JP2017183994A - 撮像システム及び撮像方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】撮像速度の更なる高速化が可能な撮像システム及び撮像方法を提供する。【解決手段】撮像システム１Ａは、初期パルス光Ｌｐを出力する光源２１と、初期パルス光Ｌｐの偏光面を回転させる偏光制御部２２と、偏光面を回転された初期パルス光Ｌｐを入力し、第１の偏光方向を有する第１のパルス光Ｌｐ1と、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２のパルス光Ｌｐ2とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形部１０Ａと、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を撮像対象物Ｂに照射する照射光学系２３と、撮像対象物Ｂにおいて反射または透過したパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を偏光方向に基づいて分離する光分離素子２４と、分離されたパルス光Ｌｐ1を撮像する撮像部２５と、分離されたパルス光Ｌｐ2を撮像する撮像部２６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、撮像システム及び撮像方法に関するものである。
特許文献１、非特許文献１及び２には、高速撮影に関する技術が開示されている。これらの文献に記載された装置及び方法では、まず、単一の光パルスから、波長が互いに異なり互いに時間差を有する複数の光パルスからなる照射光（ストロボ光）を生成する。次に、その照射光を撮影対象物に照射し、撮影対象物からの透過光または反射光に、各波長に対応する複数のタイミングにおける撮影対象物の像情報を記録する。そして、透過光または反射光を波長成分毎に空間的に分離し、各波長成分を撮像する。
特開２０１５−４１７８４号公報
K. Nakagawa, et. al., "Sequentially timed all-optical mapping photography (STAMP)," Nature Photonics,8, pp695-700 (2014). M. Tamamitsu, et. al., "Design for sequentially timed all-optical mapping photography withoptimum temporal performance," Optics Letters, 40, pp633-636 (2015).
非特許文献２に記載されているように、上述した従来の方式では、複数の光パルスの時間差（すなわちフレームインターバル）を短くしようと試みると、時間的に互いに隣接する光パルスがオーバーラップする現象が生じる。各々の光パルスの波長がそれぞれ異なる（すなわち帯域制限を受けている）ので、元の単一の光パルスと比べて各々の光パルスの時間波形が大幅に伸展してしまうからである。これにより、撮像画像にモーションブラー（motion blur：動いている対象をカメラで撮影した時に生じるブレ）が生じる。それ故に、上述した従来の方式では、フレームインターバル（撮像間隔）の更なる短時間化が難しい。
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、撮像間隔の更なる短時間化が可能な撮像システム及び撮像方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決するために、本発明による撮像システムは、少なくとも１つの初期パルス光を出力する光源と、初期パルス光の偏光面を回転させる偏光制御部と、偏光面を回転された初期パルス光を入力し、第１の偏光方向を有する第１のパルス光と、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形部と、第１のパルス光及び第２のパルス光を撮像対象物に照射する照射光学系と、撮像対象物において反射または透過した第１のパルス光及び第２のパルス光を偏光方向に基づいて分離する光分離素子と、分離された第１のパルス光を撮像する第１の撮像部と、分離された第２のパルス光を撮像する第２の撮像部と、を備える。
また、本発明による撮像方法は、少なくとも１つの初期パルス光を出力する光出力ステップと、初期パルス光の偏光面を回転させる光制御ステップと、偏光面を回転された初期パルス光を入力し、第１の偏光方向を有する第１のパルス光と、第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形ステップと、第１のパルス光と第２のパルス光を撮像対象物に照射する照射ステップと、撮像対象物において反射または透過した第１のパルス光及び第２のパルス光を偏光方向に基づいて分離する分離ステップと、分離された第１のパルス光及び第２のパルス光を撮像する撮像ステップと、を含む。
上記の撮像システム及び撮像方法では、照射光学系が（もしくは照射ステップにおいて）、互いに偏光方向が異なり時間差を有する第１のパルス光及び第２のパルス光を、照射光（ストロボ光）として撮像対象物に照射する。そして、撮像対象物からの反射光または透過光を、これらの偏光方向に基づいて分離する。この場合、各パルス光が帯域制限を受けないので、パルス光間の時間差を、上述した従来技術よりも短くすることが可能となる。すなわち、上記の撮像システム及び撮像方法によれば、モーションブラーの影響を受けることなく、フレームインターバルの更なる短時間化を行うことができる。
上記の撮像システムでは、光パルス整形部が、偏光面を回転された初期パルス光を波長毎に分散する分散素子と、第１の偏光方向に変調作用を有する偏光依存型の空間光変調器とを有してもよい。さらに、上記の撮像システムでは、空間光変調器が、第１の偏光方向に対して偏光面が回転し波長毎に分散された初期パルス光を入力し、初期パルス光に含まれる第１の偏光方向の偏光成分の位相スペクトルを変調してもよい。また、上記の撮像方法では、光パルス整形ステップにおいて、偏光面が回転され波長毎に分散されたパルス光を空間光変調器に入力し、空間光変調器により、初期パルス光に含まれる第１の偏光方向の偏光成分の位相スペクトルを変調してもよい。
この光パルス整形部（光パルス整形ステップ）では、初期パルス光が各波長成分に分散されたのち、空間光変調器によって波長毎に変調される。その後、変調された各波長成分が合成される。故に、空間光変調器に提示される位相パターンを制御することによって、任意の時間遅れを付与することができる。加えて、この光パルス整形部（光パルス整形ステップ）では、空間光変調器が偏光依存型であり、空間光変調器に入力する初期パルス光の偏光面は、空間光変調器が変調作用を有する偏光方向に対して傾斜している（回転している）。すなわち、その偏光方向の偏光成分は変調され、これとは異なる（直交する）偏光成分は変調されない。従って、例えば第１の偏光方向の偏光成分に時間遅れを付与することにより、第１の偏光方向を有する第１のパルス光と第２の偏光方向を有する第２のパルス光との間に時間差を生じさせることができる。更に、空間光変調器に提示される位相パターンを変更することにより遅れ時間を変更することができるので、フレームインターバルを容易に変更することができる。
上記の撮像システムでは、偏光制御部が、偏光面回転角を可変に設定可能であってもよい。これにより、第１のパルス光と第２のパルス光との強度比を容易に変更することができる。
上記の撮像システムにおいて、第１の撮像部が第１の撮像素子を含み、第２の撮像部が第１の撮像素子と異なる第２の撮像素子を含んでもよい。あるいは、第１の撮像部と第２の撮像部とが、共通の撮像素子を含んでもよい。例えばこれらの何れかの構成によって、極めて短い時間差を有する第１のパルス光及び第２のパルス光を好適に撮像することができる。
本発明による撮像システム及び撮像方法によれば、撮像間隔の更なる短時間化が可能となる。
本発明の一実施形態に係る撮像システムの構成を概略的に示す図である。 光パルス整形部（パルスシェーパー）の構成を示す図である。 （ａ）光源から出力されたパルス光の時間波形の一例を示す。（ｂ）光パルス整形部から出力された２つのパルス光の時間波形の一例を示す。（ｃ）時間波形が互いに相違し且つ時間差を有する２つのパルス光の時間波形の一例を示す。 空間光変調器の変調面を概念的に示す図である。 （ａ）第１のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。（ｂ）第１のパルス光及び第２のパルス光の時間強度波形を示す。（ｃ）（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。 （ａ）第１のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。（ｂ）第１のパルス光及び第２のパルス光の時間強度波形を示す。（ｃ）（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。 （ａ）第１のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。（ｂ）第１のパルス光及び第２のパルス光の時間強度波形を示す。（ｃ）（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。 一実施形態に係る撮像方法を示すフローチャートである。 第１変形例を示す図である。 第１変形例に係る撮像素子の撮像面を示す図である。 第２変形例を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら本発明による撮像システム及び撮像方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る撮像システム１Ａの構成を概略的に示す図である。この撮像システム１Ａは、図１に示されるように、照射装置３、光分離素子２４、第１の撮像部（カメラ）２５、及び第２の撮像部（カメラ）２６を備える。
照射装置３は、第１の偏光方向を有する第１のパルス光（第１のサブパルス光）Ｌｐ1と、その第１の偏光方向とは異なる（例えば第１の偏光方向と直交する）第２の偏光方向を有する第２のパルス光（第２のサブパルス光）Ｌｐ2とを、互いに時間差を持たせて撮像対象物Ｂに照射する。そのために、照射装置３は、光源２１、偏光制御部２２、光パルス整形部（パルスシェーパー）１０Ａ、及び照射光学系２３を有する。
光源２１は、例えばレーザ光といった少なくとも１つのパルス光Ｌｐ（初期パルス光）を出力する。光源２１は、例えばチタンサファイアレーザやＹＡＧレーザなどの固体レーザ、ファイバレーザ、或いは半導体レーザによって構成される。そして、パルス光Ｌｐは直線偏光（偏光方向Ａ１）を有する。図３（ａ）は、光源２１から出力されたパルス光Ｌｐの時間強度波形の一例を示す。図３（ａ）の縦軸は光強度を示す。
偏光制御部（偏光制御素子）２２は、光源２１と光学的に結合され、後述するＳＬＭ１４に入力されるパルス光Ｌｐの偏光面を回転させる。これにより、ＳＬＭ１４に入力するパルス光Ｌｐは、偏光方向Ａ１の偏光成分と、偏光方向Ａ１に交差する偏光方向Ａ２の偏光成分とを含む。偏光方向Ａ２は、例えば、偏光方向Ａ１に直交する。偏光制御部２２は、例えば、光学素子である。偏光制御部２２としては、例えばλ／２板等の波長板、偏光子、ファラデーローテータ、バリアブルローテータ、偏光変調型ＳＬＭなどが用いられ得る。更に、偏光制御部２２は、偏光面回転角を可変に設定可能であることが望ましい。
光パルス整形部１０Ａは、偏光面を回転された初期パルス光Ｌｐを入力し、入力されたパルス光Ｌｐから、第１の偏光方向を有するパルス光Ｌｐ1と、第１の偏光方向とは交差する（例えば直交する）第２の偏光方向を有するパルス光Ｌｐ2とを生成する。また、光パルス整形部１０Ａは、パルス光Ｌｐ1を任意の時間強度波形に制御し、かつパルス光Ｌｐ2に対して時間差を与える。図２は、光パルス整形部１０Ａの構成を示す図である。図２に示されるように、光パルス整形部１０Ａは、ビームスプリッタ１１、分散素子１２、集光光学系１３、及び空間光変調器（Spatial Light Modulator；ＳＬＭ）１４を有する。具体的には、ビームスプリッタ１１、分散素子１２、集光光学系１３、及びＳＬＭ１４がこの順で光結合されている。
ビームスプリッタ１１は、偏光制御部２２から入力されたパルス光Ｌｐを透過する。分散素子１２は、パルス光Ｌｐを波長毎に分散（分光）する。ここで分散とは、パルス光Ｌｐに含まれる各波長成分を波長毎に空間的に分離することをいう。図２には、理解の容易のため６つの波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6が示されている。分散素子１２としては、例えば回折格子（グレーティング）やプリズムなど様々な分散素子が適用され得る。また、分散素子１２は、反射型、透過型のいずれであってもよい。また、分散素子１２は、複数の分散素子から構成されてもよい。
集光光学系１３は、分散素子１２から波長成分毎に異なる方向に出力した各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6の伝播方向を相互に揃えるとともに、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれＳＬＭ１４にて集光させる。具体的には、集光光学系１３は、少なくとも分散素子１２の波長分散方向を含む平面内においてレンズパワーを有している。このような集光光学系１３としては、例えばレンズやシリンドリカルレンズが用いられる。また、集光光学系１３としては、透過型のレンズに限らず例えば凹面鏡などの反射型のレンズが用いられてもよい。
ＳＬＭ１４は、複数の変調画素が二次元状に配列された変調面１４ａを有する。ＳＬＭ１４は、位相変調型（若しくは位相・強度変調型）ＳＬＭであって、分散後のパルス光Ｌｐを波長毎に変調する。すなわち、変調面１４ａは、複数の波長成分にそれぞれ対応する複数の変調領域を含んでおり、これらの変調領域は分散素子１２の分散方向に並んでいる。そして、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6は、対応する変調領域に入力し、その変調領域に提示された変調パターンに応じて各々独立に変調される。なお、ＳＬＭ１４は、反射型及び透過型のいずれであってもよい（図には反射型を例示）。また、ＳＬＭ１４は、一次元型空間光変調器及び二次元型空間光変調器のいずれであってもよい。
また、ＳＬＭ１４は偏光依存性を有しており、或る偏光成分については変調作用を有するが、その該偏光成分以外の偏光成分については変調作用を有しない。例えば、パルス光Ｌｐ1が有する第１の偏光方向については変調作用を有するが、パルス光Ｌｐ2が有する第２の偏光方向については変調作用を有しない。一例として、ＳＬＭ１４は液晶型（Liquid Crystal on Silicon；ＬＣＯＳ）のＳＬＭである。液晶型ＳＬＭでは、液晶の複屈折性を用いて位相変調を行うので、液晶の配向方向に沿った偏光方向の成分のみが変調され、その偏光成分と直交する偏光方向の成分は変調されない。
図４は、ＳＬＭ１４の変調面１４ａを概念的に示す図である。ここで、変調作用を有する第１の偏光方向（変調軸方向）Ｘ及び変調作用を有しない第２の偏光方向（非変調軸方向）Ｙを定義する。変調軸方向Ｘと非変調軸方向Ｙとは互いに直交し、変調軸方向Ｘは液晶の配向方向と一致する。ＳＬＭ１４に入力するパルス光Ｌｐの偏光方向ベクトルＥ（但し、ベクトルの大きさは光強度に相当）は、偏光制御部２２によって回転された結果、変調軸方向Ｘに対して傾斜する。そのため、変調軸方向Ｘに沿った第１の偏光成分ＥMOはＳＬＭ１４によって変調されるが、変調軸方向Ｘと直交する非変調軸方向Ｙに沿った第２の偏光成分ＥNONは、変調されることなくＳＬＭ１４をそのまま反射（或いは透過）する。従って、時間的に遅延する（或いは進む）位相パターンをＳＬＭ１４に提示させて第１の偏光成分ＥMOの位相スペクトルを制御することにより、第１の偏光成分ＥMOから成る第１のパルス光Ｌｐ1と、第２の偏光成分ＥNONから成る第２のパルス光Ｌｐ2との間に時間差が生じることとなる。この時間差は、例えばフェムト秒オーダーである。図３（ｂ）は、光パルス整形部１０Ａから出力されたパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の時間強度波形の一例を示す。
第１の偏光成分ＥMO及び第２の偏光成分ＥNONは、変調軸方向Ｘに対するパルス光Ｌｐの偏光面の回転角θを用いて以下の数式により表すことができる。つまり、偏光制御部２２において回転角θを操作することにより、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の強度比を操作することが可能となる。回転角θが４５°である場合、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の光強度は互いに等しくなる。回転角θ（単位：度）は、９０×ｎ（ｎは整数）以外であればよい。
ＥMO＝Ｅｃｏｓθ
ＥNON＝Ｅｓｉｎθ
ＳＬＭ１４は、第１の偏光成分ＥMOを時間的に遅延させる（或いは進む）位相パターンに重畳して、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を変化させるような位相パターンを更に提示してもよい。すなわち、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6の波長が既知である場合、所望の時間強度波形を形成するための位相スペクトル及び強度スペクトルを算出可能であることから、算出した位相スペクトル及び強度スペクトルに基づく位相パターンをＳＬＭ１４に提示させて各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を変調することにより、所望の時間強度波形のパルス光Ｌｐ1を出力することができる。その場合、図３（ｃ）に示されるように、時間強度波形が互いに相違し且つ時間差を有するパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を容易に生成できる。なお、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形は任意の波形に整形されることができ、例えばパルス光Ｌｐ1の時間幅を拡げる、パルス光Ｌｐ1を更に複数のパルス光（パルス列）に分割する、或いはチャープパルスとする等が可能である。
ＳＬＭ１４から出力された各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6は、再び集光光学系１３を通過する。その際、集光光学系１３は、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれ異なる方向に出力させ、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を分散素子１２において空間的に重ねるとともに、各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれ平行化させる。分散素子１２は、変調後のパルス光Ｌｐ1の各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を合成するとともに、パルス光Ｌｐ2の各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を合成する。合成後のパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2は、ビームスプリッタ１１において反射し、パルス光Ｌｐの入力方向とは異なる方向へ出力される。
なお、本実施形態では分散素子１２と集光光学系１３とが分散及び合成の双方を行う形態を例示したが、分散及び合成はそれぞれ別個の素子によって行われてもよい。例えば、ＳＬＭ１４を透過型とし、ＳＬＭ１４を透過した各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を異なる方向に出力する分散素子と、出力された各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を空間的に重ねるとともに各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6をそれぞれ平行化させる集光光学系とをＳＬＭ１４の後段に配置することによって、そのような形態が可能となる。また、ＳＬＭ１４から出力された各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を照射光学系２３に導光し、照射光学系２３による集光により、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を生成してもよい。さらに、本実施形態ではビームスプリッタ１１を用いてパルス光Ｌｐとパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2とを分離しているが、例えば変調面１４ａに対する各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6の入力方向を変調面１４ａの法線に対して傾けることによって、ビームスプリッタ１１を用いることなくパルス光Ｌｐとパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2とを分離することができる。
再び図１を参照する。照射光学系２３は、光パルス整形部１０Ａで生成されたパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を撮像対象物Ｂに照射する。
撮像対象物Ｂは、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の照射を受け、これらのパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を反射または透過する。これらの透過光または反射光は、パルス光Ｌｐ1の照射時刻ｔ1と、パルス光Ｌｐ2の照射時刻ｔ2（≠ｔ1）とにおける撮像対象物Ｂの像情報をそれぞれ保持している。
撮像対象物Ｂにおいて反射または透過したパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2は、互いに偏光方向が異なるので、その偏光方向に基づいて分離可能である。光分離素子２４は、撮像対象物Ｂにおいて反射または透過したパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を受け、これらのパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を偏光方向に基づいて互いに分離する光学素子である。光分離素子２４は、例えばグラントムソンプリズム、ウォーラストンプリズム、サヴァール板、偏光ビームスプリッター、或いは偏光プリズムによって好適に実現される。図１に示される例では、光分離素子２４が偏波選択面２４ａを有しており、パルス光Ｌｐ1が偏波選択面２４ａを透過して一方の光出力面から出力され、パルス光Ｌｐ2が偏波選択面２４ａにおいて反射し、他方の光出力面から出力される。
撮像部２５は、光分離素子２４の一方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Ｌｐ1に伴う像を撮像する光検出器を含む。すなわち、撮像部２５は、パルス光Ｌｐ1をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。撮像部２６は、光分離素子２４の他方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Ｌｐ2に伴う像を撮像する。すなわち、撮像部２６は、パルス光Ｌｐ2をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。撮像部２５，２６によって撮像された２枚の画像は、それぞれ照射時刻ｔ1，ｔ2における画像であり、極めて短い時間間隔（例えばフェムト秒オーダー）の連続画像である。動画撮影においては、これらの画像が、連続するフレームを構成する。なお、本実施形態では、撮像部２５は第１の撮像素子を含み、撮像部２６は第１の撮像素子と異なる第２の撮像素子を含む。言い換えれば、撮像部２５，２６はそれぞれ別個の撮像素子によって構成されている。撮像部２５，２６は、例えばＣＣＤイメージセンサ、ＣＭＯＳイメージセンサ、或いはストリークカメラによって好適に構成される。
また、前述したように、本実施形態では偏光制御部２２における回転角θを操作することにより、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の強度比を操作することが可能である。つまり、回転角θを操作することによって、各フレーム画像の露光量の調整を行うことができる。
ここで、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を変化させない場合（図３（ｂ）参照）における撮像間隔（フレームインターバル）の調整方法の一例について説明する。図５（ａ）は、パルス光Ｌｐ1に与えるスペクトル波形（グラフＧ１：スペクトル強度、グラフＧ２１〜Ｇ２３：スペクトル位相）を示す。図５（ｂ）のグラフＧ３１〜Ｇ３３はパルス光Ｌｐ1の時間強度波形を示し、グラフＧ４はパルス光Ｌｐ2の時間強度波形を示す。図５（ｃ）は、図５（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。図５（ａ）に示されるように、ＳＬＭ１４は、パルス光Ｌｐ1に対し、一次関数型の位相パターンＧ２１を与える。そして、その傾きをグラフＧ２２、Ｇ２３のように順次傾ける（図中の矢印Ａ１）。これにより、パルス光Ｌｐ1は、グラフＧ３１からＧ３２を経てＧ３３まで順次移動する（図中の矢印Ａ２）ので、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差が順次変化する。すなわち、照射時刻ｔ1，ｔ2の間隔が順次変化するので、適切な傾きを設定することにより、撮像間隔を任意の時間に調整する（設定する）ことができる。原理的には、撮像間隔を限りなく短くすることが可能である。
次に、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を変化させる場合（図３（ｃ）参照）における撮像間隔（フレームインターバル）の調整方法の一例について説明する。図６（ａ）は、パルス光Ｌｐ1に与えるスペクトル波形（グラフＧ５：スペクトル強度、グラフＧ６：スペクトル位相）を示す。図６（ｂ）のグラフＧ７はパルス光Ｌｐ1の時間強度波形を示し、グラフＧ８はパルス光Ｌｐ2の時間強度波形を示す。図６（ｃ）は、図６（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。図６（ａ）に示されるように、ＳＬＭ１４は、パルス光Ｌｐ1に対し、時間遅延を与える為の一次関数型の位相パターンと、時間強度波形を制御する為の位相パターン（例えば二次関数型の位相パターン）とが加算されてなる位相パターンＧ６を与える。これにより、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形が任意の形状に制御される。図６には、二次関数型の位相パターンによってパルス光Ｌｐ1の時間幅が伸展された例が示されている。この例では、時間幅の伸展により、パルス光Ｌｐ1の撮像対象物Ｂに対する照明（露光）時間がパルス光Ｌｐ2と比べて長くなる。つまり、照明（露光）時間の調整が可能となる。
そして、図５の場合と同様に、位相パターンＧ６を構成する一次関数型の位相パターンの傾きを順次傾ける（矢印Ａ１）。これにより、パルス光Ｌｐ1が時間軸上を順次移動し（矢印Ａ２）、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差が順次変化する。すなわち、照射時刻ｔ1，ｔ2の間隔が順次変化するので、適切な傾きを設定することにより、撮像間隔を任意の時間に調整する（設定する）ことができる。
パルス光Ｌｐ1の時間強度波形の変化は、上記のような時間幅の伸展に限られず、任意の形状（例えば矩形パルス、三角パルス、ダブルパルス等）とすることが可能である。図７は、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形をダブルパルスとする場合の撮像間隔（フレームインターバル）の調整方法を示す図である。図７（ａ）は、パルス光Ｌｐ1に与えるスペクトル波形（グラフＧ９：スペクトル強度、グラフＧ１０，Ｇ１１：スペクトル位相）を示す。図７（ｂ）のグラフＧ１２，Ｇ１３はパルス光Ｌｐ1の時間強度波形を示し、グラフＧ１４はパルス光Ｌｐ2の時間強度波形を示す。図７（ｃ）は、図７（ｂ）に示される各パルス光の偏光方向を示す。図７（ａ）に示されるように、ＳＬＭ１４は、パルス光Ｌｐ1に対し、波長の変化に対応して周期的に位相値の上下を繰り返す位相パターンＧ１０を与える。そして、そのスペクトル位相パターンの周期をグラフＧ１１へ連続的に変化させる。これにより、パルス光Ｌｐ1は、グラフＧ１２からＧ１３まで順次移動する（図中の矢印Ａ２）ので、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差が順次変化する。すなわち、照射時刻ｔ1，ｔ2の間隔が順次変化するので、適切なスペクトル位相パターンの周期を設定することにより、撮像間隔を任意の時間に調整する（設定する）ことができる。
なお、図５（ｃ）、図６（ｃ）及び図７（ｃ）に示されるように、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との時間差を順次変化させても、パルス光Ｌｐ1の偏光方向（変調軸方向Ｘ）とパルス光Ｌｐ2の偏光方向（非変調軸方向Ｙ）とは、時間差にかかわらず常に直交状態を維持する。
ここで、撮像システム１Ａを用いた本実施形態の撮像方法について詳細に説明する。図８は、撮像方法を示すフローチャートである。まず、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を、互いに時間差を持たせて撮像対象物Ｂに照射する（ステップＳ１）。具体的には、まず、光源２１からパルス光Ｌｐを出力する（光出力ステップＳ１１）。次に、パルス光Ｌｐの偏光面を、偏光制御部２２によって回転させる（偏光制御ステップＳ１２）。続いて、分散素子１２によってパルス光Ｌｐを波長毎に分散する（分散ステップＳ１３）。そして、分散後のパルス光Ｌｐの位相スペクトルを、偏光依存型のＳＬＭ１４を用いて波長毎に変調する（変調ステップＳ１４）。このとき、ＳＬＭ１４に入力するパルス光Ｌｐの偏光面を、変調軸方向Ｘに対して傾斜させた状態で、変調軸方向Ｘに沿ったパルス光Ｌｐの第１の偏光成分ＥMOの位相スペクトルを変調することにより、第１の偏光成分ＥMOと第２の偏光成分ＥNONとの間に時間差を生じさせる。これにより、パルス光Ｌｐ2と、パルス光Ｌｐ2に対して時間差を有するパルス光Ｌｐ1とが生成される。なお、このステップにおいて、パルス光Ｌｐ1の時間強度波形を任意の波形に変換するように、第１の偏光成分ＥMOの位相スペクトルを更に変調してもよい。その後、変調後のパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の各波長成分Ｌλ1〜Ｌλ6を、分散素子１２によって合成し（合成ステップＳ１５）、合成後のパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を撮像対象物Ｂに照射する（照射ステップＳ１６）。なお、本実施形態においては、分散ステップＳ１３、変調ステップＳ１４、及び合成ステップＳ１５により、光パルス整形ステップが構成される。
続いて、撮像対象物Ｂにおいて反射または透過したパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を、光分離素子２４において偏光方向に基づいて分離する（光分離ステップＳ２）。その後、分離されたパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2をそれぞれ撮像部２５，２６において撮像する（撮像ステップＳ３）。
以上に説明した本実施形態の撮像システム１Ａ及び撮像方法によって得られる効果について説明する。前述したように、波長が互いに異なり互いに時間差を有する複数の光パルスからなる照射光（ストロボ光）を撮影対象物に照射する従来の方式において、複数の光パルスの時間差（すなわちフレームインターバル）を短くしようと試みると、各々の光パルスが帯域制限を受け、その時間波形が大幅に伸展してしまう。これにより、撮像画像にモーションブラーが生じるという問題がある。
これに対し、本実施形態の撮像システム１Ａ及び撮像方法では、照射装置３が（もしくは照射ステップＳ１において）、互いに偏光方向が異なり時間差を有するパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を、照射光（ストロボ光）として撮像対象物Ｂに照射する。そして、撮像対象物Ｂからの反射光または透過光を、これらの偏光方向に基づいて分離する。この場合、各パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2が帯域制限を受けないので、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2間の時間差を、従来技術よりも短くすることが可能となる。すなわち、本実施形態の撮像システム１Ａ及び撮像方法によれば、モーションブラーの影響を受けることなく、フレームインターバルの更なる短時間化を行うことができる。
また、本実施形態の照射装置３によれば、ＳＬＭ１４に提示される位相パターンを変更することによりパルス光Ｌｐ1の遅れ時間を変更することができるので、フレームインターバルを容易に変更することができる。
また、本実施形態のように、照射装置３は、ＳＬＭ１４に入力される初期パルス光Ｌｐの偏光面を回転させる偏光制御部２２を有してもよい。これにより、変調軸方向Ｘに対して初期パルス光Ｌｐの偏光面を容易に傾斜させることができる。この場合、偏光制御部２２は、偏光面回転角を可変に設定可能であってもよい。これにより、第１のパルス光Ｌｐ1と第２のパルス光Ｌｐ2との強度比を容易に変更することができる。
また、本実施形態のように、撮像部２５が第１の撮像素子を含み、撮像部２６が第１の撮像素子と異なる第２の撮像素子を含んでもよい。このような構成により、極めて短い時間差を有するパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を好適に撮像することができる。
（第１変形例）
図９は、上記実施形態の第１変形例に係る撮像システム１Ｂの構成を示す図である。この撮像システム１Ｂと上記実施形態との相違点は、第１及び第２の撮像部の構成である。なお、第１及び第２の撮像部を除く撮像システム１Ｂの構成は、上記実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。
撮像システム１Ｂは、上記実施形態の撮像部２５，２６に代えて、撮像素子２７を備えている。図１０は、撮像素子２７の受光面２８を示す平面図である。図１０に示されるように、受光面２８は、２つの受光領域２８ａ，２８ｂを有する。受光領域２８ａは本変形例の第１の撮像部であり、受光領域２８ｂは本変形例の第２の撮像部である。このように、本変形例では、第１の撮像部と第２の撮像部とが、共通の撮像素子２７の受光面２８における別個の領域２８ａ，２８ｂによって構成されている。
受光領域２８ａにおいて生成された電荷は、ＣＤＳアレイ２９ａ及びＡ／Ｄ変換素子アレイ３０ａを含む読出回路によって読み出され、外部へ出力される。受光領域２８ｂにおいて生成された電荷は、ＣＤＳアレイ２９ｂ及びＡ／Ｄ変換素子アレイ３０ｂを含む読出回路によって読み出され、外部へ出力される。または、受光領域２８ａ，２８ｂにおいて生成された電荷は、ＣＤＳアレイ及びＡ／Ｄ変換素子アレイを含む共通の読出回路によって読み出され、外部へ出力されてもよい。
図９に示されるように、受光領域２８ａは、光分離素子２４の一方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Ｌｐ1を撮像する。すなわち、受光領域２８ａは、パルス光Ｌｐ1をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。受光領域２８ｂは、光分離素子２４の他方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Ｌｐ2を撮像する。すなわち、受光領域２８ｂは、パルス光Ｌｐ2をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。受光領域２８ａ，２８ｂによって撮像された２枚の画像は、それぞれ照射時刻ｔ1，ｔ2における画像であり、極めて短い時間間隔（例えばフェムト秒オーダー）の連続画像である。動画撮影においては、これらの画像が、連続するフレームを構成する。撮像素子２７は、例えばＣＣＤイメージセンサ或いはＣＭＯＳイメージセンサによって好適に構成される。
本変形例のように、第１及び第２の撮像部は、共通の撮像素子２７の受光面２８における別個の領域２８ａ，２８ｂによって構成されてもよい。このような構成であっても、極めて短い時間差を有するパルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2を好適に撮像することができる。
（第２変形例）
図１１は、上記実施形態の第２変形例に係る光パルス整形部（パルスシェーパー）１０Ｂの構成を示す図である。本変形例の光パルス整形部１０Ｂは、入力されたパルス光Ｌｐから、第１の偏光方向を有するパルス光Ｌｐ1と、第１の偏光方向と交差する（例えば直交する）第２の偏光方向を有するパルス光Ｌｐ2とを生成する。また、光パルス整形部１０Ｂは、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2に対して時間差を与える。本変形例の光パルス整形部１０Ｂは、光分離素子１５、全反射ミラー１６ａ，１６ｂ、移動ミラー（光路長変更部）１７、及び光結合素子１８を有する。
光分離素子１５は、偏光制御部２２から入力された入力されたパルス光Ｌｐを、その偏光方向に基づいて分離する。これにより、パルス光Ｌｐから、第１の偏光方向を有するパルス光Ｌｐ1と、第２の偏光方向を有するパルス光Ｌｐ2とが生成される。光分離素子１５は、例えばグラントムソンプリズム、ウォーラストンプリズム、サヴァール板、偏光ビームスプリッター、或いは偏光プリズムによって好適に実現される。図１１に示される例では、光分離素子１５が偏波選択面１５ａを有しており、パルス光Ｌｐ1が偏波選択面１５ａを透過して一方の光出力面から出力され、パルス光Ｌｐ2が偏波選択面１５ａにおいて反射し、他方の光出力面から出力される。
全反射ミラー１６ａ，１６ｂは、光分離素子１５と光学的に結合され、パルス光Ｌｐ2の光路を変更して移動ミラー１７へ導く。移動ミラー１７は、その反射位置を電気的に制御可能なように構成されており、パルス光Ｌｐ2を反射するとともにその光路長を変更する。
光結合素子１８は、光分離素子１５からパルス光Ｌｐ1を受けるとともに、移動ミラー１７からパルス光Ｌｐ2を受ける。光結合素子１８は、偏光方向に応じて透過若しくは反射を行う。すなわち、光結合素子１８は、パルス光Ｌｐ1を透過（若しくは反射）し、パルス光Ｌｐ2を反射（若しくは透過）する。これにより、パルス光Ｌｐ1，Ｌｐ2の光路が再び一致する。また、パルス光Ｌｐ2はパルス光Ｌｐ1と異なり全反射ミラー１６ａ，１６ｂ及び移動ミラー１７を経ているので、パルス光Ｌｐ2の光路長はパルス光Ｌｐ1の光路長よりも長い。従って、光結合素子１８を通過した時点で、パルス光Ｌｐ2はパルス光Ｌｐ1から時間的に遅れる。すなわち、パルス光Ｌｐ1とパルス光Ｌｐ2との間には時間差が付与される。光結合素子１８は、例えばグラントムソンプリズム、ウォーラストンプリズム、サヴァール板、偏光ビームスプリッタ、或いは偏光プリズムによって好適に実現される。
光パルス整形部を含む照射装置の構成は、上記実施形態に限られず、例えば本変形例のような構成であってもよい。この場合でも、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。
本発明による撮像システム及び撮像方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ＳＬＭが変調作用を有する偏光方向に対し、ＳＬＭに入力するパルス光の偏光面を偏光制御部によって傾斜させているが、ＳＬＭ自体を傾けてもよい。すなわち、ＳＬＭに入力するパルス光の偏光面に対し、変調作用を有する偏光方向が傾斜するようにＳＬＭを傾けることによって、偏光制御部を不要にできる。
また、上述した実施形態では、ＳＬＭとしてＬＣＯＳ型のものを例示したが、本発明のＳＬＭとして、他の液晶型ＳＬＭ（例えば電気アドレス型、光アドレス型等）を適用してもよい。
１Ａ，１Ｂ…撮像システム、３…照射装置、１０Ａ，１０Ｂ…光パルス整形部、１１…ビームスプリッタ、１２…分散素子、１３…集光光学系、１４…ＳＬＭ、１４ａ…変調面、１５…光分離素子、１５ａ…偏波選択面、１６ａ，１６ｂ…全反射ミラー、１７…移動ミラー、１８…光結合素子、２１…光源、２２…偏光制御部、２３…照射光学系、２４…光分離素子、２４ａ…偏波選択面、２５…第１の撮像部、２６…第２の撮像部、２７…撮像素子、２８…受光面、２８ａ，２８ｂ…受光領域、２９ａ，２９ｂ…ＣＤＳアレイ、３０ａ，３０ｂ…変換素子アレイ、Ｂ…撮像対象物、Ｌｐ…初期パルス光、Ｌｐ1…第１のパルス光、Ｌｐ2…第２のパルス光。

Claims (8)

  1. 少なくとも１つの初期パルス光を出力する光源と、
    前記初期パルス光の偏光面を回転させる偏光制御部と、
    偏光面を回転された前記初期パルス光を入力し、第１の偏光方向を有する第１のパルス光と、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形部と、
    前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光を撮像対象物に照射する照射光学系と、
    前記撮像対象物において反射または透過した前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光を偏光方向に基づいて分離する光分離素子と、
    分離された前記第１のパルス光を撮像する第１の撮像部と、
    分離された前記第２のパルス光を撮像する第２の撮像部と、
    を備える、撮像システム。
  2. 前記光パルス整形部は、偏光面を回転された前記初期パルス光を波長毎に分散する分散素子と、前記第１の偏光方向に変調作用を有する偏光依存型の空間光変調器とを有する、請求項１に記載の撮像システム。
  3. 前記空間光変調器は、前記第１の偏光方向に対して偏光面が回転し波長毎に分散された前記初期パルス光を入力し、前記初期パルス光に含まれる前記第１の偏光方向の偏光成分の位相スペクトルを変調する、請求項２に記載の撮像システム。
  4. 前記偏光制御部は、偏光面回転角を可変に設定可能である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の撮像システム。
  5. 前記第１の撮像部は第１の撮像素子を含み、前記第２の撮像部は前記第１の撮像素子と異なる第２の撮像素子を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像システム。
  6. 前記第１の撮像部と前記第２の撮像部とが、共通の撮像素子を含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の撮像システム。
  7. 少なくとも１つの初期パルス光を出力する光出力ステップと、
    前記初期パルス光の偏光面を回転させる光制御ステップと、
    偏光面を回転された前記初期パルス光を入力し、第１の偏光方向を有する第１のパルス光と、前記第１の偏光方向とは異なる第２の偏光方向を有する第２のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形ステップと、
    前記第１のパルス光と前記第２のパルス光を撮像対象物に照射する照射ステップと、
    前記撮像対象物において反射または透過した前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光を偏光方向に基づいて分離する分離ステップと、
    分離された前記第１のパルス光及び前記第２のパルス光を撮像する撮像ステップと、を含む、撮像方法。
  8. 前記光パルス整形ステップにおいては、前記偏光面が回転され波長毎に分散された前記パルス光を空間光変調器に入力し、前記空間光変調器により、前記初期パルス光に含まれる前記第１の偏光方向の偏光成分の位相スペクトルを変調する、請求項７記載の撮像方法。
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