JP2017502327A - 物体のインラインレンズフリーデジタルホログラフィを実施するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

物体のインラインレンズフリーホログラフィを実施するための装置は、コヒーレント光を出射するために取り付けられた単一の点光源（２）と、干渉パターンを記憶するために取り付けられ配置された画像検出デバイス（５）とを含み、点光源は広い波長のスペクトルの光源と、ピンホール構造とを含み、画像検出デバイスは、ピクセルの接続されない複数のサブセット（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ）のそれぞれにより、複数の干渉パターンを同時に受け取って記録するために取り付けられ、画像検出装置は、ピクセルの接続されないサブセットのそれぞれのために、ピクセルの接続されないサブセットのピクセルのそれぞれの上に配置されたそれぞれの狭い帯域の波長フィルタを含み、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は、点光源の広い波長スペクトルの範囲内にあり、狭い帯域の波長フィルタのそれらの波長範囲は重複しない。

Description

本発明は、物体のインラインレンズフリーデジタルホログラフィを実施するための装置および方法に関する。

Ｇａｂｏｒは、１９４８年にホログラフィを発明した。それは、強いコヒーレントの照射ビームを用いて物体を照射することを含む。物体で散乱された波は、写真フィルム、またはデジタル画像センサの上でバックグラウンド波と干渉し、干渉パターンが記録される。記録された干渉パターンに基づいて、オリジナルの物体の波動場を再構築できる。

デジタル画像センサ（例えばＣＣＤ、ＣＭＯＳおよび類似の構造に基づく半導体マトリックスに組織化されたカメラセンサ）のために、デジタルホログラフィはグラウンドを取得する。従来の写真材料の上に露出するホログラムは、物理的または化学的に扱う必要がある。この必要は、デジタルホログラフィの分野で除去される。更に、記録されたホログラム情報は、デジタルメモリ中に蓄積できる。蓄積されたホログタムは、また、デジタル情報のみに基づいて、適当なソフトウエアアルゴリズムにより改良されても良い。空間の画像は、例えば、複数の方法でホログラムから再構築できる。空間的な画像の再構築のために照射する光源および他の光学的手段は必要でない。

当業者に知られているように、レンズフリー撮像は、基本的に、インラインホログラフィの原理に基づく顕微鏡撮像方法である。インラインホログラフィは、一般に、ホログラフィ撮像技術が使用され、その単純さおよび最小の光学ハードウエハの必要性のために知られている。しかしながら、インラインホログラフィ技術は、いわゆる二重像（twin image）問題を受け、焦点内の実際の物体の画像の中に、内在的な人工的な焦点外のバーチャルな物体の情報が現れる。二重像のアーティファクトを除去できる技術が当業者に知られている。それらは、２つのグループに分類できる。第１のグループは、サポート／マスクベースの方法により構成され、その隣の物体を隠すことなく物体に良好なマスクを形成することが不可能なため、複雑な物体象には適用できない。他のグループは、マスク無しの反復位相回復法であり、様々な情報内容を有する多重画像の取得に依存する。情報内容が変化するそれらの多重画像は、位相、像の距離、または異なる連続する取得の間の照射波長の変化により得られる。多重画像の取得は、例えば連続して記録された像から像のような時間領域で、または（ピクセルレベルで）センサに到達する光の位相を変えるために、または（センサレベルで）光学経路を変えるために、光を複数の光の部分に分けるような、空間領域のいずれで行なわれても良い。

異なる時間の例での取得は一般に、僅かにまたは非常に異なった物体の遠近図（例えば物体の回転またはシフト）を記録するため、時間領域で行われた多重画像の取得は、高速撮像（例えば、リアルタイムでのビデオ応用）には適していない。空間領域で行われる複数の画像の取得は、従来技術では、ビームスプリッタを用いて実現されたが、外部の光学ハードウエアの存在により、撮像条件が最適化出来ないという事実により、実行が制限される。例えば、ビームスプリッタはそれ自身物体から撮像装置までの最小距離を制限する。この結果、最終的な再構築像の重大な解像度の劣化となる。

今日、高速で高解像度のインラインレンズフリーデジタル撮像を行うために適した装置および方法が必要とされる。

ＷＯ２０１２／１５０４７２では、３次元カラー像を作成するための装置が検討され、この装置は、異なる色のコリーレント光ビームを形成する少なくとも２つの付与する光源と、入力端部と光出射端部とを有する少なくとも２つの光ファイバであって、光ファイバの入力端部は付与する光源にそれぞれ接続され、光ファイバの光出射端部は接近して隣り合わせに配置された照射光源を構成する光ファイバと照射光源により照射される物体を配置するために適した物体間隔と、参照光ビームと、物体により分散または反射された物体光ビームとの妨害パターンをホログラムとして記憶するための少なくとも１つのデジタル画像検出デバイスと、並んで配置された光ファイバの光出射端部からの歪の訂正を用いて少なくとも１つのデジタル画像検出デバイスにより記録されたホログラムから物体の３次元カラー画像を作成するデジタル画像処理デバイスとを含む。

ここで、複数の付与する光源は、隣り合うが実質的には異なる位置から、それぞれが非常に狭い波長スペクトルを有する光を出射し、歪の訂正を必要にする。そのような構成は、厳しい条件を使用する光源に与え、高価な解決方法にする。更に、複数の光源が必要であり、これもまたコストを増加し、比較的大きなデバイスになる。また、デジタル画像検出デバイスでは、異なる色の情報を引き出すために、比較的広い波長範囲を有する波長フィルタが適用される。

本開示の目的は、高速で高解像度のホログラフィ撮像を行うのに適した物体のインラインレンズフリーデジタルホログラフィを行うための装置を提供することである。

この目的は、最初の独立請求項の技術的特徴を示す装置を備えた開示により達成される。

本開示の他の目的は、物体のインラインレンズフリーホログラフィを実施するための方法を提供することである。

この目的は、第２の独立請求項の工程を含む方法を備えた開示により達成される。

本開示の第１の形態では、物体のインラインレンズフリーホログラフィを実施するための装置が開示され、この装置は、
コヒーレント光を出射するために取り付けられた単一の点光源と、
点光源から直接形成される光波と、物体光波からの干渉から形成された干渉パターンを記憶するために取り付けられ配置された画像検出デバイスであって、物体光波は、物体により点光源からの光波を分散または反射して形成され、複数のピクセルを含む画像検出デバイスと、を含み、
画像検出デバイスは、複数のピクセルの接続されないサブセットのそれぞれによる複数の干渉パターンが、同時に、受け取られて記憶されるように取り付けられる。

当業者は、内在的に、複数の干渉パターンが、３次元干渉空間の位相情報を受け取りまたは得るのに、特に、物体の位相情報を受け取りまたは得るのに適していることを認識するだろう。

好適な具体例では、物体は半透明の物体である。特に、物体は透明でも良い。好適な具体例では、物体は、１０％より多く、または２５％より多く、または５０％より多く、または６０％より多く、または８０％より多く、または９０％より多く、または９５％より多く、または９９％より多く半透明または透明であり、これは、それぞれのパーセントの入射光がそれを透過できることを意味する。

単体点光源は、点源タイプの光源である。点源の概念は原則として数学的な概念であるが、点源タイプの光源は、当業者により認識されるものと同様に、非常に広い程度まで数学的な概念に近いいずれの光源も意味する。例えば１マイクロメータから１００マイクロメータまでの出射開口部を備えた光源でも良い。例えば、開口部のサイズは１マイクロメータでも良く、これは「狭い」と考えられるだろう。例えば、開口部のサイズは５０マイクロメータでも良く、これは「広い」と考えられるだろう。

好適な具体例では、開口部は、更に点光源の光波に物体を曝すために、点光源の近くに物体を配置するのに適した物体空間を含みまたはこれに関する。物体は、光源から１００または数１００（例えば２００または３００）マイクロメータから、１０または数１０（例えば２０または３０）センチメートル迄の範囲に配置されても良い。例えば、物体は、光源から１ミリメータの距離に配置されても良い。

物体空間は、好適には、点光源と画像検出デバイスの間に配置される。物体空間は、好適には、点光源および画像検出デバイスから出射される光の光路に沿ってまたは光路の中にある。

好適な具体例では、画像検出デバイスは、デジタル画像検出デバイスである。デジタル画像検出デバイスは、複数のピクセルを含んでも良い。ピクセルは、フォトダイオードおよび読み出しエレクトロニクスを含んでも、またはからなっても良い。

好適な具体例では、装置は、更に、少なくとも複数の干渉パターンを用いた、または複数の干渉パターンに基づく、または複数の干渉パターンのみに基づく位相情報を得るために取り付けられた処理手段を含む。複数の干渉パターンに基づく位相情報を得るまたは取得する工程は写真画像のアップサンプリング工程を含み、画像の解像度を増加しても良い。それぞれの記録された干渉パターンの解像度を増加させるのに使用されるのに使用される先端技術のアップサンプリング方法は、典型的な反復取得方法の集中には影響しないがさらに示される。

好適な具体例では、ピクセルは一定間隔のマトリックスパターンに配置される。

好適な具体例では、ピクセルのそれぞれのサブセットのピクセルは、画像検出デバイスの主平坦面の上に均一に配置されても良い。

好適な具体例では、ピクセルのそれぞれのサブセットのピクセルは、互いに一定距離で配置され、それぞれの結果のグリッドは、一定の距離だけ互いに対してオフセットでも良い。

例えば、２つのピクセルのサブセットの場合、それらはチェス盤形状に配置されても良い。

好適な具体例では、それぞれの接続されないサブセットのピクセルは、横方向（または縦方向）の一定間隔のマトリックスパターンに配置されても良い。

好適な具体例では、点光源は、広い波長のスペクトル光源とピンホール構造とを含み、広い波長のスペクトル光源は、ピンホール構造に向かって光を出射するように配置される。他の見地では、好適には広い波長のスペクトル光源である点光源は、プレートまたは他の光ブロック手段中のピンホールの背後、即ち第１側面の光源として具体化できる。光ブロック手段のプレートの他の側面は、物体空間および／または画像検出デバイスを配置できる。

好適な具体例では、広い波長のスペクトル光源は、白色レーザデバイスまたはＬＥＤデバイスを含む。

好適な具体例では、画像検出デバイスは、接続されないピクセルのサブセットのそれぞれのために、接続されないピクセルのサブセットのそれぞれのピクセルの上に配置された比較的狭い帯域の波長フィルタを含み、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は、点光源の広い波長スペクトルの中にあり、狭い帯域の波長フィルタのそれらの波長範囲は重複しない。換言すれば、好適には、異なるフィルタの通過帯域は重ならない。当業者は、これが、重複が、実質的に、予め決めたレベルより低いことを理解するであろう。所定の応用では、当業者は、好ましい程度の重複を決定できる。例えば、第１の狭い帯域の波長フィルタは、第２の狭い帯域の波長フィルタと、もし存在するのであれば９０より多い、または９５より多い、または９８より多い、または９９より多い、または９９．９より多いパーセントで重複しても良いと考えられる。換言すれば、第１の狭い帯域の波長フィルタは、第２の狭い帯域の波長フィルタと、もし存在するのであれば１０より少ない、または５より少ない、または２より少ない、または１より少ない、または０．０１より少ないパーセントで重複しなくても良いと考えられる。

好適な具体例では、それぞれの狭いバンドフィルタに波長範囲は、Ｎｎｍより小さく、広い波長スペクトルはＮ×Ｍｎｍより大きな波長範囲を有し、ここでＭは装置に含まれ、または装置中に存在する狭いバンドフィルタの数を表す。

例えば、波長フィルタが４つの場合、好適な具体例では、それぞれの狭いバンドフィルタの波長範囲は、５ｎｍより小さく（例えば１ｎｍから５ｎｍの範囲内、より小さい値は排除しないが、比較的高強度の光源を必要とするだろう。後者は、例えば生物的な物体のような所定の物体に対して有害でもよい。）、広い波長のスペクトルは、２０ｎｍより大きな波長（例えば、波長範囲は、２０ｎｍと１００ｎｍとの間でも良い。）を有しても良い。他の例では、１０個の重複しない狭い帯域の波長フィルタのセットのそれぞれの狭いバンドフィルタの波長範囲は、２ｎｍより小さく、それらの全ては２０ｎｍの広い波長のスペクトルにフィットする。より一般には、狭いバンドフィルタのそれぞれのセットの波長範囲の合計は、好適には、広い波長のスペクトルの波長範囲より小さい。当業者は、広い波長のスペクトルが、連続で、広い波長のスペクトルを超えて延びるスペクトルを含むことを認識する。この広い範囲中の光強度はゼロに近づかないまたはゼロにならないこと、即ち、広いスペクトルの波長の光源は、この広い範囲の中で常に実質的にゼロではないことは、そのような広い波長のスペクトルの特徴である。好適な具体例では、広い波長スペクトルは、ガウスタイプのプロファイルを有する。

本開示の第２の形態では、物体のインラインレンズフリーデジタルホログラフィを実施する方法が開示され、この方法は、
単一の点光源から本質的にコヒーレントな光を出射する工程と、
点光源の近くに位置する例えば物体空間に、物体を配置し、点光源の光波を物体に照射する工程と、
複数のピクセルを含む画像検出デバイスを用いて、点光源から直接形成された光波と物体光波からの干渉から得られる干渉パターンを受け取って記録する工程であって、物体光波は、物体により点光源からの光波を分散または反射して形成される工程と、を含み、
干渉パターンを受け取り記録する工程は、それぞれの複数の接続されないサブセットのピクセルにより、複数の干渉パターンが、同時に受け取られて記憶される工程を含む。

好適な具体例では、この方法は、更に、例えば処理手段を行って、複数の干渉パターンを用いて、反復位相取得アルゴリズムを行うことにより物体の位相情報を取得し得る工程を含む。反復位相取得アルゴリズムは、当業者に知られている。この分野は、１９７０年代から科学的に拡大している。例えば、J. R. Fienupの"Reconstruction of an object from the modulus of its Fourier transform", Optics Letters, Vol. 3, Issue 1, pp. 27-29 (1978)や、J. R. Fienupの"Phase retrieval algorithms: a comparison", Applied Optics, Vol. 21, Issue 15, pp. 2758-2769 (1982)を参照。

好適な具体例では、この方法は、更に、点光源を用いて広い波長のスペクトルの光を照射し、それぞれの狭い帯域の波長フィルタを用いて、それぞれの接続されないサブセットに対して、ピクセルの接続されない複数のサブセットにより複数の干渉パターンを受ける前に、同じサブセットに属するそれぞれのピクセルで入射光をフィルタする工程を含み、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は、点光源の光の広い波長スペクトルの中に有り、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は、重複しない。

本開示の第３の形態では、物体のインラインレンズフリーデジタルホログラフィを実施するために、複数の接続されないピクセルのサブセットにより、複数の干渉パターンが同時に取得され記録されることによる、第１の形態のいずれかの具体例にかかる装置の使用が開示される。

好適な具体例では、物体は生物的な物質であり、例えば細胞、ウイルス、または細胞組織である。

本開示の第４の形態は、コンピュータ上で走らせた場合に、第１の形態のいずれかの具体例にかかる装置により、同時に取得され記録された複数の干渉パターンに基づいて、物体の位相情報を得るのに適したコンピュータプログラム製品を開示する。

本開示は、更に、以下の記載および添付した図面の手段により明らかになるであろう。

インラインレンズフリーデジタルホログラフィ装置の従来のセットアップを示し、これは請求項１のプレアンブルに基づく。 本開示にかかる具体例の斜視図である。 図２に記載された本発明の好適な具体例にかかる、点光源の広い帯域のスペクトルと波長フィルタの狭い帯域との相対比および配置を示す。 本開示にかかる更なる具体例の斜視図である。 本開示にかかる更なる具体例の斜視図である。 図５に記載された本発明の好適な具体例にかかる、点光源の広い帯域のスペクトルと波長フィルタの狭い帯域との相対比および配置を示す。 （ａ）から（ｄ）は、本開示の形態の効果を支持するシミュレーション結果を模式的に示す。 （ａ）はシミュレーションされたスナップショット像で、（ｂ）は単一の波長参照であり、本開示の形態にかかる方法の出力解像度および画像品質を査定する。

本発明は、特定の具体例を参照しながら、そして所定の図面を参照しながら記載されるが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲により限定される。記載された図面は、単に模式的であり、限定的では無い。図面において、要素の幾つかの大きさは、図示目的で誇張され、縮尺通りには記載されていない。寸法と相対寸法とは、本開示を実施するための実際の縮小に対応する必要は無い。

更に、記載や請求の範囲中の、第１、第２、第３等の用語は、類似の要素の間で区別するために使用され、起こった順番や時間的な順番を記載する必要は無い。それらの文言は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに記載された具体例は、ここに記載や図示されたものと異なる順序によっても操作できる。

また、記載や請求項中の、上、下、上に、下に等の用語は、記載目的のために使用され、相対的な位置を示す必要はない。そのように使用された用語は、適当な状況下で入替え可能であり、ここに開示された具体例は、ここに記載や図示されたものと異なる位置でも操作できる。

更に、「好適な（preferred）」と述べられたが、様々な具体例は、本開示の範囲を制限するよりむしろ、本開示が実施される例示の方法として解釈される。

請求の範囲で使用される「含む（comprising）」の用語は、それ以降に示される要素に限定して解釈されるべきではなく、他の要素や工程を排除しない。言及された特徴、数字、工程、または成分の存在の記載は、記載されたように解釈されるべきで、１またはそれ以上の他の特徴、数字、工程、または成分、またはこれらの組み合わせの存在または追加を排除してはならない。このように、「ＡおよびＢを含むデバイス」の表現の範囲は、構成要素ＡとＢのみからなるデバイスに限定されるべきではなく、むしろ本開示に関して、単にデバイスの列挙された構成要素がＡおよびＢであり、更に、請求項は、それらの構成要素の均等物を含むと解釈されるべきである。

図１は、物体、好適には半透明または透明の物体の、インラインレンズフリーデジタルホログラフィを実施するための、典型的な状態のホログラフィク装置１を示す。この装置１は、単一の点光源２を含み、この点光源２は点光源タイプの光源であり、コヒーレントな、または本質的にコヒーレントな光を出射するように適用される。単一の光源は、異なった構成要素からなり、例えばレーザまたはＬＥＤ光源のような光源２１の前に配置されたピンホール２３を有するプレート２２を含んでも良い。光源２１とプレートまたは光ブロック手段２２との間に、例えば１またはそれ以上のレンズのような光学構成要素２４が配置される。にもかかわらず本発明の具体例はいわゆる「レンズフリー（lens-free）」と呼ばれるが、これは、例えば、レンズのような光学的構成要素が、レーザまたはＬＥＤ光源が配置される側面と対向する、プレートまたは光ブロック手段２２の側面上に、レンズが存在せず、使用されないことのみをいう。

装置またはシステムは、更に、物体４を配置し、点光源２に近接近して配置され、点光源２の光波６に物体４を曝す物体空間３を含む。システムまたは装置は、更に、３次元干渉空間中で、２次元干渉パターン８を記憶するために取り付けられ、配置されたデジタル画像検出デバイス５を含む。３次元干渉空間は、点光源２から直接形成される光波６と、物体光波７との干渉から生じる。この物体光波７は、物体４による、点光源２から出射された光波の散乱および／または反射により形成される。デジタル画像検出デバイス５は、一般には複数のピクセル５０を含む。この最先端のインラインレンズフリーデジタルホログラフィセットアップの問題は、干渉パターン８中に二重像の内在したアーティファクトが形成され、これがデジタル画像検出デバイスにより検出されることである。

本発明の形態では、同様のホログラフィク装置１が開示され、この装置では、画像検出デバイス５が、同時に、複数の接続されないピクセルのサブセットのそれぞれにより、複数の干渉パターン８を受け取って記録するように取り付けられる。本発明の具体例として得られた複数の干渉パターンは、３次元干渉空間の位相情報、特に物体についての位相情報を取得または得るのに適している。好適な具体例では、デジタル画像検出デバイスは、更に、デジタル画像検出デバイス５により登録された複数の干渉パターン８に基づく、または少なくともこれに基づく位相情報を得て、または取得するために取り付けられた処理手段を含む。

図２は、本発明の形態にかかる具体例を示し、デジタル画像検出デバイス５は、一定間隔のマトリックスパターンに配置された複数のピクセル５０を含む。好適には、ピクセルのそれぞれのサブセットのピクセルは、画像検出デバイス５の主平坦面の上に均一に分配される。ピクセルは好適には一定のマトリックス形状に配置されるため、ピクセルのそれぞれのサブセットのピクセルが画像検出デバイスの主平坦面の上に均一に分配されるという事実は、ピクセルのそれぞれのサブセットのピクセルが、互いに一定の間隔で配置されることを暗示する。それぞれの結果のグリッドは、ピクセルのそれぞれのサブセットに対して、一定の距離により互いに対してオフセットである。

例えば、デジタル画像検出デバイス５のピクセル５０の総数が、数が等しい２つのサブセット（Ｉ、ＩＩ）に分割される場合、それらはチェス盤形状に分布しても良い。好適な具体例では、ピクセルの数が同じであるピクセルの４つのサブセット（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ）が形成され、それらは、４ピクセルの正方形を形成する。４ピクセルの正方形の４つのピクセル位置は、それぞれ、ピクセルのサブセット（Ｉ、ＩＩ、ＩＩＩ、ＩＶ）のそれぞれのグループのピクセルにより表される。そのような４ピクセルの正方形の形状は、検出デバイス５の主表面に沿って、一定にそして規則的に繰り返される。例えば、これによりデジタル画像検出デバイス５の主表面全体が満たされる。

本発明の好適な具体例では、照射波長のばらつきは、同じ物体４について、多重ホログラムまたは干渉パターン８で僅かに異なる情報を得るために適用される。この情報は、当業者に一般に知られた、例えば反復位相取得アルゴリズムで、後に再結合され、二重像を抑制する。先端技術では、多重波長反復位相取得方法は、異なる照射波長によって得られる多重ホログラムを必要とする。本発明の形態は、画像検出デバイスまたは撮像装置５のみでの波長のフィルタリングの発想に基づく。これは、点光源２に含まれる、広い波長スペクトルの光源から形成される異なる波長のフォトンが、物体４と干渉した瞬間の後である。これは、異なる波長を有する複数のフォトンの全てが、同時に物体と相互作用し、この違いが、単一のデジタル画像検出デバイス５により、単一の瞬間に捕まえられることを意味する。

好適な具体例では、特別に設計された画像検出デバイスが提供され、異なる波長、そして異なる干渉パターン（またはホログラム）を分離することができる。そのような画像検出デバイス５の、異なる隣り合ったピクセルのために、複数の非常に狭く、好適には重複しないスペクトルフィルタの使用が提案される。フィルタは、ピクセルレベルで集積されても良い。これは例えば図２に記載され、デジタル画像検出デバイスの４×４のピクセルが記載され、それぞれの２×２のピクセルサブアレイ（４ピクセルの正方形）が、そのピクセルの上で処理される４つの異なる狭い帯域のフィルタ（Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４）を有する。この撮像装置は、４つの異なる波長をフィルタでき、そして物体光波７と干渉する単一の広い帯域のコヒーレント照射６から４つの異なるホログラムパターンをフィルタできる。

それらの２×２のサブセットは、撮像装置の全表面の上で繰り返され、個々の波長を有するピクセルの一定のラスターを形成する。これは、基本的に、４つの記録されたホログラム（記録された異なる波長Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３、Ｗ４）の大きさは、デジタル画像検出デバイス５の大きさの４分の１（それぞれの方向に１／２）である。例えば、図１の４×４の画像検出デバイス５は、１つの画像で、４つのホログラムを記録するために適用される。即ち、フィルタＦ１でフィルタされた波長Ｗ１におけるホログラム１（２×２ピクセル）、フィルタＦ２でフィルタされた波長Ｗ２におけるホログラム２（２×２ピクセル）等である。単一の像の挿入技術が、Ｈ１からＨ４のホログラムを、フルサイズ（４×４）ホログラムＨ１'〜Ｈ４'にアップサンプルするために使用されても良い。それらのアップサンプルされたホログラムは、次に多重波長反復位相取得アルゴリズムのための入力として使用されても良い。

高速の単一像レンズフリー撮像システムは、例えばＬＥＤまたは例えばスーパーコンティニウムレーザのような広い帯域のコヒーレント光源を、広いレーザとして含んでも良い。図３は、広い帯域のコヒーレント光源（例えばＬＥＤまたはスーパーコンティニウムレーザ）と、図２に関連して示すような４つの対応する狭い帯域のフィルタＦ１〜Ｆ４のスペクトル特性を示す。シミュレーションと実験は、「スナップショット（snapshot）」の４つの波長の再構成結果を、フルサイズの単一画像再構成シナリオに基づく結果と比較したところ、最終画像解像度で約３０〜４０％の劣化があることを示す。しかしながら、本発明の好適な具体例にかかる多重波長アプローチは、位相情報を回復でき、一方で、先端技術の単一画像再構成は回復できない。

リニアスキャナタイプの、本発明の更なる具体例では、例えば図４に示すように、フィルタは階段／くさびパターンで画像センサを横切って拡がっても良い。それぞれのフィルタは、これにより、画像検出デバイスのピクセルの列を覆っても良い。物体の景色中に自然の移動や動きが有る場合、くさび構造はより適している。典型的な例は、一方の側面上にフィルタを有し、他方の側面上に光源を有する撮像装置の間に沿って、コンベアベルトまたはロールに沿って物体が通過する場合である。それらの具体例では、画像検出デバイスの、それぞれの接続されないピクセルのサブセットのピクセルは、一定の間隔のマトリックスパターンの列に配置される。

それぞれのフィルタ領域は、異なる狭い帯域の領域に対応する。それぞれのフィルタ領域は、フィルタの特定の波長に対応するホログラムの一部を捕捉する。興味のある物体をスキャンすることにより、それぞれのフィルタ領域は、特定の波長において全体のホログラムを捕捉する。一旦、スキャンまたはスキャン動作が終了すれば、異なる波長のホログラムが、次に、多重波長位相取得アルゴリズムで使用される。先の具体例とは異なり、全ての捕捉されたホログラムは、１つの方向に対して撮像装置と同じ解像度を有する（他の方向は、スキャン方向と長さにより決定されるため、任意の長さである）。そのような予め決めた応用で自然の並進運動を利用することにより、平行な多重波長撮像装置を使用することで高速の干渉パターンの記録が得られることが、この具体例のタイプの特徴である。

図５の例に示したような、ラインスキャナタイプの本発明の他の具体例では、フィルタ（Ｉ、Ｉ'、ＩＩ、ＩＩ'、ＩＩＩ、ＩＩＩ'、ＩＶ、ＩＶ'）が、画像センサを横切って、平行なストライプとして拡がる。それらは、各色に対して、（例えば２つのフィルタのセットのように）フィルタのセットで処理される。例えば、異なる色のカテゴリーに対応する４つのカラー画像、例えば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、赤外（ＩＲ）が、（装置と物体との間の相互の並進移動の結果として）インラインスキャン中に形成される。もちろん、例えば２つのフィルタの４つのセット（Ｉ、Ｉ'）、（ＩＩ、ＩＩ'）、（ＩＩＩ、ＩＩＩ'）、（ＩＶ、ＩＶ'）が形成され、それぞれのセットのフィルタは、同じ色のカテゴリーに属する。同じ色のカテゴリーのフィルタを用いて記録された画像は、次にそれぞれの色のカテゴリーの画像に対して、二重像の効果の低減または除去を可能にする。

この構造は、フルカラーまたは多色のレンズフリー撮像システムを実現する。ここでは、色と、これによるそれぞれのフィルタが、特に予め決められた応用の要求に基づいて選択されても良い。この具体例では、（色毎に反復位相取得方法を使用するできるために）２つの波長は色毎に使用され、４つの色のカテゴリー、即ち青、緑、赤、および赤外の色のカテゴリーは、フルカラー／４色のレンズフリーラインスキャンを可能にする。図６は、図５に関連して記載されたフルカラー（ＲＧＢＩ）ラインスキャナのスペクトル特性を示し、色（Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲ）毎に、２つの狭い帯域のスペクトルフィルタ（Ｉ、Ｉ'）、（ＩＩ、ＩＩ'）、（ＩＩＩ、ＩＩＩ'）、（ＩＶ、ＩＶ'）を含む。

当業者は、本発明の具体例は多くの長所を提供することを認識するだろう。多重回折パターン（ホログラム）の単一画像記録が可能となり、異なる時間（時間領域、振動、物体回転等）での、または異なる位置（空間領域、物体が非常に遠い）での、多重回折パターンの取得に関する、先に述べた問題を招くこと無しに、反復位相取得アルゴリズムを可能にする。本発明の形態の具体例は、高速レンズフリー撮像を可能にする。取得速度は、撮像装置のフレームレートに等しい。更に、フィルタまたは遅延構造は、アプリケーション要件に基づいて選択されても良い。例えば、フィルタ波長は、アプリケーション要件に基づいて選択されても良い。点光源は安価であり、例えば単一のＬＥＤ光源でも良く、レーザまたは複数のレーザである必要は無い。また、単一光源の使用は、本発明の形態にかかる方法を実施するのに十分である。また、比較的単純なセットアップのため、比較的単純な像の再構築アルゴリズムが使用できることが見出された。

本開示の形態の外面を示すために、シミュレーションが行われた。シミュレーションは、最初、「スナップショット」アプローチで上部のピクセル毎のフィルタを用いた画像センサの効果から形成され、即ち複数の干渉パターン（ここでは４つ）が、複数の接続されないピクセルのサブセットのそれぞれにより、同時に受け取られて記録される。シミュレーションは、４つの接続されないピクセルのサブセットのそれぞれに対して、接続されないピクセルのサブセットそれぞれのピクセルの上に配置された、それぞれ（４つのフィルタからなる）狭い帯域の波長フィルタを含む画像検出デバイスを用いた場合の、バーチャルな結果をシミュレーションし、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は、点光源の広い波長スペクトルの中に含まれ、狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は重複しない。シミュレーションされた結果は、次に、反復しないアプローチに基づく参照画像、単一波長画像再構築と比較される。

スナップショットアプローチの一般的な操作条件の下では、全ての４つの波長が同時に物体（およびセンサ）を照射する。センサの上のフィルタは、それぞれのピクセルに対して１つだけの狭い波長範囲を選択し、これは、１つの波長（または狭い波長範囲）のみを記録すると考えることができる。これをシミュレーションするために、伝統的な一連の記録が行われ、これにより、全体のセンサは４つの波長を用いて連続して照射され、これにより４つの最大解像度の記録が得られた（図７（ａ））。

次に、スナップショットのセンサの挙動がそれぞれの最大解像度の画像をサブサンプリングして、波長フィルタがセンサの上に形成される方法でシミュレーションされた（図７（ｂ）参照）。結果として、４つの（より）低い解像度の画像が形成された（図７（ｃ））。処理されたスナップショットセンサは、１つの時に１つの画像を得るであろう。これは、この単一画像を、（より）低い解像度の４つの画像からなる（類似の）サブセットに分割することに繋がる。

このアプローチの結果を比較するために、入力画像のオリジナル解像度に戻るための波像挿入工程が行われた（図７（ｄ））。これは、得られた品質および解像度を、スナップショットアプローチと連続アプローチとで比較できるようにする。通常の多重波長反復再構築プロセスが行われた。結果の比較は、図８（ａ）および（ｂ）に示される。もちろん、もし後続撮像は厳密に必要であれば、結果の品質および解像度は、単一波長（反復なし）再構築と最も比較すべきである。

反復無しのアプローチ（図８（ｂ））と比較した場合、結果の画像品質は、（シミュレーションされた）スナップショットアプローチ（図８（ａ））を用いたほうが、ずっと良好となることは明らかである。これは、少なくとも単一波長再構築の、内在する二重像歪による。（シミュレーションされた）スナップショットアプローチでは、反復再構築がまだ可能であり、これは明らかに、内在する二重像歪を抑制する。

Claims (12)

1. 物体のインラインレンズフリーホログラフィを実施するための装置であって、
   コヒーレント光を出射するために取り付けられた単一の点光源と、
   点光源から直接形成される光波と、物体光波からの干渉から形成された干渉パターンを記憶するために取り付けられ配置された画像検出デバイスであって、物体光波は、物体により点光源からの光波を分散または反射して形成され、複数のピクセルを含む画像検出デバイスと、を含み、
   点光源は、広い波長スペクトル光源とピンホール構造とを含み、広い波長スペクトル光源は、ピンホール構造に向かって光を照射するように配置され、
   画像検出デバイスは、ピクセルの接続されないサブセットのそれぞれに対して、ピクセルの接続されないサブセットのピクセルのそれぞれの上に配置されたそれぞれの狭い帯域の波長フィルタを含み、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は、点光源の広い波長スペクトルの範囲内にあり、狭い帯域の波長フィルタのそれらの波長範囲は重複せず、
   画像検出デバイスは、複数のピクセルの接続されないサブセットのそれぞれによる複数の干渉パターンを、同時に、受け取って記録するように取り付けられる、装置。
2. 更に、少なくとも複数の干渉パターンに基づいて位相情報を得るために取り付けられた処理手段を含む請求項１に記載の装置。
3. ピクセルは、一定間隔のマトリックスパターンに配置された請求項１または２のいずれかに記載の装置。
4. それぞれのピクセルのサブセットのピクセルは、画像検出デバイスの主平坦面の上に均一に分配された請求項１〜３のいずれかに記載の装置。
5. それぞれのピクセルのサブセットのピクセルは、互いに一定の距離に配置され、それぞれの結果のグリップが、それぞれに対して一定の距離でオフセットされた請求項１〜４のいずれかに記載の装置。
6. それぞれの接続されないサブセットのピクセルは、一定の間隔のマトリックスパターンの列として配置された請求項３に記載の装置。
7. 広い波長スペクトル光源は、白色レーザデバイスまたはＬＥＤデバイスを含む請求項１〜６のいずれかに記載の装置。
8. それぞれの狭い帯域のフィルタの波長範囲はＮｎｍより小さく、広い波長スペクトルはＮ×Ｍｎｍより大きな波長範囲を有し、Ｍは装置に含まれる狭い帯域のフィルタの数である請求項１〜７のいずれかに記載の装置。
9. 物体のインラインレンズフリーデジタルホログラフィを実施する方法であって、
   単一の点光源から本質的にコヒーレントな光を出射する工程と、
   点光源の近くに位置する物体空間に物体を配置し、点光源の光波を物体に照射する工程と、
   複数のピクセルを含む画像検出デバイスを用いて、点光源から直接形成された光波と物体光波からの干渉から得られる干渉パターンを受け取って記録する工程であって、物体光波は、物体により点光源からの光波を分散または反射して形成される工程と、を含み、
   干渉パターンを受け取って記録する工程は、複数のピクセルの接続されないサブセットのそれぞれにより、複数の干渉パターンが同時に受け取られて記憶される工程を含み、
   この方法は、点光源を用いて光の広い波長スペクトルを出射し、複数のピクセルの接続されないサブセットにより複数の干渉パターンを受け取る前に、それぞれの接続されないサブセットに対して、それぞれの狭い帯域の波長フィルタを用いて、同じサブセットに属するそれぞれのピクセルのために入射光をフィルタする工程と、を含み、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は、点光源の広い波長スペクトルの範囲内にあり、それぞれの狭い帯域の波長フィルタの波長範囲は重複しない方法。
10. 更に、複数の干渉パターンを用いる反復位相取得アルゴリズムを、処理手段の上で実施することにより、物体の位相情報を得る工程を含む請求項９に記載の方法。
11. 複数のピクセルの接続されないサブセットにより、複数の干渉パターンが、同時に受け取られて記録されることによる、物体のインラインレンズフリーデジタルホログラフィを実施するための請求項１〜８のいずれかに記載の装置の使用。
12. コンピュータを走らせた場合に、請求項１〜８のいずれかに記載の装置により、同時に受け取られて記録された複数の干渉パターンに基づいて、物体の位相情報を得るのに適したコンピュータプログラム製品。

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