WO2024090059A1 - 観察装置および観察方法 - Google Patents

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WO2024090059A1
WO2024090059A1 PCT/JP2023/033051 JP2023033051W WO2024090059A1 WO 2024090059 A1 WO2024090059 A1 WO 2024090059A1 JP 2023033051 W JP2023033051 W JP 2023033051W WO 2024090059 A1 WO2024090059 A1 WO 2024090059A1
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WO
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modulation
light
branched light
unit
frequency
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Application number
PCT/JP2023/033051
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English (en)
French (fr)
Inventor
勇気 藤森
修 安彦
秀直 山田
Original Assignee
浜松ホトニクス株式会社
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Publication date
Priority claimed from JP2022171221A external-priority patent/JP2024063351A/ja
Application filed by 浜松ホトニクス株式会社 filed Critical 浜松ホトニクス株式会社
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Definitions

  • This disclosure relates to an apparatus and method for observing a moving object.
  • Patent document 1 discloses an invention of an apparatus and method for observing a moving observation object.
  • the observation apparatus described in this document splits the light output from a light source into a first branched light and a second branched light, combines the first branched light, which has been Doppler shifted by passing through a moving observation object, with the second branched light, whose optical frequency has been shifted by the heterodyne frequency, and causes heterodyne interference between the first branched light and the second branched light.
  • the observation device can acquire time series data of the complex amplitude image of the first branched light on the imaging plane based on time series data of the intensity image (two-dimensional interference image) of the interference light that reaches the imaging plane of the camera.
  • This observation device can image a moving observation object non-stained and non-invasively, and can be used, for example, to observe moving cells with a flow cytometer.
  • the camera that captures the intensity image of the interference light must be an area camera with multiple pixels arranged two-dimensionally (e.g., 1280 x 800) on the imaging surface and with a high frame rate (e.g., 25 kfps).
  • a high frame rate e.g. 25 kfps
  • the optical system from the object to be observed to the camera is special, so it is not easy to adjust this optical system, and it is not easy to observe the object to be observed.
  • the embodiment aims to provide an apparatus and method that can easily observe a moving object to be observed using an inexpensive configuration.
  • the embodiment is an observation device.
  • the observation device is an apparatus for observing a moving object to be observed, and includes: (1) a light source that outputs light; (2) a branching unit that branches the light into a first branched light and a second branched light; (3) a first modulation unit that modulates the first branched light with each of a plurality of different modulation frequencies; (4) an irradiation unit that irradiates the object to be observed with the first branched light modulated by the first modulation unit along an irradiation direction corresponding to the modulation frequency; (5) a combining unit that combines the first branched light and the second branched light after passing through the object to output combined light; (6) an imaging unit that has a plurality of pixels arranged in a direction intersecting the moving direction of the image of the object to be observed on an imaging plane on which an image of the object to be observed is formed, receives the combined light with the plurality of pixels, and repeatedly outputs a detection signal representing a one-
  • the embodiment is an observation method.
  • the observation method is a method for observing a moving observation object, and includes: (1) a branching step of branching light output from a light source into a first branched light and a second branched light using a branching unit; (2) a first modulation step of modulating the first branched light with each of a plurality of modulation frequencies different from each other using a first modulation unit; (3) an irradiation step of irradiating the observation object with the first branched light modulated by the first modulation unit along an irradiation direction according to the modulation frequency; (4) a combining step of using a combining unit to combine the first branched light and the second branched light after passing through the observation object and output combined light; and (5) a step in which an image of the observation object is formed.
  • the observation device and observation method of the embodiment allow for easy observation of a moving observation object with an inexpensive configuration.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an observation device 1.
  • FIG. 2 is a diagram showing point images of the first branched light for each modulation frequency ⁇ n formed on the front focal plane (P1 plane) of the lens 33.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining irradiation of the first branched light onto the observation object S by the lens 33.
  • FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the observation device 1A.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the observation device 1B.
  • FIG. 6 is a diagram showing the configuration of an observation apparatus 1C.
  • FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the first modulation section 21A and the surrounding optical system.
  • FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the first modulation section 21A and the surrounding optical system.
  • Figure 9 is a diagram explaining the diffraction grating recorded on the plate-shaped object of the first modulation section 21A, and shows (a) the modulation distribution of each diffraction grating having multiple spatial frequency components kn ( kmin to kmax ), and (b) the modulation distribution after the diffraction gratings having multiple spatial frequency components are superimposed.
  • FIG. 10A is a diagram showing the first modulation section 21B and the surrounding optical system
  • FIG. 10B is a diagram showing, by shading, the modulation frequency of each region on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21B.
  • FIG. 10A is a diagram showing the first modulation section 21B and the surrounding optical system
  • FIG. 10B is a diagram showing, by shading, the modulation frequency of each region on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21B.
  • FIG. 11A is a diagram showing the first modulation section 21C and the surrounding optical system
  • FIG. 11B is a diagram showing, by shading, the modulation frequency of each region on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21C
  • Figure 12 is (a) a diagram showing the first modulation section 21D and the surrounding optical system, (b) a diagram showing the intensity modulation amount in each region on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21D using shading, and (c) a graph showing the intensity modulation amount in each region along the y direction on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21D.
  • FIG. 13 is a diagram showing a modified example of the peripheral configuration of the imaging unit 23. In FIG.
  • FIG. 1 is a diagram showing the configuration of the observation device 1.
  • the observation device 1 is a device for observing a moving observation target S, and includes a light source 11, a branching section 12, a combining section 15, a first modulation section 21, a second modulation section 22, an imaging section 23, and a processing section 24.
  • the observation method using this observation device 1 includes a branching step, a combining step, a first modulation step, a second modulation step, an imaging step, and a processing step.
  • the light source 11 outputs light.
  • the light source 11 is a laser light source that outputs laser light having a single optical frequency ⁇ 0.
  • the light source 11 is, for example, a He—Ne laser light source.
  • the branching unit 12 is an optical system optically connected to the light source 11.
  • the branching unit 12 receives the light output from the light source 11 and branches the light into two, a first branched light L1 and a second branched light L2 (branching step).
  • the branching unit 12 outputs the first branched light L1 to the mirror 13 and outputs the second branched light L2 to the second modulation unit 22.
  • the branching unit 12 is a beam splitter, and may be a half mirror.
  • the mirror 13 is optically connected to the branching unit 12.
  • the mirror 13 receives the first branched light L1 output from the branching unit 12, reflects the first branched light L1, and outputs it to the first modulation unit 21.
  • the mirror 14 is optically connected to the second modulation unit 22.
  • the mirror 14 receives the second branched light L2 output from the branching unit 12 and passed through the second modulation unit 22, and reflects the second branched light L2 and outputs it to the lens 36.
  • the combining unit 15 is an optical system that inputs the first branched light L1 that is reflected by the mirror 13 and passes through the first modulation unit 21 and the object of observation S, etc., and inputs the second branched light L2 that is reflected by the mirror 14 and passes through the lens 36, etc.
  • the combining unit 15 combines the input first branched light L1 and second branched light L2, and outputs the combined light to the lens 35 (combining step).
  • the combining unit 15 is a beam splitter, and may be a half mirror.
  • the imaging unit 23 receives the combined light output from the combining unit 15 and passing through the lens 35, and outputs a detection signal representing an interference image between the first branched light L1 and the second branched light L2 to the processing unit 24 (imaging step).
  • the processing unit 24 generates a three-dimensional refractive index distribution image of the observation object S based on the detection signal repeatedly output from the imaging unit 23 (processing step).
  • the optical system from the splitter 12 through the mirrors 13 and 14 to the combiner 15 constitutes a Mach-Zehnder interferometer.
  • the object to be observed S moves so as to intersect with the optical path of the first split light L1 from the mirror 13 to the combiner 15.
  • the observation object S is, for example, cells moving in a line at an average speed of 20 mm/s in a flow channel of a flow cytometer having a cross-sectional size of 250 ⁇ 250 ⁇ m2 .
  • an xyz Cartesian coordinate system is set, the moving direction of the observation object S is defined as the y direction, the direction parallel to the optical axis of the lens 34 located after the observation object S is defined as the z direction, and the direction perpendicular to both the y direction and the z direction is defined as the x direction.
  • the first modulation section 21, lens 31, lens 32, and lens 33 are arranged in this order on the optical path of the first branched light L1 from the mirror 13 to the object of observation S.
  • a lens 34 is arranged on the optical path of the first branched light L1 from the object of observation S to the multiplexing section 15.
  • the second modulation section 22, lens 36, lens 37, and lens 38 are arranged in this order on the optical path of the second branched light L2 from the branching section 12 to the multiplexing section 15 via the mirror 14.
  • a lens 35 is arranged on the optical path of the multiplexed light from the multiplexing section 15 to the imaging section 23.
  • the first modulation unit 21 inputs the first branched light L1 arriving from the mirror 13, modulates the first branched light L1 with each of a plurality of modulation frequencies that are different from one another, and outputs the first branched light L1 after the frequency modulation (first modulation step).
  • the first modulation unit 21 can be configured to include an acousto-optical element that frequency-modulates light by Bragg diffraction.
  • the first modulation unit 21 provides an RF signal having a plurality of different frequency components to the acousto-optical element, and by making the first branched light L1 incident on the acousto-optical element, it is possible to modulate the first branched light L1 at a modulation frequency corresponding to each frequency component of the RF signal.
  • the diffraction angle ⁇ n of the first branched light L1 modulated with the frequency ⁇ n is expressed by the following formula (1).
  • the first modulating unit 21 can output the first branched light L1 of optical frequency ⁇ 0 + ⁇ n modulated with each frequency ⁇ n in the direction of the diffraction angle ⁇ n . That is, the first modulating unit 21 can output the first branched light L1 modulated with each of the N frequency components ⁇ 1 to ⁇ N in directions different from each other.
  • the moving speed Vs of the observation object S is 20 mm/s
  • the optical resolution ⁇ y is 0.2 ⁇ m
  • the lenses 31 to 33 are an optical system constituting an irradiation unit, and irradiate the first branched light L1 modulated by the first modulation unit 21 along an irradiation direction according to the modulation frequency ⁇ n onto the observation object S (irradiation step).
  • the lenses 31 and 32 are cylindrical lenses.
  • the lens 33 is a spherical lens.
  • the light flux of the first branched light L1 in the yz plane (within the plane of the paper) is shown by a solid line
  • the light flux of the first branched light L1 in the xz plane (within the plane perpendicular to the plane of the paper) is shown by a dashed line.
  • the lens shape of the cylindrical lens shown by the dashed line indicates the lens shape in the xz plane (within the plane perpendicular to the plane of the paper).
  • the lens 32 forms point images of the first branched light L1 for each modulation frequency ⁇ n at discrete positions along the y direction on the front focal plane (P1 plane) of the lens 33.
  • the back focal plane (P2 plane) of the lens 33 is a plane that includes the movement path of the observation object S.
  • Fig. 2 is a diagram showing point images of the first branched light for each modulation frequency ⁇ n formed on the front focal plane (P1 plane) of the lens 33. Each point image is indicated by a black circle.
  • the P1 plane is the Fourier plane of the P2 plane
  • the horizontal axis (x-axis) of the P1 plane corresponds to the spatial frequency kx in the x direction of the P2 plane
  • the vertical axis (y-axis) of the P1 plane corresponds to the spatial frequency ky in the y direction of the P2 plane.
  • the lens 33 receives light from a point image of the first branched light L1 for each modulation frequency ⁇ n shown in Figure 2, and can irradiate the first branched light L1 for each modulation frequency ⁇ n as a plane wave onto the observation object S along an irradiation direction according to the modulation frequency ⁇ n .
  • FIG. 3 is a diagram for explaining irradiation of the first branched light by the lens 33 onto the observation object S.
  • Lens 34 and lens 35 constitute an imaging optical system that inputs the first branched light L1 that has passed through the observation object S and forms an image of the observation object S on the imaging plane (P3 plane) of the imaging unit 23.
  • the imaging plane (P3 plane) is optically conjugate with a plane (P2 plane) that includes the movement path of the observation object S.
  • lens 34 is an objective lens with a magnification of 60x
  • lens 35 is an imaging lens with a focal length of 200 mm.
  • a combining unit 15 is disposed on the optical path between lenses 34 and 35.
  • the second modulation unit 22 provides a frequency difference between the first branched light L1 and the second branched light L2 (second modulation step).
  • the second modulation unit 22 is disposed on the optical path of the second branched light L2.
  • the second modulation unit 22 inputs the second branched light L2, frequency-modulates the second branched light L2, and outputs it.
  • the second modulation unit 22 may include, for example, an acousto-optic frequency shifter (AOFS, for example, model number 1250C by ISOMET), a function generator (for example, AFG3252C by Tektronics), and a high-speed amplifier.
  • AOFS acousto-optic frequency shifter
  • the sine wave signal output from the function generator is amplified by the high-speed amplifier with an amplification factor of, for example, +25 dB, and the amplified sine wave signal with an amplitude of, for example, 25 dBm is provided to the AOFS.
  • the second branched light L2 can be modulated at the frequency ⁇ LO .
  • the lenses 36 to 38 form an optical system that causes the second branched light L2 modulated by the second modulation unit 22 to enter the multiplexing unit 15.
  • the lenses 36 and 37 are each spherical lenses and form a beam expander that expands the beam diameter of the second branched light L2.
  • the lens 38 is a cylindrical lens. The lenses 36 to 38, together with the lens 35, focus the second branched light L2 in a line shape on the imaging plane of the imaging unit 23.
  • the imaging unit 23 has a plurality of pixels that are one-dimensionally arranged in a direction intersecting the direction of movement of the image of the observation object S by the first branched light L1 on the imaging plane (P3 plane) where the image of the observation object S is formed.
  • a sensor such as a line sensor can be used as the imaging unit 23.
  • the second branched light L2 is focused in a line along these one-dimensionally arranged pixels.
  • the imaging unit 23 receives the combined light by the one-dimensionally arranged pixels and repeatedly outputs a detection signal that represents a one-dimensional interference image.
  • ⁇ 0 is the optical frequency of the light output from the light source 11.
  • the sampling frequency ⁇ S of the imaging unit 23 satisfy the condition of the following formula (3) or (4).
  • the maximum modulation frequency ⁇ N of the first branched light L1 is 205 MHz and the modulation frequency ⁇ LO of the second branched light L2 is 195 MHz
  • the maximum optical heterodyne frequency is 10 MHz, so that the sampling frequency ⁇ S of the imaging unit 23 should be set to 20 MHz.
  • the processing unit 24 generates complex amplitude images for each of a plurality of irradiation directions of the observation object S corresponding to a plurality of modulation frequencies based on the time series data of the one-dimensional interference image generated from the detection signal repeatedly output from the imaging unit 23.
  • the processing unit 24 is, for example, a calculation device (such as a computer) that incorporates a processor such as a CPU (Central Processing Unit) or a GPU (Graphics Processing Unit), a storage medium such as a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory), a communication module, and an input/output module.
  • a calculation device such as a computer
  • a processor such as a CPU (Central Processing Unit) or a GPU (Graphics Processing Unit)
  • a storage medium such as a RAM (Random Access Memory) or a ROM (Read Only Memory)
  • a communication module such as a Wi-Field Programmable Gate Array
  • ASIC Application Specific Integrated Circuit
  • the processing unit 24 generates a three-dimensional refractive index distribution image of the observation object S based on the complex amplitude images for each of the multiple irradiation directions. Specifically, this is as follows.
  • the time series data of the one-dimensional interference image generated from the detection signals repeatedly output from the imaging unit 23 is represented as I(x,t).
  • x is a variable representing the position (x-direction position) of each of the multiple pixels arranged one-dimensionally on the imaging surface of the imaging unit 23.
  • t is a variable representing the time at which the imaging unit 23 captures the one-dimensional interference image.
  • the processing unit 24 performs a Fourier transform on this time series data I(x,t) with respect to time t.
  • the result of this Fourier transform is represented as J(x,f).
  • f is a variable representing frequency.
  • the processing unit 24 extracts data in a frequency range ( ⁇ n -BW/2 ⁇ f ⁇ n +BW/2) with a bandwidth BW centered on the optical heterodyne frequency ⁇ n from the data J(x,f), and performs a Fourier transform on the extracted frequency range data with respect to frequency f.
  • the result of this Fourier transform is represented as I n (x,t).
  • the variable t representing the time can be converted to a variable y representing the position in the y direction. Therefore, I n (x,t) can be expressed as I n (x,y).
  • I n (x, y) represents a two- dimensional complex amplitude image of the observation object S by the first branched light L1 that reaches the imaging surface of the imaging unit 23 when the observation object S is irradiated with the first branched light L1 along an irradiation direction corresponding to the optical heterodyne frequency ⁇ n (i.e., an irradiation direction corresponding to the modulation frequency ⁇ n).
  • the processing unit 24 generates a complex amplitude image I n (x, y) for the irradiation direction of the observation object S corresponding to each modulation frequency ⁇ n .
  • the processing unit 24 generates a three-dimensional refractive index distribution image of the observation object S based on the complex amplitude images I 1 (x, y) to I N (x, y) in each of the multiple irradiation directions.
  • the method described in Non-Patent Document 1 or Non-Patent Document 2 can be used.
  • Non-Patent Document 1 uses the Fourier Slice theorem and is applicable when light scattering in the observed object S can be ignored.
  • the method described in Non-Patent Document 2 uses the Fourier Diffraction theorem and generates a three-dimensional refractive index distribution image of the observed object S taking into account the scattering of light in the observed object S.
  • the observation device 1 can have a high line rate (sampling frequency ⁇ S ) and an inexpensive configuration because it can use a line sensor instead of an area sensor as the imaging unit 23. Furthermore, because the optical system from the observation object S to the imaging unit 23 can be a normal imaging optical system, this optical system can be easily adjusted and the observation object S can be easily observed.
  • the observation device 1A of the first modified example shown in FIG. 4 differs from the configuration of the observation device 1 (FIG. 1) in the position where the second modulation section 22 is arranged.
  • the second modulation section 22 is arranged on the optical path of the second branched light L2.
  • the second modulation section 22 is arranged on the optical path of the first branched light L1 between the branching section 12 and the first modulation section 21.
  • the second modulation section 22 can adjust the optical heterodyne frequency ⁇ n (the optical frequency difference between the first branched light L1 and the second branched light L2 when combined by the combiner section 15) to be equal to or less than half the sampling frequency ⁇ S of the imaging section 23.
  • the observation device 1B of the second modified example shown in Fig. 5 differs from the respective configurations of the observation device 1 (Fig. 1) and the observation device 1A (Fig. 4) in that it does not include the second modulation unit 22.
  • the third modified observation device 1C shown in FIG. 6 differs from the configuration of the observation device 1 (FIG. 1) in the arrangement of the beam combining section 15, lens 34, and lens 35.
  • the beam combining section 15 was placed on the optical path between lens 34 and lens 35.
  • the beam combining section 15 is placed after lens 35.
  • lens 36 is a spherical lens
  • lenses 37 and 38 are cylindrical lenses.
  • the second modulator 22 may be disposed not on the optical path of the second branched light L2 but on the optical path of the first branched light L1 between the branch 12 and the first modulator 21.
  • the first modulation section 21 which has already been described, is configured to include an acousto-optic element that frequency-modulates light by Bragg diffraction.
  • This first modulation section 21 provides an RF signal having a plurality of different frequency components to the acousto-optic element, and by making the first branched light L1 incident on the acousto-optic element, it is possible to modulate the first branched light L1 at a modulation frequency corresponding to each frequency component of the RF signal.
  • the first modulation section 21 is able to output the first branched light L1 modulated with each of the N frequency components ⁇ 1 to ⁇ N in different directions.
  • the first modulation section of the first modified example may be configured to include an acousto-optical element that frequency-modulates light by Ramannath diffraction.
  • the first modulation section provides an RF signal of a single frequency (e.g., 3 MHz) to the acousto-optical element, and by making the first branched light L1 incident on the acousto-optical element, it is possible to modulate the first branched light L1 with a plurality of modulation frequencies that differ from each other according to the diffraction order.
  • the first modulation section can output the first split light L1 modulated with each of the N frequency components ⁇ 1 to ⁇ N in different directions according to the diffraction order.
  • the optical system of the irradiation section between the first modulation section and the observation object S can have the same configuration as that shown in FIG.
  • the first modulation section 21A of the second modified example shown in Figures 7 and 8 includes a plate-like object on which diffraction gratings having multiple different spatial frequency components are superimposed and recorded.
  • the plate-like object of the first modulation section 21A shown in these figures is disk-shaped parallel to the xy plane, rotatable around a central axis O parallel to the z direction, and has diffraction gratings having multiple spatial frequency components superimposed and recorded along the circumferential direction.
  • the first modulation section 21A rotates the plate-like object around its central axis at a constant speed and passes the first branched light L1 through the plate-like object.
  • the first branched light L1 is incident on a position substantially within the xz plane that includes the central axis O of rotation of the plate-like object, and the plate-like object is moving in the y direction at the incident position. This makes it possible to modulate the first branched light L1 with each of a plurality of different modulation frequencies.
  • the optical system of the irradiation unit between the first modulation unit 21A and the observation object S includes two cylindrical lenses 41, 42.
  • the optical system of the irradiation unit between the first modulation unit 21A and the observation object S includes one cylindrical lens 43. In either case, the irradiation unit irradiates the observation object S with the first branched light L1 modulated by the first modulation unit 21A along an irradiation direction according to the modulation frequency ⁇ n .
  • Fig. 9 is a diagram for explaining the diffraction grating recorded on the plate-like object of the first modulation section 21A of the second modified example.
  • the horizontal axis represents the circumferential position
  • the vertical axis represents the modulation amount.
  • Fig. 9(a) shows the modulation distribution of each diffraction grating having a plurality of spatial frequency components kn ( kmin to kmax ).
  • Fig. 9(b) shows the modulation distribution after the diffraction gratings having a plurality of spatial frequency components are superimposed.
  • the plate-like object of the first modulation section 21A shown in Figures 7 and 8 is disk-shaped, but the plate-like object on which diffraction gratings having multiple different spatial frequency components are superimposed and recorded may be strip-shaped.
  • the strip-shaped plate-like object of the first modulation section 21A can move in the y direction, and diffraction gratings having multiple spatial frequency components are superimposed and recorded along the movement direction.
  • the first modulation unit 21A moves the band-like plate-like object in the y direction and passes the first branched light L1 through the plate-like object, thereby modulating the first branched light L1 with each of a plurality of different modulation frequencies.
  • the first modulation section 21B of the third modified example shown in FIG. 10 includes a phase modulation type spatial light modulator (SLM).
  • SLM phase modulation type spatial light modulator
  • FIG. 10(a) shows the first modulation section 21B and the surrounding optical system.
  • FIG. 10(b) shows the modulation frequency of each region on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21B by shading.
  • the first split light L1 passes through cylindrical lenses 52 and 53, is reflected by beam splitter 51, and is incident on the modulation surface of the spatial light modulator.
  • Cylindrical lens 52 is a concave lens
  • cylindrical lens 53 is a convex lens.
  • the first branched light L1 By making the first branched light L1 incident on a region of the modulation surface of the spatial light modulator that extends in the y direction (a region with a limited width in the x direction), the first branched light L1 can be modulated at a modulation frequency ⁇ n in each region along the y direction of the modulation surface of the spatial light modulator.
  • the modulated first split light L1 is transmitted through the beam splitter 51, and then irradiated onto the observation object S along an irradiation direction according to the modulation frequency ⁇ n by the cylindrical lens 54. Note that the light reflected from the modulation surface, whose phase modulation amount does not change continuously over time, is prevented from being irradiated onto the observation object S by a mask or the like (not shown).
  • the first modulation section 21C of the fourth modified example shown in FIG. 11 also includes a phase-modulation type spatial light modulator (SLM).
  • SLM phase-modulation type spatial light modulator
  • a reflective spatial light modulator is also shown in this figure.
  • FIG. 11(a) shows the first modulation section 21C and the surrounding optical system.
  • FIG. 11(b) shows the modulation frequency of each region on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21C by using shading.
  • the first branched light L1 is reflected by the beam splitter 61 after its beam diameter is expanded by the lenses 62 and 63, and is incident on substantially the entire modulation surface of the spatial light modulator.
  • the first branched light L1 can be modulated at the modulation frequency ⁇ n in each region along the y direction of the modulation surface of the spatial light modulator.
  • the modulated first split light L1 is transmitted through the beam splitter 61, and then irradiated onto the observation object S along an irradiation direction according to the modulation frequency ⁇ n by lenses 64 and 65. Note that the light reflected from the modulation surface, whose phase modulation amount does not change continuously over time, is prevented from being irradiated onto the observation object S by a mask or the like (not shown).
  • the first modulation section 21D of the fifth modified example shown in FIG. 12 includes an intensity modulation type spatial light modulator (SLM).
  • SLM intensity modulation type spatial light modulator
  • a reflective spatial light modulator is also shown in this figure.
  • FIG. 12(a) shows the first modulation section 21D and the surrounding optical system.
  • FIG. 12(b) shows the intensity modulation amount of each region on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21D using shading.
  • FIG. 12(c) shows in a graph the intensity modulation amount of each region along the y direction on the modulation surface of the spatial light modulator of the first modulation section 21D.
  • the fifth modification utilizes this fact.
  • the intensity modulation amount distribution along the y direction on the modulation surface of the spatial light modulator is assumed to have multiple spatial frequency components that are different from each other, and the intensity modulation amount distribution is moved at a constant speed in the y direction on the modulation surface of the spatial light modulator.
  • the first split light L1 passes through cylindrical lenses 72 and 73, is reflected by beam splitter 71, and is incident on the modulation surface of the spatial light modulator.
  • Cylindrical lens 72 is a concave lens
  • cylindrical lens 73 is a convex lens.
  • the front focal plane of the cylindrical lens 74 is the modulation plane (P0 plane) of the spatial light modulator, and the back focal plane of the cylindrical lens 74 is the P1 plane.
  • the front focal plane of the cylindrical lens 75 is the P1 plane, and the back focal plane of the cylindrical lens 75 is the plane (P2 plane) that includes the movement path of the observed object S.
  • the first branched light L1 When the first branched light L1 is incident on a region extending in the y direction (region with a limited width in the x direction) of the modulation surface (P0 surface) of the spatial light modulator, a point image of the first branched light L1 modulated at the modulation frequency ⁇ n can be formed in each region along the y direction on the P1 surface, as in Fig. 2.
  • the lens 75 inputs light from the point image of the first branched light L1 for each modulation frequency ⁇ n on the P1 surface, and can irradiate the first branched light L1 for each modulation frequency ⁇ n as a plane wave onto the observation object S along an irradiation direction according to the modulation frequency ⁇ n .
  • first modulation units 21B to 21D in the third to fifth modified examples are configured to include a reflective spatial light modulator, but may also be configured to include a transmissive spatial light modulator.
  • a DMD Digital Mirror Device
  • a DMD may also be used as a reflective intensity modulation spatial light modulator, in which case multi-stage intensity modulation can be applied to the light by PWM (Pulse Width Modulation) modulation.
  • a lens 81 which is disposed on the optical path between the lens 34 and the lens 35, multiplexes the first branched light L1 and the second branched light L2, and outputs the multiplexed light to the lens 35 and also outputs the multiplexed light to the lens 81.
  • Lens 81 is disposed on the optical path of the combined light between the combining unit 15 and the irradiation position detection unit 82.
  • Lens 34 and lens 81 constitute an imaging optical system that inputs the first branched light L1 that has passed through the observation object S, and forms an image of the observation object S on the imaging plane (P4 plane) of the irradiation position detection unit 82.
  • the irradiation position detection unit 82 detects the irradiation position of the first branched light L1 on the movement path of the observation object S, and is, for example, an area camera that can capture a two-dimensional image. This area camera does not need to be capable of high-speed imaging.
  • the control unit 83 drives the moving unit 84 based on the irradiation position detected by the irradiation position detection unit 82, thereby controlling the y-direction position of the imaging unit 23 so that the multiple pixels arranged one-dimensionally in the imaging unit 23 can receive the combined light.
  • the moving unit 84 moves the imaging unit 23 in the movement direction (y direction) of the image of the observation object S on the imaging plane (P3 plane) of the imaging unit 23 in accordance with the drive by the control unit 83, and is, for example, a uniaxial stage with an electric actuator.
  • the incident position of the first branched light L1 on the imaging plane (P3 plane) of the imaging unit 23 can be fixed, so that the imaging unit 23 can always stably acquire a one-dimensional interference image.
  • the optical system from the observation object S to the imaging unit 23 may be controlled.
  • a mirror with a variable orientation of the reflective surface may be placed midway through the optical system from the observation object S to the imaging unit 23, and the orientation of the reflective surface of this mirror may be controlled by the control unit 83.
  • the irradiation position detection unit 82 since the irradiation position detection unit 82 only needs to be able to detect the irradiation position of the first branched light L1 on the movement path of the observation object S, it is sufficient that it can receive only the first branched light L1, rather than receiving the combined light.
  • a beam splitter may be disposed between the lens 34 and the lens 35, and an image of the observation object S by the first branched light L1 branched by this beam splitter may be formed on the imaging plane (P4 plane) of the irradiation position detection unit 82 by the lens 81.
  • the irradiation position detection unit 82 may be a profile sensor with a center of gravity calculation circuit for detecting the spot light incidence position (e.g., S15366-512 manufactured by Hamamatsu Photonics K.K.), or a PSD (Position Sensitive Detector, e.g., S2044 manufactured by Hamamatsu Photonics K.K.).
  • a PSD Position Sensitive Detector
  • the observation device and observation method are not limited to the above-mentioned embodiments and configuration examples, and various modifications are possible.
  • the observation device of the first aspect is a device for observing a moving observation object, and includes: (1) a light source that outputs light; (2) a branching unit that branches the light into a first branched light and a second branched light; (3) a first modulation unit that modulates the first branched light with each of a plurality of modulation frequencies different from each other; (4) an irradiation unit that irradiates the observation object with the first branched light modulated by the first modulation unit along an irradiation direction according to the modulation frequency; (5) a combining unit that combines the first branched light and the second branched light after passing through the observation object and outputs the combined light; and (6) an imaging unit that forms an image of the observation object.
  • the imaging unit has a plurality of pixels arranged in a direction intersecting the movement direction of the image of the observed object on the image plane, receives the combined light by the plurality of pixels, and repeatedly outputs a detection signal representing a one-dimensional interference image; and (7) a processing unit that generates a complex amplitude image for each of a plurality of irradiation directions of the observed object corresponding to a plurality of modulation frequencies based on time series data of the one-dimensional interference image generated from the detection signal repeatedly output from the imaging unit, and generates a three-dimensional refractive index distribution image of the observed object based on the complex amplitude images for each of the plurality of irradiation directions.
  • a second modulation section may be provided on the optical path of the first branched light between the branching section and the first modulation section, or on the optical path of the second branched light between the branching section and the multiplexing section, and which provides a frequency difference between the first branched light and the second branched light.
  • the first modulation section may include an acousto-optical element that frequency-modulates light by Bragg diffraction, and may be configured to provide an RF signal having a plurality of mutually different frequency components to the acousto-optical element, and modulate the first branched light with a modulation frequency corresponding to each frequency component of the RF signal by inputting the first branched light to the acousto-optical element.
  • the first modulation section may include an acousto-optical element that frequency-modulates light by Raman-Nath diffraction, and may be configured to provide an RF signal of a single frequency to the acousto-optical element and modulate the first branched light with each of a plurality of modulation frequencies that are different from one another by making the first branched light incident on the acousto-optical element.
  • the first modulation section may include a plate-like object on which diffraction gratings having a plurality of mutually different spatial frequency components are superimposed and recorded, and the first branched light may be modulated with each of a plurality of mutually different modulation frequencies by moving the plate-like object and passing the first branched light through the plate-like object.
  • the first modulation section may include a phase modulation type spatial light modulator, and the phase modulation amount may be changed at different speeds depending on the region of the modulation surface of the spatial light modulator, and the first branched light may be incident on the modulation surface of the spatial light modulator, thereby modulating the first branched light at a modulation frequency according to the speed of change of the phase modulation amount in each region of the modulation surface of the spatial light modulator.
  • the first modulation section may include an intensity modulation type spatial light modulator, and the intensity modulation amount distribution along a predetermined direction of the modulation surface of the spatial light modulator may have a plurality of spatial frequency components that are different from each other.
  • the intensity modulation amount distribution is moved in the predetermined direction on the modulation surface of the spatial light modulator, and the first branched light is incident on the modulation surface of the spatial light modulator, thereby modulating the first branched light with each of the plurality of modulation frequencies that are different from each other.
  • the observation device of the eighth aspect may be configured in any of the configurations of the first to seventh aspects, further comprising an irradiation position detection unit that detects the irradiation position of the first branched light on the movement path of the observation object, and a control unit that controls the position of the optical system from the observation object to the imaging unit or the imaging unit based on the irradiation position detected by the irradiation position detection unit so that the combined light can be received by multiple pixels of the imaging unit.
  • an irradiation position detection unit that detects the irradiation position of the first branched light on the movement path of the observation object
  • a control unit that controls the position of the optical system from the observation object to the imaging unit or the imaging unit based on the irradiation position detected by the irradiation position detection unit so that the combined light can be received by multiple pixels of the imaging unit.
  • the observation method of the first aspect is a method for observing a moving observation object, and includes: (1) a branching step of branching light output from a light source into a first branched light and a second branched light using a branching unit; (2) a first modulation step of modulating the first branched light with each of a plurality of modulation frequencies different from each other using a first modulation unit; (3) an irradiation step of irradiating the observation object with the first branched light modulated by the first modulation unit along an irradiation direction according to the modulation frequency; (4) a combining step of combining the first branched light and the second branched light after passing through the observation object using a combining unit to output a combined light; and (5) a step of irradiating the observation object with the first branched light modulated by the first modulation unit along an irradiation direction according to the modulation frequency.
  • the method includes an imaging step in which an imaging unit having a plurality of pixels arranged in a direction intersecting the movement direction of the image of the observed object on an imaging plane where the image of the object is formed receives the combined light with the plurality of pixels and repeatedly outputs a detection signal representing a one-dimensional interference image, and (6) a processing step in which, based on time-series data of the one-dimensional interference image generated from the detection signal repeatedly output from the imaging unit, a complex amplitude image is generated for each of a plurality of irradiation directions of the observed object corresponding to a plurality of modulation frequencies, and a three-dimensional refractive index distribution image of the observed object is generated based on the complex amplitude images for each of the plurality of irradiation directions.
  • the configuration of the first aspect may further include a second modulation step that imparts a frequency difference between the first branched light and the second branched light using a second modulation section provided on the optical path of the first branched light between the branching section and the first modulation section, or on the optical path of the second branched light between the branching section and the multiplexing section.
  • a first modulation section including an acousto-optical element that frequency-modulates light by Bragg diffraction may be used to provide an RF signal having a plurality of different frequency components to the acousto-optical element, and the first branched light may be incident on the acousto-optical element to modulate the first branched light at a modulation frequency corresponding to each frequency component of the RF signal.
  • a first modulation section including an acousto-optical element that frequency-modulates light by Raman-Nath diffraction may be used to provide an RF signal of a single frequency to the acousto-optical element, and the first branched light may be incident on the acousto-optical element, thereby modulating the first branched light with each of a plurality of modulation frequencies that are different from each other.
  • a first modulation section including a plate-like object on which diffraction gratings having a plurality of mutually different spatial frequency components are superimposed and recorded may be used, and the plate-like object may be moved while the first branched light is passed through the plate-like object, thereby modulating the first branched light with each of a plurality of mutually different modulation frequencies.
  • a first modulation section including a phase modulation type spatial light modulator may be used to change the amount of phase modulation at different speeds depending on the region of the modulation surface of the spatial light modulator, and the first branched light may be incident on the modulation surface of the spatial light modulator to modulate the first branched light at a modulation frequency according to the speed of change of the amount of phase modulation in each region of the modulation surface of the spatial light modulator.
  • a first modulation section including an intensity modulation type spatial light modulator is used, and the intensity modulation amount distribution along a predetermined direction of the modulation surface of the spatial light modulator is made to have a plurality of spatial frequency components that are different from each other, and the intensity modulation amount distribution is moved in the predetermined direction on the modulation surface of the spatial light modulator, and the first branched light is made incident on the modulation surface of the spatial light modulator, thereby modulating the first branched light with each of the plurality of modulation frequencies that are different from each other.
  • the irradiation position of the first branched light on the movement path of the observed object may be detected, and the position of the optical system from the observed object to the imaging unit or the imaging unit may be controlled based on this detected irradiation position so that the combined light can be received by multiple pixels of the imaging unit.
  • the embodiment can be used as an apparatus and method that can easily observe a moving object to be observed with an inexpensive configuration.

Abstract

観察装置１は、光源１１、分岐部１２、合波部１５、第１変調部２１、第２変調部２２、撮像部２３、および処理部２４を備える。第１変調部２１は、ミラー１３から到達した第１分岐光Ｌ１を入力し、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調し、その周波数変調後の第１分岐光Ｌ１を出力する。レンズ３１～３３は、第１変調部２１により変調された第１分岐光Ｌ１を変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射する。撮像部２３は、観察対象物Ｓの像が形成される撮像面（Ｐ３面）において、第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの像の移動方向と交差する方向に１次元配列された複数の画素を有する。撮像部２３は、合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する。これにより、移動している観察対象物を安価な構成で容易に観察することができる装置および方法が実現される。

Description

観察装置および観察方法
　本開示は、移動している観察対象物を観察する装置および方法に関するものである。
　特許文献１に、移動している観察対象物を観察する装置および方法の発明が開示されている。この文献に記載された観察装置は、光源から出力された光を分岐して第１分岐光および第２分岐光とし、移動している観察対象物を経ることでドップラーシフトした第１分岐光と、光周波数をヘテロダイン周波数だけシフトさせた第２分岐光とを合波して、第１分岐光と第２分岐光とをヘテロダイン干渉させる。
　そして、この観察装置は、カメラの撮像面に到達した干渉光の強度画像（２次元干渉画像）の時系列データに基づいて、撮像面における第１分岐光の複素振幅画像の時系列データを取得することができる。この観察装置は、移動している観察対象物を非染色・非侵襲でイメージングすることができ、例えば、フローサイトメータで移動している細胞を観察するのに用いられ得る。
国際公開第２０１３／０６５７９６号
W. Choi, C. Fang-Yen, K. Badizadegan, S. Oh, N. Lue, R. R. Dasari, and M. S. Feld, "Tomographic phase microscopy", Nature Methods, Vol.4, No.9, pp.717-719, 2007 Y. Sung, W. Choi, C. Fang-Yen, K. Badizadegan, R. R. Dasari, and M. S. Feld, "Optical diffraction tomography for high resolution live cell imaging", Optics Express, Vol.17, No.1, pp.266-277, 2009
　特許文献１に開示された発明をフローサイトメータに適用する場合を考えると、干渉光の強度画像を取得するカメラは、撮像面において複数の画素が２次元（例えば１２８０×８００）に配列されたエリアカメラであってフレームレートが高いもの（例えば２５ｋｆｐｓ）である必要がある。このようなカメラは非常に高価であり、それ故、観察装置も高価なものとなる。
　また、特許文献１に開示された発明では、観察対象物からカメラまでの光学系が特殊であることから、この光学系の調整が容易でなく、観察対象物の観察も容易でない。
　実施形態は、移動している観察対象物を安価な構成で容易に観察することができる装置および方法を提供することを目的とする。
　実施形態は、観察装置である。観察装置は、移動している観察対象物を観察する装置であって、（１）光を出力する光源と、（２）光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、（３）互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調部と、（４）第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射部と、（５）観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波部と、（６）観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有し、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像部と、（７）撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理部と、を備える。
　実施形態は、観察方法である。観察方法は、移動している観察対象物を観察する方法であって、（１）分岐部を用いて、光源から出力された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐ステップと、（２）第１変調部を用いて、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調ステップと、（３）第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射ステップと、（４）合波部を用いて、観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波ステップと、（５）観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有する撮像部を用いて、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像ステップと、（６）撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理ステップと、を備える。
　実施形態の観察装置および観察方法によれば、移動している観察対象物を安価な構成で容易に観察することができる。
図１は、観察装置１の構成を示す図である。 図２は、レンズ３３の前焦点面（Ｐ１面）に形成される変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光の点像を示す図である。 図３は、レンズ３３による観察対象物Ｓへの第１分岐光の照射を説明する図である。 図４は、観察装置１Ａの構成を示す図である。 図５は、観察装置１Ｂの構成を示す図である。 図６は、観察装置１Ｃの構成を示す図である。 図７は、第１変調部２１Ａおよび周辺の光学系の構成を示す図である。 図８は、第１変調部２１Ａおよび周辺の光学系の構成を示す図である。 図９は、第１変調部２１Ａの板状物体に記録される回折格子を説明する図であり、（ａ）複数の空間周波数成分ｋｎ（ｋｍｉｎ～ｋｍａｘ）を有する回折格子それぞれの変調分布を示す図、及び（ｂ）複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされた後の変調分布を示す図である。 図１０は、（ａ）第１変調部２１Ｂおよび周辺の光学系を示す図、及び（ｂ）第１変調部２１Ｂの空間光変調器の変調面における各領域の変調周波数を濃淡で示す図である。 図１１は、（ａ）第１変調部２１Ｃおよび周辺の光学系を示す図、及び（ｂ）第１変調部２１Ｃの空間光変調器の変調面における各領域の変調周波数を濃淡で示す図である。 図１２は、（ａ）第１変調部２１Ｄおよび周辺の光学系を示す図、（ｂ）第１変調部２１Ｄの空間光変調器の変調面における各領域の強度変調量を濃淡で示す図、及び（ｃ）第１変調部２１Ｄの空間光変調器の変調面におけるｙ方向に沿った各領域での強度変調量を示すグラフである。 図１３は、撮像部２３の周辺の構成の変形例を示す図である。
　以下、添付図面を参照して、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く、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
　図１は、観察装置１の構成を示す図である。観察装置１は、移動している観察対象物Ｓを観察する装置であって、光源１１、分岐部１２、合波部１５、第１変調部２１、第２変調部２２、撮像部２３、および処理部２４を備える。また、この観察装置１を用いた観察方法は、分岐ステップ、合波ステップ、第１変調ステップ、第２変調ステップ、撮像ステップ、および処理ステップを備える。
　光源１１は、光を出力する。好適には、光源１１は、単一の光周波数ω０を有するレーザ光を出力するレーザ光源である。光源１１は例えばＨｅ-Ｎｅレーザ光源である。
　分岐部１２は、光源１１と光学的に接続されている光学系である。分岐部１２は、光源１１から出力された光を入力し、その光を２分岐して第１分岐光Ｌ１および第２分岐光Ｌ２とする（分岐ステップ）。分岐部１２は、第１分岐光Ｌ１をミラー１３へ出力し、第２分岐光Ｌ２を第２変調部２２へ出力する。分岐部１２は、ビームスプリッタであり、ハーフミラーであってもよい。
　ミラー１３は、分岐部１２と光学的に接続されている。ミラー１３は、分岐部１２から出力された第１分岐光Ｌ１を入力し、その第１分岐光Ｌ１を反射させて第１変調部２１へ出力する。ミラー１４は、第２変調部２２と光学的に接続されている。ミラー１４は、分岐部１２から出力されて第２変調部２２を経た第２分岐光Ｌ２を入力し、その第２分岐光Ｌ２を反射させてレンズ３６へ出力する。
　合波部１５は、ミラー１３で反射されて第１変調部２１および観察対象物Ｓ等を経た第１分岐光Ｌ１を入力するとともに、ミラー１４で反射されてレンズ３６等を経た第２分岐光Ｌ２を入力する光学系である。合波部１５は、これら入力した第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２とを合波して合波光をレンズ３５へ出力する（合波ステップ）。合波部１５は、ビームスプリッタであり、ハーフミラーであってもよい。
　撮像部２３は、合波部１５から出力されてレンズ３５を経た合波光を受光して、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との干渉画像を表す検出信号を処理部２４へ出力する（撮像ステップ）。処理部２４は、撮像部２３から繰り返し出力される検出信号に基づいて、観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成する（処理ステップ）。
　分岐部１２からミラー１３，１４を経て合波部１５に至るまでの光学系は、マッハツェンダ干渉計を構成している。観察対象物Ｓは、ミラー１３から合波部１５に至るまでの第１分岐光Ｌ１の光路と交差するように移動する。
　観察対象物Ｓは、例えば、断面サイズが２５０×２５０μｍ２であるフローサイトメータの流路を平均速さ２０ｍｍ／ｓで一列に整列して移動している細胞である。以下では、ｘｙｚ直交座標系を設定し、観察対象物Ｓの移動方向をｙ方向とし、観察対象物Ｓの後段にあるレンズ３４の光軸に平行な方向をｚ方向とし、これらｙ方向およびｚ方向の双方に直交する方向をｘ方向とする。
　ミラー１３から観察対象物Ｓに至るまでの第１分岐光Ｌ１の光路上に、第１変調部２１、レンズ３１、レンズ３２およびレンズ３３が順に配置されている。観察対象物Ｓから合波部１５に至るまでの第１分岐光Ｌ１の光路上に、レンズ３４が配置されている。分岐部１２からミラー１４を経て合波部１５に至るまでの第２分岐光Ｌ２の光路上に、第２変調部２２、レンズ３６、レンズ３７およびレンズ３８が順に配置されている。合波部１５から撮像部２３に至るまでの合波光の光路上に、レンズ３５が配置されている。
　第１変調部２１は、ミラー１３から到達した第１分岐光Ｌ１を入力し、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調し、その周波数変調後の第１分岐光Ｌ１を出力する（第１変調ステップ）。
　第１変調部２１は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む構成とすることができる。この場合、第１変調部２１は、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、この音響光学素子に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光Ｌ１を変調することができる。
　第１分岐光Ｌ１の波長をλとし、音響光学素子における音響波の速度をＶａとし、ＲＦ信号のＮ個の周波数成分Ω１～ΩＮのうちの第ｎの周波数成分をΩｎとすると、周波数Ωｎで変調された第１分岐光Ｌ１の回折角θｎは、下記（１）式で表される。第１変調部２１は、各周波数Ωｎで変調された光周波数ω０＋Ωｎの第１分岐光Ｌ１を回折角θｎの方向に出力することができる。すなわち、第１変調部２１は、Ｎ個の周波数成分Ω１～ΩＮそれぞれで変調した第１分岐光Ｌ１を互いに異なる方向へ出力することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　例えば、正の回折次数を有する回折光（音響波の進行方向と同じ方向に出力される回折光）を用いることとする。観察対象物Ｓの移動速度Ｖｓを２０ｍｍ／ｓとし、光学分解能Δｙを０.２μｍとして、バンド幅ＢＷを１００ｋＨｚ（＝Ｖｓ／Δｙ）とする。変調周波数の間隔を１００ｋＨｚとし、Ｎ＝１００とし、Ωｎ＝（１９５＋０.１ｎ）ＭＨｚとする。すなわち、最小の変調周波数Ω１を１９５.１ＭＨｚとし、最大の変調周波数ΩＮを２０５.０ＭＨｚとする。
　レンズ３１～３３は、照射部を構成している光学系であり、第１変調部２１により変調された第１分岐光Ｌ１を変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射する（照射ステップ）。レンズ３１およびレンズ３２はシリンドリカルレンズである。レンズ３３は球面レンズである。
　この図では、ｙｚ面内（紙面内）における第１分岐光Ｌ１の光束が実線で示され、ｘｚ面内（紙面に対して垂直面内）における第１分岐光Ｌ１の光束が破線で示されている。第２分岐光Ｌ２についても同様であり、また、以降の図でも同様である。また、破線で示されたシリンドリカルレンズのレンズ形状は、ｘｚ面内（紙面に対して垂直面内）のレンズ形状を示す。
　レンズ３２は、レンズ３３の前焦点面（Ｐ１面）においてｙ方向に沿った離散的な位置に、変調周波数Ωｎ毎に第１分岐光Ｌ１の点像を形成する。レンズ３３の後焦点面（Ｐ２面）は、観察対象物Ｓの移動経路を含む面である。図２は、レンズ３３の前焦点面（Ｐ１面）に形成される変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光の点像を示す図である。各点像が黒丸で示されている。
　Ｐ１面はＰ２面のフーリエ面であるから、Ｐ１面の横軸（ｘ軸）はＰ２面のｘ方向の空間周波数ｋｘに相当し、Ｐ１面の縦軸（ｙ軸）はＰ２面のｙ方向の空間周波数ｋｙに相当する。レンズ３３は、図２に示される変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１の点像からの光を入力して、変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１を平面波として変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射することができる。
　図３は、レンズ３３による観察対象物Ｓへの第１分岐光の照射を説明する図である。この図は、周波数Ω１で変調された光周波数ωｍｉｎ（＝ω０＋Ω１）の第１分岐光Ｌ１がＰ２面へ平面波として入射するときの波数ベクトルのｙ成分がｋｍｉｎであることを示し、周波数ΩＮで変調された光周波数ωｍａｘ（＝ω０＋ΩＮ）の第１分岐光Ｌ１がＰ２面へ平面波として入射するときの波数ベクトルのｙ成分がｋｍａｘであることを示している。
　レンズ３４およびレンズ３５は、観察対象物Ｓを通過した第１分岐光Ｌ１を入力して、観察対象物Ｓの像を撮像部２３の撮像面（Ｐ３面）上に形成する結像光学系を構成している。撮像面（Ｐ３面）は、観察対象物Ｓの移動経路を含む面（Ｐ２面）に対し光学的な共役関係にある。例えば、レンズ３４は倍率６０倍の対物レンズであり、レンズ３５は焦点距離２００ｍｍの結像レンズである。レンズ３４とレンズ３５との間の光路上に合波部１５が配置されている。
　第２変調部２２は、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との間に周波数差を与える（第２変調ステップ）。第２変調部２２は、第２分岐光Ｌ２の光路上に配置されている。第２変調部２２は、第２分岐光Ｌ２を入力し、その第２分岐光Ｌ２を周波数変調して出力する。
　第２変調部２２は、例えば、音響光学周波数シフタ（Acousto　Optic　Frequency　Shifter、ＡＯＦＳ、例えばISOMET社の型番1250C）、ファンクションジェネレータ（例えばTektronics社製AFG3252C）および高速アンプを含む構成とすることができる。この場合、ファンクションジェネレータから出力された正弦波信号を高速アンプにより例えば＋２５ｄＢの増幅率で増幅し、その増幅により例えば振幅２５ｄＢｍとされた正弦波信号をＡＯＦＳに与える。このＡＯＦＳに第２分岐光Ｌ２を入射させることで、周波数ΩＬＯで第２分岐光Ｌ２を変調することができる。
　正の回折次数を有する回折光（音響波の進行方向と同じ方向に出力される回折光）を用いれば、変調後の第２分岐光Ｌ２の光周波数ωＬＯはω０＋ΩＬＯとなる。例えば、ΩＬＯ＝１９５ＭＨｚとする。
　第２変調部２２は、光ヘテロダイン周波数ΔΩｎ（合波部１５による合波の際の第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との間の光周波数差）が撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下となるように調整をする為に設けられる。したがって、第１分岐光Ｌ１の変調周波数Ωｎが十分に小さく、ΩＬＯ＝０であっても光ヘテロダイン周波数ΔΩｎが撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下であれば、第２変調部２２は設けられなくてもよい。
　レンズ３６～３８は、第２変調部２２による変調後の第２分岐光Ｌ２を合波部１５へ入射させる光学系を構成している。レンズ３６，３７は、それぞれ球面レンズであり、第２分岐光Ｌ２のビーム径を拡大するビームエキスパンダを構成している。レンズ３８はシリンドリカルレンズである。レンズ３６～３８は、レンズ３５とともに、撮像部２３の撮像面においてライン状に第２分岐光Ｌ２を集光する。
　撮像部２３は、観察対象物Ｓの像が形成される撮像面（Ｐ３面）において、第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの像の移動方向と交差する方向に１次元配列された複数の画素を有する。撮像部２３として例えばラインセンサ等のセンサを用いることができる。第２分岐光Ｌ２は、これら１次元配列された複数の画素に沿ってライン状に集光される。撮像部２３は、１次元配列された複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する。
　第１変調部２１により周波数変調された第１分岐光Ｌ１のうちで最も低い光周波数ωｍｉｎ（＝ω０＋Ω１）、第１変調部２１により周波数変調された第１分岐光Ｌ１のうちで最も高い光周波数ωｍａｘ（＝ω０＋ΩＮ）、および、第２変調部２２により周波数変調された第２分岐光Ｌ２の光周波数ωＬＯ（＝ω０＋ΩＬＯ）の間で、下記（２）式の関係が満たされることが好ましい。ω０は、光源１１から出力された光の光周波数である。また、撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳは、下記（３）式または下記（４）式の条件を満たすのが好ましい。
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　第１分岐光Ｌ１の最大変調周波数ΩＮを２０５ＭＨｚとし、第２分岐光Ｌ２の変調周波数ΩＬＯを１９５ＭＨｚとした場合、光ヘテロダイン周波数の最大値は１０ＭＨｚであるので、撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳを２０ＭＨｚとすればよい。
　処理部２４は、撮像部２３から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物Ｓへの複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成する。
　処理部２４は、例えばプロセッサであるＣＰＵ（Central　Processing　Unit）あるいはＧＰＵ（Graphics　Processing　Unit）、記憶媒体であるＲＡＭ（Random　Access　Memory）又はＲＯＭ（Read　Only　Memory）、通信モジュール、及び入出力モジュール等を内蔵する演算装置（コンピュータ等）である。また例えば、処理部２４は、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）やＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）によって構成されていてもよい。
　そして、処理部２４は、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成する。具体的には以下のとおりである。
　撮像部２３から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データをＩ（ｘ，ｔ）と表す。ｘは、撮像部２３の撮像面において１次元配列された複数の画素それぞれの位置（ｘ方向位置）を表す変数である。ｔは、撮像部２３が１次元干渉画像を撮像した時刻を表す変数である。処理部２４は、この時系列データＩ（ｘ，ｔ）に対して時刻ｔに関するフーリエ変換を行う。このフーリエ変換の結果をＪ（ｘ，ｆ）と表す。ｆは、周波数を表す変数である。
　処理部２４は、このＪ（ｘ，ｆ）のデータのうちから光ヘテロダイン周波数ΔΩｎを中心とするバンド幅ＢＷの周波数範囲（ΔΩｎ－ＢＷ／２＜ｆ＜ΔΩｎ＋ＢＷ／２）のデータを抽出し、その抽出した周波数範囲のデータに対して周波数ｆに関するフーリエ変換を行う。このフーリエ変換の結果をＩｎ（ｘ，ｔ）と表す。ここで、観察対象物Ｓがｙ方向に移動しているので、時刻を表す変数ｔは、ｙ方向位置を表す変数ｙに変換することができる。したがって、Ｉｎ（ｘ，ｔ）はＩｎ（ｘ，ｙ）と表すことができる。
　Ｉｎ（ｘ，ｙ）は、光ヘテロダイン周波数ΔΩｎに応じた照射方向（すなわち、変調周波数Ωｎに応じた照射方向）に沿って第１分岐光Ｌ１を観察対象物Ｓに照射したときに、撮像部２３の撮像面に到達した第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの２次元複素振幅画像を表す。処理部２４は、各変調周波数Ωｎに対応する観察対象物Ｓへの照射方向について複素振幅画像Ｉｎ（ｘ，ｙ）を生成する。
　そして、処理部２４は、複数の照射方向それぞれの複素振幅画像Ｉ１（ｘ，ｙ）～ＩＮ（ｘ，ｙ）に基づいて、観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成する。複素振幅画像Ｉ１（ｘ，ｙ）～ＩＮ（ｘ，ｙ）に基づいて３次元屈折率分布画像を生成する際に、非特許文献１または非特許文献２に記載された手法を用いることができる。
　非特許文献１に記載された手法は、フーリエ断層定理（Fourier　Slice　theorem）を用いるものであり、観察対象物Ｓにおける光の散乱を無視することができる場合に適用可能なものである。非特許文献２に記載された手法は、フーリエ回折定理（Fourier　Diffraction　theorem）を用いるものであり、観察対象物Ｓにおける光の散乱を考慮して観察対象物Ｓの３次元屈折率分布画像を生成するものである。
　以上のように、観察装置１は、撮像部２３としてエリアセンサではなくラインセンサを用いることができるので、ラインレート（サンプリング周波数ΩＳ）を高くすることができ、また、安価な構成とすることができる。さらに、観察対象物Ｓから撮像部２３までの光学系を通常の結像光学系とすることができるので、この光学系を容易に調整することができ、観察対象物Ｓを容易に観察することができる。
　次に、観察装置１の全体構成の変形例について、図４～図６を用いて説明する。
　図４に示される第１変形例の観察装置１Ａは、観察装置１（図１）の構成と比べると、第２変調部２２が配置されている位置の点で相違する。観察装置１（図１）では、第２変調部２２は第２分岐光Ｌ２の光路上に配置されていた。これに対して、観察装置１Ａ（図４）では、第２変調部２２は、分岐部１２と第１変調部２１との間の第１分岐光Ｌ１の光路上に配置されている。
　この構成においても、第２変調部２２は、光ヘテロダイン周波数ΔΩｎ（合波部１５による合波の際の第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２との間の光周波数差）が撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下となるように調整をすることができる。
　図５に示される第２変形例の観察装置１Ｂは、観察装置１（図１）および観察装置１Ａ（図４）の各構成と比べると、第２変調部２２が設けられていない点で相違する。前述したとおり、第１分岐光の変調周波数Ωｎが十分に小さく、ΩＬＯ＝０であっても光ヘテロダイン周波数ΔΩｎが撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下であれば、第２変調部２２は設けられなくてもよい。
　図６に示される第３変形例の観察装置１Ｃは、観察装置１（図１）の構成と比べると、合波部１５、レンズ３４およびレンズ３５の配置の点で相違する。観察装置１（図１）では、レンズ３４とレンズ３５との間の光路上に合波部１５が配置されていた。これに対して、観察装置１Ｃ（図６）では、レンズ３５の後段に合波部１５が配置されている。また、これに伴い、観察装置１Ｃ（図６）では、レンズ３６は球面レンズであり、レンズ３７，３８はシリンドリカルレンズである。
　なお、図６に示される第３変形例の観察装置１Ｃにおいて、第２変調部２２は、第２分岐光Ｌ２の光路上ではなく、分岐部１２と第１変調部２１との間の第１分岐光Ｌ１の光路上に配置されていてもよい。また、図６に示される第３変形例の観察装置１Ｃにおいて、第１分岐光の変調周波数Ωｎが十分に小さく、ΩＬＯ＝０であっても光ヘテロダイン周波数ΔΩｎが撮像部２３のサンプリング周波数ΩＳの２分の１以下であれば、第２変調部２２は設けられなくてもよい。
　次に、第１変調部２１の構成例について、図７～図１２を用いて説明する。
　既に説明した第１変調部２１は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む構成としたものであった。この第１変調部２１は、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、この音響光学素子に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光Ｌ１を変調することができる。第１変調部２１は、Ｎ個の周波数成分Ω１～ΩＮそれぞれで変調した第１分岐光Ｌ１を互いに異なる方向へ出力することができる。
　第１変形例の第１変調部は、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む構成としてもよい。この場合、第１変調部は、単一の周波数（例えば３ＭＨｚ）のＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、この音響光学素子に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、回折次数に応じて互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。
　第１変調部は、Ｎ個の周波数成分Ω１～ΩＮそれぞれで変調した第１分岐光Ｌ１を、回折次数に応じて互いに異なる方向へ出力することができる。この第１変調部と観察対象物Ｓとの間の照射部の光学系は、図１と同様の構成とすることができる。
　図７および図８に示される第２変形例の第１変調部２１Ａは、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含む。これらの図に示される第１変調部２１Ａの板状物体は、ｘｙ面に平行な円盤形状のものであり、ｚ方向に平行な中心軸Ｏの周りに回転可能であって、周方向に沿って複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録されている。
　第１変調部２１Ａは、この板状物体を中心軸の周りに一定速度で回転させるとともに、この板状物体に第１分岐光Ｌ１を通過させる。このとき、板状物体の回転の中心軸Ｏを含む略ｘｚ平面内の位置に第１分岐光Ｌ１を入射させ、その入射位置では板状物体がｙ方向に移動しているようにする。これにより、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。
　図７に示される構成では、第１変調部２１Ａと観察対象物Ｓとの間の照射部の光学系は、２個のシリンドリカルレンズ４１，４２を含む。図８に示される構成では、第１変調部２１Ａと観察対象物Ｓとの間の照射部の光学系は、１個のシリンドリカルレンズ４３を含む。何れの場合にも、照射部は、第１変調部２１Ａにより変調された第１分岐光Ｌ１を変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射する。
　図９は、第２変形例の第１変調部２１Ａの板状物体に記録される回折格子を説明する図である。この図で、横軸は周方向の位置であり、縦軸は変調量を表す。図９（ａ）は、複数の空間周波数成分ｋｎ（ｋｍｉｎ～ｋｍａｘ）を有する回折格子それぞれの変調分布を示す。図９（ｂ）は、複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされた後の変調分布を示す。
　図７および図８に示された第１変調部２１Ａの板状物体は円盤形状のものであったが、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録される板状物体は帯状のものであってもよい。この場合、第１変調部２１Ａの帯状の板状物体は、ｙ方向に移動可能であって、その移動方向に沿って複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録されている。
　第１変調部２１Ａは、この帯状の板状物体をｙ方向に移動させるとともに、この板状物体に第１分岐光Ｌ１を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。帯状の板状物体の両端を互いに接続してリング形状とし、そのリング形状とした板状物体を回転させることで、板状物体をｙ方向に長時間に亘って移動させることができる。
　図１０に示される第３変形例の第１変調部２１Ｂは、位相変調型の空間光変調器（Spatial　Light　Modulator、ＳＬＭ）を含む。この図では、反射型の空間光変調器が示されている。図１０（ａ）は、第１変調部２１Ｂおよび周辺の光学系を示す。図１０（ｂ）は、第１変調部２１Ｂの空間光変調器の変調面における各領域の変調周波数を濃淡で示す。
　第１変調部２１Ｂの空間光変調器は、変調面（Ｐ１面）のうちｘ方向について幅が限られた領域において、ｙ方向に沿って区分された複数の領域それぞれで互いに異なる速さで位相変調量を変化させる。すなわち、各領域の位相変調量φを時刻ｔに対しφ＝Ωｎｔなる関係で時間的に連続的に変化させる。
　第１分岐光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ５２，５３を経た後にビームスプリッタ５１で反射されて、空間光変調器の変調面に入射する。シリンドリカルレンズ５２は凹レンズであり、シリンドリカルレンズ５３は凸レンズである。
　空間光変調器の変調面のうちｙ方向に延在する領域（ｘ方向については幅が限られた領域）に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、空間光変調器の変調面のｙ方向に沿った各領域において変調周波数Ωｎで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。
　変調された第１分岐光Ｌ１は、ビームスプリッタ５１を透過した後に、シリンドリカルレンズ５４により変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射される。なお、位相変調量が時間的に連続的に変化していない変調面で反射される光は、マスク等によって観察対象物Ｓには照射されないようにする（不図示）。
　図１１に示される第４変形例の第１変調部２１Ｃも、位相変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。この図でも、反射型の空間光変調器が示されている。図１１（ａ）は、第１変調部２１Ｃおよび周辺の光学系を示す。図１１（ｂ）は、第１変調部２１Ｃの空間光変調器の変調面における各領域の変調周波数を濃淡で示す。
　第１変調部２１Ｃの空間光変調器は、変調面（Ｐ１面）のｘ方向の全体に亘る領域において、ｙ方向に沿って区分された複数の領域それぞれで互いに異なる速さで位相変調量を変化させる。すなわち、各領域の位相変調量φを時刻ｔに対しφ＝Ωｎｔなる関係で時間的に連続的に変化させる。
　第１分岐光は、レンズ６２，６３によりビーム径が拡大された後にビームスプリッタ６１で反射されて、空間光変調器の変調面の略全体に入射する。空間光変調器の変調面の略全体に第１分岐光Ｌ１を入射させることで、空間光変調器の変調面のｙ方向に沿った各領域において変調周波数Ωｎで第１分岐光Ｌ１を変調することができる。
　変調された第１分岐光Ｌ１は、ビームスプリッタ６１を透過した後に、レンズ６４，６５により変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射される。なお、位相変調量が時間的に連続的に変化していない変調面で反射される光は、マスク等によって観察対象物Ｓには照射されないようにする（不図示）。
　図１２に示される第５変形例の第１変調部２１Ｄは、強度変調型の空間光変調器（ＳＬＭ）を含む。この図でも、反射型の空間光変調器が示されている。図１２（ａ）は、第１変調部２１Ｄおよび周辺の光学系を示す。図１２（ｂ）は、第１変調部２１Ｄの空間光変調器の変調面における各領域の強度変調量を濃淡で示す。図１２（ｃ）は、第１変調部２１Ｄの空間光変調器の変調面におけるｙ方向に沿った各領域での強度変調量をグラフで示す。
　第１変調部２１Ｄの空間光変調器は、変調面（Ｐ０面）のうちｘ方向について幅が限られた領域において、ｙ方向に沿って区分された複数の領域それぞれで強度変調量を設定し、その強度変調量のｙ方向分布をｙ方向に移動させる。その強度変調量分布が周期ｋｉの正弦波形状であってｙ方向移動速度がＶであると、変調面（Ｐ０面）に対するフーリエ面（Ｐ１面）では、ｅｘｐ(ｉｋｉＶｔ)で位相シフトが生じ、Ω＝ｋｉＶの周波数変調が生じる。第５変形例では、このことを利用する。
　空間光変調器の変調面のｙ方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、空間光変調器の変調面において強度変調量分布をｙ方向に一定速度で移動させる。
　第１分岐光Ｌ１は、シリンドリカルレンズ７２，７３を経た後にビームスプリッタ７１で反射されて、空間光変調器の変調面に入射する。シリンドリカルレンズ７２は凹レンズであり、シリンドリカルレンズ７３は凸レンズである。
　シリンドリカルレンズ７４の前焦点面が空間光変調器の変調面（Ｐ０面）であって、シリンドリカルレンズ７４の後焦点面がＰ１面である。シリンドリカルレンズ７５の前焦点面がＰ１面であって、シリンドリカルレンズ７５の後焦点面が観察対象物Ｓの移動経路を含む面（Ｐ２面）である。
　空間光変調器の変調面（Ｐ０面）のうちｙ方向に延在する領域（ｘ方向については幅が限られた領域）に第１分岐光Ｌ１を入射させると、図２と同様に、Ｐ１面においてｙ方向に沿った各領域において変調周波数Ωｎで変調された第１分岐光Ｌ１の点像を形成することができる。そして、レンズ７５は、Ｐ１面における変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１の点像からの光を入力して、変調周波数Ωｎ毎の第１分岐光Ｌ１を平面波として変調周波数Ωｎに応じた照射方向に沿って観察対象物Ｓに照射することができる。
　なお、第３～第５の変形例の第１変調部２１Ｂ～２１Ｄは、反射型の空間光変調器を含む構成であったが、透過型の空間光変調器を含む構成としてもよい。また、反射型で強度変調型の空間光変調器としてＤＭＤ（Digital　Mirror　Device）を用いてもよく、この場合には、ＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）変調により多段階の強度変調を光に与えることができる。
　次に、撮像部２３の周辺の構成の変形例について、図１３を用いて説明する。この図に示される変形例の構成では、レンズ８１、照射位置検出部８２、制御部８３および移動部８４が更に設けられる。レンズ３４とレンズ３５との間の光路上に配置されている合波部１５は、第１分岐光Ｌ１と第２分岐光Ｌ２とを合波して、合波光をレンズ３５へ出力するとともに、合波光をレンズ８１へも出力する。
　レンズ８１は、合波部１５と照射位置検出部８２との間の合波光の光路上に配置されている。レンズ３４およびレンズ８１は、観察対象物Ｓを通過した第１分岐光Ｌ１を入力して、観察対象物Ｓの像を照射位置検出部８２の撮像面（Ｐ４面）上に形成する結像光学系を構成している。照射位置検出部８２は、観察対象物Ｓの移動経路上の第１分岐光Ｌ１の照射位置を検出するものであり、例えば２次元像を撮像することができるエリアカメラである。このエリアカメラは高速撮像が可能である必要はない。
　制御部８３は、照射位置検出部８２により検出された照射位置に基づいて移動部８４を駆動することで、撮像部２３の１次元配列された複数の画素により合波光を受光することができるように撮像部２３のｙ方向位置を制御する。移動部８４は、制御部８３による駆動に従って、撮像部２３の撮像面（Ｐ３面）上の観察対象物Ｓの像の移動方向（ｙ方向）に撮像部２３を移動させるものであり、例えば電動アクチュエータ付きの一軸ステージである。
　このような構成とすることにより、観察対象物Ｓの移動経路上の第１分岐光Ｌ１の照射位置がｙ方向に時間的にドリフトする場合であっても、撮像部２３の撮像面（Ｐ３面）への第１分岐光Ｌ１の入射位置を固定することができるので、撮像部２３は１次元干渉画像を常に安定して取得することができる。
　なお、撮像部２３の１次元配列された複数の画素により合波光を安定して受光することができるようにするために、撮像部２３のｙ方向位置を制御することに加えて又は替えて、観察対象物Ｓから撮像部２３までの光学系を制御することにしてもよい。後者の場合、例えば、観察対象物Ｓから撮像部２３までの光学系の途中に反射面の方位が可変であるミラーを配置して、このミラーの反射面の方位を制御部８３により制御すればよい。
　また、照射位置検出部８２は、観察対象物Ｓの移動経路上の第１分岐光Ｌ１の照射位置を検出することができればよいので、合波光を受光するのではなく、第１分岐光Ｌ１のみを受光することができればよい。例えば、図６に示された構成において、レンズ３４とレンズ３５との間にビームスプリッタを配置し、このビームスプリッタにより分岐された第１分岐光Ｌ１による観察対象物Ｓの像を、レンズ８１により照射位置検出部８２の撮像面（Ｐ４面）上に形成してもよい。
　また、照射位置検出部８２として、スポット光入射位置検出用の重心演算回路付プロファイルセンサ（例えば浜松ホトニクス株式会社製Ｓ１５３６６－５１２）を用いてもよいし、ＰＳＤ（Position　Sensitive　Detector、例えば浜松ホトニクス株式会社製Ｓ２０４４）を用いてもよい。
　観察装置および観察方法は、上述した実施形態及び構成例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
　上記実施形態による第１態様の観察装置は、移動している観察対象物を観察する装置であって、（１）光を出力する光源と、（２）光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、（３）互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調部と、（４）第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射部と、（５）観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波部と、（６）観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有し、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像部と、（７）撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理部と、を備える。
　第２態様の観察装置では、第１態様の構成において、分岐部と第１変調部との間の第１分岐光の光路上、または、分岐部と合波部との間の第２分岐光の光路上に設けられ、第１分岐光と第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調部を更に備える構成としてもよい。
　第３態様の観察装置では、第１または第２態様の構成において、第１変調部は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第４態様の観察装置では、第１または第２態様の構成において、第１変調部は、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、単一の周波数のＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第５態様の観察装置では、第１または第２態様の構成において、第１変調部は、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含み、板状物体を移動させるとともに、板状物体に第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第６態様の観察装置では、第１または第２態様の構成において、第１変調部は、位相変調型の空間光変調器を含み、空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第７態様の観察装置では、第１または第２態様の構成において、第１変調部は、強度変調型の空間光変調器を含み、空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、空間光変調器の変調面において強度変調量分布を所定方向に移動させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第８態様の観察装置では、第１～第７態様の何れかの構成において、観察対象物の移動経路上の第１分岐光の照射位置を検出する照射位置検出部と、照射位置検出部により検出された照射位置に基づいて、撮像部の複数の画素により合波光を受光することができるように観察対象物から撮像部までの光学系または撮像部の位置を制御する制御部と、を更に備える構成としてもよい。
　上記実施形態による第１態様の観察方法は、移動している観察対象物を観察する方法であって、（１）分岐部を用いて、光源から出力された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐ステップと、（２）第１変調部を用いて、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する第１変調ステップと、（３）第１変調部により変調された第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って観察対象物に照射する照射ステップと、（４）合波部を用いて、観察対象物を通過した後の第１分岐光と第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波ステップと、（５）観察対象物の像が形成される撮像面において観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有する撮像部を用いて、これら複数の画素により合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像ステップと、（６）撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される１次元干渉画像の時系列データに基づいて、複数の変調周波数に対応する観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理ステップと、を備える。
　第２態様の観察方法では、第１態様の構成において、分岐部と第１変調部との間の第１分岐光の光路上、または、分岐部と合波部との間の第２分岐光の光路上に設けられた第２変調部を用いて、第１分岐光と第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調ステップを更に備える構成としてもよい。
　第３態様の観察方法では、第１または第２態様の構成において、第１変調ステップにおいて、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む第１変調部を用いて、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第４態様の観察方法では、第１または第２態様の構成において、第１変調ステップにおいて、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む第１変調部を用いて、単一の周波数のＲＦ信号を音響光学素子に与えるとともに、音響光学素子に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第５態様の観察方法では、第１または第２態様の構成において、第１変調ステップにおいて、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含む第１変調部を用いて、板状物体を移動させるとともに、板状物体に第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第６態様の観察方法では、第１または第２態様の構成において、第１変調ステップにおいて、位相変調型の空間光変調器を含む第１変調部を用いて、空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第７態様の観察方法では、第１または第２態様の構成において、第１変調ステップにおいて、強度変調型の空間光変調器を含む第１変調部を用いて、空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、空間光変調器の変調面において強度変調量分布を所定方向に移動させるとともに、空間光変調器の変調面に第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで第１分岐光を変調する構成としてもよい。
　第８態様の観察方法では、第１～第７態様の何れかの構成において、観察対象物の移動経路上の第１分岐光の照射位置を検出し、この検出された照射位置に基づいて、撮像部の複数の画素により合波光を受光することができるように観察対象物から撮像部までの光学系または撮像部の位置を制御する構成としてもよい。
　実施形態は、移動している観察対象物を安価な構成で容易に観察することができる装置および方法として利用可能である。
　１，１Ａ～１Ｃ…観察装置、１１…光源、１２…分岐部、１３，１４…ミラー、１５…合波部、２１，２１Ａ～２１Ｄ…第１変調部、２２…第２変調部、２３…撮像部、２４…処理部、３１～３８…レンズ、８２…照射位置検出部、８３…制御部、８４…移動部。

Claims (16)

  1. 　移動している観察対象物を観察する装置であって、
    　光を出力する光源と、
    　前記光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐部と、
    　互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する第１変調部と、
    　前記第１変調部により変調された前記第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って前記観察対象物に照射する照射部と、
    　前記観察対象物を通過した後の前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波部と、
    　前記観察対象物の像が形成される撮像面において前記観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有し、これら複数の画素により前記合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像部と、
    　前記撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される前記１次元干渉画像の時系列データに基づいて、前記複数の変調周波数に対応する前記観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて前記観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理部と、
    を備える、観察装置。
  2. 　前記分岐部と前記第１変調部との間の前記第１分岐光の光路上、または、前記分岐部と前記合波部との間の前記第２分岐光の光路上に設けられ、前記第１分岐光と前記第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調部を更に備える、請求項１に記載の観察装置。
  3. 　前記第１変調部は、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、請求項１または２に記載の観察装置。
  4. 　前記第１変調部は、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含み、単一の周波数のＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、請求項１または２に記載の観察装置。
  5. 　前記第１変調部は、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含み、前記板状物体を移動させるとともに、前記板状物体に前記第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、請求項１または２に記載の観察装置。
  6. 　前記第１変調部は、位相変調型の空間光変調器を含み、前記空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、前記空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、請求項１または２に記載の観察装置。
  7. 　前記第１変調部は、強度変調型の空間光変調器を含み、前記空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、前記空間光変調器の変調面において前記強度変調量分布を前記所定方向に移動させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、請求項１または２に記載の観察装置。
  8. 　前記観察対象物の移動経路上の前記第１分岐光の照射位置を検出する照射位置検出部と、
    　前記照射位置検出部により検出された照射位置に基づいて、前記撮像部の前記複数の画素により前記合波光を受光することができるように前記観察対象物から前記撮像部までの光学系または前記撮像部の位置を制御する制御部と、
    を更に備える、請求項１～７の何れか１項に記載の観察装置。
  9. 　移動している観察対象物を観察する方法であって、
    　分岐部を用いて、光源から出力された光を第１分岐光と第２分岐光とに分岐する分岐ステップと、
    　第１変調部を用いて、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する第１変調ステップと、
    　前記第１変調部により変調された前記第１分岐光を変調周波数に応じた照射方向に沿って前記観察対象物に照射する照射ステップと、
    　合波部を用いて、前記観察対象物を通過した後の前記第１分岐光と前記第２分岐光とを合波して合波光を出力する合波ステップと、
    　前記観察対象物の像が形成される撮像面において前記観察対象物の像の移動方向と交差する方向に配列された複数の画素を有する撮像部を用いて、これら複数の画素により前記合波光を受光して、１次元干渉画像を表す検出信号を繰り返し出力する撮像ステップと、
    　前記撮像部から繰り返し出力される検出信号から生成される前記１次元干渉画像の時系列データに基づいて、前記複数の変調周波数に対応する前記観察対象物への複数の照射方向それぞれについて複素振幅画像を生成し、これら複数の照射方向それぞれの複素振幅画像に基づいて前記観察対象物の３次元屈折率分布画像を生成する処理ステップと、
    を備える、観察方法。
  10. 　前記分岐部と前記第１変調部との間の前記第１分岐光の光路上、または、前記分岐部と前記合波部との間の前記第２分岐光の光路上に設けられた第２変調部を用いて、前記第１分岐光と前記第２分岐光との間に周波数差を与える第２変調ステップを更に備える、請求項９に記載の観察方法。
  11. 　前記第１変調ステップにおいて、ブラッグ回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む前記第１変調部を用いて、互いに異なる複数の周波数成分を有するＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、ＲＦ信号の各周波数成分に応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、請求項９または１０に記載の観察方法。
  12. 　前記第１変調ステップにおいて、ラマンナス回折により光を周波数変調する音響光学素子を含む前記第１変調部を用いて、単一の周波数のＲＦ信号を前記音響光学素子に与えるとともに、前記音響光学素子に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、請求項９または１０に記載の観察方法。
  13. 　前記第１変調ステップにおいて、互いに異なる複数の空間周波数成分を有する回折格子が重ね合わされて記録された板状物体を含む前記第１変調部を用いて、前記板状物体を移動させるとともに、前記板状物体に前記第１分岐光を通過させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、請求項９または１０に記載の観察方法。
  14. 　前記第１変調ステップにおいて、位相変調型の空間光変調器を含む前記第１変調部を用いて、前記空間光変調器の変調面の領域によって互いに異なる速さで位相変調量を変化させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、前記空間光変調器の変調面の各領域の位相変調量の変化の速さに応じた変調周波数で前記第１分岐光を変調する、請求項９または１０に記載の観察方法。
  15. 　前記第１変調ステップにおいて、強度変調型の空間光変調器を含む前記第１変調部を用いて、前記空間光変調器の変調面の所定方向に沿った強度変調量分布を、互いに異なる複数の空間周波数成分を有するものとし、前記空間光変調器の変調面において前記強度変調量分布を前記所定方向に移動させるとともに、前記空間光変調器の変調面に前記第１分岐光を入射させることで、互いに異なる複数の変調周波数それぞれで前記第１分岐光を変調する、請求項９または１０に記載の観察方法。
  16. 　前記観察対象物の移動経路上の前記第１分岐光の照射位置を検出し、この検出された照射位置に基づいて、前記撮像部の前記複数の画素により前記合波光を受光することができるように前記観察対象物から前記撮像部までの光学系または前記撮像部の位置を制御する、請求項９～１５の何れか１項に記載の観察方法。
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