JP6616788B2 - 干渉観察装置 - Google Patents

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Description

本発明は、干渉観察装置に関するものである。
観察対象物の干渉画像を取得する干渉観察装置は、マイケルソン（Michelson）干渉計またはマッハツェンダ（Mach-Zehnder）干渉計の光学系を用いて、観察対象物で反射または透過した光と参照光とを干渉させることで、観察対象物の干渉画像を取得することができる。非特許文献１に記載された干渉観察装置は、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いるものであって、光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、第１分岐光を観察対象物で透過させ、第１分岐光と第２分岐光とを合波して、その合波により生じる干渉光の画像を取得する。
Pinhas Girshovitz, et al, "Generalized cell morphological parameters based on interferometric phase microscopy and their application to cell life cycle characterization," BIOMEDICAL OPTICS EXPRESS, Vol.3, No.8, pp.1757-1773 (2012). A. A. Freschi, et al, "Adjustable phase control in stabilized interferometry," OPTICS LETTERS, Vol.20, No.6, pp.635-637 (1995). Toyohiko Yamauchi, et al, "Low-coherent quantitative phase microscope for nanometer-scale measurement of living cells morphology," OPTICS EXPRESS, Vol.16, No.16, pp.12227-12238 (2008). Hidenao Iwai, et al, "Quantitative phase imaging using actively stabilized phase-shifting low-coherence interferometry," OPTICS LETTERS, Vol.29, No.20, pp.3299-2401 (2004). Ichirou Yamaguchi, et al, "Active phase-shifting interferometers for shape and deformation measurements," Opt. Eng., Vol.35, No.10, pp.2930-2937 (1996).
非特許文献１に記載された干渉観察装置は、第１分岐光または第２分岐光を本来の光路から側方へ一旦出して、各々の反射面が互いに直交する２個のミラーで順に反射させた後に元の光路に戻す構成を有する。そして、この干渉観察装置は、２個のミラーを移動させることで、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を変化させることができる。このような構成を有する干渉観察装置は、光学系の開口を大きくして空間分解能が高い画像を取得しようとすると、大型とならざるを得ない。
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、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いて光路長差を調整する機能を有し空間分解能が高い画像の取得が可能で小型化が容易な干渉観察装置を提供することを目的とする。
本発明の一実施形態による干渉観察装置は、(1) インコヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光を出力する分岐用ビームスプリッタと、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波用ビームスプリッタとを含み、マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系と、を備える。この干渉観察装置において、干渉光学系は、第２分岐光の光路上に第２ビームスプリッタおよび第２ミラーを含み、分岐用ビームスプリッタから第２ビームスプリッタに到達した第２分岐光を第２ビームスプリッタで透過または反射させた後に第２ミラーにより反射させ、第２ミラーにより反射されて第２ビームスプリッタに到達した第２分岐光を第２ビームスプリッタで反射または透過させて、分岐用ビームスプリッタから第２ビームスプリッタへの第２分岐光の入力方向と異なる方向へ第２ビームスプリッタから第２分岐光を出力する。第２ミラーの反射面に垂直な方向に第２ミラーが移動自在である。また、干渉光学系は、第１分岐光の光路上に第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射の回数の和が偶数となる光学素子を含む。
本発明によれば、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いて光路長差を調整することができ、空間分解能が高い画像の取得が可能で、装置の小型化が容易である。
図１は、第１実施形態の干渉観察装置１Ａの構成を示す図である。 図２は、本実施形態における光路長調整機構と比較例の光路長調整機構とを対比して説明する図である。 図３は、第２実施形態の干渉観察装置１Ｂの構成を示す図である。 図４は、第３実施形態の干渉観察装置１Ｃの構成を示す図である。 図５は、第４実施形態の干渉観察装置１Ｄの構成を示す図である。 図６は、第５実施形態の干渉観察装置１Ｅの構成を示す図である。 図７は、干渉画像を示す図である。 図８は、干渉画像を示す図である。 図９は、位相画像を示す図である。 図１０は、第１実施形態の変形例の干渉観察装置１Ａａの構成を示す図である。 図１１は、第１実施形態の変形例の干渉観察装置１Ａｂの構成を示す図である。 図１２は、第１実施形態の変形例の干渉観察装置１Ａｃ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。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の干渉観察装置１Ａの構成を示す図である。干渉観察装置１Ａは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、ビームスプリッタ３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および制御部７２を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ａは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
この干渉観察装置１Ａは、観察対象物９０の透過光に基づいて干渉画像を取得する。観察対象物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い。例えば、観察対象物として、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、およびこれらの細胞のうち少なくとも１つの細胞をもとに作られた細胞塊（スフェロイド）などが挙げられる。また、観察対象物として、生体に限らず、透過型の構成で計測可能な工業サンプル、たとえばガラス内部、半導体素子の内部、樹脂素材、液晶、高分子化合物、光学素子なども挙げられる。
光源１０は、インコヒーレントな光を出力する。光源１０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。レンズ１１，１２は、光源１０から出力された光を観察対象物９０に集光する。
分岐用ビームスプリッタ２１は、光源１０と光学的に結合され、光源１０から出力されてレンズ１１，１２を経た光を入力し、その光を２分岐して第１分岐光および第２分岐光とする。分岐用ビームスプリッタ２１は例えばハーフミラーであってもよい。分岐用ビームスプリッタ２１は、第１分岐光を測定側光学系のビームスプリッタ３１へ出力し、第２分岐光を参照側光学系のビームスプリッタ４１へ出力する。
測定側光学系には、ビームスプリッタ３１およびミラー３２が設けられている。ビームスプリッタ３１は、分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第１分岐光を入力してミラー３２へ反射させ、また、ミラー３２で反射された第１分岐光を入力して合波用ビームスプリッタ２２へ透過させる。ビームスプリッタ３１は例えばハーフミラーであってもよい。
参照側光学系には、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３およびステージ４４が設けられている。ビームスプリッタ４１は、分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第２分岐光を入力してミラー４２へ反射させ、また、ミラー４２で反射された第２分岐光を入力して合波用ビームスプリッタ２２へ透過させる。ビームスプリッタ４１は例えばハーフミラーであってもよい。
ピエゾ素子４３は、ミラー４２の反射面に垂直な方向に該ミラー４２を移動させることができる。ステージ４４は、ミラー４２の反射面に垂直な方向に該ミラー４２およびピエゾ素子４３を移動させることができる。ピエゾ素子４３およびステージ４４は、参照側光学系の光路長を調整することができ、第１分岐光と第２分岐光との光路長差を調整することができる。ステージ４４は光路長差を粗調整することができ、ピエゾ素子４３は光路長差を微調整することができる。
合波用ビームスプリッタ２２は、ビームスプリッタ３１から出力され観察対象物９０およびレンズ５１を経た第１分岐光を入力するとともに、ビームスプリッタ４１から出力されレンズ５２を経た第２分岐光を入力して、これら第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する。合波用ビームスプリッタ２２は例えばハーフミラーであってもよい。
チューブレンズ５３は、合波用ビームスプリッタ２２から出力された合波光を撮像部６１へ導き、その合波光を撮像部６１の撮像面上に結像させる。撮像部６１は、その合波光を受光して検出信号を出力するものであり、特に撮像面上の合波光の強度分布を表す検出信号を出力する。撮像部６１は、例えばＣＣＤエリアイメージセンサやＣＭＯＳエリアイメージセンサなどのイメージセンサである。
画像取得部７１は、撮像部６１から出力された検出信号を入力し、その検出信号に基づいて観察対象物９０の干渉画像を取得する。画像取得部７１は、ＦＰＧＡ（field-programmable gate array）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）などの画像処理プロセッサを含んで構成され、或いは、パーソナルコンピュータやタブレット端末などのコンピュータであってもよい。また、画像取得部７１は、干渉画像等を表示する表示部を備えていてもよい。
制御部（コントローラ）７２は、ピエゾ素子４３およびステージ４４の双方または何れか一方を駆動することでミラー４２を移動させて、参照側光学系の光路長を調整する。これにより、制御部７２は、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を調整することができる。
なお、画像取得部７１および制御部７２は、プロセッサ及びメモリ等を含むコンピュータである。また、画像取得部７１および制御部７２は、個別のコンピュータであってもよいし、１つのコンピュータであってもよい。コンピュータは、例えば、パーソナルコンピュータやタブレット端末などのスマートデバイスであってもよい。また、画像取得部７１または制御部７２は、利用者からの入力を受け付ける入力部（キーボード、マウス、タブレット端末等）や、干渉強度等を表示する表示部（ディスプレイ、タブレット端末、スピーカー、バイブレータ）を備えていてもよい。なお、表示部がディスプレイやタブレット端末などのように、画面表示できる装置であれば、干渉強度と合わせて干渉画像などを表示してもよい。
干渉観察装置１Ａを用いて以下のようにして観察対象物９０の干渉画像を取得することができる。光源１０から出力されたインコヒーレントな光は、レンズ１１，１２を経て、分岐用ビームスプリッタ２１により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされる。分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第１分岐光は、ビームスプリッタ３１を透過して、ミラー３２で反射される。ミラー３２で反射された第１分岐光は、ビームスプリッタ３１で反射されて、観察対象物９０に集光され、観察対象物９０を透過する。観察対象物９０を透過した第１分岐光は、レンズ５１を経て合波用ビームスプリッタ２２に入力される。この第１分岐光は、観察対象物９０における透過の際に光学的な遅れを有する。分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第２分岐光は、ビームスプリッタ４１で反射されて、ミラー４２で反射される。ミラー４２で反射された第２分岐光は、ビームスプリッタ４１を透過して、レンズ５２を経て合波用ビームスプリッタ２２に入力される。
レンズ５１から合波用ビームスプリッタ２２に入力された第１分岐光、および、レンズ５２から合波用ビームスプリッタ２２に入力された第２分岐光は、合波用ビームスプリッタ２２により合波される。その合波光は、チューブレンズ５３を経て、撮像部６１により受光される。画像取得部７１により、合波光を受光した撮像部６１から出力される検出信号に基づいて、干渉画像が取得される。また、制御部７２により駆動されたピエゾ素子４３またはステージ４４によりミラー４２の位置が制御されることにより、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が調整され、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差が調整される。
特に、本実施形態では、干渉光学系２０Ａの第１分岐光の光路上にビームスプリッタ３１およびミラー３２が設けられている。分岐用ビームスプリッタ２１からビームスプリッタ３１に到達した第１分岐光は、ビームスプリッタ３１を透過した後にミラー３２により反射される。ミラー３２により反射された第１分岐光は、ビームスプリッタ３１で反射され、分岐用ビームスプリッタ２１からビームスプリッタ３１への第１分岐光の入力方向と異なる方向へビームスプリッタ３１から出力される。
また、干渉光学系２０Ａの第２分岐光の光路上にビームスプリッタ４１およびミラー４２が設けられている。分岐用ビームスプリッタ２１からビームスプリッタ４１に到達した第２分岐光は、ビームスプリッタ４１で反射された後にミラー４２により反射される。ミラー４２により反射された第２分岐光は、ビームスプリッタ４１を透過し、分岐用ビームスプリッタ２１からビームスプリッタ４１への第２分岐光の入力方向と異なる方向へビームスプリッタ４１から出力される。
制御部７２により駆動されたピエゾ素子４３およびステージ４４の双方または何れか一方により、ミラー４２は反射面に垂直な方向に移動する。このミラー４２の移動により、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が調整される。
なお、ミラー３２の反射面に垂直な方向に該ミラー３２を移動させることができるピエゾ素子が設けられてもよい。また、ミラー３２の反射面に垂直な方向に該ミラー３２およびピエゾ素子を移動させることができるステージが設けられてもよい。
干渉光学系２０Ａにおいて、第１分岐光は、ビームスプリッタ３１およびミラー３２それぞれにより反射されて、２回の像反転を受ける。また、第２分岐光は、ビームスプリッタ４１およびミラー４２それぞれにより反射されて、同様に２回の像反転を受ける。その結果、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向は互いに一致する。ビームスプリッタ３１およびミラー３２またはビームスプリッタ４１およびミラー４２は、第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射の回数の和を偶数とする光学素子である。
一般に、第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射による像反転の回数の和が偶数であれば、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向は互いに一致する。合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向が互いに一致していれば、第１分岐光と第２分岐光とは撮像部６１の撮像面の広い範囲において効率よく干渉することができる。
光源１０として時間的にインコヒーレントな光源を用いた場合、合波用ビームスプリッタ２２により第１分岐光と第２分岐光とが合波されてなる合波光の干渉縞が撮像部６１の撮像面において観察されるためには、干渉光学系２０Ａにおける第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差が光のコヒーレンス長以下であることが必要である。第１分岐光は、レンズ５１の前焦点面付近に配置された観察対象物９０を透過するので、その透過により光学的な遅れを伴う。観察対象物９０は例えば培養液中の細胞である。培養液は、観察対象物である細胞によって成分が異なり、成分が異なる故に屈折率も異なる。また、サンプルチャンバの厚みも製造誤差等の影響により一定とは限らない。一方、第２分岐光は、ミラー４２の位置に応じて光路長が調整され得る。本実施形態では、観察対象物毎に制御部７２によりミラー４２の位置を適切に調整することで、第１分岐光と第２分岐光との間の光路長差を光のコヒーレンス長以下とすることができ、観察対象物の干渉画像を取得することができる。
また、本実施形態では、光源１０として空間的にインコヒーレントな拡散光を出力する光源（ハロゲンランプやＬＥＤ等）を用いることができる。すなわち、干渉観察装置１Ａでは、光源１０からレンズ５１，５２に到る迄の全ての光学素子は、光源１０出力時のビーム径と比べて十分に大きな開口（例えば１０ｍｍ以上）を有することができるから、空間的にインコヒーレントな光を用いたインコヒーレント照明（つまり、高ＮＡの照明）が可能である。光源１０と分岐用ビームスプリッタ２１との間に設けられた２つのレンズ１１，１２により、レンズ５１，５２の前焦点面付近に光源１０の出力光を集光させることができ、それにより光源１０の出力光を高効率に利用することができ、かつ、高ＮＡの照明を実現することができる。
図２は、本実施形態における光路長調整機構と比較例の光路長調整機構とを対比して説明する図である。図２（ｂ）に示される比較例の光路長調整機構では、光はミラー１４１〜１４５により順次に反射され、ステージ１４６によりミラー１４２，１４３の位置が調整されることで光路長が調整される。この比較例の光路長調整機構では、大きな開口を実現しようとする場合、多くの光学素子が必要であり、大きなサイズの光学系が必要である。それ故、比較例の光路長調整機構では、分岐用ビームスプリッタから合波用ビームスプリッタに到るまでの光路長が長くなるので、照明系のＮＡを高くすることができないという問題や、振動などの外乱に対して光学系が脆弱になるという問題が発生する。
これに対して、図２（ａ）に示される本実施形態における光路長調整機構では、必要な光学素子の個数が少なく、光学系のサイズを小さくすることができる。それ故、本実施形態における光路長調整機構では、分岐用ビームスプリッタから合波用ビームスプリッタに到るまでの光路長を短くすることができるので、照明系のＮＡを高くすることができ、振動などの外乱に対する光学系の脆弱性の問題を抑制することができる。
第１実施形態の変形として、図１０〜図１２に示される干渉観察装置１Ａａ，１Ａｂ，１Ａｃの構成を考えることができる。
干渉観察装置１Ｂの構成においては、サンプル９０を別のサンプルに変更した際に、サンプルの厚み又は屈折率が変化して、ステージ４４を長い距離にわたって移動させる必要が生じ得る。たとえば厚さ１７０μｍのカバーガラスをサンプルとした場合、ガラスの屈折率を１.５として計算すると、サンプルが無い場合と比べて、サンプルがある場合に生じる光路長の増分は８５μｍ（＝１７０×（１.５−１））である。一方、底面厚さ１ｍｍのプラスチックディッシュ上に深さ３ｍｍの水が満たされているようなサンプルの場合、プラスチックの屈折率を１.７とし、水の屈折率を１.３３とすると、サンプルが無い場合と比べて、サンプルがある場合に生じる光路長の増分は１６９０μｍ（＝１０００×（１.７−１）＋３０００×（１.３３−１））となる。したがって、前述のカバーガラスがサンプルであった状態から、前述のプラスチックディッシュ上に水が満たされている物体がサンプルである状態に変更した場合、１６０５μｍ分の光路長差が余分に生じることとなる。この光路長差を補償し、サンプルの変更前と同じ次数で干渉度が極大となる光路長差を得るためには、ステージ４４を光路長が長くなる方向に８０２.５μｍ動かさなくてはならない。このような１ｍｍ近いステージの移動は、例えば手動ステージを利用した場合には操作性の低下を招き、あるいは自動ステージを利用する場合は重量の大きなステッピングモータステージを必須としてしまう。
そこで、ステージ４４の移動量を小さくするための手法として、第１実施形態の変形例として、図１０に示される干渉観察装置１Ａａの構成を考えることができる。図１０は、第１実施形態の変形例の干渉観察装置１Ａａの構成を示す図である。この干渉観察装置１Ａａは、干渉観察装置１Ａの構成に加えて、参照側光学系上に光路長・分散補償板９１を備える。
光路長・分散補償板９１は、使用者が用いるサンプルのバリエーションに合わせて、用いるサンプルと概して同じ材質を用いて、ほぼ同じ光路長になるように作成されたものであり、光を透過する板である。たとえば、使用者が、厚さ１７０μｍのカバーガラス、厚さ１ｍｍのスライドガラス、底面厚さ１ｍｍのプラスチックディッシュ上に深さ３ｍｍの水が満たされているような容器、の三種類の保持体の上に被検体が塗布あるいは培養されたサンプルを用いる場合、光路長がそれぞれの保持体と等しい光を透過する板として、光路長・分散補償板Ａ（カバーガラス用）、光路長・分散補償板Ｂ（スライドガラス用）および光路長・分散補償板Ｃ（プラスチックディッシュ上に水が満たされた容器用）を予め用意することができる。
このような光路長・分散補償板Ａ〜Ｃを予め用意しておき、例えば厚さ１７０μｍのカバーガラスが保持体である場合は光路長・分散補償板Ａを、厚さ１ｍｍのスライドガラスが保持体である場合は光路長・分散補償板Ｂを、底面厚さ１ｍｍのプラスチックディッシュ上に深さ３ｍｍの水が満たされているような保持体の場合は光路長・分散補償板Ｃを、それぞれ参照光路内の任意の位置に挿入することで、サンプルを変更した後も変更前と同様に干渉度が極大となる光路長差を変更前と同じ次数で得ることができる。
ただし、ほぼ同質のサンプル、例えば市販の公称厚さ１７０μｍのカバーガラスを用いた場合でも、製造誤差や温度等の条件による材料の屈折率差により、光路長・分散補償板９１の挿入だけで干渉度が極大となる光路長差を実現できるとは限らない。たとえば公称厚さ１７０μｍのカバーガラスには±１０μｍの製造誤差があり得る。また、プラスチックディッシュ上に水あるいは培養液を満たした保持体の場合、実際にはディッシュ底面上に細胞等の被測定物体を培養した状態で観察することになるため、細胞の厚みや培養液の組成によって光路長の値は変化する。そのため、光路長・分散補償板９１を用いた場合でも、ステージ４４あるいはそれに類する機械的な光路長差調整機構が不要となるわけではない。
光路長・分散補償板９１を用い、ステージ４４として手動のステージを用いた場合、好適には差動マイクロメーターを用いたステージを用いることができる。差動マイクロメーターとは、粗動（長距離を移動できるが分解能が低い）と微動（短距離しか移動できないが分解能が高い）の２つの調整機構が一体となったマイクロメーターである。工場出荷時においては、サンプルなしの状態にて粗動ステージにより光路長差をおおよそゼロとし、粗動ステージを固定する。使用者が観察する際には、被観察サンプルの光路長に対応する光路長・分散補償板９１を挿入することで、光路長差をおおよそゼロとした後、微動ステージのみを用いて光路長差を厳密にゼロとすることで、インコヒーレント光の干渉を得ることができる。本実施形態においては、使用者は微動ステージのみを操作すればよいので、粗動ステージを用いた場合と比べて調整範囲が狭く、光路長差ゼロ地点を見落とすおそれが少ない。
光路長・分散補償板９１を用い、ステージ４４として自動のステージを用いた場合、好適にはピエゾ素子を用いたステージを用いることができる。ピエゾ素子は、長いものでは１００μｍ程度の伸長距離を持つ。工場出荷時においては、サンプルなしの状態にて光路長差がおおよそゼロとなるよう設計し製造する。使用者が観察する際には、被観察サンプルの光路長に対応する光路長・分散補償板９１を挿入して光路長差をおおよそゼロとした後、ピエゾ素子を用いたステージ４４を用いて光路長差を厳密にゼロとすることで、インコヒーレント光の干渉を得ることができる。また，本実施形態の場合は、ピエゾ素子４３を不要とし、ピエゾ素子を用いたステージ４４のみによって本発明の機能を実現することも可能である。
なお、本実施例の説明において、光路長差補正用の板のことを「光路長・分散補償板」と呼称しているのは、本光学板を挿入することにより、光路長のみならず種々のサンプルにおいて生じる分散の影響も補償できるからである。二光束干渉計においては、物体光路と参照光路の光路長だけでなく、分散（＝光路長の波長依存性）も等しくすることで、干渉縞の鮮明度（visibility）を最も高くすることができる。サンプルの種類にあわせて光路長・分散補償板９１を用いることの副次的な効果として、干渉縞の鮮明度（visibility）が高い状態でイメージングが行えるということが挙げられる。
なお、光路長・分散補償板９１は参照光路内の任意の位置に挿入することによってその効果を発揮しえるが、好ましくは参照側レンズ５２の光源側焦点付近に挿入することで、参照光と物体光の間の波面収差を低減することができる。また、更に好ましくは、光路長・分散補償板９１の挿入位置は、参照側光学系のレンズ５２の光源側焦点付近でありながらも、厳密な焦点位置よりも数ｍｍ（レンズ５２の焦点深度の数倍程度）、光源側もしくは撮像部側にずらして挿入することで、光路長・分散補償板９１の表面のゴミなどが撮像部６１の撮像面に映りこむことを避けることができる。また、光路長・分散補償板９１を光路長調整用の折り返し部分（ビームスプリッタ４１とミラー４２との間）に挿入する場合は、参照光が光路長・分散補償板９１を二回透過するので，被観察サンプルの光学的厚さの半分の光学的厚さとなるよう製造した光路長・分散補償板９１を用いるのが望ましい。
光路長・分散補償板９１を用いる構成は、第１実施形態の変形としてのみならず、後述する第２〜第５の実施形態の変形としても実施し得る。
また、第１実施形態の変形として、図１１に示される干渉観察装置１Ａｂの構成のように、被測定サンプルの波長分散をイメージングする構成を考えることができる。本実施形態においては、光源としてインコヒーレントな波長可変光源１０ｂ、たとえば浜松ホトニクス社製の型番Ｌ１２１９４の光源装置を用いる。本実施形態においては、測定に使用する全帯域を概して含む広帯域な白色光を用いて、最初に光路長差がゼロとなるようにステージ４４を調整し、その後に光源を波長可変光源１０ｂに変えてイメージングを行う。測定においては、光源１０ｂの波長を複数回変化させて、被測定サンプルの位相画像（＝光学的厚さ分布）を得る。このような計測を行うことで、被測定サンプルの波長分散を得ることができる。
波長分散のないサンプルの場合、サンプルの厚さをＬとし、サンプルの比屈折率をΔｎとすると、サンプルの光学的厚さＯＴは、ＯＴ＝Ｌ×Δｎであり、波長によらず一定である。サンプルにおいて観察された位相差をΔφとすると、光学的厚さＯＴは、ＯＴ＝λ×Δφ／（２π）として容易に計算できる。一方、波長分散のあるサンプルでは、サンプルの比屈折率が波長の関数であるので、サンプルの光学的厚さＯＴは、ＯＴ＝Ｌ×Δｎ（λ）となり、波長依存性を持つ。
光源１０ｂの出力光の中心波長をλ１，λ２，λ３…λＮと変化させて定量位相画像を取得することで、サンプルを透過した光の位相差画像Δφ１，Δφ２，Δφ３…ΔφＮを順次得ることができる。これらから、各波長における光学的厚さＯＴ１，ＯＴ２…ＯＴＮについても、ＯＴn＝λn×Δφn／（２π）として計算することができる。ここで、屈折率差の波長依存性として，Δｎratio（λｎ）＝ＯＴｎ／ＯＴ１を導入すると、Δｎratio（λｎ）＝Δｎ（λｎ）／Δｎ（λ１）であることから、この値はサンプルの厚さＬによらないサンプルの材質固有の値となることが分かる。
種々の物質について屈折率の波長依存性が知られているので、上記手法によって求めた屈折率差の波長依存性をもとにして、被観察サンプルの材質を同定することができる。あるいは屈折率の波長依存性が未知であるような新規材質について、上記手法によって求めた屈折率差の波長依存性をもとにして、その材質の屈折率の波長依存性を求めることができる。
更に、図１２に示される干渉観察装置１Ａｃの構成を考えてもよい。この干渉観察装置１Ａｃの構成においては、光源に多波長光源を用いる代わりに、撮像部６１ｃをカラータイプのものとし、光源には広帯域なインコヒーレント白色光源１０ｃを用いる。広帯域なインコヒーレント白色光源１０ｃとは、好適にはハロゲンランプや白色ＬＥＤである。カラータイプの撮像部６１ｃとは、好適にはカラーフィルタを撮像面に貼り付けたカラーＣＣＤカメラあるいはカラーＣＭＯＳカメラ、または、切り替え可能なカラーフィルタをＣＣＤカメラ前面に用いたマルチスペクトラルカメラである。この構成においても、カメラの感度波長λ１，λ２，λ３…λＮそれぞれにおける定量位相画像を取得することで、前述の屈折率差の波長依存性を求めることができる。それにより、被観察サンプルの材質を同定することができ、あるいは屈折率の波長依存性が未知であるような新規材質についてその材質の屈折率の波長依存性を求めることができる。
被測定サンプルの波長分散をイメージングする構成は、第１実施形態の変形としてのみならず、後述する第２〜第５の実施形態の変形としても実施し得る。
（第２実施形態）
図３は、第２実施形態の干渉観察装置１Ｂの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｂは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、ビームスプリッタ３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、ステージ４５、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、ミラー５４、ビームスプリッタ５５、撮像部（受光部）６１、光検出器（受光部）６２、画像取得部７１および制御部７２を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｂは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
図１に示された第１実施形態の干渉観察装置１Ａの構成と比較すると、図３に示される第２実施形態の干渉観察装置１Ｂは、ステージ４５、ミラー５４、ビームスプリッタ５５および光検出器（受光部）６２を更に備える点で相違する。
ステージ４５は、ビームスプリッタ４１と合波用ビームスプリッタ２２との間の第２分岐光の光路上に設けられたレンズ５２の光軸方向にレンズ５２を移動させる。
チューブレンズ５３は、合波用ビームスプリッタ２２から出力されミラー５４で反射された合波光を、ビームスプリッタ５５を経て撮像部６１の撮像面に結像させる。ビームスプリッタ５５は、合波用ビームスプリッタ２２から出力されチューブレンズ５３を経て到達した光を分岐する分岐部であり、一方の分岐光（第１検出光）を撮像部６１へ出力し、他方の分岐光（第２検出光）を光検出器６２へ出力する。
合波光を受光して検出信号を出力する受光部は、撮像部６１および光検出器６２を含む。撮像部６１は、ビームスプリッタ５５から到達した第１検出光を受光して当該受光信号（第１検出信号）を出力する。撮像部６１は、例えば、ＣＣＤエリアイメージセンサやＣＭＯＳエリアイメージセンサなどのイメージセンサである。光検出器６２は、ビームスプリッタ５５から到達した第２検出光を受光して当該受光信号（第２検出信号）を出力する。光検出器６２は、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、光電子増倍管、ラインセンサ（リニアセンサ）、ＣＣＤエリアイメージセンサ、ＣＭＯＳエリアイメージセンサなどである。画像取得部７１は、撮像部６１から出力された第１検出信号に基づいて干渉画像を取得する。制御部７２は、光検出器６２から出力された第２検出信号に基づいて制御を行う。
干渉観察装置１Ｂを用いて以下のようにして観察対象物９０の干渉画像を取得することができる。光源１０から出力されたインコヒーレントな光は、レンズ１１，１２を経て、分岐用ビームスプリッタ２１により２分岐されて第１分岐光および第２分岐光とされる。分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第１分岐光は、ビームスプリッタ３１を透過して、ミラー３２で反射される。ミラー３２で反射された第１分岐光は、ビームスプリッタ３１で反射されて、観察対象物９０に集光され、観察対象物９０を透過する。観察対象物９０を透過した第１分岐光は、レンズ５１を経て合波用ビームスプリッタ２２に入力される。この第１分岐光は、観察対象物９０における透過の際に光学的な遅れを有する。分岐用ビームスプリッタ２１から出力された第２分岐光は、ビームスプリッタ４１で反射されて、ミラー４２で反射される。ミラー４２で反射された第２分岐光は、ビームスプリッタ４１を透過して、レンズ５２を経て合波用ビームスプリッタ２２に入力される。
レンズ５１から合波用ビームスプリッタ２２に入力された第１分岐光、および、レンズ５２から合波用ビームスプリッタ２２に入力された第２分岐光は、合波用ビームスプリッタ２２により合波される。その合波光は、ミラー５４およびチューブレンズ５３を経て、ビームスプリッタ５５により２分岐されて、撮像部６１により受光されるとともに、光検出器６２により受光される。画像取得部７１により、合波光を受光した撮像部６１から出力される第１検出信号に基づいて、干渉画像が取得される。また、制御部７２により、合波光を受光した光検出器６２から出力される第２検出信号に基づいて、光路長差調整機構（ピエゾ素子４３、ステージ４４）による光路長差調整動作が制御される。
本実施形態では、光学系において外乱により生じる位相差のブレを検知し、制御部７２によるミラー４２の位置の制御により位相ロックおよび位相シフトを行って、観察対象物９０の干渉画像や位相画像を取得する。なお、合波時の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差を維持する技術を「位相ロック」といい、また、該フィードバック制御により位相ロックにより維持される該光路長差の値を変更する技術を「位相シフト」という。また、ここで言う外乱には、光学系の機械的振動によるものだけでなく、観察対象物９０が液体中の細胞であった場合に液面と空気との境界が振動することによる光路長のブレも含まれる。制御部７２による制御について以下に詳細に説明する。
本実施形態では、光源１０が出力するインコヒーレントな光を用いて干渉画像を取得することから、光路長差を制御して位相ロックおよび位相シフトを行なうことが必要である。何故なら、インコヒーレント光すなわち白色光の場合、光路長差がコヒーレンス長ΔＬＣ以下である場合に干渉が得られるからである。インコヒーレント光の中心波長をλ０とし、インコヒーレント光のスペクトル幅をΔλとすると、コヒーレンス長ΔＬＣは下記（１）式で表される。ＬＥＤの場合、コヒーレンス長ΔＬＣは１０μｍ程度である。ハロゲンランプの場合、コヒーレンス長ΔＬＣは１μｍ程度である。
位相ロックとしては、非特許文献２，３，４に記載された技術（以下「第１位相ロック技術」という。）を用いることができる。これらの非特許文献に記載された位相ロック技術は、光源１０の出力光の波長に比べて十分小さい振幅でミラー４２を正弦波的に高速に振動させ、そのときに光検出器６２から出力される検出信号をミラー４２の振動周波数の１倍波および２倍波で同期検波することで、干渉光の位相を得るというものである。制御部７２は、この得られた位相値を目標値に近づけるべくフィードバック制御することで、位相差をロックすることが可能となる。
制御部７２は、光検出器６２からのアナログ信号である検出信号を入力し、ピエゾ素子４３またはステージ４４を駆動制御するためのアナログ信号を出力する。制御部７２は、内部でアナログ処理をしてもよいしデジタル処理をしてもよい。後者の場合、例えば、制御部７２は、入力した検出信号をＡＤ変換してデジタル信号とし、そのデジタル信号を処理し、その処理により得られたデジタル信号をＤＡ変換してアナログ信号とし、そのアナログ信号を出力してもよい。デジタル信号の処理には、マイクロプロセッサやＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）が用いられてもよい。
合波の際の第１分岐光と第２分岐光との間の位相差がΔφであるとき、光検出器６２が受光する光の強度Ｖは下記（２）式で表される。受光強度Ｖは、何れも未知数であるオフセット成分ＤＣおよび振幅ＡＣを含む。それ故、何等かの処理により、ＤＣおよびＡＣを含まない形で位相差Δφを抽出する必要がある。
光源１０の出力光の波長に比べて十分小さい振幅でピエゾ素子４３によりミラー４２を正弦波的に高速に振動させると、光検出器６２が受光する光の強度Ｖは下記（３）式で表される。αは、ミラー４２の振動の振幅に応じて決まる変調度である。ωは、振動の角周波数である。ｔは時間変数である。
この（３）式の右辺をフーリエ級数展開すると、近似式として下記（４）式が得られる。Ｊ１およびＪ２は第一種ベッセル関数である。（４ａ）式の右辺の第２項は振幅Ａωｔおよび角周波数ωで振動する。また、（４ａ）式の右辺の第３項は振幅Ａ２ωｔおよび角周波数２ωで振動する。したがって、光検出器６２から出力される検出信号を角周波数ωで同期検波することで振幅Ａωｔを得ることができ、検出信号を角周波数２ωで同期検波することで振幅Ａ２ωｔを得ることができる。
振幅Ａωｔと振幅Ａ２ωｔとの比は下記（５）式で表される。また、ＡＣは合波光の干渉強度を表しており、その干渉強度ＡＣは下記（６）式で表される。ミラー４２の振動の振幅が一定であるので、その振幅に基づいてＪ１(α)およびＪ２(α)を求めることができる。（５）式に基づいて光路長差に応じた位相差Δφを求めることができ、（６）式に基づいて干渉強度ＡＣをも求めることができる。制御部７２は、以上のような処理を行なう為に、同期検波回路，加算回路および乗除算回路を含む。
非特許文献５に記載された "spatial filtering detector" を用いた位相ロック技術（以下「第２位相ロック技術」という。）も採用可能である。この技術では、光検出器６２に替えて、１次元方向に複数の画素が配列されたラインセンサまたは１次元方向に配列された複数の光検出器を用いる。以下では、等間隔に配列された４個の光検出器を用いる場合について説明する。測定側光学系および参照側光学系の双方または何れか一方に傾きを与えることで干渉縞が現れるようにし、この状態において４個の光検出器の受光強度Ｖ1〜Ｖ4が下記（７）式となるように干渉縞の傾きを調整する。
測定側光学系および参照側光学系の双方または何れか一方に傾きを与えるために、例えば、ミラー３２またはミラー４２を傾斜させてもよいし、何れかのレンズを傾けてもよいし、また、所定方向に沿って厚みが異なる楔形状のプリズムを光路上に挿入してもよい。
この受光強度Ｖ1〜Ｖ4から下記（８）式によりＡ1，Ａ2が求められ、下記（９）式によりＡ1とＡ2との比が求められる。また、干渉強度ＡＣは下記（１０）式で表される。これらの式から、光路長差に応じた位相差Δφを求めることができ、干渉強度ＡＣをも求めることができる。制御部７２は、以上のような処理を単純な電気回路系で実現できることができる。
制御部７２は、このようにして光路長差に応じた位相差を求めるとともに干渉強度を求め、光路長差調整部（ピエゾ素子４３、ステージ４４）による光路長差調整動作を制御して、求めた干渉強度に基づいて光路長差を小さくするとともに、求めた位相差に基づいて光路長差を一定に維持する。なお、光路長差の調整に際して、ピエゾ素子４３およびステージ４４の何れを制御してもよいが、ステージ４４の制御により光路長差を粗調整することができ、ピエゾ素子４３の制御により光路長差を微調整することができる。
求めた干渉強度に基づいて光路長差を小さくする際に、自動的にステージ４４を移動させてもよい。また、利用者に干渉強度を通知して、利用者の操作によりステージ４４を移動させてもよい。例えば、画像取得部７１もしくは制御部７２の表示部、または、これらとは別に設けた表示部に、干渉強度を表示させて、干渉強度を利用者に知らせる。表示部は、ディスプレイ、ＬＥＤバー、アナログパネルメーター、デジタルパネルメーターなどの視覚的なものであってもよいし、干渉強度に応じた大きさの音を出力するブザーやスピーカーなどの聴覚的なものであってもよいし、また、干渉強度に応じた大きさの振動を利用者に与えるバイブレータなどの触覚的なものであってもよい。利用者は、表示部に表示された干渉強度が大きくなるようにステージ４４を移動させる。
干渉強度を大きくする際に、光路長差を最小化することがもっとも重要である。ただし、試料側光学系（第１分岐光の光学系）および参照側光学系（第２分岐光の光学系）の何れかの結像系のフォーカスや光軸がずれている場合にも干渉強度が小さくなる。したがって、干渉強度を大きくするには、第１に光路長差を調整して小さくするとともに、試料側光学系および参照側光学系それぞれの結像系のフォーカスや光軸の調整をも行なう。
干渉強度を最大化するアルゴリズムとしては、干渉強度を記録しながら調整機構（光路長差、フォーカス、光軸）のうちの１つを一方向に動かして行き、最適な位置を通り過ぎて干渉強度が下がり始めたら調整機構を逆方向に動かし、一方向のスキャン中に得られた最大強度の誤差数％以内の干渉強度が得られた地点を最適値とみなすという方法が考えられる。調整箇所が複数ある場合は、このような最適値の探索をそれぞれの調整箇所について順番に行い、調整が一巡したら必要に応じてもう一巡もしくは数回調整を繰り返すことで、光学系全体としての最適な状態を実現する、というアルゴリズムが考えられる。
（第３実施形態）
図４は、第３実施形態の干渉観察装置１Ｃの構成を示す図である。図４に示される第３実施形態の干渉観察装置１Ｃは、図３に示された構成の変形例であり、分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｃの構成の点で相違する。すなわち、図４に示される第３実施形態の干渉観察装置１Ｃは、図３に示された構成に対し、分岐用ビームスプリッタ２１が図３におけるビームスプリッタ３１の機能を兼ねる点、合波用ビームスプリッタ２２が図３におけるビームスプリッタ５５の機能を兼ねる点、光路長差補償板３５およびミラー５６を備える点、ならびに、チューブレンズ５３に替えてレンズ５７およびレンズ５８を備える点、で相違する。図３に示される構成と比べて、図４に示される構成は、ビームスプリッタの個数が２つ少ないので、安価にすることができる。
（第４実施形態）
図５は、第４実施形態の干渉観察装置１Ｄの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｄは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、像反転プリズム３６、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および制御部７２を備える。分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｄは、マッハツェンダ干渉計を構成している。
図１に示された第１実施形態の干渉観察装置１Ａの干渉光学系２０Ａはビームスプリッタ３１およびミラー３２を含むのに対して、図５に示される第４実施形態の干渉観察装置１Ｄの干渉光学系２０Ｄは像反転プリズム３６を含む点で相違する。像反転プリズム３６は測定側光学系に設けられている。像反転プリズム３６は例えばペンタプリズムである。
像反転プリズム３６は、第１側面３６ａ、第２側面３６ｂ、第３側面３６ｃおよび第４側面３６ｄを有する多角柱形状のプリズムである。像反転プリズム３６は、分岐用ビームスプリッタ２１から到達した第１分岐光を第１側面３６ａから内部へ透過させ、その第１分岐光を第２側面３６ｂおよび第３側面３６ｃで順次に反射させた後、その第１分岐光を第４側面３６ｄから外部へ透過させて合波用ビームスプリッタ２２へ出力する。
本実施形態では、第１分岐光は、像反転プリズム３６において２回反射されるので、２回の像反転を受ける。第２分岐光は、ビームスプリッタ４１およびミラー４２それぞれにより反射されて、同様に２回の像反転を受ける。像反転プリズム３６は、第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射の回数の和を偶数とする光学素子である。第１実施形態の場合と同様に、第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射による像反転の回数の和が偶数であるので、合波用ビームスプリッタ２２による合波の際の第１分岐光および第２分岐光それぞれの像の方向が互いに一致し、第１分岐光と第２分岐光とは撮像部６１の撮像面の広い範囲において効率よく干渉することができる。
（第５実施形態）
図６は、第５実施形態の干渉観察装置１Ｅの構成を示す図である。干渉観察装置１Ｅは、光源１０、レンズ１１、レンズ１２、分岐用ビームスプリッタ２１、合波用ビームスプリッタ２２、ビームスプリッタ３１、ミラー３２、ビームスプリッタ４１、ミラー４２、ピエゾ素子４３、ステージ４４、レンズ５１、レンズ５２、チューブレンズ５３、撮像部（受光部）６１、画像取得部７１および制御部７２を備える。本実施形態における分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到る迄の干渉光学系２０Ｅは、マッハツェンダ干渉計を構成しており、第１実施形態における干渉光学系２０Ａと同様の構成を有する。
本実施形態では、光源１０および干渉光学系２０Ｅは筐体８０により保持されている。また、筐体８０には第１取付部８１が設けられている。この第１取付部８１は、干渉光学系２０Ｅの合波用ビームスプリッタ２２から出力された合波光を外部へ出力する開口を有する。これら光源１０、干渉光学系２０Ｅ、筐体８０および第１取付部８１を含んで干渉光学装置２が構成される。
また、本実施形態では、チューブレンズ５３、撮像部６１、ミラー５４および第２取付部８２を含んで顕微鏡装置３が構成される。第２取付部８２は、第１取付部８１の開口と光学的に結合される開口を有し、第１取付部８１に対して光学的結合が自在である。撮像部６１は、干渉光学系２０Ｅから出力された合波光を受光して検出信号を出力する。干渉光学系２０Ｅから出力された合波光は、第１取付部８１の開口、第２取付部８２の開口、ミラー５４およびチューブレンズ５３を経て、撮像部６１により受光される。この顕微鏡装置３は、市販のものが用いられ得る。すなわち、通常の市販の顕微鏡装置において対物レンズが取り付けられる取付部を上記の第２取付部８２とすればよい。
本実施形態の干渉観察装置１Ｅは、光源１０および干渉光学系２０Ｅを筐体８０により保持して小型化・一体化した干渉光学装置２と通常の顕微鏡装置３とを組み合わせることで構成することができる。本実施形態では、既存の顕微鏡装置３を用いることができるので、干渉観察装置１Ｅを安価に構成することができる。
本実施形態では、ビームスプリッタ３１、観察対象物９０、合波用ビームスプリッタ２２、第１取付部８１の開口および第２取付部８２の開口が縦一列に配列されている。したがって、ビームスプリッタ３１の上方に設けられた照明装置で観察対象物９０を照明することで、観察対象物９０の明視野画像を撮像部６１により取得することができる。また、顕微鏡装置３が蛍光顕微鏡である場合、合波用ビームスプリッタ２２の下方に設けられた励起照明装置で観察対象物９０を照明し励起することで、観察対象物９０の蛍光画像を撮像部６１により取得することができる。
なお、本実施形態の構成と同様に、第１〜第４の実施形態の干渉観察装置１Ａ〜１Ｄにおいても、分岐用ビームスプリッタ２１から合波用ビームスプリッタ２２に到るまでの干渉光学系２０Ａ〜２０Ｄおよび光源１０を筐体により保持して干渉光学装置とし、この干渉光学装置と顕微鏡装置３とを互いに光学的に結合することで構成してもよい。
（変形例）
本発明の一側面による干渉観察装置は、上記の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。
上記の実施形態による干渉観察装置は、(1) インコヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光を出力する分岐用ビームスプリッタと、第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波用ビームスプリッタとを含み、マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系と、を備える。この干渉観察装置において、干渉光学系は、第２分岐光の光路上に第２ビームスプリッタおよび第２ミラーを含み、分岐用ビームスプリッタから第２ビームスプリッタに到達した第２分岐光を第２ビームスプリッタで透過または反射させた後に第２ミラーにより反射させ、第２ミラーにより反射されて第２ビームスプリッタに到達した第２分岐光を第２ビームスプリッタで反射または透過させて、分岐用ビームスプリッタから第２ビームスプリッタへの第２分岐光の入力方向と異なる方向へ第２ビームスプリッタから第２分岐光を出力する。第２ミラーの反射面に垂直な方向に第２ミラーが移動自在である。また、干渉光学系は、第１分岐光の光路上に第１分岐光および第２分岐光それぞれの反射の回数の和が偶数となる光学素子を含む。
上記の干渉観察装置において、干渉光学系は、第１分岐光の光路上に光学素子として第１ビームスプリッタおよび第１ミラーを含み、分岐用ビームスプリッタから第１ビームスプリッタに到達した第１分岐光を第１ビームスプリッタで透過または反射させた後に第１ミラーにより反射させ、第１ミラーにより反射されて第１ビームスプリッタに到達した第１分岐光を第１ビームスプリッタで反射または透過させて、分岐用ビームスプリッタから第１ビームスプリッタへの第１分岐光の入力方向と異なる方向へ第１ビームスプリッタから第１分岐光を出力するのが好適である。
上記の干渉観察装置は、合波光を受光して検出信号を出力する受光部を更に備えるのが好適である。
上記の干渉観察装置は、第１分岐光または第２分岐光の光路上に置かれた観察対象物の干渉画像を検出信号に基づいて取得する画像取得部を更に備えるのが好適である。
上記の干渉観察装置は、第１分岐光および第２分岐光の何れか一方の光路上に観察対象物が配置され、他方の光路上に光路長・分散補償板が設けられ、光路長・分散補償板が、観察対象物の配置による光路長の変化および分散の影響を補償するのが好適である。
上記の干渉観察装置は、光源がインコヒーレントな波長可変光源であり、受光部が光源から出力される各波長の光それぞれについて合波光を受光して検出信号を出力し、各波長についての検出信号に基づいて観察対象物の波長分散を求めるのが好適である。また、上記の干渉観察装置は、光源がインコヒーレントな白色光源であり、受光部が光源の出力帯域内の各波長の光それぞれについて合波光を受光して検出信号を出力し、各波長についての検出信号に基づいて観察対象物の波長分散を求めるのも好適である。
上記の干渉観察装置は、(1) 光源および干渉光学系を保持する筐体と、(2) 筐体に設けられ、干渉光学系から出力された合波光を外部へ出力する開口を有する第１取付部と、(3) 第１取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第２取付部と、干渉光学系から出力され第１取付部の開口および第２取付部の開口を経た合波光を受光して検出信号を出力する受光部と、を含む顕微鏡装置と、を備えるのが好適である。
第１位相ロック技術および第２位相ロック技術の何れの場合にも、位相ロック用の光検出器６２として、複数の画素が２次元配列されたカメラを用いて、何れかの画素から出力される検出信号に基づいて位相ロックを行なってもよい。
また、撮像部６１の何れかの画素から出力される検出信号に基づいて位相ロックを行なってもよい。また、干渉画像取得用の撮像部６１および位相ロック用の光検出器６２の双方の機能を有する１つの受光素子を用いてもよい。これらの場合には、受光部を１つの受光素子で構成できるので、装置を小型化することができ、光学系を容易に調整することができる。
また、干渉画像取得用の撮像部６１から出力される検出信号に基づいて合波光の干渉強度を求めてもよい。また、撮像部６１および光検出器６２それぞれから出力される検出信号に基づいて合波光の干渉強度を求めてもよい。
撮像部６１により撮像された画像に干渉縞が複数現れる状態においては、撮像部６１の２次元配列された複数の画素のうち何れかの画素を、ラインセンサまたは１次元配列された複数の光検出器の代替物とみなして、第２位相ロック技術により干渉強度を求めることができる。或いは、第１位相ロック技術と同様に、撮像部６１の撮像速度と比べて十分遅い周波数でピエゾ素子を変調して、撮像部６１により得られた干渉画像の時間変化から前述のアルゴリズムによって干渉強度を計算することもできる。
また、撮像部６１の何れかの画素からの検出信号を高速に読み出すことで、干渉強度のモニタリングに限らず位相ロックまでをも行うこととしてもよい。近年のＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラの技術革新により１ｋＨｚを超えるフレームレートが実現されており、このようなフレームレートは、第１位相ロック技術および第２位相ロック技術の何れの場合においても、位相情報を導出するのに十分な速度である。
また、干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光の光路および第２分岐光の光路の双方または何れか一方に、印加電圧値によって屈折率または幾何学的厚みが変化する液晶素子（例えば、液晶レンズ）やプリズムを挿入してもよく、この場合にも干渉光学系における分岐から合波までの第１分岐光の光路と第２分岐光の光路との間の光路長差を調整することができる。
図４に示された構成の干渉観察装置１Ｃを用いた実施例について説明する。本実施例では、光源１０として波長５８０ｎｍのＬＥＤを用いた。レンズ１２は、おおよそレンズ５１，５２の前側焦点面に光が集光するようにした。参照側光学系ではビームスプリッタ１個分だけ多くガラスを光が透過するので、物体側光学系に光路長差補償板３５としてビームスプリッタと同じ大きさのガラス板を挿入した。レンズ５１，５２として倍率２０倍の対物レンズを用いた。
撮像部６１としてＣＣＤエリアイメージセンサを搭載したカメラを用いた。また、光検出器６２としてフォトダイオードを用いた。分岐用ビームスプリッタ２１からレンズ５１，５２に到る迄の全ての光学素子は、その位置でのＬＥＤ光のビーム径を十分にカバーできる大きさの開口とした。
観察対象物として、乾燥固定したコンフルエントなＨｅＬａ細胞を用いた。観察時は、この細胞の上に純水を数滴たらし、その上にカバーガラスをかぶせ、下方から対物レンズ５１で細胞を観察した。
ピエゾ素子４３によるミラー４２の振動の角周波数ωを２.３ｋＨｚとした。制御部７２により、光検出器６２から出力された検出信号のうち２.３ｋＨｚ成分および４.６ｋＨｚ成分を同期検波した。この同期検波結果に基づいて上記（５）式から位相差Δφを求め、この位相差Δφに基づいてピエゾ素子４３によるミラー４２の振動の中心位置をフィードバック制御して、位相ロックおよび位相シフトを行なった。
図７および図８は、位相シフトおよび位相ロックを行なって取得された干渉画像を示す図である。図７（ａ）に示される干渉画像Ｉ1(x,y)に対し、図７（ｂ）に示される干渉画像Ｉ2(x,y)はπ／２だけ位相が異なり、図８（ａ）に示される干渉画像Ｉ3(x,y)はπだけ位相が異なり、図８（ｂ）に示される干渉画像Ｉ4(x,y)は３π／２だけ位相が異なる。これらの干渉画像Ｉ1〜Ｉ4から下記（１１）式で定量位相画像Ψ(x,y)が求められた。なお、ｘ、ｙは、各画像における位置を示す変数である。このΨ(x,y)を位相アンラッピングし、ゼルニケ多項式を用いたシェーディング補正の計算によって背景の歪み成分を平坦化すると、図９に示される定量位相画像が得られた。
本発明の一側面は、マッハツェンダ干渉計の光学系を用いて光路長差を調整する機能を有し空間分解能が高い画像の取得が可能で小型化が容易な干渉観察装置として利用可能である。
１Ａ〜１Ｅ…干渉観察装置、２…干渉光学装置、３…顕微鏡装置、１０…光源、１１，１２…レンズ、２０Ａ〜２０Ｅ…干渉光学系、２１…分岐用ビームスプリッタ、２２…合波用ビームスプリッタ、３１…第１ビームスプリッタ、３２…第１ミラー、３５…光路長差補償板、３６…像反転プリズム、４１…第２ビームスプリッタ、４２…第２ミラー、４３…ピエゾ素子、４４…ステージ、４５…ステージ、５１，５２…レンズ、５３…チューブレンズ、５４…ミラー、５５…ビームスプリッタ、５６…ミラー、５７，５８…レンズ、６１…撮像部（受光部）、６２…光検出器（受光部）、７１…画像取得部、７２…制御部、８０…筐体、８１…第１取付部、８２…第２取付部、９０…観察対象物（サンプル）、９１…光路長・分散補償板。

Claims (8)

  1. インコヒーレントな光を出力する光源と、
    前記光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光を出力する分岐用ビームスプリッタと、前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波用ビームスプリッタとを含み、マッハツェンダ干渉計を構成する干渉光学系と、
    前記合波光を受光して検出信号を出力するイメージセンサを含む撮像部と、
    前記第１分岐光または前記第２分岐光の光路上に置かれた観察対象物の干渉画像を前記検出信号に基づいて取得する画像取得部と、
    を備え、
    前記干渉光学系は、
    前記第２分岐光の光路上に第２ビームスプリッタおよび第２ミラーを含み、前記分岐用ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタに到達した前記第２分岐光を前記第２ビームスプリッタで透過または反射させた後に前記第２ミラーにより反射させ、前記第２ミラーにより反射されて前記第２ビームスプリッタに到達した前記第２分岐光を前記第２ビームスプリッタで反射または透過させて、前記分岐用ビームスプリッタから前記第２ビームスプリッタへの前記第２分岐光の入力方向と異なる方向へ前記第２ビームスプリッタから前記第２分岐光を出力し、前記第２ミラーの反射面に垂直な方向に前記第２ミラーが移動自在であり、
    前記第１分岐光の光路上に前記第１分岐光および前記第２分岐光それぞれの反射の回数の和が偶数となる光学素子を含み、
    前記合波用ビームスプリッタは、前記分岐用ビームスプリッタから出力され第１のレンズを経た前記第１分岐光を入力するとともに、前記分岐用ビームスプリッタから出力され第２のレンズを経た前記第２分岐光を入力して、これら第１分岐光と第２分岐光とを合波して前記合波光を出力し、
    前記光源から前記第１および前記第２のレンズに到るまでの全ての光学素子は、前記光源の出力時のビーム径と比べて大きな開口を有し、前記第１および前記第２のレンズの前焦点面付近に前記光源の出力光を集光させる、
    干渉観察装置。
  2. 前記干渉光学系は、前記第１分岐光の光路上に前記光学素子として第１ビームスプリッタおよび第１ミラーを含み、前記分岐用ビームスプリッタから前記第１ビームスプリッタに到達した前記第１分岐光を前記第１ビームスプリッタで透過または反射させた後に前記第１ミラーにより反射させ、前記第１ミラーにより反射されて前記第１ビームスプリッタに到達した前記第１分岐光を前記第１ビームスプリッタで反射または透過させて、前記分岐用ビームスプリッタから前記第１ビームスプリッタへの前記第１分岐光の入力方向と異なる方向へ前記第１ビームスプリッタから前記第１分岐光を出力する、
    請求項１に記載の干渉観察装置。
  3. 前記第１分岐光および前記第２分岐光の何れか一方の光路上に前記観察対象物が配置され、他方の光路上に光路長・分散補償板が設けられ、
    前記光路長・分散補償板が、前記観察対象物の配置による光路長の変化および分散の影響を補償する、
    請求項１または２に記載の干渉観察装置。
  4. 前記光源がインコヒーレントな波長可変光源であり、
    前記撮像部が前記光源から出力される各波長の光それぞれについて前記合波光を受光して前記検出信号を出力し、
    各波長についての前記検出信号に基づいて前記観察対象物の波長分散を求める、
    請求項１〜３の何れか１項に記載の干渉観察装置。
  5. 前記光源がインコヒーレントな白色光源であり、
    前記撮像部が前記光源の出力帯域内の各波長の光それぞれについて前記合波光を受光して前記検出信号を出力し、
    各波長についての前記検出信号に基づいて前記観察対象物の波長分散を求める、
    請求項１〜４の何れか１項に記載の干渉観察装置。
  6. 前記光源の出力光の波長に比べて小さい振幅で前記第２ミラーを振動させて位相ロックを行う、
    請求項１〜５の何れか１項に記載の干渉観察装置。
  7. 前記撮像部の何れかの画素から出力される検出信号に基づいて位相ロックを行なう、
    請求項６に記載の干渉観察装置。
  8. 前記光源および前記干渉光学系を保持する筐体と、
    前記筐体に設けられ、前記干渉光学系から出力された前記合波光を外部へ出力する開口を有する第１取付部と、
    前記第１取付部の開口と光学的に結合される開口を有する第２取付部と、前記干渉光学系から出力され前記第１取付部の開口および前記第２取付部の開口を経た前記合波光を受光して検出信号を出力する撮像部と、を含む顕微鏡装置と、
    を備える請求項１〜７の何れか１項に記載の干渉観察装置。
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