JP6308594B2 - デジタルホログラフィ装置およびデジタルホログラフィ方法 - Google Patents

デジタルホログラフィ装置およびデジタルホログラフィ方法 Download PDF

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Description

本発明はデジタルホログラフィ装置およびデジタルホログラフィ方法に関する。
以後の文章中で位相の単位はラジアンで表す。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。一般的には例えば、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（コヒーレント）である参照光とが作る干渉縞を、ＣＣＤ（charge coupled device）等の撮像素子を用いて記録する。記録された干渉縞に基づいて、コンピュータで３次元物体の像を再生する。
非特許文献１には、干渉縞から像を再生する基本的なデジタルホログラフィ技術が記載されている。
非特許文献３には、２種類の干渉縞から像を再生する２段階位相シフト法が記載されている。
特許文献１−３には、画素を分割して、複数種類の干渉縞を同時に撮像し、位相シフト法によって像を再生する技術（並列位相シフト法）が記載されている。
ここで、被写体の色情報をホログラムに記録する技術として、特許文献２−３、および非特許文献２の技術がある。特許文献２−３、および非特許文献２には、複数の波長のレーザ光およびカラーフィルタアレイを用いることにより、被写体の色情報をホログラムに記録する技術が記載されている。カラーフィルタアレイを用いる方式は、ホログラフィではない一般的なデジタルカメラで用いられるカラー撮影方式と同様のものである。
非特許文献４には、複数台の撮像装置を用いることにより複数種類の干渉縞を同時に撮像し、位相シフト法によって像を再生する技術が記載されている。
日本国特許第４２９４５２６号公報（２００９年４月１７日登録） 国際公開第２０１０／０９２７３９号（２０１０年８月１９日公開） 国際公開第２０１２／００２２０７号（２０１２年１月５日公開）
J. W. Goodman and R. W. Lawrence、「DIGITAL IMAGE FORMATION FROM ELECTRONICALLY DETECTED HOLOGRAMS」、APPLIED PHYSICS LETTERS、(1967)、Vol. 11、No. 3、p.77-79 T. Kakue, et al., "Parallel phase-shifting color digital holography using two phase shifts", Appl. Opt. 48, pp.H244-H250 (2009) X. F. Meng, et al., "Two-step phase-shifting interferometry and its application in image encryption", Opt. Lett. 31, pp.1414-1416 (2006) J. Hahn, et al., "Spatial phase-shifting interferometry withcompensation of geometric errors based on genetic algorithm", Chinese Opt. Lett. 7, pp.1113-1116 (2009)
しかしながら、カラーフィルタアレイを用いる方法では、以下の問題を生じる。まず、カラーフィルタによって光の吸収および反射が生じ、光利用効率が低下する。また、カラーフィルタは単一の波長成分のみを通過させるわけではないので、波長成分の完全な分離記録が困難である。デジタルホログラフィの像再生時おいて、カラーフィルタで遮断できなかった不要な波長の光成分は、所望の波長の光成分であると誤認識されて計算される。そのため、不要な波長の光成分は本来とは異なる空間位置で像を結ぶ。その結果、不要な波長の光成分は再生像にゴーストを生じさせてしまう。また、並列位相シフト法を適用する場合、カラーフィルタアレイと並列位相シフト法に必要な光学アレイとを高精度で位置合わせする必要があるという問題が生じる。
本発明の一態様では、複数の波長または複数の偏光の光によって形成されるホログラムをモノクロ撮像素子を用いて記録するインライン型デジタルホログラフィにおいて、所望の波長または偏光の像成分を抽出可能に記録または再生することを目的とする。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムを撮像するモノクロの撮像装置を備え、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記撮像装置は、少なくとも、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムと、上記第１ホログラムに対して、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、を撮像することを特徴としている。
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生装置を備え、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記再生装置は、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定し、上記第１ホログラムと、上記第１ホログラムに対して上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定することを特徴としている。
本発明に係るデジタルホログラフィ方法は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムを、モノクロの撮像装置を用いて撮像する撮像ステップを含み、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記撮像ステップにおいては、少なくとも、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムと、上記第１ホログラムに対して、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、を撮像することを特徴としている。
本発明に係るデジタルホログラフィ方法は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生ステップを含み、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記再生ステップは、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定する第１ステップと、上記第１ホログラムと、上記第１ホログラムに対して上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定する第２ステップとを含むことを特徴としている。
本発明は、モノクロの撮像装置を用いて、波長毎または偏光方向毎に精度よく分離された再生像を抽出可能に、複数のホログラムを記録または再生することができる。そのため、カラーフィルタを利用する場合に生じるゴーストの問題を回避することができる。そのため、高画質の再生像を得ることができる。
本発明に係る一実施形態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。 上記デジタルホログラフィ装置のホログラムの再生方法の概要を示す図である。 本発明に係る他の実施形態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。 本発明に係るさらに他の実施形態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。 本発明に係るさらに他の実施形態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。 波長板アレイ、偏光素子、および撮像面の関係を示す模式図である。 撮像装置によって記録されたホログラムから、４種類のホログラムを抽出する処理を示す図である。 波長板アレイ、偏光素子、および撮像面の関係を示す模式図である。 波長板アレイ、偏光素子、および撮像面の関係を示す模式図である。 波長板アレイ、偏光素子、および撮像面の関係を示す模式図である。 シミュレーションに用いる被写体の像および記録されたホログラムを示す図である。 波長λ１に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。 波長λ２に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。 波長λ１に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。 波長λ２に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。 本発明に係るさらに他の実施形態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。 シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。 本発明に係るさらに他の実施形態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。 本発明に係るさらに他の実施形態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。 撮像面の一部の画素を示す模式図である。 本発明に係るさらに他の実施形態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。
本発明の実施形態について図に基づいて以下に説明する。説明の便宜上、各項目において、上述の項目に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略することがある。
〔実施形態１〕
本実施形態は、複数の波長で形成されるホログラムを、モノクロ撮像素子を用いて記録するインライン型デジタルホログラフィに関する。そして、デジタルホログラフィ装置は、記録したホログラムを用いて、複数の波長の情報を互いに分離して再生することができる。
（デジタルホログラフィ装置１の構成）
図１は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置１の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置１は、インライン型（in-line型またはon-axis型）のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置１は、記録装置１０（ホログラム記録装置）と再生装置１１とを備える。記録装置１０は、撮像装置１２、波長λ１のレーザ光源ＬＳ１、波長λ２のレーザ光源ＬＳ２、および光学系を備える。波長λ１と波長λ２とは互いに異なる。再生装置１１は、コンピュータ等の計算機によって構成することができる。なお、レーザ光としては、可視光のみならず、不可視光（赤外線、紫外線、Ｘ線等）も利用することができる。
光学系は、ミラー等の複数の光学素子を備え、波長λ１・λ２のレーザ光（コヒーレント光）を被写体１３（物体）および撮像装置１２へ導く。具体的には、光学系は、複数の光学素子として、ビームスプリッタＢＳ１〜ＢＳ３、およびミラーＭ１〜Ｍ３、ビームエキスパンダＢＥ、波長板ＷＰ１〜ＷＰ３、および偏光子ＬＰ１・ＬＰ２を備える。ビームエキスパンダＢＥはそれぞれ、対物レンズＢＥａ、ピンホールＢＥｂ、およびコリメータレンズＢＥｃを備える。ビームスプリッタＢＳ１〜ＢＳ３は、ハーフミラーからなる。ビームスプリッタＢＳ１は、ダイクロイックミラーからなってもよい。
撮像装置１２は、撮像するための複数の画素がｘ方向およびｙ方向に配列した撮像面を有し、撮像面に到達した光の強度を記録する。ｘ方向はｙ方向に対して垂直である。撮像装置１２は、ＣＣＤ等の撮像素子を有する。撮像装置１２は、撮像面上に形成された干渉縞を記録する。この干渉縞は物体光の情報を有するホログラムである。撮像装置１２はカラーフィルタを備えないため、撮像装置１２の１つの画素は同時に複数の波長の光を受光する。すなわち撮像装置１２はモノクロ撮像装置である。撮像装置１２は、撮像した干渉縞の画像データを再生装置１１に出力する。再生装置１１の詳細については後述する。
（物体光および参照光）
レーザ光源ＬＳ１から出射される波長λ１のレーザ光の偏光方向と、レーザ光源ＬＳ２から出射される波長λ２のレーザ光の偏光方向とは揃っている。ここでは、波長λ１・λ２のレーザ光の偏光方向は垂直偏光であるとする。図において、垂直偏光を縦向きの矢印で示す。一方、図１には描かれないが、水平偏光を横向きの矢印で示す。
レーザ光源ＬＳ２から出射された波長λ２のレーザ光は、ミラーＭ１およびビームスプリッタＢＳ１で反射され、波長λ１のレーザ光と同じ経路に合成される。光軸が揃えられた２つの波長λ１・λ２のレーザ光は、ビームエキスパンダＢＥを通過する。波長λ１・λ２のレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ２によって、物体照明光と参照光とに分割される。
ビームスプリッタＢＳ２によって分けられた波長λ１・λ２の物体照明光は、ミラーＭ２を経由して、被写体１３に照射される。物体照明光が被写体１３によって散乱、透過または回折されたものが物体光である。被写体１３からの物体光は、偏光子ＬＰ１を通過し、ビームスプリッタＢＳ３で反射され、偏光子ＬＰ２を通過し、撮像装置１２の撮像面に入射する。
偏光子ＬＰ１・ＬＰ２は、垂直偏光の成分のみを通過させる偏光子である。偏光子ＬＰ１は、被写体１３によって乱れた物体光の偏光を垂直偏光に整えることによって、ノイズとなる成分を除去する役割を果たす。偏光子ＬＰ２は、ビームスプリッタＢＳ３によって乱れた物体光の偏光を垂直偏光に整えることによって、ノイズとなる成分を除去する役割を果たす。偏光子ＬＰ１・ＬＰ２は、省略することもできる。
ビームスプリッタＢＳ２によって分けられた波長λ１・λ２の参照光は、複数（ここでは３つ）の波長板ＷＰ１〜ＷＰ３を通過する。波長板ＷＰ１〜ＷＰ３による作用については後述する。波長板ＷＰ１〜ＷＰ３を通過した波長λ１・λ２の参照光は、ミラーＭ３を経由し、ビームスプリッタＢＳ３および偏光子ＬＰ２を通過して撮像装置１２の撮像面に入射する。デジタルホログラフィ装置１はインライン型であるので、撮像面に入射する物体光および参照光は、実質的にその光軸が撮像面に垂直になる。
（ホログラムの記録）
撮像面には、波長λ１の物体光および参照光が干渉して形成された干渉縞と、波長λ２の物体光および参照光が干渉して形成された干渉縞との重ね合わせの干渉縞（ホログラム）が形成される。モノクロ撮像装置である撮像装置１２は、複数の波長λ１・λ２の干渉縞が重畳されたホログラムを撮像する。
本実施形態のデジタルホログラフィ装置１では、波長板ＷＰ１〜ＷＰ３の配置状態（回転角度）を変えて、４回の撮像を行う。すなわち、撮像装置１２は、参照光の位相状態が異なる４種類のホログラムを逐次記録する。なお、撮像装置１２は、各波長の参照光の強度分布を記録するために、物体光が遮られた状態で、波長λ１の参照光および波長λ２の参照光をそれぞれ撮像しておく。
第１状態では、波長板ＷＰ１〜ＷＰ３は、高速軸が参照光の偏光方向（垂直偏光）と一致している。そのため波長λ１・λ２の参照光は波長板ＷＰ１〜ＷＰ３による位相変化を受けない。第１状態における物体光と参照光との位相の関係を基準とし、物体光の位相に対する参照光の位相の遅れまたは進みを位相シフト量と定義する。
第１状態においては、波長λ１・λ２共に位相シフト量は０、または高速軸に対する位相の遅れが２πの倍数である。第１状態において記録されるホログラムを第１ホログラムとする。
第２状態では、波長板ＷＰ２・ＷＰ３は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ１は、低速軸（遅相軸）が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ１は、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相を（高速軸に比べて）π／２遅らせる。ただし、波長板ＷＰ１は、波長λ１の光については位相を遅らせない、または高速軸に対する位相の遅れを２πの倍数にする。
第２状態においては、波長λ１の位相シフト量は０、または高速軸に対する位相の遅れが２πの倍数である。波長λ２の位相シフト量はπ／２である。第２状態において記録されるホログラムを第２ホログラムとする。
第３状態では、波長板ＷＰ１・ＷＰ３は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ２は、低速軸が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ２は、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相をπ遅らせる。ただし、波長板ＷＰ２は、波長λ１の光については位相を遅らせない、または高速軸に対する位相の遅れを２πの倍数にする。
第３状態においては、波長λ１の位相シフト量は０、または高速軸に対する位相の遅れが２πの倍数である。波長λ２の位相シフト量はπである。第３状態において記録されるホログラムを第３ホログラムとする。
第４状態では、波長板ＷＰ１・ＷＰ２は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ３は、低速軸が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ３は、波長λ１の光の低速軸に沿った成分の位相をπ／２遅らせる。ただし、波長板ＷＰ３は、波長λ２の光については位相を遅らせない、または高速軸に対する位相の遅れを２πの倍数にする。
第４状態においては、波長λ１の位相シフト量はπ／２である。波長λ２の位相シフト量は０、または高速軸に対する位相の遅れが２πの倍数である。第４状態において記録されるホログラムを第４ホログラムとする。
２つの波長λ１・λ２について、上記のように位相シフト量が異なる４種類のホログラムを記録することができれば、波長λ１の物体光の位相情報（複素振幅分布）と波長λ２の位相情報とを分離して抽出することができる。すなわち、再生装置１１において、波長λ１の再生像と波長λ２の再生像とを分離して再生することができる。４種類のホログラムとして、基準である第１ホログラム、波長λ１の位相シフト量が０でありかつ波長λ２の位相シフト量が第１量である第２ホログラム、波長λ１の位相シフト量が０でありかつ波長λ２の位相シフト量が第２量である第３ホログラム、および、波長λ１の位相シフト量が第３量でありかつ波長λ２の位相シフト量が０である第４ホログラムが記録できればよい。ただし第１量と第２量とは異なる。第３量は、第１量または第２量と同じでも異なってもよい。
なお、第１状態〜第４状態において、高速軸が参照光の偏光方向と一致している波長板は、参照光の経路から取り除いても結果は同じである。
（再生方法）
撮像されたホログラムの画素値は、干渉縞の光強度を表す。複数のホログラムから元の物体光の位相情報を算出できれば、回折積分によって物体光の伝播を遡ることにより、任意の奥行き位置での合焦像（再生像）を得ることができる。以下において、再生方法の概要を説明した後、再生方法の詳細を説明する。
図２は、ホログラムの再生方法の概要を示す図である。記録された４つのホログラムにおける位相シフト量を、ホログラムの下に（波長λ１の位相シフト量、波長λ２の位相シフト量）として括弧書きで示している。
まず（第１処理）、波長λ１の位相シフト量が同じで、波長λ２の位相シフト量がそれぞれ異なる第１〜第３ホログラムＨ１〜Ｈ３を用いて、各点（画素）における波長λ２の物体光の振幅および位相を求める。すなわち、波長λ２の物体光の複素振幅分布を求める。このとき、各点（画素）における波長λ２の０次回折光の強度も求めることができる。
次に（第２処理）、波長λ１の位相シフト量が異なり、波長λ２の位相シフト量が同じである第１・第４ホログラムＨ１・Ｈ４と、上で求められた波長λ２の物体光の振幅および位相とを用いて、各点（画素）における波長λ１の物体光の振幅および位相を求める。
その次に（第３処理）、求められた波長λ１・λ２の物体光の振幅および位相を用いて回折積分（回折計算）することにより、波長λ１・λ２のそれぞれの再生像（振幅情報）および３次元形状情報（位相情報）を再生することができる。
最後に（第４処理）、波長λ１の再生像と波長λ２の再生像とを色合成すれば、多色（２色）の再生像を生成することができる。
以下に再生方法の詳細について説明する。撮像されたホログラムの各画素の座標を（ｘ、ｙ）で表す。ここでは１つの画素（ｘ、ｙ）に注目して説明する。第１ホログラムＨ１の画素の画素値ＩＨ１は、当該画素において検出された光強度を表す。同様に、第２〜第４ホログラムＨ２〜Ｈ４の画素の画素値を、ＩＨ２〜ＩＨ４とする。画素毎に画素値は異なるので、ＩＨ１〜ＩＨ４はｘ、ｙを変数とする関数である。各ホログラムの画素値ＩＨ１〜ＩＨ４は、以下の式で表される。
ここで、Ｉλ１（０）は波長λ１の位相シフト量が０の干渉縞の強度を示し、Ｉλ２（０）は波長λ２の位相シフト量が０の干渉縞の強度を示す。Ｉλ１（０）の括弧の中は位相シフト量を示す。Ａｏλ１は波長λ１の物体光の振幅を示し、Ａｏλ２は波長λ２の物体光の振幅を示す。Ａｒλ１は波長λ１の参照光の振幅を示し、Ａｒλ２は波長λ２の参照光の振幅を示す。φλ１は波長λ１の物体光の位相を示し、φλ２は波長λ２の物体光の位相を示す。各値は注目している画素（ｘ、ｙ）における値を示す。すなわち、Ｉλ１（０）、Ｉλ２（０）、Ａｏλ１、Ａｏλ２、Ａｒλ１、Ａｒλ２、φλ１、φλ２は、ｘ、ｙの関数である。
ここで、ＩＨ１〜ＩＨ４は第１ホログラムＨ１〜第４ホログラムＨ４の測定値であるので、既知である。波長λ１の参照光の強度Ｉｒλ１＝Ａｒλ１ ２および波長λ２の参照光の強度Ｉｒλ２＝Ａｒλ２ ２は既知である。なお、撮像装置１２で参照光の強度分布を記録せずに、各波長の参照光の強度分布を仮の値に仮定して計算を行ってもよい。式（１）〜（４）から物体光の振幅および位相を求めることができれば、それらから被写体１３の像（再生像）を再生することができる。
まず（第１処理、第１ステップ）、第１ホログラムＨ１および第３ホログラムＨ３、すなわち式（１）および式（３）から、以下の式が求められる。
また、第１ホログラムＨ１および第３ホログラムＨ３の差分を求める。また、第２ホログラムＨ２および第１ホログラムＨ１の差分と、第２ホログラムＨ２および第３ホログラムＨ３の差分との和を求める。すなわち、第１ホログラムＨ１から第３ホログラムＨ３（すなわち式（１）〜（３））から、以下の式が求められる。
式（５）（６）の左辺の変数は全て既知の値である。式（５）から分かるように、第１ホログラムＨ１および第３ホログラムＨ３の差分は、波長λ２のみの振幅および位相に依存する。式（６）についても同様である。sin2θ＋cos2θ＝１と、式（５）（６）より、Ａｏλ２およびφλ２が求められる。
以上により、注目した画素における波長λ２の物体光の振幅および位相が求められる。他の画素についても同様にして波長λ２の物体光の振幅および位相を求めることができる。この段階で、Ｉλ２（０）、Ａｏλ２、Ａｒλ２、φλ２が既知となった。
次に（第２処理、第２ステップ）、第１ホログラムＨ１および第３ホログラムＨ３、すなわち式（１）および式（４）から、以下の式が求められる。
式（９）（１０）の左辺は既知の値である。式（９）（１０）の中の未知の変数は、Ａｏλ１、φλ１の２つであるので、公知の２段階位相シフト法を利用して式（９）（１０）からＡｏλ１、φλ１を求めることができる。以上により、各画素における波長λ１の物体光の振幅および位相が求められる。
なお、１つ波長λ１・λ２の位相シフト量が（π、０）である第５ホログラムをさらに撮像してもよい。この場合、波長λ２の物体光の振幅および位相を求めた方法と同様の方法で、３つの第１・第４・第５ホログラムから３段階位相シフト法によって波長λ１の物体光の振幅および位相を求めることができる。
また、ここでは位相シフト量をπ／２またはπ等としたが、他の値であってもよい。位相シフト量がπ／２またはπのときは計算式が簡潔になるが、他の値であっても計算は可能である。
また、記録枚数を増やすのであれば、２πに限らず各波長で異なる位相シフト量であっても実施可能である。このとき、複数波長情報の時分割記録では従来、複数の波長のうち１つの波長の光を撮像素子へ照射させ、位相シフト量の異なる複数種類のホログラムを記録し、その後他の波長の光のみを撮像素子へ照射させ同様に位相シフト量の異なる複数種類のホログラムを記録する。これに対し、本実施形態によれば複数の波長の光を同時に撮像素子へ照射させた状態で複数種類のホログラムを記録する点が異なる。そのため、シャッタやレーザ発振のＯＮ／ＯＦＦの操作など特定の波長の光のみを照射させるために従来必要とされた機構が不要となり、装置構成の簡略化や計測時間の短縮を達成できる。
再生装置１１は、第１〜第４ホログラムＨ１〜Ｈ４を用いて、上記のように第１処理および第２処理を行い、各波長の物体光の振幅および位相を特定する。そして、再生装置１１は、各波長の物体光の振幅および位相を用いて、再生像を生成する。再生像を求める回折積分（第３処理）、色合成（第４処理）等は公知技術を利用して行うことができるので、説明を省略する。
（デジタルホログラフィ装置１の効果）
本実施形態のデジタルホログラフィ装置１では、モノクロの撮像装置１２を用いて複数の波長の干渉縞を含むホログラムを撮像する。位相シフト量の異なる複数のホログラムを用いて、波長毎に精度よく分離された再生像を得ることができる。そのため、カラーフィルタを利用する場合に生じるゴーストの問題を回避することができる。そのため、高画質の再生像を得ることができる。またデジタルホログラフィ装置１は、カラーフィルタを利用しないので、光の利用効率を高くすることができる。また、インライン型の装置構成であることから、干渉縞の可視度が上がる。そのため、干渉縞を精度よく記録でき、明るい物体の像を再生することができる。
また、本実施形態のデジタルホログラフィ装置１では、モノクロの撮像装置１２を用いて、被写体の分光された３次元画像情報を得ることができる。
なお、波長の数×２の種類のホログラムを記録すれば、上記の方法で波長毎の再生像の再生が可能になる。波長の数が３である場合については後述する。
〔実施形態２〕
本実施形態では、複数の撮像装置を用いて、同時に４種類のホログラムを記録する場合について説明する。４種類のホログラムから再生像を生成する方法は実施形態１と同じである。
図３は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置２の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置２は、記録装置２０を備える。実施形態１とは異なり、記録装置２０は、波長板ＷＰ１〜ＷＰ３の代わりに１／２波長板ＨＷＰを備え、４つの撮像装置１２ａ〜１２ｄを備える。また、デジタルホログラフィ装置２は、撮像装置１２ａ〜１２ｄのそれぞれの前に、対応する波長板ＷＰ１〜ＷＰ４、および対応する偏光子ＬＰ１１〜ＬＰ１４を備える。記録装置２０は、位相シフト量の異なる４種類のホログラムを、それぞれ４つの撮像装置１２ａ〜１２ｄによって、同時に撮像することができる。
参照光の経路に配置された１／２波長板ＨＷＰは、低速軸が参照光の偏光方向と４５°の角度をなすように配置されている。１／２波長板ＨＷＰは、各波長λ１・λ２の参照光の偏光方向を９０°回転させ、水平偏光にする。一方、偏光子ＬＰ１を通過した物体光は、垂直偏光である。
物体光および参照光は、ビームスプリッタＢＳ３〜ＢＳ５によって、４つの撮像装置１２ａ〜１２ｄに対応した４つの経路に分けられる。
撮像装置１２ａ〜１２ｄの前に配置された波長板ＷＰ１〜ＷＰ４は、低速軸が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ１〜ＷＰ４の高速軸は、物体光の偏光方向と一致している。
波長板ＷＰ１は、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相を（高速軸に比べて）π／２遅らせる。ただし、波長板ＷＰ１は、波長λ１の光については位相を遅らせない。そのため、波長板ＷＰ１は、波長λ２の参照光の位相のみをπ／２遅らせ、波長λ１の参照光、および波長λ１・λ２の物体光の位相は遅らせない。
偏光子ＬＰ１１〜ＬＰ１４の透過軸は、水平方向に対して４５°の角度をなす。偏光子ＬＰ１１は、参照光および物体光の透過軸方向（斜め方向）の成分のみを通過させ、参照光と物体光とが干渉するようにする。撮像装置１２ａは、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπ／２である第２ホログラムＨ２を撮像する。
波長板ＷＰ２は、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相をπ遅らせる。ただし、波長板ＷＰ２は、波長λ１の光については位相を遅らせない。そのため、波長板ＷＰ２は、波長λ２の参照光の位相のみをπ遅らせ、波長λ１の参照光、および波長λ１・λ２の物体光の位相は遅らせない。
偏光子ＬＰ１２は、参照光および物体光の透過軸方向（斜め方向）の成分のみを通過させ、参照光と物体光とが干渉するようにする。撮像装置１２ｂは、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπである第３ホログラムＨ３を撮像する。
波長板ＷＰ３は、波長λ１の光の低速軸に沿った成分の位相をπ／２遅らせる。ただし、波長板ＷＰ３は、波長λ２の光については位相を遅らせない。そのため、波長板ＷＰ３は、波長λ１の参照光の位相のみをπ／２遅らせ、波長λ２の参照光、および波長λ１・λ２の物体光の位相は遅らせない。
偏光子ＬＰ１３は、参照光および物体光の透過軸方向（斜め方向）の成分のみを通過させ、参照光と物体光とが干渉するようにする。撮像装置１２ｃは、波長λ１の位相シフト量がπ／２で波長λ２の位相シフト量が０である第４ホログラムＨ４を撮像する。
波長板ＷＰ４は、波長λ１・λ２の光については位相を遅らせない。波長板ＷＰ４は省略することができる。
偏光子ＬＰ１４は、参照光および物体光の透過軸方向（斜め方向）の成分のみを通過させ、参照光と物体光とが干渉するようにする。撮像装置１２ｄは、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量が０である第１ホログラムＨ１を撮像する。
複数の撮像装置１２ａ〜１２ｄは、記録した第１〜第４ホログラムＨ１〜Ｈ４を再生装置１１に出力する。
本実施形態のデジタルホログラフィ装置２では、必要な複数のホログラムＨ１〜Ｈ４を同時に撮像することができる。そのため、被写体が時間変化する場合においても、記録装置２０は複数のホログラムを撮像し、再生装置１１は記録されたホログラムに基づいて波長毎に像の再生を行うことができる。
〔実施形態３〕
本実施形態では、３つの波長の光を用いる場合について説明する。
図４は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置３の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置３は、記録装置２１および再生装置１１を備える。記録装置２１は、実施形態１の記録装置に比べて、波長λ３のレーザ光源ＬＳ３、ビームスプリッタＢＳ６を備える。記録装置２１は、参照光の経路に、５つの波長板ＷＰ１〜ＷＰ５を備える。波長λ３は、波長λ１・λ２とは異なる。
レーザ光源ＬＳ１〜ＬＳ３から出射された３つの波長λ１〜λ３のレーザ光は、ミラーＭ１、ビームスプリッタＢＳ１・ＢＳ６によって同じ経路に合成される。３つの波長λ１〜λ３のレーザ光は、垂直偏光である。３つの波長λ１〜λ３のレーザ光は、他の実施形態と同様に、物体照明光および参照光に分けられる。
（ホログラムの記録）
撮像面には、波長λ１の物体光および参照光が干渉して形成された干渉縞と、波長λ２の物体光および参照光が干渉して形成された干渉縞と、波長λ３の物体光および参照光が干渉して形成された干渉縞との重ね合わせの干渉縞（ホログラム）が形成される。モノクロ撮像装置である撮像装置１２は、複数の波長λ１〜λ３の干渉縞が重畳されたホログラムを撮像する。
デジタルホログラフィ装置３では、波長板ＷＰ１〜ＷＰ５の配置状態（回転角度）を１つずつ変えて、６回の撮像を行う。すなわち、撮像装置１２は、参照光の位相状態が異なる６種類のホログラムを逐次記録する。なお、撮像装置１２は、各波長の参照光の強度分布を記録するために、物体光が遮られた状態で、波長λ１〜λ３の参照光をそれぞれ撮像しておく。
第１状態では、波長板ＷＰ１〜ＷＰ５は、高速軸が参照光の偏光方向（垂直偏光）と一致している。そのため波長λ１〜λ３の参照光は波長板ＷＰ１〜ＷＰ５による位相変化を受けない。第１状態における物体光と参照光との位相の関係を基準とし、物体光の位相に対する参照光の位相の遅れまたは進みを位相シフト量と定義する。
第１状態においては、波長λ１〜λ３共に位相シフト量は０である。第１状態において記録されるホログラムを第１ホログラムとする。
第２状態では、波長板ＷＰ２〜ＷＰ５は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ１は、低速軸（遅相軸）が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ１は、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相を（高速軸に比べて）π／２遅らせる。ただし、波長板ＷＰ１は、波長λ１・λ３の光については位相を遅らせない。すなわち、波長λ１・λ３については位相の遅れが２πの倍数である。
第２状態においては、波長λ１・λ３の位相シフト量は０であり、波長λ２の位相シフト量はπ／２である。第２状態において記録されるホログラムを第２ホログラムとする。
第３状態では、波長板ＷＰ１・ＷＰ３〜ＷＰ５は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ２は、低速軸が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ２は、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相をπ遅らせる。ただし、波長板ＷＰ２は、波長λ１・λ３の光については位相を遅らせない。
第３状態においては、波長λ１・λ３の位相シフト量は０であり、波長λ２の位相シフト量はπである。第３状態において記録されるホログラムを第３ホログラムとする。
第４状態では、波長板ＷＰ１・ＷＰ２・ＷＰ４・ＷＰ５は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ３は、低速軸が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ３は、波長λ１の光の低速軸に沿った成分の位相をπ／２遅らせる。ただし、波長板ＷＰ３は、波長λ２・λ３の光については位相を遅らせない。
第４状態においては、波長λ１の位相シフト量はπ／２であり、波長λ２・λ３の位相シフト量は０である。第４状態において記録されるホログラムを第４ホログラムとする。
第５状態では、波長板ＷＰ１〜ＷＰ３・ＷＰ５は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ４は、低速軸が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ４は、波長λ３の光の低速軸に沿った成分の位相をπ／２遅らせる。ただし、波長板ＷＰ４は、波長λ１・λ２の光については位相を遅らせない。
第５状態においては、波長λ１・λ２の位相シフト量は０であり、波長λ３の位相シフト量はπ／２である。第５状態において記録されるホログラムを第５ホログラムとする。
第６状態では、波長板ＷＰ１〜ＷＰ４は、高速軸が参照光の偏光方向と一致している。一方、波長板ＷＰ５は、低速軸が参照光の偏光方向と一致している。波長板ＷＰ５は、波長λ３の光の低速軸に沿った成分の位相をπ遅らせる。ただし、波長板ＷＰ５は、波長λ１・λ２の光については位相を遅らせない。
第６状態においては、波長λ１・λ２の位相シフト量は０であり、波長λ３の位相シフト量はπである。第６状態において記録されるホログラムを第６ホログラムとする。
記録される第１〜第６ホログラムの位相シフト量を括弧書きで（波長λ１の位相シフト量、波長λ２の位相シフト量、波長λ３の位相シフト量）と表すと、
第１ホログラム（ ０、 ０、 ０）
第２ホログラム（ ０、π／２、 ０）
第３ホログラム（ ０、 π、 ０）
第４ホログラム（π／２、 ０、 ０）
第５ホログラム（ ０、 ０、π／２）
第６ホログラム（ ０、 ０、 π）
となる。
（再生方法）
以下に再生方法の詳細について説明する。第１〜第６ホログラムの画素の画素値を、ＩＨ１〜ＩＨ６とする。各ホログラムの画素値ＩＨ１〜ＩＨ６は、以下の式で表される。
ここで、Ｉλ３（０）は波長λ３の位相シフト量が０の干渉縞の強度を示す。Ｉλ３（０）の括弧の中は位相シフト量を示す。Ａｏλ３は波長λ３の物体光の振幅を示し、Ａｒλ３は波長λ３の参照光の振幅を示す。φλ３は位相シフト量が０のときの波長λ３の物体光の位相を示す。Ｉλ３（０）、Ａｏλ３、Ａｒλ３、φλ３は、ｘ、ｙの関数である。
式（１１）〜（１４）のＩＨ１〜ＩＨ４は、実施形態１の式（１）〜（４）にＩλ３（０）が加わっただけである。そのため、実施形態１と同じようにして、式（１１）〜（１３）から式（５）〜（８）を求めることができる。すなわち、波長λ１・λ３の位相シフト量がそれぞれ同じで、波長λ２の位相シフト量のみがそれぞれ異なる３つのホログラムの画素値（ＩＨ１〜ＩＨ３）から、波長λ２の物体光の振幅および位相を求めることができる。なお、波長λ１の位相シフト量と波長λ３の位相シフト量とが同じである必要はなく、用いる３つのホログラムにおいて、波長λ１の位相シフト量が同じであればよい。そのような３つのホログラムのうちの２つのホログラムの画素値の差（例えばＩＨ１−ＩＨ３）は、波長λ１・λ３に依存せず、波長λ２にのみ依存するので、波長λ２の振幅および位相を求めることができる。
同様にして、波長λ１・λ２の位相シフト量がそれぞれ同じで、波長λ３の位相シフト量のみがそれぞれ異なる３つのホログラムの画素値（ＩＨ１・ＩＨ５・ＩＨ６）から、波長λ３の物体光の振幅および位相を求めることができる。
波長λ２・λ３の物体光の振幅Ａｏλ２・Ａｏλ３および位相φλ２・φλ３が既知となった。最後に、残る１つの波長λ１の位相シフト量のみが異なり、他の波長λ２・λ３の位相シフト量がそれぞれ同じ２つのホログラムの画素値（ＩＨ１・ＩＨ４）から、波長λ１の物体光の振幅および位相を求めることができる。すなわち、実施形態１と同じようにして、式（１１）（１４）から以下の式が求められる。
式（１７）（１８）の左辺は既知の値である。そのため式（１７）（１８）からＡｏλ１、φλ１を求めることができる。以上により、波長λ１の物体光の振幅および位相が求められる。
複数波長の場合についてまとめると、複数の波長のうち、１つの波長λ２の位相シフト量のみが異なる３つのホログラム（ＩＨ１〜ＩＨ３）から、当該１つの波長の物体光の振幅および位相を求めることができる。同様に他の１つの波長λ３の位相シフト量のみが異なる３つのホログラム（ＩＨ１・ＩＨ５・ＩＨ６）から、当該他の１つの波長の物体光の振幅および位相を求めることができる。ここで、２つのホログラム（ＩＨ５・ＩＨ６）の波長λ１・λ２の位相シフト量が他のいずれか１つのホログラムと同じであれば、１つのホログラム（ＩＨ１）は共通のものを使用することができる。最後に残った１つの波長λ１の位相シフト量のみが異なる２つのホログラム（ＩＨ１・ＩＨ４）から、当該最後に残った１つの波長の物体光の振幅および位相を求めることができる。ここでも、１つのホログラム（ＩＨ１）は共通のものを使用することができる。以上のように、波長数が３以上の場合でも、位相シフト量が異なる少なくとも波長の数×２のホログラムから、各波長の物体光の振幅および位相を求めることができる。
〔実施形態４〕
本実施形態では、１つの撮像装置で複数種類のホログラムを同時に並列に記録する場合について説明する。
図５は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置４の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置４は、記録装置２２および再生装置１１を備える。記録装置２２は、実施形態１の記録装置２０とは異なり、波長板ＷＰ１〜ＷＰ３の代わりに１／２波長板ＨＷＰを備え、撮像装置１２の代わりに撮像装置１２ｅを備える。撮像装置１２ｅは、複数の画素が２次元に配列する撮像面１２ｆに貼り合わせられた偏光素子ＬＰと、偏光素子ＬＰに貼り合わせられた波長板アレイＷＰＡとを備える。撮像装置１２ｅはモノクロ撮像装置である。
物体光は垂直偏光であり、参照光は水平偏光である。偏光ビームスプリッタＢＳ３によって合成された物体光および参照光は、波長板アレイＷＰＡおよび偏光素子ＬＰをこの順に通過して、撮像面１２ｆに入射する。
（ホログラムの記録）
図６は、波長板アレイＷＰＡ、偏光素子ＬＰ、および撮像面１２ｆの関係を示す模式図である。撮像面１２ｆの各セルＡ’〜Ｄ’は、１つの画素を表す。なお、波長板アレイＷＰＡ、偏光素子ＬＰ、および撮像面１２ｆの一部の範囲のみが図示されている。
偏光素子ＬＰは、１つの偏光子であり、透過軸は水平方向に対して４５°の方向（斜め方向）に傾いている。偏光素子ＬＰは、参照光および物体光の透過軸方向（斜め方向）の成分のみを通過させ、参照光と物体光とが干渉するようにする。透過軸方向を矢印で図示する。
波長板アレイＷＰＡは、複数のセルＡ〜Ｄが２次元に周期的に配列したアレイである。波長板アレイＷＰＡの１つのセルは、１つの波長板である。なお、波長板アレイＷＰＡは同様の機能を有するフォトニック結晶に置き換えることもできる。図には、波長板アレイＷＰＡの各セルの低速軸の方向を矢印で図示する。セルＡ〜Ｄの種類の数は、撮像可能なホログラムの種類の数に対応する。波長板アレイＷＰＡのセルＡ〜Ｄの低速軸は、参照光の偏光方向と同じ水平方向に沿っている。
波長板アレイＷＰＡのセルＡは、実施形態２の波長板ＷＰ４に対応する。すなわち、セルＡは、波長λ１・λ２の光については位相を遅らせない。
波長板アレイＷＰＡの複数のセルＡに対応する複数の画素Ａ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量が０である第１ホログラムＨ１を撮像する。
波長板アレイＷＰＡのセルＢは、実施形態２の波長板ＷＰ１に対応する。すなわち、セルＢは、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相を（高速軸に比べて）π／２遅らせる。ただし、セルＢは、波長λ１の光については位相を遅らせない。そのため、セルＢは、波長λ２の参照光の位相のみをπ／２遅らせ、波長λ１の参照光、および波長λ１・λ２の物体光の位相は遅らせない。
波長板アレイＷＰＡの複数のセルＢに対応する複数の画素Ｂ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπ／２である第２ホログラムＨ２を撮像する。
波長板アレイＷＰＡのセルＣは、実施形態２の波長板ＷＰ２に対応する。すなわち、セルＣは、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相をπ遅らせる。ただし、セルＣは、波長λ１の光については位相を遅らせない。そのため、セルＣは、波長λ２の参照光の位相のみをπ遅らせ、波長λ１の参照光、および波長λ１・λ２の物体光の位相は遅らせない。
波長板アレイＷＰＡの複数のセルＣに対応する複数の画素Ｃ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπである第３ホログラムＨ３を撮像する。
波長板アレイＷＰＡのセルＤは、実施形態２の波長板ＷＰ３に対応する。すなわち、セルＤは、波長λ１の光の低速軸に沿った成分の位相をπ／２遅らせる。ただし、セルＤは、波長λ２の光については位相を遅らせない。そのため、セルＤは、波長λ１の参照光の位相のみをπ／２遅らせ、波長λ２の参照光、および波長λ１・λ２の物体光の位相は遅らせない。
波長板アレイＷＰＡの複数のセルＤに対応する複数の画素Ｄ’は、波長λ１の位相シフト量がπ／２で波長λ２の位相シフト量が０である第４ホログラムＨ４を撮像する。
（再生方法）
図７は、撮像装置１２ｅによって記録されたホログラムＨ０から、４種類のホログラムを抽出する処理を示す図である。１回の撮像で記録されたホログラムＨ０において、位相シフト量が同じ画素は、２次元的に規則的に配列している。すなわち、１回の撮像で記録されたホログラムＨ０には、位相シフト量が異なる４種類のホログラムが並列して含まれている。
再生装置１１は、記録されたホログラムＨ０から、位相シフト量が同じ画素を抽出し、位相シフト量が異なる４つのホログラムを抽出する。抽出されたホログラムＨ１〜Ｈ４のそれぞれの画素数は、記録されたホログラムＨ０の画素数の１／４になる。また、抽出されたホログラムＨ１〜Ｈ４では、それぞれが有する画素値の座標も異なる。
再生装置１１は、抽出されたホログラムＨ１〜Ｈ４のそれぞれについて、画素値の補間を行う。再生装置１１は、補間されたホログラムＨ１〜Ｈ４を用いて、上述の実施形態と同様に、各波長の物体光の振幅および位相を求める。
本実施形態のデジタルホログラフィ装置４は、１回の撮像で記録されたホログラムＨ０から、波長毎に分離された像を再生することができる。そのため、被写体１３が動く場合であっても被写体１３の再生像を生成することができる。
〔実施形態５〕
本実施形態では、撮像装置１２ｅの他の構成について説明する。本実施形態のデジタルホログラフィ装置は、実施形態４の構成と同じである。ただし、波長板アレイＷＰＡの構成が、実施形態４とは異なる。
図８は、波長板アレイＷＰＡ、偏光素子ＬＰ、および撮像面１２ｆの関係を示す模式図である。
波長板アレイＷＰＡは、複数のセルＡ〜Ｄが２次元に周期的に配列したアレイである。波長板アレイＷＰＡの１つのセルは、１つの波長板である。図には、波長板アレイＷＰＡの各セルの低速軸の方向を矢印で図示する。
本実施形態では、波長板アレイＷＰＡのセルＡ・Ｄの低速軸は、参照光の偏光方向と同じ水平方向に沿っているが、波長板アレイＷＰＡのセルＢ・Ｃの低速軸は、物体光の偏光方向と同じ垂直方向に沿っている。
波長板アレイＷＰＡのセルＡ・Ｄは、実施形態４と同じである。よって、波長板アレイＷＰＡの複数のセルＡに対応する複数の画素Ａ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量が０である第１ホログラムＨ１を撮像する。波長板アレイＷＰＡの複数のセルＤに対応する複数の画素Ｄ’は、波長λ１の位相シフト量がπ／２で波長λ２の位相シフト量が０である第４ホログラムＨ４を撮像する。
波長板アレイＷＰＡのセルＢは、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相を（高速軸に比べて）π／２進ませる（３π／２遅らせる）。ただし、セルＢは、波長λ１の光については位相を遅らせない。物体光の位相を進ませるということは、相対的に参照光の位相を遅らせることと同じである。そのため、セルＢは、結果的に波長λ２の参照光の位相のみをπ／２遅らせることになる。一方、セルＢは、波長λ１の参照光の位相は遅らせない。
波長板アレイＷＰＡの複数のセルＢに対応する複数の画素Ｂ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπ／２である第２ホログラムＨ２を撮像する。
波長板アレイＷＰＡのセルＣは、波長λ２の光の低速軸に沿った成分の位相をπ進ませる（π遅らせる）。ただし、セルＣは、波長λ１の光については位相を遅らせない。そのため、セルＣは、結果的に波長λ２の参照光の位相のみをπ遅らせることになる。一方、セルＣは、波長λ１の参照光の位相は遅らせない。
波長板アレイＷＰＡの複数のセルＣに対応する複数の画素Ｃ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπである第３ホログラムＨ３を撮像する。
このように、波長板アレイＷＰＡを図８に示すように構成しても、位相シフト量が異なる複数のホログラムを含むホログラムを１回の撮像で記録することができる。
〔実施形態６〕
本実施形態では、撮像装置１２ｅのさらに他の構成について説明する。本実施形態のデジタルホログラフィ装置は、実施形態５の構成と同じである。ただし、波長板アレイＷＰＡの構成が、実施形態５とは異なる。
図９は、波長板アレイＷＰＡ、偏光素子ＬＰ、および撮像面１２ｆの関係を示す模式図である。
波長板アレイＷＰＡは、複数のセルＡ〜Ｄが２次元に周期的に配列したアレイである。波長板アレイＷＰＡの１つのセルは、１つの波長板である。図には、波長板アレイＷＰＡの各セルの低速軸の方向を矢印で図示する。
本実施形態では、波長板アレイＷＰＡのセルＤの低速軸は、参照光の偏光方向と同じ水平方向に沿っているが、波長板アレイＷＰＡのセルＢ・Ｃの低速軸は、物体光の偏光方向と同じ垂直方向に沿っている。さらに、波長板アレイＷＰＡのセルＡの低速軸は、物体光の偏光方向に対して４５°傾いている。波長板アレイＷＰＡのセルＡの低速軸は、偏光素子ＬＰの透過軸と直交している。
波長板アレイＷＰＡのセルＢ〜Ｄは、実施形態５と同じである。よって、波長板アレイＷＰＡの複数のセルＢに対応する複数の画素Ｂ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπ／２である第２ホログラムＨ２を撮像する。波長板アレイＷＰＡの複数のセルＣに対応する複数の画素Ｃ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量がπである第３ホログラムＨ３を撮像する。波長板アレイＷＰＡの複数のセルＤに対応する複数の画素Ｄ’は、波長λ１の位相シフト量がπ／２で波長λ２の位相シフト量が０である第４ホログラムＨ４を撮像する。
波長板アレイＷＰＡのセルＡは、波長λ１・λ２の光については位相を遅らせない。または、波長板アレイＷＰＡのセルＡは、いずれかの波長の光の低速軸に沿った成分の位相を遅らせてもよい。いずれにせよ、偏光素子ＬＰの透過軸に沿った成分について、参照光の位相に対する物体光の相対的な位相は変わらない。
波長板アレイＷＰＡの複数のセルＡに対応する複数の画素Ａ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量が０である第１ホログラムＨ１を撮像する。
このように、波長板アレイＷＰＡを図９に示すように構成しても、位相シフト量が異なる複数のホログラムを含むホログラムを１回の撮像で記録することができる。
〔実施形態７〕
本実施形態では、撮像装置１２ｅのさらに他の構成について説明する。本実施形態のデジタルホログラフィ装置は、実施形態４の構成と同じである。ただし、偏光素子ＬＰの構成が、実施形態４とは異なる。
図１０は、波長板アレイＷＰＡ、偏光素子ＬＰ、および撮像面１２ｆの関係を示す模式図である。
波長板アレイＷＰＡは、複数のセルＡ〜Ｄが２次元に周期的に配列したアレイである。図には、波長板アレイＷＰＡの各セルの低速軸の方向を矢印で図示する。波長板アレイＷＰＡの構成は、実施形態４と同じである。そのため、波長板アレイＷＰＡによって生じる位相の遅れも実施形態４と同じである。
本実施形態では、偏光素子ＬＰは、複数の偏光子Ａ”〜Ｄ”が２次元に周期的に配列した偏光子アレイである。各偏光子のＡ”〜Ｄ”の透過軸方向を矢印で図示する。偏光子Ａ”・Ｄ”の透過軸は、水平方向に対して４５°傾いている。一方、偏光子Ｂ”・Ｃ”の透過軸は、垂直方向に対して４５°傾いており、偏光子Ａ”・Ｄ”の透過軸に対して直交している。
画素Ａ’・Ｄ’にそれぞれ対応する、波長板アレイＷＰＡのセルＡ・Ｄおよび偏光子Ａ”・Ｄ”の構成は、実施形態４と同じである。そのため、波長板アレイＷＰＡの複数のセルＡに対応する複数の画素Ａ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量が０である第１ホログラムＨ１を撮像する。波長板アレイＷＰＡの複数のセルＤに対応する複数の画素Ｄ’は、波長λ１の位相シフト量がπ／２で波長λ２の位相シフト量が０である第４ホログラムＨ４を撮像する。
偏光子Ｂ”・Ｃ”の透過軸は、実施形態４の透過軸に比べて、垂直になっている。そのため、偏光子Ｂ”・Ｃ”を通過した後の参照光の位相の遅れは、反対になっている。それゆえ、波長板アレイＷＰＡの複数のセルＢに対応する複数の画素Ｂ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量が−π／２である第２ホログラムＨ２’を撮像する。波長板アレイＷＰＡの複数のセルＣに対応する複数の画素Ｃ’は、波長λ１の位相シフト量が０で波長λ２の位相シフト量が−πである第３ホログラムＨ３’を撮像する。
このように、位相シフト量を、波長板アレイＷＰＡだけでなく、偏光子アレイである偏光素子ＬＰによって調節することもできる。
〔シミュレーション１〕
本発明の実施形態１に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図１に示すデジタルホログラフィ装置１を使用すると仮定する。すなわち、４種類のホログラムは、４回の撮像によって逐次記録される。
シミュレーションの条件は以下の通りである。λ１＝６３２．８ｎｍ、λ２＝５３２ｎｍである。撮像装置の画素数は５１２（横）×５１２（縦）、画素ピッチは縦横共に５μｍである。被写体１３と撮像面との間の距離は０．２ｍである。モノクロの撮像装置１２が検出可能な階調数を８ｂｉｔｓ（階調数２５６）〜１２ｂｉｔｓ（階調数４０９６）まで変えて複数のシミュレーションを行った。
図１１は、シミュレーションに用いる被写体の像および記録されたホログラムを示す図である。図１１には、被写体の振幅（波長λ１および波長λ２の明暗）と、被写体の位相（被写体の３次元形状）と、記録されるホログラム（モノクロ）の一例とを示す。被写体の位相は、撮像装置１２から見た奥行き方向の被写体の形状を表す。図１１に示す被写体の位相において、明るい箇所は撮像装置１２に近く、暗い箇所は撮像装置１２から遠いことを示す。ホログラムにおける明暗は干渉縞の強度を示す。
上記の条件の下、計算機によって、物体光と参照光とが撮像面に形成するホログラムを記録し、再生像を計算するシミュレーションを行った。なお、ホログラムの記録も計算機によるシミュレーションによって行っている。
図１２は、波長λ１に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。図１２の（ａ）は、波長λ１における被写体の明暗を表す。図１２の（ｂ）は、撮像装置１２の階調数が８ｂｉｔｓ（階調数２５６）と仮定した場合の、波長λ１の再生像を示す。図１２の（ｃ）は、撮像装置１２の階調数が１０ｂｉｔｓ（階調数１０２４）と仮定した場合の、波長λ１の再生像を示す。図１２の（ｄ）は、撮像装置１２の階調数が１２ｂｉｔｓ（階調数４０９６）と仮定した場合の、波長λ１の再生像を示す。
図１３は、波長λ２に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。図１３の（ａ）は、波長λ２における被写体の明暗を表す。図１３の（ｂ）は、撮像装置１２の階調数が８ｂｉｔｓ（階調数２５６）と仮定した場合の、波長λ２の再生像を示す。図１３の（ｃ）は、撮像装置１２の階調数が１０ｂｉｔｓ（階調数１０２４）と仮定した場合の、波長λ２の再生像を示す。図１３の（ｄ）は、撮像装置１２の階調数が１２ｂｉｔｓ（階調数４０９６）と仮定した場合の、波長λ２の再生像を示す。
図１２および図１３に示すように、モノクロの撮像装置１２で記録された４つのホログラムを用いて、波長毎に被写体の明暗を精度よく再現することができる。これらの再生像ではゴーストが発生していないことが分かる。なお、波長λ１の再生像と波長λ２の再生像とを色合成すれば、多色の再生像が得られる。
〔シミュレーション２〕
本発明の実施形態４に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図５に示すデジタルホログラフィ装置４を使用すると仮定する。すなわち、４種類のホログラムは、１回の撮像によって並列に記録される。
シミュレーションの条件および被写体は、上述のシミュレーション１と同じである。以下にシミュレーション２によって計算された再生像について説明する。
図１４は、波長λ１に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。図１４の（ａ）は、波長λ１における被写体の明暗を表す。図１４の（ｂ）は、撮像装置１２の階調数が８ｂｉｔｓ（階調数２５６）と仮定した場合の、波長λ１の再生像を示す。図１４の（ｃ）は、撮像装置１２の階調数が１０ｂｉｔｓ（階調数１０２４）と仮定した場合の、波長λ１の再生像を示す。図１４の（ｄ）は、撮像装置１２の階調数が１２ｂｉｔｓ（階調数４０９６）と仮定した場合の、波長λ１の再生像を示す。
図１５は、波長λ２に関する、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。図１５の（ａ）は、波長λ２における被写体の明暗を表す。図１５の（ｂ）は、撮像装置１２の階調数が８ｂｉｔｓ（階調数２５６）と仮定した場合の、波長λ２の再生像を示す。図１５の（ｃ）は、撮像装置１２の階調数が１０ｂｉｔｓ（階調数１０２４）と仮定した場合の、波長λ２の再生像を示す。図１５の（ｄ）は、撮像装置１２の階調数が１２ｂｉｔｓ（階調数４０９６）と仮定した場合の、波長λ２の再生像を示す。
図１４および図１５に示すように、モノクロの撮像装置１２ｅで記録された１つのホログラムを用いて、波長毎に被写体の明暗を精度よく再現することができる。ただし、シミュレーション１に比べてホログラムの画素数が実質的に１／４になるので、シミュレーション１のように逐次複数回の撮像を行う方が、画質はよい。ただし、被写体が動く（または振動する）場合、１回の撮像で並列にホログラムを記録する形態（シミュレーション２に対応）の方が適している場合がある。
〔実施形態８〕
本実施形態では、波長板の代わりにピエゾ素子を用いて位相シフト量を変化させる点が実施形態１と異なる。本実施形態では、５種類のホログラムが、５回の撮像によって逐次記録される。
図１６は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置５の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置５は、記録装置２３を備える。実施形態１とは異なり、記録装置２３は、波長板ＷＰ１〜ＷＰ３の代わりに、ビームスプリッタＢＳ４、ミラーＭ３、およびピエゾ素子ＰＺＴを備える。ミラーＭ３はピエゾ素子ＰＺＴによって支持されている。ミラーＭ３は、ピエゾ素子ＰＺＴによって、参照光の光路に垂直な方向に変位可能である。すなわち、本実施形態では、参照光の光路長を調整することができる。
波長λ１・λ２毎に、物体光および参照光の偏光方向は一致している。ただし、波長λ１の光の偏光方向と波長λ２の光の偏光方向とが一致している必要はない。
最初にビームスプリッタＢＳ４を通過した参照光は、ミラーＭ３によって反射される。ミラーＭ３で反射された参照光は、ビームスプリッタＢＳ４で反射され、撮像装置１２に入射する。
（ホログラムの記録）
本実施形態のデジタルホログラフィ装置５では、ピエゾ素子ＰＺＴを駆動してミラーＭ３の位置を変えて、５回の撮像を行う。すなわち、撮像装置１２は、参照光の位相状態が異なる５種類のホログラムを逐次記録する。なお、撮像装置１２は、各波長の参照光の強度分布を記録するために、物体光が遮られた状態で、波長λ１の参照光および波長λ２の参照光をそれぞれ撮像しておく。
ミラーＭ３のある位置を基準として、ミラーＭ３の変位量を０［ｎｍ］、±λ１／２［ｎｍ］、±λ２／２［ｎｍ］に変化させる。例えば、波長λ１が５３２ｎｍであり、波長λ２が６４０ｎｍである場合、ミラーＭ３の変位量を０［ｎｍ］、±２６６［ｎｍ］、±３２０［ｎｍ］に変化させる。なお、参照光の光路が長くなる方を、正（＋）方向の変位とする。
第１状態では、ミラーＭ３の変位量は０［ｎｍ］である。第１状態における物体光と参照光との位相の関係を基準とし、物体光の位相に対する参照光の位相の遅れまたは進みを位相シフト量と定義する。
第１状態においては、波長λ１・λ２共に位相シフト量は０である。第１状態において記録されるホログラムを第１ホログラムとする。
第２状態では、ミラーＭ３の変位量は＋λ１／２［ｎｍ］である。往復分の光路長の変化はλ１であるため、波長λ１の参照光は２πだけ位相がずれる。すなわち波長λ１の位相シフト量は０である。一方、波長λ２の位相シフト量は、（λ１／λ２）×２πである。第２状態において記録されるホログラムを第２ホログラムとする。
第３状態では、ミラーＭ３の変位量は−λ１／２［ｎｍ］である。波長λ１の参照光は２πだけ位相がずれる。すなわち波長λ１の位相シフト量は０である。一方、波長λ２の位相シフト量は、−（λ１／λ２）×２πである。第３状態において記録されるホログラムを第３ホログラムとする。
第４状態では、ミラーＭ３の変位量はλ２／２［ｎｍ］である。波長λ２の参照光は２πだけ位相がずれる。すなわち波長λ２の位相シフト量は０である。一方、波長λ１の位相シフト量は、（λ２／λ１）×２πである。第４状態において記録されるホログラムを第４ホログラムとする。
第５状態では、ミラーＭ３の変位量は−λ２／２［ｎｍ］である。波長λ２の参照光は２πだけ位相がずれる。すなわち波長λ２の位相シフト量は０である。一方、波長λ１の位相シフト量は、−（λ２／λ１）×２πである。第５状態において記録されるホログラムを第５ホログラムとする。
第１〜第３ホログラムにおいては、波長λ１の位相シフト量は同じで、波長λ２についてのみ、それぞれ位相シフト量が異なる。一方、第１ホログラム、第４ホログラム、および第５ホログラムにおいては、波長λ２の位相シフト量は同じで、波長λ１についてのみ、それぞれ位相シフト量が異なる。
そのため、実施形態１と同様に、第１〜第３ホログラムを用いて、波長λ２の物体光の振幅および位相を求めることができる。同様に、第１ホログラム、第４ホログラム、および第５ホログラムを用いて、波長λ１の物体光の振幅および位相を求めることができる。本実施形態では、波長λ１の物体光の振幅および位相を３つのホログラム（第１、第４、第５ホログラム）から求めることができるので、２段階位相シフト法を利用する必要がない。そのため、例えば物体光の強度が参照光の強度より大きい場合にも好適に適用することができる。
（実施形態８の変形例）
以上では複数の波長を用いる場合について説明したが、本発明は、複数の偏光を用いるデジタルホログラフィ装置にも適用することができる。
同じ波長の参照光と物体光とは互いに干渉可能であり、異なる波長の参照光と物体光とは互いに干渉しない。同じように、同じ偏光方向の参照光と物体光とは互いに干渉可能であり、異なる（直交する）偏光方向の参照光と物体光とは互いに干渉しない。
そのため、上述の実施形態で説明した波長λ１および波長λ２を、第１偏光および第２偏光に置き換えることができる。第１偏光および第２偏光は、偏光方向が互いに直交する直線偏光である。
この場合、光源として、第１偏光（垂直偏光）および第２偏光（水平偏光）を含む、偏光方向が斜め４５°の直線偏光のレーザ光を出射する１つのレーザ光源を用いることができる。例えば図１６に示すビームスプリッタＢＳ４で、第１偏光の参照光と第２偏光の参照光とを分離する。それぞれの参照光の経路に、ミラーＭ３およびピエゾ素子ＰＺＴを配置すれば、第１偏光の参照光および第２偏光の参照光のそれぞれの位相シフト量を個別に調整することができる。第１偏光の参照光および第２偏光の参照光を、ビームスプリッタＢＳ４または他のビームスプリッタによって再び同じ経路に合成することができる。第１偏光の参照光、第２偏光の参照光、第１偏光の物体光、および第２偏光の物体光は、撮像面上でホログラムを形成する。すなわち、上記の第１ホログラム〜第５ホログラムを、５回の撮像によって記録することができる。
波長が偏光方向に置き換わっただけで、複数のホログラムからそれぞれの偏光方向の再生像を求める手順は、上述の実施形態と同じである。
これによれば、偏光分離機能を有しない撮像装置を用いて得られた複数のホログラムから、それぞれの偏光方向の再生像を個別に再生することができる。ホログラムの記録枚数を減らせるために、計測時間の短縮の効果が期待できる。
〔シミュレーション３〕
本発明の実施形態８に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図１６に示すデジタルホログラフィ装置５を使用すると仮定する。ここでは、５種類のホログラムが、５回の撮像によって逐次記録される。
シミュレーションの条件は以下の通りである。λ１＝５３２ｎｍ、λ２＝６４０ｎｍである。撮像装置の画素数は５１２（横）×５１２（縦）、画素ピッチは縦横共に５μｍである。被写体１３と撮像面との間の距離は０．２ｍである。モノクロの撮像装置１２が検出可能な階調数は１０ｂｉｔｓ（階調数１０２４）である。
図１７は、シミュレーションに用いる被写体の像および再生像を示す図である。図１７の（ａ）は、被写体の振幅（波長λ１および波長λ２の明暗）を示す。図１７の（ｂ）は、被写体の位相分布（被写体の３次元形状）を示す。被写体の位相は、撮像装置１２から見た奥行き方向の被写体の形状を表す。図１７に示す被写体の位相において、明るい箇所は撮像装置１２に近く、暗い箇所は撮像装置１２から遠いことを示す。図１７の（ｃ）は、波長λ１についての被写体の振幅を示す。図１７の（ｄ）は、波長λ２についての被写体の振幅を示す。図１７の（ｅ）は、波長λ１の再生像を示す。図１７の（ｆ）は、波長λ２の再生像を示す。図１７の（ｇ）は、（ｅ）および（ｆ）の再生像を色合成した像を示す。
図１７に示すように、モノクロの撮像装置１２で記録された５つのホログラムを用いて、波長毎に被写体の明暗を精度よく再現することができる。また、図１７の（ａ）に示す被写体と、図１７の（ｇ）に示す色合成された再生像を比べても、色のバランスが保たれていることから、各波長の再生像が精度よく再生されていることが分かる。
〔実施形態９〕
本実施形態では、３つの波長の光を用いる点が実施形態８と異なる。本実施形態では、７種類のホログラムが、７回の撮像によって逐次記録される。
図１８は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置６の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置６は、記録装置２４を備える。実施形態８とは異なり、記録装置２４は、波長λ３のレーザ光源ＬＳ３、ビームスプリッタＢＳ６を備える。波長λ３は、波長λ１・λ２とは異なる。
ミラーＭ３は、ピエゾ素子ＰＺＴによって、参照光の光路に垂直な方向に変位可能である。すなわち、本実施形態では、参照光の光路長を調整することができる。波長λ１・λ２・λ３毎に、物体光および参照光の偏光方向は一致している。ただし、波長が異なる光の偏光方向が互いに一致している必要はない。
レーザ光源ＬＳ１〜ＬＳ３から出射された３つの波長λ１〜λ３のレーザ光は、ミラーＭ１、ビームスプリッタＢＳ１・ＢＳ６によって同じ経路に合成される。３つの波長λ１〜λ３のレーザ光は、他の実施形態と同様に、ビームスプリッタＢＳ２によって物体照明光および参照光に分けられる。ここでは、物体照明光が被写体１３に照射され、被写体１３の反射光が物体光としてモノクロの撮像装置１２に入射する。
（ホログラムの記録）
本実施形態のデジタルホログラフィ装置６では、ピエゾ素子ＰＺＴを駆動してミラーＭ３の位置を変えて、７回の撮像を行う。すなわち、撮像装置１２は、参照光の位相状態が異なる７種類のホログラムを逐次記録する。
第１状態では、ミラーＭ３の変位量は０［ｎｍ］である。第１状態における物体光と参照光との位相の関係を基準とし、物体光の位相に対する参照光の位相の遅れまたは進みを位相シフト量と定義する。
第１状態においては、波長λ１・λ２・λ３共に位相シフト量は０である。第１状態において記録されるホログラムを第１ホログラムとする。第１ホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値をＩ（０、０、０）とする。括弧の中の値は、位相シフト量を表す。
第２状態では、ミラーＭ３を変位させ、波長λ２・λ３において参照光の位相がそれぞれ２πＬ、２πＳだけずれるようにする。ここで、Ｌ、Ｓはそれぞれ整数である。例えば、Ｌは、λ２とλ３との最小公倍数をλ２で割った値とすることができ、Ｓは、λ２とλ３との最小公倍数をλ３で割った値とすることができる。位相のずれが２πの整数倍であるので、波長λ２・λ３の位相シフト量は０である。このときの波長λ１の位相シフト量をα１とする。α１≠２π、πである。第２状態において記録されるホログラムを第２ホログラムとする。第２ホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値をＩ（α１、０、０）とする。
第３状態では、ミラーＭ３を逆側に変位させ、波長λ２・λ３において参照光の位相がそれぞれ−２πＬ、−２πＳだけずれるようにする。すなわち波長λ２・λ３の位相シフト量は０である。このときの波長λ１の位相シフト量は−α１である。第３状態において記録されるホログラムを第３ホログラムとする。第３ホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値をＩ（−α１、０、０）とする。
第４状態では、ミラーＭ３を変位させ、波長λ１・λ３において参照光の位相がそれぞれ２πの整数倍だけずれるようにする。位相のずれが２πの整数倍であるので、波長λ１・λ３の位相シフト量は０である。このときの波長λ２の位相シフト量をα２とする。α２≠２π、πである。第４状態において記録されるホログラムを第４ホログラムとする。第４ホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値をＩ（０、α２、０）とする。
第５状態では、ミラーＭ３を逆側に変位させ、波長λ１・λ３の位相シフト量が０、波長λ２の位相シフト量が−α２となるようにする。第５状態において記録されるホログラムを第５ホログラムとする。第５ホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値をＩ（０、−α２、０）とする。
第６状態では、同様にミラーＭ３を変位させ、波長λ１・λ２の位相シフト量が０、波長λ３の位相シフト量がα３となるようにする。第６状態において記録されるホログラムを第６ホログラムとする。第６ホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値をＩ（０、０、α３）とする。
第７状態では、同様にミラーＭ３を逆側に変位させ、波長λ１・λ２の位相シフト量が０、波長λ３の位相シフト量が−α３となるようにする。第７状態において記録されるホログラムを第７ホログラムとする。第７ホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値をＩ（０、０、−α３）とする。
（再生方法）
波長λ１、λ２、λ３の位相シフト量をそれぞれα１、α２、α３とすると、撮像されたホログラムの画素（ｘ、ｙ）における画素値Ｉ（α１、α２、α３）の一般式は式（１９）になる。ここで、０ｔｈλ１は波長λ１の０次回折光の強度であり、Ｕλ１（ｘ、ｙ）は、座標（ｘ、ｙ）における物体光の複素振幅である。波長λ２・λ３についても同様である。式（１９）から、第１ホログラム〜第７ホログラムを用いて各波長の物体光の複素振幅Ｕ（ｘ、ｙ）を表すと、式（２０）〜（２２）のようになる。
波長λ１の物体光の複素振幅Ｕλ１（ｘ、ｙ）は、３つのホログラム（第１ホログラム〜第３ホログラム）の画素値から求めることができる。ここで各波長の参照光の振幅Ａｒλ１、Ａｒλ２、Ａｒλ３は、あらかじめ参照光のみの強度を記録しておくことで既知となる。なお、各波長の参照光の振幅Ａｒλ１、Ａｒλ２、Ａｒλ３は色（波長）のバランスに関わってくるだけであるので、各波長の参照光の振幅を仮定することによっても各波長の再生像は得ることができる。同様に、波長λ２の物体光の複素振幅Ｕλ２（ｘ、ｙ）は、３つのホログラム（第１ホログラム、第４ホログラム、第５ホログラム）の画素値から求めることができる。波長λ３の物体光の複素振幅Ｕλ３（ｘ、ｙ）は、３つのホログラム（第１ホログラム、第６ホログラム、第７ホログラム）の画素値から求めることができる。
このように、モノクロの撮像装置１２で記録された波長数×２＋１のホログラムから、各波長の物体光の複素振幅分布（振幅および位相）を求めることもできる。なお、実施形態３のように、波長数×２のホログラムから各波長の物体光の複素振幅分布を求めることもできる。各波長の物体光の複素振幅分布から各波長の再生像を得ることができるので、それらを合成することでカラーの再生像を得ることができる。
なお、レーザ光源を増やして波長数をさらに増やすことも可能である。実施形態３のように記録された少なくとも波長数×２のホログラムから（または実施形態９のように少なくとも波長数×２＋１のホログラムから）、各波長の物体光の複素振幅分布を求めることができる。また、例えばレーザ光源ＬＳ１・ＬＳ２・ＬＳ３の代わりに、複数の発振波長数を有する１つのレーザ光源を用いることもできる。
〔実施形態１０〕
本実施形態では、３つの波長の光を用いる点、および、参照光の光路のみに位相差を生じさせるアレイが配置されている点が実施形態４と異なる。本実施形態では、１つの撮像装置で複数種類のホログラムを同時に並列に記録する。
図１９は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置７の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置７は、記録装置２５および再生装置１１を備える。記録装置２５は、実施形態９の記録装置２４とは異なり、ビームスプリッタＢＳ４およびピエゾ素子ＰＺＴの代わりに、参照光の経路に空間光変調器ＳＬＭおよび結像光学系ＬＮを備える。空間光変調器ＳＬＭを通過した参照光は、結像光学系ＬＮを通過し、撮像装置１２に入射する。
空間光変調器ＳＬＭは、２次元に配列した複数のセルを有する。空間光変調器ＳＬＭは、例えば７種類のセル（セルＡ〜Ｇ）のセットを複数含む。空間光変調器ＳＬＭのセルＡ〜Ｇのそれぞれは、特定の波長の参照光に特定の位相のずれを生じさせる。ここでは液晶等の透過型の空間光変調器を用いているが、反射型の空間光変調器を用いることもできる。
結像光学系ＬＮは、複数のレンズ等の光学素子を含み、空間光変調器ＳＬＭの各セルを通過した参照光を、撮像装置１２の撮像面１２ｆに結像させる。
（ホログラムの記録）
図２０は、撮像面１２ｆの一部の画素を示す模式図である。撮像面１２ｆの各セルＡ’〜Ｇ’は、１つの画素を表す。
空間光変調器ＳＬＭのセルＡ〜Ｇを通過した光は、それぞれ、対応する画素Ａ’〜Ｇ’に入射する。ここでは、同じ種類の画素は、桂馬飛びで周期的に配置されている。ただし、同じ種類の画素は、図２０のように周期的な配置になっていなくてもよく、ランダムに分布していてもよい。
空間光変調器ＳＬＭのセルＡは、波長λ１・λ２・λ３の参照光については位相を遅らせない。空間光変調器ＳＬＭの複数のセルＡに対応する複数の画素Ａ’は、波長λ１・λ２・λ３の位相シフト量が（０、０、０）である第１ホログラムを撮像する。セルＡにおける物体光と参照光との位相の関係を基準とする。
空間光変調器ＳＬＭのセルＢは、波長λ１の参照光については位相をα１遅らせる。ただし、波長λ２・λ３の参照光については位相を遅らせない、もしくは位相の遅れは２πの整数倍である。空間光変調器ＳＬＭの複数のセルＢに対応する複数の画素Ｂ’は、波長λ１・λ２・λ３の位相シフト量が（α１、０、０）である第２ホログラムを撮像する。
空間光変調器ＳＬＭのセルＣは、波長λ１の参照光については位相を−α１遅らせる。ただし、波長λ２・λ３の参照光については位相を遅らせない、もしくは位相の遅れは２πの整数倍である。空間光変調器ＳＬＭの複数のセルＣに対応する複数の画素Ｃ’は、波長λ１・λ２・λ３の位相シフト量が（−α１、０、０）である第３ホログラムを撮像する。
空間光変調器ＳＬＭのセルＤは、波長λ２の参照光については位相をα２遅らせる。ただし、波長λ１・λ３の参照光については位相を遅らせない、もしくは位相の遅れは２πの整数倍である。空間光変調器ＳＬＭの複数のセルＤに対応する複数の画素Ｄ’は、波長λ１・λ２・λ３の位相シフト量が（０、α２、０）である第４ホログラムを撮像する。
空間光変調器ＳＬＭのセルＥは、波長λ２の参照光については位相を−α２遅らせる。ただし、波長λ１・λ３の参照光については位相を遅らせない、もしくは位相の遅れは２πの整数倍である。空間光変調器ＳＬＭの複数のセルＥに対応する複数の画素Ｅ’は、波長λ１・λ２・λ３の位相シフト量が（０、−α２、０）である第５ホログラムを撮像する。
空間光変調器ＳＬＭのセルＦは、波長λ３の参照光については位相をα３遅らせる。ただし、波長λ１・λ２の参照光については位相を遅らせない、もしくは位相の遅れは２πの整数倍である。空間光変調器ＳＬＭの複数のセルＦに対応する複数の画素Ｆ’は、波長λ１・λ２・λ３の位相シフト量が（０、０、α３）である第６ホログラムを撮像する。
空間光変調器ＳＬＭのセルＧは、波長λ３の参照光については位相を−α３遅らせる。ただし、波長λ１・λ２の参照光については位相を遅らせない、もしくは位相の遅れは２πの整数倍である。空間光変調器ＳＬＭの複数のセルＧに対応する複数の画素Ｇ’は、波長λ１・λ２・λ３の位相シフト量が（０、０、−α３）である第７ホログラムを撮像する。
１回の撮像で記録されたホログラムには、位相シフト量が異なる７種類のホログラムが並列して含まれている。画素を種類毎に抽出することで、第１ホログラム〜第７ホログラムがそれぞれ得られる。なお、抽出されたホログラムの各画素の間の画素値は、実施形態４のように、補間することができる。その後、実施形態９と同様の方法で、７つのホログラムから各波長の物体光の振幅分布を求めることができる。なお、実施形態３と同様の方法を用いて、撮像された６つのホログラムから各波長の物体光の振幅分布を求めることもできる。
本実施形態では、撮像面に特殊な光学素子を貼り付けた特殊な撮像装置を用いることなく、１回の撮像で位相シフト量が異なる複数種類のホログラムを得ることができる。そのため、被写体１３が動く場合であっても被写体１３の再生像を生成することができる。
なお、空間光変調器ＳＬＭの代わりに、セル毎に光路差または光学厚さの異なる素子アレイ、または、セル毎に偏光方向に応じた光路差が発生する素子アレイを用いることもできる。これらの素子アレイは透過型および反射型のいずれであってもよい。
〔実施形態１１〕
本実施形態では、干渉性の低い光（蛍光）を物体光として用いる点が、上述の実施形態とは異なる。
図２１は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置８の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置８は、記録装置２６および再生装置１１を備える。記録装置２６は、光源３１、波長フィルタ３２、ビームスプリッタＢＳ１、顕微鏡対物レンズ３４、レンズ３５を、蛍光顕微鏡の構成要素として備える。さらに記録装置２６は、偏光子ＬＰ１、空間光変調器ＳＬＭ、波長板アレイＷＰＡ（位相変調素子）、偏光子ＬＰ２、およびモノクロの撮像装置１２を備える。ビームスプリッタＢＳ１は、励起光の一部を通過させかつ蛍光の一部を反射するように、例えば２色性ミラーまたはハーフミラー等を有する。
観察対象である被写体１３には、蛍光標識として複数種類の蛍光分子が含まれる。複数種類の蛍光分子は、互いに波長の異なる蛍光を発生させる。デジタルホログラフィ装置８は、被写体１３内の蛍光標識された物質を観察することができる。被写体１３は、例えば生体試料である細胞等である。
光源３１は、蛍光分子を励起させるための励起光を発生させる。波長フィルタ３２は、励起に必要ない波長の光を遮蔽する。波長フィルタ３２を通過した励起光は、ビームスプリッタＢＳ１および顕微鏡対物レンズ３４を通過し、被写体１３に照射される。
被写体１３の中の複数種類の蛍光分子は、励起光によって励起し、複数の波長の蛍光を発生させる。被写体１３から出射された蛍光は、顕微鏡対物レンズ３４によって拡大され、ビームスプリッタＢＳ１によって反射される。レンズ２７は、蛍光が拡がって蛍光の強度が小さくなるのを防ぐために、通過した蛍光を平行光に近づける。レンズ２７を通過した蛍光は、さらに偏光子ＬＰ１、空間光変調器ＳＬＭ、波長板アレイＷＰＡ、および偏光子ＬＰ２を通過し、撮像装置１２に入射する。
偏光子ＬＰ１は、透過軸の方向の成分のみを通過させる。偏光子ＬＰ１の透過軸は、垂直方向と水平方向の間の方向に設定する。偏光子ＬＰ１を通過した光は、透過軸方向に偏光している。偏光子ＬＰ１を通過した光は、垂直方向成分の光のうちの透過軸方向成分と、水平方向成分の光のうちの透過軸方向成分との重ね合わせである。ここでは、垂直方向成分の光（第１成分光）を物体光と見なし、水平方向成分の光（第２成分光）を参照光と見なす。
空間光変調器ＳＬＭは、本実施形態では、垂直方向成分の光（物体光）の位相を変調させ、垂直方向成分の光を球面波に変換する。空間光変調器ＳＬＭは、水平方向成分の光（参照光）に対しては位相の変調を行わない。そのため、水平方向成分の光は、空間光変調器ＳＬＭの通過前と通過後とで進行方向および波面形状は変わらない。
波長板アレイＷＰＡは、本実施形態では、偏光感受性を有する波長板アレイである。波長板アレイＷＰＡは、２次元に配列した複数のセルを有す。各セルは、垂直方向成分の光（物体光）に対して、水平方向成分の光（参照光）の位相をずらす。例えば波長板アレイＷＰＡのセルＡを基準とすると、各波長λ１・λ２・λ３の水平方向成分の光（参照光）の位相シフト量は（０、０、０）である。一方で、セルＢを通過した各波長λ１・λ２・λ３の水平方向成分の光（参照光）の位相シフト量は（α１、０、０）である。同様に、セルＣでは参照光の位相シフト量は（−α１、０、０）である。実施形態１０と同様に、７種類のセルがあれば、７種類の位相シフト量の組み合わせを得ることができる。
偏光子ＬＰ２の透過軸の方向は、偏光子ＬＰ１と同じである。波長板アレイＷＰＡの１つのセルを通過した光は、撮像装置１２の１つの画素に入射する。このように対応するように、波長板アレイＷＰＡおよび偏光子ＬＰ２は撮像装置１２の撮像面に貼り合わせられている構成とすることができる。または、波長板アレイＷＰＡと撮像面との間に、結像光学系を配置することもできる。
被写体１３から出射された蛍光は単一の光路を経て撮像面に到達するので、蛍光の一部である物体光と参照光とは自己干渉する。球面波と平面波とが干渉すると、フレネルゾーンパターン（干渉縞）が形成される。偏光子ＬＰ２を通過した物体光と参照光とは、偏光方向が同じであるので、撮像面上において、干渉縞（フレネルゾーンパターン）を形成する。撮像装置１２は、形成された干渉縞をホログラムとして記録する。撮像装置１２は、実施形態１０と同様に、空間分割された第１ホログラム〜第７ホログラムを１回の撮像によって記録することができる。その後、実施形態９、１０と同様の方法で、７つのホログラムから各波長の物体光の振幅分布を求めることができる。なお、実施形態３と同様の方法を用いて、撮像された６つのホログラムから各波長の物体光の振幅分布を求めることもできる。本実施形態では、モノクロの撮像装置１２を利用して複数波長の情報を多重記録するので、光の利用効率が高い。
なお、物体光と参照光とは、厳密に球面波と平面波とである必要は無い。物体光および参照光の波面形状（波面の曲率）が異なっていれば干渉縞が形成される。そのため、空間光変調器ＳＬＭは、垂直方向成分の光と水平方向成分の光との波面形状（波面の曲率）を異ならせる働きをすればよい。なお、偏光子ＬＰ１は省略することもできる。また、蛍光だけでなく、物体（被写体）によって反射、回折または散乱された干渉性の低い光を利用することもできる。また、空間光変調器の代わりに、波長板によって一方の偏光を変調させることもできる。
また、蛍光の光路の任意の位置に、各波長について、通過させる波長幅を制限する波長バンドパスフィルタを配置してもよい。これにより蛍光（物体光および参照光）の干渉性を高めることができる。
〔ソフトウェアによる実現例〕
再生装置１１は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
後者の場合、再生装置１１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
〔まとめ〕
本発明の一態様に係るデジタルホログラフィ装置は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムを撮像するモノクロの撮像装置を備え、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記撮像装置は、少なくとも、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムと、上記第１ホログラムに対して、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、を撮像する。
上記第１参照光および上記第１物体光は、第１波長であり、上記第２参照光および上記第２物体光は、上記第１波長とは異なる第２波長であってもよい。
または、上記第１参照光および上記第１物体光は、第１偏光方向の偏光であり、上記第２参照光および上記第２物体光は、上記第１偏光方向に直交する第２偏光方向の偏光であってもよい。
上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムから、第２物体光の振幅および位相を特定することができる。また、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第１ホログラムおよび第４ホログラムと、特定された第２物体光の振幅および位相とから、第１物体光の振幅および位相を特定することができる。
上記の構成によれば、第１物体光および第２物体光の振幅および位相の特定に必要な、第１ホログラム、第２ホログラム、第３ホログラム、および第４ホログラムを記録することができる。それゆえ、モノクロの撮像装置を用いて、波長または偏光方向毎に精度よく分離された再生像を得るために必要な複数のホログラムを記録することができ、カラーフィルタを利用する場合に生じるゴーストの問題を回避することができる。そのため、高画質の再生像を得ることができる。また、光の利用効率を高くすることができる。
上記デジタルホログラフィ装置は、上記撮像装置が撮像したホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生装置を備え、上記再生装置は、上記第１ホログラム、上記第２ホログラム、および上記第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定し、上記第１ホログラムおよび上記第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定する構成であってもよい。
上記の構成によれば、各波長または各偏光方向の物体光の振幅および位相を特定することができる。それゆえ、被写体の分光された３次元画像情報または偏光状態の情報を得ることができる。
上記再生装置は、上記第１ホログラムと上記第３ホログラムとの画素値の差分を求め、上記第２物体光のみの振幅および位相に依存する上記差分を用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定する構成であってもよい。
上記第１ホログラムと上記第３ホログラムとは、第１参照光および第１物体光については位相シフト量が同じである。そのため、上記第１ホログラムと上記第３ホログラムとの差分は、上記第２物体光のみの振幅および位相に依存する。それゆえ、上記第１ホログラムと上記第３ホログラムとの差分を用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定することができる。
上記撮像装置は、上記第１参照光、上記第１物体光、上記第２参照光、上記第２物体光、第３参照光、および第３物体光により形成されるホログラムを撮像し、上記第３参照光と上記第３物体光とは互いに干渉可能であり、上記第３参照光と、上記第１物体光および上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第１ホログラム、上記第２ホログラム、上記第３ホログラム、および上記第４ホログラムでは、上記第３参照光および上記第３物体光についての位相シフト量は同じであり、上記撮像装置は、さらに、上記第１ホログラムから上記第４ホログラムのいずれかに対して、上記第１参照光および上記第１物体光について位相シフト量は同じで、上記第２参照光および上記第２物体光について位相シフト量は同じで、かつ、上記第３参照光および上記第３物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第５ホログラムおよび第６ホログラムを撮像する構成であってもよい。
第３参照光および第３物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、３つのホログラムから、第３物体光の振幅および位相を特定することができる。該３つのホログラムは、上記第１ホログラムから上記第４ホログラムのいずれか１つと、第５ホログラムおよび第６ホログラムとを含む。
上記の構成によれば、第１波長、第２波長、第３波長の物体光の振幅および位相の特定に必要な、第１ホログラム、第２ホログラム、第３ホログラム、第４ホログラム、第５ホログラム、および第６ホログラムを記録することができる。
上記撮像装置は、それぞれ上記撮像装置の画素に対応した、第１セル、第２セル、第３セル、および第４セルが配列した波長板アレイを備え、上記第１セルの位相シフト量を基準として、上記第２セルは上記第２波長について第１量の位相シフト量を生じさせ、上記第３セルは上記第２波長について第２量の位相シフト量を生じさせ、上記第４セルは上記第１波長について第３量の位相シフト量を生じさせる構成であってもよい。
上記の構成によれば、波長板アレイの第１セルから第４セルに対応して、第１ホログラム、第２ホログラム、第３ホログラム、および第４ホログラムを生成することができる。それゆえ、撮像装置は、１回の撮像で第１ホログラム、第２ホログラム、第３ホログラム、および第４ホログラムを撮像することができる。
本発明の一態様に係るデジタルホログラフィ装置は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生装置を備え、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記再生装置は、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定し、上記第１ホログラムと、上記第１ホログラムに対して上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定する。
上記の構成によれば、第２参照光および第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムから、第２物体光の振幅および位相を特定することができる。また、第１参照光および第１物体光についての位相シフト量が異なる第１ホログラムおよび第４ホログラムと、特定された第２物体光の振幅および位相とから、第１物体光の振幅および位相を特定することができる。それゆえ、モノクロの撮像装置を用いて記録可能な複数のホログラムから、波長毎または偏光方向毎に精度よく分離された再生像を得ることができる。そのため、カラーフィルタを利用する場合に生じるゴーストの問題を回避することができる。そのため、高画質の再生像を得ることができる。
本発明の一態様に係るデジタルホログラフィ方法は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムを、モノクロの撮像装置を用いて撮像する撮像ステップを含み、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記撮像ステップにおいては、少なくとも、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムと、上記第１ホログラムに対して、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、を撮像する。
本発明の一態様に係るデジタルホログラフィ方法は、第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生ステップを含み、上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、上記再生ステップは、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定する第１ステップと、上記第１ホログラムと、上記第１ホログラムに対して上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定する第２ステップとを含む。
本発明の各態様に係る再生装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記再生装置として動作させることにより上記再生装置をコンピュータにて実現させる再生装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
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、デジタルホログラフィ装置、分光３次元動画顕微鏡、ハイスピード３Ｄカラー動画カメラ等に利用することができる。また、本発明は、ロボットビジョン、マン−マシンインターフェース、計測・分析装置に利用することができる。そのため、本発明は、工学のみならず、生命化学等の分野においても利用が可能である。
１〜８ デジタルホログラフィ装置
１０、２０〜２６ 記録装置
１１ 再生装置
１２、１２ａ〜１２ｅ 撮像装置
１２ｆ 撮像面
１３ 被写体
Ｈ０〜Ｈ４ ホログラム
ＨＷＰ １／２波長板
ＬＰ 偏光素子
ＬＰ１、ＬＰ２、ＬＰ１１〜ＬＰ１４ 偏光子
ＬＳ１〜ＬＳ３ レーザ光源
ＷＰ１〜ＷＰ５ 波長板
ＷＰＡ 波長板アレイ
ＳＬＭ 空間光変調器

Claims (10)

  1. 第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムを撮像するモノクロの撮像装置を備え、
    上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、
    上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、
    上記撮像装置は、少なくとも、
    上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムと、
    上記第１ホログラムに対して、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、を撮像することを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
  2. 上記第１参照光および上記第１物体光は、第１波長であり、
    上記第２参照光および上記第２物体光は、上記第１波長とは異なる第２波長であることを特徴とする請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
  3. 上記第１参照光および上記第１物体光は、第１偏光方向の偏光であり、
    上記第２参照光および上記第２物体光は、上記第１偏光方向に直交する第２偏光方向の偏光であることを特徴とする請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
  4. 上記撮像装置が撮像したホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生装置を備え、
    上記再生装置は、
    上記第１ホログラム、上記第２ホログラム、および上記第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定し、
    上記第１ホログラムおよび上記第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ装置。
  5. 上記再生装置は、上記第１ホログラムと上記第３ホログラムとの画素値の差分を求め、上記第２物体光のみの振幅および位相に依存する上記差分を用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定することを特徴とする請求項４に記載のデジタルホログラフィ装置。
  6. 上記撮像装置は、上記第１参照光、上記第１物体光、上記第２参照光、上記第２物体光、第３参照光、および第３物体光により形成されるホログラムを撮像し、
    上記第３参照光と上記第３物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第３参照光と、上記第１物体光および上記第２物体光とは互いに干渉せず、
    上記第１ホログラム、上記第２ホログラム、上記第３ホログラム、および上記第４ホログラムでは、上記第３参照光および上記第３物体光についての位相シフト量は同じであり、
    上記撮像装置は、さらに、
    上記第１ホログラムから上記第４ホログラムのいずれかに対して、上記第１参照光および上記第１物体光について位相シフト量は同じで、上記第２参照光および上記第２物体光について位相シフト量は同じで、かつ、上記第３参照光および上記第３物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第５ホログラムおよび第６ホログラムを撮像することを特徴とする請求項１、２、４、５のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ装置。
  7. 上記撮像装置は、それぞれ上記撮像装置の画素に対応した、第１セル、第２セル、第３セル、および第４セルが配列した波長板アレイを備え、
    上記第１セルの位相シフト量を基準として、
    上記第２セルは上記第２波長について第１量の位相シフト量を生じさせ、
    上記第３セルは上記第２波長について第２量の位相シフト量を生じさせ、
    上記第４セルは上記第１波長について第３量の位相シフト量を生じさせることを特徴とする請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
  8. 第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生装置を備え、
    上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、
    上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、
    上記再生装置は、
    上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定し、
    上記第１ホログラムと、上記第１ホログラムに対して上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定することを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
  9. 第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムを、モノクロの撮像装置を用いて撮像する撮像ステップを含み、
    上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、
    上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、
    上記撮像ステップにおいては、少なくとも、
    上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムと、
    上記第１ホログラムに対して、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、を撮像することを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
  10. 第１参照光、第１物体光、第２参照光、および第２物体光により形成されるホログラムに基づいて物体光の振幅および位相を特定する再生ステップを含み、
    上記第１参照光と上記第１物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第２参照光と上記第２物体光とは互いに干渉可能であり、
    上記第１参照光と上記第２物体光とは互いに干渉せず、
    上記第２参照光と上記第１物体光とは互いに干渉せず、
    上記再生ステップは、
    上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量がそれぞれ異なる、第１ホログラム、第２ホログラム、および第３ホログラムを用いて、上記第２物体光の振幅および位相を特定する第１ステップと、
    上記第１ホログラムと、上記第１ホログラムに対して上記第２参照光および上記第２物体光についての位相シフト量は同じで、かつ、上記第１参照光および上記第１物体光についての位相シフト量が異なる第４ホログラムと、特定された上記第２物体光の振幅および位相とを用いて、上記第１物体光の振幅および位相を特定する第２ステップとを含むことを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
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