JPWO2020161826A1 - 撮像装置 - Google Patents

Abstract

簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる撮像装置を提供する。
撮像装置１は、信号取得部２と、回転部３と、を備え、信号取得部２は、光源７を有し、試料８に光を照射する照明部４と、二次元配列された複数の受光部を有する光検出器６と、照明部４から試料８に照射され、試料８を通過した光を光検出器６に導く検出光学系５と、を有し、回転部３は、試料中で検出光学系５の光軸ＡＸと交差する第１の軸Ｙを中心として、試料８と信号取得部２とを相対的に回転させ、照明部４は、光軸ＡＸ及び第１の軸Ｙを含む平面内において、試料８に対して２つ以上の入射角で光を照射する。

Description

本発明は、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる撮像装置に関する。

試料の空間周波数情報を取得することができる撮像装置が、非特許文献１に開示されている。

非特許文献１では、撮像装置は、光源と、顕微鏡対物レンズと、結像レンズと、撮像素子と、を有する。この装置では、直交する２つの軸を回転軸として、被写体を回転させている。２つの回転軸は、顕微鏡対物レンズの光軸と直交する面内に位置している。

２つの軸で試料を回転させることで、試料の空間周波数情報を取得することができる。空間周波数情報の取得については、後で詳細に説明する。

Mor Habaza ET AL， "Rapid 3D Refractive-Index Imaging of Live Cells in Suspension without Labeling Using Dielectrophoretic Cell Rotation", Adv. Sci. 2017, 4, 1600205

非特許文献１では、２つの軸で試料を回転させている。そのため、装置が複雑化し、情報の取得にも時間もかかる。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる撮像装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る撮像装置は、
信号取得部と、回転部と、を備え、
信号取得部は、光源を有し、試料に光を照射する照明部と、二次元配列された複数の受光部を有する光検出器と、照明部から試料に照射され、試料を通過した光を光検出器に導く検出光学系と、を有し、
回転部は、試料中で検出光学系の光軸と交差する第１の軸を中心として、試料と信号取得部とを相対的に回転させ、
照明部は、光軸及び第１の軸を含む平面内において、試料に対して２つ以上の入射角で光を照射することを特徴とする。

本発明によれば、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる撮像装置を提供することができる。

本実施形態の撮像装置を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 試料の例と散乱ポテンシャルの例を示す図である。 測定光の向きとエワルト球の球殻の位置の関係を示す図である。 第１の方法によるエワルト球の球殻の動きを示す図である。 欠損領域を示す図である。 第２の方法によるエワルト球の球殻の動きを示す図である。 測定光の向きとエワルト球の球殻の位置の関係を示す図である。 試料に入射する測定光の様子を示す図である。 欠損領域を示す図である。 欠損領域を示す図である。 欠損領域を示す図である。 欠損領域の大きさの比を示す図である。 本実施形態の撮像装置の照明部を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 本実施形態の撮像装置の照明部を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 本実施形態の撮像装置を示す図である。 散乱ポテンシャルの取得範囲を示す画像を示す図である。 試料の画像を示す図である。 扁平な試料と散乱ポテンシャルの分布を示す図である。 立体的な試料と散乱ポテンシャルの分布を示す図である。

実施例の説明に先立ち、本発明のある態様にかかる実施形態の作用効果を説明する。なお、本実施形態の作用効果を具体的に説明するに際しては、具体的な例を示して説明することになる。しかし、後述する実施例の場合と同様に、それらの例示される態様はあくまでも本発明に含まれる態様のうちの一部に過ぎず、その態様には数多くのバリエーションが存在する。したがって、本発明は例示される態様に限定されるものではない。

本実施形態の撮像装置は、信号取得部と、回転部と、を備え、信号取得部は、光源を有し、試料に光を照射する照明部と、二次元配列された複数の受光部を有する光検出器と、照明部から試料に照射され、試料を通過した光を光検出器に導く検出光学系と、を有し、回転部は、試料中で検出光学系の光軸と交差する第１の軸を中心として、試料と信号取得部とを相対的に回転させ、照明部は、光軸及び第１の軸を含む平面内において、試料に対して２つ以上の入射角で光を照射することを特徴とする。

本実施形態の撮像装置を図１に示す。本実施形態の撮像装置の説明では、図１を含む複数の図が用いられている。各図では、光線の様子は定性的に描かれているため、光線の屈折や光線の反射の様子は、必ずしも正確に描かれているものではない。また、光軸ＡＸは、ＸＹＺ座標におけるＺ軸に相当する。

撮像装置１は、信号取得部２と、回転部３とを有する。信号取得部２は、照明部４と、検出光学系５と、光検出器６と、を有する。回転部３については、後述する。

照明部４は光源７を有し、試料８に光を照射する。光源７には、単色光を発生する光源、または、準単色光を発生する光源を用いることができる。照明部４は、ミラー９を有する。ミラー９については、後述する。

単色光を発生する光源は、例えば、レーザーである。準単色光を発生する光源は、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。白色光源と狭帯域フィルタとの組み合わせによって、準単色光を発生させることができる。

照明部４から試料８に光が照射される。検出光学系５は、試料８を通過した光を光検出器６に導く。

光検出器６は、二次元配列された複数の受光部を有する。光検出器６には、ＣＣＤイメージセンサ、または、ＣＭＯＳイメージセンサを用いれば良い。光源７から射出される光の波長に応じて、ＳｉセンサーやＩｎＧａＡｓセンサーを光検出器６として用いることができる。

光源７から、平行な光、または略平行な光（以下、「平行光」という）が射出される。平行光は、ミラー９に入射し、ミラー９で試料８に向かって反射される。ミラー９で反射された平行光は、試料８に照射される。その結果、試料８は、平行光で照明される。

試料８をから射出した光は、検出光学系５に入射する。検出光学系５から射出された光は、光検出器６に入射する。

撮像装置１では、光源７から光検出器６までの間に、光路が形成されている。光路の数が２つだと、干渉縞から直接的に位相情報を得ることができる。しかしながら、撮像装置１では、光路の数が１つしかないため、干渉縞から直接的に位相情報を得ることができない。

そのため、撮像装置１では、波面の振幅データを測定する。測定する波面は、光検出器６の検出面での波面である。波面の振幅データの測定では、複数の波長での測定、あるいは照明角度の変更による測定などを行えば良い。照明角度の変更による測定では、照明角度を、微小な角度で変化させる。これらの測定方法を用いることで、検出面での波面の位相推定に必要なデータセットを測定できる。

そのため、撮像装置１では、参照光路が不要となるため、光学系をより簡易に構成できる。

本実施形態の撮像装置を図２に示す。図１と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置１０は、信号取得部１１と、回転部１２とを有する。信号取得部１１は、照明部１３と、検出光学系５と、光検出器６と、を有する。回転部１２については、後述する。

照明部１３は、光カプラ１４と、光スイッチ１５と、レンズ１６と、ミラー１７と、を有する。光スイッチ１５ついては、後述する。

光源７から射出された光は、光学系（不図示）を介して、光カプラ１４に入射する。光カプラ１４に入射した光は、光カプラ１４で２つの光に分けられる。２つの光は、各々、光ファイバー１４ａと光ファイバー１４ｂから射出される。

光ファイバー１４ａから射出された光は、光スイッチ１５を介して、レンズ１６に入射する。レンズ１６から、平行光が射出される。平行光は、ミラー１７に入射し、ミラー１７で試料８に向かって反射される。ミラー１７で反射された平行光は、試料８に照射される。その結果、試料８は、平行光で照明される。

光ファイバー１４ｂの出射端は、光検出器６の近傍に位置している。光ファイバー１４ｂから射出された光は、光学系（不図示）で平行光に変換された後、光検出器６に入射する。

撮像装置１０でも、光源７から光検出器６までの間に、光路が形成されている。ただし、撮像装置１と異なり、撮像装置１０は２つの光路を有する。よって、撮像装置１０では、干渉縞から直接位相情報を得ることができる。

光ファイバー１４ｂの出射端からは、光源７から射出された光が射出される。すなわち、光ファイバー１４ｂから射出される光は、試料８を通過していない。撮像装置１０では、光ファイバー１４ｂによって、参照光路が形成されている。

光検出器６で検出した干渉縞から、波面の再構成が可能なデータセットを測定することができる。データセットの測定には、位相シフト法、あるいはフーリエ縞解析法を用いれば良い。

干渉縞を用いる場合について説明する。以下の説明では、照明光を測定光と称する。上述のように、干渉縞は光検出器６で検出できる。

干渉縞を解析することで、散乱ポテンシャルを取得できる。散乱ポテンシャルから、例えば、屈折率が求められる。

散乱ポテンシャルの取得について説明する。試料が配置されている空間（以下、「実空間」という）は、距離を単位とする空間である。測定光は、実空間における物理量である。測定光には、散乱光が含まれている。よって、散乱光も実空間における物理量である。

実空間は、フーリエ変換によって、周波数を単位とする空間（以下、「周波数空間」という）に変換される。干渉縞は、周波数空間における情報を表していると見なせる。干渉縞には、実空間における物理量の情報、例えば、散乱光の情報が含まれている。実空間における散乱光は、周波数空間においてエワルト球の球殻と交差する散乱ポテンシャルで表される。

試料の例と散乱ポテンシャルの例を図３に示す。図３（ａ）は試料を示す図、図３（ｂ）は散乱ポテンシャルを示す図である。

試料２０は、無色透明な球２１を有する。球２１の直径は、例えば、直径が１０μｍで、球２１の屈折率は１．３６４である。球２１の周囲は、無色透明な液体で満たされている。液体の屈折率は、例えば、１．３３４である。６個の球２１は一列に並んでいる。

試料２０の屈折率分布から実空間における散乱ポテンシャルが得られる。この散乱ポテンシャルをフーリエ変換すると、周波数空間における散乱ポテンシャルが得られる。試料２０の物理的情報、例えば、位置、大きさ、屈折率は、全て数値で表すことができる。よって、散乱ポテンシャルは、シミュレーションで得られる。図３（ｂ）に示す散乱ポテンシャルは、シミュレーションによる結果を示している。

周波数空間におけるｆｙ方向は、実空間におけるｙ方向に対応している。周波数空間におけるｆｚ方向は、実空間におけるｚ方向に対応している。図３（ｂ）に示すように、周波数空間における散乱ポテンシャルは、ｆｙ方向とｆｚ方向に分布している。

上述のように、試料２０では散乱光が生じる。散乱光が発生する方向とその振幅は、試料２０に対する測定光の照射角度に依存する。そのため、測定光の照射角度が決まると、各方向に対して特定の振幅の散乱光のみが光検出器６に入射する。すなわち、検出できる散乱光が限られる。

周波数空間における散乱ポテンシャルは、実空間における散乱光に対応している。検出できる散乱光が限られる場合、取得できる散乱ポテンシャルも限られる。図３（ｂ）では、散乱ポテンシャルは、ｆｙ方向とｆｚ方向に分布している。しかしながら、取得できる散乱ポテンシャルは、この一部になる。

取得できる散乱ポテンシャルは、測定光の照射角度に依存する。測定光の照射角度は、周波数空間では、エワルト球の球殻の中心と原点を結ぶ方向で表される。

測定光の向きとエワルト球の球殻の位置の関係を図４に示す。図４（ａ）は測定光の向きを示す図、図４（ｂ）はエワルト球の球殻の位置を示す図である。図４（ｂ）は、図３（ｂ）の中心部を拡大した図である。

図４（ａ）では、測定光２２は、試料２０に対して垂直に照射されている。この場合、エワルト球の球殻の位置は、図４（ｂ）に示すように、曲線２３のようになる。

図４（ｂ）では、曲線２３が、測定光２２の照射角度に対応している。よって、曲線２３と交差する部分の散乱ポテンシャルのみが、実際に取得できる散乱ポテンシャルになる。

図４（ｂ）に示すように、散乱ポテンシャルは、ｆｙ方向とｆｚ方向に分布している。しかしながら、図４（ｂ）に示すように、実際に取得できる散乱ポテンシャルは、曲線２３と交わる部分の散乱ポテンシャルに限られる。取得できる散乱ポテンシャルの数が少ないと、屈折率を高い確度で算出することが困難になる。

取得できる散乱ポテンシャルの数を多くするには、曲線２３を動かせば良い。曲線２３を動かすことで、曲線２３を動かす前の散乱ポテンシャルに加えて、曲線２３を動かした後の散乱ポテンシャルを取得できる。その結果、取得できる散乱ポテンシャルの数を増やせる。

曲線２３は、エワルト球の球殻の断面を示している。よって、曲線２３の動きは、エワルト球の球殻を用いて表すことができる。エワルト球の球殻を動かす第１の方法について説明する。

第１の方法によるエワルト球の球殻の動きを図５に示す。図５（ａ）は、エワルト球の球殻を動かす前の状態を示す図、図５（ｂ）は、エワルト球の球殻を動かした後の状態を示す図、図５（ｃ）は、２つの状態を重ね合わせた図である。

第１の方法では、エワルト球の球殻３０(以下、「球殻３０」という)を、ｆｙ軸の周りに回転させている。

球殻３０を動かす前の状態の回転角を０度とする。例えば、この状態から、図５（ｂ）に示すように、球殻３０をｆｙ軸の周りに１８０度回転させる。このようにすると、図５（ｃ）に示すように、球殻３０が２つ得られる。その結果、取得できる散乱ポテンシャルの数が２倍になる。また、厳密には、０度における散乱ポテンシャルと、１８０度における散乱ポテンシャルは、１回の測定で同時に取得できる。

ここでは、球殻３０をｆｙ軸の周りに１８０度回転させている。しかしながら、球殻３０をｆｙ軸の周りに回転させる角度は、１８０度に限られない。球殻３０を、１８０度よりも小さい角度で動かしても良い。例えば、球殻３０をｆｙ軸の周りに９０度回転させても良い。このようにすることで、取得できる散乱ポテンシャルの数を、更に増やすことができる。

本実施形態の撮像装置でも、球殻３０をｆｙ軸の周りに１８０度回転させることができれば、取得できる散乱ポテンシャルの数を、更に増やすことができる。

回転部３と回転部１２について説明する。回転部３と回転部１２では、相対的な回転が、第１の軸Ｙを中心として行われる。第１の軸Ｙは、光軸ＡＸと交差する軸である。光軸ＡＸは、例えば、検出光学系５の光軸である。

第１の軸Ｙと光軸ＡＸとの交点は、検出光学系５の焦点位置と一致している。相対的な回転は、試料８が検出光学系５の焦点位置を内部に含んでいる状態で行われる。

撮像装置１は、回転部３を有する。回転部３によって、試料８と信号取得部２とを相対的に回転させることができる。撮像装置１では、信号取得部２は固定され、試料８が第１の軸Ｙの周りを回転している。試料８と信号取得部２とを相対的に回転させることで、球殻３０を回転させることができる。そのため、撮像装置１では、取得できる散乱ポテンシャルの数を増やすことができる。

撮像装置１０は、回転部１２を有する。回転部１２によって、試料８と信号取得部１１とを相対的に回転させることができる。撮像装置１０では、試料８は固定され、信号取得部１１が第１の軸Ｙの周りを回転している。試料８と信号取得部１１とを相対的に回転させることで、球殻３０を回転させることができる。そのため、撮像装置１０では、取得できる散乱ポテンシャルの数を増やすことができる。

ただし、試料６と信号取得部２とを、第１の軸Ｙを中心として相対的に回転させても、散乱ポテンシャルが取得できない領域（以下、「欠損領域」という）が残る。

欠損領域を図６に示す。図６（ａ）は、エワルト球の球殻を１回転させる前の状態を示す図、図６（ｂ）は、エワルト球の球殻を１回転させた後の状態を示す図である。図６（ａ）は、図５（ａ）を９０度回転させたものである。よって、図６（ａ）についての説明は省略する。

球殻３０をｆｙ軸の周りに１回転させると、図６（ｂ）に示すように、領域３１と領域３２が形成される。領域３１は、欠損領域である。領域３２は、散乱ポテンシャルが取得できる領域である。領域３２は、球から領域３１を除いた領域である。

領域３１は、円錐に似た形状の領域を２つ有する。各領域では、円錐の母線に対応する線が曲線になっている。

領域３１を縮小することができると、取得できる散乱ポテンシャルの数を増やすことができる。領域３１を縮小させるためには、図６（ｂ）に示す状態から、更に領域３２を動かせば良い。エワルト球の球殻を動かす第２の方法について説明する。

第２の方法によるエワルト球の球殻の動きを図７に示す。図７（ａ）は、エワルト球の球殻を１回転させる前の状態を示す図、図７（ｂ）は、エワルト球の球殻を１回転させた後の状態を示す図である。

第２の方法では、図７（ａ）に示すように、領域３２をｆｘ軸の周りに回転させている。このようにすることで、図７（ｂ）に示すように、球形の領域３３が形成される。領域３３は、領域３１が形成されていた場所に領域３２が位置することで形成される。そのため、領域３３では、領域３１が消滅している。このように、領域３２をｆｘ軸の周りに回転させることで、欠損領域を無くすことができる。

領域３２をｆｘ軸の周りに回転させるためには、例えば、撮像装置１において、試料６と信号取得部２とを、所定の軸を中心として相対的に回転させることが考えられる。所定の軸は、第１の軸Ｙと光軸ＡＸとの交点を通り、且つ、第１の軸Ｙと光軸ＡＸを含む面と直交する軸である。

しかしながら、第１の方法と第２の方法とを組み合わせた方法では、２つの直交する軸の周りで回転が生じる。例えば、撮像装置１では、試料６と信号取得部２とを、２つの直交する軸の周りで回転させることになる。そのため、装置が複雑化し、情報の取得にも時間もかかる。よって、第２の方法を用いることは好ましくない。

球殻３０の位置、すなわち、曲線２３の位置は、第３の方法で変化させることができる。エワルト球の球殻を動かす第３の方法について説明する。

曲線２３の位置は、測定光の照射角度に応じて変化する。よって、測定光の照射角度を変えることで、曲線２３を動かせる。

測定光の向きとエワルト球の球殻の位置の関係を図８に示す。図８（ａ）は測定光の向きを示す図、図８（ｂ）はエワルト球の球殻の位置を示す図である。曲線２３、曲線２５、及び曲線２７は、エワルト球の球殻を示す曲線である。

図８（ａ）では、試料２０対して、３つの方向から測定光が照射されている様子を示している。測定光２２は、試料２０に対して垂直に照射される測定光を示している。この場合、曲線２３が散乱ポテンシャルと交差する。

測定光２４は、試料２０に対して斜めに照射される光を示している。この場合、曲線２５が散乱ポテンシャルと交差する。測定光２６は、試料２０に対して斜めに照射される光を示している。測定光２６は、測定光２４よりも大きな角度で照射されている。この場合、曲線２７が散乱ポテンシャルと交差する。

測定光の照射角度を、測定光２２の角度から測定光２６の角度まで変えると、エワルト球の球殻は、曲線２３の位置から曲線２７の位置までの間で変化する。取得できる散乱ポテンシャルは、各位置で異なる。よって、測定光の照射角度の可変範囲を広げることで、散乱ポテンシャルの取得範囲を広げられる。

このように、測定光２２のみによる照射(以下、「一方向照射」という)に比べると、測定光２２、測定光２４、及び測定光２６による照射(以下、「多方向照射」という)の方が、散乱ポテンシャルの取得範囲を広げられる。

一方向照射では、一つの方向から照明光が試料に照射される。よって、例えば、測定光２４だけの照射や、測定光２６だけの照射も、一方向照射に含まれる。

多方向照射では、複数の方向から照明光が試料に照射される。よって、例えば、測定光２２と測定光２４だけの照射や、測定光２４と測定光２６だけの照射も、多方向照射に含まれる。

散乱ポテンシャルが取得できる範囲の拡大は、欠損領域の縮小を意味している。多方向照射によって、欠損領域を縮小することができる。測定光を２つの方向から試料に照射した場合について説明する。

試料に入射する測定光の様子を図９に示す。図９に示すように、多方向照射を行うことで、試料８に対する測定光の入射角が変化する。測定光は平行光なので、試料８に対する測定光の入射角θILLは、測定光の中心光線と光軸ＡＸとのなす角度になる。

実線で示す測定光では、測定光の中心光線Ｌ_ILLは光軸ＡＸと交差している。そのため、θILL≠０°である。点線で示す測定光では、測定光の中心光線が光軸ＡＸと一致している。そのため、θILL＝０°である。

エワルト球の球殻の様子を図１０に示す。図１０（ａ）はエワルト球の球殻を動かす前の状態を示す図、図１０（ｂ）はエワルト球の球殻を動かした後の状態を示す図、図１０（ｃ）は２つの状態を重ね合わせた図である。

図１０（ａ）において、曲線３４と曲線３５は、エワルト球の球殻を示す曲線である。曲線３４は、θILL＝０°のときの曲線である。曲線３５は、θILL＝Ａ°（ただし、Ａ≠０）のときの曲線である。

θILL＝０°での測定とθILL＝Ａ°での測定は、同時に行われない。そのため、曲線３４と曲線３５は、同時に生じない。しかしながら、データ的には、図１０（ａ）に示すように、曲線３４と曲線３５は、重ね合わせることができる。

図１０（ｂ）において、曲線３４’と曲線３５’は、エワルト球の球殻を示す曲線である。曲線３４’は、θILL＝０°のときの曲線である。曲線３５’は、θILL＝Ａ°（ただし、Ａ≠０）のときの曲線である。

図１０（ａ）は、エワルト球の球殻を動かす前の状態で、このときの回転角を０度とする。図１０（ｂ）では、エワルト球の球殻をｆｙ軸の周りに１８０度回転させている。

図１０（ｃ）には、欠損領域が示されている。上述のように、エワルト球の球殻の回転は、ｆｙ軸の周りに行われている。そのため、欠損領域は、ｆｙ軸に沿って形成される。そこで、欠損領域のｆｙ方向の評価範囲を、θILL＝０°でのｆｙ方向の取得周波数範囲とする。

図１０（ｃ）に示すように、曲線３４と曲線３４’との間に、欠損領域３６が形成される。欠損領域３６は、領域３６’と、領域３６’’と、を有する。曲線３５と曲線３５’との間に、欠損領域３７が形成される。欠損領域３７は、領域３７’、領域３７’’、及び領域３７’’’を有する。

範囲ｆｙ（＋）では、曲線３４と曲線３４’との間に、領域３６’が形成されている。範囲ｆｙ（−）では、曲線３４と曲線３４’との間に、領域３６’’が形成されている。θILL＝０°のとき、欠損領域の範囲や欠損領域の形状は、範囲ｆｙ（＋）と範囲ｆｙ（−）とで同じである。

範囲ｆｙ（＋）では、曲線３５と曲線３５’との間に、領域３７’と領域３７’’とが形成されている。範囲ｆｙ（−）では、曲線３５と曲線３５’との間に、領域３７’’’が形成されている。θILL＝Ａ°のとき、欠損領域の範囲や欠損領域の形状は、範囲ｆｙ（＋）と範囲ｆｙ（−）とで異なる。

θILL＝０°での測定とθILL＝Ａ°での測定を行ったときの欠損領域は、θILL＝０°のときの欠損領域とθILL＝Ａ°のときの欠損領域とが重複する領域である。

範囲ｆｙ（＋）では、領域３７’の全体が、領域３６’と重複している。領域３７’’では、領域内に曲線３４と曲線３４’が位置している。曲線３４と曲線３５とで囲まれた領域と、曲線３４’と曲線３５’とで囲まれた領域では、散乱ポテンシャルが取得できる。このように、領域３７’’では、領域の一部が、領域３６’と重複している。よって、範囲ｆｙ（＋）では、領域３７’と領域３７’’の一部が欠損領域を表している。

範囲ｆｙ（−）では、領域３６’’の全体が、領域３７’’’と重複している。よって、範囲ｆｙ（−）では、領域３６’’が欠損領域を表している。

欠損領域の様子を図１１に示す。図１１（ａ）はθILL＝０°のときの欠損領域を示す図、図１１（ｂ）はθILL＝Ａ°のときの欠損領域を示す図、図１１（ｃ）は欠損領域を重ね合わせた状態を示す図である。

図１１（ａ）に示すように、図１０（ａ）に示す曲線３４をｆｙ軸の周りに１回転させると、欠損領域３６が形成される。欠損領域３６は、領域３６’と、領域３６’’と、を有する。

図１１（ｂ）に示すように、図１０（ａ）に示す曲線３５をｆｙ軸の周りに１回転させると、欠損領域３７が形成される。欠損領域３７は、領域３７’、領域３７’’、及び領域３７’’’を有する。

図１１（ｃ）は、欠損領域３６と欠損領域３７とを重ね合わせた状態を示している。図１１（ｃ）に示すように、θILL＝Ａ°の測定光で試料を照射することで、範囲ｆｙ（＋）で、欠損領域を縮小することができる。

ただし、θILL＝Ａ°の測定光で試料を照射しても、範囲ｆｙ（−）では、欠損領域を縮小することができない。範囲ｆｙ（−）で欠損領域を縮小するためには、入射角θILLを、Ａ°とは異なる角度、例えば、−Ａ°にすれば良い。

欠損領域の様子を図１２に示す。図１２（ａ）はθILL＝−Ａ°のときの欠損領域を示す図、図１２（ｂ）は欠損領域を重ね合わせた状態を示す図である。

図１２（ａ）に示すように、θILL＝−Ａ°の測定光で試料を照射することで、欠損領域３８が形成される。欠損領域３８は、領域３８’、領域３８’’、及び領域３８’’’を有する。

欠損領域３８をｆｚ軸の周りに１８０度回転させると、図１１（ｂ）に示す欠損領域３７と一致する。よって、領域３８’には領域３７’’’が対応し、領域３８’’には領域３７’’が対応し、領域３８’’’には領域３７’が対応する。

上述のように、領域３７’の全体は、領域３６’と重複している。よって、領域３８’’’の全体は、領域３６’’と重複している。領域３７’’では、領域の一部が、領域３６’と重複している。よって、領域３８’’では、領域の一部が、領域３６’’と重複している。

θILL＝０°での測定とθILL＝−Ａ°での測定を行った場合、範囲ｆｙ（−）では、領域３８’’の一部と領域３８’’’が欠損領域を表している。

図１２（ｂ）は、欠損領域３６、欠損領域３７、及び欠損領域３８を重ね合わせた状態を示している。図１２（ｂ）に示すように、θILL＝Ａ°の測定光で試料を照射することで、範囲ｆｙ（＋）で欠損領域を縮小することができ、θILL＝−Ａ°の測定光で試料を照射することで、範囲ｆｙ（−）で欠損領域を縮小することができる。

欠損領域を縮小することができると、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

ミラー９と光スイッチ１５について説明する。

撮像装置１は、ミラー９を有する。ミラー９を動かすことで、測定光の照射角度を２つ以上の角度にすることができる。照射角度は、試料８に対する測定光の入射角である。よって、ミラー９を動かすことで、試料８に対する測定光の入射角を２つ以上の角度にすることができる。このように、撮像装置１では、多方向照射ができる。

撮像装置１では、回転によってミラー９を動かしている。ミラー９の回転軸は、光軸ＡＸと第１の軸Ｙを含む平面と直交している。よって、光軸ＡＸ及び第１の軸Ｙを含む平面内において、試料８に対する測定光の入射角を２つ以上の角度にすることができる。

撮像装置１０は、光スイッチ１５を有する。光スイッチ１５には、光ファイバー１４ａから射出された光が入射する。光スイッチ１５は、射出側に、光ファイバー１５ａを複数有する。光スイッチ１５では、複数の光ファイバーのうちのいずれか一つの光ファイバー１５ａから、光が射出される。光を射出する光ファイバー１５ａを変えることで、試料８に対する測定光の入射角を２つ以上の角度にすることができる。このように、撮像装置１０では、多方向照射ができる。

撮像装置１０では、複数のファイバーは、光軸ＡＸと平行な軸に沿って、一列に並んでいる。よって、光軸ＡＸ及び第１の軸Ｙを含む平面内において、試料８に対する測定光の入射角を２つ以上の角度にすることができる。

多方向照射では、測定光の入射角を、２つ以上の角度に変更できることが望ましい。このようにすることで、散乱ポテンシャルの取得範囲を広げられる。

撮像装置１では、ミラー９の向きは、時間の経過と共に変化する。撮像装置１０では、光が射出される光ファイバーは、時間の経過と共に変化する。よって、複数の測定光は、同時に試料８に照射されない。すなわち、複数の測定光の各々は、時間的には別々に、試料８に照射される。

このように、撮像装置１と撮像装置１０では、多方向照射による照明が、照明条件となっている。そして、この照明条件で、複数の回転状態での測定を行う。

上述のように、撮像装置１では、第１の軸Ｙを中心として、試料８が信号取得部２に対して回転するだけである。また、撮像装置１０では、信号取得部１１が試料８に対して回転するだけである。すなわち、撮像装置１と撮像装置１０では、従来の方法のように、２つの直交する軸の周りで回転が生じない。そのため、撮像装置１と撮像装置１０では、装置の構成を簡易にすることができる。

更に、撮像装置１では、ミラー９から射出される光の角度が変わることで、エワルト球の球殻の位置が変化する。また、撮像装置１０では、光が射出される光ファイバーが変わることで、エワルト球の球殻の位置が変化する。そのため、撮像装置１と撮像装置１０では、取得したい空間周波数領域内での欠損領域を小さくすることができる。その結果、試料８の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

また、試料８に対する測定光の入射角を２つ以上の角度にすることで、相補的に試料の空間周波数の再構成を行うことができる。相補的な試料の空間周波数の再構成とは、互いに独立に取得した試料の散乱ポテンシャルの空間周波数（以下「測定情報」という）を合成することである。この再構成では、空間周波数領域で直接的に測定情報を合成しても良いし、各測定情報との差分が小さくなるように、光検出器における波面の推定と測定情報との比較を繰り返し行うことで試料の空間周波数を推定しても良い。

このように、撮像装置１と撮像装置１０では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置では、照明部は、入射角を、以下の条件式（１）を満足する角度に変更することが好ましい。
０＜ＮＡILL＜ＮＡ （１）
ここで、
ＮＡは、検出光学系の光学的な開口数、
ＮＡILLは、試料へ入射する光の開口数、
である。

試料へ入射する光の開口数ＮＡILLは、ＮＡILL＝ｓｉｎθILLで求めることができる。検出光学系５の光学的な開口数は、ＮＡ＝ｓｉｎθで求めることができる。

一方向照射での欠損領域の大きさに対する多方向照射での欠損領域の大きさの比（以下、「欠損領域の大きさの比」という）を図１３に示す。図１３（ａ）は、欠損領域の大きさの比を、ＮＡILLとＮＡを用いて表した図、図１３（ｂ）は、欠損領域の大きさの比を、ＮＡILL／ＮＡを用いて表した図である。

上述のように、θILLとθについては、以下の関係が成立する。よって、欠損領域の大きさの比は、ＮＡILLとＮＡを用いて表すことができる。ｎは媒質の屈折率である。
ＮＡILL＝ｎｓｉｎθILL
ＮＡ＝ｎｓｉｎθ

図１３（ａ）では、横軸にＮＡが用いられ、縦軸にＮＡILLが用いられ、欠損領域の大きさの比は明暗で表されている。暗い領域ほど、欠損領域の大きさの比が小さい。

図１３（ｂ）では、横軸にＮＡILL／ＮＡが用いられ、縦軸に欠損領域の大きさの比が用いられている。よって、欠損領域の大きさの比は、数値で表されている。各曲線は、図１３（ａ）に示す直線の線上における欠損領域の大きさの比を表している。

例えば、直線Ｌ０１の線上における欠損領域の大きさの比の変化は、図１３（ｂ）では０．１で示す曲線（以下、「曲線０１」という）で表されている。直線Ｌ０１における明暗の変化と、曲線０１における数値の変化は、開口数が０．１の検出光学系において、照明光の開口数を０から０．１まで変化させたときの、欠損領域の大きさの比の変化を示している。

直線Ｌ０２には、０．２で示す曲線が対応し、直線Ｌ０３には、０．３で示す曲線が対応し、直線Ｌ０４には、０．４で示す曲線が対応し、直線Ｌ０５には、０．５で示す曲線が対応する。０．６で示す曲線に対応する直線と、０．７で示す曲線に対応する直線は、図１３（ａ）に示されていない。

図１３（ａ）や図１３（ｂ）に示すように、ＮＡILL／ＮＡの値が０から１の間で、欠損領域の大きさの比は変化する。ＮＡILL／ＮＡ＝０のときは一方向照射と同義であり、ＮＡILL／ＮＡ＝１のときに、欠損領域の大きさの比はＮＡILL／ＮＡ＝０のときと同一になる。このことは、多方向照射の効果が、ＮＡILL／ＮＡ＝１になると発生しなくなることを意味する。

また、検出光学系の開口数の値が異なっても、欠損領域の大きさの比を小さくすることができる。また、欠損領域の大きさの比が最小になる位置は、検出光学系の開口数の値に依存していない。

本実施形態の撮像装置では、条件式（１）を満足する。そのため、欠損領域を小さくすることができる。その結果、試料８の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置では、照明部は、入射角を、以下の条件式（１’）を満足する角度に変更することが好ましい。
０．１３×ＮＡ０＜ＮＡILL＜０．７×ＮＡ （１’）

条件式（１’）を満足する角度に変更することで、欠損領域の大きさの比を５０％以下にすることができる。

本実施形態の撮像装置では、照明部は、試料に光を照射する照明光学系と、光軸と第１の軸との交点と共役な位置に配置された第１の光偏向素子と、を有し、第１の光偏向素子で、入射角を２つ以上の角度に変更することが好ましい。

本実施形態の撮像装置の照明部を図１４に示す。図１と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

照明部４０は、光源７と、ミラー９と、照明光学系４１と、を有する。照明光学系４１は、レンズ４２と、レンズ４３と、を有する。

照明部４０は、第１の光偏向素子を有する。第１の光偏向素子で、出射する光線の角度を２つ以上の角度に変更できる。照明部４０では、ミラー９で、出射する光線の角度を２つ以上の角度に変更している。よって、ミラー９は、第１の光偏向素子である。

光偏向素子としては、例えば、ガルバノメータースキャナ、ポリゴンスキャナー、又は音響光学偏向素子（ＡＯＤ）を使用できる。

ガルバノメータースキャナの大きさや音響光学偏向素子の大きさは、ポリゴンスキャナーの大きさに比べて小さい。よって、ガルバノメータースキャナや音響光学偏向素子を使用すると、撮像装置を小型にできる。

ガルバノメータースキャナでは、大きな偏向角が得られる。ただし、高速で光を偏向することは難しい。また、光の偏向は、ミラーだけでなく、ハーフミラーでもできる。

ポリゴンスキャナーでは、大きな偏向角が得られ、また、高速で光を偏向できる。音響光学偏向素子（ＡＯＤ）では、高速で光を偏向できる。ただし、偏向角が小さい。

試料８は、平行光で照明されることが好ましい。照明部４０では、平行光をミラー９に入射させている。そのため、ミラー９は、光軸ＡＸと第１の軸Ｙとの交点と共役な位置に配置されている。その結果、試料８を、平行光で照明することができる。

また、ミラー９を偏向させることで、試料８に対する測定光の入射角を変えて、試料８に測定光を照射することができる。

本実施形態の撮像装置は、第１のビームスプリッタと、第２の光偏向素子と、第２のビームスプリッタと、をさらに備え、光源と光検出器との間に、試料を通過する測定光路と、参照光路と、が位置し、第１のビームスプリッタ及び第２のビームスプリッタは、光学膜が形成された光学面を有し、第１のビームスプリッタでは、光学膜によって、入射した光から、第１の方向に透過する光と、第２の方向に反射される光と、が生成され、第１の方向に測定光路が位置し、第２の方向に参照光路が位置するか、または、第１の方向に参照光路が位置し、第２の方向に測定光路が位置し、第１の光偏向素子は測定光路上に配置され、第２の光偏向素子は参照光路上に配置され、入射した光線を偏向して出射し、第２のビームスプリッタは、第１の光偏向素子により偏向された測定光路と、第２の光偏向素子により偏向された参照光路との交点に配置され、第２のビームスプリッタにより反射された測定光路上の光線と、第２のビームスプリッタを透過した参照光路上の光線とが、光検出器に入射することが好ましい。

本実施形態の撮像装置を図１５に示す。図１や図１４と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置５０は、ビームスプリッタ５１と、ミラー５２と、ビームスプリッタ５３と、を備える。ビームスプリッタ５１、ミラー５２、及びビームスプリッタ５３は、例えば、信号取得部５４に配置されている。

光源７と光検出器６との間に、試料８を通過する測定光路ＯＰｍと、参照光路ＯＰｒと、が位置している。

測定光路ＯＰｍには、照明部４と、検出光学系５５と、が配置されている。参照光路ＯＰｒには、光路長調整部５６、ミラー５２、及び光学系５７が配置されている。光路長調整部５６と光学系５７は、必要に応じて配置すれば良い。

ビームスプリッタ５１は、光学膜が形成された光学面を有する。ビームスプリッタ５１では、光学膜によって、入射した光から、第１の方向に透過する光と、第２の方向に反射される光と、が生成される。よって、ビームスプリッタ５１は、第１のビームスプリッタである。

撮像装置５０では、第１の方向に測定光路ＯＰｍが位置し、第２の方向に参照光路ＯＰｒが位置している。しかしながら、第１の方向に参照光路ＯＰｒが位置し、第２の方向に、測定光路ＯＰｍが位置していても良い。

上述のように、ミラー９は、第１の光偏向素子である。よって、第１の光偏向素子は測定光路ＯＰｍ上に配置されている。ミラー５２は、参照光路ＯＰｒ上に配置され、入射した光線を偏向して出射している。よって、ミラー５２は、第２の光偏向素子である。

ビームスプリッタ５３は、光学膜が形成された光学面を有する。ビームスプリッタ５３は、ミラー９により偏向された測定光路ＯＰｍと、ミラー５２により偏向された参照光路ＯＰｒとの交点に配置されている。よって、ビームスプリッタ５３は、第２のビームスプリッタである。

光路長調整部５６は、ビームスプリッタ５１とミラー５２との間に配置されている。光路長調整部５６は、例えば、ピエゾステージと４枚のミラーを有する。ピエゾステージには、２枚のミラーが載置されている。２枚のミラーを移動させることで、参照光路ＯＰｒにおける光路長を変化させることができる。

光学系５７は、ミラー５２とビームスプリッタ５３との間に配置されている。光学系５７を配置することで、参照光路ＯＰｒから光検出器６に入射する光線を、測定光路ＯＰｍから光検出器６に入射する光線と重ねることができる。

撮像装置５０では、ビームスプリッタ５３により反射された測定光路ＯＰｍ上の光線と、ビームスプリッタ５３を透過した参照光路ＯＰｒ上の光線とが、光検出器６に入射する。よって、撮像装置５０では、干渉縞を得ることができる。光検出器６で検出した干渉縞から、波面の再構成が可能なデータセットを測定することができる。

撮像装置５０では、信号取得部５４は固定され、試料８が第１の軸Ｙの周りを回転している。また、ミラー９を動かすことで、多方向照射が行える。このように、撮像装置５０では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置を図１６に示す。図１や図１５と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置６０は、ビームスプリッタ５１と、ミラー６１と、ビームスプリッタ６２と、を備える。ビームスプリッタ５１、ミラー６１、及びビームスプリッタ６２は、例えば、信号取得部６３に配置されている。

測定光路ＯＰｍには、照明部４、検出光学系５、及びミラー６１が配置されている。参照光路ＯＰｒには、光路長調整部５６が配置されている。光路長調整部５６は、必要に応じて配置すれば良い。

ミラー６１は、入射した光線を偏向して出射している。よって、ミラー６１は、光偏向素子である。上述のように、ミラー９は、第１の光偏向素子である。撮像装置６０では、２つの光偏向素子が測定光路ＯＰｍに配置されている。

ミラー９で光が偏向されるので、ミラー６１に入射する光は動く。上述のように、ミラー６１は光偏向素子であるので、偏向角と偏向方向を変えることができる。ミラー６１において偏向角と偏向方向を適切に設定することで、ミラー９で生じた光の偏向を、ミラー６１の偏向で相殺することができる。よって、撮像装置６０では、ミラー６１から射出される光線は動かない。

ビームスプリッタ６２は、光学膜が形成された光学面を有する。ビームスプリッタ６２は、測定光路ＯＰｍと参照光路ＯＰｒとの交点に配置されている。

撮像装置６０では、ビームスプリッタ６２により透過された測定光路ＯＰｍ上の光線と、ビームスプリッタ６２で反射された参照光路ＯＰｒ上の光線とが、光検出器６に入射する。よって、撮像装置６０では、干渉縞を得ることができる。光検出器６で検出した干渉縞から、波面の再構成が可能なデータセットを測定することができる。

撮像装置６０では、信号取得部６３は固定され、試料８が第１の軸Ｙの周りを回転している。また、ミラー９を動かすことで、多方向照射が行える。このように、撮像装置６０では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置では、照明部は、試料に光を照射する照明光学系を有し、照明部は、アレイ状に配置された独立に制御できる複数の光射出部を有し、複数の光射出部は、光軸と第１の軸との交点と共役な位置に配置されており、照明部は、複数の光射出部のうち光が射出される光射出部を変更する制御を行うことにより、入射角を２つ以上の角度に変更することが好ましい。

本実施形態の撮像装置の照明部を図１７に示す。図１４と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

照明部７０は、光源７１と、試料８に光を照射する照明光学系４１と、を有する。照明部７０は、光射出部７２を複数有する。光射出部７２には、光源自体、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、または、半導体レーザ（ＬＤ）を配置することができる。

光射出部７２は、アレイ状に配置されている。光射出部７２に光源自体が配置されている場合、光射出部７２では、発光と消光を独立に制御できる。

試料８は、平行光で照明されることが好ましい。照明部７０では、光射出部７２の面積は点光源と見なせる程度に小さい。そのため、光射出部７２は、照明光学系の瞳位置７３と共役な位置に配置されている。

照明部７０は、レンズ７４を有する。レンズ７４は、光源７１とレンズ４２の間に配置されている。レンズ７４とレンズ４２とで、光源７１の位置と瞳位置７３との位置を、共役にすることができる。瞳位置７３の周囲に十分な空間が確保できる場合、光射出部７２は、瞳位置７３に配置しても良い。

照明部７０では、光源７１の制御が行われる。この制御では、複数の光射出部７２のうち光が射出される光射出部７２が変更される。この制御により、多方向照射が行える。

光源７１に代えて、図２に示すように、光源７、光カプラ１４、及び光スイッチ１５を用いることができる。この場合、光射出部７２の位置に、光ファイバー１５ａの出射端面が位置する。光ファイバー１５ａの出射端面では、発光は生じていない。しかしながら、光が射出されるという点では、光射出部７２に光源自体を配置した場合と同じ働きをしている。よって、光ファイバー１５ａの出射端面は、光射出部７２と見なすことができる。

本実施形態の撮像装置は、試料を保持する試料保持部を備え、回転部は、信号取得部を固定して、信号取得部に対して試料保持部を回転させることが好ましい。

本実施形態の撮像装置を図１８に示す。図２や図１６と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置８０は、信号取得部８１と、回転部３と、を有する。信号取得部８１は、照明部１３と、検出光学系５と、光検出器６と、を有する。

測定光路には、照明部１３、検出光学系５、およびミラー８２が配置されている。参照光路には、光ファイバー１４ｂ、レンズ８３、ミラー８４、および光路長調整部５６が配置されている。

ミラー８２は、固定ミラーである。よって、撮像装置８０では、ミラー８２から射出される光線は動く。参照光路における光束径は十分に大きいので、ミラー８２から射出される光線が動いても、干渉縞を形成できる。また、ミラー８２を、検出光学系５を介して試料８と共役な位置に配置すれば、光検出器６上での光束の移動を抑制することができる。

撮像装置８０では、ビームスプリッタ６２により透過された測定光路上の光線と、ビームスプリッタ６２で反射された参照光路上の光線とが、光検出器６に入射する。よって、撮像装置８０では、干渉縞を得ることができる。光検出器６で検出した干渉縞から、波面の再構成が可能なデータセットを測定することができる。

撮像装置８０では、信号取得部８１は固定され、試料８が第１の軸Ｙの周りを回転している。また、光を射出する光ファイバー１５ａを変えることで、多方向照射が行える。このように、撮像装置８０では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置を図１９に示す。図１や図１７と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置９０は、信号取得部９１と、回転部３と、を有する。信号取得部９１は、照明部７０と、検出光学系５と、光検出器６と、を有する。

撮像装置９０では、光路の数が１つしかないため、干渉縞を得ることができない。そのため、撮像装置９０では、波面の振幅データを測定する。測定方法については、上述のとおりである。

撮像装置９０では、信号取得部９１は固定され、試料８が第１の軸Ｙの周りを回転している。また、光が射出される光射出部７２を変えることで、多方向照射が行える。このように、撮像装置９０では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置は、試料を保持する試料保持部を備え、回転部は、試料保持部を固定して、試料保持部に対して信号取得部を回転させることが好ましい。

本実施形態の撮像装置では、回転部は、保持部を固定して、保持部に対して信号取得部を回転させる。信号取得部が回転することで、試料を回転する必要がなくなる。そのため、試料が水溶液中に保持されている場合、試料の位置や角度の追随性を考慮せずに測定することが可能となる。

本実施形態の撮像装置を図２０に示す。図２や図１６と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置１００は、信号取得部１０１と、回転部１２と、を有する。信号取得部１０１は、照明部４と、検出光学系５と、光検出器６と、を有する。

測定光路ＯＰｍには、照明部４、検出光学系５、およびミラー８２が配置されている。参照光路ＯＰｒには、光路長調整部５６が配置されている。

ミラー８２は、固定ミラーである。よって、撮像装置１００では、ミラー８２から射出される光線は動く。参照光路ＯＰｒにおける光束径は十分に大きいので、ミラー８２から射出される光線が動いても、干渉縞を形成できる。また、ミラー８２を、検出光学系５を介して試料８と共役な位置に配置すれば、光検出器６上での光束の移動を抑制することができる。

撮像装置１００では、ビームスプリッタ６２により透過された測定光路ＯＰｍ上の光線と、ビームスプリッタ６２で反射された参照光路ＯＰｒ上の光線とが、光検出器６に入射する。よって、撮像装置１００では、干渉縞を得ることができる。光検出器６で検出した干渉縞から、波面の再構成が可能なデータセットを測定することができる。

撮像装置１００では、試料８は固定され、信号取得部１０１が第１の軸Ｙの周りを回転している。また、ミラー９を動かすことで、多方向照射が行える。このように、撮像装置１００では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置を図２１に示す。図１や図２と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置１１０は、信号取得部１１１と、回転部１２と、を有する。信号取得部１１１は、照明部４と、検出光学系５と、光検出器６と、を有する。

撮像装置１１０では、光路の数が１つしかないため、干渉縞を得ることができない。そのため、撮像装置１１０では、波面の振幅データを測定する。測定方法については、上述のとおりである。

撮像装置１１０では、試料８は固定され、信号取得部１１１が第１の軸Ｙの周りを回転している。また、ミラー９を動かすことで、多方向照射が行える。このように、撮像装置１１０では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

本実施形態の撮像装置を図２２に示す。図２や図１９と同じ構成については同じ番号を付し、説明は省略する。

撮像装置１２０は、信号取得部１２１と、回転部１２と、を有する。信号取得部１２１は、照明部７０と、検出光学系５と、光検出器６と、を有する。

撮像装置１２０では、光路の数が１つしかないため、干渉縞を得ることができない。そのため、撮像装置１２０では、波面の振幅データを測定する。測定方法については、上述のとおりである。

撮像装置１２０では、試料８は固定され、信号取得部１２１が第１の軸Ｙの周りを回転している。また、光が射出される光射出部７２を変えることで、多方向照射が行える。このように、撮像装置１２０では、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。

上述の各撮像装置では、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる。すなわち、散乱ポテンシャルの取得範囲を広げられる。その結果、取得できる散乱ポテンシャルの数を増やせる。散乱ポテンシャルの数が増えることで、試料の画像を、より正確に生成することができる。

回転に伴う入射波面の形状変化を減少するため、試料保持部は円柱状にしても良い。また、試料保持部に入射する際の波面変化を減少するため、試料保持部と装置との間をマッチング溶剤で満たしても良い。また、試料保持部に入射する際の波面変化をキャンセルする波面変化を、予め付与する光学系をさらに備えても良い。

散乱ポテンシャルは、シミュレーションでも得ることができる。シミュレーションで得た散乱ポテンシャルに基づいて、試料の画像を生成することができる。

散乱ポテンシャルの取得範囲を示す画像を図２３に示す。また、試料の画像を図２４に示す。画像は、全てシミュレーションで得られた画像である。

シミュレーションでは、試料として、ロッドアレイを用いている。ロッドアレイは、複数のロッドが等間隔で配置されている。１つのロッドの直径は４μｍである。ロッドアレイには、波長が１．３μｍの光が照射されている。

一方向照射を用いた場合と、多方向照射を用いた場合とで、シミュレーションを行っている。一方向照射では、試料に対する光の入射角は、０°である。多方向照射では、試料に対する光の入射角は、０°と７．５°である。また、検出光学系の開口数は０．５である。よって、角度に関する条件は、以下のようになる。
一方向照射：θILL＝０°
多方向照射：θILL＝０°，７．５°
ＮＡ＝０．５

図２３（ａ）、図２３（ｂ）、図２３（ｃ）では、ｆｙ軸とｆｘ軸を含む面内における散乱ポテンシャルの取得範囲が示されている。図２３（ｄ）、図２３（ｅ）、図２３（ｆ）では、ｆｚ軸とｆｙ軸を含む面内における散乱ポテンシャルの取得範囲が示されている。図２３（ｇ）、図２３（ｈ）、図２３（ｉ）では、ｆｘ軸とｆｚ軸を含む面内における散乱ポテンシャルの取得範囲が示されている。

図２３（ａ）、図２３（ｄ）、図２３（ｇ）では、一方向照射における散乱ポテンシャルの取得範囲が示されている。図２３（ｂ）、図２３（ｅ）、図２３（ｈ）では、多方向照射における散乱ポテンシャルの取得範囲が示されている。図２３（ｃ）、図２３（ｆ）、図２３（ｉ）では、差分が示されている。差分は、一方向照射における散乱ポテンシャルの取得範囲と、多方向照射における散乱ポテンシャルの取得範囲との差である。

図２３（ａ）と図２３（ｂ）との比較、図２３（ｄ）と図２３（ｅ）との比較から分かるように、多方向照射における散乱ポテンシャルの取得範囲は、一方向照射における散乱ポテンシャルの取得範囲よりも広くなっている。また、散乱ポテンシャルの取得範囲は、ｆｙ軸方向に広がっている。これは、Ｙ軸とＺ軸を含む平面内において、試料に対する測定光の入射角を変えているからである。

図２３（ｇ）と図２３（ｈ）とを比較すると、散乱ポテンシャルの取得範囲は変わっていない。これは、Ｘ軸とＺ軸を含む平面内では、試料に対する測定光の入射角を変えてないからである。

図２４（ａ）、図２４（ｂ）、図２４（ｃ）、図２４（ｄ）では、Ｙ軸とＸ軸を含む面内における試料の画像が示されている。図２４（ｅ）、図２４（ｆ）、図２４（ｇ）、図２４（ｈ）では、Ｚ軸とＹ軸を含む面内における試料の画像が示されている。図２４（ｉ）、図２４（ｊ）、図２４（ｋ）、図２４（ｌ）では、Ｘ軸とＺ軸を含む面内における試料の画像が示されている。

図２４（ａ）、図２４（ｅ）、図２４（ｉ）では、入力画像が示されている。図２４（ｂ）、図２４（ｆ）、図２４（ｊ）では、一方向照射における出力画像が示されている。図２４（ｃ）、図２４（ｇ）、図２４（ｋ）では、多方向照射における出力画像が示されている。図２４（ｄ）、図２４（ｈ）、図２４（ｌ）では、差分画像が示されている。差分画像は、一方向照射における出力画像、多方向照射における出力画像との差である。

図２４（ｂ）と図２４（ｃ）との比較、図２４（ｆ）と図２４（ｇ）との比較から分かるように、多方向照射における出力画像は、一方向照射における出力画像よりも鮮明になっている。また、Ｙ軸方向でより鮮明になっている。これは、Ｙ軸とＺ軸を含む平面内において、試料に対する測定光の入射角を変えているからである。

図２４（ｊ）と図２４（ｋ）とを比較すると、明るさについては多少の差が生じているが、鮮明さは変わっていない。これは、Ｘ軸とＺ軸を含む平面内では、試料に対する測定光の入射角を変えてないからである。

このように、シミュレーションにおいても、散乱ポテンシャルの数が増えることで、試料の画像を、より正確に生成することができることが分かる。

画像の生成の概略について説明する。扁平な試料と立体的な試料について説明する。

扁平な試料と散乱ポテンシャルの分布を図２５に示す。図２５（ａ）は、試料を示す図、図２５（ｂ）は、実空間における散乱ポテンシャルの分布を示す図、図２５（ｃ）は、周波数空間における散乱ポテンシャルの分布を示す図、図２５（ｄ）は、光学系で取得できる周波数分布を示す図である。

図２５（ａ）に示すように、扁平な試料では、複数の透明位相物体が、ＸＹ面内に分布している。そのため、図２５（ｂ）に示すように、実空間における散乱ポテンシャルの分布も扁平になる。

この場合、周波数空間における散乱ポテンシャルの分布では、図２５（ｃ）に示すように、ｆｙ軸方向では明暗が変化しているが、ｆｚ軸方向では明暗が変化していない。

明暗の変化は、値が異なる周波数が存在していることを意味している。よって、ｆｙ軸方向では値が異なる周波数が存在しているが、ｆｚ軸方向では、１つの値の周波数しか存在していないことになる。

周波数空間では、散乱ポテンシャルは、図２５（ｃ）に示すように分布している。散乱ポテンシャルの取得では、全ての散乱ポテンシャルを取得できれば良い。しかしながら、図２５（ｄ）に示すように、光学系で取得できる周波数は限られている。図２５（ｄ）に示す分布は、一方向照射における周波数分布である。

この場合、取得される散乱ポテンシャルの周波数分布Ｃ_２Ｄは、以下の式（１）で表される。
Ｃ_２Ｄ＝Ａ_２Ｄ×Ｂ （１）
ここで、
Ａ_２Ｄは、周波数空間における散乱ポテンシャルの分布、
Ｂは、光学系で取得できる周波数分布、
である。

また、取得される散乱ポテンシャルの空間分布Ｄ_２Ｄは、以下の式（２）で表される。
Ｄ_２Ｄ＝ＦＦＴ（Ｃ_２Ｄ） （２）
ここで、ＦＦＴ（）は、フーリエ変換を表す。

扁平な試料では、図２５（ａ）に示すように、Ｚ軸方向では、厚みがほとんど無い。そのため、扁平な試料の画像を生成する場合、Ｄ_２Ｄ（ｘ,ｙ,ｚ＝０）の画像を得ることができれば良い。よって、ｆｚ軸方向で散乱ポテンシャルは得られなくても、それは画像を生成の妨げにはならない。

図２５（ｃ）に示すように、ｆｙ軸方向では明暗が変化している。また、図２５（ｄ）に示すように、曲線はｆｙ軸方向に存在している。よって、ｆｙ軸方向では、散乱ポテンシャルが得られる。その結果、透明位相物体であっても、Ｄ_２Ｄ（ｘ,ｙ,ｚ＝０）の画像、すなわち、扁平な試料の画像を得ることができる。

本実施形態の撮像装置では、試料と信号取得部とを、相対的に回転させることができる。よって、ｆｚ軸方向で散乱ポテンシャルは得られる。しかしながら、ｆｚ軸方向で散乱ポテンシャルは得られなくても良いので、回転は行わなくても良い。

本実施形態の撮像装置では、多方向照射による照明ができる。よって、透明位相物体であっても、より正確に、扁平な試料の画像を得ることができる。

立体的な試料と散乱ポテンシャルの分布を図２６に示す。図２６（ａ）は、試料を示す図、図２６（ｂ）は、実空間における散乱ポテンシャルの分布を示す図、図２６（ｃ）は、周波数空間における散乱ポテンシャルの分布を示す図、図２６（ｄ）は、光学系で取得できる周波数分布を示す図である。

図２６（ａ）に示すように、立体的な試料では、複数の透明位相物体が、ＸＹ面内に分布しているだけでなく、Ｚ方向にも分布している。そのため、図２６（ｂ）に示すように、実空間における散乱ポテンシャルの分布も立体的になる。

この場合、周波数空間における散乱ポテンシャルの分布では、図２５（ｃ）に示すように、ｆｙ軸方向だけでなくｆｚ軸方向でも明暗が変化している。

上述のように、明暗の変化は、値が異なる周波数が存在していることを意味している。よって、ｆｙ軸方向だけでなく、ｆｚ軸方向でも値が異なる周波数が存在していることになる。

周波数空間では、散乱ポテンシャルは、図２６（ｃ）に示すように分布している。散乱ポテンシャルの取得では、全ての散乱ポテンシャルを取得できれば良い。しかしながら、図２６（ｄ）に示すように、光学系で取得できる周波数は限られている。図２６（ｄ）に示す分布は、一方向照射における周波数分布である。

この場合、取得される散乱ポテンシャルの周波数分布Ｃ_３Ｄは、以下の式（３）で表される。
Ｃ_３Ｄ＝Ａ_３Ｄ×Ｂ （３）
ここで、
Ａ_３Ｄは、周波数空間における散乱ポテンシャルの分布、
Ｂは、光学系で取得できる周波数分布、
である。

また、取得される散乱ポテンシャルの空間分布Ｄ_３Ｄは、以下の式（４）で表される。
Ｄ_３Ｄ＝ＦＦＴ（Ｃ_３Ｄ） （４）
ここで、ＦＦＴ（）は、フーリエ変換を表す。

上述のように、立体的な試料では、図２６（ｃ）に示すように、ｆｚ軸方向でも明暗が変化している。よって、ｆｚ軸方向でも、散乱ポテンシャルは空間周波数に対して一様ではない分布を有する。

立体的な試料では、図２６（ａ）に示すように、Ｚ軸方向に厚みがある。そのため、立体的な試料の画像を生成する場合、Ｄ_３Ｄ（ｘ,ｙ,ｚ＝０）の画像だけでなく、Ｄ_３Ｄ（ｘ,ｙ,ｚ≠０）の画像も得る必要がある。よって、ｆｚ軸方向で散乱ポテンシャルが得られないと、それは画像を生成の妨げになってしまう。

図２６（ｃ）に示すように、ｆｙ軸方向とｆｚ軸方向では明暗が変化しているので、ｆｚ軸方向とｆｚ軸方向で、散乱ポテンシャルを得ることができると良い。

図２６（ｄ）に示すように、曲線はｆｙ軸方向に存在している。よって、ｆｙ軸方向では、散乱ポテンシャルが得られる。また、本実施形態の撮像装置では、試料と信号取得部とを、相対的に回転させることができる。よって、ｆｚ軸方向でも散乱ポテンシャルが得られる。その結果、透明位相物体であっても、Ｄ_３Ｄ（ｘ,ｙ,ｚ＝０）の画像と、Ｄ_３Ｄ（ｘ,ｙ,ｚ≠０）の画像、すなわち、立体的な試料の画像を得ることができる。

更に、本実施形態の撮像装置では、多方向照射による照明ができる。よって、透明位相物体であっても、より正確に、扁平な試料の画像を得ることができる。

以上のように、本発明は、簡易な構成でありながら、試料の空間周波数情報を等方的に取得することができる撮像装置に適している。

１、１０ 撮像装置
２、１１ 信号取得部
３、１２ 回転部
４、１３ 照明部
５ 検出光学系
６ 光検出器
７ 光源
８ 試料
９、１７ ミラー
１４ 光カプラ
１４ａ、１４ｂ 光ファイバー
１５ 光スイッチ
１６ レンズ
２０ 試料
２１ 無色透明な球
２２、２４、２６ 測定光
２３、２５、２７ 曲線
３０ エワルト球の球殻
３１、３２、３３ 領域
３４、３４’、３５、３５’ 曲線
３６、３７、３８ 欠損領域
３６’、３６’’、３７’、３７’’、３７’’’、３８’、３８’’、３８’’’ 領域
ｆｙ（＋）、ｆｙ（−） 範囲
４０ 照明部
４１ 照明光学系
４２、４３ レンズ
５０、６０ 撮像装置
５１、５３、６２ ビームスプリッタ
５２、６１ ミラー
５４、６３ 信号取得部
５５ 検出光学系
５６ 光路長調整部
５７ 光学系
７０ 照明部
７１ 光源
７２ 光射出部
７３ 照明光学系の瞳位置
７４ レンズ
８０、９０、１００、１１０、１２０ 撮像装置
８１、９１、１０１、１１１，１２１ 信号取得部
８２、８４ ミラー
８３ レンズ
Ｙ 第１の軸
ＡＸ 光軸
ＯＰｍ 測定光路
ＯＰｒ 参照光路

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の少なくとも幾つかの実施形態に係る撮像装置は、
信号取得部と、回転部と、を備え、
信号取得部は、光源を有し、試料に平行光を照射する照明部と、二次元配列された複数の受光部を有する光検出器と、照明部から試料に照射され、試料を通過した光を光検出器に導く検出光学系と、を有し、
回転部は、試料中で検出光学系の光軸と交差する第１の軸を中心として、試料と信号取得部とを相対的に回転させ、
照明部は、光軸及び第１の軸を含む平面内において、試料と信号取得部との間の異なる回転状態それぞれについて、試料に対して２つ以上の入射角で平行光を照射し、
照明部は、試料に対して照射する２つ以上の異なる入射角の平行光それぞれを、同時には照射せず、
光検出器は、試料と信号取得部との間の異なる回転状態それぞれについて、試料に対して照射する２つ以上の異なる入射角の平行光それぞれに対応する光を検出することを特徴とする。

撮像装置１では、参照光路が不要となるため、光学系をより簡易に構成できる。

ただし、試料８と信号取得部２とを、第１の軸Ｙを中心として相対的に回転させても、散乱ポテンシャルが取得できない領域（以下、「欠損領域」という）が残る。

領域３２をｆｘ軸の周りに回転させるためには、例えば、撮像装置１において、試料８と信号取得部２とを、所定の軸を中心として相対的に回転させることが考えられる。所定の軸は、第１の軸Ｙと光軸ＡＸとの交点を通り、且つ、第１の軸Ｙと光軸ＡＸを含む面と直交する軸である。

しかしながら、第１の方法と第２の方法とを組み合わせた方法では、２つの直交する軸の周りで回転が生じる。例えば、撮像装置１では、試料８と信号取得部２とを、２つの直交する軸の周りで回転させることになる。そのため、装置が複雑化し、情報の取得にも時間もかかる。よって、第２の方法を用いることは好ましくない。

照明部７０は、レンズ７４を有する。レンズ７４は、光源７１とレンズ４２の間に配置されている。レンズ７４とレンズ４２とで、光源７１の位置と瞳位置７３とを、共役にすることができる。瞳位置７３の周囲に十分な空間が確保できる場合、光射出部７２は、瞳位置７３に配置しても良い。

この場合、周波数空間における散乱ポテンシャルの分布では、図２６（ｃ）に示すように、ｆｙ軸方向だけでなくｆｚ軸方向でも明暗が変化している。

更に、本実施形態の撮像装置では、多方向照射による照明ができる。よって、透明位相物体であっても、より正確に、立体的な試料の画像を得ることができる。

Claims (8)

1. 信号取得部と、回転部と、を備え、
   前記信号取得部は、光源を有し、試料に光を照射する照明部と、二次元配列された複数の受光部を有する光検出器と、前記照明部から前記試料に照射され、前記試料を通過した光を前記光検出器に導く検出光学系と、を有し、
   前記回転部は、前記試料中で前記検出光学系の光軸と交差する第１の軸を中心として、前記試料と前記信号取得部とを相対的に回転させ、
   前記照明部は、前記光軸及び前記第１の軸を含む平面内において、前記試料に対して２つ以上の入射角で光を照射することを特徴とする撮像装置。
2. 前記照明部は、前記入射角を、以下の条件式（１）を満足する角度に変更することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
   ０＜ＮＡILL＜ＮＡ （１）
   ここで、
   ＮＡは、前記検出光学系の光学的な開口数、
   ＮＡILLは、前記試料へ入射する光の開口数、
   である。
3. 前記照明部は、前記入射角を、以下の条件式（１’）を満足する角度に変更することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
   ０．１３×ＮＡ＜ＮＡILL＜０．７×ＮＡ （１’）
   ここで、
   ＮＡは、前記検出光学系の光学的な開口数、
   ＮＡILLは、前記試料へ入射する光の開口数、
   である。
4. 前記照明部は、
   前記試料に光を照射する照明光学系と、
   前記光軸と前記第１の軸との交点と共役な位置に配置された第１の光偏向素子と、を有し、
   前記第１の光偏向素子で、前記入射角を２つ以上の角度に変更することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
5. 第１のビームスプリッタと、第２の光偏向素子と、第２のビームスプリッタと、をさらに備え、
   前記光源と前記光検出器との間に、前記試料を通過する測定光路と、参照光路と、が位置し、
   前記第１のビームスプリッタ及び前記第２のビームスプリッタは、光学膜が形成された光学面を有し、
   前記第１のビームスプリッタでは、前記光学膜によって、入射した光から、第１の方向に透過する光と、第２の方向に反射される光と、が生成され、
   前記第１の方向に前記測定光路が位置し、前記第２の方向に前記参照光路が位置するか、または、
   前記第１の方向に前記参照光路が位置し、前記第２の方向に前記測定光路が位置し、
   前記第１の光偏向素子は前記測定光路上に配置され、
   前記第２の光偏向素子は前記参照光路上に配置され、入射した光線を偏向して出射し、
   前記第２のビームスプリッタは、前記第１の光偏向素子により偏向された前記測定光路と、前記第２の光偏向素子により偏向された前記参照光路との交点に配置され、
   前記第２のビームスプリッタにより反射された前記測定光路上の光線と、前記第２のビームスプリッタを透過した前記参照光路上の光線とが、前記光検出器に入射することを特徴とする請求項４に記載の撮像装置。
6. 前記照明部は、前記試料に光を照射する照明光学系を有し、
   前記照明部は、アレイ状に配置された独立に制御できる複数の光射出部を有し、
   前記複数の光射出部は、前記光軸と前記第１の軸との交点と共役な位置に配置されており、
   前記照明部は、前記複数の光射出部のうち光が射出される前記光射出部を変更する制御を行うことにより、前記入射角を２つ以上の角度に変更することを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
7. 前記試料を保持する試料保持部を備え、
   前記回転部は、前記信号取得部を固定して、前記信号取得部に対して前記試料保持部を回転させることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。
8. 前記試料を保持する試料保持部を備え、
   前記回転部は、前記試料保持部を固定して、前記試料保持部に対して前記信号取得部を回転させることを特徴とする請求項１に記載の撮像装置。

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