CN110494795B - 伪散斑图案生成装置、伪散斑图案生成方法、观察装置和观察方法 - Google Patents

伪散斑图案生成装置、伪散斑图案生成方法、观察装置和观察方法 Download PDF

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Abstract

伪散斑图案生成装置(1A)包括光源(11)、扩束器(12)和空间光调制器(13)。空间光调制器(13)具有基于从伪随机数图案和相关函数计算的伪散斑图案的强度的调制分布，输入从光源(11)输出而由扩束器(12)放大了光束直径的光，根据调制分布对其输入的光空间地进行调制，输出其调制后的光。由此，实现生成的散斑图案的空间构造或光强度统计分布的设定的自由度高的伪散斑图案生成装置等。

Description

伪散斑图案生成装置、伪散斑图案生成方法、观察装置和观察 方法
技术领域
本公开涉及伪散斑图案生成装置、具有该伪散斑图案生成装置的观察装置、伪散斑图案生成方法和包含该伪散斑图案生成方法的观察方法。
背景技术
当激光等的相干光被扩散板等的扩散件(散射介质)散射时，通过其散射光的干涉生成散斑图案。散斑图案的光强度的空间分布具有与随机数图案接近的性质，因此散斑图案被利用于干涉测量技术、超高分辨率显微镜和光学测量技术等，此外，最近也被利用于原子、粒子胶体的捕捉等的光操作技术。
散斑图案的特征在于空间构造和光强度统计分布。空间构造由散斑图案的自相关函数的空间形状表示，相当于光学系统的点扩散函数。光强度统计分布由散斑图案的光强度的直方图表示，遵循指数分布。另外，将理想的随机数2维排列而得到的2维伪随机数图案的空间构造(自相关函数)成为δ函数。
非专利文献1记载的技术是，在具有扩散件和透镜的结构中，在与透镜的后焦点面不同的面生成散斑图案。非专利文献2记载的技术是，在具有扩散件和透镜的结构中，通过扩散件的位置的改变或扩散件自身的更换而生成各种各样的散斑图案。
非专利文献3记载的技术是，代替扩散件，使用具有可由从外部供给的信号设定的2维的调制分布的空间光调制器，通过具有该空间光调制器和透镜的结构生成散斑图案。空间光调制器被设定与2维伪随机数图案相应的调制分布。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：Vladlen G.Shvedov et al.，“Selective trapping of multipleparticles by volume speckle field”，OPTICS EXPRESS，Vol.18，No.3，pp.3137-3142(2010)
非专利文献2：E.Mudry et al.，“Structured illumination microscopy usingunknown speckle patterns”，NATURE PHOTONICS，VOL 6，pp.312-315(2012)
非专利文献3：Yaron Bromberg and Hui Cao，“Generating Non-RayleighSpeckles with Tailored Intensity Statistics”，PHYSICAL REVIEW LETTERS 112，pp.213904-1-213904-5(2014)
发明内容
发明要解决的技术问题
非专利文献1记载的技术仅使用1个扩散件，因此没有生成的散斑图案的空间构造和光强度统计分布的设定的自由度。
非专利文献2记载的技术通过更换扩散件能够改变散斑图案。但是，该技术中，为了生成多样的散斑图案，需要预先准备大量的扩散件，生成的散斑图案的空间构造和光强度统计分布的设定的自由度低。此外，在通过扩散件位置的改变来设定散斑图案的情况下，极难再现同一图案。
非专利文献3记载的技术通过与2维伪随机数图案相应地改变出示给空间光调制器的调制分布，能够改变散斑图案。但是，该技术中，也仅调整散斑图案的对比度，生成的散斑图案的空间构造和光强度统计分布的设定的自由度低。
实施方式的目的在于，提供生成的散斑图案的空间构造或光强度统计分布的设定的自由度高且生成的图案具有再现性的伪散斑图案生成装置和伪散斑图案生成方法。此外，实施方式的目的在于，提供具有这样的伪散斑图案生成装置的观察装置和包含伪散斑图案生成方法的观察方法。
另外，实施方式中生成的图案也可能与使用扩散件生成的通常的散斑图案具有不同的空间构造或光强度统计分布，因此称为“伪散斑图案”。
用于解决技术问题的手段
本发明的实施方式是伪散斑图案生成装置。伪散斑图案生成装置在某一方面，包括：(1)输出光的光源；(2)空间光调制器，其具有能够设定的强度的调制分布，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出；和(3)控制部，其基于伪随机数图案和相关函数，设定空间光调制器的调制分布。
本发明的实施方式是伪散斑图案生成装置。伪散斑图案生成装置在另一方面，包括：(1)输出光的光源；(2)空间光调制器，其具有能够设定的相位的调制分布，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光；(3)再现光学系统，其输入从空间光调制器输出的光，将伪散斑图案再现于光图案生成面；和(4)控制部，其将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为空间光调制器的调制分布而设定。
本发明的实施方式是观察装置。观察装置包括：(1)上述结构的伪散斑图案生成装置；(2)观察用光源，其输出照射到由伪散斑图案生成装置生成伪散斑图案的光图案生成面的观察用的光；和(3)摄像机，其接受与观察用的光向光图案生成面的照射相应地产生的光而进行摄像。
本发明的实施方式是伪散斑图案生成方法。伪散斑图案生成方法在某一方面，使用具有能够设定的强度的调制分布的空间光调制器，基于伪随机数图案和相关函数，设定空间光调制器的调制分布，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出。
本发明的实施方式是伪散斑图案生成方法。伪散斑图案生成方法在另一方面，使用具有能够设定的相位的调制分布的空间光调制器，将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为空间光调制器的调制分布而设定，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光，由输入从空间光调制器输出的光的再现光学系统，将伪散斑图案再现于光图案生成面。
本发明的实施方式是观察方法。观察方法向通过上述方案的伪散斑图案生成方法生成伪散斑图案的光图案生成面，照射从观察用光源输出的观察用的光，由摄像机接受与观察用的光向光图案生成面的照射相应地产生的光而进行摄像。
发明效果
根据实施方式，生成的伪散斑图案的空间构造或光强度统计分布的设定的自由度高，并且生成的图案具有再现性。
附图说明
图1是通过计算求出伪散斑图案的情况下的计算步骤的流程图。
图2是通过计算求出伪散斑图案的情况下的另一计算步骤的流程图。
图3是汇总相关函数c和滤波函数F的例子的表。
图4中，(a)是表示统计分布遵循正态分布的2维伪随机数图案a(x，y)的一例的图，(b)是表示使用图4的(a)的2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(r)＝exp(-r)的情况下得到的伪散斑图案b(x，y)的图。
图5中，(a)是表示使用图4的(a)的2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(r)＝exp(-r/9)的情况下得到的伪散斑图案b(x，y)的图，(b)是表示图5的(a)的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布(亮度直方图)的图。
图6中，(a)是表示使用扩散件生成的散斑图案的一例的图，(b)是表示图6的(a)的散斑图案的光强度统计分布(亮度直方图)的图。
图7中，(a)是表示使用图4的(a)的2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(r)＝exp(-r/3)的情况下得到的伪散斑图案b(x，y)的图，(b)是表示图7的(a)的伪散斑图案b(x，y)的自相关图像的图。
图8是表示图7的(b)的自相关图像的强度分布的图。
图9是表示第一实施方式的伪散斑图案生成装置1A的结构的图。
图10是表示第二实施方式的伪散斑图案生成装置1B的结构的图。
图11是表示第三实施方式的伪散斑图案生成装置1C的结构的图。
图12是表示第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的结构的图。
图13是表示对第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的空间光调制器15设定的计算机全息图的一例的图。
图14中，(a)是表示对第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的空间光调制器15设定图13的计算机全息图作为相位调制分布时再现于光图案生成面P的伪散斑图案b(x，y)的图，(b)是表示图14的(a)的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布(亮度直方图)的图。
图15是表示第五实施方式的观察装置2A的结构的图。
图16是表示第六实施方式的观察装置2B的结构的图。
图17是表示第七实施方式的观察装置2C的结构的图。
图18是表示第八实施方式的观察装置2D的结构的图。
附图标记说明
1A～1D…伪散斑图案生成装置、2A～2D…观察装置、10…控制部、11…光源、12…扩束器、13…空间光调制器、14a、14b…透镜(成像光学系统)、15…空间光调制器、16…透镜(再现光学系统)、17…空间光调制器、18，19…偏振光板、21…二向色镜、22…观察用光源、23…摄像机、24…透镜、25…透镜、26…物镜、27…透镜、P…光图案生成面。
具体实施方式
以下，参照附图，详细地对伪散斑图案生成装置、伪散斑图案生成方法、观察装置和观察方法的实施方式进行说明。另外，在附图的说明中，对同一要素标注同一标记，省略重复的说明。本发明不限定于这些示例。
首先，对本实施方式中生成的伪散斑图案进行说明。图1是通过计算求出伪散斑图案的情况下的计算步骤的流程图。另外，以下出现的函数中的用英文小写字母表示的函数是实空间的函数，用英文大写字母表示的函数是傅立叶空间的函数。此外，(x，y)示出实空间中的以正交坐标系表示的位置，(u，v)示出傅立叶空间中的以正交坐标系表示的位置。
在步骤S11中，生成2维伪随机数图案a(x，y)。具体而言，通过任意的生成方法生成遵循规定的种子数和统计分布的1维的伪随机数列，将这些伪随机数2维排列，由此生成2维伪随机数图案a(x，y)。1维伪随机数列生成时的种子数和统计分布以及2维排列时的排列规则如果相同，则2维伪随机数图案a(x，y)的生成具有再现性。在步骤S12中，对a(x，y)进行傅立叶变换而得到A(u，v)((1)式)。
【数学式1】
A(u，v)＝FFT[a(x，y)]…(1)
在步骤S21中，准备相关函数c(x，y)。在步骤S22中，对c(x，y)进行傅立叶变换而得到C(u，v)((2)式)。在步骤S23中，计算C(u，v)的平方根而得到滤波函数F(u，v)((3)式)。
【数学式2】
C(u，v)＝FFT[c(x，y)]…(2)
【数学式3】
Figure BDA0002225007940000061
在步骤S31中，将A(u，v)和F(u，v)相乘而得到B(u，v)((4)式)。然后，在步骤S32中，对B(u，v)进行傅立叶逆变换而得到伪散斑图案b(x，y)((5)式)。另外，傅立叶变换和傅立叶逆变换在进行数值计算的情况下能够通过同样的计算处理实现，此外，在由光学系统实现的情况下能够通过同样的光学系统实现，因此不需要对两者进行区别。
【数学式4】
B(u，v)＝A(u，v)·F(u，v)…(4)
【数学式5】
b(x，y)＝IFFT[B(u，v)]…(5)
这样生成的伪散斑图案b(x，y)具有与2维伪随机数图案a(x，y)的统计分布相应的光强度统计分布和与对应于滤波函数F(u，v)的相关函数c(x，y)相应的空间构造(自相关函数)。另外，在步骤S23中计算C(u，v)的平方根而求出滤波函数F(u，v)是为了使伪散斑图案b(x，y)的自相关函数和相关函数c(x，y)彼此一致。
伪散斑图案也能够按照另一个计算步骤求出。图2是通过计算求出伪散斑图案的情况下的另一计算步骤的流程图。
在步骤S41中，生成2维伪随机数图案a(x，y)。在步骤S51中，准备相关函数c(x，y)。在步骤S52中，对c(x，y)进行傅立叶变换而得到C(u，v)((2)式)。在步骤S53中，计算C(u，v)的平方根而得到滤波函数F(u，v)((3)式)。这些步骤S41、S51、S52、S53是与步骤S11、S21、S22、S23同样的处理。
在步骤S54中，对F(u，v)进行傅立叶逆变换而得到f(x，y)((6)式)。在步骤S61中，对a(x，y)和f(x，y)进行卷积积分而得到伪散斑图案b(x，y)((7)式)。
【数学式6】
f(x，v)＝IFFT[F(u，v)]…(6)
【数学式7】
b(x，y)＝a(x，v)*f(x，y)…(7)
这样生成的伪散斑图案b(x，y)也具有与2维伪随机数图案a(x，y)的统计分布相应的光强度统计分布和与相关函数c(x，y)相应的空间构造(自相关函数)。
本实施方式中，可以按照图1和图2中的任一者的计算步骤求出伪散斑图案b(x，y)。
即，将具有与要生成的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布相应的统计分布的2维伪随机数图案a(x，y)的傅立叶变换(A(u，v))设为第一图案，将与要生成的伪散斑图案b(x，y)的自相关函数相应的相关函数c(x，y)的傅立叶变换的平方根(F(u，v))的图案设为第二图案，能够将第一图案与第二图案之积的傅立叶逆变换的图案作为伪散斑图案b(x，y)。
或者，将具有与要生成的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布相应的统计分布的2维伪随机数图案a(x，y)设为第一图案，将与要生成的伪散斑图案b(x，y)的自相关函数相应的相关函数c(x，y)的傅立叶变换的平方根的傅立叶逆变换(f(x，y))的图案设为第二图案，能够将第一图案与第二图案的卷积积分的图案作为伪散斑图案b(x，y)。
图3是汇总相关函数c和滤波函数F的例子的表。该表中示出的相关函数c是仅以实空间中的与原点(0，0)的距离r为变量的函数c(r)。对应的滤波函数F也是仅以傅立叶空间中的与原点(0，0)的距离k为变量的函数F(k)。各式中，r、k是非负的实数，η、ξ是正的实数。
作为相关函数c(x，y)，选择作为傅立叶变换的结果的C(u，v)成为非负的实数的函数这样的函数，此外，优选是随着距离r变大，函数值递减的函数。相关函数c优选是仅以距离r为变量的函数。相关函数c也可以是以x和y为变量的函数(例如exp(-|x+y|/ξ))。相关函数c在原点(0，0)的函数值可以为1，但该函数值也可以是任意的值。相关函数c也可以是不能用数学式表现的函数。
图4的(a)是表示统计分布遵循正态分布的2维伪随机数图案a(x，y)的一例的图。图4的(b)是表示使用图4的(a)的2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(r)＝exp(-r)的情况下得到的伪散斑图案b(x，y)的图。图5的(a)是表示使用图4的(a)的2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(r)＝exp(-r/9)的情况下得到的伪散斑图案b(x，y)的图。图5的(b)是表示图5的(a)的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布(亮度直方图)的图。
图6的(a)是表示使用扩散件生成的散斑图案的一例的图。图6的(b)是表示图6的(a)的散斑图案的光强度统计分布(亮度直方图)的图。使用扩散件生成的散斑图案的光强度统计分布(图6的(b))能够用指数函数分布近似，而伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布(图5的(b))能够用正态分布近似，与2维伪随机数图案a(x，y)的统计分布大致一致。另外，图5的(b)和图6的(b)的光强度统计分布(亮度直方图)的横轴表示256级的光强度。
图7的(a)是表示使用图4的(a)的2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(r)＝exp(-r/3)的情况下的伪散斑图案b(x，y)的图。图7的(b)是表示图7的(a)的伪散斑图案b(x，y)的自相关图像的图。图8是表示图7的(b)的自相关图像的强度分布的图。x方向和y方向各自的强度分布彼此大致一致，此外，也与相关函数c(r)＝exp(-r/3)大致一致。即，伪散斑图案b(x，y)的自相关函数与相关函数c大致一致。
本实施方式的伪散斑图案生成装置和伪散斑图案生成方法中，使用具有基于2维伪随机数图案a(x，y)和滤波函数F(u，v)的强度或相位的调制分布的空间光调制器，光学生成伪散斑图案b(x，y)。
图9是表示第一实施方式的伪散斑图案生成装置1A的结构的图。伪散斑图案生成装置1A包括控制部10、光源11、扩束器12和空间光调制器13，在空间光调制器13的输出面输出伪散斑图案b(x，y)。
光源11输出光。作为光源11，例如使用激光光源、灯具光源、SLD(Superluminescent Diode：超发光二极管)光源等。扩束器12与光源11光学连接，将从光源11输出的光的光束直径放大后输出。此时，从扩束器12输出的光优选在光束截面强度被均匀化的光。
空间光调制器13是强度调制型的空间光调制器，具有基于在步骤S32或S61中生成的伪散斑图案b(x，y)的强度的调制分布。作为空间光调制器13，例如使用调制介质为液晶的调制器、数字微镜器件(DMD)、变形镜(DM)。空间光调制器13与扩束器12光学连接，输入从光源11输出而由扩束器12扩大了光束直径的光，根据调制分布对该输入的光空间地进行调制，输出其调制后的光。
这样在空间光调制器13的输出面生成的伪散斑图案b(x，y)具有与2维伪随机数图案a(x，y)的统计分布相应的光强度统计分布，并且具有与相关函数c(x，y)相应的空间构造。
控制部10与空间光调制器13电连接，对空间光调制器13设定基于从2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(x，y)计算的伪散斑图案b(x，y)的强度调制分布。
控制部10例如由计算机构成，除了具有与空间光调制器13电连接而进行通信的通信部之外，还具有运算部、存储部、输入部和显示部。运算部包含CPU或DSP等，进行2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(x，y)的生成、傅立叶变换、平方根计算、乘法运算、卷积积分、自相关函数的运算、强度统计分布的算出等。
存储部例如包含硬盘或存储器等，存储2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(x，y)的生成条件、各图案的运算结果等。输入部例如包含键盘或定位设备等，接受上述生成条件等的输入。显示部例如包含液晶显示器，显示a(x，y)、A(u，v)、c(x，y)、C(u，v)、F(u，v)、f(x，y)、B(u，v)和b(x，y)等的各图案。
本实施方式中，基于从2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(x，y)计算的伪散斑图案b(x，y)设定空间光调制器13的强度调制分布，因此生成的伪散斑图案b(x，y)的空间构造或光强度统计分布的设定的自由度高。
使用具有与要生成的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布相应的统计分布的2维伪随机数图案a(x，y)和与要生成的伪散斑图案b(x，y)的自相关函数相应的相关函数c(x，y)，基于从它们计算的伪散斑图案b(x，y)设定空间光调制器13的强度调制分布，由此能够生成具有期望的光强度统计分布和期望的空间构造的伪散斑图案b(x，y)。
本实施方式的伪散斑图案生成装置或伪散斑图案生成方法中，生成的伪散斑图案b(x，y)的空间构造或光强度统计分布的设定的自由度高。而且，能够通过控制部10再现性良好地设定伪散斑图案b(x，y)的空间构造或光强度统计分布，并且能够迅速地改变设定。
本实施方式的伪散斑图案生成装置或伪散斑图案生成方法能够生成适合测量对象、光操作对象的伪散斑图案b(x，y)，能够适宜地用于在各种验证方法中有效的测量技术、光操作技术。此外，本实施方式的伪散斑图案生成装置或伪散斑图案生成方法在将伪散斑图案作为结构化照明使用的情况下，也能够生成亮度高亮的伪散斑图案，因此能够减少照明次数而以高灵敏度进行短时间的照明。
由本实施方式能够生成具有期望的空间构造和光强度统计分布的伪散斑图案b(x，y)这一情况，能够如以下这样确认。即，由摄像机对在空间光调制器13的输出面生成的伪散斑图案b(x，y)进行摄像。然后，由控制部10求出通过摄像得到的伪散斑图案b(x，y)的自相关函数，将它与相关函数c(x，y)进行比较。此外，由控制部10求出通过摄像得到的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布，将它与2维伪随机数图案a(x，y)的统计分布进行比较。
图10是表示第二实施方式的伪散斑图案生成装置1B的结构的图。伪散斑图案生成装置1B包括：控制部10；光源11；扩束器12；空间光调制器13；和透镜14a、14b，在光图案生成面(像面)P生成伪散斑图案b(x，y)。与图9所示的第一实施方式的伪散斑图案生成装置1A的结构相比较，该图10所示的第二实施方式的伪散斑图案生成装置1B在还具有透镜14a、14b这一点不同。
从空间光调制器13至光图案生成面P的光学系统构成4f成像光学系统。透镜14a、14b输入从空间光调制器13输出的光而将伪散斑图案b(x，y)成像于光图案生成面P。通过像这样使用包括透镜14a、14b的成像光学系统，能够在位于与空间光调制器13的输出面不同的位置的光图案生成面P生成伪散斑图案b(x，y)。
图11是表示第三实施方式的伪散斑图案生成装置1C的结构的图。伪散斑图案生成装置1C包括：控制部10；光源11；扩束器12；相位调制型的空间光调制器17；偏振光板18、19；和透镜14a、14b，在光图案生成面P生成伪散斑图案b(x，y)。与图10所示的第二实施方式的伪散斑图案生成装置1B的结构相比较，该图11所示的第三实施方式的伪散斑图案生成装置1C在代替强度调制型的空间光调制器13具有相位调制型的空间光调制器17和偏振光板18、19这一点不同。相位调制型的空间光调制器17例如使用调制介质为液晶的调制器。
隔着相位调制型的空间光调制器17设置有偏振光板18和偏振光板19。通常，调制介质为液晶的空间光调制器17具有特定的取向方向的液晶分子。偏振光板18、19配置成偏光方向为与该液晶分子的取向方向相对地成45°的角度。偏振光板18、19各自的偏光方向既可以彼此平行，也可以彼此垂直。通过像这样配置相位调制型的空间光调制器17和偏振光板18、19，它们实质上作为强度调制型的空间光调制器13C发挥作用。
控制部10与空间光调制器13C(构成它的空间光调制器17)电连接，对空间光调制器13C的强度调制分布(空间光调制器17的相位调制分布)进行设定。
另外，在伪散斑图案生成装置1B、1C中，生成伪散斑图案b(x，y)的光图案生成面P可以是透镜14b的后焦点面，但也能够为与该后焦点面不同的面。例如，通过对空间光调制器13、13C设定在强度调制分布上加上菲涅耳透镜图案而得到的图案，能够在位于与透镜14b的后焦点面不同的位置的光图案生成面P生成伪散斑图案b(x，y)。
图12是表示第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的结构的图。伪散斑图案生成装置1D包括控制部10、光源11、扩束器12、空间光调制器15和透镜16，在光图案生成面P生成伪散斑图案b(x，y)。
空间光调制器15是相位调制型的空间光调制器，具有基于在步骤S32或S61中生成的伪散斑图案b(x，y)的相位的调制分布。相位调制型的空间光调制器15例如使用调制介质为液晶的调制器。空间光调制器15与扩束器12光学连接，输入从光源11输出而由扩束器12放大了光束直径的光，根据调制分布对该输入的光空间地进行调制，输出其调制后的光。透镜16是输入从空间光调制器15输出的光，使伪散斑图案b(x，y)再现于光图案生成面P的再现光学系统。
控制部10将基于2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(x，y)得到的计算机全息图作为空间光调制器15的调制分布而设定。对空间光调制器15设定的相位调制分布是能够将从空间光调制器15输出的光通过透镜16(再现光学系统)在光图案生成面P作为伪散斑图案b(x，y)再现这样的计算机全息图。控制部10使用迭代傅立叶变换法，生成以伪散斑图案b(x，y)为再现像的计算机全息图，将该计算机全息图设定于空间光调制器15。
另外，图12中，作为空间光调制器15示出透射型的空间光调制器，但也可以使用反射型的空间光调制器。
图13是表示对第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的空间光调制器15设定的计算机全息图的一例的图。该图中，以浓淡(明暗)表示相位调制的大小。在此，使用统计分布遵循正态分布的2维伪随机数图案a(x，y)和相关函数c(x，y)＝exp(-r/9)计算伪散斑图案b(x，y)，基于该伪散斑图案b(x，y)求出计算机全息图。
图14的(a)是表示对第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的空间光调制器15设定图13的计算机全息图作为相位调制分布时再现于光图案生成面P的伪散斑图案b(x，y)的图。图14的(b)是表示图14的(a)的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布(亮度直方图)的图。能够确认，再现的伪散斑图案b(x，y)的光强度统计分布与2维伪随机数图案a(x，y)的统计分布同样地为正态分布。
接着，对具有本实施方式的伪散斑图案生成装置的观察装置的实施方式和包含本实施方式的伪散斑图案生成方法的观察方法的实施方式进行说明。本实施方式的观察装置或观察方法向通过上述的本实施方式的伪散斑图案生成装置或伪散斑图案生成方法生成伪散斑图案的光图案生成面P照射观察用的光，接受与光向该光图案生成面P的照射相应地产生的光(透射光、反射光、散射光、荧光等)，对被照射伪散斑图案的光图案生成面P上的微小体等进行摄像。
图15是表示第五实施方式的观察装置2A的结构的图。观察装置2A包括：控制部10；光源11；扩束器12；空间光调制器13；和透镜14a、14b，在光图案生成面P生成伪散斑图案。它们与第二实施方式的伪散斑图案生成装置1B的结构同样。作为透镜14b使用物镜。
观察装置2A除了伪散斑图案生成装置1B的结构之外，还包括二向色镜21、观察用光源22、摄像机23和透镜24。二向色镜21设置在透镜14a与透镜14b之间的光路上，使从光源11输出的光透射，使从观察用光源22输出的光反射。
观察用光源22输出波长与从光源11输出的光的波长不同的观察用的光。观察用光源22设置在光图案生成面P的与设置透镜14b的一侧相反的一侧，向光图案生成面P照射观察用的光。与基于观察用光源22的观察用的光的照射相应地产生的光经透镜14b被二向色镜21反射，经透镜24到达摄像机23的摄像面。透镜14b和透镜24将在光图案生成面P产生的光成像于摄像机23的摄像面。摄像机23对被照射伪散斑图案的光图案生成面P上的微小体等进行摄像。摄像机23例如是CCD摄像机、CMOS摄像机等。
图16是表示第六实施方式的观察装置2B的结构的图。观察装置2B包括：控制部10；光源11；扩束器12；空间光调制器13；和透镜14a、14b，在光图案生成面P生成伪散斑图案。它们与第二实施方式的伪散斑图案生成装置1B的结构相同。作为透镜14b使用物镜。
观察装置2B除了伪散斑图案生成装置1B的结构之外，还包括二向色镜21、观察用光源22、摄像机23、透镜25、物镜26和透镜27。二向色镜21设置在透镜14a与透镜14b之间的光路上，使从光源11输出的光透射，使从观察用光源22输出的光反射。
观察用光源22输出波长与从光源11输出的光的波长不同的观察用的光。从观察用光源22输出的光经透镜25被二向色镜21反射，经透镜14b照射在光图案生成面P。摄像机23、物镜26和透镜27设置在光图案生成面P的与设置透镜14b的一侧相反的一侧。与基于观察用光源22的观察用的光的照射相应地产生的光经物镜26和透镜27到达摄像机23的摄像面。物镜26和透镜27将在光图案生成面P产生的光成像于摄像机23的摄像面。摄像机23对被照射伪散斑图案的光图案生成面P上的微小体等进行摄像。
图17是表示第七实施方式的观察装置2C的结构的图。观察装置2C包括控制部10、光源11、扩束器12、空间光调制器15和透镜16，在光图案生成面P生成伪散斑图案。它们与第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的结构相同。作为透镜16使用物镜。
观察装置2C除了伪散斑图案生成装置1D的结构之外，还包括二向色镜21、观察用光源22、摄像机23和透镜24。二向色镜21设置在空间光调制器15与透镜16之间的光路上，使从光源11输出的光透射，使从观察用光源22输出的光反射。
观察用光源22输出波长与从光源11输出的光的波长不同的观察用的光。观察用光源22设置在光图案生成面P的与设置透镜16的一侧相反的一侧，向光图案生成面P照射观察用的光。与基于观察用光源22的观察用的光的照射相应地产生的光经透镜16被二向色镜21反射，经透镜24到达摄像机23的摄像面。透镜16和透镜24将在光图案生成面P产生的光成像于摄像机23的摄像面。摄像机23对被照射伪散斑图案的光图案生成面P上的微小体等进行摄像。
图18是表示第八实施方式的观察装置2D的结构的图。观察装置2D包括控制部10、光源11、扩束器12、空间光调制器15和透镜16，在光图案生成面P生成伪散斑图案。它们与第四实施方式的伪散斑图案生成装置1D的结构相同。作为透镜16使用物镜。
观察装置2D除了伪散斑图案生成装置1D的结构之外，还包括二向色镜21、观察用光源22、摄像机23、透镜25、物镜26和透镜27。二向色镜21设置在空间光调制器15与透镜16之间的光路上，使从光源11输出的光透射，使从观察用光源22输出的光反射。
观察用光源22输出波长与从光源11输出的光的波长不同的观察用的光。从观察用光源22输出的光经透镜25被二向色镜21反射，经透镜16照射在光图案生成面P。摄像机23、物镜26和透镜27设置在光图案生成面P的与设置透镜16的一侧相反的一侧。与基于观察用光源22的观察用的光的照射相应地产生的光经物镜26和透镜27到达摄像机23的摄像面。物镜26和透镜27将在光图案生成面P产生的光成像于摄像机23的摄像面。摄像机23对被照射伪散斑图案的光图案生成面P上的微小体等进行摄像。
这些观察装置2A～2D在将伪散斑图案生成装置应用到以光捕捉技术和结构化照明技术为首的光操作技术或光成像技术中的情况下，作为显微成像装置适当使用。本实施方式的观察装置或观察方法通过将由伪散斑图案生成装置或伪散斑图案生成方法生成的伪散斑图案使用于微小体的捕捉和分类等的光操作，能够进行各种方式的光操作，能够观察其光操作的情况。
另外，在上述的实施方式中，伪随机数图案和伪散斑图案是2维的，但伪随机数图案和伪散斑图案也可以是1维的或3维的。
伪散斑图案生成装置、伪散斑图案生成方法、观察装置和观察方法不限于上述的实施方式和结构例，能够进行各种各样的变形。
上述实施方式的伪散斑图案生成装置，在某一方面构成为，包括：(1)输出光的光源；(2)空间光调制器，其具有能够设定的强度的调制分布，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出；和(3)控制部，其基于伪随机数图案和相关函数，设定空间光调制器的调制分布。
此外，在此情况下，伪散斑图案生成装置也可以构成为：还包括成像光学系统，其输入从空间光调制器输出的光，将伪散斑图案成像于光图案生成面。
上述实施方式的伪散斑图案生成装置，在另一方面构成为，包括：(1)输出光的光源；(2)空间光调制器，其具有能够设定的相位的调制分布，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光；(3)再现光学系统，其输入从空间光调制器输出的光，将伪散斑图案再现于光图案生成面；和(4)控制部，其将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为空间光调制器的调制分布而设定。
上述的伪散斑图案生成装置中，也可以构成为：控制部，将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案的傅立叶变换作为第一图案，将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的图案作为第二图案，对空间光调制器设定基于第一图案与第二图案之积的傅立叶逆变换的图案的调制分布。
此外，上述的伪散斑图案生成装置中，也可以构成为：控制部，将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案作为第一图案，将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的傅立叶逆变换的图案作为第二图案，对空间光调制器设定基于第一图案与第二图案的卷积积分的图案的调制分布。
上述实施方式的观察装置构成为，包括：(1)上述结构的伪散斑图案生成装置；(2)观察用光源，其输出照射到由伪散斑图案生成装置生成伪散斑图案的光图案生成面的观察用的光；和(3)摄像机，其接受与观察用的光向光图案生成面的照射相应地产生的光而进行摄像。
上述实施方式的伪散斑图案生成方法，在某一方面构成为：使用具有能够设定的强度的调制分布的空间光调制器，基于伪随机数图案和相关函数，设定空间光调制器的调制分布，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出。
此外，在此情况下，伪散斑图案生成方法也可以构成为：使用输入从空间光调制器输出的光的成像光学系统，将伪散斑图案成像于光图案生成面。
上述实施方式的伪散斑图案生成方法，在另一方面构成为：使用具有能够设定的相位的调制分布的空间光调制器，将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为空间光调制器的调制分布而设定，根据调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光，由输入从空间光调制器输出的光的再现光学系统，将伪散斑图案再现于光图案生成面。
上述的伪散斑图案生成方法中，也可以构成为：将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案的傅立叶变换作为第一图案，将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的图案作为第二图案，对空间光调制器设定基于第一图案与第二图案之积的傅立叶逆变换的图案的调制分布。
此外，上述的伪散斑图案生成方法中，也可以构成为：将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案作为第一图案，将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的傅立叶逆变换的图案作为第二图案，对空间光调制器设定基于第一图案与第二图案的卷积积分的图案的调制分布。
上述实施方式的观察方法构成为：向通过上述方案的伪散斑图案生成方法生成伪散斑图案的光图案生成面，照射从观察用光源输出的观察用的光，由摄像机接受与观察用的光向光图案生成面的照射相应地产生的光而进行摄像。
产业上的可利用性
实施方式可作为伪散斑图案生成装置、伪散斑图案生成方法、观察装置和观察方法利用。

Claims (12)

1.一种伪散斑图案生成装置，其特征在于，包括：
输出光的光源；
空间光调制器，其具有能够设定的强度的调制分布，根据所述调制分布对从所述光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出；和
控制部，其基于伪随机数图案和相关函数，设定所述空间光调制器的所述调制分布，
所述控制部，
将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的傅立叶逆变换的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案的卷积积分的图案的所述调制分布。
2.一种伪散斑图案生成装置，其特征在于，包括：
输出光的光源；
空间光调制器，其具有能够设定的强度的调制分布，根据所述调制分布对从所述光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出；和
控制部，其基于伪随机数图案和相关函数，设定所述空间光调制器的所述调制分布，
所述控制部，
将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案的傅立叶变换作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案之积的傅立叶逆变换的图案的所述调制分布。
3.如权利要求1或2所述的伪散斑图案生成装置，其特征在于：
还包括成像光学系统，其输入从所述空间光调制器输出的光，将伪散斑图案成像于光图案生成面。
4.一种伪散斑图案生成装置，其特征在于，包括：
输出光的光源；
空间光调制器，其具有能够设定的相位的调制分布，根据所述调制分布对从所述光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光；
再现光学系统，其输入从所述空间光调制器输出的光，将伪散斑图案再现于光图案生成面；和
控制部，其将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为所述空间光调制器的所述调制分布而设定，
所述控制部，
将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的傅立叶逆变换的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案的卷积积分的图案的所述调制分布。
5.一种伪散斑图案生成装置，其特征在于，包括：
输出光的光源；
空间光调制器，其具有能够设定的相位的调制分布，根据所述调制分布对从所述光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光；
再现光学系统，其输入从所述空间光调制器输出的光，将伪散斑图案再现于光图案生成面；和
控制部，其将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为所述空间光调制器的所述调制分布而设定，
所述控制部，
将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案的傅立叶变换作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案之积的傅立叶逆变换的图案的所述调制分布。
6.一种观察装置，其特征在于，包括：
权利要求1至5中任一项所述的伪散斑图案生成装置；
观察用光源，其输出照射到由所述伪散斑图案生成装置生成所述伪散斑图案的光图案生成面的观察用的光；和
摄像机，其接受与所述观察用的光向所述光图案生成面的照射相应地产生的光而进行摄像。
7.一种伪散斑图案生成方法，其特征在于：
使用具有能够设定的强度的调制分布的空间光调制器，
基于伪随机数图案和相关函数，设定所述空间光调制器的所述调制分布，
根据所述调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出，
将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的傅立叶逆变换的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案的卷积积分的图案的所述调制分布。
8.一种伪散斑图案生成方法，其特征在于：
使用具有能够设定的强度的调制分布的空间光调制器，
基于伪随机数图案和相关函数，设定所述空间光调制器的所述调制分布，
根据所述调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，将其调制后的光作为伪散斑图案而输出，
将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案的傅立叶变换作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案之积的傅立叶逆变换的图案的所述调制分布。
9.如权利要求7或8所述的伪散斑图案生成方法，其特征在于：
使用输入从所述空间光调制器输出的光的成像光学系统，将伪散斑图案成像于光图案生成面。
10.一种伪散斑图案生成方法，其特征在于：
使用具有能够设定的相位的调制分布的空间光调制器，
将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为所述空间光调制器的所述调制分布而设定，
根据所述调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光，
由输入从所述空间光调制器输出的光的再现光学系统，将伪散斑图案再现于光图案生成面，
将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的傅立叶逆变换的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案的卷积积分的图案的所述调制分布。
11.一种伪散斑图案生成方法，其特征在于：
使用具有能够设定的相位的调制分布的空间光调制器，
将基于伪随机数图案和相关函数得到的计算机全息图作为所述空间光调制器的所述调制分布而设定，
根据所述调制分布对从光源输出的光空间地进行调制，输出其调制后的光，
由输入从所述空间光调制器输出的光的再现光学系统，将伪散斑图案再现于光图案生成面，将具有与要生成的伪散斑图案的光强度统计分布相应的统计分布的伪随机数图案的傅立叶变换作为第一图案，
将与要生成的伪散斑图案的自相关函数相应的相关函数的傅立叶变换的平方根的图案作为第二图案，
对所述空间光调制器设定基于所述第一图案与所述第二图案之积的傅立叶逆变换的图案的所述调制分布。
12.一种观察方法，其特征在于：
向通过权利要求7至11中任一项所述的伪散斑图案生成方法生成所述伪散斑图案的光图案生成面，照射从观察用光源输出的观察用的光，
由摄像机接受与所述观察用的光向所述光图案生成面的照射相应地产生的光而进行摄像。
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