KR20240108404A - 관찰 장치 및 관찰 방법 - Google Patents

Abstract

관찰 장치(1A)는 광원(11), 미러(22), 콘덴서 렌즈(24), 대물 렌즈(25), 빔 스플리터(41), 촬상부(43) 및 해석부(60)를 구비한다. 해석부(60)는 간섭 강도 화상 취득부(61), 제1 복소 진폭 화상 생성부(62), 제2 복소 진폭 화상 생성부(63), 위상 공역 연산부(64), 2차원 위상 화상 생성부(65), 3차원 위상 화상 생성부(66) 및 굴절률 분포 산출부(67)를 구비한다. 해석부(60)는 미러(22)의 반사면의 방위를 변화시킴으로써 관찰 대상물(S)에 대해서 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 광을 조사시켜, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해 기준 위치에 있어서의 간섭 강도 화상을 촬상부(43)로부터 취득하고, 이들 간섭 강도 화상에 기초하여 필요한 처리를 함으로써 관찰 대상물의 3차원 위상 화상을 구한다. 이것에 의해, 다중 산란광의 영향을 저감시켜 관찰 대상물을 관찰할 수 있는 관찰 장치가 실현된다.

Description

관찰 장치 및 관찰 방법

본 개시는 관찰 장치 및 관찰 방법에 관한 것이다.

근래, 스페로이드나 오르가노이드라고 불리는 3차원의 세포 조직을 제작하는 기술이 진보하고 있다. 또한, 이들 3차원 세포 조직을 창약이나 재생 의료 등에 응용하는 연구가 진행되고 있다. 이들 3차원 세포 조직은 광학적으로 투명한 다중 산란체이다. 이러한 광학적으로 투명한 산란체를 이미징하는 기술로서, 지금까지 다종 다양한 수법이 제안되고 있다.

그 중, 형광 프로브를 이용하는 이미징 기술로서는, 공초점 현미경, 다광자 현미경, 라이트 시트 현미경을 들 수 있다. 한편, 형광 프로브를 이용하지 않는 비염색·비침습의 이미징 기술로서는, 광 코히런스·토모그래피(Optical Coherence Tomography, OCT) 등이 알려져 있다.

스페로이드나 오르가노이드 등과 같은 관찰 대상물에 대해서는 비염색·비침습의 이미징이 바람직하는 경우가 많기는 하지만, 이들 관찰 대상물의 이미징에 OCT가 적용되었다고 하는 보고예는 많지 않다. 그 이유로서는, OCT에 의한 이미징의 분해능이 낮은 것, 및, OCT에 의한 이미징에 의해 얻어진 신호의 해석이 어려운 것을 생각할 수 있다. 따라서, 현시점에서는, 골드 스탠다드가 될 수 있는 비염색의 3차원 세포 조직의 이미징 기술은 확립되어 있지 않다고 말할 수 있다.

관찰 대상물의 광로 길이를 비염색·비침습으로 이미징할 수 있는 기술로서, 정량 위상 이미징(Quantitative Phase Imaging, QPI)도 알려져 있다. QPI는 관찰 대상물(예를 들면 세포)의 광로 길이와 같은 물리적인 정보를 취득할 수 있는 것으로부터, 생물 분야에서 응용이 진행되고 있다. QPI에 의해 취득한 화상을 이용하여, 미분 간섭 화상이나 위상차 현미경 화상 등의 다른 종류의 화상을 생성할 수 있다.

QPI는 정보량이 비교적 많은 화상을 취득할 수 있는 기술이며, 종래의 명시야(明視野) 화상을 이용한 해석보다 하이 컨텐트한 해석에도 적용할 수 있다고 기대되고 있다. 또한, 근래의 기계 학습에 의한 화상 인식 정밀도의 향상에 의해 비염색의 이미징 기술을 사용한 하이 컨텐트한 해석이 활발히 연구되고 있어, 향후, 다중 산란체의 비염색 이미징은 중요한 역할을 담당하는 것이 기대된다. 그러나, QPI는 취득되는 화상이 어디까지나 광로 길이의 2차원으로의 투영이므로, 진정한 3차원의 구조를 파악할 수 없다.

또한, 관찰 대상물의 광로 길이를 비염색·비침습으로 이미징할 수 있는 기술로서, 특허 문헌 1에 기재되어 있는 광회절 토모그래피(Optical Diffraction Tomography, ODT)도 알려져 있다. ODT는 QPI를 3차원 이미징 가능한 기술로 발전시킨 것으로, 관찰 대상물의 3차원 굴절률 토모그래피를 실현할 수 있다. ODT를 이용하여 세포 관찰을 행함으로써, 세포핵이나 미토콘드리아 등의 세포 소기관의 식별이 가능하게 되고, 또한, 3차원적인 형태 변화의 추적이 가능하게 되어, QPI보다 더욱 하이 컨텐트한 해석을 할 수 있는 것이 기대되고 있다.

특허 문헌 1: 일본 특개 2017－219826호 공보

그렇지만, 종래의 ODT는 수 개로 이루어지는 세포의 관찰에 적용될 수 있지만, 상기와 같은 3차원 세포 조직 등의 다중 산란체의 관찰에는 적용이 곤란하다. 왜냐하면, 종래의 ODT에서는, 관찰 대상물에서 생기는 다중 산란광이 많은 경우에, 취득되는 화상에 다중 산란광의 영향이 크게 나타나기 때문이다.

광의 산란이란, 광이 대상물과 상호 작용하는 것에 의해서 광의 진행 방향이 바뀌는 현상을 말한다. 특히 대상물의 굴절률의 공간적인 뷸균일함이 증대되면, 광은 대상물을 통과하는 동안에 대상물과 다수 회 상호 작용하게 된다. 이와 같이 대상물과 다수 회 상호 작용한 광은 다중 산란광이라고 불린다. 이것에 대해서, 대상물과 1회만 상호 작용한 광은 단일 산란광이라고 불린다. 다중 산란광은 스펙클의 증대 및 단일 산란-다중 산란비(Single-scattering to Multi-scattering Ratio, SMR)의 악화의 원인이 되어, 측정의 장벽이 되는 것으로 알려져 있다.

스펙클은 광이 시간적 또한 공간적으로 코히런트한 경우에, 다중 산란광의 간섭에 의해서 공간적으로 강도 또는 위상의 큰 변화가 야기됨으로써 생긴다. 스펙클 발생을 억제하려면, 시간적 또는 공간적으로 인코히렌트한 광을 출력하는 광원을 이용하면 된다. 예를 들면, 위상차 현미경 등의 통상의 명시야 현미경은, 할로겐 램프나 발광 다이오드 등의 공간적 또한 시간적으로 인코히렌트한 광원을 이용함으로써, 스펙클이 없는 화상을 취득하고 있다.

SMR의 악화는 단일 산란광보다도 다중 산란광이 지배적으로 되어, 단일 산란광이 다중 산란광 중에 묻혀 버림으로써 생긴다. 관찰 대상물이 커져 관찰 심도가 깊을수록, 단일 산란광의 성분은 지수 함수적으로 감소하는 한편으로, 이것과 대조적으로 다중 산란광의 성분이 증대한다.

단일 산란광은 그 산란 방향이 대상물의 구조와 직접적인 대응 관계를 가지고 있기 때문에, 대상물의 구조의 측정에 이용하기 쉽다. 한편으로, 다중 산란광은 대상물의 구조와의 관계가 복잡하여, 대상물의 구조의 정보를 추출하는 것이 어렵다. 그러므로, 단일 산란광을 이용한 이미징 기술에서는, 다중 산란광 중에 단일 산란광이 묻히면(즉, SMR이 악화되면) 측정이 실패하는 것이 알려져 있다.

SMR 악화의 억제는, 단일 산란광 및 다중 산란광 중 단일 산란광을 선택적으로 검출하는 게이팅으로 불리는 기술에 의해 가능하다. 게이팅에 의해 다중 산란광이 억제되므로, SMR 악화의 억제와 동시에 스펙클의 억제도 가능하다. 게이팅은 공간, 시간 및 편광 등의 자유도를 이용하여 실현된다. 공초점 현미경은 공간적 게이팅의 일례이다. OCT는 시간적 및 공간적인 게이팅의 일례이다.

종래의 ODT는, 다중 산란광의 영향을 제거하고 있지 않기 때문에, 관찰 대상물에서 생기는 다중 산란광이 많은 경우에, 취득되는 화상에 있어서 스펙클이 증대되고, 또한, SMR이 악화된다. 그러므로, 종래의 ODT는, 다중 산란광의 발생이 적은 수 개로 이루어지는 세포의 관찰에 적용될 수 있지만, 다중 산란광의 발생이 많은 3차원 세포 조직 등의 다중 산란체의 관찰에는 적용이 곤란하다.

실시 형태는 관찰 대상물이 다중 산란체인 경우여도, 다중 산란광의 영향을 저감시켜 관찰 대상물을 관찰할 수 있는 관찰 장치 및 관찰 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

실시 형태는 관찰 장치이다. 관찰 장치는 (1) 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 관찰 대상물에 조사되어 관찰 대상물을 거친 광과 참조광의 간섭에 의한 기준 위치의 간섭 강도 화상을 촬상한 촬상부로부터, 복수의 광 조사 방향 각각의 기준 위치의 간섭 강도 화상을 취득하는 간섭 강도 화상 취득부와, (2) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 간섭 강도 화상에 기초하여 기준 위치의 복소 진폭 화상을 생성하는 제1 복소 진폭 화상 생성부와, (3) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 제2 복소 진폭 화상 생성부와, (4) 제2 복소 진폭 화상 생성부에 의한 처리 전, 도중 또는 후에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산을 행해서, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 위상 공역 연산부와, (5) 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성부 또는 위상 공역 연산부에 의해 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 2차원 위상 화상 생성부와, (6) 복수의 위치 각각의 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상을 생성하는 3차원 위상 화상 생성부를 구비하고, 2차원 위상 화상 생성부는 위상 공역 연산부에 의한 연산을 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제1 위상 화상으로 하고, 위상 공역 연산부에 의한 연산을 행해서 구해진 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제2 위상 화상이라고 했을 때, 복수의 위치 중, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는 주로 제1 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하고, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는 주로 제2 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

실시 형태는 관찰 방법이다. 관찰 방법은 (1) 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 관찰 대상물에 조사되어 관찰 대상물을 거친 광과 참조광의 간섭에 의한 기준 위치의 간섭 강도 화상을 촬상한 촬상부로부터, 복수의 광 조사 방향 각각의 기준 위치의 간섭 강도 화상을 취득하는 간섭 강도 화상 취득 스텝과, (2) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 간섭 강도 화상에 기초하여 기준 위치의 복소 진폭 화상을 생성하는 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝과, (3) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝과, (4) 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝에 의한 처리 전, 도중 또는 후에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산을 행해서, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 위상 공역 연산 스텝과, (5) 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 또는 위상 공역 연산 스텝에 의해 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 2차원 위상 화상 생성 스텝과, (6) 복수의 위치 각각의 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상을 생성하는 3차원 위상 화상 생성 스텝을 구비하고, 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는, 위상 공역 연산 스텝에 의한 연산을 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제1 위상 화상으로 하고, 위상 공역 연산 스텝에 의한 연산을 행해서 구해진 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제2 위상 화상이라고 했을 때, 복수의 위치 중, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는 주로 제1 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하고, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는 주로 제2 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

실시 형태는 프로그램이다. 프로그램은 상기 구성의 관찰 방법의 각 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이다.

실시 형태는 기록 매체이다. 기록 매체는 상기 구성의 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체이다.

실시 형태의 관찰 장치 및 관찰 방법에 의하면, 관찰 대상물이 다중 산란체인 경우여도, 다중 산란광의 영향을 저감시켜 관찰 대상물을 관찰할 수 있다.

도 1은 관찰 장치(1A)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 관찰 장치(1B)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 관찰 장치(1C)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 관찰 방법의 순서도이다.
도 5는 (a)~(c) 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에 있어서의 관찰 대상물(S)로의 광 조사 방향의 주사의 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 커넬 함수 g를 설명하는 도면이다.
도 7은 (a), (b) 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에 있어서의 관찰 대상물(S)로의 광 조사 방향의 주사의 예를 나타내는 도면이다.
도 8은 (a)~(c) 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에 있어서의 관찰 대상물(S)로의 광 조사 방향의 주사의 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 순서도이다.
도 10은 커넬 함수를 설명하는 도면이다.
도 11은 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63 및 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다.
도 12는 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63, 위상 공역 연산 스텝 S64 및 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다.
도 13은 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63, 위상 공역 연산 스텝 S64 및 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다.
도 14는 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63, 위상 공역 연산 스텝 S64 및 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다.
도 15는 3차원 위상 화상 생성 스텝 S66 및 굴절률 분포 산출 스텝 S67의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다.
도 16은 위상 공역 연산의 개요에 대해 설명하는 도면으로, 촬상부에 의해 간섭 강도 화상을 촬상할 때의 입력광 및 출력광을 나타내는 도면이다.
도 17은 위상 공역 연산의 개요에 대해 설명하는 도면으로, 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 입력광 및 출력광을 나타내는 도면이다.
도 18은 위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서의 화상 분할, 위상 공역 연산 및 화상 결합을 설명하는 도면이다.
도 19는 시뮬레이션 A시의 배치를 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 20은 (a) 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상, 및 (b) 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 54×54로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다.
도 21은 시뮬레이션 B시의 배치를 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 22는 (a) 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상, 및 (b) 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 54×54로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다.
도 23은 (a) 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있는 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상, 및 (b) 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있는 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다.
도 24는 (a) 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있지 않은 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상, 및 (b) 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있지 않은 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다.
도 25는 (a) 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 미분 화상, 및 (b) 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 미분 화상이다.
도 26은 시뮬레이션 D시의 배치를 모식적으로 설명하는 도면이다.
도 27은 (a) 엄밀해(儼密解)의 위상 미분 화상, (b) 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상, 및 (c) 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 미분 화상이다.
도 28은 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득된 간섭 강도 화상(수직 조사시)이다.
도 29는 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62에서 간섭 강도 화상(도 28)에 기초하여 생성된 복소 진폭 화상(실수부, z=0)이다.
도 30은 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에서 복소 진폭 화상(도 29)에 기초하여 생성된 복소 진폭 화상(실수부, z=z_n)이다.
도 31은 위상 공역 연산 스텝 S64에서 복소 진폭 화상(도 30)을 분할하여 얻어진 복수의 부분 화상(실수부, z=z_n)이다.
도 32는 위상 공역 연산 스텝 S64에서 복수의 부분 화상(도 31) 각각에 대해 위상 공역 연산을 행해 얻어진 부분 화상(실수부, z=z_n)이다.
도 33은 위상 공역 연산 스텝 S64에서 위상 공역 연산 후의 복수의 부분 화상(도 32)을 결합하여 얻어진 복소 진폭 화상(실수부, z=z_n)이다.
도 34는 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65 중의 스텝 S21에서 복소 진폭 화상(도 33)에 기초하여 생성된 복소 미분 간섭 화상(x방향 시어 및 y방향 시어 각각에 대해 허수부)이다.
도 35는 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65 중의 스텝 S22에서 복소 미분 간섭 화상(도 34)에 기초하여 생성된 위상 미분 화상(x방향 시어 및 y방향 시어)이다.
도 36은 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65 중의 스텝 S22에서, 위상 공역 연산 스텝 S64를 행하지 않은 복소 진폭 화상(도 30)에 기초하여 생성된 위상 미분 화상(x방향 시어 및 y방향 시어)이다.
도 37은 위상 공역 연산 스텝 S64를 행한 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 35)과, 위상 공역 연산 스텝 S64를 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 36)을 조합하여 얻어진 위상 미분 화상(x방향 시어 및 y방향 시어)이다.
도 38은 굴절률 분포 산출 스텝 S67에서 위상 미분 화상에 기초하여 생성된 굴절률 분포이다.
도 39는 z=10.4μm의 위치에서의 위상 미분 화상으로, (a) 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상, 및 (b) 위상 공역 연산을 행했을 경우에 얻어진 위상 미분 화상이다.
도 40은 z=32.4μm의 위치에서의 위상 미분 화상으로, (a) 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상, 및 (b) 위상 공역 연산을 행했을 경우에 얻어진 위상 미분 화상이다.
도 41은 z=54.0μm의 위치에서의 위상 미분 화상으로, (a) 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상, 및 (b) 위상 공역 연산을 행했을 경우에 얻어진 위상 미분 화상이다.
도 42는 z=10.4μm의 위치에서의 굴절률 분포로서, (a) 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 굴절률 분포, 및 (b) 위상 공역 연산을 행했을 경우와 행하지 않은 경우 각각의 위상 미분 화상을 조합하여 재구성하여 얻어진 굴절률 분포이다.
도 43은 z=54.0μm의 위치에서의 굴절률 분포로서, (a) 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 굴절률 분포, 및 (b) 위상 공역 연산을 행했을 경우와 행하지 않은 경우 각각의 위상 미분 화상을 조합하여 재구성하여 얻어진 굴절률 분포이다.
도 44는 (a) 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 각 z위치에서의 위상 미분 화상, (b) 도 12에 나타내진 절차에 따라서 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 후에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우에 얻어진 각 z위치에서의 위상 미분 화상, 및 (c) 도 13에 나타내진 절차에 따라서 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 전에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우에 얻어진 각 z위치에서의 위상 미분 화상이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여, 관찰 장치 및 관찰 방법의 실시 형태를 상세하게 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 부여하고, 중복하는 설명을 생략한다. 본 발명은 이들 예시로 한정되는 것이 아니고, 특허 청구 범위에 의해서 나타내지고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

도 1은 관찰 장치(1A)의 구성을 나타내는 도면이다. 이 관찰 장치(1A)는 광원(11), 렌즈(12), 렌즈(21), 미러(22), 렌즈(23), 콘덴서 렌즈(24), 대물 렌즈(25), 빔 스플리터(41), 렌즈(42), 촬상부(43) 및 해석부(60) 등을 구비한다.

광원(11)은 공간적·시간적으로 코히런트한 광을 출력하는 것으로, 바람직하게는 레이저 광원이다. 렌즈(12)는 광원(11)과 광학적으로 접속되어 있고, 광원(11)으로부터 출력된 광을 광 파이버(14)의 광 입사단(13)에 집광하여, 그 광을 광 입사단(13)에 입사시킨다. 광 파이버(14)는 렌즈(12)에 의해 광 입사단(13)에 입사된 광을 파이버 커플러(15)로 도광한다.

파이버 커플러(15)는 광 파이버(14)와 광 파이버(16, 17)의 사이에서 광을 결합하는 것으로, 광 파이버(14)에 의해 도광되어 도달한 광을 2분기하고, 한쪽의 분기광을 광 파이버(16)에 의해 도광시키고, 다른 쪽의 분기광을 광 파이버(17)에 의해 도광시킨다. 광 파이버(16)에 의해 도광된 광은 광 출사단(18)으로부터 발산광으로서 출사된다. 광 파이버(17)에 의해 도광된 광은 광 출사단(19)으로부터 발산광으로서 출사된다.

렌즈(21)는 광 출사단(18)과 광학적으로 접속되어 있고, 광 출사단(18)으로부터 발산광으로서 출력된 광을 콜리메이트한다. 미러(22)는 렌즈(21)와 광학적으로 접속되어 있고, 렌즈(21)로부터 도달한 광을 렌즈(23)로 반사시킨다. 미러(22)의 반사면의 방위는 가변이다. 렌즈(23)는 미러(22)와 광학적으로 접속되어 있다. 콘덴서 렌즈(24)는 렌즈(23)와 광학적으로 접속되어 있다. 렌즈(23) 및 콘덴서 렌즈(24)는, 바람직하게는 4f 광학계를 구성하고 있다.

렌즈(23) 및 콘덴서 렌즈(24)는, 미러(22)의 반사면의 방위에 따른 광 조사 방향으로부터 관찰 대상물(S)에 대해서 광을 조사한다. 대물 렌즈(25)는 콘덴서 렌즈(24)와 광학적으로 접속되어 있다. 대물 렌즈(25)와 콘덴서 렌즈(24)의 사이에 관찰 대상물(S)이 배치된다. 대물 렌즈(25)는 콘덴서 렌즈(24)로부터 출력되어 관찰 대상물(S)을 거친 광(물체광)을 입력받고, 그 광을 빔 스플리터(41)로 출력한다.

빔 스플리터(41)는 대물 렌즈(25)와 광학적으로 접속되고, 또한, 광 출사단(19)과도 광학적으로 접속되어 있다. 빔 스플리터(41)는 대물 렌즈(25)로부터 출력되어 도달한 광(물체광)과, 광 출사단(19)으로부터 출력되어 도달한 광(참조광)을 합파하여, 양광을 렌즈(42)로 출력한다. 렌즈(42)는 빔 스플리터(41)와 광학적으로 접속되어 있고, 빔 스플리터(41)로부터 도달한 물체광 및 참조광 각각을 콜리메이트하여 촬상부(43)로 출력한다.

촬상부(43)는 렌즈(42)와 광학적으로 접속되어 있고, 렌즈(42)로부터 도달한 물체광과 참조광의 간섭에 의한 간섭 무늬 이미지(간섭 강도 화상)를 촬상한다. 촬상부(43)의 촬상면으로의 물체광의 입사 방향에 대해서 참조광의 입사 방향은 경사져 있다. 빔 스플리터(41)에 의해 물체광과 참조광이 합파되는 위치는, 결상 렌즈보다 후단이어도 되지만, 수차의 영향을 고려하면, 도면에 나타내지는 것처럼 대물 렌즈(25)와 렌즈(42)의 사이인 것이 바람직하다.

해석부(60)는 촬상부(43)와 전기적으로 접속되어 있고, 촬상부(43)에 의해 촬상된 간섭 강도 화상을 입력한다. 해석부(60)는 그 입력된 간섭 강도 화상을 처리함으로써, 관찰 대상물(S)의 3차원 굴절률 분포를 산출한다. 해석부(60)는 컴퓨터여도 된다. 해석부(60)는 간섭 강도 화상 취득부(61), 제1 복소 진폭 화상 생성부(62), 제2 복소 진폭 화상 생성부(63), 위상 공역 연산부(64), 2차원 위상 화상 생성부(65), 3차원 위상 화상 생성부(66), 굴절률 분포 산출부(67), 표시부(68) 및 기억부(69)를 구비한다.

간섭 강도 화상 취득부(61)는 미러(22)의 반사면의 방위를 변화시킴으로써, 관찰 대상물(S)에 대해서 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 광을 조사시킨다. 또한, 간섭 강도 화상 취득부(61)는 복수의 광 조사 방향 각각에 대해 기준 위치에 있어서의 간섭 강도 화상을 촬상부(43)로부터 취득한다.

간섭 강도 화상 취득부(61)는 CPU를 포함하고, 미러(22)의 반사면의 방위를 변화시키기 위한 제어 신호를 출력하는 출력 포트를 가지고, 또한, 촬상부(43)로부터 간섭 강도 화상을 입력하는 입력 포트를 가진다. 대물 렌즈(25)를 광축 방향으로 이동시킬 필요는 없다. 기준 위치는 촬상부(43)의 촬상면에 대해서 공역 관계에 있는 상면(像面) 위치이다.

제1 복소 진폭 화상 생성부(62), 제2 복소 진폭 화상 생성부(63), 위상 공역 연산부(64), 2차원 위상 화상 생성부(65), 3차원 위상 화상 생성부(66) 및 굴절률 분포 산출부(67)는, 간섭 강도 화상에 기초하여 처리를 행하는 것으로, CPU, GPU, DSP 또는 FPGA 등의 처리 장치를 포함한다. 표시부(68)는 처리해야 할 화상, 처리 도중의 화상 및 처리 후의 화상 등을 표시하는 것으로, 예를 들면 액정 디스플레이를 포함한다.

기억부(69)는 각종의 화상의 데이터를 기억하는 것으로, 하드디스크 드라이브, 플래쉬 메모리, RAM 및 ROM 등을 포함한다. 제1 복소 진폭 화상 생성부(62), 제2 복소 진폭 화상 생성부(63), 위상 공역 연산부(64), 2차원 위상 화상 생성부(65), 3차원 위상 화상 생성부(66), 굴절률 분포 산출부(67) 및 기억부(69)는, 클라우드 컴퓨팅에 의해서 구성되어도 된다.

기억부(69)는 간섭 강도 화상 취득부(61), 제1 복소 진폭 화상 생성부(62), 제2 복소 진폭 화상 생성부(63), 위상 공역 연산부(64), 2차원 위상 화상 생성부(65), 3차원 위상 화상 생성부(66) 및 굴절률 분포 산출부(67)에 각 처리를 실행시키기 위한 프로그램도 기억한다. 이 프로그램은 관찰 장치(1A)의 제조시 또는 출하시에 기억부(69)에 기억되어 있어도 되고, 출하 후에 통신 회선을 경유하여 취득된 것이 기억부(69)에 기억되어도 되고, 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체(2)에 기록되어 있던 것이 기억부(69)에 기억되어도 된다. 기록 매체(2)는 플렉서블 디스크, CD-ROM, DVD-ROM, BD-ROM, USB 메모리 등 임의이다.

간섭 강도 화상 취득부(61), 제1 복소 진폭 화상 생성부(62), 제2 복소 진폭 화상 생성부(63), 위상 공역 연산부(64), 2차원 위상 화상 생성부(65), 3차원 위상 화상 생성부(66) 및 굴절률 분포 산출부(67) 각각의 처리의 상세에 대해서는 후술한다.

도 2는 관찰 장치(1B)의 구성을 나타내는 도면이다. 이 도 2에 나타내지는 관찰 장치(1B)는, 도 1에 나타내진 관찰 장치(1A)의 구성에 더하여, 렌즈(31), 미러(32) 및 렌즈(34) 등을 구비한다.

렌즈(31)는 광 출사단(19)과 광학적으로 접속되어 있고, 광 출사단(19)으로부터 발산광으로서 출력된 광(참조광)을 콜리메이트한다. 미러(32)는 렌즈(31)와 광학적으로 접속되어 있고, 렌즈(31)로부터 도달한 광을 렌즈(34)로 반사시킨다. 렌즈(34)는 미러(32)와 광학적으로 접속되어 있고, 미러(32)로부터 도달한 광을 빔 스플리터(41)로 출력한다.

렌즈(34)로부터 출력된 광은, 빔 스플리터(41)의 직전에서 일단 집광된 후, 발산광으로서 빔 스플리터(41)에 입력된다. 빔 스플리터(41)는 대물 렌즈(25)로부터 출력되어 도달한 광(물체광)과, 렌즈(34)로부터 출력되어 도달한 광(참조광)을 합파하여, 양광을 동축으로 하여 렌즈(42)로 출력한다. 촬상부(43)는 렌즈(42)로부터 도달한 물체광과 참조광의 간섭에 의한 간섭 무늬 이미지(간섭 강도 화상)를 촬상한다. 촬상부(43)의 촬상면으로의 물체광의 입사 방향에 대해서 참조광의 입사 방향은 평행이다.

구동부(33)는 미러(32)의 반사면에 수직인 방향으로 미러(32)를 이동시킨다. 구동부(33)는 예를 들면 피에조 액츄에이터이다. 이 미러(32)의 이동에 의해, 파이버 커플러(15)에 있어서의 광 분기로부터 빔 스플리터(41)에 있어서의 합파에 이르기까지의 물체광 및 참조광 각각의 광로 길이의 차(위상차)를 변화시킨다. 이 광로 길이 차가 다르면, 촬상부(43)에 의해 촬상되는 간섭 강도 화상도 다르다.

관찰 장치는 도 1 및 도 2의 구성예로 한정되는 것이 아니고, 다양한 변형이 가능하다. 관찰 장치(1A)(도 1) 및 관찰 장치(1B)(도 2)의 구성에서는 관찰 대상물(S)을 투과한 광을 물체광으로 했지만, 이하에 설명하는 관찰 장치(1C)(도 3)의 구성과 같이 관찰 대상물(S)에서 반사된 광을 물체광으로 해도 된다.

도 3은 관찰 장치(1C)의 구성을 나타내는 도면이다. 관찰 장치(1C)는 광원(11), 렌즈(12), 렌즈(21), 미러(22), 렌즈(23), 대물 렌즈(25), 빔 스플리터(41), 렌즈(42), 촬상부(43) 및 해석부(60) 등을 구비한다. 이하에서는, 관찰 장치(1A)(도 1)와 상위한 점에 대해 주로 설명한다.

렌즈(21)는 광 파이버(16)의 광 출사단(18)과 광학적으로 접속되어 있고, 광 출사단(18)으로부터 발산광으로서 출력된 광을 콜리메이트한다. 미러(22)는 렌즈(21)와 광학적으로 접속되어 있고, 렌즈(21)로부터 도달한 광을 렌즈(23)로 반사시킨다. 미러(22)의 반사면의 방위는 가변이다. 렌즈(23)는 미러(22)와 광학적으로 접속되어 있다. 대물 렌즈(25)는 렌즈(23)와 광학적으로 접속되어 있다.

렌즈(23)와 대물 렌즈(25)의 사이에 빔 스플리터(41)가 배치되어 있다. 렌즈(23) 및 대물 렌즈(25)는, 바람직하게는 4f 광학계를 구성하고 있다. 렌즈(23) 및 대물 렌즈(25)는, 미러(22)의 반사면의 방위에 따른 광 조사 방향으로부터 관찰 대상물(S)에 대해서 광을 조사한다. 대물 렌즈(25)는 관찰 대상물(S)에서 반사된 광(물체광)을 입력받고, 그 광을 빔 스플리터(41)로 출력한다.

빔 스플리터(41)는 대물 렌즈(25)와 광학적으로 접속되고, 또한, 광 파이버(17)의 광 출사단(19)과도 광학적으로 접속되어 있다. 빔 스플리터(41)는 대물 렌즈(25)로부터 출력되어 도달한 광(물체광)과, 광 출사단(19)으로부터 출력되어 도달한 광(참조광)을 합파하여, 양광을 렌즈(42)로 출력한다. 렌즈(42)는 빔 스플리터(41)와 광학적으로 접속되어 있고, 빔 스플리터(41)로부터 도달한 물체광 및 참조광 각각을 콜리메이트하여 촬상부(43)로 출력한다.

촬상부(43)는 렌즈(42)와 광학적으로 접속되어 있고, 렌즈(42)로부터 도달한 물체광과 참조광의 간섭에 의한 간섭 무늬 이미지(간섭 강도 화상)를 촬상한다. 촬상부(43)의 촬상면으로의 물체광의 입사 방향에 대해서 참조광의 입사 방향은 경사져 있다. 빔 스플리터(41)에 의해 물체광과 참조광이 합파되는 위치는, 결상 렌즈보다 후단이어도 되지만, 수차의 영향을 고려하면, 도면에 나타내지는 것처럼 대물 렌즈(25)와 렌즈(42)의 사이인 것이 바람직하다.

관찰 장치(1C)(도 3)의 구성에 있어서, 관찰 장치(1B)(도 2)와 마찬가지로 참조광의 광로 길이를 변화시키는 기구(도 2 중의 렌즈(31), 미러(32), 구동부(33) 및 렌즈(34))를 마련하고, 파이버 커플러(15)에 있어서의 광 분기로부터 빔 스플리터(41)에 있어서의 합파에 이르기까지의 물체광 및 참조광 각각의 광로 길이의 차(위상차)를 변화시켜도 된다. 이 경우, 촬상부(43)의 촬상면으로의 물체광의 입사 방향에 대해서 참조광의 입사 방향은 평행이어도 된다.

도 4는 관찰 방법의 순서도이다. 이 관찰 방법은 관찰 장치(1A)(도 1), 관찰 장치(1B)(도 2) 및 관찰 장치(1C)(도 3) 중 어느 쪽을 이용한 경우에도 가능한 것이다. 이 관찰 방법은 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61, 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63, 위상 공역 연산 스텝 S64, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65, 3차원 위상 화상 생성 스텝 S66 및 굴절률 분포 산출 스텝 S67을 구비한다.

간섭 강도 화상 취득 스텝 S61의 처리는, 간섭 강도 화상 취득부(61)에 의해 행해진다. 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62의 처리는, 제1 복소 진폭 화상 생성부(62)에 의해 행해진다. 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리는, 제2 복소 진폭 화상 생성부(63)에 의해 행해진다.

위상 공역 연산 스텝 S64의 처리는, 위상 공역 연산부(64)에 의해 행해진다. 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 처리는, 2차원 위상 화상 생성부(65)에 의해 행해진다. 3차원 위상 화상 생성 스텝 S66의 처리는, 3차원 위상 화상 생성부(66)에 의해 행해진다. 굴절률 분포 산출 스텝 S67의 처리는, 굴절률 분포 산출부(67)에 의해 행해진다.

간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에 있어서, 간섭 강도 화상 취득부(61)는 미러(22)의 반사면의 방위를 변화시킴으로써, 관찰 대상물(S)에 대해서 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 광을 조사시킨다. 그리고, 간섭 강도 화상 취득부(61)는 복수의 광 조사 방향 각각에 대해 기준 위치에 있어서의 간섭 강도 화상을 촬상부(43)로부터 취득한다.

도 1, 도 2 및 도 3 각각에 있어서 설명의 편의를 위해서 xyz 직교 좌표계가 나타내져 있다. z축은 대물 렌즈(25)의 광축에 대해 평행이다. 기준 위치는 촬상부(43)의 촬상면에 대해서 공역 관계에 있는 상면 위치이다. 이 위치를 z=0이라고 한다. 관찰 대상물(S)로의 광 조사 방향은, 그 조사광의 파수 벡터(k_x, k_y, k_z) 중 k_x 및 k_y에 의해 나타낼 수 있다.

도 5의 (a)~(c)는, 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에 있어서의 관찰 대상물(S)로의 광 조사 방향의 주사의 예를 나타내는 도면이다. 이 도면에서는, 가로축을 k_x라고 하고, 세로축을 k_y라고 한 k_xk_y 평면에 있어서 각각의 원 표시의 위치가 광 조사 방향을 나타내고 있다. 광 조사 방향의 주사는, 도 5의 (a)에 나타내지는 것처럼 k_xk_y 평면에 있어서 직사각형 격자모양으로 배치되는 것이어도 되고, 도 5의 (b)에 나타내지는 것처럼 k_xk_y 평면에 있어서 동심의 복수의 원 각각의 둘레 위에 배치되는 것이어도 되고, 또한, 도 5의 (c)에 나타내지는 것처럼 k_xk_y 평면에 있어서 나선 모양으로 배치되는 것이어도 된다.

어느 경우에도, 도 1 및 도 2의 구성에 있어서의 콘덴서 렌즈(24) 또는 도 3의 구성에 있어서의 대물 렌즈(25)의 NA가 허락하는 한에서 광 조사 방향의 주사가 가능하다. 라스터 스캔 및 랜덤 스캔 중 어느 것이어도 된다. 라스터 스캔인 경우에는, 복귀 스캔이 있어도 되고 없어도 된다.

제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62에 있어서, 제1 복소 진폭 화상 생성부(62)는, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 간섭 강도 화상 취득부(61)에 의해 취득된 기준 위치의 간섭 강도 화상에 기초하여, 기준 위치의 복소 진폭 화상을 생성한다. 관찰 장치(1A)(도 1) 및 관찰 장치(1C)(도 3)의 경우에는, 제1 복소 진폭 화상 생성부(62)는 푸리에 무늬 해석법에 의해, 1매의 간섭 강도 화상에 기초하여 복소 진폭 화상을 생성할 수 있다. 관찰 장치(1B)(도 2)의 경우에는, 제1 복소 진폭 화상 생성부(62)는 위상 시프트법에 의해, 물체광과 참조광 사이의 광로 길이 차(위상차)가 서로 상이한 3매 이상의 간섭 강도 화상에 기초하여 복소 진폭 화상을 생성할 수 있다.

제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에 있어서, 제2 복소 진폭 화상 생성부(63)는 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 제1 복소 진폭 화상 생성부(62)에 의해 생성된 기준 위치(z=0)의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복수의 z방향 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성한다.

기준 위치의 복소 진폭 화상 u(x, y, 0)의 2차원 푸리에 변환을 U(k_x, k_y, 0)라고 하면, z=d의 위치의 복소 진폭 화상 u(x, y, d), 및 이 복소 진폭 화상 u(x, y, d)의 2차원 푸리에 변환 U(k_x, k_y, d)는, 하기의 자유 전파의 식으로 나타내진다. i는 허수 단위이고, k₀는 관찰 대상물 중에 있어서의 광의 파수이다.

[수 1]

[수 2]

위상 공역 연산 스텝 S64는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 후에 행해진다. 위상 공역 연산 스텝 S64는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 전에 행해져도 된다(후술). 또한, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63이 기준 위치의 복소 진폭 화상으로부터 복수 단계를 거쳐 어느 z위치의 복소 진폭 화상을 생성하는 경우에는, 그 복수 단계 중 어느 단계와 다음의 단계의 사이에 있어서 위상 공역 연산 스텝 S64가 행해져도 된다(후술).

위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서, 위상 공역 연산부(64)는 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산을 행해서, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상을 생성한다.

또한, 위상 공역 연산은 위상 공역법(phase conjugate method)에 기초하는 복소 진폭 화상에 대한 연산이며, 대상물에 있어서의 광 조사와 광 출력의 관계를 나타내는 트랜스미션 행렬을 계산하고, 그 역행열 계산과 좌표 변환을 포함하는 연산이다. 위상 공역법은 위상 공역(phase conjugation), 시간 반전법(time reversal method), 시간 반전(time reversal), 디지털 위상 공역(digital phase conjugation), 디지털 위상 공역법(digital phase conjugate method) 등으로 불리는 경우도 있다. 상세에 대해서는 후술한다.

2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서, 2차원 위상 화상 생성부(65)는 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성부(63) 또는 위상 공역 연산부(64)에 의해 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다. 여기서 생성되는 2차원 위상 화상은, 포커스를 맞춘 z방향 위치를 중심으로 하는 위상 화상에 상당한다.

2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서, 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제1 위상 화상이라고 하고, 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행해서 구해진 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제2 위상 화상이라고 했을 때, 복수의 위치 중, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는 주로 제1 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하고, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는 주로 제2 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

또한, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에 있어서 복수의 광 조사 방향 각각에 대해 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 모두 생성한 후에, 위상 공역 연산부(64) 이후의 처리를 행해도 된다. 또한, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에 있어서 복수의 광 조사 방향 각각에 대해 어느 1개의 z방향 위치의 복소 진폭 화상을 생성하고, 그 위치의 2차원 위상 화상을 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서 생성하는 처리를 단위로 하여, z방향 위치를 주사하면서 해당 단위 처리를 반복하여 행해도 된다. 후자의 경우에는, 기억부(69)가 기억해 두어야 할 화상 데이터의 용량을 작게 할 수 있다는 점에서 바람직하다.

3차원 위상 화상 생성 스텝 S66에 있어서, 3차원 위상 화상 생성부(66)는 2차원 위상 화상 생성부(65)에 의해 생성된 복수의 위치 각각의 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상을 생성한다. 여기서 생성되는 3차원 위상 화상은, 2차원 위상 화상 중에서의 위치 x, y 및 그 2차원 위상 화상의 위치 z를 변수로 하는 화상이다.

굴절률 분포 산출 스텝 S67에 있어서, 굴절률 분포 산출부(67)는 3차원 위상 화상 생성부(66)에 의해 생성된 3차원 위상 화상에 기초하여, 디콘볼루션에 의해 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포를 구한다.

관찰 대상물의 굴절률 분포를 n(x, y, z)이라고 하고, 전기 감수율 분포를 f(x, y, z)라고 하고, 배경의 매질의 굴절률을 n_m이라고 하면, 양자 간에는 하기 (3) 식의 관계가 있다. 3차원 위상 화상 생성부(66)에 의해 생성된 3차원 위상 화상 Φ(x, y, z)은, 하기 (4) 식과 같이, 커넬 함수 g(x, y, z)와 전기 감수율 분포 f(x, y, z)의 콘볼루션으로 나타내진다. 따라서, 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포 n(x, y, z)은 3차원 위상 화상 Φ(x, y, z)에 기초하여 디콘볼루션에 의해 구할 수 있다.

[수 3]

[수 4]

또한, 커넬 함수 g는 파동 방정식의 해에 대응하는 그린 함수에 기초한 것이다. 도 6은 커넬 함수 g를 설명하는 도면이다. 이 도면에 있어서, 커넬 함수 g의 값이 가장 큰 중심 위치가 원점이고, 세로 방향이 z축이며, 가로 방향이 z축에 수직인 방향이다.

제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63, 위상 공역 연산 스텝 S64, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65, 3차원 위상 화상 생성 스텝 S66 및 굴절률 분포 산출 스텝 S67의 각 처리는, 소정의 수의 광 조사 방향 각각의 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득될 때마다 행해져도 되고(도 7), 1개의 광 조사 방향의 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득될 때마다 행해져도 된다(도 8).

도 7 및 도 8은 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에 있어서의 관찰 대상물(S)로의 광 조사 방향의 주사의 예를 나타내는 도면이다. 이들 도면에서는, 가로축을 k_x라고 하고 세로축을 k_y라고 한 k_xk_y 평면에 있어서 각각의 원 표시의 위치가 광 조사 방향을 나타내고 있다. 이들 도면에 나타내지는 광 조사 방향의 주사의 예에서는, 광 조사 방향을 차례로 변경해 나가, 제(N＋n)의 간섭 강도 화상 취득시의 광 조사 방향을 제n 간섭 강도 화상 취득시의 광 조사 방향과 일치시키고 있다. n는 양의 정수이며, N는 2 이상의 정수이다.

도 7에 나타내지는 예에서는, 제1~제N 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득되면, 이들 제1~제N 간섭 강도 화상에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해진다(도 7의 (a)). 다음으로, 제(N＋1)~제2N 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득되면, 이들 제(N＋1)~제2N 간섭 강도 화상에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해진다(도 7의 (b)).

다음으로, 제(2N＋1)~제3N 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득되면, 이들 제(2N＋1)~제3N 간섭 강도 화상에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해진다. 이후도 마찬가지이다.

도 8에 나타내지는 예에서는, 제1~제N 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득되면, 이들 제1~제N 간섭 강도 화상에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해진다(도 8의 (a)). 다음으로, 제(N＋1) 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득되면, 이 제(N＋1) 간섭 강도 화상을 포함하는 가장 가까운 N매의 간섭 강도 화상(제2~제(N＋1) 간섭 강도 화상)에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해진다(도 8의 (b)).

다음으로, 제(N＋2) 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득되면, 이 제(N＋2) 간섭 강도 화상을 포함하는 가장 가까운 N매의 간섭 강도 화상(제3~제(N＋2) 간섭 강도 화상)에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해진다(도 8의 (c)). 이후도 마찬가지로 하여, 제(N＋n)의 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득되면, 이 제(N＋n)의 간섭 강도 화상을 포함하는 가장 가까운 N매의 간섭 강도 화상(제(1＋n)~제(N＋n)의 간섭 강도 화상)에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해진다.

도 7에 나타내진 예와 비교하면, 도 8에 나타내진 예에서는, 1개의 광 조사 방향의 간섭 강도 화상이 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득될 때마다, 그 간섭 강도 화상을 포함하는 가장 가까운 복수의 간섭 강도 화상에 기초하여 스텝 S62~S67의 각 처리가 행해지므로, 스텝 S62~S67의 각 처리에 의해 단위 시간당 얻어지는 각 화상의 수가 많다.

다음으로, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 상세에 대하여 설명한다. 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서, 2차원 위상 화상 생성부(65)는, 복수의 위치 각각에 대해서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

도 9는 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 순서도이다. 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65는, 복수의 위치 각각에 대해서, 스텝 S21에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성한다. 스텝 S22에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상의 총합에 기초하여 위상 미분 화상을 생성한다. 스텝 S23에 있어서, 위상 미분 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

z=d인 위치의 복소 진폭 화상을 u(x, y, d)라고 하면, 스텝 S21에서 생성되는 복소 미분 간섭 화상 q(x, y, d)는 하기 (5) 식으로 나타내진다. δx 및δy 중 적어도 한쪽은 비0이다. δx≠0, y=0이면, x방향을 시어 방향으로 하는 복소 미분 간섭 화상 q가 얻어진다. δx=0, δy≠0이면, y방향을 시어 방향으로 하는 복소 미분 간섭 화상 q가 얻어진다. δx≠0, δy≠0이면, x방향 및 y방향 중 어느 것과도 상이한 방향을 시어 방향으로 하는 복소 미분 간섭 화상 q가 얻어진다. 또한, 복소 미분 간섭 화상 q(x, y, d)는, 복소 진폭 화상 u(x, y, d)를 하기 (6) 식과 같이 변환한 후에 (5) 식으로 구해도 된다.

[수 5]

[수 6]

복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상 q의 총합을 q_sum(x, y, d)라고 하면, 스텝 S22에서 생성되는 위상 미분 화상 φ(x, y, z)은, q_sum(x, y, d)의 위상으로서 하기 (7) 식으로 나타내진다. 스텝 S23에서는, 이 위상 미분 화상 φ(x, y, z)을 적분 또는 디콘볼루션함으로써, 2차원 위상 화상을 생성할 수 있다.

[수 7]

또한, 스텝 S21에 있어서, 복소 진폭 화상 상의 서로 상이한 복수의 시어 방향 각각에 대해 복소 미분 간섭 화상을 생성해도 된다. 이 경우, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65는, 복수의 위치 각각에 대해서, 스텝 S21에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 그 화상 상의 서로 상이한 복수의 시어 방향 각각에 대해 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성한다. 스텝 S22에 있어서, 복수의 시어 방향 각각에 대해서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상의 총합에 기초하여 위상 미분 화상을 생성한다. 스텝 S23에 있어서, 복수의 시어 방향 각각의 위상 미분 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

스텝 S22에서 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상의 총합에 기초하여 생성되는 위상 미분 화상은, 다중 산란광의 영향이 저감된 것이 된다. 그리고, 최종적으로 굴절률 분포 산출 스텝 S67에서 얻어지는 3차원 굴절률 분포도, 다중 산란광의 영향이 저감되고, 스펙클이 억제된 것이 된다. 또한, 스텝 S21에 있어서 복소 진폭 화상 상의 서로 상이한 복수의 시어 방향 각각에 대해 복소 미분 간섭 화상을 생성하는 경우에는, 스텝 S23에서 얻어지는 2차원 위상 화상에 라인 모양의 노이즈가 나타나는 것을 억제할 수 있다.

여기에서는, 스텝 S23에 있어서 위상 미분 화상을 적분 또는 디콘볼루션함으로써 2차원 위상 화상을 생성하는 경우를 설명했다. 그러나, 위상 미분 화상을 2차원 위상 화상으로서 취급할 수도 있다.

이 경우, 스텝 S23을 행하지 않고, 굴절률 분포 산출 스텝 S67의 디콘볼루션에 있어서, 스텝 S23의 디콘볼루션에서 이용한 커넬을 포함하는 커넬(도 10)을 이용함으로써, 스텝 S22에서 생성된 위상 미분 화상(2차원 위상 화상)으로부터 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포를 구할 수 있다. 도 10에 나타내지는 커넬은, 도 6에 나타낸 커넬과 스텝 S23의 디콘볼루션에서 이용하는 커넬을 콘볼루션 적분함으로써 얻어진다.

도 11은 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63 및 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다. 이 도면은 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행하지 않는 양태를 나타낸다.

이 양태에서는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 (1) 식 및 (2) 식의 자유 전파의 식에 의해, 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62에서 생성된 기준 위치(z=0)의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복수의 z방향 위치(이 도면에서는 z=z₁, z₂, z₃) 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다.

그리고, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서, 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에서 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복소 미분 간섭 화상이 생성되고, 또한 위상 미분 화상이 생성된다.

도 12~도 14는 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63, 위상 공역 연산 스텝 S64 및 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다. 이들 도면은, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 전, 도중 또는 후에서 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행하는 양태를 나타낸다.

도 12에 나타내지는 제1 양태는, 도 4의 순서도에 대응하는 것이다. 이 제1 양태에서는, 위상 공역 연산 스텝 S64는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 후에 행해진다. 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 (1) 식 및 (2) 식의 자유 전파의 식에 의해, 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62에서 생성된 기준 위치(z=0)의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복수의 z방향 위치(이 도면에서는 z=z1, z2, z3) 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다.

제1 양태에서는, 이어서, 위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서, 복수의 위치 각각에 대해서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산이 행해지고, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다. 그리고, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서, 복수의 위치 각각에 대해서, 위상 공역 연산 스텝 S64에서 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복소 미분 간섭 화상이 생성되고, 또한 위상 미분 화상이 생성된다.

도 13에 나타내지는 제2 양태에서는, 위상 공역 연산 스텝 S64는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 전에 행해진다. 위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62에서 생성된 기준 위치(z=0)의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산이 행해지고, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다.

제2 양태에서는, 이어서, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 (1) 식 및 (2) 식의 자유 전파의 식에 의해, 위상 공역 연산 스텝 S64에서 생성된 기준 위치(z=0)의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복수의 z방향 위치(이 도면에서는 z=z₁, z₂, z₃) 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다. 그리고, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서, 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에서 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복소 미분 간섭 화상이 생성되고, 또한 위상 미분 화상이 생성된다.

도 14에 나타내지는 제3 양태에서는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63이 기준 위치의 복소 진폭 화상으로부터 2개의 단계를 거쳐 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 경우에, 그 2개의 단계 중 제1 단계와 제2 단계의 사이에 있어서 위상 공역 연산 스텝 S64가 행해진다.

제3 양태에서는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 제1 단계에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 (1) 식 및 (2) 식의 자유 전파의 식에 의해, 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62에서 생성된 기준 위치(z=0)의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복수의 z방향 위치(이 도면에서는 z=z₁, z₃, z₅) 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다. 이어서, 위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산이 행해지고, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다.

제3 양태에서는, 추가로 이어서, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 제2 단계에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 (1) 식 및 (2) 식의 자유 전파의 식에 의해, 위상 공역 연산 스텝 S64에서 생성된 z방향 위치(z=z₁, z₃, z₅)의 복소 진폭 화상에 기초하여, z방향 위치(z=z₂, z₄, z₆) 각각의 복소 진폭 화상이 생성된다. 그리고, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에 있어서, 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에서 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여, 복소 미분 간섭 화상이 생성되고, 또한 위상 미분 화상이 생성된다.

이들 제1 양태, 제2 양태 및 제3 양태의 사이에서는, 위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서의 복소 진폭 화상에 대한 위상 공역 연산의 횟수가 상이하다. 위상 공역 연산 스텝 S64의 전체의 처리 시간은, 제1 양태보다 제3 양태의 쪽이 짧고, 제2 양태에서는 더 짧다.

도 15는 3차원 위상 화상 생성 스텝 S66 및 굴절률 분포 산출 스텝 S67의 각 처리의 순서 및 화상을 설명하는 도면이다. 3차원 위상 화상 생성 스텝 S66에 있어서, 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65에서 생성된 복수의 위치 각각의 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상이 생성된다.

이 때, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는, 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성된 2차원 위상 화상(도 11의 양태에서 생성된 2차원 위상 화상)이 주로 채용된다. 한편, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는, 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행한 후의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성된 2차원 위상 화상(도 12~도 14 중 어느 것의 양태에서 생성된 2차원 위상 화상)이 주로 채용된다.

이어서, 굴절률 분포 산출 스텝 S67에 있어서, 3차원 위상 화상 생성 스텝 S66에서 생성된 3차원 위상 화상에 기초하여, 디콘볼루션에 의해 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포가 구해진다.

z방향의 각 위치의 2차원 위상 화상의 생성은, 다음과 같은 3개의 양태가 있다. 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상(도 11의 양태에서 생성되는 위상 화상)을 제1 위상 화상 φ₁라고 한다. 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행한 후의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상(도 12~도 14 중 어느 것의 양태에서 생성되는 위상 화상)을 제2 위상 화상 φ₂라고 한다. 광 전파 경로를 따른 촬상부로부터의 거리를 나타내는 변수 z에 대한 미계수가 0 이하인 가중치 함수 α를 이용한다. 가중치 함수의 값은 0 이상 1 이하이다.

제1 양태에서는, 가중치 함수 α는 z가 임계값 z_th 이하인 범위에 있어서 양값(예를 들면 1)이며, 그 이외의 범위에 있어서 값이 0이라고 한다. 즉, 2차원 위상 화상은 하기 (8) 식으로 나타내진다.

[수 8]

제2 양태에서는, 가중치 함수 α는 z방향의 적어도 일부 범위에 있어서 연속적으로 값이 변화하는 것으로 한다. 즉, 2차원 위상 화상은 하기 (9) 식으로 나타내진다.

[수 9]

제3 양태에서는, 가중치 함수 α는, 광축(z방향)에 직교하는 면에 있어서의 위치(x, y)에 따른 값을 가지는 것으로 한다. 즉, 2차원 위상 화상은 하기 (10) 식으로 나타내진다.

[수 10]

다음으로, 도 16 및 도 17을 이용하여, 위상 공역 연산 스텝 S64에 의한 위상 공역 연산의 내용에 대해 설명한다.

도 16은 촬상부에 의해 간섭 강도 화상을 촬상할 때의 입력광 U_in(k_in) 및 출력광 u_out(r_out)를 나타내는 도면이다. U_in(ki_n)는, 관찰 대상물로 조사되는 광의 파수 k_in의 복소 진폭을 나타낸다. u_out(r_out)는 관찰 대상물로부터 출력되는 광의 위치 r_out의 복소 진폭을 나타낸다.

U_in(k_in)와 u_out(r_out) 간의 관계는, 하기 (11) 식으로 나타내진다. 열벡터 U_in의 제n 요소 U_in(k_in ⁿ)는, 파수 k_in ⁿ의 평면파의 복소 진폭을 나타낸다. 열벡터 u_out의 제n 요소 u_out(r_out ⁿ)는, 위치 r_out ⁿ에서 관측되는 광의 복소 진폭을 나타낸다. N행 N열의 행렬 T(r_out, k_in)는, U_in(k_in)와 u_out(r_out) 간의 선형인 관계를 나타내는 것으로서, 트랜스미션 행렬이라고 불린다. 이러한 트랜스미션 행렬에 의해, 관찰 대상물에 있어서의 광의 산란 과정을 나타낼 수 있다. 행렬 T(r_out, k_in)의 제n1행 제n2열의 요소 T_n1,n2는, 파수 k_in ⁿ²에서 진폭 1의 평면파가 입력되었을 때에 위치 r_out ⁿ¹에서 관측되는 광의 복소 진폭을 나타낸다.

[수 11]

도 17은 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 입력광 U_out(k_out) 및 출력광 u_in(r_in)를 나타내는 도면이다. 이 경우, U_out(k_out)는 관찰 대상물로 조사되는 광의 파수 k_out의 복소 진폭을 나타낸다. u_in(r_in)는 관찰 대상물로부터 출력되는 광의 위치 r_in의 복소 진폭을 나타낸다.

U_out(k_out)와 u_in(r_in) 간의 관계는, 하기 (12) 식으로 나타내진다. 열벡터 U_out의 제n 요소 U_out(k_out ⁿ)는, 파수 k_out ⁿ의 평면파의 복소 진폭을 나타낸다. 열벡터 u_in의 제n 요소 u_in(r_in ⁿ)는 위치 r_in ⁿ에서 관측되는 광의 복소 진폭을 나타낸다. N행 N열의 행렬 S(r_in, k_out)는 U_out(k_out)와 u_in(r_in) 간의 선형인 관계를 나타내는 것으로서, 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 트랜스미션 행렬이다.

[수 12]

U_in(k_in)는 하기 (13) 식과 같이 u_in(r_in)의 푸리에 변환으로 나타내진다. U_out(k_out)는, 하기 (14) 식과 같이 u_out(r_out)의 푸리에 변환으로 나타내진다. (11) 식~(14) 식을 이용하면, 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 트랜스미션 행렬 S(r_in, k_out)는, 역푸리에 변환을 나타내는 행렬과 트랜스미션 행렬 T(r_out, k_in)를 이용하여 하기 (15) 식으로 나타내진다.

[수 13]

[수 14]

[수 15]

위상 공역 연산 스텝 S64에서는, 먼저, 복소 진폭 화상에 기초하여, 촬상부에 의해 간섭 강도 화상을 촬상했을 때의 트랜스미션 행렬 T(r_out, k_in)를 구한다. 다음으로, 이 트랜스미션 행렬 T(r_out, k_in) 및 상기 (15) 식에 기초하여, 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 트랜스미션 행렬 S(r_in, k_out)를 구한다. 그리고, 이 트랜스미션 행렬 S(r_in, k_out)에 기초하여, 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복소 진폭 화상을 구한다.

복수의 광 조사 방향 각각에 대해 촬상부에 의해 간섭 강도 화상을 촬상할 때의 제n 광 조사 방향의 입력광의 벡터 U_in ⁿ(k_in)는, 하기 (16) 식으로 나타내지고, 제n 요소의 값만이 1이고, 다른 요소의 값이 0이다. 이 입력광 U_in ⁿ(k_in)에 대해서, 출력광 u_out ⁿ(r_out)는, 하기 (17) 식으로 나타내진다. 이 (17) 식은 제n 광 조사 방향 시에 얻어진 복소 진폭에 대응한다.

[수 16]

[수 17]

이 (16) 식 및 상기 (11) 식으로부터, 하기 (18) 식이 얻어진다. 그리고, 복수의 광 조사 방향 각각에 대해 마찬가지로 구하면, 하기 (19) 식이 얻어진다. 이와 같이 하여, 트랜스미션 행렬 T(r_out, k_in)를 구할 수 있다. 또한, 이 (19) 식 및 상기 (15) 식으로부터, 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 트랜스미션 행렬 S(r_in, k_out)를 구할 수 있다.

[수 18]

[수 19]

광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 중 제n 광 조사 방향의 입력광 U_out ⁿ(k_out)는, 하기 (20) 식으로 나타내지고, 제n 요소의 값만이 1이고, 다른 요소의 값이 0이다. 이 식으로부터, 이 입력광 U_out ⁿ(k_out)에 대한 출력광 u_in ⁿ(r_in)는, 하기 (21) 식으로 나타내진다. 이 (21) 식은 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복소 진폭을 나타낸다. 이와 같이 하여, 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복소 진폭 화상을 구할 수 있다.

[수 20]

[수 21]

광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 트랜스미션 행렬 S(r_in, k_out)를 구할 때, 상기 (15) 식에 나타내지는 것처럼, 트랜스미션 행렬 T(r_out, k_in)의 역행열을 계산할 필요가 있다. 따라서, 트랜스미션 행렬 T는 행 요소의 수와 열요소의 수가 서로 동일한 정방 행렬일 필요가 있다. 즉, 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61일 때의 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원(matrix dimension)과, 복소 진폭 화상의 화소수는, 서로 동등할 필요가 있다.

양자를 서로 동등하게 하려면, 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61일 때의 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 화소수에 일치시키거나, 촬상부에 의해 얻어진 화상 중 일부 범위의 화상만을 그 후의 처리에 이용하거나 하면 된다. 그러나, 일반적으로는, 촬상부에 의해 얻어지는 화상의 화소수는 예를 들면 1024×1024인 것으로부터, 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 화소수와 동일하게 하는 것은 용이하지 않다. 또한, 촬상부에 의해 얻어진 화상 중 일부 범위의 화상만을 그 후의 처리에 이용하는 것은, 해상도의 저하로 이어지므로, 바람직하지 않다.

이에, 도 18에 나타내지는 것처럼, 위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서, 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 동일한 화소수를 각각 가지는 복수의 부분 화상으로 복소 진폭 화상을 분할하고, 이들 복수의 부분 화상 각각에 대해 위상 공역 연산을 행하고, 그 후에 복수의 부분 화상을 결합하는 것이 바람직하다. 이 때, 복수의 부분 화상 중 어느 2 이상의 부분 화상이 공통의 영역을 가지고 있어도 된다.

다음으로, 시뮬레이션 결과에 대해 설명한다. 이하에 설명하는 시뮬레이션 A~D는, 도 4 및 도 12에 나타내진 절차에 따라서 행했다.

시뮬레이션 A에서는, 도 19에 나타내지는 것처럼, 투명 구체를 관찰 대상물로서 이용하여, 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 다양한 값으로 설정하고, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 화상의 화소수의 관계가 위상 공역 연산의 결과에 주는 영향에 대해 시뮬레이션을 행했다. 도 19는 시뮬레이션시의 배치를 모식적으로 설명하는 도면이다. 여기에서는, 화소수를 108×108로 하고, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108, 54×54, 27×27 및 18×18 각각으로 하여, 위상 공역 연산을 행했다.

도 20의 (a)는 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다. 화상의 화소수와 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원이 서로 동등한 경우에는, 위상 화상 상에 고스트가 나타나고 있지 않다. 도 20의 (b)는 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 54×54로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다. 화상의 화소수와 비교해서 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원이 적은 경우에는, 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상 상에 고스트가 나타나 있다. 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원이 적을수록, 위상 화상 상에 나타나는 고스트의 수는 많다.

시뮬레이션 B에서는, 도 21에 나타내지는 것처럼, 위상 화상을 관찰 대상물로서 이용하여, 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 다양한 값으로 설정하고, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 화상의 화소수의 관계가 위상 공역 연산의 결과에 주는 영향에 대해 시뮬레이션을 행했다. 도 21은 시뮬레이션시의 배치를 모식적으로 설명하는 도면이다. 여기에서도, 화소수를 108×108로 하고, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108, 54×54, 27×27 및 18×18 각각으로 하여, 위상 공역 연산을 행했다.

도 22의 (a)는 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다. 화상의 화소수와 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원이 서로 동등한 경우에는, 위상 화상 상에 고스트가 나타나고 있지 않다. 도 22의 (b)는 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 54×54로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다. 화상의 화소수와 비교해서 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원이 적은 경우에는, 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상 상에 고스트가 나타나 있다. 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원이 적을수록, 위상 화상 상에 나타나는 고스트의 수는 많다. 또한, 복수의 고스트의 이미지가 서로 오버랩되어 있다.

시뮬레이션 A, B의 결과로부터 알 수 있는 것처럼, 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61일 때의 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과, 복소 진폭 화상의 화소수는, 서로 동등할 필요가 있다. 따라서, 위상 공역 연산 스텝 S64에 있어서, 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 동등한 화소수를 각각 가지는 복수의 부분 화상으로 복소 진폭 화상을 분할하고, 이들 복수의 부분 화상 각각에 대해 위상 공역 연산을 행하고, 그 후에 복수의 부분 화상을 결합하는 것이 바람직하다.

시뮬레이션 C에서는, 투명 구체를 관찰 대상물로서 이용하여, 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 다양한 값으로 설정하고, 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있는지 아닌지의 점이 위상 공역 연산의 결과에 주는 영향에 대해 시뮬레이션을 행했다. 여기에서는, 화소수를 108×108로 하고, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108 및 36×36 각각으로 하여, 위상 공역 연산을 행했다. 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했을 경우에는, 복소 진폭 화상을 9개의 부분 화상으로 분할하여 위상 공역 연산을 행했다. 여기에서는, 복소 진폭 화상으로부터 복소 미분 간섭 화상을 거치지 않고 위상 화상을 생성했다.

도 23의 (a)는 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있는 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다. 도 23의 (b)는 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있는 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다.

도 24의 (a)는 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있지 않은 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다. 도 24의 (b)는 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있지 않은 경우에, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상이다.

시뮬레이션 C의 결과로부터 알 수 있는 것처럼, 화소수보다 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원이 적어도, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 동일한 화소수를 각각 가지는 복수의 부분 화상으로 복소 진폭 화상을 분할하여 위상 공역 연산을 행함으로써, 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상 상의 고스트의 출현을 억제할 수 있다.

그러나, 촬상부의 포커스가 관찰 대상물에 맞춰져 있지 않은 경우에는, 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 화상에, 고스트는 아니고 노이즈가 나타나 있다. 이 노이즈는, 동일한 산란체로부터 생긴 산란파 중 부분 화상으로부터 다른 부분 화상으로 비어져 나온 산란파에 인한 것이라고 생각할 수 있다. 이 노이즈는 복소 진폭 화상으로부터 복소 미분 간섭 화상을 거쳐 위상 화상을 생성함으로써 억제할 수 있다. 복소 미분 간섭 화상을 거침으로써, 포커스면 이외의 위치로부터의 광을 제거할 수 있다.

도 25의 (a)는 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 108×108로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 미분 화상이다. 도 25의 (b)는 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했을 때 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 미분 화상이다. 도 25의 (a) 및 도 25의 (b) 각각에서는, z방향 위치가 서로 상이한 5매의 위상 미분 화상이 나타내져 있다. 이들 도면에 나타내지는 것처럼, 복소 진폭 화상을 복수의 부분 화상으로 분할하여 위상 공역 연산을 행해도, 분할하는 일 없이 위상 공역 연산을 행했을 경우와 마찬가지의 위상 미분 화상이 얻어진다.

시뮬레이션 D에서는, 5종류의 위상 화상을 일정 간격으로 병렬 배치한 것을 관찰 대상물로서 이용하여 시뮬레이션을 행했다. 도 26은 시뮬레이션시의 배치를 모식적으로 설명하는 도면이다. 여기에서는, 화소수를 360×360으로 하고, 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원을 36×36으로 했다. 복소 진폭 화상을 100의 부분 화상으로 분할하여 위상 공역 연산을 행했다.

도 27의 (a)는 엄밀해의 위상 미분 화상이다. 도 27의 (b)는 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상이다. 도 27의 (c)는 위상 공역 연산을 행해 얻어진 위상 미분 화상이다.

도 27의 (b)에 나타내지는 것처럼, 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어지는 위상 미분 화상은, 촬상부에 가까울수록 선명하고, 촬상부로부터 멀수록 불선명하다. 이것에 대해, 도 27의 (c)에 나타내지는 것처럼, 위상 공역 연산을 행했을 경우에 얻어지는 위상 미분 화상은, 촬상부에 가까울수록 불선명하고, 촬상부로부터 멀수록 선명하다.

따라서, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는, 위상 공역 연산을 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성된 위상 화상을 주로 채용하고, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는, 위상 공역 연산을 행한 후의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성된 위상 화상을 주로 채용함으로써, 관찰 대상물의 관찰에 있어서의 심달도(深達度)를 향상시킬 수 있다.

다음으로, 실시예에 대해 설명한다. 이 실시예에서는, 관찰 장치(1A)(도 1)를 이용하여, 푸리에 무늬 해석법을 채용했다. 스텝 S21에 있어서, 복소 진폭 화상 상의 서로 상이한 2개의 시어 방향(상하 방향 시어 및 좌우 방향 시어) 각각에 대해 복소 미분 간섭 화상을 생성했다. 도 4 및 도 12에 나타내진 절차에 따랐다.

사람 간암 유래 HepG2의 3차원 배양체의 스페로이드를 관찰 대상물로서 이용했다. 화소수는 600×600이었다. 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원은 50×50이었다. 복소 진폭 화상을 144의 부분 화상으로 분할하여 위상 공역 연산을 행했다. 도 28~도 44는 각 스텝에서 얻어진 화상의 예를 나타내는 도면이다.

도 28은 간섭 강도 화상 취득 스텝 S61에서 취득된 간섭 강도 화상(수직 조사시)이다. 도 29는 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝 S62에서 간섭 강도 화상(도 28)에 기초하여 생성된 복소 진폭 화상(실수부, z=0)이다. 도 30은 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63에서 복소 진폭 화상(도 29)에 기초하여 생성된 복소 진폭 화상(실수부, z=zn)이다. 도 31은 위상 공역 연산 스텝 S64에서 복소 진폭 화상(도 30)을 분할하여 얻어진 복수의 부분 화상(실수부, z=z_n)이다. 도 32는 위상 공역 연산 스텝 S64에서 복수의 부분 화상(도 31) 각각에 대해 위상 공역 연산을 행해 얻어진 부분 화상(실수부, z=z_n)이다.

도 33은 위상 공역 연산 스텝 S64에서 위상 공역 연산 후의 복수의 부분 화상(도 32)을 결합하여 얻어진 복소 진폭 화상(실수부, z=z_n)이다. 도 34는 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65 중의 스텝 S21에서 복소 진폭 화상(도 33)에 기초하여 생성된 복소 미분 간섭 화상(x방향 시어 및 y방향 시어 각각에 대해 허수부)이다. 도 35는 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65 중의 스텝 S22에서 복소 미분 간섭 화상(도 34)에 기초하여 생성된 위상 미분 화상(x방향 시어 및 y방향 시어)이다.

도 36은 2차원 위상 화상 생성 스텝 S65 중의 스텝 S22에서, 위상 공역 연산 스텝 S64를 행하지 않은 복소 진폭 화상(도 30)에 기초하여 생성된 위상 미분 화상(x방향 시어 및 y방향 시어)이다. 도 37은 위상 공역 연산 스텝 S64를 행한 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 35)과, 위상 공역 연산 스텝 S64를 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 36)을 조합하여 얻어진 위상 미분 화상(x방향 시어 및 y방향 시어)이다. 도 38은 굴절률 분포 산출 스텝 S67에서 위상 미분 화상에 기초하여 생성된 굴절률 분포이다.

도 39는 z=10.4μm의 위치에서의 위상 미분 화상이다. 도 40은 z=32.4μm의 위치에서의 위상 미분 화상이다. 도 41은 z=54.0μm의 위치에서의 위상 미분 화상이다. 각 도면의 (a)는 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상이다. 각 도면의 (b)는 위상 공역 연산을 행했을 경우에 얻어진 위상 미분 화상이다.

촬상부에 대해 가까운 위치에서는, 도 39 중에 있어서 화살표로 지시하는 영역에 있어서, 위상 공역 연산 스텝 S64를 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 39(a))에는 과립의 존재가 명확하게 인지되는데 대하여, 위상 공역 연산을 행했을 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 39(b))에는 과립의 존재가 인지되지 않는다. 이것에 대해서, 촬상부에 대해 먼 위치에서는, 도 41 중에 있어서 화살표로 지시하는 영역에 있어서, 위상 공역 연산 스텝 S64를 행하지 않은 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 41(a))에는 과립의 존재가 인지되지 않은 것에 대하여, 위상 공역 연산을 행했을 경우에 얻어진 위상 미분 화상(도 41(b))에는 과립의 존재가 명확하게 인지된다.

도 42는 z=10.4μm의 위치에서의 굴절률 분포이다. 도 43은 z=54.0μm의 위치에서의 굴절률 분포이다. 각 도면의 (a)는 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 굴절률 분포이다. 각 도면의 (b)는 위상 공역 연산을 행했을 경우와 행하지 않은 경우 각각의 위상 미분 화상을 조합하여 재구성하여 얻어진 굴절률 분포이다.

촬상부에 대해 가까운 위치에서는, 도 42에 나타내지는 것처럼, 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우(도 42의 (a))와, 위상 공역 연산을 행했을 경우와 행하지 않은 경우 각각의 위상 미분 화상을 조합하여 재구성했을 경우(도 42의 (b))에서는, 얻어진 굴절률 분포 간의 차이는 작다. 이것에 대해서, 촬상부에 대해 먼 위치에서는, 도 43 중에 있어서 화살표로 지시하는 영역에 있어서, 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 굴절률 분포(도 43의 (a))에는 과립의 존재가 인지되지 않은 것에 대하여, 위상 공역 연산을 행했을 경우와 행하지 않은 경우 각각의 위상 미분 화상을 조합하여 재구성했을 경우에 얻어진 굴절률 분포(도 43의 (b))에는 과립의 존재가 명확하게 인지된다.

이와 같이, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는, 위상 공역 연산을 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성된 위상 화상을 주로 채용하고, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는, 위상 공역 연산을 행한 후의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성된 위상 화상을 주로 채용함으로써, 관찰 대상물의 관찰에 있어서의 심달도를 향상시킬 수 있다.

도 44의 (a)는 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우에 얻어진 각 z위치에서의 위상 미분 화상이다. 도 44의 (b)는 도 12에 나타내진 절차에 따라서 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 후에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우에 얻어진 각 z위치에서의 위상 미분 화상이다. 도 44의 (c)는 도 13에 나타내진 절차에 따라서 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 전에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우에 얻어진 각 z위치에서의 위상 미분 화상이다. 도 44의 (a)~(c)에 있어서, z=－5.6μm, －2.8μm, 0μm, 2.8μm, 5.6μm 각각의 위치에서의 위상 미분 화상이 나타내져 있다.

제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 전에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우(도 44의 (c))에는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 후에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우(도 44의 (b))와 비교해서, z=－2.8μm, 0μm, 2.8μm 각각의 위치에서의 위상 미분 화상에 있어서 동등한 화질이 얻어지고 있는데 대해, z=－5.6μm, 5.6μm 각각의 위치에서의 위상 미분 화상에 있어서 내부 구조가 약간 없어져 있다.

그러나, 위상 공역 연산을 행한 2개의 어느 경우(도 44의 (b), (c))에도, 위상 공역 연산을 행하지 않은 경우(도 44의 (a))와 비교해서, 촬상부에 대해 먼 위치에서도 내부 구조를 볼 수 있어, 관찰 대상물의 관찰에 있어서의 심달도를 향상시킬 수 있다.

또한, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 전에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우(도 44의 (c))에는, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 S63의 처리 후에 위상 공역 연산 스텝 S64의 처리를 행했을 경우(도 44의 (b))와 비교해서, 계산 시간의 병목이 되는 위상 공역법의 처리 횟수를 줄일 수 있기 때문에, 처리 시간을 단축시킬 수 있다.

관찰 장치 및 관찰 방법은 상술한 실시 형태 및 구성예로 한정되는 것이 아니고, 다양한 변형이 가능하다.

상기 실시 형태에 의한 관찰 장치는 (1) 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 관찰 대상물에 조사되어 관찰 대상물을 거친 광과 참조광의 간섭에 의한 기준 위치의 간섭 강도 화상을 촬상한 촬상부로부터, 복수의 광 조사 방향 각각의 기준 위치의 간섭 강도 화상을 취득하는 간섭 강도 화상 취득부와, (2) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 간섭 강도 화상에 기초하여 기준 위치의 복소 진폭 화상을 생성하는 제1 복소 진폭 화상 생성부와, (3) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 제2 복소 진폭 화상 생성부와, (4) 제2 복소 진폭 화상 생성부에 의한 처리 전, 도중 또는 후에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산을 행해서, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 위상 공역 연산부와, (5) 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성부 또는 위상 공역 연산부에 의해 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 2차원 위상 화상 생성부와, (6) 복수의 위치 각각의 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상을 생성하는 3차원 위상 화상 생성부를 구비하고, 2차원 위상 화상 생성부는, 위상 공역 연산부에 의한 연산을 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제1 위상 화상으로 하고, 위상 공역 연산부에 의한 연산을 행해서 구해진 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제2 위상 화상이라고 했을 때, 복수의 위치 중, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는 주로 제1 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하고, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는 주로 제2 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

상기의 관찰 장치에 있어서, 2차원 위상 화상 생성부는 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상의 총합에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 장치에 있어서, 위상 공역 연산부는 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 동일한 화소수를 각각 가지는 복수의 부분 화상으로 복소 진폭 화상을 분할하고, 이들 복수의 부분 화상 각각에 대해 위상 공역 연산을 행하고, 그 후에 복수의 부분 화상을 결합하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 장치에 있어서, 2차원 위상 화상 생성부는 광 전파 경로에 따른 촬상부로부터의 거리를 나타내는 변수 z에 대한 미계수가 0 이하인 가중치 함수 α를 이용하여, 제1 위상 화상의 α배와 제2 위상 화상의 (1－α) 배의 합을 2차원 위상 화상으로 하는 구성으로 해도 된다.

상기의 경우, 2차원 위상 화상 생성부는 가중치 함수 α로서, 변수 z의 값이 임계값 이하인 범위에 있어서 양값이며, 그 이외의 범위에 있어서 값이 0인 함수를 이용하는 구성으로 해도 된다. 또한, 2차원 위상 화상 생성부는 가중치 함수 α로서, 촬상부의 광축에 직교하는 면에 있어서의 위치에 따른 값을 가지는 함수를 이용하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 장치에 있어서, 2차원 위상 화상 생성부는 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 그 화상 상의 서로 상이한 복수의 시어 방향 각각에 대해 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 복수의 시어 방향 및 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 장치는 3차원 위상 화상에 기초하여 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포를 구하는 굴절률 분포 산출부를 더 구비하는 구성으로 해도 된다.

상기 실시 형태에 의한 관찰 방법은 (1) 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 관찰 대상물에 조사되어 관찰 대상물을 거친 광과 참조광의 간섭에 의한 기준 위치의 간섭 강도 화상을 촬상한 촬상부로부터, 복수의 광 조사 방향 각각의 기준 위치의 간섭 강도 화상을 취득하는 간섭 강도 화상 취득 스텝과, (2) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 간섭 강도 화상에 기초하여 기준 위치의 복소 진폭 화상을 생성하는 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝과, (3) 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 기준 위치의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝과, (4) 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝에 의한 처리 전, 도중 또는 후에 있어서, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산을 행해서, 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 위상 공역 연산 스텝과, (5) 복수의 위치 각각에 대해서, 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 또는 위상 공역 연산 스텝에 의해 생성된 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 2차원 위상 화상 생성 스텝과, (6) 복수의 위치 각각의 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상을 생성하는 3차원 위상 화상 생성 스텝을 구비하고, 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는, 위상 공역 연산 스텝에 의한 연산을 행하기 전의 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제1 위상 화상으로 하고, 위상 공역 연산 스텝에 의한 연산을 행해서 구해진 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제2 위상 화상이라고 했을 때, 복수의 위치 중, 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는 주로 제1 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하고, 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는 주로 제2 위상 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성한다.

상기의 관찰 방법에 있어서, 2차원 위상 화상 생성 스텝은 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상의 총합에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 방법에 있어서, 위상 공역 연산 스텝에서는 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 동일한 화소수를 각각 가지는 복수의 부분 화상으로 복소 진폭 화상을 분할하고, 이들 복수의 부분 화상 각각에 대해 위상 공역 연산을 행하고, 그 후에 복수의 부분 화상을 결합하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 방법에 있어서, 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는, 광 전파 경로를 따른 촬상부로부터의 거리를 나타내는 변수 z에 대한 미계수가 0 이하인 가중치 함수 α를 이용하여, 제1 위상 화상의 α배와 제2 위상 화상의 (1－α) 배의 합을 2차원 위상 화상으로 하는 구성으로 해도 된다.

상기의 경우, 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는, 가중치 함수 α로서, 변수 z의 값이 임계값 이하인 범위에 있어서 양값이며, 그 이외의 범위에 있어서 값이 0인 함수를 이용하는 구성으로 해도 된다. 또한, 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는, 가중치 함수 α로서 촬상부의 광축에 직교하는 면에 있어서의 위치에 따른 값을 가지는 함수를 이용하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 방법에 있어서, 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상에 기초하여 그 화상 상의 서로 상이한 복수의 시어 방향 각각에 대해 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 복수의 시어 방향 및 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 구성으로 해도 된다.

상기의 관찰 방법은 3차원 위상 화상에 기초하여 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포를 구하는 굴절률 분포 산출 스텝을 더 구비하는 구성으로 해도 된다.

상기 실시 형태에 의한 프로그램은 상기 구성의 관찰 방법의 각 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램이다.

상기 실시 형태에 의한 기록 매체는 상기 구성의 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체이다.

산업상의 이용 가능성

실시 형태는 관찰 대상물이 다중 산란체인 경우여도, 다중 산란광의 영향을 저감시켜 관찰 대상물을 관찰할 수 있는 관찰 장치 및 관찰 방법으로서 이용 가능하다.

1A~1C…관찰 장치 2…기록 매체
11…광원 12…렌즈
13…광 입사단 14…광 파이버
15…파이버 커플러 16, 17…광 파이버
18, 19…광 출사단 21…렌즈
22…미러 23…렌즈
24…콘덴서 렌즈 25…대물 렌즈
31…렌즈 32…미러
33…구동부 34…렌즈
41…빔 스플리터 42…렌즈
43…촬상부 60…해석부
61…간섭 강도 화상 취득부 62…제1 복소 진폭 화상 생성부
63…제2 복소 진폭 화상 생성부 64…위상 공역 연산부
65…2차원 위상 화상 생성부 66…3차원 위상 화상 생성부
67…굴절률 분포 산출부 68…표시부
69…기억부

Claims (18)

1. 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 관찰 대상물에 조사되어 상기 관찰 대상물을 거친 광과 참조광의 간섭에 의한 기준 위치의 간섭 강도 화상을 촬상한 촬상부로부터, 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 기준 위치의 상기 간섭 강도 화상을 취득하는 간섭 강도 화상 취득부와,
   상기 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 기준 위치의 상기 간섭 강도 화상에 기초하여 상기 기준 위치의 복소 진폭 화상을 생성하는 제1 복소 진폭 화상 생성부와,
   상기 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 기준 위치의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 제2 복소 진폭 화상 생성부와,
   상기 제2 복소 진폭 화상 생성부에 의한 처리 전, 도중 또는 후에 있어서, 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산을 행해서, 상기 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 위상 공역 연산부와,
   상기 복수의 위치 각각에 대해서, 상기 제2 복소 진폭 화상 생성부 또는 상기 위상 공역 연산부에 의해 생성된 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 2차원 위상 화상 생성부와,
   상기 복수의 위치 각각의 상기 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상을 생성하는 3차원 위상 화상 생성부
   를 구비하고,
   상기 2차원 위상 화상 생성부는 상기 위상 공역 연산부에 의한 연산을 행하기 전의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제1 위상 화상으로 하고, 상기 위상 공역 연산부에 의한 연산을 행해서 구해진 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제2 위상 화상이라고 했을 때, 상기 복수의 위치 중, 상기 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는 주로 상기 제1 위상 화상에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하고, 상기 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는 주로 상기 제2 위상 화상에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하는, 관찰 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 2차원 위상 화상 생성부는 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 미분 간섭 화상의 총합에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하는, 관찰 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 위상 공역 연산부는 상기 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 동일한 화소수를 각각 가지는 복수의 부분 화상으로 상기 복소 진폭 화상을 분할하고, 이들 복수의 부분 화상 각각에 대해 위상 공역 연산을 행하고, 그 후에 상기 복수의 부분 화상을 결합하는, 관찰 장치.
4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 2차원 위상 화상 생성부는 광 전파 경로를 따른 상기 촬상부로부터의 거리를 나타내는 변수 z에 대한 미계수가 0 이하인 가중치 함수 α를 이용하고, 상기 제1 위상 화상의 α배와 상기 제2 위상 화상의 (1－α) 배의 합을 상기 2차원 위상 화상으로 하는, 관찰 장치.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 2차원 위상 화상 생성부는 상기 가중치 함수 α로서, 상기 변수 z의 값이 임계값 이하인 범위에 있어서 양값이며, 그 이외의 범위에 있어서 값이 0인 함수를 이용하는, 관찰 장치.
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 2차원 위상 화상 생성부는 상기 가중치 함수 α로서, 상기 촬상부의 광축에 직교하는 면에 있어서의 위치에 따른 값을 가지는 함수를 이용하는, 관찰 장치.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 2차원 위상 화상 생성부는
   상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 그 화상 상의 서로 상이한 복수의 시어 방향 각각에 대해 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고,
   상기 복수의 시어 방향 및 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하는, 관찰 장치.
8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 3차원 위상 화상에 기초하여 상기 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포를 구하는 굴절률 분포 산출부를 더 구비하는, 관찰 장치.
9. 복수의 광 조사 방향 각각을 따라 관찰 대상물에 조사되어 상기 관찰 대상물을 거친 광과 참조광의 간섭에 의한 기준 위치의 간섭 강도 화상을 촬상한 촬상부로부터, 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 기준 위치의 상기 간섭 강도 화상을 취득하는 간섭 강도 화상 취득 스텝과,
   상기 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 기준 위치의 상기 간섭 강도 화상에 기초하여 상기 기준 위치의 복소 진폭 화상을 생성하는 제1 복소 진폭 화상 생성 스텝과,
   상기 복수의 광 조사 방향 각각에 대해서, 상기 기준 위치의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 복수의 위치 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝과,
   상기 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝에 의한 처리 전, 도중 또는 후에 있어서, 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 진폭 화상에 대해서 위상 공역 연산을 행해서, 상기 관찰 대상물에 대한 광 조사 및 촬상의 관계를 역전시켰을 경우의 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 진폭 화상을 생성하는 위상 공역 연산 스텝과,
   상기 복수의 위치 각각에 대해서, 상기 제2 복소 진폭 화상 생성 스텝 또는 상기 위상 공역 연산 스텝에 의해 생성된 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고, 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 2차원 위상 화상을 생성하는 2차원 위상 화상 생성 스텝과,
   상기 복수의 위치 각각의 상기 2차원 위상 화상에 기초하여 3차원 위상 화상을 생성하는 3차원 위상 화상 생성 스텝
   을 구비하고,
   상기 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는 상기 위상 공역 연산 스텝에 의한 연산을 행하기 전의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제1 위상 화상으로 하고, 상기 위상 공역 연산 스텝에 의한 연산을 행해서 구해진 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 생성되는 위상 화상을 제2 위상 화상이라고 했을 때, 상기 복수의 위치 중, 상기 촬상부에 대해 상대적으로 가까운 위치에 대해서는 주로 상기 제1 위상 화상에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하고, 상기 촬상부에 대해 상대적으로 먼 위치에 대해서는 주로 상기 제2 위상 화상에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하는, 관찰 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 2차원 위상 화상 생성 스텝은 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 미분 간섭 화상의 총합에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하는, 관찰 방법.
11. 청구항 9 또는 청구항 10에 있어서,
    상기 위상 공역 연산 스텝에서는 상기 관찰 대상물에 대한 광 조사측 파수 공간에 있어서의 행렬의 차원과 동일한 화소수를 각각 가지는 복수의 부분 화상으로 상기 복소 진폭 화상을 분할하고, 이들 복수의 부분 화상 각각에 대해 위상 공역 연산을 행하고, 그 후에 상기 복수의 부분 화상을 결합하는, 관찰 방법.
12. 청구항 9 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는 광 전파 경로를 따른 상기 촬상부로부터의 거리를 나타내는 변수 z에 대한 미계수가 0 이하인 가중치 함수 α를 이용하고, 상기 제1 위상 화상의 α배와 상기 제2 위상 화상의 (1－α) 배의 합을 상기 2차원 위상 화상으로 하는, 관찰 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는 상기 가중치 함수 α로서, 상기 변수 z의 값이 임계값 이하인 범위에 있어서 양값이며, 그 이외의 범위에 있어서 값이 0인 함수를 이용하는, 관찰 방법.
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는 상기 가중치 함수 α로서, 상기 촬상부의 광축에 직교하는 면에 있어서의 위치에 따른 값을 가지는 함수를 이용하는, 관찰 방법.
15. 청구항 9 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 2차원 위상 화상 생성 스텝에서는
    상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 진폭 화상에 기초하여 그 화상 상의 서로 상이한 복수의 시어 방향 각각에 대해 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 복소 미분 간섭 화상을 생성하고,
    상기 복수의 시어 방향 및 상기 복수의 광 조사 방향 각각의 상기 복소 미분 간섭 화상에 기초하여 상기 2차원 위상 화상을 생성하는, 관찰 방법.
16. 청구항 9 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 3차원 위상 화상에 기초하여 상기 관찰 대상물의 3차원 굴절률 분포를 구하는 굴절률 분포 산출 스텝을 더 구비하는, 관찰 방법.
17. 청구항 9 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 기재된 관찰 방법의 각 스텝을 컴퓨터에 실행시키기 위한 프로그램.
18. 청구항 17에 기재된 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.

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