JP2018180178A - 擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法 - Google Patents

擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法 Download PDF

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Abstract

【課題】生成されるスペックルパターンの空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高い擬似スペックルパターン生成装置等を提供する。【解決手段】擬似スペックルパターン生成装置１Ａは、光源１１、ビームエキスパンダ１２および空間光変調器１３を備える。空間光変調器１３は、擬似乱数パターンおよび相関関数から計算される擬似スペックルパターンに基づく強度の変調分布を有し、光源１１から出力されてビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大された光を入力し、その入力した光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する。【選択図】図９

Description

本発明は、擬似スペックルパターン生成装置、この擬似スペックルパターン生成装置を備える観察装置、擬似スペックルパターン生成方法、および、この擬似スペックルパターン生成方法を含む観察方法に関するものである。
レーザ光などのコヒーレントな光が拡散板等のディフューザ（散乱媒体）により散乱されると、その散乱光の干渉によりスペックルパターンが生成される。スペックルパターンにおける光強度の空間分布が乱数パターンに近い性質を有していることから、スペックルパターンは、干渉計測技術、超解像技術および光計測技術などにおいて利用され、また、最近では原子や粒子コロイドのトラップ等の光操作技術においても利用されている。
スペックルパターンは、空間構造および光強度統計分布により特徴付けられる。空間構造は、スペックルパターンの自己相関関数の空間的形状により表され、光学系の点像分布を示す。光強度統計分布は、スペックルパターンにおける光強度のヒストグラムにより表され、指数分布に従う。なお、理想的な乱数を２次元配列した２次元擬似乱数パターンの空間構造（自己相関関数）はデルタ関数となる。
非特許文献１に記載された技術は、ディフューザおよびレンズを備える構成において、レンズの後焦点面と異なる面にスペックルパターンを生成する。非特許文献２に記載された技術は、ディフューザおよびレンズを備える構成において、ディフューザの位置の変更又はディフューザ自体の交換によって様々なスペックルパターンを生成する。
非特許文献３に記載された技術は、外部から与えられる信号により設定可能な２次元の変調分布を有する空間光変調器をディフューザに替えて用い、この空間光変調器およびレンズを備える構成によりスペックルパターンを生成する。空間光変調器には、２次元擬似乱数パターンに応じた変調分布が設定される。
Vladlen G. Shvedov et.al, "Selectivetrapping of multiple particles by volume speckle field," OPTICS EXPRESS,Vol.18, No.3, pp.3137-3142 (2010). E. Mudry et.al, "Structuredillumination microscopy using unknown speckle patterns," NATUREPHOTONICS, VOL 6, pp.312-315 (2012). Yaron Bromberg and Hui Cao, "GeneratingNon-Rayleigh Speckles with Tailored Intensity Statistics," PHYSICALREVIEW LETTERS 112, 213904 (2014).
非特許文献１に記載された技術は、１つのディフューザを用いるのみであるから、生成されるスペックルパターンの空間構造および光強度統計分布の設定の自由度が無い。
非特許文献２に記載された技術は、ディフューザを交換することによってスペックルパターンを変更することができる。しかし、この技術においては、多様なスペックルパターンを生成するためには多くのディフューザを用意しておくことが必要であり、生成されるスペックルパターンの空間構造および光強度統計分布の設定の自由度が低い。また、ディフューザ位置の変更によりスペックルパターンを設定する場合、同一のパターンを再現すうことは著しく困難である。
非特許文献３に記載された技術は、２次元擬似乱数パターンに応じて空間光変調器に呈示する変調分布を変更することによってスペックルパターンを変更することができる。しかし、この技術においても、スペックルパターンのコントラストが調整されるのみであり、生成されるスペックルパターンの空間構造および光強度統計分布の設定の自由度が低い。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、生成されるスペックルパターンの空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高く、生成されるパターンが再現性を有する擬似スペックルパターン生成装置および擬似スペックルパターン生成方法を提供することを目的とする。また、本発明は、このような擬似スペックルパターン生成装置を備える観察装置、および、擬似スペックルパターン生成方法を含む観察方法を提供することを目的とする。
なお、本発明で生成されるパターンは、ディフューザを用いて生成される通常のスペックルパターンと異なる空間構造または光強度統計分布を有することも可能であるので、「擬似スペックルパターン」と呼ぶことにする。
本発明の擬似スペックルパターン生成装置は、或る側面では、(1) 光を出力する光源と、(2) 設定可能な強度の変調分布を有し、光源から出力された光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を擬似スペックルパターンとして出力する空間光変調器と、(3) 擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて空間光変調器の変調分布を設定する制御部と、を備える。また、この擬似スペックルパターン生成装置は、空間光変調器から出力された光を入力して擬似スペックルパターンを光パターン生成面に結像する結像光学系を更に備えるのが好適である。
本発明の擬似スペックルパターン生成装置は、他の側面では、(1) 光を出力する光源と、(2) 設定可能な位相の変調分布を有し、光源から出力された光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する空間光変調器と、(3) 空間光変調器から出力された光を入力して擬似スペックルパターンを光パターン生成面に再生する再生光学系と、(4) 擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて得られる計算機ホログラムを空間光変調器の変調分布として設定する制御部と、を備える。
本発明の擬似スペックルパターン生成装置の一側面では、制御部は、生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンのフーリエ変換を第１パターンとし、生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根のパターンを第２パターンとして、第１パターンと第２パターンとの積の逆フーリエ変換のパターンに基づく変調分布を空間光変調器に設定するのが好適である。また、制御部は、生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンを第１パターンとし、生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根の逆フーリエ変換のパターンを第２パターンとして、第１パターンと第２パターンとの畳み込み積分のパターンに基づく変調分布を空間光変調器に設定するのも好適である。
本発明の観察装置は、(1) 上記の本発明の擬似スペックルパターン生成装置と、(2) 擬似スペックルパターン生成装置により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に照射される観察用の光を出力する観察用光源と、(3) 光パターン生成面への観察用の光の照射に応じて生じた光を受光して撮像するカメラと、を備える。
本発明の擬似スペックルパターン生成方法は、或る側面では、設定可能な強度の変調分布を有する空間光変調器を用い、擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて空間光変調器の変調分布を設定し、光源から出力された光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を擬似スペックルパターンとして出力する。また、この擬似スペックルパターン生成方法は、空間光変調器から出力された光を入力する結像光学系を用いて、擬似スペックルパターンを光パターン生成面に結像するのが好適である。
本発明の擬似スペックルパターン生成方法は、他の側面では、設定可能な位相の変調分布を有する空間光変調器を用い、擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて得られる計算機ホログラムを空間光変調器の変調分布として設定し、光源から出力された光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力し、空間光変調器から出力された光を入力する再生光学系により、擬似スペックルパターンを光パターン生成面に再生する。
本発明の擬似スペックルパターン生成方法の一側面では、生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンのフーリエ変換を第１パターンとし、生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根のパターンを第２パターンとして、第１パターンと第２パターンとの積の逆フーリエ変換のパターンに基づく変調分布を空間光変調器に設定するのが好適である。また、生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンを第１パターンとし、生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根の逆フーリエ変換のパターンを第２パターンとして、第１パターンと第２パターンとの畳み込み積分のパターンに基づく変調分布を空間光変調器に設定するのも好適である。
本発明の観察方法は、上記の本発明の擬似スペックルパターン生成方法により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に、観察用光源から出力される観察用の光を照射し、光パターン生成面への観察用の光の照射に応じて生じた光をカメラにより受光して撮像する。
本発明によれば、生成される擬似スペックルパターンの空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高く、生成されるパターンが再現性を有する。
図１は、擬似スペックルパターンを計算により求める場合の計算手順のフローチャートである。 図２は、擬似スペックルパターンを計算により求める場合の他の計算手順のフローチャートである。 図３は、相関関数ｃおよびフィルタ関数Ｆの例を纏めた表である。 図４（ａ）は、統計分布が正規分布に従う２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の一例を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。 図５（ａ）は、図４（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/9)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。 図６（ａ）は、ディフューザを用いて生成されたスペックルパターンの一例を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のスペックルパターンの光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。 図７（ａ）は、図４（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/3)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関画像を示す図である。 図８は、図７（ｂ）の自己相関画像における強度プロファイルを示す図である。 図９は、第１実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ａの構成を示す図である。 図１０は、第２実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成を示す図である。 図１１は、第３実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｃの構成を示す図である。 図１２は、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの構成を示す図である。 図１３は、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの空間光変調器１５に設定される計算機ホログラムの一例を示す図である。 図１４（ａ）は、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの空間光変調器１５に図１３の計算機ホログラムを位相変調分布として設定したときに光パターン生成面Ｐに再生される擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。 図１５は、第５実施形態の観察装置２Ａの構成を示す図である。 図１６は、第６実施形態の観察装置２Ｂの構成を示す図である。 図１７は、第７実施形態の観察装置２Ｃの構成を示す図である。 図１８は、第８実施形態の観察装置２Ｄの構成を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
先ず、本実施形態において生成される擬似スペックルパターンを説明する。図１は、擬似スペックルパターンを計算により求める場合の計算手順のフローチャートである。なお、以下に登場する関数のうち、英小文字で表した関数は実空間における関数であり、英大文字で表した関数はフーリエ空間における関数である。また、(x,y)は実空間中の直交座標系で表した位置を示し、(u,v)はフーリエ空間中の直交座標系で表した位置を示す。
ステップＳ１１では、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)を生成する。具体的には、任意の生成方法により所定のシード数および統計分布に従う１次元の擬似乱数列を生成し、これらの擬似乱数を２次元に配列することで２次元擬似乱数パターンａ(x,y)を生成する。１次元擬似乱数列の生成の際のシード数および統計分布ならびに２次元配列の際の配列規則が同じであれば、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の生成は再現性を有する。ステップＳ１２では、ａ(x,y)をフーリエ変換してＡ(u,v)を得る（（１）式）。
ステップＳ２１では、相関関数ｃ(x,y)を準備する。ステップＳ２２では、ｃ(x,y)をフーリエ変換してＣ(u,v)を得る（（２）式）。ステップＳ２３では、Ｃ(u,v)の平方根を計算してフィルタ関数Ｆ(u,v)を得る（（３）式）。
ステップＳ３１では、Ａ(u,v)とＦ(u,v)とを乗算してＢ(u,v)を得る（（４）式）。そして、ステップＳ３２では、Ｂ(u,v)を逆フーリエ変換して擬似スペックルパターンｂ(x,y)を得る（（５）式）。なお、フーリエ変換と逆フーリエ変換とは、数値計算をする場合には同様の計算処理で実現可能であり、また、光学系により実現する場合には同様の光学系により実現可能であるから、両者を区別する必要はない。
このようにして生成された擬似スペックルパターンｂ(x,y)は、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布に応じた光強度統計分布と、フィルタ関数Ｆ(u,v)に対応する相関関数ｃ(x,y)に応じた空間構造（自己相関関数）と、を有する。なお、ステップＳ２３においてＣ(u,v)の平方根を計算してフィルタ関数Ｆ(u,v)を求めるのは、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数と相関関数ｃ(x,y)とを互いに一致させるためである。
擬似スペックルパターンは、他の計算手順に従って求めることもできる。図２は、擬似スペックルパターンを計算により求める場合の他の計算手順のフローチャートである。
ステップＳ４１では、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)を生成する。ステップＳ５１では、相関関数ｃ(x,y)を準備する。ステップＳ５２では、ｃ(x,y)をフーリエ変換してＣ(u,v)を得る（（２）式）。ステップＳ５３では、Ｃ(u,v)の平方根を計算してフィルタ関数Ｆ(u,v)を得る（（３）式）。これらステップＳ４１，Ｓ５１，Ｓ５２，Ｓ５３は、ステップＳ１１，Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２３と同様の処理である。
ステップＳ５４では、Ｆ(u,v)を逆フーリエ変換してｆ(x,y)を得る（（６）式）。ステップＳ６１では、ａ(x,y)とｆ(x,y)とを畳み込み積分して擬似スペックルパターンｂ(x,y)を得る（（７）式）。
このようにして生成された擬似スペックルパターンｂ(x,y)も、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布に応じた光強度統計分布と、相関関数ｃ(x,y)に応じた空間構造（自己相関関数）と、を有する。
本実施形態では、図１および図２の何れの計算手順に従って擬似スペックルパターンｂ(x,y)を求めてもよい。
すなわち、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布に応じた統計分布を有する２次元擬似乱数パターンａ(x,y)のフーリエ変換（Ａ(u,v)）を第１パターンとし、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数に応じた相関関数ｃ(x,y)のフーリエ変換の平方根（Ｆ(u,v)）のパターンを第２パターンとして、第１パターンと第２パターンとの積の逆フーリエ変換のパターンを擬似スペックルパターンｂ(x,y)とすることができる。
或いは、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布に応じた統計分布を有する２次元擬似乱数パターンａ(x,y)を第１パターンとし、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数に応じた相関関数ｃ(x,y)のフーリエ変換の平方根の逆フーリエ変換（ｆ(x,y)）のパターンを第２パターンとして、第１パターンと第２パターンとの畳み込み積分のパターンを擬似スペックルパターンｂ(x,y)とすることができる。
図３は、相関関数ｃおよびフィルタ関数Ｆの例を纏めた表である。この表に示される相関関数ｃは、実空間における原点(0,0)からの距離ｒのみを変数とする関数ｃ(r)である。対応するフィルタ関数Ｆも、フーリエ空間における原点(0,0)からの距離ｋのみを変数とする関数Ｆ(k)である。各式において、ｒ，ｋは非負の実数であり、η，ξは正の実数である。
相関関数ｃ(x,y)としては、フーリエ変換の結果であるＣ(u,v)が非負の実数の関数となるような関数が選ばれ、また、距離ｒが大きくなるに従い関数値が漸減する関数であるのが好ましい。相関関数ｃは、距離ｒのみを変数とする関数であるのが好ましい。相関関数ｃは、ｘおよびｙを変数とする関数（例えばexp(-|x+y|/ξ)）であってもよい。相関関数ｃは、原点(0,0)における関数値が１であってもよいが、その関数値が任意であってよい。相関関数ｃは、数式で表現することができないものであってもよい。
図４（ａ）は、統計分布が正規分布に従う２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の一例を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図５（ａ）は、図４（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/9)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。
図６（ａ）は、ディフューザを用いて生成されたスペックルパターンの一例を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のスペックルパターンの光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。ディフューザを用いて生成されたスペックルパターンの光強度統計分布（図６（ｂ））は指数関数分布で近似することができるのに対して、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（図５（ｂ））は、正規分布で近似することができ、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布と略一致している。なお、図５（ｂ）および図６（ｂ）の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）の横軸は、２５６階調の光強度を表している。
図７（ａ）は、図４（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/3)を用いた場合の擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図７（ｂ）は、図７（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関画像を示す図である。図８は、図７（ｂ）の自己相関画像における強度プロファイルを示す図である。ｘ方向およびｙ方向それぞれの強度プロファイルは、互いに略一致しており、また、相関関数ｃ(r)＝exp(-r/3)とも略一致している。すなわち、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数は、相関関数ｃと略一致している。
本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置および擬似スペックルパターン生成方法では、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)およびフィルタ関数Ｆ(u,v)に基づく強度または位相の変調分布を有する空間光変調器を用いて、擬似スペックルパターンｂ(x,y)を光学的に生成する。
図９は、第１実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ａの構成を示す図である。擬似スペックルパターン生成装置１Ａは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２および空間光変調器１３を備え、空間光変調器１３の出力面に擬似スペックルパターンｂ(x,y)を出力する。
光源１１は、光を出力する。光源１１として、例えば、レーザ光源、ランプ光源、ＳＬＤ（SuperluminescentDiode）光源等が用いられる。ビームエキスパンダ１２は、光源１１と光学的に接続され、光源１１から出力される光のビーム径を拡大して出力する。このとき、ビームエキスパンダ１２から出力される光は、ビーム断面において強度が均一化されるのが好ましい。
空間光変調器１３は、強度変調型のものであって、ステップＳ３２またはＳ６１で生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)に基づく強度の変調分布を有する。空間光変調器１３として、例えば、変調媒体が液晶である変調器や、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられる。空間光変調器１３は、ビームエキスパンダ１２と光学的に接続され、光源１１から出力されてビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大された光を入力し、その入力した光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する。
このようにして空間光変調器１３の出力面に生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)は、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布に応じた光強度統計分布を有するとともに、相関関数ｃ(x,y)に応じた空間構造を有する。
制御部１０は、空間光変調器１３と電気的に接続され、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(x,y)から計算される擬似スペックルパターンｂ(x,y)に基づく強度変調分布を空間光変調器１３に設定する。
制御部１０は、例えばコンピュータにより構成され、空間光変調器１３と電気的に接続されて通信を行う通信部を備える他、演算部、記憶部、入力部および表示部を備える。演算部は、ＣＰＵまたはＤＳＰ等を含み、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)や相関関数ｃ(x,y)の生成、フーリエ変換、平方根計算、乗算、畳み込み積分、自己相関関数の演算、強度統計分布の算出等を行う。記憶部は、例えばハードディスクまたはメモリなどを含み、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)や相関関数ｃ(x,y)の生成条件や各パターンの演算結果等を記憶する。入力部は、例えばキーボードまたはポインティングデバイスなどを含み、上記生成条件等の入力を受け付ける。表示部は、例えば液晶ディスプレイを含み、ａ(x,y)、Ａ(u,v)、ｃ(x,y)、Ｃ(u,v)、Ｆ(u,v)、ｆ(x,y)、Ｂ(u,v)およびｂ(x,y)等の各パターンを表示する。
本実施形態では、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(x,y)から計算される擬似スペックルパターンｂ(x,y)に基づいて空間光変調器１３の強度変調分布を設定するので、生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)の空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高い。生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布に応じた統計分布を有する２次元擬似乱数パターンａ(x,y)、および、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数に応じた相関関数ｃ(x,y)を用いて、これらから計算される擬似スペックルパターンｂ(x,y)に基づいて空間光変調器１３の強度変調分布を設定することにより、所望の光強度統計分布および所望の空間構造を有する擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができる。
本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法では、生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)の空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高い。加えて、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の空間構造または光強度統計分布を、制御部１０により、再現性よく設定することができ、迅速に設定を変更することができる。本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法は、計測対象や光操作対象に適した擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができ、様々な検証方法に有効な計測技術や光操作技術において好適に用いることができる。また、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法は、擬似スペックルパターンを構造化照明として用いる場合に、輝度が高く明るい擬似スペックルパターンを生成することもできるので、照明回数を少なくして、高感度で短時間の照明が可能となる。
本実施形態により所望の空間構造および光強度統計分布を有する擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができることは、次のようにして確認することができる。すなわち、空間光変調器１３の出力面に生成された擬似スペックルパターンｂ(x,y)をカメラにより撮像する。そして、制御部１０により、撮像により得られた擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数を求めて、これを相関関数ｃ(x,y)と比較する。また、制御部１０により、撮像により得られた擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布を求めて、これを２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布と比較する。
図１０は、第２実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成を示す図である。擬似スペックルパターン生成装置１Ｂは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、空間光変調器１３およびレンズ１４ａ，１４ｂを備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成する。図９に示された第１実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ａの構成と比較すると、この図１０に示される第２実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂは、レンズ１４ａ，１４ｂを更に備える点で相違する。
空間光変調器１３から光パターン生成面Ｐに至るまでの光学系は４ｆ結像光学系を構成している。レンズ１４ａ，１４ｂは、空間光変調器１３から出力される光を入力して擬似スペックルパターンｂ(x,y)を光パターン生成面Ｐに結像する。このようにレンズ１４ａ，１４ｂからなる結像光学系を用いることで、空間光変調器１３の出力面と異なる位置にある光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができる。
図１１は、第３実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｃの構成を示す図である。擬似スペックルパターン生成装置１Ｃは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、位相変調型の空間光変調器１７、偏光板１８，１９およびレンズ１４ａ，１４ｂを備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成する。図１０に示された第２実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成と比較すると、この図１１に示される第３実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｃは、強度変調型の空間光変調器１３に替えて位相変調型の空間光変調器１７および偏光板１８，１９を備える点で相違する。位相変調型の空間光変調器１７は、例えば、変調媒体が液晶である変調器が用いられる。
位相変調型の空間光変調器１７を挟んで偏光板１８および偏光板１９が設けられている。一般に変調媒質が液晶である空間光変調器１７は特定の配向方向の液晶分子を有する。偏光板１８，１９は、この液晶分子の配向方向に対して相対的に４５°の角度である偏光方向となるよう配置される。偏光板１８，１９それぞれの偏光方向は、互いに平行であってもよいし、互いに垂直であってもよい。このように位相変調型の空間光変調器１７および偏光板１８，１９が配置されることで、これらは実質的に強度変調型の空間光変調器１３Ｃとして機能する。制御部１０は、空間光変調器１３Ｃ（これを構成する空間光変調器１７）と電気的に接続され、空間光変調器１３Ｃの強度変調分布（空間光変調器１７の位相変調分布）を設定する。
なお、擬似スペックルパターン生成装置１Ｂ，１Ｃにおいて、擬似スペックルパターンｂ(x,y)が生成される光パターン生成面Ｐは、レンズ１４ｂの後焦点面であってもよいが、その後焦点面と異なる面とすることもできる。例えば、強度変調分布にフレネルレンズパターンを加えたパターンを空間光変調器１３，１３Ｃに設定することにより、レンズ１４ｂの後焦点面と異なる位置にある光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができる。
図１２は、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの構成を示す図である。擬似スペックルパターン生成装置１Ｄは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、空間光変調器１５およびレンズ１６を備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成する。
空間光変調器１５は、位相変調型のものであって、ステップＳ３２またはＳ６１で生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)に基づく位相の変調分布を有する。位相変調型の空間光変調器１５は、例えば、変調媒体が液晶である変調器が用いられる。空間光変調器１５は、ビームエキスパンダ１２と光学的に接続され、光源１１から出力されてビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大された光を入力し、その入力した光を変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する。レンズ１６は、空間光変調器１５から出力された光を入力して擬似スペックルパターンｂ(x,y)を光パターン生成面Ｐに再生する再生光学系である。
制御部１０は、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(x,y)に基づいて得られる計算機ホログラムを空間光変調器１５の変調分布として設定する。空間光変調器１５に設定される位相変調分布は、空間光変調器１５から出力された光をレンズ１６（再生光学系）により光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)として再生することができるような計算機ホログラムである。制御部１０は、反復フーリエ変換法を用いて、擬似スペックルパターンｂ(x,y)を再生像とする計算機ホログラムを生成し、この計算機ホログラムを空間光変調器１５に設定する。
なお、図１２では空間光変調器１５として透過型のものが示されているが、反射型の空間光変調器が用いられてもよい。
図１３は、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの空間光変調器１５に設定される計算機ホログラムの一例を示す図である。この図では、位相変調の大きさを濃淡で示している。ここでは、統計分布が正規分布に従う２次元擬似乱数パターンａ(x,y)と相関関数ｃ(x,y)＝exp(-r/9)とを用いて擬似スペックルパターンｂ(x,y)を計算し、この擬似スペックルパターンｂ(x,y)に基づいて計算機ホログラムを求めた。図１４（ａ）は、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの空間光変調器１５に図１３の計算機ホログラムを位相変調分布として設定したときに光パターン生成面Ｐに再生される擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図１４（ｂ）は、図１４（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。再生された擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布は、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布と同様に正規分布であることが確認できる。
次に、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置を備える観察装置の実施形態、および、本実施形態の擬似スペックルパターン生成方法を含む観察方法の実施形態について説明する。本実施形態の観察装置または観察方法は、上記の本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面Ｐに観察用の光を照射し、この光パターン生成面Ｐへの光の照射に応じて発生する光（透過光、反射光、散乱光、蛍光など）を受光して、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。
図１５は、第５実施形態の観察装置２Ａの構成を示す図である。観察装置２Ａは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、空間光変調器１３およびレンズ１４ａ，１４ｂを備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンを生成する。これらは、第２本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成と同様である。レンズ１４ｂとして対物レンズが用いられる。
観察装置２Ａは、擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成に加えて、ダイクロイックミラー２１、観察用光源２２、カメラ２３およびレンズ２４を更に備える。ダイクロイックミラー２１は、レンズ１４ａとレンズ１４ｂとの間の光路上に設けられ、光源１１から出力される光を透過させ、観察用光源２２から出力される光を反射させる。
観察用光源２２は、光源１１から出力される光の波長と異なる波長の観察用の光を出力する。観察用光源２２は、光パターン生成面Ｐに対してレンズ１４ｂが設けられる側と反対の側に設けられ、光パターン生成面Ｐに観察用の光を照射する。観察用光源２２による観察用の光の照射に応じて発生した光は、レンズ１４ｂを経て、ダイクロイックミラー２１により反射され、レンズ２４を経て、カメラ２３の撮像面に到達する。レンズ１４ｂおよびレンズ２４は、光パターン生成面Ｐで発生した光をカメラ２３の撮像面に結像する。カメラ２３は、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。カメラ２３は、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等である。
図１６は、第６実施形態の観察装置２Ｂの構成を示す図である。観察装置２Ｂは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、空間光変調器１３およびレンズ１４ａ，１４ｂを備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンを生成する。これらは、第２本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成と同様である。レンズ１４ｂとして対物レンズが用いられる。
観察装置２Ｂは、擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成に加えて、ダイクロイックミラー２１、観察用光源２２、カメラ２３、レンズ２５、対物レンズ２６およびレンズ２７を更に備える。ダイクロイックミラー２１は、レンズ１４ａとレンズ１４ｂとの間の光路上に設けられ、光源１１から出力される光を透過させ、観察用光源２２から出力される光を反射させる。
観察用光源２２は、光源１１から出力される光の波長と異なる波長の観察用の光を出力する。観察用光源２２から出力された光は、レンズ２５を経て、ダイクロイックミラー２１により反射され、レンズ１４ｂを経て、光パターン生成面Ｐに照射される。カメラ２３、対物レンズ２６およびレンズ２７は、光パターン生成面Ｐに対してレンズ１４ｂが設けられる側と反対の側に設けられている。観察用光源２２による観察用の光の照射に応じて発生した光は、対物レンズ２６およびレンズ２７を経て、カメラ２３の撮像面に到達する。対物レンズ２６およびレンズ２７は、光パターン生成面Ｐで発生した光をカメラ２３の撮像面に結像する。カメラ２３は、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。
図１７は、第７実施形態の観察装置２Ｃの構成を示す図である。観察装置２Ｃは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、空間光変調器１５およびレンズ１６を備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンを生成する。これらは、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの構成と同様である。レンズ１６として対物レンズが用いられる。
観察装置２Ｃは、擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの構成に加えて、ダイクロイックミラー２１、観察用光源２２、カメラ２３およびレンズ２４を更に備える。ダイクロイックミラー２１は、空間光変調器１５とレンズ１６との間の光路上に設けられ、光源１１から出力される光を透過させ、観察用光源２２から出力される光を反射させる。
観察用光源２２は、光源１１から出力される光の波長と異なる波長の観察用の光を出力する。観察用光源２２は、光パターン生成面Ｐに対してレンズ１６が設けられる側と反対の側に設けられ、光パターン生成面Ｐに観察用の光を照射する。観察用光源２２による観察用の光の照射に応じて発生した光は、レンズ１６を経て、ダイクロイックミラー２１により反射され、レンズ２４を経て、カメラ２３の撮像面に到達する。レンズ１６およびレンズ２４は、光パターン生成面Ｐで発生した光をカメラ２３の撮像面に結像する。カメラ２３は、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。
図１８は、第８実施形態の観察装置２Ｄの構成を示す図である。観察装置２Ｄは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、空間光変調器１５およびレンズ１６を備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンを生成する。これらは、第４実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの構成と同様である。レンズ１６として対物レンズが用いられる。
観察装置２Ｄは、擬似スペックルパターン生成装置１Ｄの構成に加えて、ダイクロイックミラー２１、観察用光源２２、カメラ２３、レンズ２５、対物レンズ２６およびレンズ２７を更に備える。ダイクロイックミラー２１は、空間光変調器１５とレンズ１６との間の光路上に設けられ、光源１１から出力される光を透過させ、観察用光源２２から出力される光を反射させる。
観察用光源２２は、光源１１から出力される光の波長と異なる波長の観察用の光を出力する。観察用光源２２から出力された光は、レンズ２５を経て、ダイクロイックミラー２１により反射され、レンズ１６を経て、光パターン生成面Ｐに照射される。カメラ２３、対物レンズ２６およびレンズ２７は、光パターン生成面Ｐに対してレンズ１６が設けられる側と反対の側に設けられている。観察用光源２２による観察用の光の照射に応じて発生した光は、対物レンズ２６およびレンズ２７を経て、カメラ２３の撮像面に到達する。対物レンズ２６およびレンズ２７は、光パターン生成面Ｐで発生した光をカメラ２３の撮像面に結像する。カメラ２３は、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。
これらの観察装置２Ａ〜２Ｄは、擬似スペックルパターン生成装置を光トラップ技術および構造化照明技術をはじめとする光操作技術あるいは光イメージング技術に応用する場合に、顕微イメージング装置として好適に用いられる。本実施形態の観察装置または観察方法は、擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法により生成される擬似スペックルパターンを微小体のトラップやソーティングなどの光操作に用いることで、様々な態様の光操作が可能となって、その光操作の様子を観察することができる。
なお、上記の実施形態では擬似乱数パターンおよび擬似スペックルパターンは２次元であるとしたが、本発明では擬似乱数パターンおよび擬似スペックルパターンは１次元または３次元であってもよい。
１Ａ〜１Ｄ…擬似スペックルパターン生成装置、２Ａ〜２Ｄ…観察装置、１０…制御部、１１…光源、１２…ビームエキスパンダ、１３…空間光変調器、１４ａ，１４ｂ…レンズ（結像光学系）、１５…空間光変調器、１６…レンズ（再生光学系）、１７…空間光変調器、１８，１９…偏光板、２１…ダイクロイックミラー、２２…観察用光源、２３…カメラ、２４…レンズ、２５…レンズ、２６…対物レンズ、２７…レンズ、Ｐ…光パターン生成面。

Claims (12)

  1. 光を出力する光源と、
    設定可能な強度の変調分布を有し、前記光源から出力された光を前記変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を擬似スペックルパターンとして出力する空間光変調器と、
    擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて前記空間光変調器の前記変調分布を設定する制御部と、
    を備える擬似スペックルパターン生成装置。
  2. 前記空間光変調器から出力された光を入力して擬似スペックルパターンを光パターン生成面に結像する結像光学系を更に備える、
    請求項１に記載の擬似スペックルパターン生成装置。
  3. 光を出力する光源と、
    設定可能な位相の変調分布を有し、前記光源から出力された光を前記変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力する空間光変調器と、
    前記空間光変調器から出力された光を入力して擬似スペックルパターンを光パターン生成面に再生する再生光学系と、
    擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて得られる計算機ホログラムを前記空間光変調器の前記変調分布として設定する制御部と、
    を備える擬似スペックルパターン生成装置。
  4. 前記制御部が、
    生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンのフーリエ変換を第１パターンとし、
    生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根のパターンを第２パターンとして、
    前記第１パターンと前記第２パターンとの積の逆フーリエ変換のパターンに基づく前記変調分布を前記空間光変調器に設定する、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成装置。
  5. 前記制御部が、
    生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンを第１パターンとし、
    生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根の逆フーリエ変換のパターンを第２パターンとして、
    前記第１パターンと前記第２パターンとの畳み込み積分のパターンに基づく前記変調分布を前記空間光変調器に設定する、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成装置。
  6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成装置と、
    前記擬似スペックルパターン生成装置により前記擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に照射される観察用の光を出力する観察用光源と、
    前記光パターン生成面への前記観察用の光の照射に応じて生じた光を受光して撮像するカメラと、
    を備える観察装置。
  7. 設定可能な強度の変調分布を有する空間光変調器を用い、
    擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて前記空間光変調器の前記変調分布を設定し、
    光源から出力された光を前記変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を擬似スペックルパターンとして出力する、
    擬似スペックルパターン生成方法。
  8. 前記空間光変調器から出力された光を入力する結像光学系を用いて、擬似スペックルパターンを光パターン生成面に結像する、
    請求項７に記載の擬似スペックルパターン生成方法。
  9. 設定可能な位相の変調分布を有する空間光変調器を用い、
    擬似乱数パターンおよび相関関数に基づいて得られる計算機ホログラムを前記空間光変調器の前記変調分布として設定し、
    光源から出力された光を前記変調分布に応じて空間的に変調して、その変調後の光を出力し、
    前記空間光変調器から出力された光を入力する再生光学系により、擬似スペックルパターンを光パターン生成面に再生する、
    擬似スペックルパターン生成方法。
  10. 生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンのフーリエ変換を第１パターンとし、
    生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根のパターンを第２パターンとして、
    前記第１パターンと前記第２パターンとの積の逆フーリエ変換のパターンに基づく前記変調分布を前記空間光変調器に設定する、
    請求項７〜９の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成方法。
  11. 生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンを第１パターンとし、
    生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根の逆フーリエ変換のパターンを第２パターンとして、
    前記第１パターンと前記第２パターンとの畳み込み積分のパターンに基づく前記変調分布を前記空間光変調器に設定する、
    請求項７〜９の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成方法。
  12. 請求項７〜１１の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成方法により前記擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に、観察用光源から出力される観察用の光を照射し、
    前記光パターン生成面への前記観察用の光の照射に応じて生じた光をカメラにより受光して撮像する、
    観察方法。
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