JP7153524B2 - Hologram recording device and hologram reproducing device - Google Patents

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Description

本発明は、ホログラム記録装置およびホログラム再生装置に関し、詳しくは、インコヒーレントな光を用いたホログラフィにより、立体像あるいはパンフォーカス像を記録するホログラム記録装置およびその記録された情報を再生するホログラム再生装置に関するものである。 The present invention relates to a hologram recording apparatus and a hologram reproducing apparatus, and more particularly, a hologram recording apparatus that records a stereoscopic image or a pan-focus image by holography using incoherent light, and a hologram reproducing apparatus that reproduces the recorded information. It is about.

インコヒーレントホログラフィの技術では、レーザなどのコヒーレンスが高い光源を必要とせず、太陽光や蛍光などのコヒーレンス性が低い光源を用いて、物体のホログラムを記録することができる。このように、インコヒーレントホログラフィは、従来のホログラフィで要求されていた光源のコヒーレンス性の条件を緩和できるため、ホログラフィの応用範囲を拡大する可能性を秘めている。 The technique of incoherent holography does not require a high coherence light source such as a laser, but can record a hologram of an object using a low coherence light source such as sunlight or fluorescence. In this way, incoherent holography has the potential to expand the application range of holography because it can relax the coherence condition of the light source required in conventional holography.

従来から知られているインコヒーレントホログラフィの光学系の一例を図12に示す(特許文献1、非特許文献1、2、3、4、5を参照)。
このうち、図12(a)に示す、非共通光路干渉計の代表格であるマイケルソン干渉計を用いたインコヒーレントホログラフィでは、物体801から伝搬された空間的にインコヒーレントな光波を、ビームスプリッター802を用いて2つの光波に分割する。これら分割された2つの光波のうち一方を第1分割光、他方を第2分割光と各々称する。これら2つの分割光のうち、第1分割光をミラー803aにより反射させるとともに、第2分割光を、ミラー803aとは曲率半径が異なるミラー803bにより反射させて、それぞれの位相分布を変調する。
An example of a conventionally known incoherent holography optical system is shown in FIG. 12 (see Patent Document 1, Non-Patent Documents 1, 2, 3, 4, and 5).
Among them, in incoherent holography using a Michelson interferometer, which is a typical non-common path interferometer, shown in FIG. 802 is used to split into two light waves. One of these two split light waves is called first split light, and the other is called second split light. Of these two split beams, the first split beam is reflected by the mirror 803a, and the second split beam is reflected by the mirror 803b, which has a different radius of curvature than the mirror 803a, thereby modulating the respective phase distributions.

ミラー803a、ミラー803bで各々反射した2つの光波は、再びビームスプリッター802に入射され、重ね合わされる。光源のコヒーレンス長よりも、2つの光波の光路長差が短い場合、第1分割光と第2分割光は干渉するため、撮像素子805により自己干渉のホログラムを撮像することができる。なお、光源のコヒーレンス長が短く、ホログラムが形成されない場合には、光源からの光波の波長範囲を狭くするために、バンドパスフィルター804が用いられる。 The two light waves respectively reflected by the mirrors 803a and 803b enter the beam splitter 802 again and are superimposed. When the optical path length difference between the two light waves is shorter than the coherence length of the light source, the first split light and the second split light interfere with each other. If the coherence length of the light source is short and no hologram is formed, a bandpass filter 804 is used to narrow the wavelength range of the light wave from the light source.

これに対し、図12(b)に示す、共通光路干渉計を用いたインコヒーレントホログラフィは、単一の光路により光学系が構成されるため、振動や空気の擾乱に強いことが特徴である。 On the other hand, incoherent holography using a common optical path interferometer shown in FIG. 12B is characterized by being resistant to vibration and air disturbance because the optical system is configured with a single optical path.

図12(b)に示す光学系においては、物体から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を、偏光子816a、およびこの偏光子816aに対して直交する偏光成分を出力する偏光子816bに通過させる。すなわち、光波を、互いに直交する偏光成分を有する2つの光波の重ね合わせと考え、それぞれの光波を第1分割光と第2分割光とする。そして、2つの偏光子816a、816bの間に配された、複屈折を有する空間光変調器、回折光学素子あるいは液晶レンズ等のいずれか(図12(b)においては空間光変調器817)を用いて、第1分割光と第2分割光の位相分布を変調する。 In the optical system shown in FIG. 12(b), a spatially incoherent light wave propagated from an object passes through a polarizer 816a and a polarizer 816b that outputs a polarized component orthogonal to this polarizer 816a. Let That is, a light wave is considered as a superposition of two light waves having polarization components orthogonal to each other, and the respective light waves are referred to as first split light and second split light. Then, a spatial light modulator having birefringence, a diffractive optical element, a liquid crystal lens, or the like (spatial light modulator 817 in FIG. 12B) arranged between the two polarizers 816a and 816b. are used to modulate the phase distributions of the first split light and the second split light.

この後、第1分割光と第2分割光を偏光子816bに通過させることにより、偏光状態が互いに直交していた第1分割光と第2分割光の偏光状態を揃える。その結果、第1分割光と第2分割光が撮像素子815の撮像面上で干渉し、自己干渉のホログラムを撮像することができ、このホログラム情報を記録する。 After that, by passing the first split light and the second split light through the polarizer 816b, the polarization states of the first split light and the second split light whose polarization states are orthogonal to each other are aligned. As a result, the first split light beam and the second split light beam interfere with each other on the imaging surface of the imaging device 815, and a self-interference hologram can be imaged, and the hologram information is recorded.

図12(a)、図12(b)の各干渉計により取得したホログラムを再生する際の手順は共通しており、コンピュータ内で回折伝搬の計算を適用することにより、撮像物体の立体像を再構成することができる。下記特許文献1および下記非特許文献1、2では、上述の光学系を用いて、蛍光を発する3次元物体の立体像を撮像することに成功している。下記非特許文献3、4、5では、上述の光学系を用いて、アークランプ、発光ダイオード、あるいは太陽光で照明された3次元物体の立体像を撮像することに成功している。 The procedure for reproducing the holograms acquired by the interferometers in FIGS. 12(a) and 12(b) is common, and a three-dimensional image of the imaged object can be obtained by applying diffraction propagation calculations in the computer. Can be reconfigured. Patent Document 1 below and Non-Patent Documents 1 and 2 below have succeeded in capturing a three-dimensional image of a three-dimensional object that emits fluorescence using the optical system described above. In Non-Patent Documents 3, 4, and 5 listed below, the optical system described above is used to successfully capture a three-dimensional image of a three-dimensional object illuminated by an arc lamp, a light-emitting diode, or sunlight.

上述の光学系はいずれも、インコヒーレントホログラフィの技術により、3次元物体の立体像を撮像するものであるが、このようなインコヒーレントホログラフィの技術を用い、3次元物体の手前の面から奥の面まで、光軸方向の広い範囲にわたって合焦した像、すなわちパンフォーカス像を撮像するための光学系も知られている(下記非特許文献6、7を参照)。 All of the optical systems described above capture a three-dimensional image of a three-dimensional object by incoherent holography technology. An optical system for capturing an image focused over a wide range in the optical axis direction, that is, a pan-focus image is also known (see Non-Patent Documents 6 and 7 below).

図13に、インコヒーレントホログラフィによりパンフォーカス像を取得するための光学系の一例を示す。本光学系では、物体から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を、ビームスプリッター922により2つの光波に分割し、第1分割光と第2分割光を得、それぞれの光波を各々対応するダブプリズム928a、928bに入射させる。これらの2つのダブプリズム928a、928bは、光軸を回転軸として回転角が相対的に90度だけ異なるようにして配置されている。その結果、ダブプリズム928a、928bを通過した第1分割光と第2分割光の空間座標は、上記90°の2倍である180°だけ相対的に回転した値となる。 FIG. 13 shows an example of an optical system for obtaining a deep focus image by incoherent holography. In this optical system, a spatially incoherent light wave propagating from an object is split into two light waves by a beam splitter 922 to obtain a first split light and a second split light, and each light wave is divided into corresponding double beams. The light is made incident on prisms 928a and 928b. These two Dove prisms 928a and 928b are arranged so that their rotational angles are relatively different by 90 degrees with the optical axis as the rotational axis. As a result, the spatial coordinates of the first split light and the second split light that have passed through the Dove prisms 928a and 928b are values rotated by 180 degrees, which is twice the above 90 degrees.

これらの第1分割光と第2分割光をビームスプリッター929に入射させて、互いに重畳させる。図12(b)の共通光路干渉計は、図12(a)のマイケルソン干渉計と同様に、2つの光波の光路長差が、光源のコヒーレンス長よりも短い場合に干渉するため、撮像素子925を配置して自己干渉のホログラムを撮像し、記録することができる。この光学系で記録したホログラムは、フーリエ変換型のホログラムに相当しているため、コンピュータ内で、フーリエ変換の演算を適用することにより、3次元物体のパンフォーカス像を再生することができる。 These first split light and second split light are made incident on the beam splitter 929 and superimposed on each other. The common-path interferometer in FIG. 12(b), like the Michelson interferometer in FIG. 12(a), interferes when the optical path length difference between two light waves is shorter than the coherence length of the light source. 925 can be positioned to image and record self-interference holograms. Since the hologram recorded by this optical system corresponds to a Fourier transform hologram, a deep-focus image of a three-dimensional object can be reproduced by applying the Fourier transform calculation in a computer.

特表2016-533542号公報Japanese Patent Publication No. 2016-533542

J. Rosen and G. Brooker、「Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy」、Nature Photonics、(2008)、vol. 2、pp. 190-195J. Rosen and G. Brooker, "Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy", Nature Photonics, (2008), vol. 2, pp. 190-195 N. Siegel, V. Lupashin, B. Storrie, and G. Brooker、「High-magnification super-resolution FINCH microscopy using birefringent crystal lens interferometers」、Nature Photonics、(2016)、vol. 10、pp. 802-808N. Siegel, V. Lupashin, B. Storrie, and G. Brooker, "High-magnification super-resolution FINCH microscopy using birefringent crystal lens interferometers," Nature Photonics, (2016), vol. 10, pp. 802-808 M. K. Kim、「Full color natural light holographic camera」、Optics Express、(2013)、 vol. 21、issue 8、pp. 9636-9642M. K. Kim, "Full color natural light holographic camera", Optics Express, (2013), vol. 21, issue 8, pp. 9636-9642 J. Rosen and G. Brooker、「Fluorescence incoherent color holography」、Optics Express、(2007) vol. 15、issue 5、pp. 2244-2250J. Rosen and G. Brooker, "Fluorescence incoherent color holography," Optics Express, (2007) vol. 15, issue 5, pp. 2244-2250 P. Bouchal and Z. Bouchal、「Selective edge enhancement in three-dimensional vortex imaging with incoherent light」、Optics Letters、(2012) vol. 37、issue 14、pp. 2949-2951P. Bouchal and Z. Bouchal, "Selective edge enhancement in three-dimensional vortex imaging with incoherent light", Optics Letters, (2012) vol. 37, issue 14, pp. 2949-2951 P. Potuluri, M. R. Fetterman, and D. J. Brady、「High depth of field microscopic imaging using an interferometric camera」、Optics Express、(2001)、 vol. 8、pp. 624-630P. Potuluri, M. R. Fetterman, and D. J. Brady, "High depth of field microscopic imaging using an interferometric camera", Optics Express, (2001), vol. 8, pp. 624-630 D. Weigel, H. Babovsky, A Kiessling, and R. Kowarschik、「Aberration correction in coherence imaging microscopy using an image inverting interferometer」、Optics Express、(2015)、 vol. 23、issue 16、pp. 20505-20520D. Weigel, H. Babovsky, A Kiessling, and R. Kowarschik, "Aberration correction in coherence imaging microscopy using an image inverting interferometer", Optics Express, (2015), vol. 23, issue 16, pp. 20505-20520 M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi、「Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry」、Journal of the Optical Society of America、(1982)、 vol. 72、issue 1、pp. 156-160M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi, "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry," Journal of the Optical Society of America, (1982), vol. 72, issue 1 , pp. 156-160 I. Yamaguchi and T. Zhang、「Phase-shifting digital holography」、Optics Letters、(1997)、 vol. 22、issue 16、pp. 1268-1270I. Yamaguchi and T. Zhang, "Phase-shifting digital holography", Optics Letters, (1997), vol. 22, issue 16, pp. 1268-1270

上述したように、インコヒーレントホログラフィの技術を用いることにより、立体像あるいはパンフォーカス像いずれかの撮像を実現することができるが、仮に、1台の装置で立体像およびパンフォーカス像の撮像機能を自在に切り替えるようにして、立体像およびパンフォーカス像のいずれをも撮像することができれば、撮影状況に応じた多様な撮像を容易に実現することができるので好ましい。 As described above, by using the incoherent holography technique, it is possible to capture either a stereoscopic image or a pan-focus image. If both the stereoscopic image and the pan-focus image can be picked up by switching freely, it is possible to easily realize various kinds of imaging according to the shooting situation, which is preferable.

しかしながら、上述した特許文献1および非特許文献1~5に開示された光学系のいずれにおいても、3次元物体の立体像を撮像することは可能であるが、パンフォーカス像を撮像することはできない。一方、上述した非特許文献6、7の技術によっては、3次元物体のパンフォーカス像を撮像することは可能であるが、立体像を撮像することはできない。 However, in any of the optical systems disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Documents 1 to 5, it is possible to capture a stereoscopic image of a three-dimensional object, but it is not possible to capture a deep focus image. . On the other hand, according to the techniques of Non-Patent Documents 6 and 7 described above, it is possible to capture a deep-focus image of a three-dimensional object, but it is not possible to capture a stereoscopic image.

本発明では、単一の光学系を用い、撮影状況に応じて立体像およびパンフォーカス像の撮像機能を切り替え可能なホログラム記録装置およびホログラム再生装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a hologram recording apparatus and a hologram reproducing apparatus that use a single optical system and are capable of switching the imaging function of a stereoscopic image and a deep-focus image according to the imaging situation.

本発明のホログラム記録装置は、
インコヒーレントな光波を第1分割光と第2分割光からなる2つの光波に分割する光波分割手段と、
これら2つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させる波面回転手段と、
該第1分割光および該第2分割光の少なくとも一方の波面の曲率半径を変調して、該2つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与する位相分布可変手段と、
前記波面回転手段および前記位相分布可変手段を通過した前記第1分割光および前記第2分割光を合波する光合波手段と、
この光合波手段により合波された前記第1分割光および前記第2分割光が、互いに干渉して形成されたホログラムを記録するホログラム記録手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
ここで、「前記波面回転手段および前記位相分布可変手段を通過した前記第1分割光および前記第2分割光」とは、「前記第1分割光および前記第2分割光の少なくともいずれかは前記波面回転手段を通過し、前記第1分割光および前記第2分割光の少なくともいずれかは前記位相分布可変手段を通過する」状況となっていることを意味する。
The hologram recording device of the present invention is
light wave splitting means for splitting an incoherent light wave into two light waves consisting of a first split light and a second split light;
wavefront rotating means for relatively rotating the spatial coordinates of the wavefronts of these two split light waves;
phase distribution varying means for modulating the radius of curvature of the wavefront of at least one of the first split light and the second split light to impart a relative spherical phase distribution to the wavefronts of the two split light waves;
an optical combining means for combining the first divided light and the second divided light that have passed through the wavefront rotating means and the phase distribution varying means;
a hologram recording means for recording a hologram formed by interference between the first split light and the second split light combined by the light combining means;
It is characterized by having
Here, "the first split light and the second split light that have passed through the wavefront rotating means and the phase distribution varying means" means that "at least one of the first split light and the second split light is the It means that at least one of the first split light and the second split light passes through the phase distribution varying means".

また、前記ホログラム記録手段が撮像手段を備え、
前記位相分布可変手段において、前記第1分割光または前記第2分割光に、曲率半径が無限大である平面位相を付与することにより、前記撮像手段によるパンフォーカス像の撮像を可能とし、前記第1分割光および前記第2分割光の波面の差分が、有限の大きさの曲率半径の球面位相となるように、これら2つの分割光の少なくとも一方に、有限の大きさの曲率半径の球面位相を付与することにより、前記撮像手段による立体像の撮像を可能とするように構成されていることが好ましい。
Further, the hologram recording means comprises imaging means,
In the phase distribution varying means, by imparting a plane phase having an infinite radius of curvature to the first split light or the second split light, the imaging means can pick up a deep-focus image, and At least one of the two split lights has a spherical phase with a finite radius of curvature so that the difference between the wavefronts of the first split light and the second split light is a spherical phase with a finite radius of curvature. It is preferable that a three-dimensional image can be picked up by the image pick-up means.

また、前記撮像手段により撮像されるパンフォーカス像または立体像について、横倍率、分解能および視野のうち少なくとも1つを変更可能とするように、光波の波面の空間座標の回転角度が任意に調整可能に構成されていることが好ましい。
また、前記光波分割手段の対象物体側にレンズを配設し、前記撮像手段の撮像面を、該レンズの後側焦点距離だけ離間した位置に配設することが好ましい。
Further, the rotation angle of the spatial coordinates of the wavefront of the light wave can be arbitrarily adjusted so that at least one of lateral magnification, resolution, and field of view can be changed for the pan-focus image or the stereoscopic image captured by the imaging means. is preferably configured to
Further, it is preferable that a lens is arranged on the target object side of the light wave splitting means, and the imaging surface of the imaging means is arranged at a position spaced apart by the rear focal length of the lens.

また、前記波面回転手段がダブプリズム、コーナーキューブプリズム、リトロリフレクタおよび直角プリズムのいずれかであることが好ましい。
また、前記位相分布可変手段が、複屈折を有する空間光変調器、回折光学素子および液晶レンズのいずれかであることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the wavefront rotating means is any one of a Dove prism, a corner cube prism, a retroreflector and a rectangular prism.
Moreover, it is preferable that the phase distribution varying means is any one of a spatial light modulator having birefringence, a diffractive optical element, and a liquid crystal lens.

また、本発明のホログラム再生装置は、
インコヒーレントな光波を第1分割光と第2分割光からなる2つの光波に分割し、これら2つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させるともに、少なくとも一方の該波面の曲率半径を変調して、該2つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与し、これら2つの分割した光波を互いに干渉させて撮像面に形成されたホログラムに基づき、再生像を生成するホログラム再生装置において、
前記球面位相に係る球面波の曲率半径および記録対象である物体の位置に基づき設定される、前記光波の回折伝搬による伝搬距離だけ前記撮像面から離れた位置に再生像が形成されるように構成されていることを特徴とするものである。
Further, the hologram reproducing device of the present invention is
Splitting an incoherent light wave into two light waves consisting of a first split light and a second split light, relatively rotating the spatial coordinates of the wavefronts of these two split light waves, and at least one of the wavefronts having a radius of curvature is modulated to impart a relative spherical phase distribution to the wavefronts of the two split light waves, and the two split light waves are caused to interfere with each other to form a reconstructed image on the imaging plane based on a hologram. In the hologram reproducing device to generate,
A reconstructed image is formed at a position separated from the imaging surface by a propagation distance due to diffraction propagation of the light wave, which is set based on the radius of curvature of the spherical wave associated with the spherical phase and the position of the object to be recorded. It is characterized by being

本発明のホログラム記録装置およびホログラム再生装置によれば、立体像とパンフォーカス像の両者の撮像を、撮像機能の切換操作により、1台の装置で容易に行うことができる。このホログラム記録装置を用いることにより、撮影対象・撮影状況に応じて、ユーザーが立体像とパンフォーカス像の撮像を容易に切り替えることができるようになり、多様なニーズの撮像態様に対応することができる。 According to the hologram recording device and the hologram reproducing device of the present invention, both a stereoscopic image and a deep-focus image can be easily captured by a single device by switching the imaging function. By using this hologram recording device, the user can easily switch between stereoscopic images and deep-focus images according to the object to be photographed and the photographing conditions. can.

本発明のホログラム記録装置の原理およびその作用効果を説明する概念図を図1に示す。なお、以下の説明に用いられる図1は、説明の便宜のために例示されている部分を含んでいるが、本発明の構成としてはこれに限られるものではない。
このホログラム記録装置においては、物体101から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を分割手段102により分割し、第1分割光110と第2分割光111を得る。光波回転素子113により、第1分割光と第2分割光の波面の空間座標を相対的に任意の角度だけ回転させる。
FIG. 1 shows a conceptual diagram for explaining the principle and effects of the hologram recording apparatus of the present invention. Note that FIG. 1 used in the following description includes portions illustrated for convenience of description, but the configuration of the present invention is not limited to this.
In this hologram recording apparatus, a spatially incoherent light wave propagating from an object 101 is split by splitting means 102 to obtain first split light 110 and second split light 111 . The light wave rotator 113 relatively rotates the spatial coordinates of the wavefronts of the first split light and the second split light by an arbitrary angle.

さらに、位相分布変調素子112により、第1分割光あるいは第2分割光の位相分布を変調する。位相分布変調素子112を用いて光波に付与する位相分布を変化させることにより、パンフォーカス像と立体像の撮像機能を切り替えることができる。すなわち、パンフォーカス像を撮像する場合には、位相分布変調素子112に、曲率半径が無限大の球面位相、つまり平面位相を入力する。このとき、第1分割光110と第2分割光111の各波面の空間座標は回転角度のみが異なっている。したがって、第1分割光110と第2分割光111を合波手段104により合波し、互いの干渉により生じたホログラムを撮像素子105により記録する際には、撮像対象の物体101の奥行情報がホログラムに反映されずに、パンフォーカス像を撮像することができる。 Furthermore, the phase distribution modulation element 112 modulates the phase distribution of the first split light or the second split light. By changing the phase distribution given to the light wave using the phase distribution modulation element 112, it is possible to switch between the imaging function of the pan-focus image and the stereoscopic image. That is, when capturing a pan-focus image, a spherical phase with an infinite radius of curvature, that is, a plane phase is input to the phase distribution modulation element 112 . At this time, the spatial coordinates of the wavefronts of the first split light 110 and the second split light 111 differ only in rotation angle. Therefore, when the first split beam 110 and the second split beam 111 are combined by the combining means 104 and the hologram generated by the mutual interference is recorded by the imaging device 105, the depth information of the object 101 to be imaged is obtained. A deep focus image can be captured without being reflected in the hologram.

一方、立体像を撮像する場合には、位相分布変調素子112に球面位相を入力する。すなわち、この球面位相の曲率半径は、無限大ではなく、有限の大きさのものである。
球面位相を光波に付与することにより、第1分割光110と第2分割光111を干渉させて得られたホログラムを撮像素子105により撮像する際に、撮像対象である物体101の奥行情報がホログラムに反映されるため、立体像を撮像することができることになる。
On the other hand, when capturing a stereoscopic image, a spherical phase is input to the phase distribution modulation element 112 . That is, the radius of curvature of this spherical phase is not infinite, but finite.
By imparting a spherical phase to the light wave, when a hologram obtained by interfering the first split light 110 and the second split light 111 is imaged by the image sensor 105, the depth information of the object 101 to be imaged is captured by the hologram. , so that a stereoscopic image can be captured.

また、本発明のホログラム再生装置においては、撮像面に形成され、記録されたホログラムに対して、該ホログラムを作成する際に用いた球面位相に係る球面波の曲率半径と記録対象である物体の位置との2つのパラメータを用いて、光波の回折伝搬による伝搬距離に相当する位置に再生像を形成するようにしているので、所望する位置にホログラムの立体像を再生することができる。 Further, in the hologram reproducing apparatus of the present invention, the radius of curvature of the spherical wave related to the spherical phase used when creating the hologram and the shape of the object to be recorded are used for the hologram formed and recorded on the imaging surface. By using two parameters, the position and the position, the reproduced image is formed at a position corresponding to the propagation distance of the diffraction propagation of the light wave, so the hologram stereoscopic image can be reproduced at a desired position.

本発明の実施形態に係るホログラム記録装置の原理を説明するための概念図である。1 is a conceptual diagram for explaining the principle of a hologram recording device according to an embodiment of the invention; FIG. 光波回転素子としてダブプリズムを用いた光学系((a)は配置パターン1、(b)は配置パターン2)を示すものである(実施形態1)。1 shows an optical system ((a) is an arrangement pattern 1, (b) is an arrangement pattern 2) using a Dove prism as a light wave rotator (Embodiment 1). 本発明の実施形態に係るホログラム再生装置を説明するための概念図((a)はパンフォーカス像の再生を示す図、(b)は立体像の再生を示す図)である。1 is a conceptual diagram for explaining a hologram reproducing apparatus according to an embodiment of the present invention ((a) is a diagram showing reproduction of a deep-focus image, and (b) is a diagram showing reproduction of a stereoscopic image); FIG. 光波回転素子としてリトロリフレクタを用いた光学系を示すものである(実施形態2)。An optical system using a retroreflector as a light wave rotating element is shown (Embodiment 2). 光波回転素子としてコーナーキューブプリズムを用いた光学系を示すものである(実施形態3)。An optical system using a corner cube prism as a light wave rotating element is shown (Embodiment 3). 光波回転素子として直角プリズムを用いた光学系を示すものである(実施形態4)。An optical system using a rectangular prism as a light wave rotating element is shown (Embodiment 4). 記録対象である3次元物体を表すものであり、特に、(a)は伝搬方向の位置関係を表すものであり、(b)は伝搬方向から見た物体を表すものである。It represents a three-dimensional object to be recorded, in particular, (a) represents the positional relationship in the propagation direction, and (b) represents the object viewed from the propagation direction. 本発明の具体的な実施例に係るホログラム記録装置(ダブプリズムを用いた例)を示すものである。1 shows a hologram recording apparatus (an example using a Dove prism) according to a specific embodiment of the present invention. パンフォーカス像を撮像した際において、(a)はホログラムを表すものであり、(b)は、その再生像を表すものである。When a deep-focus image is taken, (a) represents a hologram, and (b) represents its reproduced image. 立体像を撮像した際において、(a)はホログラムを表すものであり、(b)は物体1に合焦した再生像を表すものであり、(c)は物体2に合焦した再生像を表すものである。When picking up a stereoscopic image, (a) represents a hologram, (b) represents a reconstructed image focused on the object 1, and (c) represents a reconstructed image focused on the object 2. It represents 物体の配置距離zと、ホログラム面からの再生距離zとの関係を示すグラフである。10 is a graph showing the relationship between the object placement distance zs and the reproduction distance zr from the hologram plane. 立体像の撮像が可能な光学系を示すものであり、(a)はマイケルソン干渉計を、(b)は共通光路干渉計を各々示すものである。1 shows an optical system capable of picking up a stereoscopic image, (a) showing a Michelson interferometer and (b) showing a common path interferometer. パンフォーカス像の撮像が可能な光学系を示すものである。1 shows an optical system capable of imaging a deep-focus image.

以下、本発明の実施形態に係るホログラム記録装置およびホログラム再生装置を、図面を参照しながら説明する。 A hologram recording device and a hologram reproducing device according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

<実施形態1>
図2(a)は、本発明の実施形態1に係るホログラム記録装置の光学系部分を概略的に示すものであり、光波回転素子として、2つのダブプリズム208a、208bを用いている。すなわち、この実施形態1に係るホログラム記録装置は、物体201から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波をレンズ216に通過させた後、分割手段202により分割し、第1分割光と第2分割光を得る。第1分割光はミラー203aを介してダブプリズム208aを通過し、空間光変調器207を透過する際に位相変調を受けてビームスプリッター209に到達する。一方、第2分割光は、ダブプリズム208bを通過した後、ミラー203bを介してビームスプリッター209に到達する。
ビームスプリッター209に到達した第1分割光は撮像素子205方向に反射され、ビームスプリッター209に到達した第2分割光は撮像素子205方向に透過することで、これら2つの分割光が重畳して撮像素子205の撮像面上でホログラムを形成する。なお、ビームスプリッター209と撮像素子205の間にはバンドパスフィルター204が配設されている。
<Embodiment 1>
FIG. 2(a) schematically shows an optical system portion of a hologram recording apparatus according to Embodiment 1 of the present invention, using two Dove prisms 208a and 208b as light wave rotating elements. That is, in the hologram recording apparatus according to the first embodiment, the spatially incoherent light wave propagating from the object 201 is passed through the lens 216 and then split by the splitting means 202 into first split light and second split light. get the light The first split light passes through the Dove prism 208a via the mirror 203a, undergoes phase modulation when passing through the spatial light modulator 207, and reaches the beam splitter 209. FIG. On the other hand, the second split light reaches the beam splitter 209 via the mirror 203b after passing through the Dove prism 208b.
The first split light that reaches the beam splitter 209 is reflected in the direction of the image sensor 205, and the second split light that reaches the beam splitter 209 is transmitted in the direction of the image sensor 205, so that these two split lights are superimposed and captured. A hologram is formed on the imaging surface of the element 205 . A bandpass filter 204 is arranged between the beam splitter 209 and the image sensor 205 .

実施形態1の光学系においては、光波回転素子(波面回転手段)113として、2つのダブプリズム208a、bを用いている。2つのダブプリズム208a、bは、光軸を回転軸として互いに90°回転した形状に配置されている。ダブプリズム208a、bには光波の空間座標を回転する効果に加え、光波を1方向に反転させる効果を有しているので、ダブプリズム208a、bを、このような配置とすることにより、光波の反転効果のみを互いに打ち消すことが可能である。
このように、光波回転素子113により光波を相対的に回転させることにより、2つの分割光の光波間で面内のx、y方向それぞれにずれ量を与えることができる。相対的に回転量が与えられた2つの光波を互いに干渉させると、光波の奥行情報は消失した干渉縞が得られる。この干渉縞はフーリエ変換ホログラムに対応しており、フーリエ変換の演算でパンフォーカス撮像機能を担保することが可能となる。
また、このように光波を相対的に回転させることにより、パンフォーカス撮像と立体撮像の両方について、レンズを変更することなく、撮像画像の空間分解能・視野・倍率を自在に変更することが可能となる。すなわち、2つの分割光の光波間の回転量が変化することにより、光波のx、y位置も変化するため、それらの光波の干渉によって形成される干渉縞の周期も変化する。干渉縞の周期はパンフォーカス像、あるいは立体像の空間分解能・視野・倍率の変数であるため、相対的な回転を与えることによって、光学系の構成を変更することなく空間分解能・視野・倍率を制御することができることになる。
In the optical system of Embodiment 1, two Dove prisms 208 a and 208 b are used as the light wave rotator (wavefront rotator) 113 . The two Dove prisms 208a and 208b are arranged in a shape rotated by 90° with respect to the optical axis. The Dove prisms 208a and 208b have the effect of rotating the spatial coordinates of the light wave and also the effect of reversing the light wave in one direction. can only cancel each other out.
By relatively rotating the light waves by the light wave rotator 113 in this way, it is possible to give a shift amount in each of the in-plane x and y directions between the light waves of the two split lights. When two light waves that are given a relative amount of rotation are caused to interfere with each other, interference fringes are obtained in which the depth information of the light waves has disappeared. This interference fringe corresponds to a Fourier transform hologram, and it is possible to secure the pan-focus imaging function by calculating the Fourier transform.
In addition, by relatively rotating the light waves in this way, it is possible to freely change the spatial resolution, field of view, and magnification of the captured image without changing the lens for both deep-focus imaging and stereoscopic imaging. Become. That is, when the amount of rotation between the light waves of the two split lights changes, the x and y positions of the light waves also change, so the period of the interference fringes formed by the interference of those light waves also changes. Since the period of the interference fringes is a variable of the spatial resolution, field of view, and magnification of the pan-focus image or stereoscopic image, by giving relative rotation, the spatial resolution, field of view, and magnification can be changed without changing the configuration of the optical system. will be able to control.

また、実施形態1の光学系においては、位相分布変調素子(位相分布可変手段)112として、光波を位相変調する空間光変調器207を用いている。
この空間光変調器207においては、第1分割光あるいは第2分割光の位相分布を変調する(図2(a)、(b)においては、第1分割光に対してのみ変調処理を行っている)。空間光変調器207を用いて光波に付与する位相分布を変化させることにより、パンフォーカス像と立体像の撮像機能を切り替えることができる。
パンフォーカス像を撮像する場合には、空間光変調器207に平面位相を入力する。このとき、第1分割光と第2分割光の各波面の空間座標は回転角度のみが異なっており、第1分割光と第2分割光をビームスプリッター209により合波し、互いの干渉により生じたホログラムを撮像素子205により記録する際には、撮像対象である物体201の奥行情報がホログラムに反映されずに、パンフォーカス像を撮像することができる。
一方、立体像を撮像する場合には、空間光変調器207に球面位相を入力する。すなわち、この球面位相の曲率半径は有限の大きさのものである。
球面位相を光波に付与することにより、第1分割光と第2分割光を干渉させて得られたホログラムを撮像素子205により撮像する際に、撮像対象である物体201の奥行情報がホログラムに反映されるため、立体像を撮像することができることになる。
なお、位相分布変調素子112としては、他に、可変焦点レンズ、液晶レンズなど、球面位相の曲率半径を任意に変更可能な素子であればよい。
Further, in the optical system of Embodiment 1, the spatial light modulator 207 that phase-modulates the light wave is used as the phase distribution modulation element (phase distribution variable means) 112 .
The spatial light modulator 207 modulates the phase distribution of the first split light or the second split light (in FIGS. 2(a) and 2(b), only the first split light is modulated). are). By changing the phase distribution given to the light wave using the spatial light modulator 207, the imaging function of the pan-focus image and the stereoscopic image can be switched.
A plane phase is input to the spatial light modulator 207 when capturing a pan-focus image. At this time, the spatial coordinates of the wavefronts of the first split light and the second split light differ only in the angle of rotation. When the hologram is recorded by the imaging element 205, a deep focus image can be captured without reflecting the depth information of the object 201, which is the imaging target, on the hologram.
On the other hand, when capturing a stereoscopic image, a spherical phase is input to the spatial light modulator 207 . That is, the radius of curvature of this spherical phase is finite.
By imparting a spherical phase to the light wave, depth information of the object 201 to be imaged is reflected in the hologram when the imaging device 205 captures the hologram obtained by interfering the first split light and the second split light. Therefore, a stereoscopic image can be captured.
In addition, as the phase distribution modulation element 112, any element such as a varifocal lens, a liquid crystal lens, or the like, which can arbitrarily change the radius of curvature of the spherical phase may be used.

また、実施形態1の光学系においては、物体201から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を、レンズ216を用いて収束あるいは発散させている。このレンズ216は像の倍率を調整するために用いており、レンズ216を挿入しない構成とすることもでき、さらにレンズ216を配設した場合に、これを複数のレンズによる組合せレンズにより構成することも可能である。
なお、一方の分割光を通過させる、ダブプリズム208aと空間光変調器207の配置を入れ替え、先に位相分布を変調してから、後にダブプリズム208aを用いて空間座標を回転させてもよい。
Further, in the optical system of Embodiment 1, the spatially incoherent light wave propagated from the object 201 is converged or diverged using the lens 216 . This lens 216 is used to adjust the magnification of the image, and it can be configured without the lens 216 inserted, or when the lens 216 is provided, it can be configured by a combination of a plurality of lenses. is also possible.
Note that the Dove prism 208a and the spatial light modulator 207, which pass one of the split beams, may be exchanged to first modulate the phase distribution and then rotate the spatial coordinates using the Dove prism 208a.

図2(b)は、本発明の実施形態1に係るホログラム記録装置の変型例を概略的に示すものであり、図2(a)の部材に対応する部材については、図2(a)の各部材に付した符号に100を加えた符号を付すものとし、詳しい説明は省略する。 FIG. 2(b) schematically shows a modified example of the hologram recording apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. 100 is added to the reference numerals assigned to the respective members, and detailed description thereof is omitted.

ただし、図2(b)に示すホログラム記録装置は、図2(a)に示すホログラム記録装置に対し、第1の分割光が通過するダブプリズム308aをミラー303aの後段ではなく、前段に設けるようにしている。なお、図2(a)に示すホログラム記録装置の光学系において、第2の分割光が通過するダブプリズム208bをミラー203bの前段ではなく、後段に設けるようにした変型例を採用することも可能である。 However, the hologram recording apparatus shown in FIG. 2B is different from the hologram recording apparatus shown in FIG. I have to. In the optical system of the hologram recording apparatus shown in FIG. 2(a), it is also possible to adopt a modified example in which the Dove prism 208b through which the second split beam passes is provided not in front of the mirror 203b but in the rear. is.

ところで、本実施形態に係るホログラム記録装置においては、撮像素子205を用いて、第1分割光と第2分割光との干渉により生成されるホログラムを撮像し、記録する。一回の露光でホログラムを取得する必要がある場合には、光学系のミラー303a、bの角度を調整し、撮像素子205の撮像面に斜めから光を入射させることで、オフアクシスのホログラムを記録することが可能である。 By the way, in the hologram recording apparatus according to the present embodiment, the imaging device 205 is used to capture and record a hologram generated by interference between the first split beam and the second split beam. When it is necessary to acquire a hologram with a single exposure, an off-axis hologram can be obtained by adjusting the angles of the mirrors 303a and 303b of the optical system and making light obliquely enter the imaging surface of the imaging element 205. It is possible to record

前述した非特許文献8に開示されたフーリエ縞解析技術に基づき、オフアクシスのホログラムから不要な成分を除去することにより、ホログラム面の複素振幅分布を取得する。また、2光波間の位相シフト量を変化させることができ、ホログラムの記録枚数の増加が許容される場合には、非特許文献9に開示された位相シフト法を用いてホログラム面の複素振幅分布を取得することが可能である。
すなわち、ホログラム面の複素振幅分布の取得はフーリエ縞解析法、位相シフト法のいずれを用いることも可能である。
Based on the Fourier fringe analysis technique disclosed in Non-Patent Document 8, the complex amplitude distribution on the hologram plane is obtained by removing unnecessary components from the off-axis hologram. In addition, if the amount of phase shift between two light waves can be changed and an increase in the number of recorded holograms is allowed, the phase shift method disclosed in Non-Patent Document 9 can be used to determine the complex amplitude distribution of the hologram plane. can be obtained.
That is, acquisition of the complex amplitude distribution on the hologram plane can be performed using either the Fourier fringe analysis method or the phase shift method.

また、光源のコヒーレンス長が短く、2光波間の光路長差の方が大きい場合には図2(a)、(b)に示すように、バンドパスフィルター204、304を用いて光源のコヒーレンス長を長くすることによって、2光波が互いに干渉し易くするようにしてもよい。 When the coherence length of the light source is short and the optical path length difference between the two light waves is large, bandpass filters 204 and 304 are used as shown in FIGS. may be made longer to make it easier for the two light waves to interfere with each other.

上述したように構成されたホログラム記録装置において、空間光変調器207、307から平面位相を入力した場合には、撮像素子205、305によりフーリエ変換型のホログラムが撮像され、記録される。図3(a)に示すように、このホログラム318a、あるいはこのホログラム318aにフーリエ縞解析あるいは位相シフト法を適用して得られる複素振幅分布に対してフーリエ変換の演算を適用することにより、パンフォーカス像(再生像)317aを再生することができる。このパンフォーカス像317aの横倍率は、物体201の配置、光学系のパラメータに応じて変化する。レンズ216から物体201までの距離をz、レンズ216の焦点距離をf、レンズ216と撮像素子205間の距離をzh1とすると、横倍率Mは、下式(1)で表される。

Figure 0007153524000001
In the hologram recording apparatus configured as described above, when a plane phase is input from the spatial light modulators 207 and 307, the imaging elements 205 and 305 capture and record Fourier transform holograms. As shown in FIG. 3(a), by applying a Fourier transform operation to this hologram 318a or a complex amplitude distribution obtained by applying Fourier fringe analysis or a phase shift method to this hologram 318a, a pan-focus An image (reproduced image) 317a can be reproduced. The lateral magnification of this deep-focus image 317a changes according to the arrangement of the object 201 and the parameters of the optical system. Assuming that the distance from the lens 216 to the object 201 is z s , the focal length of the lens 216 is fo , and the distance between the lens 216 and the image sensor 205 is z h1 , the lateral magnification M T is expressed by the following equation (1). be.
Figure 0007153524000001

ここで、物体201までの配置距離zに依存せず、横倍率を一定にしたい場合には、撮像素子205をレンズ216の後ろ側の焦点距離の位置に配置する。
つまり、zh1=fとすると、横倍率Mは1/fで一定となる。
ホログラム318aを記録する際に、空間光変調器207で曲率半径fの球面位相を入力した場合には、物体の奥行情報を反映したホログラムが記録される。
Here, if it is desired to keep the lateral magnification constant without depending on the arrangement distance zs to the object 201, the imaging device 205 is arranged at the position of the focal length behind the lens 216. FIG.
That is, when z h1 =f o , the lateral magnification M T is constant at 1/f o .
When the spatial light modulator 207 inputs a spherical phase with a radius of curvature fd when recording the hologram 318a, a hologram reflecting the depth information of the object is recorded.

一方、図3(b)に示すように、このホログラム318b、あるいはこのホログラム318bにフーリエ縞解析あるいは位相シフト法を適用して得られる複素振幅分布に対してコンピュータ内で伝搬距離zの回折伝搬の計算を行うことにより、任意の伝搬面の像を再構成することができ、立体像(再生像)317bを再生することができる。特に、物体201の配置距離zがあらかじめ既知であり、この配置距離zの物体に合焦した像を得たい場合には、伝搬距離zを、下式(2)~(4)を用いて算出する。

Figure 0007153524000002
Figure 0007153524000003
Figure 0007153524000004
ここで、dはレンズ216から空間光変調器207までの距離である。
また、zh2は、立体像撮像時における、空間光変調器207と撮像素子205の距離であり、上記zh1とこのzh2は、ともに光学系を構築した際に決定されるパラメータである。
このように、伝搬距離zは像を再生する際の再生距離を示しており、撮影者が像を再構成する際に任意に設定する値となっている。特に、撮像対象の物体201の配置距離zが既知で、その物体201に焦点が合った像を取得したい場合には、上記数式(2)~(4)で定義される値をzとして用いることができる。
また、上記数式(2)~(4)のパラメータのうち、zは、「記録対象である物体の位置」を示すものであり、z以外のパラメータは「球面波の曲率半径」を決定するものである。したがって、光学系を構築すると、zを除くすべての変数に値を代入することができ、数式(2)~(4)に基づき、物体201の配置距離z(mm)と再生距離z(mm)の関係は、図11に示すグラフで表される。すなわち、zが既知の場合には、記録対象である物体201の位置に応じ、図13のグラフで表される関係に基づきzを決定することができ、焦点のあった像を再構成することができる。 On the other hand, as shown in FIG. 3(b), this hologram 318b, or the complex amplitude distribution obtained by applying the Fourier fringe analysis or the phase shift method to this hologram 318b, is diffracted and propagated over a propagation distance zr within a computer. By calculating , an image of an arbitrary propagation plane can be reconstructed, and a stereoscopic image (reconstructed image) 317b can be reconstructed. In particular, when the arrangement distance z s of the object 201 is known in advance and it is desired to obtain a focused image of the object with this arrangement distance z s , the propagation distance z r can be expressed by the following equations (2) to (4). calculated using
Figure 0007153524000002
Figure 0007153524000003
Figure 0007153524000004
Here, d is the distance from lens 216 to spatial light modulator 207 .
Also, zh2 is the distance between the spatial light modulator 207 and the imaging device 205 when picking up a stereoscopic image, and both zh1 and zh2 are parameters determined when the optical system is constructed.
In this way, the propagation distance zr indicates a reproduction distance when reproducing an image, and is a value arbitrarily set by the photographer when reconstructing an image. In particular, when the arrangement distance z s of the object 201 to be imaged is known and it is desired to acquire an image in which the object 201 is in focus, the values defined by the above formulas (2) to (4) are set to z r can be used.
In addition, among the parameters of the above formulas (2) to (4), zs indicates "the position of the object to be recorded", and the parameters other than zs determine the "radius of curvature of the spherical wave". It is something to do. Therefore, when constructing the optical system, values can be substituted for all variables except z s , and based on the formulas (2) to (4), the arrangement distance z s (mm) of the object 201 and the reproduction distance z r (mm) is represented by the graph shown in FIG. That is, when zs is known, zr can be determined according to the position of the object 201 to be recorded, based on the relationship represented by the graph of FIG . can do.

<実施形態2>
図4は、本発明の実施形態2に係るホログラム記録装置を概略的に示すものであり、上記実施形態1と同様の等光路長型かつ非共通光路型の干渉計であるが、図2(a)、(b)がいずれもマッハ・ツェンダ干渉計であるのに対し、図4に示す実施形態2のものはマイケルソン干渉計である。
<Embodiment 2>
FIG. 4 schematically shows a hologram recording apparatus according to Embodiment 2 of the present invention, which is an equal optical path length type non-common optical path type interferometer similar to that of Embodiment 1, but FIG. While both a) and (b) are Mach-Zehnder interferometers, the second embodiment shown in FIG. 4 is a Michelson interferometer.

実施形態2に係るホログラム記録装置の光学系は、波面回転手段としてリトロリフレクタを用いている。
すなわち、物体401からの空間的にインコヒーレントな光波をビームスプリッター402により分割し、第1分割光と第2分割光を得る。いずれか一方の分割光の光波の位相分布を空間光変調器407により変調し、他方の分割光の光波を、該一方の分割光の光波に対し、リトロリフレクタ419を用いて、空間座標を回転する。この後、ビームスプリッター402に再帰した、これら2つの分割光の光波を互いに干渉させ、生成されたホログラムを、撮像素子405により撮像し、記録する。
The optical system of the hologram recording apparatus according to the second embodiment uses a retroreflector as a wavefront rotating means.
Specifically, a spatially incoherent light wave from an object 401 is split by a beam splitter 402 to obtain first split light and second split light. The phase distribution of the light wave of one of the split lights is modulated by the spatial light modulator 407, and the spatial coordinates of the light wave of the other split light are rotated using the retroreflector 419 with respect to the light wave of the one split light. do. After that, the light waves of these two split beams that have returned to the beam splitter 402 are caused to interfere with each other, and the generated hologram is imaged by the imaging element 405 and recorded.

実施形態2に係るホログラム記録装置の光学系は、前述した実施形態2に係るホログラム記録装置の光学系と同様に、空間光変調器407に平面位相を入力した場合には、パンフォーカス像を撮像することができ、球面位相を入力した場合には、立体像を撮像することができる。また、リトロリフレクタ419を用いて2つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。また、記録されたパンフォーカス像および立体像それぞれの像を再生するホログラム再生装置は、図3に示す手法と同様の手法によりホログラムを再生する。 The optical system of the hologram recording device according to the second embodiment, like the optical system of the hologram recording device according to the second embodiment, picks up a pan-focus image when a plane phase is input to the spatial light modulator 407. , and when a spherical phase is input, a stereoscopic image can be captured. Further, the retroreflector 419 is used to rotate the spatial coordinate axes of the wavefronts of the two split beams, so that not only a stereoscopic image but also a deep focus image can be formed. A hologram reproducing apparatus for reproducing the recorded pan-focus image and stereoscopic image reproduces the holograms by the same technique as that shown in FIG.

<実施形態3>
図5は、本発明の実施形態3に係るホログラム記録装置を概略的に示すものである。上記実施形態2と同様のマイケルソン干渉計とされているが、主に、光波回転素子113として、コーナーキューブプリズム519を用いていることが異なっているので、図4の部材に対応する部材については、図4の各部材に付した符号に100を加えた符号を付すものとし、その部材の詳しい説明は省略する。
<Embodiment 3>
FIG. 5 schematically shows a hologram recording apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. Although the Michelson interferometer is similar to that of the second embodiment, the main difference is that a corner cube prism 519 is used as the light wave rotating element 113. Therefore, the members corresponding to the members in FIG. , 100 is added to the reference numerals given to the respective members in FIG. 4, and detailed description of the members is omitted.

本実施形態に係るホログラム記録装置においては、光波回転素子113として、実施形態2におけるリトロリフレクタ419とは異なり、中実のコーナーキューブプリズム519を用いているので、光源からの光波の波長幅が広い場合は、コーナーキューブプリズム519を構成する硝材による波長分散の影響により、ホログラムのコントラストの低下が問題となる。波長分散の影響が大きい場合には、バンドパスフィルター504により光源の波長範囲を狭くするか、光路中に、波長分散を補償するガラス板521等の光学素子を配置することが肝要である。 In the hologram recording apparatus according to this embodiment, unlike the retroreflector 419 in the second embodiment, the solid corner cube prism 519 is used as the light wave rotating element 113, so that the wavelength width of the light wave from the light source is wide. In this case, the contrast of the hologram is lowered due to the wavelength dispersion caused by the glass material of the corner cube prism 519 . If the influence of chromatic dispersion is large, it is essential to either narrow the wavelength range of the light source with the bandpass filter 504 or to place an optical element such as a glass plate 521 for compensating the chromatic dispersion in the optical path.

実施形態3に係るホログラム記録装置の光学系は、前述した実施形態2に係るホログラム記録装置の光学系と同様に、空間光変調器507に平面位相を入力した場合には、パンフォーカス像を撮像することができ、球面位相を入力した場合には、立体像を撮像することができる。また、コーナーキューブプリズム519を用いて2つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。記録されたパンフォーカス像および立体像それぞれの像を再生するホログラム再生装置は、図3に示す手法と同様の手法によりホログラムを再生する。 The optical system of the hologram recording apparatus according to Embodiment 3, like the optical system of the hologram recording apparatus according to Embodiment 2 described above, picks up a pan-focus image when a plane phase is input to the spatial light modulator 507. , and when a spherical phase is input, a stereoscopic image can be captured. Further, the corner cube prism 519 is used to rotate the spatial coordinate axes of the wavefronts of the two split beams, so that not only a stereoscopic image but also a deep focus image can be formed. A hologram reproducing apparatus that reproduces the recorded pan-focus image and stereoscopic image reproduces the hologram by the same technique as that shown in FIG.

<実施形態4>
図6は、本発明の実施形態4に係るホログラム記録装置を概略的に示すものである。上記実施形態2、3と同様のマイケルソン干渉計とされているが、主として、光波回転素子113として直角プリズム619a、bを用いていることが異なっているので、図4の部材に対応する部材については、図4の各部材に付した符号に200を加えた符号を付すものとし、その部材の詳しい説明は省略する。
<Embodiment 4>
FIG. 6 schematically shows a hologram recording apparatus according to Embodiment 4 of the present invention. Although the Michelson interferometers are similar to those of Embodiments 2 and 3, the main difference is that rectangular prisms 619a and 619b are used as the light wave rotator 113. Therefore, members corresponding to the members in FIG. 4 are added by 200 to the reference numerals assigned to the respective members in FIG. 4, and detailed description of the members is omitted.

実施形態4に係るホログラム記録装置の光学系は、前述した実施形態2、3に係るホログラム記録装置の光学系と同様に、空間光変調器607に平面位相を入力した場合には、パンフォーカス像を撮像することができ、球面位相を入力した場合には、立体像を撮像することができる。また、直角プリズム619a、bを用いて2つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。また、直角プリズム619a、bを用いて2つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。記録されたパンフォーカス像および立体像それぞれの像を再生するホログラム再生装置は、図3に示す手法と同様の手法によりホログラムを再生する。 In the optical system of the hologram recording apparatus according to the fourth embodiment, similarly to the optical systems of the hologram recording apparatuses according to the second and third embodiments described above, when a plane phase is input to the spatial light modulator 607, a pan-focus image can be imaged, and when the spherical phase is input, a stereoscopic image can be imaged. Further, the rectangular prisms 619a and 619b are used to rotate the spatial coordinate axes of the wavefronts of the two split beams, so that not only a stereoscopic image but also a deep focus image can be formed. Further, the rectangular prisms 619a and 619b are used to rotate the spatial coordinate axes of the wavefronts of the two split beams, so that not only a stereoscopic image but also a deep focus image can be formed. A hologram reproducing apparatus that reproduces the recorded pan-focus image and stereoscopic image reproduces the hologram by the same technique as that shown in FIG.

<実験例>
本発明によるインコヒーレントホログラフィを用いたホログラム記録装置を実験例を用いてさらに説明する。
撮像対象を3次元物体とし、以下に説明する実験によって、その3次元物体のパンフォーカス像および立体像を1台の記録装置で切り替えて撮像した。
<Experimental example>
A hologram recording apparatus using incoherent holography according to the present invention will be further described using experimental examples.
A three-dimensional object was taken as an object to be imaged, and a pan-focus image and a three-dimensional image of the three-dimensional object were imaged by switching with one recording device according to the experiment described below.

本実験においては、図7(a)に示すように、所定間隔(ここでは24mm)を置いて配された2枚のマスク725、726に配された「1」、「2」の数字の組合せ全体で記録対象の3次元物体とした。この「1」、「2」の数字は、各々、物体1(623)、物体2(624)とした。これら物体1(623)の大きさ(横×縦)は0.37 mm×1.31 mmとし、物体2(624)の大きさ(横×縦)は、0.96 mm×1.35 mmとした。また、物体1(623)と物体2(624)間の距離は前述したように24mmである。 In this experiment, as shown in FIG. 7(a), two masks 725 and 726 arranged at a predetermined interval (here, 24 mm) were arranged with numbers "1" and "2". A three-dimensional object to be recorded was used as a whole. The numbers "1" and "2" are the object 1 (623) and the object 2 (624), respectively. The size (horizontal×vertical) of the object 1 (623) was 0.37 mm×1.31 mm, and the size (horizontal×vertical) of the object 2 (624) was 0.96 mm×1.35 mm. Also, the distance between object 1 (623) and object 2 (624) is 24 mm as described above.

上述のようにして構成された3次元物体に係るホログラムを、図8に示すダブプリズムを用いたホログラム記録装置により生成し、撮像した。
図8に示すホログラム記録装置の光学系は、図2(a)に示す光学系と同様の機能を実現するものである。なお、上述した3次元物体は、図8に示すように、2つの発光ダイオード(中心波長625 nm、波長幅18 nm)727a、bにより、物体1(623)である「1」の数字と、物体2(624)である「2」の数字の形状を各々有する透過型のマスク725、726を各々照明し、「1」の形状情報を担持した光波と「2」の形状情報を担持した光波をビームスプリッター728で合波することにより実現した。
A hologram relating to a three-dimensional object constructed as described above was generated by a hologram recording apparatus using a Dove prism shown in FIG. 8 and imaged.
The optical system of the hologram recording apparatus shown in FIG. 8 realizes the same function as the optical system shown in FIG. 2(a). Incidentally, as shown in FIG. 8, the three-dimensional object described above is the object 1 (623) with the number "1" and the number "1" by two light emitting diodes (center wavelength 625 nm, wavelength width 18 nm) 727a, b. Transmissive masks 725 and 726 each having the shape of the number "2", which is the object 2 (624), are illuminated, and the light wave carrying the shape information of "1" and the light wave carrying the shape information of "2" are illuminated. are combined by the beam splitter 728.

ビームスプリッター728により合波された光波は偏光子706を通過させ、その偏光方向を、空間光変調器707が変調可能な光波の偏光方向(液晶の配向方向)と一致させる。その後、光学素子を保持する筐体内での光波の反射に伴う迷光の発生を防止するために、開口729を用いて、透過光の直径がビームスプリッター702aの大きさよりも十分小さくなるように設定する。開口729を通過した光波は焦点距離200mmのレンズ716を通過し、ビームスプリッター702aに入射し、このビームスプリッター702aにおいて2つの光波に分割される。 The light wave multiplexed by the beam splitter 728 passes through the polarizer 706, and its polarization direction is matched with the polarization direction of the light wave that can be modulated by the spatial light modulator 707 (orientation direction of the liquid crystal). After that, in order to prevent the generation of stray light due to the reflection of the light wave within the housing that holds the optical element, the aperture 729 is used to set the diameter of the transmitted light sufficiently smaller than the size of the beam splitter 702a. . The light wave passing through the aperture 729 passes through the lens 716 with a focal length of 200 mm, enters the beam splitter 702a, and is split into two light waves at the beam splitter 702a.

一方の光波(第1分割光)は、ダブプリズム708aを通過し、ビームスプリッター702を透過してミラー703で反射され、ビームスプリッター702に戻り、このビームスプリッター702で反射されて、ビームスプリッター709に入射し、このビームスプリッター709を透過する。
ビームスプリッター702aを透過した他方の光波(第2分割光)は、ビームスプリッター702bを透過し、その位相分布が空間光変調器(画素数1408×1058、画素ピッチ10.4μm)707で所定の変調を受けて反射され、戻ったビームスプリッター702bでさらに反射される。この後、他方の光波(第2分割光)は、ダブプリズム708bを通過し、ビームスプリッター709に入射し、このビームスプリッター709により反射される。
One light wave (first split light) passes through the Dove prism 708a, is transmitted through the beam splitter 702, is reflected by the mirror 703, returns to the beam splitter 702, is reflected by this beam splitter 702, and is directed to the beam splitter 709. It enters and passes through this beam splitter 709 .
The other light wave (second split light) transmitted through the beam splitter 702a is transmitted through the beam splitter 702b, and its phase distribution is modulated by a spatial light modulator (1408×1058 pixels, pixel pitch 10.4 μm) 707. Received, reflected, and returned to beam splitter 702b for further reflection. After that, the other light wave (second split light) passes through the Dove prism 708b, enters the beam splitter 709, and is reflected by the beam splitter 709. FIG.

ビームスプリッター709に入射した一方の光波(第1分割光)と他方の光波(第2分割光)は、このビームスプリッター709で重ね合わされて互いに干渉し、バンドパスフィルター704を介して撮像素子705の撮像面上にホログラムを形成する。この形成されたホログラムは撮像素子705により撮像され、記録される。撮像素子705はCMOS(画素数10000×7096、画素ピッチ3.1 μm)により構成される。
上述した2つのダブプリズム708a、bは光軸を中心として互いに90°回転した状態に配置されているので、これら2つのダブプリズム708a、bを通過した2つの光波の空間座標は、互いに180°回転している。
One light wave (first split light) and the other light wave (second split light) incident on the beam splitter 709 are superimposed by the beam splitter 709 and interfere with each other, and pass through the bandpass filter 704 to the image sensor 705. A hologram is formed on the imaging surface. The formed hologram is imaged by the imaging device 705 and recorded. The imaging device 705 is composed of CMOS (10000×7096 pixels, 3.1 μm pixel pitch).
Since the two Dove prisms 708a,b described above are rotated 90° relative to each other about the optical axis, the spatial coordinates of the two light waves passing through these two Dove prisms 708a,b are 180° relative to each other. rotating.

図8に示すホログラム記録装置を用い、空間光変調器707に平面位相を入力してパンフォーカス像を撮像して得たホログラムを図9(a)に示し、このホログラムに対して、フーリエ変換の演算を適用して取得した再生像を図9(b)に示す。「1」の数字からなる、物体1(623)と、「2」の数字からなる物体2(624)とは、光波の伝搬方向に間隔を置いた、互いに異なるマスク(マスク1(725)およびマスク2(726))上に配置されているが、両方の物体623、624に合焦した像が得られていることが明らかである。 FIG. 9A shows a hologram obtained by imaging a pan-focus image by inputting a plane phase to the spatial light modulator 707 using the hologram recording apparatus shown in FIG. FIG. 9B shows a reconstructed image obtained by applying the calculation. Object 1 (623), consisting of the number "1", and Object 2 (624), consisting of the number "2", are different masks (Mask 1 (725) and It is clear that focused images of both objects 623, 624 are obtained, although they are located on Mask 2 (726)).

次に、図8に示すホログラム記録装置を用い、空間光変調器707に曲率半径が460mmの球面位相を入力して立体像を撮像して得たホログラムを図10(a)に示す。 Next, FIG. 10(a) shows a hologram obtained by picking up a three-dimensional image by inputting a spherical phase with a radius of curvature of 460 mm to the spatial light modulator 707 using the hologram recording apparatus shown in FIG.

なお、図8に示すホログラム記録装置における光学系において、レンズの焦点距離fは200 mmであり、レンズ716から空間光変調器707までの距離dは117 mmであり、空間光変調器707で変調される球面波の曲率半径fは460 mmであり、空間光変調器707と撮像素子705との距離zh2は270 mmである。
ここで、上記数式(2)、(3)、(4)から導かれる、物体1、2(623、624)からレンズ716までの距離zと、ホログラム面から再生像までの伝搬距離zの関係を図11に示す。
In the optical system of the hologram recording apparatus shown in FIG. The radius of curvature fd of the modulated spherical wave is 460 mm, and the distance zh2 between the spatial light modulator 707 and the imaging device 705 is 270 mm.
Here, the distance z s from the objects 1 and 2 (623, 624) to the lens 716 and the propagation distance z r from the hologram surface to the reconstructed image derived from the above formulas (2), (3), and (4) is shown in FIG.

本実験によれば、レンズ716から、物体1(623)と物体2(624)それぞれまでの距離zは200 mmと176 mmであるため、それぞれの物体623、624に合焦した像を得るためには、図11の関係から、伝搬距離zを190 mm、314.2 mmに設定する必要がある。 According to this experiment, the distances zs from lens 716 to object 1 (623) and object 2 (624) are 200 mm and 176 mm, respectively, so that focused images of objects 623 and 624 are obtained. For this purpose, it is necessary to set the propagation distance zr to 190 mm and 314.2 mm from the relationship shown in FIG.

このように、伝搬距離zを190 mm、314.2 mmとし、回折伝搬の計算を適用して得られた再生像を、図10(b)および図10(c)に各々示す。図10(b)では物体1(623)に、また図10(c)では物体2(624)にそれぞれフォーカス位置を合わせられており、立体像が得られていることが明らかである。 Reconstructed images obtained by applying diffraction propagation calculation with propagation distances zr of 190 mm and 314.2 mm are shown in FIGS. 10(b) and 10(c), respectively. In FIG. 10(b), object 1 (623) is focused, and in FIG. 10(c), object 2 (624) is focused, and it is clear that a stereoscopic image is obtained.

物体1(623)に、フォーカス位置を合わせた場合には、物体2(624)の像がぼやける。同様に、物体2(624)にフォーカス位置を合わせた場合には、物体1(623)の像がぼやける。
以上の実験により、本実施形態のホログラム記録装置によれば、パンフォーカス像と立体像の撮像が、1つの光学系を用いて機能切替えにより行うことが可能であることが実証された。
When the object 1 (623) is focused, the image of the object 2 (624) is blurred. Similarly, when the object 2 (624) is focused, the image of the object 1 (623) is blurred.
The above experiments demonstrate that the hologram recording apparatus of the present embodiment can capture a deep-focus image and a stereoscopic image by switching functions using one optical system.

本発明のホログラム記録装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなくその他の種々の態様のものに変更が可能である。例えば、装置の光学系の構成としても、上記実施形態のものに限られるものではない。
また、上記実施形態においては、分割した2つの分割光のうちの一方に位相分布変調素子を配置しているが、分割した2つの分割光のうちの両方に位相分布変調素子を配置して、通過する分割光に、互いに異なる曲率半径の球面波を付与するようにしても、所望の立体画像を撮像、記録することが可能である。
また、上記実施形態においては、空間的にインコヒーレントな光波を、レンズを用いて収束あるいは発散させているが、このレンズは正の屈折力を有するものに限られず負の屈折力を有するものであってもよく、また、単レンズであっても複数枚からなる組み合わせレンズであってもよい。
また、図8を用いて説明した実験例の光学系においては、所定の直線偏光に対して機能するLCD等の空間光変調器707を用いているため、偏光子706を空間光変調器707よりも物体側の光学系内に導入しているが、位相分布可変素子112が偏光状態に拘わらず、どのような光波に対しても位相を変調できる態様である場合には、光学系内に偏光子を挿入することを要しない。
The hologram recording apparatus of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified into other various modes. For example, the configuration of the optical system of the device is not limited to that of the above embodiment.
Further, in the above embodiment, the phase distribution modulation element is arranged in one of the two split beams. A desired three-dimensional image can be picked up and recorded by imparting spherical waves having different radii of curvature to the passing split beams.
Further, in the above embodiments, the spatially incoherent light waves are converged or diverged using a lens, but the lens is not limited to having positive refractive power and may have negative refractive power. It may be a single lens or a combination lens consisting of a plurality of lenses.
Further, in the optical system of the experimental example described with reference to FIG. is introduced into the optical system on the object side. No need to insert children.

101、201、301、401、501、601、801、811、921 物体
102 分割手段
104 合波手段
105、205、305、405、505、605、705、805、815、925 撮像素子
110 第1分割光
111 第2分割光
112 位相分布変調素子
113 光波回転素子
114 球面位相
115 平面位相
202、209、302、309、402、502、602、702、702a、b、709、728、802、922、929 ビームスプリッター
203a、b、303a、b、703、803a、b、923a、b ミラー
204、304、404、504、604、704、804、814、924 バンドパスフィルター
207、307、407、507、607、707、817 空間光変調器
208a、b、308a、b、708a、b、928a、b ダブプリズム
706、816a、b 偏光子
216、316、716 レンズ
317a、b 再生像
318a、b ホログラム
419 リトロリフレクタ
519 コーナーキューブプリズム
521 ガラス板
619a、b 直角プリズム
623 物体1
624 物体2
725 マスク1
726 マスク2
727a、b 発光ダイオード
729 開口
101, 201, 301, 401, 501, 601, 801, 811, 921 object 102 dividing means 104 combining means 105, 205, 305, 405, 505, 605, 705, 805, 815, 925 imaging element 110 first division Light 111 Second split light 112 Phase distribution modulation element 113 Light wave rotator 114 Spherical phase 115 Planar phase 202, 209, 302, 309, 402, 502, 602, 702, 702a, b, 709, 728, 802, 922, 929 beam splitters 203a, b, 303a, b, 703, 803a, b, 923a, b mirrors 204, 304, 404, 504, 604, 704, 804, 814, 924 bandpass filters 207, 307, 407, 507, 607, 707, 817 spatial light modulators 208a,b, 308a,b, 708a,b, 928a,b Dove prisms 706, 816a,b polarizers 216, 316, 716 lenses 317a,b reconstructed images 318a,b holograms 419 retroreflectors 519 corner cube prism 521 glass plates 619a,b right angle prism 623 object 1
624 Object 2
725 Mask 1
726 mask 2
727a,b light emitting diode 729 aperture

Claims (7)

インコヒーレントな光波を第1分割光と第2分割光からなる2つの光波に分割する光波分割手段と、
これら2つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させる波面回転手段と、
該第1分割光および該第2分割光の少なくとも一方の波面の曲率半径を変調して、該2つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与する位相分布可変手段と、
前記波面回転手段および前記位相分布可変手段を通過した前記第1分割光および前記第2分割光を合波する光合波手段と、
この光合波手段により合波された前記第1分割光および前記第2分割光が、互いに干渉して形成されたホログラムを記録するホログラム記録手段と、
を備えたことを特徴とするホログラム記録装置。
light wave splitting means for splitting an incoherent light wave into two light waves consisting of a first split light and a second split light;
wavefront rotating means for relatively rotating the spatial coordinates of the wavefronts of these two split light waves;
phase distribution varying means for modulating the radius of curvature of the wavefront of at least one of the first split light and the second split light to impart a relative spherical phase distribution to the wavefronts of the two split light waves;
an optical combining means for combining the first divided light and the second divided light that have passed through the wavefront rotating means and the phase distribution varying means;
a hologram recording means for recording a hologram formed by interference between the first split light and the second split light combined by the light combining means;
A hologram recording device comprising:
前記ホログラム記録手段が撮像手段を備え、
前記位相分布可変手段において、前記第1分割光または前記第2分割光に、曲率半径が無限大である平面位相を付与することにより、前記撮像手段によるパンフォーカス像の撮像を可能とし、前記第1分割光および前記第2分割光の波面の差分が、有限の大きさの曲率半径の球面位相となるように、これら2つの分割光の少なくとも一方に、有限の大きさの曲率半径の球面位相を付与することにより、前記撮像手段による立体像の撮像を可能とするように構成されていることを特徴とする請求項1に記載のホログラム記録装置。
The hologram recording means comprises imaging means,
In the phase distribution varying means, by imparting a plane phase having an infinite radius of curvature to the first split light or the second split light, the imaging means can pick up a deep-focus image, and At least one of the two split lights has a spherical phase with a finite radius of curvature so that the difference between the wavefronts of the first split light and the second split light is a spherical phase with a finite radius of curvature. 2. The hologram recording apparatus according to claim 1, wherein a three-dimensional image can be picked up by said image pick-up means.
前記撮像手段により撮像されるパンフォーカス像または立体像について、横倍率、分解能および視野のうち少なくとも1つを変更可能とするように、光波の波面の空間座標の回転角度が任意に調整可能に構成されていることを特徴とする請求項2に記載のホログラム記録装置。 The rotation angle of the spatial coordinates of the wavefront of the light wave can be arbitrarily adjusted so that at least one of lateral magnification, resolution, and field of view can be changed for the pan-focus image or the stereoscopic image captured by the imaging means. 3. The hologram recording apparatus according to claim 2, wherein the hologram recording apparatus is 前記光波分割手段の対象物体側にレンズを配設し、前記撮像手段の撮像面を、該レンズの後側焦点距離だけ離間した位置に配設することを特徴とする請求項2または3に記載のホログラム記録装置。 4. The apparatus according to claim 2, wherein a lens is arranged on the target object side of said light wave splitting means, and an imaging surface of said imaging means is arranged at a position spaced apart by a rear focal length of said lens. hologram recorder. 前記波面回転手段がダブプリズム、コーナーキューブプリズム、リトロリフレクタおよび直角プリズムのいずれかであることを特徴とする請求項1~4のうちいずれか1項に記載のホログラム記録装置。 5. The hologram recording apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein said wavefront rotating means is any one of a Dove prism, a corner cube prism, a retroreflector and a rectangular prism. 前記位相分布可変手段が、複屈折を有する空間光変調器、回折光学素子および液晶レンズのいずれかであることを特徴とする請求項1~5のうちいずれか1項に記載のホログラム記録装置。 6. The hologram recording apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein said phase distribution varying means is any one of a spatial light modulator having birefringence, a diffractive optical element, and a liquid crystal lens. インコヒーレントな光波を第1分割光と第2分割光からなる2つの光波に分割し、これら2つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させるとともに、少なくとも一方の該波面の曲率半径を変調して、該2つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与し、これら2つの分割した光波を互いに干渉させて撮像面に形成されたホログラムに基づき、再生像を生成するホログラム再生装置において、
前記球面位相に係る球面波の曲率半径および記録対象である物体の位置に基づき設定される、前記光波の回折伝搬による伝搬距離だけ前記撮像面から離れた位置に再生像が形成されるように構成されていることを特徴とするホログラム再生装置。
Splitting an incoherent light wave into two light waves consisting of a first split light and a second split light, relatively rotating the spatial coordinates of the wavefronts of these two split light waves, and at least one of the wavefronts having a radius of curvature is modulated to impart a relative spherical phase distribution to the wavefronts of the two split light waves, and the two split light waves are caused to interfere with each other to form a reconstructed image on the imaging plane based on a hologram. In the hologram reproducing device to generate,
A reconstructed image is formed at a position separated from the imaging surface by a propagation distance due to diffraction propagation of the light wave, which is set based on the radius of curvature of the spherical wave associated with the spherical phase and the position of the object to be recorded. A hologram reproducing device characterized by:
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