JP3795955B2 - ホログラフィ撮像装置、ホログラフィシステムおよびホログラフィ表示方法 - Google Patents

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、ホログラム撮像にあたって、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、ホログラム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光から行っている。
【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】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
すなわち、従来例１および従来例２では、ホログラム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。
【００１６】
本発明は、上記を鑑みてなされたものであり、部品の交換や調整無しに、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。
【００１７】
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。
【００１８】
【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の小さな間隔の干渉縞の発生を抑制するとともに、凸レンズなどの部品の交換や再調整無しで視野を可変とする構成とした。
【００１９】
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）焦点距離が可変であり、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）第１の結像光学系の物側焦点距離を変化させるとともに、物側焦点距離に応じて前記絞り手段と第１の結像光学系との距離および前記開口の径を変化させる第１の連動手段と、（ｅ）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、（ｆ）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、（ｇ）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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、請求項１の装置では、視野を変化させるにあたって、第１の結像光学系の正の屈折力、すなわち、第１の結像光学系の物側焦点距離を第１の連動手段で変化させるが、第１の連動手段は、第１の結像光学系の物側焦点距離の変化に連動して、適切に前記絞り手段と第１の結像光学系との距離および前記開口の径を変化させる。したがって、第１の結像光学系を構成する、例えば凸レンズなどの光学部品の交換や、絞り手段、第１の結像光学系、および撮像面の幾何学的配置の調整無しで視野を変化させる。
【００３４】
請求項５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）焦点距離が可変であり、ホログラム側の焦点面がホログラムの位置からホログラム形成光の平均進行方向へ請求項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となる第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、（ｅ）第２の結像光学系の０次光遮光手段側の焦点距離を変化させるとともに、第２の結像光学系の０次光遮光手段側の焦点距離に応じて、第２の結像光学系と前記０次光遮光手段との距離を変化させる第２の連動手段とを備えることを特徴とする。
【００３５】
ここで、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。
【００３６】
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。
【００３７】
請求項５のホログラフィ表示装置では、まず、第２の連動手段が、撮像時の第１の結像光学系の正の屈折力と同等の正の屈折力を有するように、第２の結像光学系の焦点距離を設定する。この設定と同時に、０次光遮光板を第２の結像光学系のホログラム側の焦点位置となるように、第２の結像光学系と０次光遮光板との位置を調整する。
【００３８】
次に、読み出し光などを使用して、ホログラム形成部が、請求項１のホログラフィ撮像装置で撮像されたホログラムえを形成する。このホログラムを形成する光が第２の結像光学系を介することによって、撮像対象物の像が再生される。
【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。
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ム表示を行う。
【００４８】
まず、ホログラム撮像において、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１１０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１２０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）焦点距離が可変であり、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の焦点距離を設定するとともに、物側焦点距離に応じて絞り２１０と結像光学系１１０との距離および開口２１１の径を変化させる連動手段２７０と、（ｅ）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、（ｆ）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、（ｇ）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、（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。
【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】
図１０は、結像光学系１１０の構成図である。図１０に示すように、結像光学系１１０は、（i）焦点距離ｆ１＝３００ｍｍの前側の凸レンズ１２１と、（ii）凸レンズ１１１とＤの距離に配置された、焦点距離ｆ２＝１５０ｍｍの後側の凸レンズ１１２とを備える。
【００８３】
結像光学系１１０では、合成焦点距離ｆは、
ｆ＝ｆ１・ｆ２／（ｆ１＋ｆ２−Ｄ）
となり、前方焦点から凸レンズ１１１までの距離ｆｆは、
ｆｆ＝ｆ１（ｆ２−Ｄ）／（ｆ１＋ｆ２＋Ｄ）
となる。また、後方焦点から凸レンズ１１２までの距離Ｌ２は、
Ｌ２＝ｆ２（ｆ１−Ｄ）／（ｆ１＋ｆ２−Ｄ）
となる。
【００８４】
図１１は、連動手段２７０の構成図である。図１１に示すように、連動手段２７０は、（i）沈頭ピン２７１₁を有する、凸レンズ１２１用のホルダ２７１と、（ii）沈頭ピン２７２₁を有する、凸レンズ１２２用のホルダ２７２と、（iii）沈頭ピン２７３₁と開口径を制御する沈頭レバー２７３₂を有する、絞り２１０用のホルダ２７３と、（iv）沈頭ピン２７４₁と沈頭ピン２７４₂を有し、ホルダ２７１と、ホルダ２７２と、ホルダ２７３とを内部に収納するとともに、沈頭ピン２７１₁、沈頭ピン２７２₁、および沈頭ピン２７３₁の動きを水平方向に制限する切り欠き２７４₃と、沈頭レバー２７３₂の動きの範囲内で沈頭レバー２７３₂の動きを制限しないための切り欠き２７４₄を有する中間ホルダ２７４とを備える。更に、連動手段２７０は、（v）中間ホルダ２７４を内部に収納するとともに、沈頭ピン２７４₁の動きを光軸を中心にした回転に制限する切り欠き２７５₁、沈頭ピン２７４₂の動きを光軸を中心にした回転に制限する切り欠き２７５₂、沈頭ピン２７１₁の動きを制限する切り欠き２７５₃、沈頭ピン２７２₁の動きを制限する切り欠き２７５₄、沈頭ピン２７３₁の動きを制限する切り欠き２７５₅、および沈頭レバー２７３₂の動きを制限する切り欠き２７５₆を有する外部ホルダ２７５を備える。
【００８５】
連動手段２７０で、中間ホルダ２７４を基準として外部ホルダ２７５を回転させると、切り欠き２７４₃と切り欠き２７５₃、切り欠き２７５₄、切り欠き２７５₅との交点が、絞り２１０、凸レンズ１２１、および凸レンズ１２２の水平位置を規定する。そして、切り欠き２７５₆による沈頭レバー２７３₂の位置の規定が、絞り２１０の開口２１１の径を規定することになる。
【００８６】
図１１の連動手段２７０で、凸レンズ１２１および凸レンズ１２２を使用して、合成焦点距離の最小値ｆｍｉｎ＝１１０ｍｍ、合成焦点距離の最小値ｆｍａｘ＝２２０ｍｍとするとともに、外部ホルダ２７５の中間ホルダ２７４に対する回転角θを０°〜９０°として、
ｆ＝ｆｍｉｎ＋ｋθ
の関係を満たすとともに、θ＝０°でｆ＝ｆｍｉｎ、θ＝９０°でｆ＝ｆｍａｘとの条件で設計を行った。
【００８７】
この条件では、
ｋ＝（ｆｍａｘ−ｆｍｉｎ）／９０°＝１．２２２［ｍｍ／°］
となる。
【００８８】
上記の後方焦点から凸レンズ１２２までの距離Ｌ２の式、
Ｌ２＝ｆ２（ｆ１−Ｄ）／（ｆ１＋ｆ２−Ｄ）
から、距離Ｌ２を回転角θを変数として表すことができる。
【００８９】
また、後方焦点から凸レンズ１２１までの距離Ｌ１は、
Ｌ１＝Ｄ＋Ｌ２
より、回転角θを変数として表すことができる。
【００９０】
更に、後方焦点から前方焦点、すなわち、絞り２１０までの距離Ｌ３は、
Ｌ３＝Ｄ＋Ｌ２−ｆｆ
より、回転角θを変数として表すことができる。
【００９１】
図１２に、距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３、および、合成焦点距離ｆと回転角θとの関係を、上記の数値設定とした場合に示す。
【００９２】
一方、開口２１１の径ａを、
ａ＝λｆ／ｐ
とし、沈頭レバー２７３₂の回転角θｍと回転角θとについて、
θｍ＝ｋ２・θ＋θ０
となるように設定し、
ａ＝ａｍｉｎ＋ｋ１・θｍ
の関係を満たすとともに、θｍ＝０°でａ＝０、θｍ＝９０°でａ＝３８×１０^-3との条件で設計を行った。
【００９３】
この条件では、
ｋ１＝４．２２２×１０^-4［／°］
となる。これより、
θｍ＝λｆ／（ｋ１・ｐ）
となる。これより、回転角θｍを、回転角θを変数として表すことができる。
【００９４】
図１３に、回転角θｍと回転角θとの関係を、上記の数値設定とした場合に示す。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
以下、結像光学系１１０に合成焦点距離ｆ＝１８ｃｍ、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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
まず、連動手段によって、絞り２１０と結像光学系１１０との位置を、撮像手段の分解能に応じて、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。
【０１０２】
距離Ｌは、以下のようにして、求めることができる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
（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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
図１４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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
図１４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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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。
【０１１４】
すなわち、連動手段２７０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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
物体光の一部は、開口２１１を介して結像光学径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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
（第２実施形態）
図１５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１５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の焦点距離を設定するとともに、物側焦点距離に応じて絞り２１０と結像光学系１１０との距離および開口２１１の径を変化させる連動手段２７０と、（ｅ）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、（ｆ）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、（ｇ）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、（ｈ）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、（ｉ）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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
図１６は、処理部８００の構成図である。図１６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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
まず、第１実施形態と同様にして、連動手段２７０により、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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
物体光の一部は、開口２１１を介して結像光学径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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
（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。
【０１３４】
（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。
【０１３５】
（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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
なお、第実施形態と同様に、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。
【０１４２】
［ホログラフィ表示装置の実施形態］
（第１実施形態）
図１７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。
【０１４３】
図１７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次光遮光板２５０と、（ｆ）結像光学系１２０の０次光遮光板２５０側の焦点距離を変化させるとともに、結像光学系１２０の０次光遮光板２５０側の焦点距離に応じて、結像光学系１２０と０次光遮光板２５０との距離を変化させる連動手段２８０とを備える。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
連動手段２８０は、図９の連動手段２７０で設定される結像光学系１１０と同等の結像光学系１２０を実現できるように、連動手段２７０と類似した構成で構成される。
【０１４７】
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を合成焦点距離ｆ＝１８ｃｍ、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。
【０１４８】
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。
【０１４９】
まず、連動手段２８０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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
（第２実施形態）
図１８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１５のホログラフィ撮像装置によって撮像された複素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。
【０１５６】
図１７に示すように、この装置は、（ａ）図１５のホログラフィ撮像装置で撮像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１５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、（ｆ）結像光学系１２０の０次光遮光板２５０側の焦点距離を変化させるとともに、結像光学系１２０の０次光遮光板２５０側の焦点距離に応じて、結像光学系１２０と０次光遮光板２５０との距離を変化させる連動手段２８０とを備える。
【０１５７】
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。
【０１５８】
以下、図１５のホログラフィ撮像装置に合せて、結像光学系１２０に合成焦点距離ｆ＝１８ｃｍ、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。
【０１５９】
このホログラフィ表示装置では、以下のようにして、図１５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。
【０１６０】
まず、第１実施形態と同様に、連動手段２８０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１４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１４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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
【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、設定した結像光学系の焦点距離に応じて、絞りと結像光学系との距離および絞りの開口の径とを連動して変化させることとしたので、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。
【０１６７】
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】結像光学系１２０の構成図である。
【図１１】連動手段２７０の構成図である。
【図１２】距離Ｌ１、距離Ｌ２、距離Ｌ３、および、合成焦点距離ｆと回転角θとの関係を示すグラフである。
【図１３】回転角θｍと回転角θとの関係を示すグラフである。
【図１４】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１５】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１６】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１７】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１８】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。
【符号の説明】
１１０，１２０…結像光学系、２１０，２２０…絞り、２１１，２２１…開口、２７０，２８０…連動手段、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。

Claims (10)

1. 撮像対象物に照射する光を発生する第１の光源と、
   前記第１の光源から出力された光が前記撮像対象物に照射された結果、前記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、
   焦点距離が可変であり、前記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、
   前記第１の結像光学系の物側焦点距離を変化させるとともに、前記物側焦点距離に応じて前記絞り手段と前記第１の結像光学系との距離および前記開口の径を変化させる第１の連動手段と、
   前記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、
   前記第２の光源から出力された可干渉光を、前記第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、前記第１の結像光学系を介した前記物体光と前記参照光とを干渉させる干渉光学系と、
   前記第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前記第１の結像光学系の光軸と垂直な撮像面を有し、前記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、
   前記物体光の波長＝λ、前記絞り手段の開口の口径＝ａ、前記第１の結像光学系の物側焦点距離＝ｆ、および、前記撮像手段の空間分解能＝ｐとした場合、
   ａ≦λ・ｆ／ｐ
   なる関係を満足することを特徴とするホログラフィ撮像装置。
2. 前記第１の光源と前記第２の光源とは同一の光源である、ことを特徴とする請求項１記載のホログラフィ撮像装置。
3. 前記撮像手段の撮像結果は前記撮像面における光の強度である、ことを特徴とする請求項１記載のホログラフィ撮像装置。
4. 前記撮像手段の撮像結果は前記撮像面における光の波の振幅と光の波の位相とである、ことを特徴とする請求項１記載のホログラフィ撮像装置。
5. 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、を備えるホログラフィシステムであって、
   前記ホログラフィ表示装置は、
   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、
   前記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、
   焦点距離が可変であり、前記ホログラム側の焦点面が前記ホログラムの位置からホログラム形成光の平均進行方向へ請求項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となる第２の結像光学系と、
   前記第２の結像光学系の前記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、
   前記第２の結像光学系の前記０次光遮光手段側の焦点距離を変化させるとともに、前記第２の結像光学系の前記０次光遮光手段側の焦点距離に応じて、前記第２の結像光学系と前記０次光遮光手段との距離を変化させる第２の連動手段と、
   を備えることを特徴とするホログラフィシステム。
6. 前記ホログラム形成部は、
   前記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、
   前記表示手段に表示された前記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、
   前記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、
   前記読み出し光が前記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、前記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、
   を備えることを特徴とする請求項５記載のホログラフィシステム。
7. 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り、
   前記ホログラム形成部は、
   前記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、
   前記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、
   前記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、前記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、
   を備えることを特徴とする請求項５記載のホログラフィシステム。
8. 請求項１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方法であって、
   請求項１のホログラフィ撮像装置での撮像結果を情報入力部により入力し、
   前記情報入力部から通知された情報に基づいて、ホログラム形成部により、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し、
   焦点距離が可変であり、前記ホログラム側の焦点面が前記ホログラムの位置からホログラム形成光の平均進行方向へ請求項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となる第２の結像光学系により、前記撮像対象物の像を再生表示し、
   前記第２の結像光学系の前記ホログラム側とは反対側の焦点に配置された０次光遮光手段により０次光を遮光し、
   第２の連動手段により、前記第２の結像光学系の前記０次光遮光手段側の焦点距離を変化させるとともに、前記第２の結像光学系の前記０次光遮光手段側の焦点距離に応じて、前記第２の結像光学系と前記０次光遮光手段との距離を変化させる、
   ことを特徴とするホログラフィ表示方法。
9. 前記ホログラム形成部は、
   前記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、
   前記表示手段に表示された前記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、
   前記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、
   前記読み出し光が前記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、前記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、
   を備えることを特徴とする請求項８記載のホログラフィ表示方法。
10. 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り、
    前記ホログラム形成部は、
    前記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、
    前記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、
    前記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、前記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、
    を備えることを特徴とする請求項８記載のホログラフィ表示方法。

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