JP6724473B2 - デジタルホログラフィ装置 - Google Patents

Description

本発明はデジタルホログラフィ装置に関する。

特許文献１には、観察対象である観察体に複数の部分領域を定義する定義手段と、前記部分領域における前記観察体についての画像である部分画像を、対物レンズの焦点深度方向に当該焦点深度の間隔で複数枚取得する部分画像取得手段と、前記部分領域に含まれている物が前記焦点深度方向の位置の違いに拘らず合焦して表されている合焦部分画像を複数枚の前記部分画像から生成する合焦部分画像生成手段と、前記部分領域毎に生成された前記合焦部分画像を組み合わせて前記観察体についての合焦画像を生成する合焦画像生成手段と、を有することを特徴とする顕微鏡システムが開示されている。

特許文献２には、被写体の異なる位置を顕微鏡装置で撮像することにより得られた複数のレイヤー画像を取得する画像取得手段と、前記複数のレイヤー画像から複数の観察用画像を生成する画像生成手段と、を備え、前記画像生成手段は、前記複数のレイヤー画像のうちの２枚以上のレイヤー画像を深度合成することで１枚の観察用画像を生成する合成処理を複数回実行することによって前記複数の観察用画像を生成することを特徴とする画像処理装置が開示されている。

非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３、及び非特許文献４には、デジタルホログラフィック顕微鏡（ＤＨＭ）などのデジタルホログラフィ技術が開示されている。デジタルホログラフィ技術は、物体からの散乱光（物体光）と参照光とで生成される干渉縞（ホログラム）をデジタルイメージセンサー（例えば、ＣＣＤカメラ）で記録し、そのホログラムを計算機内で再生処理することで再生像を得るものである。この再生像は３次元構造を持っているため、２次元構造（ＸＹ面）だけではなく、深度方向（Ｚ軸方向）の構造も観察することができる。デジタルホログラフィ技術によれば、１枚のホログラムから３次元構造の情報が得られるため、生物や流体等の動体の観察に適用可能である。

特開２００５−０３７９０２号公報 特開２０１４−０７１２０７号公報

M. K. Kim, SPIE Reviews, 1, 018005-1 (2010) U. Schnars, C. Falldorf, J. Watson and, W. Juptner, Digital Holography and Wavefront Sensing, Springer (2015). T. Kreis，J. Europ. Opt. Soc. Rap. Public. 7, 12006 (2012). J. Mundt and T. Kreis，Optical Engineering 49(12), 125801 (2010)

本発明の目的は、単一波長の光を照射して１方向から観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が拡大された画像情報を得られるデジタルホログラフィ装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、観察対象に照射する第１波長の光を投光する第１光源と、前記第１光源から投光された第１波長の光を物体光用光と参照光とに分岐すると共に、第１波長の物体光用光を第１観察方向から前記観察対象に投光する第１分岐光学素子と、前記第１波長の物体光と第１波長の参照光との干渉により生成した第１ホログラムを撮像する第１撮像部と、前記観察対象を透過した第１波長の物体光または前記観察対象で反射された第１波長の物体光を前記第１撮像部の方向に伝搬する第１レンズと、前記第１分岐光学素子から得られた第１波長の参照光を前記第１撮像部の方向に反射する第１反射部と、を備えた第１ユニットと、
前記観察対象に照射する前記第１波長とは異なる第２波長の光を投光する第２光源と、前記第２光源から投光された第２波長の光を物体光用光と参照光とに分岐すると共に、第２波長の物体光用光を前記第１観察方向と交差する第２観察方向から前記観察対象に投光する第２分岐光学素子と、前記第２波長の物体光と第２波長の参照光との干渉により生成した第２ホログラムを撮像する第２撮像部と、前記観察対象を透過した第２波長の物体光または前記観察対象で反射された第２波長の物体光を前記第２撮像部の方向に伝搬する第２レンズと、前記第２分岐光学素子から得られた第２波長の参照光を前記第２撮像部の方向に反射する第２反射部と、を備えた第２ユニットと、を備え、
前記第１レンズの第１焦点位置と前記第２レンズの第２焦点位置とが前記観察対象内に位置し、前記第１焦点位置と前記第２焦点位置とが異なるように、前記第１ユニットと前記第２ユニットとを配置する、デジタルホログラフィ装置である。
請求項２に記載の発明は、前記第１ユニットが、前記第１撮像部の光入射側に配置され、第１波長の光だけを透過する第１フィルタを含み、前記第１撮像部が、前記第１フィルタを透過した第１波長の物体光と第１波長の参照光との干渉により生成した第１ホログラムを撮像し、前記第２ユニットが、前記第２撮像部の光入射側に配置され、第２波長の光だけを透過する第２フィルタを含み、前記第２撮像部が、前記第２フィルタを透過した第２波長の物体光と第２波長の参照光との干渉により生成した第２ホログラムを撮像する、 請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項３に記載の発明は、前記第１撮像部及び前記第２撮像部の各々は、前記第１ホログラムの撮像時間と前記第２ホログラムの撮像時間とが全部または一部重なるように撮像を行う、請求項１または請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項４に記載の発明は、前記第１ホログラムの画像情報と前記第２ホログラムの画像情報とが関連付けられる、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項５に記載の発明は、前記観察対象の前記第１波長の光によりホログラムとして記録される観察領域と、前記観察対象の前記第２波長の光によりホログラムとして記録される観察領域とは重ならずに隣接する、請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項６に記載の発明は、前記観察対象の前記第１波長の光によりホログラムとして記録される観察領域の一部と、前記観察対象の前記第２波長の光によりホログラムとして記録される観察領域の一部とが重なる、請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項７に記載の発明は、第１ユニットと前記第２ユニットとが、第１観察方向と第２観察方向とが交差するように配置され、前記第１撮像部の撮像面が前記第１観察方向と交差して配置され、前記第２撮像部の撮像面が前記第２観察方向と交差して配置されている、請求項１から請求項６までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項８に記載の発明は、前記第１波長の光が第１偏光方向の光であり、前記第２波長の光が第１偏光方向とは異なる第２偏光方向の光である場合に、前記第１ユニットが、干渉前に前記第１波長の光を照射して得られる物体光から第１偏光方向の光だけを透過する第１フィルタを備え、前記第２ユニットが、干渉前に前記第２波長の光を照射して得られる物体光から第２偏光方向の光だけを透過する第２フィルタを備えている、請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項９に記載の発明は、更に、前記第１ホログラムの画像情報を処理して第１再生像を生成すると共に、前記第２ホログラムの画像情報を処理して第２再生像を生成する画像情報処理部を備えた、請求項１から請求項８までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置である。

請求項１、請求項２に記載の発明によれば、単一波長の光を照射して１方向から観察する場合に比べて、観察対象を所望の２方向から観察し、観察される観察領域が拡大された画像情報を得られる。また、第１ホログラム生成部及び第２ホログラム生成部の各々に含まれる光学部品が共通しており、各々のユニット化が容易になる。

請求項３に記載の発明によれば、観察対象が同時に観察される観察領域を拡大させることができる。

請求項４に記載の発明によれば、同じ観察対象について得られたホログラムの画像情報が関連付けられる。

請求項５に記載の発明によれば、同時に観察される観察領域が最も拡大する。

請求項６に記載の発明によれば、同時に観察される２つの観察領域の連結が、これら２つの観察領域がまったく重ならない場合に比べて容易である。

請求項７に記載の発明によれば、２つの撮像部が物体光の光軸上に配置され、光軸上に配置しない場合に比べて装置全体が小型化する。

請求項８に記載の発明によれば、波長フィルタでは除去しきれないノイズが除去される。

請求項９に記載の発明によれば、３次元構造を有する再生像が取得される。

本発明の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置の構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は第１の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。 （Ａ）は各波長の光が通過する領域を示す模式図であり、（Ｂ）は各波長の光による観察領域を示す模式図である。 観察領域が拡大する様子を示す模式図である。 本発明の第１の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の他の一例を示す概略構成図である。 観察領域が拡大する様子を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。 本発明の第３の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は第３の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。 本発明の第４の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
（デジタルホログラフィ装置）
まず、デジタルホログラフィ装置の全体構成について説明する。図１は本発明の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置の構成の一例を示す概略構成図である。デジタルホログラフィ装置１０は、ホログラムを生成するホログラム生成部１２、ホログラムを撮像する第１撮像部１４_１、第２撮像部１４_２、ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して再生像を生成する画像情報処理部１６、及び表示部１８を備えている。

ホログラム生成部１２は、観察対象に対して第１波長の光を照射して第１観察方向で得られる物体光と、第１波長の光から得られる参照光とを干渉させて、干渉縞である第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部として機能する。第１撮像部１４_１は、ＣＣＤ等のデジタル撮像素子であり、第１ホログラム生成部により生成された第１ホログラムを撮像する。

また、ホログラム生成部１２は、観察対象に対して第２波長の光を照射して第２観察方向で得られる物体光と、第２波長の光から得られる参照光とを干渉させて、干渉縞である第２ホログラムを生成する第２ホログラム生成部として機能する。ここで、第２波長は第１波長とは異なる波長である。また、第２観察方向は、第１観察方向と交差する方向である。第２撮像部１４_２は、ＣＣＤ等のデジタル撮像素子であり、第２ホログラム生成部により生成された第２ホログラムを撮像する。

第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とは、画像情報処理部１６に出力される。第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とは関連付けられて、画像情報処理部１６の後述するメモリ等の記憶装置に記憶される。第１波長と第２波長は、波長フィルタ等で分離可能な波長であればよい。例えば、第１波長を５００ｎｍ〜５６０ｎｍの緑色光とし、第２波長を６５０ｎｍ〜７８０ｎｍの赤色光としてもよい。また、第１観察方向と第２観察方向とは、観察対象を観察したい所望の方向とすればよい。なお、ホログラム生成部１２の構成については後述する。

画像情報処理部１６は、第１撮像部１４_１により第１ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して第１再生像を生成すると共に、第２撮像部１４_２により第２ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して第２再生像を生成する。上述した通り、デジタルホログラフィ技術では、ホログラムをデジタル撮像素子で撮像し、撮像されたホログラムの画像情報を計算機内で再生処理することにより、３次元構造を有する再生像を取得する。なお、再生処理の手法としては、周知のコンボリューション法やフレネル法が使用される。例えば、非特許文献２（U. Schnars, C. Falldorf, J. Watson and, W. Juptner, Digital Holography and Wavefront Sensing, Springer (2015).）に記載の方法が使用される。

画像情報処理部１６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、及びメモリを備えたコンピュータとして構成されている。ＲＯＭには、ホログラムを撮像して得られた画像情報を処理して３次元構造を有する再生像を得る「再生処理」のプログラムが記憶されている。ＣＰＵは、ＲＯＭに記憶された「再生処理」のプログラムを読み出して、ＲＡＭをワークエリアとして使用して「再生処理」のプログラムを実行する。また、表示部１８は、コンピュータの周辺装置として配置されたディスプレイ等である。表示部１８には、生成された再生像などが表示される。なお、周辺装置としてキーボード等の入力装置を備えていてもよい。

本実施の形態では、観察対象に第１波長の光を照射して観察対象を第１観察方向から観察したときの第１ホログラムの撮像と同時に、観察対象に第２波長の光を照射して観察対象を第２観察方向から観察したときの第２ホログラムが撮像される。したがって、単一波長の光を照射して１方向から観察する場合に比べて、観察対象を所望の方向から観察することができ、同時に観察される観察領域が拡大する。換言すれば、観察対象を観察できない死角が減少するのである。

なお、本明細書において「同時」とは、第１ホログラムの撮像時間と第２ホログラムの撮像時間とが完全に重なる場合だけでなく、第１ホログラムの撮像時間と第２ホログラムの撮像時間とが一部重なる場合も含む。

（ホログラム生成部）
次に、ホログラム生成部１２について説明する。ここでは、第１撮像部１４_１及び第２撮像部１４_２も含めて説明する。図２は本発明の第１の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第１の実施の形態では、観察対象Ｓを透過した透過光を物体光とする。ホログラム生成部１２は、第１ユニット１００_１と第２ユニット１００_２とを備えている。

第１ユニット１００_１は、第１波長（λ１）の光を投光する第１光源２２_１、入射した光を入射方向に応じて分岐、透過、または反射する反射面２５_１を有する分岐光学素子２４_１、レンズ２６_１、入射した光を入射方向に応じて分岐、統合、透過、または反射する反射面２９_１を有する分岐光学素子２８_１、第１波長（λ１）の光だけを透過する波長フィルタ３０_１、レンズ３２_１、第１撮像部１４_１、反射鏡３４_１、反射鏡３６_１、及びレンズ３８_１を備え、各光学部品が同じ基板上に設置されている。

第２ユニット１００_２は、第２波長（λ２）の光を投光する第２光源２２_２、入射した光を入射方向に応じて分岐、透過、または反射する反射面（図示せず）を有する分岐光学素子２４_２、レンズ２６_２、入射した光を入射方向に応じて分岐、統合、透過、または反射する反射面（図示せず）を有する分岐光学素子２８_２、第２波長（λ２）の光だけを透過する波長フィルタ３０_２、レンズ３２_１、第２撮像部１４_２、及び参照光の光路を形成する光学系（図示せず）を備え、各光学部品が同じ基板上に設置されている。参照光の光路を形成する光学系は、一対の反射鏡とレンズである。

第１撮像部１４_１を、第１ユニット１００_１内に配置すると共に、第２撮像部１４_２を、第２ユニット１００_２内に配置することで、デジタルホログラフィ装置１０の全体が小型化する。後述するとおり、第１撮像部１４_１は、第１波長の物体光の光軸上に配置され、第２撮像部１４_２は、第２波長の物体光の光軸上に配置される。

分岐光学素子２４_１、分岐光学素子２４_２、分岐光学素子２８_１、及び分岐光学素子２８_２としては、ビームスプリッタ等を用いてもよい。また、波長フィルタ３０_１及び波長フィルタ３０_２としては、バンドパスフィルタ等を用いてもよい。

第１ユニット１００_１においては、第１光源２２_１、分岐光学素子２４_１、レンズ２６_１、分岐光学素子２８_１、波長フィルタ３０_１、及びレンズ３２_１の各々が、光軸が揃えられて、第１観察方向に沿って記載された順序で配置されている。第１光源２２_１及び分岐光学素子２４_１は、観察対象Ｓの配置位置に対し第１観察方向上流側に配置され、レンズ２６_１、分岐光学素子２８_１、波長フィルタ３０_１、レンズ３２_１、及び第１撮像部１４_１は、観察対象Ｓの配置位置に対し第１観察方向下流側に配置されている。

観察対象Ｓは図示しない保持部材により保持されている。レンズ２６_１は、その焦点位置が観察対象Ｓ内に位置するように配置されている。後述する通り、第２ユニット１００_２に含まれるレンズ２６_２の焦点位置は、レンズ２６_１の焦点位置とは異なっている。また、第１撮像部１４_１は、その撮像面がレンズ３２_１の焦点位置となるように配置されている。

反射鏡３４_１は、分岐光学素子２４_１の参照光反射側に配置されている。また、反射鏡３６_１及びレンズ３８_１は、分岐光学素子２８_１の参照光入射側に配置されている。反射鏡３４_１の反射面は、入射光が反射鏡３６_１の方向に反射されるように、分岐光学素子２４_１で反射された参照光の光軸に対して４５°の角度だけ傾けられている。また、反射鏡３６_１の反射面は、入射光がレンズ３８_１の方向に反射されるように、反射鏡３４_１で反射された参照光の光軸に対して４５°の角度だけ傾けられている。

第２ユニット１００_２においては、第２光源２２_２、分岐光学素子２４_２、レンズ２６_２、分岐光学素子２８_２、波長フィルタ３０_２、及びレンズ３２_２の各々が、光軸が揃えられて、第２観察方向に沿って記載された順序で配置されている。第２光源２２_２及び分岐光学素子２４_２は、観察対象Ｓの配置位置に対し第２観察方向上流側に配置され、レンズ２６_２、分岐光学素子２８_２、波長フィルタ３０_２、レンズ３２_２、及び第２撮像部１４_２は、観察対象Ｓの配置位置に対し第２観察方向下流側に配置されている。

レンズ２６_２は、その焦点位置が観察対象Ｓ内に位置するように配置されている。後述する通り、第１ユニット１００_１に含まれるレンズ２６_１の焦点位置は、レンズ２６_２の焦点位置とは異なっている。また、第２撮像部１４_２は、その撮像面がレンズ３２_２の焦点位置となるように配置されている。なお、図示はしないが、分岐光学素子２４_２で反射された参照光が分岐光学素子２８_２に入射するように、参照光の光路を形成する光学系が配置されている。

本実施の形態では、第１波長の物体光の光軸方向が「第１観察方向」であり、第２波長の物体光の光軸方向が「第２観察方向」である。したがって、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸とは交差する。図示した例では、第１観察方向と第２観察方向とは直交しており、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸も直交している。

（ホログラム生成部の動作）
次に、ホログラム生成部１２の動作について説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）は第１の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。図３（Ａ）では、第１波長の物体光と参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部としての第１ユニット１００_１の動作を説明する。図３（Ｂ）では、第２波長の物体光と参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第１ホログラム生成部としての第２ユニット１００_２の動作を説明する。

まず、第１ユニット１００_１の動作について説明する。図３（Ａ）に示すように、第１光源２２_１から平行光として投光された第１波長の光は、分岐光学素子２４_１に入射する。分岐光学素子２４_１に入射された第１波長の光の一部は、反射面２５_１を透過して第１観察方向に出射する。分岐光学素子２４_１に入射された第１波長の光の残部は、反射面２５_１で反射される。これにより、第１光源２２_１から投光された第１波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で表示する。

分岐光学素子２４_１を透過した第１波長の光（物体光用の光）は、平行光のまま観察対象Ｓに照射される。即ち、観察対象Ｓに照射される第１波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓを透過する際に散乱される。なお、図３（Ａ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓを透過した第１波長の物体光は、レンズ２６_１により平行光化されて分岐光学素子２８_１に入射する。分岐光学素子２８_１に入射された第１波長の物体光は、反射面２９_１を透過して第１観察方向に出射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

分岐光学素子２４_１で反射された第１波長の光（参照光）は、反射鏡３４_１に照射され、反射鏡３４_１により反射鏡３６_１の方向に反射され、反射鏡３６_１によりレンズ３８_１の方向に反射され、レンズ３８_１により集光されて、分岐光学素子２８_１に入射する。

分岐光学素子２８_１に入射された第１波長の参照光は、反射面２９_１で第１観察方向に反射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長の物体光と第１波長の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

次に、第２ユニット１００_２の動作について説明する。図３（Ｂ）に示すように、第２光源２２_２から平行光として投光された第２波長の光は、分岐光学素子２４_２に入射する。分岐光学素子２４_２に入射された第２波長の光の一部は、反射面（図示せず）を透過して第２観察方向に出射する。分岐光学素子２４_２に入射された第２波長の光の残部は、反射面（図示せず）で反射される。これにより、第２光源２２_２から投光された第２波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、参照光は点線で表示する。

分岐光学素子２４_２を透過した第２波長の光（物体光用の光）は、平行光のまま観察対象Ｓに照射される。即ち、観察対象Ｓに照射される第２波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓを透過する際に散乱される。なお、図３（Ｂ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。

観察対象Ｓを透過した第２波長の物体光は、レンズ２６_２により平行光化されて分岐光学素子２８_２に入射する。分岐光学素子２８_２に入射された第２波長の物体光は、反射面２９_２を透過して第２観察方向に出射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

分岐光学素子２４_２で反射された第２波長の光（参照光）は、図示しない光学系を通って分岐光学素子２８_２に入射する。分岐光学素子２８_２に入射された第２波長の参照光は、反射面（図示せず）で第２観察方向に反射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長の物体光と第２波長の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１ユニット１００_１による第１ホログラム生成部としての動作と、第２ユニット１００_２による第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。第１波長の光と第２波長の光とは波長が異なっているので、第１波長の光と第２波長の光とを観察対象に対して照射して、第１波長の物体光と第２波長の物体光とを生成することができ、生成した第１波長の物体光と第２波長の物体光とが波長フィルタ等で分離される。これにより、同時に観察される観察領域が拡大する。

また、本実施の形態では、観察対象に物体光用の光を「平面波」として照射するので、観察対象の広い範囲が均一に照明される。このため、再生像の明るさも均一になる。例えば、観察対象の面内や深度方向の広い範囲を撮影する場合には、物体光用の光を「平面波」として照射する方法が適している。

なお、本実施の形態では、同じ波長の物体光の光軸と参照光の光軸とが同軸（in-line）としているが、物体光の光軸と参照光の光軸とが交差するように参照光の光軸を傾けてもよい(軸外：off-axis)。軸外（off-axis)の方が、１次回折光と０次光とを分離しやすく、０次光により再生像に発生するノイズが低減される。

例えば、第１波長の参照光を斜めから照射するには、分岐光学素子２８_１を傾ければよい。または、波長フィルタ３０_１の前後に、参照光の光路を変更する偏向素子を挿入すればよい。偏向素子は、例えば、楔型プリズム等の光学素子としてもよい。

（観察領域の拡大）
次に、観察領域の拡大について説明する。
図４（Ａ）は各波長の光が通過する領域を示す模式図であり、図４（Ｂ）は各波長の光による観察領域を示す模式図である。第１ホログラム生成部の動作として説明した通り、観察対象Ｓを透過した第１波長の物体光は、レンズ２６_１により平行光化される。また、第２ホログラム生成部の動作として説明した通り、観察対象Ｓを透過した第２波長の物体光は、レンズ２６_２により平行光化される。

したがって、図４（Ａ）に示すように、第１波長の物体光は、観察対象Ｓ内のレンズ２６_１の焦点位置１で焦点を結び、第２波長の物体光は、観察対象Ｓ内のレンズ２６_２の焦点位置２で焦点を結ぶ。観察対象Ｓ内において焦点位置１と焦点位置２とは異なる位置である。本実施の形態では、レンズ２６_１を含む第１ユニット１００_１に対して、レンズ２６_２を含む第２ユニット１００_２を相対的に移動させて、焦点位置１と焦点位置２とを離間させている。

なお、図４（Ａ）は、物体光が通過する観察対象Ｓ内の領域を模式的に表すものであり、光軸上の焦点からの散乱光のうち、対物レンズに入射する光線の最大角度範囲を図示している。図４（Ａ）では、対物レンズであるレンズ２６_１のＮＡに応じて複数の光線が焦点位置１からレンズで２６_１に入射し、対物レンズであるレンズ２６_２のＮＡに応じて複数の光線が焦点位置２からレンズで２６_２に入射する。

ここで、焦点深度とは、物体光が結像された光像のボケが許容される「撮像素子の光軸方向における焦点が合った位置からの距離」のことである。また、被写界深度とは、物体光が結像された光像のボケが許容される「観察対象内の光軸方向における焦点位置からの距離（ホログラムからの再生距離）」のことである。即ち、第１波長の物体光の光軸方向において焦点位置１の前後の、太い実線の矢印で図示した範囲が、第１波長の物体光の被写界深度（λ１）である。

本実施の形態では、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸とは交差するので、２つの物体光の被写界深度の方向は異なっている。そこで、被写界深度の拡大を表現するために、第２波長の物体光については被写界深度ではなく「測定視野」を定義する。ここで「測定視野」とは、物体光が結像された光像のボケが許容される「観察対象内の第１波長の物体光の光軸方向における観察領域の長さ」である。焦点位置２に沿った太い点線の矢印で図示した範囲が、第２波長の物体光の測定視野（λ２）である。

図４（Ｂ）に示すように、物体光の光軸を含む断面で見ると、淡色で図示した第１波長の物体光による第１観察領域（λ１）は、被写界深度（λ１）と対物レンズのＮＡとに対応して、２つの台形を底辺で接合した形状（以下、「台形状」という。）となる。一方、濃色で図示した第２波長の物体光による第２観察領域（λ２）は、被写界深度（λ２）と対物レンズのＮＡとに対応して台形状となる。なお、台形状になるのは、対物レンズのＮＡにより観察領域が制限されるためである。

観察対象Ｓ内において焦点位置１と焦点位置２とは位置及び方向が異なるので、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）についても位置及び方向が異なっている。これにより、単一波長の光を照射して観察する場合に比べて、同時に観察される観察領域が第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とを連結した領域まで拡大される。第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）との連結は、画像情報処理部１６で実施される（図１参照）。

画像情報処理部１６は、互いに関連付けられた第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とを記憶装置から読み出し、第１ホログラムの画像情報を処理して第１再生像を生成し、第２ホログラムの画像情報を処理して第２再生像を生成する。これら第１再生像と第２再生像とを合成することで、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが連結される。連結された観察領域の画像、即ち、第１再生像と第２再生像の合成画像は、表示部１８に表示される。

また、被写界深度（λ１）と測定視野（λ２）とを合成することで、第１波長の物体光の光軸方向における被写界深度が拡大する。なお、被写界深度は、波長を「λ」、対物レンズであるレンズ２６_１、レンズ２６_２の開口数を「ＮＡ」、撮像部の画素の直径（いわゆる、画素ピッチ）を「ｐ」、撮像部の画素数を「Ｎ」、拡大倍率を「Ｍ」として、例えば、焦点位置から下記式（１）で表される範囲である。下記式（１）では、分子の「Ｎ」が画素数を表す。

上記式（１）は対物レンズのＮＡで決まる分解能が維持できる範囲を表す。したがって、必要とされる解像度は用途に依存するため、被写界深度はこの式に限定されない。また、測定視野は、ｐＮ/Ｍで表される。

なお、第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とを関連付けて記憶する際に、第１波長の物体光の焦点位置１の三次元座標と、第２波長の物体光の焦点位置２の三次元座標とを併せて記憶しておくとよい。例えば、観察対象Ｓを保持する保持部材が位置センサ等を備える場合は、対物レンズであるレンズ２８_１、レンズ２８_２の焦点位置の三次元座標が求められる。焦点位置１の三次元座標と焦点位置２の三次元座標とは、第１再生像と第２再生像とを合成する際に活用される。

また、図４（Ｂ）に示す例では、被写界深度（λ１）と測定視野（λ２）は一部重複しており（図４（Ａ）に「共通領域」として図示する）、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）も一部重複している。重複部分を濃色と淡色の中間の濃度の色で図示する。この場合、重複部分がパターンマッチング等により特定されるので、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）との連結が容易になる。また、重複部分については第１ホログラムの画像情報と第２ホログラムの画像情報とが取得される。

なお、２つの観察領域の重なり具合はこれに限定されるものではない。図５に示すように、第１観察領域（λ１）と第２観察領域（λ２）とが隣接するようにしてもよい。ここでも、第１観察領域（λ１）を淡色で図示し、第２観察領域（λ２）を濃色で図示する。この場合、合成された被写界深度は最大となり、連結された観察領域も最大となる。

第１ユニット１００_１での、開口数を「ＮＡ_１」、撮像部の画素の直径を「ｐ_１」、撮像部の画素数を「Ｎ_１」、拡大倍率を「Ｍ_１」とすると、被写界深度（λ１）は焦点位置から下記式（２）で表される範囲である。

また、第２ユニット１００_２での撮像部の画素の直径を「ｐ_２」、撮像部の画素数を「Ｎ_２」、拡大倍率を「Ｍ_２」とすると、測定視野（λ２）は、ｐ_２Ｎ_２/Ｍ_２で表される。

また、第１観察方向と第２観察方向とは９０°以外の角度で交差していてもよい。即ち、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸とは９０°以外の角度で交差していてもよい。図６は本発明の第１の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の他の一例を示す概略構成図である。第１観察方向（第１波長の物体光の光軸方向）と第２観察方向（第２波長の物体光の光軸方向）との交差角度を９０°より大きくした以外は、図２に示すホログラム生成部の構成と同じであるため、同じ符号を付して説明を省略する。

図７は観察領域が拡大する様子を示す模式図である。ここでも、第１観察領域（λ１）を淡色で図示し、第２観察領域（λ２）を濃色で図示し、２つの領域の重複部分をその中間の濃度の色で図示する。交差角度を変更したので、図４（Ｂ）に示す例と比較すると、焦点位置２の位置及び方向が異なるので、第２観察領域（λ２）についても位置及び方向が異なっている。この場合の「測定視野（λ２）」は、ｐＮ/Ｍではなく、交差角θを用いてｐＮcosθ/Ｍと表される。したがって、合成された被写界深度も異なり、連結された観察領域の範囲も異なる。

＜第２の実施の形態＞
図８は本発明の第２の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第２の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置は、観察対象に波長及び偏光方向の異なる光を照射して物体光を得るようにホログラム生成部の構成を変更した以外は、第１の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第２の実施の形態でも、第１の実施の形態と同様に、観察対象を透過した透過光を物体光とする。また、観察対象に照射される光は「平面波」である。

第２の実施の形態に係るホログラム生成部１２は、第１ユニット１００Ａ_１と第２ユニット１００Ａ_２とを備えている。第１ユニット１００Ａ_１は、第１波長の光を投光する第１光源２２_１の代わりに「第１波長で且つＳ偏光の光」を投光する第１光源２２Ａ_１を配置し、波長フィルタ３０_１とレンズ３２_１との間にＳ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｓを挿入した以外は、図２に示す第１ユニット１００_１と同じ構成であるため説明を省略する。

第２ユニット１００Ａ_２は、第２波長の光を投光する第２光源２２_２の代わりに「第２波長で且つＰ偏光の光」を投光する第２光源２２Ａ_２を配置し、波長フィルタ３０_２とレンズ３２_２との間にＰ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｐを挿入した以外は、図２に示す第２ユニット１００_２と同じ構成であるため説明を省略する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１観察方向と第２観察方向とが交差しており、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸も交差している。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、レンズ２６_２の焦点位置がレンズ２６_１の焦点位置とは異なるように、第１ユニット１００Ａ_１と第２ユニット１００Ａ_２とが配置されている。

（ホログラム生成部の動作）
第１波長の光が「第１波長で且つＳ偏光の光」に代わり、第２波長の光が「第２波長で且つＰ偏光の光」に代わっただけであり、本実施の形態のホログラム生成部の動作は、第１の実施の形態のホログラム生成部の動作と略同様であるため、相違点のみ説明する。

第１ユニット１００_１では、分岐光学素子２８_１に入射された第１波長で且つＳ偏光の物体光は、反射面２９_１を透過して第１観察方向に出射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

一方、分岐光学素子２８_１に入射された第１波長で且つＳ偏光の参照光は、反射面２９_１で第１観察方向に反射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長で且つＳ偏光の物体光と第１波長で且つＳ偏光の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

次に、第２ユニット１００_２では、分岐光学素子２８_２に入射された第２波長で且つＰ偏光の物体光は、反射面（図示せず）を透過して第２観察方向に出射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

一方、分岐光学素子２８_２に入射された第２波長で且つＰ偏光の参照光は、反射面（図示せず）で第２観察方向に反射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長で且つＰ偏光の物体光と第２波長で且つＰ偏光の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１ユニット１００Ａ_１による第１ホログラム生成部としての動作と、第２ユニット１００Ａ_２による第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、同時に観察できる観察領域が拡大する。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、観察対象に物体光用の光を「平面波」として照射するので、観察対象の広い範囲が均一に照明され、再生像の明るさも均一になる。

特に、本実施の形態では、第１波長の光と第２波長の光とは、波長だけでなく偏光方向も異なっている。したがって、「第１波長で且つＳ偏光の光」から生成した「第１波長で且つＳ偏光の物体光」と「第２波長で且つＰ偏光の光」から生成した「第２波長で且つＰ偏光の物体光」とが、波長フィルタ及び偏光フィルタ等で分離される。波長フィルタに加えて偏光フィルタを通過させることで、波長フィルタでは除去しきれないノイズが除去される。

＜第３の実施の形態＞
図９は本発明の第３の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第３の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置は、観察対象で反射された反射光を物体光とするようにホログラム生成部の構成を変更した以外は、第１の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第３の実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、観察対象に照射される光は「平面波」である。

第３の実施の形態に係るホログラム生成部１２は、第１ユニット１００Ｂ_１と第２ユニット１００Ｂ_２とを備えている。第１ユニット１００Ｂ_１では、分岐光学素子２４_１と反射鏡３４_１が削除され、レンズ２３_１が追加されている。また、光源２２_１、レンズ２３_１、分岐光学素子２８_１、及びレンズ３８_１の各々は、光軸が揃えられて、その光学系の光軸が物体光の光軸と直交するように、記載された順序で配置されている。更に、反射鏡３６_１は、入射光がレンズ３８_１の方向に反射されるように、反射面が上記光学系の光軸と直交するように配置されている。

第２ユニット１００Ｂ_２では、分岐光学素子２４_２と反射鏡３４_２が削除され、レンズ２３_２が追加されている。また、光源２２_２、レンズ２３_２、分岐光学素子２８_２、及びレンズ３８_２の各々は、光軸が揃えられて、その光学系の光軸が物体光の光軸と直交するように、記載された順序で配置されている。更に、反射鏡３６_２は、入射光がレンズ３８_２の方向に反射されるように、反射面が上記光学系の光軸と直交するように配置されている。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１観察方向と第２観察方向とが交差しており、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸も交差している。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、レンズ２６_２の焦点位置がレンズ２６_１の焦点位置とは異なるように、第１ユニット１００Ｂ_１と第２ユニット１００Ｂ_２とが配置されている。

また、本実施の形態では、第１ユニット１００Ｂ_１の各光学部品は、観察対象Ｓの配置位置に対して第１観察方向にまとめて配置され、第２ユニット１００Ｂ_２の各光学部品は、観察対象Ｓの配置位置に対して第２観察方向にまとめて配置されている。これにより、デジタルホログラフィ装置１０の全体が小型化する。

（ホログラム生成部の動作）
次に、ホログラム生成部１２の動作について説明する。図１０（Ａ）及び（Ｂ）は第１の実施の形態に係るホログラム生成部の動作の一例を示す模式図である。図１０（Ａ）では、第１波長の物体光と参照光とを干渉させて第１ホログラムを生成する第１ホログラム生成部としての第１ユニット１００Ｂ_１の動作を説明する。図１０（Ｂ）では、第２波長の物体光と参照光とを干渉させて第２ホログラムを生成する第１ホログラム生成部としての第２ユニット１００Ｂ_２の動作を説明する。

まず、第１ユニット１００Ｂ_１の動作について説明する。図１０（Ａ）に示すように、第１光源２２_１から平行光として投光された第１波長の光は、レンズ２３_１で集光されて、分岐光学素子２８_１に入射する。分岐光学素子２８_１に入射された第１波長の光の一部は、反射面２９_１でレンズ２６_１の方向に反射される。分岐光学素子２４_１に入射された第１波長の光の残部は、反射面２９_１を透過してレンズ３８_１の方向に出射される。これにより、第１光源２２_１から投光された第１波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、物体光は一点鎖線で表示し、参照光は点線で表示する。

分岐光学素子２８_１で反射された第１波長の光（物体光用の光）は、レンズ２６_１で平行光化されて観察対象Ｓに照射される。即ち、観察対象Ｓに照射される第１波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓで反射されて散乱される。なお、図１０（Ａ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。なお、観察対象Ｓで反射された後の物体光を実線で表示する。

観察対象Ｓで反射された第１波長の物体光は、レンズ２６_１により平行光化されて分岐光学素子２８_１に入射する。分岐光学素子２８_１に入射された第１波長の物体光は、反射面２９_１を透過して第１観察方向に出射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

分岐光学素子２８_１を透過した第１波長の光（参照光）は、レンズ３８_１により平行光化されて反射鏡３６_１に照射され、反射鏡３６_１によりレンズ３８_１の方向に反射され、レンズ３８_１により集光されて、分岐光学素子２８_１に入射する。

分岐光学素子２８_１に入射された第１波長の参照光は、反射面２９_１で第１観察方向に反射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長の物体光と第１波長の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１観察方向と第２観察方向とが交差しており、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸も交差している。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、レンズ２６_２の焦点位置がレンズ２６_１の焦点位置とは異なるように、第１ユニット１００Ｂ_１と第２ユニット１００Ｂ_２とが配置されている。

次に、第２ユニット１００Ｂ_２の動作について説明する。図１０（Ｂ）に示すように、第２光源２２_２から平行光として投光された第２波長の光は、レンズ２３_２で集光されて、分岐光学素子２８_２に入射する。分岐光学素子２８_２に入射された第２波長の光の一部は、反射面２９_２でレンズ２６_２の方向に反射される。分岐光学素子２４_２に入射された第２波長の光の残部は、反射面２９_２を透過してレンズ３８_２の方向に出射される。これにより、第２光源２２_２から投光された第２波長の光が、物体光用の光と参照光とに分岐される。なお、物体光は一点鎖線で表示し、参照光は点線で表示する。

分岐光学素子２８_２で反射された第２波長の光（物体光用の光）は、レンズ２６_２で平行光化されて観察対象Ｓに照射される。即ち、観察対象Ｓに照射される第２波長の光は「平面波」である。照射された光は、観察対象Ｓで反射されて散乱される。なお、図１０（Ｂ）では光軸を通過する光線が散乱される様子を図示している。なお、観察対象Ｓで反射された後の物体光を実線で表示する。

観察対象Ｓで反射された第２波長の物体光は、レンズ２６_２により平行光化されて分岐光学素子２８_２に入射する。分岐光学素子２８_２に入射された第２波長の物体光は、反射面２９_２を透過して第２観察方向に出射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

分岐光学素子２８_２を透過した第２波長の光（参照光）は、レンズ３８_２により平行光化されて反射鏡３６_２に照射され、反射鏡３６_２によりレンズ３８_２の方向に反射され、レンズ３８_２により集光されて、分岐光学素子２８_２に入射する。

分岐光学素子２８_２に入射された第２波長の参照光は、反射面２９_２で第２観察方向に反射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長の物体光と第２波長の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１ユニット１００Ｂ_１による第１ホログラム生成部としての動作と、第２ユニット１００Ｂ_２による第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、同時に観察できる観察領域が拡大する。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、観察対象に物体光用の光を「平面波」として照射するので、観察対象の広い範囲が均一に照明され、再生像の明るさも均一になる。

特に、本実施の形態では、観察対象で反射された反射光を物体光とするので、透過光を物体光とする場合に比べて明るい画像（即ち、高いＳＮ比）が得られる。これは、物体光が観察対象の表面で生成されるため、透過光を物体光とする場合と異なり、観察対象内部での吸収や散乱により物体光のＳＮ比が低下しないためである。

＜第４の実施の形態＞
図１１は本発明の第４の実施の形態に係るホログラム生成部の構成の一例を示す概略構成図である。第４の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置は、観察対象に波長及び偏光方向の異なる光を照射して物体光を得るようにホログラム生成部の構成を変更した以外は、第３の実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、第４の実施の形態でも、第３の実施の形態と同様に、観察対象で反射された反射光を物体光とする。また、観察対象に照射される光は「平面波」である。

第４の実施の形態に係るホログラム生成部１２は、第１ユニット１００Ｃ_１と第２ユニット１００Ｃ_２とを備えている。第１ユニット１００Ｃ_１は、第１波長の光を投光する第１光源２２_１の代わりに「第１波長で且つＳ偏光の光」を投光する第１光源２２Ｃ_１を配置し、波長フィルタ３０_１とレンズ３２_１との間にＳ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｓを挿入した以外は、図９に示す第１ユニット１００Ｂ_１と同じ構成であるため説明を省略する。

第２ユニット１００Ｃ_２は、第２波長の光を投光する第２光源２２_２の代わりに「第２波長で且つＰ偏光の光」を投光する第２光源２２Ｃ_２を配置し、波長フィルタ３０_２とレンズ３２_２との間にＰ偏光の光だけを透過する偏光フィルタ３０Ｐを挿入した以外は、図９に示す第２ユニット１００Ｂ_２と同じ構成であるため説明を省略する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１観察方向と第２観察方向とが交差しており、第１波長の物体光の光軸と第２波長の物体光の光軸も交差している。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、レンズ２６_２の焦点位置がレンズ２６_１の焦点位置とは異なるように、第１ユニット１００Ｃ_１と第２ユニット１００Ｃ_２とが配置されている。

（ホログラム生成部の動作）
第１波長の光が「第１波長で且つＳ偏光の光」に代わり、第２波長の光が「第２波長で且つＰ偏光の光」に代わっただけであり、本実施の形態のホログラム生成部の動作は、第３の実施の形態のホログラム生成部の動作と略同様であるため、相違点のみ説明する。

第１ユニット１００Ｃ_１では、分岐光学素子２８_１に入射された第１波長で且つＳ偏光の物体光は、反射面２９_１を透過して第１観察方向に出射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により集光されて、第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

一方、分岐光学素子２８_１に入射された第１波長で且つＳ偏光の参照光は、反射面２９_１で第１観察方向に反射され、波長フィルタ３０_１により第１波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＳによりＳ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_１により平行光化されて第１撮像部１４_１の撮像面に照射される。

第１撮像部１４_１の撮像面に照射された第１波長で且つＳ偏光の物体光と第１波長で且つＳ偏光の参照光とが干渉し、第１撮像部１４_１の撮像面では干渉縞が生成している。第１撮像部１４_１は、撮像面上に生成された干渉縞を第１ホログラムとして撮像する。

次に、第２ユニット１００Ｃ_２では、分岐光学素子２８_２に入射された第２波長で且つＰ偏光の物体光は、反射面２９_２を透過して第２観察方向に出射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により集光されて、第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

一方、分岐光学素子２８_２に入射された第２波長で且つＰ偏光の参照光は、反射面（図示せず）で第２観察方向に反射され、波長フィルタ３０_２により第２波長以外の光が除去され、偏光フィルタ３０ＰによりＰ偏光以外の光が除去され、レンズ３２_２により平行光化されて第２撮像部１４_２の撮像面に照射される。

第２撮像部１４_２の撮像面に照射された第２波長で且つＰ偏光の物体光と第２波長で且つＰ偏光の参照光とが干渉し、第２撮像部１４_２の撮像面では干渉縞が生成している。第２撮像部１４_２は、撮像面上に生成された干渉縞を第２ホログラムとして撮像する。

本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、第１ユニット１００Ｃ_１による第１ホログラム生成部としての動作と、第２ユニット１００Ｃ_２による第２ホログラム生成部としての動作とを同時に行う。これにより、同時に観察できる観察領域が拡大する。また、本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、観察対象に物体光用の光を「平面波」として照射するので、観察対象の広い範囲が均一に照明され、再生像の明るさも均一になる。

また、本実施の形態では、第３の実施に形態と同様に、観察対象で反射された反射光を物体光とするので、透過光を物体光とする場合に比べて明るい画像（即ち、高いＳＮ比）が得られる。

また、本実施の形態では、第２の実施に形態と同様に、第１波長の光と第２波長の光とは、波長だけでなく偏光方向も異なっている。したがって、波長フィルタに加えて偏光フィルタを通過させることで、波長フィルタでは除去しきれないノイズが除去される。

＜変形例および応用例＞
なお、上記実施の形態で説明したデジタルホログラフィ装置の構成は一例であり、本発明の主旨を逸脱しない範囲内においてその構成を変更してもよいことは言うまでもない。

上記の実施の形態で説明したデジタルホログラフィ装置は、デジタルホログラフィック顕微鏡にも応用可能である。デジタルホログラフィック顕微鏡でも、通常の顕微鏡と同様に、観察領域は対物レンズのＮＡの増加につれて小さくなる。流体の測定など、深度方向の情報が重要な場合には、観察領域の制限が問題になる。

例えば、流体測定では、流れの向きを観察するために微小なトレーサー粒子を流体に混ぜる。この粒子の粒径が小さいほど、粒子の位置を観測するためにＮＡの高い対物レンズを用いることになる。この場合、ＮＡの高い対物レンズを用いるために、観察される深度方向の領域は小さくなり、所望の領域を観察できない場合が生じる。観察領域を拡大するには、撮像部の画素数を増加させればよいが、画像処理時間が長くなるという問題が生じる。

本実施の形態の構成によれば、撮像部の画素数を増加させることなく、デジタルホログラフィック顕微鏡の観察領域を拡大することができる。

また、従来は、観察対象に一方向から光を照射して生成された反射光をホログラムとして記録して観察対象の形状を計測していたが、この方法で観察対象の周囲を計測するには、観察対象を表裏反転する必要があり、煩雑であった。

本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置によれば、観察対象を互いに異なる観察方向から観察することができ、観察領域内にある被写体を一方向から観察したときの３次元形状と他方向から観察したときの３次元形状とが同時に取得される。

したがって、医療、バイオの分野で、細胞、微生物など微小なため構造把握が困難な観察対象の構造把握が容易になる。また、他の産業分野でも、トナー粒子、マイクロマシン（ＭＥＭＳ）、生物模倣技術など微小構造体の形状把握や検査が容易になる。

１０ デジタルホログラフィ装置
１２ ホログラム生成部
１４_１ 第１撮像部
１４_２ 第２撮像部
１６ 画像情報処理部
１８ 表示部
２２_１ 光源
２２_２ 光源
２４_１ 分岐光学素子
２４_２ 分岐光学素子
２６_１ レンズ
２６_２ レンズ
２８_１ 分岐光学素子
２８_２ 分岐光学素子
３０_１ 波長フィルタ
３０_２ 波長フィルタ
３０Ｐ 偏光フィルタ
３０Ｓ 偏光フィルタ
３４_１ 反射鏡
３４_２ 反射鏡
３６_１ 反射鏡
３６_２ 反射鏡
１００_１ 第１ユニット
１００_２ 第２ユニット
Ｓ 観察対象

Claims (9)

1. 観察対象に照射する第１波長の光を投光する第１光源と、前記第１光源から投光された第１波長の光を物体光用光と参照光とに分岐すると共に、第１波長の物体光用光を第１観察方向から前記観察対象に投光する第１分岐光学素子と、前記第１波長の物体光と第１波長の参照光との干渉により生成した第１ホログラムを撮像する第１撮像部と、前記観察対象を透過した第１波長の物体光または前記観察対象で反射された第１波長の物体光を前記第１撮像部の方向に伝搬する第１レンズと、前記第１分岐光学素子から得られた第１波長の参照光を前記第１撮像部の方向に反射する第１反射部と、を備えた第１ユニットと、
   前記観察対象に照射する前記第１波長とは異なる第２波長の光を投光する第２光源と、前記第２光源から投光された第２波長の光を物体光用光と参照光とに分岐すると共に、第２波長の物体光用光を前記第１観察方向と交差する第２観察方向から前記観察対象に投光する第２分岐光学素子と、前記第２波長の物体光と第２波長の参照光との干渉により生成した第２ホログラムを撮像する第２撮像部と、前記観察対象を透過した第２波長の物体光または前記観察対象で反射された第２波長の物体光を前記第２撮像部の方向に伝搬する第２レンズと、前記第２分岐光学素子から得られた第２波長の参照光を前記第２撮像部の方向に反射する第２反射部と、を備えた第２ユニットと、
   を備え、
   前記第１レンズの第１焦点位置と前記第２レンズの第２焦点位置とが前記観察対象内に位置し、前記第１焦点位置と前記第２焦点位置とが異なるように、前記第１ユニットと前記第２ユニットとを配置する、
   デジタルホログラフィ装置。
2. 前記第１ユニットが、前記第１撮像部の光入射側に配置され、第１波長の光だけを透過する第１フィルタを含み、前記第１撮像部が、前記第１フィルタを透過した第１波長の物体光と第１波長の参照光との干渉により生成した第１ホログラムを撮像し、
   前記第２ユニットが、前記第２撮像部の光入射側に配置され、第２波長の光だけを透過する第２フィルタを含み、前記第２撮像部が、前記第２フィルタを透過した第２波長の物体光と第２波長の参照光との干渉により生成した第２ホログラムを撮像する、
   請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
3. 前記第１撮像部及び前記第２撮像部の各々は、前記第１ホログラムの撮像時間と前記第２ホログラムの撮像時間とが全部または一部重なるように撮像を行う、請求項１または請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
4. 前記第１ホログラムの画像情報と前記第２ホログラムの画像情報とが関連付けられる、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
5. 前記観察対象の前記第１波長の光によりホログラムとして記録される観察領域と、前記観察対象の前記第２波長の光によりホログラムとして記録される観察領域とは重ならずに隣接する、請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
6. 前記観察対象の前記第１波長の光によりホログラムとして記録される観察領域の一部と、前記観察対象の前記第２波長の光によりホログラムとして記録される観察領域の一部とが重なる、請求項１から請求項４までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
7. 第１ユニットと前記第２ユニットとが、第１観察方向と第２観察方向とが交差するように配置され、
   前記第１撮像部の撮像面が前記第１観察方向と交差して配置され、前記第２撮像部の撮像面が前記第２観察方向と交差して配置されている、
   請求項１から請求項６までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。
8. 前記第１波長の光が第１偏光方向の光であり、前記第２波長の光が第１偏光方向とは異なる第２偏光方向の光である場合に、
   前記第１ユニットが、干渉前に前記第１波長の光を照射して得られる物体光から第１偏光方向の光だけを透過する第１フィルタを備え、前記第２ユニットが、干渉前に前記第２波長の光を照射して得られる物体光から第２偏光方向の光だけを透過する第２フィルタを備えている、
   請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
9. 更に、前記第１ホログラムの画像情報を処理して第１再生像を生成すると共に、前記第２ホログラムの画像情報を処理して第２再生像を生成する画像情報処理部を備えた、
   請求項１から請求項８までの何れか１項に記載のデジタルホログラフィ装置。