の隣り合う重複領域は、重複領域の一方の面積の少なくとも約２０％から約９０％になる重複面積を有することができる。別の例では、隣り合う重複領域は、重複領域の一方の面積の少なくとも約７０％になる重複面積を有することができる。別の例では、隣り合う重複領域は、重複領域の一方の面積の少なくとも約７５％になる重複面積を有することができる。別の例では、隣り合う重複領域は、重複領域の一方の面積の少なくとも約２％から約９９．５％になる重複面積を有することができる。放射検出器は、複数の輝度画像を取得するように構成されており、各輝度画像は複数の入射角の異なる入射角に対応する。一部の態様では、超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システムは、フーリエドメイン内の重複領域を輝度画像測定値で反復的に更新することによって輝度画像の分解能よりも高い分解能を有する画像を生成するように構成されたプロセッサをさらに備える。１つの態様では、レンズは、その受光角度内にて受光された光を通過させることによって試料からの光をフィルタするように構成されている。１つの態様では、レンズは、その受光角度内にて受光された光を通過させることによって試料からの光をフィルタするように構成されている。１つの態様では、光学系は試料から反射された光を受光するように構成された集光光学素子を備え、可変照明装置及び集光光学素子は落射照明モードにおいて試料との関係で同じ側に位置している。１つの態様では、レンズは試料から反射された光を受光するように構成されており、可変照明装置及びレンズ光学素子は落射照明モードにおいて試料との関係で同じ側に位置している。
【００１２】
特定の態様では、本願にて説明する超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システムは、発光素子の円形環を１以上備える可変照明装置をさらに備えることができる。１つの態様では、各アウター環は、直径がより小さい隣の環よりも多くの発光素子を有することができる。１つの態様では、各同心環は、少なくとも６個の発光素子を有する。１つの態様では、各同心環の発光素子は少なくとも約３０°離されている。１つの態様では、各同心環は約２０ｍｍより大きい直径を有する。１つの態様では、各同心環は約４０ｍｍより大きい直径を有する。
【００１３】
特定の実施形態は、可変照明装置と光学系と放射検出器とを備える反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システムに向けられている。可変照明装置は、落射照明モードで異なる時刻において複数の入射角で試料を照射するように構成されている。光学系は、フィルタリング機能を有するフィルタリング光学素子を備える。光学系は試料から反射された光を受光し及びフィルタリング光学素子を用いて試料から反射された光をフィルタするように構成されており、複数の入射角及びフィルタリング機能はフーリエドメイン内の重複領域に対応する。放射検出器は複数の輝度画像を取得するように構成されており、各輝度画像は複数の入射角の異なる入射角に対応する。１つの態様では、反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システムは、フーリエドメイン内の重複領域を輝度画像測定値で反復的に更新することによって輝度画像の分解能よりも高い分解能を有する画像を生成するように構成されたプロセッサをさらに備える。１つの態様では、フィルタリング光学素子はその受光角度内にて受光された光を通過させることによって光をフィルタするように構成されているレンズである。１つの態様では、可変照明装置はフィルタリング光学素子の中心軸にセンタリングされた発光素子の円形環の第１のセットを備える。１つの態様では、光学系はフィルタリング光学素子の後ろ４５°の角度で配置されたビームスプリッタをさらに備え、フィルタリング光学素子は試料から出た光をフィルタするように構成されており、ビームスプリッタはフィルタリング光学素子によってフィルタされた光を受光するように構成されており及びフィルタされた光の半分を放射検出器へと通過させる。１つの実施形態では、光学系はセカンダリレンズをさらに備える。この場合、セカンダリレンズは複数の入射角で可変照明装置からの照射を受光するように構成されており及び照射をビームスプリッタへと通過させ、ビームスプリッタは照射の半分をフィルタリング光学素子を通して試料へと通過させるように構成されている。
【００１４】
特定の態様では、反射モードフーリエタイコグラフィー撮像システムは、フィルタリング光学素子の中心軸にセンタリングされた発光素子の円形環の第１のセットを備える可変照明装置を備える。１つの態様では、光学系は、４５°の角度で及び前記フィルタリング光学素子の後ろに配置されており並びに入射光の約半分を通過させ及び入射光の約半分を反射するように構成されたビームスプリッタをさらに備え、可変照明装置はビームスプリッタによって反射された照射をフィルタリング光学素子を通して試料にもたらすように配置された発光素子の円形環の第２のセットをさらに備える。別の態様では、光学系は、４５°の角度で及び前記フィルタリング光学素子の後ろに配置されており並びに入射光の約半分を通過させ及び入射光の約半分を反射するように構成されたビームスプリッタをさらに備え、可変照明装置はビームスプリッタによって反射された照射をフィルタリング光学素子を通して試料にもたらすように配置された発光素子の円形環の第２のセットをさらに備える。
【００１５】
これらの特徴及び他の特徴は、添付の図面への参照を伴って以下詳述される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムの構成要素についてのブロック図である。
【図２】徹照モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略側面図である。
【図３Ａ】円形可変照明装置を有する超高ＮＡ可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示す超高ＮＡ構成についてのフーリエドメイン内での展開を示す図である。
【図３Ｃ】図３Ａに示す超高ＮＡ構成についてのフーリエドメイン内での展開を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ａに示す超高ＮＡ構成であって、２つの同心環を有する円形可変照明装置を有するように改造された超高ＮＡ構成についてのフーリエドメイン内での展開を示す図である。
【図３Ｅ】図３Ａに示す超高ＮＡ構成であって、２つの同心環を有する円形可変照明装置を有するように改造された超高ＮＡ構成についてのフーリエドメイン内での展開を示す図である。
【図４】長方形配列可変照明装置を有する超高ＮＡ可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図５】落射照明モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図６】落射照明モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図７Ａ】落射照明モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図７Ｂ】落射照明モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図８】可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法についてのフローチャートである。
【図９】図８の方法のあるステップの特定のサブステップの例についてのフローチャートである。
【図１０Ａ】図８の方法のあるステップの特定のサブステップの例についてのフローチャートである。
【図１０Ｂ】徹照モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図１０Ｃ】徹照モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素についての概略図である。
【図１０Ｄ】図８及び図１０Ａを参照して説明される可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法の特定のステップについての図
【図１１】タイル撮像を伴う可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法についてのフローチャートである。
【図１２】可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム内に含まれ得るサブシステムについてのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本願にて説明する特定の実施形態は、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム、装置、及び方法に関する。
【００１８】
Ｉ．  可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは可変照明装置と光学系と放射検出器とを備える。一部の場合では、システムはプロセッサと通信可能とされ又はプロセッサ（例えば、マイクロプロセッサ）をさらに備える。可変照明装置は、撮像される試料を（例えば、平面波照射を用いて）複数の入射角から照射することができる。光学系は、試料から出る光を受光して放射検出器へと伝播することができる。光学系は、通常はその受光角度に基づいて光を「フィルタ」できる少なくとも１つのフィルタリング光学素子を備える。放射検出器は、光学系からのフィルタされた光を受光し、光の輝度分布を測定して試料についての異なる入射角に対応する複数の輝度画像をキャプチャする。各輝度画像はフーリエ空間内の領域に関連付けられている。フィルタリング光学素子がレンズとされる場合、直径はレンズのＮＡに対応し、領域の中心はそのサンプル時刻における照射の入射角に対応する。フーリエタイコグラフィー撮像システムの構成要素（例えば、可変照明装置及びフィルタリング光学素子）は、フーリエ空間内の重複する円形領域に対応する空間ドメイン内の輝度画像を取得して特定の範囲で重複するように及び／又はより大きな領域をカバーする（例えば、より高い周波数をカバーする）ように構成されている。例えば、フィルタリング光学素子のＮＡ並びに可変照明装置の個別の発光素子の個数及び位置は、フーリエ空間内の円形瞳孔領域が特定量の重複を有するように設計されることができる。１つの場合では、これらの構成要素は、隣り合う入射角に関連付けられている円形領域がフーリエ空間内で特定の百分率（例えば、約７０％、約８０％、約９０％等）をもって重複するように設計されることができる。フーリエ空間内の重複する画像データは、反復的にスティッチングされて試料についてのより高い分解能の画像を生成することができる。一部の場合では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、例えばより高分解能の画像に対しての再合焦等のシステム内諸収差に対する修正をも行うことができる。
【００１９】
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、試料について広視野角（例えば、直径１３ｍｍ）を得るために低ＮＡフィルタリング光学素子（例えば、２Ｘ０．０８レンズ）を有する光学系を備える。低ＮＡ光学素子が試料から出る光をフィルタリングするが故に、このシステムは比較的に低い分解能の輝度画像を取得する。これらの輝度画像は、より高いＮＡの光学素子が用いられた場合にもたらされるフーリエ空間内円形領域よりも小さいフーリエ空間内円形領域に対応する。特定の量（例えば、７０％、７５％等）をもってこれらのより小さいフーリエ空間内円形領域を重複させるために、このシステム内の可変照明装置は、隣り合う入射角の間の間隔が比較的に短間隔（例えば、０．０５ｒａｄ）となる照射をもたらすように構成されている。低ＮＡフィルタリング光学素子を有する広視野角用の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムの例は、特許文献１〜２及び非特許文献２２に記載されており、これらのシステムの詳細についてこれら文献の全体は参照によって取り込まれる。
【００２０】
他の態様では、超高ＮＡ（例えば、１．０より大きいＮＡ）可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、試料画像についてより高い分解能を達成するように構成されている。これらの態様では、超高ＮＡフーリエタイコグラフィー撮像システムは、総合したシステム全体のＮＡについて向上をもたらす光学系であって、高ＮＡフィルタリング光学素子（例えば、０．５のＮＡを有する２０倍レンズ）とより高い照射ＮＡとを伴う、光学系を備える。より高いＮＡのフィルタリング光学素子は、これらのシステムが上述の低ＮＡシステムよりも高い分解能の輝度画像をキャプチャできるようにする。より低いＮＡのフィルタリング光学素子を用いてキャプチャされた輝度画像に比して、これらの輝度画像は、フーリエ空間内のより大きい領域に対応する。より大きい領域が包括されるため、可変照明装置は、隣り合う入射角間の間隔がより減じられて、かつ、入射角の個数Ｎが減じられたものとして構成されることができる。低ＮＡフィルタリング光学素子を用いるシステムに比して、これらのシステムでは、同様の又はより高い分解能を生成するためにより少ない輝度画像が要求されることで足り得る。より少ない輝度画像が必要とされ得るので、イメージ取得に要する時間はより短く、また、低ＮＡシステムと同様又はそれよりも高い分解能の画像を生成するためにより少ない量のリソースが要求され得る。また、入射角の個数Ｎは減じられているが故により少ない発光素子が照射をもたらすために必要とされるため、可変照明装置はより単純な設計（例えば、より粗なＬＥＤマトリクス）とすることができる。一部の場合では、可変照明装置は、上述の低ＮＡシステムと比較して、極端な入射角の間の差がより大きくなるように（即ち、照射ＮＡがより高くなるように）構成されることができる。即ち、より高い照射ＮＡによって、フーリエ空間のアウター領域にて高周波データをキャプチャできるようになり、これは最終画像の分解能を向上させさえする。したがって、増大させた照射ＮＡ及び／又は増大させた光学系ＮＡを有するこれら可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、画像分解能を向上させることができる増大されたシステムＮＡをもたらすことができる。即ち、これらのシステムは、より大きなフーリエ空間内の重複領域及びより高い周波数のデータをカバーする画像の取得を可能とする入射角から試料を照射することを可能とし得る。これらの重複するより大きい領域が組み合わされると、特定の場合においては、合成されたＮＡが１に近いものとなる大システムＮＡ領域が、もたらされ得る。特定の場合においては、これらのシステムは、長い作動距離を維持しながら、並びに、液浸媒質を使用することなく及び必要とせずに高い合成システムＮＡをもたらす（例えば、フィルタリング光学素子の本来的ＮＡがより低いもの（例えば約０．７５）である場合に１に近いＮＡをもたらす）。
【００２１】
従来的な顕微鏡に関しては、達成可能な最高ＮＡは、幾何学的原理（即ち、最大で試料からの上半球光円錐の全部が集光される）及びレンズ設計技術によって制限され、その結果、乾式顕微鏡に関しては上限が〜０．９５であり、オイル液浸顕微鏡に関しては上限は〜１．４０である。屈折率が１より大きい液浸媒質が試料からの光の集光を向上させる場合、一部の従来的な水液浸又はオイル液浸対物レンズはＮＡ＞０．９をもたらし得る。しかし、液浸対物レンズは、一部の用途において不適切となり得る幾つかの短所を有する。第１に、試料は媒質に液浸される必要があり、作動距離は極めて短い（０．１〜０．２ｍｍ）のであり、試料に対してのマイクロマニュピレーションについて障害を呈する。第２に、通常の液浸媒質は本来的にスペクトルの紫外線域（＜３７５ｎｍ）及び近赤外線域（＞７００ｎｍ）において高い吸収特性を有しており、この領域における明視野液浸顕微鏡法及び蛍光液浸顕微鏡法において幾何かの問題をもたらす。オイル液浸とＮＡとの関係に関する説明は http://www.olympusmicro.com/primer/anatomy/immersion.html にて見出すことができ、該記載は本願明細書との関係で参照によって取り込まれる。
【００２２】
特定の場合、本願にて説明した可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、徹照（trans-illumination）モード（即ち、光源からの照射を、試料を通して集光光学素子へと導くモード）及び／又は落射照明（epi-illumination）モード（即ち、光源からの照射を、試料に向かってかつ集光光学素子から遠ざけるように導くモード）で作動するように構成されることができる。落射照明モードでは、集光光学素子は試料の表面から反射された光を受光する。落射照明モードで作動するためには、照明光源（例えば、可変照明装置の照明素子）は、集光光学素子が配置されている側と同じ側から試料へと照射を導くように構成されていることができる。落射照明モードで作動する可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置についての幾つかの例は、図５、図６及び図７Ａ〜図７Ｂに示してある。徹照モードでは、集光光学素子によって反射光がキャプチャされないこととなり得るのであり、試料を通過した光のみが集光されるということになり得る。したがって、厚い及び／又は不透明な試料に関しては、徹照モードよりも落射照明モードのほうが効果的であり得る。落射照明モードで作動する可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、通常、試料の反射面を撮像する。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムを落射照明モード用に構成するのは、例えば金属又は半導体の表面検査用途に関して特に有用たり得るのであり、他の用途もあるが例えば半導体ウエハー、チップ及び／又は電子回路基板の検査が含まれる。落射照明モード用に構成されたこれらフーリエタイコグラフィー撮像システムのための幾つかの用途には、改造されたフラッシュシステムが搭載された手持ちカメラや人工衛星撮像に関する用途が含まれることができる。
【００２３】
図１は、特定の実施形態による、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０の構成要素についてのブロック図である。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０は、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００と可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００と電子通信する（破線で図示された）随意的なコンピュータ装置２００とを備える。図１等に示された図示された特定の例では、画像測定プロセスのために、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置に試料が設置された様子が示されている。試料は装置の必須構成要素ではないと理解されるのであり、装置の動作を例示するために図示されている。随意的なコンピュータ装置２００は、例えばスマートフォン、ラップトップ、デスクトップ、タブレット、等のような種々の形態にすることができる。当業者は、種々の形態のコンピュータ装置を考えることができる。
【００２４】
可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００は、可変照明装置１１０と、光学系１３０と、放射検出器１４０とを備える。可変照明装置１１０は、（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ），ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍとなるＮ通りの複数の入射角から照射を試料２０へともたらすように構成されている。可変照明装置１１０は、徹照モード及び／又は落射照明モードで試料２０を照射するように構成されている。徹照モードでは、可変照明装置１１０は、照射を試料２０を通して、光学系１３０の集光光学素子へと導く。落射照明モードでは、可変照明装置１１０は、照射を試料２０へとかつ光学系１３０の集光光学素子から遠ざけるように導く。
【００２５】
光学系１３０は、試料２０から出る光を受光してそれを放射検出器１４０へと伝播する構成要素を備える。光学系１３０の集光光学素子は、標本２０から出た光を受光する。集光光学素子又は光学系１３０の別の光学素子が、それが受光する光をフィルタする。例えば、このフィルタリング光学素子は、対物レンズの形式であることができ、その受光角度内の光を受光してフィルタとして作用する。光学系１３０はフィルタされた光を放射検出器１４０へと伝播し、それは放射検出器１４０にてＭ回のサンプル時刻、ｔｑ＝１〜Ｍ、において輝度分布を測定して（例えば、記録して）、試料についての複数たるＭ個の輝度画像をキャプチャする。特定の場合では、Ｍ＝Ｎとなり、即ち輝度測定値が各入射角に対応する。
【００２６】
図１では、随意的なコンピュータ装置２００は、プロセッサ２１０（例えば、マイクロプロセッサ）と、プロセッサ２１０と通信可能なコンピュータ可読媒体（ＣＲＭ：computer readable medium）２２０と、プロセッサ２１０と通信可能なディスプレイ２３０とを備える。プロセッサ２１０は、放射検出器１４０と電子通信可能であり、Ｍ個の輝度画像に対応する画像データを有する信号を受信する。画像データは、例えば、輝度分布や関連する取得時刻等を含むことができる。輝度画像は、試料２０及び／又は試料２０の周辺部分についての輝度画像である。
【００２７】
プロセッサ２１０は、ＣＲＭ２２０（例えば、メモリ）と電子通信して、画像データを有する信号を送信して、ＣＲＭ２２０に画像データを記憶し、ＣＲＭ２２０から画像データを検索することを可能にする。プロセッサ２１０は、ディスプレイ２３０と電子通信して、画像データ及び命令を送信して、画像及び他の出力を、例えばシステム１０のユーザに対して表示することができる。点線で示すように、可変照明装置１１０は、随意的に、プロセッサ２１０と電子通信して、可変照明装置１１０を制御するための命令を送信する。例えば、特定の態様では、これらの制御命令は、実行されることによって、異なる入射角に関しての照射時刻を放射検出器１４０のサンプル時刻と同期することができる。本明細書で説明するシステム１０の構成要素間の電子通信は、有線形式または無線形式にすることができる。
【００２８】
プロセッサ２１０は、ＣＲＭ２２０上に格納された命令を受信して、それら命令を実行して可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０の１以上の機能を実行することもできる。例えば、プロセッサ２１０は、命令を実行して可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法の１以上のステップを実行することができる。別の例としては、プロセッサ２１０は、可変照明装置１１０の発光素子を照射させるための命令を実行することができる。別の例としては、プロセッサ２１０は、ＣＲＭ２２０上に格納された命令を実行してシステムの１以上の機能を実行することができ、例示するならば、１）複数の輝度画像からの画像データについて解釈を行うこと、２）画像データからより高い分解能の画像を生成すること、及び３）可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法からの１以上の画像又は他の出力をディスプレイ２３０上に表示すること等である。
【００２９】
ＣＲＭ（例えば、メモリ）２２０は、システム１０の特定の機能を行うための命令を格納することができる。これらの命令は、プロセッサ２１０又はシステム１０の他の処理コンポーネントによって実行可能である。ＣＲＭ２２０は、（より低分解能な）輝度画像及びより高分解能な画像データ、並びにシステム１０によってもたらされる他のデータを、格納することもできる。
【００３０】
可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０は、プロセッサ２１０と電子通信して、データ（例えば、画像データ）を受信し、表示データを可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０のオペレータに提供するディスプレイ２３０も含む。ディスプレイ２３０は、カラーディスプレイまたは白黒ディスプレイとすることができる。これに加えて、ディスプレイ２３０は、二次元ディスプレイまたは三次元ディスプレイとすることができる。一実施形態では、ディスプレイ２３０が複数の画面を表示することができる。
【００３１】
１つの作動例では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０は、測定プロセスと復元プロセスと随意的な表示プロセスとを含む方法を行う。測定プロセスでは、可変照明装置１１０を用いてN通りの複数の入射角（θｘｉ，ｊ，θｙｉ，ｊ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｍ、（Ｎ＝ｎｘｍ）から試料を照射する。光学系１３０は、試料から出る光をフィルタするフィルタリング光学素子を有する。光学系１３０は、フィルタされた光を放射検出器１４０へと伝播する。放射検出器１４０はフィルタされた光を受光してＭ個の複数の輝度画像即ちＩｋ，ｌ、ｋ＝１〜ｏ及びｊ＝１〜ｐ、ここでＭ＝ｏｘｐを取得する。特定の場合、ＭはＮたり得る。可変照明装置１１０は、特定の量で重複するフーリエ空間内の画像データを生成する入射角での照射を発生するように構成されている。復元プロセスでは、M個の輝度画像はフーリエ空間内で反復的に組み合わされてより高い分解能の（輝度及び／又は位相）画像データを生成する。随意的な表示プロセスでは、画像（例えば、高分解能画像、既取得画像、等）及び／又は他の出力をディスプレイ２３０上に提示することができる。特定の態様では、システム１０内の任意の収差について補正を行うことができ、これにはより高い分解能の画像に対して行うリフォーカスも含まれる。１つの場合では、システム１０は、より高い分解能の画像を１以上の平面へ伝播させることもできる。異なる平面にあるこれら伝播された画像からの画像データは、３次元的画像を生成するために用いることができる。特定の態様では、システム１０は、異なる照射波長（ＲＧＢ）からの画像を生成してカラー画像を生成することもできる。
【００３２】
本願開示の範疇から逸脱せずに特定の改造、追加、又は省略を可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０に対して施すことができる。また、本願にて開示する可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０の構成要素や可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素は、具体的な必要性に即して統合されたり分解されたりすることができる。例えば、コンピュータ装置２００又はその構成要素は、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００に統合されることができる。特定の実施形態においては、プロセッサ２１０又は他の適切なプロセッサを可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００の一部とすることができる。一部の場合では、プロセッサ２１０を放射検出器に統合してプロセッサ２１０の機能を放射検出器が果たすようにすることができる。別の例では、ＣＲＭ２２０及び／又はディスプレイ２３０は、特定の場合において、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１００から省略されることができる。
【００３３】
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム及び装置は、試料面にて試料を受けるためのレセプタクルをさらに備えることができる。試料面は構成要素の一部であるか又はシステム及び装置の別個の構成要素であることができる。
【００３４】
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０によってキャプチャされた１以上の全視野輝度画像は、１以上のタイル画像に分割されることができる。これらの場合では、プロセッサは、各タイルについて独立的により高い分解能の複素画像を構成して、そしてタイル画像を組み合わせて全視野画像を生成することができる。タイル画像を独立的に処理できるというこの機能は、並列コンピューティングを可能とする。これらの態様では、各タイルは２次元領域として表されることができる。極空間座標では、各タイルを、円形領域または長円形領域とすることができる。直線空間座標では、全視野の低分解能画像を、矩形領域となるタイルの二次元マトリクスの形に分割することができる。一部の実施形態では、タイルの二次元正方形マトリクスの大きさを、放射検出器の画素数で表わすと、２５６×２５６マトリクス、６４×６４マトリクス、等のような２のべき乗にすることができる。
【００３５】
図２は、特定の実施形態による、徹照モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）の構成要素についての概略側面図である。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）は、図１との関係で説明された可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００についての一構成例である。
【００３６】
図２では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）は、可変照明装置１１０と光学系１３０とセンシング面１４２を有する放射検出器１４０とを備える。可変照明装置１１０は、発光素子１１２と面１１１を備える。可変照明装置１１０は、光源が提供される近似平面を表す平面におけるｘ’軸及びｙ’軸（不図示）並びにｚ’軸をも備える。図２は可変照明装置１１０が単一の発光素子１１２を備えるものとして図示しているが、可変照明装置１１０は異なる位置に追加の発光素子を有していることができ、複数の入射角において入射光を提供することができる。放射検出器１４０は光学系１３０から距離をおいて配置されているように図示されているが、随意的には、放射検出器１４０は光学系１３０にて配置されていてもよい。
【００３７】
図示の例では、測定プロセスのために、試料２０は標本面１２６にもたらされている。発光素子１１２は、徹照モードで照射１１４を試料２０を通してもたらしており、測定プロセスに関して照射１１４は波動ベクトルｋｘｉ，ｊ， ｋｙｉ，ｊを有している。また、ｚ＝０における合焦平面１２２及びｚ＝ｚ０における試料面１２４も図示されている。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）は、合焦平面１２２におけるｘ軸及びｙ軸（不図示）並びに合焦平面１２２に対して直交するｚ軸をさらに備える。また、可変照明装置１１０と試料面１２４との間の距離ｄ及び試料２０と光学系１３０との間の作動距離ｄ０も示されている。一般に、作動距離ｄ０は、試料２０と光学系１３０の集光光学素子との間の距離を指す。
【００３８】
図２では、発光素子１１２が、測定プロセス中の単一のサンプル（取得）時刻において、照射１１４をもたらしている様子が示されている。光学系１３０は、試料２０から出る光を受光及びフィルタする。光学系１３０によってフィルタされた光は、放射検出器１４０のセンシング面１４２にて受光される。放射検出器１４０は、センシング面１４２にて受光された入射光の輝度分布を測定し、また、サンプル時刻における輝度画像を取得する。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）については単一のサンプル時刻においての様子が図示されているが、装置１００（ａ）はＮ個の発光素子１１２を含むことができ、これらは例えばＮ通りの入射角（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｍ、Ｎ＝ｎｘｍから照射をもたらすことができる。この場合、放射検出器１４０はＭ個たる複数の輝度画像Ｉｋ，ｌ、ｋ＝１〜ｏ、ｊ＝１〜ｐをＭ個のサンプル時刻にて取得することができ、各輝度画像はＮ通りたる複数の入射角のうちの異なる入射角に照射がある際に取得されることができる（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ）。入射角（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ）は、ｚ＝ｚ０にて試料面と直交し、点Ｐを通る軸との間で相対的に測定した角度である。図２の側面概略図によると、ｘ−ｚ平面内の入射角のθｘｉ，ｊ成分のみが示されている。
【００３９】
可変照明装置とは、被撮像試料に対して、異なる入射角で、Ｍ個の画像取得時刻において、入射放射をもたらすように構成されることができる装置を一般に指す。多くの場合、可変照明装置は、Ｎ通りの入射角（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｍから入射放射を提供するように設計されている。一般に、Ｎは２〜１０００の範囲内の値を取る。各入射角は、フーリエ空間内での対応する取得画像データの場所に対応するものである。空間ドメインで隣り合う入射角は、フーリエ空間内での近隣領域に対応する。特定の態様では、可変照明装置は、フーリエ空間内の画像データについて重複領域となる近隣領域をもたらす入射角で照射を提供するように設計されており、重複領域は少なくとも特定の最小量とされる（例えば、７５％の重複、７０％の重複、８０％の重複等）。フーリエ空間内のネイバリング領域におけるこの最小重複量をもたらすために、可変照明装置は、Ｎ通りの複数の入射角の隣り合う入射角の間の差が特定の最大角度差未満となるように構成されることができる。即ち、可変照明装置は、隣り合う入射角間の最大差について設定されることによって、フーリエ空間内での重複が最小量となって提供されるようにすることができる。例えば、２Ｘ０．０８ＮＡ対物レンズについては、最大角度差は、約０．０５ｒａｄとすることができる。別の場合では、最大角度差を約 ．１ｒａｄとすることができる。
【００４０】
特定の場合では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、受光角度を有するレンズ形式のフィルタリング光学素子を含むことができる。この受光角度は、フーリエ空間内の円形瞳領域の直径に対応する。これらの場合では、可変照明装置は、レンズの受光角度によって規定された値に相当する角度によって離された隣り合う入射角を有するものとして構成されることができる。１つの場合では、複数の入射角のうちの２つの隣り合う入射角間の差の値は対物レンズ形式のフィルタリング光学素子の受光角度の約１０％から約９０％となる範囲内となるようにすることができる。別の場合では、複数の入射角のうちの２つの隣り合う入射角間の差の値は対物レンズ形式のフィルタリング光学素子の受光角度の約３３％から約６６％となる範囲内となるようにすることができる。別の場合では、複数の入射角のうちの２つの隣り合う入射角間の差の値は対物レンズ形式のフィルタリング光学素子の受光角度の約７６未満となるようにすることができる。別の場合では、隣り合う入射角間の差は、対物レンズ形式のフィルタリング光学素子の受光角度の約３分の１として規定されることができる。別の場合では、最大の入射角と最小の入射角との間の差として規定される入射角レンジは、最終的なより高い分解能の画像の空間分解能とコンシステントである開口数に大体等しくされることができる。１つの場合では、受光角度は約−０．０８ｒａｄから約０．０８ｒａｄの範囲内であり、隣り合う入射角は０．０５ｒａｄである。
【００４１】
可変照明装置は、１以上の放射源を備える。放射源は通常はコヒーレントな放射源であるが、一部の場合ではインコヒーレントな放射源を用いることもでき、演算的な補正を適用することができる。放射源は、可視光又は他の放射を発することができる。可視光を用いる場合では、放射源は可視光源である。可視光を発する放射源の例には、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の画素及び発光ダイオード（ＬＥＤ）の画素が含まれる。他の種類の放射を用いる場合、他の放射源を用いることができる。例えば、Ｘ線放射を使用する実施形態では、放射源がＸ線管及び金属ターゲットを備えることができる。別の例としては、マイクロ波放射を使用する実施形態では、放射源が真空管を備えることができる。他の例として、音響放射を使用する例では、放射源を音響アクチュエータとすることができる。他の例として、テラヘルツ放射を使用する例では、放射源をガンダイオードとすることができる。当業者は、他の放射源を考えることができる。テラヘルツ放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、約０．３〜約３ＴＨｚの範囲の周波数にすることができる。マイクロ波放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、約１００ＭＨｚ〜約３００ＧＨｚの範囲内にすることができる。Ｘ線放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の波長を、約０．０１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内にすることができる。音響放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、約１０Ｈｚ〜約１００ＭＨｚの範囲内にすることができる。
【００４２】
特定の場合では、可変照明装置は個別の複数の発光素子を備えることができ、各発光素子は少なくとも１つの放射源を備えることができる。例えば、可視光を与えるように構成されている可変照明装置は、通常複数の発光素子を含む。可視光を発する発光素子の例には、ＬＣＤの画素及びＬＥＤの画素が含まれる。多くの場合、各発光素子によって与えられる照射は、試料における単一の入射角からの平面波照射として近似されることができる。例えば、図２の発光素子１１２は、ｘ−ｚ平面内において成分θｘｉ，ｊを含む入射角にて照射１１４をもたらす。
【００４３】
特定の場合では、各取得時刻における、可変照明装置の発動された放射源からの照射の特性（例えば、波長、周波数、位相、振幅、極性、等）は、およそ均一であることができる。一部の場合では、全ての取得時刻における全ての入射角における、発動された放射源からの照射は、およそ均一であることができる。他の場合では、特性は、異なる入射角ごとに異なることができ、例えば、測定プロセス中においてｎ個の異なる波長λ１，．．．，λｎが提供されることができる。別の場合では、可変照明装置は、それぞれ赤色、緑色、及び青色に相当する３つの波長λ１、λ２、及びλ３のＲＧＢ照射を与えることができる。テラヘルツ放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、約０．３〜約３ＴＨｚの範囲の周波数にすることができる。マイクロ波放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、約１００ＭＨｚ〜約３００ＧＨｚの範囲内にすることができる。Ｘ線放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の波長を、約０．０１ｎｍ〜約１０ｎｍの範囲内にすることができる。音響放射を使用する実施形態では、可変照明装置によって与えられる放射の周波数を、約１０Ｈｚ〜約１００ＭＨｚの範囲内にすることができる。
【００４４】
一部の場合では、可変照明装置は、異なる空間的位置に存する個別のＮ個の複数の静止した発光素子を有している（例えば、図３Ａの可変照明装置１１０（ａ））。これらのＮ個の静止した発光素子は、単独的に又は１以上の群をなして集合的に、異なるサンプル時刻において（例えば、逐次的に）照射を行ってＮ通りの複数の入射角から照射を与えることができる。他の場合では、可変照明装置は移動する発光素子を備えることができる。移動する発光素子は、光学系・試料・放射検出器との関係で相対的に移動することができ、それは静止したままとされ得る。これらの場合では、移動する発光素子は、ラスタスキャナ等の機構を用いてＮ個の異なる複数の空間的位置に移動されることができる。静止した構成要素と移動する発光素子との間の相対移動に基づいて、発光素子は、Ｎ通りの複数の入射角から照射を与えることができる。他の場合では、可変照明装置は、静止した発光素子を備え、相対的移動を得るためにシステムの他の構成要素が異なる空間的位置へと移動される。静止した発光素子とシステムの他の構成要素との間の相対的移動に基づいて、発光素子は、Ｎ通りの複数の入射角から照射を与えることができる。
【００４５】
複数の発光素子を備える可変照明装置を有する場合では、線状グリッド、矩形グリッド、１以上の同心円（環）、６角形グリッド、曲線グリッド、又は複数の入射角から照射を与えることができる他の適切な配列等様々な配列に基づいて発光素子が配置されることができる。単一の環の形式で発光素子が配列された円形可変照明装置１１０（ｂ）の例は、図３Ａに示されている。発光素子についての矩形グリッドの形式をとっている矩形可変照明装置１１０（ｃ）の例は、図４に示されている。一部の例では、発光素子は、ＬＣＤの画素及びＬＥＤの画素である。発光素子の配置は素子間の離隔距離によって構成されることができ、また、フーリエ空間内の重複領域に対応する複数の入射角での照射を作動時において与えることができる具体的な位置によって構成されることができ、一部の場合では重複量は特定の量とされる。
【００４６】
複数の発光素子を伴う場合では、発光素子の位置は１次元配列又は２次元配列で表されることができる（例えば、１×９配列、３×６配列、１０×１０配列、１５×１５配列、３２×３２配列、１００×１００配列、５０×１０配列、２０×配列、又は他の２次元配列）。一部の場合では、かような２次元配列はｎｘｍの規模とされ、発光素子の位置はＸｉ，ｊ（ｒ，θ）又はＸｉ，ｊ（ｘ，ｙ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｍとされる。
【００４７】
特定の態様では、可変照明装置は、個別の発光素子を備え、それらは異なる取得時刻において照射され、例えば照射命令に基づいた順序で照射される。例えば、順序は個別発光素子からなる２次元配列の個々の発光素子又は発光素子群の照射時刻を規定することができる。発光素子についての２次元マトリクスが矩形配列である場合、中心発光素子を定めることができる。照射命令は、中心発光素子を最初に発光させるように命令し、次に、中心発光素子を囲む８つの発光素子を反時計回りに発光させるように命令し、次に、前の発光素子を囲む１６個の発光素子を反時計回りに発光させるように命令し、以後同様にし、Ｎ通りの複数の入射角（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ）、ｉ＝１〜Ｎから可変照明装置が照射を与えるまで行うことができる。別の例では、発光素子の２次元配列が１以上の同心環等の極形式マトリクスである場合、照射命令は、最小半径にある発光素子を最初に（例えば、時計回り、反時計回り、又はランダムな順序で）発光させるように命令し、次により大きい半径にある任意の発光素子を照射させ、以後同様にし、Ｎ通りの複数の入射角（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ）、ｉ＝１〜Ｎから可変照明装置が照射を与えるまで行うことができる。発光素子の２次元配列が矩形又は極形式配列の別の例では、標本に最も近い発光素子を決定することができる。照射命令は、標本に最も近い発光素子を発光させるように命令し、次にその次に標本に近い発光素子を発光させ、そしてその次にその次に標本に近い発光素子を発光させ、以後同様にし、Ｎ通りの複数の入射角でＮ個の発光素子が照射されるまで行うことができる。別の例では、発光素子はランダムな順序で照射されることができる。別の例では、逐次的なコラム毎の順序に従うことができるのであり、例えば、（Ｘ１，Ｙ１），（Ｘ１，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ３），．．（Ｘ１，Ｙｎ），（Ｘ２，Ｙ１），（Ｘ１，Ｙ２），（Ｘ１，Ｙ３），．．（Ｘ２，Ｙｎ），．．（Ｘｍ，Ｙｎ）とできる。代替的には、行毎の順序に従うことができる。
【００４８】
特定の態様では、本願にて説明される可変照明装置の特定のシステムは、落射照明モード及び／又は徹照モードを提供することができる。落射照明モードで動作するには、可変照明装置は、通常は試料との関係で光学系の集光光学素子と同じ側に位置している。徹照モードで作動するためには、可変照明装置は、通常は試料との関係で光学系の集光光学素子と反対側に位置している。
【００４９】
本願にて説明される可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムによって撮像される試料は、１以上の物体を備えることができ及び／又は物体の１以上の部分を備えることができる。各物体は、生物学的な実体や無機的な実体等とすることができる。撮像されることができる生物学的な実体の例には、全細胞、細胞成分、バクテリア又はウィルスのような微生物、蛋白のような細胞成分、等が含まれる。撮像されることができる無機的な実体の例には、半導体ウエハーが含まれる。特定の態様では、本願にて説明される特定のフーリエタイコグラフィー撮像システムによって厚い及び／又は不透明な試料について撮像を行うことができる。試料は液体等の媒質内に入れて提供されることができる。
【００５０】
ルミネッセンス撮像の例では、試薬（例えば、蛍光／リン光染料）を試料と混合して調査部位をフルオロフォアでマーク又はタッグすることができる。フルオロフォアは、分子を蛍光的に又はリン光的に発光させる分子の構成要素を指すことができる。フルオロフォアは、特定の波長の励起光からのエネルギーを吸収することができ、エネルギーを別の波長で再放射することができる。ルミネッセンス撮像の例では、照射源は、既定の波長の励起光（例えば、ブルー色の光り）をもって試料を照射することができ、試料内のフルオロフォアを活性化させることができる。これに応答して、フルオロフォアは異なる波長の放射（例えば、赤色の光）を放つ。
【００５１】
光学系１３０は、例えばレンズ、ビームスプリッタ、対物レンズ、筒状レンズ、波長フィルタ、絞り要素（例えば、対物レンズ、物理的な瞳、等）及び類する要素の１以上の他の構成要素を備える。ルミネッセンス撮像の例の場合、光学系１３０は、例えば、フィルタ（例えば、放射を通すが励起光をブロックする材料）等を受光光学素子と放射検出器との間に含んで励起光をフィルタアウトして放射を通すことができる。光学系１３０は、例えば、特定の光学顕微鏡の構成要素又はカメラの光学構成要素を含むことができる。一般に、光学系１３０は、試料２０から出る光を集光する集光光学素子又は第１光学素子を備える。光学系１３０は、試料から出る光をフィルタリングするためのフィルタリング光学素子をも備える。フィルタリング光学素子は、集光光学素子であることができる。特定の場合では、フィルタリング光学素子はレンズ（例えば、対物レンズ）であることができる。特定の超高ＮＡ事例においては、レンズの高ＮＡは、約０．５０とすることができる。別の超高ＮＡ事例においては、レンズの高ＮＡは、約０．５０から約０．７５の範囲内とすることができる。別の超高ＮＡ事例においては、レンズの高ＮＡは、約０．６０とすることができる。
【００５２】
本願にて説明する特定の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムにおいては、放射検出器（例えば、図１の放射検出器１４０）は、検出器平面で特定のサンプル（取得）時刻において入射放射の輝度分布を測定／記録することによって試料について複数の輝度画像を取得するように構成されている。例えば、画像測定プロセス中においては、放射検出器は、Ｍ個たる複数の輝度画像をＭ個のサンプル時刻ｔｑ＝１〜Ｍにおいて取得することができる。可視光放射が測定されている場合、放射検出器はＣＣＤ、ＣＭＯＳ撮像センサ、アバランシュ光ダイオード（ＡＰＤ）アレイ、光ダイオード（ＰＤ）アレイ、光電子増倍管（ＰＭＴ）アレイ等の形式とすることができる。テラヘルツ放射を用いる場合、放射検出器は、例えば、撮像ボロメーターとすることができる。マイクロ波放射を用いる場合、放射検出器は、例えばアンテナとすることができる。Ｘ線放射を用いる場合、放射検出器は、例えばｘ線に感度のあるＣＣＤとすることができる。音響放射を用いる場合、放射検出器は例えば圧電変換器アレイとすることができる。これらの放射検出器及び他のものは商業的に入手可能である。一部の場合では、放射検出器はカラー検出器例えばＲＧＢ検出器であることができる。他の場合では、放射検出器はカラー検出器でなくてもよい。特定の場合においては、放射検出器は単色検出器であってよい。
【００５３】
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、Ｎ通りの照射入射角から試料を照射するように構成された可変照明装置と、Ｎ通りの入射角のうちの異なる入射角に基づいてＭ個たる複数の輝度画像をキャプチャするように構成された放射検出器とを備える。特定の場合では、Ｎ＝Ｍ（即ち、各照射角毎に輝度画像が取得される）とされる。
【００５４】
特定の態様では、放射検出器は離散素子（例えば、画素）を有することができる。離散検出素子は、あらゆる適切なサイズ（例えば、１〜１０ミクロン）にすることができ、かつ、あらゆる適切な形状（例えば、円形、長方形、正方形、等）にすることができる。例えば、ＣＭＯＳ又はＣＣＤ素子は１〜１０ミクロンにすることができ、ＡＰＤ又はＰＭＴ光検出素子は、１〜４mmくらい大きくすることができる。１つの例では、放射検出素子が、５．５μｍのサイズを有する正方形画素である。
【００５５】
サンプル時刻又は取得時刻は、放射検出器１３０が試料の輝度画像をキャプチャする時刻を指すことができる。本願にて説明する特定の画像測定プロセス中においては、放射検出器は、Ｍ個たる複数の輝度画像をキャプチャする（例えば、Ｍ＝1, 2, 5, 10, 20, 30, 50, 100, 1000, 10000，等）。輝度画像がキャプチャされる各サンプル時刻ｔｑでは、Ｎ通りの複数の入射角のうちの異なる入射角から光が試料へと与えられる。特定の場合では、サンプリングレートは０．１〜１０００フレーム／秒の範囲とすることができる。
【００５６】
フーリエ空間とは、波動ベクトルｋx及びｋyが張る数学的空間であって、アパチュア走査フーリエタイコグラフィー撮像システムによって生成された空間画像の二次元フーリエ変換が存在する座標空間を称することができる。フーリエ空間とは、波動ベクトルｋx及びｋyが張る数学的空間であって、放射センサによって収集された空間画像の二次元フーリエ変換が存在する空間を称することもできる。
【００５７】
測定プロセス中においては、放射検出器１３０は、Ｍ個たる複数の輝度画像を含む画像データをキャプチャする。放射検出器１３０は、サンプル時刻又は他の関連するサンプルデータ等の他の画像データを生成することもできる。放射検出器によってキャプチャされたＭ個たる複数の輝度画像の各々は、フーリエ空間内の領域と関連付けられる。フーリエ空間内では、隣り合う領域は重複領域を共有し、この重複領域にわたってこれらの領域は同じフーリエドメインデータをサンプリングする。フーリエ空間内のこの重複領域は、可変照明装置によって与えられた照射の隣り合う入射角の重複領域に対応する。特定の態様では、可変照明装置は、フーリエドメインデータ内で特定量の重複領域を提供するように離された複数の入射角での照射をもたらすように構成されている。１つの場合では、可変照明装置は、複数の入射角での照射をもたらして、一方の領域の面積の約２％から約９９．５％の範囲内の重複領域をフーリエドメインデータ内において生成するように構成されている。別の場合では、隣り合う領域の重複領域は、一方の領域の面積の約６５％から約７５％の範囲内である面積を有することができる。別の場合では、隣り合う領域の重複領域は、一方の領域の面積の約６５％である面積を有することができる。別の場合では、隣り合う領域の重複領域は、一方の領域の面積の約７０％である面積を有することができる。別の場合では、隣り合う領域の重複領域は、一方の領域の面積の約７５％である面積を有することができる。
【００５８】
システム１０のジオメトリに基づいて、可変照明装置は、フーリエ空間内の重複領域間に特定量の重複エリアをもたらす入射角での照射を生成するように構成されることができる。例えば、発光素子間の距離は特定の間隔（例えば、１ｍｍ、０．５ｍｍ、等）とすることができる。図１０Ｂでは、発光素子間の間隔は４ｍｍである。
【００５９】
本願にて説明する特定の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、ルミネッセンス撮像（例えば、蛍光、リン光、ケムルミネッセンス、生物発光等の事象を伴う撮像）に用いられることができる。例えば、特定のシステムは、照射源へ向けて戻ってくる放射を収集するように適応されていることができる。蛍光撮像及び他のルミネッセンス撮像用途においては、試料内のフルオロフォアは、照射源からの特定波長の励起照射によって励起され、異なる波長の光を放射する（放射）。これらの放射は、励起光に比べて弱い信号である傾向があり、集光効率は重要となり得る。特定のシステムにおいては、落射照明を提供するように構成することができ、放射検出器が、試料からの放射及び／又は試料から照射源へと反射された光を、受光する。これらのシステムは、試料へと励起光を向かわせ、かつ、システムの次の素子からは背けるように励起照射を導く照射源を受容するような光学配置を有する。このようにして、システムを通しての励起照射の伝播は実質的に回避することができる。
【００６０】
超高ＮＡ構成
図３Ａは、特定の実施形態による、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｂ）の構成要素についての概略図である。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｂ）は、図１との関係で説明したシステム１０の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置についての超高ＮＡ構成についての例である。
【００６１】
図３Ａでは、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｂ）は、円形可変照明装置１１０（ｂ）と、対物レンズ１３４（例えば、顕微鏡対物レンズ）と筒状レンズ１３２を有する光学系１３０（ｂ）と、放射検出器１４０（ｂ）とを備える。この例示においては、対物レンズ１３４は、光学系１３０の集光（第１）光学素子である。対物レンズ１３２は、比較的に高いＮＡを有する（例えば、約０．６０から約０．７５の範囲内のＮＡ）。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｂ）に提供された状態での標本面１２６上の試料２０が示されている。
【００６２】
図３Ａでは、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｂ）は、単一の環に配置された個別の９つの発光素子１１２（ｂ）を有する円形可変照明装置１１０（ｂ）を備える。他の場合では、円形可変照明装置１１０（ｂ）は、複数の同心環の形式又は他の配置であることができる。図示の例においては、隣り合う発光素子間の角度間隔は４０°であり、環の直径は４０ｍｍである。他の場合では、隣り合う発光素子間（例えば、ＬＥＤ）の角度間隔は約２°とすることができる。他の場合では、隣り合う発光素子間（例えば、ＬＥＤ）の角度間隔は約２°から約４０°の範囲内とすることができる。他の場合では、環の直径は約２０ｍｍから約４０ｍｍの範囲内とすることができる。
【００６３】
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、１以上（例えば、１，２，３、等）の同心環に配置された発光素子を有する円形可変照明装置を、含むことができる。図３Ａでは、例えば円形可変照明装置１１０（ｂ）は、単一の環の形式に配置された発光素子を備える。複数の環を備える配置の直径は、約１０ｍｍから約６０ｍｍの範囲内であることができる。多くの場合では、各環内の発光素子は、等間隔に配置（隣り合う発光素子間において等しい角度間隔をおいて離れているように配置）されているが、別の間隔も用いられることができる。多くの場合では、各環は異なる個数の発光素子を有する。別の場合では、各環は、同じ個数の発光素子を有する。
【００６４】
１以上の同心円に配置された発光素子を有する円形可変照明装置（例えば、等間隔に配置された発光素子を有する円形可変照明装置）を用いることによって重複情報の均質性を向上させ得る。この均質性は、他の発光素子配置を用いる可変照明装置を用いるシステムの画像に比して向上した画像品質をもたらし得る。例えば、矩形アレイ可変照明装置が素子について矩形状のグリッド配列を有する場合、フーリエ空間内の展開領域は半径方向においてそれほど均質でない場合がある。発光素子に関しての矩形状のグリッド配列からのフーリエ空間内展開領域の例は、図１０Ｄに示されている。同心環状に配置された発光素子を用いるシステムと関連付けられている図３Ｂ及び図３Ｃから分かるように、フーリエドメイン内の展開領域２８０は実質的に円形であり、半径方向で外側に向かって関連付けられる高周波内の情報は実質的に均質となる。これに比較して、図１０Ｄの発光素子についての矩形配置に関連する展開領域は、実質的には矩形であり、より高い周波数での情報はそれほど均質にはならない。
【００６５】
図３Ａでは、各発光素子１１２（ｂ）は、ＬＥＤとして図示されているが、他の種類の発光素子を用いることもできる。この例では、各発光素子１１２（ｂ）は、照射するときに放射を発する放射源を有する。点線によって示されているように、各発光素子１１２（ｂ）は、逐次的にかつ個別的に発光状態に入り、波動ベクトル（ｋｘ，ｋｙ）を有する照射１１４を提供する。この場合では、試料２０は、９個の発光素子１１２（ｂ）の各々によって提供される照射によって９通りの異なる入射角から照射されることができる。１つの運用例では、試料２０は異なる取得時刻において９通りの異なる入射角から照射され、光学系１３０（ｂ）は照射された試料２０から出る光を集光し、対物レンズ１３４はその受光角度に基づいて試料から出る光をフィルタし、筒状レンズはフィルタされた光を放射検出器１４０（ｂ）にフォーカスし、放射検出器１４０（ｂ）は９個の輝度画像を取得時刻においてキャプチャする。
【００６６】
図３Ａでは、徹照モード、即ち試料２０を通るように照射１１４が向けられるモードにて照射１１４が提供されるように円形可変照明装置１１０（ｂ）は配置される。別の場合では、落射照明モードで可変照明装置１１０（ｂ）は配置されることができ、この場合該装置は試料２０との関係で対物レンズ１３４と同じ側に配置されている。
【００６７】
特定の態様では、可変照明装置からの入射角における照射は、平面波照射を近似する。波動ベクトル（ｋｘ，ｋｙ）を有する斜面波による照射は、一般に、試料スペクトルの中心をフーリエドメイン内で（ｋｘ，ｋｙ）だけシフトさせることと等価である。ここで、kx = k0・cosx（照射波動ベクトルとｘ軸間の角度のコサイン）；ky = k0・cosy（照射波動ベクトルとｙ軸間の角度のコサイン）；及び
【数１】
2016530567.tif 000003
である。フィルタリング光学素子（例えば、図３Ａの対物レンズ１３４）のフーリエ空間内の瞳孔関数（即ち、コヒーレントな光学的伝達関数）は、円形かつローパスかつ半径はNAobj・k0であると記述されることができ、この場合
【数２】
2016530567.tif 000004
であり、NAobjはフィルタリング光学素子に関する。したがって、可変照明装置からの波動ベクトル（ｋｘ，ｋｙ）を有する近似平面波照射に基づいて放射検出器によって取得された各輝度画像は、フーリエドメインで（ｋｘ，ｋｙ）あたりに中心を有する試料スペクトル情報を含む。照射が（ｋｘ，ｋｙ）又は（ｋ０・ｃｏｓｘ，ｋ０・ｃｏｓｙ）の波動ベクトルを有する場合、システムによってキャプチャされる画像は
【数３】
2016530567.tif 000005
に達する高さまでの空間周波数情報を含み、ここで
【数４】
2016530567.tif 000006
は照射の開口数である。システムの合成ＮＡは、ＮＡｓｙｎ＝ＮＡｏｂｊ＋ＮＡｉｌｌとして記述されることができる。
【００６８】
可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムにおいてＮＡｓｙｓを１を超えるものとするため、ＮＡｏｂｊ＋ＮＡｉｌｌが１より大きい総和をもたらすように構成要素を構成する。例えば、図３Ａの超高ＮＡ構成を、９個の発光素子（例えば、ＬＥＤ）の円形環を有するＮＡｉｌｌ＝０．７０の円形可変照明装置と共に、並びに、対物レンズ形式のＮＡｏｂｊ＝０．７５のフィルタリング光学素子（例えば、４０Ｘ， ０．７５ＮＡの顕微鏡対物レンズ）と共に、用いることによって結果として得られる乾式対物システムはＮＡｓｙｎ＝１．４５を達成しつつ対物レンズの視野及び作動距離を保持する別の例としては、図３Ａの超高ＮＡ構成を、画像取得のための１００Ｘ １．４ＮＡ対物レンズを有するオイル液浸構成と共に、並びに、（対物レンズの後焦点面にある発光素子について撮像することによって用いる）別の照射のため１００Ｘ １．４ＮＡのものと共に、用いることによってＮＡｓｙｓは２．８もの高さを達成し得る。
【００６９】
一部の態様では、反復的復元プロセスを用いることができ、複数の入射角に関連するこれらの領域の各々での情報をスティッチングして、情報をフーリエドメイン内にて展開して、外側領域での高周波情報をキャプチャして、均質的に重複し及びより広い情報についての領域についてキャプチャを行うことができ、これによって結果として試料についてより高い分解能の画像がもたらされ得る。フィルタリング光学素子についてのこの本来的ＮＡｏｂｊの拡張は、システムについて拡張された合成ＮＡを生成し得る。
【００７０】
本願にて説明する特定の超高ＮＡ可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムにおいては、フィルタリング光学素子は比較的に高いＮＡを有することができ、これによってフーリエドメイン内の各入射角についてのより広い円形領域に対応する各々の入射角についてより高い周波数についての情報をキャプチャすることができ、これによって約４００ｎｍよりも良好な分解能を有する画像が結果としてもたらされ得る。例えば、図３Ａの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１１０（ｂ）を伴う可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、超高ＮＡ構成とされている。この例では、対物レンズ１３４は比較的に高いＮＡを有し、例えば約０．６から約０．７５の範囲内とすることができる。また、可変照明装置１１０（ｂ）は、９個の発光素子（ＬＥＤ）の環を有する。図３Ｂは、１つの実施形態による、図３Ａに示すこの超高ＮＡ構成のためのフーリエドメイン内での展開を示す図である。図３Ｃは、特定の詳細事項を明確化するために図３Ｂの図示内容を白色背景上に示したものである。
【００７１】
本願にて説明する特定の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、角度的に変化のある照射を用いて試料についての高周波情報を取得する。図３Ａの超高ＮＡ構成を有するシステムのような場合においては、システムは、より高いＮＡのフィルタリング光学素子を用いること及び／又は可変照明装置によって使用される入射角の範囲を増大させること、によって高周波情報を取得する。反復的復元プロセス（例えば、反復的位相復元プロセス）を用いることによって図３Ｂ〜図３Ｃ及び図３Ｄ〜図３Ｅの場合のように試料についての高周波情報に対してフーリエドメイン内にて「スティッチング」を行うことができ、これは拡張合成ＮＡ及びより緻密な分解能が空間ドメイン内にて生成されたことを意味する。
【００７２】
図３Ｂ及び図３Ｃにおいては、中心円形領域２５０は、対物レンズ１３４（例えば、ＮＡ＝０．６０）によってキャプチャされることのできる情報の範囲を表している。重複する９つの円形領域２６０の各々は、斜角照射で同じ対物レンズ１３４によってキャプチャされた情報の範囲を表している。重複する円形領域２６０の各々は、９通りの異なる入射角の１つに対応する。円形領域２８０は、対物レンズ１３４によって異なる９通りの入射角でキャプチャされた情報の範囲を示す。円形領域２７０は、ＮＡを１とした対物レンズによってキャプチャされた情報の範囲を参考のために示している。図示のように、９通りの入射角で対物レンズ１３４によってキャプチャされた情報の範囲についての円形領域２８０は、ＮＡを１とした対物レンズについての円形２７０よりも大きいのであり、即ち図３Ｂに示す構成のＮＡは１．０よりも大きい。即ち、フーリエ空間内で円形領域を重複させることによって、組み合わされた領域は１．０よりも大きいＮＡをもたらし得る。対物レンズ１３４の本来的ＮＡが０．６よりも低くなり得る構成では、より多くのＬＥＤを（円形配列又は正方形配列で）配列して十分な入射角をもたらしてフーリエドメイン内でＮＡ＝１．０内の領域が完全に占有されるようにすることができる。このような配列の例は図３Ｄと図３Ｅにおいて説明されている。
【００７３】
オイル液浸技術を用いれば、従来的な顕微鏡は１．０の最大ＮＡを達成することができる。図３Ａの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｂ）等の超高ＮＡ構成とされる可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムを用いる場合、フィルタリング光学素子のＮＡは比較的に高いのであり、結果として得られるシステムについての拡張されたＮＡは１．０を超えると示されている。
【００７４】
図３Ｄは、１つの実施形態による、図３Ａのものに似ているが、発光素子に関しての２つの同心円（環）（インナー環には４個の発光素子があり、また、アウター環には１２個の発光素子がある）を有し、かつ、ＮＡが０．５０の対物レンズを有するという点で該図３Ａのものとは異なる、超高ＮＡ構成についてのフーリエドメイン内での拡張の様子を示している。インナー環は４個の発光素子を有し、アウター環は１２個の発光素子を有する。特定の詳細事項を明確化するために図３Ｅの図示内容を白色背景上に示したものである。
【００７５】
図３Ｄ及び図３Ｅにおいては、中心の円形領域２５２は、ＮＡ＝０．５０の対物レンズによってキャプチャされることのできる情報の範囲を表す。（可変照明装置のインナー環に対応する）４個の重複する円形領域２６２は、ＮＡ＝０．５０の対物レンズによって４通りの対応する入射角での斜角照射でキャプチャされた情報の範囲を表す。重複する円形領域２６２の各々は、異なる４通りの入射角の１つに対応する。（可変照明装置のアウター環に対応する）１２個の重複する円形領域２６４は、ＮＡ＝０．５０の対物レンズによって１２通りの対応する入射角での斜角照射でキャプチャされた情報の範囲を表す。重複する円形領域２６４の各々は、異なる１２通りの入射角の１つに対応する。
【００７６】
円形領域２８２は、ＮＡが０．５０の対物レンズ１３４によって１６通りの異なる入射角でキャプチャされた拡大された情報の範囲を表す。ＮＡが１の対物レンズによってキャプチャされた情報の範囲を示して参考とするために、円形領域２７０が図示されている。図示されているように、対物レンズによって１６通りの異なる入射角でキャプチャされた拡大された情報の範囲についての円形領域２８２は、ＮＡが１の対物レンズの円２７０よりも大きい。
【００７７】
図４は、特定の実施形態による可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｃ）の構成要素についての概略図である。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｃ）は、図１との関係で説明されたシステム１０についての可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置についての超高ＮＡ構成の例である。
【００７８】
図４の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｃ）は、矩形アレイ可変照明装置１１０（ｃ）と、対物レンズ１３４（例えば、顕微鏡対物レンズ）及び筒状レンズ１３２を有する光学系１３０（ｃ）と、放射検出器１４０（ｃ）とを備える。この例示においては、対物レンズ１３４は、光学系１３０の（第１の）集光光学素子である。対物レンズ１３２は、比較的に高いＮＡを有している（例えば、約０．５０から約０．７５の範囲内のＮＡ）。試料２０は標本面１２６上で可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｃ）に提供される。
【００７９】
図４では、矩形アレイ可変照明装置１１０（ｃ）は、徹照モードで照射１１４をもたらすように配置されており、即ち照射１１４は試料２０を通過するようにされる。別の場合では、可変照明装置１１０（ｃ）は落射照明モードで照射をもたらすように配置されており、即ち試料２０との関係で対物レンズ１３４と同じ側に配置されている。
【００８０】
図４の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｃ）は、１５×１５の正方形アレイに対応する２２５個の等間隔配置発光素子を有する正方形グリッド配列にされた発光素子１１２（ｃ）を有する可変照明装置１１０（ｃ）を、備える。発光素子についての他の個数や配置を用いることもできる。この例示された例では、発光素子１１２（ｃ）間の間隔は、約２°から約４０°の範囲内である。
【００８１】
図４では、各発光素子１１２（ｃ）は、ＬＥＤとして表されているが、他の種類の発光素子を使うこともできる。この例では、各発光素子１１２（ｃ）は、照射されると放射を発する放射源を有する。作動中は、各発光素子１１２（ｃ）は、逐次的にかつ個別的に発光して波動ベクトル（ｋｘ，ｋｙ）を有する照射１１４をもたらす。この場合試料２０は、２２５個の発光素子１１２（ｃ）の各々によってもたらされる２２５通りの異なる入射角によって照射されることができる。１つの運用例では、試料２０は２２５個の異なる取得時刻において２２５通りの異なる入射角から照射され、光学系１３０（ｃ）は試料２０から出る光を集光し、対物レンズ１３４はその受光角度に基づいて試料から出る光をフィルタし、筒状レンズはフィルタされた光を放射検出器１４０（ｃ）にフォーカスし、放射検出器１４０（ｃ）は２２５個の取得時刻において２２５個の輝度画像をキャプチャする。
【００８２】
図５、６、７Ａ〜７Ｂは、図１との関係で説明されたシステム１０の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の反射モード構成（落射照明モードの構成）の構成要素についての概略側面図である。図５、６、７Ａ〜７Ｂの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の各々は、撮像光学系と同じ平面に（例えば、図５の場合）、又は、該平面の後ろに（例えば、図６、７Ａ〜７Ｂの場合）可変照明装置を配置するように構成されている。これら図示されている装置は落射照明モードのものとして示されている。落射照明モードのこのような装置を有するシステムのための主要な用途の幾つかには他の用途もあるが、半導体ウエハー、チップ、及び／又は電子回路基板検査等を含む金属又は半導体の表面検査が含まれる。２次的な用途は、図１の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システム１０を、落射照明モードで、改造されたフラッシュシステムを有する手持ちカメラ、又は人工衛星撮像等のシナリオを含む任意のシナリオを含むように拡張し得る。図５、６、７Ａ〜７Ｂに示されている例は、超高ＮＡシステムのために構成された構成要素を含むことができる。例えば、図７Ａ〜７Ｂの対物レンズのＮＡは、約０．５０のＮＡを有することができる。
【００８３】
図５は、特定の実施形態による、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）の構成要素についての概略側面図である。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）は、円形可変照明装置１１０（ｄ）と、撮像レンズ１３７の形式とされているフィルタリング光学素子を備える光学系１３０（ｄ）と、検出平面１４２を有する放射検出器１４０（ｄ）とを備える。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）に提供された状態での標本面１２６上の試料２０が示されている。
【００８４】
図５の撮像レンズ１３７に関しては、焦点距離がｆであり、半径がｒであり、及び、受光角度は２θＡである。撮像レンズ１３７は、約０．６０から約０．７５の範囲内のＮＡを有することができる。図示の例においては、撮像レンズ１３７は大型カメラレンズに類似させて作動距離ｄ０を大きく取るようにすることができ、例えば約１０〜２０ｃｍ等にすることができる。他の例では、例えば顕微鏡レンズ等のより小型のレンズを用いることができ、その場合作動距離ｄ０はより短くなり例えば約２〜３ｃｍとなる。
【００８５】
図５の円形アレイ可変照明装置１１０（ｄ）は、発光素子１１２（例えば、ＬＥＤ）であって、該発光素子は１２個の同心環（例えば、ＬＥＤの円形環）に配置されており、該環は等間隔に設けられ、該環は中心軸の及び撮像レンズ１３７の周辺にセンタリングされている、発光素子を備えている。他の場合では、他の個数の同心環を用いることができ、例えば１，２，３，４，５，６，等とすることができる。図示の例では、発光素子１１２は撮像レンズ１３７の試料面上に位置している。他の場合では、発光素子はオフセットされた平面に設けられていることができつつも試料２０との関係で撮像レンズ１３７と同じ側に位置して落射照明モードを提供することができる。図示の例では、環は相互に等間隔をもって離されており、半径方向の間隔はΔｒとして定義されている。この図示された例では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）は、試料２０の上方に向かって作動距離ｄ０に等しい距離に位置している可変照明装置１１０（ｄ）を有しており、これにより落射照明モードを提供する。
【００８６】
図５では、単一の照射時刻及び／又は取得時刻における、分解能可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）の様子が示されている。この時刻においては、可変照明装置１１０（ｄ）の単一の発光素子１１２がアクティベートされて入射角がθＢであり波動ベクトルが（ｋｘ，ｋｙ）である照射１１４がもたらされる。別の時刻においては、別の発光素子１１２が照射をもたらしていることができる。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）の可変照明装置を備えるシステムの運用例においては、可変照明装置１１０（ｄ）は、Ｎ通りの複数の入射角から試料２０への照射１１４を発生する。撮像レンズ１３７は、その受光角度内の試料２０からの光を受光して光をフィルタする。光学系はフィルタされた光を放射検出器１４０（ｄ）へと伝播し、それは輝度分布を測定して異なる入射角における輝度画像をキャプチャする。
【００８７】
図示の例では次の寸法が含まれる：撮像レンズ１３７と放射検出器１４０（ｄ）との間の距離たる距離ｄｉ、及び、撮像レンズ１３７と試料との間の作動距離たる作動距離ｄ０。１つの例では、フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）は、次の相対的寸法を有していることができる：ｆ＝５ｃｍ、ｄｉ＝７．０２ｃｍ、ｄ０＝１７．３ｃｍ、ｒ＝０．２５ｃｍ、θＢ＝３０°、及びθＡ＝３°。
【００８８】
図５の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）は、撮像レンズ１３７が位置する中心には発光素子を有さない可変照明装置１１０（ｄ）を含む。発光素子が中心にないため、照明装置１１０（ｄ）を有する装置１１０（ｄ）によって生成される画像は、低い空間周波数を含まない。例えば、低速で変化する位相物体の特徴付けを要する場合、又は、物体表面の全体の反射率についての正確な知識が必要とされる場合等の一部の用途においては、この低い空間周波数の情報が重要たり得る。図５の構成は、大きな作動距離を有し、また、少ない点数の構成要素を伴う単純な設計を有している。この構成例は低い空間周波数の情報を収集しないため、この構成例は高分解能フィーチャーや高分解能欠陥を撮像するために好適であり、例えばチップ検査用途がこれにあたる。
【００８９】
図６は、特定の実施形態による、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）の構成要素についての概略図である。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）の特定の構成要素は図５の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｄ）のそれに類似している。図６では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）は、図５の構成例によって除外され得る低い空間周波数をキャプチャするように構成されている。この可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）は、低い空間周波数をキャプチャするように構成されており、このためにビームスプリッタ１３９と発光素子１１２（２）の第２のより小さい同心環１１０（ｅ）（２）とを備えており、該環は撮像レンズ１３８（撮像光学素子）の反対側に配置されておりこれにより発光素子１１２（２）は撮像光学素子の撮像面へ向けられていることになる。発光素子の第２のセット１１２（２）は、撮像光学素子を通してフォーカスされて試料面で平面波によって試料を照射する。特定の場面においては、図６の構成は図５のものより大きな開口を含む。図６の構成は大きな作動距離をもたらし得る。
【００９０】
図６では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）は、第１のセットの同心環１１０（ｅ）（１）と第２のセットの同心環１１０（ｅ）（２）とを含む可変照明装置と、撮像レンズ１３８とビームスプリッタ１３９とを含むか備える光学系と、検出面１４２を有する放射検出器１４０とを備える。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）に提供された状態で、標本面１２６上に試料２０が配置されている。図示の例は、撮像レンズ１３８と試料２０との間の作動距離ｄ０を示す。図示の例は、撮像レンズ１３８と放射検出器１４０との間の距離ｄｉも示す。
【００９１】
ビームスプリッタ１３９は、ビームスプリッタ１３９に４５°で入射しかつビームスプリッタ１３９によって吸収されない照射の半分を通過させるように構成されている。（吸収されていない）入射した照射の残部たる半分はビームスプリッタ１３９によって反射される。例えば、ビームスプリッタ１３９は、適切に光を調節できるように設計されたコーティングを付されたガラス板又は他の基板であることができる。別の例としては、ビームスプリッタは反射する材料（例えば、金属）の連続的な薄いコーティングを施された半透鏡とされることができる。別の例では、スイスチーズビームスプリッタがあり、これは穴がある非連続的なコーティングを有しておりこれによって所望の反射対通過比が得られる。
【００９２】
撮像レンズ１３８に関しては、焦点距離がｆであり、半径がｒであり、及び、受光角度は２θＡである。図示の例では、撮像レンズ１３８は、その受光角度たる２θＡ内の光を受光することによって光をフィルタするように構成されている。図示の例で用いることのできる数値例としては：ｆ＝６ｃｍ、ｒ＝１ｃｍ、θＡ＝５°がある。他の焦点距離、半径及び受光角度を用いることができる。レンズと試料との間の距離を大きく維持するために、撮像レンズ１３８は約０．１から約０．３となる比較的低いＮＡを有している。図示の例では、撮像レンズ１３８は約０．１６のＮＡを有しており、これは比較的低いＮＡである（例えば、約０．０８、約０．０９、約０．１０、約０．０７から約０．２０の範囲内、等）。
【００９３】
図示の例では、撮像レンズ１３８は、例えば、焦点距離ｆが６ｃｍであり半径ｒが２ｃｍである大型カメラレンズであることができる。大型カメラレンズを用いる場合、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）は相応な大きな作動距離ｄ０を有することになり、例えば約１０〜２０ｃｍとなる。他の例では、顕微鏡レンズ等のより小型なレンズを用いることができ、この場合作動距離ｄ０はより小さくなり、例えば２〜３ｃｍとなる。図示の例では、ｄ０＝１２ｃｍであり、ｄｉ＝１２ｃｍとなるが他の値も使用可能である。
【００９４】
図６では、ビームスプリッタ１３９と同心環１１０（ｅ）（２）の第２のセットとの間の光路距離はｂとして表記され、ビームスプリッタ１３９と撮像レンズ１３８との間の光路距離はａとして表記される。図示の例では、撮像レンズ１３８が、同心環１１０（ｅ）（２）の第２のセットから総光路距離ａ＋ｂ＝ｆほど離されるように配置される。
【００９５】
図６では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）は、発光素子の同心環（例えば、円形ＬＥＤアレイ）を２セット備えるのであり、第１のセットは１２個の等間隔の同心環１１０（ｅ）（１）（例えば、第１のＬＥＤアレイ）であり、第２のセットは８個の等間隔の同心環１１０（ｅ）（２）（例えば、第２のＬＥＤアレイ）である。他の場合に用いることのできる同心環の個数には１，２，３，４，５，６，等が含まれる。同心環１１０（ｅ）（１）の第１のセットは、撮像レンズ１３８の平面上に配置されかつ撮像レンズ１３８との関係でセンタリングされている発光素子１１２（１）を備える。他の場面では、発光素子１１２（１）は、試料２０との関係で撮像レンズ１３８と同じ側のオフセットされた平面にあることができ、これによって落射照明モードによる照射のために構成されることができる。同心環１１０（ｅ）（１）の第１のセットは、半径方向の間隔をΔｒ１として等間隔で配置されている。同心環１１０（ｅ）（１）の第２のセットは、半径方向の間隔をΔｒ２として等間隔で配置されている。同心環１１０（ｅ）（１）の第１のセットは試料２０の上方に向かって作動距離ｄ０に等しい距離に位置している。
【００９６】
この図示された例では、同心環１１０（ｅ）（１）の第１のセットは、撮像レンズ１３８の中心軸の周辺にセンタリングされており、第１のセットの発光素子１１２（１）が撮像レンズ１３８の中心にまたがらないようにしてある。同心環１１０（ｅ）（１）の第１のセットについての第２のセットは、ビームスプリッタ１３９によって反射された照射を撮像レンズ１３８を通してもたらすように構成されている発光素子１１２（２）を有している。同心環１１０（ｅ）（２）の第２のセットは、撮像レンズ１３８から焦点距離ｆとなる総光路（ａ＋ｂ）ほど離された平面上に位置する発光素子１１２（２）を備える。
【００９７】
図６では、単一の照射時刻及び／又は取得時刻における可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）が示されている。この時刻においては、同心環１１０（ｅ）（１）の第１のセットからの単一の発光素子１１２（１）が波動ベクトル（ｋｘ，ｋｙ）を有する入射角θＢの照射１１４をもたらしている様子が示されている。別の時刻においては、他の発光素子１１２（１）又は１１２（２）が照射をもたらしていることができる。発光素子１１２（２）の１つが照射している場合、ビームスプリッタ１３９は入射光を受光する。ビームスプリッタ１３９にて受光された（かつ吸収されていない）入射光の半分は撮像レンズ１３８へと反射されこれが照射を試料２０へと伝播する。特定の態様では、ビームスプリッタ１３９は入射した照射の半分を通過させるため、同心環１１０（ｅ）（２）の第２のセットの発光素子１１２（２）の各々は、同心環１１０（ｅ）（１）の第１のセットの発光素子１１２（１）の各々の光源の約２倍（２ｘ）の輝度の光源を有している。特定の場合では、発光素子１１２（２）の輝度を調整して、発光素子１１２（１）によってもたらされる入射する照射とおよそ同じ輝度を有する入射する照射を試料２０にてもたらすことができる。
【００９８】
可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｅ）の可変照明装置を備えるシステムの１つの運用例では、可変照明装置の発光素子１１２（１）及び１１２（２）が複数たるＮ通りの入射角で試料へ向けられた照射を生成する。試料２０によって反射された光は、撮像レンズ１３８で受光される。撮像レンズ１３８はその受光角度内の光を受光して光をフィルタする。撮像レンズ１３８は入射光をビームスプリッタ１３８へと伝播する。撮像レンズ１３８からの入射光の半分はビームスプリッタ１３８を通して送られて放射検出器１４０（ｅ）へと伝播され、該検出器は異なる取得時刻において輝度分布を測定して、異なる入射角における複数の輝度画像をキャプチャする。
【００９９】
図７Ａ及び７Ｂは、特定の実施形態による、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）の構成要素についての概略図である。図７Ａは可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）の照射スキームを表し、図７Ｂは可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）の集光スキームを表す。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）の特定の構成要素は、他の図の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置の構成要素に類似している。
【０１００】
図７Ａ及び図７Ｂでは、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）は、発光素子１１２の同心環１１０（ｅ）（１）を１２個備える可変照明装置１１０（ｆ）と、光学系と、検出面１４２を有する放射検出器１４０（ｅ）とを備える。可変照明装置１１０（ｆ）は発光素子１１２の同心環１１０（ｅ）（１）を１２個備える。他の個数の同心環を用いることができ、例えば１，２，３，４，５，６，７，８，９，．．．１３，１４，１５，等とすることができる。最も外側の同心環は幅がｗである。光学系は、焦点距離がｆである対物レンズ１３４（例えば、顕微鏡対物レンズ）と、筒状レンズ１３２と、セカンダリレンズ１３８と、ビームスプリッタ１３９とを備える。ここでは対物レンズ１３４が顕微鏡対物レンズとして例示されているが、別の対物レンズを用いることもできる。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）に提供された状態での標本面１２６上の試料２０が示されている。図示の例は、対物レンズ１３４と試料２０との間の作動距離ｄ０を示す。図示の例では、顕微鏡対物レンズを用いることができ、該構成の作動距離は例えば２〜３ｃｍといった短いものとなる。０．０８ＮＡの２倍対物レンズとした場合、１つの作動域としては作動距離〜２ｃｍがあり得る。別のものとしては、０．５ＮＡの２０倍対物レンズとしたうえで作動距離〜２ｍｍがあり得る。
【０１０１】
図示の構成では、可変照明装置１１０（ｆ）（例えば、ＬＥＤアレイ）全体が対物レンズ１３４（プライマリ撮像光学素子）の後ろに配置されており、可変照明装置１１０（ｆ）を対物レンズの後焦点面へとイメージングするのにセカンダリレンズ１３０が用いられる。図７Ａ及び図７Ｂでは、ビームスプリッタ１３９とセカンダリレンズ１３８との間の光路距離はｄｉ１であり、セカンダリレンズ１３８間の光路距離はｄ２であり、ビームスプリッタ１３９と対物レンズ１３４の後焦点面との間の光路距離はｄｉ２である。図７Ａでは、可変照明装置１１０（ｆ）のイメージ１３６が、対物レンズ１３４の後ろから焦点距離Ｆの光路距離ほど離れた後焦点面１３５にて示されている。対物レンズ１３４の後焦点面１３５に可変照明装置１１０（ｆ）のイメージが形成されるのを確実にするため、光路距離が次の関係式を満たすように光学系の構成要素が配置される：１／ｆ＝１／ｄ２＋１／（ｄｉ１＋ｄｉ２）。図７Ｂは、筒状レンズ１３２から放射検出器１４０（ｆ）への光路距離ｄｓ、及び、筒状レンズ１３２から対物レンズ１３４の後ろへの光路距離ｄｔを示してもいる。図示の例は、２倍の顕微鏡レンズである対物レンズ１３４を含む。他の例では、他の対物レンズを用いることができる。例示される構成で用いることのできる値の例としては、ｗ＝１０ｃｍ、ｄ２＝２０ｃｍ、ｄｉ１＋ｄｉ２＝２ｃｍ、及び、ｆ＝１．９ｃｍがある。他の値も使用可能である。
【０１０２】
ビームスプリッタ１３９は、ビームスプリッタ１３９に対して４５°で入射して、かつ、ビームスプリッタ１３９によって吸収されていない照射の半分を通過させるように構成されている。（吸収されていない）入射した照射の残部たる半分はビームスプリッタ１３９によって反射される。例えば、ビームスプリッタ１３９は、適切に光を調節できるように設計されたコーティングを付されたガラス板又は他の基板であってもよい。別の例としては、ビームスプリッタは反射する材料（例えば、金属）の連続的な薄いコーティングを施された半透鏡であってもよい。別の例では、スイスチーズビームスプリッタがあり、これは穴がある非連続的なコーティングを有しておりこれによって所望の反射対通過比が得られる。
【０１０３】
図７Ａでは、単一の照射時刻における分解能可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）が示されている。この時刻において、可変照明装置１１０（ｆ）の単一の発光素子１１２がアクティベートされて、波動ベクトル（ｋｘ，ｋｙ）を有する入射角θＢでの照射がもたらされる。別の時刻においては、他の発光素子１１２が他の入射角での照射をもたらしていてもよい。発光素子１１２の各々は、試料２０に対して特定の入射角で照射（例えば、平面波照射）をもたらすことができる光源を含む。
【０１０４】
図７Ａに示すように、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ｆ）の可変照明装置を備えるシステムの作動中においては、可変照明装置１１０（ｆ）の異なる発光素子１１２が異なる時刻において照射される。セカンダリレンズ１３８は、照射する発光素子１１２から照射を受け、照射をビームスプリッタ１３９へと伝播する。ビームスプリッタ１３９は、入射光の半分を通過させ、また、入射光の半分を反射する。対物レンズ１３４は入射光を試料へと伝播して異なる時刻においてＮ通りの複数の入射角でそれを照射する。図７Ｂに示すように、システムの作動中においては、試料２０から出る光は、光学系のフィルタリング光学素子として機能する対物レンズ１３４によって受光される。対物レンズ１３４は、光をビームスプリッタ１３９へと伝播し、それは吸収されていない光の半分を通過させ、また残部を反射する。筒状レンズ１３２は、ビームスプリッタ１３９を通過する光を受光して、光を放射検出器１４０（ｆ）へと伝播する。放射検出器１４０（ｗ）は、異なる取得時刻における輝度分布を測定して複数の入射角での複数の輝度画像をキャプチャする。
【０１０５】
ＩＩ．  可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、測定プロセスと、復元プロセスと、随意的な表示プロセスとを備える。測定プロセスにおいては、試料は、Ｎ通りの複数の入射角（（θｘｉ，ｊ，θｙｉ，ｊ）、ｉ＝１〜ｎ、ｊ＝１〜ｍ、（Ｎ＝ｎｘｍ））から照射され、このために可変照明装置を用いる。このプロセスでは、光学系が照射された試料から出る光をフィルタしてフィルタされた光を放射検出器へと伝播し、また、放射検出器がフィルタされた光を受光してＭ個の複数の輝度画像を取得する（Ｉｋ，ｌ、ｋ＝１〜ｏ及びｊ＝１〜ｐ、ここでＭ＝ｏｘｐ）。特定の場合では、各入射角において輝度画像がキャプチャされる。特定の態様では、可変照明装置は、フーリエドメイン内で特定量重複しかつ外側高周波領域を包括する領域に対応する輝度データを生成させるような特定の入射角からの照射を、生成するように設計されていることができる。復元プロセスでは、Ｍ個の輝度画像は、フーリエドメイン内で反復的に組み合わされてより高い分解能の画像データ（輝度及び／又は位相）が生成される。各反復回において、特定の平面波入射角についてフーリエドメイン内でフィルタが適用され、逆フーリエ変換が適用されてより低い分解能の画像が生成され、より低い分解能の画像の輝度が放射検出器からの輝度測定値で置き換えられ、フーリエ変換が適用され、フーリエ空間内の対応する領域が更新される。随意的な表示プロセスでは、画像（例えば、より高い分解能の画像、取得された輝度画像、等）及び／又は他の出力をディスプレイ上にもたらすことができる。一般的に、これらの方法は二つのワーキングドメインの間を行き来する：即ち、空間（ｘ−ｙ）ドメイン及びフーリエ（ｋｘ−ｋｙ）ドメインであり、ここでｋは波数を表す。
【０１０６】
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、角度的多様性を用いて複素サンプルイメージを復元する位相復元手法を備えることができる。復元プロセスは、空間ドメインで取得された既知の画像データのエンフォースメントと、フーリエドメイン内での固定化された制約との間を行き来する。この位相復元手法は様々な方法を用いて実現することができ、例えば、交互投射手順、問題についての凸な再構成、又は、任意の凸でない中間的バリアント等がある。試料を水平に変換する必要がなく（即ち、変換における多様性）、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムでは、フーリエドメイン内のスペクトル制約を変化させる方法であって、単一のキャプチャ画像を超えてフーリエパスバンドを拡張してより高い分解能の資料画像を復元する方法が用いられる。
【０１０７】
一部の場合では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、随意的な収差補正プロセスを備えることもできる。収差補正プロセスの例としては、リフォーカス（伝播）プロセスがある。このようなリフォーカスプロセスは、光学素子の合焦面が位置ｚ＝０にある場合において、試料がｚ＝ｚ０にある試料面に配置された場合に有用となり得る。即ち、試料についてキャプチャされた画像は試料面における画像ではなく、キャプチャされた画像は光学素子の合焦面から距離−ｚ０伝播された試料プロファイルである。これらの場合では、距離ｚ０について試料面へ戻すように画像データを伝播することによって、試料をｚ方向に機械的に移動させずに、該方法が試料についてリフォーカスを行うことができる。リフォーカス（伝播）のステップは、フーリエ空間内で位相係数を乗算することによって行うことができる。
【０１０８】
特定の図示例に言及するに、添え字「ｈ」はより高い分解能を指し、添え字「ｌ」はより低い分解能を指し、添え字「ｆ」は合焦位置を指し、添え字「ｍ」は測定されたことを指し、添え字「ｓ」はサンプルされたことを指す。
【０１０９】
図８は、特定の実施形態による、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法のステップを示す図である。この方法は、例えば図１との関係で説明されたシステム１０等の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムによって行われる。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、測定プロセス（ステップ１１００、１２００、及び１３００）と、復元プロセス（ステップ１４００及び１５００）と、随意的な表示プロセス（ステップ１６００）とを備える。
【０１１０】
ステップ１１００では、可変照明装置は、Ｎ個のサンプル時刻においてＮ通りの複数の入射角（θｘｉ，ｊ， θｙｉ，ｊ）から試料への照射をもたらす（ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍ）。一部の場合では、可変照明装置は、照射命令に基づいて試料へもたらされる照射を制御する。商社命令は、照射角の順序及び関連する照射の時間を規定することができる。波動ベクトルは、ｘ及びｙ方向において次のように記述されることができる：波動ベクトルｋｘｉ，ｊ， ｋｙｉ，ｊ。
【０１１１】
特定の態様では、可変照明装置は、異なる波長の照射を異なるサンプル時刻においてもたらすことができる。例えば、カラー撮像実施形態においては、可変照明装置はλ１、λ２、及びλ３からなる３波長ＲＧＢ照射をもたらすことができ、これらは各々赤色、緑色、青色に対応し、異なるサンプル時刻でもたらされることができる。
【０１１２】
一部の場合では、可変照明装置は平面波の照射をもたらすように構成されている。空間ドメインにおける波動ベクトルｋｘ、ｋｙを有する平面波照射は、フーリエドメインにおいて撮像スペクトルの中心を（ｋｘ、ｋｙ）シフトすることと等価である。この点では、フーリエドメインにおける輝度画像データは、直角入射角画像データから（ｋｘ、ｋｙ）シフトされるのであり、これは可変照明装置によって適用される入射角（θｘ，θｙ）に対応する。
【０１１３】
ステップ１２００では、光学系は試料２０から出る光を集光して放射検出器へと伝播させる。光学系は、光をフィルタするフィルタリング光学素子を備える。例えば、フィルタリング光学素子は、照射された試料から出る光を集光する対物レンズであることができる。この場合、対物レンズは、そのＮＡ内の範囲内角度での光のみを受光することによって試料から出る光をフィルタする。フーリエ空間では、例えば対物レンズのようなフィルタリング光学素子のフィルタリング機能は、半径ＮＡｘｋ０とする円形瞳孔によって表されることができ、ここで、ｋ０＝２π／λは真空中の波数である。即ち、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、フーリエ空間においてこのフィルタリング機能及び異なる入射角によって定義された円形領域を更新することができる。特定の場合では、フィルタリング光学素子及びそれに関連付けられているフィルタリング機能は、円形瞳孔領域外のデータを除外する。
【０１１４】
ステップ１３００では、放射検出器は、光学系によって伝播された光を受光し、サンプル時刻ｔｋ，ｋ＝１〜Ｍの各々でスナップショット輝度分布測定値をキャプチャして異なる入射角と関連付けられている複数のＭ個の輝度画像Ｉｋ，ｌ，ｋ＝１〜ｏかつｊ＝１〜ｐを取得する。放射検出器によってサンプルされた各輝度画像は、フーリエ空間内の領域と関連付けられる。多くの態様では、可変照明装置は、フーリエ空間内の重複する近隣の（隣り合う）領域（例えば、円形瞳孔領域）を生成する入射角から照射をもたらすように構成されている。１つの態様では、可変照明装置は、一方の領域の２％から９９．５％になる隣り合う領域間での重複領域をもたらすように設計されている。別の態様では、可変照明装置は、一方の領域の６５％から７５％になる隣り合う領域間での重複領域をもたらすように設計されている。１つの態様では、可変照明装置は、一方の領域の約６５％になる隣り合う領域間での重複領域をもたらすように設計されている。
【０１１５】
ステップ１４００及び１５００では、ステップ１３００で取得したＭ個の輝度分布測定値から試料についてのより高い分解能の画像を生成することができる。Ｍ個の輝度画像Ｉｋ，ｌ，ｋ＝１〜ｏかつｊ＝１〜ｐは、照射波動ベクトルｋｘｉ，ｊ， ｋｙｉ，ｊ（ここで、ｉ＝１〜ｎ，ｊ＝１〜ｍ）によってインデックスされる異なる入射角に対応する。ステップ１４００では、より高い分解能の画像：
【数５】
2016530567.tif 000007
が空間ドメインにおいて初期化され、また、初期値に対してフーリエ変換を適用して初期化されたフーリエ変換された画像
【数６】
2016530567.tif 000008
を取得する。初期化されたより高い分解能の解は初期推定値であることができる。この初期推定値は、試料が焦点から外れた平面ｚ＝ｚ０に位置しているとの仮定に基づいて決定されることができる。一部の場合には、初期推定値を（輝度及び位相の両者についての）ランダム複素行列として定めることができる。他の場合には、初期推定値を、低分解能輝度測定値のランダム位相による補間として定めることができる。初期推定値の例は、試料領域のより低い分解能の任意の画像から補完したφ＝０及びＩｈである。初期推定値の他の例は、定数値である。初期推定値のフーリエ変換は、フーリエドメイン内で広範囲のスペクトルとなり得る。ステップ１５００では、より低い分解能の輝度測定値をフーリエ空間内で反復的に組み合わせることによって試料のより高い分解能の画像を再構成する。多くの場合では、ステップ１５００の様々な部分をプロセッサ（例えば、システム１０のプロセッサ２１０）を用いて実現することができる。
【０１１６】
随意的なステップ１６００では、より高い分解能の画像データ及び／又はプロセッサからの他のデータ等の画像データを受信することができ、また、データをディスプレイ（例えば、図１内のディスプレイ２３０）上に表示することができる。
【０１１７】
収差の補正
特定態様では、復元プロセスのステップ１５００は、フィルタリング関数に位相マップを導入して反復的画像復元プロセスにおいて瞳孔平面上での収差を補正する収差補正プロセスを備えることができる。図９は、図８の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法のステップ１５００のサブステップの例を示すフローチャートであり、特定の態様によると、それは随意的には収差補正プロセスを備えることができる。図示のフローチャートでは、随意的な収差補正プロセスは、２つの乗算ステップ１６１０及び１６４５にて補償を含めることを伴う。ステップ１６１０では、瞳孔関数：
【数７】
2016530567.tif 000009
との乗算によって、実際の試料プロファイルとキャプチャされた（収差を含む）輝度データとの間の相関性をモデリングする。ステップ１６４５では、そのような相関を逆転して収差のない再構成画像を取得する。例えば、収差補正によって試料のデフォーカスを補正することができる。特定の場合では、試料のデフォーカスは、以下のデフォーカス位相係数を瞳孔面に導入すること（即ち、デフォーカス収差）と本質的に等価たり得る：
【数８】
2016530567.tif 000010
ここで、ｋx及びｋyは瞳孔面における波数であり、ｚ0はデフォーカス距離であり、ＮＡはフィルタリング光学素子の開口数である。
【０１１８】
ステップ１６０５では、より高い分解能の画像
【数９】
2016530567.tif 000011
についてプロセッサがフーリエドメイン内でフィルタリングを行ってより低い分解能の画像
【数１０】
2016530567.tif 000012
を、波動ベクトル（ｋｘｉ，ｊ，ｋｙｉ，ｊ）を有する特定の平面波入射角（θｘｉ，θｙｉ）について生成する。より高い分解能の画像のフーリエ変換は
【数１１】
2016530567.tif 000013
であり、特定の平面波入射角についてのより低い分解能の画像のフーリエ変換は
【数１２】
2016530567.tif 000014
である。フーリエドメインでは、該方法は、より高い分解能の画像
【数１３】
2016530567.tif 000015
のスペクトル
【数１４】
2016530567.tif 000016
から領域をフィルタする。対物レンズ形式のフィルタリング光学素子の場合、この領域はＮＡｘｋ0の半径を有する円形瞳孔開口であり、ｋ0は２π／λ（真空中の波数）に等しく、対物レンズのコヒーレント伝達関数によって与えられる。フーリエ空間内では、この領域の位置（例えば、円形領域の中心の位置）が対応する入射角に対応する。波動ベクトル（ｋｘｉ，ｊ， ｋｙｉ，ｊ）を有する斜面波の入射については、該領域は位置（ｋｘｉ，ｊ， ｋｙｉ，ｊ）との関係で
【数１５】
2016530567.tif 000017
のフーリエドメイン内を中心とする。
【０１１９】
随意的ステップ１６１０では、収差補償の一環として、プロセッサはフーリエドメイン内で位相係数
【数１６】
2016530567.tif 000018
で乗算することができる。
【０１２０】
ステップ１６２５では、逆フーリエ変換を行ってより低い分解能の画像領域
【数１７】
2016530567.tif 000019
を生成する。
【０１２１】
ステップ１６３０では、合焦面
【数１８】
2016530567.tif 000020
でのより低い分解能の画像領域の算出された振幅成分
【数１９】
2016530567.tif 000021
は、放射検出器によってキャプチャされたより低分解能輝度測定値たる
【数２０】
2016530567.tif 000022
と置き換えられる。これにより更新されたより低い分解能の画像：
【数２１】
2016530567.tif 000023
が形成される。そして、更新されたより低い分解能の画像データに対してはフーリエ変換が適用される。
【０１２２】
随意的なステップ１６４５では逆位相係数
【数２２】
2016530567.tif 000024
がフーリエドメイン内で適用される
【０１２３】
ステップ１６５０では、入射波動ベクトル（ｋｘ，ｋｙ）に対応するフーリエドメイン内のより高い分解能の解
【数２３】
2016530567.tif 000025
の対応する領域が更新されたより低い分解能の画像データで更新される。
【０１２４】
ステップ１６６０では、ステップ１６０５から１６５０までが、キャプチャされた画像と関連付けられている異なる入射角について完了されたか否かが決定される。これらの異なる入射角についてステップ１６０５から１６５０までが完了されていないのであれば、次の入射角についてステップ１６０５から１６５０までが繰り返される。次の入射角は、通常は、次に隣り合う角度である。特定の態様では、近隣の（隣り合う）領域は、フーリエ空間内で重複しており、反復的に更新される（例えば、隣り合う入射角の各々についてステップ１６０５から１６５０までを反復する等して更新される。）。隣り合う領域の重複領域には、同じフーリエ空間上の複数のサンプリングに基づくデータが存在する。可変照明装置からの照射の入射角が、領域間の重複領域を決定する。１つの例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約２％から約９９．５％の範囲内となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約６５％から約７５％の範囲内となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約６５％となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約７０％となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約７５％となる。特定の実施形態では、重複領域の各々は、同じ面積を有する。
【０１２５】
ステップ１６７０では、より高い分解能の画像データが収束したか否かを決定する。例えば、より高い分解能の画像データが自己無撞着解に収束したか否かをプロセッサが決定することができる。１つの場合では、プロセッサが、前回の反復または初期推定における前のより高い分解能の画像データを現在のより高い分解能のデータと比較し、その差が特定値未満であれば、画像データは自己無撞着解に収束したものとし得る。画像データが収束していないと決定された場合、ステップ１６０５から１６７０が反復される。１つの場合では、ステップ１６０５から１６７０は、一度反復される。他の場合では、ステップ１６０５から１６７０は２回以上反復される。
【０１２６】
画像データが収束した場合、フーリエ空間内の収束した画像データは、逆フーリエ変換で空間ドメインへと変換されてより高い分解能の画像
【数２４】
2016530567.tif 000026
が復元される。ステップ１６７０において解が収束したのであると決定された場合、該方法は随意的なステップ１６００へと進むことができ、又は該方法は終了することができる。
【０１２７】
図１０Ａは、ある実施形態による、図８に示すステップ１５００のサブステップの例を示すフローチャートである。これらのサブステップは、デフォーカスを修正する随意的な収差補正プロセスを備える。図１０では、ステップ１５００は、ステップ１５１０、ステップ１５３０、ステップ１５５０、ステップ１５６０、ステップ１５７０、ステップ１５８０、及びステップ１５９０、を備える。収差補正を伴う実施形態においては、ステップ１５００は、随意的な乗算ステップ１５２０及び１５４０にて行われる補正をさらに含むことができる。例えば、随意的なステップ１５２０及び１５４０は、焦点から量ｚ０だけ外れている試料に対してフォーカスを行うのに使用することができる。
【０１２８】
ステップ１５１０では、プロセッサが、フーリエドメイン内でより高い分解能の画像
【数２５】
2016530567.tif 000027
についてフィルタリングして、波動ベクトル（ｋｘｉ，ｊ，ｋｙｉ，ｊ）を有する特定の平面波入射角（θｘｉｊ，θｙｉｊ）に対するより低い分解能の画像
【数２６】
2016530567.tif 000028
を生成する。より高い分解能の画像のフーリエ変換は
【数２７】
2016530567.tif 000029
であり、特定の平面波入射角についてのより低い分解能の画像のフーリエ変換は
【数２８】
2016530567.tif 000030
である。フーリエドメインでは、該方法は、より高い分解能の画像
【数２９】
2016530567.tif 000031
のスペクトル
【数３０】
2016530567.tif 000032
から領域をフィルタする。対物レンズ形式のフィルタリング光学素子の場合、この領域はＮＡ＊ｋ0の半径を有する円形瞳孔開口であり、ｋ0は２π／λ（真空中の波数）に等しく、対物レンズのコヒーレント伝達関数によって与えられる。フーリエ空間内では、この領域の位置（例えば、円形領域の中心の位置）が対応する入射角に対応する。波動ベクトル（ｋｘｉ，ｊ， ｋｙｉ，ｊ）を有する斜面波の入射については、該領域は位置（ｋｘｉ，ｊ， ｋｙｉ，ｊ）との関係で
【数３１】
2016530567.tif 000033
のフーリエドメイン内を中心とする。
【０１２９】
随意的なステップ１５２０では、低分解能画像
【数３２】
2016530567.tif 000034
を、フーリエ領域内で、ｚ＝０にある光学系の合焦面まで伝播させて、焦点位置におけるより低い分解能の画像
【数３３】
2016530567.tif 000035
を決定する。１つの場合では、低分解能画像
【数３４】
2016530567.tif 000036
をフーリエ変換し、フーリエドメイン内で位相係数を乗算し、逆フーリエ変換して、
【数３５】
2016530567.tif 000037
を得ることによって、随意的なステップ１５２０を行うことができる。別の場合では、低分解能画像
【数３６】
2016530567.tif 000038
を、デフォーカス用の点広がり関数で畳み込むことと数学的に等価な演算によって、ステップ１５２０を行うことができる。他の場合では、逆フーリエ変換を実行して
【数３７】
2016530567.tif 000039
を生成する前に、フーリエドメイン内で
【数３８】
2016530567.tif 000040
に位相係数を乗算することによって、ステップ１５２０をステップ１５１０の随意的なサブステップとして行うことができる。特定の場面においては、試料がフィルタリング光学素子の合焦面（ｚ＝０）に配置されている場合、随意的なステップ１５２０を含める必要はない。
【０１３０】
ステップ１５３０では、合焦面
【数３９】
2016530567.tif 000041
でのより低い分解能の画像の算出された振幅成分
【数４０】
2016530567.tif 000042
は、放射検出器によって測定された低分解能輝度測定値の平方根たる
【数４１】
2016530567.tif 000043
と置き換えられる。これにより更新された低分解能ターゲット：
【数４２】
2016530567.tif 000044
が形成される。
【０１３１】
随意的なステップ１５４０では、更新された低分解能画像
【数４３】
2016530567.tif 000045
を、試料面（ｚ＝ｚ０）まで逆伝播させて、
【数４４】
2016530567.tif 000046
を決定することができる。特定の場面においては、試料がフィルタリング光学素子の合焦面に位置している場合、即ちｚ０＝０の場合、随意的なステップ１５４０を含める必要はない。１つの場合では、更新された低分解能画像
【数４５】
2016530567.tif 000047
のフーリエ変換をとり、フーリエ空間内で位相係数を乗算し、そしてこれを逆フーリエ変換することによって、ステップ１５４０を行うことができる。別の場面においては、更新された低分解能画像
【数４６】
2016530567.tif 000048
を、デフォーカスの点広がり関数で畳み込むことによって、ステップ１５４０を行うことができる。別の場面においては、更新されたターゲット画像に対するフーリエ変換を実行した後に位相係数を乗算することによって、ステップ１５４０をステップ１５５０のサブステップとして行うことができる。
【０１３２】
ステップ１５５０では、試料面
【数４７】
2016530567.tif 000049
に伝播された、更新されたターゲット画像にフーリエ変換を適用し、このデータを、入射波動ベクトル（ｋｘｉ，ｊ，ｋｙｉ，ｊ）に対応するフーリエ空間内のより高い分解能の解
【数４８】
2016530567.tif 000050
の対応する領域内で更新する。
【０１３３】
ステップ１５６０では、ステップ１５１０から１５６０までが、キャプチャされた画像と関連付けられている異なる入射角について完了されたか否かが決定される。これらの異なる入射角についてステップ１６０５から１６５０までが完了されていないのであれば、次の入射角についてステップ１５１０から１５６０までが繰り返される。次の入射角は、通常は、次に隣り合う角度である。特定の態様では、近隣の（隣り合う）領域は、フーリエ空間内で重複しており、反復的に更新される（例えば、隣り合う入射角の各々についてステップ１５１０から１５６０までを反復する等して更新される。）。隣り合う領域の重複領域には、同じフーリエ空間上の複数のサンプリングに基づくデータが存在する。可変照明装置からの照射の入射角が、領域間の重複領域を決定する。１つの例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約２％から約９９．５％の範囲内となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約６５％から約７５％の範囲内となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約６５％となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約７０％となる。別の例では、隣り合う領域間の重複領域は、対応する隣り合う領域の一方の面積の約７５％となる。特定の実施形態では、重複領域の各々は、同じ面積を有する。
【０１３４】
ステップ１５７０では、より高い分解能の画像データが収束したか否かを決定する。例えば、より高い分解能の画像データが自己無撞着解に収束したか否かをプロセッサが決定することができる。１つの場合では、プロセッサが、前回の反復または初期推定における前のより高い分解能の画像データを現在のより高い分解能のデータと比較し、その差が特定値未満であれば、画像データは自己無撞着解に収束したものとし得る。画像データが収束していないと決定された場合、ステップ１５１０から１５６０が反復される。１つの場合では、ステップ１５１０から１５６０は、一度反復される。他の場合では、ステップ１５１０から１５６０は２回以上反復される。画像データが収束した場合、フーリエ空間内の収束した画像データは、逆フーリエ変換で空間ドメインへと変換されてより高い分解能の画像
【数４９】
2016530567.tif 000051
が復元される。ステップ１５７０において解が収束したのであると決定された場合、該方法は随意的なステップ１６００へと進むことができ、又は該方法は終了することができる。
【０１３５】
特定の態様では、図８との関係で説明された可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、図９又は図１０Ａとの関連で説明される随意的な収差補正プロセスを備えることができる。１つの態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、図１のリフォーカスを行うための随意的なステップ１５２０及び１５４０にて説明された随意的なリフォーカス用収差補正プロセスを含む。随意的なステップ１５２０及び１５４０のリフォーカス機能によって画像は合焦面ｚ＝０から試料面ｚ＝ｚ０へと伝播される。試料が試料面ｚ＝ｚ０に位置しており、他方で、フィルタリング光学素子（例えば、対物レンズ）の合焦面がｚ＝０に位置している場合に、リフォーカスが必要となり得る。即ち、試料が焦点から量ｚ０だけ外れている場合にリフォーカスが必要となり得る。
【０１３６】
図１０Ｂ及び図１０Ｃは、１つの実施形態による、徹照モードの可変照明フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）の構成要素についての概略図である。フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）は、発光素子の２次元マトリクス型（例えば、ＬＥＤマトリクス）とされる可変照明装置１１０（ｂ）を備える図１０Ｂ及び図１０Ｃでは、図示のサンプル時刻において、Ｘｉ，ｊ（ｘ’，ｙ’）に位置する可変照明装置１１０（ｂ）の単一の発光素子１１２が照射中の様子が示されている。フーリエタイコグラフィー撮像装置１００（ａ）は、光学系１３０をさらに備える。
【０１３７】
図１０Ｃでは、試料２０は量ｚ０だけアウトオブフォーカス状態として図示してあり、随意的なステップ１５２０及び１５４０（ここでは矢印として図示されている。）は、試料２０を合焦面１２２にデジタル的にリフォーカスするために使用することができる（合焦面１２２への点線で図示。）。図６Ｄでは、試料２０は合焦面１２２に配置されている。この場合、随意的なステップ１５２０及び１５４０は不要となり得る。
【０１３８】
図１０Ｄは、１つの実施形態による、図８及び図１０Ａとの関係で説明した可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法のステップを示すものである。図６Ｅの左側の画像は、より高い分解能の画像を生成するために用いられるフーリエ空間内の２つの円形領域２２（ａ）及び２２（ｂ）を含む。円形領域２２（ａ）及び２２（ｂ）は、フィルタリング光学素子のＮＡに基づいて定められることができ、これはＮＡ＊ｋ０の半径を有する円形瞳孔関数として近似することに基づき、ここでｋ０は２π／λ（真空中の波数）である。例えば、各円形領域２２（ａ）及び２２（ｂ）は、０．０８ＮＡの２倍対物レンズの光伝達関数によって定められることができる。図１０Ｄでは、領域２２（ａ）は、平面波入射角：θｘ＝０；θｙ＝０；ｉ＝１、と関連付けられている円形ローパスフィルタ形状であり、また、領域２２（ｂ）は、平面波入射角：θｘ＝−２１°；θｙ＝２２°、と関連付けられている円形ローパスフィルタ形状である。各入射角でフィルタリングを行うためにフーリエドメイン内の円形領域の外側のデータが除外され、結果として低分解能データが生じる。θｘ＝−２１°；θｙ＝２２°の平面波入射角に基づくフィルタリングによって結果的に生じる低分解能画像は、図１０Ｄの右上に示されている。θｘ＝−２１°；θｙ＝２２°の平面波入射角に基づくフィルタリングによって結果的に生じる低分解能画像は、図１０Ｄの右下に示されている。入射角のｘ方向及びｙ方向の波動ベクトルは、それぞれｋｘ及びｋｙとして表されている。
【０１３９】
図１０Ａの更新ステップ１５５０又は図９の更新ステップ１６５０を実行する際には、方法は、垂直入射θｘ＝０、θｙ＝０に対応する高分解能再構成２２（ｃ）の領域２２（ａ）内のデータを更新する。方法は、第ｎ入射角θｘ＝−２１°；θｙ＝２２°に対応する高分解能再構成の領域２２（ｂ）内のデータをも更新する。領域は、低分解能画像測定データで更新される。
【０１４０】
タイル撮像
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、タイル撮像を行ってキャプチャした輝度画像を複数のタイル画像に分割するステップと、タイル毎に独立して高分解画像を取得するステップと、そして、高分解能タイル画像を組み合わせて全視野のより高い分解能の画像を生成するステップとを含むことができる。一部の場合には、高分解能タイル画像を、画像ブレンディング（画像融合）プロセスにより組み合わせることができる。画像ブレンディングプロセスの例には、アルファブレンディングがあり、特許文献３に見出すことができ、この文献は、その全文を参照する形で本明細書に含める。タイルについてより高い分解能の画像を独立して取得することができるので、この方法は並列コンピューティングに適しているといえるのであり、計算時間を低減し得るのであり、また、必要メモリをも減じ得る。さらに、各発光素子からの光を、タイル毎に、平面波として正確に処理することができる。タイル毎の入射波動ベクトルは、次式のように表現することができる：
【数５０】
2016530567.tif 000052
ここで、（ｘｃ，ｙｃ）は、全視野低分解能画像の各タイルの中心位置であり、（ｘｉ，ｙｉ）はｉ番目の発光素子の位置であり、ｈは可変照明装置と試料との間の距離である。さらに、一部の場合には、この方法は、特定の収差補正瞳孔関数を各タイルに適用することができる。
【０１４１】
図１１は、本発明の実施形態による、タイル撮像を伴う可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法を示すフローチャートである。この方法は、例えば図１に示されたシステム１０等の可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムによって実行されることができる。並列処理能力を活用するために、システムのプロセッサは並列処理能力を有するように構成されているべきであり、例えば複数コア（即ち、独立した中央演算装置）を有するＧＰＵユニットやプロセッサ等がこれにあたる。
【０１４２】
図１１では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、測定プロセス（ステップ１１００、１２００、及び１３００）、復元プロセス（ステップ１３５０、２４００（ｉ−Ｍ）、２５００（ｉ−Ｍ）、２５９０）、及び随意的な表示プロセス（ステップ１６００）を含む。測定プロセス（ステップ１１００、１２００、及び１３００）、及び随意的な表示プロセス（ステップ１６００）は、図８を参照して説明している。
【０１４３】
ステップ１３５０では、プロセッサは、全視野を、例えばタイルの二次元マトリクスのような複数のタイルに分割する。タイルの二次元正方形マトリクスは、例えば２５６×２５６マトリクス、６４×６４マトリクス、等のような２のべき乗にすることができる。１つの例では、プロセッサは５，２８０×４，３８０画素の全視野を、１５０×１５０画素の面積を有するタイルに分割することができる。
【０１４４】
次に、プロセッサは、より高い分解能の画像
【数５１】
2016530567.tif 000053
を、空間ドメイン内で並列コンピューティング（ステップ２４００（１）．．．２４００（Ｔ））を用いて、タイル（１〜Ｔ）毎に独立して初期化する。この初期推定値にフーリエ変換を適用する。一部の場合には、初期推定値を（輝度及び位相の両者について）ランダム複素行列として定めることができる。他の場合には、初期推定値を、低分解能輝度測定値のランダム位相による補間として定めることができる。初期推定値の例は、試料領域のあらゆる低分解能画像のφ＝０及びＩｋ，ｌである。初期推定値の他の例は、定数値である。初期推定値のフーリエ変換は、フーリエドメイン内の広域スペクトルとすることができる。
【０１４５】
ステップ２５００（１）．．．ステップ２５００(Ｔ)では、プロセッサが、各タイル（１〜Ｔ）のより高い分解能の画像を、並列コンピューティングを用いて独立的に再構成する。図６Ｂに示すステップ１５１０、１５３０、１５５０、１５６０、及び１５７０を参照して説明したように、低分解能輝度画像をフーリエ空間内で反復的に組み合わせることによって、各タイルのより高い分解能の画像を再構成する。試料が焦点から外れている場合、ステップ１５２０及び１５４０を含めることができる。
【０１４６】
ステップ２５９０では、プロセッサ２１０が、高分解能タイル画像を組み合わせて、全視野のより高い分解能の画像にする。一部の場合には、タイル画像を組み合わせることが、例えばアルファブレンディングのような画像ブレンディングプロセスを含む。
【０１４７】
随意的ステップ２６００では、試料領域の復元されたより高い分解能の２次元画像の画像データは、ディスプレイ（例えば、ディスプレイ２３０）に表示される。１つの態様ではタイル撮像を伴う方法は、タイル間及び各発光素子間の距離に基づいて異なるタイル間の入射角の差異を考慮に入れる手順をさらに含むことができる。
【０１４８】
リフォーカス及びオートフォーカス
従来的な高ＮＡ顕微鏡及び他の撮像装置は、通常、限定的な焦点深度を有する。例えば、０．４ＮＡの２０倍対物レンズを有する従来的な顕微鏡の焦点深度は、約５μｍである。従来的な顕微鏡においては、その焦点深度が限定的であるが故に、試料が合焦平面から遠ざかるにつれて分解能が劣化する。従来的な顕微鏡を用いる場合において分解能を向上させるためには、運用を行う者は、通常、ステージを機械的に移動させて試料をフォーカス状態に戻す。この点との関係では、サブミクロン精度で試料をフォーカス位置に移動させるために正確な機械的ステージが必要となる。
【０１４９】
特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、試料を機械的に移動させずにして試料に対してリフォーカスすることができる。例えば、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、復元プロセス中にフォーカス外の試料に対してリフォーカスを行うステップを含むことができる。このリフォーカス手順によって、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、そのフィルタリング光学素子の物理的限界を超えて焦点深度を拡張することができる。特定の場合では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、試料に対してオートフォーカスを行うことができる。
【０１５０】
可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムの動作中には、試料面のｚ位置を先験的に知り得ないことがある。特定の態様では、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、試料面のｚ位置を決定し、また、このｚ位置を用いて試料に対してデジタル的にリフォーカスする１以上のオートフォーカスステップを含むことができる。例えば、図１０Ａとの関係で説明した可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、ステップ１５２０中又はその前に、試料面のｚ位置を計算するステップをさらに含むことができる。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、プロセッサを用いることによって、計算した試料のｚ位置を用いて図１０Ａのステップ１５２０及び１５４０を実行することによってオートフォーカスを実行することができる。試料面のｚ位置を計算するために、方法はオートフォーカス指数パラメータを決定することができる。オートフォーカス指数は、次式によって定義される：
【数５２】
2016530567.tif 000054
ここで、
【数５３】
2016530567.tif 000055
はローパスフィルタリングからの振幅画像であり、
【数５４】
2016530567.tif 000056
は実際の低分解能測定値である。
【０１５１】
式４中の総和は全ての斜め入射角に関するものである。可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法が、試料面の推定ｚ位置を計算した後に、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像方法は、この推定ｚ位置にデジタル的にリフォーカスすることができる。一部の場合には、正確なｚ位置を用いると、より高い分解能の画像の解がより良好に収束することが見出されている。
【０１５２】
ＩＩＩ．  サブシステム
図１２は、本願明細書にて説明する可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムの幾つかに存在するサブシステムに関するブロック図である。例えば、可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムは、プロセッサを含むことができる。一部の場合においては、プロセッサは可変照明フーリエタイコグラフィー撮像システムの構成要素たり得る。一部の場合においては、プロセッサは放射検出器の構成要素たり得る。
【０１５３】
前に図面中に記載した種々の構成要素を、１つ以上のサブシステムを用いて動作させて、本明細書に記載した機能を促進することができる。図面中のあらゆる構成要素は、あらゆる適切な数のサブシステムを用いて、本明細書に記載した機能を促進することができる。こうしたサブシステム及び／又は構成要素を図１２に示す。図１２に示すサブシステムは、システムバス２４２５を介して相互接続することができる。プリンタ２４３０、キーボード２４３２、固定ディスク２４３４（又は、コンピュータ可読媒体を含む他の記憶装置）、ディスプレイ・アダプタ２４３８に結合されたにディスプレイ２３０、及び他のもののような追加的サブシステムを示す。Ｉ／Ｏ（入出力）コントローラ２４４０に結合される周辺装置及び入力／出力（Ｉ／Ｏ）装置は、シリアルポート２４４２のような現在技術において既知の任意数の手段によって接続することができる。例えば、シリアルポート２４４２又は外部インタフェース２４４４を用いて、コンピュータ装置２００を、インターネットのようなワイドエリア・ネットワーク、マウス入力装置、又はスキャナに接続することができる。システムバス２４２５を介した相互接続は、プロセッサが、各サブシステムと通信して、システムメモリ２４４６又は固定ディスク２４３４からの命令の実行、並びにサブシステム間の情報の交換を可能にする。一部の場合には、システムメモリ２４４６及び／又は固定ディスク２４３４が、ＣＲＭ２２０を具体化することができる。これらの要素のいずれも、前述した特徴中に存在することができる。
【０１５４】
一部の実施形態では、開口走査フーリエタイコグラフィーシステムのプリンタ２４３０又はディスプレイ２３０等の出力装置は、様々な形式のデータを出力することができる。例えば、開口走査フーリエタイコグラフィーシステムは、２次元カラー／モノクロ画像（輝度及び／又は位相）、これらの画像に関連するデータ、又は開口走査フーリエタイコグラフィーシステムによって行われた分析に関連する他のデータを出力することができる。
【０１５５】
本願開示の範囲を逸脱することなしに、上述の実施形態に対して、変形、追加、又は省略を行うことができる。本願開示の範囲を逸脱することなしに、どの実施形態も、より多数の特徴、より少数の特徴、あるいは他の特徴を含むことができる。また、本願開示の範囲を逸脱することなしに、上述した特徴のステップは、あらゆる適切な順序で実行することができる。
【０１５６】
本願開示の実施形態の幾つかの特徴は、コンピュータソフトウェアをモジュール様式又は統合様式で用いる制御ロジックの形式で実現することができるものであると理解されるべきである。本願明細書に提供する開示及び教示に基づいて、当業者は、ハードウェア及びハードウェアとソフトウェアの組合せを用いて幾つかの特徴を実現するための他の手法及び／又は方法を知り、認識するであろう。
【０１５７】
本願中に記載したあらゆるソフトウェアコンポーネント又は機能は、プロセッサによって、あらゆる適切なコンピュータ言語を用いて実行されるソフトウェアコードとして実現することができ、これらのコンピュータ言語は、例えば従来技術又はオブジェクト指向技術を用いる、例えばＪａｖａ（登録商標）、Ｃ＋＋、又はＰｅｒｌ（登録商標）である。これらのソフトウェアコードは、一連の命令又はコマンドとしてＣＲＭ上に記憶することができ、ＣＲＭは、例えばランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ハードディスクドライブ又はフロッピー（登録商標）ディスクのような磁気媒体、あるいはＣＤ−ＲＯＭのような光媒体である。あらゆるこうしたＣＲＭが、単一のコンピュータ装置上又は装置内に存在することができ、また、システム又はネットワーク内の異なる計算装置上又は装置内に存在することができる。
【０１５８】
以上に開示した実施形態は、理解を促進するために多少詳しく説明してきたが、説明した実施形態は例示的なものであり限定的なものではない。添付した特許請求の範囲内で、一定の変更及び変形を実施することができることは、当業者にとって明らかである。
【０１５９】
本願開示の範囲を逸脱することなしに、あらゆる実施形態からの１つ以上の特徴を、他のあらゆる実施形態の１つ以上の特徴と組み合わせることができる。さらに、本願開示の範囲を逸脱することなしに、あらゆる実施形態に対して、変形、追加、又は省略を行うことができる。本願開示の範囲を逸脱することなしに、あらゆる実施形態の構成要素を、特定の必要に応じて統合又は分離することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
2016530567.tif 000067
【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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