図面 (/)

技術 測定装置、データ処理装置、データ処理方法およびプログラム

出願人 キヤノン株式会社
発明者 松原功江口輝
出願日 2017年10月25日 (1年11ヶ月経過) 出願番号 2017-205714
公開日 2019年5月23日 (4ヶ月経過) 公開番号 2019-078635
状態 未査定
技術分野 光学的手段による材料の調査、分析 顕微鏡、コンデンサー ホログラフィ
主要キーワード デジタルセンサー ローパスフィルタ演算 渦領域 位相接続 次数分布 逆伝搬法 三次元再生 デジタルホログラフィ
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年5月23日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (12)

課題

微細構造を持つ物体であっても、忠実性の高い3次元画像を取得すること

解決手段

データ処理装置130は、第1波長λ1の光から得られる試料105の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長λ2の光から得られる試料105の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行う処理手段132と、前記第1位相分布と前記第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生する低周波エラー421を補正する補正手段134と、を有する。

概要

背景

非特許文献1は、二波長を用いて試料を3次元撮像する方法を開示している。非特許文献1は、第1波長で取得した試料の位相分布と、第2波長で取得した試料の位相分布の差分値を利用して、試料による位相変化量が2πよりも大きい場合でも位相分布を計測可能にする特許文献1の二波長位相アンラッピング法を、3次元撮像に適用している。非特許文献2は、Tenenbaum微分法を開示している。

概要

微細構造を持つ物体であっても、忠実性の高い3次元画像を取得することデータ処理装置130は、第1波長λ1の光から得られる試料105の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長λ2の光から得られる試料105の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行う処理手段132と、前記第1位相分布と前記第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生する低周波エラー421を補正する補正手段134と、を有する。

目的

本発明は、微細構造を持つ物体であっても、忠実性の高い3次元画像を取得することが可能な測定装置、データ処理装置、データ処理方法およびプログラムを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ライセンス契約や譲渡などの可能性がある特許掲載中! 開放特許随時追加・更新中 詳しくはこちら

請求項1

光を物体光参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理装置であって、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行う処理手段と、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布における、前記第1位相分布と前記第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して発生するエラー成分補正する補正手段と、を有することを特徴とするデータ処理装置。

請求項2

前記補正手段は、2πの位相飛びを有する閉領域を前記位相アンラッピングによって得られた位相分布から抽出し、前記閉領域で発生する前記エラー成分を補正することを特徴とする請求項1に記載のデータ処理装置。

請求項3

前記補正手段は、第2波長の4倍の2乗よりも小さい面積の閉領域を抽出し、前記閉領域で発生する前記エラー成分を補正することを特徴とする請求項1または2のうちいずれか1項に記載のデータ処理装置。

請求項4

前記補正手段は、前記エラーの位相に2πを加算または減算することを特徴とする請求項1乃至3のうちいずれか1項に記載のデータ処理装置。

請求項5

前記補正手段は、前記加算または前記減算を繰り返すことを特徴とする請求項4に記載のデータ処理装置。

請求項6

光を物体光と参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理装置であって、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行う処理手段と、前記第1位相分布と前記第2位相分布の一方の前後の位相が融合することに起因して、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生するエラー成分を補正する補正手段と、を有することを特徴とするデータ処理装置。

請求項7

前記補正手段は、ローパスフィルタ演算処理を適用した分布との差分を用いて前記エラーの領域を抽出することを特徴とする請求項6に記載のデータ処理装置。

請求項8

前記補正手段は、微分法を用いて前記エラーの領域を抽出することを特徴とする請求項6に記載のデータ処理装置。

請求項9

前記補正手段は、抽出された前記エラーの領域を拡大し、拡大された前記領域のエラー成分を補正することを特徴とする請求項7または8に記載のデータ処理装置。

請求項10

前記補正手段は、前記エラーを削除して補間することによって補正することを特徴とする請求項6乃至9のうちいずれか1項に記載のデータ処理装置。

請求項11

前記補正手段は、平面補間を用いることを特徴とする請求項10に記載のデータ処理装置。

請求項12

前記補正手段によって補正された前記データから前記物体の位相分布、二次元像屈折率分布、及び三次元像の少なくとも一つを再生する再生部を更に有することを特徴とする請求項1乃至11のうちいずれか1項に記載のデータ処理装置。

請求項13

光を物体光と参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と前記参照光とを干渉させ、ホログラムを生成することによって、前記物体の屈折率分布または位相分布を測定する測定装置であって、前記ホログラムを光電変換する撮像素子と、前記撮像素子から得られたデータを処理する請求項1乃至12のうちいずれか1項に記載のデータ処理装置と、を有することを特徴とする測定装置。

請求項14

光を物体光と参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理方法であって、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行うステップと、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布における、前記第1位相分布と前記第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して発生するエラー成分を補正するステップと、を有することを特徴とするデータ処理方法。

請求項15

光を物体光と参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理方法であって、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行うステップと、前記第1位相分布と前記第2位相分布の一方の前後の位相が融合することに起因して、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生するエラー成分を補正するステップと、を有することを特徴とするデータ処理方法。

請求項16

コンピュータに、光を物体光と参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理方法を実行させるためのプログラムであって、前記データ処理方法は、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行うステップと、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布における、前記第1位相分布と前記第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して発生するエラー成分を補正するステップと、を有することを特徴とするプログラム。

請求項17

コンピュータに、光を物体光と参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理方法を実行させるためのプログラムであって、前記データ処理方法は、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行うステップと、前記第1位相分布と前記第2位相分布の一方の前後の位相が融合することに起因して、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生するエラー成分を補正するステップと、を有することを特徴とするプログラム。

技術分野

0001

本発明は、測定装置データ処理装置データ処理方法およびプログラムに関する。

背景技術

0002

非特許文献1は、二波長を用いて試料を3次元撮像する方法を開示している。非特許文献1は、第1波長で取得した試料の位相分布と、第2波長で取得した試料の位相分布の差分値を利用して、試料による位相変化量が2πよりも大きい場合でも位相分布を計測可能にする特許文献1の二波長位相アンラッピング法を、3次元撮像に適用している。非特許文献2は、Tenenbaum微分法を開示している。

0003

米国特許第6809845号

先行技術

0004

M. Rinehart, M. Giacomelli, K. Chalut, and A. Wax, ”Quantitative Phase Microscopy with Multi−Wavelength Unwrappingand Tomographic 3D Reconstruction” OSA Digital Holography and Three−Dimensional Imaging (DH) 2008 paper:JMA7
Y.Sun,S.Duthaler,and B.J.Nelson,”Autofocusing algorithm selection in computer microscopy,”in Proc.IEEE/RSJInternational Conferenceon IntelligentRobots and Systems,pp.70−76(2005)

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、微細構造を持つ試料では、回折の影響が各波長で異なるため、特許文献1に開示されている方法を用いると、位相分布に複雑なアンラッピングエラーが生じてしまう。そして、この位相分布から非特許文献1を用いて3次元画像を取得すると、忠実性の高い再生像は得られない。

0006

本発明は、微細構造を持つ物体であっても、忠実性の高い3次元画像を取得することが可能な測定装置、データ処理装置、データ処理方法およびプログラムを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

本発明の一側面としてのデータ処理装置は、光を物体光参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理装置であって、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行う処理手段と、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布における、前記第1位相分布と前記第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して発生するエラー成分補正する補正手段と、を有することを特徴とする。

0008

また、本発明の別の側面としてのデータ処理装置は、光を物体光と参照光に分割し、物体を透過した前記物体光と、前記参照光とを干渉させることによって生成されたホログラムを表すデータを処理するデータ処理装置であって、第1波長の光から得られる前記物体の第1ホログラムを表す第1位相分布と、第2波長の光から得られる前記物体の第2ホログラムを表す第2位相分布と、の差分を用いた位相アンラッピングを行う処理手段と、前記第1位相分布と前記第2位相分布の一方の前後の位相が融合することに起因して、前記位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生するエラー成分を補正する補正手段と、を有することを特徴とする。

0009

上記データ処理装置を有する測定装置やデータ処理装置によって実行されるデータ処理方法等も本発明の別の側面を構成する。

発明の効果

0010

本発明によれば、微細構造を持つ物体であっても、忠実性の高い3次元画像を取得することが可能な測定装置、データ処理装置、データ処理方法およびプログラムを提供することができる。

図面の簡単な説明

0011

本発明の測定装置の構成図である。(実施例1、2)
方位角を説明するための図である。(実施例1、2)
次元屈折率分布を求めるフローチャートである。(実施例1、2)
従来手法で求めた位相分布である。
図4(b)の部分拡大図である。
実施例1の閉空間の探索方法を説明するための図である。
実施例1の低周波エラーを補正した位相分布である。
実施例1の高周波エラーを補正した位相分布である。
実施例1と比較例において生成された3次元屈折率分布の再生像である。
実施例2の高周波エラーを補正した位相分布である。
実施例2において生成された3次元屈折率分布の再生像である。

0012

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施の形態について説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

0013

まず、本発明を実施するための測定装置の構成について説明する。測定装置および測定装置によって実行される測定方法は、試料の屈折率分布(三次元)や位相分布(二次元)の測定に使用することができ、試料の二次元形状または三次元形状を算出及び再生再構成)する用途に適用することができる。

0014

また、本発明の測定装置は、デジタルホログラムを生成するデジタルホログラム生成装置としても機能する。デジタルホログラムは、試料105の透過光と参照光による干渉縞撮像素子108でデジタル化し、コンピュータ画像処理手段、データ処理手段)130による後処理で透過光の電場を算出する際に使用される。

0015

デジタルホログラフィを用いると、電場の位相変化を定量的に求めることができるため、無色透明な試料の構造を観察することが可能となる。医学生物学などの分野において、生体試料を観察することは病気診断生体構造を理解する上で欠くことのできない。生体試料は通常、無色透明あるいは半透明であるため、像のコントラストを上げるために染色を行うと、試料を生きたまま観察することができない場合がある。デジタルホログラフィは、顕微鏡干渉計測を応用することで非染色の試料を観察する方法の一つである。

0016

病気の診断をする際に、医師細胞の核などの形状を根拠の1つとしている。そのため試料の3次元情報を取得することが必要とされる。そこで、試料を異なる入射角照明し、得られた複数枚透過位相分布に対して再構成処理を行うことで試料の3次元的な屈折率分布を取得する方法が提案されている。しかしながら、大きい位相差を発生させる試料に適用した場合、適切な値が得られないことがある。本発明はこの問題を解決することができる。

0017

図1は、測定装置の構成図である。本実施例の測定装置は、光を物体光と参照光に分割し、試料を透過した物体光と参照光とを干渉させ、干渉縞(ホログラム)を生成することによって、試料の屈折率分布または位相分布を測定する。

0018

図1に示す測定装置は、軸外し型ホログラムを使用する。101は第1波長の光を射出する光源(第1光源)であり、レーザーなどのコヒーレンシーが高いものを用いる。102は一部の光を透過し、一部の光を反射するハーフミラーである。111は試料(物体)を透過する光である物体光を、112は試料を透過せずに物体光111と干渉させる光である参照光を示している。物体光111と参照光112は、例えば、ハーフミラー102により分割された光源101からの光である。

0019

103は2軸のガルバノミラーを、104はコンデンサーレンズを、105は試料を、106は対物レンズを、それぞれ示している。107は物体光111と参照光112を統合するハーフミラーである。

0020

108は撮像素子(またはデジタルセンサー)である。ここでは参照光112を撮像素子108に垂直に入射させ、物体光111を参照光112に対して傾斜させる。撮像素子108に対する入射角が、物体光111と参照光112で異なるため、撮像素子108では、干渉縞が形成される。このようにして得られた干渉縞は、物体光111の電場の情報を含んでいる。撮像素子108は干渉縞を光電変換し、不図示のA/D変換器によってデジタル化されたデータが生成される。

0021

試料105に対する物体光111の角度(方位角)は、試料105の共役面に配置されたガルバノミラー103の角度で変化させることが可能である。物体光111の角度を変化させ、複数方向からの物体光111の電場を取得することで試料105の3次元像を再生することが可能となる。ここで、物体光111と光軸OAのなす角度をθ、方位角をφと定義する。

0022

図2(a)、(b)は、方位角を説明するための図である。方位角φは、光軸OAに垂直な平面に投射された物体光111と前記平面上の光軸OAから所定方向に延びる直線とのなす角度である。光軸方向をZ軸方向、光軸方向に垂直な平面(試料面)をXY平面とし、光軸OAから所定方向に延びる直線をX軸する。

0023

本実施例では、θを一定とし、φを変化させて、試料105に対する物体光111の角度を変化させる。具体的にはθ=50度、φ=0,3,6,・・・,357度とする。各φに対して撮像を行うため、撮像回数は120回となる。θが一定のため、物体光111が参照光112と成す角度が一定となり、得られる干渉縞のピッチは常に一定となる。撮像素子108上の干渉縞のピッチが、撮像素子108の画素サイズに対して不適切な場合、撮像素子108の前に倍率を変化させる光学系を挿入してもよい。

0024

121は第1波長とは異なる第2波長の光を射出する光源(第2光源)であり、光源101と同様に、レーザーなどのコヒーレンシーが高いものを用いる。122はハーフミラーであり、第1波長の光路と第2波長の光路を共通化する役割を果たす。通常、第1波長の光源101か第2波長の光源121のどちらか一方を遮光して、各波長のホログラムを撮像する。ただし、フーリエ空間にて第1波長の成分と第2波長の成分が分離できる場合は、2種類の波長のレーザーを同時に照射してもよい。

0025

第1波長、第2波長はいずれも限定されない。試料105の厚さがdである場合、後述する合成波長Λは、dΔnを少し上回る程度、例えば、dΔn×2程度が好ましい。例えば、dΔn<Λ<dΔn×3であってもよい。ここで、Δnは試料105の屈折率差、例えば、試料105の厚さが5μmで、屈折率差が0.2の場合、合成波長Λは、Λ=5×0.2×2=2[μm]となる。第2波長λ2を0.5μmとすると、合成波長Λは、後述する式(2)で与えられるので、第1波長λ1は、次式に示すように、0.667μm程度となることが好ましい。

0026

λ1=Λ・λ2/(Λ−λ2)=1/1.5=0.667[μm]
130は、データ処理装置(画像処理装置(画像処理手段))であり、図2に示すデータ処理方法(画像処理方法)を実行する。本実施例では、データ処理装置130は、パーソナルコンピュータプロセッサ)として構成されている。なお、光源101、121を不図示のシャッターを駆動することにより遮光、導光したり、電源オンオフしたりする不図示の光源駆動手段、ガルバノミラー103の角度を駆動する不図示のミラー駆動手段が設けられている。光源駆動手段、ミラー駆動手段は、不図示の制御手段(コントローラ)に接続され、制御手段が、光源駆動手段、ミラー駆動手段による駆動を制御している。この制御手段とデータ処理装置130が一体に構成され、データ処理装置130が制御手段の機能を有してもよい。

0027

第1波長の光および撮像素子108から、試料105の第1ホログラムを表す第1位相分布が生成され、データ処理装置130に入力される。第2波長の光および撮像素子108から、試料105の第2ホログラムを表す第2位相分布が生成され、データ処理装置130に入力される。

0028

データ処理装置(データ処理手段)130は、記憶手段138を有し、表示部(表示手段)140とネットワーク150に接続されている。

0029

データ処理装置130は、位相アンラッピング手段132、補正手段134および再生部(再構成部)136の機能を有する。

0030

位相アンラッピング手段132は、第1位相分布と第2位相分布の差分と次数を用いた二波長位相アンラッピングを行う。位相アンラッピング(位相接続)は、2π周期で折り畳まれている試料(物体)の位相分布を実際の位相分布に展開することをいう。

0031

補正手段134は、第1補正手段と第2補正手段の機能を有しているが、いずれか一方の機能のみを有していても本発明を構成する。第1補正手段は、第1位相分布と第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して、位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生するエラー成分(後述する低周波エラー)を補正する。第2補正手段は、第1位相分布と第2位相分布の一方の前後の位相が融合することに起因して、位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生するエラー成分(後述する高周波エラー)を補正する。なお、補正手段134は低周波エラーと高周波エラーを同時に補正してもよい。

0032

再生部136は、補正手段134によって補正されたデータから試料(物体)105の位相分布、二次元像、屈折率分布、及び三次元像の少なくとも一つを再生する。

0033

記憶手段138は、撮像素子108によって光電変換され、ホログラムを表すデータ、データ処理方法(画像処理方法)のプログラム(データ処理プログラム)及びそれに使用される情報、データ処理方法によって処理されたデータを記憶する。

0034

表示手段140は、試料105の屈折率分布、位相分布、それらの断面図、三次元再生像、二次元再生像、各種の制御情報等を表示する。ネットワーク150は、LAN、インターネット等の有線または無線のネットワークであり、ネットワーク150には、不図示のコンピュータ、出力装置プリンタディスプレイ)、記憶装置等が接続されている。このため、データ処理装置130は、ネットワーク150を介して測定装置に接続されたコンピュータであってもよいし、測定装置に接続されていないコンピュータであってもよい。

0035

図3は、データ処理装置130が実行する3次元再生像計算方法(データ処理方法)を示すフローチャートであり、Sはステップを表している。図3に示すフローチャートは、コンピュータに各ステップを実行させるためのプログラムとして実現が可能であり、かかるプログラムは、例えば、コンピュータ可読媒体に記憶可能である。

0036

まず、S301で、ガルバノミラー103の角度を不図示のミラー駆動手段を制御することによって方位角φを指定する。ここでは第1方位角として、0度を指定する。S302で、第1波長のホログラム(第1ホログラム)のデータを読み込む。S303で、物体光111の電場の算出を行う。物体光111の電場の算出方法は種々存在するが、ここではフーリエ変換を用いた方法を用いる。具体的には、ホログラムをフーリエ変換してスペクトルを求め、物体情報を含む+1次のスペクトルを計算機上の絞りで抽出し、抽出したスペクトルを座標原点シフトし、逆フーリエ変換で物体光の電場を算出する。3次元屈折率の分布の算出方法も複数存在するが、ここではRytov近似に基づいた逆伝搬法を用いた手法を使用する。Rytov近似を用いるには、物体光111の電場の対数を取り、位相分布を算出する。そこで、S304で物体光111の電場の対数を取る。この対数の虚部が位相分布に相当する。第2波長に対しても同等の処理をS305〜307で行う。ここでは第1波長の処理の後に第2波長の処理を行ったが、この順序は逆でもよい。

0037

次に、位相アンラッピング手段132が行う二波長位相アンラッピング法(S311〜S314)について説明する。忠実性の高い3次元屈折率分布を求めるためには、物体光111の電場の位相変化量が2πを超える場合、位相アンラッピングをする必要がある。隣り合う画素でπ以上変化する箇所がない位相分布では、単一波長で得られた位相分布からアンラッピングをすることが可能である。これに対し、隣り合う画素でπ以上変化する箇所がある位相分布では、単一波長の位相分布からアンラッピングをすることは難しい。この問題を克服するアンラッピング手法として、特許文献1に記載の二波長位相アンラッピング法が存在する。

0038

ここで、二波長位相アンラッピング法の具体的な処理を説明する。まず、S311で、位相の差分ψ1(x,y)−ψ2(x,y)求める。ψ1(x,y)は第1位相分布、ψ2(x,y)は第2位相分布である。次に、S312で、第1位相分布と第2位相分布の差分に、合成波長Λを第1波長λ1で割った係数Λ/λ1を掛けた以下の式で位相分布ψ(x,y)を算出する。

0039

0040

なお合成波長はΛ以下の式で求められる。

0041

0042

波長がλ1からΛに増加することに伴って、アンラッピングできる範囲もΛ/λ1倍拡大される。Λを用いずに表現するとλ2/|λ1−λ2|倍拡大される。但し、拡大倍率に比例してノイズの量も増大される。そこで、以下の2つのSによりノイズの増大を防ぐ。先ずS313で、以下の式によりアンラッピングの次数分布n(x,y)を求める。次数nとは、‐π〜πに折り畳まれた位相を元に戻す(位相アンラップ)するために2πに掛けられる係数(整数)である。例えば、‐2π〜2πの位相分布を計測した場合、その値は−π〜πに折り畳まれている。この場合、−2π〜−πの領域では、n=−1、−π〜πの領域では、n=0、π〜2πの領域では、n=1となる。

0043

0044

続いて、S314で、求めた次数を以下の式に代入し、ノイズ量が増加していない位相分布ψ’(x,y)を得る。ψ’(x,y)が二波長位相アンラッピング法で求めた位相分布である。

0045

0046

図4に、屈折率1.34の液体に浸した屈折率1.46、直径5μmの球を試料105とした場合の、物体光111の位相分布の計算例を示す。球の中心を(x,y,z)=(0,0,0)とし、物体光111の角度を(θ,φ)=(50,0)とした。第1波長λ1は0.543μm、第2波長λ2は0.593μmである。計算に使用した画素サイズは試料面換算で0.0534μm、画素数は1024×1024、対物レンズのNAは1.4、計算機絞りのNAは0.7である。z軸は光軸、xyは光軸に垂直な平面(試料面)である。

0047

図4(a)はS311で求めた位相の差分であり、横軸はx軸、左側の縦軸はy軸、右側の縦軸は位相を表している。図4(b)は図4(a)のy=0での断面図であり、横軸はx軸、縦軸は位相、λ1は第1波長、λ2は第2波長、diffはそれらの位相の差分を表している。

0048

図4(c)はS312で求めた合成波長Λの位相分布であり、横軸はx軸、左側の縦軸はy軸、右側の縦軸は位相を表している。図4(d)は図4(c)のy=0での断面図であり、横軸はx軸、縦軸は位相を表している。合成波長は式(2)で求められ、6.44μmとなる。

0049

図4(e)はS314で得られた位相分布であり、横軸はx軸、左側の縦軸はy軸、右側の縦軸は位相を表している。図4(f)は図4(e)のy=0での断面図であり、横軸はx軸、縦軸は位相を表している。図(4)(f)では、図4(d)に示す位相分布がある程度滑らかにされていることが分かる。

0050

しかしながら、球の形状に対応した滑らかな位相分布が期待されるのに対し、実際に算出された図4(f)の位相分布には、例えば、421や422にアンラッピングエラーが発生している。421を低周波エラー、422を高周波エラーと呼ぶことにする。特許文献1で発生する1〜数画素の範囲の2π飛びエラーであれば、ローパスフィルタ演算処理などで補正することが可能である。しかしながら、微細な構造を持つ試料105を測定した場合、波長毎の位相分布に異なる回折波が生じ、複雑なエラーが発生するため、ローパスフィルタ演算処理などの単純は処理でエラー成分を補正することは難しい。複雑なエラーの例としては、数画素を超える範囲に及ぶエラーや、特異点を含むエラーが挙げられる。

0051

ここで、低周波エラーおよび高周波エラーについて説明する。低周波エラーおよび高周波エラーは、そもそも位相の差分の分布を算出した時点で、図4(b)に示すように、低周波エラー401、高周波エラー402として発生している。これらが、図4(d)に示すように、低周波エラー411、高周波エラー412として残り、最終的に図4(f)に示すように、低周波エラー421、高周波エラー422となっている。そこで、エラーが最初に発生した位相の差分を用いて、各エラーについて説明する。

0052

まず、低周波エラーの原因について説明する。図5(a)は、図4(b)の低周波エラー401が発生している領域の拡大図である。第1波長λ1の位相分布501および第2波長λ2の位相分布402において、回折の効果によりうねりが生じている。このうねりは波長ごとに異なる。一方の波長のうねりの山と、他方の波長のうねりの谷が重なる領域では、差分にもうねりが生じる。この差分のうねりが大きくなると、S313の次数算出時に、エラーが発生する。エラーが±1の場合、S314で±2πのエラーとなる。このように、低周波エラーは、第1位相分布と第2位相分布の夫々のうねりが波長毎に異なることに起因して、二波長位相アンラッピングによって得られた位相分布(の閉領域)において発生するエラー成分である。

0053

次に、高周波エラーの原因について説明する。図5(b)は、図4(b)の高周波エラー402が発生している領域の拡大図である。点線511は第1波長λ1の位相分布を示している。一点鎖線412は第2波長λ2の位相分布を示している。図5(c)は、図5(b)をアンラッピングした位相分布である。この位相分布は位相の遅れを表しているため、相対的に、球の中心に近いx=−3.5μm付近では大きい値、球の中心から遠いx=−4.5μm付近では小さい値となることが期待される。よって、第2波長λ2の位相分布が本来の分布である。これに対し、第1波長λ1の位相分布は原点に近い方が小さい値となっている。これは領域522において位相が急激に変化し、前後の位相が融合したためである。具体的には、領域521の位相(前の位相)531と、領域523の位相−2πの位相(後の位相)532とが領域522において融合したためである。図5(c)のように、一方の波長のみで前後の位相の融合が起こると、位相の差分に大きなエラーが発生する。このエラーは領域522のように非常に狭い領域で発生し、高周波エラーとなる。このように、高周波エラーは、第1位相分布と第2位相分布の一方の前後の位相が融合することに起因して、位相アンラッピングによって得られた位相分布において発生する(傾きが閾値以上の)エラー成分である。高周波エラーの周波数は低周波エラーの周波数よりも高い。

0054

次に、補正手段134が行う低周波エラーおよび高周波エラーの補正について説明する。この処理は、低周波エラー補正の処理(S321〜S322)と高周波エラー補正の処理(S323〜S325)で構成される。

0055

まず、S321で、低周波エラーの領域を抽出する。低周波エラーは、2種類の位相分布のうねりが異なるために発生する。よって、2π飛びに特異点は無く、閉領域で発生する。そこで、2π飛びをしている領域のうち閉領域を探索する。そして、探索した閉領域のうち面積が小さいものを低周波エラーとする。面積が小さいものに限定するのは、試料105が発生させるπ以上の位相差を誤って補正しないためである。このπ以上の位相差とは、λ1あるいはλ2の単一の波長でも発生する位相差である。

0056

図6は、閉空間の探索方法を説明するための図である。図6(a)は、図4(c)に対応する位相分布(1)であり、xy平面上の32グリッド(画素)×32グリッド(画素)の大きさの領域を表している。データ処理装置130は、これを上下左右に1グリッドずつシフトさせて和を取って図6(b)に示す位相分布(2)を取得する。但し、シフト量は例示である。次に、図6(c)に示すように、データ処理装置130は、(2)−(1)×4によって輪郭を抽出する。4倍しているのは図6(b)において、4回位相分布を足し合わせているからである。次に、図6(d)に示すように、(3)>πでπ飛びの領域を囲い、ライブラリーを用いて閉領域を抽出する。πよりも大きい領域は2π位相飛びの領域を表している。非閉領域の典型は渦領域(Vortex)である。2π飛びはあるが、途切れているため閉領域とはならず、渦領域は高周波エラーとして補正される。

0057

次に、抽出された閉領域を所定の閾値と比較して、所定の面積よりも小さい閉領域を抽出する。閉領域として決定する領域の面積が大き過ぎると測定したい試料105を消してしまうため、面積の上限を規定する。面積の直径は、測定したい試料105の直径の半分以下程度とすればよい。例えば、5μmの試料105を測定するのであれば数μmとすればよい。具体的には、直径を2μm程度、面積を22[μm2]程度とすればよい。波長が長いほど測定できる位相差も大きくなるため、規定の面積も大きくしてもよい。そこで、面積を長さの絶対量で決めるのではなく、波長の関数で表してもよい。例えば、第2波長λ2を0.5μmとすると、面積は(4λ2)2となるので、閉領域を、(4×第2波長λ2)(第2波長λ2の4倍)の2乗以下の面積に設定してもよい。(4×第1波長λ1)の2乗以下の面積に設定してもよい。

0058

次に、S322で、低周波エラーを補正するべく、小領域の位相アンラッピングを行う。S321で抽出した低周波エラー領域に対して、位相飛びが発生した領域の位相が周りの位相よりも小さい場合は2πを加え、大きい場合は2πを差し引く。この処理で低周波エラーが補正される。なお、2πを加える、または2πを差し引く処理で十分な補正が得られない場合は、2πを加算または減算する処理を繰り返し行ってもよい(即ち、2π×N(Nは整数)を加算または減算してもよい)。

0059

S323で、高周波エラーがある領域を抽出する。高周波エラーの領域を抽出する方法は種々あるが、ここではローパスフィルタ演算処理を用いて得た画像と比較して差分が閾値を超える領域を高周波エラー領域とする。ローパスフィルタ演算は、位相分布をフーリエ変換し、高周波成分を指定したNAの絞りで削除して、逆フーリエ変換することにより行う。S323で得られた領域が高周波エラー領域をカバーできていない場合に備え、S324で領域を数画素分拡大する。S325で、抽出した高周波エラー領域の位相を取り除き、その領域の位相を補間で求める。補間方法は複数存在するが(スプライン補間等)、ここでは平面補間を用いる。

0060

S323の高周波エラーの領域の別の抽出方法として、Tenenbaum微分法などの微分法を用いてもよい。Tenenbaum微分法は、非特許文献2に記載され、ある程度の広がりを持った領域毎の微分値を、以下の式で算出する。

0061

0062

*はコンボリューションを表わす。ψは位相分布である。この手法で位相分布の微分値を求め、微分値が閾値を超える領域を、高周波エラー領域としてもよい。

0063

最後に、再生部136が行う3次元像の算出について説明する(S331〜S333)。S331で、S325で求めた位相分布を虚部とした物体光の電場の対数をフーリエ変換してスペクトルを算出する。次に、S332で、試料105への入射角を考慮してスペクトルを、周波数空間において半径が1/λ、中心位置が(−fx0、−fy0、−fz0)の球(Ewald球)面上に貼り付ける。ここで、fx0、fy0、fz0は、物体光のベクトルをフーリエ空間で表した際の周波数である。上述の処理(S302〜S332)を物体光111の全方位角に対して繰り返し行い(S333、S335)、全てのEwald球の平均値を取ることで3次元的なスペクトルが得られる。最後に、S334で、得られた3次元のスペクトルを逆フーリエ変換して3次元屈折率の分布を算出する。

0064

ここでは低周波エラーの補正の後に高周波エラーの補正を行ったが、順序はこれに限ったものではなく、高周波エラーの補正の後に低周波エラーの補正を行ってもよい。また位相アンラップは電場の対数の虚部に適用したが、これに限定するものではなく、いかなる逆伝搬法のアンラッピング処理部に適用してもよい。また軸外し型のホログラムを使用する構成で説明したが、位相シフト型のホログラムを使用する構成でもよい。

0065

実施例1は、屈折率1.34の液体に浸した屈折率1.46、直径5μmの球を試料105とした例について説明する。物体光111の角度(θ,φ)=(50,0)に対して、特許文献1に記載の二波長位相アンラッピング法で求めた位相分布は、図4(e)、(f)に示した通りである。

0066

図7(a)は、S321で抽出した2π飛びが発生している小領域(閉領域)である。この小領域は、図4(e)の低周波エラーの領域に対応している。ここでは、面積が波長の4倍を2乗したものよりも小さい領域のみ抽出した。面積の代わりに幅を用い、領域の幅が指定した幅より狭い領域のみを抽出してもよい。図7(b)は、S322で抽出した領域を位相アンラッピングした位相分布である。図7(c)は、図7(b)のy=0での断面図である。図4(b)に対して、低周波エラー401が正しく補正されている。

0067

図8(a)は、S323で抽出した高周波エラーの領域である。この領域は、図4(e)の高周波エラーの領域に対応している。領域抽出用のローパスフィルタ演算処理のNAは0.5、ローパスフィルタを用いて得た画像と比較して差分が閾値3/4πを超える領域を高周波エラー領域とした。図8(b)は、S324で図8(a)を拡大した領域である。ここでは3画素分拡大した。図8(c)はS325で拡大した領域の位相分布を平面補間により求めた位相分布である。図8(d)は図8(c)のy=0での断面図である。図7(c)に対して、高周波エラーが正しく補正されている。

0068

この様にして求めた位相分布を、S331にてスペクトルに変換し、S332で3次元化する。物体光の角度(θ,φ)=(50,3),(50,3),・・・,(50,357)に対しても同様の処理を行い、S333にて3次元逆フーリエ変換で屈折率分布を算出する。2次元の計算では画素数は1024×1024としたが、メモリ制約上3次元スペクトルの領域の画素数は256×256×256とした。その結果、実空間での画素サイズは、0.0534μmから4倍の0.214μmに拡大されている。

0069

図9(a)が実施例1で得られた3次元屈折率分布のy=0でのxz断面である。なお光軸はz軸である。図9(b)は図9(a)のz=0での断面図であり、図9(c)は図9(a)のx=0での断面図である。図9(d)は、比較のために本発明の技術を用いずに特許文献1の技術で求めた3次元屈折率分布のy=0でのxz断面である。図9(e)は図7(d)のz=0での断面図であり、図9(f)は図9(d)のx=0での断面図である。図9(a)と図9(d)を比較すると、本発明の技術を用いて得られた再生像である図9(a)の方が、球の形状をより忠実に再現している。また図9(f)で発生している振動成分が、本発明を用いて得られた再生像である図9(c)では低減されている。

0070

本実施例によれば、アンラッピングエラーが低減され、大きな回折を発生させる微細構造を持つ試料に対しても忠実性の高い3次元再生像が得られる。

0071

実施例2では、高周波エラーがある領域を微分法で求める。試料および計算条件は実施例1と同じである。実施例2の説明において、実施例1と同じ内容については、説明を省略する。図10(a)は式(2)による微分法を用いて求めた、高周波エラーの領域である。図10(b)は、S324で図10(a)を拡大した領域である。図10(c)は拡大した領域の位相分布を平面補間により求めた位相分布である。図10(d)は図10(c)のy=0での断面図である。図7(c)に対して、高周波エラーが正しく補正されている。

0072

以下、実施例1と同様に、アンラッピングエラーで発生した乱れが補正された再生像を求める。図11(a)が得られた3次元屈折率分布のy=0でのxz断面である。図11(b)は図11(a)のz=0での断面図であり、図11(c)は図11(a)のx=0での断面図である。図11(a)と図9(d)を比較すると、本発明の技術を用いて得られた再生像である図11(a)の方が、球の形状をより忠実に再現している。また、図9(f)で発生している振動成分が、本発明を用いて得られた再生像である図11(c)では低減されている。

0073

本実施例によれば、アンラッピングエラーが低減され、大きな回折を発生させる微細な構造を持つ試料に対しても忠実性の高い3次元再生像が得られる。

実施例

0074

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、高周波エラーを補正する際に補正対象とする周波数(または傾き)を低周波エラーを含むように調節すれば、高周波エラーのみならず低周波エラーも取り除くことができる。この場合は、ステップS321,S322は不要となる。

0075

105…試料、108…撮像素子、111…物体光、112…参照光、130…データ処理装置(データ処理手段)、421…低周波エラー、422…高周波エラー、λ1…第1波長、λ2…第2波長

ページトップへ

この技術を出願した法人

この技術を発明した人物

ページトップへ

関連する挑戦したい社会課題

関連する公募課題

ページトップへ

技術視点だけで見ていませんか?

この技術の活用可能性がある分野

分野別動向を把握したい方- 事業化視点で見る -

(分野番号表示ON)※整理標準化データをもとに当社作成

ページトップへ

おススメ サービス

おススメ astavisionコンテンツ

新着 最近 公開された関連が強い技術

この 技術と関連性が強い人物

関連性が強い人物一覧

この 技術と関連する社会課題

関連する挑戦したい社会課題一覧

この 技術と関連する公募課題

関連する公募課題一覧

astavision 新着記事

サイト情報について

本サービスは、国が公開している情報(公開特許公報、特許整理標準化データ等)を元に構成されています。出典元のデータには一部間違いやノイズがあり、情報の正確さについては保証致しかねます。また一時的に、各データの収録範囲や更新周期によって、一部の情報が正しく表示されないことがございます。当サイトの情報を元にした諸問題、不利益等について当方は何ら責任を負いかねることを予めご承知おきのほど宜しくお願い申し上げます。

主たる情報の出典

特許情報…特許整理標準化データ(XML編)、公開特許公報、特許公報、審決公報、Patent Map Guidance System データ