JP6396774B2 - 画像取得装置及び画像取得方法 - Google Patents

Description

本発明は、観察対象物の画像を取得する画像取得装置及び画像取得方法に関する。

従来から、レーザ光等のコヒーレント光を観察対象物に照射することにより観察対象物の像を観察することが広く行われている。このような観察においては、スペックルノイズによる像の劣化が問題となる場合がある。スペックルとは、空間的及び時間的にコヒーレントな光が光学的に粗い面に入射したときに発生する明暗の斑点状の模様のことである。

このようなスペックルノイズを低減するための構成として、下記特許文献１に記載の照明装置が知られている。この照明装置では、レンズアレイを用いてコヒーレント光を複数の光束に分割して、焦点位置でほぼ同一の被照射領域を照明するように集光レンズを用いて複数の光束を集光する構成を有する。

特開２０００−２６８６０３号公報

しかしながら、上記の従来の照明装置においては、レンズアレイを用いているため、レンズアレイのアレイ数でスペックルノイズの低減度合いが決まり、レンズアレイのアレイ数は有限なので、離散的なスペックルノイズの低減しかできない。また、照明装置に含まれる集光レンズの焦点位置を照明するように構成されているため、スペックルノイズが低減できる範囲が限定される傾向にある。その限定範囲は、レンズアレイを構成するレンズ間隔に依存する。

そこで、本発明は、かかる課題に鑑みて為されたものであり、観察対象物の観察面の広範囲に亘ったスペックルノイズの低減を可能にする画像取得装置及び画像取得方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一形態に係る画像取得装置は、観察対象物の観察面における画像を取得する画像取得装置であって、空間的にコヒーレントな照明光を照射する光源部と、照明光を平行光に変換するコリメートレンズと、第１の焦点を有し、平行光に変換された照明光を集光する第１の集光レンズを含む第１の光学系と、第１の光学系の第１の焦点の位置を、第１の光学系の光軸方向に沿って調整する第１の調整機構と、第２の焦点を有し、観察対象物の観察面からの観察光を集光する第２の集光レンズと第２の集光レンズからの観察光を結像する結像レンズとを含む第２の光学系と、第２の光学系の第２の焦点の位置を、第２の光学系の光軸方向に沿って調整する第２の調整機構と、結像レンズによって結像された観察光を撮像することによって画像データを生成する撮像装置と、画像データを基に観察対象物の観察面における観察データを生成する画像処理部とを備え、第１の調整機構は、第１の焦点の位置が観察面から外れるように調整するように構成され、第２の調整機構は、第２の焦点の位置が観察面に一致するように調整するように構成されている。

或いは、本発明の他の形態に係る画像取得方法は、観察対象物の観察面における画像を取得する画像取得方法であって、第１の焦点を有する第１の光学系を用いて、空間的にコヒーレントな平行光である照明光を、第１の焦点の位置に集光するとともに、観察対象物に照射し、第１の光学系の第１の焦点の位置を、第１の光学系の光軸方向に沿って観察面から外れるように調整し、第２の焦点を有する第２の光学系を用いて、観察対象物の観察面からの観察光を集光し、第２の光学系の第２の焦点の位置を、第２の光学系の光軸方向に沿って観察面に一致するように調整し、撮像装置を用いて、第２の光学系によって集光された観察光を撮像することによって画像データを生成し、画像データを基に観察対象物の観察面における観察データを生成する。

上記形態の画像取得装置或いは画像取得方法によれば、空間的にコヒーレントな平行光である照明光が、第１の光学系によって第１の焦点の位置に集光されるとともに観察対象物に照射され、それに応じて観察対象物の観察面から生じた観察光が第２の光学系によって集光される。さらに、集光された観察光が撮像装置によって撮像されることにより画像データが生成され、画像データを基に観察面における観察データが生成される。ここで、第１の光学系の第１の焦点の位置が観察面から外れるように調整されると同時に、第２の光学系の第２の焦点の位置が観察面に一致するように調整される。これにより、観察対象物の観察面の広範囲に亘って様々な角度で照明光が照射されることにより観察面の広範囲に亘ってスペックルノイズが低減された像を取得でできるとともに、観察面での焦点の合った明瞭な像を取得することができる。

ここで、第２の光学系は、観察光として観察対象物を透過した照明光を集光可能なように配置されている、ことが好適である。かかる構成の第２の光学系を備えれば、照明光を観察対象物を透過させることによって得られた観察データにおいて、スペックルノイズが観察面の広範囲で低減され、かつ観察面での焦点の合った明瞭な像を取得することができる。

また、第２の光学系は、観察光として観察対象物によって反射された照明光を集光可能なように配置されている、ことも好適である。かかる構成の第２の光学系を備えれば、照明光を観察対象物で反射させることによって得られた観察データにおいて、スペックルノイズが観察面の広範囲で低減され、かつ観察面での焦点の合った明瞭な像を取得することができる。

さらに、光源部は、複数の波長の異なる単色光を異なるタイミングで出力するように構成され、画像処理部は、それぞれの単色光に応じて生成された画像データを重ね合わせることにより観察データを生成するように構成されている、ことも好適である。この場合、さらにスペックルノイズが広範囲で低減された像を取得することができる。

またさらに、光源部は、複数の波長の異なる光を含んだ照明光を出力するように構成され、画像処理部は、照明光に応じて生成された画像データを観察データとして生成するように構成されている、ことも好適である。この場合、さらにスペックルノイズが広範囲で低減された像を取得することができる。

さらにまた、照明光に光路長差を生じさせて参照光として出力する光路長差生成部をさらに備え、撮像装置が観察光と参照光とを同時に撮像可能に構成されている、ことも好適である。こうすれば、観察対象物からの観察光と、観察光に対して光路長差が与えられた参照光とが合波されて撮像されることにより、干渉画像データを取得することができる。

本発明によれば、観察対象物の観察面の広範囲に亘ったスペックルノイズの低減が可能となる。

本発明の好適な一実施形態に係る画像取得装置１の概略構成を示す図である。 図１の画像取得装置１のレンズ７の照明光Ｌ_０の集光状態を示す図である。 図１の画像取得装置１のレンズ７の焦点位置が観察面Ｓ_１の手前に外れるように設定された場合の照明光Ｌ_０の集光状態を示す図である。 図１の画像取得装置１のレンズ７の焦点位置が観察面Ｓ_１の手前に外れるように設定された場合の様々な波長の照明光Ｌ_０の集光状態を示す図である。 図１の画像取得装置１においてレンズ７の焦点位置を観察面Ｓ_１に一致するように調整した際に取得される画像データの一例を示す図である。 図１の画像取得装置１において図５の状態からレンズ７の位置を２０ｍｍほど観察面Ｓ_１に近づけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図である。 図１の画像取得装置１において図５の状態からレンズ７の位置を２０ｍｍほど観察面Ｓ_１から遠ざけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図である。 図１の画像取得装置１において図５の状態からレンズ７の位置を２５ｍｍほど観察面Ｓ_１から遠ざけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図である。 図１の画像取得装置１において図５の状態からレンズ７の位置を３０ｍｍほど観察面Ｓ_１から遠ざけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図である。 図１の画像取得装置１により取得された画像データ及び観察データを示す図であり、（ａ）は画像データを示す図であり、（ｂ）は画像データを重ね合わせた観察データを示す図である。 本実施形態において、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと他の照明光波長での画像データの相関係数を示すグラフである。 本発明の変形例にかかる画像取得装置１Ａの概略構成を示す図である。 本発明の他の変形例にかかる画像取得装置１Ｂの概略構成を示す図である。 本発明の他の変形例にかかる画像取得装置１Ｃの概略構成を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明による画像取得装置、及び画像取得方法の実施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。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。

図１は、本発明の一実施形態の画像取得装置１の構成を模式的に示す図である。本実施形態による画像取得装置１は、サンプル（観察対象物）Ｓに対して照明光を照射してその結果生じた像を取得するための装置である。なお、本実施形態では、画像取得装置１は、サンプルＳを照明光が透過することによって生じる透過像を取得する。

画像取得装置１は、光源３、コリメートレンズ５、レンズ（第１の集光レンズ）７、レンズ移動機構（第１の調整機構）９、対物レンズ（第２の集光レンズ）１１、対物レンズ移動機構（第２の調整機構）１３、結像レンズ１５、撮像装置１７、画像処理装置（画像処理部）１９、表示部２１、及び入力部２３を含んで構成されている。これらの光源３、コリメートレンズ５、レンズ７、１１、結像レンズ１５、及び撮像装置１７は光源３の照射光軸Ａ_１に沿ってこの順で並んで配置されている。なお、レンズ７は、対物レンズでもよい。

光源３は、空間的にコヒーレントな照明光Ｌ_０を照射する装置である。このような光源３としては、レーザ光源、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源、或いはＡＳＥ（Amplified Spontaneous Emission）光源等が用いられる。あるいは、光源３は、一定の波長の単色光をＣＷ（Continuous Wave）光として照射し、さらに異なるタイミングで異なる波長のＣＷ光を出力可能なように構成されている。具体的には、光源３は、照射する単色光の波長を時間的に連続して自動で切り換え可能に構成される。

コリメートレンズ５は、光源３からの照明光Ｌ_０を平行光に変換し、平行光に変換された照明光Ｌ_０を照射光軸Ａ_１に沿って出力する。レンズ７は、コリメートレンズ５を通過した照明光Ｌ_０を、サンプルＳに向けて集光する。このレンズ７の焦点の位置は、サンプルＳの画像取得対象となる観察面Ｓ_１から外れた面Ｓ_２に位置するようにレンズ移動機構９によって調整されている。なお、このレンズ７は、サンプルを照明するための光学系である照射光学系（第１の光学系）を構成する。上記のレンズ移動機構９は、レンズ７をその光軸方向に移動可能に支持し、レンズ７の焦点位置を観察面Ｓ_１から外れた位置に調整可能に構成されている。

対物レンズ１１は、サンプルＳを挟んでレンズ７の反対側に配置され、サンプルＳを照明光Ｌ_０が透過することによってサンプルＳの観察面Ｓ_１から生じた観察光Ｌ_１を集光する。結像レンズ１５は、対物レンズ１１を通過した観察光Ｌ_１を撮像装置１７に向けて結像する。これらの対物レンズ１１及び結像レンズ１５は、観察光Ｌ_１を撮像装置１７に像として導くための光学系である検出光学系（第２の光学系）を構成する。この検出光学系の焦点の位置は、サンプルＳの観察面Ｓ_１に一致するように対物レンズ移動機構１３によって調整されている。対物レンズ移動機構１３は、対物レンズ１１をその光軸方向に移動可能に支持し、検出光学系の焦点位置を観察面Ｓ_１に一致する位置に調整可能に構成されている。

撮像装置１７は、ＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサ等のカメラ装置であり、結像レンズ１５によって結像された観察光Ｌ_１を撮像することによってサンプルＳの観察面Ｓ_１における画像データを生成する。この撮像装置１７は、生成した画像データを画像処理装置１９に送出する。その際、撮像装置１７は、光源３による照明光Ｌ_０の波長の連続的な切り替えのタイミングに同期させて観察光Ｌ_１を撮像し、それに応じて様々な波長の照明光Ｌ_０に対応して得られた画像データを画像処理装置１９に順次送出する。

画像処理装置１９は、ＣＰＵ及びメモリを内蔵したパーソナルコンピュータ等で実現され、撮像装置１７で生成された画像データを基にサンプルＳの観察面Ｓ_１における観察像を示す観察データを生成する。具体的には、画像処理装置１９は、撮像装置１７により様々な波長の照明光Ｌ_０に対応して生成された画像データを１つの画像に重ね合わせることにより観察データを生成する。画像処理装置１９には、観察データを出力するためのディスプレイ等の表示部２１と、画像処理装置１９にコマンド等の各種情報を入力するための入力部２３とが備えられる。

次に、画像取得装置１における照射光学系によるサンプルＳへの照明光Ｌ_０の照射状態について説明する。

例えば、光源３から照射された照明光Ｌ_０が、コリメートレンズ５によって直径１０ｍｍの平行光に変換されてからレンズ７を通過させられ、レンズ７によりサンプルＳの観察面Ｓ_１上で直径２．５ｍｍのビームに集光される。ここでは、レンズ７の焦点位置がわざと観察面Ｓ_１から外れるように設定され、表示部２１上に出力される像を基にビームの広がりが最適になるように焦点位置が調整される。図２は、画像取得装置１のレンズ７の照明光Ｌ_０の集光状態を示す図である。ここでは、レンズ７の焦点距離を４０ｍｍとし、仮にレンズ７の焦点位置を観察面Ｓ_１上に一致するように設定した場合、焦点位置におけるスポット径１．５ｍｍの集光状態を示している。その場合のレンズ７の球面収差は、相似の計算により、
ｘ≒５．２１ｍｍ
と求められ、レンズ７の外端を通過した照明光Ｌ_０は、レンズ７の光軸Ａ_２に対して、
θ＝ａｒｃｔａｎ（０．７５／５．２１）≒８．２度
の角度を持ってサンプルＳに照射されることが分かる。つまり、サンプルＳに対向して配置されたレンズ７により、焦点位置から外れるように配置された観察面Ｓ_１には、レンズ中心を通過した光軸Ａ_２に対する角度（入射角）が０度の照明光Ｌ_０を中心に、同心円状に異なる入射角を有する照明光Ｌ_０が入射する。

図３は、画像取得装置１のレンズ７の焦点位置が観察面Ｓ_１の手前に外れるように設定された場合の照明光Ｌ_０の集光状態を示す図である。このように、レンズ７の球面収差により、レンズ７の光軸Ａ_２からの距離が異なる位置を通過する照明光Ｌ_０のビームは、異なる広がり角θ_１，θ_２，θ_３に制限された球面波としてサンプルＳに向けて照射されることになる。これにより、サンプルＳでは、１つの画像データの取得時で、光軸Ａ_２上の位置を中心に同心円状に照明光Ｌ_０の入射角が異なる結果となる。

また、図４は、画像取得装置１のレンズ７の焦点位置が観察面Ｓ_１の手前に外れるように設定された場合の様々な波長の照明光Ｌ_０の集光状態を示す図である。このように、レンズ７の波長分散（色収差）の性質により、レンズ７の光軸Ａ_２からの距離が同じ位置を通過する異なる波長を有する照明光Ｌ_０の各ビームについても、互いに異なる広がり角θ_４，θ_５，θ_６に制限された球面波としてサンプルＳに向けて照射されることになる。これにより、サンプルＳでは、異なる波長の照明光Ｌ_０の照射に応じて得られた画像データの取得タイミングの間で、光軸Ａ_２上の位置を中心にした同心円状の照明光Ｌ_０の入射角の分布が異なる結果を導く。

さらに、画像取得装置１における照射光学系の焦点位置の最適な設定範囲について説明する。

図５は、画像取得装置１においてレンズ７の焦点位置を観察面Ｓ_１に一致するように調整した際に取得される画像データの一例を示す図、図６は、図５の状態からレンズ７の位置を２０ｍｍほど観察面Ｓ_１に近づけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図、図７は、図５の状態からレンズ７の位置を２０ｍｍほど観察面Ｓ_１から遠ざけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図である。

図５に示すように、焦点位置を観察面Ｓ_１に近づけると、観察面Ｓ_１に全体を照明光Ｌ_０がカバーできておらず、光の明暗の光量差が大きく、光が当たっている部分は画素値が飽和し、光が当たっていない部分は極端に暗くなっている。さらにこの場合は、スペックルが円周上の境界にしか現れておらず、サンプルＳのイメージングには不適切であるといえる。一方、図６及び図７に示すように、レンズ７の焦点位置を観察面Ｓ_１の前後に外した場合は、観察面Ｓ_１の撮像範囲に照明光Ｌ_０が広がり、観察面Ｓ_１の撮像範囲全体をほぼカバーできている。ここで、焦点位置を外す方向は、レンズの原理的にも任意に選択可能である。

図８及び図９には、図７の状態からレンズ７の位置を観察面Ｓ_１からさらに遠ざけた場合の画像データを示している。図８は、図５の状態からレンズ７の位置を２５ｍｍほど観察面Ｓ_１から遠ざけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図、図９は、図５の状態からレンズ７の位置を３０ｍｍほど観察面Ｓ_１から遠ざけるように調整した際に取得される画像データの一例を示す図である。

図８に示すように、レンズ７の位置を観察面Ｓ_１から遠ざけてゆくと、照明光Ｌ_０のスポット径はさらに広がるために単位面積当たりの光量が減少し、また、迷光の焦点に近づくことにより輝点が生じてしまう。図９に示すように、レンズ７の位置を観察面Ｓ_１からさらに遠ざけてゆくと、迷光の焦点により近づき輝点の径は縮小する。なお、迷光の焦点を超えてさらにレンズ７を遠ざけると、迷光は拡大し迷光の単位面積当たりの光量が減少するが、本来の照明光Ｌ_０のスポット径も大きく拡大することになるため十分な照明が得られない。

つまり、画像取得装置１における照射光学系の焦点位置は、本来の照明光Ｌ_０の単位面積当たりの光量が迷光のそれよりも十分に大きく、サンプルＳの観察範囲にほぼ均等に照明光Ｌ_０が照射されるように設定されている。これは、迷光の輝点の形状は照明光Ｌ_０の波長の変化にほとんど依存しないために、複数波長の画像データを重ね合わせることにより観察データにおいて輝点が現れることを防止するためである。なお、レンズ７の位置の調整は、観察面Ｓ_１に近づける方向、及び観察面Ｓ_１から遠ざける方向のいずれでも構わない。

ここで、本実施形態の画像取得装置１を用いた画像取得方法の手順について説明する。上述した画像取得装置１においては、光源３から波長の異なる単色光である照明光Ｌ_０が異なるタイミングで連続的に照射され、それに伴って撮像装置１７によって複数波長の照明光Ｌ_０に対応した画像データが生成される。すなわち、光源３から照射されたそれぞれの波長の照明光Ｌ_０は、コリメートレンズ５によって平行光に変換され、平行光に変換された照明光Ｌ_０は、照射光学系であるレンズ７によってサンプルＳに向けて集光及び照射される。このとき、レンズ移動機構９によってレンズ７の焦点位置が観察面Ｓ_１から外れるように調整される。さらに、サンプルＳを照明光Ｌ_０が透過することによって観察面Ｓ_１から生じた観察光Ｌ_１は、対物レンズ１１及び結像レンズ１５を含む検出光学系によって撮像装置１７に向けて集光及び結像される。このとき、対物レンズ移動機構１３によって検出光学系の焦点位置が観察面Ｓ_１に一致するように調整される。これにより、撮像装置１７によって観察面Ｓ_１の観察像を示す画像データが生成される。このようにして撮像装置１７で得られた複数波長の照明光Ｌ_０に対応した画像データは、画像処理装置１９によって１つの観察データに重ね合わせられる。

以上説明した画像取得装置１及びそれを用いた画像取得方法によれば、空間的にコヒーレントな平行光である照明光Ｌ_０が、照射光学系によって観察面Ｓ_１から外れた焦点位置に集光されるとともにサンプルＳに照射され、それに応じてサンプルＳの観察面Ｓ_１から生じた観察光Ｌ_１が観察面Ｓ_１に一致した焦点位置を有する検出光学系によって集光される。さらに、集光された観察光Ｌ_１が撮像装置１７によって撮像されることにより画像データが生成され、画像データを基に観察面Ｓ_１における観察データが生成される。これにより、サンプルＳの観察面Ｓ_１の広範囲に亘って様々な角度で照明光Ｌ_０が照射されることにより観察面Ｓ_１の広範囲に亘ってスペックルノイズが低減された像を取得でできるとともに、観察面Ｓ_１での焦点の合った明瞭な像を取得することができる。

すなわち、画像取得装置１によれば、観察面Ｓ_１に向けて同心円状に異なる入射角を持つ照明光Ｌ０が照射されることになる（図３）。その結果、取得される画像データにおいては、異なる模様のスペックル像の重なりが実現できるので、得られる像のスペックル模様が低減される。

また、検出光学系は、観察光Ｌ_１としてサンプルＳを透過した照明光Ｌ_０を集光及び結像可能なように配置されている。このような光学系を備えれば、照明光Ｌ_０をサンプルＳを透過させることによって得られた観察データにおいて、スペックルノイズが観察面Ｓ_１の広範囲で低減され、かつ観察面Ｓ_１での焦点の合った明瞭な像を取得することができる。

さらに、画像取得装置１によれば、複数の波長の照明光Ｌ_０に対応して得られた画像データが重ね合わせられた観察データを生成することができる。この場合、光学系全体の波長分散効果（例えば、レンズの色収差等）が生じるため、複数の画像データ間で、照明光Ｌ_０の入射角度も若干変わり、それにつれて観察面Ｓ_１上での同心円状に異なる入射角度の分布も変化する（図４）。その結果、波長が異なる画像データを重ね合わせると、波長変化による純粋なスペックルの変化とそれに伴う入射角度の変化が同時におこる。これにより、さらにスペックルノイズが広範囲で低減された像を取得することができる。図１０は、画像取得装置１により取得された画像データ及び観察データを示す図であり、（ａ）は画像データであり、（ｂ）は画像データを重ね合わせた観察データである。この結果から、観察データにおいては、画像データに比較して右端のスペックルがより低減され、左側の二層程度に積層した直径１０μｍのポリスチレンビーズがより明瞭に現れていることが分かる。

本実施形態における照明光波長の変化によるスペックルの変化の様子について、図１１を参照しながら示す。図１１は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと他の照明光波長での画像データの相関係数を示すグラフであり、横軸は２画像間の空間的なずれ量、縦軸は相関係数を示している。図１１（ａ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データの自己相関係数、図１１（ｂ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと照明光波長が９００ｎｍでの画像データとの相互相関係数、図１１（ｃ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと照明光波長が７２５ｎｍでの画像データとの相互相関係数、図１１（ｄ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと照明光波長が７５０ｎｍでの画像データとの相互相関係数、図１１（ｅ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと照明光波長が７７５ｎｍでの画像データとの相互相関係数、図１１（ｆ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと照明光波長が８００ｎｍでの画像データとの相互相関係数、図１１（ｇ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと照明光波長が８２５ｎｍでの画像データとの相互相関係数、図１１（ｈ）は、照明光波長が８７５ｎｍでの画像データと照明光波長が８５０ｎｍでの画像データとの相互相関係数、をそれぞれ示している。このように、照明光波長が離れている画像データどうしの相関係数が小さく、照明光波長が近い画像どうしの相関係数が大きくなることが分かり、照明光波長を大きく変化させればスペックルも大きく変化するということが理解できる。

なお、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、図１２に示す本発明の変形例に係る画像取得装置１Ａのように、サンプルＳにおいて照明光が反射することによって生じる反射像を取得する反射型光学系を有する装置であってもよい。同図に示す画像取得装置１Ａは、画像取得装置１との相違点として、コリメートレンズ５とコリメートレンズ５を通過した照明光Ｌ_０を集光するレンズ７との間の照射光軸Ａ_１上に、ビームスプリッタ２５が追加されている。レンズ７は、観察面Ｓ_１から外れた面Ｓ_２上に焦点位置として照明光Ｌ_０を集光するとともに、それに応じて観察面Ｓ_１から反射された反射光である観察光Ｌ_１をビームスプリッタ２５に向けて集光する。ビームスプリッタ２５は、ハーフミラー等の光を分割する手段であり、コリメートレンズ５を通過した照明光Ｌ_０をレンズ７に向けて照射光軸Ａ_１に沿って透過させるとともに、観察面Ｓ_１で生じた観察光Ｌ_１を照射光軸Ａ_１に交差する反射光軸Ａ_３に沿った方向に反射させる。さらに、画像取得装置１Ａにおいては、反射光軸Ａ_３上に結像レンズ１５Ａ及び撮像装置１７が配置されており、結像レンズ１５Ａは、結像レンズ移動機構（第２の調整機構）１３Ａによって反射光軸Ａ_３に沿った方向に移動可能に支持される。このような構成において、レンズ７及び結像レンズ１５Ａが、観察光Ｌ_１を撮像装置１７に導くための検出光学系を構成する。つまり、レンズ７が照射光学系と検出光学系とに共用されている。この検出光学系は、観察面Ｓ_１での反射光である観察光Ｌ_１を集光可能にされており、結像レンズ移動機構１３Ａによってその焦点位置が観察面Ｓ_１に一致するように設定されている。

上記構成の画像取得装置１Ａによっても、空間的にコヒーレントな平行光である照明光Ｌ_０が、照射光学系によって観察面Ｓ_１から外れた焦点位置に集光されるとともにサンプルＳに照射され、それに応じてサンプルＳの観察面Ｓ_１上で生じた反射光である観察光Ｌ_１が観察面Ｓ_１に一致した焦点位置を有する検出光学系によって集光される。さらに、集光された観察光Ｌ_１が撮像装置１７によって撮像されることにより画像データが生成され、画像データを基に観察面Ｓ_１における観察データが生成される。これにより、観察面Ｓ_１の広範囲に亘ってスペックルノイズが低減された反射像を取得でできるとともに、観察面Ｓ_１での焦点の合った明瞭な反射像を取得することができる。

また、図１３に示す本発明の変形例にかかる画像取得装置１Ｂのように、画像取得装置１Ａに対して、コリメートレンズ５とビームスプリッタ２５との間の照射光軸Ａ_１上に配置された集光レンズ２７と、集光レンズ２７を照射光軸Ａ_１上に沿って移動可能に支持する集光レンズ移動機構（第１の調整機構）２９とが追加されてもよい。この画像取得装置１Ｂにおいては、集光レンズ２７とレンズ７とで照射光学系が構成され、集光レンズ移動機構２９及びレンズ移動機構９によって、照射光学系の焦点位置が観察面Ｓ_１から外れた面Ｓ_２上に設定される。

このような構成によっても、観察面Ｓ_１の広範囲に亘ってスペックルノイズが低減された反射像を取得でできるとともに、観察面Ｓ_１での焦点の合った明瞭な反射像を取得することができる。さらに、この形態によれば、コリメートレンズ５からの平行光が集光レンズ２７によって収束され、その平行光が発散された状態でレンズ７に入力されることにより、レンズ７によって光を集光することができる。

また、図１４に示す本発明の変形例に係る画像取得装置１Ｃのように、反射型干渉顕微鏡を構成してもよい。

詳細には、画像取得装置１Ｃは、画像取得装置１Ａに対して、ビームスプリッタ２５を挟んで結像レンズ１５Ａの反対側の反射光軸Ａ_３上に照明光Ｌ_０に光路長差を生じさせて参照光Ｌ_３として出力する光路長差生成部３１が追加されている。この光路長差生成部３１は、集光レンズ３３、ミラー３５、及び光路長差調整機構３７によって構成されている。集光レンズ３３は、ビームスプリッタ２５によって反射光軸Ａ_３に沿って撮像装置１７の反対側に分割された照明光Ｌ_０をミラー３５に向けて集光し、ミラー３５は、その照明光Ｌ_０を参照光Ｌ_３として集光レンズ３３を介してビームスプリッタに折り返す。この参照光Ｌ_３は、ビームスプリッタ２５及び結像レンズ１５Ａを反射光軸Ａ_３に沿ってこの順に通過することにより、撮像装置１７に結像する。このような構成により、撮像装置１７によって観察光Ｌ_１と参照光Ｌ_３とが同時に撮像可能にされる。また、集光レンズ３３及びミラー３５は、光路長差調整機構３７によって反射光軸Ａ_３に沿って移動可能に支持されており、この光路長差調整機構３７によって観察光Ｌ_１に対する参照光Ｌ_３の光路長差を調整可能にされる。

上記構成の画像取得装置１Ｃによれば、観察光Ｌ_１と参照光Ｌ_３とを合波して得られる干渉画像データを得ることができ、観察面Ｓ_１の広範囲に亘ってスペックルノイズが低減された干渉画像を取得でできるとともに、観察面Ｓ_１での焦点の合った明瞭な干渉画像を取得することができる。なお、このような光路長差生成部は、透過型光学系を有する画像取得装置１に設けられてもよい。

また、上記画像取得装置１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃに備えられ得る光源３は、複数の異なる波長の空間的にコヒーレントな光を含んだ照明光Ｌ_０を出力するように構成されていてもよい。例えば、このような光源３としては、フェムト秒パルスレーザあるいはアト秒パルスレーザ等のモードロックレーザなどのレーザ光源、ＳＬＤ光源、又はＡＳＥ光源等が用いられる。そのような光源３を用いた場合、光源３の前面に波長選択フィルタを配置して単色光の照明光Ｌ_０を生成してサンプルＳに照射してもよいし、複数波長の光を含んだままでサンプルＳに照射してもよい。複数波長の光を含む照明光Ｌ_０がサンプルＳに照射される構成では、画像処理装置１９は、その照明光Ｌ_０の照射に応じて１回の撮像により撮像装置１７から出力された画像データを基に観察データを生成するように構成される。このような構成によっても、波長変化による純粋なスペックルの変化とそれに伴う入射角度の変化が同時におこる。これにより、さらにスペックルノイズが広範囲で低減された像を取得することができる。

１，１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…画像取得装置、３…光源、５…コリメートレンズ、７…レンズ（照射光学系、検出光学系）、９…レンズ移動機構（第１の調整機構）、１１…対物レンズ（検出光学系）、１３…対物レンズ移動機構（第２の調整機構）、１３Ａ…結像レンズ移動機構（第２の調整機構）、１５，１５Ａ…結像レンズ（検出光学系）、１７…撮像装置、１９…画像処理装置（画像処理部）、２５…ビームスプリッタ、２７…集光レンズ（照射光学系）、２９…集光レンズ移動機構（第１の調整機構）、３１…光路長差生成部、３３…集光レンズ、３５…ミラー、３７…光路長差調整機構、Ｌ_０…照明光、Ｌ_１…観察光、Ｌ_３…参照光、Ｓ…サンプル（観察対象物）、Ｓ_１…観察面。

Claims (7)

1. 観察対象物の観察面における画像を取得する画像取得装置であって、
   空間的にコヒーレントな照明光を照射する光源部と、
   前記照明光を平行光に変換するコリメートレンズと、
   第１の焦点を有し、前記平行光に変換された前記照明光を集光する第１の集光レンズを含む第１の光学系と、
   前記第１の光学系の前記第１の焦点の位置を、前記第１の光学系の光軸方向に沿って調整する第１の調整機構と、
   第２の焦点を有し、前記観察対象物の前記観察面からの観察光を集光する第２の集光レンズと前記第２の集光レンズからの前記観察光を結像する結像レンズとを含む第２の光学系と、
   前記第２の光学系の前記第２の焦点の位置を、前記第２の光学系の光軸方向に沿って調整する第２の調整機構と、
   前記結像レンズによって結像された前記観察光を撮像することによって画像データを生成する撮像装置と、
   前記画像データを基に前記観察対象物の前記観察面における観察データを生成する画像処理部とを備え、
   前記第１の調整機構は、前記第１の焦点の位置が前記観察面から外れるように調整するように構成され、
   前記第２の調整機構は、前記第２の焦点の位置が前記観察面に一致するように調整するように構成され、
   前記光源部は、複数の波長の異なる単色光を異なるタイミングで出力するように構成され、
   前記画像処理部は、それぞれの前記単色光に応じて生成された前記画像データを重ね合わせることにより前記観察データを生成するように構成されている、
   画像取得装置。
2. 観察対象物の観察面における画像を取得する画像取得装置であって、
   空間的にコヒーレントな照明光を照射する光源部と、
   前記照明光を平行光に変換するコリメートレンズと、
   第１の焦点を有し、前記平行光に変換された前記照明光を集光する第１の集光レンズを含む第１の光学系と、
   前記第１の光学系の前記第１の焦点の位置を、前記第１の光学系の光軸方向に沿って調整する第１の調整機構と、
   第２の焦点を有し、前記観察対象物の前記観察面からの観察光を集光する第２の集光レンズと前記第２の集光レンズからの前記観察光を結像する結像レンズとを含む第２の光学系と、
   前記第２の光学系の前記第２の焦点の位置を、前記第２の光学系の光軸方向に沿って調整する第２の調整機構と、
   前記結像レンズによって結像された前記観察光を撮像することによって画像データを生成する撮像装置と、
   前記画像データを基に前記観察対象物の前記観察面における観察データを生成する画像処理部とを備え、
   前記第１の調整機構は、前記第１の焦点の位置が前記観察面から外れるように調整するように構成され、
   前記第２の調整機構は、前記第２の焦点の位置が前記観察面に一致するように調整するように構成され、
   前記光源部は、複数の波長の異なる光を含んだ前記照明光を出力するように構成され、
   前記画像処理部は、前記照明光に応じて生成された前記画像データを前記観察データとして生成するように構成されている、
   画像取得装置。
3. 前記第２の光学系は、前記観察光として前記観察対象物を透過した前記照明光を集光可能なように配置されている、
   請求項１又は２に記載の画像取得装置。
4. 前記第２の光学系は、前記観察光として前記観察対象物によって反射された前記照明光を集光可能なように配置されている、
   請求項１又は２に記載の画像取得装置。
5. 前記照明光に光路長差を生じさせて参照光として出力する光路長差生成部をさらに備え、
   前記撮像装置が前記観察光と前記参照光とを同時に撮像可能に構成されている、
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の画像取得装置。
6. 観察対象物の観察面における画像を取得する画像取得方法であって、
   第１の焦点を有する第１の光学系を用いて、空間的にコヒーレントな平行光である照明光であって複数の波長の異なる単色光を、異なるタイミングで、前記第１の焦点の位置に集光するとともに、前記観察対象物に照射し、
   前記第１の光学系の前記第１の焦点の位置を、前記第１の光学系の光軸方向に沿って前記観察面から外れるように調整し、
   第２の焦点を有する第２の光学系を用いて、前記観察対象物の前記観察面からの観察光を集光し、
   前記第２の光学系の前記第２の焦点の位置を、前記第２の光学系の光軸方向に沿って前記観察面に一致するように調整し、
   撮像装置を用いて、前記第２の光学系によって集光された前記観察光を撮像することによって画像データを生成し、
   それぞれの前記単色光に応じて生成された前記画像データを重ね合わせることにより前記観察対象物の前記観察面における観察データを生成する、
   画像取得方法。
7. 観察対象物の観察面における画像を取得する画像取得方法であって、
   第１の焦点を有する第１の光学系を用いて、空間的にコヒーレントな平行光である複数の波長の異なる光を含んだ照明光を、前記第１の焦点の位置に集光するとともに、前記観察対象物に照射し、
   前記第１の光学系の前記第１の焦点の位置を、前記第１の光学系の光軸方向に沿って前記観察面から外れるように調整し、
   第２の焦点を有する第２の光学系を用いて、前記観察対象物の前記観察面からの観察光を集光し、
   前記第２の光学系の前記第２の焦点の位置を、前記第２の光学系の光軸方向に沿って前記観察面に一致するように調整し、
   撮像装置を用いて、前記第２の光学系によって集光された前記観察光を撮像することによって画像データを生成し、
   複数の波長の異なる光を含んだ前記照明光に応じて生成された前記画像データを前記観察対象物の前記観察面における観察データとして生成する、
   画像取得方法。