以下、本発明の実施の形態を図面を参照� ��て説明するが、本発明は下記例に限定され� ��ものではない。図1(A)は、本発明の位相物体 識別装置及び方法の基本原理を説明するため の模式図である。図1(A)において、位相物体� �別装置1は、光源2と、識別対象の位相物体31( 以下、試料ともよぶ)が保持されている試料� �持手段3と、ホログラム41が記録されたホロ� �ラフィック記録媒体4と、光検出器5とを有し ている。なお、図1(B)は、位相物体識別装置1� ��おけるホログラフィック記録媒体4にホログ ラム41を記録する記録装置6及び方法の基本原 理を説明するための模式図である。なお、本 明細書における各種のレンズには、単一のレ ンズも、複数のレンズが組み合わされたレン ズ群も含まれる。

 光源2は、位相の揃ったコヒーレント光を 射出するものであり、光源2としてレーザー� �源を利用することが好ましい。光源2から射� ��された光21は、図示しない光学系によって� �試料31よりも大きな断面積を有する平面波に 加工される。

 試料保持手段3は、位相物体識別装置1内� �試料31を配置するためのものであり、試料31� ��応じた種々の保持手段を選択できる。例え� ��、単に試料31を試料保持手段3上に載置する� ��けでもよいし、真空吸着や固定器具などに� ��って試料保持手段3に固定してもよい。ゴミ や埃の付着を減らすためには、固定した試料 31を垂直方向に配置したり、試料保持手段3の 下面に配置したりすることが好ましい。また 、試料31は、クリップなどによって挟持して� ��よいし、試料31が薄片状の場合は保持手段� �設けられたスリットに挿嵌する構成等も採� �できる。試料31をそのまま試料保持手段3に� �持してもよいが、容器や取付け器具等の補� �具を介して試料31を試料保持手段3に保持さ� �てもよい。たとえば、試料31を入れたマイク ロプレートやプレパラートを試料保持手段3� �保持させてもよい。

 識別対象の位相物体31は、少なくとも光� �位相を変化させるものであればよく、光の� �度を変化させないものでも、光の強度を変� �させるものでもよい。例えば、識別対象の� �相物体31としては、生体細胞、細菌、グレー ティング、導波路、物体表面の微小な段差、 同一色の構造物等を用いることができる。ま た、固体に限定されるものではなく、例えば 液晶の配向構造なども含まれる。

 試料保持手段3及びそれに保持されている 試料31は、光源2から射出された光21の少なく� ��も位相を変調して試料光22を生成する試料� �生成手段となる。試料31は、少なくとも光の 位相を変調する位相物体であるが、さらに光 の強度を変調するものであってもよい。図1(A )のように、光源からの光21が試料31及び試料� ��持手段3を透過して試料光22を生成する透過� ��の試料光生成手段の場合には、少なくとも� ��料保持手段3の試料31が位置する部位は、光� ��遮光されないように構成されている必要が� ��る。たとえば、試料保持手段3の試料31が位� ��する部位に透明な材料を使用したり、透明� ��容器や取付け器具に試料31を配置し、試料� �持手段3で透明な容器や取付け器具を保持し� ��試料保持手段3の試料31が位置する部位を開� ��にすればよい。このような透過型の試料光� ��成手段における試料保持手段3は、後述する 記録装置6における物体光24及び参照光25を生� ��するためのマスクとして利用することもで� ��る。なお、反射型の試料光生成手段とする� ��合は、試料保持手段3の表面を鏡面加工し、 試料31を透過した光を反射させて、試料光22� �生成する。反射型の試料光生成手段の場合� �、試料保持手段3に照射される光源からの光2 1と試料光22とを分離するビームスプリッタ等 の光学系が必要となる。

 ホログラフィック記録媒体4は、参照光25� ��既知の位相物体によって位相が変調された� ��体光24との干渉により形成されたホログラ� �41が記録されている(物体光24と参照光25は図1 (B)参照)。ホログラフィック記録媒体4として� ��、透過型と反射型とがあり、図1(A)では透過 型のホログラフィック記録媒体を示している 。図1(A)のホログラフィック記録媒体4は、一� ��の透光性の基板42及び44の間にホログラム記 録層43が挟持された構成である。ホログラフ� ��ック記録媒体を反射型とする場合には、ホ� ��グラフィック記録媒体に光が入射する面を� ��として、ホログラム記録層43より裏側に反� �層を設ければよい。例えば、図1(A)の基板44� �表面または裏面に反射層を設ければ、反射� �のホログラフィック記録媒体とすることが� �きる。

 既知の位相物体としては、少なくとも一� ��の情報または特徴が判明している位相物体� ��ある。例えば、位相変調パターンが判明し� ��いる位相物体や位相パターン、名称の判明� ��ている生体細胞や細菌、活性反応が判明し� ��いる生体細胞や細菌、細胞核の位相パター� ��、規格の範囲内(寸法公差内)の位相物体(微� ��な段差を有する製品や同一色の構造物)の標 本、間隔が判明しているグレーティングなど が挙げられる。

 試料光22が、ホログラフィック記録媒体4� ��ホログラム41に照射されると、試料光22とホ ログラム41との干渉の程度に応じて再生光23� �再生する。再生光23は、ホログラム41を記録� ��る時に照射された参照光25に相当する光で� �り、再生光23の断面形状や進行方向は、参照 光25の断面形状や進行方向が反映される。干� ��の程度は、ホログラム41を記録した物体光� �既知の位相物体と、識別対象の位相物体で� �る試料31との相関値(類似の程度)に対応する� ��したがって、試料31が、既知の位相物体と� �じものであった場合には、自己相関である� �ら相関値は最高となり、強い再生光が再生� �る。試料31が、既知の位相物体と異なるが類 似している場合は、類似の程度に応じた強度 の再生光が再生する。さらに、試料31が、既� ��の位相物体と全く異なる場合は再生光は再� ��しない。なお、ホログラフィック記録媒体4 を通過した試料光22(図1(A)では点線で示す)は� ��図示しないマスクまたは分離光学系によっ� ��遮光または再生光23と分離され、光検出器5� ��は到達しないようにされている。

 光検出器5は、ホログラフィック記録媒体 4のホログラム41から再生された再生光23を検� ��するものであり、光強度を検出できること� ��好ましい。光検出器5として、光電子倍増管 (photomultiplier tube:PMT)やアバランシェフォトダ イオード(Avalanche Photo Diode)のような非常に� �度の高い光検出素子、安価で小型な半導体� �出器、例えばピンフォトダイオード、CMOSセ� ��サ、CCDセンサ等を利用することができる。� ��生光23の断面形状が、光検出器5の受光領域� ��りも小さい場合は、光検出素子が一つの光� ��出器をそのまま利用することができるが、� ��検出器5の受光領域よりも大きい場合は、集 光レンズによって集光することで、光検出素 子が一つの光検出器を利用することができる 。また、光検出素子が複数の光検出器5を利� �することもでき、全ての光検出素子の強度� �総和することで再生光の光強度を検出する� �ともできる。再生光23の断面形状が光検出器 5の受光領域よりも小さい場合であっても、� �光レンズを利用すれば信頼性を高めること� �できる。なお、再生光23の断面形状は、記録 時の参照光の断面形状によって決定される。

 このように、再生光23の有無を検出する� �とにより、識別対象の位相物体31と既知の位 相物体との相関の有無を識別することができ る。つまり、記録時と同じ条件で試料光を照 射してホログラムから再生光が発生しなけれ ば、識別対象の位相物体が既知の位相物体と 相関のないものであると識別することができ 、再生光が発生すれば、識別対象の位相物体 が既知の位相物体と相関のあるものであると 識別することができる。さらに、再生光の強 度も検出することにより、相関の程度も識別 することが可能である。

 たとえば、相関の有無を識別するだけで� ��っても、既知の位相物体として、細胞核を� ��する既知の生体細胞または細菌を使用し、� ��別対象の位相物体として、採取、培養した� ��体細胞または細菌を使用することで、採取� ��培養した生体細胞または細菌に細胞核が有� ��のか無いのかを識別する検査に利用できる� ��他にも、既知の位相物体として、規格の範� ��内の標本を使用して、生産された製品を識� ��対象の位相物体として、識別することで、� ��産された製品が規格に該当するか否かを識� ��できる。例えば、グレーティング素子の回� ��格子周期の誤差や同一色彩の構造物におけ� ��三次元形状などの検査に利用することがで� ��る。これらの検査において、試料を連続的� ��つ大量に検査するために、試料保持手段3に 試料31を順次搬送する試料搬送手段を設ける� ��とが好ましい。

 また、試料光22を複数のホログラム41に照 射して、複数の既知の位相物体との相関の有 無を識別することにより、さらに試料31を特� ��することが可能である。試料光22を複数の� �ログラム41に照射するためには、ホログラフ ィック記録媒体4自体を取り替えて、別のホ� �グラフィック記録媒体4に記録されたホログ� ��ム41に試料光22を照射させてもよいが、ホロ グラフィック記録媒体4に複数の既知の位相� �体によって形成された複数のホログラム41を 記録しておき、ホログラフィック記録媒体4� �おける試料光22の照射位置を移動させる照射 位置移動手段を設けることがより好ましい。

 照射位置移動手段としては、試料光22を� �動する方式、ホログラフィック記録媒体4を� ��動する方式及び両方を移動する方式がある� ��、移動に伴う振動などによる光学系の位置� ��れを防ぐため、試料光22を固定し、ホログ� �フィック記録媒体4を移動する方式が好まし� ��。例えば、XYステージによってホログラフ� �ック記録媒体4を光軸に対して直交する平面� ��向に移動させたり、モーターによってホロ� ��ラフィック記録媒体4を回転させたりすれば よい。

 図1(B)の記録装置6は、位相物体識別装置1� ��利用されるホログラフィック記録媒体4を製 造するものであり、ホログラフィック記録媒 体4に物体光24と参照光25とを照射して、それ� ��の干渉により形成されたホログラム41をホ� �グラフィック記録媒体4に記録する。ここで� ��記録装置6でホログラフィック記録媒体4に� �録されたホログラム41は、位相物体識別装置 1において試料光22と干渉して再生光23を発生� ��せるものでなければならない。このために� ��、試料光22と同じ波長の光を同じ照射条件(� ��射角度、倍率、焦点など)で物体光24をホロ� ��ラフィック記録媒体4に照射する必要がある 。最も簡便な手法としては、位相物体識別装 置1の試料光22を生成し照射する構成と記録装 置6の物体光24を生成し照射する構成を同じに すればよい。このことは、位相物体識別装置 1及び記録装置6の両方の機能を備えた装置を� ��造できることを意味している。ただし、位� ��物体識別装置1には再生光を検出する光検出 器5が別途必要であり、記録装置6には、参照� ��を生成するための参照光生成手段が別途必� ��となる。本明細書において、位相物体識別� ��置1または記録装置6の各構成についての説� �は、基本的に他方の装置の共通する構成に� �いても援用される。

 図1(B)の記録装置6は、図1(A)の試料光22を� �成し照射する構成と同じ構成(同じ符号で示� ��)を同じ配置で使用している。すなわち、図 1(B)の記録装置6は、光源2と、試料保持手段3� �、ホログラフィック記録媒体4とを有してい� ��。しかし、記録装置6では、試料保持手段3� �は、既知の位相物体32が保持されており、試 料保持手段3及び既知の位相物体32は、光源2� �らの光21によって物体光24を生成する物体光� ��成手段となる。また、図示しない参照光生� ��手段によって生成された参照光25がホログ� �フィック記録媒体4に照射される。物体光24� �参照光25との干渉により形成されたホログラ ムによって、ホログラム記録層43内の感光性� ��料に光反応を生じさせ、ホログラム記録層4 3にホログラム41を定着させることができる。

 ホログラフィック記録媒体4に複数のホロ グラム41を記録する場合は、照射位置移動手� ��によって、ホログラフィック記録媒体にお� ��る物体光24及び参照光25の照射位置を移動さ せ、別の位置に別の既知の位相物体32による� ��体光24と参照光25とを照射して別のホログラ ム41を記録すればよい。

 物体光生成手段としては、既知の位相物� ��32を利用する方法以外にも、位相空間光変� �器を利用することもできる。位相空間光変� �器として、例えば位相変調型の液晶表示装� �を採用することができ、位相変調型の液晶� �示装置に既知の位相物体の位相パターンを� �示すればよい。位相空間光変調器を利用し� �場合は、複数のホログラム41を記録する場合 に、位相空間光変調器の表示を変更するだけ で、別の物体光を生成できるので好ましい。

 参照光生成手段は、光源1からの光11を利� ��して参照光25を生成することが好ましいが� �物体光24と干渉性を有する他の光源の光を利 用してもよい。参照光25は、ホログラフィッ� ��記録媒体4において、物体光24と交差するよ� ��に照射される。参照光は、物体光に比べて� ��さい領域の発散光や、空間的に離間した複� ��の光線の束を利用することができる。物体� ��24の光軸と参照光25の光軸が異なる二光束干 渉型の光学系を利用することもできるが、コ リニア方式の光学系を利用してホログラム41� ��記録することが好ましい。コリニア方式の� ��学系については、図2において詳細に説明す る。

 図1(A)及び(B)では、基本原理を説明するた め、最低限必要な構成を用いて発明を説明し たが、かかる構成のみのものに限定されるも のではなく、求める効果に応じて更に多くの 構成を付加することができる。例えば、ホロ グラム41として、既知の位相物体32の実像を� �録するのではなく、フーリエ像を記録する� �とが好ましい。このために、試料光22及び物 体光24の実像が入射瞳面に位置するように配� ��された対物レンズを採用し、対物レンズに� ��って試料光22及び物体光24をホログラフィッ ク記録媒体に照射するように構成してもよい 。フーリエ像は、位相パターンの形状ではな く、位相パターンの空間周波数分布であるか ら、単純な形状の相関ではなく、パターンの 傾向の相関を識別することができる。

 また、試料31や既知の位相物体32を観察す る観察光学系を備えていることも好ましい。 さらに、連続的に複数の試料を識別するため には、試料保持手段3に複数の試料31を順次搬 送する試料搬送手段を有することが好ましい 。

 図2は、コリニア方式の光学系を利用して ホログラム41を記録する記録装置6としても利 用可能な位相物体識別装置1の一実施態様を� �す概略構成図である。図2の位相物体識別装� ��1は、さらに試料または既知の位相物体(以� �、試料と既知の位相物体を併せて「試料等� �という)を観察するための観察光学系7及び観 察用撮像素子71も備えている。なお、図2の位 相物体識別装置1では、反射型のホログラフ� �ック記録媒体4を使用している。

 位相物体識別装置1は、光源2、試料保持� �段3、ホログラフィック記録媒体4及び光検出 器5に加えて、試料光を生成し、ホログラフ� �ック記録媒体4に照射し、再生光を検出する� ��学系を有しており、かかる光学系には、試� ��等を観察するための観察光学系7も含まれて いる。光学系は、ビーム成形光学系51、一対� ��ミラー52、試料側対物レンズ53、結像レンズ 54、ビームスプリッタ55、マスク56、偏光ビー ムスプリッタ57、第1のリレーレンズ58、第2の リレーレンズ59、四分の一波長板60、対物レ� �ズ61、アパーチャー62、集光レンズ63を有し� �いる。

 光源2は、ホログラムを記録するための物 体光及び参照光の光源となり、また、試料31� ��識別するための試料光の光源となるもので� ��る。さらに、図2においては、観察光学系7� �試料等を観察するための光源としても利用� �れている。ただし、観察光学系の光源とし� �は、光源2ではなく、観察に適した光源を別� ��用意することが好ましい。光源2としては、 例えば、532nmのYVO4レーザーを使用することが できる。なお、光源2としては、ホログラフ� �ック記録媒体4のホログラム記録層43内の感� �材料が感度を示す波長の光を選択する。

 ビーム成形光学系51は、光源2から射出さ� ��た光の形状を加工するために必要に応じて� ��けられるものであり、たとえば発散光を平� ��光に加工するコリメータレンズや、ビーム� ��口径を大きくするビームエキスパンダーな� ��が含まれる。

 一対のミラー52は、光源2から射出された� ��の進行方向を試料等に向けるためのもので� ��る。図2では、一対のミラー52によって光源2 から射出された光の進行方向を180°変更して� ��置を小型化している。光の進行方向を試料� ��に向ける手段は、一対のミラー52という構� �に限定されるものではなく、光学系の構成� �応じて適当な構成が採用される。たとえば� �ミラーではなく、プリズムや偏向素子など� �使用することもできるし、光源2から射出さ� ��た光の進行方向が、直接試料等に向いてい� ��ば、光の進行方向を試料等に向ける手段は� ��もそも必要ない。

 試料保持手段3は、試料等を保持するため のものである。図2においては、試料保持手� �3は、光の照射される領域は開口となってお� ��、開口の領域に試料31が保持されている。� �2の位相物体識別装置1は、試料保持手段3に� �持された試料等は、観察光学系7及び観察用� ��像素子71によって観察することができる。

 観察光学系7は、試料等を観察用撮像素子 71の受光面並びにそれと共役な面33(マスク56� �配置される位置)及び対物レンズの入射瞳面3 5において結像させるものであり、各種顕微� �の光学系を利用することが可能である。図2� ��おいては、観察光学系7は、試料側対物レン ズ53と結像レンズ54とを有しており、試料等� �明視野により観察することができる。試料� �が小さい場合、試料側対物レンズ53及び結像 レンズ54によって、試料等を拡大できること� ��好ましい。また、試料側対物レンズ53は、� �察を容易にするために、倍率の異なる複数� �レンズを切替えられることが好ましい。ま� �、結像レンズ54と併せて、または結像レンズ 54に代えて、肉眼で観察するための接眼レン� ��を設けてもよい。

 さらに、図2のように観察光学系7を有し� �いる場合、試料保持手段3は、試料等の焦点� ��調整する焦点調節手段36または/及び試料等� ��位置を調整する試料位置調整手段37を有し� �いることが好ましい。焦点調節手段36は、光 軸方向に識別対象の位相物体(試料31)や既知� �位相物体32を移動させる手段であり、試料等 を結像面(観察用撮像素子71の受光面、位置33� ��位置35)において結像させるために設けられ� ��いる。焦点調節手段36によって、試料31等を 手動または電動で光軸方向(Z軸方向)に移動さ せる。また、試料位置調整手段37は、光軸に� ��して直交する平面方向に識別対象の位相物� ��(試料31)や既知の位相物体32を移動させる手� ��であり、試料31等を観察視野内に配置する� �めに設けられている。試料位置調整手段37に よって、試料31等を手動または電動で光軸に� ��して直交する平面方向(X軸方向及びY軸方向) に移動させる。焦点調節手段36及び試料位置� ��整手段37としては、種々の移動機構を利用� �ることができ、たとえば微動用の調整機構� �備えたXYZ駆動ステージ等を利用できる。

 観察用撮像素子71としては、CCDやCOMSセン� ��ーなどを利用することができる。観察用撮� ��素子71は、図示されていないモニターや記� �媒体に接続されており、観察用撮像素子71に よって取得した画像をモニターに表示したり 、記録媒体に記録したりできる。観察用撮像 素子71で観察しながら、焦点調節手段36や試� �位置調整手段37によって試料等が光軸の中心 で結像するように調整すれば、識別の精度を 格段に向上させることができる。また、観察 光学系7によって、試料等の倍率を調整する� �とで、物体光及び試料光の基礎となる位相� �体の大きさを規格化することができる。観� �光学系7によって、観察用撮像素子71の受光� �に結像した像と同じ像が位置33に結像され、 位置33における像が試料光及び物体光として� ��ログラフィック記録媒体4に照射されること になるので、位置33における像(観察用撮像素 子71で観察される画像)を同じ大きさとするこ とで、試料等の大きさの違いを補正すること ができる。

 試料31等を観察するための観察光学系7、� ��料保持手段3、焦点調節手段36、試料位置調� ��手段37及び観察用撮像素子71は、従来の光学 顕微鏡の構成を転用することが可能である。 明視野での観察は、試料等が光の強度を変調 させない場合または強度差が小さい場合は、 観察が困難であるので、暗視野での観察や位 相差顕微鏡または微分干渉顕微鏡としても観 察可能な構成とすることが好ましい。

 ビームスプリッタ55は、入射した光の一� �を反射し、他の一部を透過させる光学素子� �あり、試料等からの光を観察用撮像素子71に 向かう光とホログラフィック記録媒体4に向� �う光とを生成している。ビームスプリッタ55 では、光が分割されるが、光の進行方向を切 替える光学素子が設けられていてもよい。た とえば、ビームスプリッタ55の代わりに移動� ��能なミラーを設け、試料等を観察する場合� ��、試料等からの光を観察用撮像素子71に向� �て反射させ、試料等を識別する場合は、ミ� �ーを光軸外に移動させて、試料等からの光� �ホログラフィック記録媒体4に向けて進行さ� ��ることもできる。

 マスク56は、観察光学系7によって試料等� ��結像する結像面または試料保持手段の位置� ��配置されるものであり、識別時には試料光� ��輪郭を成形するマスクが配置され、記録時� ��は物体光の輪郭を成形し、且つ参照光の強� ��パターンを生成する別のマスクが配置され� ��。マスク56は、位置33ではなく、試料等の位 置(すなわち、試料保持手段3)または他の結像 面(対物レンズの入射瞳面35)に配置されても� �い。たとえば、試料保持手段3の開口をマス� ��56として、試料光の輪郭や物体光の輪郭及� �参照光の強度パターンを成形してもよいし� �対物レンズの入射瞳面35にマスク56を配置し� ��もよい。なお、試料光及び物体光それ自体� ��、試料等によって変調されることで生成さ� ��、マスク56は、その輪郭を成形するもので� �る。

 図3(A)は、識別時における試料光の輪郭を 成形するためのマスク56の一例であり、図3(B) は記録時における物体光の輪郭及び参照光の 強度パターンを生成するためのマスク56の一� ��である。図3(A)において、マスク56は、中央� ��円形の開口56aが設けられており、マスク56� �通過させることで試料光の輪郭を円形に成� �することができる。図3(B)において、マスク5 6は、中央に円形の開口56bと、その周囲に放� �状に12個の小さい円形の開口56cとが設けられ ており、マスク56を通過させることで開口56b� ��よって物体光の輪郭を円形に成形すること� ��でき、開口56cによって物体光の周囲に放射� ��に配置された12個の小さい円形からなるパ� �ーンの参照光を生成することができる。マ� �ク56としては、光源2からの光を遮断できる� �材で形成されている。なお、記録時のマス� �と識別時のマスクは、切替えスイッチ等で� �れ替わる構成とすることもできるし、56cの� �口にシャッターを設けて識別時にはシャッ� �ーを閉じる構成とすることもできる。

 偏光ビームスプリッタ57は、直交する偏� �方向の一方を透過し、他方を反射するもの� �あり、ホログラフィック記録媒体4に向かう� ��料光、物体光及び参照光とホログラフィッ� ��記録媒体4から再生された再生光とを分離す るために、四分の一波長板60と共に設けられ� ��。図2においては、ホログラフィック記録媒 体4に向かう試料光、物体光及び参照光を透� �し、ホログラフィック記録媒体4から再生さ� ��た再生光を光検出器5に向けて反射する。光 学系の構成によっては、試料光、物体光及び 参照光をホログラフィック記録媒体4に向け� �反射し、光検出器5に向かう再生光を透過さ� ��る構成であってもよい。

 第1のリレーレンズ58及び第2のリレーレン ズ59は、位置33に結像された試料等の像を対� �レンズ61の入射瞳面35に結像させるための光� ��系の一例である。第1のリレーレンズ58は、� ��置33から第1のリレーレンズ58までの間隔及� �第1のリレーレンズ58からフーリエ面34までの 間隔が第1のリレーレンズ58の焦点距離となる ように配置される。また、第2のリレーレン� �59は、フーリエ面34から第2のリレーレンズ59� ��での間隔及び第2のリレーレンズ59から入射� ��面35までの間隔が第2のリレーレンズ59の焦� �距離となるように配置される。かかる光学� �は、第1及び第2のリレーレンズ58、59という� �成に限定されるものではなく、種々の結像� �学系を利用することができる。

 四分の一波長板60は、直線偏光を円偏光� �変換するものであり、2回通過させることで� ��線偏光を90度回転させることができる。試� �光が照射されることによってホログラム41か ら再生する再生光は、記録時の参照光に相当 するものであり、参照光はホログラム41を記� ��する際に、四分の一波長板60を1回通過して� ��るので、再度、四分の一波長板60を通過す� �ことにより、記録時の四分の一波長板60を通 過する前の参照光と比べて直交する偏光方向 の直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ57� ��よって分離することができる。

 対物レンズ61は、試料光、物体光及び参� �光をフーリエ変換してホログラフィック記� �媒体4に照射するものである。また、図2のよ うに反射型のホログラフィック記録媒体4を� �用した場合は、ホログラム41から再生した再 生光を射出瞳面に結像させる。試料光、物体 光及び参照光をフーリエ変換させるために、 結像光学系53,54,58,59を使用して、対物レンズ6 1の入射瞳面35に試料等の像または参照光の強 度パターンを結像させる。

 図2のホログラフィック記録媒体4は、透� �な基板42と反射層を有する基板44との間にホ� ��グラム記録層43が狭持された反射型の構造� �ある。位相物体識別装置1が、記録装置6とし て機能する時には、物体光及び参照光がホロ グラフィック記録媒体4に照射され、ホログ� �ム記録層43にホログラム41が記録される。ま� ��、位相物体識別装置1が位相物体を識別する 際には、試料光がホログラフィック記録媒体 4に照射され、試料光は、ホログラム41から再 生された再生光と共に、ホログラフィック記 録媒体4の入射面側から射出される。

 ホログラフィック記録媒体4は、ホログラ フィック記録媒体4を移動する記録媒体移動� �段45に保持されている。記録媒体移動手段45� ��、光軸に対して直交する方向において、ホ� ��グラフィック記録媒体4を移動または回転さ せることができ、ホログラフィック記録媒体 4における試料光、物体光及び参照光の照射� �置を移動させて、ホログラフィック記録媒� �4に複数のホログラムを記録したり、ホログ� ��フィック記録媒体4の複数のホログラム41と� ��料光とを光相関演算させることができる。

 アパーチャー62は、反射型のホログラフ� �ック記録媒体4で反射された試料光を遮光し� ��再生された再生光のみを光検出器5に通過さ せる開口を有している。アパーチャー62は、� ��光ビームスプリッタ57から集光レンズ63まで の間に配置されるが、試料光の回折光による ノイズを低減するため、試料光の結像面、た とえば第1のリレーレンズ58の焦点面(位置33と 共役な位置)に配置することが好ましい。図3( C)は、アパーチャー62の一例であり、図3(B)に� ��す記録時のマスク56における開口56cに対応� �る放射状に配置された12個の小さい円形の開 口62aが設けられている。

 集光レンズ63は、再生光を光検出器5の受� ��領域に集光させるために設けられており、� ��検出素子が一つの光検出器5でも利用可能と されている。

 光検出器5は、再生された再生光の光強度 を検出するものである。再生光が集光レンズ 63によって小さい領域に集光されるので、光� ��出素子が一つのものも利用することができ� ��。

 次に、図2の位相物体識別装置1における� �処理の動作を簡単に説明する。まず試料等� �観察する場合、光源2から照射された光は、� ��ーム成形光学系51によって必要な口径及び� �行光とされ、一対のミラー52によって反射さ れ、試料等に照射され、試料側対物レンズ53� ��び結像レンズ54を通過し、ビームスプリッ� �55によって反射され、観察用撮像素子71に到� ��する。試料等の像は、試料側対物レンズ53� �び結像レンズ54によって観察用撮像素子71の� ��光面に結像する。そして、試料等が、観察� ��撮像素子71の受光面において、中心に配置� �れるように試料位置調整手段37で試料等の位 置を調整し、受光面に試料等の焦点が合うよ うに焦点調節手段36で調整する。このように� ��料等を観察した状態であれば、結像面33に� �いても、試料等の像が中心に配置され、且� �焦点が合った状態となり、識別処理や記録� �理を続けて行うことで、識別の信頼性及び� �録の均一性を保つことができる。

 図2の位相物体識別装置1で試料31を識別す る場合、光源2から照射された光は、ビーム� �形光学系51によって必要な口径及び平行光と され、一対のミラー52によって反射され、試� ��31に照射される。試料31によって少なくとも 光の位相が空間的に変調され、試料側対物レ ンズ53及び結像レンズ54によって位置33に試料 31の像が結像する。位置33には、図3(A)のマス� ��56が配置されており、輪郭が円形の試料光� �生成する。そして、試料光は、偏光ビーム� �プリッタ57を透過し、第1及び第2のリレーレ� ��ズ58、59によって対物レンズ61の入射瞳面に� ��像され、四分の一波長板60によって円偏光� �変換され、対物レンズ61によってフーリエ変 換されてホログラフィック記録媒体4のホロ� �ラム記録層43に記録されたホログラム41に照� ��される。この結果、ホログラム41と試料光� �が干渉して、相関があれば記録時の参照光� �相当する再生光が再生される。

 反射層で反射された試料光及び再生光は� ��ホログラフィック記録媒体4から射出され、 照射時とは反対方向に、対物レンズ61、四分� ��一波長板60、第2のリレーレンズ59及び第1の� ��レーレンズ58を経て、偏光ビームスプリッ� �57に入射する。再生光は、記録時の参照光に 相当するものであり、参照光はホログラフィ ック記録媒体4に照射される際に四分の一波� �板60を通過して円偏光に変換されていたので 、再度、再生光として四分の一波長板60を通� ��することにより、再生光は、参照光とは直� ��する偏光方向の直線偏光となっている。こ� ��ため、再生光は、参照光を透過した偏光ビ� ��ムスプリッタ57によって反射され、アパー� �ャー62を通過し、集光レンズ63によって光検� ��器5に集光される。なお、反射層で反射され た試料光は、ホログラフィック記録媒体4か� �射出され、再生光と同様の光学系を経て偏� �ビームスプリッタ57によって反射されるが、 アパーチャー62によって遮光される。

 さらに、複数のホログラム41に識別させ� �ためには、試料光を連続的またはパルス状� �照射したまま、記録媒体移動手段45によって 、ホログラフィック記録媒体4を移動または� �転させる。すると、ホログラフィック記録� �体4に記録された複数のホログラム41に対し� �試料光を連続的または断続的に照射するこ� �ができ、再生光も連続的または断続的に検� �することができる。

 再生光の光強度は、ホログラム41を記録� �たときの物体光と試料光との相関値(類似度) に応じて変化し、光強度の値が大きいほど物 体光と試料光とが類似していることになる。 したがって、再生光の光強度が、予め実験等 によって定めたしきい値を超えた場合に、試 料31は、かかる再生光を再生したホログラム4 1を記録した既知の位相物体と一致または類� �する位相物体であると識別することができ� �。また、しきい値を超えた再生光が検出さ� �なかった場合には、試料31は、ホログラフィ ック記録媒体4にホログラム41として記録され た既知の位相物体と一致または類似していな いと識別することができる。なお、複数の再 生光の光強度がしきい値を超えた場合には、 光強度の大きなものから類似する識別結果と して出力することが好ましい。

 図2の位相物体識別装置1で既知の位相物� �を記録する場合、試料保持手段3に既知の位� ��物体を保持させる。光源2から照射された光 は、ビーム成形光学系51によって必要な口径� ��び平行光とされ、一対のミラー52によって� �射され、既知の位相物体に照射される。既� �の位相物体によって少なくとも光の位相が� �間的に変調され、試料側対物レンズ53及び結 像レンズ54によって位置33に既知の位相物体� �像が結像する。位置33には、図3(B)のマスク56 が配置されており、輪郭が円形の物体光及び 物体光の周囲に配置された12本の小さい円形� ��参照光を生成する。そして、物体光及び参� ��光は、偏光ビームスプリッタ57を透過し、� �1及び第2のリレーレンズ58、59によって対物� �ンズ61の入射瞳面に結像され、四分の一波長 板60によって円偏光に変換され、対物レンズ6 1によってフーリエ変換されてホログラフィ� �ク記録媒体4のホログラム記録層43に照射さ� �る。この結果、ホログラフィック記録媒体4� ��ホログラム記録層43に物体光と参照光との� �渉により形成されたホログラム41が記録され る。

 図4は、試料保持手段3の変形例であり、� �料保持手段3にマスク56の機能を付加したも� �である。図4(A)は、記録時における試料保持� ��段3の断面図であり、図4(B)は、(A)の平面図� �あり、図4(C)は、識別時における試料保持手� ��3の断面図である。図4(A)において、試料保� �手段3は、遮光性の一対の板状部材3a及び3bを 有し、一対の板状部材3a及び3bの間には、内� �に既知の位相物質32が封入されたスライドガ ラス38aとカバーガラス38bが配置されており、 クリップ3cによって、一対の板状部材3a、3bを 狭持して、既知の位相物質32をスライドガラ� ��38a及びカバーガラス38bを介して保持してい� ��。一対の板状部材3a及び3bには、図4(B)に示� �ような開口56b、56cが設けられている。なお� �図4(A)は図4(B)のA-A断面であり、図4(A)では開� �部分を点線で示す。中央の円形の開口56bの� �域には、既知の位相物質32が配置されており 、光源からの光の位相を変調して物体光が生 成される。また、周囲に放射状に配置された 開口56cによって物体光の周囲に放射状に配置 された12個の小さい円形からなるパターンの� ��照光が生成される。図4(A)の構成では、既知 の位相物体32を封入したスライドガラス38a及� ��カバーガラス38bといった透明補助具(色付き の透明を含む)が、物体光を生成するための� �口56bにも、参照光を生成するための開口56c� �も存在するため、補助具による位相や強度� �変化を相殺して、既知の位相物質32に基づく 位相の変化のみを記録することができる。

 識別時においては、図4(C)に示すように、 既知の位相物体32の代わりに識別対象の位相� ��体31をスライドガラス38aとカバーガラス38b� �間に封入し、一対の板状部材3a及び3bに、さ� ��に図3(A)のマスク56のように、中央にのみ開� ��56aが設けられた遮光部材3dを重ねた状態で� �リップ3cによって狭持する。開口56aの領域に 識別対象の位相物体31を配置することで、光� ��からの光によって、参照光を生成させずに� ��料光を生成させることができる。なお、参� ��光の強度パターンは、図3(B)や図4(B)の開口56 cのような形状及び数量に限定されるもので� �なく、少なくとも一つの開口によって参照� �が生成されればよい。

 試料保持手段3に試料31を順次搬送する試� ��搬送手段を設けると、試料の識別を連続し� ��大量に実施することができる。図5は、試料 搬送手段の一例である。図5(A)及び(B)は、ベ� �トコンベア式の試料搬送手段39a、39bの断面� �及び平面図であり、図5(C)及び(D)は、搬送ロ� ��ットアーム式の試料搬送手段40a、40bの断面� ��及び平面図である。図5(A)及び(B)においては 、試料31の上下端近傍が並行するベルトコン� ��ア39a、39bに保持されており、ベルトコンベ� ��39a、39bを移動させることで試料31を試料側� �物レンズ53の下方に順次搬送する。図5(A)及� �(B)では、ベルトコンベア39a、39bが試料保持� �段3であるとともに試料搬送手段でもある。� ��お、図示しないが図5のベルトコンベア39a、 39bの右側には、ベルトコンベア39a、39b上に試 料31をロードする搬送手段が、ベルトコンベ� ��39a、39bの左側には、ベルトコンベア39a、39b� ��の試料31をアンロードする搬送手段がそれ� �れ設けられる。

 図5(C)及び(D)においては、搬送ロボットア ーム40a、40bは何れも回動可能な支柱に3段階� �アーム部分が上下動及び伸縮自在に設けら� �ており、3段目のアーム部分の先端は、試料3 1を載置するように幅広に構成されている。� �料保持手段3には、図の左右方向において凹� ��3eが設けられており、搬送ロボットアーム40 a、40bの試料31を載置する幅広のアーム部分の 先端が試料31の下方に挿入可能とされている� ��搬送ロボットアーム40aは、試料保持手段3に 試料31を搬送するものであり、搬送ロボット� ��ーム40bは、試料保持手段3の試料31を搬出す� ��ものである。なお、図5(D)において、試料保 持手段3の試料31の下方には、光を透過するた めの透光部材による窓56aが設けられており、 光源からの光が試料31に照射され、試料側対� ��レンズ53に入射されるように構成されてい� �。

 図6は、物体光生成手段の一部に位相空間 光変調器を採用したホログラフィック記録媒 体4にホログラム41を記録する記録装置80の一� ��施形態であり、さらに記録装置80は、再生� �を検出する構成も付加したことにより、位� �物体識別装置としても機能する。記録装置80 は、光源81、コリメータレンズ82、ビームス� �リッタ83、位相空間光変調器84、情報処理装� ��85、第1のリレーレンズ86、ミラー87、第2の� �レーレンズ88、マスク89、偏光ビームスプリ� ��タ90、四分の一波長板91、対物レンズ92、ア� ��ーチャー93、ミラー94、集光レンズ95、光検� ��器96を有している。図6も、ホログラフィッ� ��記録媒体4が反射型の場合である。

 光源81から射出された光は、コリメータ� �ンズ82によって略平行光とされ、ビームスプ リッタ83によって反射され、位相空間光変調� ��84に入射する。位相空間光変調器84は、複数 の画素を有し、各画素毎に入射した光の位相 を変化させることができ、光の位相を空間的 に変調することができる。図6においては反� �型であり、情報処理装置85から入力された位 相パターンが位相空間光変調器84に表示され� ��表示された位相パターンによって入射した� ��の位相を変調しつつ反射する。位相空間光� ��調器84としては、平行配向液晶空間位相変� �器(PAL-SLM:Parallel-Aligned Liquid crystal Spatial Lig ht Modulator)等を利用することができる。

 位相空間光変調器84によって反射された� �は、上記の通り、情報処理装置85から入力さ れた位相パターンによって光の位相が変調さ れている。そして、ビームスプリッタ83を透� ��した光は、第1及び第2のリレーレンズ86、88� ��よって対物レンズ92の入射瞳面に位相パタ� �ンが結像するように伝達される。その途中� �第1及び第2のリレーレンズ86、88間の焦点位� �(フーリエ面)に配置されたミラー87によって� ��射され進行方向が変更される。マスク89は� �物体光97の輪郭及び参照光98の強度パターン� ��成形するものであり、対物レンズ92の入射� �面且つ第1及び第2のリレーレンズ86、88によ� �結像面に配置されることが好ましい。なお� �図6の構成において、対物レンズ92の焦点距� �が短く、マスク89を入射瞳面に配置すること が物理的に困難な場合は、図示しない結像光 学系をさらに組み込み、入射瞳面と共役な位 置に配置すればよい。その後、偏光ビームス プリッタ90を透過し、四分の一波長板91によ� �て円偏光に変換され、対物レンズ92によって フーリエ変換されてホログラフィック記録媒 体4のホログラム記録層43に照射される。この 結果、ホログラム記録層43には、物体光97と� �照光98との干渉によって形成されたホログラ ム41が記録される。

 また、図6の記録装置80において、位相空� ��光変調器84に表示された位相パターンは、� �の位相を変化させるものであり、一種の位� �物体と言える。そして、位相空間光変調器84 に任意の位相パターンを表示して、識別対象 の位相物体とすれば、マスク89を変更するこ� ��で、ホログラフィック記録媒体4に記録され たホログラム41を用いて識別処理を行うこと� ��できる。この場合には、位相空間光変調器8 4が試料保持手段となる。

 図6の記録装置80を位相物体識別装置とし� ��機能させる場合、光源81から射出された光� �、コリメータレンズ82によって略平行光とさ れ、ビームスプリッタ83によって反射され、� ��相空間光変調器84に入射し、位相空間光変� �器84に表示された位相パターンによって光の 位相を変調しつつ反射する。位相空間光変調 器84によって反射された光は、ビームスプリ� ��タ83を透過し、第1及び第2のリレーレンズ86� ��88によって対物レンズの入射瞳面に位相パ� �ーンが結像するように伝達される。その途� �、第1及び第2のリレーレンズ86、88間の焦点� �置(フーリエ面)に配置されたミラー87によっ� ��反射され進行方向が変更される。マスク89� �、試料光の輪郭を成形するものであり、記� �時における参照光98を成形するための開口は 遮光する。その後、試料光は、偏光ビームス プリッタ90を透過し、四分の一波長板91によ� �て円偏光に変換され、対物レンズ92によって フーリエ変換されてホログラフィック記録媒 体4のホログラム記録層43に記録されたホログ ラム41に照射される。この結果、ホログラム4 1と試料光とが干渉して、記録時の参照光に� �当する再生光が再生される。

 反射層で反射された試料光及び再生光は� ��ホログラフィック記録媒体4から射出され、 照射時とは反対方向に、対物レンズ92、四分� ��一波長板91を経て、偏光ビームスプリッタ90 に入射する。再生光は、記録時の参照光に相 当するものであり、参照光はホログラフィッ ク記録媒体4に照射される際に四分の一波長� �91を通過して円偏光に変換されていたので、 再度、再生光として四分の一波長板91を通過� ��ることにより、再生光は、参照光とは直交� ��る偏光方向の直線偏光となっている。この� ��め、再生光は、参照光を透過した偏光ビー� ��スプリッタ90によって反射される。また、� �射された試料光も、四分の一波長板91を二回 通過しているので、偏光ビームスプリッタ90� ��よって反射される。再生光はアパーチャー9 3の開口を通過し、試料光はアパーチャー93に よって遮光される。ミラー94によって反射さ� ��た再生光は、集光レンズ95によって光検出� �96に集光される。なお、図6においては、便� �上、マスク89の開口が物体光を成形する開口 と参照光を成形する開口を各1つしか示して� �ないが、参照光の強度パターンは複数であ� �てもよい。

 [実施例1]図6の装置80を利用して、位相物� ��の識別可能性を実証した。本実施例におい� ��は、光源81として532nmのNd:YVO4レーザーを使� �した。マスク89としては、図3(A)及び(B)に示� �形状のマスクを使用した。すなわち、識別� �のマスクは、中央に試料光を生成するため� �円形の開口56aを有するマスクであり、記録� �のマスクは、中央に物体光を生成するため� �円形の開口56bと、その周囲に放射状に12個の 参照光を生成するための小さい円形の開口56c とを有するマスクである。試料光または物体 光の輪郭となる開口56a、56bは直径1mmの円形で あり、参照光を生成するための開口56cは0.29mm の円形であった。また、対物レンズ92のNAは0. 55であり、焦点距離は4mmであった。

 まず、ホログラフィック記録媒体4に4種� �のホログラム41を記録する。位相空間光変調 器84の32×32画素の表示領域に、図7(A)~(D)の位� �パターンを表示して、それぞれ物体光を生� �し、参照光と干渉させてホログラムを記録� �た。図7(A)~(D)は、左側に表示面における位相 パターンを示し、右側に一点鎖線または二点 鎖線における断面の位相変調量を示す。図7(A )では、表示領域100に位相変調量π/2の直径32� �素の円形のパターン101を表示した。図7(B)で� ��、表示領域100に、位相変調量π/2の直径32画� ��の円形のパターン101を表示し、その中心に� ��相変調量πの直径10画素の円形のパターン102 を表示した。図7(C)では、表示領域100に、位� �変調量π/2の直径32画素の円形のパターン101� �表示し、その中に位相変調量πの直径10画素� ��円形のパターン102を2つ表示した。図7(D)で� �、表示領域100に、位相変調量π/2の直径32画� �の円形のパターン101を表示し、その中に位� �変調量πの直径10画素の円形のパターン102を3 つ表示した。なお、図7(D)では、右側にa-a断� �とb-b-断面の位相変調量がそれぞれ示されて� ��る。以下、図7(A)~(D)の位相パターンによる� �ログラムをホログラムA~Dと呼ぶ。

 次に、図7(A)の表示領域100に位相変調量π/ 2の直径32画素の円形のパターン101を表示した 位相パターンで光の位相を変調した試料光を 生成し、ホログラムA~Dのそれぞれに対し照射 した。図8は、ホログラムA~Dから再生された� �生光の検出結果を示すものであり、縦軸は� �己相関の相関値によって規格化した任意単� �の相関値(再生光の強度)であり、横軸は各ホ ログラムA~Dである。ホログラムAは、図7(A)の� ��相パターンの物体光によって記録されてい� ��ため、試料光と同一であり、自己相関とな� ��。ホログラムBは、図7(B)の位相変調量πの直 径10画素の円形のパターン102が一つ表示され� ��位相パターンによって記録されており、試� ��光の図7(A)の位相パターンとは相互相関とな るが、違いが小さいので相関値は63とホログ� ��ムC及びDに比べて高い。ホログラムC及びDで は、それぞれ相関値は48と31であり、試料光� �図7(A)の位相パターンとの違い(位相変調量π� ��直径10画素の円形のパターン102の数)が増え� ��に従って、相関値が小さくなることが確認� ��きる。このことから、本発明の位相物体識� ��装置において、細胞の数や細胞核の有無な� ��の識別が可能であることが示唆される。

 [実施例2]図6の装置80を利用して、位相の� ��化による位相物体の識別可能性を実証した� ��本実施例の装置条件は、実施例1と同じであ る。まず、位相空間光変調器84の32×32画素の� ��示領域の全画素の位相を0からπ/4ずつ2πま� �変化させて、それぞれ物体光を生成し、参� �光と干渉させて9個のホログラムを記録した� ��すなわち、表示領域の全画素の位相を0、π/ 4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4及び2πとし た位相パターンの物体光によって、ホログラ ム0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4及� �2πを記録した。

 この9個のホログラムに対し、表示領域の 全画素の位相を0とした位相パターンの試料� �を生成し、照射した。図9は、ホログラム0、 π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4及び2πか ら再生された再生光の検出結果を示すもので あり、縦軸は自己相関の相関値によって規格 化した任意単位の相関値(再生光の強度)であ� ��、横軸は各ホログラムである。ホログラム0 及びホログラム2πは、全画素の位相を0とし� �位相パターンの物体光によって記録されて� �るため、試料光と同一であり、自己相関と� �る。相関値は、ホログラム0及びホログラム2 πに近いほど大きく、遠いほど小さくなって� ��り、ホログラムπが最小である。実施例2か� ��、識別対象の位相物体と既知の位相物体と� ��位相差を再生光の強度として識別すること� ��できる。そして、これを応用すれば、細胞� ��振動、核の膨張、動的な位相変化の観察ま� ��は識別が可能であることが示唆される。