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JP7267213B2 - Observation device and observation method - Google Patents

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JP7267213B2
JP7267213B2 JP2020003519A JP2020003519A JP7267213B2 JP 7267213 B2 JP7267213 B2 JP 7267213B2 JP 2020003519 A JP2020003519 A JP 2020003519A JP 2020003519 A JP2020003519 A JP 2020003519A JP 7267213 B2 JP7267213 B2 JP 7267213B2
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Description

本発明は、観察装置および観察方法に関するものである。 The present invention relates to an observation device and an observation method.

例えば細胞等の透明な観察対象物は通常の顕微鏡により観察することが困難であることから、一般に定量位相顕微鏡等の観察対象物の位相画像を取得することができる観察装置が用いられる。このような観察装置には幾つかの実現方法が知られている。 For example, since it is difficult to observe a transparent observation target such as a cell with a normal microscope, an observation device capable of acquiring a phase image of the observation target such as a quantitative phase microscope is generally used. Several realization methods are known for such observation devices.

従来技術の一つ(以下「従来技術1」という。)は、2光束の分岐および合波を行うマイケルソン干渉計またはマッハツェンダ干渉計を用い、2光束のうちの一方の光路上に観察対象物を配置する。そして、この従来技術1では、光路上のミラー等を移動させることで2光束の間の光路長差(位相差)を各値に順次に設定して観察対象物の干渉画像を取得し、これら複数の干渉画像に基づいて位相画像を作成する。 One of the conventional techniques (hereinafter referred to as "conventional technique 1") uses a Michelson interferometer or a Mach-Zehnder interferometer that splits and combines two beams, and an object to be observed is placed on the optical path of one of the two beams. to place. Then, in this prior art 1, the optical path length difference (phase difference) between the two light beams is sequentially set to each value by moving a mirror or the like on the optical path, and the interference image of the observed object is acquired. A phase image is created based on the interference image of .

非特許文献1に記載されている観察装置(以下「従来技術2」という。)は、位相差顕微鏡を応用したものであり、物体光(回折光)および参照光(非回折光)を同軸で伝搬させる。この従来技術2では、物体光に対する参照光の位相を空間光変調器により調整することで、物体光と参照光との間の位相差を各値に順次に設定して観察対象物の干渉画像を取得し、これら複数の干渉画像に基づいて位相画像を作成する。 The observation apparatus described in Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as "prior art 2") is an application of a phase-contrast microscope, in which object light (diffracted light) and reference light (non-diffracted light) are coaxially arranged. Propagate. In this prior art 2, by adjusting the phase of the reference light with respect to the object light by using a spatial light modulator, the phase difference between the object light and the reference light is sequentially set to each value to obtain an interference image of the observation target. is obtained, and a phase image is created based on these multiple interference images.

非特許文献2に記載されている観察装置(以下「従来技術3」という。)は、偏光ビームスプリッタにより2光束の分岐および合波を行うマイケルソン干渉計を用い、2光束のうちの一方の光路上に観察対象物を配置する。そして、この従来技術3では、マイケルソン干渉計により合波されて出力された物体光および参照光それぞれを1/4波長板により円偏光にした後に偏光カメラにより撮像することで、物体光と参照光との間の位相差を各値に設定した観察対象物の干渉画像を同時に取得し、これら複数の干渉画像に基づいて位相画像を作成する。 The observation apparatus described in Non-Patent Document 2 (hereinafter referred to as "prior art 3") uses a Michelson interferometer that splits and combines two light beams by a polarization beam splitter, and one of the two light beams An observation object is placed on the optical path. In this prior art 3, the object light and the reference light, which are combined and output by the Michelson interferometer, are converted into circularly polarized light by a quarter-wave plate, respectively, and then captured by a polarizing camera. Interference images of the observed object are simultaneously obtained with the phase difference between the light and the object set to each value, and a phase image is created based on the plurality of interference images.

また、これらの観察装置は、観察対象物の位相画像だけでなく振幅画像をも取得することができ、また、複素振幅画像を取得することができる。 In addition, these observation devices can acquire not only phase images of observation objects but also amplitude images, and can acquire complex amplitude images.

Zhuo Wang, et al, “Spatial lightinterference microscopy (SLIM),” OPTICS EXPRESS, Vol.19, No.2, pp.1016-1026 (2011).Zhuo Wang, et al, “Spatial lightinterference microscopy (SLIM),” OPTICS EXPRESS, Vol.19, No.2, pp.1016-1026 (2011). Katherine Creath, et al, “Dynamicquantitative phase imaging for biological objects using a pixelated phase mask,”BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol.3, No.11, pp.2866-2880 (2012).Katherine Creath, et al, “Dynamicquantitative phase imaging for biological objects using a pixelated phase mask,”BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol.3, No.11, pp.2866-2880 (2012).

物体光および参照光が同軸で伝搬する従来技術2と比較すると、従来技術1,3では、マイケルソン干渉計またはマッハツェンダ干渉計を用いて2光束の分岐および合波を行うことから、光学系の調整が容易でなく、耐振動性が悪い。 Compared with the prior art 2 in which the object light and the reference light are coaxially propagated, the prior arts 1 and 3 use a Michelson interferometer or a Mach-Zehnder interferometer to split and combine the two beams. Not easy to adjust and poor vibration resistance.

物体光と参照光との間の位相差を各値に設定した観察対象物の干渉画像を同時に取得する従来技術3と比較すると、従来技術1,2では、物体光と参照光との間の位相差を各値に順次に設定して観察対象物の干渉画像を取得することから、これら複数の干渉画像を取得するのに時間を要する。 Compared with Conventional Technique 3, in which interference images of an observation target are simultaneously obtained by setting the phase difference between the object light and the reference light to each value, Conventional Techniques 1 and 2 have Since the phase difference is sequentially set to each value and the interference image of the observed object is acquired, it takes time to acquire the plurality of interference images.

また、従来技術2では、位相差顕微鏡を応用した構成により物体光(回折光)と参照光(非回折光)とを干渉させて干渉画像を取得することから、得られる位相画像にはハロ(Halo)が生じて定量性が悪い。 Further, in the prior art 2, since an interference image is obtained by interfering object light (diffracted light) and reference light (non-diffracted light) with a configuration applying a phase-contrast microscope, the obtained phase image has a halo ( Halo) occurs and quantification is poor.

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光学系の調整が容易で定量性が改善された複素振幅画像を短時間に得ることができる観察装置および観察方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and provides an observation apparatus and an observation method that can easily adjust the optical system and obtain complex amplitude images with improved quantification in a short time. for the purpose.

本発明の第1態様の観察装置は、(1) 空間的にインコヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光を通過させる通過領域を有し、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、(3) アパーチャから出力された光を入力し、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第1光学系と、(4) 第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第1光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力し、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第2光学系と、(5) 光源から第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置され、入力した光を直線偏光の光として出力する偏光子と、(6) 第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、アパーチャの通過領域に対応する第1領域と第1領域以外の第2領域とを有し、第2光学系から第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第2光学系から第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、(7) パターン偏光子から出力された光を入力し、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第3光学系と、(8) 第3光学系の光路上に配置され、パターン偏光子の第1領域および第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする1/4波長板と、(9) 第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、(10) 偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、を備える。 The observation device of the first aspect of the present invention has (1) a light source that outputs spatially incoherent light and (2) a passage area that allows the light to pass therethrough. (3) a first optical system that receives the light output from the aperture and forms a Fourier transform image of the light output from the aperture; (4) By inputting light from the first optical system to an observation object placed at a position where a Fourier transform image is formed by the first optical system, inputting the light output from the observation object, A second optical system that forms a Fourier transform image of the output light; (6) a polarizer that outputs light; and (6) a first region that is disposed at a position where a Fourier transform image is formed by a second optical system and that corresponds to the passage region of the aperture, and a second region other than the first region. selectively outputting linearly polarized light having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light, out of the light input from the second optical system to the first region, a patterned polarizer for selectively outputting linearly polarized light having a plane of polarization of 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light, out of the light input from the second optical system to the second region; , (7) a third optical system for inputting the light output from the patterned polarizer and forming a Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer; and (8) arranged on the optical path of the third optical system, At a position where a Fourier transform image is formed by a quarter-wave plate that circularly polarizes the light output from the first region and the second region of the patterned polarizer in different rotational directions, and (9) the third optical system. Two light beams circularly polarized in different rotational directions by a quarter wave plate are input, and an interference image on the imaging plane is obtained for each component of three or more polarization planes. and (10) an analysis unit that creates a complex amplitude image of the observed object based on the interference images for each of the components of the three or more polarization planes acquired by the polarization camera.

本発明の第2態様の観察装置は、(1) 空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を出力する光源と、(2) 光を通過させる通過領域を有し、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、(3) アパーチャから出力された光を入力し、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第1光学系と、(4) 第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第1光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力し、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第2光学系と、(5) 第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、アパーチャの通過領域に対応する第1領域と第1領域以外の第2領域とを有し、第2光学系から第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第2光学系から第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、(6) パターン偏光子から出力された光を入力し、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第3光学系と、(7) 第3光学系の光路上に配置され、パターン偏光子の第1領域および第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする1/4波長板と、(8) 第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、(9) 偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、を備える。 The observation device according to the second aspect of the present invention has (1) a light source that outputs spatially incoherent linearly polarized light, and (2) a passage area that allows the light to pass therethrough, and is used to transmit the light output from the light source. (3) a first optical system that receives the light output from the aperture and forms a Fourier transform image of the light output from the aperture; (4) inputting light from the first optical system into an observation object placed at a position where a Fourier transform image is formed by the first optical system; a second optical system for forming a Fourier transform image of output light from an object; A straight line having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light in the light input from the second optical system to the first region. Linearly polarized light that selectively outputs polarized light and has a plane of polarization of 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light among the light that has entered the second region from the second optical system. (6) a third optical system that receives the light output from the patterned polarizer and forms a Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer; (7) a third (8) a third optical system; has an imaging plane arranged at a position where a Fourier transform image is formed by, inputs two lights that are circularly polarized in different rotational directions by a quarter-wave plate, and has three or more polarization plane components, respectively and (9) an analysis unit that creates a complex amplitude image of the observed object based on the interference images for each of the three or more polarization plane components acquired by the polarization camera. And prepare.

本発明の第1態様または第2態様の観察装置の一側面において、第1光学系および第2光学系は観察対象物に対する光入出力の部分が共通であるのが好適である。第2光学系はリレー光学系を含むのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が2次元配列された構造を有し、2次元の干渉画像を取得するのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が1次元配列された構造を有し、1次元の干渉画像を取得するのも好適であり、この場合、偏光カメラの撮像面における複数の画素の配列方向と異なる方向に観察対象物を相対的に移動させることで、観察対象物の2次元の干渉画像を取得するのが好適である。 In one aspect of the observation apparatus according to the first aspect or the second aspect of the present invention, it is preferable that the first optical system and the second optical system have a common portion for inputting and outputting light with respect to the observed object. Preferably, the second optical system includes a relay optical system. A polarization camera preferably has a structure in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally on an imaging surface, and acquires a two-dimensional interference image. The polarization camera has a structure in which a plurality of pixels are arranged one-dimensionally on the imaging plane, and it is also suitable for obtaining a one-dimensional interference image. It is preferable to obtain a two-dimensional interference image of the observed object by relatively moving the observed object in a different direction.

また、本発明の第1態様または第2態様の観察装置の一側面において、第2光学系を構成する光学素子または観察対象物を第2光学系の光軸に平行な方向に走査し、偏光カメラは走査の各位置において干渉画像を取得し、解析部は、走査の各位置において偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて観察対象物の3次元複素振幅画像を作成するのが好適である。 Further, in one aspect of the observation apparatus of the first aspect or the second aspect of the present invention, the optical element constituting the second optical system or the observation object is scanned in a direction parallel to the optical axis of the second optical system, and the polarized light is Preferably, the camera acquires an interference image at each scanning position, and the analysis unit creates a three-dimensional complex amplitude image of the observed object based on the interference images acquired by the polarization camera at each scanning position. .

本発明の光学モジュールは、(1) 第1領域と第1領域以外の第2領域とを有し、第2光学系から第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第2光学系から第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、(2) パターン偏光子の第1領域および第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする1/4波長板と、(3) 1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力する撮像面を有し、3以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、を備える。本発明の光学モジュールは、一側面において、パターン偏光子の前段に配置され、入力した光を直線偏光の光としてパターン偏光子へ出力する偏光子を更に備えるのが好適である。 The optical module of the present invention has: (1) a first region and a second region other than the first region, and out of light input from the second optical system to the first region, the polarization plane of the input light is Selectively output linearly polarized light having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light among the light input from the second optical system to the second region a patterned polarizer for selectively outputting linearly polarized light having a plane of polarization of 35° to 55° at 2; and (3) an imaging plane for inputting two lights circularly polarized in different rotational directions by the quarter-wave plate, and three or more polarization plane components and a polarization camera for acquiring an interference image on the imaging plane for each. In one aspect, the optical module of the present invention preferably further includes a polarizer that is arranged upstream of the patterned polarizer and that outputs input light to the patterned polarizer as linearly polarized light.

本発明の第1態様の観察方法は、(1) 空間的にインコヒーレントな光を光源から出力し、(2) 光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、(3) アパーチャから出力された光を入力する第1光学系により、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、(4) 第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第1光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力する第2光学系により、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(5) 光源から第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置された偏光子により、入力した光を直線偏光の光として出力し、(6) 第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されアパーチャの通過領域に対応する第1領域と第1領域以外の第2領域とを有するパターン偏光子により、第2光学系から第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第2光学系から第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、(7) パターン偏光子から出力された光を入力する第3光学系により、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(8) 第3光学系の光路上に配置された1/4波長板により、パターン偏光子の第1領域および第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、(9) 第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得し、(10) 偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する。 The observation method according to the first aspect of the present invention includes (1) outputting spatially incoherent light from a light source, and (2) using an aperture having a passage area for allowing the light to pass therethrough, and observing the light output from the light source. (3) form a Fourier transform image of the light output from the aperture by the first optical system that receives the light output from the aperture; (4) ) By the second optical system that inputs the light output from the observation object by inputting the light from the first optical system into the observation object placed at the position where the Fourier transform image is formed by the first optical system , forms a Fourier transform image of the output light from the observation object, and (5) a polarizer arranged on the optical path from the light source to the position where the Fourier transform image is formed by the second optical system. (6) a first region corresponding to the passage region of the aperture, which is arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system, and a second region other than the first region; By the patterned polarizer having, linearly polarized light having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light, among the light input from the second optical system to the first region, is selectively selected. and selectively outputs linearly polarized light having a plane of polarization of 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light, among the light input from the second optical system to the second region. , (7) forming a Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer by a third optical system for inputting the light output from the patterned polarizer, and (8) arranged on the optical path of the third optical system The light output from the first region and the second region of the patterned polarizer is circularly polarized in different directions by the quarter-wave plate, and (9) the third optical system forms a Fourier transform image. A polarization camera having an arranged imaging plane inputs two lights that have been circularly polarized in different rotational directions by a quarter-wave plate, and an interference image on the imaging plane is obtained for each component of three or more polarization planes. (10) creating a complex amplitude image of the observed object based on the interference images for each of the three or more polarization plane components acquired by the polarization camera;

本発明の第2態様の観察方法は、(1) 空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を光源から出力し、(2) 光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、(3) アパーチャから出力された光を入力する第1光学系により、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、(4) 第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第1光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力する第2光学系により、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(5) 第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されアパーチャの通過領域に対応する第1領域と第1領域以外の第2領域とを有するパターン偏光子により、第2光学系から第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第2光学系から第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、(6) パターン偏光子から出力された光を入力する第3光学系により、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(7) 第3光学系の光路上に配置された1/4波長板により、パターン偏光子の第1領域および第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、(8) 第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得し、(9) 偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する。 The observation method of the second aspect of the present invention comprises: (1) outputting spatially incoherent linearly polarized light from a light source; (3) forming a Fourier transform image of the light output from the aperture by means of a first optical system for inputting the light output from the aperture; and (4) a second optical system for inputting the light output from the observation object by inputting the light from the first optical system to the observation object arranged at the position where the Fourier transform image is formed by the first optical system. The optical system forms a Fourier transform image of the output light from the observation object, and (5) a first area and a first area which are arranged at positions where the Fourier transform image is formed by the second optical system and which correspond to the passage area of the aperture. With a patterned polarizer having a second region other than one region, the light input from the second optical system to the first region has a polarization plane of −10° to +10° relative to the polarization plane of the input light. and selectively outputs linearly polarized light having selectively outputting polarized light; (6) forming a Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer by a third optical system for inputting the light output from the patterned polarizer; The quarter-wave plate arranged on the optical path of the optical system converts the light output from the first region and the second region of the patterned polarizer into circularly polarized lights with different rotation directions, and (8) the third optical system A polarization camera having an imaging plane arranged at a position where a Fourier transform image is formed inputs two lights that are circularly polarized in different rotational directions by a quarter-wave plate, and three or more polarization plane components are detected. An interference image on the imaging plane is acquired for each of them, and (9) a complex amplitude image of the observed object is created based on the interference images for each of the components of the three or more polarization planes acquired by the polarization camera.

本発明の第1態様または第2態様の観察方法の一側面において、第1光学系および第2光学系は観察対象物に対する光入出力の部分が共通であるのが好適である。第2光学系はリレー光学系を含むのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が2次元配列された構造を有し、2次元の干渉画像を取得するのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が1次元配列された構造を有し、1次元の干渉画像を取得するのも好適であり、この場合、偏光カメラの撮像面における複数の画素の配列方向と異なる方向に観察対象物を相対的に移動させることで、観察対象物の2次元の干渉画像を取得するのが好適である。 In one aspect of the observation method of the first aspect or the second aspect of the present invention, it is preferable that the first optical system and the second optical system have a common portion for inputting and outputting light to the observed object. Preferably, the second optical system includes a relay optical system. A polarization camera preferably has a structure in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally on an imaging surface, and acquires a two-dimensional interference image. The polarization camera has a structure in which a plurality of pixels are arranged one-dimensionally on the imaging plane, and it is also suitable for obtaining a one-dimensional interference image. It is preferable to obtain a two-dimensional interference image of the observed object by relatively moving the observed object in a different direction.

また、本発明の第1態様または第2態様の観察方法の一側面において、第2光学系を構成する光学素子または観察対象物を第2光学系の光軸に平行な方向に走査し、偏光カメラにより走査の各位置において干渉画像を取得し、走査の各位置において偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて観察対象物の3次元複素振幅画像を作成するのが好適である。 Further, in one aspect of the observation method of the first aspect or the second aspect of the present invention, the optical element constituting the second optical system or the observation object is scanned in a direction parallel to the optical axis of the second optical system, and the polarized light is Preferably, the camera acquires an interference image at each position of the scan, and a three-dimensional complex amplitude image of the observed object is generated based on the interference images acquired by the polarization camera at each position of the scan.

本発明によれば、光学系の調整が容易であり、定量性が改善された複素振幅画像を短時間に得ることができる。 According to the present invention, the adjustment of the optical system is easy, and a complex amplitude image with improved quantification can be obtained in a short period of time.

図1は、第1実施形態の観察装置1の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an observation device 1 according to the first embodiment. 図2は、偏光子12、アパーチャ13およびパターン偏光子14について説明する図である。図2(a)は偏光子12を示し、図2(b)はアパーチャ13を示し、図2(c)はパターン偏光子14を示す。FIG. 2 is a diagram illustrating the polarizer 12, the aperture 13, and the patterned polarizer 14. FIG. 2(a) shows the polarizer 12, FIG. 2(b) shows the aperture 13, and FIG. 2(c) shows the patterned polarizer 14. FIG. 図3は、偏光カメラ16のイメージセンサの構成例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the image sensor of the polarization camera 16. As shown in FIG. 図4は、偏光カメラ16のイメージセンサの他の構成例を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the image sensor of the polarization camera 16. As shown in FIG. 図5は、パターン偏光子14から出力される光について説明する図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the light output from the patterned polarizer 14. FIG. 図6は、シミュレーションで用いた元画像である。FIG. 6 shows the original image used in the simulation. 図7(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが狭い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図7(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。FIG. 7(a) is a phase image created according to the present embodiment when the passage area 13a of the aperture 13 is narrow. FIG. 7B is an image showing the difference between this phase image and the original image. 図8(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが狭い場合において従来技術2により作成した位相画像である。図8(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。FIG. 8(a) is a phase image created by prior art 2 when the passage area 13a of the aperture 13 is narrow. FIG. 8(b) is an image showing the difference between this phase image and the original image. 図9(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが広い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図9(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。FIG. 9(a) is a phase image created according to the present embodiment when the passage area 13a of the aperture 13 is wide. FIG. 9B is an image representing the difference between this phase image and the original image. 図10(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが広い場合において従来技術2により作成した位相画像である。図10(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。FIG. 10(a) is a phase image created by prior art 2 when the passage area 13a of the aperture 13 is wide. FIG. 10(b) is an image showing the difference between this phase image and the original image. 図11は、第1実施形態の観察装置1の変形例である観察装置1Aの構成を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing the configuration of an observation device 1A that is a modification of the observation device 1 of the first embodiment. 図12は、第2実施形態の観察装置2の構成を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the observation device 2 of the second embodiment. 図13は、第3実施形態の観察装置3の構成を示す図である。FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the observation device 3 of the third embodiment. 図14は、第3実施形態の観察装置3の変形例である観察装置3Aの構成を示す図である。FIG. 14 is a diagram showing the configuration of an observation device 3A that is a modification of the observation device 3 of the third embodiment. 図15は、第4実施形態の観察装置4の構成を示す図である。FIG. 15 is a diagram showing the configuration of an observation device 4 according to the fourth embodiment. 図16は、第5実施形態の観察装置5の構成を示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the configuration of an observation device 5 according to the fifth embodiment. 図17は、第5実施形態の観察装置5の変形例である観察装置5Aの構成を示す図である。FIG. 17 is a diagram showing the configuration of an observation device 5A that is a modification of the observation device 5 of the fifth embodiment. 図18は、第6実施形態の観察装置6の構成を示す図である。FIG. 18 is a diagram showing the configuration of the observation device 6 of the sixth embodiment. 図19は、第7実施形態の観察装置7の構成を示す図である。FIG. 19 is a diagram showing the configuration of the observation device 7 of the seventh embodiment. 図20は、第1実施形態の観察装置1の変形例である観察装置1Bの構成を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the configuration of an observation device 1B that is a modification of the observation device 1 of the first embodiment. 図21は、第1実施形態の観察装置1の変形例である観察装置1Cの構成を示す図である。FIG. 21 is a diagram showing the configuration of an observation device 1C that is a modification of the observation device 1 of the first embodiment. 図22は、第7実施形態の観察装置7の変形例である観察装置7Bの構成を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing the configuration of an observation device 7B that is a modification of the observation device 7 of the seventh embodiment. 図23は、第7実施形態の観察装置7の変形例である観察装置7Cの構成を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing the configuration of an observation device 7C that is a modification of the observation device 7 of the seventh embodiment.

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. The present invention is not limited to these exemplifications, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of equivalents of the scope of the claims.

図1は、第1実施形態の観察装置1の構成を示す図である。観察装置1は、光源11、偏光子12、アパーチャ13、パターン偏光子14、1/4波長板15、偏光カメラ16、解析部18、第1光学系20、第2光学系30および第3光学系40を備える。 FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an observation device 1 according to the first embodiment. The observation device 1 includes a light source 11, a polarizer 12, an aperture 13, a patterned polarizer 14, a quarter-wave plate 15, a polarization camera 16, an analysis section 18, a first optical system 20, a second optical system 30 and a third optical system. A system 40 is provided.

光源11は、空間的にインコヒーレントな光を出力する。光源11から出力される光は、時間的にコヒーレントであってもよいし、時間的にインコヒーレントであってもよい。光源11から出力される光は、直線偏光であってもよいし、無偏光であってもよい。光源11は、例えばハロゲンランプ、発光ダイオードまたはレーザダイオードを含み、さらに、その後段に拡散板を含むのも好適である。 The light source 11 outputs spatially incoherent light. The light output from the light source 11 may be temporally coherent or temporally incoherent. The light output from the light source 11 may be linearly polarized or non-polarized. The light source 11 preferably includes, for example, a halogen lamp, a light-emitting diode or a laser diode, and further includes a diffuser plate behind it.

偏光子12は、光源11と光学的に接続されている。偏光子12は、光源11から出力された光を入力し、その偏光子12の光学軸の方位に応じた偏光面を有する直線偏光の光を出力する。 Polarizer 12 is optically connected to light source 11 . The polarizer 12 receives the light output from the light source 11 and outputs linearly polarized light having a plane of polarization corresponding to the orientation of the optical axis of the polarizer 12 .

アパーチャ13は、偏光子12と光学的に接続されている。アパーチャ13は、光を通過させる通過領域を有し、偏光子12から出力された光のうち該通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、通過領域以外の領域に到達した光を遮断する。 Aperture 13 is optically connected to polarizer 12 . Aperture 13 has a passage area for passing light, selectively passes light that has reached the passage area among the light output from polarizer 12, and outputs light that has reached an area other than the passage area. block the

第1光学系20は、アパーチャ13と観察対象物Sとの間に設けられており、1または複数のレンズを含む。第1光学系20は、アパーチャ13から出力された光を入力し、アパーチャ13からの出力光のフーリエ変換像を形成する。 The first optical system 20 is provided between the aperture 13 and the observed object S, and includes one or more lenses. The first optical system 20 receives the light output from the aperture 13 and forms a Fourier transform image of the light output from the aperture 13 .

観察対象物Sは、第1光学系20によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されている。 The observation target S is arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the first optical system 20 .

第2光学系30は、観察対象物Sとパターン偏光子14との間に設けられており、1または複数のレンズを含む。第2光学系30は、観察対象物Sへ第1光学系20から光が入力されることにより観察対象物Sから出力された光を入力し、観察対象物Sからの出力光のフーリエ変換像を形成する。 The second optical system 30 is provided between the observed object S and the patterned polarizer 14 and includes one or more lenses. The second optical system 30 receives the light output from the observation object S when the light is input from the first optical system 20 to the observation object S, and outputs a Fourier transform image of the output light from the observation object S. to form

パターン偏光子14は、第2光学系30によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されている。すなわち、パターン偏光子14は、第1光学系20および第2光学系30を介してアパーチャ13に対し光学的に共役の関係を有する位置に配置されている。パターン偏光子14は、アパーチャ13の通過領域に対応する第1領域と、第1領域以外の第2領域とを有する。パターン偏光子14は、第2光学系30から第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°(好適には-5°~+5°、最も好適には0°)の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。また、パターン偏光子14は、第2光学系30から第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°(好適には40°~50°、最も好適には45°)の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。 The patterned polarizer 14 is arranged at a position where the Fourier transform image is formed by the second optical system 30 . That is, the patterned polarizer 14 is arranged at a position having an optically conjugate relationship with respect to the aperture 13 via the first optical system 20 and the second optical system 30 . The patterned polarizer 14 has a first area corresponding to the passage area of the aperture 13 and a second area other than the first area. The patterned polarizer 14 is relatively −10° to +10° (preferably −5° to +5°, It selectively outputs linearly polarized light having a plane of polarization of 0°, most preferably. Further, the patterned polarizer 14 is relatively 35° to 55° (preferably 40° to 50°, It selectively outputs linearly polarized light having a plane of polarization of 45°, most preferably.

第3光学系40は、パターン偏光子14と偏光カメラ16の撮像面との間に設けられており、1または複数のレンズを含む。第3光学系40は、パターン偏光子14から出力された光を入力し、パターン偏光子14からの出力光のフーリエ変換像を形成する。 The third optical system 40 is provided between the patterned polarizer 14 and the imaging plane of the polarization camera 16 and includes one or more lenses. The third optical system 40 receives the light output from the patterned polarizer 14 and forms a Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer 14 .

1/4波長板15は、パターン偏光子14と偏光カメラ16の撮像面との間の第3光学系40の光路上に配置されている。1/4波長板15は、パターン偏光子14の第1領域および第2領域から出力された直線偏光の光を互いに異なる回転方向の円偏光にして出力する。 The quarter-wave plate 15 is arranged on the optical path of the third optical system 40 between the patterned polarizer 14 and the imaging plane of the polarization camera 16 . The quarter-wave plate 15 converts the linearly polarized light output from the first region and the second region of the patterned polarizer 14 into circularly polarized light with different rotation directions and outputs the circularly polarized light.

偏光カメラ16は、第3光学系40によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する。偏光カメラ16は、1/4波長板15により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する。なお、本発明における円偏光は、互いに直交する2方向の電場ベクトルの間で位相差が±π/2[rad]かつ振幅が等しい場合のみに限定されず、楕円偏光も含む。 The polarizing camera 16 has an imaging plane arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the third optical system 40 . The polarization camera 16 receives two lights circularly polarized in different directions of rotation by the quarter-wave plate 15, and acquires interference images on the imaging plane for each component of three or more polarization planes. In addition, the circularly polarized light in the present invention is not limited to the case where the phase difference is ±π/2 [rad] and the amplitude is equal between the electric field vectors in two mutually orthogonal directions, and includes elliptically polarized light.

解析部18は、偏光カメラ16により取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物Sの複素振幅画像(振幅画像および位相画像)を作成する。解析部18は、例えばコンピュータである。解析部18は、複素振幅画像の作成等の演算処理を行うCPUを含む演算部と、干渉画像および複素振幅画像等を記憶するハードディスクドライブ、RAMおよびROM等を含む記憶部と、干渉画像および複素振幅画像等を表示する液晶ディスプレイを含む表示部と、干渉画像の取得および画像の表示の際の諸条件の入力を受け付けるキーボードおよびマウス等を含む入力部とを備える。 The analysis unit 18 creates a complex amplitude image (amplitude image and phase image) of the observed object S based on the interference images for each of the three or more polarization plane components acquired by the polarization camera 16 . The analysis unit 18 is, for example, a computer. The analysis unit 18 includes a calculation unit including a CPU for performing calculation processing such as creation of a complex amplitude image, a storage unit including a hard disk drive for storing the interference image and the complex amplitude image, a RAM and a ROM, and the like, and an interference image and the complex amplitude image. A display unit including a liquid crystal display for displaying an amplitude image and the like, and an input unit including a keyboard, a mouse, etc. for receiving input of various conditions for obtaining an interference image and displaying the image are provided.

図2は、偏光子12、アパーチャ13およびパターン偏光子14について説明する図である。図2(a)は偏光子12を示し、図2(b)はアパーチャ13を示し、図2(c)はパターン偏光子14を示す。これらの図は主光線の方向に見た図である。 FIG. 2 is a diagram illustrating the polarizer 12, the aperture 13, and the patterned polarizer 14. FIG. 2(a) shows the polarizer 12, FIG. 2(b) shows the aperture 13, and FIG. 2(c) shows the patterned polarizer 14. FIG. These figures are views in the direction of the chief ray.

偏光子12(図2(a))は、光源11から出力された光を入力し、その偏光子12の光学軸の方位に応じた偏光面を有する直線偏光の光を出力する。図2(a)におけるハッチングの方位は、偏光子12の光学軸の方位を示している。 The polarizer 12 (FIG. 2A) receives the light output from the light source 11 and outputs linearly polarized light having a plane of polarization corresponding to the orientation of the optical axis of the polarizer 12 . The hatched orientation in FIG. 2A indicates the orientation of the optical axis of the polarizer 12 .

アパーチャ13(図2(b))は、光を通過させる通過領域13aと、通過領域13a以外の遮断領域13bとを有する。アパーチャ13は、偏光子12から出力された光のうち通過領域13aに到達した光を選択的に通過させて出力し、遮断領域13bに到達した光を遮断する。通過領域13aは、開口であってもよいし、透明部材であってもよい。通過領域13aは、この図に示されるようにリング形状であってもよく、任意の形状でよい。通過領域13aは、この図に示されるように単一の領域であってもよく、複数の部分領域からなるものであってもよい。 The aperture 13 (FIG. 2(b)) has a passage area 13a through which light passes and a blocking area 13b other than the passage area 13a. The aperture 13 selectively transmits and outputs the light that has reached the passing region 13a among the light that is output from the polarizer 12, and blocks the light that has reached the blocking region 13b. The passage area 13a may be an opening or a transparent member. The passing area 13a may be ring-shaped as shown in this figure, or may be of any shape. The passing area 13a may be a single area as shown in this figure, or may consist of a plurality of partial areas.

パターン偏光子14(図2(c))は、第1光学系20および第2光学系30を介してアパーチャ13に対し光学的に共役の関係を有する位置に配置されている。パターン偏光子14は、アパーチャ13の通過領域13aに対応する第1領域14aと、第1領域14a以外の第2領域14bとを有する。パターン偏光子14は、第2光学系30から第1領域14aに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°(好適には-5°~+5°、最も好適には0°)の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。パターン偏光子14は、第2光学系30から第2領域14bに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°(好適には40°~50°、最も好適には45°)の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。 The patterned polarizer 14 (FIG. 2(c)) is arranged at a position having an optically conjugate relationship with respect to the aperture 13 via the first optical system 20 and the second optical system 30 . The patterned polarizer 14 has a first region 14a corresponding to the passing region 13a of the aperture 13 and a second region 14b other than the first region 14a. The patterned polarizer 14 is relatively -10° to +10° (preferably -5° to +5° , most preferably 0°). The patterned polarizer 14 is relatively 35° to 55° (preferably 40° to 50°, most preferably 40° to 50°, most Preferably, it selectively outputs linearly polarized light having a plane of polarization of 45°.

パターン偏光子14の第1領域14aは、偏光子であってもよく、開口であってもよく、また、透明部材であってもよい。パターン偏光子14の第2領域14bは偏光子である。図2(c)における第1領域14aおよび第2領域14bそれぞれのハッチングの方位は、各偏光子の光学軸の方位を示している。 The first region 14a of the patterned polarizer 14 may be a polarizer, an aperture, or a transparent member. The second region 14b of the patterned polarizer 14 is a polarizer. The hatched orientations of the first region 14a and the second region 14b in FIG. 2(c) indicate the orientation of the optical axis of each polarizer.

図3は、偏光カメラ16のイメージセンサの構成例を示す図である。この図に示されるイメージセンサ16Aは、半導体基板上に形成されたフォトダイオードアレイ161と、そのフォトダイオードアレイ上に設けられた偏光子アレイ162と、その偏光子アレイ上に設けられたレンズアレイ163とを備え、これらが積層された構造を有する。フォトダイオードアレイ161において複数のフォトダイオードが2次元配列されている。フォトダイオードアレイ161の各フォトダイオードに対して、偏光子アレイ162の1つの偏光子が対応して設けられ、レンズアレイ163の1つのレンズが対応して設けられている。 FIG. 3 is a diagram showing a configuration example of the image sensor of the polarization camera 16. As shown in FIG. The image sensor 16A shown in this figure includes a photodiode array 161 formed on a semiconductor substrate, a polarizer array 162 provided on the photodiode array, and a lens array 163 provided on the polarizer array. and has a structure in which these are laminated. A plurality of photodiodes are arranged two-dimensionally in the photodiode array 161 . For each photodiode of the photodiode array 161, one polarizer of the polarizer array 162 is provided correspondingly, and one lens of the lens array 163 is provided correspondingly.

偏光子アレイ162の各偏光子は、4つの方位(0°、45°、90°、135°)のうちの何れかの方位に光学軸を有する。この図において、偏光子アレイ162の各偏光子のハッチングの方位は、該偏光子の光学軸の方位を示している。このイメージセンサ16Aを用いれば、4つの方位の直線偏光の2次元像を同時に撮像することができる。ソニー株式会社により商品化されているイメージセンサ(Polarsens(登録商標))は、この図に示される構成を有する。また、Teledyne DALSA社により商品化されているイメージセンサ(Area ScanPolarization Sensor)も、この図に示される構成を有する。 Each polarizer in polarizer array 162 has an optic axis in one of four orientations (0°, 45°, 90°, 135°). In this figure, the hatched orientation of each polarizer of the polarizer array 162 indicates the orientation of the optic axis of the polarizer. By using this image sensor 16A, two-dimensional images of linearly polarized light in four directions can be taken simultaneously. An image sensor (Polarsens (registered trademark)) commercialized by Sony Corporation has the configuration shown in this figure. An image sensor (Area Scan Polarization Sensor) commercialized by Teledyne DALSA also has the configuration shown in this figure.

図4は、偏光カメラ16のイメージセンサの他の構成例を示す図である。この図に示されるイメージセンサ16Bは、半導体基板上に形成されたフォトダイオードアレイ164a~164dと、フォトダイオードアレイ164a~164c上に設けられた偏光子165a~165cとを備える。フォトダイオードアレイ164c上には偏光子は設けられていない。フォトダイオードアレイ164a~164dそれぞれにおいて、複数のフォトダイオードがx方向に1次元配列されている。フォトダイオードアレイ164a~164dはy方向に並列配置されている。 FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the image sensor of the polarization camera 16. As shown in FIG. The image sensor 16B shown in this figure comprises photodiode arrays 164a-164d formed on a semiconductor substrate, and polarizers 165a-165c provided on the photodiode arrays 164a-164c. No polarizer is provided on the photodiode array 164c. In each of the photodiode arrays 164a-164d, a plurality of photodiodes are arranged one-dimensionally in the x-direction. The photodiode arrays 164a-164d are arranged in parallel in the y direction.

フォトダイオードアレイ164a上の偏光子165aの光学軸の方位は0°であり、フォトダイオードアレイ164b上の偏光子165bの光学軸の方位は135であり、フォトダイオードアレイ164c上の偏光子165cの光学軸の方位は90°である。この図において、各偏光子のハッチングの方位は、該偏光子の光学軸の方位を示している。このイメージセンサ16Bを用いれば、3つの方位の直線偏光の1次元像を同時に撮像することができる。また、x方向と異なる方向(例えばy方向)に観察対象物Sを相対的に移動させることで、3つの方位の直線偏光の2次元像を同時に取得することができる。例えばフローサイトメトリのように透明管内を流体とともに移動する細胞を観察対象物Sとすることができる。Teledyne DALSA社により商品化されているイメージセンサ(Line ScanPolarization Sensor)は、この図に示される構成を有する。 The optic axis orientation of the polarizer 165a on the photodiode array 164a is 0°, the optic axis orientation of the polarizer 165b on the photodiode array 164b is 135, and the optical axis orientation of the polarizer 165c on the photodiode array 164c is 0°. The orientation of the axis is 90°. In this figure, the hatched orientation of each polarizer indicates the orientation of the optic axis of the polarizer. By using this image sensor 16B, one-dimensional images of linearly polarized light in three directions can be taken simultaneously. Also, by relatively moving the observation object S in a direction different from the x-direction (for example, the y-direction), two-dimensional images of linearly polarized light in three azimuths can be acquired simultaneously. For example, as in flow cytometry, the observation object S can be a cell that moves with a fluid in a transparent tube. An image sensor (Line Scan Polarization Sensor) commercialized by Teledyne DALSA has the configuration shown in this figure.

次に、観察装置1を用いて観察対象物Sの複素振幅画像を取得する方法について説明する。 Next, a method of acquiring a complex amplitude image of the observed object S using the observation device 1 will be described.

空間的にインコヒーレントな光を光源11から出力する。光源11から出力された光を入力した偏光子12により、その偏光子12の光学軸の方位に応じた偏光面を有する直線偏光の光を出力する。光を通過させる通過領域13aを有するアパーチャ13を用いて、偏光子12から出力された光のうち通過領域13aに到達した光を選択的に通過させて出力する。アパーチャ13から出力された光を入力する第1光学系20により、アパーチャ13からの出力光のフーリエ変換像を形成する。第1光学系20によりフーリエ変換像が形成される位置に観察対象物Sが配置されている。観察対象物Sへ第1光学系20から光が入力されることにより観察対象物Sから出力された光を入力する第2光学系30により、観察対象物Sからの出力光のフーリエ変換像を形成する。 A light source 11 outputs spatially incoherent light. The polarizer 12 to which the light output from the light source 11 is input outputs linearly polarized light having a plane of polarization corresponding to the orientation of the optical axis of the polarizer 12 . Using an aperture 13 having a light-passing region 13a, light that has reached the light-passing region 13a out of the light output from the polarizer 12 is selectively passed through and output. A first optical system 20 that receives the light output from the aperture 13 forms a Fourier transform image of the light output from the aperture 13 . An observation target S is arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the first optical system 20 . A Fourier transform image of the output light from the observation target S is obtained by the second optical system 30 that inputs the light output from the observation target S by inputting the light from the observation target S from the first optical system 20 to the observation target S. Form.

第2光学系30によりフーリエ変換像が形成される位置にパターン偏光子14が配置されている。パターン偏光子14は、アパーチャ13の通過領域13aに対応する第1領域14aと、第1領域14a以外の第2領域14bとを有する。このパターン偏光子14により、第2光学系30から第1領域14aに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°(好適には-5°~+5°、最も好適には0°)の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。また、このパターン偏光子14により、第2光学系30から第2領域14bに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°(好適には40°~50°、最も好適には450°)の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。 A patterned polarizer 14 is arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system 30 . The patterned polarizer 14 has a first region 14a corresponding to the passing region 13a of the aperture 13 and a second region 14b other than the first region 14a. With this patterned polarizer 14, the light input from the second optical system 30 to the first region 14a is relatively -10° to +10° (preferably -5° to +5°) with respect to the plane of polarization of the input light. degree, most preferably 0 degree). In addition, the patterned polarizer 14 allows the light input from the second optical system 30 to the second region 14b to be polarized at a angle of 35° to 55° (preferably 40° to 50°) relative to the plane of polarization of the input light. 450°, most preferably 450°).

パターン偏光子14から出力された光を入力する第3光学系40により、パターン偏光子14からの出力光のフーリエ変換像を形成する。第3光学系40の光路上に配置された1/4波長板15により、パターン偏光子14の第1領域14aおよび第2領域14bから出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光とする。第3光学系40によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラ16により、1/4波長板15により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像(すなわち、位相差が異なる3以上の干渉画像)を取得する。 A Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer 14 is formed by the third optical system 40 that receives the light output from the patterned polarizer 14 . The quarter-wave plate 15 arranged on the optical path of the third optical system 40 converts the light output from the first region 14a and the second region 14b of the patterned polarizer 14 into circularly polarized lights with different rotational directions. A polarization camera 16 having an imaging surface arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the third optical system 40 inputs two lights circularly polarized in different rotational directions by the quarter-wave plate 15 . , an interference image on the imaging plane (that is, three or more interference images with different phase differences) for each of three or more polarization plane components.

そして、解析部18により、偏光カメラ16により取得された3以上の干渉画像に基づいて観察対象物Sの複素振幅画像を作成する。複素振幅画像を作成するには、位相差が異なる3以上の干渉画像が必要である。例えば、位相差が90°ずつ異なる4つの干渉画像I~Iを取得した場合、φ=arg{(I-I)+i(I-I)} なる式で位相画像φを作成することができ、R={(I-I)2+(I-I)2}1/2なる式で振幅画像Rを作成することができ、また、複素振幅画像も作成することができる。なお、I~I、φおよびRは画素位置の関数であり、式の演算は画素毎に行われる。argは複素数の偏角を取得する演算子である。iは虚数単位である。 Then, the analysis unit 18 creates a complex amplitude image of the observed object S based on the three or more interference images acquired by the polarization camera 16 . Three or more interference images with different phase differences are required to create a complex amplitude image. For example, when four interference images I 1 to I 4 with different phase differences of 90° are obtained, the phase image φ is obtained by the formula φ=arg{(I 1 −I 3 )+i(I 2 −I 4 )}. can be created and the amplitude image R can be created by the formula R={(I 1 −I 3 ) 2 +(I 2 −I 4 ) 2 } 1/2 , and a complex amplitude image can also be created can do. It should be noted that I 1 to I 4 , φ and R are functions of pixel position, and the equations are calculated pixel by pixel. arg is an operator that obtains the argument of a complex number. i is the imaginary unit.

次に、ハロ低減効果について説明する。以下では、パターン偏光子14の第1領域14aおよび第2領域14bから出力される直線偏光の光の偏光面の方位が互いに45°異なるもののして説明する。 Next, the halo reduction effect will be described. In the following description, it is assumed that the orientations of the planes of polarization of the linearly polarized light output from the first region 14a and the second region 14b of the patterned polarizer 14 are different from each other by 45°.

図5は、パターン偏光子14から出力される光について説明する図である。この図において、ハッチングの方位は、パターン偏光子14からの出力光の偏光面の方位を示している。パターン偏光子14の第1領域14aからの出力光Eaは、パターン偏光子14の第2領域14bからの出力光Ebの偏光面に対して略45°だけ異なる偏光面を有するので、出力光Ebの偏光面に平行な方位の偏光面を有する光Ea1と、これに垂直な方位の偏光面を有する光Ea2と、に分解することができる。同じ方位の偏光面を有する光Ebおよび光Ea1を合わせたものを物体光とし、これに垂直な方位の偏光面を有する光Ea2を参照光とすることができる。 FIG. 5 is a diagram for explaining the light output from the patterned polarizer 14. FIG. In this figure, the hatched azimuth indicates the azimuth of the plane of polarization of the output light from the patterned polarizer 14 . Since the output light Ea from the first region 14a of the patterned polarizer 14 has a plane of polarization different from the plane of polarization of the output light Eb from the second region 14b of the patterned polarizer 14 by approximately 45°, the output light Eb can be decomposed into light Ea1 having a plane of polarization oriented parallel to the plane of polarization of , and light Ea2 having a plane of polarization oriented perpendicular thereto. A combination of light Eb and light Ea1 having planes of polarization in the same direction can be used as object light, and light Ea2 having a plane of polarization in a direction perpendicular to this can be used as reference light.

第2光学系30により観察対象物Sからの出力光のフーリエ変換像が形成される位置にパターン偏光子14が配置されていることから、パターン偏光子14から出力される物体光(光Ebおよび光Ea1)は、観察対象物Sの空間周波数の殆ど全域の成分を有する。また、パターン偏光子14から出力される参照光Ea2は、非回折光が支配的であるので、観察対象物Sの空間周波数0を含む限定された帯域(第1領域14aの幅に応じた帯域)の成分を有する。 Since the patterned polarizer 14 is arranged at the position where the Fourier transform image of the output light from the observation object S is formed by the second optical system 30, the object light (light Eb and The light Ea1) has components of almost the entire spatial frequency of the observation object S. FIG. In addition, since the reference light Ea2 output from the patterned polarizer 14 is predominantly non-diffracted light, a limited band including the spatial frequency 0 of the observation object S (a band corresponding to the width of the first region 14a ).

そして、第3光学系40によりパターン偏光子14からの出力光のフーリエ変換像が形成される位置に偏光カメラ16の撮像面が配置されていることから、偏光カメラ16の撮像面に、パターン偏光子14から出力される物体光(光Ebおよび光Ea1)により観察対象物Sの像が比較的忠実に再現される。また、偏光カメラ16の撮像面に、パターン偏光子14から出力される参照光(非回折光)Ea2が照射される。 Since the imaging plane of the polarization camera 16 is arranged at a position where the Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer 14 is formed by the third optical system 40, the imaging plane of the polarization camera 16 receives pattern polarized light. The object light (light Eb and light Ea1) output from the element 14 reproduces the image of the observed object S relatively faithfully. Further, the imaging plane of the polarization camera 16 is irradiated with the reference light (non-diffracted light) Ea2 output from the patterned polarizer 14 .

本実施形態では、偏光カメラ16の撮像面に観察対象物Sの像が比較的忠実に再現されることから、ハロが低減される。また、アパーチャ13の通過領域13aを狭くするほど(すなわち、パターン偏光子14の第1領域14aを狭くするほど)、参照光に含まれる非回折光の割合が大きくなるので、ハロが更に低減される。なお、本実施形態では物体光は光Ebおよび光Ea1を合わせたものであるのに対して、従来技術2では物体光は光Ebに相当するもののみであるので、従来技術2ではハロが顕著に生じる。 In this embodiment, the halo is reduced because the image of the observed object S is relatively faithfully reproduced on the imaging surface of the polarization camera 16 . In addition, the narrower the pass region 13a of the aperture 13 (that is, the narrower the first region 14a of the patterned polarizer 14), the greater the ratio of the non-diffracted light included in the reference light, thereby further reducing the halo. be. In the present embodiment, the object light is a combination of the light Eb and the light Ea1, whereas in the conventional technique 2, the object light corresponds only to the light Eb. occurs in

次に、本実施形態の観察装置1または観察方法により観察対象物Sの複素振幅画像を取得できることについて詳細に説明する。以下では、説明を簡易にするために、光源11が空間的にコヒーレントな光を出力するものとし、パターン偏光子が中心領域と周辺領域とに区分されるものとする。 Next, it will be described in detail how the observation device 1 or the observation method according to the present embodiment can acquire a complex amplitude image of the observed object S. FIG. In the following, for ease of explanation, it is assumed that the light source 11 outputs spatially coherent light and the patterned polarizer is divided into a central region and a peripheral region.

光の各偏光状態のうち水平偏光を表すベクトルをeとし、水平偏光を表すベクトルをeとし、45°偏光を表すベクトルをeとし、135°偏光を表すベクトルをeとし、右回り円偏光を表すベクトルをeとし、左回り円偏光を表すベクトルをeとする。これらのベクトルの間には下記(1)~(4)式の関係がある。 Among the polarization states of light, the vector representing horizontal polarization is eH , the vector representing horizontal polarization is eV , the vector representing 45° polarization is eD , and the vector representing 135° polarization is eA . Let e R be a vector representing circularly polarized light, and let e L be a vector representing left-handed circularly polarized light. These vectors have the following relationships (1) to (4).

Figure 0007267213000001
Figure 0007267213000001

Figure 0007267213000002
Figure 0007267213000002

Figure 0007267213000003
Figure 0007267213000003

Figure 0007267213000004
Figure 0007267213000004

円偏光の光を偏光子に入力させたときに該偏光子から出力される光の位相は、その出力光の偏光状態のベクトル(e,e,e,eの何れか)と入力光の偏光状態のベクトル(e,eの何れか)との内積で表される。2つのベクトル間の内積については下記(5)~(12)式が成り立つ。これらの関係を用いることで、各位相シフト量に対応する干渉画像を取得することができる。 When circularly polarized light is input to the polarizer, the phase of the light output from the polarizer is the vector of the polarization state of the output light (any of e H , e V , e D , and e A ). It is represented by the inner product with the polarization state vector (either e R or e L ) of the input light. The following equations (5) to (12) hold for the inner product between two vectors. By using these relationships, an interference image corresponding to each phase shift amount can be acquired.

Figure 0007267213000005
Figure 0007267213000005

Figure 0007267213000006
Figure 0007267213000006

Figure 0007267213000007
Figure 0007267213000007

Figure 0007267213000008
Figure 0007267213000008

Figure 0007267213000009
Figure 0007267213000009

Figure 0007267213000010
Figure 0007267213000010

Figure 0007267213000011
Figure 0007267213000011

Figure 0007267213000012
Figure 0007267213000012

・eとe・eとは同位相であるから、互いに回転方向が異なる2つの円偏光の光が偏光子により水平偏光に射影されると、偏光子から出力される2つの光は同位相となる。e・eとe・eとは逆位相であるから、互いに回転方向が異なる2つの円偏光の光が偏光子により垂直偏光に射影されると、偏光子から出力される2つの光の間の位相差は180°となる。 Since eH.eR and eH.eL have the same phase, when two circularly polarized lights with different rotation directions are projected to horizontally polarized light by a polarizer, two light beams are output from the polarizer . The light will be in phase. Since eVeR and eVeL have opposite phases, when two circularly polarized lights with different rotation directions are projected by a polarizer into vertically polarized light, the two light beams output from the polarizer are The phase difference between the lights will be 180°.

・eとe・eとは位相が90°異なっているから、互いに回転方向が異なる2つの円偏光の光が偏光子により45°偏光に射影されると、偏光子から出力される2つの光の間の位相差は90°となる。e・eとe・eとは位相が270°異なっているから、互いに回転方向が異なる2つの円偏光の光が偏光子により135°偏光に射影されると、偏光子から出力される2つの光の間の位相差は270°となる。 Since eDeR and eDeL differ in phase by 90°, when two circularly polarized lights with different rotation directions are projected by a polarizer into 45° polarized light, the output from the polarizer is The phase difference between the two beams of light will be 90°. Since e A · e R and e A · e L have a phase difference of 270°, when two circularly polarized lights with different rotation directions are projected by a polarizer into 135° polarized light, the output from the polarizer is The phase difference between the two light beams will be 270°.

測定したい光の波面をU(x)とする。xは位置を表す変数である。U(x)のフーリエ変換をu(k)と表す(下記(13)式)。kは空間周波数を表す変数である。 Let U(x) be the wavefront of light to be measured. x is a variable representing the position. The Fourier transform of U(x) is represented as u(k) (equation (13) below). k is a variable representing spatial frequency.

Figure 0007267213000013
Figure 0007267213000013

パターン偏光子の中心領域および周辺領域それぞれが選択的に通過させる直線偏光の光の偏光面が互いに直交している場合を考えると次のとおりである。観察対象物からの出力光U(x)は光学系によりフーリエ変換され、そのフーリエ変換像u(k)がパターン偏光子の位置に形成される。u(k)のうちパターン偏光子の中心領域を通過した光は、下記(14)式で示される像U(x)を偏光カメラの撮像面上に形成する。この式中のp(k)は、パターン偏光子の中心領域に対応する空間周波数領域でのマスクであり、U(x)の低周波成分に対応するものである。 Considering the case where the planes of polarization of linearly polarized light selectively transmitted by the central region and the peripheral region of the patterned polarizer are orthogonal to each other, the following is the case. The output light U(x) from the observed object is Fourier-transformed by the optical system, and its Fourier-transformed image u(k) is formed at the position of the patterned polarizer. The light of u(k) that has passed through the central region of the patterned polarizer forms an image U c (x) represented by the following equation (14) on the imaging surface of the polarizing camera. p c (k) in this equation is the mask in the spatial frequency domain corresponding to the central region of the patterned polarizer and corresponds to the low frequency components of U(x).

Figure 0007267213000014
Figure 0007267213000014

パターン偏光子の周辺領域を通過した光が偏光カメラの撮像面上に形成する像U(x)は、U(x)からU(x)を差し引いたものとして表される(下記(15)式)。したがって、偏光カメラによる撮像により得られる干渉画像は下記(16)式で表される。この式中の添え字Xは、偏光カメラで撮像される偏光状態(H,V,D,Aの何れか)を示す。 The image U (x) formed on the imaging plane of the polarization camera by the light passing through the peripheral region of the patterned polarizer is expressed as U(x) minus U c (x) ((15 )formula). Therefore, an interference image obtained by imaging with a polarization camera is represented by the following formula (16). The subscript X in this formula indicates the polarization state (any of H, V, D, and A) captured by the polarization camera.

Figure 0007267213000015
Figure 0007267213000015

Figure 0007267213000016
Figure 0007267213000016

偏光状態を表すベクトルの間の内積が上述の位相関係を有することから、偏光カメラによる撮像により得られる各偏光状態の干渉画像I(x),I(x),I(x),I(x)は、位相シフト法における各位相シフト量での測定結果に対応する。したがって、これらの干渉画像を用いて、下記(17)式により複素振幅画像C(x)を取得することができる。 Since the inner product between the vectors representing the polarization states has the above-described phase relationship, the interference images IH (x), IV (x), ID (x), I A (x) corresponds to the measurement result at each phase shift amount in the phase shift method. Therefore, using these interference images, a complex amplitude image C(x) can be acquired by the following equation (17).

Figure 0007267213000017
Figure 0007267213000017

パターン偏光子の中心領域の大きさが無限小である理想的な場合を想定する。この場合、p(k)はデルタ関数で表される(下記(18)式)。このとき、上記(14)式は、下記(19)式のようになる。Uは、定数であり、U(x)の平均値に対応する。このとき、上記(17)式の複素振幅画像C(x)は下記(20)式で表される。 Assume an ideal case where the size of the central region of the patterned polarizer is infinitesimal. In this case, p c (k) is represented by a delta function (equation (18) below). At this time, the above equation (14) becomes the following equation (19). U 0 is a constant and corresponds to the mean value of U(x). At this time, the complex amplitude image C(x) of the above equation (17) is represented by the following equation (20).

Figure 0007267213000018
Figure 0007267213000018

Figure 0007267213000019
Figure 0007267213000019

Figure 0007267213000020
Figure 0007267213000020

は定数であるので、U(x)の複素振幅が測定されることになり、これはU(x)と一致しない。つまり、このような理想的な場合であっても、測定値の定量性が失われている。この定量性の喪失により、像の低周波成分が失われる。位相差顕微鏡でハロとして知られている現象は、これと同じメカニズムに基づくものである。 Since U 0 is a constant, the complex amplitude of U (x) will be measured, which does not match U(x). In other words, even in such an ideal case, the quantification of the measured values is lost. This loss of quantification causes the low frequency content of the image to be lost. The phenomenon known as halo in phase-contrast microscopy is based on this same mechanism.

これに対して、本実施形態では、パターン偏光子14により非回折光に対して回折光を45°傾いた偏光に射影する。このとき偏光カメラ16に入射する光の波面U’(x)は下記(21)式で表される。結果的に得られる複素振幅画像C(x)は下記(22)式で表される。従来技術2では像の低周波成分が失われたのに対して、本実施形態では像の低周波成分が失われていない。したがって、本実施形態では、像の欠損が抑制され、ハロのような現象の発生が抑制される。 On the other hand, in the present embodiment, the patterned polarizer 14 projects the diffracted light into polarized light inclined at 45° with respect to the non-diffracted light. The wavefront U'(x) of the light incident on the polarization camera 16 at this time is represented by the following equation (21). A complex amplitude image C(x) obtained as a result is represented by the following equation (22). While the low-frequency component of the image is lost in prior art 2, the low-frequency component of the image is not lost in this embodiment. Therefore, in the present embodiment, image loss is suppressed, and occurrence of a halo-like phenomenon is suppressed.

Figure 0007267213000021
Figure 0007267213000021

Figure 0007267213000022
Figure 0007267213000022

次に、シミュレーションによりハロ低減効果を確認した結果について説明する。図6は、シミュレーションで用いた元画像である。この元画像を観察対象物Sとし、アパーチャ13の通過領域13aが狭い場合および広い場合それぞれにおいて、本実施形態および従来技術2それぞれにより位相画像を作成した。 Next, the result of confirming the halo reduction effect by simulation will be described. FIG. 6 shows the original image used in the simulation. Using this original image as an observation object S, phase images were created by the present embodiment and prior art 2, respectively, when the passage area 13a of the aperture 13 was narrow and wide.

図7(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが狭い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図7(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 FIG. 7(a) is a phase image created according to the present embodiment when the passage area 13a of the aperture 13 is narrow. FIG. 7B is an image showing the difference between this phase image and the original image.

図8(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが狭い場合において従来技術2により作成した位相画像である。図8(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 FIG. 8(a) is a phase image created by prior art 2 when the passage area 13a of the aperture 13 is narrow. FIG. 8(b) is an image showing the difference between this phase image and the original image.

図9(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが広い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図9(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 FIG. 9(a) is a phase image created according to the present embodiment when the passage area 13a of the aperture 13 is wide. FIG. 9B is an image representing the difference between this phase image and the original image.

図10(a)は、アパーチャ13の通過領域13aが広い場合において従来技術2により作成した位相画像である。図10(b)は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 FIG. 10(a) is a phase image created by prior art 2 when the passage area 13a of the aperture 13 is wide. FIG. 10(b) is an image showing the difference between this phase image and the original image.

これらの図から分かるように、従来技術2により作成した位相画像と比べて、本実施形態により作成した位相画像は、ハロが低減されている。また、アパーチャ13の通過領域13aが狭い場合に、本実施形態のハロ低減効果が顕著である。 As can be seen from these figures, halos are reduced in the phase images created by this embodiment compared to the phase images created by the prior art 2. FIG. Further, when the passage area 13a of the aperture 13 is narrow, the halo reduction effect of the present embodiment is remarkable.

以上のように本実施形態では、物体光および参照光が同軸で伝搬するので、光学系の調整が容易であり、光路長安定化などの機構が不要となって耐振動性が優れる。物体光と参照光との間の位相差を各値に設定した観察対象物の干渉画像を同時に(シングルショットで)取得することができるので、これら複数の干渉画像を取得するのに要する時間が短い。また、従来技術2と比べて本実施形態ではハロが低減されて定量性が優れる。 As described above, in this embodiment, since the object light and the reference light propagate coaxially, the optical system can be easily adjusted, and a mechanism for stabilizing the optical path length is unnecessary, resulting in excellent vibration resistance. Interference images of the observed object can be acquired simultaneously (single-shot) with the phase difference between the object beam and the reference beam set to each value, so the time required to acquire these multiple interference images is short. In addition, compared with the prior art 2, the halo is reduced in the present embodiment and the quantification is excellent.

次に、他の実施形態および変形例の構成について説明する。なお、図1に示された観察装置1の構成と同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。これらは、図1に示された第1実施形態の観察装置1と同様の効果を奏する。 Next, configurations of other embodiments and modifications will be described. Elements that are the same as in the configuration of the observation device 1 shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and overlapping descriptions are omitted. These have the same effects as the observation device 1 of the first embodiment shown in FIG.

図11は、第1実施形態の観察装置1の変形例である観察装置1Aの構成を示す図である。図1に示された観察装置1の構成と比較すると、図11に示される観察装置1Aは、偏光子12が設けられている位置の点で相違する。この構成例では、偏光子12はパターン偏光子14の直前に設けられている。偏光子12は、光源11からパターン偏光子14(第2光学系30によりフーリエ変換像が形成される位置)までの間の光路上の何れの位置に設けられてもよい。偏光子12が観察対象物Sとパターン偏光子14との間の光路上に設けられている場合、観察対象物Sが複屈折性を有する場合であっても、干渉画像および複素振幅画像を好適に取得することができる。 FIG. 11 is a diagram showing the configuration of an observation device 1A that is a modification of the observation device 1 of the first embodiment. Compared with the configuration of the viewing device 1 shown in FIG. 1, the viewing device 1A shown in FIG. 11 differs in the position where the polarizer 12 is provided. In this configuration example, the polarizer 12 is provided immediately before the patterned polarizer 14 . The polarizer 12 may be provided at any position on the optical path from the light source 11 to the patterned polarizer 14 (the position where the Fourier transform image is formed by the second optical system 30). When the polarizer 12 is provided on the optical path between the observation object S and the patterned polarizer 14, even if the observation object S has birefringence, the interference image and the complex amplitude image are preferable. can be obtained.

図12は、第2実施形態の観察装置2の構成を示す図である。図1に示された観察装置1の構成と比較すると、図12に示される観察装置2は、光源11から出力される空間的にインコヒーレントな光が直線偏光である点で相違し、それ故に不要となる偏光子12が設けられていない点で相違する。この場合、パターン偏光子14の第1領域14aおよび第2領域14bそれぞれが出力する直線偏光の偏光面の方位は、光源11から出力される直線偏光の偏光面の方位に応じて設定される。 FIG. 12 is a diagram showing the configuration of the observation device 2 of the second embodiment. Compared to the configuration of the observation device 1 shown in FIG. 1, the observation device 2 shown in FIG. The difference is that the unnecessary polarizer 12 is not provided. In this case, the orientation of the plane of polarization of the linearly polarized light output from the first region 14 a and the second region 14 b of the patterned polarizer 14 is set according to the orientation of the plane of polarization of the linearly polarized light output from the light source 11 .

図13は、第3実施形態の観察装置3の構成を示す図である。図1に示された観察装置1の構成と比較すると、図13に示される観察装置3は、第2光学系30の構成の点で相違する。本実施形態では、第2光学系30は、対物レンズ31に加えて、レンズ32,33をリレー光学系として含む。また、パターン偏光子14、1/4波長板15、偏光カメラ16、レンズ33および第3光学系40を共通の筐体に入れて光学モジュール51とすることができる。この光学モジュール51を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置3の構成とすることができる。 FIG. 13 is a diagram showing the configuration of the observation device 3 of the third embodiment. Compared with the configuration of the observation device 1 shown in FIG. 1, the observation device 3 shown in FIG. In this embodiment, the second optical system 30 includes lenses 32 and 33 as a relay optical system in addition to the objective lens 31 . Also, the patterned polarizer 14, the quarter wave plate 15, the polarization camera 16, the lens 33 and the third optical system 40 can be placed in a common housing to form an optical module 51. FIG. By attaching this optical module 51 to a commercially available phase-contrast microscope, the observation device 3 can be constructed.

図14は、第3実施形態の観察装置3の変形例である観察装置3Aの構成を示す図である。図13に示された観察装置3の構成と比較すると、図14に示される観察装置3Aは、偏光子12が設けられている位置の点で相違する。この構成例では、偏光子12はパターン偏光子14の直前に設けられている。偏光子12が観察対象物Sとパターン偏光子14との間の光路上に設けられている場合、観察対象物Sが複屈折性を有する場合であっても、干渉画像および複素振幅画像を好適に取得することができる。また、偏光子12、パターン偏光子14、1/4波長板15、偏光カメラ16、レンズ33および第3光学系40を共通の筐体に入れて光学モジュール52とすることができる。この光学モジュール52を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置3Aの構成とすることができる。 FIG. 14 is a diagram showing the configuration of an observation device 3A that is a modification of the observation device 3 of the third embodiment. Compared with the configuration of the observation device 3 shown in FIG. 13, the observation device 3A shown in FIG. 14 differs in the position where the polarizer 12 is provided. In this configuration example, the polarizer 12 is provided immediately before the patterned polarizer 14 . When the polarizer 12 is provided on the optical path between the observation object S and the patterned polarizer 14, even if the observation object S has birefringence, the interference image and the complex amplitude image are preferable. can be obtained. Also, the polarizer 12, the patterned polarizer 14, the quarter-wave plate 15, the polarization camera 16, the lens 33 and the third optical system 40 can be placed in a common housing to form an optical module 52. FIG. By attaching this optical module 52 to a commercially available phase-contrast microscope, the observation device 3A can be constructed.

図15は、第4実施形態の観察装置4の構成を示す図である。図13に示された観察装置3の構成と比較すると、図15に示される観察装置4は、光源11から出力される空間的にインコヒーレントな光が直線偏光である点で相違し、それ故に不要となる偏光子12が設けられていない点で相違する。この場合、パターン偏光子14の第1領域14aおよび第2領域14bそれぞれが出力する直線偏光の偏光面の方位は、光源11から出力される直線偏光の偏光面の方位に応じて設定される。 FIG. 15 is a diagram showing the configuration of an observation device 4 according to the fourth embodiment. Compared to the configuration of the observation device 3 shown in FIG. 13, the observation device 4 shown in FIG. The difference is that the unnecessary polarizer 12 is not provided. In this case, the orientation of the plane of polarization of the linearly polarized light output from the first region 14 a and the second region 14 b of the patterned polarizer 14 is set according to the orientation of the plane of polarization of the linearly polarized light output from the light source 11 .

これまでに説明した観察装置は透過型の構成であったが、観察装置は以下に説明するような反射型の構成であってもよい。反射型の構成とする場合、第1光学系および第2光学系は観察対象物Sに対する光入出力の部分を共通にすることができる。 Although the viewing device described so far has a transmissive configuration, the viewing device may have a reflective configuration as described below. In the case of a reflective configuration, the first optical system and the second optical system can share a portion for inputting/outputting light to/from the observed object S. FIG.

図16は、第5実施形態の観察装置5の構成を示す図である。観察装置5は、アパーチャ13と観察対象物Sとの間に設けられる第1光学系として、レンズ21,22,23およびビームスプリッタ17を備える。また、観察装置5は、観察対象物Sとパターン偏光子14との間に設けられる第2光学系として、レンズ23,32,33およびビームスプリッタ17を備える。偏光子12は、光源11とアパーチャ13との間に設けられている。光源11から出力された光は、偏光子12、アパーチャ13、レンズ21およびレンズ22を経てビームスプリッタ17に到達し、ビームスプリッタ17によりレンズ23へ反射される。その光は、レンズ23を経て観察対象物Sに照射され、観察対象物Sを容れた容器の底面で反射される。その反射光は、レンズ23、ビームスプリッタ17、レンズ32およびレンズ33を経てパターン偏光子14に入力される。この構成においても、パターン偏光子14、1/4波長板15、偏光カメラ16、レンズ33および第3光学系40を共通の筐体に入れて光学モジュール51とすることができる。この光学モジュール51を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置5の構成とすることができる。 FIG. 16 is a diagram showing the configuration of an observation device 5 according to the fifth embodiment. The observation device 5 includes lenses 21 , 22 and 23 and a beam splitter 17 as a first optical system provided between the aperture 13 and the observation object S. The observation device 5 also includes lenses 23 , 32 , 33 and a beam splitter 17 as a second optical system provided between the observation object S and the patterned polarizer 14 . A polarizer 12 is provided between the light source 11 and the aperture 13 . Light output from the light source 11 reaches the beam splitter 17 via the polarizer 12 , the aperture 13 , the lenses 21 and 22 , and is reflected by the beam splitter 17 to the lens 23 . The light passes through the lens 23 and irradiates the observation object S, and is reflected by the bottom surface of the container containing the observation object S. FIG. The reflected light is input to patterned polarizer 14 via lens 23 , beam splitter 17 , lens 32 and lens 33 . Also in this configuration, the patterned polarizer 14, the quarter-wave plate 15, the polarization camera 16, the lens 33 and the third optical system 40 can be housed in a common housing to form the optical module 51. FIG. By attaching this optical module 51 to a commercially available phase-contrast microscope, the observation device 5 can be constructed.

図17は、第5実施形態の観察装置5の変形例である観察装置5Aの構成を示す図である。図16に示された観察装置5の構成と比較すると、図17に示される観察装置5Aは、偏光子12が設けられている位置の点で相違する。この構成例では、偏光子12はパターン偏光子14の直前に設けられている。偏光子12が観察対象物Sとパターン偏光子14との間の光路上に設けられている場合、観察対象物Sが複屈折性を有する場合であっても、干渉画像および複素振幅画像を好適に取得することができる。この構成においても、偏光子12、パターン偏光子14、1/4波長板15、偏光カメラ16、レンズ33および第3光学系40を共通の筐体に入れて光学モジュール52とすることができる。この光学モジュール52を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置5Aの構成とすることができる。 FIG. 17 is a diagram showing the configuration of an observation device 5A that is a modification of the observation device 5 of the fifth embodiment. Compared with the configuration of the observation device 5 shown in FIG. 16, the observation device 5A shown in FIG. 17 differs in the position where the polarizer 12 is provided. In this configuration example, the polarizer 12 is provided immediately before the patterned polarizer 14 . When the polarizer 12 is provided on the optical path between the observation object S and the patterned polarizer 14, even if the observation object S has birefringence, the interference image and the complex amplitude image are preferable. can be obtained. Also in this configuration, the polarizer 12, the patterned polarizer 14, the quarter-wave plate 15, the polarization camera 16, the lens 33 and the third optical system 40 can be put into a common housing to form the optical module 52. FIG. By attaching this optical module 52 to a commercially available phase-contrast microscope, the observation device 5A can be constructed.

図18は、第6実施形態の観察装置6の構成を示す図である。図16に示された観察装置5の構成と比較すると、図18に示される観察装置6は、光源11から出力される空間的にインコヒーレントな光が直線偏光である点で相違し、それ故に不要となる偏光子12が設けられていない点で相違する。この場合、パターン偏光子14の第1領域14aおよび第2領域14bそれぞれが出力する直線偏光の偏光面の方位は、光源11から出力される直線偏光の偏光面の方位に応じて設定される。 FIG. 18 is a diagram showing the configuration of the observation device 6 of the sixth embodiment. Compared to the configuration of the observation device 5 shown in FIG. 16, the observation device 6 shown in FIG. The difference is that the unnecessary polarizer 12 is not provided. In this case, the orientation of the plane of polarization of the linearly polarized light output from the first region 14 a and the second region 14 b of the patterned polarizer 14 is set according to the orientation of the plane of polarization of the linearly polarized light output from the light source 11 .

図19は、第7実施形態の観察装置7の構成を示す図である。観察装置7は、アパーチャ13と観察対象物Sとの間に設けられる第1光学系として、レンズ21,22,23およびビームスプリッタ17を備える。また、観察装置7は、観察対象物Sとパターン偏光子14との間に設けられる第2光学系としてレンズ23を備える。この構成では、パターン偏光子14は、偏光子12の役割を兼ねており、ビームスプリッタ17とレンズ23との間の光路上に設けられている。光源11から出力された光は、アパーチャ13、レンズ21およびレンズ22を経てビームスプリッタ17に到達し、ビームスプリッタ17によりパターン偏光子14へ反射される。その光は、パターン偏光子14の第1領域14aを直線偏光として通過し、レンズ23を経て観察対象物Sに照射され、観察対象物Sを容れた容器の底面で反射される。その反射光は、レンズ23、パターン偏光子14およびビームスプリッタ17を経て1/4波長板15に入力される。 FIG. 19 is a diagram showing the configuration of the observation device 7 of the seventh embodiment. The observation device 7 includes lenses 21 , 22 and 23 and a beam splitter 17 as a first optical system provided between the aperture 13 and the observation object S. The observation device 7 also includes a lens 23 as a second optical system provided between the observation object S and the patterned polarizer 14 . In this configuration, patterned polarizer 14 doubles as polarizer 12 and is provided in the optical path between beam splitter 17 and lens 23 . Light emitted from the light source 11 reaches the beam splitter 17 via the aperture 13 , lenses 21 and 22 and is reflected by the beam splitter 17 to the patterned polarizer 14 . The light passes through the first region 14a of the patterned polarizer 14 as linearly polarized light, passes through the lens 23, is applied to the observation object S, and is reflected by the bottom surface of the container containing the observation object S. FIG. The reflected light passes through lens 23 , patterned polarizer 14 and beam splitter 17 and enters quarter-wave plate 15 .

これまで説明した観察装置は観察対象物Sの2次元複素振幅画像を取得することができる構成であった。しかし、以下に説明するように、第2光学系30を構成する光学素子または観察対象物Sを第2光学系30の光軸に平行な方向に走査し、その走査の各位置において偏光カメラ16により複数の干渉画像を取得し、その走査の各位置における複数の干渉画像に基づいて観察対象物Sの3次元複素振幅画像を作成することもできる。以下では、第1実施形態の観察装置1の変形例および第7実施形態の観察装置7の変形例の各構成について説明するが、他の実施形態の観察装置の変形例の構成とすることもできる。 The observation apparatus described so far has a configuration capable of acquiring a two-dimensional complex amplitude image of the object S to be observed. However, as described below, the optical element constituting the second optical system 30 or the observation object S is scanned in a direction parallel to the optical axis of the second optical system 30, and the polarization camera 16 is detected at each scanning position. It is also possible to obtain a plurality of interference images by and create a three-dimensional complex amplitude image of the observed object S based on the plurality of interference images at each position of the scan. Although each configuration of the modified example of the observation device 1 of the first embodiment and the modified example of the observation device 7 of the seventh embodiment will be described below, the modified examples of the observation device of the other embodiments may also be configured. can.

図20は、第1実施形態の観察装置1の変形例である観察装置1Bの構成を示す図である。図1に示された観察装置1の構成と比較すると、図20に示される観察装置1Bは、観察対象物Sを光軸に平行な方向に走査することができる移動部19が設けられている点で相違する。 FIG. 20 is a diagram showing the configuration of an observation device 1B that is a modification of the observation device 1 of the first embodiment. Compared with the configuration of the observation device 1 shown in FIG. 1, the observation device 1B shown in FIG. They are different in that respect.

図21は、第1実施形態の観察装置1の変形例である観察装置1Cの構成を示す図である。図1に示された観察装置1の構成と比較すると、図21に示される観察装置1Cは、第2光学系30およびパターン偏光子14を光軸に平行な方向に走査することができる移動部19が設けられている点で相違する。 FIG. 21 is a diagram showing the configuration of an observation device 1C that is a modification of the observation device 1 of the first embodiment. Compared with the configuration of the observation device 1 shown in FIG. 1, the observation device 1C shown in FIG. 19 is provided.

図22は、第7実施形態の観察装置7の変形例である観察装置7Bの構成を示す図である。図19に示された観察装置7の構成と比較すると、図22に示される観察装置7Bは、観察対象物Sを光軸に平行な方向に走査することができる移動部19が設けられている点で相違する。 FIG. 22 is a diagram showing the configuration of an observation device 7B that is a modification of the observation device 7 of the seventh embodiment. Compared with the configuration of the observation device 7 shown in FIG. 19, the observation device 7B shown in FIG. They are different in that respect.

図23は、第7実施形態の観察装置7の変形例である観察装置7Cの構成を示す図である。図19に示された観察装置7の構成と比較すると、図23に示される観察装置7Cは、レンズ23およびパターン偏光子14を光軸に平行な方向に走査することができる移動部19が設けられている点で相違する。 FIG. 23 is a diagram showing the configuration of an observation device 7C that is a modification of the observation device 7 of the seventh embodiment. Compared with the configuration of the observation device 7 shown in FIG. 19, the observation device 7C shown in FIG. The difference is that

何れの観察装置においても、移動部19は、リニアステージであってもよいし、ピエゾアクチュエータであってもよく、また、リニアステージおよびピエゾアクチュエータを組み合わせたものであってもよい。移動部19により観察対象物Sを光軸方向に走査することにより、または、移動部19により第2光学系30およびパターン偏光子14を光軸方向に走査することにより、偏光カメラ16の撮像面に対して共役な位置が観察対象物S中で走査されることになるので、観察対象物Sの3次元複素振幅画像を作成することができる。 In any observation device, the moving part 19 may be a linear stage, a piezo actuator, or a combination of a linear stage and a piezo actuator. By scanning the observation object S in the optical axis direction with the moving unit 19, or by scanning the second optical system 30 and the patterned polarizer 14 in the optical axis direction with the moving unit 19, the imaging surface of the polarization camera 16 A three-dimensional complex amplitude image of the observed object S can be created because the position conjugated to is scanned in the observed object S.

1,1A,1B,1C,2,3,3A,4,5,5A,6,7,7B,7C…観察装置、11…光源、12…偏光子、13…アパーチャ、13a…通過領域、13b…遮断領域、14…パターン偏光子、14a…第1領域、14b…第2領域、15…1/4波長板、16…偏光カメラ、17…ビームスプリッタ、18…解析部、19…移動部、20…第1光学系、30…第2光学系、40…第3光学系、51,52…光学モジュール。 1, 1A, 1B, 1C, 2, 3, 3A, 4, 5, 5A, 6, 7, 7B, 7C... Observation device, 11... Light source, 12... Polarizer, 13... Aperture, 13a... Passing area, 13b 14: first region 14b: second region 15: quarter-wave plate 16: polarization camera 17: beam splitter 18: analysis unit 19: moving unit 20... First optical system, 30... Second optical system, 40... Third optical system, 51, 52... Optical module.

Claims (18)

空間的にインコヒーレントな光を出力する光源と、
光を通過させる通過領域を有し、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、
前記アパーチャから出力された光を入力し、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第1光学系と、
前記第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第1光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力し、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第2光学系と、
前記光源から前記第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置され、入力した光を直線偏光の光として出力する偏光子と、
前記第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、前記アパーチャの前記通過領域に対応する第1領域と前記第1領域以外の第2領域とを有し、前記第2光学系から前記第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第2光学系から前記第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、
前記パターン偏光子から出力された光を入力し、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第3光学系と、
前記第3光学系の光路上に配置され、前記パターン偏光子の前記第1領域および前記第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする1/4波長板と、
前記第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、前記1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、
前記偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、
を備える観察装置。
a light source that outputs spatially incoherent light;
an aperture that has a passage area through which light passes, and that selectively passes and outputs light that has reached the passage area out of the light output from the light source;
a first optical system that receives the light output from the aperture and forms a Fourier transform image of the light output from the aperture;
Light output from the first optical system is input to an observation object placed at a position where a Fourier transform image is formed by the first optical system, and light output from the observation object is input, and the observation is performed. a second optical system that forms a Fourier transform image of the output light from the object;
A polarizer arranged on an optical path from the light source to a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system, and for outputting input light as linearly polarized light;
The second optical system is arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system, and has a first area corresponding to the passing area of the aperture and a second area other than the first area. selectively output linearly polarized light having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light among the light input to the first region from the second optical system a patterned polarizer that selectively outputs linearly polarized light having a plane of polarization of 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light among the light that has entered the second region from
a third optical system that receives the light output from the patterned polarizer and forms a Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer;
a quarter-wave plate arranged on the optical path of the third optical system to circularly polarize the light output from the first region and the second region of the patterned polarizer in different rotational directions;
having an imaging surface arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the third optical system, and inputting two lights circularly polarized in different rotational directions by the quarter-wave plate; A polarization camera that acquires an interference image on the imaging plane for each component of the polarization plane of
an analysis unit that creates a complex amplitude image of the observed object based on interference images for each of three or more polarization plane components acquired by the polarization camera;
Observation device comprising.
空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を出力する光源と、
光を通過させる通過領域を有し、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、
前記アパーチャから出力された光を入力し、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第1光学系と、
前記第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第1光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力し、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第2光学系と、
前記第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、前記アパーチャの前記通過領域に対応する第1領域と前記第1領域以外の第2領域とを有し、前記第2光学系から前記第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第2光学系から前記第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、
前記パターン偏光子から出力された光を入力し、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第3光学系と、
前記第3光学系の光路上に配置され、前記パターン偏光子の前記第1領域および前記第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする1/4波長板と、
前記第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、前記1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、
前記偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、
を備える観察装置。
a light source that outputs spatially incoherent linearly polarized light;
an aperture that has a passage area through which light passes, and that selectively passes and outputs light that has reached the passage area out of the light output from the light source;
a first optical system that receives the light output from the aperture and forms a Fourier transform image of the light output from the aperture;
Light output from the first optical system is input to an observation object placed at a position where a Fourier transform image is formed by the first optical system, and light output from the observation object is input, and the observation is performed. a second optical system that forms a Fourier transform image of the output light from the object;
The second optical system is arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system, and has a first area corresponding to the passing area of the aperture and a second area other than the first area. selectively output linearly polarized light having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light among the light input to the first region from the second optical system a patterned polarizer that selectively outputs linearly polarized light having a plane of polarization of 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light among the light that has entered the second region from
a third optical system that receives the light output from the patterned polarizer and forms a Fourier transform image of the output light from the patterned polarizer;
a quarter-wave plate arranged on the optical path of the third optical system to circularly polarize the light output from the first region and the second region of the patterned polarizer in different rotational directions;
having an imaging surface arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the third optical system, and inputting two lights circularly polarized in different rotational directions by the quarter-wave plate; A polarization camera that acquires an interference image on the imaging plane for each component of the polarization plane of
an analysis unit that creates a complex amplitude image of the observed object based on interference images for each of three or more polarization plane components acquired by the polarization camera;
Observation device comprising.
前記第1光学系および前記第2光学系は前記観察対象物に対する光入出力の部分が共通である、
請求項1または2に記載の観察装置。
The first optical system and the second optical system have a common portion for inputting and outputting light with respect to the observation object.
The viewing device according to claim 1 or 2.
前記第2光学系はリレー光学系を含む、
請求項1~3の何れか1項に記載の観察装置。
wherein the second optical system includes a relay optical system;
The observation device according to any one of claims 1 to 3.
前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が2次元配列された構造を有し、2次元の干渉画像を取得する、
請求項1~4の何れか1項に記載の観察装置。
The polarization camera has a structure in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally on the imaging plane, and acquires a two-dimensional interference image.
The observation device according to any one of claims 1 to 4.
前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が1次元配列された構造を有し、1次元の干渉画像を取得する、
請求項1~5の何れか1項に記載の観察装置。
The polarization camera has a structure in which a plurality of pixels are arranged one-dimensionally on the imaging plane, and acquires a one-dimensional interference image.
The observation device according to any one of claims 1 to 5.
前記偏光カメラの前記撮像面における前記複数の画素の配列方向と異なる方向に前記観察対象物を相対的に移動させることで、前記観察対象物の2次元の干渉画像を取得する、
請求項6に記載の観察装置。
Acquiring a two-dimensional interference image of the observation target by relatively moving the observation target in a direction different from the arrangement direction of the plurality of pixels on the imaging plane of the polarization camera;
The observation device according to claim 6.
前記第2光学系を構成する光学素子または前記観察対象物を前記第2光学系の光軸に平行な方向に走査し、
前記偏光カメラは前記走査の各位置において干渉画像を取得し、
前記解析部は、前記走査の各位置において前記偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて前記観察対象物の3次元複素振幅画像を作成する、
請求項1~7の何れか1項に記載の観察装置。
scanning an optical element constituting the second optical system or the observation object in a direction parallel to the optical axis of the second optical system;
the polarization camera acquires an interference image at each position of the scan;
The analysis unit creates a three-dimensional complex amplitude image of the observation object based on the interference image acquired by the polarization camera at each position of the scanning.
An observation device according to any one of claims 1 to 7.
第1領域と前記第1領域以外の第2領域とを有し、前記第2光学系から前記第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第2光学系から前記第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、
前記パターン偏光子の前記第1領域および前記第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする1/4波長板と、
前記1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力する撮像面を有し、3以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、
を備える光学モジュール。
having a first area and a second area other than the first area, relative to the plane of polarization of the input light from the second optical system input to the first area from −10° to Linearly polarized light having a plane of polarization of +10° is selectively output, and the plane of polarization of the light input from the second optical system to the second region is 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light. a patterned polarizer that selectively outputs linearly polarized light having a plane of polarization of °;
a quarter-wave plate that converts the light output from the first region and the second region of the patterned polarizer to circularly polarized light in different rotational directions;
A polarizing camera having an imaging plane for inputting two lights circularly polarized in different rotational directions by the quarter-wave plate, and acquiring an interference image on the imaging plane for each component of three or more polarization planes. and,
Optical module with
前記パターン偏光子の前段に配置され、入力した光を直線偏光の光として前記パターン偏光子へ出力する偏光子を更に備える、
請求項9に記載の光学モジュール。
Further comprising a polarizer arranged in front of the patterned polarizer for outputting input light to the patterned polarizer as linearly polarized light,
The optical module according to claim 9.
空間的にインコヒーレントな光を光源から出力し、
光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、
前記アパーチャから出力された光を入力する第1光学系により、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、
前記第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第1光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力する第2光学系により、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
前記光源から前記第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置された偏光子により、入力した光を直線偏光の光として出力し、
前記第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され前記アパーチャの前記通過領域に対応する第1領域と前記第1領域以外の第2領域とを有するパターン偏光子により、前記第2光学系から前記第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第2光学系から前記第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、
前記パターン偏光子から出力された光を入力する第3光学系により、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
前記第3光学系の光路上に配置された1/4波長板により、前記パターン偏光子の前記第1領域および前記第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、
前記第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、前記1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得し、
前記偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する、
観察方法。
Output spatially incoherent light from the light source,
using an aperture having a light-passing region to selectively pass through and output the light that has reached the light-passing region, out of the light output from the light source;
forming a Fourier transform image of the light output from the aperture by a first optical system for inputting the light output from the aperture;
A second optical system for inputting light output from the observation object by inputting light from the first optical system to the observation object arranged at a position where the Fourier transform image is formed by the first optical system. forming a Fourier transform image of output light from the observed object by a system;
A polarizer arranged on an optical path from the light source to a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system outputs the input light as linearly polarized light,
A patterned polarizer having a first region corresponding to the passing region of the aperture and a second region other than the first region arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system, the second selectively outputting linearly polarized light having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light among the light input from the optical system to the first region; selectively outputting linearly polarized light having a plane of polarization of 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light among the light input from the optical system to the second region;
forming a Fourier transform image of the light output from the patterned polarizer by a third optical system for inputting the light output from the patterned polarizer;
Circularly polarized light output from the first region and the second region of the patterned polarizer is rotated in different directions by a quarter-wave plate arranged on the optical path of the third optical system;
Two lights circularly polarized in different rotational directions by the quarter-wave plate are inputted by a polarization camera having an imaging surface arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the third optical system, Acquiring an interference image on the imaging plane for each of three or more polarization plane components,
creating a complex amplitude image of the observed object based on interference images for each of three or more polarization plane components acquired by the polarization camera;
Observation method.
空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を光源から出力し、
光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、
前記アパーチャから出力された光を入力する第1光学系により、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、
前記第1光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第1光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力する第2光学系により、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
前記第2光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され前記アパーチャの前記通過領域に対応する第1領域と前記第1領域以外の第2領域とを有するパターン偏光子により、前記第2光学系から前記第1領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に-10°~+10°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第2光学系から前記第2領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に35°~55°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、
前記パターン偏光子から出力された光を入力する第3光学系により、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
前記第3光学系の光路上に配置された1/4波長板により、前記パターン偏光子の前記第1領域および前記第2領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、
前記第3光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、前記1/4波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、3以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得し、
前記偏光カメラにより取得された3以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する、
観察方法。
outputting spatially incoherent linearly polarized light from a light source,
using an aperture having a light-passing region to selectively pass through and output the light that has reached the light-passing region, out of the light output from the light source;
forming a Fourier transform image of the light output from the aperture by a first optical system for inputting the light output from the aperture;
A second optical system for inputting light output from the observation object by inputting light from the first optical system to the observation object arranged at a position where the Fourier transform image is formed by the first optical system. forming a Fourier transform image of output light from the observed object by a system;
A patterned polarizer having a first region corresponding to the passing region of the aperture and a second region other than the first region arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the second optical system, the second selectively outputting linearly polarized light having a plane of polarization of −10° to +10° relative to the plane of polarization of the input light among the light input from the optical system to the first region; selectively outputting linearly polarized light having a plane of polarization of 35° to 55° relative to the plane of polarization of the input light among the light input from the optical system to the second region;
forming a Fourier transform image of the light output from the patterned polarizer by a third optical system for inputting the light output from the patterned polarizer;
Circularly polarized light output from the first region and the second region of the patterned polarizer is rotated in different directions by a quarter-wave plate arranged on the optical path of the third optical system;
Two lights circularly polarized in different rotational directions by the quarter-wave plate are inputted by a polarization camera having an imaging surface arranged at a position where a Fourier transform image is formed by the third optical system, Acquiring an interference image on the imaging plane for each of three or more polarization plane components,
creating a complex amplitude image of the observed object based on interference images for each of three or more polarization plane components acquired by the polarization camera;
Observation method.
前記第1光学系および前記第2光学系は前記観察対象物に対する光入出力の部分が共通である、
請求項11または12に記載の観察方法。
The first optical system and the second optical system have a common portion for inputting and outputting light with respect to the observation object.
The observation method according to claim 11 or 12.
前記第2光学系はリレー光学系を含む、
請求項11~13の何れか1項に記載の観察方法。
wherein the second optical system includes a relay optical system;
The observation method according to any one of claims 11 to 13.
前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が2次元配列された構造を有し、2次元の干渉画像を取得する、
請求項11~14の何れか1項に記載の観察方法。
The polarization camera has a structure in which a plurality of pixels are arranged two-dimensionally on the imaging plane, and acquires a two-dimensional interference image.
The observation method according to any one of claims 11 to 14.
前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が1次元配列された構造を有し、1次元の干渉画像を取得する、
請求項11~15の何れか1項に記載の観察方法。
The polarization camera has a structure in which a plurality of pixels are arranged one-dimensionally on the imaging plane, and acquires a one-dimensional interference image.
The observation method according to any one of claims 11 to 15.
前記偏光カメラの前記撮像面における前記複数の画素の配列方向と異なる方向に前記観察対象物を相対的に移動させることで、前記観察対象物の2次元の干渉画像を取得する、
請求項16に記載の観察方法。
Acquiring a two-dimensional interference image of the observation target by relatively moving the observation target in a direction different from the arrangement direction of the plurality of pixels on the imaging plane of the polarization camera;
The observation method according to claim 16.
前記第2光学系を構成する光学素子または前記観察対象物を前記第2光学系の光軸に平行な方向に走査し、
前記偏光カメラにより前記走査の各位置において干渉画像を取得し、
前記走査の各位置において前記偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて前記観察対象物の3次元複素振幅画像を作成する、
請求項11~17の何れか1項に記載の観察方法。
scanning an optical element constituting the second optical system or the observation object in a direction parallel to the optical axis of the second optical system;
obtaining an interference image at each position of the scan with the polarization camera;
creating a three-dimensional complex amplitude image of the observed object based on the interference images acquired by the polarization camera at each position of the scan;
The observation method according to any one of claims 11 to 17.
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