JP4466240B2 - 画像処理装置、微分干渉顕微鏡、および、画像処理方法 - Google Patents
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Description
本発明は、物体の微分干渉画像を生成する画像処理装置、微分干渉顕微鏡、および、画像処理方法に関する。
一般的な微分干渉顕微鏡には、専用の干渉装置が組み込まれている。微分干渉顕微鏡の専用の干渉装置は、ウォラストンプリズムやノマルスキープリズムなどの偏光プリズムと、クロスニコルの状態に配置された偏光子および検光子と、を組み合わせたものである（例えば非特許文献１を参照）。この微分干渉顕微鏡では、偏光子と偏光プリズムとを介して物体を照明し、物体からの光を偏光プリズムと検光子とを介して取り込み、物体の微分干渉画像を得ている。
小松啓「光学顕微鏡の基礎と応用(２)」応用物理 第60巻 第9号(1991) p.924-928
小松啓「光学顕微鏡の基礎と応用(２)」応用物理 第60巻 第9号(1991) p.924-928
しかしながら、物体の微分干渉画像を得るためには、上記した専用の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）が必要である。専用の干渉装置を省略すると、通常の光学顕微鏡と同様の構成になり、物体の明視野画像しか得られない。また、物体の明視野画像から画像処理によって微分干渉画像を推定しようとしても、明視野画像には位相情報が含まれないため、微分干渉画像の推定は不可能である。
本発明の目的は、専用の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）を用いることなく物体の微分干渉画像を生成できる画像処理装置、微分干渉顕微鏡、および、画像処理方法を提供することにある。
請求項１に記載の画像処理装置は、物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第２データ群を生成する第１の処理手段と、前記第１データ群の各ピクセルデータと前記第２データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像化したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、第３データ群を生成する第２の処理手段と、前記第３データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第４データ群を生成する第３の処理手段とを備えたものである。
請求項２に記載の微分干渉顕微鏡は、請求項１に記載の画像処理装置と、前記第４データ群の各ピクセルデータを表示する表示手段とを備えたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の微分干渉顕微鏡において、物体をパルス光によって照明する照明手段と、前記照明手段により照明されたときに前記物体から発生するパルス光に基づいて、前記物体像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の像面に入射するパルス光の電場の時間変化を測定する測定手段と、前記電場の時間変化をフーリエ変換し、各波長成分ごとに前記第１データ群を生成する生成手段とを備えたものである。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の微分干渉顕微鏡において、物体をパルス光によって照明する照明手段と、前記照明手段により照明されたときに前記物体から発生するパルス光に基づいて、前記物体像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の像面に入射するパルス光の電場の時間変化を測定する測定手段と、前記電場の時間変化をフーリエ変換し、各波長成分ごとに前記第１データ群を生成する生成手段とを備えたものである。
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の微分干渉顕微鏡において、前記照明手段は、前記物体をテラヘルツ周波数領域のパルス光によって照明するものである。
請求項５に記載の画像処理方法は、物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第２データ群を生成する第１の処理工程と、前記第１データ群の各ピクセルデータと前記第２データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像化したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、第３データ群を生成する第２の処理工程と、前記第３データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第４データ群を生成する第３の処理工程とを備えたものである。
請求項５に記載の画像処理方法は、物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第２データ群を生成する第１の処理工程と、前記第１データ群の各ピクセルデータと前記第２データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像化したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、第３データ群を生成する第２の処理工程と、前記第３データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第４データ群を生成する第３の処理工程とを備えたものである。
本発明によれば、専用の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）を用いることなく物体の微分干渉画像を生成することができる。
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の微分干渉顕微鏡１０は、図１に示す通り、イメージング装置１１と、画像処理装置１２と、表示装置１３とで構成される。本実施形態の微分干渉顕微鏡１０には、従来の一般的な微分干渉顕微鏡に必須の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）が組み込まれていない。この微分干渉顕微鏡１０は、イメージング装置１１からの撮像信号を画像処理装置１２に取り込み、画像処理によって被検物体１０Ａの微分干渉画像を生成するものである。
本実施形態の微分干渉顕微鏡１０は、図１に示す通り、イメージング装置１１と、画像処理装置１２と、表示装置１３とで構成される。本実施形態の微分干渉顕微鏡１０には、従来の一般的な微分干渉顕微鏡に必須の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）が組み込まれていない。この微分干渉顕微鏡１０は、イメージング装置１１からの撮像信号を画像処理装置１２に取り込み、画像処理によって被検物体１０Ａの微分干渉画像を生成するものである。
ここで、イメージング装置１１について簡単に説明する。イメージング装置１１の詳細は、例えば特開２００２−９８６３４号公報などに記載されている。
イメージング装置１１では、フェムト秒パルスレーザ２１から出射した光が半透過鏡２２で２方向に分岐される（光Ｌ１,Ｌ２）。一方の光Ｌ１は、ミラー２３を経て半導体基板２４に入射する。半導体基板２４には電極２５が形成され、電極２５には電源２６から電圧が常時印加されている。このため、半導体基板２４に光Ｌ１が入射した瞬間、電極２５の間で放電が起こり、これが双極子となってテラヘルツ周波数領域のパルス光（テラヘルツパルス光）を放射する。
イメージング装置１１では、フェムト秒パルスレーザ２１から出射した光が半透過鏡２２で２方向に分岐される（光Ｌ１,Ｌ２）。一方の光Ｌ１は、ミラー２３を経て半導体基板２４に入射する。半導体基板２４には電極２５が形成され、電極２５には電源２６から電圧が常時印加されている。このため、半導体基板２４に光Ｌ１が入射した瞬間、電極２５の間で放電が起こり、これが双極子となってテラヘルツ周波数領域のパルス光（テラヘルツパルス光）を放射する。
そして、このテラヘルツパルス光によって、被検物体１０Ａが全体的に照明される。テラヘルツパルス光による照明は、点光源照明（つまり平行光による照明）と同等である。また、本実施形態では、テラヘルツパルス光の進行方向が後述のレンズ２７（結像光学系）の光軸に平行となっている。
テラヘルツパルス光によって被検物体１０Ａを照明したときに、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３は、特殊プラスチック製（例えばポリエチレン製）のレンズ２７で集光され、半透過鏡２８を介して、電気光学効果を示す結晶２９に入射する。このとき、結晶２９（レンズ２７の像面）には、透過パルス光Ｌ３による被検物体１０Ａの像（物体像）が形成される。また、結晶２９上の各点では、物体像の明暗（つまり図２に例示した透過パルス光Ｌ３の電場の強弱）に応じて、“複屈折率の変調”が起こる。
テラヘルツパルス光によって被検物体１０Ａを照明したときに、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３は、特殊プラスチック製（例えばポリエチレン製）のレンズ２７で集光され、半透過鏡２８を介して、電気光学効果を示す結晶２９に入射する。このとき、結晶２９（レンズ２７の像面）には、透過パルス光Ｌ３による被検物体１０Ａの像（物体像）が形成される。また、結晶２９上の各点では、物体像の明暗（つまり図２に例示した透過パルス光Ｌ３の電場の強弱）に応じて、“複屈折率の変調”が起こる。
このような結晶２９における“複屈折率の変調”を検出するために、上記した半透過鏡２２で分岐した他方の光Ｌ２をプローブ光として用いる。光Ｌ２のパルス幅はフェムト秒オーダである。光Ｌ２は、光遅延装置３０を介した後（光Ｌ４）、ミラー３１と半透過鏡２８とを介して結晶２９に入射する。光Ｌ４が結晶２９に入射する時刻ｔ0＋Δｔ（図２）は、上記の透過パルス光Ｌ３が結晶２９に入射する時刻ｔ0を基準とし、光遅延装置３０によって自在に調整可能である。光遅延装置３０の構成としては、例えば反射光学系で光路長を変化させるものが考えられる。
また、光Ｌ４は、直線偏光の状態で結晶２９に入射する。そして、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３により物体像の明暗に応じて結晶２９に誘起された時刻ｔ0＋Δｔ（図２）における“複屈折率の変調”に応じて、光Ｌ４の偏光状態が変化する。さらに、この偏光状態の変化量は、偏光板３２を介して光電場の強弱に変換され、イメージセンサ３３により検出される。
イメージセンサ３３による検出信号は、光Ｌ４の偏光状態の変化量に比例し、また、結晶２９の時刻ｔ0＋Δｔにおける“複屈折率の変調”に比例し、また、結晶２９上に形成された物体像の明暗に比例し、さらに、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（結晶２９に入射する透過パルス光Ｌ３）の電場の時刻ｔ0＋Δｔにおける瞬時値（実数）に比例している。この検出信号は、画像処理装置１２に撮像信号として出力される。
画像処理装置１２は、上記したイメージング装置１１のイメージセンサ３３からの撮像信号をデジタル化し、デジタルデータとして取り込む。したがって、画像処理装置１２では、そのデジタルデータに応じて、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（結晶２９に入射する透過パルス光Ｌ３）の電場の時刻ｔ0＋Δｔにおける瞬時値（実数）を知ることができる。
さらに、イメージング装置１１の光遅延装置３０を用いて、光Ｌ４が結晶２９に入射する時刻ｔ0＋Δｔ（図２）を調整しながら、同様のデジタルデータを画像処理装置１２に取り込んでいく。これにより、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３の１パルス幅内における電場の各瞬時値、つまり、電場の時間変化Ｅ(ｔ)を測定することができる。透過パルス光Ｌ３の電場の時間変化Ｅ(ｔ)は、結晶２９上に形成された物体像の明暗の時間変化を表し、物体像の各位置ごとにピクセルデータの集合（データ群）として得られる。
このようにして電場の時間変化Ｅ(ｔ)の測定が終了すると、画像処理装置１２は、電場の時間変化Ｅ(ｔ)を物体像の各位置ごとにフーリエ変換する（つまり分光する）。その結果、物体像の各位置において、透過パルス光Ｌ３を構成する種々の波長成分ごとに、次の式(１)の複素振幅Ｅ1(ω)を得ることができる。複素振幅Ｅ1(ω)のうち、｜Ｅ1(ω)｜は振幅を表し、ψ1は位相を表している。複素振幅Ｅ1(ω)は複素数である。
Ｅ1(ω)＝ΣＥ(ｔ)exp(−ｉωｔ)＝｜Ｅ1(ω)｜exp(ｉψ1) …(１)
物体像の各位置における各波長成分の複素振幅Ｅ1(ω)も、ピクセルデータの集合（データ群）である。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群を抽出すると、これは、その波長成分の物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の複素振幅分布を表すことになる。
物体像の各位置における各波長成分の複素振幅Ｅ1(ω)も、ピクセルデータの集合（データ群）である。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群を抽出すると、これは、その波長成分の物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の複素振幅分布を表すことになる。
ただし、上記のフーリエ変換によって得られた複素振幅Ｅ1(ω)の位相ψ1には、被検物体１０Ａ自体の位相情報だけでなく、被検物体１０Ａ上の各点から結晶２９(つまり像面)上の共役点までの距離に依存した成分（以下「誤差成分ψ2」）が重畳している。この誤差成分ψ2は、被検物体１０Ａ上の各点の位置によって変動し、被検物体１０Ａ自体の位相情報とは無関係なため、次のようにして取り除く必要がある。
誤差成分ψ2を求めるために、被検物体１０Ａを置かない状態で、上記と同様の電場の時間変化Ｅ(ｔ)を測定し、これをフーリエ変換する。その結果、結晶２９(つまり像面)上の各位置における各波長成分の複素振幅Ｅ2(ω)を得ることができる。複素振幅Ｅ2(ω)のうち、位相ψ2が“誤差成分ψ2”に相当する。
Ｅ2(ω)＝｜Ｅ2(ω)｜exp(ｉψ2) …(２)
そして、式(２)の誤差成分ψ2を用い、次の式(３)にしたがって、式(１)の位相ψ1を補正する。したがって、被検物体１０Ａ自体の位相情報とは無関係で被検物体１０Ａ上の各点の位置によって変動する誤差成分ψ2を簡単に取り除くことができる。その結果、被検物体１０Ａ自体の位相情報のみを位相[ψ1−ψ2]として含む式(３)の複素振幅Ｅ3(ω)を得ることができる。
Ｅ2(ω)＝｜Ｅ2(ω)｜exp(ｉψ2) …(２)
そして、式(２)の誤差成分ψ2を用い、次の式(３)にしたがって、式(１)の位相ψ1を補正する。したがって、被検物体１０Ａ自体の位相情報とは無関係で被検物体１０Ａ上の各点の位置によって変動する誤差成分ψ2を簡単に取り除くことができる。その結果、被検物体１０Ａ自体の位相情報のみを位相[ψ1−ψ2]として含む式(３)の複素振幅Ｅ3(ω)を得ることができる。
Ｅ3(ω)＝｜Ｅ1(ω)｜exp(ｉ[ψ1−ψ2]) …(３)
式(３)による補正後の複素振幅Ｅ3(ω)も、物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の各位置において各波長成分ごとに生成され、ピクセルデータの集合（データ群）を構成する。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群（請求項の「第１データ群」に対応）は、その波長成分の物体像の純粋な複素振幅分布を表している。
式(３)による補正後の複素振幅Ｅ3(ω)も、物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の各位置において各波長成分ごとに生成され、ピクセルデータの集合（データ群）を構成する。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群（請求項の「第１データ群」に対応）は、その波長成分の物体像の純粋な複素振幅分布を表している。
画像処理装置１２は、補正後の複素振幅Ｅ3(ω)を生成し終えると、この補正後の複素振幅Ｅ3(ω)を用い、図３のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行い、被検物体１０Ａの微分干渉画像を生成する。図３の画像処理は、各々の波長成分に関わるデータ群ごとに行われる。
ステップＳ１では、ある波長成分の補正後の複素振幅Ｅ3(ω)に関わるデータ群（つまり物体像の複素振幅分布を表すデータ群）を、演算用の配列Ａ(ｉ,ｊ)に格納する。“ｉ”と“ｊ”は、格納したデータ群の各ピクセルデータの番地を表す。配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群を画像化したときの各ピクセルデータＰAの配置を模式的に図４(ａ)に示す。各ピクセルデータＰAは、物体像の各位置における複素振幅Ｅ3(ω)を表す。
ステップＳ１では、ある波長成分の補正後の複素振幅Ｅ3(ω)に関わるデータ群（つまり物体像の複素振幅分布を表すデータ群）を、演算用の配列Ａ(ｉ,ｊ)に格納する。“ｉ”と“ｊ”は、格納したデータ群の各ピクセルデータの番地を表す。配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群を画像化したときの各ピクセルデータＰAの配置を模式的に図４(ａ)に示す。各ピクセルデータＰAは、物体像の各位置における複素振幅Ｅ3(ω)を表す。
次に（ステップＳ２）、配列Ａ(ｉ,ｊ)の複製を作り、これを配列Ｂ(ｉ,ｊ)とする。配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータは、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータＰAと同じである。
次に（ステップＳ３）、配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群の全てのピクセルデータＰAに対し、各々、exp[ｉθ]で与えられる所定の複素数を掛ける。この処理は、各々のピクセルデータＰAの複素振幅Ｅ3(ω)の位相[ψ1−ψ2]を所定量（位相θ）だけシフトさせる処理に相当する。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第２データ群」に対応）は、配列Ｃ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群を画像化したときの各ピクセルデータＰCの配置を模式的に図４(ｂ)に示す。各ピクセルデータＰCの複素振幅Ｅ4(ω)は、次の式(４)によって表される。
次に（ステップＳ３）、配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群の全てのピクセルデータＰAに対し、各々、exp[ｉθ]で与えられる所定の複素数を掛ける。この処理は、各々のピクセルデータＰAの複素振幅Ｅ3(ω)の位相[ψ1−ψ2]を所定量（位相θ）だけシフトさせる処理に相当する。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第２データ群」に対応）は、配列Ｃ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群を画像化したときの各ピクセルデータＰCの配置を模式的に図４(ｂ)に示す。各ピクセルデータＰCの複素振幅Ｅ4(ω)は、次の式(４)によって表される。
Ｅ4(ω)＝｜Ｅ1(ω)｜exp(ｉ[ψ1−ψ2＋θ]) …(４)
次に（ステップＳ４）、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータＰA（図４(ａ)）と、配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータＰC（図４(ｂ)）とを用い、各データ群のピクセルデータどうしで差を計算する。このとき、同じ番地のピクセルデータＰA,ＰCではなく、各データ群を画像化したときに相対位置が所定方向に所定量(Δｉ,Δｊ)だけ異なる番地のピクセルデータＰA,ＰCどうしで、その複素振幅Ｅ3(ω),Ｅ4(ω)の差を求める。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第３データ群」）は、配列Ｄ(ｉ,ｊ)に格納される。
次に（ステップＳ４）、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータＰA（図４(ａ)）と、配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータＰC（図４(ｂ)）とを用い、各データ群のピクセルデータどうしで差を計算する。このとき、同じ番地のピクセルデータＰA,ＰCではなく、各データ群を画像化したときに相対位置が所定方向に所定量(Δｉ,Δｊ)だけ異なる番地のピクセルデータＰA,ＰCどうしで、その複素振幅Ｅ3(ω),Ｅ4(ω)の差を求める。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第３データ群」）は、配列Ｄ(ｉ,ｊ)に格納される。
ここで、上記したステップＳ３,Ｓ４の処理と、従来の一般的な微分干渉顕微鏡との対応関係について説明する。従来の微分干渉顕微鏡では、ウォラストンプリズムやノマルスキープリズムなどの偏光プリズムにより分離された２光束によって被検物体を垂直に照明し、被検物体から発生した２光束を偏光プリズムと検光子とを介して干渉させ、像面に導いている。２光束の間隔（光軸ずらし量）は、非常に小さく、微分干渉顕微鏡の対物レンズの分解能以下となっている。この光軸ずらし量と、干渉時の２光束の位相差（リタデーション；retardation）は、偏光プリズムの光学特性に応じて定められる。
このような従来の微分干渉顕微鏡に対し、本実施形態の微分干渉顕微鏡１０では、図３のステップＳ４において、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータＰA（図４(ａ)）と、配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータＰC（図４(ｂ)）との差を求め、上記した２光束の干渉（検光子を通過後）と同様の重ね合わせ効果を数値的に発生させている。
また、このとき、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群と配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群との間には、相対的な位置ずれ(Δｉ,Δｊ)が設定され（Ｓ４）、位相差θが設定される（Ｓ３）。位置ずれ(Δｉ,Δｊ)は、上記した２光束の間隔（光軸ずらし量）に対応する。位相差θは、上記した干渉時の２光束の位相差（リタデーション）に対応する。ちなみに、被検物体１０Ａの微小な段差を高感度で観測する際には、位相差θ＝±π/２とし、exp(ｉθ)＝ｉ（または−ｉ）を用いることが好ましい。
また、このとき、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群と配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群との間には、相対的な位置ずれ(Δｉ,Δｊ)が設定され（Ｓ４）、位相差θが設定される（Ｓ３）。位置ずれ(Δｉ,Δｊ)は、上記した２光束の間隔（光軸ずらし量）に対応する。位相差θは、上記した干渉時の２光束の位相差（リタデーション）に対応する。ちなみに、被検物体１０Ａの微小な段差を高感度で観測する際には、位相差θ＝±π/２とし、exp(ｉθ)＝ｉ（または−ｉ）を用いることが好ましい。
このように、本実施形態の微分干渉顕微鏡１０では、ステップＳ３,Ｓ４の処理を行うことにより、従来の微分干渉顕微鏡に必須の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）を用いた場合と同様の効果（つまり相対的な位置ずれ(Δｉ,Δｊ)と位相差θとを有する２つの複素振幅分布の干渉）を、数値的に発生させることができる。
なお、テラヘルツパルス光による結像は、光源の大きさがほぼ無視できる（点光源による）結像であり、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３が空間的にコヒーレント（被検物体１０Ａ上の位置に拘わらず同位相）である。このため、互いに微小量だけずれた２つの複素振幅分布を重ね合わせることにより、従来の微分干渉顕微鏡と同様の干渉効果を得ることができる。
なお、テラヘルツパルス光による結像は、光源の大きさがほぼ無視できる（点光源による）結像であり、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３が空間的にコヒーレント（被検物体１０Ａ上の位置に拘わらず同位相）である。このため、互いに微小量だけずれた２つの複素振幅分布を重ね合わせることにより、従来の微分干渉顕微鏡と同様の干渉効果を得ることができる。
ステップＳ３,Ｓ４の処理が終わると、画像処理装置１２は、ステップＳ５の処理に進み、上記した重ね合わせ（干渉）後の複素振幅分布を表すデータ群（つまり配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群）の各ピクセルデータＰDを用い、ピクセルデータＰDの複素振幅の絶対値の二乗を求める。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第４データ群」に対応）は、配列Ｉ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｉ(ｉ,ｊ)のデータ群は、物体像の強度分布（つまり被検物体１０Ａの微分干渉画像）を表している。
上記のように、本実施形態の微分干渉顕微鏡１０では、イメージング装置１１からの撮像信号を画像処理装置１２に取り込み、図３のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行うことにより、被検物体１０Ａの微分干渉画像を決定論的に生成することができる。つまり、従来の一般的な微分干渉顕微鏡には必須とされる専用の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）を用いることなく、被検物体１０Ａの微分干渉画像を生成することができる。
また、本実施形態の微分干渉顕微鏡１０では、図３の画像処理によって最終的に得られた配列Ｉ(ｉ,ｊ)のデータ群を用い、その各ピクセルデータを表示装置１３に出力することで、被検物体１０Ａの微分干渉画像の観察が可能となる。このとき、被検物体１０Ａの微分干渉画像を各波長成分ごとに表示してもよいし、各波長成分のデータ群どうしで演算処理を行った後、表示してもよい。
さらに、本実施形態の微分干渉顕微鏡１０では、図３のステップＳ３,Ｓ４において、数値的に干渉させる２つの複素振幅分布（配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群と配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群）の位相差θと相対的な位置ずれ(Δｉ,Δｊ)を自由に設定することができる。このため、同一像に対して様々な条件下での微分干渉画像を簡単に得ることができ、被検物体１０Ａにとって最良の観察条件を選択し、そのときの微分干渉画像を得ることもできる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、図３のステップＳ４の処理で“差”を求めたが、本発明はこれに限定されない。“和”を求める場合にも、従来の微分干渉顕微鏡と同様の干渉効果を得ることができ、本発明を適用できる。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、図３のステップＳ４の処理で“差”を求めたが、本発明はこれに限定されない。“和”を求める場合にも、従来の微分干渉顕微鏡と同様の干渉効果を得ることができ、本発明を適用できる。
また、上記した実施形態では、イメージング装置１１のイメージセンサ３３により一括してプローブ光（Ｌ４）の偏光状態の変化量を検出する非走査型の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。テラヘルツパルス光を被検物体１０Ａの局所領域に照射して、テラヘルツパルス光の照射領域と被検物体１０Ａとの相対位置を変化させながら、プローブ光（Ｌ４）の偏光状態の変化量を検出する場合（走査型）にも、本発明を適用できる。
さらに、上記した実施形態では、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３に基づいて結晶２９上に物体像を形成する例（透過型のイメージング装置１１）を説明したが、本発明はこれに限定されない。被検物体から発生する反射パルス光に基づいて物体像を形成する場合（反射型）にも、本発明を適用できる。
また、上記した実施形態では、被検物体１０Ａをテラヘルツパルス光によって照明する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他の周波数領域のパルス光を用いて被検物体１０Ａを照明する場合にも、本発明を適用できる。例えば、中心波長帯域を可視光域とする場合、イメージング装置１１のフェムト秒パルスレーザ２１の時間分解能を上げ、レンズ２７の材質を変更し、結晶２９として応答時間のより速いものを用いることが必要になる。
また、上記した実施形態では、被検物体１０Ａをテラヘルツパルス光によって照明する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他の周波数領域のパルス光を用いて被検物体１０Ａを照明する場合にも、本発明を適用できる。例えば、中心波長帯域を可視光域とする場合、イメージング装置１１のフェムト秒パルスレーザ２１の時間分解能を上げ、レンズ２７の材質を変更し、結晶２９として応答時間のより速いものを用いることが必要になる。
さらに、上記した実施形態では、イメージング装置１１を備えた微分干渉顕微鏡１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。イメージング装置１１を省略した場合（つまり画像処理装置１２と表示装置１３とで構成された微分干渉顕微鏡）にも、本発明を適用できる。この場合には、上記と同様の複素振幅Ｅ3(ω)に関わるデータ群（つまり物体像の複素振幅分布を表すデータ群）を画像処理装置１２に入力するだけで、被検物体１０Ａの微分干渉画像を生成することができる。
１０ 微分干渉顕微鏡
１１ イメージング装置
１２ 画像処理装置
１３ 表示装置
２１ フェムト秒パルスレーザ
２４ 半導体基板
２５ 電極
２７ レンズ
２９ 結晶
３０ 光遅延装置
３２ 偏光板
３３ イメージセンサ
１１ イメージング装置
１２ 画像処理装置
１３ 表示装置
２１ フェムト秒パルスレーザ
２４ 半導体基板
２５ 電極
２７ レンズ
２９ 結晶
３０ 光遅延装置
３２ 偏光板
３３ イメージセンサ
Claims (5)
- 物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第２データ群を生成する第１の処理手段と、
前記第１データ群の各ピクセルデータと前記第２データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像化したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、第３データ群を生成する第２の処理手段と、
前記第３データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第４データ群を生成する第３の処理手段とを備えた
ことを特徴とする画像処理装置。 - 請求項１に記載の画像処理装置と、
前記第４データ群の各ピクセルデータを表示する表示手段とを備えた
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 - 請求項２に記載の微分干渉顕微鏡において、
物体をパルス光によって照明する照明手段と、
前記照明手段により照明されたときに前記物体から発生するパルス光に基づいて、前記物体像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系の像面に入射するパルス光の電場の時間変化を測定する測定手段と、
前記電場の時間変化をフーリエ変換し、各波長成分ごとに前記第１データ群を生成する生成手段とを備えた
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 - 請求項３に記載の微分干渉顕微鏡において、
前記照明手段は、前記物体をテラヘルツ周波数領域のパルス光によって照明する
ことを特徴とする微分干渉顕微鏡。 - 物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第２データ群を生成する第１の処理工程と、
前記第１データ群の各ピクセルデータと前記第２データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像化したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、第３データ群を生成する第２の処理工程と、
前記第３データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第４データ群を生成する第３の処理工程とを備えた
ことを特徴とする画像処理方法。
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| US11/630,151 US20070242133A1 (en) | 2004-06-30 | 2005-06-27 | Microscope Observation Method, Microscope, Differentiation Interference Microscope, Phase Difference Microscope, Interference Microscope, Image Processing Method, and Image Processing Device |
| EP05752944A EP1767923A4 (en) | 2004-06-30 | 2005-06-27 | MICROSCOPE OBSERVATION METHOD, MICROSCOPE, DIFFERENTIAL INERFERENTIAL MICROSCOPE, DEPHASING MICROSCOPE, ITERFERENTIAL MICROSCOPE, IMAGE PROCESSING METHOD, AND IMAGE PROCESSING DEVICE |
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