KR20210049873A

KR20210049873A - 홀로그래픽 촬상 장치 및 홀로그래픽 촬상 방법

Info

Publication number: KR20210049873A
Application number: KR1020217008744A
Authority: KR
Inventors: 쿠니히로 사토; 켄사쿠 시모다
Original assignee: 코우리츠다이가쿠호우징 효고켄리츠다이가쿠
Priority date: 2018-08-29
Filing date: 2019-08-29
Publication date: 2021-05-06
Also published as: CN112823316B; JPWO2020045584A1; WO2020045584A1; EP3845970A1; CN112823316A; EP3845970A4; JP7352292B2; US20210325825A1

Abstract

본 발명은, 광학계를 구성하는 큐브형의 빔 결합기가 가지는 굴절률의 영향이 고려되어 성능이 향상된 홀로그래픽 촬상 장치 및 홀로그래픽 촬상 방법을 제공한다.
홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 물체(4)와 이미지 센서(5) 사이에 배치된 큐브형의 빔 스플리터로 구성되는 빔 결합기(3)와, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)으로부터 방사되는 구면파에 대해 빔 결합기(3) 내의 전파를 포함하는 광 전파 계산을 행하여 홀로그램면(50)에서의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 생성하는 계산 참조광 홀로그램 생성부(14)를 구비한다.
인라인 참조광 홀로그램(j_L)은, 계산기에서 생성된 홀로그램이며, 홀로그램면(50)에서의 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)을 나타내는 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)으로부터 참조광(L)의 성분을 제거하여 물체광 홀로그램(g)을 생성하기 위해서 이용된다.

Description

홀로그래픽 촬상 장치 및 홀로그래픽 촬상 방법

본 발명은, 디지털 홀로그래피에서의 홀로그래픽 촬상 장치(holographic imaging device) 및 홀로그래픽 촬상 방법에 관한 것이다.

종래부터, 반사광(反射光)이나 투과광(透過光) 등의 광파(光波)를 해석하는 기술로, 광의 강도와 위상(位相)의 데이터를 아울러서 홀로그램(hologram)이라고 부르는 사진 건판(乾板) 등의 기록 매체에 기록하여 해석하는 홀로그래피가 있다. 최근의 홀로그래피는, 수광(受光)소자와 반도체 메모리 등을 이용하여, 광파의 강도와 위상을 디지털 데이터로서 취득한다거나, 계산기 상에서 홀로그램을 생성한다거나 해서, 해석하는 것이 행해지고 있다. 이러한 홀로그래피는, 디지털 홀로그래피라고 부른다.

디지털 홀로그래피에서, 홀로그램 데이터의 취득이나 처리의 고속화와 고정밀도화를 달성하기 위한 다양한 기술이 제안되어, 촬상(撮像, imaging)에 응용되고 있다. 예를 들면, 원샷(one shot)으로 기록한 홀로그램 데이터에 공간 주파수 필터링(spatial frequency filtering)과 공간 헤테로다인 변조(spatial heterodyne modulation)를 적용하여, 물체상(物體像, object image) 재생용의 복소 진폭 인라인 홀로그램(complex amplitude inline hologram)을 고속으로 또한 정확하게 생성하는 디지털 홀로그래피가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).

종래 광학 현미경의 문제를 해결하기 위해, 홀로그래피를 사용하는 것에 의해, 결상(結像) 렌즈를 사용하는 일없이 대개구수(大開口數)의 물체광(物體光, object light)을 정확하게 원샷 기록하는 방법, 및 기록된 물체광을 평면파(平面波) 전개(展開)에 의해 고분해능(高分解能) 3차원 상(像)을 정확하게 계산기 재생하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 2 참조). 이 방법에 따르면, 왜곡되지 않은(無歪) 고분해능 3차원 동화상(moving image)을 기록하고 재생할 수 있는 렌즈리스(lensless) 3차원 현미경이 실현된다. 이러한 현미경은, 결상 렌즈를 사용하지 않으므로, 종래 광학 현미경이 가지는, 매질(媒質)이나 결상 렌즈의 영향을 받는 문제를 해결할 수 있다.

또한, 배양액(培養液) 중 세포나 생체 조직의 내부 구조를 고분해능으로 계측하기 위해, 반사형(反射型) 렌즈리스 홀로그래픽 현미경과 파장 소인(掃引) 레이저광(wavelength sweep laser light)을 이용하는 고분해능 단층(斷層) 촬상법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 3 참조).

또한, 입사(入射)방향이 다른 조명광(照明光)을 조사(助射)한 물체로부터 방사(放射)되는 대개구수의 물체광을, 조명광의 입사방향마다 홀로그램 데이터로서 기록하고, 이들 복수의 대개구수 홀로그램을 하나의 홀로그램으로 합성하여, 1을 초과하는 합성 개구수의 아래로 물체광을 재생하는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 4 참조). 이 방법에 따르면, 통상(通常)의 회절 한계(回折限界)를 초과하는 분해능을 지니는 초고분해능 3차원 현미경이 실현될 수 있다.

덧붙여, 원샷 디지털 홀로그래피에 의한 광파의 정확한 기록과 기록 광파의 평면파 전개를 이용하는 홀로그래픽 엘립소메트리 장치(holographic ellipsometry device)가 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 5 참조). 이 엘립소메트리 장치에 따르면, 비평행(非平行) 조명광이 포함하는 다수의 입사각을 가지는 입사광에 의한 반사광의 데이터를 일괄(一括)하여 홀로그램에 기록할 수 있으므로, 입사각에 대응하는 다수의 파수 벡터(wave number vector)마다 엘립소메트리각(角) Ψ, Δ를 구할 수 있고, 측정 효율이 향상될 수 있다.

또한, 발산빔(diverging beam)을 하나의 큐브형 빔 스플리터(cube-type beam splitter)로 분할하여 조명광과 참조광(參照光)으로 하고, 그 빔 스플리터를 빔 결합기(beam coupler)로서 이용하여, 물체광과 참조광(reference light)을 결합하도록 구성한, 렌즈리스로 소형인 홀로그래픽 현미경이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 6 참조).

특허문헌 1 : 국제공개 제2011/089820호 특허문헌 2 : 국제공개 제2012/005315호 특허문헌 3 : 국제공개 제2014/054776호 특허문헌 4 : 국제공개 제2015/064088호 특허문헌 5 : 국제공개 제2018/038064호 특허문헌 6 : 미국 특허 제8194124호 명세서

상술(上述)한 특허문헌 1 내지 5에 나타나는 바와 같은 홀로그래피에서는, 물체광과 오프액시스(off-axis, 비축) 참조광을 이미지 센서에 직접 입사시키거나, 또는 플레이트형(plate-type) 또는 페리클형(pellicle-type)의 빔 스플리터로 반사시킨 물체광과 투과시킨 오프액시스 참조광을 이미지 센서에 입사시켜, 홀로그램을 기록하고 있다.

플레이트형 또는 페리클형의 빔 스플리터를 빔 결합기로서 사용하면, 전파(傳播, propagation)방향이 다른 참조광과 물체광을 용이하게 중첩할 수 있고, 참조광의 광원(光源)을 물체로부터 떨어진 위치에 배치할 수 있으므로, 광학계(光學系, optical system)의 설계는 용이해진다.

그러나 플레이트형의 빔 스플리터는, 플레이트 내에서 생기는 다중(多重) 반사광이 물체광에 겹쳐서 기록되어 버린다고 하는 문제가 있다. 또한, 페리클형의 빔 스플리터는, 다중 반사광의 영향을 실질적으로 억제할 수 있지만, 페리클(박막(薄膜))이 진동하는 것에 따른 영향을 받아, 기록 홀로그램의 품질이 저하한다고 하는 문제가 있다. 또한, 페리클형의 빔 스플리터는, 파괴된다거나 변형한다거나 하여 높은 평면도(flatness)를 얻는 것이 어렵다는 문제가 있다.

또한, 상술한 특허문헌 6에 나타나는 바와 같은 홀로그래픽 현미경에서는, 큐브형의 빔 스플리터가, 단지, 다중 반사나 평면도의 문제를 회피할 수 있는 사용 편리성이 뛰어난 광학 부품으로 이용되고 있다. 즉, 종래 홀로그래피에서는, 큐브형의 스플리터가 공기와 다른 굴절률(屈折率)을 가지는 것의 영향이나 효과가 적극적으로 고려되지 않아, 성능 향상의 여지가 있다.

본 발명은, 상기 과제를 해소하는 것으로서, 광학계를 구성하는 큐브형의 빔 스플리터가 가지는 굴절률의 영향이 고려되어 성능이 향상된 홀로그래픽 촬상 장치 및 그 장치에 이용하는 데이터 처리 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 달성하기 위해, 본 발명의 홀로그래픽 촬상 장치는, 조명된 물체로부터 방사되는 물체광(O)과 그 물체광(O)에 대한 인라인(inline)광(光)이 되는 인라인 구면파(球面波) 참조광(L)의 2개의 광을 같은 조건으로 유지되고 있는 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 개별적으로 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로서 이미지 센서의 수광면(受光面)인 홀로그램면(面)에서 전자(電子)적으로 취득하는 데이터 취득부와, 데이터 취득부에 의해 취득된 데이터로부터 물체의 화상(畵像, image)을 재생하는 화상 재생부를 구비하고, 데이터 취득부는, 큐브형 빔 스플리터로 구성되는 빔 결합기를 구비하며, 빔 결합기를 투과하여 이미지 센서로 입사하는 광을 상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로서 취득하고, 화상 재생부는, 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로부터, 물체광(O)과 인라인 구면파 참조광(L)의 양쪽 모두의 정보를 포함하는 복소(複素, complex) 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)을 홀로그램면에서 생성하는 복소 진폭 홀로그램 생성부와, 빔 결합기의 굴절률을 고려하여 그 내부의 전파(傳播)를 포함하는 광 전파 계산을 행하여 인라인 구면파 참조광(L)의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 홀로그램면에서 생성하는 계산 참조광 홀로그램 생성부와, 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)과 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 데이터를 이용하여 물체광(O)의 홀로그램인 물체광 홀로그램(g)을 홀로그램면에서 생성하는 물체광 홀로그램 생성부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 홀로그래픽 촬상 방법은, 조명된 물체로부터 방사되어, 큐브형 빔 스플리터로 구성되는 빔 결합기를 직진(直進)해서 이미지 센서로 입사하는 물체광(O)의 데이터를, 빔 결합기에 측면으로부터 입사하고 그 내부에서 반사하여 이미지 센서로 입사하는 오프액시스 참조광(R)을 이용하여, 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR)으로서 취득하고, 오프액시스 참조광(R)의 데이터를, 물체광(O)에 대해 인라인이 되는 인라인 구면파 참조광(L)을 이용하여, 이미지 센서에 의해 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)으로서 취득하고, 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로부터, 이미지 센서의 수광면인 홀로그램면에서 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)을 생성하며, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광(集光)점(P2)으로부터 방사되는 구면파에 대해, 빔 결합기의 굴절률을 고려하여 빔 결합기의 내부의 전파를 포함하는 광 전파 계산을 행하는 것에 의해, 홀로그램면에서의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 생성하고, 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)의 데이터와 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 데이터를 이용하여 홀로그램면에서의 물체광(O)을 나타내는 물체광 홀로그램(g)을 생성하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 홀로그래픽 촬상 장치 및 홀로그래픽 촬상 방법에 따르면, 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)으로부터 참조광(L)의 성분을 제거하기 위한 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을, 빔 결합기(3)의 굴절률을 고려해서 광 전파 계산을 행하여 생성하므로, 물체광 홀로그램(g)을 정밀하게 생성할 수 있다.

[도 1] (a)는 본 발명의 제1 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치에 의한 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도, (b)는 그 장치에 의한 참조광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 2] 그 장치의 블록 구성도.
[도 3] 제2 실시형태에 따른 데이터 처리 방법을 나타내는 흐름도.
[도 4] 그 처리 방법에서 이용되는 빔 결합기를 포함하는 광학계 및 좌표계를 나타내는 사시도.
[도 5] 도 4의 측면도.
[도 6] 그 처리 방법에서의 구면파 광 홀로그램의 생성 방법을 나타내는 흐름도.
[도 7] 제3 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치에 의한 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 8] 그 장치에 의한 참조광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 9] 제4 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치에 의한 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 10] 그 장치에 의한 참조광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 11] 제5 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치에 의한 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 12] 그 장치에 의한 참조광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 13] 제6 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치에 의한 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 14] 제7 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치에 의한 물체광 오프액시스 홀로그램을 취득하는 모습을 나타내는 측면도.
[도 15] (a)는 제8 실시형태에 따른 데이터 처리 방법에서의 처리 대상이 되는 홀로그램의 부분 평면도, (b)는 (a)의 홀로그램에서의 공간 샘플링 간격을 늘리는 모습을 나타내는 평면도.
[도 16] (a)는 홀로그램을 고속으로 처리하는 방법이 적용되는 홀로그램의 개념도, (b)는 그 홀로그램을 분할하여 중첩한 개념도, (c)는 (b)의 홀로그램을 합성한 홀로그램의 개념도.
[도 17] (a)는 단일 홀로그램과 재생상(再生像)의 개념도, (b)는 홀로그램을 고속으로 처리하는 방법의 원리를 설명하기 위해 복수의 재생용 홀로그램과 재생된 복수의 상을 나타내는 개념도.
[도 18] 본 발명에 따른 홀로그래픽 촬상 장치를 이용하여 촬상된 컬러 화상.
[도 19] (a)는 본 발명에 따른 홀로그래픽 촬상 장치를 투과형의 홀로그래픽 현미경으로 이용하여 얻어진 테스트 타겟(test target)의 화상, (b)는 (a)의 일부를 확대한 화상.
[도 20] (a)는 비교예로서 도 19 (a)의 화상을 재생할 때에 빔 결합기 내의 광 전파 계산을 공기 중의 광 전파 계산에 의해 간략화하여 얻어진 화상, (b)는 (a)의 일부를 확대한 화상.
[도 21] 그 투과형의 홀로그래픽 현미경으로 얻어진 건조 규조(珪藻)의 광 강도 화상.
[도 22] 도 21의 화상에 대응하는 위상(位相) 차(差) 화상.
[도 23] (a)는 본 발명에 따른 홀로그래픽 촬상 장치를 반사형의 홀로그래픽 현미경으로 이용하여 얻어진 테스트 타겟의 화상, (b)는 (a)의 일부를 확대한 화상.

이하, 본 발명의 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치 및 그 장치에 이용하는 데이터 처리 방법에 대해, 도면을 참조하여 설명한다.

(제1 실시형태 : 홀로그래픽 촬상 장치)

도 1 (a) (b), 도 2를 참조하여, 제1 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치(1)를 설명한다. 도 1 (a) (b)에 나타내는 바와 같이, 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 조명광(照明光)(Q)으로 조명된 물체(4)로부터 방사되는 물체광(物體光)(O)의 데이터를 취득하여 전자적으로 보존하는 데이터 취득부(10)와, 데이터 취득부(10)에 의해 취득된 데이터로부터 물체(4)의 화상을 재생하는 화상 재생부(12)를 구비하고 있다. 본 실시형태의 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 긴 작동거리를 가지는 촬상 장치이다.

데이터 취득부(10)는, 광 강도를 전기(電氣)신호로 변환하여 홀로그램 데이터로서 출력하는 이미지 센서(5)와, 물체(4)와 이미지 센서(5) 사이에 배치된 빔 결합기(3)와, 광을 성형하여 전파시키는 광학계(2)와, 취득된 데이터를 보존하는 데이터 보존부(6)를 가진다. 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 데이터 취득부(10) 및 화상 재생부(12)를 제어하는 컴퓨터로 구성되는 제어부(11)와, FFT 등의 계산용 프로그램, 제어용 데이터 등을 기억하는 메모리(11a)를 구비하고 있다. 데이터 보존부(6)는, 화상 재생부(12)와 함께, 제어부(11)에 구비되어 있다. 이하, 각부(各部)를 설명한다.

광학계(2)는, 광원이 방사하는 코히렌트광(coherent light)으로부터 조명광(Q)과, 물체광(O)에 대한 인라인광(inline light)으로 이용되는 인라인 구면파 참조광(L)과, 물체광(O)에 대한 오프액시스광(off-axis light)으로 이용되는 오프액시스 참조광(R)을 생성하여, 이들 광과 물체광(O)을 전파시킨다. 또한, 광학계(2)는, 큐브형의 빔 스플리터를 빔 결합기(3)로서 이용하며, 물체광(O) 또는 인라인 구면파 참조광(L)과 오프액시스 참조광(R)을 합파(合波)하여 이미지 센서(5)로 입사시킨다.

빔 결합기(3)는, 투광성(透光性) 블록에 내부 반사경(反射鏡)(30)을 가지며, 2개의 직각 프리즘의 45° 경사면을 접합해서 구성되어 있다. 접합된 경사면이 반투광(半透光)의 내부 반사경(30)이 된다. 내부 반사경(30)에 대면(對面)하는 1조(組, pair)의 평행면의 한쪽 면이 물체광(O) 또는 인라인 구면파광(L)의 입사면(31)이 되고, 다른쪽 면이 이미지 센서(5)의 수광면 즉 홀로그램면(50)에 대향(對向)하는 출사면(出射面)(32)이 된다. 또한, 내부 반사경(30)에 대면하는 다른 1조의 평행면, 즉 빔 결합기(3)의 측면 중 하나는, 오프액시스 참조광(R)의 입사면이 된다. 빔 결합기(3)는, 그 표면에 광 반사 방지 처리층이나 광 흡수 처리층을 가지며, 또한 외광(外光)을 차단하는 암상(暗箱, dark box) 구조를 가지며, 이들에 의해 노이즈광(noise light) 발생이나 미광(迷光, stray light) 진입이 방지된다.

오프액시스 참조광(R)용의 광학계는, 소경(小徑, 작은 지름)의 집광 렌즈(21)와 대경(大徑, 큰 지름)의 콜리메이터(collimator) 렌즈(22)를 가진다. 참조광(R)은, 집광 렌즈(21)로 집광점(P1)에 집광된 후, 콜리메이터 렌즈(22)를 통해 빔 결합기(3)로 입사하고, 내부 반사경(30)으로 반사하여 이미지 센서(5)로 입사한다. 참조광(R)의 광축(光軸)은, 참조광(R)을 오프액시스로 하기 위해 수광소자(5)의 법선(法線)에 대해 경사져 있다. 참조광(R)은, 집광점(P1)을 가지는 것에 의해, 구면파 형상의 광이 된다.

인라인 구면파 참조광(L)용의 광학계는, 구면파를 생성하는 집광 렌즈(23)와, 집광 렌즈(23)에 의한 집광점(P2)의 위치에 핀홀을 가지는 핀홀판(pinhole plate)(24)을 가진다. 집광 렌즈(23)의 광축은, 수광소자(5)의 중심으로 향하는 광학적인 중심축에 일치하고 있다. 집광 렌즈(23)를 통과한 광은, 핀홀의 위치에서 집광점(P2)을 형성한 후, 퍼지면서 직진하여 수광소자(5)로 입사한다. 인라인 구면파 참조광(L)용의 광학계는, 집광점(P2)의 위치에 핀홀을 가지는 핀홀판(24)을 구비하는 것에 의해, 인라인 구면파 참조광(L)을, 왜곡이나 노이즈가 없는 구면파로 생성한다.

인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)의 위치 정보는, 인라인 구면파 참조광(L)이 빔 결합기(3)를 통과하여 홀로그램면(50)에서 형성하는 광 강도 분포와 위상 분포를 계산에 의해 구할 때에 이용되는 중요한 정보이다. 집광점(P2)의 위치 정보는, 인라인 구면파 참조광(L)을 조명광으로 이용하여 스케일판(scale plate) 등의 홀로그램 데이터를 취득하고, 그 화상을 재생하는 것에 의해 취득할 수 있다.

집광점(P2)은, 이미지 센서(5)의 중심 법선 위에 있으므로, 인라인 구면파 참조광(L)은, 물체광 홀로그램과 참조광 홀로그램을 서로 겹쳤을 때에, 물체광(O)과 인라인 관계가 된다. 또한, 오프액시스 참조광(R)은, 물체광(O)에 대해 오프액시스의 관계로 설정되어 있으며, 마찬가지로, 인라인 구면파 참조광(L)에 대해 오프액시스의 관계에 있다. 또한, 오프액시스 참조광(R)은, 집광점(P1)을 가지는 구면파 형상의 광이며, 오프액시스 참조광(R)의 집광점(P1)과, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)은, 광학적으로 서로 근접하도록 설정되어 있다. 이 설정에 의해, 참조광 홀로그램(I_LR)의 공간 주파수 대역이 좁아질 수 있다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 홀로그래픽 촬상 장치(1)의 화상 재생부(12)는, 복소 진폭 홀로그램 생성부(13)와, 계산 참조광 홀로그램 생성부(14)와, 물체광 홀로그램 생성부(15)를 가진다. 복소 진폭 홀로그램 생성부(13)는, 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR)과 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)의 데이터로부터, 이미지 센서(5)의 면인 홀로그램면(50)에서 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)을 생성한다.

계산 참조광 홀로그램 생성부(14)는, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)으로부터 방사되는 구면파에 대해 빔 결합기(3) 내의 전파를 포함하는 광 전파 계산을 행하여 홀로그램면(50)에서의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 생성한다.

물체광 홀로그램 생성부(15)는, 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)의 데이터와 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 데이터를 이용하여 홀로그램면(50)에서의 물체광 홀로그램(g)을 생성하고, 생성된 물체광 홀로그램(g)을 광 전파 계산에 의해 전파시켜 물체(4) 위치에서의 화상 재생용의 재생 물체광 홀로그램(h)을 생성하고 보존한다.

다음으로, 홀로그래픽 촬상 장치(1)의 동작을 설명한다. 도 1 (a)의 구성에서, 이미지 센서(5)의 중심 수선(垂線) 위의 전방에 배치된 물체(4)에 조명광(Q)이 조사되고, 물체(4)로부터 물체광(O)이 방사된다. 물체광(O)은, 이미지 센서(5)의 중심 수선 위에서의 물체 표면 위의 점(P0)으로부터 방사상(放射狀)으로 퍼지며, 빔 결합기(3)로 입사하여, 옆쪽(側方)으로부터 입사되는 오프액시스 참조광(R)과 겹쳐서 이미지 센서(5)에 의해 수광된다. 물체광(O)과 참조광(R)이 홀로그램면(50)에 형성하는 간섭무늬(interference fringe)의 광 강도 분포의 데이터, 즉 물체광(O)의 데이터가, 이미지 센서(5)에 의해 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR)으로서 취득되며, 데이터 보존부(6)에 보존된다.

또한, 물체(4)가 제거된 상태의, 도 1 (b)의 구성에서, 인라인 구면파 참조광(L)과 오프액시스 참조광(R)의 간섭무늬의 광 강도 분포의 데이터, 즉 오프액시스 참조광(R)의 데이터가, 이미지 센서(5)에 의해 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)으로서 취득되며, 데이터 보존부(6)에 보존된다.

데이터 보존부(6)에 보존된 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR)과 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)의 데이터는, 화상 재생부(12)에 의해 처리되며, 물체(4) 위치에서의 화상 재생용의 재생 물체광 홀로그램(h)이 생성된다. 재생 물체광 홀로그램(h)으로부터, 예를 들면. 광 강도 화상 |h|²가 구해지며, 표시부(16)에 표시된다. 표시부(16)는, 액정(液晶)표시장치 등의 FPD이며, 화상 등을 표시한다. 화상 재생부(12)의 각부(各部)는, 표시부(17)를 제외하고, 컴퓨터상에서 동작하는 프로그램과 그 서브루틴군(subroutine 群)을 포함하는 소프트웨어를 이용하여 구성된다.

(제2 실시형태 : 데이터 처리 방법)

도 3 내지 도 6을 참조하여, 제2 실시형태에 따른 데이터 처리 방법을 설명한다. 또한, 본 방법이 적용되는 장치 예로서, 제1 실시형태의 장치(도 1, 도 2)를 아울러 참조한다. 본 데이터 처리 방법은, 긴 작동거리이고 또한 넓은 시야(視野)의 홀로그래픽 촬상 장치, 높은 개구수 또는 1을 초과하는 합성 개구수를 가지는 초고분해능의 투과형이나 반사형의 현미경을 실현하는 홀로그래픽 촬상 장치 등에 적용할 수 있다.

도 3에 나타내는 바와 같이, 본 데이터 처리 방법은, 물체광 홀로그램 취득 공정(S1)에서 재생 물체광 홀로그램 생성 공정(S6)까지의 공정을 구비하고 있다.

물체광 홀로그램 취득 공정(S1)에서는, 조명광(Q)에 의해 조명된 물체(4)로부터 방사되는 물체광(O)의 데이터가, 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR)으로서 취득된다. 물체광(O)은, 빔 결합기로 이용되는 큐브형의 빔 결합기(3)를 직진하여 이미지 센서(5)로 입사된다. 오프액시스 참조광(R)은, 빔 결합기(3)의 측면으로부터 입사되며 그 내부에서 반사되어 이미지 센서(5)로 입사한다.

참조광 홀로그램 취득 공정(S2)에서는, 물체(4), 조명광(Q), 또는 물체광(O)이 없는 상태에서, 이미지 센서(5)로 입사하는 오프액시스 참조광(R)의 데이터가, 인라인 구면파 참조광(L)을 이용하여, 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)으로서 취득된다. 인라인 구면파 참조광(L)은, 물체광(O)에 대해 인라인이 되며 빔 결합기(3)를 직진해서 이미지 센서(5)로 입사하는 광이다. 이 공정(S2)과 상술한 공정(S1)은, 역순으로 실시해도 된다.

복소 진폭 홀로그램 생성 공정(S3)에서는, 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR)과 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)의 데이터로부터, 이미지 센서(5)의 면인 홀로그램면(50)에서 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)이 생성된다.

인라인 참조광 홀로그램 생성 공정(S4)에서는, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)으로부터 방사되는 구면파에 대해, 빔 결합기(3) 내의 전파를 포함하는 광 전파 계산이 행해지고, 홀로그램면(50)에서의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(j_L)이 생성된다.

물체광 홀로그램 생성 공정(S5)에서는, 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)의 데이터와 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 데이터를 이용하여 홀로그램면(50)에서의 물체광 홀로그램(g)이 생성된다.

재생 물체광 홀로그램 생성 공정(S6)에서는, 물체광 홀로그램(g)이 광 전파 계산에 의해 변환되며, 물체(4) 위치에서의 화상 재생용의 재생 물체광 홀로그램(h)이 생성되어 보존된다. 촬상된 물체(4)의 화상은, 예를 들면, 재생 물체광 홀로그램(h)의 절대값의 제곱 즉 |h|²를 컴퓨터의 디스플레이에 표시하는 것에 의해, 광 강도 화상으로서 볼 수 있다.

(홀로그램 데이터와 그 처리)

홀로그램 데이터와 그 처리를 수식 표현에 근거하여 설명한다. 홀로그램에는, 오프액시스 참조광(R), 인라인 구면파 참조광(L), 물체광(O) 등이 관여한다. 여기서, xyz 우수계(右手系, 오른손) 직교 좌표계의 원점이 홀로그램면(50)(이미지 센서(5)의 수광면)의 중앙에 설정된다. 홀로그램면(50)으로부터 물체광(O)의 광원을 향하는 방향이 z축의 정방향이다. 위치 좌표(x, y)를 이용하여, 물체광(O)(x, y, t), 오프액시스 참조광(R)(x, y, t), 및 인라인 구면파 참조광(L)(x, y, t)을, 각각 일반적인 형태로, 아래 식 (1) (2) (3)으로 나타낸다. 이들 광은 서로 간섭하는 각주파수(角周波數) ω의 광이다. 각 식 중의 계수(係數), 인수(引數), 첨자 등은, 일반적인 표현과 의미로 해석된다. 이하의 각 식에서, 위치 좌표(x, y, z), 공간 주파수(u, v, w)의 명시 등은, 적당히 생략된다.

위 식에서의 O(x, y, t)와 R(x, y, t)이 만드는 합성광(合成光)의 광 강도 I_OR(x, y), 및 L(x, y, t)과 R(x, y, t)이 만드는 합성광의 광 강도 I_LR(x, y)는, 각각 아래 식 (4) (5)로 나타난다. 이들 광 강도 I_OR, I_LR가, 이미지 센서(5)를 통하여, 홀로그램의 데이터로서 취득된다.

위 식 (4) (5)에서, 우변의 제1항은 물체광(O) 또는 인라인 구면파 참조광(L)의 광 강도 성분, 제2항은 오프액시스 참조광(R)의 광 강도 성분이다. 또한, 각 식의 제3항과 제4항은, 각각 물체광(O) 또는 인라인 구면파 참조광(L)이 오프액시스 참조광(R)에 의해 변조(變調)되어 만들어지는, 직접상(direct image) 성분과 공역상(conjugate image) 성분이다.

또한, 상기 제3항의 직접상 성분이, 본 데이터 처리 방법에서 필요한 물체광(O) 또는 참조광(L)의 정보 즉, 위 식 (1) (3)의 O₀exp(iφ_O)와 L₀exp(iφ_L)을 포함하는 항이다. 이 제3항의 직접상 성분은, 그 물체광(O) 또는 참조광(L)의 위상 부분 [iφ_O], [iφ_L]이, 이들 광을 정의하고 있는 위 식 (1) (3)의 위상 부분 [iφ_O], [iφ_L]과 같다. 한편, 제4항의 물체광(O) 또는 참조광(L)의 위상 부분 [-iφ_O], [-iφ_L]은, 이들 광을 정의하고 있는 위 식 (1) (3)의 위상 부분 [iφ_O], [iφ_L]의 복소 공역(complex conjugate)으로 되어 있으며, 제4항이 공역상 성분이라 불린다.

오프액시스 참조광(R)을 이용하는 것에 의해, 그 오프액시스의 효과에 의하여, 홀로그램을 공간 주파수 공간에서 표현했을 때에 직접상 성분(제3항)이 광 강도 성분(제1, 2항) 및 공역상 성분(제4항)으로부터 분리되는 홀로그램을 취득할 수 있다. 공간 주파수 필터링을 적용하여 위 식 (4) (5)의 제3항만을 추려 내는 것에 의해, 물체광(O)을 기록한 물체광 복소 진폭 홀로그램(J_OR)과, 인라인 구면파 참조광(L)을 기록한 복소 진폭 홀로그램(J_LR)이, 각각 아래 식 (6) (7)과 같이 얻어진다. 이들 복소 진폭 홀로그램은, 오프액시스 참조광(R)의 성분을 포함하는 홀로그램이다.

공간 주파수 필터링은, 위 식 (4) (5)를 공간 주파수 공간에서의 표현으로 변환하는 푸리에(Fourier) 변환과, 밴드패스(bandpass) 필터에 의한 필터링과, 그 후의, 역(逆)푸리에 변환에 의해 행해진다. 또한, 수광소자에서의 화소(畵素, pixel)가 화소 피치(pitch) d로 2차원 배열되어 있다고 하면, 수광소자를 이용하여 기록 가능한 홀로그램의 최고 공간 주파수는, 공간 주파수 fs=1/d가 된다.

상기 식 (6)을 식 (7)로 나누는 나눗셈 처리를 행하면, 식 (6)으로부터 오프액시스 참조광(R)의 진폭 R₀과 위상 φ_R을 제거할 수 있다. 이 처리는, 위상 뺄셈을 행하는 처리, 즉 주파수 변환을 행하는 처리이며, 헤테로다인 변조 처리이다. 이에 의해, 인라인 구면파 참조광(L)에 대한 물체광(O)의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)이 아래 식 (8)과 같이 얻어진다.

인라인 구면파 참조광(L)은, 참조광(R)의 데이터를 오프액시스 홀로그램인 참조광 홀로그램(I_LR)으로서 취득하여 보존하기 위한 참조광이며, 또한, 홀로그램 데이터의 디지털 처리에서의 기준광(基準光)으로서의 역할을 가진다. 인라인 구면파 참조광(L)은, 참조광(R)의 데이터를 포함하지 않는 홀로그램인 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)을 생성하기 위해 이용된다.

참조광 홀로그램(I_LR)은, 예를 들면 물체에 대한 입사방향 θ^j를 바꾼 조명광(Q^j)에 의해, 각 입사방향마다의 복수의 물체광 홀로그램(I^j _OR)의 데이터를 취득하는 경우, 이들 홀로그램(I^j _OR)에 대해 공통의 홀로그램(I_LR)을 이용하여 위 식 (8)의 처리를 할 수 있다. 즉, 1매(枚)의 오프액시스 홀로그램(I_LR)을 취득하고, 1매의 복소 진폭 홀로그램(J_LR)을 작성해 두면 된다. 이 경우, 복수의 홀로그램(I^j _OR)의 취득에 이용되는 오프액시스 참조광(R)이 같은 조건하에 유지되어 있을 필요가 있다.

(인라인 구면파 참조광(L)의 성분과 곱셈 인자)

다음으로, 식 (8)에서, 양변에 곱셈 인자 L₀(x, y)exp(i(φ_L(x, y))를 곱하는 것에 의해, 위 식 (8)로부터 인라인 구면파 참조광(L)의 성분을 제거할 수 있으며, 물체광(O)의 광파 O₀(x, y)exp(i(φ_O(x, y))만을 포함하고 있는 홀로그램(물체광 홀로그램)을 생성할 수 있다. 이 홀로그램의 용어는, 광파를 재생하기 위해 필요한 데이터를 모두 포함하고 있다는 의미로 사용되고 있으며, 이하에서도 마찬가지 의미로 사용된다. 인라인 구면파 참조광(L)의 진폭 L₀(x, y)는, 완만하게 변화하여 무시할 수 있는 경우, 남겨 둘 수도 있다.

상술한 곱셈 인자 L₀(x, y)exp(i(φ_L(x, y))는, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)으로부터 방사되는 구면파가, 공기 중과 빔 결합기(3)를 전파하여, 이미지 센서(5) 즉 홀로그램면(50)에 도달한 광파를 나타내는 홀로그램이며, 이를 인라인 참조광 홀로그램(j_L)이라고 칭한다. 인라인 참조광 홀로그램(j_L)은, 빔 결합기(3)를 통과한 결과, 구면파로부터 변형된 파면(波面)을 가진다. 이 홀로그램(j_L)은, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)으로부터 홀로그램면(50)까지의 거리 ρ와, 빔 결합기(3)의 두께 치수 A가 주어지는 것에 의해 평면파 전개를 이용하는 광 전파 계산에 의해 산출할 수 있다(후술).

(집광점(P2)까지의 거리 ρ의 결정)

인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 산출에 이용되는 이미지 센서로부터 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)까지의 거리 ρ는, 이하의 수순(手順)으로 결정할 수 있다. 물체 대신에, 투광판(透光板)에 스케일 패턴을 가지고 구성되는 타겟(T)을 배치하고, 인라인 구면파 참조광(L)으로 조사했을 때의 투과광으로 이루어지는 타겟 물체광(O_T)의 데이터를, 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 타겟 오프액시스 홀로그램(I_TR)으로서 취득한다. 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)은 취득 완료로 한다.

거리 ρ를 파라미터로서 임시 결정하고, 임시의 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 생성한다. 타겟 오프액시스 홀로그램(I_TR)과 취득 완료의 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)과 임시의 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 이용하여, 홀로그램면(50)에서의 타겟(T)의 물체광을 나타내는 타겟 물체광 홀로그램(g_T)을 생성한다. 타겟 물체광 홀로그램(g_T)을 광 전파 계산에 의해 변환하고, 타겟(T)의 위치에서 타겟(T)의 화상을 재생한다. 타겟(T)의 재생 화상의 치수가 타겟(T)의 원래 치수와 일치할 때의 파라미터의 값이, 거리 ρ의 값으로서 결정된다. 화상 재생면(再生面)에서의 재생 화상의 치수는, 이미지 센서(5), 예를 들면 CCD의 기지(旣知)의 화소 피치에 의해 측정할 수 있다.

(빔 결합기 통과 후의 구면파의 산출)

다음으로, 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 생성을 설명한다. 인라인 참조광 홀로그램(j_L)은, 도 4, 도 5, 도 6에 나타내는 바와 같이, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)의 위치로부터 이미지 센서(5)의 입사면인 홀로그램면(50)에 이르는 광파의 광 전파 계산을 행하고, 홀로그램면(50)에서의 인라인 구면파 참조광(L)의 홀로그램으로서 생성된다. 광 전파 계산은 평면파 전개를 사용하여 행한다. 집광점(P2)에서 참조광(L)을 평면파 전개하고, 공기 중 및 빔 결합기(3) 내를 전파시켜 홀로그램면(50)에서의 각 평면파 성분을 계산하고, 계산한 평면파 성분을 합산하여 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 구한다.

도 4, 도 5에 기재된 좌표계를 참조한다. 집광점(P2)의 위치 z=ρ의 xy평면에, 인라인 구면파 참조광(L)의 점광원(point light source) b₀δ(x)δ(y)가 존재한다. 이 점광원의 공간 주파수 스펙트럼 B(u, v)는 일정값 b₀이며, B(u, v)=b₀이다. 그래서, 평면파의 전파에 의해, z=0의 홀로그램면(50)에서의 인라인 구면파 참조광(L)의 홀로그램, 즉 인라인 참조광 홀로그램(j_L)은, 아래 식 (9)가 된다.

위 식 (10b)에서의 n은, 빔 결합기(3)의 굴절률이다. 위 식 (9)는, 원점 z=0에서부터 집광점(P2)까지의 거리 ρ와 빔 결합기(3)의 광축(光軸)(z축)방향의 두께 치수 A의 함수가 되지만, 원점에서부터 빔 결합기(3)까지의 거리에는 무관계(無關係)가 된다. 즉, 빔 결합기(3)를 어느 위치에 두어도 같은 식이 된다.

위 식 (9)는, 원리적인 계산식으로서, 실제 계산에는, 샘플링 정리(sampling theorem)를 충족시키는 계산점(calculation point) 수로 광 전파 계산을 행할 필요가 있다. 그러나 계산점 수가 커지게 되면, 비현실적으로 긴 계산 시간이 되어 버린다. 그래서 도 6 에 나타내는 바와 같이, 근사(近似) 계산을 도입한다.

광파장 λ_m, 화소 피치 d, 개구수 NA의 관계가, λ_m/(2d)>NA를 충족시키도록, 광파장λ를, 계수(係數) m배 하여, 변환파장λ_m=mλ를 생성한다(S41).

다음으로, 집광점(P2)으로부터 방사되는 변환파장 λ_m의 구면파의 빔 결합기(3) 내의 전파를 포함하는 전파 계산을 행하고, 홀로그램면(50)에서의 광파를 나타내는 변환파장 인라인 참조광 홀로그램 j_Lm=L_0m(x, y)exp(iφ_Lm(x, y))을 생성한다(S42).

다음으로. 변환파장 인라인 참조광 홀로그램(j_Lm)의 위상 성분(exp 항)을 m승 하여, 집광점(P2)으로부터 방사되는 파장 λ의 구면파의 빔 결합기(3) 내의 전파를 포함하는 전파광(傳播光)의 홀로그램면(50)에서의 구면파광 홀로그램 j_L=L_0m(x, y)[exp(iφ_Lm(x, y))]^m을 생성한다(S43). 따라서, 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 위상 φ_L(x, y)=mφ_Lm(x, y)이 얻어진다.

상술한 광 전파 계산에서, 인라인 구면파 참조광(L)의 광파장 λ에 계수 m을 곱셈하여 파장을 길게 한 변환파장 mλ의 광에 대해 평면파 전개법을 사용하는 광 전파 계산을 행해서 홀로그램면(50)에서의 구면파의 위상 φ_Lm이 산출되고, 변환파장 mλ의 광에 대해 산출된 위상 φ_Lm에 계수 m을 곱셈하여 얻어지는 위상 mφ_Lm이 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 위상 φ_L로 되어 있다.

공기 중 및 빔 결합기(3) 내에서의 구면파 형상 참조광의 전파를 도 5에 나타낸다. 구면파 형상의 광파의 동위상면(同位相面)을 따르는 진폭은 거의 일정해지며, 진폭의 공간 변화는 위상 성분을 나타내는 exp(iφ_Lm(x, y))의 공간 변화에 비해 무시할 수 있다. 이러한 구면파 형상의 광에 관해서는, 광파장 λ의 위상 성분 exp(iφ_L(x, y))는 광파장 λ_m의 위상 성분 exp(iφ_Lm(x, y))를 이용하여, 아래 식 (11)에 의해 얻어진다. 아래 식 (11)에 의한 광위상(光位相)의 계산은, 호이겐스 원리(Huygen's principle)에 근거한 파면광학적인(wavefront-optics-like) 근사 계산이다.

실제로 사용하도록 한 광학계에서의 점광원이 만드는 구면파 형상의 광에 대해서 이 근사 계산이 매우 높은 정밀도로 성립하는 것은, 수치 계산 가능한 광파장에 대하여 광 전파 계산을 행하는 것에 의해 확인할 수 있다. λ/(2d)>NA를 충족시키는 광파장 λ 및 변환파장 λ_m=mλ에 대해서, 광 전파 계산을 행하여 위상 성분 exp(iφ_L(x, y)) 및 위상 성분 exp(iφ_Lm(x, y))을 구하고, 양자 사이에 식 (11)의 관계가 높은 정밀도로 성립하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 위 식 (11)을 사용하여 구한 광파장 λ의 광위상 분포 φ_L(x, y)를 기하(幾何)광학적인 광로(光路) 추적법에 의해 계산한 광파장 λ의 광의 위상 분포와 비교하는 것에 의해서도 확인할 수 있다.

(물체광 홀로그램 g(x, y))

식 (8)에 L₀(x, y)exp(i(φ_L(x, y))를 곱하는 것에 따라, 진폭 인자(因子) L₀(x, y)에 의한 진폭 변조와, 위상 인자 exp(i(φ_L(x, y))에 의한 헤테로다인 변조가 실행되며, 이미지 센서(5)의 표면(홀로그램면, xy평면, 또는 면 z=0)에서의 물체광(O)의 광파를 나타내는 물체광 홀로그램 g(x, y)가 아래 식 (12)와 같이 얻어진다. 물체광 홀로그램 g(x, y)를 생성하는 공정은, 물체광(O)을 재생하는 공정이다. 물체광 홀로그램 g(x, y)의 절대값의 제곱 |g(x, y)|²를 디스플레이에 표시하여, 홀로그램면(50)에서의 물체광(O)의 광 강도 분포를 화상으로 볼 수 있다. 마찬가지로, 물체광 홀로그램 g(x, y)의 진폭 분포 화상이나 위상 분포 화상을 표시하여 볼 수 있다.

(평면파 전개와 광 전파 계산)

전자파에 관한 헬름홀츠 방정식(Helmholtz equation)의 엄밀해(嚴密解)인 평면파를 이용하여 물체광(O)의 광파를 전개할 수 있으며, 광을 전파시키는 광 전파 계산을 할 수 있다. 이 평면파 전개는, 위 식(12)의 물체광 홀로그램 g(x, y)를 푸리에 변환하는 것에 따라 실행된다. 즉, 푸리에 변환이 평면파 전개이다. 평면파 전개의 결과, 물체광(O)에 대한 공간 주파수 스펙트럼 G(u, v)가 아래 식 (13)과 같이 얻어진다. 공간 주파수 스펙트럼 G(u, v)는 파수 벡터(u, v)를 가지는 평면파의 복소 진폭이며, 복소 진폭 G(u, v)라고도 부른다. 또한, 평면파의 전파로부터 z=z₀의 재생면에서의 물체광 h(x, y)는, 아래 식(14)에 의해 얻어진다.

위 식 (13) 중의 u, v는, 각각 x방향과 y방향의 푸리에 공간 주파수이다. z방향의 푸리에 공간 주파수 w, w_n은, 위 식 (10a) (10b)와 같이, 평면파의 분산식(分散式)(파수와 파장의 관계식)으로부터 구해진다. 분산식은, (n/λ)²의 형태로, 광로 상의 굴절률 n의 정보를 포함한다.

(제3 실시형태)

도 7, 도 8을 참조하여, 제3 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치(1)를 설명한다. 본 실시형태의 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 물체(4)를 빔 결합기(3)에 근접하여 배치하는 투과형의 홀로그래픽 현미경을 실현한다. 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 집광점을 가지는 조명광(Q)에 의해 물체(4)를 조명하기 위한 집광 렌즈(23)를 빔 결합기(3)에 근접하여 구비하고 있다. 오프액시스 참조광(R)의 광학계는, 집광점(P1)을 형성하여 구면파 형상으로 한 참조광(R)을 빔 결합기(3)의 측면으로부터 입사시키기 위해, 소경의 집광 렌즈(21)와, 집광점(P1)의 위치에 핀홀을 가지는 핀홀판(25)을, 빔 결합기(3)의 측면에 근접하여 구비하고 있다.

인라인 구면파 참조광(L)의 광학계는, 집광점(P2)을 형성한 후, 참조광(L)을 이미지 센서(5)의 정면으로부터 빔 결합기(3)에 입사시키기 위한 집광 렌즈(23)와, 집광점(P2)의 위치에 핀홀을 가지는 핀홀판(24)을 구비하고 있다. 집광 렌즈(23)와 핀홀판(24)에는, 인라인 구면파 참조광(L)이 이상적인 구면파광이 되도록 고성능의 광학 부품으로 구성된다.

이 홀로그래픽 촬상 장치(1)의 광학계에서, 오프액시스 참조광(R)의 집광점(P1)과, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)은 광학적으로 서로 근접해서 배치되어 있다. 또한, 이들 집광점(P1, P2)과, 방사상으로 방사되는 물체광(O)의 발생점, 즉 관찰점도, 서로 근접 배치가 되어 있다. 이러한 집광점의 배치 구성은, 홀로그래픽 현미경으로서, 각 광의 개구수(開口數)를 크게 할 수 있다. 또한, 이미지 센서(5)에 형성되는 간섭무늬, 따라서 취득되는 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR) 및 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)의 공간 주파수 대역을 좁게 할 수 있다.

(제4 실시형태)

도 9, 도 10을 참조하여, 제4 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치(1)를 설명한다. 본 실시형태의 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 물체(4)를 빔 결합기(3)에 근접하여 배치하는 반사형의 홀로그래픽 현미경을 실현한다. 조명광(Q)의 광학계는, 반사형의 현미경으로 하기 위해, 빔 결합기(3)에서의 오프액시스 참조광(R)이 입사되는 측면의 대향(對向) 측면에, 대경의 집광 렌즈(26)를 가진다. 조명광(Q)은, 집광 렌즈(26)를 통해서 입사되며, 빔 결합기(3)의 내부 반사경(30)에 의해 물체(4)를 향해서 반사되어, 물체(4)의 이면(裏面) 즉 이미지 센서(5)에 대향하는 면을, 이미지 센서(5)측으로부터 조명한다. 집광 렌즈(26)는, 조명광(Q)을 물체(4)를 향해서 집광한다. 오프액시스 참조광(R)과 인라인 구면파광(L)의 각 광학계는, 제3 실시형태와 마찬가지이다.

(제5 실시형태)

도 11, 도 12를 참조하여, 제5 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치(1)를 설명한다. 도 7 내지 도 10에 나타내는 광학계에서 굴절률 n이 큰 빔 결합기를 사용하면, 개구수 NA를 크게 할 수 있다. 굴절률 n=1.5에서는 대략 NA=0.63, 굴절률 n=2.0에서는 대략 NA=0.8까지 개구수를 크게 할 수 있다. 더 큰 개구수 NA를 얻는 데에는, 깊이 사이즈가 작은 빔 결합기를 이용하는 방법이 효과적이다. 본 실시형태의 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 제3 실시형태에 따른 투과형의 홀로그래픽 현미경에서, 개구수 NA를 1에 가까운 값까지 크게 하는 현미경이다. 개구수 NA를 1에 가까운 값까지 크게 하기 위해, 빔 결합기(3)는, 이미지 센서(5)에 대향하는 2면 사이의 두께가, 다른 어느 2면 사이의 두께보다 얇게 되어 있다. 즉, 깊이 사이즈가 작은 큐브형 BS가 사용되고 있다.

또한, 빔 결합기(3)에 입사하여 이미지 센서(5)에 수광(受光)되는 물체광(O)이나 참조광(R, L)이 빔 결합기(3) 내를 전파하도록, 빔 결합기(3)의 옆쪽(側方) 치수가 확대되어 있다. 이 홀로그래픽 촬상 장치(1)의 광학계는, 오프액시스 참조광(R)의 집광점(P1)과, 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)과, 방사상으로 방사되는 물체광(O)의 발생점이, 광학적으로 서로 근접하도록 구성되어 있다. 이 구성을 실현하기 위해, 오프액시스 참조광(R)의 광학계는, 오프액시스 참조광(R)의 집광점(P1)을 빔 결합기(3)의 내부에 형성하는 렌즈(27)를 구비하고 있다. 이 홀로그래픽 촬상 장치(1)에 의하면, 굴절률 n=1.5의 경우에도 개구수 NA를 1에 가까운 값까지 크게 할 수 있고, 1에 가까운 값의 큰 개구수 NA에 의해, 분해능을 광의 회절(回折) 한계까지 높일 수 있다. 도 11은 투과형의 광학계를 나타내고 있지만, 도 9에 나타내는 바와 같은 조명광(Q)으로 피사체(被寫體)를 조명하면 개구수 NA가 1에 가까운 반사형 현미경을 실현할 수 있다.

(제6 실시형태)

도 13을 참조하여, 제6 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치(1)를 설명한다. 본 실시형태의 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 제3 실시형태에 따른 투과형의 홀로그래픽 현미경에서의 빔 결합기(3)가, 물체(4)를 비스듬히 조사(照射)하는 조명광(Q)과 빔 결합기(3)가 간섭하지 않도록 형성된, 모따기부(面取部)(31a)를 가지는 것이다. 모따기부(31a)는, 예를 들면, 원뿔면(圓錐面)과 같이 형성해도 되고, 또한, 다각뿔(多角錐)의 평면으로 형성해도 된다.

본 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 복수(複數) 방향으로부터의 조명광을 이용하여 얻어지는 공간 주파수 대역이 다른 복수의 홀로그램을 합성해서, 1보다 더 큰 합성 개구수를 가지는 홀로그램을 얻어, 고분해능화(高分解能化) 화상을 얻기 위해 이용된다. 그 때문에, 물체(4)에서의 현미(顯微) 관찰 영역이, 이미지 센서(5)의 정면으로부터 집광 렌즈(23)를 통해서 조명하는 정면(正面) 조명광(Q⁰), 및 평행 빔 형상으로 형성된 다(多)방향으로부터의 사선(oblique) 조명광(Q^j, j=1, ‥, N)에 의해 순차적으로 조명된다. 각 조명광(Q^j, j=0, ‥, N)마다, 물체광 오프액시스 홀로그램(I^J _OR)이 취득된다. 또한, 물체(4) 대신에 배치된 핀홀판과, 집광 렌즈(23)를 통해서 전파되는 인라인 구면파광(L)에 의해, 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)이 취득된다. 이들 홀로그램으로부터, 디지털 홀로그래피를 이용하여 고분해능 재생 화상이 얻어진다.

(제7 실시형태)

도 14에 나타내는 제7 실시형태에 따른 홀로그래픽 촬상 장치(1)는, 제4 실시형태에 따른 반사형의 홀로그래픽 현미경에서의 빔 결합기(3)가, 물체(4)를 비스듬히 조사하는 조명광(Q)과 빔 결합기(3)가 간섭하지 않도록 형성된, 모따기부(31a)를 가지는 것이다. 이 홀로그래픽 촬상 장치(1)에 따르면, 제6 실시형태의 홀로그래픽 촬상 장치(1)와 마찬가지로, 고분해능 재생 화상이 얻어진다.

상술한 각 실시형태의 홀로그래픽 현미경은, 빔 결합기에 이미지 센서와 오프액시스 참조광용의 광학계를 장착한 콤팩트한 홀로그램 기록부(데이터 취득부(10))에, 정확하게 물체광을 재생할 수 있는 화상 재생부(12)를 구비한 것이다. 이러한 콤팩트한 홀로그램 기록부는, 액침(液浸) 현미경으로 사용하는 것이 용이하며, 액침 상태로 하여 해상도(resolution)를 더 향상시킬 수 있다.

(제8 실시형태 : 데이터 처리)

도 15 내지 도 17을 참조하여, 물체광 홀로그램(g)과 공간 샘플링 간격(δ)에 대해 설명한다. 상술한 각 홀로그래픽 촬상 장치는, 구면파 형상으로 퍼지는 물체광(O)의 발생점에 가까운 위치에 집광점(P1)이 있는 오프액시스 참조광(R)을 이용하여, 물체광(O)을 기록하고 있다. 따라서, 물체광(O)과 참조광(R)의 간섭무늬의 홀로그램은, 공간 주파수 대역이 좁아져 있다. 이러한 홀로그램으로부터, 물체광(O)만의 홀로그램을 단독으로 취출(取出)하면, 공간 주파수 대역이 넓어진다. 이것으로부터, 물체광(O)의 파면을 나타내는 위 식 (12)의 물체광 홀로그램 g(x, y)는, 위 식 (9)의 복소 진폭 인라인 홀로그램 J_OL(x, y)에 비해, 더 넓은 공간 주파수 대역을 가지는 것을 알 수 있다.

물체광 홀로그램 g(x, y)의 공간 변화는, 홀로그램 중심으로부터 벗어남에 따라 커지게 되어 홀로그램의 가장자리(端)에서 최대가 된다. 홀로그램의 개구수를 NA_O, 광파장을 λ라고 하면 물체광 홀로그램 g(x, y)의 최대 공간 주파수 f_M은, f_M=NA_O/λ로 나타난다. 그리고 이 광대역의 물체광 홀로그램 g(x, y)를 이산(離散)값으로 나타내기 위해서는, 샘플링 정리의 제약으로부터, 공간 샘플링 간격(δ)을, 예를 들면 데이터 보간(補間, interpolation)을 이용하여, δ=1/(2f_M)=λ/(2NA_O) 이하의 값으로 설정할 필요가 있다. 샘플링 정리의 제약을 타개하기 위해서, 샘플링점(sampling point) 증가와 데이터 보완이 행해진다. 좁은 대역의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)은, 수광소자(5)의 화소 피치(d)로 완만하게 변화하므로, 데이터 보간에서는 3차식을 이용한 고속 계산이 가능하다.

도 15 (a) (b)는, 물체광 홀로그램 g(x, y)를 얻기 위해, 데이터 보간을 이용하여 홀로그램의 공간 샘플링 간격(δ)을 작게 하는 방법을 나타낸다. 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)은, 결상 렌즈를 이용하는 일없이 얻어지고 있다. 따라서, 공간 샘플링 간격을 세분화하여 광파장 정도까지 작게 해도 왜곡(distortion)은 발생하지 않는다. 그래서 실질적으로 화소수를 늘리는 화소수 증대 공정에 의해 샘플링 간격을 작게 할 수 있다.

화소수 증대 공정에서, 수광소자(5)의 화소 피치(d)에 대응하는 공간 샘플링 간격(d)을 가지는 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)에 대하여, 공간 샘플링 간격(d)을 세분화하여 공간 샘플링 간격(δ)으로 한다. 그 후, 세분화에 의해 생긴 새로운 샘플링점에 대해 데이터 보간을 행하여 실질적으로 화소수를 늘린다. 데이터 보간의 방법으로서, 화상 처리에서의 주지(周知)의 3차식에 의한 데이터 보간이나 sinc함수에 의한 데이터 보간을 이용할 수 있다. 데이터 보간으로서 sinc 보간을 이용하면, 3차식을 이용한 보간에 비해서 수치 계산에 시간이 걸리지만, 더 정확한 결과를 얻을 수 있다.

복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)에 대해 데이터 보간에 의해서 화소수를 늘린 결과를, 다시 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)으로 한다. 또한, 수광소자(5)의 화소 피치(d)는, 화소의 배열방향(xy방향)에서 서로 달라도 되고, 공간 샘플링 간격(δ)도 화소의 배열방향에서 서로 다른 것으로 할 수 있다. 화소수를 늘린 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)은, 화소수 증대 공정의 처리를 행하지 않은 경우의 홀로그램에 비해, 상술한 화소 피치(d)와 공간 샘플링 간격(δ)과의 비(比)에 근거하여, 왜곡 없이 배율 d/δ배로 확대된 상(像), 즉 분해능을 높인 상을 기록한 홀로그램이 된다.

(고속 처리)

도 16 (a) (b), 도 17 (a) (b)는, 물체광 홀로그램 g(x, y)를 고속으로 처리하는 방법을 나타낸다. 고속 푸리에 변환(FFT)을 이용하여 홀로그램 데이터를 처리하는 경우, 필요한 샘플링점 수가 너무 커지게 되면, 물체광 홀로그램 g(x, y)의 처리가 곤란하게 된다. 그런데 다른 주파수 대역에 기록된 각각의 정보는 공간적으로 겹쳐도 잃어버리지 않고 보존된다. 이것을 이용하면, 광대역의 대개구수 물체광인 물체광 홀로그램 g(x, y)를 겹쳐, 광대역의 미소(微小) 홀로그램(데이터점 수가 적은 홀로그램)을 작성할 수 있다. 또한, 홀로그램은, 분할한 각 영역의 각각에, 광파를 재생하기 위한 정보를 보지(保持)하고 있다.

그래서, 도 16 (a)에 나타내는 바와 같이, 물체광 홀로그램 g(x, y)를 폭 dx, dy의 복수 매(枚)의 미소 홀로그램(g_i)으로 분할하고, 도 16 (b) (c)에 나타내는 바와 같이, 각 미소 홀로그램(g_i)을 서로 겹쳐 합성 미소 홀로그램(Σ)을 생성한다. 이 합성 미소 홀로그램(Σ)에 대해, 위 식 (13)에 근거하는 계산을 행하면, 계산 시간을 단축해서 복소 진폭 G(u, v)가 얻어진다. 도 17 (a)는, 폭 D의 물체광 홀로그램 g(x, y)를 폭 dx, dy의 미소 홀로그램(g₁, g₂, g₃)으로 분할하는 모습을 나타낸다. 이 물체광 홀로그램 g(x, y)는, 1매로 광파(재생상(9))를 재생한다.

이러한 물체광 홀로그램 g(x, y)를, 도 17 (b)에 나타내는 바와 같이, 예를 들면 x방향으로 폭 dx만큼 옮기면서 겹친 홀로그램은, 폭 dx의 주기적인 홀로그램이 되어, 다수의 같은 재생상(再生像)(9)을 폭 dx의 간격마다 재생할 수 있다. 계산점 수는, 중첩한 미소 홀로그램(g_i)의 매수(枚數)의 역수분(逆數分)으로 압축된다. 즉, n매 겹치면, 계산량은, 1/n이 된다.

(실시예 1 : 홀로그래픽 카메라)

도 18은, 도 1 (a) (b)의 광학계를 가지는 홀로그래픽 촬상 장치를 이용하여 얻어진 컬러 화상이다. 피사체는, 1변의 길이가 18㎜인 주사위이며, 이미지 센서(5)로부터 64㎝의 위치에 놓였다. 기록 홀로그램의 개구수 NA는, NA=0.017이다. 광원(光源)에는 청색 반도체 여기(勵起) 고체 레이저(파장 473㎚, 출력 30㎽), 녹색 반도체 여기 고체 레이저(파장 532㎚, 출력 50㎽), 및 적색 He-Ne 레이저(파장 632.8㎚, 출력 10㎽)를 사용했다.

이미지 센서는, 모노크롬(monochrome) 카메라 링크 CCD 카메라를 사용했다. 도 6의 화상은, 각각의 파장광(波長光)에 대해, 공기 중 및 큐브형 빔 스플리터로 구성되는 빔 결합기(3) 내에서의 광 전파 계산을 행하여, 수치 계산으로 구한 청색, 녹색, 및 적색의 재생 화상을 겹쳐서 재생되었다. 초점 차(defocus, 흐림), 색 차(color shift), 및 왜곡 없는 고화질의 컬러 화상이 재생되었다. 이것은, 청색, 녹색, 및 적색 각각의 파장광에 대해, 큐브형 빔 스플리터를 이용한 물체광의 기록과, 공기 중 및 큐브형 빔 스플리터 내에서의 광 전파 계산이 정확하게 행해지고 있는 것을 나타내고 있다.

(실시예 2 : 투과형 홀로그래픽 현미경)

도 19 (a) (b)는, 도 7, 도 8의 투과형 홀로그래픽 현미경의 광학계를 사용하여 얻어진, USAF 테스트 타겟의 화상이다. 코히렌트(coherent) 광원으로서 청색의 반도체 여기 고체 레이저(파장 473㎚, 출력 30㎽)를 사용했다. CCD 카메라의 전방(前方)에 피사체의 USAF 테스트 타겟을 두고 물체광(O)과 오프액시스 참조광(R)이 만드는 간섭무늬를 기록했다. 또한, 피사체의 USAF 테스트 타겟을 제거하여 인라인 구면파 참조광(L)과 오프액시스 참조광(R)이 만드는 간섭무늬를 기록했다.

기록한 2매의 간섭무늬로부터 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)을 생성하고, 그것을 16×16 분할하여 256매의 분할 기록 홀로그램을 얻었다. 각 분할 기록 홀로그램에 대해 데이터 보간과 공간 헤테로다인 변조를 행한 후, 분할 홀로그램(미소 홀로그램(g_i))의 중첩을 행하여, 화상 재생용의 미소 홀로그램(합성 미소 홀로그램(Σ))을 얻었다. 얻어진 합성 미소 홀로그램(Σ)에 대해, FFT를 이용한 수치 계산을 행하여 화상을 재생했다.

도 19 (a)는, 합성 미소 홀로그램(Σ), 즉 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)으로부터 공기 중뿐만 아니라 큐브 스플리터 내에서의 광 전파 계산을 행하여 재생한 USAF 테스트 타겟의 화상이다. 기록 홀로그램의 개구수 NA는, NA=0.5이며, 이 개구수에 대한 이론(理論) 분해능은 0.457㎛가 된다. 도 19 (b)는, 도 19 (a)의 부분 확대 재생 화상이다.

도 19 (a)에서의 큰 직사각형 영역 a1, 그 안의 직사각형 영역 a2, 또한 그 안의 직사각형 영역 a3, 및 도 19(b)에서의 직사각형 영역 a2, a3의 외형에는 왜곡이 보이지 않는다. 즉, 각 직사각형 영역 a1, a2, a3의 외형이 직선으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있고, 재생 화상에 왜곡이 생기지 않는 것을 알 수 있다. 또한, 도 19 (b)에서의 선과 선 사이의 폭 0.775㎛의 패턴을 분명하게 식별할 수 있는 것으로부터, 이론값과 같은 정도의 분해능이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

(비교예)

도 20 (a)는 도 19 (a)의 비교예로서, 공기 중의 광 전파 계산만을 행하여 재생한 화상을 나타내고, 도 20 (b)는 그 부분 확대 화상을 나타낸다. 광 전파 계산 때에는, 큐브형 빔 스플리터 내에서의 광 전파를 큐브 깊이의 굴절률 배(倍)의 깊이를 가진 공기 중에서의 광 전파로 근사하여 계산을 행했다.

도 20 (a)를 도 19 (a)와 비교하면, 광 전파의 근사에 의해, 도 20 (a)의 주변부에 화상의 왜곡과 초점 흐림을 확인할 수 있다. 또한, 도 20 (b)를 도 19 (b)와 비교하면, 도 20 (b)에서는 분해능의 저하와 화상의 흐림이 생기고 있는 것을 알 수 있다. 큐브형 빔 스플리터 내의 광 전파 계산의 근사에 의해 생기는 화상 왜곡이나 초점 흐림, 및 분해능 저하는 개구수가 커지게 됨에 따라 현저해지며, 대개구(大開口) 물체광을 재생하기 위해서는, 큐브형 빔 스플리터 내의 광 전파 계산을 정확하게 행할 필요가 있다.

(실시예 3 : 투과형 홀로그래픽 현미경)

도 21은 건조 규조(珪藻)의 광 강도 화상, 도 22는 그 광 강도 화상에 대응하는 위상차(位相差) 화상이며, 도 7, 도 8의 투과형 홀로그래픽 현미경의 광학계를 사용하여 촬상해서 재생했다. 기록 홀로그램의 개구수 NA는 NA=0.5이다. 도 10의 위상차 화상은, 물체광과 조명광의 위상차를 나타내는 화상이다. 재생된 광 강도 화상과 위상차 화상으로부터, 더 미세한 시료(試料)의 구조를 관찰할 수 있다.

(실시예 4 : 반사형 홀로그래픽 현미경)

도 23 (a) (b)는, 도 9, 도 10의 반사형 홀로그래픽 현미경의 광학계를 사용하여 얻어진, USAF 테스트 타겟의 화상이다. 기록 홀로그램의 개구수 NA는, NA=0.5이며, 이론 분해능은 0.457㎛가 된다. 또한, 도 23 (b)의 부분 확대 화상에서, 직사각형 영역 a1과 그 안의 직사각형 영역 a2에 왜곡이 보이지 않는다. 즉, 재생 화상에 왜곡이 생기지 않은 것을 알 수 있다. 또한, 도 23 (b)에서의 선과 선 사이의 폭 0.775㎛의 패턴을 분명하게 식별할 수 있고, 반사형에서도 투과형과 같은 정도의 분해능이 얻어지고 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 구성으로 한정되는 일없이 여러 가지 변형이 가능하다. 예를 들면, 상술한 각 실시형태의 구성을 서로 조합한 구성으로 할 수 있다. 또한, 큐브형의 빔 결합기(3)를, 큐브형 무편향(無偏向) 빔 결합기로 하여, 광학계(2)에 편향(偏向)소자를 조립한 홀로그래픽 촬상 장치로 해도 된다. 이러한 홀로그래픽 촬상 장치에 따르면, 편광(偏光) 홀로그래픽 현미경이나 엘립소메트리에 적용할 수 있어, 편광 물체광을 정확하게 원샷 기록할 수 있다.

종래 기술에 대한 본 발명의 신규성과 우위성으로서 다음을 들 수 있다: (1) 광범위에 걸치는 개구의 물체광을 정확하게 원샷 기록할 수 있다, (2) 간단하고 안정된 구조를 가진 콤팩트한 기록용 광학계를 구성할 수 있다, (3) 기록 물체광의 개구수 NA를 1에 가까운 값까지 크게 할 수 있다, (4) 동일한 광학계를 투과형이나 반사형 및 편광형의 고분해능 홀로그래픽 현미경을 위한 홀로그램 기록용으로 이용할 수 있다, (5) 빔 결합기 표면의 광 반사 방지 처리나 광 흡수 처리에 의해 표면 반사광이나 미광(迷光)의 영향을 피할 수 있다.

상기 우위성으로부터, 본 발명은, 광학이나 디지털 홀로그래피, 광 계측, 응용 광 정보, 현미경의 분야에서 이들의 이점을 살린 넓은 용도로 이용할 수 있다. 또한, 기술 응용의 관점에서는, 정밀 계측이나 나노테크놀로지, 생체 광 계측, 바이오테크놀로지, 의료 진단 등의 분야에서의 이용을 생각할 수 있다. 구체적인 이용 예로서, 표면의 미세 흠집(scratch)이나 먼지 등의 고정밀도 검출과 계측, 체적 중 미립자의 정밀 광 계측, 배양액 중의 생체 조직이나 생체 세포의 긴 작동거리 광시야 고분해능 계측 또는 초고분해능 계측, 저(低)에너지 조명에 의해 살아있는 생체 조직의 초고분해능 계측, 광 위상이나 광 편광을 사용한 투명 생체 조직의 초고분해능 계측, 반사 물체광을 사용한 초고분해능의 3차원 광 계측 등을 들 수 있다.

1 홀로그래픽 촬상 장치
2 광학계
3 빔 결합기
31a 모따기부(面取部)
4 물체
5 이미지 센서
50 홀로그램면
6 데이터 보존부
10 데이터 취득부
12 화상 재생부
13 복소 진폭 홀로그램 생성부
14 계산 참조광 홀로그램 생성부
15 물체광 홀로그램 생성부
I_LR 참조광 오프액시스 홀로그램
I_OR 물체광 오프액시스 홀로그램
I_TR 타겟 오프액시스 홀로그램
j_L 인라인 참조광 홀로그램
j_Lm 변환파장 인라인 참조광 홀로그램
J_OL 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램
O 물체광
O_T 타겟의 물체광
Q 조명광
R 오프액시스 참조광
L 인라인 구면파 참조광
P2 인라인 구면파 참조광의 집광점
P1 오프액시스 참조광의 집광점
T 타겟
g 물체광 홀로그램
g_T 타겟 물체광 홀로그램
h 재생 물체광 홀로그램
m 계수
ρ 이미지 센서로부터 인라인 구면파 참조광의 집광점까지의 거리
φ_L 위상
φ_Lm 위상
λ 광파장
λ_m 변환파장

Claims

홀로그래픽 촬상(撮像) 장치에 있어서,
조명(照明)된 물체로부터 방사(放射)되는 물체광(物體光)(O)과 상기 물체광(O)에 대한 인라인광(inline 光)이 되는 인라인 구면파(球面波) 참조광(參照光)(L)의 2개의 광을 같은 조건으로 유지되고 있는 오프액시스(off-axis) 참조광(R)을 이용하여 개별적으로 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로서 이미지 센서의 수광면(受光面)인 홀로그램면에서 전자적으로 취득하는 데이터 취득부와,
상기 데이터 취득부에 의해 취득된 데이터로부터 상기 물체의 화상을 재생하는 화상 재생부를 구비하며,
상기 데이터 취득부는,
큐브형 빔 스플리터(cube-type beam splitter)로 구성되는 빔 결합기(beam coupler)를 구비하고,
상기 빔 결합기를 투과(透過)하여 상기 이미지 센서에 입사(入射)하는 광을 상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로서 취득하며,
상기 화상 재생부는,
상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로부터, 상기 물체광(O)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 양쪽 모두의 정보를 포함하는 복소(複素) 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)을 상기 홀로그램면에서 생성하는 복소 진폭 홀로그램 생성부와,
상기 빔 결합기의 굴절률을 고려하여 그 내부의 전파(傳播)를 포함하는 광 전파 계산을 행하여 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 광파(光波)를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 상기 홀로그램면에서 생성하는 계산 참조광 홀로그램 생성부와,
상기 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)과 상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 데이터를 이용하여 상기 물체광(O)의 홀로그램인 물체광 홀로그램(g)을 상기 홀로그램면에서 생성하는 물체광 홀로그램 생성부를 구비하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 계산 참조광 홀로그램 생성부는,
상기 인라인 구면파 참조광(L)의 광파장(λ)에 계수(m)를 곱하여 파장을 길게 한 변환파장(mλ)의 광에 대하여 평면파(平面波) 전개법을 이용하는 광 전파 계산을 행하여, 상기 홀로그램면에서의 구면파의 위상(位相)(φ_Lm)을 산출하고,
상기 변환파장(mλ)의 광에 대해 산출된 상기 위상(φ_Lm)에 상기 계수(m)를 곱해서 얻어지는 위상(mφ_Lm)을 상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 위상으로 하여 상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 생성하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 장치.
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 오프액시스 참조광(R)은, 집광점(P1)을 가지는 구면파 형상의 광이며, 상기 빔 결합기에 그 측면으로부터 입사되고,
상기 오프액시스 참조광(R)의 집광점(P1)과, 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)은 광학적으로 서로 근접해 있는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 오프액시스 참조광(R)의 집광점(P1)과 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)은, 각각 상기 빔 결합기에 근접해 있고, 상기 홀로그래픽 촬상 장치가 현미경으로 이용되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 빔 결합기는, 개구수(開口數) NA를 1에 가까운 큰 값으로 하기 위해, 상기 물체광(O)이 입사하는 광축(光軸)방향에서의 두께가, 상기 오프액시스 참조광(R)이 입사되는 측면방향의 두께보다 얇고, 상기 오프액시스 참조광(R)의 집광점(P1)이 상기 빔 결합기의 내부에 있는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 장치.
청구항 4 또는 청구항 5에 있어서,
상기 빔 결합기는, 상기 물체를 사선방향으로부터 조명하는 조명광(Q)과 상기 빔 결합기가 간섭하지 않도록 형성된 모따기부(面取部)를 가지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 장치.
청구항 4에 있어서,
상기 물체를 조명하는 조명광(Q)은, 상기 빔 결합기에서의 상기 오프액시스 참조광(R)이 입사되는 측면에 대향(對向)하는 측면으로부터 상기 빔 결합기에 입사되며, 상기 홀로그래픽 촬상 장치가 반사형의 현미경으로 이용되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 장치.
홀로그래픽 촬상 방법에 있어서,
조명된 물체로부터 방사되며, 큐브형 빔 스플리터로 구성되는 빔 결합기를 직진하여 이미지 센서에 입사하는 물체광(O)의 데이터를, 상기 빔 결합기에 측면으로부터 입사하고 그 내부에서 반사하여 상기 이미지 센서에 입사하는 오프액시스 참조광(R)을 이용하여, 물체광 오프액시스 홀로그램(I_OR)으로서 취득하고,
상기 오프액시스 참조광(R)의 데이터를, 상기 물체광(O)에 대해 인라인이 되는 인라인 구면파 참조광(L)을 이용하여, 상기 이미지 센서에 의해 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)으로서 취득하며,
상기 2종류의 오프액시스 홀로그램(I_OR, I_LR)의 데이터로부터, 상기 이미지 센서의 수광면인 홀로그램면에서 상기 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)을 생성하고,
상기 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)으로부터 방사되는 구면파에 대해, 상기 빔 결합기의 굴절률을 고려하여 상기 빔 결합기의 내부의 전파를 포함하는 광 전파 계산을 행하는 것에 따라, 상기 홀로그램면에서의 광파를 나타내는 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 생성하며,
상기 물체광의 복소 진폭 인라인 홀로그램(J_OL)의 데이터와 상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 데이터를 이용해서 상기 홀로그램면에서의 상기 물체광(O)을 나타내는 물체광 홀로그램(g)을 생성하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 산출하는 광 전파 계산은,
상기 인라인 구면파 참조광(L)의 광파장(λ)에 계수(m)를 곱하여 파장을 길게 한 변환파장(mλ)의 광에 대해 평면파 전개법을 이용하는 광 전파 계산을 행하여, 상기 홀로그램면에서의 구면파의 위상(φLm)을 산출하고,
상기 변환파장(mλ)의 광에 대해 산출된 상기 위상(φ_Lm)에 상기 계수(m)를 곱해서 얻어지는 위상(mφ_Lm)을 상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 위상으로 하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 방법.
청구항 8 또는 청구항 9에 있어서,
이미지 센서로부터 상기 인라인 구면파 참조광(L)의 집광점(P2)까지의 거리(ρ)가,
상기 물체 대신에, 투광판(透光板)에 스케일(scale) 패턴을 가지고 구성되는 타겟을 배치하고, 상기 인라인 구면파 참조광(L)으로 조사했을 때의 투과광인 타겟 물체광(O_T)의 데이터를, 상기 오프액시스 참조광(R)을 이용하여 타겟 오프액시스 홀로그램(I_TR)으로서 취득하고,
상기 거리(ρ)를 파라미터로 하여, 상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 생성하며,
상기 타겟 오프액시스 홀로그램(I_TR)과 상기 참조광 오프액시스 홀로그램(I_LR)과 상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)을 이용하여, 상기 홀로그램면에서의 상기 타겟의 물체광을 나타내는 타겟 물체광 홀로그램(g_T)을 생성하고,
상기 타겟 물체광 홀로그램(g_T)을 광 전파 계산에 의해 위치 변환하여, 상기 타겟의 위치에서의 상기 타겟의 화상을 재생하며,
상기 타겟의 재생 화상의 치수가 상기 타겟의 치수와 일치할 때의 파라미터의 값으로서 결정되어,
상기 인라인 참조광 홀로그램(j_L)의 산출에 이용되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 촬상 방법.