JP3795953B2

JP3795953B2 - Holographic imaging device, holographic system, and holographic display method

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Publication number: JP3795953B2
Application number: JP04342096A
Authority: JP
Inventors: 民樹竹森
Original assignee: Hamamatsu Photonics KK
Current assignee: Hamamatsu Photonics KK
Priority date: 1996-02-29
Filing date: 1996-02-29
Publication date: 2006-07-12
Anticipated expiration: 2016-02-29
Also published as: JPH09237029A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、物体の３次元情報を記録するホログラフィ撮像装置、および、このホログラフィ撮像装置から物体の３次元情報を読み出して物体の３次元像を表示するホログラフィ表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
物体の３次元像の表示技術としてホログラフィ技術が注目されている。このホログラフィ技術は、物体の３次元情報を記録するホログラフィ撮像技術と、ホログラフィ撮像技術によって記録された物体の３次元情報を読み出して物体の３次元像を表示するホログラフィ表示技術とから構成される。
【０００３】
従来のホログラフィ技術は、一般に、ホログラフィ撮像にあたって、撮像素子が高分解能を有することを前提として構築されており、ホログラフィ撮像装置の撮像素子として高分解能の写真乾板やサーモプラスチックを用いるものが大部分である。
【０００４】
こうした撮像技術は、高分解能であるが故に、基本的に高度な写真技術であるため、ホログラフィ撮像には多大の労力を必要とする。そこで、比較的低分解能の撮像素子であるＣＣＤカメラを用いたホログラフィ技術が、「佐藤他、テレビジョン学会誌Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．７，ｐｐ．８７３−８７５（１９９１）」（以後、従来例１と呼ぶ）や「橋本、画像電子学会誌Ｖｏｌ．２２，Ｎｏ．４，ｐｐ．３１５−３２２（１９９１）」（以後、従来例２と呼ぶ）に提案されている。
【０００５】
従来例１は、ホログラフィ撮像技術で通常は使用されるレンズを使用しない、フレネル型ホログラフィ技術の例である。また、従来例２に開示されているホログラフィ撮像技術は、実像の空間分解能を撮像素子の空間分解能に合せるように、結像レンズを用い、結像レンズの物体側直前に開口を配置している。
【０００６】
そして、干渉縞に物体の光軸方向への距離情報と光軸に対する垂直方向の位置情報の双方を担わせて撮像し、また、この干渉縞から像再生を読み出して行っている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来のホログラフィ撮像装置やホログラフィ表示装置は上記のように構成されるので、以下のような問題点があった。
【０００８】
従来例１および従来例２のホログラフィ撮像装置では、一般にＣＣＤの空間分解能は１０μｍ程度であることから、物体光と参照光との成す角度は２〜３°以内である必要である。物体光と参照光との成す角度が大きくなると、干渉縞の間隔が撮像素子の分解能よりも小さくなってしまい、コントラス良く干渉縞を撮像することができない。
【０００９】
そこで、従来例１では、撮像対象物の大きさをＣＣＤの大きさ程度とするとともに、撮像対象物とＣＣＤとの距離を大きくとっている。しかしながら、撮像対象物とＣＣＤとの距離の最適化の指針がなく、従って、性能を維持しつつ小型化を図ることが困難である。
【００１０】
また、従来例１では、レンズを使用しないことから、視野を可変とすることができない。
【００１１】
従来例２では結像レンズの撮像対象物側の直前に絞りを配置するので、視野を大きくとるためには縮小系を選択しなければならない。したがって、視野を大きくとると物体光の光軸に対する角度は、レンズ通過後にレンズ入射前よりも拡大されることになる。
【００１２】
このため、物体光と参照光との角度を小さく保つために絞りの開口を小さく絞ることになるが、開口を小さく絞ると、物体光を有効に使用することができない。したがって、撮像対象物として反射率の高い物体を選択しなければならないという制約や、強力な光源が必要となるという制約が課されることになる。
【００１３】
又、レンズ中心を通過する光の出射角は変化せず、視野角を大きくできない。
【００１４】
従来例１および従来例２のホログラフィ表示装置は、撮像素子であるＣＣＤの画素ピッチ、画素サイズと、画像再生時に使用される空間変調素子の画素ピッチ、画素サイズとは異なる。
【００１５】
従来例１はフルネル型ホログラム方式を採用しているのにもかかわらず、表示光学系にレンズが使用されている。また、従来例２は結像タイプの表示光学系とはなっていない。
【００１６】
すなわち、従来例１および従来例２では、ホログラフィ撮像時の光学系と画像再生時の光学系とが異なるため、再生表示像の位置による拡大率が本質的に異なることとなるので歪が発生することになる。
【００１７】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、視野を可変とするとともに、比較的低い空間分解能の撮像素子を使用して質の高いホログラムを撮像するホログラフィ撮像装置を提供することを目的とする。
【００１８】
また、本発明は、本発明のホログラフィ撮像装置で撮像したホログラムから原像に対する歪を低減して表示可能なホログラフィ表示装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明のホログラフィ撮像装置は、視野を可変とするために正の屈折力を有する光学系、例えば、凸レンズを用いるとともに、必要な干渉縞の間隔を確保するために、物体の光軸方向の距離は干渉縞の間隔に反映させるとともに、物体の光軸方向と垂直方向の位置は干渉縞の分布範囲に反映させることとして、物体の光軸方向距離の反映機能と物体の光軸垂直方向位置の反映機能とを分離し、撮像素子の光軸方向の位置を調整することにより、撮像素子の分解能より小さな間隔の干渉縞の発生を抑制する構成とした。
【００２０】
すなわち、請求項１のホログラフィ撮像装置は、（ａ）撮像対象物に照射する光を発生する第１の光源と、（ｂ）第１の光源から出力された光が撮像対象物に照射された結果、撮像対象物で反射された物体光を通過させる開口を有する絞り手段と、（ｃ）絞り手段が物側焦点面となる位置に配設された正の屈折力を有する第１の結像光学系と、（ｄ）物体光と同一の波長を有する可干渉光を発生する第２の光源と、（ｅ）第２の光源から出力された可干渉光を、第１の結像光学系の光軸に平行に進む平面波である参照光とし、第１の結像光学系を介した物体光と参照光とを干渉させる干渉光学系と、（ｆ）第１の結像光学系の物体光出力側の焦点面から第１の距離だけ離れた位置に第１の結像光学系の光軸と垂直な撮像面を有し、干渉光学系から出力された干渉光が形成する像を撮像する撮像手段とを備え、物体光の波長＝λ、絞り手段の開口の口径＝ａ、第１の結像光学系の物側焦点距離＝ｆ、および、撮像手段の空間分解能＝ｐとした場合、
ａ≦λ・ｆ／ｐ …（１）
なる関係を満足することを特徴とする。
【００２１】
ここで、第１の光源と第２の光源とは同一の光源とすることが可能である。
【００２２】
また、第１の距離を変化させる第１の移動手段を更に備えて構成することが可能である。この場合、撮像対象物との距離と撮像面の分解能とに合せて、撮像に最適な位置設定をすることが可能になる。
【００２３】
また、撮像手段の撮像結果は、（i）撮像面における光の強度としてもよいし、また、（ii）撮像面における光の波の振幅と光の波の位相ととしてもよい。前者の場合は強度ホログラムが得られるし、また、後者の場合は複素ホログラムが得られる。複素ホログラムは、縞走査法によって得られる。
【００２４】
請求項１のホログラフィ撮像装置では、まず、第１の光源から出力された光で撮像対象物を照射する。この照射の結果、撮像対象物で反射された光であって、物体光を（１）式を満たす径の開口を介して第１の結像光学系に入力する。
【００２５】
結像光学系に入力した光の内、開口の中心、すなわち、結像光学系の撮像対象物側の焦点を通過した主光線は、第１の結像光学系への入射角に応じて、第１の結像光学系の中心軸（以後、単に光軸とも呼ぶ）と一定の距離の第１の結像光学系の出射位置から出力され、光軸と平行な光路で撮像面に垂直に入射する。また、開口を通過した光は、結像光学系を通過することにより、結像点に向かう光となる。したがって、開口を通過した波面は、結像光学系を通過から結像点までは収斂する球面波となり、また、結像点を通過後は発散する球面波となる。
【００２６】
一方、第２の光源から出力された可干渉光が干渉手段に入力する。干渉手段では、第２の光源から出力された可干渉光を平面波である参照光とした後、結像光学系を介した物体光と参照光とを干渉させる。
【００２７】
ここで、第１の光源と第２の光源とを同一として構成し、光分岐器によって、撮像対象物への照射光と参照光の元となる可干渉光とすることができる。
【００２８】
結像光学系を通過後の物体球面波を同一波長の平面波と干渉させ、結像光学系の後方の光軸に垂直な断面で観測すると、主光線を中心とする余弦波フレネルゾーンプレートとなり、様々な位置の余弦波フレネルゾーンプレートの中心を結ぶと光軸と平行となる。
【００２９】
この結果、光軸方向の距離が同一の場合、撮像対象物の各輝点の光軸に対して垂直方向の距離がこの輝点に由来する干渉縞の分布範囲を規定することになる。また、撮像対象物の各輝点の光軸方向の距離が余弦フレネルゾーンプレートの干渉縞間隔を規定することになる。
【００３０】
請求項１の装置では、撮像手段の空間分解能、すなわち、撮像手段で採用する撮像素子の単位の大きさ（以後、ピッチとも呼ぶ）ｐよりも小さな間隔の干渉縞の発生を押えるために、（１）式を満たす径ａの開口を採用する。
【００３１】
撮像素子に入射する参照光が、撮像素子に垂直に入射するとすれば、ピッチｐを有する撮像素子上に発生する干渉縞をナイキスト間隔以下で撮像できる物体光の入射角θは、
θ≦ｓｉｎ^-1（（λ／２）／ｐ） …（２）
なる関係を満たす必要がある。
【００３２】
一方、（１）式の関係を満たす径ａの開口を有する請求項１の装置では、物体光と光軸との成す角（以後、結像点への入射角とも呼ぶ）θｉは、
θｉ＜ｔａｎ^-1（（λ／２）／ｐ） …（３）
であり、λ＞０より、
θｉ＜ｓｉｎ^-1（（λ／２）／ｐ） …（４）
となる。
【００３３】
したがって、請求項１の装置では、干渉縞をナイキスト間隔で撮像することが可能であり、サンプリング定理から再現性良く情報の格納ができる。
【００３４】
仮に、請求項１の装置の開口の径ａが（１）の関係を満たさないと、解像されない干渉縞が発生する場合がある。この場合、解像されない干渉縞の光量は直流成分として認識され、解像された干渉縞のコントラストを低下させることとなる。開口の形状は、長方形や円形が簡便であり、実用的である。
【００３５】
請求項６のホログラフィシステムは、請求項１のホログラフィ撮像装置と、このホログラフィ撮像装置で撮像された光学情報に基づいて撮像対象物の像を再生表示するホログラフィ表示装置と、を備える。そして、ホログラフィ表示装置は、（ａ）請求項１のホログラフィ撮像装置での撮像結果を入力する情報入力部と、（ｂ）情報入力部から通知された情報に基づいて、請求項１のホログラフィ撮像装置で撮像された時点での撮像面におけるホログラムを形成するホログラム形成部と、（ｃ）ホログラムの位置から請求項１のホログラフィ撮像装置における第１の距離だけ離れた位置に焦点面を有する第２の結像光学系と、（ｄ）第２の結像光学系のホログラム側とは反対側の焦点に配置された０次光遮光手段とを備えることを特徴とする。
【００３６】
ここで、ホログラムの位置と第２の結像光学系の前記ホログラム側の焦点面との距離を変化させる第２の移動手段を更に備えることが好適である。この場合には、請求項１のホログラフィ撮像装置において、選択した第１の距離が変化しても、変化した第１の距離に応じで、歪無しで像再生が可能な再生光学系の配置を都度設定することができる。
【００３７】
ホログラム形成部は、強度ホログラムの場合には、（i）情報入力部から通知された撮像結果の光学像を表示する表示手段と、（ii）表示手段に表示された光学像に応じた空間光変調像が書き込まれる空間光変調器と、（iii）空間光変調器に照射される読み出し光を発生する光源と、（iv）読み出し光が空間光変調器を介することにより位相又は振幅変調された位相又は振幅変調光を入力し、ホログラフィ撮像装置の撮像素子と同一の大きさのホログラムを形成するホログラム形成光学系とを備えて、好適に光学部品で構成できる。
【００３８】
また、ホログラム形成部は、請求項１のホログラフィ撮像装置での撮像結果が、撮像面の各点における入射光の振幅情報および位相情報である複素ホログラムの場合には、（i）情報入力部から通知された振幅情報および位相情報に応じて、入射光に位相変調および振幅変調を施して出力する位相振幅変調部と、（ii）位相振幅変調部に照射される読み出し光を発生する光源と、（iii）読み出し光が位相振幅変調部を介することにより位相振幅変調された位相振幅変調光を入力し、ホログラフィ撮像装置の撮像素子と同一の大きさのホログラムを形成するホログラム形成光学系とを備えて、好適に光学部品で構成できる。
【００３９】
なお、ホログラム形成部、第２の結像光学系、および０次光遮光板の機能は、計算機を用いた演算処理によっても実現することが可能である。すなわち、請求項１のホログラフィ撮像装置での撮像結果は、撮像面の各点における入射光の振幅情報および位相情報である場合には、ホログラム形成部は、情報入力部から通知された振幅情報および位相情報を元に波面変換演算をして再生像を演算する再生像演算手段を備えるのが好適である。また、波面変換演算はフレネル変換またはフーリエ変換を含むのが好適である。
また、本発明に係るホログラフィ表示方法は、上述のホログラフィシステムに含まれるホログラフィ表示装置と同一の技術的思想を有する。
【００４０】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明に先立って、本発明で採用した原理の概要を説明する。
【００４１】
図１は、本発明のホログラフィ撮像装置の原理の説明図である。図１に示すように、本発明のホログラフィ撮像装置は、（ａ）正の屈折力を有する結像光学系１１０と、（ｂ）結像光学系１１０の撮像対象物側の焦点付近に開口２１１を有する絞り２１０と、（ｃ）物体光と参照光とを干渉させる干渉光学系３００と、（ｄ）光軸と垂直な撮像面４１０を有し、干渉光学系３００から出力された干渉光の干渉縞を撮像する撮像器４００とを備える。
【００４２】
図１の撮像装置では、撮像対象物の各輝点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…）からの物体光が開口２１１を通過した後、結像光学系１１０に入力する。
【００４３】
結像光学系１１０に入力した光の内、開口２１１の中心、すなわち、結像光学系１００の撮像対象物側の焦点を通過した主光線は、結像光学系１１０への入射角に応じて、結像光学系１１０の光軸と一定の距離の結像光学系１１０の出射位置から出力され、光軸と平行な光路で撮像面４１０に垂直に入射する。また、開口２１１を通過した光は、結像光学系１１０を通過することにより、各輝点（Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、…）に対応した結像点（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、…）に向かう光となる。したがって、開口２１１を通過した波面は、結像光学系１１０を通過から結像点（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、…）までは収斂する球面波となり、また、結像点（Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、…）を通過後は発散する球面波となる。
【００４４】
図２は、物体光の結像点への入射角度の説明図である。輝点Ｐを始点として、開口２１１を介して結像光学系１１０に入力した物体光は、結像点Ｑに収斂する。開口２１１の径をＬ、
Ｌ＝λｆ／ｐ
ここで、λ：物体光の波長
ｆ：結像光学系の物側焦点距離
ｐ：撮像器の空間分解能
とすると、開口２１１の両端を通過し、結像光学系を介した光線と光軸との成す角θ_i0は、
θ_i0＝ｔａｎ^-1（（λ／２）／ｐ）
となる。したがって、開口２１１を通過し、結像光学系を介した光線と光線と光軸との成す角θ_iは、
θ_i≦ｔａｎ^-1（（λ／２）／ｐ）
となる。ところで、Ａ＞０で、
ｔａｎ^-1Ａ＜ｓｉｎ^-1Ａ
より、
θ_i＜ｓｉｎ^-1（（λ／２）／ｐ）
であり、（２）式の条件を満たす。
【００４５】
結像光学系１１０を介した物体光と平面波である参照光（波長が物体光と同一の可干渉光）とは干渉光学系３００に入力し干渉する。なお、干渉光学系３００を介した参照光は、光軸と平行に進行し、撮像面４１０に垂直に入射するように干渉光学系３００で進行方向が設定される。
【００４６】
ところで、（本発明での開口の径ａ）＜Ｌであることより、本発明のホログラフィ撮像装置では、結像点への入射角が必ず（２）式の条件を満たすことより、結像光学系１１０を介した物体光と平面波である参照光（波長が物体光と同一の可干渉光）とが干渉光学系３００で干渉した結果として生じる干渉縞をナイキスト間隔以下でサンプリングすることが可能である。
【００４７】
次に、本発明のホログラフィ表示装置で利用する、ホログラム再生の原理の概要について説明する。本発明のホログラフィ表示装置では、上記の原理で撮像した干渉縞像を読み出してホログラフィ表示を行う。
【００４８】
まず、ホログラフィ撮像において、撮像面を後焦点面に配置した場合について説明する。
【００４９】
図３は、最も基本的な再生光学系の構成図である。図３に示すように、この光学系は、（ａ）撮像光学装置で使用した結像光学系１１０と同等な結像光学系１２０と、（ｂ）結像光学系１１０に対する撮像面４１０に対応する位置、すなわち、結像光学系１２０の一方の焦点面に配置された複素ホログラム５１０と、（ｃ）結像光学系１１０に対する絞り２１０に対応する位置、すなわち、結像光学系１２０の他方の焦点面に配置された、開口２１１と同等の開口２２１を備える絞り２２０とを備える。
【００５０】
この再生光学系で、複素ホログラム５１０に撮像時の参照光の共役波である平行光、すなわち、読み出し光を照射すると、再生波面は撮像時の結像光学系１０１での結像による物体像を虚像ＩＭ１とする波面の光が発生する。この光は結像光学系１２０に入力し、撮像時の撮像対象物体の位置に応じた位置に、開口２２１を介して、実像ＲＬ１が結像される。
【００５１】
なお、再生時において、再生光束は開口２２１付近に集中するので、図３の再生光学系において、絞り２２０は必ずしも必要は無い。
【００５２】
また、複素ホログラム５１０では共役像は発生しないので、上述の虚像ＩＭ１および実像ＲＬ１以外は再生されない。
【００５３】
実像ＲＬ１は、撮像時における撮像対象物の背後側である、視点Ｐ１１や視点Ｐ１２から観測されることになる。したがって、観測される像は、再生像が裏返された像となる。
【００５４】
また、視点Ｐ１１や視点Ｐ１２では、開口２２１を通過し、夫々の視点に入射する再生光のみに関わる実像ＲＬ１の一部のみしか観測することができない。
【００５５】
上記の図３の再生光学系の欠点は、改善することが可能である。図４は、図３の再生光学系の欠点を改善した再生光学系の構成図である。
【００５６】
図４に示すように、この再生光学系は、（ａ）撮像光学装置で使用した結像光学系１１０と同等な結像光学系１２０と、（ｂ）結像光学系１１０に対する撮像面４１０に対応する位置、すなわち、結像光学系１２０の一方の焦点面に配置され、図４の紙面垂直方向を回転軸として１８０゜回転させた複素ホログラム５１０と、（ｃ）結像光学系１１０に対する絞り２１０に対応する位置、すなわち、結像光学系１２０の他方の焦点面に配置された、開口２１１と同等の開口２２１を備える絞り２２０とを備える。
【００５７】
この再生光学系で、複素ホログラム５１０に撮像時の参照光の共役波である平行光、すなわち、読み出し光を照射すると、再生波面が図３における虚像ＩＭ１の焦点面に対して対象な位置に実像ＲＬ２を形成する波面の光が発生する。この光は結像光学系１２０に入力し、結像光学系１２０と絞り２２０との間の虚像ＩＭ２を形成する波面の光となる。開口２２１を視点として虚像ＩＭ２を観測することにより、正しい像方向の像の全体像が歪が無しで観測される。
【００５８】
次に、強度記録型ホログラム装置で、ホログラムを記録した場合の再生光学系について、説明する。
【００５９】
図５は、強度ホログラムの再生光学系の最も基本的な構成図である。図６に示すように、この再生光学系は、複素ホログラム５１０を強度ホログラム５６０とした点のみが図３の再生光学系と異なる。
【００６０】
図５の再生光学系の強度ホログラム５６０に読み出し光が照射されると、図３の再生光学系と同様の撮像時の結像位置に虚像ＩＭ１を形成する波面と、強度ホログラム５６０を対称面として虚像ＩＭ１の面対称位置に実像ＲＬ３を形成する波面とを有する再生光が発生する。
【００６１】
虚像ＩＭ１を形成する波面の光は、結像光学系１２０によって、撮像時の撮像対象物体位置に実像ＲＬ１として再生される。また、実像ＲＬ３を形成する波面の光は、結像光学系１２０によって、絞り２２０を対称面として実像ＲＬ１の面対称位置に虚像ＩＭ３として再生される。
【００６２】
そして、開口２２１を視点として虚像ＩＭ３を観測すれば、再生像全体を観測することができる。
【００６３】
しかし、こうして観測される像は、図３の場合と同様に、上下が逆のものとなっている。
【００６４】
この問題点は、図３の再生光学系における同様の問題点を図４の再生光学系で改善した手法と同様の手法で改善が可能である。
【００６５】
図６は、図５の再生光学系の問題点を改善した再生光学系の構成図である。図６に示すように、この再生光学系は、強度ホログラム５６０を紙面垂直方向を軸として１８０゜回転して配置した点が異なる。
【００６６】
図６再生光学系の強度ホログラム５６０に読み出し光が照射されると、図４の再生光学系と同様の位置に実像ＲＬ２を形成する波面と、強度ホログラム５６０を対称面として実像ＲＬ２の面対称位置に虚像ＩＭ４を形成する波面とを有する再生光が発生する。
【００６７】
虚像ＩＭ４を形成する波面の光は、結像光学系１２０によって、撮像時の撮像対象物体位置に実像ＲＬ４として再生される。また、実像ＲＬ２を形成する波面の光は、結像光学系１２０によって、絞り２２０を対称面として実像ＲＬ４の面対称位置に虚像ＩＭ２として再生される。
【００６８】
そして、開口２２１を視点として虚像ＩＭ２を観測すれば、図４の再生光学系と同様に、再生像全体を撮像時の像と同様の方向関係で観測することができる。
【００６９】
以上、撮像時に撮像面を結像光学系の焦点面（焦点距離＝ｆ）に配置した場合について説明したが、撮像時に撮像面を結像光学系の焦点面に配置しなかった場合の再生について、以下に説明する。なお、以下の説明においては、撮像時の撮像面は結像光学系の後焦点面からｚだけ離れていたとする。
【００７０】
図７は、撮像時の撮像面位置に複素ホログラム５１０を配置した、図３に応じた再生光学系の構成図である。図７の再生光学系に読み出し光を照射すると、撮像時における結像光学系による結像位置（結像光学系から結像位置までの距離＝ｂとする）に虚像ＩＭ１を形成する波面の光を再生する。このとき、複素ホログラム５１０と虚像ＩＭ１との距離ｃは、
ｃ＝ｂ−（ｆ＋ｚ） …（５）
となる。
【００７１】
そして、虚像ＩＭ１を形成する波面の光は結像光学系１２０によって、撮像時における撮像対象物体の位置に結像され、実像ＲＬ１が再生される。この再生光学系においては、再生像である実像ＲＬ１に関しては結像にあたって歪は発生しない。
【００７２】
しかし、上述の図３の場合と同様の問題点が、図７での実像ＲＬ１の観察にあたっても存在するので、図３の再生光学系に対する図４の再生光学系と同等の改善が行われる再生光学系を採用する。
【００７３】
まず、図７の再生光学系において、複素ホログラム５１０を紙面垂直方向を軸として１８０゜回転すとともに、複素ホログラム５１０を距離ｙだけ移動させてして配置する。この再生光学系で読み出し光を照射すると、複素ホログラムの回転軸と同一の軸について虚像ＩＭ１を１８０゜回転した位置に実像ＲＬ２が再生される。この実像ＲＬ２と結像光学系１２０との距離ｄは、
ｄ＝ｆ＋ｚ−ｃ−ｙ＝２ｆ＋２ｚ−ｂ−ｙ …（６）
となる。
【００７４】
この実像ＲＬ２を形成する波面が結像光学系１２０によって結像され、歪の無い虚像ＩＭ２が再生されるためには、実像ＲＬ２の位置が、図７における虚像ＩＭ１の焦点面に対する対称の位置に形成される必要がある。この条件は、
ｄ＝２ｆ−ｂ …（７）
である。
【００７５】
したがって、（６）式と（７）式より、位置による拡大率の差異無しで虚像ＩＭ２を得るための条件は、
ｙ＝２ｚ …（８）
となる。
【００７６】
図８は、（８）式の条件を満たした再生光学系の構成図である。
【００７７】
強度ホログラムを用いた場合も図８と同様の再生光学系で、正しい像方向の像の全体像が歪が無しで観測される。
【００７８】
以下、添付図面を参照して本発明のホログラフィ撮像装置およびホログラフィ表示装置の実施の形態を説明する。なお、図面の説明にあたって同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００７９】
［ホログラフィ撮像装置の実施形態］
（第１実施形態）
図９は、本発明のホログラフィ撮像装置の第１実施形態の構成図である。本実施形態のホログラフィ撮像装置は、強度記録型撮像装置である。図９に示すように、この装置は、（ａ）撮像対象物に照射する照射光と参照光とを発生する光源部６１０と、（ｂ）光源部６１０から出力された光が撮像対象物９００に照射された結果、撮像対象物９００で反射された物体光を通過させる開口２１１を有する絞り２１０と、（ｃ）絞り２１０が物側焦点面となる位置に配設された正の屈折力を有する結像光学系１１０と、（ｄ）結像光学系１１０を介した物体光と参照光とを干渉させる干渉光学系３１０と、（ｅ）結像光学系１１０の光軸に垂直な撮像面４１０を有し、干渉光学系３１０から出力された干渉光が形成する像を撮像する撮像手段４００と、（ｆ）撮像手段４００から出力された撮像情報を入力し、格納する格納手段７１０と、（ｇ）撮像手段４００から出力された撮像情報を入力し、ホログラフィ表示装置へ向けて撮像情報を伝送する伝送手段７２０とを備える。
【００８０】
そして、物体光の波長＝λ、絞り手段の開口の口径＝ａ、結像光学系の物側焦点距離＝ｆ、および、撮像手段の空間分解能＝ｐとした場合、
ａ≦λ・ｆ／ｐ …（１）
なる関係を満足する。
【００８１】
光源部６１０は、（i）可干渉光を発生するレーザ光源６１１と、（ii）レーザ光源６１１から出力された光を２分岐する光分岐器６１２と、（iii）光分岐器６１２から出力された一方の光を入力し、偏光方向を選択して出力する偏光子６１３と、（iv）偏光子６１３を介した光を撮像対象物９００へ向けて球面波の照射光を出力する光学系６１４と、（v）光分岐器６１２から出力された他方の光を入力し、偏光方向を選択して出力する偏光子６１５と、（vi）偏光子６１５を介した球面波の光を干渉光学系３００へ向けて出力する光学系６１６とを備える。
【００８２】
干渉光学系３１０は、（i）光学系６１６を介した光を入力し、平面波化する光学系３１１と、（ii）光学系３１１を介した光を反射して、光路を設定するミラー３１２と、（iii）結像光学系１１０を介した物体光とミラー３１２を介した参照光とを入力し、双方の光を略同一方向へ出力して干渉させるハーフミラー３１３とを備える。
【００８３】
撮像手段４００は、（i）干渉光学系３００から出力された干渉光を入力し、偏光方向を選択して出力する検光子４３０と、（ii）検光子４３０を介した光を受光する撮像面４１０を備え、撮像面４１０上の光像を撮像する撮像器４２０と、（iii）撮像面４１０の位置を干渉光学系３００に対して相対的に移動させる移動手段４４０とを備える。
【００８４】
なお、撮像器４２０にＣＣＤカメラを使用する場合は、結像光学系１１０による上下左右の反転をするように走査させる方向に設置する。また、撮像面４１０の保護ガラスによる反射の防止のため、通常の保護ガラスに代えて、コア径が撮像分解能以下の光学ファイバプレートを使用することが好適である。
【００８５】
以下、結像光学系１１０に焦点距離ｆ＝１８ｃｍの凸レンズ、ピッチｐ＝１１μｍで撮像素子が５１２（＝Ｎ）個×５１２個で配列された撮像面４１０、使用する光の波長λ＝０．６２８μｍを採用し、撮像対象物９００が結像光学系１１０の前方約４６．４ｃｍに配置された場合を例にとって説明する。この場合、撮像対象物９００の結像光学系１１０による結像点は、結像光学系１１０から２９．４ｃｍ離れた位置となる。また、開口２１１の径ａとして、
ａ＝λｆ／ｐ＝１．０ｃｍ
の円形を採用した。
【００８６】
なお、物体光の光軸をｚ軸とし、図９の紙面上下方向をｙ方向、紙面垂直方向をｘ方向とする。
【００８７】
本実施形態のホログラフィ撮像装置は以下のようにして撮像対象物９００の強度ホログラムを撮像する。
【００８８】
まず、絞り２１０と結像光学系１１０と位置関係を保ったまま、撮像手段の分解能に応じて、移動手段４４０によって撮像面４１０を撮像対象物９００から適当な距離Ｌの位置に設置する。
【００８９】
距離Ｌは、以下のようにして、求めることができる。
【００９０】
光源部１００から出力された照射光が測定対象物９００で反射された物体光が結像光学系１１０を介した後の球面波光と光源部１００から出力された参照光が辺面波化された平面波光との干渉によって生じる、撮像面４１０上での余弦波フレネルゾーンプレートＦ（ｘ，ｙ，Ｌ）は、
Ｆ（ｘ，ｙ，Ｌ）
＝１＋ｃｏｓ（（２π／λ）（ｘ²＋ｙ²＋Ｌ²）^1/2） …（９）
となる。
【００９１】
簡単のため、距離Ｌを波長λの整数倍と近似し、ｘｙ平面で撮像面４１０の中心からの距離をｒ_xyとすると、
Ｆ（ｘ，ｙ，Ｌ）
＝１＋ｃｏｓ（（２π／λ）（ｒ_xy ²＋Ｌ²）^1/2） …（１０）
である。
【００９２】
したがって、余弦波フレネルゾーンプレートＦ（ｘ，ｙ，Ｌ）のｎ次明部の位置ｒ_xyb（ｎ）は、
ｒ_xyb（ｎ）＝（２Ｌｎλ＋ｎ²λ²）^1/2 …（１１）
となり、また、余弦波フレネルゾーンプレートＦ（ｘ，ｙ，Ｌ）のｎ次暗部の位置ｒ_xyd（ｎ）は、
ｒ_xyd（ｎ）
＝（２Ｌｎ（λ＋１／２）＋（ｎ＋１／２）²λ²）^1/2 …（１２）
となる。
【００９３】
そして、分解能ｐの撮像面４１０で、最大ｎ次までの余弦波フレネルゾーンプレートＦ（ｘ，ｙ，Ｌ）を解像するための条件は、
ｒ_xyd（ｎ）−ｒ_xyb（ｎ）＞ｐ …（１３）
となる。
【００９４】
（１３）式で右辺と左辺とが等しくなるｎを最大解像次数ｎ_maxpとすると、最大解像次数ｎ_maxpは距離Ｌの関数であり、概略としては距離Ｌに反比例している。
【００９５】
また、
ｒ_xyb（ｎ）＝（Ｎ／２）ｐ …（１４）
となる場合、つまり、おおよそｎ次明部の位置が撮像面４１０の両端となるｎを最大撮像次数ｎ_maxdとすると、最大撮像次数ｎ_maxdは距離の関数であり、距離Ｌに比例する。
【００９６】
図１０は、本実施形態における最大解像次数ｎ_maxpおよび最大撮像次数ｎ_maxdの距離Ｌ依存性を示すグラフである。
【００９７】
そして、
ｎ_maxp＝ｎ_maxd …（１５）
となる距離Ｌが最適距離となる。この最適距離に設定すれば、最大解像次数ｎ_maxp次の明部が撮像面４１０の両端となり、その内側の干渉縞の間隔は全て分解能ｐよりも大きくなる。すなわち、撮像面４１０を最大効率で使用できる。
【００９８】
図１０から、本実施形態においては、（１５）式の条件を満たすｎは６４であり、最適距離Ｌｏｐｔは約９．８ｃｍであることがわかる。
【００９９】
本実施形態のホログラフィ撮像装置では、最適距離Ｌｏｐｔは結像光学系１１０による結像点から撮像面４１０までの距離として設定すればよい。
【０１００】
なお、距離Ｌを９．８ｃｍより大きくすると、本来撮像可能な情報を受光できないが、撮像面全体で解像可能な縞情報を受光することには変りが無い。
【０１０１】
すなわち、移動手段４４０により、撮像対象物体９００の結像点と撮像面４１０との距離Ｌを１０ｃｍ、すなわち、撮像面４１０を結像光学系１１０から１９．４ｃｍだけ離れた位置に設置する。
【０１０２】
引き続き、光源部１００から撮像対象物９００の照射光と参照光とを出力する。照射光が照射された撮像対象物９００では反射が生じ、球面波である物体光が生じる。
【０１０３】
物体光の一部は、開口２１１を介して結像光学系１１０に入力し、結像点へ向けて出力され、干渉光学系３００に入力する。一方、光源部１００から出力された参照光が干渉光学系３００に入力し、物体光と干渉する。
【０１０４】
干渉光学系３００から出力された干渉光は、検光子４３０で物体光および参照光が選択され、撮像面４１０で受光される。撮像面４１０で受光された光の形成する縞像は撮像器４２０で撮像され、撮像結果が距離Ｌの情報とともに、格納手段７１０に格納されたり、伝送手段７２０からホログラフィ表示装置へ向けて伝送されたりする。
【０１０５】
なお、レーザ光源６１１として、光の３原色を順次出力可能なレーザ光源を用意し、各色について順次ホログラム撮像を行うことにより、カラー再生可能な撮像情報の取得ができる。光の３原色を順次出力可能なレーザ光源としては、各色の光を夫々出力するレーザ素子を用意して、順次駆動することとしてもよいし、また、光の３原色を含む光を出力するレーザ光源と光の３原色の内の１色を選択するフィルタを順次使用することとしてもよい。
【０１０６】
（第２実施形態）
図１１は、本発明のホログラフィ撮像装置の第２実施形態の構成図である。本実施形態のホログラフィ撮像装置は、複素ホログラム記録型のホログラフィ撮像装置である。図１１に示すように、この装置は、（ａ）撮像対象物に照射する照射光と参照光とを発生する光源部６１０と、（ｂ）光源部６１０から出力された光が撮像対象物９００に照射された結果、撮像対象物９００で反射された物体光を通過させる開口２１１を有する絞り２１０と、（ｃ）絞り２１０が物側焦点面となる位置に配設された正の屈折力を有する結像光学系１１０と、（ｄ）結像光学系１１０を介した物体光と参照光とを干渉させる干渉光学系３２０と、（ｅ）結像光学系１１０の光軸に垂直な撮像面４１０を有し、干渉光学系３１０から出力された干渉光が形成する像を撮像する撮像手段４００と、（ｆ）撮像手段４００から出力された撮像情報を入力し、処理して、撮像面４１０における物体光の強度と位相を求めるとともに、干渉光学系３２０に対して参照光の位相を指示する処理部８００と、（ｇ）処理部８００で求められた強度情報と位相情報とを格納する格納手段７１０と、（ｈ）撮像手段４００から出力された撮像情報を入力し、ホログラフィ表示装置へ向けて撮像情報を伝送する伝送手段７２０とを備える。
【０１０７】
そして、物体光の波長＝λ、絞り手段の開口の口径＝ａ、結像光学系の物側焦点距離＝ｆ、および、撮像手段の空間分解能＝ｐとした場合、
ａ≦λ・ｆ／ｐ …（１）
なる関係を満足する。
【０１０８】
干渉光学系３２０は、（i）光学系６１６を介した光を入力し、平面波化する光学系３１１と、（ii）光学系３１１を介した光を入射し、処理部８００から指示された量だけ出力光の位相を調整して出力する位相調整器３２１と、（iii）位相調整器３２１を介した光の光路を設定するハーフミラー３２２と、（iv）結像光学系１１０を介した物体光とハーフミラー３２２を介した参照光とを入力し、双方の光を略同一方向へ出力して干渉させるハーフミラー３１３とを備える。なお、位相調整器３２１は、λ／４ごとに４段階の位相調整を行う。
【０１０９】
位相調整器３２１は、（i）入射した光を反射するミラー３２６と、（ii）処理部８００からの指示に応じて、ミラー３２６を移動するピエゾ素子３２７とを備える。
【０１１０】
図１２は、処理部８００の構成図である。図１２に示すように、（i）各調整位相量ごとの撮像面４１０における各画素の光強度データを格納するフレームメモリ８１０₀〜８１０₃と、（ii）フレームメモリ８１０₀〜８１０₃に格納された各画素のデータに基づいて各画素位置における物体光の振幅と位相とを算出する演算部８２０と、（iii）フレームメモリ８１０₀〜８１０₃および演算部８２０を制御するとともに、位相調整器３２１の位相調整指示信号を発行する制御部８３０とを備える。
【０１１１】
本実施形態のホログラフィ撮像装置では、以下のようにして、複素ホログラムの撮像を行う。
【０１１２】
まず、第１実施形態と同様にして、絞り２１０と結像光学系１１０と位置関係を保ったまま、撮像手段の分解能に応じて、移動手段４４０によって撮像面４１０を撮像対象物９００から適当な距離Ｌの位置に設置する。
【０１１３】
また、処理部８００から、位相調整量＝０の位相調整指示が発行され、位相調整器３２１は、位相調整量＝０の位置にミラー３２６を設置する。
【０１１４】
引き続き、光源部１００から撮像対象物９００の照射光と参照光とを出力する。照射光が照射された撮像対象物９００では反射が生じ、球面波である物体光が生じる。
【０１１５】
物体光の一部は、開口２１１を介して結像光学系１１０に入力し、結像点へ向けて出力され、干渉光学系３２０に入力する。一方、光源部１００から出力された参照光が干渉光学系３２０に入力し、位相調整量＝０で物体光と干渉する。
【０１１６】
干渉光学系３２０から出力された干渉光は、検光子４３０で物体光および参照光が選択され、撮像面４１０で受光される。撮像面４１０で受光された光の形成する縞像は撮像器４２０で撮像され、撮像結果が位相調整量＝０のデータ（Ｉ₀）としてフレームメモリ８１０₀に格納される。
【０１１７】
次に、処理部８００が、位相調整量＝π／２、π、３π／２の位相調整指示を順次発行し、都度の撮像結果（Ｉ₁、Ｉ₂、Ｉ₃）をフレームメモリ８１０₁〜８１０₃に夫々格納する。
【０１１８】
位相調整量をφΔとし、物体光をＡ_Oｅｘｐ［ｊφ_O］、参照光をＡ_Rｅｘｐ［ｊ（φ_R＋φΔ）］とすると、撮像面４１０上の光強度Ｉは、

となる。
【０１１９】
したがって、φΔ＝０、π／２、π、３π／２であるＩ₀〜Ｉ₃は、
Ｉ₀＝Ａ_O ²＋Ａ_R ²＋２Ａ_OＡ_Rｃｏｓ（φ_O−φ_R） …（１７）
Ｉ₁＝Ａ_O ²＋Ａ_R ²＋２Ａ_OＡ_Rｓｉｎ（φ_O−φ_R） …（１８）
Ｉ₂＝Ａ_O ²＋Ａ_R ²−２Ａ_OＡ_Rｃｏｓ（φ_O−φ_R） …（１９）
Ｉ₃＝Ａ_O ²＋Ａ_R ²−２Ａ_OＡ_Rｓｉｎ（φ_O−φ_R） …（２０）
となる。
【０１２０】
（１７）〜（２０）式より、
Ｉ₀−Ｉ₂＝４Ａ_OＡ_Rｃｏｓ（φ_O−φ_R） …（２１）
Ｉ₁−Ｉ₃＝４Ａ_OＡ_Rｓｉｎ（φ_O−φ_R） …（２２）
である。
【０１２１】
（２１）および（２２）式より、
φ_O−φ_R＝ｔａｎ^-1（（Ｉ₁−Ｉ₃）／（Ｉ₀−Ｉ₂）） …（２３）
と物体光の参照光に対する位相が求まる。参照光は平面波なので、参照光の位相φ_Rは撮像面４１０のどの点においても一定なので、（２３）で求まる各画素のφ_O−φ_Rから、各画素間の相対的な位相が得られる。
【０１２２】
（２１）および（２３）式から、物体光の振幅Ａ_Oが、
Ａ_O＝（Ｉ₀−Ｉ₂）／（４Ａ_Rｃｏｓ（φ_O−φ_R）） …（２４）
と求まる。
【０１２３】
上記（２１）〜（２４）の演算は、制御部８３０のシーケンス制御のもとで、演算部８２０において以下のうようにして行われる。
【０１２４】
まず、フレームメモリ８１０ｉ（ｉ＝０、１、２、３）から撮像結果Ｉｉがビデオレートで同時に読み出される。
【０１２５】
Ｉ₀、Ｉ₂は差分演算器８２１に入力して（Ｉ₀−Ｉ₂）が演算され、（Ｉ₀−Ｉ₂）は同期レジスタ８２３および除算演算器８２４に入力する。また、Ｉ₁、Ｉ₃は差分演算器８２２に入力して（Ｉ₁−Ｉ₃）が演算され、（Ｉ₁−Ｉ₃）は除算演算器８２４に入力する。除算演算器８２４では（Ｉ₁−Ｉ₃）／（Ｉ₀−Ｉ₂）が演算され、結果が逆正接演算器８２５に入力する。逆正接演算器８２５では（２３）式の演算が実行され、演算結果である（φ_O−φ_R）が余弦演算器８２６に入力するとともに、同期レジスタ８２８を介して演算部８２０の第１の演算結果として出力される。
【０１２６】
余弦演算器８２６では４Ａ_Rｃｏｓ（φ_O−φ_R）が演算され、演算結果が除算演算器８２７に入力する。除算演算器８２７では、余弦演算器８２６の演算結果に加えてレジスタ８２３の格納データ（Ｉ₀−Ｉ₂）を入力して、（２４）式の演算を実行する。そして演算結果である物体光の振幅Ａ_Oが演算部８２０の第２の演算結果として出力される。
【０１２７】
演算部８２０の演算結果は、距離Ｌの情報とともに、格納手段７１０に格納されたり、伝送手段７２０からホログラフィ表示装置へ向けて伝送されたりする。
【０１２８】
なお、第１実施形態と同様に、レーザ光源６１１として、光の３原色を順次出力可能なレーザ光源を用意し、各色について順次ホログラム撮像を行うことにより、カラー再生可能な撮像情報の取得ができる。光の３原色を順次出力可能なレーザ光源としては、各色の光を夫々出力するレーザ素子を用意して、順次駆動することとしてもよいし、また、光の３原色を含む光を出力するレーザ光源と光の３原色の内の１色を選択するフィルタを順次使用することとしてもよい。
【０１２９】
［ホログラフィ表示装置の実施形態］
（第１実施形態）
図１３は、本発明のホログラフィ表示装置の第１実施形態の構成図である。本実施形態のホログラフィ表示装置は、図９のホログラフィ撮像装置によって撮像された強度ホログラムに基づいて、撮像対象物９００の像を再生する装置である。
【０１３０】
図１３に示すように、この装置は、（ａ）図９のホログラフィ撮像装置されたホログラム情報を入力する情報入力部７５０と、（ｂ）情報入力部７５０を介したホログラム情報を入力し、このホログラム情報に基づいてホログラム５１１を形成するホログラム形成部６５０と、（ｃ）ホログラム５１１を形成する波面の光を入力して結像する、図９の結像光学系１１０と同等の結像光学系１２０と、（ｄ）ホログラム５１１と結像光学系１１０との間の距離を変化させる移動手段１５０と、（ｅ）結像光学系１１０のホログラム５１１側とは反対側の焦点位置に配置された０次遮光板２５０とを備える。
【０１３１】
情報入力部７５０は、（i）ホログラフィ撮像装置の撮像結果の格納媒体から格納情報を読み出す情報読み出し装置７５１と、（ii）ホログラフィ撮像装置から伝送された撮像結果を受信する受信器７５２とを備える。
【０１３２】
ホログラム形成部６５０は、（i）情報入力部７５０から通知された情報に基づいて、画像表示する表示装置６５１と、（ii）表示装置６５１で表示された画像のを書き込む、空間光変調器６５２と、（iii）空間光変調器６５２に照射する、平面波である可干渉光を発生するレーザ光源６５３と、（iv）レーザ光源６５３から出力された光を空間光変調器６５２へ導くリレー光学系６５４と、（v）空間光変調器６５２で位相変調された光を入力し、撮像時の撮像面での大きさと一致した空間光変調器６５２のホログラム５１１を形成するアフォーカル光学系６５５とを備える。
【０１３３】
また、空間光変調器６５２の保護ガラスによる反射の防止のため、通常の保護ガラスに代えて、コア径が撮像分解能以下の光学ファイバプレートを使用することが好適である。
【０１３４】
以下、図９のホログラフィ撮像装置に合せて、結像光学系１２０に焦点距離ｆ＝１８ｃｍの凸レンズ、使用する光の波長λ＝０．６２８μｍを採用した場合を例にとって説明する。
【０１３５】
このホログラフィ表示装置では、以下のようにして、図９のホログラフィ撮像装置での撮像結果から撮像対象物の像を再生表示する。
【０１３６】
まず、移動手段１５０によって、ホログラム５１１の形成位置と結像光学系１２０とを（８）式の条件に従って調整する。すなわち、図９のホログラフィ撮像装置では、ｚ＝１．４ｃｍであったので、この位置から図９における結像光学系１１０への方向へ２．８ｃｍ（＝２ｚ）移動する。この結果、結像光学系１１０から１６．６ｃｍの位置にホログラム５１１が形成されることになる。
【０１３７】
次に、情報入力部７５０からホログラム情報である画像情報を入力し、表示装置６５１に表示して、その画像情報を空間光変調器６５２に書き込む。表示装置６５１としては小型ＣＲＴを、空間光変調装置６５２としては、光書き込み型液晶空間光変調素子を好適に使用できる。なお、表示装置６５１には撮像結果を、光軸（ｚ軸）回りに１８０゜回転して表示する。
【０１３８】
引き続き、レーザ光源６５３から出射された光がリレー光学系６５４を介して空間光変調器６５２に照射される。そして、空間光変調器６５２で位相変調された光はアフォーカル光学系６５５を介して撮像時と同一の大きさで空間光変調器６５２のホログラム５１１を形成する。アフォーカル光学系の倍率は、表示装置６５１の画素の大きさと、撮像時の画素の大きさとの比で決まる。例えば、表示装置６５１として１．５インチの小型ＣＲＴを使用した場合には、画素の大きさは約４０μｍであり、撮像時の画素の大きさは上記のように１１μｍなので、約４：１のアフォーカル光学系を使用する。
【０１３９】
ホログラム５１１によって再生される実像ＲＬ２は、ホログラム５１１より結像光学系１２０側で、結像光学系１２０から約６．６ｃｍの位置に再生される。この実像ＲＬ２を形成する波面を結像光学系１２０で虚像ＩＭ２を形成する波面とする。結像光学系１２０から出力された光の内の０次光を、結像光学系１２０の焦点位置に配置された０次光遮光板２５０によって遮光し、１次以上の光を通過させる。
【０１４０】
そして、０次遮光板２５０で遮光されなかった光を０次遮光板２５０の後方から観測することにより、歪の無い撮像対象物９００の再生像を観測する。
【０１４１】
なお、光の３原色ごとにホログラム撮像された場合には、各色についての再生画像を合成することにより、また、光の３原色についてのホログラム撮像がなされた場合には上記と同様にして撮像対象物９００の像をカラー再生できる。
【０１４２】
（第２施形態）
図１４、本発明のホログラフィ表示装置の第２施形態の構成図である。本実施形態のホログラフィ表示装置は、図９のホログラフィ撮像装置によって撮像された強度ホログラムに基づいて、撮像対象物９００の像を再生する装置である。
【０１４３】
図１３に示すように、この装置は、（ａ）図９のホログラフィ撮像装置されたホログラム情報を入力する情報入力部７５０と、（ｂ）情報入力部７５０を介したホログラム情報を入力し、このホログラム情報に基づいて撮像対象物９００の再生像を算出する演算部７７０と、（ｃ）演算部７７０での算出結果を表示する表示装置７９０とを備える。
【０１４４】
演算部７７０としては、関数演算能力を有する計算機を使用する。
【０１４５】
このホログラフィ表示装置では、以下のようにして、図９のホログラフィ撮像装置での撮像結果から撮像対象物の像を再生表示する。図１５は、本実施形態での演算部７７０での演算処理のフローチャートである。
【０１４６】
まず、演算部７７０が情報入力部からホログラム情報を入力する。引き続き、演算対象を振幅または位相にいずれかに決定し、実数部と虚数部とに分離して、複素数分布Ｈ（ｘ，ｙ）とする。
【０１４７】
次に、図８の再生光学系モデルによる演算のため、ホログラムの位置を（８）式に従って補正して仮想配置する。図９のホログラフィ撮像装置では、ｚ＝１．４ｃｍであったので、第１実施例と同様に、結像光学系１１０と同等の仮想結像光学系から１６．６ｃｍだけ離れた位置にホログラムを仮想配置する。
【０１４８】
次いで、仮想配置されたホログラムからの波面をフレネル変換して、仮想結像光学系のホログラム側（以後、前側とも呼ぶ）の焦点面での波面を演算する。
【０１４９】
こうした演算の方法には、球面波再生法と高速フーリエ変換法とがある。以下、夫々について説明する。
【０１５０】
（１）球面波再生法
伝送距離Ｌ（＝１．４ｃｍ）、ピッチｐ（＝１１μｍ）、画素数Ｎ（＝５１２）×Ｎとし、仮想結像光学系の前側焦点面の各点に関してホログラム格子点の全てからの波面を加え合せる。
【０１５１】
すなわち、前側焦点面でのピッチをｈ_Pとすると、前側焦点面での波面をＯｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）は、
【数１】

ここで、ｍ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｎ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｊ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｉ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
で計算される。
【０１５２】
（２）高速フーリエ変換法
伝送距離Ｌ（＝１．４ｃｍ）、ピッチｐ（＝１１μｍ）、画素数Ｎ（＝５１２）×Ｎ、前側焦点面でのピッチをｈ_Pとし、前側焦点面での波面をＯｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）を、
Ｏｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）
＝Ｆ^-1［Ｆ［Ｈ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）］・Ｆ［ｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）］］
ここで、Ｆ：高速フーリエ変換
Ｆ^-1：高速フーリエ逆変換
ｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）＝（１／ｒ）ｅｘｐ［ｊｋｒ］
ｒ＝（ｈ_Pｍ²＋ｈ_Pｎ²＋Ｌ²）^1/2
ｍ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｎ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
を計算して求める。
【０１５３】
なお、フレネル伝搬距離Ｌの大きさによっては、
Ｆ［ｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）］
＝ｅｘｐ［２πＬ［（１／λ）²−（ｍ／（ｈ_PＮ））²−（ｎ／（ｈ_PＮ））²］^1/2］
を用いた方が好適な場合もある。
【０１５４】
以上のように、前側焦点面での波面を演算した後、フレネル伝搬方向の符号を判定する。フレネル伝搬方向の符号は、ホログラムから仮想結像光学系への向きを正と定義し、ホログラムから前側焦点面を見た向きが正であるか、負であるかで判定する。
【０１５５】
フレネル伝搬方向の符号が正の場合にはＯｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）をそのまま採用し、負の場合にはＯｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）の複素共役を採用して、波面の伝搬方向を合致させる。
【０１５６】
なお、本実施形態の場合には、フレネル伝搬方向の符号は負であるので、複素共役を演算する。
【０１５７】
次いで、採用した前側焦点面での波面に２次元フーリエ変換を施して、仮想結像光学系のホログラム側とは反対側（以後、後側とも呼ぶ）の焦点面での波面Ｇ（ｆ_Pｍ，ｆ_Pｎ）を演算する。ここで、ｆ_Pは後側焦点面での画素ピッチである。Ｇ（ｆ_Pｍ，ｆ_Pｎ）は、ピッチｆ_P＝λｆ／（ｈ_PＮ）（＝２０．２２μｍ）で、一辺がλｆ／ｈ_Pの範囲の格子点に分布している。
【０１５８】
次に、０次光遮光をＧ（０，０）＝０とすることにより演算実行する。なお、Ｇ（ｘ，ｙ）＝０とする０次光遮光操作の範囲は適宜調整する。
【０１５９】
引き続き、０次光遮光処理されたＧ（ｆ_Pｍ，ｆ_Pｎ）に逆フレネル変換を施して、虚像ＩＭ２の波面分布を計算して求める。
【０１６０】
本実施形態では、後側焦点と虚像ＩＭ２との間の距離Ｌ_Oは２８．４ｃｍである。
【０１６１】
こうした演算の方法には、球面波再生法と高速フーリエ変換法とがある。以下、夫々について説明する。
【０１６２】
（１）球面波再生法
伝送距離Ｌ_O（＝２８．４ｃｍ）、ピッチｏ_p（＝１１μｍ）、画素数Ｎ（＝５１２）×Ｎとし、虚像ＩＭ２の各点について仮想結像光学系の後側焦点面の各格子点の全てからの波面を加え合せる。
【０１６３】
すなわち、虚像ＩＭ２での波面Ｏ（ｏ_pｍ，ｏ_pｎ）は、
【数２】

ここで、ｍ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｎ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｊ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｉ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
で計算される。なお、本実施形態ではｏ_p＝ｆ_Pとした。
【０１６４】
（２）高速フーリエ変換法
伝送距離Ｌ_O（＝２８．４ｃｍ）、ピッチｏ_p（＝１１μｍ）、画素数Ｎ（＝５１２）×Ｎとし、虚像ＩＭ２での波面Ｏ（ｆ_pｍ，ｆ_pｎ）を、
Ｏ（ｆ_pｍ，ｆ_pｎ）
＝Ｆ^-1［Ｆ［Ｇ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）］・Ｆ［ｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）］］
ここで、Ｆ：高速フーリエ変換
Ｆ^-1：高速フーリエ逆変換
ｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）＝（１／ｒ）ｅｘｐ［ｊｋｒ］
ｒ＝（ｈ_Pｍ²＋ｈ_Pｎ²＋Ｌ²）^1/2
ｍ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
ｎ＝−Ｎ／２〜Ｎ／２−１の整数
を計算して求める。
【０１６５】
なお、フレネル伝搬距離Ｌの大きさによっては、
Ｆ［ｆ（ｈ_Pｍ，ｈ_Pｎ）］
＝ｅｘｐ［２πＬ［（１／λ）²−（ｍ／（ｈ_PＮ））²−（ｎ／（ｈ_PＮ））²］^1/2］
を用いた方が好適な場合もある。
【０１６６】
そして、最後に、上記で計算したＯ（ｏ_pｍ，ｏ_pｎ）またはＯ（ｆ_pｍ，ｆ_pｎ）を変換して、表示装置７９０に撮像対象物の再生像を表示する。
【０１６７】
なお、上記では、一般に虚像ＩＭ２の断層像が表示されることになる。
【０１６８】
また、光の３原色の各色について撮像結果がある場合には、各色について上記の演算を行い、最終的な再生像を合成すれば、カラー再生ができる。
【０１６９】
（第３実施形態）
図１６は、本発明のホログラフィ表示装置の第３実施形態の構成図である。本実施形態のホログラフィ表示装置は、図１１のホログラフィ撮像装置によって撮像された強度ホログラムに基づいて、撮像対象物９００の像を再生する装置である。
【０１７０】
図１６に示すように、この装置は、（ａ）図１１のホログラフィ撮像装置されたホログラム情報を入力する情報入力部７５０と、（ｂ）情報入力部７５０を介したホログラム情報を入力し、このホログラム情報に基づいてホログラム５１３を形成するホログラム形成部６６０と、（ｃ）ホログラム５１３を形成する波面の光を入力して結像する、図１１の結像光学系１１０と同等の結像光学系１２０と、（ｄ）ホログラム５１１と結像光学系１１０との間の距離を変化させる移動手段１５０と、（ｅ）結像光学系１１０のホログラム５１１側とは反対側の焦点位置に配置された０次遮光板２５０とを備える。
【０１７１】
ホログラム形成部６６０は、（i）情報入力部７５０から通知された位相情報に基づいて、入力光の位相を変調する位相変調器６６１と入力光の振幅を変調する振幅変調器６６２とを備える位相振幅変調部６６３と、（ii）位相振幅変調部６６３に照射する、平面波である可干渉光を発生するレーザ光源６５３と、（iii）レーザ光源６５３から出力された光を位相変調器６６１および振幅変調器６６２へ導くリレー光学系６５４と、（iv）位相振幅変調部６６３を介した光を入力し、撮像時の撮像面での大きさと一致した空間光変調器６５２のホログラム５１１を形成するアフォーカル光学系６５５とを備える。
【０１７２】
以下、図１１のホログラフィ撮像装置に合せて、結像光学系１２０に焦点距離ｆ＝１８ｃｍの凸レンズ、使用する光の波長λ＝０．６２８μｍを採用した場合を例にとって説明する。
【０１７３】
このホログラフィ表示装置では、以下のようにして、図１１のホログラフィ撮像装置での撮像結果から撮像対象物の像を再生表示する。
【０１７４】
まず、第１実施例と同様に、移動手段１５０によって、ホログラム５１１の形成位置と結像光学系１２０とを（８）式の条件に従って調整する。すなわち、図９のホログラフィ撮像装置では、ｚ＝１．４ｃｍであったので、この位置から図９における結像光学系１１０への方向へ２．８ｃｍ（＝２ｚ）移動する。この結果、結像光学系１１０から１６．６ｃｍの位置にホログラム５１１が形成されることになる。
【０１７５】
次に、レーザ光源６５３から出射された光がリレー光学系６５４を介して位相振幅変調部６６３に照射される。また、情報入力部７５０からホログラム情報である位相情報および振幅情報を入力し、位相変調器６６１が位相変調動作を振幅変調器６６２が振幅変調動作を実行する。位相変調器６６１および振幅変調器６６２は、特開平５−１２７１３９や特開平５−１１９３４１に開示された技術を用い、液晶パネルを用いて実現することができる。
【０１７６】
そして、空間光変調器６５２で位相変調された光はアフォーカル光学系６５５を介して撮像時と同一の大きさで空間光変調器６５２のホログラム５１１を形成する。アフォーカル光学系の倍率は、表示装置６５１の画素の大きさと、撮像時の画素の大きさとの比で決まる。
【０１７７】
ホログラム５１１によって再生される実像ＲＬ２は、ホログラム５１１より結像光学系１２０側で、結像光学系１２０から約６．６ｃｍの位置に再生される。この実像ＲＬ２を形成する波面を結像光学系１２０で虚像ＩＭ２を形成する波面とする。結像光学系１２０から出力された光の内の０次光を、結像光学系１２０の焦点位置に配置された０次光遮光板２５０によって遮光し、１次以上の光を通過させる。
【０１７８】
そして、０次遮光板２５０で遮光されなかった光を０次遮光板２５０の後方から観測することにより、歪の無い撮像対象物９００の再生像を観測する。
【０１７９】
位相と振巾の変調が理想的ならば０次遮光板２５０は必ずしも必要ではない。
【０１８０】
なお、光の３原色ごとにホログラム撮像された場合には、各色についての再生画像を合成することにより、また、光の３原色についてのホログラム撮像がなされた場合には上記と同様にして撮像対象物９００の像をカラー再生できる。
【０１８１】
（第４実施形態）
図１７、本発明のホログラフィ表示装置の第４施形態の構成図である。本実施形態のホログラフィ表示装置は、図１１のホログラフィ撮像装置によって撮像された強度ホログラムに基づいて、撮像対象物９００の像を再生する装置である。
【０１８２】
図１６に示すように、この装置は、（ａ）図１１のホログラフィ撮像装置されたホログラム情報を入力する情報入力部７５０と、（ｂ）情報入力部７５０を介したホログラム情報を入力し、このホログラム情報に基づいて撮像対象物９００の再生像を算出する演算部７８０と、（ｃ）演算部７７０での算出結果を表示する表示装置７９０とを備える。
【０１８３】
演算部７８０としては、関数演算能力を有する計算機を使用する。
【０１８４】
このホログラフィ表示装置では、以下のようにして、図１１のホログラフィ撮像装置での撮像結果から撮像対象物の像を再生表示する。図１８は、本実施形態での演算部７８０での演算処理のフローチャートである。
【０１８５】
まず、演算部７８０が情報入力部からホログラム情報を入力する。引き続き、演算対象を振幅および位相について実数部と虚数部とに分離して、複素数分布Ｈ（ｘ，ｙ）とする。
【０１８６】
以下、第２実施例と同様の演算を行って、最終的に計算したＯ（ｏ_pｍ，ｏ_pｎ）またはＯ（ｆ_pｍ，ｆ_pｎ）を変換して、表示装置７９０に撮像対象物の再生像を表示する。
【０１８７】
なお、上記では、第２実施例と同様に、一般に虚像ＩＭ２の断層像が表示されることになる。
【０１８８】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、請求項１のホログラフィ撮像装置によれば、結像光学系の物側の焦点位置に所定の開口を有する絞りを配置するとともに、この開口を介した物体光を結像光学系で結像するとともに、結像光学系を介した物体光と参照光とを干渉させ、干渉縞を撮像することとしたので、視野を可変とするとともに、比較的低い空間分解能の撮像素子を使用して質の高いホログラムを撮像することができる。
【０１８９】
また、本発明のホログラフィシステムまたはホログラフィ表示方法によれば、撮像時の結像光学系と同等の結像光学系を採用するとともに、撮像時の結像光学系と撮像面との位置関係に応じて、形成ホログラムと結像光学系との位置関係を設定して撮像対象物の像再生を行うので、請求項１のホログラフィ撮像装置で撮像したホログラムから原像に対する歪を低減して撮像対象物の像の再生表示が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラフィ撮像装置の原理の説明図である。
【図２】物体光の結像点への入射角度の説明図である。
【図３】基本となる複素ホログラムの再生光学系の構成図である（ホログラムを焦点面に配置）。
【図４】図３の再生光学系を改善した再生光学系の構成図である。
【図５】基本となる強度ホログラムの再生光学系の構成図である（ホログラムを焦点面に配置）。
【図６】図５の再生光学系を改善した再生光学系の構成図である。
【図７】基本となる再生光学系の構成図である（ホログラムを焦点面以外に配置）。
【図８】図７の再生光学系を改善した再生光学系の構成図である。
【図９】本発明のホログラフィ撮像装置の第１実施形態の構成図である。
【図１０】本発明のホログラフィ撮像装置の第１実施形態における最大解像次数と最大撮像次数との距離Ｌによる変化を示すグラフである。
【図１１】本発明のホログラフィ撮像装置の第２実施形態の構成図である。
【図１２】本発明のホログラフィ撮像装置の第２実施形態の処理部の構成図である。
【図１３】本発明のホログラフィ表示装置の第１実施形態の構成図である。
【図１４】本発明のホログラフィ表示装置の第２実施形態の構成図である。
【図１５】本発明のホログラフィ表示装置の第２実施形態における演算処理を説明するフローチャートである。
【図１６】本発明のホログラフィ表示装置の第３実施形態の構成図である。
【図１７】本発明のホログラフィ表示装置の第４実施形態の構成図である。
【図１８】本発明のホログラフィ表示装置の第４実施形態における演算処理を説明するフローチャートである。
【符号の説明】
１１０，１２０…結像光学系、２１０，２２０…絞り、２１１，２２１…開口、３１０，３２０…干渉光学系、４１０…撮像面、４２０…撮像器、６５０，６６０…ホログラム形成部、７７０，７８０…演算部、８００…処理部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a holographic imaging device that records three-dimensional information of an object, and a holographic display device that reads the three-dimensional information of an object from the holographic imaging device and displays a three-dimensional image of the object.
[0002]
[Prior art]
Holography technology has attracted attention as a technology for displaying a three-dimensional image of an object. This holographic technique is composed of a holographic imaging technique for recording three-dimensional information of an object and a holographic display technique for reading out the three-dimensional information of the object recorded by the holographic imaging technique and displaying a three-dimensional image of the object.
[0003]
Conventional holography technology is generally constructed on the premise that the image sensor has high resolution in holographic imaging, and most of them use a high-resolution photographic plate or thermoplastic as the image sensor of the holographic imaging device. is there.
[0004]
Since such an imaging technique is basically a high-grade photographic technique because of its high resolution, holographic imaging requires a great deal of labor. Therefore, a holography technique using a CCD camera, which is a relatively low-resolution image sensor, is described in “Sato et al., Television Society Journal, Vol. 45, No. 7, pp. 873-875 (1991)” (hereinafter, a conventional example) 1) and “Hashimoto, Journal of the Institute of Image Electronics Engineers of Japan, Vol. 22, No. 4, pp. 315-322 (1991)” (hereinafter referred to as Conventional Example 2).
[0005]
Conventional Example 1 is an example of Fresnel holography technology that does not use a lens that is normally used in holographic imaging technology. In addition, the holographic imaging technique disclosed in Conventional Example 2 uses an imaging lens so that the spatial resolution of a real image matches the spatial resolution of the imaging device, and an aperture is disposed immediately before the object side of the imaging lens. .
[0006]
Then, the interference fringes are used to capture both the distance information in the optical axis direction of the object and the positional information in the direction perpendicular to the optical axis, and image reproduction is read out from the interference fringes.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Since conventional holographic imaging devices and holographic display devices are configured as described above, they have the following problems.
[0008]
In the holographic imaging devices of Conventional Example 1 and Conventional Example 2, the CCD spatial resolution is generally about 10 μm, so the angle between the object light and the reference light needs to be within 2 to 3 °. When the angle formed by the object light and the reference light is increased, the interval between the interference fringes becomes smaller than the resolution of the image sensor, and the interference fringes cannot be imaged with a good contrast.
[0009]
Therefore, in Conventional Example 1, the size of the imaging object is set to the size of the CCD, and the distance between the imaging object and the CCD is increased. However, there is no guideline for optimizing the distance between the object to be imaged and the CCD, and therefore it is difficult to reduce the size while maintaining the performance.
[0010]
Moreover, in the prior art example 1, since a lens is not used, a visual field cannot be made variable.
[0011]
In Conventional Example 2, since the stop is disposed immediately before the imaging object side of the imaging lens, a reduction system must be selected to increase the field of view. Therefore, when the field of view is increased, the angle of the object light with respect to the optical axis is enlarged after passing through the lens than before entering the lens.
[0012]
For this reason, in order to keep the angle between the object light and the reference light small, the aperture of the diaphragm is narrowed down. However, if the aperture is narrowed down, the object light cannot be used effectively. Therefore, there is a restriction that an object having a high reflectance must be selected as an imaging target and a restriction that a powerful light source is required.
[0013]
Further, the exit angle of light passing through the center of the lens does not change, and the viewing angle cannot be increased.
[0014]
In the holographic display devices of Conventional Example 1 and Conventional Example 2, the pixel pitch and pixel size of the CCD, which is the image sensor, are different from the pixel pitch and pixel size of the spatial modulation element used during image reproduction.
[0015]
Conventional Example 1 uses a lens in the display optical system even though it employs a full-nel hologram system. Conventional example 2 is not an imaging type display optical system.
[0016]
That is, in the conventional example 1 and the conventional example 2, since the optical system at the time of holographic imaging is different from the optical system at the time of image reproduction, the enlargement ratio depending on the position of the reproduced display image is essentially different, and thus distortion occurs. It will be.
[0017]
The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a holographic imaging apparatus that can change the field of view and that captures a high-quality hologram using an imaging element having a relatively low spatial resolution. To do.
[0018]
Another object of the present invention is to provide a holographic display device capable of displaying a hologram image picked up by the holographic image pickup device of the present invention while reducing distortion with respect to the original image.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The holographic imaging device according to the present invention uses an optical system having a positive refractive power to make the field of view variable, for example, a convex lens, and in order to secure the necessary interference fringe distance, the distance in the optical axis direction of the object Is reflected in the interference fringe spacing, and the object's optical axis direction and vertical position are reflected in the interference fringe distribution range. By separating the reflection function and adjusting the position of the image sensor in the optical axis direction, a configuration in which interference fringes having an interval smaller than the resolution of the image sensor is suppressed is suppressed.
[0020]
  That is, in the holographic imaging device according to claim 1, (a) a first light source that generates light to be applied to the imaging target, and (b) light output from the first light source is applied to the imaging target. As a result, a diaphragm unit having an aperture through which the object light reflected by the object to be imaged is passed, and (c) a first image having a positive refractive power disposed at a position where the diaphragm unit becomes the object side focal plane. An optical system, (d) a second light source that generates coherent light having the same wavelength as the object light, and (e) coherent light output from the second light source is converted into a first imaging optical system. An interference optical system that causes reference light, which is a plane wave that travels parallel to the optical axis, to interfere with the object light and the reference light via the first imaging optical system, and (f) an object of the first imaging optical system An interference optical system having an imaging surface perpendicular to the optical axis of the first imaging optical system at a position separated from the focal plane on the light output side by a first distance; Imaging means for picking up an image formed by the interference light output from the light source, the wavelength of the object light = λ, the aperture of the aperture means = a, the object-side focal length of the first imaging optical system = f, And when the spatial resolution of the imaging means = p,
        a ≦ λ · f / p (1)
It is characterized by satisfying the following relationship.
[0021]
Here, the first light source and the second light source can be the same light source.
[0022]
Moreover, it is possible to further comprise a first moving means for changing the first distance. In this case, it is possible to set an optimum position for imaging in accordance with the distance to the imaging object and the resolution of the imaging surface.
[0023]
The imaging result of the imaging means may be (i) the intensity of light on the imaging surface, or (ii) the amplitude of light waves and the phase of light waves on the imaging surface. In the former case, an intensity hologram is obtained, and in the latter case, a complex hologram is obtained. A complex hologram is obtained by a fringe scanning method.
[0024]
In the holographic imaging device according to the first aspect, first, the imaging object is irradiated with the light output from the first light source. As a result of this irradiation, the light reflected by the object to be imaged, and the object light is input to the first imaging optical system through an aperture having a diameter satisfying the expression (1).
[0025]
Of the light input to the imaging optical system, the principal ray that has passed through the center of the aperture, that is, the focal point on the imaging object side of the imaging optical system, depends on the incident angle to the first imaging optical system, Output from the emission position of the first imaging optical system at a certain distance from the central axis of the first imaging optical system (hereinafter also referred to simply as the optical axis), and perpendicular to the imaging surface along an optical path parallel to the optical axis Incident. Further, the light that has passed through the aperture passes through the imaging optical system and becomes light directed toward the imaging point. Accordingly, the wavefront that has passed through the aperture becomes a spherical wave that converges from the passage through the imaging optical system to the imaging point, and a spherical wave that diverges after passing through the imaging point.
[0026]
On the other hand, coherent light output from the second light source is input to the interference means. In the interference means, the coherent light output from the second light source is used as reference light that is a plane wave, and then the object light and the reference light are made to interfere with each other through the imaging optical system.
[0027]
Here, the first light source and the second light source are configured to be the same, and the light splitter can be used as the coherent light that is the source of the irradiation light to the imaging target and the reference light.
[0028]
When the object spherical wave after passing through the imaging optical system interferes with a plane wave of the same wavelength and observed in a cross section perpendicular to the optical axis behind the imaging optical system, it becomes a cosine wave Fresnel zone plate centered on the principal ray, Connecting the centers of cosine wave Fresnel zone plates at various positions is parallel to the optical axis.
[0029]
As a result, when the distance in the optical axis direction is the same, the distance in the direction perpendicular to the optical axis of each bright spot of the imaging object defines the distribution range of interference fringes derived from this bright spot. Further, the distance in the optical axis direction of each bright spot of the imaging object defines the interference fringe interval of the cosine Fresnel zone plate.
[0030]
In the apparatus of claim 1, in order to suppress the generation of interference fringes smaller than the spatial resolution of the image pickup means, that is, the unit size (hereinafter also referred to as pitch) p of the image pickup element employed in the image pickup means, 1) An opening having a diameter a that satisfies the equation is adopted.
[0031]
If the reference light incident on the image sensor is perpendicularly incident on the image sensor, the incident angle θ of the object light that can capture the interference fringes generated on the image sensor having the pitch p within the Nyquist interval is
θ ≦ sin^-1((Λ / 2) / p) (2)
It is necessary to satisfy the relationship.
[0032]
On the other hand, in the apparatus of claim 1 having an aperture having a diameter a that satisfies the relationship of the expression (1), an angle θi between the object light and the optical axis (hereinafter also referred to as an incident angle to the image forming point) θi is:
θi <tan^-1((Λ / 2) / p) (3)
From λ> 0,
θi <sin^-1((Λ / 2) / p) (4)
It becomes.
[0033]
Therefore, in the apparatus of claim 1, it is possible to image the interference fringes at the Nyquist interval, and information can be stored with good reproducibility from the sampling theorem.
[0034]
If the diameter a of the opening of the apparatus of claim 1 does not satisfy the relationship (1), interference fringes that cannot be resolved may occur. In this case, the light amount of the interference fringes that are not resolved is recognized as a direct current component, and the contrast of the resolved interference fringes is reduced. As the shape of the opening, a rectangle or a circle is simple and practical.
[0035]
  A holographic system according to a sixth aspect includes the holographic imaging device according to the first aspect and a holographic display device that reproduces and displays an image of the imaging target based on optical information captured by the holographic imaging device. The holographic display device includes: (a) an information input unit that inputs an imaging result of the holographic imaging device according to claim 1; and (b) holographic imaging according to claim 1 based on information notified from the information input unit. A hologram forming unit for forming a hologram on an imaging surface at the time of imaging by the device; and (c) a second having a focal plane at a position separated from the hologram position by a first distance in the holographic imaging device of claim 1. And (d) 0th-order light shielding means disposed at a focal point opposite to the hologram side of the second imaging optical system.
[0036]
Here, it is preferable to further include second moving means for changing a distance between the position of the hologram and the focal plane on the hologram side of the second imaging optical system. In this case, in the holographic imaging device according to claim 1, even if the selected first distance changes, an arrangement of a reproducing optical system capable of reproducing an image without distortion according to the changed first distance is provided. Can be set each time.
[0037]
In the case of an intensity hologram, the hologram forming unit includes (i) a display unit that displays an optical image of the imaging result notified from the information input unit, and (ii) a spatial light corresponding to the optical image displayed on the display unit. A spatial light modulator in which a modulated image is written, (iii) a light source that generates readout light irradiated to the spatial light modulator, and (iv) phase or amplitude modulation of the readout light through the spatial light modulator. A phase-amplitude-modulated light is input, and a hologram forming optical system that forms a hologram having the same size as that of the imaging device of the holographic imaging device can be suitably configured with optical components.
[0038]
In addition, the hologram forming unit, when the imaging result of the holographic imaging device according to claim 1 is a complex hologram that is amplitude information and phase information of incident light at each point on the imaging surface, (i) from the information input unit In accordance with the notified amplitude information and phase information, a phase amplitude modulation unit that performs phase modulation and amplitude modulation on the incident light and outputs, and (ii) a light source that generates read light irradiated to the phase amplitude modulation unit, (Iii) A hologram forming optical system that inputs phase amplitude modulated light that is phase amplitude modulated by reading light passing through a phase amplitude modulation unit, and forms a hologram having the same size as the imaging element of the holographic imaging device. Thus, the optical component can be preferably configured.
[0039]
  Note that the functions of the hologram forming unit, the second imaging optical system, and the zero-order light shielding plate can also be realized by arithmetic processing using a computer. That is, when the imaging result of the holographic imaging device according to claim 1 is the amplitude information and the phase information of the incident light at each point on the imaging surface, the hologram forming unit receives the amplitude information notified from the information input unit and It is preferable to provide a reproduction image calculation means for calculating a reproduction image by performing wavefront conversion calculation based on the phase information. The wavefront transformation calculation preferably includes Fresnel transformation or Fourier transformation.
  The holographic display method according to the present invention has the same technical idea as that of the holographic display device included in the holographic system described above.
[0040]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Prior to the description of the embodiments of the present invention, an outline of the principle adopted in the present invention will be described.
[0041]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle of the holographic imaging device of the present invention. As shown in FIG. 1, the holographic imaging device of the present invention includes (a) an imaging optical system 110 having a positive refractive power, and (b) an aperture 211 in the vicinity of the focal point on the imaging object side of the imaging optical system 110. (C) an interference optical system 300 that causes interference between the object light and the reference light, and (d) an imaging surface 410 that is perpendicular to the optical axis, and the interference light output from the interference optical system 300 And an imager 400 that images the interference fringes.
[0042]
In the imaging apparatus of FIG. 1, object light from each bright spot (P1, P2, P3,...) Of the imaging target passes through the aperture 211 and then enters the imaging optical system 110.
[0043]
Of the light input to the imaging optical system 110, the principal ray that has passed through the center of the aperture 211, that is, the focal point on the imaging object side of the imaging optical system 100, depends on the incident angle to the imaging optical system 110. The light is output from the emission position of the imaging optical system 110 at a certain distance from the optical axis of the imaging optical system 110, and enters the imaging surface 410 perpendicularly along an optical path parallel to the optical axis. In addition, the light that has passed through the aperture 211 passes through the imaging optical system 110 and is directed to the imaging points (Q1, Q2, Q3,...) Corresponding to the bright points (P1, P2, P3,...). It becomes light. Therefore, the wavefront that has passed through the aperture 211 becomes a spherical wave that converges from the passage through the imaging optical system 110 to the imaging point (Q1, Q2, Q3,...), And the imaging point (Q1, Q2, Q3,. After passing through (...), it becomes a diverging spherical wave.
[0044]
FIG. 2 is an explanatory diagram of an incident angle of the object light to the image formation point. The object light input from the bright point P to the imaging optical system 110 through the aperture 211 converges at the imaging point Q. The diameter of the opening 211 is L,
L = λf / p
Where λ is the wavelength of the object light
f: Object side focal length of the imaging optical system
p: Spatial resolution of the imager
Then, the angle θ formed between the light beam passing through both ends of the aperture 211 and passing through the imaging optical system and the optical axis_i0Is
θ_i0= Tan^-1((Λ / 2) / p)
It becomes. Therefore, the angle θ formed between the light beam passing through the aperture 211 and passing through the imaging optical system, and the optical axis._iIs
θ_i≦ tan^-1((Λ / 2) / p)
It becomes. By the way, if A> 0,
tan^-1A <sin^-1A
Than,
θ_i<Sin^-1((Λ / 2) / p)
And satisfies the condition of equation (2).
[0045]
The object light that has passed through the imaging optical system 110 and the reference light that is a plane wave (coherent light having the same wavelength as the object light) are input to the interference optical system 300 and interfere with each other. Note that the traveling direction is set by the interference optical system 300 so that the reference light that has passed through the interference optical system 300 travels parallel to the optical axis and enters the imaging surface 410 perpendicularly.
[0046]
By the way, since (the aperture diameter a in the present invention) <L, in the holographic imaging device of the present invention, the incident angle to the imaging point always satisfies the condition of the expression (2), so that the imaging optics It is possible to sample the interference fringes generated as a result of interference between the object light via the system 110 and the reference light that is a plane wave (coherent light having the same wavelength as the object light) in the interference optical system 300 within the Nyquist interval or less. is there.
[0047]
Next, an outline of the principle of hologram reproduction used in the holographic display device of the present invention will be described. In the holographic display device of the present invention, the interference fringe image picked up by the above principle is read out and holographic display is performed.
[0048]
First, the case where the imaging surface is arranged on the back focal plane in holographic imaging will be described.
[0049]
FIG. 3 is a configuration diagram of the most basic reproducing optical system. As shown in FIG. 3, this optical system corresponds to (a) an imaging optical system 120 equivalent to the imaging optical system 110 used in the imaging optical device, and (b) an imaging surface 410 for the imaging optical system 110. A position corresponding to the aperture 210 with respect to the imaging optical system 110, that is, the other position of the imaging optical system 120, that is, the complex hologram 510 disposed on one focal plane of the imaging optical system 120. And a diaphragm 220 having an opening 221 equivalent to the opening 211, which is disposed on the focal plane.
[0050]
In this reproduction optical system, when the complex hologram 510 is irradiated with parallel light that is a conjugate wave of reference light at the time of imaging, that is, readout light, the reproduction wavefront displays an object image formed by the imaging optical system 101 at the time of imaging. Wavefront light is generated as a virtual image IM1. This light is input to the imaging optical system 120, and a real image RL1 is formed through the opening 221 at a position corresponding to the position of the imaging target object at the time of imaging.
[0051]
At the time of reproduction, the reproduction light beam is concentrated in the vicinity of the aperture 221. Therefore, the diaphragm 220 is not necessarily required in the reproduction optical system of FIG.
[0052]
In addition, since a conjugate image is not generated in the complex hologram 510, only the above-described virtual image IM1 and real image RL1 are reproduced.
[0053]
The real image RL1 is observed from the viewpoint P11 and the viewpoint P12, which are behind the imaging target at the time of imaging. Therefore, the observed image is an image in which the reproduced image is reversed.
[0054]
In addition, at the viewpoint P11 and the viewpoint P12, only a part of the real image RL1 relating to only the reproduction light that passes through the aperture 221 and is incident on each viewpoint can be observed.
[0055]
The drawbacks of the reproducing optical system shown in FIG. 3 can be improved. FIG. 4 is a configuration diagram of a reproducing optical system in which the defects of the reproducing optical system in FIG. 3 are improved.
[0056]
As shown in FIG. 4, this reproducing optical system includes (a) an imaging optical system 120 equivalent to the imaging optical system 110 used in the imaging optical device, and (b) an imaging surface 410 for the imaging optical system 110. A corresponding position, that is, a complex hologram 510 arranged at one focal plane of the imaging optical system 120 and rotated by 180 ° about the direction perpendicular to the paper surface of FIG. The aperture 220 includes an aperture 221 equivalent to the aperture 211 and disposed at a position corresponding to 210, that is, the other focal plane of the imaging optical system 120.
[0057]
In this reproduction optical system, when the complex hologram 510 is irradiated with parallel light that is a conjugate wave of reference light at the time of imaging, that is, readout light, the reproduction wavefront is a real image at a target position with respect to the focal plane of the virtual image IM1 in FIG. Wavefront light forming RL2 is generated. This light is input to the imaging optical system 120, and becomes wavefront light that forms a virtual image IM2 between the imaging optical system 120 and the stop 220. By observing the virtual image IM2 with the opening 221 as a viewpoint, the entire image in the correct image direction is observed without distortion.
[0058]
Next, a description will be given of a reproducing optical system when a hologram is recorded by the intensity recording type hologram apparatus.
[0059]
FIG. 5 is a diagram showing the most basic configuration of the intensity hologram reproducing optical system. As shown in FIG. 6, this reproducing optical system is different from the reproducing optical system of FIG. 3 only in that a complex hologram 510 is used as an intensity hologram 560.
[0060]
When readout light is irradiated onto the intensity hologram 560 of the reproduction optical system in FIG. 5, the wavefront that forms the virtual image IM1 at the imaging position at the time of imaging similar to the reproduction optical system in FIG. 3 and the intensity hologram 560 as a symmetry plane Reproduction light having a wavefront that forms the real image RL3 is generated at a plane-symmetrical position of the virtual image IM1.
[0061]
The wavefront light that forms the virtual image IM1 is reproduced by the imaging optical system 120 as a real image RL1 at the imaging target object position at the time of imaging. The wavefront light forming the real image RL3 is reproduced by the imaging optical system 120 as a virtual image IM3 at the plane-symmetric position of the real image RL1 with the stop 220 as a symmetry plane.
[0062]
If the virtual image IM3 is observed with the opening 221 as a viewpoint, the entire reproduced image can be observed.
[0063]
However, the image observed in this way is upside down as in the case of FIG.
[0064]
This problem can be improved by a method similar to the method of improving the similar problem in the reproducing optical system of FIG. 3 with the reproducing optical system of FIG.
[0065]
FIG. 6 is a configuration diagram of a reproducing optical system in which the problems of the reproducing optical system in FIG. 5 are improved. As shown in FIG. 6, the reproducing optical system is different in that the intensity hologram 560 is arranged by being rotated by 180 ° about the direction perpendicular to the paper surface.
[0066]
6 is irradiated with readout light, the wavefront forming the real image RL2 at the same position as the reproduction optical system in FIG. 4 and the plane symmetry position of the real image RL2 with the intensity hologram 560 as a symmetry plane Reproduction light having a wavefront forming a virtual image IM4 is generated.
[0067]
The wavefront light that forms the virtual image IM4 is reproduced by the imaging optical system 120 as a real image RL4 at the imaging target object position at the time of imaging. The wavefront light forming the real image RL2 is reproduced by the imaging optical system 120 as a virtual image IM2 at a plane-symmetric position of the real image RL4 with the diaphragm 220 as a symmetry plane.
[0068]
If the virtual image IM2 is observed with the aperture 221 as a viewpoint, the entire reproduced image can be observed in the same directional relationship as the image at the time of imaging, as in the reproducing optical system of FIG.
[0069]
As described above, the case where the imaging surface is arranged on the focal plane (focal length = f) of the imaging optical system at the time of imaging has been described, but reproduction when the imaging plane is not arranged on the focal plane of the imaging optical system at the time of imaging. This will be described below. In the following description, it is assumed that the imaging surface at the time of imaging is separated from the rear focal plane of the imaging optical system by z.
[0070]
FIG. 7 is a configuration diagram of the reproduction optical system according to FIG. 3 in which the complex hologram 510 is arranged at the imaging surface position at the time of imaging. When the readout optical system in FIG. 7 is irradiated with readout light, the wavefront light that forms the virtual image IM1 at the imaging position by the imaging optical system at the time of imaging (distance from the imaging optical system to the imaging position = b) Play. At this time, the distance c between the complex hologram 510 and the virtual image IM1 is
c = b- (f + z) (5)
It becomes.
[0071]
The wavefront light forming the virtual image IM1 is imaged by the imaging optical system 120 at the position of the object to be imaged at the time of imaging, and the real image RL1 is reproduced. In this reproduction optical system, no distortion occurs in the image formation for the real image RL1 which is a reproduction image.
[0072]
However, since the same problem as in the case of FIG. 3 described above also exists in the observation of the real image RL1 in FIG. 7, reproduction equivalent to the reproduction optical system of FIG. 4 is performed with respect to the reproduction optical system of FIG. Adopt optical system.
[0073]
First, in the reproducing optical system of FIG. 7, the complex hologram 510 is rotated by 180 ° about the direction perpendicular to the paper surface, and the complex hologram 510 is moved by a distance y and arranged. When reading light is irradiated by this reproduction optical system, the real image RL2 is reproduced at a position obtained by rotating the virtual image IM1 by 180 ° about the same axis as the rotation axis of the complex hologram. The distance d between the real image RL2 and the imaging optical system 120 is
d = f + z-cy = 2f + 2z-by (6)
It becomes.
[0074]
In order for the wavefront forming the real image RL2 to be imaged by the imaging optical system 120 and the virtual image IM2 without distortion to be reproduced, the position of the real image RL2 is symmetric with respect to the focal plane of the virtual image IM1 in FIG. Need to be formed. This condition is
d = 2f−b (7)
It is.
[0075]
Therefore, from the equations (6) and (7), the condition for obtaining the virtual image IM2 without a difference in magnification depending on the position is:
y = 2z (8)
It becomes.
[0076]
FIG. 8 is a configuration diagram of a reproducing optical system that satisfies the condition of the equation (8).
[0077]
Even when the intensity hologram is used, the entire image in the correct image direction can be observed without distortion by the reproduction optical system similar to that shown in FIG.
[0078]
Embodiments of a holographic imaging device and a holographic display device according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In the description of the drawings, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
[0079]
[Embodiment of Holographic Imaging Device]
(First embodiment)
FIG. 9 is a configuration diagram of the first embodiment of the holographic imaging device of the present invention. The holographic imaging device of this embodiment is an intensity recording type imaging device. As shown in FIG. 9, this apparatus includes (a) a light source unit 610 that generates irradiation light and reference light for irradiating an imaging target, and (b) light output from the light source unit 610 is an imaging target 900. A diaphragm 210 having an aperture 211 that allows the object light reflected by the imaging object 900 to pass through, and (c) a positive refractive power disposed at a position where the diaphragm 210 is an object-side focal plane. An imaging optical system 110 having (d) an interference optical system 310 that causes interference between the object light and the reference light via the imaging optical system 110, and (e) an imaging surface perpendicular to the optical axis of the imaging optical system 110. 410, an imaging unit 400 that captures an image formed by the interference light output from the interference optical system 310, and (f) a storage unit 710 that inputs and stores the imaging information output from the imaging unit 400, (G) The imaging information output from the imaging means 400 is And force, and a transmitting means 720 for transmitting the image pickup information toward the holographic display device.
[0080]
When the wavelength of the object light = λ, the aperture diameter of the aperture means = a, the object-side focal length of the imaging optical system = f, and the spatial resolution of the imaging means = p,
a ≦ λ · f / p (1)
Satisfy the relationship.
[0081]
The light source unit 610 includes (i) a laser light source 611 that generates coherent light, (ii) an optical branching device 612 that splits the light output from the laser light source 611, and (iii) an output from the optical branching device 612. A polarizer 613 that inputs the other light and selects and outputs the polarization direction; and (iv) an optical system 614 that outputs the irradiation light of the spherical wave toward the imaging object 900 through the polarizer 613. And (v) a polarizer 615 that inputs the other light output from the optical splitter 612 and selects and outputs the polarization direction; and (vi) a spherical wave light that passes through the polarizer 615 is converted into an interference optical system. And an optical system 616 for outputting to 300.
[0082]
The interference optical system 310 includes (i) an optical system 311 that inputs light through the optical system 616 and converts it into a plane wave, and (ii) a mirror 312 that reflects the light through the optical system 311 and sets an optical path. And (iii) a half mirror 313 that inputs object light via the imaging optical system 110 and reference light via the mirror 312 and outputs both lights in substantially the same direction to interfere with each other.
[0083]
The imaging unit 400 includes (i) an analyzer 430 that receives the interference light output from the interference optical system 300 and selects and outputs the polarization direction; and (ii) an imaging surface that receives light via the analyzer 430. 410, and an imaging device 420 that captures an optical image on the imaging surface 410, and (iii) a moving unit 440 that moves the position of the imaging surface 410 relative to the interference optical system 300.
[0084]
When a CCD camera is used for the image pickup device 420, it is installed in the scanning direction so as to be reversed up and down and left and right by the imaging optical system 110. In addition, in order to prevent reflection of the imaging surface 410 by the protective glass, it is preferable to use an optical fiber plate having a core diameter equal to or smaller than the imaging resolution in place of the normal protective glass.
[0085]
Hereinafter, the imaging optical system 110 has a convex lens with a focal length f = 18 cm, an imaging surface 410 in which 512 (= N) × 512 imaging elements are arranged at a pitch p = 11 μm, and a wavelength λ = 0. An example in which 628 μm is employed and the imaging target 900 is disposed approximately 46.4 cm in front of the imaging optical system 110 will be described. In this case, the imaging point of the imaging object 900 by the imaging optical system 110 is a position away from the imaging optical system 110 by 29.4 cm. Further, as the diameter a of the opening 211,
a = λf / p = 1.0 cm
The circle was adopted.
[0086]
Note that the optical axis of the object light is the z axis, the vertical direction in FIG. 9 is the y direction, and the vertical direction is the x direction.
[0087]
The holographic imaging device of the present embodiment images the intensity hologram of the imaging object 900 as follows.
[0088]
First, with the positional relationship between the diaphragm 210 and the imaging optical system 110 maintained, the imaging surface 410 is placed at an appropriate distance L from the imaging object 900 by the moving unit 440 according to the resolution of the imaging unit.
[0089]
The distance L can be obtained as follows.
[0090]
The spherical wave light after the object light reflected from the measurement object 900 with the irradiation light output from the light source unit 100 passes through the imaging optical system 110 and the reference light output from the light source unit 100 are converted into side waves. The cosine wave Fresnel zone plate F (x, y, L) on the imaging surface 410 caused by the interference with the plane wave light is:
F (x, y, L)
= 1 + cos ((2π / λ) (x²+ Y²+ L²)^1/2(9)
It becomes.
[0091]
For simplicity, the distance L is approximated to an integral multiple of the wavelength λ, and the distance from the center of the imaging surface 410 on the xy plane is expressed as r._xyThen,
F (x, y, L)
= 1 + cos ((2π / λ) (r_xy ²+ L²)^1/2(10)
It is.
[0092]
Accordingly, the position r of the nth order bright portion of the cosine wave Fresnel zone plate F (x, y, L)._xyb(N)
r_xyb(N) = (2Lnλ + n²λ²)^1/2                (11)
Also, the position r of the n-th dark part of the cosine wave Fresnel zone plate F (x, y, L)_xyd(N)
r_xyd(N)
= (2Ln (λ + 1/2) + (n + 1/2)²λ²)^1/2  (12)
It becomes.
[0093]
The conditions for resolving the cosine wave Fresnel zone plate F (x, y, L) up to the nth order on the imaging surface 410 with the resolution p are as follows:
r_xyd(N) -r_xyb(N)> p (13)
It becomes.
[0094]
In equation (13), n is the maximum resolution order n where the right side and the left side are equal._maxpThen, the maximum resolution order n_maxpIs a function of the distance L and is roughly inversely proportional to the distance L.
[0095]
Also,
r_xyb(N) = (N / 2) p (14)
That is, in other words, n where the position of the n-th order bright portion is at both ends of the imaging surface 410 is the maximum imaging order n._maxdThen, the maximum imaging order n_maxdIs a function of distance and is proportional to distance L.
[0096]
FIG. 10 shows the maximum resolution order n in this embodiment._maxpAnd the maximum imaging order n_maxdIt is a graph which shows the distance L dependence.
[0097]
And
n_maxp= N_maxd                                        ... (15)
The distance L becomes the optimal distance. If this optimum distance is set, the maximum resolution order n_maxpThe next bright part becomes both ends of the imaging surface 410, and the intervals between the interference fringes inside thereof are all larger than the resolution p. That is, the imaging surface 410 can be used with maximum efficiency.
[0098]
FIG. 10 shows that in this embodiment, n satisfying the condition of the equation (15) is 64, and the optimum distance Lopt is about 9.8 cm.
[0099]
In the holographic imaging device of this embodiment, the optimal distance Lopt may be set as the distance from the imaging point by the imaging optical system 110 to the imaging surface 410.
[0100]
If the distance L is greater than 9.8 cm, information that can be originally captured cannot be received, but there is no change in receiving fringe information that can be resolved on the entire imaging surface.
[0101]
In other words, the distance L between the imaging point of the imaging target object 900 and the imaging surface 410 is set to 10 cm by the moving unit 440, that is, the imaging surface 410 is set at a position 19.4 cm away from the imaging optical system 110.
[0102]
Subsequently, the irradiation light and reference light of the imaging object 900 are output from the light source unit 100. Reflection occurs in the imaging object 900 irradiated with the irradiation light, and object light that is a spherical wave is generated.
[0103]
A part of the object light is input to the imaging optical system 110 via the aperture 211, output toward the imaging point, and input to the interference optical system 300. On the other hand, the reference light output from the light source unit 100 is input to the interference optical system 300 and interferes with the object light.
[0104]
Interference light output from the interference optical system 300 is selected by the analyzer 430 as object light and reference light and received by the imaging surface 410. The fringe image formed by the light received by the imaging surface 410 is picked up by the image pickup device 420 and the image pickup result is stored in the storage means 710 together with the information of the distance L, or transmitted from the transmission means 720 to the holographic display device. Or
[0105]
As a laser light source 611, a laser light source capable of sequentially outputting the three primary colors of light is prepared, and imaging information capable of color reproduction can be acquired by sequentially performing hologram imaging for each color. As a laser light source capable of sequentially outputting the three primary colors of light, a laser element that outputs light of each color may be prepared and driven sequentially, or a laser that outputs light including the three primary colors of light. A filter that selects one of the three primary colors of the light source and light may be sequentially used.
[0106]
(Second Embodiment)
FIG. 11 is a configuration diagram of a second embodiment of the holographic imaging device of the present invention. The holographic imaging device of this embodiment is a complex hologram recording type holographic imaging device. As shown in FIG. 11, this apparatus includes (a) a light source unit 610 that generates irradiation light and reference light for irradiating an imaging target, and (b) light output from the light source unit 610 is an imaging target 900. A diaphragm 210 having an aperture 211 that allows the object light reflected by the imaging object 900 to pass through, and (c) a positive refractive power disposed at a position where the diaphragm 210 is an object-side focal plane. An imaging optical system 110, (d) an interference optical system 320 that causes object light and reference light to pass through the imaging optical system 110, and (e) an imaging surface perpendicular to the optical axis of the imaging optical system 110. An imaging unit 400 that captures an image formed by interference light output from the interference optical system 310; and (f) imaging information output from the imaging unit 400 is input, processed, and processed by the imaging surface 410. The object light intensity and phase at A processing unit 800 that instructs the phase of the reference light to the optical system 320; (g) a storage unit 710 that stores intensity information and phase information obtained by the processing unit 800; and (h) an output from the imaging unit 400. Transmission means 720 for inputting the captured imaging information and transmitting the imaging information to the holographic display device.
[0107]
When the wavelength of the object light = λ, the aperture diameter of the aperture means = a, the object-side focal length of the imaging optical system = f, and the spatial resolution of the imaging means = p,
a ≦ λ · f / p (1)
Satisfy the relationship.
[0108]
The interference optical system 320 includes (i) an optical system 311 that inputs light through the optical system 616 and converts it into a plane wave, and (ii) an amount of light that is input through the optical system 311 and is instructed by the processing unit 800. A phase adjuster 321 that adjusts and outputs the phase of the output light, (iii) a half mirror 322 that sets the optical path of the light via the phase adjuster 321, and (iv) an object that passes through the imaging optical system 110 A half mirror 313 that inputs light and reference light via the half mirror 322 and outputs both lights in substantially the same direction to interfere with each other is provided. The phase adjuster 321 performs four-stage phase adjustment for each λ / 4.
[0109]
The phase adjuster 321 includes (i) a mirror 326 that reflects incident light, and (ii) a piezo element 327 that moves the mirror 326 in response to an instruction from the processing unit 800.
[0110]
FIG. 12 is a configuration diagram of the processing unit 800. As shown in FIG. 12, (i) a frame memory 810 that stores light intensity data of each pixel on the imaging surface 410 for each adjustment phase amount.₀~ 810_ThreeAnd (ii) frame memory 810₀~ 810_ThreeA calculation unit 820 that calculates the amplitude and phase of the object light at each pixel position based on the data of each pixel stored in, and (iii) the frame memory 810₀~ 810_ThreeAnd a control unit 830 that controls the arithmetic unit 820 and issues a phase adjustment instruction signal of the phase adjuster 321.
[0111]
In the holographic imaging device of this embodiment, imaging of a complex hologram is performed as follows.
[0112]
First, in the same manner as in the first embodiment, the moving surface 440 moves the imaging surface 410 from the imaging object 900 appropriately according to the resolution of the imaging means while maintaining the positional relationship between the aperture 210 and the imaging optical system 110. Installed at a distance L.
[0113]
Further, a phase adjustment instruction of phase adjustment amount = 0 is issued from the processing unit 800, and the phase adjuster 321 installs the mirror 326 at a position where the phase adjustment amount = 0.
[0114]
Subsequently, the irradiation light and reference light of the imaging object 900 are output from the light source unit 100. Reflection occurs in the imaging object 900 irradiated with the irradiation light, and object light that is a spherical wave is generated.
[0115]
A part of the object light is input to the imaging optical system 110 via the aperture 211, output toward the imaging point, and input to the interference optical system 320. On the other hand, the reference light output from the light source unit 100 is input to the interference optical system 320 and interferes with the object light when the phase adjustment amount = 0.
[0116]
The interference light output from the interference optical system 320 is selected by the analyzer 430 as object light and reference light and is received by the imaging surface 410. The fringe image formed by the light received by the imaging surface 410 is captured by the imaging device 420, and the imaging result is data (I₀) As frame memory 810₀Stored in
[0117]
Next, the processing unit 800 sequentially issues phase adjustment instructions of phase adjustment amounts = π / 2, π, 3π / 2, and the respective imaging results (I₁, I₂, I_Three) In the frame memory 810₁~ 810_ThreeRespectively.
[0118]
The phase adjustment amount is φΔ, and the object light is A_Oexp [jφ_O], Reference light A_Rexp [j (φ_R+ ΦΔ)], the light intensity I on the imaging surface 410 is

It becomes.
[0119]
Therefore, φΔ = 0, π / 2, π, 3π / 2₀~ I_ThreeIs
I₀= A_O ²+ A_R ²+ 2A_OA_Rcos (φ_O−φ_R... (17)
I₁= A_O ²+ A_R ²+ 2A_OA_Rsin (φ_O−φ_R(18)
I₂= A_O ²+ A_R ²-2A_OA_Rcos (φ_O−φ_R(19)
I_Three= A_O ²+ A_R ²-2A_OA_Rsin (φ_O−φ_R... (20)
It becomes.
[0120]
From the equations (17) to (20),
I₀-I₂= 4A_OA_Rcos (φ_O−φ_R... (21)
I₁-I_Three= 4A_OA_Rsin (φ_O−φ_R... (22)
It is.
[0121]
From equations (21) and (22)
φ_O−φ_R= Tan^-1((I₁-I_Three) / (I₀-I₂)) ... (23)
And the phase of the object beam with respect to the reference beam is obtained. Since the reference light is a plane wave, the phase φ of the reference light_RIs constant at any point on the imaging surface 410, so φ of each pixel obtained in (23)_O−φ_RThus, the relative phase between the pixels is obtained.
[0122]
From the equations (21) and (23), the amplitude A of the object light_OBut,
A_O= (I₀-I₂) / (4A_Rcos (φ_O−φ_R)) ... (24)
It is obtained.
[0123]
The calculations (21) to (24) are performed in the calculation unit 820 as follows under the sequence control of the control unit 830.
[0124]
First, the imaging result Ii is simultaneously read out from the frame memory 810i (i = 0, 1, 2, 3) at the video rate.
[0125]
I₀, I₂Is input to the difference calculator 821 (I₀-I₂) Is calculated and (I₀-I₂) Is input to the synchronization register 823 and the division calculator 824. I₁, I_ThreeIs input to the difference calculator 822 (I₁-I_Three) Is calculated and (I₁-I_Three) Is input to the division calculator 824. The division calculator 824 (I₁-I_Three) / (I₀-I₂) Is calculated and the result is input to the arctangent calculator 825. In the arc tangent calculator 825, the calculation of the equation (23) is executed and the calculation result (φ_O−φ_R) Is input to the cosine calculator 826 and output as a first calculation result of the calculation unit 820 via the synchronization register 828.
[0126]
In the cosine calculator 826, 4A_Rcos (φ_O−φ_R) Is calculated, and the calculation result is input to the division calculator 827. In the division calculator 827, in addition to the calculation result of the cosine calculator 826, the data stored in the register 823 (I₀-I₂) Is input, and the calculation of equation (24) is executed. And the amplitude A of the object light as the calculation result_OIs output as the second calculation result of the calculation unit 820.
[0127]
The calculation result of the calculation unit 820 is stored in the storage unit 710 together with the information on the distance L, or transmitted from the transmission unit 720 to the holographic display device.
[0128]
As in the first embodiment, a laser light source capable of sequentially outputting the three primary colors of light is prepared as the laser light source 611, and holographic imaging is sequentially performed for each color, thereby obtaining imaging information capable of color reproduction. . As a laser light source capable of sequentially outputting the three primary colors of light, a laser element that outputs light of each color may be prepared and driven sequentially, or a laser that outputs light including the three primary colors of light. A filter that selects one of the three primary colors of the light source and light may be sequentially used.
[0129]
[Embodiment of Holographic Display Device]
(First embodiment)
FIG. 13 is a configuration diagram of the first embodiment of the holographic display device of the present invention. The holographic display device of the present embodiment is a device that reproduces an image of the imaging target 900 based on the intensity hologram imaged by the holographic imaging device of FIG.
[0130]
As shown in FIG. 13, the apparatus inputs (a) an information input unit 750 for inputting hologram information of the holographic imaging device of FIG. 9, and (b) inputs hologram information via the information input unit 750. A hologram forming unit 650 that forms a hologram 511 based on hologram information, and (c) an imaging optical system equivalent to the imaging optical system 110 in FIG. 120, (d) a moving means 150 for changing the distance between the hologram 511 and the imaging optical system 110, and (e) a focal position opposite to the hologram 511 side of the imaging optical system 110. A zero-order light shielding plate 250.
[0131]
The information input unit 750 includes (i) an information reading device 751 that reads stored information from a storage medium of an imaging result of the holographic imaging device, and (ii) a receiver 752 that receives the imaging result transmitted from the holographic imaging device. .
[0132]
The hologram forming unit 650 (i) a display device 651 that displays an image based on information notified from the information input unit 750, and (ii) a spatial light modulator 652 that writes an image displayed on the display device 651. And (iii) a laser light source 653 that emits coherent light that is a plane wave to irradiate the spatial light modulator 652, and (iv) a relay optical system that guides the light output from the laser light source 653 to the spatial light modulator 652. 654 and (v) an afocal optical system 655 that inputs the light phase-modulated by the spatial light modulator 652 and forms the hologram 511 of the spatial light modulator 652 that matches the size on the imaging surface at the time of imaging. Prepare.
[0133]
In order to prevent reflection by the protective glass of the spatial light modulator 652, it is preferable to use an optical fiber plate having a core diameter equal to or less than the imaging resolution in place of the normal protective glass.
[0134]
Hereinafter, a case where a convex lens having a focal length f = 18 cm and a wavelength λ = 0.628 μm of light to be used will be described as an example in accordance with the holographic imaging device of FIG.
[0135]
In this holographic display device, an image of the imaging target is reproduced and displayed from the imaging result of the holographic imaging device of FIG. 9 as follows.
[0136]
First, the moving unit 150 adjusts the formation position of the hologram 511 and the imaging optical system 120 according to the condition of the equation (8). That is, in the holographic imaging device of FIG. 9, since z = 1.4 cm, the position moves 2.8 cm (= 2z) in the direction toward the imaging optical system 110 in FIG. As a result, a hologram 511 is formed at a position 16.6 cm from the imaging optical system 110.
[0137]
Next, image information that is hologram information is input from the information input unit 750, displayed on the display device 651, and the image information is written in the spatial light modulator 652. As the display device 651, a small CRT can be suitably used, and as the spatial light modulator 652, a light writing type liquid crystal spatial light modulator can be suitably used. The display device 651 displays the imaging result after being rotated 180 ° around the optical axis (z axis).
[0138]
Subsequently, the light emitted from the laser light source 653 is applied to the spatial light modulator 652 via the relay optical system 654. Then, the light phase-modulated by the spatial light modulator 652 forms a hologram 511 of the spatial light modulator 652 through the afocal optical system 655 with the same size as during imaging. The magnification of the afocal optical system is determined by the ratio between the pixel size of the display device 651 and the pixel size at the time of imaging. For example, when a 1.5-inch small CRT is used as the display device 651, the pixel size is about 40 μm, and the pixel size at the time of imaging is 11 μm as described above. Use afocal optics.
[0139]
The real image RL2 reproduced by the hologram 511 is reproduced at a position of about 6.6 cm from the imaging optical system 120 on the imaging optical system 120 side from the hologram 511. The wavefront that forms this real image RL2 is the wavefront that forms the virtual image IM2 by the imaging optical system 120. Of the light output from the imaging optical system 120, the 0th-order light is shielded by the 0th-order light shielding plate 250 disposed at the focal position of the imaging optical system 120, and the first-order or higher-order light is allowed to pass.
[0140]
Then, by observing the light not shielded by the 0th-order light shielding plate 250 from behind the 0th-order light shielding plate 250, a reproduced image of the imaging object 900 without distortion is observed.
[0141]
In addition, when hologram imaging is performed for each of the three primary colors of light, a reproduction image for each color is synthesized, and when hologram imaging is performed for the three primary colors of light, the imaging target is similar to the above. The image of the object 900 can be reproduced in color.
[0142]
(Second embodiment)
FIG. 14 is a configuration diagram of a second embodiment of the holographic display device of the present invention. The holographic display device of the present embodiment is a device that reproduces an image of the imaging target 900 based on the intensity hologram imaged by the holographic imaging device of FIG.
[0143]
As shown in FIG. 13, the apparatus inputs (a) an information input unit 750 for inputting hologram information of the holographic imaging device of FIG. 9, and (b) inputs hologram information via the information input unit 750. A calculation unit 770 that calculates a reproduced image of the imaging object 900 based on the hologram information, and (c) a display device 790 that displays a calculation result of the calculation unit 770 are provided.
[0144]
As the calculation unit 770, a computer having function calculation capability is used.
[0145]
In this holographic display device, an image of the imaging target is reproduced and displayed from the imaging result of the holographic imaging device of FIG. 9 as follows. FIG. 15 is a flowchart of the calculation process in the calculation unit 770 in the present embodiment.
[0146]
First, the calculation unit 770 inputs hologram information from the information input unit. Subsequently, the calculation target is determined to be either amplitude or phase, and is separated into a real part and an imaginary part to obtain a complex number distribution H (x, y).
[0147]
Next, for the calculation by the reproduction optical system model of FIG. 8, the hologram position is corrected and virtually arranged according to the equation (8). In the holographic imaging device of FIG. 9, since z = 1.4 cm, the hologram is placed at a position 16.6 cm away from the virtual imaging optical system equivalent to the imaging optical system 110 as in the first embodiment. Virtual placement.
[0148]
Next, the wavefront from the virtually arranged hologram is subjected to Fresnel transformation to calculate the wavefront at the focal plane on the hologram side (hereinafter also referred to as the front side) of the virtual imaging optical system.
[0149]
Such calculation methods include a spherical wave reproduction method and a fast Fourier transform method. Each will be described below.
[0150]
(1) Spherical wave reconstruction method
The transmission distance L (= 1.4 cm), the pitch p (= 11 μm), the number of pixels N (= 512) × N, and the wavefront from all of the hologram lattice points for each point on the front focal plane of the virtual imaging optical system Add them together.
[0151]
That is, the pitch at the front focal plane is h_PThen the wavefront at the front focal plane is Of (h_Pm, h_Pn)
[Expression 1]

Where m = -N / 2 to N / 2-1 integer
n = integer of -N / 2 to N / 2-1
j = integer of -N / 2 to N / 2-1
i = integer of -N / 2 to N / 2-1
Calculated by
[0152]
(2) Fast Fourier transform method
Transmission distance L (= 1.4 cm), pitch p (= 11 μm), number of pixels N (= 512) × N, pitch on front focal plane h_PAnd the wavefront at the front focal plane is Of (h_Pm, h_Pn)
Of (h_Pm, h_Pn)
= F^-1[F [H (h_Pm, h_Pn)] · F [f (h_Pm, h_Pn)]]
Where F: Fast Fourier Transform
F^-1: Fast Fourier inverse transform
f (h_Pm, h_Pn) = (1 / r) exp [jkr]
r = (h_Pm²+ H_Pn²+ L²)^1/2
m = integer of -N / 2 to N / 2-1
n = integer of -N / 2 to N / 2-1
Is calculated.
[0153]
Depending on the size of the Fresnel propagation distance L,
F [f (h_Pm, h_Pn)]
= Exp [2πL [(1 / λ)²-(M / (h_PN))²-(N / (h_PN))²]^1/2]
In some cases, it is preferable to use.
[0154]
As described above, after calculating the wavefront at the front focal plane, the sign of the Fresnel propagation direction is determined. The sign of the Fresnel propagation direction is determined based on whether the direction from the hologram to the virtual imaging optical system is positive and the direction of the front focal plane viewed from the hologram is positive or negative.
[0155]
If the sign of the Fresnel propagation direction is positive, Of (h_Pm, h_Pn) is adopted as it is, and if (h)_Pm, h_PThe complex conjugate of n) is adopted to match the wavefront propagation direction.
[0156]
In the present embodiment, the complex conjugate is calculated because the sign of the Fresnel propagation direction is negative.
[0157]
Next, the wavefront G (f) on the focal plane opposite to the hologram side (hereinafter also referred to as the rear side) of the virtual imaging optical system is subjected to two-dimensional Fourier transform on the wavefront at the adopted front focal plane._Pm, f_Pn) is calculated. Where f_PIs the pixel pitch at the rear focal plane. G (f_Pm, f_Pn) is the pitch f_P= Λf / (h_PN) (= 20.22 μm) and one side is λf / h_PIt is distributed at grid points in the range of.
[0158]
Next, calculation is executed by setting the 0th-order light shielding to G (0,0) = 0. Note that the range of the 0th-order light shielding operation in which G (x, y) = 0 is adjusted as appropriate.
[0159]
Subsequently, G (f_Pm, f_Pn) is subjected to inverse Fresnel transformation to calculate the wavefront distribution of the virtual image IM2.
[0160]
In the present embodiment, the distance L between the rear focal point and the virtual image IM2._OIs 28.4 cm.
[0161]
Such calculation methods include a spherical wave reproduction method and a fast Fourier transform method. Each will be described below.
[0162]
(1) Spherical wave reconstruction method
Transmission distance L_O(= 28.4cm), pitch o_p(= 11 μm), the number of pixels N (= 512) × N, and wavefronts from all the lattice points of the rear focal plane of the virtual imaging optical system are added together for each point of the virtual image IM2.
[0163]
That is, the wavefront O (o in the virtual image IM2_pm, o_pn)
[Expression 2]

Where m = -N / 2 to N / 2-1 integer
n = integer of -N / 2 to N / 2-1
j = integer of -N / 2 to N / 2-1
i = integer of -N / 2 to N / 2-1
Calculated by In this embodiment, o_p= F_PIt was.
[0164]
(2) Fast Fourier transform method
Transmission distance L_O(= 28.4cm), pitch o_p(= 11 μm), the number of pixels N (= 512) × N, and the wavefront O (f in the virtual image IM2_pm, f_pn)
O (f_pm, f_pn)
= F^-1[F [G (h_Pm, h_Pn)] · F [f (h_Pm, h_Pn)]]
Where F: Fast Fourier Transform
F^-1: Fast Fourier inverse transform
f (h_Pm, h_Pn) = (1 / r) exp [jkr]
r = (h_Pm²+ H_Pn²+ L²)^1/2
m = integer of -N / 2 to N / 2-1
n = integer of -N / 2 to N / 2-1
Is calculated.
[0165]
Depending on the size of the Fresnel propagation distance L,
F [f (h_Pm, h_Pn)]
= Exp [2πL [(1 / λ)²-(M / (h_PN))²-(N / (h_PN))²]^1/2]
In some cases, it is preferable to use.
[0166]
And finally, O (o calculated above_pm, o_pn) or O (f_pm, f_pn) is converted, and a reproduced image of the imaging object is displayed on the display device 790.
[0167]
In the above, generally, a tomographic image of the virtual image IM2 is displayed.
[0168]
In addition, when there are imaging results for each of the three primary colors of light, color reproduction can be performed by performing the above calculation for each color and synthesizing the final reproduced image.
[0169]
(Third embodiment)
FIG. 16 is a configuration diagram of a third embodiment of the holographic display device of the present invention. The holographic display device of the present embodiment is a device that reproduces an image of the imaging object 900 based on the intensity hologram imaged by the holographic imaging device of FIG.
[0170]
As shown in FIG. 16, the apparatus inputs (a) information input unit 750 for inputting hologram information of the holographic imaging apparatus of FIG. 11, and (b) inputs hologram information via information input unit 750. A hologram forming unit 660 that forms a hologram 513 based on hologram information, and (c) an imaging optical system equivalent to the imaging optical system 110 in FIG. 11 that inputs and forms a wavefront light that forms the hologram 513. 120, (d) moving means 150 for changing the distance between the hologram 511 and the imaging optical system 110, and (e) a focal position opposite to the hologram 511 side of the imaging optical system 110. 0th-order light shielding plate 250 is provided.
[0171]
The hologram forming section 660 includes (i) a phase modulator 661 that modulates the phase of the input light and an amplitude modulator 662 that modulates the amplitude of the input light based on the phase information notified from the information input section 750. An amplitude modulation unit 663; (ii) a laser light source 653 that emits coherent light that is a plane wave that irradiates the phase amplitude modulation unit 663; and (iii) light output from the laser light source 653 and the phase modulator 661 and the amplitude. The relay optical system 654 that guides to the modulator 662 and (iv) the light that has passed through the phase amplitude modulator 663 are input, and the hologram 511 of the spatial light modulator 652 that matches the size on the imaging surface at the time of imaging is formed. And a focal optical system 655.
[0172]
Hereinafter, a case where a convex lens having a focal length f = 18 cm and a wavelength λ = 0.628 μm of light to be used will be described as an example according to the holographic imaging device of FIG.
[0173]
In this holographic display device, an image of the imaging target is reproduced and displayed from the imaging result of the holographic imaging device in FIG. 11 as follows.
[0174]
First, similarly to the first embodiment, the moving unit 150 adjusts the formation position of the hologram 511 and the imaging optical system 120 according to the condition of the equation (8). That is, in the holographic imaging device of FIG. 9, since z = 1.4 cm, the position moves 2.8 cm (= 2z) in the direction toward the imaging optical system 110 in FIG. As a result, a hologram 511 is formed at a position 16.6 cm from the imaging optical system 110.
[0175]
Next, the light emitted from the laser light source 653 is applied to the phase amplitude modulation unit 663 via the relay optical system 654. Further, phase information and amplitude information, which are hologram information, are input from the information input unit 750, and the phase modulator 661 executes a phase modulation operation and the amplitude modulator 662 executes an amplitude modulation operation. The phase modulator 661 and the amplitude modulator 662 can be realized using a technique disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 5-127139 and 5-119341 using a liquid crystal panel.
[0176]
Then, the light phase-modulated by the spatial light modulator 652 forms a hologram 511 of the spatial light modulator 652 through the afocal optical system 655 with the same size as during imaging. The magnification of the afocal optical system is determined by the ratio between the pixel size of the display device 651 and the pixel size at the time of imaging.
[0177]
The real image RL2 reproduced by the hologram 511 is reproduced at a position of about 6.6 cm from the imaging optical system 120 on the imaging optical system 120 side from the hologram 511. The wavefront that forms this real image RL2 is the wavefront that forms the virtual image IM2 by the imaging optical system 120. Of the light output from the imaging optical system 120, the 0th-order light is shielded by the 0th-order light shielding plate 250 disposed at the focal position of the imaging optical system 120, and the first-order or higher-order light is allowed to pass.
[0178]
Then, by observing the light not shielded by the 0th-order light shielding plate 250 from behind the 0th-order light shielding plate 250, a reproduced image of the imaging object 900 without distortion is observed.
[0179]
If the modulation of the phase and amplitude is ideal, the 0th-order light shielding plate 250 is not always necessary.
[0180]
In addition, when hologram imaging is performed for each of the three primary colors of light, a reproduction image for each color is synthesized, and when hologram imaging is performed for the three primary colors of light, the imaging target is similar to the above. The image of the object 900 can be reproduced in color.
[0181]
(Fourth embodiment)
FIG. 17 is a configuration diagram of a fourth embodiment of the holographic display device of the present invention. The holographic display device of the present embodiment is a device that reproduces an image of the imaging object 900 based on the intensity hologram imaged by the holographic imaging device of FIG.
[0182]
As shown in FIG. 16, the apparatus inputs (a) information input unit 750 for inputting hologram information of the holographic imaging apparatus of FIG. 11, and (b) inputs hologram information via information input unit 750. A calculation unit 780 that calculates a reproduction image of the imaging object 900 based on the hologram information, and (c) a display device 790 that displays a calculation result of the calculation unit 770 are provided.
[0183]
As the calculation unit 780, a computer having function calculation capability is used.
[0184]
In this holographic display device, an image of the imaging target is reproduced and displayed from the imaging result of the holographic imaging device in FIG. 11 as follows. FIG. 18 is a flowchart of the arithmetic processing in the arithmetic unit 780 in the present embodiment.
[0185]
First, the calculation unit 780 inputs hologram information from the information input unit. Subsequently, the calculation target is separated into a real part and an imaginary part with respect to amplitude and phase, and a complex number distribution H (x, y) is obtained.
[0186]
Thereafter, the same calculation as in the second embodiment is performed, and finally calculated O (o_pm, o_pn) or O (f_pm, f_pn) is converted, and a reproduced image of the imaging object is displayed on the display device 790.
[0187]
In the above, as in the second embodiment, a tomographic image of the virtual image IM2 is generally displayed.
[0188]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the holographic imaging device of the first aspect, the stop having a predetermined aperture is disposed at the focal position on the object side of the imaging optical system, and the object light is coupled through the aperture. The image is formed by the image optical system, and the object light and the reference light through the image forming optical system are made to interfere with each other to pick up the interference fringes. A high quality hologram can be imaged using the element.
[0189]
Further, according to the holographic system or the holographic display method of the present invention, an imaging optical system equivalent to the imaging optical system at the time of imaging is adopted, and depending on the positional relationship between the imaging optical system at the time of imaging and the imaging surface Then, the positional relationship between the formed hologram and the imaging optical system is set to reproduce the image of the object to be imaged. Therefore, the distortion of the original image from the hologram imaged by the holographic imaging device of claim 1 is reduced and the object to be imaged is reduced. Can be reproduced and displayed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of the principle of a holographic imaging device of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of an incident angle of object light on an image formation point.
FIG. 3 is a configuration diagram of a basic complex hologram reproducing optical system (a hologram is arranged on a focal plane);
4 is a configuration diagram of a reproduction optical system obtained by improving the reproduction optical system of FIG. 3;
FIG. 5 is a configuration diagram of a reproduction optical system for a basic intensity hologram (a hologram is arranged on a focal plane).
6 is a configuration diagram of a reproduction optical system obtained by improving the reproduction optical system of FIG.
FIG. 7 is a configuration diagram of a basic reproducing optical system (a hologram is arranged other than the focal plane).
8 is a configuration diagram of a reproduction optical system obtained by improving the reproduction optical system of FIG.
FIG. 9 is a configuration diagram of a first embodiment of a holographic imaging device of the present invention.
FIG. 10 is a graph showing a change of the maximum resolution order and the maximum imaging order according to the distance L in the first embodiment of the holographic imaging device of the present invention.
FIG. 11 is a configuration diagram of a second embodiment of the holographic imaging device of the present invention.
FIG. 12 is a configuration diagram of a processing unit of the second embodiment of the holographic imaging device of the present invention.
FIG. 13 is a configuration diagram of a first embodiment of a holographic display device of the present invention.
FIG. 14 is a configuration diagram of a second embodiment of a holographic display device of the present invention.
FIG. 15 is a flowchart illustrating a calculation process in the second embodiment of the holographic display device of the present invention.
FIG. 16 is a configuration diagram of a third embodiment of a holographic display device of the present invention.
FIG. 17 is a configuration diagram of a holographic display device according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a flowchart illustrating a calculation process in the fourth embodiment of the holographic display device of the present invention.
[Explanation of symbols]
110, 120 ... Imaging optical system, 210, 220 ... Aperture, 211, 221 ... Aperture, 310, 320 ... Interference optical system, 410 ... Imaging surface, 420 ... Imager, 650, 660 ... Hologram forming section, 770, 780 ... arithmetic unit, 800 ... processing unit.

Claims

A first light source that generates light to irradiate the imaging object;
As a result of the light output from the first light source being applied to the imaging object, the diaphragm means having an aperture that allows the object light reflected by the imaging object to pass through;
A first image-forming optical system having a positive refractive power and disposed at a position where the diaphragm means becomes an object-side focal plane;
A second light source that generates coherent light having the same wavelength as the object light;
The coherent light output from the second light source is used as reference light that is a plane wave that travels parallel to the optical axis of the first imaging optical system, and the object light passes through the first imaging optical system. And an interference optical system for causing interference with the reference light,
An interference imaging optical system having an imaging surface perpendicular to the optical axis of the first imaging optical system at a first distance from a focal plane on the object light output side of the first imaging optical system; Imaging means for capturing an image formed by the interference light output from
With
When the wavelength of the object light = λ, the aperture diameter of the aperture means = a, the object side focal length of the first imaging optical system = f, and the spatial resolution of the imaging means = p,
a ≦ λ · f / p
A holographic imaging device characterized by satisfying the following relationship:

The holographic imaging device according to claim 1, wherein the first light source and the second light source are the same light source.

The holographic imaging apparatus according to claim 1, further comprising a first moving unit that changes the first distance.

The holographic imaging device according to claim 1, wherein an imaging result of the imaging unit is an intensity of light on the imaging surface.

2. The holography according to claim 1, further comprising means for adjusting the phase of the reference light, wherein the imaging result of the imaging means is the amplitude of the light wave and the phase of the light wave on the imaging surface. Imaging device.

A holography system comprising: the holographic imaging device of claim 1; and a holographic display device that reproduces and displays an image of an imaging target based on optical information captured by the holographic imaging device,
The holographic display device
An information input unit for inputting an imaging result in the holographic imaging device according to claim 1;
Based on the information notified from the information input unit, a hologram forming unit that forms a hologram on the imaging surface at the time of imaging by the holographic imaging device according to claim 1,
A second imaging optical system having a focal plane at a position separated from the position of the hologram by a first distance in the holographic imaging device of claim 1;
Zero-order light shielding means disposed at a focal point opposite to the hologram side of the second imaging optical system;
A holography system comprising:

7. The holography system according to claim 6, further comprising second moving means for changing a distance between the position of the hologram and a focal plane on the hologram side of the second imaging optical system.

The hologram forming part is
Display means for displaying an optical image of the imaging result notified from the information input unit;
A spatial light modulator in which a spatial light modulation image corresponding to the optical image displayed on the display means is written;
A light source for generating readout light irradiated to the spatial light modulator;
A hologram forming optical system for inputting a phase or amplitude modulated light whose phase or amplitude is modulated by passing the read light through the spatial light modulator, and forming a hologram having the same size as an image pickup device of the holographic image pickup device; ,
The holography system according to claim 6, comprising:

The imaging result of the holographic imaging device according to claim 1 is amplitude information and phase information of incident light at each point on the imaging surface,
The hologram forming part is
In accordance with the amplitude information and the phase information notified from the information input unit, a phase amplitude modulation unit that performs phase modulation and amplitude modulation on the incident light and outputs, and
A light source that generates readout light irradiated to the phase amplitude modulation unit;
A hologram-forming optical system that inputs phase amplitude-modulated light that is phase-amplitude modulated by the read light passing through a phase-amplitude modulation unit, and forms a hologram having the same size as the imaging device of the holographic imaging device;
The holography system according to claim 6, comprising:

The imaging result of the holographic imaging device according to claim 1 is amplitude information and phase information of incident light at each point on the imaging surface,
The hologram forming unit includes reproduction image calculation means for calculating a reproduction image by performing wavefront conversion calculation based on amplitude information and phase information notified from the information input unit,
The holography system according to claim 6.

The holography system according to claim 10, wherein the wavefront transformation includes Fresnel transformation or Fourier transformation.

A holographic display method for reproducing and displaying an image of an imaging target based on optical information captured by the holographic imaging device according to claim 1,
The imaging result of the holographic imaging device according to claim 1 is input by an information input unit,
Based on the information notified from the information input unit, the hologram forming unit forms a hologram on the imaging surface at the time of being imaged by the holographic imaging device of claim 1,
The second imaging optical system having a focal plane at a position away from the hologram position by a first distance in the holographic imaging device according to claim 1 reproduces and displays an image of the imaging object.
Shielding zero-order light by zero-order light shielding means arranged at a focal point opposite to the hologram side of the second imaging optical system;
A holographic display method characterized by the above.

The holographic display method according to claim 12, wherein a distance between the position of the hologram and a focal plane on the hologram side of the second imaging optical system is changed by a second moving means.

The hologram forming part is
Display means for displaying an optical image of the imaging result notified from the information input unit;
A spatial light modulator in which a spatial light modulation image corresponding to the optical image displayed on the display means is written;
A light source for generating readout light irradiated to the spatial light modulator;
A hologram forming optical system for inputting a phase or amplitude modulated light whose phase or amplitude is modulated by passing the read light through the spatial light modulator, and forming a hologram having the same size as an image pickup device of the holographic image pickup device; ,
The holographic display method according to claim 12, comprising:

The imaging result of the holographic imaging device according to claim 1 is amplitude information and phase information of incident light at each point on the imaging surface,
The hologram forming part is
In accordance with the amplitude information and the phase information notified from the information input unit, a phase amplitude modulation unit that performs phase modulation and amplitude modulation on the incident light and outputs, and
A light source that generates readout light irradiated to the phase amplitude modulation unit;
A hologram-forming optical system that inputs phase amplitude-modulated light that is phase-amplitude modulated by the read light passing through a phase-amplitude modulation unit, and forms a hologram having the same size as the imaging device of the holographic imaging device;
The holographic display method according to claim 12, comprising:

The imaging result of the holographic imaging device according to claim 1 is amplitude information and phase information of incident light at each point on the imaging surface,
The hologram forming unit calculates a reproduction image by performing wavefront conversion calculation based on amplitude information and phase information notified from the information input unit,
The holographic display method according to claim 12.

The holographic display method according to claim 16, wherein the wavefront transformation calculation includes Fresnel transformation or Fourier transformation.