JP2023056369A - ホログラム撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源やレンズのＮＡを変更することなく、被写体に依存せずに分解能を向上することができる、ホログラム撮像装置を提供する。
【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、前記第１分割光と前記第２分割光に互いに異なる位相分布を付与し、その後、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、撮影する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分割光の一方を焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子で変調し、他方を焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子で変調し、これらを撮像素子の受光面で干渉させることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明はホログラム撮像装置に関し、特に、インコヒーレントディジタルホログラフィによるホログラム撮像装置に関する。

インコヒーレントディジタルホログラフィは、レーザーのようなコヒーレンスが高い光源を必要とせず、太陽光、ＬＥＤ、蛍光などの空間的にコヒーレンスが低い光源を用いて自己干渉の現象を利用することで、物体のホログラムを撮影できる（特許文献１）。この特徴から、インコヒーレントディジタルホログラフィは、ライダーや縞投影法などの能動的な立体撮影手法と異なり、特殊な光源を必要とせず、自然光環境下での受動的な立体撮影手法を実現できる。さらに、インコヒーレントディジタルホログラフィは、その原理が自己干渉に基づくため、ラグランジュ不変則の制約を受けず、従来のインコヒーレント結像系に対しておおよそ１．５倍以上、従来のコヒーレント結像系に対して２倍の分解能を有することが知られている（非特許文献１）。

従来の結像系と同様に、インコヒーレントディジタルホログラフィでも、その分解能は光の波長に比例し、光学系を構成するレンズの開口数（ＮＡ）に反比例している。したがって、撮影対象の細かさに応じて、光の波長及びレンズのＮＡを適切に設定する必要があり、分解能を向上するためには、光源の短波長化、レンズの高ＮＡ化が必要である。

特許第６４１６２７０号公報 特許第６２４５５５１号公報 特開２０１９－１４４５２０号公報 特開２０１０－１２７９７６号公報

J. Rosen, A. Vijayakumar, M. Kumar, M. R. Rai, R. Kelner, Y. Kashter, A. Bulbul, and S. Mukherjee, "Recent advances in self-interference incoherent digital holography," Advances in Optics and Photonics, Vol. 11, No. 1, pp. 1-66, (2019). J. Rosen and G. Brooker, "Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy," Nature Photonics, Vol. 2, pp. 190-195, (2008). J. Hong and M. K. Kim, "Single-shot self-interference incoherent digital holography using off-axis configuration," Optics Letters, Vol. 38, No. 23, pp. 5196-5199, (2013). T. Nobukawa, Y. Katano, M. Goto, T. Muroi, N. Kinoshita, Y. Iguchi, and N. Ishii, "Incoherent digital holography simulation based on scalar diffraction theory," Journal of Optical Society of America A, Vol. 38, Issue 7, pp. 924-932, (2021). T. Nobukawa, Y. Katano, T. Muroi, N. Kinoshita, and N. Ishii, "Sampling requirements and adaptive spatial averaging for incoherent digital holography," Optics Express, Vol. 27, No. 23, pp. 33634-33651, (2019).

光の波長を短くする場合には、白色光源から、より短い波長帯域の波長フィルターを適用するか、光源自体を短波長のものに変更することで実現できる。しかしながら、光源の波長を青色の波長(４０５nm程度)よりも短くすると、光学素子での光の吸収が大きくなってしまうため、波長の短波長化には限界がある。さらに、波長フィルターを適用する前者の方法では、撮像装置に複数枚の波長フィルターとそれを切り替える機構を搭載する必要があり、装置が複雑・高価になる課題がある。また、後者の方法でも、光源を変更するために、複数の光源を搭載する必要があり、同様の課題がある。また、太陽光、ＬＥＤ、蛍光灯の周囲光で撮影する場合や、蛍光自体を撮影する場合、被写体自体に赤色や緑色の長波長の成分がある場合には、短波長化によって分解能を向上することは困難である。

レンズのＮＡを大きくする場合には、ＮＡが大きくなるほど、収差除去のために複数枚のレンズを組み合わせて高精度な配置技術でレンズ系が構成されており、レンズ系自体が大型・高価になってしまい、光源の波長を変える場合と同様に、撮像装置が複雑・高価になってしまう。

このように、波長やＮＡを変更する分解能向上手法では、撮像装置が複雑・高価になる傾向にあり、特に、光源の短波長化については、被写体に応じては適用できないケースが存在する。

したがって、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、従来の分解能向上手法に伴う装置が複雑・大型・高価になってしまう課題を解決し、光源やレンズのＮＡを変更することなく、被写体に依存せずに分解能を向上することができる、ホログラム撮像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、前記第１分割光と前記第２分割光に互いに異なる位相分布を付与し、その後、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、撮影する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分割光の一方を焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子で変調し、他方を焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子で変調し、これらを撮像素子の受光面で干渉させることを特徴とする。

また、前記ホログラム撮像装置は、焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさが、焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさよりも大きいことが望ましい。

また、前記ホログラム撮像装置は、さらに被写体からの光波を集光する集光レンズを備え、前記被写体と前記集光レンズとの距離を、前記集光レンズの焦点距離以下とすることが望ましい。

また、前記ホログラム撮像装置は、ｘを焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさとし、ｙを焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさとしたときに、前記撮像素子の位置を、レンズの機能を有する光学素子から、２ｘｙ／｜ｘ－ｙ｜以上離すことが望ましい。

また、前記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分割光に分割するビームスプリッターと、焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子としての凸面鏡と、焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子である凹面鏡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、前記凸面鏡と前記凹面鏡の一方を空間光変調器で置き換えることが望ましい。

また、前記ホログラム撮像装置は、インコヒーレントな光波を直線偏光にする第１の偏光子と、振動方向が直交する偏光成分の内の一方の偏光成分に焦点距離が正のレンズの位相変調を与え、他方の偏光成分は平面波とする空間光変調器と、前記空間光変調器で反射又は透過した２つの偏光成分を透過させる焦点距離が負のレンズと、２つの偏光成分の振動方向を一致させる第２の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、インコヒーレントな光波を直線偏光にする第１の偏光子と、振動方向が直交する偏光成分の内の一方の偏光成分に焦点距離が負のレンズの位相変調を与え、他方の偏光成分は平面波とする空間光変調器と、前記空間光変調器で反射又は透過した２つの偏光成分を透過させる焦点距離が正のレンズと、２つの偏光成分の振動方向を一致させる第２の偏光子とを備えることが望ましい。

本発明におけるホログラム撮像装置によれば、従来の分解能向上手法よりも光学系を簡易・小型とすることができ、光源やレンズのＮＡを変更することなく、被写体に依存せずに分解能を向上することができる。

本発明の第１の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。 本発明の第２の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。 本発明の第３の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。 本発明の第３の実施形態の変形例のホログラム撮像装置の概念図である。 本発明の第４の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。 本発明の第１分割光と第２分割光それぞれの光伝搬の概念図である。 本発明の光学系と従来技術の光学系を比較するための概念図である。 本発明と従来技術における分解能の比較を示す図である。 本発明の効果の検証のために用いた被写体を示す図である。 本発明と従来技術のホログラム撮像装置により、ホログラムを撮影・再構成した結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。ホログラム撮像装置は、集光レンズ２、ビームスプリッター３、凸面鏡４、凹面鏡５、波長フィルター６、撮像素子２０、及び処理装置３０を備えている。

集光レンズ２は、撮影対象の物体（被写体）１から反射・透過した、又は発せられた空間的かつ時間的にインコヒーレントな光波を集光する。被写体１と集光レンズ２との位置関係は、後述のとおり、被写体１を集光レンズ２に近づけるほど分解能が向上する。両者間の距離を集光レンズ２の焦点距離（被写体側焦点距離）以下に短く設定することが、より望ましい。なお、集光レンズ２は、光利用効率を向上することや、像倍率を調整するために有効であるが、必須ではない。集光レンズ２がない場合には、前側焦点距離が無限大のレンズで集光していることと同等であり、この場合でも、被写体１を光学系に近づけるほど分解能が向上する。

この後、ビームスプリッター３は、光波を第１分割光と第２分割光に分割する。また、ビームスプリッター３は、凸面鏡４又は凹面鏡５で反射した第１分割光及び第２分割光を合波する。ここでは、凸面鏡４に向かう光を第１分割光と呼び、凹面鏡５に向かう光を第２分割光と呼ぶが、両者は反対であっても構わない。

凸面鏡４は、第１分割光を反射し、第１分割光に所定の位相変化を与えてビームスプリッター３に向かわせる。ここで、凸面鏡４は光を発散させる方向に反射させ、背面からの透過光を想定したときの凹面レンズと同じ作用をするから、焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子と言うことができる。

凹面鏡５は、第２分割光を反射し、第２分割光に第１分割光とは異なる位相変化を与えてビームスプリッター３に向かわせる。ここで、凹面鏡５は光を集光する方向に反射させ、背面からの透過光を想定したときの凸面レンズと同じ作用をするから、焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子と言うことができる。なお、従来の光学系では、光を集光することで光利用効率を向上するために、第１分割光及び第２分割の両者ともに焦点距離が異なる凹面鏡が用いられていた。

波長フィルター６は、ビームスプリッター３で合波された第１分割光及び第２分割光の特定の帯域の波長を透過させ、時間的コヒーレンスを向上させる。なお、光源の時間的コヒーレンスが十分に高い場合には、波長フィルター６を用いなくてもよい。

撮像素子２０は、波長フィルター６を透過した第１分割光及び第２分割光を受光する。撮像素子２０の受光面（撮像素子面ということがある。）で、第１分割光と第２分割光が干渉し、ホログラムが形成される。撮像素子２０により、これをディジタルホログラムとして撮影し、取得したホログラムを処理装置３０に転送する。

処理装置３０は、例えばメモリやＣＰＵを備えたコンピュータで構成され、撮像したホログラムを記録することができ、また、得られたホログラムから像（立体像）を再生する像再生装置として機能することができる。

図１に示す光学系により、一つのホログラムが撮影できる。また、高品質な立体映像を得るために、必要に応じて、位相シフト素子を光学系に導入して、第１分割光と第２分割との位相差が異なる複数のホログラムを取得し、位相シフト法（非特許文献２）やオフアクシス法（非特許文献３）を適用してもよい。また、特許文献２や特許文献３に示すように、第１分割光及び第２分割を複数方向に分割する光学素子を用い、１回の撮影で複数枚のホログラムを撮影する手法を導入してもよい。

処理装置３０における像再生について、一例を説明する。撮像したホログラム或いはホログラム群に対して位相シフト法やオフアクシス法の演算を適用して、撮像素子面における複素振幅分布Ｏ(x,y)を求める。次いで、次式（１）で示される伝搬計算を適用することにより、任意の距離ｚ_rにおける物体の像を再生することができる。

ここで、ＦＴはフーリエ変換演算子、ｉは虚数、λは波長、(ｘ，ｙ)は空間座標、ｕ，ｖは空間周波数座標である。任意の距離ｚ_rの設定に関しては、撮影者が任意の値を入力してもよいし、被写体の奥行き位置情報を踏まえて入力してもよい。

なお、この伝搬計算自体に関しては、インコヒーレントホログラフィのホログラム撮像装置では一般的に用いられている計算方法である。また、位相シフト法やオフアクシス法に関しても、像を再構成する前に共役像、直接像、撮像素子のノイズを除去するための演算であり、ホログラフィの分野では一般的な技術である。本実施形態の特徴は、図１に示すように、負の焦点距離の光を生成する、凸面鏡４を用いる点にある。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。ホログラム撮像装置は、集光レンズ２、ビームスプリッター３、空間光変調器７、凹面鏡５、波長フィルター６、撮像素子２０、及び処理装置３０を備えている。第１の実施形態との違いは、凸面鏡４の代わりに空間光変調器７を用いる点である。第１の実施形態と共通の構成は説明を省略する。

空間光変調器７は、ビームスプリッター３を透過した第１分割光を反射し、第１分割光に所定の位相変化を与えてビームスプリッター３に向かわせる。ここで、空間光変調器７は、凸面鏡４と同様に光を発散させる方向に反射させるものであり、焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子である。空間光変調器７は、例えば、液晶素子により実現することができ、画素構造（マトリクス構造）をもった液晶ディスプレイのタイプの空間光変調器、或いは、液晶可変焦点レンズ（特許文献４）と同様の構造を有する空間光変調器を用いることができる。

その後の光学系の処理は、第１の実施形態と同じである。空間光変調器７で負の焦点距離の位相変調を受けた第１分割光と凹面鏡５で反射された第２分割光は、ビームスプリッター３で合波され、そのあと、波長フィルター６を透過して撮像素子２０に入射する。撮像素子面で第１分割光と第２分割光が干渉し、ホログラムが形成される。撮像素子２０は、これをディジタルホログラムとして撮影し、処理装置３０に転送する。

凸面鏡４は既製品としてそれほど流通しておらず、焦点距離の選択肢が少なく、光学系を設計する際の自由度が制限される。一方、本実施形態では空間光変調器７を導入することで、任意の焦点距離の凸面鏡の位相分布を作りだすことができ、光学系の柔軟な設計が可能となる。

なお、本実施形態では、第１の実施形態の凸面鏡４を空間光変調器７で置き換えたが、空間光変調器７を焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子として構成し、第１の実施形態の凹面鏡５を空間光変調器７で置き換えることもできる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。第１の実施形態（図１）及び第２の実施形態（図２）は、２光束の干渉計に基づく装置であるのに対し、第３の実施形態は、共通光路干渉計を用いた装置である。本実施形態のホログラム撮像装置は、集光レンズ２、偏光子８、ビームスプリッター３、空間光変調器７、凹面レンズ９、偏光子１０、波長フィルター６、撮像素子２０、及び処理装置３０を備えている。第１及び第２の実施形態と共通する構成は、説明を簡略化する。

集光レンズ２は、撮影対象の被写体１から反射・透過した、又は発せられた空間的かつ時間的にインコヒーレントな光を集光する。

１枚目の偏光子（第１の偏光子）８は、集光レンズ２からの光を直線偏光とする。なお、この直線偏光は、後述の空間光変調器７の液晶分子の軸に対して、４５度傾いていることが望ましい。得られた直線偏光は、ビームスプリッター３を経て、空間光変調器７に入射する。

空間光変調器７は、入射した光を位相変調して反射する。空間光変調器７としては、液晶型のものを用いることができ、液晶分子の楕円形状に由来して、空間光変調器７で位相を変調する際に偏光の選択性が得られる。本実施形態では、振動方向が直交する２つの直線偏光（偏光成分）の内、一方の直線偏光（偏光成分）のみの位相分布を変調し、正の焦点距離のレンズ（凸面レンズ）の位相を付与する。１枚目の偏光子８の透過軸の角度は、液晶分子の長軸、或いは短軸に対して４５度傾くように配置しているため、その直線偏光の水平、或いは垂直成分のうち、一方の直線偏光成分の位相だけを変調する。空間光変調器７で変調されていない他方の偏光成分は、平面の位相成分を有する光波（平面波）として反射される。

ビームスプリッター３は、空間光変調器７で変調・反射された光の方向を変え、凹面レンズ９に入射させる。

凹面レンズ９は、透過する光を拡散する方向へ屈折させる。したがって、空間光変調器７で変調されていない他方の偏光成分は、凹面レンズ９に入射させることで、負の焦点距離のレンズの位相を有する光となる。なお、凹面レンズ９は全ての偏光成分を屈折させることから、空間光変調器７で正の焦点距離のレンズ（凸面レンズ）の位相を付与された偏光成分に対しても、さらに負の焦点距離の位相が加わる。すなわち、本実施形態の光学系は、一方の偏光成分に対しては、空間光変調器７の凸面レンズと凹面レンズ９が合成焦点レンズとして機能することとなる。よって、空間光変調器７の正の焦点距離のレンズの位相変調を凹面レンズ９の位相変調よりも強くすることにより、一方の偏光成分に対して、合成焦点レンズとして正の焦点距離のレンズの位相変調を与えることができる。以上の変調の結果、分解能向上に必要な、第１分割光と第２分割光（異なる位相変調を受けた直交する２つの直線偏光）が得られる。

２枚目の偏光子（第２の偏光子）１０は、直交する２つの直線偏光（偏光成分）を同一方向の直線偏光とする。これにより、第１分割光と第２分割光を撮像素子面上で干渉させることができる。

この後は、他の実施形態と同様に、第１分割光と第２分割光は、波長フィルター６を透過して撮像素子２０に入射する。撮像素子２０は、撮像素子面で形成されたホログラムを撮影し、処理装置３０に転送する。

第１の実施形態（図１）及び第２の実施形態（図２）は、２光束の干渉計に基づいているため、空気の揺らぎや振動などの影響を受けやすく、画質が低下することが懸念されるが、本実施形態は共通光路干渉計を用いており、外乱に対するロバスト性が向上する。

（第３の実施形態の変形例）
図４は、第３の実施形態の変形例のホログラム撮像装置の概念図である。本変形例のホログラム撮像装置は、集光レンズ２、偏光子８、ビームスプリッター３、空間光変調器７、凸面レンズ１１、偏光子１０、波長フィルター６、撮像素子２０、及び処理装置３０を備えている。本変形例では、第３の実施形態の凹面レンズ９が、凸面レンズ１１に変更されている。第３の実施形態と共通する構成は、説明を簡略化する。

撮影対象の被写体１から反射・透過した、又は発せられた空間的かつ時間的にインコヒーレントな光は、集光レンズ２で集光され、１枚目の偏光子８により直線偏光とされ、ビームスプリッター３を経て、空間光変調器７に入射する。

空間光変調器７は、例えば、液晶型のものを用いることができ、空間光変調器７で位相を変調する際に偏光の選択性が得られる。本変形例では、振動方向が直交する２つの直線偏光（偏光成分）の内、一方の直線偏光（偏光成分）のみの位相分布を変調し、負の焦点距離のレンズ（凹面レンズ）の位相を付与する。空間光変調器７で変調されていない他方の偏光成分は、平面の位相成分を有する光波として反射される。

ビームスプリッター３は、空間光変調器７で変調・反射された光の方向を変え、凸面レンズ１１に入射させる。

凸面レンズ１１は、透過する光を集光する方向へ屈折させる。したがって、空間光変調器７で変調されていない他方の偏光成分は、凸面レンズ１１に入射させることで、正の焦点距離のレンズの位相を有する光となる。なお、凸面レンズ１１は全ての偏光成分を屈折させることから、本変形例の光学系は、一方の偏光成分に対して、空間光変調器７の凹面レンズと凸面レンズ１１が合成焦点レンズとして機能することとなる。よって、空間光変調器７の負の焦点距離のレンズの位相変調を凸面レンズ１１の位相変調よりも強くすることにより、一方の偏光成分に対して、合成焦点レンズとして負の焦点距離のレンズの位相変調を与えることができる。以上の変調の結果、分解能向上に必要な、第１分割光と第２分割光が得られる。

この後、第１分割光と第２分割光は、２枚目の偏光子１０により同一方向の直線偏光となり、波長フィルター６を透過して撮像素子２０に入射する。撮像素子２０は、撮像素子面で形成されたホログラムを撮影し、処理装置３０に転送する。本変形例も、共通光路干渉計を用いており、外乱に対するロバスト性が向上する。

（第４の実施形態）
図５は、第４の実施形態のホログラム撮像装置の概念図である。本実施形態のホログラム撮像装置は、集光レンズ２、偏光子８、液晶レンズ１２、凹面レンズ９、偏光子１０、波長フィルター６、撮像素子２０、及び処理装置３０を備えている。本実施形態は、第３の実施形態の空間光変調器７を透過型の液晶レンズ１２に変更した光学系であり、ビームスプリッター３が省かれている。第３の実施形態と共通する構成は、説明を簡略化する。

撮影対象の被写体１から反射・透過した、又は発せられた空間的かつ時間的にインコヒーレントな光は、集光レンズ２で集光され、１枚目の偏光子８により直線偏光とされ、透過型の液晶レンズ１２に入射する。

液晶レンズ１２は、入射した光に対しレンズと同様の位相変調を与える。液晶レンズ１２も、空間光変調器７と同様に、液晶分子の楕円形状に由来して、位相を変調する際に偏光の選択性が得られる。本実施形態では、振動方向が直交する２つの直線偏光（偏光成分）の内、一方の直線偏光（偏光成分）のみの位相分布を変調し、正の焦点距離のレンズ（凸面レンズ）の位相を付与する。液晶レンズ１２で変調されていない他方の偏光成分は、平面の位相成分を有する光波のまま液晶レンズ１２を透過する。

凹面レンズ９は、透過する光を拡散する方向へ屈折させる。したがって、液晶レンズ１２で変調されていない他方の偏光成分は、凹面レンズ９に入射させることで、負の焦点距離のレンズの位相を有する光となる。本実施形態においても、一方の偏光成分に対しては、液晶レンズ１２（凸面レンズ）と凹面レンズ９が合成焦点レンズとして機能する。よって、液晶レンズ１２の正の焦点距離のレンズの位相変調を凹面レンズ９の位相変調よりも強くすることにより、一方の偏光成分に対して、合成焦点レンズとして正の焦点距離のレンズの位相変調を与えることができる。以上の変調の結果、分解能向上に必要な、第１分割光と第２分割光が得られる。

この後、第１分割光と第２分割光は、２枚目の偏光子１０により同一方向の直線偏光となり、波長フィルター６を透過して撮像素子２０に入射する。撮像素子２０は、撮像素子面で形成されたホログラムを撮影し、処理装置３０に転送する。本実施形態は、透過型の液晶レンズ１２を用いた光学系であり、ビームスプリッター３を必要としないため、光利用効率が高い。

なお、第４の実施形態のホログラム撮像装置の変形例として、液晶レンズ１２を一方の直線偏光のみの位相分布を変調し、負の焦点距離のレンズ（凹面レンズ）の位相を付与するものとし、さらに、凹面レンズ９を凸面レンズに代えた光学系を用いてもよい。

本実施形態の構成により、液晶レンズ１２は直交する２つの直線偏光（偏光成分）に対して、一方の直線偏光（偏光成分）のみに負の焦点距離のレンズ（凹面レンズ）の位相を付与する。他方の偏光成分は、平面の位相成分を有する光波のまま液晶レンズ１２を透過し、次いで凸面レンズにより正の焦点距離のレンズの位相が付与される。なお、一方の直線偏光は、合成焦点レンズとして負の焦点距離のレンズの位相変調が与えられるようにする。こうして、変調の結果、直交する２つの直線偏光の一方が正の焦点距離の位相で他方が負の焦点距離の位相となり、必要な第１分割光と第２分割光が得られる。この後の光学系は第４の実施形態と同じである。本変形例も、光利用効率が高いホログラム撮像装置が得られる。

以上のように、分解能向上を実現する光学系の構成は、光学素子の選択次第で無数に存在するが、本発明で重要な点は、正と負の焦点距離の光を生成する点にある。図６に、本発明の第１分割光と第２分割光それぞれの光伝搬の概念図を示す。ここでは、被写体１を点光源としている。第１分割光は焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子（凹面レンズ）９によって変調され、負の焦点距離を有することから光が発散する。第２分割光は焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子（凸面レンズ）１１によって変調され、正の焦点距離を有することから、光が集光し、その焦点距離を境に発散に転じる。第１分割光の焦点距離の大きさが、第２分割光の焦点距離の大きさよりも大きいとすると、光学素子からの距離Ｌにおいて、それぞれの光の直径Ｄが一致する面が存在する。

一般的に、光の干渉は、２つ以上の光が重なる位置でしか生じない。上述の光の直径が一致する面では、すべての光が干渉に寄与するため、最も分解能を向上することができる。したがって、第１分割光と第２分割光の直径が一致するように、撮像素子２０を配置することが望ましい。この距離Ｌは、負のレンズの機能を有する光学素子９の焦点距離の大きさ｜f_d1｜と、正のレンズの機能を有する光学素子１１の焦点距離の大きさ｜f_d2｜を用いて、レンズの機能を有する光学素子からＬ＝２｜f_d1｜｜f_d2｜/｜｜f_d1｜-｜f_d2｜｜の位置に対応している。

なお、上記のＬの値は、被写体１を集光レンズ２の焦点に配置した場合であり、被写体１の位置がより集光レンズ２に近づいた場合には、第１分割光と第２分割光の直径が一致する距離Ｌは、さらに大きくなる。

（実施例と効果の検証）
図７は、本発明の光学系と従来技術の光学系を比較するための概念図である。従来のインコヒーレントディジタルホログラフィの光学系での第１分割光と第２分割光の振る舞いを可視化した概念図を、図７（ａ）に示す。従来の光学系では、分割面で分割された第１分割光は平行光として伝搬し、第２分割光は、正の焦点距離の位相を付与されており、集光している。

また、本発明のホログラム撮像装置の光学系での第１分割光と第２分割光の振る舞いを可視化した概念図を、図７（ｂ）に示す。本発明においては、分割面で分割された第１分割光と第２分割光の一方（図７（ｂ）では、第１分割光）に対し、負の焦点距離の位相が付与され、他方（図７（ｂ）では、第２分割光）に対し、正の焦点距離の位相が付与される。

図７（ａ）及び図７（ｂ）の、それぞれの光学系を用いた場合の撮影シミュレーションを実施した。なお、シミュレーションには、光の伝搬計算に基づく手法（非特許文献４）を用いた。各光学系のパラメータは、表１のように設定した。本発明と従来技術との異なる点は、第１分割光と第２分割光に付与する位相分布の焦点距離ｆ_d1とｆ_d2であり、図７（ａ）の従来技術では、ｆ_d1を∞（平面)、ｆ_d2＝４００mmとし、図７（ｂ）の本発明ではｆ_d1＝－４００mm、ｆ_d2＝２００mmとした。

集光レンズ２から被写体１までの距離を記録位置ｚ_sとし、非特許文献５に記載のインコヒーレントディジタルホログラフィの分解能の理論式を用いて、各光学系を用いた場合の分解能を評価した。本発明と従来技術における分解能の比較を図８に示す。図８（ａ）に示す従来技術の場合、ｚ_s＝４００mmの位置で最も分解能が高くなるが、ｚ_sがずれると分解能が劣化する傾向にある。一方で、図８（ｂ）に示す本発明の場合、ｚ_s＝４００mmよりも小さな位置で、分解能が向上している。つまり、本発明では、波長やレンズのＮＡを変更することなく、被写体１の位置を集光レンズ２に近づけることにより分解能が向上する。

本発明の効果の検証のために、図８の“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”の位置に、被写体１を設置して、ホログラムから像を再構成するシミュレーションを行った。被写体１は、図９に示す、２６μm離して配置した２つの点光源である。本発明と従来技術のそれぞれのホログラム撮像装置で、被写体１のホログラムを撮影・再構成した結果を図１０に示す。なお、ホログラムを撮影する際に、４ステップの位相シフト法を用いた。図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）はそれぞれ、“Ａ”、“Ｂ”、“Ｃ”、“Ｄ”の条件で撮影した結果に対応している。

図８（ａ）から従来技術では、“Ｂ”の場合に最も分解能が高く、記録位置ｚ_sをさらに短くした“Ａ”の場合に、分解能が劣化していることがわかる。これらの条件に対応した、図１０（ａ）、（ｂ）においても、図８と同一の傾向が得られ、“Ａ”よりも“Ｂ”の方が、２つの点光源がよく分離しており、比較的明瞭な像が得られていることがわかる。しかし、従来技術では図１０（ｂ）の分解能が限界である。

一方で、本発明では、図８（ｂ）の理論的な分解能が示しているとおり、“Ｄ”よりも記録位置ｚ_sを短くした“Ｃ”の方が、分解能が向上する。“Ｃ”に対応する図１０（ｃ）の場合が、４つの画像の中で最も分解能が高く、２つの点光源が図１０（ｄ）よりも解像されていることがわかる。また、参考までに、図８から、“Ｂ”と“Ｄ”の条件では、分解能が同じことを示しているが、これは被写体１を集光レンズ２の焦点に配置した場合であり、図１０（ｂ）と（ｄ）からもその傾向が同じであることがわかる。

なお、前述のとおり、集光レンズ２は必須ではなく、集光レンズ２を用いない場合でも、被写体１を光学系に近づけるほど分解能が向上する。本発明のホログラム撮像装置においては、被写体位置を、光学系或いは集光レンズに近づけることで、光の高周波成分をホログラムに反映することができ、その距離が短いほど分解能を向上できることが、シミュレーション結果からも確認された。

本発明のホログラム撮像装置は、立体映像のカメラとして用いることができ、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。

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、種々の変形又は変更が可能である。例えば、実施形態に記載の各構成ブロック等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成ブロック等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１ 被写体
２ 集光レンズ
３ ビームスプリッター
４ 凸面鏡
５ 凹面鏡
６ 波長フィルター
７ 空間光変調器
８ 偏光子
９ 凹面レンズ
１０ 偏光子
１１ 凸面レンズ
１２ 液晶レンズ
２０ 撮像素子
３０ 処理装置

Claims (8)

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、前記第１分割光と前記第２分割光に互いに異なる位相分布を付与し、その後、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、撮影する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分割光の一方を焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子で変調し、他方を焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子で変調し、これらを撮像素子の受光面で干渉させ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、
   焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさは、焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさよりも大きいことを特徴とする、ホログラム撮像装置。
3. 請求項１又は２に記載のホログラム撮像装置において、
   さらに被写体からの光波を集光する集光レンズを備え、前記被写体と前記集光レンズとの距離を、前記集光レンズの焦点距離以下とすることを特徴とする、ホログラム撮像装置。
4. 請求項1乃至３のいずれか一項に記載のホログラムの撮像装置において、
   ｘを焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさとし、ｙを焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子の焦点距離の大きさとしたときに、前記撮像素子の位置を、レンズの機能を有する光学素子から、２ｘｙ／｜ｘ－ｙ｜以上離すことを特徴とする、ホログラム撮像装置。
5. 請求項1乃至４のいずれか一項に記載のホログラムの撮像装置において、
   インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光に分割するビームスプリッターと、焦点距離が負のレンズの機能を有する光学素子としての凸面鏡と、焦点距離が正のレンズの機能を有する光学素子である凹面鏡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５に記載のホログラム撮像装置において、
   前記凸面鏡と前記凹面鏡の一方を空間光変調器で置き換え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４のいずれか一項に記載のホログラムの撮像装置において、
   インコヒーレントな光波を直線偏光にする第１の偏光子と、振動方向が直交する偏光成分の内の一方の偏光成分に焦点距離が正のレンズの位相変調を与え、他方の偏光成分は平面波とする空間光変調器と、前記空間光変調器で反射又は透過した２つの偏光成分を透過させる焦点距離が負のレンズと、２つの偏光成分の振動方向を一致させる第２の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。
8. 請求項1乃至４のいずれか一項に記載のホログラムの撮像装置において、
   インコヒーレントな光波を直線偏光にする第１の偏光子と、振動方向が直交する偏光成分の内の一方の偏光成分に焦点距離が負のレンズの位相変調を与え、他方の偏光成分は平面波とする空間光変調器と、前記空間光変調器で反射又は透過した２つの偏光成分を透過させる焦点距離が正のレンズと、２つの偏光成分の振動方向を一致させる第２の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。
   

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