JP6714917B2 - 観察システム - Google Patents

Description

本発明は、観察システムに関する。

従来、光学顕微鏡を用いて高い空間分解能を実現する顕微法として、変調照明顕微法（SIM:Structured Illumination Microscopy）が知られている。変調照明顕微法では、観察対象物について計測、外観検査等といった観察を行う場合、縞模様の光強度分布を有する光（変調照明）を観察対象物へ照射し、これにより引き起こされるモアレ効果によって、光学顕微鏡の回折限界よりも高い空間周波数の情報を低周波側にシフトさせる。そして、その情報を有する像分布を光学顕微鏡により取得し、その像分布に対して信号処理を行うことで高周波の情報を再現する。このようにして、変調照明顕微法を用い高分解能画像を得ることができる。

変調照明顕微法を用いた観察システムとして、例えば非特許文献１には、レーザ光源と、レーザ光源から発せられるレーザ光の一部を観察対象物へ導く光路と、レーザ光の残部を観察対象物へ導く別の光路と、上記光路の光路長を伸縮させるステージと、を備える観察システムが開示されている。この観察システムでは、レーザ光の一部及び残部を干渉させて観察対象物上に干渉縞を生成させ、観察対象物により散乱された光を撮像し、撮像された像分布に基づいて観察対象物の形状分布を算出している。

ところで、この観察システムは、互いに異なる位相を有する干渉縞を生成するために、ステージを動作させて各光路の光路長差を増減させる。しかしながら、この観察システムでは、光源としてコヒーレント長の長いレーザ光源を用いるため、干渉縞と、その位相が１波長シフトする毎に生成される干渉縞と、を外観上見分けることは困難である（波長毎の不確定性）。一方、観察対象物の形状分布を正しく算出するためには、干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出する必要がある。そこで、この観察システムでは、ステージの駆動にピエゾアクチュエータを用いることで、ステージを微小な変位量で精密に駆動可能とし、干渉縞の位相を精度良く制御して当該位相のシフト量を精度良く検出している。

臼杵深、高田智裕、三浦憲二郎、「2014年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集」、2014年、ｐ．69−70

ところで、変調照明顕微法は、光学顕微鏡を用いた観察方法であることから、他の顕微法に比較して観察に要する時間が短く、且つ、非破壊での検査が可能であるという利点を有しているため、例えば工場の生産現場等においても実施されることが望まれている。しかしながら、生産現場等では、実験室等に比較して振動や温度変化といった外乱が生じ易い。このため、上記の観察システムでは、例えば振動により各光路の光路差が変動したり、温度変化により温度ドリフトが生じたりする場合がある。このような場合、干渉縞と観察対象物とが相対的に移動してしまい、波長毎の不確定性のために干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが困難となり、その結果、正しい高分解能画像を安定して得ることが難しくなる。このような事情から、変調照明顕微法は、外乱の生じ難い実験室等における生物学分野の蛍光観察においてのみ実施されている。

また、変調照明顕微鏡は、干渉縞の位相を精度良く検出するためにピエゾアクチュエータ等の高精度な位置決め機構を必要とするため、一般に高価であり、より安価に提供されることが望まれている。

本発明の一形態は、上記課題に鑑みて為されたものであり、安価で、外乱が生じた場合であっても正しい高分解能画像を安定して得ることが可能な観察システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一側面の観察システムは、所定範囲のコヒーレント長を有する光源と、第１の光路長を有し、光源から発せられる光の一部である第１の光を光源から観察対象物へ導く第１の光路と、第２の光路長を有し、光の残部である第２の光を光源から観察対象物へ導く第２の光路と、第１の光及び第２の光を干渉させて観察対象物上に第１の干渉縞を生成させる干渉縞生成部と、第１の光の内の観察対象物によって反射された第１の反射光と、第２の光の内の観察対象物によって反射された第２の反射光との干渉によって生成される第２の干渉縞の光強度分布を測定する測定部と、測定部に接続された演算部と、を備え、演算部は、第２の干渉縞における光強度分布の変位量に基づいて第１の干渉縞における位相のシフト量を算出する。

このような観察システムによれば、光源から観察対象物へ第１の光路によって導かれた第１の光、及び、光源から観察対象物へ第２の光路によって導かれた第２の光が干渉縞生成部によって干渉し第１の干渉縞が生成される。一方、第１の光の内の観察対象物によって反射された第１の反射光と、第２の光の内の観察対象物によって反射された第２の反射光とが干渉し第２の干渉縞が生成され、その第２の干渉縞の光強度分布が測定部によって測定される。光源は所定範囲のコヒーレント長を有するため、第２の干渉縞の光強度分布は、その包絡線に一つのピークを有している。第２の干渉縞の光強度分布の変位量は、包絡線のピークの変位量を測定することによって取得される。従って、第１の干渉縞の位相が１波長以上シフトした場合であっても、第１の干渉縞における波長毎の不確定性の影響を受けず、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの変位量に基づいて第１の干渉縞の位相のシフト量を検出することができる。また、例えば振動や温度変化といった外乱が生じた場合であっても、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することができる。これにより、演算部は、観察対象物の形状分布を正しく算出できる。更に、この観察システムは、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出するためにピエゾアクチュエータ等の高精度な位置決め機構を必要とせず、一例としてステッピングモータを利用したアクチュエータ等の比較的精度の低い位置決め機構を用いることが可能であるため、安価に提供される。以上により、安価なシステムによって、外乱が生じた場合であっても正しい高分解能画像を安定して得ることが可能となる。

本発明の一側面によれば、安価なシステムによって、外乱が生じた場合であっても正しい高分解能画像を安定して得ることができる。

本発明の実施形態に係る観察システムを示す概略構成図である。 図１の干渉縞生成部を示す概略側面図である。 図１の干渉縞生成部を示す概略側面図である。 低コヒーレンス光による第１の干渉縞の形状特性を示す図である。 図４の部分拡大図である。 測定部によって測定された光強度分布を示す図である。 周波数空間における顕微鏡の通過帯域を示す図である。 変調照明により周波数空間において３方向へ移動した通過帯域を示す図である。 観察対象物の一例を示す図である。 撮像部によって撮像された像分布を示す図である。 図１０の像分布に対しフーリエ変換を行った画像を示す図である。 図１１の画像に対し干渉系情報による周波数分離を行った画像を示す図である。 画像再構成を行った高分解能画像を示す図である。 従来の観察システムを示す概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る観察システムの好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る観察システムを示す概略構成図、図２及び図３は、図１の干渉縞生成部を示す概略側面図である。図１に示すように、観察システム１は、変調照明顕微法を用い、観察対象物Ｓの高分解能画像を得ることが可能な変調照明顕微鏡である。観察システム１は、光源２と、光源２から発せられる光を導く第１の光路３及び第２の光路４と、第２の光路４の途中に設けられた第１の光路長調整部５と、第１の光路３及び第２の光路４の終端に設けられた干渉縞生成部６と、観察対象物Ｓが載置される回転台７と、回転台に載置された観察対象物Ｓを撮像する撮像部８と、干渉縞生成部６から出力される光を導く第３の光路９及び第４の光路１０と、第４の光路１０の途中に設けられた第２の光路長調整部１１と、第３の光路９及び第４の光路１０の終端に設けられた測定部１２と、撮像部８及び測定部１２からの情報に基づき観察対象物Ｓの形状分布を算出する演算部１３と、を備えている。

光源２は、低コヒーレンス光源である。低コヒーレンス光源から発せられる光（低コヒーレンス光）は、例えばレーザ光に比較してスペクトル幅が広く、可干渉距離（コヒーレント長）が短い。すなわち、光源２は、長い（例えば、数十ｍ程度）コヒーレント長を有するレーザ光源に比較して短い（例えば、１μｍ以上１００μｍ以下）コヒーレント長を有する光源である。光源２は、例えばＳＬＤ（Super Luminescent Diode）光源、ＬＥＤ（Light EmittingDiode）光源等とすることができる。本実施形態では、光源２は、波長６６９ｎｍ、スペクトル半値全幅７ｎｍ、コヒーレント長３２μｍのＳＬＤである。

第１の光路３は、第１の光路長を有し、光源２から発せられる光の一部である第１の光を光源２から観察対象物Ｓへ導く光路である。第２の光路４は、第２の光路長を有し、光源２から発せられる光の残部である第２の光を光源２から観察対象物Ｓへ導く光路である。第１の光及び第２の光は、光源２から発せられ、光路上に設けられたビームスプリッタ２０によって互いに分岐され、各々干渉縞生成部６に至る。第１の光及び第２の光は、光源２からビームスプリッタ２０までの間においては、互いに区別なく同一の光路とされている。ここでは、第１の光はビームスプリッタ２０を透過する光であり、第２の光はビームスプリッタ２０により反射される光である。第１の光路３及び第２の光路４は、光源２からビームスプリッタ２０までの間にコリメートレンズ２１を備えている。これにより、第１の光路３及び第２の光路４を各々進行する第１の光及び第２の光は、コリメートレンズ２１によって平行光とされる。

第１の光路３には、ビームスプリッタ２０の出射側に別のビームスプリッタ２２が設けられている。第１の光路３は、ビームスプリッタ２２の出射側に、ビームスプリッタ２２により反射された光の光路３ａを有する。これにより、第１の光路３を進行する第１の光は、ビームスプリッタ２０を透過した後、ビームスプリッタ２２により反射され、その後、干渉縞生成部６に入力される。

第２の光路４を進行する第２の光は、ビームスプリッタ２０の出射側で第１の光路長調整部５に到達し、第１の光路長調整部５にて折り返されて再びビームスプリッタ２０に到達する。第２の光路４は、ビームスプリッタ２０の折り返された光の出射側に、ビームスプリッタ２０を透過した第２の光の光路４ａを有する。これにより、第２の光路４を進行する第２の光は、ビームスプリッタ２０により一度反射され、第１の光路長調整部５にて折り返された後、ビームスプリッタ２０を透過し、その後、干渉縞生成部６に入力される。このように、第１の光及び第２の光は、何れもビームスプリッタを一度透過し、且つ、一度反射されるため、干渉縞生成部６に至るときには、互いに略同等の光強度となっている。

第１の光路長調整部５は、ミラー２３と、ミラー２３を移動させるモジュレータ２４と、を有している。第１の光路長調整部５は、第２の光路４を進行する第２の光をミラー２３で反射させて折り返させると共に、モジュレータ２４によりミラー２３を移動させて第２の光路長を伸縮させる機構である。

モジュレータ２４は、ミラー２３を第２の光路４に沿って往復移動させる。これにより、モジュレータ２４は、ビームスプリッタ２０とミラー２３との間の距離を伸縮させ、その結果、第２の光路長を伸縮させる。モジュレータ２４としては、ピエゾアクチュエータ等の極めて高精度に変位量を制御可能なモジュレータに限らず、ピエゾアクチュエータ等に比較して変位量の制御の精度が低いステッピングモータを利用したアクチュエータ等を用いることもできる。なお、モジュレータ２４は、ステッピングモータを利用したアクチュエータ等に限定されず、ミラー２３を第２の光路４に沿って移動可能な機構であればよい。

回転台７は、観察対象物Ｓを保持するステージを含み、そのステージが水平面（図中のＸ−Ｙ平面）内に位置するように配置されて構成される。回転台７は、観察対象物Ｓの観察しようとする面が上向きとなるように、観察対象物Ｓをステージ上に保持する。回転台７は、ステージを鉛直方向（図中のＺ軸方向）の軸線Ａ回りに回転可能とする。従って、ステージ上に載置された観察対象物Ｓは、ステージにより鉛直方向の軸線Ａ回りに回転可能に保持される。なお、軸線Ａは、必ずしも鉛直方向に限らず、観察対象物Ｓから撮像部８へ向かう方向であればよい。この場合、回転台７は、ステージが軸線Ａに対する垂直平面上に位置し、観察対象物Ｓの観察しようとする面が撮像部８側を向くように配置されればよい。

干渉縞生成部６は、第１の光及び第２の光を干渉させて観察対象物Ｓ上に第１の干渉縞を生成させる。干渉縞生成部６によって生成された第１の干渉縞が、観察システム１における変調照明（すなわち、光の干渉を用いた定在波照明）として利用される。図４は、低コヒーレンス光による第１の干渉縞の形状特性を示す図、図５は、図４の部分拡大図である。ここでは、光源２として低コヒーレンス光源を用いているため、第１の干渉縞は、低コヒーレンス光源のコヒーレント長程度の範囲（例えば、３０μｍ程度の範囲）で生成されており（図４参照）、一定の周期で強度が変化している（図５参照）。干渉縞生成部６は、回転台７を取り囲むように配置された第１の投光部３０、第１の受光部３１、第２の投光部３２及び第２の受光部３３を有する。

第１の投光部３０は、第１の光路３の終端に設けられており、観察対象物Ｓに対し第１の光を斜め上方から投光する。第１の投光部３０は、ミラー３０ａ及びミラー３０ｂを含み、略水平方向に進行する第１の光を、ミラー３０ａによって略鉛直方向の上方に反射させた後、ミラー３０ｂによって斜め下方に反射させ、観察対象物Ｓに対し投光する。一例として、第１の投光部３０は、観察対象物Ｓに対する入射角（すなわち、観察対象物Ｓに対して投光される第１の光の光路と、軸線Ａと、のなす角度）が４５ｄｅｇとなるように第１の光を投光する。なお、第１の光の入射角の下限は、対物レンズ３４によって第１の光の光路が妨げられない範囲の最小の角度である。また、第１の投光部３０は、ミラーを用いた構成に限定されず、例えば、第１の光路３を、光ファイバーによって屈曲させることによって、観察対象物Ｓに対し斜め上方から投光する構成としてもよい。

第１の受光部３１は、第３の光路９（詳しくは後述）の始端に設けられており、第１の光の内の観察対象物Ｓによって反射された第１の反射光を、観察対象物Ｓに対し斜め上方にて受光する。第１の受光部３１は、観察対象物Ｓを介して第１の投光部３０と対向する位置に配置されている。第１の受光部３１は、ミラー３１ａ及びミラー３１ｂを含み、観察対象物Ｓから受光した第１の反射光を、ミラー３１ａによって略鉛直方向の下方に反射させた後、ミラー３１ｂによって略水平方向に反射させ、第３の光路９へ出力する。なお、第１の受光部３１は、ミラーを用いた構成に限定されず、例えば、観察対象物Ｓに対し斜め上方にて第１の反射光を受光し、光ファイバーによって屈曲させることによって、第３の光路９へ出力する構成としてもよい。

第２の投光部３２は、第２の光路４の終端に設けられており、観察対象物Ｓに対し第２の光を斜め上方から投光する。第２の投光部３２は、ミラー３２ａ及びミラー３２ｂを含み、略水平方向に進行する第２の光を、ミラー３２ａによって略鉛直方向の上方に反射させた後、ミラー３２ｂによって斜め下方に反射させ、観察対象物Ｓに対し投光する。一例として、第２の投光部３２は、観察対象物Ｓに対する入射角（すなわち、観察対象物Ｓに対して投光される第２の光と、軸線Ａと、のなす角度）が４５ｄｅｇとなるように第２の光を投光する。なお、第２の光の入射角の下限は、対物レンズ３４によって第２の光の光路が妨げられない範囲の最小の角度である。また、第２の投光部３２は、ミラーを用いた構成に限定されず、例えば、第２の光路４を、光ファイバーによって屈曲させることによって、観察対象物Ｓに対し斜め上方から投光する構成としてもよい。

第２の受光部３３は、第４の光路１０（詳しくは後述）の始端に設けられており、第２の光の内の観察対象物Ｓによって反射された第２の反射光を、観察対象物Ｓに対し斜め上方にて受光する。第２の受光部３３は、観察対象物Ｓを介して第２の投光部３２と対向する位置に配置されている。第２の受光部３３は、ミラー３３ａ及びミラー３３ｂを含み、観察対象物Ｓから受光した第２の反射光を、ミラー３３ａによって略鉛直方向の下方に反射させた後、ミラー３３ｂによって略水平方向に反射させ、第４の光路１０へ出力する。なお、第２の受光部３３は、ミラーを用いた構成に限定されず、例えば、観察対象物Ｓに対し斜め上方にて第２の反射光を受光し、光ファイバーによって屈曲させることによって、第４の光路１０へ出力する構成としてもよい。

干渉縞生成部６において、第１の投光部３０から第１の受光部３１へ第１の光が進行する第１の方向（図中のＸ軸方向）と、第２の投光部３２から第２の受光部３３へ第２の光が進行する第２の方向（図中のＹ軸方向）と、は観察対象物Ｓに対する平面視（図中のＺ軸方向視）において略直交する。また、干渉縞生成部６において、各投光部及び各受光部に設けられたミラー３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂ，３２ａ，３２ｂ，３３ａ，３３ｂは可動とされ、観察対象物Ｓの最適な位置に第１の光及び第２の光を投光可能である。

第１の投光部３０及び第２の投光部３２によって各々観察対象物Ｓ上に投光される第１の光及び第２の光は、観察対象物Ｓ上において第１の干渉縞を生成する。第１の光路３及び第２の光路４は、各々第１の光路長及び第２の光路長を有しており、第１の干渉縞は、これら第１の光路長及び第２の光路長の光路長差に応じて位相が異なる。従って、第１の光路長調整部５の動作によって第２の光路長が伸縮すると、第１の光路長及び第２の光路長の光路長差が伸縮し、第１の干渉縞の位相がシフトする。

撮像部８は、第１の干渉縞を呈する第１の光及び第２の光の内の観察対象物Ｓによって散乱された光の像分布を撮像する。撮像部８は、回転台７のＺ軸方向上方に配置され、観察対象物Ｓを上方から撮像する。撮像部８は、散乱光の像を拡大するための対物レンズ３４及び光学顕微鏡３５と、拡大された散乱光の像を像分布として検出する検出器３６と、を備えている。対物レンズ３４としては、例えば１０倍（ＮＡ０．２８）、２０倍（ＮＡ０．２８）、５０倍（ＮＡ０．４２）、１００倍（ＮＡ０．５５）等の対物レンズを好適に用いることができる。また、検出器３６としては、例えばＣＣＤカメラ等を用いることができる。

第３の光路９は、第３の光路長を有し、第１の光の内の観察対象物Ｓによって反射された第１の反射光を測定部１２へ導く光路である。第４の光路１０は、第４の光路長を有し、第２の光の内の観察対象物Ｓによって反射された第２の反射光を測定部１２へ導く光路である。

第３の光路９には、その始端に第１の受光部３１が設けられ、その出射側にビームスプリッタ２６が設けられている。第３の光路９は、ビームスプリッタ２６の出射側に、ビームスプリッタ２６により反射された第１の反射光の光路９ａを有する。また、第３の光路９には、ビームスプリッタ２６の出射側に別のビームスプリッタ２７が設けられている。第３の光路９は、ビームスプリッタ２７の出射側に、ビームスプリッタ２７を透過した第１の反射光の光路を有する。これにより、第３の光路９を進行する第１の反射光は、ビームスプリッタ２６により反射された後、ビームスプリッタ２７を透過し、その後、測定部１２へ入力される。

第４の光路１０には、その始端に第２の受光部３３が設けられ、その出射側にビームスプリッタ２７が設けられている。第４の光路１０は、ビームスプリッタ２７の出射側に、ビームスプリッタ２７を透過した第２の反射光の光路１０ａを有する。また、第４の光路１０を進行する第２の反射光は、ビームスプリッタ２７の出射側で第２の光路長調整部１１に到達し、第２の光路長調整部１１にて折り返されて再びビームスプリッタ２７に到達する。第４の光路１０は、ビームスプリッタ２７の折り返された光の出射側に、ビームスプリッタ２７により反射された第２の反射光の光路を有する。これにより、第４の光路１０を進行する第２の反射光は、ビームスプリッタ２７を一度透過し、第２の光路長調整部１１にて折り返された後、ビームスプリッタ２７にて反射され、その後、測定部１２に入力される。このように、第１の反射光及び第２の反射光は、何れもビームスプリッタを一度透過し、且つ、一度反射されるため、測定部１２に至るときには、互いに略同等の光強度となっている。

第２の光路長調整部１１は、可動式のミラー２５を有している。第２の光路長調整部１１は、第４の光路１０を進行する第２の反射光をミラー２５で反射させて折り返させると共に、ミラー２５を移動させて第４の光路長を伸縮させる機構である。第２の光路長調整部１１は、ミラー２５を移動させることによりビームスプリッタ２７とミラー２５との間の距離を伸縮させ、その結果、第４の光路長を伸縮させる。なお、第２の光路長調整部１１は、ミラー２３の移動を手動で行う構成としてもよく、或いは、ステッピングモータを利用したアクチュエータ等を用いて電動で行う構成としてもよい。

測定部１２は、第３の光路９及び第４の光路１０の終端に設けられ、第１の反射光及び第２の反射光の干渉によって生成される第２の干渉縞の光強度分布を測定する。測定部１２は、本実施形態においては、第２の干渉縞の光強度分布を２次元的に測定可能なエリアセンサである。

第２の干渉縞は、第１の光における光源２から測定部１２までの光路長と、第２の光における光源２から測定部１２までの光路長と、の光路差に応じて、光強度分布が位相方向（すなわち、各縞に直交する方向）に変位する。このため、第１の光における光源２から測定部１２までの光路長と、第２の光における光源２から測定部１２までの光路長と、の光路差に変化が生じた場合、その変化量は、第２の干渉縞の光強度分布の基準位置からの変位量に基づいて算出可能である。図６は、測定部によって測定された光強度分布を示す図である。図６では、第１の光路長調整部５により第２の光路長を伸縮させたときの第２の干渉縞の光強度分布の変位を示している。図６の（ａ）は、第２の光路長を任意の値（初期値）としたときの第２の干渉縞の光強度分布を示しており、図６の（ｂ）は、第２の光路長が初期値から０．１μｍ変化するように第１の光路長調整部５を操作したときの第２の干渉縞の光強度分布を示しており、図６の（ｃ）は、第２の光路長が初期値から０．２μｍ変化するように第１の光路長調整部５を操作したときの第２の干渉縞の光強度分布を示している。

上述したように、第３の光路長及び第４の光路長が変化しない場合、第２の干渉縞の光強度分布の変位量に基づいて、第１の光路長及び第２の光路長の光路長差の変化量を算出可能である。また、第１の光路長及び第２の光路長の光路長差の変化量に応じて、第１の干渉縞の位相がシフトする。以上により、第２の干渉縞の光強度分布の変位量を測定することにより、第１の干渉縞の位相の正確なシフト量を得ることが可能である。

演算部１３は、撮像部８及び測定部１２に接続され、撮像部８によって撮像された像分布と、測定部１２によって測定された第２の干渉縞の光強度分布と、を取得する。そして、演算部１３は、第２の干渉縞における光強度分布の変位量に基づいて第１の干渉縞における位相のシフト量を算出する。また、演算部１３は、算出した第１の干渉縞における位相のシフト量に応じた位相と、当該位相を有する第１の干渉縞を呈する第１の光及び第２の光の内の観察対象物Ｓによって散乱された光の像分布と、に基づいて観察対象物Ｓの形状分布を算出する。

具体的には、演算部１３は、変調照明顕微法に基づき、観察対象物Ｓの形状分布を算出するために以下の処理を行う。図７は、周波数空間における顕微鏡の通過帯域を示す図、図８は、変調照明により周波数空間において３方向へ移動した通過帯域を示す図である。図７においてｋ_ｘ及びｋ_ｙは周波数空間座標系であり、円の内側が顕微鏡で解像できる周波数であることを概念的に表している。図７の（ａ）は、空間周波数における顕微鏡の通過帯域を表し、原点からｋ_１離れた周波数まで解像できることを表している。図７の（ｂ）は、変調照明による通過帯域の移動を表している。観察対象物Ｓに対し干渉縞生成部６によって生成された第１の干渉縞が照射されると、観察対象物Ｓによって散乱された光の像分布では、通過帯域が周波数空間座標系の原点からｋ_２だけ離れた位置に移動している。これにより、顕微鏡の分解能は、ｋ_２の矢印正方向においてｋ_１＋ｋ_２に分解能が向上することとなる一方、ｋ_２の矢印負方向においてｋ_１−ｋ_２に分解能が低下することとなる。このように、第１の干渉縞として一方向の縞模様のみを用いた場合には、通過帯域が移動するのみであり全体として高分解能画像を得ることはできない。そこで、図８に示すように、観察システム１では、第１の干渉縞として複数方向（ここでは、３方向）の縞模様を用い、且つ、各々正負両方向に通過帯域を移動させている。これにより、周波数空間座標系における略全方向へ通過帯域が拡張され、顕微鏡の分解能が向上することとなる。

ただし、このようにして得られる像分布は、モアレ効果により得られたモアレ信号であり、この像分布から直接高周波成分を得ることはできない。そこで、下記式（１）を解いて画像の再構成処理を行う。ここで、ｋは空間周波数、ｆ_ｍは変調照明の空間周波数、θ_１，θ_２，θ_３は変調照明の互いに異なる３つの位相であり、Ｄ（ｋ）は結像帯域、ＯＦＴ（ｋ）は光学的伝達関数、Ｓ（ｋ）は観察対象物帯域を表す。ＯＦＴ（ｋ）は、顕微鏡の対物レンズ３４や光源波長等により定められる点像分布関数を、フーリエ変換により周波数空間で表したものである。下記式（１）によれば、観察対象物帯域を高周波側に±ｆ_ｍだけ平行移動させた情報が得られる。下記式（１）は、Ｓ（ｋ），Ｓ（ｋ−ｆ_ｍ），Ｓ（ｋ＋ｆ_ｍ）の３つの未知数が含まれているため、３つの変調照明に対応した３つの像分布を取得することによりＤ_１（ｋ），Ｄ_２（ｋ），Ｄ_３（ｋ）を得て、３つの方程式を連立させるものである。このようにして得られたＳ（ｋ），Ｓ（ｋ−ｆ_ｍ），Ｓ（ｋ＋ｆ_ｍ）を適切な重みづけを行い足し合わせることで、数値計算により高分解能画像が再構成される。以上より、変調照明顕微法を用いて高分解能画像を得るためには、第１の干渉縞（変調照明）の位相を正しく検出することが必要であることがわかる。

上述したように、上記式（１）を解くためには、変調照明の互いに異なる３つの位相θ_１，θ_２，θ_３が必要である。測定部１２は、変調照明の互いに異なる３つの位相θ_１，θ_２，θ_３に対応する第１の干渉縞のシフト量が、演算部１３によって算出されるまで、光強度分布の測定を継続する（繰り返す）。これにより、例えば演算部１３によって算出されたシフト量に応じた３つの位相θ_１，θ_２，θ_３の内の複数が、互いに同じ位相であったときでも、上記式（１）を解くために必要となる互いに異なる３つの位相が揃うまで、測定部１２は、光強度分布の測定を継続することとなる。

続いて、観察システム１による観察対象物Ｓの観察結果の具体例を説明する。

図９は、観察対象物Ｓの一例を示す図である。図９に示すように、観察対象物Ｓとして、二種のピッチを有するスクエアドット群を用いて観察を行った。この観察対象物Ｓは、平板上に周期的に突起を配列したものである。各突起は、図中のＬ１，Ｌ２等で示す一辺が０．２μｍの立方体状を呈する。突起は、図中のＬ３で示すピッチが０．４μｍであるドットペア（一対のドット）を形成しており、これらドットペアは、図中のＬ４，Ｌ５で示すピッチが２．２μｍとなるように配列している。

第１の光路長調整部５としては、ステッピングモータを利用したアクチュエータを用いた。このステッピングモータを利用したアクチュエータは、１パルス２μｍであり、且つ、パルス分割可能である。ここでは、パルスを２０分割して１パルス０．１μｍとした。また、光源２の波長λを６６９ｎｍ、入射角θを４５ｄｅｇとした。以上により、ステッピングモータを利用したアクチュエータが初期値から１パルス分（０．１μｍ）及び２パルス分（０．２μｍ）変化するように当該ステッピングモータを利用したアクチュエータを操作したとき、第１の干渉縞の位相のシフト量の操作値（指示値）は、それぞれ１．３３ｒａｄ、２．６６ｒａｄと算出された。一方、このとき第２の干渉縞の光強度分布の変位量に基づいて検出した第１の干渉縞の位相のシフト量は、それぞれ６．３３ｒａｄ、４．９８ｒａｄであった。このように、ステッピングモータを利用したアクチュエータの実際の移動量は、操作値とは異なっていることが確認された。

画像再構成を行うためには、撮像部８により散乱光の像分布を撮像する際における第１の干渉縞の位相が分かればよい。しかし、第１の光路長調整部５の操作値に基づいて第１の干渉縞の位相の正しいシフト量を安定して算出するためには、第１の光路長及び第２の光路長を高精度に維持し、且つ、支持台等の振動といった外乱も排除する必要があることがわかる。

一方、観察システム１では、散乱光の像分布を撮像する際における第１の干渉縞の位相を測定部１２によって算出できる。このため、観察システム１では、撮像部８による散乱光の像分布の撮像と、測定部１２による第２の干渉縞の光強度分布の測定と、が同期していれば、画像再構成を行うことができる。ここでいう「同期」とは、撮像部８による散乱光の像分布の撮像した時の第２の干渉縞の光強度分布を、測定部１２によって測定することであり、例えば、撮像部８と測定部１２の露光（シャッタ）タイミングを揃えるということである。

従って、観察システム１では、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出するためにピエゾアクチュエータ等の高精度な位置決め機構を必要とせず、また、振動や温度変化といった外乱の影響を排除し易い。以上により、観察システム１では、安価で、外乱が生じた場合であっても正しい高分解能画像を安定して得ることが可能となる。

図１０は、撮像部によって撮像された像分布を示す図である。図１０は、光源２から発せられる低コヒーレンス光を、第１の光路３を進行する第１の光と、第２の光路４を進行する第２の光と、に分岐させ、干渉縞生成部６により観察対象物Ｓ上に第１の干渉縞を生成させ、第１の干渉縞を呈する第１の光及び第２の光の内の観察対象物Ｓによって散乱された光の像分布を撮像部８によって撮像したものである。図１０の（ａ）は、第２の光路長を任意の値（初期値）としたとき（すなわち、図６の（ａ）の状態）の像分布である。図１０の（ｂ）は、第２の光路長が初期値から０．１μｍ変化するように第１の光路長調整部５を操作したとき（すなわち、図６の（ｂ）の状態）の像分布である。図１０の（ｃ）は、第２の光路長が初期値から０．２μｍ変化するように第１の光路長調整部５を操作したとき（すなわち、図６の（ｃ）の状態）の像分布である。なお、図１０においてはモアレ効果によりドットが部分的に解像できるが、全体として分解能が向上したものではない。図１１は、図１０の像分布に対しフーリエ変換を行った画像を示す図である。図１１の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１０の（ａ）〜（ｃ）に対応する画像である。

図１２は、図１１の画像に対し干渉系情報による周波数分離を行った画像を示す図である。すなわち、図１２は、図１１に示す像分布と、これらの像分布に対応する第２の干渉縞の光強度分布の変位量に基づいて算出された第１の干渉縞の位相と、から算出された周波数分離画像であり、上記式（１）におけるＳ（ｋ），Ｓ（ｋ−ｆ_ｍ），Ｓ（ｋ＋ｆ_ｍ）に対応する。図１２の（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ図１１の（ａ）〜（ｃ）に対応する画像である。図１２の画像は、図１１の画像に比較して、図１２の（ｂ），（ｃ）において高周波成分が分離されて明瞭に観察される一方で、原点付近の光強度は低下している。

図１３は、画像再構成を行った高分解能画像を示す図である。すなわち、図１３の画像は、図１２の（ａ），（ｂ），（ｃ）の画像を足し合わせ、逆フーリエ変換した画像である。図１３の画像は、図９に示す観察対象物Ｓについて、Ｌ３で示す各ドットペアが正しく分離され、且つ、Ｌ４，Ｌ５で示すピッチについても正しく表されている。従って、正しい高分解能画像が得られたことがわかる。

ここで、従来の観察システムについて説明する。図１４は、従来の観察システムを示す概略構成図である。図１４に示すように、従来の観察システムは、光源１０２として、コヒーレント長の長いレーザ光源を用いると共に、第２の光路４の光路長を伸縮させる光路長調整部１０５として、ピエゾアクチュエータ１２４により第２の光路４に沿ってミラー２３を往復移動させる機構を用いている。

このような従来の観察システムでは、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度よく検出するために、光路長調整部１３７にピエゾアクチュエータ１２４を用いている。しかしながら、生産現場等では、実験室等に比較して振動や温度変化といった外乱が生じ易く、例えば振動により各光路の光路差が変動したり、温度変化により温度ドリフトが生じたりする場合がある。この場合、干渉縞と観察対象物とが相対的に移動してしまい、波長毎の不確定性のために干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが困難となる。従って、従来の観察システムでは、正しい高分解能画像を安定して得ることが難しかった。

なお、従来の観察システムは、干渉縞生成部１０６として、第１の光を観察対象物Ｓに投光する投光部１３０と、観察対象物Ｓを介して投光部１３０に対向する位置に配置され、第２の光を観察対象物Ｓに投光する投光部１３２と、を備えた機構を用いている。また、従来の観察システムは、観察システム１に対し、第１の光路３にミラー１２８及び第１の光路長を伸縮させる光路長調整部１３７が追加されると共に、第２の光路４にミラー１２９が追加されている。光路長調整部１３７は、ミラー１３８を移動させることにより第１の光路長を伸縮させる機構である。また、従来の観察システムは、回転台７の代わりに、観察対象物Ｓを固定して保持する固定台を備えている。

本実施形態に係る観察システム１では、光源２から観察対象物Ｓへ第１の光路３によって導かれた第１の光、及び、光源２から観察対象物Ｓへ第２の光路４によって導かれた第２の光が干渉縞生成部６によって干渉し第１の干渉縞が生成される。そして、第１の干渉縞を呈する第１の光及び第２の光の内の観察対象物Ｓによって散乱された光の像分布が撮像部８によって撮像される。一方、第１の光の内の観察対象物Ｓによって反射され第３の光路９によって導かれた第１の反射光、及び、第２の光の内の観察対象物Ｓによって反射され第４の光路１０によって導かれた第２の反射光が干渉し第２の干渉縞が生成される。そして、第２の干渉縞の光強度分布が測定部１２によって測定される。ここで、第１の光路長調整部５により第２の光路長が伸縮されると、第１の干渉縞の位相がシフトすると共に第２の干渉縞の光強度分布が変位する。光源２は所定範囲のコヒーレント長を有するため、第２の干渉縞の光強度分布は、その包絡線に一つのピークを有している。第２の干渉縞の光強度分布の変位量は、包絡線のピークの変位量を測定することによって取得される。従って、第１の干渉縞の位相が１波長以上シフトした場合であっても、第１の干渉縞における波長毎の不確定性の影響を受けず、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの変位量に基づいて第１の干渉縞の位相のシフト量を検出することができる。また、例えば振動や温度変化といった外乱が生じた場合であっても、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することができる。これにより、演算部１３は、観察対象物Ｓの形状分布を正しく算出できる。更に、観察システム１は、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出するためにピエゾアクチュエータ等の高精度な位置決め機構を必要とせず、一例としてステッピングモータを利用したアクチュエータ等の比較的精度の低い位置決め機構を用いることが可能であるため、安価に提供される。以上により、安価で、外乱が生じた場合であっても正しい高分解能画像を安定して得ることが可能となる。

また、演算部１３は、互いに異なる３つの位相と、これらの位相をそれぞれ有する３つの第１の干渉縞に対応した３つの像分布と、に基づいて観察対象物Ｓの形状分布を算出する。これにより、３つの位相及び像分布の情報によって上記式（１）を解くことが可能となる。その結果、周波数空間において、従来の光学顕微鏡で解像できる情報に加えて、観察対象物Ｓの帯域を第１の干渉縞の空間周波数分だけ高周波側に平行移動させた情報を取得できる。従って、演算部１３は、観察対象物Ｓの形状分布を正しく算出可能となる。なお、第１の干渉縞の１周期は２πｒａｄであるため、互いに異なる３つの位相としては、例えば２πを３等分した０ｒａｄ、２π／３ｒａｄ、４π／３ｒａｄとすることができる。上記式（１）を解く際の計算の安定化のためには、これら３つの位相同士の差が大きいほど良く、このため、互いに異なる３つの位相を０ｒａｄ、２π／３ｒａｄ、４π／３ｒａｄとしたときに最も良く画像再構成を行うことが可能である。ただし、互いに異なる３つの位相は、必ずしも上記のように２πを３等分しなくてもよい。これら３つの位相の値によって、観察対象物Ｓの形状分布が正しく算出される（抽出される）度合いが異なる。

また、測定部１２は、互いに異なる少なくとも３つの位相に対応するシフト量が演算部１３によって算出されるまで、光強度分布の測定を継続する。このため、演算部１３によって第１の干渉縞のシフト量が複数回算出された場合において、各シフト量に応じた複数の位相が互いに同じ位相であったときでも、所定の連立方程式を解くために必要となる少なくとも３つの位相及び像分布の情報が不足することを防止することができる。従って、演算部１３は、観察対象物Ｓの形状分布を正しく算出可能となる。

また、干渉縞生成部６は、第１の光路３の終端に設けられ、第１の光を観察対象物Ｓ上へ投光する第１の投光部３０と、第３の光路９の始端に設けられ、観察対象物Ｓを介して第１の投光部３０と対向する位置に配置され、第１の反射光を受光する第１の受光部３１と、第２の光路４の終端に設けられ、第２の光を観察対象物Ｓ上へ投光する第２の投光部３２と、第４の光路１０の始端に設けられ、観察対象物Ｓを介して第２の投光部３２と対向する位置に配置され、第２の反射光を受光する第２の受光部３３と、を有する。このため、第１の光及び第２の光を観察対象物Ｓ上の適切な位置に確実に照射できると共に、第１の反射光及び第２の反射光をそれぞれ第３の光路９及び第４の光路１０へ確実に出力することができる。

また、第１の投光部３０から第１の受光部３１へ第１の光が進行する第１の方向と、第２の投光部３２から第２の受光部３３へ第２の光が進行する第２の方向と、が観察対象物Ｓに対する平面視において略直交する。このため、第１の投光部３０、第１の受光部３１、第２の投光部３２及び第２の受光部３３を互いに干渉しない位置に配置可能であるため、干渉縞生成部６を簡素な構成とすることができる。

また、第３の光路長又は第４の光路長を伸縮させる第２の光路長調整部１１を更に備える。第２の干渉縞は、第１の光における光源２から測定部１２までの光路長と、第２の光における光源２から測定部１２までの光路長と、の光路差に応じて光強度分布が変位する。このため、第２の干渉縞は、光路長の調整により、その光強度分布の包絡線のピークが測定部１２の測定レンジの中央に近づくようにされる必要がある。しかし、第２の干渉縞を測定部１２の測定レンジに収めるには、第１の光路長調整部５による第２の光路長の伸縮だけでは第２の干渉縞の光強度分布の変位量が不十分である場合がある。そこで、第２の光路長調整部１１により第４の光路長を伸縮させることで、第２の干渉縞を十分に変位させることができる。このように、観察を行う準備段階において、第２の干渉縞における光強度分布の包絡線のピークを測定部１２の測定レンジの中央に近づける操作が容易となるため、操作性が向上する。

また、所定範囲のコヒーレント長は、レーザ光源のコヒーレント長より短い。このため、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの幅が十分に狭く、当該ピークの変位量を測定することが容易である。このため、第２の干渉縞の光強度分布の変位量を容易に取得できることから、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが容易となる。

また、所定範囲のコヒーレント長は、１μｍ以上１００μｍ以下である。このため、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの幅が十分に狭く、当該ピークの変位量を測定することが容易である。このため、第２の干渉縞の光強度分布の変位量を容易に取得できることから、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが容易となる。

また、光源２は、ＳＬＤ光源である。このため、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの幅が十分に狭く、当該ピークの変位量を測定することが容易である。このため、第２の干渉縞の光強度分布の変位量を容易に取得できることから、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが容易となる。

また、観察システム１は、観察対象物Ｓから撮像部８へ向かう軸線Ａ回りに回転可能に観察対象物Ｓを保持する回転台７を備える。この観察システム１では、第１の干渉縞の位相をシフトさせる方向について、従来の光学顕微鏡に比較して観察対象物Ｓの形状分布をより高分解能で算出することが可能である。そこで、観察対象物Ｓと第１の干渉縞とを軸線Ａ回りに相対回転させた複数の相対角度の状態において観察を行うことにより、軸線Ａに垂直な各方向について、観察対象物Ｓの形状分布の正しい高分解能画像を安定して得ることが可能となる。ここで、上記構成とした場合、観察対象物Ｓと第１の干渉縞とを軸線Ａ回りに相対回転させる操作が容易となるため、操作性が向上する。

このように、観察システム１は、観察対象物Ｓへ照射する変調照明として低コヒーレンス光による第１の干渉縞を用いている。低コヒーレンス光による第１の干渉縞は、高コヒーレンス光による干渉縞に比較して、干渉縞が生成する範囲が狭い。このため、観察システム１によって広い範囲を観察するためには、第１の干渉縞を観察対象物Ｓ上でスキャンする必要がある。しかし、従来の観察システムにおいて用いられているピエゾアクチュエータはストロークが短いため、従来の観察システムでは広い範囲を観察することは困難である。また、ピエゾアクチュエータはストロークの速度が遅いため、従来の観察システムでは観察に長時間を要する。これに対し、観察システム１では、ピエゾアクチュエータに比較してストロークが長く、且つ、ストロークの速度が速いステッピングモータを利用したアクチュエータ等を用いることができる。このため、観察システム１では、従来の観察システムに比較して、容易に且つ短時間で広い範囲の観察をすることができる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、測定部１２は、第２の干渉縞の光強度分布を、その位相方向に沿って１次元的に測定可能なラインセンサであってもよい。第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの変位量の測定においては、必ずしも第２の干渉縞を２次元的に測定する必要はなく、第２の干渉縞を、その位相方向に沿って１次元的に測定できればよい。従って、測定部１２をラインセンサとすることが可能であり、この場合、第２の干渉縞における光強度分布の変位量に基づいて第１の干渉縞における位相のシフト量を算出する際に、演算部１３における演算量を削減できる。また、測定部１２は、撮像部８よりも高いフレームレートを必要とする。測定部１２は、ラインセンサとされることによりフレームレートを高くし易いため、撮像部８よりも高いフレームレートを容易に実現することができる。

また、上記実施形態では、第１の光路長調整部５は、第２の光路４の途中に設けられて第２の光路長を伸縮させているが、第１の光路３の途中に設けられて第１の光路長を伸縮させてもよい。

また、上記実施形態では、第２の光路長調整部１１は、第４の光路１０の途中に設けられて第４の光路長を伸縮させているが、第３の光路９の途中に設けられて第３の光路長を伸縮させてもよい。

ここで、本発明の他の側面の観察システムは、所定範囲のコヒーレント長を有する光源と、第１の光路長を有し、光源から発せられる光の一部である第１の光を光源から観察対象物へ導く第１の光路と、第２の光路長を有し、光の残部である第２の光を光源から観察対象物へ導く第２の光路と、第１の光路長又は第２の光路長を伸縮させる第１の光路長調整部と、第１の光及び第２の光を干渉させて観察対象物上に第１の干渉縞を生成させる干渉縞生成部と、第１の干渉縞を呈する第１の光及び第２の光の内の観察対象物によって散乱された光の像分布を撮像する撮像部と、第３の光路長を有し、第１の光の内の観察対象物によって反射された第１の反射光を導く第３の光路と、第４の光路長を有し、第２の光の内の観察対象物によって反射された第２の反射光を導く第４の光路と、第３の光路及び第４の光路の終端に設けられ、第１の反射光及び第２の反射光の干渉によって生成される第２の干渉縞の光強度分布を測定する測定部と、撮像部及び測定部に接続された演算部と、を備え、演算部は、第２の干渉縞における光強度分布の変位量に基づいて第１の干渉縞における位相のシフト量を算出し、シフト量に応じた位相と、当該位相を有する第１の干渉縞に対応した像分布と、に基づいて観察対象物の形状分布を算出する。

このような観察システムによれば、光源から観察対象物へ第１の光路によって導かれた第１の光、及び、光源から観察対象物へ第２の光路によって導かれた第２の光が干渉縞生成部によって干渉し第１の干渉縞が生成される。そして、第１の干渉縞を呈する第１の光及び第２の光の内の観察対象物によって散乱された光の像分布が撮像部によって撮像される。一方、第１の光の内の観察対象物によって反射され第３の光路によって導かれた第１の反射光、及び、第２の光の内の観察対象物によって反射され第４の光路によって導かれた第２の反射光が干渉し第２の干渉縞が生成される。そして、第２の干渉縞の光強度分布が測定部によって測定される。ここで、第１の光路長調整部により第１の光路長又は第２の光路長が伸縮されると、第１の干渉縞の位相がシフトすると共に第２の干渉縞の光強度分布が変位する。光源は所定範囲のコヒーレント長を有するため、第２の干渉縞の光強度分布は、その包絡線に一つのピークを有している。第２の干渉縞の光強度分布の変位量は、包絡線のピークの変位量を測定することによって取得される。従って、第１の干渉縞の位相が１波長以上シフトした場合であっても、第１の干渉縞における波長毎の不確定性の影響を受けず、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの変位量に基づいて第１の干渉縞の位相のシフト量を検出することができる。また、例えば振動や温度変化といった外乱が生じた場合であっても、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することができる。これにより、演算部は、観察対象物の形状分布を正しく算出できる。更に、この観察システムは、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出するためにピエゾアクチュエータ等の高精度な位置決め機構を必要とせず、一例としてステッピングモータを利用したアクチュエータ等の比較的精度の低い位置決め機構を用いることが可能であるため、安価に提供される。以上により、安価なシステムによって、外乱が生じた場合であっても正しい高分解能画像を安定して得ることが可能となる。

上記実施形態において、演算部は、互いに異なる少なくとも３つの位相と、これらの位相をそれぞれ有する少なくとも３つの第１の干渉縞に対応した少なくとも３つの像分布と、に基づいて観察対象物の形状分布を算出してもよい。これにより、少なくとも３つの位相及び像分布の情報によって所定の連立方程式を解くことが可能となる。その結果、周波数空間において、従来の光学顕微鏡で解像できる情報に加えて、観察対象物の帯域を第１の干渉縞の空間周波数分だけ高周波側に平行移動させた情報を取得できる。従って、演算部は、観察対象物の形状分布を正しく算出可能となる。

また、測定部は、互いに異なる少なくとも３つの位相に対応するシフト量が演算部によって算出されるまで、光強度分布の測定を継続してもよい。この場合、演算部によって第１の干渉縞のシフト量が複数回算出された場合において、各シフト量に応じた複数の位相が互いに同じ位相であったときでも、所定の連立方程式を解くために必要となる少なくとも３つの位相及び像分布の情報が不足することを防止することができる。従って、演算部は、観察対象物の形状分布を正しく算出可能となる。

また、干渉縞生成部は、第１の光路の終端に設けられ、第１の光を観察対象物上へ投光する第１の投光部と、第３の光路の始端に設けられ、観察対象物を介して第１の投光部と対向する位置に配置され、第１の反射光を受光する第１の受光部と、第２の光路の終端に設けられ、第２の光を観察対象物上へ投光する第２の投光部と、第４の光路の始端に設けられ、観察対象物を介して第２の投光部と対向する位置に配置され、第２の反射光を受光する第２の受光部と、を有してもよい。この場合、第１の光及び第２の光を観察対象物上の適切な位置に確実に照射できると共に、第１の反射光及び第２の反射光をそれぞれ第３の光路及び第４の光路へ確実に出力することができる。

また、第１の投光部から第１の受光部へ第１の光が進行する第１の方向と、第２の投光部から第２の受光部へ第２の光が進行する第２の方向と、が観察対象物に対する平面視において略直交してもよい。この場合、第１の投光部、第１の受光部、第２の投光部及び第２の受光部を互いに干渉しない位置に配置可能であるため、干渉縞生成部を簡素な構成とすることができる。

また、第３の光路長又は第４の光路長を伸縮させる第２の光路長調整部を更に備えてもよい。この場合、観察を行う準備段階において、第２の干渉縞における光強度分布の包絡線のピークを測定部の測定レンジの中央に近づける操作が容易となるため、操作性が向上する。

また、所定範囲のコヒーレント長は、レーザ光源のコヒーレント長より短くてもよい。この場合、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの幅が十分に狭いため、当該ピークの変位量を測定することが容易である。このため、第２の干渉縞の光強度分布の変位量を容易に取得できることから、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが容易となる。

また、所定範囲のコヒーレント長は、１μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。この場合、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの幅が十分に狭いため、当該ピークの変位量を測定することが容易である。このため、第２の干渉縞の光強度分布の変位量を容易に取得できることから、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが容易となる。

また、前記光源は、ＳＬＤ光源又はＬＥＤ光源であってもよい。この場合、第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの幅が十分に狭いため、当該ピークの変位量を測定することが容易である。このため、第２の干渉縞の光強度分布の変位量を容易に取得できることから、第１の干渉縞の位相のシフト量を精度良く検出することが容易となる。

また、測定部は、ラインセンサであってもよい。第２の干渉縞の光強度分布における包絡線のピークの変位量の測定においては、必ずしも第２の干渉縞を２次元的に測定する必要はなく、第２の干渉縞を、その位相方向に沿って１次元的に測定できればよい。すなわち、測定部としてラインセンサを用いることが可能である。この場合、第２の干渉縞における光強度分布の変位量に基づいて第１の干渉縞における位相のシフト量を算出する際に、演算部における演算量を削減できる。また、測定部は、撮像部よりも高いフレームレートを必要とする。測定部は、ラインセンサとされることによりフレームレートを高くし易いため、撮像部よりも高いフレームレートを容易に実現することができる。

また、観察対象物から撮像部へ向かう軸線回りに回転可能に観察対象物を保持する回転台を更に備えてもよい。この観察システムでは、第１の干渉縞の位相をシフトさせる方向について、従来の光学顕微鏡に比較して観察対象物の形状分布をより高分解能で算出することが可能である。そこで、観察対象物と第１の干渉縞とを軸線回りに相対回転させた複数の相対角度の状態において観察を行うことにより、軸線に垂直な各方向について、観察対象物の形状分布の正しい高分解能画像を安定して得ることが可能となる。ここで、上記構成とした場合、観察対象物と第１の干渉縞とを軸線回りに相対回転させる操作が容易となるため、操作性が向上する。

本発明の一側面は、観察システムを使用用途とし、安価なシステムによって、外乱が生じた場合であっても正しい高分解能画像を安定して得ることができるものである。

１…観察システム、２…光源、３…第１の光路、４…第２の光路、５…第１の光路長調整部、６…干渉縞生成部、７…回転台、８…撮像部、９…第３の光路、１０…第４の光路、１１…第２の光路長調整部、１２…測定部、１３…演算部、３０…第１の投光部、３１…第１の受光部、３２…第２の投光部、３３…第２の受光部、Ａ…軸線、Ｓ…観察対象物。

Claims (12)

1. 所定範囲のコヒーレント長を有する光源と、
   第１の光路長を有し、前記光源から発せられる光の一部である第１の光を前記光源から観察対象物へ導く第１の光路と、
   第２の光路長を有し、前記光の残部である第２の光を前記光源から前記観察対象物へ導く第２の光路と、
   前記第１の光及び前記第２の光を干渉させて前記観察対象物上に第１の干渉縞を生成させる干渉縞生成部と、
   前記第１の光の内の前記観察対象物によって反射された第１の反射光と、前記第２の光の内の前記観察対象物によって反射された第２の反射光との干渉によって生成される第２の干渉縞の光強度分布を測定する測定部と、
   前記測定部に接続された演算部と、
   を備え、
   前記演算部は、
   前記第２の干渉縞における前記光強度分布の変位量に基づいて前記第１の干渉縞における位相のシフト量を算出する、
   観察システム。
2. 前記第１の光路長又は前記第２の光路長を伸縮させる第１の光路長調整部と、
   前記第１の干渉縞を呈する前記第１の光及び前記第２の光の内の前記観察対象物によって散乱された光の像分布を撮像する撮像部と、
   第３の光路長を有し、前記第１の反射光を導く第３の光路と、
   第４の光路長を有し、前記第２の反射光を導く第４の光路と、をさらに備え、
   前記測定部は、前記第３の光路及び前記第４の光路の終端に設けられ、
   前記演算部は、前記撮像部にも接続され、前記シフト量に応じた前記位相と、当該位相を有する前記第１の干渉縞に対応した前記像分布と、に基づいて前記観察対象物の形状分布を算出する、
   請求項１記載の観察システム。
3. 前記演算部は、
   互いに異なる少なくとも３つの前記位相と、これらの前記位相をそれぞれ有する少なくとも３つの前記第１の干渉縞に対応した少なくとも３つの前記像分布と、に基づいて前記観察対象物の形状分布を算出する、
   請求項２記載の観察システム。
4. 前記測定部は、互いに異なる少なくとも３つの前記位相に対応する前記シフト量が前記演算部によって算出されるまで、前記光強度分布の測定を継続する、請求項３記載の観察システム。
5. 前記干渉縞生成部は、
   前記第１の光路の終端に設けられ、前記第１の光を前記観察対象物上へ投光する第１の投光部と、
   前記第３の光路の始端に設けられ、前記観察対象物を介して前記第１の投光部と対向する位置に配置され、前記第１の反射光を受光する第１の受光部と、
   前記第２の光路の終端に設けられ、前記第２の光を前記観察対象物上へ投光する第２の投光部と、
   前記第４の光路の始端に設けられ、前記観察対象物を介して前記第２の投光部と対向する位置に配置され、前記第２の反射光を受光する第２の受光部と、
   を有する、
   請求項２〜４の何れか一項記載の観察システム。
6. 前記第１の投光部から前記第１の受光部へ前記第１の光が進行する第１の方向と、前記第２の投光部から前記第２の受光部へ前記第２の光が進行する第２の方向と、が前記観察対象物に対する平面視において略直交する、
   請求項５記載の観察システム。
7. 前記第３の光路長又は前記第４の光路長を伸縮させる第２の光路長調整部を更に備える、
   請求項２〜６の何れか一項記載の観察システム。
8. 前記所定範囲のコヒーレント長は、レーザ光源のコヒーレント長より短い、
   請求項１〜７の何れか一項記載の観察システム。
9. 前記所定範囲のコヒーレント長は、１μｍ以上１００μｍ以下である、
   請求項１〜８の何れか一項記載の観察システム。
10. 前記光源は、ＳＬＤ光源又はＬＥＤ光源である、
    請求項１〜９の何れか一項記載の観察システム。
11. 前記測定部は、ラインセンサである、
    請求項１〜１０の何れか一項記載の観察システム。
12. 前記観察対象物から前記撮像部へ向かう軸線回りに回転可能に前記観察対象物を保持する回転台を更に備える、請求項２〜７の何れか一項記載の観察システム。