JP3155265B2 - 非コヒーレント光ホログラフィ装置 - Google Patents

非コヒーレント光ホログラフィ装置

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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はホログラフィに関する。
特に、本発明は、当業者によりコノスコープ（conosc
ope）的ホログラフィと普通に呼ばれている、非コヒー
レント単色光を使用して行なうホログラフィに関する。
（従来の技術） 非コヒーレント光を使用してコノスコープ的ホログラ
フィを得る装置は、米国特許第4,602,844号明細書に記
載されている。
その明細書に記載されている装置は、添付の第１図に
概略的に示してあるように、２つの円偏光器の間に挿入
された単軸複屈折結晶と、記録媒体を形成する感光要素
とを備えている。
米国特許第4,602,844号明細書によれば、結晶の軸は
系の幾何学的軸に平行であり、したがって、記録媒体に
対して垂直である。
その結晶は、入射光を、最初に屈折率n0が与えられる
普通の光線と、次いで、入射角θの関数として変化する
屈折率が与えられる異常光線とに分解し、その変化する
屈折率はne（θ）と表される。
これらの２つの光線は、前記結晶内を異なるスピード
で伝播する。結果として、それらはその結晶を出る際、
異なる位相を有することになる。コノスコープ的ホログ
ラフィは、この位相の差異が、入射角θの関数であると
言う事実を基礎にしている。前記２つの光線は、出口部
偏光器を通過した後に記録媒体（写真フィルム、CCD
等）上で干渉し、これにより、結果的に得られた光線の
強度も、前記角度θの関数となる。換言すると、従来の
ホログラフィとは異なり、各入射光線は、それ自身の基
準（参照）光線を生じさせる。前記結晶の光学的軸線に
平行な自らの軸線を有するとともに、開口角度θを有し
ている円錐上に位置される光線の組は、観察平面上に同
一の強度を与えることになる。
上記した装置により得られる点のコノスコープ的ホロ
グラムは、添付の第２図に示してあるように、透過率が
束の中心からの距離の２乗の関数として正弦曲線的に変
化する帯状の束、すなわち一連の同心的な環状干渉縞に
対応する。
対象物のコノスコープ的ホログラムは、その対象物を
構成している各点のホログラムの重ね合わせである。上
記した米国特許第4,602,844号明細書の第3bおよび3c図
は、それぞれ、平面的対象物の２点および３点のための
ホログラムを示している。
その結果として得られるホログラムは、有用な情報の
全てを含み、この結果、最初の対象物を三次元に再構成
することができる。
コノスコープ系は対象物とそれのホログラムとの間
で、線形的変換を行なう。
点Ｐの基本的ホログロムの１点Ｑにおける強度は （１） IP（Ｑ）＝Ｉ（Ｐ）（１＋cosα（Ｐ）r2） である。α（Ｐ）はフレネルのパラメータと呼ばれ、結
晶の光学幾何学特性、光の波長λおよび記録面から点Ｐ
までの長手方向の方向の距離ｚ（Ｐ）に依存する。
その系のインパルス応答は線形変換を特徴づけるもの
であり、以下のように表される。
（２） Ｔ（ｘ′,y′）＝１＋cos（αr2） ，ここでr2＝ｘ′２＋ｙ′２である。αの近似式は以下
の通りである。
（３） α＝２πＬΔn/n0 2ZC 2 であり、 λ＝光源の波長 Ｌ＝光軸の沿った結晶の長さ n0＝前記結晶の通常の屈折率 Δｎ＝通常屈折率と異常屈折率との間の差の絶対値 x,y,z＝前記対象物の立体中の座標 ｘ′,y′＝前記ホログラム平面内の座標 ZCはＰの修正長手座標を表すものであり、その値は以
下の通りである。
（４） ZC＝Ｚ（x,y）−Ｌ＋L/n0 ここで、Ｚ（x,y）は、側方の位置（x,y）に配置され
た考慮される対象物の点と、ホログラフィ平面との間の
距離である。また、フレネル・パラメータは次のように
表すことが可能である。
（５） α＝π／λeq（ZC）ZC 等価波長λeqは以下のように定義される。
（６） λeq＝λn0 2ZC/Δn2L または （７） α＝π／λfC フレネル・レンズの焦点距離fCは、次のように定義さ
れる。
（８） fC＝n0 2Zc 2/Δn2L 考慮中の対象物が平面であるとき（α＝一定）、前記
等価波長および前記焦点距離fCは、上記系の定数とな
る。
等式（５）が示していることは、波長λで記録された
点のコノスコープ的ホログラムが、等価波長λeqのコヒ
ーレント光を使用して同一点で記録されたホログラム
（Gabor holograpy）に類似していることである。その
コノスコープ的ホログラムは振幅でなく強度の尺度とな
るということが、認められる。
前記距離ZCおよびＬは同程度の大きさを有しており、
Δｎは約0.1であるので、前記波長λeqは、記録が生じ
る個所の実際の波長λよりも大きく、一般的にλeq＝３
〜100μｍである。
結果として、前記ホログラムの横方向解像度（前記波
長λに比例）は、コノスコープ的ホログラフィの場合の
方が、従来のホログラフィの場合よりも小さい。その値
は、数10マイクロメータ程度である。
上記したように、コノスコープ的装置を使用して記録
されたホログラムは、有用な情報の全てを含んでいる。
例えば、帯状束に対応する点のホログラムは、次のよ
うになる。すなわち、領域の中心、および前記対象物の
点は、前記光学的軸線に平行な同一の直線上に位置し、
もしその対象物の点が横断方向または横方向へ移動され
ると、前記ホログラムはそのホログラフィ平面において
同様に移動され、したがって、フレネル領域の中心Ｃ
（x0,y0）は、ホログラフィ化された点Ｐ（x0,y0,z0）
の最初の２つの座標に等しくなり、 上記ホログラムの強度は、光エネルギを光開口円錐内
に与える強度であり、そして 縞間の間隔は、前記コノスコープ的装置の位置に無関
係に、前記対象物と前記観察平面との間の距離を示す。
したがって、以下のように表すことができる。
（９） ZC＝R2/Fλeq および （10） Ｚ（x,y）＝ZC＋Ｌ−L/n0＝R2/Fλeq＋Ｌ−L/n
0 ここで、Ｒは前記フレネル領域の半径であり、Ｆはそ
の半径上の明るい縞と暗い縞の数である。
上記のようなホログラフィ法は特に以下のような利点
を有している。すなわち、使用される光の空間干渉性に
拘束されないため、従来の普通の光学手段による画像化
が可能であり、その内在的な安定性（各基本ホログラム
がその対応点に従うこと）により、その記録条件は写真
の記録条件と同様になり、産業上において、運動する物
体を対象物とすることが可能となり、 CCDピックアップによる記録に適合する解像力を有し
ているため、リアルタイムでのデジタル化が可能であ
り、またS/N比を改善するための複数の画像の加重化も
可能である。
三次元の一表面Ｓ上に光の散乱点が存在し、ホログラ
ムの１点Ｑにおける強度が、対象物を構成する点Ｐの全
ての基本ホログラムの非コヒーレントな重ね合わせに対
応するとすれば、記録は線形であり、次式で表される。
（11） Ｈ（Ｑ）＝∫SIP（Ｑ）dP 二次元の場合、この積分は単純な１つのたたみこみに
なり、三次元の場合には一連のたたみこみになる。
このようなホログラムの再生は、光学的に、写真乾板
上で数値情報を符号化してレーザービームによって視覚
的に再読してもよく、また、デジタル的に、ｚ（x,y）
を得るのに適したたたみこみ復元アルゴリムズの適用に
よって行ってもよい。
上記のように、コノスコープ的ホログラフィは大いに
期待されるものであるが、未だ工業的には発展していな
い。
その原因は、このようにして得られたホログラムを使
用することが、比較的困難であるためと思われる。
実際、米国特許第4,602,844号明細書に記載されるコ
ノスコープ的ホログラムも、コヒーレントな（非回折光
に相当する）バックグラウンドと共役像とのそれぞれに
対応する、２つのタイプの干渉する情報を含み、これら
の両方は前記対象物を再構成するために要する基本情報
を乱すものである。
これら２つの干渉する情報は、コノスコープ的ホログ
ラムが記録される時に有用な情報上に重ね合わせられて
おり、単色の平面波により感光フイルム上に記録された
コノスコープ的ホログラムに光を当てることにより、顕
在化させることが可能である。したがって、３つの回折
ビームが観察される。すなわち、第１のビームは、前記
フイルムから直接伝達されかつ前記バックグラウンドに
対応する波を示す。第２のビームは、元の対象物の複製
である虚像から拡散する球形波である。そして、第３の
ビームは、前記ホログラムの平面の周りで、前記虚像に
対して対称的に配された対称物の共役的な実像上に収束
する球形波である。
上記２つの干渉するタイプの情報（バックグラウンド
および共役像）も、次のより理論的な手法により顕在化
することが可能である。
平面的な対象物に対して、その対象物の強度Ｉ（x,
y）と、そのホログラムの強度Ｈ（ｘ′,y′）の間の線
形変換は、たたみこみにより与えられる。すなわち、 （12） Ｈ（ｘ′,y′）＝Ｉ（x,y）＊Ｔ（x,y） このたたみこみ方程式（12）が展開された後、前記ホ
ログラムはフレネル変換のようになる。すなわち、 （13） Ｈ（ｘ′,y′）＝I0＋Ｉ（x,t）＊cos（αr2） または、 （14） Ｈ（ｘ′,y′）＝I0＋1/2I（x,t）＊ ｅｊαr2＋1/2I（x,y）＊ ｅ−ｊαr2 ここでI0は、系を直接貫通するバックグラウンド強度を
示し、1/2I（x,y）＊ｅｊαr2は共役像を示している。
文献オプティックス・コミュニケーションズ（Optics
Communications）第65巻、第４号、1988年２月15日、
第243〜249頁に記載されるように、バックグラウンドと
共役像を分離させるために、単軸複屈折結晶の光学軸を
系の光学軸に対して傾けることも考えられている。しか
しながら、該文献にも記載されているように、この配置
は対象物を完全に再生することはできないものであり、
スペクトルの全ての部分において劣化を伴うものであ
る。この配置はごく平凡な結果をもたらすものであり、
すぐに廃止された。
バックグラウンドと共役像を除去する他の方法は、19
88年12月27日出願の仏国特許出願88 17225号明細書に記
載されている。その原理は多数のホログラムの線状の組
合せに基づいている。
米国特許第4,602,844号に記載され、かつ上述した基
本配置においては入口部と出口部の円偏光器が互いに連
関した直線偏光器と四分の一波長板とによって構成され
ている。仏国特許出願88 17225号明細書は、伝導される
波に対してあらゆる偏光を強いることも可能にするた
め、これら２つの板の連関を解くことを提案している。
得られる新規なコノスコープ的要素の概略図を第３図に
示す。角度φ０、φ１、φ２、φ３は多数の板の偏光の
主軸の位置を示すものである。Ｔを光学インパルス応答
とすると、点Ｐのホログラムの点Ｑにおける強度は以下
のように表される。
（15） IP（Ｑ）＝Ｉ（Ｐ）Ｔ（P,Q） 第４図はα１＝φ０−φ１およびα２＝φ２−φ３の
値に従う関数Ｔの多様な式を示すものである。角度ψお
よび距離ｒは帯状束の中心（記録面上への点Ｐの正投
影）に位置する座標内における点Ｑの極座標を示す。パ
ラメータ（Ｐ）は基本配置と同様に定義される。
上記図面の伝達関数を単純に線形的に組合わせること
によって以下のような２つのインパルス応答を得ること
ができる。
（16） TC（P,Q）＝cos α（Ｐ）r2 （17） Ｔφ０（P,Q）＝sin2（ψ−φ０）sinα（Ｐ）
r2 あるいは、それぞれφ０＝０、φ０＝π/4とすること
により、 （18） TC（P,Q）＝cos α（Ｐ）r2 （19） T0（P,Q）＝sin2ψsin α（Ｐ）r2 （20） Ｔπ/4（P,Q）＝cos2ψsin α（Ｐ）r2 となる。
フーリエ平面内のこれら３つの変数を線形的に組合わ
せることによっても、点もしくは対象物平面に対する複
合インパルス応答を正確に得ることができる。すなわ
ち、 （21） Ｔ（P,Q）＝expjα（Ｐ）r2 である。
しかしながら、この式は三次元の１平面においては有
効ではなく、ホログラムの高周波に対してのみ妥当であ
ると考えられている。特に、別のカメラで撮影される光
景の二次元画像を用いて低周波を復元する方法も知られ
ている。しかしながら、この方法は実施が困難であり、
算定が困難な画像のホログラムとの間の標準化係数を知
る必要があるものである。
したがって、このタイプのホログラフィは特に点の位
置決め（格子点の投影）を行う系や距離計のような低周
波が無視できる分野でのみ有効なものである。
（発明が解決しようとする課題） 本発明は、フーリエ平面内におけるフィルタリングに
よって容易に三次元の１平面の複合ホログラムを得るこ
とができる新規な手段を提供することをその目的とする
ものである。
（課題を解決するための手段） 後述のように、本発明は、長手方向の座標に依存する
補正を伴うことなく、共役像を除去することのできるも
のである。
第１の発明によれば、上記目的は、２つの偏光器の間
に挿入された複屈折結晶を備え、光路に挿入された開口
角度制限手段を有し、開口角度制限手段の開口が光学軸
の外にあり、複屈折結晶が光学軸上にあることを特徴と
するコノスコープ系を有する装置によって達成される。
第２の発明によれば、上記目的は、２つの偏光器の間
に挿入された複屈折結晶を備え、光路に挿入された開口
角度制限手段を有し、開口角度制限手段の開口の中心が
光学軸上に配され、複屈折結晶が光学軸に対して傾いた
偏光主軸を有していることを特徴とするコノスコープ系
を有する装置によって達成される。
本発明の第１の実施態様によれば、開口角度制限手段
はレンズの中心と開口部の縁が光学軸上にある遮光板と
からなり、複屈折結晶の偏光主軸は装置の光学軸と平行
になっている。
本発明の第２の実施態様によれば、開口角度制限手段
はレンズと中心を装置の光学軸に配置した開口部を有す
る遮光板とからなり、複屈折結晶の偏光主軸は装置の光
学軸に対して傾いている。
本発明の第３の実施態様によれば、開口角度制限手段
は干渉フィルタからなり、複屈折結晶の偏光主軸は装置
の光学軸に対して傾いている。
本発明の第４の実施態様によれば、開口角度制限手段
は２つのプリズムを組み合わせた開口角度制限プリズム
系からなり、複屈折結晶の偏光主軸は装置の光学軸に対
して傾いている。
本発明の第５の実施態様によれば、開口角度制限手段
はファイバ円盤からなる。
（実 施 例） 以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
第５図に示すように、本発明の装置は基本的に３つの
モジュール、すなわち、１）開口角度制限手段を有する
光学部材10、２）２つの偏光器とその間に配された複屈
折結晶とからなるコノスコープ系20、および３）例えば
マイクロコンピュータに接続されたCCDカメラによって
形成される記録手段30からなる。
当然ながら、開口角度制限手段を有する光学部材10と
コノスコープ系20は対象物と記録手段30の間に配置され
なければならない。
しかしながら、開口角度制限手段を有する光学部材10
とコノスコープ系20の位置は入替え可能である。すなわ
ち、開口角度制限手段を有する光学部材10の位置は結晶
の前でも後でもよい。
入口部および出口部の偏光器の各々は直線偏光器およ
び該直線偏光器と連関する四分の一波長板、あるいは同
等の機能を有する手段によって形成される。
２つの円偏光器を構成する４枚の板の１つはホログラ
ムのデジタルサブトラクションにより非回折光（バック
グラウンド）を表す項を除去できるように回転可能でな
ければならない。その配置については後述する。
この配置の物理的な結果として、対象物の各点に対
し、第6a図に示すように、基本ホログラム表面を限定す
る縁上に中心Ａがある帯状束が得られる。
この各ホログラムを限定する縁が中心Ｃおよび半径Ｒ
を有する円φであると仮定する。（この縁は帯状束がホ
ログラムに属さない限りにおいて、アプリオリに、いか
なる輪郭を有することもできる。）点Ｐに関連する基本
ホログラムの点Ｑにおける強度は、バックグラウンドの
サブトラクション後、下式で表される。
（22） IP（Ｑ）＝φ（C,R）（Ｑ）cosα（Ｐ）r2 ここでｒはＡに結合した座標におけるＱの極座標であ
る。φ（C,R）（Ｑ）はＱがφに属する場合には１であ
り、他の場合には０である。
この基本ホログラムをフーリエ変換したものの実部と
虚部を第6b図と第6c図にそれぞれ示す。
インパルス応答は対称ではなく、それをフーリエ変換
したものは実数にはならず、複雑な指数関数である。
軸上に配した結晶と開口部がこの軸の外に配された開
口角度限定手段とを有する本発明によるコノスコープ装
置を第７図に示す 第７図において系の光学軸はＯ−Ｏで示されている。
第７図には、複屈折結晶21が２つの円偏光器22,23の
間に配されたコノスコープ系20が示されている。複屈折
結晶21は系の光学軸Ｏ−Ｏに平行な偏光主軸を有してい
る。
また、第７図には光学軸Ｏ−Ｏを横切る記録面を有す
る記録手段30が概略的に示されている。
第７図によれば、開口部が軸の外に配された開口角度
制限手段10はレンズ11および遮光板12からなる。レンズ
11の中心は光学軸Ｏ−Ｏに位置している。遮光板12の開
口部の縁はレンズの光学軸Ｏ−Ｏの軸上にある。遮光板
12はこのレンズ11の物側焦点面内に配置されている。
式（22）を参照すれば、この場合、点Ａ（帯状束の中
心）が点Ｐの正投影に一致することが認められる。
第８図および第９図は本発明によるコノスコープ装置
の２つの変更例を概略的に示すものである。これらは、
開口の中心が装置の光学軸上に配されている開口角度制
限手段と光学軸に対して傾いた偏光主軸を持つ結晶が配
されている。すなわち、結晶の軸は系の光学軸Ｏ−Ｏに
対して角度βだけ傾いている。
第８図および第９図には、複屈折結晶21が２つの円偏
光器22,23の間に配されたコノスコープ系20と記録手段3
0が示されている。
第８図および第９図において、系の光学軸はＯ−Ｏで
示されている。
記録手段30の記録面は光学軸Ｏ−Ｏに垂直である。
より詳細には、第８図において複屈折結晶21の入口面
21aおよび出口面21bは系の光学軸Ｏ−Ｏに垂直であり、
第９図においてそれらは結晶の偏光主軸Ｃ−Ｃに垂直で
ある。
第８図および第９図において、開口角度制限手段10は
レンズ11および遮光板12から形成されている。レンズ11
および遮光板12の中心は系の光学軸Ｏ−Ｏに位置してい
る。遮光板12はレンズ11の物側焦点面内に配置されてい
る。
この場合、基本ホログラムの境界となる円の中心であ
る点ｃが点Ｐの記録手段30の記録面上における正投影に
一致する。
各点に対応して上記開口角度制限手段によって得られ
る開口の円錐の頂点の角度の半分の値が結晶の傾斜軸に
一致することになる。
第７図、第８図および第９図に記載された系は空間的
に不変な方法で開口角度を制限できるものである。この
特性は軸の外の配置を有効とするために不可欠なもので
ある。しかしながら、上記の解決法においては、開口角
度制限手段が対象物の全ての点に対して正確に機能する
ようにするために、対象物が所定の値よりも低い空間的
拡大度を有する必要がある。遮光板の開口部の直径を
Ｏ、レンズの直径をＤ、対象物の空間的拡大度をＥとす
れば、以下の関係が得られる。
（23） Ｅ＜dR/f−Ｏ（d/f＋１） ここで、ｆはレンズの焦点距離、ｄは対象物から遮光板
までの距離である。一方、開口βはｄに依存しない。
（24） tgβ＝O/2f したがって、別の光学手段を用いて寸応を減少させる
ような方法で画像を得れば充分である。しかしながら、
Ｅがゼロに近づいた場合、画像は遮光板から下式のよう
な距離ｄだけ充分に離す必要がある。
（25） ｄ＞fO/（Ｒ−Ｏ） 一方、二重の光学手段を用いる場合には、対象物内の
１つの領域を分割できるように対象物の像が収束する点
に配された第２の遮光板を用いて画像の拡大度Ｅを減少
させることも可能である。
二重の光学手段を有する系の概略図を第10図に示す。
この図面において、結晶はホログラフィ対象物の前であ
ればどこに配してもよいため、その位置は特定していな
い。
第10図に示すように、第１の光学手段13は対象物に対
して縮小された像14を形成し、レンズ11および遮光板12
は所望の像を形成する。遮光板12はレンズ11の物側焦点
面内に配置されている。必要に応じて像14の１つの領域
を選別するために該像14の面内に配された第２の遮光板
15も概略的に示されている。
レンズ11と物側焦点面内に配置された遮光板12とによ
って開口角度制限手段が形成されているとすると、この
フィルタを所定の（空間周波数に関する）スペクトル分
布を有する対象物に適合させるように、遮光板12の開口
部の形状および透過性を選択してホログラム中のある周
波数を選別することができる。これは形状を認識するた
めに非常に有用である。
簡単な例をあげると、四角形の開口部を有する遮光板
は（帯状束の中心のずれが水平に生じる場合に配され
る）円形の開口部を有する遮光板よりもホログラフィ対
象物の垂直周波数を復元するのに適している。また、対
象物の高周波を優先的に復元したい場合には、例えば、
基本ホログラムの低周波の透過性が0.5、高周波の透過
性が１である遮光板を用いることができる。これら２つ
の透過性は任意に変えることができる。
上記のレンズと遮光板とからなる開口角度制限手段
は、軸外の結晶と共働して画像を形成する光学手段に依
存することなく、同等の機能を有する他の手段で置き換
えることが可能である。
第１の変更例によれば、レンズと遮光板とからなる開
口角度制限手段は干渉フィルタによって置き換えること
ができる。
波長λ０を中心とする帯域を通過させ、法線に対して
α傾いた波長λ１の波を反射する干渉フィルタについて
考える。この干渉フィルタは以下のような波長λαを中
心とするものである。
ここで、Ｎ＊はフィルタの有効屈折率である。第11図は
20゜である角度αに対するフィルタの共鳴波長のずれを
示すものである。αがどのような値でも、λαは常にλ
０よりも低いことが認められる。所定の角度α０を除去
したい場合には以下のようになる。
（27） Δλ/2＋λα０＝λ１ および （28） λ０−Δλ/2＜λ１＜λ０＜Δλ/2 上式（27）（28）は、定数であるΔλおよびλに対し
てα０以上の全ての角度を除去するためのフィルタが反
射しなければならない波長λ１を与えるものである。
第２の変更例によれば、レンズと遮光板とからなる開
口角度制限手段は２つのプリズムを組み合わせた開口角
度制限プリズム系によって置き換えることができる。
第12図に示すように、この開口角度制限プリズム系40
は、より屈折率の低い（例えば空気からなる）層43によ
って分割された屈折率ｎの同一な２つのプリズム41,42
を組み合わせたガラス立方体によって形成することがで
きる。
第12図において系の光学軸はＯ−Ｏで示され、光線Ｌ
が光学軸Ｏ−Ｏに対する角度i1で入射している。
光線Ｌおよび光学軸Ｏ−Ｏは系40の入口44および出口
45において直交面を形成する。
また、光線Ｌおよび光学軸Ｏ−Ｏの形成する面は、よ
り屈折率の低い層43を挟むプリズム41,42の対向する内
面46,47に対しても直交している。内面46,47自体も入口
44および出口45に対して角度γだけ傾いている。
光線Ｌが光学軸Ｏ−Ｏと角度i1をなしているとする。
i1＝α０以下のものに対して全反射を得るための層43の
角度γは次式で表される。
（29） γ＝Arcsin（1/n）−α0/n 好ましくは、系40によって除去される最大角度i1は結
晶21の傾斜角度に一致する。
開口角度制限プリズム系40は一方向内のみにおいて所
定の値よりも大きな角度の除去を可能にするものであ
る。例えば他の（直交方向に対向する方向および直交方
向内方の）３つの方向に対して角度除去を行いたい場
合、同一の部材を他に３つ、適正に配する必要がある。
しかしながら、これは必ずしも必要な条件ではない。な
ぜなら、実像と共役像の分離は１つの部材のみを用いる
適当な方法で行うことができるからである。実際には、
任意に用いられる３つの部材はS/N比の向上に寄与する
ものである。
第３の変更例によれば、レンズと遮光板とからなる開
口角度制限手段はファイバ円盤の集合体によって置き換
えることができる。
現在、ファイバ円盤は光増幅器としてCCDカメラ内に
使用されている。これらは開口角度制限手段として用い
ることも可能である。
実際には、これらの部材は極めて細い（直径４〜６ミ
クロン程度の）芯を有するファイバを光学吸収性の低い
間隙ガラスで包み込んでなるものである。CCD板の基本
セルあたりのファイバ密度が25〜30である場合、画像劣
化はわずかである。このような円盤の軸に沿った透過率
は典型的には80％〜90％である。芯と外被の屈折率の関
数として、各ファイバは所定の数値で表される開口を有
しており、ある値以上の角度全てを除去するようになっ
ている。
上述のように、非回折光（バックグラウンド）はホロ
グラムのサブトラクションによって除去することができ
る。
どのような形状にあるにせよ、バックグラウンドの除
去は２つのホログラムの撮影およびサブトラクションに
よって行うことができる。第１のホログラムは入口部お
よび出口部の２つの変光器22,23の円偏光が同一の方向
（右旋性もしくは左旋性）にある場合に対応する。第２
のホログラムは２つの偏光器22,23の円偏光が対向する
場合（一方が右旋性であれば他方は左旋性）に対応す
る。
このためには、２つの偏光器22,23を構成する４つの
板の１つを他に対して回転可能にし、一方の場合から他
方の場合に移行するように、この板を90゜回転すればよ
い。
好ましくは、本発明による系は同時にホログラム以外
の二次元像をも得ることを可能にする手段を有してい
る。
このためには、入口部の直線偏光器を同等の作用を有
する偏光ビームスプリッタ22.1によって置き換え、他方
の偏光を（カメラのような）第２の記録手段50に導くよ
うにすればよい（上記他方と偏光とは、単純な直線偏器
を用いていた場合には使われずに捨てられていたもので
ある）。これによって、ホログラムの双方向性や活用
性、特に画像処理を改善することができる。この際に
は、バックグラウンドを除去するために必要な２つのホ
ログラムを得るために、残りの３つの板のうちの１つを
回転可能にすることが必要になる。
この手法を概略的に第13図に示す。
第13図に示すコノスコープ系20は、結晶21、入口部の
円偏光器22および出口部の円偏光器23からなる。
入口部の円偏光器22は偏光ビームスプリッタ22.1およ
び四分の一波長板22.2もしくは同等の光学弁から形成さ
れる。
出口部の円偏光器23は四分の一波長板23.2もしくは同
等の光学弁および直線偏光器23.1から形成される。
偏光ビームスプリッタ22.1と出口部の直線偏光器23.1
とは置換不可である。偏光ビームスプリッタ22.1は光の
進行方向に関して上流側に配されなければならない。
偏光を90゜回転することのできる全ての部材は２つの
直線偏光器22.1と23.1とに挟まれた空間内に挿入するこ
とが可能である。特に、２つの四分の一波長板22.2,23.
2のうちの１つの光学弁で置き換えることが可能であ
る。応力を作用させることにより、容易に右旋性偏光を
左旋性偏光に、あるにはその逆に変化させることが可能
である。
本発明による開口が制限されたコノスコープ装置は容
易に共役像を除去し、長手方向の点がどこにあろうとも
複合インパルス応答を得ることができるものである。す
なわち、この装置中でホログラムをいったん記録すれ
ば、対象物の複合ホログラムを得るためには、平面状の
対象物であれ、三次元の１平面であれ、スペクトルの半
分を保持すれば充分である。
スペクトルの半分が破棄されるため、その後のデジタ
ル処理も非常に容易になる。
本発明の装置の非制限的な一実施例を以下に示す。
この実施例によれば、装置は、感光マトリックスは寸
法15×15ミクロンの512×512ピクセルを有する総表面積
８×8mmのCCDカメラからなる記録手段30と、記録手段30
の記録面に平行な表面を備えた軸外の結晶21とを有して
いる。結晶21の後の軸上には、ホログラフ化すべき画像
の空間拡大を第１の遮光板で調整すると同時に第２の遮
光板12で開口角度の制限を行う二重の光学手段が設けら
れている。画像と帯状束の空間拡大は記録面の空間拡大
の半分になるように選択されている。
帯状束の半径は次式のようになる。
（30） Ｒ＝Nd/2 ここでＮ＝512は一方向内のピクセル総数である。帯状
束の零次の点からの距離2Rにおける明暗縞の数は次式の
ようになる。
（31） Ｆ＝４αR2/π そして、最大周波数は次式のようになる。
（32） ξmax＝２α2R・1/2π＝２αR/π ナイキスト周波数に対応するデジタル化ピクセルの寸
法は次式のようになる。
（33） ｄ＝1/2ξmax＝π/4αＲ したがって、式（31）、（32）、（33）の関係は以下
のようになる。
Ｆ＝N/2＝128 一方、Ｆとβ＝R/ZCとの間の関係は以下のようにな
る。
Ｆ＝４・2LΔｎβ2/λn0 2 n0＝1.658、Δｎ＝0.172、Ｌ＝20mmであるような方解
石結晶を考える。この場合、必要な開口はβ＝0.1rdで
ある。また、結晶の傾斜角度は下式で表される。
θ＝β/n0＝0.06rd さらに、CCD板からの対象物の距離ｚは下式で表され
る。
zC＝R/β＝20mm すなわち、 ｚ＝zC＋Ｌ（n0−１）/n0＝27mm 対象物の像が第２の遮光板から距離ｆ（ここでｆは第
２の光学手段の物体空間焦点距離である）の位置にあ
り、倍率が１もしくは−１であるとすれば、第１の遮光
板の有する直径O1は以下のようになる。
O1＝2R＝4mm そして、第２の遮光板の物体空間焦点距離ｆが50mmで
あるとすると、その直径O2は以下のようになる。
O2＝２βｆ＝10mm 次に、直接ホログラムとそれに対応する二次元像をマ
イクロコンピュータのメモリ中に得ることのできる本発
明によるコノスコープ装置の全体的構成を説明する。そ
の基本的な概略図を第14図に示す。
ホログラフィ化すべき対象物もしくは光景は単色光ラ
ンプによって照射され、上述の開口βを有する二重光学
手段11,12,13によって映像化される。
二重光学手段11,12,13を経て、上述の偏光ビームスプ
リッタの作用を受け、光は２つの記録手段30,50に導か
れる２つの偏光に分解される。
一方の偏光に対応する第１の画像は、軸外結晶21と偏
光板22.2,23.1,23.2とからなるコノスコープ系20を貫通
した後、第１の記録手段30のCCD板から距離ｚの点に収
束する。この第１のビデオ信号は線51によってマイクロ
コンピュータ52内のデジタル基板に送られ、ここで再抽
出され、８ビットにコード化される。
第２の偏光に対応する第２の画像は第２の記録手段の
CCD板上に収束し、第１の画像と同様にデジタル化さ
れ、保存される。
マイクロコンピュータ52は信号処理基板と算術コプロ
セッサを備えており、これら２つの処理の間に、（特に
フーリエ変換を用いて）リアルタイムでのデジタル復元
を行うのに必要な第２の記録手段からの強度および第１
の記録手段からの深度を有する情報をメモリに有するも
のである。
上述のように、残りの３つの板のうちの１つの偏光軸
の回転は機械的にも電気的にも行うことができる。機械
的方法は極めて高品質の光学部材を得ることができると
いう利点を有している。電気的手法は、機械的な回転誘
導手段が不要であり、右旋性から左旋性への切替えがよ
り短時間であるため、明らかに実施がより容易である。
第14図において、マイクロコンピュータ52による偏光
軸の回転制御は線53によって操作される。また、マイク
ロコンピュータ52はビデオスクリーン54にも接続されて
いる。
（発明の作用効果） 本発明は数多くの分野に応用可能である。
容易に実施可能な第１の応用分野はテレメータであ
る。これは、１点のホログラムを記録するようにレーザ
ビームを用いて目標対象物までの距離を測ることからな
る。
第２の応用分野は、予め記録され、マイクロコンピュ
ータ中にデジタル的に保存された所定の参照物に対する
変形の測定である。これらの変形は（使用される光学手
段により）ミリメータ単位にもマイクロメータ単位にも
なり得る。
第３の応用分野は、光学的もしくはデジタル的復元を
伴った対象物の三次元像形成である。
本発明は上述のような特定の実施例に限定されるもの
ではなく、様々な変更が可能なものである。
本発明に用いられる開口角度制限手段は等方的に、す
なわち、対象物の点の位置に無関係に開口角度の制限を
行うことのできるものであり、例えば、対象物の像の焦
点面内に配置され、対象となる点によって変化する円錐
形の光を形成するカメラの遮光板のような従来の開口制
限手段とは同一視できないものである。
【図面の簡単な説明】
第１図は米国特許第4,602,844号明細書に記載された装
置の一般的な構造を示す概略図、 第２図は１点のホログラムを示す概略図、 第３図は仏国特許出願FR88 17225号明細書に開示された
装置の構造を示す概略図、 第４図は関連する様々な変換関数を示す図表、 第５図は本発明によるコノスコープ装置の光学手段部分
を示すブロック図、 第6a図は本発明による装置によって得られる１点の基本
ホログラムを示す概略図、 第6b図および第6c図は基本ホログラムをフーリエ変換し
たものの実部および虚部をそれぞれ示す概略図、 第７図は軸上に配した結晶と開口部がこの軸の外に配さ
れた開口角度制限手段とを有する本発明の１実施例によ
るコノスコープ装置を示す概略図、 第８図および第９図は開口の中心が装置の光学軸上に配
されている開口角度制限手段と光学軸に対して傾くよう
に偏光主軸が配された結晶とを有する本発明によるコノ
スコープ装置の２つの変更例を示す概略図、 第10図は二重の光学手段を有する本発明によるコノスコ
ープ装置を示す概略図、 第11図は干渉フィルタを通過した帯域を示すグラフ、 第12図は開口角度制限プリズムの構造を示す概略図、 第13図はホログラムに加えて対象物の二次元像を得るこ
とのできる本発明の１変更例を示す概略図、 第14図は本発明による装置の１実施例を示す概略図であ
る。 10……開口角度制限手段、11……レンズ 12……遮光板、13……光学手段、15……遮光板 20……コノスコープ系、21……複屈折結晶 22,23……偏光器、40……開口角度制限プリズム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ガブリエル シラー フランス国 75013 パリ リュ レレ ッド ５ (56)参考文献 米国特許4602844（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G03H 1/00 - 1/26

Claims (34)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】２つの偏光器（22,23）の間に複屈折結晶
    （21）を挿入してなるコノスコープ系（20）を有するホ
    ログラフィ装置であって、光路に挿入された開口角度制
    限手段（10;40）を有し、該開口角度制限手段（10;40）
    の開口の中心が該装置の光学軸の外にあり、前記複屈折
    結晶（21）が該装置の光学軸上にあることを特徴とする
    ホログラフィ装置。
  2. 【請求項２】前記開口角度制限手段（10;40）が前記複
    屈折結晶（21）の前に配されていることを特徴とする請
    求項１記載のホログラフィ装置。
  3. 【請求項３】前記開口角度制限手段（10;40）が前記複
    屈折結晶（21）の後に配されていることを特徴とする請
    求項１記載のホログラフィ装置。
  4. 【請求項４】前記開口角度制限手段（10）がレンズ（1
    1）と該レンズに連関する中央に開口部を有する遮光板
    （12）とからなることを特徴とする請求項１〜３のいず
    れか１項に記載のホログラフィ装置。
  5. 【請求項５】前記遮光板（12）が前記レンズ（11）の物
    側焦点面に配されていることを特徴とする請求項４記載
    のホログラフィ装置。
  6. 【請求項６】前記レンズ（11）の中心が該装置の光学軸
    （Ｏ−Ｏ）上に配され、前記遮光板（12）の開口部の縁
    が前記レンズ（11）の軸上にあることを特徴とする請求
    項４もしくは５記載のホログラフィ装置。
  7. 【請求項７】２つの偏光器（22,23）の間に複屈折結晶
    （21）を挿入してなるコノスコープ系（20）を有するホ
    ログラフィ装置であって、光路に挿入された開口角度制
    限手段（10;40）を有し、該開口角度制限手段（10;40）
    の開口の中心が該装置の光学軸（Ｏ−Ｏ）上に配され、
    前記複屈折結晶（21）が該装置の光学軸（Ｏ−Ｏ）に対
    して傾いた偏光主軸（Ｃ−Ｃ）を有していることを特徴
    とするホログラフィ装置。
  8. 【請求項８】前記開口角度制限手段（10;40）が前記複
    屈折結晶（21）の前に配されていることを特徴とする請
    求項７記載のホログラフィ装置。
  9. 【請求項９】前記開口角度制限手段（10;40）が前記複
    屈折結晶（21）の後に配されていることを特徴とする請
    求項７記載のホログラフィ装置。
  10. 【請求項１０】前記開口角度制限手段（10）がレンズ
    （11）と該レンズに連関する中央に開口部を有する遮光
    板（12）とからなることを特徴とする請求項７〜９のい
    ずれか１項に記載のホログラフィ装置。
  11. 【請求項１１】前記遮光板（12）が前記レンズ（11）の
    物側焦点面に配されていることを特徴とする請求項10記
    載のホログラフィ装置。
  12. 【請求項１２】前記レンズ（11）および前記遮光板（1
    2）の中心が該装置の光学軸（Ｏ−Ｏ）上に配されてい
    ることを特徴とする請求項10もしくは11記載のホログラ
    フィ装置。
  13. 【請求項１３】前記複屈折結晶（21）の入口部および出
    口部の主表面（21.a,21.b）が該装置の光学軸（Ｏ−
    Ｏ）に対して垂直であることを特徴とする請求項12記載
    のホログラフィ装置。
  14. 【請求項１４】前記複屈折結晶（21）の入口部および出
    口部の主表面（21.a,21.b）が該結晶の偏光主軸（Ｃ−
    Ｃ）に対して垂直であることを特徴とする請求項12記載
    のホログラフィ装置。
  15. 【請求項１５】前記開口の中心が該装置の光学軸上に配
    されている開口角度制限手段（10）によって形成される
    開口の円錐の頂点角度の半分が、前記複屈折結晶（21）
    の偏光主軸が該装置の光学軸（Ｏ−Ｏ）に対してなす傾
    斜（β）に一致することを特徴とする請求項７記載のホ
    ログラフィ装置。
  16. 【請求項１６】前記開口の中心が該装置の光学軸上に配
    されている開口角度制限手段が干渉フィルタからなるこ
    とを特徴とする請求項７記載のホログラフィ装置。
  17. 【請求項１７】所定の角度α０を除去するために前記干
    渉フィルタが反射しなければならない波長λ１が次のよ
    うな関係 Δλ/2＋λα０＝λ１ λ０−Δλ/2＜λ１＜λ０＋Δλ/2 （ただし、Δλは波長λ０を中心とするフィルタを通過
    する帯域を示し、λα０は角度α０のためのフィルタの
    共鳴波長を示し、 であり、Ｎはフィルタの有効屈折率を示す） にあることを特徴とする請求項16記載のホログラフィ装
    置。
  18. 【請求項１８】前記開口の中心が該装置の光学軸上に配
    されている開口角度制限手段が、２つのプリズムを組み
    合わせた開口角度制限プリズム（40）からなることを特
    徴とする請求項７記載のホログラフィ装置。
  19. 【請求項１９】前記開口角度制限プリズムが、空気層に
    よって分割された同一形状の２つの部分（41,42）から
    なるガラス立方体から形成されていることを特徴とする
    請求項18記載のホログラフィ装置。
  20. 【請求項２０】前記開口角度制限プリズムの部分（41,4
    2）のそれぞれが光線（Ｌ）と該装置の光学軸（Ｏ−
    Ｏ）とによって形成される平面に直交する入口面（44）
    および出口面（45）の一方と、前記平面に直交し、かつ
    前記入口面（44）もしくは出口面（45）に対して角度
    （γ）だけ傾斜した作用面（46,47）とを有しているこ
    とを特徴とする請求項18もしくは19記載のホログラフィ
    装置。
  21. 【請求項２１】前記入口面（44）もしくは出口面（45）
    に対する作用面（46,47）の傾斜角度（γ）が以下の関
    係 γ＝Arcsin（1/n）−（i1/n） （ただし、ここで、ｎは開口角度制限プリズムを構成す
    る２つのプリズムの屈折率であり、i1は装置の光学軸
    （Ｏ−Ｏ）に対する入射光（Ｌ）の傾斜である）にある
    ことを特徴とする請求項20記載のホログラフィ装置。
  22. 【請求項２２】除去される最大角度（i1）が、該装置の
    光学軸（Ｏ−Ｏ）に対する前記複屈折結晶（21）の偏光
    主軸（Ｃ−Ｃ）の傾斜に一致することを特徴とする請求
    項18〜21のいずれか１項に記載のホログラフィ装置。
  23. 【請求項２３】該装置の光学軸（Ｏ−Ｏ）のまわりに配
    された複数の開口角度制限プリズム（40）の系を有して
    いることを特徴とする請求項18〜22のいずれか１項に記
    載のホログラフィ装置。
  24. 【請求項２４】前記開口の中心が該装置の光学軸上に配
    されている開口角度制限手段がファイバ円盤からなるこ
    とを特徴とする請求項７記載のホログラフィ装置。
  25. 【請求項２５】前記開口角度制限手段を通して観察され
    る対象物の拡大度Ｅが下式 Ｅ＜dF/f−Ｏ（d/f＋１） （ただし、ｄは遮光板（12）から対象物までの距離、Ｒ
    は基本ホログラムの半径、ｆはレンズ（11）の焦点距
    離、Ｏは遮光板（12）の開口部の直径を示す）に対応す
    るような光学手段（13）を有していることを特徴とする
    請求項１〜24のいずれか１項に記載のホログラフィ装
    置。
  26. 【請求項２６】前記遮光板（12）から対象物までの距離
    ｄが下式 ｄ＞fO/（Ｒ−Ｏ） に対応することを特徴とする請求項25記載のホログラフ
    ィ装置。
  27. 【請求項２７】前記光学手段（13）が前記開口角度制限
    手段の上流に配れたレンズからなることを特徴とする請
    求項25もしくは26に記載のホログラフィ装置。
  28. 【請求項２８】物側焦点面内に配された遮光板（15）を
    有していることを特徴とする請求項25もしくは26に記載
    のホログラフィ装置。
  29. 【請求項２９】前記遮光板（12）が円形の開口部を有し
    ていることを特徴とする請求項４もしくは10記載のホロ
    グラフィ装置。
  30. 【請求項３０】前記遮光板（12）が四角形の開口部を有
    していることを特徴とする請求項４もしくは10記載のホ
    ログラフィ装置。
  31. 【請求項３１】前記遮光板（12）が所定の周波数によっ
    て透過率が変化するものであることを特徴とする請求項
    ４、10、29もしくは30記載のホログラフィ装置。
  32. 【請求項３２】前記複屈折結晶（21）の入口部および出
    口部に配された円偏光器（22,23）の各々が直線偏光器
    （22.1;23.1）と四分の一波長板（22.2;23.2）もしくは
    同等の機能を有する光学弁とを有していることを特徴と
    する請求項１〜31のいずれか１項に記載のホログラフィ
    装置。
  33. 【請求項３３】前記入口部および出口部に配された円偏
    光器（22,23）の円偏光が同一方向にある場合と対向方
    向にある場合とに対応する２つのホログラムを連続的に
    記録するように前記円偏光器に作用する手段と、バック
    グラウンドを除去するように前記２つのホログラムをサ
    ブトラクションする手段とを有していることを特徴とす
    る請求項32項記載のホログラフィ装置。
  34. 【請求項３４】前記入口部の偏光器が偏光ビームスプリ
    ッタ（22.1）と四分の一波長板（22.2）もしくは同等の
    機能を有する光学弁とを有しており、対象物の二次元像
    を記録するための記録手段（50）が該偏光ビームスプリ
    ッタ（22.1）に対向して配されていることを特徴とする
    請求項１〜33のいずれか１項に記載のホログラフィ装
    置。
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