JPWO2013065796A1 - 観察装置 - Google Patents

Abstract

観察装置１は、光源部１０、検出部５０、及び演算部６０を備える。光源部１０は、移動している対象物へ光を多方向から照射する。検出部５０は、散乱光のうち、同一の散乱角θ’を有する散乱光が同一の位置に入射する所定平面に配置され、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数ωｄで時間的に変化するデータを、第１方向及び第２方向の各位置について各時刻に出力する。演算部６０は、所定平面上の第１方向の位置、第２方向の位置、及び時刻を変数とするデータについて時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、このフーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角θ０が同一のデータを抽出する。

Description

本発明は、対象物の像を観察する装置に関するものである。

対象物の像を観察して対象物の３次元画像を得る技術として、非特許文献１や非特許文献２に記載された位相シフト法を用いたものが知られている。これらの位相シフト法に拠る観察装置では、光源から出力された波長λの光が２分岐され、一方の分岐光が対象物を透過して物体光とされ、他方の分岐光が参照光とされて、これら物体光と参照光との干渉による２次元像が撮像される。そして、参照光の光路長がλ／４ずつ異なるものとされて４枚の２次元画像が得られ、これら４枚の２次元画像について所定の演算が行われて、２次元複素振幅を得た後に、対象物へ入射する光の方向毎に得られるこれら複数枚の複素振幅像から対象物の３次元振幅像及び３次元位相像が得られる。

また、撮像された１枚の画像から複素振幅像を得る技術として、非特許文献３に記載のヒルベルト変換法が知られている。

WonshikChoi, "Tomographic phase microscopy," Nature Methods - 4, 717 - 719 (2007). NiyomLue, "Synthetic aperture tomographic phase microscopy for 3D imaging of livecells in translational motion," OPTICS EXPRESS, 16, 16240, (2008) Takahiro Ikeda, "Hilbert phase microscopy forinvestigating fast dynamics in transparent systems," OPTICSLETTERS , 30, (2005)

非特許文献１や非特許文献２に記載された位相シフト法を用いた観察装置では、４枚の２次元画像を得る間、対象物は静止している状態であることが必要である。移動している対象物の像を得るには、フレームレートが高く高速撮像が可能な光検出器を用いて、対象物が静止していると見做し得る期間に４枚の２次元画像を得ることが必要である。しかし、高速撮像が可能な光検出器は、高額であり、或いは、画素数が少なく空間分解能が劣る。また露光時間においても、せいぜい対象物が静止していると見做し得る期間内であるため、ＳＮの面からも画質が劣り、感度が悪い。また、非特許文献３に記載されたヒルベルト変換法を用いると、空間解像度がおよそ１／４に低下してしまい、画質が低下することとなる。

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、１画素当りの読出し速度が低速である光検出器を用いる場合であっても移動している対象物の像を得ることができる観察装置を提供することを目的とする。

本発明の観察装置では、移動している対象物へ光を多方向から照射する光源部と、光源部による光照射により対象物で生じた散乱光のうち、同一の散乱角を有する散乱光が同一の位置に入射する所定平面に配置され、対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータを、第１方向及び第２方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、所定平面上の第１方向の位置、第２方向の位置、及び時刻を変数とするデータについて時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、このフーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する演算部と、光源部から出力された光を入力して、その入力した光を対象物の前段で２分割して第１の光及び第２の光とし、第１の光又は第２の光を変調器で変調した後に所定平面上で、第１の光と第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、を備える。

本発明の観察装置では、移動している対象物は、光源部により光が多方向から照射されて、散乱光を発生させる。その散乱光は、散乱方向に応じた量のドップラーシフトを受ける。所定の光学系を経た散乱光のうち、同一の散乱角を有する散乱光が検出部上の同一の位置で受光される。検出部から、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータが、第１方向及び第２方向の各位置について各時刻に出力される。演算部により、所定平面上の第１方向の位置、第２方向の位置、及び時刻を変数とするデータについて時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、このフーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータが抽出される。この構成によれば、ドップラー効果を用いて対象物に対する入射角が同一のデータを抽出することできるため、対象物が静止していると見做し得る期間内に複数回対象物の撮像をする必要がない。よって、１画素当りの読出し速度が低速である光検出器を用いる場合であっても移動している対象物の像を得ることができる。

また、演算部が、フーリエ変換後のデータから下記式（１）を満たす平面のデータを抽出してもよい。
（式（１）中、ωは前記フーリエ変換後のデータの時間周波数であり、Ωは変調周波数であり、ｙは前記検出部の前記第２方向の位置であり、θ_０は前記入射角であり、α，βは定数である。）
この場合、上記式（１）により、時刻変数に関する１次元フーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータを抽出することができる。上記式（１）は、対象物が速度Ｖで移動することによりドップラー効果が生じ、そのドップラー効果に基づいて、時間周波数ωと位置ｙに所定の関係があることを示している。

また、対象物と検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、演算部が、フーリエ変換後のデータから下記式（２）を満たす面のデータを抽出してもよい。
（式（２）中、ωは前記フーリエ変換後のデータの時間周波数であり、Ωは前記変調器の変調周波数であり、Ｖは前記対象物の移動速度であり、前記λは前記光源部が照射する光の波長であり、ｙは前記検出部の前記第２方向の位置であり、ｆ_Ｙは前記集光レンズの第２方向の焦点距離であり、θ_０は前記入射角である。）
この場合、上記式（２）により、時刻変数に関する１次元フーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータを正確に抽出することができる。

また、対象物と検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、検出部の受光面が、集光レンズにより第１方向において対象物のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する斜め切り部と、前記検出部が配置される位置により定まる値である２次位相で除する２次位相除算部とを含んでいてもよい。この場合、適切に入射角に依存する複素振幅像を得ることができる。

また、対象物と検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、検出部の受光面が、集光レンズにより第１方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する斜め切り部とを含んでいてもよい。この場合、適切に入射角に依存する複素振幅像を得ることができる。

また、対象物と検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、検出部の受光面が、集光レンズにより第１方向において対象物の像が形成される結像面であって、第２方向において対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、演算部が、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する斜め切り部とを含んでいてもよい。この場合、適切に入射角に依存する複素振幅像を得ることができる。

また、対象物と検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、集光レンズがｆθレンズであり、演算部が、フーリエ変換後のデータから下記式（３）を満たす面のデータを抽出してもよい。
（式（３）中、ωはフーリエ変換後のデータの時間周波数であり、Ωは変調器の変調周波数であり、Ｖ_Ｙは対象物の第２方向の移動速度であり、λは光源部が照射する光の波長であり、ｙは検出部の第２方向の位置であり、ｆ_Ｙは集光レンズの第２方向の焦点距離であり、θ_０は入射角である。）
この場合、上記式（３）により、時刻変数に関する１次元フーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角が同一のデータをより厳密に抽出することができる。

また、光源部と対象物との間に配置され、光源部から照射される光を受光して、第２方向に収束又は発散する光を対象物に照射する照明レンズを更に備えていてもよい。この場合、対象物に光を多方向から照射することができる。

また、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、演算部が、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行ってもよい。

また、対象物への光の照射が、透過照明の光学配置であってもよいし、対象物への光の照射が、反射照明の光学配置であってもよい。

また、光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であってもよいし、光源部が、広帯域の光を生成する光源であってもよい。更に、光源部が、モードロックレーザーであってもよい。

本発明によれば、１画素当りの読出し速度が低速である光検出器を用いる場合であっても移動している対象物の像を得ることができる。

本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。 （ａ）は、入射光Ｌ_０の入射角を説明する図であり、（ｂ）は対象物２で生じる散乱光の散乱角θを説明する図である。 入射光Ｌ_０が対象物２により散乱する様子をξ軸方向から見た図である。 従来技術である位相シフト法によって入射角依存複素振幅像を取得する手順を示す図である。 第１実施形態に係る観察装置１における、入射角依存複素振幅像の取得の手順を示す図である。 第１実施形態に係る観察装置１の構成を示す図である。 （ａ）は照明レンズ２０をＹ軸方向から見た側面図であり、（ｂ）は照明レンズ２０をＸ軸方向から見た側面図である。 第１配置例の集光レンズ３０の構成を示す図である。 集光レンズ３０を介して検出部５０に入射される光を模式的に示した図である。 ３つの入射角を持つ入射光による散乱光が検出部５０に入射される様子を模式的に示した図である。 第１配置例の演算部６０の構成を示すブロック図である。 検出部５０によって取得された干渉強度像ｉの例である。 周波数依存複素振幅像ａを模式的に示したものである。 図１３の模式図をＸ軸方向から見た図である。 第２配置例の集光レンズ３０Ａの構成を示す図である。 第２配置例の演算部６０Ａの構成を示すブロック図である。 第３配置例の集光レンズ３０Ｂの構成を示す図である。 第３配置例の演算部６０Ｂの構成を示すブロック図である。 周波数依存複素振幅像ａの振幅像を周波数毎に示した図である。 周波数依存複素振幅像ａの位相像を周波数毎に示した図である。 左に、入射角依存複素振幅像Ａの振幅像を、右に入射角依存複素振幅像Ａの位相像を示した図である。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一又は類似する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

本実施形態の観察装置は、移動している対象物に光が照射された際に生じるドップラーシフト効果を利用し、特に、対象物に入射する入射光の入射方向とドップラーシフト量との間に一定の関係が存在することを利用して、対象物の像を取得するものである。初めに、図１を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の像の取得について原理的な事項について説明する。

図１は、本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系，ｘｙ座標系及びｕｖ座標系が示されている。ξ軸，η軸，ｘ軸，ｙ軸，ｕ軸及びｖ軸は、何れも集光レンズ３０の光軸に垂直である。ξ軸及びｘ軸は、互いに平行である。η軸及びｙ軸は、互いに平行である。観察対象である対象物２はξη平面上に存在する。集光レンズ３０はｘｙ平面上に存在する。また、集光レンズ３０の後焦点面はｕｖ平面と一致する。ξη平面とｘｙ平面との間の距離はｄである。ｘｙ平面とｕｖ平面との間の距離は集光レンズ３０の焦点距離ｆと一致する。本明細書において、ξ軸方向、ｘ軸方向、Ｘ軸方向、第１方向は互いに平行な向きであり、η軸方向、ｙ軸方向、Ｙ軸方向、第２方向は、互いに平行な向きである。

対象物２はξη平面上で−η方向に移動しており、様々な入射角を有する光Ｌ_０が対象物２に照射されることとする。対象物２に光Ｌ_０が照射されることにより生じる散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３は、様々な方向に進み、また、対象物２の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ_１は、光周波数が高くなる。対象物２の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ_２は、光周波数が変化しない。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ３は、光周波数が低くなる。これらの散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３は、集光レンズ３０を経てｕｖ平面に到達する。

図２（ａ）は、入射光Ｌ_０の入射角を説明する図であり、図２（ｂ）は対象物２で生じる散乱光Ｌの散乱角を説明する図である。図２（ａ）に示すように、入射光Ｌ_０の入射角を表現するには、それぞれ仰角θ_０及び方位角φ_０の２つの変数で記述する必要がある。対象物２内に仮想的に配置した点光源をξηζ座標系の原点とする。その原点に対して、入射する入射光Ｌ_０の入射方向ベクトルとζ軸とがなす角度を仰角θ_０とし、その入射方向ベクトルのξη平面への投影ベクトルとξ軸とがなす角度を方位角φ_０とする。また、入射光Ｌ_０のηζ平面への投影ベクトルとζ軸とがなす角度をθ_０’とする。同様に、図２（ｂ）に示すように、点光源からの散乱光Ｌの方向ベクトルとζ軸とがなす角度を仰角θとし、その散乱方向ベクトルのξη平面への投影ベクトルとξ軸とがなす角度を方位角φとする。また、散乱光Ｌのηζ平面への投影ベクトルとζ軸となす角度をθ’とする。

図３は、入射光Ｌ_０が対象物２により散乱する様子をξ軸方向から見た図である。図３では、入射光Ｌ_０の入射単位ベクトルをｓ_０とし、散乱光Ｌの散乱単位ベクトルをｓと表している。

速度ベクトルＶで移動する対象物２に周波数ω_０をもつ光を照射すると、対象物２で生じる散乱波の周波数は、ドップラー効果により下記式（４）で表されるドップラーシフト周波数ω_ｄだけ変化する。式（４）では、対象物２に対する入射光の入射単位ベクトルをｓ_０とし、対象物２で生じた散乱波の散乱方向を示す散乱単位ベクトルをｓとしている。式（４）において、λは光の波長である。式（４）はドップラーシフト量ω_ｄは、（ｓ−ｓ_０）と移動物体の速度ベクトルＶの内積に比例することを表している。式（４）において、入射単位ベクトルｓ_０と速度ベクトルＶとの内積の項（ω_ｄ１＝−（２π／λ）ｓ_０・Ｖ）による周波数遷移を第１のドップラー効果と呼ぶこととする。また、散乱単位ベクトルｓと速度ベクトルＶとの内積の項（ω_ｄ２＝（２π／λ）ｓ・Ｖ）による周波数遷移を第２のドップラー効果と呼ぶこととする。この場合、対象物２で生ずる散乱光の光周波数は、入射ベクトル成分及び散乱方向ベクトル成分により、以下のような影響を受ける。すなわち、対象物２の移動方向と同じ方向に入射ベクトル成分を有する入射光は、第１のドップラー効果により、対象物２で生ずる散乱光の光周波数は低くなる。対象物２の移動方向と逆の方向に入射ベクトル成分を有する入射光は、第１のドップラー効果により、対象物２で生ずる散乱光の光周波数は高くなる。対象物２の移動方向と平行な方向に入射ベクトル成分を有しない入射光は、第１のドップラー効果は起きず、対象物２で生ずる散乱光の光周波数は変わらない。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光は、第２のドップラー効果により、その散乱光の光周波数は高くなる。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光は、第２のドップラー効果により、その散乱光の光周波数が低くなる。対象物２の移動方向と平行な方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光は、第２のドップラー効果は起きず、その散乱光の光周波数は変わらない。

式（４）より、速度Ｖと散乱単位ベクトルｓが一定である場合、ある位置で観測される回折波のドップラーシフト周波数ω_ｄは、入射単位ベクトルｓ_０と一対一で対応することが分かる。このように、そのドップラーシフト周波数ω_ｄでの波の複素振幅像は、入射波の入射角θ_０に依存するものである。

入射角θ_０を変数とする複素振幅像（以下、「入射角依存複素振幅像」ともいう。）からＸ線ＣＴアルゴリズムや回折トモグラフィーアルゴリズムを用いて３次元振幅像及び３次元位相像を得られることが知られている。したがって、入射角依存複素振幅像を得ることができれば、対象物の３次元振幅像及び３次元位相を得ることができる。以下では、本発明の理解を容易にするために、本発明の一実施形態に係る観察装置における、入射角依存複素振幅像の取得の手順を、位相シフト法による入射角依存複素振幅像の取得の手順と比較して説明する。

図４は、従来技術である位相シフト法によって入射角依存複素振幅像を取得する手順を示す図である。図４上段のグラフの縦軸は対象物の位置を示し、横軸は時間を示している。図４上段に示す矢印は、撮像タイミングを示している。対象物は所定の方向に、一定速度で移動しているものとする。位相シフト法では、時刻ｔ_１において移動する対象物に対し、対象物が移動していないと見做し得る時間内に対象物の像を複数枚撮像して、複数枚の干渉強度像を取得する。このとき、位相シフト法では、干渉強度像を光路長がλ／４ずつ異ならせた参照光と干渉させて、対象物の位置を変数とする複素振幅像を取得する（以下、「位置依存複素振幅像」ともいう。）。なお、対象物は一定速度で移動しているため、位置依存複素振幅像は、時間を変数とする複素振幅像でもある。このような位置依存複素振幅像は、所定の時間間隔で複数回取得される（図４のｔ_１，ｔ_２，ｔ_３）。合成開口トモグラフィーでは、各時刻で得られた位置依存複素振幅像に対して時刻変数ｔに関する１次元フーリエ変換を行うことにより、周波数を変数とする複素振幅像（以下、「周波数依存複素振幅像」ともいう。）を得る。その後、周波数ωと入射角θ_０との間に所定の関係があることを利用して、入射角依存複素振幅像を得ている。

上記のように、位相シフト法では、移動する対象物に対し、対象物が移動していないと見做し得る時間内に対象物を複数枚撮像して、複数枚の干渉強度像を取得する必要がある。フローサイトメーターで細胞等の対象物を流す場合、細胞は数ｍ／秒で移動する。仮に、１ｍ／秒で移動する直径１０μｍの細胞に波長６３３ｎｍのレーザー光を照射し、ＮＡ＝０．４５（２０倍相当）の対物レンズで撮影を行う場合、本対物レンズによる回折限界は約０．９μｍと試算される。そのため、移動によるボケも０．９μｍに抑える必要がある。したがって、対象物の強度像だけを得るのであれば、０．９μｍ／１ｍ／ｓ＝０．９μｓ時間内に撮影を完了する必要がある。一方、４枚の干渉像から１枚の複素振幅像を求める場合、その複素振幅像が持つ位相精度を１００分の１程度に抑える必要がある。したがって、４枚の連続する干渉像の時間間隔は、０．６３３μｍ／１ｍ／ｓ／０．４５／１００〜１０^−８秒と試算される。このことから、この条件の下では、位相シフト法では、約１００ＭＨｚのフレームレートを有する２次元検出器を用いて干渉強度像を得る必要がある。しかし、このような超高速でかつ画素数を有している２次元光検出器は入手困難である。

これに対し、図５は、本発明の一実施形態に係る観察装置における、入射角依存複素振幅像の取得の手順を示す図である。図４と同様に、図５上段のグラフの縦軸は対象物の位置を示し、横軸は時間を示している。図５上段に示す矢印は、撮像タイミングを示している。対象物は所定の方向に、一定速度で移動しているものとする。本実施形態に係る観察装置では、時刻ｔ_１において移動する対象物に対し、対象物が移動していないと見做し得る時間内に対象物を１枚だけ撮像して、１枚の干渉強度像を取得する。このような干渉強度像は、所定の時間間隔で複数回取得される（図５のｔ_１，ｔ_２，ｔ_３）。その後、位置依存干渉強度像から位置依存複素振幅像を算出する操作を行うことなく、各時刻で得られた干渉強度像を時間変数ｔに関して１次元フーリエ変換し、周波数依存複素数振幅像を得る。その後、ドップラーシフト周波数ωと入射角θ_０に所定の関係があることを利用して周波数依存複素数振幅像から入射角依存複素振幅像を得る。このように、本実施形態に係る観察装置では、対象物が移動していないと見做し得る時間内に対象物を１枚だけ撮像すればよいので、高いフレームレートを有する２次元光検出器でなくても精度よく入射角依存複素振幅像を得ることができる。以下に、本実施形態に係る観察装置の構成について説明する。

（第１実施形態）
（第１配置例）
本実施形態の観察装置１は、以上で説明した原理に基づいて、対象物２の入射角依存複素振幅像を取得するものである。図６は、第１実施形態の観察装置１の構成を示す図である。本実施形態の観察装置１は、図６に示すように、光源部１０、照明レンズ２０、ビームスプリッタＨＭ１、集光レンズ３０、ビームスプリッタＨＭ２、変調部４０、ミラーＭ１、ミラーＭ２、検出部５０及び演算部６０を備えている。

光源部１０は、照明レンズ２０を介して移動している対象物へドップラー効果が起こるように光を多方向から照射する。光源部１０は、例えばＨｅＮｅレーザ光源であり、対象物２に照射されるべき光（光周波数ω_０）を平行光として出力する。ビームスプリッタＨＭ１は、光源部１０から出力された光を対象物２の前段で入力し、この光を２分割して第１の光及び第２の光とし、そのうちの第１の光を照明レンズ２０に出力し、第２の光を変調部４０に出力する。

照明レンズ２０は、ビームスプリッタＨＭ１から出力された光を受光し、Ｙ軸方向に種々の方向を持ち、Ｘ軸方向に一定の方向を持つ光を対象物２に照射する。照明レンズ２０としては、シリンドリカルレンズが用いられる。図７は、照明レンズ２０の一例を示す図であり、図７（ａ）は照明レンズ２０をＹ軸方向から見た側面図であり、図７（ｂ）は照明レンズ２０をＸ軸方向から見た側面図である。図７に示す点線は、照明レンズ２０における光の結像の様子を表している。図７のｆ_ＬＳ２は、照明レンズ２０の焦点距離を示している。図７に示すように、照明レンズ２０は、曲率を有する面がＹ軸方向と平行に配置され、曲率を有さない面がＸ軸方向と平行に配置される。このような照明レンズ２０により、対象物２にはＸ軸方向が平行光であって、Ｙ軸方向が収束光である光が照射される。つまり、対象物２には、Ｙ軸方向において多方向から光が照射される。なお、図７では、照明レンズ２０として、凸レンズのシリンドリカルレンズを示したが、凹レンズのシリンドリカルレンズを用いてもよい。この場合、対象物２にはＸ軸方向が平行光であって、Ｙ軸方向が発散光である光が照射される。上記の照明レンズ２０により出力される収束光または発散光のそれぞれの入射ベクトルｓ_０は、同一平面Ｓ_０内に存在することが好ましい。平面Ｓ_０は、光軸ζと対象物２の移動方向により形成される面である。なお、本実施形態の観察装置１が照明レンズ２０を備えず、光源部１０からＸ軸方向が平行光であって、Ｙ軸方向が収束光又は発散光である光が照射されてもよい。

変調部４０は、第１変調器４１及び第２変調器４２を備えている。第１変調器４１及び第２変調器４２は、例えば音響光学素子である。第１変調器４１は、第１変調信号により、光源部１０から出力された光を回折させ、その回折光を第２変調器４２へ出力する。第２変調器４２は、第２変調信号により、第１変調器４１から出力された光を回折させ、その回折光をミラーＭ１へ出力する。第２変調器４２から出力された光は、ミラーＭ１、Ｍ２により順次に反射され、ビームスプリッタＨＭ２へ出力される。なお、変調部４０は、第１の光の光路上に配置されてもよい。

第１変調器４１に与えられる第１変調信号の周波数と、第２変調器４２に与えられると第２変調信号の周波数とは僅かに異なる。例えば、第１変調周波数は４０ＭＨｚであり、第２変調周波数は４０.００００１０ＭＨｚであり、両者の差Ωは１０Ｈｚである。第１変調信号及び第２変調信号それぞれは正弦波である。なお、変調部４０は必ずしも第１変調器４１と第２変調器４２の２つから構成される必要はない。すなわち、変調器４０は、光の周波数を所定の周波数Ω（以後、変調周波数Ωと呼ぶ）だけ周波数遷移する役割を有するものであればよく、変調部４０は１つの変調器から構成されてもよいし、３つ以上の変調器を備えてもよい。

集光レンズ３０は、照明レンズ２０から出力された光の照射により対象物２で生じた散乱波を入力し、検出部５０の受光面においてＸ軸方向がフレネル回折像であって、Ｙ軸方向がフランフォーファー回折像である像を形成する。集光レンズ３０は、このような光をビームスプリッタＨＭ２に出力する。集光レンズ３０の構成を図８に示す。図８（ａ）は集光レンズ３０をＹ軸方向から見た側面図であり、図８（ｂ）は集光レンズ３０をＸ軸方向から見た側面図である。図８に示す点線は、集光レンズ３０における光の結像の様子を表している。図８に示すように、集光レンズ３０は、レンズＯＢ、レンズＬＳ１、レンズＬＳ２、及びレンズＬＳ３の４つのレンズにより構成される。

レンズＯＢは、２０倍相当の開口数ＮＡ＝０．４５である対物レンズである。レンズＯＢの後焦点面をＦＰとする。レンズＬＳ１は、Ｘ軸方向に曲率を持たず、Ｙ軸方向に曲率を持つレンズである。レンズＬＳ２は、Ｘ軸方向に曲率を持ち、Ｙ軸方向に曲率を持たないレンズである。レンズＬＳ３は、Ｘ軸方向に曲率を持たず、Ｙ軸方向に曲率を持つレンズである。レンズＬＳ１とレンズＬＳ３のＹ方向は，４ｆ光学系を成している。４ｆ光学系とは、レンズＬＳ１の後焦点面とレンズＬＳ３の前焦点面が一致し、レンズＬＳ１の前焦点面の像がレンズＬＳ３の後焦点面に結像される光学系のことである。レンズＬＳ２は、レンズＬＳ１の後焦点面とは異なる面であって、レンズＬＳ３の前焦点面とは異なる面に配置される。集光レンズ３０は、図８（ａ）に示すように、Ｘ軸方向において、レンズＯＢから出力された光をレンズＬＳ２により、検出部５０の受光面に、フランフォーファー回折像面でなく、結像面でもないフレネル回折像面を形成する。また、集光レンズ３０は、図８（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向において、レンズＯＢの後焦点面ＦＰから出力された光をレンズＬＳ１により平行光とさせ、レンズＬＳ３により収束させることで、検出部５０の受光面にフランフォーファー回折像面を形成させる。このような集光レンズ３０を対象物２と検出部５０の間に備えることで、対象物２からの散乱光のうち、入射角θ_０が異なり、散乱角θ’が同一である光が検出部５０の受光面の１点に集光される。

ビームスプリッタＨＭ２は、集光レンズ３０から到達した光（物体光）と、ミラーＭ１，Ｍ２を介して変調部４０から到達した光（参照光）とを検出部５０の受光面へ入射させて、両光を検出部５０の受光面上でヘテロダイン干渉させる。変調部４０から出力されて検出部５０の受光面に入射される光の周波数は、ω_０＋Ωとなる。Ωは、第１変調周波数と第２変調周波数との差周波数である。物体光と参照光とが検出部５０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部５０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。

検出部５０は、同一の散乱角を有する散乱光が同一の位置に入射する所定平面に配置され、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータを、第１方向及び第２方向の各位置について各時刻に出力する。検出部５０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に並設される画素構造により、検出部５０の受光面に到達した光を検出し、検出された光に応じた信号を出力する２次元光検出器である。検出部５０の受光面は、集光レンズ３０により第１方向において対象物２のフレネル回折像が形成される面であって、第２方向において対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。ここで、平面Ｓ_０内に平行であって、Ｚ軸に垂直な方向をｕ方向とし、平面Ｓ_０内に平行であって、ｕ方向に垂直な方向をｖ方向と定める。なお、Ｘ軸及びＹ軸に垂直な軸をＺ軸とする。

図９は、集光レンズ３０を介して検出部５０に入射される光を模式的に示した図である。図９では、Ｙ軸方向において、集光レンズ３０の前焦点面に対象物２が配置され、集光レンズ３０の後焦点面に検出部５０の受光面が配置されている。

図９（ａ）は、入射角θ_０が−ψである入射光に着目し、この入射光により対象物２で生じた散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３が、検出部５０に入射している様子を示している。対象物２が−Ｙ軸方向に移動しているとすると、対象物２の移動方向と逆の方向に入射ベクトル成分を有する入射光Ｌ_０は、第１のドップラー効果により、対象物２で生ずる散乱光の光周波数は高くなる（ω_ｄ１＝δ）。対象物２は、第１のドップラー効果を受けた光を散乱させる。対象物２の移動方向と平行な方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ_１は、第２のドップラー効果は起きない（ω_ｄ２＝０）。したがって、散乱光Ｌ_１の光周波数は、第１のドップラー効果による周波数遷移のみが観測される（ω_ｄ＝δ＋０＝δ）。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ_２は第２のドップラー効果により光周波数が低くなる（ω_ｄ２＝−δ）。したがって、散乱光Ｌ_２の光周波数は、第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数が変化しない（ω_ｄ＝δ−δ＝０）。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ_３は、ドップラーシフトにより周波数変調を受け、光周波数が低くなる（ω_ｄ２＝−２δ）。したがって散乱光Ｌ３の光周波数は、第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数が低くなる（ω_ｄ＝δ−２δ＝−δ）。これらの散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３は、集光レンズ３０を経て、それぞれ検出部５０の位置Ｐ_１〜Ｐ_３に到達する。

図９（ｂ）は、入射角θ_０が０である入射光に着目し、この入射光により対象物２で生じた散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３が、検出部５０に入射している様子を示している。対象物２が−Ｙ軸方向に移動しているとすると、対象物２の移動方向と平行な方向に入射ベクトル成分を有しない入射光Ｌ_０は、第１のドップラー効果は起きず、対象物２で生ずる散乱光の光周波数は入射光と同じである（ω_ｄ１＝０）。対象物２は、第１のドップラー効果がない光を散乱させる。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ_１は、ドップラー効果による周波数変調を受け、光周波数が高くなる（ω_ｄ２＝＋δ）。したがって、散乱光Ｌ_１の光周波数は、第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数が高くなる（ω_ｄ＝０＋δ＝＋δ）。対象物２の移動方向と平行な方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ_２は、光周波数が変化しない（ω_ｄ２＝０）。したがって散乱光Ｌ_２の光周波数は、第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数は変化しない（ω_ｄ＝０−０＝０）。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ_３は、ドップラーシフトにより周波数変調を受け、光周波数が低くなる（ω_ｄ２＝−δ）。したがって、散乱光Ｌ_３の光周波数は、第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数が低くなる（ω_ｄ＝０−δ＝−δ）。これらの散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３は、集光レンズ３０を経て、それぞれ検出部５０の位置Ｐ_２〜Ｐ_４に到達する。

図９（ｃ）は、入射角θ_０がψである入射光に着目し、この入射光により対象物２で生じた散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３が、検出部５０に入射している様子を示している。対象物２が−Ｙ軸方向に移動しているとすると、対象物２の移動方向と同じ方向に入射ベクトル成分を有する入射光Ｌ_０は、第１のドップラー効果により、対象物２で生ずる散乱光の光周波数は入射光より低くなる（ω_ｄ１＝−δ）。対象物２は、第１のドップラー効果を受けた光を散乱させる。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ_１は、ドップラー効果による周波数変調を受け、光周波数が高くなる（ω_ｄ２＝２δ）。したがって、散乱光Ｌ_１の光周波数は、第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数が高くなる（ω_ｄ＝−δ＋２δ＝δ）。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ_２は、ドップラー効果による周波数変調を受け、光周波数が高くなる（ω_ｄ２＝δ）。したがって散乱光Ｌ_２の光周波数は，第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数は変化しない（ω_ｄ＝−δ＋δ＝０）。対象物２の移動方向と平行な方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ_３は、光周波数が変化しない（ω_ｄ２＝０）。したがって散乱光Ｌ_３の光周波数は，第１のドップラー効果と第２のドップラー効果により光周波数が低くなる（ω_ｄ＝−δ＋０＝−δ）。これらの散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３は、集光レンズ３０を経て、それぞれ検出部５０の位置Ｐ_３〜Ｐ_５に到達する。

検出部５０の位置Ｐ_ｎ（ｎ＝１〜５）では、周波数Ωを基準として、散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３のドップラー効果により、周波数ω_ｄだけ周波数遷移した信号が干渉ビート信号として観測される。この干渉ビート信号を所定期間にわたり記録し、その干渉ビート信号の振幅及び位相を計算することにより各散乱角の振幅及び位相（すなわち、複素振幅値）が得られる。

図１０は、３つの入射角θ_０＝−ψ，０，ψを持つ入射光による散乱光が検出部５０に入射される様子を模式的に示した図である。各入射角θ_０に対して、様々な散乱角θ’を有する散乱光が生じるが、図１０では、特定の散乱角θ’を有する散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３を図示している。同一の散乱角θ’を持つ散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３は、集光レンズ３０を介して同一の位置Ｐ_２に到達する。これらの散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３は、入射角θ_０が異なるため、ドップラー効果により、それぞれが異なる周波数遷移を受けている。つまり、散乱光Ｌ_１〜Ｌ_３の周波数は互いに異なっている。したがって、異なる入射角θ_０を有する入射光による散乱光は、検出部５０の同一画素に到達するが、散乱光の周波数遷移からフーリエ変換等の手法により周波数弁別することで、入射角毎の信号を抽出することができる。

上記のように、集光レンズ３０により、対象物２からの散乱光のうち、入射角θ_０が異なり、散乱角θ’が同一である光が検出部５０の受光面の１点（ｘ，ｙ）に集まる。ここで、点（ｘ，ｙ）は、２次元に並設された検出部５０の画素の座標である。すなわち、点（ｘ，ｙ）で観測される散乱光の散乱角θは固定値である。また、対象物２で生じた散乱光は、式（４）により周波数ω_ｄの周波数遷移を起こすことから、光ヘテロダイン干渉計測により、点（ｘ，ｙ）において検出される干渉強度は、周波数ω_ｄで変動することとなる。種々の入射角θ_０により生じる散乱光が点（ｘ，ｙ）に到達するために、点（ｘ，ｙ）においては、入射角θ_０に応じた周波数遷移を受けた種々の周波数の重ね合わせたビート信号が観測される。これらのビート信号に対し時刻変数ｔに関するフーリエ変換をすると、このビート信号に含まれるドップラーシフト周波数ω_ｄが分かる。さらに点（ｘ，ｙ）では、式（４）の散乱角θは固定値であることから、ドップラーシフト周波数ω_ｄと入射角θ_０の間に式（５）に示すように一定の関係にある。よって、簡単な変換により入射角における複素振幅像を得ることができる。尚、Ｖ_Ｙは対象物の速度のＹ軸成分であり、説明を簡単にするために変調周波数Ωを０とした。

なお、最大入射角をθ_０ｍａｘとし、最大受光散乱角をθ_ｍａｘとすれば、最大ドップラーシフト周波数Ｂ_Ｗは、式（６）で表すことができる。式（６）において、λは入射光の波長であり、Ｖは対象物の速度である。したがって、ドップラーシフト周波数帯域は２Ｂ_Ｗとなる。

本実施形態では、入射単位ベクトルｓ_０はＸ軸成分を持たないとしたため、Ｙ−Ｚ平面への投影入射角θ_０’は入射角θ_０と一致する。もし、入射単位ベクトルｓ_０がＸ軸成分を持つ場合には、式（５）のθ_０を投影入射角θ_０’に置き換えればよい。

演算部６０は、検出部５０が取得した所定平面上の第１方向の位置、第２方向の位置、及び時刻を変数とするデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換し、このフーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて入射角が同一のデータを抽出する。

図１１に示すように、演算部６０は、第１フーリエ変換部６１、斜め切り部６２（抽出部）、第２フーリエ変換部６４、及び２次位相除算部６３を備えている。第１フーリエ変換部６１は、検出部５０により取得された干渉強度像について時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う。斜め切り部６２は、第１フーリエ変換部６１により１次元フーリエ変換されたデータからドップラー効果に基づいて入射角が同一のデータを抽出する。第２フーリエ変換部６４は、斜め切り部６２から出力されたデータについて変数ｘに関する１次元フーリエ変換を行う。２次位相除算部６３は、第２フーリエ変換部６４から出力されたデータを２次位相Ｈ（ｘ）で除する。なお、第１フーリエ変換部６１、斜め切り部６２、第２フーリエ変換部６４、及び２次位相除算部６３は、２次位相除算部６３が第２フーリエ変換部６４の後段に配置されている限り、互いに入れ替えて任意の順序で配置されてもよい。

検出部５０により取得された干渉強度像をｉ（ｘ，ｙ；η）と表す。図１２に、検出部５０によって取得された干渉強度像ｉ（ｘ，ｙ；η）の例を示す。図１２の例では、速度１０μｍ／秒で移動させた直径２５μｍの円形開口を対象物２として用いた。また、検出部５０としては、１画素サイズ７．４×７．４μｍで、６４０×１２８画素を持つ画像を毎秒１８０枚出力するＣＣＤカメラを用いた。図１２に示す干渉強度像ｉ（ｘ，ｙ；η）では、干渉縞の間隔が番号１から７に向かって変化していることが分かる。

対象物２が速度Ｖで移動しているとすると、対象物２の位置η＝Ｖｔと表すことができる。ここで、ｔは時刻である。対象物２は一定速度で移動するため、干渉強度像ｉ（ｘ，ｙ；η）は、ｉ（ｔ，ｘ，ｙ）と表すことができる。第１フーリエ変換部６１は、干渉強度像ｉ（ｔ，ｘ，ｙ）に対して時刻変数ｔに関するフーリエ変換を行うことで、周波数依存複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）を得る。ここで、ωは時間周波数である。図１３は、フーリエ変換により得られる周波数依存複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）を模式的に示したものである。図１４は、図１３をＸ軸方向から見た図である。周波数依存複素振幅像ａは、図１３及び図１４に示すように、Ｘ軸方向については、Ｘ−Ｙ平面が紙面方向に並列して並んでいることから、説明を簡単にするため、以降、ω−Ｙ平面の２次元で説明する。

式（５）中の散乱角θ’は、対象物２、集光レンズ３０、及び検出部５０の物理的配置に基づき定まる値であり測定中は一定となる値である。集光レンズ３０のＹ軸方向の焦点距離をｆ_Ｙとすると、集光レンズ３０のＹ軸方向の後焦点面と検出部５０の受光面とが一致している場合には、散乱角θ’は、集光レンズ３０の焦点距離ｆ_Ｙ及び受光面座標（ｘ，ｙ）を用いて式（７）で表される。

ここで、ｆ_Ｙは既知の値であるため、散乱角θ’は、変数ｙのみで決定される投影散乱角である。式（７）の散乱角θ’を式（５）に代入し、ヘテロダイン周波数Ωを加味すると、第１フーリエ変換部６１が出力する時間周波数ωは以下の式（８）となる。

式（８）において、α＝２πＶ_ｙ／（λｆ_Ｙ）、β＝−２πＶ_ｙ／λと置くと、式（８）は以下の式（１）のように表すことができる。つまり、式（１）は、ｙ及びωの線形一次関数である。なお、式（１）において、βｓｉｎθ_０の項を一定とした場合の複素振幅値は、一定の入射角θ_０で対象物に照射したときの受光面での複素振幅値である。

斜め切り部６２は、周波数依存複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）から、式（１）を満たす平面を抽出する。このように斜め切り部６２により抽出された像は、入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）である。図１３及び図１４は、この数学的な操作を模式的に表している。図１３及び図１４において、破線で描かれた斜めの面が、斜め切り部６２により、抽出された入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）である。この入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）は、複数枚の複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）に対し、周波数ω方向及びＹ軸方向を横切るように抽出されている。図１４に示すように、入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）の要素データは、式（１）のようにω−Ｙ平面において線形一次関数上の要素データとなっている。

式（５）と（７）から導いた式（１）及び式（８）は、ｓｉｎθ’をθ’と近似し、θ’をｙ／ｆ_Ｙと近似している。このような近似を用いることにより、入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）は平面となる。上記のような近似を用いない場合には、入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）の面は、曲面となる。

なお、θ’をｙ／ｆ_Ｙとする近似に関しては、集光レンズ３０のＹ軸方向にｆθレンズを用いることにより、この近似値を真の値に近づけることができる。通常のレンズは、その焦点距離がｆのとき、前焦点から角度θをもつ入射光がレンズ後焦点面の位置ｙに到達するとき、入射角θと位置ｙとの関係がｙ＝ｆｔａｎθで表せるが、ｆθレンズはその関係がｙ＝ｆθと表せるレンズのことである。この場合には、斜め切り部６２は、周波数依存複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）から、式（３）を満たす平面を抽出する。

本配置例では、検出部５０の受光面が、Ｘ軸方向が対象物２のフレネル回折像であって、Ｙ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されている。検出部５０がフレネル回折像面に配置されると、像のボケとして２次位相Ｈ（ｘ）が現れる。したがって、本配置例では、Ｘ軸方向に２次位相Ｈ（ｘ）が現れる。

２次位相除算部６３は、斜め切り部６２において得た入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）を変数ｘに関する１次元フーリエ変換後、２次位相Ｈ（ｘ）で除することで、本配置例により得られた複素振幅像から、検出部５０の受光面が、Ｘ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像であって、Ｙ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置された場合と同じ複素振幅像を得る。２次位相Ｈ（ｘ）は、検出部５０が配置される位置により決まる値である。２次位相Ｈ（ｘ）は、式（９）で表される。式（９）において、γは定数である。

２次位相除算部６３は、式（１）により得られた入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）を変数ｘに関する１次元フーリエ変換後、式（９）の２次位相Ｈ（ｘ）で除することで、ボケのない入射角依存複素振幅像Ａを得る。以上のように、本配置例の観察装置１は、入射角依存複素振幅像Ａを得る。

（第２配置例）
次に、本実施形態の第２配置例について説明する。第２配置例では、検出部５０の受光面が、Ｘ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像であって、Ｙ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。このため、本配置例では、第１配置例の集光レンズ３０に代えて、集光レンズ３０Ａを備えている。また、本配置例では、第１配置例の演算部６０に代えて、演算部６０Ａを備えている。その他の構成は第１配置例と同じである。以下では、第１配置例との相違点についてのみ説明し、第１配置例と同一と見做し得る点については説明を省略する。

図１５は、本配置例で採用される集光レンズ３０Ａを示している。集光レンズ３０Ａは、照明レンズ２０から出力された光の照射により対象物２で生じた散乱波を入力し、検出部５０の受光面においてＸ軸方向がフランフォーファー回折像であって、Ｙ軸方向がフランフォーファー回折像である像を形成する。図１５（ａ）は集光レンズ３０ＡをＹ軸方向から見た側面図であり、図１５（ｂ）は集光レンズ３０ＡをＸ軸方向から見た側面図である。図１５に示す点線は、集光レンズ３０Ａにおける光の結像の様子を表している。図１５に示すように、集光レンズ３０Ａは、レンズＯＢ、レンズＬＳ１及びレンズＬＳ３の３つのレンズにより構成される。

レンズＯＢは、２０倍相当の開口数ＮＡ＝０．４５である対物レンズである。レンズＯＢの後焦点面をＦＰとする。レンズＬＳ１は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に曲率を持つレンズである。レンズＬＳ３は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に曲率を持つレンズである。集光レンズ３０Ａは、図１５（ａ）に示すように、Ｘ軸方向において、レンズＯＢの後焦点面から出力された光をレンズＬＳ１により平行光とし、レンズＬＳ３により収束させることで、検出部５０の受光面にフランフォーファー回折像を形成する。また、集光レンズ３０Ａは、図１５（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向において、レンズＯＢの後焦点面から出力された光をレンズＬＳ１により平行光とし、レンズＬＳ３により収束させることで、検出部５０の受光面にフランフォーファー回折像を形成する。このような集光レンズ３０Ａを対象物２と検出部５０の間に備えることで、対象物２からの散乱光のうち、入射角θ_０が異なり、散乱角θ’が同一である光が検出部５０の受光面の１点に集光される。

検出部５０は、集光レンズ３０Ａにより同一の散乱角θ’を有する散乱光が同一の位置に入射される所定平面に配置され、所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータを、第１方向及び第２方向の各位置について各時刻に出力する。

図１６に示すように、本配置例の演算部６０Ａは、第１フーリエ変換部６１、斜め切り部６２を備えているが、第２フーリエ変換部６４、及び２次位相除算部６３を備えていない。本配置例では、検出部５０の受光面が、Ｘ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像であって、Ｙ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置されている。検出部５０がフランフォーファー回折像に配置されている場合、レンズ３０Ａを構成するレンズＬＳ１とＬＳ３が備えるＸ方向に曲率を持つレンズ作用により変数ｘに関する１次元フーリエ変換が光学的に行われ、さらに２次位相Ｈ（ｘ）は１となる。したがって、本配置例では、第２フーリエ変換部６４により変数ｘに関する１次元フーリエ変換をする必要がない。更に２次位相除算部６３により２次位相Ｈ（ｘ）を除する必要もない。

本配置例において得られる入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）は、第１配置例で式（１）により得られた入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）を式（９）の２次位相Ｈ（ｘ）で除したボケのない入射角依存複素振幅像Ａと同じ像である。つまり、第２配置例では、集光レンズ３０Ａの光学的作用により２次位相除算部６３と同様な効果が得られている。逆にいえば、第１配置例において、２次位相除算部６３は、第２配置例のレンズ３０Ａの光学的作用を、演算によって実現しているともいえる。

（第３配置例）
次に、本実施形態の第３配置例について説明する。第３配置例では、検出部５０の受光面が、Ｘ軸方向が対象物２の結像面であって、Ｙ軸方向が対象物２のフランフォーファー回折像が形成される面に配置される。このため、本配置例では、第１配置例の集光レンズ３０、第２配置例の集光レンズ３０Ａに代えて、集光レンズ３０Ｂを備えている。また、本配置例では、第１配置例の演算部６０、第２配置例の演算部６０Ａに代えて、演算部６０Ｂを備えている。その他の構成は第１配置例及び第２配置例と同じである。以下では、第１配置例及び第２配置例との相違点についてのみ説明し、第１配置例及び第２配置例と同一と見做し得る点については説明を省略する。

図１７は、本配置例で採用される集光レンズ３０Ｂを示している。集光レンズ３０Ｂは、照明レンズ２０から出力された光の照射により対象物２で生じた散乱波を入力し、検出部５０の受光面においてＸ軸方向に対象物２の物体像であって、Ｙ軸方向に対象物２のフランフォーファー回折像を形成する。図１７（ａ）は集光レンズ３０ＢをＹ軸方向から見た側面図であり、図１７（ｂ）は集光レンズ３０ＢをＸ軸方向から見た側面図である。図１７に示す点線は、集光レンズ３０Ｂにおける光の結像の様子を表している。図１７に示すように、集光レンズ３０Ｂは、レンズＯＢ、レンズＬＳ１、レンズＬＳ２、及びレンズＬＳ３の４つのレンズにより構成される。

レンズＯＢは、２０倍相当の開口数ＮＡが０．４５である対物レンズである。レンズＯＢの後焦点面をＦＰとする。レンズＬＳ１は、Ｘ軸方向に曲率を持たず、Ｙ軸方向に曲率を持つレンズである。レンズＬＳ２は、Ｘ軸方向に曲率を持ち、Ｙ軸方向に曲率を持たないレンズである。レンズＬＳ３は、Ｘ軸方向に曲率を持たず、Ｙ軸方向に曲率を持つレンズである。レンズＬＳ２は、レンズＬＳ１の後焦点面であって、レンズＬＳ３の前焦点面に配置される。集光レンズ３０Ｂは、図１７（ａ）に示すように、Ｘ軸方向において、レンズＯＢの後焦点面から出力された光をレンズＬＳ２により平行光として、検出部５０の受光面に、物体像を形成する。また、集光レンズ３０Ｂは、図１７（ｂ）に示すように、Ｙ軸方向において、レンズＯＢの後焦点面から出力された光をレンズＬＳ１により平行光とさせ、レンズＬＳ３により収束させることで、検出部５０の受光面にフランフォーファー回折像面を形成させる。このような集光レンズ３０Ｂを対象物２と検出部５０の間に備えることで、対象物２からの散乱光のうち、入射角θ_０が異なり、散乱角θ’が同一である光が検出部５０の受光面の１点に集光される。

図１８に示すように、本配置例の演算部６０Ｂは、第１フーリエ変換部６１、斜め切り部６２に加えて、第２フーリエ変換部６４を更に備えている。第２フーリエ変換部６４は、第１フーリエ変換部から出力されたデータについて変数ｘに関する１次元フーリエ変換を行う。第１フーリエ変換部６１及び斜め切り部６２の機能は第１配置例と同じである。なお、第１フーリエ変換部６１、第２フーリエ変換部６４は、互いに入れ替えて任意の順序で配置されてもよい。つまり、第３配置例では、演算部６０Ｂの第２フーリエ変換部６４の作用により、第２配置例における集光レンズ３０ＡのＸ方向に関する光学的な作用を、演算によって実現しているともいえる。

図１９〜２１に、本配置例の観察装置によって取得された複素振幅像を示す。図１９〜２１では、対象物２として速度１０μｍ／秒で移動させた直径２５μｍの円形開口を用いた。また、検出部５０としては、１画素サイズ７．４×７．４μｍで、６４０×１２８画素を持つ画像を毎秒１８０枚出力するＣＣＤカメラを用いた。図１９は、演算部６０Ｂにより算出された周波数依存複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）の振幅像を周波数毎（番号１〜６）に示したものである。図２０は、演算部６０Ｂにより取得された周波数依存複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）の位相像を周波数毎（番号１〜６）に示したものである。図１９及び２０では、横軸をＸ軸とし、縦軸をＹ軸としている。

図２１は、図１９及び２０の周波数依存複素振幅像ａ（ω，ｘ，ｙ）を、斜め切り部６２により式（１）を満たす平面で抽出されることで得られた入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）である。同図（ａ）は、入射角θ_０＝０．７ｍｒａｄの場合の入射角依存複素振幅像Ａであり、同図（ｂ）は、入射角θ_０＝０ｍｒａｄの場合の入射角依存複素振幅像Ａであり、同図（ｃ）は、入射角θ_０＝−０．７ｍｒａｄの場合の入射角依存複素振幅像Ａである。同図左は、入射角依存複素振幅像Ａの振幅像であり、同図右は入射角依存複素振幅像Ａの位相像である。図２１では、横軸をＸ軸とし、縦軸をＹ軸としている。

本実施形態の観察装置１では、移動している対象物２は、光源部１０及び照明レンズ２０により光が多方向から照射されて、散乱光を発生させる。その散乱光は、散乱角θ’に応じた量のドップラーシフトを受ける。散乱光のうち、同一の散乱角θ’を有する散乱光が検出部５０上の同一の位置で受光される。検出部５０から、受光面の各位置に到達した光のドップラーシフト周波数ω_ｄで時間的に変化するデータが、第１方向及び第２方向の各位置について各時刻に出力される。演算部６０により、所定平面上の第１方向の位置、第２方向の位置、及び時刻を変数とするデータについて時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、このフーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて対象物に対する入射角θ_０が同一のデータが抽出される。この構成によれば、ドップラー効果を用いて対象物に対する入射角θ_０が同一のデータを抽出することできるため、対象物２が静止していると見做し得る期間内に複数回対象物２の撮像をする必要がない。よって、１画素当りの読出し速度が低速である検出部５０を用いる場合であっても移動している対象物２の像を得ることができる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、斜め切り部６２が、式（１）を満たす平面を抽出して入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）を得た。第２実施形態では、斜め切り部６２が抽出する面が異なり、それ以外の点は同じである。以下では、主に第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一である点については説明を省略する。

式（５）と（７）から導いた式（１）及び式（８）は、ｓｉｎθ’をθ’と近似し、θ’をｙ／ｆ_Ｙと近似している。このような近似を用いることにより、入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）は平面となる。なお、式（１）及び式（８）は、Ｙ軸方向に関して正弦条件（Abbe sine condition）を満たす集光レンズ３０、３０Ａ、３０Ｂに対して成り立つ式である。このため、上記の近似を行う代わりに、正弦条件を満たす集光レンズ３０、３０Ａ、３０Ｂを用いた場合にも、入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）は平面となる。本実施形態の斜め切り部６２では、上記２つの近似を適用せず、式（１）及び式（８）の厳密式である下記式（２）を用いて入射角依存複素振幅像ａ（θ_０，ｘ，ｙ）を得る。

厳密式である式（２）は、近似式である式（１）及び式（８）とは異なり、線形一次関数ではない。ただし、式（２）を満たす面Ｓにて入射角依存複素振幅像Ａ（θ_０，ｘ，ｙ）を抽出することにより、精度の高い入射角依存複素振幅像Ａを得ることができる。

（変形例）
本実施形態の観察装置１では、対象物２の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物２の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置１は、対象物２の移動速度を検出する速度検出部を更に備えるのが好適である。そして、演算部６０は、速度検出部により検出された対象物２の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換の際に対象物２の速度変化に関する補正を行うのが好適である。または、速度検出部より検出された対象物２の速度に基づいて、検出部５０の撮影タイミングを図ってもよい。

この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、集光レンズ３０の後焦点面の散乱光到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物２の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、ビームスプリッタＨＭ２から検出部５０へ向う光の一部が分岐されたものをフーリエ面上で検出してもよいし、或いは、検出部５０の受光面の一部に独立に設けられた画素を含むものであってもよい。その画素の大きさは、対象物２の移動速度Ｖとドップラー周波数ω_ｄとの関係から導かれる移動速度の分解能を有する面積を持つことが好ましい。

本実施形態の観察装置１において、第２実施形態では、対象物２に照射される光Ｌ０のうち対象物２により散乱されなかった光（０次光）は、検出部５０の１点に集光される。この０次光が検出部５０の受光面に到達すると、検出部５０により得られる信号の質が劣化する。そこで、このような０次光が検出部５０の受光面にすべてが到達しないように０次光を減衰させるための減光フィルタが設けられてもよい。或いは、０次光の発生が少ないようなビーム断面を有する光を対象物２に照射してもよい。そして、光源部１０と検出部５０との間に対象物２が存在しないときに、検出部５０に到達する光強度を加味させ、強度ムラを補正することが好ましい。

以上の説明では、光源の対象物の像を透過照明で取得する実施例を主に示したが、反射（落射）照明、または限外照明で取得してもよいことは、明らかである。光源として、単一縦モードの光の利用が好適であるが、これに限定されない。例えば、広帯域の光を用いることで、位相物体の深さに関する情報も取得可能となる。その他、広帯域の光として、波長成分間の位相関係が一定であるものを用いるのが好適である。このような光源として、例えばモードロックレーザーを用いることができる。

１…観察装置、２…対象物、１０…光源部、２０…照明レンズ、３０，３０Ａ，３０Ｂ…集光レンズ、４０…変調部（変調器）、５０…検出部、６０，６０Ａ，６０Ｂ…演算部、６１…第１フーリエ変換部、６２…斜め切り部（抽出部）、６３…２次位相除算部、６４…第２フーリエ変換部。

Claims (17)

1. 移動している対象物へ光を多方向から照射する光源部と、
   前記光源部による光照射により前記対象物で生じた散乱光のうち、同一の散乱角を有する散乱光が同一の位置に入射する所定平面に配置され、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記所定平面上の各位置に到達した光のドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化するデータを、前記第１方向及び前記第２方向の各位置について各時刻に出力する検出部と、
   前記所定平面上の前記第１方向の位置、前記第２方向の位置、及び時刻を変数とするデータについて時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、このフーリエ変換後のデータからドップラー効果に基づいて前記対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する演算部と、
   前記光源部から出力された光を入力して、その入力した光を前記対象物の前段で２分割して第１の光及び第２の光とし、前記第１の光又は第２の光を変調器で変調した後に前記所定平面上で、前記第１の光と前記第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、を備える観察装置。
2. 前記演算部が、前記フーリエ変換後のデータから下記式（１）を満たす平面のデータを抽出する、請求項１に記載の観察装置。
   （式（１）中、ωは前記フーリエ変換後のデータの時間周波数であり、Ωは変調周波数であり、ｙは前記検出部の前記第２方向の位置であり、θ_０は前記入射角であり、α，βは定数である。）
3. 前記対象物と前記検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、
   前記演算部が、前記フーリエ変換後のデータから下記式（２）を満たす面のデータを抽出する、請求項１に記載の観察装置。
   （式（２）中、ωは前記フーリエ変換後のデータの時間周波数であり、Ωは前記変調器の変調周波数であり、Ｖは前記対象物の移動速度であり、λは前記光源部が照射する光の波長であり、ｙは前記検出部の前記第２方向の位置であり、ｆ_Ｙは前記集光レンズの第２方向の焦点距離であり、θ_０は前記入射角である。）
4. 前記対象物と前記検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、
   前記検出部の受光面が、前記集光レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
   前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて前記対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する抽出部と、前記検出部が配置される位置により定まる値である２次位相で除する２次位相除算部とを含む、請求項１又は２に記載の観察装置。
5. 前記対象物と前記検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、
   前記検出部の受光面が、前記集光レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
   前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて前記対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する抽出部とを含む、請求項１又は２に記載の観察装置。
6. 前記対象物と前記検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、
   前記検出部の受光面が、前記集光レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
   前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて前記対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する抽出部とを含む、請求項１又は２に記載の観察装置。
7. 前記検出部の受光面が、前記集光レンズにより前記第１方向において前記対象物のフレネル回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
   前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて前記対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する抽出部と、前記検出部が配置される位置により定まる値である２次位相で除する２次位相除算部とを含む、請求項３に記載の観察装置。
8. 前記検出部の受光面が、前記集光レンズにより前記第１方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
   前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて前記対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する抽出部とを含む、請求項３に記載の観察装置。
9. 前記検出部の受光面が、前記集光レンズにより前記第１方向において前記対象物の像が形成される結像面であって、前記第２方向において前記対象物のフランフォーファー回折像が形成される面に配置され、
   前記演算部が、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、前記第１方向に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、ドップラー効果に基づいて前記対象物に対する入射角が同一のデータを抽出する抽出部とを含む、請求項３に記載の観察装置。
10. 前記対象物と前記検出部の間に配置される集光レンズを更に備え、
    前記集光レンズがｆθレンズであり、
    前記演算部が、前記フーリエ変換後のデータから下記式（３）を満たす面のデータを抽出する、請求項１に記載の観察装置。
    （式（３）中、ωは前記フーリエ変換後のデータの時間周波数であり、Ωは前記変調器の変調周波数であり、Ｖ_Ｙは前記対象物の前記第２方向の移動速度であり、λは前記光源部が照射する光の波長であり、ｙは前記検出部の前記第２方向の位置であり、ｆ_Ｙは前記集光レンズの前記第２方向の焦点距離であり、θ_０は前記入射角である。）
11. 前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部から照射される光を受光して、前記第２方向に収束又は発散する光を前記対象物に照射する照明レンズを更に備える、請求項１〜１０の何れか一項に記載の観察装置。
12. 前記対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、
    前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記時刻変数に関する１次元フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、請求項１〜１１の何れか１項に記載の観察装置。
13. 前記対象物への光の照射が、透過照明の光学配置によって行われる請求項１〜１２の何れか１項に記載の観察装置。
14. 前記対象物への光の照射が、反射照明の光学配置によって行われる請求項１〜１２の何れか１項に記載の観察装置。
15. 前記光源部が、単一縦モードの光を生成する光源である請求項１〜１４の何れか１項に記載の観察装置。
16. 前記光源部が、広帯域の光を生成する光源である請求項１〜１４の何れか１項に記載の観察装置。
17. 前記光源部が、モードロックレーザーである請求項１６に記載の観察装置。