JPH07505964A - ホログラフィー画像処理 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、物体とくに拡散媒質によって隠蔽される物体の実時間ないし準実時間 の２次元および３次元の少なくともいずれか一方の画像を生成する装置を提供す る。

本発明による装置は、人、動物ないし植物の生体内（ｉｎ−ｖｉｖｏ　）、マイ クロスアプリケーション、および、顕微鏡検査による体内組織の画像処理のため の医学診断用設備機器その他種々の工学的応用分野に利用することができるもの と期待される。

３次元ホログラフィ−画像を生成するための種々様々な技法は周知のものである が、完全のため、また、本発明の理解に資するため概略的説明を加える。すなわ ち、レーザー光源から発するコヒーレント光の物体光線束によって物体が照明さ れる。画像記録媒体、通常は写真乾板を物体から反射する物体光に露光する。

同時にレーザー光源からの参照光を写真乾板の表面に当てる。装置の配置に細心 の工夫を凝らすならば、物体光と参照光を一致させて物体光の波面の強度と位相 を記録する一定パターンの干渉縞を生成することができる。この乾板を原像し、 また、参照光に類似する再生光を用いてインターフェログラムを照射することに より、物体の仮想画像ないし実画像を生成することができる。

従来のホログラムにおいて干渉縞が互いに接近していることは、露光中に記録動 作が物体の動きに極めて敏感になり、したがって、これがホログラム記録がはな はだしく劣化する原因となることを意味する。記録するための写真乾板を使用す る場合、普通用いられる光レベルには数秒間の露光時間が必要である。

Ｎ．Ｈ．　アブラムソンとに，Ｇ．スピアーズが最近行なった実験（「ホログラ フィ−による単一パルス「ライト・イン・フライト」記録』、応用光学ｖ０１。

２８、Ｎｏ．１０／１５；０５；８５所収）において、アブラムソンとスピアー ズは、「ライト・イン−フライト」技法によりホログラフィ−・プレートに沿っ た位置として、一時的情報をホログラムに符号化する装置と方法を開示している 。これを達成するためにパルスレーザ−光源を使用し、また、参照光を斜めの入 射角でホログラフィ−・プレートに照射して、物体光と参照光との間の相対的遅 延が異なることによる干渉が生じるようにしている。一旦、ホログラムを記録す ると、ホログラフィ−・エレートを現像することができ、また、これに再生ビー ム（このビームは連続波で異なる波長のものである場合があるが、参照光に類似 すると考えられる）を照射することができる。３次元物体の場合、ホログラフィ −・プレートに沿った種々の位置で種々の物体を観察することは（２次元画像） 当該物体を異なるレベルにおいて観察することに対応する。

したがって、物体についての３次元情報を与える等高線地図を作成することがで きる。ホログラムを写真乾板に記録するために必要な時間は、アブラムソンとス ピアーズの技法の効果を著しく限定する。光レベルが低いため、数秒単位という 長い露出時間が要求されるのである。また、フィルムも３０分程度の長い現像時 間を必要とする。これは多数の可能的アプリケーションにとって極めて不都合な ことであり、また、実情にそぐわない。使用されるホログラフィ−・フィルムは 高価であり、しかも再利用できないからである。

したがって、物体光と参照光をともに生成することによって、物体光で物体を照 射できるような光源、物体からの反射光と参照光の一致によって形成されるイン ターフェログラムに露光し、当該インターフェログラムを記録するように配備し た実時間記録媒体、ならびに、インターフェログラムから再生したホログラフィ −画像を観察し記録する装置から成る装置を提供する。

「実時間」記録媒体は、屈折性結晶 （Ｂ　ｉ　、２Ｓ　ｉ　Ｏ２ｏの結晶のような）であって、屈折率を局所的に静 止状態から励起状態に変えることにより光に反応する、という長所をもつものと することができる。このようにすれば、屈折性結晶が受けるインク−フェログラ ム・パターンが記録され、また、適当な再生光を結晶に照射することによって、 当該パターンを読み込むことができる。屈折性結晶は、写真乾板よりも迅速であ り、また、写真乾板と同程度の解像力をもっているので、極めて短時間で屈折性 結晶を露光した後に、適当な再生光を用いて結晶中に記録されたホログラムを読 み取り、露光と露光との間にはたとえば電子カメラを用いてホログラフィ−画像 を記録することができる。この電子カメラは電荷結合素子（ＣＯＤ）とすること が望ましい。ＣＣＤによってホログラフィ−画像を都合よく電子的に記録するこ とが可能で、また、このようにして生成した電子記録データを処理して物体の画 像を再生することが可能である。

本装置を利用すれば、アブラムソンやスピアーズによって開示されたような構成 によって、「ライト・イン・フライト」画像を記録することができる。多重露光 を記録し、また、画像を重ねるなりその他の方法で画像データを処理することに より、拡散媒質によって隠蔽された物体の画像を得ることができる。したがって 、本発明を医学診断に応用して生体内組織の画像を記録することが可能である。

本発明により数ミリセカンド内にホログラムを記録し、かっ、このホログラムを 実時間でほとんど即座に見ることができる。しかも、屈折性結晶は無際限に再利 用することが可能である。また、好都合なことに、ＣＣＤカメラによりひと続き の画像が記録面に沿った種々の位置で得られる。このようにして物体の等高線地 図を迅速に獲得することができ、これをその後の（３次元）画像処理のために保 存することができる。

フレーム・グラツバ−（画像コマ捕捉装置）およびコンピュータと併わせで使用 した場合、本装置は記録に格納した画像シーケンスの平均化操作をルーチン化し て迅速に実行することを可能にする。このことは、波面を無差別に歪ませ、また かなりの程度のレーザー・スペックルを引き起こすことのある、生体のような刻 々変化する拡散媒質を画像化する時に役立つ。スペックルの緩和時間に比較して 急速なタイムスケールでホログラムを記録した場合には、何度も繰り返される露 出を平均化すると、望ましくない歪の多くが除去されるであろう。

本発明のアブリケーンヨンのほとんどは、ホログラフィ−画像データを電子的に 記録して、後日処理し易いようにするために、電子カメラの配備を必要とするの に対し、電子カメラを必要としないようなアブリケーンヨンもある。たとえば、 画像データを光学的に処理する、もしくは、画像を肉眼で見て、屈折性結晶力） ら直接再生するような場合である。

屈折性結晶の大きさを縮小するためには、ホログラフィ−画像面に沿って結晶の 視野を走査する方が有利であろう。このことは結晶を移動させたり、あるいは、 視野を光学的に移動させたりすることによって達成できるであろう。

以下、添付略図面を参照しながら本発明に基づいて製作した装置の実施例を説明 するが、これらは例示を目的とするのみであって本発明を限定するものではない 。

第１図に示すのは第１の実施例である。

第２図に示すのは第２の実施例である。

第３図に示すのは第３の実施例である。

第４図に示すのは第４の実施例である。

第５図に示すのは第５の実施例である。

図面に示す装置にはアルゴンイオン・レーザーやＴ　ｉ　：　Ａ　ｌ　２０．レ ーザー、あるいは、半導体グイオートでボンピングした固体層などの／＜ルスレ ーザー光源１、もしくは、その他の適当なレーザーが内包される。これらの光源 は周知の方法で連続レーザーとし、どんな波長においてもコヒーレントパルス光 を発することができる。光源１は従来のビームスプリ・ツタ装置２により物体光 ３と参照光４に分割される／＜ルスレーザー光線束を生成する。物体光３は、レ ンズ５によって発散して発散物体光圧′となり物体７を照射する。

同様に、参照光４はレンズ６によって発散されて発散参照光４゛となり、斜めに 進んで屈折性結晶８を照射することになる。屈折性結晶８は、反射光と発散参照 光４′の一致によりインターフェログラムとして知られる一定のパターンをもつ 干渉縞が生成されるよう物体７からの反射光に露光するように配設される。この 干渉縞は、結晶８によって一時的に記録される。結晶８が露光すると、記録され たインターフェログラムとして保存されているホログラム画像が結晶８を照射す ることにより、電荷結合素子（ＣＣＤ）を内蔵したカメラ５に読み出される。こ のインターフェログラムは、レーザー光源１５によって生成された再生光を用い て読み出され、複数の鏡体とレンズ１６を内蔵できる光学集合体を経て、屈折性 結晶に向けられる。再生光は、たとえば、屈折性結晶中の異なる波長の再生光の ブラッグ条件を満たすなどの方法によって、物体光の入射角とは異なる入射角で 屈折性結晶８を照射することができる。そうするとカメラがホログラフィ−画像 を電子信号に変換し、この信号は画像処理システムｌＯの記録装置に記録される 。次に、これを処理して画像を生成する。

図１に示す第１の実施例においては、結晶８はインターフェログラム全体を同時 に観察するのに十分な大きさのものである。しかしながら、実際のアプリケーシ ョンの大部分においては、結晶８をそのための十分なサイズのものとすることが できないので、この問題点を解決するため、第２図に示すようにインターフニロ グラムｒｌＪＯ面を通して結晶８を走査するキャリッジに結晶８とカメラ９を実 装することができる。この場合、データ処理システムｌＯの電子記録装置の一連 の画像コマとして、単一のインターフェログラムを記録する。再生光は、ホログ ラフィ−画像の再生を目的として、屈折性結晶を連続的に照射するようにキャリ ッジ１１とともに移動する。

第３図に示すものは共線構成をもつ第３の実施例である。この共線装置において は参照光４．４゛と物体光３．３′は、光スプリツタ装置２を経由して光源から 分割される。物体光３′は、物体光スプリッタ１２を経て物体に向かう。物体７ から反射した物体光は、物体光スプリッタ１２と参照光スプリッタ１３を経て、 ホログラフィ−媒質（屈折性結晶）に向かって進む。ビームスプリッタ１３は、 参照光４゛を屈折性結晶８に向かわせるので、参照先は物体光と共線の屈折性結 晶８上に落ちる。

参照光４．４′は、矢印「Ｃ」の示す方向に案内鏡体（ガイドミラー）　１４Ｂ を動かすことによって、参照光４，４′のパス長が変わるようにする光学遅延集 合体１４を通り、異なる時空関係をもつ物体の画像を見るべく鏡体１４＾に近付 くか、または、鏡体１４！から離れる。このように、本装置は物体光に斜めに衝 突する参照光が生成する大きなインターフェログラムを走査するという必要性を 回避し、また画像の空間解像力を損なわないようにする。このような構成を採る ことによって、斜入射構成の場合に発生する時間解像力と空間解像力との間の交 替を排除する。

本装置には物体の「ライト・イン・フライト」画像を記録する可能性があり、そ のため物体の異なる奥行が、あるいは、ホログラフィ−・プレート８の種々の位 置に、もしくは、光学遅延集合体１４の種々の設定値に対応する種々の露光で別 々に画像処理されることになる。

第４図に示す装置は、潜在的重要性をもつアプリケーションのひとつで、ここで は画像を隠蔽する散乱媒［１７に浸漬された物体７を画像化することができる。

この場合、物体光３′は鏡体１２′で反射し、隠蔽媒質を透過することになる。

この際、参照光４′を用いて屈折性結晶にインターフェログラムか再生され、光 は隠蔽媒質１７を透過する。

第５図に示すの：よ、第４図の装置の代替アプリケーションであり、物体は拡散 媒質１７の背後に隠蔽されている。

３次元画像の奥行情報は、上述の発明から飛行時間の測定によって得られる。ホ ログラム媒質（屈折性結晶）への到達時間がそれぞれ異なる各画像とともに一連 の画像を記録する。また、この装置は人の組織などの散乱媒質内またはその背後 にある物体を画像処理するために使用できる。

画像を担持するコヒーレント光信号が散乱媒質中に伝播する時、光の大部分は散 乱し信号のコヒーレンス（干渉性）が破壊される。したがって、画像を担持する 信号光が多数の方向に散乱すれば画像情報が失われることになる。

多くの実際的局面においては、画像担持光の極小部分が散乱することなく直接散 乱媒質中を伝播する。このことは、画像を検出できる場合にはこの画像を再生す るのに利用することができる。

残念ながら、散乱光の非散乱光に対する比率は極めて大きく、また、通常は非散 乱光が残存する画像担持信号光を圧倒し検出および画像再生を不可能にする。

画像を担持する非散乱光は、散乱媒質を通る最短距離を通るので、散乱光よりも 早く適当な検出器に達する。上述の装置を利用した場合、最も早く到達した光、 すなわち、飛行時間が最短の光を用いてホログラフィ−画像を生成することが可 能である。このようにして、最も早く到達した光（したがって、画像を担持する 非散乱光）からひとつの画像を再生することができる。

故に、上記の発明のいまひとつの用途は、散乱媒質によって隠蔽される物体を実 時間で、ないしは単発的に見ることである。これを第４図に示す。

本発明は、屈折結晶部どのホログラフィ−媒質を用いて３次元物体から画像担持 光を時間ゲートすることにより、実時間で、あるいは、単発的に３次元画像につ いての徹底情報を得ることを可能にする。また、ホログラフィ−媒質中で時間ゲ ートを用いることにより、普通は信号光を損い、また画像の再生を不可能にする ような散乱光の背景と比較して、早く到達する画像担持光と散乱媒質で隠蔽され る物体とを区別することができる。

閏腔臘審纒牛 、−、、−、−、、ＰＣＴ／ＧＢ　９３１００３１６国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．物体光３′および参照光４′を生成して物体光３′で物体７を照射する光源 と、物体７からの反射光と参照光４′とを位置させることによって形成されるイ ンターフェログラムに暴露されこのインターフェログラムを記録するように配置 された実時間インターフェログラム記録媒質８およびインターフェログラムから 画像を再生する手段と、この画像を記録する手段とを具備したことを特徴とする 装置。 ２．インターフェログラム記録媒質８が光屈折性結晶になっていることを特徴と する請求項１記載の装置。 ３．記録装置にインターフェログラム記録媒質８を観察し、これにより画像を電 子的に符号化して記録装置に記録できるように電子カメラ９を配備したことを特 徴とする請求項１または２記載の装置。 ４．画像が再生され、かつ、画像がインターフェログラム記録媒質８に記録され るにしたがって電子カメラ９が前記画像を記録したことを特徴とする請求項３記 載の装置。 ５．参照光４が射角でインターフェログラム面に衝突するため、観察される画像 の範囲と時間がインターフェログラム上の位置と相関することを特徴とする請求 項１ないし４いずれか記載の装置。 ６．インターフェログラムの記録媒質６を走査できる手段が配備されたことを特 徴とする前記請求項いずれか記載の装置。 ７．前記手段に記録媒質を移動させてインターフェログラムを走査するようにし たキャリッジを配設することを特徴とする請求項６記載の装置。 ８．前記キャリッジ１１によりカメラ９が記録媒質８と同期して移動するように なっていることを特徴とする請求項７記載の装置。 ９．カメラ９が静止状態に保持され、かつ当該カメラの視野を光学集合体で走査 して画像を視野内に保つようになっていることを特徴とする請求項７記載の装置 。 １０．再生光を走査して記録媒質８に追随できるようになっていることを特徴と する請求項６ないし８いずれか記載の装置。 １１．インターフェログラムが記録媒質８を通して光学装置によって走査される ことを特徴とする請求項６記載の装置。 １２．物体光と参照光３，３′，４，４′が平行して記録媒質８に衝突し、かつ 参照光４，４′が可調整遅延線集合体１４を透過することによって、パス長とこ れに続く参照光４，４′を調整できることを特徴とする請求項１ないし４いずれ か記載の装置。 １３．それぞれが特定の飛行時間もしくは物体光と参照光との間の相対的遅延に 対応する一連のホログラフィー画像を組み合わせて物体の複雑な画像をに成でき ることを特徴とする前記請求項いずれか記載の装置。 １４．それぞれが相異なる飛行時間もしくは物体光と参照光との間の相対的遅延 に対応する一連のホログラフィー画像を組み合わせて物体の複雑な画像を生成で きることを特徴とする前記請求項いずれか記載の装置。 １５．それぞれが同一の飛行時間もしくは物体光と参照光との間の相対的遅延に 対応する一連のホログラフィー画像を組み合わせることにより、物体の２次元画 像を生成できることを特徴とする請求項１ないし１２いずれか記載の装置。 １６．一連のホログラフィー画像が保存され電子的に処理されることを特徴とす る請求項３または４記載の装置。 １７．多重ホログラフィー画像を平均化して再生画像の品質を改善することを特 徴とする請求項１６記載の装置。 １８．多重ホログラフィー画像の平均化を利用し、スペックルの有害効果を低減 して再生画像の品質を改善することを特徴とする請求項１７記載の装置。 ！９．多重ホログラフィー画像を平均化し、ホログラフィー露光とホログラフィ ー露光との間の時間より短く、ホログラフィー露光の回復時間よりは長いタイム スケールで生じる無差別ないし純無差別過程の有害効果を低減することにより再 生画像の品質を向上させることを特徴とする請求項１８記載の装置。 ２０．それぞれが特定の飛行時間もしくは物体光と参照光との間の相対遅れに対 応する一連のホログラフィー画像を実時間で見ることができることを特徴とする 請求項１ないし１２いずれか記載の装置。 ２１．それぞれが特定の飛行時間または物体光と参照光との間の相対的遅延に対 応する一連のホログラフィー画像を実時間で観察することができ、かつ、飛行時 間ないし物体光と参照光との間の相対的遅延が調整可能になることを特徴とする 請求項２０記載の装置。 ２２．実時間で観察される一連のホログラフィー画像が多重ホログラフィー露光 の平均化その他の処理を利用できることを特徴とする請求項２０または２１記載 の装置。 ２３．特定の飛行時間もしくは物体光と参照光との間の相対的遅延に対応するホ ログラフィー露光ないし一連のホログラフィー露光を利用して、光学信号の特定 時間部分に有利に区別できることを特徴とする請求項１ないし１１いずれか記載 の装置。 ２４．前記光学信号が物体の画像についての情報を担持することを特徴とする請 求項２３記載の装置。 ２５．前記光学信号が当初は物体の画像についての情報を担持していたものの、 光学的に拡散した媒質内に伝播し、ないしは前記媒質を透過した結果信号光の一 部が散乱していることを特徴とする請求項２４記載の装置。 ２６．あるひとつのホログラフィー露光ないし一連のホログラフィー露光で特定 の飛行時間に対応する、ないしは物体光と参照光との間の相対的遅延に対応する ものを利用して、画像情報を担持する光学信号の時間部分を識別することを特徴 とする請求項２５記載の装置。 ２７．特定の飛行時間ないし物体光と参照光との間に相対的遅延に対応するホロ グラフィー露光ないし一連のホログラフィー露光を利用することにより、光学信 号の非散乱部分に対応する光学信号の早期到達時間部分を識別することを特徴と する請求項２５記載の装置。 ２８．結果する単一ないし複数のホログラフィー画像が多重ホログラフィー電光 の平均化その他の処理過程を利用していることを特徴とする請求項２３ないし２ ７いずれか記載の装置。 ２９．画像が光学的拡散媒質に内蔵される、もしくはその背後にある物体の画像 であることを特徴とする前記請求項いずれか記載の装置。 ３０．前記光学拡散媒質が動物ないし人の体内組織ないし表皮であることを特徴 とする請求項２８記載の装置。 ３１．前記物体が腫瘍その他医学診断に有益な他の物体であることを特徴とする 請求項２９記載の装置。 ３２．前記光学拡散媒質が人の生体組織ないし表皮であることを特徴とする請求 項３０記載の装置。 ３３．前記光学拡散媒質が人の胸部組織であることを特徴とする請求項３０記載 の装置。 ３４．前記画像が医学診断ないし医学研究を目的とすることを特徴とする前記請 求項いずれか記載の装置。