JPH11504129A - 位相コントラスト画像形成 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は位相コントラスト画像に基づいて所定の強度パターンを合成する方法及びシステムに関するが、位相シフトφが１ラジアンより小さいとする従来技術の方法の仮定には基づいていない。空間位相変調器の画素と生成される強度パターンの画素の間の簡単な逐点マッピングを用いる簡単な画像形成操作に基づいた進歩性を有する方法が提供される。本発明によれば、低電磁エネルギー損失で強度パターンを合成する方法が提供され、空間位相マスクを用いて入射電磁放射の位相を空間位相マスクの個々の画素のフェーザー値によって変調する電磁放射の空間変調を備える。各フェーザー値は、フーリエ変換されたフェーザー値が所定の空間周波数に対して所定の値をとり、空間位相マスクの特定の画素のフェーザー値が強度パターンの画素の画像の特有の強度レベルに対応する。さらに、電磁放射の一部を位相シフトする空間位相フィルターを備えており、位相シフトされた電磁放射の一部と電磁放射の残部との間の画像平面における干渉により強度パターンを生成する画像形成システムと組み合わせて用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 位相コントラスト画像形成 技術分野 本発明は、位相コントラスト画像に基づいて所定の強度パターンを合成する方 法とシステムに関する。 背景技術 照射ビームのエネルギーの吸収または遮蔽により物体の照射面に画像を形成す ることは良く知られている。例えば、オーバヘッドプロジェクタにおいては、Ｏ ＨＰシートは、プロジェクタの光ビームの一部を吸収または遮断し、これにより ＯＨＰシートの像の拡大画像がスクリーン上に形成される。しかし、これは、画 像形成システムからの発光の一部が反射または吸収されることによる光強度損失 をもたらす。 例えば、合成強度パターンの光強度損失やシステムの部品内での発熱パワー散 逸等をもたらすエネルギーの損失を回避するために、幾つかの方法とシステムが 開発されており、その場合、光ビームの振幅または強度の代わりに光ビームの位 相が変調される。光ビームの位相の変調はエネルギー損失を引き起こさないから である。この位相変調は、位相変調の振幅または強度変調への変換を伴う。 ホログラフィー光学素子などの回折光学素子を用いて位相変調を行う。ここで 、位相変調の強度変調への変換により形成された画像の各点において得られる強 度変調は、画像の各点における光強度が回折光学素子の全表面から受光された光 の可干渉な重ね合わせにより形成されるので、回折光学素子の各点における位相 変調値に依存する。回折光学素子は、所定の強度パターンの合成に対して設計す るにはむしろ複雑である。 画像形成方法とシステムはまた、位相変調と関連して用いられる。これらの方 法とシステムは、位相変調の強度変調への変換により形成される画像の一点の強 度が、位相変調器の一点における位相変調値にのみ依存するという事実を特徴と する。この点が画像形成システムにより問題の画像の点上に結像されるからであ る。この１対１の関係はこれらのシステムにおける位相変調器の設計を簡単にす る。この種の方法とシステムは位相コントラスト画像形成方法及びシステムと呼 ばれる。 位相コントラスト画像形成方法は、当初、顕微鏡分野において開発された。顕 微鏡による観察対象の多くはかなり透明であり、従って殆どまたは全く光を吸収 しない。光がこのような対象を通過するときの支配的な効果は空間的に変化する 位相シフトの発生であるが、人の目は光の強度および色には応答するが、光の位 相には応答しないので人はこれを見ることができない。 １９３５年、フリッツ・ゼルニケ（Ｆritz Ｚernik）は、空間フィルタ原理に 従い、また観測強度が対象による位相シフトに線形関係する利点を有する位相コ ントラスト法を提案した。 で示される振幅透過率を有する透明物体が画像形成システム内で可干渉に照明さ れる。説明を簡略化するため、倍率を１と仮定し、またシステムの出射および入 射瞳の有限範囲を省略する。さらに、位相シフトと強度の間で直線性を得る必要 条件は、位相シフトφが１ラジアン以下であることであり、その場合の振幅透過 は、 により近似できる。 φ²オーダー以上の項は、この近似では省略される。(2)式の第一項は変化なし に試料を通過する強い波動成分を導き、一方第二項はシステムの光軸から偏向さ れるより弱い回折光を生成する。 従来の顕微鏡により生成された画像は、 と表すことができる、ここでφ²の項は0で近似されている。回折光は、強い背景 光と直角位相であるため観測可能でない。ゼルニケは、背景が焦点面の光軸上の 焦点に導かれ、一方高次の空間周波数を含む回折光は焦点から散開することを認 識したので、彼は、位相変更板を焦点面内に挿入して、収束光および回折光の間 で 位相関係を修正することを提案した。 位相変更板は、小さな透明誘電体のドットがコートされているガラス基板から 構成することができる。このドットは、焦点面の中心に配置されると共にこのド ットが収束光の位相を回折光の位相遅延に対してπ/2ラジアンまたは3π/2ラジ アンだけ遅延させるような厚さと屈折率を有する。前者の場合には、画像平面内 の強度は、 になるが、後者の場合には、 になる。 このようにして、画像強度は、位相シフトφに線形に関係付けられる。背景の 位相がπ/2ラジアンだけ遅延されると、結果は正の位相コントラストとして知ら れ、一方3π/2ラジアンの遅延は負の位相コントラストを与えると言われる。 上述の方法は、大きな直流成分に重ね合わされる小さな位相信号を与える位相 コントラスト画像形成法を導くものである。これは、通常は直流成分を減衰させ て位相変調信号に含まれる情報を増幅する必要があるため本方法の重要な欠点の 要因となる。しかし、直流成分の減衰はエネルギー損失を導く。この種のフィル タリングは通常は暗視野フィルタリングと呼ばれる。 上述の位相コントラスト画像形成方法のもう一つの欠点は、実用的な実際の用 途では、非常にしばしば満足されない位相シフトφが1ラジアン以下であるとい う仮定に基づいていることである。しかし、この理論は、基本的な仮定が満足さ れないという事実を無視してなおこのような用途に適用されており、またこの理 論は最適化されていない人為的な解をもたらす。 欧州特許第０６５７７６０号には、位相コントラスト画像形成システムが開示 され、そこでは画像シミュレーションおよび投影システムは、テキサスインスト ルメント屈曲ビームデジタルミラー装置（ＤＭＤ）に基づいている。屈曲ビーム ＤＭＤは、反射光のアナログ位相変調に用いられ、位相変調は位相コントラスト 画像生成法を利用して振幅変調に変換される。屈曲ビームＤＭＤは、フリッカー のない変調波をもたらし、従って光学画像センサの同期は不要になる。開示され たシステムはゼルニケ法に従って動作し、従って対応する上述の欠点を有する。 位相コントラスト画像形成システムのもう一つの例が、英国特許第２１９９７ １６号に開示され、そこではミサイル誘導システム用の光学誘導ビーム投影器が 開示され、これは空間的に強度変調された誘導ビームを提供するものである。空 間位相変調器が誘導ビームを生成するために用いられる。空間位相変調器の位相 符号化は、2つの位相値0とπ/2の周期方形波変調（50％デューティーサイクル） を構成する。位相変調は、フーリエ変換レンズおよび背景信号にπ/2だけの位相 シフトを与える位相板により振幅変調に変換される。位相コントラスト画像に基 づいて光誘導ビームの特定の強度パターンを合成する方法はこの書類には開示さ れていない。 位相コントラスト画像形成システムの同様の例が、「位相コントラストに基づ くアレイ照明装置」、Ａpplied Ｏptics Ｖol.27,Ｎo.14、2915〜2921頁（1988 年）に開示されている。一様な強度の幅広いビームを損失なしに明るいスポット の配列に変換する方法が開示されている。入力空間位相マスクは、位相値πを有 する位相ドットの周期アレイを構成し、位相マスクの残る領域は位相値0を有す る。位相変調は、フーリエ変換レンズおよび背景信号の位相シフトをπだけ与え る位相板により振幅変調に変換される。この方法は２進位相値0とπを持つ周期 アレイ構成の実施に制限される。 光ビームの空間位相変調については、例えば、「ソビエト連邦におけるコンピ ュータ工学の特別号」Ｏptics and Ｌasers in Ｅngineering,Ｖol.15,Ｎo.5（1 991年）に開示されたようにいわゆる「放射焦点調整器」(radiation focusator) 、すなわちコンピュータ生成ホログラフィー光学素子を用いることがよく知られ ている。しかし、このような素子は、合成には複雑である。通常は、それらは、 フレネル領域またはフラウンホーファ領域に所望の画像が形成されるようにして 合成を行う。従って、このようにして、生成された画像における画素の強度は、 ホログラフィー光学素子の画素の幾つかの、通常は全ての位相値の関数である。 明らかに、これは汎用のホログラフィー光学素子の設計を複雑にし、また改良さ れた非常に時間のかかるアルゴリズムが適用されなければならない。さらに、ホ ログラフィー 光学要素の複雑な設計は、このような要素を動的に変化自在な空間位相変調器に 実装することをほとんど不可能にする。 ホログラフイー光学要素のさらに他の欠点は、搬送周波数が軸外れシステム形 状で生ずる非回折光から回折光を分離するために必要とされ、これらの高周波数 項をサポートしうる回折媒体を必要とすることである。 発明の開示 本発明の目的は、強固、コンパクト、簡単な設計で、比較的安価に製造できる 上述の種類の装置を提供することである。 本発明の他の目的は、位相コントラスト画像形成による改良された方法と装置 を提供することにある。この位相コントラスト画像形成は、テイラー級数 の全ての項を考慮し、従って位相シフトφが１ラジアン以下という仮定に基づい ていない。テイラー級数の各項が、関数t(x,y)の直流値に寄与するということに 留意することが重要である。この事実は、直流値は式(2)の数値1により表される と今でも信じられているので、技術的には認められていない。 本発明のさらに別の目的は、位相変調信号に含まれる情報を増幅するために信 号の直流成分を減衰させる必要のない位相コントラスト画像形成の改良された方 法と装置を提供することにある。 本発明のもう一つの別の目的は、空間位相変調器の画素と生成された強度パタ ーンの画素の間に単純な１対１マッピングを用いる簡単な画像操作に基づく改良 された方法を提供することにある。 本発明によれば、強度パターンを低い電磁エネルギー損失で合成する方法が提 供され、この方法は、入射電磁放射の位相変調用の空間位相マスクを用いて、空 間位相マスクの個々の画素のフェーザー値による電磁放射の空間変調からなり、 各フェーザー値は、 1) フーリエ変換されたフェーザー値は、所定の空間周波数に対する所定の値 をとり、かつ 2) 空間位相マスクの特定の画素のフェーザー値は、強度パターンの画素の画 像の特有の強度レベルに対応する、 ように決定され、さらに、電磁放射の一部を位相シフトさせる空間位相フィルタ ーを備え、位相フィルターにより位相シフトされた電磁放射の一部と電磁放射の 残部の間での画像形成システムの画像平面内における干渉による強度パターンを 生成する画像形成システムと組み合わせて用いられる。 本方法は、二つの空間次元（平面符号化）における空間位相マスクの符号化に 関連するが、本方法の原理は1〜3空間次元における、および／または時間次元に おける位相符号化に利用できる。 電磁放射は、任意の周波数領域の電磁スペクトルでよい。つまり、ガンマ線領 域、紫外線領域、可視領域、赤外線領域、遠赤外線領域、Ｘ線領域、マイクロ波 領域、ＨＦ（高周波）領域等がある。本方法はまた電子放射、中性子放射などの 粒子放射に対しても適用可能である。 好適には、電磁放射は単色または準単色であり、従って電磁放射のエネルギー は狭い周波数帯域に集中される。強度パターンは、電磁放射の共通源から射出さ れるが、それぞれの位相は異なって変化する二つの電磁波の干渉により合成され るので、電磁放射の２つの波が可干渉であり、従ってそれらの重ね合わせが所望 の強度パターンを生成することを補償するよう射出された電磁放射の周波数範囲 が十分に狭いことが要求される。周波数範囲が広すぎる場合は、２つの波は非可 干渉であり、かつ位相情報は、２つの波の強度の和をもたらす非可干渉波の重ね 合わせの際に失われる。重ね合わせられる電磁放射の個別の遅延差は、放射波長 より小さいことが要求される。これは、電磁放射が比較的広帯域になることを許 容する緩和要件である。例えば、可視領域では、本発明によるシステムにおける 光源としてＸeランプまたはＨgランプを用いて、レーザ光源に比べて、スペック ルノイズが減少するという利点が得られる。電磁放射の空間コヒーレンスの要件 は、対応するシステムの空間帯域幅積に依存し、また要求されるシステムの性能 がシステムの理論的に得られる性能にどのくらい近いかに依存する。 好適には、電磁放射は、レーザやメーザ、位相同期レーザダイオードアレイな どのコヒーレントな電磁放射源により生成される。ただし、ＨgランプやＸeラン プなどの高圧アークランプも使用出来、また白熱ランプさえも低性能システムに おける電磁放射源として用いることができる。 空間位相マスクは、これに入射する電磁波の位相を変化させる構成要素である 。空間位相マスクは入射電磁波を透過または反射する。通常は、空間位相マスク は多数の画素に分割され、それらの各々は入射電磁波を、その位相を特定の所定 値だけ変えることにより変調する。これらの所定値は、構成要素に適用される手 法に依存して異なる方法で各々の画素に割り当てられる。例えば、空間光変調器 においては、各々の画素は光学的あるいは電磁的にいずれかによりアドレスされ る。電気アドレス法は、各画素が電子回路を介してアドレスされ、アドレスされ た画素により発生させる位相変化に対応する制御信号を受けるという点で固体メ モリのアドレス法に類似している。光学的アドレス法は、各画素を光ビームをそ れに向けて照射することによりアドレスし、光ビームの強度は光ビームに照射さ れた画素により生成される位相変化に対応する。 空間位相マスクは、固定位相マスク、液晶を備える液晶ディスプレイ技術に基 づく装置、ダイナミックミラー装置、デジタルマイクロミラーアレイ、変形自在 ミラー装置、薄膜空間光変調器、レーザダイオードアレイ（集積光源と位相変調 器）、スマート画素アレイなどを利用して実現される。 空間位相フィルタは、通常は、特定の位置に誘電体層をコートした光学的にフ ラットなガラス板などの固定位相マスクである。但し、前段落で示した空間位相 マスクを空間位相フィルタに用いてもよい。 画像形成システムは、空間位相マスクの位相変調画素を合成強度パターンのタ ーゲット面上にマッピングする。このシステムは、4fレンズ構成（光の透過を利 用する2つのフーリエ変換レンズまたは光の反射を利用する1つのフーリエ変換レ ンズ）または単一の撮像レンズから構成される。但し、空間位相フィルタに対し てフィルタ面を与える任意の光学的画像形成システムを位相コントラスト画像形 成システムに用いてもよい。 本発明による方法においては、合成強度パターンは画像形成システムの画像平 面内での2つの電磁波の重ね合わせにより生成される。空間位相マスクはそれに 入射する電磁波の位相値を変化させて、画像形成システムは空間位相マスクから 反射またはそれを透過して位相が変化した電磁波を空間位相フィルタに向かわせ る。位相フィルタは電磁放射の一部を位相シフトさせて、画像形成システムは画 像平面内で、電磁放射の位相シフトされた部分を空間位相フィルタにより位相シ フトされない電磁放射の一部と合成するように構成される。 本発明の好適な実施形態によれば、空間位相マスクはレンズの前側焦点面に配 置され、一方空間位相フィルタはこのレンズの後側焦点面に配置され、これによ り位相マスクにおける第一の電磁場はこのレンズにより位相フィルタにおける第 二の電磁場にフーリエ変換される。このようにして、第一の電磁場の特定の空間 周波数は、空間位相フィルタの特定の位置を介して伝送される。例えば、ゼロ周 波数（直流）における電磁放射のエネルギーは、位相フィルタのフーリエ平面と レンズの光軸との交点であって、0次回折領域を意味している点を介して伝送さ れる。 空間位相フィルタは、電磁放射の直流部分を位相シフトさせ、電磁放射の残部 は変化させずにそのままにするか、その代わりに、電磁放射の直流部分を変化さ せずにそのままにし、電磁放射の残部を位相シフトさせるように構成されると現 時点では好ましい。後者は、電磁放射の直流部分のエネルギーレベルが非常に高 くて、位相フィルタの位相シフト部分がそれにより破壊されるおそれがある場合 に好適である。例えば、レーザ切断においては、レーザビームの直流レベルは、 位相フィルタのレーザビームの直流部分が横断する点に配置された位相シフトド ットが蒸発するほど高くすることができる。さらに、0次回折領域の電磁放射を 遮蔽（0透過率）することも可能であるが、このとき放射の直流エネルギーは失 われる。 以下、電磁放射の直流部分が位相シフトされたとき、位相マスクの位相値φ(x ,y)の関数として合成強度パターンの強度を表現することとする。 空間位相マスクに入射する電磁放射は、関数Ａ(x,y)により表すことができる 。ここで、Ａ(x,y)は空間位相マスクの点(x,y)における入射場の複素数（振幅と 位相）である。点(x,y)においては、空間位相マスクは、値φ(x,y)を持つ入射放 射の位相を変調し、その結果、空間位相マスクを反射または透過後の場は、関数 Ａ(x,y)×e^{i φ(x,y)}により表せる。ここでe^{i φ(x,y)}は空間位相マスクの点(x,y) のフェーザー値で ある。Ａ(x,y)は、好適には空間位相マスクの全表面にわたって一定値であるの で、以下の方程式からは説明を簡単にするためこの項を外すことにする。 空間位相フィルタに入射する電磁放射を表す式は、ここでは交流項と直流項に れる。空間位相フィルタが電磁放射の直流部分の位相をθだけ変化させると、画 像形成システムの画像平面における合成強度パターンの強度は、 により与えられる。ここで、(x^',y^')は、空間位相マスクの点(x,y)の画像形成シ ステムにより形成された画像の画像平面内の座標である。 この式の第二項は、空間位相マスクのフェーザーe^{i φ(x,y)}に付加する複素数 であり、合成強度パターンI(x^',y^')のコントラスト制御パラメータと解釈できる 点を留意すべきである。 本発明の好適な実施例によれば、フェーザーの平均値は、強度レベルの範囲を 制御するために調節される。 電磁放射の直流部分を位相シフトさせる代わりに、電磁放射の他の部分を位相 シフトさせることで所定の強度パターンを合成することも可能である。これは、 位相フィルタの１つ以上の任意の領域に入射する電磁放射の位相シフト用に空間 位相フィルタを用い、電磁放射の残部の位相を変化させずにそのままにして、次 に電磁放射のこの２つの部分を重ね合わせることにより達成できる。空間位相マ スクおよび空間位相フィルタに対する対応する数学的処理および対応する設計手 順はもちろん、前述のセクションで示した方法に対するものより複雑になるだろ う。 0周波数以外の空間周波数の電磁放射の一部を位相シフトさせる簡単な例は、 適当なキャリア周波数を持つ光学材料（すなわち、回折格子またはプリズム）を 利用して、電磁放射の直流部分をフーリエ平面（空間位相フィルタと同一の面） の別の空間周波数に移動させることにより、あるいは好適には回折格子またはプ リズムの機能を空間位相マスクに含めて、さらに空間位相フィルタを用いて、こ の空間周波数での電磁放射の位相を変化させ、電磁放射の残部の位相を変化させ ずにそのままにすることにより提供される。 本発明の他の好適な実施形態によれば、位相マスクはレンズの後側焦点面に配 置されるのではなく、代わりにレンズのフレネル領域に配置される。この場合、 位相フィルタにおける電磁場は、空間位相マスクにおける電磁場のフーリエ変換 により与えられる。これは、数学的処理および設計手順をさらに複雑にし、例え フレネル変換値により置換されなければならない。しかし、フレネル変換は、空 間位相マスクのフェーザー値とフーリエ変換に伴う二次位相係数の乗算によりフ ーリエ変換から計算される。 各々の画素の合成強度パターンの各々の強度レベルは、空間位相マスクの画素 の少なくとも２つの異なるフェーザー値により生成されるということは、本発明 の重要な側面である。 例えば、空間位相フィルタが電磁放射の直流部分を位相シフトさせるとき、好 り、位相シフトθの値は、πに等しくあるべきであるということが後述される。 この場合、画素(x,y)の画像(x^',y^')における合成強度パターンの強度は、 により与えられる。 共役複素フェーザー（逆符号のφの値）は、同等の強度レベルI(x^',y^')をもた らす パターンの強度レベルを生成する２つのフェーザーが存在することが示される。 さらに、空間位相フィルタが直流部分以外の電磁放射の一部を位相シフトさせ る場合、特定の強度レベルを生成するフェーザー値は、問題の画素位置に依存す る。すなわちフェーザー値、およびそのフェーザー値を有する画素の位置は共に 合成強度パターンの画素の画像における強度レベルを規定する。さらに、空間位 相マスクの各々の画素に対して、合成強度パターンの各強度レベルは、相補的位 相値の２つの異なるフェーザーの一方により表されることは確かである。 この自由度は、生成される各々の強度レベルに対して、また空間位相マスクの 各々の画素に対して選択することができ、２つのフェーザーのうちの一方が、フ ェーザー値と対応する強度値の間の1対1の関数依存の２つの区間を保証する適当 な位相値を持つフェーザーを選択することにより、特定の空間周波数におけるフ ェーザーのフーリエ変換の位相を制御するのに用いられる。 フェーザーの選択のこの自由度を、空間位相マスクの隣接画素のフェーザーを 、それらの差が最大となるよう選択して、これにより位相マスクから射出される 電磁放射を、電磁放射の直流部分をその交流部分から良好に分離する高い空間周 波数が最大量含まれるように生成の最大内容を有して生成するために利用しても よい。ただし、各々の画素の２つの可能なフェーザー値から選択する他の手段を 電磁放射の所望の空間周波数内容を生成するのに選んでもよい。 好適には、特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変換の位相は、各 フェーザーと対応する強度レベルの関係が単調増加か単調減少関数かを制御する ために調節される。 以下では、特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変換の絶対値を調 節して所定の値を得る本発明による１組の異なる方法について述べる。都合によ り、これらの方法は組み合わせてもよい。 上記方法の１つによれば、位相マスクの画素の個別のフェーザーは、特定の空 間周波数におけるこれらフェーザーのフーリエ変換の所望の絶対値が、強度パタ ーンの画素の強度の間の所定の相対的な強度レベルを維持しながら得られるまで 一定値ずつ、すなわち、反復的に調節される。 別の方法によれば、位相マスクの画素の個別のフェーザーは、画像処理で知ら れているヒストグラム法を利用して調節される。ヒストグラムは、強度値の関数 として特定の強度値を持つ合成強度パターンの画素の個数を示す棒グラフである 。ヒストグラムを所定の分布に適合させるヒストグラム等化などの任意のヒスト グラム法が、特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変換の絶対値が所 定の値となるまで反復して用いられる。 さらに別の方法によれば、位相マスクのフェーザーパターンは、特定の空間周 波数におけるフェーザーのフーリエ変換の絶対値を調節するために空間的にスケ ーリングされる。 さらに他の方法によれば、特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変 換の絶対値は、ラスタ法、面積比変調、スポット直径変調などの階調符号化法を 利用して調節される。 上記の説明から明らかなように、特定の空間周波数におけるフェーザーのフー リエ変換の絶対値調節の結果として、強度レベルはある合成強度パターンと次の のものとで異なっていてもよい。従って、一連の異なる強度パターンが一様な強 度レベルを示すように強度パターンの強度範囲に依存して放射源のパワーを制御 することが好適である。 本発明の好適な実施形態によれば、位相フィルタの形状は空間位相マスクのフ ェーザーの空間周波数内容に整合するように合わせられる。例えば、電磁放射の 残部から位相フィルタリングされた電磁放射の一部の所望の分離を最適にするよ うににである。 合成強度パターンを可変拡縮するズーム手段をさらに備える画像形成システム は、本発明の範囲内にある。画像形成システムのズーミングは、例えば位相マス クのフェーザー値のパターンのスケーリングに応じて動的に制御自在である。 本発明によれば、放射源のパワーは、位相マスクにおけるパターンの空間スケ ーリングおよび／または合焦系のズーミングに応じて制御自在である。 本発明によるコンパクトで集積化したシステムを提供するために、フーリエ変 換レンズの光学的機能は空間位相マスクのフェーザーに符号化される。フーリエ 変換レンズは、屈折的にまたは回折的に位相マスクに符号化される。 同様に、出力レンズの光学的機能は、屈折的または回折的のいずれかにより位 相フィルタに符号化される。 さらに、位相マスクにより変調された電磁放射部分が画像平面内でほぼ平坦な 強度プロフィールを有するよう空間位相マスクのフェーザー値に補償を符号化し てもよい。この補償がないと、位相マスクにより変調された電磁放射部分は、そ れに重ね合わされた位相フィルタリングから生じる摂動を有する平坦プロフィル を持つことになる。これは、合成強度パターンのエッジに「リンギング」（振動 ）をもたらす。 本発明の他の好適な実施形態によれば、電磁放射源は、任意の色の強度パター ンを生成する、例えば赤、緑及び青のような３つの異なる色に対応する異なる波 長の１つ以上の光源からなる。さらに、各々がそれ自身の波長により照明される 幾つかの独立システムを単一の多重波長システムに組み込むことができる。 図面の簡単な説明 図１は、位相コントラスト画像生成の4f光学系を示し、 図２は、位相コントラスト画像生成の2f光学系を示し、 図３は、位相コントラスト画像生成の1f光学系を示し、 図４は、(Ａ)が反射ＳＬＭの軸外読出を、(Ｂ)が反射ＳＬＭの軸上読出を示し 、 図５は、１次元における所定の強度パターンの例を概略的に示し、 図６は、図５に対応する位相符号化結果を概略的に示したものである。 好適な実施形態の詳細な説明 図１は4f位相コントラスト画像形成システム(1)を示している。レーザ(2)は光 ビームを放出し、このビームは、ビームエキスパンダ(3)により一様強度の平面 光波に拡大されて、空間位相マスク(4)に送出される。この光ビームは、空間位 相マスク(4)およびフーリエ変換レンズ(5)を透過する。空間位相マスクは、レン ズ(5)の前側焦点面に配置され、また空間位相フィルタ(6)は、レンズ(7)の前側 焦点面でもあるレンズ(5)の後側焦点面に配置される。フーリエ変換レンズ(5、7) は、同一の焦点距離を持つ必要はない。異なる焦点距離は、１とは異なる倍率を 導く。位相フィルタ(6)は、空間位相マスク(4)により変調された光位相の0次回 折部分(8)を位相シフトする。合成強度パターンがレンズ(7)の後側焦点面(9)に 生成され、また動的合焦系(10)は合成強度パターンを合焦面(11)に結像する。 光学系はコンピュータ(12)により制御される。コンピュータ(12)は、位相フィ ルタ(4)の画素の各々をアドレスし、フェーザー値をアドレスされた画素に送出 するインタフェース手段を備える。さらに、コンピュータ(12)は、レーザ(2)の パワーを制御するレーザ制御手段と、動的合焦系(10)の焦点合わせと画像比を制 御する結像制御手段を備える。さらに、コンピュータ(12)はシステム(1)により 合成されるべき画像パターンを入力するキーボードや、ディスケットドライブ、 光ディスクドライブ、ネットワークインタフェース、モデムなどの入力手段もま た備え る。コンピュータは、入力された画像パターンから、例えばここに示したヒスト グラム法に基づいて、位相マスクの画素に送出されるべきフェーザー値を計算す る。任意であるが、位相フィルタ(6)の位相シフトは、コンピュータ(12)のオプ ションの位相制御手段により調節、制御自在であり、これはさらに例えば式(18) を利用して位相シフトを調節する。 図２は2f位相コントラスト画像形成システム(20)を示す。レーザ(21)は、光ビ ームを放出し、この光ビームは、ビームエキスパンダ(22)により一様強度の平面 光波に拡大されて、空間位相マスク(23)と偏光ビームスプリッタ(24)と1/4波長 板(25)に向け送出される。偏光ビームスプリッタ(24)と1/4波長板(25)は、従来 のビームスプリッタに伴うビームスプリッタ中の双方向透過によるビーム分割に 起因するパワー損失なしに特定の直線偏光の光のビーム分割を可能とする。偏光 ビームスプリッタ(24)および1/4波長板(25)を透過した後、光ビームはフーリエ 変換レンズ(26)を透過し、空間位相フィルタ(27)で反射される。空間位相マスク (23)はレンズ(26)の前方焦点面に配置され、また空間位相フィルタ(27)はレンズ (26)の後側焦点面に配置される。位相フィルタ(27)は、空間位相マスク(23)によ り位相符号化される光の0次回折部分(28)を位相シフトする。合成強度パターン は、レンズ(26)の後側焦点面(29)に生成され、また動的合焦系(30)は、合成強度 パターンを合焦面(31)に結像する。図１に示したシステムに対して示したように 、システム(20)はコンピュータ(32)により制御される。 図３は1f位相コントラスト画像形成システム(40)を示す。レーザ(41)は、光ビ ームを放出し、この光ビームは、ビームエキスパンダ(42)により一様強度の平面 光に拡大されて空間位相マスク(43)に向けて送出される。光ビームは、空間位相 マスク(43)と画像形成レンズ(44)を透過する。レンズ(44)の後側焦点面に配置さ れた位相フィルタ(45)は、空間位相マスク(43)により位相符号化された光の0次 回折部分を位相シフトする。合成強度パターンは、レンズ(44)の画像平面(46)に 生成され、また動的合焦系(47)は、合成強度パターンを合焦面(48)に結像する。 図１に示したシステムに対して説明したように、システム(40)はコンピュータ(4 9)により制御される。 図４は、(Ａ)反射位相マスク(50)（または空間光変調器）の軸外読出動作及び (Ｂ) ビームスプリッタ(52)を有する反射位相マスク(51)の軸上読出動作の詳細を示す 。両構成(Ａ、Ｂ)は、図１〜３に示したシステムにおいて利用できる。 直流位相フィルタリングの位相符号化 以下、直流周波数範囲でフィルタを行うシステムに基づいて空間位相マスクと 空間位相フィルタを符号化する例を述べる。この例で選択したシステムは、図１ で示した4fレンズ構成に基づくものであり、このレンズは可視周波数範囲の電磁 放射により照明される。この電磁放射は以下では単に光放射と呼ぶ。 照明光は単色であり、ほぼ平坦な振幅プロフィルを持つと仮定すると、空間位 相マスクから射出される空間振幅分布は以下のように示される。 ここで、α(x,y)=exp(iφ(x,y))は、空間的に符号化されたフェーザー値を示し 、ΔxΔyは、入力位相変調空間光変調器の面積である。 表す２つの項に分離すると都合がよいことがわかる。この直流値は、 として求められる。 次に、交流項は、 により表される。 α(x,y)を空間的に不変な直流項と区間的に変化する交流項に分離することは 重要な点であり、本例の残部を通じて、特に空間フィルタリング手順において用 いられる。 本例で用いられる空間フィルタは、光軸を中心として座標(f_x,f_y)により示さ れる空間周波数領域だけ広がっている円形位相コントラストフィルタ（異なる横 方向形状も用いることができる）として選択される。 ィルタの大きさを表している。 空間周波数領域（フィルタリング面）には、空間位相マスクからの空間的に変 より行われるフーリエ変換光放射に対するフィルタリング動作は、簡単な逐点乗 算手順である。続いて、空間的にフィルタリングされた光は、第二レンズにより （座標(x^',y^')）で得られる空間振幅分布は、 と書ける。 が得られる。 |o(x₀ ^',y₀ ^')|²≡0を要求することは、 が成立することを意味する。ここで、φ₀=φ(x₀ ^',y₀ ^')なる略記が用いられる。 式(15)の解は、 により与えられる。 その結果、 が導かれる。ここで、＋符号はθの値が以下の範囲にある場合であり、 また−符号はθ値が以下の範囲にある場合である。 である。 が得られる。ここで、 である。 位相のみの変換は、エネルギーが保存されるので、次式が成り立つ。 特殊なケース： り、これにより出力強度は、 と表せる。 この場合、位相→強度マッピングは区間[0;π]→[0;4]により表される。 が得られる。 |o(x^',y^')|²を表す式を式(24)に代入すると、式(26)の最初の積分表現に従い 、 が得られる。 符号化手順： ・光学的構成の出力側では所定の強度分布（画像）|o(x^',y^')|²が望まれる。 ・グレイスケール範囲[0;gmax]で一般的に表される画像のピクセル化は関係 を有する。 ・所望の画像|o(i,j)|²に対するヒストグラムはグレイスケール範囲[0;gmax]内 で調節（adj）され、従って前のステップは、以下を満たしている。 ・それから、位相値が以下のように計算される。 ・前述と同様にピクセル化は、以下の関係を有する。 ・この関係は、位相ヒストグラム内で同じ位相値を持つ入力ピクセルの半分を共 役複素化することにより満たされる。 ・位相共役位相フリッピングは、フィルタ面における低周波数項と高周波数項の 分離を最適化するための空間周波数内容を操作する価値ある手段（余分の自由度 ）を備える。 後での位相エラーに対して耐久性がある。さらに、個別のピクセル位相値におけ 有害な効果はもたらさない。 ・もし所望の強度分布が全てのエネルギーを含むには小さ過ぎるとき、すなわち ヒストグラムが最大拡大され、さらに式(24)の左辺がなお右辺より小さいときは 、入力位相対象は、式(24)が満足されるまで拡大される。スケールが不変の出力 強度レベルを得るためには、動的な合焦系が必要である。同様に、強度不変性は 、光源からの放射パワーを制御することにより得られる。一方、残留背景照明は 無視することができ、また狭い一般的に形状づけられたライン構造（例えば、式 (14)）に対して9^-（1^-に等しい背景定数）の利得因子を持つ強度レベルを得るこ とができる。 実施例１： 上記の手順における個々のステップを例示する非常に簡単な例を以下に述べる 。本例を簡略化するため、一次元のみで考えることにする。本例における空間位 相マスクを符号化する出発点は以下のパラメータに基づく。 強度分布として画像平面内で合成される図５に示したピクセル化３段関数を考 える。上記のパラメータの選択から、空間位相マスクの位相値と画像強度値の間 の簡単な関係が得られる。 積強度は、ｘ軸がグレイレベル値を表し、ｙ軸が所定のグレイレベル値において の画像内でのピクセルの数を表す画像ヒストグラムから容易に計算される。ヒス のピクセルカウント数(y軸)を乗じたものの重み付き和として簡単に見いだされ る。これは、いわば、画像の「重み付け」を表す。この簡単な例では、ヒストグ ラム計算は、我々が良好に区分された分離を持つ３グレイレベルを持つだけなの で、必要ではない。 集積強度に対する値は等式 に従わなければならない。 図５から、 が得られ、これによりmaxに対する値は、 であると評価できる。 ここで、これらの値を用いて、以下の関係式から空間位相マスクの位相値を計算 することができる。 これから、３つの位相値1.45、0.97および0ラジアンが得られる。 空間位相マスクを符号化するために必要な最後のステップは、次の等式を満た すことである。 共役複素フェーザー値（同様の強度レベルを与える２つのフェーザー）を用い るように選択できるので、ここから多くの方法を取ることができる。簡単な方法 は図６に示したように、全ての第二フェーザーをその共役複素値に反転させるこ とである。従って、位相マスクで用いられる最終位相値は、±1.45、±0.97およ び0ラジアンである。 最後のステップとして、基準を選択されたフェーザー符号化が満たしているか をチェックする。 位相符号化に統合された一般的な位相補正手順 分布の間に解析的関係 が得られた。 換言すれば、次の近似 が適用された。 通じて空間的に不変の定数値ではなく、その代わりに変動／振動がゆっくりと現 れる。これは、位相フィルタリングされた直流値と直接伝搬された交流値の間の 最終合成に僅かなエラーを導入する。この問題を解消するために、システムに既 に存在する要素における位相のみの符号化を用いることにより歪みを消すことが できる技術が必要になる。以下では、上記の歪みを消すプレ歪みを統合する手順 が記述され、これは、システムの入力側の空間位相マスクのフェーザー値を修正 することに純粋に基づくものである。この技術は、システムの実行に固有の他の 種類の歪みを解消することもできる。さらに、この方法は直流よりも他の空間周 波数でフィルタリングするシステムに適用することができる。 手順 入力位相関数を符号化するとき、入力位相分布を調節された（電子）画像のグ レイレベル分布I_slmの関数として表し、入力空間光変調器をアドレスする逆関数 領域内で滑らかな振動挙動を示すことが考慮されている。I_slmの最大値は、gmax で示される。 に適用することが必要なグレイレベル補正ΔI_slm(x^',y^')についての公式 ことにより、第一の関係式から導出されたものである。 第一の関係式に第二の関係式を代入すると、 が得られる。 しかし、この公式は、これがI_slmで示されるヒストグラム調節グレイレベル分 布 に関係するので、直接には有用ではない。 ヒストグラム調節によって修正されていない元の入力グレイレベル分布I(x,y) に上記の補正項を関係させる公式が必要になる。これは、グレイレベル補正の効 果もまたヒストグラム調節の手順内に取り込まれなければならないので、重要で ある。 ヒストグラムのスケーリングは、 を与える。ここで、I_maxおよびI_slm,maxは、元と調節された後の電子グレイレベ ル分布にそれぞれ生じる最大グレイレベル値である。 同様に、この関係は強度補正項ΔI_slmに適用することができ、 が得られ、その結果、 となる。 補正項に対するグレイレベルが十分なダイナミックレンジを有するためには、 すなわち を導出することができる。 第一項は、強度補正に対する式中で支配的な項なので、はるかに簡単な補正式 で実際には十分である。 提案する用途 ・特に、ＣＯ₂およびＮd:ＹＡＧレーザをベースとしたシステムを用いた二次お よび三次元表面に対するレーザ加工、マーキング、烙印、トリミング、硬化処理 、スクライビング、ラベル付け、溶接、および切断処理。主要な利点は、エネル ギーがシステムに吸収されない（これにより、光学装置の損傷を防止する）とい うこと、代わりにこの吸収されないエネルギーを利用して画像平面内での所望の 光分布の強度レベルを増加させるということにある。加工物の選択された領域で は同時に高出力が得られる。 ・位相コントラスト画像形成に基づく効率的で動的なスポットアレイ発生器。双 安定素子、光子スイッチおよびスマートピクセルなどの光電子素子アレイに対し てバイアスまたは保持ビームを与えるためのもの。 ・マシンビジョン用途用の構造化光（無損失）の発生。例えば、並列に更新でき る周期的および斜め周期メッシュグリッド照明。 ・フォトリソグラフィー用途（逐次走査の必要なしの並列レーザ３次元直接書き 込み）。例えば、Ｇeドープシリカへの導波路の高出力レーザ直接書き込み。 ・純粋な位相変調（放射focusators）を用いた一般的空間光強度変調。 ・レーザビーム成形（動的）。 ・レーザ走査装置を必要としない高効率の並列画像投影。 ・動的赤外シーン投影（ＤＩＲＳＰ）。 ・回折格子およびマスク生成のための露光装置。 ・ＬＩＤＡＲ用途。 ・並列レーザ印刷 ・レーザショー用途 ・大気探査

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】１９９７年７月１０日 【補正内容】 請求の範囲 １．画像の強度パターンI(x',y')を合成する位相コントラスト画像形成方法で あって、 多数の個々の画素(x,y)を有し、各画素(x,y)が入射した電磁放射の位相を所定 のフェーザー値e^{i φ(x,y)}で変調する位相マスク(4、23、43)の画素(x,y)の配置 により、強度パターンI(x',y')をピクセル化するステップと、 前記空間位相マスク(4、23、43)に向けて電磁放射を放射するステップと、 変調された電磁放射をフーリエあるいはフレネル変換するステップと、 フーリエあるいはフレネル面で直流を構成する空間周波数領域で、変調された 電磁放射を残りの電磁放射に対して所定の位相シフト値θだけ位相シフトするス テップと、 位相シフトされたフーリエあるいはフレネル変換変調電磁放射を、それぞれフ ーリエあるいはフレネル変換することにより、前記位相マスク(4、23、43)の各 画素(x,y)が画像の対応する画素(x',y')に投影されて強度パターンを形成するス テップと、 定した位相シフト値θに対して、 により、前記位相マスク(4、23、43)のフェーザ一値e^{i φ(x,y)}と位相シフト値θ を計算するステップと、 各画素に対して、特定のグレイレベルを表す２つのフェーザー値のうちのひと つを選択するステップと、 前記空間位相マスク(4、23、43)の画素(x,y)に選定したフェーザー値e^{i φ(x,y )} を供給するステップと、 を備えている位相コントラスト画像形成方法。 ２．前記フェーザー値を計算するステップは、 強度パターンの少なくとも一つの画素(x₀',y₀')の合成強度を0に設定するステ ップと、 により位相マスク(4、23、43)のフェーザー値e^{i φ(x,y)}を計算するステップと、 を備えている請求項1記載の方法。 により位相マスク(4、23、43)のフェーザー値e^{i φ(x,y)}を計算するステップを さらに備える請求項2記載の方法。 ４．電磁放射の直流成分をフーリエあるいはフレネル面の第2の部分へ移動さ せるステップと、 前記フーリエあるいはフレネル面の第2の部分のフーリエあるいはフレネル変 換された変調電磁放射を残部の電磁放射に対してθだけ位相シフトさせるステッ プと、 をさらに備える請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 ５．前記電磁放射の直流成分を移動させるステップは、回折格子、プリズム等 の光学素子の適切な搬送周波数での使用を備えている請求項4記載の方法。 ６．前記電磁放射の直流成分を移動させるステップは、適切な搬送周波数での 回折格子、プリズム等の光学素子の機能の空間位相マスクへの符号化を備えてい る請求項4記載の方法。 ７．特定の空間周波数における前記フェーザーe^{i φ(x,y)}のフーリエ変換の絶 対値を、合成強度パターンの強度レベル範囲を制御するために調節するステップ をさらに備えている請求項1〜6のいずれかに記載の方法。 ８．前記特定の空間周波数におけるフェーザーe^{i φ(x,y)}のフーリエ変換の絶 対値を調整するステップは、 a) 強度パターンの画素の強度間で所定の相対強度レベルを維持する位相マス ク(4、23、43)の画素の個々のフェーザーe^{i φ(x,y)}を調節するステップと、 b) ヒストグラム法による位相マスク(4、23、43)の画素の個々のフェーザーe^{i φ(x,y)} を調節するステップと、 c) 位相マスク(4、23、43)のフェーザーe^{i φ(x,y)}パターンの空間的スケーリ ングを行うステップと、 d) ハーフトーン符号化法を利用するステップと、 のうちの少なくとも一つがらなる請求項7記載の方法。 ９．強度パターンの強度範囲に応じて電磁放射の出力を調整するステップをさ らに備える請求項1〜8のいずれかに記載の方法。 10．前記位相マスク(4、23、43)の各フェーザーe^{i φ(x,y)}は、フーリエあるい はフレネル面において電磁放射の強度の特定の空間周波数分布が得られるような 相補的な位相値を有する２つのフェーザーのセットe^{i φ1(x,y)}及びe^{i φ2(x,y)}か ら選択される請求項1〜9のいずれかに記載の方法。 11．隣接する画素のフェーザーe^{i φ(x,y)}の位相φ(x,y)は、フェーザーの２つ の可能な相補的なフェーザー値e^{i φ1(x,y)}及びe^{i φ2(x,y)}を交互にとる請求項10 記載の方法。 12．前記フェーザ一値e^{i φ1(x,y)}とe^{i φ2(x,y)}は、共役複素数である請求項10 あるいは11のいずれかに記載の方法。 13．前記空間位相マスク(4、23、43)の前記フェーザーe^{i φ(x,y)}の空間周波数 内容と整合するように形成される領域を占める設定された空間周波数に位相シフ トするステップをさらに備える請求項1〜12のいずれかに記載の方法。 〜13のいずれかに記載の方法。 14記載の方法。 あるいは15のいずれかに記載の方法。 ずれかに記載の方法。 18．前記位相シフトθは、π/4〜7π/4の範囲である請求項1〜17のいずれかに 記載の方法。 19．前記位相シフトθは、π/2〜3π/2の範囲である請求項1〜18のいずれかに 記載の方法。 20．前記位相シフトθは、3π/4〜5π/4の範囲である請求項1〜19のいずれか に記載の方法。 21．前記位相シフトθは、約πである請求項1〜20のいずれかに記載の方法。 22．前記強度パターンをスケーリングする画像をズームするステップをさらに 備える請求項1〜21のいずれかに記載の方法。 23．前記画像のズーミングは、動的に制御自在である請求項22記載の方法。 24．前記画像のズーミングは、前記位相マスク(4、23、43)のスケーリングに 依存して制御自在である請求項22または23のいずれかに記載の方法。 25．前記位相マスク(4、23、43)のパターンの空間スケーリングおよび／また は前記画像のズーミングに応じて前記電磁放射の出力を制御するステップをさら に備える請求項22〜24のいずれかに記載の方法。 26．前記位相シフトは、空間光変調器を用いて行われる請求項1〜25のいずれ かに記載の方法。 27．フーリエ変換レンズの光学的機能を、前記位相マスク(4、23、43)のフェ ーザーe^{i φ(x,y)}に符号化するステップをさらに備えている請求項1〜26のいずれ かに記載の方法。 28．出力レンズの光学的機能を、前記位相フィルタ(6、27、45)に符号化する ステップをさらに備えている請求項1〜27のいずれかに記載の方法。 29．電磁放射を放射するステップは、任意の色の強度パターンを生成する、赤 、緑および青等の３つの異なる色に対応する波長の異なる電磁放射の放射を備え る請求項1〜28のいずれかに記載の方法。 30．画像の画像パターンI(x',y')を合成する位相コントラスト画像形成システ ム(1)であって、 電磁放射を射出する電磁放射源(2、21 41)と、 多数の独立した画素(x,y)を有し、それぞれの画素(x,y)は入射した電磁波を所 定のフェーザー値e^{i φ(x,y)}で変調するもので、前記電磁波の伝播軸上に配置さ れて、電磁放射を位相変調する空間位相マスク(4、23、43)と、 前記位相変調放射の伝播軸上に配置され、前記位相変調電磁放射をフーリエあ るいはフレネル変換する手段(5、26、44)と、 フーリエあるいはフレネル面の直流を構成する空間周波数領域で、変換された 電磁放射を残部の電磁放射に対して所定の位相シフト値θだけ位相シフトする空 間位相フィルター(6、27、45)と、 位相シフトされたフーリエあるいはフレネル変換変調電磁放射を、それぞれフ ーリエあるいはフレネル変換することにより、前記位相マスク(4、23、43)の各 画素(x,y)が画像の対応する画素(x,y)に投影されて画像パターンを形成する手段 (7、10、26、30、44、47)と、 選定した位相シフト値θについて、位相マスク(4、23、43)の画素のフェーザ ー をほぼ満たす前記位相マスク(4、23、43)のフェーザー値e^{i φ(x,y)}と位相シフト 値θを備えており、ここで、 θ＝πの場合は、前記位相マスク(4、23、43)は、同一サイズ及び形状の画素 の行列からなるマトリクスに分割されず、フェーザー値e^{i π}を有する画素が4つ に1つ位相マスクの領域に周期的かつ規則正しく配置されており、1列おき及び1 行おきにフェーザー値e^{i π}を有する画素を含まず、残る画素はフェーザー値eⁱ⁰ を有している配置であるが、若しくは、 θ＝π/2の場合は、前記位相マスク(4、23、43)は、同一サイズ及び形状の画 素の行列からなるマトリクスに分割されず、フェーザー値e^{i π/2}を有し、残るフ ェーザー値eⁱ⁰を有する行列の間を埋める1列おきあるいは1行おきの行列配置で ある、 ことを条件とする位相コントラスト画像形成システム(1)。 31．前記空間位相マスク(4、23、43)の画素(x,y)に合わせた強度パターンI(x' ,y') のピクセル化手段と、 により、位相マスク(4、23、43)のフェーザー値e^{i φ(x,y)}と位相シフト値θを計 算する手段と、 各画素に対して、特定のグレイレベルを表す２つのフェーザー値のうちの一つ を選択する手段と、 前記空間位相マスク(4、23、43)の画素(x,y)に計算したフェーザー値e^{i φ(x,y )} を供給する手段と、 をさらに備えている請求項30記載のシステム(1)。 32．強度パターンの少なくとも一つの画素(x_0',y_0')で強度が0であり、位相マ ス シフト値θに対して、 をほぼ満たす請求項30記載のシステム(1)。 33．前記フェーザー値計算手段は、 により、位相マスク(4、23、43)のフェーザー値e^{i φ(x,y)}を計算する請求項31記 載のシステム(1)。 を満たす請求項32記載のシステム(1)。 35．前記フェーザー値計算手段は、 により、位相マスク(4、23、43)のフェーザー値e^{i φ(x,y)}を計算する請求項33記 載のシステム(1)。 36．電磁放射の直流成分をフーリエあるいはフレネル面の第2の部分へ移動さ せる手段と、 前記フーリエあるいはフレネル面の第2の部分の変換変調電磁放射を残部の電 磁放射に対してθだけ位相シフトさせる前記フーリエあるいはフレネル面の第2 の部分に配置された位相フィルター(6、27、45)と、 をさらに備える請求項30〜35のいずれかに記載のシステム(1)。 37．前記直流成分を構成する空間周波数領域をフーリエあるいはフレネル面の 第2の部分に移動させる手段は、適切な搬送周波数の回折格子、プリズム等の光 学素子からなる請求項36記載のシステム(1)。 38．前記直流成分を構成する空間周波数領域をフーリエあるいはフレネル面の 第2の部分に移動させる手段は、適切な搬送周波数での回折格子、プリズム等の 光学素子の機能が符号化された位相マスク(4、23、43)を備えでいる請求項36記 載のシステム(1)。 39．特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変換の絶対値e^{i φ(x,y)} は、合成強度パターンの強度レベルを所望の範囲に保つために調整されている請 求項30〜38のいずれかに記載のシステム(1)。 40．前記特定の空間周波数におけるフェーザーe^{i φ(x,y)}のフーリエ変換の絶 対値は、 a) 強度パターンの画素の強度間で所定の相対強度レベルを維持する位相マス ク(4、23、43)の画素の個々のフェーザーe^{i φ(x,y)}の調節と、 b) ヒストグラム法による位相マスク(4、23、43)の画素の個々のフェーザーe^{i φ(x,y)} の調節と、 c) 位相マスク(4、23、43)のフェーザーe^{i φ(x,y)}パターンの空間的スケーリ ング と、 d) ハーフトーン符号化法の利用と、 のうちの少なくとも一つにより調整されている請求項39記載のシステム(1)。 41．強度パターンの強度範囲に応じて電磁放射の出力を調整する手段をさらに 備える請求項30〜40のいずれかに記載のシステム(1)。 42．前記位相マスク(4、23、43)の各フェーザーe^{i φ(x,y)}は、フーリエあるい はフレネル面において電磁放射の強度の特定の空間周波数分布が得られるような 相補的な位相値を有する２つのフェーザーのセットe^{i φ1(x,y)}及びe^{i φ2(x,y)}か ら選択される請求項30〜41のいずれかに記載のシステム(1)。 43．隣接する画素のフェーザーe^{i φ(x,y)}の位相φ(x,y)は、フェーザーの２つ の可能な相補的なフェーザ一値e^{i φ1(x,y)}及びe^{i φ2(x,y)}を交互にとる請求項42 記載のシステム(1)。 44．前記位相フィルター(6、27、45)は、前記空間位相マスク(4、23、43)の前 記フェーザーe^{i φ(x,y)}の空間周波数内容と整合するように形成されている請求 項30〜43のいずれかに記載のシステム(1)。 〜44のいずれかに記載のシステム(1)。 45記載のシステム(1)。 あるいは46のいずれかに記載のシステム(1)。 ずれかに記載のシステム(1)。 49．前記位相シフトθは、π/4〜7π/4の範囲である請求項45〜48のいずれか に記載のシステム(1)。 50．前記位相シフトθは、π/2〜3π/2の範囲である請求項45〜49のいずれか に記載のシステム(1)。 51．前記位相シフトθは、3π/4〜5π/4の範囲である請求項45〜50のいずれか に記載のシステム(1)。 52．前記位相シフトθは、約πである請求項30〜51のいずれかに記載のシステ ム(1)。 53．前記強度パターンをスケーリングするズーム手段(10、30、47)をさらに備 える請求項30〜52のいずれかに記載のシステム(1)。 54．前記位相フィルター(6、27、45)は、空間光変調器からなる請求項30〜53 のいずれかに記載のシステム(1)。 55．位相マスク(4、23、43)は、そのフェーザー値e^{i φ(x,y)}の適切な符号化に より、フーリエ変換レンズの光学的機能を行うよう調整されている請求項30〜54 記載のシステム(1)。 56．位相フィルター(6、27、45)は、そのフェーザー値e^{i φ(x,y)}の適切な符号 化により、出力レンズの光学的機能を行うよう調整されている請求項30〜55記載 のシステム(1)。 57．電磁放射源(2、21、41)は、任意の色の強度パターンを生成する、赤、緑 および青等の３つの異なる色に対応する波長の異なる電磁放射を放射するよう調 整されている請求項30〜56のいずれかに記載のシステム(1)。 58．第1および第2のフーリエ変換レンズ(5、7)と、前記第1レンズ(5)の前側焦 点面に配置される前記空間位相マスク(4、23、43)と、前記第1レンズ(5)の後側 焦点面に配置される前記空間位相フィルター(6、27、45)と、その前側焦点面が 前記第1レンズ(5)の後側焦点面位置に配置されている前記第2のレンズ(7)とをさ らに備える請求項30〜57のいずれかに記載のシステム(1)。 59．前記空間位相フィルタ(45)が、その後側焦点面に配置される一枚のフーリ エ変換レンズ(44)をさらに備えている請求項30〜58のいずれかに記載のシステム (1)。 60．前記空間位相フィルタ(6、27、45)が、その後側焦点面に配置される一枚 の結像レンズをさらに備えている請求項30〜59のいずれかに記載のシステム(1) 。 61．偏光ビームスプリッタ(24)と4分の1波長板(25)および／または入射する電 磁放射を反射する位相フィルタ(27)をさらに備える請求項30〜60に記載のシステ ム(1)。 62．前記空間位相フィルタ(6、27、45)は、直流を構成する空間周波数領域の 放射の位相を変化させ、放射の残部の位相を変化させずにそのままにする請求項 30〜61のいずれかに記載のシステム(1)。 63．前記空間位相フィルタ(6、27、45)は、直流を構成する空間周波数領域の 放射の位相を変化させず、放射の残部の位相を変化させる請求項30〜61のいずれ かに記載のシステム(1)。 64．前記空間位相フィルタ(6、27、45)は、直流を構成する空間周波数領域の 放射を遮蔽し、放射の残部は変化させずにそのままにする請求項30〜61のいずれ かに記載のシステム(1)。 65．前記電磁放射源(2、21、41)は、レーザ(2、21、41)である請求項30〜64の いずれかに記載のシステム(1)。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，Ｓ Ｚ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＴ，ＡＵ，ＢＢ，Ｂ Ｇ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＩ， ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，Ｋ Ｒ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｓ Ｋ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ ，ＶＮ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．低損失の電磁エネルギーにより強度パターンを合成する方法であって、電 磁放射の空間変調からなり、該空間変調は、 個別画素のフェーザー値、 1)フーリエ変換フェーザー値が所定の空間周波数に対して所定の値となり、か つ、 2)特定画素のフェーザー値は、強度パターンの画素の画像の特有の強度レベル に対応する という手法によって画定されるフェーザー値により入射電磁放射の位相を変調 する空間位相マスクと、 電磁放射の一部を位相シフトし、位相シフトされた電磁放射の一部と電磁放射 の残りの部分との間の画像平面における干渉により強度パターンを生成する画像 形成システムと組み合わせて用いられる空間位相フィルタを用いる方法。 ２．前記空間位相マスクの各々の画素に対して、合成強度パターンの各強度レ ベルは、相補的位相値の２つの異なるフェーザーの１つにより表されるという事 実が、フェーザー値の関数として強度値を規定する関数が、フェーザー値と対応 する強度値の間で1対1の関数依存する２つの領域からなるような適切な位相値を 有するフェーザー選択により特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変 換の位相を制御するのに用いられる請求項1記載の方法。 ３．特定の空間周波数における前記フェーザーのフーリエ変換の絶対値が、合 成強度パターンの強度レベル範囲を制御するために調節される請求項1または2記 載の方法。 ４．特定の空間周波数における前記フェーザーのフーリエ変換の位相が、各フ ェーザーと対応する強度レベルの間の関係が単調増加または単調減少関数のいず れかとなるよう調節される請求項1〜3のいずれかに記載の方法。 ５．特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変換の絶対値の調整は、 a) 強度パターンの画素の強度間で所定の相対強度レベルを維持する位相マス クの画素の個々のフェーザーの調節と、 b) ヒストグラム法による位相マスクの画素の個々のフェーザーの調節と、 c) 位相マスクのフェーザーパターンの空間的スケーリングと、 d) ハーフトーン符号化法の利用、 のうちの少なくとも一つからなる請求項1〜4のいずれかに記載の方法。 ６．放射源の出力は、強度パターンの強度範囲に応じて制御される請求項1〜5 のいずれかに記載の方法。 ７．前記位相マスクの各フェーザーは、空間フィルタにおいて電磁放射の強度 の特定の空間周波数分布が得られるような相補的な位相値を有する２つのフェー ザーのセットから選択される請求項1〜6のいずれかに記載の方法。 ８．隣接する画素で略同一のフェーザー値のフェーザーの位相は、フェーザー の２つの可能な相補的な位相値を交互にとる請求項7記載の方法。 ９．前記位相フィルタの形状は、前記空間位相マスクの前記フェーザーの空間 周波数内容と整合するように構成される請求項8記載の方法。 10．前記位相マスクのフェーザーと前記位相フィルタの位相シフトは、合成強 度パターンの少なくとも１つの画素の強度レベルが0であるように選択される請 求項1〜9のいずれかに記載の方法。 11．特定の空間周波数におけるフェーザーのフーリエ変換の絶対値は、前記位 相マスクの適切なフェーザーの選択により、前記位相マスクのフェーザーの最大 ダイナミックレンジを得るほぼその最小値に調節される請求項1〜10のいずれか に記載の方法。 12．前記位相フィルタは、0次回折領域の周りに広がっている請求項1〜11のい ずれかに記載の方法。 13．前記強度パターンの少なくとも１つの強度レベルは、２つの共役複素フェ ーザーのうちの１つにより表される請求項12記載の方法。 14．前記強度パターンの少なくとも１つの強度レベルは、和がπに等しい位相 を有する２つのフェーザーのうちの１つにより表される請求項12記載の方法。 15．フェーザーの平均値の絶対値と0次回折電磁放射の位相フィルタにより導 入される位相シフトは、 により互いに関係づけられる請求項10〜14のいずれかに記載の方法。 16．フェーザーの平均値の絶対値は、0.1〜0.9の範囲である請求項15記載の方 法。 17．フェーザーの平均値の絶対値は、0.25〜0.75の範囲である請求項15または 16に記載の方法。 18．フェーザーの平均値の絶対値は、0.4〜0.6の範囲である請求項15〜17のい ずれかに記載の方法。 19．フェーザーの平均値の絶対値は、約0.5である請求項15〜18のいずれかに 記載の方法。 20．前記位相フィルタの位相シフトは、π/4〜7π/4の範囲である請求項1〜19 のいずれかに記載の方法。 21．前記位相フィルタの位相シフトは、π/2〜3π/2の範囲である請求項1〜20 のいずれかに記載の方法。 22．前記位相フィルタの位相シフトは、3π/4〜5π/4の範囲である請求項1〜2 1のいずれかに記載の方法。 23．前記位相フィルタの位相シフトは、約πである請求項1〜22のいずれかに 記載の方法。 24．前記位相フィルタの位相シフトは可変である請求項1〜23のいずれかに記 載の方法。 25．前記画像形成システムは、強度パターンを可変スケーリングするズーム手 段を備える請求項1〜24のいずれかに記載の方法。 26．前記画像形成システムのズーミングは、動的に制御自在である請求項25記 載の方法。 27．前記画像形成システムのズーミングは、前記位相マスクのスケーリングに 依存して制御自在である請求項25または26に記載の方法。 28．前記放射源の出力は、前記位相マスクのパターンの空間スケーリングおよ び／または合焦系のズーミングに応じて制御自在である請求項25〜28のいずれ かに記載の方法。 29．前記位相マスクは、空間光変調器である請求項1〜28のいずれかに記載の 方法。 30．前記フーリエ変換レンズの光学的機能は、前記位相マスクのフェーザーに 符号化されている請求項1〜29のいずれかに記載の方法。 31．出力レンズの光学的機能は、前記位相フィルタに符号化されている請求項 1〜30のいずれかに記載の方法。 32．前記位相マスクにより変調された電磁放射部分は、画像平面内でほぼ平坦 な強度プロフィールを有する請求項1〜31のいずれかに記載の方法。 33．電磁放射源は、任意の色の強度パターンを生成する、赤、緑および青等の ３つの異なる色に対応する波長の異なる１つ以上の光源を備える請求項1〜32の いずれかに記載の方法。 34．低損失の電磁エネルギーにより強度パターンを合成する位相コントラスト 画像形成システムであって、 電磁放射を射出する少なくとも１つの電磁放射源と、 個別画素のフェーザー値、 1)フーリエ変換されたフェーザー値が所定の空間周波数に対して所定の値とな り、かつ、 2)特定の画素のフェーザー値が強度パターンの画素の画像の特有の強度レベル に対応する ように決定されるフェーザー値により入射電磁放射の位相を変調する空間位相マ スクと、 電磁放射の一部を位相シフトする空間位相フィルタと、 位相フィルタにより位相シフトされた電磁放射の一部と電磁放射の残部の間の 画像平面内での干渉により強度パターンを生成する画像形成システムと、 を備える位相コントラスト画像形成システム。 35．前記画像形成システムは、第一および第二のフーリエ変換レンズを備えて おり、前記空間位相マスクは前記第一レンズの前側焦点面に配置され、前記空間 位相フィルタは前記第一レンズの後側焦点面に配置され、さらに前記第二レンズ はその前側焦点面が前記第一レンズの後側焦点面位置に配置されている請求項34 記載のシステム。 36．前記画像形成システムは１つのフーリエ変換レンズを備え、前記空間位相 フィルタが前記レンズの後側焦点面に配置される請求項34または35記載のシステ ム。 37．前記画像形成システムは１つの結像レンズを備え、前記空間位相フィルタ が前記レンズの後側焦点面に配置される請求項34〜36のいずれかに記載のシステ ム。 38．偏光ビームスプリッタと4分の1波長板および／または入射する電磁放射を 反射する位相フィルタとをさらに備える請求項34〜37に記載のシステム。 39．前記空間位相フィルタは電磁波の直流部分の位相を変化させ、放射の残部 の位相を変化させずにそのままにする請求項34〜38のいずれかに記載のシステム 。 40．前記空間位相フィルタは電磁放射の直流部分の位相を変化させず、放射の 残部の位相を変化させる請求項34〜38のいずれかに記載のシステム。 41．前記空間位相フィルタは電磁波の直流部分を遮蔽し、放射の残部は変化さ せずにそのままにする請求項34〜38のいずれかに記載のシステム。 42．前記電磁放射源はレーザである請求項34〜41のいずれかに記載のシステム 。