JP2013231716A - 干渉測定法およびデジタルホログラフィ顕微鏡 - Google Patents

Abstract

【課題】３次元測定の分野に比較的新しい技術である軸外法を用いた光学測定システムを提供する。
【解決手段】レーザ１００１からのビームが、ハーフミラー１００２によって参照ビーム１００３と物体ビーム１００７に分割され、参照ビーム１００３は、ミラー１００４およびハーフミラー１０１２を介して検出器１００６に進み、物体ビーム１００７は、ミラー１００８を介して物体１００９に進み、次いで、物体ビーム１００７は、物体１００９を通過し、２つのレンズ１０１０および１０１２ならびにハーフミラー１０１２を介して検出器１００６に進み、検出器１００６は干渉パターンを検出する。複数の干渉パターンを検出するために物体ビーム１００７を非線形走査することとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、試料に関する情報を検出するための干渉測定法およびデジタルホログラフィ顕微鏡に関する。

ホログラムを用いて物体の像を再構築するデジタルホログラフィ顕微鏡に用いる方法は主に２つあり、１つは位相シフト法（すなわち、軸上法）であり、もう１つは軸外法である。

軸上法は、通常、ある方向から物体を観察しこの物体の像を再構築するために複数枚のホログラム（例えば４枚のホログラム）を必要とする。これは、１枚のホログラムだけでは、物体の存在によって入射ビームの位相が遅れたかどうか示すことができないからである。

したがって、互いに位相がずれたいくつかの参照ビームを用いることによって複数枚のホログラムが形成される。軸上法では、検出器上の、各参照ビームによって得られる像の光強度情報を用いて物体の像を再構築する。

一方、軸外法は、像を再構築するためにこのような複数枚のホログラムを必要としない。軸外法では、参照ビームおよび物体ビームによって形成される干渉パターンを用いて物体の像を再構築する。

軸上法に要する測定時間は、ホログラムの枚数に鑑みて、軸外法よりも、例えば４倍長くかかり得る。

位相物体の３次元トモグラフィ測定を実行するためには物体に対して様々な照明角度で得られる複数枚のホログラムが必要なので、測定時間に鑑みて軸外法が選択されることがある。

３次元測定の分野に軸外法を適用することは比較的新しい技術であり、まだ成熟された技術ではない。したがって、３次元測定に軸外法を用いる光学測定システムが必要とされている。

本発明の一態様によれば、試料に関する情報を検出するための干渉測定方法は、レーザビームを放出することと、レーザビームを参照ビームと物体ビームに分割することと、物体ビームをある入射角で試料を透過させることと、参照ビームと、試料を通過した物体ビームとを合成して干渉パターンを形成することと、干渉パターンを検出することと、複数の干渉パターンを検出し、試料の３次元像を再構築するために物体ビームを非線形（例えば、円形またはスパイラル）走査することとを含む。

本発明の別の態様によれば、試料に関する情報を検出するための干渉測定方法は、レーザビームを放出することと、レーザビームを参照ビームと物体ビームに分割することと、物体ビームをある入射方向に試料を透過させることと、参照ビームと、試料を通過した物体ビームとを合成して干渉パターンを形成することと、干渉パターンを検出することと、複数の干渉パターンを検出するために、物体ビームの入射方向を変化させることと、複数の干渉パターンの各縞ピッチが一定になるように参照ビームの伝播方向を変化させることとを含む。

本発明の別の態様によれば、試料に関する情報を検出するための干渉測定方法は、レーザビームを放出することと、レーザビームから第１の偏光の参照ビームおよび第２の偏光の物体ビームを生成することと、物体ビームをある入射方向に試料を透過させることと、参照ビームと、試料を通過した物体ビームとを合成して干渉パターンを形成することと、干渉パターンを検出することと、複数の干渉パターンを検出するために、レーザビームを走査して物体ビームの入射方向を変化させることとを含む。

本発明の別の態様によれば、デジタルホログラフィ顕微鏡は、レーザビームを放出するように構成されたレーザ源と、レーザビームを、ある入射角で試料を通過する物体ビームと、参照ビームとに分割するように構成されたビームスプリッタと、物体ビームで試料を照射するように構成されたコンデンサと、対物レンズであって、コンデンサおよび対物レンズが光軸に沿って配置された対物レンズと、複数の干渉パターンを形成するために、入射角を維持しながら光軸の周りで物体ビームを回転させるように構成されたビーム角度コントローラと、干渉パターンを検出するように構成された検出器とを備える。

本発明の別の態様によれば、試料の屈折率に関する情報を得るための干渉測定方法は、試料を通過する物体ビームおよび参照ビームを準備することと、物体ビームと参照ビームを合成することによってある縞ピッチを有する干渉パターンを形成することと、干渉パターンを検出することと、縞ピッチを維持しながら物体ビームを走査して複数の干渉パターンを検出することとを含む。

軸外法に用いるシステムを示す図である。 物体ビームと参照ビームの関係を示す図である。 物体ビームの線形走査を示す図である。 物体ビームの入射角の範囲を示す図である。 試料としての棒状構造を示す図である。 線形走査法を用いることによる棒状構造の再構築像を示す図である。 試料に対する物体ビームの方向を示す図である。 円形走査における物体ビームの入射角を示す図である。 干渉測定法用のシステムを示す図である。 ビーム角度コントローラを示す図である。 ビーム角度コントローラを示す図である。 ビーム角度コントローラを示す図である。 検出器の像面上の物体ビームおよび参照ビームを示す図である。 合成されたホログラムを示す図である。 合成されたホログラムを示す図である。 高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって計算された棒状構造の空間周波数スペクトルの断面を示す図である。 光軸に沿った単一の物体ビームでの球殻を示す図である。 光軸に沿った単一の物体ビームでの３次元球殻の断面を示す図である。 円形走査の２つの角度を示す図である。 １００個の角度での円形走査での球殻を示す図である。 １００個の角度での線形走査での球殻を示す図である。 １００個の角度での円形走査による再構築像を示す図である。 ３次元再構築方法のフローチャートを示す図である。 １次スペクトルを切り取る演算開口を示す図である。 物体ビームの入射角についての範囲を示す図である。 ２００種類の角度を用いた２段線形走査での球殻の断面を示す図である。 交差走査を用いることによる再構築像を示す図である。 軸外法用のシステムを示す図である。 ホログラムを示す図である。 ホログラムを示す図である。 ホログラムを示す図である。 空間周波数スペクトルを示す図である。 空間周波数スペクトルを示す図である。 空間周波数スペクトルを示す図である。 スパイラル走査を示す図である。 デジタルホログラフィ顕微鏡の一部を示す図である。 軸外法用のシステムを示す図である。 演算開口の中心を示す図である。 軸外ホログラフィシステムを示す図である。 物体ビームの入射角（θ_ＯＢＪ）と参照ビームの入射角（θ_ＲＥＦ）の関係を示す図である。 軸外ホログラフィシステムを示す図である。 回折格子を示す図である。 開口を示す図である。 軸外法用の別のシステムを示す図である。 回折格子を示す図である。 ビーム制御ユニットを示す図である。

本発明による実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。
（第１実施形態：円形走査）
図１に軸外法を実施するためのシステム１０００を示す。デジタルホログラフィ顕微鏡として、図示しないディスプレイおよびコンピュータを用いることができる。レーザ１００１からのビームが、ハーフミラー１００２によって参照ビーム１００３と物体ビーム１００７に分割される。参照ビーム１００３は、ミラー１００４およびハーフミラー１０１２を介して検出器１００６に進む。図１に示すように、物体ビーム１００７は、ミラー１００８を介して物体（試料）１００９に進む。次いで、物体ビーム１００７は、物体１００９を通過し、２つのレンズ１０１０および１０１２ならびにハーフミラー１０１２を介して検出器１００６に進む。物体は、例えば、生きている、または死んでいる細胞、組織、または生体とし得る。

物体１００９の位相情報が、物体ビーム１００７および参照ビーム１００３によって形成される干渉パターン（すなわち、縞パターン）として測定される。検出器１００６上に干渉パターンを形成するために、参照ビーム１００３は、物体ビーム１００７に対して完全には平行でない。検出器は、干渉パターンに関する情報をデジタルホログラムとして得ることになる。

図２に示すように、検出器１００６に対する２本のビーム（参照ビーム１００３および物体ビーム１００７）の入射角は、それぞれθ_ＲＥＦおよびθ_ＯＢＪによって与えられる。検出器面２００１は、光軸２００６（図２の点線）に直交している。角度θ_ＯＢＪおよびθ_ＲＥＦはともに測定中は一定とし得る。軸外測定では、通常の構成において、θ_ＯＢＪ＝０であり、θ_ＲＥＦは数度（例えば０．６度）である。検出器面２００１上の縞パターン２００５の縞ピッチｄは、これらの角度に関連している。

軸外法用のシステム１０００によって、物体１００９の位相情報を１回の測定で得ることができる。検出器１００６によって得られるホログラムデータは、メモリまたはデータ記憶装置（図示せず）に記憶される。ホログラムデータに基づく像の再構築は演算的に実行することができ、これがいわゆるデジタルホログラフィ顕鏡法である。

デジタルホログラフィ顕鏡法に基づく位相物体の３次元トモグラフィ測定は、軸外法を用いることによって実施することができる。異なる照明角度で得られる複数枚のホログラムを用いて、演算により３次元再構築像が得られる。

複数枚のホログラムを得るには、図３に示すように、ｘ軸に沿って物体ビーム１００７を線形に走査すればよい。図４に、物体ビーム１００７の入射角の範囲を示す。矢印１０９７は走査軌跡を意味する。しかし、物体としての試料の形状が図５Ａに示すように棒状構造５００９である場合、棒状構造５００９のｘ軸に沿った軸方向解像力は、ｙ軸に沿った軸方向解像力ほど高くない。図５Ａの棒状構造のピッチは２．５４μｍであり、波長は０．５４３μｍである。図５Ｂに、線形走査によって得られる再構築像を示す。

この線形走査による再構築像は、±６０度の間で１００個の角度を含んでいる。この像を計算するための理論的な方法は後で説明する。図５Ｂの像におけるｙ軸に沿った棒状構造は良好に再構築されているが、ｘ軸に沿った他方の棒状構造は十分に解像されていない。

ビームの波長をλとすると、物体がない場合に検出器上に生成される縞パターンのピッチｄは、下記の式（１）によって与えられる。

・・・（１）

θ_ＯＢＪおよびθ_ＲＥＦは、図２で示すように定義される。縞パターンは、位相分布を有する位相物体の存在によって変調される。ピッチｄの値は、高解像度のホログラムを得るために最小限に抑えるべきである。

しかし、ピッチｄの最小値は、検出器１００６（例えば、ＣＭＯＳまたはＣＣＤ）の画素ピッチによって制限される。したがって、検出器特性に従って決まる最適値ｄが存在する。

物体に対する照明角度がｘ−ｙ面内で変化する場合、縞ピッチも照明角度に従って変化する。

ｘ−ｙ面内で物体ビーム１００７に対するミラー１００８の角度を変えることによって、それに従って照明角度および検出器上での物体ビームの角度（θ_ＯＢＪ）が変化する。

軸外技術では、観察中に物体を照明するビーム角度を変化させると、検出器１００６上に形成される縞のピッチも角度（θ_ＯＢＪ）の変化に伴って変化する。

以下に、トモグラフィデジタルホログラフィ顕鏡法で円形走査する新規の構成を説明する。

この構成により、ｘ軸およびｙ軸に沿った対称な再構築像を得ることができる。したがって、ｘ軸およびｙ軸の両方に沿った棒状構造を同じ数の角度、例えば１００個の角度で同時に再構築することができる。

図６に、試料６００９に当てる物体ビームの構成を示す。この構成は、例として４本の物体ビーム６００７を含む。これらのビーム６００７は、１本ずつ試料６００９に当てることができる。実用上は、物体ビームの角度の数を４つよりも多くすることがあり、例えば、１００個にすることがあるが、ここでは、例示の図を見やすくするために、数本のビームだけを用いる。この走査方法は円形走査と呼ばれることがある。

図７に、円形走査における物体ビーム６００７の入射角（照明角度）の範囲を示す。図７の矢印７０７９付きの円は、図６の条件を示している。

この円形走査を極座標（θ,φ）で表現すると、図７では、θは常に６０°とし、φは０°から３６０°とし得る。θは、光軸に対する照明角度である。φは回転角である。

θの角度６０°は一例である。ただし、θは、小さ過ぎず大き過ぎない別の角度とすることもできる。角度θは、例えば、２５°と７５°の範囲内で選択し得る。

角度が小さ過ぎると（例えば５°）、軸方向解像力が低くなる。角度が大き過ぎると（例えば８５°）、物体ビームが、図８の対物レンズ１８１０の開口を通過することができなくなり得る。この開口は後で説明する。

図８に、デジタルホログラフィ顕鏡法用のシステム構成を示す。レーザ光源１８０１からのＨｅ−Ｎｅレーザビーム（λ＝５４３ｎｍ）が、ビームスプリッタ１８０２によって物体ビーム１８０７と参照ビーム１８０３に分割される。レンズＬ１ １８１１、ピンホールを備えた部材１８１２、およびレンズＬ２ １８１３を用いる。このシステムでは、ミラー１８０４、１８０８、１８１４、および１８２０を用いる。

物体ビーム１８０７に関して、ビーム角度は、２次元ビーム角度コントローラ１８１６によって２次元的に制御される。レンズＬ４ １８１７が、レンズＬ４ １８１７の焦点距離だけビーム角度コントローラ１８１６から離れた位置に配置される。コンデンサ１８１８が、Ｌ４ １８１７の焦点距離とコンデンサレンズの焦点距離の合計だけＬ４ １８１７から離れた位置に配置され、そのため、試料内でビームがコリメートされ、また、試料１８０９がビーム角度コントローラ１８１６と共役な面に配置される。次いで、試料１８０９を通った物体ビーム１８０７が対物レンズ１８１０によって集光される。物体の像が、チューブレンズ１８２２を介して像面１８１９に形成される。得られたホログラムは、３次元画像化に用いられる試料の屈折率情報に関連している。

対物レンズ１８１０とチューブレンズ１８２２の間の距離が、これらのレンズ１８１０と１８２２の焦点距離の合計よりも短い場合、ビームはホログラム面１８１９で発散する。

参照ビーム１８０３の経路において、参照ビームの波面が、発散によって生じる物体ビームの波面と一致するような位置にレンズＬ３ １８２１が配置される。

２次元ビーム角度コントローラ１８１６用の構成要素は、例えば、図９Ａ、９Ｂ、および９Ｃに示すユニットから１つを選択し得る。

図９Ａでは、このユニットは２つのガルバノメータミラーを用いる。第１のミラー９０５５は水平角度を制御することができ、第２のミラー９０５６は垂直角度を制御することができる。２つの角度を組み合わせることによって円形走査を実行し得る。図９Ｂおよび９Ｃのユニットは、それぞれ回転プリズム９０５７および回転ミラー９０５８を備えたコントローラである。これらの回転により、直接、円形走査が得られる。ビーム角度コントローラを用いることによって、対物レンズ１８１０とコンデンサ１８１８の間で物体ビームの入射角を光軸１８９９の周りで、物体ビームの入射角と光軸との角度は維持しながら、回転させることができる。

図９Ａに示すような２段ガルバノメータミラーが市販されている。ビームコントローラ１８１６は、試料との共役面に配置する必要がある。しかし、これらの２枚のミラー９０５５および９０５６は、同時に共役面に正確に配置しなくてもよい。そうするには、例えば２枚のミラー間にリレーレンズ系を設定するなど、システムが複雑になる。第１または第２のミラーのいずれかが共役面に配置される場合、試料に当たる入射ビームの位置がずれる。このずれ量は、２枚のミラーの中間点を試料と共役とすることによって最小限に抑えることができる。

Ｌ４ １８１７およびコンデンサ１８１８の焦点距離がそれぞれ１００ｍｍおよび９ｍｍであり、２枚のミラー間の距離が１３ｍｍである条件下で、このずれ量は、物体ビームの直径０．９ｍｍおよびＦＯＶの直径０．２４ｍｍに対して０．１６ｍｍになる。ビーム角度コントローラ上での物体ビームのビーム径は１０ｍｍである。このＦＯＶは、倍率を１００ｘとした顕微鏡の仕様によるものである。このビーム径はずれ量とＦＯＶの合計の範囲内であり、そのため、このずれ量は許容範囲内である。以上の考察から、２次元ビーム角度コントローラ１８１６として２段ガルバノメータミラーを用いることができる。

図１０に、像面上の物体ビームおよび参照ビームを示す。この図は、図６のビームの位置に対応する例として、物体ビーム１８０７の４つの位置を含む。また、この図は、像面に直交する参照ビーム１８０３を含む。

参照ビーム１８０３は像面（ｘ−ｙ面）に直交し、光軸に沿った参照ビーム１８０３に対する物体ビーム１８０７の入射角θは一定である。この角度θは、下記の式（２）によって計算し得る。Ｍは、対物レンズとチューブレンズの組合せの倍率である。ｎ_ｏｉｌは、対物レンズのイマージョンオイルの屈折率である。６０°は図７の角度である。

・・・（２）

θが一定の場合、物体ビームと参照ビームとの角度は、円形走査中、常に同じである。

これら２本のビームによって像面に縞パターンが生成され、これらの縞パターンはホログラムとして記憶し得る。２本のビーム間の角度が常に同じであるため、縞ピッチはほぼ一定である。理論的には、縞ピッチは一定であるが、実際にはピッチの±５％程度の範囲内で変化し得る。この変化は、実験上のアライメント誤差により生じ得るものである。この実施形態では、縞ピッチがある値に実質的に維持される場合、ピッチの変化はピッチ幅の±５％の範囲内である。

図１１Ａおよび１１Ｂに、それぞれφ（０°および３０°）での合成されたホログラムを示す。試料は、オイル中の１０μｍビーズである。ビーズおよびオイルの屈折率はそれぞれ１．５８８および１．５５９である。いずれの角度に対してもピッチは同じである。図１１Ａの縞ピッチｄは、図１１Ｂの縞ピッチと同じである。

縞ピッチをこのように一定とすると、解像力およびＦＯＶが悪化しない。これは、どの照明角度に対しても解像力およびＦＯＶに最適な縞ピッチを用いることができるからである。

次に、円形走査システムの性能を評価する。試験物体は図５Ａと同じである。図１２に、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって計算される試験物体の空間周波数スペクトルの断面を示す。図１２にＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を適用すると、些細な数値的誤差を除いて図５Ａと同じ像が得られる。このスペクトルは、軸外法によって得ることができる。ある入射角（照明角度）で、このスペクトルのいくつかの部分を観察し得る。フーリエ空間におけるξ、η、およびζ軸は、実空間におけるｘ、ｙ、およびｚに対応し、右側のカラーバーはスペクトルの振幅の大きさを示す。

図１３Ａに、入射波ベクトル（ｋ_ｉ）、物体によって散乱される波ベクトル（ｋ_ｓ）、およびこれらの差（Δｋ＝ｋ_ｓ−ｋ_ｉ）を示す。一般の物体は入射ビームの波長を変化させることはできないので、ｋ_ｉおよびｋ_ｓの長さは同じである。したがって、Δｋは球面上にあることになる。この系は透過モードであり、そのため、ｋ_ｉとｋ_ｓの間の角度は９０°未満であり、そのため、この球は実際には半球である。この半球を本明細書では球殻と呼ぶ。

図１３Ａに、入射ビームが光軸に沿う場合、すなわち、（θ，φ）＝（０，０）である場合を示す。図１３Ａは２次元像であり、図１３Ｂは球殻の３次元像である。図１３Ｂは、図１３Ａの断面３次元球殻を示す。光軸に沿った入射ビームでは、図１３Ｂの球殻上のスペクトルのみを観察し得る。数値的な方法では、図１２および図１３Ｂの積のＩＦＦＴによって再構築像を計算することができる。図１３Ｃに、円形走査の２つの入射角に対応する２つの球殻を示す。ｋ_ｉは、入射角に従って傾いている。図１３Ｄに、（θ，φ）＝（６０°，０°〜３６０°）の１００個の角度を用いた円形走査での球殻を示す。一方、図１３Ｅには、（θ，φ）＝（−６０°〜６０°，０°）の１００個の角度を用いた線形走査での球殻を示す。図５Ｂは、図１２および図１３Ｅの積のＩＦＦＴの計算結果である。

図１４に、１００個の角度での円形走査による再構築像を示す。この像は、図１２と図１３Ｄの積のＩＦＦＴによって計算される。この像は、ｘ軸およびｙ軸に関して対称である。ｘ軸およびｙ軸の両方に沿った棒状構造が良好に再構築されている。

この例では、φは０°から３６０°であるが、この範囲は狭めることができる。例えば、走査範囲が半分であっても、すなわち、φが０°から１８０°であっても、比較的妥当な再構築像が得られる。

また、照明角度であるθは正確に一定である必要はない。θは、走査中に、例えば６０°から５０°に変化させることができるが、角度θの変動により、軸方向解像力が悪化することがある。

ここで、ソフトウェアの観点から再構築プロセスを説明する。図１５に、３次元再構築アルゴリズムのフローチャートを示す。

Ｓ２５０１で、ある走査角度について検出器によって縞パターンが得られる。Ｓ２５０２で、数値２次元ＦＦＴに基づく計算によって空間周波数スペクトルが得られる。Ｓ２５０３で、物体ビームの角度に従った演算開口（computational aperture;演算上の開口）を用いることによって１次スペクトルが切り取られる（選択的に収集される）。

検出器上での光強度は、

・・・（３）

と表現される。Ｅ_０（ｘ，ｙ）およびＥ_Ｒ（ｘ，ｙ）は、それぞれ物体ビームおよび参照ビームの電界である。第１項および第２項は０次光に対応する。第３項は＋１次項に対応し、第４項は−１次光に対応する。

第３項は、下記のように書き換えることができる。光は極めて高速で伝播するので、位相自体を観察することはできないが、位相差を観察することはできる。下記の式（４）のφ_０（ｘ，ｙ）−φ_Ｒは、位相差を意味する。

・・・（４）

＋１次光は、演算開口を用いることによって取り出すことができ、＋１次光のフーリエ変換が上記の式に対応する。そのため、位相分布を再構築することができる。

１次ピークの位置は照明ビーム角度φに従ってシフトするので、開口もシフトする必要がある。円形走査を用いる場合、この開口は円形にシフトする。

Ｓ２５０４で、座標の原点がスペクトルの中心にシフトされて、縞パターンが取り除かれる。Ｓ２５０５で、切り取られたスペクトルが、物体ビーム角度φに従って球殻上に置かれる。

これらの手順が、すべての走査角度φについて実行され、図１３Ｄのような球殻が計算される。次いで、最後に、Ｓ２５０６で、数値３次元ＩＦＦＴによって再構築像が計算される。

図１６に、円形走査によって得られる１次スペクトルを切り取るための演算開口１６０４を示す。フーリエ空間におけるξ軸およびη軸は、実空間におけるｘおよびｙを示す。１６０１、１６０２、および１６０３は、それぞれθとして９０度、６０度、および３０度を示す。

開口１６０４は、図１５のＳ２５０３で用いられる。この位置は、図７の物体ビーム角度に対応する。

図１７に、球殻でフーリエ空間を覆うために、物体ビームの入射角の別の範囲を示す。この走査は、水平線形走査と垂直線形走査の組合せである。そのため、この走査方法を交差走査と呼ぶことがある。

図１８に、（θ，φ）＝（−６０°〜６０°，０°）のおよび（−６０°〜６０°，９０°）１００個の角度を用いた交差走査での球殻を示す。これら１００個の角度は、水平方向に沿った５０個の角度および垂直方向に沿った５０個の角度を意味する。

図１９に、１００個の角度での交差走査による再構築像を示す。この像は、図１２と図１８の積のＩＦＦＴによって計算される。この像もｘ軸およびｙ軸に関して対称である。ｘ軸およびｙ軸の両方に沿った棒状構造を再構築することができる。
（第２実施形態：スパイラル走査）
この実施形態における下記の構成は軸外法に基づくものである。

図２０では、システム２８００は、レーザ源２８０１から放出される入射光を第１のビームスプリッタ２８０２によって２本のビームに分離し、これらのビームを第２のビームスプリッタ２８１２によって合成する。このシステムでは、レンズユニット（２８１４、２８１５、２８１６、および２８１７）を用いることができる。一方のビームを物体ビーム２８０７と呼び、他方のビームを参照ビーム２８０３と呼ぶことができる。試料２８０９は、物体ビーム側に配置される。物体ビーム２８０７は、ガルバノメータミラー２８０８によって傾けられる。この傾きにより、検出器２８０６上で物体ビームと参照ビームの間に角度が生じ、それによって、検出器２８０６上で縞パターンが生成される。この縞パターンはデジタルホログラムとして記録される。

ガルバノメータミラー２８０８の角度を変化させることによって、試料２８０９に対する物体ビーム２８０７の入射角を制御し得る。この入射角を制御することによって、試料２８０９を多数の角度で走査することができ、それによって、試料２８０９の３次元像を再構築し得る。ガルバノメータミラー２８０８が３次元的に動いてもよいし、２つのガルバノメータミラーを用いてより効率的に走査してもよい。

このシステムは位相シフト法ではなく軸外法に基づくものであるため、位相シフトを生成するための変調器、例えばＡＯＭは必要とされない。システム２８００は、この種のハードウェアを含まない。したがって、システム２８００は、位相シフト法によるデジタルホログラフィ顕微鏡よりも単純である。

図２１Ａ、２１Ｂ、および２１Ｃに、ホログラムの例を示す。波長は０．５４３μｍである。試料の形状は球であり、その直径は５μｍであり、その屈折率は１．５１である。周囲の屈折率は１．４９である。視野サイズは１３μｍである。対物レンズ２８１０のＮＡ（開口数）は０．８である。図２１Ａは物体ビームの入射角θが大きい場合に対応し、図２１Ｃは物体ビームの入射角が小さい場合に対応する。図２１Ｂは、物体ビームの入射角θが中くらい（図２１Ｃに示す小さな入射角θと図２１Ａに示す大きな入射角θの間）の場合に対応する。

図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃに、それぞれ図２１Ａ、２１Ｂ、および２１Ｃのホログラムのスペクトルを示す。これらのスペクトルは、数値フーリエ変換によって計算されたものである。

検出器２８０６上の光強度は式（５）で表現される。

・・・（５）

Ｅ_０（ｘ，ｙ）およびＥ_Ｒ（ｘ，ｙ）は、それぞれ物体ビームおよび参照ビームの電界である。第１項および第２項は０次光に（図２２Ａ〜２２Ｃの中央の分布２２０１に）対応し、第３項は＋１次項（図２２Ａ〜２２Ｃの右側の分布）に対応し、第４項は−１次光（図２２Ａ〜２２Ｃの左側の分布）に対応する。

第３項は、下記のように書き換えることができる。光は極めて高速で伝播するので、位相自体を観察することはできないが、位相差を観察することはできる。下記の式（６）の（φ_０（ｘ，ｙ）−φ_０）は、位相差を意味する。

・・・（６）

＋１次光は、それぞれ図２２Ａ、２２Ｂ、および２２Ｃのように演算開口２２０５、２２０６、および２２０７を用いることによって取り出すことができ、＋１次光のフーリエ変換が上記の式に対応する。そのため、位相分布を再構築することができる。

図２１Ａで縞パターン（より大きな入射角）がより細かいことにより、図２２Ａで＋１次光が０次光２２０１からより遠くに離れる。＋１次光が０次光により近いと、演算開口のサイズが小さくなる。これは、＋１次光が０次光に重なり得るからである。解像力は開口の直径に比例するので、開口サイズが小さいことは解像力が低いことを意味する。そのため、入射角が小さいと解像力が小さくなる。

図２３に、物体ビームの走査方向を示す。図２３のξおよびηは、それぞれフーリエ空間におけるｘ軸およびｙ軸に対応する。＋１次光を取り出すための演算開口２３０１、２３０２、および２３０３の中心位置は、開口のサイズを変化させながら、移動／回転する。矢印２３０５は、試料を多数の角度で走査する一例を示す。要するに、物体ビームと光軸（ｚ）の間の角度は、矢印２３０５で示す方向に沿って走査しながら、徐々に小さくなり得る。一般に、軸外法では固定演算開口を用いるが、本実施形態では、図２４に示すようにコンピュータが実行する演算によって開口を作為的に移動または回転させる。そのため、軸外角度として入射角を効率的に用いる新規のシステムが新たに提供される。

開口の中心位置での半径（図２３の点線２３０６、２３０７）には、上限と下限があり得る。この半径が大きいことは、ホログラムにおける縞が細かいことを意味する。上限２３０６は、検出器のピッチによって決まることがある。これは、検出器が縞パターンを認識する必要があるからである。この半径が小さいと、開口数の大きさが小さくなる。下限２３０７は、必要とされる解像力によって決まり得る。これは、開口の直径が必要とされる解像力を満足する直径よりも大きい必要があるからである。

高解像３次元像を得るために、小さいほうの点線円２３０７内の領域も走査すべきである。検出器に対して参照ビームを傾けることによって、この領域で検出器上の縞パターンを取得できる。

図２５に、検出器２８０６に対して参照ビーム２８０３を傾けたシステムを示す。この参照ビーム２８０３は、第２の参照ビームとみなし得る。検出器２８０６の法線ベクトルと参照ビーム２８０３の間の角度は極めて小さく、例えば１〜２度である。これは、この角度が対物レンズ２８１０およびチューブレンズ２８１１の倍率で小さくなるからである。図２３の矢印２３０５は、小さいほうの点線円２３０７の外側にあり、図２０の構成が用いられる。次に、図２３の矢印２３０５が小さいほうの点線円２３０７の内側にある場合、図２３の座標の原点をシフトするために図２５の構成が用いられる。図２０のシステムと図２５のシステムを素早く切り替えるには、ミラー３３０４を傾ければよい。矢印が図２３の２３０７の外側にある場合、ミラー３３０４（図２０の２８０４）が用いられ、矢印が図２３の２３０７の内側にある場合、ミラー３３０４が用いられる。

図２６に、図２５に示す構成で＋１次光を取り出すための演算開口（２６９７、２６９８、２６９９）の中心位置を示す。参照ビーム２８０３を傾けることは、スペクトルのη軸をシフトさせることを意味する。演算開口の直径は、円の中心と座標の原点との距離に比例する。したがって、図２６の矢印が小さいほうの点線円２６０７の内側にあっても、演算開口のサイズは、必要とされる解像力を得るのに十分に大きい。
（第３実施形態：両方のビームを走査する）
この実施形態では、物体ビームの照明角度を変化させながら参照ビームの角度を制御する方法を説明する。

図２７に、軸外ホログラフィシステム２７００を示す。レーザ源２７０１からのビームは、ハーフミラー２７０２によって物体ビーム２７０９と参照ビーム２７０３に分割される。物体ビーム２７０９は、走査ミラー２７１０、レンズ２７１１、レンズ２７１２、物体２７５０、レンズ２７１３、レンズ２７１４、およびハーフミラー２７０８を介して検出器２７０７に進む。参照ビーム２７０３は、走査ミラー２７０４、レンズ２７０５、レンズ２７０６、およびハーフミラー２７０８を介して検出器２７０７に進む。検出器２７０７は、物体ビームおよび参照ビームによって形成される縞パターンを検出し得る。

レンズ１ ２７１１およびレンズ２ ２７１２により、ミラー２７１０と物体ビーム２７５０が互いに共役になり、そのため、ミラー２７１０を傾けても、物体２７５０内でビームの位置が変化しない。レンズ３ ２７１３は対物レンズであり、レンズ４ ２７１４はチューブレンズであり、これらのレンズにより像が拡大される。レンズ５ ２７０５およびレンズ６ ２７０６は、参照ビームの直径を変化させて物体ビームの直径に合わせる。

走査ミラー２７１０は、物体ビームと光軸の間の角度である物体ビームの角度を制御し、走査ミラー２７０４は、参照ビーム２７０３と光軸の間の角度である参照ビームの角度を制御する。物体ビーム２７０９の経路では、走査ミラー２７１０の位置が物体２７５０の位置と共役であり、物体２７５０の位置が検出器２７０７の位置と共役である。参照ビーム２７０３の経路では、走査ミラー２７０４の位置が検出器２７０７の位置と共役である。

物体ビーム２７０９と参照ビーム２７０３との相対角度は一定ではなく、走査中に縞ピッチｄを一定に保つために変化する。

図２８に、縞ピッチを一定に保つためのθ_ＯＢＪとθ_ＲＥＦの関係を示す。計算に際して、λ＝５４３ｎｍかつｄ＝１５．６μｍと仮定する。この実施形態では、物体ビーム２７０９の角度は一定の間隔で変化し、参照ビーム２７０３の角度は下記の式（７）を満足するように独立に制御される。

・・・（７）

物体ビーム２７０９の角度を走査中に変化させても、図２８に示す関係に基づいてθ_ＯＢＪとθ_ＲＥＦの関係が変化する限り、縞のピッチは維持される。第２実施形態のシステムでは、スパイラル走査のために各縞ピッチが変化するが、参照ビームも物体ビームのスパイラル走査に従って走査される場合、各縞ピッチは一定に保たれる。

図２９に、別の軸外ホログラフィシステムを示す。レーザ２７０１からの光ビームが、物体ビーム２７０９と参照ビーム２７０３に分割される。物体ビーム２７０９は、走査ミラー２７１０、レンズ群（２９５０、２９５１、２９５２、２９５３、２９５４、および２９５５）、物体２９５６、レンズ２９５７、レンズ２９５８、およびハーフミラー２９５９を介して検出器２９６０に進む。参照ビーム２７０３は、走査ミラー２７０４、レンズ２９７０、レンズ２９６９、回折格子２９６８、レンズ２９６７、開口２９６６、レンズ群（２９６５、２９６４、２９６３、２９６２、および２９６１）、およびハーフミラー２９５９を介して検出器２９６０に進む。

走査ミラーは、上記の実施形態で説明したようにθ_ＯＢＪとθ_ＲＥＦの関係を維持しながら移動し得る。

この実施形態では、走査ミラー２７１０と走査ミラー２７０４の角度は互いに同期している。回折格子２９６８によって生成され、開口２９６６によって空間的にフィルタリングされる１次回折ビームは、参照ビーム２７０３として用いられる。開口２９６６は、他のすべての次数の回折ビームを遮断する。

開口２９６６内での回折ビームの位置は、ミラー２７０４を走査することによってシフトする。回折格子がｙ軸に沿ったスリットを有し、走査方向がｘ軸に平行である場合、走査中に、１次回折ビームの領域が他の次数の回折ビームの領域と重なり合うことがある。１次回折の領域は、他のすべての次数の回折ビームを遮断するために分離すべきである。

図３０Ａに、ｙ軸に対してわずかに傾けた回折格子２９６８を示す。このようにわずかに傾けることによって、開口位置での各次数の回折ビームの領域がｙ軸に沿ってシフトする。図３０Ｂに、１次回折ビーム３０１０を除くすべての次数の回折ビーム（例えば、０次光３０２０）を遮断する開口３０００の一例を示す。回折格子によって生じる歪みが顕著な場合、開口の形状を改変し得る。｜ｘ｜位置が大きくなるほど、開口部分の｜ｙ｜位置をわずかに大きくし得る。

参照ビームの経路では、回折格子２９６８の位置は走査ミラー２７０４の位置と共役であり、走査ミラー２７０４の位置は検出器２９６０の位置と共役である。

物体ビームの経路では、走査ミラー２７１０の位置は物体２９５６の位置と共役であり、物体２９５６の位置は検出器２９６０の位置と共役である。

走査ミラー２７１０および走査ミラー２７０４の角度は、走査中に、同じ増分で同時に変化させ得る。こうすると、検出器上に生成される縞のピッチが一定に保たれる。検出器２９６０上に生成される縞のピッチは、回折格子２９６８のピッチによって決まる。下記の式（８）の関係を用いて言い換えると、縞パターンのピッチの式は、式（９）で記述し得る。

・・・（８）

ここで、Ｌは回折格子のピッチである。これにより、式（７）を次のように書き換えることができる。

・・・（９）

したがって、検出器２９６０上に生成される縞のピッチは、回折格子２９６８の格子ピッチによって決まる。

図３１に示す別の実施形態では、一方の走査ミラーだけが、物体ビームおよび参照ビームの両方の角度を変化させる必要がある。

レーザ３１００からのビームは、走査ミラー３１０１によって走査することができ、レンズ３１０２およびレンズ３１０３を介して回折格子３１０４に入力される。０次および１次の回折ビームは、レンズ３１０５を介してビーム制御ユニット３１０６に進む。

０次回折ビームは物体ビーム３１９８として用いられ、１次回折ビームは参照ビーム３１９９として用いられる。これらのビームはミラー３１０８およびＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）３１０９を介して検出器に進む。ビーム制御ユニット３１０６は３つの機能を有する。（ｉ）０次および１次以外の回折ビームを遮断すること、（ｉｉ）物体ビーム（０次ビーム）３１９８の偏光状態を（偏光ベクトルが図の面内にある）ｐ偏光に変化させること、および（ｉｉｉ）参照ビーム（１次ビーム）３１９９の偏光状態を（偏光ベクトルが図の面に直交する）ｓ偏光に変化させることである。

これらの２本のビームは、ｐ偏光を透過させｓ偏光を反射するＰＢＳ３１０９によって分離される。線形偏光子３１１８が検出器３１１７の前に挿入され、それによって、これら２本のビームの干渉によって生成される縞パターンのコントラストが最大になる。物体ビーム３１９８（ｐ偏光）は、レンズ３１１０、レンズ３１１１、物体３１１２、レンズ３１１３、レンズ３１１４、ミラー３１１５、ハーフミラー３１１６、および偏光子３１１８を介して検出器３１１７に進む。参照ビーム３１９９（ｓ偏光）は、ＰＢＳ３１０９、ミラー３１１９、レンズ３１２０、レンズ３１２１、レンズ３１２２、レンズ３１２３、ハーフミラー３１１６、および偏光子３１１８を介して検出器３１１７に進む。

回折格子３１０４と走査ミラー３１０１の位置は互いに共役であり、そのため、走査ミラー３１０１が傾いても回折格子３１０４への入射ビームはｘ方向に沿ってシフトしない。

回折格子３１０４の位置は検出器３１１７と共役であり、そのため、検出器３１１７上に生成される縞のピッチは格子ピッチによって決まり、検出器上に生成される縞のピッチは一定に保たれる。

図３２Ａに、回折格子３１０４の一例を示す。傾けることの目的は、図３０Ａに示した前の実施形態と同じである。回折格子３１０４は、入射ビーム３２９９に従って、物体ビーム３１９８として少なくとも０次回折ビームを形成し、参照ビーム３１９９として１次回折ビームを形成する。

図３２Ｂに、ビーム制御ユニット３１０６の一例を示す。物体ビーム３１９８の偏光状態をｐ偏光に変化させる偏光子３２５８がｙ＝０のところに配置され、参照ビーム３１９９の偏光状態をｓ偏光に変化させる偏光子３２５９がｙ＝０よりもわずかに高い位置に配置される。

例示の実施形態を参照して本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は上記で説明した実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。添付の特許請求の範囲は、最も広い解釈に従うものとし、そのため、その場合のあらゆる改変形態ならびに等価な構造および機能が含まれるものとする。

Claims (12)

1. 試料に関する情報を検出するための干渉測定方法であって、
   レーザビームを放出することと、
   前記レーザビームを参照ビームと物体ビームとに分割することと、
   前記物体ビームをある入射角で前記試料を透過させることと、
   前記参照ビームと、前記試料を通過した前記物体ビームとを合成して干渉パターンを形成することと、
   前記干渉パターンを検出することと、
   複数の干渉パターンを検出し、前記試料の３次元像を再構築するために前記物体ビームを非線形走査することと
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記検出された干渉パターンのデータを記憶して、前記記憶されたデータを用いることによって前記試料の前記３次元像を再構築する際に用いることをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の干渉測定方法。
3. 前記記憶されたデータに基づいて空間周波数スペクトルを計算することと、
   演算開口を用いることによって前記空間周波数スペクトルから指定された情報を得て前記試料の前記３次元像を再構築することとをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の干渉測定方法。
4. 前記演算開口は前記非線形走査に従って移動されることを特徴とする請求項３に記載の干渉測定方法。
5. 前記非線形走査はスパイラル走査であり、
   前記演算開口のサイズは、前記走査中に前記入射角の変化に従って変化させることを特徴とする請求項３に記載の干渉測定方法。
6. 前記非線形走査はスパイラル走査であることを特徴とする請求項３に記載の干渉測定方法。
7. 前記非線形走査は円形走査であることを特徴とする請求項１に記載の干渉測定方法。
8. 前記物体ビームの前記入射角は走査中に維持され、そのため、各干渉パターンはほぼ同じ縞ピッチを有することを特徴とする請求項７に記載の干渉測定方法。
9. 試料に関する情報を検出するための干渉測定方法であって、
   レーザビームを放出することと、
   前記レーザビームを参照ビームと物体ビームに分割することと、
   前記物体ビームをある入射方向に前記試料を透過させることと、
   前記参照ビームと、前記試料を通過した前記物体ビームとを合成して干渉パターンを形成することと、
   前記干渉パターンを検出することと、
   複数の干渉パターンを検出するために、前記物体ビームの前記入射方向を変化させることと、
   前記複数の干渉パターンの各縞ピッチが一定になるように前記参照ビームの伝播方向を変化させることと
   を含むことを特徴とする方法。
10. 試料に関する情報を検出するための干渉測定方法であって、
    レーザビームを放出することと、
    前記レーザビームから第１の偏光の参照ビームおよび第２の偏光の物体ビームを生成することと、
    前記物体ビームをある入射方向に前記試料を透過させることと、
    前記参照ビームと、前記試料を通過した前記物体ビームとを合成して干渉パターンを形成することと、
    前記干渉パターンを検出することと、
    複数の干渉パターンを検出するために、前記レーザビームを走査して前記物体ビームの前記入射方向を変化させることと
    を含むことを特徴とする方法。
11. デジタルホログラフィ顕微鏡であって、
    レーザビームを放出するように構成されたレーザ源と、
    前記レーザビームを、参照ビームと、ある入射角で試料を通過する物体ビームとに分割するように構成されたビームスプリッタと、
    前記物体ビームで前記試料を照射するように構成されたコンデンサと、
    前記試料によって回折された前記レーザビームを集光するように構成された対物レンズと、
    複数の干渉パターンを形成するために、前記入射角を維持しながら光軸の周りで前記物体ビームを回転させるように構成されたビーム角度コントローラと、
    前記干渉パターンを検出するように構成された検出器と
    を備えることを特徴とする顕微鏡。
12. 試料の屈折率に関する情報を得るための干渉測定方法であって、
    参照ビームおよび試料を通過する物体ビームを準備することと、
    前記物体ビームと前記参照ビームを合成することによってある縞ピッチを有する干渉パターンを形成することと、
    前記干渉パターンを検出することと、
    前記縞ピッチを維持しながら前記物体ビームを走査して複数の干渉パターンを検出することと
    を含むことを特徴とする方法。