CN107003638A - 数字全息摄像装置以及数字全息图生成方法 - Google Patents
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Abstract
数字全息图生成方法包括以下工序：光射出工序，从光源射出相干光；摄像工序，由检测器拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及波长设定工序，设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，其中，基于由使用者针对实像和共轭像以在共轭像叠加于所对应的实像时不妨碍该实像的视觉识别的方式设定的共轭像的放大率X，来以使在所述波长设定工序中设定的多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥(1/X+1)的方式设定所述多个波长，其中，该实像和共轭像是由规定的运算单元针对作为观察对象的构造再现的像。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于根据记录有物体波与参考波的干涉条纹的全息图来计算物体的再现像的数字全息摄像装置以及数字全息图生成方法，特别是涉及一种根据所记录的多个全息图来计算相位信息的方式的数字全息摄像装置以及数字全息图生成方法。
背景技术
在数字全息摄像中，基于物体光和参考光在图像传感器等的检测面上形成的干涉图案(全息图)来实施规定的运算处理，由此获得物体的再现像，其中，该物体光是来自光源的光在物体表面反射或透过来的光，该参考光是从同一光源直接到达的光。全息图是表示干涉光的强度分布的图像，基于均为复波前的物体波与参考波之间的振幅差及相位差来决定该强度分布。
但是，不能在全息图中记录作为波的虚数分量的相位。因此，在基于全息图获得物体的再现像时，计算在相对于检测面而言与实像(期望的再现像)对称的位置处具有与该实像复共轭的振幅的伪像(共轭像)。当这两个像叠加时，实像的可视性降低，有时无法获得观察对象的清晰的像。
为了解决该问题，目前为止尝试了基于各种方法的物体波的相位恢复(相位信息的估计)。例如在专利文献1中记载了如下一种方法：拍摄使参考波的相位位移而得到的多个全息图，通过线性运算来计算相位信息。但是在该文献所记载的方法中，需要用于高精度地进行相位位移的压电元件、或者反射镜或透镜等光学系统，装置结构变得复杂，装置自身也变得大型。
另一方面，在非专利文献1中记载了一种使用了不需要这种复杂的光学系统的在线型的数字全息摄像装置的相位恢复方法。在该方法中，将由于透光性高的物体(例如细胞)而发生了衍射的光设为物体波，将未发生衍射而透过该物体的光设为参考波，拍摄从物体到检测面的距离不同的多个全息图。之后，基于拍摄到的多个全息图在物体面与检测面之间反复计算光波的传输和逆传输，由此计算相位信息。然而，在该方法中也依然需要用于使检测器高精度地移动的驱动机构(压电元件等)。
与此相对地，近年来提出了如下一种相位恢复方法：使来自光源的射出光波长多阶段地变化，基于以各个波长拍摄到的全息图来反复计算光波传输(非专利文献2)。根据该方法，能够利用不需要复杂的光学系统和驱动系统的简易的装置结构来实现相位恢复。
专利文献1：日本特开平10-268740号公报
非专利文献1：Yan Zhang，et al.，“Whole optical wave field reconstructionfrom double or multi in-line holograms by phase retrieval algorithm”，OpticExpress，The Optical Society of America，2003，Vol.11，No.24，pp.3234-3241
非专利文献2：Peng Bao，et al.，“Lensless phase microscopy using phaseretrieval with multiple illumination wavelengths”，Applied Optics，The OpticalSociety of America，2012，Vol.51，No.22，pp.5486-5494
发明内容
发明要解决的问题
在作为数字全息摄像技术的应用目标之一的生物体显微镜的情况下，目前为止着眼于能够观察细胞内构造或者比该细胞内构造更微小的物体、即着眼于分辨率的提高。
另外，在以往的再生医疗领域中正流行一种使用了诱导多能干细胞(ES细胞或iPS细胞等)的研究。在该领域的研究中需要一边维持多能性一边培养优质的细胞，因此需要慎重地确认培养状态。例如，当集落内的某个细胞发生不良(细胞的扁平化、贴附于培养基以及分化为特定的细胞种类等)时，该不良传播到集落内的其它细胞，最终导致集落内的所有细胞不良。因而，观察者需要每天确认是否发生了上述那样的不良，如果发生不良则去除发生该不良的细胞。通过显微镜观察来进行这种确认，然而，尽管由于细胞自身难以以光学方式视觉识别而使用了相位差显微镜，但判断不良的发生也并不容易，对于观察者来说负担大。因此，考虑使用数字全息摄像技术来使该确认自动化。
基于远比细胞内构造大的构造的状态(具体为集落的包含厚度在内的形状和质感等)来判断在诱导多能干细胞的培养中发生的上述那样的不良现象。在此，本发明人在想要利用非专利文献2中记载的结构来观察这种大的构造的情况下，通过计算确认了上述共轭像叠加于对象区域导致实像的可视性降低这一情况。即，在诱导多能干细胞的培养中对是否不良的判定中，很难说非专利文献2中记载的构造是最佳的。
另外，即使使用非专利文献2中记载的方法也难以完全恢复相位，难以在在线型的数字全息摄像中避免共轭像的叠加。这是由于没有定义作为表示相位恢复的程度的明确的指标的数值。在该文献中，将基于多个波长的全息图间的估计振幅值的相关系数用作近似精度的评价指标。然而，例如如果拍摄到多个全息图时的照明光波长几乎相同，则即使是未完全进行相位恢复的状态，相关系数的值也大，因此判定为进行了良好的近似。因而，作为评价指标的相关系数能够设为反复计算的收敛的目标，但作为表示相位恢复的精度的指标并不准确。
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种能够针对根据目的而大小不同的观察对象再现清晰的像的数字全息摄像装置以及数字全息图生成方法。
用于解决问题的方案
在此，先概要地说明通过物体波的相位恢复来提高观察对象的图像质量的方法。
相位信息计算处理是基于所拍摄到的多个全息图通过光波传输计算来估计物体波的相位的算法。在图4中示出一例。后文叙述各步骤的详细内容。此外，对于本说明书中的“光波传输”的表述，只要没有特别说明，就设为包含上述传输和逆传输这两个概念。
作为光波传输的计算方法，已知菲涅耳衍射计算法和角谱法等，其中，角谱法的计算式例如用以下的式(1)表示。
[式1]
E(x，y，0)是物体面上的复振幅分布，E(x，y，z)是检测面上的复振幅分布，z相当于传输距离。另外，k表示波数。
上述的式(1)相当于通过衍射计算来求出作为各种间距的衍射光栅的总和的物体像。入射到衍射光栅的光的衍射角度用以下的式(2)表示。λ表示波长，p表示光栅的间距宽度。
[式2]
根据上述式(2)，当p小、即衍射光栅的间距细(p＝p1)时，衍射角度Φ变大，在检测面上波前(物体波)在垂直方向上大幅地扩展(图6的左侧)。另一方面，当p大、即衍射光栅的间距粗(p＝p2>p1)时，衍射角度Φ变小，波前在检测面上的垂直方向上的扩展小(该图的右侧)。该性质在向检测面和物体面逆传输共轭像的情况下也同样如此。
此外，在本说明书中要参照的各附图中，为了简化说明而适当变更了各构件的尺寸比，各构件的尺寸比有时与实际尺寸比不同。
在此，衍射光栅的间距的细度相当于图像中的构造的细度。换句话说，图像中的细微构造(例如细胞内构造)能够看作间距细的高频光栅，大构造(例如集落的形状)能够看作间距粗的低频光栅。
图7A和图7B是说明通过光波传输计算而再现的实像和共轭像叠加的现象的概念图。如该图所示，相当于高频光栅的细微构造的共轭像在向物体面进行逆传输的过程中大幅地扩展(模糊)，因此对在该物体面上叠加的实像的可视性造成的影响小(图7A)。与此相对地，如上所述那样，相当于低频光栅的大构造的共轭像的扩展小，因此以保持与实像大致相同的大小的状态到达物体面(图7B)。在该情况下，在物体面上，在实像的各边界线的极近处叠加类似的线，实像的可视性大幅降低。
如果基于以上所说明的原理，则在作为观察对象的构造为较大的构造的情况下，通过恢复由于低频光栅而发生衍射的复波前(以下称为“低频分量”。同样地，将由于高频光栅而发生衍射的复波前称为“高频分量”。)的相位，能够抑制实像的可视性降低。
在此，接着叙述用于恢复低频分量的相位的照明光的波长条件。如图8所示，与高频分量相比，低频分量的衍射角度小，因此在检测面H1与H2间的光路长度差小的情况下(图中d1)，由衍射导致的干涉条纹的偏移量极小(在该图的情况下，相对于高频分量所涉及的偏移量g1来说，低频分量的d1处的偏移量为几乎无法图示的微量。)。在该条件下，对于低频分量来说，在检测面H1和H2拍摄到的两个全息图间的差异难以显现，相位恢复困难。因而，为了易于恢复低频分量的相位，如该图的检测面H1和H3那样增大光路长度差(图中d2)来使干涉条纹的偏移量增大即可(该d2处的g2)。
在此，能够认为这些多个检测面概念性地示出了分别检测不同波长的照明光的同一位置的检测面，离物体面近的检测面对应于短波长，离物体面远的检测面对应于长波长。在使用了两个波长λA和λB(λA<λB)的情况下产生的光路长度差ΔzAB用以下的式(3)表示。与上述式(1)同样地，z表示传输距离。
[式3]
根据上述式(3)，两个波长λA与λB的差越大，则光路长度差ΔzAB越大，因此低频分量的相位恢复越容易。
如图7A所示，在物体面上再现的共轭像的波前的扩展越大，则对所对应的实像的可视性的影响越小。因此，考虑作为观察对象的构造相当于间距宽度plim的光栅的情况。此时，当假定为如果在物体面上共轭像的波前扩展为间距宽度plim的X倍以上则对叠加的实像的可视性的影响足够小时，式(2)至下述式(4)成立。此外，2z是传输距离z的2倍，相当于从计算出的共轭像的位置到物体面的距离。
[式4]
进而，根据上述式(4)导出以下式(5)。
[式5]
即，恢复满足上述式(5)的与间距宽度plim的光栅相当的分量的相位即可。此外，如参照图7A和图7B所说明的那样，与粗的构造相比，细的构造的共轭像大幅地扩展，因此认为如果进行与作为观察对象的plim的光栅相当的分量的相位恢复，则间距宽度p比plim小的高频分量的影响足够小。
并且，当以两个波长λA和λB拍摄了全息图时，全息图间的差异最显著，即与间距宽度plim相当的分量的相位恢复变得容易的情况是两个干涉条纹偏移了与间距宽度plim的恰好一半相应的量的情况。因而，根据式(2)和式(3)，以下的式(6)成立。
[式6]
进而，根据上述式(6)导出以下的式(7)，满足该式(7)的λA和λB为照明光的适于与plim相当的分量的相位恢复的波长。
[式7]
根据式(5)和式(7)导出以下的式(8)。
[式8]
基于以上所说明的原理，为了解决上述问题而完成的第一发明所涉及的数字全息摄像装置的特征在于，具备：
a)光源，其射出相干光；
b)检测器，其用于拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定单元，其设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，
其中，所述波长设定单元基于由使用者针对实像和共轭像以在共轭像叠加于所对应的实像时不妨碍该实像的视觉识别的方式设定的共轭像的放大率X，来以使由所述波长设定单元设定的多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥(1/X+1)…(9)的方式设定所述多个波长，其中，所述实像和所述共轭像是由规定的运算单元针对作为观察对象的构造再现的像。
在此，“不妨碍叠加后的实像的视觉识别”换句话说是指在实像中特别关注的边界线(边缘)清楚。例如，在实像的边缘的附近区域内进行叠加的共轭像的形状与该实像大不相同，在能够明确地判断两者的区别的情况下，能够视为该共轭像不妨碍实像的视觉识别。
根据上述结构，由检测器拍摄由从光源射出的相干光引起的物体波与参考波的干涉条纹、即全息图。在此，决定上述多个波长的波长设定单元以使最短波长λmin和最长波长λmax满足上述关系式的方式设定该多个波长。
该关系式是根据上述式(8)导出的关系式。如上所述，在观察对象是与间距宽度plim的衍射光栅相当的构造的情况下，式(8)定义了将不会使实像的可视性降低的共轭像的放大率设为X的情况下(使用者考虑观察对象的特性并根据上述判断来决定该共轭像的放大率X的值，对本发明的装置提供该共轭像的放大率X的值。)的照明光波长λA和λB(λA<λB)的比率。因而，如果波长设定单元所决定的最短波长λmin与最长波长λmax之比满足上述式(9)，则与作为观察对象的构造有关的相位恢复精度提高。另外，即使未进行相位恢复而残留的共轭像叠加于实像，该共轭像也被放大至实像的X倍以上，因此不会妨碍该实像的视觉识别。由此，对于如细胞集落那样较大的观察对象也能够得到清晰的像。此外，相位信息的计算既可以由数字全息摄像装置所具备的运算单元进行，也可以在与数字全息摄像装置连接的控制和分析用的外部计算机上进行。
关于上述“多个波长”，从硬件、计算成本以及所需求的图像质量等观点出发，适当地决定使用何种波长即可。通过增加所使用的波长的数量，虽然计算成本增加，但能够进行更广频域的相位恢复。
另外，本发明的波长设定单元既可以是光源所具备的功能之一，也可以在检测器侧实现。前者的典型例是能够切换射出光的波长的光源，作为后者的例子，能够考虑以下结构：利用高光谱摄像机实现检测器，从摄像图像分别提取多个波长的像。作为另一例，还能够设为以下结构：设置利用光纤等与多个光源连接的切换元件来切换使来自哪个光源的射出光照射到物体上。
为了解决上述问题而完成的第二发明所涉及的数字全息摄像装置的特征在于，具备：
a)光源，其射出相干光；
b)检测器，其用于拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定单元，其设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，
其中，所述波长设定单元以使所述多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥1.3…(10)的方式设定所述多个波长。
上述数值是共轭像的面积为实像的10倍的情况下的数值。由本发明人得到了以下模拟结果：如果共轭像与实像的面积比为该程度，则一般来说实像的可视性足够。此时，大致为0.3，式(9)的左边大致为1.3，因此导出上述式(10)。
作为优选的结构，所述波长设定单元设定所述最短波长λmin和所述最长波长λmax，使得满足1.3≤λmax/λmin≤2.0…(11)。
如式(3)所示，理论上λmin与λmax的波长差越大，则低频分量的相位恢复越容易，但在该效果为固定以上的水平时与高频分量的相位恢复精度相折衷。具体地说，如图8所示，当波长差大时，例如像检测面H3所对应的图中的高频分量那样，衍射光的一部分从检测面溢出，成为相位恢复精度降低的主要原因。因此，为了决定这两个波长之比的妥当的上限值而采用了以下基准。即，如果λmin与λmax之间的光路长度差Δz等于传输距离z，则认为能够充分地进行低频分量的相位恢复。因而根据式(3)将λmax/λmin＝2.0设为上限值是妥当的。
为了解决上述问题而完成的第三发明所涉及的数字全息图生成方法的特征在于，包括以下工序：
a)光射出工序，从光源射出相干光；
b)摄像工序，由检测器拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定工序，设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，
其中，基于由使用者针对实像和共轭像以在共轭像叠加于所对应的实像时不妨碍该实像的视觉识别的方式设定的共轭像的放大率X，来以使在所述波长设定工序中设定的多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥(1/X+1)…(12)的方式设定所述多个波长，其中，所述实像和所述共轭像是由规定的运算单元针对作为观察对象的构造再现的像。
即使在该情况下，实际上只要设为1.3≤λmax/λmin≤2.0…(13)，就能够进行足够清晰的实像恢复。
此外，在数字全息摄像装置或数字全息图生成方法中，以这种方式将多个光源的波长设为1.3≤λmax/λmin≤2.0在相位展开法中也是有用的。
即，在根据两个波长λA、λB的相位图像来虚拟地构成长波长的相位图像的相位展开法中，用λAB＝(λA×λB)/(λB-λA)＝λB/(λB/λA-1)来计算伪波长λAB。虽然具有当该伪波长λAB变大时能够不发生相位的混叠地显示相位图像这一优点，但存在相位的分辨率降低这一缺点。因此，期望与拍摄到的物体的相位范围相应地选择适当的波长λA、λB。图9表示合成前的两个波长λA、λB(λB/λA)与合成后的波长λAB的关系，但在λB/λA＝1(λA＝λB)的情况下，λAB无限地发散，在λB/λA＝2的情况下(λB＝2×λA)，λAB＝λB，与合成前的波长相同。
因而，如上述那样将多个波长设定为1.3≤λmax/λmin≤2.0在应用相位展开法的情况下也是恰当的条件。
发明的效果
根据本发明，对于包括大小不同的构造的观察对象，能够针对与目的相应的构造再现清晰的像。
例如在作为细胞的集合体的细胞集落等的观察中，在拍摄(观察)集落自身不良等较大的构造的情况下，通过将其使用波长的最大值与最小值之比设为1.3以上，能够针对该目标构造获得比较清晰的图像。
另外，本发明所涉及的方法也能够在应用相位展开法的情况下使用。
附图说明
图1是表示包括本发明的一个实施方式所涉及的数字全息摄像装置的测定系统的概要结构的框图。
图2是表示由图1所示的测定系统执行的处理的流程的流程图。
图3是表示全息图摄像处理的流程的一例的流程图。
图4是表示相位信息计算处理的流程的一例的流程图。
图5是利用图1所示的测定系统再现的各种尺寸的观察对象的物体图像的模拟结果。
图6是表示由衍射光栅的间距宽度的不同导致的入射光的衍射角度的不同的说明图。
图7A是用于说明通过光波传输计算而再现的实像和共轭像叠加的现象的概念图。
图7B是用于说明通过光波传输计算而再现的实像和共轭像叠加的现象的概念图。
图8是表示相位恢复所需的光路长度在高频分量和低频分量下不同的说明图。
图9是相位展开中的原始波长λA、λB与合成波长λAB的关系的曲线图。
具体实施方式
图1是表示包括本发明的一个实施方式所涉及的数字全息摄像装置的测定系统的概要结构的框图。该测定系统包括数字全息摄像装置100和与该数字全息摄像装置100以能够通信的方式连接的工作站1。
〔数字全息摄像装置100的结构〕
数字全息摄像装置100是显微镜，具备N个激光二极管(LD)101(1)～101(N)、切换元件102(相当于本发明的波长设定单元)、照射部103、检测器104以及接口(I/F)105。
LD 101(1)～101(N)均是使相干光振荡并射出的光源，其振荡波长λ1～λN被设定为按λ1～λN的顺序变长。这些LD 101(1)～101(N)经由光纤与切换元件102连接。
切换元件102按照来自工作站1的指示来对用作照明光120的光源的LD101(1)～101(N)进行切换。
照射部103朝向物体110射出如上述那样决定的照明光120。此外，在实际的测定中，照明光120除了透过物体110以外还透过平板或培养基等，因此这些构件也应该由透光性的材料构成。
检测器104拍摄由从照射部103射出的照明光120产生的干涉条纹来作为全息图。关于该全息图，将由于物体110而发生衍射的光波设为物体波(在该图中为物体110的右侧的圆弧形的线)，将未发生衍射的光波(包括透过光)设为参考波(物体110的右侧的线段)，该全息图记录有由这些光波产生的干涉条纹。检测器104例如由CCD图像传感器来实现。
〔工作站1的结构〕
工作站1的实际情况为计算机，作为中央运算处理装置的CPU(CentralProcessing Unit：中央处理单元)10与存储器12、由LCD(Liquid Crystal Display：液晶显示器)等构成的监视器14、由键盘或鼠标等构成的输入部16及存储部20互相连接。其中，上述存储器12由RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)等易失性存储装置构成，存储部20由ROM(Read only Memory：只读存储器)、快闪存储器、EPROM(Erasable ProgrammableROM：可擦除可编程只读存储器)、EEPROM(注册商标)(Electrically EPROM：电可擦除可编程只读存储器)、HDD(Hard Disc Drive：硬盘驱动器)、SSD(Solid State Drive：固态驱动器)等非易失性存储装置构成。在存储部20中设置有摄像控制和数据分析程序21。摄像控制和数据分析程序21所具备的后述的各要素是通过由CPU10在存储器12中读出该程序并执行该程序而实现的功能单元。在存储部20中还存储有OS(Operating System：操作系统)29。
工作站1具备用于管理与外部装置的直接连接、或经由LAN(Local Area Network：局域网)等网络与外部装置等的连接的接口(I/F)18，从该I/F 18经由网络线缆NW(或无线LAN)连接于数字全息摄像装置100。此外，与工作站1连接的数字全息摄像装置100也可以是多台。另外，工作站1与数字全息摄像装置100也可以经由USB线缆等直接连接。
摄像控制和数据分析程序21是如下一种应用软件：用于控制由数字全息摄像装置100进行的全息图摄像，并且基于拍摄到的该全息图，通过规定的运算处理来再现物体110的像，使再现出的该像在监视器14的画面上显示为图像。
在图1中，如摄像控制和数据分析程序21所涉及的那样示出了摄像参数设定部31、摄像指示部32、全息图获取部33、相位信息计算部34、图像生成部35、显示控制部36以及全息图存储部37。此外，摄像控制和数据分析程序21未必是单个的程序，数字全息摄像装置100例如也可以具备上述要素的一部分来作为功能。
〔由测定系统执行的处理的流程〕
以下，参照作为流程图的图2～图4对由包括本实施方式所涉及的数字全息摄像装置100的测定系统执行的处理的流程进行说明。
首先，利用图2说明在工作站1中由摄像控制和数据分析程序21进行的基本处理的流程。该程序21在启动时，最初催促使用者输入全息图摄像的中心波长λmid的值。关于该中心波长λmid的值的输入，允许输入任意的值，但也可以是选择本数字全息摄像装置100中预先设置的N个LD 101(1)～101(N)中的某一个LD的方法。当使用者从输入部16输入中心波长λmid(步骤S11)时，接着摄像控制和数据分析程序21催促输入共轭像的面积倍率X2(或，放大率X)的值。关于该面积倍率X2的输入，也可以允许输入任意的值，但也可以在监视器14的画面上提示几个预先决定的值以从这几个值中选择。当使用者从输入部16输入面积倍率X2(或放大率X)的值(步骤S12)时，摄像控制和数据分析程序21的摄像参数设定部31以所输入的中心波长λmid为中心，从LD101(1)～101(N)中选择满足所述式(9)那样的多个LD光源(步骤S13)。即，如果将在此选择的光源设为LD 101(J1)～101(J2)(1≤J1<J2≤N)，则LD 101(J1)的波长λJ1～LD 101(J2)的波长λJ2满足
λJ2/λJ1≥1/X+1
average(λJ1，…，λJ2)≈λmid。
在本实施方式中，摄像对象的物体110设为ES细胞或iPS细胞等诱导多能干细胞的集落。而且，设为使用者所输入的共轭像的面积倍率X2的值为10(放大率X为)来进行说明。这是为了在作为观察对象的物体110为细胞集落时获得其形状的清晰的再现像、而根据只要与实像叠加的共轭像的面积是实像的10倍左右就足够这样的预备实验结果决定的。另一方面，如果最长波长λmax与最短波长λmin的波长差过大，则如前文那样，衍射光的一部分从检测面溢出，成为相位恢复精度降低的主要原因。摄像参数设定部31考虑这些因素后，在步骤S13中选择光源LD 101(J1)～101(J2)，使得 此外，在此使用者所输入的波长也可以不是中心波长λmid而设为最长波长λmax或最短波长λmin。另外，在细胞观察的例子的情况下，作为中心波长λmid，避开了担心对细胞有毒的低波长区域和担心由于吸收光而导致发热的远红外区域的可见光区域(600nm左右)是恰当的，但在以下的说明中该值不会特别地产生问题。
在选择了这样使用的光源之后进行全息图摄像处理(步骤S14)。利用图3来详细地说明该处理。
首先，设为j＝J1(J1≤j≤J2)(步骤S101)，摄像参数设定部31将从照射部103射出的照明光120(参照图1)的波长设定为λj(步骤S102)。接着，摄像指示部32对数字全息摄像装置100指示λj的全息图摄像(步骤S103)。摄像指示部32的上述指示作为摄像指示信号而从I/F 18被发送到数字全息摄像装置100的I/F105(步骤S104)。
当数字全息摄像装置100所具备的I/F 105接收到上述摄像指示信号时，切换元件102将照明光120的光源切换为第j个LD 101(j)(步骤S105)。接着，照射部103朝向物体110射出照明光120(步骤S106)。然后，由于物体110而发生衍射的物体波和未发生衍射的参考波的干涉条纹作为全息图而被检测器104拍摄到(步骤S107)。所拍摄到的全息图数据经由I/F 105被发送到工作站1的I/F 18(步骤S108)。
当工作站1所具备的I/F 18接收到上述全息图数据时，全息图获取部33获取所接收到的该全息图数据并将其保存到全息图存储部37中(步骤S109)。全息图存储部37将在后述的相位信息计算处理和物体图像的再现中使用的多个(在本实施方式中为J2-J1+1个)全息图数据按用户所指定的测定对象物统一进行保存。
所设定的全息图数据被保存后，接着摄像参数设定部31使j自加(步骤S110)，如果j没有超过最大值J2(在步骤S111中为“否”)，则处理返回到步骤S102之前，对下个波长λj执行步骤S102～S111。
另一方面，在步骤S110中的自加的结果为j超过J2的情况下(在步骤S111中为“是”)，该判定结果意味着与在步骤S100中设定的λj1～λj2的所有光波长对应的全息图数据齐备。
返回到图2，当以这种方式结束全息图摄像处理(步骤S14)时，接着，相位信息计算部34对各全息图数据执行相位信息计算处理(步骤S15)。参照图4在后文叙述本步骤中的处理的详细内容。
如果在步骤S15中对各全息图数据进行相位恢复，则图像生成部35基于该相位恢复后的全息图数据来再现物体图像(步骤S16)。通过显示控制部36将再现的物体图像(以下称为“再现像”)显示在监视器14的画面上(步骤S17)。以上，由测定系统进行的大致的处理结束。
〔相位信息计算处理的流程〕
图4示出上述步骤S15中的相位信息计算处理的流程的一例。基于在步骤S109中被保存到全息图存储部37中的J2-J1+1个全息图数据来进行该相位信息计算处理。
首先，相位信息计算部34将各全息图转换为振幅像(步骤S201)。由于全息图是强度值的分布，因此不能应用于在后述的传输计算中使用的傅里叶变换。因此，在本步骤中将各强度值转换为振幅值。通过计算各像素值的平方根来进行向振幅像的转换。
接着，相位信息计算部34设为j＝1，a＝1，n＝1，设定检测面上的相位像的初始值(步骤S202)。能够任意地决定相位像的初始值，例如既可以将所有像素值设为0，也可以随机地设定各像素值。此外，与上述同样地，j是作为照明光120的光源的LD 101的标识符(J1≤j≤J2)，a是取1或-1的值的方向值，n(1≤n)是运算的重复次数。
接着，相位信息计算部34更新λj的振幅像(步骤S203)。具体地说，代入在步骤S201中从强度值进行转换而求出的振幅像。在该图所示的处理中，与j的更新相关联地使用了“更新”这一表现，但在j＝J1的情况下，“代入”这一表现会更加相称。
接着，相位信息计算部34计算向物体面的逆传输(步骤S204)。
然后，相位信息计算部34判定j+a的值是否处于J1～J2的范围内(步骤S205)。在此，在假设将J2的值设为5的情况下，在最初的试验中j+a的值是2，因此步骤S205中的判定结果为“是”，从而使j自加(步骤S207)。在像这样反复进行自加所得到的结果j的值为5的情况下，换句话说在j等于J2的情况下，j+1为6，超过了J2，因此步骤S205中的判定结果为“否”。此时，相位信息计算部34使a的正负反转(步骤S206)，从而使j自减(步骤S207)。如果由于反复进行步骤S207中的自减而导致j的值减少到1，则j-1为0，因此步骤S205中的判定结果为“否”，在步骤S206中a的正负再次反转。这样，在本流程图中反复进行a的正负反转以及由该反转导致的j的自加和自减。
如上所述，当j＝1时，在步骤S207中j自加而成为2。接着，相位信息计算部34更新基于λj的物体波的相位(步骤S208)。具体地说，在步骤S204中计算出的物体面上的复波前中，通过计算将相位变换为下一个波长的相位(振幅不更新)。在像这样仅将相位变换为下一个波长的状态下计算向检测面的传输(步骤S209)，在该计算结果与作为实测值的全息图的各强度值的平方根之间的差量(即误差)的总和大于阈值ε的情况下(在步骤S210中为“否”)，相位信息计算部34使n自加(步骤S211)，并反复进行上述处理。
另一方面，如果误差的总和小于阈值ε(在步骤S210中为“是”)，则相位信息计算部34当作进行了充分的相位恢复，并结束相位信息计算处理。
图5示出基于上述方法再现的物体图像的模拟结果。这些模拟结果均为USAF图表全息图模型的相位恢复和逆传播的模拟结果，模拟结果51是没进行相位恢复就进行了逆传播(400nm)的情况，模拟结果52是以400nm和520nm(λmax/λmin＝1.3)进行了相位恢复并进行了逆传播的情况，模拟结果53是以400nm和800nm(λmax/λmin＝2.0)进行了相位恢复并进行了逆传播的情况，模拟结果54是以400nm、520nm以及800nm(λmax/λmin＝2.0，但为三个波长)进行了相位恢复并进行了逆传播的情况。在设为λmax/λmin≥1.3的情况下，能够看到显著的相位恢复效果。另外，还能够看到由在该范围内增加波长的数量而产生的效果。
〔变更例〕
在上述实施方式中，设为根据使用者所输入的中心波长λmid(或最长波长λmax或最短波长λmin)和放大率X来从预先设置的多个激光二极管(LD)101(1)～101(N)中选择适当的光源LD 101(J1)～101(J2)，切换地使用这些光源，但在不需要这种自由度的设定且预先决定了摄影(观察)对象的情况下，也可以在数字全息摄像装置100中仅设置按照所述式(9)预先设定的多个光源，仅使用这些光源。在该情况下，将光源的数量(波长的数量)设为2，由此能够缩短计算时间，在以如上所述的细胞集落不良的检查等为目的的情况下，也能够恢复在实际应用上足够清晰的图像。
附图标记说明
10：CPU；12：存储器；14：监视器；16：输入部；18：I/F；20：存储部；21：摄像控制和数据分析程序；31：摄像参数设定部；32：摄像指示部；33：全息图获取部；34：相位信息计算部；35：图像生成部；36：显示控制部；37：全息图存储部；100：数字全息摄像装置；101(1)～101(N)：激光二极管(LD)；102：切换元件；103：照射部；104：检测器；105：I/F；110：物体；120：照明光。
Claims (9)
1.一种数字全息摄像装置，其特征在于，具备：
a)光源，其射出相干光；
b)检测器，其用于拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定单元，其设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，
其中，所述波长设定单元基于由使用者针对实像和共轭像以在共轭像叠加于所对应的实像时不妨碍该实像的视觉识别的方式设定的共轭像的放大率X，来以使由所述波长设定单元设定的多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥(1/X+1)的方式设定所述多个波长，其中，所述实像和所述共轭像是由规定的运算单元针对作为观察对象的构造再现的像。
2.一种数字全息摄像装置，其特征在于，具备：
a)光源，其射出相干光；
b)检测器，其用于拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定单元，其设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，
其中，所述波长设定单元以使所述多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥1.3的方式设定所述多个波长。
3.根据权利要求2所述的数字全息摄像装置，其特征在于，
所述波长设定单元以使所述多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足1.3≤λmax/λmin≤2.0的方式设定所述多个波长。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的数字全息摄像装置，其特征在于，
所述波长设定单元是经由光纤来与多个所述光源连接的切换元件，所述波长设定单元切换地使用所连接的多个所述光源。
5.一种数字全息摄像装置，其特征在于，具备：
a)光源，其是均射出相干光的两个光源，且各发光波长λ1和波长λ2满足λ2/λ1≥1.3；
b)检测器，其用于针对所述两个光源分别拍摄全息图，该全息图是由所述两个光源各自的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定单元，其设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长。
6.一种数字全息图生成方法，其特征在于，包括以下工序：
a)光射出工序，从光源射出相干光；
b)摄像工序，由检测器拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定工序，设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，
其中，基于由使用者针对实像和共轭像以在共轭像叠加于所对应的实像时不妨碍该实像的视觉识别的方式设定的共轭像的放大率X，来以使在所述波长设定工序中设定的多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥(1/X+1)的方式设定所述多个波长，其中，所述实像和所述共轭像是由规定的运算单元针对作为观察对象的构造再现的像。
7.一种数字全息图生成方法，其特征在于，包括以下工序：
a)光射出工序，射出相干光；
b)摄像工序，用于拍摄全息图，该全息图是由来自所述光源的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹；以及
c)波长设定工序，设定用于生成使所述检测器拍摄的全息图的照明光的多个波长，
其中，在所述波长设定工序中，以使所述多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足λmax/λmin≥1.3的方式设定所述多个波长。
8.根据权利要求7所述的数字全息图生成方法，其特征在于，
在所述波长设定工序中，以使所述多个波长中的最短波长λmin和最长波长λmax满足1.3≤λmax/λmin≤2.0的方式设定所述多个波长。
9.一种数字全息图生成方法，其特征在于，
准备均射出相干光的两个光源，所述两个光源的各发光波长λ1和波长λ2满足λ2/λ1≥1.3，
针对所述两个光源分别拍摄全息图，该全息图是由所述两个光源各自的射出光引起的物体波与参考波的干涉条纹。
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