JP6040469B2 - デジタルホログラフィ装置 - Google Patents
デジタルホログラフィ装置 Download PDFInfo
- Publication number
- JP6040469B2 JP6040469B2 JP2012122460A JP2012122460A JP6040469B2 JP 6040469 B2 JP6040469 B2 JP 6040469B2 JP 2012122460 A JP2012122460 A JP 2012122460A JP 2012122460 A JP2012122460 A JP 2012122460A JP 6040469 B2 JP6040469 B2 JP 6040469B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- hologram
- reference light
- phase shift
- spatial
- image
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 238000001093 holography Methods 0.000 title claims description 123
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 claims description 175
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 120
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 112
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 79
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 49
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 36
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 29
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 28
- 239000000284 extract Substances 0.000 claims description 20
- 230000010354 integration Effects 0.000 claims description 16
- 230000001131 transforming effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 45
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 32
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 23
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 20
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 17
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 15
- 238000012733 comparative method Methods 0.000 description 12
- 230000006870 function Effects 0.000 description 9
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 7
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 5
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 5
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 5
- 241000272525 Anas platyrhynchos Species 0.000 description 4
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 4
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 4
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 4
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000000593 degrading effect Effects 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000002542 deteriorative effect Effects 0.000 description 1
- 238000004141 dimensional analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000003672 processing method Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Holo Graphy (AREA)
Description
本発明は、被写体の参照光の位相シフト量が異なる複数のホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、参照光の強度分布と第１ホログラムと第２ホログラムとに基づく複素振幅をフーリエ変換し、フーリエ変換された複素振幅を逆フーリエ変換し、回折積分して被写体の３次元像を再生するデジタルホログラフィ装置に関する。
本明細書において、位相の単位はラジアンで表すこととする。
（デジタルホログラフィの背景）
医療進歩を実現する有力な手段の一つである顕微鏡での細胞観察、及び、各種精密機器・加工機などの高精度化・高精密化・多様化に伴う物体の３次元形状・歪等の高度な計測や解析と、各種燃料を使用する燃焼装置の高効率化を実現するための燃焼室の観測と、地震や津波などの自然災害を考慮した各種建築物の耐負荷特性など物体の３次元変位・応力計測や解析等は、ますますその重要性を増し、様々な測定・解析法が開発されている。
医療進歩を実現する有力な手段の一つである顕微鏡での細胞観察、及び、各種精密機器・加工機などの高精度化・高精密化・多様化に伴う物体の３次元形状・歪等の高度な計測や解析と、各種燃料を使用する燃焼装置の高効率化を実現するための燃焼室の観測と、地震や津波などの自然災害を考慮した各種建築物の耐負荷特性など物体の３次元変位・応力計測や解析等は、ますますその重要性を増し、様々な測定・解析法が開発されている。
上記測定法のうち、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次元変位や応力などの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の原理）
図１２は、非特許文献１に開示された従来のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。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、図１２に示すように、３次元物体（被写体）への光照射によって得られる物体光と、上記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し、この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積分し、３次元物体の像を再生する（非特許文献１）。
図１２は、非特許文献１に開示された従来のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。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、図１２に示すように、３次元物体（被写体）への光照射によって得られる物体光と、上記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し、この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積分し、３次元物体の像を再生する（非特許文献１）。
（逐次位相シフトデジタルホログラフィ）
図１３は、従来の他のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置では、干渉パターンを記録する撮像素子は画素密度が低く(画素間隔が長く)、また、参照光のＣＣＤカメラの撮像面に対して入射角が垂直から斜めになればなるほど干渉パターンの明暗の干渉パターンの間隔が狭くなるので、干渉パターンを正確に撮像するために、干渉パターンの明暗の間隔ができるだけ広くなるようにＣＣＤカメラの撮像面に対して参照光をほぼ垂直に入射させる。すなわち、ＣＣＤカメラの撮像面には、参照光と物体光とがほぼ同じ方向から入射する。
図１３は、従来の他のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置では、干渉パターンを記録する撮像素子は画素密度が低く(画素間隔が長く)、また、参照光のＣＣＤカメラの撮像面に対して入射角が垂直から斜めになればなるほど干渉パターンの明暗の干渉パターンの間隔が狭くなるので、干渉パターンを正確に撮像するために、干渉パターンの明暗の間隔ができるだけ広くなるようにＣＣＤカメラの撮像面に対して参照光をほぼ垂直に入射させる。すなわち、ＣＣＤカメラの撮像面には、参照光と物体光とがほぼ同じ方向から入射する。
そのため、干渉パターンをフレネル変換して得られる再生像は、０次回折像および±１次回折像が重なったものとなり、被写体の鮮明な再生像を得る、つまり＋１次回折像のみあるいは−１次項のみを得ることが困難となっている。
そこで、０次回折像および±１次回折像を分離し、高精度な再生像を得るために、図１３に示すように、参照光の位相を複数段階にシフトさせ、それぞれの位相の参照光から得られた複数の干渉パターンから所望の再生像を得る位相シフト法（「逐次位相シフトデジタルホログラフィ」と呼ぶ）という技術が提案された（非特許文献２）。
しかし、この逐次位相シフトデジタルホログラフィでは、上記複数位相の参照光に対する干渉パターンを複数回に分けて逐次に撮像した後に計算処理しなければならない。このため、少しでも動きを伴う物体の観測を行うことは極めて困難で、ましてや動体観測を瞬時にリアルタイムで行うことはできないという問題を有していた。
（従来法１）
図１４は、従来のさらに他のデジタルホログラフィ装置の機能を示す模式図である。図１４のデジタルホログラフィ装置は物体光と参照光の干渉像を撮像するのは同様であるが、上記図１３に示した逐次位相シフトデジタルホログラフィに対し、図１４に示すように、本発明者らにより、物体光と複数位相の参照光に対するホログラムの情報（干渉パターンＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４）を同図中に示すように例えばモザイク状に１回の撮像で取得し、リアルタイムで、しかも不要な像成分を除去した鮮明な被写体の３次元情報を得るための並列位相シフトデジタルホログラフィ（従来法１）が考案された（非特許文献３）。ここで、３次元情報は、被写体の３次元の形状、位置または分布の情報を含む。
図１４は、従来のさらに他のデジタルホログラフィ装置の機能を示す模式図である。図１４のデジタルホログラフィ装置は物体光と参照光の干渉像を撮像するのは同様であるが、上記図１３に示した逐次位相シフトデジタルホログラフィに対し、図１４に示すように、本発明者らにより、物体光と複数位相の参照光に対するホログラムの情報（干渉パターンＩ１、Ｉ２、Ｉ３、Ｉ４）を同図中に示すように例えばモザイク状に１回の撮像で取得し、リアルタイムで、しかも不要な像成分を除去した鮮明な被写体の３次元情報を得るための並列位相シフトデジタルホログラフィ（従来法１）が考案された（非特許文献３）。ここで、３次元情報は、被写体の３次元の形状、位置または分布の情報を含む。
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複数種類の参照光に分割する位相シフトアレイ素子を有し、上記複数種類の参照光と物体光との複数種類の干渉パターンを、ＣＣＤカメラなどの撮像面にモザイク状に１回で結像させ、記録したホログラムから同位相の参照光に対する複数種類の干渉パターンを抽出して、それぞれの干渉パターンの情報が抜けた箇所を補間処理により充填して、各位相の参照光に対する干渉パターンを完成させ、完成させた干渉パターンから位相シフト法で物体光の複素振幅分布を求めることにより、リアルタイムで、しかも不要な像成分を除去した鮮明な被写体の再生画像を得られるデジタルホログラフィ装置を提案している（特許文献１）。
図１５は、従来法１に係る像再生アルゴリズムを示す模式図である。また、本発明者らは、上記のデジタルホログラフィ装置において撮像される４種類の干渉パターンの一つは原理上、４分の１の画素に対する情報しかないので、若干、再生画像の鮮明さに欠点があることを解決するために、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位相シフトアレイ素子を有し、上記２種類の参照光と物体光の２種類の干渉パターンのみと、計測前に取得した参照光の強度分布とにより、被写体の再生画像の画質を更に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２）。
本明細書においては、このように参照光の位相シフト量を変えた複数のホログラム情報を１回の撮像で取得し、補間によって各ホログラムを完成することにより、リアルタイムで動体の３次元像を再生する技術を「従来法１」という。
しかし、この従来法１では、（１）０次回折光の残存、（２）残留共役像の残存がかなり少なくなったが十分ではなく、また、（３）補間処理に伴う計測範囲(視野)の狭窄という問題があり、これらの３点により再生画像の劣化が依然として問題として残存した。これら（１）（２）（３）の問題を解決するために（４）処理時間を考慮しながら研究を進めた。
（従来法２）
図１６は、従来法２に係る像再生アルゴリズムを示す模式図である。本明細書においては、前述した（３）補間処理に伴う計測範囲(視野)の狭窄を小さくすることと、（４）処理時間をできるだけ短くするという課題の解決に対応して、複数位相のモザイク状のホログラムから、情報の欠落している画素の補間処理なしで位相シフト法にて計算することによって１種類の複素振幅分布を得る技術を「従来法２」という。
図１６は、従来法２に係る像再生アルゴリズムを示す模式図である。本明細書においては、前述した（３）補間処理に伴う計測範囲(視野)の狭窄を小さくすることと、（４）処理時間をできるだけ短くするという課題の解決に対応して、複数位相のモザイク状のホログラムから、情報の欠落している画素の補間処理なしで位相シフト法にて計算することによって１種類の複素振幅分布を得る技術を「従来法２」という。
本発明者らは、補間処理を施さなくとも、位相シフト量の異なる近傍画素を用いた位相シフト法計算処理により１枚の複素振幅分布を得ることができることに着目し、補間処理なしで近接する２画素で位相シフト法計算を行い、１種類の物体光の複素振幅分布を求めた（例えば図１６において左図の破線部内の２画素で右図の破線部の画素の複素振幅を求めた）。これにより、従来法１の方法で起こる補間誤差がないため補間処理に伴う計測範囲(視野)の狭窄の問題を緩和することができるリアルタイムで被写体の再生画像を得られるデジタルホログラフィ装置を本発明者らは提案した（非特許文献４）。
J.W.Goodman and R.W.Lawrence, Appl. Phys. Lett., 11(1967) 77.
I.Yamaguchi and T.Zhang, Opt. Lett. 22(1997)1269.
Y.Awatsuji, et al, Appl. Phys. Lett. 85 (2004) 1069.
Y.Awatsuji, et al, Applied Optics Vol.45,Issue 5,pp.968-974 (2006)
前述した従来法１の構成では、（１）０次回折光の残存、（２）残留共役像の残存、（３）補間処理に伴う計測範囲(視野)の狭窄という課題が生じる。
そして、前述した従来法２の構成でも、物体光が撮像素子面に対して垂直入射からずれていると、隣接画素で物体光が位相シフトすることにより、０次回折光および共役像の除去は非常に困難であることという問題と、近傍画素を利用する方向に沿う方向（例えば横方向の近傍画素を利用すれば横方向）で視野狭窄が起こり、大きな被写体の場合では特に面内方向の縦横両方の縁の部分に対応する干渉縞が細かくなる箇所の誤差を低減し、視野範囲を広くして計測範囲を広げる効果は小さいという問題とが生じる。
本願発明の目的は、上記の問題点を解決して、被写体の３次元像を高精度に再生することができるデジタルホログラフィ装置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、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する参照光減算手段と、前記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記参照光の強度分布と前記第１ホログラムと前記第２ホログラムとに基づき複素振幅を求める演算手段と、前記複素振幅をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する再生手段とを備えたことを特徴とする。
この特徴により、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布が減算される。このため、参照光の強度むらが並列位相シフトホログラムから除去される。従って、被写体の３次元像の画質の劣化を防止することができる。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、前記並列位相シフトホログラム及び前記参照光の強度分布はメモリに記録されており、前記参照光減算手段は、前記メモリに記録された並列位相シフトホログラムから前記メモリに記録された参照光の強度分布を減算することが好ましい。
上記構成により、予め記録された参照光の強度分布を利用することができ、計測のたびに参照光の強度分布を計測する必要がなくなり、簡単な構成で被写体の３次元像を再生することができる。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる空間フィルタリング手段をさらに備え、前記再生手段は、空間フィルタリング手段を透過した空間スペクトルを逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生することが好ましい。
上記構成により、空間フィルタリング手段は、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる。このため、被写体の３次元像における残留共役像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装置は、前記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは１以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成するＮ種類複素振幅生成手段をさらに備え、前記フーリエ変換手段は、前記Ｎ種類複素振幅生成手段により生成された前記Ｎ種類の複素振幅をフーリエ変換し、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する空間スペクトル分布生成手段をさらに備え、前記再生手段は、前記空間スペクトル分布生成手段により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生することが好ましい。
上記構成により、Ｎ種類複素振幅生成手段は、記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは１以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成する。そして、空間スペクトル分布生成手段は、フーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する。このため、被写体の３次元像の再生精度を高めることができる。
本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置は、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記参照光の強度分布と前記第１ホログラムと前記第２ホログラムとに基づき複素振幅を求める演算手段と、前記複素振幅をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる空間フィルタリング手段と、前記空間フィルタリング手段を透過した複素振幅を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する再生手段とを備えたことを特徴とする。
この特徴により、空間フィルタリング手段が、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる。このため、被写体の３次元像における残留共役像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装置は、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する参照光減算手段をさらに備えることが好ましい。
上記構成により、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算される。このため、参照光の強度むらが並列位相シフトホログラムから除去される。従って、被写体の３次元像の画質の劣化を防止することができる。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、前記並列位相シフトホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは１以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成するＮ種類複素振幅生成手段をさらに備え、前記フーリエ変換手段は、前記Ｎ種類複素振幅生成手段により生成された前記Ｎ種類の複素振幅をフーリエ変換し、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する空間スペクトル分布生成手段をさらに備え、前記再生手段は、前記空間スペクトル分布生成手段により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生することが好ましい。
上記構成により、Ｎ種類複素振幅生成手段は、記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは１以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成する。そして、空間スペクトル分布生成手段は、フーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する。このため、被写体の３次元像の再生精度を高めることができる。
本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置は、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは２以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成するＮ種類複素振幅生成手段と、前記Ｎ種類複素振幅生成手段により生成された前記Ｎ種類の複素振幅をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する空間スペクトル分布生成手段と、前記空間スペクトル分布生成手段により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する再生手段とを備えたことを特徴とする。
この特徴により、Ｎ種類複素振幅生成手段は、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは２以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成し、空間スペクトル分布生成手段は、フーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する。このため、被写体の３次元像の再生精度を高めることができる。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記空間スペクトル分布生成手段は、前記Ｎ種類の方向のうち、前記複素振幅の中心をとおって前記方向に垂直な直線に対する距離が最小の方向に対応する複素振幅の空間スペクトル成分を抽出することが好ましい。
上記構成により、任意の空間スペクトル分布に対し誤差の小さいスペクトル成分計算結果を重み付けあるいは選択することができる。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する参照光減算手段をさらに備え、前記Ｎ種類複素振幅生成手段は、前記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは２以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成することが好ましい。
上記構成により、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布が減算される。このため、参照光の強度むらが並列位相シフトホログラムから除去される。従って、被写体の３次元像の画質の劣化を防止することができる。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる空間フィルタリング手段をさらに備え、前記空間スペクトル分布生成手段は、前記空間フィルタリング手段を透過したＮ種類の複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルから誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成することが好ましい。
上記構成により、空間フィルタリング手段は、前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる。このため、被写体の３次元像における残留共役像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装置は、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する。このため、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布が減算される。この結果、参照光の強度むらが並列位相シフトホログラムから除去される。従って、被写体の３次元像の画質の劣化を防止して、被写体の３次元像を高精度に再生することができる。
また、本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる空間フィルタリング手段を備えており、空間フィルタリング手段を透過した空間スペクトルを逆フーリエ変換し、回折積分して被写体の３次元像を再生する。つまり、空間フィルタリング手段が、フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる。このため、被写体の３次元像における残留共役像を除去することができる。
さらに、本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、Ｎ種類複素振幅生成手段により、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは２以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成し、空間スペクトル分布生成手段は、フーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する。このため、被写体の３次元像の再生精度を高めることができる。
（本願発明の前提）
本発明者らは、本願発明の前提として、前述した課題を解決する構成を特許文献３、特許文献４により提案している。これらの特許文献３、特許文献４は、本願の出願時点で未公開である。
本発明者らは、本願発明の前提として、前述した課題を解決する構成を特許文献３、特許文献４により提案している。これらの特許文献３、特許文献４は、本願の出願時点で未公開である。
そこで、本願発明の実施の形態を説明する前に、本願発明の前提として、特許文献３、特許文献４で提案した構成をそれぞれ比較法１、比較法２として説明する。
（比較法１）
図１７は、比較法１に係る像再生アルゴリズムを示す模式図である。比較法１は、前述した（３）補間処理に伴う計測範囲(視野)の狭窄という課題の解決に対応するものであり、複数種類の補間処理により１枚のホログラムから複数のホログラムと複数の複素振幅分布を生成し、空間周波数分布面でどの複素振幅分布を選択、抽出するかを決める。
図１７は、比較法１に係る像再生アルゴリズムを示す模式図である。比較法１は、前述した（３）補間処理に伴う計測範囲(視野)の狭窄という課題の解決に対応するものであり、複数種類の補間処理により１枚のホログラムから複数のホログラムと複数の複素振幅分布を生成し、空間周波数分布面でどの複素振幅分布を選択、抽出するかを決める。
特許文献３に記載したデジタルホログラフィ装置は、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Ｎ種類（Ｎは２以上の整数）のホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムを生成し、例えば、Ｎ＝２の場合、並列位相シフトホログラムから抽出した、参照光の位相シフト量が同じである第１ホログラム及び位相シフト量が同じである第２ホログラムに、主補間を施して複数の主補間領域を有する主補間複素振幅を生成し、加えて、第１及び第２ホログラムに副補間を施して複数の副補間領域を有する副補間複素振幅を生成し、主補間複素振幅の主補間領域と副補間複素振幅の副補間領域とを抽出して空間周波数分布を生成し、空間周波数分布に基づいて被写体の３次元像を再生するものである。ここで、主補間は、縦方向に隣接する画素及び横方向に隣接する画素に基づく４方向補間であり、前記副補間は、横方向に隣接する画素に基づく２方向横補間と、縦方向に隣接する画素に基づく２方向縦補間である。そして、主補間複素振幅は１種類、副補間複素振幅は２種類生成され、この３種類の複素振幅分布から情報量の多い個所を選択して被写体の３次元像を再生するものである。
すなわち、主補間複素振幅の主補間領域と副補間複素振幅の副補間領域とを抽出して空間周波数分布を生成するので、被写体の３次元像の位置に応じて補間の方式を変更して、大きな被写体の縁の部分などに対応する干渉縞が細かい箇所の誤差を低減し、デジタルホログラフィ装置の視野範囲を広くして計測範囲を広げることが期待できる。また、従来法２と比較し、面内方向の縦横両方に大きな被写体にも対応できるため、より広範囲計測に向くという特徴を有する。
しかしながら、この方式では物体光が撮像素子面に対して垂直入射から角度がずれていると、隣接画素で物体光が位相シフトすることにより、共役像の除去は非常に困難であることという問題と、１つの主補間と２つの副補間のみでは、補間の方向に沿う方向において視野狭窄が起こり、干渉縞が細かい箇所の誤差を十分に低減することはできず、視野範囲を広くして計測範囲を広げる効果は十分ではないという問題と、また、補間処理の回数が増えるので計算時間がかかるという問題とがあることを見出した。
（比較法２）
比較法２は、本発明者らが特許文献４により提案した構成であるが、前述した（１）０次回折光の残存という課題の解決に対応するもので、特に、不要な像成分である０次回折光を正確に除去して強度ムラを補正し、被写体を高精度に計測することができる。
比較法２は、本発明者らが特許文献４により提案した構成であるが、前述した（１）０次回折光の残存という課題の解決に対応するもので、特に、不要な像成分である０次回折光を正確に除去して強度ムラを補正し、被写体を高精度に計測することができる。
従来の並列位相シフトデジタルホログラフィ装置では、位相シフト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。この組み立て誤差は温度変化や経時変化によっても起き、デジタルホログラフィ装置による被写体の再生画像に強度むらが生じる。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には、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。
この問題に対して、位相シフトアレイを透過して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種類のホログラム情報を含むホログラムから、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して第１ホログラム及び第２ホログラムを生成し、第１ホログラムを複数の第１領域に分割し、第２ホログラムを複数の第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領域に分割し、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、第２ホログラムの第１領域に対応する第２領域における強度の第２平均値とを比較し、第１平均値と第２平均値とが異なるときに、第１平均値と第２平均値とが等しくなるように少なくとも一方を補正する。この方法では第１平均値と第２平均値とを等しくすることができるので、各ホログラムの各領域において強度比を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ムラを補正し、被写体を高精度に計測することができる。しかし、この方式は、多大な計算時間がかかるという問題がある。
（従来法、比較法における問題）
図１８は、従来法、比較法における問題を説明するための図であり、（ａ）は従来の逐次位相シフトデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）は従来法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｃ）は従来法２に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｄ）は比較法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像である。
図１８は、従来法、比較法における問題を説明するための図であり、（ａ）は従来の逐次位相シフトデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）は従来法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｃ）は従来法２に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｄ）は比較法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像である。
図１８（ａ）に示す逐次位相シフトデジタルホログラフィ装置による画像は、動きのある物体の３次元像を得ることはできないが、静止像を得る場合には完全に元の像を復元できるので、図１８（ｂ）〜（ｄ）に示す従来法１、従来法２、比較法１による被写体の３次元像の精度の基準とする。
図１８に示す写真の下に示すように、従来法１による画像の平均二乗誤差は７．７８であり、従来法２による画像の平均二乗誤差は６．７１であり、比較法１による画像の平均二乗誤差は８．６６であり、逐次位相シフトデジタルホログラフィ装置による画像に比べて誤差が大きいことがわかる。図１８の（ｂ）〜（ｂ）により表される写真に四角枠ｆｒｍ１〜ｆｒｍ７で囲って示しているように、従来法１、従来法２、比較法１のいずれの画像にも不要な像成分が残留し、誤差が減少していないことが視覚的にも明確である。
図１９は、従来法、比較法における問題を説明するための図であり、（ａ）は従来法１による物体像の合焦面、共役像の合焦面を示す画像であり、（ｂ）は比較法１による物体像の合焦面、共役像の合焦面を示す画像である。図１９に示す画像を検討すると、補間誤差または位相シフト誤差と、エイリアシングにより共役像が残留していると考えられる。
（本実施の形態の着眼点）
図２０は、上記従来法２(補間なし)による物体像の合焦面、共役像の合焦面を示す画像と、上記比較法１（複数の補間処理）による物体像の合焦面、共役像の合焦面を示す画像との差分を示す画像である。
図２０は、上記従来法２(補間なし)による物体像の合焦面、共役像の合焦面を示す画像と、上記比較法１（複数の補間処理）による物体像の合焦面、共役像の合焦面を示す画像との差分を示す画像である。
比較法１は、広範囲な計測が可能な従来法２と比較してノイズ（白んだ部分）が多いものの、被写体の端を同程度に再生できている。このため、補間なしの方法で近接画素の選択の方向を複数採用して情報量の多いものを選択するという、従来法２と比較法１の良い点を兼ね備えた、工夫した像再生アルゴリズムを発明することにより、誤差の少ない計測を達成できるのではないかと本発明者らは考えた。
図２１（ａ）は比較法１による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）は比較法１による被写体の３次元像を示す画像と従来法２による被写体の３次元像を示す画像との差分を示す画像である。像は明るいが、（１）被写体の像に不要な像が重畳し、（２）共役像が残留し、そして、（３）複数画素を利用する方向における撮影範囲が犠牲になる（共役像が重畳するため）という問題がある。そこで、これらの問題をすべて解決するアルゴリズムが必要になる。
(実施の形態の概要)
本実施の形態は、並列位相シフトデジタルホログラフィにおいて、従来法の技術の問題点、及び比較法の技術の問題点を解決することを目的とするものである。すなわち、特に、（１）０次回折光除去能力を高め、（２）残留共役像を除去し、（３）計測範囲(視野)を拡大し、（４）処理計算時間が短いという４つの重大な課題の解決が可能な新たな像再生アルゴリズムとそれを用いた計測装置を実現するものである。
本実施の形態は、並列位相シフトデジタルホログラフィにおいて、従来法の技術の問題点、及び比較法の技術の問題点を解決することを目的とするものである。すなわち、特に、（１）０次回折光除去能力を高め、（２）残留共役像を除去し、（３）計測範囲(視野)を拡大し、（４）処理計算時間が短いという４つの重大な課題の解決が可能な新たな像再生アルゴリズムとそれを用いた計測装置を実現するものである。
本実施の形態の構成は下記に示す３つの対策（Ａ）〜（Ｃ）を含んでおり、この対策（Ａ）〜（Ｃ）のうち必要な対策を選択してデジタルホログラフィ装置を構成すればよい。ここで、対策（Ａ）は課題（１）に対応し、対策（Ｂ）は課題（２）に対応し、対策（Ｃ）は課題（３）に主に対応する。下記に示す実施の形態は本発明を実行する一例に過ぎず、実際には、問題に応じて対策（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の中から一つ、または二つ、または全部の対策を実行すればよい。
対策（Ａ）
ホログラムから参照光強度分布を減算してから位相シフト法を適用し、位相シフト法誤差により残留していた０次回折光や、参照光同士の干渉成分を除去する。
対策（Ｂ）
被写体の像の大部分と共役像は空間周波数分布面で分離されているので、空間フィルタリングで残留共役像を除去する。
対策（Ｃ）
複数の方向で位相シフト法の計算結果の画像を生成し、空間周波数分布面で被写体の情報が劣化せずに多く含まれている画像を選択・抽出することにより視野拡大を実現する。
対策（Ａ）
ホログラムから参照光強度分布を減算してから位相シフト法を適用し、位相シフト法誤差により残留していた０次回折光や、参照光同士の干渉成分を除去する。
対策（Ｂ）
被写体の像の大部分と共役像は空間周波数分布面で分離されているので、空間フィルタリングで残留共役像を除去する。
対策（Ｃ）
複数の方向で位相シフト法の計算結果の画像を生成し、空間周波数分布面で被写体の情報が劣化せずに多く含まれている画像を選択・抽出することにより視野拡大を実現する。
（実施の形態）
（デジタルホログラフィ装置１Ａの構成）
図１は、実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置１Ａの構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置１Ａ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６の撮像面に微小偏光子アレイ５を貼り付け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１Ａを説明する。まず、光源３２から出射されるレーザ光は垂直偏光成分のみを有するものとする。光源３２から出射されたレーザ光は、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。
（デジタルホログラフィ装置１Ａの構成）
図１は、実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置１Ａの構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置１Ａ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６の撮像面に微小偏光子アレイ５を貼り付け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１Ａを説明する。まず、光源３２から出射されるレーザ光は垂直偏光成分のみを有するものとする。光源３２から出射されたレーザ光は、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３３及びレンズ３５を透過し、ミラーＭ１により反射され、被写体３７に照射される。被写体３７からの散乱光は、偏光子３９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５を通過して撮像素子６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３４及びレンズ３６を通り、１／４波長板３８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だけ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５と一体に構成された撮像素子６の撮像面へ到達する。
偏光子アレイ５を通過した物体光と参照光とは、撮像素子６の撮像面上で干渉する。偏光子アレイ５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含む並列位相シフトホログラムを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１Ａは、再生像生成器３１を有している。再生像生成器３１には、参照光減算器２と演算器３とフーリエ変換器４と空間フィルタリング器６と再生器５とが設けられている。参照光減算器２から空間フィルタリング器６の各器の機能を説明する。
参照光減算器２は、被写体３７の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する。
演算器３は、参照光の強度分布と参照光減算ホログラムから抽出された２種類の位相にそれぞれ対応する第１ホログラム及び第２ホログラムに基づき複素振幅を求める。
フーリエ変換器４は、参照光の強度分布と第１ホログラムと第２ホログラムとに基づく複素振幅をフーリエ変換する。
空間フィルタリング器６は、フーリエ変換器４によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる。
再生器５は、フーリエ変換器４によりフーリエ変換された複素振幅を逆フーリエ変換し、回折積分して被写体３７の３次元像を再生する。
再生像生成器３１は、Ｎ種類複素振幅生成器７と空間スペクトル分布生成器８とを有している。
次に、Ｎ種類複素振幅生成器７、空間スペクトル分布生成器８の各器の動作を説明する。Ｎ種類複素振幅生成器７は、参照光減算器２により生成された参照光減算ホログラムから参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは２以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成する。
フーリエ変換器４は、Ｎ種類複素振幅生成器７により生成されたＮ種類の複素振幅をフーリエ変換する。
空間スペクトル分布生成器８は、フーリエ変換器４によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する。また、空間スペクトル分布生成器８は、Ｎ種類の方向のうち、複素振幅の中心をとおって前記方向に垂直な直線に対する距離が最小の方向に対応する複素振幅の空間スペクトル成分を抽出する。
再生器５は、空間スペクトル分布生成器８により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する。
ここで、再生像生成器３１には、メモリ９が設けられている。メモリ９には、並列位相シフトホログラム及び参照光の強度分布が記録されることが好ましい。参照光減算器２は、メモリ９に記録された並列位相シフトホログラムからメモリ９に記録された参照光の強度分布を減算することが好ましい。
（デジタルホログラフィ装置１Ａの動作）
図２は、デジタルホログラフィ装置１Ａの動作を示すフローチャートである。まず、参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）をメモリ９に記録しておく。そして、撮像素子６により撮像された２種類のホログラムの情報を含む並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）をメモリ９に記録する（ステップＳ１）。参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）は、並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）を記録した後でメモリ９に記録してもよいし、デジタルホログラフィ装置１Ａの起動時、停止時など、撮像素子６で並列位相シフトホログラムを撮像する時と強度分布が大きく変わらないという条件を満たせば、任意の時に記録すればよい。そして、参照光減算器２は、並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）から参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）を減算して参照光減算ホログラムＩ´（ｘ、ｙ）を生成する（ステップＳ２）。
図２は、デジタルホログラフィ装置１Ａの動作を示すフローチャートである。まず、参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）をメモリ９に記録しておく。そして、撮像素子６により撮像された２種類のホログラムの情報を含む並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）をメモリ９に記録する（ステップＳ１）。参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）は、並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）を記録した後でメモリ９に記録してもよいし、デジタルホログラフィ装置１Ａの起動時、停止時など、撮像素子６で並列位相シフトホログラムを撮像する時と強度分布が大きく変わらないという条件を満たせば、任意の時に記録すればよい。そして、参照光減算器２は、並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）から参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）を減算して参照光減算ホログラムＩ´（ｘ、ｙ）を生成する（ステップＳ２）。
次に、Ｎ種類の方向Ｄ＝Ｄ１、…、ＤＮ（Ｎは１以上の整数）についてステップＳ３〜Ｓ７を繰り返す。即ち、方向Ｄｉ（ｉは１以上Ｎ以下の整数）に沿った画素を利用して複素振幅計算処理を含む位相シフト法の計算を行う（ステップＳ４）。
その後、フーリエ変換器４は、位相シフト法の計算により求めた複素振幅をフーリエ変換する（ステップＳ５）。そして、空間フィルタリング器６は、フーリエ変換器４によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させて共役像を除去する（ステップＳ６）。その後、ステップＳ４〜Ｓ６の処理をＮ種類の方向Ｄ＝Ｄ１、…、ＤＮについて実施し、合計Ｎ種類のフーリエ変換後の複素振幅を得る（ステップＳ３〜Ｓ７）。
次に、空間スペクトル分布生成器８は、Ｎ種類のフーリエ変換後の複素振幅から、誤差が最も小さくなる空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する（ステップＳ８）。
そして、再生器５は、空間スペクトル分布生成器８により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する（ステップＳ９〜１１）。Ｎの値を大きくとれば、高精度な再生画像が得られるが、処理時間が長くなるので、必要な再生画像精度と処理時間を考慮してＮの値を決定する。
（参照光強度分布の減算処理）
ステップＳ２で前述した並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）から参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）を減算して参照光減算ホログラムＩ´（ｘ、ｙ）を生成する処理を具体的に説明する。
ステップＳ２で前述した並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）から参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）を減算して参照光減算ホログラムＩ´（ｘ、ｙ）を生成する処理を具体的に説明する。
図３は、デジタルホログラフィ装置１Ａの参照光強度の課題を説明するための図である。並列位相シフトホログラムＨＬ１に基づいて位相シフト法による計算を行う場合は、計算時に用いる画素において参照光強度が一定であるということが前提条件である。従って、参照光に強度むらがあると、被写体の３次元像の画質が劣化するという問題がある。
そこで、並列２段階位相シフトデジタルホログラフィにおいて、位相シフト法の計算を行なう前に、あらかじめ、並列位相シフトホログラムから参照光強度分布を減算して参照光減算ホログラムを生成すると画質が向上する。
以下、計算手順を説明する。まず、各変数を（式１）、（式２）により示す。
Ｕ（ｘ、ｙ）：物体光
α：位相シフト量
ここで、並列位相シフトホログラムから参照光強度分布を差し引いたものを、Ｉ´（ｘ、ｙ：α）とすると、
並列位相シフトホログラムに対して近傍画素法による位相シフト法の計算を行なう場合、ｘ軸方向の隣接画素、ｙ軸方向の隣接画素を用いて計算を行なうことが考えられる。ｙ軸方向の隣接画素を用いる場合で説明すると、物体光Ｕ（ｘ、ｙ）は、
（式５）〜（式９）では、（ｘ、ｙ）における物体光Ｕ（ｘ、ｙ）をＩ´（ｘ、ｙ）、Ｉ´（ｘ、ｙ＋１）、Ｉｒ（ｘ、ｙ）より求めたが、Ｉ´（ｘ、ｙ＋１）の代わりにＩ´（ｘ、ｙ−１）またはＩ´（ｘ＋１、ｙ）またはＩ´（ｘ−１、ｙ）の値を用いて位相シフト法の計算をすることも可能である。
ある画素（ｘ、ｙ）における物体光Ｕ（ｘ、ｙ）を求めるとき、（１）ｙ軸方向の隣接画素Ｉ´（ｘ、ｙ＋１）またはＩ´（ｘ、ｙ−１）を用いる場合、ｙ軸方向の視野狭窄が生じ、ｘ軸方向の視野は理論限界近くまで保持され、（２）ｘ軸方向の隣接画素Ｉ´（ｘ＋１、ｙ）またはＩ´（ｘ−１、ｙ）を用いる場合、ｘ軸方向の視野狭窄が生じ、ｙ軸方向の視野は理論限界近くまで保持される。
このように、先に並列位相シフトホログラムから参照光強度を差し引くことにより、近傍画素法において不要な像成分の除去能力を高めることができる。このため、被写体の３次元像の画質向上を達成することができる。なお，この計算処理方法自体は補間を用いる方法にも適用可能である。
（参照光強度分布減算処理の効果）
図４（ａ）はデジタルホログラフィ装置１Ａに係る参照光減算処理前（参照光減算処理を適用しなかった時）の被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）は参照光減算処理適用後の被写体の３次元像を示す画像であり、（ｃ）は両者の差分を取った後の値を示す画像である。図５は、参照光減算処理適用前後の被写体の３次元像を示す画像の差分を取った後の値を示す画像の詳細を説明するための図である。
図４（ａ）はデジタルホログラフィ装置１Ａに係る参照光減算処理前（参照光減算処理を適用しなかった時）の被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）は参照光減算処理適用後の被写体の３次元像を示す画像であり、（ｃ）は両者の差分を取った後の値を示す画像である。図５は、参照光減算処理適用前後の被写体の３次元像を示す画像の差分を取った後の値を示す画像の詳細を説明するための図である。
これらの画像は、参照光強度分布Ｉｒ（ｘ、ｙ）を並列位相シフトホログラムＩ（ｘ、ｙ）から事前に減算する処理を実施した２段階位相シフト法の効果を確かめるための画像である。参照光強度分布の減算処理を追加した結果、位相シフト誤差により残留していた０次回折光、及び参照光同士の干渉成分を除去することができたということが、図４（ｃ）、図５の差分画像により示されている。
（空間フィルタリング処理）
ステップＳ６で前述した空間フィルタリング処理を具体的に説明する。空間フィルタリング処理は、下記の（式１０）により表される。
ステップＳ６で前述した空間フィルタリング処理を具体的に説明する。空間フィルタリング処理は、下記の（式１０）により表される。
Ｆ[＊]：フーリエ変換、
Ｕ（ｘ、ｙ）：物体(被写体)の再生像の複素振幅、
Ｗ（ｆｘ、ｆｙ）：空間周波数領域における透過フィルタ(窓関数)であって、特定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる機能を有する。窓関数には、矩形、ガウス窓、ハニング窓、ハミング窓などが含まれる。この透過フィルタは、信号処理分野で用いられているあらゆる種類の関数を用いることが可能である。
ｆｘ、ｆｙ：空間周波数、
また、近傍画素を用いた方向Ｄに対して、撮像素子で記録可能な最大空間周波数ｆＭの半分で空間スペクトルを遮断するように窓関数を選択する。たとえば、ｘ軸方向に隣り合う２画素を用いて位相シフト法の計算を行って複素振幅分布を得た場合、矩形窓を適用するとき、
（空間フィルタリング処理の効果）
図６（ａ）はデジタルホログラフィ装置１Ａの空間フィルタリング処理を適用した被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）はその空間周波数分布を示す画像である。
図６（ａ）はデジタルホログラフィ装置１Ａの空間フィルタリング処理を適用した被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）はその空間周波数分布を示す画像である。
台の上に配置されたアヒルの模型とひよこの模型とを含む被写体の像の大部分と共役像（図６（ｂ）に四角枠ｆｒｍ８〜ｆｒｍ１０で囲んで示している）とは、空間周波数分布面で分離されている。このため、空間フィルタリングにより残留共役像を除去することができる。
（Ｎ枚画像から誤差の小さい空間スペクトル成分を選択、抽出する方法）
図７は、デジタルホログラフィ装置１Ａに係るＮ種類複素振幅生成処理を説明するための図である。図２のステップＳ３〜Ｓ７で前述したように、Ｎ種類の方向Ｄ＝Ｄ１、…、ＤＮ（Ｎは２以上の整数）について、方向Ｄｉ（ｉは１以上Ｎ以下の整数）に沿った並列位相シフトホログラムＨＬ１の画素を利用して複素振幅計算処理を含む位相シフト法の計算を行い、合計Ｎ種類のフーリエ変換後の複素振幅ＳＰ２を得る。
図７は、デジタルホログラフィ装置１Ａに係るＮ種類複素振幅生成処理を説明するための図である。図２のステップＳ３〜Ｓ７で前述したように、Ｎ種類の方向Ｄ＝Ｄ１、…、ＤＮ（Ｎは２以上の整数）について、方向Ｄｉ（ｉは１以上Ｎ以下の整数）に沿った並列位相シフトホログラムＨＬ１の画素を利用して複素振幅計算処理を含む位相シフト法の計算を行い、合計Ｎ種類のフーリエ変換後の複素振幅ＳＰ２を得る。
このＮ種類のフーリエ変換後の複素振幅ＳＰ２について、スペクトル分布選択をすることにより、誤差が最小になる重みを選ぶことが可能である。得られたＮ種類の複素振幅ＳＰ２から誤差の小さい空間スペクトル成分を重み付けする、あるいは、選択して空間スペクトル分布ＳＰ１を得るとき、次の指針に従う。
例えば、垂直方向に沿って複数画素を用いると、垂直方向の画像劣化の少ない撮影範囲が狭くなる。そして、垂直方向に直交する方向（この場合、水平方向）の画像劣化の少ない撮影範囲は狭くならない。見方を変えれば、図７の方向Ｄ１である垂直方向に沿って複数画素を用いると水平方向の画像劣化の少ない撮影範囲は広いままであり、図７の方向ＤＮである水平方向に沿って複数画素を用いると垂直方向の画像劣化の少ない撮影範囲は広いままであることになる。
そこで、複数のＮ種類の方向Ｄ＝Ｄ１、…、ＤＮに沿って、複素振幅計算処理を含む位相シフト法の計算結果の複素振幅ＳＰ２を生成し、空間周波数分布面において被写体の情報が劣化せずに多く含まれている情報を選択し、抽出すればよい。例えば、画像の鮮明さは空間周波数帯域幅に比例するので、空間周波数帯域幅の広い画素を選択するか、空間周波数帯域幅に従って重み付けをすればよい。
図８は、Ｎ種類複素振幅生成処理において、任意の空間スペクトル分布に対し誤差の小さいスペクトル成分計算結果を重み付けあるいは選択する方針の一例を示す図である。例えば、図８に示す空間スペクトル分布面においてある座標（ｆｘ０、ｆｙ０）に着目すると、方向Ｄに直交する方向ＤＨから見て、原点を通り方向ＤＨに沿って引いた直線から座標（ｆｘ０、ｆｙ０）までの距離が最も短くなるときの方向Ｄにおける空間スペクトル成分を重み付けあるいは選択する。
まず、選択する場合を説明する。例えば、図８に示す例では、方向Ｄ１、方向Ｄ２、方向Ｄ３、及び方向Ｄ４のうち、方向Ｄ３に垂直な方向Ｄ３Ｈに対応する直線からの座標（ｆｘ０、ｆｙ０）に対する距離が最短である。このため、方向Ｄ３に沿った位相シフトホログラムＨＬ１の近傍画素を利用して複素振幅計算処理をした結果の複素振幅ＳＰ２の誤差が最も小さくなる。従って、座標（ｆｘ０、ｆｙ０）について、方向Ｄ３に沿った位相シフトホログラムＨＬ１の近傍画素を利用して複素振幅計算処理をした結果の複素振幅ＳＰ２の空間スペクトルを選択する。
近傍画素を用いる位相シフト法の計算を行なった後、位相シフト法の計算に用いる方向Ｄと直交する方向ＤＨおける物体(被写体)の空間スペクトルが劣化することなく得られ、方向ＤＨに近い成分も殆ど劣化することなく得られる。そのため、直線から任意の座標までの距離が短ければ短いほど高い精度の情報を得ることができる。
例えば、Ｎ＝２のとき、Ｄ１：ｘ軸、Ｄ２：ｙ軸とし、得られた再生像の複素振幅分布をＵ１、Ｕ２とおくと、選択される空間スペクトル成分は、下記の（式１２）により表される。
方向Ｄの数を増やすと、方向Ｄと直交する方向ＤＨに対応する直線から各座標までの距離をより短くすることができるため、物体の空間情報をより高精度に取得することができる。
また、選択ではなく、重みを付ける態様も可能である。例えば、空間スペクトル成分を下記の（式１３）により表すことも可能である。
ａ、ｂ、ｃ：重み、
である。
例えば、Ｎ＝２、Ｄ１：ｘ軸、Ｄ２：ｙ軸とし、座標（ｆｘ０、ｆｙ０）に対する直線の最短距離で重みを付けると、
そして、上記の計算の後、エリアシング、共役像残留を防ぐための窓関数により、誤差をさらに減らした空間スペクトルを抽出する。段数２の並列位相シフトデジタルホログラフィにおいて市松模様の位相シフト量の配列のとき、
ただし、物体の空間スペクトルがｆｘ≦ｆＭ／２のとき、及び、物体の空間スペクトルがｆｙ≦ｆＭ／２のとき、それぞれ、
（原理確認実験による有効性確認）
提案アルゴリズムの有効性を確認するために原理確認実験を行った。逐次記録された位相シフトホログラムを用いて、並列２段階位相シフトデジタルホログラフィに必要なホログラムを計算機内で等価的に生成し、本実施の形態に係るアルゴリズムで像を再生した。比較のために、従来の像再生アルゴリズムでも像を再生した。
提案アルゴリズムの有効性を確認するために原理確認実験を行った。逐次記録された位相シフトホログラムを用いて、並列２段階位相シフトデジタルホログラフィに必要なホログラムを計算機内で等価的に生成し、本実施の形態に係るアルゴリズムで像を再生した。比較のために、従来の像再生アルゴリズムでも像を再生した。
撮影範囲の広さ、共役像の残留が誤差に影響すると考え、再生像の振幅値を、２５５で規格化された平均二乗誤差(root mean square error: RMSE)で定量的に評価した。
評価のために、逐次記録された複数枚のホログラムを用いて逐次位相シフトデジタルホログラフィで像を再生し、この逐次位相シフトデジタルホログラフィによる像を標準画像として使用した。
Ｎ＝２とし、方向Ｄ１、Ｄ２をそれぞれホログラムの垂直(ｙ軸)、水平(ｘ軸)方向と設定した。
方向Ｄ１より得られるフーリエ変換後の画像より低空間周波数成分および水平方向高空間周波数成分を選択・抽出し、方向Ｄ２より得られる画像より垂直方向高空間周波数成分を選択・抽出した。
実験条件は、以下のとおりである。
記録光源：波長632.8nmのHe-Neレーザ、
撮像素子：画素数2448(H) 2050(V)、画素間隔3.45(H)×3.45(V)μmのCCDカメラ、
被写体：アヒル、柵、ヒヨコのミニチュア模型
（撮像素子から300mmの位置にアヒル、380mの位置に柵、350mmの位置にヒヨコを配置）、
図９（ａ）は従来の逐次位相シフトデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）は従来法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｃ）は従来法２に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｄ）は比較法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｅ）は上記デジタルホログラフィ装置に係るＮ（＝２）方向処理を適用した被写体の３次元像を示す画像である。
記録光源：波長632.8nmのHe-Neレーザ、
撮像素子：画素数2448(H) 2050(V)、画素間隔3.45(H)×3.45(V)μmのCCDカメラ、
被写体：アヒル、柵、ヒヨコのミニチュア模型
（撮像素子から300mmの位置にアヒル、380mの位置に柵、350mmの位置にヒヨコを配置）、
図９（ａ）は従来の逐次位相シフトデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｂ）は従来法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｃ）は従来法２に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｄ）は比較法１に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の３次元像を示す画像であり、（ｅ）は上記デジタルホログラフィ装置に係るＮ（＝２）方向処理を適用した被写体の３次元像を示す画像である。
撮像素子から300mmの位置に合焦したときの再生像で比較した。図９（ｂ）の従来法１による画像では、画像全体の平均二乗誤差が７．７８、被写体周辺の平均二乗誤差が６．９６であった。図９（ｃ）の従来法２による画像では、画像全体の平均二乗誤差が６．７１、被写体周辺の平均二乗誤差が５．２６であった。図９（ｄ）の比較法１による画像では、画像全体の平均二乗誤差が８．６６、被写体周辺の平均二乗誤差が６．２４であった。
図９（ｅ）の本実施の形態による画像では、画像全体の平均二乗誤差が５．４５、被写体周辺の平均二乗誤差が４．００５であった。
画像全体で、図９（ｂ）の従来法１による画像よりも、図９（ｅ）の本実施の形態による画像は、30%誤差が減少した。
被写体周辺で、図９（ｂ）の従来法１による画像よりも、図９（ｅ）の本実施の形態による画像は、42.5%誤差が減少した。
図９（ｅ）の本実施の形態による画像は、図９（ｂ）〜（ｄ）の従来の画像よりも明るい像を再生している。
図９（ｅ）の本実施の形態に係るアルゴリズムによる画像は、従来像再生アルゴリズムで見られた共役像の残留が見られない。
以上より，本実施の形態に係る提案アルゴリズムにより視野拡大および広範囲高画質3次元イメージングを達成することができた。
（実証実験）
本実施の形態に係る提案アルゴリズムの有効性を確認するために並列位相シフトデジタルホログラフィの光学系を組んでさらに実験を行った。
本実施の形態に係る提案アルゴリズムの有効性を確認するために並列位相シフトデジタルホログラフィの光学系を組んでさらに実験を行った。
図１０（ａ）は従来のデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、折り鶴に合焦した画像であり、（ｂ）は本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、折り鶴に合焦した画像であり、（ｃ）はは従来のデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、賽に合焦した画像であり、（ｄ）は本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、賽に合焦した画像である。図１１（ａ）は従来のデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、折り鶴に合焦した拡大画像であり、（ｂ）は本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、折り鶴に合焦した拡大画像であり、（ｃ）はは従来のデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、賽に合焦した拡大画像であり、（ｄ）は本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置による折り鶴と賽とを含む被写体の３次元像であって、賽に合焦した拡大画像である。
実験条件は以下のとおりである。
記録光源：波長532nmのNd:YVO4レーザ、
撮像素子：画素数1164(H) 874(V)の偏光子アレイ付きCCDカメラ、
被写体：折り鶴(撮像素子から475mm)，賽（撮像素子から600mm）、
図１０（ｂ）、（ｄ）、図１１（ｂ）、（ｄ）に示す本実施の形態に係る画像は、再生像の中央に０次回折光の重畳が見られず、被写体のみの像を再生できていることが分かる。よって、位相シフト法の計算精度を向上することができ、画質向上を達成することができた。
記録光源：波長532nmのNd:YVO4レーザ、
撮像素子：画素数1164(H) 874(V)の偏光子アレイ付きCCDカメラ、
被写体：折り鶴(撮像素子から475mm)，賽（撮像素子から600mm）、
図１０（ｂ）、（ｄ）、図１１（ｂ）、（ｄ）に示す本実施の形態に係る画像は、再生像の中央に０次回折光の重畳が見られず、被写体のみの像を再生できていることが分かる。よって、位相シフト法の計算精度を向上することができ、画質向上を達成することができた。
本発明の実施の形態は、前述したように、下記の（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）の３つの対策に関するものである。対策（Ａ）：ホログラムから参照光強度分布を減算してから位相シフト法を適用し、位相シフト法誤差により残留していた０次回折光や、参照光同士の干渉成分を除去する。対策（Ｂ）：被写体の像の大部分と共役像は空間周波数分布面で分離されているので、空間フィルタリングで残留共役像を除去する。対策（Ｃ）：複数の方向で位相シフト法の計算結果の画像を生成し、空間周波数分布面で被写体の情報が劣化せずに多く含まれている画像を選択・抽出することにより視野拡大を実現する。本明細書中で説明した実施の形態は、３つの対策（Ａ）〜（Ｃ）全てを含んでいるが、実際には必要とする画像精度と処理時間とを考慮して、対策（Ａ）〜（Ｃ）のうち必要な対策を選択してデジタルホログラフィ装置を構成すればよい。例えば、対策（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）のいずれか一つを選択することもできるし、対策（Ｂ）と（Ｃ）を組み合わせて２つの対策を選択するなど多くの並列位相シフトデジタルホログラフィの例が考えられる。
本実施の形態では、対策（Ｃ）の実施例として、被写体の参照光の位相シフト量が異なる複数のホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから補間処理なしで近接する画素で位相シフト法計算を行い、１種類の物体光の複素振幅分布を求める例で説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。被写体の参照光の位相シフト量が異なる複数のホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから補間処理を施して、位相シフト量に対応した複数枚のホログラムを得た後に、複素振幅分布を求める場合でも適用可能である。
（実施の形態の効果）
以上のように本実施の形態では、並列位相シフトデジタルホログラフィにおいて、０次回折光、−１次回折光あるいは１次回折光のいずれか一方、及び参照光同士の干渉などの影響を極力取り除き、解像度の優れた視野拡大アルゴリズムを提案し、原理確認実験と実証実験とにより有効性を確認した。本実施の形態に係るアルゴリズムは、特許文献３で並列位相シフトデジタルホログラフィに対して提案している像再生アルゴリズムよりも、位相シフト法の計算精度向上により０次回折光除去能力を高め、残留共役像の除去も可能なため、より高精度に計測できる点で有効である。本実施の形態に係るアルゴリズムを用いた計測方法によって、並列位相シフトデジタルホログラフィで大きな物体の高画質イメージングを達成することができる。
以上のように本実施の形態では、並列位相シフトデジタルホログラフィにおいて、０次回折光、−１次回折光あるいは１次回折光のいずれか一方、及び参照光同士の干渉などの影響を極力取り除き、解像度の優れた視野拡大アルゴリズムを提案し、原理確認実験と実証実験とにより有効性を確認した。本実施の形態に係るアルゴリズムは、特許文献３で並列位相シフトデジタルホログラフィに対して提案している像再生アルゴリズムよりも、位相シフト法の計算精度向上により０次回折光除去能力を高め、残留共役像の除去も可能なため、より高精度に計測できる点で有効である。本実施の形態に係るアルゴリズムを用いた計測方法によって、並列位相シフトデジタルホログラフィで大きな物体の高画質イメージングを達成することができる。
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、被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、参照光の強度分布と第１ホログラムと第２ホログラムとに基づく複素振幅をフーリエ変換し、フーリエ変換された複素振幅を逆フーリエ変換し、回折積分して被写体の３次元像を再生するデジタルホログラフィ装置に利用することができる。
また、本発明は、顕微鏡での細胞観察、各種精密機器・加工機などの高精度化・高精密化・多様化に伴う物体の３次元形状・歪等の高度な計測や解析、各種燃料を使用する燃焼装置の高効率化を実現するための燃焼室の観測、地震や津波などの自然災害を考慮した各種建築物の耐負荷特性など物体の３次元変位・応力計測や解析に利用することができる。
１Ａ デジタルホログラフィ装置
２ 参照光減算器（参照光減算手段）
３ 演算器（演算手段）
４ フーリエ変換器（フーリエ変換手段）
５ 再生器（再生手段）
６ 空間フィルタリング器（空間フィルタリング手段）
７ Ｎ種類複素振幅生成器（Ｎ種類複素振幅生成手段）
８ 空間スペクトル分布生成器（空間スペクトル分布生成手段）
ＨＬ１ 並列位相シフトホログラム
ＳＰ１ 空間スペクトル分布
ＳＰ２ 複素振幅
２ 参照光減算器（参照光減算手段）
３ 演算器（演算手段）
４ フーリエ変換器（フーリエ変換手段）
５ 再生器（再生手段）
６ 空間フィルタリング器（空間フィルタリング手段）
７ Ｎ種類複素振幅生成器（Ｎ種類複素振幅生成手段）
８ 空間スペクトル分布生成器（空間スペクトル分布生成手段）
ＨＬ１ 並列位相シフトホログラム
ＳＰ１ 空間スペクトル分布
ＳＰ２ 複素振幅
Claims (11)
- 被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する参照光減算手段と、
前記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記参照光の強度分布と前記第１ホログラムと前記第２ホログラムとに基づき複素振幅を求める演算手段と、
前記複素振幅をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する再生手段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。 - 前記並列位相シフトホログラム及び前記参照光の強度分布はメモリに記録されており、
前記参照光減算手段は、前記メモリに記録された並列位相シフトホログラムから前記メモリに記録された参照光の強度分布を減算する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。 - 前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる空間フィルタリング手段をさらに備え、
前記再生手段は、空間フィルタリング手段を透過した空間スペクトルを逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。 - 前記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは１以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成するＮ種類複素振幅生成手段をさらに備え、
前記フーリエ変換手段は、前記Ｎ種類複素振幅生成手段により生成された前記Ｎ種類の複素振幅をフーリエ変換し、
前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から空間周波数帯域幅の広い複素振幅を選択するか、又は、前記空間周波数帯域幅に従って前記Ｎ種類の複素振幅を重み付けをすることにより、空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する空間スペクトル分布生成手段をさらに備え、
前記再生手段は、前記空間スペクトル分布生成手段により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。 - 被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記参照光の強度分布と前記第１ホログラムと前記第２ホログラムとに基づき複素振幅を求める演算手段と、
前記複素振幅をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換された複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる空間フィルタリング手段と、
前記空間フィルタリング手段を透過した複素振幅を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する再生手段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。 - 被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する参照光減算手段をさらに備え、
前記演算手段は、前記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記参照光の強度分布と前記第１ホログラムと前記第２ホログラムとに基づき複素振幅を求める演算する請求項５に記載のデジタルホログラフィ装置。 - 前記並列位相シフトホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは１以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成するＮ種類複素振幅生成手段をさらに備え、
前記フーリエ変換手段は、前記Ｎ種類複素振幅生成手段により生成された前記Ｎ種類の複素振幅をフーリエ変換し、
前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から空間周波数帯域幅の広い複素振幅を選択するか、又は、前記空間周波数帯域幅に従って前記Ｎ種類の複素振幅を重み付けをすることにより、空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する空間スペクトル分布生成手段をさらに備え、
前記再生手段は、前記空間スペクトル分布生成手段により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する請求項５に記載のデジタルホログラフィ装置。 - 被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは２以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成するＮ種類複素振幅生成手段と、
前記Ｎ種類複素振幅生成手段により生成された前記Ｎ種類の複素振幅をフーリエ変換するフーリエ変換手段と、
前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅から空間周波数帯域幅の広い複素振幅を選択するか、又は、前記空間周波数帯域幅に従って前記Ｎ種類の複素振幅を重み付けをすることにより、空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する空間スペクトル分布生成手段と、
前記空間スペクトル分布生成手段により生成された空間スペクトル分布を逆フーリエ変換し、回折積分して前記被写体の３次元像を再生する再生手段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。 - 前記空間スペクトル分布生成手段は、前記Ｎ種類の方向のうち、前記複素振幅の中心をとおって前記方向に垂直な直線に対する距離が最小の方向に対応する複素振幅の空間スペクトル成分を抽出する請求項８に記載のデジタルホログラフィ装置。
- 被写体の参照光の位相シフト量が異なるホログラム情報を含む並列位相シフトホログラムから前記参照光の強度分布を減算した参照光減算ホログラムを生成する参照光減算手段をさらに備え、
前記Ｎ種類複素振幅生成手段は、前記参照光減算ホログラムから前記参照光の位相シフト量が異なる第１ホログラム及び第２ホログラムを抽出し、前記第１ホログラム及び第２ホログラムをそれぞれＮ種類の方向（Ｎは２以上の整数）の近傍画素を用いた位相シフト法計算処理によりＮ種類の複素振幅を生成する請求項８に記載のデジタルホログラフィ装置。 - 前記フーリエ変換手段によりフーリエ変換されたＮ種類の複素振幅の所定の空間周波数領域の空間スペクトルを透過させる空間フィルタリング手段をさらに備え、
前記空間スペクトル分布生成手段は、前記空間フィルタリング手段を透過したＮ種類の複素振幅から空間周波数帯域幅の広い複素振幅を選択するか、又は、前記空間周波数帯域幅に従って前記Ｎ種類の複素振幅を重み付けをすることにより、空間スペクトル成分を抽出して空間スペクトル分布を生成する請求項８に記載のデジタルホログラフィ装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012122460A JP6040469B2 (ja) | 2012-05-29 | 2012-05-29 | デジタルホログラフィ装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2012122460A JP6040469B2 (ja) | 2012-05-29 | 2012-05-29 | デジタルホログラフィ装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2013246424A JP2013246424A (ja) | 2013-12-09 |
| JP6040469B2 true JP6040469B2 (ja) | 2016-12-07 |
Family
ID=49846201
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2012122460A Expired - Fee Related JP6040469B2 (ja) | 2012-05-29 | 2012-05-29 | デジタルホログラフィ装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6040469B2 (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP6467337B2 (ja) * | 2015-12-10 | 2019-02-13 | 日本電信電話株式会社 | 空間位相変調素子、および空間位相変調方法 |
| CN115248549B (zh) * | 2022-01-12 | 2024-05-24 | 浙江理工大学 | 一种打散消除杂散频谱噪声的数字全息三维重建方法 |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2001312201A (ja) * | 2000-05-01 | 2001-11-09 | Victor Co Of Japan Ltd | ホログラム生成装置 |
| JP4294526B2 (ja) * | 2004-03-26 | 2009-07-15 | 独立行政法人科学技術振興機構 | デジタルホログラフィ装置及びデジタルホログラフィを用いた像再生方法 |
| GB0601481D0 (en) * | 2006-01-25 | 2006-03-08 | Light Blue Optics Ltd | Methods and apparatus for displaying images using holograms |
| JP5339535B2 (ja) * | 2007-11-22 | 2013-11-13 | 国立大学法人京都工芸繊維大学 | デジタルホログラフィ装置及び位相板アレイ |
| JP5552707B2 (ja) * | 2009-11-06 | 2014-07-16 | 国立大学法人京都工芸繊維大学 | 再生装置、干渉計測装置、制御プログラム、および記録媒体 |
| US8416669B2 (en) * | 2010-01-22 | 2013-04-09 | Hyogo Prefectural Government | Generation method for complex amplitude in-line hologram and image recording device using said method |
| WO2012002207A1 (ja) * | 2010-06-29 | 2012-01-05 | 国立大学法人京都工芸繊維大学 | 偏光イメージング装置および偏光イメージング方法 |
| JP5444530B2 (ja) * | 2010-07-07 | 2014-03-19 | 公立大学法人兵庫県立大学 | ホログラフィック顕微鏡、微小被写体のホログラム画像記録方法、高分解能画像再生用ホログラム作成方法、および画像再生方法 |
-
2012
- 2012-05-29 JP JP2012122460A patent/JP6040469B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2013246424A (ja) | 2013-12-09 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6052950B2 (ja) | オフアクシスデジタルホログラフィーにおける物体波の正確な復元のための装置 | |
| US10845760B2 (en) | Digital holographic reconstruction device and method using single generation phase shifting method | |
| JP5352763B2 (ja) | 複素振幅インラインホログラムの生成方法および該方法を用いる画像記録装置 | |
| CN104808469B (zh) | 高分辨率数字全息显微成像装置和成像方法 | |
| JP6192017B2 (ja) | デジタルホログラフィ装置 | |
| JP5891566B2 (ja) | 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 | |
| CN105973164B (zh) | 一种基于像素偏振片阵列的数字全息显微方法 | |
| CN106054570B (zh) | 强度传输方程实现单幅数字全息图较大相位重建方法 | |
| WO2016121866A1 (ja) | デジタルホログラフィ記録装置、デジタルホログラフィ再生装置、デジタルホログラフィ記録方法、およびデジタルホログラフィ再生方法 | |
| WO2018198613A1 (ja) | ホログラフィー再生方法及びプログラム | |
| CN103322940A (zh) | 一种获取三维形貌显微图像的方法 | |
| JP5831930B2 (ja) | ホログラム生成装置およびホログラム生成方法 | |
| JP6040469B2 (ja) | デジタルホログラフィ装置 | |
| CN110262206A (zh) | 一种菲涅尔非相干数字全息单次曝光成像方法和系统 | |
| WO2023015621A1 (zh) | 一种基于衍射模糊成像原理的无串扰全息3d显示方法 | |
| KR20170079441A (ko) | 진동 환경에서 큰 단차를 갖는 샘플의 높낮이 측정을 위한 디지털 홀로그램 기록재생장치 및 기록재생방법 | |
| JP5891567B2 (ja) | 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３次元像再生方法 | |
| KR100717414B1 (ko) | 사입사 조명 다이렉트 투 디지탈 홀로그래피 | |
| Castañeda et al. | Experimental study of the effects of the ratio of intensities of the reference and object waves on the performance of off-axis digital holography | |
| Gautam et al. | Reconstruction of complex-object using edge point referencing | |
| JP2010002840A (ja) | ディジタルホログラフィ像再生方法及びプログラム | |
| Wang et al. | Light field imaging based on defocused photographic images | |
| JP5106472B2 (ja) | 原画像復元データ生成方法および装置 | |
| JP5794152B2 (ja) | デジタルホログラフィにおける像再生方法 | |
| Hussain et al. | Optical super resolution using tilted illumination coupled with object rotation |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150421 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160127 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160216 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20160414 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20161004 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20161018 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6040469 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |