WO2006003867A2

WO2006003867A2 - 顕微鏡観察方法、顕微鏡装置、微分干渉顕微鏡装置、位相差顕微鏡装置、干渉顕微鏡装置、画像処理方法、及び画像処理装置

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Publication number: WO2006003867A2
Application number: PCT/JP2005/011772
Authority: WO
Inventors: Hiroshi Ooki
Original assignee: Nikon Corporation
Priority date: 2004-06-30
Filing date: 2005-06-27
Publication date: 2006-01-12
Also published as: EP1767923A4; WO2006003867A3; US20070242133A1; EP1767923A2

Abstract

　本発明は、顕微鏡の構成を特殊化することなく、超解像画像などの特殊画像を取得することを目的とする。本発明の或る顕微鏡観察方法は、物体（１）の照明角度を変化させ、照明角度が各値にあるときに物体（１）から射出した各光束が結像面（１５）に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を測定する測定工程と、各光波の複素振幅分布のデータに基づき、結像光学系（１４）をそれよりも開口数の大きい仮想結像光学系（Ｌ’）に置換したときにその結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する算出工程と、仮想光波の複素振幅分布に基づき、仮想結像光学系（Ｌ’）がその結像面に形成する仮想像の画像データを作成する画像作成工程とを含むことを特徴とする。

Description

明細書

顕微鏡観察方法、顕微鏡装置、微分干渉顕微鏡装置、位相差顕微鏡装置、干渉顕微鏡装置、画像処理方法、及び画像処理装置

技術分野

[0001] 本発明は、半導体等の工業部品、生物の細胞等の生体などの物体を観察する顕微鏡観察方法に関する。また、本発明は、顕微鏡装置、微分干渉顕微鏡装置、位相差顕微鏡装置、及び干渉顕微鏡装置に関する。また、本発明は、顕微鏡装置に適用される画像処理方法、及び画像処理装置に関する。

背景技術

[0002] 光学顕微鏡 (ここでは、単に「顕微鏡」という。）の解像力を向上させるには、対物レンズの開口数を高めるか、或いは光源の波長を短くする必要がある（非特許文献 1など参照。）。

また、一般的な微分干渉顕微鏡には、専用の干渉装置が組み込まれている。微分干渉顕微鏡の専用の干渉装置は、ウォラストンプリズムゃノマルスキープリズムなどの偏光プリズムと、クロスニコルの状態に配置された偏光子および検光子と、を組み合わせたものである（例えば非特許文献 2を参照)。この微分干渉顕微鏡では、偏光子と偏光プリズムとを介して物体を照明し、物体からの光を偏光プリズムと検光子とを介して取り込み、物体の微分干渉画像を得ている。

[0003] また、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 3,4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。

[0004] また、一般的な干渉顕微鏡 (ミロ一型干渉顕微鏡。非特許文献 5など参照。 )は、対物レンズと物体との中間に半透過鏡を配置し、対物レンズと半透過鏡との間に反射鏡を配置している。このミロ一型干渉顕微鏡では、対物レンズ、半透過鏡、物体、半透過鏡、対物レンズを順に経由する光束 (被検光束）と、対物レンズ、半透過鏡、反射鏡、半透過鏡、対物レンズを順に経由する光束 (参照光束）とが干渉して干渉画像を形成する。この干渉顕微鏡の光源は白色光源であり、被検光束の光路長と参照光束の光路長とは物体無しの状態で予め厳密に一致させてあるので、干渉画像上では、両者の光路長が一致した点のみに干渉縞が生じ、その点の近傍に特定の色の変化が現れる。したがって、物体内の要素の分布が色の分布で表現される。

非特許文献 1 :小松啓，「光学顕微鏡の基礎と応用（1)」，応用物理，第 60卷，第 8号 , 1991年， p816-p817

非特許文献 2 :小松啓，「光学顕微鏡の基礎と応用（2)」，応用物理，第 60卷，第 9号 , 1991年， p924-p928

非特許文献 3 :小松啓，「光学顕微鏡の基礎と応用（3)」，応用物理，第 60卷，第 19 号， 1991年， pl032-pl034

非特許文献 4:小松啓，「光学顕微鏡の基礎と応用（4)」，応用物理，第 60卷，第 11 号， 1991年， pl l36-pl l38

非特許文献 5 :小松啓，「光学顕微鏡の基礎と応用（4)」，応用物理，第 60卷，第 11 号， 1991年， pl l39-pl l40

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0005] しかし、顕微鏡で高解像度の画像を得ようとしても、物体の種類や観察目的により使用光源の種類は限定され、その使用光源によって光学系の材料が限定されることも多いので、顕微鏡の解像力には、各分野の顕微鏡それぞれに固有の限界がある。また、物体の微分干渉画像、位相差画像、干渉画像などの特殊画像を得るためには、それぞれ上述した専用の光学系が必要である。それを省略すると、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。その明視野画像には位相情報が含まれないため、明視野画像カゝら特殊画像を推定することは、不可能である。

[0006] そこで本発明は、顕微鏡の構成を特殊ィ匕することなぐ超解像画像（=顕微鏡の解像力を超える解像度の画像)、微分干渉画像、位相差画像、干渉画像などの特殊画像を取得することを目的とする。

具体的に、本発明は、顕微鏡の結像光学系の能力を上回る高い解像力が得られる顕微鏡観察方法、顕微鏡装置、及び画像処理装置を提供することを目的とする。

[0007] また、本発明は、専用の光学系を用いることなく物体の微分干渉画像を得ることのできる画像処理装置、微分干渉顕微鏡装置、および、画像処理方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、専用の光学系を用いることなく物体の位相差画像を得ることのできる画像処理装置、位相差顕微鏡装置、および、画像処理方法を提供することを目的とする。

[0008] また、本発明は、専用の光学系を用いることなく物体の干渉画像を得ることのできる顕微鏡観察方法、干渉顕微鏡装置、及び画像処理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

[0009] 本発明の顕微鏡観察方法は、照明された物体から射出する光束を結像する結像光学系を有し、その結像光学系の結像面に生起する光波の複素振幅分布を測定可能な顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法であって、前記物体の照明角度を変化させ、前記照明角度が各値にあるときに前記物体から射出した各光束が前記結像面に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を測定する測定工程と、前記各光波の複素振幅分布のデータに基づき、前記結像光学系をそれよりも開口数の大きい仮想結像光学系に置換したときにその結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する算出工程と、前記仮想光波の複素振幅分布に基づき、前記仮想結像光学系がその結像面に形成する前記物体の仮想像の画像データを作成する画像作成工程とを含むことを特徴とする。

[0010] なお、前記算出工程には、前記各光波の複素振幅分布を空間についてフーリエ変換し、前記各光束が前記結像光学系の瞳上に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を算出する工程と、前記各光波の複素振幅分布を横ずらしして合成し、前記仮想結像光学系の瞳上に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する工程と、前記仮想光波の複素振幅分布を空間について逆フーリエ変換し、前記仮想結像光学系の結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する工程とが含まれてもよい。

[0011] また、前記算出工程では、前記合成に当たり、前記各光波の複素振幅分布から、各光波間のばらつきに起因した位相オフセット及び Z又は振幅オフセットが補正されてもよい。

また、前記算出工程では、前記各光波の複素振幅分布のデータとして、前記結像光学系の単体が前記各光波のそれぞれに共通して重畳させる位相成分が補正されたデータが用いられてもよ!、。

[0012] また、前記顕微鏡装置は、前記物体をパルス光で照明する照明手段と、前記物体から射出する光束を結像する前記結像光学系と、前記結像光学系の結像面に生起する光波の電場強度分布を検出する検出手段と、前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記結像面に生起する光波の複素振幅分布を算出する制御手段とを備えて、てもよ、。

[0013] また、前記パルス光は、テラへルツ周波数領域のパルス光であることが好まし!/、。

また、本発明の顕微鏡装置は、物体をパルス光で照明する照明手段と、前記物体から射出する光束を結像する前記結像光学系と、前記結像光学系の結像面に生起する光波の電場強度分布を検出する検出手段と、前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記結像面に生起する光波の複素振幅分布を算出する制御手段と、前記物体の照明角度を変化させる変化手段とを備え、前記制御手段は、前記照明角度が各値にあるときに前記物体から射出した各光束が前記結像面に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を測定することを特徴とする。

[0014] なお、前記パルス光は、テラへルツ周波数領域のパルス光であることが好まし!/、。

また、前記制御手段は、前記各光波の複素振幅分布のデータに基づき、前記結像光学系をそれよりも開口数の大きい仮想結像光学系に置換したときにその結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する算出工程と、前記仮想光波の複素振幅分布に基づき、前記仮想結像光学系がその結像面に形成する前記物体の仮想像の画像データを作成する画像作成工程とを実行してもよい。

[0015] また、前記制御手段は、前記算出工程において、前記各光波の複素振幅分布を空間についてフーリエ変換し、前記各光束が前記結像光学系の瞳上に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を算出し、前記各光波の複素振幅分布を横ずらしして合成し、前記仮想結像光学系の瞳上に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出し、前記仮想光波の複素振幅分布を空間について逆フーリエ変換し、前記仮想結像光学系の結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出してもよい。

[0016] また、前記制御手段は、前記算出工程において、前記合成に当たり、前記各光波の複素振幅分布から、各光波間のばらつきに起因した位相オフセット及び Z又は振幅オフセットを補正してもよ、。

また、前記制御手段は、前記算出工程において、前記各光波の複素振幅分布のデータとして、前記結像光学系の単体が前記各光波のそれぞれに共通して重畳させる位相成分が補正されたデータを用いてもょ、。

[0017] また、本発明の画像処理装置は、顕微鏡装置に適用される画像処理装置であって、前記各光波の複素振幅分布のデータに基づき、前記結像光学系をそれよりも開口数の大きい仮想結像光学系に置換したときにその結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する算出手段と、前記仮想光波の複素振幅分布に基づき、前記仮想結像光学系がその結像面に形成する前記物体の仮想像の画像データを作成する画像作成手段とを備えることを特徴とする。

[0018] なお、前記算出手段は、前記各光波の複素振幅分布を空間についてフーリエ変換し、前記各光束が前記結像光学系の瞳上に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を算出し、前記各光波の複素振幅分布を横ずらしして合成し、前記仮想結像光学系の瞳上に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出し、前記仮想光波の複素振幅分布を空間について逆フーリエ変換し、前記仮想結像光学系の結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出してもよい。

[0019] また、前記算出手段は、前記合成に当たり、前記各光波の複素振幅分布から、各光波間のばらつきに起因した位相オフセット及び Z又は振幅オフセットを補正してもよい。

また、前記算出手段は、前記各光波の複素振幅分布のデータとして、前記結像光学系の単体が前記各光波のそれぞれに共通して重畳させる位相成分が補正されたデータを用いてもよい。

[0020] また、本発明の画像処理装置は、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 2データ群を生成する第 1の処理手段と、前記第 1データ群の各ピクセルデータと前記第 2データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像ィ匕したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、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、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第 4データ群を生成する第 3の処理手段とを備えたことを特徴とする。

[0021] また、本発明の微分干渉顕微鏡装置は、前記画像処理装置と、前記第 4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。

また、前記微分干渉顕微鏡装置においては、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光に基づいて、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ェ変換し、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が備えられてもよい。

[0022] また、前記照明手段は、前記物体をテラへルツ周波数領域のパルス光によって照明することが好ましい。

また、本発明の画像処理方法は、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 2データ群を生成する第 1の処理工程と、前記第 1データ群の各ピクセルデータと前記第 2データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像ィ匕したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、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、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第 4データ群を生成する第 3の処理工程とを備えたことを特徴とする。

[0023] また、本発明の画像処理装置は、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、、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。

[0024] なお、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データ群を生成してもよい。

また、本発明の位相差顕微鏡装置は、前記画像処理装置と、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。

[0025] なお、前記位相差顕微鏡装置には、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が備えられてもよ、。

[0026] また、前記照明手段は、前記物体をテラへルツ周波数領域のパルス光によって照明してもよい。また、本発明の画像処理方法は、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、、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。

[0027] また、本発明の顕微鏡観察方法は、照明された物体から射出する被検光束を結像する結像光学系を有し、その結像光学系の結像面に生起する被検光波の複素振幅分布を測定可能な顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法であって、前記被検光波の複素振幅分布のデータを取得する被検データ取得工程と、前記物体を光路から外したときに前記結像面に生起する参照光波の複素振幅分布のデータを取得する参照データ取得工程と、前記被検光波の複素振幅分布のデータと前記参照光波の複素振幅分布のデータとを同一座標間で重ね合わせて絶対値二乗し、前記物体の干渉画像の画像データを作成する画像作成工程とを含むことを特徴とする。

[0028] なお、前記顕微鏡装置には、前記物体をパルス光で照明する照明手段と、前記物体から射出する被検光束を結像する結像光学系と、前記結像光学系の結像面に生起する被検光波の電場強度分布を検出する検出手段と、前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記被検光波の複素振幅分布を算出する制御手段とが備えられてもよい。

[0029] また、前記パルス光は、テラへルツ周波数領域のパルス光であることが好まし!/、。

また、前記被検データ取得工程では、前記被検光波の各波長成分の複素振幅分布のデータを取得し、前記参照データ取得工程では、前記参照光波の各波長成分の複素振幅分布のデータを取得し、前記画像作成工程では、前記重ね合わせ及び絶対値二乗を各波長成分毎に行!ヽ、前記干渉画像の分光画像データを作成してもよい。

[0030] また、前記画像作成工程では、前記干渉画像を 1枚のカラー画像で表現するためのデータに前記分光画像データを変換してもよ、。

また、本発明の干渉顕微鏡装置は、物体をパルス光で照明する照明手段と、前記物体から射出する被検光束を結像する結像光学系と、前記結像光学系の結像面に生起する被検光波の電場強度分布を検出する検出手段と、前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記被検光波の複素振幅分布を算出する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記被検光波の複素振幅分布のデータと、前記物体を光路から外したときに前記結像面に生起する参照光波の複素振幅分布のデータとを取得し、前記被検光波の複素振幅分布のデータと前記参照光波の複素振幅分布のデータとを同一座標間で重ね合わせて絶対値二乗し、前記物体の干渉画像の画像データを作成することを特徴とする。

[0031] なお、前記パルス光は、テラへルツ周波数領域のパルス光であることが好まし!/、。

また、前記制御手段は、前記参照光波の各波長成分の複素振幅分布のデータと、前記被検光波の各波長成分の複素振幅分布のデータとを取得し、前記重ね合わせ及び絶対値二乗を各波長成分毎に行ヽ、前記干渉画像の分光画像データを作成してもよい。

また、前記制御手段は、前記干渉画像を 1枚のカラー画像で表現するためのデータに前記分光画像データを変換してもよい。

[0032] また、本発明の画像処理装置は、照明された物体から射出する被検光束を結像する結像光学系を有し、その結像光学系の結像面に生起する被検光波の複素振幅分布を測定可能な顕微鏡装置に適用される画像処理装置であって、前記被検光波の複素振幅分布のデータを取得する被検データ取得手段と、前記物体を光路から外したときに前記結像面に生起する参照光波の複素振幅分布のデータを取得する参照データ取得手段と、前記被検光波の複素振幅分布のデータと前記参照光波の複素振幅分布のデータとを同一座標間で重ね合わせて絶対値二乗し、前記物体の干渉画像の画像データを作成する画像作成手段とを含むことを特徴とする。

[0033] なお、前記顕微鏡装置には、前記物体をパルス光で照明する照明手段と、前記物体から射出する被検光束を結像する結像光学系と、前記結像光学系の結像面に生起する被検光波の電場強度分布を検出する検出手段と、前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記被検光波の複素振幅分布を算出する制御手段とが備えられてもよい。

[0034] また、前記パルス光は、テラへルツ周波数領域のパルス光であることが好まし!/、。

また、前記被検データ取得手段は、前記被検光波の各波長成分の複素振幅分布のデータを取得し、前記参照データ取得手段は、前記参照光波の各波長成分の複素振幅分布のデータを取得し、前記画像作成手段は、前記重ね合わせ及び絶対値二乗を各波長成分毎に行ヽ、前記干渉画像の分光画像データを作成してもよヽ。

[0035] また、前記画像作成手段は、前記干渉画像を 1枚のカラー画像で表現するためのデータに前記分光画像データを変換してもよ!/、。

発明の効果

[0036] 本発明によれば、顕微鏡の構成を特殊化することなぐ超解像画像、微分干渉画像、位相差画像、干渉画像の少なくとも 1つの特殊画像を取得することができる。具体的に、本発明によれば、顕微鏡の結像光学系の能力を上回る高い解像力が得られる。また、本発明によれば、専用の光学系を用いることなぐ物体の微分干渉画像、位相差画像、干渉画像の少なくとも 1つを得ることができる。

図面の簡単な説明

[0037] [図 1]超解像画像を取得するための実施形態のシステムの構成図である。

[図 2]本観察方法のフローチャートである。

[図 3]照明角度 Θを Θ

0に設定したときの様子と、その状態で取得されるデータとを示す図である。

[図 4]照明角度 0を 0 , Θ に設定したときの各様子と、その状態で取得されるデータ

1 2

とを示す図である。 [図 5]照明角度 Θを θ , θ , Θ に設定したときに結像に寄与する光束の相違、及び

0 1 2

、瞳 Ρ上の回折パターンの相違を説明する図である。

[図 6]仮想結像光学系 14'の瞳 P'上に生起する仮想光波 L'と、結像光学系 14の瞳 Ρ上に生起する各光波 L , L , L , · · · , Lとの対応関係を示す図である。

0 1 2 8

[図 7]複素振幅分布 B (i, j)の概念 (瞳 P上の座標による）を示す図である。

0

[図 8]複素振幅分布 B (i, j)の概念 (瞳 P上の座標による）と、横ずらしの様子とを示す

1

図である。

[図 9]複素振幅分布 B (i, j)の概念 (瞳 P上の座標による）と、横ずらしの様子とを示す

2

図である。

[図 10]仮想結像光学系 14'による結像の様子と、復元された複素振幅分布 C (i, の概念と、結像面 Γ上に生起する複素振幅分布 D (i, j)の概念と、画像データ Eの概念とを示す図である。

[図 11]微分干渉画像を取得するための実施形態のシステムの構成図である。

[図 12]イメージング装置 111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 13]画像処理装置 30における被検物体 10Aの微分干渉画像の生成手順を示すフローチャートである。

[図 14]配列 A(i,j)と配列 C(i,j)のデータ群を画像ィ匕したときの各ピクセルデータ P ,Ρ

A C

の配置を模式的に示す図である。

[図 15]位相差画像を取得するための実施形態のシステムの構成図である。

[図 16]イメージング装置 111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 17]画像処理装置 30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 18]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 19]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 20]瞳面 27Aにおける位相シフト領域（27D)を説明する図である。

[図 21]干渉画像を取得するための実施形態のシステムの構成図である。 [図 22]本観察方法のフローチャートである。

[図 23]ステップ S1を説明する図である。

[図 24]ステップ S2を説明する図である。

[図 25]ステップ S3, S4を説明する図である。

[図 26]ステップ S5を説明する図である。

[図 27]RGB表色系の等色関数のグラフである。

発明を実施するための最良の形態

[0038] [超解像画像を取得するための実施形態]

本実施形態は、超解像顕微鏡システム、及びそれを用いた顕微鏡観察方法の実施形態である。先ず、本システムの構成を説明する。

図 1に示すように、本システムには、テラへルツ分光イメージング装置 (符号 11〜21 )、画像処理装置 (コンピュータ） 30、表示装置 (ディスプレイ) 40などが備えられる。

[0039] テラへルツ分光イメージング装置には、フェムト秒パルスレーザ 11、ビームエキスパンダ 12、テラへルツ光源となる半導体基板 13、特殊プラスチックでできた結像光学系 14、電気光学結晶 15、偏光板 16、イメージセンサ 17、光遅延装置 18、高圧電源 19、制御回路 20、ステージ 21などが備えられる。符号 HM, Mで示すのは、ハーフミラー、ミラー、符号 1で示すのは、被検物体である。なお、テラへルツ分光イメージング装置の詳細は、例えば、特開 2003— 295104号公報、特開 2002— 5828号公報などに開示されている。なお、図 1では、光遅延装置 18が光学系によって構成されているかのごとく表したが、同じ機能を有した別の構成の光遅延装置 18を利用してもよい。

[0040] 画像処理装置 30には、予め、本観察方法 (後述）を実現するために必要なプロダラムカインストールされている。なお、以下に説明する制御回路 20の処理の一部又は全部は、画像処理装置 30によって実行されてもよぐまた、以下に説明する画像処理装置 30の処理の一部又は全部は、制御回路 20によって実行されてもよい。

次に、本システムの基本動作を説明する。

[0041] フェムト秒パルスレーザ 11は、制御回路 20から指示されたタイミングでフェムト秒パルスレーザ光を発光する。このレーザ光は、ビームエキスパンダ 12にて径の太い光束となり、ハーフミラー HMで二分岐される。

二分岐された一方のレーザ光は、ミラー Mを経て、電極の形成された半導体基板 1 3に入射する。その電極には電源 19により常時電圧が印加されており、レーザ光が入射した瞬間に電極間で放電が生じ、これが双極子となってテラへルツ周波数領域のパルス光（テラへルツパルス光）を放射する。このテラへルツパルス光は、被検物体 1を照明する。

[0042] テラへルツパルス光によって照明された被検物体 1から射出する光 (テラへルツパルス光である。）は、結像光学系 14によって結像される。その結像面 Iには、電気光学結晶 15が配置される。電気光学結晶 15内では、結像面 Iに生起する光波の電場強度分布に応じて、複屈折率の変調が生じる。

一方、前記二分岐された他方のレーザ光は、光遅延装置 18、ミラー M、ハーフミラ一 HMを経て電気光学結晶 15に入射する。光遅延装置 18は、レーザ光が電気光学結晶 15に入射するタイミングを、制御回路 20から指示された時間（遅延時間）だけ遅延させる。

[0043] 電気光学結晶 15に入射したレーザ光の偏光状態は、その電気光学結晶 15内の複屈折分布により変調される。そのレーザ光の偏光状態の分布は、偏光板 16を介すること〖こよって、イメージセンサ 17が画像として認識可能である。

イメージセンサ 17は、制御回路 20から指示されたタイミングで撮像を行い、画像データを取得する。その画像データは、レーザ光が電気光学結晶 15に入射した瞬間に結像面 I〖こ入射したテラへルツ光の光波の電場強度分布を示す。

[0044] 制御回路 20は、フェムト秒パルスレーザ 11の発光のタイミングと、光遅延装置 18の遅延時間と、イメージセンサ 17の撮像のタイミングとを制御する。制御回路 20は、遅延時間を微小量ずつずらしながら発光及び撮像を行い、パルス発光期間における各瞬間に結像面 Iに生起した光波の電場強度分布の画像データ (画像データ群)を取得する。

その画像データ群は、制御回路 20を介して画像処理装置 30に取り込まれる。画像処理装置 30は、画像データ群が示している電場強度分布の時間変化をフーリエ変換 (時間フーリエ変換)し、結像面 Iに生起した光波の各波長成分の複素振幅分布をそれぞれ求める。

[0045] 次に、本観察方法を実施する際のテラへルツ分光イメージング装置の特徴動作を説明する。

特徴は、ステージ 21の動作にある。ステージ 21は、半導体基板 13を支持し、制御回路 20からの指示に応じてその半導体基板 13の姿勢を変化させる (後述する図 3 (a ) , 04 (a) , (b)等参照。）。

[0046] ここでは、半導体基板 13の姿勢が、光軸を Z軸とした XYZ直交座標系を採用し、以下の（0)〜（8)の各姿勢に変更可能であるとして説明する。

(0)基板法線が Z軸に一致した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 θ = Θ )、

0

(1)基板法線が Z軸力 — X方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = 0 )、

1

(2)基板法線が Z軸力 +X方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = 0 2 )、

(3)基板法線が Z軸から Y方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = 0 3 )、

(4)基板法線が Z軸から +Y方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = 0 4 )、

(5)基板法線が Z軸力ゝら— Xかつ— Y方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = Θ ) ,

5

(6)基板法線が Z軸カゝら +Xかつ— Y方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = Θ ) ,

6

(7)基板法線が Z軸カゝら +Xかつ +Y方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = Θ ) ,

7

(8)基板法線が Z軸力ゝら— Xかつ +Y方向に所定量だけ傾斜した姿勢 (半導体基板 13の傾斜角度 0 = θ ) o

8

[0047] このように、半導体基板 13の傾斜角度 Θが θ , · · , Θ の間で変化すると、被検物

1 8

体 1の照明角度も同様に変化する。以下、被検物体 1の照明角度を Θで表す。

次に、本観察方法を説明する。図 2に示すように、本観察方法は、ステップ S1〜ステップ S5からなる。以下、これらのステップを順に説明する。

(ステップ S1)

制御回路 20は、照明角度 0を初期値 (例えば、 Θ )に設定し（図 3 (a))、その状態

0

で上述した画像データ群 dを取得する（図 3(b))。画像処理装置 30は、画像データ

0

群 dが示して、る電場強度分布の時間変化をフーリエ変換 (時間フーリエ変換)し（

0

図 3(c))、照明角度 θ = Θ のときに結像面 Iに生起する各波長の光波の複素振幅

0

分布 Αω (i, j), Αω (i, j),…を求める（図 3(c))。このうち、特定波長（例えば、テ

0 1

ラヘルツ周波数領域の中心波長）の光波の複素振幅分布 Αω (i, j)を記憶する。以

0

下、特定波長の光波を、単に「光波」と称し、この光波の複素振幅分布 A ω (i, j)

0 を、照明角度 Θの設定値「θ 」と同じ添え字を付して「A (i, j)」と表す (以下も同様。）。

0 0

[0048] 次に、制御回路 20は、照明角度 Θを次の値 (例えば、 Θ )に設定して（図 4 (a))画

1

像データ群 dを取得し、画像処理装置 30は、その画像データ群 dに基づき、照明角

1 1

度 0 = 0 のときに結像面 Iに生起する光波の複素振幅分布 A (i, j)を求めて記憶す

1 1

る。

同様に、制御回路 20は、図 4(b), ···に示すように照明角度 Θを θ , ···, Θ に

2 8 順次設定して画像データ群 d , ···, dを順次取得し、画像処理装置 30は、画像デ

2 8

ータ群 d , ···, dに基づき、照明角度 Θ = Θ , ···, Θ のそれぞれのときに結像面 I

2 8 2 8

に生起する各光波の複素振幅分布 A (i, j), ···, A (i, j)を求めて記憶する。

2 8

[0049] ここで、これらの複素振幅分布 A (i, j), A (i, j), A (i, j), , ···, A (i, j)には、

0 1 2 8

結像光学系 14の単体が被検物体 1無しの状態で各光波に共通して重畳させる位相成分 Δ φ (i, j)が重畳されている（図 3 (a)の点線部参照)。

画像処理装置 30は、このステップにおいて各複素振幅分布 A (i, j), A (i, j), A

0 1 2

(i, j), , ···, A (i, j)から位相成分 Δ φ (i, j)をそれぞれ補正する。

8

[0050] なお、補正すべき位相成分 Δ φ (i, j)は、テラへルツ分光イメージング装置に固有であり、予め測定されたものである（例えば、被検物体 1を配置しない状態で画像データ群 dを取得し、その画像データ群 dに基づき、その状態で結像面 Iに生起する光波の複素振幅分布を求め、求めた位相成分を、補正すべき位相成分 Δ φ (i, とすればよい。；)。

[0051] 次に、図 5 (a), (b), (c),…の左側に示すように、照明角度 0 = =

0 1

= Θ 、 ···、 Θ = Θ のそれぞれでは、被検物体 1にて生じる各回折光の射出角度が

2 8

ずれる。

よって、照明角度 θ = θ 、 θ = θ 、 θ = Θ 、 ···、 θ = Θ のそれぞれでは、結像

0 1 2 8

に寄与する光束 (つまり、結像光学系 14を通過できる光束）が、異なる。

[0052] よって、照明角度 θ = θ 、 θ = θ 、 θ = Θ 、 ···、 θ = Θ のそれぞれでは、結像

0 1 2 8

光学系 14の瞳 P上に生起する光波も、異なる。

以下、照明角度 θ = θ , θ = θ , θ = Θ , ···, θ = Θ のそれぞれにおいて結

0 1 2 8

像光学系 14の瞳 P上に生起する光波を L , L , L , · · ·, Lとし、それら光波 L , L ,

0 1 2 8 0 1

L, ···, Lの相違を説明する。

2 8

[0053] 説明に当たり、次のような仮想系を考える。この仮想系は、図 1に示した本システムにお、て、結像光学系 14がそれよりも開口数の大き!/、仮想結像光学系 14 'に置換され、かつ照明角度 Θが Θ

0に固定されたものである。

図 6には、本システムの結像光学系 14の瞳 P上に生起する各光波 L , L , L , ···

0 1 2

, Lと、仮想系の仮想結像光学系 14'の瞳 P'上に生起する仮想光波 L'との対応関

8

係を示した。

[0054] 図 6に示すとおり、光波 Lは、仮想光波 L'の中心領域の光波に相当する。

0

光波 Lは、仮想光波 L'の中心から +X方向にずれた領域の光波に相当する。

1

光波 Lは、仮想光波 L'の中心から X方向にずれた領域の光波に相当する。

2

光波 Lは、仮想光波 L'の中心から +Y方向にずれた領域の光波に相当する。

3

光波 Lは、仮想光波 L'の中心から—Y方向にずれた領域の光波に相当する。

4

[0055] 光波 Lは、仮想光波 L'の中心から +Xかつ +Y方向にずれた領域の光波に相当

5

する。

光波 Lは、仮想光波 L'の中心から Xかつ +Y方向にずれた領域の光波に相当

6

する。

光波 Lは、仮想光波 L'の中心から Xかつ Y方向にずれた領域の光波に相当

7

する。 [0056] 光波 Lは、仮想光波 L'の中心から +Xかつ Y方向にずれた領域の光波に相当

8

する。

よって、各光波 L , L, L, ···, Lが結像光学系 14の瞳 Ρ上に形成する各回折パ

0 1 2 8

ターンは、仮想光波 L'が仮想結像光学系 14'の瞳 P'上に形成する大きな回折バターンのうち、互いにずれた領域の回折パターンを切り出したものに相当する。

[0057] 図 5 (a) , (b) , (c)の右側には、光波 L , L, Lが瞳 P上に形成する各回折パター

0 1 2

ンの概念を示した。

ところで、図 6において、仮想光波 L'の中心から或る光波 Lまで位置ずれは、照明角度 Θの設定値 Θによって決まる（sin Θに比例する。 )o

各設定値 0 , θ , ···, Θ は、図 6に示す各光波 L , L ,…，の重複部分がな

1 2 8 0 1 8

るべく少なぐかつ各光波 L , L, ···, Lが仮想光波 L'のなるベく広い範囲を隙間

0 1 8

無くカバーできるように最適化されて!/、る。

(ステップ S 2)

画像処理装置 30は、ステップ S1において取得した複素振幅分布 A (i, j), A (i, j

0 1

), A (i, j), ···, A (i, j)をそれぞれフーリエ変換 (空間フーリエ変換)し、図 6に示し

2 8

た各光波 L, L , L , ···, Lの複素振幅分布 B (i, j), B (i, j), B (i, j), ···, B (i

0 1 2 8 0 1 2 8

, j)を算出する。

[0058] 図 7, 08(a),図 9 (a)には、算出された複素振幅分布 B (i, j) , B (i, j) , B (i, j)

0 1 2 の概念を結像光学系 14の瞳 P上の座標で表した。

なお、図 7,図 8(a),図 9 (a)において X方向のデータ範囲が、結像光学系 14の瞳 Pの径 (射出瞳の径）に相当する。

(ステップ S3)

画像処理装置 30は、図 8(b),図 9(b)に示すように、複素振幅分布 B (i, j), B (i,

1 2 j), ···, B (i, j)のデータをそれぞれ瞳 P上の座標で sin Θずつ横ずらしし、横ずらし

8

後の複素振幅分布 B (i, j), B (i, j), ···, B (i, j)のデータを合成し、仮想結像光

1 2 8

学系 14'の瞳 P'上に生起する仮想光波 L'の複素振幅分布 C(i, j)を復元する。図 1 0(a)には、復元された複素振幅分布 C(i, j)の概念を示した。

[0059] ここで、原理的には、各複素振幅分布 B (i, j), B (i, j), ···, B (i, j)の間では、重複領域（図 6斜線部など)のデータ同士は等しくなる。

しかし実際には、システムの環境変化 (照明角度 Θを変更する期間における光源パヮ一の不確定さ、光路の屈折率の変動など)が原因で、複素振幅分布 B (i, j), B (i

1 2

, j), ···, B (i,j)のデータにはそれぞれオフセット (位相オフセットと振幅オフセット）

8

が重畳して、る可能性がある。

[0060] そこで、画像処理装置 30は、復元に当たり、各複素振幅分布 B (i, j) , B (i, j), B

0 1 2

(i, j), ···, B (i, j)のうち、重複領域のデータを比較し (例えば、図 7の領域 E1のデ

8

一タと図 8の領域 E1のデータ，図 7の領域 E2のデータと図 9の領域 E2のデータなどを比較し)、重複領域のデータ同士が等しくなるよう、各複素振幅分布 B (i, j), B (i

0 1

， j)， B (i， j)， ···， B (i， j)のデータから、それぞれの位相オフセットと振幅オフセッ

2 8

トとを補正する。これによつて、各複素振幅分布 B (i, j), B (i, j), B (i, j), ···, B (

0 1 2 8 i, j)の間のデータの「段差」が解消される。

(ステップ S4)

画像処理装置 30は、仮想光波 L'の複素振幅分布 C(i, j)を逆フーリエ変換し、仮想系の仮想結像光学系 14'の結像面 Γ上に生起する仮想光波 L"の複素振幅分布 D(i, j)を求める。図 10(b)には、その複素振幅分布 D(i, j)の概念を示した。

(ステップ S 5)

画像処理装置 30は、複素振幅分布 D(i, j)に基づき、次式（1)により、仮想系の仮想結像光学系 14'が結像面 Γに形成する被検物体 1の仮想像の画像データ E(i, j) を作成する。

[0061] E(i, j)=D*(i, j)XD(i, j) …ひ）

図 10(c)には、画像データ E(i, j)の概念を示した。

画像処理装置 30は、画像データ E(i, j)を表示装置 40に送出し、被検物体 1の像を表示する（図 1参照)。

次に、本システム及び本観察方法の効果を説明する。

[0062] 本システムにおいては、半導体基板 13の姿勢を変化させるステージ 21が備えられているので、被検物体 1の照明角度 Θが可変である。このため、以下の本観察方法を実施することが可能となった。本観察方法では、照明角度 0 = 0 , θ , Θ , ···, Θ

0 1 2 8のときに結像面 Iに個別に生起する複素振幅分布 A (i, j), A (i,j), ···, A (i, j)を測定する。測定された複

0 1 8

素振幅分布 A (i, j), A (i, j), ···, A (i, j)のデータに基づけば、仮想結像光学系

0 1 8

14'が形成する被検物体 1の仮想像の画像データ E (i, j)を作成することができる。

[0063] この仮想結像光学系 14'の開口数は、図 6において各光波 L , L , L , ···, Lによ

0 1 2 8 るカバー範囲に相当するので、結像光学系 14の開口数よりも約 3倍大きい。よって、画像データ E(i, j)は、結像光学系 14の能力を上回る高い解像力で被検物体 1を表現する。

また、それを確実に行うため、本測定方法では、複素振幅分布 A (i, j), A (i, j),

0 1

···, A (i, j)をー且、結像光学系 14の瞳 P上の複素振幅分布 B (i, j), B (i, j), B

8 0 1 2

(i, j) ,…， B (i, j)に変換し、それら複素振幅分布 B (i, j) , Β (i, j), Β (i, j), ···

8 0 1 2

, B (i, j)を横ずらしして合成し、それによつて仮想結像光学系 14'の瞳 P'上の複素

8

振幅分布 C (i, j)を復元して!/、る。

[0064] また、本測定方法では、比較的初期の手順 (ステップ S1)にお、て、位相成分 Δ φ

(i, j)を各複素振幅分布 A (i, j), A (i, j), A (i, j), , ···, A (i, j)からそれぞれ補

0 1 2 8

正しておくので、その後のステップにて必要なデータ (複素振幅分布 C(i, j), D(i, j) ,画像データ E(i, j)など）を簡単かつ高精度に得ることができる。

[0065] また、本測定方法では、復元する手順 (ステップ S3)にお、て、複素振幅分布 B (i

0

, j), B (i, j), B (i, j), ···, B (i, j)の間の重複領域のデータを利用して、それらの

1 2 8

データの「段差」を無くすので、測定中のシステムの環境変化に依らず、必要なデータを高精度に得ることができる。

なお、本観察方法では、照明角度 0の設定値を 0 , θ , θ , , ···, Θ の 9種類と

0 1 2 8 し、仮想結像光学系 14'の開口数を結像光学系 14の開口数の約 3倍としたが、照明角度 Θの設定値の組み合わせは、必要な解像力に応じて適宜選定される（3倍よりも大きくすることも可能である。 )o

[0066] また、本観察方法では、顕微鏡装置として、テラへルツ周波数領域の光を照明光としたテラへルツ分光イメージング装置を用いた力テラへルツ周波数領域からずれた領域の光を照明光とする同様の分光イメージング装置を用いてもよい。また、本システムには、結像面 Iの電場強度分布の画像データを一括して取得する非走査型の顕微鏡装置が適用されたが、その電場強度分布の画像データを 1点ずつ取得する走査型の顕微鏡装置を適用することもできる。

[0067] [微分干渉画像を取得するための実施形態]

本実施形態の微分干渉顕微鏡システム 110は、図 11に示す通り、テラへルツ分光イメージング装置 111と、画像処理装置 30と、表示装置 40とで構成される。本実施形態の微分干渉顕微鏡システム 110には、従来の一般的な微分干渉顕微鏡に必須の干渉装置（例えばノマルスキープリズムなど）が組み込まれて、な、。この微分干渉顕微鏡システム 110は、テラへルツ分光イメージング装置 111からの撮像信号を画像処理装置 30に取り込み、画像処理によって被検物体 10Aの微分干渉画像を生成するものである。

[0068] ここで、テラへルツ分光イメージング装置 111につ、て簡単に説明する。このテラへルツ分光イメージング装置 111は、図 1に示したテラへルツ分光イメージング装置において、半導体基板の姿勢を変化させるためのステージ（図 1の符号 21)を省略したものに相当する。テラへルツ分光イメージング装置 111の詳細は、例えば特開 2002 - 98634号公報などに記載されて、る。

[0069] テラへルツ分光イメージング装置 111では、フェムト秒パルスレーザ 11から出射した光がビームエキスパンダ 12を経由した後、ハーフミラー 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には高圧電源 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へルツ周波数領域のパルス光 (テラへルツパルス光）を放射する。

[0070] そして、このテラへ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。

テラへ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、テラへルツパルス光の進行方向が後述の結像光学系 27 の光軸に平行となっている。

テラへ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)の結像光学系 27で集光され、ハーフミラー 28を介して、電気光学効果を示す電気光学結晶 29 に入射する。このとき、電気光学結晶 29 (結像光学系 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、電気光学結晶 29上の各点では、物体像の明暗 (つまり図 12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。

[0071] このような電気光学結晶 29における"複屈折率の変調"を検出するために、上記したハーフミラー 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 18を介した後（光 L4)、ミラー 31 とハーフミラー 28とを介して電気光学結晶 29に入射する。光 L4が電気光学結晶 29 に入射する時刻 t + A t (図 12)は、上記の透過パルス光 L3が電気光学結晶 29に入

0

射する時刻 tを基準とし、光遅延装置 18によって自在に調整可能である。光遅延装

0

置 18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。

[0072] また、光 L4は、直線偏光の状態で電気光学結晶 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電気光学結晶 29に誘起された時刻 t + A t (図 12)における"複屈折率の変調"に応じて、光 L4の偏光状態が

0

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。

[0073] 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、電気光学結晶 29の時刻 t + A tにおける"複屈折率の変調"に比例し、また、電気光

0

学結晶 29上に形成された物体像の明暗に比例し、さら〖こ、被検物体 10Aからの透過パルス光 L3 (電気光学結晶 29に入射する透過パルス光 L3)の電場の時刻 t + Δ

0 t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 30に撮像信号として出力される。

[0074] 画像処理装置 30は、上記したテラへルツ分光イメージング装置 111のイメージセンサ 33からの撮像信号をデジタルィ匕し、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 30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 (電気光学結晶 29に入射する透過パルス光 L3)の電場の時刻 t + A tにおける瞬時値 (実数)を知ることができる。

[0075] さらに、テラへルツ分光イメージング装置 111の光遅延装置 18を用いて、光 L4が電気光学結晶 29に入射する時刻 t + A t (図 12)を調整しながら、同様のデジタルデ

0

ータを画像処理装置 30に取り込んでいく。これにより、被検物体 10A力の透過パルス光 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、電気光学結晶 2 9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。

[0076] 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 30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 (2)の複素振幅 E (ω)を得ることができる。複素振幅 Ε (ω)のうち、 | Ε (

1 1 1 ω) Iは振幅を表し、 φ は位相を表している。複素振幅 Ε ( ω)は複素数である。

[0077] E (co)=∑E(t)exp(— i co t)= | Ε (ω) | exp(i φ ) · '·(2)

物体像の各位置における各波長成分の複素振幅 Ε (ω)も、ピクセルデータの集合

1

(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 (電気光学結晶 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。

[0078] ただし、上記のフーリエ変換によって得られた複素振幅 Ε ( ω)の位相 φ には、被検

1 1 物体 10A自体の位相情報だけでなぐ被検物体 10A上の各点から電気光学結晶 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 φ 」）が重畳し

2

ている。この誤差成分 φ は、被検物体 10A上の各点の位置によって変動し、被検物

2

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。

[0079] 誤差成分 φ 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

2

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、電気光学結晶 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 E ( ω )を得ることができる。

2

複素振幅 Ε (ω)のうち、位相 φ が"誤差成分 φ "に相当する。

2 2 2

Ε (ω)= I Ε (ω) I Θχρ(ί ) … ）そして、式 (3)の誤差成分 φ を用い、次の式 (4)にしたがって、式 (2)の位相 φ を補

2 1 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 φ を簡単に取り除くことができる。その結

2

果、被検物体 10A自体の位相情報のみを位相 [ - Φ

1 2 ]として含む式 (4)の複素振幅 Ε (ω)を得ることができる。

3

[0080] Ε (ω)= I Ε (ω) I expG — φ ]) …(

3 1 1 2

式 (4)による補正後の複素振幅 Ε ( ω)も、物体像 (電気光学結晶 29上に形成された

3

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、る。

[0081] 画像処理装置 30は、補正後の複素振幅 Ε ( ω)を生成し終えると、この補正後の複

3

素振幅 Ε (ω)を用い、図 13のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行い、

3

被検物体 10Aの微分干渉画像を生成する。図 13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 Ε (ω)に関わるデータ群（つま

3

り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"t "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)のデータ群を画像ィ匕したときの各ピクセルデータ P

Aの配置を模式的に図 14(a)に示す。各ピクセルデータ Pは、物体像の各位置における複素振幅 E ( ω)を表す。

A 3

[0082] 次に (ステップ S 2)、配列 A(i,j)の複製を作り、これを配列 B(i,j)とする。配列 B(i,j)のデータ群の各ピクセルデータは、配列 A(i,j)のデータ群の各ピクセルデータ Pと同じ

A

である。

次に（ステップ S3)、配列 B(i,j)のデータ群の全てのピクセルデータ Pに対し、各々

A

、 exp[i θ ]で与えられる所定の複素数を掛ける。この処理は、各々のピクセルデータ Ρの複素振幅 Ε (ω)の位相 [ φ — φ ]を所定量 (位相 Θ )だけシフトさせる処理に相

A 3 1 2

当する。この処理によって生成されたデータ群は、配列 c(i,j)に格納される。配列 c(i, j)のデータ群を画像ィ匕したときの各ピクセルデータ Pの配置を模式的に図 14(b)に示

C

す。各ピクセルデータ Pの複素振幅 E (ω)は、次の式 (5)によって表される。 [0083] Ε (ω)= I Ε (ω) I expG - φ + θ ]) · '·(5)

4 1 1 2

次に (ステップ S4)、配列 A(i,j)のデータ群の各ピクセルデータ Ρ (図 14(a))と、配

A

列 C(i,j)のデータ群の各ピクセルデータ P (図 14(b))とを用い、各データ群のピクセ c

ルデータどうしで差を計算する。このとき、同じ番地のピクセルデータ P ,Ρではなく、

A C

各データ群を画像ィ匕したときに相対位置が所定方向に所定量 ( A i, Aj)だけ異なる番地のピクセルデータ P ,Ρどうしで、その複素振幅 Ε (ω),Ε (ω)の差を求める。この処

A C 3 4

理によって生成されたデータ群は、配列 D(i,j)に格納される。

[0084] ここで、上記したステップ S3,S4の処理と、従来の一般的な微分干渉顕微鏡との対応関係について説明する。従来の微分干渉顕微鏡では、ウォラストンプリズムゃノマルスキープリズムなどの偏光プリズムにより分離された 2光束によって被検物体を垂直に照明し、被検物体カゝら発生した 2光束を偏光プリズムと検光子とを介して干渉させ、像面に導いている。 2光束の間隔 (光軸ずらし量）は、非常に小さぐ微分干渉顕微鏡の対物レンズの分解能以下となっている。この光軸ずらし量と、干渉時の 2光束の位相差（リタデーシヨン; retardation)は、偏光プリズムの光学特性に応じて定められる。

[0085] このような従来の微分干渉顕微鏡に対し、本実施形態の微分干渉顕微鏡システム 110では、図 13のステップ S4において、配列 A(i,j)のデータ群の各ピクセルデータ P (図 14(a))と、配列 C(i,j)のデータ群の各ピクセルデータ P (図 14(b))との差を求め

A C

、上記した 2光束の干渉 (検光子を通過後）と同様の重ね合わせ効果を数値的に発生させている。

[0086] また、このとき、配列 A(i,j)のデータ群と配列 C(i,j)のデータ群との間には、相対的な位置ずれ ( Δ ί, Δ j)が設定され (S4)、位相差 Θが設定される（S3)。位置ずれ ( Δ ί, Δ] )は、上記した 2光束の間隔 (光軸ずらし量）に対応する。位相差 Θは、上記した干渉時の 2光束の位相差 (リタデーシヨン）に対応する。ちなみに、被検物体 10Aの微小な段差を高感度で観測する際には、位相差 0 =士 π /2とし、 exp(i Θ ) = i (または— i )を用いることが好ましい。

[0087] このように、本実施形態の微分干渉顕微鏡システム 110では、ステップ S3,S4の処理を行うことにより、従来の微分干渉顕微鏡に必須の干渉装置 (例えばノマルスキープリズムなど)を用いた場合と同様の効果 (つまり相対的な位置ずれ ( Δ i, Δ j)と位相差 Θとを有する 2つの複素振幅分布の干渉)を、数値的に発生させることができる。なお、テラへルツパルス光による結像は、光源の大きさがほぼ無視できる（点光源による）結像であり、被検物体 10A力も発生する透過パルス光 L3が空間的にコヒーレント (被検物体 10A上の位置に拘わらず同位相）である。このため、互いに微小量だけずれた 2つの複素振幅分布を重ね合わせることにより、従来の微分干渉顕微鏡と同様の干渉効果を得ることができる。

[0088] ステップ S3,S4の処理が終わると、画像処理装置 30は、ステップ S5の処理に進み、上記した重ね合わせ (干渉)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 Pを用い、ピクセルデータ Pの複素振幅の絶対値

D D

の二乗を求める。この処理によって生成されたデータ群は、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の微分干渉画像）を表している。

[0089] 上記のように、本実施形態の微分干渉顕微鏡システム 110では、テラへルツ分光ィメージング装置 111からの撮像信号を画像処理装置 30に取り込み、図 13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 1 OAの微分干渉画像を決定論的に生成することができる。つまり、従来の一般的な微分干渉顕微鏡には必須とされる専用の干渉装置 (例えばノマルスキープリズムなど）を用いることなぐ被検物体 10Aの微分干渉画像を生成することができる。

[0090] また、本実施形態の微分干渉顕微鏡システム 110では、図 13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 40 に出力することで、被検物体 10Aの微分干渉画像の観察が可能となる。このとき、被検物体 10Aの微分干渉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。

[0091] さらに、本実施形態の微分干渉顕微鏡システム 110では、図 13のステップ S3,S4 にお、て、数値的に干渉させる 2つの複素振幅分布 (配列 A(i,j)のデータ群と配列 C( i,j)のデータ群)の位相差 Θと相対的な位置ずれ ( Δ i, Δ j)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微分干渉画像を簡単に得ることができ、被検物体 10Aにとつて最良の観察条件を選択し、そのときの微分干渉画像を得ることちでさる。

(変形例）

なお、上記した実施形態では、図 13のステップ S4の処理で"差"を求めた力本発明はこれに限定されない。 "和"を求める場合にも、従来の微分干渉顕微鏡と同様の干渉効果を得ることができ、本発明を適用できる。

[0092] また、上記した実施形態では、テラへルツ分光イメージング装置 111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。テラへルツノルス光を被検物体 10A の局所領域に照射して、テラへ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。

[0093] さら〖こ、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に基づヽて電気光学結晶 29上に物体像を形成する例 (透過型のテラへルツ分光ィメージング装置 111)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をテラへ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城とする場合、テラへルツ分光イメージング装置 111のフェムト秒パルスレーザ 11の時間分解能を上げ、結像光学系 27の材質を変更し、電気光学結晶 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。

[0094] さらに、上記した実施形態では、テラへルツ分光イメージング装置 111を備えた微分干渉顕微鏡システム 110を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。テラヘルツ分光イメージング装置 111を省略した場合 (つまり画像処理装置 30と表示装置 40とで構成された微分干渉顕微鏡装置）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 E (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 30に入力するだけで、被検物体 10Aの微分干渉画像を生成することができる。

[0095] [位相差画像を取得するための実施形態]

本実施形態の位相差顕微鏡システム 210は、図 15に示す通り、テラへルツ分光ィメージング装置 111と、画像処理装置 30と、表示装置 40とで構成される。本実施形態の位相差顕微鏡システム 210には、従来の一般的な位相差顕微鏡装置に必須の光学部材 (位相板）が組み込まれていない。この位相差顕微鏡システム 210は、テラヘルツ分光イメージング装置 111からの撮像信号を画像処理装置 30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。このうち、テラへルツ分光イメージング装置 111の構成は、図 11に示したテラへルツ分光イメージング装置の構成と同じである。

[0096] このテラへルツ分光イメージング装置 111にお!/、て、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システム 210では、結像光学系 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、直接光と回折光が結像光学系 27の像面 (電気光学結晶 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。

[0097] そして、このような物体像の明暗に応じて電気光学結晶 29に誘起された"複屈折率の変調"を検出するために、ハーフミラー 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 18を介した後（光 L4)、ミラー 31とハーフミラー 28を介して電気光学結晶 29に入射する。光 L4が電気光学結晶 29に入射する時刻 t + A t (図 16)は、上記の透過パルス光 L3

0

が電気光学結晶 29に入射する時刻 tを基準とし、光遅延装置 18によって自在に調

0

整可能である。

[0098] また、光 L4は、直線偏光の状態で電気光学結晶 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電気光学結晶 29に誘起された時刻 t + A t (図 16)における"複屈折率の変調"に応じて、光 L4の偏光状態が

0

[0099] 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、電気光学結晶 29の時刻 t + A tにおける"複屈折率の変調"に比例し、また、電気光

0

[0100] 画像処理装置 30は、テラへルツ分光イメージング装置 111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 30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 ( 電気光学結晶 29に入射する透過パルス光 L3)の電場の時刻 t + A tにおける瞬時

0

値 (実数)を知ることができる。

[0101] さらに、テラへルツ分光イメージング装置 111の光遅延装置 18を用いて、光 L4が電気光学結晶 29に入射する時刻 t + A t (図 16)を調整しながら、同様のデジタルデ

0

[0102] 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 30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 (6)の複素振幅 E (ω)を得ることができる。複素振幅 Ε (ω)のうち、 | Ε (

1 1

[0103] E (o>)=∑E(t)exp(— i o> t)= | Ε (ω) | exp(i ) 〜(6)

1 1 1

物体像の各位置における各波長成分の複素振幅 Ε (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 (電気光学結晶 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。

[0104] ただし、上記のフーリエ変換によって得られた複素振幅 E ( ω)の位相 φ には、被検

2

[0105] 誤差成分 φ 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

2

そして、式 (7)の誤差成分 φ を用い、次の式 (8)にしたがって、式 (6)の位相 φ を補

2 1 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 φ

2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 [ —Φ ]として含む式 (8)

1 2 の複素振幅 Ε (ω)を得ることができる。

3

[0106] Ε ( ω ) = I Ε ( ω ) I expG — φ ]) 〜(8)

3 1 1 2

式 (8)による補正後の複素振幅 Ε ( ω)も、物体像 (電気光学結晶 29上に形成された

3

[0107] 画像処理装置 30は、補正後の複素振幅 Ε ( ω)を生成し終えると、この補正後の複

3

素振幅 Ε (ω)を用い、図 17のフローチャートの手順にしたがって画像処理を行い、

3

被検物体 10Aの位相差画像を生成する。図 17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 Ε (ω)に関わるデータ群（つまり結像光学系 27の像面 (電気光学結晶 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"ど' 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、結像光学系 27の像面 (電気光学結晶 29)の各位置における複素振幅 Ε (ω)を表す。

3

[0108] 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一リエ変換を行う。この処理は、結像光学系 27の像面 (電気光学結晶 29)における複素振幅分布を、結像光学系 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)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。

[0109] 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 X exp[i Θ ]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 0 )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。

[0110] 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 18(a)に示す通り、瞳面 27Aの中の結像光学系 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 18(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。

[0111] 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を照明するテラへルツパルス光が平行光であり（点光源照明）、かつ、テラへルツパルス光の進行方向が結像光学系 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システム 210では、結像光学系 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)が結像光学系 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、結像光学系 27の像面 (電気光学結晶 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。

[0112] 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ヽる。

[0113] 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。

[0114] 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、結像光学系 27の像面 (電気光学結晶 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)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、結像光学系 27の像面の各位置における複素振幅を表す。

[0115] 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力つた回折光 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〖こ発生させることができる。

[0116] その結果、結像光学系 27の像面 (電気光学結晶 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 0 =士 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。

[0117] ステップ S3,S4の処理が終わると、画像処理装置 30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、る。

[0118] 上記のように、本実施形態の位相差顕微鏡システム 210では、テラへルツ分光ィメ一ジング装置 111からの撮像信号を画像処理装置 30に取り込み、図 17のフローチヤ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)を用いることなぐ被検物体 10Aの位相差画像を生成することができる。

[0119] また、本実施形態の位相差顕微鏡システム 210では、図 17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 40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。

[0120] さらに、本実施形態の位相差顕微鏡システム 210では、図 17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 X exp[i Θ ])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、結像光学系 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、。

(変形例）

なお、上記した実施形態では、被検物体 10Aを照明するテラへルツパルス光の進行方向が結像光学系 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。結像光学系 27の光軸に対してテラへ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に応じてテラへ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 17のステップ S3の処理は、周波数座標の原点から" sin a "だけ外れた点を含むドット状の近傍領域 27C (図 19)を対象として行えばよい。

[0121] 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（テラへ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

[0122] 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 E ( ω ))を生成し、図 17のう

3

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、テラへルツパルス光の入射方向に応じて、図 20に示すようなリング状の領域 27D内の各近傍領域 27 Εを対象として順に行えばょ、。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。

[0123] また、上記した実施形態では、テラへルツ分光イメージング装置 111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。テラへルツノルス光を被検物体 10A の局所領域に照射して、テラへ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。

[0124] さら〖こ、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に基づヽて電気光学結晶 29上に物体像を形成する例 (透過型のテラへルツ分光ィメージング装置 111)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。

[0125] さらに、上記した実施形態では、テラへルツ分光イメージング装置 111を備えた位相差顕微鏡システム 210を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。テラへルツ分光イメージング装置 111を省略した場合 (つまり画像処理装置 30と表示装置 4 0とで構成された位相差顕微鏡装置）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 Ε (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

3

データ群）を画像処理装置 30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。

[0126] [干渉画像を取得するための実施形態]

本実施形態は、干渉顕微鏡システム及びそのシステムによる顕微鏡観察方法の実施形態である。

先ず、本システムの構成を説明する。

図 21に示すように、本システムには、テラへルツ分光イメージング装置 (符号 11〜2 0)、画像処理装置 30、表示装置 40などが備えられる。

[0127] このテラへルツ分光イメージング装置の構成は、図 11や図 15に示したテラへルツ分光イメージング装置の構成と同じである。

画像処理装置 30には、予め、本観察方法 (後述）を実現するために必要なプロダラムカインストールされている。なお、制御回路 20の処理の一部又は全部は、画像処理装置 30によって実行されてもよぐまた、画像処理装置 30の処理の一部又は全部は、制御回路 20によって実行されてもよい。

[0128] テラへルツ分光イメージング装置によって取得された画像データ群は、制御回路 2

0を介して画像処理装置 30に取り込まれる。画像処理装置 30は、画像データ群が示している電場強度分布の時間変化をフーリエ変換 (時間フーリエ変換)し、結像面 Iに生起した光波の各波長成分の複素振幅分布をそれぞれ求める。

次に、本観察方法を説明する。

[0129] 図 22に示すように、本観察方法は、ステップ S1〜ステップ S5からなる。

ステップ S1は、被検物体 1の観察の度に実行される必要はなぐ例えば、本システムの出荷前に製造者によって実行される。ステップ S2以降は、被検物体 1の観察の度に実行される。以下、これらのステップを順に説明する。

(ステップ S1)

ステップ S1では、図 23 (a)に示すように、被検物体 1が光路から外される。この状態で結像光学系 14の結像面 Iに生起する光波を、参照光波 Lとする。

R

[0130] この状態で制御回路 20は、画像データ群 X , X , · · ·を取得する（図 23 (b) )。画

1 2

像処理装置 30は、画像データ X , X , · · ·が示している電場強度分布の時間変化を

1 2

フーリエ変換 (時間フーリエ変換)して複素振幅分布のデータ A (i, j) , A (i, j) , · · ·

1 2

, A_n(i, j)を求め、それらを記憶する（図 23 (c) )。

これらのデータ A (i, j) , A (i, j) , · · · , A (i, j)は、参照光波 Lの各波長成分の

1 2 n R

複素振幅分布を示す。

(ステップ S 2)

ステップ S2では、図 24 (a)に示すように、被検物体 1が光路に配置される。この状態で結像光学系 14の結像面 Iに生起する光波を、被検光波 Lとする。 [0131] この状態で制御回路 20は、画像データ群 Υ , Y, · · ·を取得する（図 24(b))。画

1 2

像処理装置 30は、画像データ Υ , Y, · ··が示している電場強度分布の時間変化を

1 2

フーリエ変換 (時間フーリエ変換)して複素振幅分布のデータ B (i, j), B (i, j), ···

1 2

B_n(i, j)を求める（図 24(c) )。

これらのデータ B (i, j) , B (i, j) , · · ·Β (i, j)は、被検光束 Lの各波長成分の複

1 2 n 0

素振幅分布を示す。

(ステップ S3)

画像処理装置 30は、データ A (i, j)とデータ B (i, j)との同一ピクセル同士の値の

1 1

和又は差をとり（図 25 (a))、その和又は差力もなるデータを C (i, j)とおく。

1

[0132] 同様に、画像処理装置 30は、データ A (i, j), ···, A (i, j)のそれぞれとデータ B

2 n 2

(i, j), ···, B_n(i, j)のそれぞれとの同一ピクセル同士の値の和又は差をとり、和又は差力なるデータを、それぞれ C (i, j), ···, C (i, j)とおく。

2 n

これらの画像処理装置 30の処理を式にすると、次式（9)となる。

[0133] C (i, j)=A (i, j)士 B (i, j),

k k k

(但し、 k=l, 2, ···, n) ---(9)

このように、データ A (i, j)とデータ B (i, j)との同一ピクセル同士の値の差又は和 k k

をとることは、参照光束 Lと被検光束 Lとを演算上で干渉させることを意味する。

R 0

[0134] よって、データ C (i, j)は、参照光束 Lと被検光束 Lとによる仮想的な干渉光波の k R 0

複素振幅分布を示す。なお、各データ C (i, j), C (i, j), ···, C (i, j)は、その仮想

1 2 n

的な干渉光波の各波長成分を示す。

(ステップ S4)

画像処理装置 30は、データ C (i, j)の各ピクセルの値の絶対値二乗をとり（図 25 (

1

b))、その絶対値二乗力もなるデータを、 I (i, j)とおく。

1

[0135] 同様に、画像処理装置 30は、データ C (i, j), ···, C (i, j)の各ピクセルの値の絶

2 n

対値二乗をとり、その絶対値二乗力もなるデータを、それぞれ I (i, j), ···, I (i, と

2 n おく。

このように、データ C (i, j)の各ピクセルの値の絶対値二乗をとることは、仮想的な

1

干渉光波による被検物体 1の像 (干渉画像)を求めることを意味する。 [0136] よって、データ I (i, j)は、干渉画像の強度分布を示す。なお、各データ I (i, j), I ( k 1 2 i, j) , · · · , I (i, j)は、干渉画像の各波長成分 (各分光画像)を示す。

これら各分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)

1 2 n の概念を図にしたのが、図 26 (a)である。

(ステップ S 5)

画像処理装置 30は、各分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)

1 2 n の或るピクセルの値 I, I, ···, I (図 26(b))に対し適当な重み係数 r, r , · · ·, r (図 26(c))

1 2 n 1 2 n

を個別に乗算して和をとり、その和をデータ R(i, j)の同じピクセルの値に選定する。この選定を各ピクセルについて同様に行い、データ R(i, j)を完成させる。

[0137] また、画像処理装置 30は、各分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)の或

1 2 n るピクセルの値 I , I , ···, I (図 26(b))に対し適当な重み係数 g , g , ···, g (図 26

1 2 n 1 2 n

(d) )を個別に乗算して和をとり、その和をデータ G(i, j)の同じピクセルの値に選定する。この選定を各ピクセルについて同様に行い、データ G(i, j)を完成させる。

[0138] また、画像処理装置 30は、各分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)

1 2 n の或るピクセルの値 I， I， ···， I (図 26(b))に対し適当な重み係数 b， b， ···， b (図 26

1 2 n 1 2 n

(e) )を個別に乗算して和をとり、その和をデータ B(i, j)の同じピクセルの値に選定する。この選定を各ピクセルについて同様に行い、データ B(i, j)を完成させる。

[0139] これらの画像処理装置 30の処理を式にすると、次式（10)となる。

[0140] [数 1]

…

[0141] 完成したデータ R(i, j), G(i, j), B(i, j)の概念を図にしたのが、図 26 (a')である。これらのデータ R(i, j), G(i, j), B(i, j)は、図 26 (a)に示した各分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)を、 1枚のカラー画像で表現するためのデータである

1 2 n 画像処理装置 30は、それらのデータ R(i, j), G(i, j), B(i, j)を表示装置 40に送出する。表示装置 40は、それらのデータ R(i, j), G(i, j), B(i, j)に基づき、画像を表示する。表示装置 40上には、被検物体 1の干渉画像が表示される（図 21参照)。

[0142] 因みに、図 26 (c) , (d) , (e)に示した重み係数 r , g , bのカーブは、図 27に示す k k k

ような一般の RGB表色系の等色関数のカーブと同じ形状をしている。

次に、本観察方法の効果を説明する。

本観察方法では、被検光波 Lの複素振幅分布のデータ B (i, j), B (i, j), ···, B

0 1 2 n

(i, j)を取得し、それを参照光波 Lの複素振幅分布のデータ A (i, j), A (i, j), ···

R 1 2

, A_n(i, j)に重ね合わせて絶対値二乗をとる。

[0143] この演算によって、被検光波 Lと参照光波 Lとによる干渉画像の各分光画像のデ

0 R

ータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)

1 2 n が得られる。

したがって、本システムでは、干渉を実際に生起させていないにも拘わらず、被検物体 1の干渉画像を観察することが可能となった。

また、本観察方法では、分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)

1 2 n を、 1枚のカラー画像で表現するためのデータ R(i, j), G(i, j), B(i, j)に変換するので、表示装置 40上の干渉画像は、被検物体 1内の要素の分布が眼で見える色の分布で表現される。

[0144] ところで、本観察方法では、テラへルツ分光イメージング装置が用いられたので、分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)が示しているのは、テラへルツ周波数

1 2 n

領域の干渉画像である。

しかし、本観察方法では、それら分光画像のデータ I (i, j), I (i, j), ···, I (i, j)

1 2 n をデータ R(i, j), G(i, j), B(i, j)に変換する際に、等色関数のカーブ (図 27参照）と同じカーブを描く重み係数 r , g , bを用いるので、表示装置 40上の干渉画像は、従 k k k

来の干渉顕微鏡による干渉画像 (つまり、可視光領域の干渉画像)と似た傾向で表色される。

[0145] なお、本観察方法では、ステップ S1が本システムの出荷前に実行されるとしたが、出荷後に実行されてもよい。例えば、被検物体 1の観察の度に、或いは本システムの測定条件や環境などが変化する毎に実行されてもよい。このように参照光波 Lのデータ A (i, j) , A (i, j) , · · · , A (i, j)が頻繁に更新され

R 1 2 n

れば、参照光波 Lのデータ A (i, j) , A (i, j) , · · · , A (i, j)を実測するときのシステ

R 1 2 n

ムの状態と、被検光波 Lのデータ B (i, j) , B (i, j) , · · · , B (i, j)を実測するときの

0 1 2 n

システムの状態とが近づくので、干渉画像の算出誤差 (分光画像のデータ I (i, j) , I

1 2

(i, j) , · · · , I (i, j)の算出誤差)を小さく抑えることができる。よって、観察精度が高まる。

[0146] また、本観察方法では、参照光波 Lのデータは実測された (ステップ S1参照）が、

R

シミュレーション (本システムの光学設計データに基づく）により算出されてもよい。伹し、実測をした方が、観察精度が高まる。

また、本観察方法では、同一の被検物体 1について 1種類の干渉画像しか取得しなかったが、同一の被検物体 1につ、て干渉条件 (参照光波と被検光波との強度比など)を演算上で変化させて 2種類以上の干渉画像を取得してもよい。演算によれば、互いに異なる干渉条件の 2種類以上の干渉画像を簡単に得ることができる。また、多数の干渉画像を得ることも簡単である。

[0147] また、演算によれば、干渉条件のみを変化させることができるので、互いに同じタイミングの同じ被検物体 1の状態を、 2種類以上の干渉条件下で観察することが可能になる。これは、実際に干渉を生起させる干渉顕微鏡では原理的に不可能である。また、本観察方法では、顕微鏡装置として、テラへルツ周波数領域の光を照明光としたテラへルツ分光イメージング装置を用いた力テラへルツ周波数領域からずれた領域の光を照明光とする同様の分光イメージング装置を用いてもよい。

[0148] また、本システムには、結像面 Iの電場強度分布の画像データを一括して取得する非走査型の顕微鏡装置が適用されたが、その電場強度分布の画像データを 1点ずつ取得する走査型の顕微鏡装置を適用することもできる。

[その他の実施形態]

上述した各実施形態のうち、何れ力 2以上のシステムの機能を搭載した 1つのシステムを実現することもできる。例えば、超解像画像を取得する機能と微分干渉画像を取得する機能との双方を搭載したシステムである。因みに、超解像画像を取得する機能を搭載する場合、テラへルツ分光イメージング装置の構成を、図 1に示す構成（半導体基板の姿勢を変化させるためのステージを備えたもの）とし、超解像画像を取得する機能を搭載しない場合、テラへルツ分光イメージング装置の構成を、図 11、図 15、図 21に示す構成（半導体基板の姿勢を変化させるためのステージを省略したもの）とすればよい。

Claims

請求の範囲

[1] 照明された物体から射出する光束を結像する結像光学系を有し、その結像光学系の結像面に生起する光波の複素振幅分布を測定可能な顕微鏡装置を用いた顕微鏡観察方法であって、

前記物体の照明角度を変化させ、前記照明角度が各値にあるときに前記物体から射出した各光束が前記結像面に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を測定する測定工程と、

前記各光波の複素振幅分布のデータに基づき、前記結像光学系をそれよりも開口数の大きい仮想結像光学系に置換したときにその結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する算出工程と、

前記仮想光波の複素振幅分布に基づき、前記仮想結像光学系がその結像面に形成する前記物体の仮想像の画像データを作成する画像作成工程と

を含むことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[2] 請求項 1に記載の顕微鏡観察方法において、

前記算出工程は、

前記各光波の複素振幅分布を空間についてフーリエ変換し、前記各光束が前記結像光学系の瞳上に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を算出する工程と、前記各光波の複素振幅分布を横ずらしして合成し、前記仮想結像光学系の瞳上に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する工程と、

前記仮想光波の複素振幅分布を空間について逆フーリエ変換し、前記仮想結像光学系の結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する工程と

を含むことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[3] 請求項 2に記載の顕微鏡観察方法において、

前記算出工程では、

前記合成に当たり、前記各光波の複素振幅分布から、各光波間のばらつきに起因した位相オフセット及び Z又は振幅オフセットを補正する

ことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[4] 請求項 1〜請求項 3の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法におヽて、前記算出工程では、

前記各光波の複素振幅分布のデータとして、前記結像光学系の単体が前記各光波のそれぞれに共通して重畳させる位相成分が補正されたデータを用いる

ことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[5] 請求項 1〜請求項 4の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法にお、て、

前記顕微鏡装置は、

前記物体をパルス光で照明する照明手段と、

前記物体から射出する光束を結像する前記結像光学系と、

前記結像光学系の結像面に生起する光波の電場強度分布を検出する検出手段と前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記結像面に生起する光波の複素振幅分布を算出する制御手段と

を備えて、ることを特徴とする顕微鏡観察方法。

[6] 請求項 5に記載の顕微鏡観察方法において、

前記パルス光は、

テラへルツ周波数領域のパルス光である

ことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[7] 物体をパルス光で照明する照明手段と、

前記物体から射出する光束を結像する前記結像光学系と、

前記結像光学系の結像面に生起する光波の電場強度分布を検出する検出手段と前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記結像面に生起する光波の複素振幅分布を算出する制御手段と、

前記物体の照明角度を変化させる変化手段とを備え、

前記制御手段は、

前記照明角度が各値にあるときに前記物体から射出した各光束が前記結像面に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を測定する

ことを特徴とする顕微鏡装置。

[8] 請求項 7に記載の顕微鏡装置において、

前記パルス光は、

テラへルツ周波数領域のパルス光である

ことを特徴とする顕微鏡装置。

[9] 請求項 7又は請求項 8に記載の顕微鏡装置において、

前記制御手段は、

前記仮想光波の複素振幅分布に基づき、前記仮想結像光学系がその結像面に形成する前記物体の仮想像の画像データを作成する画像作成工程とを実行することを特徴とする顕微鏡装置。

[10] 請求項 9に記載の顕微鏡装置において、

前記制御手段は、前記算出工程において、

前記各光波の複素振幅分布を空間についてフーリエ変換し、前記各光束が前記結像光学系の瞳上に個別に生起させる各光波の複素振幅分布を算出し、

前記各光波の複素振幅分布を横ずらしして合成し、前記仮想結像光学系の瞳上に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出し、

前記仮想光波の複素振幅分布を空間について逆フーリエ変換し、前記仮想結像光学系の結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する

ことを特徴とする顕微鏡装置。

[11] 請求項 10に記載の顕微鏡装置において、

前記制御手段は、前記算出工程において、

ことを特徴とする顕微鏡装置。

[12] 請求項 9〜請求項 11の何れか一項に記載の顕微鏡装置において、前記制御手段は、前記算出工程において、

ことを特徴とする顕微鏡装置。

[13] 請求項 7又は請求項 8に記載の顕微鏡装置に適用される画像処理装置であって、前記各光波の複素振幅分布のデータに基づき、前記結像光学系をそれよりも開口数の大きい仮想結像光学系に置換したときにその結像面に生起する仮想光波の複素振幅分布を算出する算出手段と、

前記仮想光波の複素振幅分布に基づき、前記仮想結像光学系がその結像面に形成する前記物体の仮想像の画像データを作成する画像作成手段と

を備えることを特徴とする画像処理装置。

[14] 請求項 13に記載の画像処理装置において、

前記算出手段は、

ことを特徴とする画像処理装置。

[15] 請求項 14に記載の画像処理装置において、

前記算出手段は、

ことを特徴とする画像処理装置。

[16] 請求項 13〜請求項 15の何れか一項に記載の画像処理装置において、

前記算出手段は、前記各光波の複素振幅分布のデータとして、前記結像光学系の単体が前記各光波のそれぞれに共通して重畳させる位相成分が補正されたデータを用いる

ことを特徴とする画像処理装置。

[17] 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ヽ、第 ₂データ群を生成する第 1の処理手段と、

前記第 1データ群の各ピクセルデータと前記第 2データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像ィ匕したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、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、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第 4データ群を生成する第 3の処理手段とを備えた

ことを特徴とする画像処理装置。

[18] 請求項 17に記載の画像処理装置と、

前記第 4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

ことを特徴とする微分干渉顕微鏡装置。

[19] 請求項 18に記載の微分干渉顕微鏡装置において、

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力発生するパルス光に基づいて、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

ことを特徴とする微分干渉顕微鏡装置。

[20] 請求項 19に記載の微分干渉顕微鏡装置にお!/、て、

前記照明手段は、前記物体をテラへ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微分干渉顕微鏡装置。

[21] 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ヽ、第 ₂データ群を生成する第 1の処理工程と、

前記第 1データ群の各ピクセルデータと前記第 2データ群の各ピクセルデータとを用い、各データ群を画像ィ匕したときに相対位置が所定方向に所定量だけ異なるピクセルデータどうしで、該ピクセルデータの複素振幅の差または和を求め、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、該ピクセルデータの複素振幅の絶対値の二乗を求め、第 4データ群を生成する第 3の処理工程とを備えた

ことを特徴とする画像処理方法。

[22] 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、、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、、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。

[23] 請求項 22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。

[24] 請求項 22または請求項 23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装置。

[25] 請求項 24に記載の位相差顕微鏡装置にぉ、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、

ことを特徴とする位相差顕微鏡装置。

[26] 請求項 25に記載の位相差顕微鏡装置にぉ、て、

前記照明手段は、前記物体をテラへ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装置。

[27] 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、、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、、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。

[28] 照明された物体から射出する被検光束を結像する結像光学系を有し、その結像光学系の結像面に生起する被検光波の複素振幅分布を測定可能な顕微鏡装置を用 V、た顕微鏡観察方法であって、

前記被検光波の複素振幅分布のデータを取得する被検データ取得工程と、前記物体を光路から外したときに前記結像面に生起する参照光波の複素振幅分布のデータを取得する参照データ取得工程と、

前記被検光波の複素振幅分布のデータと前記参照光波の複素振幅分布のデータとを同一座標間で重ね合わせて絶対値二乗し、前記物体の干渉画像の画像データを作成する画像作成工程と

を含むことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[29] 請求項 28に記載の顕微鏡観察方法にぉ、て、

前記顕微鏡装置は、

前記物体をパルス光で照明する照明手段と、

前記物体から射出する被検光束を結像する結像光学系と、

前記結像光学系の結像面に生起する被検光波の電場強度分布を検出する検出手段と、

前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記被検光波の複素振幅分布を算出する制御手段と

を備えたことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[30] 請求項 29に記載の顕微鏡観察方法において、

前記パルス光は、

テラへルツ周波数領域のパルス光である

ことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[31] 請求項 28〜請求項 30の何れか一項に記載の顕微鏡観察方法において、

前記被検データ取得工程では、

前記被検光波の各波長成分の複素振幅分布のデータを取得し、

前記参照データ取得工程では、

前記参照光波の各波長成分の複素振幅分布のデータを取得し、

前記画像作成工程では、前記重ね合わせ及び絶対値二乗を各波長成分毎に行!、、前記干渉画像の分光画像データを作成する

ことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[32] 請求項 31に記載の顕微鏡観察方法にお、て、

前記画像作成工程では、

前記干渉画像を 1枚のカラー画像で表現するためのデータに前記分光画像データを変換する

ことを特徴とする顕微鏡観察方法。

[33] 物体をパルス光で照明する照明手段と、

前記物体から射出する被検光束を結像する結像光学系と、

前記パルス光の発光タイミングと前記検出のタイミングとを制御して 1発光期間内における前記強度分布の時間変化を検出すると共に、前記時間変化のデータに基づき前記被検光波の複素振幅分布を算出する制御手段とを備え、

前記制御手段は、

前記被検光波の複素振幅分布のデータと、前記物体を光路から外したときに前記結像面に生起する参照光波の複素振幅分布のデータとを取得し、

前記被検光波の複素振幅分布のデータと前記参照光波の複素振幅分布のデータとを同一座標間で重ね合わせて絶対値二乗し、前記物体の干渉画像の画像データを作成する

ことを特徴とする干渉顕微鏡装置。

[34] 請求項 33に記載の干渉顕微鏡装置において、

前記パルス光は、

テラへルツ周波数領域のパルス光である

ことを特徴とする干渉顕微鏡装置。

[35] 請求項 33又は請求項 34に記載の干渉顕微鏡装置において、

前記制御手段は、前記参照光波の各波長成分の複素振幅分布のデータと、前記被検光波の各波長成分の複素振幅分布のデータとを取得し、

前記重ね合わせ及び絶対値二乗を各波長成分毎に行!、、前記干渉画像の分光画像データを作成する

ことを特徴とする干渉顕微鏡装置。

[36] 請求項 35に記載の干渉顕微鏡装置において、

前記制御手段は、

ことを特徴とする干渉顕微鏡装置。

[37] 照明された物体から射出する被検光束を結像する結像光学系を有し、その結像光学系の結像面に生起する被検光波の複素振幅分布を測定可能な顕微鏡装置に適用される画像処理装置であって、

前記被検光波の複素振幅分布のデータを取得する被検データ取得手段と、前記物体を光路から外したときに前記結像面に生起する参照光波の複素振幅分布のデータを取得する参照データ取得手段と、

前記被検光波の複素振幅分布のデータと前記参照光波の複素振幅分布のデータとを同一座標間で重ね合わせて絶対値二乗し、前記物体の干渉画像の画像データを作成する画像作成手段と

を含むことを特徴とする画像処理装置。

[38] 請求項 37に記載の画像処理装置において、

前記顕微鏡装置は、

前記物体をパルス光で照明する照明手段と、

前記物体から射出する被検光束を結像する結像光学系と、

を備えたことを特徴とする画像処理装置。

[39] 請求項 38に記載の画像処理装置において、

前記パルス光は、

テラへルツ周波数領域のパルス光である

ことを特徴とする画像処理装置。

[40] 請求項 37〜請求項 39の何れか一項に記載の画像処理装置において、

前記被検データ取得手段は、

前記参照データ取得手段は、

前記画像作成手段は、

ことを特徴とする画像処理装置。

[41] 請求項 40に記載の画像処理装置において、

前記画像作成手段は、

ことを特徴とする画像処理装置。