JP6091315B2

JP6091315B2 - ホログラフィック反射撮像装置および方法

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Publication number: JP6091315B2
Application number: JP2013091388A
Authority: JP
Inventors: ルーラント・ハイス; リヒャルト・スタール; ヘールト・ファンメールベーク; ペーテル・プーマンス
Original assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Current assignee: Interuniversitair Microelektronica Centrum vzw IMEC
Priority date: 2012-04-24
Filing date: 2013-04-24
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2033-04-24
Also published as: EP2657793B1; JP2013228736A; US9256204B2; US20130278982A1; EP2657793A1

Description

本発明は、ホログラフィック撮像の分野に関し、詳細には、例えば、生体組織の観察および分析のためのデジタル・ホログラフィック顕微鏡の分野に関する。

ホログラフィは、６０年以上前に物理学者ガーボル・デーネシュ(Dennis Gabor)によって発明され、物体から散乱した光を記録し、後で再構築できるテクニックである。デジタル・ホログラフィは、回折パターンのデジタル再構築を使用する。

デジタル・ホログラフィック顕微鏡において、参照波と、対象物と相互作用した物体波との干渉によって得られた回折パターンが検出でき、デジタルレコーディング形式で保存される。再構築アルゴリズムをこうして記録した回折パターンに適用することによって、対象物の像または像特徴(image signature)が得られる。小型アパーチャによってコリメートされたコヒーレント光または部分コヒーレント光が物体を照射するために用いられ、回折パターンを生成する。この回折パターンは、高分解能の光電子センサアレイによって取得できる。こうしたレンズフリーのホログラフィック顕微鏡の構成は、回折像の中に符号化された位相情報を持つ物体のホログラムを生成できる。レンズフリーのホログラフィック撮像が、小型の物体、例えば、生体細胞などの顕微鏡対象物を撮像するための魅力的で低コストの手法を提供できる。高価または複雑な光学コンポーネント、例えば、高品質な光学レンズが必要とされないためである。

先行技術で知られている生物用途のホログラフィック撮像方法は、主としてインライン透過配置をベースとしており、光源からのコヒーレント光が、サンプル（ガラス基板上に位置決めできる）を照射し、回折パターンまたはフリンジパターンが、光源に関してサンプルの反対側に位置決めされた撮像素子に記録される。

図１は、例示のホログラフィ構成を示し、先行技術として知られており、透明物体のホログラフィック像を生成するものである。この構成は、光源１０２と、アパーチャ１０５、例えば、ピンホールと、物体１０４を支持するための透明表面１０６、例えば、ガラス基板と、画像センサ１０１とを備える。アパーチャ１０５は、光源１０２から放射する光波１０７をコリメートして、アパーチャ１０５と物体１０４との間の適切な距離に渡って妨害されずに伝搬した後、物体１０４の近傍でほぼ平面状で平行なコヒーレントまたは部分コヒーレント光波を生成する。光波は、物体１０４と相互作用でき、例えば、物体１０４を通過する際に屈折率の変化に起因した位相シフトを受ける。物体１０４と相互作用した物体波成分と、物体１０４と相互作用せずに透明表面１０６を通過した参照波成分との干渉によって形成された回折パターンは、画像センサ１０１によって記録できる。

論文（Su et al., 発行元Lab Chip, 2009, 9, 777-787）には、レンズフリーのホログラフィック・サイトメータ(cytometer)が開示されている。この論文は、豊富なテクスチャ情報を提供することによって、再構築像の改善をもたらす撮像および再構築方法を記載している。このシステムはさらに、ＣＭＯＳ撮像チップ上に位置決めされた細胞の評価および計数のために用いられる。従って、この論文は、チップ上の非均質セル液の同定及び／又は評価が、各細胞タイプのホログラフィック回折パターンのパターン認識をベースとして実行可能であることを論証している。

しかしながら、インライン透過配置を用いたホログラフィック撮像は、不透明サンプルを撮像するのに適していないであろう。さらに、高密度または連結した物体、例えば、生物組織サンプルなどが、参照波成分を形成するためにサンプルを通る波の適切な割合の無歪み伝送を阻むであろう。従って、こうした不透明または高密度サンプルを撮像する場合、適切な物体波成分が、サンプルを通過する代わりにサンプル表面での反射によって優先的に得られる。

小さな物体について高い分解能を達成する必要がある場合、反射モード構成は複雑な構成を必要とするであろう。図２は、レンズレスホログラフィをベースとした可搬型の反射／透過顕微鏡の動作原理を示すもので、これは論文（Lee et al., 発行元Biomedical Optics Express, 2011, 2(9), 2721-2730）に開示されている。この構成は、マイケルソン干渉計と類似しており、光源１０２と、画像センサ１０１、例えば、ＣＭＯＳセンサチップと、反射表面１０３と、ビーム分割素子１０８とを備える。それは、デジタル・オフアクシス(off-axis)ホログラフィをベースとしたレンズレス反射モード顕微鏡を示しており、ビームスプリッタ１０８および反射表面１０３が、物体１０４からの反射光との重ね合わせによって干渉パターンを作成するための傾斜した参照波を生成するために用いられる。従って、物体１０４のオフアクシスホログラムが画像センサ１０１の上に生成される。ビームスプリッタ１０８は、ホログラムを生成するために、反射ビームと物体からの反射光との干渉のための装置の本質的な特徴である。

本発明の実施形態の目的は、ホログラフィック像を生成するための良好な手段および方法を提供することである。

上記目的は、本発明に係る方法および装置によって達成される。

第１態様において、本発明は、調査対象物体を撮像するためのホログラフィック撮像装置を提供する。該装置は、
調査対象物体と接触する接触面および放射波を部分反射するための撮像面を有する部分反射表面と、
前記放射波を部分反射表面の前記撮像面に投射するための少なくとも１つの放射源と、
前記部分反射表面で反射した場合に前記放射波を受けるように配置された画像センサとを備え、
前記画像センサは、部分反射表面の撮像面で反射した前記放射波と、部分反射表面の前記接触面と接触した場合に調査対象物体で反射した放射波との間の干渉パターンを決定するように構成される。

本発明の実施形態の利点は、簡素でコンパクトな光学構成が、不透明な、例えば反射性の物体のホログラフィック撮像のために提供される。

本発明の実施形態の利点は、観察物体に接近して配置できるとともに、物体によって回折した光の大部分を捕捉できる撮像装置が提供される。

本発明の実施形態において、画像センサおよび部分反射表面は、ほぼ平行に配置できる。

本発明の実施形態に係る装置が、前記画像センサの上に配置された第１表面、および前記部分反射表面である第２表面を有する、透過材料からなるスラブ(slab)をさらに備える。第１表面および第２表面は、ほぼ平行な表面であってもよい。

本発明の実施形態に係る装置において、放射源は、画像センサと部分反射表面との間に設置してもよい。

本発明の実施形態に係る装置において、放射源は、画像センサの上に設置してもよい。

本発明の実施形態において、画像センサは、前記放射波に空間コヒーレンスを付与するために、放射源と光学的に結合した少なくとも１つのアパーチャを備えてもよい。少なくとも１つの放射源は、前記少なくとも１つのアパーチャの内側に設置してもよい。

本発明の実施形態に係る装置が、前記アパーチャを閉じるために、前記画像センサの上に配置されたＭＥＭＳベースの光バルブをさらに備えてもよい。

本発明の実施形態において、少なくとも１つの放射源は、前記放射波を部分反射表面に向けるためのＭＥＭＳデバイスを備えてもよい。

本発明の実施形態に係る装置が、前記画像センサの上に配置された第１表面、および前記部分反射表面である第２表面を有する半透明プリズムをさらに備えてもよい。第１表面および第２表面は、互いに０°または１８０°とは異なる角度で設置してもよく、例えば、互いにほぼ垂直に配置してもよい。この実施形態は、アパーチャまたは反射器の必要性がないため、容易で低コストの構成を可能にする。

本発明の実施形態に係る装置において、少なくとも１つの放射源は、光導波路、発光ダイオード、及び／又はレーザを備えてもよい。

本発明の実施形態に係る装置が、物体からの複数の画像を記録するために、調査対象物体及び／又は前記少なくとも１つの放射源に対して、画像センサを移動させるための駆動手段をさらに備えてもよい。

本発明の実施形態に係る装置において、画像センサは、マルチスペクトルまたはハイパースペクトルの画像センサを備えてもよい。

本発明の実施形態において、少なくとも１つの放射源は、異なる波長の光を放出するための複数の光源を備えてもよい。

第２態様において、本発明は、調査対象物体を撮像するための方法を提供する。該方法は、
調査対象物体を部分反射表面に接触させることと、
少なくとも部分的にコヒーレントな放射波を部分反射表面に入射させることと、
放射波を部分反射表面から部分反射させ、放射波を部分反射表面を通して部分透過させることと、
部分反射表面を通過した放射波を調査対象物体から反射させることと、
部分反射表面で反射した放射波と調査対象物体で反射した放射波との間の干渉パターンを決定することとを含む。

本発明の実施形態に係る方法が、前記干渉パターンを考慮して、調査対象物体の画像表現を再構築することをさらに含む。

本発明の特定かつ好ましい態様が、添付した独立および従属の請求項に記述されている。従属請求項からの特徴は、独立請求項の特徴および他の従属請求項と適切に組み合わせてもよく、請求項に明記されたものだけに限らない。本発明のこれらおよび他の態様が、以下に記載した実施形態を参照して明らかになり解明されるであろう。

透明物体のホログラフィック画像を生成するための先行技術の装置を示す。不透明物体のホログラフィック画像を生成するための先行技術の装置を示す。本発明の第１態様の第１実施形態に係るホログラフィック撮像装置を示す。本発明の第１態様の第２実施形態に係るホログラフィック撮像装置を示す。本発明の第１態様の第３実施形態に係るホログラフィック撮像装置を示す。本発明の第１態様の第４実施形態に係るホログラフィック撮像装置を示す。本発明の第１態様の第５実施形態に係るホログラフィック撮像装置を示す。本発明の第１態様の第６実施形態に係るホログラフィック撮像装置を示す。本発明の第２態様の実施形態に係る例示の方法を示す。

図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。請求項での参照符号は、範囲を限定するものとして解釈すべきでない。異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を参照している。

本発明は、特定の実施形態に関して一定の図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されず、請求項によってのみ限定される。記載した図面は、概略的かつ非限定的なものである。図面において、幾つかの要素のサイズは、説明目的のために誇張したり、縮尺どおり描写していないことがある。寸法および相対寸法は、本発明の実際の具体化に対応していない。

さらに、説明および請求項での用語「第１」、「第２」などは、類似の要素を区別するために使用しており、必ずしも時間的、空間的、ランキングまたは他の方法での順番を記述するためではない。ここで使用した用語は、適切な状況下で交換可能であり、ここで説明した本発明の実施形態は、ここで説明したり図示したものとは別の順番で動作可能であると理解すべきである。

さらに、説明および請求項での用語「上(top)」、「下に(under)」等は、説明目的で使用しており、必ずしも相対的な位置を記述するためのものでない。こうして用いた用語は、適切な状況下で交換可能であって、ここで説明した本発明の実施形態がここで説明または図示した以外の他の向きで動作可能であると理解すべきである。

用語「備える、含む(comprising)」は、それ以降に列挙された手段に限定されるものと解釈すべきでなく、他の要素またはステップを除外していないことに留意する。記述した特徴、整数、ステップまたは構成要素の存在を、参照したように特定するように解釈する必要があるが、１つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップまたは構成要素、あるいはこれらのグループの存在または追加を除外していない。こうして表現「手段Ａ，Ｂを備えるデバイス」の範囲は、構成要素Ａ，Ｂのみから成るデバイスに限定すべきでない。本発明に関して、デバイスの関連する構成要素のみがＡ，Ｂであることを意味する。

本明細書を通じて「一実施形態」または「実施形態」への参照は、実施形態との関連で記載した特定の特徴、構造または特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書を通じていろいろな場所での「一実施形態」または「実施形態」の語句の出現は、必ずしも全て同じ実施形態を参照していないが、そうこともある。さらに、１つ又はそれ以上の実施形態において、本発明から当業者にとって明らかなように、特定の特徴、構造または特性は、いずれか適切な方法で組み合わせてもよい。

同様に、本発明の例示の実施形態の説明において、本開示を合理化し、本発明の１つ又はそれ以上の種々の態様の理解を支援する目的で、単一の実施形態、図面、または説明において、本発明のいろいろな特徴が一緒にグループ化していることがあると理解すべきである。しかしながら、この開示の方法は、請求項の発明が、各請求項で明示的に記載したものより多くの特徴を必要とするという意図を反映していると解釈すべきでない。むしろ下記の請求項が反映しているように、発明の態様は、単一の前述した実施形態の全ての特徴より少ない場合がある。こうして詳細な説明に追従する請求項は、この詳細な説明の中に明示的に組み込まれており、各請求項は、本発明の別々の実施形態として自立している。

さらに、ここで説明した幾つかの実施形態が、他の実施形態に含まれる幾つかの他でない特徴を含むとともに、当業者によって理解されるように、異なる実施形態の特徴の組合せが本発明の範囲内にあって、異なる実施形態を構成することを意味する。例えば、下記の請求項において、請求した実施形態の何れも、何れの組合せで使用可能である。

ここで提供した説明では、多数の具体的な詳細を説明している。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施してもよいことは理解されよう。別の例では、本説明の理解を曖昧にしないために、周知の方法、構造、および技法は詳細には示していない。

第１態様において、本発明は、調査対象物体を撮像するためのホログラフィック撮像装置に関する。このホログラフィック撮像装置は、部分反射表面を備え、これは調査対象物体と接触する接触面と、入射する放射波を部分反射するための撮像面とを有する。該装置は、放射波を部分反射表面のこの撮像面に向けるための放射源をさらに備える。ホログラフィック撮像装置は、部分反射表面および調査対象物体で反射した場合に放射波を受けるように配置された画像センサをさらに備える。画像センサは、一方では、部分反射表面の撮像面で反射した前記放射波と、他方では、部分反射表面の前記接触面と接触した場合に調査対象物体で反射した放射波との間の干渉パターンを決定するように構成される。

本発明の実施形態の利点は、単に物体と接触させることによって、物体を撮像するためにコンパクトな構成が提供できることであり、例えば、調査対象物体の最小限の操作を必要とする。

図３を参照して、本発明の第１態様に係る調査対象物体１０４を撮像するためのホログラフィック撮像装置１００の第１例示実施形態を示している。放射源で放出される波長に依存して、調査対象物体１０４は、微視的またはナノメータスケールの材料物体、例えば、５００μｍ未満（例えば、１００μｍ以下）、５０μｍ未満、５μｍ未満または５００ｎｍ未満の寸法のものでもよい。特定の実施形態では、物体は、放射源によって放出される波長の約半分より大きい寸法を有する。調査対象物体１０４は、複数の連結しまたは連結していない独立または相互関連した材料物体を含んでもよく、生物学的または非生物学的な性質のものでもよい。この物体は、不透明で、例えば、透過型撮像に適していなくてもよい。物体は、その周囲媒体、例えば、空気または溶液とは異なる屈折率特性を有し、例えば、そこに入射する光を少なくとも部分的に反射するようにしてもよい。本発明の実施形態において、物体１０４は、粒子、細胞または他の生物学的性質のサンプルを含んでもよい。代替として、物体１０４は、生物学的性質でなくてもよく、例えば、チップ、例えば、ＭＥＭＳ構造、例えば、ＭＥＭＳカンチレバーまたはマイクロ機械デバイスにおいて搭載または加工された構造でもよい。

装置１００は、画像センサ１０１を備える。この画像センサ１０１は、マルチスペクトルまたはハイパースペクトルの画像センサを備えてもよい。画像センサ１０１は、典型的には、複数の画素、例えば、放射センサ素子を備えてもよく、これはアレイ状、例えば、こうした画素のグリッド状に配列してもよい。例えば、画像センサ１０１は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ画像センサを備えてもよい。画像センサ１０１は、画像センサ１０１の撮像面に渡って受光された放射量分布のデジタル表現を提供するように構成してもよい。

装置１００は、少なくとも１つの放射源１０２、例えば、少なくとも１つの光源を備えてもよい。少なくとも１つの放射源１０２は、少なくとも部分的にコヒーレントな放射源、例えば、干渉パターンを得るのに充分な空間的および時間的コヒーレンスを有するコヒーレントまたは部分的にコヒーレントな放射源でもよい。特定の実施形態では、波の伝搬方向に対して垂直であって物体１０４と交差する面内での放射波のコヒーレンスエリアは、少なくとも撮像物体１０４と同様な寸法のものでもよく、好ましくは、その倍数、例えば１０倍大きく、より好ましくは１００倍大きくてもよい。さらに、放射源１０２から伝搬する放射波のコヒーレンス時間は、少なくとも、物体１０４で反射した波と物体１０４近傍の反射表面１０３で反射した波との間の光路長差に対応した位相差に関して干渉フリンジが形成できるように充分なものでもよい。

従って、放射源１０２は、コヒーレントまたは部分的にコヒーレントの光源、例えば、コヒーレントまたは部分的にコヒーレントの単色可視光源または狭帯域可視光、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）または励起誘導放射による光増幅装置（ＬＡＳＥＲ）を備えてもよい。光が可視光に関係するとともに、それは電磁スペクトルの不可視帯域を指すものでもよく、例えば、放射源１０２は、可視光、赤外光、マイクロウエーブまたは紫外光を供給してもよい。しかしながら、本発明の実施形態は、他の放射性質、例えば、電子顕微鏡で用いられるコヒーレント電子波、またはコヒーレントＸ線波などにも等しく関係する。放射源１０２は、特定の放射性質を能動的に発生するための手段、例えば、ＬＥＤまたはＬＡＳＥＲを備えてもよく、放射源１０２は、放射性質を受動的に供給して方向付けするための手段、例えば、光導波路を備えてもよい。放射源１０２は、複数の相互関連または独立した放射源、例えば、異なる波長の光を放出するための複数の光源をさらに備えてもよい。

装置１００は、部分反射表面１０３をさらに備える。特に、この部分反射表面１０３は、放射源１０２によって供給される放射量を反射するように構成できる。例えば、可視光の場合、部分反射表面１０３は、半透明ミラー、例えば、ペリクル(pellicle)ミラーを備えたものでもよい。他の放射量では、部分反射表面１０３は、該タイプの放射を反射するための類似の手段を備えてもよい。

本発明の実施形態において、部分反射表面１０３は、画像センサ１０１に対して、例えば、通常の製造誤差内でほぼ平行に配置できる。部分反射表面１０３はさらに、調査対象物体１０４と接触するための接触面１３１と、放射波１０７を部分反射させるための撮像面１３２とを有する。

部分反射表面１０３は、異なる屈折率を有する２つの材料の間の転移界面として形成できる。例えば、本発明の特定の実施形態では、装置１００は、画像センサ１０１の上に配置された第１表面、および部分反射表面１０３である第２表面を有する、透過材料からなるスラブ(slab)１３３を備えてもよい。第１表面および第２表面は、ほぼ平行な表面でもよく、例えば、矩形直方体状のスラブの対向面でもよい。こうした実施形態において、部分反射表面１０３の接触面１３１は、透過材料スラブ１３３の外側面によって特定され、部分反射表面１０３の撮像面１３２は、透過材料スラブ１３３の対応する内側面によって特定される。透過材料スラブ１３３は、例えば、第１表面を介して画像センサ１０１の画像受容体側に密着してもよく、あるいは透過材料スラブ１３３は、こうした材料を画像センサ１０１の上にコーティングすることによって形成してもよい。透過材料スラブ１３３は、固体透明材料、例えば、ガラスまたは透明プラスチック、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）またはポリカーボネート（ＰＣ）で構成できる。部分反射表面１０３は、この透過材料と、調査対象物体を収容する外側媒体、例えば、空気、水または溶媒との間の屈折率差によって形成できる。

部分反射表面１０３は、入射する放射の一部、例えば、１０％〜９０％、好ましくは２０％〜７５％、より好ましくは３０％〜６０％、例えば５０％を反射するように構成できる。この部分反射表面１０３は、部分的に透明でもよく、例えば、入射する放射の一部、例えば、１０％〜９０％、好ましくは２５％〜８０％、より好ましくは４０％〜７０％、例えば５０％を通過させることが可能である。

少なくとも１つの放射源１０２は、放射波、例えば、光ビームを、部分反射表面１０３の撮像面１３２に向けるように構成される。放射源１０２は、放射波を部分反射表面１０３の撮像面１３２および調査対象物体１０４に向けるように構成してもよい。例えば、光源が部分反射表面１０３および物体１０４の両方を照射してもよく、その場合、物体１０４は、部分反射表面１０３を通過する放射波の一部によって照射できる。

画像センサ１０１は、部分反射表面１０３で反射した場合の放射波１０７および調査対象物体１０４で反射した場合の放射波を受けるように配置される。画像センサ１０１はさらに、部分反射表面１０３の撮像面１３２で反射した放射波と、例えば、動作中に部分反射表面１０３の接触面１３１と接触した場合に調査対象物体１０４で反射した放射波との間の干渉パターンを決定するように構成される。

動作の際、部分反射表面１０３が位置する面は、調査対象物体１０４と画像センサ１０１の撮像面との間に設置してもよい。画像センサ１０１は、物体１０４から反射した放射波を受け、そして部分反射表面１０３から反射した放射波を受けるように配置できる。物体１０４から反射した放射波は、物体ビームとして機能し、一方、部分反射表面１０３の撮像面１３２から反射した放射波は、参照ビームとして機能し、波の干渉によって画像センサ１０１の撮像面にホログラフィック画像を共に形成する。従って、この参照ビームおよび物体ビームの結合は、画像センサ１０１によって記録でき、ホログラフィック画像表現、例えば、デジタル保存したホログラムを生成する。調査対象物体１０４で反射した放射波は、部分反射表面１０３を通過して画像センサ１０１に向かうことができ、例えば、反射した放射波の方向を変化させるための追加の中間光学要素を要しない。これは、本発明の実施形態に係るホログラフィック撮像装置のコンパクトな構成を可能にする。

本発明の実施形態において、反射表面１０３の接触面１３１は、マイクロ流体チャネルの一部でもよく、例えば、マイクロ流体チャネルの壁を形成してもよく、物体１０４は、マイクロ流体チャネルの中に収容され、例えば、水溶液中で輸送してもよい。そして、物体１０４は、放射源１０２および画像センサ１０１の前を進行しながら、照射して撮像してもよい。

画像センサ１０１は、調査対象物体１０４から反射した放射波、例えば、光ビーム、および部分反射表面１０３の撮像面１３２から反射した放射波、例えば、光ビームからの干渉パターンを記録できる。特定の実施形態では、画像センサ１０１および部分反射表面１０３は、例えば、製造誤差内で互いに平行またはほぼ平行に配置できる。放射波は、画像センサ１０１に向けて部分反射表面および物体で反射し、その結果、追加の光ビームを画像センサ１０１に投射して、ホログラフィック画像を生成するための追加の光学コンポーネントを回避できる。

画像センサ１０１および部分反射表面１０３は、小さな距離、例えば、１ｍｍ未満、例えば、５００μｍ、または好ましくは１００μｍ未満、例えば、５０μｍだけ離れていてもよい。

本発明の実施形態において、放射源１０２は、画像センサ１０１と部分反射表面１０３との間に設置してもよい。特に、放射源１０２は、画像センサ１０１が位置する面と部分反射表面１０３が位置する面との間にある空間に収容されるポイントまたはボリュームから、放射波１０７を部分反射表面１０３および調査対象物体１０４に向けて放射してもよい。

本発明の第１態様に係る第２の例示実施形態において、図４に示すように、放射源１０２は、例えば、放射源１０２と光学的に結合したアパーチャ１０５、例えば、少なくとも１つのアパーチャ１０５、例えば、放射源１０２、例えば、ＬＥＤの前方に配置された、例えば、ピンホールコリメータをさらに備えてもよい。こうしたアパーチャ１０５は、放射源から部分的にコヒーレントまたはコヒーレントな放射を好都合に発生でき、例えば、反射表面１０３で反射した場合、放射波に空間的コヒーレンスを付与できる。従って、反射表面１０３の近傍で充分大きなコヒーレンスエリア、例えば、放射源１０２に関連して上記で検討したようなコヒーレンスエリアを有する光が生成できる。従って、アパーチャ１０５は、例えば、ピンホールコリメータは、放射源１０２のコヒーレンス要件を緩和し、装置の全体コストを低減できる。換言すると、アパーチャ１０５は、放射源１０２から伝搬する放射波１０７、例えば、ＬＥＤなどの低コヒーレンス光源で放出された光の空間的コヒーレンスを改善でき、そのため干渉パターン、例えば、ホログラフィックフリンジの画像センサ１０１による形成および記録が可能になる。

さらに、図５を参照して、本発明の実施形態において、アパーチャ１０５は、画像センサ１０１の中に好都合に一体化してもよい。放射源１０２は、画像センサ１０１の上方に設置できる。従って、アパーチャ１０５は、放射、例えば、光がアパーチャ１０５を通過できるように、画像センサ１０１を貫通するスルーホールでもよい。このアパーチャ１０５は、例えば、この物体を部分反射表面１０３の接触面１３１と接触した場合、空間コヒーレント放射で物体１０４を照射するためのピンホールとして機能し得る。利点として、画像センサ１０１は、観察物体１０４に接近して、部分反射表面１０３に対して平行に配置できるとともに、物体によって回折した光の大部分を捕捉できる。

図６を参照して、放射源１０２は、画像センサ１０１の上に配置してもよい。例えば、画像センサ１０１は、半導体回路チップの一部を形成し、その上に放射源１０２、例えば、ＬＥＤまたはＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）を一体化してもよい。例えば、放射源１０２はＬＥＤでもよく、これは撮像器の上に、ＭＣＭ（マルチチップ・モジュール）集積化または直接プロセス集積化、例えば、ＧａＮ技術で撮像器を加工すること、およびＬＥＤまたは複数のＬＥＤを所定の場所または複数の場所に設置することによって、搭載できる。さらに、複数の放射源１０２を画像センサ１０１の上に位置決めしてもよく、物体１０４の複数の画像が、この複数の放射源によって生成された放射波に対応して得られる。

本発明の実施形態において、放射源１０２は、アパーチャ１０５の内側に設置してもよく、例えば、アパーチャ１０５の壁に一体化してもよい。その利点として、装置１００は、よりコンパクトになり、取扱いがより容易になる。追加の利点として、装置１００は、単一チップ手法として実装でき、これは、例えば、追加のアセンブリ作業を必要としない。従って、この装置は、例えば、従来の光学顕微鏡とのコンパクトな代替品となりえる。

本発明の第１態様の実施形態は、画像センサ１０１に設けられた前記アパーチャ１０５を閉じるための少なくとも１つのＭＥＭＳベースの光バルブをさらに備えてもよい。さらに、複数のアパーチャ１０５が、例えば、調査対象物体のより詳細なホログラフィック画像を生成するために、複数の放射源、例えば、ＬＥＤを動的に遮断してもよい。複数の画像が、調査対象物体の超解像(super-resolution)及び／又はマルチスペクトルの画像を生成するために記録できる。

本発明の第１態様の一実施形態において、例えば、図７に示すように、放射源１０２は、放射波、例えば、少なくとも部分的にコヒーレントな外部放射光源１１１によって調査対象物体１０４および反射表面１０３の上に放出された放射波を反射するためのマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子１１０を備えてもよい。放射波を反射するためのＭＥＭＳ素子１１０は、部分反射表面１０３と画像センサ１０１との間にある領域に配置でき、あるいは、ＭＥＭＳ素子１１０は、画像センサ１０１の上に、例えば、部分反射表面１０３に面する画像センサ１０１の表面上に配置できる。好都合には、これにより、光源の物理的寸法に関係なく、例えば、高いコヒーレンスで低いスペックル等を備えた外部光源１１１によって、放射波を外部で発生させることができる。こうした外部光源１１１の光は、ＭＥＭＳ素子１１０で反射することによって、調査対象物体１０４の上に供給できる。こうした実施形態において、放射波は、例えば、外部レーザ装置で発生してもよい。外部放射源１１１は、画像センサと反射表面との間にある領域の外側に設置してもよく、よって設計の制約が少なくなる。

本発明の第１態様の一実施形態において、例えば、図８に示すように、ホログラフィック撮像装置１００は、半透明プリズムを備えてもよい。このプリズムは、接触面１３１が調査対象物体１０４の上になるように位置決めできる。少なくとも１つの放射源１０２が、放射波をプリズムの部分反射表面１０３の撮像面１３２に向けて投射できる。この放射は、プリズムの透明部分を通過して、この撮像面１３２によって部分反射できる。放射波の他の部分は、撮像面１３２で反射されずに透過して、その一部が調査対象物体１０４に入射して、そこから反射してプリズムに戻る。反射した放射波、即ち、撮像面１３２で反射したものと調査対象物体１０４で反射したものの両方が、半透明プリズムの不透明表面で反射し、画像センサ１０１に向けて案内される。この画像センサ１０１は、部分反射表面１０３の撮像面１３２で反射した前記放射波１０７と、部分反射表面１０３の前記接触面１３１と接触した場合に調査対象物体１０４で反射した放射波１０７との間の干渉パターンを決定するように配置される。

こうした実施形態の利点は、放射源１０２が好都合に配置でき、アパーチャや反射器の必要性がないことである。よって、本実施形態で提案したような構成はより容易になり、より低い製造コストをもたらす。

本発明の第１態様の実施形態において、装置１００は、種々の視点で物体１０４からの複数の画像を記録するために、調査対象物体１０４に関して、及び／又は放射源１０２に関して画像センサ１０１の相対移動のための駆動手段、例えば、サブ画素移動手段をさらに備えてもよい。利点として、物体のより高い分解能のホログラフィック画像が得られ、これにより調査対象物体のより詳細な分析が得られる。より高い分解能のホログラフィック画像は、複数の画像を記録することによって得られ、超解像ホログラフィック画像が得られる。利点として、単一光源が超解像撮像を達成するのに充分であろう。撮像器に関して光源の相対位置は、サブ画素レベルで変化してもよい。例えば、９個の画像がサブ画素シフトを用いて取得でき、例えば、第１方向に３つの列および直交方向に３つの行のグリッドを形成することができ、単一画像取得と比べて最終の再構築画像の分解能が３倍増加することになる。

装置の第１態様の実施形態において、少なくとも１つの放射源１０２は、局所化した発光点を提供する光導波路を備えてもよい。光導波路は、画像センサ１０１の上部に位置決めされた光ファイバでもよく、例えば、部分反射表面１０３に光を向けるために、画像センサ１０１と部分反射表面１０３との間で終端してもよい。さらに、複数の光導波路を画像センサ１０１の上に位置決めしてもよい。複数の光導波路は、調査対象物体１０４を種々の視点から照射するように個別に制御してもよく、そのため複数の記録画像からより高い分解能のホログラフィック画像を生成できる。利点として、より高い分解能の画像または超解像の画像は、調査対象物体１０４のより詳細な画像を提供する。さらに、外部光源１１１によって光導波路または複数の光導波路に光を供給してもよい。利点として、光は、導波路内に完全に収容され、その経路における物体の光散乱が無くなる。本発明の第１態様の実施形態において、単一外部光源１１１を使用し、例えば、複数の光導波路の中に分岐される光を放出してもよい。外部光源１１１は、異なる波長について波長可変(tunable)でもよく、例えば、波長可変レーザを備えてもよい。

本発明の実施形態において、例えば、放射光のスペクトルコヒーレンスを改善するため、放射源１０２の波長を特定の波長に同調させるようにフィルタを使用してもよい。

本発明の第１態様の実施形態において、放射源１０２は、複数の光源を備えてもよく、各光源は異なる波長を有してもよい。複数の光源のいずれか１つが、所定の波長をもつ単色光源でもよい。調査対象物体の一連の画像が記録でき、各記録ごとに異なる光源が物体を照射してもよい。例えば、生物サンプルを撮像する場合、光の吸収及び／又は散乱特性が、細胞及び／又はオルガネラ(organelles)の間で波長に依存して異なってもよい。

本発明の第１態様の一実施形態において、マルチスペクトル画像センサが、調査対象物体１０４を複数の波長で照射するための放射源１０２との組合せで使用してもよく、マルチスペクトル撮像が可能になる。ホログラフィック画像が、複数の連続的なキャプチャ動作によって取得できる。利点として、これは、調査対象物体のより良好な再構築した画像品質をもたらす。追加の利点として、再構築した画像に含まれる情報は、例えば、死んだ細胞と生きている細胞との間の相違点を識別するために使用でき、これは、例えば、バイオ製薬産業での用途に関心が高いであろう。

装置１００は、決定した干渉パターンを考慮して、調査対象物体１０４の画像表現、例えば、ホログラフィック画像を再構築するためのプロセッサまたは処理手段をさらに備えてもよい。この再構築は、先行技術で知られた標準的なアルゴリズム、例えば、フレネル近似、コンボリューション近似、及び／又は角度スペクトル近似のアルゴリズムによって達成できる。さらに、本発明の実施形態の利点は、画像センサ１０１と物体１０４との間の距離および傾斜角を制御または決定する必要がないことであろう。本発明の実施形態において、例えば、プロセッサまたは処理手段で実行されるソフトウエア・アルゴリズムは、機械的な誤差または不確定要素、例えば、ｘ−ｙ−ｚアライメント座標、正確なオフセット及び／又は距離測定、ｘｙ−ｘｚ−ｙｚ回転アライメントを補償できる。これらは、正確な再構築距離を見つけるために、例えば、複数の深さを横断的にスイープすることによってソフトウエアで補償できる。ホログラフィック再構築アルゴリズムの性質は、これを可能にする。記録した画像は、基本的には全ての深さ、即ち、全体の撮像ボリュームからの情報を含むからである。

第２態様において、本発明は、調査対象物体１０４を撮像するため、例えば、物体１０４のホログラフィック画像を生成するための方法に関する。図９を参照して、該方法２００は、調査対象物体１０４を部分反射表面１０３に接触させるステップ２０１と、少なくとも部分的にコヒーレントな放射波１０７を部分反射表面１０３に入射させるステップ２０２、例えば、部分反射表面１０３を少なくとも１つの放射源１０２で照射すること、例えば、物体１０４および反射表面１０３を少なくとも１つの光源、例えば、ＬＥＤまたはレーザで照射することを含む。この入射ステップ２０２は、部分反射表面１０３を複数の異なる光源を用いて照射することを含んでもよい。入射ステップ２０２は、コヒーレント光源を用いて実施してもよい。コヒーレント光源は、ピンホールとの組合せで光源を備えてもよく、例えば、ＬＥＤとピンホール、あるいはレーザを備えてもよい。

方法２００はまた、入射する放射波１０７を部分反射表面１０３から部分反射させるステップ２０３と、放射波１０７を部分反射表面を通して部分透過させるステップ２０６とを含み、例えば、入射する放射波を、透過部分と、部分反射表面で反射した反射部分とに分割することを含む。方法２００はまた、部分反射表面１０３を通過した放射波を調査対象物体１０４から反射させるステップ２０７と、部分反射表面１０３で反射した放射波と調査対象物体１０４で反射した放射波との間の干渉パターンを決定するステップ２０４、例えば、物体１０４および部分反射表面１０３からの反射した光ビームの干渉パターンを記録すること、例えば、画像センサ１０１を用いてこの干渉パターンを記録することを含む。この決定ステップ２０４は、複数の異なる光源から到来する光に対応した複数の干渉パターンを決定することを含んでもよい。

方法２００は、干渉パターンを考慮して、調査対象物体１０４の画像表現、例えば、ホログラフィック画像を再構築するステップをさらに含んでもよい。

該方法は、例えば、画像センサ１０１上のアパーチャの内側に設置されたＭＥＭＳベースの光バルブを活性化または不活性化して、物体１０４を種々の視点から照射し、物体１０４の複数の画像を記録して、超解像ホログラフィック画像を生成することをさらに含んでもよい。該方法は、物体１０４を複数回撮像し、データを後処理して超解像の画像を生成するステップをさらに含んでもよい。

方法２００は、物体を異なる波長で照射し、物体の複数の画像を捕捉して、ホログラフィック画像を生成することをさらに含んでもよい。捕捉ステップは、ＣＭＯＳマルチスペクトルまたはハイパースペクトル画像センサによって実行できる。

方法２００は、本発明の第１態様に関連して説明したように、装置１００との組合せで使用してもよい。

Claims

調査対象物体を撮像するためのホログラフィック撮像装置であって、
調査対象物体と接触する接触面および、放射波を部分反射して参照ビームとするための撮像面を有する部分反射表面と、
放射波を部分反射表面の撮像面に投射するための少なくとも１つの放射源と、
部分反射表面で反射した場合に放射波を受けるように配置された画像センサとを備え、
画像センサは、部分反射表面の撮像面で反射した放射波と、部分反射表面の接触面と接触した調査対象物体で反射した放射波との間の干渉パターンを決定するように構成されている、装置。
画像センサの上に配置された第１表面、および部分反射表面である第２表面を有する、透過材料からなるスラブをさらに備える請求項１記載の装置。
放射源は、画像センサと部分反射表面との間に設置される請求項１記載の装置。
画像センサは、放射波に空間コヒーレンスを付与するために、少なくとも１つの放射源と光学的に結合した少なくとも１つのアパーチャを備える請求項１記載の装置。
少なくとも１つの放射源は、少なくとも１つのアパーチャの内側に設置される請求項４記載の装置。
少なくとも１つのアパーチャを閉じるために、画像センサの上に配置されたＭＥＭＳベースの光バルブをさらに備える請求項４記載の装置。
少なくとも１つの放射源は、放射波を部分反射表面に向けるためのＭＥＭＳデバイスを備える請求項１記載の装置。
画像センサの上に配置された第１表面、および部分反射表面である第２表面を有する半透明プリズムをさらに備える請求項１記載の装置。
少なくとも１つの放射源は、光導波路、発光ダイオード、またはレーザを備える請求項１記載の装置。
物体からの複数の画像を記録するために、調査対象物体の１つ以上または少なくとも１つの放射源に対して、画像センサを移動させるための駆動手段をさらに備える請求項１記載の装置。
画像センサは、マルチスペクトルまたはハイパースペクトルの画像センサを備える請求項１記載の装置。
少なくとも１つの放射源は、異なる波長の光を放出するための複数の光源を備える請求項１記載の装置。
装置は、物体によって反射して画像センサに向かう放射波の方向を変更するように構成された追加の中間の光学素子を備えていない請求項１記載の装置。
少なくとも１つの放射源および画像センサは、半導体回路チップ上で一体化されている請求項１記載の装置。
調査対象物体を撮像するための方法であって、
調査対象物体を部分反射表面に接触させるステップと、
少なくとも部分的にコヒーレントな放射波を部分反射表面に入射させるステップと、
放射波を部分反射表面から部分反射させ、放射波を部分反射表面を通して部分透過させるステップと、
部分反射表面を通過した放射波を調査対象物体から反射させるステップと、
部分反射表面で反射した放射波と調査対象物体で反射した放射波との間の干渉パターンを決定するステップとを含む方法。
干渉パターンを考慮して、調査対象物体の画像表現を再構築するステップをさらに含む請求項１５記載の方法。
部分反射表面で反射した放射波、および調査対象物体で反射した放射波を受けるように配置された画像センサによって干渉パターンを決定するステップをさらに含み、
画像センサは、透過材料からなるスラブの第１表面に配置され、
部分反射表面は、透過材料からなるスラブの第２表面である請求項１５記載の方法。
少なくとも１つの放射源が、放射波を投射するように構成され、
少なくとも１つの放射源および画像センサは、半導体集積チップを形成している、請求項１７記載の方法。
調査対象物体で反射した放射波を、部分反射表面および透過材料を除いて追加の中間の光学素子を通過させることなく、調査対象物体で反射した放射波を、再び部分反射表面を通して画像センサに向けて通過させるステップをさらに含む、請求項１７記載の方法。