JP7014681B2 - Phase image acquisition device and phase image acquisition method - Google Patents

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Description

本発明は、対象物の位相画像を取得する装置および方法に関するものである。 The present invention relates to an apparatus and a method for acquiring a phase image of an object.

特許文献1に、対象物の干渉画像および位相画像を取得することができる装置および方法の発明が開示されている。この文献に記載された装置は、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器とを備える。この装置は、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それぞれで安定化した状態とし、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を求める。 Patent Document 1 discloses an invention of an apparatus and a method capable of acquiring an interference image and a phase image of an object. The apparatus described in this document includes a light source, a two-luminous flux interferometer that splits the light output from this light source into two luminous fluxes, and then combines the two luminous fluxes to output interference light, and the two-luminous flux interferometer. It is equipped with an imager that receives the interference light output from. In this device, the optical path length difference between the two light beams in the two light beam interferometer is stabilized at each of a plurality of different set values, and the interference image of the object is acquired by the imager in each state, and these acquired plurality. The phase image is obtained based on the interference image of.

従来の位相画像取得装置は、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を安定化する為に、この光路長差を検出するとともに、この光路長差が設定値となるように、二光束のうちの何れかの光路上に配置したミラーの位置をフィードバック制御する。 The conventional phase image acquisition device detects this optical path length difference in order to stabilize the optical path length difference between the two light fluxes in the two light flux interferometer, and also makes the two light flux length difference a set value. The position of the mirror arranged on any of the optical paths is feedback-controlled.

しかし、例えば、培養液に入れられている対象物としての細胞の位相画像を求める場合、培養液の液面の揺らぎに因り、その培養液を透過する光の光路長は時間的に変動する。その液面の変動の幅は1波長分以上であり、その変動の周波数は数十Hzである。この液面の変動により、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を安定化することが困難であった。 However, for example, when a phase image of a cell as an object contained in a culture solution is obtained, the optical path length of the light transmitted through the culture solution fluctuates with time due to the fluctuation of the liquid surface of the culture solution. The width of the fluctuation of the liquid level is one wavelength or more, and the frequency of the fluctuation is several tens of Hz. Due to this fluctuation in the liquid level, it was difficult to stabilize the optical path length difference between the two luminous fluxes in the two luminous flux interferometer.

従来では、このような問題に対処する為、培養液に接するように蓋またはカバーガラスを被せたり或いは水没型水浸対物レンズを用いたりすることで、培養液と気体(一般には空気)との界面を光が通過することがないよう工夫をしていた(非特許文献1参照)。この工夫により、光路上においては液面の変動が生じないようにすることができ、二光束干渉計における二光束の間の光路長差を安定化することができる。 Conventionally, in order to deal with such a problem, the culture solution and the gas (generally air) are separated by covering the culture solution with a lid or a cover glass or using a submerged submerged objective lens. It was devised so that light would not pass through the interface (see Non-Patent Document 1). By this device, it is possible to prevent the liquid level from fluctuating on the optical path, and it is possible to stabilize the optical path length difference between the two luminous fluxes in the two luminous flux interferometer.

国際公開第2016/121248号International Publication No. 2016/12248

山内豊彦、他、「定量位相顕微鏡の小型化と各種応用計測 =空気定盤不要な卓上二光束干渉顕微鏡=」、光アライアンス、2017年2月、pp.26~29.Toyohiko Yamauchi, et al., "Miniaturization of Quantitative Phase Contrast Microscope and Various Applied Measurements = Desktop Double Luminous Flux Interference Microscope without Air Surface Plate =", Optical Alliance, February 2017, pp.26-29. Daniel Malacara, et al, "Interferogram Analysis for Optical Testing," SecondEdition, Taylor & Francis, (2005).Daniel Malacara, et al, "Interferogram Analysis for Optical Testing," Second Edition, Taylor & Francis, (2005). 武田光夫、他、「高速フーリエ変換法による立体計測と干渉計測」、光学、第10巻第6号、pp.476-480、(1981).Mitsuo Takeda, et al., "Three-dimensional measurement and interference measurement by fast Fourier transform method", Optics, Vol. 10, No. 6, pp.476-480, (1981).

従来では、液面の変動を抑制するために設けた蓋、カバーガラスまたは水没型水浸対物レンズが培養液に接することから、これらに因り細胞が汚染されるという問題が生じる場合があった。 Conventionally, a lid, a cover glass, or a submerged submerged objective lens provided for suppressing fluctuations in the liquid level come into contact with the culture solution, which may cause a problem that cells are contaminated.

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、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態であっても対象物の位相画像を取得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。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and obtains a phase image of an object even when the optical path length difference between the two light fluxes fluctuates with time in the two-luminous flux interferometer. It is an object of the present invention to provide a device and a method which can be used.

本発明の位相画像取得装置は、(1) 光源と、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、二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含み、二光束干渉計における何れかの光束の光路上に配置された対象物の干渉画像を撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、(2) 干渉画像取得部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を生成する演算部と、を備える。干渉画像取得部は、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態で対象物についてM個の干渉画像を取得する。演算部は、M個の干渉画像それぞれについて画像全体のオフセット位相シフト量を推定し、M個の干渉画像のうちからオフセット位相シフト量が互いに異なるN個の干渉画像を含む組を設定し、組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成する。ただし、3≦N≦M。 The phase image acquisition device of the present invention comprises (1) a light source, a two-beam interference meter that splits the light output from the light source into two light beams, and then combines the two light beams to output interference light, and two-beam interference. Interference image acquisition unit that includes an imager that receives the interference light output from the meter and acquires an interference image of an object placed on the optical path of any of the light beams in the two-beam interference meter by capturing the interference image with the imager. And (2) an arithmetic unit that generates a phase image of an object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit. The interference image acquisition unit acquires M interference images of an object in a state where the optical path length difference between the two light fluxes fluctuates with time in the two-luminous flux interferometer. The calculation unit estimates the offset phase shift amount of the entire image for each of the M interference images, sets a set including N interference images having different offset phase shift amounts from the M interference images, and sets the set. A phase image is generated based on the N interference images included in. However, 3 ≦ N ≦ M.

本発明の一側面による位相画像取得装置では、演算部は、組を複数設定して、これら複数の組それぞれについて各組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成し、複数の組それぞれで生成された位相画像についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する。演算部は、M個の干渉画像をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に複数の組に順に振り分けてもよい。或いは、演算部は、位相画像を生成するために干渉画像に対して乗算される係数を反復的な最適化計算によって調整してもよい。 In the phase image acquisition device according to one aspect of the present invention, the arithmetic unit sets a plurality of sets and generates a phase image based on N interference images included in each set for each of the plurality of sets, and a plurality of sets are generated. After correcting the offset phase shift amount for the phase images generated in each set, the summing is performed. The arithmetic unit may sort the M interference images in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and then distribute them into a plurality of sets in order. Alternatively, the arithmetic unit may adjust the coefficients multiplied by the interfering image to generate the phase image by iterative optimization calculations.

また、本発明の位相画像取得装置は、上記と同様の干渉画像取得部と、次のような演算部と、を備えてもよい。すなわち、演算部は、M個の干渉画像それぞれについてオフセット位相シフト量の分布を推定し、各画素位置について、M個の干渉画像それぞれの当該画素のうちからオフセット位相シフト量が互いに異なるN個の画素を含む組を設定し、各画素位置について、組に含まれるN個の画素に基づいて位相値を求め、各画素位置の位相値に基づいて位相画像を生成してもよい。ただし、3≦N≦M。このとき、一側面において、演算部は、組を複数設定して、これら複数の組それぞれについて各組に含まれるN個の画素に基づいて位相値を求め、複数の組それぞれで求めた位相値についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算し、各画素位置の位相値の積算値に基づいて位相画像を生成する。また、演算部は、各画素位置について、M個の干渉画像それぞれの当該画素をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に複数の組に順に振り分けてもよい。 Further, the phase image acquisition device of the present invention may include an interference image acquisition unit similar to the above and the following calculation unit. That is, the calculation unit estimates the distribution of the offset phase shift amount for each of the M interference images, and for each pixel position, N pieces having different offset phase shift amounts from the corresponding pixels of the M interference images. A set including pixels may be set, a phase value may be obtained for each pixel position based on N pixels included in the set, and a phase image may be generated based on the phase value of each pixel position. However, 3 ≦ N ≦ M. At this time, on one aspect, the calculation unit sets a plurality of sets, obtains a phase value based on N pixels included in each set for each of the plurality of sets, and obtains a phase value for each of the plurality of sets. The offset phase shift amount is corrected and then integrated, and a phase image is generated based on the integrated value of the phase values at each pixel position. Further, the arithmetic unit may sort the pixels of each of the M interference images in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount for each pixel position, and then distribute them into a plurality of sets in order.

本発明の他の一側面による位相画像取得装置では、二光束干渉計は、二光束の双方または何れか一方の光路上に配置された液体の液面の揺らぎにより、二光束の間の光路長差の時間的な変動を生じさせる。 In the phase image acquisition device according to the other aspect of the present invention, the two-luminous flux interferometer uses the optical path length difference between the two luminous fluxes due to the fluctuation of the liquid level of the liquid arranged on the optical paths of both or one of the two luminous fluxes. Causes temporal fluctuations in.

本発明の更に他の一側面による位相画像取得装置では、光源はインコヒーレント光を出力する。 In the phase image acquisition device according to still another aspect of the present invention, the light source outputs incoherent light.

本発明の位相画像取得方法は、(1) 光源と、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、二光束干渉計から出力された干渉光を受光する撮像器とを含む干渉画像取得部を用い、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態で、二光束干渉計における何れかの光束の光路上に配置された対象物についてM個の干渉画像を撮像器により撮像して取得する干渉画像取得ステップと、(2) M個の干渉画像それぞれについて画像全体のオフセット位相シフト量を推定するオフセット位相シフト量推定ステップと、(3) M個の干渉画像のうちからオフセット位相シフト量が互いに異なるN個の干渉画像を含む組を設定する組設定ステップと、(4) 組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成する位相画像生成ステップと、を備える。ただし、3≦N≦M。 The phase image acquisition method of the present invention comprises (1) a light source, a double light beam interferometer that branches the light output from the light source into two light sources, and then combines the two light sources to output interference light, and two light beam interferences. Using an interference image acquisition unit including an imager that receives the interference light output from the meter, in the two-beam interferometer, the difference in optical path length between the two light beams fluctuates with time. The interference image acquisition step of capturing and acquiring M interference images with an imager for an object placed on the optical path of any light beam, and (2) offset phase shift of the entire image for each of the M interference images. An offset phase shift amount estimation step for estimating the amount, (3) a set setting step for setting a set including N interference images having different offset phase shift amounts from among M interference images, and (4) a set. The present invention includes a phase image generation step of generating a phase image based on the N interference images included in the above. However, 3 ≦ N ≦ M.

本発明の一側面による位相画像取得方法では、組設定ステップにおいて組を複数設定し、位相画像生成ステップにおいて複数の組それぞれについて各組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成し、複数の組それぞれで生成された位相画像についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する積算ステップを更に備える。組設定ステップにおいて、M個の干渉画像をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に複数の組に順に振り分けてもよい。或いは、位相画像生成ステップにおいて、位相画像を生成するために干渉画像に対して乗算される係数を反復的な最適化計算によって調整してもよい。 In the phase image acquisition method according to one aspect of the present invention, a plurality of sets are set in the set setting step, and a phase image is generated based on N interference images included in each set for each of the plurality of sets in the phase image generation step. Further, an integration step of correcting the offset phase shift amount and then integrating the phase images generated by each of the plurality of sets is provided. In the set setting step, the M interference images may be sorted in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and then sorted into a plurality of sets in order. Alternatively, in the phase image generation step, the coefficients multiplied by the interfering image to generate the phase image may be adjusted by iterative optimization calculations.

また、本発明の位相画像取得方法は、(1) 上記と同様の干渉画像取得ステップと、(2) M個の干渉画像それぞれについてオフセット位相シフト量の分布を推定するオフセット位相シフト量推定ステップと、(3) 各画素位置について、M個の干渉画像それぞれの当該画素のうちからオフセット位相シフト量が互いに異なるN個の画素を含む組を設定する組設定ステップと、(4) 各画素位置について、組に含まれるN個の画素に基づいて位相値を求める位相値算出ステップと、(5) 各画素位置の位相値に基づいて位相画像を生成する位相画像生成ステップと、を備えてもよい。ただし、3≦N≦M。このとき、一側面において、本発明の位相画像取得方法では、組設定ステップにおいて組を複数設定し、位相値算出ステップにおいて複数の組それぞれについて各組に含まれるN個の画素に基づいて位相値を求め、複数の組それぞれで求めた位相値についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する積算ステップを更に備え、位相画像生成ステップにおいて各画素位置の位相値の積算値に基づいて位相画像を生成する。組設定ステップにおいて、各画素位置について、M個の干渉画像それぞれの当該画素をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に複数の組に順に振り分けてもよい。 Further, the phase image acquisition method of the present invention includes (1) an interference image acquisition step similar to the above, and (2) an offset phase shift amount estimation step for estimating the distribution of the offset phase shift amount for each of the M interference images. , (3) For each pixel position, a set setting step for setting a set including N pixels having different offset phase shift amounts from the corresponding pixels of each of the M interference images, and (4) for each pixel position. , A phase value calculation step for obtaining a phase value based on N pixels included in the set, and (5) a phase image generation step for generating a phase image based on the phase value at each pixel position may be provided. .. However, 3 ≦ N ≦ M. At this time, in one aspect, in the phase image acquisition method of the present invention, a plurality of sets are set in the set setting step, and the phase value is set based on the N pixels included in each set for each of the plurality of sets in the phase value calculation step. A phase image is generated based on the integrated value of the phase value of each pixel position in the phase image generation step. do. In the set setting step, for each pixel position, the pixels of each of the M interference images may be rearranged in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and then sorted into a plurality of sets in order.

本発明の他の一側面による位相画像取得方法では、干渉画像取得ステップにおいて、二光束干渉計における二光束の双方または何れか一方の光路上に配置された液体の液面の揺らぎにより、二光束の間の光路長差の時間的な変動を生じさせる。 In the phase image acquisition method according to the other aspect of the present invention, in the interference image acquisition step, due to the fluctuation of the liquid level of the liquid arranged on the optical path of both or one of the two luminous fluxes in the two luminous flux interferometer, the two light beams are obtained. It causes a temporal variation in the optical path length difference between the moments.

本発明の更に他の一側面による位相画像取得方法では、光源はインコヒーレント光を出力する。 In the phase image acquisition method according to still another aspect of the present invention, the light source outputs incoherent light.

本発明によれば、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態であっても対象物の位相画像を取得することができる。 According to the present invention, it is possible to acquire a phase image of an object even in a state where the optical path length difference between the two luminous fluxes fluctuates with time in the two luminous flux interferometer.

図1は、位相画像取得装置1の構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the phase image acquisition device 1. 図2は、サンプルの構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the sample. 図3は、実施例で取得された100個の干渉画像のうちの3個の干渉画像を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing three interference images out of the 100 interference images acquired in the embodiment. 図4は、実施例で取得された100個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the offset phase shift amount of each of the 100 interference images acquired in the embodiment. 図5は、実施例で取得された位相アンラピング処理前の位相画像である。FIG. 5 is a phase image before the phase unwrapping process acquired in the embodiment. 図6は、実施例で取得された位相アンラピング処理および背景歪み補正の後の位相画像である。FIG. 6 is a phase image after the phase unwrapping process and background distortion correction acquired in the embodiment. 図7は、M個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した例を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing an example in which the offset phase shift amount α of each of the M interference images is phasor-displayed on the unit circle. 図8は、M個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した図において、M個の干渉画像のうちから3個の干渉画像を選択する方法を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a method of selecting three interference images from among the M interference images in a diagram in which the offset phase shift amount α of each of the M interference images is phasor-displayed on a unit circle. .. 図9は、α=-120°としα=+120°としてノイズを付与しなかった場合に得られる位相画像(正解画像)である。FIG. 9 is a phase image (correct image) obtained when α 2 = −120 ° and α 3 = + 120 ° and no noise is applied. 図10は、α=-120°としα=+120°としてノイズを付与した場合の干渉画像I~Iである。FIG. 10 shows interference images I 1 to I 3 when noise is applied with α 2 = −120 ° and α 3 = + 120 °. 図11は、図10の干渉画像I~Iに基づいて得られた位相画像である。FIG. 11 is a phase image obtained based on the interference images I 1 to I 3 of FIG. 図12は、α=-20°としα=+30°としてノイズを付与した場合の干渉画像I~Iである。FIG. 12 shows interference images I 1 to I 3 when noise is applied with α 2 = −20 ° and α 3 = + 30 °. 図13は、図12の干渉画像I~Iに基づいて得られた位相画像である。FIG. 13 is a phase image obtained based on the interference images I 1 to I 3 of FIG. 図14は、図9の正解画像に対する図13の位相画像の誤差を表す画像である。FIG. 14 is an image showing an error of the phase image of FIG. 13 with respect to the correct image of FIG. 図15は、3個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した図である。FIG. 15 is a diagram in which the offset phase shift amount α of each of the three interference images is phasor-displayed on the unit circle. 図16は、オフセット位相シフト量α,αと標準偏差stdとの間の関係を濃淡で示す図である。FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the offset phase shift quantities α 2 and α 3 and the standard deviation std in shades of light. 図17は、オフセット位相シフト量α,αと標準偏差stdとの間の関係を等高線で示す図である。FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the offset phase shift quantities α 2 and α 3 and the standard deviation std by contour lines. 図18は、オフセット位相シフト量α,αを様々な値に設定して得られた三角形の面積areaおよび標準偏差stdをプロットしたグラフである。FIG. 18 is a graph plotting the area area of the triangle and the standard deviation std obtained by setting the offset phase shift quantities α 2 and α 3 to various values. 図19は、三角形の面積areaに対する標準偏差stdの最小値の関係を示すグラフである。FIG. 19 is a graph showing the relationship between the minimum value of the standard deviation std and the area of the triangle. 図20は、三角形の面積areaに対する標準偏差stdの最小値の関係を示す表である。FIG. 20 is a table showing the relationship between the minimum value of the standard deviation std and the area of the triangle. 図21は、シミュレーションで用意した12個の干渉画像I~I12のオフセット位相シフト量、組分け及び複素係数列を纏めた表である。FIG. 21 is a table summarizing the offset phase shift amounts, groupings, and complex coefficient sequences of the 12 interference images I 1 to I 12 prepared in the simulation. 図22は、第1の方法で得られた位相画像である。FIG. 22 is a phase image obtained by the first method. 図23は、図9の正解画像に対する図22の位相画像の誤差を表す画像である。FIG. 23 is an image showing an error of the phase image of FIG. 22 with respect to the correct image of FIG. 図24は、第2の方法で得られた位相画像である。FIG. 24 is a phase image obtained by the second method. 図25は、図9の正解画像に対する図24の位相画像の誤差を表す画像である。FIG. 25 is an image showing an error of the phase image of FIG. 24 with respect to the correct image of FIG. 図26は、第3の方法で得られた位相画像である。FIG. 26 is a phase image obtained by the third method. 図27は、図9の正解画像に対する図26の位相画像の誤差を表す画像である。FIG. 27 is an image showing an error of the phase image of FIG. 26 with respect to the correct image of FIG. 図28は、或る期間において各干渉画像のオフセット位相シフト量が時間的に概ね単調に増加している場合を示す図である。FIG. 28 is a diagram showing a case where the offset phase shift amount of each interference image increases substantially monotonously over time in a certain period. 図29は、第4の方法で得られた位相画像である。FIG. 29 is a phase image obtained by the fourth method. 図30は、図9の正解画像に対する図29の位相画像の誤差を表す画像である。FIG. 30 is an image showing an error of the phase image of FIG. 29 with respect to the correct image of FIG. 図31は、第2~第4の各方法によるシミュレーションで用意した12個の干渉画像I~I12のオフセット位相シフト量、組分け及び複素係数列を纏めた表である。FIG. 31 is a table summarizing the offset phase shift amounts, groupings, and complex coefficient sequences of the 12 interference images I 1 to I 12 prepared in the simulations by the second to fourth methods. 図32は、第1~第4の各方法によるシミュレーションで得られた誤差の標準偏差を比較して示すグラフである。FIG. 32 is a graph showing a comparison of standard deviations of errors obtained in simulations by the first to fourth methods. 図33は、第2の方法による複素係数列および第4の方法による複素係数列を複素平面上にプロットした図である。FIG. 33 is a diagram in which the complex coefficient sequence according to the second method and the complex coefficient sequence according to the fourth method are plotted on the complex plane. 図34は12個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した図において、第2の方法に基づいて12個の干渉画像のうちから4組の3個の干渉画像を選択した方法を説明する図である。FIG. 34 is a diagram in which the offset phase shift amount α of each of the 12 interference images is phasor-displayed on a unit circle, and four sets of three interference images out of the 12 interference images are displayed based on the second method. It is a figure explaining the selected method. 図35は12個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した図において、第3の方法に基づいて12個の干渉画像のうちから4組の3個の干渉画像を選択した方法を説明する図である。FIG. 35 is a diagram in which the offset phase shift amount α of each of the 12 interference images is phasor-displayed on a unit circle, and four sets of three interference images out of the 12 interference images are displayed based on the third method. It is a figure explaining the selected method. 図36は、シミュレーションにおいて用いた位相画像を示す図である。FIG. 36 is a diagram showing a phase image used in the simulation. 図37は、シミュレーションにおいて用いた位相画像を示す図である。FIG. 37 is a diagram showing a phase image used in the simulation. 図38(a)は、位置(x,y)に依らず位相値が1である場合の位相分布関数を示す図である。図38(b)は、x座標値に比例する位相値を有する場合の位相分関数布を示す図である。図38(c)は、y座標値に比例する位相値を有する場合の位相分布関数を示す図である。図38(d)は、x+y-1の値に比例する位相値を有する場合の位相分布関数を示す図である。FIG. 38 (a) is a diagram showing a phase distribution function when the phase value is 1 regardless of the position (x, y). FIG. 38 (b) is a diagram showing a phase division function cloth in the case of having a phase value proportional to the x-coordinate value. FIG. 38 (c) is a diagram showing a phase distribution function when the phase value is proportional to the y coordinate value. FIG. 38 (d) is a diagram showing a phase distribution function when the phase value is proportional to the value of x 2 + y 2-1 . 図39(a)~(d)は、オフセット位相シフト量分布Δφ(x,y)の例を示す図である。39 (a) to 39 (d) are diagrams showing an example of an offset phase shift amount distribution Δφ n (x, y). 図40は、図39(a)~(d)のオフセット位相シフト量分布Δφ(x,y)の各例において設定した係数p1(n),p2(n),p3(n),p4(n)の各値を纏めた表である。40 shows the coefficients p1 (n), p2 (n), p3 (n), p4 () set in each example of the offset phase shift amount distribution Δφ n (x, y) in FIGS. 39 (a) to 39 (d). It is a table summarizing each value of n). 図41は、シミュレーションで用いた36個の干渉画像のうちの3個の干渉画像を示す図である。FIG. 41 is a diagram showing three interference images out of the 36 interference images used in the simulation. 図42は、或る干渉画像I(x,y)を二次元フーリエ変換することで得られたフーリエ変換像を示す図である。FIG. 42 is a diagram showing a Fourier transform image obtained by performing a two-dimensional Fourier transform on a certain interference image In (x, y). 図43は、図42のフーリエ変換像の原点付近を拡大して示す図である。FIG. 43 is an enlarged view showing the vicinity of the origin of the Fourier transform image of FIG. 42. 図44は、図42のフーリエ変換像における一方のスペクトルピーク位置を含む一定領域の空間周波数情報のみを用いて二次元逆フーリエ変換することで得られた二次元の位相分布画像を示す図である。FIG. 44 is a diagram showing a two-dimensional phase distribution image obtained by performing a two-dimensional inverse Fourier transform using only the spatial frequency information of a certain region including the position of one of the spectral peaks in the Fourier transform image of FIG. 42. .. 図45は、従来のフーリエ変換法により得られた位相画像の中央領域を示す図である。FIG. 45 is a diagram showing a central region of a phase image obtained by a conventional Fourier transform method. 図46は、基準となる位相分布画像φLPF0(x,y)の一例を示す図である。FIG. 46 is a diagram showing an example of a reference phase distribution image φLPF0 (x, y). 図47は、基準となる位相分布画像φLPF0(x,y)に対する相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)の一例を示す図である。FIG. 47 is a diagram showing an example of the phase distribution image ΔφLPF n (x, y) relative to the reference phase distribution image φLPF 0 (x, y). 図48(a)は、図47の相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)の中央領域における相対的な位相分布を示す図である。図48(b)は、図48(a)の相対的な位相分布を近似して得られた相対的な位相分布を示す図である。FIG. 48 (a) is a diagram showing the relative phase distribution in the central region of the relative phase distribution image ΔφLPF n (x, y) of FIG. 47. FIG. 48 (b) is a diagram showing a relative phase distribution obtained by approximating the relative phase distribution of FIG. 48 (a). 図49は、シミュレーションにおいて生成された位相画像を示す図である。FIG. 49 is a diagram showing a phase image generated in the simulation. 図50は、シミュレーションにおいて生成された位相画像を示す図である。FIG. 50 is a diagram showing a phase image generated in the simulation. 図51は、シミュレーションにおいて生成された位相画像と正解画像(図36)との差分の画像を示す図である。FIG. 51 is a diagram showing an image of the difference between the phase image generated in the simulation and the correct answer image (FIG. 36).

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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted. The present invention is not limited to these examples, and is indicated by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

図1は、位相画像取得装置1の構成例を示す図である。位相画像取得装置の光学系は様々な構成を有するものであってもよく、この図に示した光学系の構成は一例にすぎない。この図に示される位相画像取得装置1は、干渉画像取得部2および演算部3を備える。干渉画像取得部2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、第1反射ミラー32、ビームスプリッタ41、第2反射ミラー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、撮像器61および制御部72を含む。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に到る迄の二光束干渉計20は、マッハツェンダ干渉計を構成している。 FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of the phase image acquisition device 1. The optical system of the phase image acquisition device may have various configurations, and the configuration of the optical system shown in this figure is only an example. The phase image acquisition device 1 shown in this figure includes an interference image acquisition unit 2 and a calculation unit 3. The interference image acquisition unit 2 includes a light source 10, a lens 11, a lens 12, a branching beam splitter 21, a wave splitter 22, a beam splitter 31, a first reflection mirror 32, a beam splitter 41, a second reflection mirror 42, and a piezo. It includes an element 43, a stage 44, a lens 51, a lens 52, a tube lens 53, an imager 61, and a control unit 72. The two-luminous flux interferometer 20 from the branching beam splitter 21 to the combining beam splitter 22 constitutes a Mach-Zehnder interferometer.

この位相画像取得装置1は、容器90に入れられた対象物の透過光に基づいて干渉画像を取得する。対象物は、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、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、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。 The phase image acquisition device 1 acquires an interference image based on the transmitted light of the object placed in the container 90. The object is not limited to a specific cell or biological sample. For example, as objects, cultured cells, immortalized cells, primary cultured cells, cancer cells, fat cells, liver cells, myocardial cells, nerve cells, glia cells, somatic stem cells, embryonic stem cells, pluripotent stem cells, iPS Examples include cells and cell clusters (spheroids) formed from at least one of these cells. Further, the object is not limited to a living body, and examples thereof include industrial samples that can be measured in a transmissive configuration, such as the inside of glass, the inside of a semiconductor element, a resin material, a liquid crystal crystal, a polymer compound, and an optical element.

光源10は光を出力する。スペックルノイズを低減するには、光源10はインコヒーレントな光を出力するのが好適である。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(Superluminescent 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容器90内の対象物に集光する。 The light source 10 outputs light. In order to reduce speckle noise, it is preferable that the light source 10 outputs incoherent light. The light source 10 is, for example, a lamp-based light source such as a halogen lamp, an LED (Light emitting emission) light source, an SLD (Superluminescent diode) light source, an ASE (Amplified spontaneous emission) light source, or the like. The lenses 11 and 12 collect the light output from the light source 10 on the object in the container 90.

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光束および第2光束とする。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光束を測定側光学系のビームスプリッタ31へ出力し、第2光束を参照側光学系のビームスプリッタ41へ出力する。 The branching beam splitter 21 is optically coupled to the light source 10, inputs the light output from the light source 10 and passed through the lenses 11 and 12, and splits the light into two to obtain the first luminous flux and the second luminous flux. The branching beam splitter 21 may be, for example, a half mirror. The branching beam splitter 21 outputs the first luminous flux to the beam splitter 31 of the measurement side optical system, and outputs the second luminous flux to the beam splitter 41 of the reference side optical system.

測定側光学系には、ビームスプリッタ31および第1反射ミラー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光束を入力して第1反射ミラー32へ反射させ、また、第1反射ミラー32で反射された第1光束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。 The measurement side optical system is provided with a beam splitter 31 and a first reflection mirror 32. The beam splitter 31 inputs the first light flux output from the branching beam splitter 21 and reflects it to the first reflection mirror 32, and inputs the first light beam reflected by the first reflection mirror 32 to combine waves. It is transmitted to the beam splitter 22. The beam splitter 31 may be, for example, a half mirror.

参照側光学系には、ビームスプリッタ41、第2反射ミラー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光束を入力して第2反射ミラー42へ反射させ、また、第2反射ミラー42で反射された第2光束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。 The reference side optical system is provided with a beam splitter 41, a second reflection mirror 42, a piezo element 43, and a stage 44. The beam splitter 41 inputs the second light beam output from the branching beam splitter 21 and reflects it to the second reflection mirror 42, and inputs the second light beam reflected by the second reflection mirror 42 to combine waves. It is transmitted to the beam splitter 22. The beam splitter 41 may be, for example, a half mirror.

ピエゾ素子43は、第2反射ミラー42の反射面に垂直な方向に該第2反射ミラー42を移動させることができる。ステージ44は、第2反射ミラー42の反射面に垂直な方向に該第2反射ミラー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光束と第2光束との間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。 The piezo element 43 can move the second reflection mirror 42 in a direction perpendicular to the reflection surface of the second reflection mirror 42. The stage 44 can move the second reflection mirror 42 and the piezo element 43 in a direction perpendicular to the reflection surface of the second reflection mirror 42. The piezo element 43 and the stage 44 can adjust the optical path length of the reference side optical system, and can adjust the optical path length difference between the first luminous flux and the second luminous flux. The stage 44 can roughly adjust the optical path length difference, and the piezo element 43 can finely adjust the optical path length difference.

合波用ビームスプリッタ22は、ビームスプリッタ31から出力され容器90内の対象物およびレンズ51を経た第1光束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光束を入力して、これら第1光束と第2光束とを合波して合波光(干渉光)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。 The beam splitter 22 for the combined wave inputs the first light flux output from the beam splitter 31 and passed through the object in the container 90 and the lens 51, and inputs the second light flux output from the beam splitter 41 and passed through the lens 52. , The first luminous flux and the second luminous flux are combined to output combined light (interference light). The beam splitter 22 for the combined wave may be, for example, a half mirror.

チューブレンズ53は、合波用ビームスプリッタ22から出力された干渉光を撮像器61へ導き、その干渉光を撮像器61の撮像面上に結像させる。撮像器61は、その干渉光を受光して検出信号を出力するものであり、特に撮像面上の干渉光の強度分布を表す検出信号を出力する。撮像器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。 The tube lens 53 guides the interference light output from the beam splitter 22 for combining waves to the imager 61, and forms an image of the interference light on the image pickup surface of the imager 61. The imager 61 receives the interference light and outputs a detection signal, and particularly outputs a detection signal representing the intensity distribution of the interference light on the image pickup surface. The imager 61 is an image sensor such as a CCD area image sensor or a CMOS area image sensor.

演算部3は、撮像器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容器90内の対象物の干渉画像を取得し、更に位相画像を取得する。演算部3は、FPGA(field-programmable gate array)やGPU(GraphicsProcessing 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、演算部3は、干渉画像等を表示する表示部を備えていてもよい。 The calculation unit 3 inputs the detection signal output from the imager 61, acquires an interference image of the object in the container 90 based on the detection signal, and further acquires a phase image. The arithmetic unit 3 is configured to include an image processing processor such as an FPGA (field-programmable gate array) or GPU (Graphics Processing Unit), or may be a computer such as a personal computer or a tablet terminal. Further, the calculation unit 3 may include a display unit for displaying an interference image or the like.

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第2反射ミラー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光束と第2光束との間の位相差を調整することができる。 The control unit (controller) 72 moves the second reflection mirror 42 by driving both or one of the piezo element 43 and the stage 44, and adjusts the optical path length of the reference side optical system. As a result, the control unit 72 can adjust the phase difference between the first luminous flux and the second luminous flux at the time of the wave combination by the wave splitting beam splitter 22.

なお、演算部3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、演算部3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、演算部3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。 The arithmetic unit 3 and the control unit 72 are computers including a processor, a memory, and the like. Further, the arithmetic unit 3 and the control unit 72 may be individual computers or one computer. The computer may be, for example, a smart device such as a personal computer or a tablet terminal. Further, the calculation unit 3 or the control unit 72 has an input unit (keyboard, mouse, tablet terminal, etc.) that receives input from the user, and a display unit (display, tablet terminal, speaker, vibrator) that displays the interference strength and the like. You may be prepared. If the display unit is a device capable of displaying the screen, such as a display or a tablet terminal, an interference image or the like may be displayed together with the interference intensity.

位相画像取得装置1を用いて以下のようにして容器90内の対象物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光束および第2光束とされる。分岐用ビームスプリッタ21から出力された第1光束は、ビームスプリッタ31を透過して、第1反射ミラー32で反射される。第1反射ミラー32で反射された第1光束は、ビームスプリッタ31で反射されて、容器90内の対象物に集光され、対象物を透過する。対象物を透過した第1光束は、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光束は、対象物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光束は、ビームスプリッタ41で反射されて、第2反射ミラー42で反射される。第2反射ミラー42で反射された第2光束は、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。 The interference image of the object in the container 90 can be acquired by using the phase image acquisition device 1 as follows. The light output from the light source 10 passes through the lenses 11 and 12 and is split into two by the branching beam splitter 21 to be the first luminous flux and the second luminous flux. The first light flux output from the branching beam splitter 21 passes through the beam splitter 31 and is reflected by the first reflection mirror 32. The first light flux reflected by the first reflection mirror 32 is reflected by the beam splitter 31, is focused on the object in the container 90, and passes through the object. The first light flux transmitted through the object is input to the beam splitter 22 for combining waves via the lens 51. This first luminous flux has an optical delay in transmission in the object. The second light flux output from the branching beam splitter 21 is reflected by the beam splitter 41 and reflected by the second reflection mirror 42. The second luminous flux reflected by the second reflection mirror 42 passes through the beam splitter 41, passes through the lens 52, and is input to the beam splitter 22 for combining waves.

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光束、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光束は、合波用ビームスプリッタ22により合波される。その合波による干渉光は、チューブレンズ53を経て、撮像器61により受光される。演算部3により、干渉光を受光した撮像器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、更に、複数の干渉画像に基づいて位相画像が取得される。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により第2反射ミラー42の位置が制御されることにより、第1光束と第2光束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光束と第2光束との間の位相差が調整される。 The first luminous flux input from the lens 51 to the combine beam splitter 22 and the second light flux input from the lens 52 to the combine beam splitter 22 are combined by the combine beam splitter 22. The interference light due to the combined wave is received by the imager 61 via the tube lens 53. The calculation unit 3 acquires an interference image based on the detection signal output from the imager 61 that has received the interference light, and further acquires a phase image based on the plurality of interference images. Further, by controlling the position of the second reflection mirror 42 by the piezo element 43 or the stage 44 driven by the control unit 72, the optical path length difference between the first luminous flux and the second luminous flux is adjusted, and the wave combination occurs. The phase difference between the first luminous flux and the second luminous flux at the time of the combined wave by the beam splitter 22 is adjusted.

従来技術では、干渉画像を取得する際に、二光束干渉計20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それぞれで安定化した状態とし、各状態において対象物の干渉画像を撮像器61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を求める。また、二光束干渉計20における二光束の間の光路長差を安定化する為に、この光路長差を検出するとともに、この光路長差が設定値となるように、二光束のうちの何れかの光路上に配置したミラーの位置をフィードバック制御する。しかし、このようなフィードバック制御をしても、例えば対象物としての細胞が培養液に入れられていて該培養液の液面が揺らいでいる場合には、その液面の変動による光路長の変動量が、フィードバック制御により安定化しうる光路長の変動量よりも大きいことにより、二光束干渉計20における二光束の間の光路長差を安定化することが困難であった。この問題に対処するため、従来技術では、培養液の液面の変動を抑制するために、培養液に接するように蓋またはカバーガラスをかぶせたり、水没型水浸対物レンズを用いたりすることで、培養液と気体(例えば、空気)との界面を光が通過しないよう工夫していたが、その場合には細胞が汚染されるという問題が生じる場合があった。 In the prior art, when an interference image is acquired, the optical path length difference between the two light beams in the two light beam interferometer 20 is stabilized at each of a plurality of different set values, and the interference image of the object is captured in each state. It is acquired by the device 61, and a phase image is obtained based on these acquired plurality of interference images. Further, in order to stabilize the optical path length difference between the two luminous fluxes in the two luminous flux interferometer 20, this optical path length difference is detected, and one of the two luminous fluxes is set so that the optical path length difference becomes a set value. The position of the mirror placed on the optical path of is feedback-controlled. However, even with such feedback control, for example, when cells as an object are placed in a culture solution and the liquid level of the culture solution is fluctuating, the optical path length fluctuates due to the fluctuation of the liquid level. Since the amount is larger than the fluctuation amount of the optical path length that can be stabilized by the feedback control, it is difficult to stabilize the optical path length difference between the two light fluxes in the two light flux interferometer 20. In order to deal with this problem, in the prior art, in order to suppress the fluctuation of the liquid level of the culture solution, a lid or a cover glass is covered so as to be in contact with the culture solution, or a submerged submerged objective lens is used. Although it was devised to prevent light from passing through the interface between the culture solution and the gas (for example, air), in that case, there was a problem that the cells were contaminated.

これに対して、以下に説明する実施形態では、例えば対象物としての細胞が培養液に入れられていて該培養液の液面が揺らいでいる場合等のように、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態であっても、対象物の位相画像を取得することができる。なお、光路長差の時間的な変動は、培養液とは別に第1光束または第2光束の光路上に配置された液体の液面の揺らぎに因るものであってもよいし、ピエゾ素子43により駆動された第2反射ミラー42の振動に因るものであってもよいし、また、外部から装置に加えられる振動に因るものであってもよい。光路長差の時間的な変動は、非周期的でランダムなものであってもよいし、周期的なものであってもよいし、また、一方向に漸増または漸減するものであってもよい。十分な大きさの位相差を得る為に外部から装置に振動を加えてもよいし、十分な大きさの位相差が得られるまで干渉画像の取得を続けてもよい。 On the other hand, in the embodiment described below, for example, when a cell as an object is placed in a culture solution and the liquid level of the culture solution is fluctuating, the two light flux interferometers are used for dimming. Even when the optical path length difference between the bundles fluctuates with time, it is possible to acquire a phase image of the object. The temporal fluctuation of the optical path length difference may be due to the fluctuation of the liquid level of the liquid arranged on the optical path of the first luminous flux or the second luminous flux separately from the culture solution, or the piezo element. It may be due to the vibration of the second reflection mirror 42 driven by the 43, or it may be due to the vibration applied to the device from the outside. The temporal variation of the optical path length difference may be aperiodic and random, periodic, and may be unidirectionally increasing or decreasing. .. Vibration may be applied to the device from the outside in order to obtain a sufficiently large phase difference, or the interference image may be continuously acquired until a sufficiently large phase difference is obtained.

図2は、サンプルの構成例を示す図である。対象物は、容器90に入れられた培養液92中の細胞93である。容器90の上部は蓋91が被せられている。培養液92と蓋91との間に空間があり、培養液92の液面は気体(一般には空気)と接している。したがって、培養液92の液面の揺らぎに因り、培養液92を透過する光の光路長は時間的に変動し、二光束干渉計20において二光束の間の光路長差は時間的に変動する。 FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the sample. The object is cells 93 in the culture medium 92 placed in the container 90. The upper part of the container 90 is covered with a lid 91. There is a space between the culture solution 92 and the lid 91, and the liquid surface of the culture solution 92 is in contact with gas (generally air). Therefore, due to the fluctuation of the liquid level of the culture solution 92, the optical path length of the light transmitted through the culture solution 92 fluctuates with time, and the optical path length difference between the two light fluxes in the two-luminous flux interferometer 20 fluctuates with time.

本実施形態では、干渉画像取得部2は、二光束干渉計20において二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態で対象物についてM個の干渉画像を取得する(干渉画像取得ステップ)。M個の干渉画像それぞれの取得タイミングは互いに異なる。そして、演算部3は、これらM個の干渉画像それぞれについて画像全体のオフセット位相シフト量を推定し(オフセット位相シフト量推定ステップ)、M個の干渉画像のうちからオフセット位相シフト量が互いに異なるN個の干渉画像を含む組を設定し(組設定ステップ)、その組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成する(位相画像生成ステップ)。 In the present embodiment, the interference image acquisition unit 2 acquires M interference images of the object in a state where the optical path length difference between the two light fluxes fluctuates with time in the two-luminous flux interferometer 20 (interference image acquisition). Step). The acquisition timings of the M interference images are different from each other. Then, the calculation unit 3 estimates the offset phase shift amount of the entire image for each of these M interference images (offset phase shift amount estimation step), and the offset phase shift amount is different from each other among the M interference images. A set including the interference images is set (set setting step), and a phase image is generated based on the N interference images included in the set (phase image generation step).

好適には、演算部3は、上記のような組を複数設定して(組設定ステップ)、これら複数の組それぞれについて各組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成し(位相画像生成ステップ)、これら複数の組それぞれで生成された位相画像についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する(積算ステップ)。なお、積算ステップにおいて、積算値を組の数で除算することで平均値を求めてもよく、積算値と平均値との間には実質的な差異はない。M個の干渉画像のうち、何れの組にも含まれない干渉画像があってもよい。また、M個の干渉画像のうち、2以上の組に含まれる干渉画像があってもよい。 Preferably, the calculation unit 3 sets a plurality of sets as described above (set setting step), and generates a phase image based on the N interference images included in each set for each of the plurality of sets (set setting step). (Phase image generation step), the phase images generated by each of these plurality of sets are integrated after the offset phase shift amount is corrected (integration step). In the integration step, the average value may be obtained by dividing the integrated value by the number of pairs, and there is no substantial difference between the integrated value and the average value. Of the M interference images, there may be interference images that are not included in any of the sets. Further, among the M interference images, there may be interference images included in two or more sets.

Nは3以上の整数である。N個の干渉画像を含む組を1つのみ設定するのであれば、MはN以上の整数である。N個の干渉画像を含む組を複数設定するのであれば、Mは(N+1)以上の整数である。なお、SNが良好な位相画像を求めるには、組の数は多いほど好ましく、Mは大きいほど好ましい。 N is an integer of 3 or more. If only one set containing N interference images is set, M is an integer greater than or equal to N. If a plurality of sets including N interference images are set, M is an integer of (N + 1) or more. In order to obtain a good phase image for SN, it is preferable that the number of pairs is large, and it is preferable that M is large.

各干渉画像について画像全体のオフセット位相シフト量の推定(オフセット位相シフト量推定ステップ)は例えば次のようにして行われる。干渉画像において干渉縞が直線状であって等間隔に現れている領域に注目し、この領域の干渉強度分布を空間的に複素フーリエ変換する。この複素フーリエ変換で得られた空間周波数分布においてピークとなる複素空間周波数の位相値を求め、この位相値を干渉画像のオフセット位相シフト量として推定する。複素フーリエ変換の対象となる領域は、二次元的に干渉画像を切り出したものであってもよいし、一次元的に干渉画像の一部のラインプロファイルを抽出したものであってもよい。 For each interference image, the estimation of the offset phase shift amount of the entire image (offset phase shift amount estimation step) is performed, for example, as follows. Focusing on the region where the interference fringes are linear and appear at equal intervals in the interference image, the interference intensity distribution in this region is spatially complex Fourier transformed. The phase value of the complex spatial frequency that becomes the peak in the spatial frequency distribution obtained by this complex Fourier transform is obtained, and this phase value is estimated as the offset phase shift amount of the interference image. The region to be the target of the complex Fourier transform may be a two-dimensionally cut out interference image or a one-dimensionally extracted part of the line profile of the interference image.

各組に含まれるN個の干渉画像に基づく位相画像の生成(位相画像生成ステップ)は次のようにして行われる。以下では、N=3の場合について説明する。或る組に含まれる3個の干渉画像I~Iは下記(1)式で表される。I~I、a、b、φは、位置(x,y)の関数である。φは、位相画像の画素値として求めるべき位相値である。α~αは、各干渉画像の取得タイミングでの二光束干渉計における光路長差に起因するオフセット位相シフト量である。この(1)式から下記(2)式が得られる(非特許文献2参照)。この(2)式の右辺は、オフセット位相シフト量α~αおよび位相値φで表され、a、bに依存しない。各干渉画像のオフセット位相シフト量α~αが既に推定されているので、この(2)式から位相値φを求めることができる。すなわち、位相画像を求めることができる。 The generation of the phase image (phase image generation step) based on the N interference images included in each set is performed as follows. Hereinafter, the case where N = 3 will be described. The three interference images I 1 to I 3 included in a certain set are represented by the following equation (1). I 1 to I 3 , a, b, and φ are functions of the position (x, y). φ is a phase value to be obtained as a pixel value of the phase image. α 1 to α 3 are offset phase shift amounts due to the difference in optical path length in the two-luminous flux interferometer at the acquisition timing of each interference image. From this equation (1), the following equation (2) can be obtained (see Non-Patent Document 2). The right side of the equation (2) is represented by the offset phase shift amounts α 1 to α 3 and the phase value φ, and does not depend on a and b. Since the offset phase shift amounts α 1 to α 3 of each interference image have already been estimated, the phase value φ can be obtained from this equation (2). That is, a phase image can be obtained.

Figure 0007014681000001
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Figure 0007014681000002
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複数の組それぞれで生成された位相画像の積算(積算ステップ)において、積算により画素値が減衰することがないように、各位相画像のオフセット位相シフト量を補正した後に、各位相画像を複素振幅画像として積算する。このように積算することで、位相画像の各画素値の誤差を小さくすることができる。 In the integration (integration step) of the phase images generated by each of the plurality of sets, after correcting the offset phase shift amount of each phase image so that the pixel value is not attenuated by the integration, each phase image has a complex amplitude. Accumulate as an image. By integrating in this way, it is possible to reduce the error of each pixel value of the phase image.

次に、実施例について説明する。容器として、35mmφのガラスボトムディッシュを用いた。容器の底部内側に対象物としてイマージョンオイルを付着させ、これに深さ7mm程度に水を入れて、蓋を被せた。光源として中心波長650nmのレーザダイオードを用いた。このレーザダイオードへの注入電流を周波数100kHzで変調することで、レーザダイオードから出力される光の線幅を拡げた。このように線幅を拡げることで出力光をインコヒーレントとして、スペックルノイズおよびレーザ光の不安定性を低減した。各干渉画像を取得する際の露光時間は3ミリ秒であり、撮像フレームレートは30fpsであった。100個の干渉画像を取得した。 Next, an embodiment will be described. As a container, a glass bottom dish having a diameter of 35 mm was used. Immersion oil was adhered to the inside of the bottom of the container as an object, water was poured into the immersion oil to a depth of about 7 mm, and a lid was put on the container. A laser diode having a center wavelength of 650 nm was used as a light source. By modulating the injection current into the laser diode at a frequency of 100 kHz, the line width of the light output from the laser diode was widened. By expanding the line width in this way, the output light is made incoherent, and speckle noise and instability of the laser light are reduced. The exposure time for acquiring each interference image was 3 milliseconds, and the imaging frame rate was 30 fps. 100 interference images were acquired.

図3は、実施例で取得された100個の干渉画像のうちの3個の干渉画像を示す図である。二光束干渉計において二光束の間の光路長差が時間的に変動していることにより、オフセット位相シフト量も時間的に変動していることから、これら3個の干渉画像は互いに異なっている。 FIG. 3 is a diagram showing three interference images out of the 100 interference images acquired in the embodiment. In the two-luminous flux interferometer, the difference in optical path length between the two light fluxes fluctuates with time, so that the offset phase shift amount also fluctuates with time. Therefore, these three interference images are different from each other.

図4は、実施例で取得された100個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量を示すグラフである。なお、この図では時間方向の位相アンラッピング処理を行っていない。横軸は干渉画像の番号である。縦軸は、オフセット位相シフト量推定ステップにおいて各干渉画像について推定されたオフセット位相シフト量(ラジアン)である。このように、オフセット位相シフト量が時間的に変動していることが分かる。 FIG. 4 is a graph showing the offset phase shift amount of each of the 100 interference images acquired in the embodiment. In this figure, the phase unwrapping process in the time direction is not performed. The horizontal axis is the number of the interference image. The vertical axis is the offset phase shift amount (radians) estimated for each interference image in the offset phase shift amount estimation step. In this way, it can be seen that the offset phase shift amount fluctuates with time.

組設定ステップにおいて、各組に含まれる干渉画像の個数Nを3として、20組を設定した。20組のうちの第kの組は、100個の干渉画像のうちの第(5k-4)の干渉画像と、この第(5k-4)の干渉画像に対してオフセット位相シフト量の差が+120°に最も近い干渉画像と、この第(5k-4)の干渉画像に対してオフセット位相シフト量の差が-120°に最も近い干渉画像と、を含むように設定した。kは1~20の各整数である。 In the set setting step, 20 sets were set by setting the number N of the interference images included in each set to 3. The kth set out of the 20 sets has a difference in the amount of offset phase shift between the (5k-4) th interference image out of 100 interference images and the (5k-4) th interference image. It was set to include an interference image closest to + 120 ° and an interference image having an offset phase shift amount difference closest to −120 ° with respect to this (5k-4) interference image. k is an integer from 1 to 20.

位相画像生成ステップにおいて、20組それぞれについて各組に含まれる3個の干渉画像に基づいて位相画像を生成した。そして、積算ステップにおいて、20組それぞれで生成された位相画像についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算して、最終的な位相画像を得た。 In the phase image generation step, a phase image was generated for each of the 20 sets based on the three interference images included in each set. Then, in the integration step, the phase images generated by each of the 20 sets were integrated after correcting the offset phase shift amount to obtain a final phase image.

図5および図6は、実施例で取得された位相画像を示す図である。図5は、位相アンラピング処理前の位相画像である。図6は、位相アンラピング処理および背景歪み補正の後の位相画像である。この位相画像は、容器の底部内側に付着させた対象物としてのイマージョンオイルの形状をよく表している。なお、対象物の厚さの最大値は40ラジアンの位相差に相当するが、このような大きな位相値であっても、位相アンラッピング処理に問題は生じない。 5 and 6 are diagrams showing the phase images obtained in the examples. FIG. 5 is a phase image before the phase unwrapping process. FIG. 6 is a phase image after phase unwrapping processing and background distortion correction. This phase image well represents the shape of the immersion oil as an object attached to the inside of the bottom of the container. The maximum value of the thickness of the object corresponds to a phase difference of 40 radians, but even with such a large phase value, there is no problem in the phase unwrapping process.

このように、例えば対象物としての細胞が培養液に入れられていて該培養液の液面が揺らいでいる場合等のように、二光束干渉計において二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態であっても、対象物の位相画像を取得することができる。従来のように培養液の液面の変動を抑制するために培養液に接するようにカバーガラス等を設ける必要がないので、カバーガラス等による細胞の汚染の問題が生じない。また、機械的な可動部が無くても位相画像を取得することができるので、機械的部品の劣化の問題を抑制することができ、簡易な構成とすることができる。 In this way, for example, when cells as an object are placed in a culture solution and the liquid level of the culture solution is fluctuating, the optical path length difference between the two light fluxes in the two-luminous flux interferometer is temporally different. It is possible to acquire a phase image of an object even in a fluctuating state. Since it is not necessary to provide a cover glass or the like in contact with the culture solution in order to suppress fluctuations in the liquid level of the culture solution as in the conventional case, the problem of cell contamination by the cover glass or the like does not occur. Further, since the phase image can be acquired even if there is no mechanical moving part, the problem of deterioration of mechanical parts can be suppressed, and a simple configuration can be obtained.

次に、N個の干渉画像を含む組の設定(組設定ステップ)について詳細に説明する。N個の干渉画像を含む組を設定するに際して、上記(2)式に基づく位相値φの算出が精度よく行われるように、N個の干渉画像を選択するのが好ましい。その為には、次のようにしてN個の干渉画像を選択することができる。まず、M個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αについて、横軸をcosαとし縦軸をsinαとする直交座標系において原点を中心とする半径1の単位円の周上にフェーザ表示する。図7は、M個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した例を示す図である。 Next, the setting of the set including the N interference images (set setting step) will be described in detail. When setting a set including N interference images, it is preferable to select N interference images so that the phase value φ can be calculated accurately based on the above equation (2). For that purpose, N interference images can be selected as follows. First, the offset phase shift amount α of each of the M interference images is phasor-displayed on the circumference of a unit circle having a radius of 1 centered on the origin in a Cartesian coordinate system having cosα on the horizontal axis and sinα on the vertical axis. FIG. 7 is a diagram showing an example in which the offset phase shift amount α of each of the M interference images is phasor-displayed on the unit circle.

この図において、単位円上の黒丸が、フェーザ表示したオフセット位相シフト量αの位置を表している。単位円上にフェーザ表示されたM個のオフセット位相シフト量αのうちから、N個のオフセット位相シフト量αの点を順に線分で結ぶことで形成されるN角形の面積が出来る限り大きくなるように(最も好適には正N角形に近い形状となるように)、N個のオフセット位相シフト量αを選択し、これらに対応するN個の干渉画像を選択して組とするのが好ましい。 In this figure, the black circle on the unit circle represents the position of the offset phase shift amount α displayed by the phasor. From the M offset phase shift amount α displayed on the unit circle as a phaser, the area of the N-square formed by connecting the points of N offset phase shift amount α in order with a line segment becomes as large as possible. It is preferable to select N offset phase shift amounts α and select N interference images corresponding to these to form a set. ..

図8は、M個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した図において、M個の干渉画像のうちから3個の干渉画像を選択する方法を説明する図である。N=3の場合、単位円上にフェーザ表示されたM個のオフセット位相シフト量αのうちから、3個のオフセット位相シフト量αの点を順に線分で結ぶことで形成される三角形の面積が出来る限り大きくなるように(最も好適には正三角形に近い形状となるように)、3個のオフセット位相シフト量αを選択し、これらに対応する3個の干渉画像を選択して組とする。この図では、各組に含まれる3個の干渉画像のオフセット位相シフト量αの点が、実線、破線または一点鎖線で結ばれている。3個の干渉画像を含む組が3つ設定されている。 FIG. 8 is a diagram illustrating a method of selecting three interference images from among the M interference images in a diagram in which the offset phase shift amount α of each of the M interference images is phasor-displayed on a unit circle. .. When N = 3, the area of the triangle formed by connecting the points of the three offset phase shift amounts α in order from the M offset phase shift amount α displayed on the unit circle by a line segment. Select three offset phase shift amounts α so that do. In this figure, the points of the offset phase shift amount α of the three interference images included in each set are connected by a solid line, a broken line, or an alternate long and short dash line. Three sets including three interference images are set.

N=3の場合に、単位円上にフェーザ表示された3個のオフセット位相シフト量αの点を順に線分で結ぶことで形成される三角形の面積と、これらに対応する3個の干渉画像に基づいて生成される位相画像における各画素値の誤差との間の関係について、シミュレーションを行った。3個の干渉画像のうちの第nの干渉画像Iを次式で表した。a=1.5とし、b=1.0とした。干渉画像Iの各画素値にノイズを付与した。付与したノイズは、n=0.15sqrt(I) として、-n/2~+n/2 の範囲の一様乱数とした。すなわち、光子数の平方根に比例するショットノイズを模擬した。そして、3個の干渉画像のうちの第1の干渉画像Iのオフセット位相シフト量αを0とし、第2の干渉画像Iのオフセット位相シフト量αおよび第3の干渉画像Iのオフセット位相シフト量αを様々な値に設定した。 When N = 3, the area of the triangle formed by connecting the three points of the offset phase shift amount α displayed on the unit circle with a line segment in order, and the three interference images corresponding to these points. A simulation was performed on the relationship between the error of each pixel value in the phase image generated based on. The nth interference image In of the three interference images was expressed by the following equation. a = 1.5 and b = 1.0. Noise was added to each pixel value of the interference image In. The added noise was a uniform random number in the range of −n f / 2 to + n f / 2 with n f = 0.15 sqrt (In). That is, the shot noise proportional to the square root of the number of photons was simulated. Then, the offset phase shift amount α 1 of the first interference image I 1 of the three interference images is set to 0, and the offset phase shift amount α 2 of the second interference image I 2 and the third interference image I 3 are set. The offset phase shift amount α 3 of was set to various values.

Figure 0007014681000003
Figure 0007014681000003

図9は、α=-120°としα=+120°としてノイズを付与しなかった場合に得られる位相画像(正解画像)である。図10は、α=-120°としα=+120°としてノイズを付与した場合の干渉画像I~Iである。図11は、図10の干渉画像I~Iに基づいて得られた位相画像である。図12は、α=-20°としα=+30°としてノイズを付与した場合の干渉画像I~Iである。図13は、図12の干渉画像I~Iに基づいて得られた位相画像である。図14は、図9の正解画像に対する図13の位相画像の誤差を表す画像である。これらの図から、干渉画像にノイズが含まれている場合に位相画像の誤差を小さくするには、3個のオフセット位相シフト量αの点を順に線分で結ぶことで形成される三角形の面積が大きいのが好ましいことが分かる。 FIG. 9 is a phase image (correct image) obtained when α 2 = −120 ° and α 3 = + 120 ° and no noise is applied. FIG. 10 shows interference images I 1 to I 3 when noise is applied with α 2 = −120 ° and α 3 = + 120 °. FIG. 11 is a phase image obtained based on the interference images I 1 to I 3 of FIG. FIG. 12 shows interference images I 1 to I 3 when noise is applied with α 2 = −20 ° and α 3 = + 30 °. FIG. 13 is a phase image obtained based on the interference images I 1 to I 3 of FIG. FIG. 14 is an image showing an error of the phase image of FIG. 13 with respect to the correct image of FIG. From these figures, in order to reduce the error of the phase image when the interference image contains noise, the area of the triangle formed by connecting the three points of the offset phase shift amount α with a line segment in order. It can be seen that it is preferable that the value is large.

図15は、3個の干渉画像それぞれのオフセット位相シフト量αを単位円上にフェーザ表示した図である。3個の干渉画像のうちの第1の干渉画像Iのオフセット位相シフト量αを0とし、第2の干渉画像Iのオフセット位相シフト量を+αとし、第3の干渉画像Iのオフセット位相シフト量を-αとしている。αの各値およびαの各値に対して、3個のオフセット位相シフト量の点を順に線分で結ぶことで形成される三角形の面積areaを求めることができ、また、これらに対応する3個の干渉画像に基づいて生成される位相画像における各画素値の誤差の標準偏差stdを求めることができる。 FIG. 15 is a diagram in which the offset phase shift amount α of each of the three interference images is phasor-displayed on the unit circle. The offset phase shift amount α 1 of the first interference image I 1 of the three interference images is set to 0, the offset phase shift amount of the second interference image I 2 is set to + α 2 , and the third interference image I 3 is set. The offset phase shift amount of is set to −α3 . For each value of α 2 and each value of α 3 , it is possible to obtain the area area of the triangle formed by connecting the points of the three offset phase shift amounts in order with a line segment, and it corresponds to these. The standard deviation std of the error of each pixel value in the phase image generated based on the three interference images can be obtained.

図16は、オフセット位相シフト量α,αと標準偏差stdとの間の関係を濃淡で示す図である。図17は、オフセット位相シフト量α,αと標準偏差stdとの間の関係を等高線で示す図である。図18は、オフセット位相シフト量α,αを様々な値に設定して得られた三角形の面積areaおよび標準偏差stdをプロットしたグラフである。図19は、三角形の面積areaに対する標準偏差stdの最小値の関係を示すグラフである。図20は、三角形の面積areaに対する標準偏差stdの最小値の関係を示す表である。これらの図から分かるように、α=α=120°のとき、すなわち、3点を結ぶ三角形が正三角形であるときに、誤差が最も小さくなる。三角形の面積areaが大きいほど誤差が小さい。 FIG. 16 is a diagram showing the relationship between the offset phase shift quantities α 2 and α 3 and the standard deviation std in shades of light. FIG. 17 is a diagram showing the relationship between the offset phase shift quantities α 2 and α 3 and the standard deviation std by contour lines. FIG. 18 is a graph plotting the area area of the triangle and the standard deviation std obtained by setting the offset phase shift quantities α 2 and α 3 to various values. FIG. 19 is a graph showing the relationship between the minimum value of the standard deviation std and the area of the triangle. FIG. 20 is a table showing the relationship between the minimum value of the standard deviation std and the area of the triangle. As can be seen from these figures, the error is the smallest when α 2 = α 3 = 120 °, that is, when the triangle connecting the three points is an equilateral triangle. The larger the area of the triangle, the smaller the error.

次に、N個の干渉画像を含む組の設定(組設定ステップ)の例について説明する。先ず、M個の干渉画像I(m=1~M)が取得されており、各干渉画像Iのオフセット位相シフト量αが既知であるとする。前述したとおり、M個の干渉画像I~Iのうちから任意の3個の干渉画像を選んで位相画像を生成することできる。ここで、上記(2)式を変形することで、生成される位相画像に対応する偏角を持つ複素振幅画像Comp(x,y) を定式化することができる。式変形の過程を以下に記す。 Next, an example of setting a set including N interference images (set setting step) will be described. First, it is assumed that M interference images Im ( m = 1 to M) have been acquired, and the offset phase shift amount α m of each interference image Im is known. As described above, any three interference images can be selected from the M interference images I 1 to IM to generate a phase image. Here, by modifying the above equation (2), it is possible to formulate a complex amplitude image Comp (x, y) having an argument corresponding to the generated phase image. The process of formula transformation is described below.

(2)式の右辺に現れる係数について複素数A,Bを下記(4)式で表す。(2)式の右辺の分母および分子にcosφを乗じることにより、下記(5)式が得られる。未知数はcosφおよびsinφである。 Complex numbers A and B are expressed by the following equation (4) for the coefficients appearing on the right side of equation (2). By multiplying the denominator and numerator on the right side of equation (2) by cosφ, the following equation (5) can be obtained. The unknowns are cosφ and sinφ.

Figure 0007014681000004
Figure 0007014681000004

Figure 0007014681000005
Figure 0007014681000005

下記(6)式の行列Mを用いると、(5)式は下記(7)式で表される。行列Mが正則行列であれば、(7)式は下記(8)式で表される。 Using the matrix M of the following equation (6), the equation (5) is expressed by the following equation (7). If the matrix M is a regular matrix, the equation (7) is expressed by the following equation (8).

Figure 0007014681000006
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Figure 0007014681000007
Figure 0007014681000007

Figure 0007014681000008
Figure 0007014681000008

複素振幅画像Comp(x,y) は、下記(9)式で表すと、下記(10)式の形になる。すなわち、複素振幅画像Compは、干渉画像と複素数列との内積で表されることとなる。 The complex amplitude image Comp (x, y) is expressed by the following equation (9) in the form of the following equation (10). That is, the complex amplitude image Comp is represented by the inner product of the interference image and the complex number sequence.

Figure 0007014681000009
Figure 0007014681000009

Figure 0007014681000010
Figure 0007014681000010

複数の組それぞれにおいて3個の干渉画像から複素振幅画像を生成して、これら複数個の複素振幅画像を積算した上で偏角をとるという演算は、下記(11)式で複素振幅画像を生成して、この複素振幅画像の偏角をとって位相画像を求めることに等しい。 The calculation of generating a complex amplitude image from three interference images in each of a plurality of sets, integrating these multiple complex amplitude images, and then taking the argument is to generate a complex amplitude image by the following equation (11). Then, it is equivalent to obtaining the phase image by taking the argument of this complex amplitude image.

Figure 0007014681000011
Figure 0007014681000011

したがって、複数の組それぞれにおいて3個の干渉画像から位相画像を生成することは、各組で選ばれた3個の干渉画像をIm1,Im2,Im3としたときに、複素係数coef_m1,coef_m2,coef_m3を順次決定して行くという操作に相当する。これらより、本実施形態において複数の干渉画像から位相画像を生成すること、上記(11)式の複素係数ベクトル(coef_1 … coef_N)を決定するという操作に一般化することができる。 Therefore, to generate a phase image from three interference images in each of a plurality of sets, the complex coefficient coef_m1 , when the three interference images selected in each set are Im1, Im2 , and I m3 , It corresponds to the operation of sequentially determining coef_m2 and coef_m3. From these, it can be generalized to the operation of generating a phase image from a plurality of interference images in the present embodiment and determining the complex coefficient vector (coef_1 ... coef_N) of the above equation (11).

以下では、この係数を決定する方法として4つの方法を挙げて、それぞれのシミュレーション結果を示す。第1の方法では、3個の干渉画像を完全にランダムに選ぶ。第2の方法では、3個の干渉画像を適切に選ぶ。第3の方法では、3個の干渉画像の選び方が不適切である。第4の方法では、12個の干渉画像の全てを用いた場合の係数ベクトルの各要素について反復的な最適化を行う。 In the following, four methods are given as methods for determining this coefficient, and the simulation results of each are shown. In the first method, three interfering images are selected completely randomly. In the second method, three interference images are appropriately selected. In the third method, the method of selecting the three interference images is inappropriate. In the fourth method, iterative optimization is performed for each element of the coefficient vector when all of the 12 interference images are used.

このシミュレーションでは12個の干渉画像I~I12を用意した。各干渉画像Iは上記(3)式で表されるものとして、a=1.5とし、b=1.0とした。各干渉画像Iのオフセット位相シフト量αを、-π~+πの範囲で一様分布する乱数列とした。干渉画像Iの各画素値にノイズを付与した。付与したノイズは、n=0.15sqrt(I) として、-n/2~+n/2 の範囲の一様乱数とした。すなわち、光子数の平方根に比例するショットノイズを模擬した。また、ノイズがない場合の位相画像(正解画像)は図9と同じである。 In this simulation, 12 interference images I 1 to I 12 were prepared. Each interference image Im is represented by the above equation (3), and a = 1.5 and b = 1.0. The offset phase shift amount α m of each interference image Im was set as a random number sequence uniformly distributed in the range of −π to + π. Noise was added to each pixel value of the interference image Im . The added noise was a uniform random number in the range of −n f / 2 to + n f / 2 with n f = 0.15 sqrt (I m ). That is, the shot noise proportional to the square root of the number of photons was simulated. Further, the phase image (correct image) when there is no noise is the same as in FIG.

第1の方法によるシミュレーションの内容および結果は以下のとおりである。それぞれにランダムなオフセット位相シフト量αが与えられた12個の干渉画像I~I12のうちから任意に3個の干渉画像を選ぶことで位相画像を生成することができるが、最も単純な方法として、干渉画像I~Iを第1の組とし、干渉画像I~Iを第2の組とし、干渉画像I~Iを第3の組とし、干渉画像I10~I12を第4の組とした。その結果、図21に記したような複素係数列が得られた。図21は、シミュレーションで用意した12個の干渉画像I~I12のオフセット位相シフト量、組分け及び複素係数列を纏めた表である。これらの複素係数列に基づいて上記(11)式によって複素振幅画像を生成し、さらに位相画像を生成した。図22は、第1の方法で得られた位相画像である。図23は、図9の正解画像に対する図22の位相画像の誤差を表す画像である。なお、これらの画像における単位はラジアンである。誤差の標準偏差は33.4ミリラジアンであった。 The contents and results of the simulation by the first method are as follows. A phase image can be generated by arbitrarily selecting 3 interference images from 12 interference images I 1 to I 12 each given a random offset phase shift amount α m , but the simplest. As a method, the interference images I 1 to I 3 are set as the first set, the interference images I 4 to I 6 are set as the second set, the interference images I 7 to I 9 are set as the third set, and the interference images I 10 are used. ~ I 12 was set as the fourth set. As a result, a complex coefficient sequence as shown in FIG. 21 was obtained. FIG. 21 is a table summarizing the offset phase shift amounts, groupings, and complex coefficient sequences of the 12 interference images I 1 to I 12 prepared in the simulation. Based on these complex coefficient sequences, a complex amplitude image was generated by the above equation (11), and a phase image was further generated. FIG. 22 is a phase image obtained by the first method. FIG. 23 is an image showing an error of the phase image of FIG. 22 with respect to the correct image of FIG. The unit in these images is radians. The standard deviation of the error was 33.4 milliradians.

第2の方法によるシミュレーションの内容および結果は以下のとおりである。12個の干渉画像I~I12をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替え、その並び替えた後の12個の干渉画像を順にJ~J12とした。そして、12個の干渉画像J~J12を4個の組に順に振り分けた。すなわち、干渉画像J,J,Jを第1の組とし、干渉画像J,J,J10を第2の組とし、干渉画像J,J,J11を第3の組とし、干渉画像J,J,J12を第4の組とした(図34参照)。図24は、第2の方法で得られた位相画像である。図25は、図9の正解画像に対する図24の位相画像の誤差を表す画像である。誤差の標準偏差は23.6ミリラジアンであった。 The contents and results of the simulation by the second method are as follows. The 12 interference images I 1 to I 12 were rearranged in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and the 12 interference images after the rearrangement were designated as J 1 to J 12 in order. Then, the 12 interference images J 1 to J 12 were sequentially distributed into four sets. That is, the interference images J 1 , J 5 , and J 9 are the first set, the interference images J 2 , J 5 , and J 10 are the second set, and the interference images J 3 , J 6 , and J 11 are the third set. The set was set, and the interference images J 4 , J 7 , and J 12 were set as the fourth set (see FIG. 34). FIG. 24 is a phase image obtained by the second method. FIG. 25 is an image showing an error of the phase image of FIG. 24 with respect to the correct image of FIG. The standard deviation of the error was 23.6 milliradians.

第2の方法についてより一般化して説明する。M個の干渉画像J~Jに対して、M/3を超えない最大の整数をMとしたときに、これらの干渉画像をM個の組に振り分けることができる。振り分けに際しては、あらかじめ干渉画像J~Jをオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えておく。そのうえで、干渉画像J,J1+MG,J1+2×MGを第1の組とし、干渉画像J,J2+MG,J2+2×MGを第2の組とし、干渉画像J,J3+MG,J3+2×MGを第3の組とし、以下第Mの組まで振り分けることができる。すなわち、第k番目の組は、干渉画像J,Jk+MG,Jk+2×MGによって構成される。このように振り分けることで、各組に含まれる3個の干渉画像の相対的な位相差が、概ね均等に120°ずつとなるように組分けすることができる。 The second method will be described in a more general manner. For M interference images J1 to JM , when the maximum integer that does not exceed M / 3 is MG, these interference images can be distributed to MG sets. Before sorting, the interference images J1 to JM are sorted in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount. Then, the interference images J 1 , J 1 + MG , J 1 + 2 × MG are set as the first set, and the interference images J 2 , J 2 + MG , J 2 + 2 × MG are set as the second set, and the interference images J 3 , J 3 + MG and J 3 + 2 × MG are set as the third set, and the following can be distributed to the third set. That is, the kth set is composed of the interference images J k , J k + MG , and J k + 2 × MG . By sorting in this way, the relative phase differences of the three interference images included in each set can be grouped so as to be approximately 120 ° each.

第3の方法によるシミュレーションの内容および結果は以下のとおりである。12個の干渉画像I~I12をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替え、その並び替えた後の12個の干渉画像を順にJ~J12とした。そして、干渉画像J~Jを第1の組とし、干渉画像J~Jを第2の組とし、干渉画像J~Jを第3の組とし、干渉画像J10~J12を第4の組とした(図35参照)。図26は、第3の方法で得られた位相画像である。図27は、図9の正解画像に対する図26の位相画像の誤差を表す画像である。誤差の標準偏差は235ミリラジアンであった。なお、このような干渉画像の組み分けは、図28に示されるように或る期間において各干渉画像のオフセット位相シフト量が時間的に単調に増加(または減少)している場合に、連続して取得された3個の干渉画像を各組に含めることに相当する。 The contents and results of the simulation by the third method are as follows. The 12 interference images I 1 to I 12 were rearranged in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and the 12 interference images after the rearrangement were designated as J 1 to J 12 in order. Then, the interference images J 1 to J 3 are set as the first set, the interference images J 4 to J 6 are set as the second set, the interference images J 7 to J 9 are set as the third set, and the interference images J 10 to J are set. 12 was used as the fourth set (see FIG. 35). FIG. 26 is a phase image obtained by the third method. FIG. 27 is an image showing an error of the phase image of FIG. 26 with respect to the correct image of FIG. The standard deviation of the error was 235 milliradians. It should be noted that such grouping of the interference images is continuous when the offset phase shift amount of each interference image increases (or decreases) monotonously over time as shown in FIG. 28. It corresponds to including the three interference images obtained in each set in each set.

第4の方法によるシミュレーションの内容および結果は以下のとおりである。第4の方法では、12個の干渉画像に対して組み分けを行わず、前記各組に含まれる干渉画像の個数NをN=M=12として画像再構成を行っている。第1から第3の方法によって示されたように、M個の干渉画像から位相分布を再構成するための複素係数列としては、様々な値を取ることができ、元となる干渉画像にノイズが無い場合は、位相分布を与える複素係数列は無数に存在するが、この複素係数列の取り方を工夫することで、よりノイズに対してロバストな複素係数列を導くことができる。 The contents and results of the simulation by the fourth method are as follows. In the fourth method, the 12 interference images are not grouped, and the number N of the interference images included in each group is N = M = 12, and the image reconstruction is performed. As shown by the first to third methods, various values can be taken as the complex coefficient sequence for reconstructing the phase distribution from the M interference images, and the original interference image has noise. If there is no, there are innumerable complex coefficient sequences that give a phase distribution, but by devising how to take this complex coefficient sequence, it is possible to derive a complex coefficient sequence that is more robust to noise.

まず、M個の干渉画像I~Iの複素係数列(coef_1 … coef_M)に関して、初期条件としての係数列を設定する。たとえば、第2の方法で求められた複素係数列を初期条件とすることができる。その後、複素係数列のうち一部の要素を微小量だけ複素平面上で変化させることを考える。例えば、L番目の係数coef_Lについて、その実部を0.1だけ増加させたり、その虚部を0.1だけ減少させたりする。この際に新たに作られた複素係数列(coef_1 … coef_M)では位相画像の画像再構成ができないが、L番目ではない別の一つ以上の係数について、その実部および虚部の双方または何れか一方を微小量だけ増加または減少させることで、複素係数列を微小に補正して第2の係数列を作成することができる。この計算は、コンピュータ上でオフセット位相量がα~αであり-π~+πにわたって均等に位相が分布するような干渉画像をノイズの無い条件で作成し、それらに対して位相画像の画像再構成ができるように複素係数列を調整することで実現してもよい。 First, for the complex coefficient sequence (coef_1 ... coef_M) of M interference images I 1 to IM, the coefficient sequence as an initial condition is set. For example, the complex coefficient sequence obtained by the second method can be used as the initial condition. After that, consider changing some elements of the complex coefficient sequence on the complex plane by a small amount. For example, for the L-th coefficient coef_L, the real part is increased by 0.1 or the imaginary part is decreased by 0.1. At this time, the newly created complex coefficient sequence (coef_1… coef_M) cannot reconstruct the image of the phase image, but for another one or more coefficients that are not the Lth, both the real part and the imaginary part, or either of them. By increasing or decreasing one of them by a minute amount, the complex coefficient sequence can be slightly corrected to create a second coefficient sequence. In this calculation, an interference image in which the offset phase amount is α 1 to α M and the phase is evenly distributed over −π to + π is created on the computer under noise-free conditions, and the phase image is imaged for them. It may be realized by adjusting the complex coefficient sequence so that it can be reconstructed.

次に、新たに得られた複素係数列のノイズに対するロバスト性を評価する。ノイズに対するロバスト性の評価は、たとえばコンピュータ上でオフセット位相量がα~αでありノイズを含み、-π~+πにわたって均等に位相が分布するような干渉画像を作成し、それらに対して新たに得られた複素係数列を適用して位相画像を求め、理想的な正解となる位相画像との間で二乗平均誤差を求めることで実現してもよい。ここで、初期条件としての係数列を用いた位相画像における二乗平均誤差と、初期条件から微小に変化させて新たに得られた条件での係数列を用いた位相画像における二乗平均誤差とを比較し、新たに得られた複素係数列を用いた方がノイズに対して良好な再構成結果をもたらす場合は、新たに得られた複素係数列を暫定的な最善の複素係数列として採用する。 Next, the robustness of the newly obtained complex coefficient sequence with respect to noise is evaluated. To evaluate the robustness to noise, for example, on a computer, an interference image having an offset phase amount of α 1 to α M , including noise, and the phase being evenly distributed over −π to + π is created, and an interference image is created for them. It may be realized by applying the newly obtained complex coefficient sequence to obtain the phase image and obtaining the squared average error from the phase image which is the ideal correct answer. Here, the squared average error in the phase image using the coefficient sequence as the initial condition is compared with the squared average error in the phase image using the coefficient sequence newly obtained by slightly changing from the initial condition. However, if the newly obtained complex coefficient sequence gives better reconstruction results for noise, the newly obtained complex coefficient sequence is adopted as the provisional best complex coefficient sequence.

逆に、新たに得られた複素係数列を用いた方がノイズに対して劣悪な再構成結果をもたらす場合は、前段階の複素係数列を暫定的な最善の複素係数列として採用する。複素係数列の中で何番目の要素を微小変化させるか、また微小変化させるのは実部か虚部か、また微小変化の方向は正の方向か負の方向かについては、幾通りもの試行があり得る。したがって、複素係数列の微小変化とノイズに対するロバスト性の評価を幾通りも試行し、それらの中で最も良い結果をもたらす複素係数列を暫定的な最善の複素係数列として漸次採用していくことができる。 On the contrary, if the newly obtained complex coefficient sequence gives a poor reconstruction result for noise, the complex coefficient sequence in the previous stage is adopted as the provisional best complex coefficient sequence. There are many trials as to which element in the complex coefficient sequence is to be changed minutely, whether it is the real part or the imaginary part, and whether the direction of the minute change is positive or negative. There can be. Therefore, we should try many evaluations of the robustness against minute changes and noise of the complex coefficient sequence, and gradually adopt the complex coefficient sequence that gives the best result as the provisional best complex coefficient sequence. Can be done.

例えばM個の要素を持つ複素係数列について、そのL番目の係数の実部または虚部を、正または負の方向に微小量変化させる場合、その取り方は4×M通りある。また、或るL番目の係数を変化させた場合に、L番目ではない別の係数について、その実部および虚部の双方または何れか一方を微小量だけ増加または減少させることで、複素係数列を微小に補正して新たな係数列を作成することができる。この際に、L番目の係数の微小変化分をどの係数で補償するかの選び方は、(M-1)通りある。したがって、ある係数の実部または虚部を正または負の方向に微小量変化させ、その変化分を補償するために別の係数を微小量変化させる場合、4×M×(M-1)通りの組み合わせが存在する。これらの組み合わせ全てについて、ノイズに対するロバスト性を評価し、組み合わせの中で最も良い結果をもたらす複素係数列を暫定的な最善の複素係数列として漸次採用してもよい。 For example, in the case of a complex coefficient sequence having M elements, when the real part or the imaginary part of the Lth coefficient is changed by a small amount in the positive or negative direction, there are 4 × M ways to take it. Further, when a certain L-th coefficient is changed, for another coefficient that is not the L-th, the complex coefficient sequence is formed by increasing or decreasing both the real part and / or the imaginary part by a minute amount. A new coefficient sequence can be created by making minor corrections. At this time, there is (M-1) how to select which coefficient compensates for the minute change of the Lth coefficient. Therefore, when changing the real part or the imaginary part of a certain coefficient by a small amount in the positive or negative direction and changing another coefficient by a small amount in order to compensate for the change, there are 4 × M × (M-1) ways. There is a combination of. For all of these combinations, the robustness to noise may be evaluated, and the complex coefficient sequence that gives the best result in the combination may be gradually adopted as the provisional best complex coefficient sequence.

暫定的な最善の複素係数列を求めることができた後には、その暫定的な最善の複素係数列を起点として、よりノイズに対してロバストな複素係数を同様に求めることができる。この試行をコンピュータ上で反復的に繰り返すことで、最も良い結果をもたらすと予想される複素係数列を求めることができる。 After the provisional best complex coefficient sequence can be obtained, the complex coefficient more robust to noise can be similarly obtained starting from the provisional best complex coefficient sequence. By iteratively repeating this trial on a computer, the complex coefficient sequence expected to give the best results can be obtained.

なお、この複素係数列を求めるにあたって必要な情報は、オフセット位相量α~αの数値であって、実際の干渉画像そのものではない。したがって、ノイズに対するロバスト性の評価においてコンピュータ上でシミュレーションされたノイズを含む干渉画像を用い、最終的な画像再構成においては実際に取得された干渉画像を用いても問題はない。 It should be noted that the information required for obtaining this complex coefficient sequence is the numerical value of the offset phase amount α 1 to α M , not the actual interference image itself. Therefore, there is no problem even if an interference image containing noise simulated on a computer is used in the evaluation of the robustness to noise, and the actually acquired interference image is used in the final image reconstruction.

12個の干渉画像I~I12の複素係数列(coef_1 … coef_12)に関して、第2の方法で得られた複素係数列を初期値とし、よりノイズに対してロバストな複素係数列を反復的に求めていくことによって最適化計算によって各要素の複素数を決定した。図29は、第4の方法で得られた位相画像である。図30は、図9の正解画像に対する図29の位相画像の誤差を表す画像である。誤差の標準偏差は22.0ミリラジアンであった。 For the complex coefficient sequences (coef_1 ... coef_12) of the 12 interference images I 1 to I 12 , the complex coefficient sequence obtained by the second method is used as the initial value, and the complex coefficient sequence more robust to noise is iteratively used. The complex number of each element was determined by the optimization calculation. FIG. 29 is a phase image obtained by the fourth method. FIG. 30 is an image showing an error of the phase image of FIG. 29 with respect to the correct image of FIG. The standard deviation of the error was 22.0 milliradians.

図31は、第2~第4の各方法によるシミュレーションで用意した12個の干渉画像I~I12のオフセット位相シフト量、組分け及び複素係数列を纏めた表である。以上のシミュレーション結果から、次のことが分かる。 FIG. 31 is a table summarizing the offset phase shift amounts, groupings, and complex coefficient sequences of the 12 interference images I 1 to I 12 prepared in the simulations by the second to fourth methods. From the above simulation results, the following can be understood.

干渉画像にノイズが存在していない理想的な条件では、第1~第4の方法の何れによっても上記(11)式に基づいて位相画像を生成することができる。しかし、実際の干渉画像にはノイズが存在し、その中でも光のショットノイズは物理的に避けられない。ノイズを含んだ干渉画像を用いたシミュレーションの結果、生成された位相画像の精度は、第4の方法で最も良好であり、これに第2の方法および第1の方法が続いた。第3の方法では、位相画像の精度は非常に悪かった。図32は、第1~第4の各方法によるシミュレーションで得られた誤差の標準偏差を比較して示すグラフである。 Under ideal conditions where no noise is present in the interference image, a phase image can be generated based on the above equation (11) by any of the first to fourth methods. However, noise exists in the actual interference image, and among them, shot noise of light is physically unavoidable. As a result of the simulation using the interference image containing noise, the accuracy of the generated phase image was the best in the fourth method, followed by the second method and the first method. In the third method, the accuracy of the phase image was very poor. FIG. 32 is a graph showing a comparison of standard deviations of errors obtained in simulations by the first to fourth methods.

図28に示したようにオフセット位相シフト量の変化の速度が撮像器の撮像フレームレートと比べて遅い場合、取得順に並べられた干渉画像は、第3の方法のJ~J12のような順番で並んでしまう。このような場合、単純に得られた画像の順で3個の干渉画像を含む組を作って位相画像を生成すると、好ましくない結果をもたらす。すなわち、3個の干渉画像から複素係数列を求める方法では、得られた干渉画像を適切に再配置することが好ましい。 As shown in FIG. 28, when the rate of change of the offset phase shift amount is slower than the image pickup frame rate of the imager, the interference images arranged in the acquisition order are as in J 1 to J 12 of the third method. It will be lined up in order. In such a case, creating a set containing three interference images in the order of simply obtained images to generate a phase image will give unfavorable results. That is, in the method of obtaining the complex coefficient sequence from the three interference images, it is preferable to appropriately rearrange the obtained interference images.

コンピュータ上での反復計算を用いた最適化によっても、上記(11)式の複素係数列を求めることができる。この場合、3個の干渉画像から複素係数列を求める場合の最良な結果と比べても、更にノイズの少ない位相画像を生成することできる。図33は、第2の方法による複素係数列および第4の方法による複素係数列を複素平面上にプロットした図である。 The complex coefficient sequence of the above equation (11) can also be obtained by optimization using iterative calculation on a computer. In this case, it is possible to generate a phase image having less noise than the best result when the complex coefficient sequence is obtained from the three interference images. FIG. 33 is a diagram in which the complex coefficient sequence according to the second method and the complex coefficient sequence according to the fourth method are plotted on the complex plane.

これまでに説明した実施形態は、M個の干渉画像それぞれについて画像全体のオフセット位相シフト量を推定し(オフセット位相シフト量推定ステップ)、M個の干渉画像のうちからオフセット位相シフト量が互いに異なるN個の干渉画像を含む組を設定し(組設定ステップ)、その組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成する(位相画像生成ステップ)、というものであった。また、好適には、上記のような組を複数設定して(組設定ステップ)、これら複数の組それぞれについて各組に含まれるN個の干渉画像に基づいて位相画像を生成し(位相画像生成ステップ)、これら複数の組それぞれで生成された位相画像についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する(積算ステップ)、というものであった。 In the embodiments described so far, the offset phase shift amount of the entire image is estimated for each of the M interference images (offset phase shift amount estimation step), and the offset phase shift amounts are different from each other among the M interference images. A set including N interference images is set (set setting step), and a phase image is generated based on the N interference images included in the set (phase image generation step). Further, preferably, a plurality of sets as described above are set (set setting step), and a phase image is generated based on N interference images included in each set for each of the plurality of sets (phase image generation). Step), the phase images generated by each of these plurality of sets are integrated after correcting the offset phase shift amount (integration step).

処理対象の各干渉画像は、位相画像取得装置により取得された画像の全体であってもよいし、位相画像取得装置により取得された画像のうちの一部である部分干渉画像であってもよい。位相画像取得装置により取得された干渉画像を幾つかの部分干渉画像に分割して、各々の部分干渉画像について上記の各ステップを行って位相画像を生成してもよい。このとき、部分干渉画像によって組分けが異なっていてもよい。 Each interference image to be processed may be the whole image acquired by the phase image acquisition device, or may be a partial interference image which is a part of the images acquired by the phase image acquisition device. .. The interference image acquired by the phase image acquisition device may be divided into several partial interference images, and each of the above steps may be performed on each partial interference image to generate a phase image. At this time, the grouping may be different depending on the partial interference image.

これまで説明した実施形態は、処理対象の干渉画像(または部分干渉画像)においてオフセット位相シフト量が時間的に変化するものの画素位置に依らず一定であると見做すことができる場合に好適なものである。例えば、位相画像取得装置の被撮像視野の範囲が容器の面積と比べて十分に小さい場合、取得される干渉画像においてオフセット位相量シフト量は画素位置に依らず一定であると見做すことができる。 The embodiments described so far are suitable when it can be considered that the offset phase shift amount changes with time in the interference image (or partial interference image) to be processed but is constant regardless of the pixel position. It is a thing. For example, if the range of the field of view to be imaged by the phase image acquisition device is sufficiently smaller than the area of the container, it can be considered that the offset phase amount shift amount is constant regardless of the pixel position in the acquired interference image. can.

これに対して、処理対象の干渉画像(または部分干渉画像)においてオフセット位相シフト量が画素位置に依らず一定であると見做すことができず、オフセット位相シフト量の分布の不均一性が無視できない場合がある。例えば、位相画像取得装置の被撮像視野の範囲が容器の面積と同程度である場合、水面の揺らぎにより、取得される干渉画像においてオフセット位相量シフト量の分布の不均一性が無視できないことがある。このような場合には、以下に説明する実施形態のようにして干渉画像から位相画像を生成するのが好ましい。 On the other hand, in the interference image (or partial interference image) to be processed, the offset phase shift amount cannot be regarded as constant regardless of the pixel position, and the non-uniformity of the distribution of the offset phase shift amount becomes uneven. It may not be ignored. For example, when the range of the field of view to be imaged by the phase image acquisition device is about the same as the area of the container, the non-uniformity of the distribution of the offset phase amount shift amount cannot be ignored in the acquired interference image due to the fluctuation of the water surface. be. In such a case, it is preferable to generate a phase image from the interference image as in the embodiment described below.

以下では、干渉画像を画素単位に分割して各ステップを行って位相画像を生成する方法について、シミュレーション結果とともに説明する。図36および図37は、シミュレーションにおいて用いた位相画像を示す図である。図36は、位相物体の位相画像を示す。図37は、干渉画像取得時に傾斜が存在する場合の位相画像を示す。図37に示される位相画像をφtrue(x,y)とする。本シミュレーションでは、このような位相画像で表される位相物体について位相画像取得装置により36個の干渉画像I~I36を取得するものとする。また、干渉画像取得時に二光束干渉計において二光束の間の光路長差が例えば水面の揺らぎにより時間的に変動しているとする。 In the following, a method of dividing the interference image into pixel units and performing each step to generate a phase image will be described together with simulation results. 36 and 37 are diagrams showing the phase images used in the simulation. FIG. 36 shows a phase image of a phase object. FIG. 37 shows a phase image when a tilt is present at the time of acquiring an interference image. Let φ true (x, y) be the phase image shown in FIG. 37. In this simulation, it is assumed that 36 interference images I 1 to I 36 are acquired by the phase image acquisition device for the phase object represented by such a phase image. Further, it is assumed that the optical path length difference between the two luminous fluxes in the two luminous flux interferometer at the time of acquiring the interference image fluctuates with time due to, for example, fluctuation of the water surface.

36個の干渉画像I~I36のうち第nの干渉画像I(x,y)は下記(12)式で表されるものとする。この(12)式の干渉画像I(x,y)は、真の位相画像φtrue(x,y)にオフセット位相シフト量分布α(x,y)が加えられた場合に得られる干渉画像に、ランダムノイズが加えられたものである。ランダムノイズとして、0~0.05の範囲の一様乱数を用いた。オフセット位相シフト量分布α(x,y)は、液面の揺らぎを模擬して下記(13)式で表されるものとする。この(13)式中の係数p1(n),p2(n),p3(n)およびp4(n)それぞれとして乱数を用いた。 It is assumed that the nth interference image In (x, y) of the 36 interference images I 1 to I 36 is represented by the following equation (12). The interference image In (x, y) of the equation (12) is the interference obtained when the offset phase shift amount distribution α n ( x, y) is added to the true phase image φ true (x, y). Random noise is added to the image. A uniform random number in the range of 0 to 0.05 was used as the random noise. The offset phase shift amount distribution α n (x, y) is expressed by the following equation (13) by simulating the fluctuation of the liquid surface. Random numbers were used as the coefficients p1 (n), p2 (n), p3 (n) and p4 (n) in Eq. (13).

Figure 0007014681000012
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Figure 0007014681000013
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(13)式の右辺の第1項は干渉縞の平行移動をもたらし、第2項および第3項は干渉縞の傾斜の変化をもたらし、第4項は干渉縞の二次元的な歪みをもたらす。図38(a)は、位置(x,y)に依らず位相値が1である場合の位相分布関数を示す図である。図38(b)は、x座標値に比例する位相値を有する場合の位相分布関数を示す図である。図38(c)は、y座標値に比例する位相値を有する場合の位相分布関数を示す図である。図38(d)は、x+y-1の値に比例する位相値を有する場合の位相分布関数を示す図である。なお、x,yそれぞれの範囲を-1~+1の範囲で規格化している。 The first term on the right side of equation (13) results in translation of the interference fringes, the second and third terms result in changes in the slope of the interference fringes, and the fourth term results in two-dimensional distortion of the interference fringes. .. FIG. 38 (a) is a diagram showing a phase distribution function when the phase value is 1 regardless of the position (x, y). FIG. 38 (b) is a diagram showing a phase distribution function when the phase value is proportional to the x-coordinate value. FIG. 38 (c) is a diagram showing a phase distribution function when the phase value is proportional to the y coordinate value. FIG. 38 (d) is a diagram showing a phase distribution function when the phase value is proportional to the value of x 2 + y 2-1 . The range of x and y is standardized in the range of -1 to +1.

上記(13)式は、これらの位相分布関数それぞれに係数p1(n),p2(n),p3(n),p4(n)を乗じたものの総和に相当している。図39(a)~(d)は、オフセット位相シフト量分布α(x,y)の例を示す図である。図40は、図39(a)~(d)のオフセット位相シフト量分布α(x,y)の各例において設定した係数p1(n),p2(n),p3(n),p4(n)の各値を纏めた表である。 Equation (13) above corresponds to the sum of these phase distribution functions multiplied by the coefficients p1 (n), p2 (n), p3 (n), and p4 (n). 39 (a) to 39 (d) are diagrams showing an example of an offset phase shift amount distribution α n (x, y). 40 shows the coefficients p1 (n), p2 (n), p3 (n), p4 () set in each example of the offset phase shift amount distribution α n (x, y) in FIGS. 39 (a) to 39 (d). It is a table summarizing each value of n).

なお、オフセット位相シフト量分布α(x,y)は、上記(13)式では定数項、xまたはyに比例する項、xまたはyの二乗に比例する項を含むものであるが、これらに加えて、更に高次の項、指数関数の項、三角関数(sin、cos)の項を含んでいてもよい。一般に、オフセット位相シフト量分布α(x,y)は、有限個の空間的な分布関数の線形和で表すことができる。 The offset phase shift amount distribution α n (x, y) includes a constant term, a term proportional to x or y, and a term proportional to the square of x or y in the above equation (13). Further, a higher-order term, an exponential function term, and a triangular function (sin, cos) term may be included. In general, the offset phase shift quantity distribution α n (x, y) can be represented by the linear sum of a finite number of spatial distribution functions.

図41は、シミュレーションで用いた36個の干渉画像のうちの3個の干渉画像を示す図である。これらの干渉画像は、真の位相画像φtrue(x,y)を用いて上記(12)式および(13)式に基づいて作成したものである。 FIG. 41 is a diagram showing three interference images out of the 36 interference images used in the simulation. These interference images are created based on the above equations (12) and (13) using the true phase image φtrue (x, y).

演算部3は、次のようなオフセット位相シフト量推定ステップ、組設定ステップ、位相値算出ステップおよび位相画像生成ステップを行うことで、干渉画像から位相画像を生成することができる。 The calculation unit 3 can generate a phase image from an interference image by performing the following offset phase shift amount estimation step, set setting step, phase value calculation step, and phase image generation step.

オフセット位相シフト量推定ステップにおいて、各干渉画像についてオフセット位相シフト量の分布を推定する。オフセット位相シフト量推定ステップでは、例えば次のように、フーリエ変換による空間的縞解析法による位相分布の算出処理、基準となる位相分布との差分処理、および、平滑化処理を順に行うのが好ましい。 In the offset phase shift amount estimation step, the distribution of the offset phase shift amount is estimated for each interference image. In the offset phase shift amount estimation step, for example, it is preferable to perform phase distribution calculation processing by the spatial fringe analysis method by Fourier transform, difference processing from the reference phase distribution, and smoothing processing in order as follows. ..

フーリエ変換による空間的縞解析法(以下「フーリエ変換法」という。)は、非特許文献3に記載されているとおり、干渉画像を二次元フーリエ変換してフーリエ変換像を作成し、このフーリエ変換像におけるスペクトルピーク位置を含む一定領域の空間周波数情報のみを用いて二次元逆フーリエ変換することで、二次元の位相分布画像を得るものである。これにより得られる二次元の位相分布画像は、空間的周波数が低く、なだらかである。 As described in Non-Patent Document 3, the spatial fringe analysis method by Fourier transform (hereinafter referred to as "Fourier transform method") creates a Fourier transform image by two-dimensional Fourier transforming an interference image, and this Fourier transform. A two-dimensional phase distribution image is obtained by performing a two-dimensional inverse Fourier transform using only the spatial frequency information of a certain region including the spectral peak position in the image. The resulting two-dimensional phase distribution image has a low spatial frequency and is gentle.

一般に、フーリエ変換法では、対象物の空間的周波数分布に比べて干渉縞の空間的周波数が十分に高い必要があり、レーザ光の使用が不可欠である。しかし、レーザ光を用いた場合、スペックルノイズの問題が生じる。干渉縞の空間的周波数を高くしてインコヒーレント光を用いる場合には、画像の一部の領域にしか干渉縞が得られない。本実施形態では、対象物の空間的周波数分布に比べて干渉縞の空間的周波数が低い場合に特に有効である。そのような制限が発生するのは、特に光源のスペクトル幅が広いインコヒーレント光による干渉計測の場合である。 In general, the Fourier transform method requires that the spatial frequency of the interference fringes be sufficiently higher than the spatial frequency distribution of the object, and the use of laser light is indispensable. However, when laser light is used, the problem of speckle noise arises. When the spatial frequency of the interference fringes is increased and the incoherent light is used, the interference fringes can be obtained only in a part of the image. This embodiment is particularly effective when the spatial frequency of the interference fringes is lower than the spatial frequency distribution of the object. Such a limitation occurs especially in the case of interference measurement by incoherent light having a wide spectral width of a light source.

図42は、或る干渉画像I(x,y)を二次元フーリエ変換することで得られたフーリエ変換像を示す図である。図43は、図42のフーリエ変換像の原点付近を拡大して示す図である。干渉画像における干渉縞の空間的周波数が低いので、フーリエ変換像においてスペクトルピークは原点の近くに存在する。また、フーリエ変換像において原点を挟んで互いに対称な位置に2つのスペクトルピークが存在する。 FIG. 42 is a diagram showing a Fourier transform image obtained by performing a two-dimensional Fourier transform on a certain interference image In (x, y). FIG. 43 is an enlarged view showing the vicinity of the origin of the Fourier transform image of FIG. 42. Since the spatial frequency of the interference fringes in the interference image is low, the spectral peak is near the origin in the Fourier transform image. Further, in the Fourier transform image, two spectral peaks exist at positions symmetrical with each other across the origin.

図44は、図42のフーリエ変換像における一方のスペクトルピーク位置を含む一定領域(図43中の破線の円で示した領域)の空間周波数情報のみを用いて二次元逆フーリエ変換することで得られた二次元の位相分布画像を示す図である。ここで得られる位相分布画像(図44)は、干渉縞の空間的周波数より高い周波数成分を有する構造を示すものではなく、空間的周波数が低く、なだらかである。この位相分布画像(図44)は、正解画像(図37)の低周波数成分しか表していない。 FIG. 44 is obtained by performing a two-dimensional inverse Fourier transform using only the spatial frequency information of a fixed region (the region indicated by the broken line circle in FIG. 43) including the position of one spectral peak in the Fourier transform image of FIG. 42. It is a figure which shows the 2D phase distribution image which was made. The phase distribution image (FIG. 44) obtained here does not show a structure having a frequency component higher than the spatial frequency of the interference fringes, and the spatial frequency is low and gentle. This phase distribution image (FIG. 44) represents only the low frequency components of the correct image (FIG. 37).

36個の干渉画像I~I36それぞれからフーリエ変換法により位相分布画像を求めた後、これら36個の位相分布画像について二次元位相アンラッピング後に平均をとって傾き補正を行うと、これにより得られる画像は、従来法による位相分布の再生結果となる。図45は、従来のフーリエ変換法により得られた位相画像の中央領域を示す図である。この位相画像(図45)は、正解画像(図36)と比べると非常に画質が劣化したものとなっており、位相分布を再現できていない。 After obtaining the phase distribution image from each of the 36 interference images I 1 to I 36 by the Fourier transform method, the slope correction is performed by taking the average of these 36 phase distribution images after two-dimensional phase unwrapping. The obtained image is the reproduction result of the phase distribution by the conventional method. FIG. 45 is a diagram showing a central region of a phase image obtained by a conventional Fourier transform method. The image quality of this phase image (FIG. 45) is significantly deteriorated as compared with the correct image (FIG. 36), and the phase distribution cannot be reproduced.

本実施形態では、各干渉画像I(x,y)からフーリエ変換法により得られた位相分布画像φLPF(x,y)を、該干渉画像I(x,y)のオフセット位相シフト量分布の推定に用いる。36個の位相分布画像φLPF(x,y)~φLPF36(x,y)は一般に互いに異なっている。そこで、基準となる位相分布画像φLPF0(x,y)に対して相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)~ΔφLPF36(x,y)を求める。基準となる位相分布画像φLPF0(x,y)は、36個の位相分布画像φLPF(x,y)~φLPF36(x,y)のうちの何れかの画像であってもよいし、36個の位相分布画像φLPF(x,y)~φLPF36(x,y)を平均した画像であってもよい。相対的位相分布画像ΔφLPF(x,y)は下記(14)式で表される。ここで、argは複素数の偏角を取る演算であり、iは虚数単位であり、expは指数関数である。 In the present embodiment, the phase distribution image φLPF n (x, y) obtained by the Fourier transform method from each interference image In (x, y) is subjected to the offset phase shift amount of the interference image In ( x, y). Used to estimate the distribution. The 36 phase distribution images φLPF 1 (x, y) to φLPF 36 (x, y) are generally different from each other. Therefore, the phase distribution images ΔφLPF 1 (x, y) to ΔφLPF 36 (x, y) relative to the reference phase distribution image φLPF 0 (x, y) are obtained. The reference phase distribution image φLPF 0 (x, y) may be any one of 36 phase distribution images φLPF 1 (x, y) to φLPF 36 (x, y), or 36. The phase distribution image may be an image obtained by averaging φLPF 1 (x, y) to φLPF 36 (x, y). The relative phase distribution image ΔφLPF n (x, y) is expressed by the following equation (14). Here, arg is an operation for taking the argument of a complex number, i is an imaginary unit, and exp is an exponential function.

Figure 0007014681000014
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図46は、基準となる位相分布画像φLPF0(x,y)の一例を示す図である。図47は、基準となる位相分布画像φLPF0(x,y)に対する相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)の一例を示す図である。相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)は、上記(13)式によって近似することができる。相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)を上記(13)式で近似したときの係数p1,p2,p3,p4の各値は、最小二乗法により求めることができる。この近似により、各干渉画像I(x,y)についてオフセット位相シフト量分布α(x,y)を推定することができる。 FIG. 46 is a diagram showing an example of a reference phase distribution image φLPF0 (x, y). FIG. 47 is a diagram showing an example of the phase distribution image ΔφLPF n (x, y) relative to the reference phase distribution image φLPF 0 (x, y). The relative phase distribution image ΔφLPF n (x, y) can be approximated by the above equation (13). The values of the coefficients p1, p2, p3, and p4 when the relative phase distribution image ΔφLPF n (x, y) is approximated by the above equation (13) can be obtained by the least squares method. From this approximation, the offset phase shift quantity distribution α n (x, y) can be estimated for each interference image In ( x, y).

図48(a)は、図47の相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)の中央領域における相対的な位相分布を示す図である。図48(b)は、図48(a)の相対的な位相分布を近似して得られた相対的な位相分布を示す図である。この例では、p1=3.11、p2=-0.21、p3=-0.31、p4=-0.06であった。なお、相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)を上記(13)式で近似するのは、相対的な位相分布画像ΔφLPF(x,y)を平滑化するためである。他の手法による平滑化処理を行ってもよく、例えは平滑化フィルタを用いた処理を行ってもよい。 FIG. 48 (a) is a diagram showing the relative phase distribution in the central region of the relative phase distribution image ΔφLPF n (x, y) of FIG. 47. FIG. 48 (b) is a diagram showing a relative phase distribution obtained by approximating the relative phase distribution of FIG. 48 (a). In this example, p1 = 3.11, p2 = -0.21, p3 = -0.31, p4 = -0.06. The relative phase distribution image ΔφLPF n (x, y) is approximated by the above equation (13) in order to smooth the relative phase distribution image ΔφLPF n (x, y). A smoothing process may be performed by another method, for example, a process using a smoothing filter may be performed.

このようにして、オフセット位相シフト量推定ステップにおいて、各干渉画像I(x,y)についてオフセット位相シフト量分布α(x,y)を推定することができる。以降は、各画素位置について組設定ステップおよび位相値算出ステップを行った後、位相画像生成ステップを行う。 In this way, in the offset phase shift amount estimation step, the offset phase shift amount distribution α n (x, y) can be estimated for each interference image In ( x, y). After that, after performing the set setting step and the phase value calculation step for each pixel position, the phase image generation step is performed.

36個の干渉画像I(x,y)~I36(x,y)それぞれにおいて、任意の位置(x1,y1)にある画素の輝度値I(x1,y1)およびオフセット位相シフト量α(x1,y1)を互いに対応させることができる。したがって、画素位置(x1,y1)毎に、36個の画素(輝度値I(x1,y1)、オフセット位相シフト量α(x1,y1))のうちからオフセット位相シフト量が互いに異なるN個の画素を含む組を設定し(組設定ステップ)、その組に含まれるN個の画素に基づいて上記(2)式により位相値を求めることができる(位相値算出ステップ)。なお、組の設定および位相値の算出は、前述した方法と同様である。そして、各画素位置の位相値に基づいて位相画像を生成することができる(位相画像生成ステップ)。 Luminance value In (x1, y1 ) and offset phase shift amount α of pixels at arbitrary positions (x1, y1) in each of the 36 interference images I 1 (x, y) to I 36 (x, y) n (x1, y1) can be made to correspond to each other. Therefore, for each pixel position (x1, y1), the offset phase shift amount is different from the 36 pixels (brightness value In (x1, y1), offset phase shift amount α n ( x1, y1)). A set including a set of pixels can be set (set setting step), and a phase value can be obtained by the above equation (2) based on the N pixels included in the set (phase value calculation step). The setting of the set and the calculation of the phase value are the same as those described above. Then, a phase image can be generated based on the phase value of each pixel position (phase image generation step).

また、画素位置(x1,y1)毎に、このような組を複数設定し(組設定ステップ)、複数の組それぞれについて各組に含まれるN個の画素に基づいて位相値を求め(位相値算出ステップ)、複数の組それぞれで求めた位相値についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算して(積算ステップ)、各画素位置の位相値の積算値に基づいて位相画像を生成してもよい(位相画像生成ステップ)。さらに、画素位置(x1,y1)毎に、36個の画素(輝度値I(x1,y1)、オフセット位相シフト量α(x1,y1))をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に複数の組に順に振り分けてもよい(組設定ステップ)。 Further, a plurality of such sets are set for each pixel position (x1, y1) (set setting step), and the phase value is obtained for each of the plurality of sets based on the N pixels included in each set (phase value). Calculation step), the phase values obtained in each of the plurality of sets may be corrected for the offset phase shift amount and then integrated (integration step) to generate a phase image based on the integrated value of the phase values at each pixel position. (Phase image generation step). Further, for each pixel position (x1, y1), 36 pixels (brightness value In (x1, y1), offset phase shift amount α n ( x1, y1)) are arranged in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount. After the change, it may be distributed to a plurality of groups in order (group setting step).

以下では、画素位置(x1,y1)毎に36個の画素(輝度値I(x1,y1)、オフセット位相シフト量α(x1,y1))をオフセット位相シフト量について昇順に並び替えた後に複数の組に順に振り分けた場合について、シミュレーション結果を説明する。各組に含まれる画素の数を3とし、組の数を12とした。昇順に並び替えた後に、第1画素,第13画素および第25画素を第1組に振り分け、第2画素,第14画素および第26画素を第2組に振り分け、以下同様にして、第12画素,第24画素および第36画素を第12組に振り分けた(組設定ステップ)。 In the following, 36 pixels (brightness value In (x1, y1), offset phase shift amount α n (x1, y1)) are rearranged in ascending order for each pixel position (x1, y1). Later, the simulation results will be described in the case of allocating to a plurality of sets in order. The number of pixels included in each set was set to 3, and the number of sets was set to 12. After sorting in ascending order, the first pixel, the thirteenth pixel, and the 25th pixel are distributed to the first group, the second pixel, the 14th pixel, and the 26th pixel are distributed to the second group, and so on. The pixels, the 24th pixel, and the 36th pixel were distributed to the 12th set (set setting step).

そして、12組それぞれについて各組に含まれる3個の画素に基づいて位相値を求め(位相値算出ステップ)、12組それぞれで求めた位相値についてオフセット位相シフト量を補正した後に平均値を求めた(積算ステップ)。このようにして画素位置(x1,y1)毎に位相値を求め、各画素位置の位相値に基づいて位相画像を生成した(位相画像生成ステップ)。 Then, the phase value is obtained for each of the 12 sets based on the three pixels included in each set (phase value calculation step), and the average value is obtained after correcting the offset phase shift amount for the phase value obtained for each of the 12 sets. (Integration step). In this way, the phase value was obtained for each pixel position (x1, y1), and a phase image was generated based on the phase value of each pixel position (phase image generation step).

画素位置(x1,y1)によって36個の画素の組分けが異なる場合がある。しかし、画素位置(x1,y1)毎に高精度の位相値が得られるように組分けをすることができるので、最終的に得られる位相画像も高精度のものとなる。 The grouping of 36 pixels may differ depending on the pixel position (x1, y1). However, since the grouping can be performed so that a highly accurate phase value can be obtained for each pixel position (x1, y1), the finally obtained phase image is also highly accurate.

図49および図50は、シミュレーションにおいて生成された位相画像を示す図である。図49は、位相アンラピングおよび傾き補正をする前の位相画像を示す。図50は、位相アンラピングおよび傾き補正をした後の位相画像の中央領域を示す。これらの図に示される位相画像は、図45に示された従来のフーリエ変換法による位相画像と比べて、高周波成分まで正確に再生されていることが分かる。 49 and 50 are diagrams showing the phase images generated in the simulation. FIG. 49 shows a phase image before phase unwrapping and tilt correction. FIG. 50 shows the central region of the phase image after phase unwrapping and tilt correction. It can be seen that the phase images shown in these figures are accurately reproduced up to high frequency components as compared with the phase images obtained by the conventional Fourier transform method shown in FIG. 45.

図51は、シミュレーションにおいて生成された位相画像と正解画像(図36)との差分の画像を示す図である。画像の周縁領域では主としてオフセット位相シフト量の推定誤差に因り精度が幾らか低いものの、画像の中央領域では高精度に位相分布が再生されている。位相画像(400×400画素)のうちの中央領域(200×200画素)における誤差の標準偏差は、53ミリラジアンであった。例えば光源の波長が550ナノメートルである場合、この誤差量は4.6ナノメートルの光路長差に相当する。 FIG. 51 is a diagram showing an image of the difference between the phase image generated in the simulation and the correct answer image (FIG. 36). Although the accuracy is somewhat low in the peripheral region of the image mainly due to the estimation error of the offset phase shift amount, the phase distribution is reproduced with high accuracy in the central region of the image. The standard deviation of the error in the central region (200 x 200 pixels) of the phase image (400 x 400 pixels) was 53 milliradians. For example, when the wavelength of the light source is 550 nanometers, this amount of error corresponds to the optical path length difference of 4.6 nanometers.

なお、各干渉画像I(v,y)について推定されたオフセット位相シフト量分布α(x1,y1)において上記(13)式の右辺第1項が支配的である場合(すなわち、オフセット位相シフト量の空間的変化が小さい場合)には、干渉画像を幾つかの部分干渉画像に分割して、部分干渉画像毎に近似的なオフセット位相シフト量を設定し、各々の部分干渉画から位相画像を生成してもよい。このとき、部分干渉画像によって組分けが異なっていてもよい。このようにすることで、処理の負荷を軽減することができる。 When the first term on the right side of the above equation (13) is dominant in the offset phase shift amount distribution α n (x1, y1) estimated for each interference image In (v, y) ( that is, the offset phase). (When the spatial change in the shift amount is small), the interference image is divided into several partial interference images, an approximate offset phase shift amount is set for each partial interference image, and the phase from each partial interference image is set. An image may be generated. At this time, the grouping may be different depending on the partial interference image. By doing so, the processing load can be reduced.

1…位相画像取得装置、2…干渉画像取得部、3…演算部、10…光源、11,12…レンズ、20…二光束干渉計、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…ビームスプリッタ、32…第1反射ミラー、41…ビームスプリッタ、42…第2反射ミラー、43…ピエゾ素子、44…ステージ、51,52…レンズ、53…チューブレンズ、61…撮像器、72…制御部。 1 ... Phase image acquisition device, 2 ... Interference image acquisition unit, 3 ... Arithmetic unit, 10 ... Light source, 11, 12 ... Lens, 20 ... Two light beam interferometer, 21 ... Branching beam splitter, 22 ... Combined beam splitter , 31 ... Beam Splitter, 32 ... First Reflection Mirror, 41 ... Beam Splitter, 42 ... Second Reflection Mirror, 43 ... Piezo Element, 44 ... Stage, 51, 52 ... Lens, 53 ... Tube Lens, 61 ... Imager, 72 ... Control unit.

Claims (18)

光源と、前記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、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器とを含み、前記二光束干渉計における何れかの光束の光路上に配置された対象物の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、
前記干渉画像取得部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を生成する演算部と、
を備え、
前記干渉画像取得部は、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態で前記対象物についてM個の干渉画像を取得し、
前記演算部は、
前記M個の干渉画像それぞれについて画像全体のオフセット位相シフト量を推定し、
前記M個の干渉画像のうちから前記オフセット位相シフト量が互いに異なるN個の干渉画像を含む組を設定し、
前記組に含まれる前記N個の干渉画像に基づいて位相画像を生成する、
位相画像取得装置(ただし、3≦N≦M)。
A light source, a two-beam interferometer that branches the light output from the light source into two light sources and then combines the two light sources to output interference light, and receives interference light output from the two-beam interference meter. An interference image acquisition unit that includes an imager and acquires an interference image of an object arranged on the optical path of any light source in the two light source interferometer by the imager.
An arithmetic unit that generates a phase image of the object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit, and a calculation unit.
Equipped with
The interference image acquisition unit acquires M interference images of the object in a state where the optical path length difference between the two light fluxes fluctuates with time in the two-luminous flux interferometer.
The arithmetic unit
The offset phase shift amount of the entire image is estimated for each of the M interference images, and the offset phase shift amount is estimated.
A set including N interference images having different offset phase shift amounts from the M interference images is set.
A phase image is generated based on the N interference images included in the set.
Phase image acquisition device (however, 3 ≦ N ≦ M).
前記演算部は、
前記組を複数設定して、これら複数の組それぞれについて各組に含まれる前記N個の干渉画像に基づいて位相画像を生成し、
前記複数の組それぞれで生成された位相画像についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する、
請求項1に記載の位相画像取得装置。
The arithmetic unit
A plurality of the sets are set, and a phase image is generated for each of the plurality of sets based on the N interference images included in each set.
After correcting the offset phase shift amount for the phase images generated by each of the plurality of sets, integration is performed.
The phase image acquisition device according to claim 1.
前記演算部は、前記M個の干渉画像をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に前記複数の組に順に振り分ける、
請求項2に記載の位相画像取得装置。
The calculation unit sorts the M interference images in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and then sorts the M interference images into the plurality of sets in order.
The phase image acquisition device according to claim 2.
前記演算部は、前記位相画像を生成するために干渉画像に対して乗算される係数を反復的な最適化計算によって調整する、
請求項1~3の何れか1項に記載の位相画像取得装置。
The calculator adjusts the coefficients multiplied by the interfering image to generate the phase image by iterative optimization calculations.
The phase image acquisition device according to any one of claims 1 to 3.
光源と、前記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、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器とを含み、前記二光束干渉計における何れかの光束の光路上に配置された対象物の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得部と、
前記干渉画像取得部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を生成する演算部と、
を備え、
前記干渉画像取得部は、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態で前記対象物についてM個の干渉画像を取得し、
前記演算部は、
前記M個の干渉画像それぞれについてオフセット位相シフト量の分布を推定し、
各画素位置について、前記M個の干渉画像それぞれの当該画素のうちから前記オフセット位相シフト量が互いに異なるN個の画素を含む組を設定し、
各画素位置について、前記組に含まれる前記N個の画素に基づいて位相値を求め、
各画素位置の位相値に基づいて位相画像を生成する、
位相画像取得装置(ただし、3≦N≦M)。
A light source, a two-beam interferometer that branches the light output from the light source into two light sources and then combines the two light sources to output interference light, and receives interference light output from the two-beam interference meter. An interference image acquisition unit that includes an imager and acquires an interference image of an object arranged on the optical path of any light source in the two light source interferometer by the imager.
An arithmetic unit that generates a phase image of the object based on the interference image acquired by the interference image acquisition unit, and a calculation unit.
Equipped with
The interference image acquisition unit acquires M interference images of the object in a state where the optical path length difference between the two light fluxes fluctuates with time in the two-luminous flux interferometer.
The arithmetic unit
The distribution of the offset phase shift amount is estimated for each of the M interference images, and the distribution is estimated.
For each pixel position, a set including N pixels having different offset phase shift amounts from the pixels of each of the M interference images is set.
For each pixel position, the phase value was obtained based on the N pixels included in the set.
Generate a phase image based on the phase value of each pixel position,
Phase image acquisition device (however, 3 ≦ N ≦ M).
前記演算部は、
前記組を複数設定して、これら複数の組それぞれについて各組に含まれる前記N個の画素に基づいて位相値を求め、
前記複数の組それぞれで求めた位相値についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算し、
各画素位置の位相値の積算値に基づいて位相画像を生成する、
請求項5に記載の位相画像取得装置。
The arithmetic unit
A plurality of the sets are set, and the phase value is obtained for each of the plurality of sets based on the N pixels included in each set.
After correcting the offset phase shift amount for the phase values obtained for each of the plurality of sets, they are integrated.
Generates a phase image based on the integrated value of the phase values at each pixel position.
The phase image acquisition device according to claim 5.
前記演算部は、各画素位置について、前記M個の干渉画像それぞれの当該画素をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に前記複数の組に順に振り分ける、
請求項6に記載の位相画像取得装置。
The calculation unit sorts the pixels of each of the M interference images in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount for each pixel position, and then sorts them into the plurality of sets in order.
The phase image acquisition device according to claim 6.
前記二光束干渉計は、前記二光束の双方または何れか一方の光路上に配置された液体の液面の揺らぎにより、前記二光束の間の光路長差の時間的な変動を生じさせる、
請求項1~7の何れか1項に記載の位相画像取得装置。
The two-luminous flux interferometer causes a temporal variation in the optical path length difference between the two light fluxes due to fluctuations in the liquid level of the liquid arranged on both or one of the two light fluxes.
The phase image acquisition device according to any one of claims 1 to 7.
前記光源はインコヒーレント光を出力する、
請求項1~8の何れか1項に記載の位相画像取得装置。
The light source outputs incoherent light,
The phase image acquisition device according to any one of claims 1 to 8.
光源と、前記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、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器とを含む干渉画像取得部を用い、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態で、前記二光束干渉計における何れかの光束の光路上に配置された対象物についてM個の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得ステップと、
前記M個の干渉画像それぞれについて画像全体のオフセット位相シフト量を推定するオフセット位相シフト量推定ステップと、
前記M個の干渉画像のうちから前記オフセット位相シフト量が互いに異なるN個の干渉画像を含む組を設定する組設定ステップと、
前記組に含まれる前記N個の干渉画像に基づいて位相画像を生成する位相画像生成ステップと、
を備える位相画像取得方法(ただし、3≦N≦M)。
It receives the light source, the two-beam interferometer that branches the light output from the light source into two light beams and then combines the two light beams to output the interference light, and the interference light output from the two-beam interference meter. Using an interference image acquisition unit including an imager, in a state where the difference in optical path length between the two light beams in the two light beam interferometers fluctuates with time, on the optical path of any light beam in the two light beam interferometers. The interference image acquisition step of capturing and acquiring M interference images with the imager for the object arranged in
An offset phase shift amount estimation step for estimating the offset phase shift amount of the entire image for each of the M interference images, and an offset phase shift amount estimation step.
A set setting step for setting a set including N interference images having different offset phase shift amounts from the M interference images, and a set setting step.
A phase image generation step of generating a phase image based on the N interference images included in the set, and a phase image generation step.
(However, 3 ≦ N ≦ M).
前記組設定ステップにおいて前記組を複数設定し、
前記位相画像生成ステップにおいて前記複数の組それぞれについて各組に含まれる前記N個の干渉画像に基づいて位相画像を生成し、
前記複数の組それぞれで生成された位相画像についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する積算ステップを更に備える、
請求項10に記載の位相画像取得方法。
In the set setting step, a plurality of the sets are set, and the set is set.
In the phase image generation step, a phase image is generated for each of the plurality of sets based on the N interference images included in each set.
Further, an integration step of correcting the offset phase shift amount and then integrating the phase images generated by each of the plurality of sets is provided.
The phase image acquisition method according to claim 10.
前記組設定ステップにおいて、前記M個の干渉画像をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に前記複数の組に順に振り分ける、
請求項11に記載の位相画像取得方法。
In the set setting step, the M interference images are sorted in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and then are sequentially distributed to the plurality of sets.
The phase image acquisition method according to claim 11.
前記位相画像生成ステップにおいて、前記位相画像を生成するために干渉画像に対して乗算される係数を反復的な最適化計算によって調整する、
請求項10~12の何れか1項に記載の位相画像取得方法。
In the phase image generation step, the coefficients multiplied by the interfering image to generate the phase image are adjusted by iterative optimization calculations.
The phase image acquisition method according to any one of claims 10 to 12.
光源と、前記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、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器とを含む干渉画像取得部を用い、前記二光束干渉計において前記二光束の間の光路長差が時間的に変動している状態で、前記二光束干渉計における何れかの光束の光路上に配置された対象物についてM個の干渉画像を前記撮像器により撮像して取得する干渉画像取得ステップと、
前記M個の干渉画像それぞれについてオフセット位相シフト量の分布を推定するオフセット位相シフト量推定ステップと、
各画素位置について、前記M個の干渉画像それぞれの当該画素のうちから前記オフセット位相シフト量が互いに異なるN個の画素を含む組を設定する組設定ステップと、
各画素位置について、前記組に含まれる前記N個の画素に基づいて位相値を求める位相値算出ステップと、
各画素位置の位相値に基づいて位相画像を生成する位相画像生成ステップと、
を備える位相画像取得方法(ただし、3≦N≦M)。
It receives the light source, the two-beam interferometer that branches the light output from the light source into two light beams and then combines the two light beams to output the interference light, and the interference light output from the two-beam interference meter. Using an interference image acquisition unit including an imager, in a state where the difference in optical path length between the two light beams in the two light beam interferometers fluctuates with time, on the optical path of any light beam in the two light beam interferometers. The interference image acquisition step of capturing and acquiring M interference images with the imager for the object arranged in
An offset phase shift amount estimation step for estimating the distribution of the offset phase shift amount for each of the M interference images, and an offset phase shift amount estimation step.
A set setting step for setting a set including N pixels having different offset phase shift amounts from the pixels of each of the M interference images for each pixel position.
For each pixel position, a phase value calculation step of obtaining a phase value based on the N pixels included in the set, and
A phase image generation step that generates a phase image based on the phase value of each pixel position,
(However, 3 ≦ N ≦ M).
前記組設定ステップにおいて前記組を複数設定し、
前記位相値算出ステップにおいて前記複数の組それぞれについて各組に含まれる前記N個の画素に基づいて位相値を求め、
前記複数の組それぞれで求めた位相値についてオフセット位相シフト量を補正した後に積算する積算ステップを更に備え、
前記位相画像生成ステップにおいて各画素位置の位相値の積算値に基づいて位相画像を生成する、
請求項14に記載の位相画像取得方法。
In the set setting step, a plurality of the sets are set, and the set is set.
In the phase value calculation step, the phase value is obtained for each of the plurality of sets based on the N pixels included in each set.
Further provided with an integration step of correcting the offset phase shift amount for the phase values obtained in each of the plurality of sets and then integrating them.
In the phase image generation step, a phase image is generated based on the integrated value of the phase values of each pixel position.
The phase image acquisition method according to claim 14.
前記組設定ステップにおいて、各画素位置について、前記M個の干渉画像それぞれの当該画素をオフセット位相シフト量について昇順または降順に並び替えた後に前記複数の組に順に振り分ける、
請求項15に記載の位相画像取得方法。
In the set setting step, for each pixel position, the pixels of each of the M interference images are rearranged in ascending or descending order with respect to the offset phase shift amount, and then are sequentially distributed to the plurality of sets.
The phase image acquisition method according to claim 15.
前記干渉画像取得ステップにおいて、前記二光束干渉計における前記二光束の双方または何れか一方の光路上に配置された液体の液面の揺らぎにより、前記二光束の間の光路長差の時間的な変動を生じさせる、
請求項10~16の何れか1項に記載の位相画像取得方法。
In the interference image acquisition step, the fluctuation of the liquid level of the liquid arranged on the optical path of both or one of the two luminous fluxes in the two luminous flux interferometer causes the temporal variation of the optical path length difference between the two luminous fluxes. Causes,
The phase image acquisition method according to any one of claims 10 to 16.
前記光源はインコヒーレント光を出力する、
請求項10~17の何れか1項に記載の位相画像取得方法。
The light source outputs incoherent light,
The phase image acquisition method according to any one of claims 10 to 17.
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