JP2011227501A - 多色放射での画像化を可能とする空間搬送周波数を使用するインターフェロメトリックシステム - Google Patents

多色放射での画像化を可能とする空間搬送周波数を使用するインターフェロメトリックシステム Download PDF

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Abstract

【課題】広帯域波での画像形成が可能である空間搬送周波数をインターフェロメトリックシステムであり、散乱媒質中の物体のホログラフィック画像を得る。
【解決手段】時間的、空間的に拡大されたインコヒーレント光源１からの光線は、ウエーブスプリッタ２によって、オブジェクトブランチ2.1とレファレンスブランチ2.2に分割され、前者の光は、第1画像機構3.1、第1スキャニング機構8.1を進行して反射器の第１伝達システム6.1に入射し、Ｚ1〜Ｚ4の平面鏡で反射され、画像出力機構4を経由し出力面7に到達する。後者の光も、第1画像機構3.1第2スキャニング機構8.2を進行し回折格子5を介して反射器の第2伝達システム6.2に入射し、Ｚ6、Ｚ5の平面鏡で反射されて画像出力機構4を経由し出力面7に到達する。βとαとの間の関係は、sin(β) ＝ sin(α)／ｍである（ｍは画像出力機構4の倍率）。第1画像機構3.1と第2画像機構3.2との両画像は、光学的に共役である。
【選択図】図１

Description

本発明は、低コヒーレンス波によってホログラフィック像を創りだす、空間搬送周波数（spatial carrier frequency）を用いる干渉（計測）システム（インターフェロメトリックシステム）に関するものであり、空間的に拡張されたインコヒーレント光源から放射される広帯域波での共焦点像を得ることを可能にする。
離れている物体とレファレンスブランチ（基準ブランチ reference branches）との干渉計測システムの最近の共通の特徴は、光ビームスプリッタであり、それはビーム波形を、物体とレファレンスブランチとに入る、二つの互いにコヒーレントなビームに分離する。最近のシステムは、三つの基本的なグループに分けられる。
第１のグループは、干渉（計測）システムを含み、それは多くの場合、従来のマッハ−ゼンダー（Mach-Zehnder）あるいはマイケルソン（Michelson）干渉計を使用し、干渉計の一致と波形からの出力で両ブランチを終了し、それゆえ、０度で干渉する。このシステムは、普通の電球のような、完全にインコヒーレント波形源を使用することが可能である。この長所は、コヒーレンスノイズや生じる画像、すなわち、サンプル中の光学的横断面（optical cross-section）の、より強いデプス・ディスクリミネーション（depth descrimination）の除去である。短所は、目標波形の近辺の完全な情報を得るために、異なる位相シフトでの最低、３画像の記録が必要であり、それは、好ましくない結果を導く。第一に、周囲環境や振動の変動は、得られる画像のノイズを増加させ、第二に、急速に変化する現象の観察ができない。このシステムは、クルグアンドラウ、ホルン、ミラウ（Krug&Lau ,Horn and Mirau）の顕微鏡の対物レンズが使用される。
第二のグループは、ホログラフィックシステムを含む。このシステムは、第１のグループと同じ干渉計を使用する。相違は、干渉計の出力での両ブランチの軸は、十分に大きなゼロでない角度（創られる干渉構造は、十分に高い空間周波数を有する）で交わり、ホログラム（ミラーあるいは類似の作用をする他のエレメントの、簡単な傾きによって達成される）のような、シングルインターフェログラムから、対象波の再構成を可能にする。そのような干渉計は、アクロマチック（多色acromatic）でなく、それゆえ、広帯域波は使用できない。それは、異なる波長をもつ波が、同じ角度で出力平面に入り、干渉構造が、それぞれの個々の波長に対して異なる空間周波数を有しているからである。
結局、望ましい干渉構造（縞、fringes）は、視野の大きな部分で失敗している。この配置の長所は、画像が、ホログラムの単一の記録から、完全に再構成されることである。他の有益な観点は、サンプリング率が検出器のみに依存し、ホログラフィックシステムの機構によらないことである。このシステムは、ダイナミックプロセスのモニターに適切である。短所は、レーザのような、コヒーレントあるいは部分的、空間的にインコヒーレント波を使用することが必要であり、その結果、全視野で干渉が起こり、コヒーレンスノイズの存在や、散乱媒質内に浸されたサンプルを観察するのに相当に制限があるような、ネガティブな結果を導く。視野は、前記第１のグループに比して２倍小さい（１／２）が、それはホログラフィック条件によることを暗示している。
第三のグループは、コヒーレンス制御される多色ホログラフィックシステムである。このグループは、以下のような事実によって、第二グループでの障害を取り除く。すなわち、異なる波長をもつ波は、異なる角度で干渉計の出力面に入射し、創られた干渉構造は、各波長に対して等しく、そして十分に高い空間周波数（密度あるいは縞）を有し、単一のインターフェログラム、すなわちホログラムから全視野内で目的の波の再構成を可能にする。それは、光ビームスプリッタによって達成され、ここでは、回折格子の形式である。＋１次の回折波は、オブジェクトブランチに入り、−１次の回折波は、レファレンスブランチに入る。回折格子上での波の角度分散の結果として、異なる波長は、異なる角度で回折格子から出て、そのままコンデンサに入る。それぞれのブランチでの回折格子の波は、干渉計の出力面に、関連する画像機構によって画像化される。その結果、両ブランチでの波の角度分散は保たれ、この条件は多色干渉縞が創られるという推測を確実にする。
この解決策は、前記第一、第二のグループに対して挙げられた全ての長所を含んでおり、同時にそれらのそれぞれに対する欠点を除去する。しかし、短所は、各ブランチで画像機構を形成するコンデンサレンズと対物レンズは、二つの同等エレメントでなくてはならない、という事実である。すなわち、例えば、透過光型顕微鏡が使用される場合、各倍率レベルで４個の同一のレンズが使用されなければならない。その結果、対物レンズと、より高倍率でのレンズであるコンデンサレンズとの間に限られた空間に対し費用負担がある。視野は、第二グループのシステムに対するものと同じである。この解決策は、ユーティリティデザイン（utility design）ＣＺ８５４７及びＣＺ１９１５０にも使用される。
本発明によれば、広帯域波での画像形成が可能である空間搬送周波数を用いる干渉計測システムによって、上記短所は除去される。このシステムは、時間的、空間的に拡大された（an extended temporally and spatially）インコヒーレント波源の後ろに、ウエーブスプリッタが挿入され、インターフェロメータ（干渉計）の二つの分離したブランチ、特に第一のブランチと第二のブランチへ、到来波を分離するために使用される。第一のブランチの軸上に、任意に設計される第一の画像機構が配置され、第二のブランチの軸上に、第二の画像機構が配置され、この第二の画像機構は、波の伝搬時間と倍率に関して、第１の画像機構と等しくなければならない。例えば、第一の画像機構は透過波を画像化し、第二の画像機構は反射波を画像化する、というように異ならせてもよい。
前記干渉計測システムは、さらに出力面に配置される検出器を含む。第1と第2のブランチにおいて、波の伝搬時間の差は、使用される波の可干渉（コヒーレンス）時間より、大きくはない。第1あるいは第2のブランチそれぞれは、入射波が分離される時点でスタートし、第1あるいは第2のブランチそれぞれの終点は、干渉計の出力面である。
第1ブランチの第1画像機構の画像面（の画像）は、第1画像機構に関して、この画像機構の対物面の画像であり、同時に、第2ブランチの第2画像機構の画像面（の画像）は、第2画像機構に関して、この画像機構の対物面の画像である。
新しい解決策の原理は、第1ブランチの第1画像機構の画像面の後で、かつ、干渉計の出力面の前に、第1画像出力機構が第1ブランチの軸上に配置され、同時に、第2ブランチの第2画像機構の画像面の後で、かつ、干渉計の出力面の前に、第2画像出力機構が、第2ブランチの軸上に配置される、ということである。
第1画像出力機構に関して、干渉計の出力面は、第1ブランチの第1画像機構の画像面の画像であり、同時に、第2画像出力機構に関して、干渉計の出力面は、第2ブランチの第2画像機構の画像面の画像である。
第1ブランチの第1画像機構の対物面と干渉計の出力面との間の全倍率は、第2ブランチの第2画像機構の対物面と干渉計の出力面との間の全倍率に等しい。
少なくとも一つのブランチにおいて、所定のブランチの関連する画像機構と、干渉計の出力面との間に、第1ブランチ内にあるリフレクタ（反射器）の第1伝達システムと、第2ブランチ内にあるリフレクタの第2伝達システムとがあり、その結果、第1ブランチの軸と、第2ブランチの軸は、干渉計の出力面への入口の前で合致し、それらは干渉計の出力面の法線と平行である。
第1ブランチの軸上を進むビームは、上記軸上の一画像出力機構に入射し、また、その軸上でそこから出射して、法線の方向で干渉計の出力面に入射する。
第2ブランチの第2画像の画像面の近くには、回折格子が配置されている。第2ブランチの軸上を進み、角度αで回折格子によって回折されたビームは、第2の画像出力機構の軸に関して角度αで第2の画像出力機構に入射し、角度βでその軸に関して上記画像出力機構から出射し、角度βでまた、干渉計の法線に対して出力面に入射する。角度βとαの関係は、sin(β) ＝ sin(α)／ｍ２である（ここで、ｍ２は第2画像出力機構の倍率である）。
類似の解決策は、第2ブランチの第1画像機構の画像面に隣接して、第1の回折格子が配置され、第2ブランチの第2画像機構の画像面に隣接して、第2の回折格子が配置される、という事実に基づいている。
第1および第2のブランチのそれぞれの軸上を進み、それぞれα１、α２の角度で第1及び第2の回折格子によって回折されるビームは、それぞれ第1、第2の画像出力機構の軸に関して、角度α１、α２で、第1、第2の画像出力機構に入射し、そして、それぞれその軸と角度β１、β２で、それぞれの画像出力機構から出射する。角度β１、α１と、β２、α２との関係は、sin(β１) ＝ sin(α１)／ｍ１であり（ここで、ｍ１は第1画像出力機構の倍率である）、また、sin(β２) ＝ sin(α２)／ｍ２である（ここで、ｍ２は第2画像出力機構の倍率である）。
電磁波の可視領域からの波が使用されるとき、すべての画像機構（第1、第2の画像機構、第1、第2の画像出力機構）は、レンズ、ミラー、及び他の光学要素の任意の配置によって構成されることが可能であり、また、すべてのリフレクタの伝達系（すなわち、リフレクタの第1、第2の伝達系）は、例えば、ミラーや、他の反射する光学要素の任意の配置によって構成されることが可能であることを意味しており、個々の画像形成や伝達系に対する上述の条件は、これらすべてで観測されねばならない。他のタイプの波が使用されるとき、上述の条件は、電磁波の可視領域の波を例に言及した要素と類似の作用をするすべての要素で観測されねばならない。
一実施形態では、上記の両ケースに対して、第1ブランチの第1画像機構の後ろで、かつ、その軸上では、第1のスキャニングユニット（走査ユニット）が配置されてもよく、また、第2ブランチの第2画像機構の後ろで、かつ、その軸上では、第2のスキャニングユニット（走査ユニット）が配置されてもよく、それは出力画像面内で画像を移動させることができる。
一実施形態では、上記の両ケースに対して、第1の画像出力機構と第2の画像出力機構は、これら画像機構の画像面と干渉計の出力面との間で、第1および第2ブランチの共通軸上に配置される共通の画像出力機構で形成されてもよい。
一実施形態では、第1ブランチはオブジェクトブランチであり、第2ブランチはレファレンスブランチであり、第1画像出力機構と第2画像出力機構は、共通の画像出力機構によって形成され、回折格子は、レファレンスブランチの第2画像機構の画像面に隣接して配置される反射型回折格子である。反射型回折格子に属するリフレクタの第2伝達システムは、リフレクタの第2伝達システムの軸上、第2画像機構の軸上、及び回折格子からの回折波の光路内に配置された調整可能な半透明の平面鏡による入力（光線）によって形成される。さらに、それは、半透明反射型平面鏡によって反射される波の光路内に配置される調整可能な第５の平面鏡によって形成される。前記半透明反射鏡の反射表面は、第５平面鏡の反射面と直角をなす。リフレクタの第1伝達システムは、リフレクタの第1伝達システムの軸上及び第1画像機構の軸上に配置された第1平面鏡による入力で形成され、また、その反射面が第１平面鏡の反射面に垂直であり、その後ろに配置された第３平面鏡の反射面に平行であり、第３の平面鏡は、反射ビームの光路内に配置される第４平面鏡の反射面に垂直な反射面を有するといった方法で、第１平面鏡によって反射される波の光路内に配置される第２平面鏡によって形成される。
他の実施形態において、第1ブランチはオブジェクトブランチであり、第2ブランチはレファレンスブランチである。第1回折格子は、オブジェクトブランチの第1画像機構の面に隣接して配置された伝達型（透過型）（transmission type）回折格子であり、第2回折格子は、レファレンスブランチの第2画像機構の対物面に隣接して配置された伝達型回折格子である。第2回折格子に属する反射器の第2伝達システムは、反射器の第2伝達システムの軸上と第2画像機構の軸上にあり、さらに第2回折格子からの回折波の光路内に配置された調整可能な第6の平面鏡による入力で形成される。さらに、第6の平面鏡によって反射された波の光路内に配置される調整可能な第5の平面鏡によって形成される。第5の平面鏡の反射面は、第6の平面鏡の反射面と平行である。第1回折格子に属するリフレクタの第1伝達システムは、リフレクタの第1伝達システムの軸上と第1画像機構の軸上にあり、また、第1回折格子からの回折波の光路内に配置される第1の平面鏡による入力で形成される。さらに、その反射面が第１平面鏡の反射面に垂直であり、その後ろに配置された第３の平面鏡の反射面に平行であり、第３の平面鏡は、反射ビームの光路内に配置される第４平面鏡の反射面に垂直な反射面を有するといった方法で、第１平面鏡によって反射される波の光路内に配置される第２平面鏡によって形成される。
実施形態において、第1、第2の回折格子が設けられているが、他の物に代替可能である。これら二つの回折格子は、反射型回折格子あるいは伝達型回折格子で形成されてよく、一方が反射型で、他方が伝達型の回折格子でもよい。
他の選択として、その関連する画像機構の画像面内あるいは関連する画像面から±500ｍｍの距離以内に、回折格子が配置される。
この解決策の長所は、システムが、広範な白色光の光源のような、低コヒーレンス波による物体のホログラフィック像を可能にすることである。低コヒーレント波は、散乱媒質内に浸されるオブジェクトを画像化することを可能にする。画像化は、リアルタイムでなされる。観測されるサンプルの部分の、単一で、デジタル記録されたホログラムは、オブジェクト波の数値化された再構成のために使用でき、それは、インテンシティ（強度intensity) とフェーズ (phase)を意味する。強度画像は、奥行きを区別し、すなわち画像機構のオブジェクト面の付近に配置されたサンプルの部分のみ（観測されるサンプルの横断面）を画像化する。横断面の厚さは、使用される波のコヒーレンスの角度に依存し、光学顕微鏡の場合には、共焦点顕微鏡によって得られる光学的断面より狭い。フェーズ画像は、オブジェクト中の伝達時間と、観測されるサンプルに起因するレファレンスブランチの伝達時間との差に対応し、定量的なものであり、波長の何千分の１のオーダーでの正確さで反射サンプルの深さ（depth)を測定するのに使用でき、例えば、投写光型顕微鏡画像の場合、細胞を評価し、細胞内の質量の移動を解析するのに使用できる。
それゆえ、少なくとも上述のグループのいくつかに属するいくつかのシステムについて、共通の特徴が以下のように含まれる、ということができる。時間的、空間的に拡大された非干渉性の（incoherent）波源、例えば、光学顕微鏡法では、通常の電球、収集レンズ、すりガラス、サイズ可変のアパーチャダイアフラム（aperture diaphragm）（アイリスダイアフラムあるいは種々の直径の、一組の取り外し可能なダイアフラム）、交換可能なバンドパスフィルタ、光強度を調整する交換可能な減光フィルタやＩＲカットフィルタ（長波長紫外線を遮断する）を含む。他の共通の特徴は、オブジェクト及びレファレンスブランチへ入る波を分割するウエーブスプリッタ、上記ブランチへ画像機構を加えること、各ブランチに属する画像出力機構または共通の画像出力機構、検出器を含む。
提示された解決策（本発明）は、従来技術（すなわち、コヒーレンス制御多色ホログラフィックシステム）に記載された第３のグループで述べたすべての長所を特徴とするものであるが、同時に、それらの言及した短所を排除するものである。その観点は、第２グループのシステムについても同様である。
レファレンスブランチ内に配置される反射型回折格子を備え、単一の共通の画像出力機構を備える干渉計測システムの略図を示す。 一方はオブジェクトブランチ内に配置され、他方はレファレンスブランチ内に配置される二つの異なる伝搬型回折格子を備え、各ブランチはそれ自身の画像出力機構を備える干渉計測システムの略図を示す。 二つの、互いに分離された画像出力機構を備える干渉計測システムを示す。
図１は、本発明のインターフェロメトリックシステム（干渉計測システム）の好ましい一実施形態を示すものであり、空間的に拡大されたインコヒーレント光源の白色光での共焦点像を、リアルタイムで可能とする低コヒーレンス光によって、ホログラフィック画像を作り出す空間搬送周波数を使う干渉計測システムである。第1の伝達システム6.1とリフレクタの第2の伝達システム6.2は、この場合、ミラーの設定により実現される。このインターフェロメトリックシステムは、時間的、空間的に拡大された（extended,temporally,and spatially）インコヒーレント光源１の次に、ここではスプリッティングキューブのような、標準的要素である光ビームスプリッタ２が配置される。光ビームスプリッタ２は、オブジェクトブランチとレファレンス（基準）ブランチとに入射光を分離する。第1画像機構3.1は、任意に決められるものであり、オブジェクトブランチ内に配置される。第2画像機構3.2は、この例では、第1画像機構3.1と光学的に等しく、レファレンスブランチ内に配置される。干渉計測システムは、さらに、その出力部に画像出力機構4を含む。干渉計の出力面7には、検出器が配置される。ここで、両ブランチ間の光路差は、光ビームスプリッタ2での光ビーム分割点から干渉計の出力面7まで測られるが、使用される光のコヒーレンス長より、小さい。与えられた例で、回折格子5は、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の画像面3.4に隣接して配置される。回折格子5の回折面と画像出力機構4との間に、多くの方法で実現可能である、リフレクタの第2伝達システム6.2が挿入される。レファレンスブランチの軸上を進行する光ビームと、回折格子５によって角度αで回折された光ビームは、画像出力機構4の光学軸に関して角度αで画像出力機構4に入射し、角度βで光学軸に関して画像出力機構４から出射し、角度βでその垂直線に関して干渉計の出力面7に入射する。角度βとαの関係は、sin(β)＝sin(α)／ｍである（ここで、ｍは画像出力機構4の倍率）。このような調整は、意義のある点である。
与えられた例では、オブジェクトブランチ内で、第1画像機構3.1の出力側に、リフレクタの第1伝達システム6.1が挿入されており、それは多くの方法で設計できるものである。しかし、それは、以下のように調整される。第1画像機構3.1の軸上を進行する光ビームは、リフレクタの第1伝達システム6.1と画像出力機構4を経由して、干渉計の出力面7に垂直線の方向で導かれる。オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の画像面3.3、干渉計の出力面7、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の画像面3.4、干渉計の出力面7は、光学的に、画像出力機構4に関して共役（対）である。
与えられた例によるインターフェロメトリックシステム（干渉計測システム）は、一つの画像出力機構4の代わりに、図３に示される互いに分離された二つの画像出力機構4.1と4.2から構成されてもよい。確実で、基本的な方向性を維持するために、他の要素が前述の例と同様に配置されるが、しかしそれらは、また、ほかの配置でもよい。
干渉計の出力面7は、第1画像出力機構4.1に関して、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の画像であり、第2画像出力機構4.2に関して、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の画像面3.2の画像である。
オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の軸を進むビーム波は、軸上で第1画像出力機構4.1に入射し、そこから出射して垂直線の方向で干渉計の出力面7に入射する。
レファレンスブランチの第2画像機構3.2の画像面3.4に隣接して、回折格子5が配置され、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の軸上で進行し、角度αで回折格子5によって回折されるビーム波は、第2画像出力機構4.2の軸に関して、角度αで第2画像出力機構4.2に入り、また、第2画像出力機構4.2の軸に関して、角度βでそこから出射し、角度βでその垂直線に関して干渉計の出力面7に入る。一方、βとαとの間の関係は、sin(β) ＝ sin(α)／ｍである（ここで、ｍは第2画像出力機構4.2の倍率である）。
類似する好ましい実施形態は図２に示され、回折格子は、レファレンスブランチとオブジェクトブランチとの間に挿入される。この配置では、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の画像面3.3に隣接して、第1回折格子5.1が配置され、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の画像面3.4に隣接して、第2回折格子5.2が配置される。第1回折格子5.1の回折面と画像出力機構4との間に、リフレクタ（反射器）の第1伝達システム6.1が挿入され、同様に、第2回折格子5.2の回折面と画像出力機構4との間に、リフレクタの第2伝達システム6.1が挿入される。角度α1、β1とα2、β2との関係は、前記例と同様である。この場合、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の画像面3.3と干渉計の出力面7、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の画像面3.4と干渉計の出力面7は、画像出力機構4に関して、光学的に共役（対）である。
前述の好ましい両実施形態において、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の後ろでその軸上に、第1スキャニングユニット8.1が配置され、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の後ろでその軸上に、第2スキャニングユニット8.2が配置される。しかし、その実装は、必ず必要とされるものではない。
回折格子5は、反射型又は伝達型（透過型）である。一実施形態として、図１の回折格子5は、反射型回折格子である。ここで、この反射型回折格子は、レファレンスブランチ2.2に配置され、リフレクタの第2伝達システム6.2が、それに属している。リフレクタの第2伝達システム6.2は、その軸上にある調整可能な半透明平面鏡Ｚ6によって、入力がなされ、また、第2画像機構3.2の軸上で、回折格子5からの入射する回折波の光路内にある。さらに、それは、半透明平面鏡Ｚ6によって反射される波の光路内に配置される調整可能な第5の平面鏡Ｚ5によって形成される。半透明平面鏡Ｚ6の反射面は、第5の平面鏡Ｚ5の反射面と直角となっている。
リフレクタの第1伝達システム6.1は、第1伝達システム6.1の軸上と第2画像機構3.1の軸上に配置される第1平面鏡Ｚ1によって入力がなされ、さらに、第1平面鏡Ｚ1によって反射される波の光路内に配置される第2の平面鏡Ｚ2によって入力がなされる。第2平面鏡Ｚ2の反射面は、第1平面鏡Ｚ1の反射面と直角となっており、その後ろに配置された第3平面鏡Ｚ3の反射面と平行であり、反射ビームの光路内に配置される第4平面鏡Ｚ4の反射面に垂直である反射面となっている。リフレクタの第1伝達システム6.1内の平面鏡Ｚ1、Ｚ2の機構は、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の軸の方向に調整可能であり、インターフェロメータのブランチの等しい光学長さ内での調整を可能とする。
回折格子が、レファレンスブランチとオブジェクトブランチ内に挿入される他の実施形態が可能であり、それは図２に示される。このケースにおいて、第1回折格子5.1および第2回折格子5.2は、伝達型回折格子である。リフレクタの第1及び第2の伝達システム6.1及び6.2は、オブジェクト、レファレンスのそれぞれのブランチに配置される第1回折格子5.1及び第2回折格子5.2に属する。リフレクタの第1伝達システム6.1は、その軸上にあり、また、第1画像機構3.1の光路内にあり、第1回折格子5.1からの回折波の光路内に配置される第1平面鏡Ｚ1によって、その入力がなされる。さらに、第1平面鏡Ｚ1によって反射後、第2平面鏡Ｚ2によって入力がなされる。第2平面鏡Ｚ2の反射面は、第1平面鏡Ｚ1の反射面に垂直であり、その後ろに配置される第3平面鏡Ｚ3の反射面に平行であり、反射ビーム光路内に配置される第4平面鏡Ｚ4の反射面に垂直である。
リフレクタの第2伝達システム6.2は、その軸の光路内に配置され、また、第2画像機構3.2の光路内にあり、第2回折格子5.2からの回折波の光路内にあって、調整可能な第6平面鏡Ｚ7によって、入力がなされる。さらに、第6平面鏡Ｚ7によって反射される波の光路内に配置される調整可能な第5平面鏡Ｚ5によって入力がなされる。第6平面鏡Ｚ７の反射面は、第5平面鏡Ｚ5の反射面と平行である。
上記の両実施形態において、反射器の第1伝達システム6.1内の第1平面鏡Ｚ1、第2平面鏡Ｚ2の機構は、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の軸の方向で、干渉計のブランチの等しい光学長さ内で調整可能である。
他の可能な実施形態では、二つの回折格子が挿入されるとき、両方が反射型であり、又は両方が伝達型であり、また、一方が反射型の回折格子であり、他方が伝達型の回折格子である。
リフレクタの伝達システムは、上記のものばかりでなく、技術的に多くの方法で実現可能である。回折格子は、それらに関連する画像面内に直接配置され、または関連する画像面から±500ｍｍの距離の近辺に配置される。
インターフェロメトリックシステムは、インコヒーレント画像ホログラフイの原理を利用する。この機構は、分離されたオブジェクトとレファレンスのブランチ、干渉計の出力面7に合致する軸を備え、二つのビームを回折する干渉計によって形成される。上記軸は出力面7に垂直線に平行であり、角度０に収束する。実際には、実装される回折格子5あるいは第1回折格子5.1、第2回折格子5.2の結果として、それらは出力面7に十分に高い空間周波数でアクロマチック干渉構造を創りだし、単発で記録されるシングルインターフェログラムまたはホログラムからの全視野内でのオブジェクト波の再構成を可能にする密度又はフリンジ(縞)を意味する。これは、周囲環境の変動あるいは振動によって発生するノイズの存在を大いに制限する。
ホログラムはデジタル記録され、目的の波（その波長と移相）は、フーリエ変換のアルゴリズムを使用して数値的に再構成される。振幅と移相についての情報は、全空間内の目的波についての情報を暗に伝える。それゆえ、シングルホログラムは、画像面からの異なる面において、観測イメージの事後の再構成に十分であり、ある程度まで、スキャンされる三次元物体の空間分布を再構成し、数値的に焦点を再び合わせること（リフォーカシング）を可能にすることを意味する。そのような数値的に焦点を再び合わせることの範囲は、使用される波のコヒーレンスの程度によって与えられる。高次コヒーレンスは、軸方向に、より大きな範囲でリフォーカシングを可能にする。低次コヒーレンスは、そのような範囲を狭くするが、散乱の強い媒質内に浸された物体を、サンプル画像への散乱波の重なりを大きく減少させることによって、観測することができる。それは、画像強度と画像の移相に対し有効であり、この事実は、実験的に確認された。
ホログラムの再構成により得られる複素振幅モジュールの四辺形（それは、強化画像を意味する）は、奥行きが識別され、それゆえ、観測されるサンプル中の断面積を現す。断面の厚さは、使用される波のコヒーレンスの次数に依存し、光学顕微鏡の場合には、共焦点顕微鏡によって得られる光学的断面積より狭い。移相画像は、観測されるサンプルによって起こるオブジェクトブランチとレファレンスブランチ中の伝播時間の差に対応し、それは定量的なものであり、例えば、透過型顕微鏡画像の場合、光学波長の数千分の１のオーダーの正確さで反射するサンプルの奥行きを測定するのに使用可能である。それは、細胞を評価し、あるいは細胞内の質量移動を解析するのに使用可能である。
インターフェロメトリックシステムのどの部分でも、フレーム率は制限されない。それは、記録装置（多くは、デジタルカメラやコンピュータ）の速度によってのも制限される。単発で多色画像の同時ホログラフィック記録について、ある場合には、ある波長でのサンプル内の光の相殺的干渉（destructive interference）を乗り越え、そのような観測ポイントから移相情報を維持することが可能である。
図1の実施形態は、以下のように操作される。
図示されるように、時間的及び空間的なコヒーレンスの調整可能な次数をもつ時間的、空間的に拡大されたインコヒーレント波源１は、例えば、光学顕微鏡において、通常の電球、コレクタレンズ、すりガラス、大きさ可変の開口ダイアフラム（虹彩絞りまたは取り外し可能な種々の直径のダイアフラムのセット）、交換式バンドパスフイルタ、光強度を制御するための交換式中性フイルタ及びＩＲカットオフフイルタ（長波長紫外線を妨げ、波を放射する）、ウエーブスプリッタ２〔入射する波を、干渉計の二つのブランチ（通常、オブジェクトブランチとレファレンスブランチ）に入る二つのコヒーレントビームに分割する〕を含む。十分にインコヒーレント波を使用する可能性を維持するために、干渉計の両ブランチは、等しいように設計される。したがって、オブジェクトブランチとレファレンスブランチ双方において、それらに等しい画像機構、特に、第1画像機構3.1と第2画像機構3.2が挿入され、しかし、それらは、任意で、例えば、透過光または反射光での画像、また、顕微鏡画像を可能にする。
オブジェクトブランチに入るウエーブスプリッタ2からの波は、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の第1オブジェクト（対物）面2.1に配置された観測される物体に衝突し、それから、第1画像機構3.1、第1スキャニングユニット8.1、リフレクタの第1伝達システム6.1を通過する。第1伝達システムで6.1では、波は、オブジェクトブランチ（第1オブジェクト面2.1内に入ったオブジェクト画像が作り出される）の第1画像機構3.1の画像面3.3に第1平面鏡Ｚ1によって反射される。波は、第2平面鏡Ｚ2に衝突し、そこで反射され、第3平面鏡Ｚ3に衝突し、さらに反射され、第4平面鏡Ｚ4に衝突し、反射されて画像出力機構4に入り、干渉計の出力面7へ達して、そこで、第1オブジェクト面2.1に挿入された物体の第2画像が創られる。
レファレンスブランチに入るウエーブスプリッタ2からの波は、レファレンスブランチの第2画像機構3.2の第2オブジェクト（対物）面2.2に配置されたレファレンスオブジェクトに衝突し、それから、第2画像機構3.2、第2スキャニングユニット8.2、リフレクタの第2伝達システム6.2を通過する。第2伝達システムで6.2では、波は、半透明平面鏡Ｚ6を通過して、第2画像機構3.2の画像面3.4内に配置された反射型回折格子の回折面に衝突する。そこで、第2オブジェクト面2.2内に入ったレファレンス画像が創り出される。レファレンスブランチの軸上を進む光ビームは、回折格子5によって半透明平面鏡Ｚ6に対して角度αで回折され、そこで反射され、第5平面鏡Ｚ5に衝突し、反射され、画像出力機構4の軸に関してαの角度で画像出力機構4に入射し、通過して角度βで出射し、垂直線に関して角度βでインターフェロメータの出力面7へ達して、そこで、第2オブジェクト面2.2に挿入されたレファレンスオブジェクトの第2画像が創られる。
オブジェクトブランチとレファレンスブランチからの波は、インターフェロメータの出力面7で干渉し、画像出力機構4の倍率によって分割された回折格子5の空間周波数に等しい空間周波数で、縞の干渉構造を創りだす。
広帯域光源の波が使用されると、波長に関して回折角度の依存が、回折格子5の存在によって、いわゆる角分散として、そこに現れる。角度α、それにβは、波長によって異なる。適切な空間周波数が使用され、回折格子5の位置が適切であると、第1伝達システム6.1と第2伝達システム6.2の両者において平面鏡の適切な傾きは、異なる角度で出力面7に入る異なる波長での波の利用を可能にし、その結果、創り出された干渉構造は、各波長に対して等しく、十分な高次空間周波数をもっている。それは、干渉計、すなわち、全視野内において、ホログラムからのオブジェクト波の再構成を可能にする。
干渉計の出力面7には、検出器が配置され、それは、通常、コンピュータに接続されたデジタルカメラである。画像出力機構4の倍率ｍは、干渉計の出力面7でのホログラムの最大空間周波数に関して、干渉計の出力面7の干渉構造の十分なサンプリングを達成できるものである。
反射器の第1伝達システム6.1内の第1平面鏡Ｚ1と第2平面鏡Ｚ2の機構は、オブジェクトブランチの第1画像機構3.1の軸の方向に調整可能であり、干渉計の両ブランチ中で、波の伝達時間を等しくすることを可能にする。
第1スキャニングユニット8.1と第2スキャニングユニット8.2は、干渉計の出力面7での、オブジェクトブランチとレファレンスブランチの軸の一致を確実にする。これらは、特に、散乱媒質中で観測の場合、互いのコヒーレンスの関数を決定するために使用され、それが可能であれば、オブジェクトブランチから干渉計の出力面7へ入射する光ビームを傾けることによって、対物レンズの開口角度より大きな角度での観測点で分散されたノンバリスティック（non-ballistic）光の寄与で創り出された、観測オブジェクトの変化しない画像（non-shifted image）が得られる。
観測されるオブジェクトとレファレンスオブジェクトは、関連するオブジェクト面2.1と2.2に備えられる関連する画像機構とその部分によって、共役の関連するブランチでの適切な面に挿入される。
インターフェロメトリックシステムは、他の好ましい実施形態で同様な方法で操作される。
提案されたインターフェロメトリックシステムは、例えば、反射光と透過光の双方で画像化する通常の顕微鏡画像機構と組み合わせて使用可能であり、顕微鏡ホログラフィック記録に使用可能である。それは、また、生きている細胞の体外（インビトロ）での観測（場合によっては懸濁液に浸されて）、外部刺激への反応、あるいは散乱媒質によって覆われた反射面の測定に適切である。
1 時間的、空間的に拡大されたインコヒーレント波源
2 ウエーブスプリッタ
2.1 第1オブジェクト面
2.2 第2オブジェクト面
3.1 第1画像機構
3.2 第2画像機構
3.3 第1画像機構3.1の画像面
3.4 第2画像機構3.2の画像面
4 画像出力機構
5 回折格子
5.1 第1回折格子
5.2 第2回折格子
6.1 リフレクタの第1伝達システム
6.2 リフレクタの第2伝達システム
7 干渉計の出力面
8.1 第1スキャニングユニット
8.2 第2スキャニングユニット
Ｚ1 第1平面鏡
Ｚ2 第2平面鏡
Ｚ3 第3平面鏡
Ｚ4 第4平面鏡
Ｚ5 第5平面鏡
Ｚ6 半透明平面鏡

Claims (9)

  1. 多色放射で画像化を可能とする空間搬送周波数をもつインターフェロメトリックシステムであって、
    時間的、空間的に拡張されたインコヒーレント波源（１）の後に、インターフェロメータの二つのブランチ、特に第1のブランチと第2のブランチに入射波を分割するウエーブスプリッタ（２）が挿入され、
    第1のブランチの軸上に、任意に設計される第1画像機構(3.1)が配置され、第2のブランチの軸上に、波の伝播時間と倍率の双方に関して第1画像機構(3.1)と等しい第2画像機構(3.2)が配置され、
    第1ブランチの第1画像機構(3.1)の画像面(3.3)は、第1画像機構(3.1)に関して、この画像機構(3.1)の第1オブジェクト面（2.1）の画像であり、同時に、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の画像面(3.4)は、第2画像機構(3.2)に関して、この画像機構(3.2)の第2オブジェクト面（2.2）の画像であり、
    インターフェロメトリックシステムは、さらにインターフェロメータの出力面(7)に配置された検出器を含み、
    第1と第2のブランチ内の波の伝播時間の差は、ウエーブスプリッタ（2）でのビーム分割点からインターフェロメータの出力面(7)までの測定に使用される波のコヒーレンス時間より小さいものであり、
    以下の事項を特徴とするインターフェロメトリックシステム。
    第1ブランチの第1画像機構(3.1)の画像面（3.3）の後ろで、インターフェロメータの出力面(7)の前に、第1画像出力機構(4.1)が配置され、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の画像面（3.4）の後ろで、インターフェロメータの出力面(7)の前に、第2画像出力機構(4.2)が配置され、
    少なくとも一つのブランチで、関連する画像機構（3.1）、（3.2）とインターフェロメータの出力面(7)との間に、第一のブランチでは反射器の第1伝達システム(6.1)と、第二のブランチでは反射器の第2伝達システム(6.2)が配置され、
    それらは、第1ブランチの軸と第2ブランチの軸はインターフェロメータの出力面(7)の入口前で一致し、また、インターフェロメータの出力面(7)の垂直線と平行であり、さらに、インターフェロメータの出力面(7)は、第1画像出力機構(4.1)に関して、第1ブランチの第1画像機構(3.1)の画像面(3.3)の画像であり、第2画像出力機構(4.2)に関して、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の画像面(3.4)の画像であり、
    第1ブランチの第1画像機構(3.1)の第1オブジェクト面(2.1)と、インターフェロメータの出力面(7)との間の合計倍率は、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の第2オブジェクト面(2.2)と、インターフェロメータの出力面(7)との間の合計倍率に等しく、
    第1ブランチの第1画像機構(3.1)の軸上を進むビーム波は、軸上の第1画像出力機構（4.1）に入り、その軸上でそこから出て、インターフェロメータの出力面(7)に垂直線の方向で入り、
    第2ブランチの第2画像機構（3.2）の画像面（3.4）の近辺に、回折格子(5)が配置され、
    第2ブランチの第2画像機構(3.2)の軸上を進み、回折格子(5)によって角度（α）で回折されるビーム波は、第2画像出力機構(4.2)の軸に関して、角度（α）で第2画像出力機構(4.2)に入射し、上記軸に関して角度（β）で第2画像出力機構(4.2)を出射し、インターフェロメータの出力面(7)にその垂直線に関して角度（β）で入射し、
    角度（β）と（α）の関係は、sin(β) ＝ sin(α)／ｍである（ここで、ｍは第2画像出力機構（4.2）の倍率）。
  2. 多色放射で画像化を可能とする空間搬送周波数をもつインターフェロメトリックシステムであって、
    時間的、空間的に拡張されたインコヒーレント波源（１）の後に、インターフェロメータの二つのブランチ、特に第1のブランチと第2のブランチに入射波を分割するウエーブスプリッタ（２）が挿入され、
    第1のブランチの軸上に、任意に設計される第1画像機構(3.1)が配置され、第2のブランチの軸上に、波の伝播時間と倍率の双方に関して第1画像機構(3.1)と等しい第2画像機構(3.2)が配置され、
    第1ブランチの第1画像機構(3.1)の画像面(3.3)は、第1画像機構(3.1)に関して、この画像機構(3.1)の第1オブジェクト面（2.1）の画像であり、同時に、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の画像面(3.4)は、第2画像機構(3.2)に関して、この画像機構(3.2)の第2オブジェクト面（2.2）の画像であり、
    インターフェロメトリックシステムは、さらにインターフェロメータの出力面(7)に配置された検出器を含み、
    第1と第2のブランチ内の波の伝播時間の差は、ウエーブスプリッタ（2）でのビーム分割点からインターフェロメータの出力面(7)までの測定に使用される波のコヒーレンス時間より小さいものであり、
    以下の事項を特徴とするインターフェロメトリックシステム。
    第1ブランチの第1画像機構(3.1)の画像面（3.3）の後ろで、インターフェロメータの出力面(7)の前に、第1画像出力機構(4.1)が配置され、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の画像面（3.4）の後ろで、インターフェロメータの出力面(7)の前に、第2画像出力機構(4.2)が配置され、
    少なくとも一つのブランチで、関連する画像機構（3.1）、（3.2）とインターフェロメータの出力面(7)との間に、第一のブランチでは反射器の第1伝達システム(6.1)と、第二のブランチでは反射器の第2伝達システム(6.2)が配置され、
    それらは、第1ブランチの軸と第2ブランチの軸はインターフェロメータの出力面(7)の入口前で一致し、また、インターフェロメータの出力面(7)の垂直線と平行であり、さらに、インターフェロメータの出力面(7)は、第1画像出力機構(4.1)に関して、第1ブランチの第1画像機構(3.1)の画像面(3.3)の画像であり、第2画像出力機構(4.2)に関して、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の画像面(3.4)の画像であり、
    第1ブランチの第1画像機構(3.1)の第1オブジェクト面(2.1)と、インターフェロメータの出力面(7)との間の合計倍率は、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の第2オブジェクト面(2.2)と、インターフェロメータの出力面(7)との間の合計倍率に等しく、
    第1ブランチの第1画像機構（3.1）の画像面（3.3）の近辺に、第1の回折格子(5.1)が配置され、第1ブランチの第1画像機構(3.1)の軸上を進み、第1の回折格子(5.1)によって角度（α1）で回折されるビーム波は、第1画像出力機構(4.1)の軸に関して、角度(α1)で第1画像出力機構(4.1)に入射し、上記軸に関して角度（β1）で第1画像出力機構(4.1)を出射し、インターフェロメータの出力面(7)にその垂直線に関して角度（β1）で入射し、
    角度（β1）と（α1）の関係は、sin(β1) ＝ sin(α1)／ｍ1であり（ここで、ｍ1は第1画像出力機構（4.1）の倍率）、
    第2ブランチの第2画像機構（3.2）の画像面（3.4）の近辺に、第2の回折格子(5.2)が配置され、第2ブランチの第2画像機構(3.2)の軸上を進み、第2の回折格子(5.2)によって角度（α2）で回折されるビーム波は、第2画像出力機構(4.2)の軸に関して、角度（α2）で
    第2画像出力機構(4.2)に入射し、上記軸に関して角度（β2）で第2画像出力機構(4.2)を出射し、インターフェロメータの出力面(7)にその垂直線に関して角度（β2）で入射し、
    角度（β2）と（α2）の関係は、sin(β2) ＝ sin(α2)／ｍ2である（ここで、ｍ2は第2画像出力機構（4.2）の倍率）。
  3. 以下の事項を特徴とする請求項１記載のインターフェロメトリックシステム。
    第1ブランチはオブジェクトブランチであり、第2ブランチはレファレンスブランチであり、回折格子（５）は、レファレンスブランチの第2画像機構(3.2)の画像面(3.4)の近辺に配置された反射型回折格子であり、
    それに付属する反射器の第2伝達システム(6.2)は、第2画像機構（3.2）の軸上で、回折格子(5)から入射する回折波の光路内にあって、反射器の第2伝達システム(6.2)の軸上に配置された調整可能な半透明平面鏡（Ｚ6）による入力で形成され、また、半透明反射鏡（Ｚ6）によって反射された波の光路内に配置された調整可能な半透明平面鏡（Ｚ5）によって形成され、半透明平面鏡（Ｚ6）は半透明平面鏡（Ｚ5）の反射面と直角であり、
    さらに、反射器の第1伝達システム(6.1)は、第2画像機構（3.2）の軸上で、回折格子(5)から入射する回折波の光路内にあって、反射器の第1伝達システム(6.1)の軸上に配置された第1平面鏡（Ｚ1）による入力で形成され、また、第1平面鏡（Ｚ1）によって反射された波の光路内に配置された第2平面鏡（Ｚ2）によって形成され、その反射面は、第1平面鏡（Ｚ1）の反射面と直角であり、その後ろに配置された第3平面鏡（Ｚ3）の反射面と平行であり、第3平面鏡（Ｚ3）は、反射ビームの光路内に配置された第４平面鏡（Ｚ4）の反射面に垂直である。
  4. 以下の事項を特徴とする請求項２記載のインターフェロメトリックシステム。
    第1ブランチはオブジェクトブランチであり、第2ブランチはレファレンスブランチであり、回折格子（5.1）は、オブジェクトブランチの第1画像機構(3.1)の画像面(3.3)の近辺に配置された透過型回折格子であり、
    第2回折格子（5.2）は、レファレンスブランチの第2画像機構(3.2)のオブジェクト面の近辺に配置された透過型回折格子であり、
    この第2回折格子(5.2)に付属する反射器の第2伝達システム(6.2)は、第2画像機構（3.2）の軸上で、第2回折格子(5.2)から入射する回折波の光路内にあって、反射器の第2伝達システム(6.2)の軸上に配置された調整可能な第6平面鏡（Ｚ6）による入力で形成され、また、第6平面鏡（Ｚ6）によって反射された波の光路内に配置された調整可能な第5平面鏡（Ｚ5）によって形成され、第5平面鏡（Ｚ5）の表面は、第6平面鏡（Ｚ6）の反射面と平行であり、
    第1回折格子(5.1)に属する反射器の第1伝達システム (6.1)は、第1画像機構（3.1）の軸上で、第1回折格子(5.1)から入射する回折波の光路内にあって、反射器の第1伝達システム(6.1)の軸上に配置された第1平面鏡（Ｚ1）による入力で形成され、
    第1平面鏡（Ｚ1）によって反射された波の光路内に配置された第2平面鏡（Ｚ2）によって形成され、その反射面は、第1平面鏡（Ｚ1）の反射面と直角であり、その後ろに配置された第3平面鏡（Ｚ3）の反射面と平行であり、第3平面鏡（Ｚ3）は、反射ビームの光路内に配置された第４平面鏡（Ｚ4）の反射面に垂直である。
  5. 第1回折格子(5.1)は反射型回折格子または透過型回折格子であり、第2回折格子(5.2)は反射型回折格子または透過型回折格子であることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載のインターフェロメトリックシステム。
  6. 回折格子（5、5.1、5.2）は、その関連する画像面（3.3、3.4）に配置されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のインターフェロメトリックシステム。
  7. 回折格子（5、5.1、5.2）は、その関連する画像面（3.3、3.4）から±５００ｍｍの距離の近辺に配置されることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のインターフェロメトリックシステム。
  8. 第1画像出力機構（4.1）と第2画像出力機構（4.2）は、画像機構（3.1、3.2）の画像面（3.3、3.4）とインターフェロメータの出力面(7)との間の、第1及び第2ブランチの共通軸上に配置された1個の共通画像出力機構（4）によって形成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のインターフェロメトリックシステム。
  9. 第1ブランチの軸上にある第1ブランチの第1画像機構（3.1）の後ろに、第1スキャニングユニット（8.1）が配置され、第2ブランチの軸上にある第2ブランチの第2画像機構（3.2）の後ろに、第2スキャニングユニット（8.2）が配置されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のインターフェロメトリックシステム。
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