観察装置
【課題】高速に移動する対象物の像を得ることができる観察装置を提供することを目的とする。
【解決手段】観察装置１は、光源部１０、周波数変調部２０、検出部４０、及び演算部５０を備える。周波数変調部は、第１の光又は第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数Ωｎだけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調する。検出部４０は、対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。演算部５０は、検出部４０からの出力に対して、特定周波数Ωｎに基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物２の像として得る。
【解決手段】観察装置１は、光源部１０、周波数変調部２０、検出部４０、及び演算部５０を備える。周波数変調部は、第１の光又は第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数Ωｎだけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調する。検出部４０は、対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。演算部５０は、検出部４０からの出力に対して、特定周波数Ωｎに基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物２の像として得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の像を観察する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
移動する対象物の像を観察して定量的情報を得る技術として、特許文献１や非特許文献１に記載された位相シフト法を用いたものが知られている。これらの位相シフト法に拠る観察装置では、光源から出力された波長λの光が２分岐され、一方の分岐光が対象物を透過して物体光とされ、他方の分岐光が参照光とされて、これら物体光と参照光との干渉による２次元像が撮像される。そして、参照光の光路長がλ／４ずつ異なるものとされて４枚の２次元画像が得られ、これら４枚の２次元画像について所定の演算が行われて、対象物の振幅像及び位相像が得られる。ここで、特許文献１や非特許文献１に記載の装置では、空間的画素構造を２次元に持つ２次元光検出器を用いて２次元画像を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３４７１５５６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】F. Le Clerc, et al, "Numerical heterodyne holography withtwo-dimensional photodetector arrays," Optics Letters, Vol.25, No.10, pp.716-718,(2000).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１や非特許文献２に記載された位相シフト法を用いた観察装置では、４枚の２次元画像を得る間、対象物は静止している状態であることが必要である。移動している対象物の像を得るには、フレームレートが高く高速撮像が可能な光検出器を用いて、対象物が静止していると見做し得る期間に４枚の２次元画像を得ることが必要である。しかし、高速撮像が可能な光検出器は、高額であり、或いは、画素数が少なく空間分解能が劣る。特に、特許文献１や非特許文献１に記載された観察装置では、受光器のデータ更新レートが遅い２次元光検出器を用いて２次元画像を得る必要があるため、対象物の移動が高速である場合には、対象物が静止していると見做し得る期間内に２次元画像を取得することが困難である。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高速に移動する対象物の像を得ることができる観察装置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】
本発明の観察装置は、移動している対象物へ光を照射する光源部と、光源部から出力された光を入力して、当該入力された光を、その入力した光を対象物の前段で２分割して第１の光及び第２の光とし、所定平面上で第１の光と第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、第１の光又は第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調する周波数変調部と、所定平面上に位置する検出部であって、対象物で生じた散乱光のうち、検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する検出部と、検出部から出力されたデータに対して、特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備える。
【０００８】
観察装置は、光源部、周波数変調部、検出部、及び演算部を備える。第１の光又は第２の光を入力して、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調する。つまり、変調後の光は、第１方向において、変調前の光から特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において、変調前の光と同じ周波数を有する。検出部は、所定平面上に位置し、対象物で生じた散乱光のうち、検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。演算部は、検出部からの出力に対して、特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得る。このような構成によれば、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有する光を用いることで、対象物の第２方向の像を混信することなく復元することができる。ドップラー効果により、対象物の空間周波数が時間周波数に変換されることで、検出器の次元を１次元減少できる。また周波数変調部により、対象物の像が時間周波数に変換されることで、検出器の次元を１次元減少できる。このため、この観察装置では、撮像した画像の次元よりも低い次元数を有する検出部を用いて、所望の画像を得ることができる。例えば、０次元の光検出器を有する検出部を用いて２次元画像を得ることができ、１次元の光検出器を有する検出部を用いて３次元画像を得ることができる。このため、検出器の読み出し時間が短縮され、高速に移動する対象物の像を得ることができる。
【０００９】
また、周波数変調部が、第１の光の光路上に配置され、第１の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を、第１の光の光路上に位置する対象物または対象物の像に照射してもよい。
【００１０】
また、周波数変調部が、第２の光の光路上に配置され、第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調してもよい。
【００１１】
また、検出部が、単画素の光検出器であってもよい。
【００１２】
また、光源部と対象物との間に配置され、光源部からの光を入力して、対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、検出部が、所定平面に受光面を有し、該受光面において第１方向に画素構造を有する光検出器であってもよい。
【００１３】
また、光源部と対象物との間に配置され、光源部からの光を入力して、対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、周波数変調部が、第１の周波数変調部と、第２の周波数変調部とを備え、第１の周波数変調部が、第１の光の光路上に配置され、第１の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数である第１特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を対象物に照射し、第２の周波数変調部が、第２の光の光路上に配置され、第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数である第２特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、検出部が、単画素の光検出器であり、演算部が、検出部から出力されたデータに対して、第１特定周波数及び第２特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得てもよい。
【００１４】
また、演算部が、検出部から出力されるデータを、特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する分波器と、分波器により分割されたデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、第１フーリエ変換部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含んでもよい。
【００１５】
また、演算部が、検出部から出力されるデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、第１フーリエ変換部から出力されたデータを、特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する周波数分割部と、分割部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含んでもよい。
【００１６】
また、演算部が、検出部から出力されるデータを、検出部が配置される位置により定まる値である２次位相で除する２次位相除算部を更に備えていてもよい。
【００１７】
また、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、演算部が、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行うこととしてもよい。
【００１８】
また、対象物への光の照射が、透過照明の光学配置によって行われてもよいし、対象物への光の照射が、反射照明の光学配置によって行われてもよい。また、光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であってもよいし、光源部が、広帯域の光を生成してもよい。さらに、光源部が、モードロックレーザーであってもよい。
【００１９】
光源部が、広帯域の光を生成してもよい。
【００２０】
光源部が、光としてパルス波を生成してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高速に移動する対象物の像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。
【図２】対象物で生じる散乱光の散乱方向を説明する図である。
【図３】対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図４】対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。
【図５】対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図６】対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。
【図７】対象物で生じる散乱光の散乱方向単位ベクトルと移動する対象物の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。
【図８】第１実施形態の観察装置１の構成を示す図である。
【図９】周波数変調部２０の構成の一例を示す図である。
【図１０】変調器２２の画素構造を示す図である。
【図１１】検出部４０において観察される信号の例を示す図である。
【図１２】演算部５０の構成を示す図である。
【図１３】本実施形態の観察装置１における対象物２、集光レンズ３２及び検出部４０の間の配置の関係を説明する図である。
【図１４】第２実施形態の観察装置１Ａの構成を示す図である。
【図１５】第３実施形態の観察装置１Ｂの構成を示す図である。
【図１６】第４実施形態の観察装置１Ｃの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するため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。
【００２４】
本実施形態の観察装置は、移動している対象物に光を照射して、対象物の像を取得するものである。初めに、発明の理解を容易にするために、図１〜図７を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の位相像の取得について原理的な事項について説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態の観察装置による対象物の位相像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系，ｘｙ座標系及びｕｖ座標系が示されている。ξ軸，η軸，ｘ軸，ｙ軸，ｕ軸及びｖ軸は、何れも集光レンズ３２の光軸に垂直である。ξ軸，ｘ軸及びｕ軸は、互いに平行である。η軸，ｙ軸及びｖ軸は、互いに平行である。観察対象である対象物２はξη平面上に存在する。集光レンズ３２はｘｙ平面上に存在する。また、集光レンズ３２の後焦点面はｕｖ平面と一致する。ξη平面とｘｙ平面との間の距離はｄである。ｘｙ平面とｕｖ平面との間の距離は集光レンズ３２の焦点距離ｆと一致する。本明細書において、ξ軸方向、ｘ軸方向、第１方向に対して平行な向きをＸ軸方向といい、η軸方向、ｙ軸方向、第２方向に平行な向きをＹ軸という場合がある。
【００２６】
対象物２はξη平面上で−η方向に移動しているものとする。ξη平面に垂直なζ方向に進む光Ｌ０が対象物２に照射されるとする。この光Ｌ０は例えば平面波である。対象物２に光Ｌ０が照射されることにより生じる散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、様々な方向に進み、また、対象物２の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ１は、光周波数が高くなる。対象物２の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ２は、光周波数が変化しない。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ３は、光周波数が低くなる。これらの散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、集光レンズ３２を経てｕｖ平面に到達する。
【００２７】
図２は、対象物で生じる散乱光の散乱方向を説明する図である。対象物２で生じる散乱光の散乱方向を表現するには、仰角θ及び方位角φの２つの変数で記述する必要がある。対象物２内に仮想的に配置した点光源をξηζ座標系の原点とする。そして、その原点に位置する点光源からの散乱光の方向ベクトルとζ軸とがなす角度を仰角θとする。また、その散乱方向ベクトルのξη平面への投影ベクトルとξ軸とがなす角度を方位角φとする。
【００２８】
図３は、対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。光Ｌ０が対象物２に照射されることにより生じる散乱光は、ホイヘンスの原理により２次波として扱うことができ、対象物２内に仮想的に配置した点光源から発した光として扱うことができる。同図では、対象物２内に５個の仮想的な点光源が配置されている。これらの点光源は、集光レンズ３２の前焦点面上だけでなく、集光レンズ３２の前焦点面の前後にも存在する場合がある。
【００２９】
これらの点光源から発した光のうち同じ仰角θ及び方位角φを有する散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、集光レンズ３２の後焦点面上の一点Ｐａに到達する。また、他の同じ仰角θ及び方位角φを有する散乱光Ｌ４〜Ｌ６は、集光レンズ３２の後焦点面上の他の一点Ｐｂに到達する。なお、光線Ｌ２，Ｌ５は、集光レンズ３２の前焦点位置の点光源から発した光であるので、集光レンズ３２以降では集光レンズ３２の光軸に平行に進む。光Ｌ０のうち対象物２により散乱されなかった光は、集光レンズ３２の光軸に平行に進んで集光レンズ３２に入射されるので、集光レンズ３２の後焦点位置Ｐｏに集光される。
【００３０】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動している場合、ドップラーシフト効果により、点Ｐａで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより小さく、点Ｐｂで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより大きい。散乱角（仰角θ，方位角φ）がレンズ後焦点面上に展開されることから、レンズ後焦点面での像は角度スペクトルと呼ばれることがある。大きな仰角θを有する光線は、レンズ後焦点面上において中心点Ｐｏから遠い位置に集光される。まとめると、異なる仮想点光源であっても同じ散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面上で一点に集光される。
【００３１】
図４は、対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。ここでは、対象物２中のレンズ前焦点面上に存在する異なる仮想点光源から、異なる散乱角で散乱光Ｌ１〜Ｌ３が発するものとする。集光レンズ３２の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４は、集光レンズ３２以降では集光レンズ３２の光軸に平行に進み、集光レンズ３２の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。集光レンズ３２の前焦点面上の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ１は、集光レンズ３２の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４と散乱角が同じであるとすると、集光レンズ３２の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。集光レンズ３２の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ２は、Ｌ４とは散乱角が異なるため、集光レンズ３２以降では集光レンズ３２の光軸に平行に進むが、点Ｐｓを通過しない。集光レンズ３２の前焦点面上の他の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ３は、集光レンズ３２の中心を通過するものとすると、集光レンズ３２の入射の前後で進行方向が変わらない。結局、光線Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ後焦点面より更に後方の点Ｐｒに集光される。異なる散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面では１点で交わらない。
【００３２】
図５は、対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。ここでは、各位置に移動した対象物２ａ〜２ｅが示されている。また、対象物２ａ〜２ｅ中に仮想点光源が存在するものとする。対象物２ａ中の仮想点光源はレンズ前焦点位置に存在する。対象物２ｂ，２ｃ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して上下に存在する。対象物２ｄ，２ｅ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して前後に存在する。空間的に一様な光Ｌ０が対象物２ａ〜２ｅに照射されるので、対象物２ａ〜２ｅ中の各点光源で発する散乱光の角度スペクトルの強度分布は一定である。すなわち、対象物２が移動したとしても、レンズ後焦点面における角度スペクトルの強度分布は一定である。
【００３３】
対象物２が移動することによって光の位相が変化する。例えば、レンズ前焦点面上の対象物２ｂ，２ｃ中の各点光源で発した光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃがレンズ後焦点面上の位置Ｐａに到達するまでの光路長差は以下のようになる。対象物２ｂ中の点光源で発した光Ｌ１ｂが集光レンズ３２の入射面に達するまでの光路長と、対象物２ｃ中の点光源で発した光Ｌ１ｃが集光レンズ３２の入射面に達するまでの光路長とは、互いに等しい。しかし、集光レンズ３２の肉厚差により、集光レンズ３２の入射面から点Ｐａに到達するまでの光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃそれぞれの光路長は異なるものとなる。対象物２が等速移動することにより、この光路長差は時間的に直線的に変化する。
【００３４】
図６は、対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。ただし、ここでは、集光レンズ３２を用いることなく無限遠方にて散乱光を観察する場合を想定する。対象物２がレンズ前焦点面上において対象物２ｂ位置から対象物２ｃ位置へ移動する場合、点Ｐａで散乱光を観測する場合と無限遠方にて散乱光を観測する場合とは互いに等しい。
【００３５】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動しているとき、対象物２から発せられる散乱光が無限遠方のｕｖ平面上の点Ｐｐに達するまでの光路長の単位時間当たりの変化量ΔＬは、下記（１）式で表される。ここで、ｅｐｒは散乱方向単位ベクトルであり、ｖｐは対象物２の速度ベクトルである。この単位時間当たりの光路長変化量ΔＬを用いると、位相差すなわち光周波数の変化量ｆｄは下記（２）式で表される。λは光の波長である。ｕｖ平面上の位置Ｐｐで散乱光を観測する場合、対象物２が移動することにより、位置Ｐｐに到達する散乱光の光路長が変化して光周波数が変化する。これがドップラーシフトの原因である。
【００３６】
【数１】
【００３７】
【数２】
【００３８】
ドップラーシフトは、フーリエ変換の性質の一つである時間軸移動によっても説明することができる。対象物２の複素振幅をｇ(ｘ)で表し、対象物２のフーリエ変換をＧ(ｋ)で表す。対象物２が位置ｘ０から位置(ｘ０＋ｘ)へ移動したとき、移動後の対象物２のフーリエ変換Ｇ'(ｘ)は下記（３）式で表される。この（３）式の右辺の指数関数内の項は位相を表している。対象物２が移動することにより、この位相が波数ベクトルｋに比例して回転することから、周波数シフトが生じる。指数関数内の位相をφとすると、周波数シフトｆｄは下記（４）式で表される。ｅｐｒは波数ベクトルｋの単位ベクトルである。ｖｐは位置ｘの時間微分すなわち対象物２の速度を表す。この（４）式は、前述した単位時間当たりの光路長変化から説明される周波数シフト式（２）と合致する。
【００３９】
【数３】
【００４０】
【数４】
【００４１】
図７は、対象物で生じる散乱光の散乱方向単位ベクトルと対象物２の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。散乱方向単位ベクトルｅｐｒをηζ平面へ投影したベクトルとζ軸とがなす角度をθ'と表す。このとき、散乱方向単位ベクトルｅｐｒと対象物２の速度ベクトルｖｐとがなす角度はθ'＋π／２となる。このことから、（２）式または（４）式の右辺の散乱ベクトルと速度ベクトルとの内積は下記（５）式で表される。Ｖは対象物２の移動の速さである。集光レンズ３２の開口数ＮＡはsinθ'で定義されるので、ボケのない画像を得るためのナイキスト周波数ｆｎｙｑは下記（６）式で表される。
【００４２】
【数５】
【００４３】
【数６】
【００４４】
次に、具体的な数値を当てはめて、ドップラーシフトによる光周波数の変化量ｆｄを見積もる。現在市販されているフローサイトメーターにより対象物２が流れるものとして、対象物２の移動速度が１ｍ／秒であるとする。対象物２に照射される光Ｌ０は、波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光であるとする。集光レンズ３２は、ＮＡが０.４５であり、倍率が２０倍相当であるとする。このような集光レンズ３２を使用する場合、速度ベクトルｖｐに対する散乱角θ'の正弦の最大値は０.４５をとる。したがって、最大ドップラーシフト周波数は、（５）式から７１０ｋＨｚと見積もられる。また、速度１００μｍ／秒の場合であれば、最大７１Ｈｚのドップラーシフト周波数が観測される。
【００４５】
散乱角θ'を有する散乱光は、焦点距離ｆの集光レンズ３２により、ｕｖ平面上の下記（７）式で表される位置に到達する。したがって、（５）式，（７）式を用い、角度θ'が小さい場合に成り立つtanθ'≒sinθ' の近似の式を用いると、ドップラーシフト周波数ｆｄは、下記（８）式のようにｖ座標値の関数として表現され得る。なお、近似を用いない場合には、下記（９）式で表される。
【００４６】
【数７】
【００４７】
【数８】
【００４８】
【数９】
【００４９】
（第１実施形態）
以下の実施形態に係る観察装置は、以上に説明した原理に基づいて、対象物２の像を取得する装置である。本実施形態の観察装置１では、単画素の０次元光検出器を用いて、対象物２の２次元画像を得る。図８は、本実施形態の観察装置１の構成を示す図である。本実施形態の観察装置１は、光源部１０、ビームスプリッタＨＭ１、周波数変調部２０、集光レンズ３２、照明レンズ３１、ビームスプリッタＨＭ２、ミラーＭ１、ミラーＭ２、検出部４０、及び演算部５０を備える。
【００５０】
光源部１０は、例えばＨｅＮｅレーザ光源であり、対象物２に照射されるべき光（光周波数ｆｂ）を出力する。ビームスプリッタＨＭ１は、光源部１０から出力された光を入力し、この光を２分割して第１の光及び第２の光とし、そのうちの第１の光を周波数変調部２０へ出力し、第２の光をミラーＭ１へ出力する。ミラーＭ１へ出力された光は、ミラーＭ１、Ｍ２により順次に反射され、ビームスプリッタＨＭ２へ出力される。
【００５１】
周波数変調部２０は、光源部１０から出力された光を、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調し、この変調した光を照明レンズ３１を介して対象物２に照射する。図９に示すように、周波数変調部２０は、レンズ２１、ビームスプリッタＨＭ３、及び変調器２２を備えている。レンズ２１は、ビームスプリッタＨＭ１から出力された光のビーム径を変調器２２と同じ程度の大きさに調整した上で、変調器２２に出力する。照明レンズ３１は、周波数変調部２０によってＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置された物体光断面を、対象物２が存在するξ−η面に結像する作用を持つ。すなわち照明レンズ３１は、周波数変調部２０からの出力をξ−η面へ照明する。なお、照明レンズ３１はξ−η面と等価な（共役な）対象物の結像面へ照明してもよい。
【００５２】
変調器２２としては、例えば図１０に示すように、Ｘ軸方向に画素構造ｄｎ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）を持つ空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が用いられる。空間光変調器は、入射してきた光に位相変調を与える装置である。変調器２２は、その各画素ｄｎに入射された光を、各画素ｄｎ毎に異なる変調周波数Ωｎ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）（特定周波数）により変調し、その変調した光をビームスプリッタＨＭ３へ出力する。ここで、変調周波数Ωｎは、以下の（１０）式を満たす周波数である。（１０）式におけるＢｗは、以下の（１１）式に示す最大ドップラーシフト周波数Ｂｗである。（１１）式において、λは光の波長、Ｖは移動物体の速度、θｍａｘは集光レンズ３２が対象物２からの散乱光を取りうる最大散乱角である。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
【数１１】
【００５５】
変調器２２からは、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光が出力される。ビームスプリッタＨＭ３は、変調器２２から出力された光を周波数変調部２０の出力として、照明レンズ３１を介して対象物２に出力する。なお、変調器２２としては、Ｘ軸方向に画素構造ｄｎを持つ空間光変調器ではなく、Ｘ方向に並設された音響光学素子を用いてもよい。
【００５６】
周波数変調部２０から出力された光は、照明レンズ３１を介して対象物２へ照射される。集光レンズ３２は、周波数変調部２０からの光照射により対象物２で生じた散乱光を入力して、検出部４０の受光面において対象物２のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ３２は、周波数変調部２０から出力された光をビームスプリッタＨＭ２へ出力する。
【００５７】
ビームスプリッタＨＭ２は、集光レンズ３２から到達した光（第１の光）と、ミラーＭ２から到達した光（第２の光）とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。以下、本明細書では、対象物２が配置される光路を通過する光を物体光といい、対象物２が配置されていない光路を通過する光を参照光ということがある。本実施形態では、第１の光が物体光であり、第２の光が参照光である。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００５８】
対象物２はξη平面上で−η方向に移動しているものとすると、集光レンズ３２を経て検出部４０の受光面に到達した光において対象物２の移動に因るドップラーシフト周波数が一定となる第１方向は、ξ軸に平行なｕ方向である。すなわち、第１方向は、対象物２の移動方向に垂直な方向である。この第１方向に直交する受光面上の第２方向は、η軸に平行なｖ方向である。すなわち、第２方向は、対象物２の移動方向に平行な方向である。
【００５９】
検出部４０は、周波数変調部２０による光照射により対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０の受光面に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部４０は、単画素からなる０次元光検出素子である。光検出素子としては、フォトダイオード（ＰＤ）や光電子増倍管（ＰＭＴ）が用いられる。検出部４０の受光面は、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置される。
【００６０】
図１１は、検出部４０において観測される信号の例を示した図である。図１１において横軸は周波数である。図１１に示すように、検出部４０では、物体光と参照光との干渉ビート信号であるΩｎを中心として、その前後に移動物体からの散乱光によるドップラーシフト周波数ｆｄを含む信号が観測される。検出部４０は、検出した信号を演算部５０に出力する。
【００６１】
演算部５０は、検出部４０から出力された時刻を変数とするデータについて所定の演算を行って対象物２の像を得る。図１２に示すように、演算部５０は、第１フーリエ変換部５１、周波数分割部５２及び第２フーリエ変換部５３を備えている。第１フーリエ変換部５１は、検出部４０からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する１次元フーリエ変換を行う。周波数分割部５２は、第１フーリエ変換部５１から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、第１フーリエ変換部５１から出力された信号、変調周波数Ωｎを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮ個の周波数領域毎に分割して出力する。第２フーリエ変換部５３は、周波数分割部５２から出力されたＮ個のデータについて周波数に関する１次元フーリエ変換を行う。
【００６２】
本実施形態の観察装置１では、検出部４０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置されているが、検出部４０の受光面は、本実施形態とは異なる位置に配置されてもよい。図１３は、本実施形態の観察装置１における対象物２、集光レンズ３２及び検出部４０の配置の関係を説明する図である。同図（ａ）はη方向に見た図であり、同図（ｂ）はξ方向に見た図である。同図では、集光レンズ３２の前焦点位置に原点を有するξη座標系、集光レンズ３２の中心に原点を有するｘｙ座標系、集光レンズ３２の後焦点位置に原点を有するｕｖ座標系、集光レンズ３２による結像面中心位置に原点を有するｕ'ｖ'座標系、及び、集光レンズ３２の光軸上の任意位置に原点を有するｕ"ｖ"座標系、が示されている。以下では、検出部４０の受光面をｕｖ平面に一致させた配置を第１配置例といい、検出部４０の受光面をｕ'ｖ'平面に一致させた配置を第２配置例といい、検出部４０の受光面をｕ"ｖ"平面に一致させた配置を第３配置例という。
【００６３】
同図（ｂ）に示されるように、対象物２中の仮想点光源ｇ１〜ｇ３で同じ角度で発生した光線Ｌ４〜Ｌ６は、レンズ後焦点面であるｕｖ平面上の一点ａで交わり、やがて発散していき、レンズ結像面であるｕ'ｖ'平面上の点ｈ，ｇ，ｆに到達する。これらの光線Ｌ４〜Ｌ６は、同じ散乱角θ'を有することから、同じ量のドップラーシフトを受ける。
【００６４】
第１配置例及び第２配置例それぞれの場合に検出部４０により受光される信号の相違について説明すると以下のとおりである。第１配置例では、周波数シフトがｖ方向に規則正しく観測され、ｖ方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在する。これに対して、第２配置例では、周波数シフトがｖ'方向に規則正しく配置されず、ｖ'方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在しない。
【００６５】
ここで、第２配置例においてｖ'方向に不規則に配置された周波数シフト量を順序正しくする（すなわち、第１配置例で検出部４０の受光面で観測されるような順序にする）には，ｕ'ｖ'平面上の点ｆ，ｇ，ｈで観測される波形を合波（和算）した後にフーリエ変換を施せばよく、このようにすることにより、その周波数軸が線形となり、かつその振幅及び位相が得られる。
【００６６】
つまり、対象物２によりドップラーシフトを受けた散乱光をカバーするだけの大きさの受光面を検出部４０が有していれば、どの位置に配置された検出部４０により受光しようとも得られる信号は変わらず、かつ、周波数にエンコードされているので、第１配置例の検出部４０の受光面で得られる分布を回復することが可能である。
【００６７】
一方、同図（ａ）に示されるように、ｕ方向に関してはドップラーシフトを受けないことから、ｕ方向に信号を積分しても、演算等により分布を回復することはできない。そこで、本実施形態の観察装置１では、物体光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。物体光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０が単画素からなる０次元光検出素子であっても、観察装置１は２次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素からなる０次元光検出素子を用いて対象物の像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
第１実施形態では、周波数変調部２０が物体光路上（第１の光の光路上）に配置されていた。第２実施形態の観察装置１Ａでは、周波数変調部２０が参照光路上（第２の光の光路上）に配置される点で、第１実施形態と異なる。それ以外の点では、第１実施形態と同じである。以下では、主に第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一である点については説明を省略する。
【００６９】
図１４は、第２実施形態の観察装置１Ａの構成を示す図である。本実施形態の観察装置１Ａは、第１実施形態と同じように、光源部１０、ビームスプリッタＨＭ１、周波数変調部２０、集光レンズ３２、照明レンズ３１、ビームスプリッタＨＭ２、ミラーＭ１、ミラーＭ２、検出部４０、及び演算部５０を備える。ただし、観察装置１Ａでは、周波数変調部２０が参照光路上に配置されている。
【００７０】
光源部１０は、移動している対象物へ光を照射する。集光レンズ３２は、光源部１０からの光照射により対象物２で生じた散乱光を入力して、検出部４０の受光面において対象物２のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ３２は、周波数変調部２０から出力された光をビームスプリッタＨＭ２へ出力する。
【００７１】
周波数変調部２０は、光源部１０から出力された光をビームスプリッタＨＭ１、ミラーＭ１を介して入力し、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光に変調し、この変調した光を照明レンズ３１を介してビームスプリッタＨＭ２に出力する。照明レンズ３１は、周波数変調部２０によってＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置された参照光断面を、検出部４０の受光面に結像する作用を持つ。すなわち照明レンズ３１は、周波数変調部２０からの出力を検出部４０の受光面へ照明する。
【００７２】
ビームスプリッタＨＭ２は、集光レンズ３２から到達した光（物体光）と、集光レンズ３３から到達した光（参照光）とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００７３】
本実施形態の検出部４０で観測される干渉ビート信号は、第１実施形態で観測されるものと同じである。つまり、検出部４０では、図１１に示される、物体光と参照光との干渉ビート信号であるΩｎを中心として、その前後に移動物体からの散乱光によるドップラーシフト周波数ｆｄを含む信号が観測される。したがって、検出部４０の後段に配置される演算部５０の機能は第１実施形態と同じであり、再度の説明は省略する。
【００７４】
本実施形態の観察装置１Ａにおいても、参照光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。参照光路断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０が単画素からなる０次元光検出素子であっても、観察装置１は２次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素からなる０次元光検出素子を用いて対象物の２次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【００７５】
（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態の観察装置１、１Ａでは、単画素からなる０次元光検出素子を用いて、対象物２の２次元画像を得た。第３実施形態の観察装置１Ｂは、Ｘ軸方向に画素構造を有する１次元光検出器を用いて、対象物２の３次元画像を得る。以下では、主に第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一である点については説明を省略する。
【００７６】
まず、３次元画像を得るための一般的な原理について説明する。対象物２に多方向から光が対象物２に照射されるとする。この場合、速度ベクトルＶで移動する対象物２に周波数ｆをもつ光を照射すると、対象物２で生じる散乱波の周波数は、ドップラー効果により下記（１２）式で表されるドップラーシフト周波数ｆｄだけ変化する。（１２）式では、対象物２に対する入射光の入射単位ベクトルをｓ０とし、対象物２で生じた散乱波の散乱方向を示す散乱単位ベクトルをｓとしている。（１２）式において、λは光の波長である。（１２）式はドップラーシフト量ｆｄは、（ｓ−ｓ０）と移動物体の速度ベクトルＶの内積に比例することを表している。
【００７７】
【数１２】
【００７８】
式（１２）より、速度Ｖと散乱単位ベクトルｓが一定である場合、ある位置で観測される回折波のドップラーシフト周波数ｆｄは、入射単位ベクトルｓ０と一対一で対応することが分かる。このように、ドップラーシフト周波数ｆｄは、入射波の入射角θ０に依存するものである。
【００７９】
入射角θ０を変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて３次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。例えば、このような手法としては、「W. Choi, C. Fang-Yen, K. Badizadegan, S. Oh, N. Lue, R. R. Dasari,and M. S. Feld, "Tomographic phase microscopy," Nature Methods 4,717-719 (2007)」に開示されている。したがって、本明細書では、入射角θ０を変数とする複素振幅像の取得手順について説明し、入射角θ０を変数とする複素振幅像から３次元画像を生成する方法についての説明は省略する。
【００８０】
図１５は、第３実施形態の観察装置１Ｂの構成を示す図である。本実施形態の観察装置１Ｂは、図１５に示すように、光源部１０、ビームスプリッタＨＭ１、周波数変調部２０、照明レンズ３１、集光レンズ３２、ビームスプリッタＨＭ２、ミラーＭ１、ミラーＭ２、検出部４０、及び演算部５０を備える。
【００８１】
周波数変調部２０は、光源部１０から出力された光を入力し、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光に変調し、この変調した光を照明レンズ３１に出力する。
【００８２】
照明レンズ３１は、周波数変調部２０から出力された光を受光し、Ｘ軸方向に種々の方向を持ち、Ｙ軸方向に一定の方向を持つ光を対象物２に照射する。照明レンズ３１としては、シリンドリカルレンズが用いられる。照明レンズ３１は、曲率を有する面がＸ軸方向と平行に配置され、曲率を有さない面がＹ軸方向と平行に配置される。このような照明レンズ３１により、対象物２にはＸ軸方向が収束光又は発散光であって、Ｙ軸方向が平行光である光が照射される。つまり、対象物２には、Ｘ軸方向において多方向から光が照射される。このような照明レンズ３１により、周波数変調部２０によりＸ軸方向において異なる周波数で変調されて出力されたそれぞれの光ｆｂ＋Ωｎは、それぞれ異なる入射角θ０で対象物２に照射されることとなる。
【００８３】
集光レンズ３２は、照明レンズ３１から出力された光の照射により対象物２で生じた散乱光を入力して、検出部４０の受光面において対象物２のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ３２は、周波数変調部２０から出力された光をビームスプリッタＨＭ２へ出力する。
【００８４】
ビームスプリッタＨＭ１から第２の光として、ミラーＭ１へ出力された光は、ミラーＭ１，Ｍ２に順次反射され、ビームスプリッタＨＭ２へ出力される。ビームスプリッタＨＭ２は、集光レンズ３２から到達した光（物体光）と、ミラーＭ２から到達した光（参照光）とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００８５】
検出部４０は、対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部４０の受光面は、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置される。よって、同じ散乱角を有す散乱光は、検出部４０の一点に集光される。検出部４０は、ｕ方向に画素ｄ１〜ｄｎが配列された画素構造を有し、各画素ｄｎの光感応領域がｖ方向に長尺な形状をなす。
【００８６】
演算部５０は、各画素ｄｎから出力されるデータのそれぞれについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、変調周波数Ωｎに基づいて複数の周波数領域に分割し、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物２の像として得る。
【００８７】
本実施形態の観察装置１Ｂの演算部５０の構成は、図１２に示すものと同じである。すなわち、演算部５０は、第１フーリエ変換部５１、周波数分割部５２及び第２フーリエ変換部５３を備えている。第１フーリエ変換部５１は、検出部４０からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する１次元フーリエ変換を行う。周波数分割部５２は、第１フーリエ変換部５１から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、変調周波数Ωｎを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮ個の周波数帯域を分割して出力する。第３フーリエ変換部５３は、周波数分割部５２から出力されたＮ個のデータについて周波数に関する１次元フーリエ変換を行う。
【００８８】
このようにして演算部５０により得られるデータは、入射角θ０を変数とする複素振幅像である。上記のように、入射角θ０を変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて３次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。したがって、本明細書では、入射角θ０を変数とする複素振幅像から３次元画像を生成する方法についての説明は省略する。
【００８９】
本実施形態の観察装置１Ｂにおいても、物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、入射光の角度毎の光に対する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０がＸ軸方向に画素構造を持つ１次元光検出器であっても、観察装置１は３次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、Ｘ軸方向に画素構造を持つ１次元光検出器を用いて対象物の３次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【００９０】
（第４実施形態）
第１，第２実施形態の観察装置１，１Ａは、単画素からなる０次元光検出素子を用いて、対象物２の２次元画像を得た。第３実施形態の観察装置１Ｂは、Ｘ軸方向に画素構造を有する１次元光検出器を用いて、対象物２の３次元画像を得た。第４実施形態の観察装置１Ｃは、単画素からなる０次元光検出素子を用いて、対象物２の３次元画像を得るものである。
【００９１】
図１６は、第４実施形態の観察装置１Ｃの構成を示す図である。図１６に示すように、本実施形態の観察装置１Ｃは、観察装置１Ｂの周波数変調部２０に代えて、第１周波数変調部２０Ａを備えている。また、実施形態の観察装置１Ｃでは、参照光路に第２周波数変調部２０Ｂを備えている。その他の構成は観察装置１Ｂと同じである。以下では、主に観察装置１Ｂとの相違点についてのみ説明し、観察装置１Ｂと同一と見做し得る点については説明を省略する。
【００９２】
第１周波数変調部２０Ａは、ビームスプリッタＨＭ１を介して光源部１０から出力される光を入力して、Ｘ軸方向において複数の互いに異なる周波数を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を出力する。第１周波数変調部２０Ａは、Ｘ軸方向に画素構造ｄｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）を備えている。第１周波数変調部２０Ａには、互いに異なる変調周波数Ωｎの変調信号が入力される。第１周波数変調部２０Ａは、各画素ｄｎに入力された光を変調周波数Ωｎ（第１特定周波数）だけ周波数遷移させて出力する。第１周波数変調部２０Ａは、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を照明レンズ３１に出力する。照明レンズ３１は、第１周波数変調部２０Ａから出力された光をＸ軸方向に収束又は発散する光とし、Ｙ軸方向に平行光として対象物２に照射する。
【００９３】
第２周波数変調部２０Ｂは、ビームスプリッタＨＭ１を介して光源部１０から出力される光を入力して、Ｘ軸方向において複数の互いに異なる周波数を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を出力する。第２周波数変調部２０Ｂは、Ｘ軸方向に画素構造ｄｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を備えている。第２周波数変調部２０Ｂには、互いに異なる変調周波数Ωｍ’（第２特定周波数）の変調信号が入力される。第２周波数変調部２０Ｂは、各画素ｄｍに入力された光を変調周波数Ωｍ’だけ周波数遷移させて出力する。第１周波数変調部２０Ａは、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１’〜ｆｂ＋ΩＭ’を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を照明レンズ３３に出力する。
【００９４】
ビームスプリッタＨＭ２は、物体光と、参照光とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉させる。集光レンズ３２から出力されて検出部４０の受光面に入射される光は、第１周波数変調部２０Ａの作用によりｆ＋Ωｎの周波数を持つ。照明レンズ３３から出力されて検出部４０の受光面に入射される光は、第２周波数変調部２０Ｂ作用によりｆ＋ΩＭ’の周波数を持つ。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００９５】
検出部４０は、周波数変調部２０による光照射により対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部４０は、単画素からなる０次元光検出素子である。検出部４０の受光面は、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置される。
【００９６】
演算部５０は、検出部４０から出力されるデータのそれぞれについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、変調周波数Ωｎおよび変調周波数Ωｍ’に基づいて複数の周波数領域に分割し、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物２の像として得る。
【００９７】
本実施形態の観察装置１Ｃの演算部５０の構成は、図１２に示すものと同じである。すなわち、演算部５０は、第１フーリエ変換部５１、周波数分割部５２及び第２フーリエ変換部５３を備えている。第１フーリエ変換部５１は、検出部４０からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する１次元フーリエ変換を行う。周波数分割部５２は、第１フーリエ変換部５１から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、変調周波数Ωｎ，Ωｍ’を中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮｘＭ個の周波数帯域を抽出して出力する。
【００９８】
第３フーリエ変換部５３は、周波数分割部５２から出力されたＮ個のデータについて周波数に関する１次元フーリエ変換を行う。なお、第１フーリエ変換部６１及び第３フーリエ変換部５３は、互いに入れ替えて任意の順序で配置されてもよい。
【００９９】
このようにして演算部５０により得られるデータは、入射角θ０を変数とする複素振幅像である。上記のように、入射角θ０を変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて３次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。したがって、本明細書では、入射角θ０を変数とする複素振幅像から３次元画像を生成する方法についての説明は省略する。
【０１００】
本実施形態の観察装置１Ｂにおいても、物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、入射光の角度毎の光に対する信号は混信することなく復元することができる。また参照光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。参照光路断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０が単画素からなる０次元光検出素子であっても、観察装置１は３次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素の０次元光検出素子を用いて対象物の３次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【０１０１】
（変形例）
本配置例では、検出部５０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に配置されている。しかし、検出部５０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に配置されていない場合であっても、所定の演算を行うことにより、検出部５０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に配置された場合と同じ複素振幅像を得ることができる。ただし、検出部５０がフレネル回折像面に配置されると、像のボケとして２次位相Ｈ（ｕ）が現れる。この場合、検出部５０の出力を、第１方向に１次元フーリエ変換を行った後、２次位相Ｈ（ｕ）で除する２次位相除算部を演算部５０に備えることが好ましい。２次位相Ｈ（ｕ）は、検出部５０が配置される位置により決まる値であり、下記（１３）式で表される。（１３）式において、αは定数である。
【０１０２】
【数１３】
【０１０３】
上記実施形態では、演算部５０の周波数分割部５２が、変調周波数Ωｎを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮ個の周波数帯域を分割したが、別の方法で周波数帯域の分割を行ってもよい。例えば、検出器の後段に分波器を設け、検出部４０から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数毎に分割してもよい。このような分波器としては、Ｘ軸方向に並設されたＮ個のバンドパスフィルターが用いられる。
【０１０４】
本実施形態の観察装置１では、対象物２の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物２の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置１は、対象物２の移動速度を検出する速度検出部を更に備えるのが好適である。そして、演算部５０は、速度検出部により検出された対象物２の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換または２次元フーリエ変換の際に対象物２の速度変化に関する補正を行うのが好適である。または、速度検出部より検出された対象物２の速度に基づいて、検出部４０の撮影タイミングを図ってもよい。
【０１０５】
この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、集光レンズ３２の後焦点面の散乱光到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物２の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、ビームスプリッタＨＭ２から検出部４０へ向う光の一部が分岐されたものをフーリエ面上で検出してもよいし、或いは、検出部４０の受光面の一部に独立に設けられた画素を含むものであってもよい。その画素の大きさは、対象物２の移動速度Ｖとドップラー周波数ｆｄとの関係から導かれる移動速度の分解能を有する面積を持つことが好ましい。
【０１０６】
以上の説明では、光源の対象物の位相像を透過照明で取得する実施例を主に示したが、反射照明で取得してもよいことは、明らかである。光源として、ドップラーシフト量を感度よく検出する上では、単一縦モードの光の利用が好適であるが、これに限定されない。例えば、広帯域の光を用いることで、位相物体の深さに関する情報も取得可能となる。各波長成分のドップラーシフトを計測するためには、広帯域の光として、波長成分間の位相関係が一定であるものを用いるのが好適である。このような光源として、例えばモードロックレーザーを用いることができる。モードロックレーザーは、離散的な波長成分を有するため、ドップラーシフト量の検出する用途において、非常に有効な光源である。
【符号の説明】
【０１０７】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…観察装置、２…対象物、１０…光源部、２０…周波数変調部、２０Ａ…第１周波数変調部、２０Ｂ…第２周波数変調部、３１，３３…照明レンズ、３２…集光レンズ、４０…検出部、５０…演算部、５１…第１フーリエ変換部、５２…周波数分割部、５２…第２フーリエ変換部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対象物の像を観察する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
移動する対象物の像を観察して定量的情報を得る技術として、特許文献１や非特許文献１に記載された位相シフト法を用いたものが知られている。これらの位相シフト法に拠る観察装置では、光源から出力された波長λの光が２分岐され、一方の分岐光が対象物を透過して物体光とされ、他方の分岐光が参照光とされて、これら物体光と参照光との干渉による２次元像が撮像される。そして、参照光の光路長がλ／４ずつ異なるものとされて４枚の２次元画像が得られ、これら４枚の２次元画像について所定の演算が行われて、対象物の振幅像及び位相像が得られる。ここで、特許文献１や非特許文献１に記載の装置では、空間的画素構造を２次元に持つ２次元光検出器を用いて２次元画像を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３４７１５５６号公報
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】F. Le Clerc, et al, "Numerical heterodyne holography withtwo-dimensional photodetector arrays," Optics Letters, Vol.25, No.10, pp.716-718,(2000).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
非特許文献１や非特許文献２に記載された位相シフト法を用いた観察装置では、４枚の２次元画像を得る間、対象物は静止している状態であることが必要である。移動している対象物の像を得るには、フレームレートが高く高速撮像が可能な光検出器を用いて、対象物が静止していると見做し得る期間に４枚の２次元画像を得ることが必要である。しかし、高速撮像が可能な光検出器は、高額であり、或いは、画素数が少なく空間分解能が劣る。特に、特許文献１や非特許文献１に記載された観察装置では、受光器のデータ更新レートが遅い２次元光検出器を用いて２次元画像を得る必要があるため、対象物の移動が高速である場合には、対象物が静止していると見做し得る期間内に２次元画像を取得することが困難である。
【０００６】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、高速に移動する対象物の像を得ることができる観察装置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】
本発明の観察装置は、移動している対象物へ光を照射する光源部と、光源部から出力された光を入力して、当該入力された光を、その入力した光を対象物の前段で２分割して第１の光及び第２の光とし、所定平面上で第１の光と第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する所定平面上の方向であって、対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、第１の光又は第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調する周波数変調部と、所定平面上に位置する検出部であって、対象物で生じた散乱光のうち、検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する検出部と、検出部から出力されたデータに対して、特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得る演算部と、を備える。
【０００８】
観察装置は、光源部、周波数変調部、検出部、及び演算部を備える。第１の光又は第２の光を入力して、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調する。つまり、変調後の光は、第１方向において、変調前の光から特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において、変調前の光と同じ周波数を有する。検出部は、所定平面上に位置し、対象物で生じた散乱光のうち、検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。演算部は、検出部からの出力に対して、特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得る。このような構成によれば、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有する光を用いることで、対象物の第２方向の像を混信することなく復元することができる。ドップラー効果により、対象物の空間周波数が時間周波数に変換されることで、検出器の次元を１次元減少できる。また周波数変調部により、対象物の像が時間周波数に変換されることで、検出器の次元を１次元減少できる。このため、この観察装置では、撮像した画像の次元よりも低い次元数を有する検出部を用いて、所望の画像を得ることができる。例えば、０次元の光検出器を有する検出部を用いて２次元画像を得ることができ、１次元の光検出器を有する検出部を用いて３次元画像を得ることができる。このため、検出器の読み出し時間が短縮され、高速に移動する対象物の像を得ることができる。
【０００９】
また、周波数変調部が、第１の光の光路上に配置され、第１の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を、第１の光の光路上に位置する対象物または対象物の像に照射してもよい。
【００１０】
また、周波数変調部が、第２の光の光路上に配置され、第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調してもよい。
【００１１】
また、検出部が、単画素の光検出器であってもよい。
【００１２】
また、光源部と対象物との間に配置され、光源部からの光を入力して、対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、検出部が、所定平面に受光面を有し、該受光面において第１方向に画素構造を有する光検出器であってもよい。
【００１３】
また、光源部と対象物との間に配置され、光源部からの光を入力して、対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、周波数変調部が、第１の周波数変調部と、第２の周波数変調部とを備え、第１の周波数変調部が、第１の光の光路上に配置され、第１の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数である第１特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を対象物に照射し、第２の周波数変調部が、第２の光の光路上に配置され、第２の光を入力して、当該入力した光を、第１方向において互いに異なる複数の特定周波数である第２特定周波数だけ遷移された周波数を有し、第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、検出部が、単画素の光検出器であり、演算部が、検出部から出力されたデータに対して、第１特定周波数及び第２特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物の像として得てもよい。
【００１４】
また、演算部が、検出部から出力されるデータを、特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する分波器と、分波器により分割されたデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、第１フーリエ変換部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含んでもよい。
【００１５】
また、演算部が、検出部から出力されるデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、第１フーリエ変換部から出力されたデータを、特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する周波数分割部と、分割部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含んでもよい。
【００１６】
また、演算部が、検出部から出力されるデータを、検出部が配置される位置により定まる値である２次位相で除する２次位相除算部を更に備えていてもよい。
【００１７】
また、対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、演算部が、速度検出部により検出された対象物の速度に基づいて、フーリエ変換の際に対象物の速度変化に関する補正を行うこととしてもよい。
【００１８】
また、対象物への光の照射が、透過照明の光学配置によって行われてもよいし、対象物への光の照射が、反射照明の光学配置によって行われてもよい。また、光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であってもよいし、光源部が、広帯域の光を生成してもよい。さらに、光源部が、モードロックレーザーであってもよい。
【００１９】
光源部が、広帯域の光を生成してもよい。
【００２０】
光源部が、光としてパルス波を生成してもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、高速に移動する対象物の像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本実施形態の観察装置による対象物の像の取得の原理を説明する図である。
【図２】対象物で生じる散乱光の散乱方向を説明する図である。
【図３】対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図４】対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。
【図５】対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。
【図６】対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。
【図７】対象物で生じる散乱光の散乱方向単位ベクトルと移動する対象物の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。
【図８】第１実施形態の観察装置１の構成を示す図である。
【図９】周波数変調部２０の構成の一例を示す図である。
【図１０】変調器２２の画素構造を示す図である。
【図１１】検出部４０において観察される信号の例を示す図である。
【図１２】演算部５０の構成を示す図である。
【図１３】本実施形態の観察装置１における対象物２、集光レンズ３２及び検出部４０の間の配置の関係を説明する図である。
【図１４】第２実施形態の観察装置１Ａの構成を示す図である。
【図１５】第３実施形態の観察装置１Ｂの構成を示す図である。
【図１６】第４実施形態の観察装置１Ｃの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するため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。
【００２４】
本実施形態の観察装置は、移動している対象物に光を照射して、対象物の像を取得するものである。初めに、発明の理解を容易にするために、図１〜図７を用いて、本実施形態の観察装置による対象物の位相像の取得について原理的な事項について説明する。
【００２５】
図１は、本実施形態の観察装置による対象物の位相像の取得の原理を説明する図である。この図には、ξη座標系，ｘｙ座標系及びｕｖ座標系が示されている。ξ軸，η軸，ｘ軸，ｙ軸，ｕ軸及びｖ軸は、何れも集光レンズ３２の光軸に垂直である。ξ軸，ｘ軸及びｕ軸は、互いに平行である。η軸，ｙ軸及びｖ軸は、互いに平行である。観察対象である対象物２はξη平面上に存在する。集光レンズ３２はｘｙ平面上に存在する。また、集光レンズ３２の後焦点面はｕｖ平面と一致する。ξη平面とｘｙ平面との間の距離はｄである。ｘｙ平面とｕｖ平面との間の距離は集光レンズ３２の焦点距離ｆと一致する。本明細書において、ξ軸方向、ｘ軸方向、第１方向に対して平行な向きをＸ軸方向といい、η軸方向、ｙ軸方向、第２方向に平行な向きをＹ軸という場合がある。
【００２６】
対象物２はξη平面上で−η方向に移動しているものとする。ξη平面に垂直なζ方向に進む光Ｌ０が対象物２に照射されるとする。この光Ｌ０は例えば平面波である。対象物２に光Ｌ０が照射されることにより生じる散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、様々な方向に進み、また、対象物２の移動によりドップラーシフトを受ける。対象物２の移動方向と同じ方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ１は、光周波数が高くなる。対象物２の移動方向に散乱方向ベクトル成分を有しない散乱光Ｌ２は、光周波数が変化しない。対象物２の移動方向と逆の方向に散乱方向ベクトル成分を有する散乱光Ｌ３は、光周波数が低くなる。これらの散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、集光レンズ３２を経てｕｖ平面に到達する。
【００２７】
図２は、対象物で生じる散乱光の散乱方向を説明する図である。対象物２で生じる散乱光の散乱方向を表現するには、仰角θ及び方位角φの２つの変数で記述する必要がある。対象物２内に仮想的に配置した点光源をξηζ座標系の原点とする。そして、その原点に位置する点光源からの散乱光の方向ベクトルとζ軸とがなす角度を仰角θとする。また、その散乱方向ベクトルのξη平面への投影ベクトルとξ軸とがなす角度を方位角φとする。
【００２８】
図３は、対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。光Ｌ０が対象物２に照射されることにより生じる散乱光は、ホイヘンスの原理により２次波として扱うことができ、対象物２内に仮想的に配置した点光源から発した光として扱うことができる。同図では、対象物２内に５個の仮想的な点光源が配置されている。これらの点光源は、集光レンズ３２の前焦点面上だけでなく、集光レンズ３２の前焦点面の前後にも存在する場合がある。
【００２９】
これらの点光源から発した光のうち同じ仰角θ及び方位角φを有する散乱光Ｌ１〜Ｌ３は、集光レンズ３２の後焦点面上の一点Ｐａに到達する。また、他の同じ仰角θ及び方位角φを有する散乱光Ｌ４〜Ｌ６は、集光レンズ３２の後焦点面上の他の一点Ｐｂに到達する。なお、光線Ｌ２，Ｌ５は、集光レンズ３２の前焦点位置の点光源から発した光であるので、集光レンズ３２以降では集光レンズ３２の光軸に平行に進む。光Ｌ０のうち対象物２により散乱されなかった光は、集光レンズ３２の光軸に平行に進んで集光レンズ３２に入射されるので、集光レンズ３２の後焦点位置Ｐｏに集光される。
【００３０】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動している場合、ドップラーシフト効果により、点Ｐａで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより小さく、点Ｐｂで観測される光周波数は元の光周波数ｆｂより大きい。散乱角（仰角θ，方位角φ）がレンズ後焦点面上に展開されることから、レンズ後焦点面での像は角度スペクトルと呼ばれることがある。大きな仰角θを有する光線は、レンズ後焦点面上において中心点Ｐｏから遠い位置に集光される。まとめると、異なる仮想点光源であっても同じ散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面上で一点に集光される。
【００３１】
図４は、対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を更に説明する図である。ここでは、対象物２中のレンズ前焦点面上に存在する異なる仮想点光源から、異なる散乱角で散乱光Ｌ１〜Ｌ３が発するものとする。集光レンズ３２の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４は、集光レンズ３２以降では集光レンズ３２の光軸に平行に進み、集光レンズ３２の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。集光レンズ３２の前焦点面上の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ１は、集光レンズ３２の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ４と散乱角が同じであるとすると、集光レンズ３２の後焦点面上の点Ｐｓを通過する。集光レンズ３２の前焦点位置の仮想点光源から発した散乱光Ｌ２は、Ｌ４とは散乱角が異なるため、集光レンズ３２以降では集光レンズ３２の光軸に平行に進むが、点Ｐｓを通過しない。集光レンズ３２の前焦点面上の他の或る仮想点光源から発した散乱光Ｌ３は、集光レンズ３２の中心を通過するものとすると、集光レンズ３２の入射の前後で進行方向が変わらない。結局、光線Ｌ１〜Ｌ３は、レンズ後焦点面より更に後方の点Ｐｒに集光される。異なる散乱角を有する散乱光はレンズ後焦点面では１点で交わらない。
【００３２】
図５は、対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達する位置を説明する図である。ここでは、各位置に移動した対象物２ａ〜２ｅが示されている。また、対象物２ａ〜２ｅ中に仮想点光源が存在するものとする。対象物２ａ中の仮想点光源はレンズ前焦点位置に存在する。対象物２ｂ，２ｃ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して上下に存在する。対象物２ｄ，２ｅ中の仮想点光源は、対象物２ａ中の仮想点光源の位置に対して前後に存在する。空間的に一様な光Ｌ０が対象物２ａ〜２ｅに照射されるので、対象物２ａ〜２ｅ中の各点光源で発する散乱光の角度スペクトルの強度分布は一定である。すなわち、対象物２が移動したとしても、レンズ後焦点面における角度スペクトルの強度分布は一定である。
【００３３】
対象物２が移動することによって光の位相が変化する。例えば、レンズ前焦点面上の対象物２ｂ，２ｃ中の各点光源で発した光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃがレンズ後焦点面上の位置Ｐａに到達するまでの光路長差は以下のようになる。対象物２ｂ中の点光源で発した光Ｌ１ｂが集光レンズ３２の入射面に達するまでの光路長と、対象物２ｃ中の点光源で発した光Ｌ１ｃが集光レンズ３２の入射面に達するまでの光路長とは、互いに等しい。しかし、集光レンズ３２の肉厚差により、集光レンズ３２の入射面から点Ｐａに到達するまでの光Ｌ１ｂ，Ｌ１ｃそれぞれの光路長は異なるものとなる。対象物２が等速移動することにより、この光路長差は時間的に直線的に変化する。
【００３４】
図６は、対象物が移動する場合に対象物で生じる散乱光がレンズの後焦点面に到達するまでの光路長の変化を説明する図である。ただし、ここでは、集光レンズ３２を用いることなく無限遠方にて散乱光を観察する場合を想定する。対象物２がレンズ前焦点面上において対象物２ｂ位置から対象物２ｃ位置へ移動する場合、点Ｐａで散乱光を観測する場合と無限遠方にて散乱光を観測する場合とは互いに等しい。
【００３５】
対象物２がξη平面上で−η方向に移動しているとき、対象物２から発せられる散乱光が無限遠方のｕｖ平面上の点Ｐｐに達するまでの光路長の単位時間当たりの変化量ΔＬは、下記（１）式で表される。ここで、ｅｐｒは散乱方向単位ベクトルであり、ｖｐは対象物２の速度ベクトルである。この単位時間当たりの光路長変化量ΔＬを用いると、位相差すなわち光周波数の変化量ｆｄは下記（２）式で表される。λは光の波長である。ｕｖ平面上の位置Ｐｐで散乱光を観測する場合、対象物２が移動することにより、位置Ｐｐに到達する散乱光の光路長が変化して光周波数が変化する。これがドップラーシフトの原因である。
【００３６】
【数１】
【００３７】
【数２】
【００３８】
ドップラーシフトは、フーリエ変換の性質の一つである時間軸移動によっても説明することができる。対象物２の複素振幅をｇ(ｘ)で表し、対象物２のフーリエ変換をＧ(ｋ)で表す。対象物２が位置ｘ０から位置(ｘ０＋ｘ)へ移動したとき、移動後の対象物２のフーリエ変換Ｇ'(ｘ)は下記（３）式で表される。この（３）式の右辺の指数関数内の項は位相を表している。対象物２が移動することにより、この位相が波数ベクトルｋに比例して回転することから、周波数シフトが生じる。指数関数内の位相をφとすると、周波数シフトｆｄは下記（４）式で表される。ｅｐｒは波数ベクトルｋの単位ベクトルである。ｖｐは位置ｘの時間微分すなわち対象物２の速度を表す。この（４）式は、前述した単位時間当たりの光路長変化から説明される周波数シフト式（２）と合致する。
【００３９】
【数３】
【００４０】
【数４】
【００４１】
図７は、対象物で生じる散乱光の散乱方向単位ベクトルと対象物２の速度ベクトルの成す角度を説明する図である。散乱方向単位ベクトルｅｐｒをηζ平面へ投影したベクトルとζ軸とがなす角度をθ'と表す。このとき、散乱方向単位ベクトルｅｐｒと対象物２の速度ベクトルｖｐとがなす角度はθ'＋π／２となる。このことから、（２）式または（４）式の右辺の散乱ベクトルと速度ベクトルとの内積は下記（５）式で表される。Ｖは対象物２の移動の速さである。集光レンズ３２の開口数ＮＡはsinθ'で定義されるので、ボケのない画像を得るためのナイキスト周波数ｆｎｙｑは下記（６）式で表される。
【００４２】
【数５】
【００４３】
【数６】
【００４４】
次に、具体的な数値を当てはめて、ドップラーシフトによる光周波数の変化量ｆｄを見積もる。現在市販されているフローサイトメーターにより対象物２が流れるものとして、対象物２の移動速度が１ｍ／秒であるとする。対象物２に照射される光Ｌ０は、波長６３３ｎｍのＨｅＮｅレーザ光であるとする。集光レンズ３２は、ＮＡが０.４５であり、倍率が２０倍相当であるとする。このような集光レンズ３２を使用する場合、速度ベクトルｖｐに対する散乱角θ'の正弦の最大値は０.４５をとる。したがって、最大ドップラーシフト周波数は、（５）式から７１０ｋＨｚと見積もられる。また、速度１００μｍ／秒の場合であれば、最大７１Ｈｚのドップラーシフト周波数が観測される。
【００４５】
散乱角θ'を有する散乱光は、焦点距離ｆの集光レンズ３２により、ｕｖ平面上の下記（７）式で表される位置に到達する。したがって、（５）式，（７）式を用い、角度θ'が小さい場合に成り立つtanθ'≒sinθ' の近似の式を用いると、ドップラーシフト周波数ｆｄは、下記（８）式のようにｖ座標値の関数として表現され得る。なお、近似を用いない場合には、下記（９）式で表される。
【００４６】
【数７】
【００４７】
【数８】
【００４８】
【数９】
【００４９】
（第１実施形態）
以下の実施形態に係る観察装置は、以上に説明した原理に基づいて、対象物２の像を取得する装置である。本実施形態の観察装置１では、単画素の０次元光検出器を用いて、対象物２の２次元画像を得る。図８は、本実施形態の観察装置１の構成を示す図である。本実施形態の観察装置１は、光源部１０、ビームスプリッタＨＭ１、周波数変調部２０、集光レンズ３２、照明レンズ３１、ビームスプリッタＨＭ２、ミラーＭ１、ミラーＭ２、検出部４０、及び演算部５０を備える。
【００５０】
光源部１０は、例えばＨｅＮｅレーザ光源であり、対象物２に照射されるべき光（光周波数ｆｂ）を出力する。ビームスプリッタＨＭ１は、光源部１０から出力された光を入力し、この光を２分割して第１の光及び第２の光とし、そのうちの第１の光を周波数変調部２０へ出力し、第２の光をミラーＭ１へ出力する。ミラーＭ１へ出力された光は、ミラーＭ１、Ｍ２により順次に反射され、ビームスプリッタＨＭ２へ出力される。
【００５１】
周波数変調部２０は、光源部１０から出力された光を、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調し、この変調した光を照明レンズ３１を介して対象物２に照射する。図９に示すように、周波数変調部２０は、レンズ２１、ビームスプリッタＨＭ３、及び変調器２２を備えている。レンズ２１は、ビームスプリッタＨＭ１から出力された光のビーム径を変調器２２と同じ程度の大きさに調整した上で、変調器２２に出力する。照明レンズ３１は、周波数変調部２０によってＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置された物体光断面を、対象物２が存在するξ−η面に結像する作用を持つ。すなわち照明レンズ３１は、周波数変調部２０からの出力をξ−η面へ照明する。なお、照明レンズ３１はξ−η面と等価な（共役な）対象物の結像面へ照明してもよい。
【００５２】
変調器２２としては、例えば図１０に示すように、Ｘ軸方向に画素構造ｄｎ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）を持つ空間光変調器（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）が用いられる。空間光変調器は、入射してきた光に位相変調を与える装置である。変調器２２は、その各画素ｄｎに入射された光を、各画素ｄｎ毎に異なる変調周波数Ωｎ（ｎ＝１，２，．．．，Ｎ）（特定周波数）により変調し、その変調した光をビームスプリッタＨＭ３へ出力する。ここで、変調周波数Ωｎは、以下の（１０）式を満たす周波数である。（１０）式におけるＢｗは、以下の（１１）式に示す最大ドップラーシフト周波数Ｂｗである。（１１）式において、λは光の波長、Ｖは移動物体の速度、θｍａｘは集光レンズ３２が対象物２からの散乱光を取りうる最大散乱角である。
【００５３】
【数１０】
【００５４】
【数１１】
【００５５】
変調器２２からは、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光が出力される。ビームスプリッタＨＭ３は、変調器２２から出力された光を周波数変調部２０の出力として、照明レンズ３１を介して対象物２に出力する。なお、変調器２２としては、Ｘ軸方向に画素構造ｄｎを持つ空間光変調器ではなく、Ｘ方向に並設された音響光学素子を用いてもよい。
【００５６】
周波数変調部２０から出力された光は、照明レンズ３１を介して対象物２へ照射される。集光レンズ３２は、周波数変調部２０からの光照射により対象物２で生じた散乱光を入力して、検出部４０の受光面において対象物２のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ３２は、周波数変調部２０から出力された光をビームスプリッタＨＭ２へ出力する。
【００５７】
ビームスプリッタＨＭ２は、集光レンズ３２から到達した光（第１の光）と、ミラーＭ２から到達した光（第２の光）とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。以下、本明細書では、対象物２が配置される光路を通過する光を物体光といい、対象物２が配置されていない光路を通過する光を参照光ということがある。本実施形態では、第１の光が物体光であり、第２の光が参照光である。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００５８】
対象物２はξη平面上で−η方向に移動しているものとすると、集光レンズ３２を経て検出部４０の受光面に到達した光において対象物２の移動に因るドップラーシフト周波数が一定となる第１方向は、ξ軸に平行なｕ方向である。すなわち、第１方向は、対象物２の移動方向に垂直な方向である。この第１方向に直交する受光面上の第２方向は、η軸に平行なｖ方向である。すなわち、第２方向は、対象物２の移動方向に平行な方向である。
【００５９】
検出部４０は、周波数変調部２０による光照射により対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０の受光面に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部４０は、単画素からなる０次元光検出素子である。光検出素子としては、フォトダイオード（ＰＤ）や光電子増倍管（ＰＭＴ）が用いられる。検出部４０の受光面は、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置される。
【００６０】
図１１は、検出部４０において観測される信号の例を示した図である。図１１において横軸は周波数である。図１１に示すように、検出部４０では、物体光と参照光との干渉ビート信号であるΩｎを中心として、その前後に移動物体からの散乱光によるドップラーシフト周波数ｆｄを含む信号が観測される。検出部４０は、検出した信号を演算部５０に出力する。
【００６１】
演算部５０は、検出部４０から出力された時刻を変数とするデータについて所定の演算を行って対象物２の像を得る。図１２に示すように、演算部５０は、第１フーリエ変換部５１、周波数分割部５２及び第２フーリエ変換部５３を備えている。第１フーリエ変換部５１は、検出部４０からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する１次元フーリエ変換を行う。周波数分割部５２は、第１フーリエ変換部５１から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、第１フーリエ変換部５１から出力された信号、変調周波数Ωｎを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮ個の周波数領域毎に分割して出力する。第２フーリエ変換部５３は、周波数分割部５２から出力されたＮ個のデータについて周波数に関する１次元フーリエ変換を行う。
【００６２】
本実施形態の観察装置１では、検出部４０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置されているが、検出部４０の受光面は、本実施形態とは異なる位置に配置されてもよい。図１３は、本実施形態の観察装置１における対象物２、集光レンズ３２及び検出部４０の配置の関係を説明する図である。同図（ａ）はη方向に見た図であり、同図（ｂ）はξ方向に見た図である。同図では、集光レンズ３２の前焦点位置に原点を有するξη座標系、集光レンズ３２の中心に原点を有するｘｙ座標系、集光レンズ３２の後焦点位置に原点を有するｕｖ座標系、集光レンズ３２による結像面中心位置に原点を有するｕ'ｖ'座標系、及び、集光レンズ３２の光軸上の任意位置に原点を有するｕ"ｖ"座標系、が示されている。以下では、検出部４０の受光面をｕｖ平面に一致させた配置を第１配置例といい、検出部４０の受光面をｕ'ｖ'平面に一致させた配置を第２配置例といい、検出部４０の受光面をｕ"ｖ"平面に一致させた配置を第３配置例という。
【００６３】
同図（ｂ）に示されるように、対象物２中の仮想点光源ｇ１〜ｇ３で同じ角度で発生した光線Ｌ４〜Ｌ６は、レンズ後焦点面であるｕｖ平面上の一点ａで交わり、やがて発散していき、レンズ結像面であるｕ'ｖ'平面上の点ｈ，ｇ，ｆに到達する。これらの光線Ｌ４〜Ｌ６は、同じ散乱角θ'を有することから、同じ量のドップラーシフトを受ける。
【００６４】
第１配置例及び第２配置例それぞれの場合に検出部４０により受光される信号の相違について説明すると以下のとおりである。第１配置例では、周波数シフトがｖ方向に規則正しく観測され、ｖ方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在する。これに対して、第２配置例では、周波数シフトがｖ'方向に規則正しく配置されず、ｖ'方向の位置と周波数シフト量との間には１対１の対応関係が存在しない。
【００６５】
ここで、第２配置例においてｖ'方向に不規則に配置された周波数シフト量を順序正しくする（すなわち、第１配置例で検出部４０の受光面で観測されるような順序にする）には，ｕ'ｖ'平面上の点ｆ，ｇ，ｈで観測される波形を合波（和算）した後にフーリエ変換を施せばよく、このようにすることにより、その周波数軸が線形となり、かつその振幅及び位相が得られる。
【００６６】
つまり、対象物２によりドップラーシフトを受けた散乱光をカバーするだけの大きさの受光面を検出部４０が有していれば、どの位置に配置された検出部４０により受光しようとも得られる信号は変わらず、かつ、周波数にエンコードされているので、第１配置例の検出部４０の受光面で得られる分布を回復することが可能である。
【００６７】
一方、同図（ａ）に示されるように、ｕ方向に関してはドップラーシフトを受けないことから、ｕ方向に信号を積分しても、演算等により分布を回復することはできない。そこで、本実施形態の観察装置１では、物体光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。物体光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０が単画素からなる０次元光検出素子であっても、観察装置１は２次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素からなる０次元光検出素子を用いて対象物の像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【００６８】
（第２実施形態）
第１実施形態では、周波数変調部２０が物体光路上（第１の光の光路上）に配置されていた。第２実施形態の観察装置１Ａでは、周波数変調部２０が参照光路上（第２の光の光路上）に配置される点で、第１実施形態と異なる。それ以外の点では、第１実施形態と同じである。以下では、主に第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一である点については説明を省略する。
【００６９】
図１４は、第２実施形態の観察装置１Ａの構成を示す図である。本実施形態の観察装置１Ａは、第１実施形態と同じように、光源部１０、ビームスプリッタＨＭ１、周波数変調部２０、集光レンズ３２、照明レンズ３１、ビームスプリッタＨＭ２、ミラーＭ１、ミラーＭ２、検出部４０、及び演算部５０を備える。ただし、観察装置１Ａでは、周波数変調部２０が参照光路上に配置されている。
【００７０】
光源部１０は、移動している対象物へ光を照射する。集光レンズ３２は、光源部１０からの光照射により対象物２で生じた散乱光を入力して、検出部４０の受光面において対象物２のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ３２は、周波数変調部２０から出力された光をビームスプリッタＨＭ２へ出力する。
【００７１】
周波数変調部２０は、光源部１０から出力された光をビームスプリッタＨＭ１、ミラーＭ１を介して入力し、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光に変調し、この変調した光を照明レンズ３１を介してビームスプリッタＨＭ２に出力する。照明レンズ３１は、周波数変調部２０によってＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置された参照光断面を、検出部４０の受光面に結像する作用を持つ。すなわち照明レンズ３１は、周波数変調部２０からの出力を検出部４０の受光面へ照明する。
【００７２】
ビームスプリッタＨＭ２は、集光レンズ３２から到達した光（物体光）と、集光レンズ３３から到達した光（参照光）とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００７３】
本実施形態の検出部４０で観測される干渉ビート信号は、第１実施形態で観測されるものと同じである。つまり、検出部４０では、図１１に示される、物体光と参照光との干渉ビート信号であるΩｎを中心として、その前後に移動物体からの散乱光によるドップラーシフト周波数ｆｄを含む信号が観測される。したがって、検出部４０の後段に配置される演算部５０の機能は第１実施形態と同じであり、再度の説明は省略する。
【００７４】
本実施形態の観察装置１Ａにおいても、参照光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。参照光路断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０が単画素からなる０次元光検出素子であっても、観察装置１は２次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素からなる０次元光検出素子を用いて対象物の２次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【００７５】
（第３実施形態）
上記第１、第２実施形態の観察装置１、１Ａでは、単画素からなる０次元光検出素子を用いて、対象物２の２次元画像を得た。第３実施形態の観察装置１Ｂは、Ｘ軸方向に画素構造を有する１次元光検出器を用いて、対象物２の３次元画像を得る。以下では、主に第１実施形態と異なる点について説明し、第１実施形態と同一である点については説明を省略する。
【００７６】
まず、３次元画像を得るための一般的な原理について説明する。対象物２に多方向から光が対象物２に照射されるとする。この場合、速度ベクトルＶで移動する対象物２に周波数ｆをもつ光を照射すると、対象物２で生じる散乱波の周波数は、ドップラー効果により下記（１２）式で表されるドップラーシフト周波数ｆｄだけ変化する。（１２）式では、対象物２に対する入射光の入射単位ベクトルをｓ０とし、対象物２で生じた散乱波の散乱方向を示す散乱単位ベクトルをｓとしている。（１２）式において、λは光の波長である。（１２）式はドップラーシフト量ｆｄは、（ｓ−ｓ０）と移動物体の速度ベクトルＶの内積に比例することを表している。
【００７７】
【数１２】
【００７８】
式（１２）より、速度Ｖと散乱単位ベクトルｓが一定である場合、ある位置で観測される回折波のドップラーシフト周波数ｆｄは、入射単位ベクトルｓ０と一対一で対応することが分かる。このように、ドップラーシフト周波数ｆｄは、入射波の入射角θ０に依存するものである。
【００７９】
入射角θ０を変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて３次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。例えば、このような手法としては、「W. Choi, C. Fang-Yen, K. Badizadegan, S. Oh, N. Lue, R. R. Dasari,and M. S. Feld, "Tomographic phase microscopy," Nature Methods 4,717-719 (2007)」に開示されている。したがって、本明細書では、入射角θ０を変数とする複素振幅像の取得手順について説明し、入射角θ０を変数とする複素振幅像から３次元画像を生成する方法についての説明は省略する。
【００８０】
図１５は、第３実施形態の観察装置１Ｂの構成を示す図である。本実施形態の観察装置１Ｂは、図１５に示すように、光源部１０、ビームスプリッタＨＭ１、周波数変調部２０、照明レンズ３１、集光レンズ３２、ビームスプリッタＨＭ２、ミラーＭ１、ミラーＭ２、検出部４０、及び演算部５０を備える。
【００８１】
周波数変調部２０は、光源部１０から出力された光を入力し、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光に変調し、この変調した光を照明レンズ３１に出力する。
【００８２】
照明レンズ３１は、周波数変調部２０から出力された光を受光し、Ｘ軸方向に種々の方向を持ち、Ｙ軸方向に一定の方向を持つ光を対象物２に照射する。照明レンズ３１としては、シリンドリカルレンズが用いられる。照明レンズ３１は、曲率を有する面がＸ軸方向と平行に配置され、曲率を有さない面がＹ軸方向と平行に配置される。このような照明レンズ３１により、対象物２にはＸ軸方向が収束光又は発散光であって、Ｙ軸方向が平行光である光が照射される。つまり、対象物２には、Ｘ軸方向において多方向から光が照射される。このような照明レンズ３１により、周波数変調部２０によりＸ軸方向において異なる周波数で変調されて出力されたそれぞれの光ｆｂ＋Ωｎは、それぞれ異なる入射角θ０で対象物２に照射されることとなる。
【００８３】
集光レンズ３２は、照明レンズ３１から出力された光の照射により対象物２で生じた散乱光を入力して、検出部４０の受光面において対象物２のフランフォーファー回折像を形成する。集光レンズ３２は、周波数変調部２０から出力された光をビームスプリッタＨＭ２へ出力する。
【００８４】
ビームスプリッタＨＭ１から第２の光として、ミラーＭ１へ出力された光は、ミラーＭ１，Ｍ２に順次反射され、ビームスプリッタＨＭ２へ出力される。ビームスプリッタＨＭ２は、集光レンズ３２から到達した光（物体光）と、ミラーＭ２から到達した光（参照光）とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を受光面上でヘテロダイン干渉させる。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００８５】
検出部４０は、対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部４０の受光面は、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置される。よって、同じ散乱角を有す散乱光は、検出部４０の一点に集光される。検出部４０は、ｕ方向に画素ｄ１〜ｄｎが配列された画素構造を有し、各画素ｄｎの光感応領域がｖ方向に長尺な形状をなす。
【００８６】
演算部５０は、各画素ｄｎから出力されるデータのそれぞれについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、変調周波数Ωｎに基づいて複数の周波数領域に分割し、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物２の像として得る。
【００８７】
本実施形態の観察装置１Ｂの演算部５０の構成は、図１２に示すものと同じである。すなわち、演算部５０は、第１フーリエ変換部５１、周波数分割部５２及び第２フーリエ変換部５３を備えている。第１フーリエ変換部５１は、検出部４０からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する１次元フーリエ変換を行う。周波数分割部５２は、第１フーリエ変換部５１から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、変調周波数Ωｎを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮ個の周波数帯域を分割して出力する。第３フーリエ変換部５３は、周波数分割部５２から出力されたＮ個のデータについて周波数に関する１次元フーリエ変換を行う。
【００８８】
このようにして演算部５０により得られるデータは、入射角θ０を変数とする複素振幅像である。上記のように、入射角θ０を変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて３次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。したがって、本明細書では、入射角θ０を変数とする複素振幅像から３次元画像を生成する方法についての説明は省略する。
【００８９】
本実施形態の観察装置１Ｂにおいても、物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、入射光の角度毎の光に対する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０がＸ軸方向に画素構造を持つ１次元光検出器であっても、観察装置１は３次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、Ｘ軸方向に画素構造を持つ１次元光検出器を用いて対象物の３次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【００９０】
（第４実施形態）
第１，第２実施形態の観察装置１，１Ａは、単画素からなる０次元光検出素子を用いて、対象物２の２次元画像を得た。第３実施形態の観察装置１Ｂは、Ｘ軸方向に画素構造を有する１次元光検出器を用いて、対象物２の３次元画像を得た。第４実施形態の観察装置１Ｃは、単画素からなる０次元光検出素子を用いて、対象物２の３次元画像を得るものである。
【００９１】
図１６は、第４実施形態の観察装置１Ｃの構成を示す図である。図１６に示すように、本実施形態の観察装置１Ｃは、観察装置１Ｂの周波数変調部２０に代えて、第１周波数変調部２０Ａを備えている。また、実施形態の観察装置１Ｃでは、参照光路に第２周波数変調部２０Ｂを備えている。その他の構成は観察装置１Ｂと同じである。以下では、主に観察装置１Ｂとの相違点についてのみ説明し、観察装置１Ｂと同一と見做し得る点については説明を省略する。
【００９２】
第１周波数変調部２０Ａは、ビームスプリッタＨＭ１を介して光源部１０から出力される光を入力して、Ｘ軸方向において複数の互いに異なる周波数を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を出力する。第１周波数変調部２０Ａは、Ｘ軸方向に画素構造ｄｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）を備えている。第１周波数変調部２０Ａには、互いに異なる変調周波数Ωｎの変調信号が入力される。第１周波数変調部２０Ａは、各画素ｄｎに入力された光を変調周波数Ωｎ（第１特定周波数）だけ周波数遷移させて出力する。第１周波数変調部２０Ａは、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１〜ｆｂ＋ΩＮを持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を照明レンズ３１に出力する。照明レンズ３１は、第１周波数変調部２０Ａから出力された光をＸ軸方向に収束又は発散する光とし、Ｙ軸方向に平行光として対象物２に照射する。
【００９３】
第２周波数変調部２０Ｂは、ビームスプリッタＨＭ１を介して光源部１０から出力される光を入力して、Ｘ軸方向において複数の互いに異なる周波数を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を出力する。第２周波数変調部２０Ｂは、Ｘ軸方向に画素構造ｄｍ（ｍ＝１，２，…，Ｍ）を備えている。第２周波数変調部２０Ｂには、互いに異なる変調周波数Ωｍ’（第２特定周波数）の変調信号が入力される。第２周波数変調部２０Ｂは、各画素ｄｍに入力された光を変調周波数Ωｍ’だけ周波数遷移させて出力する。第１周波数変調部２０Ａは、Ｘ軸方向において互いに異なる複数の周波数ｆｂ＋Ω１’〜ｆｂ＋ΩＭ’を持ち、Ｙ軸方向において同一の周波数を持つ光に変調した光を照明レンズ３３に出力する。
【００９４】
ビームスプリッタＨＭ２は、物体光と、参照光とを検出部４０の受光面へ入射させて、両光を検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉させる。集光レンズ３２から出力されて検出部４０の受光面に入射される光は、第１周波数変調部２０Ａの作用によりｆ＋Ωｎの周波数を持つ。照明レンズ３３から出力されて検出部４０の受光面に入射される光は、第２周波数変調部２０Ｂ作用によりｆ＋ΩＭ’の周波数を持つ。物体光と参照光とが検出部４０の受光面上でヘテロダイン干渉されることで、検出部４０では物体光と参照光との干渉ビート信号が観測される。
【００９５】
検出部４０は、周波数変調部２０による光照射により対象物２で生じた散乱光のうち、検出部４０に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する。検出部４０は、単画素からなる０次元光検出素子である。検出部４０の受光面は、集光レンズ３２の後焦点面に一致する位置に配置される。
【００９６】
演算部５０は、検出部４０から出力されるデータのそれぞれについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行い、変調周波数Ωｎおよび変調周波数Ωｍ’に基づいて複数の周波数領域に分割し、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを対象物２の像として得る。
【００９７】
本実施形態の観察装置１Ｃの演算部５０の構成は、図１２に示すものと同じである。すなわち、演算部５０は、第１フーリエ変換部５１、周波数分割部５２及び第２フーリエ変換部５３を備えている。第１フーリエ変換部５１は、検出部４０からの出力される時刻を変数とするデータについて時刻に関する１次元フーリエ変換を行う。周波数分割部５２は、第１フーリエ変換部５１から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数帯域に分割する。具体的には、変調周波数Ωｎ，Ωｍ’を中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮｘＭ個の周波数帯域を抽出して出力する。
【００９８】
第３フーリエ変換部５３は、周波数分割部５２から出力されたＮ個のデータについて周波数に関する１次元フーリエ変換を行う。なお、第１フーリエ変換部６１及び第３フーリエ変換部５３は、互いに入れ替えて任意の順序で配置されてもよい。
【００９９】
このようにして演算部５０により得られるデータは、入射角θ０を変数とする複素振幅像である。上記のように、入射角θ０を変数とする複素振幅像から、フーリエ回折定理等を用いて３次元複素振幅像を得ることは公知の手法である。したがって、本明細書では、入射角θ０を変数とする複素振幅像から３次元画像を生成する方法についての説明は省略する。
【０１００】
本実施形態の観察装置１Ｂにおいても、物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。物体光において対象物への入射光の角度方向に互いに直交する周波数を配置し、参照光との干渉信号を得ることで、入射光の角度毎の光に対する信号は混信することなく復元することができる。また参照光断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、時間方向に展開されたＹ方向の１次元像が混信することなく復元することができる。参照光路断面においてＸ軸方向に互いに直交する周波数を配置し、物体光との干渉信号を得ることで、検出器受光面の各領域が出力する信号は混信することなく復元することができる。そのため、検出部４０が単画素からなる０次元光検出素子であっても、観察装置１は３次元画像を得ることができる。このように、本実施形態の観察装置によれば、単画素の０次元光検出素子を用いて対象物の３次元像を得ることができるため、高速で移動する対象物の像を得ることができる。
【０１０１】
（変形例）
本配置例では、検出部５０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に配置されている。しかし、検出部５０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に配置されていない場合であっても、所定の演算を行うことにより、検出部５０の受光面が、集光レンズ３２の後焦点面に配置された場合と同じ複素振幅像を得ることができる。ただし、検出部５０がフレネル回折像面に配置されると、像のボケとして２次位相Ｈ（ｕ）が現れる。この場合、検出部５０の出力を、第１方向に１次元フーリエ変換を行った後、２次位相Ｈ（ｕ）で除する２次位相除算部を演算部５０に備えることが好ましい。２次位相Ｈ（ｕ）は、検出部５０が配置される位置により決まる値であり、下記（１３）式で表される。（１３）式において、αは定数である。
【０１０２】
【数１３】
【０１０３】
上記実施形態では、演算部５０の周波数分割部５２が、変調周波数Ωｎを中心として、その前後に最大ドップラーシフト周波数Ｂｗを含むＮ個の周波数帯域を分割したが、別の方法で周波数帯域の分割を行ってもよい。例えば、検出器の後段に分波器を設け、検出部４０から出力された信号を入力し、その信号を所定の周波数毎に分割してもよい。このような分波器としては、Ｘ軸方向に並設されたＮ個のバンドパスフィルターが用いられる。
【０１０４】
本実施形態の観察装置１では、対象物２の速度が変化するとドップラー信号に周波数変調が生じて、最終的に得られる対象物２の像が流れ方向に伸縮する。このような伸縮を補正するために、本実施形態の観察装置１は、対象物２の移動速度を検出する速度検出部を更に備えるのが好適である。そして、演算部５０は、速度検出部により検出された対象物２の速度に基づいて、時間方向の１次元フーリエ変換または２次元フーリエ変換の際に対象物２の速度変化に関する補正を行うのが好適である。または、速度検出部より検出された対象物２の速度に基づいて、検出部４０の撮影タイミングを図ってもよい。
【０１０５】
この速度検出部は、任意のものが用いられ得るが、移動速度とドップラーシフト量との間の関係を利用して、集光レンズ３２の後焦点面の散乱光到達位置における信号の周波数を検出することでも対象物２の移動速度を求めることができる。この場合、速度検出部は、ビームスプリッタＨＭ２から検出部４０へ向う光の一部が分岐されたものをフーリエ面上で検出してもよいし、或いは、検出部４０の受光面の一部に独立に設けられた画素を含むものであってもよい。その画素の大きさは、対象物２の移動速度Ｖとドップラー周波数ｆｄとの関係から導かれる移動速度の分解能を有する面積を持つことが好ましい。
【０１０６】
以上の説明では、光源の対象物の位相像を透過照明で取得する実施例を主に示したが、反射照明で取得してもよいことは、明らかである。光源として、ドップラーシフト量を感度よく検出する上では、単一縦モードの光の利用が好適であるが、これに限定されない。例えば、広帯域の光を用いることで、位相物体の深さに関する情報も取得可能となる。各波長成分のドップラーシフトを計測するためには、広帯域の光として、波長成分間の位相関係が一定であるものを用いるのが好適である。このような光源として、例えばモードロックレーザーを用いることができる。モードロックレーザーは、離散的な波長成分を有するため、ドップラーシフト量の検出する用途において、非常に有効な光源である。
【符号の説明】
【０１０７】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…観察装置、２…対象物、１０…光源部、２０…周波数変調部、２０Ａ…第１周波数変調部、２０Ｂ…第２周波数変調部、３１，３３…照明レンズ、３２…集光レンズ、４０…検出部、５０…演算部、５１…第１フーリエ変換部、５２…周波数分割部、５２…第２フーリエ変換部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動している対象物へ光を照射する光源部と、
前記光源部から出力された光を入力して、その入力した光を前記対象物の前段で２分割して第１の光及び第２の光とし、所定平面上で前記第１の光と前記第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、
前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記第１の光又は前記第２の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調する周波数変調部と、
前記所定平面上に位置する検出部であって、前記対象物で生じた散乱光のうち、前記検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する検出部と、
前記検出部から出力されたデータに対して、前記特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備える観察装置。
【請求項２】
前記周波数変調部が、前記第１の光の光路上に配置され、前記第１の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を、前記第１の光の光路上に位置する前記対象物または対象物の像に照射する、請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記周波数変調部が、前記第２の光の光路上に配置され、前記第２の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調する、請求項１に記載の観察装置。
【請求項４】
前記検出部が、単画素の光検出器である、請求項１〜３の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項５】
前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部からの光を入力して、前記対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、
前記検出部が、前記所定平面に受光面を有し、該受光面において前記第１方向に画素構造を有する光検出器である、請求項１〜３の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項６】
前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部からの光を入力して、前記対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、
前記周波数変調部が、第１の周波数変調部と、第２の周波数変調部とを備え、
前記第１の周波数変調部が、前記第１の光の光路上に配置され、前記第１の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数である第１特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を前記対象物に照射し、
前記第２の周波数変調部が、前記第２の光の光路上に配置され、前記第２の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数であって、前記第１特定周波数とは異なる第２特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、
前記検出部が、単画素の光検出器であり、
前記演算部が、前記検出部から出力されたデータに対して、前記第１特定周波数及び第２特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを前記対象物の像として得る請求項１に記載の観察装置。
【請求項７】
前記演算部が、
前記検出部から出力されるデータを、前記特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する分波器と、
前記分波器により分割されたデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、
前記第１フーリエ変換部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含む、請求項１〜６の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項８】
前記演算部が、
前記検出部から出力されるデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、
前記第１フーリエ変換部から出力されたデータを、前記特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する周波数分割部と、
前記分割部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含む、請求項１〜６の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項９】
前記演算部が、前記検出部から出力されるデータを、前記検出部が配置される位置により定まる値である２次位相で除する２次位相除算部を更に備える、請求項１〜８の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、
前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、
請求項１〜９の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１１】
前記対象物への光の照射が、透過照明の光学配置によって行われることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１２】
前記対象物への光の照射が、反射照明の光学配置によって行われることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１３】
前記光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１４】
前記光源部が、広帯域の光を生成することを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１５】
前記光源部が、モードロックレーザーであることを特徴とする請求項１４に記載の観察装置。
【請求項１】
移動している対象物へ光を照射する光源部と、
前記光源部から出力された光を入力して、その入力した光を前記対象物の前段で２分割して第１の光及び第２の光とし、所定平面上で前記第１の光と前記第２の光とをヘテロダイン干渉させる光学系と、
前記対象物の移動に因るドップラーシフト効果が一定となる前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に垂直な方向を第１方向とし、この第１方向に直交する前記所定平面上の方向であって、前記対象物の移動方向に平行な方向を第２方向としたときに、前記第１の光又は前記第２の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調する周波数変調部と、
前記所定平面上に位置する検出部であって、前記対象物で生じた散乱光のうち、前記検出部に到達した光を検出し、ドップラーシフト量に応じた周波数で時間的に変化する散乱光のデータを、各時刻に出力する検出部と、
前記検出部から出力されたデータに対して、前記特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを前記対象物の像として得る演算部と、
を備える観察装置。
【請求項２】
前記周波数変調部が、前記第１の光の光路上に配置され、前記第１の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を、前記第１の光の光路上に位置する前記対象物または対象物の像に照射する、請求項１に記載の観察装置。
【請求項３】
前記周波数変調部が、前記第２の光の光路上に配置され、前記第２の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調する、請求項１に記載の観察装置。
【請求項４】
前記検出部が、単画素の光検出器である、請求項１〜３の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項５】
前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部からの光を入力して、前記対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、
前記検出部が、前記所定平面に受光面を有し、該受光面において前記第１方向に画素構造を有する光検出器である、請求項１〜３の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項６】
前記光源部と前記対象物との間に配置され、前記光源部からの光を入力して、前記対象物へ多方向から光を照射する照明光学系を更に備え、
前記周波数変調部が、第１の周波数変調部と、第２の周波数変調部とを備え、
前記第１の周波数変調部が、前記第１の光の光路上に配置され、前記第１の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数である第１特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、この変調した光を前記対象物に照射し、
前記第２の周波数変調部が、前記第２の光の光路上に配置され、前記第２の光を入力して、当該入力した光を、前記第１方向において互いに異なる複数の特定周波数であって、前記第１特定周波数とは異なる第２特定周波数だけ遷移された周波数を有し、前記第２方向において同一の周波数を有する光に変調し、
前記検出部が、単画素の光検出器であり、
前記演算部が、前記検出部から出力されたデータに対して、前記第１特定周波数及び第２特定周波数に基づいて複数の周波数領域に分割する処理と、時刻変数に関する１次元フーリエ変換と、周波数に関する１次元フーリエ変換とを行って得られたデータを前記対象物の像として得る請求項１に記載の観察装置。
【請求項７】
前記演算部が、
前記検出部から出力されるデータを、前記特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する分波器と、
前記分波器により分割されたデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、
前記第１フーリエ変換部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含む、請求項１〜６の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項８】
前記演算部が、
前記検出部から出力されるデータについて、時刻変数に関する１次元フーリエ変換を行う第１フーリエ変換部と、
前記第１フーリエ変換部から出力されたデータを、前記特定周波数を中心として最大ドップラーシフト周波数を前後に含む領域毎に分割する周波数分割部と、
前記分割部から出力されたデータについて、周波数に関する１次元フーリエ変換を行う第２フーリエ変換部と、を含む、請求項１〜６の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項９】
前記演算部が、前記検出部から出力されるデータを、前記検出部が配置される位置により定まる値である２次位相で除する２次位相除算部を更に備える、請求項１〜８の何れか一項に記載の観察装置。
【請求項１０】
前記対象物の移動速度を検出する速度検出部を更に備え、
前記演算部が、前記速度検出部により検出された前記対象物の速度に基づいて、前記フーリエ変換の際に前記対象物の速度変化に関する補正を行う、
請求項１〜９の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１１】
前記対象物への光の照射が、透過照明の光学配置によって行われることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１２】
前記対象物への光の照射が、反射照明の光学配置によって行われることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１３】
前記光源部が、単一縦モードの光を生成する光源であることを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１４】
前記光源部が、広帯域の光を生成することを特徴とする請求項１〜１２の何れか１項に記載の観察装置。
【請求項１５】
前記光源部が、モードロックレーザーであることを特徴とする請求項１４に記載の観察装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１】
【公開番号】特開２０１３−９６９１８（Ｐ２０１３−９６９１８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４１６２６（Ｐ２０１１−２４１６２６）
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１１月２日（２０１１．１１．２）
【出願人】（０００２３６４３６）浜松ホトニクス株式会社 (1,479)
【Ｆターム（参考）】
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