JPWO2014087624A1 - 画像生成装置及び画像生成方法 - Google Patents

Abstract

本出願は、試料を表す試料画像を生成する画像生成装置を開示する。画像生成装置は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、前記レーザ光を、前記試料からの反射によって生成された反射光及び前記レーザ光の位相を変調することによって生成された参照光が合波された合波光へ変換する変換部と、前記合波光の光量に応じた第１検出信号を生成する第１信号生成部と、前記試料画像を生成する画像生成部と、を備える。前記変換部は、前記位相を変調し、前記合波光の前記光量の周期的な変化を生じさせる変調部を含む。前記第１検出信号は、前記周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を含む。前記画像生成部は、前記信号成分を用いて前記試料画像を生成する。

Description

本発明は、画像を生成する技術に関する。

病理診断の目的で、生体細胞が顕微鏡観察されることがある。多くの場合、生体細胞は、数ミクロンから１０ミクロンの厚さにスライスされる必要がある。

生体細胞をスライスすることなく、生体細胞が観察されるならば、観察作業は、時間的に効率化される。したがって、生体細胞のスライスを要求しない観察技術が望まれている。

生体細胞といった試料の観察のために、共焦点顕微鏡が用いられることがある（特許文献１を参照）。共焦点顕微鏡は、光軸方向の分解能において優れている。

共焦点顕微鏡は、対物レンズと、検出レンズと、ピンホール部材と、検出部と、を備える。対物レンズは、試料へ集光する。試料は、対物レンズによって集光された光を反射する。検出レンズは、試料からの反射光を集光する。ピンホール部材に形成されたピンホールが、検出レンズによって規定される集光位置に合致するように、ピンホール部材は、設置される。検出部は、ピンホールを通過した反射光を検出する。この結果、試料の深さ方向において高い分解能が達成される。したがって、試料は、薄くスライスされなくてもよい。

生体細胞は、一般的に、高い透明度と低い反射率とを有する。加えて、生体細胞内における屈折率の変化は非常に小さい。したがって、検出部が検出することができる反射光のパワー又は光量は、とても小さくなる。したがって、得られる画像は、暗くなりやすい。

反射光の光量を増大させるために、試料へ向かう光を出射する光源のパワーを増大させることが考えられる。しかしながら、光源のパワーの増大は、生体細胞といった試料に対する光学的又は熱的なダメージに帰結することもある。したがって、光源のパワーの増大は、明るい画像を取得するための適切な方策とはならないこともある。

上述の課題は、生体細胞の観察だけでなく、高い反射光量を得にくい他の試料の観察にも共通する。

特開昭６１−１４０９１４号公報

本発明は、明るい試料画像を生成することを可能にする技術を提供することを目的とする。

本発明の一局面に係る画像生成装置は、試料を表す試料画像を生成する。画像生成装置は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、前記レーザ光を、前記試料からの反射によって生成された反射光及び前記レーザ光の位相を変調することによって生成された参照光が合波された合波光へ変換する変換部と、前記合波光の光量に応じた第１検出信号を生成する第１信号生成部と、前記試料画像を生成する画像生成部と、前記位相を変調し、前記合波光の前記光量の周期的な変化を生じさせる変調部と、を備える。前記第１検出信号は、前記周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を含む。前記画像生成部は、前記信号成分を用いて前記試料画像を生成する。

本発明の他の局面に係る画像生成方法は、試料を表す試料画像を生成するために用いられる。画像生成方法は、レーザ光を出射する出射工程と、前記レーザ光を、前記試料からの反射によって生成された反射光及び前記レーザ光の位相を変調することによって生成された参照光が合波された合波光へ変換する変換工程と、前記合波光の光量に応じた第１検出信号を生成する第１信号生成工程と、前記試料画像を生成する画像生成工程と、を備える。前記変換工程は、前記位相を変調し、前記光量の周期的な変化を生じさせる段階を含む。前記第１信号生成工程は、前記周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を生成する段階を含む。前記画像生成工程は、前記信号成分を用いて前記試料画像を生成する段階を含む。

本発明は、明るい試料画像を生成することを可能にする。

本発明の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明と添付図面とによって、より明白となる。

第１実施形態の画像生成装置の概略的なブロック図である。 図１に示される画像生成装置の信号生成部から出力される例示的な検出信号の概略図である。 試料を表す試料画像を生成するための画像生成方法の概略的なフローチャートである。 第２実施形態の画像生成装置の概略的なブロック図である。 第３実施形態の画像生成装置の概略的なブロック図である。 第４実施形態の画像生成装置の概略図である。 図６に示される画像生成装置の動作を表す概略的なフローチャートである。 図６に示される画像生成装置の補正素子として例示されるビームエキスパンダの概略図である。 図６に示される画像生成装置の変調部の概略図である。 図６に示される画像生成装置の変調部の概略図である。 試料の反射率、合波光のパワーの最大値及びミラーの不存在下で得られる合波光の最大パワーに対するミラーの存在下で得られる合波光の最大パワーの増幅率の間の例示的な関係を表すグラフである。 図６に示される画像生成装置の画像生成部として例示される画像生成ユニットの概略的なブロック図である。 図１１に示される画像生成ユニットの動作を表す概略的なフローチャートである。 試料から図６に示される画像生成装置の光検出器までの光路を概略的に表す展開図である。 集光スポット周りの光強度分布を表す概略的なグラフである。 集光スポット周りの光強度分布を表す概略的なグラフである。 集光スポット周りの光強度分布を表す概略的なグラフである。 高い開口数を有する対物レンズによって試料に集光される光の概略図である。 低い開口数を有する対物レンズによって試料に集光される光の概略図である。 合波光の光強度の変動を表す概略的なグラフである。 第５実施形態の画像生成装置の概略図である。 第６実施形態の画像生成装置の概略図である。 図１８に示される画像生成装置の画像生成部として例示される画像生成ユニットの概略的なブロック図である。 図１９に示される画像生成ユニットの動作を表す概略的なフローチャートである。 第７実施形態の画像生成装置の概略図である。 第８実施形態の画像生成装置の概略図である。 第９実施形態の画像生成装置の概略図である。

以下、画像生成技術に関する様々な特徴が図面を参照して説明される。尚、以下に説明される実施形態において、同一の構成要素に対して同一の符号が付されている。また、説明の明瞭化のため、必要に応じて、重複する説明は省略される。図面に示される構成、配置或いは形状並びに図面に関連する記載は、以下の実施形態の原理を容易に理解させることを目的とする。したがって、以下の実施形態の原理は、これらに何ら限定されない。

＜第１実施形態＞
本実施形態において、高コヒーレンス光を用いて試料画像を生成する技術が説明される。尚、以下の説明において、「高コヒーレンス光」との用語は、５０μｍ以上のコヒーレンス長を有する光を意味してもよい。高コヒーレンス光として、レーザ光が例示される。

本実施形態の画像生成技術とは異なり、多くの従来技術は、低コヒーレンス光又はインコヒーレンス光を利用する（特開平１０−２８５５号公報（以下、参考文献１と称される）を参照）。尚、以下の説明において、「低コヒーレンス光」との用語は、１０μｍより大きく、且つ、５０μｍ未満のコヒーレンス長を有する光を意味してもよい。「インコヒーレンス光」との用語は、１０μｍ未満のコヒーレンス長を有する光を意味してもよい。「高コヒーレンス光」、「低コヒーレンス光」及び「インコヒーレンス光」との用語の定義は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

参考文献１は、低コヒーレンス光又はインコヒーレンス光を用いて、積層構造体の屈折率及び膜厚を測定するための測定装置を開示する。参考文献１の測定装置は、屈折率及び膜厚の測定に用いられるので、画像生成を目的とする本実施形態の技術に直接的に関係しない。しかしながら、参考文献１の開示技術は、低コヒーレンス光又はインコヒーレンス光を用いた光学的な技術として、以下に、簡潔に説明される。

参考文献１の測定装置は、ＬＥＤと、参照鏡と、検出部と、を備える。ＬＥＤは、低コヒーレンス光を出射する。ＬＥＤから出射された低コヒーレンス光は、試料中の複数の位置において順次集光される。各集光位置において、参照鏡は、変位する。上述の如く、低コヒーレンス光は、短いコヒーレンス長を有するので、参照鏡の変位に応じて、干渉光の強度は減衰する。干渉光の強度の減衰に起因して、干渉光の振幅は変化する。検出部は、干渉光の振幅の最大値を検出する。

測定装置は、検出された最大値のデータから、参照鏡の変位方向におけるピーク間隔を測定する。加えて、測定装置は、集光位置の間隔（局在位置間隔）を測定する。測定装置は、ピーク間隔と局在位置間隔とから試料の屈折率及び膜厚を算出する。

上述の如く、低コヒーレンス光の利用は、参照鏡の変位に伴う干渉光の強度の減衰に帰結する。屈折率の算出に利用されるデータが、減衰された強度に対応するデータ区間から抽出されるならば、干渉光の振幅の最大値が適切に検出されないこともある。不適切な最大値の検出は、試料の屈折率及び膜厚の算出には重大でないかもしれないが、明るい画像の生成にとっては大きな問題となり得る。

（画像生成装置）
図１は、第１実施形態の画像生成装置１００の概略的なブロック図である。図１を参照して、画像生成装置１００が説明される。図１の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図１の点線の矢印は、信号の伝達を表す。

画像生成装置１００は、レーザ光源部１１０と、変換部１２０と、信号生成部１３０と、画像生成部１４０と、変調部１５０と、を備える。レーザ光源部１１０は、レーザ光ＬＢを変換部１２０へ出射する。変換部１２０は、レーザ光ＬＢを、第１分波光ＦＤＢと、第２分波光ＳＤＢと、に分波する。第１分波光ＦＤＢは、試料ＳＭＰに向けて伝搬する。その後、第１分波光ＦＤＢの一部は、試料ＳＭＰによって反射された第１反射光ＦＲＢになる。第１反射光ＦＲＢは、変換部１２０に向けて伝搬する。第２分波光ＳＤＢは、変調部１５０に向けて伝搬する。変調部１５０は、第２分波光ＳＤＢの位相を変調し、且つ、第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを生成する。第２反射光ＳＲＢは、第１反射光ＦＲＢに対する参照光として用いられる。第１反射光ＦＲＢと同様に、第２反射光ＳＲＢも、変換部１２０に向けて伝搬する。変換部１２０は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。合波光ＭＰＢは、変換部１２０から信号生成部１３０へ伝搬する。信号生成部１３０は、合波光ＭＰＢの光量に応じた検出信号を生成する。検出信号は、信号生成部１３０から画像生成部１４０へ出力される。画像生成部１４０は、検出信号を用いて、試料を表す試料画像を生成する。本実施形態において、信号生成部１３０は、第１信号生成部として例示される。検出信号は、第１検出信号として例示される。第１反射光ＦＲＢは、反射光として例示される。

レーザ光源部１１０は、１つのレーザ光源を有してもよい。代替的に、レーザ光源部１１０は、複数のレーザ光源を有してもよい。レーザ光源部１１０が複数のレーザ光源を有するならば、複数のレーザ光源は、色相若しくは波長において互いに異なるレーザ光を出射してもよい。本実施形態の原理は、レーザ光源部１１０の構造によって何ら限定されない。

上述の如く、変換部１２０は、レーザ光ＬＢを合波光ＭＰＢに変換する機能を有する。レーザ光ＬＢから合波光ＭＰＢへ変換するための様々な光学的な設計が、変換部１２０に適用されてもよい。本実施形態の原理は、変換部１２０の構造によって何ら限定されない。

合波光ＭＰＢの光量を検出することができる様々な検出素子が、信号生成部１３０に適用可能である。本実施形態の原理は、信号生成部１３０の構造によって何ら限定されない。

画像生成部１４０は、既知の画像形成技術に基づいて、試料画像を生成してもよい。したがって、試料画像を生成するためのアルゴリズムの詳細は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

変調部１５０は、第２分波光ＳＤＢの光路長を変更し、位相変調を引き起こしてもよい。代替的に、変調部１５０は、屈折率の変化を利用し、位相変調を引き起こしてもよい。本実施形態の原理は、位相変調技術によって何ら限定されない。

図２は、信号生成部１３０から出力される例示的な検出信号の概略図である。図１及び図２を参照して、画像生成装置１００が更に説明される。

信号生成部１３０は、検出信号として、電圧信号を出力してもよい。高い電圧レベルは、合波光ＭＰＢの光量が大きいことを意味してもよい。低い電圧レベルは、合波光ＭＰＢの光量が小さいことを意味してもよい。

変調部１５０が、位相変調量を増加している間、合波光ＭＰＢの光量は、周期的に変化する。この結果、図２に示される如く、信号生成部１３０が出力する電圧信号の電圧レベルも周期的に変化する。

画像生成部１４０は、信号生成部１３０が出力する検出信号から合波光ＭＰＢの光量が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を抽出する。画像生成部１４０は、抽出された信号成分を用いて、試料画像を生成する。

抽出される信号成分は、周期的に変化する光量の最大値を表す信号データであってもよい。代替的に、信号成分は、所定の信号区間における信号データに基づいて描かれた包絡線から見出された光量の最大値を表してもよい。更に代替的に、信号成分は、合波光ＭＰＢの光量が増加から減少へ転ずることを表す所定長さのデータ区間における平均値であってもよい。画像生成部１４０は、合波光ＭＰＢの光量が実質的に最大化されたときに取得された信号成分を用いて、試料画像を生成する。したがって、信号生成部１３０から出力された検出信号に対するノイズ除去処理や他の演算技術は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

上述の参考文献１の開示技術とは異なり、レーザ光源部１１０は、コヒーレンス長の長いレーザ光ＬＢを出射するので、電圧レベルの周期的な変化の振幅は、位相変調量の変化に対して、より安定的である。したがって、本実施形態の原理の下では、１周期の電圧信号の変化を表す信号データが得られるならば、試料画像の生成に適した信号成分が取得される。

（画像生成方法）
図３は、試料ＳＭＰを表す試料画像を生成するための画像生成方法の概略的なフローチャートである。図１乃至図３を参照して、画像生成方法が説明される。

（ステップＳ１１０）
ステップＳ１１０において、レーザ光源部１１０は、レーザ光ＬＢを変換部１２０へ出射する。その後、ステップＳ１２０が実行される。

（ステップＳ１２０）
ステップＳ１２０において、変換部１２０は、レーザ光ＬＢを、第１分波光ＦＤＢと第２分波光ＳＤＢとに分波する。第１分波光ＦＤＢの一部は、試料ＳＭＰによって反射され、第１反射光ＦＲＢになる。第２分波光ＳＤＢは、変調部１５０によって反射され、第２反射光ＳＲＢになる。このとき、変調部１５０は、位相を変調する。変換部１２０は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。すなわち、ステップＳ１２０において、レーザ光ＬＢは、合波光ＭＰＢに変換される。上述の変調部１５０の位相変調処理の結果、合波光ＭＰＢの光量は、周期的に変化することになる。合波光ＭＰＢの生成の後、ステップＳ１３０が実行される。

（ステップＳ１３０）
ステップＳ１３０において、信号生成部１３０は、合波光ＭＰＢの光量に応じた検出信号を生成する。図２を参照して説明された如く、検出信号は、合波光ＭＰＢの光量の周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を含む。検出信号が信号生成部１３０から画像生成部１４０へ出力されると、ステップＳ１４０が実行される。本実施形態において、ステップＳ１３０は、第１信号生成工程として例示される。

（ステップＳ１４０）
ステップＳ１４０において、画像生成部１４０は、検出信号から、合波光ＭＰＢの光量の周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を抽出する。画像生成部１４０は、抽出された信号成分を用いて、試料画像を生成する。

＜第２実施形態＞
高コヒーレンス光を利用した干渉顕微鏡が存在する（特開平１１−１０９２５３号公報（以下、参考文献２と称される）を参照）。

参考文献２の干渉顕微鏡は、レーザ光源と、参照鏡と、ピエゾ素子とを備える。ピエゾ素子は、参照鏡を移動する。参照鏡の移動の結果、複数種の干渉光が発生する。この結果、複数の干渉縞が生成される。干渉顕微鏡は、複数の干渉縞の変化量を検出し、観察者が微細な表面構造を観察することを可能にする。

干渉顕微鏡は、複数の干渉縞の変化を検出するので、大きな光量が必要とされる。したがって、干渉顕微鏡は、光軸方向に広がる光全てを取り込む必要がある。

試料の深さ方向の分解能は、コヒーレンス長に依存することが知られている。短いコヒーレンス長は、高い分解能に帰結する。長いコヒーレンス長は、低い分解能に帰結する。したがって、高い分解能の観点からは、低コヒーレンス長を用いる参考文献１の開示技術は、参考文献２の開示技術よりも高い分解能を達成しやすい。尚、参考文献１の開示技術は、低コヒーレンス光又はインコヒーレンス光の使用に起因する干渉光の強度の減衰を利用するので、参考文献２の開示技術は、参考文献１の開示技術に適用され得るものではない。参考文献２の開示技術は、高コヒーレンス光の使用に起因する干渉縞を利用するので、参考文献１の開示技術は、参考文献２の開示技術に適用され得るものではない。

本発明者等は、高コヒーレンス光を用いて生成された合波光の一部が選択的に利用されるならば、高い分解能が得られることを見出した。本発明者等の当該知見は、光軸方向に広がる光全てを取り込む必要がある上述の干渉顕微鏡の教示とは相反するものである。

干渉顕微鏡が、一部の光成分を選択的に利用するならば、利用される光の量は、干渉顕微鏡が、複数の干渉縞の変化量を検出するには少なくなりすぎることとなる。この結果、観察者は、微細な表面構造を観察することができなくなる。

加えて、干渉顕微鏡は、複数の干渉縞の変化量を検出するので、干渉顕微鏡は、試料中の所望の深さ位置に集光することはできない。したがって、参考文献２の開示技術に基づいて生成される画像は、深さ方向に光が分散した条件下で生成されることになる。したがって、参考文献２の干渉顕微鏡は、試料の深さ方向における低い分解能の課題に直面している。

図４は、第２実施形態の画像生成装置１００Ａの概略的なブロック図である。図４を参照して、画像生成装置１００Ａが説明される。図４の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図４の点線の矢印は、信号の伝達を表す。第１実施形態と第２実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第１実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第１実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

第１実施形態と同様に、画像生成装置１００Ａは、レーザ光源部１１０と、信号生成部１３０と、画像生成部１４０と、変調部１５０と、を備える。画像生成装置１００Ａは、変換部１２０Ａを更に備える。変換部１２０Ａは、分波部２１０と、出射処理部２２０と、を含む。

レーザ光源部１１０は、レーザ光ＬＢを分波部２１０へ出射する。分波部２１０は、レーザ光ＬＢを、第１分波光ＦＤＢと、第２分波光ＳＤＢと、に分波する。第１分波光ＦＤＢは、試料ＳＭＰに向けて伝搬する。その後、第１分波光ＦＤＢの一部は、試料ＳＭＰによって反射された第１反射光ＦＲＢになる。第１反射光ＦＲＢは、分波部２１０に向けて伝搬する。第２分波光ＳＤＢは、変調部１５０に向けて伝搬する。変調部１５０は、第２分波光ＳＤＢの位相を変調し、且つ、第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを生成する。第２反射光ＳＲＢは、第１反射光ＦＲＢに対する参照光として用いられる。第１反射光ＦＲＢと同様に、第２反射光ＳＲＢも、分波部２１０に向けて伝搬する。分波部２１０は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。合波光ＭＰＢは、分波部２１０から出射処理部２２０へ出射される。

出射処理部２２０は、規定部２２１と集光部２２２とを含む。合波光ＭＰＢは、分波部２１０から集光部２２２へ伝搬する。その後、集光部２２２は、合波光ＭＰＢを規定部２２１へ集光する。

集光部２２２によって集光された合波光ＭＰＢは、０次干渉光と、０次干渉光よりも高次の干渉光（すなわち、±ｎ次干渉光（ｎは自然数））と、を含む。規定部２２１は、合波光ＭＰＢが透過する透過領域を規定する。透過領域の大きさは、高次の干渉光の透過を少なくとも部分的に妨げるように設計される。したがって、規定部２２１の透過領域を透過する０次干渉光の光量は、高次の干渉光の光量よりも多くなる。本実施形態において、規定部２２１は、第１規定部として例示される。規定部２２１によって規定される透過領域は、第１透過領域として例示される。

集光部２２２は、透過領域に合波光ＭＰＢを集光する。この結果、０次干渉光の多くは、透過領域を通過し、信号生成部１３０へ伝搬する。一方、高次の干渉光の多くは、規定部２２１によって、信号生成部１３０への伝搬を妨げられる。したがって、信号生成部１３０は、０次干渉光を主に用いて検出信号を生成することになる。本実施形態において、集光部２２２は、第１集光部として例示される。

本発明者等によれば、高次の干渉光は、試料ＳＭＰの深さ方向（すなわち、第１分波光ＦＤＢの光路に沿う方向）における分解能を低減させる主要因である。画像生成装置１００Ａは、集光部２２２と信号生成部１３０との間に配置された規定部２２１によって高次の干渉光のほとんどを遮断するので、深さ方向の分解能は、高い水準に維持される。

規定部２２１は、ピンホールやスリットといった微小孔が形成された開口部材であってもよい。代替的に、規定部２２１は、光ファイバであってもよい。更に代替的に、規定部２２１は、０次干渉光の透過を許容する一方で高次の干渉光の伝搬を妨げることができる他の光学素子であってもよい。

＜第３実施形態＞
特開平２−３６３３８号公報（以下、参考文献３と称される）は、高コヒーレンス光を利用した他の技術として、試料内部の欠陥を検出する検出装置を開示する。尚、検出装置は、画像の生成を目的とするものではないので、画像生成を目的とする本実施形態の技術に直接的に関係しない。しかしながら、参考文献３の開示技術は、高コヒーレンス光を用いた光学的な技術として、以下に、簡潔に説明される。

参考文献２の開示技術と同様に、参考文献３の検出装置は、レーザ光源を備える。参考文献２の開示技術とは異なり、検出装置は、ピンホールが形成されたピンホール部材を備えるが、後述される如く、高い分解能を達成することはできない。

検出装置は、参照鏡と光電変換素子とを備える。尚、参考文献２の開示技術とは異なり、参照鏡は、移動しない。

検出装置は、レーザ光を試料に向けて集光し、試料中の所定の位置に焦点を作り出す。検出装置は、参照鏡からの反射光と試料からの反射光とを干渉させ干渉光を生成する。光電変換素子は、干渉光の干渉パターンを表す干渉強度信号を生成する。

焦点が、試料中の欠陥位置に合わせられているならば、参照鏡からの反射光と試料からの反射光との干渉は、光電変換素子が干渉強度を出力するには弱すぎることとなる。したがって、試料中の所定の位置に焦点が作り出され、且つ、光電変換素子が、干渉強度信号を出力しないならば、検出装置は、試料中に欠陥が存在すると判定する。

参考文献２の教示に基づき、移動可能な参照鏡が用いられるならば、干渉強度信号の変化が、参照鏡の移動に起因するのか、或いは、試料中の欠陥に起因するのかが判別できない。したがって、参考文献２の開示技術は、参考文献３の検出装置に適用され得ない。参考文献２の開示技術は、参照鏡の移動に起因する干渉縞の変化量の検出を目的とするので、参考文献３の開示技術は、参考文献２の開示技術に適用され得ない。

上述の如く、検出装置は、ピンホール部材を備える。しかしながら、第２実施形態に関連して説明された画像生成装置とは異なり、参考文献３のピンホールを通過する干渉光の振幅は、必ずしも最大化されていない。ピンホールを通過する干渉光の振幅が最大化されるように、参照鏡が位置決めされていない限り、ピンホールを通過する干渉光の振幅は、比較的小さくなる。干渉光の振幅の最大化は、試料内部の欠陥の検出には重大でないかもしれないが、明るい画像の生成にとっては大きな問題となり得る。

第２実施形態の原理は、位相変調を行う変調部と規定部とを使用し、深さ方向における高い分解能を達成することを可能にする。上述の如く、参考文献２の開示技術及び参考文献３の開示技術は、変調部と規定部との組み合わせの有用性を否定する。第２実施形態に関連して説明された如く、変調部と規定部との組み合わせは、従来技術と比べて、深さ方向の高い分解能の観点から有利である。加えて、本発明者等は、深さ方向の高い分解能の観点から対物レンズの開口数ＮＡも、深さ方向の高い分解能に寄与することを見出した。

上述の参考文献１の開示技術は、低い開口数を有する対物レンズを用いて、試料に集光する。試料からの反射光は、参照鏡からの反射光と干渉される。この結果、試料の観察に利用される信号が増幅される。

上述の如く、参考文献１の開示技術は、低コヒーレンス光を利用する。この場合、試料への集光によって得られる横方向（深さ方向に直交する方向）における分解能は、高コヒーレンス光の使用下で達成される横方向の分解能の約半分になる。

加えて、参考文献１の開示技術は、試料からの反射光と参照鏡からの反射光との間での光路長差（もしくは、位相差）を、コヒーレンス長（ＬＥＤが使用されるならば、約７μｍ）以下に設定することを要求する。深さ方向の高い分解能を達成するために、コヒーレンス長が短くされるならば、参照鏡の位置は、厳密に設定される必要がある。このことは、参照鏡の位置設定を時間的に非効率にする。環境的因子（例えば、環境温度）によって、厳密に設定された参照鏡の位置が変化することもある。したがって、参考文献１の開示技術の下では、分解能は、非常に低下しやすい。

第１実施形態に関連して説明された画像生成装置は、高コヒーレンス光を用いるので、横方向において高い分解能を達成することができる。第２実施形態に関連して説明された画像生成装置は、高コヒーレンス光に加えて、集光部と規定部との組み合わせを用いるので、深さ方向においても高い分解能を達成することができる。本発明者等は、第２実施形態の原理に加えて、適切な開口数を有する対物レンズが使用されるならば、深さ方向において更に高い分解能が達成されることを見出した。

図５は、第３実施形態の画像生成装置１００Ｂの概略的なブロック図である。図５を参照して、画像生成装置１００Ｂが説明される。図５の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図５の点線の矢印は、信号の伝達を表す。第２実施形態と第３実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第２実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第２実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

第２実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｂは、レーザ光源部１１０と、信号生成部１３０と、画像生成部１４０と、変調部１５０と、を備える。画像生成装置１００Ｂは、変換部１２０Ｂを更に備える。第２実施形態と同様に、変換部１２０Ｂは、分波部２１０と、出射処理部２２０と、を含む。変換部１２０Ｂは、第１分波光ＦＤＢに対して光学的な処理を行う処理部２３０を更に含む。

処理部２３０は、対物レンズ２３１を含む。対物レンズ２３１は、開口数ＮＡを有する。対物レンズ２３１は、平均屈折率ｎを有する試料ＳＭＰに向けて集光する。処理部２３０は、集光機能に加えて、他の機能（例えば、球面収差の補正）を有してもよい。

レーザ光源部１１０は、レーザ光ＬＢを分波部２１０へ出射する。分波部２１０は、レーザ光ＬＢを、第１分波光ＦＤＢと、第２分波光ＳＤＢと、に分波する。第１分波光ＦＤＢは、処理部２３０に向けて伝搬する。第１分波光ＦＤＢは、対物レンズ２３１によって集光され、試料ＳＭＰに向けて伝搬する。その後、第１分波光ＦＤＢの一部は、試料ＳＭＰによって反射された第１反射光ＦＲＢになる。第１反射光ＦＲＢは、分波部２１０に向けて伝搬する。第２分波光ＳＤＢは、変調部１５０に向けて伝搬する。変調部１５０は、第２分波光ＳＤＢの位相を変調し、且つ、第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを生成する。第２反射光ＳＲＢは、第１反射光ＦＲＢに対する参照光として用いられる。第１反射光ＦＲＢと同様に、第２反射光ＳＲＢも、分波部２１０に向けて伝搬する。分波部２１０は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。合波光ＭＰＢは、分波部２１０から出射処理部２２０へ出射される。合波光ＭＰＢは、波長λを有する。

本発明者等は、画像生成装置１００Ｂが達成することができる深さ方向の分解能ｒｄが、以下の数式によって算出されることを見出した。

参考文献１の開示技術のように低コヒーレンス光が利用されるならば、深さ方向の分解能は、コヒーレンス長ｔである。したがって、「ｒｄ＜ｔ」で表される関係が満たされるならば、長いコヒーレンス長を有するレーザ光が使用されても、低コヒーレンス光を利用する従来技術よりも深さ方向において高い分解能が達成される。すなわち、以下の不等式で表される関係が満たされるように、対物レンズ２３１の開口数ＮＡが設定されるならば、画像生成装置１００Ｂは、深さ方向において高い分解能を達成することができる。

一般的なＬＥＤのコヒーレンス長ｔは、以下の数式から算出され得る。

上述の数式の記号「λｃ」は、ＬＥＤの中心波長を意味する。記号「Δλ」は、波長の半値全幅を意味する。

ＬＥＤが、「０．４０５μｍ」の中心波長と、「１０ｎｍ」の半値全幅を有するならば、コヒーレンス長ｔは、上述の数式から、「７．２μｍ」になる。多くのＬＥＤは、「７．２μｍ」に近いコヒーレンス長を有する光を出射する。したがって、多くのＬＥＤよりも高い分解能を達成するための開口数ＮＡは、以下の不等式によって表されてもよい。

試料ＳＭＰとして利用される生体細胞の平均屈折率ｎが「１．３３５」であるならば、「０．４０５μｍ」の波長の光を発するＬＥＤを用いた装置よりも高い分解能を達成するための開口数ＮＡの条件は、「ＮＡ＞０．３２２」で表される。試料ＳＭＰの平均屈折率ｎが「１．５」であるならば、「０．４０５μｍ」の波長の光を発するＬＥＤを用いた装置よりも高い分解能を達成するための開口数ＮＡの条件は、「ＮＡ＞０．３３４」で表される。上述の開口数ＮＡに関する条件が満たされるならば、画像生成装置１００Ｂは、横方向及び深さ方向において、高い分解能を達成することができる。

上述の参考文献１の開示技術とは異なり、画像生成装置１００Ｂは、高コヒーレンス光を用いて試料画像を生成する。したがって、画像生成装置１００Ｂの設計において、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとの間の光路長の差異（もしくは、位相差）は、略０に設定される必要はない。光路長の差異が、レーザ光ＬＢのコヒーレンス長内に設定されるならば、合波光ＭＰＢの干渉度合い（ビジビリティ）は、略一定となる。したがって、変調部１５０の位置に関して、過度に高い精度は要求されない。加えて、環境的因子（例えば、環境温度）に起因する変調部１５０の位置の変動は、分解能に影響しにくくなる。

＜第４実施形態＞
上述の様々な実施形態に関連して説明された設計原理に基づいて、様々な画像生成装置が設計可能である。本実施形態において、第３実施形態の設計原理に基づいて構築された画像生成装置が説明される。

図６は、第４実施形態の画像生成装置１００Ｃの概略図である。図５及び図６を参照して、画像生成装置１００Ｃが説明される。図６の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図６の点線の矢印は、信号の伝達を表す。第３実施形態と第４実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第３実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第３実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

図６は、合波光ＭＰＢ、第２分波光ＳＤＢ及び／又は第２反射光ＳＲＢの光路に沿って描かれたＹ軸並びにレーザ光ＬＢ、第１分波光ＦＤＢ及び／又は第１反射光ＦＲＢの光路に沿って描かれたＺ軸を、鎖線を用いて示す。図６は、更に、Ｙ軸、Ｚ軸及びこれらに直交するＸ軸とからなるＸＹＺ座標を示す。以下の説明において、「深さ方向」との用語は、Ｚ軸に沿う方向又はＺ軸に平行な方向を意味する。「横方向」との用語は、Ｙ軸に沿う方向又はＹ軸に平行な方向を意味する。

第３実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｃは、画像生成部１４０と、対物レンズ２３１と、を備える。対物レンズ２３１の開口数ＮＡは、第３実施形態に関連して説明された原理に基づき、適切な値に設定される。例えば、開口数ＮＡは、「０．８５」に設定されてもよい。対物レンズ２３１の焦点距離は、画像生成装置１００Ｃの設計において適切な値に設定される。例えば、対物レンズ２３１の焦点距離は、「２ｍｍ」であってもよい。

画像生成装置１００Ｃは、レーザ光源１１１と、光検出器１３１と、変調部１５０Ｃと、分波素子２１１と、ピンホール部材２２１Ｃと、検出レンズ２２２Ｃと、を更に備える。レーザ光源１１１は、レーザ光ＬＢを出射する。したがって、レーザ光源１１１は、図５に示されるレーザ光源部１１０に対応する。光検出器１３１は、合波光ＭＰＢを受け取り、合波光ＭＰＢの光量に応じた検出信号を生成する。したがって、光検出器１３１は、図５に示される信号生成部１３０に対応する。分波素子２１１は、レーザ光ＬＢを、第１分波光ＦＤＢと第２分波光ＳＤＢとに分波する。加えて、分波素子２１１は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。したがって、分波素子２１１は、図５に示される分波部２１０に対応する。尚、分波素子２１１として、一般的なビームスプリッタが用いられてもよい。ピンホール部材２２１Ｃは、ピンホール２２３を規定する。ピンホール２２３の大きさは、０次干渉光の透過を許容する一方で、高次の干渉光の透過を妨げるように設定される。したがって、ピンホール部材２２１Ｃは、図５に示される規定部２２１に対応する。ピンホール２２３は、規定部２２１の透過領域に対応する。検出レンズ２２２Ｃは、分波素子２１１から出射された合波光ＭＰＢをピンホール２２３に向けて集光する。したがって、検出レンズ２２２Ｃは、図５に示される集光部２２２に対応する。

変調部１５０Ｃは、ミラー１５１と、変位機構１５２と、を備える。ミラー１５１は、第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを生成する。変位機構１５２は、ミラー１５１を横方向に変位させることにより、第２反射光ＳＲＢの位相を変調し、参照光を生成する。変調部１５０Ｃは、図５に示される変調部１５０に対応する。本実施形態において、ミラー１５１は、反射部として例示される。変位機構１５２は、ピエゾステージであってもよい。代替的に、変位機構１５２は、電動ステージであってもよい。

画像生成装置１００Ｃは、コリメータレンズ２４０と、補正素子２３２と、位置調整機構２５０と、を更に備える。コリメータレンズ２４０は、分波素子２１１とレーザ光源１１１との間に配置される。補正素子２３２は、分波素子２１１と対物レンズ２３１との間で第１分波光ＦＤＢの球面収差を補正する。補正素子２３２は、図５に示される処理部の一部として利用されてもよい。本実施形態において、補正素子２３２は、第１補正部として例示される。

位置調整機構２５０は、ステージ２５１と駆動部２５２とカバーガラス２５３を備える。ステージ２５１は、透明性の高い生体細胞といった試料ＳＭＰを支持する。駆動部２５２は、ステージ２５１を横方向（Ｙ軸）及び深さ方向（Ｚ軸）及びＸ軸方向に変位させる。この結果、試料ＳＭＰの位置は適切に調整される。カバーガラス２５３は、ステージ２５１上で試料ＳＭＰを適切に固定する。位置調整機構２５０は、３軸の電動ステージであってもよい。カバーガラス２５３の厚さは、画像生成装置１００Ｃの設計において適切に設定されてもよい。例えば、カバーガラス２５３の厚さは、「０．１７ｍｍ」に設定されてもよい。

レーザ光源１１１は、発散光としてレーザ光ＬＢをコリメータレンズ２４０へ出射する。コリメータレンズ２４０は、レーザ光ＬＢを平行光にする。その後、平行光は、分波素子２１１へ入射する。

分波素子２１１は、コリメータレンズ２４０から伝搬したレーザ光ＬＢを第１分波光ＦＤＢと第２分波光ＳＤＢとに分波する。第１分波光ＦＤＢは、補正素子２３２に向けて伝搬する。第２分波光ＳＤＢは、ミラー１５１へ向けて伝搬する。

補正素子２３２は、第１分波光ＦＤＢの球面収差を補正する。その後、第１分波光ＦＤＢは、対物レンズ２３１に入射する。対物レンズ２３１は、ステージ２５１上で固定された試料ＳＭＰに向けて集光する。この結果、試料ＳＭＰ中の焦点ＦＰが形成される。位置調整機構２５０は、ステージ２５１を横方向、深さ方向及び／又はＸ軸方向に変位し、焦点ＦＰと試料ＳＭＰとの相対的な位置関係を調整する。試料ＳＭＰは、第１分波光ＦＤＢの一部を反射し、第１反射光ＦＲＢを生成する。第１反射光ＦＲＢは、対物レンズ２３１及び補正素子２３２を順次通過し、分波素子２１１に入射する。本実施形態において、位置調整機構２５０は、位置調整部として例示される。

第２分波光ＳＤＢは、ミラー１５１に入射する。このとき、変位機構１５２は、横方向（Ｙ軸方向）にミラー１５１を変位させる。この結果、変調部１５０Ｃは、ミラー１５１に入射した第２分波光ＳＤＢに位相変化を与えることができる。ミラー１５１は、第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを参照光として生成する。第２反射光ＳＲＢは、分波素子２１１へ入射する。

分波素子２１１は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。合波光ＭＰＢは、分波素子２１１から検出レンズ２２２Ｃへ伝搬する。検出レンズ２２２Ｃは、ピンホール２２３に合波光ＭＰＢを集光する。本実施形態において、分波素子２１１は、分波機能と合波機能とを兼ね備える。分波素子２１１に代えて、分波処理を専ら担う光学素子と合波機能を専ら担う光学素子との組み合わせが用いられてもよい。

ピンホール部材２２１Ｃは、０次干渉光の透過を許容する一方で、高次の干渉光の透過を妨げる。したがって、高次の干渉光は、ピンホール部材２２１Ｃによってほとんど遮断される。０次干渉光を主に含む合波光ＭＰＢは、ピンホール２２３を透過し、光検出器１３１へ入射する。

光検出器１３１は、合波光ＭＰＢを受光する。光検出器１３１は、合波光ＭＰＢの光量に応じた検出信号を生成する。検出信号は、光検出器１３１から画像生成部１４０へ出力される。画像生成部１４０は、検出信号に応じて、試料画像を生成する。

図７は、変換工程（図３を参照）中の画像生成装置１００Ｃの動作を表す概略的なフローチャートである。図３、図６及び図７を参照して、変換工程が説明される。

（ステップＳ２１０）
出射工程（図３を参照）の後、ステップＳ２１０が実行される。ステップＳ２１０において、分波素子２１１は、レーザ光ＬＢを、第１分波光ＦＤＢと第２分波光ＳＤＢとに分波する。その後、ステップＳ２２０が実行される。

（ステップＳ２２０）
ステップＳ２２０において、対物レンズ２３１は、第１分波光ＦＤＢを試料ＳＭＰに向けて集光する。この結果、第１分波光ＦＤＢは、収束光として、カバーガラス２５３を通過し、焦点ＦＰを試料ＳＭＰ中に形成する。その後、ステップＳ２３０が実行される。

（ステップＳ２３０）
ステップＳ２３０において、位置調整機構２５０は、ステージ２５１を、横方向（Ｙ軸方向）、深さ方向（Ｚ軸方向）及び／又はＸ軸方向に変位させ、焦点ＦＰと試料ＳＭＰとの相対的な位置関係を調整する。この結果、焦点ＦＰは、試料ＳＭＰ中の所望の位置に設定されることとなる。ステージ２５１が深さ方向に変位されるならば、ステップＳ２４０が実行される。他の場合には、ステップＳ２５０が実行される。

（ステップＳ２４０）
ステップＳ２４０において、補正素子２３２は、試料ＳＭＰに対する焦点ＦＰの深さ位置（図６において、記号「ｄ」によって表される値）に応じて、第１分波光ＦＤＢの球面収差を補正する。その後、ステップＳ２５０が実行される。

（ステップＳ２５０）
ステップＳ２５０において、試料ＳＭＰは、ステップＳ２１０において生成された第１分波光ＦＤＢの一部を反射し、第１反射光ＦＲＢを生成する。第１反射光ＦＲＢは、分波素子２１１に入射する。ミラー１５１は、ステップＳ２１０において生成された第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを生成する。このとき、変位機構１５２は、ミラー１５１を横方向（Ｙ軸方向）に変位し、位相変調を引き起こす。分波素子２１１は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。

ステップＳ２３０において、位置調整機構２５０は、ステージ２５１を、横方向（Ｙ軸方向）、深さ方向（Ｚ軸方向）及び／又はＸ軸方向に変位させ、焦点ＦＰと試料ＳＭＰとの相対的な位置関係を調整するので、３軸の電動ステージは、位置調整機構２５０として好適に利用可能である。代替的に、ガルバノミラーといった光偏向素子が、分波素子２１１と対物レンズ２３１との間の第１分波光ＦＤＢの光路に、位置調整機構として配置されてもよい。この場合、焦点ＦＰは、光偏向素子の動作に応じて移動するので、焦点ＦＰと試料ＳＭＰとの間の相対的な位置関係は、試料ＳＭＰの変位なしに調整される。したがって、ステップＳ２３０は、時間的に効率的に実行され得る。

図８は、補正素子２３２として例示されるビームエキスパンダ２７０の概略図である。図６乃至図８を参照して、補正素子２３２が説明される。尚、補正素子２３２として、可変の屈折率分布を有する液晶素子が用いられてもよい。したがって、図８に関連する説明は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

ビームエキスパンダ２７０は、凹レンズ２７１と、凸レンズ２７２と、アクチュエータ２７３と、を備える。アクチュエータ２７３は、凹レンズ２７１及び凸レンズ２７２のうち少なくとも一方を、Ｚ軸に沿って変位させる。この結果、凹レンズ２７１と凸レンズ２７２との間の距離が変化し、第１分波光ＦＤＢの球面収差が補正される。

ステップＳ２３０において、深さ方向における焦点ＦＰの位置が変更されると、ステップＳ２４０において、アクチュエータ２７３が作動してもよい。この結果、焦点ＦＰの深さ位置（図６において、記号「ｄ」で表される値）に応じて、球面収差が適切に補正される。したがって、第１分波光ＦＤＢは、良好に絞られ、試料画像の生成に適した焦点ＦＰが形成されることになる。このことは、ＸＹ平面上での高い分解能の試料画像に帰結する。尚、アクチュエータ２７３が作動せず、且つ、焦点ＦＰが深い位置に設定されるならば（すなわち、記号「ｄ」が大きな値であるならば）、球面収差に起因して、焦点ＦＰがぼけやすくなる。この結果、得られる試料画像の分解能は低減する。

アクチュエータ２７３を動作させるためのアルゴリズムは、カバーガラス２５３の厚さ（例えば、０．１７ｍｍ）に起因する球面収差を考慮して設計されてもよい。代替的に、対物レンズ２３１の設計において、カバーガラス２５３の厚さに起因する球面収差が考慮されてもよい。

図９Ａ及び図９Ｂは、焦点ＦＰの深さ位置「ｄ」に応じて動作する変調部１５０Ｃの概略図である。図６、図９Ａ及び図９Ｂを参照して、変調部１５０Ｃの動作が説明される。

以下の説明において、焦点ＦＰの深さ位置「ｄ」は、対物レンズ２３１に対向する試料ＳＭＰの対向面ＦＳＦと焦点ＦＰとの間の距離として定義される。尚、深さ位置「ｄ」に関する定義は、説明の明瞭化のみを目的とするものである。したがって、深さ位置「ｄ」に関する定義は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

図９Ａに示される焦点ＦＰは、深さ位置「ｄ１」に存在する。図９Ｂに示される焦点ＦＰは、深さ位置「ｄ２」に存在する。深さ位置「ｄ２」の値は、深さ位置「ｄ１」の値よりも大きい。

以下の説明において、試料ＳＭＰに対する焦点ＦＰの移動方向は、「＋Ｚ方向」又は「−Ｚ方向」と称される。「＋Ｚ方向」との用語は、焦点ＦＰが対向面ＦＳＦに近づく方向を意味する。「−Ｚ方向」との用語は、焦点ＦＰが対向面ＦＳＦから離れる方向を意味する。尚、焦点ＦＰの移動方向に関する定義は、説明の明瞭化のみを目的とするものである。したがって、焦点ＦＰの移動方向に関する定義は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

変調部１５０Ｃと分波素子２１１との間で規定される光軸は、Ｙ軸に一致する。図９Ａに示される焦点ＦＰから分波素子２１１までの光学的距離「ｐｚ」は、値「ｐｚ１」である。図９Ｂに示される焦点ＦＰから分波素子２１１までの光学的距離「ｐｚ」は、値「ｐｚ２」である。光学的距離「ｐｚ２」は、光学的距離「ｐｚ１」よりも長い。

光検出器１３１が出力する検出信号が、大きな光量を表すように、変調部１５０Ｃは、Ｙ軸に沿ってミラー１５１を変位させてもよい。以下の説明において、ミラー１５１の変位方向は、「＋Ｙ方向」又は「−Ｙ方向」と称される。「＋Ｙ方向」との用語は、ミラー１５１が分波素子２１１から離れる方向を意味する。「−Ｙ方向」との用語は、ミラー１５１が分波素子２１１に近づく方向を意味する。尚、ミラー１５１の移動方向に関する定義は、説明の明瞭化のみを目的とするものである。したがって、ミラー１５１の移動方向に関する定義は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

第２反射光ＳＲＢの位相が、第１反射光ＦＲＢの位相に合致するならば、光検出器１３１は、合波光ＭＰＢの大きな光量を表す検出信号を出力する。この場合、画像生成装置１００Ｃは、明るい試料画像を生成することができる。

ミラー１５１は、分波素子２１１に対向する反射面１５３を含む。第２分波光ＳＤＢは、反射面１５３で反射され、第２反射光ＳＲＢになる。図９Ａに示される反射面１５３から分波素子２１１までの光学的距離「ｐｙ」は、値「ｐｙ１」である。図９Ｂに示される反射面１５３から分波素子２１１までの光学的距離「ｐｙ」は、値「ｐｙ２」である。光学的距離「ｐｙ２」は、光学的距離「ｐｙ１」よりも長い。

位相量は、以下の数式によって定義されてもよい。尚、位相量に関する定義は、本実施形態の原理を何ら限定しない。

図９Ａに示される如く、焦点ＦＰの深さ位置「ｄ」が値「ｄ１」に設定されたとき、光学的距離「ｐｚ」に対応する位相量が、光学的距離「ｐｙ」に対応する位相量に一致するように、変調部１５０Ｃは、ミラー１５１の位置を調整する。この結果、分波素子２１１において、第２反射光ＳＲＢの位相は、第１反射光ＦＲＢの位相に合致する。

生体細胞といった試料ＳＭＰの屈折率（例えば、「１．３３５」）は、多くの場合、空気の屈折率よりも大きい。この場合、対物レンズ２３１の焦点距離は、試料ＳＭＰの屈折率によって長くされる。焦点ＦＰが、「−Ｚ方向」に移動されると、光学的距離「ｐｚ」は、値「ｐｚ１」から値「ｐｚ２」へ増大する。このとき、変調部１５０Ｃは、ミラー１５１を距離「Δｐ」だけ「＋Ｙ方向」へ変位させ、光学的距離「ｐｙ」を値「ｐｙ２」に設定する。光学的距離「ｐｙ」が値「ｐｙ２」に設定されると、分波素子２１１において、第２反射光ＳＲＢの位相は、第１反射光ＦＲＢの位相に合致する。この結果、光検出器１３１は、合波光ＭＰＢの大きな光量を表す検出信号を出力する。

本実施形態の原理は、レーザ光源１１１のパワーの増大に代えて、ミラー１５１の変位によって、合波光ＭＰＢのパワー（光量）を増大することを可能にする。したがって、試料ＳＭＰ中の屈折率変化が小さく、第１反射光ＦＲＢのパワー（光量）が少なくとも、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとの合波時の位相の整合によって、大きなパワー（光量）の合波光ＭＰＢが生成されることになる。本実施形態の原理は、レーザ光源１１１に対して過度に大きなパワーを要求しないので、試料ＳＭＰとして用いられる生体細胞への光学的及び／又は熱的な損傷は生じにくくなる。

図１０は、試料ＳＭＰの反射率Ｒｓ（％）、合波光ＭＰＢのパワーの最大値及びミラー１５１の不存在下で得られる合波光ＭＰＢの最大パワーに対するミラー１５１の存在下で得られる合波光ＭＰＢの最大パワーの増幅率の間の例示的な関係を表すグラフである。図６及び図１０を参照して、ミラー１５１から得られる効果が説明される。尚、図１０に示される増幅率のデータは、ピンホール２２３を透過した後の合波光ＭＰＢのパワー（光量）及び光検出器１３１から出力される検出信号にも適用可能である。

図１０に示されるデータは、以下に説明される条件下で得られている。規格化のために、レーザ光源１１１からのレーザ光ＬＢのパワーとして、「１」の値が用いられている。分波素子２１１の分岐比は、「０．５」の値に設定されている。ミラー１５１の反射率は、「１」の値に設定されている。

以下に、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとの間での位相整合下における合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」、第１反射光ＦＲＢのパワー「Ｉ_Ｒ」及び第２反射光ＳＲＢのパワー「Ｉ_Ｍ」の関係を示す。

試料ＳＭＰの反射率「Ｒｓ」の値が、「０．０１（＝１％）」であるならば、第１反射光ＦＲＢのパワー「Ｉ_Ｒ」は、「０．００５」の値になる。第２反射光ＳＲＢのパワー「Ｉ_Ｍ」は、「０．５」の値になる。このとき、合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」は、「０．３０」の値になる。

試料ＳＭＰの不存在下では、第１反射光ＦＲＢのパワー「Ｉ_Ｒ」は、「０」として見なされる。同様に、試料ＳＭＰの反射率が、「０」であるならば、第１反射光ＦＲＢのパワー「Ｉ_Ｒ」は、「０」として見なされる。このとき、合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」は、「０．２５」の値になる。

図１１は、画像生成部１４０として例示される画像生成ユニット２８０の概略的なブロック図である。図６、図１０及び図１１を参照して、画像生成ユニット２８０が説明される。

画像生成ユニット２８０は、入力部２８１と、差分演算部２８２と、画像信号生成部２８３と、出力部２８４と、を備える。検出信号は、入力部２８１に入力される。例えば、検出信号は、図１０を参照して説明された条件下で（レーザ光ＬＢのパワー：１、分波素子２１１の分岐比：０．５、ミラー１５１の反射率：１、試料ＳＭＰの反射率「Ｒｓ」：１％）、合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」の値が、「０．３０」であることを示してもよい。合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」に関するデータは、入力部２８１から差分演算部２８２へ送られる。差分演算部２８２は、試料ＳＭＰが不存在下における合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」又は試料ＳＭＰの反射率が「０」であるときの合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」に関するデータを予め格納してもよい。差分演算部２８２は、入力部２８１からのデータから予め格納されたデータを差し引き、差分データを生成する。図１０に関連する説明において算出された値が用いられるならば、差分データは、「０．０５（＝０．３０−０．２５）」の値を表す。

差分データは、差分演算部２８２から画像信号生成部２８３へ出力される。画像信号生成部２８３は、差分データに応じて、試料画像を表す画像信号を生成する。画像信号は、出力部２８４を通じて、ディスプレイ装置といった画像を表示する能力を有する外部装置（図示せず）へ出力されてもよい。差分演算部２８２による差分演算は、黒浮きの防止に寄与する。したがって、得られる試料画像は、良好なコントラストを有することになる。

図１２は、画像生成工程（ステップＳ１４０）における画像生成ユニット２８０の動作を表す概略的なフローチャートである。図３、図６、図１０乃至図１２を参照して、画像生成ユニット２８０の動作が説明される。

（ステップＳ３１０）
図３を参照して説明された信号生成工程（ステップＳ１３０）の後、ステップＳ３１０が実行される。ステップＳ３１０において、入力部２８１は、検出信号を受ける。検出信号は、入力部２８１から差分演算部２８２へ出力される。その後、ステップＳ３２０が実行される。

（ステップＳ３２０）
ステップＳ３２０において、差分演算部２８２は、試料ＳＭＰが存在する条件下で出力された検出信号によって表されるデータから試料ＳＭＰの不存在下（又は、試料ＳＭＰの反射率が「０」である条件下）で取得され得るデータを差し引き、差分データを生成する。差分データは、差分演算部２８２から画像信号生成部２８３へ出力される。その後、ステップＳ３３０が実行される。

（ステップＳ３３０）
ステップＳ３３０において、画像信号生成部２８３は、差分データに応じて、試料画像を表す画像信号を生成する。画像信号は、出力部２８４を通じて、外部装置に出力される。外部装置は、画像信号に応じて、試料画像を表示する。

ミラー１５１の不存在下では、第２反射光ＳＲＢのパワー「Ｉ_Ｍ」は、「０」の値となる。この場合（レーザ光ＬＢのパワー：１、分波素子２１１の分岐比：０．５、ミラー１５１の反射率：０、試料ＳＭＰの反射率「Ｒｓ」：１％）、検出レンズ２２２Ｃに入射する合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」は、「０．００２５（＝０．５×Ｉ_Ｒ＝０．５×０．００５）」になる。したがって、ミラー１５１が存在する条件下で得られる合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」は、ミラー１５１の不存在下で得られる合波光ＭＰＢのパワー「Ｉ_Ｐ」の２０倍になる。

図１０に示される増幅率は、以下の数式によって定義されてもよい。

上記数式及び図１０から明らかな如く、試料ＳＭＰの反射率が低いならば、増幅率は大きな値になる。したがって、本実施形態の原理は、生体細胞といった低い反射率を有する試料ＳＭＰの観察に適している。

位置調整機構２５０は、焦点ＦＰの位置を順次変更し、所望の領域が焦点ＦＰによって走査される。所望の領域内で焦点ＦＰが設定されるたびに、画像生成ユニット２８０は、図１２に示される処理を実行する。この結果、所望の領域内の試料ＳＭＰを表す試料画像が生成されることになる。試料画像は、２次元画像であってもよい。代替的に、試料画像は、３次元画像であってもよい。

図１３は、試料ＳＭＰから光検出器１３１までの光路を概略的に表す展開図である。図６及び図１３を参照して、ピンホール部材２２１Ｃによる迷光除去が説明される。

図１３において、第１分波光ＦＤＢは、実線で描かれている。対物レンズ２３１は、深さ位置「ｄ」において点線で描かれた第１面ＦＰＬ上に焦点ＦＰを形成する。検出レンズ２２２Ｃは、第１反射光ＦＲＢを集光し、ピンホール２２３に焦点を形成する。図１３は、ピンホール２２３に形成された焦点を通過し、且つ、検出レンズ２２２Ｃとピンホール部材２２１Ｃとによって規定される光軸に対して直交する第１対応面ＦＣＰを示す。

図１３は、第２面ＳＰＬと第３面ＴＰＬとを示す。第２面ＳＰＬは、第１面ＦＰＬから距離「ｓ１」だけ「−Ｚ軸方向」に離れている。第３面ＴＰＬは、第２面ＳＰＬから距離「ｓ２」だけ「−Ｚ軸方向」に離れている。

図１３は、第２面ＳＰＬから発生した光成分（以下、「第１迷光ＦＳＬ」を示す。図１３は、ピンホール部材２２１Ｃと検出レンズ２２２Ｃとの間の描かれた第２対応面ＳＣＰを示す。第２対応面ＳＣＰは、第１対応面ＦＣＰから距離「ｓｄ１」だけ離間している。検出レンズ２２２Ｃは、第１迷光ＦＳＬの焦点を、第２対応面ＳＣＰに合わせている。

図１３は、第３面ＴＰＬから発生した光成分（以下、「第２迷光ＳＳＬ」を示す。図１３は、第２対応面ＳＣＰと検出レンズ２２２Ｃとの間の描かれた第３対応面ＴＣＰを示す。第３対応面ＴＣＰは、第２対応面ＳＣＰから距離「ｓｄ２」だけ離間している。検出レンズ２２２Ｃは、第２迷光ＳＳＬの焦点を、第３対応面ＴＣＰに合わせている。

第１迷光ＦＳＬ及び第２迷光ＳＳＬは、第１面ＦＰＬ上の試料ＳＭＰの像の取得のためには不必要である。図１３から明らかな如く、反射光の発生位置が、第１面ＦＰＬから大きく離れているならば、検出レンズ２２２Ｃは、ピンホール２２３から離れた位置に反射光の焦点を設定する。したがって、第１面ＦＰＬから離れた位置で発生した反射光は、ピンホール２２３を通過しにくくなる。この結果、深さ方向の分解能は高くなる。

検出レンズ２２２Ｃの焦点距離は、例えば、３３ｍｍに設定されてもよい。このとき、第１対応面ＦＣＰ上での第１反射光ＦＲＢのエアリーディスク径は、９．６μｍであってもよい。ピンホール２２３の大きさは、第１対応面ＦＣＰ上での第１反射光ＦＲＢのエアリーディスク径に応じて適切に設定される。第１対応面ＦＣＰにおいて、第１迷光ＦＳＬは、デフォーカスされ、第１反射光ＦＲＢよりも集光スポットサイズは大きくなる。したがって、第１反射光ＦＲＢは、ピンホール２２３を透過できる一方で、第１迷光ＦＳＬの多くは、ピンホール部材２２１Ｃによって透過を妨げられる。第１対応面ＦＣＰにおいて、第２迷光ＳＳＬは、さらにデフォーカスされ、第２迷光ＳＳＬの集光スポットサイズは、第１迷光ＦＳＬよりも一層大きくなる。したがって、ピンホール２２３を通過する第２迷光ＳＳＬの量は、第１迷光ＦＳＬよりも小さくなる。

ピンホール部材２２１Ｃは、横方向（ＸＹ平面）での光学分解能を向上させる。横方向の光学分解能の改善は、ピンホール２２３の大きさに依存する。ピンホール２２３の大きさが適切に設定されるならば、分解能は、「約２^０．５倍」増大する。

ピンホール部材２２１Ｃは、必ずしも、用いられなくともよい。光検出器１３１がピンホール２２３と略同様の大きさの受光部（図示せず）を有し、且つ、検出レンズ２２２Ｃが受光部に焦点を合わせるならば、図６に示される画像生成装置１００Ｃと同様の分解能を達成することができる。ピンホール部材２２１Ｃに代えて、光ファイバが用いられてもよい。ピンホール部材２２１Ｃに代えて、スリットが形成されたスリット部材が用いられてもよい。スリット部材が用いられるならば、一次元方向において信号の質が良化される。

ピンホール２２３の大きさは、検出レンズ２２２Ｃによって集光された合波光ＭＰＢのエアリーディスク径に依存する。例えば、ピンホール２２３は、エアリーディスク径の０．８倍以上５倍以下の大きさに設計されてもよい。この結果、試料ＳＭＰの深さ方向（±Ｚ軸方向）の分解能は、１／１０数ミクロン〜数ミクロンになる。

過度に小さなピンホールは、ピンホールを透過する光量の過度の低減に帰結する。したがって、ピンホールの大きさは、透過可能な光量を考慮して決定されてもよい。検出レンズ２２２Ｃの集光位置が、環境温度の変化に起因して、ピンホールの中心位置からずれることもあるので、ピンホールの大きさは、環境温度といった因子を考慮して決定されてもよい。

大きすぎるピンホールは、光検出器１３１が不必要に検出する迷光の光量の増大に帰結する。このことは、得られる試料画像の分解能の低下を引き起こす。したがって、ピンホールの大きさは、得られる試料画像の分解能を考慮して決定されてもよい。

図１４Ａ乃至図１４Ｃは、集光スポット周りの光強度分布を表す概略的なグラフである。図６、図１４Ａ乃至図１４Ｃを参照して、球面収差に起因する光強度分布の変化が説明される。

図１４Ａは、光学的収差の不存在下における光強度の分布を表す。半値全幅「２ｗ」、対物レンズ２３１の開口数「ＮＡ」及び波長「λ」との間の関係は、以下の数式によって定義されてもよい。

図１４Ｂは、１００ｍλの３次の球面収差の下で得られた光強度の分布を表す（尚、回折限界は、７０ｍλ以下である）。図１４Ｃは、１５０ｍλの３次の球面収差の下で得られた光強度の分布を表す（尚、回折限界は、７０ｍλ以下である）。

図１４Ａ乃至図１４Ｃを参照すると、球面収差の増大は、集光スポットにおける光強度の最大値の低減に帰結する。しかしながら、半値全幅及びエアリーディスク径は、球面収差の増大の下でも略一定である。球面収差の増大は、サイドローブの増大に帰結する。これらの事実から、干渉性を低下させる球面収差成分は、サイドローブ部分に存在することが推定される。

本発明者等によれば、３次よりも高次の球面収差の成分もエアリーディスク径によって規定される領域の外（例えば、サイドローブの領域）に存在する。数１００ｍλの球面収差は、現実的には、存在し得る。ピンホール２２３が、エアリーディスク径（直径）以下の大きさに設計されるならば、サイドローブの領域の光成分は適切に除去される。球面収差の成分も除去されるので、合波光ＭＰＢの干渉度は向上する。

エアリーディスク径は、以下の数式によって定義されてもよい。

対物レンズ２３１は、焦点距離「ｆ」を有し、検出レンズ２２２Ｃは、焦点距離「ｆ１」を有するとき、画像生成装置１００Ｃの光学的倍率は、以下の数式によって定義されてもよい。

検出レンズ２２２Ｃが、ピンホール２２３において生成する焦点でのエアリーディスク径は、以下の数式で定義されてもよい。

ピンホール２２３の直径「ｄ」が以下の不等式で表される関係を満たすならば、球面収差を含む収差成分は、適切に除去される。この結果、良好な干渉性を有する合波光ＭＰＢが得られる。

補正素子２３２は、球面収差を補正するために用いられる。しかしながら、試料ＳＭＰが不均一な屈折率分布を有するとき、或いは、レーザ光ＬＢの波長分散に起因して、様々な種類の光学的収差が存在するとき、補正素子２３２による収差補正機能は不十分なこともある。上述の如く、ピンホール部材２２１Ｃは、補正素子２３２によって補正されにくい球面収差も適切に除去することができる。

図１５Ａは、高い開口数ＮＡを有する対物レンズ２３１によって試料ＳＭＰに集光される光の概略図である。図１５Ｂは、低い開口数ＮＡを有する対物レンズ２３１によって試料ＳＭＰに集光される光の概略図である。図６、図１５Ａ及び図１５Ｂを参照して、本実施形態の原理にとって好ましい光の種類が説明される。

本実施形態の原理にしたがって構築される画像生成装置の光源は、好ましくは、空間的コヒーレンスが高く、且つ、時間的コヒーレンスが低い光を出射する。空間的コヒーレンスが高いならば、図１５Ａに示される如く、第１分波光ＦＤＢは、回折限界近くまで絞られる。この結果、ＸＹ平面における光学的分解能は高くなる。ピンホール２２３の直径が適切な値に設定されるならば、迷光が除去される。したがって、ＸＹ平面での分解能は更に向上する。

空間的コヒーレンスが高いならば、上述の「数８」の半値全幅の定義が適用可能である。したがって、対物レンズ２３１は、大きな「ＮＡ」を有し、且つ、短い波長の光（例えば、青色光）が用いられることが好ましい。図６に示される画像生成装置１００Ｃは、レーザ光ＬＢを出射する。レーザ光ＬＢは、空間的コヒーレンスが高く、ＸＹ平面上において高い分解能が得られる。

レーザ光ＬＢは、時間的コヒーレンスも高い。図１５Ｂに示される試料ＳＭＰ上の集光スポット周りの０次干渉光と、０次を超える次数の高次干渉光（±１次、±２次、±３次、・・・）と、の位置関係から明らかな如く、対物レンズ２３１の開口数ＮＡが小さいならば、高次干渉光の成分は、合波光ＭＰＢに第１反射光ＦＲＢの成分として入り込むこととなる。このことは、光検出器１３１が出力する信号の品質の低下を引き起こす。すなわち、Ｚ軸方向の光学的分解能は低くなる。この場合、高周波重畳といった技術を用いて、時間的コヒーレンスを低下させてもよい。コヒーレンス長が低減されるので、高次干渉光は生じにくくなる。したがって、信号の質は低減しにくくなる。

図１５Ａに示される如く、対物レンズ２３１の開口数ＮＡが大きいならば、高い次数の干渉光は、大きな直径を有することになる。したがって、ピンホール部材２２１Ｃは、高い次数の干渉光を大幅に除去することができる。すなわち、高い開口数ＮＡの対物レンズ２３１とピンホール部材２２１Ｃとの組み合わせによって、高次干渉光の影響が適切に低減され、試料ＳＭＰの深さ方向の分解能は向上する。

ＬＥＤといったインコヒーレンス光源が出射する光は、低い空間的コヒーレンスを有する。インコヒーレンス光は、あまり絞られることなく、試料ＳＭＰ中で焦点ＦＰを形成することとなる（すなわち、焦点ＦＰは、回折限界値の倍程度に広がる）。ピンホール部材２２１Ｃは、迷光を除去し、絞りの効果を発揮する。インコヒーレンス光源が出射する光は、低い時間的コヒーレンスを有するので、合波光ＭＰＢに高次干渉光は生じにくい。したがって、試料ＳＭＰの深さ方向の分解能は高くなる。

スーパールミネセントダイオードは、レーザ及びＬＥＤの中間のコヒーレンス特性を有する。したがって、ＸＹＺ方向の分解能は、良好なバランスを有することになる。しかしながら、短波長の光（青色光）を出射するデバイスは、実用化されていないので、スーパールミネセントダイオードからの光が回折限界近くまで絞られても、スポットサイズは長波長に起因して大きくなる。したがって、スーパールミネセントダイオードの使用は、ＸＹ平面上の分解能の観点からは適切でないこともある。

本発明者等は、「０．４０５μｍ」の青色レーザ光を出射する半導体レーザをレーザ光源１１１として用い、試料ＳＭＰを観察した。本発明者等は、「０．８５」の開口数ＮＡを有する対物レンズ２３１を用いた。このとき、試料ＳＭＰ中のスポット径は、「０．２５μｍ」（半値全幅）となった。本発明者等は、ピンホール２２３の直径を、検出レンズ２２２Ｃによって集光された合波光ＭＰＢのエアリーディスク径の「０．８倍」に設定した。この結果、本発明者等は、ＸＹ平面において、「０．２」μｍ以下の分解能を達成した。本発明者等は、レーザ光ＬＢに高周波重畳技術を適用し、且つ、ピンホール部材２２１Ｃを用いて、「０．９２μｍ」の深さ方向の分解能を達成した。

図１６は、合波光ＭＰＢの光強度の変動を表す概略的なグラフである。図６、図９Ａ、図９Ｂ及び図１６を参照して、合波光ＭＰＢが説明される。

レーザ光ＬＢのコヒーレンス長は、数１００μｍ以上であってもよい。図９Ａ及び図９Ｂに示される光路長「ｐｙ」、「ｐｚ」の間の差が、レーザ光ＬＢのコヒーレンス長以下であるならば、図１６に示される正弦波状の合波光ＭＰＢの強度変動が得られる。図１６に示される如く、各周期において、最大値は略一定である。尚、インコヒーレンス光が用いられるならば、正弦波状の光強度の最大値は、光路長差の増大によって大幅に低減する。

正弦波状の合波光ＭＰＢの強度変動の最大値は、略一定であるので、ミラー１５１の初期位置の設定は容易である。ミラー１５１が、適切に設定された初期位置から１周期分（２π（ｒａｄ）分の位相量）の区間内で移動されるならば、高い強度の合波光ＭＰＢが光検出器１３１に伝達される。画像生成部１４０は、１周期の位相変調量の区間内において、光検出器１３１から出力される検出信号の中で、実質的に最も大きな光量を表す信号成分を抽出し、試料画像を生成する。

＜第５実施形態＞
レーザ光源部は、複数のレーザ光源を含んでもよい。複数のレーザ光源が、互いに異なる波長のレーザ光を出射するならば、得られる試料画像は、複数の色相によって表現され得る。本実施形態において、複数のレーザ光源を備える画像生成装置が説明される。

図１７は、第５実施形態の画像生成装置１００Ｄの概略図である。図５及び図１７を参照して、画像生成装置１００Ｄが説明される。図１７の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図１７の点線の矢印は、信号の伝達を表す。第４実施形態と第５実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第４実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第４実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

第４実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｄは、光検出器１３１と、画像生成部１４０と、変調部１５０Ｃと、分波素子２１１と、ピンホール部材２２１Ｃと、検出レンズ２２２Ｃと、対物レンズ２３１と、補正素子２３２と、位置調整機構２５０と、を備える。画像生成装置１００Ｄは、第１レーザ光源２９１と、第２レーザ光源２９２と、第３レーザ光源２９３と、を更に備える。第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３は、図５に示されるレーザ光源部１１０に対応する。第１レーザ光源２９１は、第１レーザ光ＬＢ１を出射する。第２レーザ光源２９２は、第２レーザ光ＬＢ２を出射する。第３レーザ光源２９３は、第３レーザ光ＬＢ３を出射する。

画像生成装置１００Ｄは、第１コリメータレンズ２４１と、第２コリメータレンズ２４２と、第３コリメータレンズ２４３と、を更に備える。第１レーザ光源２９１は、第１コリメータレンズ２４１に向けて、発散光として第１レーザ光ＬＢ１を出射する。第１コリメータレンズ２４１は、第１レーザ光ＬＢ１を平行光にする。第２レーザ光源２９２は、第２コリメータレンズ２４２に向けて、発散光として第２レーザ光ＬＢ２を出射する。第２コリメータレンズ２４２は、第２レーザ光ＬＢ２を平行光にする。第３レーザ光源２９３は、第３コリメータレンズ２４３に向けて、発散光として第３レーザ光ＬＢ３を出射する。第３コリメータレンズ２４３は、第３レーザ光ＬＢ３を平行光にする。

画像生成装置１００Ｄは、第１ダイクロイックミラー３１１と、第２ダイクロイックミラー３１２と、を備える。第１ダイクロイックミラー３１１は、第１レーザ光ＬＢ１を透過する一方で、第２レーザ光ＬＢ２を第２ダイクロイックミラー３１２へ反射する。したがって、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２はともに、第２ダイクロイックミラー３１２へ向けて伝搬する。第２ダイクロイックミラー３１２は、第１レーザ光ＬＢ１及び第２レーザ光ＬＢ２をともに分波素子２１１へ透過する一方で、第３レーザ光ＬＢ３を分波素子２１１へ向けて反射する。この結果、第１レーザ光ＬＢ１、第２レーザ光ＬＢ２及び第３レーザ光ＬＢ３は、分波素子２１１へ伝搬する。

第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３は、波長において互いに異なるレーザ光（第１レーザ光ＬＢ１、第２レーザ光ＬＢ２、第３レーザ光ＬＢ３）を独立して出射する。光検出器１３１は、第１レーザ光ＬＢ１、第２レーザ光ＬＢ２及び第３レーザ光ＬＢ３にそれぞれ対応する検出信号を生成する。画像生成部１４０は、第１レーザ光ＬＢ１に対応する検出信号に応じた試料画像、第２レーザ光ＬＢ２に対応する検出信号に応じた試料画像及び第３レーザ光ＬＢ３に対応する検出信号に応じた試料画像を生成する。加えて、画像生成部１４０は、これら２つの試料画像を合成してもよい。画像生成部１４０の合成処理によって得られた試料画像は、これら２つの試料画像が含む情報を含むことができる。

第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３のうち１つは、赤色レーザ光（例えば、０．６０μｍ以上０．６４μｍ以下の波長のレーザ光）を出射する赤色レーザ光源であってもよい。第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３のうち他のもう１つは、緑色レーザ光（例えば、０．５０μｍ以上０．５４μｍ以下の波長のレーザ光）を出射する緑色レーザ光源であってもよい。第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３のうち残りの１つは、青色レーザ光（例えば、０．４４μｍ以上０．４８μｍ以下の波長のレーザ光）を出射する青色レーザ光源であってもよい。この場合、光検出器１３１は、赤色レーザ光に対応する赤色検出信号を出力する。光検出器１３１は、緑色レーザ光に対応する緑色検出信号を出力する。光検出器１３１は、青色レーザ光に対応する青色検出信号を出力する。画像生成部１４０は、赤色検出信号に応じて、赤色の試料画像を生成し、緑色検出信号に応じて、緑色の試料画像を生成し、青色検出信号に応じて、青色の試料画像を生成する。また、それらの３つの試料画像から、それらを組み合わせて、さらに試料画像を合成しても良い。この場合の組み合わせは、赤色の試料画像と緑色の試料画像の合成、赤色の試料画像と青色の試料画像の合成、緑色の試料画像と青色の試料画像の合成、赤色の試料画像と緑色の試料画像と青色の試料画像との合成の４通りとなる。特に、赤色の試料画像と緑色の試料画像と青色の試料画像との合成を行った場合は、通常のカラー画像が作成できる。上述の波長帯であるならば、半導体レーザを用いて、広い色表現範囲でカラーの試料画像が生成される。

第４実施形態とは異なり、画像生成装置１００Ｄは、複数の波長のレーザ光（第１レーザ光ＬＢ１、第２レーザ光ＬＢ２、第３レーザ光ＬＢ３）を用いて試料画像を生成するので、第４実施形態よりも試料画像から多くの情報が得られる。試料ＳＭＰとして生体細胞が用いられ、且つ、生体細胞の一部が特定の波長のレーザ光に反応するならば、生体細胞の一部は、試料画像から適切に抽出される。

本実施形態の原理は、上述の波長範囲に限定されない。第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３のうち１つは、０．３５μｍ以上０．４５μｍ以下の波長のレーザ光を出射してもよい。第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３のうち他のもう１つは、０．６０μｍ以上０．７０μｍ以下の波長のレーザ光を出射してもよい。第１レーザ光源２９１、第２レーザ光源２９２及び第３レーザ光源２９３のうち残り１つは、０．７３μｍ以上０．８３μｍ以下の波長のレーザ光を出射してもよい。これらの波長帯が利用されるならば、半導体レーザを用いて試料画像が容易に生成される。

画像生成装置１００Ｄは、集光レンズ３２１と透明基板３２２とを更に備える。集光レンズ３２１及び透明基板３２２は、図５に示される変換部１２０Ｂの一部として利用されてもよい。

集光レンズ３２１は、ミラー１５１と分波素子２１１との間に配置される。透明基板３２２は、集光レンズ３２１とミラー１５１との間に配置される。集光レンズ３２１は、第２分波光ＳＤＢを、透明基板３２２を通じてミラー１５１に集光する。透明基板３２２は、第２分波光ＳＤＢの収差を補正する。本実施形態において、集光レンズ３２１は、集光素子として例示される。透明基板３２２は、第２補正部として例示される。

ミラー１５１は、集光レンズ３２１によって集光された第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを発散光として生成する。集光レンズ３２１は、第２反射光ＳＲＢを平行光にする。その後、第２反射光ＳＲＢは、分波素子２１１に入射する。

対物レンズ２３１は、カバーガラス２５３の厚さに起因する球面収差を補正するように予め設計されている。透明基板３２２は、カバーガラス２５３と同一の材料から形成されてもよい。代替的に、厚さと屈折率との積に比例する光学位相量が透明基板３２２とカバーガラス２５３との間で等しくなるように、透明基板３２２は設計される。集光レンズ３２１が対物レンズ２３１と同等の光学的特性を有するならば、集光レンズ３２１と対物レンズ２３１との間での収差の特性も同等になる。したがって、合波光ＭＰＢは、試料画像の生成に適した波面を有することができる。

集光レンズ３２１が、第２分波光ＳＤＢをミラー１５１上に集光し、第２反射光ＳＲＢが生成されるので、第２反射光ＳＲＢは、ミラー１５１の傾きの影響を受けにくくなる。したがって、合波光ＭＰＢの生成のための光学的設定は簡素化される。

＜第６実施形態＞
第４実施形態及び第５実施形態の原理は、試料からの反射光に応じて、試料画像を生成することを可能にする。試料を透過した透過光を用いて、試料画像が追加的に生成されるならば、観察者は試料画像から多くの情報を取得することができる。本実施形態において、反射光及び透過光を利用して試料画像を生成する画像生成装置が説明される。

図１８は、第６実施形態の画像生成装置１００Ｅの概略図である。図１８を参照して、画像生成装置１００Ｅが説明される。図１８の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図１８の点線の矢印は、信号の伝達を表す。第４実施形態と第６実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第４実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第４実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

第４実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｅは、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ２４０と、光検出器１３１と、変調部１５０Ｃと、分波素子２１１と、ピンホール部材２２１Ｃと、検出レンズ２２２Ｃと、対物レンズ２３１と、補正素子２３２と、位置調整機構２５０と、を備える。画像生成装置１００Ｅは、画像生成部１４０Ｅと、検出レンズ３３１と、ピンホール部材３３２と、光検出器３３３と、を更に備える。

対物レンズ２３１は、試料ＳＭＰに向けて第１分波光ＦＤＢを集光し、焦点ＦＰを生成する。第１分波光ＦＤＢの一部は、第１反射光ＦＲＢとして対物レンズ２３１へ伝搬する。第１分波光ＦＤＢの他の一部は、透過光ＴＭＢとして試料ＳＭＰ及びステージ２５１を透過し、検出レンズ３３１へ発散光として伝搬する。

ピンホール部材２２１Ｃと同様に、ピンホール部材３３２には、ピンホール３３４が形成される。ピンホール３３４の大きさは、第４実施形態に関連して説明されたピンホール２２３の大きさと同様の手法によって決定されてもよい。

検出レンズ３３１は、ピンホール３３４へ透過光ＴＭＢを集光する。ピンホール３３４を透過した透過光ＴＭＢは、光検出器３３３に入射する。光検出器３３３は、透過光ＴＭＢの光量に応じた検出信号を生成する。検出信号は、光検出器３３３から画像生成部１４０Ｅへ出力される。本実施形態において、光検出器３３３は、第２信号生成部として例示される。光検出器３３３が生成する検出信号は、第２検出信号として例示される。ピンホール部材３３２は、第２規定部として例示される。ピンホール３３４は、第２透過領域として例示される。検出レンズ３３１は、第２集光部として例示される。透過光ＴＭＢの光量に応じた検出信号を生成する光検出器３３３の信号処理は、第２信号生成工程として例示される。

画像生成部１４０Ｅは、光検出器１３１が出力した検出信号から、実質的に最大の光量を表す信号成分を抽出し、試料ＳＭＰの反射像を試料画像として生成する。加えて、画像生成部１４０Ｅは、光検出器３３３が生成した検出信号を用いて、試料ＳＭＰの透過像を試料画像として生成する。本実施形態の原理は、透過像と反射像とを個別に取得する装置と比べて、短時間で透過像と反射像とを得ることを可能にする。

図１９は、画像生成部１４０Ｅとして例示される画像生成ユニット２８０Ｅの概略的なブロック図である。図１８及び図１９を参照して、画像生成ユニット２８０Ｅが説明される。

第４実施形態と同様に、画像生成ユニット２８０Ｅは、差分演算部２８２を備える。画像生成ユニット２８０Ｅは、第１入力部３４１と、第２入力部３４２と、画像信号生成部２８３Ｅと、出力部２８４Ｅと、を備える。画像信号生成部２８３Ｅは、反射像生成部３４３と、透過像生成部３４４と、合成像生成部３４５と、を備える。

光検出器１３１は、第１入力部３４１に検出信号を出力する。その後、検出信号は、差分演算部２８２によって差分演算処理を施与される。反射像生成部３４３は、差分演算処理後の検出信号から、実質的に最も大きな光量を表す信号成分を抽出し、試料ＳＭＰの反射像を表すデータを生成する。試料ＳＭＰの反射像を表すデータは、出力部２８４Ｅを通じて、ディスプレイ装置といった外部装置（図示せず）に出力される。

光検出器３３３は、第２入力部３４２に検出信号を出力する。その後、検出信号は、透過像生成部３４４に出力される。透過像生成部３４４は、検出信号に応じて、試料ＳＭＰの透過像を表すデータを生成する。試料ＳＭＰの透過像を表すデータは、出力部２８４Ｅを通じて、ディスプレイ装置といった外部装置（図示せず）に出力される。

試料ＳＭＰの反射像を表すデータは、反射像生成部３４３から合成像生成部３４５へも出力される。試料ＳＭＰの透過像を表すデータは、透過像生成部３４４から合成像生成部３４５へも出力される。合成像生成部３４５は、試料ＳＭＰの反射像を表すデータと試料ＳＭＰの透過像を表すデータとを用いて合成像を表すデータを生成する。合成像を表すデータは、出力部２８４Ｅを通じて、ディスプレイ装置といった外部装置（図示せず）に出力される。

図２０は、画像生成工程（図３を参照して説明されたステップＳ１４０）における画像生成ユニット２８０Ｅの動作を表す概略的なフローチャートである。図３、図１８乃至図２０を参照して、画像生成ユニット２８０Ｅの動作が説明される。

（ステップＳ４１０）
図３を参照して説明された信号生成工程（ステップＳ１３０）の後、ステップＳ４１０が実行される。ステップＳ４１０において、画像生成ユニット２８０Ｅは、光検出器１３１、３３３から検出信号を受ける。第１入力部３４１が、光検出器１３１から検出信号を受けるならば、ステップＳ４２０が実行される。第２入力部３４２が、光検出器３３３から検出信号を受けるならば、ステップＳ４５０が実行される。

（ステップＳ４２０）
ステップＳ４２０において、検出信号は、第１入力部３４１から差分演算部２８２へ出力される。差分演算部２８２は、試料ＳＭＰが存在する条件下で出力された検出信号によって表されるデータから試料ＳＭＰの不存在下（又は、試料ＳＭＰの反射率が「０」である条件下）で取得され得るデータを差し引き、差分データを生成する。差分データは、差分演算部２８２から反射像生成部３４３へ出力される。その後、ステップＳ４３０が実行される。

（ステップＳ４３０）
ステップＳ４３０において、反射像生成部３４３は、差分データに応じて、試料ＳＭＰの反射像を表すデータを生成する。その後、ステップＳ４４０が実行される。

（ステップＳ４４０）
ステップＳ４４０において、反射像生成部３４３は、出力部２８４Ｅと合成像生成部３４５に試料ＳＭＰの反射像を表すデータを出力する。その後、ステップＳ４７０が実行される。

（ステップＳ４５０）
ステップＳ４５０において、透過像生成部３４４は、光検出器３３３からの検出信号に応じて、試料ＳＭＰの透過像を表すデータを生成する。その後、ステップＳ４６０が実行される。

（ステップＳ４６０）
ステップＳ４６０において、透過像生成部３４４は、出力部２８４Ｅと合成像生成部３４５に試料ＳＭＰの透過像を表すデータを出力する。その後、ステップＳ４７０が実行される。

（ステップＳ４７０）
ステップＳ４７０において、合成像生成部３４５は、試料ＳＭＰの反射像を表すデータと試料ＳＭＰの透過像を表すデータとを用いて合成像を生成する。その後、ステップＳ４８０が実行される。

（ステップＳ４８０）
ステップＳ４８０において、合成像生成部３４５は、出力部２８４Ｅに反射像と透過像とが合成された合成像を表すデータを出力する。この結果、観察者は、反射像と透過像とが合成された合成像を観察することができる。

本実施形態の原理によれば、試料ＳＭＰの反射像だけでなく透過像も得られる。したがって、観察者は、試料ＳＭＰの内部の情報を多く得ることができる。試料ＳＭＰの反射像は、試料ＳＭＰの内部の屈折率分布に関連づけられる情報を主に含む。一方、試料ＳＭＰの透過像は、試料ＳＭＰの内部の消衰係数分布に関連づけられる情報を主に含む。観察者は、これらの画像を用いて、試料ＳＭＰの内部に関する情報を適切に把握することができる。

試料ＳＭＰの透明度が高いならば、観察者は、一般的に、透過像から多くの情報を取得することができる。しかしながら、試料ＳＭＰが過度に厚い場合や試料ＳＭＰが光吸収率の高い領域（例えば、ニューロン）を包含している場合には、観察者は、透過像から多くの情報を引き出すことができないこともある。これらの場合において、反射像は、透過像が表現することができない多数の情報を包含することが多い。したがって、合成像生成部３４５が、反射像生成部３４３が生成した反射像のデータ及び透過像生成部３４４が生成した透過像のデータを用いて演算処理（足し算及び／又は引き算）を実行するならば、反射像及び透過像が含む情報をともに表現する合成画像が生成され得る。

検出レンズ３３１に代えて、複数のレンズ素子が組み合わされた集光部材が用いられてもよい。集光部材が、対物レンズ２３１及び検出レンズ２２２Ｃの光学的特性と整合するように設計されるならば、検出レンズ３３１と同様に、集光部材は、ピンホール部材３３２に光学的収差等の不要な光成分を除去させ、且つ、光学的分解能を高めて、試料ＳＭＰを透過した光から検出信号を光検出器３３３に生成させることができる。

＜第７実施形態＞
第５実施形態の原理は、第６実施形態の原理に組み合わされてもよい。本実施形態において、波長において互いに異なるレーザ光を用いて、反射像、透過像及びこれらの合成像を生成する画像生成装置が説明される。

図２１は、第７実施形態の画像生成装置１００Ｆの概略図である。図２１を参照して、画像生成装置１００Ｆが説明される。図２１の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図２１の点線の矢印は、信号の伝達を表す。第５実施形態乃至第７実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第５実施形態又は第６実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第５実施形態又は第６実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

第５実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｆは、第１レーザ光源２９１と、第２レーザ光源２９２と、第３レーザ光源２９３と、第１コリメータレンズ２４１と、第２コリメータレンズ２４２と、第３コリメータレンズ２４３と、第１ダイクロイックミラー３１１と、第２ダイクロイックミラー３１２と、集光レンズ３２１と、透明基板３２２と、を備える。第６実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｆは、光検出器１３１、３３３と、変調部１５０Ｃと、分波素子２１１と、ピンホール部材２２１Ｃ、３３２と、検出レンズ２２２Ｃ、３３１と、対物レンズ２３１と、補正素子２３２と、位置調整機構２５０と、を備える。画像生成装置１００Ｆは、画像生成部１４０Ｆを更に備える。

第５実施形態と同様に、第１レーザ光源２９１は、第１レーザ光ＬＢ１を出射する。第２レーザ光源２９２は、第２レーザ光ＬＢ２を出射する。第３レーザ光源２９３は、第３レーザ光ＬＢ３を出射する。第１レーザ光ＬＢ１、第２レーザ光ＬＢ２及び第３レーザ光ＬＢ３は、波長において互いに異なる。第１レーザ光ＬＢ１、第２レーザ光ＬＢ２及び第３レーザ光ＬＢ３は、分波素子２１１に入射する。分波素子２１１は、第１レーザ光ＬＢ１、第２レーザ光ＬＢ２及び第３レーザ光ＬＢ３を第１分波光ＦＤＢと第２分波光ＳＤＢとに分波する。試料ＳＭＰは、第１分波光ＦＤＢの一部を反射し、第１反射光ＦＲＢを生成する。ミラー１５１は、第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを生成する。分波素子２１１は、第１反射光ＦＲＢと第２反射光ＳＲＢとを合波し、合波光ＭＰＢを生成する。合波光ＭＰＢは、ピンホール部材２２１Ｃのピンホール２２３を透過し、光検出器１３１に入射する。光検出器１３１は、合波光ＭＰＢの光量に応じて、検出信号を生成する。光検出器１３１が生成する検出信号は、第１レーザ光ＬＢ１に由来する光量成分を表す信号と、第２レーザ光ＬＢ２に由来する光量成分を表す信号と、第３レーザ光ＬＢ３に由来する光量成分を表す信号と、を含む。これらの信号は、光検出器１３１から画像生成部１４０Ｆへ出力される。

第１分波光ＦＤＢの他の一部は、試料ＳＭＰを透過し、透過光ＴＭＢになる。第６実施形態と同様に、検出レンズ３３１は、透過光ＴＭＢをピンホール部材３３２のピンホール３３４に集光する。透過光ＴＭＢは、その後、光検出器３３３に入射する。光検出器３３３は、透過光ＴＭＢの光量に応じて、検出信号を生成する。光検出器３３３が生成する検出信号は、第１レーザ光ＬＢ１に由来する光量成分を表す信号と、第２レーザ光ＬＢ２に由来する光量成分を表す信号と、第３レーザ光ＬＢ３に由来する光量成分を表す信号と、を含む。これらの信号は、光検出器３３３から画像生成部１４０Ｆへ出力される。

画像生成部１４０Ｆは、光検出器１３１から出力された検出信号に応じて、第１レーザ光ＬＢ１の反射光に由来する試料画像と、第２レーザ光ＬＢ２の反射光に由来する試料画像と、第３レーザ光ＬＢ３の反射光に由来する試料画像と、を生成することができる。画像生成部１４０Ｆは、光検出器３３３から出力された検出信号に応じて、第１レーザ光ＬＢ１の透過光に由来する試料画像と、第２レーザ光ＬＢ２の透過光に由来する試料画像と、第３レーザ光ＬＢ３の透過光に由来する試料画像と、を生成することができる。加えて、画像生成部１４０Ｆは、これらの試料画像を合成し、合成画像を生成してもよい。したがって、観察者は、試料ＳＭＰに関して、様々な情報を取得することができる。

＜第８実施形態＞
第４実施形態乃至第７実施形態の原理は、位相変調に変位可能なミラーを利用する。代替的に、電気光学効果の下で、位相変調が行われてもよい。本実施形態において、電気光学効果を利用し、位相変調を行う画像生成装置が説明される。

図２２は、第８実施形態の画像生成装置１００Ｇの概略図である。図２２を参照して、画像生成装置１００Ｇが説明される。図２２の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図２２の点線の矢印は、電気的な伝達経路を表す。第４実施形態と第８実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第４実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第４実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

第４実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｇは、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ２４０と、光検出器１３１と、画像生成部１４０と、分波素子２１１と、ピンホール部材２２１Ｃと、検出レンズ２２２Ｃと、対物レンズ２３１と、補正素子２３２と、位置調整機構２５０と、を備える。画像生成装置１００Ｇは、変調部１５０Ｇを更に備える。変調部１５０Ｇは、反射膜１５４と、印加部１５５と、結晶素子１５６と、を含む。

結晶素子１５６は、入射端面１５７と、入射端面１５７とは反対側の反対面１５８と、を含む。反射膜１５４は、反対面１５８を覆う。入射端面１５７に第２分波光ＳＤＢが入射する。第２分波光ＳＤＢは、その後、結晶素子１５６内を伝搬する。反射膜１５４は、第２分波光ＳＤＢを反射し、第２反射光ＳＲＢを生成する。

結晶素子１５６は、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３やＰＬＺＴといった透明な電気光学結晶であってもよい。結晶素子１５６は、Ｙ軸方向において約１ｃｍの長さであってもよい。結晶素子１５６は、Ｚ軸方向において約２ｍｍの厚さであってもよい。

結晶素子１５６内において、例えば、Ｙ方向に電界が生ずるように、印加部１５５が、結晶素子１５６に電圧を印加すると、結晶素子１５６は、電気光学効果の下で、屈折率を変化させる。第４実施形態乃至第７実施形態の機械的な位相変調技術とは異なり、本実施形態は、電気光学的効果の下で位相を変調する。機械的な動作部位が少なくなるので、画像生成装置１００Ｇは、長い寿命を有することができる。加えて、画像生成装置１００Ｇは、構造的な安定性と高速の応答性能を有することができる。本実施形態において、変調部１５０Ｇは、反射機構として例示される。

第４実施形態と同様に、合波光ＭＰＢの光量が１周期に亘って変化する範囲内で、屈折率は変化されればよい。したがって、印加部１５５は、過度に高い電圧を結晶素子１５６に印加しなくともよい。或いは、結晶素子１５６は、Ｙ方向に過度に長くなくともよい。結晶素子１５６として、ＬｉＮｂＯ_３が用いられ、且つ、印加部１５５が４００Ｖの電圧を結晶素子１５６に印加するならば、２π（ｒａｄ）の位相変調が引き起こされる。

＜第９実施形態＞
第６実施形態の原理は、第８実施形態の原理に組み合わされてもよい。本実施形態において、波長において互いに異なるレーザ光を用いて、反射像、透過像及びこれらの合成像を生成する画像生成装置が説明される。

図２３は、第９実施形態の画像生成装置１００Ｈの概略図である。図２３を参照して、画像生成装置１００Ｈが説明される。図２３の実線の矢印は、光の伝搬を表す。図２３の点線の矢印は、電気的な伝達経路を表す。第６実施形態、第８実施形態及び第９実施形態との間で共通して用いられる符号は、当該共通の符号が付された要素が、第６実施形態又は第８実施形態と同一の機能を有することを意味する。したがって、第６実施形態又は第８実施形態の説明は、これらの要素に援用される。

第６実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｈは、レーザ光源１１１と、コリメータレンズ２４０と、光検出器１３１と、分波素子２１１と、ピンホール部材２２１Ｃと、検出レンズ２２２Ｃと、対物レンズ２３１と、補正素子２３２と、位置調整機構２５０と、画像生成部１４０Ｅと、検出レンズ３３１と、ピンホール部材３３２と、光検出器３３３と、を備える。第８実施形態と同様に、画像生成装置１００Ｈは、変調部１５０Ｇを更に備える。

対物レンズ２３１は、試料ＳＭＰに向けて第１分波光ＦＤＢを集光し、焦点ＦＰを生成する。第１分波光ＦＤＢの一部は、第１反射光ＦＲＢとして対物レンズ２３１へ伝搬する。第１分波光ＦＤＢの他の一部は、透過光ＴＭＢとして試料ＳＭＰ及びステージ２５１を透過し、検出レンズ３３１へ発散光として伝搬する。

検出レンズ３３１は、ピンホール３３４へ透過光ＴＭＢを集光する。ピンホール３３４を透過した透過光ＴＭＢは、光検出器３３３に入射する。光検出器３３３は、透過光ＴＭＢの光量に応じた検出信号を生成する。検出信号は、光検出器３３３から画像生成部１４０Ｅへ出力される。

画像生成部１４０Ｅは、光検出器１３１が出力した検出信号から、実質的に最大の光量を表す信号成分を抽出し、試料ＳＭＰの反射像を試料画像として生成する。加えて、画像生成部１４０Ｅは、光検出器３３３が生成した検出信号を用いて、試料ＳＭＰの透過像を試料画像として生成する。本実施形態の原理は、透過像と反射像とを個別に取得する装置と比べて、短時間で透過像と反射像とを得ることを可能にする。

第６実施形態の原理に従って、画像生成部１４０Ｅは、透過像と反射像とが合成された合成画像を生成してもよい。

本実施形態の原理によれば、試料ＳＭＰの反射像だけでなく透過像も得られる。したがって、観察者は、試料ＳＭＰの内部の情報を多く得ることができる。試料ＳＭＰの反射像は、試料ＳＭＰの内部の屈折率分布に関連づけられる情報を主に含む。一方、試料ＳＭＰの透過像は、試料ＳＭＰの内部の消衰係数分布に関連づけられる情報を主に含む。観察者は、これらの画像を用いて、試料ＳＭＰの内部に関する情報を適切に把握することができる。

試料ＳＭＰの透明度が高いならば、観察者は、一般的に、透過像から多くの情報を取得することができる。しかしながら、試料ＳＭＰが過度に厚い場合や試料ＳＭＰが光吸収率の高い領域（例えば、ニューロン）を包含している場合には、観察者は、透過像から多くの情報を引き出すことができないこともある。これらの場合において、反射像は、透過像が表現することができない多数の情報を包含することが多い。したがって、反射像のデータ及び透過像のデータを用いて演算処理（足し算及び／又は引き算）が実行されるならば、反射像及び透過像が含む情報をともに表現する合成画像が生成され得る。

検出レンズ３３１に代えて、複数のレンズ素子が組み合わされた集光部材が用いられてもよい。集光部材が、対物レンズ２３１及び検出レンズ２２２Ｃの光学的特性と整合するように設計されるならば、検出レンズ３３１と同様に、集光部材は、ピンホール部材３３２に不要な光成分を除去させ、且つ、光学的分解能を高めて、試料ＳＭＰを透過した光から検出信号を光検出器３３３に生成させることができる。

上述の様々な実施形態の原理は、適切に組み合わされてもよい。当業者は、上述の様々な実施形態の開示に基づいて、様々な画像生成技術を構築可能である。本発明者等が案出した技術的概念は、上記開示によって包含される様々な技術を含むので、本出願に係る技術的思想は、上述の実施形態の特定の構造、部品や配置に何ら限定されない。例えば、上述の実施形態で用いられた対物レンズ、コリメータレンズや検出レンズといった用語は、説明の明瞭化を目的として用いられている。本出願に係る技術的思想は、対物レンズ、コリメータレンズや検出レンズに代用可能なレンズ素子の利用も包括する。上述の実施形態において、透明性の高い試料として、生体細胞が例示されている。しかしながら、本出願に係る技術的思想は、透明性の高い他の試料又は反射率の低い他の試料にも適用可能である。したがって、本出願に係る技術的思想は、画像生成技術の目的によって何ら限定されない。

上述の様々な実施形態に関連して説明された例示的な画像生成技術は、以下の特徴を主に備える。

上述の実施形態の一局面に係る画像生成装置は、試料を表す試料画像を生成する。画像生成装置は、レーザ光を出射するレーザ光源部と、前記レーザ光を、前記試料からの反射によって生成された反射光及び前記レーザ光の位相を変調することによって生成された参照光が合波された合波光へ変換する変換部と、前記合波光の光量に応じた第１検出信号を生成する第１信号生成部と、前記試料画像を生成する画像生成部と、前記位相を変調し、前記合波光の前記光量の周期的な変化を生じさせる変調部と、を備える。前記第１検出信号は、前記周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を含む。前記画像生成部は、前記信号成分を用いて前記試料画像を生成する。

上記構成によれば、画像生成部が、周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を用いて試料画像を生成するので、観察者は、レーザ光のパワーを過度に高くすることなしに明るい試料画像を観察することができる。

上記構成において、前記変換部は、前記レーザ光を、前記反射光の生成に利用される第１分波光と前記参照光の生成に利用される第２分波光とに分波する分波部と、前記第１分波光を前記試料へ集光する対物レンズと、を含んでもよい。前記試料は、平均屈折率ｎを有してもよい。前記合波光は、波長λを有してもよい。前記対物レンズは、開口数ＮＡを有してもよい。前記開口数ＮＡは、ＮＡ＞（０．１８６１１１ｎλ−０．００８６５９３４λ^２）^０．５で表される関係を満たしてもよい。

上記構成によれば、開口数ＮＡは、ＮＡ＞（０．１８６１１１ｎλ−０．００８６５９３４λ^２）^０．５で表される関係を満たすので、第１分波光の光路に沿う方向における高い分解能が達成される。

上記構成において、前記変調部は、前記第２分波光を反射し、前記参照光を生成する反射部と、前記反射部を前記第２分波光の光路に沿って変位させ、前記周期的な変化を引き起こす変位機構と、を含んでもよい。

上記構成によれば、変位機構は、反射部を第２分波光の光路に沿って変位させるので、第２分波光の光路長は適切に調整される。したがって、反射部の変位の間、合波光の光量は、周期的に変化することとなる。

上記構成において、前記合波光の前記光量が、１周期に亘って変化する区間内で、前記変位機構は、前記反射部を変位させてもよい。

上記構成によれば、反射部の変位長は、合波光の光量が１周期に亘って変化する区間長に相当するので、変位機構は、反射部を過度に長い距離に亘って変位させなくともよい。したがって、画像生成装置は、試料画像を効率的に生成することができる。

上記構成において、前記変調部は、電気光学効果の下で変化する屈折率を有し、且つ、前記第２分波光を反射することにより前記参照光を生成する反射機構を含んでもよい。前記反射機構は、前記屈折率を変化させ、前記周期的な変化を引き起こしてもよい。

上記構成によれば、反射機構は、電気光学効果を利用して屈折率を変化させるので、反射機構は、機械的な運動なしで、第２分波光の位相を適切に変化させることができる。したがって、反射機構が屈折率を変化させている間、合波光の光量は、周期的に変化することとなる。

上記構成において、前記光量が、１周期に亘って変化する範囲内で、前記反射機構は、前記屈折率を変化させてもよい。

上記構成によれば、反射機構は、合波光の光量が、１周期に亘って変化する範囲内で、屈折率を変化させるので、反射機構は、低い電気エネルギの消費の下で、第２分波光の位相を変化させることができる。したがって、画像生成装置は、試料画像を効率的に生成することができる。

上記構成において、前記変換部は、前記試料と、前記対物レンズが生成した焦点と、の間の相対的な位置関係を前記第１分波光の光路に沿う方向に調整する位置調整部を含んでもよい。

上記構成によれば、位置調整部は、試料と、対物レンズが生成した焦点と、の間の相対的な位置関係を第１分波光の光路に沿う方向に調整するので、観察者は、所望の深さ位置における試料の画像を観察することができる。

上記構成において、前記変換部は、前記第１分波光の球面収差を補正する第１補正部を含んでもよい。前記第１補正部は、前記位置関係に応じて、前記球面収差を補正してもよい。

上記構成によれば、第１補正部は、試料と焦点との位置関係に応じて、球面収差を補正するので、試料の観察に適した焦点が形成される。

上記構成において、前記変換部は、前記第２分波光を前記変調部へ集光する集光素子を含んでもよい。

上記構成によれば、集光素子は、第２分波光を変調部へ集光するので、変調部の傾きは、参照光の生成に影響しにくくなる。

上記構成において、前記変換部は、前記集光素子と前記変調部との間で収差を補正する第２補正部を含んでもよい。

上記構成によれば、第２補正部は、集光素子と変換部との間で収差を補正するので、合波光の波面は、試料画像の生成に適したものとなる。

上記構成において、前記分波部は、前記反射光と前記参照光とを合波し、前記合波光を生成してもよい。前記変換部は、前記合波光が透過する第１透過領域を規定する第１規定部と、前記第１透過領域に前記合波光を集光する第１集光部と、を含んでもよい。前記第１検出信号は、前記第１透過領域を通過した前記合波光の前記光量を表してもよい。

上記構成によれば、第１規定部は、合波光が透過する第１透過領域を規定するので、第１信号生成部は、試料画像の生成に適した合波光の成分を選択的に受けることができる。

上記構成において、前記合波光は、０次干渉光と、前記０次干渉光よりも高次の高次干渉光を含んでもよい。前記第１信号生成部が前記信号成分を生成している間、前記第１透過領域を透過する前記０次干渉光の光量は、前記高次干渉光の光量よりも大きくてもよい。

上記構成によれば、第１信号生成部は、試料画像の生成に適した合波光の０次干渉光を選択的に受けることができる。

上記構成において、前記対物レンズは、焦点距離ｆを有してもよい。前記第１透過領域は、穴径ｄを有するピンホールであってもよい。前記第１集光部は、焦点距離ｆ１を有するレンズ部材であってもよい。前記穴径ｄは、数１２で満たされる関係を満たしてもよい。

上記構成によれば、上記の数式で表される関係が満たされるので、高い干渉性を有する合波光が生成される。

上記構成において、画像生成装置は、前記試料を透過した透過光の光量に応じた第２検出信号を生成する第２信号生成部を更に備えてもよい。前記画像生成部は、前記信号成分を用いて、前記試料の反射像を前記試料画像として生成し、且つ、前記第２検出信号を用いて、前記試料の透過像を前記試料画像として生成してもよい。

上記構成によれば、観察者は、試料の反射像だけでなく、試料の透過像をも観察することができる。

上記構成において、前記画像生成部は、前記信号成分と前記第２検出信号とを用いて、前記反射像及び前記透過像が合成された合成画像として前記試料画像を生成してもよい。

上記構成によれば、観察者は、反射像及び透過像が合成された合成画像を観察することができる。

上記構成において、画像生成装置は、前記透過光が透過する第２透過領域を規定する第２規定部と、前記第２透過領域に前記透過光を集光する第２集光部と、を更に備えてもよい。前記第２検出信号は、前記第２透過領域を透過した前記透過光の前記光量を表してもよい。

上記構成によれば、第２規定部は、透過光が透過する第１透過領域を規定するので、第２信号生成部は、透過像の生成に適した透過光の成分を選択的に受けることができる。

上記構成において、前記レーザ光源部は、前記レーザ光として第１レーザ光を出射する第１レーザ光源と、前記レーザ光として、前記第１レーザ光とは波長において異なる第２レーザ光を出射する第２レーザ光源と、を含んでもよい。前記第１検出信号は、前記第１レーザ光に対応する第１信号と、前記第２レーザ光に対応する第２信号と、を含んでもよい。前記画像生成部は、前記第１信号と前記第２信号とから前記試料画像を複数生成してもよい。

上記構成によれば、第２レーザ光は、第１レーザ光とは波長において相違するので、第２レーザ光の色相は、第１レーザ光の色相と相違する。したがって、試料画像は、複数種の色相を用いて、試料を表現することができる。

上記構成において、前記レーザ光源部は、前記レーザ光として、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源と、前記レーザ光として、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源と、前記レーザ光として、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含んでもよい。前記第１検出信号は、前記赤色レーザ光に対応する赤色信号と、前記緑色レーザ光に対応する緑色信号と、前記青色レーザ光に対応する青色信号と、を含んでもよい。前記画像生成部は、前記赤色信号、前記緑色信号及び前記青色信号から前記試料画像を複数生成してもよい。

上記構成によれば、試料画像は、赤、緑及び青の色相を用いて、試料を表現することができる。

上記構成において、前記赤色レーザ光は、波長λ１を有してもよい。前記緑色レーザ光は、波長λ２を有してもよい。前記青色レーザ光は、波長λ３を有してもよい。前記波長λ１は、０．６０μｍ≦λ１≦０．６４μｍで表される関係を満たしてもよい。前記波長λ２は、０．５０μｍ≦λ２≦０．５４μｍで表される関係を満たしてもよい。前記波長λ３は、０．４４μｍ≦λ３≦０．４８μｍで表される関係を満たしてもよい。

上記構成によれば、試料画像は、赤、緑及び青の色相を用いて、試料を表現することができる。

上述の実施形態の他の局面に係る画像生成方法は、試料を表す試料画像を生成するために利用可能である。画像生成方法は、レーザ光を出射する出射工程と、前記レーザ光を、前記試料からの反射によって生成された反射光及び前記レーザ光の位相を変調することによって生成された参照光が合波された合波光へ変換する変換工程と、前記合波光の光量に応じた第１検出信号を生成する第１信号生成工程と、前記試料画像を生成する画像生成工程と、を備える。前記変換工程は、前記位相を変調し、前記光量の周期的な変化を生じさせる段階を含む。前記第１信号生成工程は、前記周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を生成する段階を含む。前記画像生成工程は、前記信号成分を用いて前記試料画像を生成する段階を含む。

上記構成によれば、試料画像は、周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を用いて生成されるので、観察者は、レーザ光のパワーを過度に高くすることなしに明るい試料画像を観察することができる。

上記構成において、前記変換工程は、前記レーザ光を、前記反射光の生成に利用される第１分波光と、前記参照光の生成に利用される第２分波光と、に分波する段階と、前記第１分波光を、前記試料に向けて集光し、焦点を作り出す段階と、前記試料と前記焦点の位置関係を、前記第１分波光の光路の方向に調整する段階と、前記第１分波光の球面収差を前記位置関係に応じて補正する段階と、を含んでもよい。

上記構成によれば、球面収差は、試料と焦点との位置関係に応じて補正されるので、試料の観察に適した焦点が形成される。

上記構成において、画像生成方法は、前記試料を透過した前記第１分波光の光量に応じた第２検出信号を生成する第２信号生成工程を更に備えてもよい。前記画像生成工程は、前記信号成分と前記第２検出信号とを用いて前記試料画像を生成する段階を含んでもよい。

上記構成によれば、観察者は、試料からの反射光及び試料を透過した透過光によって表現される試料画像を観察することができる。

上記構成において、前記画像生成工程は、前記試料の不存在下での前記信号成分と、前記試料の存在下での前記信号成分と、の間の差に基づいて、前記試料画像を生成してもよい。

上記構成によれば、試料画像は高いコントラストを有することになる。

上述の様々な実施形態の原理は、高い光学的分解能の下で表現された試料画像が必要とされる技術分野や明るい反射像が必要とされる技術分野に適用することができる。

Claims (23)

1. 試料を表す試料画像を生成する画像生成装置であって、
   レーザ光を出射するレーザ光源部と、
   前記レーザ光を、前記試料からの反射によって生成された反射光及び前記レーザ光の位相を変調することによって生成された参照光が合波された合波光へ変換する変換部と、
   前記合波光の光量に応じた第１検出信号を生成する第１信号生成部と、
   前記試料画像を生成する画像生成部と、
   前記位相を変調し、前記合波光の前記光量の周期的な変化を生じさせる変調部と、を備え、
   前記第１検出信号は、前記周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を含み、
   前記画像生成部は、前記信号成分を用いて前記試料画像を生成することを特徴とする画像生成装置。
2. 前記変換部は、前記レーザ光を、前記反射光の生成に利用される第１分波光と前記参照光の生成に利用される第２分波光とに分波する分波部と、前記第１分波光を前記試料へ集光する対物レンズと、を含み、
   前記試料は、平均屈折率ｎを有し、
   前記合波光は、波長λを有し、
   前記対物レンズは、開口数ＮＡを有し、
   前記開口数ＮＡは、ＮＡ＞（０．１８６１１１ｎλ−０．００８６５９３４λ^２）^０．５で表される関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の画像生成装置。
3. 前記変調部は、前記第２分波光を反射し、前記参照光を生成する反射部と、前記反射部を前記第２分波光の光路に沿って変位させ、前記周期的な変化を引き起こす変位機構と、を含むことを特徴とする請求項２に記載の画像生成装置。
4. 前記合波光の前記光量が、１周期に亘って変化する区間内で、前記変位機構は、前記反射部を変位させることを特徴とする請求項３に記載の画像生成装置。
5. 前記変調部は、電気光学効果の下で変化する屈折率を有し、且つ、前記第２分波光を反射することにより前記参照光を生成する反射機構を含み、
   前記反射機構は、前記屈折率を変化させ、前記周期的な変化を引き起こすことを特徴とする請求項２に記載の画像生成装置。
6. 前記光量が、１周期に亘って変化する範囲内で、前記反射機構は、前記屈折率を変化させることを特徴とする請求項５に記載の画像生成装置。
7. 前記変換部は、前記試料と、前記対物レンズが生成した焦点と、の間の相対的な位置関係を前記第１分波光の光路に沿う方向に調整する位置調整部を含むことを特徴とする請求項２乃至６のいずれか１項に記載の画像生成装置。
8. 前記変換部は、前記第１分波光の球面収差を補正する第１補正部を含み、
   前記第１補正部は、前記位置関係に応じて、前記球面収差を補正することを特徴とする請求項７に記載の画像生成装置。
9. 前記変換部は、前記第２分波光を前記変調部へ集光する集光素子を含むことを特徴とする請求項２乃至８のいずれか１項に記載の画像生成装置。
10. 前記変換部は、前記集光素子と前記変調部との間で収差を補正する第２補正部を含むことを特徴とする請求項９に記載の画像生成装置。
11. 前記分波部は、前記反射光と前記参照光とを合波し、前記合波光を生成し、
    前記変換部は、前記合波光が透過する第１透過領域を規定する第１規定部と、前記第１透過領域に前記合波光を集光する第１集光部と、を含み、
    前記第１検出信号は、前記第１透過領域を通過した前記合波光の前記光量を表すことを特徴とする請求項２乃至１０のいずれか１項に記載の画像生成装置。
12. 前記合波光は、０次干渉光と、前記０次干渉光よりも高次の高次干渉光を含み、
    前記第１信号生成部が前記信号成分を生成している間、前記第１透過領域を透過する前記０次干渉光の光量は、前記高次干渉光の光量よりも大きいことを特徴とする請求項１１に記載の画像生成装置。
13. 前記対物レンズは、焦点距離ｆを有し、
    前記第１透過領域は、穴径ｄを有するピンホールであり、
    前記第１集光部は、焦点距離ｆ１を有するレンズ部材であり、
    前記穴径ｄは、数１で満たされる関係を満たすことを特徴とする請求項１１又は１２に記載の画像生成装置。
    

    
14. 前記試料を透過した透過光の光量に応じた第２検出信号を生成する第２信号生成部を更に備え、
    前記画像生成部は、前記信号成分を用いて、前記試料の反射像を前記試料画像として生成し、且つ、前記第２検出信号を用いて、前記試料の透過像を前記試料画像として生成することを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の画像生成装置。
15. 前記画像生成部は、前記信号成分と前記第２検出信号とを用いて、前記反射像及び前記透過像が合成された合成画像を前記試料画像として生成することを特徴とする請求項１４に記載の画像生成装置。
16. 前記透過光が透過する第２透過領域を規定する第２規定部と、
    前記第２透過領域に前記透過光を集光する第２集光部と、を更に備え、
    前記第２検出信号は、前記第２透過領域を透過した前記透過光の前記光量を表すことを特徴とする請求項１４又は１５に記載の画像生成装置。
17. 前記レーザ光源部は、前記レーザ光として第１レーザ光を出射する第１レーザ光源と、前記レーザ光として、前記第１レーザ光とは波長において異なる第２レーザ光を出射する第２レーザ光源と、を含み、
    前記第１検出信号は、前記第１レーザ光に対応する第１信号と、前記第２レーザ光に対応する第２信号と、を含み、
    前記画像生成部は、前記第１信号と前記第２信号とから前記試料画像を複数生成することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の画像生成装置。
18. 前記レーザ光源部は、前記レーザ光として、赤色レーザ光を出射する赤色レーザ光源と、前記レーザ光として、緑色レーザ光を出射する緑色レーザ光源と、前記レーザ光として、青色レーザ光を出射する青色レーザ光源と、を含み、
    前記第１検出信号は、前記赤色レーザ光に対応する赤色信号と、前記緑色レーザ光に対応する緑色信号と、前記青色レーザ光に対応する青色信号と、を含み、
    前記画像生成部は、前記赤色信号、前記緑色信号及び前記青色信号から前記試料画像を複数生成することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の画像生成装置。
19. 前記赤色レーザ光は、波長λ１を有し、
    前記緑色レーザ光は、波長λ２を有し、
    前記青色レーザ光は、波長λ３を有し、
    前記波長λ１は、０．６０μｍ≦λ１≦０．６４μｍで表される関係を満たし、
    前記波長λ２は、０．５０μｍ≦λ２≦０．５４μｍで表される関係を満たし、
    前記波長λ３は、０．４４μｍ≦λ３≦０．４８μｍで表される関係を満たすことを特徴とする請求項１８に記載の画像生成装置。
20. 試料を表す試料画像を生成するための画像生成方法であって、
    レーザ光を出射する出射工程と、
    前記レーザ光を、前記試料からの反射によって生成された反射光及び前記レーザ光の位相を変調することによって生成された参照光が合波された合波光へ変換する変換工程と、
    前記合波光の光量に応じた第１検出信号を生成する第１信号生成工程と、
    前記試料画像を生成する画像生成工程と、を備え、
    前記変換工程は、前記位相を変調し、前記光量の周期的な変化を生じさせる段階を含み、
    前記第１信号生成工程は、前記周期的な変化が増加から減少へ転ずることを表す信号成分を生成する段階を含み、
    前記画像生成工程は、前記信号成分を用いて前記試料画像を生成する段階を含むことを特徴とする方法。
21. 前記変換工程は、前記レーザ光を、前記反射光の生成に利用される第１分波光と、前記参照光の生成に利用される第２分波光と、に分波する段階と、前記第１分波光を、前記試料に向けて集光し、焦点を作り出す段階と、前記試料と前記焦点の位置関係を、前記第１分波光の光路の方向に調整する段階と、前記第１分波光の球面収差を前記位置関係に応じて補正する段階と、を含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
22. 前記試料を透過した前記第１分波光の光量に応じた第２検出信号を生成する第２信号生成工程を更に備え、
    前記画像生成工程は、前記信号成分と前記第２検出信号とを用いて前記試料画像を生成する段階を含むことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
23. 前記画像生成工程は、前記試料の不存在下での前記信号成分と、前記試料の存在下での前記信号成分と、の間の差に基づいて、前記試料画像を生成することを特徴とする請求項２０乃至２２のいずれか１項に記載の方法。

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