本發(fā)明涉及一種用于根據(jù)記錄有物體波與參考波的干涉條紋的全息圖來計(jì)算物體的再現(xiàn)像的數(shù)字全息攝像裝置以及數(shù)字全息圖生成方法，特別是涉及一種根據(jù)所記錄的多個(gè)全息圖來計(jì)算相位信息的方式的數(shù)字全息攝像裝置以及數(shù)字全息圖生成方法。

背景技術(shù)：

在數(shù)字全息攝像中，基于物體光和參考光在圖像傳感器等的檢測面上形成的干涉圖案(全息圖)來實(shí)施規(guī)定的運(yùn)算處理，由此獲得物體的再現(xiàn)像，其中，該物體光是來自光源的光在物體表面反射或透過來的光，該參考光是從同一光源直接到達(dá)的光。全息圖是表示干涉光的強(qiáng)度分布的圖像，基于均為復(fù)波前的物體波與參考波之間的振幅差及相位差來決定該強(qiáng)度分布。

但是，不能在全息圖中記錄作為波的虛數(shù)分量的相位。因此，在基于全息圖獲得物體的再現(xiàn)像時(shí)，計(jì)算在相對(duì)于檢測面而言與實(shí)像(期望的再現(xiàn)像)對(duì)稱的位置處具有與該實(shí)像復(fù)共軛的振幅的偽像(共軛像)。當(dāng)這兩個(gè)像疊加時(shí)，實(shí)像的可視性降低，有時(shí)無法獲得觀察對(duì)象的清晰的像。

為了解決該問題，目前為止嘗試了基于各種方法的物體波的相位恢復(fù)(相位信息的估計(jì))。例如在專利文獻(xiàn)1中記載了如下一種方法：拍攝使參考波的相位位移而得到的多個(gè)全息圖，通過線性運(yùn)算來計(jì)算相位信息。但是在該文獻(xiàn)所記載的方法中，需要用于高精度地進(jìn)行相位位移的壓電元件、或者反射鏡或透鏡等光學(xué)系統(tǒng)，裝置結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，裝置自身也變得大型。

另一方面，在非專利文獻(xiàn)1中記載了一種使用了不需要這種復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)的在線型的數(shù)字全息攝像裝置的相位恢復(fù)方法。在該方法中，將由于透光性高的物體(例如細(xì)胞)而發(fā)生了衍射的光設(shè)為物體波，將未發(fā)生衍射而透過該物體的光設(shè)為參考波，拍攝從物體到檢測面的距離不同的多個(gè)全息圖。之后，基于拍攝到的多個(gè)全息圖在物體面與檢測面之間反復(fù)計(jì)算光波的傳輸和逆?zhèn)鬏?，由此?jì)算相位信息。然而，在該方法中也依然需要用于使檢測器高精度地移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)(壓電元件等)。

與此相對(duì)地，近年來提出了如下一種相位恢復(fù)方法：使來自光源的射出光波長多階段地變化，基于以各個(gè)波長拍攝到的全息圖來反復(fù)計(jì)算光波傳輸(非專利文獻(xiàn)2)。根據(jù)該方法，能夠利用不需要復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的簡易的裝置結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)相位恢復(fù)。

專利文獻(xiàn)1：日本特開平10-268740號(hào)公報(bào)

非專利文獻(xiàn)1：yanzhang，etal.，“wholeopticalwavefieldreconstructionfromdoubleormultiin-linehologramsbyphaseretrievalalgorithm”，opticexpress，theopticalsocietyofamerica，2003，vol.11，no.24，pp.3234-3241

非專利文獻(xiàn)2：pengbao，etal.，“l(fā)enslessphasemicroscopyusingphaseretrievalwithmultipleilluminationwavelengths”，appliedoptics，theopticalsocietyofamerica，2012，vol.51，no.22，pp.5486-5494

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

發(fā)明要解決的問題

在作為數(shù)字全息攝像技術(shù)的應(yīng)用目標(biāo)之一的生物體顯微鏡的情況下，目前為止著眼于能夠觀察細(xì)胞內(nèi)構(gòu)造或者比該細(xì)胞內(nèi)構(gòu)造更微小的物體、即著眼于分辨率的提高。

另外，在以往的再生醫(yī)療領(lǐng)域中正流行一種使用了誘導(dǎo)多能干細(xì)胞(es細(xì)胞或ips細(xì)胞等)的研究。在該領(lǐng)域的研究中需要一邊維持多能性一邊培養(yǎng)優(yōu)質(zhì)的細(xì)胞，因此需要慎重地確認(rèn)培養(yǎng)狀態(tài)。例如，當(dāng)集落內(nèi)的某個(gè)細(xì)胞發(fā)生不良(細(xì)胞的扁平化、貼附于培養(yǎng)基以及分化為特定的細(xì)胞種類等)時(shí)，該不良傳播到集落內(nèi)的其它細(xì)胞，最終導(dǎo)致集落內(nèi)的所有細(xì)胞不良。因而，觀察者需要每天確認(rèn)是否發(fā)生了上述那樣的不良，如果發(fā)生不良則去除發(fā)生該不良的細(xì)胞。通過顯微鏡觀察來進(jìn)行這種確認(rèn)，然而，盡管由于細(xì)胞自身難以以光學(xué)方式視覺識(shí)別而使用了相位差顯微鏡，但判斷不良的發(fā)生也并不容易，對(duì)于觀察者來說負(fù)擔(dān)大。因此，考慮使用數(shù)字全息攝像技術(shù)來使該確認(rèn)自動(dòng)化。

基于遠(yuǎn)比細(xì)胞內(nèi)構(gòu)造大的構(gòu)造的狀態(tài)(具體為集落的包含厚度在內(nèi)的形狀和質(zhì)感等)來判斷在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的培養(yǎng)中發(fā)生的上述那樣的不良現(xiàn)象。在此，本發(fā)明人在想要利用非專利文獻(xiàn)2中記載的結(jié)構(gòu)來觀察這種大的構(gòu)造的情況下，通過計(jì)算確認(rèn)了上述共軛像疊加于對(duì)象區(qū)域?qū)е聦?shí)像的可視性降低這一情況。即，在誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的培養(yǎng)中對(duì)是否不良的判定中，很難說非專利文獻(xiàn)2中記載的構(gòu)造是最佳的。

另外，即使使用非專利文獻(xiàn)2中記載的方法也難以完全恢復(fù)相位，難以在在線型的數(shù)字全息攝像中避免共軛像的疊加。這是由于沒有定義作為表示相位恢復(fù)的程度的明確的指標(biāo)的數(shù)值。在該文獻(xiàn)中，將基于多個(gè)波長的全息圖間的估計(jì)振幅值的相關(guān)系數(shù)用作近似精度的評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而，例如如果拍攝到多個(gè)全息圖時(shí)的照明光波長幾乎相同，則即使是未完全進(jìn)行相位恢復(fù)的狀態(tài)，相關(guān)系數(shù)的值也大，因此判定為進(jìn)行了良好的近似。因而，作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)能夠設(shè)為反復(fù)計(jì)算的收斂的目標(biāo)，但作為表示相位恢復(fù)的精度的指標(biāo)并不準(zhǔn)確。

本發(fā)明是鑒于上述情況而完成的，其目的在于提供一種能夠針對(duì)根據(jù)目的而大小不同的觀察對(duì)象再現(xiàn)清晰的像的數(shù)字全息攝像裝置以及數(shù)字全息圖生成方法。

用于解決問題的方案

在此，先概要地說明通過物體波的相位恢復(fù)來提高觀察對(duì)象的圖像質(zhì)量的方法。

相位信息計(jì)算處理是基于所拍攝到的多個(gè)全息圖通過光波傳輸計(jì)算來估計(jì)物體波的相位的算法。在圖4中示出一例。后文敘述各步驟的詳細(xì)內(nèi)容。此外，對(duì)于本說明書中的“光波傳輸”的表述，只要沒有特別說明，就設(shè)為包含上述傳輸和逆?zhèn)鬏斶@兩個(gè)概念。

作為光波傳輸?shù)挠?jì)算方法，已知菲涅耳衍射計(jì)算法和角譜法等，其中，角譜法的計(jì)算式例如用以下的式(1)表示。

[式1]

e(x，y，0)是物體面上的復(fù)振幅分布，e(x，y，z)是檢測面上的復(fù)振幅分布，z相當(dāng)于傳輸距離。另外，k表示波數(shù)。

上述的式(1)相當(dāng)于通過衍射計(jì)算來求出作為各種間距的衍射光柵的總和的物體像。入射到衍射光柵的光的衍射角度用以下的式(2)表示。λ表示波長，p表示光柵的間距寬度。

[式2]

根據(jù)上述式(2)，當(dāng)p小、即衍射光柵的間距細(xì)(p＝p1)時(shí)，衍射角度φ變大，在檢測面上波前(物體波)在垂直方向上大幅地?cái)U(kuò)展(圖6的左側(cè))。另一方面，當(dāng)p大、即衍射光柵的間距粗(p＝p2>p1)時(shí)，衍射角度φ變小，波前在檢測面上的垂直方向上的擴(kuò)展小(該圖的右側(cè))。該性質(zhì)在向檢測面和物體面逆?zhèn)鬏敼曹椣竦那闆r下也同樣如此。

此外，在本說明書中要參照的各附圖中，為了簡化說明而適當(dāng)變更了各構(gòu)件的尺寸比，各構(gòu)件的尺寸比有時(shí)與實(shí)際尺寸比不同。

在此，衍射光柵的間距的細(xì)度相當(dāng)于圖像中的構(gòu)造的細(xì)度。換句話說，圖像中的細(xì)微構(gòu)造(例如細(xì)胞內(nèi)構(gòu)造)能夠看作間距細(xì)的高頻光柵，大構(gòu)造(例如集落的形狀)能夠看作間距粗的低頻光柵。

圖7a和圖7b是說明通過光波傳輸計(jì)算而再現(xiàn)的實(shí)像和共軛像疊加的現(xiàn)象的概念圖。如該圖所示，相當(dāng)于高頻光柵的細(xì)微構(gòu)造的共軛像在向物體面進(jìn)行逆?zhèn)鬏數(shù)倪^程中大幅地?cái)U(kuò)展(模糊)，因此對(duì)在該物體面上疊加的實(shí)像的可視性造成的影響小(圖7a)。與此相對(duì)地，如上所述那樣，相當(dāng)于低頻光柵的大構(gòu)造的共軛像的擴(kuò)展小，因此以保持與實(shí)像大致相同的大小的狀態(tài)到達(dá)物體面(圖7b)。在該情況下，在物體面上，在實(shí)像的各邊界線的極近處疊加類似的線，實(shí)像的可視性大幅降低。

如果基于以上所說明的原理，則在作為觀察對(duì)象的構(gòu)造為較大的構(gòu)造的情況下，通過恢復(fù)由于低頻光柵而發(fā)生衍射的復(fù)波前(以下稱為“低頻分量”。同樣地，將由于高頻光柵而發(fā)生衍射的復(fù)波前稱為“高頻分量”。)的相位，能夠抑制實(shí)像的可視性降低。

在此，接著敘述用于恢復(fù)低頻分量的相位的照明光的波長條件。如圖8所示，與高頻分量相比，低頻分量的衍射角度小，因此在檢測面h1與h2間的光路長度差小的情況下(圖中d1)，由衍射導(dǎo)致的干涉條紋的偏移量極小(在該圖的情況下，相對(duì)于高頻分量所涉及的偏移量g1來說，低頻分量的d1處的偏移量為幾乎無法圖示的微量。)。在該條件下，對(duì)于低頻分量來說，在檢測面h1和h2拍攝到的兩個(gè)全息圖間的差異難以顯現(xiàn)，相位恢復(fù)困難。因而，為了易于恢復(fù)低頻分量的相位，如該圖的檢測面h1和h3那樣增大光路長度差(圖中d2)來使干涉條紋的偏移量增大即可(該d2處的g2)。

在此，能夠認(rèn)為這些多個(gè)檢測面概念性地示出了分別檢測不同波長的照明光的同一位置的檢測面，離物體面近的檢測面對(duì)應(yīng)于短波長，離物體面遠(yuǎn)的檢測面對(duì)應(yīng)于長波長。在使用了兩個(gè)波長λa和λb(λa<λb)的情況下產(chǎn)生的光路長度差δzab用以下的式(3)表示。與上述式(1)同樣地，z表示傳輸距離。

[式3]

根據(jù)上述式(3)，兩個(gè)波長λa與λb的差越大，則光路長度差δzab越大，因此低頻分量的相位恢復(fù)越容易。

如圖7a所示，在物體面上再現(xiàn)的共軛像的波前的擴(kuò)展越大，則對(duì)所對(duì)應(yīng)的實(shí)像的可視性的影響越小。因此，考慮作為觀察對(duì)象的構(gòu)造相當(dāng)于間距寬度plim的光柵的情況。此時(shí)，當(dāng)假定為如果在物體面上共軛像的波前擴(kuò)展為間距寬度plim的x倍以上則對(duì)疊加的實(shí)像的可視性的影響足夠小時(shí)，式(2)至下述式(4)成立。此外，2z是傳輸距離z的2倍，相當(dāng)于從計(jì)算出的共軛像的位置到物體面的距離。

[式4]

進(jìn)而，根據(jù)上述式(4)導(dǎo)出以下式(5)。

[式5]

即，恢復(fù)滿足上述式(5)的與間距寬度plim的光柵相當(dāng)?shù)姆至康南辔患纯?。此外，如參照圖7a和圖7b所說明的那樣，與粗的構(gòu)造相比，細(xì)的構(gòu)造的共軛像大幅地?cái)U(kuò)展，因此認(rèn)為如果進(jìn)行與作為觀察對(duì)象的plim的光柵相當(dāng)?shù)姆至康南辔换謴?fù)，則間距寬度p比plim小的高頻分量的影響足夠小。

并且，當(dāng)以兩個(gè)波長λa和λb拍攝了全息圖時(shí)，全息圖間的差異最顯著，即與間距寬度plim相當(dāng)?shù)姆至康南辔换謴?fù)變得容易的情況是兩個(gè)干涉條紋偏移了與間距寬度plim的恰好一半相應(yīng)的量的情況。因而，根據(jù)式(2)和式(3)，以下的式(6)成立。

[式6]

進(jìn)而，根據(jù)上述式(6)導(dǎo)出以下的式(7)，滿足該式(7)的λa和λb為照明光的適于與plim相當(dāng)?shù)姆至康南辔换謴?fù)的波長。

[式7]

根據(jù)式(5)和式(7)導(dǎo)出以下的式(8)。

[式8]

基于以上所說明的原理，為了解決上述問題而完成的第一發(fā)明所涉及的數(shù)字全息攝像裝置的特征在于，具備：

a)光源，其射出相干光；

b)檢測器，其用于拍攝全息圖，該全息圖是由來自所述光源的射出光引起的物體波與參考波的干涉條紋；以及

c)波長設(shè)定單元，其設(shè)定用于生成使所述檢測器拍攝的全息圖的照明光的多個(gè)波長，

其中，所述波長設(shè)定單元基于由使用者針對(duì)實(shí)像和共軛像以在共軛像疊加于所對(duì)應(yīng)的實(shí)像時(shí)不妨礙該實(shí)像的視覺識(shí)別的方式設(shè)定的共軛像的放大率x，來以使由所述波長設(shè)定單元設(shè)定的多個(gè)波長中的最短波長λmin和最長波長λmax滿足λmax/λmin≥(1/x+1)…(9)的方式設(shè)定所述多個(gè)波長，其中，所述實(shí)像和所述共軛像是由規(guī)定的運(yùn)算單元針對(duì)作為觀察對(duì)象的構(gòu)造再現(xiàn)的像。

在此，“不妨礙疊加后的實(shí)像的視覺識(shí)別”換句話說是指在實(shí)像中特別關(guān)注的邊界線(邊緣)清楚。例如，在實(shí)像的邊緣的附近區(qū)域內(nèi)進(jìn)行疊加的共軛像的形狀與該實(shí)像大不相同，在能夠明確地判斷兩者的區(qū)別的情況下，能夠視為該共軛像不妨礙實(shí)像的視覺識(shí)別。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)，由檢測器拍攝由從光源射出的相干光引起的物體波與參考波的干涉條紋、即全息圖。在此，決定上述多個(gè)波長的波長設(shè)定單元以使最短波長λmin和最長波長λmax滿足上述關(guān)系式的方式設(shè)定該多個(gè)波長。

該關(guān)系式是根據(jù)上述式(8)導(dǎo)出的關(guān)系式。如上所述，在觀察對(duì)象是與間距寬度plim的衍射光柵相當(dāng)?shù)臉?gòu)造的情況下，式(8)定義了將不會(huì)使實(shí)像的可視性降低的共軛像的放大率設(shè)為x的情況下(使用者考慮觀察對(duì)象的特性并根據(jù)上述判斷來決定該共軛像的放大率x的值，對(duì)本發(fā)明的裝置提供該共軛像的放大率x的值。)的照明光波長λa和λb(λa<λb)的比率。因而，如果波長設(shè)定單元所決定的最短波長λmin與最長波長λmax之比滿足上述式(9)，則與作為觀察對(duì)象的構(gòu)造有關(guān)的相位恢復(fù)精度提高。另外，即使未進(jìn)行相位恢復(fù)而殘留的共軛像疊加于實(shí)像，該共軛像也被放大至實(shí)像的x倍以上，因此不會(huì)妨礙該實(shí)像的視覺識(shí)別。由此，對(duì)于如細(xì)胞集落那樣較大的觀察對(duì)象也能夠得到清晰的像。此外，相位信息的計(jì)算既可以由數(shù)字全息攝像裝置所具備的運(yùn)算單元進(jìn)行，也可以在與數(shù)字全息攝像裝置連接的控制和分析用的外部計(jì)算機(jī)上進(jìn)行。

關(guān)于上述“多個(gè)波長”，從硬件、計(jì)算成本以及所需求的圖像質(zhì)量等觀點(diǎn)出發(fā)，適當(dāng)?shù)貨Q定使用何種波長即可。通過增加所使用的波長的數(shù)量，雖然計(jì)算成本增加，但能夠進(jìn)行更廣頻域的相位恢復(fù)。

另外，本發(fā)明的波長設(shè)定單元既可以是光源所具備的功能之一，也可以在檢測器側(cè)實(shí)現(xiàn)。前者的典型例是能夠切換射出光的波長的光源，作為后者的例子，能夠考慮以下結(jié)構(gòu)：利用高光譜攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)檢測器，從攝像圖像分別提取多個(gè)波長的像。作為另一例，還能夠設(shè)為以下結(jié)構(gòu)：設(shè)置利用光纖等與多個(gè)光源連接的切換元件來切換使來自哪個(gè)光源的射出光照射到物體上。

為了解決上述問題而完成的第二發(fā)明所涉及的數(shù)字全息攝像裝置的特征在于，具備：

a)光源，其射出相干光；

b)檢測器，其用于拍攝全息圖，該全息圖是由來自所述光源的射出光引起的物體波與參考波的干涉條紋；以及

c)波長設(shè)定單元，其設(shè)定用于生成使所述檢測器拍攝的全息圖的照明光的多個(gè)波長，

其中，所述波長設(shè)定單元以使所述多個(gè)波長中的最短波長λmin和最長波長λmax滿足λmax/λmin≥1.3…(10)的方式設(shè)定所述多個(gè)波長。

上述數(shù)值是共軛像的面積為實(shí)像的10倍的情況下的數(shù)值。由本發(fā)明人得到了以下模擬結(jié)果：如果共軛像與實(shí)像的面積比為該程度，則一般來說實(shí)像的可視性足夠。此時(shí)，大致為0.3，式(9)的左邊大致為1.3，因此導(dǎo)出上述式(10)。

作為優(yōu)選的結(jié)構(gòu)，所述波長設(shè)定單元設(shè)定所述最短波長λmin和所述最長波長λmax，使得滿足1.3≤λmax/λmin≤2.0…(11)。

如式(3)所示，理論上λmin與λmax的波長差越大，則低頻分量的相位恢復(fù)越容易，但在該效果為固定以上的水平時(shí)與高頻分量的相位恢復(fù)精度相折衷。具體地說，如圖8所示，當(dāng)波長差大時(shí)，例如像檢測面h3所對(duì)應(yīng)的圖中的高頻分量那樣，衍射光的一部分從檢測面溢出，成為相位恢復(fù)精度降低的主要原因。因此，為了決定這兩個(gè)波長之比的妥當(dāng)?shù)纳舷拗刀捎昧艘韵禄鶞?zhǔn)。即，如果λmin與λmax之間的光路長度差δz等于傳輸距離z，則認(rèn)為能夠充分地進(jìn)行低頻分量的相位恢復(fù)。因而根據(jù)式(3)將λmax/λmin＝2.0設(shè)為上限值是妥當(dāng)?shù)摹?/p>

為了解決上述問題而完成的第三發(fā)明所涉及的數(shù)字全息圖生成方法的特征在于，包括以下工序：

a)光射出工序，從光源射出相干光；

b)攝像工序，由檢測器拍攝全息圖，該全息圖是由來自所述光源的射出光引起的物體波與參考波的干涉條紋；以及

c)波長設(shè)定工序，設(shè)定用于生成使所述檢測器拍攝的全息圖的照明光的多個(gè)波長，

其中，基于由使用者針對(duì)實(shí)像和共軛像以在共軛像疊加于所對(duì)應(yīng)的實(shí)像時(shí)不妨礙該實(shí)像的視覺識(shí)別的方式設(shè)定的共軛像的放大率x，來以使在所述波長設(shè)定工序中設(shè)定的多個(gè)波長中的最短波長λmin和最長波長λmax滿足λmax/λmin≥(1/x+1)…(12)的方式設(shè)定所述多個(gè)波長，其中，所述實(shí)像和所述共軛像是由規(guī)定的運(yùn)算單元針對(duì)作為觀察對(duì)象的構(gòu)造再現(xiàn)的像。

即使在該情況下，實(shí)際上只要設(shè)為1.3≤λmax/λmin≤2.0…(13)，就能夠進(jìn)行足夠清晰的實(shí)像恢復(fù)。

此外，在數(shù)字全息攝像裝置或數(shù)字全息圖生成方法中，以這種方式將多個(gè)光源的波長設(shè)為1.3≤λmax/λmin≤2.0在相位展開法中也是有用的。

即，在根據(jù)兩個(gè)波長λa、λb的相位圖像來虛擬地構(gòu)成長波長的相位圖像的相位展開法中，用λab＝(λa×λb)/(λb-λa)＝λb/(λb/λa-1)來計(jì)算偽波長λab。雖然具有當(dāng)該偽波長λab變大時(shí)能夠不發(fā)生相位的混疊地顯示相位圖像這一優(yōu)點(diǎn)，但存在相位的分辨率降低這一缺點(diǎn)。因此，期望與拍攝到的物體的相位范圍相應(yīng)地選擇適當(dāng)?shù)牟ㄩLλa、λb。圖9表示合成前的兩個(gè)波長λa、λb(λb/λa)與合成后的波長λab的關(guān)系，但在λb/λa＝1(λa＝λb)的情況下，λab無限地發(fā)散，在λb/λa＝2的情況下(λb＝2×λa)，λab＝λb，與合成前的波長相同。

因而，如上述那樣將多個(gè)波長設(shè)定為1.3≤λmax/λmin≤2.0在應(yīng)用相位展開法的情況下也是恰當(dāng)?shù)臈l件。

發(fā)明的效果

根據(jù)本發(fā)明，對(duì)于包括大小不同的構(gòu)造的觀察對(duì)象，能夠針對(duì)與目的相應(yīng)的構(gòu)造再現(xiàn)清晰的像。

例如在作為細(xì)胞的集合體的細(xì)胞集落等的觀察中，在拍攝(觀察)集落自身不良等較大的構(gòu)造的情況下，通過將其使用波長的最大值與最小值之比設(shè)為1.3以上，能夠針對(duì)該目標(biāo)構(gòu)造獲得比較清晰的圖像。

另外，本發(fā)明所涉及的方法也能夠在應(yīng)用相位展開法的情況下使用。

附圖說明

圖1是表示包括本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的數(shù)字全息攝像裝置的測定系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)的框圖。

圖2是表示由圖1所示的測定系統(tǒng)執(zhí)行的處理的流程的流程圖。

圖3是表示全息圖攝像處理的流程的一例的流程圖。

圖4是表示相位信息計(jì)算處理的流程的一例的流程圖。

圖5是利用圖1所示的測定系統(tǒng)再現(xiàn)的各種尺寸的觀察對(duì)象的物體圖像的模擬結(jié)果。

圖6是表示由衍射光柵的間距寬度的不同導(dǎo)致的入射光的衍射角度的不同的說明圖。

圖7a是用于說明通過光波傳輸計(jì)算而再現(xiàn)的實(shí)像和共軛像疊加的現(xiàn)象的概念圖。

圖7b是用于說明通過光波傳輸計(jì)算而再現(xiàn)的實(shí)像和共軛像疊加的現(xiàn)象的概念圖。

圖8是表示相位恢復(fù)所需的光路長度在高頻分量和低頻分量下不同的說明圖。

圖9是相位展開中的原始波長λa、λb與合成波長λab的關(guān)系的曲線圖。

具體實(shí)施方式

圖1是表示包括本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式所涉及的數(shù)字全息攝像裝置的測定系統(tǒng)的概要結(jié)構(gòu)的框圖。該測定系統(tǒng)包括數(shù)字全息攝像裝置100和與該數(shù)字全息攝像裝置100以能夠通信的方式連接的工作站1。

〔數(shù)字全息攝像裝置100的結(jié)構(gòu)〕

數(shù)字全息攝像裝置100是顯微鏡，具備n個(gè)激光二極管(ld)101(1)～101(n)、切換元件102(相當(dāng)于本發(fā)明的波長設(shè)定單元)、照射部103、檢測器104以及接口(i/f)105。

ld101(1)～101(n)均是使相干光振蕩并射出的光源，其振蕩波長λ1～λn被設(shè)定為按λ1～λn的順序變長。這些ld101(1)～101(n)經(jīng)由光纖與切換元件102連接。

切換元件102按照來自工作站1的指示來對(duì)用作照明光120的光源的ld101(1)～101(n)進(jìn)行切換。

照射部103朝向物體110射出如上述那樣決定的照明光120。此外，在實(shí)際的測定中，照明光120除了透過物體110以外還透過平板或培養(yǎng)基等，因此這些構(gòu)件也應(yīng)該由透光性的材料構(gòu)成。

檢測器104拍攝由從照射部103射出的照明光120產(chǎn)生的干涉條紋來作為全息圖。關(guān)于該全息圖，將由于物體110而發(fā)生衍射的光波設(shè)為物體波(在該圖中為物體110的右側(cè)的圓弧形的線)，將未發(fā)生衍射的光波(包括透過光)設(shè)為參考波(物體110的右側(cè)的線段)，該全息圖記錄有由這些光波產(chǎn)生的干涉條紋。檢測器104例如由ccd圖像傳感器來實(shí)現(xiàn)。

〔工作站1的結(jié)構(gòu)〕

工作站1的實(shí)際情況為計(jì)算機(jī)，作為中央運(yùn)算處理裝置的cpu(centralprocessingunit：中央處理單元)10與存儲(chǔ)器12、由lcd(liquidcrystaldisplay：液晶顯示器)等構(gòu)成的監(jiān)視器14、由鍵盤或鼠標(biāo)等構(gòu)成的輸入部16及存儲(chǔ)部20互相連接。其中，上述存儲(chǔ)器12由ram(randomaccessmemory：隨機(jī)存取存儲(chǔ)器)等易失性存儲(chǔ)裝置構(gòu)成，存儲(chǔ)部20由rom(readonlymemory：只讀存儲(chǔ)器)、快閃存儲(chǔ)器、eprom(erasableprogrammablerom：可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)、eeprom(注冊商標(biāo))(electricallyeprom：電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器)、hdd(harddiscdrive：硬盤驅(qū)動(dòng)器)、ssd(solidstatedrive：固態(tài)驅(qū)動(dòng)器)等非易失性存儲(chǔ)裝置構(gòu)成。在存儲(chǔ)部20中設(shè)置有攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21。攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21所具備的后述的各要素是通過由cpu10在存儲(chǔ)器12中讀出該程序并執(zhí)行該程序而實(shí)現(xiàn)的功能單元。在存儲(chǔ)部20中還存儲(chǔ)有os(operatingsystem：操作系統(tǒng))29。

工作站1具備用于管理與外部裝置的直接連接、或經(jīng)由lan(localareanetwork：局域網(wǎng))等網(wǎng)絡(luò)與外部裝置等的連接的接口(i/f)18，從該i/f18經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)線纜nw(或無線lan)連接于數(shù)字全息攝像裝置100。此外，與工作站1連接的數(shù)字全息攝像裝置100也可以是多臺(tái)。另外，工作站1與數(shù)字全息攝像裝置100也可以經(jīng)由usb線纜等直接連接。

攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21是如下一種應(yīng)用軟件：用于控制由數(shù)字全息攝像裝置100進(jìn)行的全息圖攝像，并且基于拍攝到的該全息圖，通過規(guī)定的運(yùn)算處理來再現(xiàn)物體110的像，使再現(xiàn)出的該像在監(jiān)視器14的畫面上顯示為圖像。

在圖1中，如攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21所涉及的那樣示出了攝像參數(shù)設(shè)定部31、攝像指示部32、全息圖獲取部33、相位信息計(jì)算部34、圖像生成部35、顯示控制部36以及全息圖存儲(chǔ)部37。此外，攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21未必是單個(gè)的程序，數(shù)字全息攝像裝置100例如也可以具備上述要素的一部分來作為功能。

〔由測定系統(tǒng)執(zhí)行的處理的流程〕

以下，參照作為流程圖的圖2～圖4對(duì)由包括本實(shí)施方式所涉及的數(shù)字全息攝像裝置100的測定系統(tǒng)執(zhí)行的處理的流程進(jìn)行說明。

首先，利用圖2說明在工作站1中由攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21進(jìn)行的基本處理的流程。該程序21在啟動(dòng)時(shí)，最初催促使用者輸入全息圖攝像的中心波長λmid的值。關(guān)于該中心波長λmid的值的輸入，允許輸入任意的值，但也可以是選擇本數(shù)字全息攝像裝置100中預(yù)先設(shè)置的n個(gè)ld101(1)～101(n)中的某一個(gè)ld的方法。當(dāng)使用者從輸入部16輸入中心波長λmid(步驟s11)時(shí)，接著攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21催促輸入共軛像的面積倍率x²(或，放大率x)的值。關(guān)于該面積倍率x²的輸入，也可以允許輸入任意的值，但也可以在監(jiān)視器14的畫面上提示幾個(gè)預(yù)先決定的值以從這幾個(gè)值中選擇。當(dāng)使用者從輸入部16輸入面積倍率x²(或放大率x)的值(步驟s12)時(shí)，攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序21的攝像參數(shù)設(shè)定部31以所輸入的中心波長λmid為中心，從ld101(1)～101(n)中選擇滿足所述式(9)那樣的多個(gè)ld光源(步驟s13)。即，如果將在此選擇的光源設(shè)為ld101(j1)～101(j2)(1≤j1<j2≤n)，則ld101(j1)的波長λj1～ld101(j2)的波長λj2滿足

λj2/λj1≥1/x+1

average(λj1，…，λj2)≈λmid。

在本實(shí)施方式中，攝像對(duì)象的物體110設(shè)為es細(xì)胞或ips細(xì)胞等誘導(dǎo)多能干細(xì)胞的集落。而且，設(shè)為使用者所輸入的共軛像的面積倍率x²的值為10(放大率x為)來進(jìn)行說明。這是為了在作為觀察對(duì)象的物體110為細(xì)胞集落時(shí)獲得其形狀的清晰的再現(xiàn)像、而根據(jù)只要與實(shí)像疊加的共軛像的面積是實(shí)像的10倍左右就足夠這樣的預(yù)備實(shí)驗(yàn)結(jié)果決定的。另一方面，如果最長波長λmax與最短波長λmin的波長差過大，則如前文那樣，衍射光的一部分從檢測面溢出，成為相位恢復(fù)精度降低的主要原因。攝像參數(shù)設(shè)定部31考慮這些因素后，在步驟s13中選擇光源ld101(j1)～101(j2)，使得此外，在此使用者所輸入的波長也可以不是中心波長λmid而設(shè)為最長波長λmax或最短波長λmin。另外，在細(xì)胞觀察的例子的情況下，作為中心波長λmid，避開了擔(dān)心對(duì)細(xì)胞有毒的低波長區(qū)域和擔(dān)心由于吸收光而導(dǎo)致發(fā)熱的遠(yuǎn)紅外區(qū)域的可見光區(qū)域(600nm左右)是恰當(dāng)?shù)?，但在以下的說明中該值不會(huì)特別地產(chǎn)生問題。

在選擇了這樣使用的光源之后進(jìn)行全息圖攝像處理(步驟s14)。利用圖3來詳細(xì)地說明該處理。

首先，設(shè)為j＝j(luò)1(j1≤j≤j2)(步驟s101)，攝像參數(shù)設(shè)定部31將從照射部103射出的照明光120(參照圖1)的波長設(shè)定為λj(步驟s102)。接著，攝像指示部32對(duì)數(shù)字全息攝像裝置100指示λj的全息圖攝像(步驟s103)。攝像指示部32的上述指示作為攝像指示信號(hào)而從i/f18被發(fā)送到數(shù)字全息攝像裝置100的i/f105(步驟s104)。

當(dāng)數(shù)字全息攝像裝置100所具備的i/f105接收到上述攝像指示信號(hào)時(shí)，切換元件102將照明光120的光源切換為第j個(gè)ld101(j)(步驟s105)。接著，照射部103朝向物體110射出照明光120(步驟s106)。然后，由于物體110而發(fā)生衍射的物體波和未發(fā)生衍射的參考波的干涉條紋作為全息圖而被檢測器104拍攝到(步驟s107)。所拍攝到的全息圖數(shù)據(jù)經(jīng)由i/f105被發(fā)送到工作站1的i/f18(步驟s108)。

當(dāng)工作站1所具備的i/f18接收到上述全息圖數(shù)據(jù)時(shí)，全息圖獲取部33獲取所接收到的該全息圖數(shù)據(jù)并將其保存到全息圖存儲(chǔ)部37中(步驟s109)。全息圖存儲(chǔ)部37將在后述的相位信息計(jì)算處理和物體圖像的再現(xiàn)中使用的多個(gè)(在本實(shí)施方式中為j2-j1+1個(gè))全息圖數(shù)據(jù)按用戶所指定的測定對(duì)象物統(tǒng)一進(jìn)行保存。

所設(shè)定的全息圖數(shù)據(jù)被保存后，接著攝像參數(shù)設(shè)定部31使j自加(步驟s110)，如果j沒有超過最大值j2(在步驟s111中為“否”)，則處理返回到步驟s102之前，對(duì)下個(gè)波長λj執(zhí)行步驟s102～s111。

另一方面，在步驟s110中的自加的結(jié)果為j超過j2的情況下(在步驟s111中為“是”)，該判定結(jié)果意味著與在步驟s100中設(shè)定的λj1～λj2的所有光波長對(duì)應(yīng)的全息圖數(shù)據(jù)齊備。

返回到圖2，當(dāng)以這種方式結(jié)束全息圖攝像處理(步驟s14)時(shí)，接著，相位信息計(jì)算部34對(duì)各全息圖數(shù)據(jù)執(zhí)行相位信息計(jì)算處理(步驟s15)。參照圖4在后文敘述本步驟中的處理的詳細(xì)內(nèi)容。

如果在步驟s15中對(duì)各全息圖數(shù)據(jù)進(jìn)行相位恢復(fù)，則圖像生成部35基于該相位恢復(fù)后的全息圖數(shù)據(jù)來再現(xiàn)物體圖像(步驟s16)。通過顯示控制部36將再現(xiàn)的物體圖像(以下稱為“再現(xiàn)像”)顯示在監(jiān)視器14的畫面上(步驟s17)。以上，由測定系統(tǒng)進(jìn)行的大致的處理結(jié)束。

〔相位信息計(jì)算處理的流程〕

圖4示出上述步驟s15中的相位信息計(jì)算處理的流程的一例?；谠诓襟Es109中被保存到全息圖存儲(chǔ)部37中的j2-j1+1個(gè)全息圖數(shù)據(jù)來進(jìn)行該相位信息計(jì)算處理。

首先，相位信息計(jì)算部34將各全息圖轉(zhuǎn)換為振幅像(步驟s201)。由于全息圖是強(qiáng)度值的分布，因此不能應(yīng)用于在后述的傳輸計(jì)算中使用的傅里葉變換。因此，在本步驟中將各強(qiáng)度值轉(zhuǎn)換為振幅值。通過計(jì)算各像素值的平方根來進(jìn)行向振幅像的轉(zhuǎn)換。

接著，相位信息計(jì)算部34設(shè)為j＝1，a＝1，n＝1，設(shè)定檢測面上的相位像的初始值(步驟s202)。能夠任意地決定相位像的初始值，例如既可以將所有像素值設(shè)為0，也可以隨機(jī)地設(shè)定各像素值。此外，與上述同樣地，j是作為照明光120的光源的ld101的標(biāo)識(shí)符(j1≤j≤j2)，a是取1或-1的值的方向值，n(1≤n)是運(yùn)算的重復(fù)次數(shù)。

接著，相位信息計(jì)算部34更新λj的振幅像(步驟s203)。具體地說，代入在步驟s201中從強(qiáng)度值進(jìn)行轉(zhuǎn)換而求出的振幅像。在該圖所示的處理中，與j的更新相關(guān)聯(lián)地使用了“更新”這一表現(xiàn)，但在j＝j(luò)1的情況下，“代入”這一表現(xiàn)會(huì)更加相稱。

接著，相位信息計(jì)算部34計(jì)算向物體面的逆?zhèn)鬏?步驟s204)。

然后，相位信息計(jì)算部34判定j+a的值是否處于j1～j2的范圍內(nèi)(步驟s205)。在此，在假設(shè)將j2的值設(shè)為5的情況下，在最初的試驗(yàn)中j+a的值是2，因此步驟s205中的判定結(jié)果為“是”，從而使j自加(步驟s207)。在像這樣反復(fù)進(jìn)行自加所得到的結(jié)果j的值為5的情況下，換句話說在j等于j2的情況下，j+1為6，超過了j2，因此步驟s205中的判定結(jié)果為“否”。此時(shí)，相位信息計(jì)算部34使a的正負(fù)反轉(zhuǎn)(步驟s206)，從而使j自減(步驟s207)。如果由于反復(fù)進(jìn)行步驟s207中的自減而導(dǎo)致j的值減少到1，則j-1為0，因此步驟s205中的判定結(jié)果為“否”，在步驟s206中a的正負(fù)再次反轉(zhuǎn)。這樣，在本流程圖中反復(fù)進(jìn)行a的正負(fù)反轉(zhuǎn)以及由該反轉(zhuǎn)導(dǎo)致的j的自加和自減。

如上所述，當(dāng)j＝1時(shí)，在步驟s207中j自加而成為2。接著，相位信息計(jì)算部34更新基于λj的物體波的相位(步驟s208)。具體地說，在步驟s204中計(jì)算出的物體面上的復(fù)波前中，通過計(jì)算將相位變換為下一個(gè)波長的相位(振幅不更新)。在像這樣僅將相位變換為下一個(gè)波長的狀態(tài)下計(jì)算向檢測面的傳輸(步驟s209)，在該計(jì)算結(jié)果與作為實(shí)測值的全息圖的各強(qiáng)度值的平方根之間的差量(即誤差)的總和大于閾值ε的情況下(在步驟s210中為“否”)，相位信息計(jì)算部34使n自加(步驟s211)，并反復(fù)進(jìn)行上述處理。

另一方面，如果誤差的總和小于閾值ε(在步驟s210中為“是”)，則相位信息計(jì)算部34當(dāng)作進(jìn)行了充分的相位恢復(fù)，并結(jié)束相位信息計(jì)算處理。

圖5示出基于上述方法再現(xiàn)的物體圖像的模擬結(jié)果。這些模擬結(jié)果均為usaf圖表全息圖模型的相位恢復(fù)和逆?zhèn)鞑サ哪M結(jié)果，模擬結(jié)果51是沒進(jìn)行相位恢復(fù)就進(jìn)行了逆?zhèn)鞑?400nm)的情況，模擬結(jié)果52是以400nm和520nm(λmax/λmin＝1.3)進(jìn)行了相位恢復(fù)并進(jìn)行了逆?zhèn)鞑サ那闆r，模擬結(jié)果53是以400nm和800nm(λmax/λmin＝2.0)進(jìn)行了相位恢復(fù)并進(jìn)行了逆?zhèn)鞑サ那闆r，模擬結(jié)果54是以400nm、520nm以及800nm(λmax/λmin＝2.0，但為三個(gè)波長)進(jìn)行了相位恢復(fù)并進(jìn)行了逆?zhèn)鞑サ那闆r。在設(shè)為λmax/λmin≥1.3的情況下，能夠看到顯著的相位恢復(fù)效果。另外，還能夠看到由在該范圍內(nèi)增加波長的數(shù)量而產(chǎn)生的效果。

〔變更例〕

在上述實(shí)施方式中，設(shè)為根據(jù)使用者所輸入的中心波長λmid(或最長波長λmax或最短波長λmin)和放大率x來從預(yù)先設(shè)置的多個(gè)激光二極管(ld)101(1)～101(n)中選擇適當(dāng)?shù)墓庠磍d101(j1)～101(j2)，切換地使用這些光源，但在不需要這種自由度的設(shè)定且預(yù)先決定了攝影(觀察)對(duì)象的情況下，也可以在數(shù)字全息攝像裝置100中僅設(shè)置按照所述式(9)預(yù)先設(shè)定的多個(gè)光源，僅使用這些光源。在該情況下，將光源的數(shù)量(波長的數(shù)量)設(shè)為2，由此能夠縮短計(jì)算時(shí)間，在以如上所述的細(xì)胞集落不良的檢查等為目的的情況下，也能夠恢復(fù)在實(shí)際應(yīng)用上足夠清晰的圖像。

附圖標(biāo)記說明

10：cpu；12：存儲(chǔ)器；14：監(jiān)視器；16：輸入部；18：i/f；20：存儲(chǔ)部；21：攝像控制和數(shù)據(jù)分析程序；31：攝像參數(shù)設(shè)定部；32：攝像指示部；33：全息圖獲取部；34：相位信息計(jì)算部；35：圖像生成部；36：顯示控制部；37：全息圖存儲(chǔ)部；100：數(shù)字全息攝像裝置；101(1)～101(n)：激光二極管(ld)；102：切換元件；103：照射部；104：檢測器；105：i/f；110：物體；120：照明光。