JP2022097130A - 光変調素子、ホログラム撮像装置、及び像再構成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率が高く、画質の良好なホログラムを撮像し、３次元情報を精度よく再構成することができる光変調素子、ホログラム撮像装置、及び像再構成装置を提供する。【解決手段】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、これら２つの光波の複素振幅分布に互いに異なる球面位相を付与し、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させてホログラムを形成し、撮像するホログラム撮像装置において、第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を、前記第１分割光と前記第２分割光それぞれに付与し、この周期的な位相分布に起因して生じる回折光を利用して、３枚のホログラムを撮像素子の撮像面上に形成させ、前記３枚のホログラムを同時に取得することを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、光変調素子、ホログラム撮像装置、及び像再構成装置に関し、特に、インコヒーレントホログラフィによる撮像技術に関連する光変調素子、ホログラム撮像装置、及び像再構成装置に関する。

ホログラフィは物体の３次元情報を取得・再構成する技術である。特に、インコヒーレントホログラフィの技術では、太陽光や一般的な屋内の照明光、蛍光などの空間的なコヒーレンスが低い光源で物体のホログラムを撮像でき、自然光環境下での立体撮像を実現可能という特徴がある。このことから、インコヒーレントホログラフィでは、レーザー光源を用いる立体撮像手法を導入する際に検討するべきアイセーフの問題を考慮する必要がなく、受動的な立体撮像手法を実現できる有力な候補である。

一般に、ホログラフィで３次元情報を取得するためには、位相情報或いは複素振幅情報（位相情報と振幅情報を合わせたもの）の検出が必要である。その情報の検出に、位相シフト法がよく用いられる（例えば、特許文献１）。位相シフト法とは、光の位相シフト量（つまり縞の明暗の位置）が異なる、複数枚のホログラムを撮像し、これらを解析することで、位相情報或いは複素振幅情報を検出する技術である。

位相シフト法に必要な複数枚のホログラムを撮像する際に、ピエゾ素子や液晶などの空間光変調器等を用いて、逐次的に光の位相をシフトさせて、その都度、ホログラムを撮像する時分割の位相シフト法（例えば、特許文献１、非特許文献１）がよく利用されている。しかし、この方法では、位相情報或いは複素振幅情報を検出するために複数回の撮像が必要であるため、動画撮像には適用困難である。

そこで、動画撮像にも適用するために、位相シフト法に必要な複数枚のホログラムを一括に撮像する空間分割の位相シフト法が提案されている（特許文献２）。特許文献２では、撮像対象物体から反射、透過、散乱してきた光を、市松状に変化した構造を有する光変調素子により変調する。この光変調素子は、市松状の位相分布を光に付与する。市松状に変化する位相分布を付与された光は、４つに分割され、それぞれ異なる位相シフト量が付与され、さらに、市松状の位相分布の周期に対応した４つの方向に伝搬する。これにより、位相シフト法に必要な４枚のホログラムを撮像素子面上に同時に形成させることができ、一度の撮像で４枚のホログラムを一括に撮像することができる。

特許第６４１６２７０号公報 特開２０１９－１４４５２０号公報

Myung K. Kim, "Full color natural light holographic camera," Optics Express, vol. 21, (2013), pp. 9636-9642 Joseph W. Goodman, "Introduction to Fourier Optics," -3rd edition, p. 214

しかしながら、市松状に変化した光変調素子を用いる場合、入射光を４つに分割しているため、理想的に光を変調できたとしても、各ホログラムにおける入射光の光利用効率は１００×１／４＝２５％になる。また、厳密には、市松状に変化した光変調素子で光を変調する際に、高周波成分の光も発生してしまう。特許文献２の市松状に変化した光変調素子の場合、各ホログラムにおける入射光の光利用効率は、理論的には約１６％である。そして、この（２５％－１６％）のエネルギーは高周波成分に相当しており、４枚のホログラムに寄与しない。これに加え、市松状に変化した光変調素子に欠陥が生じている場合には不要な０次光成分が発生してしまう。また、光変調素子の特性、加工誤差にも起因して、さらに各ホログラムの光利用効率が低下してしまう。

光利用効率が低下すると、主に２つの問題を引き起こす。一つは、撮像素子で撮像する際に光量の減少に伴う信号対雑音比の低下が原因で、撮像素子のノイズの影響が顕著になり、立体映像の画質が低下する。もう一つは、ホログラム撮像時に光量を補うために、露光時間を長く設定する必要があり、その露光時間に対して動きが速い撮像対象・動的な現象を撮像する際には、立体映像がぼやけてしまう。

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、従来技術よりも光利用効率が高い空間分割位相シフト法を実現する光変調素子、及び、当該空間分割位相シフト法を利用して、画質の良好なホログラムを撮像し、３次元情報を精度よく再構成することができる、ホログラム撮像装置及び像再構成装置を提供することにある。

上記課題を解決するために本発明に係るホログラム撮像装置は、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、これら２つの光波の複素振幅分布に互いに異なる球面位相を付与し、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させてホログラムを形成し、撮像するホログラム撮像装置において、第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を、前記第１分割光と前記第２分割光それぞれに付与し、この周期的な位相分布に起因して生じる回折光を利用して、３枚のホログラムを撮像素子の撮像面上に形成させ、前記３枚のホログラムを同時に取得することを特徴とする。

また、前記ホログラム撮像装置は、第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を光に付与する光変調素子を２枚備え、一方の光変調素子で前記第１分割光を変調し、他方の光変調素子で前記第２分割光を変調し、変調する際に、他方の光変調素子の位相分布が一方の光変調素子の位相分布に対して第１の方向にずれている２枚の光変調素子を用いて変調する、又は、一方の光変調素子と前記第１分割光との位置関係と、他方の光変調素子と前記第２分割光との位置関係を、第１の方向にずらして配置して変調することが望ましい。

また、前記ホログラム撮像装置は、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに回転方向の異なる円偏光にする手段と、第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を光に付与する光変調素子であって、各円偏光をそれぞれ３方向に分割する光変調素子と、３つの領域を透過軸の方向が互いに異なる偏光子で構成した３領域分割偏光子とを備え、前記３領域分割偏光子の各領域に３方向に分割された円偏光をそれぞれ対応させて透過させることが望ましい。

また、前記ホログラム撮像装置は、前記第１分割光及び前記第２分割光を互いに回転方向の異なる円偏光にする手段が、伝搬してくる光を透過させる、斜め４５度の方向に透過軸を有する直線偏光子と、前記直線偏光子を透過した直線偏光を変調する複屈折レンズと、前記複屈折レンズを透過した光を円偏光に変換する４分の１波長板とを備えることが望ましい。

また、前記ホログラム撮像装置は、伝搬してくる光を透過させる、斜め４５度の方向に透過軸を有する直線偏光子と、前記直線偏光子を透過した直線偏光を変調する複屈折レンズと、光の１方向の電場ベクトルに対して、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与し、前記１方向の電場ベクトルと直交する方向の電場ベクトルに対して、位相分布が第１の方向に沿ってずれた、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与する光変調素子であって、前記複屈折レンズを透過した垂直直線偏光と水平直線偏光をそれぞれ３方向に分割する光変調素子と、前記光変調素子で３方向に分割された垂直直線偏光と水平直線偏光を透過させる直線偏光子とを備えることが望ましい。

また、前記ホログラム撮像装置は、前記光変調素子が、レンズの位相分布を重畳した反射型或いは透過型の光変調素子であることが望ましい。

上記課題を解決するために本発明に係る像再構成装置は、前記ホログラム撮影装置で撮影したホログラムの画像データを入力とし、前記画像データから３枚の個別のホログラムを抽出し、位相シフト法により複素振幅分布を求め、伝搬計算により像を再構成することを特徴とする。

また、前記像再構成装置は、あらかじめ取得しておいた光変調素子の０次光と±１次光の光強度又は回折効率の比を用いて、ホログラムの強度を補正した位相シフト法により複素振幅分布を求めることが望ましい。

上記課題を解決するために本発明に係る光変調素子は、光の１方向の電場ベクトルに対して、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与し、前記１方向の電場ベクトルと直交する方向の電場ベクトルに対して、位相分布が第１の方向に沿ってずれた、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与する光変調素子であって、進相軸又は遅相軸の向きが互いに異なる４種類の移相子が第１の方向に所定の順番で繰り返し配置されており、第１の方向に沿った位相分布のずれをｓ、２諧調の位相分布の幅をｄ₁、ｄ₂とするとき、４種類の移相子の幅はそれぞれ、ｓ，ｄ₁－ｓ，ｓ，ｄ₂－ｓであることを特徴とする。

本発明の光変調素子、ホログラム撮像装置、及び像再構成装置によれば、従来技術よりも光利用効率が高く、画質の良好なホログラムを撮像し、３次元情報を精度よく再構成することができる。

本発明のホログラム撮像装置及び像再生装置の概念図である。 光変調素子が光に付与する位相分布の例である。 光変調素子の構造の例を示す平面図と断面図である。 第１の実施形態のホログラム撮像装置の例である。 第２の実施形態のホログラム撮像装置の例である。 第３の実施形態のホログラム撮像装置の例である。 ３領域分割偏光子の透過軸の例を示す図である。 第４の実施形態のホログラム撮像装置の例である。 本発明の光変調素子（偏光回折格子）の光学特性を説明する図である。 撮像対象物体を示す図である。 撮像素子で撮影したホログラム（強度画像）である。 対象物体を再構成した結果である。 位相ずれが発生している場合に撮影されるホログラム（強度画像）の例である。 強度画像の補正の有無による、対象物体を再構成した結果である。

以下、本発明について、図面を用いて説明する。図１は、本発明のホログラム撮像装置及び像再生装置の概念図である。本発明は、インコヒーレント光を用いる干渉計を構築し、これをホログラム撮像装置とする。

本発明のホログラム撮像装置は、インコヒーレント光の分割手段２と、球面位相変調素子３，４と、光変調素子５，６と、光の合波手段７と、撮像素子８とを備えており、さらに、像再構成装置を構成するための演算装置１０を備えている。

ホログラムを撮像する過程の概要を説明する。物体（撮像対象物体）１を光で照明し、その透過光、反射光、或いは蛍光、自発光を、分割手段２により、２つに分割する。光を分割する手段としては、例えば、ビームスプリッターや、偏光の直交性を利用することが可能である。分割した後の２つの光を、それぞれ第１分割光、第２分割光とする。

第１分割光と第２分割光それぞれを、位相分布の曲率半径が異なる球面位相変調素子３，４を用いて変調する。球面位相変調素子３，４としては、例えば、一般的なレンズの他、複屈折レンズ、空間光変調器で実現したフレネル回折レンズ、偏光回折レンズ、偏光ディレクトフラットレンズ等が挙げられる。

その後、光に位相分布を付与する機能を有する光変調素子５，６で、第１分割光、第２分割光にそれぞれ所定の位相分布を付与する。光変調素子５，６は、後に詳述するが、入射光に対して、第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与する機能を有する。ここでは、光変調素子５の位相分布を“位相分布１”とし、光変調素子６の位相分布を“位相分布２”とする。なお、各分割光に付与する位相分布は、逆になってもよい。

光変調素子５，６で変調された後、第１分割光と第２分割光はそれぞれ、３つに分割される。３つに分割される光は、光変調素子５，６で付与した周期的な位相変化に起因する回折現象に由来しており、２階調で変化する位相分布の０次光成分、±１次光成分の回折光に対応している。その後、これらの光を合波手段７で合波する。光を合波する手段としては、例えば、ビームスプリッター等を利用することが可能である。

その後、第１分割光と第２分割光を撮像素子８の撮像面上で干渉させる。撮像面上では、３枚のホログラムが形成される。撮像素子８でこれを一括に（同時に）撮像し、撮影画像９（すなわち、３つのホログラム）を得る。ホログラム撮像装置としては、例えば、この撮影画像９を記録媒体に記録・保存することができる。更に、この撮影画像９を像再構成装置である演算装置１０に転送し、信号処理を施すことで、撮像対象物体の立体像を再構成することができる。

なお、図１では、１台の撮像素子で３枚のホログラムを撮影しているが、３台の撮像素子を並べて配置し、各撮像素子で１枚ずつホログラムを撮影してもよい。複数の撮像素子を用いた場合でも、３つのホログラムを同時に取得することが望ましい。像再構成の信号処理の内容については後述する。

本発明では、ホログラムを形成させるための光を３方向に分割するため、特許文献２の市松状の格子を用いて光を４方向に分割する手法と比べて、光の利用効率が高い。理論的には、各ホログラムにおける入射光の光利用効率は、約２９％改善可能である。さらに、光学系が比較的小型であり、構築が容易となる。

本発明の光学系に用いる光変調素子５，６について説明する。図２は、ホログラム撮像装置の光変調素子が光に付与する位相分布の例であり、図２（ａ）は光変調素子５を、図２（ｂ）は光変調素子６を示している。光変調素子５，６は、ホログラムを形成させる第１分割光と第２分割光に対して、１軸方向（第１の方向、ここではｘ方向）に周期的に変化する位相分布を付与し、１軸方向と直交する方向（第２の方向、ここではｙ方向）には一定の位相分布を与える。

光変調素子５，６は、ｄ₁の幅の領域５１，６１で位相＋Δφを光に付与し、ｄ₂の幅の領域５２，６２で位相－Δφを光に付与し、光変調素子５，６の全体は、周期ｄ₁＋ｄ₂で１軸方向（ｘ方向）に変化する２階調の位相分布である。例えば、図２（ａ）の位相分布を第１分割光に付与し、図２（ｂ）の位相分布を第２分割光に付与する。なお、図２（ａ）と図２（ｂ）の位相分布は本質的に同じものであるが、図２（ｂ）は、図２（ａ）に対して、位相分布が変化している方向（ｘ方向）に沿ってｓだけずれている。ｓずらすことで生じる影響及び必要性については後述する。

このように、本発明の光学系に用いる光変調素子５，６は、入射光に対して、１軸方向（第１の方向）には周期的に変化し、これと直交する方向（第２の方向）には一定の２階調の位相分布を付与する機能を有する。光変調素子５，６で変調された第１分割光及び第２分割光は、それぞれの分割光と同質の３つの光に分割される。これらを一括に干渉させて、撮像することで、比較的高い光利用効率で複素振幅分布の解析に必要な３枚のホログラムを取得することができる。

図３は、光変調素子５の構造の例を示す平面図と断面図である。図２（ａ）の位相分布を付与する機能を有する光変調素子５は、例えば、１軸方向（第１の方向、ここではｘ方向）に周期的な凹凸構造の変化を有する反射型又は透過型の回折格子を用いることができる。また、ｘ軸方向に周期的な光学的構造を有し、ｙ軸方向に一様な光学的構造を有する素子を作製することで実現することができる。

図３（ａ）は、ｘ軸方向に凹凸の周期構造が形成されており、それと直交するｙ方向には構造の変化がない。これは、屈折率が等方的な材料でできた回折格子に相当している。光変調素子を透過するｚ方向の光は、所定の屈折率の物質を通過する距離の違いにより、異なる位相が与えられる。例えば、凹の部分５３で＋Δφ（又は、－Δφ）の位相を付与し、凸の部分５４で－Δφ（又は、＋Δφ）の位相を付与する。

図３（ｂ）は、波長と同程度、或いは波長以下の大きさのナノロッドを形成させたメタサーフェスであり、ｘ軸方向にはナノロッド直径が異なるものが周期的に配列され、ｙ方向には直径が同じナノロッドが配列されている。例えば、直径が小さいナノロッドが配置された領域５５で＋Δφ（又は、－Δφ）の位相を付与し、直径が大きいナノロッドが配置された領域５６で－Δφ（又は、＋Δφ）の位相を付与する。なお、メタサーフェスの構造に関しては、ナノロッド以外にもさまざま構造を適用しうるが、特定の形状に限定するものではなく、図２の位相分布を付与できれば、どのような構造でもよい。例えば、撮像対象の光の波長と同程度、或いはそれ以下の大きさのナノピラー、ナノブロック等で構成される素子を用いてもよい。

図３（ａ）と図３（ｂ）の光変調素子５を比較すると、図３（ａ）の方が、図３（ｂ）よりも加工が比較的に容易で大型の素子を作製しやすい。しかし、図３（ａ）では、入射角度が大きい光が入射する場合に、凹凸構造の段差が大きいことで凸構造の側面で光が全反射や屈折を生じ、光の利用効率が低下する。つまり、光の入射角依存性が強い。一方で、図３（ｂ）では、図３（ａ）よりも加工が困難であるが、波長程度、或いは波長以下の大きさの凹凸が配置されているため、全反射や不要な屈折が抑えられ、入射角依存性が低く、光の利用効率を高くすることができる。

次に、図１のホログラム撮像装置を実現する光学系について詳述する。

（第１の実施形態）
図４は、第１の実施形態のホログラム撮像装置の例である。第１の実施形態は、図２の位相分布を付与する透過型の光変調素子５，６を用いて、マッハツェンダー干渉計に基づきホログラム撮像装置を構成したものである。

図４のホログラム撮像装置は、倍率調整用レンズ１１と、波長フィルター１２と、ビームスプリッター２と、球面位相変調素子３と、ミラー１３，１４と、光変調素子５，６と、ビームスプリッター７と、撮像素子８とを備えている。

倍率調整用レンズ１１は、物体１からの透過光、反射光、或いは蛍光、等の自発光を屈折させて、所望の大きさの像となるように倍率を拡大・縮小して調整を行う。なお、倍率調整用レンズ１１の使用は任意である。

波長フィルター１２は、光のバンドパスフィルタであり、インコヒーレントな光波の特定の帯域の光のみを透過させ、時間的コヒーレンスを向上させる。透過する光の波長幅は、例えば、１ｎｍ～１００ｎｍである。なお、波長フィルター１２の使用は任意である。波長フィルター１２は、立体映像の空間分解能を向上したい場合に用いる。

ビームスプリッター２は、光の分割手段として機能し、波長フィルター１２を透過した光を、第１分割光と第２分割光に分割する。第１分割光は球面位相変調素子３に向かって進み、第２分割光はミラー１４に向かって進む。

球面位相変調素子３は、例えば、一般的なレンズで構成され、第１分割光に対して所定の球面位相を付与する。球面位相変調素子３は、複屈折レンズ、フレネル回折レンズ、偏光回折レンズ、偏光ディレクトフラットレンズ等であってもよい。なお、図４では、ビームスプリッター２で分波した後、一方の光路（第１分割光）にのみ、球面位相変調素子３としてレンズを用いているが、レンズを配置していない光路の方は、曲率が無限小の変調を行っていることと同等であり、第１分割光と第２分割光に、互いに異なる曲率半径の位相分布が与えられることとなるので、ホログラムの形成に問題とならない。球面位相変調素子を他方の光路（第２分割光）のみに設けてもよく、両方の光路に異なる球面位相変調素子３，４を設けてもよい。

ミラー１３は、球面位相変調素子３を透過した第１分割光を所定の角度で反射し、光変調素子５に向かわせる。また、ミラー１４は、ビームスプリッター２からの第２分割光を所定の角度で反射し、光変調素子６に向かわせる。

光変調素子５は透過型の素子であって、透過する第１分割光に対して、図２（ａ）に示す位相分布を与える。このとき、第１分割光は回折により、位相分布の０次光成分、及び±１次光成分に対応する３つの光に分割されて、ビームスプリッター７へ向かう。同様に、光変調素子６も透過型の素子であって、透過する第２分割光に対して、図２（ｂ）に示す位相分布を与える。このとき、第２分割光は回折により、位相分布の０次光成分、及び±１次光成分に対応する３つの光に分割されて、ビームスプリッター７へ向かう。光変調素子５，６は、回折により光を３分割する機能と、後述のように、第１分割光と第２分割光に対して、位相シフトを与える機能とを有している。

ビームスプリッター７は、光の合波手段として機能する。すなわち、第１分割光に対しては入射したままの方向で透過させ、第２分割光に対しては反射して９０度方向を変える。これにより、第１分割光と第２分割光は合波されて、共に、撮像素子８に向かう。

撮像素子８の撮像面上では、３枚のホログラムが形成され（図１の撮影画像９のイメージを参照）、これを撮像素子８で撮像する。

この撮影画像９から、３枚のホログラムを抽出する。中央部のホログラムに付与される位相シフト量を基準とすると、左右の各ホログラムに付与される、位相シフト量Δφ_L、Δφ_Rは、次式（１）、（２）であらわされる。

Δφ_L、Δφ_R≠０であれば、３ステップの位相シフト法のアルゴリズムを適用することで、撮像対象物体１の３次元情報が反映された複素振幅分布が得られる。なお、Δφ_L、Δφ_Rは上式からわかるように、光変調素子５，６の位相分布のずれｓにより調整することができる。高精度に位相シフト法を適用するためには、ｓ＝±（ｄ₁＋ｄ₂）／２或いはｓ＝±２（ｄ₁＋ｄ₂）／３とすることが望ましい。すなわち、ｓは、１軸方向の周期に対して、半分、或いは２／３の長さが望ましい。また、ｄ₁＝ｄ₂のときに、かつｄ₁とｄ₂が光の波長に対して十分に大きい場合には、非特許文献２に記載の回折効率の理論式より、Δφを0.3196πradとすると、理論的には３枚のホログラムを同等の強度で形成できる。

本実施形態においては、光変調素子（第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を光に付与する光変調素子）５，６を用いており、他方の光変調素子６の位相分布が一方の光変調素子５の位相分布に対して第１の方向にｓずれている２枚の光変調素子を用いて変調している。しかし、これに代えて、同一の光変調素子を２枚用い、一方の光変調素子と第１分割光との位置関係と、他方の光変調素子と第２分割光との位置関係とを第１の方向（位相が周期的に変化している方向）にずらして配置して変調してもよい。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態のホログラム撮像装置の例である。第２の実施形態は、図２の位相分布を付与する反射型の光変調素子５，６を用いて、マイケルソン干渉計に基づきホログラム撮像装置を構成したものである。

図５のホログラム撮像装置は、倍率調整用レンズ１１と、波長フィルター１２と、ビームスプリッター２（７）と、球面位相変調素子４と、光変調素子５，６と、撮像素子８とを備えている。図４のホログラム撮像装置と共通する構成については、説明を簡略化する。

倍率調整用レンズ１１は、物体１の像を所望の大きさとなるように倍率の調整を行う。また、波長フィルター１２は、インコヒーレントな光波の特定の帯域の光のみを透過させる。なお、倍率調整用レンズ１１及び波長フィルター１２の使用は任意である。

ビームスプリッター２（７）は、光の分割手段２及び合波手段７として機能する。すなわち、ビームスプリッター２（７）は、波長フィルター１２を透過した光を第１分割光と第２分割光に分割する。そして、第１分割光は光変調素子５に向かって進み、第２分割光は球面位相変調素子４及び光変調素子６に向かって進む。また、ビームスプリッター２（７）は、光変調素子５，６で反射された第１分割光と第２分割光を合波する。そして、合波された第１分割光と第２分割光は撮像素子８に向かう。

球面位相変調素子４は、例えば、レンズで構成され、第２分割光に対して所定の球面位相を付与する。球面位相変調素子を第１分割光側に設けてもよく、両方の光路に異なる球面位相変調素子３，４を設けてもよい。

光変調素子５，６は反射型の素子であり、光変調素子５は反射した第１分割光に対して、図２（ａ）に示す位相分布を与え、光変調素子６は反射した第２分割光に対して、図２（ｂ）に示す位相分布を与える。また、第１分割光及び第２分割光は回折により、それぞれ３つの光に分割され、ビームスプリッター７を経て撮像素子８へ向かう。光変調素子５，６は、回折により光を３分割する機能と、第１分割光と第２分割光に対して、位相シフトを与える機能とを有している。

分割光を反射型の光変調素子５，６で変調する本光学系を用いた場合でも、第１の実施形態と同様に３枚のホログラムを撮像素子８の撮像面上で形成させることができる。なお、３枚のホログラムに付与される位相シフト量の考え方は、第１の実施形態と同じである。

本実施形態においては、反射型の光変調素子（第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を反射光に付与する光変調素子）５，６を用いており、他方の光変調素子６の位相分布が一方の光変調素子５の位相分布に対して第１の方向にｓずれている２枚の光変調素子を用いて変調している。しかし、これに代えて、同一の光変調素子を２枚用い、一方の光変調素子と第１分割光との位置関係と、他方の光変調素子と第２分割光との位置関係とを第１の方向（位相が周期的に変化している方向）にずらして配置して変調してもよい。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態のホログラム撮像装置の例である。第３の実施形態は、単一の光路の干渉計によりホログラム撮像装置を構成したものである。図４、図５は２光路の干渉計に基づいているが、光路が２つに分けられてしまうため、振動や空気の揺らぎの影響を受けやすい。図６の干渉計を用いることで、単一の共通光路で、図２（ａ）又は図２（ｂ）の位相分布を付与する光変調素子を一つだけ用い、第１及び第２の実施形態と同様の３枚のホログラムを撮像することができる。

図６のホログラム撮像装置は、倍率調整用レンズ１１と、直線偏光子１５と、複屈折レンズ１６と、４分の１波長板１７と、光変調素子５と、３領域分割偏光子１８と、撮像素子８とを備えており、さらに、像再構成装置を構成するための演算装置１０を備えている。図４，５のホログラム撮像装置と共通する構成については、説明を簡略化する。

倍率調整用レンズ１１は、物体１の像を所望の大きさとなるように倍率の調整を行う。倍率調整用レンズ１１の使用は任意である。

直線偏光子１５は、斜め４５度の方向に透過軸を有する直線偏光子である。物体１から伝搬してくる光を、直線偏光子１５に透過させると、斜め４５度の直線偏光となる。斜め４５度の直線偏光は、垂直直線偏光と水平直線偏光の重ね合わせとして考えることができ、垂直直線偏光と水平直線偏光の一方を第１分割光、他方を第２分割光とする。

複屈折レンズ１６は、光学的異方性を有するレンズであり、偏光方向により屈折率が変化する。斜め４５度の直線偏光を、複屈折レンズ１６で変調することにより、垂直直線偏光と水平直線偏光、すなわち、第１分割光と第２分割光のそれぞれに、曲率半径が異なる球面位相を付与することができる。

４分の１波長板１７は、直線偏光を円偏光又は楕円偏光に変える。すなわち、第１分割光及び第２分割光を、進相軸又は遅相軸が４５度傾いた４分の１波長板１７に入射させることにより、直交する２つの直線偏光（垂直直線偏光と水平直線偏光）が直交する２つの円偏光（左回り円偏光と右回り円偏光）に変換される。

光変調素子５は、例えば、図２（ａ）の位相分布１を付与する光変調素子である。光変調素子５により、２つの円偏光を変調する。その結果、第１分割光と第２分割光である左回り・右回りの円偏光は、それぞれ３つずつに分割される。これらの光を３領域分割偏光子１８に入射させる。なお、本実施形態では、光変調素子５は、入射光を３分割する素子として用いられており、２つの分割光に位相シフトを与えるものではない。

図７は、３領域分割偏光子１８の透過軸の例を示す図である。３領域分割偏光子１８は、図７に示すように、透過軸が異なる３枚の直線偏光子１８１，１８２，１８３で構成される。３領域分割偏光子１８の３つの領域に、３分割された円偏光をそれぞれ対応させて透過させる。偏光子の透過軸の角度に応じて、第１分割光（左回り円偏光）と第２分割光（右回り円偏光）は異なる位相シフトを生じ、偏光状態が同じで位相が異なる２つの直線偏光として直線偏光子１８１～１８３からそれぞれ出力される。

この３領域分割偏光子１８を通過した後に、直線偏光となった第１分割光と第２分割光は互いに干渉し、撮像素子８の撮像面上に位相シフト量が異なる３枚のホログラムが、一括に形成される。したがって、本実施形態においても、撮像素子８による１回の撮影で、位相シフト法に必要な３枚のホログラムを同時に得ることができる。撮像されたホログラムの画像データ（撮影画像９）は演算装置１０に伝送される。

図４と図５の２枚の光変調素子を用いる光学系と異なり、本実施形態の光学系では、ホログラムに付与される位相シフト量は以下のように決定される。３領域分割偏光子１８の中心の偏光子１８２の透過軸の角度を基準とし、左隣、右隣の偏光子１８１，１８３の角度を－θ，＋θそれぞれ回転させると、中心のホログラムに付与させる位相シフト量を基準として、左右に形成されるホログラムそれぞれに、Δφ_L＝－２θ、Δφ_R＝＋２θの位相シフト量が付与される。高精度に位相シフト法を適用するためには、θ＝±π/4或いはθ＝±π/3とすることが望ましい。また、複屈折レンズ１６と４分の１波長板１７のかわりに、偏光回折レンズ或いは偏光ディレクトフラットレンズを用いてもよい。なお、光変調素子５が反射型の素子である場合には、光変調素子５の前にビームスプリッターを配置すればよい。

本実施形態は、第１分割光及び第２分割光を互いに回転方向の異なる円偏光にする手段を用い、図２の位相分布を付与する光変調素子を１枚用いて円偏光の光波を変調してそれぞれ３方向に分割し、３方向に分割された円偏光を透過軸の方向が互いに異なる３つの偏光子で構成した３領域分割偏光子の各領域に透過させ、３つのホログラムを同時に取得するものである。図４及び図５の２光路の干渉計の構成と比較して、本実施形態では、単一光路で光学系を構築でき、振動や空気の揺らぎ等の外乱やノイズに対して高い堅牢性がある。

（第４の実施形態）
図８は、第４の実施形態のホログラム撮像装置の例である。第４の実施形態は、単一の光路の干渉計によりホログラム撮像装置を構成した別の例である。

図８のホログラム撮像装置は、倍率調整用レンズ１１と、直線偏光子１５と、複屈折レンズ１６と、光変調素子（偏光回折格子）１９と、直線偏光子２０と、撮像素子８とを備えており、さらに、像再構成装置を構成するための演算装置１０を備えている。図４～６のホログラム撮像装置と共通する構成については、説明を簡略化する。

第３の実施形態（図６）の光学系では４分の１波長板１７が必要であったが、本実施形態の光学系では不要であり、光学素子の枚数を低減できるため、光の反射・吸収が抑えられ、光利用効率が比較的高い。また、３領域分割偏光子１８ではなく、通常の直線偏光子２０を撮像素子８の前に設置するため、光学系の構築が比較的容易である。

倍率調整用レンズ１１は、物体１の像を所望の大きさとなるように倍率の調整を行う。また、直線偏光子１５は、物体１から伝搬してくる光を斜め４５度の直線偏光とする。これにより、第１分割光（垂直直線偏光）と第２分割光（水平直線偏光）を生成する。そして、複屈折レンズ１６は、垂直直線偏光と水平直線偏光、すなわち、第１分割光と第２分割光のそれぞれに、曲率半径が異なる球面位相を付与する。

光変調素子（偏光回折格子）１９は、光変調素子５（図２（ａ））と光変調素子６（図２（ｂ））の位相分布の両方を、直交する２つの直線偏光に付与する。すなわち、光の１方向の電場ベクトルに対して、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与し、１方向の電場ベクトルと直交する方向の電場ベクトルに対して、位相分布が第１の方向に沿ってずれた、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与する光変調素子である。さらに、複屈折レンズ１６を透過した第１分割光と第２分割光（垂直直線偏光と水平直線偏光）をそれぞれ３方向に分割する。

その後、直線偏光子２０により、３方向に分割された第１分割光と第２分割光は偏光方向が揃った直線偏光となり、互いに干渉して撮像素子８の撮像面上に位相シフト量が異なる３枚のホログラムが、一括に形成される。よって、撮像素子８による１回の撮影で、位相シフト法に必要な３枚のホログラムを同時に得ることができる。撮像されたホログラムの画像データ（撮影画像９）は演算装置１０に伝送される。

図９は、本発明の光変調素子（偏光回折格子）１９の光学特性を説明する図である。図９（ａ）に示されるように、光変調素子１９は、それぞれ特性の異なる４種類の移相子により構成される。Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの各領域は、進相軸又は遅相軸の向きが異なる移相子の機能を有しており、４種類の移相子が第１の方向に所定の順番で繰り返し配置されている。第１の方向に沿った位相分布のずれをｓ、２諧調の位相分布の幅をｄ₁、ｄ₂とするとき、領域Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの幅は、それぞれ、ｓ，ｄ₁－ｓ，ｓ，ｄ₂－ｓである。また、各移相子の特性は、ジョーンズ行列を用いると以下の（３）～（６）式のように表される。

ここで、Ｋは光変調素子自体の屈折率と吸収係数に起因する複素振幅値の変化を与える定数であり、ｉは虚数、ψは任意の回転角度、Δは進相軸と遅相軸の位相差、つまり、水平直線偏光と垂直直線偏光の位相のずれ量をあらわす。図９のｄ₁，ｄ₂，ｓは、図２と同様に設定することが望ましく、特に、ｄ₁＝ｄ₂のときに、かつｄ₁とｄ₂が光の波長に対して十分に大きい場合には、Δを0.6391πradとすると、理論的には３枚のホログラムを同等の強度で形成できる。高精度に位相シフト法を適用するためには、ｓ＝±（ｄ₁＋ｄ₂）／２或いはｓ＝±２（ｄ₁＋ｄ₂）／３とすることが望ましい。

図９（ｂ）は、図９（ａ）の機能を実現する素子の概念図であり、網掛けの線の方向が、移相子の進相軸又は遅相軸の向きを表している。図９（ｂ）では、ψ＝０の場合のものを示しており、進相軸、遅相軸が４５度ずつ異なっていることがわかる。なお、光変調素子１９は、反射型・透過型のいずれであってもよい。本素子は、液晶高分子、高分子の配向膜、光学結晶、構造複屈折、メタサーフェス等を用いることで作製することができ、素子の材質・構造の形状に関しても無数のアプローチが存在する。上述の説明に基づき、図２に対応する位相分布を付与できれば、本素子の作製技術、方法、材料、形状に関して限定するものではない。

本実施形態の光変調素子（偏光回折格子）１９は、１枚の光変調素子で、図２（ａ）及び図２（ｂ）の１軸方向に変化する位相分布を第１分割光と第２分割光にそれぞれ付与するものである。この光変調素子１９を１枚用いて光を変調し、この変調後の光波の直交する２つ電場ベクトルをそれぞれ第１分割光、第２分割光として扱い、これらの光波を直線偏光子に透過させた後、干渉させることで、共通光路の干渉計で構築されるホログラム撮像装置を構成することができる。

本実施形態の構成は、第３の実施形態の単一光路の干渉計の構成と比較して、入射光の偏光状態が円偏光である必要がないために、光学素子の数を削減でき、光利用効率が高く、より高精度にホログラムを撮像できる。

各実施形態の光学系では、ぞれぞれの光路で球面位相を付与するためのレンズを配置しているが、レンズと同じ機能を有する位相分布を、図２の位相分布に重ね合わせた位相分布を光変調素子で付与してもよい。この場合の光変調素子に関して、具体例は明示しないが、実現したい光の位相量に応じて、構造を変化させればよく、本明細書の開示及び公知技術に基づいて作製可能である。また構造の選択肢としても無数に存在するため、それらを限定するのではなく、１軸方向に周期的に変化する２階調の位相と、レンズの位相が重畳していればよい。このことにより、すべての撮像装置で、光学系の構成の簡略化、光利用効率の改善が可能である。

また、本発明では、素子の加工精度に応じて、ホログラムの強度値がばらつく恐れがあるが、後述する位相シフト法のアルゴリズムを適用することにより、高精度な像を得ることができる。以上から、本発明はより実用的なホログラム撮像装置を提供することができる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の像再構成装置による、３次元情報を再構成する処理について説明する。像再構成装置は、本発明のホログラム撮影装置で撮影したホログラムの画像データを入力とする。

第１乃至第４の実施形態のいずれの光学系を用いた場合でも、撮像素子８の撮像面上で形成される３枚のホログラムは本質的に同じであり、像再構成装置（演算装置）１０で行う信号処理はすべての光学系で共通である。まず、撮影画像９から、３枚のホログラムを独立して切り出す。このとき、３枚のホログラムを、位置を合わせながら切り出す必要があるが、相関演算を利用することで、高精度にホログラムを抽出することができる。これらに対して、３ステップの位相シフト法を適用することで、物体から伝搬してきた光の複素振幅分布ｏ(x,y)を得る。

この際に、もし光変調素子に作製誤差が生じている場合、入射光に付与される位相分布が設計値とずれてしまい、入射光を３分割する際に各光波に対して、光強度のばらつきを生じさせる。この光強度のばらつきが生じていると、撮像素子８上で形成されるホログラムの強度にもずれが生じてしまう。このような状況で、通常の３ステップの位相シフト法のアルゴリズムを適用してしまうと、計測誤差が大きくなり、撮像対象物体の画質が著しく低下する。このように、光変調素子の作製誤差が大きく、その影響が無視できない場合には、撮像する前にあらかじめ光変調素子からの０次光と±１次光の光強度或いは回折効率の比の情報を計測・取得しておき、その強度差を補正した位相シフト法のアルゴリズムの信号処理により、画質を改善することが可能である。

具体的には、次の（７）式を用いた３ステップ位相シフト法を用いる。

ここで、Ｉ_C(x,y)、Ｉ_L(x,y)、Ｉ_R(x,y)はそれぞれ、撮像素子８の撮像面上で形成される中央部、左側、右側に形成されるホログラムの強度分布であり、φ_C、φ_L、φ_Rはそれぞれのホログラムに付与されている位相シフト量をあらわす。αとβは、それぞれ光変調素子の－１次光と０次光の回折効率の比、＋１次光と０次光の回折効率の比である。αとβの値は、あらかじめ、回折効率を測定することにより測定することができる。作製誤差が十分に小さい、或いは、その影響を無視できる場合には、α＝β＝１とすれば、通常の３ステップの位相シフト法と同等である。ｏ(x,y)は、撮像素子面上での、物体から伝搬してきた光の複素振幅分布である。（７）式に基づくアルゴリズムを用いることで、光変調素子の作製誤差に対してロバストに、物体からの光波の複素振幅分布を測定することができる。

ｏ(x,y)から物体の３次元情報を再構成する過程は、特許文献２に記載されている方法と同様であり、演算装置内で伝搬計算を適用することにより、物体の像が得られる。

（実施例と効果の検証）
実施例として、図６の光学系に基づきホログラムを撮像・再構成し、その結果を以下に示す。

光源の波長は６３３ｎｍとし、光変調素子としては、ｄ₁＝ｄ₂＝１９．５μｍ、ｓ＝１３μｍ、Δφ＝0.3196πradとした。

本実施例では、図１０に示す“１”、“２”の物体を撮像対象とした。“１”、“２”の物体の大きさはそれぞれ、１１７μｍ×１８８．５μｍ、１２３．５μｍ×１７５．５μｍである。“１”の物体を基準とすると、“２”の物体の面内方向の中心位置は、（ｘ＝３６４μｍ、ｙ＝－３１８．５μｍ）である。また、物体“１”と“２”の間の奥行（ｚ）方向の距離は、２０ｍｍである。なお、図１０の各画面は概念的なものであり、物体“１”、“２”が上記の位置で光を反射又は発光し、他の領域（黒で示されている。）は透光性であればよい。これらを３次元物体として、本発明のホログラム撮影装置で撮影した。以下、各図の画像は、シミュレーションで作成した。

ホログラム撮像装置の撮像素子８で撮像したホログラム（強度画像）を図１１に示す。図１１より、縞の明暗の位置が異なる３枚のホログラムが形成されていることがわかる。演算装置１０により、図１１の強度画像から３枚のホログラムを個別に抽出する。この際に、３枚のホログラムに面内ずれが生じないように、正確に抽出する必要がある。このことを実現するために、相関演算を用いる。以下ではマッチドフィルターを用いた場合の説明を記載するが、位相限定相関等、他の相関演算を用いてもよい。３つのホログラムの内、任意の１枚のホログラムを、ケラレが生じないように切り出し、これをテンプレート画像ｔ(x,y)とする。なお、ｔ(x,y)は必要に応じて、ゼロパディングの信号処理により後述するｉ(x,y)と同じ画素数の画像にする。図１１の強度画像をｉ(x,y)とすると、相関の演算は、次式（８）で与えられる。

ここで、Ｉ(u,v)、Ｔ(u,v)はそれぞれｉ(x,y)、ｔ(x,y)のフーリエスペクトルであり、＊は複素共役を示す。ＦＴ[…]はフーリエ変換演算子である。なお、（８）式においては、逆フーリエ変換を行っても、実質的に同等である。演算の結果、ｐ(x,y)には、各ホログラムの中心位置に明確なピークが生じる。ｐ(x,y)のピーク位置から、３つのホログラムの相対的な位置情報を取得する。この位置情報を参照することにより、面内ずれを十分に抑制でき、３枚のホログラムを正確に抽出することができる。さらに、ホログラム切り出し位置をピクセル単位で微調整し、正確に３枚のホログラムが重なる位置を探す。以上の処理は、ホログラム撮像装置を構築後、校正の処理として１度だけ行っておけばよく、必ずしも撮像の度に必要な処理ではない。

３枚の抽出したホログラムに対して、（７）式のアルゴリズムを適用することで、複素振幅分布ｏ(x,y)が得られる。なお、本検証で用いた光変調素子は理想的に作製できているものとしてシミュレーションを行っているため、３枚のホログラム間で強度差は生じることはなく、（７）式中のαとβは１である。複素振幅分布ｏ(x,y)に対して伝搬計算を適用することにより任意のｚ面における光分布ｏ’(x,y)を再構成することができる。伝搬計算は以下の（９）式により与えられる。

ここでＦＴ^-1[…]は逆フーリエ変換演算子である。λは光源の波長である。撮像対象物体の奥行方向の配置位置ｚ_sが既知の場合に、撮像対象物体にフォーカスが合った像を得るためには、（９）式のｚ_rを次式（１０）に従うように設定すればよい。

ここで、ｆ_d1、ｆ_d2は第１分割光と第２分割光それぞれに付与する球面位相であるレンズの焦点距離、ｚ_hは複屈折レンズと撮像素子の間の距離であり、ｚ_dは次式（１１）により与えられる。

ｆ₀は倍率調整用レンズの焦点距離であり、ｄは倍率調整用レンズ１１と複屈折レンズ１６の間の距離である。本実施例では、ｆ₀＝２５０ｍｍ、ｄ＝１００ｍｍ、ｆ_d1＝５００ｍｍ、ｆ_d2 → ∞（球面位相を付加しないことに相当）、ｚ_h＝３００ｍｍとしている。“１”、“２”の配置位置ｚ_s＝２８０、３００ｍｍの情報を参照し、対象物体を再構成した結果を図１２に示す。“１”、“２”の物体のそれぞれにフォーカス位置を合わせることに成功していることがわかる。物体“１”にフォーカス位置を合わせた場合には、物体“２”の像がぼやける。同様に、物体“２”にフォーカス位置を合わせた場合には、フォーカス位置と異なる面に配置された物体の像がぼやける。

以上の実施例では、光変調素子が理想的に作製できている場合のものであったが、以下に光変調素子に作製誤差が生じ、光に付与する位相Δφが目的の値からずれている場合の影響と、（７）式による改善結果について示す。

目的のΔφの値を0.3196πradとし、その値から＋１５％の位相ずれが発生している場合、つまり、実際に光に付与される位相Δφが0.36754πradの場合、撮像素子８で撮像される（撮像面上で形成される）ホログラム（強度画像）は、図１３となる。図１１の結果と比較すると、中心部分のホログラムの明るさが左右のホログラムよりも低下していることがわかる。

これらのホログラムを上述の手順で切り出し、一般的に知られている３ステップの位相シフト（（７）式において、α＝β＝１としたもの）を適用して、像を再構成した結果を図１４（ａ）に示す。図１２の再構成結果と比較すると、背景ノイズが強く発生していることがわかる。

このノイズを低減するために、本発明の光変調素子の０次光と±１次光の光強度又は回折効率の比でホログラムの強度分布を補正する位相シフト法を用いる。中心部分のホログラムの強度と、左右のホログラムの強度比は、あらかじめ、作製した光変調素子の０次光成分、±１次光成分の回折効率を測定しておけば、αとβが求められる。この光学系において既知の情報であるαとβを用いて、（７）式を適用することができる。その結果、図１４（ｂ）の像が得られる。

図１４（ａ）の結果と比較すると、図１４（ｂ）は背景ノイズが十分に低減できていることがわかる。以上から、（７）式のアルゴリズムを用いることで、光変調素子に作製誤差が生じていても、高品質な像が再構成できることを確認した。以上のように、本発明により単一光路の光学系を実現でき、一度の撮像で３次元情報を撮像・再構成することが可能である。

上記の実施形態では、ホログラム撮影装置及び像再構成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、ホログラム撮影方法及び像再構成方法として構成されてもよい。

なお、上述した像再構成装置（演算装置）１０として機能させるためにコンピュータを好適に用いることができ、そのようなコンピュータは、像再構成装置の各演算手順を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピュータの記憶部に格納しておき、該コンピュータのＣＰＵによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピュータ読取り可能な記録媒体に記録可能である。

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要素を１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成要素を分割したりすることが可能である。

本発明は、立体映像のカメラとして用いることができ、蛍光３次元顕微鏡など、干渉計測・分析装置等に応用可能である。

１ 撮像対象物体
２ ビームスプリッター（分割手段）
３ 球面位相変調素
４ 球面位相変調素
５ 光変調素子
６ 光変調素子
７ ビームスプリッター（合波手段）
８ 撮像素子
９ 撮影画像
１０ 演算装置
１１ 倍率調整用レンズ
１２ 波長フィルター
１３ ミラー
１４ ミラー
１５ 直線偏光子
１６ 複屈折レンズ
１７ ４分の１波長板
１８ ３領域分割偏光子
１９ 光変調素子（偏光回折格子）
２０ 直線偏光子

Claims (9)

1. 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、これら２つの光波の複素振幅分布に互いに異なる球面位相を付与し、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させてホログラムを形成し、撮像するホログラム撮像装置において、
   第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を、前記第１分割光と前記第２分割光それぞれに付与し、この周期的な位相分布に起因して生じる回折光を利用して、３枚のホログラムを撮像素子の撮像面上に形成させ、前記３枚のホログラムを同時に取得することを特徴とする、ホログラム撮像装置。
2. 請求項１に記載のホログラム撮像装置において、
   第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を光に付与する光変調素子を２枚備え、一方の光変調素子で前記第１分割光を変調し、他方の光変調素子で前記第２分割光を変調し、
   変調する際に、他方の光変調素子の位相分布が一方の光変調素子の位相分布に対して第１の方向にずれている２枚の光変調素子を用いて変調する、又は、一方の光変調素子と前記第１分割光との位置関係と、他方の光変調素子と前記第２分割光との位置関係を、第１の方向にずらして配置して変調することを特徴とする、ホログラム撮像装置。
3. 請求項１に記載のホログラム撮像装置において、
   前記第１分割光と前記第２分割光を互いに回転方向の異なる円偏光にする手段と、
   第１の方向には周期的に変化し、第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を光に付与する光変調素子であって、各円偏光をそれぞれ３方向に分割する光変調素子と、
   ３つの領域を透過軸の方向が互いに異なる偏光子で構成した３領域分割偏光子と
   を備え、前記３領域分割偏光子の各領域に３方向に分割された円偏光をそれぞれ対応させて透過させることを特徴とする、ホログラム撮像装置。
4. 請求項３に記載のホログラム撮像装置において、
   前記第１分割光及び前記第２分割光を互いに回転方向の異なる円偏光にする手段は、
   伝搬してくる光を透過させる、斜め４５度の方向に透過軸を有する直線偏光子と、
   前記直線偏光子を透過した直線偏光を変調する複屈折レンズと、
   前記複屈折レンズを透過した光を円偏光に変換する４分の１波長板と
   を備えることを特徴とする、ホログラム撮像装置。
5. 請求項１に記載のホログラム撮像装置において、
   伝搬してくる光を透過させる、斜め４５度の方向に透過軸を有する直線偏光子と、
   前記直線偏光子を透過した直線偏光を変調する複屈折レンズと、
   光の１方向の電場ベクトルに対して、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与し、前記１方向の電場ベクトルと直交する方向の電場ベクトルに対して、位相分布が第１の方向に沿ってずれた、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与する光変調素子であって、前記複屈折レンズを透過した垂直直線偏光と水平直線偏光をそれぞれ３方向に分割する光変調素子と、
   前記光変調素子で３方向に分割された垂直直線偏光と水平直線偏光を透過させる直線偏光子と
   を備えることを特徴とする、ホログラム撮像装置。
6. 請求項２乃至５のいずれか一項に記載のホログラム撮像装置において、
   前記光変調素子は、レンズの位相分布を重畳した反射型或いは透過型の光変調素子であることを特徴とする、ホログラム撮像装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載のホログラム撮影装置で撮影したホログラムの画像データを入力とし、前記画像データから３枚の個別のホログラムを抽出し、位相シフト法により複素振幅分布を求め、伝搬計算により像を再構成することを特徴とする、像再構成装置。
8. 請求項７に記載の像再構成装置において、
   あらかじめ取得しておいた光変調素子の０次光と±１次光の光強度又は回折効率の比を用いて、ホログラムの強度を補正した位相シフト法により複素振幅分布を求めることを特徴とする、像再構成装置。
9. 光の１方向の電場ベクトルに対して、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与し、前記１方向の電場ベクトルと直交する方向の電場ベクトルに対して、位相分布が第１の方向に沿ってずれた、第１の方向に周期的に変化し第１の方向と直交する第２の方向には一定の２階調の位相分布を付与する光変調素子であって、
   進相軸又は遅相軸の向きが互いに異なる４種類の移相子が第１の方向に所定の順番で繰り返し配置されており、第１の方向に沿った位相分布のずれをｓ、２諧調の位相分布の幅をｄ₁、ｄ₂とするとき、４種類の移相子の幅はそれぞれ、ｓ，ｄ₁－ｓ，ｓ，ｄ₂－ｓであることを特徴とする、光変調素子。

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