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デジタルホログラフィ顕微鏡の位相アンラップと厚さマップ高精度化

デジタルホログラフィ顕微鏡の位相アンラップとは

デジタルホログラフィ顕微鏡（DHM）は、光の干渉原理を応用してサンプルの三次元的な形状や屈折率分布を高精度に観察できる先端的な顕微鏡技術です。
この技術の最大の特徴は、観察対象の表面形状や厚さなどの情報を「位相画像」として可視化できる点にあります。
しかし、観察過程では「位相ラップ現象」が避けられません。
この現象を補正して元の連続した位相情報を取り戻す処理が「位相アンラップ」です。

位相ラッピングは、光が物体を通過したときの位相移動が2πより大きい場合、本来連続している位相が2π単位で切り落とされ、結果として像に不連続な段差が発生します。
これを正確に修正する「位相アンラップ」は、デジタルホログラフィ顕微鏡で高精度な厚さマップを作成する上で不可欠な処理といえます。

位相アンラップ処理の基本原理

位相アンラップの基本的な原理は、隣接するピクセル間で位相の急激な飛びを正しく「補正」し、もとの連続した位相マップを推定することです。
位相アンラップ手法には、「直線探索法」や「積分法」「最小二乗法」などが存在します。
その概要は以下の通りです。

直線探索法（Path-following Method）

この方法は、ある点から順に位相を辿って2π飛びを検知し補正していきます。
トポロジー的な不連続点（位相特異点）が少ない場合に有効で、計算コストが比較的低いという特徴があります。
一方で、ノイズや特異点が多い画像では、誤った補正が連鎖しやすい欠点があります。

積分法（Itoh積分）

局所的な位相差を2πの範囲内に制限してから積分し、グローバルな連続位相を復元する手法です。
こちらもノイズ耐性は低めですが、単純な位相跳びに対しては高速かつ精度良く処理可能です。

最小二乗法（Least Squares Method）

画像全体の位相勾配を最小二乗的に統一し、誤差の分散が最小となるように補正を行います。
ノイズや特異点が多いケースでもグローバルな一貫性が保たれるのが強みです。
現在の研究開発では最も高精度な方法の一つといえますが、計算負荷が高く高速処理が課題となっています。

デジタルホログラフィにおける厚さマップの高精度化

デジタルホログラフィ顕微鏡では、位相情報から試料の厚さや屈折率をマッピングすることが可能です。
このとき、位相値と厚さ（t）・屈折率差（n）は以下の関係で結ばれます。

Δφ = (2π/λ) × (n – n₀) × t

ここで、Δφは位相差、λは波長、nはサンプルの屈折率、n₀は媒質（通常は空気や水）の屈折率です。

位相アンラップによって得た連続位相像をもとに、この関係を使いピクセルごとの厚さ分布=厚さマップを算出することができます。
厚さマップの高精度化には、アンラップ処理の正確性だけでなく、撮影時のノイズや光学系の収差など複数の要素が影響します。

計測精度に影響する要素

計測誤差の主な発生原因として、以下が挙げられます。

位相アンラップ時の誤差伝播
干渉縞コントラストの低下
撮像ノイズ（暗電流・読み出しノイズ）
干渉時の光源スペックルノイズ
屈折率情報の不正確さ

これらを抑えつつ、位相アンラップを最大限精度よく行うことが高精度厚さマッピングの鍵となります。

厚さマップ高精度化に求められる光学設計とシステム最適化

ソフトウェア面だけでなく、装置自体の光学設計・制御も厚さマップ高精度化には重要です。

高コヒーレンスかつ高安定性光源の選択

干渉計測には一定のコヒーレンス長が必要ですが、長すぎるとスペックルノイズの発生確率が高まります。
最近では可干渉長を適切に調整した光源（例えば超輝度LED）やレーザーダイオードとランダム位相板の組み合わせも増えています。

振動・温度ドリフト抑制機構

光路長安定性が悪いと、短時間のうちに位相が大きくドリフトし計測誤差が蓄積します。
そのためダブルパス光路やパッシブ防振器、恒温チャンバーなどの対策が確実な計測を支えます。

自動キャリブレーションと位相基準測定

サンプル非搭載状態での基準位相計測を自動化し、光学系の時間変動（収差や波面収差など）を補正する技術は厚さマップのベースライン精度に寄与します。

デジタルホログラフィ顕微鏡の応用例と将来展望

位相アンラップと高精度厚さマップの実現は、デジタルホログラフィ顕微鏡のさまざまな先端応用分野で高く評価されています。

細胞形態計測・生物医科学

細胞成長や形態変化を非染色・非破壊で高精度モニタリングでき、再生医療や薬剤スクリーニングなどで活用されています。

半導体・MEMSプロファイル測定

半導体プロセス中の薄膜厚やマイクロパターンプロファイルを1nm以下の分解能で非接触測定でき、生産性向上と欠陥検査に大きく貢献しています。

新素材・生体模倣構造解析

高アスペクト比微細構造や生体模倣膜、ポリマー材料の厚み・質量マッピングなど、幅広い新素材開発現場で採用が進みつつあります。

将来的な展望としては、さらなる人工知能連携やリアルタイム三次元再構成、他の分光イメージングとの組合せによる多次元的解析、ポータブル計測器の開発などが期待されています。

まとめ

デジタルホログラフィ顕微鏡の位相アンラップは、計測精度を支えるコア技術の一つです。
優れた位相アンラップ法の開発・最適な光学システムの設計・高度なノイズ低減技術を融合することで、厚さマップの高精度化が実現できます。
これにより、生命科学・半導体産業・新材料開発といった幅広い分野で革新的な三次元イメージングが可能となります。
今後もAIや多次元イメージング技術と連携しつつ、計測精度と応用範囲のさらなる拡大が見込まれています。