JP7021772B2

JP7021772B2 - ホログラム光学素子、ホログラム光学素子の製造方法、及び光学装置

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Publication number: JP7021772B2
Application number: JP2017250153A
Authority: JP
Inventors: 友哉中村; 俊亮五十嵐; 祐市小澤
Original assignee: Tohoku University NUC
Current assignee: Tohoku University NUC
Priority date: 2017-12-26
Filing date: 2017-12-26
Publication date: 2022-02-17
Anticipated expiration: 2037-12-26
Also published as: JP2019117233A

Description

本発明は、入射光を回折させて透過光又は反射光を偏向させるホログラム光学素子、ホログラム光学素子の製造方法、及び当該ホログラム光学素子を備える光学装置に関する。

光学顕微鏡等の光学分野において、三次元イメージングでは、いかに対象の結像距離変位となるｚ情報を効果的に像面の光軸距離変位となるｘｙ情報に変換（符号化）するかが重要となる。例えば、特許文献１及び非特許文献１では、三次位相変調素子を用いたエアリービームにより、非特許文献２では、位相マスクによる二重螺旋点像分布関数により、それぞれｚ情報を像面のｘｙ情報に符号化する手法が提案されている。

一方、一画素イメージングでは、いかに対象のｘｙ情報を一画素撮影における時間情報に変換（符号化）するかが重要となる。例えば、非特許文献３には、２Ｄマスクと画像再構成に基づく手法が開示されている。

国際公開第２０１７／２１３１７１号

S. Jia, J. C. Vaughan, and X. Zhuang, "Isotropic three-dimensional super-resolution imaging with a self-bending point spread function," Nature Photonics 8, 302-306 (2014). S. R. P. Pavani, M. A. Thompson, J. S. Biteen, S. J. Lord, N. Liu, R. J. Twieg, R. Piestun, and W. E. Moerner, "Three-dimensional, single-molecule fluorescence imaging beyond the diffraction limit by using a double-helix point spread function," Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 106, 2995-2999 (2009). R. G. Baraniuk, "Compressive Sensing," IEEE Signal Processing Magazine 24, 118-121 (2007).

しかしながら、エアリービームや二重螺旋点像分布関数等による符号化法では、ｚｘ変換特性が単純な像点の線形移動で無いため、距離分解能、撮像距離範囲、ｚ情報復号精度、一意性が課題となる。一方、一画素イメージングでは、画質・計算量や撮像系の複雑化・大型化が課題となる。このような三次元イメージングや一画素イメージングの課題を解決するためには、より簡素な構成で精度よく撮像対象のイメージングを可能とする光学素子の要請がある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡素な構成で精度よく結像距離変位となるｚ情報と光軸距離変位となるｘｙ情報とを相互に変換することの可能な、新規かつ改良されたホログラム光学素子、ホログラム光学素子の製造方法、及び光学装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様は、入射光を回折させて透過光又は反射光を偏向させるホログラム光学素子であって、前記入射光である物体光の光軸方向をｚ軸方向とする３次元空間のｘｙ面に設けられる透光性又は反射性を有する基板と、前記基板に設けられる干渉縞と、を備え、前記干渉縞は、前記入射光である物体光の前記基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の結像距離変位を前記基板を介して前記物体光の透過光又は反射光の空間像が前記基板と平行に展開される像面における前記透過光又は反射光の光軸のｚ軸からの距離となる像面側の光軸距離変位に、又は前記入射光である物体光の光軸のｚ軸からの距離となる物体面側における光軸距離変位を像面側における前記透過光又は前記反射光の前記基板から像面までのｚ軸上の距離となる結像距離変位に線形変換が可能となるように前記基板に設けられ、前記基板には、前記干渉縞として複数種類の干渉縞が多重化して設けられることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、簡素な構成で、入射光である物体光の光軸方向をｚ軸方向とする３次元空間のｘｙ面に設けられる透光性又は反射性を有する基板に複数種類の干渉縞が多重化して設けられていることにより、物体光の基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の結像距離変位（ｚ情報）を前記基板を介して前記物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される像面における前記透過光又は反射光の光軸のｚ軸からの距離となる像面側の光軸距離変位（例えばｘ情報）に、又は物体光の光軸の物体面におけるｚ軸からの距離となる物体面側の光軸距離変位（例えばｘ情報）を基板を介して物体光の透過光は反射光の空間像が展開される前記基板から像面までのｚ軸上の距離となる像面側の結像距離変位（ｚ情報）に、効率的に精度よく線形変換することができる。

また、本発明の一態様では、前記基板には、計算機合成ホログラムにより前記干渉縞を多重化して設けられることとしてもよい。

このようにすれば、効率的に精度よく物体光の結像距離変位となるｚ情報を像面の光軸距離変位となるｘ情報に、又は物体光のｘ情報を像面のｚ情報に線形変換することができる。

また、本発明の他の態様は、基板に入射光の光軸方向をｚ軸方向とする３次元空間のｘｙ面に干渉縞を設けて入射光を回折させて透過光又は反射光を偏向させるホログラム光学素子の製造方法であって、前記入射光である物体光の前記基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の結像距離変位を前記基板を介して前記透過光又は前記反射光の空間像が前記基板と平行に展開される像面における前記透過光又は反射光の光軸のｚ軸からの距離となる像面側の光軸距離変位に、又は前記入射光である物体光の光軸のｚ軸からの距離となる物体面側の光軸距離変位を前記透過光又は前記反射光の前記基板から像面までのｚ軸上の距離となる像面側の結像距離変位に移す一の要素計算機合成ホログラムを生成する工程と、前記結像距離変位及び前記光軸距離変位を線形に変化させながら複数の要素計算機合成ホログラムを生成する工程と、前記複数の要素計算機合成ホログラムを空間多重して前記基板に前記干渉縞を生成する工程と、を有することを特徴とする。

本発明の他の態様によれば、物体光の基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の距離結像距離変位（ｚ情報）を前記基板を介して前記物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記透過光又は反射光の光軸の像面におけるｚ軸からの距離となる像面側における光軸距離変位（例えばｘ情報）に、又は物体光の光軸の物体面におけるｚ軸からの距離となる光軸距離変位（例えばｘ情報）を像面側における結像距離変位となる基板を介して物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記基板から像面までのｚ軸上の距離（ｚ情報）に精度よく線形変換することができるホログラム光学素子を効率的に作製できる。

また、本発明の更に他の態様は、複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する光学装置であって、前記撮像対象を光学情報ごとに分割してから符号化する前述の何れかに記載のホログラム光学素子と、前記ホログラム光学素子で符号化された符号化像を取得する撮像素子と、前記撮像素子で取得された前記符号化像を前記撮像対象の距離又は空間位置を反映した画像に再構成する画像処理部と、を備え、前記画像処理部は、前記撮像対象の撮像素子からの距離と空間情報を復号する距離・空間情報復号部と、前記距離・空間情報復号部で得られた信号のノイズを処理する復号精度改善処理部と、前記復号精度改善処理部で前記ノイズを処理した信号のスペクトル情報の復号処理をするスペクトル情報復号処理部と、を備えることを特徴とする。

本発明の更に他の態様によれば、ホログラム光学素子により、物体光の基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の距離結像距離変位（ｚ情報）を前記基板を介して前記物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記透過光又は反射光の光軸の像面におけるｚ軸からの距離となる像面側における光軸距離変位（例えばｘ情報）に、又は物体光の光軸の物体面におけるｚ軸からの距離となる光軸距離変位（例えばｘ情報）を像面側における結像距離変位となる基板を介して物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記基板から像面までのｚ軸上の距離（ｚ情報）に精度よく線形変換することができる、より精度の良い三次元イメージングを実現できる。

本発明の更に他の態様では、前記復号精度改善処理部は、前記ノイズの程度に応じて無視するか、デコンボリューションで除去するか、ベイズ推定で局在化することによって前記ノイズを処理することとしてもよい。

このようにすれば、ホログラム光学素子により、物体光の基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の距離結像距離変位（ｚ情報）を前記基板を介して前記物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記透過光又は反射光の光軸の像面におけるｚ軸からの距離となる像面側における光軸距離変位（例えばｘ情報）に、又は物体光の光軸の物体面におけるｚ軸からの距離となる光軸距離変位（例えばｘ情報）を像面側における結像距離変位となる基板を介して物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記基板から像面までのｚ軸上の距離（ｚ情報）に精度よく線形変換際に、クロストーク成分等のノイズを処理するので、より精度よく三次元イメージングを実現できる。

以上説明したように本発明によれば、単一のホログラム光学素子で精度よく確実に、物体光の基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の距離結像距離変位（ｚ情報）を前記基板を介して前記物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記透過光又は反射光の光軸の像面におけるｚ軸からの距離となる像面側における光軸距離変位（例えばｘ情報）に、又は物体光の光軸の物体面におけるｚ軸からの距離となる光軸距離変位（例えばｘ情報）を像面側における結像距離変位となる基板を介して物体光の透過光又は反射光の空間像が展開される前記基板から像面までのｚ軸上の距離（ｚ情報）に線形変換することができる。

（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の概略原理を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の概略構成の一例を示す平面図である。本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の製造方法の概略を示すフロー図である。（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の空間多重化前の動作説明図であり、（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の空間多重化後の動作説明図である。本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子で位相変調された伝播光のｚｘ特性を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の製造方法の設計段階で行われる計算機合成ホログラムの算出方法の一例を示す説明図である。本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子を備える光学装置の概略構成を示すブロック図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の概略原理及び概略構成について、図面を使用しながら説明する。図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の概略原理を示す説明図であり、図２は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の概略構成の一例を示す平面図である。なお、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子は、透過型でも反射型でも適用可能であるが、以下説明の簡略化のため、ホログラム光学素子が透過型である場合について説明を記載する。

本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子１０は、入射光を回折させて透過光を偏向させるホログラム光学素子であって、回折を利用して波面再生を実現する二次元又は三次元の微細構造を持つ回折光学素子である。本実施形態では、ホログラム光学素子１０は、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ：Computer- Generated Hologram）を適用して、簡素な構成で精度よく結像距離変位となるｚ情報と光軸距離変位となるｘｙ情報とを相互に変換することを実現したものである。

ホログラム光学素子１０は、図１（Ａ）に示すように、入射光となる物体光１の基板１２（図２参照）からの距離となる結像距離変位（ｚ情報）を透過光の空間像２の基板１２と平行に展開される光軸距離変位（ｘｙ情報）に線形変換されるように、透光性を有する基板１２に干渉縞１４（図２参照）が設けられているか、図１（Ｂ）に示すように、入射光１´の光軸距離変位を透過光の空間像２´の結像距離変位に線形変換されるように、透光性を有する基板１２に干渉縞１４が設けられている。なお、本実施形態では、ホログラム光学素子１０は、入射光を回折させて透過光を偏向させる態様であるので、透光性を有する基板１２に干渉縞１４が設けられているが、入射光を回折させて反射光を偏向させる態様に適用する場合には、反射性を有する基板に干渉縞が設けられる。

本実施形態では、ホログラム光学素子１０は、入射光となる物体光１の基板１２からの距離となる結像距離変位（ｚ情報）を透過光の基板１２と平行に展開される光軸距離変位（ｘ情報）に線形変換する。このように、ｚｘ変換をすることによって、図１（Ａ）に示すように、物体光１ａが位置Ａにある場合は、物体光１ａは、ホログラム光学素子１０の透過光による空間像２ａが位置Ａに到達する。また、同様にして、物体光１ｂが位置Ｂにある場合は、透過光による空間像２ｂが位置Ｂに到達し、物体光１ｃが位置Ｃにある場合は、透過光による空間像２ｃが位置Ｃに到達する。

すなわち、本実施形態のホログラム光学素子１０を介することによって、物体光１が位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃと図１（Ａ）に示すｚ軸方向に移動すると、透過光による空間像２が位置Ａ、位置Ｂ、位置Ｃと図１（Ａ）に示すｘ軸方向に移動するようにｚｘの線形変換がされる。このため、本実施形態のホログラム光学素子１０をレーザ走査型顕微鏡に適用して３Ｄ蛍光イメージングを行うと、結像位置ｘを読み取れば、蛍光分子の距離ｚが分かるようになる。また、本実施形態のホログラム光学素子１０をカメラに適用して三次元イメージングを行うと、結像位置ｘを読み取れば、物体との距離ｚが分かるようになる。

一方、本実施形態のホログラム光学素子１０は、入射光１´の基板１２と平行に展開される光軸距離変位（ｘ情報）を透過光の空間像２´の基板１２からの距離となる結像距離変位（ｚ情報）に線形変換するようにしてもよい。このように、ｘｚ変換をすることによって、図１（Ｂ）に示すように、物体光１ａ´が位置Ａ´にある場合は、物体光１ａ´は、ホログラム光学素子１０の透過光による空間像２ａ´が位置Ａ´に到達する。また、同様にして、物体光１ｂ´が位置Ｂ´にある場合は、透過光による空間像２ｂ´が位置Ｂ´に到達し、物体光１ｃ´が位置Ｃ´にある場合は、透過光による空間像２ｃ´が位置Ｃ´に到達する。

すなわち、本実施形態のホログラム光学素子１０を介することによって、物体光１´が位置Ａ´、位置Ｂ´、位置Ｃ´と図１（Ｂ）に示すｘ軸方向に移動すると、透過光による空間像２´が位置Ａ´、位置Ｂ´、位置Ｃ´と図１（Ｂ）に示すｚ軸方向に移動するようにｘｚの線形変換がされる。このため、本実施形態のホログラム光学素子１０をテラヘルツ領域画像取得等に有用な光検出器のz軸走査のみによる一画素イメージングに適用すると、結像側に設けた不図示の光検出器（単画素）をｚ方向に走査し、空間像を時間信号として取得することによって、点光源位置ｘが分かるようになる。

このように、本実施形態では、ホログラム光学素子１０は、物体光のｚ位置（距離）を像面のｘ位置（水平面内座標）に、又は物体光のｘ位置を像面のｚ位置に線形変換するｘｚ間の線形変換素子となっている。また、本実施形態のホログラム光学素子１０は、位相変調素子（位相ホログラム）により伝搬光の空間光位相を変調するために、２Ｄ位相変調量分布をするために必要な素子構造を多重計算機合成ホログラムの計算で一意に求めている。すなわち、本実施形態では、ホログラム光学素子１０は、図２に示すように、計算機合成ホログラムにより複数種類の干渉縞１４を多重化して基板１２に設けられる。

次に、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の製造方法について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の製造方法の概略を示すフロー図であり、図４（Ａ）は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の空間多重化前の動作説明図であり、図４（Ｂ）は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の空間多重化後の動作説明図であり、図５は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子で位相変調された伝播光のｚｘ特性を示す説明図である。

本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の製造方法は、基板に干渉縞を設けて入射光を回折させて透過光を偏向させるホログラム光学素子の製造方法であって、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）技術を適用して、ホログラム光学素子の特性を用いてｚｘ変換を行って多重化ホログラムを簡便に位相変調素子として物理実装する。

本実施形態では、まず、入射光の基板からの距離となる結像距離変位を透過光の基板と平行に展開される光軸距離変位に、又は入射光の光軸距離変位を透過光の結像距離変位に移す一の要素計算機合成ホログラムを生成する（工程Ｓ１１）。具体的には、距離ｚにある点光源を像面位置ｘに写すようなＣＧＨを一の要素ＣＧＨと定義する。すなわち、ホログラム光学素子のｚｘ変換素子としての性質を利用して、物体光のｚ方向変位となる結像距離変位情報から透過光のｘ方向変位となる光軸距離変位情報を検出する。

次に、結像距離変位及び光軸距離変位を線形に変化させながら複数の要素計算機合成ホログラムを生成する（工程Ｓ１２）。具体的には、図４（Ａ）に示すように、光学素子の機能を変化させながら、物体光のｚ位置と像面のｘ位置を変化させて、複数の要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１、ＣＧＨ２、ＣＧＨ３、ＣＧＨ４を生成する。このとき、光軸変調量と焦点距離は、各要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１、ＣＧＨ２、ＣＧＨ３、ＣＧＨ４ごとに独立に設計する。すなわち、物体光のｚ位置と像面のｘ位置を共に線形に変化させながら、複数の要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１、ＣＧＨ２、ＣＧＨ３、ＣＧＨ４を生成する。

例えば、要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１は、物体光を集光するレンズとしての機能のみを有するので、物体光の点像は、物体光の光軸Ａ１上となる。また、要素計算機合成ホログラムＣＧＨ２は、要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１より集光レンズの機能における焦点距離が長くなって集光レンズとしての機能が幾分弱まり、プリズムとしての光軸方位変調機能が強まるので、物体光の距離がｚ軸方向に離れて、点像が物体光の光軸Ａ１よりｘ軸方向にずれる配置となる。さらに、要素計算機合成ホログラムＣＧＨ３は、要素計算機合成ホログラムＣＧＨ２より集光レンズとしての機能が更に弱まり、プリズムとしての光軸方位変調機能が更に強まるので、物体光の距離がｚ軸方向に更に離れて、点像が物体光の光軸Ａ１よりｘ軸方向に更にずれる配置となる。また、要素計算機合成ホログラムＣＧＨ４は、要素計算機合成ホログラムＣＧＨ３より集光レンズとしての機能が更に弱まり、プリズムとしての光軸方位変調機能が更に強まるので、物体光の距離がｚ軸方向に更に離れて、点像が物体光の光軸Ａ１よりｘ軸方向に更にずれる配置となる。

複数の要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１、ＣＧＨ２、ＣＧＨ３、ＣＧＨ４を設計したら、次に、これらの要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１、ＣＧＨ２、ＣＧＨ３、ＣＧＨ４を空間多重して基板１２に干渉縞１４を生成する（工程Ｓ１３）。具体的には、複数の要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１、ＣＧＨ２、ＣＧＨ３、ＣＧＨ４からなる要素ＣＧＨ群を空間多重して平均化することによって、単一の多重ＣＧＨとなる計算機合成ホログラムを生成する。

例えば、ＣＧＨを透過した透過光のノイズとなるクロストーク成分は、デフォーカス点像として重畳しており、空間的にエネルギーが分散しているため、信号値として弱い。このため、本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、当該クロストーク成分は、クロストーク成分の程度に応じて無視したり、デコンボリューションによる除去や最尤／ベイズ推定による局在化を行って処理される。

各要素計算機合成ホログラムＣＧＨ１、ＣＧＨ２、ＣＧＨ３、ＣＧＨ４を空間多重して単一の多重ＣＧＨとしたら、次に、当該単一の多重ＣＧＨの干渉縞を実装する（工程Ｓ１４）。本実施形態では、例えば、ＬＣｏＳＳＬＭ（液晶ディスプレイ）の電子制御や、ガラス板の加工により、生成した多重ＣＧＨを本実施形態のホログラム光学素子１０として物理実装する。なお、多重ＣＧＨの物理実装方法は、液晶ディスプレイによる実装やガラス加工による実装以外にも、計算機合成／アナログホログラムや２Ｄ／３Ｄホログラム等の他の実装方法を適用してもよい。

このように、本実施形態のホログラム光学素子の製造方法を適用することによって、伝搬光の位相変調による物体光対象のｚ位置情報を像面のｘ位置情報に、又はその逆方向に線形変換することが可能なホログラム光学素子を効率的に設計して、作製することができる。このため、図５に示すように、ＣＧＨで位相変調された伝播光のｚ－ｘ特性の線形性、及び線形変換された像の近似的なｚ不変性を確認できた。

すなわち、ｘ－ｚ変換特性が放物線状の非線形変換となる三次位相変調マスクを用いた位相変調によりｚ情報を像面のｘｙ情報に符号化する手法と比べて、ｚ情報を推定する際における解の一意性を確保できるので、ｚ分解能が向上して計測範囲の制限を緩和することができる。このため、物体光の結像距離変位となるｚ位置（距離）を像面の光軸距離変位となるｘ位置（水平面内座標）に、又は物体光のｘ位置を像面のｚ位置に精度よく線形変換することができるホログラム光学素子を効率的に作製できる。

次に、本発明の一実施形態におけるホログラム光学素子の製造方法の設計段階で行われる計算機合成ホログラムの算出方法の一例について、図面を使用しながら説明する。図６は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子の製造方法の設計段階で行われる計算機合成ホログラムの算出方法の一例を示す説明図である。

物体面側に有する入射光となる物体光１の位置（ｘ_０，ｙ_０，ｚ_０）は、図６に示すように、物体光１の位置を光軸上と仮定すると、物体光１の位置のｘ座標が０となり、物体光１の位置のｚ座標が結像距離変数となる。一方、ホログラム光学素子１０の透過光の像面側に有する空間像２の位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）は、空間像２がｘ方向に移動することから、空間像２の位置のｘ座標が光軸方位変調量変数となり、空間像２の位置のｚ座標が固定パラメータとなる。なお、本実施形態では、ｚ－ｘ変調を例に説明しているが、ｚ－ｙ変調する場合は、ホログラム光学素子１０の透過光の像面側に有する空間像２の位置（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ，ｚ_ｉ）は、空間像２がｙ方向に移動することから、空間像２の位置のｙ座標が光軸方位変調量変数となり、空間像２の位置のｚ座標が固定パラメータとなる。

このとき、物体面点光源（ｘ_０，ｚ_０）からホログラム光学素子１０に到達する波面の複素振幅は、フレネル近似を利用して導出すると、下記の式（１）で表される。

一方、ホログラム光学素子１０から像面（ｘ_ｉ，ｚ_ｉ）に集光する波面の複素振幅は、下記の式（２）で表される。

このため、Φ_０（ｚ_０）をΦ_ｉ（ｘ_ｉ）に変換する２Ｄ複素振幅マップ（複素数ＣＧＨパターン）は、下記の式（３）で表される。

また、本実施形態では、ホログラム光学素子１０によってｚ－ｘの線形変換が行われるので、ｘ_ｉ（光軸方位変調量）とｚ_０（結像距離）との間に下記の式（４）の関係性が持たれる。

また、上記式（４）は、ｘ_ｉとｙ_ｉを交換しても、以下の議論は、同様に成り立つ。ここでは、例としてｘ_ｉを変数に用いる。ｙ_ｉとｙ_０については、近軸近似を導入して、ｙ_０＝ｙ_ｉ＝０とする。

このため、前述したΦ_ＥＨは、ｚ_０のみの関数で表されるので、ｚ_０を変えながら多重化することに相当するｚ_０積分をする。そして、この積分結果から得られる多重ＣＧＨの複素数ＣＧＨパターンに相当する２Ｄ複素振幅マップは、下記の式（５）で表される。

ここで、２Ｄ複素振幅マップは、現時点では、簡便な物理実装が困難なため、上記のΦ_Ｍを下記の式（６）に示すように、位相ＣＧＨに変換してもよい。位相ＣＧＨでも２Ｄ複素振幅マップとほぼ等価な光学素子として機能する。

このとき、上述したΦ_ＭＰがｚ－ｘ変換のために必要な位相型多重ＣＧＨの２Ｄ構造例となり、この位相変調量マップパターンを示すΦ_ＭＰがホログラム光学素子１０の干渉縞１４となるので、当該位相変調量マップパターンΦ_ＭＰを印刷するか、液晶表示して光学素子化することによって、本実施形態のホログラム光学素子１０が設計される。

このように、本実施形態では、計算機合成ホログラムにより基板１２上に干渉縞１4を多重化して設けられるので、効率的に精度よく結像距離変位となるｚ情報と光軸距離変位となるｘｙ情報とを相互に線形変換することの可能なホログラム光学素子１０を効率的に生成することができる。

次に、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子を適用した光学装置の一例について、図面を使用しながら説明する。図７は、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子を備える光学装置の概略構成を示すブロック図である。

本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子１０は、単一のホログラム光学素子で精度よく確実に物体光の結像距離変位となるｚ情報を像面の光軸距離変位となるｘ情報に、又は物体光のｘ情報を像面のｚ情報に線形変換することができる。このため、本実施形態のホログラム光学素子１０によって、高分解能・長深度・高精度な三次元イメージングの実現や、シンプルなハードウェアによる一画素イメージングの実現が可能になるので、テラヘルツ分野への要素技術に、又は３Ｄ計測を行う蛍光顕微鏡等の光学顕微鏡や撮影システム等の光学装置１００に適用される。

本実施形態の光学装置１００は、複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する装置であって、図７に示すように、被写体となる撮像対象を撮像して得られた画素信号を画像データに変換する撮像部１１０と、撮像部１１０で変換された画像データに所定の画像処理を行う画像処理部１２０とを備える。

撮像部１１０は、発光された光を利用して撮像対象を撮像する機能を有し、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子１０と撮像素子１１２によって構成される。ホログラム光学素子１０は、入射光を回折させて透過光又は反射光を偏向させることによって、撮像対象を光学情報ごとに分割してから符号化する機能を有する。撮像素子１１２は、ホログラム光学素子１０で符号化された符号化像を取得する機能を有する。

本実施形態では、ホログラム光学素子１０によって、より確実に精度よく物体光の結像距離変位となるｚ情報を像面の光軸距離変位となるｘ情報に、又は物体光のｘ情報を像面のｚ情報に線形変換することができる。このため、撮像部１１０でより精度の良い三次元イメージングを実現されるようになる。

画像処理部１２０は、撮像素子１１２で取得された符号化像を撮像対象の距離又は空間位置を反映した画像に再構成する機能を有する。本実施形態では、画像処理部１２０は、図７に示すように、距離・空間情報復号部１２２と、復号精度改善処理部１２４、及びスペクトル情報復号処理部１２６とを備える。

距離・空間情報復号部１２２は、撮像対象の撮像素子１１２からの距離と空間情報を復号する機能を有する。復号精度改善処理部１２４は、距離・空間情報復号部１２２で得られた信号のノイズを処理する機能を有する。スペクトル情報復号処理部１２６は、復号精度改善処理部１２４でノイズを処理した信号のスペクトル情報の復号処理をする機能を有する。

本実施形態では、ホログラム光学素子１０を用いるため、波長分散が生じる。このため、かかる波長分散の影響は、分散補償により除去するか、敢えて補償せずにスペクトル計測に用いれば良い。その際に、分散方向と像点移動方向を直交するようにする。

また、本実施形態では、ホログラム光学素子１０の回折を利用するため、ノイズとして不要次数成分、クロストーク成分が像に表れる。しかしながら、０次成分を分離せずにそのまま残存させて１次成分と重畳させても、ピーク信号がはっきり視認できることもあるので、解析の上では、特に問題にならない場合が多いと考えられる。

このため、本実施形態では、復号精度改善処理部１２４は、ノイズとなるクロストーク成分の程度に応じて、無視するか、デコンボリューションで除去するか、ベイズ推定で局在化することによって、当該クロストーク成分を処理するようにしている。すなわち、本実施形態では、物体光の結像距離変位となるｚ情報を像面の光軸距離変位となるｘ情報に、又は物体光のｘ情報を像面のｚ情報に線形変換する際に、クロストーク成分等のノイズを処理するので、より精度よく三次元イメージングを実現できる。

以上説明したように、本発明の一実施形態に係るホログラム光学素子は、ホログラムの多重記録特性を利用して、独立の入出力応答を持つ複数のホログラムを単一素子上に空間多重化して実装することによって生成される。このため、様々なパラメータの要素ｚｘ変換ＣＧＨを空間多重化により単一素子上に実装できるので、異なる結像距離変位量, 光軸変位量を持つ複数の要素ホログラムを単一素子上に空間多重させて構成される。このため、単一の多重化ホログラム素子という簡素な構成で精度よく光のｚ位置情報をｘ位置情報に、又はｘ位置情報をｚ位置情報に線形変換できるようになる。

このため、本実施形態のホログラム光学素子を三次元イメージングに適用することによって、三次元イメージングにおける分解能や対象深度範囲、距離復号処理の精度を高めることができる。また、一画素イメージングにおける画質・計算量や撮像系のハードウェアの複雑化・大型化の課題も解消できる。すなわち、本実施形態のホログラム光学素子を三次元イメージングや一画素イメージングに応用することによって、高分解能・長深度範囲を高めた上で、スペクトル計測の同時実現や、一画素イメージングの実装にも適用して装置の小型化が図れるので、極めて大きな工業的価値を有する。

なお、上記のように本発明の各実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、ホログラム光学素子、及び光学装置の構成、動作も本発明の各実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。

１０ホログラム光学素子、１２基板、１４干渉縞、１００光学装置、１１０撮像部、１１２撮像素子、１２０画像処理部、１２２距離・空間情報復号部、１２４復号精度改善処理部、１２６スペクトル情報復号処理部

Claims

入射光を回折させて透過光又は反射光を偏向させるホログラム光学素子であって、
前記入射光である物体光の光軸方向をｚ軸方向とする３次元空間のｘｙ面に設けられる透光性又は反射性を有する基板と、
前記基板に設けられる干渉縞と、を備え、
前記干渉縞は、前記入射光である物体光の前記基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の結像距離変位を前記基板を介して前記物体光の透過光又は反射光の空間像が前記基板と平行に展開される像面における前記透過光又は反射光の光軸のｚ軸からの距離となる像面側の光軸距離変位に線形変換が可能に、又は前記入射光である物体光の光軸のｚ軸からの距離となる物体面側における光軸距離変位を像面側における前記透過光又は前記反射光の前記基板から像面までのｚ軸上の距離となる結像距離変位に線形変換が可能となるように前記基板に設けられ、
前記基板には、前記干渉縞として複数種類の干渉縞が多重化して設けられることを特徴とするホログラム光学素子。
前記基板には、計算機合成ホログラムにより前記干渉縞を多重化して設けられることを特徴とする請求項１に記載のホログラム光学素子。
基板に入射光の光軸方向をｚ軸方向とする３次元空間のｘｙ面に干渉縞を設けて入射光を回折させて透過光又は反射光を偏向させるホログラム光学素子の製造方法であって、
前記入射光である物体光の前記基板から物体面までのｚ軸上の距離となる物体面側の結像距離変位を前記基板を介して前記透過光又は前記反射光の空間像が前記基板と平行に展開される像面における前記透過光又は反射光の光軸のｚ軸からの距離となる像面側の光軸距離変位に、又は前記入射光である物体光の光軸のｚ軸からの距離となる物体面側の光軸距離変位を前記透過光又は前記反射光の前記基板から像面までのｚ軸上の距離となる像面側の結像距離変位に移す一の要素計算機合成ホログラムを生成する工程と、
前記結像距離変位及び前記光軸距離変位を線形に変化させながら複数の要素計算機合成ホログラムを生成する工程と、
前記複数の要素計算機合成ホログラムを空間多重して前記基板に前記干渉縞を生成する工程と、を有することを特徴とするホログラム光学素子の製造方法。
複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する光学装置であって、
前記撮像対象を光学情報ごとに分割してから符号化する請求項１又は請求項２に記載のホログラム光学素子と、
前記ホログラム光学素子で符号化された符号化像を取得する撮像素子と、
前記撮像素子で取得された前記符号化像を前記撮像対象の距離又は空間位置を反映した画像に再構成する画像処理部と、を備え、
前記画像処理部は、
前記撮像対象の撮像素子からの距離と空間情報を復号する距離・空間情報復号部と、
前記距離・空間情報復号部で得られた信号のノイズを処理する復号精度改善処理部と、
前記復号精度改善処理部で前記ノイズを処理した信号のスペクトル情報の復号処理をするスペクトル情報復号処理部と、
を備えることを特徴とする光学装置。
前記復号精度改善処理部は、前記ノイズの程度に応じて無視するか、デコンボリューションで除去するか、ベイズ推定で局在化することによって前記ノイズを処理することを特徴とする請求項４に記載の光学装置。