JP5162733B2 - Holographic image recording apparatus and image recording method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an image recording device and an image recording method by holography where the simplification of a system constitution and the high speed recording of an image by the high speed acquisition of phase shift hologram data are attained, and further, the simplification and speeding-up of color image recording are attained. <P>SOLUTION: The image recording device 1 comprises: a coherent light generating means 2 for generating coherent light 21; a beam splitter 3 for splitting the coherent light 21 into reference light 22 and illuminating light 23 and emitting the same; an irradiating means 4 for irradiating an object 10 with the illuminating light 23; an image recording means 5 having a light receiving face 5a in which light sensor parts composing pixels are two-dimensionally arranged, and recording the information of light made incident on the light receiving face 5a; and a reference light incidence means 6 for making the reference light 22 incident on the light receiving face of the image recording means 5. The reference light incidence means 6 tilts the propagation direction of reference light LR made incident on the respective pixels of the light receiving face 5a in such a manner that the main phase values of the reference light LR are controlled to the mutually different values in the adjacent pixels, and makes the reference light LR incident on the light receiving face 5a. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&amp;INPIT

Description

本発明は、位相シフトデジタルホログラフィ法により物体の画像を電子的に記録する画像記録装置および画像記録方法に関する。   The present invention relates to an image recording apparatus and an image recording method for electronically recording an image of an object by a phase shift digital holography method.

ホログラフィは、レーザ光を互いにコヒーレントな照明光と参照光に分け、モデルとなる物体を照明光により照射して発生した物体光と別経路を伝播してきた参照光とを写真乾板面で受光し、受光面での干渉パターンを写真乾板に記録する技術であり、この乾板を現像したものがホログラムである。ホログラムに再生照明光を当てることによって物体のあった位置に物体の立体像(虚像)を再生して見ることができる。   Holography divides laser light into coherent illumination light and reference light, receives the object light generated by illuminating the model object with the illumination light and the reference light propagated through another path on the photographic plate surface, This is a technique for recording an interference pattern on the light receiving surface on a photographic dry plate, and a hologram developed by developing this dry plate. By applying reproduction illumination light to the hologram, a stereoscopic image (virtual image) of the object can be reproduced and viewed at the position where the object was.

計算機ホログラフィは、計算機内部のデータとして物体を表現し、光の反射、回折、干渉の物理シミュレーションを計算機上で行い、ホログラム面として定めた任意の面上での干渉パターンのデータを計算する技術である。計算結果に基づき、何らかの表示デバイスを用いてホログラムを製作する。物体を計算機上のデータで定義するので、モデルとなる物体が不要であり、光学的な補正が可能である。また、メモリに記録した干渉パターンを反射型液晶ディスプレイなどに次々と表示してホログラムを実体化すると共に参照光を照射して物体像を連続的に再生できる。   Computer holography is a technology that expresses an object as data inside the computer, performs physical simulations of light reflection, diffraction, and interference on the computer, and calculates the data of the interference pattern on any surface defined as the hologram surface. is there. Based on the calculation result, a hologram is produced using some display device. Since an object is defined by data on a computer, a model object is unnecessary and optical correction is possible. Further, the interference patterns recorded in the memory can be displayed one after another on a reflective liquid crystal display or the like to materialize the hologram, and the object image can be continuously reproduced by irradiating the reference light.

ディジタルホログラフィは、写真乾板ではなくCCD画像センサやCMOS画像センサなどによって干渉パターンを検出して電子的に記録する。記録された光強度分布を計算機で数値処理し物体光波を算出してホログラムを作成する。ディジタルホログラフィを用いれば、画像センサ面における2次元の複素振幅分布の形で物体光の波面情報を取得できる。この波面情報に基づいて、上述の計算機ホログラフィと同様に、様々な視点や位置での物体像が得られる。また、ディジタルホログラフィでは、物体光どうしが作る干渉縞を取り除いて高画質3次元画像を記録することができる。   In digital holography, an interference pattern is detected and recorded electronically by a CCD image sensor, a CMOS image sensor or the like instead of a photographic plate. The recorded light intensity distribution is numerically processed by a computer to calculate an object light wave to create a hologram. By using digital holography, wavefront information of object light can be acquired in the form of a two-dimensional complex amplitude distribution on the image sensor surface. Based on this wavefront information, object images at various viewpoints and positions can be obtained as in the above-described computer holography. Also, in digital holography, it is possible to record a high-quality three-dimensional image by removing interference fringes created by object lights.

位相シフトデジタルホログラフィは、上述の複素振幅分布を取得する技術である。従来の写真乾板などを用いるホログラムは、光波の瞬時位相を記録する代わりに干渉という方法によって物体光の位相情報を固定化して記録するので、実数型のデータである。複素振幅は、振幅と位相、あるいは実数部と虚数部といった複数のデータから成る。従って、複素振幅を求めるには、複数枚のホログラムデータが必要であり、位相シフトデジタルホログラフィでは、物体光に対する参照光の位相状態が互いに異なる複数枚のホログラムデータを用いる。   Phase shift digital holography is a technique for acquiring the above-described complex amplitude distribution. A conventional hologram using a photographic plate or the like is real type data because the phase information of the object beam is fixed and recorded by a method called interference instead of recording the instantaneous phase of the light wave. The complex amplitude is composed of a plurality of data such as amplitude and phase, or real part and imaginary part. Accordingly, in order to obtain the complex amplitude, a plurality of hologram data are required. In the phase shift digital holography, a plurality of hologram data having different phase states of the reference light with respect to the object beam are used.

参照光の位相をシフトする方法として、薄いガラス板を参照光の伝播経路に挿入したり、参照光を反射するミラーの位置をピエゾ素子を用いて移動させたりする方法がある。例えば、ピエゾ素子を用いて、参照光の位相をπ/2ずつシフトさせた状態で3種類のホログラムデータを取得し、3枚のホログラムの各画素データ間の連立方程式から物体光の複素振幅を求める例が知られている(例えば、特許文献1参照)。   As a method of shifting the phase of the reference light, there is a method of inserting a thin glass plate into the propagation path of the reference light or moving the position of a mirror that reflects the reference light using a piezo element. For example, using a piezo element, three types of hologram data are acquired in a state where the phase of the reference light is shifted by π / 2, and the complex amplitude of the object light is calculated from simultaneous equations between the pixel data of the three holograms. The example to obtain | require is known (for example, refer patent document 1).

また、参照光の位相状態を受光面の画素毎に異ならせて、複数枚のホログラムデータを一括して取得する方法がある。例えば、隣接する素子が互いにπ/2ずつ位相を異ならせるようにアレイ配置した位相シフトアレイ素子を参照光の伝播経路に挿入して、参照光の断面に位相分布を持たせることにより、1枚のホログラムに参照光の位相が0,π/2,π,3π/2の4段階に変化させた干渉パターンの情報を記録する。この場合、一枚のホログラム中の画素データの1/4ずつが4種類のホログラムをそれぞれ形成している(例えば、特許文献2参照)。
特許第3471556号公報 特開2005−283683号公報
In addition, there is a method of acquiring a plurality of hologram data collectively by changing the phase state of the reference light for each pixel on the light receiving surface. For example, by inserting phase shift array elements arranged in an array so that adjacent elements have a phase difference of π / 2 from each other in the propagation path of the reference light, the cross-section of the reference light has a phase distribution. The information of the interference pattern in which the phase of the reference light is changed in four stages of 0, π / 2, π, and 3π / 2 is recorded in the hologram. In this case, each 1/4 of the pixel data in one hologram forms four types of holograms (see, for example, Patent Document 2).
Japanese Patent No. 3471556 JP 2005-283683 A

しかしながら、上述した特許文献1に示されるような位相シフトデジタルホログラフィによる画像記録においては、位相状態の異なる複数のホログラムを記録するのに、参照光の位相状態を変化させて複数回記録する必要があり、画像記録の高速化に限界がある。また、一般に位相シフトのための制御パラメータに対するシフト量が波長依存性を有するので、カラー画像を記録する場合に、各色毎の参照光システムが必要になるが、各色毎かつ参照光の位相状態毎に、高速にホログラムを記録するのは難しくなる。   However, in the image recording by the phase shift digital holography as shown in Patent Document 1 described above, in order to record a plurality of holograms having different phase states, it is necessary to record a plurality of times while changing the phase state of the reference light. There is a limit to speeding up image recording. In general, since the shift amount with respect to the control parameter for phase shift has wavelength dependence, when recording a color image, a reference light system for each color is necessary. However, for each color and for each phase state of the reference light In addition, it becomes difficult to record holograms at high speed.

また、上述した特許文献2に示されるような位相シフトデジタルホログラフィによる画像記録においては、位相シフトアレイ素子とCCD画像センサのそれぞれの画素位置を厳密に一致させる必要があり、高い位置合わせ精度が要求されるので、外乱による画素位置ずれに対する信頼性確保などの問題もある。また、このような位相シフトアレイ素子を高精度で低コスト化するのは難しいと思われる。   Further, in the image recording by the phase shift digital holography as shown in the above-mentioned Patent Document 2, it is necessary to strictly match the pixel positions of the phase shift array element and the CCD image sensor, and high alignment accuracy is required. Therefore, there is a problem of ensuring reliability against pixel position shift due to disturbance. In addition, it seems difficult to reduce the cost of such a phase shift array element with high accuracy.

本発明は、上記課題を解消するものであって、システム構成の簡単化および位相シフトホログラムデータの高速取得化を実現して画像の高速記録を可能とし、さらにカラー画像記録の簡単化と高速化を容易に実現できるホログラフィによる画像記録装置および画像記録方法を提供することを目的とする。   The present invention solves the above-described problems, and realizes simplification of the system configuration and high-speed acquisition of phase shift hologram data to enable high-speed image recording, and simplification and speed-up of color image recording. An object of the present invention is to provide a holographic image recording apparatus and an image recording method capable of easily realizing the above.

上記課題を達成するために、請求項1の発明は、位相シフトデジタルホログラフィ法により物体の画像を電子的に記録する画像記録装置において、コヒーレント光を発生するコヒーレント光発生手段と、前記コヒーレント光発生手段により発生されたコヒーレント光を参照光と照明光とに分けて出射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタによって出射された照明光を物体に照射する照射手段と、画素を構成する光センサ部を2次元配列して成る受光面を有すると共に該受光面に入射する光の情報を記録する画像記録手段と、前記ビームスプリッタによって出射された参照光を前記画像記録手段の受光面に入射させる参照光入射手段と、を備え、前記参照光入射手段は、前記受光面の各画素に入射する参照光の前記各画素の中心における位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となり、かつ、画素ピッチの整数倍で周期的に変化するように、当該参照光の伝播方向を前記受光面の法線方向から傾け、前記画像記録手段は、前記参照光入射手段により入射される参照光と前記照射手段による照明光の照射により発生する物体からの物体光とが前記受光面に形成する干渉パターンを物体の画像情報として電子的に記録するものである。
In order to achieve the above object, the invention of claim 1 is directed to an image recording apparatus for electronically recording an image of an object by a phase shift digital holography method, coherent light generating means for generating coherent light, and generation of the coherent light. A beam splitter that emits the coherent light generated by the means into reference light and illumination light, an irradiation means for irradiating the object with the illumination light emitted by the beam splitter, and an optical sensor unit that constitutes a pixel. An image recording means for recording information of light incident on the light receiving surface, and a reference light incident for causing the reference light emitted by the beam splitter to enter the light receiving surface of the image recording means and means, wherein the reference light incident means, you the center of each pixel of the reference light incident on each pixel of the light receiving surface That the phase value becomes a different value in adjacent pixels, and to periodically change an integer multiple of the pixel pitch, tilt the propagation direction of the reference light from the normal direction of the light receiving surface, the image The recording means electronically uses an interference pattern formed on the light receiving surface by the reference light incident by the reference light incident means and object light from the object generated by irradiation of illumination light by the irradiation means as image information of the object. To record.

請求項2の発明は、請求項1に記載の画像記録装置において、前記参照光入射手段は、前記各画素に入射する参照光の前記各画素の中心における位相値が互いに隣り合う画素間においてπ/2またはπの位相差となるように、当該参照光を入射させるものである。
According to a second aspect of the present invention, in the image recording apparatus according to the first aspect, the reference light incident means is configured such that the phase value of the reference light incident on the pixels has a phase value at the center of the pixels between adjacent pixels. The reference light is incident so that a phase difference of / 2 or π is obtained.

請求項3の発明は、請求項1に記載の画像記録装置において、前記画像記録手段は、CCD画像センサを用いて構成されているものである。   According to a third aspect of the present invention, in the image recording apparatus according to the first aspect, the image recording means includes a CCD image sensor.

請求項4の発明は、請求項1に記載の画像記録装置において、前記画像記録手段は、CMOS画像センサを用いて構成されているものである。   According to a fourth aspect of the present invention, in the image recording apparatus according to the first aspect, the image recording means is configured using a CMOS image sensor.

請求項5の発明は、請求項1に記載の画像記録装置において、前記コヒーレント光発生手段は、赤色、緑色、青色の3色のコヒーレント光を発生するように3つ備えられ、前記ビームスプリッタと、前記照射手段と、前記参照光入射手段とが、それぞれ前記各コヒーレント光発生手段に対応して備えられているものである。   According to a fifth aspect of the present invention, in the image recording apparatus according to the first aspect, the coherent light generating means includes three coherent light generators for generating three colors of red, green, and blue, The irradiating means and the reference light incident means are provided corresponding to the coherent light generating means, respectively.

請求項6の発明は、互いにコヒーレントな参照光と照明光とを生成する光束生成工程と、画素を構成する光センサ部を2次元配列して成る受光面に、前記受光面の各画素に入射する光波の前記各画素の中心における位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となり、かつ、画素ピッチの整数倍で周期的に変化するように伝播方向を前記受光面の法線方向から傾けて、前記参照光を入射させる参照光入射工程と、前記参照光入射工程に並行して前記照明光を物体に照射する照射工程と、前記参照光入射工程により受光面に入射した参照光と前記照射工程による照明光の照射によって発生する物体からの物体光とが前記受光面に形成する干渉パターンを物体の画像情報として電子的に記録する画像記録工程と、を備える画像記録方法である。
According to a sixth aspect of the present invention, a light beam generating step for generating mutually coherent reference light and illumination light and a light receiving surface formed by two-dimensionally arranging photosensor portions constituting pixels are incident on each pixel of the light receiving surface. phase value in the center of each pixel of the light wave becomes a different value in adjacent pixels, and, tilting the propagation direction to periodically change an integer multiple of the pixel pitch from the normal direction of the light receiving surface A reference light incident step of causing the reference light to enter, an irradiation step of irradiating the object with the illumination light in parallel with the reference light incident step, a reference light incident on a light receiving surface in the reference light incident step, and the reference light An image recording step of electronically recording an interference pattern formed on the light receiving surface by object light generated by irradiation of illumination light in the irradiation step as image information of the object.

請求項7の発明は、請求項6に記載の画像記録方法において、前記画像記録工程によって記録した画像情報に基づいて物体光の複素振幅を求める振幅演算工程を備えるものである。   A seventh aspect of the invention is the image recording method according to the sixth aspect, further comprising an amplitude calculation step of obtaining a complex amplitude of the object light based on the image information recorded by the image recording step.

請求項1の発明によれば、受光面の各画素に入射する参照光の前記各画素の中心における位相値(主たる位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となるように、参照光の伝播方向を受光面の法線方向から傾けるので、物体光の複素振幅を決定するために必要な画像情報、すなわち、位相シフトデジタルホログラフィにおける互いに参照光の位相状態が異なる複数枚のホログラムデータ(以下、位相シフトホログラムデータともいう)を1回の記録で取得できる。従って、位相シフトホログラムデータの高速取得による画像の高速記録を実現できる。本発明は、平面波から成る参照光を受光面に斜め照射すると受光面上で参照光位相が周期的に分布する現象に基づいており、この位相の周期分布を利用して参照光位相が異なる複数の干渉パターンを同時に記録するものである。 According to the first aspect of the present invention, the propagation of the reference light is such that the phase value ( main phase value ) at the center of each pixel of the reference light incident on each pixel on the light receiving surface is different from each other in adjacent pixels. Since the direction is inclined from the normal direction of the light-receiving surface, image information necessary for determining the complex amplitude of the object light, that is, a plurality of hologram data (hereinafter referred to as the phase data of the reference light in the phase shift digital holography) (Also referred to as phase shift hologram data) can be acquired by one recording. Therefore, high-speed recording of images by high-speed acquisition of phase shift hologram data can be realized. The present invention is based on the phenomenon that the reference light phase is periodically distributed on the light receiving surface when the light receiving surface is obliquely irradiated with the reference light composed of plane waves, and a plurality of reference light phases differing using the periodic distribution of the phases. The interference pattern is simultaneously recorded.

従って、隣り合う画素において位相値を互いに異なる値とするには、参照波の伝播方向を受光面の法線方向から傾けるだけでよいので、位相を変えるための空間光変調素子や位相シフトアレイ素子、あるいは光路中に挿入するガラスなどの位相変調板が不要であり、参照光入射手段のシステム構成が簡単となる。このように、参照光入射手段による条件調整が伝播方向の調整だけでよいので、画像記録装置の安定性の確保が容易であり、信頼性の高い使い勝手の良い装置を実現できる。   Therefore, in order to make the phase values different from each other in adjacent pixels, it is only necessary to incline the propagation direction of the reference wave from the normal direction of the light receiving surface, so that a spatial light modulation element or phase shift array element for changing the phase Alternatively, a phase modulation plate such as glass to be inserted into the optical path is unnecessary, and the system configuration of the reference light incident means is simplified. As described above, since the condition adjustment by the reference light incident means is only adjustment of the propagation direction, it is easy to ensure the stability of the image recording apparatus, and a highly reliable and easy-to-use apparatus can be realized.

また、本発明によると、カラー画像記録の簡単化と高速化を容易に実現できる。すなわち、赤緑青の3色の平行参照光それぞれの入射角を設定するだけで、3色に対応する3回の記録により、カラー化に必要な位相シフトホログラムデータを取得できる。また、異なる色の光毎に入射角の調整を行うだけで、受光面の画素の位相分担を異なる色に対して共通化できる。つまり、位相シフトにおける波長依存性を入射角によって吸収できるので、システム構成を複雑化することなく、カラー画像対応を容易に実現できる。   In addition, according to the present invention, it is possible to easily realize the simplification and speeding up of color image recording. That is, phase shift hologram data necessary for colorization can be acquired by recording three times corresponding to the three colors only by setting the incident angles of the three parallel reference lights of red, green, and blue. Further, the phase sharing of the pixels on the light receiving surface can be made common to different colors by simply adjusting the incident angle for each light of different colors. That is, since the wavelength dependency in the phase shift can be absorbed by the incident angle, it is possible to easily realize the color image correspondence without complicating the system configuration.

上述の3色に対応する3回の位相シフトホログラムデータの取得は、コヒーレント光発生手段を各色のパルスレーザ光源を用いて構成することにより、レーザ光源の高速切替えにより高速に実行できる。そこで、本発明によれば、パルスレーザと受光素子を用いてコンパクトで安価な3次元動画像記録装置を実現でき、移動する被写体や変化する被写体のカラー画像を高速に記録したり、高画質3次元カラー動画像をリアルタイム記録したりできる。本発明の画像記録装置は、ノイズの少ない鮮明な3次元カラー動画像表示のための画像記録が可能であり、映像技術分野、情報分野、医療分野、設計支援分野、バーチャルリアリティなどの分野において用いることができる。   The acquisition of the three phase shift hologram data corresponding to the three colors described above can be performed at high speed by switching the laser light sources at high speed by configuring the coherent light generating means using pulse laser light sources of the respective colors. Therefore, according to the present invention, a compact and inexpensive three-dimensional moving image recording apparatus can be realized by using a pulse laser and a light receiving element, and a color image of a moving subject or a changing subject can be recorded at a high speed. Dimensional color moving images can be recorded in real time. The image recording apparatus of the present invention is capable of image recording for clear three-dimensional color moving image display with little noise, and is used in fields such as video technology, information, medical, design support, and virtual reality. be able to.

請求項2の発明によれば、正方格子状に画素を配置して成る受光面を、互いに隣り合う画素間の位相差がπとなる田の字状に組み合わせた4つの画素の組で覆い尽くすことにより、位相状態の異なる2枚のホログラムデータを1回の記録で取得できる。画素配置が簡単であり、データ処理が容易である。ホログラムデータから物体光の複素振幅を求めるには、物体光の振幅、参照光の振幅、および物体光と参照光間の位相差の3つの未知数を求める必要がある。そこで、物体光または参照光のいずれか一方の光を遮断し他方の光の強度を測定する測定を追加することにより、未知数を1つ減らすことができる。   According to the invention of claim 2, the light receiving surface formed by arranging pixels in a square lattice is covered with a set of four pixels combined in a square shape in which the phase difference between adjacent pixels is π. Thus, two hologram data having different phase states can be acquired by one recording. The pixel arrangement is simple and data processing is easy. In order to obtain the complex amplitude of the object light from the hologram data, it is necessary to obtain three unknowns: the amplitude of the object light, the amplitude of the reference light, and the phase difference between the object light and the reference light. Therefore, the unknown can be reduced by one by adding a measurement that blocks either the object light or the reference light and measures the intensity of the other light.

また、正方格子状に画素を配置して成る受光面を、互いに隣り合う画素間の位相差がπ/2となるように直線状に組み合わせた4つの画素の組で覆い尽くして、位相状態の異なる4枚のホログラムデータを1回の記録で取得できる。4枚のホログラムデータの内、3枚または4枚のデータを用いて物体光の複素振幅を求めることができる。   In addition, the light receiving surface formed by arranging the pixels in a square lattice is covered with a set of four pixels that are linearly combined so that the phase difference between adjacent pixels is π / 2, and the phase state Four different hologram data can be acquired by one recording. Of the four hologram data, the complex amplitude of the object light can be obtained using three or four pieces of data.

また、正方格子状に画素を配置して成る受光面を、互いに隣り合う一方向の画素間の位相差がπおよび他方向の画素間の位相差がπ/2となる画素を2×4に組み合わせた8つの組で覆い尽くして、位相状態の異なる4枚のホログラムデータを1回の記録で取得できる。この場合、将棋やチェスの桂馬飛びの配置によって、位相値を同じとする画素を8画素の中に2画素ずつ配置する。また、2個並び画素間では位相差をπとし、4個並びの画素間では位相差をπ/2とする。このような同位相画素の配置によると、同じ位相となる画素の分布を一様化でき、データ点の分布の片寄りを抑えて、位相状態の異なる4枚のホログラムデータを1回の記録で取得できる。   In addition, the light receiving surface formed by arranging the pixels in a square lattice pattern is set to 2 × 4 so that the phase difference between adjacent pixels in one direction is π and the phase difference between pixels in the other direction is π / 2. It is possible to acquire four pieces of hologram data having different phase states by one recording by covering the eight sets. In this case, two pixels of the same phase value are arranged in eight pixels by arrangement of shogi and chess. In addition, the phase difference between two arranged pixels is π, and the phase difference between four arranged pixels is π / 2. According to such an arrangement of in-phase pixels, the distribution of pixels having the same phase can be made uniform, the deviation of the distribution of data points can be suppressed, and four hologram data with different phase states can be recorded at one time. You can get it.

請求項3の発明によれば、ノイズが少なく画素寸法を小さくできるCCD画像センサを用いて画像記録手段を構成するので、精細でノイズの少ない画像を記録できる。   According to the third aspect of the present invention, the image recording means is configured by using the CCD image sensor that can reduce the pixel size with less noise, so that it is possible to record a fine and less noise image.

請求項4の発明によれば、読み出す画素の選択の自由度があり、低電圧で動作し、消費電力を小さくできるCMOS画像センサを用いて画像記録手段を構成するので、使いやすい画像記録装置を実現できる。   According to the invention of claim 4, since the image recording means is configured using the CMOS image sensor which has a degree of freedom of selection of pixels to be read, operates at a low voltage and can reduce power consumption, an easy-to-use image recording apparatus is provided. realizable.

請求項5の発明によれば、3色のコヒーレント光によるホログラムデータを取得するためのシステムを備えているので、カラー画像の記録が容易に行える。3色に対応する3回の位相シフトホログラムデータの取得は、コヒーレント光発生手段として各色毎のレーザ光源を用いて、レーザ光源の切替えにより実行できる。また、レーザ光源としてパルスレーザ光源を用いると、より高速にカラー画像の記録を実行できる。光速記録により、移動物体や時間変化現象を画像化できる。   According to the invention of claim 5, since the system for acquiring hologram data using three colors of coherent light is provided, it is possible to easily record a color image. The acquisition of three phase shift hologram data corresponding to the three colors can be executed by switching the laser light source using the laser light source for each color as the coherent light generating means. Further, when a pulse laser light source is used as the laser light source, color image recording can be executed at a higher speed. Moving light and time-varying phenomena can be imaged by speed of light recording.

請求項6の発明によれば、受光面の各画素に入射する参照光の主たる位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となるように伝播方向を傾けて、参照光を受光面に入射させて、受光面における参照光と物体光との干渉パターンを記録するので、物体光の複素振幅を決定するために必要な画像情報、すなわち、位相シフトデジタルホログラフィにおける位相状態の異なるホログラムデータを1回の記録で、容易に取得することができる。   According to the invention of claim 6, the propagation direction is inclined so that the main phase value of the reference light incident on each pixel on the light receiving surface becomes a different value in adjacent pixels, and the reference light is made incident on the light receiving surface. Since the interference pattern between the reference light and the object light on the light receiving surface is recorded, image information necessary for determining the complex amplitude of the object light, that is, hologram data having different phase states in the phase shift digital holography is recorded once. It can be easily obtained by recording.

請求項7の発明によれば、記録された画像情報に基づいて複素振幅を求めるので、この複素振幅を用いて、共役像などを除去したノイズの少ない画像を容易に再生できる。   According to the seventh aspect of the present invention, since the complex amplitude is obtained based on the recorded image information, an image with less noise from which the conjugate image or the like is removed can be easily reproduced using the complex amplitude.

以下、本発明の実施形態に係る位相シフトデジタルホログラフィ法に基づく画像記録装置および画像記録方法について、図面を参照して説明する。   Hereinafter, an image recording apparatus and an image recording method based on a phase shift digital holography method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

(第1の実施形態)
図1は第1の実施形態に係る画像記録装置1を示す。画像記録装置1は、コヒーレント光を発生するコヒーレント光発生手段2と、コヒーレント光発生手段2からのコヒーレント光21を参照光22と照明光23とに分けて出射するビームスプリッタ3と、ビームスプリッタ3によって出射された照明光23を物体10に照射する照射手段4と、画素を構成する光センサ部を2次元配列して成る受光面5aを有すると共に受光面5aに入射する光の情報を記録する画像記録手段5と、ビームスプリッタ3によって出射された参照光22を画像記録手段5の受光面に入射させる参照光入射手段6とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an image recording apparatus 1 according to the first embodiment. The image recording apparatus 1 includes a coherent light generation unit 2 that generates coherent light, a beam splitter 3 that emits the coherent light 21 from the coherent light generation unit 2 into reference light 22 and illumination light 23, and a beam splitter 3. The irradiation means 4 for irradiating the object 10 with the illumination light 23 emitted from the light source and the light receiving surface 5a formed by two-dimensionally arranging the light sensor portions constituting the pixels and recording information of light incident on the light receiving surface 5a. Image recording means 5 and reference light incident means 6 for making reference light 22 emitted by the beam splitter 3 incident on the light receiving surface of the image recording means 5 are provided.

コヒーレント光発生手段2は、レーザで構成される。従って、コヒーレント光21はレーザ光である。ビームスプリッタ3は、例えば、ハーフミラーで構成される。参照光22はビームスプリッタ3を通過したコヒーレント光21であり、照明光23はビームスプリッタ3によって反射されたコヒーレント光21である。   The coherent light generating means 2 is composed of a laser. Therefore, the coherent light 21 is a laser light. The beam splitter 3 is composed of, for example, a half mirror. The reference light 22 is coherent light 21 that has passed through the beam splitter 3, and the illumination light 23 is coherent light 21 that has been reflected by the beam splitter 3.

照射手段4は、レンズ41,42を備え、これらのレンズ41,42のコリメータ機能によって照明光23のビーム径を拡大して平行光とした照明光Liを、物体10に照射する。照明光Liは、平行光であるので、平面波である。なお、照明光Liは、平行光である必要はなく、平面波である必要もない。   The irradiating means 4 includes lenses 41 and 42, and irradiates the object 10 with illumination light Li that is expanded into a parallel beam by expanding the beam diameter of the illumination light 23 by the collimator function of these lenses 41 and 42. Since the illumination light Li is parallel light, it is a plane wave. The illumination light Li does not have to be parallel light and does not have to be a plane wave.

画像記録手段5は、例えば、CCD画像センサからなる画像センサ51と、画像センサ51から出力される画像データを記録し、データ処理する画像記録部52と、を備えている。CCD画像センサの光センサ部が画素を構成し、光センサ部の2次元配列面が受光面5aを構成する。   The image recording means 5 includes, for example, an image sensor 51 composed of a CCD image sensor, and an image recording unit 52 that records image data output from the image sensor 51 and processes the data. The optical sensor part of the CCD image sensor constitutes a pixel, and the two-dimensional array surface of the optical sensor part constitutes the light receiving surface 5a.

参照光入射手段6は、ミラーM、レンズ61,62を備え、ミラーMによって参照光22の向きを変えると共に、レンズ61,62のコリメータ機能によって参照光22のビーム径を拡大し平行光とした参照光LRを、受光面5aに入射する。参照光LRは、照明光Liと同様に平行光であるので、平面波である。   The reference light incident means 6 includes a mirror M and lenses 61 and 62. The direction of the reference light 22 is changed by the mirror M, and the beam diameter of the reference light 22 is enlarged by the collimator function of the lenses 61 and 62 to be parallel light. The reference light LR is incident on the light receiving surface 5a. Since the reference light LR is a parallel light like the illumination light Li, it is a plane wave.

この参照光入射手段6は、受光面5aの各画素に入射する参照光LRの主たる位相値が隣り合う画素において互いに所定の異なる値となるように、参照光LRの伝播方向を受光面5aの法線方向から所定の角度傾けて、受光面5aに参照光LRを入射させる。このような参照光LRの受光面5aへの入射は、本発明における位相シフトデジタルホログラフィの特徴であり、後述の第2の実施形態の説明の後に、まとめて詳細説明する。   The reference light incident means 6 changes the propagation direction of the reference light LR of the light receiving surface 5a so that the main phase value of the reference light LR incident on each pixel of the light receiving surface 5a becomes a predetermined different value in adjacent pixels. The reference light LR is incident on the light receiving surface 5a at a predetermined angle from the normal direction. The incidence of the reference light LR on the light receiving surface 5a is a feature of the phase shift digital holography in the present invention, and will be described in detail after the description of the second embodiment described later.

上述の構成のもとで、参照光入射手段6によって入射された参照光LRと、照射手段4による照明光Liの照射によって発生した物体10からの物体光Loとが受光面5aに干渉パターンを形成する。当然のことながら、画像記録装置1における光学系は、コヒーレント光発生手段2のレーザ光源から受光面5aまでの、参照光LRと物体光Loの両者の経路長差がレーザ光のコヒーレンス長内に収まる設定とされている。画像記録手段5は、受光面5a上の干渉パターンを画像センサ51によって検知し、その出力を物体10の画像情報として、画像記録部52に電子的に記録する。記録した画像データは、画像記録装置が別途備えた通信手段や可搬性記録媒体などを用いて、移動でき、他の場所や装置で利用することができる。   Under the above-described configuration, the reference light LR incident by the reference light incident unit 6 and the object light Lo from the object 10 generated by the irradiation of the illumination light Li by the irradiation unit 4 form an interference pattern on the light receiving surface 5a. Form. As a matter of course, the optical system in the image recording apparatus 1 has a difference in path length between the reference light LR and the object light Lo from the laser light source of the coherent light generation means 2 to the light receiving surface 5a within the coherence length of the laser light. It is set to fit. The image recording means 5 detects an interference pattern on the light receiving surface 5 a by the image sensor 51 and electronically records the output as image information of the object 10 in the image recording unit 52. The recorded image data can be moved using a communication means or a portable recording medium separately provided in the image recording apparatus, and can be used in other places and apparatuses.

上述の参照光入射手段6による受光面5aへの参照光LRの入射は、特定の画素毎に特定の位相状態が現れるように、受光面5aに対する入射角度によって調整されているので、画像記録手段5によって記録された画像情報は、位相シフトデジタルホログラフィにおける位相状態の異なる複数枚のホログラムデータ(複数枚の位相シフトホログラムデータ)をまとめて記録したものとなっている。言い換えると、2次元配列された画素全体が一度に受け取る画像情報は、複数枚の位相シフトホログラムデータに対応している。   The incidence of the reference light LR on the light receiving surface 5a by the reference light incident means 6 is adjusted by the incident angle with respect to the light receiving surface 5a so that a specific phase state appears for each specific pixel. The image information recorded by 5 is obtained by collectively recording a plurality of pieces of hologram data (a plurality of pieces of phase shift hologram data) having different phase states in the phase shift digital holography. In other words, the image information received all at once by the two-dimensionally arranged pixels corresponds to a plurality of pieces of phase shift hologram data.

なお、画像記録手段5は、画像センサ51として、CCD画像センサの代わりCMOS画像センサを用いるようにしてもよい。この場合も、CCD画像センサと同様に、CMOS画像センサの光センサ部が画素を構成し、その2次元配列面が受光面5aを構成する。   The image recording means 5 may use a CMOS image sensor as the image sensor 51 instead of the CCD image sensor. Also in this case, like the CCD image sensor, the photosensor portion of the CMOS image sensor constitutes a pixel, and its two-dimensional array surface constitutes the light receiving surface 5a.

画像記録手段5にCCD画像センサを用いる場合、ノイズが少なく画素寸法の小さい受光面5aを形成でき、精細でノイズの少ない画像を記録できる。また、画像記録手段5にCMOS画像センサを用いる場合、読み出す画素の選択の自由度が高く、低電圧動作し、消費電力が小さいなどの特性を生かして、使いやすい画像記録装置1を実現できる。   When a CCD image sensor is used for the image recording means 5, it is possible to form the light receiving surface 5a with less noise and smaller pixel dimensions, and it is possible to record a fine and less noise image. Further, when a CMOS image sensor is used for the image recording means 5, it is possible to realize an easy-to-use image recording apparatus 1 by taking advantage of characteristics such as a high degree of freedom in selecting pixels to be read, low voltage operation, and low power consumption.

(第2の実施形態)
図2は第2の実施形態に係る画像記録方法のフローチャートを示す。本実施形態の画像記録方法は、例えば、上述の第1の実施形態の画像記録装置1を用いて、位相シフトホログラフィによる画像を記録する方法である。そこで、図1を再度参照して説明する。従って、ここでの説明は、上述した内容と一部重複した内容となっている。すなわち、この画像記録方法は、互いにコヒーレントな参照光LRと照明光Liとを生成する光束生成工程S1と、画素を構成する光センサ部を2次元配列して成る受光面5aに、受光面5aの各画素に入射する光波の主たる位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となるように伝播方向を受光面5aの法線方向から傾けて、参照光LRを入射させる参照光入射工程S2とを備えている。
(Second Embodiment)
FIG. 2 shows a flowchart of an image recording method according to the second embodiment. The image recording method of the present embodiment is a method of recording an image by phase shift holography using, for example, the image recording apparatus 1 of the first embodiment described above. Therefore, description will be made with reference to FIG. 1 again. Therefore, the description here is a part of the content described above. That is, in this image recording method, the light receiving surface 5a includes a light beam generating step S1 that generates the coherent reference light LR and the illumination light Li, and the light receiving surface 5a formed by two-dimensionally arranging the optical sensor units constituting the pixels. A reference light incident step S2 for injecting the reference light LR by inclining the propagation direction from the normal direction of the light receiving surface 5a so that the main phase values of the light waves incident on the respective pixels are different from each other in adjacent pixels. I have.

また、本画像記録方法は、上述の参照光入射工程S2に並行して照明光Liを物体10に照射する照射工程S3と、参照光入射工程S2により受光面5aに入射した参照光LRと照射工程S3による照明光Liの照射によって発生する物体10からの物体光Loとが受光面5aに形成する干渉パターンを物体10の画像情報として電子的に記録する画像記録工程S4と、を備えている。   Further, in the present image recording method, the irradiation step S3 for irradiating the object 10 with the illumination light Li in parallel with the above-described reference light incident step S2, and the reference light LR incident on the light receiving surface 5a in the reference light incident step S2 An image recording step S4 for electronically recording an interference pattern formed on the light receiving surface 5a by the object light Lo from the object 10 generated by the irradiation of the illumination light Li in step S3 as image information of the object 10. .

この画像記録方法によれば、受光面5aの各画素に入射する参照光LRの主たる位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となるように伝播方向を傾けて、参照光LRを受光面5aに入射させて、受光面5aにおける参照光LRと物体光Loとの干渉パターンを記録するので、物体光Loの複素振幅を決定するために必要な画像情報、すなわち、位相シフトデジタルホログラフィにおける位相状態の異なる複数のホログラムデータを1回の記録で、容易に取得することができる。   According to this image recording method, the propagation direction is inclined so that the main phase value of the reference light LR incident on each pixel of the light receiving surface 5a is different from each other in adjacent pixels, and the reference light LR is applied to the light receiving surface 5a. Since the interference pattern between the reference light LR and the object light Lo on the light receiving surface 5a is recorded, the image information necessary to determine the complex amplitude of the object light Lo, that is, the phase state in the phase shift digital holography is recorded. A plurality of different hologram data can be easily acquired by one recording.

また、上述の画像記録方法は、さらに、画像記録工程S4によって記録した画像情報に基づいて物体光Loの複素振幅を求める振幅演算工程S5を備えることができる。振幅演算工程S5により、記録された画像情報に基づいて複素振幅を求めるので、次工程において画像を再生する際に、この複素振幅を用いて、共役像などを除去したノイズの少ない画像の再生が容易となり、画像情報の利用効率が向上する。   The image recording method described above can further include an amplitude calculation step S5 for obtaining a complex amplitude of the object light Lo based on the image information recorded in the image recording step S4. Since the complex amplitude is obtained based on the recorded image information in the amplitude calculation step S5, when the image is reproduced in the next step, the complex amplitude is used to reproduce an image with less noise from which a conjugate image or the like is removed. It becomes easy and the utilization efficiency of image information improves.

(第1及び第2の実施形態における参照光入射の詳細説明)
図3(a)(b)、図4(a)(b)を参照して、参照光LRの斜め入射による位相シフトを説明する。本発明の画像記録装置1及び画像記録方法においては、CCD画像センサのような受光デバイスの受光面5aに、平行参照光LRを斜め照射し、受光面5aにおける参照光LRの位相を周期的に分布させて物体光Loと参照光LRが形成する干渉パターンを記録する。
(Detailed description of reference light incidence in the first and second embodiments)
With reference to FIGS. 3A and 3B and FIGS. 4A and 4B, the phase shift due to the oblique incidence of the reference light LR will be described. In the image recording apparatus 1 and the image recording method of the present invention, the parallel reference light LR is obliquely irradiated onto the light receiving surface 5a of a light receiving device such as a CCD image sensor, and the phase of the reference light LR on the light receiving surface 5a is periodically changed. An interference pattern formed by the object light Lo and the reference light LR is recorded by being distributed.

受光面5aにおける各画素は、通常の画像センサで行われているように、各画素のセンサ部全面で積分した受光強度を各画素の受光強度とするので、各画素毎に記録される受光強度は、各画素の中心における受光強度に比例する。従って、CCD画像センサなどを用いて受光強度を記録すると、受光面5aにおいて画素ピッチと等しい間隔でサンプリングした干渉パターンを記録することができる。   Each pixel on the light receiving surface 5a uses the light reception intensity integrated over the entire sensor section of each pixel as the normal image sensor, so the light reception intensity recorded for each pixel. Is proportional to the received light intensity at the center of each pixel. Therefore, when the received light intensity is recorded using a CCD image sensor or the like, an interference pattern sampled at intervals equal to the pixel pitch on the light receiving surface 5a can be recorded.

参照光LRの各画素における主たる位相(すなわち画素中心での位相)が、画素ピッチの整数倍の周期で受光面5aに分布するように、参照光LRの入射角を設定すると、位相シフト素子を用いることなく、参照光LRの位相状態が互いに異なる複数の干渉パターンの組、つまり位相シフトデジタルホログラフィ法における互いに位相状態の異なる複数のホログラムデータを1回の撮影で取得できる。   When the incident angle of the reference light LR is set so that the main phase (that is, the phase at the center of the pixel) of the reference light LR is distributed on the light receiving surface 5a with a period that is an integral multiple of the pixel pitch, the phase shift element is Without use, a set of a plurality of interference patterns having different phase states of the reference light LR, that is, a plurality of hologram data having different phase states in the phase shift digital holography method can be acquired by one imaging.

(平行参照光の斜め照射と画素の位相)
図3(a)(b)は、画像記録装置1および画像記録方法における波長λを有する参照光LRの受光面5aへの斜め入射の様子を示す。ここで、受光面5aをx−y平面とし、受光面5aに垂直に入射する方向をz軸とするxyz直交座標系を定義する。受光面5aには画素が升目格子状に配列されているとし、x軸、y軸は、画素の配列方向とする。
(Diagonal irradiation of parallel reference light and pixel phase)
3A and 3B show a state in which the reference light LR having the wavelength λ is obliquely incident on the light receiving surface 5a in the image recording apparatus 1 and the image recording method. Here, an xyz orthogonal coordinate system is defined in which the light receiving surface 5a is an xy plane, and the direction perpendicular to the light receiving surface 5a is the z axis. It is assumed that the pixels are arranged in a grid pattern on the light receiving surface 5a, and the x axis and the y axis are the pixel arrangement directions.

受光面5aに斜め入射する参照光LRを、図3(a)(b)に示すように、z−x平面内で入射角がθxであり、z−y平面内で入射角がθyであるとすると、x=y=0の点を基準とした、受光面5aにおける参照光LRの位相分布φ(x,y)は、次式(1)のようになる。 As shown in FIGS. 3A and 3B, the reference light LR obliquely incident on the light receiving surface 5a has an incident angle θx in the zx plane and an incident angle θy in the zy plane. Then, the phase distribution φ R (x, y) of the reference light LR on the light receiving surface 5a with the point x = y = 0 as a reference is expressed by the following equation (1).

上式(1)は、位相分布φ(x,y)が、x軸方向とy軸方向にそれぞれ周期λ/sinθおよびλ/sinθで変化すること、すなわち、受光面5aにおいて線状分布した等位相点(位相値一定の波面と受光面5aとのなす交線)が周期的に分布することを示している。従って、物体光Loと参照光LRとが作る干渉パターンを受光素子表面において等位相値画素をサンプリングして記録すれば、光位相の異なる複数の干渉パターンを1回の撮影で記録することができる。 The above equation (1) indicates that the phase distribution φ R (x, y) changes in the x-axis direction and the y-axis direction with the periods λ / sin θ x and λ / sin θ y , that is, linear on the light receiving surface 5a. It shows that the distributed equiphase points (intersection lines formed between the wavefront having a constant phase value and the light receiving surface 5a) are periodically distributed. Therefore, if the interference pattern formed by the object light Lo and the reference light LR is recorded by sampling the equiphase value pixels on the surface of the light receiving element, a plurality of interference patterns having different optical phases can be recorded by one shooting. .

上述のことは、参照光LRを斜め入射することによる効果である。もし、参照光LRを受光面5aに垂直入射させると、θx=θy=0、従って、φ(x,y)=0となり、受光面5aにおける位相分布は得られない。 The above is the effect of obliquely entering the reference light LR. If the reference light LR is perpendicularly incident on the light receiving surface 5a, θx = θy = 0, and thus φ R (x, y) = 0, and a phase distribution on the light receiving surface 5a cannot be obtained.

ここで、受光面5aにおける画素毎の位相分布の具体例を説明する。図4(a)は、参照光LRの波長λ、画素配列のピッチに応じて、上述の入射角θx,θyを適切に選択することにより、x−y座標の原点を基準とした位相がπ/2,3π/2,π/2,3π/2と田の字に組み合わされた4つの画素の組によって、受光面5aを覆い尽くす様子を示す(各区画が画素領域を示し、以下において同じ)。この受光面5aの状態は、各画素に入射する参照光LRの主たる位相値が隣り合う画素において互いに異なる値、すなわち互いに隣り合う画素間における位相差がπの状態を示す。   Here, a specific example of the phase distribution for each pixel on the light receiving surface 5a will be described. FIG. 4A shows that the phase with respect to the origin of the xy coordinate is π by appropriately selecting the incident angles θx and θy described above according to the wavelength λ of the reference light LR and the pitch of the pixel array. Shown is a state where the light receiving surface 5a is completely covered by a set of four pixels combined in a square shape such as / 2, 3π / 2, π / 2, 3π / 2 (each section indicates a pixel region, the same in the following) ). The state of the light receiving surface 5a indicates a state in which the main phase value of the reference light LR incident on each pixel is different from each other in adjacent pixels, that is, a phase difference between adjacent pixels is π.

図4(a)の受光面5aにおいて、位相値が3π/2とされた画素の組により1枚の位相シフトデジタルホログラムが得られ、位相値がπ/2とされた画素の組によりもう1枚の位相シフトデジタルホログラムが得られる。すなわち、互いに参照光LRの位相がπだけシフトした2枚の位相シフトホログラムデータが1回の記録で取得できる。   On the light receiving surface 5a in FIG. 4A, one phase-shifted digital hologram is obtained by a set of pixels having a phase value of 3π / 2, and another one by a set of pixels having a phase value of π / 2. One sheet of phase shift digital hologram is obtained. That is, two pieces of phase shift hologram data in which the phase of the reference light LR is shifted by π can be acquired by one recording.

上述の画素配置は簡単であり、データ処理が容易である。なお、ホログラムデータから物体光Loの複素振幅を求めるには、物体光Loの振幅、参照光LRの振幅、および物体光Loと参照光LR間の位相差の3つの未知数を求める必要がある。そこで、物体光Loまたは参照光LRのいずれか一方の光を遮断し他方の光の強度を測定する測定を追加することにより、未知数を1つ減らすことにより、物体光Loの複素振幅を求めることができる。   The pixel arrangement described above is simple and data processing is easy. In order to obtain the complex amplitude of the object light Lo from the hologram data, it is necessary to obtain three unknowns: the amplitude of the object light Lo, the amplitude of the reference light LR, and the phase difference between the object light Lo and the reference light LR. Therefore, the complex amplitude of the object light Lo is obtained by adding one measurement to block either the object light Lo or the reference light LR and measuring the intensity of the other light, thereby reducing the unknown by one. Can do.

図4(b)は、x−y座標の原点を基準とした位相がπ/4,3π/4,−3π/4,−π/4となるようにx方向とy方向のそれぞれの方向に並べて組み合わされた4つの画素の組によって、受光面5aを覆い尽くす様子を示す。主たる位相値が隣り合う画素間において互いにπ/2だけ異なっている。この状態の位相値分布によると、位相状態の異なる4枚のホログラムデータを1回の記録で取得できる。しかしながら、同位相値画素の分布が筋状に片寄っているので、図4(b)の例は、あまり好ましいものではない。   FIG. 4B shows the x and y directions so that the phase with respect to the origin of the xy coordinates is π / 4, 3π / 4, -3π / 4, and −π / 4. A state in which the light receiving surface 5a is completely covered by a set of four pixels combined side by side is shown. Main phase values differ by π / 2 between adjacent pixels. According to the phase value distribution in this state, four hologram data having different phase states can be obtained by one recording. However, since the distribution of the in-phase value pixels is staggered, the example of FIG. 4B is not very preferable.

(より好ましい位相シフト対応の画素分布)
図5は、位相状態の異なる4枚のホログラムデータを1回の記録で取得できる、より好ましい位相と画素の配置を示す。このような配置は、再度述べると、参照光LRの波長λ、画素配列のピッチに応じて、図3(a)(b)に示した入射角θx,θyを適切に選択することにより構成される。すなわち、参照光LRの入射条件設定により、各画素に対して位相シフトの属性が決定される。そのような参照光LRの入射条件設定の結果、正方格子状に画素を配置して成る受光面5aを、位相が−3π/4,−π/4,π/2,3π/4の画素を2×4に組み合わせた8つの組で覆い尽くすようにでき、位相状態の異なる4枚のホログラムデータを1回の記録で取得できる。
(Preferred pixel distribution for phase shift)
FIG. 5 shows a more preferable phase and pixel arrangement in which four hologram data with different phase states can be acquired by one recording. Such an arrangement will be described again by appropriately selecting the incident angles θx and θy shown in FIGS. 3A and 3B in accordance with the wavelength λ of the reference light LR and the pitch of the pixel array. The That is, the phase shift attribute is determined for each pixel by setting the incident condition of the reference light LR. As a result of setting the incident condition of the reference light LR, the light receiving surface 5a formed by arranging pixels in a square lattice pattern is changed to pixels having a phase of −3π / 4, −π / 4, π / 2, and 3π / 4. It can be covered with 8 sets of 2 × 4, and four hologram data with different phase states can be acquired by one recording.

図5において、x軸方向に2個、y軸方向に4個並んだ8個の画素(図中の太実線枠内の画素)に注目すると、将棋やチェスの桂馬飛びの配置で、左下の+3π/4の画素に対応する画素が、1つ右かつ2つ上の位置に配置されている。全ての画素が、互いに位相を同じとする画素を桂馬飛び配置にして配置されている。また、x軸方向の2個並び画素間では位相差をπとし、y方向の4個並びの画素間では位相差をπ/2としている。このような位相と画素の配置によると、受光面5aにおける同じ位相となる画素の分布をより一様化(均一化)できるので、データ点の分布の片寄りを抑えた、高品位の位相シフトデジタルホログラムデータを取得できる。   In FIG. 5, when attention is paid to 8 pixels arranged in the x-axis direction and 4 pixels in the y-axis direction (pixels in the thick solid line frame in the figure), Pixels corresponding to + 3π / 4 pixels are arranged one position to the right and two positions above. All the pixels are arranged with pixels having the same phase as each other and arranged in a Keima manner. Further, the phase difference is set to π between two pixels arranged in the x-axis direction, and the phase difference is set to π / 2 between four pixels arranged in the y direction. According to such a phase and pixel arrangement, the distribution of pixels having the same phase on the light receiving surface 5a can be made more uniform (uniform), so that a high-quality phase shift that suppresses the deviation of the distribution of data points. Digital hologram data can be acquired.

上述の一様性の様子は、図6に示した濃淡図によって確認することができる。この濃淡図は、上述の入射条件に設定した参照光LRと受光面5aに垂直入射させた平行物体光Loとの干渉パターンを記録して得られたものである。   The state of uniformity described above can be confirmed by the shading diagram shown in FIG. This shading diagram is obtained by recording an interference pattern between the reference light LR set under the above-described incident conditions and the parallel object light Lo perpendicularly incident on the light receiving surface 5a.

なお、このような濃淡図は、参照光LRの入射角θx,θyを所定の角度に設定するための調整手段として用いることができる。すなわち、画像センサ51から出力される画像を拡大してモニタに表示して、各画素毎の濃淡表示が鮮明に得られるように、参照光LRの入射角θx,θyを調整すればよい。また、このような調整は、濃淡値に対応する電気信号値を目標値として、入射角θx,θyを操作する手段、例えば、ミラーMを傾動駆動するアクチュエータ手段の制御電流を制御する制御手段を設けて、この制御手段によって自動化することができる。   Such a shading diagram can be used as an adjusting means for setting the incident angles θx and θy of the reference light LR to predetermined angles. That is, it is only necessary to adjust the incident angles θx and θy of the reference light LR so that the image output from the image sensor 51 is enlarged and displayed on the monitor, and the grayscale display for each pixel is clearly obtained. In addition, such adjustment includes means for operating the incident angles θx and θy, for example, control means for controlling the control current of the actuator means for tilting the mirror M, with the electric signal value corresponding to the gray value as the target value. It can be automated by this control means.

(干渉パターンのサンプリング)
上述の図5に示した位相値分布となるように入射条件を設定した参照光LRと、照明光Liによって照明された物体10から放射される散乱光(物体光Lo)とが、受光面5aに入射すると、参照光LRと物体光Loとが作る干渉パターンを、ホログラムとして記録する。この記録の内容を、数式を用いて説明する。受光面5aにおける角周波数ωの物体光LoをO(x,y,t)とし、参照光LRをR(x,y,t)として、一般的な波動の式で表すと、次式(2)(3)となる。また、受光面5aにおいて時間平均されて測定される光強度I(x,y)は次式(4)となる。式(4)は、ホログラムの数学的表現になっている。
(Interference pattern sampling)
The reference light LR whose incident conditions are set so as to have the phase value distribution shown in FIG. 5 and the scattered light (object light Lo) emitted from the object 10 illuminated by the illumination light Li are the light receiving surface 5a. Is incident, the interference pattern formed by the reference light LR and the object light Lo is recorded as a hologram. The contents of this recording will be described using mathematical expressions. When the object light Lo of the angular frequency ω on the light receiving surface 5a is O (x, y, t) and the reference light LR is R (x, y, t), it can be expressed by the following equation (2) ) (3). Further, the light intensity I (x, y) measured by averaging over the light receiving surface 5a is expressed by the following equation (4). Equation (4) is a mathematical representation of the hologram.

上式(4)の右辺第1項と第2項は、それぞれ物体光Loと参照光LRの光強度に対応し、これらは、直流成分Idと物体光Loどうしの干渉で生じる低周波数成分I(x,y)を構成する。この第1項と第2項は、物体光Loおよび参照光LRの位相を含まない。第3項は、物体光Loと参照光LRとが作る干渉パターンの交流成分を表す高周波数成分I(x,y)である。この第3項には、物体光Loの波面情報である振幅Oと位相φが含まれている。すなわち、物体光Loの波面情報(複素振幅)が、右辺第3項によって記録される。振幅Oと位相φが求められると、物体光Loの複素振幅が得られたことになり、複素振幅によって物体光Loの波面の再生、つまり像再生をすることができる。 The first term and the second term on the right side of the above equation (4) correspond to the light intensities of the object light Lo and the reference light LR, respectively, which are low frequency components I generated by the interference between the direct current component Id and the object light Lo. L (x, y) is constructed. The first and second terms do not include the phases of the object light Lo and the reference light LR. The third term is a high frequency component I H (x, y) that represents an AC component of an interference pattern created by the object light Lo and the reference light LR. This third term includes the amplitude O O and the phase φ O which are wavefront information of the object light Lo. That is, the wavefront information (complex amplitude) of the object light Lo is recorded by the third term on the right side. When the amplitude O O and the phase φ O are obtained, the complex amplitude of the object light Lo is obtained, and the wave front of the object light Lo, that is, the image reproduction can be performed by the complex amplitude.

上述の式(4)に対応するデータを、参照光LRの位相が異なる条件で複数測定することにより、すなわち、複数の位相シフトホログラムデータを記録することにより、データ間の連立方程式に基づいて、振幅Oと位相φを求めることができる。 By measuring a plurality of data corresponding to the above equation (4) under conditions where the phase of the reference light LR is different, that is, by recording a plurality of phase shift hologram data, based on simultaneous equations between the data, The amplitude O O and the phase φ O can be obtained.

上述の干渉パターンI(x,y)を、画素ピッチがd、画素数がN×Nという、有限の受光面での記録の場合について説明する。   The above-described interference pattern I (x, y) will be described in the case of recording on a finite light-receiving surface with a pixel pitch d and the number of pixels N × N.

この場合、受光面5aにおける干渉パターンは、上述の画素ピッチdと受光面のサイズNとから決まる基本周期Ndのフーリエ級数で表すことができる。そこで、視野角θの物体光Loに対する高周波数成分I(x,y)は、整数mとnが範囲mMIN<m<mMAXおよびnMIN<n<nMAXにあるフーリエ級数によって、次式(5)のように表される。なお、以下に現れる式中の大文字Iの上のチルダは無視される。 In this case, the interference pattern on the light receiving surface 5a can be represented by a Fourier series having a basic period Nd determined from the pixel pitch d and the size N of the light receiving surface. Therefore, the high frequency component I H (x, y) for the object light Lo at the viewing angle θ O is represented by a Fourier series in which the integers m and n are in the ranges m MIN <m <m MAX and n MIN <n <n MAX . It is expressed as the following equation (5). Note that the tilde above the capital letter I in the formula that appears below is ignored.

ところで、CCD画像センサなどの各画素では、光センサ部の全面で積分した値を入射光の強度として記録するので、中心座標(x,y)を有する画素により記録される高周波数成分の値は、次式(6)となる。 By the way, in each pixel such as a CCD image sensor, the value integrated over the entire surface of the optical sensor unit is recorded as the intensity of the incident light, so that the high frequency component recorded by the pixel having the center coordinates (x S , y S ) is recorded. The value is expressed by the following formula (6).

上式(6)の右辺の関数(πm/N)sin(πm/N)(πn/N)sin(πn/N)は、整数mとnに対して緩やかに変化する。従って、I(x,y)の積分値は、不等式、θ<<(λ/d)を満たすような視野角θをもつ物体(被写体)に対して次式(7)のように近似できる。 The function (πm / N) sin (πm / N) (πn / N) sin (πn / N) on the right side of the above equation (6) changes gently with respect to the integers m and n. Therefore, the integral value of I H (x, y) is expressed by the following equation (7) for an object (subject) having a viewing angle θ O that satisfies the inequality, θ O << (λ / d). Can be approximated.

ここに、整数mとnは参照光の入射角から決まり、それぞれ、m=N(d/λ)sin(θ)、および、n=N(d/λ)sin(θ)、で与えられる。つまり、各画素で記録される高周波数成分Iの値は画素の中心(x,y)においてサンプリングしたI(x,y)に定数d(πm/N)sin(πm/N)(πn/N)sin(πn/N)を掛けた値に等しくなる。従って、視野角θがθ<<(λ/d)を満たす物体を受光面で記録すると、各画素の中心でサンプリングした干渉パターンが、物体光Loと参照光LRが作る干渉パターンI(x,y)として記録されることになる。 Here, the integers m R and n R are determined from the incident angle of the reference light, and m R = N (d / λ) sin (θ x ) and n R = N (d / λ) sin (θ y, respectively. ). That is, the value of the high frequency component I H recorded in each pixel is set to a constant d 2 (πm R / N) sin (I H (x S , y S ) sampled at the center (x S , y S ) of the pixel. It is equal to a value obtained by multiplying πm R / N) (πn R / N) sin (πn R / N). Therefore, when an object satisfying the viewing angle θ O satisfying θ O << (λ / d) is recorded on the light receiving surface, an interference pattern I H generated by the object light Lo and the reference light LR is obtained from the interference pattern sampled at the center of each pixel. It will be recorded as (x S , y S ).

(複素振幅ホログラムの導出)
受光面5a上における、参照光LRの位相周期が、画素ピッチdの整数倍になるように参照光LRの入射角を特定の値に設定すると、異なる参照光位相に対する複数の干渉パターンを同時に記録できる。このとき、同じ参照光位相に対する干渉パターンは、飛び飛びの画素で記録され、記録画素の間隔は画素ピッチの整数倍になる。視野角θが、θ<<λ/dを満たす被写体に対しては、物体光Loの振幅Oと位相φが、受光面5aの各画素間で緩やかに変化する。従って、上述したように、同じ参照光位相に対する記録データにおいて、記録されていない画素値は、補間によって十分な精度で求めることができる。
(Derivation of complex amplitude hologram)
When the incident angle of the reference light LR is set to a specific value so that the phase period of the reference light LR on the light receiving surface 5a is an integral multiple of the pixel pitch d, a plurality of interference patterns for different reference light phases are simultaneously recorded. it can. At this time, the interference pattern with respect to the same reference light phase is recorded by skipping pixels, and the interval between the recording pixels is an integral multiple of the pixel pitch. For a subject whose viewing angle θ O satisfies θ O << λ / d, the amplitude O O and the phase φ O of the object light Lo gradually change between the pixels of the light receiving surface 5a. Therefore, as described above, in the recording data for the same reference light phase, the pixel values that are not recorded can be obtained with sufficient accuracy by interpolation.

上述の図5に示した、4種類の位相値を取りうる参照光LRの入射条件のもとでは、4種類の独立な記録データ(位相シフトホログラムデータ)が得られる。各データに補間処理を施して、3枚または4枚の干渉パターンデータを用いて、物体光Loの受光面5aにおける複素振幅を求めることができる。   Under the incidence conditions of the reference light LR that can take four types of phase values shown in FIG. 5 described above, four types of independent recording data (phase shift hologram data) can be obtained. Interpolation processing is performed on each data, and the complex amplitude of the object light Lo on the light receiving surface 5a can be obtained using three or four pieces of interference pattern data.

図7は受光面5aにおいて注目した格子点(画素の境界交差点)回りの4つの画素の中心における、参照光LRの位相φ,φ,φ,φを示す。注目した格子点の参照光位相φGを基準としたとき、格子点の回りの4つの画素中心における位相Δφ,Δφ,Δφ,Δφは、前出の式(1)を参照すると、次式(8)(9)となる。 FIG. 7 shows the phases φ 1 , φ 2 , φ 3 , and φ 4 of the reference light LR at the centers of the four pixels around the focused lattice point (pixel boundary intersection) on the light receiving surface 5a. The phase Δφ 1 , Δφ 2 , Δφ 3 , Δφ 4 at the four pixel centers around the lattice point when the reference light phase φ G of the focused lattice point is used as a reference can be obtained by referring to the above equation (1). The following equations (8) and (9) are obtained.

4つの位相φ,φ,φ,φに対して一括して記録された干渉パターン(ホログラムデータ)から、各位相毎に上述の補間によって4枚の干渉パターン(位相シフトホログラムデータ)を求める。格子点右上の画素における4つの干渉パターンの値を、それぞれI,I,I,Iとし、格子点の位相φGを基準とした複素振幅の実数部と虚数部である余弦成分Iと正弦成分Iをそれぞれ次式(10)(11)とする。 From the interference patterns (hologram data) collectively recorded for the four phases φ 1 , φ 2 , φ 3 , φ 4 , four interference patterns (phase shift hologram data) are obtained by the above-described interpolation for each phase. Ask for. The values of the four interference patterns in the pixel at the upper right of the lattice point are I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 , respectively, and the cosine components that are the real part and imaginary part of the complex amplitude with reference to the phase φ G of the lattice point I C and sine component I S are represented by the following equations (10) and (11), respectively.

すると、三角関数の余弦定理と正弦定理などを用いて、I,I,I,Iをそれぞれ直流成分Idと低周波数成分IおよびI,Iで表すことができる。逆に、複素振幅ホログラムの余弦成分Iと正弦成分Iは、I,I,I,Iを表す4つの式から求めることができ、次式(12)(13)となる。 Then, using a cosine theorem and a sine theorem of trigonometric functions, I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 can be represented by a DC component Id and low-frequency components I L and I C , IS , respectively. Conversely, the cosine component I C and the sine component I S of the complex amplitude hologram can be obtained from four equations representing I 1 , I 2 , I 3 , and I 4, and are expressed by the following equations (12) and (13). .

上式(12)(13)に示した加減演算によって、I,I,I,I中の直流成分Iおよび物体光Loどうしの干渉で生じる低周波数成分Iは消えてなくなり、物体光Loと参照光LRとの干渉で生じる目的の交流成分のみが残る。このようにして直流成分Iと低周波数成分Iを除いた複素振幅をすべての画素において得ることができ、求めた複素振幅から高画質の画像を再生することが可能になる。 By the addition / subtraction operation shown in the above formulas (12) and (13), the DC component I d in I 1 , I 2 , I 3 , and I 4 and the low frequency component I L caused by the interference between the object lights Lo disappear. Only the target AC component generated by the interference between the object light Lo and the reference light LR remains. In this way it is possible to obtain all the pixels complex amplitude excluding the DC component I d and the low-frequency components I L, consisting of complex amplitude obtained can be reproduced image of high quality.

(複素振幅インラインホログラムの導出)
式(12)(13)によって得られる複素振幅ホログラムは、斜め照射平行参照光に対するオフアクシス方式による空間搬送波型のホログラムである。この斜め照射参照光に対するオフアクシスホログラムから垂直照射参照光(入射角θ=θ=0)に対するインラインホログラムに変換すると、干渉パターンの空間周波数を低くできるので同じ記録画像に対してホログラムデータ量を減らすことができる。しかし、このようなホログラム変換を行うには変換のための計算処理が必要である。
(Derivation of complex amplitude inline hologram)
The complex amplitude hologram obtained by the equations (12) and (13) is a spatial carrier type hologram based on an off-axis method for obliquely irradiated parallel reference light. If the off-axis hologram for the oblique irradiation reference light is converted into an in-line hologram for the vertical irradiation reference light (incident angle θ x = θ y = 0), the spatial frequency of the interference pattern can be lowered, so the amount of hologram data for the same recorded image Can be reduced. However, in order to perform such hologram conversion, calculation processing for conversion is required.

ところが、受光面5aにおける平行参照光LRの位相の周期が、画素ピッチの2倍または4倍になるように参照光LRの入射角を特定の値に設定すると、複雑な計算を行うことなく、加減演算のみで記録された干渉パターンから直接、インラインホログラムを得ることができ、ホログラム変換のための計算処理を省くことができる。以下、これを示す。   However, if the incident angle of the reference light LR is set to a specific value so that the phase period of the parallel reference light LR on the light receiving surface 5a is twice or four times the pixel pitch, without performing complicated calculation, An in-line hologram can be obtained directly from the interference pattern recorded only by the addition / subtraction operation, and the calculation process for hologram conversion can be omitted. This is shown below.

図5に示すように、x方向とy方向の位相周期がそれぞれ画素ピッチdの2倍および4倍になるように入射角θ,θを設定した場合について説明する。この場合、d,λ,θ,θは、次式(14)の関係を満たしている。 As shown in FIG. 5, the case where the incident angles θ x and θ y are set so that the phase periods in the x direction and the y direction are respectively twice and four times the pixel pitch d will be described. In this case, d, λ, θ x , and θ y satisfy the relationship of the following expression (14).

また、上式(14)を満たすように参照光LRの入射角θ,θを設定すると、x−y平面上の座標(id,jd)にある格子点の位相は、前出の式(1)により、φ(id,jd)=(2i+j)π/2となる。図7に示す格子点を基準とする各画素中心の参照光LRの位相は、式(8)(9)により、Δφ=3π/4,Δφ=−π/4,Δφ=−3π/4,Δφ=π/4となる。この場合、インラインホログラムの複素振幅の余弦成分IInCと正弦成分IInSとは、(2i+j)が偶数のとき次式(15)(16)となり、(2i+j)が奇数のときには次式(17)(18)となる。すなわち、記録された干渉パターンデータの加減演算のみで複素振幅インラインホログラム(複素振幅情報を有するインラインホログラム)が得られる。 Further, when the incident angles θ x and θ y of the reference light LR are set so as to satisfy the above equation (14), the phase of the lattice point at the coordinates (id, jd) on the xy plane is expressed by the above equation. From (1), φ R (id, jd) = (2i + j) π / 2. The phase of the reference light LR at the center of each pixel with the lattice point shown in FIG. 7 as a reference is expressed by Δφ 1 = 3π / 4, Δφ 2 = −π / 4, Δφ 3 = −3π according to the equations (8) and (9). / 4, Δφ 4 = π / 4. In this case, the cosine component I InC and the sine component I InS of the complex amplitude of the inline hologram are expressed by the following equations (15) and (16) when (2i + j) is an even number, and the following equation (17) when (2i + j) is an odd number: (18) That is, a complex amplitude inline hologram (inline hologram having complex amplitude information) can be obtained only by adding and subtracting the recorded interference pattern data.

(第3の実施形態)
次に、図8を参照して、第3の実施形態に係るカラー対応の画像記録装置を説明し、図9乃至図12を参照して、画像例を含む記録データの例を説明する。本実施形態の画像記録装置1は、図1に示した第1の実施形態の画像記録装置1が1つのコヒーレント光発生手段2(レーザ光源)を備えているのと異なり、カラー対応のため、赤色R、緑色G、青色Bの3色のコヒーレント光を発生するように、3つのコヒーレント光発生手段2を備えている。
(Third embodiment)
Next, with reference to FIG. 8, a color-compatible image recording apparatus according to the third embodiment will be described, and with reference to FIGS. 9 to 12, an example of recording data including image examples will be described. The image recording apparatus 1 according to the present embodiment is different from the image recording apparatus 1 according to the first embodiment shown in FIG. 1 that includes one coherent light generation unit 2 (laser light source). Three coherent light generating means 2 are provided so as to generate three colors of red R, green G, and blue B coherent light.

さらに、画像記録装置1は、各コヒーレント光発生手段2に対応して、ビームスプリッタ3と、照射手段4と、参照光入射手段6とを、それぞれ備えている。本実施形態の画像記録装置1は、これらの点を除いて、上述の第1の実施形態と同様であり、重複説明は省略する。なお、画像記録手段5は、3色に対して共通に用いられる。   Further, the image recording apparatus 1 includes a beam splitter 3, an irradiation unit 4, and a reference light incident unit 6 corresponding to each coherent light generation unit 2. Except for these points, the image recording apparatus 1 of the present embodiment is the same as that of the first embodiment described above, and a duplicate description is omitted. The image recording means 5 is used in common for the three colors.

この画像記録装置1によると、カラー画像記録の簡単化と高速化を容易に実現できる。すなわち、赤緑青の3色の平行参照光LRそれぞれの受光面5aへの入射角を設定するだけで、3色に対応する3回の記録により、カラー化に必要な位相シフトホログラムデータを取得できる。   According to this image recording apparatus 1, the color image recording can be easily simplified and speeded up. That is, the phase shift hologram data necessary for colorization can be acquired by recording three times corresponding to the three colors only by setting the incident angles to the light receiving surface 5a of the parallel reference lights LR of the three colors of red, green, and blue. .

また、異なる色の光毎に入射角の調整を行うことにより、受光面5aの画素の位相分担を異なる色に対して共通化できる。つまり、位相シフトにおける波長依存性を入射角によって吸収できるので、システム構成を複雑化することなく、カラー画像対応を容易に実現できる。画像記録手段5が、3色共通とされるのは、この波長依存性吸収能力による。   Further, by adjusting the incident angle for each light of a different color, the phase sharing of the pixels on the light receiving surface 5a can be made common to different colors. That is, since the wavelength dependency in the phase shift can be absorbed by the incident angle, it is possible to easily realize the color image correspondence without complicating the system configuration. The reason that the image recording means 5 is common to the three colors is due to this wavelength-dependent absorption ability.

上述の3色に対応する3回の位相シフトホログラムデータの取得は、コヒーレント光発生手段2を、各色に応じて3台のパルスレーザ光源を用いて構成することにより、レーザ光源の光速切替えにより高速に実行できる。   The acquisition of the phase shift hologram data three times corresponding to the three colors described above can be performed at a higher speed by switching the light speed of the laser light source by configuring the coherent light generation means 2 using three pulse laser light sources corresponding to each color. Can be executed.

そこで、本発明によれば、パルスレーザと受光素子を用いてコンパクトで安価な3次元動画像記録装置を実現でき、移動する被写体や変化する被写体のカラー画像を高速に記録したり、高画質3次元カラー動画像をリアルタイム記録したりできる。この画像記録装置1は、ノイズの少ない鮮明な3次元カラー動画像表示のための画像記録が可能であり、映像技術分野、情報分野、医療分野、設計支援分野、バーチャルリアリティなどの分野において用いることができる。   Therefore, according to the present invention, a compact and inexpensive three-dimensional moving image recording apparatus can be realized by using a pulse laser and a light receiving element, and a color image of a moving subject or a changing subject can be recorded at a high speed. Dimensional color moving images can be recorded in real time. The image recording apparatus 1 is capable of image recording for displaying a clear three-dimensional color moving image with little noise, and is used in fields such as video technology, information, medical, design support, and virtual reality. Can do.

(参照光入射角の調整方法)
赤色、緑色、青色3色の干渉パターンから3色の位相シフトデジタルホログラムを取得するには、各参照光LRの入射角θx,θyをそれぞれ所定値に設定する必要がある。この入射角の設定は、第1の実施形態と同様に、図6に示した濃淡図に基づいて行うことができる。
(Reference light incident angle adjustment method)
In order to obtain three-color phase-shift digital holograms from the three-color interference patterns of red, green, and blue, it is necessary to set the incident angles θx and θy of each reference light LR to predetermined values. The setting of the incident angle can be performed based on the shading diagram shown in FIG. 6 as in the first embodiment.

つまり、カラー画像の場合にも、図6のもととなる図5に示した、2×4の画素の組を用いる位相シフト方法を、各色毎に適用することができる。そこで、各色に対して、図6の濃淡図を、参照光LRの入射角θx,θyの調整手段として用いることができる。その調整の自動化等は上述同様であり説明を省略する。   That is, also in the case of a color image, the phase shift method using the 2 × 4 pixel group shown in FIG. 5 which is the basis of FIG. 6 can be applied for each color. Therefore, for each color, the shading diagram of FIG. 6 can be used as a means for adjusting the incident angles θx and θy of the reference light LR. The automation of the adjustment is the same as described above, and the description is omitted.

(3次元カラー画像の記録)
各色の光学系は、レーザ光源から受光面5aまでの参照光LRと物体光Loの経路長差が、レーザ光のコヒーレンス長内に収まるように設定されている。また、上述のように、参照光LRと物体光Loとが作る赤色、緑色、青色それぞれの受光面5a上の干渉パターンが画像センサ51と画像記録部52により記録される。
(Recording of 3D color images)
The optical system of each color is set so that the path length difference between the reference light LR and the object light Lo from the laser light source to the light receiving surface 5a is within the coherence length of the laser light. Further, as described above, the interference patterns on the light receiving surfaces 5 a of red, green, and blue, which are formed by the reference light LR and the object light Lo, are recorded by the image sensor 51 and the image recording unit 52.

3次元カラー画像を実質上1回の撮影で記録する方法として、3色パルスレーザ光源のそれぞれの発振時間が重ならないように時分割し、1枚の単色画像センサ51を用いて3色の干渉パターンを極めて短時間に記録する方法と、カラー対応の画像センサ51を用いて3色同時に記録する方法とを用いることができる。前者の方法は、3色パルスレーザの発振時間の正確な調整と画像センサ51からの記録データの高速読み取りが必要になる。これに対して、後者の方法は、感度の問題が考えられるが、記録速度の問題を避けることができる。   As a method for recording a three-dimensional color image by substantially one shooting, the three color pulse laser light sources are time-divided so that their oscillation times do not overlap, and a single color image sensor 51 is used to interfere with three colors. A method of recording a pattern in an extremely short time and a method of simultaneously recording three colors using a color-compatible image sensor 51 can be used. The former method requires accurate adjustment of the oscillation time of the three-color pulse laser and high-speed reading of the recording data from the image sensor 51. In contrast, the latter method may have a problem of sensitivity, but can avoid a problem of recording speed.

(記録画像の例)
被写体の物体10として1辺の長さが2cmのサイコロを画像センサ51から75cmの位置に静止状態で置き、3次元カラー画像記録装置1を用いて位相シフトホログラムを記録した。図9は緑色レーザ光で記録した干渉パターンを示し、図10(a)(b)は、それぞれホログラムデータから求めた複素振幅インラインホログラムの余弦成分および正弦成分の拡大画像を示す。ホログラムデータは、パルスレーザではなく連続発振レーザを用いて上述の第2の実施形態の画像記録方法により、1回の撮影で記録した。複素振幅インラインホログラムの余弦成分および正弦成分は、振幅の実効値を用いて正規化した後に、256階調化して表示している。
(Example of recorded image)
A dice having a side length of 2 cm was placed as a subject object 10 at a position 75 cm away from the image sensor 51, and a phase shift hologram was recorded using the three-dimensional color image recording apparatus 1. FIG. 9 shows an interference pattern recorded with green laser light, and FIGS. 10A and 10B show enlarged images of the cosine component and sine component of the complex amplitude in-line hologram obtained from the hologram data, respectively. Hologram data was recorded in one image using the image recording method of the second embodiment described above using a continuous wave laser instead of a pulse laser. The cosine component and the sine component of the complex amplitude in-line hologram are normalized using the effective value of the amplitude and then displayed with 256 gradations.

図9に示す干渉パターンは、物体光Loと参照光LRとが作る干渉パターンだけでなく物体光Loどうしが作る干渉パターン(雑音)も含んでいるので、本来の物体光Loと参照光LRが作る干渉パターンがこの雑音による擾乱の結果、コントラストの低い高周波数の干渉パターン画像として表示されている。これに対し、図10(a)(b)に示すインラインホログラムは、物体光Loどうしの干渉で生じる成分が除去されており、純粋に物体光Loと参照光LRとが作る干渉パターンが、コントラストが高く鮮明な、低周波数の干渉パターン画像として表示されている。   The interference pattern shown in FIG. 9 includes not only the interference pattern created by the object light Lo and the reference light LR but also the interference pattern (noise) created by the object light Lo, so that the original object light Lo and the reference light LR are The interference pattern to be created is displayed as a high-frequency interference pattern image with low contrast as a result of the disturbance due to this noise. On the other hand, in the in-line hologram shown in FIGS. 10A and 10B, the component generated by the interference between the object lights Lo is removed, and the interference pattern formed by the object light Lo and the reference light LR is purely contrast. Is displayed as a high-definition, low-frequency interference pattern image.

図11(a)(b)(c)は、上述のように複素振幅インラインホログラムを、赤色、緑色、青色の3色について取得し、複素振幅データから数値計算によって再生した、それぞれ赤色、緑色、青色の画像を示す。これらの画像は、雑音のない高画質のものであって、画像が記録された被写体と同じ位置に再生されている。   FIGS. 11A, 11B, and 11C show the complex amplitude in-line holograms acquired for the three colors red, green, and blue as described above, and reproduced by numerical calculation from the complex amplitude data. A blue image is shown. These images have high image quality without noise and are reproduced at the same position as the subject on which the images are recorded.

図12は、上述の赤色、緑色、青色の複素振幅データから再生したカラー画像を示す。このように画像記録され、計算処理されて再生された図12のカラー画像は、色ずれのない高画質のカラー画像となっている。   FIG. 12 shows a color image reproduced from the above-described red, green, and blue complex amplitude data. The color image shown in FIG. 12 that has been recorded in this manner, calculated, and reproduced is a high-quality color image without color misregistration.

なお、本発明は、上記構成に限られることなく種々の変形が可能である。例えば、受光面5aにおける画素と位相との関係は、図4(a)(b)や図5に示したものに限られず、全体を90゜回転した関係や、x軸とy軸とを入れ替えた関係なども含まれる。また、図1、図8に示した光学系の配置や、レンズやミラーなどの光学素子の種類なども、これらの図に示したものに限られない。画素間の位相差は、π/2やπとは限らず、π/3でもよい。また、画像センサの画素配置列は、格子状に限られず、任意の2次元配列でもよい。そこで、六角形の画素の千鳥配列や、複数種類の大きさを有する画素配列などによって2次元平面を覆うような受光面でもよい。なお、上述の位相、位相値、位相状態などの用語は、本来、互いに相対的な事柄を表すものであるが、誤解の生じない範囲で、簡便化して用いられている。   The present invention is not limited to the above-described configuration, and various modifications can be made. For example, the relationship between the pixels and the phase on the light receiving surface 5a is not limited to those shown in FIGS. 4A and 4B and FIG. 5, and the entire relationship is rotated by 90 °, and the x axis and the y axis are interchanged. The relationship is also included. Further, the arrangement of the optical system shown in FIGS. 1 and 8 and the types of optical elements such as lenses and mirrors are not limited to those shown in these drawings. The phase difference between the pixels is not limited to π / 2 or π, and may be π / 3. In addition, the pixel arrangement row of the image sensor is not limited to a lattice shape, and may be an arbitrary two-dimensional array. Therefore, a light receiving surface that covers a two-dimensional plane by a staggered arrangement of hexagonal pixels or a pixel arrangement having a plurality of sizes may be used. Note that the terms such as phase, phase value, and phase state described above originally represent matters that are relative to each other, but are used in a simplified manner within a range that does not cause misunderstanding.

本発明の第1の実施形態に係る画像記録装置の概念構成図。1 is a conceptual configuration diagram of an image recording apparatus according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態に係る画像記録方法のフローチャート。6 is a flowchart of an image recording method according to a second embodiment of the present invention. (a)(b)は同上画像記録装置および画像記録方法における参照光の受光面への入射を説明する図。(A) and (b) are diagrams for explaining incidence of reference light on a light receiving surface in the image recording apparatus and the image recording method. (a)(b)は同上画像記録装置および画像記録方法における各画素に対する位相シフトの例を説明する図。(A) and (b) are diagrams for explaining an example of phase shift for each pixel in the image recording apparatus and the image recording method. 同上画像記録装置および画像記録方法における受光面の各画素に対する位相シフトの他の例を説明する図。The figure explaining the other example of the phase shift with respect to each pixel of the light-receiving surface in an image recording device and an image recording method same as the above. 図5に示した画素構成の受光面における参照光と垂直入射平行物体光とによる干渉パターンの濃淡表示図。FIG. 6 is a shading display diagram of an interference pattern by reference light and normal incidence parallel object light on the light receiving surface of the pixel configuration shown in FIG. 5. 図5に示した画素配列の格子点における複素振幅演算の説明図。Explanatory drawing of the complex amplitude calculation in the lattice point of the pixel arrangement | sequence shown in FIG. 本発明の第3の実施形態に係るカラー対応の画像記録装置の概念構成図。FIG. 9 is a conceptual configuration diagram of a color-compatible image recording apparatus according to a third embodiment of the present invention. 同上画像記録装置によって記録された赤色の干渉パターンの例を示す図。The figure which shows the example of the red interference pattern recorded by the image recording apparatus same as the above. (a)は図9の干渉パターンの複素振幅の実数部に対応するホログラムの図、(b)は同複素振幅の虚数部に対応するホログラムの図。9A is a diagram of a hologram corresponding to the real part of the complex amplitude of the interference pattern of FIG. 9, and FIG. 10B is a diagram of a hologram corresponding to the imaginary part of the complex amplitude. (a)は図9の干渉パターンから再現された赤色画像の図、(b)は図9の干渉パターンと共に記録された干渉パターンから再現された緑色画像の図、(c)は図9の干渉パターンと共に記録された干渉パターンから再現された青色画像の図。9A is a red image reproduced from the interference pattern of FIG. 9, FIG. 9B is a green image reproduced from the interference pattern recorded together with the interference pattern of FIG. 9, and FIG. The figure of the blue image reproduced from the interference pattern recorded with the pattern. 図11(a)(b)(c)の画像を再現した干渉パターンに基づいて再現されたカラー画像の図。The figure of the color image reproduced based on the interference pattern which reproduced the image of Drawing 11 (a) (b) (c).

符号の説明Explanation of symbols

1 画像記録装置
2 コヒーレント光発生手段
3 ビームスプリッタ
4 照射手段
5 画像記録手段
6 参照光入射手段
51 画像センサ
5a 受光面
Li 照明光
Lo 物体光
LR 参照光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image recording device 2 Coherent light generation means 3 Beam splitter 4 Irradiation means 5 Image recording means 6 Reference light incident means 51 Image sensor 5a Light-receiving surface Li Illumination light Lo Object light LR Reference light

Claims (7)

位相シフトデジタルホログラフィ法により物体の画像を電子的に記録する画像記録装置において、
コヒーレント光を発生するコヒーレント光発生手段と、
前記コヒーレント光発生手段により発生されたコヒーレント光を参照光と照明光とに分けて出射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタによって出射された照明光を物体に照射する照射手段と、
画素を構成する光センサ部を2次元配列して成る受光面を有すると共に該受光面に入射する光の情報を記録する画像記録手段と、
前記ビームスプリッタによって出射された参照光を前記画像記録手段の受光面に入射させる参照光入射手段と、を備え、
前記参照光入射手段は、前記受光面の各画素に入射する参照光の前記各画素の中心における位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となり、かつ、画素ピッチの整数倍で周期的に変化するように、当該参照光の伝播方向を前記受光面の法線方向から傾け、
前記画像記録手段は、前記参照光入射手段により入射される参照光と前記照射手段による照明光の照射により発生する物体からの物体光とが前記受光面に形成する干渉パターンを物体の画像情報として電子的に記録することを特徴とする画像記録装置。
In an image recording apparatus that electronically records an image of an object by a phase shift digital holography method,
Coherent light generating means for generating coherent light;
A beam splitter that divides the coherent light generated by the coherent light generation means into reference light and illumination light, and
Irradiating means for irradiating an object with illumination light emitted by the beam splitter;
An image recording unit having a light receiving surface formed by two-dimensionally arranging photosensor portions constituting pixels and recording information of light incident on the light receiving surface;
A reference light incident means for making the reference light emitted by the beam splitter incident on a light receiving surface of the image recording means,
The reference light incident means has a phase value at the center of each pixel of the reference light that is incident on each pixel on the light receiving surface, which is different from each other in adjacent pixels , and periodically at an integral multiple of the pixel pitch. In order to change, the propagation direction of the reference light is tilted from the normal direction of the light receiving surface,
The image recording means uses, as image information of an object, an interference pattern formed on the light receiving surface by the reference light incident by the reference light incident means and object light from the object generated by irradiation of illumination light by the irradiation means. An image recording apparatus for electronic recording.
前記参照光入射手段は、前記各画素に入射する参照光の前記各画素の中心における位相値が互いに隣り合う画素間においてπ/2またはπの位相差となるように、当該参照光を入射させることを特徴とする請求項1に記載の画像記録装置。
The reference light incident means causes the reference light to be incident so that the phase value of the reference light incident on each pixel has a phase difference of π / 2 or π between adjacent pixels. The image recording apparatus according to claim 1.
前記画像記録手段は、CCD画像センサを用いて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の画像記録装置。   The image recording apparatus according to claim 1, wherein the image recording unit is configured using a CCD image sensor. 前記画像記録手段は、CMOS画像センサを用いて構成されていることを特徴とする請求項1に記載の画像記録装置。   The image recording apparatus according to claim 1, wherein the image recording unit is configured using a CMOS image sensor. 前記コヒーレント光発生手段は、赤色、緑色、青色の3色のコヒーレント光を発生するように3つ備えられ、前記ビームスプリッタと、前記照射手段と、前記参照光入射手段とが、それぞれ前記各コヒーレント光発生手段に対応して備えられていることを特徴とする請求項1に記載の画像記録装置。   Three coherent light generating means are provided to generate three colors of red, green, and blue coherent light, and the beam splitter, the irradiating means, and the reference light incident means are respectively connected to the coherent light. The image recording apparatus according to claim 1, wherein the image recording apparatus is provided corresponding to the light generation means. 互いにコヒーレントな参照光と照明光とを生成する光束生成工程と、
画素を構成する光センサ部を2次元配列して成る受光面に、前記受光面の各画素に入射する光波の前記各画素の中心における位相値が隣り合う画素において互いに異なる値となり、かつ、画素ピッチの整数倍で周期的に変化するように伝播方向を前記受光面の法線方向から傾けて、前記参照光を入射させる参照光入射工程と、
前記参照光入射工程に並行して前記照明光を物体に照射する照射工程と、
前記参照光入射工程により受光面に入射した参照光と前記照射工程による照明光の照射によって発生する物体からの物体光とが前記受光面に形成する干渉パターンを物体の画像情報として電子的に記録する画像記録工程と、を備えることを特徴とする画像記録方法。
A light flux generating step for generating mutually coherent reference light and illumination light;
The phase value at the center of each pixel of the light wave incident on each pixel on the light receiving surface on the light receiving surface formed by two-dimensionally arranging the photosensor portions constituting the pixels is different from each other in adjacent pixels , and A reference light incident step in which the reference light is incident by tilting the propagation direction from the normal direction of the light receiving surface so as to periodically change at an integer multiple of the pixel pitch ;
An irradiation step of irradiating the object with the illumination light in parallel with the reference light incident step;
An interference pattern formed on the light receiving surface by the reference light incident on the light receiving surface in the reference light incident step and the object light from the object generated by the illumination light irradiation in the irradiation step is electronically recorded as image information of the object. An image recording method comprising: an image recording step.
前記画像記録工程によって記録した画像情報に基づいて物体光の複素振幅を求める振幅演算工程を備えることを特徴とする請求項6に記載の画像記録方法。   The image recording method according to claim 6, further comprising an amplitude calculation step of obtaining a complex amplitude of the object light based on the image information recorded by the image recording step.
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