JP2017181591A - デジタルホログラフィ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が拡大された画像情報を得られるデジタルホログラフィ装置を提供する。【解決手段】観察対象に対して第１波長の光を第１方向から照射して得られる物体光と前記第１波長の光から得られる参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部と、観察対象に対して第１波長とは異なる第２波長の光を第１方向とは相対する第２方向から照射して得られる物体光と第２波長の光から得られる参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部と、前記第１ホログラムを撮像して画像情報を取得する第１撮像部と、前記第２ホログラムを撮像して画像情報を取得する第２撮像部と、を備えたデジタルホログラフィ装置とする。【選択図】図２

Description

本発明はデジタルホログラフィ装置に関する。

特許文献１には、観察対象である観察体に複数の部分領域を定義する定義手段と、前記部分領域における前記観察体についての画像である部分画像を、対物レンズの焦点深度方向に当該焦点深度の間隔で複数枚取得する部分画像取得手段と、前記部分領域に含まれている物が前記焦点深度方向の位置の違いに拘らず合焦して表されている合焦部分画像を複数枚の前記部分画像から生成する合焦部分画像生成手段と、前記部分領域毎に生成された前記合焦部分画像を組み合わせて前記観察体についての合焦画像を生成する合焦画像生成手段と、を有することを特徴とする顕微鏡システムが開示されている。

特許文献２には、被写体の異なる位置を顕微鏡装置で撮像することにより得られた複数のレイヤー画像を取得する画像取得手段と、前記複数のレイヤー画像から複数の観察用画像を生成する画像生成手段と、を備え、前記画像生成手段は、前記複数のレイヤー画像のうちの２枚以上のレイヤー画像を深度合成することで１枚の観察用画像を生成する合成処理を複数回実行することによって前記複数の観察用画像を生成することを特徴とする画像処理装置が開示されている。

非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、及び非特許文献４には、デジタルホログラフィック顕微鏡（ＤＨＭ）などのデジタルホログラフィ技術が開示されている。デジタルホログラフィ技術は、物体からの散乱光（物体光）と参照光とで生成される干渉縞（ホログラム）をデジタルイメージセンサー（例えば、ＣＣＤカメラ）で記録し、そのホログラムを計算機内で再生処理することで再生像を得るものである。この再生像は３次元構造を持っているため、２次元構造（ＸＹ面）だけではなく、深度方向（Ｚ軸方向）の構造も観察することができる。デジタルホログラフィ技術によれば、１枚のホログラムから３次元構造の情報が得られるため、生物や流体等の動体の観察に適用可能である。

特開２００５−０３７９０２号公報 特開２０１４−０７１２０７号公報

M. K. Kim, SPIE Reviews, 1, 018005-1 (2010) U. Schnars, C. Falldorf, J. Watson and, W. Juptner, Digital Holography and Wavefront Sensing, Springer (2015). T. Kreis，J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public. 7, 12006 (2012). J. Mundt and T. Kreis，Optical Engineering 49(12), 125801 (2010)

本発明の目的は、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が拡大された画像情報を得られるデジタルホログラフィ装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、観察対象に対して第１波長の光を第１方向から照射して得られる物体光と前記第１波長の光から得られる参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部と、前記観察対象に対して前記第１波長とは異なる第２波長の光を前記第１方向とは相対する第２方向から照射して得られる物体光と前記第２波長の光から得られる参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部と、前記第１ホログラムを撮像して画像情報を取得する第１撮像部と、前記第２ホログラムを撮像して画像情報を取得する第２撮像部と、を備えたデジタルホログラフィ装置である。

請求項２に記載の発明は、前記第１撮像部及び前記第２撮像部の各々は、第１ホログラムの撮像時間と第２ホログラムの撮像時間とが全部または一部重なるように撮像を行う、請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項３に記載の発明は、前記第１ホログラムの画像情報と前記第２ホログラムの画像情報とが関連付けられる、請求項１または請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。である。

請求項４に記載の発明は、前記第１波長の光を照射して得られる物体光及び前記第２波長の光を照射して得られる物体光の各々は、前記観察対象を透過した透過光であり、
前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部が、各々の物体光の光軸を同軸として配置され、各々の参照光が通過する共通の光路を備えている、請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項５に記載の発明は、前記第１波長の光を照射して得られる物体光及び前記第２波長の光を照射して得られる物体光の各々は、前記観察対象で反射された反射光であり、前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部が、各々の物体光の光軸を同軸として配置されている、請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項６に記載の発明は、前記観察対象の前記第１波長の光による観察領域と前記観察対象の前記第２波長の光による観察領域とが異なる、請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項７に記載の発明は、前記観察対象の前記第１波長の光による観察領域と前記観察対象の前記第２波長の光による観察領域とが一部重なる、請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項８に記載の発明は、前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部が、各々の物体光の光軸を同軸として配置され、前記第１撮像部の撮像面が前記各々の物体光の光軸と交差して配置され、前記第２撮像部の撮像面が前記各々の物体光の光軸と交差して配置されている、請求項１から請求項７までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項９に記載の発明は、前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部の各々は、前記観察対象の配置位置を通り前記各々の物体光の光軸に垂直な面に対して対称な位置に配置され、前記観察対象に照射する光を投光する光源と、前記面に対して対称な位置に配置され、前記光源から投光された光を前記観察対象に照射する光と前記参照光とに分岐する分岐光学素子と、前記面に対して対称な位置に配置され、前記参照光を同じ波長の物体光と干渉可能な方向に反射する反射部と、前記面に対して対称な位置に配置され、前記参照光を同じ波長の光だけを透過する波長フィルタと、を備えている、請求項１から請求項８までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項１０に記載の発明は、前記第１波長の光が第１偏光方向の光であり、前記第２波長の光が第１偏光方向とは異なる第２偏光方向の光である場合に、前記第１ホログラム生成部が、干渉前に前記第１波長の光を照射して得られる物体光から第１偏光方向の光だけを透過する第１偏光フィルタを備え、前記第２ホログラム生成部が、干渉前に前記第２波長の光を照射して得られる物体光から第２偏光方向の光だけを透過する第２偏光フィルタを備えている、請求項１から請求項９までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項１１に記載の発明は、更に、前記第１ホログラムの画像情報を処理して第１再生像を生成すると共に、前記第２ホログラムの画像情報を処理して第２再生像を生成する画像情報処理部を備えた、請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項１に記載の発明によれば、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、観察対象を互いに相対する方向から観察し、観察される観察領域が拡大された画像情報を得られる。

請求項２に記載の発明によれば、観察対象が同時に観察される観察領域を拡大させることができる。

請求項３に記載の発明によれば、同じ観察対象について得られたホログラムの画像情報が関連付けられる。

請求項４に記載の発明によれば、物体光が反射光である場合に比べて、第１ホログラム生成部と第２ホログラム生成部との間で共用される光学部品が多くなる。

請求項５に記載の発明によれば、物体光が透過光である場合に比べて、観察対象に吸収されて物体光が減衰していない。

請求項６に記載の発明によれば、同時に観察される観察領域が最も拡大する。

請求項７に記載の発明によれば、同時に観察される２つの観察領域の連結が、これら２つの観察領域がまったく重ならない場合に比べて容易である。

請求項８に記載の発明によれば、２つの撮像部も物体光の光軸上に配置され、光軸上に配置しない場合に比べて装置全体が小型化する。

請求項９に記載の発明によれば、第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部の各々に含まれる光学部品が対称に配置され、共用される光学部品も増えて装置全体が小型化する。

請求項１０に記載の発明によれば、波長フィルタでは除去しきれないノイズが除去される。

請求項１１に記載の発明によれば、３次元構造を有する再生像が取得される。

本発明の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置の構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は第１の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。 （Ａ）は各波長の光が通過する領域を示す模式図であり、（Ｂ）は各波長の光による観察領域を示す模式図である。 （Ａ）は光軸がずれた場合に各波長の光が通過する領域を示す模式図であり、（Ｂ）は各波長の光による観察領域を示す模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は観察領域が拡大する様子を示す模式図である。 （Ａ）〜（Ｃ）は各波長の光に対する拡大倍率が異なる場合の各波長の光による観察領域を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は第２の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。 本発明の第３の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は第３の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。 本発明の第４の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の第５の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
（デジタルホログラフィ装置）
まず、デジタルホログラフィ装置の全体構成について説明する。図１は本発明の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置の構成の一例を示す概略構成図である。デジタルホログラフィ装置１０は、ホログラムを生成するホログラム生成部１２、ホログラムを撮像する第１撮像部１４_１、第２撮像部１４_２、ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して再生像を生成する画像情報処理部１６、及び表示部１８を備えている。

ホログラム生成部１２は、観察対象に対して第１波長の光を第１方向から照射して得られる物体光と、第１波長の光から得られる参照光とを干渉させて、干渉縞である第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部として機能する。第１撮像部１４_１は、ＣＣＤ等のデジタル撮像素子であり、第１ホログラム生成部により生成された第１ホログラムを撮像する。

また、ホログラム生成部１２は、観察対象に対して第２波長の光を第２方向から照射して得られる物体光と、第２波長の光から得られる参照光とを干渉させて、干渉縞である第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部として機能する。ここで、第２波長は第１波長とは異なる波長であり、第２方向は第１方向に相対する方向である。第２撮像部１４_２は、ＣＣＤ等のデジタル撮像素子であり、第２ホログラム生成部により生成された第２ホログラムを撮像する。

第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とは、画像情報処理部１６に出力される。第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とは関連付けられて、画像情報処理部１６の後述するメモリ等の記憶装置に記憶される。第１波長と第２波長は、波長フィルタ等で分離可能な波長であればよい。例えば、第１波長を５００ｎｍ〜５６０ｎｍの緑色光とし、第２波長を６５０ｎｍ〜７８０ｎｍの赤色光としてもよい。なお、ホログラム生成部１２の構成については後述する。

画像情報処理部１６は、第１撮像部１４_１により第１ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して第１再生像を生成すると共に、第２撮像部１４_２により第２ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して第２再生像を生成する。上述した通り、デジタルホログラフィ技術では、ホログラムをデジタル撮像素子で撮像し、撮像されたホログラムの画像情報を計算機内で再生処理することにより、３次元構造を有する再生像を取得する。なお、再生処理の手法としては、周知のコンボリューション法やフレネル法が使用される。例えば、非特許文献２（U. Schnars, C. Falldorf, J. Watson and, W. Juptner, Digital Holography and Wavefront Sensing, Springer (2015).）に記載の方法が使用される。

画像情報処理部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びメモリを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＯＭには、ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して３次元構造を有する再生像を得る「再生処理」のプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された「再生処理」のプログラムを読み出して、ＲＡＭをワークエリアとして使用して「再生処理」のプログラムを実行する。また、表示部１８は、コンピュータの周辺装置として配置されたディスプレイ等である。表示部１８には、生成された再生像などが表示される。なお、周辺装置としてキーボード等の入力装置を備えていてもよい。

本実施の形態では、観察対象に第１波長の光を照射して観察対象を第１方向から観察したときの第１ホログラムの撮像と同時に、観察対象に第２波長の光を照射して観察対象を第１方向とは相対する第２方向から観察したときの第２ホログラムが撮像される。したがって、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、観察対象を互いに相対する方向から観察することができ、同時に観察される観察領域が拡大される。例えば、観察領域内にある被写体を表面から観察したときの３次元形状と裏面から観察したときの３次元形状とが同時に取得され、被写体全体の３次元形状が取得される。

なお、本明細書において「同時」とは、第１ホログラムの撮像時間と第２ホログラムの撮像時間とが完全に重なる場合だけでなく、第１ホログラムの撮像時間と第２ホログラムの撮像時間とが一部重なる場合も含む。

（ホログラム生成部）
次に、ホログラム生成部１２について説明する。ここでは、第１撮像部１４_１及び第２撮像部１４_２も含めて説明する。図２は本発明の第１の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第１の実施の形態では、観察対象Ｓを透過した透過光を物体光とする。ホログラム生成部１２は、第１ユニット２０_１と第２ユニット２０_２と一対の反射鏡３８_１及び反射鏡３８_２とを備えている。一対の反射鏡３８_１及び反射鏡３８_２は、「反射部」の一例である。

第１ユニット２０_１は、第１波長（λ_１）の光を投光する第１光源２２_１、レンズ２４_１、入射した光を入射方向に応じて分岐、統合、透過、または反射する反射面２７_１を有する第１分岐光学素子２６_１、レンズ２８_１、第２波長（λ_２）の光だけを透過する波長フィルタ３０_１、レンズ３２_１、第２撮像部１４_２、及びレンズ３６_１を備え、各光学部品が同じ基板上に設置されている。第２撮像部１４_２を、第１ユニット２０_１内（後述する物体光の光軸上）に配置することで、デジタルホログラフィ装置１０の全体が小型化する。

第２ユニット２０_２は、第２波長（λ_２）の光を投光する第２光源２２_２、レンズ２４_２、入射した光を入射方向に応じて分岐、統合、透過、または反射する反射面２７_２を有する第２分岐光学素子２６_２、レンズ２８_２、第１波長（λ_１）の光だけを透過する波長フィルタ３０_２、レンズ３２_２、第１撮像部１４_１、及びレンズ３６_２を備え、各光学部品が同じ基板上に設置されている。第１撮像部１４_１を、第２ユニット２０_２内（後述する物体光の光軸上）に配置することで、デジタルホログラフィ装置１０の全体が小型化する。

第１分岐光学素子２６_１及び第２分岐光学素子２６_２としては、ビームスプリッタ等を用いてもよい。また、波長フィルタ３０_１及び波長フィルタ３０_２としては、バンドパスフィルタ等を用いてもよい。

第１ユニット２０_１においては、第１分岐光学素子２６_１の四方に他の光学部品が配置されている。第１分岐光学素子２６_１に対し第１方向には、レンズ２８_１が配置されている。第１分岐光学素子２６_１に対し第２方向には、波長フィルタ３０_１、レンズ３２_１、及び第２撮像部１４_２が配置されている。第１分岐光学素子２６_１に対し第３方向には、レンズ３６_１が配置されている。第１分岐光学素子２６_１に対し第４方向には、第１光源２２_１及びレンズ２４_１が配置されている。第４方向は第３方向に相対する方向である。

レンズ２８_１、第１分岐光学素子２６_１、波長フィルタ３０_１、及びレンズ３２_１の各々は、光軸が揃えられて、第２方向に沿って記載された順序で配置されている。後述する通り、これら光学系の光軸は、第２波長の物体光の光軸に等しい。第２撮像部１４_２は、撮像面が光学系の光軸（第２波長の物体光の光軸）と交差するように、レンズ３２_１に対し第２方向に配置されている。第２撮像部１４_２は、撮像面がレンズ３２_１の焦点位置となるように配置されている。

また、第１光源２２_１、レンズ２４_１、第１分岐光学素子２６_１、及びレンズ３６_１の各々は、光軸が揃えられて、第３方向に沿って記載された順序で配置されている。なお、反射鏡３８_１は、これら光学系の光軸と交差するように配置されている。図示した例では、反射鏡３８_１は、入射光が反射鏡３８_２の方向に反射されるように、反射面が光学系の光軸に対して４５°の角度だけ傾けられている。

第２ユニット２０_２においては、第２分岐光学素子２６_２の四方に他の光学部品が配置されている。第２分岐光学素子２６_２に対し第２方向には、レンズ２８_２が配置されている。第２分岐光学素子２６_２に対し第１方向には、波長フィルタ３０_２、レンズ３２_２、及び第２撮像部１４_１が配置されている。第２分岐光学素子２６_２に対し第３方向には、レンズ３６_２が配置されている。第２分岐光学素子２６_２に対し第４方向には、第２光源２２_２及びレンズ２４_２が配置されている。

レンズ２８_２、第２分岐光学素子２６_２、波長フィルタ３０_２、及びレンズ３２_２の各々は、光軸が揃えられて、第１方向に沿って記載された順序で配置されている。後述する通り、これら光学系の光軸は、第１波長の物体光の光軸に等しい。第１撮像部１４_１は、撮像面が光学系の光軸（第１波長の物体光の光軸）と交差するように、レンズ３２_２に対し第１方向に配置されている。第１撮像部１４_１は、撮像面がレンズ３２_２の焦点位置となるように配置されている。

また、第２光源２２_２、レンズ２４_２、第２分岐光学素子２６_２、及びレンズ３６_２の各々は、光軸が揃えられて、第３方向に沿って記載された順序で配置されている。なお、反射鏡３８_２は、これら光学系の光軸と交差するように配置されている。図示した例では、反射鏡３８_２は、入射光が反射鏡３８_１の方向に反射されるように、反射面が光学系の光軸に対して４５°の角度だけ傾けられている。

本実施の形態では、第１波長の物体光の光軸は、第２波長の物体光の光軸と同軸とされている。したがって、区別する必要が無い場合は、両波長の物体光の光軸を「物体光の光軸」と総称する。即ち、第１ユニット２０_１のレンズ２８_１、第１分岐光学素子２６_１、波長フィルタ３０_１、及びレンズ３２_１の各々、第２ユニット２０_２のレンズ２８_２、第２分岐光学素子２６_２、波長フィルタ３０_２、及びレンズ３２_２の各々は、物体光の光軸に沿って配置されている。

また、本実施の形態では、第１ユニット２０_１及び反射鏡３８_１と、第２ユニット２０_２及び反射鏡３８_２とは、観察対象Ｓの配置位置を通り、物体光の光軸に垂直な面に対して対称な位置に配置されている。以下では、この面を「観察対象の配置位置を通る基準面」という。観察対象Ｓは図示しない保持部材により保持されている。レンズ２８_１の焦点位置とレンズ２８_２の焦点位置とが、観察対象Ｓ内に位置するように、第１ユニット２０_１と第２ユニット２０_２とが配置される。後述する通り、レンズ２８_２の焦点位置は、レンズ２８_１の焦点位置とは異なっている。

なお、レンズ２４_１、レンズ２８_１、レンズ３６_２、及びレンズ３２_２の各々は、第１波長の光に対して４ｆ光学系を構成しているが、レンズ２８_２、及びレンズ３２_２の各々は、第１波長の光に対して無限補正光学系を構成していればよい。同様に、レンズ２４_２、レンズ２８_２、レンズ３６_１、及びレンズ３２_１の各々は、第２波長の光に対して４ｆ光学系を構成しているが、レンズ２８_１、及びレンズ３２_１の各々は、第２波長の光に対して無限補正光学系を構成していればよい。４ｆ光学系では各レンズの焦点距離が等しいが、無限補正光学系では各レンズの焦点距離が異なっていてもよい。

（ホログラム生成部の動作）
次に、ホログラム生成部１２の動作について説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）は第１の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。図３（Ａ）では、第１波長の物体光と参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部としての動作を説明する。図３（Ｂ）では、第２波長の物体光と参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部としての動作を説明する。

まず、第１ホログラム生成部としての動作について説明する。図３（Ａ）に示すように、第１光源２２_１から平行光として投光された第１波長の光は、レンズ２４_１により集光されて第１分岐光学素子２６_１に入射する。

第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の光の一部は、反射面２７_１で第１方向に反射される。第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の光の残部は、反射面２７_１を透過して第３方向に出射される。これにより、第１光源２２_１から投光された第１波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で図示する。

第１分岐光学素子２６_１で第１方向に反射された第１波長の光（物体光用の光）は、レンズ２８_１により平行光化されて観察対象Ｓに照射される。観察対象Ｓに照射される第１波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓを透過する際に散乱される。なお、図３（Ａ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓを透過した第１波長の物体光は、レンズ２８_２により平行光化されて第２分岐光学素子２６_２に入射する。第２分岐光学素子２６_２に入射された第１波長の物体光は、反射面２７_２を透過して第１方向に出射され、波長フィルタ３０_２により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１分岐光学素子２６_１で第３方向に出射された第１波長の光（参照光）は、レンズ３６_１により平行光化されて反射鏡３８_１に照射される。平行光化された第１波長の参照光は、反射鏡３８_１により反射鏡３８_２の方向に反射され、反射鏡３８_２によりレンズ３６_２の方向に反射され、レンズ３６_２により集光されて、第２分岐光学素子２６_２に入射する。

第２分岐光学素子２６_２に入射された第１波長の参照光は、反射面２７_２で第１方向に反射され、波長フィルタ３０_２により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長の物体光と第１波長の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

次に、第２ホログラム生成部としての動作について説明する。図３（Ｂ）に示すように、第２光源２２_２から平行光として投光された第２波長の光は、レンズ２４_２により集光されて第２分岐光学素子２６_２に入射する。

第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の光の一部は、反射面２７_２で第２方向に反射される。第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の光の残部は、反射面２７_２を透過して第３方向に出射される。これにより、第２光源２２_２から投光された第２波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で図示する。

第２分岐光学素子２６_２で第２方向に反射された第２波長の光（物体光用の光）は、レンズ２８_２により平行光化されて観察対象Ｓに照射される。観察対象Ｓに照射される第２波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓを透過する際に散乱される。なお、図３（Ｂ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓを透過した第２波長の物体光は、レンズ２８_１により平行光化されて第１分岐光学素子２６_１に入射する。第１分岐光学素子２６_１に入射された第２波長の物体光は、反射面２７_１を透過して第２方向に出射され、波長フィルタ３０_１により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２分岐光学素子２６_２で第３方向に出射された第２波長の光（参照光）は、レンズ３６_２により平行光化されて反射鏡３８_２に照射される。平行光化された第２波長の参照光は、反射鏡３８_２により反射鏡３８_１の方向に反射され、反射鏡３８_１によりレンズ３６_１の方向に反射され、レンズ３６_１により集光されて、第１分岐光学素子２６_１に入射する。

第１分岐光学素子２６_１に入射された第２波長の参照光は、反射面２７_１で第２方向に反射され、波長フィルタ３０_１により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長の物体光と第２波長の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸とを同軸とし、複数の光学部品を観察対象の配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置することで、複数の光学部品及び光路を共通化して、第１ホログラム生成部としての動作と第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、同時に観察される観察領域が拡大する。

第１波長の光と第２波長の光とは波長が異なっているので、第１波長の光と第２波長の光とを観察対象に対して照射して、第１波長の物体光と第２波長の物体光とを生成することができ、生成した第１波長の物体光と第２波長の物体光とを波長フィルタ等で分離することができる。

また、本実施の形態では、観察対象に物体光用の光を「平面波」として照射するので、観察対象の広い範囲が均一に照明される。このため、再生像の明るさも均一になる。例えば、観察対象の面内や深度方向の広い範囲を撮影する場合には、物体光用の光を「平面波」として照射する方法が適している。

なお、本実施の形態では、同じ波長の物体光の光軸と参照光の光軸とを同軸（in-line）としているが、物体光の光軸と参照光の光軸とが交差するように参照光の光軸を傾けてもよい(軸外：off-axis)。軸外（off-axis)の方が、１次回折光と０次光とを分離しやすく、０次光により再生像に発生するノイズが低減される。

例えば、第１波長の参照光を斜めから照射するには、第２分岐光学素子２６_２を傾ければよい。または、波長フィルタ３０_２の前後に、参照光の光路を変更する偏向素子を挿入すればよい。偏向素子は、例えば、楔型プリズム等の光学素子としてもよい。

（観察領域の拡大）
次に、観察領域の拡大について説明する。
図４（Ａ）は各波長の光が通過する領域を示す模式図であり、図４（Ｂ）は各波長の光による観察領域を示す模式図である。第１ホログラム生成部の動作として説明した通り、観察対象Ｓを透過した第１波長の物体光は、レンズ２８_２により平行光化される。また、第２ホログラム生成部の動作として説明した通り、観察対象Ｓを透過した第２波長の物体光は、レンズ２８_１により平行光化される。

したがって、図４（Ａ）に示すように、第１波長の物体光は、観察対象Ｓ内のレンズ２８_２の焦点位置１で焦点を結び、第２波長の物体光は、観察対象Ｓ内のレンズ２８_１の焦点位置２で焦点を結ぶ。物体光の光軸方向において焦点位置１と焦点位置２とは異なる位置である。上記の通り、本実施の形態では、レンズ２８_１を含む第１ユニット２０_１に対して、レンズ２８_２を含む第２ユニット２０_２を物体光の光軸に沿って相対的に移動させて、焦点位置１と焦点位置２とを離間させている。

なお、図４（Ａ）は、物体光が通過する観察対象Ｓ内の領域を模式的に表すものであり、光軸上の焦点からの散乱光のうち、対物レンズに入射する光線の最大角度範囲を図示している。

ここで、焦点深度とは、物体光が結像された光像のボケが許容される「撮像素子の光軸方向における焦点が合った位置からの距離」のことである。また、被写界深度とは、物体光が結像された光像のボケが許容される「観察対象内の光軸方向における焦点位置からの距離（ホログラムからの再生距離）」のことである。

即ち、光軸方向において焦点位置１の前後の、太い実線の矢印で図示した範囲が、第１波長の物体光の被写界深度（λ１）であり、光軸方向において焦点位置２の前後の、太い点線の矢印で図示した範囲が、第２波長の物体光の被写界深度（λ２）である。

図４（Ｂ）に示すように、物体光の光軸を含む断面で見ると、淡色で図示した第１波長の物体光による第１観察領域（λ１）は、被写界深度（λ１）と対物レンズのＮＡとに対応して、２つの台形を底辺で接合8した形状（以下、「台形状」という。）となる。一方、濃色で図示した第２波長の物体光による第２観察領域（λ２）は、被写界深度（λ２）と対物レンズのＮＡとに対応して台形状となる。なお、台形状になるのは、対物レンズのＮＡにより観察領域が制限されるためである。

焦点位置１と焦点位置２とが物体光の光軸方向にずれているので、被写界深度（λ１）と被写界深度（λ２）も光軸方向にずれており、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）も光軸方向にずれている。したがって、被写界深度（λ１）と被写界深度（λ２）とを合成することで被写界深度が拡大する。これにより、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とを連結した領域まで拡大される。

なお、被写界深度は、波長を「λ」、対物レンズであるレンズ２８_１、レンズ２８_２の開口数を「ＮＡ」、撮像部の画素の直径（いわゆる、画素ピッチ）を「ｐ」、撮像部の画素数を「Ｎ」、拡大倍率を「Ｍ」として、例えば、焦点位置から下記式（１）で表される範囲である。下記式（１）では、分子の「Ｎ」が画素数を表す。

上記式（１）は対物レンズのＮＡで決まる分解能が維持できる範囲を表す。したがって、必要とされる解像度は用途に依存するため、被写界深度はこの式に限定されない。また、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）との連結は、画像情報処理部１６で実施される（図１参照）。

画像情報処理部１６は、互いに関連付けられた第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とを記憶装置から読み出し、第１ホログラムの画像情報を処理して第１再生像を生成し、第２ホログラムの画像情報を処理して第２再生像を生成する。これら第１再生像と第２再生像とを合成することで、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが連結される。連結された観察領域の画像、即ち、第１再生像と第２再生像の合成画像は、表示部１８に表示される。

なお、第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とを関連付けて記憶する際に、第１波長の物体光の焦点位置１の三次元座標と、第２波長の物体光の焦点位置２の三次元座標とを併せて記憶しておくとよい。例えば、観察対象Ｓを保持する保持部材が位置センサ等を備える場合は、対物レンズであるレンズ２８_１、レンズ２８_２の焦点位置の三次元座標が求められる。焦点位置１の三次元座標と焦点位置２の三次元座標とは、第１再生像と第２再生像とを合成する際に活用される。

また、図４（Ｂ）に示す例では、被写界深度（λ１）と被写界深度（λ２）は一部重複しており（図４（Ａ）に「共通領域」として図示する）、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）も一部重複している。重複部分を濃色と淡色の中間の濃度の色で図示する。図示したように、例えば、重複領域を跨いで両方の観察領域に存在する被写体がある場合には、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）を連結することで、被写体の全体形状が取得される。

ここで、観察領域の拡大態様について説明する。
（１）観察領域のずれ方向
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、２つの観察領域が光軸方向にずれる例について説明したが、２つの観察領域を光軸と交差する方向にずらしても、同時に観察される観察領域が拡大する。図５（Ａ）は光軸がずれた場合に各波長の光が通過する領域を示す模式図であり、図５（Ｂ）は各波長の光による観察領域を示す模式図である。

図５（Ａ）に示すように、第１波長の物体光は、観察対象Ｓ内のレンズ２８_２の焦点位置１で焦点を結び、第２波長の物体光は、観察対象Ｓ内のレンズ２８_１の焦点位置２で焦点を結ぶ。物体光の光軸方向において焦点位置１と焦点位置２とは同じ位置であるため、被写界深度は拡大しない。しかしながら、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸とは、これら光軸と交差する方向（図面では直交する方向）にずれている。

したがって、図５（Ｂ）に示すように、物体光の光軸を含む断面で見ると、淡色で図示した第１波長の物体光による第１観察領域（λ１）は、濃色で図示した第２波長の物体光による第２観察領域（λ２）とは光軸と交差する方向にずれる。よって、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とを連結した領域まで拡大される。

（２）観察領域の重なり具合
図６（Ａ）〜（Ｃ）は観察領域が拡大する様子を示す模式図である。ここでも、第１観察領域（λ１）を淡色で図示し、第２観察領域（λ２）を濃色で図示する。図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、図６（Ｂ）に示すように、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが一部重複する。この場合、重複部分がパターンマッチング等により特定されるので、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）の連結が容易になる。

２つの観察領域の重なり具合はこれに限定されるものではない。２つの観察領域を光軸方向にずらす場合、例えば、図６（Ａ）に示すように、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが隣接するようにしてもよい。この場合、合成された被写界深度は最大となり、連結された観察領域も最大となる。

また、図６（Ｃ）に示すように、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが大部分重複するようにしてもよい。この場合、重複部分については第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とが取得される。重複部分の中でも焦点位置２より焦点位置１に近い観察位置については、第１ホログラムの画像情報を用いて再生処理を行う。また、重複部分の中でも焦点位置１より焦点位置２に近い観察位置については、第２ホログラムの画像情報を用いて再生処理を行う。これにより、ＳＮ比の劣化が抑制される。なお、重複部分の各観察位置について２つの画像情報の平均値を用いて再生処理を行ってもよい。

（３）観察領域の拡大倍率
図４（Ａ）及び（Ｂ）に示す例では、２つの観察領域の拡大倍率が同じ例について説明したが、２つの観察領域の拡大倍率を異ならせてもよい。ここで、拡大倍率とは、結像レンズの焦点距離を、対物レンズの焦点距離で除した値である。第１波長の光については、レンズ３２_２が結像レンズであり、レンズ２８_２が対物レンズである。第２波長の光については、レンズ３２_１が結像レンズであり、レンズ２８_１が対物レンズである。

図７（Ａ）〜（Ｃ）は各波長の光に対する拡大倍率が異なる場合の各波長の光による観察領域を示す模式図である。ここでも、第１観察領域（λ１）を淡色で図示し、第２観察領域（λ２）を濃色で図示する。第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）との連結は、基本的には同じ拡大倍率で行われる。しかしながら、例えば、第１観察領域（λ１）だけを拡大して観察したい場合等には、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、第１観察領域（λ１）の拡大倍率を、第２観察領域（λ２）の拡大倍率より小さくしてもよい。拡大倍率を小さくすることで観察領域が拡大される。

図６（Ａ）〜（Ｃ）と同様に、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが隣接するようにしてもよく（図７（Ａ））、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが一部重複するようにしてもよく（図７（Ｂ））、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが大部分重複するようにしてもよい（図７（Ｃ））。なお、図７（Ｃ）に示す例では、第２観察領域（λ２）が第１観察領域（λ１）に包含されており、重複領域は２種類の拡大倍率で観察される。

＜第２の実施の形態＞
図８は本発明の第２の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第２の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置は、観察対象に収束光を照射して物体光を得るようにホログラム生成部の構成を変更した以外は、第１の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、観察対象を透過した透過光を物体光とする。

第２の実施の形態に係るホログラム生成部１２は、第１ユニット２０Ａ_１と第２ユニット２０Ａ_２と一対の反射鏡３８_１及び反射鏡３８_２の外に、レンズ４０と一対のマスク４２_１及びマスク４２_２を備えている。第１ユニット２０Ａ_１は、レンズ２４_１が削除された以外は、図２に示す第１ユニット２０_１と同じ構成であるため説明を省略する。

また、第２ユニット２０Ａ_２は、レンズ２４_２が削除された以外は、図２に示す第１ユニット２０_１と同じ構成であるため説明を省略する。また、レンズ４０と一対のマスク４２_１及びマスク４２_２とは、反射鏡３８_１と反射鏡３８_２との間に配置されている。一対のマスク４２_１及びマスク４２_２は、レンズ４０を挟み込むようにレンズ４０の両側に配置されている。

本実施の形態では、第１ユニット２０Ａ_１及び反射鏡３８_１と、第２ユニット２０Ａ_２及び反射鏡３８_２とは、観察対象Ｓの配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置されている。レンズ４０は基準面に配置され、マスク４２_１とマスク４２_２とは、観察対象Ｓの配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置されている。

また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１波長の物体光の光軸が第２波長の物体光の光軸と同軸となるように、複数の光学部品が物体光の光軸上に配置されている。更に、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、レンズ２８_２の焦点位置がレンズ２８_１の焦点位置と異なるように、第１ユニット２０Ａ_１と第２ユニット２０Ａ_２とが配置されている。

（ホログラム生成部の動作）
次に、ホログラム生成部１２の動作について説明する。図９（Ａ）及び（Ｂ）は第２の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。図９（Ａ）では、第１波長の物体光と参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部としての動作を説明する。図９（Ｂ）では、第２波長の物体光と参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部としての動作を説明する。

まず、第１ホログラム生成部としての動作について説明する。図９（Ａ）に示すように、第１光源２２_１から平行光として投光された第１波長の光は、第１分岐光学素子２６_１に入射する。第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の光の一部は、反射面２７_１で第１方向に反射される。第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の光の残部は、反射面２７_１を透過して第３方向に出射される。これにより、第１光源２２_１から投光された第１波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で図示する。

第１分岐光学素子２６_１で第１方向に反射された第１波長の光（物体光用の光）は、レンズ２８_１により集光されて観察対象Ｓに照射される。即ち、観察対象Ｓに照射される第１波長の光は「収束光」である。照射された光は、観察対象Ｓを透過する際に散乱される。なお、図９（Ａ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓを透過した第１波長の物体光は、レンズ２８_２により平行光化されて第２分岐光学素子２６_２に入射する。第２分岐光学素子２６_２に入射された第１波長の物体光は、反射面２７_２を透過して第１方向に出射され、波長フィルタ３０_２により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１分岐光学素子２６_１で第３方向に出射された第１波長の光（参照光）は、レンズ３６_１により集光されて反射鏡３８_１に照射される。集光された第１波長の参照光は、反射鏡３８_１により反射鏡３８_２の方向に反射され、マスク４２_１により予め定めた形状（例えば、矩形状）に整形され、レンズ４０により平行光化される。レンズ４０により平行光化された参照光は、反射鏡３８_２によりレンズ３６_２の方向に反射され、レンズ３６_２により集光されて、第２分岐光学素子２６_２に入射する。

第２分岐光学素子２６_２に入射された第１波長の参照光は、反射面２７_２で第１方向に反射され、波長フィルタ３０_２により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長の物体光と第１波長の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

次に、第２ホログラム生成部としての動作について説明する。図９（Ｂ）に示すように、第２光源２２_２から平行光として投光された第２波長の光は、レンズ２４_２により集光されて第２分岐光学素子２６_２に入射する。第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の光の一部は、反射面２７_２で第２方向に反射される。第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の光の残部は、反射面２７_２を透過して第３方向に出射される。これにより、第２光源２２_２から投光された第２波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で図示する。

第２分岐光学素子２６_２で第２方向に反射された第２波長の光（物体光用の光）は、レンズ２８_２により集光されて観察対象Ｓに照射される。即ち、観察対象Ｓに照射される第２波長の光は「収束光」である。照射された光は、観察対象Ｓを透過する際に散乱される。なお、図９（Ｂ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓを透過した第２波長の物体光は、レンズ２８_１により平行光化されて第１分岐光学素子２６_１に入射する。第１分岐光学素子２６_１に入射された第２波長の物体光は、反射面２７_１を透過して第２方向に出射され、波長フィルタ３０_１により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２分岐光学素子２６_２で第３方向に出射された第２波長の光（参照光）は、レンズ３６_２により集光されて反射鏡３８_２に照射される。集光された第２波長の参照光は、反射鏡３８_２により反射鏡３８_１の方向に反射され、マスク４２_２により予め定めた形状（例えば、矩形状）に整形され、レンズ４０により平行光化される。レンズ４０により平行光化された参照光は、反射鏡３８_１によりレンズ３６_１の方向に反射され、レンズ３６_１により集光されて、第１分岐光学素子２６_１に入射する。

第１分岐光学素子２６_１に入射された第２波長の参照光は、反射面２７_１で第２方向に反射され、波長フィルタ３０_１により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長の物体光と第２波長の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸とを同軸とし、複数の光学部品を観察対象の配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置することで、複数の光学部品及び光路を共通化して、第１ホログラム生成部としての動作と第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が拡大される。

また、本実施の形態では、観察対象に物体光用の光を「収束光」として照射するので、物体光用の光を「平面波」として照射する場合に比べて、観察領域は狭くなるが、光が狭い領域に集中されるため明るい画像（即ち、高いＳＮ比）が得られる。例えば、吸収や散乱が大きい観察対象の場合には、物体光用の光を「収束光」として照射する方法が適している。

＜第３の実施の形態＞
図１０は本発明の第３の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第３の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置は、観察対象で反射された反射光を物体光とするようにホログラム生成部の構成を変更した以外は、第１の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、観察対象に照射される光は「平面波」である。

第３の実施の形態に係るホログラム生成部１２は、第１ユニット２０Ｂ_１と第２ユニット２０Ｂ_２とを備えている。第１ユニット２０Ｂ_１は、第２波長（λ_２）の光だけを透過する波長フィルタ３０_１の代わりに第１波長（λ_１）の光だけを透過する波長フィルタ３０Ｂ_１を配置し、第２撮像部１４_２の代わりに第１撮像部１４_１を配置し、ユニット内に反射鏡３８_１を含めた以外は、図２に示す第１ユニット２０_１と同じ構成であるため説明を省略する。

また、第１光源２２_１、レンズ２４_１、第１分岐光学素子２６_１、及びレンズ３６_１の各々は、光軸が揃えられて、第３方向に沿って記載された順序で配置されている。反射鏡３８_１は、入射光がレンズ３６_１の方向に反射されるように、反射面がこれら光学系の光軸と直交するように配置されている。

第２ユニット２０Ｂ_２は、第１波長（λ_１）の光だけを透過する波長フィルタ３０_２の代わりに第２波長（λ_２）の光だけを透過する波長フィルタ３０Ｂ_２を配置し、第１撮像部１４_１の代わりに第２撮像部１４_２を配置し、ユニット内に反射鏡３８_２を含めた以外は、図２に示す第２ユニット２０_２と同じ構成であるため説明を省略する。

また、第２光源２２_２、レンズ２４_２、第２分岐光学素子２６_２、及びレンズ３６_２の各々は、光軸が揃えられて、第３方向に沿って記載された順序で配置されている。反射鏡３８_２は、入射光がレンズ３６_２の方向に反射されるように、反射面がこれら光学系の光軸と直交するように配置されている。

本実施の形態では、第１ユニット２０Ｂ_１と第２ユニット２０Ｂ_２とは、観察対象Ｓの配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置されている。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１波長の物体光の光軸が第２波長の物体光の光軸と同軸となるように、複数の光学部品が物体光の光軸上に配置されている。更に、本実施の形態では、レンズ２８_２の焦点位置がレンズ２８_１の焦点位置と異なるように、第１ユニット２０Ｂ_１と第２ユニット２０Ｂ_２とが配置されている。

（ホログラム生成部の動作）
次に、ホログラム生成部１２の動作について説明する。図１１（Ａ）及び（Ｂ）は第３の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。図１１（Ａ）では、第１波長の物体光と参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部としての動作を説明する。図１１（Ｂ）では、第２波長の物体光と参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部としての動作を説明する。

まず、第１ホログラム生成部としての動作について説明する。図１１（Ａ）に示すように、第１光源２２_１から平行光として投光された第１波長の光は、レンズ２４_１により集光されて第１分岐光学素子２６_１に入射する。

第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の光の一部は、反射面２７_１で第１方向に反射される。第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の光の残部は、反射面２７_１を透過して第３方向に出射される。これにより、第１光源２２_１から投光された第１波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で図示する。

第１分岐光学素子２６_１で第１方向に反射された第１波長の光（物体光用の光）は、レンズ２８_１により平行光化されて観察対象Ｓに照射される。観察対象Ｓに照射される第１波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓで反射されて散乱される。なお、図１１（Ａ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓで反射された第１波長の物体光は、一点鎖線で示すように、レンズ２８_１により平行光化されて第１分岐光学素子２６_１に入射する。第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の物体光は、反射面２７_１を透過して第２方向に出射され、波長フィルタ３０Ｂ_１により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１分岐光学素子２６_１で第３方向に出射された第１波長の光（参照光）は、レンズ３６_１により平行光化されて反射鏡３８_１に照射される。平行光化された第１波長の参照光は、反射鏡３８_１によりレンズ３６_１の方向に反射され、レンズ３６_１により集光されて、第１分岐光学素子２６_１に入射する。

第１分岐光学素子２６_１に入射された第１波長の参照光は、反射面２７_１で第２方向に反射され、波長フィルタ３０Ｂ_１により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長の物体光と第１波長の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

次に、第２ホログラム生成部としての動作について説明する。図１１（Ｂ）に示すように、第２光源２２_２から平行光として投光された第２波長の光は、レンズ２４_２により集光されて第２分岐光学素子２６_２に入射する。

第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の光の一部は、反射面２７_２で第２方向に反射される。第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の光の残部は、反射面２７_２を透過して第３方向に出射される。これにより、第２光源２２_２から投光された第２波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で図示する。

第２分岐光学素子２６_２で第２方向に反射された第２波長の光（物体光用の光）は、レンズ２８_２により平行光化されて観察対象Ｓに照射される。観察対象Ｓに照射される第２波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓで反射されて散乱される。なお、図１１（Ｂ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓで反射された第２波長の物体光は、一点鎖線で示すように、レンズ２８_２により平行光化されて第２分岐光学素子２６_２に入射する。第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の物体光は、反射面２７_２を透過して第１方向に出射され、波長フィルタ３０Ｂ_２により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２分岐光学素子２６_２で第３方向に出射された第２波長の光（参照光）は、レンズ３６_２により平行光化されて反射鏡３８_２に照射される。平行光化された第２波長の参照光は、反射鏡３８_２によりレンズ３６_２の方向に反射され、レンズ３６_２により集光されて、第２分岐光学素子２６_２に入射する。

第２分岐光学素子２６_２に入射された第２波長の参照光は、反射面２７_２で第１方向に反射され、波長フィルタ３０Ｂ_２により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長の物体光と第２波長の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸とを同軸とし、複数の光学部品を観察対象の配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置することで、第１ホログラム生成部としての動作と第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が拡大される。

また、本実施の形態では、観察対象で反射された反射光を物体光とするので、透過光を物体光とする場合に比べて明るい画像（即ち、高いＳＮ比）が得られる。これは、物体光が観察対象の表面で生成されるため、透過光を物体光とする場合と異なり、観察対象内部での吸収や散乱により物体光のＳＮ比が低下しないためである。なお、同様の理由から、観察対象で反射された反射光を物体光とする場合には、物体光用の光を「収束光」とする必要がない。

＜第４の実施の形態＞
図１２は本発明の第４の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第４の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置は、観察対象に波長及び偏光方向の異なる光を照射して物体光を得るようにホログラム生成部の構成を変更した以外は、第１の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第４の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、観察対象を透過した透過光を物体光とする。また、観察対象に照射される光は「平面波」である。

第４の実施の形態に係るホログラム生成部１２は、第１ユニット２０Ｃ_１と第２ユニット２０Ｃ_２と一対の反射鏡３８_１及び反射鏡３８_２とを備えている。第１ユニット２０Ｃ_１は、第１波長の光を投光する第１光源２２_１の代わりに「第１波長で且つＳ偏光の光」を投光する第１光源２２Ｃ_１を配置し、波長フィルタ３０_１とレンズ３２_１との間にＰ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｐを挿入した以外は、図２に示す第１ユニット２０_１と同じ構成であるため説明を省略する。

第２ユニット２０Ｃ_２は、第２波長の光を投光する第２光源２２_２の代わりに「第２波長で且つＰ偏光の光」を投光する第２光源２２Ｃ_２を配置し、波長フィルタ３０_２とレンズ３２_２との間にＳ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｓを挿入した以外は、図２に示す第２ユニット２０_２と同じ構成であるため説明を省略する。

本実施の形態では、第１ユニット２０Ｃ_１及び反射鏡３８_１と、第２ユニット２０Ｃ_２及び反射鏡３８_２とは、観察対象Ｓの配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置されている。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１波長の物体光の光軸が第２波長の物体光の光軸と同軸となるように、複数の光学部品が物体光の光軸上に配置されている。更に、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、レンズ２８_２の焦点位置がレンズ２８_１の焦点位置と異なるように、第１ユニット２０Ｃ_１と第２ユニット２０Ｃ_２とが配置されている。

（ホログラム生成部の動作）
第１波長の光が「第１波長で且つＳ偏光の光」に代わり、第２波長の光が「第２波長で且つＰ偏光の光」に代わっただけであり、本実施の形態のホログラム生成部の動作は、第１の実施の形態のホログラム生成部の動作と略同様であるため、相違点のみ説明する。

第２分岐光学素子２６_２から第１方向に出射された第１波長で且つＳ偏光の物体光は、波長フィルタ３０_２により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第２分岐光学素子２６_２から第１方向に出射された第１波長で且つＳ偏光の参照光は、波長フィルタ３０_２により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長で且つＳ偏光の物体光と第１波長で且つＳ偏光の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

一方、第１分岐光学素子２６_１から第２方向に出射された第２波長で且つＰ偏光の物体光は、波長フィルタ３０_１により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第１分岐光学素子２６_１から第２方向に出射された第２波長で且つＰ偏光の参照光は、波長フィルタ３０_１により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長で且つＰ偏光の物体光と第２波長で且つＰ偏光の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１波長で且つＳ偏光の物体光の光軸と第２波長で且つＰ偏光の物体光の光軸とを同軸とし、複数の光学部品を観察対象の配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置することで、複数の光学部品及び光路を共通化して、第１ホログラム生成部としての動作と第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が拡大される。

第１波長の光と第２波長の光とは波長が異なっており、Ｓ偏光とＰ偏光とは偏光方向が異なっているので、「第１波長で且つＳ偏光の光」と「第２波長で且つＰ偏光の光」とを観察対象に対して照射して、「第１波長で且つＳ偏光の物体光」と「第２波長で且つＰ偏光の物体光」とを生成することができ、生成した「第１波長で且つＳ偏光の物体光」と「第２波長で且つＰ偏光の物体光」とを波長フィルタ及び偏光フィルタ等で分離することができる。波長フィルタに加えて偏光フィルタを通過させることで、波長フィルタでは除去しきれないノイズが除去される。

＜第５の実施の形態＞
図１３は本発明の第５の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第５の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置は、観察対象に波長及び偏光方向の異なる光を照射して物体光を得るようにホログラム生成部の構成を変更した以外は、第３の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第４の実施の形態でも、第３の実施の形態と同様に、観察対象を反射された反射光を物体光とする。また、観察対象に照射される光は「平面波」である。

第５の実施の形態に係るホログラム生成部１２は、第１ユニット２０Ｄ_１と第２ユニット２０Ｄ_２とを備えている。第１ユニット２０Ｄ_１は、第１波長の光を投光する第１光源２２_１の代わりに「第１波長で且つＳ偏光の光」を投光する第１光源２２Ｄ_１を配置し、波長フィルタ３０_１とレンズ３２_１との間にＳ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｓを挿入した以外は、図１０に示す第１ユニット２０Ｂ_１と同じ構成であるため説明を省略する。

第２ユニット２０Ｄ_２は、第２波長の光を投光する第２光源２２_２の代わりに「第２波長で且つＰ偏光の光」を投光する第２光源２２Ｄ_２を配置し、波長フィルタ３０_２とレンズ３２_２との間にＰ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｐを挿入した以外は、図１０に示す第２ユニット２０Ｂ_２と同じ構成であるため説明を省略する。

本実施の形態では、第１ユニット２０Ｄ_１と第２ユニット２０Ｄ_２とは、観察対象Ｓの配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置されている。また、本実施の形態では、第３の実施の形態と同様に、第１波長で且つＳ偏光の物体光の光軸が第２波長で且つＰ偏光の物体光の光軸と同軸となるように、複数の光学部品が物体光の光軸上に配置されている。更に、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、レンズ２８_２の焦点位置がレンズ２８_１の焦点位置と異なるように、第１ユニット２０Ｄ_１と第２ユニット２０Ｄ_２とが配置されている。

（ホログラム生成部の動作）
第１波長の光が「第１波長で且つＳ偏光の光」に代わり、第２波長の光が「第２波長で且つＰ偏光の光」に代わっただけであり、本実施の形態のホログラム生成部の動作は、第３の実施の形態のホログラム生成部の動作と略同様であるため、相違点のみ説明する。

第１分岐光学素子２６_１から第２方向に出射された第１波長で且つＳ偏光の物体光は、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１分岐光学素子２６_１から第２方向に出射された第１波長で且つＳ偏光の参照光は、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長で且つＳ偏光の物体光と第１波長で且つＳ偏光の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

一方、第２分岐光学素子２６_２から第１方向に出射された第２波長で且つＰ偏光の物体光は、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２分岐光学素子２６_２から第１方向に出射された第２波長で且つＰ偏光の参照光は、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長で且つＰ偏光の物体光と第２波長で且つＰ偏光の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１波長で且つＳ偏光の物体光の光軸と、第２波長で且つＰ偏光の物体光の光軸とを同軸とし、複数の光学部品を観察対象の配置位置を通る基準面に対して対称な位置に配置することで、第１ホログラム生成部としての動作と第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が拡大される。

第４の実施の形態と同様に、波長及び偏光方向が異なる２種類の光を観察対象に対して照射して、２種類の物体光を生成することができ、生成した２種類の物体光を波長フィルタ及び偏光フィルタ等で分離することができる。波長フィルタに加えて偏光フィルタを通過させることで、波長フィルタでは除去しきれないノイズが除去される。

＜変形例および応用例＞
なお、上記実施の形態で説明したデジタルホログラフィ装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。

上記の実施の形態で説明したデジタルホログラフィ装置は、デジタルホログラフィック顕微鏡にも応用可能である。デジタルホログラフィック顕微鏡でも、通常の顕微鏡と同様に、観察領域は対物レンズのＮＡの増加につれて小さくなる。流体の測定など、深度方向の情報が重要な場合には、観察領域の制限が問題になる。

例えば、流体測定では、流れの向きを観察するために微小なトレーサー粒子を流体に混ぜる。この粒子の粒径が小さいほど、粒子の位置を観測するためにＮＡの高い対物レンズを用いることになる。この場合、ＮＡの高い対物レンズを用いるために、観察される深度方向の領域は小さくなり、所望の領域を観察できない場合が生じる。観察領域を拡大するには、撮像部の画素数を増加させればよいが、画像処理時間が長くなるという問題が生じる。

本実施の形態の構成によれば、撮像部の画素数を増加させることなく、デジタルホログラフィック顕微鏡の観察領域を拡大することができる。

また、従来は、観察対象に一方向から光を照射して生成された反射光をホログラムとして記録して観察対象の形状を計測していたが、この方法で観察対象の周囲を計測するには、観察対象を表裏反転する必要があり、煩雑であった。

本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置によれば、観察対象を互いに相対する方向から観察することができ、観察領域内にある被写体を表面から観察したときの３次元形状と裏面から観察したときの３次元形状とが同時に取得され、被写体全体の３次元形状が一括で取得される。

したがって、医療、バイオの分野で、細胞、微生物など微小なため構造把握が困難な観察対象の構造把握が容易になる。また、他の産業分野でも、トナー粒子、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）、生物模倣技術など微小構造体の形状把握や検査が容易になる。

１０ デジタルホログラフィ装置
１２ ホログラム生成部
１４_１ 第１撮像部
１４_２ 第２撮像部
１６ 画像情報処理部
１８ 表示部
２０_１ 第１ユニット
２０_２ 第２ユニット
２２_１ 第１光源
２２_２ 第２光源
３０_１ 波長フィルタ
３０_２ 波長フィルタ
３０Ｐ 偏光フィルタ
３０Ｓ 偏光フィルタ
２６_１ 第１分岐光学素子
２６_２ 第２分岐光学素子
３８_１ 第１反射鏡
３８_２ 第２反射鏡
４２_１ マスク
４２_２ マスク
Ｓ 観察対象

Claims (11)

1. 観察対象に対して第１波長の光を第１方向から照射して得られる物体光と前記第１波長の光から得られる参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部と、
   前記観察対象に対して前記第１波長とは異なる第２波長の光を前記第１方向とは相対する第２方向から照射して得られる物体光と前記第２波長の光から得られる参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部と、
   前記第１ホログラムを撮像して画像情報を取得する第１撮像部と、
   前記第２ホログラムを撮像して画像情報を取得する第２撮像部と、
   を備えたデジタルホログラフィ装置。
2. 前記第１撮像部及び前記第２撮像部の各々は、前記第１ホログラムの撮像時間と前記第２ホログラムの撮像時間とが全部または一部重なるように撮像を行う、請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
3. 前記第１ホログラムの画像情報と前記第２ホログラムの画像情報とが関連付けられる、請求項１または請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
4. 前記第１波長の光を照射して得られる物体光及び前記第２波長の光を照射して得られる物体光の各々は、前記観察対象を透過した透過光であり、
   前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部が、各々の物体光の光軸を同軸として配置され、各々の参照光が通過する共通の光路を備えている、
   請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
5. 前記第１波長の光を照射して得られる物体光及び前記第２波長の光を照射して得られる物体光の各々は、前記観察対象で反射された反射光であり、
   前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部が、各々の物体光の光軸を同軸として配置されている、
   請求項１から請求項３までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
6. 前記観察対象の前記第１波長の光による観察領域と前記観察対象の前記第２波長の光による観察領域とが異なる、請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
7. 前記観察対象の前記第１波長の光による観察領域と前記観察対象の前記第２波長の光による観察領域とが一部重なる、請求項１から請求項５までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
8. 前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部が、各々の物体光の光軸を同軸として配置され、
   前記第１撮像部の撮像面が前記各々の物体光の光軸と交差して配置され、前記第２撮像部の撮像面が前記各々の物体光の光軸と交差して配置されている、
   請求項１から請求項７までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
9. 前記第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部の各々は、
   前記観察対象の配置位置を通り前記各々の物体光の光軸に垂直な面に対して対称な位置に配置され、前記観察対象に照射する光を投光する光源と、
   前記面に対して対称な位置に配置され、前記光源から投光された光を前記観察対象に照射する光と前記参照光とに分岐する分岐光学素子と、
   前記面に対して対称な位置に配置され、前記参照光を同じ波長の物体光と干渉可能な方向に反射する反射部と、
   前記面に対して対称な位置に配置され、前記参照光を同じ波長の光だけを透過する波長フィルタと、を備えている、
   請求項１から請求項８までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
10. 前記第１波長の光が第１偏光方向の光であり、前記第２波長の光が第１偏光方向とは異なる第２偏光方向の光である場合に、
    前記第１ホログラム生成部が、干渉前に前記第１波長の光を照射して得られる物体光から第１偏光方向の光だけを透過する第１偏光フィルタを備え、前記第２ホログラム生成部が、干渉前に前記第２波長の光を照射して得られる物体光から第２偏光方向の光だけを透過する第２偏光フィルタを備えている、
    請求項１から請求項９までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
11. 更に、前記第１ホログラムの画像情報を処理して第１再生像を生成すると共に、前記第２ホログラムの画像情報を処理して第２再生像を生成する画像情報処理部を備えた、
    請求項１から請求項１０までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。