JP2015522172A - 液体媒質に浸された回折物体の光学的特性を復元する方法、及びシステム - Google Patents

Abstract

液体媒質（２４）に浸された回折物体（２２）の光学的特性を復元するこの方法は、空間的にコヒーレントな光源（２６）と、マトリックス型光検出器（２８）とを含む復元システム（２０）の助けを借りて実現され、液体媒質は、透明な面（４２）により区切られ、回折物体は、面に接触している。この復元方法は、媒質に、空間的にコヒーレントな光源を用いて光照射することと、マトリックス型光検出器（２８）により、鉛直方向（Ｚ）に光照射を受けた媒質を透過した回折パターンの強度を測定することと、復元物体の光学的特性を、復元高さ（Ｚｒ）において、復元アルゴリズムに従って、測定強度に基づき復元することとを含む。復元ステップの間、復元高さは、鉛直方向（Ｚ）での、媒質（２４）とマトリックス型光検出器（２８）との間の距離（Ｄ２）よりも厳密に低い値を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、液体媒質に浸された回折物体の光学的特性を復元する方法であって、液体媒質が透明な面により区切られ、回折物体が透明な面に接触している方法に関する。

本発明は又、光学的特性を復元するシステムであって、空間的にコヒーレントな光源と、マトリックス型光検出器と、復元高さに基づいて、測定された強度から復元アルゴリズムに従って物体の光学的特性を復元する手段とを備えるシステムに関する。

復元方法は：
− 空間的にコヒーレントな光源を用いて媒質に光照射すること、
− マトリックス型光検出器を用いて、鉛直方向に光照射を受けた媒質を透過した回折パターンの強度を測定し、その又は各回折パターンが、媒質に光照射する間の一つ又は複数の回折物体によって回折した波に対応していること、及び
−物体の光学的特性を、測定された強度に基づき復元高さに応じた復元アルゴリズムに従って復元すること
を含む。

換言すれば、光学的特性の復元は、復元高さにおいて行われる。

本発明は特に、粒子、特に生物学的粒子、例えば細胞、バクテリア、又はウイルスの光学的特性の復元に適用される。これらの生物学的粒子は、細胞であればおよそ１０μｍ、そしてバクテリアであればおよそ１μｍのサイズを有する。

光学的特性は特に、物体の吸収、又は物体により取り込まれる位相の遅れを指し、これらのパラメータはそれぞれ、物体の複素不透明度関数の係数及び偏角を表すことが知られている。本発明は特に、これらのパラメータの空間分布を決定することを可能にするものである。

本発明は、レンズを用いない（ｌｅｎｓ−ｆｒｅｅ）画像化、すなわち、媒質を直接的に透過した放射により形成された画像を、媒質とマトリックス型光検出器との間に置かれる拡大レンズを用いずに、マトリックス型光検出器により取得することに関する。その場合、マトリックス型光検出器はまた、レンズを用いない撮像デバイスと呼ばれ、媒質から小さい距離に置かれていても媒質の画像を形成することができる。小さい距離とは、距離１００μｍと数センチメートルとの間に含まれる距離、好ましくは１ｃｍ未満を指す。

レンズを用いない撮像デバイスを使用して、回折物体の光学的特性を復元する方法が、「バクテリアの、レンズを用いないインライン・ホログラフィック検出（“Ｌｅｎｓｆｒｅｅ ｉｎ−ｌｉｎｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂａｃｔｅｒｉａ”）」と題するポエールら（Ｐｏｈｅｒ ｅｔ ａｌ）の論文から知られている。

塵の粒子は保護カバーの面上に配列し、カバーはＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）センサーからおよそ４００μｍに位置しており、この論文に記載の方法は、それらの塵粒子の光学的特性を復元することを目的としている。塵粒子は、空間的にコヒーレントな光源による光照射を受け、ＣＭＯＳセンサーは、塵粒子が光照射を受けると、それらによって回折した波に対応する回折パターンの強度を測定する。

塵粒子の複素振幅は、測定された強度から復元アルゴリズムを使用して復元され、この復元アルゴリズムは、復元高さに依存するものである。復元高さは、実質的に、ＣＭＯＳセンサーの保護カバーの高さに等しい、すなわち、粒子への光照射方向での、塵粒子とＣＭＯＳセンサーとの間の距離に実質的に等しい。

しかしながら、そのような復元方法では、特に、観察した粒子の構造に関連しては、さらに正確な情報を得ることができない。したがって、観察した粒子が細胞である場合には、この方法は、同一細胞の核と細胞質とを区別して見ることができない。

したがって本発明の目的は、回折物体、５０μｍ未満の直径を有する物体、特に細胞、又はバクテリアコロニーの光学的特性を復元し、前記物体に関するさらに正確な情報を得ることを可能にする方法、及びシステムである。

その目的に向け、本発明は、液体媒質に浸された回折物体の光学的特性を、空間的にコヒーレントな光源とマトリックス型光検出器とを備える復元システムを使用して復元する方法に関するものであって、液体媒質は、透明な面により区切られ、回折物体は、透明な面に接触しており、
復元方法は、以下の、
− 空間的にコヒーレントな光源を用いて媒質に光照射するステップと、
− マトリックス型光検出器を用いて、鉛直方向に光照射を受けた媒質を透過した回折パターンの強度を測定するステップであって、その又は各回折パターンは、媒質に光照射する間に一つ又は複数の回折物体によって回折した波に対応している、ステップと、
− 物体の光学的特性を、測定された強度に基づき、復元アルゴリズムに従って復元するステップであって、復元アルゴリズムが復元高さに依存している、ステップと、
を含み、
復元ステップの間、復元高さは、鉛直方向での媒質とマトリックス型光検出器との距離よりも厳密に低い、好ましくは前記距離の０．９倍未満、より好ましくは前記距離の０．８倍未満の値を有する。

本発明のその他の好都合な態様に従えば、復元方法は、単独で考えられる場合、又はあらゆる技術的に可能な組合せに従う場合に、以下の特徴、
− 復元ステップの間、復元アルゴリズムは、以下の式、

を実証するものであり、Ｉは、マトリックス型光検出器で測定される強度を表し、
ｘ、ｙは、鉛直方向に対して垂直な面における座標を表し、＊は、畳み込み積を示し、
Ｚｒは、復元高さを表し、
λは、光源の波長を表し、ｊは、ユニタリな虚数を表し、
ａは、物体の複素不透明度関数を表し、ａ^*は、ａの共役複素数を表し、そして
ｈ_zは、以下の式、

により定義されることと、
− 復元ステップの間、物体の光学的特性は、異なる値の復元高さについて復元され、それぞれの高さは、鉛直方向での媒質とマトリックス型光検出器との間の距離の値よりも厳密に低いことと、
− 少なくとも一つの物体は、第１の構造及び第２の構造を含み、第１の構造の光学的特性は、復元高さの第１の値について復元され、第２の構造の光学的特性は、復元高さの第２の値について復元され、第２の値は、第１の値とは異なることと、
− 物体は、核と細胞質とを含む細胞であり、核を表す画像は、第１の値の区間について復元され、細胞質を表す画像は、第２の値の区間について復元され、第２の区間は、第１の区間とは異なり、第２の区間は、好ましくは第１の区間から離れており、第１の区間の値は、より好ましくは第２の区間の値よりも低いことと、
− 鉛直方向での媒質とマトリックス型光検出器との間の距離は、実質的に５００μｍに等しく、第１の区間は、２４０μｍと２８０μｍとの間に含まれる値の区間であり、第２の区間は、３８０μｍと４２０μｍとの間に含まれる値の区間であることと、
− 各回折パターンの強度は、マトリックス型光検出器により直接的に測定され、媒質と光検出器との間に置かれる拡大レンズは用いないことと、
− 復元された光学的特性は、物体の吸収、及び／又は物体により生成された位相の遅れを含むことと、
のうち一つ又は複数を含む。

本発明はまた、液体媒質に浸された回折物体の光学的特性を復元するシステムに関するものであって、液体媒質は、透明な面により区切られ、回折物体は、透明な面に接触しており、復元システムは、
− 媒質に光照射することが可能な、光空間的にコヒーレントな光源と、
− 鉛直方向に光照射を受けた媒質を透過した少なくとも一つの回折パターンの強度を測定することが可能なマトリックス型光検出器であって、その又は各回折パターンが、媒質に光照射する間に一つ又は複数の回折物体によって回折した波に対応している、マトリックス型光検出器と、
− 物体の光学的特性を、測定された強度に基づき復元アルゴリズムに従って復元する手段と、を備え、復元アルゴリズムは復元高さに応じたものであり、復元高さは、鉛直方向での媒質とマトリックス型光検出器との間の距離よりも厳密に低い、好ましくは媒質と光検出器との間の前記距離の０．９倍未満、より好ましくは前記距離の０．８倍未満の値を有する。

本発明のその他の好都合な態様に従えば、復元システムは、単独で考えられる場合、又は技術的に可能なあらゆる組合せに従う場合に、以下の特徴、
− 発光ダイオードと、発光ダイオードに接触して置かれる絞りとを含む光源と、
− マトリックス型光検出器はＣＣＤセンサー、又はＣＭＯＳセンサーであることと、
のうち一つ又は複数を備える。

本発明の特徴、及び利点は、非制限的例として単独に提供された、そして添付図面を参照してなされた以下の記載を読む際に明らかになるであろう。

本発明に従う復元システムの斜視図である。 図１の復元システムの分解図である。 図１の復元システムの概略図であり、復元システムは、光源と、マトリックス型光検出器と、物体の光学的特性とを復元する手段を備える。 本発明に従う復元方法の流れ図である。 楕円形の回折物体の最大側の長さを含む点の集まりであって、長さを決定するのに本発明に従う復元方法を使用するか、又は顕微鏡を使用するかによるものである。 楕円形の回折物体の面積を比較する点の集まりであって、領域を決定するのに本発明に従う復元方法を使用するか、又は顕微鏡を使用するかによるものである。 五つの異なる回折物体について、図１から図３の復元システムの光検出器により取得された五つの画像の図であり、それぞれ、第１の構造及び第２の構造を含む。 ２８０μｍと３５０μｍとの間に含まれる値の第１の区間における復元高さについての、図７の五つの物体の第１の構造の各画像の図である。 図７の五つの物体の第１の構造の各参照画像の図であり、参照画像は顕微鏡を使用して得られたものである。 ４１０μｍと４５０μｍとの間に含まれる値の第１の区間における復元高さについての、図７の五つの物体の第２の構造の各画像の図である。 顕微鏡を使用して得られた、図７の五つの物体の第２の構造の各参照画像の図である。 別の回折物体について、図１から図３の復元システムの光検出器によって取得された画像の図である。 図１２の物体の画像の図であり、その吸収は、本発明に従う復元システム使用して復元したものである。 図１２の物体の参照画像の図であり、その画像は、細胞接着に有利な官能化された領域を含む基質を表す。 復元された画像を得るアルゴリズムの代表的な実施形態を例示する図であり、所与の復元高さでの、図１から図３の復元システムの光検出器によって取得された画像に応じた複素吸収係数を示す。 復元された画像を得るアルゴリズムの代表的な実施形態を例示する図であり、所与の復元高さでの、図１から図３の復元システムの光検出器によって取得された画像に応じた複素吸収係数を示す。 復元された画像を得るアルゴリズムの代表的な実施形態を例示する図であり、所与の復元高さでの、図１から図３の復元システムの光検出器によって取得された画像に応じた複素吸収係数を示す。 復元された画像を得るアルゴリズムの代表的な実施形態を例示する図であり、所与の復元高さでの、図１から図３の復元システムの光検出器によって取得された画像に応じた複素吸収係数を示す。 復元された画像を得るアルゴリズムの代表的な実施形態を例示する図であり、所与の復元高さでの、図１から図３の復元システムの光検出器によって取得された画像に応じた複素吸収係数を示す。 復元された画像を得るアルゴリズムの代表的な実施形態を例示する図であり、所与の復元高さでの、図１から図３の復元システムの光検出器によって取得された画像に応じた複素吸収係数を示す。

図１及び図２では、液体媒質２４に浸された回折物体２２の光学的特性を復元する復元システム２０は、空間的にコヒーレントな光源２６と、マトリックス型光検出器２８とを備える。

復元システム２０はまた、プロセッサー３２と、回折物体２２の光学的特性を復元するソフトウェア３６を記憶することが可能なメモリー３４とを備える、図３に示される情報処理ユニット３０を備え、光学的特性は、光検出器２８により測定された強度Ｉから、復元アルゴリズムを使用して復元される。

復元システム２０は、保護筐体３８を含み、これは図１及び図２に示され、その内部には、光検出器２８と情報処理ユニット３０とが特に配置されている。復元システム２０は、電気を供給する配線接続４０を含む。

回折物体２２は、生物学的粒子等の粒子、すなわち、細胞（例えば赤血球、白血球、又は血小板）、バクテリア、又はバクテリアのコロニー、細胞、又は細胞集塊である。代わりに、回折性の粒子２２は、マイクロビーズである。

回折物体２２は、好ましくは２０μｍ未満の直径を有する。回折物体２２の直径は例えば、１００ｎｍと１０μｍとの間に含まれる。バクテリアは、およそ１μｍの直径を有し、細胞は、およそ１０μｍの直径を有する。

物体２２は、第１の構造４１Ａ及び第２の構造４１Ｂを含み、これらはそれぞれ、図８及び図９、並びに図１０及び図１１に示されている。図８から図１１の代表的な実施形態では、物体２２は細胞であり、第１の構造４１Ａは核であり、第２の構造４１Ｂは細胞質である。

液体媒質２４は、透明な面４２により区切られ、これは、図３に示されているとおりである。回折物体２２は、前記透明な面４２に接触している。

媒質２４は、光源２６とマトリックス型光検出器２８との間に置かれており、光源２６による媒質の光照射の方向に対応する鉛直方向Ｚに対して、実質的に垂直であり、これは図３に示すとおりである。

光源２６は、光線４４を鉛直方向Ｚに放射することが可能であり、回折物体２２を含む液体媒質２４に光照射することを目的としている。

光源２６は、透明な面４２から鉛直方向Ｚに第１の距離Ｄ１のところに置かれている。第１の距離Ｄ１は、好ましくは１ｃｍと３０ｃｍとの間に含まれる値、例えば８ｃｍに等しい値を有する。

光源２６は、空間的にコヒーレントな光源である。光源２６は例えば、発光ダイオード４６（ＬＥＤとも呼ばれる）等の点光源、及びＬＥＤ４６に接触して置かれた絞り４８を含み、これらは図３に示されているとおりである。絞り４８は、５０μｍと５００μｍとの間に含まれる直径を有し、光源２６に接触して置かれている。これにより、光放射に空間的コヒーレンスを増加させることが可能になる。

あるいは、光源２６は、発光ダイオード４６から構成されており、絞りは含まない。次に発光ダイオード４６は、空間的にコヒーレントであると見なされるまで充分に縮小された寸法を有しており、発光ダイオード４６の直径は、透明な面４２から発光ダイオードを離す第１の距離Ｄ１の１０分の１未満である。

また代わりに、光源２６は、空間的に及び時間的にコヒーレントな光源、例えばレーザーダイオード（ＬＤ）、又は垂直共振器面発光レーザ−（ＶＣＳＥＬ）である。

マトリックス型光検出器２８は、複数のピクセルを含むが、これらは示されていない。光検出器２８の各ピクセルは、１０μｍ以下、又はさらには４μｍ以下の寸法を有している。各ピクセルは、１０μｍ以下、又はさらには４μｍ以下の値を有する各辺を有する正方形の形状である。代わりに、各ピクセルは、２．２μｍである各辺を有する正方形の形状である。

光検出器２８は、透明な面４２から鉛直方向Ｚに第２の距離Ｄ２だけ離れたところに置かれている。第２の距離Ｄ２は、１００μｍと数センチメートルとの間に含まれる、好ましくは１ｃｍ未満、そしてさらに好ましくは１００μｍと２ｍｍとの間に含まれる値を有する。記載される代表的な実施形態では、第２の距離Ｄ２は７００μｍに等しい。

小さい値を有する第２の距離Ｄ２が有利であるということはすなわち、媒質２４が光照射を受ける場合に、マトリックス型光検出器２８と透明な面４２との間の距離が短いと、異なる回折パターンの間での干渉現象を制限することが可能になるということである。

マトリックス型光検出器２８は、光線４４により光照射を受けた回折物体２２を含有する媒質２４を透過した放射の画像を取得することが可能である。透過した放射とは、マトリックス型光検出器２８と光源２６を、媒質２４と回折物体２２との両側に配置するようにして媒質２４を通過させた放射のことを指す。

マトリックス型光検出器２８は、二次元の画像センサーである、すなわち、長さ方向の軸線Ｘに対して垂直な面にある。マトリックス型光検出器２８は、ピクセル化された画像センサー、例えばＣＭＯＳセンサーである。あるいは、マトリックス型光検出器２８は、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサーである。

マトリックス型光検出器２８は更に、マイクロレンズを含み、これらは図示されていないが、各マイクロレンズは、対応するピクセル上に位置している。そのようなマイクロレンズは、センサーに組み込まれている。これらのマイクロレンズは、集光出力を向上させることが可能であり、透明な面４２と光検出器２８との間に置かれる拡大レンズを形成することはない。

マトリックス型光検出器２８により取得される画像は、光照射を受けた媒質２４を直接的に透過した放射により、透明な面４２とマトリックス型光検出器２８との間に置かれる拡大レンズの非存在下で形成される。光検出器２８はまた、レンズを用いない撮像デバイスとも呼ばれ、媒質２４から小さい距離だけ離れたところに置かれているものの、媒質の画像を形成することが可能である。ここまでに示したとおり、小さい距離とは、数センチメートル未満の距離、好ましくは１ｃｍ未満の距離を指し、第２の距離Ｄ２は例えば、７００μｍに等しい。

マトリックス型光検出器２８は、媒質２４を透過した少なくとも一つの回折パターンの強度Ｉを測定することができ、その又は各回折パターンは、媒質２４に光照射する間に一つ又は複数の回折物体２２によって回折した波に対応する。

復元ソフトウェア３６は、測定された強度Ｉから、復元アルゴリズム使用して、回折物体２２の光学的特性を復元することができる。復元アルゴリズムは、復元高さＺｒに依存する。換言すれば、光学的特性は、鉛直方向Ｚに、復元高さＺｒに等しい高さを用いて復元される。

本発明に従えば、最新技術とは異なり復元高さＺｒは、鉛直方向Ｚでの、透明な面４２とマトリックス型光検出器２８との間の第２の距離Ｄ２よりも厳密に低い値を有する。復元高さＺｒは好ましくは、第２の距離Ｄ２の０．９倍未満、さらにより好ましくは、第２の距離Ｄ２の０．８倍未満である。

最新技術では、復元高さＺｒは典型的には、観察されることになる物体とマトリクス型センサーとの間の距離に等しいか、又は物体とマトリクス型センサーとの距離よりも大きい。

発明者らは意外なことに、復元高さＺｒが、本発明に従って、第２の距離Ｄ２よりも厳密に小さい、すなわち物体２２とマトリクスセンサー２８との距離よりも小さい、好ましくは第２の距離Ｄ２の０．９倍未満である場合、このことによって、回折物体２２を構成する構造の光学的特性を復元する、そして特に前記物体２２の第１の構造４１Ａ、及び／又は第２の構造４１Ｂの光学的特性を復元することが可能であることに気付いた。

本発明の相補的な一態様に従えば、第１の構造４１Ａの光学的特性が、復元高さの第１の値Ｚｒ１について復元され、そして第２の構造４１Ｂの光学的特性が、復元高さの第２の値Ｚｒ２について復元され、第２の値Ｚｒ２は、第１の値Ｚｒ１とは異なる。以下の例では、復元された光学的特性は、粒子の吸収、換言すれば、以下に定義された複素不透明度関数の係数である。続いて、復元された各画像は、復元面内の吸収の空間分布を表す。灰色のレベルが高いほど、吸収が高い。

回折性の細胞２２の代表的な実施形態では、構造４１Ａを表す画像は、第１の最小値Ｚｒ１ｍｉｎと第１の最大値Ｚｒ１ｍａｘとの間に含まれる値の第１の区間について復元されている。細胞質４１Ｂを表す画像は、第２の最小値Ｚｒ２ｍｉｎと第２の最大値Ｚｒ２ｍａｘの間に含まれる値の第２の区間について復元されている。

第２の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は、第１の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］とは異なり、第２の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は好ましくは、第１の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］から離れている。第１の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］の値は又、好ましくは、第２の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］の値よりも低い。換言すれば、第１の最大値Ｚｒ１ｍａｘは、第２の最小値Ｚｒ２ｍｉｎよりも低い。

鉛直方向Ｚでの、媒質２４とマトリックス型光検出器２８との間の第２の距離Ｄ２が、実質的に７００μｍ等しい場合には、第１の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］は、２８０μｍと３５０μｍとの間に含まれる値の区間であり、第２の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は、４１０μｍと４５０μｍとの間に含まれる値の区間である。

代わりに、第２の距離Ｄ２が実質的に５００μｍに等しい場合には、第１の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］は、２４０μｍと２８０μｍとの間に含まれる値の区間であり、第２の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は、３８０μｍと４２０μｍとの間に含まれる値の区間である。

代わりに、第２の距離Ｄ２が、実質的に２０００μｍに等しい場合には、第１の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］は、１２００μｍと１３００μｍとの間に含まれる値の区間であり、第２の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は、１４００μｍと１５００μｍとの間に含まれる値の区間である。

復元アルゴリズムは、それ自体が既知であって、以下の式：

を実証するものであり、
Ｉは、マトリックス型光検出器２８により測定された強度を表し、
ｘ、ｙは、鉛直方向に対して垂直な面における座標を表し、＊は畳み込み積を示し、
Ｚｒは、復元高さを表し、
λは、光源２６の波長を表し、ｊは、ユニタリな虚数を表し、
ａは、物体２２の複素不透明度関数を表し、ａ^*は、ａの共役複素数を表し、そして
ｈ_zは、以下の式：

により定義される。

式（１）は、復元アルゴリズムが、鉛直方向Ｚでの復元高さＺｒに等しい高さｚを用いて実現されることを示している。

式（１）は、以下の式：

を用いて得ることができ、Ａ_zは、透過率ｔ（ｘ，ｙ）のフレネル変換である。

次に、吸収ａ（ｘ，ｙ）、及び透過率ｔ（ｘ，ｙ）の係数は、以下の：

に定義されているとおりである。

次に強度Ｉは、以下の：

に定義されているとおりである。

次に、以下の式：

に対応するフレネル変換の二重性から、復元式（１）：

が得られる。

測定された画像Ｉ（ｘ，ｙ）から、複素不透明度関数ａ（ｘ，ｙ）は、標準的なアルゴリズムに従って容易に得られ、これらのアルゴリズムは、文献に、そして特に出版物「インライン・デジタル・ホログラフィーにおける位相回復法による二重像ノイズの低減」、光の科学及び技術についてのＳＰＩＥＳシンポジウム、２００５年（”Ｔｗｉｎ−ｉｍａｇｅ ｎｏｉｓｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ｐｈａｓｅ ｒｅｔｒｉｅｖａｌ ｉｎ ｉｎｌｉｎｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ”， ＳＰＩＥＳ’ｓ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２００５）に記載されている。単純なアルゴリズムを、記載の最後に実施例として概説する。

保護筐体３８は、例えば円筒形であり、図１及び図２に示すとおりである。保護筐体３８は、鉛直方向Ｚに高さＨを有し、そして鉛直方向Ｚに対して垂直な半径方向に半径Ｒを有する。筐体３８の高さＨ及び半径Ｒは、例えばセンチメートルの程度である。

透明な面４２は、好ましくは官能化されて、面４２への回折物体２２のより良好な接着性が得られるようにする。透明な面４２の官能化とは、面４２への回折物体２２のより良好な密着性を可能にするための面４２を準備することを指す。例えばフィブロネクチンタンパク質を、血漿、続いて水酸化ナトリウムを用いた面４２の事前洗浄の後に、面４２の上に堆積する。別法として、その他の既知の官能化技術、例えば抗原−抗体の使用、ＤＮＡの使用を適用する。

透明な面４２は、例えば透明な刃の形態であって、鉛直方向Ｚに１７０μｍに実質的に等しい厚さを有するものである。

光線４４は、媒質２４及び物体２２に直接的に照射することができ、光源２６と媒質２４との間に置かれる拡大レンズは無い。

発光ダイオード４６は、例えば単色であり、例えば２０ｎｍと４０ｎｍとの間に含まれる幅、好ましくは３０ｎｍに等しい幅を有するバンド幅を有する。発光ダイオード４６は例えば、５００ｎｍと５２０ｎｍの間に含まれる透過波長、及びおよそ１Ｗａｔｔの出力を有する。

絞り４８は、例えば５０μｍと７００μｍとの間に含まれる値、例えば５００μｍに等しい、又は８０μｍに等しい値を有する直径を有する。

本発明に従う復元方法を、以下に図４を使用して記載する。

初期ステップ１００の間、液体媒質２４は、空間的にコヒーレントな光源２６を使用した光照射を受け、光線４４は鉛直方向Ｚに向いている。

続いて、光照射を受けた媒質２４を透過した放射の強度Ｉは、マトリックス型光検出器２８によりステップ１１０の間に測定される。より詳細には、マトリックス型光検出器２８は、光照射を受けた媒質２４を透過した回折パターンの強度Ｉを測定し、各回折パターンは、媒質２４に光照射している間に回折物体２２によって回折した波に対応しており、それらの回折波は、入射波と干渉する。

光学的特性、特に回折物体２２の吸収及び位相の遅れは、ステップ１２０の間、復元手段３６を使用して、ここまでに記載された復元アルゴリズムに従い、強度Ｉから最後に復元される。位相の遅れは、複素不透明度関数ａの偏角に対応し；吸収はここまでに定義された複素不透明度関数ａの係数に対応する。概して、復元された画像は、吸収又は位相の遅れの空間分布を表す。

ここまでに示したように、復元高さＺｒは、鉛直方向Ｚでの、媒質２４とマトリックス型光検出器２８との間の距離に対応する第２の距離Ｄ２の値よりも厳密に低い、好ましくは第２の距離Ｄ２の０．９倍未満、さらにより好ましくは第２の距離Ｄ２の０．８倍未満の値を有する。

概して、復元された物体２２、又は復元された構造４１Ａ、４１Ｂについてなされる言及は、復元アルゴリズムを使用して復元された光学的特性を有する物体２２、又は構造４１Ａ、４１Ｂを表すためのものである。

相補的な態様に従えば、物体２２の光学的特性は、復元高さＺｒの異なる値について復元され、それぞれの値は、第２の距離Ｄ２の値より厳密に低い。

記載の代表的な実施形態では、復元ソフトウェア３６は、復元高さＺｒの値を、復元ステップ１２０の間、ゼロ値と第２の距離Ｄ２よりも厳密に低い所定の値との間で変化させる。復元高さＺｒの前記所定の値は、第２の距離Ｄ２の０．９倍に等しい。

更に、第１の構造４１Ａの光学的特性は、復元高さの第１の値Ｚｒ１について、又は第１の値の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］について復元される。第２の構造４１Ｂの光学的特性は、復元高さの第２の値Ｚｒ２であって第１の値Ｚｒ１とは異なるＺｒ２について、又は第２の値の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］について復元される。これらの値の範囲は、得られる復元の質に応じて実験的に決定される。

核４１Ａ又は細胞２２のパラメータは、復元された画像から決定される。核４１Ａは、楕円形状を有しており、これらのパラメータは、例えば楕円の最長軸線の長さ、楕円の面積、楕円の真円度、又は楕円の短軸線と長軸線との間の比である。

本発明に従う復元システム及び方法は多くの利点を有する。それらは特に、多数の回折物体２２を同時に観察することを可能にし、観察される細胞２２の数は例えば、数平方ミリメートルの面を有するマトリクス型センサー２８を用いておよそ１０，０００である。

復元システム２０はさらに、かさばりが低減しており、これは図１及び図２に例示するとおりであり、保護筐体３８は特に、およそ１０ｃｍの直径、そしておよそ２ｃｍの高さを有する。

次に、復元システム２０は、直接的にインキュベータに挿入することができる。これにより、細胞を観察したい場合にインキュベータから細胞２２を取り出す必要性が回避され、細胞２２の増殖もその観察中に停止することはない。

さらには、多数の物体２２を同時に観察することにより、復元された構造のパラメータの統計解析を実行することが可能になり、これは図５及び図６に例示するとおりである。

図５では、第１の円１５０が、観察された複数の細胞２２についての核４１Ａの最長軸線の長さを表しているのが示されており、ｘ軸線は、本発明に従う復元方法及び復元システム２０を使用して決定された長さに対応しており、ｙ軸線は、顕微鏡を使用して測定された長さに対応している。異なる細胞２２について観察した結果は、本発明に従う復元方法を使用して決定された最長軸線の長さの値が非常に正確であることを示しており、その理由は、第１の円１５０が、最長軸線の前記長さの正確な決定に対応する第１の直線１５２に近いからであり、第１の直線１５２は、恒等なアフィン関数を表している。

図６は、図５と類似の図であって、核４１Ａついて決定されたパラメータが楕円の面積である場合である。図６では、描かれている第２の円１６０は、楕円の面積を表しており、ｘ軸線は、本発明に従う復元方法を使用して決定された面積に対応し、ｙ軸線は、顕微鏡を使用して測定された面積に対応している。

図６もまた、決定されたパラメータ、すなわち、異なる細胞２２の核４１Ａに対応する楕円の面積が、非常に正確に得られることを示しており、その理由は、第２の円１６０が、核４１Ａの面積の正確な決定に対応する第２の直線１６２に近いからであり、第２の直線１６２は、恒等なアフィン関数を表している。

図７は、五つの異なる回折物体２２についてマトリックス型光検出器２８を使用して得られた、五つの回折パターン２００、２０２、２０４、２０６、２０８を示す。

図８は、各取得画像２００、２０２、２０４、２０６、２０８に対応する測定された強度から、第１の区間の値［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］に属する復元高さＺｒについて得られた、復元２１０、２１２、２１４、２１６、２１８の五つの第１の画像を示す。より詳細には、図８は、吸収の空間分布を示す。続いて、第１の値の区間について得られた復元画像２１０、２１２、２１４、２１６、２１８から、細胞２２の核４１Ａを観察することができる。核４１Ａの最大軸線は、およそ１０μｍの値を有する。

図９は、同一細胞２２の核４１Ａについて顕微鏡を使用して得られた五つの第１の参照画像２２０、２２２、２２４、２２６、２２８を示す。

図８と図９との比較は、本発明に従う復元方法が特に有効であることを示しており、その理由は、核４１Ａが、それらの光学的特性を本復元方法使用して復元した場合と、それらを顕微鏡を使用して観察した場合とがそうであるように、実質的に同一形状及び同一寸法を有しているからである。

図１０は、取得画像２００、２０２、２０４、２０６、２０８に対応する測定された強度から、第２の値の区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］に属する復元高さＺｒについて得られた、五つの第２の復元画像２３０、２３２、２３４、２３６、２３８を示す。より詳細には、図１０は、吸収の空間分布を示す。第２の復元画像２３０、２３２、２３４、２３６、２３８は、異なる細胞２２の細胞質４１Ｂに対応する。細胞質４１Ｂは、およそ２０μｍのサイズを有する。

図１１は、同一細胞２２の細胞質４１Ｂに対応する五つの第２の参照画像２４０、２４２、２４４、２４６、２４８を示し、画像は、顕微鏡使用して得られたものである。

図８と図９の比較と同様に、図１０と図１１の比較は、本発明に属する復元方法が特に有効であることを示しており、その理由は、図１０に見られる復元された細胞質４１Ｂが、それぞれ顕微鏡使用して観察された、図１１に示す細胞質４１に非常に近い形状及び寸法を有しているからである。

図８の代表的な実施形態では、第１の値の区間［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］は、２８０μｍと３５０μｍとの間に含まれる復元高さＺｒの値に対応しており、図１０の代表的な実施形態では、第２の値区間［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は、４１０μｍと４５０μｍとの間に含まれる復元高さの値に対応しており、第２の距離Ｄ２は、どちらの例でも実質的に７００μｍに等しい。

その他の検証が、第１の及び第２の区間の値［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］、［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］を決定するために、第２の距離Ｄ２の異なる値について実行されており、第２の距離Ｄ２のこれらの値について、核４１Ａ及び細胞質４１Ｂをそれぞれ復元することが可能であるということにも留意されたい。

第２の距離Ｄ２が実質的に５００μｍに等しい場合には、第１の区間の値［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］は、２４０μｍ及び２８０μｍの間に含まれる復元高さＺｒの値に対応しており、第２の区間の値［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は、３８０μｍ及び４２０μｍの間に含まれるものに対応している。

第２の距離Ｄ２が実質的に２０００μｍに等しい場合には、第１の区間の値［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］は、１２００μｍと１３００μｍとの間に含まれる復元高さＺｒの値に対応し、第２の区間の値［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］は、１４００μｍと１５００μｍとの間に含まれるものに対応している。

図１２は、別の回折物体２２について光検出器２８により直接的に取得された回折パターンを示し、図１３は、媒質２４と光検出器２８との間の第２の距離Ｄ２よりも厳密に低い復元高さＺｒについてその物体２２の復元を示し、図１４は、回折物体２２の参照画像であって、顕微鏡を使用して得られたものを示す。より詳細には、図１３は吸収の空間分布を示す。

再び図１３と図１４の比較は、本発明に従う復元方法から満足な結果を得ることが可能であることを示しており、その理由は、図１３に示す復元された物体の寸法及び形状が、図１４に示す参照画像に非常に近いからである。この参照画像は、化学的に官能化されて所定の形状に従って細胞を接着させるのに有利となる基質を示している。この官能化から、細胞（細胞ＮＩＨ ３Ｔ３）の細胞骨格は特有の形状が仮定されており、その形状は、図１３に観察される形状と矛盾していない。

したがって、本発明に従う復元システム２０及び復元方法は、非常に満足のできる形で物体２２の光学的特性を復元することが可能であり、その結果は、およそ２０μｍ未満の直径を有する物体についてさえも、顕微鏡を使用して観察した結果に近いものである。

さらに本発明に従う復元システム２０及び復元方法は、多数の物体２２を一度に観察することが可能である。再び復元システム２０は、そのかさばりが低減しているので、インキュベータに直接的に挿入することが可能であり、続いて、物体２２の光学的特性についての観察と復元の作業が大いに容易となる。

このように、本発明に従う復元システム２０及び復元方法は、サイズがおよそ２０μｍ未満の粒子２２、例えば直径がおよそ１０μｍの細胞、直径がおよそ１μｍのバクテリア、又はウイルスの光学的特性を復元することが可能である。

以下の実施例は、いかにして復元画像が得られるかを示すものであり、吸収の係数ａ（ｘ，ｙ）を、所与の復元高さｚで、マトリックス型光検出器２８により取得された画像Ｉ（ｘ，ｙ）に基づいて表している。

図１５から図２０の実施例では、鉛直方向Ｚでの、媒質２４とマトリックス型光検出器２８との間の第２の距離Ｄ２は、実質的に５００μｍに等しく、回折物体２２は、回折性の構成要素とも呼ばれ、それぞれ、およそ１０μｍの直径を有する球の形態をとっている。

図１５は、光検出器２８により取得された回折性の構成要素２２の画像であり、画像の灰色レベルは、各構成要素２２の吸収（すなわち、複素吸収係数）を表している。

図１６は、光検出器２８によって取得された画像、すなわち光検出器２８により測定された強度Ｉのシミュレーションを示す。式（１）により記載される復元アルゴリズムを適用することにより、すなわち、ここまでに記載された畳み込み操作Ｉ＊ｈ_-zを適用することにより、複素復元画像が得られ、その係数は、図１７に例示するものである。吸収の空間分布は観察することができるが、その上にはノイズを含んだ信号が重なっており、これは通常、用語「二重像（ｔｗｉｎ ｉｍａｇｅ）」で表され、ｔｉで示される。二重像は、例えば、応用光学、第２１巻、１５号、（Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， ｖｏｌｕｍｅ ２１， ｎｕｍｂｅｒ １５）において、１９８２年８月にＪ． Ｒ． フィエナップ（Ｊ．Ｒ． Ｆｉｅｎｕｐ）によって発表された論文「位相回復アルゴリズム：比較（Ｐｈａｓｅ ｒｅｔｒｉｅｖａｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ： ａ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ）」に記載されている。

二重像の影響を低減する方法は、当業者には既知であり、２０００年代の文献に記載されている。このように、復元された画像のこの表現を改善して、二重像の信号からの寄与を低減させ、続いて、光源２６に向いた光検出器２８からの距離ｚでの吸収の空間分布を得ることが可能である。

以下の実施例は、使用されたアルゴリズムの実施例である。その目的のために、関数ｈ_2zによる二重像の信号の畳み込みから、複素不透明度の見積もり値を得ることを考える。同様に、関数ｈ_2zによる複素不透明度ａの畳み込みにより、二重像ｔｉの見積もり値を得ることを考える。

換言すれば、
ａ＊ｈ_2z＝ｔｉ
ｔｉ＊ｈ_2z＝ａ
となることを考える。

復元された複素画像Ｉ＊ｈ_-zから、反復アルゴリズムを適用して、こうして復元された画像上の二重像のノイズによる影響を低減する。このアルゴリズムは、以下のステップを含む：
− Ｉｍ_initialで表され、Ｉｍ_initial＝Ｉ＊ｈ_-zとなる初期画像を記憶するステップ
− 反復ｉを開始するステップ
− Ｉｍ_iの振幅閾値化を実行し、例えば二重像の平均値よりも閾値を高くして、閾値未満のピクセルを隠すようにするステップ。この閾値化は、自動的に、又は手動で行う。第１の反復の間、Ｉｍ_i=1＝Ｉｍ_initialの等式が成り立っている。このように閾値化された画像Ｉｍ_iは、反復ｉでの不透明度ａの良好な見積もり値であり、ａ_iで示される。
− 反復ｉにおいて二重像の信号を評価するステップ：ｔｉ_i＝Ｉｍ_i−ａ_i
− 新たな画像Ｉｍ_i+1＝ｔｉ_i＊ｈ_2zを記憶するステップ
− 以降の反復を実行するが、反復アルゴリズムを、所定の停止基準に従って停止させるステップ。そのような基準は、例えば、事前に定義された回数の反復、又はＩｍ_iとａ_iとの、若しくはＩｍ_iとＩｍ_i-1との間の比較である。

反復アルゴリズムの最後に、画像Ｉｍが得られ、これは複素不透明度の正しい見積もり値に対応するものである。複素不透明度の係数を描くことにより、吸収の分布が、考察した距離ｚにおいて得られる。

このアルゴリズムの実行を、図１７から図２０に例示する。

図１７は、複素関数Ｉｍ₁＝Ｉ＊ｈ_-zの係数を示し、Ｉは、光検出器２８によって取得された画像で、図１６に示すものであり、本アルゴリズムのための出発画像を構成する。

図１８は、前記閾値未満のピクセルを隠すように振幅閾値化した後の図１７の画像を示す。これは、複素不透明度ａ_i=1の見積もり値である。

図１９は、関数ｔ_ii=1＝Ｉｍ_i=1−ａ_ii=1の係数を示す。これは、反復の初回における、二重像ノイズの見積もり値である。

図２０は、関数Ｉｍ_i=2＝ｔｉ_i=1＊ｈ_2zの係数を示し、第２回目の反復の基礎として使用される画像に対応するものである。続いて、画像Ｉｍ_i=1（図１７）とＩｍ_i=2（図２０）との間、すなわち連続する二回の反復の間で、二重像の信号が劇的に減少し、これにより、復元高さでの吸収から空間分布をより良好に識別することができ、図１５が参照画像としての役割をはたしていることが分かる。

Claims (11)

1. 空間的にコヒーレントな光源（２６）と、マトリックス型光検出器（２８）とを備える復元システム（２０）を使用して、液体媒質（２４）に浸された回折物体（２２）の光学的特性を復元し、前記液体媒質（２４）が透明な面（４２）により区切られており、前記回折物体（２２）が透明な面（４２）に接触している復元方法であって、以下の、
   − 前記空間的にコヒーレントな光源（２６）を用いて前記媒質（２４）に光照射するステップ（１００）と、
   − 前記マトリックス型光検出器（２８）を用いて、鉛直方向（Ｚ）に光照射を受けた前記媒質（２４）を透過した少なくとも一つの回折パターンの強度（Ｉ）を測定するステップ（１１０）であって、前記又は各回折パターンは、前記媒質（２４）に光照射する間に一つ又は複数の前記回折物体（２２）によって回折した波に対応している、ステップと、
   − 前記復元高さ（Ｚｒ）において、前記物体（２２）の光学的特性を、復元アルゴリズムに従って、測定強度（Ｉ）に基づき復元するステップ（１２０）と、を含み、
   前記復元ステップ（１２０）の間、前記復元高さ（Ｚｒ）が、前記鉛直方向（Ｚ）での、前記媒質（２４）と前記マトリックス型光検出器（２８）との間の距離（Ｄ２）より厳密に低い、好ましくは前記媒質（２４）と前記光検出器（２８）との間の前記距離（Ｄ２）の０．９倍未満、より好ましくは前記距離（Ｄ２）の０．８倍未満の値を有する、方法。
2. 前記復元ステップ（１２０）の間、前記復元アルゴリズムが、以下の式、
   

   

   を実証するものであり、
   Ｉは、前記マトリックス型光検出器（２８）により測定された強度を表し、
   ｘ、ｙは、前記鉛直方向（Ｚ）に対して垂直な面における座標を表し、
   ＊は、畳み込み積を示し、
   Ｚｒは、前記復元高さを表し、
   λは、前記光源（２６）の波長を表し、ｊは、ユニタリな虚数を表し、
   ａは、前記物体（２２）の複素不透明度関数を表し、ａ^*は、ａの共役複素数を表し、そして
   ｈ_zは、以下の式、
   

   

   により定義される、請求項１に記載の方法。
3. 前記復元ステップ（１２０）の間、前記物体（２２）の光学的特性が、前記復元高さ（Ｚｒ）の異なる値について復元され、それぞれが、前記鉛直方向（Ｚ）での、前記媒質（２４）と前記マトリックス型光検出器（２８）との間の前記距離（Ｄ２）の値よりも厳密に低い、請求項１又は請求項２に記載の方法。
4. 前記少なくとも一つの物体（２２）が、第１の構造（４１Ａ）及び第２の構造（４１Ｂ）を備え、前記第１の構造（４１Ａ）の光学的特性が、前記復元高さ（Ｚｒ）の第１の値（Ｚｒ１）について復元され、前記第２の構造（４１Ｂ）の光学的特性が、前記復元高さ（Ｚｒ）の第２の値（Ｚｒ２）について復元され、前記第２の値（Ｚｒ２）が前記第１の値（Ｚｒ１）とは異なる、請求項３に記載の方法。
5. 前記物体（２２）が、核（４１Ａ）と細胞質（４１Ｂ）とを含む細胞であり、前記核（４１Ａ）を表す画像が、第１の値の区間（［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］）について復元され、前記細胞質（４１Ｂ）を表す画像が、第２の値の区間（［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］）について復元され、前記第２の区間（［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］）は、前記第１の区間（［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］）とは異なり、前記第２の区間（［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］）は、好ましくは前記第１の区間（［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］）から離れており、前記第１の区間（［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］）の値は、より好ましくは前記第２の区間（［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］）の値より低い、請求項４に記載の方法。
6. 前記鉛直方向（Ｚ）での、前記媒質（２４）と前記マトリックス型光検出器（２８）との間の前記距離（Ｄ２）が、実質的に５００μｍに等しく、前記第１の区間（［Ｚｒ１ｍｉｎ；Ｚｒ１ｍａｘ］）が、２４０μｍと２８０μｍとの間に含まれる値の区間であり、前記第２の区間（［Ｚｒ２ｍｉｎ；Ｚｒ２ｍａｘ］）が、３８０μｍと４２０μｍとの間に含まれる値の区間である、請求項５に記載の方法。
7. 前記又は各回折パターンの強度（Ｉ）を、前記マトリックス型光検出器（２８）により直接的に、前記媒質（２４）と前記光検出器（２８）との間に置かれる拡大レンズを用いずに測定する、請求項１から請求項６の何れか一項に記載の方法。
8. 前記復元された光学的特性が、前記物体（２２）の吸収、及び／又は前記物体（２２）により生成された位相の遅れを含む、請求項１から請求項７の何れか一項に記載の方法。
9. 液体媒質（２４）に浸された回折物体（２２）の光学的特性を復元し、前記液体媒質（２４）が透明な面（４２）により区切られており、前記回折物体（２２）が前記透明な面（４２）に接触している復元システム（２０）であって、
   − 前記媒質（２４）に光照射することが可能な空間的にコヒーレントな光源（２６）と、
   − 鉛直方向（Ｚ）に光照射を受けた前記媒質（２４）を透過した少なくとも一つの回折パターンの強度（Ｉ）を測定することが可能であって、前記又は各回折パターンは、前記媒質（２４）に光照射する間に一つ又は複数の回折物体（２２）によって回折した波に対応するパターンである、マトリックス型光検出器（２８）と、
   − 復元高さ（Ｚｒ）において、前記物体（２２）の光学的特性を、復元アルゴリズムに従って、前記測定された強度（Ｉ）に基づき復元する手段（３６）と、
   を備え、前記復元高さ（Ｚｒ）が、鉛直方向（Ｚ）での、前記媒質（２２）と前記マトリックス型光検出器（２８）との間の距離（Ｄ２）よりも厳密に低い、好ましくは前記媒質（２４）と前記光検出器（２８）の間の前記距離（Ｄ２）の０．９倍未満、より好ましくは前記距離（Ｄ２）の０．８倍未満の値を有するシステム。
10. 前記光源（２６）が、発光ダイオード（４６）と、発光ダイオード（４６）に接触して置かれた絞り（４８）とを含む、請求項９に記載のシステム（２０）。
11. 前記マトリックス型光検出器（２８）が、ＣＣＤセンサー、又はＣＭＯＳセンサーである、請求項９又は請求項１０に記載のシステム（２０）。

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