JP5891566B2 - デジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法 - Google Patents

Description

はじめに、本明細書においては、偏光子アレイが装着された撮像素子の各画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む１枚のホログラムを、偏光子アレイホログラムと定義する。本発明は、この偏光子アレイホログラムから、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出した第１ホログラム及び第２ホログラムに基づいて、被写体の再生像を生成するデジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法に関する。

以後の文章中で位相の単位はラジアンで表す。加工技術の精密化や多様化に伴い、物体の３次元形状等の高度な計測や解析が求められ、様々な測定法が開発されている。該測定法のうち、光の干渉を利用した干渉計測技術、特にデジタルホログラフィは、非接触かつ非破壊で、物体の３次元情報を得ることができるため、近年、注目を集めている測定法の一つとなっている。

デジタルホログラフィは、３次元物体への光照射によって得られる干渉パターン（干渉縞）から、コンピュータを用いて３次元物体の像を再生する技術である。具体的には例えば、３次元物体への光照射によって得られる物体光と、該物体光に対して可干渉である参照光とが作る干渉パターンを、ＣＣＤ（charge coupled device）等の撮像素子を用いて記録する。記録された干渉パターンに基づいて、コンピュータで回折を計算し、３次元物体の像を再生する。

本発明者らは、光源から出射された光を、その進行方向に垂直な平面上において互いに位相が異なる２種類の参照光に分割する偏光子アレイをＣＣＤカメラの撮像面に貼り付ける等の装着する構成を備え、１回の撮影により、被写体の再生画像の画質を向上させたデジタルホログラフィ装置を提案している（特許文献１）。

また本発明者らは、物体光を互いに偏光方向が異なる２種類の物体光に分割し、それぞれの伝播方向に角度差を生じさせる偏光分割部と、第１偏光子領域および第２偏光子領域が複数配置され、参照光と、被写体を介して到達する物体光とを透過させる偏光子アレイ部とを設けることにより、１回の撮像でその瞬間の深い奥行き範囲の高精度３次元情報を得ることができるデジタルホログラフィ装置を提案している（特許文献２）。

国際公開第2009/066771号パンフレット（2009年5月28日公開） 国際公開第2010/092739号パンフレット（2010年8月19日公開） 日本国特許明細書特許第4294526号明細書

J.W.Goodman and R.W.Lawrence, Appl. Phys. Lett. 11, p.77(1967) I. Yamaguchi and T. Zhang, Opt. Lett. 22, p.1268(1997)

しかしながら、偏光子アレイをＣＣＤカメラの撮像面に実装する際に、偏光子アレイの区画の撮像面の画素に対する方向及び位置がずれるため組み立て誤差が生じる。この組み立て誤差に起因して、デジタルホログラフィ装置により取得されるホログラムに強度むらが生じる。また、この強度分布（強度むら）は経時変化によっても発生する。このため、物体光、参照光の強度が各透過軸で等しくないとき、デジタルホログラフィ装置による画像の再生処理時に、不要な０次回折光を完全に除去することができないという問題がある。

本発明の目的は、偏光子アレイとＣＣＤカメラの撮像面との組み立て誤差に起因して生じる不要な０次回折光を完全に除去することができるデジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成部と、前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割部と、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度の第１平均値と、前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを比較する比較部と、前記第１平均値と前記第２平均値とが異なるときに、０次回折光強度が正確に除去されるように、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度と前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度との少なくとも一方を補正する補正部とを備えたことを特徴とする。

この特徴により、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度の前記第１平均値と、前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の前記第２平均値とが異なるときに、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度と前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度との少なくとも一方を補正して、各ホログラムの各領域において０次回折光の強度比を１：１にすることができ、撮像素子面全体において、不要な像成分である０次回折光を正確に除去して強度むらを補正し、被写体を高精度に計測することができる。

本発明に係るデジタルホログラフィによる画像生成方法は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割ステップと、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度の第１平均値と、前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを比較する比較ステップと、前記第１平均値と前記第２平均値とが異なるときに、０次回折光強度が正確に除去されるように、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度と前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度との少なくとも一方を補正する補正ステップとを包含することを特徴とする。

本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成部と、前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割部と、前記第１ホログラムの前記第１領域と及び前記第２ホログラムの前記第２領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第１及び前記第２ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成部と、前記複数の再生像群から０次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択部とを備えたことを特徴とする。

この特徴により、０次回折光の重畳が最小の再生像補正値を求めることができるので、より正確に０次回折光強度を除去することができる。

本発明に係るデジタルホログラフィによる画像生成方法は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割ステップと、前記第１ホログラムの前記第１領域と及び前記第２ホログラムの前記第２領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第１及び前記第２ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成ステップと、前記複数の再生像群から０次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択ステップとを包含することを特徴とする。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、前記第１ホログラムの第１領域における強度の第１平均値と前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを比較する比較部と、０次回折光強度が正確に除去されるように、前記第１ホログラムの前記第１領域と前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域との少なくとも一方を補正する補正部とを設けたので、各ホログラムの各領域において０次回折光の強度比を１：１にすることができ、撮像素子面全体において、不要な像成分である０次回折光を正確に除去して強度むらを補正し、被写体を高精度に計測することができる。

実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置の構成を模式的に示す図である。 上記デジタルホログラフィ装置による並列位相シフトデジタルホログラフィの原理を説明するための図である。 （ａ）は上記デジタルホログラフィ装置に設けられた偏光子アレイの各セルにおける透過軸を示す図であり、（ｂ）は上記デジタルホログラフィ装置における参照光の位相分布を示す図である。 上記デジタルホログラフィ装置による像再生アルゴリズムを説明するための図である。 上記デジタルホログラフィ装置が撮像する被写体を示す写真である。 従来のデジタルホログラフィ装置による被写体の再生像を示す写真である。 （ａ）は、従来のデジタルホログラフィ装置の撮像素子で記録されたホログラムと像再生に用いる画素の範囲を示す図であり、（ｂ）は、（ａ）に示す各範囲における０次回折光を示す図である。 偏光子アレイと撮像素子との位置合わせ誤差を説明するための図である。 実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置によるホログラムの領域の強度の補正方法を説明するための図である。 実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の再生像を示す写真である。 実施の形態に係る他のデジタルホログラフィ装置の構成を模式的に示す図で ある。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は、実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置１の構成を模式的に示す図である。デジタルホログラフィ装置１は、並列２段階位相シフトデジタルホログラフィを実現するためのシステムである。図１は、撮像素子７の撮像面に偏光子アレイ６を装着する場合の光学系の一例を示している。図１に示すデジタルホログラフィ装置１を説明する。まず、光源１５から出射されるレーザは垂直偏光成分のみを有するものとする。光源１５から出射された光は、ビーム分割素子ＢＳ１によって物体光と参照光とに分けられる。

ビーム分割素子ＢＳ１を透過した物体光は、対物レンズ１６及びレンズ１７を透過し、ミラーＭ１により反射され、被写体１８に照射される。被写体１８からの散乱光は、偏光子１９を通り、垂直偏光となる。そして、散乱光は、ビーム結合素子ＢＳ２を通り、偏光子アレイ６を通過して撮像素子７の撮像面に到達する。

一方、ビーム分割素子ＢＳ１により反射された参照光は、ミラーＭ２により反射され、対物レンズ２０及びレンズ２１を通り、１／４波長板２２を通過するときに垂直偏光と水平偏光との成分を持った円偏光になる。このとき、参照光は位相シフトのない成分と−π／２位相シフトした成分とを持つ。そして、参照光は、ミラーＭ３により反射され、ビーム結合素子ＢＳ２により反射されて、偏光子アレイ６と一体に構成された撮像素子７へ到達する。

偏光子アレイ６を通過した物体光と参照光とは、撮像素子７の撮像面上で干渉する。偏光子アレイ６を通過した参照光の位相は、空間的に２種類の情報を持ち、市松模様に分布する。この参照光と物体光とが干渉することにより、２種類のホログラムの情報を１回で撮像することができる。

デジタルホログラフィ装置１は、再生像生成器１４を備えている。再生像生成器１４は、偏光子アレイホログラム８（図４）から、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成したホログラム９及びホログラム１０（図４）を生成するホログラム生成部２６と、ホログラム９を複数の領域１１（図９）に分割し、ホログラム１０を複数の領域１１の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の領域１２（図９）に分割する分割部３と、ホログラム９の領域１１における強度の第１平均値と、ホログラム１０の対応する領域１２における強度の第２平均値とを比較する比較部４と、第１平均値と第２平均値とが異なるときに、０次回折光強度が正確に除去されるように、第１平均値と第２平均値との少なくとも一方を補正する補正部５とを有している。

図２は、位相シフト干渉計測をシングルショットで実現できるデジタルホログラフィ装置１である並列位相シフトデジタルホログラフィの原理を説明するための図である。デジタルホログラフィ装置１は、単一の撮像素子７を用いて位相シフト法に必要な複数枚のホログラムの情報を１回の撮像で記録する。そして、像再生処理によって被写体の３次元像を再生する。図２は、２枚のホログラムを１回の撮像により取得する並列位相シフトディジタルホログラフィである並列２段階位相シフトデジタルホログラフィの原理を示している。

図３（ａ）はデジタルホログラフィ装置１に設けられた偏光子アレイ６の各セルにおける透過軸を示す図であり、図３（ｂ）はデジタルホログラフィ装置１における参照光の位相分布を示す図である。

図３（ａ）中の矢印は、図中の矢印方向の偏光のみが通過できることを示す。この偏光子アレイ６の１区間の大きさは撮像素子７の撮像面における１画素の大きさに対応しており、偏光子アレイ６は撮像素子７の撮像面上に装着される。偏光子アレイ６は、光源１５から出射された光を、その進行方向に垂直な平面上において互いに位相が異なる２種類の参照光に分割する。偏光子アレイ６の各セルにおける透過軸が図３（ａ）に示すように構成されているとき、撮像素子７の撮像面における各画素に記録される参照光の位相分布は、図３（ｂ）に示すように、位相ずれがゼロの領域と位相ずれが−π／２の領域とが交互に配置された分布となる。よって、偏光子アレイ６により、参照光の位相シフト量が異なる２種類のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラム８（図４）を１回の記録により得ることができる。

図４は、デジタルホログラフィ装置１による像再生アルゴリズムを説明するための図である。デジタルホログラフィ装置１の再生像生成器１４に設けられたホログラム生成部２６は、撮像素子７の撮像面に記録された１枚の偏光子アレイホログラム８から参照光の位相シフト量が同じ干渉縞の情報を表すホログラム２３、ホログラム２４をそれぞれ抽出する。次に、ホログラム２３、ホログラム２４のそれぞれの欠落画素Ｉ５に対して、隣接する画素Ｉ１・Ｉ２・Ｉ３・Ｉ４を用いてそれぞれ補間処理を施して２枚のホログラム９及び１０を得る。そして、得られたホログラム９及び１０を用いて２段階位相シフト法により計算処理を行う。その後、計算によって得られた被写体１８の複素振幅に対して回折計算を行うことにより、再生像を得る。

図５は、デジタルホログラフィ装置が撮像する被写体を示す写真である。図１に示す光学システムを用いて実験を行った。実験に用いた被写体を図５に示す。被写体は車のミニチュア模型である。光源１５には、波長５３２ｎｍの固体レーザを用い、撮像素子７には、画素数１１６４（Ｈ）×８７４（Ｖ）の偏光子アレイ付きＣＣＤカメラを用いた。

この実験によって得られた再生像を図６に示す。この再生像では、不必要な像成分である０次回折光が所望の車のミニチュア模型の像に重畳してしまった。

図７（ａ）は、従来のデジタルホログラフィ装置の撮像素子で記録されたホログラムと像再生に用いる画素の範囲を示す図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）に示す各範囲における０次回折光を示す図である。

像再生に用いるホログラムの範囲と０次回折光との関係を説明する。デジタルホログラフィでは、電子的に記録したホログラムの一部を用いて、像再生処理を行うことが可能である。図７（ａ）は、撮像素子により記録された１１６４×８７４画素の電子的なホログラムと像再生に用いる画素の範囲とを示す。図７（ｂ）は、左から、図７（ａ）中の符号Ａ、Ｂ、Ｃにより示されている範囲を、５１２×５１２画素を用いて像再生した結果を示している。四角で囲まれた領域Ａ１、領域Ｂ１、領域Ｃ１とそれぞれの拡大図には、０次回折光が表されている。

いずれの再生像にも０次回折光が重畳しているが、拡大図を観察すると、０次回折光が一部除去されている。また、像再生に用いる画素の範囲を変えると、除去及び重畳の様子が変わっていることが伺える。以上より、像再生に用いるホログラムの範囲を変えると、０次回折光の現れ方が変わることが明らかとなった。

従来の並列位相シフトデジタルホログラフィでは、被写体の像のみの抽出と瞬時計測との両方を実現可能である。しかしながら、図６及び図７に示すように、０次回折光を完全には除去することができておらず画質が劣化している。また、像再生に用いるホログラムの範囲を変えると、０次回折光の現れ方が変化した。この原因を次に説明する。

まず、位相シフト法では、得られた複数のホログラムにおいて０次回折光の強度が一定でなければ、不要な像成分を完全には除去できない。そこで、並列位相シフトデジタルホログラフィでは、０次回折光の強度が一定になるように、光学システムの調整を行う。

しかしながら、撮像素子の全面において０次回折光の強度を一定にすることは困難である。撮像素子のある部分で０次回折光の強度を一定にすることができても、他の部分では強度むらが発生する。

その結果、従来の像再生処理では、０次回折光を完全には除去できず、０次回折光が残留する。図７（ｂ）は、撮像素子の撮像面の一部分でのみ０次回折光の強度を一定にすることができ、他の部分では、強度のばらつきが起こっていたことを表している。

図８は、偏光子アレイと撮像素子とを装着する際の位置合わせ誤差を説明するための図である。０次回折光の強度を一定にすることが困難である原因の一つに、微小な光学素子のアレイの各セルと、撮像素子の各画素との位置合わせ誤差が挙げられる。

即ち、微小な光学素子の偏光子アレイ６の各セルを撮像素子７の各画素に装着させる際、位置合わせ誤差に起因して強度むらが発生する。つまり、物体光、参照光の強度が各透過軸で等しくないとき、像再生処理時に不要な像成分を完全に除去することができなくなる。この問題は、デジタルホログラフィ装置の構成上、並びに製造技術上不可避の問題である。

このような強度むらの問題を解決する１つの方法として、偏光子アレイ６の各セルと撮像素子７の各画素との装着をより正確に行うことが挙げられる。しかしながら、各セルと各画素とのサイズは近年ではミクロンオーダーであり、非常に高精度な位置合わせが求められている。近年の製造技術の向上により偏光子アレイ６の位置合わせが実現されているが、光学素子の偏光子アレイ６の各セルと撮像素子７の各画素との完全な１対１対応の位置合わせは困難を極める。

そこで、本願発明者らは、強度むらの問題を画像処理によって解決するために、０次回折光除去アルゴリズムを発明した。本アルゴリズムは、偏光子アレイ６と撮像素子７との位置合わせ誤差、光学システムの調整誤差、撮像素子の画素ごとの受光感度の違い、暗電流、その他の偶発的な画素値変化等、強度むらが起こる原因に対して有効である。

図９は、デジタルホログラフィ装置１によるホログラムの領域の強度を補正する方法を説明するための図である。

複数種類のホログラムにおける０次回折光強度がばらつくために、０次回折光を正確に計算することができず除去できなかったことから、強度むらを補正することによって０次回折光強度のばらつきを補正する。また、ホログラムの領域ごとに強度むら補正値を変えることによって、撮像素子７の撮像面全体における０次回折光の強度を一定にする。

まず、図９に示すように、再生像生成器１４の分割部３は、ホログラム９を６行×６列の３６の領域１１に分割し、ホログラム１０を、ホログラム９の分割パターンと同じ６行×６列の３６の領域１２に分割する。分割部３は、さらに、参照光２５を、６行×６列の３６の領域１３に分割する。

なお、図９に示す分割の態様は例示であり、本発明はこれに限定されない。分割数はこれよりも多くても良く、少なくても良い。４行×４行の１６の領域に分割しても良いし、８行×８列の６４の領域に分割してもよい。また、マトリックス状に分割しなくてもよい。例えば、行列状に分割しなくても、強度むらの出方が不規則な範囲で現れるようであれば、強度むらが出るところだけ本実施の形態に係るアルゴリズムを適用するなど、様々に不規則な範囲の取り方でも本発明を適用することが可能である。

このように、補間処理後に得られた２枚のホログラム９・１０と参照光２５とに対し、それぞれ複数の領域に分割して、各領域に対して補正を行う。

そして、再生像生成器１４の比較部４は、ホログラム９の領域１１における強度の第１平均値と、ホログラム１０の対応する領域１２における強度の第２平均値とを比較する。つまり、比較部４は、補間処理後の２枚のホログラム９・１０の対応する領域１１・１２における平均値を計算して比較する。

次に、補正部５は、ホログラム９の領域１１における強度の第１平均値が、ホログラム１０の対応する領域１２における強度の第２平均値よりも大きいときに、第１平均値と第２平均値とが等しくなるように、前記第１平均値を補正する。即ち、比較した結果平均値の大きい方に補正値Ａを与える。計算方法は以下に示すとおりである。

であり、補正値Ａは、今回０．９０〜０．９９程度であった。

なお、本実施の形態では、ホログラム９の領域１１における強度の第１平均値が、ホログラム１０の対応する領域１２における強度の第２平均値よりも大きいときに、第１平均値と第２平均値とが等しくなるように、ホログラム９の領域１１の強度を補正する例を示したが、本発明はこれに限定されない。第１平均値と第２平均値とが等しくなるように、ホログラム１０の領域１１に対応する領域１２を補正してもよいし、第１平均値と第２平均値とが等しくなるように、ホログラム９の領域１１とホログラム１０の領域１１に対応する領域１２との双方を補正してもよい。

また、第１平均値と第２平均値とが等しくなるように補正する例を示したが、本発明はこれに限定されない。０次回折光強度が正確に除去されるように、ホログラム９の領域１１における強度とホログラム１０の領域１１に対応する領域１２における強度との少なくとも一方を補正すればよい。このように、第１平均値と第２平均値とが正確に等しくならなくても、０次回折光強度が正確に除去されるように補正すれば、本発明の効果を奏する。

参照光強度には、補正値Ｂを与える。計算方法は以下に示すとおりである。

ここで、
Ｉ_ｒ＿ｉｊ：参照光２５の領域１３における強度の平均値、
Ｉ_{ｒ＿ｉｊ＿ｈｏｓｅｉ}：参照光２５の領域１３における補正後の強度、
であり、補正値Ｂは、今回０．９０〜０．９９程度であった。このようにして、０次回折光が除去されるように、それぞれの領域ごとに強度を調整する。補正値Ｂは、例えば、予め計測しておいた参照光の強度を基準にして計算することができる。

本実施の形態に係る０次回折光除去アルゴリズムに基づいて生成した再生像では、図１０に示すように、０次回折光が除去され、鮮明な像が再生された。

図１１は、実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置２７の構成を模式的に示す図である。前述した構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。デジタルホログラフィ装置２７は、再生像生成器１４を備えている。再生像生成器１４には、ホログラム生成部２６と分割部３と再生像群生成部２８と選択部２９とが設けられている。

本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置２７では、第１平均値と第２平均値とを比較せず、ホログラム９の領域１１とホログラム１０の領域１１に対応する領域１２との少なくとも一方に補正または双方補正せず、位相シフト法の計算を行い回折積分により再生像を得てもよい。

即ち、領域１１と領域１２との少なくとも一方に対する補正値を変えながら、像を再生することにより再生像群を取得する。そして、当該再生像群において０次回折光の重畳を比較することにより、０次回折光の重畳が最も少なくなるときの領域１１と、領域１１に対応する領域１２との少なくとも一方における最適な補正値を求める。同様に、各領域において最適な補正値を求めることで、強度むらを補正し、０次回折光を正確に除去しても良い。

この方法は、図９に示した平均値を比較する方法よりも手間を増やすことで、より正確に０次回折光強度を除去する方法である。手順として以下に示す流れとなる。
（１）まず、 ある領域（例えば、１行１列目の領域）で補正値を変えながら像再生までの手順を繰り返し実行する。
（２）そして、 得られた複数の再生像を比較し、０次回折光の重畳が最も少ないときの再生像を選択し、選択した再生像に対応する補正値を採用する。
（３）上記１及び２に示す手順を各領域に対して同様に行なうことで、全領域において、それぞれ０次回折光の重畳が最も少ないときの再生像に対応する補正値を採用し、それぞれ、より正確に０次回折光強度を除去する。

上記（２）に示すところの０次回折光の重畳が少ないという判定は、再生像において０次回折光強度が重畳するときに現れる画素(図７参照)の値が小さいということから判定することができる。実施の形態で前述した方法よりも、実行に時間がかかるが、より正確に０次回折光強度を除去することができる。

ホログラム生成部２６は、偏光子アレイ６が装着された撮像素子７の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラム８から、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成したホログラム９及びホログラム１０を生成する。

分割部３は、ホログラム９を複数の領域１１に分割し、ホログラム１０を複数の領域１１の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の領域１２に分割する。

再生像群生成部２８は、ホログラム９の領域１１と及びホログラム１０の領域１２との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、ホログラム９・１０に基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する。

選択部２９は、複数の再生像群から０次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、選択した再生像の補正値を求める。

なお、本実施の形態では、２種類のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムの例を説明したが、本発明はこれに限定されない。３種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムに対しても、本発明を適用することができる。例えば、４種類のホログラム情報を含むホログラムに対しても本発明を適用することができる。

以上のように、本発明者らは、位相シフトデジタルホログラフィにおける強度補正アルゴリズムを提案し、実験により有効性を確認した。本強度補正アルゴリズムは、位相シフトデジタルホログラフィにおける位相シフトの段数にかかわらず適用可能である。本強度補正アルゴリズムによって、並列位相シフトデジタルホログラフィにおける高画質イメージングが可能となる。

このように、本強度補正アルゴリズムは、並列位相シフトデジタルホログラフィの微小偏光子アレイを用いる形態において、不要な像成分を正確に除去して高精度３次元計測を達成するものである。微小偏光子アレイを用いる形態では、微小偏光子アレイの区画が撮像素子の画素に装着された撮像素子を用いるが、装着の際の位置ずれによって強度むらが発生する。また、他の形態でも、光学系の調整精度及び撮像素子の暗電流等によって強度むらが発生する。強度むらが発生すると、不要な像成分である０次回折光の除去計算が正確に行えないために、画質が劣化する。本発明者らは、ホログラムの各部分によって異なる量の強度むらが発生することを発見し、そのことに着目した。そして、０次回折光の除去を正確に行って高精度計測を行うための、強度むらを補正するアルゴリズムを発明した。本強度補正アルゴリズムは、補間処理後のホログラムと参照光強度に対して強度補正を行うものである。

本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記補正部は、前記第１平均値が前記第２平均値よりも大きいときに、０次回折光強度が正確に除去されるように、粗面物体あるいは強散乱物体においては前記第１ホログラムの前記第１領域における強度を補正することが好ましく、弱散乱物体あるいは透過物体においては前記第１ホログラムの前記第１領域か前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する前記第２領域における強度を補正することが好ましい。

上記構成により、前記第１平均値が前記第２平均値よりも大きいときに、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度を減少させるように補正するという簡単な構成により、各ホログラムの各領域において０次回折光の強度比を１：１にすることができる。

本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記分割部は、前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより参照光を複数の参照光領域に分割し、前記補正部は、前記第１平均値が前記第２平均値よりも大きいときに、前記第１領域に対応する参照光領域を補正することが好ましい。また、前記第１領域と前記第２領域のいずれも補正しても良い。

上記構成により、参照光に対しても、０次回折光を正確に除去して強度むらを補正することができる。

本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記分割部により前記第１ホログラムで分割された複数の第１領域は、マトリックス状に配置されていることが好ましい。

上記構成により、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度の第１平均値と、前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを、簡単な構成により比較することができる。

本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記分割部により前記第１ホログラムで分割された複数の第１領域は、ホログラムの画素数５１２×５１２ピクセルに対して６行×６列に配置されていることが好ましい。

上記構成により、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度の第１平均値と、前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを、比較的少ない計算量で比較することができる。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、偏光子アレイホログラムから、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出した第１ホログラム及び第２ホログラムに基づいて、被写体の再生像を生成するデジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィに適用することができる。

１ デジタルホログラフィ装置
３ 分割部
４ 比較部
５ 補正部
６ 偏光子アレイ
７ 撮像素子
８ 偏光子アレイホログラム
９、１０ ホログラム
１１ 領域
１２ 領域
１３ 領域
１４ 再生像生成器
１５ 光源
１６ 対物レンズ
１７ レンズ
１８ 被写体
１９ 偏光子
２０ 対物レンズ
２１ レンズ
２２ １／４波長板
２３、２４ ホログラム
２３、２４ ホログラム
２７ デジタルホログラフィ装置
２８ 再生像群生成部
２９ 選択部
ＢＳ１ ビーム分割素子
ＢＳ２ ビーム結合素子
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３ ミラー

Claims (8)

1. 偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成部と、
   前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割部と、
   前記第１ホログラムの前記第１領域における強度の第１平均値と、前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを比較する比較部と、
   前記第１平均値と前記第２平均値とが異なるときに、０次回折光強度が正確に除去されるように、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度と前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度との少なくとも一方を補正する補正部とを備えたことを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
2. 前記補正部は、前記第１平均値が前記第２平均値よりも大きいときに、０次回折光強度が正確に除去されるように、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度を補正する請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
3. 前記分割部は、前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより参照光を複数の参照光領域に分割し、
   前記補正部は、前記第１平均値が前記第２平均値よりも大きいときに、前記第１領域と前記第１領域に対応する前記第２領域との少なくとも一方の参照光領域における強度を補正する請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
4. 前記分割部により前記第１ホログラムで分割された複数の第１領域は、マトリックス状に配置されている請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
5. 前記分割部により前記第１ホログラムで分割された複数の第１領域は、ホログラムの画素数５１２×５１２ピクセルに対して６行×６列に配置されている請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
6. 偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、
   前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割ステップと、
   前記第１ホログラムの前記第１領域における強度の第１平均値と、前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを比較する比較ステップと、
   前記第１平均値と前記第２平均値とが異なるときに、０次回折光強度が正確に除去されるように、前記第１ホログラムの前記第１領域における強度と前記第２ホログラムの前記第１領域に対応する第２領域における強度との少なくとも一方を補正する補正ステップとを包含することを特徴とするデジタルホログラフィによる画像生成方法。
7. 偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成部と、
   前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割部と、
   前記第１ホログラムの前記第１領域と及び前記第２ホログラムの前記第２領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第１及び前記第２ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成部と、
   前記複数の再生像群から０次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択部とを備えたことを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
8. 偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる２種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第１ホログラム及び第２ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、
   前記第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、前記第２ホログラムを前記複数の第１領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第２領域に分割する分割ステップと、
   前記第１ホログラムの前記第１領域と及び前記第２ホログラムの前記第２領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第１及び前記第２ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成ステップと、
   前記複数の再生像群から０次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択ステップとを包含することを特徴とするデジタルホログラフィによる画像生成方法。