Apparatus for exact reconstruction of object wave in off-axis digital holography |
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申请号 | JP2012016770 | 申请日 | 2012-01-30 | 公开(公告)号 | JP2013054336A | 公开(公告)日 | 2013-03-21 |
申请人 | Mitsutoyo Corp; 株式会社ミツトヨ; | 发明人 | JU KI-NAM; | ||||
摘要 | PROBLEM TO BE SOLVED: To prepare a digital hologram representing an image of an object.SOLUTION: A method for preparing a digital hologram representing an image of an object comprises the steps of: irradiating an object by a measurement beam and guiding the reflected measurement beam to an optical sensor; guiding a first reference beam to a first mirror disposed at an angle other than 90° to an optical axis of the first reference beam and guiding the reflected beam to the optical sensor; obtaining a digital signal representing interference fringes generated on the optical sensor; processing the digital signal to obtain a digital hologram; subjecting the digital hologram to Fourier transform to obtain a spectrum comprising a DC-term, a first image term, and a first conjugate image term; filtering the spectrum; guiding a second reference beam to the first mirror and guiding the reflected beam to the optical sensor; leading to a second image term and a conjugate of the second image term in the spectrum in the spatial frequency domain; and replacing a section of the first image term overlapping with the DC-term, by a corresponding section of the second image term. | ||||||
权利要求 | 対像物の像を表すデジタルホログラムを作成するための方法であって、 コヒーレント測定光線及び第1コヒーレント参照光線を生成する工程と、 前記測定光線により前記対像物を照射し、前記対像物によって反射された前記測定光線を光センサーに誘導する工程と、 第1参照光線の光軸に対して90°以外の角度で配置された第1ミラーに前記第1参照光線を誘導し、前記第1ミラーによって反射された前記第1参照光線を前記光センサーに誘導し、前記測定光線と前記第1参照光線とで前記光センサー上に干渉縞を生成させる工程と、 前記光センサーを読み取り、前記光センサー上に生成された前記干渉項を表すデジタル信号を得る工程と、 デジタルホログラムを得るために前記デジタル信号を処理する工程と、 前記デジタルホログラムを空間周波数領域に変換するフーリエ変換を行い、DC項、第1像項、及び第1共役像項を含む二次元スペクトルを得る工程と、 結果として生じたスペクトルに濾波を行い、前記対像物を表す項を得る工程と、 前記第1参照光線との干渉を避けるように調整した第2コヒーレント参照光線を生成する工程と、 前記第2参照光線を第1ミラーに誘導するとともに前記第1ミラーによって反射された前記光線を光センサーに誘導する工程であって、ただしこのとき、前記第2参照光線の光源から前記光センサーまでの経路が前記第1参照光線の経路と異なる長さを有する工程と、 空間周波数領域へのフーリエ変換で得られた二次元スペクトルにおいて第2像項及び該第2像項の共役を導出する工程と、 前記DC項に重複する前記第1像項の部分を前記第2像項の対応する部分によって置き換える工程と、を含む ことを特徴とする方法。 請求項1に記載の方法において、 前記DC項に重複する前記第1像項の前記部分を前記第2像項の前記対応する部分によって置き換える工程が、 前記像の前記デジタル表現に空間周波数領域へのフーリエ変換を行う工程と、 2つの物体波の成分が残るように前記像の結果として生じた空間周波数スペクトルに空間周波数濾波を行う工程と、 前記2つの物体波の成分に逆フーリエ変換を行う工程と、 前記物体波の成分に前記2つの参照光線を適用する工程と、 結果として生じた前記像を表す成分にフーリエ変換を行う工程と、 前記第1像の重複スペクトル部分を前記第2像の対応する部分によって置き換える工程と、 前記第1像のスペクトル領域に逆フーリエ変換を行う工程と、によって行われる ことを特徴とする方法。 請求項1または請求項2に記載の方法において、 前記第1参照光線及び前記第2参照光線が互いに垂直に偏光されている ことを特徴とする方法。 請求項3に記載の方法において、 前記第1及び第2の参照光線が同一の光源によって生成され、互いに垂直な偏光器によって処理される ことを特徴とする方法。 請求項1から請求項4のいずれかに記載の方法において、 前記第2参照光線が、該第2参照光線の軸に垂直に配置された第2ミラーを介して誘導される ことを特徴とする方法。 請求項1から請求項5のいずれかに記載の方法において、 前記第1像項の実数部分の絶対値が前記第1像項の虚数部分の絶対値に等しい ことを特徴とする方法。 請求項1から請求項6のいずれかに記載の方法によって得られるデジタルホログラムによって表される対像物の像を復元するための方法であって、前記デジタルホログラムに対して参照波としての平面波のデジタル表現処理が行われ、前記復元がデジタル式に実行される方法。 請求項7に記載の方法において、 前記対像物を表す像をデジタル式に処理して、デジタル高さマップを得る ことを特徴とする方法。 請求項1から請求項8のいずれかに記載の方法において、 前記方法はトモグラフィーに適用され、 前記測定光線は少なくとも部分的に前記対像物を貫通し、該対像物内で散乱光線を生成するように調整されており、 該散乱光線は第1及び第2の測定光線の両方と結合され、前記光センサー上に干渉縞を形成する ことを特徴とする方法。 請求項1から請求項9のいずれかに記載の方法において、 前記測定光線並びに前記第1及び第2の参照光線が前記対象物上で合焦し、前記DC項に重複する前記第1像項の前記部分を前記第2像項の前記対応する部分によって置き換える工程中に前記像の成分に2つの参照波を適用することが省略される ことを特徴とする方法。 対像物を表すデジタルホログラムを作成するための装置であって、 コヒーレント測定光線及び第1コヒーレント参照光線を生成するように構成された光源と、 光センサーと、 それの光軸に対してπ/2以外の角度で配置された第1ミラーと、 対像物を保持する保持器と、 前記光センサーに接続されており、前記光センサーを読み取り、前記光センサー上に投影された干渉縞を表すデジタル信号を与えるための読み取りおよび読み取ったデータを使ってその後の演算を行う手段と、 前記測定光線を前記光源から前記保持器に保持された前記対像物に誘導し、前記対像物によって反射された前記測定光線を前記光センサーに誘導し、前記第1参照光線を前記光源から前記第1ミラーに誘導し、前記第1ミラーによって反射された前記第1参照光線を前記光センサーに誘導し、それによって前記光学センサーに干渉縞を生成するように構成された光学誘導部と、を備え、 前記読み取りおよび読み取ったデータを使ってその後の演算を行う手段は、 前記デジタル信号を処理してデジタルホログラムを得る工程と、 前記デジタルホログラムを空間周波数領域に変換するフーリエ変換を行って、DC項、第1像項、及び第1共役像項を含む二次元スペクトルを得る工程と、 空間周波数領域におけるフーリエ変換の二次元スペクトルにおいて第2像項及び該第2像項の共役を導出する工程と、 結果として生じたスペクトルに濾波を行って前記対像物を表す項を得る工程と、を実行するように構成されており、 前記光源は、前記第1参照光線との干渉を避けるように調整された第2コヒーレント参照光線を生成するように構成されており、 前記光学誘導部は、前記第2参照光線を前記第1ミラーに誘導し、該第1ミラーによって反射された前記光線を前記光センサーに誘導するように構成されており、 前記光源から前記センサーへの前記第2参照光線の経路は前記第1参照光線の経路の長さとは異なる長さを有し、 前記読み取りおよび読み取ったデータを使ってその後の演算を行う手段は、前記DC項に重複する前記第1像項の部分を前記第2像項の対応する部分によって置き換えるように構成されている ことを特徴とする装置。 請求項11に記載の装置において、 前記読み取りおよび読み取ったデータを使ってその後の演算を行う手段は、 前記像を前記デジタル表現したものに空間周波数領域へのフーリエ変換を行う工程と、 2つの物体波を表すものが残るように、結果として生じる前記像の空間スペクトルに空間周波数濾波を行う工程と、 前記2つの物体波を表すものに逆フーリエ変換を行う工程と、 前記物体波を表すものに前記参照光線を適用する工程と、 結果として生じた前記像を表すものにフーリエ変換を行う工程と、 前記第1像の重複スペクトル部分を前記第2像の対応する部分によって置き換える工程と、 前記第1像のスペクトル領域に逆フーリエ変換を行う工程と、によって前記DC項に重複する前記第1像項の部分を前記第2像項の前記対応する部分によって置き換えるように構成されている ことを特徴とする装置。 請求項11または請求項12に記載の装置において、 前記光学誘導部が、前記第1参照光線の経路上に第1偏光器、前記第2参照光線の経路上に第2偏光器を備え、 前記第1及び第2偏光器は互いに90度回転した配置関係である ことを特徴とする装置。 請求項11から請求項13のいずれかに記載の装置において、 前記第2参照光線の軸に垂直に配置された第2ミラーをさらに備え、 前記光学誘導部が前記第2ミラーを介して前記第2参照光線を誘導するように構成されている ことを特徴とする装置。 請求項11から請求項14のいずれかに記載の装置において、 前記光学誘導部が第1光軸及び第2光軸を有するビームスプリッターを備え、 前記光源が前記第1光軸上に配置され、 前記参照ミラーは前記第1光軸上の前記光源と反対側に配置され、 前記光センサーは前記第2光軸上に配置され、 前記保持器は前記対像物を前記光センサーと反対側の第2光軸上に配置するように構成されている ことを特徴とする装置。 |
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说明书全文 | 本発明は、リアルタイム三次元測定のため、デジタルホログラフィック顕微鏡によるデジタルホログラフィーを使用した振幅及び定量的位相のイメージング(画像化)に関する。 デジタルホログラフィーは通常の撮像技術とは異なり、振幅画像だけではなく位相画像を記録するために効果的な手段である。 これらの長所により、最近では、デジタルホログラフィーは工業及び科学分野、特に、生細胞の振幅及び位相像がリアルタイムで観測されることが望まれる生物医学の分野で広く使われている。 工業製品の製造において、デジタルホログラフィーは表面形状測定的(トポグラフィカル)及び断層撮影法的な製品のリアルタイム検査により製品の処理量を大幅に向上させることができる。 デジタルホログラフィーの原理は2段階の処理、すなわち記録及び復元に基づいた従来のホログラフィー(立体写真術)に基づいている。 記録処理において、被測定物からの散乱波は参照波と干渉し、その干渉縞が感光性の媒体に記録される。 すなわち、「ホログラム」を生成する。 記録処理の後、対像物像の復元は対像物が無い状態でホログラムを同一の参照波で照らすことによって行われる。 これと同様に、デジタルホログラフィーは従来のホログラフィーと同様な手順を含むが、記録媒体としてビデオカメラ又は光センサーを使用する。 さらに、デジタルホログラムは数値計算的像復元を可能にし、そこにおいて物理的復元波が仮想的にシミュレーションされ、物体波は数値計算的な波の伝搬によって回復可能となる。 デジタルホログラフィー(DH:Digital Holography)は光学的な構成、すなわち参照波と測定波との間の配置関係に基づいてオフアクシスDH(off-axis DH)とインラインDH(in-line DH)とに分類される。 DC項(零次回折)及び二重像項(物体波の共役)が物体波項と重なるのを避けるために、オフアクシスDHは、参照波と測定波との間の傾き角の差を利用した空間変調及び空間濾波技術を使用する。 オフアクシスDHによれば、インラインDHで必要になるようなDC項や共役項の影響を排除するための労力を要することなく、ホログラムから標本の振幅画像及び位相画像を復元することができる。 一方、インラインDHは通常、位相シフト等の他の技術を採用して、ホログラムから物体波のみを抽出する。 インラインDHの基本的特質として、像の明瞭な復元を可能にする一方、リアルタイム測定能力等の本来的にホログラフィック顕微鏡の主な利点であるべき長所において劣っている。 最近では、この制限を克服するために、空間位相シフト装置に基づいた平行光路長シフティングDH(parallel optical-path-length-shifting DH)がリアルタイム測定法として提案されている。 工業及び科学分野によって最も広く使用されているオフアクシスDHにおいて、図1に示されているように、参照ミラーの傾きによって生ずる像の空間変調がデジタルホログラムに導入されており、それは空間周波数領域における物体波を抽出するための濾波処理に使用される。 光源1は第1参照光線10を放射する。 インラインデジタルホログラフィーや位相シフトデジタルホログラフィー等の他の構成と比較したときのオフアクシス構成の主要な長所は単一のホログラムにより物体波を取得する能力である。 干渉項の空間周波数は像の中心に対して対称に位置する。 より具体的には、従来技術は、対像物の像を表すデジタルホログラムを作成するための方法であって、 オフアクシスDHにおいて最も重要な手順は、物体波以外の不要なDC項(零次)及び二重像項(共役波)等を排除して、デジタルホログラムから高品質の物体波を得るための空間濾波処理である。 TM KreisはホログラムからDC項を抑制するための簡易な方法を開示している(TM Kreis及びWPP Juptner、「Suppression of the dc term in digital holography」Opt. Eng. 36、2357-2360、1997)。 E. Cucheは帯域通過フィルターの形式で使用される空間濾波として知られている改善した手法を提案している(E. Cucheら、「Spatial filtering for zero-order and twin-image elimination in digital off-axis holography」Appl. Opt. 39 (23)、4070-4075、2000)。 Cucheらの米国特許第6262818号は2つの方法で空間濾波方法を導入している。 Kimらの米国特許第6809845号は付加的な像を使用した効果的な濾波を達成するためのもう1つの方法を開示している。 最近では、非線形復元技術が導入されている(N. Pavillonら「Suppression of the zero-order term in off-axis digital holography through nonlinear filtering」Appl. Opt. 48 (34)、H186-H195、2009)。 一方、反復的な手順による波面復元中に得られる情報を利用することによる零次項の抑制が開示されている(N. Pavillonら「Iterative method for zero-order suppression in off-axis digital holography」Opt. Express 18 (15)、15318-15331、2010)。 TM Kreis and WPP Juptner, " Suppression of the dc term in digital holography, " Opt. Eng. 36, 2357-2360, 1997 E. Cuche et al., " Spatial filtering for zero-order and twin-image elimination in digital off-axis holography, " Appl. Opt. 39 (23), 4070-4075, 2000. N. Pavillon et al., " Suppression of the zero-order term in off-axis digital holography through nonlinear filtering, " Appl. Opt. 48 (34), H186-H195, 2009. N. Pavillon et al., " Iterative method for zero-order suppression in off-axis digital holography, " Opt. Express 18 (15), 15318-15331, 2010 本発明の目的は、物体波の復元を可能にする方法及び装置を提供することにあり、このとき、ホログラムのフーリエ変換によって得られる二次元スペクトルにおけるDC項が第1像項に重なることによって生じるアーティファクトをDC項に重なっていない物体波を示す対応部分によって置き換える。 上記目的は上述のものと同様な方法であって、 本方法は、DC項を示す部分と重なる物体波を示す部分を、DC項と重ならない物体波を示す対応部分によって置き換えることにより、従来技術の欠点を回避する。 上述の方法に加え、本発明はまた、 第1の好ましい実施形態は上述のものと同様な方法であって、 項を置き換えるための他の方法を排除するものではないが、上述の好ましい方法はこの置き換えを実行するための効率的な方法を提供する。 同様な考察は上述したものと同様な装置にも当てはまり、この場合、読み取りおよび読み取ったデータを使ってその後の演算を行う手段は上述した工程によってDC項に重なる第1像項の部分を第2像項の対応する部分によって置き換えるように構成される。 他の実施方法を排除するものではないが、好ましくは、本実施形態は第1及び第2の参照光線が同一の光源によって生成され、両方の参照光線が互いに垂直な偏光器によって処理される方法によって実施される。 同様な長所は、光学誘導部が、第1参照光線の経路上の第1偏光器と、第2参照光線の経路上の第2偏光器と、を備え、前記第1及び第2偏光器が互いに90度回転した配置関係にある装置によって達成される。 好ましい実施形態において、この異なる特性は第2参照光線の軸に垂直に配置された第2ミラーを介して第2参照光線を誘導することによって達成される。 本発明は、第1像項に重なってくるDC項の部分をDC項に重複していない第2像項の対応する部分によって置き換えるための良好な解決を与えるが、この置き換え前の重複部分は置き換えられるために十分に小さくなければならない。 魅力的な構造の実施において、光学誘導部は第1光軸及び第2光軸を有するビームスプリッターを備え、光源は前記第1光軸上に配置され、参照ミラーは、光源と反対側の第1光軸上に配置され、光センサーは前記第2光軸上に配置され、保持器は対像物を光センサーと反対側の第2光軸上に配置するように構成されている。 上述のクレームはホログラムの作成に関する。 もう1つの好ましい実施形態は、デジタル高さマップを得るために対像物を表す像がデジタル処理される方法を提供する。 本方法は対像物の表層から情報を収集することを可能にする。 本発明の上述及び他の目的、特徴、及び長所は以下の詳細な説明及び付随する図面からより完全に理解されるだろう。 付随する図面は図解のためだけに示されたものであり、本発明を制限するためのものではない。 図1はオフアクシスDHデジタルホログラフィーの典型的な従来技術の構成を示している。 ここで、R *及びO *は両波の複素共役を示している。 ホログラムを記録した後、復元された波(Ψ)は、以下に示されるように、ホログラムを復元波Uで照らすことによって得られる。 式(2)の最初の2つの項はDC項とも呼ばれる回折の零次を形成する。 ホログラムを参照波と同じ波(U=R)で照らして復元を行った場合、式(2)の第3項は物体波に参照強度を掛けたもの(|R| 2 O)と同じものになる。 物体波の復元のためには、式(2)に示される元のホログラムから第3項だけが抽出されなければならない。 図2は典型的なオフアクシスDHの復元手順を示している。 本発明は、オフアクシスDHにおいて正確な物体波を抽出するための新規で効果的な空間濾波技術を提供する。 この結果、各参照波は物体波に対するそれぞれの干渉縞を生成することができる。 図3は図1の構成と実質的に同様であるが、第1対物レンズ4と参照ミラー5の間に第2ビームスプリッター15が配置されている構成を示している。 さらに、第2ビームスプリッター15に光学的に接続されている第2参照ミラー16が備えられている。 図4は、参照光線間の相互干渉を避けるために他の特徴を利用している実施形態の構成を図示している。 結果として、この方法の2つのホログラムを含む像(I 2H )は以下のように表すことができる。 式(2)と同様に、式(3)の最初の4つの項は空間周波数領域における零次回折(すなわちDC項)を意味する。 しかしながら、本発明では、像が同一の物体波を記録する2つのホログラムを含むので、第1ホログラムにおけるDC項と物体波の間の重複領域は第2ホログラムにおける物体波の非重複領域によって置き換えることができる。 実際には、この処理は、(各参照波と同じである)各復元波を帯域通過濾波された各物体波に乗算した後に実行することができる。 最悪の場合でも、この方法は他の方法に比べ重複誤差を減らすことができる。 この新規の濾波方法を使用してホログラム面にて正確な物体波を取得した後、この波を、スカラー回折理論に基づく数値計算的にホログラム面から対物面に伝搬させて戻す。 ここで、λは波長であり、dはホログラム面と対像物平面の間の距離である。 図6は本発明において2つの参照波を用いて正確な物体波を復元するための全手順を示している。 典型的なオフアクシスDHでは、干渉に単一の参照波のみを使用し、図8Aに示されているようなデジタルホログラムがホログラム面上に得られた。 ホログラムから物体波を抽出するために、物体波を含む四半分には帯域通過濾波だけを行い、空間変調周波数を除去するため、参照波と同一である復元波を濾波される項に適用した。 物体波を濾波した後、最後の工程は式(4)を使用して物体波を数値計算的に伝搬させることである。 一方、本発明の新規のオフアクシスDHによって得られた像は2つのホログラムを含んでおり、それは図11Aに示すように、異なる空間変調による2つの識別可能な干渉を意味する。 空間周波数領域に、2つの物体波項(R 1 * O及びR 2 * O)及びそれらの共役(R 1 O *及びR 2 O * )項が現れる。 図13は、本発明の新規の技術によって抽出した物体波を使った数値解析によって復元した2D強度画像及び3D高さマップを示している。 最後に、図14は本発明の特徴をトモグラフィーに適用した状態を図示している。 このような状況におけるトモグラフィーにおいて、対像物の表層に関する物理的情報が得られる。 本発明においては、ある程度の深さまでしか浸透せず、表層内で散乱されるような特性を有する光が利用される。 本発明の上述された手順は、コンピュータ可読プログラムを実行するCPU、ROM、及びRAMを有するコンピュータによって実行することができる。 プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。 非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体を含む。 非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体(例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ)、光磁気記録媒体(例えば光磁気ディスク)、CD−ROM(Read Only Memory)、CD−R、CD−R/W、半導体メモリ(例えば、マスクROM、PROM(Programmable ROM)、EPROM(Erasable PROM)、フラッシュROM、RAM(Random Access Memory))を含む。 また、プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体によってコンピュータに供給されてもよい。 一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。 一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。 上述された本発明から、本発明の実施形態が多様な様式で変更可能であることは明白であるだろう。 そのような変形は本発明の範囲から逸脱する見なされるものではない。 すなわち、当業者に明白なそのような変更は以下の請求の範囲に含まれるものである。 本願は2011年9月2日に出願された欧州特許出願第11179946.6号に基づき、その優先権を主張し、その開示内容は全て本願に参照として取り込まれる。 |