JP2019109181A - Phase image acquisition device and phase image acquisition method - Google Patents

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Abstract

To provide a device and a method capable of acquiring a phase image repeatedly at high speed.SOLUTION: A phase image acquisition device 1A comprises an interference image acquisition unit 2 and a calculation unit 3. In a first phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 acquires an interference image in each state in which difference in optical path length of a two-beam interferometer is stabilized in each of a plurality of set values different from one another, and the calculation unit 3 obtains a first phase image on the basis of a plurality of interference images acquired by the interference image acquisition unit 2. In a second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 acquires an interference image in each state in which difference in optical path length of the two-beam interferometer is stabilized in a fixed set value so that the amount of interference light received by each pixel of an imaging device in a region of interest corresponds to a phase value one to one, and the calculation unit 3 obtains a second phase image on the basis of the interference image acquired by the interference image acquisition unit 2 and the first phase image.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、対象物の位相画像を取得する装置および方法に関するものである。   The present invention relates to an apparatus and method for acquiring a phase image of an object.

特許文献1,2に、位相シフト法を用いて対象物の位相画像を取得することができる装置および方法の発明が開示されている。これらの文献に記載された位相画像取得装置は、光源と、この光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、この二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを備える。この位相画像取得装置は、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし、各状態において対象物の干渉画像を撮像器により取得し、これら取得した複数の干渉画像に基づいて位相画像を求める。   Patent Documents 1 and 2 disclose inventions of apparatuses and methods capable of acquiring a phase image of an object using a phase shift method. The phase image acquisition device described in these documents comprises: a light source; a two-beam interferometer which splits the light output from the light source into two light beams and then combines the two light beams to output interference light; And an image pickup device for receiving the interference light output from the two-beam interferometer. This phase image acquisition device stabilizes the optical path length difference between two light beams in the two light beam interferometer with each of a plurality of different set values, acquires an interference image of the object in each state with an imager, and A phase image is determined based on the plurality of acquired interference images.

国際公開第2016/121250号International Publication No. 2016/121250 特開2008−281484号公報JP 2008-281484 A

D. Pogany, et al,"Single-Shot Thermal Energy Mapping of Semiconductor Devices With theNanosecond Resolution Using Holographic Interferometry," IEEE ELECTRONDEVICE LETTERS, VOL.23, NO.10, OCTOBER 2002.D. Pogany, et al, "Single-Shot Thermal Energy Mapping with Semiconductor Devices with the Nanosecond Resolution Using Holographic Interferometry," IEEE ELECTRONIC DEVICE LETTERS, VOL. 23, NO. 10, OCTOBER 2002.

特許文献1,2に記載されたものを含め従来の位相画像取得装置は、位相シフト法により複数の干渉画像に基づいて1つの位相画像を求めるものであり、また、各々の干渉画像を取得する際には二光束干渉計の光路長差を所定の設定値で安定化した状態としなければならない。光路長差を複数の設定値それぞれで順次に安定化するために、光路長差を或る設定値から次の設定値に変更した後、ピエゾ素子を用いたフィードバック制御により光路長差が該設定値で安定化するまで時間を要する。したがって、従来の位相画像取得装置では1つの位相画像を取得するのに時間を要し、繰り返し取得できる位相画像のフレームレートは50fps程度が限界である。   Conventional phase image acquisition devices including those described in Patent Documents 1 and 2 obtain one phase image based on a plurality of interference images by the phase shift method, and each interference image is acquired. In this case, it is necessary to stabilize the optical path length difference of the two-beam interferometer with a predetermined set value. In order to stabilize the optical path length difference sequentially with each of a plurality of set values, the optical path length difference is set by feedback control using a piezo element after changing the optical path length difference from a certain set value to the next set value. It takes time to stabilize at the value. Therefore, in the conventional phase image acquisition apparatus, it takes time to acquire one phase image, and the frame rate of the phase image that can be repeatedly acquired is limited to about 50 fps.

非特許文献1には、対象物の位相画像を高速に求めることを意図した技術が記載されている。この文献に記載された技術は、off-axisの干渉光学系により空間周波数が高い二次元的な干渉縞からなる干渉画像を取得し、この干渉画像に対して空間的なフーリエ変換を施すことで位相画像を求める。しかし、非特許文献1に記載された技術は、得られる位相画像の空間分解能が低く、位相画像の空間分解能を高めるためには画素数が多い撮像器を用いなければならない。したがって、撮像器から干渉画像のデータを出力するのに時間を要することになるので、高速に繰り返して位相画像を取得することは困難である。   Non-Patent Document 1 describes a technique intended to obtain a phase image of an object at high speed. The technique described in this document acquires an interference image consisting of two-dimensional interference fringes with high spatial frequency by an off-axis interference optical system, and performs spatial Fourier transform on the interference image. Determine the phase image. However, the technique described in Non-Patent Document 1 has a low spatial resolution of the obtained phase image, and in order to enhance the spatial resolution of the phase image, it is necessary to use an imager with a large number of pixels. Therefore, it takes time to output interference image data from the imaging device, and it is difficult to repeatedly acquire a phase image at high speed.

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、高速に繰り返して位相画像を取得することができる装置および方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide an apparatus and method capable of acquiring a phase image repeatedly at high speed.

本発明の位相画像取得装置は、(1) 光源と、光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が可変であり、光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、(2) 干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める演算部と、を備える。そして、本発明の位相画像取得装置は、(a) 第1位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、演算部は、干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第1位相画像を求め、(b) 第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、演算部は、干渉画像取得部により取得された干渉画像および第1位相画像に基づいて第2位相画像を求める。   The phase image acquisition apparatus according to the present invention includes: (1) a light source, a two-beam interferometer that splits the light output from the light source into two beams, combines the two beams, and outputs interference light; And an imaging device for receiving the interference light output from the measuring device, wherein the difference in optical path length between the two light beams is variable in the two-beam interferometer, and the interference image of the object is imaged in a state where the difference in optical path length is stabilized. And an operation unit for obtaining a phase image of the object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit. Then, in the phase image acquisition device of the present invention, (a) in the first phase image acquisition step, the interference image acquisition unit stabilizes the optical path length difference of the two-beam interferometer with each of a plurality of different setting values. An interference image is obtained in each state, and the operation unit obtains a first phase image based on the plurality of interference images acquired by the interference image acquisition unit. (B) In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit Is a state in which the optical path length difference of the two-beam interferometer is stabilized at a constant set value so that the light quantity and the phase value of the interference light received by each pixel of the imager in the region of interest become one to one correspondence. An image is acquired, and the calculation unit obtains a second phase image based on the interference image and the first phase image acquired by the interference image acquisition unit.

本発明の一側面による位相画像取得装置では、第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、光源の出力光強度または撮像器の露光時間を第1位相画像取得ステップの際と比べて大きくする。   In the phase image acquisition device according to one aspect of the present invention, in the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit determines that the light amount of interference light received by each pixel of the imaging device in the region of interest is less than the saturation light amount of the pixel In the range, the output light intensity of the light source or the exposure time of the imager is increased as compared to that in the first phase image acquisition step.

本発明の他の一側面による位相画像取得装置は、時間的に強度変調した注入電流を対象物へ与える電源部を更に備え、第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   The phase image acquisition apparatus according to another aspect of the present invention further includes a power supply unit for supplying a temporally intensity-modulated injection current to the object, and in the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit An interference image is acquired in synchronization with the intensity modulation.

本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置は、時間的に強度変調した赤外光を対象物へ照射する赤外光源を更に備え、第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部は、赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   The phase image acquiring apparatus according to still another aspect of the present invention further includes an infrared light source for irradiating a temporally intensity-modulated infrared light to the object, and in the second phase image acquiring step, the interference image acquiring unit The interference image is acquired in synchronization with the intensity modulation of infrared light.

本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置では、干渉画像取得部は、二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器を更に含み、第2位相画像取得ステップにおいて、空間光位相変調器による空間的な位相変調により、撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する。   In the phase image acquisition apparatus according to still another aspect of the present invention, the interference image acquisition unit further includes a spatial light phase modulator provided on the optical path of any one of two light fluxes in the two light flux interferometer. In the second phase image acquisition step, the range in which the light amount and the phase value of the interference light received by each pixel of the image pickup device are in a one-to-one correspondence relationship is expanded by spatial phase modulation by a spatial light phase modulator. .

本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置では、干渉画像取得部は、光源の出力光と合波されて二光束干渉計に入力される時間的に波長変調されたレーザ光を出力するレーザ光源と、二光束干渉計から出力されたレーザ光の干渉光を受光して検出信号を出力する光検出器とを更に含み、検出信号に基づいて二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて光路長差を安定化する。   In the phase image acquiring apparatus according to still another aspect of the present invention, the interference image acquiring unit outputs temporally wavelength-modulated laser light which is multiplexed with the output light of the light source and input to the two-beam interferometer. The optical system further includes a laser light source, and a light detector that receives interference light of laser light output from the two-beam interferometer and outputs a detection signal, and detects an optical path length difference of the two-beam interferometer based on the detection signal. And stabilize the optical path length difference based on the detection result.

本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置では、光源はインコヒーレント光を出力する。   In a phase image acquisition device according to still another aspect of the present invention, a light source outputs incoherent light.

本発明の位相画像取得方法は、(1) 光源と、光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が可変であり、光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、(2) 干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める演算部と、を用いる。そして、本発明の位相画像取得方法は、(a) 干渉画像取得部により、二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、演算部により、干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第1位相画像を求める第1位相画像取得ステップと、(b) 干渉画像取得部により、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、演算部により、干渉画像取得部により取得された干渉画像および第1位相画像に基づいて第2位相画像を求める第2位相画像取得ステップと、を備える。   The phase image acquisition method according to the present invention comprises: (1) a light source, a two-beam interferometer that splits the light output from the light source into two light beams, combines the two light beams, and outputs interference light; And an imaging device for receiving the interference light output from the measuring device, wherein the difference in optical path length between the two light beams is variable in the two-beam interferometer, and the interference image of the object is imaged in a state where the difference in optical path length is stabilized. And an arithmetic unit for obtaining a phase image of the object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit. Then, according to the phase image acquisition method of the present invention, (a) the interference image acquisition unit stabilizes the optical path length difference of the two-beam interferometer with each of a plurality of different set values and acquires interference images in each state. A first phase image acquisition step of obtaining a first phase image based on the plurality of interference images acquired by the interference image acquisition unit by the operation unit; (b) each of the imaging devices in the region of interest by the interference image acquisition unit An interference image is acquired as a state in which the optical path length difference of the two-beam interferometer is stabilized at a fixed set value so that the light amount of the interference light received by the pixel and the phase value become one to one correspondence. And a second phase image acquisition step of obtaining a second phase image based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit and the first phase image.

本発明の一側面の位相画像取得方法では、第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部により、関心領域において撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、光源の出力光強度または撮像器の露光時間を第1位相画像取得ステップの際と比べて大きくする。   In the phase image acquisition method according to one aspect of the present invention, in the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit determines that the light amount of interference light received by each pixel of the imaging device in the region of interest is less than the saturation light amount of the pixel In the range, the output light intensity of the light source or the exposure time of the imager is increased as compared to that in the first phase image acquisition step.

本発明の他の一側面の位相画像取得方法では、対象物が電気回路であり、第2位相画像取得ステップにおいて、電源部により時間的に強度変調した注入電流を電気回路へ与え、干渉画像取得部により注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   In the phase image acquisition method according to another aspect of the present invention, the object is an electric circuit, and in the second phase image acquisition step, an injection current temporally intensity-modulated by the power supply unit is applied to the electric circuit to acquire an interference image. An interference image is acquired by the unit in synchronization with the intensity modulation of the injection current.

本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法では、対象物が細胞であり、第2位相画像取得ステップにおいて、赤外光源により時間的に強度変調した赤外光を細胞へ照射し、干渉画像取得部により赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   In the phase image acquisition method according to still another aspect of the present invention, the object is a cell, and in the second phase image acquisition step, the cell is irradiated with infrared light temporally intensity-modulated by an infrared light source, and interference is caused. The image acquisition unit acquires an interference image in synchronization with the intensity modulation of infrared light.

本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法は、第2位相画像取得ステップにおいて、二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器による空間的な位相変調により、撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する。   In a phase image acquisition method according to still another aspect of the present invention, in the second phase image acquisition step, a spatial light phase modulator provided on the optical path of any one of two luminous fluxes of two luminous fluxes in a two luminous flux interferometer By spatial phase modulation, the range in which the light amount of the interference light received by each pixel of the imaging device and the phase value have a one-to-one correspondence relationship is expanded.

本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法は、干渉画像取得部において、時間的に波長変調されたレーザ光をレーザ光源から出力させ、そのレーザ光を光源の出力光と合波して二光束干渉計に入力させ、二光束干渉計から出力されたレーザ光の干渉光を光検出器により受光して検出信号を出力させて、検出信号に基づいて二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて光路長差を安定化する。   In the phase image acquiring method according to still another aspect of the present invention, the interference image acquiring unit causes the laser light source to output temporally wavelength-modulated laser light, and combines the laser light with the output light of the light source. The interference light of the laser beam output from the two-beam interferometer is received by the light detector and output as a detection signal, and the optical path length difference of the two-beam interferometer is calculated based on the detection signal. It detects and stabilizes the optical path length difference based on the detection result.

本発明の更に他の一側面の位相画像取得方法では、光源はインコヒーレント光を出力する。   In still another aspect of the phased image acquisition method of the present invention, the light source outputs incoherent light.

本発明によれば、高速に繰り返して位相画像を取得することができる。   According to the present invention, a phase image can be acquired repeatedly at high speed.

図1は、第1実施形態の位相画像取得装置1Aの構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a phase image acquisition device 1A of the first embodiment. 図2は、サンプルの構成を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a sample. 図3は、第1実施形態の位相画像取得装置1Aの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。FIG. 3 is a timing chart for explaining the operation of the phase image acquisition apparatus 1A of the first embodiment and a phase image acquisition method using the same. 図4は、第1実施形態の位相画像取得装置1Aの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。FIG. 4 is a timing chart for explaining the operation of the phase image acquisition device 1A of the first embodiment and a phase image acquisition method using the same. 図5は、第1位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部2により取得された4つの干渉画像I1〜I4を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing four interference images I1 to I4 acquired by the interference image acquisition unit 2 in the first phase image acquisition step. 図6は、第1位相画像取得ステップにおいて演算部3により得られた第1位相画像Φを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing the first phase image Φ obtained by the calculation unit 3 in the first phase image acquisition step. 図7は、撮像器18の1画素当たりに入射する光の積算光量を増大させて取得された干渉画像を示す図である。FIG. 7 is a view showing an interference image acquired by increasing the integrated light quantity of light incident on one pixel of the imaging device 18. 図8は、第2位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部2により取得された3つの干渉画像を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing three interference images acquired by the interference image acquisition unit 2 in the second phase image acquisition step. 図9は、図6の位相画像の位相値と図7の干渉画像の輝度値との関係を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the phase value of the phase image of FIG. 6 and the luminance value of the interference image of FIG. 図10は、図6の位相画像の位相値と図7の干渉画像の輝度値との関係を、関心領域Aに限定して示す図である。FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the phase value of the phase image of FIG. 6 and the luminance value of the interference image of FIG. 図11は、第2位相画像取得ステップにおいて演算部3により得られた3つの位相画像を示す図である。FIG. 11 is a diagram showing three phase images obtained by the calculation unit 3 in the second phase image obtaining step. 図12は、図11(t=0.000秒)の位相画像の一部を拡大して示す図である。FIG. 12 is an enlarged view of a part of the phase image of FIG. 11 (t = 0.000 seconds). 図13は、第2位相画像取得ステップにおける好ましくない条件を説明する図である。FIG. 13 is a view for explaining the undesirable condition in the second phase image acquisition step. 図14は、第2位相画像取得ステップにおける好ましくない条件を説明する図である。FIG. 14 is a diagram for explaining the undesirable condition in the second phase image acquisition step. 図15は、第2位相画像取得ステップにおける干渉画像取得好適条件を説明する図である。FIG. 15 is a diagram for describing interference image acquisition preferable conditions in the second phase image acquisition step. 図16は、関心領域を設定または指定する方法について説明する図である。FIG. 16 is a diagram for describing a method of setting or designating a region of interest. 図17は、関心領域を設定または指定する方法について説明する図である。FIG. 17 is a diagram for describing a method of setting or designating a region of interest. 図18は、関心領域を設定または指定する方法について説明する図である。FIG. 18 is a diagram for describing a method of setting or designating a region of interest. 図19は、第1実施形態の位相画像取得装置1Aの動作および第1実施形態の位相画像取得方法を説明するフローチャートである。FIG. 19 is a flowchart for explaining the operation of the phase image acquisition device 1A of the first embodiment and the phase image acquisition method of the first embodiment. 図20は、第2実施形態の位相画像取得装置1Bの構成を示す図である。FIG. 20 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1B of the second embodiment. 図21は、第2実施形態の位相画像取得装置1Bの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。FIG. 21 is a timing chart for explaining the operation of the phase image acquisition device 1B of the second embodiment and the phase image acquisition method using the same. 図22は、第3実施形態の位相画像取得装置1Cの構成を示す図である。FIG. 22 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1C of the third embodiment. 図23は、サンプルの構成例を示す図である。FIG. 23 is a diagram showing an example of the configuration of a sample. 図24は、第3実施形態の位相画像取得装置1Cの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。FIG. 24 is a timing chart for explaining the operation of the phase image acquisition device 1C of the third embodiment and a phase image acquisition method using the same. 図25は、第4実施形態の位相画像取得装置1Dの構成を示す図である。FIG. 25 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1D according to the fourth embodiment. 図26は、第5実施形態の位相画像取得装置1Eの構成を示す図である。FIG. 26 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1E of the fifth embodiment. 図27は、参照ミラー15Eの構成を示す図である。FIG. 27 is a diagram showing the configuration of the reference mirror 15E.

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。   Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, modes for carrying out the present invention will be described in detail. In the description of the drawings, the same elements will be denoted by the same reference symbols, without redundant description. The present invention is not limited to these exemplifications, is shown by the claims, and is intended to include all modifications within the scope and meaning equivalent to the claims.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態の位相画像取得装置1Aの構成を示す図である。位相画像取得装置1Aは、干渉画像取得部2および演算部3を備える。干渉画像取得部2は、光源11、ビームスプリッタ12、対物レンズ13、対物レンズ14、参照ミラー15、チューブレンズ16、ビームスプリッタ17、撮像器18、ピエゾ素子21、光検出器22および位相制御回路23を含む。
First Embodiment
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a phase image acquisition device 1A of the first embodiment. The phase image acquisition device 1A includes the interference image acquisition unit 2 and the calculation unit 3. The interference image acquisition unit 2 includes a light source 11, a beam splitter 12, an objective lens 13, an objective lens 14, a reference mirror 15, a tube lens 16, a beam splitter 17, an imaging device 18, a piezo element 21, a photodetector 22, and a phase control circuit. Including 23.

干渉画像取得部2は、二光束干渉計としてマイケルソン干渉計を有し、対象物の干渉画像を取得する。演算部3は、干渉画像取得部2により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める。   The interference image acquisition unit 2 includes a Michelson interferometer as a two-beam interferometer, and acquires an interference image of an object. The calculation unit 3 obtains a phase image of the object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit 2.

対象物は、特定の細胞や生体サンプルに限定されるものではない。例えば、対象物として、培養細胞、不死化細胞、初代培養細胞、がん細胞、脂肪細胞、肝臓細胞、心筋細胞、神経細胞、グリア細胞、体性幹細胞、胚性幹細胞、多能性幹細胞、iPS細胞、および前記細胞をもとに作られた細胞塊(コロニーまたはスフェロイド)などが挙げられる。また、対象物として、生体に限らず、工業サンプル、たとえば金属表面、半導体表面、ガラス表面、半導体素子の内部、樹脂素材表面、液晶、高分子化合物なども挙げられる。   The subject is not limited to a specific cell or biological sample. For example, target cells include cultured cells, immortalized cells, primary cultured cells, cancer cells, adipocytes, liver cells, cardiomyocytes, nerve cells, glial cells, somatic stem cells, embryonic stem cells, pluripotent stem cells, iPS Cells, and cell clusters (colony or spheroid) produced from the cells, and the like can be mentioned. The object is not limited to a living body, and examples include industrial samples such as metal surface, semiconductor surface, glass surface, inside of semiconductor element, resin material surface, liquid crystal, polymer compound and the like.

本実施形態の以下の説明では、図2にサンプルの構成例が示されるように、対象物は、容器70に入れられた培養液72中の細胞73であるとする。容器70の底部の内側には反射増強コーティング71が設けられている。   In the following description of the present embodiment, it is assumed that the object is a cell 73 in the culture solution 72 contained in the container 70, as shown in FIG. Inside the bottom of the container 70 a reflection enhancing coating 71 is provided.

光源11は光を出力する。好適には光源11はインコヒーレント光を出力する。光源11は、例えばハロゲンランプなどのランプ系光源、LED(Light emitting diode)光源、SLD(Superluminescent diode)光源、ASE(Amplified spontaneous emission)光源等である。   The light source 11 outputs light. Preferably, the light source 11 outputs incoherent light. The light source 11 is, for example, a lamp based light source such as a halogen lamp, a light emitting diode (LED) light source, a superluminescent diode (SLD) light source, an amplified spontaneous emission (ASE) light source, or the like.

ビームスプリッタ12は、光源11と光学的に結合され、二光束干渉計であるマイケルソン干渉計を構成する。ビームスプリッタ12は、例えば、透過率と反射率との比が1:1であるハーフミラーであってもよい。ビームスプリッタ12は、光源11から出力された光を二光束に分岐して第1分岐光および第2分岐光とする。ビームスプリッタ12は、第1分岐光を対物レンズ13へ出力し、第2分岐光を対物レンズ14へ出力する。   The beam splitter 12 is optically coupled to the light source 11 to constitute a Michelson interferometer which is a two-beam interferometer. The beam splitter 12 may be, for example, a half mirror in which the ratio of transmittance to reflectance is 1: 1. The beam splitter 12 splits the light output from the light source 11 into two light fluxes to be a first split light and a second split light. The beam splitter 12 outputs the first branched light to the objective lens 13 and outputs the second branched light to the objective lens 14.

また、ビームスプリッタ12は、反射増強コーティング71で反射されて対物レンズ13を経た第1分岐光を入力するとともに、参照ミラー15で反射されて対物レンズ14を経た第2分岐光を入力する。そして、ビームスプリッタ12は、これら入力した第1分岐光と第2分岐光とを合波して、干渉光をチューブレンズ16へ出力する。   Further, the beam splitter 12 receives the first branched light reflected by the reflection enhancing coating 71 and passed through the objective lens 13, and receives the second branched light reflected by the reference mirror 15 and passed through the objective lens 14. Then, the beam splitter 12 combines the input first branched light and the input second branched light, and outputs interference light to the tube lens 16.

対物レンズ13は、ビームスプリッタ12と光学的に結合され、ビームスプリッタ12から出力された第1分岐光を容器70内の細胞73に集光する。また、対物レンズ13は、反射増強コーティング71で反射された第1分岐光を入力してビームスプリッタ12へ出力する。   The objective lens 13 is optically coupled to the beam splitter 12, and focuses the first branched light output from the beam splitter 12 on the cells 73 in the container 70. The objective lens 13 also receives the first branched light reflected by the reflection enhancing coating 71 and outputs the first branched light to the beam splitter 12.

対物レンズ14は、ビームスプリッタ12と光学的に結合され、ビームスプリッタ12から出力された第2分岐光を参照ミラー15の反射面に集光する。また、対物レンズ14は、参照ミラー15の反射面で反射された第2分岐光を入力してビームスプリッタ12へ出力する。   The objective lens 14 is optically coupled to the beam splitter 12 and condenses the second branched light output from the beam splitter 12 on the reflection surface of the reference mirror 15. The objective lens 14 also receives the second branched light reflected by the reflection surface of the reference mirror 15 and outputs the second branched light to the beam splitter 12.

チューブレンズ16は、干渉光学系を構成するビームスプリッタ12と光学的に結合され、ビームスプリッタ12から出力された干渉光を、ビームスプリッタ17を経て撮像器18の撮像面に結像する。ビームスプリッタ17は、チューブレンズ16から到達した光を2分岐して、一方の分岐光を撮像器18へ出力し、他方の分岐光を光検出器22へ出力する。ビームスプリッタ17は、例えばハーフミラーであってもよい。   The tube lens 16 is optically coupled to the beam splitter 12 forming the interference optical system, and images the interference light output from the beam splitter 12 on the imaging surface of the imaging device 18 through the beam splitter 17. The beam splitter 17 splits the light arriving from the tube lens 16 into two, outputs one of the split lights to the imager 18, and outputs the other split light to the photodetector 22. The beam splitter 17 may be, for example, a half mirror.

撮像器18は、ビームスプリッタ17と光学的に結合され、ビームスプリッタ17から到達した干渉光を受光して干渉画像を取得する。撮像器18は、例えば、CCDエリアイメージセンサおよびCMOSエリアイメージセンサなどのイメージセンサである。   The imager 18 is optically coupled to the beam splitter 17 and receives the interference light arriving from the beam splitter 17 to acquire an interference image. The imager 18 is an image sensor such as, for example, a CCD area image sensor and a CMOS area image sensor.

ピエゾ素子21は、参照ミラー15の反射面に垂直な方向に該反射面を移動させる。ピエゾ素子21は、この反射面の移動により、二光束干渉計における二光束の間の光路長差(すなわち位相差)を調整することができる。ピエゾ素子21は、波長未満の分解能で、参照ミラー15の反射面の位置を決めることができる。二光束干渉計において二光束の間の光路長差は可変である。   The piezo element 21 moves the reflective surface in a direction perpendicular to the reflective surface of the reference mirror 15. The piezoelectric element 21 can adjust the optical path length difference (that is, the phase difference) between the two light beams in the two light beam interferometer by the movement of the reflection surface. The piezo element 21 can determine the position of the reflection surface of the reference mirror 15 with a resolution less than the wavelength. In the two-beam interferometer, the optical path length difference between the two beams is variable.

なお、ビームスプリッタ12から反射増強コーティング71までの光学的距離をL1とし、ビームスプリッタ12から参照ミラー15の反射面までの光学的距離をL2とすると、二光束干渉計における二光束の間の光路長差は2(L1−L2)である。この光路長差が光源11の出力光のコヒーレント長以下であれば、撮像器18は明瞭な干渉画像を取得することができる。光源11の出力光の中心波長をλ0としたとき、二光束干渉計における二光束の間の位相差Δφは次式で表されるものとする。   Assuming that the optical distance from the beam splitter 12 to the reflection enhancing coating 71 is L1 and the optical distance from the beam splitter 12 to the reflecting surface of the reference mirror 15 is L2, the optical path length between the two light beams in the two light beam interferometer The difference is 2 (L1-L2). If this optical path length difference is equal to or less than the coherent length of the output light of the light source 11, the imager 18 can acquire a clear interference image. Assuming that the central wavelength of the output light of the light source 11 is λ0, the phase difference Δφ between the two light beams in the two light beam interferometer is represented by the following equation.

光検出器22は、ビームスプリッタ17と光学的に結合され、ビームスプリッタ17から到達した干渉光を受光して検出信号を出力する。光検出器22は、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管であり、また、ラインセンサ(リニアセンサ)、CCDエリアイメージセンサ、CMOSエリアイメージセンサなどであってもよい。   The light detector 22 is optically coupled to the beam splitter 17, receives the interference light arriving from the beam splitter 17, and outputs a detection signal. The photodetector 22 is, for example, a photodiode, an avalanche photodiode, or a photomultiplier, and may be a line sensor (linear sensor), a CCD area image sensor, a CMOS area image sensor, or the like.

位相制御回路23は、光検出器22と電気的に接続され、光検出器22から出力される検出信号を入力する。また、位相制御回路23は、ピエゾ素子21と電気的に接続され、ピエゾ素子21による光路長差の調整動作を制御する。位相制御回路23は、入力した検出信号に基づいて、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を検出する。そして、位相制御回路23は、この検出結果に基づくフィードバック制御により、ピエゾ素子21による光路長差の調整動作を制御する。これにより、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を設定値で安定化した状態(ロック状態)とすることができる。   The phase control circuit 23 is electrically connected to the light detector 22, and receives a detection signal output from the light detector 22. The phase control circuit 23 is electrically connected to the piezo element 21 and controls the adjustment operation of the optical path length difference by the piezo element 21. The phase control circuit 23 detects an optical path length difference between the two light beams in the two light beam interferometer based on the input detection signal. Then, the phase control circuit 23 controls the adjustment operation of the optical path length difference by the piezo element 21 by feedback control based on the detection result. As a result, the optical path length difference between the two light beams in the two-beam interferometer can be stabilized at the set value (locked state).

干渉画像取得部2は、ロック状態において対象物(細胞73)の干渉画像を撮像器18により撮像して取得することができる。演算部3は、干渉画像取得部2の撮像器18により取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像を求める。演算部3は、パーソナルコンピュータおよびタブレット端末などのコンピュータであってもよい。また、演算部3は、操作者からの入力を受け付ける入力部(キーボード、マウス、タブレット端末など)、ならびに、干渉画像および位相画像等を表示する表示部(ディスプレイ、タブレット端末など)を備えていてもよい。また、演算部3は、画面に画像等を表示するとともに、その画面において操作者による領域の指定を受け付ける機能を有するのが好適である。   The interference image acquisition unit 2 can capture and acquire an interference image of the object (cell 73) with the image pickup device 18 in the locked state. The calculation unit 3 obtains a phase image of the object based on the interference image acquired by the imaging device 18 of the interference image acquisition unit 2. Arithmetic unit 3 may be a computer such as a personal computer and a tablet terminal. In addition, the calculation unit 3 includes an input unit (keyboard, mouse, tablet terminal, etc.) for receiving an input from the operator, and a display unit (display, tablet terminal, etc.) for displaying an interference image, a phase image, etc. It is also good. Further, it is preferable that the calculation unit 3 has a function of displaying an image or the like on the screen and receiving specification of the area by the operator on the screen.

光源11から出力された光はビームスプリッタ12により二光束に分岐されて第1分岐光および第2分岐光とされ、ビームスプリッタ12から第1分岐光および第2分岐光が出力される。ビームスプリッタ12から出力された第1分岐光は、対物レンズ13により容器70内の細胞73に集光され、容器70の底部の内側に設けられた反射増強コーティング71で反射される。反射増強コーティング71で反射された第1分岐光は、対物レンズ13を経てビームスプリッタ12に入力される。ビームスプリッタ12から出力された第2分岐光は、対物レンズ14により参照ミラー15の反射面に集光され、その反射面で反射される。参照ミラー15の反射面で反射された第2分岐光は、対物レンズ14を経てビームスプリッタ12に入力される。   The light output from the light source 11 is split into two light beams by the beam splitter 12 to be the first split light and the second split light, and the beam splitter 12 outputs the first split light and the second split light. The first branched light output from the beam splitter 12 is focused on the cells 73 in the container 70 by the objective lens 13, and is reflected by a reflection enhancing coating 71 provided on the inside of the bottom of the container 70. The first branched light reflected by the reflection enhancing coating 71 is input to the beam splitter 12 through the objective lens 13. The second branched light output from the beam splitter 12 is focused by the objective lens 14 on the reflection surface of the reference mirror 15, and is reflected by the reflection surface. The second branched light reflected by the reflection surface of the reference mirror 15 is input to the beam splitter 12 through the objective lens 14.

対物レンズ13からビームスプリッタ12に入力された第1分岐光、および、対物レンズ14からビームスプリッタ12に入力された第2分岐光は、ビームスプリッタ12により合波されて、ビームスプリッタ12から干渉光が出力される。この干渉光は、チューブレンズ16を経た後にビームスプリッタ17により2分岐されて、撮像器18および光検出器22それぞれにより受光される。干渉光を受光した光検出器22から検出信号が出力され、この検出信号に基づいて位相制御回路23により二光束干渉計における二光束の間の光路長差が検出される。そして、位相制御回路23によるピエゾ素子21に対するフィードバック制御により、二光束干渉計における二光束の間の光路長差が設定値で安定化した状態(ロック状態)とされる。ロック状態において干渉光を受光した撮像器18により干渉画像が取得され、その干渉画像は演算部3へ出力される。そして、演算部3により、干渉画像に基づいて対象物(細胞73)の位相画像が求められる。   The first split light input from the objective lens 13 to the beam splitter 12 and the second split light input from the objective lens 14 to the beam splitter 12 are multiplexed by the beam splitter 12 and interference light from the beam splitter 12 Is output. The interference light passes through the tube lens 16 and is branched into two by the beam splitter 17 and is received by the imaging device 18 and the light detector 22 respectively. A detection signal is output from the light detector 22 that has received the interference light, and the phase control circuit 23 detects the difference in optical path length between the two light beams in the two light beam interferometer based on the detection signal. Then, by feedback control on the piezo element 21 by the phase control circuit 23, the optical path length difference between the two light beams in the two light beam interferometer is stabilized at the set value (locked state). An interference image is acquired by the imaging device 18 that receives the interference light in the locked state, and the interference image is output to the calculation unit 3. Then, the operation unit 3 obtains a phase image of the object (cell 73) based on the interference image.

図3および図4は、第1実施形態の位相画像取得装置1Aの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。これらの図は、光源11の出力光強度の時間変化、撮像器18の露光期間、および、干渉光の位相差(二光束干渉計における二光束の間の位相差)の時間変化の例を示している。位相画像取得装置1Aの動作および位相画像取得方法は、第1位相画像取得ステップ、条件探索ステップおよび第2位相画像取得ステップに区分される。   FIGS. 3 and 4 are timing charts for explaining the operation of the phase image acquisition apparatus 1A of the first embodiment and the phase image acquisition method using the same. These figures show an example of the time change of the output light intensity of the light source 11, the exposure period of the imaging device 18, and the time change of the phase difference of the interference light (the phase difference between the two light beams in the two light beam interferometer). There is. The operation of the phase image acquisition apparatus 1A and the phase image acquisition method are divided into a first phase image acquisition step, a condition search step, and a second phase image acquisition step.

第1位相画像取得ステップにおいて、位相画像取得装置1Aは、位相シフト法により複数の干渉画像から1つの位相画像を求める。すなわち、干渉画像取得部2は、二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得する。演算部3は、干渉画像取得部2により取得された複数の干渉画像に基づいて第1位相画像を求める。   In the first phase image acquisition step, the phase image acquisition device 1A obtains one phase image from the plurality of interference images by the phase shift method. That is, the interference image acquisition unit 2 acquires the interference image in each state in a state in which the optical path length difference of the two-beam interferometer is stabilized with each of a plurality of different setting values. The calculation unit 3 obtains a first phase image based on the plurality of interference images acquired by the interference image acquisition unit 2.

例えば、干渉画像取得部2は、ピエゾ素子21、光検出器22および位相制御回路23を用いたフィードバック制御により干渉光の位相差を或る初期位相で安定化させて、位相差を安定化させた状態で干渉画像I1を撮像器18により取得する。次に、干渉画像取得部2は、ピエゾ素子21、光検出器22および位相制御回路23を用いて干渉光の位相差を“初期位相+π/2”で安定化させ、位相差を安定化させた状態で干渉画像I2を撮像器18により取得する。同様にして、干渉画像取得部2は、干渉光の位相差を“初期位相+π”で安定化させた状態で干渉画像I3を撮像器18により取得し、干渉光の位相差を“初期位相+3π/2”で安定化させた状態で干渉画像I4を撮像器18により取得する。   For example, the interference image acquisition unit 2 stabilizes the phase difference of the interference light at a certain initial phase by feedback control using the piezo element 21, the light detector 22, and the phase control circuit 23, and stabilizes the phase difference. The interference image I1 is acquired by the imaging device 18 in the state as described above. Next, the interference image acquisition unit 2 stabilizes the phase difference of the interference light at “initial phase + π / 2” using the piezo element 21, the light detector 22, and the phase control circuit 23, and stabilizes the phase difference. The interference image I2 is acquired by the imaging device 18 in the state as described above. Similarly, the interference image acquisition unit 2 acquires the interference image I3 with the imaging device 18 in a state in which the phase difference of the interference light is stabilized at “initial phase + π”, and the phase difference of the interference light is “initial phase + 3π The interference image I4 is acquired by the imaging device 18 in a state of being stabilized at 1/2.

演算部3は、これら4つの干渉画像I1〜I4を用いて、次式の演算を行って第1位相画像Φを求める。なお、I1〜I4およびΦは画素位置(x,y)の関数であり、次式の演算は画素毎に行われる。argは複素数の変換を取得する演算子である。iは虚数単位である。   The calculation unit 3 calculates the first phase image Φ by performing the following calculation using the four interference images I1 to I4. Note that I1 to I4 and Φ are functions of the pixel position (x, y), and the calculation of the following equation is performed for each pixel. arg is an operator for acquiring complex number transformations. i is an imaginary unit.

第2位相画像取得ステップにおいて、位相画像取得装置1Aは、位相シフト法を用いることなく、1つの干渉画像から1つの位相画像を求める。干渉画像をN回繰り返して取得すれば、位相画像をN回繰り返し取得することができる。干渉画像取得部2は、関心領域において撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を繰り返し取得する。演算部3は、干渉画像取得部2により取得された各干渉画像および第1位相画像Φに基づいて第2位相画像を求める。   In the second phase image acquisition step, the phase image acquisition device 1A obtains one phase image from one interference image without using the phase shift method. If an interference image is repeatedly acquired N times, a phase image can be repeatedly acquired N times. The interference image acquisition unit 2 sets the optical path length difference of the two-beam interferometer to a fixed set value so that the light amount and the phase value of the interference light received by each pixel of the imaging device 18 in the region of interest become one to one correspondence. An interference image is repeatedly acquired as a stabilized state. The calculation unit 3 obtains a second phase image based on each interference image acquired by the interference image acquisition unit 2 and the first phase image Φ.

第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2は、関心領域において撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係を確保した上で、関心領域において撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、光源11の出力光強度または撮像器18の露光時間を第1位相画像取得ステップの際と比べて大きくするのが好ましい。以下では、このような第2位相画像取得ステップにおける干渉画像取得部2による干渉画像取得の際の好適な条件を「干渉画像取得好適条件」という。   In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 secures a one-to-one correspondence between the light amount of the interference light received by each pixel of the imaging device 18 in the region of interest and the phase value. In the first phase image acquisition step, the output light intensity of the light source 11 or the exposure time of the image pickup device 18 is within a range where the light amount of interference light received by each pixel of the image pickup device 18 in the region is less than the saturation light amount of the pixel. It is preferable to make it relatively large. Hereinafter, a suitable condition in the case of interference image acquisition by the interference image acquisition unit 2 in the second phase image acquisition step is referred to as “interference image acquisition suitable condition”.

図3は、第1位相画像取得ステップと比べて第2位相画像取得ステップにおいて光源11の出力光強度を大きくする場合を示している。図4は、第1位相画像取得ステップと比べて第2位相画像取得ステップにおいて撮像器18の露光時間を長くする場合を示している。条件探索ステップにおいては、光源11の出力光強度または撮像器18の露光時間を変化させて、干渉画像取得好適条件を探索する。そして、第2位相画像取得ステップにおいては、干渉画像取得部2は、この干渉画像取得好適条件の下で干渉画像を取得する。   FIG. 3 shows a case where the output light intensity of the light source 11 is increased in the second phase image acquisition step as compared to the first phase image acquisition step. FIG. 4 shows the case where the exposure time of the imaging device 18 is made longer in the second phase image acquisition step as compared to the first phase image acquisition step. In the condition search step, interference light image acquisition suitable conditions are searched by changing the output light intensity of the light source 11 or the exposure time of the image pickup device 18. Then, in the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 acquires an interference image under the interference image acquisition suitable condition.

以下では、具体的な実施例の構成および画像例を示しつつ、より詳細に実施形態について説明する。光源11として中心波長633nmのLEDを用いた。対物レンズ13および対物レンズ14それぞれの焦点距離は4.5mmであった。チューブレンズ16の焦点距離は125mmであった。撮像器18のピクセルサイズは4.8μm×4.8μmであった。撮像視野の画素数は400ピクセル×300ピクセルであった。撮像視野に対応する撮像面の大きさは1.92mm×1.44mmであった。サンプル面での視野サイズは69.12μm×51.84μmであった。サンプルの細胞73としてハムスター卵巣由来培養細胞CHOを用いた。第1位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2により各干渉画像を取得するのに要した時間は67m秒であり、撮像器18の露光時間は300μ秒であった。   Below, an embodiment is described in more detail, showing the composition and the example of an image of a concrete example. An LED having a central wavelength of 633 nm was used as the light source 11. The focal length of each of the objective lens 13 and the objective lens 14 was 4.5 mm. The focal length of the tube lens 16 was 125 mm. The pixel size of the imaging device 18 was 4.8 μm × 4.8 μm. The number of pixels of the imaging field of view was 400 pixels × 300 pixels. The size of the imaging surface corresponding to the imaging field of view was 1.92 mm × 1.44 mm. The field size at the sample surface was 69.12 μm × 51.84 μm. Hamster ovary-derived cultured cells CHO were used as cells 73 of the sample. In the first phase image acquisition step, the time required for acquiring each interference image by the interference image acquisition unit 2 was 67 msec, and the exposure time of the imaging device 18 was 300 μsec.

図5は、第1位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部2により取得された4つの干渉画像I1〜I4を示す図である。これらの干渉画像において撮像器18の各画素が受光した干渉光の光量は該画素の飽和光量以下である。図6は、第1位相画像取得ステップにおいて演算部3により得られた第1位相画像Φを示す図である。この第1位相画像Φは位相アンラッピング後のものである。   FIG. 5 is a diagram showing four interference images I1 to I4 acquired by the interference image acquisition unit 2 in the first phase image acquisition step. In these interference images, the light amount of the interference light received by each pixel of the imaging device 18 is equal to or less than the saturation light amount of the pixel. FIG. 6 is a diagram showing the first phase image Φ obtained by the calculation unit 3 in the first phase image acquisition step. The first phase image Φ is after phase unwrapping.

干渉画像において、各画素におけるオフセット位相量をφoffsetとし、位相差をΔφとすると、各画素の輝度値Iは次式で表される。この式中の各パラメータも画素位置(x,y)の関数であり、この式の関係は画素毎に成立する。実際の干渉画像においては干渉に寄与していない光成分が存在するので、次式右辺の直流成分DCは一般には値0とならない。位相差Δφが0〜2πの範囲で変化すると、画素の輝度値Iは正弦波的に変化する。すなわち、関心領域において、位相差Δφを適切に設定することにより、干渉光の強度Iを小さくすることができる。 Assuming that the offset phase amount in each pixel is φ offset and the phase difference is Δφ in the interference image, the luminance value I of each pixel is expressed by the following equation. Each parameter in this equation is also a function of pixel position (x, y), and the relationship of this equation is established for each pixel. In the actual interference image, since there is a light component not contributing to the interference, the DC component DC on the right side of the following equation does not generally have the value 0. When the phase difference Δφ changes in the range of 0 to 2π, the luminance value I of the pixel changes sinusoidally. That is, in the region of interest, the intensity I of the interference light can be reduced by appropriately setting the phase difference Δφ.

第1位相画像取得ステップと比べて第2位相画像取得ステップでは、撮像器18の1画素当たりに入射する光の積算光量を増大させて干渉画像を取得する。光の積算光量を増大させるにあたっては、光源11の光量を増大させてもよいし(図3)、撮像器18の一回の露光当たり露光時間を増大させてもよい(図4)。本実施例では、第1位相画像取得ステップにおいて干渉画像を取得する際の撮像器18の露光時間を300μ秒としたのに対して、第2位相画像取得ステップにおいて干渉画像を取得する際の撮像器18の露光時間を900μ秒とした。   As compared with the first phase image acquisition step, in the second phase image acquisition step, the integrated light amount of light incident on one pixel of the imaging device 18 is increased to acquire an interference image. When increasing the integrated light quantity of light, the light quantity of the light source 11 may be increased (FIG. 3) or the exposure time per one exposure of the image pickup device 18 may be increased (FIG. 4). In this embodiment, the exposure time of the imaging device 18 at the time of acquiring the interference image in the first phase image acquisition step is 300 μsec, while the imaging at the time of acquiring the interference image in the second phase image acquisition step The exposure time of the device 18 is 900 μsec.

図7は、撮像器18の1画素当たりに入射する光の積算光量を増大させて取得された干渉画像を示す図である。図7の干渉画像の取得時では、図5の干渉画像の取得時と比較して撮像器18の露光時間を3倍に増大させたことから、撮像器18の一部の画素では飽和電荷量を超える量の光電子が発生し、干渉画像の該画素は飽和している。しかし、図7中の枠線内の関心領域Aでは、位相差Δφが比較的小さいことから、比較的暗い画像が得られている。条件探索ステップでは、このような条件を関心領域内において探索することで、第2位相画像取得ステップの干渉画像取得好適条件を設定する。   FIG. 7 is a view showing an interference image acquired by increasing the integrated light quantity of light incident on one pixel of the imaging device 18. At the time of acquisition of the interference image of FIG. 7, the exposure time of the imaging device 18 is increased by three times as compared to the time of acquisition of the interference image of FIG. An amount of photoelectrons is generated, and the pixel of the interference image is saturated. However, in the region of interest A within the frame in FIG. 7, a relatively dark image is obtained because the phase difference Δφ is relatively small. In the condition search step, such a condition is searched in the region of interest to set an interference image acquisition suitable condition in the second phase image acquisition step.

第2位相画像取得ステップにおいては、条件探索ステップにおいて探索された干渉画像取得好適条件の下で、位相シフト法を用いることなく、N個の干渉画像を繰り返し取得することでN個の位相画像を繰り返し取得する。本実施例では、干渉画像取得部2は、各干渉画像を取得するための撮像器18の露光時間を900μ秒とし、3秒間に亘って3000個の干渉画像を取得した。フレームレートは1000fpsであった。   In the second phase image acquisition step, N interference images are repeatedly acquired by using N interference images without using the phase shift method under the interference image acquisition suitable conditions searched in the condition search step. Get it repeatedly. In the present embodiment, the interference image acquisition unit 2 sets the exposure time of the imaging device 18 for acquiring each interference image to 900 μsec, and acquires 3000 interference images for 3 seconds. The frame rate was 1000 fps.

図8は、第2位相画像取得ステップにおいて干渉画像取得部2により取得された3つの干渉画像を示す図である。この図は、取得開始時(t=0.000秒)、取得開始から1秒経過時(t=1.000秒)および取得開始から2秒経過時(t=2.000秒)それぞれの干渉画像を示している。フレームレート1000fpsで取得された3000個の干渉画像では、図7中の関心領域Aにおいて、直径1μm程度の小さな顆粒状の物体が多く見られ、それらは時間とともに視野内をランダムに高速に移動しているのが見て取れた。   FIG. 8 is a diagram showing three interference images acquired by the interference image acquisition unit 2 in the second phase image acquisition step. This figure shows interference at the start of acquisition (t = 0.000 seconds), 1 second after acquisition start (t = 1.000 seconds) and 2 seconds after acquisition start (t = 2.000 seconds). The image is shown. In 3000 interference images acquired at a frame rate of 1000 fps, small granular objects with a diameter of about 1 μm are often seen in the region of interest A in FIG. 7, and they move at high speed randomly in the field of view with time. I was able to see it.

このような顆粒状の物体(位相物体)の高速な運動を観察するには、干渉画像のS/Nが高いことが望ましい。しかし、off-axis法では撮像器の飽和光量との関係から光量を高く取れない。これに対して、本実施形態の位相画像取得装置および位相画像取得方法では、関心領域の干渉条件をできるだけ画像を暗くする条件とすることにより、同じ光量の照射であっても、撮像器18の電荷量の飽和を避けつつ、干渉画像のS/Nを高く取ることができる。   In order to observe high-speed movement of such granular objects (phase objects), it is desirable that the S / N of the interference image be high. However, in the off-axis method, the amount of light can not be made high because of the relationship with the amount of saturated light of the imaging device. On the other hand, in the phase image acquiring apparatus and the phase image acquiring method of the present embodiment, the interference condition of the region of interest is set as a condition that darkens the image as much as possible, so that the imager 18 can emit The S / N of the interference image can be increased while avoiding saturation of the charge amount.

図9は、図6の位相画像の位相値と図7の干渉画像の輝度値との関係を示す図である。図9は、横軸を干渉画像の輝度値とし、縦軸を位相画像の位相値として、画素毎にプロットしたものである。図6の位相画像と図7の干渉画像とは互いに同じ視野のものである。図9中の曲線は、次式で表されるフィッティングカーブである。最小二乗法によりa1〜a3を求めたところ、a1=240.5、 a2=89.6、a3=1.594であった。   FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the phase value of the phase image of FIG. 6 and the luminance value of the interference image of FIG. In FIG. 9, the horizontal axis represents the luminance value of the interference image, and the vertical axis represents the phase value of the phase image, which is plotted for each pixel. The phase image of FIG. 6 and the interference image of FIG. 7 have the same field of view. The curve in FIG. 9 is a fitting curve represented by the following equation. When a1 to a3 were determined by the least squares method, they were a1 = 240.5, a2 = 89.6, and a3 = 1.594.

この図9を見ると、フィッティングカーブを用いても、輝度値から位相値を一意に求めることができない。例えば、輝度値が200である画素の位相値は、フィッティングカーブにより推定すると、0.44ラジアンおよび2.65ラジアンの何れであるが、確定することができない。この不確定性は、関心領域を限定することで解決される。図7に示されるように干渉画像において関心領域Aを定めると、その関心領域A内の画素については輝度値と位相値との間の関係は図10に示されるように一対一の対応関係になる。図10は、図6の位相画像の位相値と図7の干渉画像の輝度値との関係を、関心領域Aに限定して示す図である。   Referring to FIG. 9, even using the fitting curve, the phase value can not be uniquely determined from the luminance value. For example, the phase value of a pixel whose luminance value is 200 is either 0.44 radian or 2.65 radian as estimated by the fitting curve, but can not be determined. This uncertainty is resolved by limiting the area of interest. When the region of interest A is defined in the interference image as shown in FIG. 7, the relationship between the luminance value and the phase value for the pixels in the region of interest A is shown in FIG. 10 as a one-to-one correspondence. Become. FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the phase value of the phase image of FIG. 6 and the luminance value of the interference image of FIG.

したがって、関心領域Aに限定することで、次式により、各画素の輝度値から位相値を求めることができ、位相画像を求めることができる。ここで、arccos関数は、cos関数の逆関数である。ただし、この式により求められる位相値は、arccosの計算により得られる2つの値のうち、図10中の限定された位相値の範囲の値を採用する。   Therefore, by limiting to the region of interest A, the phase value can be determined from the luminance value of each pixel by the following equation, and the phase image can be determined. Here, the arccos function is an inverse function of the cos function. However, as the phase value obtained by this equation, among the two values obtained by the calculation of arc cos, the value of the range of the limited phase value in FIG. 10 is adopted.

図11は、第2位相画像取得ステップにおいて演算部3により得られた3つの位相画像を示す図である。この図は、取得開始時(t=0.000秒)、取得開始から1秒経過時(t=1.000秒)および取得開始から2秒経過時(t=2.000秒)それぞれの関心領域A内の位相画像を示している。図11に示される第2位相画像は、図8の干渉画像および図6の第1位相画像に基づいて得られたものである。   FIG. 11 is a diagram showing three phase images obtained by the calculation unit 3 in the second phase image obtaining step. This figure shows interest at the start of acquisition (t = 0.000 seconds), 1 second after acquisition start (t = 1.000 seconds) and 2 seconds after acquisition start (t = 2.000 seconds). The phase image in the region A is shown. The second phase image shown in FIG. 11 is obtained based on the interference image of FIG. 8 and the first phase image of FIG.

本実施例では、このようにして、第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2により二光束干渉計における二光束の間の位相差Δφを一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を高速に繰り返して取得するとともに、演算部3により位相画像を高速に繰り返して求めることができる。しかも、第2位相画像取得ステップにおける干渉画像取得部2による干渉画像取得の際の干渉画像取得好適条件を適切に設定することで、S/Nが高い位相画像を求めることができる。例えば、図11(t=0.000秒)の位相画像の一部を拡大して示す図12中で、矢印により指し示す箇所に、径1.2μmで光学厚さ8.4nmの微細な顆粒状の位相物体が観察された。この顆粒が細胞膜周辺を動き回る様子を動画として観察することができた。   In this embodiment, in this way, in the second phase image acquisition step, the interference image is assumed to be in a state in which the phase difference Δφ between the two light beams in the two light beam interferometer is stabilized by the interference image acquisition unit 2 at a constant set value. While repeatedly acquiring at high speed, the phase image can be repeatedly acquired at high speed by the calculation unit 3. In addition, by appropriately setting interference image acquisition suitable conditions at the time of interference image acquisition by the interference image acquisition unit 2 in the second phase image acquisition step, it is possible to obtain a phase image having a high S / N. For example, in FIG. 12 showing an enlarged part of the phase image of FIG. 11 (t = 0.000 seconds), a fine granular form having an optical thickness of 8.4 nm and a diameter of 1.2 μm at a location indicated by an arrow. The phase object of was observed. It was possible to observe the movement of the granules around the cell membrane as a moving image.

次に、図13〜図15を用いて、第2位相画像取得ステップにおける干渉画像取得好適条件について説明する。図13および図14は、第2位相画像取得ステップにおける好ましくない条件を説明する図である。図15は、第2位相画像取得ステップにおける干渉画像取得好適条件を説明する図である。これらの図は、横軸を干渉画像の輝度値とし、縦軸を位相画像の位相値として、画素毎にプロットしたものである。   Next, interference image acquisition suitable conditions in the second phase image acquisition step will be described using FIGS. 13 to 15. FIG. 13 and FIG. 14 are diagrams for explaining the unfavorable conditions in the second phase image acquisition step. FIG. 15 is a diagram for describing interference image acquisition preferable conditions in the second phase image acquisition step. In these figures, the horizontal axis represents the luminance value of the interference image, and the vertical axis represents the phase value of the phase image, which is plotted for each pixel.

図13に示される条件は、関心領域において撮像器18の飽和電荷量を超えてしまうような画素が存在するので好ましくない。このような条件では、対象物の局所的な位相変化を捉えようにも撮像器18の画素が飽和しているので、位相変化がそもそも捉えられない。したがって、関心領域の干渉画像の光量がなるべく低くなり、画像が暗くなる条件で撮影するのが良いことがわかる。   The condition shown in FIG. 13 is not preferable because there are pixels in the region of interest that would exceed the saturation charge amount of the imaging device 18. Under such conditions, since the pixels of the image pickup device 18 are saturated even if the local phase change of the object is captured, the phase change can not be originally detected. Therefore, it is understood that it is better to shoot under the condition that the light quantity of the interference image in the region of interest is as low as possible and the image becomes dark.

図14に示される条件は、関心領域の干渉画像の光量が最も低いので好ましくない。何故なら、この条件では干渉画像の輝度値に対して2通りの推定位相値が現れてしまうので、干渉画像から位相値の推定ができなくなってしまうからである。また、干渉画像における輝度の増減に関しても、その増減が位相変化と正に相関しているのか負に相関しているのかもわからない。   The condition shown in FIG. 14 is not preferable because the light amount of the interference image in the region of interest is the lowest. This is because, under this condition, two estimated phase values appear with respect to the luminance value of the interference image, so that the phase value can not be estimated from the interference image. Also, with regard to the increase and decrease of the luminance in the interference image, it is not known whether the increase or decrease is positively correlated with the phase change or negatively correlated.

図15に示される干渉画像取得好適条件は、上述した図13および図14の条件の問題を有しない、すなわち、干渉画像取得好適条件は、関心領域の干渉画像の輝度と位相値との間の一対一の対応が可能な範囲で、できるだけ関心領域の干渉画像が低い光量となるように設定する。この条件では、干渉画像の輝度と事前に計測した位相値との間でフィッティングカーブをもとにした一対一の対応が可能であり、しかも、どの画素も飽和電荷量に達していないという理想的な条件が実現される。   The interference image acquisition preferred conditions shown in FIG. 15 do not have the problems of the conditions of FIGS. 13 and 14 described above, that is, the interference image acquisition preferred conditions are between the intensity and the phase value of the interference image of the region of interest. The interference image of the region of interest is set to have a low light intensity as much as possible within a range where one-to-one correspondence is possible. Under this condition, one-to-one correspondence based on the fitting curve is possible between the luminance of the interference image and the phase value measured in advance, and moreover, it is ideal that no pixel has reached the saturation charge amount. Conditions are realized.

次に、図16〜図18を用いて、関心領域を設定または指定する方法について説明する。図16に示される関心領域指定方法では、操作者は、位相画像を表示した画面上において、例えばマウスを用いて関心領域Aを指定する(図16(a))。そして、演算部3は、その関心領域Aにおいて干渉画像取得好適条件を満たすことができるオフセット位相量φoffsetを求める(図16(b))。第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2は、このオフセット位相量φoffsetで二光束干渉計の光路長差をロックする。 Next, a method of setting or designating a region of interest will be described with reference to FIGS. In the region-of-interest designation method shown in FIG. 16, the operator designates the region of interest A using, for example, a mouse on the screen on which the phase image is displayed (FIG. 16 (a)). Then, the calculation unit 3 obtains an offset phase amount φ offset that can satisfy the interference image acquisition suitable condition in the region of interest A (FIG. 16 (b)). In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 locks the optical path length difference of the two-beam interferometer with this offset phase amount φ offset .

図17に示される関心領域指定方法では、操作者は、位相画像を表示した画面上において、例えばマウスを用いて関心領域Aを指定する(図17(a))。そして、演算部3は、その関心領域Aのうち干渉画像取得好適条件を満たすことができる関心領域Bを求めて、その関心領域Bを表示するとともに、その関心領域Bにおいて干渉画像取得好適条件を満たすことができるオフセット位相量φoffsetを求める(図17(b))。演算部3は、操作者が指定した関心領域Aの全体で干渉画像取得好適条件を満たすことができる場合には、その関心領域Aの全体において干渉画像取得好適条件を満たすことができるオフセット位相量φoffsetを求めればよい。第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2は、このオフセット位相量φoffsetで二光束干渉計の光路長差をロックする。 In the region-of-interest designation method shown in FIG. 17, the operator designates the region of interest A using, for example, a mouse on the screen on which the phase image is displayed (FIG. 17A). Then, the calculation unit 3 finds a region of interest B that can satisfy the interference image acquisition suitable condition in the region of interest A, displays the region of interest B, and at the region of interest B, an interference image acquisition suitable condition An offset phase amount φ offset that can be satisfied is determined (FIG. 17 (b)). When the arithmetic unit 3 can satisfy the interference image acquisition suitable condition in the entire region of interest A designated by the operator, an offset phase amount capable of satisfying the interference image acquisition suitable condition in the entire region of interest A What is necessary is just to obtain φ offset . In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 locks the optical path length difference of the two-beam interferometer with this offset phase amount φ offset .

図18に示される関心領域指定方法では、演算部3は、オフセット位相量φoffsetの複数の値それぞれについて干渉画像取得好適条件を満たすことができる範囲を求めて表示する(図18(a)〜(c))。操作者は、そのうちの一つを選択して指定する、第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2は、操作者が指定したオフセット位相量φoffsetで二光束干渉計の光路長差をロックする。 In the region-of-interest designation method shown in FIG. 18, the computing unit 3 determines and displays a range in which the interference image acquisition suitable condition can be satisfied for each of a plurality of values of the offset phase amount φ offset (FIG. 18A to (C)). The operator selects and designates one of them. In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 sets the optical path length difference of the two-beam interferometer with the offset phase amount φ offset specified by the operator. Lock it.

次に、図19を用いて、本実施形態の位相画像取得装置1Aの動作および本実施形態の位相画像取得方法の手順について説明する。図19は、第1実施形態の位相画像取得装置1Aの動作および第1実施形態の位相画像取得方法を説明するフローチャートである。   Next, the operation of the phase image acquisition device 1A of this embodiment and the procedure of the phase image acquisition method of this embodiment will be described using FIG. FIG. 19 is a flowchart for explaining the operation of the phase image acquisition device 1A of the first embodiment and the phase image acquisition method of the first embodiment.

ステップS1において、干渉画像取得部2により干渉画像を取得することができるように二光束干渉計に対して光学調整を行う。ステップS2(第1位相画像取得ステップ)において、撮像器18の各画素が飽和しない条件で位相シフト法により干渉画像取得部2により複数の干渉画像を取得し、これら複数の干渉画像に基づいて演算部3により第1位相画像を計算する。   In step S1, optical adjustment is performed on the two-beam interferometer so that the interference image can be acquired by the interference image acquisition unit 2. In step S2 (first phase image acquisition step), a plurality of interference images are acquired by the interference image acquisition unit 2 by the phase shift method under the condition that each pixel of the imaging device 18 is not saturated, and calculation is performed based on the plurality of interference images The part 3 calculates a first phase image.

ステップS3(条件探索ステップ)において、光源11の出力光量の増加および撮像器18の露光時間の増加の双方または何れか一方を行い、その後に、オフセット位相量φoffsetをシフトさせて複数の干渉画像を取得して干渉画像取得好適条件を探索する。なお、干渉画像取得好適条件は、ステップS2で取得した複数の干渉画像および第1位相画像に基づいて計算により求めることもできるので、ここでオフセット位相量φoffsetをシフトさせて複数の干渉画像を取得することにより干渉画像取得好適条件を探索しなくてもよい。 In step S3 (condition search step), either or both of the increase in the output light quantity of the light source 11 and the increase in the exposure time of the image pickup device 18 are performed, and then the offset phase amount φ offset is shifted to make a plurality of interference images To search for interference image acquisition suitable conditions. In addition, since interference image acquisition suitable conditions can also be obtained by calculation based on the plurality of interference images and the first phase image acquired in step S2, the offset phase amount φ offset is shifted here to make a plurality of interference images It is not necessary to search for interference image acquisition suitable conditions by acquiring.

ステップS4(第2位相画像取得ステップ)において、干渉画像取得部2によりオフセット位相量φoffsetをステップS3で求めた所定の値にロックして時系列に複数の干渉画像を撮像し、演算部3により干渉画像の輝度値と位相値との対応に基づいて時系列に複数の第2位相画像を計算する。 In step S4 (second phase image acquisition step), the interference image acquisition unit 2 locks the offset phase amount φ offset to the predetermined value obtained in step S3 and captures a plurality of interference images in time series, and the operation unit 3 A plurality of second phase images are calculated in time series on the basis of the correspondence between the luminance value and the phase value of the interference image.

図16に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、演算部3によるオフセット位相量φoffsetの算出は、ステップS4より前に行われる。操作者による関心領域Aの指定は、これ以前であればいつでもよい。 When the region of interest is designated by the method of designating the region of interest shown in FIG. 16, the calculation of the offset phase amount φ offset by the calculation unit 3 is performed before step S4. The designation of the region of interest A by the operator may be any time before this.

図17に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、演算部3による関心領域Bの設定、および、これに続くオフセット位相量φoffsetの算出は、ステップS2とステップS4との間に行われる。操作者による関心領域Aの指定は、これ以前であればいつでもよい。 When the region of interest is specified by the region of interest specifying method shown in FIG. 17, the setting of the region of interest B by the operation unit 3 and the calculation of the offset phase amount φ offset following this are performed in steps S2 and S4. Takes place during The designation of the region of interest A by the operator may be any time before this.

図18に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、演算部3によるオフセット位相量φoffsetの各複数について干渉画像取得好適条件を満たす範囲の表示、および、これに続く操作者による選択は、ステップS2とステップS4との間に行われる。 When the region of interest is designated by the method of designating the region of interest shown in FIG. 18, the display of the range satisfying the interference image acquisition preferable condition for each of the plurality of offset phase amounts φ offset by the operation unit 3 and the subsequent operation The selection by the person is performed between step S2 and step S4.

なお、図16〜図18に示された関心領域指定方法で関心領域を指定する場合には、操作者による指示が必要である。ここで、操作者による指示を待機している期間では位相画像取得装置1Aがアイドル状態となる。この指示待機期間がステップS2とステップS4との間で長時間を要するのは好ましくない。何故なら、第1位相画像を取得して輝度と位相値との間の対応を求めた後に、指示待機期間にサンプル全体の位相分布が大きく変わってしまうと、対応関係を再び測定し直さないといけなくなるからである。   When the region of interest is designated by the method of designating the region of interest shown in FIGS. 16 to 18, an instruction from the operator is required. Here, the phase image acquisition device 1A is in an idle state while waiting for an instruction by the operator. It is not preferable that this instruction waiting period takes a long time between step S2 and step S4. The reason is that if the phase distribution of the entire sample changes significantly during the instruction standby period after acquiring the first phase image and determining the correspondence between the luminance and the phase value, the correspondence relationship must not be remeasured again. It is because it becomes impossible.

次に、位相画像取得装置1Aの光学系が満たすことが望ましい条件について説明する。インコヒーレント光の場合には二光束干渉計における光路長差をできるだけ小さくし、また、二光束干渉計における二光路間で色分散をできるだけ無くすことにより、干渉画像取得に寄与しない光の成分ができるだけ少ないことが望ましい。インコヒーレント光を用いることにより、干渉画像においてスペックルノイズができるだけ無いことが望ましい。また、対物レンズ13と対物レンズ14とが同一または概ね同等の光学条件のものを用いることにより、位相画像において位相分布の湾曲(特に球面状の湾曲)ができるだけ無いことが望ましい。   Next, conditions that the optical system of the phase image acquisition device 1A desirably satisfies will be described. In the case of incoherent light, the light path difference in the two-beam interferometer is as small as possible, and the chromatic dispersion between the two light paths in the two-beam interferometer is as small as possible. Less is desirable. By using incoherent light, it is desirable that speckle noise be as small as possible in the interference image. Further, it is desirable that the curvature of the phase distribution (in particular, the curvature of a spherical surface) be as small as possible in the phase image by using the objective lens 13 and the objective lens 14 with the same or substantially the same optical conditions.

(第2実施形態)
図20は、第2実施形態の位相画像取得装置1Bの構成を示す図である。第2実施形態の位相画像取得装置1Bは、図1に示される第1実施形態の位相画像取得装置1Aが備える干渉画像取得部2および演算部3に加えて、電源部31およびタイミング制御回路32を更に備える。
Second Embodiment
FIG. 20 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1B of the second embodiment. The phase image acquisition device 1B of the second embodiment includes the power supply unit 31 and the timing control circuit 32 in addition to the interference image acquisition unit 2 and the calculation unit 3 provided in the phase image acquisition device 1A of the first embodiment shown in FIG. Further comprising

位相画像取得装置1Bは、対象物としての電気回路81における熱の発生および拡散を高速に観察するものである。集積回路に電圧を印加すると、その回路内の電力消費によって熱が発生し、その発熱部位の周りで屈折率変化が起こる。この発熱に因る屈折率変化により、集積回路を透過する光の位相が変化する。この発熱による影響は短時間のうちに拡散によって空間的に広がってしまうので、撮像を高速に行うのが望ましい。   The phase image acquisition device 1B observes the generation and diffusion of heat in the electric circuit 81 as an object at high speed. When a voltage is applied to an integrated circuit, power consumption in the circuit generates heat and a refractive index change occurs around the heat generation site. The change in refractive index due to this heat generation changes the phase of light transmitted through the integrated circuit. It is desirable to perform imaging at high speed because the influence of this heat generation spreads spatially due to diffusion in a short time.

そこで、本実施形態の位相画像取得装置1Bは、時間的に強度変調した注入電流を電気回路81へ与える電源部31と、電源部31から電気回路81への電圧印加のタイミングと干渉画像取得部2による干渉画像取得のタイミングとを制御するタイミング制御回路32とを備える。第2位相画像取得ステップにおいて、電源部31は、時間的に強度変調した注入電流を電気回路81へ与え、干渉画像取得部2は、タイミング制御回路32による制御の下で注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   Therefore, in the phase image acquisition apparatus 1B of this embodiment, the power supply unit 31 which supplies the injection circuit whose intensity is temporally modulated to the electric circuit 81, the timing of voltage application from the power supply unit 31 to the electric circuit 81, and the interference image acquisition unit And a timing control circuit 32 for controlling the timing of interference image acquisition according to the second embodiment. In the second phase image acquisition step, the power supply unit 31 applies the temporally intensity-modulated injection current to the electric circuit 81, and the interference image acquisition unit 2 performs intensity modulation of the injection current under control of the timing control circuit 32. Synchronize and acquire an interference image.

図21は、第2実施形態の位相画像取得装置1Bの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。この図は、光源11の出力光強度の時間変化、電源部31から電気回路81への電圧印加の期間、撮像器18の露光期間、および、干渉光の位相差(二光束干渉計における二光束の間の位相差)の時間変化の例を示している。位相画像取得装置1Bの動作および位相画像取得方法は、第1実施形態と同様に、第1位相画像取得ステップ、条件探索ステップおよび第2位相画像取得ステップに区分される。   FIG. 21 is a timing chart for explaining the operation of the phase image acquisition device 1B of the second embodiment and the phase image acquisition method using the same. This figure shows the time change of the output light intensity of the light source 11, the period of voltage application from the power supply unit 31 to the electric circuit 81, the exposure period of the imaging device 18, and the phase difference of the interference light (two light in the two-beam interferometer The example of the time change of the phase difference between bundles is shown. The operation of the phase image acquisition apparatus 1B and the phase image acquisition method are divided into a first phase image acquisition step, a condition search step, and a second phase image acquisition step, as in the first embodiment.

電源部31から電気回路81へ印加される電圧は、例えば矩形波形状で周期的に強度変調したものとする。電気回路81における電圧印加に伴う発熱による位相変化は局所的な微小量であるので、第1位相画像取得ステップおよび条件探索ステップにおいては電圧印加を行わなくてよい。第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2は、タイミング制御回路32による制御の下で、電源部31における注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   The voltage applied from the power supply unit 31 to the electric circuit 81 is, for example, one that is periodically intensity-modulated in a rectangular wave shape. Since the phase change due to heat generation accompanying voltage application in the electric circuit 81 is a local minute amount, voltage application does not have to be performed in the first phase image acquisition step and the condition search step. In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 acquires an interference image in synchronization with the intensity modulation of the injection current in the power supply unit 31 under the control of the timing control circuit 32.

このタイミング制御の動作例として、干渉画像取得部2は、電源部31から電気回路81へ電圧が印加されている期間に1または複数の干渉画像を取得し、電源部31から電気回路81へ電圧が印加されていない期間に1または複数の干渉画像を取得する。そして、演算部3は、各々の干渉画像に基づいて位相画像を求める。電圧印加期間および非印加期間それぞれで複数の位相画像を取得する場合、電圧印加開始後に位相変化を起こした部位が熱拡散に伴って空間的に広がっていく様子を観察することが可能である。また、電圧印加期間および非印加期間それぞれの位相画像の間の差分を表す差分画像を求めることで、電圧印加により温度上昇した部位を明確に認識することが可能である。   As an operation example of this timing control, the interference image acquisition unit 2 acquires one or more interference images during a period in which a voltage is applied from the power supply unit 31 to the electric circuit 81, and a voltage from the power supply unit 31 to the electric circuit 81 Acquire one or more interference images during a period in which no And the calculating part 3 calculates | requires a phase image based on each interference image. In the case of acquiring a plurality of phase images in each of the voltage application period and the non-application period, it is possible to observe a state in which a portion where a phase change occurs after the voltage application start spatially spreads along with heat diffusion. Further, by obtaining a difference image representing the difference between the phase images of the voltage application period and the non-application period, it is possible to clearly recognize a portion where the temperature has risen by the voltage application.

(第3実施形態)
図22は、第3実施形態の位相画像取得装置1Cの構成を示す図である。第3実施形態の位相画像取得装置1Cは、図1に示される第1実施形態の位相画像取得装置1Aが備える干渉画像取得部2および演算部3に加えて、赤外光源41およびタイミング制御回路42を更に備える。
Third Embodiment
FIG. 22 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1C of the third embodiment. The phase image acquisition device 1C of the third embodiment includes an infrared light source 41 and a timing control circuit in addition to the interference image acquisition unit 2 and the calculation unit 3 included in the phase image acquisition device 1A of the first embodiment shown in FIG. And 42.

位相画像取得装置1Cは、赤外光を照射された対象物としての細胞73が熱吸収したときに生じる屈折率変化の現象を高速に観察するものである。細胞に含まれる物質(例えば脂肪など)の吸収波長域に含まれる波長の赤外光を該細胞に照射すると、その細胞において局所的な光吸収によって該当部位が発熱し、局所的な屈折率変化が発生する。この発熱に因る屈折率変化により、細胞を透過する光の位相が変化する。この発熱による影響は短時間のうちに拡散によって空間的に広がってしまうので、撮像を高速に行うのが望ましい。   The phase image acquisition device 1C observes at high speed the phenomenon of the refractive index change that occurs when the cell 73 as the object irradiated with infrared light absorbs heat. When the cell is irradiated with infrared light of a wavelength included in the absorption wavelength range of a substance contained in the cell (eg, fat etc.), the local site of the cell generates heat due to local light absorption, and the local refractive index change Occurs. Due to the change in refractive index due to this heat generation, the phase of light transmitted through cells changes. It is desirable to perform imaging at high speed because the influence of this heat generation spreads spatially due to diffusion in a short time.

そこで、本実施形態の位相画像取得装置1Cは、時間的に強度変調した赤外光を細胞73へ照射する赤外光源41と、赤外光源41から細胞73への赤外光照射のタイミングと干渉画像取得部2による干渉画像取得のタイミングとを制御するタイミング制御回路42とを備える。第2位相画像取得ステップにおいて、赤外光源41は、時間的に強度変調した赤外光を細胞73へ照射し、干渉画像取得部2は、タイミング制御回路42による制御の下で赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   Therefore, the phase image acquisition device 1C according to the present embodiment includes an infrared light source 41 for irradiating the cells 73 with infrared light whose intensity is temporally modulated, timing of infrared light irradiation from the infrared light sources 41 to the cells 73, and And a timing control circuit 42 that controls the timing of interference image acquisition by the interference image acquisition unit 2. In the second phase image acquisition step, the infrared light source 41 irradiates the cells 73 with temporally intensity-modulated infrared light, and the interference image acquisition unit 2 generates infrared light under the control of the timing control circuit 42. An interference image is acquired in synchronization with the intensity modulation.

図23は、サンプルの構成例を示す図である。対象物としての細胞73は、容器70に入れられた培養液72中にある。容器70の底部は、下方に配置された赤外光源41から出力される赤外光を透過させる赤外光透過窓74となっている。   FIG. 23 is a diagram showing an example of the configuration of a sample. The cells 73 as an object are in the culture fluid 72 contained in the container 70. The bottom of the container 70 is an infrared light transmission window 74 for transmitting infrared light output from the infrared light source 41 disposed below.

図24は、第3実施形態の位相画像取得装置1Cの動作およびこれを用いた位相画像取得方法を説明するタイミングチャートである。この図は、光源11の出力光強度の時間変化、赤外光源41から細胞73への赤外光照射の期間、撮像器18の露光期間、および、干渉光の位相差(二光束干渉計における二光束の間の位相差)の時間変化の例を示している。位相画像取得装置1Cの動作および位相画像取得方法は、第1実施形態と同様に、第1位相画像取得ステップ、条件探索ステップおよび第2位相画像取得ステップに区分される。   FIG. 24 is a timing chart for explaining the operation of the phase image acquisition device 1C of the third embodiment and a phase image acquisition method using the same. This figure shows the time change of the output light intensity of the light source 11, the period of infrared light irradiation from the infrared light source 41 to the cell 73, the exposure period of the imaging device 18, and the phase difference of the interference light (in two-beam interferometer The example of the time change of the phase difference between two light beams is shown. The operation of the phase image acquisition device 1C and the phase image acquisition method are divided into a first phase image acquisition step, a condition search step, and a second phase image acquisition step, as in the first embodiment.

赤外光源41から細胞73への照射される赤外光は、例えば矩形波形状で周期的に強度変調したものとする。細胞73における赤外光照射に伴う発熱による位相変化は局所的な微小量であるので、第1位相画像取得ステップおよび条件探索ステップにおいては赤外照射を行わなくてもよい。第2位相画像取得ステップにおいて、干渉画像取得部2は、タイミング制御回路42による制御の下で、赤外光源41における赤外光照射の強度変調に同期して干渉画像を取得する。   The infrared light emitted from the infrared light source 41 to the cell 73 is, for example, periodically modulated in intensity in a rectangular wave shape. Since the phase change due to heat generation caused by the infrared light irradiation in the cells 73 is a local minute amount, infrared irradiation may not be performed in the first phase image acquisition step and the condition search step. In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit 2 acquires an interference image in synchronization with the intensity modulation of infrared light irradiation in the infrared light source 41 under the control of the timing control circuit 42.

このタイミング制御回路の動作例として、干渉画像取得部2は、赤外光源41から細胞73へ赤外光が照射されている期間に1または複数の干渉画像を取得し、赤外光源41から細胞73へ赤外光が照射されていない期間に1または複数の干渉画像を取得する。そして、演算部3は、各々の干渉画像に基づいて位相画像を求める。赤外光照射期間および非照射期間それぞれで複数の位相画像を取得する場合、赤外光照射開始後に位相変化を起こした部位が熱拡散に伴って空間的に広がっていく様子を観察することが可能である。また、赤外光照射期間および非照射期間それぞれの位相画像の間の差分を表す差分画像を求めることで、赤外光照射により温度上昇した部位を明確に認識することが可能である。   As an operation example of this timing control circuit, the interference image acquisition unit 2 acquires one or more interference images in a period in which the infrared light source 41 irradiates the cell 73 with infrared light, and At 73, one or more interference images are acquired during a period when infrared light is not irradiated. And the calculating part 3 calculates | requires a phase image based on each interference image. When a plurality of phase images are acquired in each of the infrared light irradiation period and the non-irradiation period, it is possible to observe that the site where the phase change occurs after the start of the infrared light irradiation spatially spreads along with the thermal diffusion. It is possible. Further, by obtaining a difference image representing the difference between the phase image of each of the infrared light irradiation period and the non-irradiation period, it is possible to clearly recognize the portion whose temperature has risen by the infrared light irradiation.

本実施形態の手法は、赤外光照射によって特定の細胞に対して選択的に刺激を加えたい場合に、赤外光の波長を適切に選ぶための指標として用いることが可能である。例えば、観察視野内に、刺激を加えたい細胞と加えたくない細胞とを共培養しておく。そして、本実施形態の手法によって赤外光照射に伴う位相変化を撮像する。この位相画像において、一方の細胞では比較的大きな位相変化が起こり、他方の細胞では比較的小さな位相変化しか起こっていなければ、その赤外光の波長が細胞に対して選択的に熱的な刺激を加え得ることを示唆している。このようにして、細胞刺激においてクリティカルな波長帯域を探索することができる。   The method of the present embodiment can be used as an index for appropriately selecting the wavelength of infrared light when it is desired to selectively stimulate a specific cell by infrared light irradiation. For example, in the observation field of view, cells to which stimulation is to be applied and cells to which stimulation is not to be cocultured. And the phase change accompanying infrared light irradiation is imaged by the method of this embodiment. In this phase image, if a relatively large phase change occurs in one cell and a relatively small phase change occurs in the other cell, the infrared light wavelength selectively causes thermal stimulation to the cell. Suggest that you can add In this way, critical wavelength bands in cell stimulation can be searched.

(第4実施形態)
図25は、第4実施形態の位相画像取得装置1Dの構成を示す図である。位相画像取得装置1Dは、干渉画像取得部2Dおよび演算部3を備える。図1に示された第1実施形態の位相画像取得装置1Aの構成と比べると、図25に示される第4実施形態の位相画像取得装置1Dは、干渉画像取得部2に替えて干渉画像取得部2Dを備える点で相違する。第4実施形態における干渉画像取得部2Dは、第1実施形態における干渉画像取得部2の構成に加えて、空間光位相変調器24および位相変調制御回路25を更に含む。
Fourth Embodiment
FIG. 25 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1D according to the fourth embodiment. The phase image acquisition device 1D includes an interference image acquisition unit 2D and an arithmetic unit 3. Compared with the configuration of the phase image acquisition device 1A of the first embodiment shown in FIG. 1, the phase image acquisition device 1D of the fourth embodiment shown in FIG. It differs in the point provided with part 2D. The interference image acquisition unit 2D in the fourth embodiment further includes a spatial light phase modulator 24 and a phase modulation control circuit 25 in addition to the configuration of the interference image acquisition unit 2 in the first embodiment.

空間光位相変調器24は、二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられている。図25では、空間光位相変調器24は、ビームスプリッタ12と対物レンズ14との間の光路上に設けられており、反射型のものとして示されている。空間光位相変調器24は、第2位相画像取得ステップにおいて、光を反射させる際に光を空間的に位相変調することにより、撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大することができる。位相変調制御回路25は、演算部3からの指示を受けて、空間光位相変調器24による空間的な位相変調を制御する。   The spatial light phase modulator 24 is provided on the light path of one of the two light fluxes in the two light flux interferometer. In FIG. 25, the spatial light phase modulator 24 is provided on the optical path between the beam splitter 12 and the objective lens 14 and is shown as a reflective type. In the second phase image acquisition step, the spatial light phase modulator 24 spatially modulates the phase of the light when reflecting the light, so that the light amount and the phase value of the interference light received by each pixel of the image pickup device 18 Can expand the range in which there is a one-to-one correspondence. The phase modulation control circuit 25 controls spatial phase modulation by the spatial light phase modulator 24 in response to an instruction from the arithmetic unit 3.

前述したとおり、第2位相画像取得ステップにおいて干渉画像に基づいて位相画像を求めるためには、関心領域において撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係が存在することが必要である。なお、関心領域において撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下であることも条件として必要であるが、この条件は、関心領域において各画素の干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係が存在すれば満たされている(図15参照)。   As described above, in order to obtain the phase image based on the interference image in the second phase image acquisition step, there is a one-to-one correspondence between the light amount of the interference light received by each pixel of the imaging device 18 in the region of interest and the phase value. It is necessary for correspondence to exist. Although it is also necessary that the light quantity of the interference light received by each pixel of the image pickup device 18 in the region of interest is equal to or less than the saturated light quantity of the pixel, this condition is the light quantity of the interference light of each pixel in the region of interest It is satisfied if there is a one-to-one correspondence between the and the phase value (see FIG. 15).

第2位相画像取得ステップにおいて、広い領域の位相画像を取得する為には、撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する必要がある。しかし、例えば対象物が細胞である場合、通常、細胞の中心部と周縁部とでは光の半波長分の位相差またはそれ以上の位相差が存在する。したがって、二光束干渉計における二光束の間の全体的な位相差を如何に最適化したとしても、細胞の或る部分では干渉画像取得好適条件が満たされるが、他の部分では、干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係が無かったり、干渉光の光量が画素の飽和光量を越えたりする。すなわち、細胞の全体を関心領域として干渉光の光量と位相値との間に一対一の対応関係を確保することは困難である。   In the second phase image acquisition step, in order to acquire a phase image of a wide area, it is necessary to expand the range in which the light amount of the interference light received by each pixel of the imaging device 18 has a one-to-one correspondence. There is. However, for example, when the object is a cell, there is usually a phase difference of half the wavelength of light or more between the central portion and the peripheral portion of the cell. Therefore, no matter how the overall phase difference between the two light beams in the two-beam interferometer is optimized, one part of the cell satisfies the interference image acquisition preferable condition, while the other part And the phase value do not have a one-to-one correspondence, or the light quantity of the interference light exceeds the saturated light quantity of the pixel. That is, it is difficult to secure a one-to-one correspondence between the light amount of the interference light and the phase value with the entire cell as the region of interest.

そこで、本実施形態の位相画像取得装置1Dは、第2位相画像取得ステップにおいて、空間光位相変調器24で反射する光を空間的に位相変調することにより、撮像器18の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大し、干渉画像取得好適条件が満たされる範囲を拡大する。なお、空間光位相変調器24による空間的な位相変調は、上記(3)式におけるオフセット位相量φoffsetを画素毎に調整すること意味する。 Therefore, in the second phase image acquisition step, each pixel of the image pickup device 18 receives light by spatially phase modulating the light reflected by the spatial light phase modulator 24 in the second phase image acquisition step. The range in which the light amount of the interference light and the phase value have a one-to-one correspondence relationship is expanded, and the range in which the interference image acquisition preferable condition is satisfied is expanded. Note that spatial phase modulation by the spatial light phase modulator 24 means that the offset phase amount φ offset in the above equation (3) is adjusted for each pixel.

演算部3は、第1位相画像取得ステップにおいて求められた対象物の位相分布を打ち消すように、位相変調制御回路25を介して空間光位相変調器24に位相変調パターンを書き込んで、干渉光の位相が広い領域内でフラットになるようにする。このような事前の操作をすることで、視野内の広い関心領域において干渉画像取得好適条件を満たすことが可能となる。   The arithmetic unit 3 writes the phase modulation pattern in the spatial light phase modulator 24 via the phase modulation control circuit 25 so as to cancel the phase distribution of the object obtained in the first phase image acquisition step, and the interference light Make the phase flat in a wide area. By performing such an operation in advance, it is possible to satisfy the interference image acquisition suitable condition in a wide region of interest in the visual field.

なお、空間光位相変調器24は、図25ではビームスプリッタ12と対物レンズ14との間の光路上に設けられているが、ビームスプリッタ12と対物レンズ13との間の光路上に設けられていてもよい。空間光位相変調器24は、図25では反射型のものとして示されているが、透過型のものであってもよい。参照ミラー15に替えて反射型の空間光位相変調器が設けられていてもよい。   Although the spatial light phase modulator 24 is provided on the optical path between the beam splitter 12 and the objective lens 14 in FIG. 25, it is provided on the optical path between the beam splitter 12 and the objective lens 13. May be Although the spatial light phase modulator 24 is shown as a reflective type in FIG. 25, it may be a transmissive type. Instead of the reference mirror 15, a reflective spatial light phase modulator may be provided.

(第5実施形態)
これまでに説明した第1〜第4の実施形態では、1つの光源11を用いて干渉画像を取得するとともに二光束干渉計の位相差の検知および制御を行う構成となっていた。この構成では、特許文献1に記載されているとおり、参照ミラー15の位置に対して高速の変調(例えば20kHz)を加えることで位相の変位を検出し、この高速変調より遅い周波数をカットオフ周波数とするフィードバック制御系によって、より遅い周波数帯域において二光束干渉計における二光束の間の位相差の安定化を行うことになる。
Fifth Embodiment
In the first to fourth embodiments described so far, one light source 11 is used to obtain an interference image and to detect and control the phase difference of the two-beam interferometer. In this configuration, as described in Patent Document 1, phase displacement is detected by applying high-speed modulation (for example, 20 kHz) to the position of the reference mirror 15, and the frequency slower than this high-speed modulation is cut off frequency With the feedback control system, the stabilization of the phase difference between the two beams in the two-beam interferometer in the later frequency band will be performed.

この場合、参照ミラー15に対して加えることができる高速の機械的な変調の周波数は高くても20kHz〜30kHz程度までしかないので、フィードバック制御の帯域としては2kHz〜3kHzが限界である。したがって、第1〜第4の実施形態では、第2位相画像取得ステップにおいて繰り返し取得できる位相画像のフレームレートは、このフィードバック制御の帯域が限界となる。第5実施形態の構成は、位相検知用にレーザ光源を用いることで、この限界を超えることができるものである。   In this case, the frequency of the high-speed mechanical modulation that can be applied to the reference mirror 15 is at most about 20 kHz to 30 kHz, so the band of feedback control is limited to 2 kHz to 3 kHz. Therefore, in the first to fourth embodiments, the frame rate of the phase image that can be repeatedly acquired in the second phase image acquisition step is limited to the band of this feedback control. The configuration of the fifth embodiment can exceed this limit by using a laser light source for phase detection.

図26は、第5実施形態の位相画像取得装置1Eの構成を示す図である。位相画像取得装置1Eは、干渉画像取得部2Eおよび演算部3を備える。図1に示された第1実施形態の位相画像取得装置1Aの構成と比べると、図26に示される第5実施形態の位相画像取得装置1Eは、干渉画像取得部2に替えて干渉画像取得部2Eを備える点で相違する。第5実施形態における干渉画像取得部2Eは、第1実施形態における干渉画像取得部2と比べると、レーザ光源26、ダイクロイックミラー27および電流変調部28を更に含む点、参照ミラー15に替えて参照ミラー15Eを含む点、ならびに、ビームスプリッタ17に替えてダイクロイックミラー17Eを含む点で相違する。図27は、参照ミラー15Eの構成を示す図である。参照ミラー15Eは、互いに平行である2つの反射面151および反射面152を有する。   FIG. 26 is a diagram showing the configuration of a phase image acquisition device 1E of the fifth embodiment. The phase image acquisition device 1E includes an interference image acquisition unit 2E and an arithmetic unit 3. Compared to the configuration of the phase image acquisition device 1A of the first embodiment shown in FIG. 1, the phase image acquisition device 1E of the fifth embodiment shown in FIG. It differs in the point provided with the part 2E. The interference image acquisition unit 2E in the fifth embodiment is different from the interference image acquisition unit 2 in the first embodiment in that it further includes the laser light source 26, the dichroic mirror 27, and the current modulation unit 28, and reference is made to the reference mirror 15. The difference is that a mirror 15E is included, and a dichroic mirror 17E is included instead of the beam splitter 17. FIG. 27 is a diagram showing the configuration of the reference mirror 15E. The reference mirror 15E has two reflecting surfaces 151 and 152 parallel to each other.

レーザ光源26は、時間的に波長変調されたレーザ光をダイクロイックミラー27へ出力する。このレーザ光波長は、光源11から出力される光の波長と異なる。電流変調部28は、レーザ光源26へ与える駆動電流を時間的に強度変調することで、レーザ光源26から出力されるレーザ光の波長を時間的に変調する。   The laser light source 26 outputs the wavelength-modulated laser light to the dichroic mirror 27. The laser light wavelength is different from the wavelength of the light output from the light source 11. The current modulation unit 28 temporally modulates the wavelength of the laser light output from the laser light source 26 by temporally modulating the driving current to be supplied to the laser light source 26.

ダイクロイックミラー27は、光源11およびレーザ光源26の双方と光学的に結合され、レーザ光源26から出力されるレーザ光と光源11の出力光とを合波し同軸にしてビームスプリッタ12へ出力する。レーザ光源26から出力されるレーザ光は、光源11の出力光と同軸に合波されて二光束干渉計に入力され、光源11の出力光と同様にして、二光束に分岐された後、その二光束がビームスプリッタ12により合波されてダイクロイックミラー17Eへ出力される。ただし、参照ミラー15Eにおいて、光源11の出力光は反射面151で反射され、レーザ光源26から出力されたレーザ光は反射面151を透過して反射面152で反射される。   The dichroic mirror 27 is optically coupled to both the light source 11 and the laser light source 26, combines the laser light output from the laser light source 26 and the output light from the light source 11 and outputs the light to the beam splitter 12 coaxially. The laser light output from the laser light source 26 is multiplexed coaxially with the output light of the light source 11 and input to the two-beam interferometer, and after being branched into two light beams in the same manner as the output light of the light source 11, The two light beams are combined by the beam splitter 12 and output to the dichroic mirror 17E. However, in the reference mirror 15E, the output light of the light source 11 is reflected by the reflecting surface 151, and the laser light output from the laser light source 26 is transmitted through the reflecting surface 151 and reflected by the reflecting surface 152.

ダイクロイックミラー17Eは、ビームスプリッタ12から到達した干渉光のうち、光源11の出力光の干渉光を透過させて撮像器18へ出力し、レーザ光の干渉光を反射させて光検出器22へ出力する。光検出器22は、ダイクロイックミラー17Eから到達したレーザ光の干渉光を受光して検出信号を出力する。位相制御回路23は、この検出信号に基づいて、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を検知し、この検出結果に基づくフィードバック制御によりピエゾ素子21の動作を制御して光路長差を安定化する。   The dichroic mirror 17E transmits the interference light of the output light of the light source 11 out of the interference light arriving from the beam splitter 12, and outputs the interference light to the imaging device 18, reflects the interference light of the laser light, and outputs the light to the light detector 22. Do. The light detector 22 receives the interference light of the laser light that has arrived from the dichroic mirror 17E and outputs a detection signal. The phase control circuit 23 detects the optical path length difference between the two light beams in the two-beam interferometer based on this detection signal, and controls the operation of the piezo element 21 by feedback control based on the detection result to calculate the optical path length difference. Stabilize.

参照ミラー15Eにおいて光源11の出力光を反射させる反射面151とレーザ光を反射させる反射面152とが別個に設けられていることにより、干渉画像取得のために光源11の出力光については二光束干渉計における二光束の間の光路長差をコヒーレント長以下としたとき、レーザ光については二光束干渉計における二光束それぞれの光路長はアンバランスとなる。このような状態においてレーザ光の波長を周波数fで正弦波的に変調すると、これに応じて光検出器22が受光するレーザ光の干渉光の位相も時間的に変調されたものとなる。このレーザ光の干渉光を受光した光検出器22から出力される検出信号は、周波数fの成分と周波数2fの成分とを含む。位相制御回路23は、このような検出信号に基づいて、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を検知して安定化することができる。   Since the reflecting surface 151 for reflecting the output light of the light source 11 and the reflecting surface 152 for reflecting the laser light are separately provided in the reference mirror 15E, the two light fluxes of the output light of the light source 11 for acquiring an interference image are obtained. When the optical path length difference between the two light beams in the interferometer is equal to or less than the coherent length, the optical path lengths of the two light beams in the two light beam interferometer are unbalanced for laser light. If the wavelength of the laser light is sinusoidally modulated at the frequency f in such a state, the phase of the interference light of the laser light received by the light detector 22 is also temporally modulated accordingly. The detection signal output from the light detector 22 that receives the interference light of the laser light includes a component of the frequency f and a component of the frequency 2f. The phase control circuit 23 can detect and stabilize the optical path length difference between the two light beams in the two light beam interferometer based on such a detection signal.

特許文献2に記載された発明では、周波数30kHzでレーザ光の発振波長を変調し、このレーザ光の干渉光を受光した光検出器から出力される検出信号に基づいて位相差を検出し、これより遅い周波数をカットオフ周波数とするフィードバック制御によって参照ミラーの位置を制御して位相差を安定化している。   In the invention described in Patent Document 2, the oscillation wavelength of laser light is modulated at a frequency of 30 kHz, and the phase difference is detected based on the detection signal output from the light detector that has received the interference light of the laser light. The phase difference is stabilized by controlling the position of the reference mirror by feedback control using a slower frequency as the cutoff frequency.

本実施形態では、例えば、レーザ光の波長変調の周波数を数百kHzとし、フィードバック制御に際してはピエゾ素子の機械的な限界である30kHz程度をカットオフ周波数とすることができるので、第2位相画像取得ステップにおいて繰り返し取得できる位相画像のフレームレートを10000fps以上の高速とすることができる。   In this embodiment, for example, the frequency of wavelength modulation of laser light may be several hundreds kHz, and about 30 kHz which is the mechanical limit of the piezo element can be set as the cutoff frequency in feedback control. The frame rate of the phase image that can be repeatedly acquired in the acquisition step can be set to a high speed of 10000 fps or more.

1A〜1E…位相画像取得装置、2,2D,2E…干渉画像取得部、3…演算部、11…光源、12…ビームスプリッタ、13,14…対物レンズ、15,15E…参照ミラー、16…チューブレンズ、17…ビームスプリッタ、17E…ダイクロイックミラー、18…撮像器、21…ピエゾ素子、22…光検出器、23…位相制御回路、24…空間光位相変調器、25…位相変調制御回路、26…レーザ光源、27…ダイクロイックミラー、28…電流変調部、31…電源部、32…タイミング制御回路、41…赤外光源、42…タイミング制御回路、70…容器、71…反射増強コーティング、72…培養液、73…細胞、74…赤外光透過窓、81…電気回路。   1A to 1E phase image acquisition device 2, 2D, 2E interference image acquisition unit 3, operation unit 11, light source 12, beam splitter 13, 14 objective lens 15, 15E reference mirror, 16 Tube lens, 17: beam splitter, 17 E: dichroic mirror, 18: image pickup device, 21: piezo element, 22: photodetector, 23: phase control circuit, 24: spatial light phase modulator, 25: phase modulation control circuit, Reference Signs List 26 laser light source 27 dichroic mirror 28 current modulation unit 31 power supply unit 32 timing control circuit 41 infrared light source 42 timing control circuit 70 container 70, reflection enhancement coating 72 ... culture solution, 73 ... cell, 74 ... infrared light transmission window, 81 ... electric circuit.

Claims (14)

光源と、前記光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、前記二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が可変であり、前記光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、
前記干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて前記対象物の位相画像を求める演算部と、
を備え、
第1位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、前記演算部は、前記干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第1位相画像を求め、
第2位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように前記二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、前記演算部は、前記干渉画像取得部により取得された干渉画像および前記第1位相画像に基づいて第2位相画像を求める、
位相画像取得装置。
A light source, a two-beam interferometer that splits the light output from the light source into two light beams and then combines the two light beams to output interference light; and receives the interference light output from the two-beam interferometer And an imaging device, wherein the optical path length difference between the two luminous fluxes is variable in the two-beam interferometer, and an interference image of the object is captured and acquired by the imaging device in a state where the optical path length difference is stabilized. An interference image acquisition unit,
An operation unit for obtaining a phase image of the object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit;
Equipped with
In the first phase image acquisition step, the interference image acquisition unit stabilizes the optical path length difference of the two-beam interferometer with a plurality of setting values different from one another and acquires an interference image in each state, and the arithmetic unit Determining a first phase image based on the plurality of interference images acquired by the interference image acquisition unit;
In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit is configured such that the light amount of the interference light received by each pixel of the image pickup device in the region of interest and the phase value have a one-to-one correspondence. The interference image is acquired as a state in which the optical path length difference is stabilized at a constant set value, and the operation unit acquires the second phase image based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit and the first phase image. Ask,
Phase image acquisition device.
前記第2位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、前記光源の出力光強度または前記撮像器の露光時間を前記第1位相画像取得ステップの際と比べて大きくする、
請求項1に記載の位相画像取得装置。
In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit outputs the output light of the light source in a range where the light amount of the interference light received by each pixel of the image pickup device in the region of interest is equal to or less than the saturation light amount of the pixel. Increasing the intensity or the exposure time of the imager as compared to the first phase image acquisition step;
The phase image acquisition device according to claim 1.
時間的に強度変調した注入電流を前記対象物へ与える電源部を更に備え、
前記第2位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項1または2に記載の位相画像取得装置。
The power supply unit further includes: a power supply unit for supplying a temporally intensity-modulated injection current to the object;
In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit acquires an interference image in synchronization with intensity modulation of the injection current.
The phase image acquisition device according to claim 1.
時間的に強度変調した赤外光を前記対象物へ照射する赤外光源を更に備え、
前記第2位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部は、前記赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項1または2に記載の位相画像取得装置。
It further comprises an infrared light source for irradiating the object with infrared light whose intensity is temporally modulated.
In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit acquires an interference image in synchronization with the intensity modulation of the infrared light.
The phase image acquisition device according to claim 1.
前記干渉画像取得部は、前記二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器を更に含み、
前記第2位相画像取得ステップにおいて、前記空間光位相変調器による空間的な位相変調により、前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する、
請求項1〜4の何れか1項に記載の位相画像取得装置。
The interference image acquisition unit further includes a spatial light phase modulator provided on the light path of any one of two light fluxes of the two light flux interferometer in the two light flux interferometer;
In the second phase image acquiring step, a range in which the light amount of the interference light received by each pixel of the image pickup device and the phase value have a one-to-one correspondence by spatial phase modulation by the spatial light phase modulator Expanding,
The phase image acquisition device according to any one of claims 1 to 4.
前記干渉画像取得部は、前記光源の出力光と合波されて前記二光束干渉計に入力される時間的に波長変調されたレーザ光を出力するレーザ光源と、前記二光束干渉計から出力された前記レーザ光の干渉光を受光して検出信号を出力する光検出器とを更に含み、前記検出信号に基づいて前記二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて前記光路長差を安定化する、
請求項1〜5の何れか1項に記載の位相画像取得装置。
The interference image acquisition unit is a laser light source that outputs a temporally wavelength-modulated laser beam that is multiplexed with the output light of the light source and input to the two-beam interferometer, and is output from the two-beam interferometer And a photodetector for receiving the interference light of the laser beam and outputting a detection signal, and detecting an optical path length difference of the two-beam interferometer based on the detection signal, and based on the detection result Stabilize the optical path length difference,
The phase image acquisition device according to any one of claims 1 to 5.
前記光源はインコヒーレント光を出力する、
請求項1〜6の何れか1項に記載の位相画像取得装置。
The light source outputs incoherent light,
The phase image acquisition device according to any one of claims 1 to 6.
光源と、前記光源から出力された光を二光束に分岐した後に該二光束を合波して干渉光を出力する二光束干渉計と、前記二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が可変であり、前記光路長差を安定化した状態で対象物の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、
前記干渉画像取得部により取得された干渉画像に基づいて前記対象物の位相画像を求める演算部と、
を用い、
前記干渉画像取得部により、前記二光束干渉計の光路長差を互いに異なる複数の設定値それぞれで安定化した状態とし各状態において干渉画像を取得し、前記演算部により、前記干渉画像取得部により取得された複数の干渉画像に基づいて第1位相画像を求める第1位相画像取得ステップと、
前記干渉画像取得部により、関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応となるように前記二光束干渉計の光路長差を一定の設定値で安定化した状態として干渉画像を取得し、前記演算部により、前記干渉画像取得部により取得された干渉画像および前記第1位相画像に基づいて第2位相画像を求める第2位相画像取得ステップと、
を備える位相画像取得方法。
A light source, a two-beam interferometer that splits the light output from the light source into two light beams and then combines the two light beams to output interference light; and receives the interference light output from the two-beam interferometer And an imaging device, wherein the optical path length difference between the two luminous fluxes is variable in the two-beam interferometer, and an interference image of the object is captured and acquired by the imaging device in a state where the optical path length difference is stabilized. An interference image acquisition unit,
An operation unit for obtaining a phase image of the object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit;
Using
The interference image acquisition unit stabilizes the optical path length difference of the two-beam interferometer with each of a plurality of different setting values, acquires an interference image in each state, and the operation unit acquires the interference image acquisition unit A first phase image acquisition step of determining a first phase image based on the plurality of acquired interference images;
The light path length difference of the two-beam interferometer is set to a constant value so that the light quantity and the phase value of the interference light received by each pixel of the image pickup device in the region of interest become one-to-one correspondence by the interference image acquisition unit. Acquiring an interference image as a stabilized state, and calculating a second phase image based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit and the first phase image by the operation unit; ,
A phase image acquisition method comprising:
前記第2位相画像取得ステップにおいて、前記干渉画像取得部により、前記関心領域において前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量が該画素の飽和光量以下である範囲で、前記光源の出力光強度または前記撮像器の露光時間を前記第1位相画像取得ステップの際と比べて大きくする、
請求項8に記載の位相画像取得方法。
In the second phase image acquisition step, the interference image acquisition unit outputs the output light of the light source in a range where the light amount of interference light received by each pixel of the image pickup device in the region of interest is equal to or less than the saturation light amount of the pixel. Increasing the intensity or the exposure time of the imager as compared to the first phase image acquisition step;
The phase image acquisition method according to claim 8.
前記対象物が電気回路であり、
前記第2位相画像取得ステップにおいて、電源部により時間的に強度変調した注入電流を前記電気回路へ与え、前記干渉画像取得部により前記注入電流の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項8または9に記載の位相画像取得方法。
The object is an electrical circuit,
In the second phase image acquisition step, an injection current temporally intensity-modulated by a power supply unit is applied to the electric circuit, and an interference image is acquired by the interference image acquisition unit in synchronization with the intensity modulation of the injection current.
The phase image acquisition method according to claim 8 or 9.
前記対象物が細胞であり、
前記第2位相画像取得ステップにおいて、赤外光源により時間的に強度変調した赤外光を前記細胞へ照射し、前記干渉画像取得部により前記赤外光の強度変調に同期して干渉画像を取得する、
請求項8または9に記載の位相画像取得方法。
The object is a cell,
In the second phase image acquisition step, the cells are irradiated with infrared light temporally intensity-modulated by an infrared light source, and the interference image acquisition unit acquires interference images in synchronization with the intensity modulation of the infrared light. Do,
The phase image acquisition method according to claim 8 or 9.
前記第2位相画像取得ステップにおいて、前記二光束干渉計における二光束のうちの何れかの光束の光路上に設けられた空間光位相変調器による空間的な位相変調により、前記撮像器の各画素が受光する干渉光の光量と位相値とが一対一の対応関係となる範囲を拡大する、
請求項8〜11の何れか1項に記載の位相画像取得方法。
In the second phase image acquisition step, each pixel of the image pickup device is subjected to spatial phase modulation by a spatial light phase modulator provided on the optical path of any one of two luminous fluxes in the two luminous flux interferometer. Expand the range in which the light amount of the interference light received by the light and the phase value have a one-to-one correspondence,
The phase image acquisition method according to any one of claims 8 to 11.
前記干渉画像取得部において、時間的に波長変調されたレーザ光をレーザ光源から出力させ、そのレーザ光を前記光源の出力光と合波して前記二光束干渉計に入力させ、前記二光束干渉計から出力された前記レーザ光の干渉光を光検出器により受光して検出信号を出力させて、前記検出信号に基づいて前記二光束干渉計の光路長差を検出し、その検出結果に基づいて前記光路長差を安定化する、
請求項8〜12の何れか1項に記載の位相画像取得方法。
The interference image acquisition unit causes the laser light source to output temporally wavelength-modulated laser light, combines the laser light with the output light of the light source, and causes the two-beam interferometer to input the two-beam interference. The interference light of the laser beam output from the meter is received by the light detector to output a detection signal, and the difference in optical path length of the two-beam interferometer is detected based on the detection signal, and the detection result is Stabilize the optical path length difference,
The phase image acquisition method according to any one of claims 8 to 12.
前記光源はインコヒーレント光を出力する、
請求項8〜13の何れか1項に記載の位相画像取得方法。
The light source outputs incoherent light,
The phase image acquisition method according to any one of claims 8 to 13.
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