WO2018190111A1 - 擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法 - Google Patents

擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法 Download PDF

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light
pseudo
pattern
speckle pattern
pattern generation
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寛人 酒井
太郎 安藤
豊田　晴義
良幸 大竹
優 瀧口
知子 兵土
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浜松ホトニクス株式会社
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    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/48—Laser speckle optics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B21/00—Microscopes
    • G02B21/06—Means for illuminating specimens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light

Definitions

  • the present disclosure relates to a pseudo speckle pattern generation apparatus, an observation apparatus including the pseudo speckle pattern generation apparatus, a pseudo speckle pattern generation method, and an observation method including the pseudo speckle pattern generation method.
  • speckle pattern When coherent light such as laser light is scattered by a diffuser (scattering medium) such as a diffusion plate, a speckle pattern is generated by interference of the scattered light. Since the spatial distribution of the light intensity in the speckle pattern has a property close to that of a random number pattern, the speckle pattern is used in interference measurement technology, super-resolution microscope, optical measurement technology, etc. It is also used in optical manipulation techniques such as trapping particles and particle colloids.
  • Speckle pattern is characterized by spatial structure and light intensity statistical distribution.
  • the spatial structure is represented by the spatial shape of the autocorrelation function of the speckle pattern and corresponds to the point spread function of the optical system.
  • the light intensity statistical distribution is represented by a histogram of light intensity in the speckle pattern and follows an exponential distribution.
  • the spatial structure (autocorrelation function) of a two-dimensional pseudorandom pattern in which ideal random numbers are two-dimensionally arranged is a delta function.
  • Non-Patent Document 1 generates a speckle pattern on a surface different from the rear focal plane of a lens in a configuration including a diffuser and a lens.
  • the technique described in Non-Patent Document 2 generates various speckle patterns by changing the position of the diffuser or replacing the diffuser itself in a configuration including a diffuser and a lens.
  • Non-Patent Document 3 uses a spatial light modulator having a two-dimensional modulation distribution that can be set by a signal given from the outside, instead of a diffuser, and has a specification with a configuration including the spatial light modulator and a lens. Pattern.
  • a modulation distribution corresponding to a two-dimensional pseudorandom pattern is set.
  • Non-Patent Document 1 uses only one diffuser, there is no flexibility in setting the spatial structure of the speckle pattern to be generated and the light intensity statistical distribution.
  • Non-Patent Document 2 can change the speckle pattern by replacing the diffuser.
  • it is necessary to prepare a number of diffusers in order to generate various speckle patterns, and it is possible to freely set the spatial structure of the generated speckle patterns and the light intensity statistical distribution. The degree is low. Further, when the speckle pattern is set by changing the diffuser position, it is extremely difficult to reproduce the same pattern.
  • Non-Patent Document 3 can change the speckle pattern by changing the modulation distribution presented to the spatial light modulator according to the two-dimensional pseudorandom pattern.
  • the contrast of the speckle pattern is adjusted, and the degree of freedom in setting the spatial structure and the light intensity statistical distribution of the generated speckle pattern is low.
  • Embodiments provide a pseudo-speckle pattern generation apparatus and a pseudo-speckle pattern generation method that have a high degree of freedom in setting the spatial structure of the speckle pattern to be generated or the light intensity statistical distribution, and that the generated pattern has reproducibility
  • the purpose is to do.
  • Another object of the embodiment is to provide an observation apparatus including such a pseudo speckle pattern generation apparatus, and an observation method including a pseudo speckle pattern generation method.
  • the pattern generated in the embodiment may have a spatial structure or light intensity statistical distribution different from that of a normal speckle pattern generated using a diffuser, and is therefore referred to as a “pseudo speckle pattern”. To.
  • the embodiment of the present invention is a pseudo-speckle pattern generation apparatus.
  • the pseudo-speckle pattern generation device has (1) a light source that outputs light, and (2) a first intensity modulation distribution based on a pseudo-random number pattern, and outputs light output from the light source according to the first intensity modulation distribution.
  • a first spatial light modulator that spatially modulates the intensity and outputs the modulated light; and (3) an optical Fourier transform of the light pattern output from the first spatial light modulator, A first optical system for generating a conversion pattern; and (4) a second optical intensity distribution based on a filter function provided on a surface on which a Fourier transform pattern is generated by the first optical system, and passing through the first optical system.
  • a second spatial light modulator that spatially modulates the arrived light according to the second intensity modulation distribution and outputs the modulated light; and (5) light output from the second spatial light modulator.
  • the optical pattern is optically Fourier transformed to A second optical system that generates a pattern as a pseudo-speckle pattern on the light pattern generation surface; and (6) both the first intensity modulation distribution of the first spatial light modulator and the second intensity modulation distribution of the second spatial light modulator. Or a control unit for setting one of them.
  • the embodiment of the present invention is an observation apparatus.
  • the observation device outputs (1) a pseudo-speckle pattern generation device having the above-described configuration, and (2) observation light irradiated on a light pattern generation surface on which a pseudo-speckle pattern is generated by the pseudo-speckle pattern generation device.
  • An observation light source, and (3) a camera that receives and captures light generated in response to the irradiation of the observation light onto the light pattern generation surface.
  • the embodiment of the present invention is a pseudo-speckle pattern generation method.
  • the light output from the light source is spatially intensified according to the first intensity modulation distribution by the first spatial light modulator having the first intensity modulation distribution based on the pseudo-random pattern. Modulate and output the modulated light.
  • the first optical system optically Fourier transforms the light pattern output from the first spatial light modulator to generate the Fourier transform pattern.
  • the second spatial light modulator provided on the surface where the Fourier transform pattern is generated by the first optical system and having the second intensity modulation distribution based on the filter function is used to convert the light that has reached through the first optical system into the first (2) Optically modulate the light pattern output from the second spatial light modulator by the second optical system, and spatially modulate the intensity according to the two intensity modulation distributions.
  • Fourier transform The replacement pattern is generated as a pseudo-speckle pattern on the light pattern generation surface, and (5) the first intensity modulation distribution of the first spatial light modulator and / or the second intensity modulation distribution of the second spatial light modulator.
  • the embodiment of the present invention is an observation method.
  • the observation method irradiates the light pattern generation surface on which the pseudo speckle pattern is generated by the pseudo speckle pattern generation method configured as described above with the observation light output from the observation light source, and observes the light pattern generation surface.
  • the light generated in response to the irradiation of the light is received by a camera and imaged.
  • the degree of freedom in setting the spatial structure of the generated pseudo-speckle pattern or the light intensity statistical distribution is high, and the generated pattern has reproducibility.
  • FIG. 1 is a flowchart of a calculation procedure when a pseudo speckle pattern is obtained by calculation.
  • FIG. 2 is a table summarizing examples of the correlation function c and the filter function F.
  • 3A is a diagram illustrating an example of a two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) in which the statistical distribution follows a normal distribution
  • FIG. 3B is a diagram illustrating the two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) in FIG.
  • the correlation function c (r) exp ( ⁇ r) is a diagram showing a pseudo speckle pattern b (x, y) obtained.
  • FIG. 1 is a flowchart of a calculation procedure when a pseudo speckle pattern is obtained by calculation.
  • FIG. 2 is a table summarizing examples of the correlation function c and the filter function F.
  • 3A is a diagram illustrating an example of a two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) in which the statistical distribution follows a normal distribution
  • FIG. 5 is a diagram showing b (x, y), and (b) is a diagram showing a light intensity statistical distribution (luminance histogram) of the pseudo speckle pattern b (x, y) in FIG. 5A is a diagram illustrating an example of a speckle pattern generated using a diffuser, and FIG. 5B is a diagram illustrating a light intensity statistical distribution (luminance histogram) of the speckle pattern of FIG. 5A. .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating (x, y), and (b) is a diagram illustrating an autocorrelation image of the pseudo speckle pattern b (x, y) in FIG. 6 (a).
  • FIG. 7 is a diagram showing an intensity profile in the autocorrelation image of FIG.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the pseudo speckle pattern generation apparatus 1A according to the present embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a pseudo speckle pattern generation device 1B according to another embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the observation apparatus 2A according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of an observation apparatus 2B according to another embodiment.
  • FIG. 1 is a flowchart of a calculation procedure when a pseudo speckle pattern is obtained by calculation.
  • functions expressed in lowercase letters are functions in real space
  • functions expressed in uppercase letters are functions in Fourier space.
  • (x, y) indicates a position expressed in the orthogonal coordinate system in the real space
  • (u, v) indicates a position expressed in the orthogonal coordinate system in the Fourier space.
  • a two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) is generated. Specifically, a one-dimensional pseudo-random number sequence according to a predetermined seed number and statistical distribution is generated by an arbitrary generation method, and these pseudo-random numbers are arranged two-dimensionally to thereby generate a two-dimensional pseudo-random pattern a (x, y ) Is generated. If the number of seeds and the statistical distribution in generating the one-dimensional pseudorandom number sequence and the arrangement rule in the two-dimensional array are the same, the generation of the two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) has reproducibility.
  • a (x, y) is Fourier-transformed to obtain A (u, v) (Equation (1)).
  • step S21 a correlation function c (x, y) is prepared.
  • step S22 c (x, y) is Fourier transformed to obtain C (u, v) (Equation (2)).
  • step S23 a square root of C (u, v) is calculated to obtain a filter function F (u, v) (Equation (3)).
  • step S31 A (u, v) and F (u, v) are multiplied to obtain B (u, v) (Equation (4)).
  • step S32 B (u, v) is subjected to inverse Fourier transform to obtain a pseudo speckle pattern b (x, y) (Equation (5)). Note that the Fourier transform and inverse Fourier transform can be realized by the same calculation process when performing numerical calculation, and can be realized by the same optical system when realized by an optical system. There is no need to distinguish between.
  • the pseudo speckle pattern b (x, y) generated in this way is a light intensity statistical distribution corresponding to the statistical distribution of the two-dimensional pseudo random pattern a (x, y) and a filter function F (u, v). And a spatial structure (autocorrelation function) corresponding to the correlation function c (x, y) corresponding to.
  • the filter function F (u, v) is calculated by calculating the square root of C (u, v), and the autocorrelation function of the pseudo-speckle pattern b (x, y) and the correlation function c (x , y) match each other.
  • FIG. 2 is a table summarizing examples of the correlation function c and the filter function F.
  • the correlation function c shown in this table is a function c (r) having only the distance r from the origin (0, 0) in the real space as a variable.
  • the corresponding filter function F is also a function F (k) having only the distance k from the origin (0,0) in Fourier space as a variable.
  • r and k are non-negative real numbers
  • ⁇ and ⁇ are positive real numbers.
  • the correlation function c is selected such that C (u, v), which is the result of Fourier transform, is a non-negative real number function, and the function value gradually decreases as the distance r increases. It is preferable that the function be
  • the correlation function c is preferably a function having only the distance r as a variable.
  • the correlation function c may be a function having x and y as variables (for example, exp ( ⁇
  • the correlation function c may have a function value of 1 at the origin (0,0), but the function value may be arbitrary.
  • the correlation function c may not be expressed by a mathematical expression.
  • FIG. 3 (a) is a diagram showing an example of a two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) whose statistical distribution follows a normal distribution.
  • FIG. 4B is a diagram showing a light intensity statistical distribution (luminance histogram) of the pseudo speckle pattern b (x, y) of FIG.
  • FIG. 5A is a diagram illustrating an example of a speckle pattern generated using a diffuser.
  • FIG. 5B is a diagram showing a light intensity statistical distribution (luminance histogram) of the speckle pattern of FIG.
  • the light intensity statistical distribution (FIG. 5B) of the speckle pattern generated using the diffuser can be approximated by an exponential function distribution, whereas the light intensity of the pseudo speckle pattern b (x, y).
  • the statistical distribution (FIG. 4 (b)) can be approximated by a normal distribution, and substantially coincides with the statistical distribution of the two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y).
  • the horizontal axis of the light intensity statistical distribution (brightness histogram) in FIGS. 4B and 5B represents the light intensity of 256 gradations.
  • FIG. 6B is a diagram showing an autocorrelation image of the pseudo speckle pattern b (x, y) in FIG.
  • FIG. 7 is a diagram showing an intensity profile in the autocorrelation image of FIG.
  • the autocorrelation function of the pseudo speckle pattern b (x, y) is substantially the same as the correlation function c.
  • a pseudo-speckle pattern b (x, y) is optically generated using a second spatial light modulator having a second intensity modulation distribution based on (u, v).
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of the pseudo speckle pattern generation apparatus 1A according to the present embodiment.
  • the pseudo speckle pattern generation apparatus 1A includes a control unit 10, a light source 11, a beam expander 12, a first spatial light modulator 13, a lens 14, a second spatial light modulator 15, and a lens 16, and includes an optical pattern generation surface ( A pseudo speckle pattern b (x, y) is generated on the image plane) P.
  • the optical system from the first spatial light modulator 13 to the light pattern generation surface P constitutes a 4f imaging optical system.
  • the light source 11 outputs light.
  • the light source 11 for example, a laser light source, a lamp light source, an SLD (Superluminescent Diode) light source, or the like is used.
  • the beam expander 12 is optically connected to the light source 11 and expands the beam diameter of the light output from the light source 11 and outputs it. At this time, the light output from the beam expander 12 is preferably uniform in intensity in the beam cross section.
  • the first spatial light modulator 13 is of the intensity modulation type, and has a first intensity modulation distribution based on the two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) generated in step S11.
  • a modulator whose modulation medium is liquid crystal, a digital mirror device (DMD), or a deformable mirror (DM) is used.
  • the first spatial light modulator 13 is optically connected to the beam expander 12, inputs light output from the light source 11 and whose beam diameter is expanded by the beam expander 12, and inputs the input light to the first intensity.
  • the intensity is spatially modulated according to the modulation distribution, and the modulated light is output.
  • the lens 14 is optically connected to the first spatial light modulator 13 and constitutes a first optical system that optically Fourier transforms the light pattern output from the first spatial light modulator 13.
  • the Fourier transform pattern generated by the lens 14 corresponds to A (u, v) v obtained in step S12.
  • the second spatial light modulator 15 is of the intensity modulation type and has a second intensity modulation distribution based on the filter function F (u, v) generated in step S23.
  • the second spatial light modulator 15 for example, a modulator whose modulation medium is liquid crystal, a digital mirror device (DMD), or a deformable mirror (DM) is used.
  • the second spatial light modulator 15 is provided on a surface where a Fourier transform pattern is generated by the lens (first optical system) 14, and spatially intensifies the light that has reached through the lens 14 according to the second intensity modulation distribution. Modulate and output the modulated light.
  • the pattern of light output from the second spatial light modulator 15 corresponds to B (u, v) obtained in step S31.
  • the lens 16 is optically connected to the second spatial light modulator 15 and constitutes a second optical system that optically Fourier transforms the light pattern output from the second spatial light modulator 15.
  • the Fourier transform pattern generated on the light pattern generation surface P by the lens 16 is the pseudo speckle pattern b (x, y) generated in step S32.
  • the pseudo speckle pattern b (x, y) generated in this way is a statistical distribution of the two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) (that is, the first intensity modulation distribution of the first spatial light modulator 13).
  • the correlation function c (x, y) corresponding to the filter function F (u, v) that is, the second intensity modulation distribution of the second spatial light modulator 15.
  • the control unit 10 is electrically connected to one or both of the first spatial light modulator 13 and the second spatial light modulator 15, and the first intensity modulation distribution and the second space of the first spatial light modulator 13. Both or one of the second intensity modulation distributions of the optical modulator 15 is set. Specifically, the control unit 10 performs processing based on a two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) having a statistical distribution corresponding to the light intensity statistical distribution of the pseudo speckle pattern b (x, y) to be generated. One intensity modulation distribution is set in the first spatial light modulator 13.
  • control unit 10 determines the first based on the filter function F (u, v) corresponding to the correlation function c (x, y) corresponding to the autocorrelation function of the pseudo speckle pattern b (x, y) to be generated.
  • a two-intensity modulation distribution is set in the second spatial light modulator 15.
  • the control unit 10 is configured by, for example, a computer, and includes a communication unit that is electrically connected to and / or communicates with either or both of the first spatial light modulator 13 and the second spatial light modulator 15, and an arithmetic unit.
  • the calculation unit includes a CPU or DSP, etc., generates a two-dimensional pseudo-random pattern a (x, y) and a correlation function c (x, y), Fourier transform, square root calculation, multiplication, calculation of autocorrelation function, intensity statistics Calculation of distribution is performed.
  • the storage unit includes, for example, a hard disk or a memory, and stores the generation conditions of the two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) and the correlation function c (x, y), the calculation result of each pattern, and the like.
  • the input unit includes, for example, a keyboard or a pointing device, and receives an input of the generation condition and the like.
  • the display unit includes, for example, a liquid crystal display, and a (x, y), A (u, v), c (x, y), C (u, v), F (u, v), B (u, v) ) And b (x, y) etc. are displayed.
  • first spatial light modulator 13 and second spatial light modulator 15 two spatial light modulators (first spatial light modulator 13 and second spatial light modulator 15) are used, and the first intensity modulation distribution and the second spatial light modulation of the first spatial light modulator 13 are used. Since either or either of the second intensity modulation distributions of the device 15 can be set, the degree of freedom in setting the spatial structure of the generated pseudo-speckle pattern b (x, y) or the light intensity statistical distribution is high. .
  • the first intensity modulation distribution is converted into the first spatial light modulation based on the two-dimensional pseudorandom pattern a (x, y) having a statistical distribution corresponding to the light intensity statistical distribution of the pseudo speckle pattern b (x, y) to be generated.
  • a pseudo speckle pattern b (x, y) having a desired light intensity statistical distribution can be generated.
  • the second is based on the filter function F (u, v) which is the square root of the Fourier transform of the correlation function c (x, y) corresponding to the autocorrelation function of the pseudo-speckle pattern b (x, y) to be generated.
  • the degree of freedom in setting the spatial structure or light intensity statistical distribution of the generated pseudo speckle pattern b (x, y) is high.
  • the spatial structure or the light intensity statistical distribution of the pseudo speckle pattern b (x, y) can be set with high reproducibility by the control unit 10, and the setting can be quickly changed.
  • the pseudo speckle pattern generation apparatus or pseudo speckle pattern generation method of the present embodiment can generate a pseudo speckle pattern b (x, y) suitable for a measurement target or an optical manipulation target, and can be used for various verification methods. It can be suitably used in effective measurement techniques and optical manipulation techniques. Further, the pseudo-speckle pattern generation apparatus or pseudo-speckle pattern generation method of the present embodiment can also generate a pseudo-speckle pattern with high average luminance and brightness when using the pseudo-speckle pattern as structured illumination. By reducing the number of times of illumination, it is possible to perform illumination with high sensitivity and in a short time.
  • the pseudo-speckle pattern b (x, y) having a desired spatial structure and light intensity statistical distribution can be generated according to the present embodiment. That is, the pseudo speckle pattern b (x, y) generated on the light pattern generation surface P is imaged using a camera having an image pickup surface on the light pattern generation surface P. Then, the control unit 10 obtains an autocorrelation function of the pseudo speckle pattern b (x, y) obtained by imaging and compares it with the correlation function c (x, y). Further, the control unit 10 obtains the light intensity statistical distribution of the pseudo speckle pattern b (x, y) obtained by imaging, and compares it with the statistical distribution of the two-dimensional pseudo random pattern a (x, y). .
  • FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a pseudo speckle pattern generation apparatus 1B according to another embodiment.
  • the pseudo speckle pattern generation device 1B includes a control unit 10, a light source 11, a beam expander 12, a phase modulation spatial light modulator 17, polarizing plates 18 and 19, a lens 14, a second spatial light modulator 15, and a lens 16.
  • a pseudo speckle pattern b (x, y) is generated on the light pattern generation surface P.
  • the pseudo-speckle pattern generation device 1B shown in FIG. 9 uses phase modulation instead of the intensity-modulation type first spatial light modulator 13.
  • a spatial light modulator 17 and polarizing plates 18 and 19 are provided.
  • As the phase modulation type spatial light modulator 17 for example, a modulator whose modulation medium is liquid crystal is used.
  • a polarizing plate 18 and a polarizing plate 19 are provided with a phase modulation type spatial light modulator 17 interposed therebetween.
  • the spatial light modulator 17 whose modulation medium is liquid crystal has liquid crystal molecules in a specific alignment direction.
  • the polarizing plates 18 and 19 are arranged so as to have a polarization direction that is an angle of 45 ° relative to the alignment direction of the liquid crystal molecules.
  • the polarization directions of the polarizing plates 18 and 19 may be parallel to each other or perpendicular to each other. Since the phase modulation type spatial light modulator 17 and the polarizing plates 18 and 19 are arranged in this manner, they substantially function as an intensity modulation type first spatial light modulator 13B.
  • the control unit 10 is electrically connected to the first spatial light modulator 13B (the spatial light modulator 17 constituting the first spatial light modulator 13B) and / or the second spatial light modulator 15, and the first spatial light modulator
  • the first intensity modulation distribution of 13B (the phase modulation distribution of the spatial light modulator 17) and / or the second intensity modulation distribution of the second spatial light modulator 15 are set.
  • the second spatial light modulator 15 can also be configured to have two polarizing plates with a phase modulation type spatial light modulator interposed therebetween.
  • the light pattern generation surface P on which the pseudo speckle pattern b (x, y) is generated is the back focal plane of the lens (second optical system) 16. It can be a different plane from the focal plane. For example, by setting a pattern obtained by adding a Fresnel lens pattern to the second intensity modulation distribution in the second spatial light modulator 15, an optical pattern generation surface at a position different from the back focal plane of the lens (second optical system) 16 A pseudo speckle pattern b (x, y) can be generated in P.
  • the observation apparatus or observation method of this embodiment is configured to apply observation light to the light pattern generation surface P on which a pseudo speckle pattern is generated by the pseudo speckle pattern generation apparatus or pseudo speckle pattern generation method of the above embodiment.
  • the light pattern generation surface irradiated with the pseudo-speckle pattern by receiving light (transmitted light, reflected light, scattered light, fluorescence, etc.) generated in response to light irradiation on the light pattern generation surface P A microscopic object on P is imaged.
  • FIG. 10 is a diagram showing a configuration of the observation apparatus 2A of the present embodiment.
  • the observation apparatus 2A includes a control unit 10, a light source 11, a beam expander 12, a first spatial light modulator 13, a lens 14, a second spatial light modulator 15, and a lens 16, and a pseudo speckle on the light pattern generation surface P. Generate a pattern. These are the same as the configuration of the pseudo speckle pattern generation apparatus of the present embodiment.
  • An objective lens is used as the lens 16.
  • the observation apparatus 2A further includes a dichroic mirror 21, an observation light source 22, a camera 23, and a lens 24 in addition to the configuration of the pseudo speckle pattern generation apparatus.
  • the dichroic mirror 21 is provided on the optical path between the second spatial light modulator 15 and the lens 16, transmits light output from the light source 11, and reflects light output from the observation light source 22.
  • the observation light source 22 outputs observation light having a wavelength different from the wavelength of the light output from the light source 11.
  • the observation light source 22 is provided on the side opposite to the side on which the lens 16 is provided with respect to the light pattern generation surface P, and irradiates the light pattern generation surface P with observation light.
  • Light generated in response to irradiation of observation light by the observation light source 22 is reflected by the dichroic mirror 21 through the lens 16 and reaches the imaging surface of the camera 23 through the lens 24.
  • the lens 16 and the lens 24 form an image of light generated on the light pattern generation surface P on the imaging surface of the camera 23.
  • the camera 23 captures an image of a minute object on the light pattern generation surface P irradiated with the pseudo speckle pattern.
  • the camera 23 is, for example, a CCD camera or a CMOS camera.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of an observation apparatus 2B according to another embodiment.
  • the observation apparatus 2B also includes a control unit 10, a light source 11, a beam expander 12, a first spatial light modulator 13, a lens 14, a second spatial light modulator 15, and a lens 16, and has a pseudo speckle on the light pattern generation surface P. Generate a pattern. These are the same as the configuration of the pseudo speckle pattern generation apparatus of the present embodiment.
  • An objective lens is used as the lens 16.
  • the observation apparatus 2B further includes a dichroic mirror 21, an observation light source 22, a camera 23, a lens 25, an objective lens 26, and a lens 27 in addition to the configuration of the pseudo speckle pattern generation apparatus.
  • the dichroic mirror 21 is provided on the optical path between the second spatial light modulator 15 and the lens 16, transmits light output from the light source 11, and reflects light output from the observation light source 22.
  • the observation light source 22 outputs observation light having a wavelength different from the wavelength of the light output from the light source 11.
  • the light output from the observation light source 22 is reflected by the dichroic mirror 21 through the lens 25, and irradiated on the light pattern generation surface P through the lens 16.
  • the camera 23, the objective lens 26, and the lens 27 are provided on the side opposite to the side on which the lens 16 is provided with respect to the light pattern generation surface P.
  • the light generated in response to the observation light irradiation by the observation light source 22 reaches the imaging surface of the camera 23 through the objective lens 26 and the lens 27.
  • the objective lens 26 and the lens 27 image the light generated on the light pattern generation surface P on the imaging surface of the camera 23.
  • the camera 23 captures an image of a minute object on the light pattern generation surface P irradiated with the pseudo speckle pattern.
  • observation apparatuses 2A and 2B are suitably used as a microscopic imaging apparatus when the pseudo speckle pattern generation apparatus is applied to an optical manipulation technique such as an optical trap technique and a structured illumination technique or an optical imaging technique.
  • the observation apparatus or the observation method of the present embodiment uses various pseudo speckle patterns generated by the pseudo speckle pattern generation apparatus or the pseudo speckle pattern generation method for optical operations such as trapping and sorting of microscopic objects. The optical operation of the aspect becomes possible, and the state of the optical operation can be observed.
  • the pseudo random number pattern and the pseudo speckle pattern are two-dimensional.
  • the pseudo random number pattern and the pseudo speckle pattern may be one-dimensional or three-dimensional.
  • the pseudo speckle pattern generation apparatus, pseudo speckle pattern generation method, observation apparatus, and observation method are not limited to the above-described embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • the pseudo-speckle pattern generation device has (1) a light source that outputs light, and (2) a first intensity modulation distribution based on a pseudo-random pattern, and the light output from the light source is subjected to first intensity modulation.
  • a first spatial light modulator that spatially modulates the intensity according to the distribution and outputs the modulated light; and (3) optically Fourier transforms the light pattern output from the first spatial light modulator.
  • Optically Fourierize the output light pattern In other words, a second optical system that generates the Fourier transform pattern as a pseudo-speckle pattern on the light pattern generation surface, and (6) the first intensity modulation distribution of the first spatial light modulator and the second spatial light modulator. And a control unit that sets both or one of the two intensity modulation distributions.
  • the control unit converts the first intensity modulation distribution to the first spatial light modulation based on a pseudo random pattern having a statistical distribution corresponding to the light intensity statistical distribution of the pseudo speckle pattern to be generated. It is good also as a structure set to a container.
  • the control unit calculates the second intensity modulation distribution based on a filter function that is a square root of a Fourier transform of a correlation function according to an autocorrelation function of the pseudo speckle pattern to be generated. It is good also as a structure set to a 2nd spatial light modulator.
  • a pseudo-speckle pattern generation apparatus having the above-described configuration, and (2) a light pattern generation surface on which a pseudo-speckle pattern is generated by the pseudo-speckle pattern generation apparatus. And (3) a camera that receives and captures the light generated in response to the irradiation of the observation light onto the light pattern generation surface.
  • the light output from the light source is generated according to the first intensity modulation distribution by the first spatial light modulator having the first intensity modulation distribution based on the pseudo-random pattern.
  • the intensity is spatially modulated and the modulated light is output.
  • the first optical system optically Fourier-transforms the light pattern output from the first spatial light modulator, and the Fourier transform. A pattern is generated, and (3) the first optical system arrives through the first optical system by a second spatial light modulator having a second intensity modulation distribution based on a filter function provided on a surface where a Fourier transform pattern is generated by the first optical system
  • the modulated light is spatially intensity-modulated according to the second intensity modulation distribution, and the modulated light is output.
  • a pattern of light output from the second spatial light modulator by the second optical system Optically furi The Fourier transform pattern is generated as a pseudo-speckle pattern on the light pattern generation surface, and (5) the first intensity modulation distribution of the first spatial light modulator and the second intensity modulation distribution of the second spatial light modulator. Both or either one is set.
  • the first intensity modulation distribution is set in the first spatial light modulator based on a pseudo random pattern having a statistical distribution corresponding to the light intensity statistical distribution of the pseudo speckle pattern to be generated. It is good also as a structure.
  • the second intensity modulation distribution is converted into the second spatial light based on a filter function that is the square root of the Fourier transform of the correlation function according to the autocorrelation function of the pseudo-speckle pattern to be generated. It is good also as a structure set to a modulator.
  • the light pattern generation surface on which the pseudo-speckle pattern is generated by the pseudo-speckle pattern generation method configured as described above is irradiated with the observation light output from the observation light source, thereby generating the light pattern.
  • Light generated in response to irradiation of light for observation on the surface is received by a camera and imaged.
  • the embodiment can be used as a pseudo speckle pattern generation apparatus, a pseudo speckle pattern generation method, an observation apparatus, and an observation method.

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Abstract

擬似スペックルパターン生成装置１Ａは、第１空間光変調器１３、レンズ１４、第２空間光変調器１５、レンズ１６等を備える。第１空間光変調器１３は、擬似乱数パターンに基づく第１強度変調分布を有し、光源１１から出力されてビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大された光を空間的に強度変調する。第２空間光変調器１５は、フィルタ関数に基づく第２強度変調分布を有し、レンズ１４によりフーリエ変換パターンが生成される面に設けられ、レンズ１４を経て到達した光を空間的に強度変調する。レンズ１６は、第２空間光変調器１５から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを擬似スペックルパターンとして生成する。これにより、生成されるスペックルパターンの空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高い擬似スペックルパターン生成装置等が実現される。

Description

擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法
　本開示は、擬似スペックルパターン生成装置、この擬似スペックルパターン生成装置を備える観察装置、擬似スペックルパターン生成方法、および、この擬似スペックルパターン生成方法を含む観察方法に関するものである。
　レーザ光などのコヒーレントな光が拡散板等のディフューザ（散乱媒体）により散乱されると、その散乱光の干渉によりスペックルパターンが生成される。スペックルパターンにおける光強度の空間分布が乱数パターンに近い性質を有していることから、スペックルパターンは、干渉計測技術、超解像顕微鏡および光計測技術などにおいて利用され、また、最近では原子や粒子コロイドのトラップ等の光操作技術においても利用されている。
　スペックルパターンは、空間構造および光強度統計分布により特徴付けられる。空間構造は、スペックルパターンの自己相関関数の空間的形状により表され、光学系の点像分布関数に相当する。光強度統計分布は、スペックルパターンにおける光強度のヒストグラムにより表され、指数分布に従う。なお、理想的な乱数を２次元配列した２次元擬似乱数パターンの空間構造（自己相関関数）はデルタ関数となる。
　非特許文献１に記載された技術は、ディフューザおよびレンズを備える構成において、レンズの後焦点面と異なる面にスペックルパターンを生成する。非特許文献２に記載された技術は、ディフューザおよびレンズを備える構成において、ディフューザの位置の変更又はディフューザ自体の交換によって様々なスペックルパターンを生成する。
　非特許文献３に記載された技術は、外部から与えられる信号により設定可能な２次元の変調分布を有する空間光変調器をディフューザに替えて用い、この空間光変調器およびレンズを備える構成によりスペックルパターンを生成する。空間光変調器には、２次元擬似乱数パターンに応じた変調分布が設定される。
Vladlen G. Shvedov et al., "Selective trapping of multiple particles by volume speckle field", OPTICS EXPRESS, Vol.18, No.3, pp.3137-3142 (2010) E. Mudry et al., "Structured illumination microscopy using unknown speckle patterns", NATURE PHOTONICS, Vol.6, pp.312-315 (2012) Yaron Bromberg and Hui Cao, "Generating Non-Rayleigh Speckles with Tailored Intensity Statistics", PHYSICAL REVIEW LETTERS 112, pp.213904-1-213904-5 (2014)
　非特許文献１に記載された技術は、１つのディフューザを用いるのみであるから、生成されるスペックルパターンの空間構造および光強度統計分布の設定の自由度が無い。
　非特許文献２に記載された技術は、ディフューザを交換することによってスペックルパターンを変更することができる。しかし、この技術においては、多様なスペックルパターンを生成するためには多くのディフューザを用意しておくことが必要であり、生成されるスペックルパターンの空間構造および光強度統計分布の設定の自由度が低い。また、ディフューザ位置の変更によりスペックルパターンを設定する場合、同一のパターンを再現することは著しく困難である。
　非特許文献３に記載された技術は、２次元擬似乱数パターンに応じて空間光変調器に呈示する変調分布を変更することによってスペックルパターンを変更することができる。しかし、この技術においても、スペックルパターンのコントラストが調整されるのみであり、生成されるスペックルパターンの空間構造および光強度統計分布の設定の自由度が低い。
　実施形態は、生成されるスペックルパターンの空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高く、生成されるパターンが再現性を有する擬似スペックルパターン生成装置および擬似スペックルパターン生成方法を提供することを目的とする。また、実施形態は、このような擬似スペックルパターン生成装置を備える観察装置、および、擬似スペックルパターン生成方法を含む観察方法を提供することを目的とする。
　なお、実施形態で生成されるパターンは、ディフューザを用いて生成される通常のスペックルパターンと異なる空間構造または光強度統計分布を有することも可能であるので、「擬似スペックルパターン」と呼ぶことにする。
　本発明の実施形態は、擬似スペックルパターン生成装置である。擬似スペックルパターン生成装置は、（１）光を出力する光源と、（２）擬似乱数パターンに基づく第１強度変調分布を有し、光源から出力された光を第１強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する第１空間光変調器と、（３）第１空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを生成する第１光学系と、（４）第１光学系によりフーリエ変換パターンが生成される面に設けられ、フィルタ関数に基づく第２強度変調分布を有し、第１光学系を経て到達した光を第２強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する第２空間光変調器と、（５）第２空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを擬似スペックルパターンとして光パターン生成面に生成する第２光学系と、（６）第１空間光変調器の第１強度変調分布および第２空間光変調器の第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する制御部と、を備える。
　本発明の実施形態は、観察装置である。観察装置は、（１）上記構成の擬似スペックルパターン生成装置と、（２）擬似スペックルパターン生成装置により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に照射される観察用の光を出力する観察用光源と、（３）光パターン生成面への観察用の光の照射に応じて生じた光を受光して撮像するカメラと、を備える。
　本発明の実施形態は、擬似スペックルパターン生成方法である。擬似スペックルパターン生成方法は、（１）擬似乱数パターンに基づく第１強度変調分布を有する第１空間光変調器により、光源から出力された光を第１強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力し、（２）第１光学系により、第１空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを生成し、（３）第１光学系によりフーリエ変換パターンが生成される面に設けられフィルタ関数に基づく第２強度変調分布を有する第２空間光変調器により、第１光学系を経て到達した光を第２強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力し、（４）第２光学系により、第２空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを擬似スペックルパターンとして光パターン生成面に生成し、（５）第１空間光変調器の第１強度変調分布および第２空間光変調器の第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する。
　本発明の実施形態は、観察方法である。観察方法は、上記構成の擬似スペックルパターン生成方法により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に、観察用光源から出力される観察用の光を照射し、光パターン生成面への観察用の光の照射に応じて生じた光をカメラにより受光して撮像する。
　実施形態によれば、生成される擬似スペックルパターンの空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高く、生成されるパターンが再現性を有する。
図１は、擬似スペックルパターンを計算により求める場合の計算手順のフローチャートである。 図２は、相関関数ｃおよびフィルタ関数Ｆの例を纏めた表である。 図３は、（ａ）統計分布が正規分布に従う２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の一例を示す図、及び（ｂ）図３（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。 図４は、（ａ）図３（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/9)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図、及び（ｂ）図４（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。 図５は、（ａ）ディフューザを用いて生成されたスペックルパターンの一例を示す図、及び（ｂ）図５（ａ）のスペックルパターンの光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。 図６は、（ａ）図３（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/3)を用いた場合の擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図、及び（ｂ）図６（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関画像を示す図である。 図７は、図６（ｂ）の自己相関画像における強度プロファイルを示す図である。 図８は、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ａの構成を示す図である。 図９は、他の実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成を示す図である。 図１０は、本実施形態の観察装置２Ａの構成を示す図である。 図１１は、他の実施形態の観察装置２Ｂの構成を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではない。
　先ず、本実施形態において生成される擬似スペックルパターンを説明する。図１は、擬似スペックルパターンを計算により求める場合の計算手順のフローチャートである。なお、以下に登場する関数のうち、英小文字で表した関数は実空間における関数であり、英大文字で表した関数はフーリエ空間における関数である。また、(x,y)は実空間中の直交座標系で表した位置を示し、(u,v)はフーリエ空間中の直交座標系で表した位置を示す。
　ステップＳ１１では、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)を生成する。具体的には、任意の生成方法により所定のシード数および統計分布に従う１次元の擬似乱数列を生成し、これらの擬似乱数を２次元に配列することで２次元擬似乱数パターンａ(x,y)を生成する。１次元擬似乱数列の生成の際のシード数および統計分布ならびに２次元配列の際の配列規則が同じであれば、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の生成は再現性を有する。ステップＳ１２では、ａ(x,y)をフーリエ変換してＡ(u,v)を得る（（１）式）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　ステップＳ２１では、相関関数ｃ(x,y)を準備する。ステップＳ２２では、ｃ(x,y)をフーリエ変換してＣ(u,v)を得る（（２）式）。ステップＳ２３では、Ｃ(u,v)の平方根を計算してフィルタ関数Ｆ(u,v)を得る（（３）式）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ステップＳ３１では、Ａ(u,v)とＦ(u,v)とを乗算してＢ(u,v)を得る（（４）式）。そして、ステップＳ３２では、Ｂ(u,v)を逆フーリエ変換して擬似スペックルパターンｂ(x,y)を得る（（５）式）。なお、フーリエ変換と逆フーリエ変換とは、数値計算をする場合には同様の計算処理で実現可能であり、また、光学系により実現する場合には同様の光学系により実現可能であるから、両者を区別する必要はない。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　このようにして生成された擬似スペックルパターンｂ(x,y)は、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布に応じた光強度統計分布と、フィルタ関数Ｆ(u,v)に対応する相関関数ｃ(x,y)に応じた空間構造（自己相関関数）と、を有する。なお、ステップＳ２３においてＣ(u,v)の平方根を計算してフィルタ関数Ｆ(u,v)を求めるのは、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数と相関関数ｃ(x,y)とを互いに一致させるためである。
　図２は、相関関数ｃおよびフィルタ関数Ｆの例を纏めた表である。この表に示される相関関数ｃは、実空間における原点(0,0)からの距離ｒのみを変数とする関数ｃ(r)である。対応するフィルタ関数Ｆも、フーリエ空間における原点(0,0)からの距離ｋのみを変数とする関数Ｆ(k)である。各式において、ｒ，ｋは非負の実数であり、η，ξは正の実数である。
　相関関数ｃ(x,y)としては、フーリエ変換の結果であるＣ(u,v)が非負の実数の関数となるような関数が選ばれ、また、距離ｒが大きくなるに従い関数値が漸減する関数であるのが好ましい。相関関数ｃは、距離ｒのみを変数とする関数であるのが好ましい。相関関数ｃは、ｘおよびｙを変数とする関数（例えばexp(-|x+y|/ξ)）であってもよい。相関関数ｃは、原点(0,0)における関数値が１であってもよいが、その関数値が任意であってよい。相関関数ｃは、数式で表現することができないものであってもよい。
　図３（ａ）は、統計分布が正規分布に従う２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の一例を示す図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図４（ａ）は、図３（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/9)を用いた場合に得られる擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。
　図５（ａ）は、ディフューザを用いて生成されたスペックルパターンの一例を示す図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）のスペックルパターンの光強度統計分布（輝度ヒストグラム）を示す図である。ディフューザを用いて生成されたスペックルパターンの光強度統計分布（図５（ｂ））は指数関数分布で近似することができるのに対して、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布（図４（ｂ））は、正規分布で近似することができ、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布と略一致している。なお、図４（ｂ）および図５（ｂ）の光強度統計分布（輝度ヒストグラム）の横軸は、２５６階調の光強度を表している。
　図６（ａ）は、図３（ａ）の２次元擬似乱数パターンａ(x,y)および相関関数ｃ(r)＝exp(-r/3)を用いた場合の擬似スペックルパターンｂ(x,y)を示す図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関画像を示す図である。図７は、図６（ｂ）の自己相関画像における強度プロファイルを示す図である。ｘ方向およびｙ方向それぞれの強度プロファイルは、互いに略一致しており、また、相関関数ｃ(r)＝exp(-r/3)とも略一致している。すなわち、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数は、相関関数ｃと略一致している。
　本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置および擬似スペックルパターン生成方法では、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)に基づく第１強度変調分布を有する第１空間光変調器と、フィルタ関数Ｆ(u,v)に基づく第２強度変調分布を有する第２空間光変調器とを用いて、擬似スペックルパターンｂ(x,y)を光学的に生成する。
　図８は、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ａの構成を示す図である。擬似スペックルパターン生成装置１Ａは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、第１空間光変調器１３、レンズ１４、第２空間光変調器１５およびレンズ１６を備え、光パターン生成面（像面）Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成する。第１空間光変調器１３から光パターン生成面Ｐに至るまでの光学系は４ｆ結像光学系を構成している。
　光源１１は、光を出力する。光源１１として、例えば、レーザ光源、ランプ光源、ＳＬＤ（Superluminescent Diode）光源等が用いられる。ビームエキスパンダ１２は、光源１１と光学的に接続され、光源１１から出力される光のビーム径を拡大して出力する。このとき、ビームエキスパンダ１２から出力される光は、ビーム断面において強度が均一化されるのが好ましい。
　第１空間光変調器１３は、強度変調型のものであって、ステップＳ１１で生成される２次元擬似乱数パターンａ(x,y)に基づく第１強度変調分布を有する。第１空間光変調器１３として、例えば、変調媒体が液晶である変調器や、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、デフォーマブルミラー（ＤＭ）が用いられる。第１空間光変調器１３は、ビームエキスパンダ１２と光学的に接続され、光源１１から出力されてビームエキスパンダ１２によりビーム径を拡大された光を入力し、その入力した光を第１強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する。
　レンズ１４は、第１空間光変調器１３と光学的に接続され、第１空間光変調器１３から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換する第１光学系を構成している。このレンズ１４により生成されるフーリエ変換パターンは、ステップＳ１２で得られるＡ(u,v) に応じたものである。
　第２空間光変調器１５は、強度変調型のものであって、ステップＳ２３で生成されるフィルタ関数Ｆ(u,v)に基づく第２強度変調分布を有する。第２空間光変調器１５として、例えば、変調媒体が液晶である変調器や、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、デフォーマブルミラー（ＤＭ）が用いられる。第２空間光変調器１５は、レンズ（第１光学系）１４によりフーリエ変換パターンが生成される面に設けられ、レンズ１４を経て到達した光を第２強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する。第２空間光変調器１５から出力される光のパターンは、ステップＳ３１で得られるＢ(u,v)に応じたものである。
　レンズ１６は、第２空間光変調器１５と光学的に接続され、第２空間光変調器１５から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換する第２光学系を構成している。このレンズ１６により光パターン生成面Ｐにおいて生成されるフーリエ変換パターンは、ステップＳ３２で生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)となる。
　このようにして生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)は、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布（すなわち、第１空間光変調器１３の第１強度変調分布）に応じた光強度統計分布を有するとともに、フィルタ関数Ｆ(u,v)（すなわち、第２空間光変調器１５の第２強度変調分布）に対応する相関関数ｃ(x,y)に応じた空間構造を有する。
　制御部１０は、第１空間光変調器１３および第２空間光変調器１５の双方または何れか一方と電気的に接続され、第１空間光変調器１３の第１強度変調分布および第２空間光変調器１５の第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する。具体的には、制御部１０は、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布に応じた統計分布を有する２次元擬似乱数パターンａ(x,y)に基づいて第１強度変調分布を第１空間光変調器１３に設定する。或いは、制御部１０は、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数に応じた相関関数ｃ(x,y)に対応するフィルタ関数Ｆ(u,v)に基づいて第２強度変調分布を第２空間光変調器１５に設定する。
　制御部１０は、例えばコンピュータにより構成され、第１空間光変調器１３および第２空間光変調器１５の双方または何れか一方と電気的に接続されて通信を行う通信部を備える他、演算部、記憶部、入力部および表示部を備える。演算部は、ＣＰＵまたはＤＳＰ等を含み、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)や相関関数ｃ(x,y)の生成、フーリエ変換、平方根計算、乗算、自己相関関数の演算、強度統計分布の算出等を行う。
　記憶部は、例えばハードディスクまたはメモリなどを含み、２次元擬似乱数パターンａ(x,y)や相関関数ｃ(x,y)の生成条件や各パターンの演算結果等を記憶する。入力部は、例えばキーボードまたはポインティングデバイスなどを含み、上記生成条件等の入力を受け付ける。表示部は、例えば液晶ディスプレイを含み、ａ(x,y)、Ａ(u,v)、ｃ(x,y)、Ｃ(u,v)、Ｆ(u,v)、Ｂ(u,v)およびｂ(x,y)等の各パターンを表示する。
　本実施形態では、２つの空間光変調器（第１空間光変調器１３、第２空間光変調器１５）を用い、第１空間光変調器１３の第１強度変調分布および第２空間光変調器１５の第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定することができるので、生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)の空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高い。
　生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布に応じた統計分布を有する２次元擬似乱数パターンａ(x,y)に基づいて第１強度変調分布を第１空間光変調器１３に設定することにより、所望の光強度統計分布を有する擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができる。また、生成すべき擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数に応じた相関関数ｃ(x,y)のフーリエ変換の平方根であるフィルタ関数Ｆ(u,v)に基づいて第２強度変調分布を第２空間光変調器１５に設定することにより、所望の空間構造を有する擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができる。
　本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法では、生成される擬似スペックルパターンｂ(x,y)の空間構造または光強度統計分布の設定の自由度が高い。加えて、擬似スペックルパターンｂ(x,y)の空間構造または光強度統計分布を、制御部１０により、再現性よく設定することができ、迅速に設定を変更することができる。
　本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法は、計測対象や光操作対象に適した擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができ、様々な検証方法に有効な計測技術や光操作技術において好適に用いることができる。また、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法は、擬似スペックルパターンを構造化照明として用いる場合に、平均輝度が高く明るい擬似スペックルパターンを生成することもできるので、照明回数を少なくして、高感度で短時間の照明が可能となる。
　本実施形態により所望の空間構造および光強度統計分布を有する擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができることは、次のようにして確認することができる。すなわち、光パターン生成面Ｐに撮像面を有するカメラを用いて、光パターン生成面Ｐに生成された擬似スペックルパターンｂ(x,y)を撮像する。そして、制御部１０により、撮像により得られた擬似スペックルパターンｂ(x,y)の自己相関関数を求めて、これを相関関数ｃ(x,y)と比較する。また、制御部１０により、撮像により得られた擬似スペックルパターンｂ(x,y)の光強度統計分布を求めて、これを２次元擬似乱数パターンａ(x,y)の統計分布と比較する。
　図９は、他の実施形態の擬似スペックルパターン生成装置１Ｂの構成を示す図である。擬似スペックルパターン生成装置１Ｂは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、位相変調型の空間光変調器１７、偏光板１８，１９、レンズ１４、第２空間光変調器１５およびレンズ１６を備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成する。図８に示された擬似スペックルパターン生成装置１Ａの構成と比較すると、この図９に示される擬似スペックルパターン生成装置１Ｂは、強度変調型の第１空間光変調器１３に替えて位相変調型の空間光変調器１７および偏光板１８，１９を備える点で相違する。位相変調型の空間光変調器１７は、例えば、変調媒体が液晶である変調器が用いられる。
　位相変調型の空間光変調器１７を挟んで偏光板１８および偏光板１９が設けられている。一般に変調媒体が液晶である空間光変調器１７は特定の配向方向の液晶分子を有する。偏光板１８，１９は、この液晶分子の配向方向に対して相対的に４５°の角度である偏光方向となるよう配置される。偏光板１８，１９それぞれの偏光方向は、互いに平行であってもよいし、互いに垂直であってもよい。このように位相変調型の空間光変調器１７および偏光板１８，１９が配置されることで、これらは実質的に強度変調型の第１空間光変調器１３Ｂとして機能する。
　制御部１０は、第１空間光変調器１３Ｂ（これを構成する空間光変調器１７）および第２空間光変調器１５の双方または何れか一方と電気的に接続され、第１空間光変調器１３Ｂの第１強度変調分布（空間光変調器１７の位相変調分布）および第２空間光変調器１５の第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する。
　第２空間光変調器１５も、同様に、位相変調型の空間光変調器を挟んで２つの偏光板を設ける構成とすることができる。
　なお、擬似スペックルパターン生成装置１Ａ，１Ｂにおいて、擬似スペックルパターンｂ(x,y)が生成される光パターン生成面Ｐは、レンズ（第２光学系）１６の後焦点面であってもよいが、その後焦点面と異なる面とすることもできる。例えば、第２強度変調分布にフレネルレンズパターンを加えたパターンを第２空間光変調器１５に設定することにより、レンズ（第２光学系）１６の後焦点面と異なる位置にある光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンｂ(x,y)を生成することができる。
　次に、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置を備える観察装置の実施形態、および、本実施形態の擬似スペックルパターン生成方法を含む観察方法の実施形態について説明する。本実施形態の観察装置または観察方法は、上記の本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面Ｐに観察用の光を照射し、この光パターン生成面Ｐへの光の照射に応じて発生する光（透過光、反射光、散乱光、蛍光など）を受光して、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。
　図１０は、本実施形態の観察装置２Ａの構成を示す図である。観察装置２Ａは、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、第１空間光変調器１３、レンズ１４、第２空間光変調器１５およびレンズ１６を備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンを生成する。これらは、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置の構成と同様である。レンズ１６として対物レンズが用いられる。
　観察装置２Ａは、擬似スペックルパターン生成装置の構成に加えて、ダイクロイックミラー２１、観察用光源２２、カメラ２３およびレンズ２４を更に備える。ダイクロイックミラー２１は、第２空間光変調器１５とレンズ１６との間の光路上に設けられ、光源１１から出力される光を透過させ、観察用光源２２から出力される光を反射させる。
　観察用光源２２は、光源１１から出力される光の波長と異なる波長の観察用の光を出力する。観察用光源２２は、光パターン生成面Ｐに対してレンズ１６が設けられる側と反対の側に設けられ、光パターン生成面Ｐに観察用の光を照射する。観察用光源２２による観察用の光の照射に応じて発生した光は、レンズ１６を経て、ダイクロイックミラー２１により反射され、レンズ２４を経て、カメラ２３の撮像面に到達する。レンズ１６およびレンズ２４は、光パターン生成面Ｐで発生した光をカメラ２３の撮像面に結像する。カメラ２３は、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。カメラ２３は、例えばＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ等である。
　図１１は、他の実施形態の観察装置２Ｂの構成を示す図である。観察装置２Ｂも、制御部１０、光源１１、ビームエキスパンダ１２、第１空間光変調器１３、レンズ１４、第２空間光変調器１５およびレンズ１６を備え、光パターン生成面Ｐに擬似スペックルパターンを生成する。これらは、本実施形態の擬似スペックルパターン生成装置の構成と同様である。レンズ１６として対物レンズが用いられる。
　観察装置２Ｂは、擬似スペックルパターン生成装置の構成に加えて、ダイクロイックミラー２１、観察用光源２２、カメラ２３、レンズ２５、対物レンズ２６およびレンズ２７を更に備える。ダイクロイックミラー２１は、第２空間光変調器１５とレンズ１６との間の光路上に設けられ、光源１１から出力される光を透過させ、観察用光源２２から出力される光を反射させる。
　観察用光源２２は、光源１１から出力される光の波長と異なる波長の観察用の光を出力する。観察用光源２２から出力された光は、レンズ２５を経て、ダイクロイックミラー２１により反射され、レンズ１６を経て、光パターン生成面Ｐに照射される。カメラ２３、対物レンズ２６およびレンズ２７は、光パターン生成面Ｐに対してレンズ１６が設けられる側と反対の側に設けられている。観察用光源２２による観察用の光の照射に応じて発生した光は、対物レンズ２６およびレンズ２７を経て、カメラ２３の撮像面に到達する。対物レンズ２６およびレンズ２７は、光パターン生成面Ｐで発生した光をカメラ２３の撮像面に結像する。カメラ２３は、擬似スペックルパターンが照射された光パターン生成面Ｐ上の微小体等を撮像する。
　これらの観察装置２Ａ，２Ｂは、擬似スペックルパターン生成装置を光トラップ技術および構造化照明技術をはじめとする光操作技術あるいは光イメージング技術に応用する場合に、顕微イメージング装置として好適に用いられる。本実施形態の観察装置または観察方法は、擬似スペックルパターン生成装置または擬似スペックルパターン生成方法により生成される擬似スペックルパターンを微小体のトラップやソーティングなどの光操作に用いることで、様々な態様の光操作が可能となって、その光操作の様子を観察することができる。
　なお、上記の実施形態では擬似乱数パターンおよび擬似スペックルパターンは２次元であるとしたが、擬似乱数パターンおよび擬似スペックルパターンは１次元または３次元であってもよい。
　擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法は、上記した実施形態及び構成例に限られるものではなく、様々な変形が可能である。
　上記実施形態による擬似スペックルパターン生成装置では、（１）光を出力する光源と、（２）擬似乱数パターンに基づく第１強度変調分布を有し、光源から出力された光を第１強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する第１空間光変調器と、（３）第１空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを生成する第１光学系と、（４）第１光学系によりフーリエ変換パターンが生成される面に設けられ、フィルタ関数に基づく第２強度変調分布を有し、第１光学系を経て到達した光を第２強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する第２空間光変調器と、（５）第２空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを擬似スペックルパターンとして光パターン生成面に生成する第２光学系と、（６）第１空間光変調器の第１強度変調分布および第２空間光変調器の第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する制御部と、を備える構成としている。
　上記の擬似スペックルパターン生成装置において、制御部は、生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンに基づいて第１強度変調分布を第１空間光変調器に設定する構成としても良い。
　また、上記の擬似スペックルパターン生成装置において、制御部は、生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根であるフィルタ関数に基づいて第２強度変調分布を第２空間光変調器に設定する構成としても良い。
　上記実施形態による観察装置では、（１）上記構成の擬似スペックルパターン生成装置と、（２）擬似スペックルパターン生成装置により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に照射される観察用の光を出力する観察用光源と、（３）光パターン生成面への観察用の光の照射に応じて生じた光を受光して撮像するカメラと、を備える構成としている。
　上記実施形態による擬似スペックルパターン生成方法では、（１）擬似乱数パターンに基づく第１強度変調分布を有する第１空間光変調器により、光源から出力された光を第１強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力し、（２）第１光学系により、第１空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを生成し、（３）第１光学系によりフーリエ変換パターンが生成される面に設けられフィルタ関数に基づく第２強度変調分布を有する第２空間光変調器により、第１光学系を経て到達した光を第２強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力し、（４）第２光学系により、第２空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを擬似スペックルパターンとして光パターン生成面に生成し、（５）第１空間光変調器の第１強度変調分布および第２空間光変調器の第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する構成としている。
　上記の擬似スペックルパターン生成方法において、生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンに基づいて第１強度変調分布を第１空間光変調器に設定する構成としても良い。
　また、上記の擬似スペックルパターン生成方法において、生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根であるフィルタ関数に基づいて第２強度変調分布を第２空間光変調器に設定する構成としても良い。
　上記実施形態による観察方法では、上記構成の擬似スペックルパターン生成方法により擬似スペックルパターンが生成される光パターン生成面に、観察用光源から出力される観察用の光を照射し、光パターン生成面への観察用の光の照射に応じて生じた光をカメラにより受光して撮像する構成としている。
　実施形態は、擬似スペックルパターン生成装置、擬似スペックルパターン生成方法、観察装置および観察方法として利用可能である。
　１Ａ，１Ｂ…擬似スペックルパターン生成装置、２Ａ，２Ｂ…観察装置、１０…制御部、１１…光源、１２…ビームエキスパンダ、１３…第１空間光変調器、１４…レンズ（第１光学系）、１５…第２空間光変調器、１６…レンズ（第２光学系）、１７…空間光変調器、１８，１９…偏光板、２１…ダイクロイックミラー、２２…観察用光源、２３…カメラ、２４…レンズ、２５…レンズ、２６…対物レンズ、２７…レンズ、Ｐ…光パターン生成面。

Claims (8)

  1. 　光を出力する光源と、
    　擬似乱数パターンに基づく第１強度変調分布を有し、前記光源から出力された光を前記第１強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する第１空間光変調器と、
    　前記第１空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを生成する第１光学系と、
    　前記第１光学系により前記フーリエ変換パターンが生成される面に設けられ、フィルタ関数に基づく第２強度変調分布を有し、前記第１光学系を経て到達した光を前記第２強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力する第２空間光変調器と、
    　前記第２空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを擬似スペックルパターンとして光パターン生成面に生成する第２光学系と、
    　前記第１空間光変調器の前記第１強度変調分布および前記第２空間光変調器の前記第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する制御部と、
    を備える擬似スペックルパターン生成装置。
  2. 　前記制御部が、生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンに基づいて前記第１強度変調分布を前記第１空間光変調器に設定する、請求項１に記載の擬似スペックルパターン生成装置。
  3. 　前記制御部が、生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根であるフィルタ関数に基づいて前記第２強度変調分布を前記第２空間光変調器に設定する、請求項１または２に記載の擬似スペックルパターン生成装置。
  4. 　請求項１～３の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成装置と、
    　前記擬似スペックルパターン生成装置により前記擬似スペックルパターンが生成される前記光パターン生成面に照射される観察用の光を出力する観察用光源と、
    　前記光パターン生成面への前記観察用の光の照射に応じて生じた光を受光して撮像するカメラと、
    を備える観察装置。
  5. 　擬似乱数パターンに基づく第１強度変調分布を有する第１空間光変調器により、光源から出力された光を前記第１強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力し、
    　第１光学系により、前記第１空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを生成し、
    　前記第１光学系により前記フーリエ変換パターンが生成される面に設けられフィルタ関数に基づく第２強度変調分布を有する第２空間光変調器により、前記第１光学系を経て到達した光を前記第２強度変調分布に応じて空間的に強度変調して、その変調後の光を出力し、
    　第２光学系により、前記第２空間光変調器から出力された光のパターンを光学的にフーリエ変換して当該フーリエ変換パターンを擬似スペックルパターンとして光パターン生成面に生成し、
    　前記第１空間光変調器の前記第１強度変調分布および前記第２空間光変調器の前記第２強度変調分布の双方または何れか一方を設定する、
    擬似スペックルパターン生成方法。
  6. 　生成すべき擬似スペックルパターンの光強度統計分布に応じた統計分布を有する擬似乱数パターンに基づいて前記第１強度変調分布を前記第１空間光変調器に設定する、請求項５に記載の擬似スペックルパターン生成方法。
  7. 　生成すべき擬似スペックルパターンの自己相関関数に応じた相関関数のフーリエ変換の平方根であるフィルタ関数に基づいて前記第２強度変調分布を前記第２空間光変調器に設定する、請求項５または６に記載の擬似スペックルパターン生成方法。
  8. 　請求項５～７の何れか１項に記載の擬似スペックルパターン生成方法により前記擬似スペックルパターンが生成される前記光パターン生成面に、観察用光源から出力される観察用の光を照射し、
    　前記光パターン生成面への前記観察用の光の照射に応じて生じた光をカメラにより受光して撮像する、
    観察方法。
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