WO2009119005A1 - 位相物体識別装置及び方法 - Google Patents

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recording medium
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渡邉恵理子
小舘香椎子
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独立行政法人科学技術振興機構
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Definitions

  • phase object a phase object identification apparatus and method for identifying an object that gives a phase change to light (hereinafter referred to as “phase object”), and more particularly to a phase object identification apparatus and method for identifying a phase object to be identified using holography. And also relates to new applications using the phase object identification apparatus and method.
  • the simplest method of observing an object is observation with the naked eye, but since the naked eye detects changes in light intensity, it is not suitable for observing objects that do not change light intensity or objects that change little. . This is the same because general photographs and image sensors also detect changes in light intensity. For example, it is difficult to observe the shape of living cells, bacteria, gratings, waveguides, minute steps on the surface of an object, structures of the same color, etc. because the intensity of light does not change or the degree of change is small. In particular, since many intracellular components are transparent and colorless in living cells, it has been very difficult to observe the shape and the intracellular components.
  • biological cells are pretreated and dyed to visualize the shape, and each intracellular component is specified depending on the degree of staining. If it is a living cell, it can be visualized by staining, but depending on the subject, the staining technique may not be available. Further, the pretreatment for staining requires time for immobilization of living cells and is not a simple observation technique. Furthermore, the staining may cause the living cells to die or deteriorate, making it impossible to observe the living cells in their original state and restricting the use of the subsequent samples. It was.
  • phase of light is often changed due to a difference in refractive index or optical path difference.
  • Living cells, bacteria, gratings, waveguides, minute steps on the object surface, structures of the same color, and the like described above are also one of the phase objects that modulate the phase of light.
  • the relative phase information can be converted into intensity and observed with a phase contrast microscope, a differential interference microscope, or the like.
  • a technique for measuring absolute phase information of a phase object has been researched and developed.
  • Non-Patent Document 1 introduces a closed-loop feedback technique to a Mach-Zehnder interferometer, and scans the entire surface of a phase object with a phase measurement system that can measure a phase change in a minute region of a colorless and transparent phase object with high accuracy.
  • the absolute phase information of a colorless and transparent phase object is measured.
  • ES cells embryonic stem cells
  • An ES cell is a pluripotent stem cell established from an early embryo of an animal, and is a cell that can differentiate into all cells. Since ES cells can be cultured and expanded while maintaining differentiation pluripotency, it is expected that target cells, organs, and tissues can be created and used for treatment. Cell transplantation using living cells such as skin transplantation, bone marrow transplantation, and organ transplantation has major problems such as a shortage of donors and rejection. However, the discovery of ES cells shows signs of a solution.
  • nuclei In these cell culture techniques, the presence of nuclei is important. In other words, if there is no nucleus in the cell, cell division does not occur and cells cannot be created. For this reason, it was necessary to examine the presence or absence of intracellular nuclei. As described above, observation of stained cells is not suitable for examination because it takes time and biological cells die or deteriorate. Observation with a phase contrast microscope, differential interference microscope, or the like can observe living cells, but is an inspection with the naked eye, and the accuracy of the inspection depends greatly on the skill and experience of the observer. In the case of measuring with a phase measurement system, there is a problem that the measurement takes time.
  • phase object identification device and method that can identify a phase object by a method that is completely different from the conventional observation method or measurement method of a phase object. It is another object of the present invention to provide a new application using the phase object identification device and method. As one of such applications, an object is to provide the above-described biological cell nucleus inspection apparatus and inspection method.
  • a phase object identification device for identifying a phase object that gives a phase change to light includes a light source, a sample holding means for holding a phase object to be identified, reference light, and a known light
  • the sample light is modulated by a phase object to generate sample light
  • the sample light is irradiated onto the hologram of the holographic recording medium
  • the reproduced light reproduced from the hologram of the holographic recording medium is detected by the photodetector. It is characterized by that.
  • the hologram of the holographic recording medium may be irradiated with the sample light by an objective lens arranged so that a real image of the phase object to be identified is positioned on an entrance pupil plane. preferable.
  • phase object identification device a plurality of holograms formed by a plurality of known phase objects are recorded on the holographic recording medium, and the irradiation position of the sample light on the holographic recording medium is moved. It is preferable to have an irradiation position moving means.
  • the phase object identification device further includes an observation optical system for observing the phase object to be identified held by the sample holding unit, and the observation optical system includes a sample-side objective lens and an imaging lens or an eyepiece lens. It is preferable to have. Further, the sample holding means is orthogonal to the focus adjusting means for moving the identification target phase object in the optical axis direction or the optical axis in order to observe the held identification target phase object by the observation optical system. It is preferable to have a sample position adjusting means for moving the phase object to be identified in the plane direction.
  • the sample holding unit may further include a sample transport unit that sequentially transports a plurality of phase objects to be identified.
  • the phase object to be identified is a living cell or a bacterium, and the presence or absence of a cell nucleus in the living cell or bacterium may be identified. It is also possible to identify whether or not the phase object to be identified is a standard within the range.
  • the phase object identification device further includes reference light generation means for generating reference light
  • the sample holding means can hold a known phase object, and the phase of the light emitted from the light source is known.
  • the object light is modulated by the phase object
  • the reference light is generated by the reference light generation means
  • the object light and the reference light are irradiated to the holographic recording medium
  • the object light and the reference light It is preferable to record the hologram formed by the interference in the holographic recording medium.
  • the reference light generating means may be an opening formed in the sample holding means.
  • the phase object identification method of the present invention is a phase object identification method for identifying a phase object that gives a phase change to light, and modulates the phase of the light emitted from the light source by the phase object to be identified, and the sample light. Irradiating the sample light onto the holographic recording medium on which the hologram formed by the interference between the reference light and the object light whose phase is modulated by a known phase object is recorded, and the holographic recording medium
  • the reproduction light reproduced from the hologram is detected by a photodetector and the intensity of the reproduction light detected by the photodetector is larger than a threshold value
  • the phase object to be identified is the known phase.
  • the phase object to be identified is identified as having no correlation with the known phase object And wherein the door.
  • phase object identification apparatus and method according to the present invention is essentially different from the prior art in which the phase modulation pattern itself of the phase object is identified by converting the phase change of the light due to the phase object to be identified into the light intensity change.
  • the technical idea is different, and the correlation with a known phase object is detected to identify the phase object to be identified.
  • the phase object identification apparatus and method of the present invention is also characterized in that the correlation with the phase object to be identified is detected by optical correlation calculation using holography.
  • Holography is a technique that can record the amplitude (intensity) and phase of light, and can record phase information of a known phase object as it is as a hologram. That is, by irradiating the object light whose phase is modulated by a known phase object and the reference light so as to overlap with the hologram recording layer of the recording medium, by the hologram formed by the interference between the object light and the reference light, It is possible to cause a photoreaction in the photosensitive material in the hologram recording layer and fix the hologram on the hologram recording layer.
  • the phase object to be identified can be identified as having no correlation with the known phase object, and the reproduction light Can occur, it can be identified that the phase object to be identified is correlated with a known phase object. Furthermore, the degree of correlation can be identified by detecting the intensity of the reproduction light.
  • (A) is a schematic diagram for explaining the basic principle of the phase object identification apparatus and method of the present invention
  • (B) is a schematic diagram for explaining the basic principle of the recording apparatus and method.
  • (A) is a diagram showing an example of a mask shape for shaping the contour of the sample light
  • (B) is a diagram showing an example of a mask shape for generating the contour of the object light and the intensity pattern of the reference light
  • (C ) Is an example of an aperture shape
  • (A) is a cross-sectional view of the sample holding means during recording
  • (B) is a plan view of (A)
  • (C) is a cross-sectional view of the sample holding means during identification.
  • FIGS. 1-10 are figures which show an example of a sample conveyance means.
  • Schematic configuration diagram of a recording device that also functions as a phase object identification device The figure which shows the phase pattern in the display area of the phase spatial light modulator
  • FIG. 1A is a schematic diagram for explaining the basic principle of the phase object identification device and method of the present invention.
  • a phase object identification device 1 includes a light source 2, a sample holding means 3 holding a phase object 31 to be identified (hereinafter also referred to as a sample), and a holographic recording a hologram 41.
  • a recording medium 4 and a photodetector 5 are provided.
  • FIG. 1B is a schematic diagram for explaining the basic principle of the recording apparatus 6 and method for recording the hologram 41 on the holographic recording medium 4 in the phase object identification apparatus 1.
  • the various lenses in this specification include a single lens and a lens group in which a plurality of lenses are combined.
  • the light source 2 emits coherent light having a uniform phase, and a laser light source is preferably used as the light source 2.
  • the light 21 emitted from the light source 2 is processed into a plane wave having a larger cross-sectional area than the sample 31 by an optical system (not shown).
  • the sample holding means 3 is for arranging the sample 31 in the phase object identification device 1, and various holding means corresponding to the sample 31 can be selected.
  • the sample 31 may be simply placed on the sample holding means 3 or may be fixed to the sample holding means 3 by vacuum suction or a fixing device.
  • the sample 31 may be clamped by a clip or the like, and when the sample 31 is a thin piece, a configuration in which the sample 31 is inserted into a slit provided in the holding means may be employed.
  • sample 31 may be held in the sample holding means 3 as it is, the sample 31 may be held in the sample holding means 3 via an auxiliary tool such as a container or a mounting tool.
  • auxiliary tool such as a container or a mounting tool.
  • a microplate or a preparation containing the sample 31 may be held by the sample holding means 3.
  • the phase object 31 to be identified only needs to change at least the phase of light, and may be one that does not change the intensity of light or one that changes the intensity of light.
  • the phase object 31 to be identified biological cells, bacteria, gratings, waveguides, minute steps on the object surface, structures of the same color, and the like can be used.
  • it is not limited to solid,
  • the orientation structure etc. of a liquid crystal are included.
  • the sample holding means 3 and the sample 31 held by the sample holding means 3 serve as sample light generating means for generating the sample light 22 by modulating at least the phase of the light 21 emitted from the light source 2.
  • the sample 31 is a phase object that modulates at least the phase of light, but may further modulate the intensity of light.
  • FIG. 1A in the case of a transmissive sample light generating means in which the light 21 from the light source passes through the sample 31 and the sample holding means 3 to generate the sample light 22, at least the sample holding means 3
  • the part where the sample 31 is located needs to be configured so that light is not shielded.
  • a transparent material is used in the portion where the sample 31 of the sample holding means 3 is located, or the sample 31 is placed in a transparent container or attachment device, and the sample holding means 3 holds the transparent container or attachment device, What is necessary is just to make the site
  • the sample holding means 3 in such a transmission type sample light generating means can also be used as a mask for generating object light 24 and reference light 25 in the recording apparatus 6 described later.
  • the reflection type sample light generation means the surface of the sample holding means 3 is mirror-finished, and the light transmitted through the sample 31 is reflected to generate the sample light 22.
  • an optical system such as a beam splitter for separating the light 21 from the light source irradiated on the sample holding means 3 and the sample light 22 is required.
  • the holographic recording medium 4 records a hologram 41 formed by interference between the reference light 25 and the object light 24 whose phase is modulated by a known phase object (the object light 24 and the reference light 25 are shown in FIG. 1). B)).
  • the holographic recording medium 4 includes a transmissive type and a reflective type, and FIG. 1A shows a transmissive holographic recording medium.
  • the holographic recording medium 4 in FIG. 1A has a configuration in which a hologram recording layer 43 is sandwiched between a pair of translucent substrates 42 and 44.
  • a reflective layer may be provided on the back side of the hologram recording layer 43 with the surface on which light is incident on the holographic recording medium as a table.
  • a reflective holographic recording medium can be obtained by providing a reflective layer on the front or back surface of the substrate 44 in FIG.
  • the known phase object is a phase object for which at least some information or characteristics are known. For example, phase objects and phase patterns with known phase modulation patterns, living cells and bacteria with known names, living cells and bacteria with known active reactions, phase patterns of cell nuclei, within standards (dimensions) Samples of phase objects (products with minute steps or structures of the same color), gratings with known intervals, etc. are included.
  • the reproduction light 23 is reproduced according to the degree of interference between the sample light 22 and the hologram 41.
  • the reproduction light 23 is light corresponding to the reference light 25 irradiated when the hologram 41 is recorded, and the cross-sectional shape and traveling direction of the reproduction light 23 reflect the cross-sectional shape and traveling direction of the reference light 25.
  • the degree of interference corresponds to the correlation value (similarity) between the known phase object of the object light on which the hologram 41 is recorded and the sample 31 that is the phase object to be identified. Therefore, when the sample 31 is the same as a known phase object, the correlation value is the highest because of autocorrelation, and strong reproduction light is reproduced.
  • the sample 31 When the sample 31 is different from a known phase object but is similar, reproduced light having an intensity corresponding to the degree of similarity is reproduced. Further, when the sample 31 is completely different from the known phase object, the reproduction light is not reproduced. Note that the sample light 22 (shown by a dotted line in FIG. 1A) that has passed through the holographic recording medium 4 is separated from the light shielding or reproducing light 23 by a mask or a separation optical system (not shown) and reaches the photodetector 5. Not to be.
  • the photodetector 5 detects the reproduction light 23 reproduced from the hologram 41 of the holographic recording medium 4 and preferably can detect the light intensity.
  • a highly sensitive photodetector such as a photomultiplier tube (PMT) or an avalanche photodiode
  • an inexpensive and small semiconductor detector such as a pin photodiode, CMOS A sensor, a CCD sensor, or the like can be used.
  • the light detecting element can use one light detector as it is, but when the light detecting element is larger than the light receiving area of the light detector 5.
  • the light detection element can use a single light detector by condensing light with a condensing lens.
  • a plurality of photodetectors 5 can be used as the light detection element, and the light intensity of the reproduction light can be detected by summing up the intensity of all the light detection elements. Even when the cross-sectional shape of the reproduction light 23 is smaller than the light receiving region of the photodetector 5, the reliability can be improved by using a condensing lens.
  • the cross-sectional shape of the reproduction light 23 is determined by the cross-sectional shape of the reference light at the time of recording.
  • the presence / absence of the correlation between the phase object 31 to be identified and the known phase object can be identified.
  • the phase object to be identified can be identified as having no correlation with the known phase object, and the reproduction light Can occur, it can be identified that the phase object to be identified is correlated with a known phase object.
  • the degree of correlation can be identified by detecting the intensity of the reproduction light.
  • a known biological cell or bacteria having a cell nucleus is used as a known phase object, and a collected or cultured biological cell or bacteria is used as a phase object to be identified. By doing so, it can be used for a test for identifying whether a living cell or a bacterium collected or cultured has a cell nucleus.
  • whether or not the produced product falls under the standard by identifying the produced product as a phase object to be identified using a sample within the standard as a known phase object.
  • the sample 31 by irradiating the plurality of holograms 41 with the sample light 22 and identifying the presence or absence of correlation with a plurality of known phase objects.
  • the holographic recording medium 4 itself may be replaced and the hologram 41 recorded on another holographic recording medium 4 may be irradiated with the sample light 22.
  • a plurality of holograms 41 formed by a plurality of known phase objects are recorded on the holographic recording medium 4 and an irradiation position moving means for moving the irradiation position of the sample light 22 on the holographic recording medium 4 is provided. preferable.
  • the irradiation position moving means there are a method of moving the sample light 22, a method of moving the holographic recording medium 4, and a method of moving both.
  • the sample is moved.
  • a system in which the light 22 is fixed and the holographic recording medium 4 is moved is preferable.
  • the holographic recording medium 4 may be moved in a plane direction orthogonal to the optical axis by an XY stage, or the holographic recording medium 4 may be rotated by a motor.
  • the recording device 6 in FIG. 1B is for manufacturing the holographic recording medium 4 used in the phase object identification device 1.
  • the holographic recording medium 4 is irradiated with the object light 24 and the reference light 25.
  • the hologram 41 formed by the interference is recorded on the holographic recording medium 4.
  • the hologram 41 recorded on the holographic recording medium 4 by the recording device 6 must generate the reproduction light 23 by interfering with the sample light 22 in the phase object identification device 1.
  • the configuration for generating and irradiating the sample light 22 of the phase object identification device 1 may be the same as the configuration for generating and irradiating the object light 24 of the recording device 6.
  • the phase object identification device 1 requires a separate light detector 5 for detecting reproduction light
  • the recording device 6 requires separate reference light generation means for generating reference light.
  • the description of each configuration of the phase object identification device 1 or the recording device 6 is basically also applied to the configuration common to the other device.
  • the recording device 6 in FIG. 1B uses the same configuration (indicated by the same reference numerals) as the configuration for generating and irradiating the sample light 22 in FIG. 1A in the same arrangement. That is, the recording device 6 in FIG. 1B includes the light source 2, the sample holding means 3, and the holographic recording medium 4. However, in the recording device 6, the known phase object 32 is held in the sample holding unit 3, and the sample holding unit 3 and the known phase object 32 generate object light 24 by the light 21 from the light source 2. It becomes object light generation means.
  • the holographic recording medium 4 is irradiated with reference light 25 generated by a reference light generation unit (not shown). The hologram formed by the interference between the object beam 24 and the reference beam 25 can cause a photoreaction to occur in the photosensitive material in the hologram recording layer 43, thereby fixing the hologram 41 on the hologram recording layer 43.
  • the irradiation position moving means moves the irradiation positions of the object light 24 and the reference light 25 on the holographic recording medium, and moves them to different positions at different known phases. What is necessary is just to record another hologram 41 by irradiating the object light 24 and the reference light 25 by the object 32.
  • a phase spatial light modulator can be used in addition to the method using the known phase object 32.
  • the phase spatial light modulator for example, a phase modulation type liquid crystal display device can be adopted, and a phase pattern of a known phase object may be displayed on the phase modulation type liquid crystal display device.
  • the use of the phase spatial light modulator is preferable because, when a plurality of holograms 41 are recorded, another object light can be generated simply by changing the display of the phase spatial light modulator.
  • the reference light generating means preferably generates the reference light 25 using the light 11 from the light source 1, but may use the light of another light source that has coherency with the object light 24.
  • the reference light 25 is irradiated so as to intersect the object light 24 in the holographic recording medium 4.
  • As the reference light divergent light in a small area compared to the object light or a bundle of a plurality of spatially separated light beams can be used.
  • a two-beam interference optical system in which the optical axis of the object light 24 and the optical axis of the reference light 25 are different can be used, it is preferable to record the hologram 41 using a collinear optical system.
  • the collinear optical system will be described in detail with reference to FIG.
  • FIGS. 1A and 1B the invention has been described using the minimum necessary configuration in order to explain the basic principle.
  • the invention is not limited to such a configuration, depending on the desired effect.
  • Many more configurations can be added.
  • an objective lens arranged so that the real images of the sample light 22 and the object light 24 are positioned on the entrance pupil plane is adopted, and the sample light 22 and the object light 24 are irradiated onto the holographic recording medium by the objective lens. You may comprise. Since the Fourier image is not a phase pattern shape but a spatial frequency distribution of the phase pattern, it is possible to identify not a simple shape correlation but a pattern trend correlation.
  • an observation optical system for observing the sample 31 and the known phase object 32 is provided. Furthermore, in order to identify a plurality of samples continuously, it is preferable to have a sample transport means for sequentially transporting the plurality of samples 31 to the sample holding means 3.
  • FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the phase object identification device 1 that can also be used as the recording device 6 that records the hologram 41 using a collinear optical system. 2 further includes an observation optical system 7 and an observation imaging element 71 for observing a sample or a known phase object (hereinafter, the sample and the known phase object are collectively referred to as “sample or the like”). It also has. In addition, in the phase object identification apparatus 1 of FIG. 2, the reflection type holographic recording medium 4 is used.
  • the optical system includes an observation optical system 7 for observing a sample or the like.
  • the optical system includes a beam shaping optical system 51, a pair of mirrors 52, a sample-side objective lens 53, an imaging lens 54, a beam splitter 55, a mask 56, a polarization beam splitter 57, a first relay lens 58, and a second relay lens. 59, a quarter-wave plate 60, an objective lens 61, an aperture 62, and a condenser lens 63.
  • the light source 2 serves as a light source for object light and reference light for recording a hologram, and serves as a light source for sample light for identifying the sample 31. Further, in FIG. 2, it is also used as a light source for observing a sample or the like with the observation optical system 7. However, it is preferable to prepare a light source suitable for observation, not the light source 2, as the light source of the observation optical system.
  • the light source 2 for example, a 532 nm YVO4 laser can be used.
  • the light source 2 light having a wavelength at which the photosensitive material in the hologram recording layer 43 of the holographic recording medium 4 exhibits sensitivity is selected.
  • the beam shaping optical system 51 is provided as necessary in order to process the shape of light emitted from the light source 2, and for example, a collimator lens that processes divergent light into parallel light, or increases the aperture of the beam. Includes a beam expander.
  • the pair of mirrors 52 are for directing the traveling direction of the light emitted from the light source 2 toward the sample or the like.
  • the traveling direction of the light emitted from the light source 2 is changed by 180 ° by the pair of mirrors 52 to reduce the size of the apparatus.
  • the means for directing the traveling direction of light toward the sample or the like is not limited to the configuration of the pair of mirrors 52, and an appropriate configuration is adopted according to the configuration of the optical system.
  • a prism, a deflection element, or the like can be used. If the traveling direction of the light emitted from the light source 2 is directly directed to the sample or the like, means for directing the traveling direction of the light to the sample or the like Is not necessary in the first place.
  • the sample holding means 3 is for holding a sample or the like.
  • the sample holding means 3 has an opening in the area irradiated with light, and the sample 31 is held in the area of the opening.
  • the sample or the like held by the sample holding means 3 can be observed by the observation optical system 7 and the observation image sensor 71.
  • the observation optical system 7 forms an image of a sample or the like on the light receiving surface of the observation image sensor 71 and the conjugate surface 33 (position where the mask 56 is disposed) and the entrance pupil surface 35 of the objective lens. It is possible to use this optical system.
  • the observation optical system 7 has a sample-side objective lens 53 and an imaging lens 54, and can observe a sample or the like in a bright field.
  • the sample or the like can be enlarged by the sample-side objective lens 53 and the imaging lens 54.
  • the sample-side objective lens 53 can be switched among a plurality of lenses having different magnifications in order to facilitate observation.
  • an ocular lens for observation with the naked eye may be provided in combination with the imaging lens 54 or in place of the imaging lens 54.
  • the sample holding means 3 is a focus adjusting means 36 for adjusting the focus of the sample or the like and / or a sample position adjusting means 37 for adjusting the position of the sample or the like. It is preferable to have.
  • the focus adjusting unit 36 is a unit that moves the phase object (sample 31) to be identified or the known phase object 32 in the optical axis direction.
  • the sample or the like is imaged on the imaging plane (the light receiving surface of the imaging element 71 for observation, the position 33). , Position 35).
  • the sample 31 and the like are moved manually or electrically in the optical axis direction (Z-axis direction) by the focus adjusting means 36.
  • the sample position adjusting unit 37 is a unit that moves the phase object (sample 31) to be identified or the known phase object 32 in a plane direction orthogonal to the optical axis, and arranges the sample 31 and the like in the observation field. Is provided to do.
  • the sample position adjusting means 37 moves the sample 31 and the like manually or electrically in a plane direction (X-axis direction and Y-axis direction) perpendicular to the optical axis.
  • various moving mechanisms can be used, for example, an XYZ driving stage provided with an adjusting mechanism for fine movement can be used.
  • a CCD or a COMS sensor can be used as the imaging device 71 for observation.
  • the observation imaging element 71 is connected to a monitor or recording medium (not shown), and an image acquired by the observation imaging element 71 can be displayed on the monitor or recorded on the recording medium. If the sample is adjusted so that an image is formed at the center of the optical axis by the focus adjusting unit 36 or the sample position adjusting unit 37 while observing with the observation imaging device 71, the identification accuracy can be remarkably improved. Further, by adjusting the magnification of the sample or the like by the observation optical system 7, it is possible to normalize the size of the object light and the phase object that is the basis of the sample light.
  • the observation optical system 7 forms the same image as the image formed on the light receiving surface of the observation imaging element 71 at the position 33, and the image at the position 33 is irradiated to the holographic recording medium 4 as sample light and object light. Therefore, the difference in the size of the sample or the like can be corrected by making the image at the position 33 (the image observed by the observation imaging element 71) the same size.
  • the observation optical system 7, the sample holding means 3, the focus adjustment means 36, the sample position adjustment means 37, and the observation image pickup device 71 for observing the sample 31 and the like can divert the configuration of a conventional optical microscope. . Observation in the bright field is difficult if the sample or the like does not modulate the light intensity or the intensity difference is small, so it can be observed as a dark field observation, a phase contrast microscope, or a differential interference microscope. A configuration is preferable.
  • the beam splitter 55 is an optical element that reflects a part of the incident light and transmits the other part.
  • the beam splitter 55 transmits the light from the sample or the like toward the observation image sensor 71 and the light toward the holographic recording medium 4. And generating.
  • the beam splitter 55 divides the light, but an optical element that switches the traveling direction of the light may be provided. For example, when a movable mirror is provided in place of the beam splitter 55 and a sample or the like is observed, light from the sample or the like is reflected toward the imaging element 71 for observation, and when the sample or the like is identified, the mirror is provided.
  • the light from the sample or the like can be moved toward the holographic recording medium 4 by being moved out of the optical axis.
  • the mask 56 is disposed at the position of the imaging surface or sample holding means on which the sample or the like is imaged by the observation optical system 7, and a mask for shaping the contour of the sample light is disposed at the time of identification, and object light is recorded at the time of recording.
  • a separate mask is placed which shapes the contour of and generates an intensity pattern of the reference light.
  • the mask 56 may be disposed not at the position 33 but at a position such as a sample (that is, the sample holding unit 3) or another imaging plane (the entrance pupil plane 35 of the objective lens).
  • the opening of the sample holding means 3 may be used as the mask 56 to shape the contour of the sample light, the contour of the object light, and the intensity pattern of the reference light, or the mask 56 may be disposed on the entrance pupil plane 35 of the objective lens. Also good. Note that the sample light and the object light itself are generated by being modulated by the sample or the like, and the mask 56 forms the contour thereof.
  • FIG. 3A is an example of a mask 56 for shaping the contour of the sample light at the time of identification
  • FIG. 3B is a diagram for generating the contour of the object light and the intensity pattern of the reference light at the time of recording.
  • 2 is an example of a mask 56;
  • the mask 56 is provided with a circular opening 56a in the center, and by passing the mask 56, the contour of the sample light can be formed in a circle.
  • the mask 56 is provided with a circular opening 56b at the center and 12 small circular openings 56c radially around the mask 56. By passing through the mask 56, an object is formed by the opening 56b.
  • the contour of the light can be formed into a circular shape, and the reference light having a pattern of 12 small circles arranged radially around the object light can be generated by the opening 56c.
  • the mask 56 is made of a material that can block light from the light source 2.
  • the mask at the time of recording and the mask at the time of identification can be switched by a changeover switch or the like, or a shutter can be provided at the opening 56c and the shutter can be closed at the time of identification.
  • the polarization beam splitter 57 transmits one of the orthogonal polarization directions and reflects the other, and reproduces the sample light, the object light, the reference light, and the reproduction reproduced from the holographic recording medium 4 toward the holographic recording medium 4.
  • a quarter wave plate 60 is provided.
  • the sample light, the object light, and the reference light traveling toward the holographic recording medium 4 are transmitted, and the reproduction light reproduced from the holographic recording medium 4 is reflected toward the photodetector 5.
  • the sample light, the object light, and the reference light may be reflected toward the holographic recording medium 4 and the reproduction light directed toward the photodetector 5 may be transmitted.
  • the first relay lens 58 and the second relay lens 59 are an example of an optical system for forming an image of a sample or the like imaged at the position 33 on the entrance pupil plane 35 of the objective lens 61.
  • the first relay lens 58 is arranged such that the distance from the position 33 to the first relay lens 58 and the distance from the first relay lens 58 to the Fourier plane 34 are the focal length of the first relay lens 58.
  • the distance from the Fourier plane 34 to the second relay lens 59 and the distance from the second relay lens 59 to the entrance pupil plane 35 are the focal length of the second relay lens 59.
  • Such an optical system is not limited to the configuration of the first and second relay lenses 58 and 59, and various imaging optical systems can be used.
  • the quarter-wave plate 60 converts linearly polarized light into circularly polarized light, and the linearly polarized light can be rotated 90 degrees by passing twice.
  • the reproduction light reproduced from the hologram 41 by being irradiated with the sample light corresponds to the reference light at the time of recording, and the reference light passes through the quarter-wave plate 60 once when the hologram 41 is recorded. Since it has passed, by passing through the quarter-wave plate 60 again, it becomes linearly polarized light with a polarization direction orthogonal to the reference light before passing through the quarter-wave plate 60 during recording, They can be separated by the polarization beam splitter 57.
  • the objective lens 61 irradiates the holographic recording medium 4 with Fourier transform of the sample light, the object light, and the reference light. Further, when the reflective holographic recording medium 4 is used as shown in FIG. 2, the reproduction light reproduced from the hologram 41 is imaged on the exit pupil plane. In order to Fourier-transform the sample light, the object light, and the reference light, the imaging optical systems 53, 54, 58, and 59 are used, and the intensity pattern of the image of the sample or the reference light on the entrance pupil plane 35 of the objective lens 61. Is imaged.
  • the holographic recording medium 4 in FIG. 2 has a reflective structure in which a hologram recording layer 43 is sandwiched between a transparent substrate 42 and a substrate 44 having a reflective layer.
  • the phase object identification device 1 functions as the recording device 6, the holographic recording medium 4 is irradiated with object light and reference light, and the hologram 41 is recorded on the hologram recording layer 43.
  • the phase object identification device 1 identifies a phase object, the sample light is irradiated onto the holographic recording medium 4, and the sample light enters the holographic recording medium 4 together with the reproduction light reproduced from the hologram 41. It is injected from the surface side.
  • the holographic recording medium 4 is held by a recording medium moving means 45 that moves the holographic recording medium 4.
  • the recording medium moving unit 45 can move or rotate the holographic recording medium 4 in a direction orthogonal to the optical axis, and moves the irradiation position of the sample light, the object light, and the reference light on the holographic recording medium 4.
  • a plurality of holograms can be recorded on the holographic recording medium 4, and a plurality of holograms 41 of the holographic recording medium 4 and sample light can be optically correlated.
  • the aperture 62 has an opening that blocks the sample light reflected by the reflective holographic recording medium 4 and allows only the reproduced light to pass through the photodetector 5.
  • the aperture 62 is disposed between the polarizing beam splitter 57 and the condenser lens 63.
  • the aperture of the sample light for example, the focal point of the first relay lens 58 is provided. It is preferable to arrange on a plane (position conjugate with position 33).
  • FIG. 3C is an example of the aperture 62, and 12 small circular openings 62a arranged radially corresponding to the openings 56c in the mask 56 at the time of recording shown in FIG. 3B are provided. .
  • the condensing lens 63 is provided for condensing the reproduction light on the light receiving region of the light detector 5, and the light detecting element can be used by one light detector 5.
  • the photodetector 5 detects the light intensity of the reproduced light that has been reproduced. Since the reproduction light is condensed in a small area by the condenser lens 63, a single light detection element can be used.
  • the operation of each process in the phase object identification device 1 in FIG. 2 will be briefly described.
  • the light irradiated from the light source 2 is converted into a necessary aperture and parallel light by the beam shaping optical system 51, reflected by the pair of mirrors 52, irradiated to the sample and the like, and the sample-side objective lens. 53 and the imaging lens 54, is reflected by the beam splitter 55, and reaches the observation imaging device 71.
  • An image of a sample or the like is formed on the light receiving surface of the observation imaging element 71 by the sample side objective lens 53 and the imaging lens 54.
  • the position of the sample or the like is adjusted by the sample position adjusting means 37 so that the sample or the like is placed at the center on the light receiving surface of the observation image pickup device 71, and the focus is adjusted so that the sample or the like is focused on the light receiving surface. Adjustment is made by means 36. In such a state of observing the sample or the like, the image of the sample or the like is placed at the center and in focus on the imaging surface 33, and the identification process and the recording process are continuously performed. The reliability of identification and the uniformity of recording can be maintained.
  • the light emitted from the light source 2 is converted into a necessary aperture and parallel light by the beam shaping optical system 51, reflected by the pair of mirrors 52, and the sample 31. Is irradiated. At least the phase of light is spatially modulated by the sample 31, and an image of the sample 31 is formed at the position 33 by the sample-side objective lens 53 and the imaging lens 54.
  • the mask 56 of FIG. 3A is disposed at the position 33, and sample light having a circular outline is generated.
  • the sample light passes through the polarization beam splitter 57, is imaged on the entrance pupil plane of the objective lens 61 by the first and second relay lenses 58 and 59, and is converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 60.
  • the hologram 41 recorded in the hologram recording layer 43 of the holographic recording medium 4 after being Fourier-transformed by the objective lens 61 is irradiated.
  • the hologram 41 and the sample light interfere with each other, and if there is a correlation, the reproduction light corresponding to the reference light at the time of recording is reproduced.
  • the sample light and the reproduction light reflected by the reflection layer are emitted from the holographic recording medium 4 and in the direction opposite to that during irradiation, the objective lens 61, the quarter-wave plate 60, the second relay lens 59, and the second relay lens 59 are provided.
  • the light enters the polarization beam splitter 57 through the first relay lens 58.
  • the reproduction light is equivalent to the reference light at the time of recording, and the reference light passes through the quarter-wave plate 60 and is converted into circularly polarized light when being irradiated on the holographic recording medium 4.
  • the reproduction light is linearly polarized light having a polarization direction orthogonal to the reference light.
  • the reproduction light is reflected by the polarization beam splitter 57 that has transmitted the reference light, passes through the aperture 62, and is collected on the photodetector 5 by the condenser lens 63.
  • the sample light reflected by the reflective layer is emitted from the holographic recording medium 4 and reflected by the polarization beam splitter 57 through the same optical system as the reproduction light, but is blocked by the aperture 62.
  • the holographic recording medium 4 is moved or rotated by the recording medium moving means 45 while irradiating the sample light continuously or in pulses. Then, it is possible to continuously or intermittently irradiate the plurality of holograms 41 recorded on the holographic recording medium 4 with the sample light and to detect the reproduction light continuously or intermittently.
  • the light intensity of the reproduction light changes according to the correlation value (similarity) between the object light and the sample light when the hologram 41 is recorded, and the larger the light intensity value, the more similar the object light and the sample light. Will be. Therefore, when the light intensity of the reproduction light exceeds a threshold value determined in advance through experiments or the like, the sample 31 is a phase object that matches or is similar to a known phase object that records the hologram 41 that reproduces the reproduction light. Can be identified. If the reproduction light exceeding the threshold is not detected, the sample 31 is identified as not matching or similar to the known phase object recorded as the hologram 41 on the holographic recording medium 4. Can do. When the light intensities of a plurality of reproduction lights exceed a threshold value, it is preferable to output similar identification results from those having a large light intensity.
  • the sample holding means 3 holds the known phase object.
  • the light emitted from the light source 2 is converted into a necessary aperture and parallel light by the beam shaping optical system 51, reflected by the pair of mirrors 52, and irradiated to a known phase object.
  • At least the phase of light is spatially modulated by the known phase object, and an image of the known phase object is formed at the position 33 by the sample-side objective lens 53 and the imaging lens 54.
  • the mask 56 of FIG. 3B is arranged at the position 33, and the object light having a circular outline and twelve small circular reference lights arranged around the object light are generated.
  • the object light and the reference light are transmitted through the polarization beam splitter 57, imaged on the entrance pupil plane of the objective lens 61 by the first and second relay lenses 58 and 59, and circular by the quarter wavelength plate 60.
  • the light is converted into polarized light, Fourier-transformed by the objective lens 61, and applied to the hologram recording layer 43 of the holographic recording medium 4.
  • the hologram 41 formed by the interference between the object beam and the reference beam is recorded on the hologram recording layer 43 of the holographic recording medium 4.
  • FIG. 4 shows a modification of the sample holding means 3 in which the function of the mask 56 is added to the sample holding means 3.
  • 4A is a cross-sectional view of the sample holding means 3 at the time of recording
  • FIG. 4B is a plan view of FIG. 4A
  • FIG. 4C is the sample holding means 3 at the time of identification.
  • the sample holding means 3 has a pair of light-shielding plate-like members 3a and 3b, and a known phase substance 32 is enclosed between the pair of plate-like members 3a and 3b.
  • the slide glass 38a and the cover glass 38b are arranged, the pair of plate-like members 3a and 3b are held by the clip 3c, and the known phase substance 32 is held via the slide glass 38a and the cover glass 38b. is doing.
  • the pair of plate-like members 3a and 3b are provided with openings 56b and 56c as shown in FIG. 4A is a cross-sectional view taken along the line AA in FIG. 4B. In FIG. 4A, the opening is indicated by a dotted line.
  • a known phase substance 32 is disposed in the region of the central circular opening 56b, and object light is generated by modulating the phase of light from the light source.
  • positioned around the object light by the opening 56c radially arranged around the periphery is generated.
  • a transparent auxiliary tool such as a slide glass 38a and a cover glass 38b enclosing a known phase object 32 is also referred to the opening 56b for generating object light. Since it also exists in the opening 56c for generating light, it is possible to record only the phase change based on the known phase substance 32 by canceling the phase and intensity changes due to the auxiliary tool.
  • the phase object 31 to be identified is enclosed between the slide glass 38a and the cover glass 38b instead of the known phase object 32, and a pair of plate-like members 3a and 3a Further, as shown in the mask 56 of FIG. 3A, the light shielding member 3d provided with the opening 56a only in the center is overlapped with the clip 3c.
  • the sample light can be generated by the light from the light source without generating the reference light.
  • the intensity pattern of the reference light is not limited to the shape and quantity like the opening 56c in FIG. 3B or FIG. 4B, and the reference light may be generated by at least one opening. .
  • FIG. 5 is an example of a sample transport unit.
  • 5A and 5B are a cross-sectional view and a plan view of the belt conveyor type sample transport means 39a and 39b
  • FIGS. 5C and 5D are transport robot arm type sample transport means 40a.
  • 40b are a sectional view and a plan view of 40b.
  • 5 (A) and 5 (B) the vicinity of the upper and lower ends of the sample 31 is held by parallel belt conveyors 39a and 39b.
  • the sample-side objective lens 53 is moved by moving the belt conveyors 39a and 39b. Are sequentially transported downward.
  • the belt conveyors 39a and 39b are not only the sample holding means 3 but also the sample conveying means. Although not shown, on the right side of the belt conveyors 39a and 39b in FIG. Each of the transport means for unloading the sample 31 is provided.
  • the transfer robot arms 40a and 40b are both provided with a three-stage arm portion that can be moved up and down and retracted on a rotatable support column.
  • the tip of is configured to be wide so that the sample 31 is placed thereon.
  • the sample holding means 3 is provided with a recess 3e in the left-right direction in the figure, and the tip of the wide arm portion on which the sample 31 of the transfer robot arms 40a and 40b is placed can be inserted below the sample 31.
  • the transfer robot arm 40 a is for transferring the sample 31 to the sample holding means 3
  • the transfer robot arm 40 b is for transferring the sample 31 of the sample holding means 3.
  • a window 56a made of a translucent member for transmitting light is provided below the sample 31 of the sample holding means 3, and the sample 31 is irradiated with light from the light source. It is configured to be incident on the sample-side objective lens 53.
  • FIG. 6 shows an embodiment of a recording device 80 that records a hologram 41 on a holographic recording medium 4 that employs a phase spatial light modulator as a part of the object light generation means. By adding a configuration for detection, it also functions as a phase object identification device.
  • the recording device 80 includes a light source 81, a collimator lens 82, a beam splitter 83, a phase spatial light modulator 84, an information processing device 85, a first relay lens 86, a mirror 87, a second relay lens 88, a mask 89, a polarized beam.
  • FIG. 6 also shows a case where the holographic recording medium 4 is a reflection type.
  • the light emitted from the light source 81 is made into substantially parallel light by the collimator lens 82, reflected by the beam splitter 83, and enters the phase spatial light modulator 84.
  • the phase spatial light modulator 84 has a plurality of pixels, can change the phase of incident light for each pixel, and can spatially modulate the phase of light.
  • the phase pattern input from the information processing device 85 is displayed on the phase spatial light modulator 84 and is reflected while modulating the phase of the incident light by the displayed phase pattern.
  • PAL-SLM Parallel-Liquid-crystal-Spatial-Light Modulator
  • the phase of the light reflected by the phase spatial light modulator 84 is modulated by the phase pattern input from the information processing device 85 as described above.
  • the light transmitted through the beam splitter 83 is transmitted by the first and second relay lenses 86 and 88 so that a phase pattern is formed on the entrance pupil plane of the objective lens 92.
  • the traveling direction is reflected by the mirror 87 arranged at the focal position (Fourier plane) between the first and second relay lenses 86 and 88.
  • the mask 89 shapes the contour of the object beam 97 and the intensity pattern of the reference beam 98, and is disposed on the entrance pupil plane of the objective lens 92 and the image plane formed by the first and second relay lenses 86 and 88. It is preferable. In the configuration of FIG.
  • an imaging optical system (not shown) is further incorporated to What is necessary is just to arrange
  • the light passes through the polarization beam splitter 90, is converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 91, is Fourier-transformed by the objective lens 92, and is applied to the hologram recording layer 43 of the holographic recording medium 4.
  • the hologram 41 formed by the interference between the object beam 97 and the reference beam 98 is recorded on the hologram recording layer 43.
  • the phase pattern displayed on the phase spatial light modulator 84 changes the phase of light and can be said to be a kind of phase object. If an arbitrary phase pattern is displayed on the phase spatial light modulator 84 to be a phase object to be identified, the mask 89 is changed to identify using the hologram 41 recorded on the holographic recording medium 4. Processing can be performed. In this case, the phase spatial light modulator 84 becomes the sample holding means.
  • the recording device 80 of FIG. 6 When the recording device 80 of FIG. 6 is made to function as a phase object identification device, the light emitted from the light source 81 is made substantially parallel light by the collimator lens 82, reflected by the beam splitter 83, and incident on the phase spatial light modulator 84. Then, the phase of the light is reflected while being modulated by the phase pattern displayed on the phase spatial light modulator 84. The light reflected by the phase spatial light modulator 84 passes through the beam splitter 83 and is transmitted by the first and second relay lenses 86 and 88 so that a phase pattern is formed on the entrance pupil plane of the objective lens. .
  • the traveling direction is reflected by the mirror 87 arranged at the focal position (Fourier plane) between the first and second relay lenses 86 and 88.
  • the mask 89 shapes the contour of the sample light, and shields the opening for shaping the reference light 98 during recording.
  • the sample light passes through the polarization beam splitter 90, is converted into circularly polarized light by the quarter-wave plate 91, is Fourier-transformed by the objective lens 92, and is recorded on the hologram recording layer 43 of the holographic recording medium 4.
  • the hologram 41 is irradiated. As a result, the hologram 41 and the sample light interfere with each other, and the reproduction light corresponding to the reference light at the time of recording is reproduced.
  • the sample light and the reproduction light reflected by the reflection layer are emitted from the holographic recording medium 4 and enter the polarization beam splitter 90 through the objective lens 92 and the quarter-wave plate 91 in the opposite direction to the irradiation time.
  • the reproduction light corresponds to the reference light at the time of recording, and the reference light passes through the quarter-wave plate 91 and is converted into circularly polarized light when it is applied to the holographic recording medium 4.
  • the reproduction light is linearly polarized light having a polarization direction orthogonal to the reference light. Therefore, the reproduction light is reflected by the polarization beam splitter 90 that has transmitted the reference light.
  • the reflected sample light also passes through the quarter-wave plate 91 twice and is reflected by the polarization beam splitter 90.
  • the reproduction light passes through the opening of the aperture 93, and the sample light is shielded by the aperture 93.
  • the reproduction light reflected by the mirror 94 is condensed on the photodetector 96 by the condenser lens 95.
  • the opening of the mask 89 shows only one opening for shaping the object light and one opening for shaping the reference light, but there may be a plurality of reference light intensity patterns.
  • Example 1 Using the apparatus 80 shown in Fig. 6, the possibility of identifying a phase object was verified.
  • a 532 nm Nd: YVO 4 laser was used as the light source 81.
  • the mask 89 a mask having the shape shown in FIGS. 3A and 3B was used. That is, the mask at the time of identification is a mask having a circular opening 56a for generating sample light at the center, and the mask at the time of recording is a circular opening 56b for generating object light at the center and its surroundings. And a small circular opening 56c for generating 12 reference beams radially.
  • the openings 56a and 56b serving as the contours of the sample light or the object light are circular with a diameter of 1 mm, and the opening 56c for generating the reference light is a circular with a diameter of 0.29 mm.
  • the NA of the objective lens 92 was 0.55, and the focal length was 4 mm.
  • phase patterns shown in FIGS. 7A to 7D are displayed in the 32 ⁇ 32 pixel display area of the phase spatial light modulator 84 to generate object light and record the hologram by causing interference with the reference light.
  • the left side shows the phase pattern on the display surface
  • the right side shows the phase modulation amount of the cross section along the alternate long and short dash line.
  • a circular pattern 101 having a phase modulation amount of ⁇ / 2 and a diameter of 32 pixels is displayed in the display area 100.
  • FIG. 7A a circular pattern 101 having a phase modulation amount of ⁇ / 2 and a diameter of 32 pixels is displayed in the display area 100.
  • a circular pattern 101 having a phase modulation amount of ⁇ / 2 and a diameter of 32 pixels is displayed in the display area 100, and a circular pattern 102 having a phase modulation amount of ⁇ and a diameter of 10 pixels is displayed at the center thereof.
  • a circular pattern 101 with a phase modulation amount of ⁇ / 2 and a diameter of 32 pixels is displayed in the display area 100, and two circular patterns 102 with a phase modulation amount of ⁇ and a diameter of 10 pixels are displayed therein. displayed.
  • a circular pattern 101 having a phase modulation amount of ⁇ / 2 and a diameter of 32 pixels is displayed in the display area 100, and three circular patterns 102 having a phase modulation amount of ⁇ and a diameter of 10 pixels are displayed therein. displayed.
  • the phase modulation amounts of the aa section and the bb section are shown on the right side.
  • the holograms having the phase patterns of FIGS. 7A to 7D are referred to as holograms AD.
  • sample light is generated by modulating the phase of the light with a phase pattern in which a circular pattern 101 having a diameter of 32 pixels having a phase modulation amount ⁇ / 2 is displayed in the display region 100 of FIG. Irradiated to each of the above.
  • FIG. 8 shows the detection results of the reproduced light reproduced from the holograms A to D.
  • the vertical axis represents the correlation value (reproduced light intensity) in an arbitrary unit normalized by the autocorrelation correlation value.
  • the axis is each hologram AD. Since the hologram A is recorded by the object light having the phase pattern of FIG. 7A, it is the same as the sample light and has autocorrelation.
  • the hologram B is recorded by a phase pattern in which one circular pattern 102 having a diameter of 10 pixels having a phase modulation amount ⁇ in FIG. 7B is displayed.
  • the correlation value is 63, which is higher than those of holograms C and D.
  • the correlation values are 48 and 31, respectively, and as the difference from the phase pattern of the sample light in FIG. 7A (the number of circular patterns 102 of 10 pixels in diameter with phase modulation amount ⁇ ) increases. It can be confirmed that the correlation value becomes small. This suggests that the number of cells and the presence or absence of cell nuclei can be identified in the phase object identification device of the present invention.
  • Example 2 Using the apparatus 80 of FIG. 6, the possibility of identifying a phase object due to a change in phase was demonstrated.
  • the apparatus conditions of the present embodiment are the same as those of the first embodiment.
  • the phase of all pixels in the display area of 32 ⁇ 32 pixels of the phase spatial light modulator 84 is changed from 0 to 2 ⁇ in increments of ⁇ / 4 to generate object light and interfere with the reference light to obtain nine A hologram was recorded. That is, the hologram 0 is generated by object light having a phase pattern in which the phases of all pixels in the display region are 0, ⁇ / 4, ⁇ / 2, 3 ⁇ / 4, ⁇ , 5 ⁇ / 4, 3 ⁇ / 2, 7 ⁇ / 4, and 2 ⁇ . , ⁇ / 4, ⁇ / 2, 3 ⁇ / 4, ⁇ , 5 ⁇ / 4, 3 ⁇ / 2, 7 ⁇ / 4 and 2 ⁇ were recorded.
  • FIG. 9 shows detection results of reproduced light reproduced from holograms 0, ⁇ / 4, ⁇ / 2, 3 ⁇ / 4, ⁇ , 5 ⁇ / 4, 3 ⁇ / 2, 7 ⁇ / 4, and 2 ⁇ .
  • the axis is an arbitrary unit correlation value (reproduction light intensity) normalized by the autocorrelation correlation value, and the horizontal axis is each hologram.
  • Hologram 0 and hologram 2 ⁇ are recorded with phase pattern object light with the phase of all pixels set to 0, and are therefore identical to the sample light and have autocorrelation.
  • the correlation value is larger as it is closer to the hologram 0 and the hologram 2 ⁇ , and is smaller as it is farther away, and the hologram ⁇ is minimum.
  • the phase difference between the phase object to be identified and the known phase object can be identified as the intensity of the reproduction light. And if this is applied, it is suggested that it is possible to observe or identify cell vibration, nuclear expansion, and dynamic phase change.
  • Phase object identification apparatus 1 Phase object identification apparatus 2 Light source 3 Sample holding means 4 Holographic recording medium 5 Photo detector 6 Recording apparatus 21 Light emitted from light source 22 Sample light 23 Reproduction light 24 Object light 25 Reference light 31 Phase object to be identified (sample ) 32 Known phase object 41 Hologram 42 Substrate 43 Hologram recording layer 44 Substrate

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Abstract

【課題】従来の位相物体の観察方法または計測方法とは全く異なる方法で、位相物体を識別できる位相物体識別装置及び方法を提供する。 【解決手段】光に位相変化を与える位相物体を識別するための位相物体識別装置１であって、光源２と、識別対象の位相物体３１を保持する試料保持手段３と、参照光２５と既知の位相物体３２によって位相が変調された物体光２４との干渉により形成されたホログラム４１が記録されたホログラフィック記録媒体４と、光検出器５とを有し、光源から射出された光２１の位相を識別対象の位相物体によって変調して試料光２２を生成し、試料光をホログラフィック記録媒体のホログラムに照射し、ホログラフィック記録媒体のホログラムから再生された再生光２３を光検出器によって検出する。

Description

位相物体識別装置及び方法
　本発明は、光に位相変化を与える物体（以下「位相物体」という）を識別する位相物体識別装置及び方法に関し、特にホログラフィを用いて識別対象の位相物体を識別する位相物体識別装置及び方法に関するものであり、また位相物体識別装置及び方法を用いた新たな用途にも関するものである。
　最も簡便な物体の観察手法は、肉眼による観察であるが、肉眼は、光の強度変化を検出するものであるから、光の強度を変化させない物体や変化が小さい物体の観察には適していない。この点は、一般的な写真や撮像素子も、光の強度変化を検出するものであるから同じである。例えば、生体細胞、細菌、グレーティング、導波路、物体表面の微小な段差、同一色の構造物等は、光の強度を変化させない又はその変化の程度が小さいため、形状の観察が難しかった。特に、生体細胞は、多くの細胞内構成物が透明で無色のため、その形状及び細胞内構成物を観察することが非常に困難であった。
　このため、従来では、生体細胞に前処理を施して染色し、その形状を可視化したり、染色の度合いによって各細胞内構成物を特定したりしていた。生体細胞であれば、染色することで可視化できるが、対象によっては、染色の技法が利用できない場合もある。また、染色の前処理は、生体細胞の固定化などに時間が必要であり、簡便な観察手法ではなかった。さらに、染色することにより、生体細胞が死んでしまったり、変質してしまうことがあり、本来の状態の生体細胞を観察できず、また、その後の試料の利用が制限されてしまうという問題があった。
　ところで、光の強度を変化させない物体であっても、屈折率や光路差の違いにより、光の位相を変化させる場合が多い。上で述べた生体細胞、細菌、グレーティング、導波路、物体表面の微小な段差、同一色の構造物等も、光の位相を変調させる位相物体の一つである。このような位相物体の場合、位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡などによって、相対的な位相情報を強度に変換して観察することが可能である。また、非特許文献１に記載のように、位相物体の絶対的な位相情報を計測する技術も研究開発されている。非特許文献１では、マッハツェンダー型干渉計に閉ループフィードバック技術を導入し、無色透明な位相物体の微小領域の位相変化を高精度に測定できる位相計測システムによって、位相物体の全面を走査することで、無色透明な位相物体の絶対的な位相情報を計測している。
羽根坂円彩、渡邉恵理子、水野潤、小舘香椎子「位相ロック技術を用いた微小物体２次元位相計測システム」Optics&Photonics Japan 2007 講演予稿集、２００７年１１月２６日、ｐ．２７２－２７３
　近年、胚性幹細胞（Embryonic Stem cell：ＥＳ細胞）の発見により、更なる再生医療の可能性が広がり、様々な研究開発が活発に行われている。ＥＳ細胞は、動物の初期胚から樹立される多能性幹細胞であり、すべての細胞へと分化する可能性のある細胞である。そして、ＥＳ細胞は、分化多能性を維持したまま培養、増殖させることができるので、目的とする細胞、器官、組織を作り出して治療に利用することが期待されている。皮膚移植や骨髄移植、臓器移植といった生きた細胞を使った細胞移植には、ドナー不足や拒絶反応といった大きな問題があるが、ＥＳ細胞の発見により解決の兆しが見えている。
　また、病変部より採取、培養した細胞を顕微鏡で観察し、異常細胞、ガン細胞等を検出することにより、病変の有無や病変部の診断を行う細胞診断は、比較的容易で患者の負担も少ないため頻繁に行われている。
　これらの細胞培養技術において、核の有無が重要となる。つまり、最初に細胞内に核がなければ細胞分裂は起こらず、細胞を作り出すことができない。このため、細胞内の核の有無を検査する必要があった。上で述べたように、染色した細胞の観察は、時間がかかること及び生体細胞が死んでしまったり、変質してしまうため、検査に向いていない。また、位相差顕微鏡、微分干渉顕微鏡などによる観察は、生きた細胞を観察できるが、肉眼による検査であり、観察者の技量や経験により、検査の精度が大きく左右される。位相計測システムによって計測する場合は、計測に時間がかかるという問題があった。
　本発明は、従来の位相物体の観察方法または計測方法とは全く異なる方法で、位相物体を識別できる位相物体識別装置及び方法を提供することを目的とする。また位相物体識別装置及び方法を用いた新たな用途を提供することも目的とする。かかる用途の一つとして、上で述べた生体細胞の核の検査装置及び検査方法を提供することを目的の一つとする。
　上記問題を解決するため、本発明の光に位相変化を与える位相物体を識別するための位相物体識別装置は、光源と、識別対象の位相物体を保持する試料保持手段と、参照光と既知の位相物体によって位相が変調された物体光との干渉により形成されたホログラムが記録されたホログラフィック記録媒体と、光検出器とを有し、前記光源から射出された光の位相を前記識別対象の位相物体によって変調して試料光を生成し、前記試料光を前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムに照射し、前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムから再生された再生光を前記光検出器によって検出することを特徴とする。
　また、上記位相物体識別装置において、前記識別対象の位相物体の実像が入射瞳面に位置するように配置された対物レンズによって、前記試料光を前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムに照射することが好ましい。
　また、上記位相物体識別装置において、前記ホログラフィック記録媒体には、複数の既知の位相物体によって形成された複数のホログラムが記録されており、前記ホログラフィック記録媒体における前記試料光の照射位置を移動させる照射位置移動手段を有することが好ましい。
　また、上記位相物体識別装置において、前記試料保持手段に保持された識別対象の位相物体を観察する観察光学系を有し、前記観察光学系は、試料側対物レンズと、結像レンズまたは接眼レンズとを有することが好ましい。さらに、前記試料保持手段は、保持された識別対象の位相物体を前記観察光学系によって観察するために、光軸方向に識別対象の位相物体を移動させる焦点調節手段または光軸に対して直交する平面方向に識別対象の位相物体を移動させる試料位置調整手段を有することが好ましい。
　また、上記位相物体識別装置において、前記試料保持手段に複数の識別対象の位相物体を順次搬送する試料搬送手段を有していてもよい。
　また、上記位相物体識別装置において、前記識別対象の位相物体は、生体細胞または細菌であり、生体細胞または細菌内の細胞核の有無を識別してもよいし、前記既知の位相物体は、規格の範囲内の標本であり、前記識別対象の位相物体が規格に該当するか否かを識別してもよい。
　また、上記位相物体識別装置において、参照光を生成する参照光生成手段を有し、前記試料保持手段は既知の位相物体を保持することができ、前記光源から射出された光の位相を前記既知の位相物体によって変調して物体光を生成し、前記参照光生成手段によって参照光を生成し、前記物体光及び前記参照光を前記ホログラフィック記録媒体に照射し、前記物体光と前記参照光との干渉により形成されたホログラムを前記ホログラフィック記録媒体に記録することが好ましい。さらに、前記参照光生成手段は、前記試料保持手段に形成された開口であってもよい。
　本発明の位相物体識別方法は、光に位相変化を与える位相物体を識別するための位相物体識別方法であって、光源から射出された光の位相を識別対象の位相物体によって変調して試料光を生成し、参照光と既知の位相物体によって位相が変調された物体光との干渉により形成されたホログラムが記録されたホログラフィック記録媒体に前記試料光を照射し、前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムから再生された再生光を光検出器によって検出し、前記光検出器によって検出された前記再生光の強度がしきい値よりも大きい場合は、前記識別対象の位相物体が、前記既知の位相物体と相関があると識別し、前記再生光の強度がしきい値よりも小さい場合は、前記識別対象の位相物体が、前記既知の位相物体と相関がないと識別することを特徴とする。
　本発明の位相物体識別装置及び方法では、識別対象の位相物体による光の位相変化を光の強度変化に変換することにより位相物体の位相変調パターンそれ自体を識別していた従来技術とは本質的に技術思想が異なり、既知の位相物体との相関を検出して識別対象の位相物体を識別するものである。さらに、本発明の位相物体識別装置及び方法では、ホログラフィを利用した光相関演算によって、識別対象の位相物体との相関を検出する点にも大きな特徴がある。
　ホログラフィは、光の振幅（強度）と位相を記録できる技術であり、既知の位相物体の位相情報をそのままホログラムとして記録することが可能である。すなわち、既知の位相物体によって位相が変調された物体光と、参照光とを記録媒体のホログラム記録層で重なるように照射することにより、物体光と参照光との干渉により形成されたホログラムによって、ホログラム記録層内の感光性材料に光反応を生じさせ、ホログラム記録層にホログラムを定着させることができる。
　こうして記録された記録媒体のホログラムに対し、当該既知の位相物体によって位相が変調された物体光を記録時と同じ条件で照射すると、物体光がホログラムによって回折されて参照光に相当する再生光が発生する。さらに、かかるホログラムは、当該既知の位相物体ではなく、これと相関のある位相物体によって位相が変調された光が記録時と同じ条件で照射されても、その光と干渉し、相関値（類似の程度）に応じて再生光が発生する特性がある。したがって、再生光の有無を検出することにより、識別対象の位相物体と既知の位相物体との相関の有無を識別することができる。つまり、記録時と同じ条件で試料光を照射してホログラムから再生光が発生しなければ、識別対象の位相物体が既知の位相物体と相関のないものであると識別することができ、再生光が発生すれば、識別対象の位相物体が既知の位相物体と相関のあるものであると識別することができる。さらに、再生光の強度も検出することにより、相関の程度も識別することが可能である。その他の本発明の位相物体識別装置及び位相物体識別方法の効果については、以下の実施の形態において記載する。
（Ａ）は本発明の位相物体識別装置及び方法の基本原理を説明するための模式図、（Ｂ）は記録装置及び方法の基本原理を説明するための模式図 記録装置としても利用可能な本発明の位相物体識別装置の一実施態様を示す概略構成図 （Ａ）は試料光の輪郭を成形するためのマスク形状の一例を示す図、（Ｂ）は物体光の輪郭及び参照光の強度パターンを生成するためのマスク形状の一例を示す図、（Ｃ）はアパーチャー形状の一例を示す図 （Ａ）は記録時における試料保持手段の断面図、（Ｂ）は（Ａ）の平面図、（Ｃ）は識別時における試料保持手段の断面図 （Ａ）～（Ｄ）は試料搬送手段の一例を示す図 位相物体識別装置としても機能する記録装置の概略構成図 位相空間光変調器の表示領域における位相パターンを示す図 ホログラムＡ～Ｄから再生された再生光の検出結果を示す図 ホログラム０～２πから再生された再生光の検出結果を示す図
　以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明するが、本発明は下記例に限定されるものではない。図１（Ａ）は、本発明の位相物体識別装置及び方法の基本原理を説明するための模式図である。図１（Ａ）において、位相物体識別装置１は、光源２と、識別対象の位相物体３１（以下、試料ともよぶ）が保持されている試料保持手段３と、ホログラム４１が記録されたホログラフィック記録媒体４と、光検出器５とを有している。なお、図１（Ｂ）は、位相物体識別装置１におけるホログラフィック記録媒体４にホログラム４１を記録する記録装置６及び方法の基本原理を説明するための模式図である。なお、本明細書における各種のレンズには、単一のレンズも、複数のレンズが組み合わされたレンズ群も含まれる。
　光源２は、位相の揃ったコヒーレント光を射出するものであり、光源２としてレーザー光源を利用することが好ましい。光源２から射出された光２１は、図示しない光学系によって、試料３１よりも大きな断面積を有する平面波に加工される。
　試料保持手段３は、位相物体識別装置１内に試料３１を配置するためのものであり、試料３１に応じた種々の保持手段を選択できる。例えば、単に試料３１を試料保持手段３上に載置するだけでもよいし、真空吸着や固定器具などによって試料保持手段３に固定してもよい。ゴミや埃の付着を減らすためには、固定した試料３１を垂直方向に配置したり、試料保持手段３の下面に配置したりすることが好ましい。また、試料３１は、クリップなどによって挟持してもよいし、試料３１が薄片状の場合は保持手段に設けられたスリットに挿嵌する構成等も採用できる。試料３１をそのまま試料保持手段３に保持してもよいが、容器や取付け器具等の補助具を介して試料３１を試料保持手段３に保持させてもよい。たとえば、試料３１を入れたマイクロプレートやプレパラートを試料保持手段３に保持させてもよい。
　識別対象の位相物体３１は、少なくとも光の位相を変化させるものであればよく、光の強度を変化させないものでも、光の強度を変化させるものでもよい。例えば、識別対象の位相物体３１としては、生体細胞、細菌、グレーティング、導波路、物体表面の微小な段差、同一色の構造物等を用いることができる。また、固体に限定されるものではなく、例えば液晶の配向構造なども含まれる。
　試料保持手段３及びそれに保持されている試料３１は、光源２から射出された光２１の少なくとも位相を変調して試料光２２を生成する試料光生成手段となる。試料３１は、少なくとも光の位相を変調する位相物体であるが、さらに光の強度を変調するものであってもよい。図１（Ａ）のように、光源からの光２１が試料３１及び試料保持手段３を透過して試料光２２を生成する透過型の試料光生成手段の場合には、少なくとも試料保持手段３の試料３１が位置する部位は、光が遮光されないように構成されている必要がある。たとえば、試料保持手段３の試料３１が位置する部位に透明な材料を使用したり、透明な容器や取付け器具に試料３１を配置し、試料保持手段３で透明な容器や取付け器具を保持し、試料保持手段３の試料３１が位置する部位を開口にすればよい。このような透過型の試料光生成手段における試料保持手段３は、後述する記録装置６における物体光２４及び参照光２５を生成するためのマスクとして利用することもできる。なお、反射型の試料光生成手段とする場合は、試料保持手段３の表面を鏡面加工し、試料３１を透過した光を反射させて、試料光２２を生成する。反射型の試料光生成手段の場合は、試料保持手段３に照射される光源からの光２１と試料光２２とを分離するビームスプリッタ等の光学系が必要となる。
　ホログラフィック記録媒体４は、参照光２５と既知の位相物体によって位相が変調された物体光２４との干渉により形成されたホログラム４１が記録されている（物体光２４と参照光２５は図１（Ｂ）参照）。ホログラフィック記録媒体４としては、透過型と反射型とがあり、図１（Ａ）では透過型のホログラフィック記録媒体を示している。図１（Ａ）のホログラフィック記録媒体４は、一対の透光性の基板４２及び４４の間にホログラム記録層４３が挟持された構成である。ホログラフィック記録媒体を反射型とする場合には、ホログラフィック記録媒体に光が入射する面を表として、ホログラム記録層４３より裏側に反射層を設ければよい。例えば、図１（Ａ）の基板４４の表面または裏面に反射層を設ければ、反射型のホログラフィック記録媒体とすることができる。
　既知の位相物体としては、少なくとも一部の情報または特徴が判明している位相物体である。例えば、位相変調パターンが判明している位相物体や位相パターン、名称の判明している生体細胞や細菌、活性反応が判明している生体細胞や細菌、細胞核の位相パターン、規格の範囲内（寸法公差内）の位相物体（微小な段差を有する製品や同一色の構造物）の標本、間隔が判明しているグレーティングなどが挙げられる。
　試料光２２が、ホログラフィック記録媒体４のホログラム４１に照射されると、試料光２２とホログラム４１との干渉の程度に応じて再生光２３が再生する。再生光２３は、ホログラム４１を記録する時に照射された参照光２５に相当する光であり、再生光２３の断面形状や進行方向は、参照光２５の断面形状や進行方向が反映される。干渉の程度は、ホログラム４１を記録した物体光の既知の位相物体と、識別対象の位相物体である試料３１との相関値（類似の程度）に対応する。したがって、試料３１が、既知の位相物体と同じものであった場合には、自己相関であるから相関値は最高となり、強い再生光が再生する。試料３１が、既知の位相物体と異なるが類似している場合は、類似の程度に応じた強度の再生光が再生する。さらに、試料３１が、既知の位相物体と全く異なる場合は再生光は再生しない。なお、ホログラフィック記録媒体４を通過した試料光２２（図１（Ａ）では点線で示す）は、図示しないマスクまたは分離光学系によって遮光または再生光２３と分離され、光検出器５には到達しないようにされている。
　光検出器５は、ホログラフィック記録媒体４のホログラム４１から再生された再生光２３を検出するものであり、光強度を検出できることが好ましい。光検出器５として、光電子倍増管（photomultiplier tube:ＰＭＴ）やアバランシェフォトダイオード（Avalanche Photo Diode）のような非常に感度の高い光検出素子、安価で小型な半導体検出器、例えばピンフォトダイオード、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤセンサ等を利用することができる。再生光２３の断面形状が、光検出器５の受光領域よりも小さい場合は、光検出素子が一つの光検出器をそのまま利用することができるが、光検出器５の受光領域よりも大きい場合は、集光レンズによって集光することで、光検出素子が一つの光検出器を利用することができる。また、光検出素子が複数の光検出器５を利用することもでき、全ての光検出素子の強度を総和することで再生光の光強度を検出することもできる。再生光２３の断面形状が光検出器５の受光領域よりも小さい場合であっても、集光レンズを利用すれば信頼性を高めることができる。なお、再生光２３の断面形状は、記録時の参照光の断面形状によって決定される。
　このように、再生光２３の有無を検出することにより、識別対象の位相物体３１と既知の位相物体との相関の有無を識別することができる。つまり、記録時と同じ条件で試料光を照射してホログラムから再生光が発生しなければ、識別対象の位相物体が既知の位相物体と相関のないものであると識別することができ、再生光が発生すれば、識別対象の位相物体が既知の位相物体と相関のあるものであると識別することができる。さらに、再生光の強度も検出することにより、相関の程度も識別することが可能である。
　たとえば、相関の有無を識別するだけであっても、既知の位相物体として、細胞核を有する既知の生体細胞または細菌を使用し、識別対象の位相物体として、採取、培養した生体細胞または細菌を使用することで、採取、培養した生体細胞または細菌に細胞核が有るのか無いのかを識別する検査に利用できる。他にも、既知の位相物体として、規格の範囲内の標本を使用して、生産された製品を識別対象の位相物体として、識別することで、生産された製品が規格に該当するか否かを識別できる。例えば、グレーティング素子の回折格子周期の誤差や同一色彩の構造物における三次元形状などの検査に利用することができる。これらの検査において、試料を連続的且つ大量に検査するために、試料保持手段３に試料３１を順次搬送する試料搬送手段を設けることが好ましい。
　また、試料光２２を複数のホログラム４１に照射して、複数の既知の位相物体との相関の有無を識別することにより、さらに試料３１を特定することが可能である。試料光２２を複数のホログラム４１に照射するためには、ホログラフィック記録媒体４自体を取り替えて、別のホログラフィック記録媒体４に記録されたホログラム４１に試料光２２を照射させてもよいが、ホログラフィック記録媒体４に複数の既知の位相物体によって形成された複数のホログラム４１を記録しておき、ホログラフィック記録媒体４における試料光２２の照射位置を移動させる照射位置移動手段を設けることがより好ましい。
　照射位置移動手段としては、試料光２２を移動する方式、ホログラフィック記録媒体４を移動する方式及び両方を移動する方式があるが、移動に伴う振動などによる光学系の位置ずれを防ぐため、試料光２２を固定し、ホログラフィック記録媒体４を移動する方式が好ましい。例えば、ＸＹステージによってホログラフィック記録媒体４を光軸に対して直交する平面方向に移動させたり、モーターによってホログラフィック記録媒体４を回転させたりすればよい。
　図１（Ｂ）の記録装置６は、位相物体識別装置１で利用されるホログラフィック記録媒体４を製造するものであり、ホログラフィック記録媒体４に物体光２４と参照光２５とを照射して、それらの干渉により形成されたホログラム４１をホログラフィック記録媒体４に記録する。ここで、記録装置６でホログラフィック記録媒体４に記録されたホログラム４１は、位相物体識別装置１において試料光２２と干渉して再生光２３を発生させるものでなければならない。このためには、試料光２２と同じ波長の光を同じ照射条件（入射角度、倍率、焦点など）で物体光２４をホログラフィック記録媒体４に照射する必要がある。最も簡便な手法としては、位相物体識別装置１の試料光２２を生成し照射する構成と記録装置６の物体光２４を生成し照射する構成を同じにすればよい。このことは、位相物体識別装置１及び記録装置６の両方の機能を備えた装置を製造できることを意味している。ただし、位相物体識別装置１には再生光を検出する光検出器５が別途必要であり、記録装置６には、参照光を生成するための参照光生成手段が別途必要となる。本明細書において、位相物体識別装置１または記録装置６の各構成についての説明は、基本的に他方の装置の共通する構成についても援用される。
　図１（Ｂ）の記録装置６は、図１（Ａ）の試料光２２を生成し照射する構成と同じ構成（同じ符号で示す）を同じ配置で使用している。すなわち、図１（Ｂ）の記録装置６は、光源２と、試料保持手段３と、ホログラフィック記録媒体４とを有している。しかし、記録装置６では、試料保持手段３には、既知の位相物体３２が保持されており、試料保持手段３及び既知の位相物体３２は、光源２からの光２１によって物体光２４を生成する物体光生成手段となる。また、図示しない参照光生成手段によって生成された参照光２５がホログラフィック記録媒体４に照射される。物体光２４と参照光２５との干渉により形成されたホログラムによって、ホログラム記録層４３内の感光性材料に光反応を生じさせ、ホログラム記録層４３にホログラム４１を定着させることができる。
　ホログラフィック記録媒体４に複数のホログラム４１を記録する場合は、照射位置移動手段によって、ホログラフィック記録媒体における物体光２４及び参照光２５の照射位置を移動させ、別の位置に別の既知の位相物体３２による物体光２４と参照光２５とを照射して別のホログラム４１を記録すればよい。
　物体光生成手段としては、既知の位相物体３２を利用する方法以外にも、位相空間光変調器を利用することもできる。位相空間光変調器として、例えば位相変調型の液晶表示装置を採用することができ、位相変調型の液晶表示装置に既知の位相物体の位相パターンを表示すればよい。位相空間光変調器を利用した場合は、複数のホログラム４１を記録する場合に、位相空間光変調器の表示を変更するだけで、別の物体光を生成できるので好ましい。
　参照光生成手段は、光源１からの光１１を利用して参照光２５を生成することが好ましいが、物体光２４と干渉性を有する他の光源の光を利用してもよい。参照光２５は、ホログラフィック記録媒体４において、物体光２４と交差するように照射される。参照光は、物体光に比べて小さい領域の発散光や、空間的に離間した複数の光線の束を利用することができる。物体光２４の光軸と参照光２５の光軸が異なる二光束干渉型の光学系を利用することもできるが、コリニア方式の光学系を利用してホログラム４１を記録することが好ましい。コリニア方式の光学系については、図２において詳細に説明する。
　図１（Ａ）及び（Ｂ）では、基本原理を説明するため、最低限必要な構成を用いて発明を説明したが、かかる構成のみのものに限定されるものではなく、求める効果に応じて更に多くの構成を付加することができる。例えば、ホログラム４１として、既知の位相物体３２の実像を記録するのではなく、フーリエ像を記録することが好ましい。このために、試料光２２及び物体光２４の実像が入射瞳面に位置するように配置された対物レンズを採用し、対物レンズによって試料光２２及び物体光２４をホログラフィック記録媒体に照射するように構成してもよい。フーリエ像は、位相パターンの形状ではなく、位相パターンの空間周波数分布であるから、単純な形状の相関ではなく、パターンの傾向の相関を識別することができる。
　また、試料３１や既知の位相物体３２を観察する観察光学系を備えていることも好ましい。さらに、連続的に複数の試料を識別するためには、試料保持手段３に複数の試料３１を順次搬送する試料搬送手段を有することが好ましい。
　図２は、コリニア方式の光学系を利用してホログラム４１を記録する記録装置６としても利用可能な位相物体識別装置１の一実施態様を示す概略構成図である。図２の位相物体識別装置１は、さらに試料または既知の位相物体（以下、試料と既知の位相物体を併せて「試料等」という）を観察するための観察光学系７及び観察用撮像素子７１も備えている。なお、図２の位相物体識別装置１では、反射型のホログラフィック記録媒体４を使用している。
　位相物体識別装置１は、光源２、試料保持手段３、ホログラフィック記録媒体４及び光検出器５に加えて、試料光を生成し、ホログラフィック記録媒体４に照射し、再生光を検出する光学系を有しており、かかる光学系には、試料等を観察するための観察光学系７も含まれている。光学系は、ビーム成形光学系５１、一対のミラー５２、試料側対物レンズ５３、結像レンズ５４、ビームスプリッタ５５、マスク５６、偏光ビームスプリッタ５７、第１のリレーレンズ５８、第２のリレーレンズ５９、四分の一波長板６０、対物レンズ６１、アパーチャー６２、集光レンズ６３を有している。
　光源２は、ホログラムを記録するための物体光及び参照光の光源となり、また、試料３１を識別するための試料光の光源となるものである。さらに、図２においては、観察光学系７で試料等を観察するための光源としても利用されている。ただし、観察光学系の光源としては、光源２ではなく、観察に適した光源を別途用意することが好ましい。光源２としては、例えば、５３２ｎｍのＹＶＯ４レーザーを使用することができる。なお、光源２としては、ホログラフィック記録媒体４のホログラム記録層４３内の感光材料が感度を示す波長の光を選択する。
　ビーム成形光学系５１は、光源２から射出された光の形状を加工するために必要に応じて設けられるものであり、たとえば発散光を平行光に加工するコリメータレンズや、ビームの口径を大きくするビームエキスパンダーなどが含まれる。
　一対のミラー５２は、光源２から射出された光の進行方向を試料等に向けるためのものである。図２では、一対のミラー５２によって光源２から射出された光の進行方向を１８０°変更して装置を小型化している。光の進行方向を試料等に向ける手段は、一対のミラー５２という構成に限定されるものではなく、光学系の構成に応じて適当な構成が採用される。たとえば、ミラーではなく、プリズムや偏向素子などを使用することもできるし、光源２から射出された光の進行方向が、直接試料等に向いていれば、光の進行方向を試料等に向ける手段はそもそも必要ない。
　試料保持手段３は、試料等を保持するためのものである。図２においては、試料保持手段３は、光の照射される領域は開口となっており、開口の領域に試料３１が保持されている。図２の位相物体識別装置１は、試料保持手段３に保持された試料等は、観察光学系７及び観察用撮像素子７１によって観察することができる。
　観察光学系７は、試料等を観察用撮像素子７１の受光面並びにそれと共役な面３３（マスク５６が配置される位置）及び対物レンズの入射瞳面３５において結像させるものであり、各種顕微鏡の光学系を利用することが可能である。図２においては、観察光学系７は、試料側対物レンズ５３と結像レンズ５４とを有しており、試料等を明視野により観察することができる。試料等が小さい場合、試料側対物レンズ５３及び結像レンズ５４によって、試料等を拡大できることが好ましい。また、試料側対物レンズ５３は、観察を容易にするために、倍率の異なる複数のレンズを切替えられることが好ましい。また、結像レンズ５４と併せて、または結像レンズ５４に代えて、肉眼で観察するための接眼レンズを設けてもよい。
　さらに、図２のように観察光学系７を有している場合、試料保持手段３は、試料等の焦点を調整する焦点調節手段３６または／及び試料等の位置を調整する試料位置調整手段３７を有していることが好ましい。焦点調節手段３６は、光軸方向に識別対象の位相物体（試料３１）や既知の位相物体３２を移動させる手段であり、試料等を結像面（観察用撮像素子７１の受光面、位置３３、位置３５）において結像させるために設けられている。焦点調節手段３６によって、試料３１等を手動または電動で光軸方向（Ｚ軸方向）に移動させる。また、試料位置調整手段３７は、光軸に対して直交する平面方向に識別対象の位相物体（試料３１）や既知の位相物体３２を移動させる手段であり、試料３１等を観察視野内に配置するために設けられている。試料位置調整手段３７によって、試料３１等を手動または電動で光軸に対して直交する平面方向（Ｘ軸方向及びＹ軸方向）に移動させる。焦点調節手段３６及び試料位置調整手段３７としては、種々の移動機構を利用することができ、たとえば微動用の調整機構を備えたＸＹＺ駆動ステージ等を利用できる。
　観察用撮像素子７１としては、ＣＣＤやＣＯＭＳセンサーなどを利用することができる。観察用撮像素子７１は、図示されていないモニターや記録媒体に接続されており、観察用撮像素子７１によって取得した画像をモニターに表示したり、記録媒体に記録したりできる。観察用撮像素子７１で観察しながら、焦点調節手段３６や試料位置調整手段３７によって試料等が光軸の中心で結像するように調整すれば、識別の精度を格段に向上させることができる。また、観察光学系７によって、試料等の倍率を調整することで、物体光及び試料光の基礎となる位相物体の大きさを規格化することができる。観察光学系７によって、観察用撮像素子７１の受光面に結像した像と同じ像が位置３３に結像され、位置３３における像が試料光及び物体光としてホログラフィック記録媒体４に照射されることになるので、位置３３における像（観察用撮像素子７１で観察される画像）を同じ大きさとすることで、試料等の大きさの違いを補正することができる。
　試料３１等を観察するための観察光学系７、試料保持手段３、焦点調節手段３６、試料位置調整手段３７及び観察用撮像素子７１は、従来の光学顕微鏡の構成を転用することが可能である。明視野での観察は、試料等が光の強度を変調させない場合または強度差が小さい場合は、観察が困難であるので、暗視野での観察や位相差顕微鏡または微分干渉顕微鏡としても観察可能な構成とすることが好ましい。
　ビームスプリッタ５５は、入射した光の一部を反射し、他の一部を透過させる光学素子であり、試料等からの光を観察用撮像素子７１に向かう光とホログラフィック記録媒体４に向かう光とを生成している。ビームスプリッタ５５では、光が分割されるが、光の進行方向を切替える光学素子が設けられていてもよい。たとえば、ビームスプリッタ５５の代わりに移動可能なミラーを設け、試料等を観察する場合は、試料等からの光を観察用撮像素子７１に向けて反射させ、試料等を識別する場合は、ミラーを光軸外に移動させて、試料等からの光をホログラフィック記録媒体４に向けて進行させることもできる。
　マスク５６は、観察光学系７によって試料等が結像する結像面または試料保持手段の位置に配置されるものであり、識別時には試料光の輪郭を成形するマスクが配置され、記録時には物体光の輪郭を成形し、且つ参照光の強度パターンを生成する別のマスクが配置される。マスク５６は、位置３３ではなく、試料等の位置（すなわち、試料保持手段３）または他の結像面（対物レンズの入射瞳面３５）に配置されてもよい。たとえば、試料保持手段３の開口をマスク５６として、試料光の輪郭や物体光の輪郭及び参照光の強度パターンを成形してもよいし、対物レンズの入射瞳面３５にマスク５６を配置してもよい。なお、試料光及び物体光それ自体は、試料等によって変調されることで生成され、マスク５６は、その輪郭を成形するものである。
　図３（Ａ）は、識別時における試料光の輪郭を成形するためのマスク５６の一例であり、図３（Ｂ）は記録時における物体光の輪郭及び参照光の強度パターンを生成するためのマスク５６の一例である。図３（Ａ）において、マスク５６は、中央に円形の開口５６ａが設けられており、マスク５６を通過させることで試料光の輪郭を円形に成形することができる。図３（Ｂ）において、マスク５６は、中央に円形の開口５６ｂと、その周囲に放射状に１２個の小さい円形の開口５６ｃとが設けられており、マスク５６を通過させることで開口５６ｂによって物体光の輪郭を円形に成形することができ、開口５６ｃによって物体光の周囲に放射状に配置された１２個の小さい円形からなるパターンの参照光を生成することができる。マスク５６としては、光源２からの光を遮断できる素材で形成されている。なお、記録時のマスクと識別時のマスクは、切替えスイッチ等で入れ替わる構成とすることもできるし、５６ｃの開口にシャッターを設けて識別時にはシャッターを閉じる構成とすることもできる。
　偏光ビームスプリッタ５７は、直交する偏光方向の一方を透過し、他方を反射するものであり、ホログラフィック記録媒体４に向かう試料光、物体光及び参照光とホログラフィック記録媒体４から再生された再生光とを分離するために、四分の一波長板６０と共に設けられる。図２においては、ホログラフィック記録媒体４に向かう試料光、物体光及び参照光を透過し、ホログラフィック記録媒体４から再生された再生光を光検出器５に向けて反射する。光学系の構成によっては、試料光、物体光及び参照光をホログラフィック記録媒体４に向けて反射し、光検出器５に向かう再生光を透過させる構成であってもよい。
　第１のリレーレンズ５８及び第２のリレーレンズ５９は、位置３３に結像された試料等の像を対物レンズ６１の入射瞳面３５に結像させるための光学系の一例である。第１のリレーレンズ５８は、位置３３から第１のリレーレンズ５８までの間隔及び第１のリレーレンズ５８からフーリエ面３４までの間隔が第１のリレーレンズ５８の焦点距離となるように配置される。また、第２のリレーレンズ５９は、フーリエ面３４から第２のリレーレンズ５９までの間隔及び第２のリレーレンズ５９から入射瞳面３５までの間隔が第２のリレーレンズ５９の焦点距離となるように配置される。かかる光学系は、第１及び第２のリレーレンズ５８、５９という構成に限定されるものではなく、種々の結像光学系を利用することができる。
　四分の一波長板６０は、直線偏光を円偏光に変換するものであり、２回通過させることで直線偏光を９０度回転させることができる。試料光が照射されることによってホログラム４１から再生する再生光は、記録時の参照光に相当するものであり、参照光はホログラム４１を記録する際に、四分の一波長板６０を１回通過しているので、再度、四分の一波長板６０を通過することにより、記録時の四分の一波長板６０を通過する前の参照光と比べて直交する偏光方向の直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ５７によって分離することができる。
　対物レンズ６１は、試料光、物体光及び参照光をフーリエ変換してホログラフィック記録媒体４に照射するものである。また、図２のように反射型のホログラフィック記録媒体４を使用した場合は、ホログラム４１から再生した再生光を射出瞳面に結像させる。試料光、物体光及び参照光をフーリエ変換させるために、結像光学系５３，５４，５８，５９を使用して、対物レンズ６１の入射瞳面３５に試料等の像または参照光の強度パターンを結像させる。
　図２のホログラフィック記録媒体４は、透明な基板４２と反射層を有する基板４４との間にホログラム記録層４３が狭持された反射型の構造である。位相物体識別装置１が、記録装置６として機能する時には、物体光及び参照光がホログラフィック記録媒体４に照射され、ホログラム記録層４３にホログラム４１が記録される。また、位相物体識別装置１が位相物体を識別する際には、試料光がホログラフィック記録媒体４に照射され、試料光は、ホログラム４１から再生された再生光と共に、ホログラフィック記録媒体４の入射面側から射出される。
　ホログラフィック記録媒体４は、ホログラフィック記録媒体４を移動する記録媒体移動手段４５に保持されている。記録媒体移動手段４５は、光軸に対して直交する方向において、ホログラフィック記録媒体４を移動または回転させることができ、ホログラフィック記録媒体４における試料光、物体光及び参照光の照射位置を移動させて、ホログラフィック記録媒体４に複数のホログラムを記録したり、ホログラフィック記録媒体４の複数のホログラム４１と試料光とを光相関演算させることができる。
　アパーチャー６２は、反射型のホログラフィック記録媒体４で反射された試料光を遮光し、再生された再生光のみを光検出器５に通過させる開口を有している。アパーチャー６２は、偏光ビームスプリッタ５７から集光レンズ６３までの間に配置されるが、試料光の回折光によるノイズを低減するため、試料光の結像面、たとえば第１のリレーレンズ５８の焦点面（位置３３と共役な位置）に配置することが好ましい。図３（Ｃ）は、アパーチャー６２の一例であり、図３（Ｂ）に示す記録時のマスク５６における開口５６ｃに対応する放射状に配置された１２個の小さい円形の開口６２ａが設けられている。
　集光レンズ６３は、再生光を光検出器５の受光領域に集光させるために設けられており、光検出素子が一つの光検出器５でも利用可能とされている。
　光検出器５は、再生された再生光の光強度を検出するものである。再生光が集光レンズ６３によって小さい領域に集光されるので、光検出素子が一つのものも利用することができる。
　次に、図２の位相物体識別装置１における各処理の動作を簡単に説明する。まず試料等を観察する場合、光源２から照射された光は、ビーム成形光学系５１によって必要な口径及び平行光とされ、一対のミラー５２によって反射され、試料等に照射され、試料側対物レンズ５３及び結像レンズ５４を通過し、ビームスプリッタ５５によって反射され、観察用撮像素子７１に到達する。試料等の像は、試料側対物レンズ５３及び結像レンズ５４によって観察用撮像素子７１の受光面に結像する。そして、試料等が、観察用撮像素子７１の受光面において、中心に配置されるように試料位置調整手段３７で試料等の位置を調整し、受光面に試料等の焦点が合うように焦点調節手段３６で調整する。このように試料等を観察した状態であれば、結像面３３においても、試料等の像が中心に配置され、且つ焦点が合った状態となり、識別処理や記録処理を続けて行うことで、識別の信頼性及び記録の均一性を保つことができる。
　図２の位相物体識別装置１で試料３１を識別する場合、光源２から照射された光は、ビーム成形光学系５１によって必要な口径及び平行光とされ、一対のミラー５２によって反射され、試料３１に照射される。試料３１によって少なくとも光の位相が空間的に変調され、試料側対物レンズ５３及び結像レンズ５４によって位置３３に試料３１の像が結像する。位置３３には、図３（Ａ）のマスク５６が配置されており、輪郭が円形の試料光を生成する。そして、試料光は、偏光ビームスプリッタ５７を透過し、第１及び第２のリレーレンズ５８、５９によって対物レンズ６１の入射瞳面に結像され、四分の一波長板６０によって円偏光に変換され、対物レンズ６１によってフーリエ変換されてホログラフィック記録媒体４のホログラム記録層４３に記録されたホログラム４１に照射される。この結果、ホログラム４１と試料光とが干渉して、相関があれば記録時の参照光に相当する再生光が再生される。
　反射層で反射された試料光及び再生光は、ホログラフィック記録媒体４から射出され、照射時とは反対方向に、対物レンズ６１、四分の一波長板６０、第２のリレーレンズ５９及び第１のリレーレンズ５８を経て、偏光ビームスプリッタ５７に入射する。再生光は、記録時の参照光に相当するものであり、参照光はホログラフィック記録媒体４に照射される際に四分の一波長板６０を通過して円偏光に変換されていたので、再度、再生光として四分の一波長板６０を通過することにより、再生光は、参照光とは直交する偏光方向の直線偏光となっている。このため、再生光は、参照光を透過した偏光ビームスプリッタ５７によって反射され、アパーチャー６２を通過し、集光レンズ６３によって光検出器５に集光される。なお、反射層で反射された試料光は、ホログラフィック記録媒体４から射出され、再生光と同様の光学系を経て偏光ビームスプリッタ５７によって反射されるが、アパーチャー６２によって遮光される。
　さらに、複数のホログラム４１に識別させるためには、試料光を連続的またはパルス状に照射したまま、記録媒体移動手段４５によって、ホログラフィック記録媒体４を移動または回転させる。すると、ホログラフィック記録媒体４に記録された複数のホログラム４１に対し、試料光を連続的または断続的に照射することができ、再生光も連続的または断続的に検出することができる。
　再生光の光強度は、ホログラム４１を記録したときの物体光と試料光との相関値（類似度）に応じて変化し、光強度の値が大きいほど物体光と試料光とが類似していることになる。したがって、再生光の光強度が、予め実験等によって定めたしきい値を超えた場合に、試料３１は、かかる再生光を再生したホログラム４１を記録した既知の位相物体と一致または類似する位相物体であると識別することができる。また、しきい値を超えた再生光が検出されなかった場合には、試料３１は、ホログラフィック記録媒体４にホログラム４１として記録された既知の位相物体と一致または類似していないと識別することができる。なお、複数の再生光の光強度がしきい値を超えた場合には、光強度の大きなものから類似する識別結果として出力することが好ましい。
　図２の位相物体識別装置１で既知の位相物体を記録する場合、試料保持手段３に既知の位相物体を保持させる。光源２から照射された光は、ビーム成形光学系５１によって必要な口径及び平行光とされ、一対のミラー５２によって反射され、既知の位相物体に照射される。既知の位相物体によって少なくとも光の位相が空間的に変調され、試料側対物レンズ５３及び結像レンズ５４によって位置３３に既知の位相物体の像が結像する。位置３３には、図３（Ｂ）のマスク５６が配置されており、輪郭が円形の物体光及び物体光の周囲に配置された１２本の小さい円形の参照光を生成する。そして、物体光及び参照光は、偏光ビームスプリッタ５７を透過し、第１及び第２のリレーレンズ５８、５９によって対物レンズ６１の入射瞳面に結像され、四分の一波長板６０によって円偏光に変換され、対物レンズ６１によってフーリエ変換されてホログラフィック記録媒体４のホログラム記録層４３に照射される。この結果、ホログラフィック記録媒体４のホログラム記録層４３に物体光と参照光との干渉により形成されたホログラム４１が記録される。
　図４は、試料保持手段３の変形例であり、試料保持手段３にマスク５６の機能を付加したものである。図４（Ａ）は、記録時における試料保持手段３の断面図であり、図４（Ｂ）は、（Ａ）の平面図であり、図４（Ｃ）は、識別時における試料保持手段３の断面図である。図４（Ａ）において、試料保持手段３は、遮光性の一対の板状部材３ａ及び３ｂを有し、一対の板状部材３ａ及び３ｂの間には、内部に既知の位相物質３２が封入されたスライドガラス３８ａとカバーガラス３８ｂが配置されており、クリップ３ｃによって、一対の板状部材３ａ、３ｂを狭持して、既知の位相物質３２をスライドガラス３８ａ及びカバーガラス３８ｂを介して保持している。一対の板状部材３ａ及び３ｂには、図４（Ｂ）に示すような開口５６ｂ、５６ｃが設けられている。なお、図４（Ａ）は図４（Ｂ）のＡ－Ａ断面であり、図４（Ａ）では開口部分を点線で示す。中央の円形の開口５６ｂの領域には、既知の位相物質３２が配置されており、光源からの光の位相を変調して物体光が生成される。また、周囲に放射状に配置された開口５６ｃによって物体光の周囲に放射状に配置された１２個の小さい円形からなるパターンの参照光が生成される。図４（Ａ）の構成では、既知の位相物体３２を封入したスライドガラス３８ａ及びカバーガラス３８ｂといった透明補助具（色付きの透明を含む）が、物体光を生成するための開口５６ｂにも、参照光を生成するための開口５６ｃにも存在するため、補助具による位相や強度の変化を相殺して、既知の位相物質３２に基づく位相の変化のみを記録することができる。
　識別時においては、図４（Ｃ）に示すように、既知の位相物体３２の代わりに識別対象の位相物体３１をスライドガラス３８ａとカバーガラス３８ｂの間に封入し、一対の板状部材３ａ及び３ｂに、さらに図３（Ａ）のマスク５６のように、中央にのみ開口５６ａが設けられた遮光部材３ｄを重ねた状態でクリップ３ｃによって狭持する。開口５６ａの領域に識別対象の位相物体３１を配置することで、光源からの光によって、参照光を生成させずに試料光を生成させることができる。なお、参照光の強度パターンは、図３（Ｂ）や図４（Ｂ）の開口５６ｃのような形状及び数量に限定されるものではなく、少なくとも一つの開口によって参照光が生成されればよい。
　試料保持手段３に試料３１を順次搬送する試料搬送手段を設けると、試料の識別を連続して大量に実施することができる。図５は、試料搬送手段の一例である。図５（Ａ）及び（Ｂ）は、ベルトコンベア式の試料搬送手段３９ａ、３９ｂの断面図及び平面図であり、図５（Ｃ）及び（Ｄ）は、搬送ロボットアーム式の試料搬送手段４０ａ、４０ｂの断面図及び平面図である。図５（Ａ）及び（Ｂ）においては、試料３１の上下端近傍が並行するベルトコンベア３９ａ、３９ｂに保持されており、ベルトコンベア３９ａ、３９ｂを移動させることで試料３１を試料側対物レンズ５３の下方に順次搬送する。図５（Ａ）及び（Ｂ）では、ベルトコンベア３９ａ、３９ｂが試料保持手段３であるとともに試料搬送手段でもある。なお、図示しないが図５のベルトコンベア３９ａ、３９ｂの右側には、ベルトコンベア３９ａ、３９ｂ上に試料３１をロードする搬送手段が、ベルトコンベア３９ａ、３９ｂの左側には、ベルトコンベア３９ａ、３９ｂ上の試料３１をアンロードする搬送手段がそれぞれ設けられる。
　図５（Ｃ）及び（Ｄ）においては、搬送ロボットアーム４０ａ、４０ｂは何れも回動可能な支柱に３段階のアーム部分が上下動及び伸縮自在に設けられており、３段目のアーム部分の先端は、試料３１を載置するように幅広に構成されている。試料保持手段３には、図の左右方向において凹部３ｅが設けられており、搬送ロボットアーム４０ａ、４０ｂの試料３１を載置する幅広のアーム部分の先端が試料３１の下方に挿入可能とされている。搬送ロボットアーム４０ａは、試料保持手段３に試料３１を搬送するものであり、搬送ロボットアーム４０ｂは、試料保持手段３の試料３１を搬出するものである。なお、図５（Ｄ）において、試料保持手段３の試料３１の下方には、光を透過するための透光部材による窓５６ａが設けられており、光源からの光が試料３１に照射され、試料側対物レンズ５３に入射されるように構成されている。
　図６は、物体光生成手段の一部に位相空間光変調器を採用したホログラフィック記録媒体４にホログラム４１を記録する記録装置８０の一実施形態であり、さらに記録装置８０は、再生光を検出する構成も付加したことにより、位相物体識別装置としても機能する。記録装置８０は、光源８１、コリメータレンズ８２、ビームスプリッタ８３、位相空間光変調器８４、情報処理装置８５、第１のリレーレンズ８６、ミラー８７、第２のリレーレンズ８８、マスク８９、偏光ビームスプリッタ９０、四分の一波長板９１、対物レンズ９２、アパーチャー９３、ミラー９４、集光レンズ９５、光検出器９６を有している。図６も、ホログラフィック記録媒体４が反射型の場合である。
　光源８１から射出された光は、コリメータレンズ８２によって略平行光とされ、ビームスプリッタ８３によって反射され、位相空間光変調器８４に入射する。位相空間光変調器８４は、複数の画素を有し、各画素毎に入射した光の位相を変化させることができ、光の位相を空間的に変調することができる。図６においては反射型であり、情報処理装置８５から入力された位相パターンが位相空間光変調器８４に表示され、表示された位相パターンによって入射した光の位相を変調しつつ反射する。位相空間光変調器８４としては、平行配向液晶空間位相変調器（ＰＡＬ－ＳＬＭ：Parallel-Aligned Liquid crystal Spatial Light Modulator）等を利用することができる。
　位相空間光変調器８４によって反射された光は、上記の通り、情報処理装置８５から入力された位相パターンによって光の位相が変調されている。そして、ビームスプリッタ８３を透過した光は、第１及び第２のリレーレンズ８６、８８によって対物レンズ９２の入射瞳面に位相パターンが結像するように伝達される。その途中、第１及び第２のリレーレンズ８６、８８間の焦点位置（フーリエ面）に配置されたミラー８７によって反射され進行方向が変更される。マスク８９は、物体光９７の輪郭及び参照光９８の強度パターンを成形するものであり、対物レンズ９２の入射瞳面且つ第１及び第２のリレーレンズ８６、８８による結像面に配置されることが好ましい。なお、図６の構成において、対物レンズ９２の焦点距離が短く、マスク８９を入射瞳面に配置することが物理的に困難な場合は、図示しない結像光学系をさらに組み込み、入射瞳面と共役な位置に配置すればよい。その後、偏光ビームスプリッタ９０を透過し、四分の一波長板９１によって円偏光に変換され、対物レンズ９２によってフーリエ変換されてホログラフィック記録媒体４のホログラム記録層４３に照射される。この結果、ホログラム記録層４３には、物体光９７と参照光９８との干渉によって形成されたホログラム４１が記録される。
　また、図６の記録装置８０において、位相空間光変調器８４に表示された位相パターンは、光の位相を変化させるものであり、一種の位相物体と言える。そして、位相空間光変調器８４に任意の位相パターンを表示して、識別対象の位相物体とすれば、マスク８９を変更することで、ホログラフィック記録媒体４に記録されたホログラム４１を用いて識別処理を行うことができる。この場合には、位相空間光変調器８４が試料保持手段となる。
　図６の記録装置８０を位相物体識別装置として機能させる場合、光源８１から射出された光は、コリメータレンズ８２によって略平行光とされ、ビームスプリッタ８３によって反射され、位相空間光変調器８４に入射し、位相空間光変調器８４に表示された位相パターンによって光の位相を変調しつつ反射する。位相空間光変調器８４によって反射された光は、ビームスプリッタ８３を透過し、第１及び第２のリレーレンズ８６、８８によって対物レンズの入射瞳面に位相パターンが結像するように伝達される。その途中、第１及び第２のリレーレンズ８６、８８間の焦点位置（フーリエ面）に配置されたミラー８７によって反射され進行方向が変更される。マスク８９は、試料光の輪郭を成形するものであり、記録時における参照光９８を成形するための開口は遮光する。その後、試料光は、偏光ビームスプリッタ９０を透過し、四分の一波長板９１によって円偏光に変換され、対物レンズ９２によってフーリエ変換されてホログラフィック記録媒体４のホログラム記録層４３に記録されたホログラム４１に照射される。この結果、ホログラム４１と試料光とが干渉して、記録時の参照光に相当する再生光が再生される。
　反射層で反射された試料光及び再生光は、ホログラフィック記録媒体４から射出され、照射時とは反対方向に、対物レンズ９２、四分の一波長板９１を経て、偏光ビームスプリッタ９０に入射する。再生光は、記録時の参照光に相当するものであり、参照光はホログラフィック記録媒体４に照射される際に四分の一波長板９１を通過して円偏光に変換されていたので、再度、再生光として四分の一波長板９１を通過することにより、再生光は、参照光とは直交する偏光方向の直線偏光となっている。このため、再生光は、参照光を透過した偏光ビームスプリッタ９０によって反射される。また、反射された試料光も、四分の一波長板９１を二回通過しているので、偏光ビームスプリッタ９０によって反射される。再生光はアパーチャー９３の開口を通過し、試料光はアパーチャー９３によって遮光される。ミラー９４によって反射された再生光は、集光レンズ９５によって光検出器９６に集光される。なお、図６においては、便宜上、マスク８９の開口が物体光を成形する開口と参照光を成形する開口を各１つしか示していないが、参照光の強度パターンは複数であってもよい。
　［実施例１］図６の装置８０を利用して、位相物体の識別可能性を実証した。本実施例においては、光源８１として５３２ｎｍのＮｄ：ＹＶＯ４レーザーを使用した。マスク８９としては、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示す形状のマスクを使用した。すなわち、識別時のマスクは、中央に試料光を生成するための円形の開口５６ａを有するマスクであり、記録時のマスクは、中央に物体光を生成するための円形の開口５６ｂと、その周囲に放射状に１２個の参照光を生成するための小さい円形の開口５６ｃとを有するマスクである。試料光または物体光の輪郭となる開口５６ａ、５６ｂは直径１ｍｍの円形であり、参照光を生成するための開口５６ｃは０．２９ｍｍの円形であった。また、対物レンズ９２のＮＡは０．５５であり、焦点距離は４ｍｍであった。
　まず、ホログラフィック記録媒体４に４種類のホログラム４１を記録する。位相空間光変調器８４の３２×３２画素の表示領域に、図７（Ａ）～（Ｄ）の位相パターンを表示して、それぞれ物体光を生成し、参照光と干渉させてホログラムを記録した。図７（Ａ）～（Ｄ）は、左側に表示面における位相パターンを示し、右側に一点鎖線または二点鎖線における断面の位相変調量を示す。図７（Ａ）では、表示領域１００に位相変調量π／２の直径３２画素の円形のパターン１０１を表示した。図７（Ｂ）では、表示領域１００に、位相変調量π／２の直径３２画素の円形のパターン１０１を表示し、その中心に位相変調量πの直径１０画素の円形のパターン１０２を表示した。図７（Ｃ）では、表示領域１００に、位相変調量π／２の直径３２画素の円形のパターン１０１を表示し、その中に位相変調量πの直径１０画素の円形のパターン１０２を２つ表示した。図７（Ｄ）では、表示領域１００に、位相変調量π／２の直径３２画素の円形のパターン１０１を表示し、その中に位相変調量πの直径１０画素の円形のパターン１０２を３つ表示した。なお、図７（Ｄ）では、右側にａ－ａ断面とｂ－ｂ－断面の位相変調量がそれぞれ示されている。以下、図７（Ａ）～（Ｄ）の位相パターンによるホログラムをホログラムＡ～Ｄと呼ぶ。
　次に、図７（Ａ）の表示領域１００に位相変調量π／２の直径３２画素の円形のパターン１０１を表示した位相パターンで光の位相を変調した試料光を生成し、ホログラムＡ～Ｄのそれぞれに対し照射した。図８は、ホログラムＡ～Ｄから再生された再生光の検出結果を示すものであり、縦軸は自己相関の相関値によって規格化した任意単位の相関値（再生光の強度）であり、横軸は各ホログラムＡ～Ｄである。ホログラムＡは、図７（Ａ）の位相パターンの物体光によって記録されているため、試料光と同一であり、自己相関となる。ホログラムＢは、図７（Ｂ）の位相変調量πの直径１０画素の円形のパターン１０２が一つ表示された位相パターンによって記録されており、試料光の図７（Ａ）の位相パターンとは相互相関となるが、違いが小さいので相関値は６３とホログラムＣ及びＤに比べて高い。ホログラムＣ及びＤでは、それぞれ相関値は４８と３１であり、試料光の図７（Ａ）の位相パターンとの違い（位相変調量πの直径１０画素の円形のパターン１０２の数）が増えるに従って、相関値が小さくなることが確認できる。このことから、本発明の位相物体識別装置において、細胞の数や細胞核の有無などの識別が可能であることが示唆される。
　［実施例２］図６の装置８０を利用して、位相の変化による位相物体の識別可能性を実証した。本実施例の装置条件は、実施例１と同じである。まず、位相空間光変調器８４の３２×３２画素の表示領域の全画素の位相を０からπ／４ずつ２πまで変化させて、それぞれ物体光を生成し、参照光と干渉させて９個のホログラムを記録した。すなわち、表示領域の全画素の位相を０、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２、７π／４及び２πとした位相パターンの物体光によって、ホログラム０、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２、７π／４及び２πを記録した。
　この９個のホログラムに対し、表示領域の全画素の位相を０とした位相パターンの試料光を生成し、照射した。図９は、ホログラム０、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２、７π／４及び２πから再生された再生光の検出結果を示すものであり、縦軸は自己相関の相関値によって規格化した任意単位の相関値（再生光の強度）であり、横軸は各ホログラムである。ホログラム０及びホログラム２πは、全画素の位相を０として位相パターンの物体光によって記録されているため、試料光と同一であり、自己相関となる。相関値は、ホログラム０及びホログラム２πに近いほど大きく、遠いほど小さくなっており、ホログラムπが最小である。実施例２から、識別対象の位相物体と既知の位相物体との位相差を再生光の強度として識別することができる。そして、これを応用すれば、細胞の振動、核の膨張、動的な位相変化の観察または識別が可能であることが示唆される。
符号の説明
１　位相物体識別装置
２　光源
３　試料保持手段
４　ホログラフィック記録媒体
５　光検出器
６　記録装置
２１　光源から射出された光
２２　試料光
２３　再生光
２４　物体光
２５　参照光
３１　識別対象の位相物体（試料）
３２　既知の位相物体
４１　ホログラム
４２　基板
４３　ホログラム記録層
４４　基板

Claims (11)

  1. 　光に位相変化を与える位相物体を識別するための位相物体識別装置であって、
    　光源と、
    　識別対象の位相物体を保持する試料保持手段と、
    　参照光と既知の位相物体によって位相が変調された物体光との干渉により形成されたホログラムが記録されたホログラフィック記録媒体と、
    　光検出器とを有し、
    　前記光源から射出された光の位相を前記識別対象の位相物体によって変調して試料光を生成し、前記試料光を前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムに照射し、前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムから再生された再生光を前記光検出器によって検出することを特徴とする位相物体識別装置。
  2. 　前記識別対象の位相物体の実像が入射瞳面に位置するように配置された対物レンズによって、前記試料光を前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムに照射することを特徴とする請求項１に記載の位相物体識別装置。
  3. 　前記ホログラフィック記録媒体には、複数の既知の位相物体によって形成された複数のホログラムが記録されており、
    　前記ホログラフィック記録媒体における前記試料光の照射位置を移動させる照射位置移動手段を有することを特徴とする請求項１または２に記載の位相物体識別装置。
  4. 　前記試料保持手段に保持された識別対象の位相物体を観察する観察光学系を有し、
    　前記観察光学系は、試料側対物レンズと、結像レンズまたは接眼レンズとを有することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の位相物体識別装置。
  5. 　前記試料保持手段は、保持された識別対象の位相物体を前記観察光学系によって観察するために、光軸方向に識別対象の位相物体を移動させる焦点調節手段または光軸に対して直交する平面方向に識別対象の位相物体を移動させる試料位置調整手段を有することを特徴とする請求項４に記載の位相物体識別装置。
  6. 　前記試料保持手段に複数の識別対象の位相物体を順次搬送する試料搬送手段を有することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の位相物体識別装置。
  7. 　前記識別対象の位相物体は、生体細胞または細菌であり、生体細胞または細菌内の細胞核の有無を識別することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の位相物体識別装置。
  8. 　前記既知の位相物体は、規格の範囲内の標本であり、前記識別対象の位相物体が規格に該当するか否かを識別することを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の位相物体識別装置。
  9. 　参照光を生成する参照光生成手段を有し、
    　前記試料保持手段は既知の位相物体を保持することができ、
    　前記光源から射出された光の位相を前記既知の位相物体によって変調して物体光を生成し、前記参照光生成手段によって参照光を生成し、前記物体光及び前記参照光を前記ホログラフィック記録媒体に照射し、前記物体光と前記参照光との干渉により形成されたホログラムを前記ホログラフィック記録媒体に記録することを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の位相物体識別装置。
  10. 　前記参照光生成手段は、前記試料保持手段に形成された開口であることを特徴とする請求項９に記載の位相物体識別装置。
  11. 　光に位相変化を与える位相物体を識別するための位相物体識別方法であって、
    　光源から射出された光の位相を識別対象の位相物体によって変調して試料光を生成し、
    　参照光と既知の位相物体によって位相が変調された物体光との干渉により形成されたホログラムが記録されたホログラフィック記録媒体に前記試料光を照射し、
    　前記ホログラフィック記録媒体の前記ホログラムから再生された再生光を光検出器によって検出し、
    　前記光検出器によって検出された前記再生光の強度がしきい値よりも大きい場合は、前記識別対象の位相物体が、前記既知の位相物体と相関があると識別し、前記再生光の強度がしきい値よりも小さい場合は、前記識別対象の位相物体が、前記既知の位相物体と相関がないと識別することを特徴とする位相物体識別方法。
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