JP2016504947A - 干渉撮像におけるサブアパーチャベースの収差測定及び補正用のシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

ほぼ回折限界解像度を達成するために、干渉撮像用の後処理技術として、厚いサンプルにおけるサブアパーチャ相関に基づいた波面測定及び補正用の方法及びシステムが説明される。理論、シミュレーション、及び実験結果が、全視野干渉顕微鏡検査法の場合のために提示される。本発明の技術は、任意のコヒーレント干渉撮像技術に適用することができ、且つ如何なるシステムパラメータの知識も必要としない。本出願の一実施形態において、焦点ぼけ収差を補正する高速で単純な方法が説明される。その方法のための様々な用途が提示される。

Description

本出願は、光学撮像システム及び方法に関し、特に干渉撮像における波面収差検出及び補正に関する。

撮像システムにおいて、物体の一点からの光がシステムを通した透過後に単一の点に収束しない場合に、光学収差が生じる。光学収差は、システムの射出瞳における波面の歪みによって説明することができる。理想的には、点に収束する光は、球面波面を有するべきである。波面は、同様の電磁位相を備えた点の軌跡である。エネルギ伝搬の局所的方向は、波面の表面に垂直である。図１は、理想的な基準波面に比べて収差のある波面を示す概略図である。射出瞳は、像点の視点からの開口絞りの画像である。エネルギ伝搬の方向は、局所的波面に垂直な光線として説明することができる。画像面交差において、収差のない光線に対する収差のある光線の偏差は、収差のある光線の左右誤差を示し、それは、通常、ぼやけ及び情報損失に関連付けられる。図１に示されているように、収差のある波面は、その表面にわたる様々な位置において、理想的な基準波面を遅延させるか、または先行する。この先行又は遅延の量は、局所的位相誤差である。また、収差のある波面の局所的傾斜又は傾きが、基準波面の傾斜又は傾きと一致しないことが分かる。これは、エネルギ伝搬の局所的方向が波面に垂直なので、非理想的な経路でシステムを通って伝搬する光線に対応する。これらの収差のある光線は、画像面において完全には一致せず、ぼやけ及びポイントツーポイントの画像忠実度の損失を引き起こす。焦点ぼけは、収差の特殊なケースであり、波面の曲率半径は、収差のある光線が、所望の画像面から離れているにもかかわらず点に収束し得るようになるようなものである。

従来の顕微鏡において、物体面における点は、アレイ検出器によってしばしば感知される検出面における点に対応する。撮像システムにおける収差の上記の説明は、画像センサにおけるいくつかの隣接画素にわたる収差の場合に、特定の物点から発する光が、横方向においてどのように分配され得るかを明白に示す。コヒーレンス顕微鏡において、基準反射は、基準反射に対する入射光の位相に関する情報を符号化するためにセンサに記録される情報をもたらす。広帯域幅の光が、コヒーレンス顕微鏡を照明するために用いられる場合に、これは、散乱物体と基準反射との間の光路長を抽出できる処理を可能にする。特定の光路長又は軸方向深さにおける、物体からの散乱光は、如何なる他の深さから散乱された光からも分離することができる。画像センサの各画素が、独立して検討される場合に、３Ｄボリュームが構成され得る。一般に、センサ上の位置の違った収差のある光線は、有益な情報を混乱させる。

近年、オリジナルの検出データセットにおける位相情報が、光学コヒーレンス断層撮影ボリューム［１５］［（非特許文献１）］及び密接に関連するホロスコピー［１８、２２］［（非特許文献２）、（非特許文献３）］における周知の収差を補正するように数学的に操作できることが示された。未知の収差を反復的に解決することを試みる方法が説明されたが、しかし、これらの方法は、補正された収差の精度が非常に制限され、且つ反復計算用の長い実行時間によって妨げられる。

波面収差補正用にシャック−ハルトマンセンサベースの適応光学を用いることは、回折限界撮像［１〜３］［（非特許文献４）、（非特許文献５）、（非特許文献６）］を達成するために、物体のような点に対して天文学及び顕微鏡検査法において十分に確立されている。それは、現在、光学コヒーレンス断層撮影法／顕微鏡検査法（ＯＣＴ／ＯＣＭ：ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ／ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ）［２４、２５］［（非特許文献７）、（非特許文献８）］における活発な研究分野である。デンク（Ｄｅｎｋ）らは、コヒーレンスゲート波面センサを説明しており、コヒーレンスゲート波面センサでは、物体は、合焦された低コヒーレンス光の単一の点で照明されて、人工の「ガイド星」が作成され、シャック−ハルトマンセンサの合焦は、物理的な小型レンズアレイを介してか又は計算上の方法によって実現される。光の低コヒーレンス特性は、波面測定における深さ選択を可能にする（例えば、（特許文献１：デンク（Ｄｅｎｋ）ら著、「波面感知用の方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ）を参照）。近年、空間光変調器（ＳＬＭ：ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）を用いて瞳分割を介した適応光学が、２光子顕微鏡検査法［５］［非特許文献９］において説明された。結果は、サンプルにおける深さに伴う屈折率の変化ゆえに、サンプルによって導入された光学収差が、回折限界解像度を回復するために低減され得ることを示した。これは、組織における撮像深さを改善することができる。かかるセグメント化された瞳アプローチはまた、シーンに基づいた適応光学［６］［非特許文献１０］で示された。近年、ティッピー（Ｔｉｐｐｉｅ）及びフィーナップ（Ｆｉｅｎｕｐ）は、拡張物体の合成アパーチャデジタル軸外ホログラフィ撮像の場合における後処理技術［７］［非特許文献１１］として、サブアパーチャ相関ベースの位相補正を示した。この方法は、複数の深さからの散乱又は反射を無視できる、サンプルにおける狭帯域の干渉データの補正を可能にする。複数の深さからの散乱が存在する場合に、それら散乱は、アルゴリズムを混乱させる可能性があるか、又はアルゴリズムは、異なる深さにおける散乱体から示された可変焦点ぼけから発生する、アルゴリズムに提示された様々な波面形状に対する或る最良適合を見つけようとする可能性がある。

上記の近年の前進の鍵は、干渉データにおける位相情報の可用性にある。この情報は、サンプルから後方散乱された全複素場を測定することによって、ＯＣＴにおけるデジタル再合焦技術を実行するために成功裡に利用された。しかしながら、現在の方法は、２つの仮定に依存する。第１に、サンプルは、その光学特性に関して等方性の均一な構造を示すという仮定、及び第２に、存在する場合に収差は、十分に定義されるか又はアクセス可能であるという仮定である。第１の制限が、これまで取り組まれてこなかったのに対して、第２の問題は、単純な焦点ぼけを仮定して球面波面補正を適用することによって、又はメトリックとして画像鮮明度を用いるメリット関数で複素波面を反復して最適化することによって［１４、１５］［（非特許文献１２）、（非特許文献１）］、解決することができる。

欧州特許第１６２６２５７号明細書

Ｓ．Ｇ．Ａｄｉｅ，ｅｔ．ａｌ．，"Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｆｏｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｉｓｓｕｅ，"ＰＮＡＳ ｖｏｌ．１０９，７１７５−７１８０（２０１２） Ｆｒａｎｋｅ ｅｔ ａｌ，"Ｈｉｇｈ ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｈｏｌｏｓｃｏｐｙ"Ｐｒｏｃ ＳＰＩＥ ８２１３，８２１３２４．（２０１２） Ｄ．Ｈｉｌｌｍａｎｎ ｅｔ ａｌ，"Ｈｏｌｏｓｃｏｐｙ−ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ"Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ３６（１３），２３９０（２０１１） Ｂ．Ｃ．Ｐｌａｔｔ ａｎｄ Ｒ．Ｓｈａｃｋ，"Ｈｉｓｔｏｒｙ ａｎｄ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ｏｆ Ｓｈａｃｋ Ｈａｒｔｍａｎｎ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ"，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｇｅｒｙ １７，５７３−５７７（２００１） Ｊ．Ｃ．Ｂｅｖｅｒａｇｅ，Ｒ．Ｖ．Ｓｈａｃｋ ａｎｄ Ｍ．Ｒ．Ｄｅｓｃｏｕｒ，"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｐｏｉｎｔ ｓｐｒｅａｄ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ａ Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｏｒ"，２０５，６１−７５（２００２） Ｍ．Ｒｕｅｃｋｅｌ，Ｊ．Ａ．Ｍ．Ｂｕｃｈｅｒ，Ｗ．Ｄｅｎｋ，"Ａｄａｐｔｉｖｅ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｗｏ−ｐｈｏｔｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｕｓｉｎｇ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ−ｇａｔｅｄ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ"，Ｐｒｏｃ Ｎａｔｌ Ａｃａｄ Ｓｃｉ ＵＳＡ．，１０３（４６），１７１３７−１７１４２（２００６） Ｍ．Ｐｉｒｃｈｅｒ ａｎｄ Ｒ．Ｊ．Ｚａｗａｄｚｋｉ，"Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：Ｕｎｖｅｉｌｉｎｇ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｒｅｔｉｎａ ｉｎ ｖｉｖｏ，"Ｅｘｐｅｒｔ Ｒｅｖ．Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌ．２，１０１９−１０３５（２００７） Ｋ．Ｓａｓａｋｉ，Ｋ．Ｋｕｒｏｋａｗａ，Ｓ．Ｍａｋｉｔａ，ａｎｄ Ｙ．Ｙａｓｕｎｏ，"Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｏｃｕｓ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，"Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ３，２３５３−２３７０（２０１２） Ｎ．Ｊｉ，Ｄ．Ｅ．Ｍｉｌｋｉｅ ａｎｄ Ｅ．Ｂｅｔｚｉｇ，"Ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｖｉａ ｐｕｐｉｌ ｓｅｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｉｓｓｕｅｓ"，Ｎａｔｕｒｅ Ｍｅｔｈｏｄｓ ７，１４１−１４７（２００９） Ｔ Ｈａｉｓｔ，Ｊ Ｈａｆｎｅｒ，Ｍ Ｗａｒｂｅｒ ａｎｄ Ｗ Ｏｓｔｅｎ，"Ｓｃｅｎｅ−ｂａｓｅｄ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒｓ"，Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ ７０６４，７０６４０Ｍ−７０６４０Ｍ−１１（２００８） Ａ．Ｅ．Ｔｉｐｐｉｅ ａｎｄ Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ，"Ｓｕｂ−Ａｐｅｒｔｕｒｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ Ａｐｐｌｉｅｄ ｔｏ Ｐｈａｓｅ−Ｅｒｒｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ，"ｉｎ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｉｍａｇｉｎｇ，ＯＳＡ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ（ＣＤ）（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ，２０１１），ｐａｐｅｒ ＤＭＡ４ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｐｔｉｃｓｉｎｆｏｂａｓｅ．ｏｒｇ／ａｂｓｔｒａｃｔ．ｃｆｍ？ＵＲＩ＝ＤＨ−２０１１−ＤＭＡ４ Ｓ．Ｔ．Ｔｈｕｒｍａｎ ａｎｄ Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ，"Ｐｈａｓｅ−ｅｒｒｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ｄｉｇｉｔａｌ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ，"Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ ２５，９８３−９９４（２００８）

様々な次数の収差が存在する状態でほぼ回折限界解像度を達成するために、広帯域幅干渉撮像用の後処理技術として、サブアパーチャ相関に基づいた波面特徴付け及び画像補正用のシステム及び方法が説明される。非常に基本的な意味で、方法は、横方向構造が位置するサンプルの深さに対応する干渉データの軸方向の一部分を分離すること、波面が特徴付けられるべき面において、軸方向の一部分を横方向の小区分に分割すること、横方向の小区分の少なくとも２つの間の一致を決定すること、一致を用いて波面を特徴付けること、波面特徴付けを記憶若しくは表示するか又は波面特徴付けを後続のプロセスへの入力として利用することを含む。この方法は、単一のステップで、各サブアパーチャ用の局所的波面勾配を直接提供することという利点を有する。かかるものとして、方法は、シャック−ハルトマンセンサのデジタル等価物として動作する。例えば、広帯域幅源のコヒーレンス長さに従って画像における特定の軸方向深さを分離することによって、方法は、他の深さから発生する散乱を無視することができる。この方法は、如何なる適応光学系、ＳＬＭ、又は追加のカメラも必要とせずに、任意の面における波面収差を補正することができる。軸方向の一部分は、小区分への分割の前に特徴付けが行われることになる面に伝搬され得る。理論、シミュレーション、及び実験結果が、全視野干渉顕微鏡検査法の場合のために提示される。概念は、任意のコヒーレント干渉撮像技術に適用することができ、且つ如何なるシステムパラメータの知識も必要とせず、更に、サンプルの屈折率に関して、サンプルの均一性の仮定に依存しない。掃引源光学コヒーレンス断層撮影法（ＳＳ−ＯＣＴ：ｓｗｅｐｔ−ｓｏｕｒｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）システムは、方法を適用可能な干渉顕微鏡システムの一タイプである。一実施形態において、２つのサブアパーチャ又は小区分の一致だけを用いて焦点ぼけ収差を補正する高速で単純な方法が説明される。画像に存在する収差は、画像が帯域制限され、且つそれほどエイリアシングされないならば、システムの詳細を知らずに補正することができる。方法は、空間周波数成分が瞳にわたって均一に広げられる場合であって、乱反射する散乱物体をレーザ光で撮像する場合に、非常にうまく働く。

好ましい実施形態において、光学コヒーレンス断層撮影法（ＯＣＴ：ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）ボリュームからのデータは、ボリュームにおける特定の深さに存在する収差を計算するために用いられる。この知識から、焦点及びより高次の収差が、システム配置の事前知識なしに補正され得る。局所的補正、及びサンプルの全体を通して誘発された収差の補正がまた可能である。オーバーラップするサブアパーチャ及びオーバーラップしないサブアパーチャを含む実施形態が検討される。オーバーラップするアパーチャの方法は、ＯＣＴと同様にホログラフィにも新規であると信じられる。波面特徴付けは、ＯＣＴ画像データを補正するために、且つ低減された収差の画像を生成するために用いることができる。更に、波面特徴付けは、限定するわけではないが、波面補償装置への、製造プロセスへの、又は手術プロセスへの入力として用いられることを含む多くの使用法を有することが可能である。

本出願のシステム及び方法は、ＯＣＴボリュームにおける位相補正への決定論的なアプローチを可能にする。ＯＣＴボリュームにおける位相を補正する以前の方法は、深さにおいて、システムパラメータ及び収差の正確な知識、又は収差補正を試みて最良の結果を生むものを選択する反復アプローチに依存する。この方法は、位相補正のために用いられる最適化方法［１４〜１６］の場合におけるような長い反復を必要とせず、単一のステップで位相誤差推定を提供する。ＯＣＴボリュームにおける位相補正は、サンプルの横方向解像度と焦点深度の間の現在のトレードオフを除去するのと同様に、眼の高次収差によって導入される横方向解像度に対する制限を最終的に除去することを約束する。この計算的な方法は、高価な変形可能ミラーも複雑な感知装置も導入しない。この技術は、それほど機器コストを追加せず、ＯＣＴが前例のない横方向解像度を達成できるようにする解決策の一部と思われる。

理想的な基準波面に対して、収差のある波面を示す概略図である。 本出願の態様を理解するために有用な共役面及びフーリエ面の背景概念を示す。 本出願の方法を実行できる一般化された干渉撮像システムを示す。 本出願に従って収差を決定するために、画像が異なるサブアパーチャにどのように分割可能かを示す。 本出願のサブアパーチャベースの検出及び補正技術の様々なステージのデータを表示する。図５（ａ）は、数値シミュレーションにおいて用いられる光源の正規化されたパワースペクトルを示す。図５（ｂ）は、カメラ上の１つの横方向画素におけるスペクトルインターフェログラムを示す。図５（ｃ）は、広帯域幅源のコヒーレンス長さに従って、散乱が特定の深さに対してどのように分離され得るかを示す、図５（ｂ）におけるインターフェログラム（Ａ走査）のＦＦＴである。図５（ｄ）は、如何なる位相誤差もない、図５（ｃ）におけるピークに対応する撮像スライスを示す。図５（ｅ）は、位相誤差をラジアンで示す。図５（ｆ）は、対応する取得画像である。 本出願のサブアパーチャベースの測定及び補正技術に関連する一般的ステップを示す。 様々なサブアパーチャ構成からもたらされる補正された画像を示す。図７（ａ）、７（ｂ）、７（ｃ）及び７（ｇ）は、それぞれ３、５、７及び９に等しいＫ値を備えた、オーバーラップしないサブアパーチャ補正からもたらされる位相補正された画像を示し、図７（ｄ）、７（ｅ）、７（ｆ）、７（ｊ）は、図７（ａ）、７（ｂ）、７（ｃ）及び７（ｇ）にそれぞれ対応するラジアンの残留位相誤差である。図７（ｈ）及び７（ｉ）は、３及び５に等しいＫ用の、５０パーセントのオーバーラップを備えたサブアパーチャ用の画像であり、図７（ｋ）及び７（ｌ）は、ラジアンのそれぞれの残留位相誤差である。 オーバーラップしない（正方形マーカ）及びオーバーラップする（円形マーカ）サブアパーチャの両方に対する、異なるＫ値用の正規化された残留位相誤差のプロットを示す。 ２つのサブアパーチャだけが用いられる焦点ぼけ用の補正に向けられた、本出願の方法における特定の実施形態に関連するステップを示す。 焦点ぼけの補正用の２サブアパーチャ方法を用いる、シミュレートされた焦点ぼけ画像（図１０（ａ））及び位相補正された画像（図１０（ｃ））を示す。図１０（ｂ）は、アパーチャにわたる２次位相誤差をラジアンで示す。図８（ｄ）は、推定位相誤差をラジアンで示し、図１０（ｅ）は、残留位相誤差をラジアンで示す。 図１１（ａ）は、本出願の方法の実験的検証用の掃引源全視野光学コヒーレンス断層撮影法（ＳＳＦＦ−ＯＣＴ：ｓｗｅｐｔ−ｓｏｕｒｃｅ ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）セットアップの概略図である。図１１（ｂ）は、プラスチック層、粉ミルクの膜、及びＵＳＡＦバーターゲットからなるサンプルの２つの図を示す。図１１（ｃ）は、不均一なプラスチックシートを用いて得られたＵＡＳＦバーターゲット面の画像を示す。図１１（ｄ）は、光学システムの空間周波数帯域制限に対応する中心領域に情報内容が制限される画像のフーリエ変換を示す。図１１（ｅ）は、３９０×３９０画素を示す、図１１（ｃ）の画像におけるズームされたものを示す。 幾つかの異なるサブアパーチャ構成用のサブアパーチャ処理後の位相補正結果を示す。図１２（ａ）は、Ｋ＝３を備えたオーバーラップしないサブアパーチャを用いて得られた結果を示す。図１２（ｂ）は、５０％のオーバーラップでＫ＝３を備えたオーバーラップするサブアパーチャを用いて得られた補正された画像を示す。図１２（ｃ）は、Ｋ＝５を備えたオーバーラップしないサブアパーチャ用の補正された画像を示す。図１２（ｄ）、１２（ｅ）及び１２（ｆ）は、それぞれ図１２（ａ）、１２（ｂ）及び１２（ｃ）の場合の、アパーチャにわたって検出されたラジアンの位相誤差である。 サンプル内の焦点ぼけ及び屈折率変化に適用される本発明の方法に対する実験結果を示す。図１３（ａ）は、均一なプラスチックシートを用いたＵＳＡＦターゲットの収差のある画像を示す。図１３（ｂ）は、Ｋ＝３を備えたオーバーラップしないサブアパーチャを用いた位相補正された結果を示す。図１３（ｄ）は、対応する位相誤差を示す。図１３（ｅ）は、図９に示されている２つのオーバーラップしないサブアパーチャ処理技術からもたらされる焦点ぼけ誤差を示す。図１３（ｃ）は、この位相誤差で得られた画像を示す。 ブドウの光学コヒーレンス画像を示す。図１４（ａ）は、矢印が３１３．５μｍの深さにおける層を示すブドウサンプルの断層写真を示す。図１４（ｂ）は、その層の正面図を示し、図１４（ｃ）は、焦点ぼけを補正された画像を示す。図１４（ｄ）は、補正された３Ｄデータボリュームを示す。 先行技術において周知のようなピラミッド波面センサを用いた波面検出の概略図である。

以下で説明される単純化された光学系において、スペースは、物体面に対するスペースの撮像関係で説明され、物体面は、調査されている物体を含む。システム内のスペースは、物体面に対して光学的に共役なものとして、又は物体面に対するフーリエ面において識別される。図２は、従来の「４Ｆ」システムを用いて、これらの背景概念を示すために提供される。４Ｆシステムにおいて、望遠鏡が、それぞれ焦点距離「ｆ」の２つのレンズ１０及び１１で作成される。第１の「物体」面１３が、第１のレンズ１０の前に一焦点距離で位置する。中間「フーリエ」面１２が、第１のレンズの背後に一焦点距離で位置する。焦点距離「ｆ」の第２のレンズ１１が、中間面の背後に焦点距離で配置される。第３の「画像」面１４が、第２のレンズの背後に一焦点距離で位置する。第１及び第３の面１３及び１４は、「光学的に共役である」。点１５及び１６用に図２ａで示されているように、従来的に撮像された場合のように、他の面に対して一面には光のポイントツーポイントの対応がある。同様に、ビーム１７及び１８用に図２ｂに示されているように、光学的に共役な面において、他の面に対して一面における光のビーム方向一致に合わせたビーム方向がある。中間「フーリエ」面１２において、物体１５における点からの光は、平行ビーム１９又は平面波に対応し、平面波の角度配向は、図２ａに示されているように、物体面１３における点の位置によって決定される。物体１３における平行ビーム１７又は平面波からの光は、フーリエ面１２における点２０に対応する。物体１３における平面波の角度配向は、図２ｂに示されているように、フーリエ面１２における点の位置によって示される。

異なる入射角の平面波の組み合わせは、干渉の空間周波数によって十分に説明される正弦波干渉に帰着する。従って、フーリエ面内の異なる位置を、物体面の異なる空間周波数に関する情報を含むものとして説明する。瞳面及び「遠視野」が、物体面に対してフーリエ面に位置する面と共に同義的に用いられる。物体とフーリエ面との間、又はフーリエ面と画像面との間に位置する面は、焦点ぼけしているが、しかし完全には遠視野に入っていないと説明することができる。図は、撮像のように点を示すが、実際の光学システムは、画像面において限られたスポット寸法を有する。光学システムのフルアパーチャは、多くの方向からの平面波の転送を支援する。これらの平面波の合計は、任意の配光を説明することができる。この形式論の更なる説明は、これによって参照により援用されるジャック・ガスキル（Ｊａｃｋ Ｇａｓｋｉｌｌ）による書籍である「線形システム、フーリエ変換、及び光学系（Ｌｉｎｅａｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ、Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｓ，ａｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ）」で見つけることができる。

理論的定式化
本出願の方法の理論的分析のために、図３に示されているようなマイケルソン干渉計に基づいたシステムが検討される。本明細書で提示される理論は、任意の干渉計ベースのシステムに有効である。図３に示されているシステムに関し、レーザ源３０１からの光は、ビームスプリッタ３０２を通過し、ビームスプリッタ３０２において光は、２つの経路に分割される。レーザが図に示されているが、周波数掃引源を含む任意の広帯域光源が使用可能である。基準アーム３０３である１つのアームにおける光は、ミラー３０４から反射され、且つビームスプリッタに逆に導かれる。サンプルアーム３０５である第２の経路における光は、４Ｆテレセントリック撮像システムを形成するレンズＬ１ ３０６及びＬ２ ３０７を通過する。レンズを通過した後で、光は、撮像される物体（サンプル）３０８の方へ導かれる。方法は、限定するわけではないが、生物組織、動物又は植物製品、宝石用原石、真珠、製造された材料のプロセス検査（例えばペイントコーティング、光電池、プラスチックパッケージング）を含む様々なサンプルに適用することが可能である。サンプルは、横方向に延びる構造内容を有するべきである。特に、この方法は、サンプルが厚く、且つ複数の深さから逆に検出器に反射又は散乱をもたらす場合に利点を提供する。

人間の眼は、網膜が、ＯＣＴによって観察可能な複数の層を備えた散乱ボリュームもたらす、意味のある事例を提供する。その散乱ボリューム内において、相関又は登録動作用の目印として働き得る構造又は不均一性が存在する。眼の前内側及び光学系は、眼の内外を通過する光に位相歪みを導入する。サンプルに対しフーリエ面において位相補正を適用することによってうまく補正できるのは、主にこれらの歪みである。網膜自体のボリューム内の構造によって導入された位相歪みは、血管などの構造によって合理的に予想できるように、小さく同一平面のパッチサイズを備えた比較的局所的位相歪みを有する。

サンプルから反射された光は、ビームスプリッタ３０２において基準光と再び組み合わされ、且つ検出器、この場合には複数の画素を備えた２Ｄカメラ３１０の方へ導かれる。検出器は、それに応じて信号を生成する。点光線３１１は、物体上の点の撮像経路を焦点において示す。カメラは、レンズＬ１ ３０６の焦点面にある。瞳アパーチャ３０９は、光学空間周波数帯域幅を検出のナイキスト限界未満に制限するために、２つのレンズの焦点距離に位置するフーリエ面３１２に配置することができる。制限的な物理的アパーチャがフーリエ面に存在しない場合に、システムの他のアパーチャが、フーリエ面に焦点ぼけフットプリントを有する。これらのアパーチャフットプリントの合計は、帯域幅端部に対する或る軟調にもかかわらず帯域幅制限と、典型的には画角を備えた或る変動（口径食）とを最終的にもたらす。これらの理由で、システムの瞳が、散乱物体の深さに対応するフーリエ面に対応する位置にほぼ位置するのが有利である。

この実施形態において、光は、全視野又は広視野撮像技術で撮像されるサンプルの広いエリアに入射し、且つ３次元（３Ｄ）画像ボリュームを生成する検出器上で同時に収集される。以下で更に詳細に説明されるように、本発明の方法は、２次元又は３次元データセットを生成できる飛点及びラインフィールドＯＣＴのような走査技術を含む他の干渉撮像システムに適用することが可能である。検出器からの出力は、プロセッサ３１３に供給され、プロセッサ３１３は、検出された信号又はデータの記憶及び／又は分析のためにカメラに動作可能に接続される。ディスプレイ（図示せず）が、データ又は結果としての分析の表示のために接続され得る。関数の処理及び記憶は、干渉データ収集機器内に局在化されても良く、又は関数は、収集データが転送される外部処理ユニット上で実行されても良い。このユニットは、データ処理専用か、又は極めて一般的な他のタスクを実行し、干渉撮像装置専用でなくても良い。

干渉は、光周波数スペクトルにわたって干渉光の強度を変化させる。スペクトルにわたる干渉光のフーリエ変換は、異なる経路長さにおける散乱強度のプロファイル及び従ってサンプルにおける深さの関数として散乱を明らかにする。物体及び基準ミラーから反射された光の干渉は、物体の画像面に配置された２Ｄカメラを用いて、横方向において適切にサンプリングされる。簡単にするために、４Ｆテレセントリック撮像システムが仮定され、物体フィールドは、瞳面において正方形アパーチャによって帯域制限される。２Ｄ干渉撮像において、レーザの光周波数ｋで検出面の点ξにおける検出器Ｉ_ｄ上の記録された強度信号は、次の式によって与えられる。

Ｅ_ｓ及びＥ_ｒは、次のようにそれぞれ表現される、物体及び基準アームからの検出器の電界である。

及び
Ｅ_ｒ（ξ；ｋ）＝Ｒ（ξ；ｋ）ｅｘｐ［ｉｋ（４ｆ＋Δｚ）／ｃ］ （３）
これらの式で、Ｅ_ｏは、システムの３次元点広がり関数（ＰＳＦ）Ｐで畳み込まれた物体フィールドであり、ｕは、物体面における点であり、Ｒは、局所的基準フィールド振幅であり、Δｚは、サンプルと基準アームとの間の光路長差を示し、ｃは、光速度である。

有効単一光周波数ｋを備えた単色照明の場合に、複素信号

は、Δｚが変化する位相シフト方法［８、９］を介して検索することができる。位相シフト方法はまた、コヒーレンスゲーティング［１０］を提供する広帯域光源を用いる複素波面を検出するために用いられる。複素信号Ｉ_ｓはまた、掃引源ＯＣＴの場合におけるように、周波数ダイバーシチを介して検出することができる。この場合に、物体は、基準ミラーの一側に完全に配置されても良く、完全な干渉信号は、光周波数を変化させることによって記録される。光周波数次元に沿ったフーリエ変換は、自己相関、一定の強度オフセット（ＤＣ）、及び複素共役項から分離された断層撮影信号をもたらす［１１］。散乱源の位置は、ＯＣＴにおいて良く理解されているように、源のコヒーレンス長さ内へと深さにおいて分離することができる。このコヒーレンスゲートは、解像度、即ち、この方法を用いて、横方向構造を含む面を分離できる解像度を制限する。システムに存在する収差が、サンプル及びサンプル光学系から主として生じ、且つフーリエ面において有効位相誤差によって表し得ると仮定される。

物体のｚ番目の層における構造に関するフィールド情報を含む、ｋ→ｚフーリエ変換の後に取得される複素信号Ｉ_ｓ（ξ，ｚ）は、次のように離散的に書くことができる。
Ｉ_ｓ（ξ，ｚ）＝Δξ^２Ｉ（ｍΔξ，ｎΔξ）＝Ｉ_ｍ，ｎ （４）
この式で、Δξは、両方向において同じであると仮定される検出器画素ピッチであり、ｍ及びｎは、画素位置を決定する。サンプルのサイズをＭ×Ｍ画素とする。そのサイズの２倍（２Ｍ×２Ｍ）のゼロアレイに２Ｄ信号を埋め込んだ後で、信号Ｉ_ｓの２Ｄ離散フーリエ変換（ＤＦＴ）は、信号をフーリエ面に伝搬させるために、プロセッサによって計算される。即ち、物体のｚ番目の層に関するフィールド情報を、フィールド情報が取得されたシステムにおける面から、波面を特徴付けることが望ましいシステムにおける面に伝搬させるために計算される。

式（５）において、伝搬による一定の複素係数は、その複素係数が、主要な関心である強度画像の再構成に影響しないので無視されている。空間周波数の範囲は、正方形の瞳アパーチャゆえに制限される。フーリエ面における空間周波数の範囲をＮ×Ｎ画素（２Ｍ＞Ｎ）とし、次に近軸近似に従って、

とする。
この式で、Ｌは、正方形アパーチャの側部の長さであり、λは、中心波長であり、ｆは、レンズの焦点距離であり、Δｘは、瞳面における画素ピッチである。図４に示されているように、Ｎ×Ｎ画素データ４３１は、フーリエ面において窓外に置かれ、サイズ２Ｍ×２Ｍ ４３２のゼロアレイの中間に埋め込まれ、且つサイズ

を備えたＫ×Ｋサブアパーチャにセグメント化され、この式で、

は、床関数であり、Ｋは、中心サブアパーチャが基準として選択され得るように、通常、奇数である。この図は、２つの異なる小区分又はサブアパーチャ配置へのフーリエデータ４００の分割を示す。実線で示された第１の配置は、Ｋ＝３を備えたＫ×Ｋのオーバーラップしないサブアパーチャである。この配置における各サブアパーチャ（４０１、４０２、４０３、４０４、４０５、４０６、４０７、４０８、４０９）は、Ｎ／３画素を有することになろう。正方形ドット４２０は、オーバーラップしないサブアパーチャによる平均局所傾斜データのサンプリング点を表す。実線の箱と組み合わされた破線の箱４１０及び４１１は、両方向に約５０％のオーバーラップを伴うオーバーラップするサブアパーチャ配置を示す。円４２１は、オーバーラップするアパーチャのサンプリング点を表す。オーバーラップするアパーチャを用いると、サンプリング点の数が増加され、それは、位相推定における誤差を低減する。分割アパーチャ又は部分アパーチャなる用語は、一般的なアプローチを説明する際に、サブアパーチャと同様に使用することが可能である。正方形アパーチャが、説明の全体を通して用いられるが、数学的な変換を可能にする任意の形状のアパーチャ又は小区分が使用可能である。

及び

が、フィルタリングされセグメント化された瞳データ

の任意の２つの正方形サブアパーチャを表すものとし、次の式によって与えられる。

これらの式で、

及び

は、φ_ｐ及びφ_ｑの位相誤差を備えた理想的な収差のないデータを表し、

及び

は、平均傾斜であり、（ｘ_ｐｏ，ｙ_ｐｏ）及び（ｘ_ｑｏ，ｙ_ｑｏ）は、それぞれ、ｐ番目及びｑ番目のサブアパーチャにおける中心画素である。位相誤差が、一次テーラ級数によって近似され得るように、任意の所与のサブアパーチャが十分に小さいと仮定される。

及び

の２Ｄ逆離散フーリエ変換（ＩＤＦＴ）は、次の式に従って、画像面に逆に伝搬するように計算することができる。

Ｉ_ｐ及びＩ_ｑは、Ｉ_ｓの低解像度画像バージョンであり、両方が、同じ強度を有し、それによって、少なくとも２つの小区分に含まれる構造のバージョンを相関させると仮定される。Ｉ_ｐ及びＩ_ｑの強度は、２つの間の相対的なシフト又は平行移動などの一致を決定するために相互相関され、それから各サブアパーチャにおける相対的な局所波面傾斜が、次の式のように表現され得る。

これらの式で、Δｍ及びΔｎは、ｘ及びｙ方向における、画素の観点におけるシフトであり、ｐｏ、ｑｏは、局所傾斜データ値が割り当てられるｐ番目及びｑ番目のサブアパーチャにおける中心点である。これは、興味深い結果である。なぜなら、得られた傾斜データが、如何なるシステムパラメータからも独立しているからである。波面の基準及び相対的な傾斜が、他のサブアパーチャにおいて計算され、且つ対応する傾斜値が、各サブアパーチャにおける中心画素に割り当てられるように、中心サブアパーチャが選択される。

フルアパーチャφ_ｅにわたる推定波面誤差を再構成するために用いられる傾斜情報は、次の式に従って、テーラ単項式Ｔ_Ｊの線形結合としてモデル化することができる。

これらの式で、Ｘ及びＹは、全データアレイにおける中心画素が原点としてあるデカルト座標における画素位置を表し、Ｚは、単項式の最高次数であり、ａ_ｊは、決定するのが望ましい係数である。φ_ｅにおける定数項及び線形項は、それらが画像のぼけを引き起こさないので、無視される。次に、位相誤差の勾配が、次の式によって与えられる。

傾斜データ

を、各サブアパーチャにおける中心画素の位置における式（１５）の位相誤差の勾配

と比較することによって、マトリックスの形態における解が、
ＧＡ＝Ｓ （１６）
に従って決定される。
この式で、Ａ＝（ａ_２０．．．ａ_ＺＺ）は、決定されるべき係数マトリックスであり、Ｎｓ＝Ｋ×Ｋは、サブアパーチャの数であり、Ｎｇ＝｛［Ｚ（Ｚ＋１）／２］−３｝≦Ｎｓである。式（１６）の最小二乗解は、
Ａ＝（Ｇ^ＴＧ）^−１Ｇ^ＴＳ （１７）
として見つけることができる。

テーラ単項式は、使用が簡単なので用いられる。ゼルニケ多項式もまた用いることができるが、しかしそれらが、サンプリングされるアパーチャにわたって直交し、且つその解が、異なる形状のアパーチャには異なることに気を付けなければならない［１２］。同様に、勾配は、局所的表面配向の説明として用いられるが、しかしながら面法線ベクトルは、類似の情報を提供ことになろう。シミュレーションは、テーラ単項式が、位相誤差の決定において十分にうまく働くことを示す。一般に、画像相関によって個々に決定され得る表面であって、局所的表面配向の組み合わせから構成できる表面の任意の全体的説明は、この目的に適用可能である。

ひとたび係数及び位相誤差φ_ｅが推定されると、位相補正ｅｘｐ（−ｉφ_ｅ）は、フーリエデータ

に適用され、次に、２Ｄ ＩＤＦＴは、位相補正された画像

を得るために実行され、この位相補正された画像は、次の式によって与えられる。

が、Ｎ×Ｎ画素によって画定された瞳の境界の外部ではゼロであることに留意されたい。このプロセスは、収差のないボリューム画像を得るために、３Ｄボリューム画像の場合に収差をこうむる全ての層のために繰り返すことができる。瞳及びフーリエ面が同じである４Ｆシステムが仮定される。方法が、如何なるシステムパラメータからも独立していることが示されたので、それは、瞳がフーリエ面にない場合でさえ、画像のフーリエ変換に適用することができる。しかしながら、システムの光学空間周波数帯域制限のナイキスト基準を満たすために、データが、十分な密度でサンプリングされることに気を付けるべきである。そうでなければ、より高い空間周波数のエイリアシングが、画像上で２Ｄ ＤＦＴを実行する場合に、適切な再構成を妨げる可能性がある。

コンピュータシミュレーション
理論的な構成は、コンピュータシミュレーションを用いて示された。収差のあるデータセットが、実際の光学システムからの比較的収差のない取得から所定のオフセットを計算することによって、最初にシミュレートされる。このシミュレートされたデータセットを用いて、現在の方法の態様が適用される。

コンピュータシミュレーションは、ｆ＝５０ｍｍのレンズＬ１及びＬ２の焦点距離を備えた、図３に示されている同じ光学セットアップに基づく。中心波長λ_０＝８５０ｎｍ及び帯域幅Δλ＝８０ｎｍを備えた掃引レーザ源が、シミュレーション用に用いられるが、しかし任意の広帯域幅源が使用可能である。図５（ａ）は、周波数ｋ＝ｃ／λに関して、正規化されたパワースペクトルを示す。掃引が、光周波数において線形であることが仮定される。簡単にするために、単に方法の作動原理の実例のために、照明に対して乱反射を与える２Ｄ物体だけが検討される。シミュレートされる物体は、スペックル雑音をシミュレートするために、循環複素ガウス乱数が乗算された、サイズ５１２×５１２画素のＵＳＡＦ棒状ターゲットである。

最初に、収差のある物体の測定が、比較的収差のない実際の測定からシミュレートされる。測定された物体の画像、この場合にはデータの水平「スライス」が、１０２４×１０２４画素のサイズにゼロ詰めされ（ｚｅｒｏ−ｐａｄｄｅｄ）、高速フーリエ変換（ＦＦＴ：ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）が実行されて、波面が特徴付けられることになる瞳面に存在するフィールドが計算される。結果には、１０２４×１０２４画素にゼロ詰めされた５１２×５１２画素のサイズの単一値アレイである正方形アパーチャが乗算される。位相誤差を適用するために、結果には、式（１３）において与えられる係数ｅｘｐ（ｉφ_ｅ）が乗算され、次に逆高速フーリエ変換（ＩＦＦＴ：ｉｎｖｅｒｓｅ ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）が、逆に画像面にフィールドを伝搬するために計算される。最後のステップにおいて、ＩＦＦＴは、位相補正方法を実際には達成せずに、単に倒像を回避するためにＦＦＴの代わりに計算される。画像面における結果としてのフィールドには、追加伝搬距離を考慮するために、ｅｘｐ（ｉ２ｋ ｆ／ｃ）の位相係数が乗算され、次に、Δｚ＝６０μｍであるｅｘｐ｛ｉ２ｋ（ｆ＋Δｚ）／ｃ｝の位相係数を備えた遅延された基準軸上平面波が追加され、最後に、検出器で測定されることになるようなシミュレートされた干渉信号を得るために、平方絶対値が計算される。これは、２５６の等しいステップにおいて３．３７０８×１０^１４秒^−１から３．７０３７×１０^１４秒^−１まで変わる光周波数を備えた２Ｄ干渉信号のスタックを生成するために、掃引において各光周波数用に行われる。基準波強度は、物体フィールド強度の１００倍であった。

次に、本出願の態様は、シミュレートされた干渉撮像データに適用することができる。最初に、ＯＣＴボリュームが、光周波数軸に沿って変換することによって、位相補正なしにシミュレートされたデータから計算される。５１２画素へのゼロ詰め後に２５６スペクトル画素のＦＦＴは、検出面（１０２４×１０２４画素）の各横方向画素のために計算され、軸方向において、ＤＣ、自己相関及び複素共役項を所望の物体項から分離できるようにする。所望の物体項は、比較的に混乱要因がないフルボリュームデータセットの軸方向の一部分である。

図５（ｂ）は、カメラ上の１つの横方向画素におけるスペクトルインターフェログラムを示す。図５（ｃ）は、図５（ｂ）におけるインターフェログラムのＦＦＴである（Ａ走査）。図５（ｄ）は、如何なる位相誤差もなしに、図５（ｃ）における破線矩形の箱に含まれるピーク位置における再構成画像ボリュームからの分離された撮像スライスを示す。アパーチャを横切る山対谷位相誤差が５８．０３ラジアンであるように、６次までのテーラ単項式からなるシミュレートされた位相誤差、及び係数が、ランダムガウス分布から選択された。図５（ｅ）は、シミュレートされた位相誤差をラジアンで示し、図５（ｆ）は、図５（ｅ）に示されている位相誤差を適用した後で得られた、対応し分離された収差のある画像面である。位相誤差が光周波数から独立していること、及びシステムが、如何なる分散効果に対しても補償されることが仮定される。

図６は、本発明の方法の好ましい実施形態に基づいた位相誤差の一般化された推定及び補正用の概要図を示す。第１のステップにおいて、サイズ５１２×５１２画素の図５（ｆ）における分離された収差のある画像は、サイズ１０２４×１０２４画素にゼロ詰めされ、ＦＦＴは、波面が特徴付けられることになる平面、この場合にはフーリエ面に伝搬するように計算される。この伝搬ステップは、特徴付けられる所望の面及びデータ取得パラメータに依存して任意選択である。第２のステップにおいて、このシミュレーションではサイズ５１２×５１２画素の正方形であるアパーチャは、Ｋが奇数であるＫ×Ｋ小区分又はサブアパーチャに分割される。第３のステップにおいて、２つ以上のサブアパーチャのＩＦＦＴが計算される。第４のステップにおいて、中心サブアパーチャからの画像が、基準として選択され、この基準は、小区分間の一致を得るために、効率的なサブ画素登録技術［１３］を用いて、他の画像と相互相関される。傾斜及び位相誤差は、式１１〜１７による一致を用いて計算され、それによって、波面特徴を生成することができる。第５のステップにおいて、位相補正は、フーリエ面においてフルアパーチャに適用され、最後に第６のステップにおいて、ＩＦＦＴは、式（１８）におけるような位相補正された画像を得るために計算される。

図７は、様々なサブアパーチャ構成からもたらされる補正された画像を比較する。図７（ａ）、７（ｂ）、７（ｃ）及び７（ｇ）は、それぞれ３、５、７及び９に等しいＫの値を備えた、オーバーラップしないサブアパーチャ補正からもたらされる位相補正された画像を示し、図７（ｄ）、７（ｅ）、７（ｆ）及び７（ｊ）は、図７（ａ）、７（ｂ）、７（ｃ）及び７（ｇ）にそれぞれ対応するラジアンの残留位相誤差である。図７（ｈ）及び７（ｉ）は、３及び５に等しいＫ用の５０パーセントオーバーラップを伴うサブアパーチャ用の画像であり、図７（ｋ）及び７（ｌ）は、ラジアンのそれぞれの残留位相誤差である。

図７（ａ）において、Ｋ＝３であり、式（１３）に従って、最初の９つのテーラ単項式だけを用いてフィッティングされた９つのサンプリング点がある。しかし、図７（ａ）における画像を図５（ｆ）における劣化された画像と比較すると、画質が改善したことが明らかである。Ｋ＝５を備えた図７（ｂ）において、２５の係数を備えた６次までのテーラ単項式を用いてフィッティングできる２５のサンプリング点がある。図７（ｄ）におけるＫ＝３の場合と比較すると、残留位相誤差は、図７（ｅ）におけるＫ＝５では低減された。図７（ｃ）及び７（ｇ）において、それぞれＫ＝７及びＫ＝９であるが、しかし６次までのテーラ単項式だけが、サンプリング点を増加させる効果を見るために用いられた。残留誤差は、Ｋ＝７では減少するが、Ｋ＝９では増加する。これは、Ｋのサイズが増加すると共に、サブアパーチャがより小さくなり、従って、これらのサブアパーチャに対応する画像の解像度がまた低下し、シフト計算用の登録誤差につながるからである。これは、傾斜計算及び位相誤差推定における誤差に帰着する。明らかに、アパーチャの数を増加させることは、原則として、より高次の位相補正を可能にするが、しかしサブアパーチャにおけるより少ない画素数は、位相誤差の増加につながる。

また、均一な間隔を備えたサンプリング点を増加させるために、且つサブアパーチャの画素数を維持するために、５０パーセントのオーバーラップでサブアパーチャをオーバーラップすることが試みられた。５０パーセントのオーバーラップは、オーバーラップによるサブアパーチャデータの過度な冗長性なしに、サンプリング点の最大数を保証する。オーバーラップするアパーチャの場合に、Ｋは、もはや、サブアパーチャの数を表さないが、しかし

画素としてのアパーチャのサイズを画定する。Ｋ＝３では、オーバーラップしない場合と比較して、より高い残留誤差があり、図７（ｈ）の画像における或る収差もまた明白である。しかし、Ｋ＝５のとき、残留誤差は、オーバーラップする場合では減少する。これは、Ｋ＝３の場合に、位相補正用の平均傾斜が、オーバーラップしない場合より多くの収差を捕捉する一層大きなサブアパーチャにわたって計算されるからである。しかし、Ｋ＝５の場合に、残留誤差は、オーバーラップする場合では急速に減少する。Ｋ＝５の場合に、サイズは、この誤差を減少させるほど十分に小さく、図７（ｌ）における残留位相誤差の減少は明白である。最適なサブアパーチャの数及びオーバーラッピングの程度は、データ収集システムの存在する収差及び特徴に依存しても良い。

図８は、説明される特定の光学データ収集システム用のオーバーラップしない（正方形マーカ）及びオーバーラップする（ダイヤモンドマーカ）サブアパーチャの両方のために、異なるＫの値用の正規化された残留位相誤差（ＲＭＳ誤差）のプロットを示す。全体的な収差に関して、適切なサイズのオーバーラップするサブアパーチャを用いると、一般に、より低い残留位相誤差が得られる。より小さなサイズのサブアパーチャ（図８においてＫ＞１１）は、解像度の損失、及び残留位相誤差の増加につながる登録誤差の増加につながる。より大きなサブアパーチャに関し、より少数のサンプリング点でサンプリングされる波面の問題があり、従って、低次テーラ単項式用係数だけを見つけることができる。更に、大きなアパーチャは、著しいシステム収差の場合に、次善の結果につながる可能性がある。

焦点ぼけ収差に帰着する、アパーチャを横切る対称２次位相誤差の場合に、単に２つのサブアパーチャで波面を特徴付けることが可能である。図９は、この実施形態に関連するステップの概略図を示す。第１のステップにおいて、分離された収差のある画像は、ゼロ詰めされ、且つ波面が特徴付けられることになる面、この場合にはフーリエ面に伝搬するためにフーリエ変換される。第２のステップにおいて、結果としてのアパーチャは、好ましくは垂直又は水平に２つの部分に分割することができる。２つの部分が全アパーチャを占める必要はない。第３のステップにおいて、２つのサブアパーチャのＩＦＦＴが計算される。第４のステップにおいて、２つのサブアパーチャからの画像が、小区分間の一致を取得して位相誤差を推定するために、互いに相互相関される。各半分における位相誤差項は、等しい大きさだが反対方向を備えた線形傾斜を有する。２つの半アパーチャを用いて形成された画像を相互相関させることによる相対的なシフト情報を用いて、次のように、２次位相の係数の推定を容易に導き出すことができる。

この式で、Δｍは、ｘ方向における画素の観点からのシフトであり、２Ｍは、画素におけるデータアレイの合計サイズであり、Ｎは、画素におけるアパーチャのサイズである。式（１９）から、２次位相誤差を推定することができる。第５のステップにおいて、位相補正は、フーリエ面におけるフルアパーチャに適用され、最後に第６ステップにおいて、ＩＦＦＴは、位相補正されたか又は合焦された画像を得るために計算される。この方法は、長い反復を必要とする鮮明度最適化に基づいた焦点ぼけ補正方法と比較して、単純で高速である。図１０は、焦点ぼけを補正するための２サブアパーチャ方法を用いて、シミュレートされた焦点ぼけ画像（図１０（ａ））及び位相補正された画像（図１０（ｃ））を示す。図１０（ｂ）は、アパーチャにわたる２次位相誤差をラジアンで示し、図１０（ｄ）は、推定位相誤差をラジアンで示し、図１０（ｅ）は、残留位相誤差をラジアンで示す。

実験的検証
本出願の実験的検証用の全視野掃引源光学コヒーレンス断層撮影法（ＦＦ ＳＳ−ＯＣＴ：ｆｕｌｌ−ｆｉｅｌｄ ｓｗｅｐｔ−ｓｏｕｒｃｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ）セットアップの概略図が、図１１（ａ）に示されている。システムは、サンプル及び基準アームの両方において、同じタイプの顕微鏡対物レンズ（５×ミトツヨ・プラン・アポ（ＭｉｔｏｔｕｙｏＰｌａｎ Ａｐｏ）近赤外強度補正対物レンズ、ＮＡ＝０．１４、焦点距離ｆ＝４０ｍｍ）１１０１及び１１０２を備えた、リニック（Ｌｉｎｎｉｋ）構成に基づいた単純なマイケルソン干渉計である。図１１（ｂ）における２つの異なる図に示されているサンプル１１０３は、プラスチック層、粉ミルクの膜、及びＵＳＡＦ解像度試験ターゲット（ＲＴＴ：ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｅｓｔ ｔａｒｇｅｔ）からなる。左側の図は、ビーム伝搬方向に垂直なｘ−ｙ平面図におけるサンプルを示す。右側の図は、ビーム伝搬方向又はＺ軸に沿った３つの層を示す。粉ミルクの薄膜は、散乱及び乱反射を生成するために使用された。ランダムな収差を生成する不均一な厚さ及び構造のプラスチック層が、コンパクトディスク（ＣＤ）ケース用に使用されるプラスチックを加熱することによって生成された。レンズＬ１ １１０５上に入射する掃引レーザ源１１０４（スーパールム・ブロード・スイーパ（Ｓｕｐｅｒｌｕｍ ＢｒｏａｄＳｗｅｅｐｅｒ）８４０−Ｍ）からの出力ビームは、直径１０ｍｍであり、サンプル上の視野は、約２ｍｍである。サンプル上に入射するパワーは、５ｍＷである。ＲＴＴ面は、撮像しながら合焦された。Ｌ２ １１１２によって形成されたサンプル画像１１０６は、２．５×の有効倍率を備えたレンズＬ３及びＬ４によって形成された望遠鏡１１０８を用いて、カメラ面１１０７に転送される。直径４．８ｍｍの円形瞳Ｐ１１０９が、信号を空間的に帯域制限するために、レンズＬ３及びＬ４の焦点面に配置される。Ｍは、基準アームにおけるミラー１１１０であり、Ｂ．Ｓ．は、サンプル及び基準アームを分割し組み合わせるビームスプリッタ１１１１であり、１１０１及び１１０２は、５×近赤外顕微鏡対物レンズであり、Ｌ１及びＬ２は、焦点距離ｆ＝２００ｍｍのレンズであり、Ｌ３及びＬ４は、ｆ＝１５０ｍｍ及び７５ｍｍのレンズであり、Ｐは、Ｌ３及びＬ４の焦点面に配置された瞳である。

図１１（ｃ）は、不均一なプラスチックシートを用いて得られたＲＴＴ面の深さ分離された画像を示す。画像は、ミルク膜における散乱及びプラスチック層からの収差ゆえに斑点を含む。撮像のために、レーザは、Δλ＝０．０８２４ｎｍステップ幅で波長λ＝８３１．４ｎｍ〜λ＝８７３．６ｎｍから掃引され、各波長におけるフレームは、レーザと同期された１０８フレーム／秒のフレームレートで、ＣＭＯＳカメラ（フォトン・フォーカス（Ｐｈｏｔｏｎ Ｆｏｃｕｓ）ＭＶ１−Ｄ１３１２Ｉ−１６０−ＣＬ−１２）を用いて取得される。合計５１２フレームが取得される。ＲＴＴ面は、撮像しながら合焦している。ゼロ詰め及びスペクトル画素のλ〜ｋマッピング後に、１Ｄ ＦＦＴが、サンプルの異なる層に関する深さ情報を提供するために、各横方向画素用のｋ番目の次元に沿って実行される。図１１（ｄ）は、測定された画像のフーリエ変換を示す。瞳に対応する半径を越えて観察されたゼロ値は、帯域制限された、且つナイキスト限界に対する幾らかのオーバーサンプリングを伴い十分にサンプリングされた信号と一致する。ＲＴＴに対応する深層は、収差補正用に選択される。図１１（ｅ）は、図１１（ｃ）の画像におけるズームされたものを示し、３９０×３９０画素を示す。この画像において、ＲＴＴ要素（４、３）を明白に解像することが、かろうじて可能である。水平バーは、歪められたプラスチック層の異方性の性質ゆえに、視覚的には収差によって一層影響を受ける。ゼロ詰め後の図１１（ｄ）に示されている画像のＦＦＴは、円形エリア内の空間周波数情報を示す。更なる処理のために、正方形エリアが、約６００画素単位の円の直径と等しい側面に対しフィルタで除去された。

図１２は、幾つかの異なるサブアパーチャ構成用のサブアパーチャ処理後の位相補正結果を示す。５次までのテーラ単項式が、この例において位相誤差を決定するようにフィッティングされる。図１２（ａ）は、Ｋ＝３を備えた９つのオーバーラップしないサブアパーチャを用いて得られた、補正された画像結果を示す。この場合に、フィッティングは、式（１３）によって与えられる最初の９つの単項式の項までのみ含み、従って単項式フィッティングは、４次に制限された。図１２（ｂ）は、Ｋ＝３及び５０％オーバーラップを備えたオーバーラップするサブアパーチャで得られた、補正された画像を示す。図１２（ｃ）は、Ｋ＝５を備えたオーバーラップしないサブアパーチャ用の補正された画像を示す。画像は、少しより鮮明になる。図１２（ａ）における（５、１）、図１２（ｂ）における（５、２）、及び図１２（ｃ）における（５、４）までの水平バーを解像することができる。これは、図１０（ａ）、１０（ｂ）及び１０（ｃ）における場合に対して、１．６、１．８及び２の線形係数だけの解像度における改善にそれぞれ対応する。解像度における改善は、関係

を用いて計算され、この関係において、ｎは、グループにおける改善であり、ｍは、要素における改善である。補正された画像における垂直バーは、はるかに鮮明に見える。実験的セットアップの理論上計算された回折限界解像度は、６．５マイクロメートルである。実験的解像度は、瞳Ｐのサイズによって制限される。ＲＴＴにおける要素（５、４）に対応する図１２（ｂ）及び（ｃ）の場合の最良解像度は、約１１マイクロメートルであり、それは、理論的限界からは遠く離れているように思える。これは、主として、異方性撮像状態を引き起こす歪められたプラスチック層ゆえの、瞳面にわたる波面の強い局所的変動のためである。図１２（ｄ）、１２（ｅ）及び１２（ｆ）は、それぞれ、図１２（ａ）、１２（ｂ）及び１２（ｃ）の場合における、アパーチャにわたるラジアンの検出された位相誤差である。図１２（ｄ）〜（ｆ）が、存在し得る位相誤差の推定だけを示すことに留意されたい。残留位相誤差を計算するために基準位相誤差が既知であるシミュレーションと異なり、実験において、画質における改善は、最適な瞳分割条件を判断するために用いられる。

サンプル内における焦点ぼけ及び屈折率変化の影響もまた調査された。不均一なプラスチックシートは、厚さ１ｍｍの均一なプラスチックシートと取り替えられた。プラスチック層の存在は、画像を焦点ぼけさせる。図１３（ａ）は、（４、１）バーを解像することがかろうじて可能な場合に得られた収差のある画像を示す。図１３（ｂ）は、Ｋ＝３を備えたオーバーラップしないサブアパーチャを用いた、位相補正された画像結果を示す。図１３（ｄ）における対応する推定位相誤差は、サンプル内の屈折率の変化による焦点ぼけ及び球面収差の存在ゆえに予想される２次及び４次項の存在を示す。球面収差は、焦点ぼけとバランスを取ることができるので、図９に示されている２つのオーバーラップしないサブアパーチャの処理技術が、有効焦点ぼけ誤差を見つけるために適用された。結果は、図１３（ｅ）に示されている。図１３（ｃ）に示されている、この補正を用いて得られた画像は、解像度において、画像１１（ｂ）と似ている。解像度における改善は、これらの画像において明々白々である。なぜなら、今や、３．６倍の解像度の改善に対応する、図１３（ｂ）及び１１（ｃ）における（５、６）までのバーを見ることができるからである。本明細書で、焦点ぼけは、球面収差とバランスを保つ。

２つのオーバーラップしないサブアパーチャを用いる焦点ぼけ補正技術が、ブドウの３Ｄボリューム画像に適用された。デジタル再合焦方法は、拡張焦点深度の有効な達成を可能にする。ブドウの第１の層は、顕微鏡対物レンズの焦点面に配置された。理論的な被写界深度が、サンプルにおいてわずか１３０μｍなので（１．５の屈折率を仮定する）、より深い層は、焦点がずれて、ぼけて見える。図１４（ａ）は、矢印が３１３．５μｍの深さにおける層を示すブドウサンプルの断層写真を示す。図１４（ｂ）は、その層の正面図を示し、図１４（ｃ）は、焦点ぼけを補正された画像を示す。細胞の境界が、補正された画像においてはっきり見えるので、横方向解像度改善は、明白である。図１４（ｄ）は、補正された３Ｄデータボリュームを示す。ブドウサンプルのオリジナル及び焦点ぼけを補正された３Ｄボリューム画像の深さ方向におけるフライスルーを示す映画を作成することが可能である。これは、同じ横方向解像度が、焦点ぼけ補正後に深さ全体を通して維持されることを示す。この例において、被写界深度は、２つのサブアパーチャだけを用いたデジタル焦点ぼけ補正によって、うまく拡張することができる。

３Ｄ撮像の場合に、位相誤差補正は、単一層からの位相誤差推定を用いて、等平面ボリューム（ｉｓｏｐｌａｎａｔｉｃ ｖｏｌｕｍｅ）収差は、均一であり、サンプルは均一な屈折率を有する）全体を通して適用することができる。更に、収差及びサンプルがボリュームにわたって均一でない場合に、サブアパーチャ処理を用いて、関心領域に基づいた位相補正を行える可能性がある。

上記のサブアパーチャ方法は、コヒーレンスゲート波面感知と組み合わされた、シーンに基づいたシャック−ハルトマン波面感知と概念的に類似している。コヒーレンスゲートのシーンに基づいたサブアパーチャ方法が、サブアパーチャ及びシーン基づいた情報を利用して、どのように他の周知の波面感知技術に拡張され得るかを示すために、ピラミッド波面センサと類似した方法が、以下で説明され、図１５に示される。第１に、収差が測定されるべき面のサブアパーチャへの分割が、異なる線形位相ランプを面の各細区分に適用することによって、実行される。構造を含む面へのデータの変換は、各サブアパーチャを別々に変換するのではなく、サブアパーチャの全てを含む面全体を単一の変換で変換することによって、実行することができる。最後に、画像間の相関が、構造を含む面へデータを変換することによって生成される単一画像の小区分に対して実行されるべきである。サブアパーチャの数は、自由に変えられる。各サブアパーチャに適用される線形位相ランプの量は、各サブアパーチャからの結果としての画像がそれほどオーバーラップしないように、十分であるべきである。

更に、全視野光学干渉顕微鏡検査法取得のために説明されたサブアパーチャ補正はまた、「ラインフィールド」又は「飛点」システムのような走査ベースの干渉撮像で収集されたデータに適用可能である。全視野の場合に、横方向に隣接する点が同時に取得されるという利点がある。ボリュームを構築するために走査が用いられるシステムを使用すると、走査取得の間に生じる動きが、取得の間の位相オフセットを導入する可能性がある。この場合に、位相調整が、各取得の間に導入されても良い。必要とされる位相調整は、スペクトル領域において横方向に隣接するセンサ位置で取得されたデータの相関によって決定されても良い。この相関プロセスは、空間領域において分離された物体における光輝層から変換されたスペクトルに対して実行されても良い。明るく滑らかで表面的な反射が、かかる基準用に理想的である。この相関プロセス自体は、部分的に補正するか、又はボリュームの残りにおいて、より大きな位相誤差を導入する可能性さえある。しかしながら、その目的は、超高周波誤差を除去することである。ひとたび取得ごとの高周波誤差が除去されると、上記の技術は、データにおける収差を除去するために用いることができる。単一ｂ走査の単純化された場合において、サブアパーチャ位相検出がやはり可能であるが、しかしながら、それは、１次元においてのみアクティブである。２つの直交ｂ走査を取得することによって、焦点ぼけ、眼又は他の光学システムの収差、球面及び非点（円環体レンズ）収差に関する情報を取得することが可能である。より完全な図は、多くの放射状ｂ走査から組み立てることが可能である。

全視野光学干渉顕微鏡検査法取得のために示されたサブアパーチャベースの位相補正はまた、とりわけ総合的撮像システム［２２］、デジタル干渉ホログラフィ［２８］、及び干渉合成アパーチャ顕微鏡検査法［２７］の関連分野で取得されたデータに適用可能である。これらの場合に、測定データは、物体から検出器へのポイントツーポイント撮像において表現されない。極端な場合に、検出器は、物体に対して遠視野に位置する。この場合に直接検出された総合的データは、上記で説明され図９に示されている一般的方法の第１のフーリエ変換を実行した後の標準干渉データと類似している。しかしながら、深さ選択は、まだ適用されていない。この例は、深さ選択が、画像処理において様々な点でどのように適用され得るかを示す。例えば、取得データは、サブアパーチャに分割され、次に、画像面に変換されるのと同様に、深さ情報を分離するために、光周波数方向に変換されても良い。この点において、関心のある深さが分離されても良く、２Ｄ画像が、方法に従って選択され相関されても良い。データが、画像面にもフーリエ面にも近くもない面に対して脱焦される面において記録される場合に、それをサブアパーチャに分割する前に、近似フーリエ面の仮定された位置に波をデジタル的に伝搬することが有利になり得る。

総合的検出の更なる例は、基準光線が、物体から戻る光線に対して軸外から導入される場合を含む。この配置は、記録されたデータにわたって位相ランプを導入する［１８］。この場合に、記録されるデータは、再びフーリエ面又は中間面に存在し得る。この場合に、画像が、サブアパーチャを変換することによって生成される場合に、各画像は、画像の中心におけるゼロ周波数ピークの反対側に明白に分離された画像及び複素共役画像を含む。再構成画像及び共役画像の位置は、基準光線の傾斜によって導入された位相によって主として決定される。サブアパーチャにおける位相誤差による画像の如何なる位置シフトも、共役画像において同一及び反対測定で導入される。従って、２つのサブアパーチャの画像間の相関を実行するために、０次ピーク及び複素共役画像を含む背景から画像を露出させることが重要である。

本方法はまた、非等平面状（ｎｏｎ−ｉｓｏｐｌａｎａｔｉｃ）の全視野にわたって、即ち収差がシステムの視野にわたって変化している領域にわたって、収差測定に拡張することができる。この例において、サブアパーチャ間の相関は、単にサブアパーチャ画像全体用の単一ピーク相関に帰着せず、むしろ相関は、フローフィールドに帰着し、そこでは、サブアパーチャ画像における各点は、基準サブアパーチャ画像に対してわずかに異なる一致又は登録を有する。この方法は、視野の各領域が異なる位相補正を有することができるようにする。このときに、上記のように、画像の全てのサブ領域用の位相誤差を同時に計算できることが明らかである。位相補正で画像を再構成するために、可変位相補正が、異なる方向（画像面位置）に伝搬される平面波用に適用される必要があろう。

画像面の一部分（又はクロッピング）を用いて、フーリエ面の空間周波数の全範囲を生成することがまた可能である。画像面の一部分が、フーリエ面への変換に先立って、画像面のフルサイズにゼロ詰めされる場合に、空間周波数サンプリング密度は、類似している。画像面の一部分が、直接又はより少ないゼロ詰めで変換される場合に、フーリエ面における空間周波数は、より少ない密度でサンプリングされる。この計算されたフーリエ面は、サブアパーチャに分割され得、且つ完全な画像面データを用いて、説明されたように正確に波面の特徴付けのために用いることができる。この方法は、収差が、画像にわたって一定であると仮定できる場合に計算強度を低減しても良く、又は収差が視野にわたって異なりそうな場合に、より優れた分離を個別視野に与えても良い。

反復（しかしやはり決定論的な）アプローチは、有利に利用可能である。なぜなら、各反復において、サブ画像の質が改善し、従って、サブアパーチャ相関の質が、所望の補正レベルが達成されるまで改善可能だからである。この場合に、反復サイクルの数と共に位相面補正の次数を増加させ、各反復と共にサブアパーチャの数及び相関の精度を増加させることが論理的である。より高次でより正確な計算用のためだけのフロー推定などの処理集約的ステップを検討することがまた意味をなし得る。

サブアパーチャ相関方法が、第１に、ＯＣＴボリュームにおける収差を特徴付ける方法であるので、方法は、処方レンズの製造のために眼内レンズの選択において又は屈折矯正手術への入力としての最高級の屈折矯正の推奨のために、人間の眼における収差を定量化するために用いられるなど、収差計として価値を有する。方法はまた、従来の収差測定が困難だった、例えば複数の反射がシャック−ハルトマンセンサの使用を困難にする場合の材料用の収差計としての価値を有する［２０］。特定の組織層を識別できる優れた収差計は、高いパワー又は解像度が必要とされる、且つデジタル位相補正が可能でない場合がある蛍光測定、多光子蛍光測定、フェムトセカンド手術又は他の診断若しくは治療様式用など、優れた適応光学顕微鏡検査法を可能にし得る。マウスの眼は、従来の波面センサでは関心のある特定の層における収差を分離するのが困難である科学的関心かかる１つのエリアである［２１］。

波面補正方法を組み込む従来の装置において、必要とされる補正量を波面補正ドライバに通知するのに有益な装置が含まれる。しばしば、かかる装置は、波面補正が適切な場合に、有益な装置によって行われた測定と理想的な測定状態との間の差異状態が最小化されるような方法で、波面補正方法との関係に含まれる。差異状態が最小化されるまで、調整が、波面補正方法に対して行われる場合に、コントローラは、「閉ループ」を作動させていると言うことができる。代替として、システムは、「開ループ」を作動させても良く、この場合、波面補正の所与の状態は、有益な装置からの特定の入力に対応し、システムは、理想的な安定解へ向けて誤差を低減するために、フィードバック及び変更の反復セットに依存しない。

従来の波面補正装置が、送出された光放射ビームのビーム品質を改善している場合に、光は、通常、回折限界スポットサイズの方へ一層集中される。より集中されたスポットを用いれば、送出される同じ全エネルギで、より大きな強度を達成することができる。特に、多光子蛍光／吸収、コヒーレントアンチラマンストークス散乱などの非線形光学プロセスの場合に、所望の効果は、光強度と共に線形速度より大きな速度で増加する。損傷が蓄積され得る生物組織において、エネルギ照射を低く維持することが同時に重要である。厚いサンプルにおいて非線形技術が非常に望ましいことが多い。なぜなら、光は、強度が高い場合に、焦点の近くでサンプルと吸収的に相互作用するだけの可能性があるからである。正確にはこれらのサンプルにおいて、従来の技術で収差を推定するのは困難になり得る。従って、特に非線形光学プロセスを可能にするためにビームを送出する場合に、厚い散乱的な生物サンプルの非侵襲性のプレビューを提供し、且つ埋もれた特徴への光路上の収差測定を同時に提供できる光学コヒーレンス断層撮影技術と、埋もれた特徴の近くにおける生物サンプルを調査又は修正するビームを位相補正する適応光学との間の強い相乗効果がある。

最先端技術の波面補正装置は、変形可能なミラー及び液晶変調器を含むが、他の装置が可能である。波面補正装置は、典型的には、システムの瞳面又はその近くに配置される。波面補正ドライバが、装置の表面にわたって可変光学遅延を達成するために、波面補正装置上のアクチュエータに信号を送信し、それにより、瞳にわたって可変位相補正を達成する。

上記の方法は、サンプル内の各深さで収差を測定し、次に、面に対する観察された位相誤差測定に用いて、その面を再構成する方法を含む。参考文献１５、１８、２２に説明されている方法はまた、本明細書に説明されている方法によって測定されるように、少なくとも単一の面における波面誤差を含むように且つそれをボリューム全体の効率的な計算のために含むように容易に適合される。この場合に、方法の補正能力は、撮像されたボリューム自体の内の等方性の収差のない屈折率を仮定することによって制限される。収差補正の本発明の方法は、それが、ボリューム内の任意の位置で導入された収差を計算し、且つ収差を含む層にだけ補正を適用できるという利点を有する。かかる局所的位相誤差は、画像の小さなパッチ用にだけ、フーリエ面において補正され得る。より広いフィールドにわたる補正を達成するために、局所的位相誤差は、収差の源により近い面において補正又は２次補正を適用することによって、より良く扱うことが可能である。本明細書で説明される方法は、以前の方法には欠けていた、位相誤差を見つける決定論的な方法を加える。この決定論的な方法は、高速計算に一層良く適合され、且つ以前に説明された反復方法であるグラフィカルプロセッサユニット（ＧＰＵ：ｇｒａｐｈｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ ｕｎｉｔ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）又は特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ：ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｃｉｒｃｕｉｔ）などの加速された計算環境において、より論理的に実行される。

ＤＦＴ及びＦＦＴは、方法の好ましい実施形態において説明される。ウェーブレット変換、フィルタバンクなどの周波数分析を実行するフーリエ積分、又は他の手段が、類似の関数を実行するために用いることが可能である。同様に、サブアパーチャ間の相関は、サブアパーチャデータから生成された画像内の特徴の変位を比較する方法として説明される。これは、画像セットにおける類似の分布間の空間的関係を見つける一般的な登録技術として解釈されるべきである。本出願の好ましい実施形態の説明は、フーリエ変換によって関連付けられるスペース間の複数の変換を含む。しばしば、周波数領域への変換は、数学的又は教育上の便宜の問題であり、等価な動作が、代替領域において可能である。特に、相関演算が、周波数領域における乗算演算（アレイをフリップすることと等価な符号変換を用いる）と等価であるので、提案される方法の全体的な趣旨を変化させずに、方法の数学的形式化を変化させる様々な操作が、本発明の好ましい実施形態に対してなし得る［１９］。

本出願の教示を組み込む様々な用途及び実施形態が、本明細書で示され詳細に説明されたが、当業者は、やはりこれら教示を組み込む他の様々な実施形態を容易に考案することができる。

以下の参考文献が、これによって参照により援用される。
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米国特許出願公開第２０１１／０１３４４３６号明細書 ポドレアニュ（Ｐｏｄｏｌｅａｎｕ）ら著、「深度解像波面感知用の方法、深度解像波面センサ、並びに光学撮像用の方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ，ｄｅｐｔｈ ｒｅｓｏｌｖｅｄ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｉｍａｇｉｎｇ）」
米国特許第７，６５９，９９３号明細書 フェイエラベンド（Ｆｅｉｅｒａｂｅｎｄ）ら著、「波面感知用の方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ）」
欧州特許第１６２６２５７号明細書 デンク（Ｄｅｎｋ）ら著、「波面感知用の方法及び装置（Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ）」
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２１．Ｄ．Ｐ．Ｂｉｓｓ ｅｔ．ａｌ．“Ａｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｂｉｏｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｆｏｒ ｍｏｕｓｅ ｒｅｔｉｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ”Ｐｒｏｃ ＳＰＩＥ ６４６７，６４６７０３（２００７）
２２．Ｄ．Ｈｉｌｌｍａｎｎ ｅｔ ａｌ，“Ｈｏｌｏｓｃｏｐｙ−ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔｅｒｓ ３６（１３），２３９０（２０１１）
２３．Ｍ．Ｆｅｉｅｒａｂｅｎｄ ｅｔ ａｌ．“Ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ−ｇａｔｅｄ ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｎ ｓｔｒｏｎｇｌｙ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｓａｍｐｌｅｓ，”Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２９，２２５５−２２５７（２００４）
２４．Ｍ．Ｐｉｒｃｈｅｒ ａｎｄ Ｒ．Ｊ．Ｚａｗａｄｚｋｉ，“Ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｗｉｔｈ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ：Ｕｎｖｅｉｌｉｎｇ ｔｈｅ ｃｅｌｌｕｌａｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍａｎ ｒｅｔｉｎａ ｉｎ ｖｉｖｏ，”Ｅｘｐｅｒｔ Ｒｅｖ．Ｏｐｈｔｈａｌｍｏｌ．２，１０１９−１０３５（２００７）
２５．Ｋ．Ｓａｓａｋｉ，Ｋ．Ｋｕｒｏｋａｗａ，Ｓ．Ｍａｋｉｔａ，ａｎｄ Ｙ．Ｙａｓｕｎｏ，“Ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｄｅｐｔｈ ｏｆ ｆｏｃｕｓ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｄｏｍａｉｎ ｏｐｔｉｃａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｃｅ ｔｏｍｏｇｒａｐｈｙ，”Ｂｉｏｍｅｄ．Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ３，２３５３−２３７０（２０１２）
２６．Ｄ．Ｈｉｌｌｍａｎｎ，Ｇ．Ｆｒａｎｋｅ，Ｃ．Ｌｕｅｈｒｓ，Ｐ．Ｋｏｃｈ，ａｎｄ Ｇ．Ｈｕｅｔｔｍａｎｎ，“Ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｈｏｌｏｓｃｏｐｙ ｉｍａｇｅ ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，”Ｏｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ ２０，２１２４７−２１２６３（２０１２）
２７．ＵＳ Ｐａｔｅｎｔ Ｎｏ ７，６０２，５０１
２８．Ｋｉｍ ＭＫ“Ｔｏｍｏｇｒａｐｈｉｃ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｆ ａ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｐｅｃｉｍｅｎ ｕｓｉｎｇ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｓｃａｎｎｉｎｇ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ”Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ７（９）３０５−３１０，２０００

Claims (24)

1. サンプルに対する干渉撮像データにおける波面を特徴付けるための方法であって、干渉データが、前記サンプル内の横方向構造に関する情報を含み、方法が、
   前記横方向構造が位置するサンプルにおける深さに対応する前記干渉データの軸方向の一部分を分離すること、
   前記波面が特徴付けられるべき面において、前記軸方向の一部分を横方向の小区分に分割すること、
   前記横方向の小区分の少なくとも２つの間の一致を決定すること、
   前記一致を用いて、前記波面を特徴付けること、
   波面特徴付けを記憶若しくは表示するか又は前記波面特徴付けを後続プロセスへの入力として用いること、
   を含む方法。
2. 小区分間の一致が、少なくとも２つの小区分に含まれる構造のバージョンを相関させることによって決定される、請求項１に記載の方法。
3. 小区分間の一致が、構造を含む、物体深さと光学的にほぼ共役な面において、前記小区分を相関させることによって決定される、請求項１に記載の方法。
4. 前記波面の特徴付けが分割ステップに先立って決定されるべきである面に、前記軸方向の一部分を伝搬させることを更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記干渉データが、総合的撮像データである、請求項１に記載の方法。
6. 前記サンプルが人間の眼である、請求項１に記載の方法。
7. 前記干渉撮像データが、全視野光学コヒーレンス断層撮影法撮像データ、ラインフィールド光学コヒーレンス断層撮影法撮像データ、及び飛点光学コヒーレンス断層撮影法撮像データのうちの１つである、請求項１に記載の方法。
8. 前記干渉データが、広帯域光源を用いて収集され、分離が、光源のコヒーレンス長さを用いて達成される、請求項１に記載の方法。
9. 前記小区分がオーバーラップする、請求項１に記載の方法。
10. 前記波面の特徴付けが、小区分間の一致から局所的波面配向の導出を含む、請求項１に記載の方法。
11. 前記波面の特徴付けが、テーラ単項式又はゼルニケ多項式のうちの１つを用いることを含む、請求項１に記載の方法。
12. 前記波面の特徴付けを波面補償装置への入力として用いて補償された波面を生成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
13. 前記補償された波面が、高パワー又は高解像度が必要とされる診断又は治療様式において用いられる放射ビームにおいて収差を補償するために用いられる、請求項１２に記載の方法。
14. 波面特徴付けを用いて前記干渉撮像データを補正すること、および低減された収差を備えた前記干渉データから画像を生成することを更に含む、請求項１に記載の方法。
15. 所望の補正レベルが達成されるまで、分割ステップ、決定ステップ、及び特徴付けステップを反復することを更に含む、請求項１に記載の方法。
16. 前記軸方向の一部分が、２つの小区分に分割され、波面特徴付けを用いて焦点ぼけが決定される、請求項１に記載の方法。
17. 前記波面の特徴づけを製造プロセスへの入力として用いることを更に含む、請求項１に記載の方法。
18. 前記波面の特徴づけを手術プロセスへの入力として用いることを更に含む、請求項１に記載の方法。
19. 前記サンプル上の測定エリアが、非等平面状であり、異なる波面特徴付けが、前記サンプルの異なる領域用に計算される、請求項１に記載の方法。
20. 前記異なる領域が、横断方向において分離される、請求項１９に記載の方法。
21. 前記異なる領域が、軸方向において分離される、請求項１９に記載の方法。
22. 位相調整を前記干渉撮像データに適用することを更に含む、請求項１に記載の方法。
23. 横方向構造を含む光散乱物体を撮像するための干渉撮像装置であって、
    放射ビームを生成するように配置された広帯域光源と、
    ビームを基準アーム及びサンプルアームに分離するためのビーム分割器であって、前記サンプルアームが、撮像される前記光散乱物体を含む、前記ビーム分割器と、
    撮像される前記光散乱物体上に前記放射ビームを導くための、且つ物体から散乱された光及び前記基準アームから戻る光を組み合わせるための光学系と、
    前記組み合わされた光を記録し、該組み合わされた光に応じて信号を生成するための検出器と、
    前記横方向構造が位置するサンプルにおける深さに対応する生成信号の軸方向の一部分を分離し、収差が特徴付けられるべき面において、前記軸方向の一部分を横方向の小区分に分割し、且つ前記小区分の少なくとも２つの間の一致を決定するためのプロセッサと、
    を備える干渉撮像装置。
24. 前記広帯域光源が掃引源である、請求項２３に記載の干渉撮像装置。