WO2022209518A1

WO2022209518A1 - 干渉光生成素子およびホログラム記録装置

Info

Publication number: WO2022209518A1
Application number: PCT/JP2022/008425
Authority: WO
Inventors: 樹田原
Original assignee: 国立研究開発法人情報通信研究機構
Priority date: 2021-03-29
Filing date: 2022-02-28
Publication date: 2022-10-06
Also published as: JP2022153080A; US20240192637A1

Abstract

ホログラム記録装置１０は、撮像素子５と、撮像素子５の撮像面に装着された干渉光生成素子１と、を備え、干渉光生成素子１が入射された物体光Ｌ_OBJから互いに位相の異なる２光波Ｌ１，Ｌ２を生成して、２光波Ｌ１，Ｌ２で形成された干渉縞を撮像素子５がホログラムとして記録する。干渉光生成素子１は、光の入射する側から順に、第１複屈折部材１１と、第１複屈折部材１１の光学軸と平行または直交する方向の偏光成分について空間的に分割して２通り以上に位相差を変化させる位相子アレイ２０と、透過軸の方向を第１複屈折部材１１の光学軸に対して傾斜させた偏光板３２と、を備える。

Description

干渉光生成素子およびホログラム記録装置

　本発明は、干渉光生成素子、およびこれを備えるホログラム記録装置に関する。

　光の波長や偏光といった光学特性の情報は、蛍光顕微鏡を含む光学顕微鏡における分子組成の識別、生体高分子の配向や局在等細胞の多様な情報の無染色での取得、生体の健康状態等のバイタルサイン、製造物や材料の劣化状態の推定、物質や材料の種類・特性、肉眼やロボットビジョンの物体認識・識別における有益な特徴量として、様々な形で多岐に活用されている。標本（被写体）の三次元空間の光学情報を取得するために、カメラを複数台配置する従前の手法に対し、１台の撮像素子でホログラムを多重記録し、取得した多重ホログラムから信号処理により三次元画像を再生するデジタルホログラフィ技術が開示されている。さらに、ホログラムとなる干渉縞を形成するための２つの光波をインコヒーレント光で生成することにより、光源に自然光を使用したり、標本の自発光した光を記録したりすることができる（特許文献１～３、非特許文献１～５）。特に、曲率半径の互いに異なる２つの光波を単一光路上で生成するシングルパス方式とすることにより（特許文献３、非特許文献１～５）、ホログラム記録装置をコンパクト化することができる。

　非特許文献１，２では、複屈折レンズ等の偏光感応性の二重焦点レンズで、曲率半径の異なる光波を直交する直線偏光から生成し、偏光感応性の位相変調子で一方の光波に対して位相をシフトしてから、２つの光波の偏光成分を対角方向の透過軸の偏光子で揃えて干渉縞を形成し、さらに位相変調子を電気的に駆動して位相シフト量を変化させて、時間的に分散させた多重ホログラムを取得する。非特許文献１ではさらに、マルチバンドパスフィルタでＲ，Ｇ，Ｂの複数の狭帯域化された光とすることにより、自然光等の時間的にインコヒーレントな光であってもそれぞれ時間的に部分的にコヒーレントな光となり、単色の撮像素子で記録した多重ホログラムから波長帯毎に画像を再生することができる。

　特許文献３および非特許文献３，４では、液晶空間光変調器等の偏光感応性の位相子を配列した位相子アレイで、曲率半径の異なる光波を直交する直線偏光で生成すると共に一方の光波の位相をシフトさせ、１／４波長板および偏光子アレイを順次通過させて、位相シフト量が０，π／２，π，３π／２の４組の光波を同時に生成して１回の露光で撮像する。非特許文献４ではさらに、Ｒ，Ｇ，Ｂのカラーフィルタアレイを備えたカラー撮像素子で撮像することにより、波長（色）情報も取得することができる。非特許文献５では、複屈折レンズ等の偏光感応性の二重焦点レンズで、曲率半径の異なる２光波を直交する直線偏光から生成し、偏光感応性の位相子アレイで、一方の光波に対してセル（位相子）、波長毎に異なるシフト量だけ位相をシフトしてから、２つの光波の偏光成分を対角方向の透過軸の偏光子で揃えて干渉縞を形成し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の光の干渉縞を単色の撮像素子で多重記録する。

特許第６３０８５９４号公報特開２０１７－０７６０３８号公報特許第６２４５５５１号公報

T. Tahara, et al., "Multiwavelength three-dimensional microscopy with spatially incoherent light, based on computational coherent superposition", Optics Letters Volume 45, Issue 9, pp. 2482-2485, 2020 T. Tahara, et al., "Two-step phase-shifting interferometry for self-interference digital holography", Optics Letters Volume 46, Issue 3, pp. 669-672, 2021 T. Tahara, et al., "Single-shot phase-shifting incoherent digital holography", Journal of Optics (IOP Publishing) Volume 19, Number 6, 065705, 2017 T. Tahara, et al., "Single-shot incoherent color digital holographic microscopy system with static polarization-sensitive optical elements", Journal of Optics (IOP Publishing) Volume 22, Number 10, 105702, 2020 T. Tahara, et al., "Single-shot wavelength-multiplexed digital holography for 3D fluorescent microscopy and other imaging modalities", Applied Physics Letters Volume 117, Issue 3, 031102, 2020

　特許文献３および非特許文献１～５においては、干渉縞を形成するための光波を生成する複屈折部材からなる二重焦点レンズ等の光学素子から撮像素子の撮像面までに距離を設ける必要があり、さらなるコンパクト化が要求されている。また、光学素子同士や撮像素子との間の空気との界面でフレネル反射により光損失を生じて光の利用効率が低下し、取得した多重ホログラムから再生される画像が物体光に対して暗くなる場合がある。したがって、これらの技術には改良の余地がある。

　本発明は、波長等の光学特性の情報を含む明るい三次元画像を再生するための多重ホログラムを取得するコンパクトなホログラム記録装置、および多重ホログラムの各干渉縞を形成する光波を生成する干渉光生成素子を提供することを課題とする。

　本発明に係る干渉光生成素子は、第１複屈折部材と、前記第１複屈折部材の光学軸に平行または直交する方向の偏光成分について、時間的および空間的の少なくとも一方に分割して２通り以上に位相差を変化させる位相変調素子と、透過軸の方向を前記第１複屈折部材の光学軸に対して傾斜させた偏光子と、を光の進行方向に沿って間隙なく配置して備え、前記偏光子が、前記第１複屈折部材および前記位相変調素子よりも光の出射側に配置されている構成である。

　本発明に係る別の干渉光生成素子は、光の出射面が撮像素子の光の入射面に装着され、光の入射する側から順に、第１複屈折部材と、透過軸方向の異なる複数の偏光子を二次元配列してなる偏光子アレイと、を間隙なく配置して備える構成である。

　本発明に係るホログラム記録装置は、撮像素子と、前記撮像素子の光の入射面に装着された前記のいずれかの干渉光生成素子と、を備える構成であり、前記干渉光生成素子が入射された光波から互いに位相の異なる２つの光波を生成して、前記２つの光波で形成された干渉縞を前記撮像素子がホログラムとして記録する。

　本発明に係る干渉光生成素子およびホログラム記録装置によれば、コンパクトな装置となり、被写体への照明光を明るくすることなく、また自発光する被写体から取得したホログラムから明るい画像を再生することができる。

本発明の第１実施形態に係る干渉光生成素子を備えるホログラム記録装置の構成を模式的に説明する断面図である。本発明の第１実施形態に係る干渉光生成素子の構成を模式的に説明する分解図である。本発明の第１実施形態に係る干渉光生成素子を備えるホログラム記録装置の変形例の構成を説明する模式図である。本発明の第１実施形態の第１の変形例に係る干渉光生成素子を備えるホログラム記録装置の構成を模式的に説明する断面図である。本発明の第１実施形態の第２の変形例に係る干渉光生成素子を備えるホログラム記録装置の構成を模式的に説明する断面図である。本発明の第２実施形態に係る干渉光生成素子を備えるホログラム記録装置の構成を模式的に説明する断面図である。本発明の第３実施形態に係る干渉光生成素子を備えるホログラム記録装置の構成を模式的に説明する断面図である。本発明の第３実施形態の変形例に係る干渉光生成素子を備えるホログラム記録装置の構成を模式的に説明する断面図である。

　本発明に係る干渉光生成素子およびホログラム記録装置を実施するための形態について、図を参照して説明する。本発明に係る干渉光生成素子は、撮像素子（イメージセンサ）の撮像面に装着してホログラム記録装置を構成する光学部品である。そして、本発明に係るホログラム記録装置は、デジタルホログラフィック顕微鏡、三次元画像分析装置、およびデジタルホログラフィ装置等に適用することができる。図面に示す装置およびその要素は、説明を明確にするために、大きさや位置関係等を誇張していること、および形状を単純化していることがあり、また、断面図においては一部の要素にパターンを付していない。また、以下の説明において、同一のまたは同質の要素については、同一の符号を付し、説明を適宜省略する。

〔第１実施形態〕
　図１に示すように、本発明の第１実施形態に係るホログラム記録装置１０は、撮像素子５、および撮像素子５の光の入射面（撮像面）に装着された干渉光生成素子１を備え、また、必要に応じて光源（図示省略）を備える。ホログラム記録装置１０はここではさらに、撮像素子５を駆動制御する計算機６、および干渉光生成素子１の光の入射面を覆うガラス板等からなるカバー１９を備える。ホログラム記録装置１０の被写体である物体ＯＢＪは、カバー１９上に載置される。また、ホログラム記録装置１０は、物体ＯＢＪによっては、これを収容するガラスセルを備えていてもよく、さらにこのガラスセルを２軸または３軸方向に回転させる回転機構を備えてもよい。ホログラム記録装置１０は、Ｉｎ－ｌｉｎｅ型の光学系を有する自己干渉計を構成し、物体ＯＢＪから光（光波）Ｌ_OBJを入射された干渉光生成素子１が、互いに位相の異なる２つの光波を生成して、これら２つの光波で形成された干渉縞を撮像素子５がホログラムとして記録する。干渉縞を形成する２光波を１組と表すと、後記するように、干渉光生成素子１は２組以上の光波を同時に生成するものであり、撮像素子５が１回の露光で多重ホログラムを記録することができる。

　ホログラム記録装置１０において、干渉光生成素子１は、撮像素子５の撮像面（光の入射面）に装着されている。本発明の第１実施形態に係る干渉光生成素子１は、光の入射する側から順に、第１複屈折部材１１と、第１複屈折部材１１の光学軸と平行または直交する方向の偏光成分について空間的に分割して２通り以上に位相差を変化させる位相子アレイ（位相変調素子）２０と、透過軸の方向を第１複屈折部材１１の光学軸に対して傾斜させた偏光板（偏光子）３２と、を備える。干渉光生成素子１はさらに、光学軸が第１複屈折部材１１の光学軸と直交する第２複屈折部材１２を、第１複屈折部材１１の光の出射面に接続して、すなわち第１複屈折部材１１と位相子アレイ２０との間に備えることが好ましい。また、干渉光生成素子１はさらに、第１複屈折部材１１の光の入射側に、透過軸の方向を第１複屈折部材１１の光学軸に対して傾斜させた偏光板３１を備えることが好ましい。干渉光生成素子１は、これらの部品（光学素子）を間隙なく積層して備える。また、干渉光生成素子１は、これらのうちの任意の部品の上面や下面に、誘電体多層膜からなる反射防止膜（ＡＲコート）を備えていてもよく、特に屈折率の差の大きい部品間に設けることが好ましい。反射防止膜により、部品間の界面でのフレネル反射が抑制され、光損失がいっそう低減する。各部品は、それぞれ所定の一様な厚さの平板状であり、平面（光の入射面）視で撮像素子５の撮像面以上の寸法に形成されていることが好ましい。干渉光生成素子１は、全体の厚さ、すなわち光の入射面の法線方向における光の経路長（幾何学的距離）が撮像素子５の撮像面の１辺の長さに対して小さいほど、物体光Ｌ_OBJの最大拡がり角を大きくすることができる。

　ホログラム記録装置１０は、物体ＯＢＪの載置面であるカバー１９上面から撮像素子５の撮像面まで間隙（空気）がないように構成される。また、そのために、干渉光生成素子１の光の入射面は水平であることが好ましい。さらに、前記したように干渉光生成素子１を構成する部品が平板状であるので、撮像素子５は、撮像面を上に向けてかつ水平にして配置される。干渉光生成素子１においては、光が上面から入射して、当該干渉光生成素子１内を下方へ進行するので、本実施形態においては、光の入射側を上と表す。なお、ホログラム記録装置１０は、干渉光生成素子１が拡大光学系であるレンズを備えないので、平面（光の入射面）視で撮像素子５に内包される寸法の物体ＯＢＪを被写体とする。

　（光源）
　物体ＯＢＪからの光（物体光）Ｌ_OBJは、可視光で、ランダムな偏光方向の自然な光（非偏光）であり、さらにコヒーレント光でなくてよい。物体光Ｌ_OBJを発生させるために物体ＯＢＪに光を照射する光源は、白色ＬＥＤ（発光ダイオード）、蛍光灯、ハロゲンランプ、水銀ランプ等の一般的な照明装置、または太陽光を適用することができる。また、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各色のＬＥＤ等の単色光源を組み合わせた光源を適用することにより、色再現性の高い画像を再現できる多重ホログラムが得られる。あるいは、光源は、自家蛍光を含む蛍光体や、自然放出されるラマン散乱光、光源を必要とせずに発光する生物発光を含む自発光体を適用することもできるので、これらを物体ＯＢＪともすることができる。したがって、ホログラム記録装置１０は、蛍光体や自発光体を観察するデジタルホログラフィック顕微鏡に適用することができる。蛍光体を物体ＯＢＪとする場合には、物体ＯＢＪに含まれる発光色の異なる複数の蛍光体を同時に励起する光（励起光）を照射する光源を備える（図４に示す後記変形例参照）。このように、ホログラム記録装置１０は、必要に応じて前記の光源を備える。ホログラム記録装置１０において、光源の配置は特に規定されないが、例えば、一般的な光学顕微鏡において被写体（物体ＯＢＪ）を照射する光源と同様に配置することができる。ここでは一例として、ホログラム記録装置１０は、自発光体を物体ＯＢＪとして、光源を使用しない構成とする。そのために、ホログラム記録装置１０は、外光を遮光する筐体（図示省略）を備える。

　（撮像素子）
　撮像素子５は、入射した光を、二次元配列した画素毎に電気信号に変換して出力する。本実施形態に係るホログラム記録装置１０においては、撮像素子５は、物体ＯＢＪからのＬ_OBJに含まれるＲ，Ｇ，Ｂの各波長帯の光を区別なく撮像するために、これらの光すべてに感度を有する単色（モノクロ）イメージセンサを適用される。このような撮像素子５は、一般的なデジタル顕微鏡に搭載されたイメージセンサを適用することができ、具体的には、可視領域を含む広い分光感度を有するＳｉからなるフォトダイオードを画素に備える相補型金属－酸化物半導体（Complementary Metal-Oxide Semiconductor：ＣＭＯＳ）イメージセンサまたは電荷結合素子（Charge Coupled Device：ＣＣＤ）イメージセンサが挙げられる。あるいは、撮像素子５は、電子増倍管等の市販の光検出器の配列を適用することができる。

　（計算機）
　計算機６は、撮像素子５を駆動制御する制御装置や、撮像素子５が取得したホログラムを記憶する記憶装置を内蔵し、そのために、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ならびに、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、またはフラッシュメモリ等のメモリを備える。このような計算機６は、市販のパーソナルコンピュータ（ＰＣ）等を適用することができる。または、計算機６は、撮像素子５および干渉光生成素子１と一体としたカメラ・モジュールに構成されていてもよい。このような計算機６は、平面視形状が撮像素子５と同程度の回路基板で構成されて、撮像素子５の下に配置されていたり（図３参照）、撮像素子５を構成するＣＭＯＳイメージセンサ等と同じＳｉ基板に形成されていたりする。

　（第１複屈折部材、第２複屈折部材）
　第１複屈折部材１１および第２複屈折部材１２は、それぞれ複屈折材料からなり、これらを合わせて、物体光Ｌ_OBJから２つの光波Ｌ１，Ｌ２を生成するための光学素子である。複屈折材料は、水晶、β－ホウ酸バリウム（ＢａＢ₂Ｏ₄、ＢＢＯ）結晶、α－ＢＢＯ結晶、方解石（カルサイト、ＣａＣＯ₃）、ルチル（ＴｉＯ₂）結晶、イットリウム・バナデート（ＹＶＯ₄）結晶等の結晶、メタマテリアル材料、またはフォトニック結晶等の構造性複屈折性を有する材料が挙げられる。または、液晶を用い、複屈折性を有する屈折率分布型（ＧＲＩＮ）レンズを複屈折部材１１，１２に適用してもよい。第１複屈折部材１１は、光学軸を光の入射面における一方向に配置され、本実施形態では、第１複屈折部材１１の光学軸の方向を９０°方向（図１における紙面垂直方向）と定義する。第１複屈折部材１１により、物体光Ｌ_OBJのうち、入射面に対して傾斜して入射する光は、常光線である０°（図１における左右方向）の直線偏光と異常光線である９０°の直線偏光とがそれぞれの屈折率に応じた角度で屈折して分波され、光波Ｌ１，Ｌ２を生成する。ここでは、第１複屈折部材１１は光学軸が遅相軸であり、したがって、常光線である光波Ｌ１が光波Ｌ２よりも屈折角が大きい。一方、第２複屈折部材１２は、光学軸（遅相軸）を０°方向として配置される。したがって、第２複屈折部材１２は、９０°の直線偏光である光波Ｌ２を常光線として、光波Ｌ１よりも屈折角を大きくして進行させる。

　第１複屈折部材１１および第２複屈折部材１２により、物体光Ｌ_OBJから、曲率半径の互いに異なる球面波である２光波Ｌ１，Ｌ２が生成される。干渉光生成素子１は、光学軸が直交する２層の複屈折部材１１，１２を備えることにより、干渉縞を好適に形成する２光波Ｌ１，Ｌ２を容易に生成することができる。第１複屈折部材１１および第２複屈折部材１２は、これら２層、および偏光感応性を有する位相子アレイ２０にわたる合計の光路長（光学的距離）が、光波Ｌ１と光波Ｌ２とで適切な差となるように構成される。詳しくは、位相子アレイ２０の説明にて後記する。なお、複屈折部材１１，１２は、常光線および異常光線のそれぞれについての屈折率の差が大きい（複屈折性が強い）材料ほど厚さを小さくすることができる。

　（位相子アレイ）
　位相子アレイ２０は、０°または９０°の一方の直線偏光について空間的に分割してＮ通りに位相差を変化させる位相変調素子である（Ｎ≧２）。そのために、位相子アレイ２０は、前記一方の直線偏光について、異なるシフト量で位相をシフトさせるＮ種類の位相子をランダムに二次元配列してなる。このような位相子アレイ２０により、干渉光生成素子１はＮパターンの干渉縞を形成する。干渉縞のパターン数は、物体ＯＢＪの取得しようとする光学情報や画像の再生方法等に基づく必要なホログラム数に応じて設定され、それに基づき位相子アレイ２０が設計される。ここでは簡潔に説明するために、Ｎ＝２として、位相子アレイ２０は、位相子２ａ，２ｂを備え、また、０°の直線偏光について位相をシフトさせる。すなわち、位相子アレイ２０は、光波Ｌ１について、セル（位相子）毎に異なる位相の光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂに変化させる。位相子アレイ２０は、セル２ａ，２ｂがそれぞれ、折り返しのない球面波の位相分布を与えることが好ましい。折り返しのない球面波の位相分布を与えることにより、位相子アレイ２０にレンズの機能を持たせ、不要な次数の光波が発生しないために、回折レンズを用いる場合よりも高い光利用効率を得ることができる。また、位相子アレイ２０は、位相子２ａと位相子２ｂが同数またはそれにより近くなるように配置されることが好ましい。これにより、光波Ｌ１ａと光波Ｌ１ｂは互いに強度が等しい（強度比が１）またはそれにより近くなる。また、位相子アレイ２０は、セル数が撮像素子５の画素数以下であることが好ましく、同数（同じ配列）であることがより好ましい。

　本実施形態においてはさらに、位相子２ａ，２ｂが、それぞれ波長に応じたシフト量で位相をシフトさせる。具体的には、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯毎のシフト量で位相をシフトさせる。このような、偏光感応性と波長依存性とを有する位相子２ａ，２ｂを配列した位相子アレイ２０は、マイクロ波長板を配列したフォトニック結晶や、サブ波長周期構造を有する構造性複屈折媒質を配列した光学素子を適用することができる。あるいは、位相子アレイ２０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等に搭載される透過型の液晶空間光変調器を適用することができ、セル毎に異なる大きさの電圧が印加されることにより、電圧の大きさに応じた位相シフト量の位相子を任意に配列することができる。

　ここで、第１複屈折部材１１の厚さをｄ１、常光線についての屈折率をｎ１₀、異常光線についての屈折率をｎ１_e、第２複屈折部材１２の厚さをｄ２、常光線についての屈折率をｎ２₀、異常光線についての屈折率をｎ２_eと表す。また、位相子アレイ２０（位相子アレイ２０が液晶空間光変調器である場合には、液晶層）の厚さをｄ_PS、常光線についての屈折率をｎ_PS0、異常光線についての屈折率をｎ_PSeと表す。近似的に光の入射面の法線方向の光路長を求めると、光波Ｌ１が（ｎ１₀ｄ１＋ｎ２_eｄ２＋ｎ_PSeｄ_PS）、光波Ｌ２が（ｎ１_eｄ１＋ｎ２₀ｄ２＋ｎ_PS0ｄ_PS）と表される。光波Ｌ１と光波Ｌ２とが、撮像素子５の撮像面において干渉縞を形成可能な間隔となるために、光路長差が適切な範囲となるように、複屈折部材１１，１２の材料および厚さが設計される。具体的には例えば、撮像素子５の少なくとも１画素において干渉縞が形成される光路長差になるように、光波Ｌ１と光波Ｌ２の光路長差を調整する。光路長差の設定には、可干渉距離（コヒーレンス長）の計算式を用いることができ、計算値以内となるように光路長差を調整すれば明瞭な干渉縞を形成させることができる。本実施形態においては、光波Ｌ１の方が光波Ｌ２よりも光路長が長くなるように構成されている。

　（偏光板）
　偏光板３２は、第１複屈折部材１１によって分波された０°の直線偏光と９０°の直線偏光とを同じ偏光成分の直線偏光に変換する。そのために、偏光板３２は、透過軸が第１複屈折部材１１および第２複屈折部材１２の光学軸に対して傾斜するように、すなわち０°，９０°以外の方向に配置される。このような偏光板３２により、光波Ｌ１（Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ）と光波Ｌ２とが干渉可能となる。偏光板３２は、当該偏光板３２を透過した光の０°の偏光成分と９０°の偏光成分とが同じ強度またはそれにより近くなるようにすることが好ましく、したがって、偏光板３２に入射する前の光波Ｌ１と光波Ｌ２とが同じ強度の場合には、透過軸が４５°方向または１３５°方向が好ましい。本実施形態においては、偏光板３２の透過軸は４５°方向とする。干渉縞を形成する２光波の強度比が１またはそれにより近いと、綺麗な干渉縞が形成され、また、取得されたホログラムから画像を再生するための計算が簡潔になる。偏光板３１は、非偏光の物体光Ｌ_OBJについて、第１複屈折部材１１により分波される０°の直線偏光と９０°の直線偏光との強度比を制御するために、必要に応じて設けられる。そのために、偏光板３１は、透過軸が０°，９０°以外の方向に配置され、強度比を１とするために４５°方向または１３５°方向が好ましく、本実施形態においては偏光板３２と同じ４５°方向がさらに好ましい。

　（ホログラム記録方法）
　ホログラム記録装置１０によるホログラム記録方法について、図１および図２を参照して説明する。図１および図２においては、入射面中心から四方に広がって干渉光生成素子１に入射する物体ＯＢＪからの光Ｌ_OBJを示す。また、図面では、光線を太矢印で表し、さらに、直線偏光には偏光方向を表す両矢印を付す。なお、図１および後記変形例等の断面図において、４５°の直線偏光は０°の直線偏光よりも短い両矢印を付して表し、９０°（紙面垂直方向）の直線偏光は両矢印を白丸（○）とその中心の点（・）で表す。また、図２において、複屈折部材１１，１２にそれぞれ光学軸方向を示す白抜き両矢印を付す。

　物体ＯＢＪから発生した物体光Ｌ_OBJは、インコヒーレントかつ非偏光な光であるが、偏光板３１を透過して４５°の直線偏光となる。４５°の直線偏光となった物体光Ｌ_OBJは、第１複屈折部材１１に入射すると、入射面に垂直に入射する光を除いて、常光線である０°の直線偏光の光波Ｌ１と異常光線である９０°の直線偏光の光波Ｌ２とに、強度比１で分波され、互いに異なる屈折角で進行する。第１複屈折部材１１を出射して第２複屈折部材１２に入射すると、光波Ｌ１，Ｌ２は、屈折角の大小が入れ替わって進行する。なお、ここでは、第１複屈折部材１１の常光線（光波Ｌ１）についての屈折率、第２複屈折部材１２の常光線（光波Ｌ２）についての屈折率、およびその他の部材の屈折率について、接続する部材間の互いの違いは無視する。

　位相子アレイ２０を透過した光波Ｌ１，Ｌ２のうち、０°の直線偏光である光波Ｌ１が、位相子アレイ２０のセル（位相子）２ａ，２ｂ毎に異なるシフト量で位相が変化し、位相の異なる光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂに変化する。そして、光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂのそれぞれが球面波を形成する。また、光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂは、位相の変化しなかった光波Ｌ２との位相差も互いに異なる。なお、光波Ｌ１と光波Ｌ２とは、複屈折部材１１，１２および位相子アレイ２０の合計の光路長の差によっても位相差が生じている。さらに、位相子２ａ，２ｂは波長依存性を有するので、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯毎に２つのシフト量で変化した位相の２光波が形成される。その結果、位相子アレイ２０は、光波Ｌ１を、波長帯毎に２つずつ、合計６つの光波に変化させる。位相子アレイ２０を出射した光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂおよび光波Ｌ２は、偏光板３２により共に４５°の直線偏光となる。そして、撮像素子５の撮像面で、同じ波長帯の光波Ｌ１ａと光波Ｌ２、光波Ｌ１ｂと光波Ｌ２でそれぞれ干渉縞を形成し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の２パターン、計６パターンの干渉縞が重なり合う。撮像素子５は、これら６パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。

　（デジタルホログラフィ装置）
　撮像素子５により記録された多重ホログラムから、信号処理によって物体ＯＢＪのマルチカラー三次元画像を再生することができる（非特許文献１～５）。このような信号処理を実行する像再生装置を計算機６に内蔵することにより、デジタルホログラフィ装置を構成することができる。

　（変形例）
　干渉光生成素子１は、干渉縞を形成する適切な２光波Ｌ１，Ｌ２を生成することができるのであれば、第１複屈折部材１１または第２複屈折部材１２のみを備えていてもよい。干渉光生成素子１は、このような構成により、部品点数を減らして光損失をさらに低減することができると共に、小型化することができる。また、干渉光生成素子１は、複屈折部材１１，１２の一方を正結晶として他方を負結晶としたりすることにより、薄型化（小型化）してもよい。干渉光生成素子１が薄型化することにより、物体光Ｌ_OBJの最大拡がり角を大きくすることができる。また、干渉光生成素子１は、位相子アレイ２０を、第１複屈折部材１１の上（偏光板３１との間）、または第１複屈折部材１１と第２複屈折部材１２との間に配置することもできる。ただし、位相子アレイ２０は、撮像素子５との距離がより近いことが好ましい。また、位相子アレイ２０の位相子２ａ，２ｂは、波長依存性のない、例えば広帯域波長板であってもよい。再生する画像がモノクロである等、波長情報を必要としない場合や、撮像素子５が撮像面上にカラーフィルタアレイ４０（図６参照）を備えるカラーイメージセンサである場合に、このような構成とすることができる。また、例えば、近赤外波長域のみの画像を再生する場合も同様である。この場合には、ホログラム記録装置１０は、近赤外光源を備え、また、干渉光生成素子１の各光学素子および撮像素子５は、近赤外波長域に対応したものを選択する。

　（ホログラム記録装置の変形例）
　ホログラム記録装置は、物体ＯＢＪを干渉光生成素子１の光の入射面上に載置せずに、干渉光生成素子１の入射面を物体ＯＢＪから離間して上方や側方から対向させるように配置されていてもよい。図３に示すように、変形例に係るホログラム記録装置１０Ａは、干渉光生成素子１を、その光の入射面を下に向けて、物体ＯＢＪの上方に配置する。ホログラム記録装置１０Ａは、撮像素子５および干渉光生成素子１を備え、さらに、物体ＯＢＪに光Ｌを照射する光源７、干渉光生成素子１の光の入射面を覆う、開口を形成された遮光板１８、不要な波長帯の光を除去するフィルタ４１、および計算機６を備える。ホログラム記録装置１０Ａはさらに、干渉光生成素子１の光の入射側に対物レンズを備えていてもよい。ホログラム記録装置１０Ａは、外部から光Ｌを照射されて物体光Ｌ_OBJを発生させる物体ＯＢＪを被写体とする。また、ホログラム記録装置１０Ａは、例えばスマートフォンに搭載されるカメラであり、スマートフォンの筐体Ｈ内に設けられる。

　（光源）
　前記実施形態で説明したように、光源７は例えば白色ＬＥＤである。また、光Ｌは、光源７からの照明光の他に、太陽光を適用することができ、さらにこれらを併用してもよい。ホログラム記録装置１０Ａにおいて、光源７は、光の出射面を、干渉光生成素子１の光の入射面と同様に下に向けて、干渉光生成素子１に近接して配置される。また、光源７は、計算機６によって、撮像素子５による干渉縞の撮像に同期して点灯させてもよい。

　（フィルタ）
　ホログラム記録装置１０Ａにおいては、光Ｌが、光源７からの照明光だけでなく太陽光等を含むことがあり、物体光Ｌ_OBJと共に干渉光生成素子１に入射する。撮像素子５が赤外線等の可視領域外の光にも感度を有する場合には、太陽光に含まれるこのような光が撮像素子５に入射しないように、可視領域外の光を除去するフィルタ４１を備えることが好ましい。フィルタ４１は、例えば、デジタルカメラ等に使用される赤外線カットフィルタ（ＩＲＣＦ）、干渉性をよくするためのマルチバンドパスフィルタ、または、可視光、近赤外光を問わず特定の波長域の光を測定するために、測定対象外の波長の光を遮光するフィルタである。フィルタ４１は、撮像素子５よりも光の入射側に配置され、図３においては、干渉光生成素子１（偏光板３２）と撮像素子５との間に配置されている。

　（遮光板）
　ホログラム記録装置１０Ａは、物体ＯＢＪから干渉光生成素子１の光の入射面まである程度の距離があり、干渉光生成素子１に入射した物体光Ｌ_OBJが大きく広がり易いので、入射面上（偏光板３１上）に、絞りとして開口を形成された遮光板１８を備えることが好ましい。遮光板１８の開口は、光の入射面の中央に、平面視で円形またはそれに近い多角形で形成される。絞りにより、干渉光生成素子１における物体光Ｌ_OBJおよび物体光Ｌ_OBJから生成される光波Ｌ１，Ｌ２の拡がり角が抑えられ、測定不能な入射角の光を遮光でき、かつ光波Ｌ１，Ｌ２が撮像素子５の撮像面の外側へ到達しないようにすることができる。

　図３に示すように干渉光生成素子１の光の入射面を物体ＯＢＪの上方から対向させるホログラム記録装置１０Ａは、物体ＯＢＪを載置するガラス板等の光を透過するステージを備えて、ステージの下側に光源７を配置してもよい。

　（第１の変形例）
　第１実施形態に係るホログラム記録装置は、干渉光生成素子が特定の直線偏光を空間的に分割して２通り以上に位相差を変化させる位相子アレイを備えて、多重ホログラムを取得する構成であるが、時間的に分割して２通り以上に位相差を変化させることにより、複数のホログラムを取得することもできる。以下、本発明の第１実施形態の第１の変形例に係るホログラム記録装置について、図４を参照して説明する。

　第１実施形態の変形例に係るホログラム記録装置１０Ｂは、撮像素子５、および撮像素子５の光の入射面（撮像面）に装着された干渉光生成素子１Ｂを備える。ホログラム記録装置１０Ｂはさらに、物体ＯＢＪに光Ｌを照射する光源７Ａ、不要な波長帯の光を除去するフィルタ４２、撮像素子５および干渉光生成素子１Ｂの位相変調器２１を駆動制御する計算機６Ａ、および干渉光生成素子１Ｂの光の入射面を覆うカバー１９を備える。ホログラム記録装置１０Ｂは、物体（被写体）ＯＢＪから光（光波）Ｌ_OBJを入射された干渉光生成素子１Ｂが、互いに位相の異なる２つの光波を生成して、これら２つの光波で形成された干渉縞を撮像素子５がホログラムとして記録する。後記するように、干渉光生成素子１Ｂは２光波を互いの位相差を時間毎に切り替えて生成するものであり、その都度、撮像素子５が露光して複数のホログラムを順次記録することができる。

　ホログラム記録装置１０Ｂは、一例として、蛍光体を物体ＯＢＪとする蛍光顕微鏡とする。そのために、ホログラム記録装置１０Ｂは、物体ＯＢＪに含まれる発光色の異なる複数の蛍光体を同時に励起する光（励起光）Ｌを照射する光源７Ａを備える。ここでは、物体光（蛍光）Ｌ_OBJは、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）の光であり、励起光Ｌは紫外（ＵＶ）光である。

　ホログラム記録装置１０Ｂにおいて、干渉光生成素子１Ｂは、撮像素子５の撮像面（光の入射面）に装着されている。第１実施形態の変形例に係る干渉光生成素子１Ｂは、光の入射する側から順に、第１複屈折部材１１と、第１複屈折部材１１の光学軸と平行または直交する方向の偏光成分について時間的に分割して２通り以上に位相差を変化させる位相変調器（位相変調素子）２１と、透過軸の方向を第１複屈折部材１１の光学軸に対して傾斜させた偏光板（偏光子）３２と、を備える。干渉光生成素子１Ｂはさらに、前記実施形態に係る干渉光生成素子１と同様に、光学軸が第１複屈折部材１１の光学軸と直交する第２複屈折部材１２、および偏光板３１を備えることが好ましい。すなわち、干渉光生成素子１Ｂは、干渉光生成素子１（図１参照）に対して位相子アレイ２０を位相変調器２１に置き換えた構成である。

　（フィルタ）
　ホログラム記録装置１０Ｂにおいては、励起光Ｌが、物体ＯＢＪだけでなく干渉光生成素子１Ｂの光の入射面上にも照射される。撮像素子５が励起光Ｌの波長域にも感度を有する場合には、撮像素子５に励起光Ｌが入射しないように、励起光Ｌを除去するフィルタ４２が設けられる。フィルタ４２は、励起光Ｌの波長域（ＵＶ）の光を吸収または反射し、かつ物体光Ｌ_OBJ（蛍光）の波長域（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の光を透過させるバンドパスフィルタであり、蛍光顕微鏡に使用されるダイクロイックミラー等を適用することができる。フィルタ４２は、撮像素子５よりも光の入射側に配置され、干渉光生成素子１Ｂの光の入射面上（偏光板３１上）に配置されることが好ましい。

　（位相変調器）
　位相変調器２１は、０°または９０°の一方の直線偏光について時間的に分割してＮ通りに位相差を変化させる位相変調素子である（Ｎ≧２）。位相変調器２１は、ここでは０°の直線偏光について位相をシフトさせ、さらに電気的手段により、シフト量をＮ通りに高速で切り替える。このような位相変調器２１により、干渉光生成素子１Ｂは形成する干渉縞をＮパターンに切り替える。干渉縞のパターン数は、前記実施形態と同様に、物体ＯＢＪの取得しようとする光学情報や画像の再生方法等によって設定される。本変形例においてはさらに、位相変調器２１は、波長に応じたシフト量で位相をシフトさせる。このような偏光感応性と波長依存性とを有する位相変調器２１は、液晶を２枚の透明電極膜で挟んだ液晶素子を適用することができる。液晶素子は、液晶に印加する電圧の大きさを変化させることにより、透過する光の位相のシフト量を変化させることができる。また、位相変調器２１は、位相のシフト量を高速で切り替えるために、応答速度が高速な液晶素子を適用することが好ましい。また、位相変調器２１は、電圧で位相変調量が制御される波長板、電気光学効果を利用した電気光学（ＥＯ）素子、または磁気光学効果を利用して光の位相を変調する光学素子を適用することもできる。これらの位相変調器２１は、計算機６Ａからの信号により、電圧の大きさを切り替えて印加される。

　計算機６Ａは、位相変調器２１への印加電圧の切替えと同期して撮像素子５を露光させる。そのために、本変形例に係るホログラム記録装置１０Ｂにおいては、撮像素子５は、位相変調器２１と同様に応答速度が高速であることが好ましい。

　（ホログラム記録方法）
　ホログラム記録装置１０Ｂによるホログラム記録方法について、図４を参照して説明する。干渉光生成素子１Ｂの光の入射面上に、励起光Ｌおよび物体光（蛍光）Ｌ_OBJが照射されるが、フィルタ４２によって、物体光Ｌ_OBJのみが干渉光生成素子１Ｂに入射する。そして、図１および図２に示す前記実施形態と同様に、物体光Ｌ_OBJは偏光板３１を透過して４５°の直線偏光となり、第１複屈折部材１１、第２複屈折部材１２を順次透過して、０°の直線偏光の光波Ｌ１と９０°の直線偏光の光波Ｌ２とに分波される。

　第２複屈折部材１２を透過した光波Ｌ１，Ｌ２のうち、０°の直線偏光である光波Ｌ１が、位相変調器２１により所定のシフト量で位相が変化する。さらに、位相変調器２１は波長依存性を有するので、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯毎に異なるシフト量で変化した位相の光波が形成される。その結果、位相変調器２１は、光波Ｌ１を、波長帯毎に１つずつ、合計３つの光波に変化させる。位相変調器２１を出射した光波Ｌ１および光波Ｌ２は、偏光板３２により共に４５°の直線偏光となる。そして、撮像素子５の撮像面で、同じ波長帯の光波Ｌ１と光波Ｌ２で干渉縞を形成し、すなわちＲ，Ｇ，Ｂの各色の、計３パターンの干渉縞が重なり合う。撮像素子５は、これら３パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。さらに、位相変調器２１が、計算機６Ａで印加電圧の大きさを切り替えることにより、光波Ｌ１の位相のシフト量を変化させ、その結果、干渉縞のパターンが変化する。それに合わせて、撮像素子５は再度、各色の干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。このように、位相変調器２１への印加電圧を切り替えながら、形成された干渉縞を撮像素子５が順次撮像することにより、画像の再生に必要な数のホログラムを取得する。

　ホログラム記録装置１０Ｂは、前記実施形態に係るホログラム記録装置１０と同様に、近赤外線等、可視光以外に対応していてもよく、また、前記変形例の遮光板１８（図３参照）を備えていてもよい。また、干渉光生成素子１Ｂは、第１複屈折部材１１または第２複屈折部材１２のみを備えていてもよい。また、干渉光生成素子１Ｂは、位相変調器２１を、第１複屈折部材１１の上（偏光板３１との間）、または第１複屈折部材１１と第２複屈折部材１２との間に配置することもできる。

　本変形例に係るホログラム記録装置１０Ｂは、必要な数のホログラムが多くなるにしたがい、１画像分の撮像時間が長くなって時間分解能が低下する。一方、前記実施形態に係るホログラム記録装置１０は、それぞれの多重ホログラムの画素が離散的なものとなるので、再生された画像の空間分解能が低下する。そこで、ホログラム記録装置１０の干渉光生成素子１が、位相子アレイ２０に透過型の液晶空間光変調器を適用し、この位相子アレイ２０を、前記変形例と同様に計算機６Ａからの信号で駆動することにより、空間的、時間的に分割して多く分割した多重ホログラムを取得することができる。詳しくは、液晶空間光変調器のセル（位相子）毎の位相のシフト量を変化させたり、位相子の配列パターンを変化させたりして、その都度、撮像素子５が撮像する。液晶空間光変調器は、応答速度が高速なものを適用することが好ましい。

　（第２の変形例）
　位相子アレイに適用される液晶空間光変調器は、反射型とすることもできる。反射型の液晶空間光変調器は一般的に、透過型と比較して、セルの微細化が容易で、また高速応答性に優れる。以下、本発明の第１実施形態の第２の変形例に係るホログラム記録装置について、図５を参照して説明する。

　第１実施形態の変形例に係るホログラム記録装置１０Ｃは、撮像素子５、および撮像素子５の光の入射面（撮像面）に装着された干渉光生成素子１Ｃを備える。ホログラム記録装置１０Ｃはさらに、撮像素子５および干渉光生成素子１Ｃの空間光位相変調器２０Ａを駆動制御する計算機６Ｂ、干渉光生成素子１Ｃの光の入射面を覆う、開口を形成された遮光板１８、入射面全体を覆うカバー１９、また必要に応じて、光源７およびフィルタ４１（図３参照）、または光源７Ａおよびフィルタ４２（図４参照）を備える。ホログラム記録装置１０Ｃは、物体（被写体）ＯＢＪから光（光波）Ｌ_OBJを入射された干渉光生成素子１Ｃが、互いに位相の異なる２つの光波を生成して、これら２つの光波で形成された干渉縞を撮像素子５がホログラムとして記録する。後記するように、干渉光生成素子１Ｃは、２組以上の光波を同時に生成すると共に、各組の光波を互いの位相差を切り替えて生成するものであり、その都度、撮像素子５が露光して複数の多重ホログラムを順次記録することができる。

　ホログラム記録装置１０Ｃにおいて、干渉光生成素子１Ｃは、撮像素子５の撮像面（光の入射面）に装着されている。第１実施形態の変形例に係る干渉光生成素子１Ｃは、光の進行方向に沿って、第１複屈折部材１１Ａと、入射した光を反射させて出射すると共に第１複屈折部材１１Ａの光学軸と平行または直交する方向の偏光成分について空間的かつ時間的に分割して合わせて４通り以上に位相差を変化させる空間光位相変調器（位相変調素子）２０Ａと、透過軸の方向を第１複屈折部材１１Ａの光学軸に対して傾斜させた偏光板（偏光子）３２と、を備える。第１複屈折部材１１Ａは、光の入射面に対して傾斜した傾斜面を有し、この傾斜面に空間光位相変調器２０Ａの光の入出射面が接続されている。干渉光生成素子１Ｃはさらに、前記実施形態に係る干渉光生成素子１と同様に、光学軸が第１複屈折部材１１Ａの光学軸と直交する第２複屈折部材１２Ａ、および偏光板３１を備えることが好ましい。

　干渉光生成素子１Ｃは、干渉光生成素子１と同様に光の入射面が水平であるが、出射面が入射面とは非平行で、ここでは鉛直とする。したがって、撮像素子５は、撮像面を鉛直にして配置される。干渉光生成素子１Ｃは、干渉光生成素子１（図１参照）に対して、光を透過させる位相子アレイ２０を反射型の空間光位相変調器２０Ａに置き換え、さらに空間光位相変調器２０Ａを、光の入出射面を斜め上に向けて配置する。それに伴い、第１複屈折部材１１Ａが空間光位相変調器２０Ａの向きに合わせた傾斜面を形成されて、この傾斜面に空間光位相変調器２０Ａの光の入出射面を接続する。そして、空間光位相変調器２０Ａによる反射光の進行方向に合わせて、第２複屈折部材１２Ａおよび偏光板３２を配置した構成である。干渉光生成素子１Ｃにおいては、位相変調素子である空間光位相変調器２０Ａが第１複屈折部材１１Ａに接続されているので、偏光板３２は、第２複屈折部材１２Ａの光の出射面に接続される。

　（空間光位相変調器）
　空間光位相変調器２０Ａは、液晶プロジェクタ等に搭載される反射型の液晶空間光変調器であり、具体的にはＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）－ＳＬＭが挙げられ、応答速度が高速であることが好ましい。空間光位相変調器２０Ａは、セル毎に異なる大きさの電圧が印加されることにより、電圧の大きさに応じた位相シフト量の位相子を任意に配列することができる。空間光位相変調器２０Ａの位相子およびその配列パターンは、干渉光生成素子１の位相子アレイ２０と同様であり、０°または９０°の一方の直線偏光について、異なるシフト量で位相をシフトさせるＮ種類の位相子をランダムに二次元配列してなる（Ｎ≧２）。また、各位相子が波長に応じたシフト量で位相をシフトさせる。ここでは前記実施形態と同様に、Ｎ＝２として、空間光位相変調器２０Ａは、位相子２ａ，２ｂを備え、また、０°の直線偏光について位相をシフトさせる。空間光位相変調器２０Ａはさらに、各セルの印加電圧の大きさを変化させることにより、セル（位相子）毎の位相のシフト量を変化させたり、位相子の配列パターンを変化させたりする。空間光位相変調器２０Ａのこのような駆動は、前記変形例に係る干渉光生成素子１Ｂの位相変調器２１と同様に、計算機６Ｂからの信号によって制御される。

　空間光位相変調器２０Ａは、上方から入射された光（光波Ｌ１，Ｌ２）を側方（図５における右）へ反射させるために、光の入出射面を干渉光生成素子１Ｃの光の入射面に対して傾斜させて配置される。詳しくは、空間光位相変調器２０Ａからの反射光を干渉光生成素子１Ｃの光の入射面の外側に到達させる。空間光位相変調器２０Ａの傾斜角が４５°に近いほど、物体光Ｌ_OBJの最大拡がり角を大きくすることができる。一方、傾斜角が大きいと、側方の光の出射側に拡がる光波Ｌ１，Ｌ２の空間光位相変調器２０Ａへの入射角が大きくなって９０°（入出射面内方向）に近付く。ここでは、空間光位相変調器２０Ａは、干渉光生成素子１の光の入射面に対して４５°に傾斜させて配置される。

　（第１複屈折部材）
　第１複屈折部材１１Ａは、前記実施形態の第１複屈折部材１１と同様に、物体光Ｌ_OBJから２つの光波Ｌ１，Ｌ２を生成するための複屈折材料からなる光学素子である。干渉光生成素子１Ｃにおいては、第１複屈折部材１１Ａは、傾斜して配置された空間光位相変調器２０Ａの光の入出射面に接続されるため、水平な光の入射面に対して傾斜した面を有する。ここでは、空間光位相変調器２０Ａに合わせて４５°に傾斜した面を有する。第１複屈折部材１１Ａにおいては、上方から進行する光波Ｌ１，Ｌ２が、傾斜した下面に接続された空間光位相変調器２０Ａで反射して側方へ進行する。このように、第１複屈折部材１１Ａにおいては光波Ｌ１，Ｌ２が進行方向を変えるため、第１複屈折部材１１Ａは光学軸（ここでは遅相軸となる）の方向を９０°方向（図５における紙面垂直方向）に配置されることが好ましい。ここで、第１複屈折部材１１Ａは、同じ角度で異なる方向に拡がって進行する光が同じ光路長となるように、側方の光の出射面が、入射面に対して空間光位相変調器２０Ａの傾斜角の２倍の角度をなすように形成される。したがって、ここでは４５°の２倍の９０°、すなわち鉛直な側面を光の出射面とする。また、第１複屈折部材１１Ａは、光の入射面の法線方向に入射した光の経路長が、入射面の中心から法線方向に傾斜面に到達するまでの長さと、この傾斜面の到達点から出射面への垂線の長さとの和であり、長いので、干渉光生成素子１Ｃにおける光波Ｌ１，Ｌ２の光路長差を過大としないために、複屈折性が強くない材料を選択することが好ましい。

　（第２複屈折部材）
　第２複屈折部材１２Ａは、前記実施形態の第２複屈折部材１２と同様に、第１複屈折部材１１Ａと合わせて物体光Ｌ_OBJから２つの光波Ｌ１，Ｌ２を生成するための複屈折材料からなる一様な厚さの平板状の光学素子であり、光学軸の方向を第１複屈折部材１１Ａと直交させて配置される。干渉光生成素子１Ｃにおいては、第２複屈折部材１２Ａは、第１複屈折部材１１Ａの光の出射面に接続されるため、接続面である入射面を鉛直にして配置される。したがって、第２複屈折部材１２Ａは、光学軸（遅相軸）の方向を０°方向（図５における上下方向）に配置される。また、前記実施形態と同様に、複屈折部材１１Ａ，１２Ａおよび空間光位相変調器２０Ａの合計の光路長が光波Ｌ１と光波Ｌ２とで、可干渉距離（コヒーレンス長）以内に収まる等の適切な差となるように構成される。その際に、第１複屈折部材１１Ａについては厚さに代えて前記の光の入射面の法線方向に入射した光の経路長に基づき、第１複屈折部材１１Ａの材料、ならびに第２複屈折部材１２Ａの材料および厚さを設計する。干渉光生成素子１Ｃを小型化するために、複屈折性が少なくとも第１複屈折部材１１Ａよりも強い材料を選択して厚さを抑えることが好ましい。

　（遮光板）
　干渉光生成素子１Ｃは、主に第１複屈折部材１１Ａにおける光波Ｌ１，Ｌ２の光路長が長いので、干渉光生成素子１Ｃの光の入射面上（偏光板３１上）に、開口を形成された遮光板１８を備えることが好ましい。遮光板１８の開口は、光の入射面の中央に、平面視で物体ＯＢＪを内包する大きさの円形またはそれに近い多角形で形成される。絞りにより、干渉光生成素子１Ｃにおける物体光Ｌ_OBJおよび物体光Ｌ_OBJから生成される光波Ｌ１，Ｌ２の拡がり角が抑えられ、光波Ｌ１，Ｌ２が撮像素子５の撮像面の外側へ到達しないようにすることができる。

　（ホログラム記録方法）
　ホログラム記録装置１０Ｃによるホログラム記録方法について、図５を参照して説明する。図１および図２に示す前記実施形態と同様に、物体光Ｌ_OBJは偏光板３１を透過して４５°の直線偏光となる。そして、第１複屈折部材１１Ａに入射して、０°の直線偏光の光波Ｌ１と９０°の直線偏光の光波Ｌ２とに分波され、第１複屈折部材１１Ａの傾斜面に接続された空間光位相変調器２０Ａの入出射面においてズレが生じる。空間光位相変調器２０Ａに到達した光波Ｌ１，Ｌ２は、反射して第１複屈折部材１１Ａを側方に進行する。また、空間光位相変調器２０Ａで反射した光波Ｌ１，Ｌ２のうち、０°の直線偏光である光波Ｌ１が、空間光位相変調器２０Ａのセル（位相子）２ａ，２ｂ毎に異なるシフト量で位相が変化し、位相の異なる光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂに変化する。さらに、位相子２ａ，２ｂは波長依存性を有するので、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯毎に２つのシフト量で変化した位相の２光波が形成される。光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂおよび光波Ｌ２は、第１複屈折部材１１Ａの側面から出射して第２複屈折部材１２Ａに入射し、さらに第２複屈折部材１２Ａを出射して偏光板３２に入射する。

　光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂおよび光波Ｌ２は、偏光板３２により共に４５°の直線偏光となる。そして、撮像素子５の撮像面で、同じ波長帯の光波Ｌ１ａと光波Ｌ２、光波Ｌ１ｂと光波Ｌ２でそれぞれ干渉縞を形成し、すなわちＲ，Ｇ，Ｂの各色の２パターン、計６パターンの干渉縞が重なり合う。撮像素子５は、これら６パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。さらに、空間光位相変調器２０Ａが、計算機６Ｂで印加電圧の大きさを切り替えることにより、光波Ｌ１の位相のシフト量を変化させ、その結果、干渉縞のパターンが変化する。それに合わせて、撮像素子５は再度、６パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。このように、空間光位相変調器２０Ａへの印加電圧を切り替えながら、形成された干渉縞を撮像素子５が順次撮像することにより、画像の再生に必要な数のホログラムを取得する。

　本変形例に係るホログラム記録装置１０Ｃは、前記実施形態に係るホログラム記録装置１０と同様に、近赤外線等、可視光以外に対応していてもよい。また、干渉光生成素子１Ｃは、第２複屈折部材１２Ａを第１複屈折部材１１Ａの入射面に接続していてもよいし、または、第２複屈折部材１２Ａを備えず第１複屈折部材１１Ａのみを備えていてもよい。

〔第２実施形態〕
　第１実施形態およびその変形例に係るホログラム記録装置は、干渉光生成素子が特定の直線偏光を時間的、空間的の少なくとも一方に分割して２通り以上に位相差を変化させる位相変調器または位相子アレイを備えて、多重ホログラムを取得する構成であるが、透過軸の方向の異なる偏光子を二次元配列した偏光子アレイに円偏光を透過させて空間的に分割して２通り以上に位相差を変化させることにより、複数のホログラムを取得することもできる。以下、本発明の第２実施形態に係るホログラム記録装置について説明する。

　図６に示すように、第２実施形態に係るホログラム記録装置１０Ｄは、撮像素子５、および撮像素子５の光の入射面（撮像面）上に装着された干渉光生成素子１Ｄを備える。ホログラム記録装置１０Ｄはさらに、撮像素子５の撮像面に接続されたカラーフィルタアレイ４０、撮像素子５を駆動制御する計算機６、入射面を覆うカバー１９、また必要に応じて、光源７または光源７Ａ、フィルタ４１，４２、および遮光板１８（図５参照）を備える。ホログラム記録装置１０Ｄは、物体（被写体）ＯＢＪから光（光波）Ｌ_OBJを入射された干渉光生成素子１Ｄが、互いに位相の異なる２つの光波を生成して、これら２つの光波で形成された干渉縞を撮像素子５がホログラムとして記録する。干渉縞を形成する２光波を１組と表すと、後記するように、干渉光生成素子１Ｄは２組以上の光波を同時に生成するものであり、撮像素子５が１回の露光で多重ホログラムを記録することができる。

　本発明の第２実施形態に係る干渉光生成素子１Ｄは、光の入射する側から順に、第１複屈折部材１１と、第１複屈折部材１１の光学軸に対して遅相軸が４５°または１３５°に傾斜した１／４波長板２２と、透過軸方向の異なる複数の偏光子を二次元配列してなる偏光子アレイ３０と、を備える。干渉光生成素子１Ｄはさらに、光学軸が第１複屈折部材１１の光学軸と直交する第２複屈折部材１２を、第１複屈折部材１１の光の出射面に接続して、すなわち第１複屈折部材１１と１／４波長板２２との間に備えることが好ましい。また、干渉光生成素子１Ｄはさらに、第１複屈折部材１１の光の入射側に、透過軸の方向を第１複屈折部材１１の光学軸に対して傾斜させた偏光板３１を備えることが好ましい。干渉光生成素子１は、これらの部品（光学素子）を間隙なく積層して備える。

　（１／４波長板）
　１／４波長板２２は、第１複屈折部材１１、さらに第２複屈折部材１２によって分波された０°の直線偏光と４５°の直線偏光を、互いに逆回りの円偏光、すなわち右円偏光と左円偏光にする。そのために、１／４波長板２２は、遅相軸を第１複屈折部材１１の光学軸に対して４５°または１３５°に傾斜させて配置される。また、１／４波長板２２は、波長依存性のない広帯域波長板であることが好ましい。なお、１／４波長板２２は、３／４波長板であってもよい。

　（偏光子アレイ）
　偏光子アレイ３０は、透過軸の方向が異なる偏光子を二次元配列してなり、隣り合う偏光子同士で透過軸が直交しないように配列され、透過軸方向の差は３０°～６０°であることが好ましい。そのために、各偏光子の透過軸方向は、２方向である場合には、例えば０°と４５°等、４５°刻みとすることが好ましく、４方向である場合には、０°，４５°，９０°，１３５°とすることが好ましい。図６においては、偏光子アレイ３０は、透過軸の方向がそれぞれ９０°，４５°の偏光子３ａ，３ｂを備える。また、第１実施形態に係る干渉光生成素子１の位相子アレイ２０と同様に、偏光子アレイ３０は、偏光子３ａ，３ｂがそれぞれ、折り返しのない球面波の位相分布を与えることが好ましい。また、偏光子アレイ３０は、偏光子３ａと偏光子３ｂが同数またはそれにより近くなるように配置されることが好ましい。また、偏光子アレイ３０は、セル（偏光子）数が撮像素子５の画素数以下であることが好ましく、同数（同じ配列）であることがより好ましい。

　（カラーフィルタアレイ）
　カラーフィルタアレイ４０は、モノクロイメージセンサである撮像素子５の撮像面上に配置されて、単板式のカラーイメージセンサを構成する。カラーフィルタアレイ４０は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯の１つの光を透過し、かつそれ以外の光を吸収する３色のカラーフィルタをモザイク状に配列してなり、例えばカラーイメージセンサにおいて一般的なベイヤー配列とする。カラーフィルタアレイ４０は、セル（カラーフィルタ）が撮像素子５の画素と同じ配列、または画素の整数倍、例えば画素が２×２に対して１セルであることが好ましい。

　（ホログラム記録方法）
　ホログラム記録装置１０Ｄによるホログラム記録方法について、図６を参照して説明する。図１および図２に示す第１実施形態と同様に、物体光Ｌ_OBJは偏光板３１を透過して４５°の直線偏光となり、第１複屈折部材１１、第２複屈折部材１２を順次透過して、０°の直線偏光の光波Ｌ１と９０°の直線偏光の光波Ｌ２とに強度比１で分波される。

　１／４波長板２２により、光波Ｌ１は右円偏光に、光波Ｌ２は左円偏光になる。これら互いに逆回りの円偏光となった光波Ｌ１，Ｌ２が偏光子アレイ３０を透過すると、透過したセル（偏光子）３ａ，３ｂ毎にその透過軸方向の直線偏光に揃えられた光波Ｌ１ａ，Ｌ１ｂおよび光波Ｌ２ａ，Ｌ２ｂとなる。さらに偏光子３ａ，３ｂの透過軸方向に応じて、０°の偏光成分と９０°の偏光成分、すなわち光波Ｌ１，Ｌ２のそれぞれの位相シフト量が異なり、これに伴い光波Ｌ１ａ，Ｌ２ａ間の位相差と光波Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ間の位相差が異なる。具体的には、透過軸方向が４５°異なる偏光子３ａ，３ｂを透過した光波Ｌ１ａ，Ｌ２ａ間の位相差と光波Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ間の位相差はπ／２異なる。その結果、光波Ｌ１ａと光波Ｌ２ａ、光波Ｌ１ｂと光波Ｌ２ｂは、同じ偏光方向であるのでそれぞれ干渉縞を形成し、さらに、光波Ｌ１ａ，Ｌ２ａ間と光波Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂ間で光波Ｌ１，Ｌ２の位相差が異なる２パターンの干渉縞が撮像素子５の撮像面で形成される。

　光波Ｌ１ａ，Ｌ２および光波Ｌ１ｂ，Ｌ２ｂは、カラーフィルタアレイ４０を透過して、カラーフィルタ毎にＲ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯の光のみが透過して撮像素子５に到達する。撮像素子５は、カラーフィルタアレイ４０の各色のカラーフィルタに対応する画素毎に２パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。

　（変形例）
　ホログラム記録装置１０Ｄは、カラーフィルタアレイ４０と偏光子アレイ３０の配置を入れ替えてもよい。また、ホログラム記録装置１０Ｄは、例えばＲ，Ｇの２色の光を撮像する場合には、カラーフィルタアレイ４０がＲ，Ｇの２色のカラーフィルタを備える。反対に、ホログラム記録装置１０Ｄは、カラーフィルタアレイ４０が４色以上のカラーフィルタを配列して、これら４色以上の光を撮像することもできる。また、ホログラム記録装置１０Ｄは、再生する画像がモノクロである場合には、カラーフィルタアレイ４０が不要である。また、ホログラム記録装置１０Ｄは、カラーフィルタアレイ４０を備えず、撮像素子５を積層型のカラーイメージセンサとしてもよい。このような構成により、空間解像度が向上する。また、ホログラム記録装置１０Ｄは、第１実施形態に係るホログラム記録装置１０と同様に、近赤外線等、可視光以外に対応していてもよい。また、干渉光生成素子１Ｄは、第１複屈折部材１１または第２複屈折部材１２のみを備えていてもよい。また、干渉光生成素子１Ｄは、複屈折部材１１，１２および１／４波長板２２の代わりに、偏光ディレクトフラットレンズのような、非偏光を互いに逆回りの円偏光に分波する幾何学的位相レンズを備えていてもよい（非特許文献４参照）。

〔第３実施形態〕
　第１実施形態および第２実施形態に係るホログラム記録装置は、干渉光生成素子が物体光から干渉縞を形成する２光波を生成するが、物体光と参照光から干渉縞を形成してホログラムを取得することもできる。以下、本発明の第３実施形態に係るホログラム記録装置について説明する。

　図７に示すように、第３実施形態に係るホログラム記録装置１０Ｅは、撮像素子５、および撮像素子５の光の入射面（撮像面）上に装着された干渉光生成素子１Ｅを備える。ホログラム記録装置１０Ｅはさらに、干渉光生成素子１Ｅおよび物体（被写体）ＯＢＪに光Ｌを照射する光源（図示省略）、撮像素子５を駆動制御する計算機６、および入射面を覆うカバー１９を備える。ホログラム記録装置１０Ｅは、干渉光生成素子１Ｅ上（カバー１９上）の、平面（光の入射面）視で撮像素子５の撮像面に内包される領域に、物体ＯＢＪが載置される。ホログラム記録装置１０Ｅは、干渉光生成素子１Ｅが、光Ｌを照射された物体ＯＢＪから光（光波）Ｌ_OBJを入射され、光の入射面の物体光Ｌ_OBJを入射される領域外に入射された光Ｌを参照光として、光Ｌ，Ｌ_OBJから互いに位相の異なる光波を生成して、これら２つの光波で形成された干渉縞を撮像素子５がホログラムとして記録する。干渉縞を形成する２光波を１組と表すと、後記するように、干渉光生成素子１Ｅは２組以上の光波を同時に生成するものであり、撮像素子５が１回の露光で多重ホログラムを記録することができる。ホログラム記録装置１０Ｅは、光を透過する物体ＯＢＪを被写体としてその三次元情報を取得することができ、例えば定量位相顕微鏡に適用することができる。

　本発明の第３実施形態に係る干渉光生成素子１Ｅは、光の入射する側から順に、位相子アレイ（位相変調素子）２０Ｂと、複屈折部材（第１複屈折部材）１３と、平面視において透過軸の方向を複屈折部材１３の光学軸に対して傾斜させた偏光板（偏光子）３２と、を備え、位相子アレイ２０Ｂが、少なくとも複屈折部材１３の光学軸と平行な偏光成分について空間的に分割して２通り以上に位相差を変化させる。また、干渉光生成素子１Ｅは、ホログラム記録装置１０Ｅにおいて、平面視で、位相子アレイ２０Ｂが、撮像素子５とは重複せずに、複屈折部材１３の光学軸方向（図７における左右方向）に並んで配置される。また、偏光板３２は、平面視で少なくとも撮像素子５と同じ領域に配置され、干渉光生成素子１Ｅは、偏光板３２の光の出射面が撮像素子５の撮像面に接続される。干渉光生成素子１Ｅはさらに、平面視で撮像素子５と同じ領域における複屈折部材１３の光の入射側に、透過軸の方向を複屈折部材１３の光学軸と直交させた偏光板３３を備えることが好ましく、複屈折部材１３の光の入射面に位相子アレイ２０Ｂと偏光板３３を隣接して配置する。干渉光生成素子１Ｅにおいて、撮像素子５の直上となる領域を物体光入射領域と称し、この領域に平面視で複屈折部材１３の光学軸方向に隣接した領域を参照光入射領域Ａ_Refと称する。すなわち、干渉光生成素子１Ｅは、位相子アレイ２０Ｂを参照光入射領域Ａ_Refに、偏光板３３を物体光入射領域に、それぞれ限定して備え、また、偏光板３２を少なくとも物体光入射領域に備える。干渉光生成素子１Ｅにおいて、参照光入射領域Ａ_Refは、撮像素子５の撮像面すなわち物体光入射領域と同じ形状かつ寸法であることが好ましい。したがって、干渉光生成素子１Ｅは、平面視で撮像素子５を２つ隣接して並べた形状となる。

　（光源）
　ホログラム記録装置１０Ｅの光源が照射する光Ｌは、第１、第２実施形態と同様に、非偏光であり、コヒーレント光でなくてよく、ただし、干渉光生成素子１Ｅの光の入射面に垂直な（入射角０°の）平行光とする。そのために、光源は、ＬＥＤ等を備えた照明装置およびコリメータ等の光学素子を備え、干渉光生成素子１Ｅの光の入射面全体を内包する光束の平行光を照射する。光Ｌの一部が物体ＯＢＪに入射して、物体ＯＢＪから物体光Ｌ_OBJが干渉光生成素子１Ｅに入射される。また、干渉光生成素子１Ｅの参照光入射領域Ａ_Refに入射した光Ｌから参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂが生成される。

　（複屈折部材）
　複屈折部材１３は、複屈折材料からなる一様な厚さの平板状の光学素子であり、干渉光生成素子１Ｅの光の入射面全体に設けられる。複屈折部材１３は、干渉光生成素子１Ｅの光の入射面の異なる領域から入射した物体光Ｌ_OBJと参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂとを、撮像素子５の撮像面で干渉可能な２光波とするために、これらの光の進行方向を制御する。複屈折材料は、第１実施形態の複屈折部材１１，１２と同様の材料を選択することができる。複屈折部材１３は、光学軸（図７に白抜き両矢印で方向を示す）を一方向に配置され、本実施形態では、光の入射面における複屈折部材１３の光学軸の方向を０°方向（図７における左右方向）と定義する。複屈折部材１３により、９０°（図７における紙面垂直方向）の直線偏光が常光線となるので、物体光Ｌ_OBJを９０°の直線偏光とし、撮像素子５に向けて進行させる。そして、異常光線である０°の直線偏光を参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂとする。さらに、複屈折部材１３は、垂直に入射した光Ｌにおける異常光線を物体光入射領域側へ屈折させるために、光学軸を厚さ方向（光Ｌの入射方向）に傾斜させる。ここでは、複屈折部材１３が正結晶であるとして、光学軸を参照光入射領域Ａ_Ref側から物体光入射領域側へ傾斜させる。

　複屈折部材１３は、参照光入射領域Ａ_Refに入射した異常光線（参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂ）を撮像素子５の撮像面に入射させるように、材料および厚さを設計される。具体的には、複屈折部材１３の厚さは、異常光線の屈折角をφ（０°＜φ＜９０°）と表すと、撮像素子５の０°方向長の（１／ｔａｎφ）倍である。したがって、複屈折部材１３は、異常光線の屈折角φが大きいほど、厚さが小さく設計される。複屈折部材１３の厚さが小さいと、干渉光生成素子１Ｅを小型化（薄型化）することができ、また、物体光Ｌ_OBJの最大拡がり角を大きくすることができる。そのために、複屈折部材１３は、複屈折性の強い材料を選択し、屈折角φが最大となる光学軸方向に配置されることが好ましい。

　（位相子アレイ）
　位相子アレイ２０Ｂは、第１実施形態に係る干渉光生成素子１の位相子アレイ２０と同様の構成であり、複屈折部材１３における異常光線である０°の直線偏光について、異なるシフト量で位相をシフトさせるＮ種類の位相子をランダムに二次元配列してなる（Ｎ≧２）。また、各位相子が波長に応じたシフト量で位相をシフトさせる。ここでは前記実施形態と同様に、Ｎ＝２として、位相子アレイ２０Ｂは、位相子２ａ，２ｂを備える。あるいは、位相子アレイ２０Ｂは、偏光依存性のないホログラフィック光学素子や回折光学素子を位相子とすることもできる。

　（偏光板）
　偏光板３２は、第１実施形態に係る干渉光生成素子１の偏光板３２と同様の構成であり、９０°の直線偏光である物体光Ｌ_OBJと０°の直線偏光である参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂとを、干渉可能とするために同じ偏光成分の直線偏光に変換する。偏光板３３は、物体光Ｌ_OBJを、複屈折部材１３における常光線である９０°の直線偏光とするために、透過軸の方向を９０°とし、複屈折部材１３の光の入射側に必要に応じて設けられる。

　（ホログラム記録方法）
　ホログラム記録装置１０Ｅによるホログラム記録方法について、図７を参照して説明する。平行光である光Ｌが干渉光生成素子１Ｅに垂直に照射されると、その一部が物体ＯＢＪに照射されて、物体ＯＢＪから物体光Ｌ_OBJが干渉光生成素子１Ｅに入射する。物体光Ｌ_OBJは、光Ｌと同様にインコヒーレントかつ非偏光な光であるが、偏光板３３を透過して９０°の直線偏光となる。９０°の直線偏光となった物体光Ｌ_OBJは、複屈折部材１３に入射すると、常光線であるので、複屈折部材１３の光学軸方向に影響されずに進行し、偏光板３２に到達する。一方、参照光入射領域Ａ_Refに入射した光Ｌは、位相子アレイ２０Ｂに入射して、０°の偏光成分が、セル（位相子）２ａ，２ｂ毎に異なるシフト量で位相が変化し、位相の異なる光波（参照光）Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂに変化する。そして、参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂのそれぞれが球面波を形成する。さらに、位相子２ａ，２ｂは波長依存性を有するので、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯毎に２つのシフト量で変化した位相の２光波が形成される。位相子アレイ２０Ｂによって０°の偏光成分が参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂに変化した光Ｌが、複屈折部材１３に入射すると、９０°の偏光成分は常光線として直進して透過し、０°の偏光成分すなわち参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂは異常光線として光学軸方向に近付くように屈折し、偏光板３２に到達する。

　物体光Ｌ_OBJおよび参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂは、偏光板３２により共に４５°の直線偏光となる。そして、撮像素子５の撮像面で、同じ波長帯の物体光Ｌ_OBJと参照光Ｌ_Refａ、物体光Ｌ_OBJと参照光Ｌ_Refｂでそれぞれ干渉縞を形成し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の２パターン、計６パターンの干渉縞が重なり合う。撮像素子５は、これら６パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。

　（変形例）
　ホログラム記録装置１０Ｅは、干渉光生成素子１Ｅの光の入射面の物体光入射領域（偏光板３３上）に、第１実施形態の変形例の遮光板１８（図５参照）を備えていてもよい。また、干渉光生成素子１Ｅは、物体光Ｌ_OBJと参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂとの光路長差を調整するために、複屈折部材１３が２以上の複屈折材料を積層して備えてもよい。それぞれの複屈折材料は、常光線、異常光線の少なくとも一方についての屈折率が異なる、または、光学軸の厚さ方向の傾斜角が異なる。また、干渉光生成素子１Ｅは、偏光板３３を備えなくてもよく、この場合、物体光Ｌ_OBJの０°の偏光成分が撮像素子５に入射しないように、複屈折部材１３が屈折させるように構成される。また、干渉光生成素子１Ｅは、第１実施形態の変形例に係る干渉光生成素子１Ｂ（図４参照）のように、位相子アレイ２０Ｂの代わりに位相変調器２１を備えて、時間的に分割して２通り以上に位相差を変化させてもよい。さらに、干渉光生成素子１Ｅは、第１実施形態の変形例と同様に、位相子アレイ２０Ｂに透過型の液晶空間光変調器を適用して電気的手段により駆動することにより、空間的、時間的に分割して多く分割した多重ホログラムを取得することができる。このような液晶空間光変調器等の位相子アレイや位相変調器は、第１実施形態の変形例と同様に反射型とすることもできる。以下、本発明の第３実施形態の変形例に係るホログラム記録装置について、図８を参照して説明する。

　第３実施形態の変形例に係るホログラム記録装置１０Ｆは、撮像素子５、および撮像素子５の光の入射面（撮像面）上に装着された干渉光生成素子１Ｆを備える。ホログラム記録装置１０Ｆはさらに、干渉光生成素子１Ｆおよび物体（被写体）ＯＢＪに光Ｌを照射する光源（図示省略）、撮像素子５および干渉光生成素子１Ｆの空間光位相変調器２０Ａを駆動制御する計算機６Ｂ、および入射面を覆うカバー１９を備える。光源は、前記実施形態と同様の構成である。ホログラム記録装置１０Ｆは、前記実施形態に係るホログラム記録装置１０Ｅと同様に、干渉光生成素子１Ｆ上（カバー１９上）の、平面（光の入射面）視で撮像素子５の撮像面に内包される領域に、物体ＯＢＪが載置される。ホログラム記録装置１０Ｆは、干渉光生成素子１Ｆが、光Ｌを照射された物体ＯＢＪから光（光波）Ｌ_OBJを入射され、光の入射面の物体光Ｌ_OBJを入射される領域外に入射された光Ｌを参照光として、光Ｌ，Ｌ_OBJから互いに位相の異なる光波を生成して、これら２つの光波で形成された干渉縞を撮像素子５がホログラムとして記録する。後記するように、干渉光生成素子１Ｆは、２組以上の光波を同時に生成すると共に、各組の光波を互いの位相差を切り替えて生成するものであり、その都度、撮像素子５が露光して複数の多重ホログラムを順次記録することができる。

　第３実施形態の変形例に係る干渉光生成素子１Ｆは、光の進行方向に沿って、複屈折部材（第１複屈折部材）１３Ａと、入射した光を反射させて出射すると共に少なくとも複屈折部材１３Ａの光学軸と平行な偏光成分について空間的かつ時間的に分割して合わせて４通り以上に位相差を変化させる空間光位相変調器（位相変調素子）２０Ａと、平面視において透過軸の方向を複屈折部材１３Ａの光学軸に対して傾斜させた偏光板（偏光子）３２と、を備える。また、干渉光生成素子１Ｆは、前記実施形態に係る干渉光生成素子１Ｅと同様に、ホログラム記録装置１０Ｆにおいて撮像素子５の直上となる領域（物体光入射領域）と、この領域に、平面視で複屈折部材１３Ａの光学軸方向に隣接した参照光入射領域Ａ_Refとを有する。そして、空間光位相変調器２０Ａは、光の入出射面が、複屈折部材１３Ａの参照光入射領域Ａ_Ref側の側面に接続されている。また、干渉光生成素子１Ｆは、偏光板３２を少なくとも物体光入射領域に備える。干渉光生成素子１Ｆはさらに、複屈折部材１３Ａの光の入射面に、透過軸の方向を複屈折部材１３Ａの光学軸と直交させた偏光板３３を物体光入射領域に、透過軸の方向を複屈折部材１３Ａの光学軸方向とした偏光板３４を参照光入射領域Ａ_Refに、それぞれ限定して備えることが好ましい。干渉光生成素子１Ｆにおいて、参照光入射領域Ａ_Refは、平面視で、複屈折部材１３Ａの光学軸と直交する方向の長さが物体光入射領域と同じ（撮像素子５と同じ）であることが好ましい。参照光入射領域Ａ_Refは一方、複屈折部材１３Ａの光学軸方向の長さが、後記するように、空間光位相変調器２０Ａの配置等に応じて設計される。

　（複屈折部材）
　複屈折部材１３Ａは、複屈折材料からなる一様な厚さの平板状の光学素子であり、干渉光生成素子１Ｆの光の入射面全体に設けられる。複屈折部材１３Ａは、前記実施形態に係る干渉光生成素子１Ｅの複屈折部材１３と同様に、干渉光生成素子１Ｆの光の入射面の異なる領域から入射した物体光Ｌ_OBJと光Ｌ_Ref（参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂ）とを撮像素子５の撮像面で干渉可能な２光波とするために、これらの光の進行方向を制御する。複屈折部材１３Ａは、光学軸（図８に白抜き両矢印で方向を示す）を一方向に配置され、本変形例では、光の入射面における複屈折部材１３Ａの光学軸の方向を０°方向（図８における左右方向）と定義する。複屈折部材１３Ａにより、９０°（図８における紙面垂直方向）の直線偏光が常光線となるので、物体光Ｌ_OBJを９０°の直線偏光とし、撮像素子５に向けて進行させる。そして、異常光線である０°の直線偏光を参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂとする。

　本変形例においてはさらに、複屈折部材１３Ａは、参照光入射領域Ａ_Refに入射した光Ｌにおける異常光線（光Ｌ_Ref）を空間光位相変調器２０Ａに入射させ、反射した参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂを撮像素子５に入射するように物体光入射領域側に傾斜させて斜め下へ進行させる。そのために、複屈折部材１３Ａは、参照光入射領域Ａ_Ref側の側面に、空間光位相変調器２０Ａの光の入出射面を接続する。複屈折部材１３Ａの、この空間光位相変調器２０Ａとの接続面とする側面は、光の入射面（水平面）とは非平行な面、すなわち鉛直面または傾斜面であり、光Ｌ_Refおよび参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂの進行方向に基づき設計される。具体的には、複屈折部材１３Ａの異常光線の屈折角をφ（０°＜φ＜９０°）、空間光位相変調器２０Ａで反射した異常光線の透過角（偏光板３２への入射角）をα（０°＜α＜９０°）と表すと、光の入射面に対する空間光位相変調器２０Ａとの接続面の傾斜角は（９０°＋φ／２－α／２）となる。図８においては、α＞φであり、この場合、複屈折部材１３Ａの参照光入射領域Ａ_Ref側の側面は、外面を斜め下に向けた傾斜面となる。そして、複屈折部材１３Ａは、垂直に入射した光Ｌにおける異常光線を空間光位相変調器２０Ａに向けて屈折させるために、光学軸を厚さ方向（光Ｌの入射方向）に傾斜させる。さらに、複屈折部材１３Ａは、当該複屈折部材１３Ａにおける光Ｌ_Ref（Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂ）の光路長を揃えるために、異常光線の空間光位相変調器２０Ａへの入射角と反射角が等しくなる（正反射する）ように、光学軸の方向を設定する。ここでは、複屈折部材１３Ａが正結晶であるとして、光学軸を物体光入射領域側から参照光入射領域Ａ_Ref側へ傾斜させる。

　また、複屈折部材１３Ａは、撮像素子５の撮像面全体に参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂが入射するように、参照光入射領域Ａ_Refの０°方向長を設計する。α＞φと設定することが好ましく、この場合、参照光入射領域Ａ_Refの０°方向長が物体光入射領域よりも短くてよく、さらに透過角αを大きく設定するほど短くすることができる。また、複屈折部材１３Ａは、透過角αを大きく設定するほど、厚さを小さくすることができる。

　（空間光位相変調器）
　空間光位相変調器２０Ａは、第１実施形態の変形例で説明した構成とすることができ、本変形例においては、複屈折部材１３Ａにおける異常光線である０°の直線偏光について位相をシフトさせる。また、本変形例においては、前記したように、空間光位相変調器２０Ａは、光の入出射面が、複屈折部材１３Ａの参照光入射領域Ａ_Ref側の側面に接続され、鉛直または傾斜させて配置される。なお、図８に示すように、空間光位相変調器２０Ａは、複屈折部材１３Ａの参照光入射領域Ａ_Ref側の側面全体に設けられなくてよい。撮像素子５に参照光入射領域Ａ_Ref側から入射する光がすべて空間光位相変調器２０Ａから出射するように、空間光位相変調器２０Ａは、光の入出射面の傾斜角、複屈折部材１３Ａの異常光線の出射角、および撮像素子５の０°方向長に基づいて設計されることが好ましい。

　（偏光板）
　偏光板３２および偏光板３３はそれぞれ、前記実施形態に係る干渉光生成素子１Ｅの偏光板３２および偏光板３３と同様の構成である。偏光板３４は、参照光入射領域Ａ_Refに入射した光Ｌのうち、参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂ以外の光、すなわち複屈折部材１３Ａにおける常光線である９０°の直線偏光が撮像素子５に入射しないようにするために、透過軸の方向を０°とし、複屈折部材１３Ａの光の入射側に必要に応じて設けられる。

　（ホログラム記録方法）
　ホログラム記録装置１０Ｆによるホログラム記録方法について、図８を参照して説明する。平行光である光Ｌが干渉光生成素子１Ｆに垂直に照射されると、図７に示す前記実施形態と同様に、その一部が物体ＯＢＪに照射されて、物体ＯＢＪから物体光Ｌ_OBJが干渉光生成素子１Ｆに入射し、偏光板３３を透過して９０°の直線偏光となる。９０°の直線偏光となった物体光Ｌ_OBJは、複屈折部材１３Ａに入射すると、常光線であるので、複屈折部材１３Ａの光学軸方向に影響されずに進行し、偏光板３２に到達する。一方、参照光入射領域Ａ_Refに入射した光Ｌは、偏光板３４を透過して０°の直線偏光の光Ｌ_Refとなる。光Ｌ_Refは、複屈折部材１３Ａに入射すると、異常光線であるので、光学軸方向に近付くように屈折して空間光位相変調器２０Ａに入射して反射する。空間光位相変調器２０Ａで反射した光Ｌ_Refは、セル（位相子）２ａ，２ｂ毎に異なるシフト量で位相が変化し、位相の異なる光波（参照光）Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂに変化する。そして、参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂのそれぞれが球面波を形成する。さらに、位相子２ａ，２ｂは波長依存性を有するので、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の波長帯毎に２つのシフト量で変化した位相の２光波が形成される。空間光位相変調器２０Ａから出射した参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂは、複屈折部材１３Ａを物体光入射領域に傾斜して下方へ進行し、偏光板３２に到達する。

　物体光Ｌ_OBJおよび参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂは、偏光板３２により共に４５°の直線偏光となる。そして、前記実施形態と同様に、撮像素子５の撮像面で、同じ波長帯の物体光Ｌ_OBJと参照光Ｌ_Refａ、物体光Ｌ_OBJと参照光Ｌ_Refｂでそれぞれ干渉縞を形成し、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の２パターン、計６パターンの干渉縞が重なり合う。撮像素子５は、これら６パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。さらに、空間光位相変調器２０Ａが、計算機６Ｂで印加電圧の大きさを切り替えることにより、参照光Ｌ_Refａ，Ｌ_Refｂの位相のシフト量を変化させ、その結果、干渉縞のパターンが変化する。それに合わせて、撮像素子５は再度、６パターンの干渉縞をまとめて撮像し、多重ホログラムとして記録する。

　ホログラム記録装置１０Ｆは、前記実施形態に係るホログラム記録装置１０Ｅと同様に、干渉光生成素子１Ｆの光の入射面の物体光入射領域（偏光板３３上）に、第１実施形態の変形例の遮光板１８（図５参照）を備えていてもよい。また、干渉光生成素子１Ｆは、複屈折部材１３Ａが前記実施形態の複屈折部材１３と同様に、２以上の複屈折材料を積層して備えてもよい。ただし、空間光位相変調器２０Ａは１つの複屈折材料の側面に接続される。また、干渉光生成素子１Ｆは、偏光板３３を備えなくてもよい。さらに、干渉光生成素子１Ｆは、偏光板３４を備えない構成としてもよい。この場合、参照光入射領域Ａ_Refに入射したすべての光Ｌにおける９０°の直線偏光が、複屈折部材１３Ａから撮像素子５の撮像面外へ出射するように構成される。また、干渉光生成素子１Ｆは、空間光位相変調器２０Ａの代わりに位相変調器２１を備えてもよく、この場合、位相変調器２１は、液晶素子の電極膜の一方を金属電極として、反射型とする。

　以上、本発明に係る干渉光生成素子およびホログラム記録装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

　１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ，１０Ｆ　ホログラム記録装置
　１，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ，１Ｆ　干渉光生成素子
　１１，１１Ａ　第１複屈折部材
　１２，１２Ａ　第２複屈折部材
　１３，１３Ａ　複屈折部材（第１複屈折部材）
　１８　　遮光板
　２０，２０Ｂ　位相子アレイ（位相変調素子）
　２０Ａ　空間光位相変調器（位相変調素子）
　２１　　位相変調器（位相変調素子）
　２２　　１／４波長板
　２ａ，２ｂ　位相子
　３０　　偏光子アレイ
　３１　　偏光板
　３２　　偏光板（偏光子）
　３３　　偏光板
　３４　　偏光板
　３ａ，３ｂ　偏光子
　４０　　カラーフィルタアレイ
　４１，４２　フィルタ
　５　　　撮像素子
　６，６Ａ，６Ｂ　計算機
　７，７Ａ　光源

Claims

　第１複屈折部材と、
　前記第１複屈折部材の光学軸に平行または直交する方向の偏光成分について、時間的および空間的の少なくとも一方に分割して２通り以上に位相差を変化させる位相変調素子と、
　透過軸の方向を前記第１複屈折部材の光学軸に対して傾斜させた偏光子と、を光の進行方向に沿って間隙なく配置して備え、
　前記偏光子は、前記第１複屈折部材および前記位相変調素子よりも光の出射側に配置され、
　光の出射面が撮像素子の光の入射面に装着されていることを特徴とする干渉光生成素子。
　前記位相変調素子は、波長依存性を有することを特徴とする請求項１に記載の干渉光生成素子。
　光の入射する側から順に、第１複屈折部材と、
　透過軸方向の異なる複数の偏光子を二次元配列してなる偏光子アレイと、を間隙なく配置して備え、
　光の出射面が撮像素子の光の入射面に装着されていることを特徴とする干渉光生成素子。
　前記位相変調素子は、入射した光を反射させて出射し、
　前記第１複屈折部材の光の入射面および出射面に非平行な面に、前記位相変調素子の光の入出射面が接続されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の干渉光生成素子。
　光学軸が前記第１複屈折部材の光学軸と直交する第２複屈折部材を備え、
　前記第２複屈折部材は、前記第１複屈折部材の光の出射面に接続し、または前記第１複屈折部材よりも光の入射側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の干渉光生成素子。
　撮像素子と、前記撮像素子の光の入射面に装着された請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載された干渉光生成素子と、を備え、前記干渉光生成素子が入射された光波から互いに位相の異なる２つの光波を生成して、前記２つの光波で形成された干渉縞を前記撮像素子がホログラムとして記録するホログラム記録装置。