JP2022089626A - 干渉画像取得装置および干渉画像取得方法 - Google Patents

Abstract

【課題】対象物の干渉画像を取得する際に対象物におけるフォーカス面の位置を容易に安定して設定することができる装置を提供する。【解決手段】干渉画像取得装置１は、光源１１、ビームスプリッタ１２、参照側ミラー１３、ピエゾ素子１４、ステージ１５、対物レンズ１６、焦点可変レンズ１７、撮像器１８、筐体３０、支持部３１および演算部４０を備える。焦点可変レンズ１７は、ビームスプリッタ１２から撮像器１８の撮像面までの干渉光の光路上に設けられ、分岐部としてのビームスプリッタ１２から合波部としてのビームスプリッタ１２までの第１光束の光路上において撮像器１８の撮像面に対して共役となるフォーカス面Ｆの位置を調整する。筐体３０は、ビームスプリッタ１２および支持部３１の間の相対的位置関係を固定して、これらを機械的に一体化する。【選択図】図１

Description

本発明は、干渉画像取得装置および干渉画像取得方法に関するものである。

非特許文献１および非特許文献２に、対象物の干渉画像を取得することができる干渉画像取得装置の様々な構成例が紹介されている。干渉画像取得装置は、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面を有する撮像器とを備える。二光束干渉計において二光束のうちの何れか一方の光束の光路上に対象物が配置される。撮像器は、撮像面に対して共役となるフォーカス面における対象物の干渉画像を取得することができる。

また、この干渉画像取得装置は、対象物の干渉画像に基づいて、位相シフト法により対象物の位相画像等を求めることもできる。干渉画像取得装置は、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とした状態とし、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等を求める。

深津拡也、「光学式輪郭測定技術を用いた工業表面のトポグラフィ測定」、精密工学会誌、Vol.76, No.9, 2010 Timothy R. Corle, Gordon S. Kino,"Confocal Scanning Optical Microscopy and RelatedImaging Systems," Academic Press, 1996, Chapter2

従来の干渉画像取得装置は、対象物におけるフォーカス面の位置（すなわち、対象物とフォーカス面との間の相対的位置関係）を設定する為に、二光束干渉計と対象物との間の物理的な距離を調整する。二光束干渉計と対象物との間の物理的な距離の調整は、二光束干渉計を移動させることにより可能である。しかし、二光束干渉計を移動させる為のＺステージは大きく高価であり、また、Ｚステージを駆動する為の消費電力は大きい。また、片持ち梁方式で二光束干渉計をＺステージに取り付けて二光束干渉計を移動させる場合には、機械的振動が大きい。

干渉画像取得装置において、撮像器が干渉画像を取得する際に機械的振動があると、対象物に対するフォーカス面の相対的位置が変動して、取得される干渉画像がノイズを含むことになる。非特許文献１には、対象物に対するフォーカス面の相対的位置を安定化する為の構成については記載されていない。非特許文献２には、機械的振動による光路長差の変動を波長より小さくするように厳密に制御することが必要である旨が記載されているが、その為の具体的な構成については記載されていない。

また、干渉画像取得装置において、二光束干渉計を移動させることなく、対象物を移動させることも考えられる。しかし、この場合も、対象物を移動させる為のＺステージは大きく高価であり、また、Ｚステージを駆動する為の消費電力は大きい。また、例えば、生細胞に薬液を注入しながら繰り返し生細胞の干渉画像を取得する場合や、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）素子の微細な動きを測定する為にＭＥＭＳの干渉画像を取得する場合のように、対象物（生細胞、ＭＥＭＳ素子）を移動させることが好ましくない場合がある。

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、対象物の干渉画像を取得する際に対象物におけるフォーカス面の位置を容易に安定して設定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。

本発明の干渉画像取得装置は、(1) 光源から出力されたインコヒーレントな光を分岐部により第１光束と第２光束とに分岐し、支持部により支持されて第１光束の光路上に配置された対象物で反射または透過した第１光束と、参照側ミラーで反射された第２光束とを合波部により合波して、干渉光を出力する二光束干渉計と、(2) 二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像面を有し、対象物の干渉画像を取得する撮像器と、(3) 合波部から撮像面までの干渉光の光路上に設けられ、分岐部から合波部までの第１光束の光路上において撮像面に対して共役となるフォーカス面の位置を調整するフォーカス面位置調整部と、を備える。さらに、分岐部、合波部および支持部の間の相対的位置関係が固定されている。

本発明の干渉画像取得装置の一側面において、二光束干渉計は、フォーカス面の位置で反射される第１光束の光路長と、参照側ミラーで反射される第２光束の光路長との間の光路長差が、光源から出力される光のコヒーレント長以下であるのが好適である。或いは、二光束干渉計は、対象物を透過した第１光束を反射させる物体側ミラーが設けられ、物体側ミラーで反射される第１光束の光路長と、参照側ミラーで反射される第２光束の光路長との間の光路長差が、光源から出力される光のコヒーレント長以下であるのが好適である。

本発明の干渉画像取得装置の一側面において、フォーカス面位置調整部は、焦点距離が可変である焦点可変レンズを含むのが好適であり、合波部から撮像面までの干渉光の光路長を変化させる機構を含むのも好適であり、また、合波部から撮像面までの干渉光の光路上に配置された１または複数のレンズの位置を変化させる機構を含むのも好適である。

本発明の干渉画像取得装置の一側面において、干渉画像取得装置は、参照側ミラーの反射面に垂直な方向における参照側ミラーの位置を調整する参照側ミラー位置調整部を更に備えるのが好適である。また、フォーカス面位置調整部によりフォーカス面が一定の位置に調整された状態において、参照側ミラー位置調整部により参照側ミラーが複数の位置それぞれに調整されたときに撮像器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または強度画像を求める演算部を更に備えるのが好適である。さらに、フォーカス面位置調整部は、第１光束の光路に沿ってフォーカス面の位置を走査し、撮像器は、フォーカス面の走査の各位置において干渉画像を取得し、演算部は、フォーカス面の走査の各位置において干渉画像に基づいて位相画像または強度画像を求め、これら位相画像または強度画像に基づいて対象物の３次元像を求めるのが好適である。

本発明の干渉画像取得方法は、(1) 二光束干渉計において、光源から出力されたインコヒーレントな光を分岐部により第１光束と第２光束とに分岐し、支持部により支持されて第１光束の光路上に配置された対象物で反射または透過した第１光束と、参照側ミラーで反射された第２光束とを合波部により合波して、干渉光を出力する干渉ステップと、(2) 二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像面を有する撮像器により、対象物の干渉画像を取得する撮像ステップと、(3) 合波部から撮像面までの干渉光の光路上に設けられたフォーカス面位置調整部により、分岐部から合波部までの第１光束の光路上において撮像面に対して共役となるフォーカス面の位置を調整するフォーカス面位置調整ステップと、を備える。さらに、分岐部、合波部および支持部の間の相対的位置関係を固定した状態で、干渉ステップ、撮像ステップおよびフォーカス面位置調整ステップを行う。

本発明の干渉画像取得方法の一側面において、干渉ステップは、二光束干渉計において、フォーカス面の位置で反射される第１光束の光路長と、参照側ミラーで反射される第２光束の光路長との間の光路長差を、光源から出力される光のコヒーレント長以下とするのが好適である。或いは、干渉ステップは、二光束干渉計において、対象物を透過した第１光束を反射させる物体側ミラーが設けられ、物体側ミラーで反射される第１光束の光路長と、参照側ミラーで反射される第２光束の光路長との間の光路長差を、光源から出力される光のコヒーレント長以下とするのが好適である。

本発明の干渉画像取得方法の一側面において、フォーカス面位置調整部は、焦点距離が可変である焦点可変レンズを含むのが好適であり、合波部から撮像面までの干渉光の光路長を変化させる機構を含むのも好適であり、また、合波部から撮像面までの干渉光の光路上に配置された１または複数のレンズの位置を変化させる機構を含むのも好適である。

本発明の干渉画像取得方法の一側面において、干渉画像取得方法は、参照側ミラーの反射面に垂直な方向における参照側ミラーの位置を調整する参照側ミラー位置調整ステップを更に備えるのが好適である。また、フォーカス面位置調整ステップでフォーカス面が一定の位置に調整された状態において、参照側ミラー位置調整ステップで参照側ミラーが複数の位置それぞれに調整されたときに撮像ステップで取得された干渉画像に基づいて対象物の位相画像または強度画像を求める演算ステップを更に備えるのが好適である。さらに、フォーカス面位置調整ステップは、第１光束の光路に沿ってフォーカス面の位置を走査し、撮像ステップは、フォーカス面の走査の各位置において干渉画像を取得し、演算ステップは、フォーカス面の走査の各位置において干渉画像に基づいて位相画像または強度画像を求め、これら位相画像または強度画像に基づいて対象物の３次元像を求めるのが好適である。

本発明によれば、対象物の干渉画像を取得する際に対象物におけるフォーカス面の位置を容易に安定して設定することができる。

図１は、第１実施形態の干渉画像取得装置１の構成を示す図である。 図２は、第１実施形態の干渉画像取得装置１の動作例を説明するタイミングチャートである。 図３は、第２実施形態の干渉画像取得装置２の構成を示す図である。 図４は、第３実施形態の干渉画像取得装置３の構成を示す図である。 図５は、第３実施形態の干渉画像取得装置３における対象物９０の支持の態様を説明する図である。 図６は、第３実施形態の干渉画像取得装置３の動作例を説明するタイミングチャートである。 図７は、第１実施例で用いた対象物の写真である。 図８（ａ）は、第１実施例で取得された対象物の底面付近の干渉画像Ｉ_０を示す図である。図８（ｂ）は、第１実施例で取得された対象物の底面付近の干渉画像Ｉ_０と干渉画像Ｉ_２との差を表す画像を示す図である。 図９（ａ）は、第１実施例で取得された対象物の上面付近の干渉画像Ｉ_０を示す図である。図９（ｂ）は、第１実施例で取得された対象物の上面付近の干渉画像Ｉ_０と干渉画像Ｉ_２との差を表す画像を示す図である。 図１０（ａ）は、第１実施例で得られた対象物の底面付近の振幅画像を示す図である。図１０（ｂ）は、第１実施例で得られた対象物の上面付近の振幅画像を示す図である。 図１１は、第１実施例で得られた対象物の３次元像を或る一方向から見たときの画像を示す図である。 図１２（ａ）は、第１実施例で得られた対象物の底面付近の位相画像を示す図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中の矩形枠で示した領域の位相画像を拡大して示す図である。 図１３（ａ）及び図１３（ｂ）は、第２実施例で得られた対象物の走査方向各位置の振幅画像を示す図である。 図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、第２実施例で得られた対象物の走査方向各位置の振幅画像を示す図である。 図１５は、第２実施例で得られた対象物の３次元像を或る一方向から見たときの画像を示す図である。 図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、第３実施例で取得された対象物のｚ＝７.０μｍの位置での干渉画像を示す図である。 図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、第３実施例で取得された対象物のｚ＝７.０μｍの位置での干渉画像を示す図である。 図１８は、第３実施例で得られた対象物のｚ＝７.０μｍの位置での位相画像を示す図である。 図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、第３実施例で取得された対象物のｚ＝１０.０μｍの位置での干渉画像を示す図である。 図２０（ａ）及び図２０（ｂ）は、第３実施例で取得された対象物のｚ＝１０.０μｍの位置での干渉画像を示す図である。 図２１は、第３実施例で得られた対象物のｚ＝１０.０μｍの位置での位相画像を示す図である。 図２２は、焦点可変レンズ１７を用いた結像光学系の模式図である。 図２３は、焦点可変レンズ１７の屈折力が－２ＤＰである場合の近軸光線を表す図である。 図２４は、焦点可変レンズ１７の屈折力が０ＤＰである場合の近軸光線を表す図である。 図２５は、焦点可変レンズ１７の屈折力が＋２ＤＰである場合の近軸光線を表す図である。 図２６は、焦点可変レンズ１７の屈折力と結像位置変化量との関係を示す図である。

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。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の干渉画像取得装置１の構成を示す図である。第１実施形態の干渉画像取得装置１は、光源１１、ビームスプリッタ１２、参照側ミラー１３、ピエゾ素子１４、ステージ１５、対物レンズ１６、焦点可変レンズ１７、撮像器１８、筐体３０、支持部３１および演算部４０を備える。本実施形態の干渉画像取得装置１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９０の干渉画像を取得する。

対象物９０は、特定の細胞や生体サンプルに限定されるものではなく、任意である。例えば、対象物９０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９０として、生体に限らず、工業サンプル、たとえばガラス、半導体素子、樹脂素材、液晶、高分子化合物、金属材料なども挙げられる。

光源１１は、空間的または時間的にインコヒーレントな光を出力する。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（Super luminescent diode）光源、ＡＳＥ（Amplified spontaneous emission）光源等である。光源１１が出力する光の波長帯域幅は１ｎｍ～３ｎｍ程度であるのが好適である。波長帯域が広すぎると、干渉を得るための装置の光学調整が困難となる。逆に、波長帯域が狭すぎると、多重反射や迷い光による干渉の悪影響が干渉画像に現れる。したがって、波長帯域幅を１ｎｍ～３ｎｍ程度に狭帯域化するのが好ましい。

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、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第１光束と第２光束とに分岐する分岐部であり、また、第１光束と第２光束とを合波して干渉光を出力する合波部でもある。

分岐部としてのビームスプリッタ１２は、光源１１から出力された光を２分岐して、第１光束を対象物９０へ向けて出力し、第２光束を参照側ミラー１３へ向けて出力する。合波部としてのビームスプリッタ１２は、対象物９０から到達した第１光束を入力するとともに、参照側ミラー１３で反射されて到達した第２光束を入力して、これら入力した第１光束と第２光束とを合波して、干渉光を対物レンズ１６へ向けて出力する。

参照側ミラー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から到達する第２光束に垂直な反射面を有する。ピエゾ素子１４およびステージ１５は、参照側ミラー１３の反射面に垂直な方向における参照側ミラー１３の位置を調整する参照側ミラー位置調整部である。ステージ１５は、固定部に対して可動部が移動可能であり、固定部に対して可動部上の参照側ミラー１３およびピエゾ素子１４を同時に移動させる。ステージ１５は参照側ミラー１３およびピエゾ素子１４を機械的に移動させることができればよいから、要求される耐荷重は５ｇ程度である。したがって、ステージ１５として、小型・安価・低消費電力・高安定性の物を用いることができる。ステージ１５は、比較的、可動範囲が広く、位置調整精度が低い。ステージ１５は参照側ミラー１３の位置を粗調整するのに適している。

ピエゾ素子１４は、比較的、可動範囲が狭く、位置調整精度が高い。ピエゾ素子１４は、参照側ミラー１３の位置を微調整するのに適している。ピエゾ素子１４は、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）を精密に調整することができる。ピエゾ素子１４は、波長未満の分解能で参照側ミラー１３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。

対物レンズ１６は、ビームスプリッタ１２と光学的に接続され、ビームスプリッタ１２から到達した干渉光を入力して、その干渉光を焦点可変レンズ１７へ向けて出力する。

焦点可変レンズ１７は、対物レンズ１６と光学的に接続され、対物レンズ１６から到達した干渉光を入力して、その干渉光を撮像器１８へ向けて出力する。焦点可変レンズ１７の焦点距離は可変である。焦点可変レンズ１７は、合波部としてのビームスプリッタ１２から撮像器１８の撮像面までの干渉光の光路上に設けられたフォーカス面位置調整部であって、分岐部としてのビームスプリッタ１２から合波部としてのビームスプリッタ１２までの第１光束の光路上において撮像器１８の撮像面に対して共役となるフォーカス面Ｆの位置を調整する。

撮像器１８は、焦点可変レンズ１７と光学的に結合され、焦点可変レンズ１７から到達した干渉光を受光する撮像面を有し、対象物９０の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。

支持部３１は、対象物９０を支持するものである。支持部３１は、対象物９０を載置する板形状のものであってもよく、また、対象物９０が培養液中の生細胞である場合等には容器形状のものであるのが好ましい。また、支持部３１は、筐体３０の一部であってもよく、筐体３０と一体化されていてもよい。筐体３０は、ビームスプリッタ１２（分岐部、合波部）および支持部３１の間の相対的位置関係を固定して、これらを機械的に一体化する。また、筐体３０は、ビームスプリッタ１２および支持部３１に加えて、光源１１、ステージ１５の固定部、対物レンズ１６および焦点可変レンズ１７を含めて、これらの間の相対的位置関係を固定するのが好適である。筐体３０は、剛体であるのが好適であり、例えば金属からなるのが好適である。

演算部４０は、撮像器１８と電気的に接続されており、撮像器１８に対して露光タイミング（すなわち、干渉画像取得のタイミング）を指示するとともに、撮像器１８が取得した干渉画像のデータを受け取る。演算部４０は、この干渉画像に基づいて、対象物９０の位相画像または強度画像を求めることができる。

演算部４０は、ピエゾ素子１４とも電気的に接続されており、ピエゾ素子１４に電気信号を与えることでピエゾ素子１４を伸張させて、参照側ミラー１３の位置を調整する。演算部４０は、ステージ１５とも電気的に接続されており、ステージ１５に電気信号を与えることでステージ１５を移動させて、ピエゾ素子１４および参照側ミラー１３の位置を調整する。また、演算部４０は、焦点可変レンズ１７とも電気的に接続されており、焦点可変レンズ１７に電気信号を与えることで、焦点可変レンズ１７の焦点距離を調整する。

演算部４０は、コンピュータやタブレットであってよい。演算部４０は、ピエゾ素子１４、ステージ１５、焦点可変レンズ１７および撮像器１８それぞれの間で電気信号を入力または出力する為のインターフェースを備える。演算部４０は、干渉画像、位相画像および強度画像のほか測定条件や測定結果を表示する表示部（例えば液晶ディスプレイ等）を備える。演算部４０は、測定条件等の入力を受け付ける入力部（例えばキーボード、マウス等）を備える。演算部４０は、測定条件、測定結果、測定の為のプログラム等を記憶する記憶部（例えばハードディスクドライブ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等）を備える。また、演算部４０は、プログラムに従って所定の処理を行う制御部（例えばＣＰＵ等）を備える。

演算部４０は、デジタル的なタイミング制御により、ピエゾ素子１４の伸張の指示、ステージ１５の移動の指示、焦点可変レンズ１７の焦点距離調整の指示および撮像器１８の露光の指示を行う。タイミング制御に用いられる素子は、好適には、多チャンネルのＤＡ（Digital-to-analog）コンバータを内蔵するマイクロコントローラまたは信号発生ボードである。一般にＤＡコンバータの出力は低電力の電圧信号であるが、適切なパワーアンプを用いることで、十分な電力の電圧信号をピエゾ素子１４またはステージ１５に与えることができる。また、焦点可変レンズ１７が入力電流値に応じて焦点距離を変化させるものである場合、ＤＡコンバータとともに適切な電圧電流変換アンプを用いることで、この電圧電流変換アンプから出力される電流信号を焦点可変レンズ１７への入力信号として用いることができる。

一般に、電圧電流変換アンプからの出力電流値（すなわち、焦点可変レンズへの入力電流値）は、電圧電流変換アンプへの入力電圧値（すなわち、ＤＡコンバータからの出力電圧値）に比例する。焦点可変レンズの屈折量（ジオプター値）は、焦点可変レンズへの入力電流値に比例する。撮像器１８の撮像面に対して共役となるフォーカス面Ｆの位置の変化量は、焦点可変レンズの屈折量（ジオプター値）の関数となる。したがって、これらの関係から、フォーカス面Ｆの位置は、ＤＡコンバータからの出力電圧値の関数になる。

±１ジオプタ以上に亘って焦点距離調整が可能な焦点可変レンズが実用化され市販されている。図２２に示すように、撮像器１８の撮像面と対象物９０との間に、焦点距離ｆ_１のチューブレンズ２３、ΔＤジオプタの屈折力を持つ焦点可変レンズ１７および焦点距離f_２の対物レンズ１６が配置されている。また、撮像器１８の撮像面とチューブレンズ２３との間の距離をＬ_１、チューブレンズ２３と焦点可変レンズ１７との間の距離をＬ_２、焦点可変レンズ１７と対物レンズ１６との間の距離をＬ_３、対物レンズ１６と対象物９０との間の距離をＬ_４とする。このような光学系において、撮像器１８の撮像面と共役となる対象物９０の位置が、補正されたフォーカス位置となる。この補正されたフォーカス位置は、近似的に光線追跡計算によって求めることができる。

光線追跡計算においては、例えば、ＡＢＣＤ行列を用いた手法を用いることができる。入射面（図２２の場合、撮像器１８の撮像面から光線を逆にたどるため、便宜上、撮像器１８の撮像面を入射面と呼ぶ）における光線の光軸高をｒ_１とし、光線の角度をθ_１とし、出射面である物体面における光線の光軸高をｒ_２とし、光線の角度をθ_２とすると、入射面と出射面とは下記（１）式によって関係づけられる。

ここで、上記（１）式のＭ_１は、撮像器１８の撮像面からチューブレンズ２３への自由空間伝搬を表す伝搬行列である。Ｍ_２は、チューブレンズ２３での屈折を表す伝搬行列である。Ｍ_３は、チューブレンズ２３から焦点可変レンズ１７への自由空間伝搬を表す伝搬行列である。Ｍ_４は、焦点可変レンズ１７での屈折を表す伝搬行列である。Ｍ_５は、焦点可変レンズ１７から対物レンズ１６への自由空間伝搬を表す伝搬行列である。Ｍ_６は、対物レンズ１６での屈折を表す伝搬行列である。また、Ｍ_７は、対物レンズ１６から対象物９０への自由空間伝搬を表す伝搬行列である。伝搬行列Ｍ_１～Ｍ_７はそれぞれ下記（２）式によって表される。

図２３～図２５は、上記（２）式の伝搬行列を計算し、対象物９０近辺での近軸光線のふるまいを図示したものである。Ｌ_１＝２００ｍｍ、Ｌ_２＝５０ｍｍ、Ｌ_３＝１５０ｍｍ、ｆ_１＝２００ｍｍ、ｆ_２＝９.０ｍｍとして、焦点可変レンズ１７の屈折力ΔＤを±２ジオプタ（ＤＰ）の範囲で変化させた。図２３は、焦点可変レンズ１７の屈折力が－２ＤＰである場合の近軸光線を表す図である。図２４は、焦点可変レンズ１７の屈折力が０ＤＰである場合の近軸光線を表す図である。図２５は、焦点可変レンズ１７の屈折力が＋２ＤＰである場合の近軸光線を表す図である。これらの図において、横軸は光軸方向位置を表し、縦軸は径方向位置を表す。焦点可変レンズ１７の屈折力が０である場合は、この光学系は無限遠系の結像光学系であるので、図２４に示されるとおり、撮像器１８の撮像面を出射した仮想的な光は対物レンズ１６の焦点面に結像する。一方で、焦点可変レンズ１７の屈折力が正（凸レンズ）である場合、図２５に示されるとおり、その結像位置は対物レンズ１６に近づく。逆に、焦点可変レンズ１７の屈折力が負（凹レンズ）である場合、図２３に示されるとおり、その結像位置は対物レンズ１６から遠ざかる。

上記（２）式の伝搬行列計算をもとにして、焦点可変レンズ１７の屈折力と対象物９０側の結像位置との関係をグラフにしたものが図２６である。図２６では、計算結果が実線で表され、また、図２２の光学系（Ｌ_１＝２００ｍｍ、Ｌ_２＝５０ｍｍ、Ｌ_３＝１５０ｍｍ、ｆ_１＝２００ｍｍ、ｆ_２＝９.０ｍｍ）において結像位置の変動量を実測した結果が黒丸で表されている。このように、図２２の光学系において、ｆ_２＝９ｍｍの対物レンズ１６および±２ＤＰの焦点可変レンズ１７を用いると、対象物９０側の結像位置を＋０.１２ｍｍ～－０.２２ｍｍの範囲で変化させられることが確認できる。また、焦点可変レンズ１７の屈折力の変調範囲が微小量である場合は、屈折力と対象物９０側のフォーカス位置との関係は比例的に近似できる。

二光束干渉計において、フォーカス面Ｆの位置で反射される第１光束の光路長と、参照側ミラー１３で反射される第２光束の光路長との間の光路長差は、光源１１から出力される光のコヒーレント長以下とされる。このような条件が満たされる場合に、合波部としてのビームスプリッタ１２に入力される第１光束と第２光束との干渉により、撮像器１８は、フォーカス面Ｆの位置における対象物９０の明瞭な干渉画像を取得することができる。例えば、光源１１として用いられ得るハロゲンランプから出力される光のコヒーレント長は約１μｍであり、ＬＥＤ光源から出力される光のコヒーレント長は約３μｍであり、ＳＬＤ光源またはＡＳＥ光源から出力される光のコヒーレント長は１０～５０μｍである。

参照側ミラー位置調整部（ピエゾ素子１４またはステージ１５）は、焦点可変レンズ１７の焦点距離の変更によるフォーカス面Ｆの位置の変化に応じて参照側ミラー１３の位置を調整することで、光路長差をコヒーレント長以下とする。参照側ミラー１３の位置調整に際して、必要とされる調整幅がピエゾ素子１４の可動距離よりも大きい場合（例えば、対象物９０の３次元像を求めるためにフォーカス面Ｆの走査範囲が大きい場合）は、ステージ１５を用いるのが好適である。

次に、本実施形態の干渉画像取得装置１を用いた干渉画像取得方法について説明する。本実施形態の干渉画像取得方法は、干渉ステップ、撮像ステップおよびフォーカス面位置調整ステップを備える。

干渉ステップでは、二光束干渉計において、光源１１から出力されたインコヒーレントな光がビームスプリッタ１２（分岐部）により第１光束と第２光束とに分岐され、支持部３１により支持されて第１光束の光路上に配置された対象物９０から到達した第１光束と、参照側ミラー１３から到達した第２光束とがビームスプリッタ１２（合波部）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。撮像ステップでは、二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像面を有する撮像器１８により、対象物９０の干渉画像が取得される。フォーカス面位置調整ステップでは、合波部としてのビームスプリッタ１２から撮像器１８の撮像面までの干渉光の光路上に設けられた焦点可変レンズ１７により、分岐部としてのビームスプリッタ１２から合波部としてのビームスプリッタ１２までの第１光束の光路上において撮像器１８の撮像面に対して共役となるフォーカス面Ｆの位置が調整される。本実施形態の干渉画像取得方法は、ビームスプリッタ１２（分岐部、合波部）および支持部３１の間の相対的位置関係が固定された状態で干渉ステップおよび撮像ステップを行う。

また、本実施形態の干渉画像取得方法は参照側ミラー位置調整ステップをも備える。参照側ミラー位置調整ステップでは、参照側ミラー位置調整部（ピエゾ素子１４またはステージ１５）により、参照側ミラー１３の反射面に垂直な方向における参照側ミラー１３の位置が調整される。また、本実施形態の干渉画像取得方法は演算ステップをも備える。演算ステップでは、演算部４０により、撮像ステップで取得された干渉画像に基づいて対象物９０の位相画像または強度画像が求められ、さらに対象物９０の３次元像が求められる。

図２は、第１実施形態の干渉画像取得装置１の動作例を説明するタイミングチャートである。この図は、対象物９０の３次元像を求める場合の動作を説明するものである。この図には、上から順に、ピエゾ素子１４の伸張量、撮像器１８への露光指示信号、フォーカス面Ｆの位置およびステージ１５の可動部の位置が示されている。

演算部４０から焦点可変レンズ１７へ与えられる信号により、焦点可変レンズ１７の焦点距離は一定周期でステップ的に変更され、これにより、フォーカス面Ｆの位置は一定周期でステップ的に変更される（フォーカス面位置調整ステップ）。また、演算部４０からステージ１５へ与えられる信号により、ステージ１５の可動部は一定周期でステップ的に移動し、これにより、参照側ミラー１３の位置は一定周期でステップ的に変更される（参照側ミラー位置調整ステップ）。これらのフォーカス面Ｆの位置および参照側ミラー１３の位置それぞれのステップ的な変更は互いに協調して行われる。

これにより、フォーカス面Ｆの位置で反射される第１光束の光路長と、参照側ミラー１３で反射される第２光束の光路長との間の光路長差は、光源１１から出力される光のコヒーレント長以下とされる。ビームスプリッタ１２（分岐部、合波部）および支持部３１の間では、相対的位置関係が筐体３０により固定されており、機械的可動部がない。したがって、二光束干渉計は極めて安定であり、１秒間の光路長差の変動量は数ｎｍ以下とすることができる。

フォーカス面Ｆおよび参照側ミラー１３それぞれが各位置に設定されて安定化された期間において、演算部４０からピエゾ素子１４へ与えられる信号により、ピエゾ素子１４の伸張量はステップ的に４段階に設定され、これにより、参照側ミラー１３の位置はステップ的に４段階に設定される（参照側ミラー位置調整ステップ）。このとき、ピエゾ素子１４により参照側ミラー１３の位置はλ／８ずつ異なるように設定され、合波時の第１光束と第２光束との間の位相差はπ／２ずつ異なるように設定される。λは、光源１１から出力される光の波長である。

フォーカス面Ｆおよび参照側ミラー１３それぞれが各位置に設定された期間であって、合波時の第１光束と第２光束との間の位相差がピエゾ素子１４により各値に設定されて安定している期間において、合波部としてのビームスプリッタ１２により第１光束と第２光束とが合波されて干渉光が出力される（干渉ステップ）。そして、演算部４０から撮像器１８へ与えられる露光指示信号により、フォーカス面Ｆにおける対象物の干渉画像が撮像器１８により取得される（撮像ステップ）。

焦点可変レンズ１７の焦点距離変更によるフォーカス面Ｆの位置のステップ的な変更、および、ステージ１５の移動による参照側ミラー１３の位置のステップ的な変更は、ピエゾ素子１４の伸張量変更および撮像器１８の露光と同期して行われ、ステップ的に４段階の位相差を設定するピエゾ素子１４の伸張サイクルの合間（図２中の縦破線）に行われる。撮像器１８へ与えられる露光指示信号は、ピエゾ素子１４の伸張量変更に同期している。焦点可変レンズ１７の焦点距離変更によるフォーカス面Ｆの位置のステップ的な変更、ステージ１５の移動による参照側ミラー１３の位置のステップ的な変更、および、ピエゾ素子１４による位相差のステップ的な変更は、撮像器１８が露光していない期間に行われる。

参照側ミラー１３の位置がステップ的に４段階に設定されて、合波時の第１光束と第２光束との間の位相差が初期位相であるときに取得される干渉画像をＩ_０とし、位相差が“初期位相＋π／２”であるときに取得される干渉画像をＩ_１とし、位相差が“初期位相＋π”であるときに取得される干渉画像をＩ_２とし、また、位相差が“初期位相＋３π／２”であるときに取得される干渉画像をＩ_３とする。フォーカス面Ｆおよび参照側ミラー１３それぞれが各位置に設定されて安定化された期間において、撮像器１８により４枚の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３が取得される。これらの干渉画像のデータは、撮像器１８から演算部４０へ送られる。

演算部４０では、受け取った干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３に基づく所定の計算により、フォーカス面Ｆにおける対象物９０の振幅画像Ａおよび位相画像φが求められる（演算ステップ）。振幅画像Ａは下記（３）式で表される。位相画像φは下記（４）式で表される。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。また、これら振幅画像および位相画像から、フォーカス面Ｆにおける対象物９０の複素振幅画像も求められる。さらに、光軸方向に走査されるフォーカス面Ｆの各位置において求められた振幅画像または位相画像から、対象物９０の３次元像が求められる。なお、これらの画像は画素位置の関数であり、演算は画素毎に行われる（演算ステップ）。

例えば、ピエゾ素子１４の伸張量変更の時間間隔を１０ｍｓとし、ピエゾ素子１４の伸張量変更時点から安定するまでの待ち時間を３ｍｓとし、撮像器１８の露光時間を３ｍｓとすることができる。この場合、１秒間に１００枚の干渉画像を取得することができる。４枚の干渉画像から１組の振幅画像および位相画像を求める場合、１秒間に２５組の振幅画像および位相画像を求めることができる。

本実施形態では、ビームスプリッタ１２（分岐部、合波部）および支持部３１の間では、相対的位置関係が固定されており、機械的可動部がない。したがって、二光束干渉計は極めて安定であり、１秒間の光路長差の変動量を小さく抑えることができる。対象物の干渉画像を取得する際に対象物におけるフォーカス面Ｆの位置を容易に安定して設定することができる。また、従来では合波時における第１光束と第２光束との間の位相差を一定値に維持するためにフィードバック制御が必要であったが、本実施形態では、フィードバック制御を不要とすることができるので、装置を安価に構成することができ、装置の操作を容易化することができる。

（第２実施形態）
図３は、第２実施形態の干渉画像取得装置２の構成を示す図である。図１に示された第１実施形態の干渉画像取得装置１の構成と比較すると、図３に示される第２実施形態の干渉画像取得装置２は、対物レンズ２１，２２を備える点で相違し、対物レンズ１６に替えてチューブレンズ２３を備える点で相違する。本実施形態の干渉画像取得装置２は、二光束干渉計としてマイケルソン干渉計の一種であるリニック干渉計を有し、対象物９０の干渉画像を取得する。

対物レンズ２１は、ビームスプリッタ１２と対象物９０との間の第１光束の光路上に設けられている。対物レンズ２１は、ビームスプリッタ１２と光学的に結合され、対象物９０とも光学的に結合されている。対物レンズ２１は、ビームスプリッタ１２から到達した第１光束を対象物９０へ向けて出力するとともに、対象物９０から到達した第１光束をビームスプリッタ１２へ向けて出力する。

対物レンズ２２は、ビームスプリッタ１２と参照側ミラー１３との間の第２光束の光路上に設けられている。対物レンズ２２は、ビームスプリッタ１２と光学的に結合され、参照側ミラー１３とも光学的に結合されている。対物レンズ２２は、ビームスプリッタ１２から到達した第２光束を参照側ミラー１３へ向けて出力するとともに、参照側ミラー１３から到達した第２光束をビームスプリッタ１２へ向けて出力する。

焦点可変レンズ１７は、ビームスプリッタ１２とチューブレンズ２３との間の干渉光の光路上に設けられている。焦点可変レンズ１７は、ビームスプリッタ１２と光学的に結合され、チューブレンズ２３とも光学的に結合されている。焦点可変レンズ１７は、ビームスプリッタ１２から到達した干渉光をチューブレンズ２３へ向けて出力する。

焦点可変レンズ１７のジオプタ調整可能範囲を±ΔＤとし、チューブレンズ２３の焦点距離をｆ_０（１／ｆ_０ジオプタ）とし、これら二つのレンズが近接して配置されているとする。実際には、焦点可変レンズ１７およびその周辺冶具の厚みがあるため、チューブレンズ２３と焦点可変レンズ１７との間の距離は５０ｍｍ程度となる。このとき、前述の通り、焦点可変レンズ１７の屈折力の変化によってフォーカス面Ｆの位置を走査することができる。例えば、ｆ_２＝９ｍｍ、ｆ_１＝２００ｍｍ、ΔＤ＝２ｍ^－１とすると、図２６に示されるとおり、フォーカス面Ｆの位置を＋０.１２ｍｍ～－０.２２ｍｍの範囲で光軸方向に走査することができる。

焦点可変レンズと他のレンズとが一体化されたものを用いてもよい。比較的低倍の領域においてチューブレンズを用いない有限遠の対物レンズに焦点可変レンズを組み合わせたレンズが市販されている。例えば、倍率が２倍のものであってワーキングディスタンスを数ｍｍ幅で調整できるレンズが市販されている。

本実施形態でも、第１実施形態と同様の作用効果を奏する。加えて、本実施形態では、リニック干渉計の構成であることから、高ＮＡの対物レンズを用いることができ、分解能が高い干渉画像を取得することができる。

（第３実施形態）
図４は、第３実施形態の干渉画像取得装置３の構成を示す図である。図３に示された第２実施形態の干渉画像取得装置２の構成と比較すると、図４に示される第３実施形態の干渉画像取得装置３は、ステージ２４を備える点で相違し、対象物９０を支持する支持部の構成の点で相違する。本実施形態の干渉画像取得装置３は、二光束干渉計としてマイケルソン干渉計の一種であるリニック干渉計を有し、対象物９０の干渉画像を取得する。

ステージ２４は、ビームスプリッタ１２と参照側ミラー１３との間の第２光束の光路上に設けられた対物レンズ２２を該光路に沿って移動させるものである。ステージ２４は、対物レンズ２２の位置を適切に設定することにより、撮像器１８の撮像面に対して共役となる位置を参照側ミラー１３の反射面に一致させることができる。演算部４０は、ステージ２４と電気的に結合されており、ステージ２４に電気信号を与えることでステージ２４を移動させて、対物レンズ２２の位置を調整する。

対象物９０は、図５に示されるように、例えば培養液とともに容器８０の中に入れられた生細胞である。図５は、第３実施形態の干渉画像取得装置３における対象物９０の支持の態様を説明する図である。対象物９０を支持する支持部としての容器８０の上に蓋８１が置かれることで、容器８０の内部空間は密閉される。また、容器８０の底部の外側に物体側ミラー８２が配置されている。容器８０の底部および蓋８１は、光源１１から出力される光の波長において透明である。例えば、容器８０の底部および蓋８１は石英ガラスからなる。

物体側ミラー８２は、対象物９０を透過した第１光束を反射させる。物体側ミラー８２は、容器８０の底部の内面に設けられてもよいが、容器８０の底部の外側に設けられるのが好ましい。この場合、物体側ミラー８２の反射面と対象物９０との間に容器８０の底部が存在する。すなわち、物体側ミラー８２は、対象物９０に対して離間した位置に反射面を有する。物体側ミラー８２は、容器８０の底部外側に固定されていてもよいし、容器８０とは別体であってもよい。また、物体側ミラー８２は、筐体３０に固定されていてもよい。

分岐部としてのビームスプリッタ１２から出力された第１光束は、対物レンズ２１、蓋８１および容器８０の底部を経て、物体側ミラー８２で反射される。物体側ミラー８２で反射された第１光束は、容器８０の底部、蓋８１および対物レンズ２１を経て、合波部としてのビームスプリッタ１２に到達する。この第１光束の光路上においてフォーカス面Ｆが対象物９０が存在する範囲に位置することで、対象物９０の干渉画像を撮像器１８により取得することができる。

二光束干渉計において、物体側ミラー８２で反射される第１光束の光路長と、参照側ミラー１３で反射される第２光束の光路長との間の光路長差は、光源１１から出力される光のコヒーレント長以下とされる。このような条件が満たされる場合に、合波部としてのビームスプリッタ１２に入力される第１光束と第２光束との干渉により、撮像器１８は対象物９０の明瞭な干渉画像を取得することができる。

図６は、第３実施形態の干渉画像取得装置３の動作例を説明するタイミングチャートである。この図は、対象物９０の３次元像を求める場合の動作を説明するものである。この図には、上から順に、ピエゾ素子１４の伸張量、撮像器１８への露光指示信号およびフォーカス面Ｆの位置が示されている。

時刻ｔ_０前の期間に、演算部４０から焦点可変レンズ１７へ与えられる信号により、焦点可変レンズ１７の焦点距離が調整され、これにより、物体側ミラー８２の反射面にフォーカス面Ｆが位置するようにされる。また、演算部４０からステージ１５へ与えられる信号により参照側ミラー１３の位置が調整されて、これにより、物体側ミラー８２で反射される第１光束の光路長と、参照側ミラー１３で反射される第２光束の光路長との間の光路長差は、光源１１から出力される光のコヒーレント長以下とされる。これにより、適切なコントラストの鮮明な干渉画像が撮像器１８により取得される。

時刻ｔ_０に、演算部４０から焦点可変レンズ１７へ与えられる信号により、焦点可変レンズ１７の焦点距離が調整され、これにより、容器８０の底部の内面にフォーカス面Ｆが位置するようにされる。これ以降、第１実施形態で説明した動作と同様の動作が行われる。ただし、本実施形態では、時刻ｔ_０以降、ステージ１５，２４は移動しない。このような動作により、光軸方向に走査されるフォーカス面Ｆの各位置における対象物９０の振幅画像および位相画像が求められ、さらに、対象物９０の３次元画像が求められる。

本実施形態でも、第２実施形態と同様の作用効果を奏する。加えて、本実施形態では、光軸方向にフォーカス面Ｆの位置を走査する際に、焦点可変レンズ１７の焦点距離をステップ的に変更するだけであるので、更に信頼性が高く、更に安価であり、軽量化が可能である。また、本実施形態では、対象物９０が生細胞である場合に、その生細胞の培養に適した環境で生細胞を培養しつつ、その生細胞の干渉画像等を取得することができる。

（変形例）
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、二光束干渉計は、マイケルソン干渉計やリニック干渉計に限られるものではなく、他の型の干渉計（例えばミロー型など）であってもよい。

合波部としてのビームスプリッタ１２から撮像器１８の撮像面までの干渉光の光路上に設けられるフォーカス面位置調整部は、焦点可変レンズ１７に限られず、分岐部としてのビームスプリッタ１２から合波部としてのビームスプリッタ１２までの第１光束の光路上においてフォーカス面Ｆの位置を調整することができるものであれば任意でよい。また、複数のフォーカス面位置調整部が設けられていてもよい。

例えば、フォーカス面位置調整部は、ビームスプリッタ１２から撮像器１８の撮像面までの干渉光の光路長を変化させる機構を含んでいてもよい。このような干渉光路長変更機構としては、干渉光の光路に沿って撮像器１８を移動させる機構や、与えられる電気信号に応じて屈折率が変化する電気光学素子が挙げられる。

また、例えば、フォーカス面位置調整部は、干渉光の光路上に配置された１または複数のレンズ（例えば、第１実施形態における対物レンズ１６または焦点可変レンズ１７、第２または第３の実施形態におけるチューブレンズ２３または焦点可変レンズ１７）の位置を干渉光の光路に沿って変化させる機構を含んでいてもよい。干渉光の光路上にテレセントリック光学系が構成されている場合には、そのテレセントリック光学系を構成する複数のレンズを一体的に干渉光の光路に沿って移動させてもよい。

光源１１は、筐体３０内に設けられていなくてもよく、これとは別体であってもよい。後者の場合、例えば、別に設けられた光源から出力された光を光ファイバにより導光し、その光ファイバの光出射端に設けられたコリメータから平行光をビームスプリッタ１２へ向けて出力する構成であってもよい。

（第１実施例）
第１実施例では、図１に示された第１実施形態の干渉画像取得装置１と同等の構成のものを用いた。用いた光源１１は、中心波長６３０ｎｍで波長帯域幅３０ｎｍの光を出力するＬＥＤであり、これから出力される光を中心波長６３２ｎｍで波長帯域幅１ｎｍに狭帯域化した。用いた焦点可変レンズ１７は、倍率が２倍のものであってワーキングディスタンスを数ｍｍ幅で調整できるレンズであった。

図７は、第１実施例で用いた対象物の写真である。日本国の百円硬貨の上に金属製ワッシャを載せたものを対象物とし、この対象物の表面で反射される第１光束と参照側ミラー１３で反射される第２光束とを合波して、この写真中の白色矩形枠で囲まれた範囲の干渉画像を取得した。白色矩形枠で囲まれた範囲には、百円硬貨に刻印されている一つの漢字、および、これの周囲の金属製ワッシャの一部が含まれている。

最初に、焦点可変レンズ１７により対象物の底面（百円硬貨のうち漢字が刻印されていない領域の面）にフォーカス面Ｆを一致させ、ステージ１５により参照側ミラー１３の位置を調整して撮像器１８により干渉縞が得られるようにすることで、第１光束の光路長と第２光束の光路長との間の光路長差を光のコヒーレント長以下とした。

その後、図２に示されたタイミングチャートに従って、焦点可変レンズ１７により第１光束の光路に沿ってフォーカス面Ｆの位置を走査し、これに協調してステージ１５により参照側ミラー１３の位置を走査した。その走査の際のフォーカス面Ｆの各位置において、ピエゾ素子１４により合波時の第１光束と第２光束との間の位相差を４段階に変化させて、撮像器１８により４枚の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３を取得した。フォーカス面Ｆの位置の走査を１０００μｍの距離に亘って２μｍステップで行い、５００組の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３を取得した。

図８（ａ）は、第１実施例で取得された対象物の底面付近の干渉画像Ｉ_０を示す図である。図８（ｂ）は、第１実施例で取得された対象物の底面付近の干渉画像Ｉ_０と干渉画像Ｉ_２との差を表す画像を示す図である。図９（ａ）は、第１実施例で取得された対象物の上面付近の干渉画像Ｉ_０を示す図である。図９（ｂ）は、第１実施例で取得された対象物の上面付近の干渉画像Ｉ_０と干渉画像Ｉ_２との差を表す画像を示す図である。干渉画像Ｉ_０と干渉画像Ｉ_２とは位相差がπだけ異なるので、両者の差は干渉縞を強調した画像となる。

図１０（ａ）は、第１実施例で得られた対象物の底面付近の振幅画像を示す図である。図１０（ｂ）は、第１実施例で得られた対象物の上面付近の振幅画像を示す図である。これらの対象物の振幅画像は、４枚の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３から上記（１）式で求めた。

図１１は、第１実施例で得られた対象物の３次元像を或る一方向から見たときの画像を示す図である。フォーカス面Ｆの走査の各位置における振幅画像をＺスタック画像とし、このＺスタック画像を３Ｄレンダリングソフトウェアにより立体表示することで、対象物の３次元像を求めた。

図１２（ａ）は、第１実施例で得られた対象物の底面付近の位相画像を示す図である。図１２（ｂ）は、図１２（ａ）中の矩形枠で示した領域の位相画像を拡大して示す図である。この対象物の位相画像は、４枚の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３から上記（２）式で求めた。

これらの図に示されるように、対象物の底面（百円硬貨のうち漢字が刻印されていない領域の面）から上面（金属製ワッシャの上面）に至るまで走査方向各位置において対象物の高精度な干渉画像、振幅画像および位相画像が得られ、対象物の３次元形状を可視化することができた。

また、図１２の位相画像に示されるように、半波長（３１５ｎｍ）周期の位相の等高線を明瞭に確認することができる。この等高線を解析することで、走査全体としては１ｍｍに亘ってフォーカス面Ｆを動かしていながらも、対象物におけるナノスケールの微細な凹凸を定量することができた。このように、機械的な安定性が非常に高いことから、ピエゾ素子の伸長量を変えるだけで十分な精度で位相シフト法を実現することができ、従来では必要であった位相差安定化の為のフィードバック制御を不要とすることができる。

（第２実施例）
第２実施例では、第１実施例と同じ装置を用い、日本製紙クレシア株式会社製のキムワイプ（登録商標）を対象物として、フォーカス面Ｆの走査の各位置において対象物の干渉画像を取得して振幅画像および位相画像を求め、対象物の３次元像を求めた。

第２実施例では、フォーカス面Ｆの位置の走査を２００μｍの距離に亘って１μｍステップで行い、２００組の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３を取得し、各組の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３から振幅画像を求めて、対象物の３次元像を求めた。

図１３及び図１４は、第２実施例で得られた対象物の走査方向各位置の振幅画像を示す図である。走査開始からのフォーカス面Ｆの移動量をｚとすると、図１３（ａ）はｚ＝４０μｍの位置での振幅画像を示し、図１３（ｂ）はｚ＝７０μｍの位置での振幅画像を示す。図１４（ａ）はｚ＝１００μｍの位置での振幅画像を示し、図１４（ｂ）はｚ＝１３０μｍの位置での振幅画像を示す。

図１５は、第２実施例で得られた対象物の３次元像を或る一方向から見たときの画像を示す図である。フォーカス面Ｆの走査の各位置における振幅画像をＺスタック画像とし、このＺスタック画像を３Ｄレンダリングソフトウェアにより立体表示することで、対象物の３次元像を求めた。

これらの図に示されるように、第１実施例の対象物の金属のような反射面だけでなく、第２実施例の対象物のキムワイプのような粗面に対しても、走査方向各位置において高精度な干渉画像、振幅画像および位相画像が得られ、対象物の３次元形状を可視化することができた。

（第３実施例）
第３実施例では、図４に示された第３実施形態の干渉画像取得装置３と同等の構成のものを用いた。用いた光源１１は、中心波長５３２ｎｍの光を出力するＬＥＤであり、これから出力される光を波長帯域幅３ｎｍに狭帯域化した。用いた焦点可変レンズ１７は、最大で±２ジオプタの範囲で屈折力を変調できるものであった。用いた対物レンズ２１は、焦点距離９ｍｍのものであった。チューブレンズ２３は焦点距離２００ｍｍのものを用いた。チューブレンズ２３と撮像器１８との間の距離を２００ｍｍとした。チューブレンズ２３と焦点可変レンズ１７との間の距離を５０ｍｍとした。焦点可変レンズ１７と対物レンズ２１との間の距離を１５０ｍｍとした。

対象物は、図５に示されたように、容器８０に入れられた１０％ゼラチン溶液に直径１μｍの樹脂ビーズを分散させたものであった。これは培養液中の浮遊細胞を模擬するものである。蓋８１は厚さ１７０μｍのカバーガラスであり、容器８０の底部の厚さは４００μｍであり、容器８０の内部空間の深さは１５０μｍであった。

この対象物に対して、図６に示されたタイミングチャートに従って、先ず、焦点可変レンズ１７の焦点距離を調整して物体側ミラー８２の反射面にフォーカス面Ｆが位置するようにし、参照側ミラー１３の位置を調整して、適切なコントラストの鮮明な干渉画像が撮像器１８により取得されるようにした。その後、焦点可変レンズ１７により第１光束の光路に沿ってフォーカス面Ｆの位置を容器８０の底部内面位置（ｚ＝０）から上方へ走査した。その走査の際のフォーカス面Ｆの各位置において、ピエゾ素子１４により合波時の第１光束と第２光束との間の位相差を４段階に変化させて、撮像器１８により４枚の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３を取得した。フォーカス面Ｆの位置の走査を２０μｍの距離に亘って０.５μｍステップで行い、４０組の干渉画像Ｉ_０～Ｉ_３を取得した。

図１６及び図１７は、第３実施例で取得された対象物のｚ＝７.０μｍの位置での干渉画像を示す図である。図１６（ａ）は干渉画像Ｉ_０を示し、図１６（ｂ）は干渉画像Ｉ_１を示す。図１７（ａ）は干渉画像Ｉ_２を示し、図１７（ｂ）は干渉画像Ｉ_３を示す。図１８は、第３実施例で得られた対象物のｚ＝７.０μｍの位置での位相画像を示す図である。グレースケールは位相値（－０.４ラジアン～＋２.０ラジアン）に対応している。

図１９及び図２０は、第３実施例で取得された対象物のｚ＝１０.０μｍの位置での干渉画像を示す図である。図１９（ａ）は干渉画像Ｉ_０を示し、図１９（ｂ）は干渉画像Ｉ_１を示す。図２０（ａ）は干渉画像Ｉ_２を示し、図２０（ｂ）は干渉画像Ｉ_３を示す。図２１は、第３実施例で得られた対象物のｚ＝１０.０μｍの位置での位相画像を示す図である。グレースケールは位相値（－０.４ラジアン～＋２.０ラジアン）に対応している。

これらの図に示されるように、走査方向各位置において対象物の高精度な干渉画像および位相画像が得られた。また、対象物の３次元位相画像も得られた。

１，２，３…干渉画像取得装置、１１…光源、１２…ビームスプリッタ、１３…参照側ミラー、１４…ピエゾ素子、１５…ステージ、１６…対物レンズ、１７…焦点可変レンズ、１８…撮像器、２１，２２…対物レンズ、２３…チューブレンズ、２４…ステージ、３０…筐体、３１…支持部、４０…演算部、８０…容器、８１…蓋、８２…物体側ミラー、９０…対象物、Ｆ…フォーカス面。

Claims (18)

1. 光源から出力されたインコヒーレントな光を分岐部により第１光束と第２光束とに分岐し、支持部により支持されて前記第１光束の光路上に配置された対象物で反射または透過した前記第１光束と、参照側ミラーで反射された前記第２光束とを合波部により合波して、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面を有し、前記対象物の干渉画像を取得する撮像器と、
   前記合波部から前記撮像面までの前記干渉光の光路上に設けられ、前記分岐部から前記合波部までの前記第１光束の光路上において前記撮像面に対して共役となるフォーカス面の位置を調整するフォーカス面位置調整部と、
   を備え、
   前記分岐部、前記合波部および前記支持部の間の相対的位置関係が固定されている、
   干渉画像取得装置。
2. 前記二光束干渉計は、前記フォーカス面の位置で反射される前記第１光束の光路長と、前記参照側ミラーで反射される前記第２光束の光路長との間の光路長差が、前記光源から出力される光のコヒーレント長以下である、
   請求項１に記載の干渉画像取得装置。
3. 前記二光束干渉計は、前記対象物を透過した前記第１光束を反射させる物体側ミラーが設けられ、前記物体側ミラーで反射される前記第１光束の光路長と、前記参照側ミラーで反射される前記第２光束の光路長との間の光路長差が、前記光源から出力される光のコヒーレント長以下である、
   請求項１に記載の干渉画像取得装置。
4. 前記フォーカス面位置調整部は、焦点距離が可変である焦点可変レンズを含む、
   請求項１～３の何れか１項に記載の干渉画像取得装置。
5. 前記フォーカス面位置調整部は、前記合波部から前記撮像面までの前記干渉光の光路長を変化させる機構を含む、
   請求項１～４の何れか１項に記載の干渉画像取得装置。
6. 前記フォーカス面位置調整部は、前記合波部から前記撮像面までの前記干渉光の光路上に配置された１または複数のレンズの位置を変化させる機構を含む、
   請求項１～５の何れか１項に記載の干渉画像取得装置。
7. 前記参照側ミラーの反射面に垂直な方向における前記参照側ミラーの位置を調整する参照側ミラー位置調整部を更に備える、
   請求項１～６の何れか１項に記載の干渉画像取得装置。
8. 前記フォーカス面位置調整部により前記フォーカス面が一定の位置に調整された状態において、前記参照側ミラー位置調整部により前記参照側ミラーが複数の位置それぞれに調整されたときに前記撮像器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または強度画像を求める演算部を更に備える、
   請求項７に記載の干渉画像取得装置。
9. 前記フォーカス面位置調整部は、前記第１光束の光路に沿って前記フォーカス面の位置を走査し、
   前記撮像器は、前記フォーカス面の走査の各位置において干渉画像を取得し、
   前記演算部は、前記フォーカス面の走査の各位置において前記干渉画像に基づいて位相画像または強度画像を求め、これら位相画像または強度画像に基づいて前記対象物の３次元像を求める、
   請求項８に記載の干渉画像取得装置。
10. 二光束干渉計において、光源から出力されたインコヒーレントな光を分岐部により第１光束と第２光束とに分岐し、支持部により支持されて前記第１光束の光路上に配置された対象物で反射または透過した前記第１光束と、参照側ミラーで反射された前記第２光束とを合波部により合波して、干渉光を出力する干渉ステップと、
    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面を有する撮像器により、前記対象物の干渉画像を取得する撮像ステップと、
    前記合波部から前記撮像面までの前記干渉光の光路上に設けられたフォーカス面位置調整部により、前記分岐部から前記合波部までの前記第１光束の光路上において前記撮像面に対して共役となるフォーカス面の位置を調整するフォーカス面位置調整ステップと、
    を備え、
    前記分岐部、前記合波部および前記支持部の間の相対的位置関係を固定した状態で、前記干渉ステップ、前記撮像ステップおよび前記フォーカス面位置調整ステップを行う、
    干渉画像取得方法。
11. 前記干渉ステップは、前記二光束干渉計において、前記フォーカス面の位置で反射される前記第１光束の光路長と、前記参照側ミラーで反射される前記第２光束の光路長との間の光路長差を、前記光源から出力される光のコヒーレント長以下とする、
    請求項１０に記載の干渉画像取得方法。
12. 前記干渉ステップは、前記二光束干渉計において、前記対象物を透過した前記第１光束を反射させる物体側ミラーが設けられ、前記物体側ミラーで反射される前記第１光束の光路長と、前記参照側ミラーで反射される前記第２光束の光路長との間の光路長差を、前記光源から出力される光のコヒーレント長以下とする、
    請求項１０に記載の干渉画像取得方法。
13. 前記フォーカス面位置調整部は、焦点距離が可変である焦点可変レンズを含む、
    請求項１０～１２の何れか１項に記載の干渉画像取得方法。
14. 前記フォーカス面位置調整部は、前記合波部から前記撮像面までの前記干渉光の光路長を変化させる機構を含む、
    請求項１０～１３の何れか１項に記載の干渉画像取得方法。
15. 前記フォーカス面位置調整部は、前記合波部から前記撮像面までの前記干渉光の光路上に配置された１または複数のレンズの位置を変化させる機構を含む、
    請求項１０～１４の何れか１項に記載の干渉画像取得方法。
16. 前記参照側ミラーの反射面に垂直な方向における前記参照側ミラーの位置を調整する参照側ミラー位置調整ステップを更に備える、
    請求項１０～１５の何れか１項に記載の干渉画像取得方法。
17. 前記フォーカス面位置調整ステップで前記フォーカス面が一定の位置に調整された状態において、前記参照側ミラー位置調整ステップで前記参照側ミラーが複数の位置それぞれに調整されたときに前記撮像ステップで取得された干渉画像に基づいて前記対象物の位相画像または強度画像を求める演算ステップを更に備える、
    請求項１６に記載の干渉画像取得方法。
18. 前記フォーカス面位置調整ステップは、前記第１光束の光路に沿って前記フォーカス面の位置を走査し、
    前記撮像ステップは、前記フォーカス面の走査の各位置において干渉画像を取得し、
    前記演算ステップは、前記フォーカス面の走査の各位置において前記干渉画像に基づいて位相画像または強度画像を求め、これら位相画像または強度画像に基づいて前記対象物の３次元像を求める、
    請求項１７に記載の干渉画像取得方法。

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