JP2020190616A - Hologram recording/reproducing device and stereoscopic image reproducing method - Google Patents

Hologram recording/reproducing device and stereoscopic image reproducing method Download PDF

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Abstract

To acquire a high-quality reproduced image by reducing noise included in a hologram without reducing time resolution in incoherent holography.SOLUTION: In a hologram recording/reproducing device for reproducing a stereoscopic image by dividing incoherent light waves into first split light and second split light, imparting mutually different phase distributions, and then reconfiguring a hologram formed by permitting interference of the first split light and the second split light, space averaging processing including operation for averaging signal value of pixels and signal values of pixels existing in the adjacent area is performed to the photographed hologram or the respective pixels of a complex amplitude distribution obtained by analyzing the hologram, and a stereoscopic image is reproduced based on the hologram or the complex amplitude distribution where the space averaging processing has been performed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明はホログラム記録再生装置及び立体像再生方法に関し、特に、インコヒーレントホログラフィによる立体像の記録再生装置及び立体像再生方法に関する。 The present invention relates to a hologram recording / reproduction apparatus and a stereoscopic image reproduction method, and more particularly to a stereoscopic image recording / reproduction apparatus and a stereoscopic image reproduction method by incoherent holography.

インコヒーレントホログラフィの技術では、太陽光、LED(Light Emitting Diode)などの低コヒーレンス光源を用いて、物体のホログラムを記録することができる(特許文献1、非特許文献1)。この特徴から、インコヒーレントホログラフィは立体撮影技術として有望視されている。しかし、インコヒーレントホログラフィでは、レーザーなどの高コヒーレンス光源を用いるホログラフィと比較すると、ホログラムのコントラストが非常に低いため、撮像素子のノイズの影響を受けやすくなり、再生像の品質が低いという問題が残されている。 In the incoherent holography technique, a hologram of an object can be recorded by using a low coherence light source such as sunlight or an LED (Light Emitting Diode) (Patent Document 1, Non-Patent Document 1). Because of this feature, incoherent holography is seen as a promising stereoscopic photography technique. However, in coherent holography, compared to holography using a high coherence light source such as a laser, the contrast of the hologram is very low, so it is easily affected by the noise of the image sensor, and the problem of low quality of the reproduced image remains. Has been done.

この問題に対し、インコヒーレントホログラフィのノイズを低減し、再生像の品質を改善するために、複数枚のホログラムを撮影し、それらを平均化する方法が提案されている(非特許文献2)。 To solve this problem, in order to reduce the noise of incoherent holography and improve the quality of the reproduced image, a method of photographing a plurality of holograms and averaging them has been proposed (Non-Patent Document 2).

図16に、ホログラムの平均化(時間平均)の概念図を示す。ここでは、ホログラムの撮影方法として、4ステップの位相シフト法(非特許文献3)を用いた場合を示している。一般的には、位相シフト量が0,π/2,π,3π/2 radの4枚のホログラムを撮像素子10により撮影することで、撮影対象の物体を撮影・再構成することが可能である。しかし、実際には撮像素子のノイズの影響が無視できず、撮影したホログラムにノイズが含まれてしまう。 FIG. 16 shows a conceptual diagram of hologram averaging (time averaging). Here, a case where a 4-step phase shift method (Non-Patent Document 3) is used as a hologram photographing method is shown. Generally, by photographing four holograms having a phase shift amount of 0, π / 2, π, 3π / 2 rad with the image sensor 10, it is possible to photograph and reconstruct the object to be photographed. is there. However, in reality, the influence of noise from the image sensor cannot be ignored, and the captured hologram contains noise.

このノイズを低減するために、図16に示すように、位相シフト量が異なる各ホログラムをn枚ずつ撮影し、ホログラム群を得る。各ホログラムに含まれるノイズは、時間に依存して変動する分布であるため、取得したホログラム群に対して、(“1枚目”+“2枚目”+・・・+“n枚目”)/nの平均化の信号処理を適用することによって、ノイズ成分が低減されたホログラムを得ることができる。平均化して得られた4枚のホログラムに対して、4ステップの位相シフト法のアルゴリズム(例えば、非特許文献3)に基づいて解析することで、ノイズの低減された複素振幅分布を取得することができ、さらに、これから物体の高品質の3次元情報又は再生像を再構成することができる。 In order to reduce this noise, as shown in FIG. 16, n holograms having different phase shift amounts are photographed to obtain a hologram group. Since the noise contained in each hologram has a distribution that fluctuates with time, (“1st image” + “2nd image” + ... + “nth image”” with respect to the acquired hologram group. ) / N averaging signal processing can be applied to obtain holograms with reduced noise components. To obtain a complex amplitude distribution with reduced noise by analyzing four holograms obtained by averaging based on a four-step phase shift algorithm (for example, Non-Patent Document 3). In addition, high-quality three-dimensional information or reproduced images of objects can be reconstructed from this.

特表2016−533542号公報Special Table 2016-533542 特許第6245551号公報Japanese Patent No. 6245551

J. Rosen and G. Brooker,「Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy」,Nature Photonics,(2008),Vol. 2,pp. 190−195J. Rosen and G. Brooker, "Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy", Nature Photonics, (2008), Vol. 2, pp. 190-195 B. Katz, D. Wulich, and J. Rosen,「Optimal noise suppression in Fresnel incoherent correlation holography (FINCH) configured for maximum imaging resolution」,Applied Optics,(2010),Vol. 49,No. 30,pp. 5757−5763B. Katz, D. Wulich, and J. Rosen, "Optimal noise suppression in Fresnel incoherent correlation holography (FINCH) configured for maximum imaging resolution", Applied Optics, (2010), Vol. 49, No. 30, pp. 5757 −5763 I. Yamaguchi and T. Zhang,「Phase-shifting digital holography」,Optics Letters,(1997),Vol. 22,No. 16,pp. 1268−1270I. Yamaguchi and T. Zhang, "Phase-shifting digital holography", Optics Letters, (1997), Vol. 22, No. 16, pp. 1268-1270 J. Hong and M. K. Kim,「Single-shot self-interference incoherent digital holography using off-axis configuration」,Optics Letters,(2013),Vol. 38,No. 23,pp. 5196−5199J. Hong and M. K. Kim, "Single-shot self-interference incoherent digital holography using off-axis configuration", Optics Letters, (2013), Vol. 38, No. 23, pp. 5196-5199 W. Qin, X. Yang, Y. Li, X. Peng, H. Yao, X. Qu, and B. Z. Gao,「Two-step phase-shifting fluorescence incoherent holographic microscopy」,Journal of Biomedical Optics,(2014),Vol. 19,No. 6,060503W. Qin, X. Yang, Y. Li, X. Peng, H. Yao, X. Qu, and BZ Gao, "Two-step phase-shifting fluorescence incoherent holographic microscopy", Journal of Biomedical Optics, (2014), Vol. 19, No. 6, 060503

しかしながら、上述の平均化(時間平均)の処理を行うノイズの低減技術は、平均化をするために、4×n回の複数の撮影が必要であるため、撮影時間が長いという課題がある。例えば、画素分割位相シフト法(特許文献2)、オフアクシス法(非特許文献4)、2ステップの位相シフト法(非特許文献5)、3ステップの位相シフト法(非特許文献1)で非特許文献2の平均化の手法を用いる場合には、撮影回数はそれぞれn回、n回、2×n回、3×n回と、全手法でn倍となる。 However, the noise reduction technique for performing the above-mentioned averaging (time averaging) process has a problem that the shooting time is long because a plurality of shootings of 4 × n times are required for averaging. For example, the pixel division phase shift method (Patent Document 2), the off-axis method (Non-Patent Document 4), the 2-step phase shift method (Non-Patent Document 5), and the 3-step phase shift method (Non-Patent Document 1) are not used. When the averaging method of Patent Document 2 is used, the number of times of photographing is n times, n times, 2 × n times, 3 × n times, respectively, which is n times in all the methods.

このように従来技術では、ノイズの発生位置が異なるn枚のホログラムを撮像素子で撮影して、時間的な平均化の演算を適用する必要があるため、ノイズを低減するために撮影時間が少なくともn倍となり、時間分解能が低下する課題がある。 As described above, in the prior art, it is necessary to photograph n holograms having different noise generation positions with the image sensor and apply the calculation of averaging over time. Therefore, at least the photographing time is required to reduce the noise. There is a problem that the time resolution is reduced by n times.

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、インコヒーレントホログラフィにおいて、時間的分解能を低下させることなく、ホログラムに含まれるノイズを低減し、高品質な再生像を取得することができるホログラム記録再生装置及び立体像再生方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention made in view of the above problems is to reduce noise contained in a hologram and obtain a high-quality reproduced image in incoherent holography without lowering the temporal resolution. It is an object of the present invention to provide a hologram recording / reproducing apparatus and a stereoscopic image reproducing method capable of capable of reproducing the hologram.

図1に、本発明のホログラムの平均化(空間平均)の概念図を示す。本発明は、図1に示すように、撮像素子10により撮影されたインコヒーレント光によるホログラムについて、各ホログラムの各画素の信号値に対して隣接画素との平均化処理(空間平均の信号処理)を導入することで、ノイズ低減の効果を得る。ディジタルカメラ等では、ノイズを低減するために空間平均(或いは画素ビニング)の信号処理が一般的に用いられるが、インコヒーレントホログラフィでは、空間平均の信号処理を適用した試みは未だ報告されていない。 FIG. 1 shows a conceptual diagram of averaging (spatial averaging) of the hologram of the present invention. In the present invention, as shown in FIG. 1, for a hologram by incoherent light taken by the image sensor 10, the signal value of each pixel of each hologram is averaged with adjacent pixels (spatial average signal processing). The effect of noise reduction is obtained by introducing. In digital cameras and the like, spatial averaging (or pixel binning) signal processing is generally used to reduce noise, but in coherent holography, attempts to apply spatial averaging signal processing have not yet been reported.

上記課題を解決するために本発明に係るホログラム記録再生装置は、インコヒーレントな光波を第1分割光と第2分割光に分割し、互いに異なる位相分布を付与後、前記第1分割光と前記第2分割光を干渉させて形成したホログラムを再構成して、立体像を再生するホログラム記録再生装置において、撮影された前記ホログラム又は前記ホログラムを解析することによって得られる複素振幅分布の各画素に対し、当該画素の信号値とその隣接領域に存在する画素の信号値を平均化する演算を含む空間平均処理を行い、前記空間平均処理を行った前記ホログラム又は前記複素振幅分布に基づいて立体像を再生することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the hologram recording / reproducing device according to the present invention divides an incoherent light wave into a first divided light and a second divided light, imparts different phase distributions to each other, and then applies the first divided light and the above. In a hologram recording / reproducing device that reproduces a stereoscopic image by reconstructing a hologram formed by interfering with the second divided light, each pixel of the photographed hologram or a complex amplitude distribution obtained by analyzing the hologram is On the other hand, a spatial averaging process including an operation of averaging the signal values of the pixels and the signal values of pixels existing in the adjacent region is performed, and a stereoscopic image is performed based on the hologram or the complex amplitude distribution obtained by the spatial averaging process. It is characterized by playing.

また、前記ホログラム記録再生装置は、前記空間平均処理が、平均化前の水平方向画素数nx、垂直方向画素数ny(nx,ny>1)として、nx×ny個の画素ごとに信号値を平均化する演算と、次いで、nx×ny倍に画素数を拡大して平均化前後で画素数、画素ピッチを同じにする演算を含むことが望ましい。 Further, in the hologram recording / reproducing device, the spatial averaging process has an number of n x × n y pixels in the horizontal direction n x and the number of pixels in the vertical direction n y (n x , n y > 1) before averaging. It is desirable to include an operation of averaging the signal value for each pixel, and then an operation of increasing the number of pixels by n x × n y times to make the number of pixels and the pixel pitch the same before and after the averaging.

また、前記ホログラム記録再生装置は、前記空間平均処理が、平均化前の水平方向画素数nx、垂直方向画素数ny(nx,ny>1)として、nx×ny個の要素数を有する空間フィルタとの畳み込み積分を含むことが望ましい。 Further, in the hologram recording / reproducing device, the spatial averaging process has an number of n x × n y pixels in the horizontal direction n x and the number of pixels in the vertical direction n y (n x , n y > 1) before averaging. It is desirable to include a convolution integral with a spatial filter that has a number of elements.

また、前記ホログラム記録再生装置は、前記空間平均処理後に、平均化に用いた画素数の逆数に対応する空間周波数帯域を有するローパスフィルタリングを適用することが望ましい。 Further, it is desirable that the hologram recording / reproducing device applies low-pass filtering having a spatial frequency band corresponding to the reciprocal of the number of pixels used for averaging after the spatial averaging process.

また、前記ホログラム記録再生装置は、少なくとも前記ホログラム記録再生装置を構成する光学素子の焦点距離、有効開口径、光源の波長、光学素子間の距離、及び撮影対象物体から撮像素子までの距離の情報に応じて、前記空間平均処理に用いる隣接領域の画素数を設定することが望ましい。 Further, the hologram recording / reproducing device provides information on at least the focal length of the optical elements constituting the hologram recording / reproducing device, the effective aperture diameter, the wavelength of the light source, the distance between the optical elements, and the distance from the object to be imaged to the image sensor. Therefore, it is desirable to set the number of pixels in the adjacent region used for the space averaging process.

また、前記ホログラム記録再生装置は、前記空間平均処理に用いる隣接領域の水平方向画素数nx及び垂直方向画素数ny(nx,ny>1)を、光源の波長λ、干渉縞の焦点距離zr、干渉縞の直径Dh、撮像素子の画素ピッチpとして、λzr/Dhp以下に設定することが望ましい。 Further, the hologram recording / reproducing device sets the number of horizontal pixels n x and the number of vertical pixels n y (n x , n y > 1) in the adjacent region used for the spatial averaging process to the wavelength λ of the light source and the interference fringes. focal length z r, the diameter D h of the interference fringes, as a pixel pitch p of the image sensor, it is desirable to set the following λz r / D h p.

上記課題を解決するために本発明に係る立体像再生方法は、インコヒーレントな光波から分割され、互いに異なる位相分布を付与された第1分割光と第2分割光とが干渉して形成されたホログラムを再構成し、立体像を再生する立体像再生方法において、撮影された前記ホログラム又は前記ホログラムを解析することによって得られる複素振幅分布の各画素に対し、当該画素の信号値とその隣接領域に存在する画素の信号値を平均化する空間平均処理を行い、前記空間平均処理を行った前記ホログラム又は前記複素振幅分布に基づいて立体像を再生することを特徴とする。 In order to solve the above problems, the stereoscopic image reproduction method according to the present invention is formed by interfering with the first divided light and the second divided light which are divided from the incoherent light waves and given different phase distributions. In a stereoscopic image reproduction method of reconstructing a hologram and reproducing a stereoscopic image, for each pixel of the photographed hologram or a complex amplitude distribution obtained by analyzing the hologram, the signal value of the pixel and its adjacent region. It is characterized in that a spatial averaging process for averaging the signal values of the pixels existing in is performed, and a stereoscopic image is reproduced based on the hologram or the complex amplitude distribution to which the spatial averaging process is performed.

また、前記立体像再生方法は、前記空間平均処理後に、平均化に用いた画素数の逆数に対応する空間周波数帯域を有するローパスフィルタリングを適用することが望ましい。 Further, in the stereoscopic image reproduction method, it is desirable to apply low-pass filtering having a spatial frequency band corresponding to the reciprocal of the number of pixels used for averaging after the spatial averaging process.

本発明におけるホログラム記録再生装置及び立体像再生方法によれば、インコヒーレントホログラフィにおいて、時間的分解能を低下させることなく、ホログラムに含まれるノイズを低減し、高品質な再生像を取得することが可能となる。また、再生像のコントラストを向上させることができる。 According to the hologram recording / reproducing device and the stereoscopic image reproducing method of the present invention, it is possible to reduce noise contained in a hologram and obtain a high-quality reproduced image in incoherent holography without lowering the temporal resolution. It becomes. Moreover, the contrast of the reproduced image can be improved.

本発明のホログラムの平均化(空間平均)の概念図である。It is a conceptual diagram of the averaging (spatial averaging) of the hologram of this invention. 単一光路干渉計に基づくインコヒーレントホログラフィの光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system of incoherent holography based on a single optical path interferometer. 信号値の平均処理によるホログラムの平均化(空間平均)の概念図である。It is a conceptual diagram of hologram averaging (spatial averaging) by averaging signal values. 空間フィルタによるホログラムの平均化(空間平均)の概念図である。It is a conceptual diagram of averaging (spatial averaging) of holograms by a spatial filter. 空間平均の影響を説明するためのホログラムとその再生像である。A hologram and its reproduced image for explaining the effect of spatial averaging. インコヒーレントホログラフィで撮影されるホログラムの一例である。This is an example of a hologram taken by incoherent holography. 他の干渉計に基づくインコヒーレントホログラフィの光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system of the incoherent holography based on another interferometer. 効果の検証に用いたインコヒーレントホログラフィの光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system of the incoherent holography used for the verification of the effect. 様々な条件でホログラムを処理して再構成した再生像である。It is a reproduced image reconstructed by processing a hologram under various conditions. 図9(d)の拡大図と図9(g)の拡大図である。It is an enlarged view of FIG. 9 (d) and the enlarged view of FIG. 9 (g). 平均化枚数に対するコントラスト比と平滑度の評価結果を示す図である。It is a figure which shows the evaluation result of the contrast ratio and smoothness with respect to the average number of sheets. 撮影対象物体の記録位置に対して要求されるサンプリング間隔の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the required sampling interval with respect to the recording position of the object to be photographed. 再生像の光学的伝達関数の評価結果を比較する図である。It is a figure which compares the evaluation result of the optical transfer function of a reproduced image. 反射物体を用いたインコヒーレントホログラフィの光学系を示す図である。It is a figure which shows the optical system of incoherent holography using a reflective object. 様々な空間平均を適用した後、再生像を再構成した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of reconstructing the reproduced image after applying various spatial averaging. 従来技術のホログラムの平均化(時間平均)の概念図である。It is a conceptual diagram of the averaging (time averaging) of the hologram of the prior art.

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

(実施の形態)
図2に、単一光路干渉計に基づくインコヒーレントホログラフィの光学系を示す。光学系は、点光源1、レンズ2、偏光子3、空間光変調器4、偏光子5、バンドパスフィルター6、及び撮像素子10の各光学素子と、信号処理装置20を備えている。以下に、図2の単一光路干渉計を用いたホログラム撮影を例として、本発明によるノイズ低減の手段の詳細を述べる。
(Embodiment)
FIG. 2 shows an optical system for incoherent holography based on a single optical path interferometer. The optical system includes each optical element of a point light source 1, a lens 2, a polarizer 3, a spatial light modulator 4, a polarizer 5, a bandpass filter 6, an image pickup element 10, and a signal processing device 20. Hereinafter, the details of the noise reduction means according to the present invention will be described by taking hologram imaging using the single optical path interferometer of FIG. 2 as an example.

インコヒーレントな光で照明された物体、或いは、インコヒーレントな光を発生する物体は、複数の点光源の集まりとみなすことができる。したがって、任意の3次元物体のホログラムは、各点光源が形成するホログラムの足し合わせと考えることができる。ここでは、撮影対象の物体が一つの点光源1で構成されているとし、ホログラムを撮影する過程を述べる。 An object illuminated by incoherent light or an object that generates incoherent light can be regarded as a collection of a plurality of point light sources. Therefore, a hologram of an arbitrary three-dimensional object can be considered as a sum of holograms formed by each point light source. Here, it is assumed that the object to be photographed is composed of one point light source 1, and the process of photographing the hologram will be described.

点光源から伝搬する波長λの光は、距離zsに配置された焦点距離f0、開口径D0のレンズ2に入射する。このレンズ2の使用は任意であるが、光効率を高める場合や、像倍率及び視野を調整するために用いる。レンズ2を通過した後の光は偏光子3を通過し、偏光状態が45度に傾いた直線偏光となる。この45度直線偏光の水平直線偏光成分と垂直直線偏光成分のそれぞれを、インコヒーレントホログラフィの自己干渉に必要な第1分割光と第2分割光とする。 Light of wavelength λ propagating from a point light source is incident on a lens 2 having a focal length f 0 and an aperture diameter D 0 arranged at a distance z s . The use of this lens 2 is optional, but it is used to increase the light efficiency and to adjust the image magnification and the field of view. The light after passing through the lens 2 passes through the polarizer 3 and becomes linearly polarized light whose polarization state is tilted at 45 degrees. The horizontal linear polarization component and the vertical linear polarization component of the 45-degree linear polarization are used as the first division light and the second division light required for self-interference in incoherent holography.

これら第1分割光と第2分割光のそれぞれの位相分布に、レンズからzlの距離に配置された有効開口径Dslmの空間光変調器4を用いて焦点距離fd1、fd2の位相分布を付与する。なお、空間光変調器4としては、複屈折性を有する液晶や回折光学素子、メタサーフェスなどが用いられる。空間光変調器4により互いに異なる位相を付与された第1分割光と第2分割光は、空間光変調器4からzh離れた画素ピッチp、有効開口径Dsensorの撮像素子10の撮像面まで伝搬する(実線と破線は、第1分割光と第2分割光のイメージ)。 In each phase distribution of the first division light and the second division light, the phases of the focal lengths f d1 and f d 2 are used by using the spatial light modulator 4 having an effective aperture diameter D slm arranged at a distance of z l from the lens. Give a distribution. As the spatial light modulator 4, a liquid crystal having birefringence, a diffractive optical element, a metasurface, or the like is used. The first-division light and the second-division light to which the spatial light modulators 4 have different phases are the image pickup surfaces of the image sensor 10 having a pixel pitch p and an effective aperture diameter D sensor z h away from the spatial light modulator 4. (The solid line and the broken line are the images of the first division light and the second division light).

空間光変調器4と撮像素子10の間には、再度、偏光子5が配置されており、第1分割光と第2分割光がこの偏光子5を通過することで、偏光状態が45度直線偏光で一致し、撮像素子面で干渉縞を形成する。撮像素子10を用いて、この干渉縞をホログラムとして撮影する。 A polarizing element 5 is arranged again between the spatial light modulator 4 and the image pickup element 10, and the polarized light is changed to 45 degrees by passing the first divided light and the second divided light through the polarizer 5. They match with linearly polarized light and form interference fringes on the surface of the image pickup element. This interference fringe is photographed as a hologram by using the image sensor 10.

この実施例では、空間光変調器4により、0,π/2,π,3π/2 radの4通りの位相シフト量を与え、4枚のホログラムを得る(図1)。なお、光の波長幅が広く、干渉縞が得られない場合には、バンドパスフィルター6を用いて、波長幅を狭くし、時間的コヒーレンスを高める。なお、撮像素子10で撮影したホログラムには、0次光(直接像)成分と共役像成分のアーチファクトが含まれている。これを除去するには、後述のとおり、位相シフト法或いはオフアクシス法により光の複素振幅分布を取得する。 In this embodiment, the spatial light modulator 4 gives four phase shift amounts of 0, π / 2, π, and 3π / 2 rad to obtain four holograms (FIG. 1). When the wavelength width of light is wide and interference fringes cannot be obtained, the bandpass filter 6 is used to narrow the wavelength width and enhance the temporal coherence. The hologram taken by the image sensor 10 contains artifacts of a 0th-order light (direct image) component and a conjugate image component. To remove this, the complex amplitude distribution of light is obtained by the phase shift method or the off-axis method as described later.

本発明では、この撮影したホログラムに対して、信号処理装置20内で、空間的な平均化の信号処理(空間平均処理)を適用する。 In the present invention, spatial averaging signal processing (spatial averaging processing) is applied to the photographed hologram in the signal processing device 20.

図3は、隣接複数画素の信号値の平均処理によるホログラムの平均化(空間平均)の概念図である。撮像素子10で撮影したホログラムの画像データIの水平方向、垂直方向の座標を左上から1,2,3,・・・と割り当て,各画素位置の輝度信号I(i,j)とする。平均化前の水平方向画素数nx、垂直方向画素数nyとして、nx×ny(nx,ny>1)個の画素毎の空間的な平均化の演算を適用した後の画像データI'(i',j')は、次式(1)で与えられる。ここでは、nx×ny個の画素領域が一つの隣接領域となる。 FIG. 3 is a conceptual diagram of hologram averaging (spatial averaging) by averaging signal values of a plurality of adjacent pixels. The horizontal and vertical coordinates of the hologram image data I taken by the image sensor 10 are assigned as 1, 2, 3, ... From the upper left, and are used as the luminance signals I (i, j) at each pixel position. After applying the spatial averaging calculation for each n x x n y (n x , n y > 1) pixels, where the number of pixels in the horizontal direction is n x and the number of pixels in the vertical direction is n y before averaging. The image data I'(i', j') is given by the following equation (1). Here, n x × n y pixel regions are one adjacent region.

図3のように平均化した場合には,平均化後の画像データの水平・垂直方向の画素数は、それぞれ1/nx倍、1/ny倍となり、水平・垂直方向の画素ピッチはそれぞれnx倍、ny倍となる。なお、平均化前の画像データIの水平・垂直方向の画素数がnx、nyで割り切れない場合には、撮影した画像データIにゼロパディングや、線形・非線形補完、周期性を考慮した補完等の画像処理を適用して、画像データを拡張した後に平均化する。 When averaging as shown in FIG. 3, the number of pixels in the horizontal and vertical directions of the image data after averaging is 1 / n x times and 1 / n y times, respectively, and the pixel pitch in the horizontal and vertical directions is They are n x times and n y times, respectively. If the number of pixels in the horizontal / vertical direction of the image data I before averaging is not divisible by n x or n y , zero padding, linear / non-linear complementation, and periodicity are taken into consideration in the captured image data I. Image processing such as complementation is applied to expand the image data and then average it.

さらに、平均化前後で画像データの画素数、画素ピッチを同じにするために、平均化後の画像データに対して、nx×ny倍のニアレストネイバー、バイリニア―、バイキュービック法等の画像処理技術を適用し、画像データの画素数を拡大する(平均化前の画素数とする)ことが望ましい。データ量を削減、或いは、演算量を削減したい場合には、上述のnx×ny倍の拡大の画像処理は適用しなくてもよい。 Furthermore, the number of pixels of the image data by the averaging before and after, in order to equalize the pixel pitch, the image data after averaging, n x × n y times the nearest neighbor, bilinear -, such as bi-cubic method It is desirable to apply image processing technology to increase the number of pixels in the image data (the number of pixels before averaging). If it is desired to reduce the amount of data or the amount of calculation, it is not necessary to apply the above-mentioned image processing of n x × n y times magnification.

ホログラムの平均化(空間平均)の処理は、他の方法を用いても良い。図4に、空間フィルタによるホログラムの平均化(空間平均)の概念図を示す。例えば、nx×nyの要素数を有する空間フィルタ(各要素の係数は、1/nxy)との畳み込み積分による移動平均を行う。また、重みづけ平均、メディアンフィルタ等を用いて、I'を得てもよい。この場合は、空間フィルタの範囲が、中央の画素についての隣接領域となる。 Other methods may be used for the processing of hologram averaging (spatial averaging). FIG. 4 shows a conceptual diagram of hologram averaging (spatial averaging) by a spatial filter. For example, a moving average is performed by convolution integration with a spatial filter having an number of n x × n y elements (the coefficient of each element is 1 / n x n y ). Further, I'may be obtained by using a weighted average, a median filter, or the like. In this case, the range of the spatial filter is the adjacent area for the central pixel.

以上の空間的な平均化の演算により、撮影したホログラム内の隣接画素ごとに独立に分布しているノイズ成分を除去することが可能である。 By the above spatial averaging calculation, it is possible to remove noise components that are independently distributed for each adjacent pixel in the captured hologram.

撮像素子で撮影したホログラムには、一般的に、直接像成分と共役像成分が含まれている。よって、図1に示すように、空間的な平均化の演算の後、ホログラムを位相シフト法のアルゴリズム(例えば、特許文献2、非特許文献1、非特許文献5)、或いはオフアクシス法(例えば、非特許文献4)で解析することにより、直接像成分と共役像成分が含まれていない複素振幅分布を得ることが望ましい。なお、直接像成分と共役像成分が再生像の品質に与える影響が軽微な場合には、複素振幅分布を取得しなくてもよい。 A hologram taken by an image sensor generally contains a direct image component and a conjugate image component. Therefore, as shown in FIG. 1, after the spatial averaging calculation, the hologram is subjected to a phase shift algorithm (for example, Patent Document 2, Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 5), or an off-axis method (for example, , It is desirable to obtain a complex amplitude distribution that does not include the direct image component and the conjugate image component by analysis in Non-Patent Document 4). If the direct image component and the conjugate image component have a minor effect on the quality of the reproduced image, it is not necessary to acquire the complex amplitude distribution.

この後、ノイズ成分が除去されたホログラム又は複素振幅分布に対して、フレネル回折積分や角スペクトル法等の伝搬計算、或いは相関演算を適用し、再生像を得ることができる。 After that, a reproduced image can be obtained by applying propagation calculation such as Fresnel diffraction integration or angular spectral method, or correlation calculation to the hologram or complex amplitude distribution from which the noise component has been removed.

例えば、空間平均処理によりノイズ成分が除去されたホログラムから、位相シフト法等により複素振幅分布O(x,y)を解析し、取得したO(x,y)に対して、次式(2)の伝搬計算を適用する。 For example, the complex amplitude distribution O (x, y) is analyzed by the phase shift method or the like from the hologram from which the noise component is removed by the spatial averaging process, and the obtained O (x, y) is obtained by the following equation (2). Apply the propagation calculation of.

ここでFT[・・・]、FT-1[・・・]は、2次元のフーリエ変換演算子、2次元の逆フーリエ変換演算子であり、iは虚数、zrは距離、λは波長、u,vは空間周波数の変数である。この計算により、再生系において距離zrにおける物体の像O'(x,y;zr)を再生することができる。 Here, FT [...] and FT -1 [...] are two-dimensional Fourier transform operators and two-dimensional inverse Fourier transform operators, where i is an imaginary number, z r is a distance, and λ is a wavelength. , U, v are spatial frequency variables. By this calculation, the image O'(x, y; z r ) of the object at the distance z r can be reproduced in the reproduction system.

本発明により、ノイズの低減した高品質な再生像を得ることができる。また、撮像素子で得られた通常の画像において空間平均化を行っても、単にノイズ(画像のざらつき)が低減するだけで、コントラストは変化しないが、本発明のインコヒーレントホログラフィにおいては、後述のとおり、空間平均化によって、得られた再生像のコントラストが高くなるという、他の画像とは異なる効果を奏する。 According to the present invention, a high-quality reproduced image with reduced noise can be obtained. Further, even if spatial averaging is performed on a normal image obtained by an image sensor, noise (roughness of the image) is simply reduced and the contrast does not change. However, in the incoherent holography of the present invention, it will be described later. As shown, the spatial averaging has an effect different from other images in that the contrast of the obtained reproduced image is increased.

(改良された実施の形態)
上述のとおり、各ホログラムの隣接画素毎の信号値に対して空間平均を導入することで、再生像のノイズ低減の効果が得られるが、空間平均の信号処理を単純にインコヒーレントホログラフィに導入することで、以下の2つの問題が生じることが懸念される。
(Improved embodiment)
As described above, the effect of reducing noise in the reproduced image can be obtained by introducing the spatial average for the signal value of each adjacent pixel of each hologram, but the signal processing of the spatial average is simply introduced into the incoherent holography. As a result, there is concern that the following two problems will occur.

図5に、空間平均の影響を説明するためのホログラムとその再生像を示す。図5(a)、(b)は、空間的な平均化を行わないときのホログラムとその再生像であり、また、図5(c)、(d)は、空間的な平均化を行ったときのホログラムとその再生像である。 FIG. 5 shows a hologram and a reproduced image thereof for explaining the influence of the spatial average. 5 (a) and 5 (b) are holograms and their reproduced images when spatial averaging is not performed, and FIGS. 5 (c) and 5 (d) are spatial averaging. It is a hologram of time and its reproduced image.

1つ目の問題は、撮影したホログラム中にエイリアシングが発生することによって、再生像の品質が劣化し、偽の再生像が発生することである。図5(a)の同心円状のホログラムに対して空間平均の信号処理を適用することで、図5(c)に示すように、ホログラムの高周波成分が失われ、複数(上下、左右、斜め)の同心円状のホログラムが得られてしまう。このホログラムを伝搬計算又は再構成計算を適用することで、図5(d)の再生像のように、本来存在しないはずの複数の偽の点像が得られる。この問題は、像を得るために伝搬計算又は再構成計算を必要とするインコヒーレントホログラフィ特有の問題である。 The first problem is that the quality of the reproduced image deteriorates due to the occurrence of aliasing in the captured hologram, and a false reproduced image is generated. By applying the spatial averaging signal processing to the concentric hologram of FIG. 5 (a), as shown in FIG. 5 (c), the high frequency component of the hologram is lost and a plurality (upper and lower, left and right, diagonal). Concentric holograms will be obtained. By applying the propagation calculation or the reconstruction calculation to this hologram, a plurality of false point images that should not originally exist can be obtained as in the reproduced image of FIG. 5D. This problem is peculiar to incoherent holography, which requires propagation calculation or reconstruction calculation to obtain an image.

もう1つの問題は、有効なホログラムの直径が小さくなり、再生像の空間分解能が劣化することである。図5(c)の空間平均後のホログラムでは、複数の同心円状のホログラムが形成されると同時に、中心部分のホログラムの直径が小さくなっている。ホログラムの直径が小さくなることは、レンズのNAが低下することと対応しており、図5(d)のように、ホログラムから再生される点像がぼやけて直径が大きくなる。その結果、通常のディジタルカメラと同様に、空間的な平均化によって再生像の空間分解能が劣化する。 Another problem is that the diameter of the effective hologram becomes smaller and the spatial resolution of the reproduced image deteriorates. In the hologram after spatial averaging in FIG. 5C, a plurality of concentric holograms are formed, and at the same time, the diameter of the hologram in the central portion is reduced. The smaller diameter of the hologram corresponds to the lower NA of the lens, and as shown in FIG. 5D, the point image reproduced from the hologram is blurred and the diameter becomes larger. As a result, the spatial resolution of the reproduced image deteriorates due to the spatial averaging as in a normal digital camera.

本発明では更なる改良として、ホログラムに空間平均の信号処理を適用する際の副作用である、偽の像の発生の問題に関しては、空間平均の信号処理に用いる画素数の逆数に対応した空間周波数帯域幅のローパスフィルタリングにより低減する。また、空間分解能が劣化する問題に関しては、インコヒーレントホログラフィのホログラム記録装置の光学素子のパラメータと撮影対象物体の配置距離の情報を参照することで、空間分解能を劣化させずに、ノイズだけを低減し、高品質な再生像の取得を可能にする。 As a further improvement in the present invention, regarding the problem of generation of false images, which is a side effect when applying spatial average signal processing to a hologram, the spatial frequency corresponding to the reciprocal of the number of pixels used for spatial average signal processing is dealt with. Reduced by low-pass filtering of bandwidth. Regarding the problem of deterioration of spatial resolution, by referring to the parameters of the optical element of the hologram recording device of incoherent holography and the information of the arrangement distance of the object to be photographed, only noise is reduced without deteriorating the spatial resolution. It enables the acquisition of high-quality reproduced images.

まず、偽の像の発生対策について説明する。空間的な平均化を行うことによって生じたエイリアシングに由来する偽の像を除去するために、ホログラム又は複素振幅分布の空間周波数に対してローパスフィルタリングの処理を行う。ローパスフィルタリングは、信号処理装置20内の処理として行い、ホログラム又は複素振幅分布をフーリエ変換し、空間周波数に変換した後にその高周波成分をカットする信号処理を行う。ローパスフィルタリングの通過帯域(空間周波数帯域)は、ホログラム或いは複素振幅分布の画素数をNx×Nyとすると、平均化に用いた画素数(水平方向画素数nx、垂直方向画素数ny)の逆数に対応させて、Nx/nx、Ny/nyと設定することで、信号の損失が無く、偽の像を低減できる。また、ホログラムに高周波成分が含まれない場合や、偽の像の影響が軽微である場合には、ローパスフィルタリングの適用は任意である。 First, countermeasures against the occurrence of false images will be described. Low-pass filtering is performed on the spatial frequencies of the hologram or complex amplitude distribution to remove the false images resulting from the aliasing caused by the spatial averaging. The low-pass filtering is performed as a process in the signal processing device 20, and a signal process is performed in which the hologram or complex amplitude distribution is Fourier transformed, converted into a spatial frequency, and then the high frequency component is cut. The pass band (spatial frequency band) of low-pass filtering is the number of pixels used for averaging (number of pixels in the horizontal direction n x , number of pixels in the vertical direction n y ), where N x × N y is the number of pixels in the hologram or complex amplitude distribution. By setting N x / n x and N y / n y corresponding to the reciprocal of), there is no signal loss and a false image can be reduced. Further, when the hologram does not contain high frequency components or when the influence of the false image is slight, the application of low-pass filtering is optional.

以上の処理を適用した後のホログラム或いは複素振幅分布から再生像を再構成する方法は、従来のインコヒーレントホログラフィ技術(特許文献1,2、非特許文献1,2,4,5)と同様であり、フレネル回折積分や角スペクトル法等の伝搬計算、或いは相関演算を適用し、任意の再生面での高品質な再生像を得ることができる。 The method of reconstructing the reproduced image from the hologram or the complex amplitude distribution after applying the above processing is the same as that of the conventional incoherent holography technique (Patent Documents 1, 2, Non-Patent Documents 1, 2, 4, 5). Therefore, it is possible to obtain a high-quality reproduced image on an arbitrary reproduction surface by applying propagation calculation such as Fresnel diffraction integration or holographic method, or correlation calculation.

次に、空間分解能の劣化対策について説明する。本発明では、nx×nyが大きくなると、つまり平均化に用いる画素数が多くなると、撮像素子で撮影したホログラムの画像データの高周波成分が消失し、結果的に、再生像の空間分解能が低下することが懸念される。そこで、本発明では、前述したホログラム記録装置の光学パラメータ等(λ,f0,D0,zl,fd1,fd2,Dslm,zh,p,Dsensor)の情報を参照し、これらの値に応じて、空間的な平均化の画素数nx×nyを適切に設定することで、空間分解能を低下させることなく、ノイズのみを低減する。以下に、空間分解能を犠牲にせず、ノイズのみを低減するために、空間的な平均化に用いる画素数nx,nyに要求される条件について説明する。 Next, measures against deterioration of spatial resolution will be described. In the present invention, when n x × n y becomes large, that is, when the number of pixels used for averaging increases, the high frequency component of the image data of the hologram taken by the image sensor disappears, and as a result, the spatial resolution of the reproduced image becomes high. There is concern that it will decline. Therefore, in the present invention, the information of the optical parameters and the like (λ, f 0 , D 0 , z l , f d1 , f d2 , D slm , z h , p, D sensor ) of the hologram recording device described above is referred to. By appropriately setting the number of pixels n x × n y for spatial averaging according to these values, only noise is reduced without lowering the spatial resolution. The conditions required for the number of pixels n x , n y used for spatial averaging will be described below in order to reduce only noise without sacrificing spatial resolution.

図6は、インコヒーレントホログラフィで撮影されるホログラムの一例である。図2の光学系で、光軸中心に点光源1が配置されている場合、撮像素子10の撮像面上には、図6のような干渉縞が形成される。この干渉縞はフレネルレンズと同等であり、その焦点距離zrの大きさは、図2のレンズの位相変調作用とフレネル回折積分に基づく光伝搬から、次式(3)で表される。なお、フォーカスが合った像を得るためには、(2)式のzrを、次式(3)を満たすように設定する。 FIG. 6 is an example of a hologram photographed by incoherent holography. In the optical system of FIG. 2, when the point light source 1 is arranged at the center of the optical axis, interference fringes as shown in FIG. 6 are formed on the image pickup surface of the image pickup device 10. This interference pattern is equivalent to the Fresnel lens, the size of the focal distance z r from light propagation based on phase modulation effect and the Fresnel diffraction integral in the lens 2 is expressed by the following equation (3). In order to obtain a focused image, z r of Eq. (2) is set so as to satisfy the following Eq. (3).

ここで、zdは、次式(4)であり、zsはレンズ2から撮影対象物体1までの距離である。 Here, z d is the following equation (4), and z s is the distance from the lens 2 to the object 1 to be photographed.

また、この干渉縞の直径Dhは、同様に光波の伝搬を考え、各光学素子の有効開口径を考慮することにより、次式(5)で表すことができる。 Further, the diameter D h of the interference fringes can be expressed by the following equation (5) by similarly considering the propagation of light waves and considering the effective aperture diameter of each optical element.

ここでMIN{・・・}は、最小値の項を取り出す演算子であり、Dlは(6)式である。 Here, MIN {...} is an operator for extracting the term of the minimum value, and D l is Eq. (6).

すなわち、(5)式のMIN{・・・}内の最初の項は、焦点距離fd1の位相分布を付与された第1分割光の直径であり、2番目の項は、焦点距離fd2の位相分布を付与された第2分割光の直径であり、3番目の項は、撮像素子の有効開口径である。干渉縞の直径Dhは、これらの最小のもので決定される。 That is, the first term in MIN {...} of Eq. (5) is the diameter of the first dividing light given the phase distribution of the focal length f d1 , and the second term is the focal length f d2. It is the diameter of the second division light given the phase distribution of, and the third term is the effective aperture diameter of the image sensor. The diameter D h of the interference fringes is determined by these smallest ones.

この干渉縞をエイリアシングが発生しないように撮像素子で撮影するサンプリング間隔の条件は、標本化定理から、(7)式で求められる。したがって、(8)式の条件を満たすように撮影画像の画素ピッチpを選定すれば、干渉縞の高周波成分の情報は消失しない。 The condition of the sampling interval in which the interference fringes are photographed by the image sensor so that aliasing does not occur is obtained by the equation (7) from the sampling theorem. Therefore, if the pixel pitch p of the captured image is selected so as to satisfy the condition of the equation (8), the information on the high frequency component of the interference fringes is not lost.

図3、図4で示した空間的な平均化の演算を行う場合には、画素ピッチがnxp、或いはnypとなることに等価である。したがって、撮像素子の画素ピッチpが決定されている場合には、次式(9)、(10)の条件を満たすようにnx及びnyを選定すれば、干渉縞の情報が消失することなく、つまり空間分解能を低下させることなく、ノイズのみを低減することができる。 When the spatial averaging calculation shown in FIGS. 3 and 4 is performed, it is equivalent to the pixel pitch being n x p or n y p. Therefore, when the pixel pitch p of the image sensor is determined, if n x and n y are selected so as to satisfy the conditions of the following equations (9) and (10), the information of the interference fringes disappears. No, that is, only noise can be reduced without reducing spatial resolution.

すなわち、nx及びnyを、λzr/Dhp以下に設定する。 That is, n x and n y are set to λ z r / D h p or less.

以上の例では、撮像素子で撮影したホログラムに対して空間的な平均化の演算を適用する場合に関して記述したが、平均化の演算の対象を、ホログラムではなく、位相シフト法或いはオフアクシス法により解析した後に得られる複素振幅分布に対して空間的な平均化の演算を適用してもよい。 In the above example, the case where the spatial averaging calculation is applied to the hologram taken by the imaging element has been described, but the target of the averaging calculation is not the hologram but the phase shift method or the off-axis method. Spatial averaging operations may be applied to the complex amplitude distribution obtained after the analysis.

また、本技術で用いる撮像素子としては単色に限定されず、カラーフィルターを搭載していてもよい。 Further, the image sensor used in the present technology is not limited to a single color, and a color filter may be mounted.

(他の実施の形態)
本発明を実施するホログラム記録再生装置としては、図2に示す単一光路干渉計に限定されない。例えば、図7に示すような、各種の干渉計をホログラム記録に用いることができる。
(Other embodiments)
The hologram recording / reproducing device for carrying out the present invention is not limited to the single optical path interferometer shown in FIG. For example, various interferometers as shown in FIG. 7 can be used for hologram recording.

図7(a)はマイケルソン干渉計であり、レンズ2、ビームスプリッター7、2つの凹面鏡8、及び撮像素子10を備える。光波は、レンズ2を透過し、ビームスプリッター7で2つに分割され、それぞれ凹面鏡8で曲率が与えられ、撮像素子10の素子面でホログラムを生成する。 FIG. 7A is a Michelson interferometer, which includes a lens 2, a beam splitter 7, two concave mirrors 8, and an image sensor 10. The light wave passes through the lens 2, is split into two by the beam splitter 7, is given a curvature by the concave mirror 8, and a hologram is generated on the element surface of the image sensor 10.

図7(b)はマッハツェンダー干渉計であり、2つのレンズ2、2つのビームスプリッター7、2つのミラー9、及び撮像素子10を備える。光波は、レンズ2を透過し、ビームスプリッター7で2つに分割される。一方の分割光はレンズ2を介してミラー9で反射され、他方の分割光はレンズを介することなくミラー9で反射されて、2番目のビームスプリッター7に入射し、撮像素子10の素子面でホログラムを生成する。 FIG. 7B is a Mach-Zehnder interferometer, which includes two lenses 2, two beam splitters 7, two mirrors 9, and an image sensor 10. The light wave passes through the lens 2 and is split into two by the beam splitter 7. One split light is reflected by the mirror 9 via the lens 2, and the other split light is reflected by the mirror 9 without passing through the lens and is incident on the second beam splitter 7 on the element surface of the image pickup element 10. Generate a hologram.

図7(c)は三角光路干渉計であり、3つのレンズ2とビームスプリッター7、2つのミラー9、及び撮像素子10を備える。光波は、レンズ2を透過し、ビームスプリッター7で2つに分割され、それぞれレンズ2、ミラー9、ミラー9、レンズ2を右回りと左回りで進み、再びビームスプリッター7に入射して、撮像素子10の素子面でホログラムを生成する。 FIG. 7C is a triangular optical path interferometer, which includes three lenses 2, a beam splitter 7, two mirrors 9, and an image sensor 10. The light wave passes through the lens 2 and is split into two by the beam splitter 7, travels clockwise and counterclockwise through the lens 2, mirror 9, mirror 9, and lens 2, respectively, and is incident on the beam splitter 7 again for imaging. A hologram is generated on the element surface of the element 10.

このように、物体からの光波を2つに分離し、第1分割光と第2分割光のそれぞれに異なる位相分布を付与し、最後にこれらを撮像素子面上で干渉させ、ホログラムを形成できる光学系であれば、どのような形態でもよい。また、図2或いは図7に示す光学系の各光路に、追加でレンズが挿入されていてもよい。 In this way, the light wave from the object can be separated into two, different phase distributions can be given to the first divided light and the second divided light, and finally these can be interfered with each other on the image sensor surface to form a hologram. Any form may be used as long as it is an optical system. Further, an additional lens may be inserted in each optical path of the optical system shown in FIG. 2 or FIG.

(効果の検証)
光学実験を行い、本発明の有効性を検証した。実験に用いた光学系を図8に示す。本光学系は、反射型の空間光変調器4を用いて、図2に示す単一光路干渉計を実現したものである。
(Verification of effect)
Optical experiments were carried out to verify the effectiveness of the present invention. The optical system used in the experiment is shown in FIG. This optical system realizes the single optical path interferometer shown in FIG. 2 by using the reflection type spatial light modulator 4.

発光ダイオード(LED)11で発生した光(インコヒーレント光)は、USAFテストターゲット12で光パターンを形成し、バンドパスフィルター6、レンズ2、偏光子3を経て、水平直線偏光成分と垂直直線偏光成分のそれぞれからなる第1分割光と第2分割光となる。ビームスプリッター7を透過した2つの分割光は、空間光変調器4でそれぞれ異なる位相を与えられ、再びビームスプリッター7に入射され、反射して撮像素子10に向かい、偏光子5を透過することで、偏光状態が一致し、撮像素子面で干渉縞を形成する。撮像素子10を用いて、この干渉縞をホログラムとして撮影する。 The light (incoherent light) generated by the light emitting diode (LED) 11 forms an optical pattern on the USAF test target 12, passes through a bandpass filter 6, a lens 2, and a polarizer 3, and then passes through a bandpass filter 6, a lens 2, and a polarizer 3, and then a horizontal linearly polarized light component and a vertically linearly polarized light. It becomes the first division light and the second division light composed of each of the components. The two split lights that have passed through the beam splitter 7 are given different phases by the spatial light modulator 4, are incident on the beam splitter 7 again, are reflected, and are directed toward the image pickup element 10 and are transmitted through the polarizer 5. , The polarization states match, and interference fringes are formed on the image pickup element surface. This interference fringe is photographed as a hologram by using the image sensor 10.

ここで、レンズ―空間光変調器間の距離を100mm、空間光変調器―撮像素子間の距離を260mmとした。レンズ2の有効開口径は12mm、空間光変調器4の有効開口径は10.65mm、撮像素子10の有効開口径13.3mmであり、撮像素子10としては、画素サイズ6.5μmのものを用いた。光源には、中心波長625nm、波長幅18nmのLED11を用いた。また、光源のコヒーレンス長を長くするために、中心波長633nm、波長幅3nmのバンドパスフィルター6を用いた。 Here, the distance between the lens and the spatial light modulator is 100 mm, and the distance between the spatial light modulator and the image sensor is 260 mm. The effective aperture diameter of the lens 2 is 12 mm, the effective aperture diameter of the spatial light modulator 4 is 10.65 mm, the effective aperture diameter of the image sensor 10 is 13.3 mm, and the image sensor 10 has a pixel size of 6.5 μm. Using. As a light source, an LED 11 having a center wavelength of 625 nm and a wavelength width of 18 nm was used. Further, in order to increase the coherence length of the light source, a bandpass filter 6 having a center wavelength of 633 nm and a wavelength width of 3 nm was used.

はじめに、本発明によりノイズ及び偽の像の影響を低減可能か、また、平均化に用いる画素数nx×nyの大きさに応じてノイズ低減効果が変化するかを明らかにすることを目的として、透過型のUSAFテストターゲットの撮影実験を実施した。 First, it is an object of the present invention to clarify whether the influence of noise and a false image can be reduced, and whether the noise reduction effect changes depending on the size of the number of pixels n x × n y used for averaging. As a result, a shooting experiment of a transmissive USAF test target was carried out.

USAFテストターゲット12をレンズ2から400mm離れた位置に配置し、撮像素子10でホログラムを撮影した。また、4ステップの位相シフト法によりホログラム中の直接像成分と共役像成分を除去するために、位相シフト量が0,π/2,π,3π/2の4枚のホログラムを取得した。4枚のホログラムのそれぞれに対して、式(1)に基づく空間的な平均化の信号処理を適用した。平均化の画素数nx×nyは、2×2,4×4,8×8の3種類とした。 The USAF test target 12 was placed at a position 400 mm away from the lens 2, and a hologram was photographed by the image sensor 10. Further, in order to remove the direct image component and the conjugate image component in the hologram by the 4-step phase shift method, four holograms having a phase shift amount of 0, π / 2, π, and 3π / 2 were obtained. Spatial averaging signal processing based on Eq. (1) was applied to each of the four holograms. The average number of pixels n x × n y was set to 3 types of 2 × 2, 4 × 4, 8 × 8.

図9に各種の条件で作成した再生像をまとめて表示する。図9(a)に平均化を適用せずに再構成した再生像を示す。また、図9(b)、(c)、(d)に、画素数2×2,4×4,8×8の平均化の演算を行い、ローパスフィルタリングを適用せずに再構成した再生像を示す。図9(e)、(f)、(g)には、画素数2×2,4×4,8×8の平均化を行い、ローパスフィルタリングを適用して再生像を取得した結果を示す。定性的にみて、ローパスフィルタリングの有無にかかわらず、空間的な平均化を適用することで再生像が明瞭になっていることがわかる。 The reproduced images created under various conditions are collectively displayed in FIG. FIG. 9A shows a reproduced image reconstructed without applying averaging. Further, in FIGS. 9 (b), 9 (c), and 9 (d), a reproduced image reconstructed by performing an averaging calculation of 2 × 2, 4 × 4, 8 × 8 pixels and reconstructing without applying low-pass filtering. Is shown. 9 (e), (f), and (g) show the results of averaging the number of pixels 2 × 2, 4 × 4, 8 × 8 and applying low-pass filtering to acquire a reproduced image. From a qualitative point of view, it can be seen that the reproduced image becomes clear by applying the spatial averaging with or without low-pass filtering.

また、偽の像の存在を確認するため、図9(d)と図9(g)それぞれの再生像の一部を拡大し、コントラストを調整した像を図10に示す。図10(a)は図9(d)の拡大図であり、図10(b)は図9(g)の拡大図である。ローパスフィルタリングを適用しない場合(図10(a))には、“0”やライン状の構造物のまわりに、不要な成分(偽の像)が発生しているが、ローパスフィルタリングを適用した場合(図10(b))には、これらの偽の像が除去されていることがわかる。 Further, in order to confirm the existence of the false image, a part of the reproduced image of each of FIGS. 9 (d) and 9 (g) is enlarged, and an image in which the contrast is adjusted is shown in FIG. 10 (a) is an enlarged view of FIG. 9 (d), and FIG. 10 (b) is an enlarged view of FIG. 9 (g). When low-pass filtering is not applied (FIG. 10 (a)), unnecessary components (false images) are generated around "0" and the linear structure, but when low-pass filtering is applied. (FIG. 10 (b)) shows that these false images have been removed.

これらの再生像の品質を定量的に比較するために、コントラスト比(CR: Contrast Ratio)と平滑度(S: Smoothness)を評価した。コントラスト比CRは、像内の明部と暗部の明るさの比を評価する指標であり、次式(11)により与えられる。 In order to quantitatively compare the quality of these reproduced images, the contrast ratio (CR: Contrast Ratio) and the smoothness (S: Smoothness) were evaluated. The contrast ratio CR is an index for evaluating the ratio of the brightness of the bright part and the dark part in the image, and is given by the following equation (11).

μb、μdはそれぞれ、図9の再生像内の破線の矩形領域(明部領域)の強度の平均値、及び一点鎖線の矩形領域(暗部領域)の強度の平均値である。本実験で用いたUSAFターゲットは透過型であるため、USAFテストターゲットの再生像の暗部では、理想的には強度が0となるはずである。よって、コントラスト比CRの値は大きいほど、品質が高い再生像といえる。 μ b and μ d are the average value of the intensity of the rectangular region (bright region) of the broken line in the reproduced image of FIG. 9, and the average value of the intensity of the rectangular region (dark region) of the alternate long and short dash line, respectively. Since the USAF target used in this experiment is a transmissive type, the intensity should ideally be 0 in the dark part of the reproduced image of the USAF test target. Therefore, it can be said that the larger the value of the contrast ratio CR, the higher the quality of the reproduced image.

一方、平滑度Sは、変動係数の逆数に対応しており、次式(12)により与えられる。 On the other hand, the smoothness S corresponds to the reciprocal of the coefficient of variation and is given by the following equation (12).

σbは、再生像内の破線の矩形領域(明部領域)内の強度の標準偏差である。この値Sが高いほど、スペックル状のノイズが少なく、平滑な分布であるため、高品質な再生像といえる。 σ b is the standard deviation of the intensity within the dashed rectangular region (bright region) in the reproduced image. The higher this value S, the less speckle-like noise and the smoother the distribution, so it can be said that the reproduced image is of high quality.

CRとSの評価結果を図9の各再生像の下部に示す。平均化の画素数が増えるほど、CR、Sが向上しているため、本発明の空間平均を用いることでノイズを低減でき、高品質な再生像が得られることがわかった。さらに、空間周波数帯域のローパスフィルタリングを適用することで、ローパスフィルタリングを適用しない場合と比較すると、CRとSが向上しており、より高品質な再生像を得るために有効であることがわかる。 The evaluation results of CR and S are shown at the bottom of each reproduced image in FIG. Since CR and S are improved as the number of averaged pixels increases, it was found that noise can be reduced and a high-quality reproduced image can be obtained by using the spatial averaging of the present invention. Further, it can be seen that by applying the low-pass filtering in the spatial frequency band, CR and S are improved as compared with the case where the low-pass filtering is not applied, which is effective for obtaining a higher quality reproduced image.

また、比較実験のために、非特許文献2に記載の時間平均を用いてUSAFテストターゲットの撮影実験を実施した。本実験のために、4ステップの位相シフト法に必要な4種類のホログラムそれぞれを64枚撮影した。平均化の枚数を2〜64まで変化させて、それぞれ再生像を取得した。図9(h)、(i)、(j)のそれぞれに、平均化の枚数が4枚、16枚、64枚の場合の時間平均の再生像とCR、Sの評価結果を示す。 In addition, for a comparative experiment, a photographing experiment of a USAF test target was carried out using the time average described in Non-Patent Document 2. For this experiment, 64 holograms of each of the four types required for the four-step phase shift method were taken. The number of averaged sheets was changed from 2 to 64, and reproduced images were obtained for each. 9 (h), (i), and (j) show time-averaged reproduction images and evaluation results of CR and S when the average number of sheets is 4, 16, and 64, respectively.

また、図11に、平均化枚数2〜64枚(時間平均)に対するCRとSの評価結果を示す。図11(a)は、横軸に平均化枚数、縦軸にコントラスト比CRの値をプロットしたものであり、図11(b)は、横軸に平均化枚数、縦軸に平滑度Sの値をプロットしたものである。さらに、図11では、比較のために、空間平均処理を行った再生像の評価結果も提示した。空間的な平均化は画素数分の枚数のホログラムの平均化と考えることができるため、図9(e)〜(g)で示したローパスフィルタリングを行い、画素数2×2,4×4,8×8の平均化を適用した場合のCRとSの評価結果を、平均化枚数が4、16、64の場合のデータとしてプロットしている。 Further, FIG. 11 shows the evaluation results of CR and S for the averaged number of sheets 2 to 64 (time average). FIG. 11A plots the average number of sheets on the horizontal axis and the contrast ratio CR value on the vertical axis, and FIG. 11B shows the average number of sheets on the horizontal axis and the smoothness S on the vertical axis. It is a plot of the values. Further, in FIG. 11, for comparison, the evaluation result of the reproduced image subjected to the spatial averaging process is also presented. Since the spatial averaging can be considered as the averaging of the number of holograms for the number of pixels, the low-pass filtering shown in FIGS. 9 (e) to 9 (g) is performed and the number of pixels is 2 × 2, 4 × 4. The evaluation results of CR and S when the 8 × 8 averaging is applied are plotted as data when the averaging number is 4, 16 and 64.

図9(h)〜(j)、図11の評価結果から、時間平均でも平均化の枚数が増加するほどCR、Sが向上しており、非特許文献2で報告されている通りノイズを低減可能である。時間平均と空間平均のノイズ低減効果を比較すると、コントラスト比CRに関しては空間平均の方が優れ、平滑度Sに関しては時間平均の方が優れており、CRとSの改善の傾向が異なる。これは、時間平均と空間平均のそれぞれで低減可能なノイズの種類が異なっていることを意味している。時間平均では、時間的に変動するノイズ成分を除去することに有効である一方で、空間平均は空間的に変動するノイズ成分を除去することに有効であると考えることができる。時間平均と空間平均で、ノイズの低減量に差異はあるものの、空間平均では複数回のホログラムの撮影を必要とせずに、CRの観点から時間平均と遜色ない再生像の品質向上の効果が得られることがわかった。 From the evaluation results of FIGS. 9 (h) to 9 (j) and 11 in FIG. 11, CR and S are improved as the number of averaged sheets increases even in the time average, and noise is reduced as reported in Non-Patent Document 2. It is possible. Comparing the noise reduction effects of the time average and the space average, the space average is superior in terms of contrast ratio CR and the time average is superior in terms of smoothness S, and the tendency of improvement of CR and S is different. This means that the types of noise that can be reduced differ between the time average and the spatial average. It can be considered that the time average is effective in removing the noise component that fluctuates with time, while the spatial average is effective in removing the noise component that fluctuates in space. Although there is a difference in the amount of noise reduction between the time average and the spatial average, the spatial average does not require multiple hologram shots, and the effect of improving the quality of the reproduced image is comparable to the time average from the viewpoint of CR. It turned out to be.

次に、本発明を適用した場合に、式(9)、式(10)で示した空間解像度を劣化させない条件の有効性を実験で確認した。本発明では平均化の画素数が増えることで空間分解能が劣化することが懸念されるが、式(9)、式(10)の条件を満たす場合には、空間分解能は劣化せず、空間周波数応答は変化しないはずである。本実験に用いた光学系のパラメータに基づいて、物体の撮影位置zsと要求されるサンプリング間隔psとの関係(式(7))をプロットしたものを図12に示す。本実験では撮影対象物体がzs=400[mm]の位置に配置されているため、サンプリング間隔が18.16μm以下であれば、空間分解能は劣化しないことが予測される。 Next, when the present invention was applied, the effectiveness of the conditions that did not deteriorate the spatial resolution represented by the formulas (9) and (10) was confirmed by experiments. In the present invention, there is a concern that the spatial resolution deteriorates as the number of averaging pixels increases, but when the conditions of the equations (9) and (10) are satisfied, the spatial resolution does not deteriorate and the spatial frequency does not deteriorate. The response should not change. FIG. 12 shows a plot of the relationship (Equation (7)) between the imaging position z s of the object and the required sampling interval p s based on the parameters of the optical system used in this experiment. In this experiment, since the object to be photographed is arranged at the position of z s = 400 [mm], it is predicted that the spatial resolution will not deteriorate if the sampling interval is 18.16 μm or less.

今回の実験では、撮像素子の画素サイズが6.5μmであるため、2×2平均では、画素サイズ、つまりサンプリング間隔が13μmとなることに相当し、空間周波数応答は変化しないはずである。一方、4×4平均、8×8平均では、画素サイズが26μm、52μmとなることに相当し、空間分解能は劣化し、空間周波数応答の高周波成分は低下するはずである。これらの予測の妥当性を確認するために、平均化前後の再生像の光学的伝達関数(OTF: Optical Transfer Function)を評価した。なお、本実験では、空間周波数応答を評価することが目的であり、再生像から可能な限りノイズ成分を除去してより高精度な評価を行うために、64枚のホログラムを時間平均した後、本発明に基づいて、画素数2×2,4×4,8×8の空間平均及びローパスフィルタリングを行った。 In this experiment, since the pixel size of the image sensor is 6.5 μm, the 2 × 2 average corresponds to the pixel size, that is, the sampling interval of 13 μm, and the spatial frequency response should not change. On the other hand, the 4 × 4 average and the 8 × 8 average correspond to the pixel sizes of 26 μm and 52 μm, the spatial resolution should be deteriorated, and the high frequency component of the spatial frequency response should be decreased. In order to confirm the validity of these predictions, the optical transfer function (OTF) of the reproduced image before and after averaging was evaluated. The purpose of this experiment is to evaluate the spatial frequency response. In order to remove noise components from the reproduced image as much as possible and perform more accurate evaluation, 64 holograms are time-averaged and then averaged. Based on the present invention, spatial averaging and low-pass filtering with 2 × 2, 4 × 4, 8 × 8 pixels were performed.

撮影対象であるUSAFテストターゲットは種々の空間周波数成分を有するライン状のマスクで構成されているため、ライン状の像のコントラストを評価することで、空間周波数応答、すなわちOTFを調査することができる。実験に用いた図8の光学系の理論的な空間分解能(レイリーの分解能)は、31.24μmであり、これを空間周波数に変換すると16.01 lp/mm(lp:line pair)となる。したがって、USAFテストターゲットの最も低い空間周波数1.00 lp/mmのGroup0 Element1から空間周波数20.16 lp/mmのGroup4 Element3のライン状の像のコントラストを評価対象とすることで、実験で用いた光学系の通過周波数帯域の全域のOTFを評価可能である。 Since the USAF test target to be photographed is composed of a line-shaped mask having various spatial frequency components, the spatial frequency response, that is, OTF can be investigated by evaluating the contrast of the line-shaped image. .. The theoretical spatial resolution (Rayleigh's resolution) of the optical system of FIG. 8 used in the experiment is 31.24 μm, and when this is converted into a spatial frequency, it becomes 16.01 lp / mm (lp: line pair). Therefore, the contrast of the linear image of Group0 Element1 with the lowest spatial frequency of 1.00 lp / mm to Group4 Element3 with the spatial frequency of 20.16 lp / mm of the USAF test target was used in the experiment. It is possible to evaluate the OTF in the entire pass frequency band of the optical system.

図13に再生像の光学的伝達関数(OTF)を比較した結果を示す。平均化を適用しない場合と画素数2×2平均化を適用した場合とは、OTFにほとんど差が無く、同じ特性を示すことがわかる。一方で、4×4平均化、8×8平均化を適用することで、高周波成分のコントラストが低下していき、OTFが大幅に変化していることがわかる。また、図9(e)で示したように、2×2平均化で再生像の品質を改善することができる。したがって、以上の実験結果から、式(7)の条件に応じて、平均化に用いる画素数の条件を適切に設定すれば、つまり、図11中の破線より左側の領域の条件で、空間平均を適用すれば、空間分解能を低下させることなく、ノイズのみを低減させ、再生像の品質を改善することができる。 FIG. 13 shows the results of comparing the optical transfer functions (OTF) of the reproduced images. It can be seen that there is almost no difference in OTF between the case where the averaging is not applied and the case where the number of pixels 2 × 2 averaging is applied, and the same characteristics are exhibited. On the other hand, it can be seen that by applying the 4 × 4 averaging and the 8 × 8 averaging, the contrast of the high-frequency component decreases and the OTF changes significantly. Further, as shown in FIG. 9E, the quality of the reproduced image can be improved by averaging 2 × 2. Therefore, from the above experimental results, if the condition of the number of pixels used for averaging is appropriately set according to the condition of the equation (7), that is, the spatial averaging is performed under the condition of the region on the left side of the broken line in FIG. By applying, it is possible to reduce only noise and improve the quality of the reproduced image without lowering the spatial resolution.

最後に、反射物体を撮影することで、空間平均によって再生像の品質の改善が可能かを検証した。これまでの実験では、透過物体であるUSAFテストターゲットのみを撮影したが、反射物体を撮影することにより、空間平均を用いることで再生像の品質向上が可能かを明らかにする。 Finally, it was verified whether the quality of the reproduced image could be improved by spatial averaging by photographing the reflecting object. In the experiments so far, only the USAF test target, which is a transparent object, was photographed, but by photographing the reflective object, it will be clarified whether the quality of the reproduced image can be improved by using the spatial average.

本実験では、図14に示す光学系を用いた。光学素子の仕様は図8の光学系と同一であるが、反射物体13を撮影するために、照明光であるLED11の配置のみを変更している。LED11で発生した光(インコヒーレント光)は、反射物体13で反射して物体光となり、バンドパスフィルター6に入射する。以下は、図8の光学系と同じである。 In this experiment, the optical system shown in FIG. 14 was used. The specifications of the optical element are the same as those of the optical system of FIG. 8, but only the arrangement of the LED 11 which is the illumination light is changed in order to photograph the reflecting object 13. The light (incoherent light) generated by the LED 11 is reflected by the reflecting object 13 to become object light, and is incident on the bandpass filter 6. The following is the same as the optical system of FIG.

図15は硬貨を撮影し、空間的な平均化を適用した後、再生像を再構成した結果である。図15(a)は平均化なしの再生像、(b)は2×2画素、(c)は4×4画素、(d)は8×8画素の平均化を行った再生像である。再生像の品質を定量的に評価するために、破線の領域(コイン上)と一点鎖線の領域内(右上背景)とのCRを式(11)を用いて評価した。その結果を各再生像の上部に示す。なお、反射物体は表面が粗面であり、スペックル状の像が得られることが一般的であるため、平滑度を評価するSによる再生像の評価をおこなっていない。 FIG. 15 shows the result of reconstructing the reproduced image after photographing the coin and applying the spatial averaging. 15 (a) is a reproduced image without averaging, (b) is a reproduced image with 2 × 2 pixels, (c) is a 4 × 4 pixel, and (d) is an averaged 8 × 8 pixel. In order to quantitatively evaluate the quality of the reproduced image, the CR between the broken line area (on the coin) and the alternate long and short dash line area (upper right background) was evaluated using the equation (11). The result is shown at the top of each reproduced image. Since the surface of the reflective object is rough and a speckle-like image is generally obtained, the reproduced image by S for evaluating the smoothness is not evaluated.

図15のコントラスト比CRの評価結果からわかるように、空間的な平均化の演算により、コントラスト比が高くなり、再生像の品質が向上し、明瞭になっていることがわかる。 As can be seen from the evaluation result of the contrast ratio CR in FIG. 15, it can be seen that the spatial averaging calculation increases the contrast ratio, improves the quality of the reproduced image, and makes it clear.

このように、本発明によれば、時間分解能を低下させることなく、ノイズを低減し、高品質なホログラム、及び高品質な再生像を取得することが可能となる。また、本発明では、偽の像の発生に関しては、空間平均に用いる画素数に応じたローパスフィルタリングを適用することで解決可能であり、空間分解能が劣化する問題点に関しては、ホログラム記録装置を構成する素子の光学パラメータや配置距離、撮影対象物体と撮像素子間の距離、光源の波長の情報を参照して、空間的な平均化の演算条件を適用的に設定することで、空間分解能を劣化させることなく、ノイズのみを低減することができる。さらに、空間的な平均化により画像データの画素数を削減できるため、データ処理速度の向上、演算処理の軽減、データ保存容量の削減に有効である。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce noise, obtain a high-quality hologram, and obtain a high-quality reproduced image without lowering the time resolution. Further, in the present invention, the generation of a false image can be solved by applying low-pass filtering according to the number of pixels used for spatial averaging, and the problem of deterioration of spatial resolution is configured as a hologram recording device. The spatial resolution is deteriorated by appropriately setting the calculation conditions for spatial averaging by referring to the optical parameters and placement distance of the element to be imaged, the distance between the object to be imaged and the image pickup element, and the wavelength information of the light source. Only noise can be reduced without causing it. Further, since the number of pixels of the image data can be reduced by spatial averaging, it is effective in improving the data processing speed, reducing the arithmetic processing, and reducing the data storage capacity.

上記の実施の形態では、ホログラム記録再生装置の構成と動作について説明したが、本発明はこれに限らず、立体像を再生する立体像再生方法として構成されてもよい。すなわち、撮影された前記ホログラム又は前記ホログラムを解析することによって得られる複素振幅分布の各画素に対し、当該画素の信号値とその隣接領域に存在する画素の信号値を平均化する空間平均処理を行い、前記空間平均処理を行った前記ホログラム又は前記複素振幅分布に基づいて立体像を再生する、立体像再生方法として構成されても良い。 In the above-described embodiment, the configuration and operation of the hologram recording / playback device have been described, but the present invention is not limited to this, and may be configured as a stereoscopic image reproduction method for reproducing a stereoscopic image. That is, for each pixel of the photographed hologram or the complex amplitude distribution obtained by analyzing the hologram, a spatial averaging process for averaging the signal value of the pixel and the signal value of the pixel existing in the adjacent region is performed. It may be configured as a stereoscopic image reproduction method in which the stereoscopic image is reproduced based on the hologram or the complex amplitude distribution subjected to the spatial averaging process.

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを1つに組み合わせたり、あるいは1つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。 Although the above embodiments have been described as typical examples, it will be apparent to those skilled in the art that many modifications and substitutions can be made within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited by the above embodiments, and various modifications and modifications can be made without departing from the scope of claims. For example, it is possible to combine the plurality of constituent blocks described in the embodiment into one, or to divide one constituent block into one.

1 点光源
2 レンズ
3 偏光子
4 空間光変調器
5 偏光子
6 バンドパスフィルター
7 ビームスプリッター
8 凹面鏡
9 ミラー
10 撮像素子
11 LED
12 USAFテストターゲット
13 反射物体
20 信号処理回路
1 Point light source 2 Lens 3 Polarizer 4 Spatial light modulator 5 Polarizer 6 Bandpass filter 7 Beam splitter 8 Concave mirror 9 Mirror 10 Imaging element 11 LED
12 USAF test target 13 Reflective object 20 Signal processing circuit

Claims (8)

インコヒーレントな光波を第1分割光と第2分割光に分割し、互いに異なる位相分布を付与後、前記第1分割光と前記第2分割光を干渉させて形成したホログラムを再構成して、立体像を再生するホログラム記録再生装置において、
撮影された前記ホログラム又は前記ホログラムを解析することによって得られる複素振幅分布の各画素に対し、当該画素の信号値とその隣接領域に存在する画素の信号値を平均化する演算を含む空間平均処理を行い、前記空間平均処理を行った前記ホログラム又は前記複素振幅分布に基づいて立体像を再生することを特徴とする、ホログラム記録再生装置。
The incoherent light wave is divided into the first divided light and the second divided light, and after giving different phase distributions, the hologram formed by interfering the first divided light and the second divided light is reconstructed. In a hologram recording / reproducing device that reproduces a stereoscopic image,
Spatial averaging processing including an operation of averaging the signal value of the pixel and the signal value of the pixel existing in the adjacent region for each pixel of the photographed hologram or the complex amplitude distribution obtained by analyzing the hologram. A hologram recording / reproducing apparatus, which reproduces a stereoscopic image based on the hologram or the complex amplitude distribution that has undergone the spatial averaging process.
請求項1に記載のホログラム記録再生装置において、前記空間平均処理は、平均化前の水平方向画素数nx、垂直方向画素数ny(nx,ny>1)として、nx×ny個の画素ごとに信号値を平均化する演算と、次いで、nx×ny倍に画素数を拡大して平均化前後で画素数、画素ピッチを同じにする演算を含むことを特徴とする、ホログラム記録再生装置。 In the hologram recording / playback apparatus according to claim 1, the spatial averaging process is performed with n x × n as the number of pixels in the horizontal direction n x and the number of pixels in the vertical direction n y (n x , n y > 1) before averaging. It is characterized by including an operation to average the signal value for each y pixels, and then an operation to increase the number of pixels by n x × n y times to make the number of pixels and the pixel pitch the same before and after averaging. Hologram recording / playback device. 請求項1に記載のホログラム記録再生装置において、前記空間平均処理は、平均化前の水平方向画素数nx、垂直方向画素数ny(nx,ny>1)として、nx×ny個の要素数を有する空間フィルタとの畳み込み積分を含むことを特徴とする、ホログラム記録再生装置。 In the hologram recording / playback apparatus according to claim 1, the spatial averaging process is performed with n x × n as the number of pixels in the horizontal direction n x and the number of pixels in the vertical direction n y (n x , n y > 1) before averaging. A hologram recording / playback apparatus characterized by including a convolution integral with a spatial filter having y elements. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載のホログラム記録再生装置において、前記空間平均処理後に、平均化に用いた画素数の逆数に対応する空間周波数帯域を有するローパスフィルタリングを適用することを特徴とする、ホログラム記録再生装置。 The hologram recording / playback apparatus according to any one of claims 1 to 3 is characterized in that after the spatial averaging process, low-pass filtering having a spatial frequency band corresponding to the reciprocal of the number of pixels used for averaging is applied. A hologram recording / playback device. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のホログラム記録再生装置において、少なくとも前記ホログラム記録再生装置を構成する光学素子の焦点距離、有効開口径、光源の波長、光学素子間の距離、及び撮影対象物体から撮像素子までの距離の情報に応じて、前記空間平均処理に用いる隣接領域の画素数を設定することを特徴とする、ホログラム記録再生装置。 In the hologram recording / reproducing device according to any one of claims 1 to 4, at least the focal length, effective aperture diameter, light source wavelength, distance between optical elements, and photographing of the optical elements constituting the hologram recording / reproducing device. A hologram recording / reproducing device, characterized in that the number of pixels in an adjacent region used for the spatial averaging process is set according to information on the distance from an object to an image sensor. 請求項1乃至4のいずれか一項に記載のホログラム記録再生装置において、前記空間平均処理に用いる隣接領域の水平方向画素数nx及び垂直方向画素数ny(nx,ny>1)を、光源の波長λ、干渉縞の焦点距離zr、干渉縞の直径Dh、撮像素子の画素ピッチpとして、λzr/Dhp以下に設定することを特徴とする、ホログラム記録再生装置。 In the hologram recording / reproducing apparatus according to any one of claims 1 to 4, the number of horizontal pixels n x and the number of vertical pixels n y (n x , n y > 1) in the adjacent region used for the spatial averaging process. Is set to λ z r / D h p or less as the wavelength λ of the light source, the focal distance z r of the interference fringes, the diameter D h of the interference fringes, and the pixel pitch p of the image pickup device. .. インコヒーレントな光波から分割され、互いに異なる位相分布を付与された第1分割光と第2分割光とが干渉して形成されたホログラムを再構成し、立体像を再生する立体像再生方法において、
撮影された前記ホログラム又は前記ホログラムを解析することによって得られる複素振幅分布の各画素に対し、当該画素の信号値とその隣接領域に存在する画素の信号値を平均化する空間平均処理を行い、前記空間平均処理を行った前記ホログラム又は前記複素振幅分布に基づいて立体像を再生することを特徴とする、立体像再生方法。
In a stereoscopic image reproduction method for reconstructing a stereoscopic image by reconstructing a hologram formed by interference between a first division light and a second division light divided from an incoherent light wave and given different phase distributions to each other.
Spatial averaging processing is performed on each pixel of the photographed hologram or the complex amplitude distribution obtained by analyzing the hologram to average the signal value of the pixel and the signal value of the pixel existing in the adjacent region. A method for reproducing a stereoscopic image, which comprises reproducing a stereoscopic image based on the hologram or the complex amplitude distribution subjected to the spatial averaging process.
請求項7に記載の立体像再生方法において、前記空間平均処理後に、平均化に用いた画素数の逆数に対応する空間周波数帯域を有するローパスフィルタリングを適用することを特徴とする、立体像再生方法。 The stereoscopic image reproduction method according to claim 7, wherein after the spatial averaging process, low-pass filtering having a spatial frequency band corresponding to the reciprocal of the number of pixels used for averaging is applied. ..
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Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007157305A (en) * 2005-12-08 2007-06-21 Fuji Xerox Co Ltd Data reproducing method and device
US20120050832A1 (en) * 2009-04-01 2012-03-01 Ben Gurion University Of The Negev Research And Development Method and system for imaging and object using incoherent light
JP2014211565A (en) * 2013-04-19 2014-11-13 東芝アルパイン・オートモティブテクノロジー株式会社 Computer hologram data creation apparatus and computer hologram data creation method
JP2015001726A (en) * 2013-06-18 2015-01-05 学校法人 関西大学 Hologram recording apparatus and hologram recording method
JP2015232869A (en) * 2014-05-16 2015-12-24 株式会社リコー Image processor, image processing method and image processing program
WO2017065130A1 (en) * 2015-10-13 2017-04-20 学校法人 関西大学 Image reproduction device, image reproduction method, and digital holography device
CN107885070A (en) * 2017-06-27 2018-04-06 郑州大学 A kind of incoherent digital hologram single exposure imaging method and system based on SLM
WO2018147473A1 (en) * 2017-02-10 2018-08-16 国立大学法人京都工芸繊維大学 Three-dimensional object information measuring device

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007157305A (en) * 2005-12-08 2007-06-21 Fuji Xerox Co Ltd Data reproducing method and device
US20120050832A1 (en) * 2009-04-01 2012-03-01 Ben Gurion University Of The Negev Research And Development Method and system for imaging and object using incoherent light
JP2014211565A (en) * 2013-04-19 2014-11-13 東芝アルパイン・オートモティブテクノロジー株式会社 Computer hologram data creation apparatus and computer hologram data creation method
JP2015001726A (en) * 2013-06-18 2015-01-05 学校法人 関西大学 Hologram recording apparatus and hologram recording method
JP2015232869A (en) * 2014-05-16 2015-12-24 株式会社リコー Image processor, image processing method and image processing program
WO2017065130A1 (en) * 2015-10-13 2017-04-20 学校法人 関西大学 Image reproduction device, image reproduction method, and digital holography device
WO2018147473A1 (en) * 2017-02-10 2018-08-16 国立大学法人京都工芸繊維大学 Three-dimensional object information measuring device
CN107885070A (en) * 2017-06-27 2018-04-06 郑州大学 A kind of incoherent digital hologram single exposure imaging method and system based on SLM

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