画像処理装置、位相差顕微鏡、および、画像処理方法
【課題】 専用の光学部材（位相板）を用いることなく物体の位相差画像を生成する。
【解決手段】 物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い（Ｓ２）、結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する。そして、第２データ群の各ピクセルデータのうち、瞳面における特定領域の（直接光の通過位置に対応する）ピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い（Ｓ４）、第３データ群を生成する。さらに、第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い（Ｓ４）、像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する。そして、第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め（Ｓ５）、第５データ群を生成する。
【解決手段】 物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い（Ｓ２）、結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する。そして、第２データ群の各ピクセルデータのうち、瞳面における特定領域の（直接光の通過位置に対応する）ピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い（Ｓ４）、第３データ群を生成する。さらに、第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い（Ｓ４）、像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する。そして、第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め（Ｓ５）、第５データ群を生成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の位相差画像を生成する画像処理装置、位相差顕微鏡、および、画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な位相差顕微鏡には、結像光学系の瞳面に、位相板が配置されている（例えば非特許文献１,２を参照）。この位相板は、照明光学系の開口絞り（リング状やドット状など）と組み合わせて配置され、開口絞りに共役な部分（つまり物体からの直接光の通過部分）が位相シフト領域となっている。この位相差顕微鏡では、位相板に設けた位相シフト領域を介して物体からの直接光を取り込むと共に、位相板の他の領域（非シフト領域）を介して物体からの回折光を取り込み、両者の干渉により物体の位相差画像を得ている。
【非特許文献１】小松啓「光学顕微鏡の基礎と応用(３)」応用物理 第60巻 第10号(1991) p.1032-1034
【非特許文献２】小松啓「光学顕微鏡の基礎と応用(４)」応用物理 第60巻 第11号(1991) p.1136-1138
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、物体の位相差画像を得るためには、上記した専用の光学部材（位相板）が必要である。専用の光学部材（位相板）を省略すると、通常の光学顕微鏡と同様の構成になり、物体の明視野画像しか得られない。また、物体の明視野画像から画像処理によって位相差画像を推定しようとしても、明視野画像には位相情報が含まれないため、位相差画像の推定は不可能である。
【０００４】
本発明の目的は、専用の光学部材（位相板）を用いることなく物体の位相差画像を生成できる画像処理装置、位相差顕微鏡、および、画像処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の画像処理装置は、物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理手段と、前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理手段と、前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理手段と、前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理手段とを備えたものである。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像処理装置において、前記第２の処理手段は、前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる際、該複素振幅の振幅を小さくする処理も行い、前記第３データ群を生成するものである。
請求項３に記載の位相差顕微鏡は、請求項１または請求項２に記載の画像処理装置と、前記第５データ群の各ピクセルデータを表示する表示手段とを備えたものである。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の位相差顕微鏡において、前記物体をパルス光によって照明する照明手段と、前記照明手段により照明されたときに前記物体から発生するパルス状の前記直接光と前記回折光とに基づいて、前記物体像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の像面に入射するパルス光の電場の時間変化を測定する測定手段と、前記電場の時間変化をフーリエ変換し、各波長成分ごとに前記第１データ群を生成する生成手段とを備えたものである。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の位相差顕微鏡において、前記照明手段は、前記物体をテラヘルツ周波数領域のパルス光によって照明するものである。
請求項６に記載の画像処理方法は、物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理工程と、前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理工程と、前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理工程と、前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理工程とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、専用の光学部材（位相板）を用いることなく物体の位相差画像を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の位相差顕微鏡１０は、図１に示す通り、イメージング装置１１と、画像処理装置１２と、表示装置１３とで構成される。本実施形態の位相差顕微鏡１０には、従来の一般的な位相差顕微鏡に必須の光学部材（位相板）が組み込まれていない。この位相差顕微鏡１０は、イメージング装置１１からの撮像信号を画像処理装置１２に取り込み、画像処理によって被検物体１０Ａの位相差画像を生成するものである。
【００１１】
ここで、イメージング装置１１について簡単に説明する。イメージング装置１１の詳細は、例えば特開２００２−９８６３４号公報などに記載されている。
イメージング装置１１では、フェムト秒パルスレーザ２１から出射した光が半透過鏡２２で２方向に分岐される（光Ｌ１,Ｌ２）。一方の光Ｌ１は、ミラー２３を経て半導体基板２４に入射する。半導体基板２４には電極２５が形成され、電極２５には電源２６から電圧が常時印加されている。このため、半導体基板２４に光Ｌ１が入射した瞬間、電極２５の間で放電が起こり、これが双極子となってテラヘルツ周波数領域のパルス光（テラヘルツパルス光）を放射する。
【００１２】
そして、このテラヘルツパルス光によって、被検物体１０Ａが全体的に照明される。テラヘルツパルス光による照明は、点光源照明（つまり平行光による照明）と同等である。また、本実施形態では、テラヘルツパルス光の進行方向が後述のレンズ２７（結像光学系）の光軸に平行となっている。
テラヘルツパルス光によって被検物体１０Ａを照明したときに、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３は、特殊プラスチック製（例えばポリエチレン製）のレンズ２７で集光され、半透過鏡２８を介して、電気光学効果を示す結晶２９に入射する。このとき、結晶２９（レンズ２７の像面）には、透過パルス光Ｌ３による被検物体１０Ａの像（物体像）が形成される。また、結晶２９上の各点では、物体像の明暗（つまり図２に例示した透過パルス光Ｌ３の電場の強弱）に応じて、“複屈折率の変調”が起こる。
【００１３】
なお、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３には、パルス状の直接光と回折光とが含まれている。直接光は０次回折光のことである。直接光に対比して用いられる“回折光”は±１次以上の回折光のことである。本実施形態の位相差顕微鏡１０では、レンズ２７の瞳面２７Ａに位相板を配置しないため、被検物体１０Ａが微小な起伏（位相）構造を有する場合、透過パルス光Ｌ３の直接光と回折光の位相差が９０度となる。したがって、直接光と回折光がレンズ２７の像面（結晶２９）で干渉しても、コントラストの高い物体像を得ることはできない。つまり、物体像のコントラストは低いと考えられる。
【００１４】
そして、このような物体像の明暗に応じて結晶２９に誘起された“複屈折率の変調”を検出するために、上記した半透過鏡２２で分岐した他方の光Ｌ２をプローブ光として用いる。光Ｌ２のパルス幅はフェムト秒オーダである。光Ｌ２は、光遅延装置３０を介した後（光Ｌ４）、ミラー３１と半透過鏡２８を介して結晶２９に入射する。光Ｌ４が結晶２９に入射する時刻ｔ0＋Δｔ（図２）は、上記の透過パルス光Ｌ３が結晶２９に入射する時刻ｔ0を基準とし、光遅延装置３０によって自在に調整可能である。光遅延装置３０の構成としては、例えば反射光学系で光路長を変化させるものが考えられる。
【００１５】
また、光Ｌ４は、直線偏光の状態で結晶２９に入射する。そして、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３により物体像の明暗に応じて結晶２９に誘起された時刻ｔ0＋Δｔ（図２）における“複屈折率の変調”に応じて、光Ｌ４の偏光状態が変化する。さらに、この偏光状態の変化量は、偏光板３２を介して光電場の強弱に変換され、イメージセンサ３３により検出される。
【００１６】
イメージセンサ３３による検出信号は、光Ｌ４の偏光状態の変化量に比例し、また、結晶２９の時刻ｔ0＋Δｔにおける“複屈折率の変調”に比例し、また、結晶２９上に形成された物体像の明暗に比例し、さらに、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（結晶２９に入射する透過パルス光Ｌ３）の電場の時刻ｔ0＋Δｔにおける瞬時値（実数）に比例している。この検出信号は、画像処理装置１２に撮像信号として出力される。
【００１７】
画像処理装置１２は、上記したイメージング装置１１のイメージセンサ３３からの撮像信号をデジタル化し、デジタルデータとして取り込む。したがって、画像処理装置１２では、そのデジタルデータに応じて、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（結晶２９に入射する透過パルス光Ｌ３）の電場の時刻ｔ0＋Δｔにおける瞬時値（実数）を知ることができる。
【００１８】
さらに、イメージング装置１１の光遅延装置３０を用いて、光Ｌ４が結晶２９に入射する時刻ｔ0＋Δｔ（図２）を調整しながら、同様のデジタルデータを画像処理装置１２に取り込んでいく。これにより、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３の１パルス幅内における電場の各瞬時値、つまり、電場の時間変化Ｅ(ｔ)を測定することができる。透過パルス光Ｌ３の電場の時間変化Ｅ(ｔ)は、結晶２９上に形成された物体像の明暗の時間変化を表し、物体像の各位置ごとにピクセルデータの集合（データ群）として得られる。
【００１９】
このようにして電場の時間変化Ｅ(ｔ)の測定が終了すると、画像処理装置１２は、電場の時間変化Ｅ(ｔ)を物体像の各位置ごとにフーリエ変換する（つまり分光する）。その結果、物体像の各位置において、透過パルス光Ｌ３を構成する種々の波長成分ごとに、次の式(１)の複素振幅Ｅ1(ω)を得ることができる。複素振幅Ｅ1(ω)のうち、｜Ｅ1(ω)｜は振幅を表し、ψ1は位相を表している。複素振幅Ｅ1(ω)は複素数である。
【００２０】
Ｅ1(ω)＝ΣＥ(ｔ)exp(−ｉωｔ)＝｜Ｅ1(ω)｜exp(ｉψ1) …(１)
物体像の各位置における各波長成分の複素振幅Ｅ1(ω)も、ピクセルデータの集合（データ群）である。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群を抽出すると、これは、その波長成分の物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の複素振幅分布を表すことになる。
【００２１】
ただし、上記のフーリエ変換によって得られた複素振幅Ｅ1(ω)の位相ψ1には、被検物体１０Ａ自体の位相情報だけでなく、被検物体１０Ａ上の各点から結晶２９(つまり像面)上の共役点までの距離に依存した成分（以下「誤差成分ψ2」）が重畳している。この誤差成分ψ2は、被検物体１０Ａ上の各点の位置によって変動し、被検物体１０Ａ自体の位相情報とは無関係なため、次のようにして取り除く必要がある。
【００２２】
誤差成分ψ2を求めるために、被検物体１０Ａを置かない状態で、上記と同様の電場の時間変化Ｅ(ｔ)を測定し、これをフーリエ変換する。その結果、結晶２９(つまり像面)上の各位置における各波長成分の複素振幅Ｅ2(ω)を得ることができる。複素振幅Ｅ2(ω)のうち、位相ψ2が“誤差成分ψ2”に相当する。
Ｅ2(ω)＝｜Ｅ2(ω)｜exp(ｉψ2) …(２)
そして、式(２)の誤差成分ψ2を用い、次の式(３)にしたがって、式(１)の位相ψ1を補正する。したがって、被検物体１０Ａ自体の位相情報とは無関係で被検物体１０Ａ上の各点の位置によって変動する誤差成分ψ2を簡単に取り除くことができる。その結果、被検物体１０Ａ自体の位相情報のみを位相[ψ1−ψ2]として含む式(３)の複素振幅Ｅ3(ω)を得ることができる。
【００２３】
Ｅ3(ω)＝｜Ｅ1(ω)｜exp(ｉ[ψ1−ψ2]) …(３)
式(３)による補正後の複素振幅Ｅ3(ω)も、物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の各位置において各波長成分ごとに生成され、ピクセルデータの集合（データ群）を構成する。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群（請求項の「第１データ群」に対応）は、その波長成分の物体像の純粋な複素振幅分布を表している。
【００２４】
画像処理装置１２は、補正後の複素振幅Ｅ3(ω)を生成し終えると、この補正後の複素振幅Ｅ3(ω)を用い、図３のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行い、被検物体１０Ａの位相差画像を生成する。図３の画像処理は、各々の波長成分に関わるデータ群ごとに行われる。
ステップＳ１では、ある波長成分の補正後の複素振幅Ｅ3(ω)に関わるデータ群（つまりレンズ２７の像面（結晶２９）における物体像の複素振幅分布を表すデータ群）を、演算用の配列Ａ(ｉ,ｊ)に格納する。“ｉ”と“ｊ”は、格納したデータ群の各ピクセルデータの番地を表す。配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータは、レンズ２７の像面（結晶２９）の各位置における複素振幅Ｅ3(ω)を表す。
【００２５】
次に（ステップＳ２）、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータを用いて二次元のフーリエ変換を行う。この処理は、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布を、レンズ２７の瞳面２７Ａにおける複素振幅分布に変換する処理に相当する。この処理によって生成されたデータ群（瞳面２７Ａにおける複素振幅分布を表すデータ群)(請求項の「第２データ群」に対応）は、配列Ｂ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータは、瞳面２７Ａの各位置における複素振幅を表す。
【００２６】
次に（ステップＳ３）、配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータのうち、瞳面２７Ａにおける特定領域のピクセルデータに対し、Ｆ×exp[ｉθ]で与えられる所定の複素数を掛ける。この処理は、特定領域のピクセルデータの複素振幅の位相を所定量（位相θ）だけシフトさせると共に、振幅をＦ倍にする処理に相当する。“Ｆ”は、１以下の正の数である。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第３データ群」に対応）は、配列Ｃ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータも、瞳面２７Ａの各位置における複素振幅を表す。
【００２７】
ここで、瞳面２７Ａにおける上記の特定領域について説明する。本実施形態では、図４(ａ)に示す通り、瞳面２７Ａの中のレンズ２７の光軸との交点（いわゆる周波数座標の原点）を含むドット状の近傍領域２７Ｂを、上記の特定領域に設定した。この近傍領域２７Ｂは、図４(ｂ)に示す通り、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３のうち直接光Ｌ３ａの通過位置に対応する。
【００２８】
直接光Ｌ３ａの通過位置が周波数座標の原点近傍となるのは、被検物体１０Ａを照明するテラヘルツパルス光が平行光であり（点光源照明）、かつ、テラヘルツパルス光の進行方向がレンズ２７の光軸に平行だからである。ちなみに、透過パルス光Ｌ３のうち回折光Ｌ３ｂの通過位置は、瞳面２７Ａの近傍領域２７Ｂの周辺部分に広がっている。
本実施形態の位相差顕微鏡１０では、レンズ２７の瞳面２７Ａに位相板を配置しないため、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（つまり直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂ）がレンズ２７の瞳面２７Ａを実際に通過した際には、直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂとの双方に対して何の位相変調も起きない。このため、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布（配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群）はコントラストの低いものとなる。
【００２９】
しかし、位相変調を受けていない直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂによる上記の複素振幅分布（配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群）を、瞳面２７Ａにおける複素振幅分布（配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群）に変換し、この複素振幅分布のうち近傍領域２７Ｂのピクセルデータの複素振幅の位相を所定量（位相θ）だけシフトさせることによって、瞳面２７Ａに位相板を配置した場合と同等の位相変調を数値的に直接光Ｌ３ａに対して与えることができる。なお、近傍領域２７Ｂが従来の位相板に設けた位相シフト領域に対応している。
【００３０】
また、近傍領域２７Ｂのピクセルデータの位相変調を行う際、そのピクセルデータの複素振幅の振幅をＦ倍にするため、“Ｆ”として１より小さい正の数を用いることで、直接光Ｌ３ａの振幅を数値的に小さくすることができる。つまり、直接光Ｌ３ａの強度を数値的に弱めることができる。この処理は、従来の位相板において位相シフト領域に吸収を持たせる（位相シフト領域の透過率を小さくする）ことと同等である。一般に直接光Ｌ３ａの強度は回折光Ｌ３ｂと比較して強いため、直接光Ｌ３ａを弱めることにより、回折光Ｌ３ｂとの干渉効果を高めることができる。
【００３１】
次に（ステップＳ４）、上記のステップＳ３の処理によって生成された配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータを用いて、二次元の逆フーリエ変換を行う。この処理は、瞳面２７Ａにおける複素振幅分布（位相変調後）を、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布に再び変換する処理に相当する。この処理によって生成されたデータ群（像面における複素振幅分布を表すデータ群)(請求項の「第４データ群」に対応）は、配列Ｄ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータは、レンズ２７の像面の各位置における複素振幅を表す。
【００３２】
ステップＳ４の処理（二次元の逆フーリエ変換）では、瞳面２７Ａの近傍領域２７Ｂで位相変調を受けた直接光Ｌ３ａと、瞳面２７Ａの近傍領域２７Ｂの周辺部分で位相変調を受けなかった回折光Ｌ３ｂとの干渉を数値的に起こすことができる。つまり、従来の位相差顕微鏡に必須の光学部材（位相板）を用いた場合と同様の干渉効果を数値的に発生させることができる。
【００３３】
その結果、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布（配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群）は、上記の位相θとＦ値の設定に応じて、コントラストの高いものとなる。なお、被検物体１０Ａが微細な位相構造を有する場合には、位相θ＝±π/２とすることで、直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂとの位相差をゼロ(または１８０度)に設定できるため、コントラストの高い物体像を得ることができる。
【００３４】
ステップＳ３,Ｓ４の処理が終わると、画像処理装置１２は、ステップＳ５の処理に進み、上記した逆フーリエ変換後の複素振幅分布を表すデータ群（つまり配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群）の各ピクセルデータを用い、ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求める。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第５データ群」に対応）は、配列Ｉ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｉ(ｉ,ｊ)のデータ群は、物体像の強度分布（つまり被検物体１０Ａの位相差画像）を表している。
【００３５】
上記のように、本実施形態の位相差顕微鏡１０では、イメージング装置１１からの撮像信号を画像処理装置１２に取り込み、図３のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行うことにより、被検物体１０Ａの位相差画像を決定論的に生成することができる。つまり、従来の一般的な位相差顕微鏡には必須とされる専用の光学部材（位相板）を用いることなく、被検物体１０Ａの位相差画像を生成することができる。
【００３６】
また、本実施形態の位相差顕微鏡１０では、図３の画像処理によって最終的に得られた配列Ｉ(ｉ,ｊ)のデータ群を用い、その各ピクセルデータを表示装置１３に出力することで、被検物体１０Ａの位相差画像の観察が可能となる。このとき、被検物体１０Ａの位相差画像を各波長成分ごとに表示してもよいし、各波長成分のデータ群どうしで演算処理を行った後、表示してもよい。
【００３７】
さらに、本実施形態の位相差顕微鏡１０では、図３のステップＳ３において、瞳面２７Ａにおける直接光Ｌ３ａの通過位置に対応する近傍領域２７Ｂの面積（ピクセルデータ数≧１）や、近傍領域２７Ｂのピクセルデータの複素振幅に掛ける複素数（Ｆ×exp[ｉθ]）の位相θおよびＦ値とを自由に設定することができる。このため、同一像に対して様々な条件下での位相差画像を簡単に得ることができ、被検物体１０Ａにとって最良の観察条件を選択し、そのときの位相差画像を得ることもできる。近傍領域２７Ｂの面積（ピクセルデータ数≧１）は、レンズ２７の収差を考慮して良好なコントラストが得られるように設定することが好ましい。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、被検物体１０Ａを照明するテラヘルツパルス光の進行方向がレンズ２７の光軸に平行である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。レンズ２７の光軸に対してテラヘルツパルス光の進行方向を傾けても構わない。この場合には、半導体基板２４の角度を光軸に対して傾けることが必要になる。半導体基板２４の傾き角度αに応じてテラヘルツパルス光の進行方向を傾け、被検物体１０Ａへの入射角度を変更することができる。このような斜光照明の場合、図３のステップＳ３の処理は、周波数座標の原点から“sinα”だけ外れた点を含むドット状の近傍領域２７Ｃ（図５）を対象として行えばよい。
【００３８】
さらに、上記した実施形態では、点光源照明による物体像の位相差画像を生成する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、輪帯照明による物体像の位相差画像を生成する場合にも、本発明を適用することができる。この場合、半導体基板２４の傾き角度α（光軸に対する角度）を一定に保ちながら、半導体基板２４の傾き方向（テラヘルツパルス光の入射方向）を光軸中心で回転させることが必要になる。
【００３９】
そして、複数の入射方向の各々において、上記と同様の電場の時間変化Ｅ(ｔ)の測定を行い、物体像の複素振幅分布（補正後の複素振幅Ｅ3(ω)）を生成し、図３のうちステップＳ４までの処理を行う。このときのステップＳ３の処理は、テラヘルツパルス光の入射方向に応じて、図６に示すようなリング状の領域２７Ｄ内の各近傍領域２７Ｅを対象として順に行えばよい。各々の入射方向におけるステップＳ４までの処理を時分割で繰り返し、入射方向の異なる複数の複素振幅分布（配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群）が得られると、これらを合成した後にステップＳ５の処理に進む。その結果、輪帯照明による被検物体１０Ａの位相差画像を得ることができる。
【００４０】
また、上記した実施形態では、イメージング装置１１のイメージセンサ３３により一括してプローブ光（Ｌ４）の偏光状態の変化量を検出する非走査型の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。テラヘルツパルス光を被検物体１０Ａの局所領域に照射して、テラヘルツパルス光の照射領域と被検物体１０Ａとの相対位置を変化させながら、プローブ光（Ｌ４）の偏光状態の変化量を検出する場合（走査型）にも、本発明を適用できる。
【００４１】
さらに、上記した実施形態では、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３に基づいて結晶２９上に物体像を形成する例（透過型のイメージング装置１１）を説明したが、本発明はこれに限定されない。被検物体から発生する反射パルス光に基づいて物体像を形成する場合（反射型）にも、本発明を適用できる。
また、上記した実施形態では、被検物体１０Ａをテラヘルツパルス光によって照明する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他の周波数領域のパルス光を用いて被検物体１０Ａを照明する場合にも、本発明を適用できる。例えば、中心波長帯域を可視光域とする場合、イメージング装置１１のフェムト秒パルスレーザ２１の時間分解能を上げ、レンズ２７の材質を変更し、結晶２９として応答時間のより速いものを用いることが必要になる。
【００４２】
さらに、上記した実施形態では、イメージング装置１１を備えた位相差顕微鏡１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。イメージング装置１１を省略した場合（つまり画像処理装置１２と表示装置１３とで構成された位相差顕微鏡）にも、本発明を適用できる。この場合には、上記と同様の複素振幅Ｅ3(ω)に関わるデータ群（つまり物体像の複素振幅分布を表すデータ群）を画像処理装置１２に入力するだけで、被検物体１０Ａの位相差画像を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態の位相差顕微鏡１０の全体構成を示す図である。
【図２】イメージング装置１１における透過パルス光Ｌ３の電場の時間変化Ｅ(ｔ)の測定原理を説明する図である。
【図３】画像処理装置１２における被検物体１０Ａの位相差画像の生成手順を示すフローチャートである。
【図４】瞳面２７Ａにおける位相シフト領域（２７Ｂ）を説明する図である。
【図５】瞳面２７Ａにおける位相シフト領域（２７Ｃ）を説明する図である。
【図６】瞳面２７Ａにおける位相シフト領域（２７Ｄ）を説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 位相差顕微鏡
１１ イメージング装置
１２ 画像処理装置
１３ 表示装置
２１ フェムト秒パルスレーザ
２４ 半導体基板
２５ 電極
２７ レンズ
２９ 結晶
３０ 光遅延装置
３２ 偏光板
３３ イメージセンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体の位相差画像を生成する画像処理装置、位相差顕微鏡、および、画像処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な位相差顕微鏡には、結像光学系の瞳面に、位相板が配置されている（例えば非特許文献１,２を参照）。この位相板は、照明光学系の開口絞り（リング状やドット状など）と組み合わせて配置され、開口絞りに共役な部分（つまり物体からの直接光の通過部分）が位相シフト領域となっている。この位相差顕微鏡では、位相板に設けた位相シフト領域を介して物体からの直接光を取り込むと共に、位相板の他の領域（非シフト領域）を介して物体からの回折光を取り込み、両者の干渉により物体の位相差画像を得ている。
【非特許文献１】小松啓「光学顕微鏡の基礎と応用(３)」応用物理 第60巻 第10号(1991) p.1032-1034
【非特許文献２】小松啓「光学顕微鏡の基礎と応用(４)」応用物理 第60巻 第11号(1991) p.1136-1138
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、物体の位相差画像を得るためには、上記した専用の光学部材（位相板）が必要である。専用の光学部材（位相板）を省略すると、通常の光学顕微鏡と同様の構成になり、物体の明視野画像しか得られない。また、物体の明視野画像から画像処理によって位相差画像を推定しようとしても、明視野画像には位相情報が含まれないため、位相差画像の推定は不可能である。
【０００４】
本発明の目的は、専用の光学部材（位相板）を用いることなく物体の位相差画像を生成できる画像処理装置、位相差顕微鏡、および、画像処理方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１に記載の画像処理装置は、物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理手段と、前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理手段と、前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理手段と、前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理手段とを備えたものである。
【０００６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の画像処理装置において、前記第２の処理手段は、前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる際、該複素振幅の振幅を小さくする処理も行い、前記第３データ群を生成するものである。
請求項３に記載の位相差顕微鏡は、請求項１または請求項２に記載の画像処理装置と、前記第５データ群の各ピクセルデータを表示する表示手段とを備えたものである。
【０００７】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の位相差顕微鏡において、前記物体をパルス光によって照明する照明手段と、前記照明手段により照明されたときに前記物体から発生するパルス状の前記直接光と前記回折光とに基づいて、前記物体像を形成する結像光学系と、前記結像光学系の像面に入射するパルス光の電場の時間変化を測定する測定手段と、前記電場の時間変化をフーリエ変換し、各波長成分ごとに前記第１データ群を生成する生成手段とを備えたものである。
【０００８】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の位相差顕微鏡において、前記照明手段は、前記物体をテラヘルツ周波数領域のパルス光によって照明するものである。
請求項６に記載の画像処理方法は、物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理工程と、前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理工程と、前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理工程と、前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理工程とを備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、専用の光学部材（位相板）を用いることなく物体の位相差画像を生成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の位相差顕微鏡１０は、図１に示す通り、イメージング装置１１と、画像処理装置１２と、表示装置１３とで構成される。本実施形態の位相差顕微鏡１０には、従来の一般的な位相差顕微鏡に必須の光学部材（位相板）が組み込まれていない。この位相差顕微鏡１０は、イメージング装置１１からの撮像信号を画像処理装置１２に取り込み、画像処理によって被検物体１０Ａの位相差画像を生成するものである。
【００１１】
ここで、イメージング装置１１について簡単に説明する。イメージング装置１１の詳細は、例えば特開２００２−９８６３４号公報などに記載されている。
イメージング装置１１では、フェムト秒パルスレーザ２１から出射した光が半透過鏡２２で２方向に分岐される（光Ｌ１,Ｌ２）。一方の光Ｌ１は、ミラー２３を経て半導体基板２４に入射する。半導体基板２４には電極２５が形成され、電極２５には電源２６から電圧が常時印加されている。このため、半導体基板２４に光Ｌ１が入射した瞬間、電極２５の間で放電が起こり、これが双極子となってテラヘルツ周波数領域のパルス光（テラヘルツパルス光）を放射する。
【００１２】
そして、このテラヘルツパルス光によって、被検物体１０Ａが全体的に照明される。テラヘルツパルス光による照明は、点光源照明（つまり平行光による照明）と同等である。また、本実施形態では、テラヘルツパルス光の進行方向が後述のレンズ２７（結像光学系）の光軸に平行となっている。
テラヘルツパルス光によって被検物体１０Ａを照明したときに、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３は、特殊プラスチック製（例えばポリエチレン製）のレンズ２７で集光され、半透過鏡２８を介して、電気光学効果を示す結晶２９に入射する。このとき、結晶２９（レンズ２７の像面）には、透過パルス光Ｌ３による被検物体１０Ａの像（物体像）が形成される。また、結晶２９上の各点では、物体像の明暗（つまり図２に例示した透過パルス光Ｌ３の電場の強弱）に応じて、“複屈折率の変調”が起こる。
【００１３】
なお、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３には、パルス状の直接光と回折光とが含まれている。直接光は０次回折光のことである。直接光に対比して用いられる“回折光”は±１次以上の回折光のことである。本実施形態の位相差顕微鏡１０では、レンズ２７の瞳面２７Ａに位相板を配置しないため、被検物体１０Ａが微小な起伏（位相）構造を有する場合、透過パルス光Ｌ３の直接光と回折光の位相差が９０度となる。したがって、直接光と回折光がレンズ２７の像面（結晶２９）で干渉しても、コントラストの高い物体像を得ることはできない。つまり、物体像のコントラストは低いと考えられる。
【００１４】
そして、このような物体像の明暗に応じて結晶２９に誘起された“複屈折率の変調”を検出するために、上記した半透過鏡２２で分岐した他方の光Ｌ２をプローブ光として用いる。光Ｌ２のパルス幅はフェムト秒オーダである。光Ｌ２は、光遅延装置３０を介した後（光Ｌ４）、ミラー３１と半透過鏡２８を介して結晶２９に入射する。光Ｌ４が結晶２９に入射する時刻ｔ0＋Δｔ（図２）は、上記の透過パルス光Ｌ３が結晶２９に入射する時刻ｔ0を基準とし、光遅延装置３０によって自在に調整可能である。光遅延装置３０の構成としては、例えば反射光学系で光路長を変化させるものが考えられる。
【００１５】
また、光Ｌ４は、直線偏光の状態で結晶２９に入射する。そして、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３により物体像の明暗に応じて結晶２９に誘起された時刻ｔ0＋Δｔ（図２）における“複屈折率の変調”に応じて、光Ｌ４の偏光状態が変化する。さらに、この偏光状態の変化量は、偏光板３２を介して光電場の強弱に変換され、イメージセンサ３３により検出される。
【００１６】
イメージセンサ３３による検出信号は、光Ｌ４の偏光状態の変化量に比例し、また、結晶２９の時刻ｔ0＋Δｔにおける“複屈折率の変調”に比例し、また、結晶２９上に形成された物体像の明暗に比例し、さらに、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（結晶２９に入射する透過パルス光Ｌ３）の電場の時刻ｔ0＋Δｔにおける瞬時値（実数）に比例している。この検出信号は、画像処理装置１２に撮像信号として出力される。
【００１７】
画像処理装置１２は、上記したイメージング装置１１のイメージセンサ３３からの撮像信号をデジタル化し、デジタルデータとして取り込む。したがって、画像処理装置１２では、そのデジタルデータに応じて、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（結晶２９に入射する透過パルス光Ｌ３）の電場の時刻ｔ0＋Δｔにおける瞬時値（実数）を知ることができる。
【００１８】
さらに、イメージング装置１１の光遅延装置３０を用いて、光Ｌ４が結晶２９に入射する時刻ｔ0＋Δｔ（図２）を調整しながら、同様のデジタルデータを画像処理装置１２に取り込んでいく。これにより、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３の１パルス幅内における電場の各瞬時値、つまり、電場の時間変化Ｅ(ｔ)を測定することができる。透過パルス光Ｌ３の電場の時間変化Ｅ(ｔ)は、結晶２９上に形成された物体像の明暗の時間変化を表し、物体像の各位置ごとにピクセルデータの集合（データ群）として得られる。
【００１９】
このようにして電場の時間変化Ｅ(ｔ)の測定が終了すると、画像処理装置１２は、電場の時間変化Ｅ(ｔ)を物体像の各位置ごとにフーリエ変換する（つまり分光する）。その結果、物体像の各位置において、透過パルス光Ｌ３を構成する種々の波長成分ごとに、次の式(１)の複素振幅Ｅ1(ω)を得ることができる。複素振幅Ｅ1(ω)のうち、｜Ｅ1(ω)｜は振幅を表し、ψ1は位相を表している。複素振幅Ｅ1(ω)は複素数である。
【００２０】
Ｅ1(ω)＝ΣＥ(ｔ)exp(−ｉωｔ)＝｜Ｅ1(ω)｜exp(ｉψ1) …(１)
物体像の各位置における各波長成分の複素振幅Ｅ1(ω)も、ピクセルデータの集合（データ群）である。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群を抽出すると、これは、その波長成分の物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の複素振幅分布を表すことになる。
【００２１】
ただし、上記のフーリエ変換によって得られた複素振幅Ｅ1(ω)の位相ψ1には、被検物体１０Ａ自体の位相情報だけでなく、被検物体１０Ａ上の各点から結晶２９(つまり像面)上の共役点までの距離に依存した成分（以下「誤差成分ψ2」）が重畳している。この誤差成分ψ2は、被検物体１０Ａ上の各点の位置によって変動し、被検物体１０Ａ自体の位相情報とは無関係なため、次のようにして取り除く必要がある。
【００２２】
誤差成分ψ2を求めるために、被検物体１０Ａを置かない状態で、上記と同様の電場の時間変化Ｅ(ｔ)を測定し、これをフーリエ変換する。その結果、結晶２９(つまり像面)上の各位置における各波長成分の複素振幅Ｅ2(ω)を得ることができる。複素振幅Ｅ2(ω)のうち、位相ψ2が“誤差成分ψ2”に相当する。
Ｅ2(ω)＝｜Ｅ2(ω)｜exp(ｉψ2) …(２)
そして、式(２)の誤差成分ψ2を用い、次の式(３)にしたがって、式(１)の位相ψ1を補正する。したがって、被検物体１０Ａ自体の位相情報とは無関係で被検物体１０Ａ上の各点の位置によって変動する誤差成分ψ2を簡単に取り除くことができる。その結果、被検物体１０Ａ自体の位相情報のみを位相[ψ1−ψ2]として含む式(３)の複素振幅Ｅ3(ω)を得ることができる。
【００２３】
Ｅ3(ω)＝｜Ｅ1(ω)｜exp(ｉ[ψ1−ψ2]) …(３)
式(３)による補正後の複素振幅Ｅ3(ω)も、物体像（結晶２９上に形成された被検物体１０Ａの像）の各位置において各波長成分ごとに生成され、ピクセルデータの集合（データ群）を構成する。このうち、任意の１つの波長成分に関わるデータ群（請求項の「第１データ群」に対応）は、その波長成分の物体像の純粋な複素振幅分布を表している。
【００２４】
画像処理装置１２は、補正後の複素振幅Ｅ3(ω)を生成し終えると、この補正後の複素振幅Ｅ3(ω)を用い、図３のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行い、被検物体１０Ａの位相差画像を生成する。図３の画像処理は、各々の波長成分に関わるデータ群ごとに行われる。
ステップＳ１では、ある波長成分の補正後の複素振幅Ｅ3(ω)に関わるデータ群（つまりレンズ２７の像面（結晶２９）における物体像の複素振幅分布を表すデータ群）を、演算用の配列Ａ(ｉ,ｊ)に格納する。“ｉ”と“ｊ”は、格納したデータ群の各ピクセルデータの番地を表す。配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータは、レンズ２７の像面（結晶２９）の各位置における複素振幅Ｅ3(ω)を表す。
【００２５】
次に（ステップＳ２）、配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータを用いて二次元のフーリエ変換を行う。この処理は、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布を、レンズ２７の瞳面２７Ａにおける複素振幅分布に変換する処理に相当する。この処理によって生成されたデータ群（瞳面２７Ａにおける複素振幅分布を表すデータ群)(請求項の「第２データ群」に対応）は、配列Ｂ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータは、瞳面２７Ａの各位置における複素振幅を表す。
【００２６】
次に（ステップＳ３）、配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータのうち、瞳面２７Ａにおける特定領域のピクセルデータに対し、Ｆ×exp[ｉθ]で与えられる所定の複素数を掛ける。この処理は、特定領域のピクセルデータの複素振幅の位相を所定量（位相θ）だけシフトさせると共に、振幅をＦ倍にする処理に相当する。“Ｆ”は、１以下の正の数である。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第３データ群」に対応）は、配列Ｃ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータも、瞳面２７Ａの各位置における複素振幅を表す。
【００２７】
ここで、瞳面２７Ａにおける上記の特定領域について説明する。本実施形態では、図４(ａ)に示す通り、瞳面２７Ａの中のレンズ２７の光軸との交点（いわゆる周波数座標の原点）を含むドット状の近傍領域２７Ｂを、上記の特定領域に設定した。この近傍領域２７Ｂは、図４(ｂ)に示す通り、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３のうち直接光Ｌ３ａの通過位置に対応する。
【００２８】
直接光Ｌ３ａの通過位置が周波数座標の原点近傍となるのは、被検物体１０Ａを照明するテラヘルツパルス光が平行光であり（点光源照明）、かつ、テラヘルツパルス光の進行方向がレンズ２７の光軸に平行だからである。ちなみに、透過パルス光Ｌ３のうち回折光Ｌ３ｂの通過位置は、瞳面２７Ａの近傍領域２７Ｂの周辺部分に広がっている。
本実施形態の位相差顕微鏡１０では、レンズ２７の瞳面２７Ａに位相板を配置しないため、被検物体１０Ａからの透過パルス光Ｌ３（つまり直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂ）がレンズ２７の瞳面２７Ａを実際に通過した際には、直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂとの双方に対して何の位相変調も起きない。このため、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布（配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群）はコントラストの低いものとなる。
【００２９】
しかし、位相変調を受けていない直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂによる上記の複素振幅分布（配列Ａ(ｉ,ｊ)のデータ群）を、瞳面２７Ａにおける複素振幅分布（配列Ｂ(ｉ,ｊ)のデータ群）に変換し、この複素振幅分布のうち近傍領域２７Ｂのピクセルデータの複素振幅の位相を所定量（位相θ）だけシフトさせることによって、瞳面２７Ａに位相板を配置した場合と同等の位相変調を数値的に直接光Ｌ３ａに対して与えることができる。なお、近傍領域２７Ｂが従来の位相板に設けた位相シフト領域に対応している。
【００３０】
また、近傍領域２７Ｂのピクセルデータの位相変調を行う際、そのピクセルデータの複素振幅の振幅をＦ倍にするため、“Ｆ”として１より小さい正の数を用いることで、直接光Ｌ３ａの振幅を数値的に小さくすることができる。つまり、直接光Ｌ３ａの強度を数値的に弱めることができる。この処理は、従来の位相板において位相シフト領域に吸収を持たせる（位相シフト領域の透過率を小さくする）ことと同等である。一般に直接光Ｌ３ａの強度は回折光Ｌ３ｂと比較して強いため、直接光Ｌ３ａを弱めることにより、回折光Ｌ３ｂとの干渉効果を高めることができる。
【００３１】
次に（ステップＳ４）、上記のステップＳ３の処理によって生成された配列Ｃ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータを用いて、二次元の逆フーリエ変換を行う。この処理は、瞳面２７Ａにおける複素振幅分布（位相変調後）を、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布に再び変換する処理に相当する。この処理によって生成されたデータ群（像面における複素振幅分布を表すデータ群)(請求項の「第４データ群」に対応）は、配列Ｄ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群の各ピクセルデータは、レンズ２７の像面の各位置における複素振幅を表す。
【００３２】
ステップＳ４の処理（二次元の逆フーリエ変換）では、瞳面２７Ａの近傍領域２７Ｂで位相変調を受けた直接光Ｌ３ａと、瞳面２７Ａの近傍領域２７Ｂの周辺部分で位相変調を受けなかった回折光Ｌ３ｂとの干渉を数値的に起こすことができる。つまり、従来の位相差顕微鏡に必須の光学部材（位相板）を用いた場合と同様の干渉効果を数値的に発生させることができる。
【００３３】
その結果、レンズ２７の像面（結晶２９）における複素振幅分布（配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群）は、上記の位相θとＦ値の設定に応じて、コントラストの高いものとなる。なお、被検物体１０Ａが微細な位相構造を有する場合には、位相θ＝±π/２とすることで、直接光Ｌ３ａと回折光Ｌ３ｂとの位相差をゼロ(または１８０度)に設定できるため、コントラストの高い物体像を得ることができる。
【００３４】
ステップＳ３,Ｓ４の処理が終わると、画像処理装置１２は、ステップＳ５の処理に進み、上記した逆フーリエ変換後の複素振幅分布を表すデータ群（つまり配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群）の各ピクセルデータを用い、ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求める。この処理によって生成されたデータ群（請求項の「第５データ群」に対応）は、配列Ｉ(ｉ,ｊ)に格納される。配列Ｉ(ｉ,ｊ)のデータ群は、物体像の強度分布（つまり被検物体１０Ａの位相差画像）を表している。
【００３５】
上記のように、本実施形態の位相差顕微鏡１０では、イメージング装置１１からの撮像信号を画像処理装置１２に取り込み、図３のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行うことにより、被検物体１０Ａの位相差画像を決定論的に生成することができる。つまり、従来の一般的な位相差顕微鏡には必須とされる専用の光学部材（位相板）を用いることなく、被検物体１０Ａの位相差画像を生成することができる。
【００３６】
また、本実施形態の位相差顕微鏡１０では、図３の画像処理によって最終的に得られた配列Ｉ(ｉ,ｊ)のデータ群を用い、その各ピクセルデータを表示装置１３に出力することで、被検物体１０Ａの位相差画像の観察が可能となる。このとき、被検物体１０Ａの位相差画像を各波長成分ごとに表示してもよいし、各波長成分のデータ群どうしで演算処理を行った後、表示してもよい。
【００３７】
さらに、本実施形態の位相差顕微鏡１０では、図３のステップＳ３において、瞳面２７Ａにおける直接光Ｌ３ａの通過位置に対応する近傍領域２７Ｂの面積（ピクセルデータ数≧１）や、近傍領域２７Ｂのピクセルデータの複素振幅に掛ける複素数（Ｆ×exp[ｉθ]）の位相θおよびＦ値とを自由に設定することができる。このため、同一像に対して様々な条件下での位相差画像を簡単に得ることができ、被検物体１０Ａにとって最良の観察条件を選択し、そのときの位相差画像を得ることもできる。近傍領域２７Ｂの面積（ピクセルデータ数≧１）は、レンズ２７の収差を考慮して良好なコントラストが得られるように設定することが好ましい。
（変形例）
なお、上記した実施形態では、被検物体１０Ａを照明するテラヘルツパルス光の進行方向がレンズ２７の光軸に平行である例を説明したが、本発明はこれに限定されない。レンズ２７の光軸に対してテラヘルツパルス光の進行方向を傾けても構わない。この場合には、半導体基板２４の角度を光軸に対して傾けることが必要になる。半導体基板２４の傾き角度αに応じてテラヘルツパルス光の進行方向を傾け、被検物体１０Ａへの入射角度を変更することができる。このような斜光照明の場合、図３のステップＳ３の処理は、周波数座標の原点から“sinα”だけ外れた点を含むドット状の近傍領域２７Ｃ（図５）を対象として行えばよい。
【００３８】
さらに、上記した実施形態では、点光源照明による物体像の位相差画像を生成する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他、輪帯照明による物体像の位相差画像を生成する場合にも、本発明を適用することができる。この場合、半導体基板２４の傾き角度α（光軸に対する角度）を一定に保ちながら、半導体基板２４の傾き方向（テラヘルツパルス光の入射方向）を光軸中心で回転させることが必要になる。
【００３９】
そして、複数の入射方向の各々において、上記と同様の電場の時間変化Ｅ(ｔ)の測定を行い、物体像の複素振幅分布（補正後の複素振幅Ｅ3(ω)）を生成し、図３のうちステップＳ４までの処理を行う。このときのステップＳ３の処理は、テラヘルツパルス光の入射方向に応じて、図６に示すようなリング状の領域２７Ｄ内の各近傍領域２７Ｅを対象として順に行えばよい。各々の入射方向におけるステップＳ４までの処理を時分割で繰り返し、入射方向の異なる複数の複素振幅分布（配列Ｄ(ｉ,ｊ)のデータ群）が得られると、これらを合成した後にステップＳ５の処理に進む。その結果、輪帯照明による被検物体１０Ａの位相差画像を得ることができる。
【００４０】
また、上記した実施形態では、イメージング装置１１のイメージセンサ３３により一括してプローブ光（Ｌ４）の偏光状態の変化量を検出する非走査型の例を説明したが、本発明はこれに限定されない。テラヘルツパルス光を被検物体１０Ａの局所領域に照射して、テラヘルツパルス光の照射領域と被検物体１０Ａとの相対位置を変化させながら、プローブ光（Ｌ４）の偏光状態の変化量を検出する場合（走査型）にも、本発明を適用できる。
【００４１】
さらに、上記した実施形態では、被検物体１０Ａから発生する透過パルス光Ｌ３に基づいて結晶２９上に物体像を形成する例（透過型のイメージング装置１１）を説明したが、本発明はこれに限定されない。被検物体から発生する反射パルス光に基づいて物体像を形成する場合（反射型）にも、本発明を適用できる。
また、上記した実施形態では、被検物体１０Ａをテラヘルツパルス光によって照明する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。その他の周波数領域のパルス光を用いて被検物体１０Ａを照明する場合にも、本発明を適用できる。例えば、中心波長帯域を可視光域とする場合、イメージング装置１１のフェムト秒パルスレーザ２１の時間分解能を上げ、レンズ２７の材質を変更し、結晶２９として応答時間のより速いものを用いることが必要になる。
【００４２】
さらに、上記した実施形態では、イメージング装置１１を備えた位相差顕微鏡１０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。イメージング装置１１を省略した場合（つまり画像処理装置１２と表示装置１３とで構成された位相差顕微鏡）にも、本発明を適用できる。この場合には、上記と同様の複素振幅Ｅ3(ω)に関わるデータ群（つまり物体像の複素振幅分布を表すデータ群）を画像処理装置１２に入力するだけで、被検物体１０Ａの位相差画像を生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本実施形態の位相差顕微鏡１０の全体構成を示す図である。
【図２】イメージング装置１１における透過パルス光Ｌ３の電場の時間変化Ｅ(ｔ)の測定原理を説明する図である。
【図３】画像処理装置１２における被検物体１０Ａの位相差画像の生成手順を示すフローチャートである。
【図４】瞳面２７Ａにおける位相シフト領域（２７Ｂ）を説明する図である。
【図５】瞳面２７Ａにおける位相シフト領域（２７Ｃ）を説明する図である。
【図６】瞳面２７Ａにおける位相シフト領域（２７Ｄ）を説明する図である。
【符号の説明】
【００４４】
１０ 位相差顕微鏡
１１ イメージング装置
１２ 画像処理装置
１３ 表示装置
２１ フェムト秒パルスレーザ
２４ 半導体基板
２５ 電極
２７ レンズ
２９ 結晶
３０ 光遅延装置
３２ 偏光板
３３ イメージセンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理手段と、
前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理手段と、
前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理手段と、
前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理手段とを備えた
ことを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像処理装置において、
前記第２の処理手段は、前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる際、該複素振幅の振幅を小さくする処理も行い、前記第３データ群を生成する
ことを特徴とする画像処理装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の画像処理装置と、
前記第５データ群の各ピクセルデータを表示する表示手段とを備えた
ことを特徴とする位相差顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の位相差顕微鏡において、
前記物体をパルス光によって照明する照明手段と、
前記照明手段により照明されたときに前記物体から発生するパルス状の前記直接光と前記回折光とに基づいて、前記物体像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系の像面に入射するパルス光の電場の時間変化を測定する測定手段と、
前記電場の時間変化をフーリエ変換し、各波長成分ごとに前記第１データ群を生成する生成手段とを備えた
ことを特徴とする位相差顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の位相差顕微鏡において、
前記照明手段は、前記物体をテラヘルツ周波数領域のパルス光によって照明する
ことを特徴とする位相差顕微鏡。
【請求項６】
物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理工程と、
前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理工程と、
前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理工程と、
前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理工程とを備えた
ことを特徴とする画像処理方法。
【請求項１】
物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理手段と、
前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理手段と、
前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理手段と、
前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理手段とを備えた
ことを特徴とする画像処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像処理装置において、
前記第２の処理手段は、前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる際、該複素振幅の振幅を小さくする処理も行い、前記第３データ群を生成する
ことを特徴とする画像処理装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の画像処理装置と、
前記第５データ群の各ピクセルデータを表示する表示手段とを備えた
ことを特徴とする位相差顕微鏡。
【請求項４】
請求項３に記載の位相差顕微鏡において、
前記物体をパルス光によって照明する照明手段と、
前記照明手段により照明されたときに前記物体から発生するパルス状の前記直接光と前記回折光とに基づいて、前記物体像を形成する結像光学系と、
前記結像光学系の像面に入射するパルス光の電場の時間変化を測定する測定手段と、
前記電場の時間変化をフーリエ変換し、各波長成分ごとに前記第１データ群を生成する生成手段とを備えた
ことを特徴とする位相差顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の位相差顕微鏡において、
前記照明手段は、前記物体をテラヘルツ周波数領域のパルス光によって照明する
ことを特徴とする位相差顕微鏡。
【請求項６】
物体からの直接光と回折光とに基づいて結像光学系の像面に形成された物体像の複素振幅分布を表す第１データ群の各ピクセルデータを用いてフーリエ変換を行い、前記結像光学系の瞳面における複素振幅分布を表す第２データ群を生成する第１の処理工程と、
前記第２データ群の各ピクセルデータのうち、前記瞳面における前記直接光の通過位置に対応するピクセルデータに対し、該ピクセルデータの複素振幅の位相を所定量だけシフトさせる処理を行い、第３データ群を生成する第２の処理工程と、
前記第３データ群の各ピクセルデータを用いて逆フーリエ変換を行い、前記像面における複素振幅分布を表す第４データ群を生成する第３の処理工程と、
前記第４データ群の各ピクセルデータを用い、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第５データ群を生成する第４の処理工程とを備えた
ことを特徴とする画像処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−２３２４７（Ｐ２００６−２３２４７Ａ）
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−２０３６８３（Ｐ２００４−２０３６８３）
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１月２６日（２００６．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年７月９日（２００４．７．９）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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