JP7273447B2 - ３次元屈折率テンソルの測定方法および装置 - Google Patents

３次元屈折率テンソルの測定方法および装置 Download PDF

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Description

特許法第３０条第２項適用 （１）掲載年月日日：２０２０年１月２１日、掲載場所：ＳＰＩＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＷＥＳＴ ２０２０のプログラム詳細においてアブストラクトが掲載されたウェブサイト、掲載アドレス：ｈｔｔｐｓ：／／ｓｐｉｅ．ｏｒｇ／ＰＷＢ／ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅｄｅｔａｉｌｓ／ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ－ｐｈａｓｅ－ｉｍａｇｉｎｇ？ＳＳＯ＝１ （２）集会名：ＳＰＩＥ ＰＨＯＴＯＮＩＣＳ ＷＥＳＴ ２０２０、開催日：２０２０年２月１日、発表名：Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ｔｅｎｓｏｒ ｂｙ ｓｏｌｖｉｎｇ ａｎ ｉｎｖｅｒｓｅ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｖｅｃｔｏｒ ｆｉｅｌｄｓ ｄｉｆｆｒａｃｔｅｄ ｆｒｏｍ ａｎ ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｏｂｊｅｃｔ
以下の実施形態は、３次元屈折率テンソル（ｔｅｎｓｏｒ）の測定方法および装置に関し、より詳細には、３次元複屈折率の復旧を実現する３次元屈折率テンソルの測定方法および装置に関する。
光回折断層撮映法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：ＯＤＴ）は、非浸湿的な方式によって試片（試験片）の３次元屈折率（Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ：ＲＩ）分布を定量的に復旧することができるため、バクテリア、細胞、組織などの生物学的研究はもちろん、プラスチックレンズの欠陥確認、微細な３次元温度分布の測定などのような多様な分野に適用されて使用されている（非特許文献１－３）。
しかし、従来の光回折断層撮映法（ＯＤＴ）技術は、光の電場振動方向による波面がすべて同一であるというスカラー波動（ｓｃａｌａｒ ｗａｖｅ）過程を要求するため、方向によって異なる屈折率を有する複屈折試片に対しては技術の適用が制限されてきた。
非特許文献４～６は、２次元定量位相映像（ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｉｎｇ）技術を利用して測定した試片の偏光ごとに２次元位相遅延映像を測定できるようにした先行研究である。韓国登録特許１０－１４６１２３５号公報は、このような生体組織を検査するための偏光感度－光干渉映像取得用プローブおよび偏光敏感光干渉映像検出用プローブ、および生体組織を検査するための偏光感度－光干渉映像システムの駆動方法に関する技術を開示している。
入射する光の偏光により、複屈折を起こした試片の各偏光の２次元光学場（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｅｌｄ）映像（非特許文献４～６）または深さによる各偏光の２次元光学場映像（韓国登録特許１０－１４６１２３５号公報）を測定することのできる技術は存在するが、このような複屈折現象を発生させる試片の根本的な物理量である３次元屈折率テンソルを測定することのできる理論や方法論は何もない。
Ｋｉｍ，Ｋ．，ｅｔ ａｌ．（２０１６）．"Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｃｅｌｌ ｐａｔｈｏｐｈｙｓｉｏｌｏｇｙ．"ａｒＸｉｖ ｐｒｅｐｒｉｎｔ ａｒＸｉｖ：１６０３．００５９２． Ｗｏｌｆ，Ｅ．（１９６９）．"Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｅｍｉ－ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｏｂｊｅｃｔｓ ｆｒｏｍ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄａｔａ．"Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ １（４）：１５３－１５６． Ｐａｒｋ，Ｙ．（２０１８）．"Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｂｉｏｍｅｄｉｃｉｎｅ．"Ｎａｔｕｒｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ １２（１０）：５７８－５８９． Ｃｏｌｏｍｂ，Ｔ．，Ｄａｈｌｇｒｅｎ，Ｐ．，Ｂｅｇｈｕｉｎ，Ｄ．，Ｃｕｃｈｅ，Ｅ．，Ｍａｒｑｕｅｔ，Ｐ．，＆ Ｄｅｐｅｕｒｓｉｎｇｅ，Ｃ．（２００２）．Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ．Ａｐｐｌｉｅｄ ｏｐｔｉｃｓ，４１（１），２７－３７． Ｗａｎｇ，Ｚ．，Ｍｉｌｌｅｔ，Ｌ．Ｊ．，Ｇｉｌｌｅｔｔｅ，Ｍ．Ｕ．，＆ Ｐｏｐｅｓｃｕ，Ｇ．（２００８）．Ｊｏｎｅｓ ｐｈａｓｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｏｆ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ａｎｄ ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ ｓａｍｐｌｅｓ．Ｏｐｔｉｃｓ ｌｅｔｔｅｒｓ，３３（１１），１２７０－１２７２． Ｋｉｍ，Ｙ．，Ｊｅｏｎｇ，Ｊ．，Ｊａｎｇ，Ｊ．，Ｋｉｍ，Ｍ．Ｗ．，＆ Ｐａｒｋ，Ｙ．（２０１２）．Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｆｏｒ ｅｘｔｒａｃｔｉｎｇ ｓｐａｔｉｏ－ｔｅｍｐｏｒａｌｌｙ ｒｅｓｏｌｖｅｄ Ｊｏｎｅｓ ｍａｔｒｉｘ．Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ，２０（９），９９４８－９９５５．
実施形態は、３次元屈折率テンソルの測定方法および装置に関し、より具体的には、複屈折が含まれた試片において正確な複屈折率値と分子の３次元方向を測定することができる技術を提供する。
実施形態は、複屈折物質が含まれた試片の３次元複屈折率分布を正確に測定するだけでなく、分子の３次元配列方向に関する情報も得ることができる、３次元屈折率テンソルの測定方法および装置を提供する。
また、実施形態は、液晶滴の３次元分子配列方向を観測することにより、閉鎖された空間内の分子間の相互作用の結果を光学的に直接測定することができ、追加のラベリングなく、生物学的細胞または組織試片で骨格および筋肉繊維構造を選択的に３次元観察することができる、３次元屈折率テンソルの測定方法および装置を提供する。
一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定方法は、平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御する段階、および少なくとも１つ以上の角度と偏光で入射された前記入射光に対する試片の２次元回折光を偏光依存的に測定する段階を含み、複屈折が含まれた前記試片において複屈折率値と分子の配列方向の３次元構造を測定してよい。
前記平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御する段階は、前記入射光の角度を制御する段階を含んでよい。
前記前記入射光の角度を制御する段階は、二重ミラーの位置をモータなどによって制御して移動させる方式、デュアルガルバノミラー（ｄｕａｌ ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）、可変型ミラー（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）、液晶空間光変調器（Ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、および２次元ＭＥＭＳミラー（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅ ｍｍｉｒｒｏｒ、ＭＥＭＳ ｍｉｒｒｏｒ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を利用して前記前記入射光の角度を制御してよい。
前記平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御する段階は、前記入射光の偏光を制御する段階を含んでよい。
前記入射光の偏光を制御する段階は、偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、オプティカルファイバー偏光コントローラ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、回転する偏光板、液晶リターダ（ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｒｅｔａｒｄｅｒ）、およびメタサーフェス（ｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を利用して前記入射光の偏光を制御してよい。
前記入射光に対する試片の２次元回折光を偏光依存的に測定する段階は、マッハ・ツェンダー干渉計（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、位相シフト干渉計（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、および定量位相イメージングユニット（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｎｉｔ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を含んだ時間的（ｔｅｍｐｏｒａｌ）および空間的（ｓｐａｔｉａｌ）強度変調干渉計（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）を利用するか、強度輸送方程式（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ）およびフーリエ・タイコグラフィ（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｙ）のうちの少なくともいずれか１つを利用した２次元回折光を測定する方法を利用してよい。また、回転する偏光板、液晶リターダ（ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｒｅｔａｒｄｅｒ）、およびメタサーフェス（ｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅ）などを利用して偏光依存的に２次元回折光を測定してよい。
複屈折率のテンソル特性は、複屈折が含まれた前記試片の空間的回転によるものであることを利用して、測定された屈折率テンソルを対角化することにより、複屈折が含まれた前記試片において複屈折率値および分子の配列方向を３次元で断層復元してよい。
他の実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定装置は、平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御する入射光制御部、および少なくとも１つ以上の角度と偏光で入射された前記入射光に対する試片の２次元回折光を偏光依存的に測定する回折光測定部を含み、複屈折が含まれた前記試片において複屈折率値と分子の配列方向の３次元構造を測定してよい。
前記入射光制御部は、前記入射光の角度を制御する角度制御部、および前記入射光の偏光を制御する偏光制御部を含んで構成されてよい。
複屈折率のテンソル特性は、複屈折が含まれた前記試片の空間的回転によるものであることを利用して、測定された屈折率テンソルを対角化することにより、複屈折が含まれた前記試片において複屈折率値および分子の配列方向を３次元で断層復元してよい。
実施形態によると、複屈折物質が含まれた試片の３次元複屈折率分布を正確に測定するだけでなく、分子の３次元配列方向に関する情報も得ることができる、３次元屈折率テンソルの測定方法および装置を提供することができる。
また、実施形態によると、液晶滴の３次元分子の配列方向を観測することにより、閉鎖された空間内の分子間における相互作用の結果を光学的に直接測定することができ、追加のラベリングなく、生物学的細胞または組織試片において骨格および筋肉繊維構造を選択的に３次元観察することができる、３次元屈折率テンソルの測定方法および装置を提供することができる。
一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定装置を概略的に示したブロック図である。 一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定装置を示したブロック図である。 一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定方法を示したフローチャートである。 一実施形態における、平面波の入射光を角度と偏光で制御する方法を示したフローチャートである。 一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定結果を示した図である。
以下、添付の図面を参照しながら実施形態について説明する。しかし、記載した実施形態は、異なる多様な形態に変形可能であるため、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限定されてはならない。また、多様な実施形態は、当該技術分野において通常の知識を有する者に本発明をより完全に説明するために提供するものである。図面に示した要素の形状および大きさなどは、より明確な説明のために誇張する場合もある。
以下の実施形態は、３次元屈折率テンソルの測定方法および装置に関し、従来の光回折断層撮映法（ＯＤＴ）技術を理論的に確張し、複屈折試片（試片）の３次元複屈折率の復旧を実現することを目的とする。究極的に、実施形態は、複屈折が含まれた試片において複屈折率値と分子の３次元方向をより正確に測定することができる。
実施形態は、３次元複屈折率の復旧を実現する技術に関する。このために、従来の理論の限界を克服する理論の開発と、理論を実際に実現するための測定装備の開発が核心となる。
以下では、先ず、従来の理論の限界を克服する理論の開発について説明する。
理論の開発は、従来の理論の限界であったスカラー波（ｓｃａｌａｒ ｗａｖｅ）過程を離れ、ベクトル波（ｖｅｃｔｏｒ ｗａｖｅ）と屈折率テンソル（ｔｅｎｓｏｒ）に基づいてベクトル波動方程式を解くことが核心となる。
弱散乱試片（Ｗｅａｋｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓａｍｐｌｅ）を仮定した上で、物質内部で次の式のようなベクトル波動方程式が誘導されることができる。
Figure 0007273447000001
Figure 0007273447000002
上記の波動方程式を不均一なヘルムホルツ方程式（ｉｎｈｏｍｏｇｅｎｅｏｕｓ Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ ｅｑｕａｔｉｏｎ）の形態で表現すれば、次の式のように示すことができる。
Figure 0007273447000003
Figure 0007273447000004
数式（２）の解析解を求めるために、Ｒｙｔｏｖ近似を使用してよい。Ｒｙｔｏｖ方法では波面を指数（ｅｘｐｏｎｅｎｔ）関数で表現し、弱く回折した波面は、指数（ｅｘｐｏｎｅｎｔ）における級数表現のうちの１番目の指数までが有意味に近似してよく、次の式のように示すことができる。
Figure 0007273447000005
Figure 0007273447000006
数式（２）を数式（３）のＲｙｔｏｖ近似を利用して求めた解析解は、次の式のように示すことができる。
Figure 0007273447000007
Figure 0007273447000008
エネルギー保存により、屈折率テンソルは対称行列でなければならないという周知の事実がある。したがって、この実施形態でも、屈折率テンソルは、測定しなければならない６つの成分を有する対称行列を仮定することができる。
１つの入射光角度ごとに２つの垂直する偏光ベクトルが定義されるため、回折した波面は合計６つのベクトル成分で表現されてよい。しかし、垂直する２つの偏光ベクトルにおける１つの成分は常に互いに依存されているため、独立的な５つの式つと６つの屈折率テンソルの変数である未定システム（ｕｎｄｅｒｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｓｙｓｔｅｍ）となる。
Figure 0007273447000009
Figure 0007273447000010
数式（５）の表現で、微分関数のフーリエ変換（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）特性を利用すれば、次の式のように表現することができる。
Figure 0007273447000011
Figure 0007273447000012
すなわち、入射角を微小に傾けて測定されたベクトル波面から、未定システムで必要とする追加の情報を入れることができるようになるのである。
最終的に、複屈折率のテンソル特性は、複屈折物質の空間的回転によるものであることを利用して、測定された屈折率テンソルを対角化すれば、複屈折率値および分子の配列方向を３次元で断層復元することができる。
次に、開発された理論を実際に実現するための測定装備の開発について説明する。
図１は、一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定装置を概略的に示したブロック図である。
図１を参照すると、本技術の実際の実現の核心は、多様な角度と偏光で平面波入射光を制御し、散乱した光学場を偏光依存的に（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ）測定することにある。
従来の光回折断層撮映法（ＯＤＴ）技術は、入射光の角度を制御して対応する散乱波面を測定するが、本実施形態に係る技術は、入射光の偏光制御および偏光依存的波面を測定するという点において差がある。
一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定装置１００は、平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御する入射光制御部１１０、および少なくとも１つ以上の角度と偏光で入射された入射光に対する試片の２次元回折光を偏光依存的に測定する回折光測定部１２０を含んで構成されてよく、これにより、複屈折が含まれた試片において複屈折率値と分子の配列方向の３次元構造を測定することができる。
以下では、３次元屈折率テンソルの測定装置１００についてより具体的に説明する。
図２は、一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定装置を示したブロック図である。
図２を参照すると、一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定装置１００は、入射光制御部１１０および回折光測定部１２０を含んで構成されてよい。ここで、入射光制御部１１０は、角度制御部１１１および偏光制御部１１２を含んで構成されてよく、回折光測定部１２０は、波面測定部１２２を含んで構成されてよい。また、実施形態によって、回折光測定部１２０は、試片１２１をさらに含んでよい。
入射光制御部１１０は、平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御してよい。
ここで、入射光制御部１１０は、角度制御部１１１を含んでよく、角度制御部１１１は、入射光の角度を制御してよい。
迅速かつ安定的に入射光の角度を制御することができる素子としては、二重ミラー、デュアルガルバノミラー（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）、可変型ミラー（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）、液晶空間光変調器（Ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、２次元ＭＥＭＳミラー（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｍｉｒｒｏｒ、ＭＥＭＳ ｍｉｒｒｏｒ）などがある。例えば、二重ミラーの位置をモータなどによって制御して移動させることにより、迅速かつ安定的に入射光の角度を制御することができる。
また、入射光制御部１１０は、偏光制御部１１２をさらに含んでよく、偏光制御部１１２は、入射光の偏光を制御してよい。
入射光の偏光を制御する方法としては、偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、オプティカルファイバー偏光コントローラ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、回転する偏光板、液晶リターダ（ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｒｅｔａｒｄｅｒ）、メタサーフェス（ｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅ）などを利用する方法がある。
回折光測定部１２０は、少なくとも１つ以上の角度と偏光で入射された入射光に対する試片１２１の２次元回折光（回折光学場）を偏光依存的に測定してよい。
２次元回折光学場の測定方法としては、マッハ・ツェンダー干渉計（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、位相シフト干渉計（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、定量位相イメージングユニット（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｎｉｔ）などを含んだ時間的（ｔｅｍｐｏｒａｌ）、空間的（ｓｐａｔｉａｌ）強度変調干渉計（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）を利用するか、強度輸送方程式（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ）、フーリエ・タイコグラフィ（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｙ）などを利用した２次元回折光学場測定方法がすべて利用可能である。また、回転する偏光板、液晶リターダ（ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｒｅｔａｒｄｅｒ）、およびメタサーフェス（ｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅ）などを利用して偏光依存的に２次元回折光を測定してよい。
上述した２次元回折光学場測定方法に加えて、偏光依存的光学場を測定するためには、上述した入射光の偏光を制御する方法とともに、カメラ前の回転する偏光板、液晶リターダ、メタサーフェスを利用してよい。また、カメライメージセンサ前に偏光板が付いている偏光カメラを利用するか、互いに異なる方向の偏光板または偏光ビームスプリッタと２台のカメラを利用して一度に測定することも可能である。
このような方法によって多様な角度および偏光状態で入射された平面波に対する試片１２１の２次元回折光学場を偏光依存的に測定した後、上述した従来の理論の限界を克服する理論を利用すれば、複屈折試片１２１の複屈折率および分子の配列方向の３次元構造を分析することができるようになる。
図３は、一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定方法を示したフローチャートである。また、図４は、一実施形態における、平面波の入射光を角度と偏光で制御する方法を示したフローチャートである。
図３を参照すると、一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定方法は、平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御する段階１１０、および少なくとも１つ以上の角度と偏光で入射された入射光に対する試片１２１の２次元回折光を偏光依存的に測定する段階１２０を含んでなされてよい。これにより、複屈折が含まれた試片１２１において複屈折率値と分子の配列方向の３次元構造を測定することができる。
図４を参照すると、平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御する段階１１０は、入射光の角度を制御する段階１１１および入射光の偏光を制御する段階１１２を含んでよい。
実施形態によると、従来の技術では測定することのできなかった複屈折構造を３次元定量イメージングすることができ、測定された屈折率値と割合を利用して分子特異的３Ｄイメージング（ｌａｂｅｌ－ｆｒｅｅ ｍｏｌｅｃｕｌａｒ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ３Ｄｉｍａｇｉｎｇ）を実現することができる。
以下では、一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定方法の各段階についてより具体的に説明する。
一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定方法は、図１および図２で説明した一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定装置１００を例に挙げて説明する。上述したように、一実施形態に係る３次元屈折率テンソルの測定装置１００は、入射光制御部１１０および回折光測定部１２０を含んで構成されてよい。ここで、入射光制御部１１０は、角度制御部１１１および偏光制御部１１２を含んで構成されてよく、回折光測定部１２０は、波面測定部１２２を含んで構成されてよい。
段階１１０で、入射光制御部１１０は、平面波の入射光を少なくとも１つ以上の角度と偏光で制御してよい。
入射光制御部１１０は、入射光の角度を制御してよい。このために、入射光制御部１１０は、二重ミラー、デュアルガルバノミラー（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）、可変型ミラー（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）、液晶空間光変調器（Ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、および２次元ＭＥＭＳミラー（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｍｉｒｒｏｒ、ＭＥＭＳ ｍｉｒｒｏｒ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を利用して入射光の角度を制御してよい。
また、入射光制御部１１０は、入射光の偏光を制御してよい。このために、入射光制御部１１０は、偏光ビームスプリッタ（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）、オプティカルファイバー偏光コントローラ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、回転する偏光板、液晶リターダ（ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｒｅｔａｒｄｅｒ）、およびメタサーフェス（ｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を利用して入射光の偏光を制御してよい。
段階１２０で、回折光測定部１２０は、少なくとも１つ以上の角度と偏光で入射された入射光に対する試片１２１の２次元回折光を偏光依存的に測定してよい。
回折光測定部１２０は、入射光に対する試片１２１の２次元回折光を偏光依存的に測定するために、マッハ・ツェンダー干渉計（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、位相シフト干渉計（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、および定量位相イメージングユニット（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｎｉｔ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を含んだ時間的（ｔｅｍｐｏｒａｌ）および空間的（ｓｐａｔｉａｌ）強度変調干渉計（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）を利用するか、強度輸送方程式（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ）およびフーリエ・タイコグラフィ（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｙ）のうちの少なくともいずれか１つを利用した２次元回折光を測定する方法を利用してよい。
これにより、複屈折が含まれた試片１２１で、複屈折率値と分子たちの配列方向の３次元構造を測定することができる。複屈折率のテンソル特性は、複屈折が含まれた試片１２１の空間的回転によるものであることを利用して、測定された屈折率テンソルを対角化することによって複屈折が含まれた試片１２１で複屈折率値および分子たちの配列方向を３次元で断層復元することができる。
図５は、一実施形態における、３次元屈折率テンソルの測定結果を示した図である。ここで、測定した試片は、生体細胞（Ａ５４９ｃｅｌｌ：肺ガン細胞）である。
実施形態によると、複屈折物質が含まれた試片の３次元屈折率分布をより正確に測定するだけでなく、分子の３次元配列方向に関する情報も得ることができる。
実施形態を適用すると、従来の技術では直接測定することのできなかった液晶滴の３次元分子配列方向を観測することにより、閉鎖された空間内分子間の相互作用の結果を光学的に直接測定することができる。生物学的細胞または組織試片において骨格および筋肉繊維は周りに比べて大きい偏光性を有しているため、追加のラベリングなく、このような構造を選択的に３次元観察することにも適用することが可能であろう。これだけでなく、生産されるプラスチック製品において、捻れや伸びなどによるストレスは光学的偏光特性を誘発するため、小さなプラスチックレンズの生産不良の検出などへの効果的な適用も期待される。
上述した装置は、ハードウェア構成要素、ソフトウェア構成要素、および／またはハードウェア構成要素とソフトウェア構成要素との組み合わせによって実現されてよい。例えば、実施形態で説明された装置および構成要素は、例えば、プロセッサ、コントローラ、ＡＬＵ（ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）、デジタル信号プロセッサ、マイクロコンピュータ、ＦＰＡ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ａｒｒａｙ）、ＰＬＵ（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｌｏｇｉｃ ｕｎｉｔ）、マイクロプロセッサ、または命令を実行して応答することができる様々な装置のように、１つ以上の汎用コンピュータまたは特殊目的コンピュータを利用して実現されてよい。処理装置は、オペレーティングシステム（ＯＳ）およびＯＳ上で実行される１つ以上のソフトウェアアプリケーションを実行してよい。また、処理装置は、ソフトウェアの実行に応答し、データにアクセスし、データを記録、操作、処理、および生成してもよい。理解の便宜のために、１つの処理装置が使用されるとして説明される場合もあるが、当業者であれば、処理装置が複数個の処理要素および／または複数種類の処理要素を含んでもよいことが理解できるであろう。例えば、処理装置は、複数個のプロセッサまたは１つのプロセッサおよび１つのコントローラを含んでよい。また、並列プロセッサのような、他の処理構成も可能である。
ソフトウェアは、コンピュータプログラム、コード、命令、またはこれらのうちの１つ以上の組み合わせを含んでもよく、思うままに動作するように処理装置を構成したり、独立的または集合的に処理装置に命令したりしてよい。ソフトウェアおよび／またはデータは、処理装置に基づいて解釈されたり、処理装置に命令またはデータを提供したりするために、いかなる種類の機械、コンポーネント、物理装置、仮想装置、コンピュータ記録媒体または装置に具現化されてよい。ソフトウェアは、ネットワークによって接続されたコンピュータシステム上に分散され、分散された状態で記録されても実行されてもよい。ソフトウェアおよびデータは、１つ以上のコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録されてよい。
実施形態に係る方法は、多様なコンピュータ手段によって実行可能なプログラム命令の形態で実現されてコンピュータ読み取り可能な媒体に記録されてよい。コンピュータ読み取り可能な媒体は、プログラム命令、データファイル、データ構造などを単独または組み合わせて含んでよい。前記媒体に記録されるプログラム命令は、実施形態のために特別に設計されて構成されたものであっても、コンピュータソフトウェア当業者に公知な使用可能なものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な記録媒体の例としては、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスク、および磁気テープのような磁気媒体、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤのような光媒体、フロプティカルディスク（ｆｌｏｐｔｉｃａｌ ｄｉｓｋ）のような光磁気媒体、およびＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリなどのようなプログラム命令を格納して実行するように特別に構成されたハードウェア装置が含まれる。プログラム命令の例は、コンパイラによって生成されるもののような機械語コードだけではなく、インタプリタなどを使用してコンピュータによって実行される高級言語コードを含む。
以上のように、実施形態を、限定された実施形態および図面に基づいて説明したが、当業者であれば、上述した記載から多様な修正および変形が可能であろう。例えば、説明された技術が、説明された方法とは異なる順序で実行されたり、かつ／あるいは、説明されたシステム、構造、装置、回路などの構成要素が、説明された方法とは異なる形態で結合されたりまたは組み合わされたり、他の構成要素または均等物によって対置されたり置換されたとしても、適切な結果を達成することができる。
したがって、異なる実施形態であっても、特許請求の範囲と均等なものであれば、添付される特許請求の範囲に属する。

Claims (6)

  1. 平面波の入射光を複数の角度及び偏光で制御する段階、および
    複数の角度及び偏光で入射された前記入射光に対する試片の２次元回折光を微小傾き方法を用いて偏光依存的に測定する段階
    を含み、
    前記２次元回折光に基づいて３次元屈折率テンソルを求めること
    を特徴とする、３次元屈折率テンソルの測定方法。
  2. 前記入射光の角度は、
    二重ミラー、デュアルガルバノミラー（ｇａｌｖａｎｏｍｅｔｒｉｃ ｍｉｒｒｏｒ）、可変型ミラー（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ ｄｅｖｉｃｅ）、液晶空間光変調器（Ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）、および２次元ＭＥＭＳミラー（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ ｍｉｒｒｏｒ、ＭＥＭＳ ｍｉｒｒｏｒ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を利用して制御されること
    を特徴とする、請求項１に記載の３次元屈折率テンソルの測定方法。
  3. 前記入射光の偏光は、
    オプティカルファイバー偏光コントローラ（ｏｐｔｉｃａｌ ｆｉｂｅｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ）、回転する偏光板、液晶リターダ（ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ ｒｅｔａｒｄｅｒ）、およびメタサーフェス（ｍｅｔａ ｓｕｒｆａｃｅ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を利用して制御されること
    を特徴とする、請求項１又は２に記載の３次元屈折率テンソルの測定方法。
  4. 前記入射光に対する試片の２次元回折光を微小傾き方法を用いて偏光依存的に測定する段階は、
    マッハ・ツェンダー干渉計（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、位相シフト干渉計（ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）、および定量位相イメージングユニット（Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｐｈａｓｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｕｎｉｔ）のうちの少なくともいずれか１つ以上を含んだ時間的（ｔｅｍｐｏｒａｌ）および空間的（ｓｐａｔｉａｌ）強度変調干渉計（ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ）を利用するか、強度輸送方程式（ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｏｆ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｅｑｕａｔｉｏｎ）およびフーリエ・タイコグラフィ（Ｆｏｕｒｉｅｒ ｐｔｙｃｈｏｇｒａｐｈｙ）のうちの少なくともいずれか１つを利用した２次元回折光を測定する方法を利用すること
    を特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の３次元屈折率テンソルの測定方法。
  5. 平面波の入射光を複数の角度及び偏光で制御する入射光制御部、および
    複数の角度及び偏光で入射された前記入射光に対する試片の２次元回折光を微小傾き方法を用いて偏光依存的に測定する回折光測定部
    を含み、
    前記回折光測定部は、前記２次元回折光に基づいて３次元屈折率テンソルを求めること
    を特徴とする、３次元屈折率テンソルの測定装置。
  6. 前記入射光制御部は、
    前記入射光の角度を制御する角度制御部、および
    前記入射光の偏光を制御する偏光制御部
    を含む、請求項５に記載の３次元屈折率テンソルの測定装置。
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