JP2021110866A - 観察装置および観察方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】光学系の調整が容易で定量性が改善された複素振幅画像を短時間に得ることができる観察装置を提供する。【解決手段】観察装置１は、光源１１、偏光子１２、アパーチャ１３、パターン偏光子１４、１／４波長板１５、偏光カメラ１６を備える。アパーチャ１３は、偏光子１２から出力された光のうち通過領域に到達した光を通過させて出力する。パターン偏光子１４は、アパーチャ１３の通過領域に対応する第１領域と、第１領域以外の第２領域とを有し、第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を出力し、第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を出力する。偏光カメラ１６は、１／４波長板１５により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、撮像面上の干渉画像を取得する。【選択図】図１

Description

本発明は、観察装置および観察方法に関するものである。
例えば細胞等の透明な観察対象物は通常の顕微鏡により観察することが困難であることから、一般に定量位相顕微鏡等の観察対象物の位相画像を取得することができる観察装置が用いられる。このような観察装置には幾つかの実現方法が知られている。
従来技術の一つ（以下「従来技術１」という。）は、２光束の分岐および合波を行うマイケルソン干渉計またはマッハツェンダ干渉計を用い、２光束のうちの一方の光路上に観察対象物を配置する。そして、この従来技術１では、光路上のミラー等を移動させることで２光束の間の光路長差（位相差）を各値に順次に設定して観察対象物の干渉画像を取得し、これら複数の干渉画像に基づいて位相画像を作成する。
非特許文献１に記載されている観察装置（以下「従来技術２」という。）は、位相差顕微鏡を応用したものであり、物体光（回折光）および参照光（非回折光）を同軸で伝搬させる。この従来技術２では、物体光に対する参照光の位相を空間光変調器により調整することで、物体光と参照光との間の位相差を各値に順次に設定して観察対象物の干渉画像を取得し、これら複数の干渉画像に基づいて位相画像を作成する。
非特許文献２に記載されている観察装置（以下「従来技術３」という。）は、偏光ビームスプリッタにより２光束の分岐および合波を行うマイケルソン干渉計を用い、２光束のうちの一方の光路上に観察対象物を配置する。そして、この従来技術３では、マイケルソン干渉計により合波されて出力された物体光および参照光それぞれを１／４波長板により円偏光にした後に偏光カメラにより撮像することで、物体光と参照光との間の位相差を各値に設定した観察対象物の干渉画像を同時に取得し、これら複数の干渉画像に基づいて位相画像を作成する。
また、これらの観察装置は、観察対象物の位相画像だけでなく振幅画像をも取得することができ、また、複素振幅画像を取得することができる。
Zhuo Wang, et al, "Spatial lightinterference microscopy (SLIM)," OPTICS EXPRESS, Vol.19, No.2, pp.1016-1026 (2011). Katherine Creath, et al, "Dynamicquantitative phase imaging for biological objects using a pixelated phase mask,"BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol.3, No.11, pp.2866-2880 (2012).
物体光および参照光が同軸で伝搬する従来技術２と比較すると、従来技術１，３では、マイケルソン干渉計またはマッハツェンダ干渉計を用いて２光束の分岐および合波を行うことから、光学系の調整が容易でなく、耐振動性が悪い。
物体光と参照光との間の位相差を各値に設定した観察対象物の干渉画像を同時に取得する従来技術３と比較すると、従来技術１，２では、物体光と参照光との間の位相差を各値に順次に設定して観察対象物の干渉画像を取得することから、これら複数の干渉画像を取得するのに時間を要する。
また、従来技術２では、位相差顕微鏡を応用した構成により物体光（回折光）と参照光（非回折光）とを干渉させて干渉画像を取得することから、得られる位相画像にはハロ（Halo）が生じて定量性が悪い。
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光学系の調整が容易で定量性が改善された複素振幅画像を短時間に得ることができる観察装置および観察方法を提供することを目的とする。
本発明の第１態様の観察装置は、(1) 空間的にインコヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光を通過させる通過領域を有し、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、(3) アパーチャから出力された光を入力し、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第１光学系と、(4) 第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第１光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力し、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第２光学系と、(5) 光源から第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置され、入力した光を直線偏光の光として出力する偏光子と、(6) 第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、アパーチャの通過領域に対応する第１領域と第１領域以外の第２領域とを有し、第２光学系から第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第２光学系から第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、(7) パターン偏光子から出力された光を入力し、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第３光学系と、(8) 第３光学系の光路上に配置され、パターン偏光子の第１領域および第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする１／４波長板と、(9) 第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、(10) 偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、を備える。
本発明の第２態様の観察装置は、(1) 空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を出力する光源と、(2) 光を通過させる通過領域を有し、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、(3) アパーチャから出力された光を入力し、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第１光学系と、(4) 第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第１光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力し、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第２光学系と、(5) 第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、アパーチャの通過領域に対応する第１領域と第１領域以外の第２領域とを有し、第２光学系から第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第２光学系から第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、(6) パターン偏光子から出力された光を入力し、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第３光学系と、(7) 第３光学系の光路上に配置され、パターン偏光子の第１領域および第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする１／４波長板と、(8) 第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、(9) 偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、を備える。
本発明の第１態様または第２態様の観察装置の一側面において、第１光学系および第２光学系は観察対象物に対する光入出力の部分が共通であるのが好適である。第２光学系はリレー光学系を含むのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が２次元配列された構造を有し、２次元の干渉画像を取得するのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が１次元配列された構造を有し、１次元の干渉画像を取得するのも好適であり、この場合、偏光カメラの撮像面における複数の画素の配列方向と異なる方向に観察対象物を相対的に移動させることで、観察対象物の２次元の干渉画像を取得するのが好適である。
また、本発明の第１態様または第２態様の観察装置の一側面において、第２光学系を構成する光学素子または観察対象物を第２光学系の光軸に平行な方向に走査し、偏光カメラは走査の各位置において干渉画像を取得し、解析部は、走査の各位置において偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて観察対象物の３次元複素振幅画像を作成するのが好適である。
本発明の光学モジュールは、(1) 第１領域と第１領域以外の第２領域とを有し、第２光学系から第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第２光学系から第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、(2) パターン偏光子の第１領域および第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする１／４波長板と、(3) １／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力する撮像面を有し、３以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、を備える。本発明の光学モジュールは、一側面において、パターン偏光子の前段に配置され、入力した光を直線偏光の光としてパターン偏光子へ出力する偏光子を更に備えるのが好適である。
本発明の第１態様の観察方法は、(1) 空間的にインコヒーレントな光を光源から出力し、(2) 光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、(3) アパーチャから出力された光を入力する第１光学系により、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、(4) 第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第１光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力する第２光学系により、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(5) 光源から第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置された偏光子により、入力した光を直線偏光の光として出力し、(6) 第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されアパーチャの通過領域に対応する第１領域と第１領域以外の第２領域とを有するパターン偏光子により、第２光学系から第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第２光学系から第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、(7) パターン偏光子から出力された光を入力する第３光学系により、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(8) 第３光学系の光路上に配置された１／４波長板により、パターン偏光子の第１領域および第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、(9) 第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得し、(10) 偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する。
本発明の第２態様の観察方法は、(1) 空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を光源から出力し、(2) 光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、光源から出力された光のうち通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、(3) アパーチャから出力された光を入力する第１光学系により、アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、(4) 第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ第１光学系から光が入力されることにより観察対象物から出力された光を入力する第２光学系により、観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(5) 第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されアパーチャの通過領域に対応する第１領域と第１領域以外の第２領域とを有するパターン偏光子により、第２光学系から第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、第２光学系から第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、(6) パターン偏光子から出力された光を入力する第３光学系により、パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、(7) 第３光学系の光路上に配置された１／４波長板により、パターン偏光子の第１領域および第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、(8) 第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得し、(9) 偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物の複素振幅画像を作成する。
本発明の第１態様または第２態様の観察方法の一側面において、第１光学系および第２光学系は観察対象物に対する光入出力の部分が共通であるのが好適である。第２光学系はリレー光学系を含むのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が２次元配列された構造を有し、２次元の干渉画像を取得するのが好適である。偏光カメラは、撮像面において複数の画素が１次元配列された構造を有し、１次元の干渉画像を取得するのも好適であり、この場合、偏光カメラの撮像面における複数の画素の配列方向と異なる方向に観察対象物を相対的に移動させることで、観察対象物の２次元の干渉画像を取得するのが好適である。
また、本発明の第１態様または第２態様の観察方法の一側面において、第２光学系を構成する光学素子または観察対象物を第２光学系の光軸に平行な方向に走査し、偏光カメラにより走査の各位置において干渉画像を取得し、走査の各位置において偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて観察対象物の３次元複素振幅画像を作成するのが好適である。
本発明によれば、光学系の調整が容易であり、定量性が改善された複素振幅画像を短時間に得ることができる。
図１は、第１実施形態の観察装置１の構成を示す図である。 図２は、偏光子１２、アパーチャ１３およびパターン偏光子１４について説明する図である。図２（ａ）は偏光子１２を示し、図２（ｂ）はアパーチャ１３を示し、図２（ｃ）はパターン偏光子１４を示す。 図３は、偏光カメラ１６のイメージセンサの構成例を示す図である。 図４は、偏光カメラ１６のイメージセンサの他の構成例を示す図である。 図５は、パターン偏光子１４から出力される光について説明する図である。 図６は、シミュレーションで用いた元画像である。 図７（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが狭い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図７（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 図８（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが狭い場合において従来技術２により作成した位相画像である。図８（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 図９（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが広い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図９（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 図１０（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが広い場合において従来技術２により作成した位相画像である。図１０（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。 図１１は、第１実施形態の観察装置１の変形例である観察装置１Ａの構成を示す図である。 図１２は、第２実施形態の観察装置２の構成を示す図である。 図１３は、第３実施形態の観察装置３の構成を示す図である。 図１４は、第３実施形態の観察装置３の変形例である観察装置３Ａの構成を示す図である。 図１５は、第４実施形態の観察装置４の構成を示す図である。 図１６は、第５実施形態の観察装置５の構成を示す図である。 図１７は、第５実施形態の観察装置５の変形例である観察装置５Ａの構成を示す図である。 図１８は、第６実施形態の観察装置６の構成を示す図である。 図１９は、第７実施形態の観察装置７の構成を示す図である。 図２０は、第１実施形態の観察装置１の変形例である観察装置１Ｂの構成を示す図である。 図２１は、第１実施形態の観察装置１の変形例である観察装置１Ｃの構成を示す図である。 図２２は、第７実施形態の観察装置７の変形例である観察装置７Ｂの構成を示す図である。 図２３は、第７実施形態の観察装置７の変形例である観察装置７Ｃの構成を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
図１は、第１実施形態の観察装置１の構成を示す図である。観察装置１は、光源１１、偏光子１２、アパーチャ１３、パターン偏光子１４、１／４波長板１５、偏光カメラ１６、解析部１８、第１光学系２０、第２光学系３０および第３光学系４０を備える。
光源１１は、空間的にインコヒーレントな光を出力する。光源１１から出力される光は、時間的にコヒーレントであってもよいし、時間的にインコヒーレントであってもよい。光源１１から出力される光は、直線偏光であってもよいし、無偏光であってもよい。光源１１は、例えばハロゲンランプ、発光ダイオードまたはレーザダイオードを含み、さらに、その後段に拡散板を含むのも好適である。
偏光子１２は、光源１１と光学的に接続されている。偏光子１２は、光源１１から出力された光を入力し、その偏光子１２の光学軸の方位に応じた偏光面を有する直線偏光の光を出力する。
アパーチャ１３は、偏光子１２と光学的に接続されている。アパーチャ１３は、光を通過させる通過領域を有し、偏光子１２から出力された光のうち該通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、通過領域以外の領域に到達した光を遮断する。
第１光学系２０は、アパーチャ１３と観察対象物Ｓとの間に設けられており、１または複数のレンズを含む。第１光学系２０は、アパーチャ１３から出力された光を入力し、アパーチャ１３からの出力光のフーリエ変換像を形成する。
観察対象物Ｓは、第１光学系２０によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されている。
第２光学系３０は、観察対象物Ｓとパターン偏光子１４との間に設けられており、１または複数のレンズを含む。第２光学系３０は、観察対象物Ｓへ第１光学系２０から光が入力されることにより観察対象物Ｓから出力された光を入力し、観察対象物Ｓからの出力光のフーリエ変換像を形成する。
パターン偏光子１４は、第２光学系３０によりフーリエ変換像が形成される位置に配置されている。すなわち、パターン偏光子１４は、第１光学系２０および第２光学系３０を介してアパーチャ１３に対し光学的に共役の関係を有する位置に配置されている。パターン偏光子１４は、アパーチャ１３の通過領域に対応する第１領域と、第１領域以外の第２領域とを有する。パターン偏光子１４は、第２光学系３０から第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°（好適には−５°〜＋５°、最も好適には０°）の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。また、パターン偏光子１４は、第２光学系３０から第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°（好適には４０°〜５０°、最も好適には４５°）の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。
第３光学系４０は、パターン偏光子１４と偏光カメラ１６の撮像面との間に設けられており、１または複数のレンズを含む。第３光学系４０は、パターン偏光子１４から出力された光を入力し、パターン偏光子１４からの出力光のフーリエ変換像を形成する。
１／４波長板１５は、パターン偏光子１４と偏光カメラ１６の撮像面との間の第３光学系４０の光路上に配置されている。１／４波長板１５は、パターン偏光子１４の第１領域および第２領域から出力された直線偏光の光を互いに異なる回転方向の円偏光にして出力する。
偏光カメラ１６は、第３光学系４０によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する。偏光カメラ１６は、１／４波長板１５により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像を取得する。なお、本発明における円偏光は、互いに直交する２方向の電場ベクトルの間で位相差が±π／２［ｒａｄ］かつ振幅が等しい場合のみに限定されず、楕円偏光も含む。
解析部１８は、偏光カメラ１６により取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて観察対象物Ｓの複素振幅画像（振幅画像および位相画像）を作成する。解析部１８は、例えばコンピュータである。解析部１８は、複素振幅画像の作成等の演算処理を行うＣＰＵを含む演算部と、干渉画像および複素振幅画像等を記憶するハードディスクドライブ、ＲＡＭおよびＲＯＭ等を含む記憶部と、干渉画像および複素振幅画像等を表示する液晶ディスプレイを含む表示部と、干渉画像の取得および画像の表示の際の諸条件の入力を受け付けるキーボードおよびマウス等を含む入力部とを備える。
図２は、偏光子１２、アパーチャ１３およびパターン偏光子１４について説明する図である。図２（ａ）は偏光子１２を示し、図２（ｂ）はアパーチャ１３を示し、図２（ｃ）はパターン偏光子１４を示す。これらの図は主光線の方向に見た図である。
偏光子１２（図２（ａ））は、光源１１から出力された光を入力し、その偏光子１２の光学軸の方位に応じた偏光面を有する直線偏光の光を出力する。図２（ａ）におけるハッチングの方位は、偏光子１２の光学軸の方位を示している。
アパーチャ１３（図２（ｂ））は、光を通過させる通過領域１３ａと、通過領域１３ａ以外の遮断領域１３ｂとを有する。アパーチャ１３は、偏光子１２から出力された光のうち通過領域１３ａに到達した光を選択的に通過させて出力し、遮断領域１３ｂに到達した光を遮断する。通過領域１３ａは、開口であってもよいし、透明部材であってもよい。通過領域１３ａは、この図に示されるようにリング形状であってもよく、任意の形状でよい。通過領域１３ａは、この図に示されるように単一の領域であってもよく、複数の部分領域からなるものであってもよい。
パターン偏光子１４（図２（ｃ））は、第１光学系２０および第２光学系３０を介してアパーチャ１３に対し光学的に共役の関係を有する位置に配置されている。パターン偏光子１４は、アパーチャ１３の通過領域１３ａに対応する第１領域１４ａと、第１領域１４ａ以外の第２領域１４ｂとを有する。パターン偏光子１４は、第２光学系３０から第１領域１４ａに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°（好適には−５°〜＋５°、最も好適には０°）の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。パターン偏光子１４は、第２光学系３０から第２領域１４ｂに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°（好適には４０°〜５０°、最も好適には４５°）の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。
パターン偏光子１４の第１領域１４ａは、偏光子であってもよく、開口であってもよく、また、透明部材であってもよい。パターン偏光子１４の第２領域１４ｂは偏光子である。図２（ｃ）における第１領域１４ａおよび第２領域１４ｂそれぞれのハッチングの方位は、各偏光子の光学軸の方位を示している。
図３は、偏光カメラ１６のイメージセンサの構成例を示す図である。この図に示されるイメージセンサ１６Ａは、半導体基板上に形成されたフォトダイオードアレイ１６１と、そのフォトダイオードアレイ上に設けられた偏光子アレイ１６２と、その偏光子アレイ上に設けられたレンズアレイ１６３とを備え、これらが積層された構造を有する。フォトダイオードアレイ１６１において複数のフォトダイオードが２次元配列されている。フォトダイオードアレイ１６１の各フォトダイオードに対して、偏光子アレイ１６２の１つの偏光子が対応して設けられ、レンズアレイ１６３の１つのレンズが対応して設けられている。
偏光子アレイ１６２の各偏光子は、４つの方位（０°、４５°、９０°、１３５°）のうちの何れかの方位に光学軸を有する。この図において、偏光子アレイ１６２の各偏光子のハッチングの方位は、該偏光子の光学軸の方位を示している。このイメージセンサ１６Ａを用いれば、４つの方位の直線偏光の２次元像を同時に撮像することができる。ソニー株式会社により商品化されているイメージセンサ（Polarsens（登録商標））は、この図に示される構成を有する。また、Teledyne DALSA社により商品化されているイメージセンサ（Area ScanPolarization Sensor）も、この図に示される構成を有する。
図４は、偏光カメラ１６のイメージセンサの他の構成例を示す図である。この図に示されるイメージセンサ１６Ｂは、半導体基板上に形成されたフォトダイオードアレイ１６４ａ〜１６４ｄと、フォトダイオードアレイ１６４ａ〜１６４ｃ上に設けられた偏光子１６５ａ〜１６５ｃとを備える。フォトダイオードアレイ１６４ｃ上には偏光子は設けられていない。フォトダイオードアレイ１６４ａ〜１６４ｄそれぞれにおいて、複数のフォトダイオードがｘ方向に１次元配列されている。フォトダイオードアレイ１６４ａ〜１６４ｄはｙ方向に並列配置されている。
フォトダイオードアレイ１６４ａ上の偏光子１６５ａの光学軸の方位は０°であり、フォトダイオードアレイ１６４ｂ上の偏光子１６５ｂの光学軸の方位は１３５であり、フォトダイオードアレイ１６４ｃ上の偏光子１６５ｃの光学軸の方位は９０°である。この図において、各偏光子のハッチングの方位は、該偏光子の光学軸の方位を示している。このイメージセンサ１６Ｂを用いれば、３つの方位の直線偏光の１次元像を同時に撮像することができる。また、ｘ方向と異なる方向（例えばｙ方向）に観察対象物Ｓを相対的に移動させることで、３つの方位の直線偏光の２次元像を同時に取得することができる。例えばフローサイトメトリのように透明管内を流体とともに移動する細胞を観察対象物Ｓとすることができる。Teledyne DALSA社により商品化されているイメージセンサ（Line ScanPolarization Sensor）は、この図に示される構成を有する。
次に、観察装置１を用いて観察対象物Ｓの複素振幅画像を取得する方法について説明する。
空間的にインコヒーレントな光を光源１１から出力する。光源１１から出力された光を入力した偏光子１２により、その偏光子１２の光学軸の方位に応じた偏光面を有する直線偏光の光を出力する。光を通過させる通過領域１３ａを有するアパーチャ１３を用いて、偏光子１２から出力された光のうち通過領域１３ａに到達した光を選択的に通過させて出力する。アパーチャ１３から出力された光を入力する第１光学系２０により、アパーチャ１３からの出力光のフーリエ変換像を形成する。第１光学系２０によりフーリエ変換像が形成される位置に観察対象物Ｓが配置されている。観察対象物Ｓへ第１光学系２０から光が入力されることにより観察対象物Ｓから出力された光を入力する第２光学系３０により、観察対象物Ｓからの出力光のフーリエ変換像を形成する。
第２光学系３０によりフーリエ変換像が形成される位置にパターン偏光子１４が配置されている。パターン偏光子１４は、アパーチャ１３の通過領域１３ａに対応する第１領域１４ａと、第１領域１４ａ以外の第２領域１４ｂとを有する。このパターン偏光子１４により、第２光学系３０から第１領域１４ａに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°（好適には−５°〜＋５°、最も好適には０°）の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。また、このパターン偏光子１４により、第２光学系３０から第２領域１４ｂに入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°（好適には４０°〜５０°、最も好適には４５０°）の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力する。
パターン偏光子１４から出力された光を入力する第３光学系４０により、パターン偏光子１４からの出力光のフーリエ変換像を形成する。第３光学系４０の光路上に配置された１／４波長板１５により、パターン偏光子１４の第１領域１４ａおよび第２領域１４ｂから出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光とする。第３光学系４０によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラ１６により、１／４波長板１５により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて撮像面上の干渉画像（すなわち、位相差が異なる３以上の干渉画像）を取得する。
そして、解析部１８により、偏光カメラ１６により取得された３以上の干渉画像に基づいて観察対象物Ｓの複素振幅画像を作成する。複素振幅画像を作成するには、位相差が異なる３以上の干渉画像が必要である。例えば、位相差が９０°ずつ異なる４つの干渉画像Ｉ１〜Ｉ４を取得した場合、φ＝arg{(Ｉ１−Ｉ３)＋i(Ｉ２−Ｉ４)} なる式で位相画像φを作成することができ、Ｒ＝{(Ｉ１−Ｉ３)2＋(Ｉ２−Ｉ４)2}1/2なる式で振幅画像Ｒを作成することができ、また、複素振幅画像も作成することができる。なお、Ｉ１〜Ｉ４、φおよびＲは画素位置の関数であり、式の演算は画素毎に行われる。argは複素数の偏角を取得する演算子である。ｉは虚数単位である。
次に、ハロ低減効果について説明する。以下では、パターン偏光子１４の第１領域１４ａおよび第２領域１４ｂから出力される直線偏光の光の偏光面の方位が互いに４５°異なるもののして説明する。
図５は、パターン偏光子１４から出力される光について説明する図である。この図において、ハッチングの方位は、パターン偏光子１４からの出力光の偏光面の方位を示している。パターン偏光子１４の第１領域１４ａからの出力光Ｅａは、パターン偏光子１４の第２領域１４ｂからの出力光Ｅｂの偏光面に対して略４５°だけ異なる偏光面を有するので、出力光Ｅｂの偏光面に平行な方位の偏光面を有する光Ｅａ１と、これに垂直な方位の偏光面を有する光Ｅａ２と、に分解することができる。同じ方位の偏光面を有する光Ｅｂおよび光Ｅａ１を合わせたものを物体光とし、これに垂直な方位の偏光面を有する光Ｅａ２を参照光とすることができる。
第２光学系３０により観察対象物Ｓからの出力光のフーリエ変換像が形成される位置にパターン偏光子１４が配置されていることから、パターン偏光子１４から出力される物体光（光Ｅｂおよび光Ｅａ１）は、観察対象物Ｓの空間周波数の殆ど全域の成分を有する。また、パターン偏光子１４から出力される参照光Ｅａ２は、非回折光が支配的であるので、観察対象物Ｓの空間周波数０を含む限定された帯域（第１領域１４ａの幅に応じた帯域）の成分を有する。
そして、第３光学系４０によりパターン偏光子１４からの出力光のフーリエ変換像が形成される位置に偏光カメラ１６の撮像面が配置されていることから、偏光カメラ１６の撮像面に、パターン偏光子１４から出力される物体光（光Ｅｂおよび光Ｅａ１）により観察対象物Ｓの像が比較的忠実に再現される。また、偏光カメラ１６の撮像面に、パターン偏光子１４から出力される参照光（非回折光）Ｅａ２が照射される。
本実施形態では、偏光カメラ１６の撮像面に観察対象物Ｓの像が比較的忠実に再現されることから、ハロが低減される。また、アパーチャ１３の通過領域１３ａを狭くするほど（すなわち、パターン偏光子１４の第１領域１４ａを狭くするほど）、参照光に含まれる非回折光の割合が大きくなるので、ハロが更に低減される。なお、本実施形態では物体光は光Ｅｂおよび光Ｅａ１を合わせたものであるのに対して、従来技術２では物体光は光Ｅｂに相当するもののみであるので、従来技術２ではハロが顕著に生じる。
次に、本実施形態の観察装置１または観察方法により観察対象物Ｓの複素振幅画像を取得できることについて詳細に説明する。以下では、説明を簡易にするために、光源１１が空間的にコヒーレントな光を出力するものとし、パターン偏光子が中心領域と周辺領域とに区分されるものとする。
光の各偏光状態のうち水平偏光を表すベクトルをｅＨとし、水平偏光を表すベクトルをｅＶとし、４５°偏光を表すベクトルをｅＤとし、１３５°偏光を表すベクトルをｅＡとし、右回り円偏光を表すベクトルをｅＲとし、左回り円偏光を表すベクトルをｅＬとする。これらのベクトルの間には下記（１）〜（４）式の関係がある。
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円偏光の光を偏光子に入力させたときに該偏光子から出力される光の位相は、その出力光の偏光状態のベクトル（ｅＨ，ｅＶ，ｅＤ，ｅＡの何れか）と入力光の偏光状態のベクトル（ｅＲ，ｅＬの何れか）との内積で表される。２つのベクトル間の内積については下記（５）〜（１２）式が成り立つ。これらの関係を用いることで、各位相シフト量に対応する干渉画像を取得することができる。
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ｅＨ・ｅＲとｅＨ・ｅＬとは同位相であるから、互いに回転方向が異なる２つの円偏光の光が偏光子により水平偏光に射影されると、偏光子から出力される２つの光は同位相となる。ｅＶ・ｅＲとｅＶ・ｅＬとは逆位相であるから、互いに回転方向が異なる２つの円偏光の光が偏光子により垂直偏光に射影されると、偏光子から出力される２つの光の間の位相差は１８０°となる。
ｅＤ・ｅＲとｅＤ・ｅＬとは位相が９０°異なっているから、互いに回転方向が異なる２つの円偏光の光が偏光子により４５°偏光に射影されると、偏光子から出力される２つの光の間の位相差は９０°となる。ｅＡ・ｅＲとｅＡ・ｅＬとは位相が２７０°異なっているから、互いに回転方向が異なる２つの円偏光の光が偏光子により１３５°偏光に射影されると、偏光子から出力される２つの光の間の位相差は２７０°となる。
測定したい光の波面をＵ(ｘ)とする。ｘは位置を表す変数である。Ｕ(ｘ)のフーリエ変換をｕ(ｋ)と表す（下記（１３）式）。ｋは空間周波数を表す変数である。
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パターン偏光子の中心領域および周辺領域それぞれが選択的に通過させる直線偏光の光の偏光面が互いに直交している場合を考えると次のとおりである。観察対象物からの出力光Ｕ(ｘ)は光学系によりフーリエ変換され、そのフーリエ変換像ｕ(ｋ)がパターン偏光子の位置に形成される。ｕ(ｋ)のうちパターン偏光子の中心領域を通過した光は、下記（１４）式で示される像Ｕｃ(ｘ)を偏光カメラの撮像面上に形成する。この式中のｐｃ(ｋ)は、パターン偏光子の中心領域に対応する空間周波数領域でのマスクであり、Ｕ(ｘ)の低周波成分に対応するものである。
Figure 2021110866
パターン偏光子の周辺領域を通過した光が偏光カメラの撮像面上に形成する像Ｕ−(ｘ)は、Ｕ(ｘ)からＵｃ(ｘ)を差し引いたものとして表される（下記（１５）式）。したがって、偏光カメラによる撮像により得られる干渉画像は下記（１６）式で表される。この式中の添え字Ｘは、偏光カメラで撮像される偏光状態（Ｈ，Ｖ，Ｄ，Ａの何れか）を示す。
Figure 2021110866
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偏光状態を表すベクトルの間の内積が上述の位相関係を有することから、偏光カメラによる撮像により得られる各偏光状態の干渉画像ＩＨ(ｘ)，ＩＶ(ｘ)，ＩＤ(ｘ)，ＩＡ(ｘ)は、位相シフト法における各位相シフト量での測定結果に対応する。したがって、これらの干渉画像を用いて、下記（１７）式により複素振幅画像Ｃ(ｘ)を取得することができる。
Figure 2021110866
パターン偏光子の中心領域の大きさが無限小である理想的な場合を想定する。この場合、ｐｃ(ｋ)はデルタ関数で表される（下記（１８）式）。このとき、上記（１４）式は、下記（１９）式のようになる。Ｕ０は、定数であり、Ｕ(ｘ)の平均値に対応する。このとき、上記（１７）式の複素振幅画像Ｃ(ｘ）は下記（２０）式で表される。
Figure 2021110866
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Ｕ０は定数であるので、Ｕ−(ｘ)の複素振幅が測定されることになり、これはＵ(ｘ)と一致しない。つまり、このような理想的な場合であっても、測定値の定量性が失われている。この定量性の喪失により、像の低周波成分が失われる。位相差顕微鏡でハロとして知られている現象は、これと同じメカニズムに基づくものである。
これに対して、本実施形態では、パターン偏光子１４により非回折光に対して回折光を４５°傾いた偏光に射影する。このとき偏光カメラ１６に入射する光の波面Ｕ’(ｘ)は下記（２１）式で表される。結果的に得られる複素振幅画像Ｃ(ｘ)は下記（２２）式で表される。従来技術２では像の低周波成分が失われたのに対して、本実施形態では像の低周波成分が失われていない。したがって、本実施形態では、像の欠損が抑制され、ハロのような現象の発生が抑制される。
Figure 2021110866
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次に、シミュレーションによりハロ低減効果を確認した結果について説明する。図６は、シミュレーションで用いた元画像である。この元画像を観察対象物Ｓとし、アパーチャ１３の通過領域１３ａが狭い場合および広い場合それぞれにおいて、本実施形態および従来技術２それぞれにより位相画像を作成した。
図７（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが狭い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図７（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。
図８（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが狭い場合において従来技術２により作成した位相画像である。図８（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。
図９（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが広い場合において本実施形態により作成した位相画像である。図９（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。
図１０（ａ）は、アパーチャ１３の通過領域１３ａが広い場合において従来技術２により作成した位相画像である。図１０（ｂ）は、この位相画像と元画像との差分を表す画像である。
これらの図から分かるように、従来技術２により作成した位相画像と比べて、本実施形態により作成した位相画像は、ハロが低減されている。また、アパーチャ１３の通過領域１３ａが狭い場合に、本実施形態のハロ低減効果が顕著である。
以上のように本実施形態では、物体光および参照光が同軸で伝搬するので、光学系の調整が容易であり、光路長安定化などの機構が不要となって耐振動性が優れる。物体光と参照光との間の位相差を各値に設定した観察対象物の干渉画像を同時に（シングルショットで）取得することができるので、これら複数の干渉画像を取得するのに要する時間が短い。また、従来技術２と比べて本実施形態ではハロが低減されて定量性が優れる。
次に、他の実施形態および変形例の構成について説明する。なお、図１に示された観察装置１の構成と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。これらは、図１に示された第１実施形態の観察装置１と同様の効果を奏する。
図１１は、第１実施形態の観察装置１の変形例である観察装置１Ａの構成を示す図である。図１に示された観察装置１の構成と比較すると、図１１に示される観察装置１Ａは、偏光子１２が設けられている位置の点で相違する。この構成例では、偏光子１２はパターン偏光子１４の直前に設けられている。偏光子１２は、光源１１からパターン偏光子１４（第２光学系３０によりフーリエ変換像が形成される位置）までの間の光路上の何れの位置に設けられてもよい。偏光子１２が観察対象物Ｓとパターン偏光子１４との間の光路上に設けられている場合、観察対象物Ｓが複屈折性を有する場合であっても、干渉画像および複素振幅画像を好適に取得することができる。
図１２は、第２実施形態の観察装置２の構成を示す図である。図１に示された観察装置１の構成と比較すると、図１２に示される観察装置２は、光源１１から出力される空間的にインコヒーレントな光が直線偏光である点で相違し、それ故に不要となる偏光子１２が設けられていない点で相違する。この場合、パターン偏光子１４の第１領域１４ａおよび第２領域１４ｂそれぞれが出力する直線偏光の偏光面の方位は、光源１１から出力される直線偏光の偏光面の方位に応じて設定される。
図１３は、第３実施形態の観察装置３の構成を示す図である。図１に示された観察装置１の構成と比較すると、図１３に示される観察装置３は、第２光学系３０の構成の点で相違する。本実施形態では、第２光学系３０は、対物レンズ３１に加えて、レンズ３２，３３をリレー光学系として含む。また、パターン偏光子１４、１／４波長板１５、偏光カメラ１６、レンズ３３および第３光学系４０を共通の筐体に入れて光学モジュール５１とすることができる。この光学モジュール５１を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置３の構成とすることができる。
図１４は、第３実施形態の観察装置３の変形例である観察装置３Ａの構成を示す図である。図１３に示された観察装置３の構成と比較すると、図１４に示される観察装置３Ａは、偏光子１２が設けられている位置の点で相違する。この構成例では、偏光子１２はパターン偏光子１４の直前に設けられている。偏光子１２が観察対象物Ｓとパターン偏光子１４との間の光路上に設けられている場合、観察対象物Ｓが複屈折性を有する場合であっても、干渉画像および複素振幅画像を好適に取得することができる。また、偏光子１２、パターン偏光子１４、１／４波長板１５、偏光カメラ１６、レンズ３３および第３光学系４０を共通の筐体に入れて光学モジュール５２とすることができる。この光学モジュール５２を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置３Ａの構成とすることができる。
図１５は、第４実施形態の観察装置４の構成を示す図である。図１３に示された観察装置３の構成と比較すると、図１５に示される観察装置４は、光源１１から出力される空間的にインコヒーレントな光が直線偏光である点で相違し、それ故に不要となる偏光子１２が設けられていない点で相違する。この場合、パターン偏光子１４の第１領域１４ａおよび第２領域１４ｂそれぞれが出力する直線偏光の偏光面の方位は、光源１１から出力される直線偏光の偏光面の方位に応じて設定される。
これまでに説明した観察装置は透過型の構成であったが、観察装置は以下に説明するような反射型の構成であってもよい。反射型の構成とする場合、第１光学系および第２光学系は観察対象物Ｓに対する光入出力の部分を共通にすることができる。
図１６は、第５実施形態の観察装置５の構成を示す図である。観察装置５は、アパーチャ１３と観察対象物Ｓとの間に設けられる第１光学系として、レンズ２１，２２，２３およびビームスプリッタ１７を備える。また、観察装置５は、観察対象物Ｓとパターン偏光子１４との間に設けられる第２光学系として、レンズ２３，３２，３３およびビームスプリッタ１７を備える。偏光子１２は、光源１１とアパーチャ１３との間に設けられている。光源１１から出力された光は、偏光子１２、アパーチャ１３、レンズ２１およびレンズ２２を経てビームスプリッタ１７に到達し、ビームスプリッタ１７によりレンズ２３へ反射される。その光は、レンズ２３を経て観察対象物Ｓに照射され、観察対象物Ｓを容れた容器の底面で反射される。その反射光は、レンズ２３、ビームスプリッタ１７、レンズ３２およびレンズ３３を経てパターン偏光子１４に入力される。この構成においても、パターン偏光子１４、１／４波長板１５、偏光カメラ１６、レンズ３３および第３光学系４０を共通の筐体に入れて光学モジュール５１とすることができる。この光学モジュール５１を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置５の構成とすることができる。
図１７は、第５実施形態の観察装置５の変形例である観察装置５Ａの構成を示す図である。図１６に示された観察装置５の構成と比較すると、図１７に示される観察装置５Ａは、偏光子１２が設けられている位置の点で相違する。この構成例では、偏光子１２はパターン偏光子１４の直前に設けられている。偏光子１２が観察対象物Ｓとパターン偏光子１４との間の光路上に設けられている場合、観察対象物Ｓが複屈折性を有する場合であっても、干渉画像および複素振幅画像を好適に取得することができる。この構成においても、偏光子１２、パターン偏光子１４、１／４波長板１５、偏光カメラ１６、レンズ３３および第３光学系４０を共通の筐体に入れて光学モジュール５２とすることができる。この光学モジュール５２を市販の位相差顕微鏡に取り付けることで観察装置５Ａの構成とすることができる。
図１８は、第６実施形態の観察装置６の構成を示す図である。図１６に示された観察装置５の構成と比較すると、図１８に示される観察装置６は、光源１１から出力される空間的にインコヒーレントな光が直線偏光である点で相違し、それ故に不要となる偏光子１２が設けられていない点で相違する。この場合、パターン偏光子１４の第１領域１４ａおよび第２領域１４ｂそれぞれが出力する直線偏光の偏光面の方位は、光源１１から出力される直線偏光の偏光面の方位に応じて設定される。
図１９は、第７実施形態の観察装置７の構成を示す図である。観察装置７は、アパーチャ１３と観察対象物Ｓとの間に設けられる第１光学系として、レンズ２１，２２，２３およびビームスプリッタ１７を備える。また、観察装置７は、観察対象物Ｓとパターン偏光子１４との間に設けられる第２光学系としてレンズ２３を備える。この構成では、パターン偏光子１４は、偏光子１２の役割を兼ねており、ビームスプリッタ１７とレンズ２３との間の光路上に設けられている。光源１１から出力された光は、アパーチャ１３、レンズ２１およびレンズ２２を経てビームスプリッタ１７に到達し、ビームスプリッタ１７によりパターン偏光子１４へ反射される。その光は、パターン偏光子１４の第１領域１４ａを直線偏光として通過し、レンズ２３を経て観察対象物Ｓに照射され、観察対象物Ｓを容れた容器の底面で反射される。その反射光は、レンズ２３、パターン偏光子１４およびビームスプリッタ１７を経て１／４波長板１５に入力される。
これまで説明した観察装置は観察対象物Ｓの２次元複素振幅画像を取得することができる構成であった。しかし、以下に説明するように、第２光学系３０を構成する光学素子または観察対象物Ｓを第２光学系３０の光軸に平行な方向に走査し、その走査の各位置において偏光カメラ１６により複数の干渉画像を取得し、その走査の各位置における複数の干渉画像に基づいて観察対象物Ｓの３次元複素振幅画像を作成することもできる。以下では、第１実施形態の観察装置１の変形例および第７実施形態の観察装置７の変形例の各構成について説明するが、他の実施形態の観察装置の変形例の構成とすることもできる。
図２０は、第１実施形態の観察装置１の変形例である観察装置１Ｂの構成を示す図である。図１に示された観察装置１の構成と比較すると、図２０に示される観察装置１Ｂは、観察対象物Ｓを光軸に平行な方向に走査することができる移動部１９が設けられている点で相違する。
図２１は、第１実施形態の観察装置１の変形例である観察装置１Ｃの構成を示す図である。図１に示された観察装置１の構成と比較すると、図２１に示される観察装置１Ｃは、第２光学系３０およびパターン偏光子１４を光軸に平行な方向に走査することができる移動部１９が設けられている点で相違する。
図２２は、第７実施形態の観察装置７の変形例である観察装置７Ｂの構成を示す図である。図１９に示された観察装置７の構成と比較すると、図２２に示される観察装置７Ｂは、観察対象物Ｓを光軸に平行な方向に走査することができる移動部１９が設けられている点で相違する。
図２３は、第７実施形態の観察装置７の変形例である観察装置７Ｃの構成を示す図である。図１９に示された観察装置７の構成と比較すると、図２３に示される観察装置７Ｃは、レンズ２３およびパターン偏光子１４を光軸に平行な方向に走査することができる移動部１９が設けられている点で相違する。
何れの観察装置においても、移動部１９は、リニアステージであってもよいし、ピエゾアクチュエータであってもよく、また、リニアステージおよびピエゾアクチュエータを組み合わせたものであってもよい。移動部１９により観察対象物Ｓを光軸方向に走査することにより、または、移動部１９により第２光学系３０およびパターン偏光子１４を光軸方向に走査することにより、偏光カメラ１６の撮像面に対して共役な位置が観察対象物Ｓ中で走査されることになるので、観察対象物Ｓの３次元複素振幅画像を作成することができる。
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，２，３，３Ａ，４，５，５Ａ，６，７，７Ｂ，７Ｃ…観察装置、１１…光源、１２…偏光子、１３…アパーチャ、１３ａ…通過領域、１３ｂ…遮断領域、１４…パターン偏光子、１４ａ…第１領域、１４ｂ…第２領域、１５…１／４波長板、１６…偏光カメラ、１７…ビームスプリッタ、１８…解析部、１９…移動部、２０…第１光学系、３０…第２光学系、４０…第３光学系、５１，５２…光学モジュール。

Claims (18)

  1. 空間的にインコヒーレントな光を出力する光源と、
    光を通過させる通過領域を有し、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、
    前記アパーチャから出力された光を入力し、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第１光学系と、
    前記第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第１光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力し、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第２光学系と、
    前記光源から前記第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置され、入力した光を直線偏光の光として出力する偏光子と、
    前記第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、前記アパーチャの前記通過領域に対応する第１領域と前記第１領域以外の第２領域とを有し、前記第２光学系から前記第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第２光学系から前記第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、
    前記パターン偏光子から出力された光を入力し、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第３光学系と、
    前記第３光学系の光路上に配置され、前記パターン偏光子の前記第１領域および前記第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする１／４波長板と、
    前記第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、前記１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、
    前記偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、
    を備える観察装置。
  2. 空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を出力する光源と、
    光を通過させる通過領域を有し、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力するアパーチャと、
    前記アパーチャから出力された光を入力し、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成する第１光学系と、
    前記第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第１光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力し、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成する第２光学系と、
    前記第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され、前記アパーチャの前記通過領域に対応する第１領域と前記第１領域以外の第２領域とを有し、前記第２光学系から前記第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第２光学系から前記第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、
    前記パターン偏光子から出力された光を入力し、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成する第３光学系と、
    前記第３光学系の光路上に配置され、前記パターン偏光子の前記第１領域および前記第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする１／４波長板と、
    前記第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有し、前記１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、
    前記偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する解析部と、
    を備える観察装置。
  3. 前記第１光学系および前記第２光学系は前記観察対象物に対する光入出力の部分が共通である、
    請求項１または２に記載の観察装置。
  4. 前記第２光学系はリレー光学系を含む、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の観察装置。
  5. 前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が２次元配列された構造を有し、２次元の干渉画像を取得する、
    請求項１〜４の何れか１項に記載の観察装置。
  6. 前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が１次元配列された構造を有し、１次元の干渉画像を取得する、
    請求項１〜５の何れか１項に記載の観察装置。
  7. 前記偏光カメラの前記撮像面における前記複数の画素の配列方向と異なる方向に前記観察対象物を相対的に移動させることで、前記観察対象物の２次元の干渉画像を取得する、
    請求項６に記載の観察装置。
  8. 前記第２光学系を構成する光学素子または前記観察対象物を前記第２光学系の光軸に平行な方向に走査し、
    前記偏光カメラは前記走査の各位置において干渉画像を取得し、
    前記解析部は、前記走査の各位置において前記偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて前記観察対象物の３次元複素振幅画像を作成する、
    請求項１〜７の何れか１項に記載の観察装置。
  9. 第１領域と前記第１領域以外の第２領域とを有し、前記第２光学系から前記第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第２光学系から前記第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力するパターン偏光子と、
    前記パターン偏光子の前記第１領域および前記第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にする１／４波長板と、
    前記１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力する撮像面を有し、３以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得する偏光カメラと、
    を備える光学モジュール。
  10. 前記パターン偏光子の前段に配置され、入力した光を直線偏光の光として前記パターン偏光子へ出力する偏光子を更に備える、
    請求項９に記載の光学モジュール。
  11. 空間的にインコヒーレントな光を光源から出力し、
    光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、
    前記アパーチャから出力された光を入力する第１光学系により、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、
    前記第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第１光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力する第２光学系により、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
    前記光源から前記第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置までの間の光路上に配置された偏光子により、入力した光を直線偏光の光として出力し、
    前記第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され前記アパーチャの前記通過領域に対応する第１領域と前記第１領域以外の第２領域とを有するパターン偏光子により、前記第２光学系から前記第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第２光学系から前記第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、
    前記パターン偏光子から出力された光を入力する第３光学系により、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
    前記第３光学系の光路上に配置された１／４波長板により、前記パターン偏光子の前記第１領域および前記第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、
    前記第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、前記１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得し、
    前記偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する、
    観察方法。
  12. 空間的にインコヒーレントな直線偏光の光を光源から出力し、
    光を通過させる通過領域を有するアパーチャを用いて、前記光源から出力された光のうち前記通過領域に到達した光を選択的に通過させて出力し、
    前記アパーチャから出力された光を入力する第１光学系により、前記アパーチャからの出力光のフーリエ変換像を形成し、
    前記第１光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された観察対象物へ前記第１光学系から光が入力されることにより前記観察対象物から出力された光を入力する第２光学系により、前記観察対象物からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
    前記第２光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置され前記アパーチャの前記通過領域に対応する第１領域と前記第１領域以外の第２領域とを有するパターン偏光子により、前記第２光学系から前記第１領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に−１０°〜＋１０°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、前記第２光学系から前記第２領域に入力した光のうち該入力光の偏光面に対して相対的に３５°〜５５°の偏光面を有する直線偏光の光を選択的に出力し、
    前記パターン偏光子から出力された光を入力する第３光学系により、前記パターン偏光子からの出力光のフーリエ変換像を形成し、
    前記第３光学系の光路上に配置された１／４波長板により、前記パターン偏光子の前記第１領域および前記第２領域から出力された光を互いに異なる回転方向の円偏光にし、
    前記第３光学系によりフーリエ変換像が形成される位置に配置された撮像面を有する偏光カメラにより、前記１／４波長板により互いに異なる回転方向の円偏光とされた二つの光を入力し、３以上の偏光面の成分それぞれについて前記撮像面上の干渉画像を取得し、
    前記偏光カメラにより取得された３以上の偏光面の成分それぞれについての干渉画像に基づいて前記観察対象物の複素振幅画像を作成する、
    観察方法。
  13. 前記第１光学系および前記第２光学系は前記観察対象物に対する光入出力の部分が共通である、
    請求項１１または１２に記載の観察方法。
  14. 前記第２光学系はリレー光学系を含む、
    請求項１１〜１３の何れか１項に記載の観察方法。
  15. 前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が２次元配列された構造を有し、２次元の干渉画像を取得する、
    請求項１１〜１４の何れか１項に記載の観察方法。
  16. 前記偏光カメラは、前記撮像面において複数の画素が１次元配列された構造を有し、１次元の干渉画像を取得する、
    請求項１１〜１５の何れか１項に記載の観察方法。
  17. 前記偏光カメラの前記撮像面における前記複数の画素の配列方向と異なる方向に前記観察対象物を相対的に移動させることで、前記観察対象物の２次元の干渉画像を取得する、
    請求項１６に記載の観察方法。
  18. 前記第２光学系を構成する光学素子または前記観察対象物を前記第２光学系の光軸に平行な方向に走査し、
    前記偏光カメラにより前記走査の各位置において干渉画像を取得し、
    前記走査の各位置において前記偏光カメラにより取得された干渉画像に基づいて前記観察対象物の３次元複素振幅画像を作成する、
    請求項１１〜１７の何れか１項に記載の観察方法。
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