JP4358631B2 - ディジタル・ホログラフィック・イメージングの装置及び方法 - Google Patents
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Description
b)試料の誘電特性。放射の強度に影響する吸収率と放射の位相を修正する屈折率。吸収率と屈折率とは複素屈折率という概念で結合されることが多い。
c)試料を組み込む媒体の誘電特性。電磁相互作用が試料の特性のみに依存するのは、真空中または近似的には空気中だけである。一般的には、試料の誘電特性は試料を組み込む媒体の誘電特性に対して相対的に定義しなければならない。例えば、検討しなければならないのは試料(ns)の絶対屈折率ではなく、nmが試料を組み込む媒体の屈折率である場合の差(ns−nm)である。
本発明の第3の形態によれば、媒体中に収容された試料のディジタル・ホログラフィック・イメージングを実行する方法であって、該方法が、少なくとも1つの参照波と少なくとも1つの物体波との間の干渉によって少なくとも1つのホログラムを発生するステップと、少なくとも1つのホログラムを取得しディジタル化することによって少なくとも1つのディジタル・ホログラムを発生するステップと、少なくとも1つのディジタル・ホログラムの数値的復元によって少なくとも1つの振幅差画像及び/または少なくとも1つの定量的位相差画像を復元するステップと、試料の少なくとも1つのパラメータを決定するため、及び/または媒体の少なくとも1つのパラメータを決定するために、少なくとも1つの振幅差画像を処理、及び/または少なくとも1つの定量的位相差画像を処理するステップと、前記媒体の特性を修正または調節するステップとを備え、複数の振幅差画像及び/または複数の定量的位相画像を獲得するため複数のホログラムが発生及び加工され、前記媒体の少なくとも1つのパラメータの経時変化を記述するため前記複数の振幅差画像及び/または前記複数の定量的位相差画像が処理されることを特徴とする方法が提供される。
また、複数の画像が提供される場合、処理制御ユニットを使用してそれらを互いに比較し、例えば信号変化の空間分布を明らかにしてもよい。
φは、度数または勾配で表される物体波7の位相である。φは定量的位相差画像17と呼ばれる画像としてDHIが提供する。
OPL=φλ/2π、但しλは放射の波長。OPLは光路長と呼ばれる。φが度数で測定される場合、OPL=φλ/360である。
nsは試料1の屈折率である。
dは試料1の厚さである。
hは試料1の高さであり、試料のトポグラフィーを記述する。
数式(1)が明らかに示すところによれば、測定信号は試料の構造特性(厚さd)と、試料の誘電特性と試料を組み込む媒体の誘電特性との間の差(屈折率の差ns−nm)とに依存する。
数式(1)及び(2)は標本形状及び誘電特性の関数としてOPLの挙動を記述する数式の例を示したものに過ぎない。本発明を適用し、電磁放射と標本との相互作用を記述するより複雑でより一般的なモデルに基づいて標本形状と標本の誘電特性とを決定してもよい。特に、こうしたモデルは、マクスウェル方程式の枠組、及び/または電磁相互作用のベクトルまたはテンソル理論の枠組、及び/または散乱ポテンシャル方程式の枠組、及び/または標本による電磁放射の回折を記述する理論モデルの枠組で獲得すればよい。また、明らかなように、こうしたモデルは屈折率以外の誘電特性、特に吸収率、及び/または複素屈折率を含んでもよい。特に、こうしたモデルは小さい試料の場合、及び/または試料の誘電特性と媒体の誘電特性とが大きく異なる場合、さらに正確な結果を示すことがある。
これによってnmの高速で大幅な変調が可能になる。
OPL1=(ns−nm1)d (3)
OPL2=(ns−nm2)d (4)
d=(OPL1−OPL2)/(nm2−nm1) (5)
ns=(OPL2nm1−OPL1nm2)/(OPL2−OPL1) (6)
ここで、2つの画像取得で十分であっても、例えば測定の精度を向上させるため、異なる値のnm、または同じ値のnmについてさらに多くの取得を行ってもよい。
[特許]
米国特許6,262,218号 クーシュ(Cuche)他
WO 00/20929号 クーシュ(Cuche)他
ジェイ・ダブリュ・グッドマン(J.W. Goodmann)及びアール・ダブリュ・ローレン(R.W. Lawrence)、「電子的に検出されたホログラムからのディジタル画像形成(“Digital image formation from electronically detected holograms”」、応用物理通信(Appl. Phys. Lett.)、第11巻、1967年、77−79頁
アイ・ヤマグチ(I. Yamaguchi)他、「位相シフト・ディジタル・ホログラフィーにおける画像形成と顕微鏡法への応用(“Image formation in phase-shifting digital holography and application to microscopy”)」、応用光学(Applied Optics)、第40巻、第34号、2001年、6177−6186頁
ユー・シュナース(U. Schnars)及びダブリュ・ユプトナー(W. Juptner)、「CCDターゲットによるホログラムの直接記録と数値的復元(“Direct recording of holograms by a CCD target and numerical reconstruction”)」、応用光学(Applied Optics)、第33巻、1994年、179−181頁
イー・クーシュ(Cuche)他、「定量的位相差イメージングのためのディジタル・ホログラフィー(“Digital holography for quantitative phase-contrast imaging”)」、光学通信(Optics Letters)、第24巻、1999年、291−293頁
イー・クーシュ(Cuche)他、「ディジタル・オフアクシス・ホログラフィーにおけるゼロ次及び二重像消去のための空間フィルタリング(“Spatial Filtering for Zero-Order and Twin-Image Elimination in Digital Off-Axis Holography”)」、応用光学(Applied Optics)、第38巻、第34号、1999年
ティー・コロンブ(T. Colomb)他、「ディジタル・ホログラフィーの使用による偏光イメージング(“Polarization Imaging by Use of Digital Holography”)」、応用光学(Applied Optics)、第38巻、第34号、1999年
アール・ベラー(R. Barer)、「生細胞の屈折率測定法及び干渉法(“Refractometry and interferometry of living cells”)」、米国光学学会雑誌(Journal of the Optical Society of America)、第47巻、1957年、545−556頁
ケー・シー・スヴォボダ(K.C. Svoboda)他、「光トラッピング干渉法によるキネシン・ステッピングの直接観察(“Direct observation of kinesin stepping by optical trapping interferometry”)、ネイチャー(Nature),第365巻、1993年
ジー・エー・ダン(G.A. Dunn)及びディー・ジチャ(D. Zicha)、「線維芽細胞拡散の動態(“Dynamics of fibroblast spreading”)」、細胞科学雑誌(Journal of Cell Science)、第108巻、1995年、1239−1249頁
Claims (21)
- 試料のディジタル・ホログラフィック・イメージングを実行する装置であって、該装置が、
ホログラフィック生成ユニットと、
ホログラフィック復元ユニットと、
処理ユニットと、
試料が収容された媒体を収容することに適合した容器を含む試料ユニットとを備え、
前記装置は、前記媒体に固有の少なくとも1つのパラメータまたは前記試料に固有の少なくとも1つのパラメータを測定することに適合し、
さらに、前記装置は、試料が収容された媒体の部分的または完全な媒体交換を含め、前記媒体の特性を修正または調節することに適合した媒体制御ユニットを備えることを特徴とする装置。 - 請求項1に記載の装置において、該装置が前記媒体の誘電特性を測定することに適合したことを特徴とする装置。
- 請求項1または2に記載の装置において、該装置が前記媒体の屈折率を測定することに適合したことを特徴とする装置。
- 請求項1〜3のいずれか1項に記載の装置において、該装置が前記試料の誘電特性を測定することに適合したことを特徴とする装置。
- 請求項1〜4のいずれか1項に記載の装置において、該装置が前記試料の屈折率を測定することに適合したことを特徴とする装置。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の装置において、該装置が前記試料の厚さを測定することに適合したことを特徴とする装置。
- 請求項1〜6のいずれか1項に記載の装置において、該装置が前記試料の表面トポグラフィーを測定することに適合したことを特徴とする装置。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の装置において、前記試料ユニットの少なくとも一部を機械的に振動させる振動手段を備えることを特徴とする装置。
- 請求項8に記載の装置において、前記振動手段が前記媒体制御ユニットに組み込まれたことを特徴とする装置。
- 媒体中に収容された試料のディジタル・ホログラフィック・イメージングを実行する方法であって、該方法が、
少なくとも1つの参照波と少なくとも1つの物体波との間の干渉によって少なくとも1つのホログラムを発生するステップと、
少なくとも1つのホログラムを取得しディジタル化することによって少なくとも1つのディジタル・ホログラムを発生するステップと、
少なくとも1つのディジタル・ホログラムの数値的復元によって少なくとも1つの振幅差画像及び/または少なくとも1つの定量的位相差画像を復元するステップと、
試料の少なくとも1つのパラメータを決定するため、及び/または媒体の少なくとも1つのパラメータを決定するために、少なくとも1つの振幅差画像を処理、及び/または少なくとも1つの定量的位相差画像を処理するステップと、
前記媒体の特性を修正または調節するステップとを備え、
複数の振幅差画像及び/または複数の定量的位相画像を獲得するため複数のホログラムが発生及び加工され、前記試料の少なくとも1つのパラメータの経時変化を記述するため前記複数の振幅差画像及び/または前記複数の定量的位相差画像が処理されることを特徴とする方法。 - 媒体中に収容された試料のディジタル・ホログラフィック・イメージングを実行する方法であって、該方法が、
少なくとも1つの参照波と少なくとも1つの物体波との間の干渉によって少なくとも1つのホログラムを発生するステップと、
少なくとも1つのホログラムを取得しディジタル化することによって少なくとも1つのディジタル・ホログラムを発生するステップと、
少なくとも1つのディジタル・ホログラムの数値的復元によって少なくとも1つの振幅差画像及び/または少なくとも1つの定量的位相差画像を復元するステップと、
試料の少なくとも1つのパラメータを決定するため、及び/または媒体の少なくとも1つのパラメータを決定するために、少なくとも1つの振幅差画像を処理、及び/または少なくとも1つの定量的位相差画像を処理するステップと、
前記媒体の特性を修正または調節するステップとを備え、
複数の振幅差画像及び/または複数の定量的位相画像を獲得するため複数のホログラムが発生及び加工され、前記媒体の少なくとも1つのパラメータの経時変化を記述するため前記複数の振幅差画像及び/または前記複数の定量的位相差画像が処理されることを特徴とする方法。 - 請求項10または11に記載の方法において、試料が収容された媒体の部分的または完全な媒体交換を含むことを特徴とする方法。
- 請求項10〜12のいずれか1項に記載の方法において、媒体と試料とが互いに相互作用する結果、試料の少なくとも1つのパラメータの修正及び/または媒体の少なくとも1つのパラメータの修正が生じることを特徴とする方法。
- 請求項10〜13のいずれか1項に記載の方法において、媒体が分散性媒体であり、媒体の誘電特性の値が試料を照明する放射の波長を変化させることによって変化し、試料を照明する放射の波長の変化の結果、試料の少なくとも1つのパラメータの修正及び/または媒体の少なくとも1つのパラメータの修正が生じることを特徴とする方法。
- 請求項10〜14のいずれか1項に記載の方法において、試料の前記パラメータが試料の厚さであることを特徴とする方法。
- 請求項10〜15のいずれか1項に記載の方法において、試料の前記パラメータが試料の表面トポグラフィーであることを特徴とする方法。
- 請求項10〜16のいずれか1項に記載の方法において、試料の前記パラメータが試料の誘電特性であることを特徴とする方法。
- 請求項10〜17のいずれか1項に記載の方法において、試料の前記パラメータが試料の屈折率であることを特徴とする方法。
- 請求項10〜18のいずれか1項に記載の方法において、媒体の前記パラメータが媒体の誘電特性であることを特徴とする方法。
- 請求項10〜19のいずれか1項に記載の方法において、媒体の前記パラメータが試料の屈折率であることを特徴とする方法。
- 請求項10〜20のいずれか1項に記載の方法において、振幅差画像の振幅差を増大または減少させるため、及び/または定量的位相差画像の位相差を増大または減少させるために、媒体の誘電特性が調整されることを特徴とする方法。
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