JP7195556B2 - 超解像計測装置および超解像計測装置の作動方法 - Google Patents

Description

本開示の技術は、超解像計測装置および超解像計測装置の作動方法に関する。

ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ－Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）イメージセンサ等のセンサで被計測物体を計測し、センサの解像度を超える解像度（以下、超解像）の出力画像を得る技術（以下、超解像技術）が知られている。

井手下 昴史、外２名、"デジタルホログラフィによる超分解能計測アルゴリズムの開発"、２００９年度精密工学会秋季大会学術講演会講演論文集、インターネット〈URL：https://www.jstage.jst.go.jp/article/pscjspe/2009A/0/2009A_0_687/_article/-char/ja/〉には、光複素振幅計測技術の１つである位相シフトデジタルホログラフィを用いた超解像技術が記載されている。井手下、外２名著の"デジタルホログラフィによる超分解能計測アルゴリズムの開発"では、水平方向の分解能を向上させるために、ピクセルサイズよりも小さいピッチでセンサを水平方向に数箇所移動させ、センサ固定では取得できない、センサの解像度を超える解像度の成分（以下、超解像成分）を取得している。そして、センサを移動させた各箇所で計測したホログラムを合成することで、超解像の出力画像を得ている。なお、光複素振幅とは、光波の振動を複素数で表したものである。

また、濱田 匡夫、"適応フィルタ型超解像"、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｖｏｌ．５６ Ｎｏ．４ Ｊａｎ．２０１１、インターネット〈URL：https://www.panasonic.com/jp/corporate/technology-design/ptj/pdf/v5604/p0208.pdf〉には、被計測物体をセンサで計測して得られた画像に拡大フィルタ処理を施すことで、超解像成分を推定する超解像技術が記載されている。すなわち、濱田著の"適応フィルタ型超解像"では、超解像成分を含まない画像から、拡大フィルタ処理により超解像成分を推定している。

井手下、外２名著の"デジタルホログラフィによる超分解能計測アルゴリズムの開発"に記載の技術では、センサを水平方向に移動させる必要がある。また、濱田著の"適応フィルタ型超解像"に記載の技術では、超解像成分はあくまでも拡大フィルタ処理による推定であって、実際の超解像成分を正確に反映したものであるという保証はない。そこで、本発明者らは、被計測物体の入力光波を拡散させてセンサに入射させ、拡散された入力光波の光複素振幅をセンサで計測することで、実際に超解像成分をセンサで計測し、これにより得られた画像に基づいて超解像の出力画像を生成することを検討している。

すなわち、井手下、外２名著の"デジタルホログラフィによる超分解能計測アルゴリズムの開発"では、ピクセルサイズよりも小さいピッチでセンサを水平方向に移動させることで、超解像成分を取得している。また、濱田著の"適応フィルタ型超解像"では、拡大フィルタ処理により超解像成分を推定している。対して、本発明者らが検討している超解像技術では、被計測物体の入力光波を拡散させることで、超解像成分を取得する。したがって、この本発明者らが検討している超解像技術によれば、センサを移動させることなく、また、拡大フィルタ処理による推定に依拠せず、超解像の出力画像を得ることが可能となる。

しかしながら、本発明者らが検討している、被計測物体の入力光波を拡散させる超解像技術では、超解像の出力画像に画質劣化が生じる場合があった。本発明者らは、この画質劣化の一因が、拡散された入力光波に含まれる情報量が多いことであることを突き止めた。

本開示の技術は、超解像の出力画像に生じる画質劣化を低減することが可能な超解像計測装置および超解像計測装置の作動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示の超解像計測装置は、被計測物体の入力光波を拡散させる拡散部材、および拡散された入力光波を部分的に透過させる部分透過マスクを含む実光学系と、部分透過マスクを透過した入力光波の強度と位相を計測して光複素振幅画像を出力するセンサと、センサの解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む被計測物体の入力光波を、光複素振幅画像から再生する計算処理であって、拡散部材の透過関数の位相共役関数を含む計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像を生成する仮想光学系と、を備える。

仮想光学系は、光複素振幅画像から第１中間画像を生成し、被計測物体の基準画像から第２中間画像を生成し、第１中間画像から第２中間画像を減算した画像に基づいて、出力画像を生成することが好ましい。

実光学系は、拡散部材を経てセンサに至る、光複素振幅画像を得るための光複素振幅画像取得光路と、拡散部材を通さずにセンサに至る、基準画像を得るための基準画像取得光路とを有することが好ましい。

光複素振幅画像取得光路の拡散部材よりも被計測物体側から、基準画像取得光路が分岐していることが好ましい。この場合、光複素振幅画像取得光路の拡散部材よりもセンサ側で、基準画像取得光路が合流していることが好ましい。さらに、基準画像取得光路においては、入力光波が部分透過マスクの透過部に収まるサイズに集光されることが好ましい。

光複素振幅画像取得光路と基準画像取得光路とは兼用されており、拡散部材および部分透過マスクは、光複素振幅画像取得光路内に進入した進入位置と、光複素振幅画像取得光路から退避した退避位置とに移動され、光複素振幅画像取得光路は、拡散部材および部分透過マスクが退避位置にある場合に、基準画像取得光路として機能することが好ましい。

拡散部材は、入力光波をランダムに拡散させるランダム拡散板であることが好ましい。

拡散部材は、入力光波の拡散特性を変更可能な空間光変調器であり、センサは、空間光変調器により拡散特性が変更された複数種の入力光波の強度と位相を計測して、入力光波の拡散特性が異なる複数の光複素振幅画像を出力し、仮想光学系は、複数の光複素振幅画像の各々から中間画像を生成し、複数の中間画像を加算平均した画像を、出力画像とすることが好ましい。

実光学系は、拡散部材よりも被計測物体側、および拡散部材よりもセンサ側に配された、一対のフーリエ変換レンズを含むことが好ましい。

拡散部材は、入力光波をランダムに拡散させるランダム拡散板であって、被計測物体側に配されたフーリエ変換レンズによる低空間周波数成分をカットする遮光部が、中央部分に設けられたランダム拡散板であることが好ましい。

拡散部材は、入力光波をランダムに拡散させるランダム拡散板であって、被計測物体側に配されたフーリエ変換レンズによる低空間周波数成分を透過する開口が、中央部分に設けられたランダム拡散板であり、実光学系には、開口を透過した低空間周波数成分を、部分透過マスクの透過部に集光する集光レンズが配されていることが好ましい。

本開示の超解像計測装置の作動方法は、被計測物体の入力光波を拡散させる拡散部材、および拡散された入力光波を部分的に透過させる部分透過マスクを含む実光学系を用い、センサによって、部分透過マスクを透過した入力光波の強度と位相を計測して光複素振幅画像を出力させ、仮想光学系において、センサの解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む被計測物体の入力光波を、光複素振幅画像から再生する計算処理であって、拡散部材の透過関数の位相共役関数を含む計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像を生成する。

本開示の技術によれば、超解像の出力画像に生じる画質劣化を低減することが可能な超解像計測装置および超解像計測装置の作動方法を提供することができる。

超解像計測装置を示す図である。 実光学系において光複素振幅画像取得光路を用いている状態を示す図である。 実光学系において基準画像取得光路を用いている状態を示す図である。 ランダム拡散板の作用を概念的に示す図であり、図４Ａはランダム拡散板がない場合、図４Ｂはランダム拡散板がある場合をそれぞれ示す。 部分透過マスクを示す図である。 光複素振幅画像取得光路を用いて光複素振幅画像を得る様子を示す図である。 基準画像取得光路を用いて基準画像を得る様子を示す図である。 処理装置を構成するコンピュータのブロック図である。 主に処理装置のＣＰＵの処理部を示すブロック図である。 伝達関数情報を示す図である。 第１中間画像生成部の処理を示す図である。 第１中間画像生成部の処理と等価な第１仮想光学系を示す図である。 第２中間画像生成部の処理を示す図である。 第２中間画像生成部の処理を示す図である。 第２中間画像生成部の処理と等価な第２仮想光学系を示す図である。 減算部の処理を示す図である。 超解像計測装置の処理手順を示すフローチャートである。 第１中間画像、第２中間画像、および出力画像の関係を概念的に示す図である。 実施例１～３における各種パラメータを示す表である。 実施例１の入力画像を示す図であり、図２０Ａは入力画像の強度画像、図２０Ｂは入力画像の位相画像をそれぞれ示す。 実施例１の光複素振幅画像を示す図であり、図２１Ａは光複素振幅画像の強度画像、図２１Ｂは光複素振幅画像の位相画像をそれぞれ示す。 実施例１の第１中間画像を示す図であり、図２２Ａは第１中間画像の強度画像、図２２Ｂは第１中間画像の位相画像をそれぞれ示す。 実施例１の基準画像を示す図であり、図２３Ａは基準画像の強度画像、図２３Ｂは基準画像の位相画像をそれぞれ示す。 実施例１の第２中間画像を示す図であり、図２４Ａは第２中間画像の強度画像、図２４Ｂは第２中間画像の位相画像をそれぞれ示す。 実施例１の減算画像を示す図であり、図２５Ａは減算画像の強度画像、図２５Ｂは減算画像の位相画像をそれぞれ示す。 実施例１の出力画像を示す図であり、図２６Ａは出力画像の強度画像、図２６Ｂは出力画像の位相画像をそれぞれ示す。 実施例１の入力画像の他の例を示す図であり、図２７Ａは入力画像の強度画像、図２７Ｂは入力画像の位相画像をそれぞれ示す。 図２７の入力画像の場合の基準画像を示す図である。 図２７の入力画像を計測して得られた光複素振幅画像を示す図であり、図２９Ａは光複素振幅画像の強度画像、図２９Ｂは光複素振幅画像の位相画像をそれぞれ示す。 図２７の入力画像の場合の出力画像を示す図であり、図３０Ａは出力画像の強度画像、図３０Ｂは出力画像の位相画像をそれぞれ示す。 実光学系の他の例を示す図である。 実光学系の他の例を示す図である。 第２実施形態の実光学系を示す図である。 第２実施形態の生成部を示す図である。 第２実施形態の処理をまとめて示す図である。 実施例２の出力画像の位相画像を示す図である。 第３実施形態の実光学系を示す図である。 第３実施形態のランダム拡散板を示す図である。 実施例３の入力画像を示す図であり、図３９Ａは入力画像の強度画像、図３９Ｂは入力画像の位相画像をそれぞれ示す。 図３９で示した入力画像の高空間周波数成分を示す図であり、図４０Ａは高空間周波数成分の強度画像、図４０Ｂは高空間周波数成分の位相画像をそれぞれ示す。 実施例３の出力画像を示す図であり、図４１Ａは出力画像の強度画像、図４１Ｂは出力画像の位相画像をそれぞれ示す。 第４実施形態の実光学系を示す図である。 第４実施形態のランダム拡散板を示す図である。 第４実施形態の生成部を示す図である。 部分透過マスクの他の例を示す図である。 部分透過マスクの他の例を示す図である。

［第１実施形態］
図１において、超解像計測装置１０は、ステージ１１、実光学系１２、センサ１３、および処理装置１４を備える。ステージ１１には被計測物体１５がセットされる。実光学系１２は、ステージ１１にセットされた被計測物体１５の入力光波を取り込み、センサ１３へと導く。センサ１３は、実光学系１２によって導かれた入力光波の強度と位相を計測して、光複素振幅画像５４（図６参照）を出力する。センサ１３は、光複素振幅画像５４を処理装置１４に送信する。処理装置１４は、例えばデスクトップ型のパーソナルコンピュータである。処理装置１４は、センサ１３からの光複素振幅画像５４に基づいて、出力画像７６（図９参照）を生成する。

図２および図３において、実光学系１２は、光複素振幅画像取得光路２０と基準画像取得光路２１とを有する。光複素振幅画像取得光路２０は光複素振幅画像５４を得るための光路である。基準画像取得光路２１は、被計測物体１５の基準画像６１（図７参照）を得るための光路である。光複素振幅画像取得光路２０には、本開示の技術に係る「拡散部材」の一例であるランダム拡散板２２が配置されている。対して基準画像取得光路２１には、ランダム拡散板２２は配されていない。すなわち、光複素振幅画像取得光路２０は、ランダム拡散板２２を経てセンサ１３に至る光路である。対して基準画像取得光路２１は、ランダム拡散板２２を通さずにセンサ１３に至る光路である。

ランダム拡散板２２は、表面にランダムな凹凸が形成された凹凸面２３を有する。ランダム拡散板２２は、凹凸面２３をセンサ１３側に向けて配置されている。ランダム拡散板２２は、被計測物体１５の入力光波を拡散させる。

光複素振幅画像取得光路２０には、ランダム拡散板２２に加えて、ビームスプリッタ２５、フーリエ変換レンズ２６、フーリエ変換レンズ２７、ビームスプリッタ２８、および部分透過マスク２９が配置されている。

ビームスプリッタ２５は、被計測物体１５の入力光波を、フーリエ変換レンズ２６に向けて透過させる。また、ビームスプリッタ２５は、被計測物体１５の入力光波を、基準画像取得光路２１のミラー３０に向けて９０°反射させる。このビームスプリッタ２５によって、光複素振幅画像取得光路２０のランダム拡散板２２よりも被計測物体１５側から、基準画像取得光路２１が分岐することとなる。

フーリエ変換レンズ２６、２７は、ランダム拡散板２２を挟む位置に配置されている。より詳しくは、フーリエ変換レンズ２６は、ランダム拡散板２２よりも被計測物体１５側に配されている。フーリエ変換レンズ２７は、ランダム拡散板２２よりもセンサ１３側に配されている。フーリエ変換レンズ２６、２７は、「レンズの前側焦点面に透過物体を置き、その背後から均一な強度（振幅）分布をもつ平面波で照明したとき、レンズの後側焦点面上に得られる回折像の強度分布が物体の強度分布のフーリエ変換で表される、という性質を有するレンズ」と定義される。

ビームスプリッタ２８は、ランダム拡散板２２によって拡散された被計測物体１５の入力光波を、部分透過マスク２９に向けて透過させる。また、ビームスプリッタ２８は、基準画像取得光路２１からの被計測物体１５の入力光波を、部分透過マスク２９に向けて９０°反射させる。このビームスプリッタ２８によって、光複素振幅画像取得光路２０のランダム拡散板２２よりもセンサ１３側で、基準画像取得光路２１が合流することとなる。

基準画像取得光路２１には、ミラー３０、レンズ３１、レンズ３２、およびミラー３３が配置されている。ミラー３０は、ビームスプリッタ２５からの被計測物体１５の入力光波を、レンズ３１に向けて９０°反射させる。レンズ３１、３２は、被計測物体１５の入力光波を、部分透過マスク２９の透過部３５（図５も参照）に収まるサイズに集光する。ミラー３３は、レンズ３１、３２により集光された被計測物体１５の入力光波を、光複素振幅画像取得光路２０のビームスプリッタ２８に向けて９０°反射させる。

光複素振幅画像取得光路２０のフーリエ変換レンズ２７とビームスプリッタ２８との間には、シャッタ３６が設けられている。同様に、基準画像取得光路２１のミラー３３と光複素振幅画像取得光路２０のビームスプリッタ２８との間にも、シャッタ３７が設けられている。

シャッタ３６は、光複素振幅画像取得光路２０内に進入した進入位置と、光複素振幅画像取得光路２０から退避した退避位置との間で移動自在である。同様に、シャッタ３７は、基準画像取得光路２１内に進入した進入位置と、基準画像取得光路２１から退避した退避位置との間で移動自在である。シャッタ３６、３７が進入位置にある場合は、被計測物体１５の入力光波が遮光される。シャッタ３６、３７が退避位置にある場合は、被計測物体１５の入力光波の入射が許容される。

光複素振幅画像取得光路２０を用いて光複素振幅画像５４を得る場合には、図２に示すようにシャッタ３６が退避位置に移動され、シャッタ３７が進入位置に移動される。対して、基準画像取得光路２１を用いて基準画像６１を得る場合には、図３に示すようにシャッタ３６が進入位置に移動され、シャッタ３７が退避位置に移動される。このようにして光複素振幅画像取得光路２０と基準画像取得光路２１とが使い分けられる。なお、シャッタ３６、３７を設ける位置は、上記に例示した位置に限らない。ビームスプリッタ２５とフーリエ変換レンズ２６との間にシャッタ３６を設けてもよいし、ビームスプリッタ２５とミラー３０との間にシャッタ３７を設けてもよい。

図４に、ランダム拡散板２２の作用を概念的に示す。図４Ａはランダム拡散板２２がない場合、図４Ｂはランダム拡散板２２がある場合をそれぞれ示す。図４Ａに示すように、ランダム拡散板２２がない場合、被計測物体１５の１ピクセル分の領域４１からの入力光波（破線矢印で示す）は、センサ１３の複数のピクセル４０のうちの１つに入射する。つまり、被計測物体１５の１ピクセル分の領域４１と、センサ１３のピクセル４０とは、一対一の関係にある。対して図４Ｂに示すように、ランダム拡散板２２がある場合、被計測物体１５の１ピクセル分の領域４１からの入力光波は、ランダム拡散板２２で拡散されて、センサ１３の多数のピクセル４０に入射する。つまり、被計測物体１５の１ピクセル分の領域４１と、センサ１３のピクセル４０とは、一対多の関係にある。こうして被計測物体１５の１ピクセル分の領域４１からの入力光波が、センサ１３の多数のピクセル４０に入射するため、最終的に出力される出力画像７６には、センサ１３の解像度を超える超解像成分が含まれることとなる。

図５において、部分透過マスク２９は、中央部分に正方形状の穴である透過部３５が形成された正方形状をしている。部分透過マスク２９の透過部３５以外の部分は、被計測物体１５の入力光波を遮光する。このため、光複素振幅画像取得光路２０を用いた場合にセンサ１３に入射される被計測物体１５の入力光波は、ランダム拡散板２２によって拡散された被計測物体１５の入力光波の１／２以下、より好ましくは１／４以下に制限される。なお、基準画像取得光路２１を用いた場合は、前述のように、レンズ３１、３２により被計測物体１５の入力光波が透過部３５に収まるサイズに集光される。このため、センサ１３に入射される被計測物体１５の入力光波は、部分透過マスク２９によって制限されない。なお、部分透過マスク２９は正方形状に限らない。例えば円形状でもよい。透過部３５も同様に、正方形状に限らず、例えば円形状でもよい。

センサ１３には、例えば、一般的な位相シフトデジタルホログラフィ用のセンサが用いられる。具体的には、センサ１３は、ＣＣＤイメージセンサ、またはＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）イメージセンサ等である。ただし、入力光波の空間的な光複素振幅の分布を計測可能なものであれば、センサ１３の種類は特に限定されない。

図６は、光複素振幅画像取得光路２０を用いて光複素振幅画像５４を得る様子を示す。まず、被計測物体１５の入力光波で表される入力画像５０の光複素振幅をａ＿Ｒ（ｘ、ｙ）、フーリエ変換レンズ２６の複素フーリエ変換関数をＦ＿Ｒ｛＊｝とした場合、複素フーリエ変換後の画像５１の光複素振幅は、
Ｆ＿Ｒ｛ａ＿Ｒ（ｘ、ｙ）｝＝Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）
と表せる。

ランダム拡散板２２の透過関数をΦ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）とした場合、ランダム拡散板２２を透過した画像５２の光複素振幅は、
Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）
と表せる。ここで、Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）を取得するためには、必ずしもこのランダム拡散板２２を用いる方法に限定されず、空間的に位相をランダムに変調した光を被計測物体１５に照射して得られる透過光または散乱光を用いてもよい。

フーリエ変換レンズ２７の複素フーリエ変換関数を、フーリエ変換レンズ２６と同じくＦ＿Ｒ｛＊｝とした場合、複素フーリエ変換後の画像５３の光複素振幅は、
Ｆ＿Ｒ｛Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝
と表せる。

部分透過マスク２９の透過関数をＲｅｃｔ＿Ｒ｛＊｝とした場合、部分透過マスク２９を透過してセンサ１３において計測される光複素振幅画像５４の光複素振幅は、
Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛Ｆ＿Ｒ｛Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝｝
と表せる。ここで、Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛＊｝は、部分透過マスク２９の透過部３５においては＊の値を示し、透過部３５以外の周辺の遮光部においては０の値を示す。

図７は、基準画像取得光路２１を用いて基準画像６１を得る様子を示す。基準画像取得光路２１には、フーリエ変換レンズ２６、２７およびランダム拡散板２２は配置されていない。また、前述のように、基準画像取得光路２１においては、被計測物体１５の入力光波が透過部３５に収まるサイズとされる。このため、センサ１３において計測される基準画像６１の光複素振幅は、被計測物体１５の入力光波で表される入力画像６０の光複素振幅と同じｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）で表せる。このとき、被計測物体１５がセンサ１３の解像度を超える微細な情報を有していたとしても、計測される基準画像６１の解像度は、センサ１３の有する解像度に制限される。つまり、基準画像６１は、センサ１３の解像度を超える超解像成分を有さない。

図８において、処理装置１４を構成するコンピュータは、ストレージデバイス６５、メモリ６６、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）６７、通信部６８、ディスプレイ６９、および入力デバイス７０を備えている。これらはバスライン７１を介して相互接続されている。

ストレージデバイス６５は、処理装置１４を構成するコンピュータに内蔵、またはケーブル、ネットワークを通じて接続されたハードディスクドライブである。もしくはストレージデバイス６５は、ハードディスクドライブを複数台連装したディスクアレイである。ストレージデバイス６５には、オペレーティングシステム等の制御プログラム、各種アプリケーションプログラム、およびこれらのプログラムに付随する各種データ等が記憶されている。なお、ハードディスクドライブに代えてソリッドステートドライブを用いてもよい。

メモリ６６は、ＣＰＵ６７が処理を実行するためのワークメモリである。ＣＰＵ６７は、ストレージデバイス６５に記憶されたプログラムをメモリ６６へロードして、プログラムにしたがった処理を実行することにより、コンピュータの各部を統括的に制御する。

通信部６８は、各種ネットワークを介した各種情報の伝送制御を行うネットワークインターフェースである。ディスプレイ６９は各種画面を表示する。処理装置１４を構成するコンピュータは、各種画面を通じて、入力デバイス７０からの操作指示の入力を受け付ける。入力デバイス７０は、キーボード、マウス、タッチパネル等である。

図９において、ストレージデバイス６５には、作動プログラム７５が記憶されている。作動プログラム７５は、コンピュータを処理装置１４として機能させるためのアプリケーションプログラムである。ストレージデバイス６５には、光複素振幅画像５４、基準画像６１、出力画像７６、および伝達関数情報７７も記憶されている。

作動プログラム７５が起動されると、処理装置１４を構成するコンピュータのＣＰＵ６７は、メモリ６６等と協働して、画像取得部８０、リードライト（以下、ＲＷ（Ｒｅａｄ Ｗｒｉｔｅ）と略す）制御部８１、および生成部８２として機能する。

画像取得部８０は、センサからの光複素振幅画像５４および基準画像６１を取得する。画像取得部８０は、取得した光複素振幅画像５４および基準画像６１をＲＷ制御部８１に出力する。

ＲＷ制御部８１は、ストレージデバイス６５への各種データの記憶、およびストレージデバイス６５内の各種データの読み出しを制御する。ＲＷ制御部８１は、画像取得部８０からの光複素振幅画像５４および基準画像６１をストレージデバイス６５に記憶する。また、ＲＷ制御部８１は、光複素振幅画像５４および基準画像６１をストレージデバイス６５から読み出し、生成部８２に出力する。

ＲＷ制御部８１は、伝達関数情報７７をストレージデバイス６５から読み出し、生成部８２に出力する。また、ＲＷ制御部８１は、生成部８２からの出力画像７６をストレージデバイス６５に記憶する。

生成部８２は、光複素振幅画像５４に対して計算処理を施すことで、出力画像７６を生成する。計算処理は、センサ１３の解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む被計測物体１５の入力光波を、光複素振幅画像５４から再生する処理であって、処理装置１４を構成するコンピュータ上で施される処理である。この計算処理は、後述する、「拡散部材の透過関数の位相共役関数」の一例である仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）を含む。こうした計算処理によって、超解像成分を含む入力光波を示す画像として、出力画像７６が生成されることになる。したがって、生成部８２は、本開示の技術に係る「仮想光学系」の一例である。

生成部８２は、第１中間画像生成部８５、第２中間画像生成部８６、および減算部８７を有する。第１中間画像生成部８５には、光複素振幅画像５４が入力される。第１中間画像生成部８５は、光複素振幅画像５４から第１中間画像８８（図１１も参照）を生成する。第１中間画像生成部８５は、第１中間画像８８を減算部８７に出力する。

一方、第２中間画像生成部８６には、基準画像６１が入力される。第２中間画像生成部８６は、基準画像６１から第２中間画像８９（図１４も参照）を生成する。第２中間画像生成部８６は、第２中間画像８９を減算部８７に出力する。

減算部８７は、第１中間画像８８から第２中間画像８９を減算する。減算部８７は、第１中間画像８８から第２中間画像８９を減算した画像に基づいて、出力画像７６を生成する。

図１０に示すように、伝達関数情報７７には、複数の伝達関数が登録されている。これらの伝達関数は、第１中間画像生成部８５において第１中間画像８８を生成する場合、および第２中間画像生成部８６において第２中間画像８９を生成する場合に用いられる。

Ｆ＿Ｖ１^－１｛＊｝は、仮想フーリエ変換レンズ１０６、１０８（図１２参照）の複素フーリエ逆変換関数である。Ｆ＿Ｖ１^－１｛＊｝は、実光学系１２のフーリエ変換レンズ２６、２７の複素フーリエ変換関数Ｆ＿Ｒ｛＊｝の逆関数である。Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）は、仮想ランダム拡散板１０７（図１２参照）の透過関数である。Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）は、実光学系１２において被計測物体１５の入力光波をランダム拡散板２２が拡散させる作用とは反対に、拡散された入力光波を拡散前の入力光波に戻す作用をコンピュータ上で仮想的に実現する関数である。このため、Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）は、実光学系１２のランダム拡散板２２の透過関数Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）と位相共役の関係を有する。すなわち、
Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）＝１
である。Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）は、本開示の技術に係る「拡散部材の透過関数の位相共役関数」の一例である。

Ｆ＿Ｖ２｛＊｝は、仮想フーリエ変換レンズ１３１、１３３（図１５参照）の複素フーリエ変換関数である。Ｆ＿Ｖ２｛＊｝は、実光学系１２のフーリエ変換レンズ２６、２７の複素フーリエ変換関数Ｆ＿Ｒ｛＊｝と等価な関数である。Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）は、仮想ランダム拡散板１３２（図１５参照）の透過関数である。Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）は、実光学系１２のランダム拡散板２２の透過関数Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）と等価な関数である。Ｒｅｃｔ＿Ｖ｛＊｝は、仮想部分透過マスク１３４（図１５参照）の透過関数である。Ｒｅｃｔ＿Ｖ｛＊｝は、実光学系１２の部分透過マスク２９の透過関数Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛＊｝と等価な関数である。

図１１に示すように、第１中間画像生成部８５は、高速フーリエ逆変換部９５、計算部９６、および高速フーリエ逆変換部９７を有している。

高速フーリエ逆変換部９５は、仮想フーリエ変換レンズ１０６の複素フーリエ逆変換関数Ｆ＿Ｖ１^－１｛＊｝を用いて、光複素振幅画像５４に対して高速フーリエ逆変換を施す。

ここで、一般的にＦ^－１｛Ｆ｛Ｇ（Ｘ、Ｙ）｝｝＝Ｇ（Ｘ、Ｙ）が成立する。しかし、光複素振幅画像５４の光複素振幅Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛Ｆ＿Ｒ｛Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝｝は、部分透過マスク２９の透過関数Ｒｅｃｔ＿Ｒが掛かっているため、上記式は成立しない。ただし、高速フーリエ逆変換後の画像９８の光複素振幅は、近似的に、
Ｆ＿Ｖ１^－１｛Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛Ｆ＿Ｒ｛Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝｝｝≒Ａ＿ＳＲ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）
と表せる。Ａ＿ＳＲ（Ｘ、Ｙ）は、超解像成分を含んでいる。

計算部９６は、仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）を、高速フーリエ逆変換後の画像９８の光複素振幅Ａ＿ＳＲ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）に乗算する（Ａ＿ＳＲ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ））。前述のように、Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）はΦ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）と位相共役の関係を有し、Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）＝１である。このため、計算後の画像９９の光複素振幅は、結局Ａ＿ＳＲ（Ｘ、Ｙ）となる。このように、生成部８２が実施する計算処理は、「拡散部材の透過関数の位相共役関数」の一例である仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）を含む。

高速フーリエ逆変換部９７は、仮想フーリエ変換レンズ１０８の複素フーリエ逆変換関数Ｆ＿Ｖ１^－１｛＊｝を用いて、計算後の画像９９に対して高速フーリエ逆変換を施す。これにより第１中間画像８８が生成される。第１中間画像８８の光複素振幅は、
Ｆ＿Ｖ１^－１｛Ａ＿ＳＲ（Ｘ、Ｙ）｝＝ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ）
と表せる。

図１２は、第１中間画像生成部８５の処理と等価な第１仮想光学系１０５を示す。第１仮想光学系１０５は、仮想フーリエ変換レンズ１０６、仮想ランダム拡散板１０７、および仮想フーリエ変換レンズ１０８で構成される。仮想フーリエ変換レンズ１０６の作用は、高速フーリエ逆変換部９５の処理と等価である。仮想ランダム拡散板１０７の作用は、計算部９６の処理と等価である。仮想フーリエ変換レンズ１０８の作用は、高速フーリエ逆変換部９７の処理と等価である。

図１３および図１４に示すように、第２中間画像生成部８６は、高速フーリエ変換部１１０、計算部１１１、高速フーリエ変換部１１２、計算部１１３、高速フーリエ逆変換部１１４、計算部１１５、および高速フーリエ逆変換部１１６を有している。

図１３に示すように、高速フーリエ変換部１１０は、仮想フーリエ変換レンズ１３１の複素フーリエ変換関数Ｆ＿Ｖ２｛＊｝を用いて、基準画像６１に対して高速フーリエ変換を施す。高速フーリエ変換後の画像１１７の光複素振幅は、
Ｆ＿Ｖ２｛ｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）｝＝Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）
と表せる。なお、基準画像６１は、部分透過マスク２９の透過部３５に収まるように集光された被計測物体１５の入力光波を計測したものであるため、高速フーリエ変換部１１０に入力される前に、光複素振幅画像５４と同じサイズに変更されている。

計算部１１１は、仮想ランダム拡散板１３２の透過関数Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）を、高速フーリエ変換後の画像１１７の光複素振幅Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）に乗算する。計算後の画像１１８の光複素振幅は、
Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）
と表せる。

高速フーリエ変換部１１２は、仮想フーリエ変換レンズ１３３の複素フーリエ変換関数Ｆ＿Ｖ２｛＊｝を用いて、計算後の画像１１８に対して高速フーリエ変換を施す。高速フーリエ変換後の画像１１９の光複素振幅は、
Ｆ＿Ｖ２｛Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）｝
と表せる。

図１４において、計算部１１３は、仮想部分透過マスク１３４の透過関数Ｒｅｃｔ＿Ｖ｛＊｝を用いて、高速フーリエ変換後の画像１１９に対して、部分透過マスク２９と等価な計算を施す。計算後の画像１２０の光複素振幅は、
Ｒｅｃｔ＿Ｖ｛Ｆ＿Ｖ２｛Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）｝｝
と表せる。

高速フーリエ逆変換部１１４は、第１中間画像生成部８５の高速フーリエ逆変換部９５と同様に、仮想フーリエ変換レンズ１０６の複素フーリエ逆変換関数Ｆ＿Ｖ１^－１｛＊｝を用いて、計算後の画像１２０に対して高速フーリエ逆変換を施す。

第１中間画像生成部８５の場合と同様に、高速フーリエ逆変換後の画像１２１の光複素振幅は、近似的に、
Ｆ＿Ｖ１^－１｛Ｒｅｃｔ＿Ｖ｛Ｆ＿Ｖ２｛Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）｝｝｝≒Ｂ＿ＮＳＲ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）
と表せる。Ｂ＿ＮＳＲ（Ｘ、Ｙ）は、超解像成分を含んでいない。

計算部１１５は、仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）を、高速フーリエ逆変換後の画像１２１の光複素振幅Ｂ＿ＮＳＲ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）に乗算する（Ｂ＿ＮＳＲ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ））。前述のように、Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）はΦ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）と位相共役の関係を有し、また、Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）はΦ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）と等価である。このため、Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）＝１となり、計算後の画像１２２の光複素振幅は、結局Ｂ＿ＮＳＲ（Ｘ、Ｙ）となる。

高速フーリエ逆変換部１１６は、仮想フーリエ変換レンズ１０８の複素フーリエ逆変換関数Ｆ＿Ｖ１^－１｛＊｝を用いて、計算後の画像１２２に対して高速フーリエ逆変換を施す。これにより第２中間画像８９が生成される。第２中間画像８９の光複素振幅は、
Ｆ＿Ｖ１^－１｛Ｂ＿ＮＳＲ（Ｘ、Ｙ）｝＝ｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ）
と表せる。

図１５は、第２中間画像生成部８６の処理と等価な第２仮想光学系１３０を示す。第２仮想光学系１３０は、第１仮想光学系１０５の仮想フーリエ変換レンズ１０６、仮想ランダム拡散板１０７、および仮想フーリエ変換レンズ１０８に加えて、仮想フーリエ変換レンズ１３１、仮想ランダム拡散板１３２、仮想フーリエ変換レンズ１３３、および仮想部分透過マスク１３４で構成される。仮想フーリエ変換レンズ１３１の作用は、高速フーリエ変換部１１０の処理と等価である。仮想ランダム拡散板１３２の作用は、計算部１１１の処理と等価である。仮想フーリエ変換レンズ１３３の作用は、高速フーリエ変換部１１２の処理と等価である。仮想部分透過マスク１３４の作用は、計算部１１３の処理と等価である。

仮想フーリエ変換レンズ１３１、仮想ランダム拡散板１３２、仮想フーリエ変換レンズ１３３、および仮想部分透過マスク１３４は、実光学系１２のフーリエ変換レンズ２６、ランダム拡散板２２、フーリエ変換レンズ２７、および部分透過マスク２９と等価である。すなわち、第２中間画像生成部８６の高速フーリエ変換部１１０、計算部１１１、高速フーリエ変換部１１２、および計算部１１３の処理は、実光学系１２の光複素振幅画像取得光路２０の作用を仮想化した処理に等しい。

図１６に示すように、減算部８７は、第１中間画像８８の光複素振幅ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ）から、第２中間画像８９の光複素振幅ｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ）を減算する。より詳しくは、ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ）とｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ）の実数部同士および虚数部同士を減算する。これにより、元の入力画像５０の光複素振幅ａ＿Ｒ（ｘ、ｙ）とｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）の実数部同士および虚数部同士を減算したものに近似した出力画像７６（Ｏ（ｘ、ｙ））を得ることができる。すなわち、
Ｒｅ｛ａ＿Ｒ（ｘ、ｙ）－ｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）｝≒Ｒｅ｛ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ）－ｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ）｝
Ｉｍ｛ａ＿Ｒ（ｘ、ｙ）－ｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）｝≒Ｉｍ｛ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ）－ｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ）｝
である。なお、Ｒｅ｛＊｝は実数部、Ｉｍ｛＊｝は虚数部をそれぞれ表す。

より詳しくは、出力画像７６（Ｏ（ｘ、ｙ））は、
Ｏ（ｘ、ｙ）＝Ｃ×｛ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ）－ｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ）｝＋ｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）
により得られる。

なお、Ｃは規格化定数である。規格化定数Ｃは、ランダム拡散板２２で拡散された入力光波の一部を、部分透過マスク２９により取り込んでセンサ１３で計測している関係上、ランダム拡散板２２で拡散させずに基準画像６１を得る場合とでは強度が大幅に異なる分を補正するための定数である。規格化定数Ｃは、中心（ｘ０、ｙ０）に点光源ａ＿Ｒ（ｘ０、ｙ０）を置いた場合に、第１中間画像８８の光複素振幅ａ＿ＳＲ（ｘ０、ｙ０）の強度がどれだけ減少するかを事前に調べることで得られる。すなわち、
Ｃ^２＝｛ａ＿Ｒ（ｘ０、ｙ０）｝^２／｛ａ＿ＳＲ（ｘ０、ｙ０）｝^２
規格化定数Ｃは、ＲＷ制御部８１によりストレージデバイス６５に記憶される。また、規格化定数Ｃは、ＲＷ制御部８１によりストレージデバイス６５から読み出され、減算部８７に出力される。

第１実施形態においては、出力画像７６を生成するための計算処理は、第１中間画像生成部８５において、図１０で示した、仮想フーリエ変換レンズ１０６、１０８の複素フーリエ逆変換関数Ｆ＿Ｖ１^－１｛＊｝、仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）を用いて第１中間画像８８を生成する処理、第２中間画像生成部８６において、図１０で示した全ての伝達関数を用いて第２中間画像８９を生成する処理、および減算部８７において、第１中間画像８８から第２中間画像８９を減算した画像に基づいて、出力画像７６を生成する処理が対応する。

次に、上記構成による作用について、図１７に示すフローチャートを参照して説明する。まず、被計測物体１５がステージ１１にセットされる（ステップＳＴ１００）。そして、図２で示したように、シャッタ３６が退避位置、シャッタ３７が進入位置とされ、被計測物体１５の入力光波が光複素振幅画像取得光路２０に導かれる（ステップＳＴ１１０）。

被計測物体１５の入力光波は、フーリエ変換レンズ２６を透過し、フーリエ変換レンズ２６により複素フーリエ変換される。複素フーリエ変換後の入力光波は、ランダム拡散板２２を透過し、ランダム拡散板２２により拡散される。拡散された入力光波は、フーリエ変換レンズ２７を透過し、フーリエ変換レンズ２７により複素フーリエ変換される。複素フーリエ変換後の入力光波は、部分透過マスク２９の透過部３５を透過して、センサ１３に至る。これによりセンサ１３から光複素振幅画像５４が出力される（ステップＳＴ１２０）。

光複素振幅画像５４は、センサ１３から画像取得部８０に送られ、画像取得部８０にて取得される。そして、ＲＷ制御部８１によりストレージデバイス６５に記憶される（ステップＳＴ１３０）。

続いて図３で示したように、シャッタ３６が進入位置、シャッタ３７が退避位置とされ、被計測物体１５の入力光波が基準画像取得光路２１に導かれる（ステップＳＴ１４０）。

被計測物体１５の入力光波は、レンズ３１、３２を透過し、レンズ３１、３２により部分透過マスク２９の透過部３５に収まるサイズに集光される。集光された被計測物体１５の入力光波は、部分透過マスク２９の透過部３５を透過して、センサ１３に至る。これによりセンサ１３から基準画像６１が出力される（ステップＳＴ１５０）。

基準画像６１は、センサ１３から画像取得部８０に送られ、画像取得部８０にて取得される。そして、ＲＷ制御部８１によりストレージデバイス６５に記憶される（ステップＳＴ１６０）。

ＲＷ制御部８１により、ストレージデバイス６５から光複素振幅画像５４および基準画像６１が読み出され、生成部８２に出力される。生成部８２においては、図１１および図１２で示したように、第１中間画像生成部８５によって第１中間画像８８が生成される（ステップＳＴ１７０）。また、図１３～図１５で示したように、第２中間画像生成部８６によって第２中間画像８９が生成される（ステップＳＴ１８０）。第１中間画像８８および第２中間画像８９は、減算部８７に出力される。

図１６で示したように、減算部８７によって、第１中間画像８８から第２中間画像８９が減算され、出力画像７６が生成される（ステップＳＴ１９０）。より詳しくは、第１中間画像８８から第２中間画像８９を減算したものに規格化定数Ｃが乗算され、さらに基準画像６１が加算されることで、出力画像７６が生成される。出力画像７６は、減算部８７からＲＷ制御部８１に送られ、ＲＷ制御部８１によりストレージデバイス６５に記憶される（ステップＳＴ２００）。ストレージデバイス６５に記憶された出力画像７６は、通信部６８を介して他の装置に送信されたり、ディスプレイ６９に表示されたりする。

以上説明したように、超解像計測装置１０は、実光学系１２と、センサ１３と、生成部８２とを備える。実光学系１２は、被計測物体１５の入力光波を拡散させるランダム拡散板２２、および拡散された入力光波を部分的に透過させる部分透過マスク２９を含む。センサ１３は、部分透過マスク２９を透過した入力光波の強度と位相を計測して、光複素振幅画像５４を出力する。生成部８２は、センサ１３の解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む被計測物体１５の入力光波を、光複素振幅画像５４から再生する計算処理であって、ランダム拡散板２２の透過関数の位相共役関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）を含む計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像７６を生成する。部分透過マスク２９によって、センサ１３に入射する被計測物体１５の入力光波を制限するので、超解像の出力画像７６に生じる画質劣化を低減することが可能となる。

部分透過マスク２９によれば、ランダム拡散板２２によって拡散された被計測物体１５の入力光波が制限される。そして、この制限された入力光波を、基準画像６１を得る場合と同じ解像度で、センサ１３を用いて計測する。このため、より細かな入力光波の波面の変化を取得することができる。換言すれば、入力画像５０を等倍で撮影した場合と比較すると、等価的に２倍あるいは４倍高い解像度で撮影していることになる。超解像成分は、より細かな入力光波の波面の変化の中に織り込まれている。したがって、部分透過マスク２９によって被計測物体１５の入力光波を制限することで、超解像成分を効率的に得ることが可能となる。

生成部８２は、光複素振幅画像５４から第１中間画像８８を生成し、基準画像６１から第２中間画像８９を生成する。そして、第１中間画像８８から第２中間画像８９を減算した画像に基づいて、出力画像７６を生成する。

図１８に概念的に示すように、第１中間画像８８は、超解像成分に加えてノイズ成分を含んでいる。ノイズ成分は、主として、センサ１３の大きさおよび解像度が有限であることによる計測エラーに起因する。計測エラーは、入力画像５０をランダム拡散板２２で拡散しているため、顕著に現れる。ノイズ成分は、上記の計測エラーに加えて、高速フーリエ逆変換部９５、計算部９６等の処理のエラー、および部分透過マスク２９の透過部３５を透過した入力光波に加わる歪み等にも起因する。対して第２中間画像８９は、超解像成分は含んでいないが、ノイズ成分は含んでいる。このため、第１中間画像８８から第２中間画像８９を減算することで、第１中間画像８８からノイズ成分のみを取り除くことができる。したがって、出力画像７６の画質劣化をさらに低減させることができる。

実光学系１２は、ランダム拡散板２２を経てセンサ１３に至る光複素振幅画像取得光路２０と、ランダム拡散板２２を通さずにセンサ１３に至る基準画像取得光路２１とを有する。したがって、光複素振幅画像５４と基準画像６１を短時間で簡単に得ることができる。

光複素振幅画像取得光路２０のランダム拡散板２２よりも被計測物体１５側から、基準画像取得光路２１が分岐している。また、光複素振幅画像取得光路２０のランダム拡散板２２よりもセンサ１３側で、基準画像取得光路２１が合流している。したがって、光複素振幅画像取得光路２０用と基準画像取得光路２１用に２台のセンサ１３を用意する必要がなく、１台のセンサ１３で賄うことができる。

基準画像取得光路２１においては、レンズ３１、３２によって、被計測物体１５の入力光波が部分透過マスク２９の透過部３５に収まるサイズに集光される。したがって、基準画像取得光路２１を用いて基準画像６１を得る場合に、部分透過マスク２９を光路から退避させ、光複素振幅画像取得光路２０を用いて光複素振幅画像５４を得る場合には、部分透過マスク２９を光路に戻す機構を設ける必要がない。実光学系１２に掛かる部品コストの増大、および実光学系１２の大型化を避けることができる。

実光学系１２は、入力光波をランダムに拡散させるランダム拡散板２２を拡散部材として用いている。したがって、被計測物体１５の入力光波を、センサ１３のより多数のピクセル４０に入射させることができ、出力画像７６に含まれる超解像成分をより多くすることができる。

［実施例１］
以下では、上記第１実施形態の超解像計測装置１０の数値シミュレーションに基づく実施例１を示す。

図１９は、実施例１における各種パラメータを示す表１４０である。使用光波長は、センサ１３の光源から発せられる光の波長であり、５３２ｎｍである。入力光波のピクセル数は５１２×５１２、ピクセルサイズは２０μｍである。入力光波に対する計算上のオーバーサンプリングレートは４、ゼロパディングレートは２である。ランダム拡散板２２のピクセル数は４０９６×４０９６、ピクセルサイズは５μｍ、位相階調は２５６である。センサ１３のピクセル数は２５６×２５６、ピクセルサイズは５μｍである。入力光波のピクセル数が５１２×５１２、センサのピクセル数が２５６×２５６であるので、入力画像５０はセンサ１３の４倍の解像度を有していることになる。なお、以下の実施例２および実施例３においても、これら各種パラメータは踏襲される。

図２０に、実施例１で用いた入力画像５０（ａ＿Ｒ（ｘ、ｙ））の一例を示す。図２０Ａは入力画像５０の強度画像５０ＡＭ、図２０Ｂは入力画像５０の位相画像５０ＰＨをそれぞれ示す。入力画像５０は、強度画像５０ＡＭによって示すように、白地の中心部分と左隅部分に微小なマーク１４５が付された画像である。マーク１４５は、黒地の点を黒地の正方形状の枠で囲んだものである。なお、図２０Ａの符号１４６は強度スケール、図２０Ｂの符号１４７は位相スケールをそれぞれ示す。

図２１は、図２０で示した入力画像５０を、図２で示したように光複素振幅画像取得光路２０を用いてセンサ１３で計測して得られた光複素振幅画像５４（Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛Ｆ＿Ｒ｛Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝｝）である。図２１Ａは光複素振幅画像５４の強度画像５４ＡＭ、図２１Ｂは光複素振幅画像５４の位相画像５４ＰＨをそれぞれ示す。中央の正方形状の領域は、部分透過マスク２９の透過部３５を透過した部分を示す。透過部３５は、入力画像５０の（１／８）×（１／８）のサイズである。

図２２は、図２１で示した光複素振幅画像５４に対して、図１１および図１２で示した処理を施して生成された第１中間画像８８（ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ））を示す。図２２Ａは第１中間画像８８の強度画像８８ＡＭ、図２２Ｂは第１中間画像８８の位相画像８８ＰＨをそれぞれ示す。第１中間画像８８は、もはや入力画像５０の原形をとどめていないが、超解像成分を含んでいる。また、第１中間画像８８は、ノイズ成分も含んでいる。

図２３は、図３で示したように基準画像取得光路２１を用いてセンサ１３で計測して得られた基準画像６１（ｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ））である。図２３Ａは基準画像６１の強度画像６１ＡＭ、図２３Ｂは基準画像６１の位相画像６１ＰＨをそれぞれ示す。基準画像６１は、センサ１３の解像度をそのまま体現した画像であって、入力画像５０に含まれる超解像成分が欠落した画像である。このため、基準画像６１は、図２０で示した入力画像５０と比べて、マーク１４５の輪郭が不鮮明な画像、あるいはマーク１４５自体が映っていない画像となる。

図２４は、図２３で示した基準画像６１に対して、図１３～図１５で示した処理を施して生成された第２中間画像８９（ｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ））である。図２４Ａは第２中間画像８９の強度画像８９ＡＭ、図２４Ｂは第２中間画像８９の位相画像８９ＰＨをそれぞれ示す。第１中間画像８８と同じく、第２中間画像８９も、もはや基準画像６１の原形をとどめていないが、ノイズ成分を含んでいる。

図２５は、図２２で示した第１中間画像８８から、図２４で示した第２中間画像８９を減算した画像（以下、減算画像という）１４８である。図２５Ａは減算画像１４８の強度画像１４８ＡＭ、図２５Ｂは減算画像１４８の位相画像１４８ＰＨをそれぞれ示す。

図２６は、図１６で示した処理を施して得られた出力画像７６（Ｏ（ｘ、ｙ））である。図２６Ａは出力画像７６の強度画像７６ＡＭ、図２６Ｂは出力画像７６の位相画像７６ＰＨをそれぞれ示す。図２６によれば、マーク１４５が、強度、位相ともに精度よく再現されていることが分かる。

図２７に、入力画像５０（ａ＿Ｒ（ｘ、ｙ））の他の例を示す。図２７Ａは入力画像５０の強度画像５０ＡＭ、図２７Ｂは入力画像５０の位相画像５０ＰＨをそれぞれ示す。入力画像５０は、強度画像５０ＡＭによって示すように、黒地の中心部分と左隅部分に微小なマーク１５０が付された画像である。マーク１５０は、強度画像５０ＡＭによって示すように、正方形状の白地の枠の中央に黒地の横線が引かれたものである。マーク１５０は、位相画像５０ＰＨにおいては、黒地の点を黒地の正方形状の枠で囲んだものとなる。

図２７に示す入力画像５０は、図２０で示した入力画像５０と比較して、入力光波中の信号光波（画素値が０でない部分）の占める割合が極端に少ない。こうした入力画像５０の場合の基準画像６１には、図２８に示す黒のベタ画像が用いられる。こうした黒のベタ画像の基準画像６１の光複素振幅ｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）は０である。

図２９は、図２７で示した入力画像５０を、図２で示したように光複素振幅画像取得光路２０を用いてセンサ１３で計測して得られた光複素振幅画像５４（Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛Ｆ＿Ｒ｛Ａ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝｝）である。図２９Ａは光複素振幅画像５４の強度画像５４ＡＭ、図２９Ｂは光複素振幅画像５４の位相画像５４ＰＨをそれぞれ示す。図２１と同じく、中央の正方形状の領域は、部分透過マスク２９の透過部３５を透過した部分を示す。

この場合の第２中間画像８９の光複素振幅ｂ＿ＮＳＲ（ｘ、ｙ）は、基準画像６１が図２８で示した黒のベタ画像（ｂ＿Ｒ（ｘ、ｙ）＝０）であるため、０となることは数学的に自明である。したがってこの場合は、図１３～図１５で示した第２中間画像生成部８６による処理、および図１６で示した減算部８７における処理は行われない。

図３０は、図２７の入力画像５０の場合の出力画像７６（Ｏ（ｘ、ｙ））である。図３０Ａは出力画像７６の強度画像７６ＡＭ、図３０Ｂは出力画像７６の位相画像７６ＰＨをそれぞれ示す。図３０によれば、図２６の場合と同じく、入力画像５０のマーク１５０が、強度、位相ともに精度よく再現されていることが分かる。

以上示したように、上記第１実施形態の超解像計測装置１０を用いれば、超解像の出力画像７６に生じる画質劣化を低減することが可能、という効果を奏することを実証することができた。

図３１および図３２は、実光学系の他の例を示す。

図３１に示す実光学系１６０は、実光学系１２と同じく、光複素振幅画像取得光路１６１のランダム拡散板２２よりも被計測物体１５側から、基準画像取得光路１６２が分岐している。ただし、光複素振幅画像取得光路１６１のランダム拡散板２２よりもセンサ１３側で、基準画像取得光路１６２が合流していない。そして、センサ１３は、光複素振幅画像取得光路１６１用のセンサ１３Ａと基準画像取得光路１６２用のセンサ１３Ｂの２台設けられている。なお、センサ１３Ａの計測ピクセル数(解像度)と、センサ１３Ｂの計測ピクセル数(解像度)は等しい。

光複素振幅画像取得光路１６１は、ビームスプリッタ２８およびシャッタ３６が配置されていない以外は、実光学系１２の光複素振幅画像取得光路２０と同じ構成である。対して基準画像取得光路１６２は、実光学系１２の基準画像取得光路２１とは根本的に異なる構成である。より詳しくは、基準画像取得光路１６２は、ミラー３３およびシャッタ３７が配置されていない。また、レンズ１６３、１６４は、実光学系１２の基準画像取得光路２１のレンズ３１、３２のような、被計測物体１５の入力光波を、部分透過マスク２９の透過部３５に収まるサイズに集光する作用を有するレンズではない。

実光学系１６０によれば、実光学系１２のように、シャッタ３６、３７、およびシャッタ３６、３７を進入位置と退避位置に移動させる機構を設けずに済む。また、特別な作用を有するレンズ３１、３２を使わずに済む。さらに、光複素振幅画像５４と基準画像６１を同時に得ることができる。

図３２に示す実光学系１７０は、光複素振幅画像取得光路１７１と基準画像取得光路１７２とが兼用されている。ランダム拡散板２２および部分透過マスク２９は、光複素振幅画像取得光路１７１および基準画像取得光路１７２内に進入した実線で示す進入位置と、光複素振幅画像取得光路１７１および基準画像取得光路１７２から退避した破線で示す退避位置とに移動される。図３２に示す、ランダム拡散板２２および部分透過マスク２９が進入位置にある場合は、光複素振幅画像取得光路１７１として機能する。一方、ランダム拡散板２２および部分透過マスク２９が退避位置にある場合は、基準画像取得光路１７２として機能する。

実光学系１７０によれば、実光学系１２のビームスプリッタ２５、２８、ミラー３０、３３といった光学部材は一切必要なくなる。また、実光学系１２のように、シャッタ３６、３７、およびシャッタ３６、３７を進入位置と退避位置に移動させる機構を設けずに済む。さらに、実光学系１２と同じく、１台のセンサ１３で賄うことができる。

なお、基準画像６１を予め用意することが可能な場合は、基準画像取得光路２１を用いて基準画像６１を得る工程は不要である。基準画像６１を予め用意することが可能な場合は、図２８で示した黒のベタ画像を基準画像６１とする場合が考えられる。あるいは、鏡面加工した製品の表面の、センサ１３の解像度では判別不可能な微細なキズを検出する製品欠陥検査に、超解像計測装置１０を用いる場合も考えられる。この場合は、キズがない場合の製品の設計データが存在するため、当該設計データを基準画像６１に転用することが可能である。

また、基準画像６１を生成し得る実物体が被計測物体１５としてある場合は、例えば、実光学系１２の光複素振幅画像取得光路２０を用いて、基準画像６１を生成し得る実物体を被計測物体１５として計測してもよい。これにより、センサ１３において、Ｒｅｃｔ＿Ｒ｛Ｆ＿Ｒ｛Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝｝で表される画像を得ることができる。この画像は、第２中間画像生成部８６の計算部１１３から出力された、Ｒｅｃｔ＿Ｖ｛Ｆ＿Ｖ２｛Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｖ２（Ｘ、Ｙ）｝｝で表される画像１２０と等価である。

この基準画像６１を生成し得る実物体が被計測物体１５としてある場合も、基準画像取得光路２１を用いて基準画像６１を得る工程は不要である。また、この場合は、前述のように、センサ１３においてＲｅｃｔ＿Ｒ｛Ｆ＿Ｒ｛Ｂ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）×Φ＿Ｒ（Ｘ、Ｙ）｝｝で表される画像を得ることができるので、図１３～図１５で示した第２中間画像生成部８６の処理のうち、高速フーリエ変換部１１０、計算部１１１、高速フーリエ変換部１１２、および計算部１１３の処理は不要である。

なお、被計測物体１５は、図２０等で例示したような実画像でもよいし、ディスプレイに表示された画像でもよい。

ランダム拡散板２２は、凹凸面２３が形成されたものに限らない。微粒子を含む樹脂が表面に塗布されたものでもよい。要は、被計測物体１５の入力光波を十分に拡散することができるものであればよい。また、フーリエ変換レンズ２６、２７は省略してもよい。

部分透過マスク２９を、光複素振幅画像取得光路２０内に進入した進入位置と、光複素振幅画像取得光路２０から退避した退避位置とに移動させてもよい。この場合、光複素振幅画像取得光路２０を用いて光複素振幅画像５４を得る場合は部分透過マスク２９を進入位置に移動させ、基準画像取得光路２１を用いて基準画像６１を得る場合は部分透過マスク２９を退避位置に移動させる。こうすれば、レンズ３１、３２により、被計測物体１５の入力光波を部分透過マスク２９の透過部３５に収まるサイズに集光させる必要はなくなる。

以下に示す第２～第４実施形態は、基準画像６１自体を不要とする構成である。

［第２実施形態］
図３３～図３５に示す第２実施形態では、入力光波の拡散特性を変更可能な空間光変調器１８２を拡散部材として用いる。

図３３において、第２実施形態の実光学系１８０は、フーリエ変換レンズ２６、ビームスプリッタ１８１、空間光変調器１８２、フーリエ変換レンズ２７、および部分透過マスク２９を有している。ビームスプリッタ１８１は、フーリエ変換レンズ２６を透過した被計測物体１５の入力光波を、空間光変調器１８２に向けて透過させる。また、ビームスプリッタ１８１は、空間光変調器１８２に表示される位相パターンよって位相変調された入力光波を、フーリエ変換レンズ２７に向けて９０°反射させる。

空間光変調器１８２は、ＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）とも呼ばれ、例えば、ＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ＯＮ Ｓｉｌｉｃｏｎ）、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）等で構成される。空間光変調器１８２は、表示する位相パターンを種々変更することができる。

図３４において、第２実施形態の生成部１８５は、上記第１実施形態の生成部８２と同様に、センサ１３の解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む被計測物体１５の入力光波を、光複素振幅画像５４から再生する計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像７６を生成する。すなわち、生成部１８５は、本開示の技術に係る「仮想光学系」の一例である。

生成部１８５は、中間画像生成部１８６と加算平均部１８７とを有する。中間画像生成部１８６は、上記第１実施形態の第１中間画像生成部８５における仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）の代わりに、空間光変調器１８２の透過関数の位相共役関数を用いて、光複素振幅画像５４から、上記第１実施形態の第１中間画像８８に相当する中間画像１８８（ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ））を生成する。中間画像生成部１８６は、中間画像１８８を加算平均部１８７に出力する。加算平均部１８７は、中間画像１８８を加算平均する。加算平均部１８７は、加算平均した画像を出力画像７６として出力する。

図３５に示すように、第２実施形態においては、空間光変調器１８２において表示する位相パターンを、位相パターン１、２、３、・・・、Ｎと変更する。センサ１３は、空間光変調器１８２において表示する位相パターンを変更する度に、光複素振幅画像５４＿１、５４＿２、５４＿３、・・・、５４＿Ｎを出力する。中間画像生成部１８６は、空間光変調器１８２において表示する位相パターンを変更する度に、中間画像１８８＿１、１８８＿２、１８８＿３、・・・、１８８＿Ｎを生成する。加算平均部１８７は、符号１８９に示すように、中間画像１８８＿１、１８８＿２、１８８＿３、・・・、１８８＿Ｎを加算する。次いで、加算平均部１８７は、符号１９０に示すように、加算した画像をＮで除算する。この場合の出力画像７６の光複素振幅は、
Ｏ（ｘ、ｙ）＝（１／Ｎ）×Σ（ａ＿ＳＲ（ｘ、ｙ））
と表せる。

第２実施形態においては、生成部１８５が実施する、出力画像７６を生成するための計算処理は、中間画像生成部１８６において中間画像１８８を生成する処理、および加算平均部１８７において中間画像１８８の加算平均を算出する処理が対応する。なお、生成部１８５が実施する計算処理は、「拡散部材の透過関数の位相共役関数」の一例である空間光変調器１８２の透過関数の位相共役関数を含む。

このように、第２実施形態では、入力光波の拡散特性を変更可能な空間光変調器１８２を拡散部材として用いる。センサ１３は、空間光変調器１８２により拡散特性が変更された複数種の入力光波の光複素振幅を計測して、入力光波の拡散特性が異なる複数の光複素振幅画像５４＿１～５４＿Ｎを出力する。生成部１８５は、複数の光複素振幅画像５４＿１～５４＿Ｎの各々から中間画像１８８＿１～１８８＿Ｎを生成し、複数の中間画像１８８＿１～１８８＿Ｎを加算平均した画像を、出力画像７６とする。

空間光変調器１８２において表示する位相パターンを変更する度に、被計測物体１５の入力光波が入射するセンサ１３のピクセル４０の数および／または位置を変更することができる。これにより、光複素振幅画像５４＿１～５４＿Ｎ、ひいては中間画像１８８＿１～１８８＿Ｎには、内容が微妙に異なる超解像成分が含まれることになる。そして、こうした中間画像１８８＿１～１８８＿Ｎの加算平均である出力画像７６には、１枚のランダム拡散板２２を用いた場合の出力画像７６と比べて、鮮明な超解像成分が含まれることになる。したがって、基準画像６１を用いずとも、出力画像７６に生じる画質劣化を十分に低減することができる。

［実施例２］
図３６は、上記第２実施形態の数値シミュレーションによる出力画像７６の位相画像７６ＰＨの例（位相パターンの変更数Ｎ＝２００）である。この位相画像７６ＰＨからも分かるように、基準画像６１を用いずとも、出力画像７６に生じる画質劣化を十分に低減することができている。

［第３実施形態］
図３７および図３８に示す第３実施形態では、遮光部２０２が中央部分に設けられたランダム拡散板２０１を拡散部材として用いる。

図３７において、第３実施形態の実光学系２００は、フーリエ変換レンズ２６、ランダム拡散板２０１、フーリエ変換レンズ２７、および部分透過マスク２９を有している。図３８にも示すように、ランダム拡散板２０１の中央部分には、遮光部２０２が設けられている。この遮光部２０２によって、フーリエ変換レンズ２６による低空間周波数成分がカットされ、フーリエ変換レンズ２６による高空間周波数成分のみが拡散される。この場合、センサ１３から出力される光複素振幅画像５４は、被計測物体１５の入力光波の低空間周波数成分が欠落したものとなる。なお、符号２０３は凹凸面である。

第３実施形態の生成部は、仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）の代わりに、ランダム拡散板２０１の透過関数の位相共役関数を用いる他は、上記第１実施形態の第１中間画像生成部８５と同じである。このため、第３実施形態の生成部の図示は省略する。第３実施形態の生成部は、上記第１実施形態の生成部８２および上記第２実施形態の生成部１８５と同様に、センサ１３の解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む被計測物体１５の入力光波を、光複素振幅画像５４から再生する計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像７６を生成する。すなわち、第３実施形態の生成部は、本開示の技術に係る「仮想光学系」の一例である。

第３実施形態の生成部は、センサ１３から出力された光複素振幅画像５４に対して、第１中間画像生成部８５と略同じ処理を施す。そして、これにより得られた画像を出力画像７６として出力する。第３実施形態においては、生成部が実施する、出力画像７６を生成するための計算処理は、光複素振幅画像５４に対して行う、第１中間画像生成部８５と略同じ処理が対応する。なお、第３実施形態の生成部が実施する計算処理は、「拡散部材の透過関数の位相共役関数」の一例であるランダム拡散板２０１の透過関数の位相共役関数を含む。

このように、第３実施形態では、拡散部材として、被計測物体１５側に配されたフーリエ変換レンズ２６による低空間周波数成分をカットする遮光部２０２が、中央部分に設けられたランダム拡散板２０１を用いる。

ここで、超解像成分は、低空間周波数成分にはほとんど含まれておらず、高空間周波数成分に大部分が含まれていると考えられる。例えば図２０で示した入力画像５０は、マーク１４５がない白地の部分は、フーリエ変換レンズ２６により低空間周波数成分となり、マーク１４５の部分は、フーリエ変換レンズ２６により高空間周波数成分となると考えられる。このため、超解像成分にほとんど寄与しないと考えられる低空間周波数成分を、遮光部２０２によってカットすれば、センサ１３の解像力のほとんどを高空間周波数成分に割くことができる。したがって、基準画像６１を用いずとも、出力画像７６に生じる画質劣化を十分に低減することができる。

［実施例３］
図３９は、上記第３実施形態の数値シミュレーションに用いた入力画像５０を示す。図３９Ａは入力画像５０の強度画像５０ＡＭ、図３９Ｂは入力画像５０の位相画像５０ＰＨをそれぞれ示す。入力画像５０は、図２０で示した入力画像５０と同じく、白地の中心部分と左隅部分にマーク２１０が付された画像である。

図４０は、図３９で示した入力画像５０の高空間周波数成分２０５を示す。図４０Ａは高空間周波数成分２０５の強度画像２０５ＡＭ、図４０Ｂは高空間周波数成分２０５の位相画像２０５ＰＨをそれぞれ示す。高空間周波数成分２０５においても、マーク２１０を確認することができる。

図４１は、図３９で示した入力画像５０に対する出力画像７６である。図４１Ａは出力画像７６の強度画像７６ＡＭ、図４１Ｂは出力画像７６の位相画像７６ＰＨをそれぞれ示す。この出力画像７６によれば、マーク２１０が精度よく再現されていることが分かる。

［第４実施形態］
図４２～図４４に示す第４実施形態では、開口２２３が中央部分に設けられたランダム拡散板２２１を拡散部材として用いる。

図４２において、第４実施形態の実光学系２２０は、フーリエ変換レンズ２６、ランダム拡散板２２１、集光レンズ２２２、フーリエ変換レンズ２７、および部分透過マスク２９を有している。図４３にも示すように、ランダム拡散板２２１の中央部分には、開口２２３が設けられている。この開口２２３によって、フーリエ変換レンズ２６による低空間周波数成分が、拡散されることなく透過され、フーリエ変換レンズ２６による高空間周波数成分のみが拡散される。集光レンズ２２２は、開口２２３を透過した低空間周波数成分を、部分透過マスク２９の透過部３５に集光する。この場合、センサ１３から出力される光複素振幅画像５４は、被計測物体１５の入力光波の、拡散された高空間周波数成分と、拡散されていない低空間周波数成分とを含むものとなる。なお、符号２２４は凹凸面である。

図４４において、第４実施形態の生成部２３０は、上記第１実施形態の生成部８２、上記第２実施形態の生成部１８５、および上記第３実施形態の生成部と同様に、センサ１３の解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む被計測物体１５の入力光波を、光複素振幅画像５４から再生する計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像７６を生成する。すなわち、生成部２３０は、本開示の技術に係る「仮想光学系」の一例である。

生成部２３０は、成分分離部２３１、第１処理部２３２、第２処理部２３３、および合成部２３４を有する。成分分離部２３１は、センサ１３から出力された光複素振幅画像５４の高空間周波数成分２０５と低空間周波数成分２３５とを分離する。成分分離部２３１は、高空間周波数成分２０５を第１処理部２３２、低空間周波数成分２３５を第２処理部２３３にそれぞれ出力する。

第１処理部２３２は、光複素振幅画像５４の高空間周波数成分２０５に対して、第１中間画像生成部８５と略同じ処理を施す。そして、これにより得られた処理済み高空間周波数成分２０５ＰＲを合成部２３４に出力する。同様に、第２処理部２３３は、光複素振幅画像５４の低空間周波数成分２３５に対して、第１中間画像生成部８５と略同じ処理を施す。そして、これにより得られた処理済み低空間周波数成分２３５ＰＲを合成部２３４に出力する。第１処理部２３２および第２処理部２３３は、仮想ランダム拡散板１０７の透過関数Φ＿Ｖ１（Ｘ、Ｙ）の代わりに、ランダム拡散板２２１の透過関数の位相共役関数を用いる。

合成部２３４は、処理済み高空間周波数成分２０５ＰＲと処理済み低空間周波数成分２３５ＰＲを合成し、合成した画像を出力画像７６として出力する。

第４実施形態においては、生成部２３０が実施する、出力画像７６を生成するための計算処理は、成分分離部２３１において光複素振幅画像５４の高空間周波数成分２０５と低空間周波数成分２３５とを分離する処理、第１処理部２３２において高空間周波数成分２０５に対して行う、第１中間画像生成部８５と略同じ処理、第２処理部２３３において低空間周波数成分２３５に対して行う、第１中間画像生成部８５と略同じ処理、および合成部２３４において処理済み高空間周波数成分２０５ＰＲと処理済み低空間周波数成分２３５ＰＲを合成する処理が対応する。なお、生成部２３０が実施する計算処理は、「拡散部材の透過関数の位相共役関数」の一例であるランダム拡散板２２１の透過関数の位相共役関数を含む。

このように、第４実施形態では、被計測物体１５側に配されたフーリエ変換レンズ２６による低空間周波数成分を透過する開口２２３が、中央部分に設けられたランダム拡散板２２１を拡散部材として用いる。そして、開口２２３を透過した低空間周波数成分を、部分透過マスク２９の透過部３５に集光する集光レンズ２２２を、実光学系２２０に配する。

フーリエ変換レンズ２６による低空間周波数成分は、超解像成分をほとんど含んでいないとはいえ、被計測物体１５の入力光波の一部であることに変わりはない。このため、本第４実施形態では、上記第３実施形態においてカットしていた低空間周波数成分を、開口２２３および集光レンズ２２２によってセンサ１３に取り込んでいる。ただし、低空間周波数成分を、高空間周波数成分と同じようにランダム拡散板２２１によって拡散させてしまうと、ただでさえ少ないセンサ１３の解像力が、低空間周波数成分で無駄に使われてしまう。そこで、本第４実施形態では、低空間周波数成分を透過させる開口２２３をランダム拡散板２２１に形成し、低空間周波数成分を拡散させずにセンサ１３に導いている。したがって、基準画像６１を用いずとも、出力画像７６に生じる画質劣化を十分に低減することができる。

上記各実施形態で示した、透過部３５が穴で形成された部分透過マスク２９は一例であり、これに限定されない。図４５に示す部分透過マスク２４０のように、周辺を遮光性の材料でコーティングし、中央部分は遮光性の材料でコーティングせずに透過部２４１とする態様でもよい。

また、透過部は必ずしも部分透過マスクの中央部分に形成されていなくてもよい。例えば図４６に示す部分透過マスク２５０のように、透過部２５１が中央部分からずれていてもよい。

本開示の技術は、上述の種々の実施形態および／または種々の変形例を適宜組み合わせることも可能である。また、上記各実施形態に限らず、要旨を逸脱しない限り種々の構成を採用し得ることはもちろんである。

以上に示した記載内容および図示内容は、本開示の技術に係る部分についての詳細な説明であり、本開示の技術の一例に過ぎない。例えば、上記の構成、機能、作用、および効果に関する説明は、本開示の技術に係る部分の構成、機能、作用、および効果の一例に関する説明である。よって、本開示の技術の主旨を逸脱しない範囲内において、以上に示した記載内容および図示内容に対して、不要な部分を削除したり、新たな要素を追加したり、置き換えたりしてもよいことはいうまでもない。また、錯綜を回避し、本開示の技術に係る部分の理解を容易にするために、以上に示した記載内容および図示内容では、本開示の技術の実施を可能にする上で特に説明を要しない技術常識等に関する説明は省略されている。

本明細書において、「Ａおよび／またはＢ」は、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」と同義である。つまり、「Ａおよび／またはＢ」は、Ａだけであってもよいし、Ｂだけであってもよいし、ＡおよびＢの組み合わせであってもよい、という意味である。また、本明細書において、３つ以上の事柄を「および／または」で結び付けて表現する場合も、「Ａおよび／またはＢ」と同様の考え方が適用される。

本明細書に記載された全ての文献、特許出願および技術規格は、個々の文献、特許出願および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (13)

1. 被計測物体の入力光波を拡散させる拡散部材、および拡散された前記入力光波を部分的に透過させる部分透過マスクを含む実光学系と、
   前記部分透過マスクを透過した前記入力光波の強度と位相を計測して光複素振幅画像を出力するセンサと、
   前記センサの解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む前記被計測物体の入力光波を、前記光複素振幅画像から再生する計算処理であって、前記拡散部材の透過関数の位相共役関数を含む計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像を生成する仮想光学系と、
   を備える超解像計測装置。
2. 前記仮想光学系は、前記光複素振幅画像から第１中間画像を生成し、
   前記被計測物体の基準画像から第２中間画像を生成し、
   前記第１中間画像から前記第２中間画像を減算した画像に基づいて、前記出力画像を生成する請求項１に記載の超解像計測装置。
3. 前記実光学系は、
   前記拡散部材を経て前記センサに至る、前記光複素振幅画像を得るための光複素振幅画像取得光路と、
   前記拡散部材を通さずに前記センサに至る、前記基準画像を得るための基準画像取得光路とを有する請求項２に記載の超解像計測装置。
4. 前記光複素振幅画像取得光路の前記拡散部材よりも前記被計測物体側から、前記基準画像取得光路が分岐している請求項３に記載の超解像計測装置。
5. 前記光複素振幅画像取得光路の前記拡散部材よりも前記センサ側で、前記基準画像取得光路が合流している請求項４に記載の超解像計測装置。
6. 前記基準画像取得光路においては、前記入力光波が前記部分透過マスクの透過部に収まるサイズに集光される請求項５に記載の超解像計測装置。
7. 前記光複素振幅画像取得光路と前記基準画像取得光路とは兼用されており、
   前記拡散部材および前記部分透過マスクは、前記光複素振幅画像取得光路内に進入した進入位置と、前記光複素振幅画像取得光路から退避した退避位置とに移動され、
   前記光複素振幅画像取得光路は、前記拡散部材および前記部分透過マスクが前記退避位置にある場合に、前記基準画像取得光路として機能する請求項３に記載の超解像計測装置。
8. 前記拡散部材は、前記入力光波をランダムに拡散させるランダム拡散板である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の超解像計測装置。
9. 前記拡散部材は、前記入力光波の拡散特性を変更可能な空間光変調器であり、
   前記センサは、前記空間光変調器により拡散特性が変更された複数種の前記入力光波の強度と位相を計測して、前記入力光波の拡散特性が異なる複数の前記光複素振幅画像を出力し、
   前記仮想光学系は、複数の前記光複素振幅画像の各々から中間画像を生成し、複数の前記中間画像を加算平均した画像を、前記出力画像とする請求項１に記載の超解像計測装置。
10. 前記実光学系は、前記拡散部材よりも前記被計測物体側、および前記拡散部材よりも前記センサ側に配された、一対のフーリエ変換レンズを含む請求項１に記載の超解像計測装置。
11. 前記拡散部材は、前記入力光波をランダムに拡散させるランダム拡散板であって、前記被計測物体側に配された前記フーリエ変換レンズによる低空間周波数成分をカットする遮光部が、中央部分に設けられたランダム拡散板である請求項１０に記載の超解像計測装置。
12. 前記拡散部材は、前記入力光波をランダムに拡散させるランダム拡散板であって、前記被計測物体側に配された前記フーリエ変換レンズによる低空間周波数成分を透過する開口が、中央部分に設けられたランダム拡散板であり、
    前記実光学系には、前記開口を透過した前記低空間周波数成分を、前記部分透過マスクの透過部に集光する集光レンズが配されている請求項１０に記載の超解像計測装置。
13. 被計測物体の入力光波を拡散させる拡散部材、および拡散された前記入力光波を部分的に透過させる部分透過マスクを含む実光学系を用い、
    センサによって、前記部分透過マスクを透過した前記入力光波の強度と位相を計測して光複素振幅画像を出力させ、
    仮想光学系において、前記センサの解像度を超える解像度の成分である超解像成分を含む前記被計測物体の入力光波を、前記光複素振幅画像から再生する計算処理であって、前記拡散部材の透過関数の位相共役関数を含む計算処理をコンピュータ上で施して、出力画像を生成する、
    超解像計測装置の作動方法。

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