CN108886567A - 摄像系统和摄像方法 - Google Patents

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Abstract

摄像系统(1A)包括：输出初始脉冲光(Lp)的光源(21)；使初始脉冲光(Lp)的偏光面旋转的偏光控制部(22)；光脉冲整形部(10A)，输入使偏光面旋转后的初始脉冲光(Lp)，使具有第1偏光方向的第1脉冲光(Lp1)和具有与第1偏光方向不同的第2偏光方向的第2脉冲光(Lp2)彼此具有时间差而输出；将脉冲光(Lp1)、脉冲光(Lp2)照射到摄像对象物(B)的照射光学系统(23)；基于偏光方向将在摄像对象物(B)反射或透过后的脉冲光(Lp1)、脉冲光(Lp2)分离的光分离元件(24)；对分离后的脉冲光(Lp1)进行摄像的摄像部(25)；和对分离后的脉冲光(Lp2)进行摄像的摄像部(26)。由此，实现了摄像速度能够进一步高速化的摄像系统和摄像方法。

Description

摄像系统和摄像方法
技术领域
本发明涉及摄像系统和摄像方法。
背景技术
在专利文献1、非专利文献1和2中公开了涉及高速摄影的技术。在这些文献记载的装置和方法中，首先，从单一的光脉冲生成由波长互不相同且彼此具有时间差的多个光脉冲构成的照射光(频闪光)。接着，将该照射光照射到摄像对象物，在来自摄像对象物的透过光或反射光，记录与各波长对应的多个时机下的摄像对象物的像信息。然后，将透过光或反射光按各波长成分空间分离，对各波长成分进行摄像。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2015-41784号公报
非专利文献
非专利文献1：K.Nakagawa et al.,"Sequentially timed all-optical mappingphotography(STAMP)",Nature Photonics 8,pp.695-700(2014)
非专利文献2：M.Tamamitsu et al.,"Design for sequentially timed all-optical mapping photography with optimum temporal performance",Optics Letters40,pp.633-636(2015)
发明内容
发明所要解决的课题
如非专利文献2中记载的那样，在上述现有的方式中，如果试着将多个光脉冲的时间差(即帧间隔)缩短，则会发生时间上彼此相邻的光脉冲重叠的现象。这是因为，由于各个光脉冲的波长各自不同(即受到频带限制)，所以与原来的单一的光脉冲相比各个光脉冲的时间波形会大幅伸展。由此，在摄像图像上发生运动模糊(motion blur：在用摄像机对运动中的对象进行摄影时发生的模糊)。因此，在上述现有的方式中，帧间隔(摄像间隔)难以进一步缩短时间。
本发明的实施方式的目的在于提供一种摄像系统和摄像方法。
解决课题的技术手段
本发明的实施方式是摄像系统。摄像系统包括：输出至少一个初始脉冲光的光源；使初始脉冲光的偏光面旋转的偏光控制部；光脉冲整形部，输入使偏光面旋转后的初始脉冲光，并使具有第1偏光方向的第1脉冲光和具有与第1偏光方向不同的第2偏光方向的第2脉冲光彼此具有时间差而输出；将第1脉冲光和第2脉冲光照射到摄像对象物的照射光学系统；基于偏光方向将在摄像对象物反射或透过后的第1脉冲光和第2脉冲光分离的光分离元件；对分离后的第1脉冲光进行摄像的第1摄像部；和对分离后的第2脉冲光进行摄像的第2摄像部。
另外，本发明的实施方式是摄像方法。摄像方法包括：输出至少一个初始脉冲光的光输出步骤；使初始脉冲光的偏光面旋转的光控制步骤；光脉冲整形步骤，输入使偏光面旋转后的初始脉冲光，并使具有第1偏光方向的第1脉冲光和具有与第1偏光方向不同的第2偏光方向的第2脉冲光彼此具有时间差而输出；将第1脉冲光和第2脉冲光照射到摄像对象物的照射步骤；基于偏光方向将在摄像对象物反射或透过后的第1脉冲光和第2脉冲光分离的分离步骤；和对分离后的第1脉冲光和第2脉冲光进行摄像的摄像步骤。
在上述摄像系统和摄像方法中，照射光学系统(或照射步骤中)将彼此偏光方向不同且具有时间差的第1脉冲光和第2脉冲光作为照射光(频闪光)照射到摄像对象物。然后，将来自摄像对象物的反射光或透过光基于它们的偏光方向进行分离。在这种情况下，各脉冲光成分不受到频带限制，所以能够比上述现有技术缩短脉冲光成分间的时间差。即，根据上述摄像系统和摄像方法，能够不受到运动模糊的影响地进一步缩短帧间隔。
发明的效果
根据实施方式的摄像系统和摄像方法，能够进一步缩短摄像间隔。
附图说明
图1是概略地表示一个实施方式所涉及的摄像系统的结构的图。
图2是表示光脉冲整形部(脉冲整形器(pulse shaper))的结构的图。
图3中，(a)是表示从光源输出的脉冲光的时间波形的一个例子的图，(b)是表示从光脉冲整形部输出的2个脉冲光成分的时间波形的一个例子的图，(c)是表示时间波形彼此不同且具有时间差的2个脉冲光成分的时间波形的一个例子的图。
图4是概念性地表示空间光调制器的调制面的图。
图5中，(a)是表示给予第1脉冲光的光谱波形的图，(b)是表示第1脉冲光和第2脉冲光的时间强度波形的图，(c)是表示(b)所示的各脉冲光成分的偏光方向的图。
图6中，(a)是表示给予第1脉冲光的光谱波形的图，(b)是表示第1脉冲光和第2脉冲光的时间强度波形的图，(c)是表示(b)所示的各脉冲光成分的偏光方向的图。
图7中，(a)是表示给予第1脉冲光的光谱波形的图，(b)是表示第1脉冲光和第2脉冲光的时间强度波形的图，(c)是表示(b)所示的各脉冲光成分的偏光方向的图。
图8是表示一个实施方式所涉及的摄像方法的流程图。
图9是表示第1变形例的图。
图10是表示第1变形例所涉及的摄像元件的摄像面的图。
图11是表示第2变形例的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对摄像系统和摄像方法的实施方式进行详细的说明。其中，在附图的说明中，对相同的要素标注相同的符号，省略重复的说明。
图1是概略地表示一个实施方式所涉及的摄像系统1A的结构的图。该摄像系统1A如图1所示包括：照射装置3、光分离元件24、第1摄像部(摄像机)25、和第2摄像部(摄像机)26。
照射装置3使具有第1偏光方向的第1脉冲光(第1子脉冲光)Lp1和具有与该第1偏光方向不同的(例如与第1偏光方向正交的)第2偏光方向的第2脉冲光(第2子脉冲光)Lp2彼此具有时间差地照射到摄像对象物B。因此，照射装置3具有光源21、偏光控制部22、光脉冲整形部(脉冲整形器)10A、和照射光学系统23。
光源21输出例如激光这样的至少一个脉冲光Lp(初始脉冲光)。光源21由例如钛蓝宝石激光器或YAG激光器等固体激光器、光纤激光器、或半导体激光器构成。于是，脉冲光Lp具有直线偏光(偏光方向A1)。图3(a)表示从光源21输出的脉冲光Lp的时间强度波形的一个例子。图3(a)的纵轴表示光强度。
偏光控制部(偏光控制元件)22与光源21光学耦合，使输入到下述的SLM14的脉冲光Lp的偏光面旋转。由此，输入到SLM14的脉冲光Lp包含偏光方向A1的偏光成分和与偏光方向A1交叉的偏光方向A2的偏光成分。偏光方向A2例如与偏光方向A1正交。偏光控制部22例如为光学元件。作为偏光控制部22，能够使用例如λ/2板等波长板、偏光器、法拉第旋转器、可变旋转器、偏光调制型SLM等。再有，偏光控制部22优选能够将偏光面旋转角设定为可变。
光脉冲整形部10A输入使偏光面旋转了的初始脉冲光Lp，并从所输入的脉冲光Lp生成具有第1偏光方向的脉冲光Lp1和具有与第1偏光方向交叉的(例如正交的)第2偏光方向的脉冲光Lp2。另外，光脉冲整形部10A将脉冲光Lp1控制为任意的时间强度波形，且对于脉冲光Lp2给予时间差。
图2是表示光脉冲整形部10A的结构的图。如图2所示，光脉冲整形部10A具有：分束器11、色散元件12、聚光光学系统13、和空间光调制器(Spatial Light Modulator；SLM)14。具体而言，光脉冲整形部10A中，分束器11、色散元件12、聚光光学系统13、和SLM14以该顺序光耦合。
分束器11使从偏光控制部22输入的脉冲光Lp透过。色散元件12按各波长将脉冲光Lp色散(分光)。此处，色散是指将脉冲光Lp所包含的各波长成分按各波长空间分离。图2中为了容易理解表示了6个波长成分Lλ1～Lλ6。作为色散元件12，能够应用例如衍射光栅(grating)、或棱镜等各种色散元件。另外，色散元件12也可以为反射型、透过型中的任一种。另外，色散元件12也可以由多个色散元件构成。
聚光光学系统13使从色散元件12按各波长成分向不同的方向输出的各波长成分Lλ1～Lλ6的传播方向相互一致，并且将各波长成分Lλ1～Lλ6分别用SLM14聚光。具体来说，聚光光学系统13至少在包含色散元件12的波长色散方向的平面内具有透镜光学能力(lenspower)。作为这样的聚光光学系统13，可使用例如透镜或柱面透镜。另外，作为聚光光学系统13，并不限于透过型的透镜，也可以使用例如凹面镜等反射型的透镜。
SLM14具有多个调制像素排列成二维状的调制面14a。SLM14为相位调制型(或者相位·强度调制型)SLM，按各波长调制色散后的脉冲光Lp。即，调制面14a包含与多个波长成分分别对应的多个调制区域，这些调制区域排列在色散元件12的色散方向上。然后，各波长成分Lλ1～Lλ6输入到对应的调制区域，根据在该调制区域中展示的调制图案各自独立地被调制。其中，SLM14也可以为反射型和透过型中的任一种(图中例示反射型)。另外，SLM14也可以为一维型空间光调制器和二维型空间光调制器中的任一种。
另外，SLM14具有偏光依赖性，或者对偏光成分具有调制作用，但对该偏光成分以外的偏光成分不具有调制作用。例如，对脉冲光Lp1所具有的第1偏光方向具有调制作用，但对脉冲光Lp2所具有的第2偏光方向不具有调制作用。作为一个例子，SLM14是液晶型(Liquid Crystal on Silicon(硅基液晶)；LCOS)的SLM。液晶型SLM中使用液晶的双折射性进行相位调制，所以仅沿液晶的取向方向的偏光方向的成分被调制，与该偏光成分正交的偏光方向的成分不被调制。
图4是概念性地表示SLM14的调制面14a的图。在此，定义具有调制作用的第1偏光方向(调制轴方向)X和不具有调制作用的第2偏光方向Y(非调制轴方向)。调制轴方向X和非调制轴方向Y彼此正交，调制轴方向X与液晶的取向方向一致。
输入到SLM14的脉冲光Lp的偏光方向向量E(其中，向量的大小与光强度相当)被偏光控制部22旋转，其结果，相对于调制轴方向X倾斜。因此，沿调制轴方向X的第1偏光成分EMO被SLM14调制，但沿与调制轴方向X正交的非调制轴方向Y的第2偏光成分ENON不被调制而按原样在SLM14反射(或透过)。因此，通过将时间上延迟(或前进)的相位图案展示给SLM14来对第1偏光成分EMO的相位谱进行控制，使由第1偏光成分EMO构成的第1脉冲光Lp1与由第2偏光成分ENON构成的第2脉冲光Lp2之间产生时间差。该时间差例如为飞秒数量级。图3(b)表示从光脉冲整形部10A输出的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的时间强度波形的一个例子。
第1偏光成分EMO和第2偏光成分ENON能够使用脉冲光Lp的偏光面相对于调制轴方向X的旋转角θ并通过以下的数式表示。即，通过在偏光控制部22中操作旋转角θ，能够操作脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的强度比。在旋转角θ为45°的情况下，脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的光强度彼此相等。旋转角θ(单位：度)也可以为90×n(n为整数)以外的值。
EMO＝Ecosθ
ENON＝Esinθ
SLM14也可以进一步展示将第1偏光成分EMO与使之时间上延迟(或前进)的相位图案叠加来使脉冲光Lp1的时间强度波形变化的相位图案。即，在各波长成分Lλ1～Lλ6的波长是已知的情况下，由于能够计算用于形成期望的时间强度波形的相位谱和强度谱，所以通过将基于计算出的相位谱和强度谱的相位图案展示给SLM14来调制各波长成分Lλ1～Lλ6，能够输出期望的时间强度波形的脉冲光Lp1。在这种情况下，如图3(c)所示，能够容易地生成时间强度波形彼此不同且具有时间差的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2。另外，脉冲光Lp1的时间强度波形能够整形为任意的波形，例如能够将脉冲光Lp1的时间宽度扩展、进一步将脉冲光Lp1分割为多个脉冲光成分(脉冲串)、或者设为啁啾脉冲(Chirp Pulse)等。
从SLM14输出的各波长成分Lλ1～Lλ6再次通过聚光光学系统13。此时，聚光光学系统13使各波长成分Lλ1～Lλ6分别向不同的方向输出，将各波长成分Lλ1～Lλ6在色散元件12中空间上重叠，并且使各波长成分Lλ1～Lλ6分别平行化。色散元件12将调制后的脉冲光Lp1的各波长成分Lλ1～Lλ6合成，并且合成脉冲光Lp2的各波长成分Lλ1～Lλ6。合成后的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2在分束器11反射，向与脉冲光Lp的输入方向不同的方向输出。
另外，本实施方式中例示了色散元件12和聚光光学系统13进行色散和合成这两者的方式，但是色散和合成也可以分别由不同的元件进行。例如，令SLM14为透过型，通过将使透过了SLM14的各波长成分Lλ1～Lλ6向不同的方向输出的色散元件和将所输出的各波长成分Lλ1～Lλ6空间上重叠并且使各波长成分Lλ1～Lλ6分别平行化的聚光光学系统配置在SLM14的后段，从而能够进行这样的方式。
另外，也可以将从SLM14输出的各波长成分Lλ1～Lλ6导光到照射光学系统23，通过照射光学系统23所进行的聚光，来生成脉冲光Lp1、脉冲光Lp2。再有，本实施方式中使用分束器11来分离脉冲光Lp和脉冲光Lp1、脉冲光Lp2，但也能够例如使各波长成分Lλ1～Lλ6相对于调制面14a的输入方向相对于调制面14a的法线倾斜，从而能够不使用分束器11而分离脉冲光Lp和脉冲光Lp1、脉冲光Lp2。
再次参照图1。照射光学系统23将在光脉冲整形部10A中生成的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2照射到摄像对象物B。
摄像对象物B接受脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的照射，使这些脉冲光Lp1、脉冲光Lp2反射或透过。这些透过光或反射光分别保持脉冲光Lp1的照射时刻t1和脉冲光Lp2的照射时刻t2(≠t1)的摄像对象物B的像信息。
在摄像对象物B反射或透过的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2彼此偏光方向不同，所以能够基于该偏光方向进行分离。光分离元件24是接受在摄像对象物B反射或透过的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2，基于偏光方向将这些脉冲光Lp1、脉冲光Lp2分离的光学元件。
光分离元件24适当地通过例如格兰-汤普逊棱镜、沃拉斯顿棱镜、萨瓦尔板、偏光分束器或偏光棱镜来实现。在图1所示的例子中，光分离元件24具有偏振波选择面24a，脉冲光Lp1透过偏振波选择面24a而从一方的光输出面输出，脉冲光Lp2在偏振波选择面24a反射，从另一方的光输出面输出。
摄像部25与光分离元件24的一方的光输出面光学耦合，包括对伴随着分离了的脉冲光Lp1的像进行摄像的光检测器。即，摄像部25将脉冲光Lp1作为频闪光，以与其照射时机同步的时机进行摄像。摄像部26与光分离元件24的另一方的光输出面光学耦合，对伴随着分离了的脉冲光Lp2的像进行摄像。即，摄像部26将脉冲光Lp2作为频闪光，以与其照射时机同步的时机进行摄像。
由摄像部25、26摄像的2张图像分别是照射时刻t1、t2的图像，是极短的时间间隔(例如飞秒数量级)的连续图像。在动态图像摄影中，这些图像构成连续的帧。另外，本实施方式中，摄像部25包括第1摄像元件，摄像部26包括与第1摄像元件不同的第2摄像元件。换言之，摄像部25、26分别由不同的摄像元件构成。摄像部25、26适当地由例如CCD图像传感器、CMOS图像传感器、或条纹摄像机(streak camera)构成。
另外，如上所述，本实施方式中通过操作偏光控制部22的旋转角θ，能够操作脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的强度比。即，通过操作旋转角θ，能够进行各帧图像的曝光量的调整。
在此，对使脉冲光Lp1的时间强度波形不变化的情况下(参照图3(b))的摄像间隔(帧间隔)的调整方法的一个例子进行说明。图5(a)表示给予脉冲光Lp1的光谱波形(图形G1:光谱强度、图形G21～G23：光谱相位)。图5(b)的图形G31～G33表示脉冲光Lp1的时间强度波形，图形G4表示脉冲光Lp2的时间强度波形。图5(c)表示图5(b)所示的各脉冲光成分的偏光方向。
如图5(a)所示，SLM14对脉冲光Lp1给予一次函数型的相位图案G21。于是，将其倾斜度如图形G22、G23那样依次倾斜(图中的箭头A1)。由此，脉冲光Lp1从图形G31经G32至G33依次移动(图中的箭头A2)，所以脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差依次变化。即，照射时刻t1、t2的间隔依次变化，所以通过设定适当的倾斜度，能够将摄像间隔调整(设定)为任意的时间。原理上，能够尽可能缩短摄像间隔。
接着，对使脉冲光Lp1的时间强度波形变化的情况下(参照图3(c))的摄像间隔(帧间隔)的调整方法的一个例子进行说明。图6(a)表示给予脉冲光Lp1的光谱波形(图形G5:光谱强度、图形G6：光谱相位)。图6(b)的图形G7表示脉冲光Lp1的时间强度波形，图形G8表示脉冲光Lp2的时间强度波形。图6(c)表示图6(b)所示的各脉冲光成分的偏光方向。
如图6(a)所示，SLM14对脉冲光Lp1给予用于赋予时间延迟的一次函数型的相位图案和用于控制时间强度波形的相位图案(例如二次函数型的相位图案)相加而得的相位图案G6。由此，脉冲光Lp1的时间强度波形被控制为任意的形状。图6表示根据二次函数型的相位图案，脉冲光Lp1的时间宽度伸展的例子。在本例中，通过时间宽度的伸展，脉冲光Lp1的对摄像对象物B的照明(曝光)时间与脉冲光Lp2相比变长。即，能够进行照明(曝光)时间的调整。
于是，与图5的情况同样，使构成相位图案G6的一次函数型的相位图案的倾斜度依次倾斜(箭头A1)。由此，脉冲光Lp1在时间轴上依次移动(箭头A2)，脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差依次变化。即，照射时刻t1、t2的间隔依次变化，所以通过设定适当的倾斜度，能够将摄像间隔调整(设定)为任意的时间。
脉冲光Lp1的时间强度波形的变化并不限于如上所述的时间宽度的伸展，也能够采用任意的形状(例如矩形脉冲、三角脉冲、双脉冲等)。图7是表示脉冲光Lp1的时间强度波形为双脉冲时的摄像间隔(帧间隔)的调整方法的图。图7(a)表示给予脉冲光Lp1的光谱波形(图形G9:光谱强度、图形G10、G11：光谱相位)。图7(b)的图形G12、G13表示脉冲光Lp1的时间强度波形，图形G14表示脉冲光Lp2的时间强度波形。图7(c)表示图7(b)所示的各脉冲光成分的偏光方向。
如图7(a)所示，SLM14对脉冲光Lp1给予与波长的变化对应地周期性地反复相位值的上下的相位图案G10。于是，使其光谱相位图案的周期向图形G11连续地变化。由此，脉冲光Lp1从图形G12至G13依次移动(图中的箭头A2)，所以脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差依次变化。即，照射时刻t1、t2的间隔依次变化，所以通过设定适当的光谱相位图案的周期，能够将摄像间隔调整(设定)为任意的时间。
另外，如图5(c)、图6(c)和图7(c)所示，即使使脉冲光Lp1与脉冲光Lp2的时间差依次变化，脉冲光Lp1的偏光方向(调制轴方向X)和脉冲光Lp2的偏光方向(非调制轴方向Y)也不管时间差如何均维持正交状态。
在此，对使用了摄像系统1A的本实施方式的摄像方法进行详细的说明。图8是表示摄像方法的流程图。首先，使脉冲光Lp1、脉冲光Lp2彼此具有时间差地照射到摄像对象物B(步骤S1)。
具体来说，首先，从光源21输出脉冲光Lp(光输出步骤S11)。接着，利用偏光控制部22使脉冲光Lp的偏光面旋转(偏光控制步骤S12)。接着，利用色散元件12将脉冲光Lp按各波长色散(色散步骤S13)。然后，将色散后的脉冲光Lp的相位谱使用偏光依赖型的SLM14按各波长调制(调制步骤S14)。
此时，通过在使输入到SLM14的脉冲光Lp的偏光面相对于调制轴方向X倾斜的状态下对沿调制轴方向X的脉冲光Lp的第1偏光成分EMO的相位谱进行调制，使第1偏光成分EMO与第2偏光成分ENON之间产生时间差。由此，生成脉冲光Lp2和对脉冲光Lp2具有时间差的脉冲光Lp1。
其中，在该步骤中，也可以以将脉冲光Lp1的时间强度波形转换为任意的波形的方式对第1偏光成分EMO的相位谱进一步进行调制。之后，利用色散元件12合成调制后的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的各波长成分Lλ1～Lλ6(合成步骤S15)，将合成后的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2照射到摄像对象物B(照射步骤S16)。其中，本实施方式中，由色散步骤S13、调制步骤S14、和合成步骤S15构成光脉冲整形步骤。
接着，在光分离元件24中基于偏光方向将在摄像对象物B反射或透过后的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2分离(光分离步骤S2)。之后，分别在摄像部25、26中对分离后的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2进行摄像(摄像步骤S3)。
对通过以上说明的本实施方式的摄像系统1A和摄像方法得到的效果进行说明。如上所述，在将由波长彼此不同且彼此具有时间差的多个光脉冲构成的照射光(频闪光)照射到摄像对象物的现有的方式中，当尝试使多个光脉冲的时间差(即帧间隔)变短时，各个光脉冲受到频带限制，其时间波形会大幅伸展。由此，存在在摄像图像中产生运动模糊等的问题。
与之相对，在本实施方式的摄像系统1A和摄像方法中，照射装置3(或照射步骤S1中)将彼此偏光方向不同且具有时间差的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2作为照射光(频闪光)照射到摄像对象物B。然后，将来自摄像对象物B的反射光或透过光基于它们的偏光方向进行分离。在这种情况下，各脉冲光Lp1、脉冲光Lp2不受到频带限制，所以能够比现有技术缩短脉冲光Lp1、脉冲光Lp2间的时间差。即，根据本实施方式的摄像系统1A和摄像方法，能够不受到运动模糊的影响地进一步缩短帧间隔。
另外，根据本实施方式的照射装置3，通过变更展示给SLM14的相位图案而能够变更脉冲光Lp1的滞后时间，所以能够容易变更帧间隔。
另外，如本实施方式所示，照射装置3也可以具有使输入到SLM14的初始脉冲光Lp的偏光面旋转的偏光控制部22。由此，能够容易地使初始脉冲光Lp的偏光面相对于调制轴方向X倾斜。在这种情况下，偏光控制部22可以能够将偏光面旋转角设定为可变。由此，能够容易地变更第1的脉冲光Lp1与第2脉冲光Lp2的强度比。
另外，如本实施方式所示，摄像部25也可以包括第1摄像元件，摄像部26也可以包括与第1摄像元件不同的第2摄像元件。根据这样的结构，能够合适地对具有极短时间差的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2进行摄像。
(第1变形例)
图9是表示上述实施方式的第1变形例所涉及的摄像系统1B的结构的图。该摄像系统1B与上述实施方式的不同点在于第1和第2摄像部的结构。其中，除了第1和第2摄像部的摄像系统1B的结构与上述实施方式相同所以省略详细的说明。
摄像系统1B替代上述实施方式的摄像部25、26而具有摄像元件27。图10是表示摄像元件27的受光面28的俯视图。如图10所示，受光面28具有2个受光区域28a、28b。受光区域28a是本变形例的第1摄像部，受光区域28b是本变形例的第2摄像部。这样，本变形例中，第1摄像部和第2摄像部由共用的摄像元件27的受光面28上的不同的区域28a、28b构成。
在受光区域28a中生成的电荷由包括CDS阵列29a和A/D转换元件阵列30a的读取电路读取并输出到外部。在受光区域28b中生成的电荷由包括CDS阵列29b和A/D转换元件阵列30b的读取电路读取并输出到外部。另外，在受光区域28a、28b中生成的电荷也可以由包括CDS阵列和A/D转换元件阵列的共用的读取电路读取并输出到外部。
如图9所示，受光区域28a与光分离元件24的一方的光输出面光学耦合，对分离了的脉冲光Lp1进行摄像。即，受光区域28a将脉冲光Lp1作为频闪光，以与其照射时机同步的时机进行摄像。受光区域28b与光分离元件24的另一方的光输出面光学耦合，对分离了的脉冲光Lp2进行摄像。即，受光区域28b将脉冲光Lp2作为频闪光，以与其照射时机同步的时机进行摄像。
由受光区域28a、28b摄像的2张图像分别是照射时刻t1、t2的图像，是极短的时间间隔(例如飞秒数量级)的连续图像。在动态图像摄影中，这些图像构成连续的帧。摄像元件27适当地由例如CCD图像传感器或CMOS图像传感器构成。
如本变形例那样，第1和第2摄像部也可以由共用的摄像元件27的受光面28上的不同的区域28a、28b构成。根据这样的结构，也能够合适地对具有极短时间差的脉冲光Lp1、脉冲光Lp2进行摄像。
(第2变形例)
图11是表示上述实施方式的第2变形例所涉及的光脉冲整形部(脉冲整形器)10B的结构的图。本变形例的光脉冲整形部10B从所输入的脉冲光Lp生成具有第1偏光方向的脉冲光Lp1和具有与第1偏光方向交叉的(例如正交的)第2偏光方向的脉冲光Lp2。另外，光脉冲整形部10B对脉冲光Lp1、脉冲光Lp2给予时间差。本变形例的光脉冲整形部10B具有光分离元件15、全反射镜16a、16b、移动镜(光路长变更部)17、和光耦合元件18。
光分离元件15将从偏光控制部22输入的初始脉冲光Lp基于其偏光方向分离。由此，从脉冲光Lp生成具有第1偏光方向的脉冲光Lp1和具有第2偏光方向的脉冲光Lp2。
光分离元件15适当地通过例如格兰-汤普逊棱镜、沃拉斯顿棱镜、萨瓦尔板、偏光分束器或偏光棱镜来实现。在图11所示的例子中，光分离元件15具有偏振波选择面15a，脉冲光Lp1透过偏振波选择面15a而从一方的光输出面输出，脉冲光Lp2在偏振波选择面15a反射，从另一方的光输出面输出。
全反射镜16a、16b与光分离元件15光学耦合，变更脉冲光Lp2的光路并向移动镜17引导。移动镜17构成为能够电性控制其反射位置，反射脉冲光Lp2并且变更其光路长。
光耦合元件18从光分离元件15接收脉冲光Lp1，并且从移动镜17接收脉冲光Lp2。光耦合元件18与偏光方向相应地进行透过或反射。即，光耦合元件18使脉冲光Lp1透过(或反射)，使脉冲光Lp2反射(或透过)。由此，脉冲光Lp1、脉冲光Lp2的光路再次一致。
另外，脉冲光Lp2与脉冲光Lp1不同且经由全反射镜16a、16b和移动镜17，所以脉冲光Lp2的光路长比脉冲光Lp1的光路长长。因此，在通过光耦合元件18的时间点，脉冲光Lp2从脉冲光Lp1时间上滞后。即，对脉冲光Lp1与脉冲光Lp2之间赋予时间差。光耦合元件18适当地通过例如格兰-汤普逊棱镜、沃拉斯顿棱镜、萨瓦尔板、偏光分束器或偏光棱镜来实现。
包括光脉冲整形部的照射装置的结构并不限定于上述实施方式，也可以为例如本变形例那样的结构。在这种情况下，也能够实现与上述实施方式同样的效果。
摄像系统和摄像方法并不限定于上述实施方式，也能够采用其他各种变形。例如在上述实施方式中，利用偏光控制部使输入到SLM的脉冲光的偏光面相对于SLM具有调制作用的偏光方向倾斜，但也可以将SLM本身倾斜。即，通过以具有调制作用的偏光方向相对于输入到SLM的脉冲光的偏光面倾斜的方式使SLM倾斜，能够不需要偏光控制部。
另外，在上述实施方式中，作为SLM例示了LCOS型，但作为SLM也可以应用其他液晶型SLM(例如电地址型、光地址型等)。
上述实施方式的摄像系统中，构成为包括：输出至少一个初始脉冲光的光源；使初始脉冲光的偏光面旋转的偏光控制部；光脉冲整形部，输入使偏光面旋转后的初始脉冲光，使具有第1偏光方向的第1脉冲光和具有与第1偏光方向不同的第2偏光方向的第2脉冲光彼此具有时间差而输出；将第1脉冲光和第2脉冲光照射到摄像对象物的照射光学系统；基于偏光方向将在摄像对象物反射或透过后的第1脉冲光和第2脉冲光分离的光分离元件；对分离后的第1脉冲光进行摄像的第1摄像部；和对分离后的第2脉冲光进行摄像的第2摄像部。
另外，上述实施方式的摄像方法中，构成为包括：输出至少一个初始脉冲光的光输出步骤；使初始脉冲光的偏光面旋转的光控制步骤；光脉冲整形步骤，输入使偏光面旋转后的初始脉冲光，并使具有第1偏光方向的第1脉冲光和具有与第1偏光方向不同的第2偏光方向的第2脉冲光彼此具有时间差而输出；将第1脉冲光和第2脉冲光照射到摄像对象物的照射步骤；基于偏光方向将在摄像对象物反射或透过后的第1脉冲光和第2脉冲光分离的分离步骤；和对分离后的第1脉冲光和第2脉冲光进行摄像的摄像步骤。
在上述摄像系统中，也可以为如下结构：光脉冲整形部具有：使旋转了偏光面的初始脉冲光按各波长色散的色散元件；和在第1偏光方向具有调制作用的偏光依赖型的空间光调制器。再有，在上述的摄像系统中，也可以为如下结构：空间光调制器输入偏光面相对于第1偏光方向旋转且按各波长色散后的初始脉冲光，对初始脉冲光所包含的第1偏光方向的偏光成分的相位谱进行调制。另外，在上述摄像方法中，也可以为如下结构：在光脉冲整形步骤中，将偏光面旋转且按各波长色散后的脉冲光输入到空间光调制器，利用空间光调制器对初始脉冲光所包含的第1偏光方向的偏光成分的相位谱进行调制。
在该光脉冲整形部(光脉冲整形步骤)中，初始脉冲光在按各波长成分色散之后，由空间光调制器按各波长进行调制。之后，将调制后的各波长成分合成。因此，通过控制展示给空间光调制器的相位图案，能够赋予任意的时间滞后。
此外，在该光脉冲整形部(光脉冲整形步骤)中，空间光调制器是偏光依赖型，输入到空间光调制器的初始脉冲光的偏光面相对于空间光调制器具有调制作用的偏光方向倾斜(旋转)。即，该偏光方向的偏光成分被调制，与其不同的(例如正交的)偏光成分不被调制。因此，通过例如对第1偏光方向的偏光成分赋予时间滞后，能够使具有第1偏光方向的第1脉冲光与具有第2偏光方向的第2脉冲光之间产生时间差。再有，通过变更展示给空间光调制器的相位图案而能够变更滞后时间，所以能够容易变更帧间隔。
上述摄像系统中，偏光控制部的偏光面旋转角也可以能够变更。另外，上述摄像方法中，光控制步骤的偏光面旋转角也可以能够变更。由此，能够容易地变更第1的脉冲光与第2脉冲光的强度比。
上述的摄像系统和摄像方法中，第1摄像部也可以包括第1摄像元件，第2摄像部也可以包括与第1摄像元件不同的第2摄像元件。或者，第1摄像部和第2摄像部也可以包括共用的摄像元件。根据例如这些任意的结构，能够合适地对具有极短时间差的第1脉冲光和第2脉冲光进行摄像。
产业上的利用可能性
实施方式能够用作摄像系统和摄像方法。
符号的说明
1A、1B…摄像系统、3…照射装置、10A、10B…光脉冲整形部、11…分束器、12…色散元件、13…聚光光学系统、14…SLM、14a…调制面、15…光分离元件、15a…偏振波选择面、16a、16b…全反射镜、17…移动镜、18…光耦合元件、21…光源、22…偏光控制部、23…照射光学系统、24…光分离元件、24a…偏振波选择面、25…第1摄像部、26…第2摄像部、27…摄像元件、28…受光面、28a、28b…受光区域、29a、29b…CDS阵列、30a、30b…转换元件阵列、B…摄像对象物、Lp…初始脉冲光、Lp1…第1脉冲光、Lp2…第2脉冲光。

Claims (8)

1.一种摄像系统，其特征在于，包括：
光源，输出至少一个初始脉冲光；
偏光控制部，使所述初始脉冲光的偏光面旋转；
光脉冲整形部，输入使偏光面旋转后的所述初始脉冲光，并使具有第1偏光方向的第1脉冲光和具有与所述第1偏光方向不同的第2偏光方向的第2脉冲光彼此具有时间差而输出；
照射光学系统，将所述第1脉冲光和所述第2脉冲光照射到摄像对象物；
光分离元件，基于偏光方向将在所述摄像对象物反射或透过后的所述第1脉冲光和所述第2脉冲光分离；
第1摄像部，对分离后的所述第1脉冲光进行摄像；和
第2摄像部，对分离后的所述第2脉冲光进行摄像。
2.如权利要求1所述的摄像系统，其特征在于，
所述光脉冲整形部具有：使旋转了偏光面的所述初始脉冲光按各波长色散的色散元件；和在所述第1偏光方向上具有调制作用的偏光依赖型的空间光调制器。
3.如权利要求2所述的摄像系统，其特征在于，
所述空间光调制器输入偏光面相对于所述第1偏光方向旋转且按各波长色散后的所述初始脉冲光，并对所述初始脉冲光所包含的所述第1偏光方向的偏光成分的相位谱进行调制。
4.如权利要求1～3中任一项所述的摄像系统，其特征在于，
所述偏光控制部的偏光面旋转角能够变更。
5.如权利要求1～4中任一项所述的摄像系统，其特征在于，
所述第1摄像部包括第1摄像元件，所述第2摄像部包括与所述第1摄像元件不同的第2摄像元件。
6.如权利要求1～4中任一项所述的摄像系统，其特征在于，
所述第1摄像部和所述第2摄像部包括共用的摄像元件。
7.一种摄像方法，其特征在于，包括：
输出至少一个初始脉冲光的光输出步骤；
使所述初始脉冲光的偏光面旋转的光控制步骤；
输入使偏光面旋转后的所述初始脉冲光，并使具有第1偏光方向的第1脉冲光和具有与所述第1偏光方向不同的第2偏光方向的第2脉冲光彼此具有时间差而输出的光脉冲整形步骤；
将所述第1脉冲光和所述第2脉冲光照射到摄像对象物的照射步骤；
基于偏光方向将在所述摄像对象物反射或透过后的所述第1脉冲光和所述第2脉冲光分离的分离步骤；和
对分离后的所述第1脉冲光和所述第2脉冲光进行摄像的摄像步骤。
8.如权利要求7所述的摄像方法，其特征在于，
在所述光脉冲整形步骤中，将所述偏光面旋转且按各波长色散后的所述脉冲光输入到空间光调制器，利用所述空间光调制器对所述初始脉冲光所包含的所述第1偏光方向的偏光成分的相位谱进行调制。
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