(57)【要約】【課題】  高品質のホログラムデータの取得が可能であって且つ実用的なデジタルホログラフィ装置を提供する。【解決手段】  光源ユニット１内の半導体レーザー光源１１から出射されたレーザー光は、ファイバカプラである分割素子１２で物体光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割され、偏波保持ファイバである物体光ファイバ６１、参照光ファイバ６２により伝送されて干渉ヘッドユニット２に入力される。物体光Ｌ１は干渉ヘッドユニット２内で偏光ビームスプリッタ２４に反射して対象物Ｓに照射され、反射した物体光Ｌ１は、参照光Ｌ２と重ね合わされて干渉し、撮像素子２５に入射する。参照光Ｌ１の光路長は、光源ユニット１内の光路長調整器３で調整され、参照光の光束は光源ユニット１内の光束調整器４で調整される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体レーザである光源と、光源からの光を物体を経て撮像素子に入射させる光である物体光と物体を経ないで撮像素子に入射させる光である参照光とに分割する分割素子とを有する光源ユニットと、
撮像素子と、合波素子とを有する干渉ヘッドユニットと
を備えており、
光源ユニットは、物体光出力ポートと、参照光出力ポートとを有しており、
干渉ヘッドユニットは、物体光入力ポートと、参照光入力ポートとを有しており、
物体光出力ポートと物体光入力ポートとは、シングルモードファイバで接続されており、参照光出力ポートと参照光入力ポートとは別のシングルモードファイバで接続されており、
合波素子は、物体光入力ポートから入力されて物体に照射されて物体に反射又は物体を透過した物体光と、参照光入力ポートから入力された参照光とを重ね合わせて撮像素子に入射させる位置に配置されており、
光源ユニットは、参照光出力ポートの手前の光路上又は物体光出力ポートの手前の光路上に光路長調整器を有していることを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項２】
前記シングルモードファイバ及び前記別のシングルモードファイバは、偏波保持ファイバであることを特徴とする請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項３】
前記分割素子は、ファイバカプラであることを特徴とする請求項１又は２記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項４】
前記干渉ヘッドユニットは、参照反射面を形成するものとしてのミラーを有していないことを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項５】
前記光源ユニットは、前記参照光出力ポートの手前側の光路上、前記物体光出力ポートの手前側の光路上、又はその双方に光量調整器を有していることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この出願の発明は、デジタルホログラフィの技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィは、物体形状を反映した情報を三次元的に記録し、三次元的に再生する技術であり、二次元的な記録・再生では不可能な多くの視覚情報が得られる。このため、多岐に亘る応用が期待されている。中でも、ホログラムの再生をコンピュータにより行うデジタルホログラフィは、ハードウェアの高速化、記憶装置の大容量化、撮像素子の高解像度化といった要素技術の飛躍的進歩を背景として、実用化に向けた研究が盛んに行われており、ホログラフィ技術をさらに発展させると予想されている。
デジタルホログラフィの場合、現像処理が不要でその場で再生像が得られるのに加え、ホログラムデータの保存、解析、伝送、複製等が極めて容易である。これら利点を活かし、研究開発以外にも各種計測や微細構造の観察等、様々な用途での実用化が期待されている。
【０００３】
デジタルホログラフィは、干渉光学技術の一種であり、干渉光の元になる光を出力する光源が必須である。質の良いホログラム（デジタルホログラフィの場合にはある種のデータなので、以下、ホログラムデータという。）を得るためには高い可干渉性を有する光源（コヒーレント光源）が必要で、このためレーザ光源が使用されている。特に、光学系の配置や調整を容易にする観点から、可干渉距離の長い光源が好ましいとされており、Ｈｅ−Ｎｅレーザのような可干渉距離の長いレーザ光源が使用されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００４−５００６０１号公報
【特許文献２】特開２００９−４２２６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、発明者の研究によると、可干渉距離の長い光源の場合、光学系中の光学素子において多重反射した光による干渉が生じ、この干渉光によるノイズの問題が深刻化することが判明した。以下、この点について説明する。
図７は、デジタルホログラフィにおける干渉計の一例を示した概略図である。図７において、不図示のレーザ光源からの光は不図示の分割素子で物体光Ｌ１と参照光Ｌ２とに分割される。物体光Ｌ１は対象物Ｓを経由して撮像素子９０１に入射する光であり、参照光Ｌ２は対象物Ｓを経由しないで撮像素子９０１に入射する光である。対象物Ｓに照射されて対象物Ｓに反射（又は対象物Ｓを透過）した物体光Ｌ１は、合波素子９０２により参照光Ｌ２と重ね合わせられ、互いに干渉して撮像素子９０１に入射する。撮像素子９０１の撮像結果はホログラムデータであり、このデータに対して所定の再生演算処理を行うことで、ホログラムが再生される。
【０００６】
図８は、デジタルホログラフィにおける多重反射ノイズの問題を確認した実験結果を示す図である。図８に示す実験では、光源として可干渉距離の短いレーザ光源と、可干渉距離の長いレーザ光源とを使用し、同じ対象物を観察して比較した。図８（１）は可干渉距離の短いレーザ光源を使用した場合の結果を示し、図８（２）は可干渉距離の長いレーザ光源を使用した場合の結果を示す。
【０００７】
可干渉距離の長いレーザ光源にはＨｅ−Ｎｅレーザが使用され、可干渉距離は３ｍであった。また、可干渉距離の短いレーザ光源には半導体レーザが使用され、可干渉距離は４００μｍであった。
図８（２）に示すように、可干渉距離の長いレーザ光源を使用した場合、再生画像には波打つようなノイズが含まれる。一方、図８（１）に示すように、可干渉距離が短いレーザ光源を使用した場合、このようなノイズは確認されない。このノイズが多重反射によるノイズであり、発明者による分析の結果、このケースでは、撮像素子９０１のカバーガラス９０４における多重反射が原因であった。
【０００８】
撮像素子９０１は、通常、汚損防止のために前面にカバーガラス９０４を備えている。このカバーガラス９０４で、光は多重反射し得る。対象物Ｓから出た物体光Ｌ１が撮像素子９０１に入射する際、カバーガラス９０４をそのまま透過して撮像素子９０１に達するものと、カバーガラス９０４に多重反射（内部反射）して撮像素子９０１に達するものとがある。可干渉距離が長い場合、これらの光は干渉して撮像素子９０１に達し、この分がノイズとしてホログラムデータに含まれてしまう。
【０００９】
このような多重反射によるノイズは、他の光学素子によっても生じ得る。例えば、対物レンズ９０３をそのまま透過して撮像素子９０１に達する物体光Ｌ１と、対物レンズ９０３内で多重反射して撮像素子９０１に達する物体光Ｌ１とが干渉してノイズになり得る。このように、可干渉距離の長いレーザ源は、可干渉距離が長いことがかえって別の問題を招く結果となっている。
【００１０】
発明者は、このような状況を考慮し、可干渉距離の短いレーザ源を敢えて使用しつつも光学系の調整等の作業が面倒にならないようにし、高品質のホログラムデータの取得が可能であって且つ実用的なデジタルホログラフィ装置を提供することを意図した。したがって、本願発明は、高品質のホログラムデータの取得が可能であって且つ実用的なデジタルホログラフィ装置を提供することを解決課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するため、この出願のデジタルホログラフィ装置は、光源ユニットと干渉ヘッドユニットとを備えている。光源ユニットは、半導体レーザである光源と、光源からの光を物体を経て撮像素子に入射させる光である物体光と物体を経ないで撮像素子に入射せる光である参照光とに分割する分割素子とを有する。干渉ヘッドユニットは、撮像素子と、合波素子とを有する。光源ユニットは、物体光出力ポートと、参照光出力ポートとを有しており、干渉ヘッドユニットは、物体光入力ポートと、参照光入力ポートとを有している。物体光出力ポートと物体光入力ポートとは、シングルモードファイバで接続されており、参照光出力ポートと参照光入力ポートとは別のシングルモードファイバで接続されている。合波素子は、物体光入力ポートから入力されて物体に照射されて物体に反射又は物体を透過した物体光と参照光入力ポートから入力された参照光とを重ね合わせて撮像素子に入射させる位置に配置されている。光源ユニットは、参照光出力ポートの手前の光路上又は物体光出力ポートの手前の光路上に光路長調整器を有している。
また、この出願のデジタルホログラフィ装置は、前記シングルモードファイバ及び前記別のシングルモードファイバが偏波保持ファイバであるという構成を持ち得る。
また、この出願のデジタルホログラフィ装置は、前記分割素子がファイバカプラであるという構成を持ち得る。
また、この出願のデジタルホログラフィ装置は、前記干渉ヘッドユニットが参照反射面を形成するものとしてのミラーを有していないという構成を持ち得る。
また、この出願のデジタルホログラフィ装置は、前記光源ユニットが、前記参照光出力ポートの手前側の光路上、前記物体光出力ポートの手前側の光路上、又はその双方に光量調整器を有しているという構成を持ち得る。
【発明の効果】
【００１２】
以下に説明する通り、この出願のデジタルホログラフィ装置によれば、可干渉距離の短い半導体レーザ光源を敢えて使用しているので、多重反射ノイズが生じにくく、高品質のホログラムデータを容易に得ることができる。このため、高品質なホログラムの再生やホログラムデータに基づいた精度の高い計測が容易に行える。
また、光源ユニットと干渉ヘッドユニットという二つの分離したユニットを備えており、両者がシングルモードファイバで接続されているので、装置の融通性が向上し、種々の用途に使用可能となる。
さらに、光路長調整器が光源ユニットに設けられているので、光路長調整器において発生し得る振動や熱がホログラムデータの取得に影響を与えることがなく、品質の良いホログラムデータを安定して取得することができる。また、光路長調整器のメンテナンスも容易である。
また、各シングルモードファイバが偏波保持ファイバであると、ファイバを曲げても偏波状態が保持されるので、取り扱いが容易である。
また、干渉ヘッドユニットが参照反射面を形成するものとしてのミラーを有していない構成であると、波面の歪みが生じにくく、より精度の高いホログラムデータの取得が可能となる。
また、光量調整器が設けられていると、物体光と参照光を最適なバランスで対象物に照射することができ、この点で品質の良いホログラムデータの取得ができる。この際、光量調整器が光源ユニットに設けられていると、光量調整器において発生し得る振動や熱がホログラムデータの取得に影響を与えることがなく、品質の良いホログラムデータを安定して取得することができる。また、光量調整器のメンテナンスも容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第一の実施形態のデジタルホログラフィ装置の概略図である。
【図２】光路長調整器の概略図である。
【図３】偏波保持ファイバにおける偏波保持と干渉ヘッドユニット内の偏光ビームスプリッタとの関係について示した斜視概略図である。
【図４】第二の実施形態のデジタルホログラフィ装置の主要部の概略図である。
【図５】第三の実施形態のデジタルホログラフィ装置の主要部の概略図である。
【図６】光路長調整器の他の例を示した概略図である。
【図７】デジタルホログラフィにおける干渉計の一例を示した概略図である。
【図８】デジタルホログラフィにおける多重反射ノイズの問題を確認した実験結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、この出願の発明を実施するための形態（実施形態）について説明する。
図１は、第一の実施形態のデジタルホログラフィ装置の概略図である。図１に示すデジタルホログラフィ装置は、主要なユニットとして、光源ユニット１と、干渉ヘッドユニット２とを備えている。光源ユニット１は、干渉ヘッドユニット２に対して参照光と物体光とを提供するユニットである。干渉ヘッドユニット２は、提供された物体光を対象物Ｓに照射し、対象物Ｓからの物体光（回折光）を参照光と干渉させて撮像素子２５に入射させ、ホログラムデータを取得するユニットである。
【００１５】
まず、光源ユニット１について説明すると、この実施形態では、光源として半導体レーザ光源１１が使用されている。これは、上述したように、可干渉距離の短い光源を敢えて使用し、多重反射ノイズを防止するためである。
半導体レーザの可干渉距離は一般的に狭く、４００μｍ程度である。したがって、この実施形態では、前述した多重反射ノイズが生じることはない。より具体的な例を示すと、ＡｌＧａＩｎＰベースの赤色半導体レーザを半導体レーザ光源１１として使用することができる。
【００１６】
図１に示すように、光源ユニット１は、半導体レーザ光源１１からの光を物体光と参照光とに分割する分割素子１２を有している。分割素子１２としては、この実施形態では、ファイバカプラが使用されている。ファイバカプラは、二分岐の溶融型ファイバカプラである。説明の都合上、二分岐しているファイバカプラの出射端のうち、物体光用の出射端１２１を第一のカプラ出射端とし、参照光用の出射端１２２を第二のカプラ出射端という。尚、この実施形態では、分割素子１２は、偏波保持機能を有するファイバカプラである。
【００１７】
光源ユニット１は、物体光出力ポート１３と、参照光出力ポート１４とを有している。図１に示すように、光源ユニット１は、各部を収容した筐体（以下、第一の筐体という。）１５を備えている。物体光出力ポート１３及び参照光出力ポート１４は、第一の筐体１５に取り付けられている。
【００１８】
図１に示すように、光源ユニット１は、光路長調整器３と、光量調整器４とを有している。光路長調整器３は、物体光、参照光いずれかの光路長（撮像素子２５までの光路長）を調整し、両者が十分に干渉するようにするものである。また、光量調整器４は、物体光、参照光又はその両方について光量を調整し、両者のバランスを取るためのものである。この実施形態では、光路長調整器３、光量調整器４とも参照光について設けられており、分割素子１２と参照光出力ポート１４の間の光路上に設けられている。但しこれは一例であり、物体光の光路に設けられていても良く、双方の光路上に設けられていても良い。
【００１９】
図２は、光路長調整器３の概略図である。光路長調整器３としては、迂回光路の長さを調整する構成のものが採用されている。第二のカプラ出射端１２２は、光路長調整器３に対して精度良く保持される。第二のカプラ出射端１２２からの光軸が延びる方向を基準方向という。また、以下の説明では、角度は時計回りを正とする。
光路長調整器３は、第二のカプラ出射端１２２からの光軸を＋９０度曲げる第一の固定ミラー３１と、第一の固定ミラー３１で曲げられた光軸を−９０度曲げて基準方向に沿った方向とする第一の可動ミラー３２と、第一の可動ミラー３２が曲げた光軸をさらに−９０度曲げる第二の可動ミラー３３と、第二の可動ミラー３３が曲げた光軸をさらに＋９０度曲げて基準方向に沿った方向とする第二の固定ミラー３４とを含んでいる。
【００２０】
また、光路長調整器３は、第一の可動ミラー３２及び第二の可動ミラー３３を一体に保持したフレーム３５と、基準方向に対して直角の方向にフレーム３５を移動させる移動機構３６とを有している。移動機構３６は、不図示のモータやリニアガイドを含んでいる。光路長調整器３は、第一第二の固定ミラー３１，３４に対する第一第二の可動ミラー３２，３３の離間距離を移動機構により調整することで光路長を調整する。
【００２１】
光量調整器４としては、この実施形態では、可変減衰器が使用されている。図１に示すように、光量調整器４は、参照光のビーム径を拡大させる第一のビームエキスパンダー４１と、拡大させたビーム径を縮小させる第二のビームエキスパンダー４２と、第一のビームエキスパンダー４１と第二のビームエキスパンダー４２の間に配置された遮蔽板４３と、遮蔽板４３を駆動する駆動機構４４とを含んでいる。
【００２２】
遮蔽板４３は、第一のビームエキスパンダー４１により拡大した参照光のビームの一部を遮蔽し、光量を減少させる位置に配置される。遮蔽板４３は、駆動機構４４により光軸に対して垂直な方向に変位可能とされているものである。遮蔽板４３により一部の光量が遮蔽される結果、第二のビームエキスパンダー４２から出射する参照光の光量は減少する。遮蔽板４３の位置を調整することで、参照光の光量が任意の量に調整される。
尚、実施形態のデジタルホログラフィ装置は、各部を制御する制御ユニット５を備えている。制御ユニット５は、光路長調整器３や光量調整器４を制御可能である。
【００２３】
一方、分割素子１２のうちの第一のカプラ出射端１２１は、中継ファイバ１６によって物体光出力ポート１３に接続されている。この実施形態では、中継ファイバ１６にはシングルモードファイバが使用されており、シングルモードファイバの中でも特に偏波保持ファイバが使用されている。中継ファイバ１６とシングルモードファイバとは、コネクタによって連結されている。
尚、光路長調整器３と光量調整器４とは、偏波保持ファイバ（符号省略）で接続されている。また、光量調整器４と参照光出力ポート１４については、空間的に光軸を合わせることで結合させている。但し、同様に偏波保持ファイバで両者を接続しても良い。
【００２４】
次に、干渉ヘッドユニット２について説明する。
図１に示すように、干渉ヘッドユニット２は、物体光入力ポート２１と、参照光入力ポート２２とを有している。干渉ヘッドユニット２は、各部を収容した筐体（以下、第二の筐体という。）２３を備えており、物体光入力ポート２１と参照光入力ポート２２は第二の筐体２３に取り付けられている。
第二の筐体２３は、直方体状のボックス状である。第二の筐体２３内には、合波素子として偏光ビームスプリッタ２４が設けられている。図１に示すように、偏光ビームスプリッタ２４は、第二の筐体２３内で左右方向の中央の位置に配置されている。偏光ビームスプリッタ２４は、不図示の台座によって第二の筐体２３に固定されている。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ２４の上方には、撮像素子２５が配置されている。撮像素子２５としては、例えばＣＣＤイメージセンサが使用される。撮像素子２５も、不図示の固定具により第二の筐体２３に固定されている。尚、撮像素子２５の入射面は下に向いており、筐体２３の上板部及び底板部と平行（従って水平）である。
【００２６】
図１に示すように、物体光入力ポート２１と参照光入力ポート２２は、高さ方向の同じ位置に設けられている。この実施形態では、物体光入力ポート２１は図１において右側に位置し、参照光入力ポート２３は左側に位置する。偏光ビームスプリッタ２４のビーム分割面は、第二の筐体２３の上板部及び底板部に対して４５度（従って水平に対して４５度）である。
【００２７】
このような光源ユニット１及び干渉ヘッドユニット２は、シングルモードファイバ６１，６２で接続されている。即ち、物体光出力ポート１３と物体光入力ポート２１とがシングルモードファイバ（以下、物体光ファイバという。）６１で接続され、参照光出力ポート１４と参照光入力ポート２２とが別のシングルモードファイバ（以下、参照光伝送ファイバという。）６２で接続されている。この実施形態では、物体光ファイバ６１も参照光ファイバ６２も、特に偏波保持ファイバが使用されている。偏波保持ファイバとしては、ＰＡＮＤＡ(Polarization-maintaining AND Absorption-reducing)ファイバ、ｂｏｗ−ｔｉｅファイバ等が使用できる。
【００２８】
物体光ファイバ６１と参照光ファイバ６２は、偏光ビームスプリッタ２４に対して最適な姿勢で各ポート２１，２２に装着されている。以下、この点について説明する。一例として、偏光ビームスプリッタ２４は、ｐｐ偏光を透過し、ｓｓ偏光を反射させる特性のものであるとする。
図３は、偏波保持ファイバにおける偏波保持と干渉ヘッドユニット２内の偏光ビームスプリッタ２４との関係について示した斜視概略図である。
【００２９】
周知のように、半導体レーザには偏光特性があり、特定の方向（通常はへき開面の方向）に直線偏光した光が出射される。この実施形態で用いた半導体レーザ光源１１も、特定の方向に直線偏光した光を出射する。以下、この直線偏光の方向をＸ方向とする。図３に示すように、この例ではレーザは水平方向に出射され、Ｘ方向は出射方向に垂直な水平方向である。この実施形態では、分割素子１２は、偏波保持機能を有するファイバカプラであるため、分割後もこの偏光状態が保持される。
【００３０】
この場合、各偏波保持ファイバ（中継ファイバ１６，物体光ファイバ６１、参照光ファイバ６２）も、偏波保持する方向を合わせた状態で半導体レーザ光源１１に対して配置される。例えば、ＰＡＮＤＡファイバが参照光ファイバ６２として使用されている場合、そのＸ方向（応力付与部が並ぶ方向）を半導体レーザのＸ方向に一致させた状態とする。この状態となるよう、各偏波保持ファイバ６１，６２の入射端の姿勢が保持される。
【００３１】
そして、干渉ヘッドユニット２内の偏光ビームスプリッタ２４は、ｓ偏光反射であるため、各偏波保持ファイバ６１，６２の出射端をこの方向に適合する姿勢とする。即ち、入射端と同様、ＰＡＮＤＡファイバである各偏波保持ファイバ６１，６２のＸ方向が水平方向になるようにする。この結果、各偏波保持ファイバ６１，６２からは水平方向に向いた直線偏光光が出射される。この光は、偏光ビームスプリッタ２４にとってはｓ偏光になるので、ビーム分割面で反射することになる。
尚、半導体レーザ光源１１が直線偏光光を出射しないものである場合、半導体レーザ光源１１と分割素子１２との間に偏光板を設けて直線偏光光を取り出すようにする。
【００３２】
各ポート１３，１４，２１，２２は、上記関係が達成されるよう、各偏波保持ファイバ６１，６２の端部の所定の姿勢で保持する構造を有する。この種の構造を有するポートは、偏波保持ファイバアダプタとして市販されているものを転用することができる。例えば、ソーラボジャパン株式会社から販売されている偏波保持ファイバアダプタＡＤＡＦＣＰＭ２等が使用可能である。この種の偏波保持ファイバアダプタは、各ポート１３，１４，２１，２２の他、偏波保持ファイバ同士の接続にも勿論使用することができる。
【００３３】
次に、干渉ヘッドユニット２の他の構成について説明する。
図１に示すように、偏光ビームスプリッタ２４の下方には、対物レンズ２７が設けられている。第二の筐体２３の底板部には、対象物Ｓの観察用の開口が設けられている。対物レンズ２７は、この開口に取り付けられている。また、対物レンズ２７の下方には、λ／４波長板２６が設けられている。したがって、対物レンズ２７は、λ／４波長板２６を通して対象物Ｓを見込む状態となっている。対物レンズ２７は不図示のレボルバを備えており、レボルバは、制御ユニット５からの信号により制御可能である。
【００３４】
偏光ビームスプリッタ２４とその上方の撮像素子２５の間には、偏光板２８が配置されている。この偏光板２８は、物体光Ｌ１の偏光状態と参照光Ｌ２の偏光状態を最終的に合わせるためのものである。
【００３５】
図１に示すように、実施形態のデジタルホログラフィ装置は、演算ユニット７を備えている。この実施形態では、演算ユニット７として汎用ＰＣを用いている。汎用ＰＣの記憶部（ハードディスク）７１には、撮像素子２５から出力されるホログラムデータを保存するプログラム、ホログラムデータに対して再生計算を行ってディスプレイ７２に再生像を表示するプログラム、ホログラムデータに対して所定の計算を行って対象物の形状に関して計測結果を得るプログラム等を含むホログラフィソフトウェア７３がインストールされている。各プログラムは、プロセッサ７４によって実行される。
【００３６】
演算ユニット７は、制御ユニット５に対して制御信号を出力可能であり、ホログラフィソフトウェア７３にはこのための制御プログラムが含まれている。各プログラムは、演算ユニット７が有する入力部７５からの指令により実行可能である。
【００３７】
次に、実施形態のデジタルホログラフィ装置の動作について説明する。
図３に示すように、半導体レーザ光源１１からは、特定の方向に直線偏光したレーザ光が出射され、この光は分割素子１２としてのファイバカプラにより物体光Ｌ１と参照光Ｌ２に分割される。この際、ファイバカプラは偏波保持機能を有するので、物体光Ｌ１及び参照光Ｌ２は当該方向の直線偏光状態を保持する。
【００３８】
物体光Ｌ１は、中継ファイバ１６を通って物体光出力ポート１３に達し、物体光ファイバ６１で伝送される。参照光Ｌ２は、光路長調整器３及び光量調整器４を経由して参照光出力ポート１４に達し、参照光ファイバ６２で伝送される。この際、光路長調整器３により、物体光Ｌ１の光路長に対して参照光Ｌ２の光路長が調整され、両者の差異が半導体レーザ光源１１の可干渉距離の範囲内とされる。また、光量調整器４により参照光Ｌ２の光量が調整され、物体光Ｌ１の光量に対して最適な量とされる。
【００３９】
中継ファイバ１６や物体光ファイバ６１は偏波保持ファイバであるので、物体光Ｌ１は前記方向の直線偏光が保持された状態で伝送され、物体光入力ポート２１から第二の筐体２３内に入力される。また、参照光ファイバ６２も偏波保持ファイバであるので、前記方向の直線偏光が保持された状態で第二の筐体２３内に入力される。
物体光ファイバ６１の出射端は、当該直線偏光の方向が偏光ビームスプリッタ２４におけるｓ偏光となる姿勢で保持されているので、入力された物体光Ｌ１は、図１に示すように偏光ビームスプリッタ２４の分割面で反射し、下方に向かう。そして、対物レンズ２７を経てλ／４波長板２６を透過することにより円偏光となり、この状態で対象物Ｓに照射される。
【００４０】
対象物Ｓで反射した物体光Ｌ１は、再びλ／４波長板２６を透過するが、この際に直線偏光光となる。この直線偏光の方向は、最初にλ／４波長板２６を透過する前とは９０度異なったものになる。このため、対象物Ｓに反射した物体光Ｌ１が偏光ビームスプリッタ２４に達すると、この光はｐ偏光であり、偏光ビームスプリッタ２４を透過して撮像素子２５に向かう。
【００４１】
一方、参照光ポートから入力された参照光Ｌ２は、ｓ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ２４の分割面に反射し、撮像素子２５に向かう。物体光Ｌ１と参照光Ｌ２とは、偏光板２８を透過する際に偏光方向が揃えられる。上記説明から解る通り、物体光Ｌ１と参照光Ｌ２とは、９０度異なる方向の直線偏光光であるが、偏光板２８は、両者の中間（４５度ずつ異なる）の角度の直線偏光光を透過させる姿勢で配置されている。したがって、物体光Ｌ１に含まれるこの角度の直線偏光光と、参照光Ｌ２に含まれるこの角度の直線偏光光とが偏光板２８を透過する。
【００４２】
偏光板２８を透過した物体光Ｌ１及び参照光Ｌ２は、撮像素子２５に達する。この際、両者は重ね合わされて干渉しており、撮像素子２５の各画素で光電変換がされて得られたデータは、ホログラムデータとなる。
ホログラムデータは演算ユニット７に出力され、演算ユニット７において適宜の処理がされる。即ち、そのまま記憶部７１に記憶されたり、再生計算が施されて再生像がディスプレイ７２に表示されたりする。尚、ホログラムデータの再生は、回折積分の公式を適用して行うので、物体光Ｌ１や参照光Ｌ２は、厳密には回折光として取り扱われる。
【００４３】
尚、異なる対象物Ｓを観察する場合や、同じ対象物でも倍率を変えて観察する場合、レボルバを操作して対物レンズ２７を変更する。この際、対物レンズ２７の厚みも変わる場合が多く、光路長を再度調整する必要がある。実施形態の装置では、演算ユニット７から制御ユニット５に信号が送られ、制御ユニット５がレボルバを駆動した場合、自動的に光路長調整器３が動作する構成となっている。即ち、制御ユニット５には、対物レンズ２７の種類（厚み）に応じて光路長の調整値を設定（記憶）した設定部を有しており、対物レンズ２７が変更された場合、制御ユニット５が自動的に光路長調整器３に制御信号を送り、光路長を調整させる。
【００４４】
上記のような動作に係る実施形態のデジタルホログラフィ装置によれば、可干渉距離の短い半導体レーザ光源１１を敢えて使用しているので、多重反射ノイズが生じにくく、高品質のホログラムデータを容易に得ることができる。このため、高品質なホログラムの再生やホログラムデータに基づいた精度の高い計測が容易に行える。
一方、可干渉距離が短いことを補うため、実施形態のように光路長調整器３を設けると、装置が大型化したり複雑化したりする問題に加え、光路長調整器３が放出する振動や熱による問題が顕在化し易い。実施形態のデジタルホログラフィ装置は、この問題を効果的に解決している。以下、この点について説明する。
【００４５】
まず、装置の基本的な構造として、光源ユニット１と干渉ヘッドユニット２という二つの分離したユニットを備えており、両者がシングルモードファイバ６１，６２で接続されている点には、装置の融通性（フレキシビリティ）を向上させ、種々の用途に使用可能とする意義がある。即ち、デジタルホログラフィ装置は、対象物にコヒーレント光を照射し、そこからの回折光と参照光との干渉光を撮像素子２５に入射させてホログラムデータを得る装置であるため、干渉光光学系は、対象物に接近した位置に配置する必要がある。この場合、光源ユニット１と干渉ヘッドユニット２に分かれておらず、全体として一つのユニットであると、装置の配置スペースの大きさや配置スペースの形状との関係で、配置不能の場合があり得る。実施形態のデジタルホログラフィ装置は、光源ユニット１と干渉ヘッドユニット２とに分かれており、干渉ヘッドユニット２は対象物に近い位置に配置する必要はあるものの、光源ユニット１は対象物から離れた任意の位置に配置し得る。このため、融通性が向上し、種々の用途に使用できるようになる。
【００４６】
一例を示すと、実施形態のデジタルホログラフィ装置は、製造ラインにおいて製品の検査工程で使用され得る。製造された製品の三次元形状の検査のためにホログラムデータを取得して再生し、標準となる三次元形状と比較して良否を判定することがあり得る。このような用途の場合、既存の製造ラインに組み込まれることになるため、設置スペースが限られている場合が多い。この場合、干渉ヘッドユニット２のみをその限られた設置スペースに設置し、そこから物体光ファイバ６１及び参照光ファイバ６２を延ばし、離れた場所に光源ユニット１を配置することができる。
【００４７】
また、光源ユニット１と干渉ヘッドユニット２という二つのユニットに分けて両者をシングルモードファイバ６１，２でつなぐという基本構造は、光路長調整器３を光源ユニット１内に配置することで、光路長調整器３が発生する振動や熱がホログラムデータの取得に影響しないようにすることができるという意義をもたらす。光路長調整器３は、前述したようにモータを含む移動機構３５を有しているため、振動や熱が発生し得る。この場合、光路長調整器３が干渉光学系に近い場所に存在していると、振動によるずれ（位置のずれ、姿勢のずれ）が干渉光学系中の素子に生じ、この結果、干渉性が低下してしまう。また、モータが発生する熱は、空気の揺らぎを生じ、屈折率の変化によって干渉性の低下を招く。実施形態のように、分離された光源ユニット１内に光路長調整器３を配置しておくと、このような問題は全く発生せず、品質の良いホログラムデータを安定して取得することができる。
【００４８】
また、光路長調整器３や光量調整器４といった可動部分が光源ユニット１内に配置されている点は、装置のメンテナンス性の観点でも好適なものとなっている。即ち、このような可動部分は、非可動部分に比べてメンテナンス頻度が高い場合が多い。装置が光源ユニット１と干渉ヘッドユニット２に分かれていないと、この種の可動部分は装置内部の奥の方に配置される場合が多いので、メンテナンスの際に装置の分解（光学素子の取り外し等）が必要になる場合が多い。このため、メンテナンス作業が非常に煩雑となる。
光源ユニット１と干渉ヘッドユニット２に分かれた構造を採用する場合、可動部分を干渉ヘッドユニット２に配置することも考えられる。しかしながら、干渉ヘッドユニット２が、上述したような狭い設置スペースに配置されている場合、周囲の装置の分解、又は干渉ヘッドユニット２の取り出し等が必要になる場合がある。このため、やはりメンテナンス作業が非常に煩雑となる。可動部分が光源ユニット１内に配置されていると、このような問題はなく、メンテナンス作業は容易で短時間に終了する。
【００４９】
尚、実施形態における干渉ヘッドユニット２は、合波素子としての偏光ビームスプリッタ２４に対して、一方の側から物体光Ｌ１を入力し、他方の側から参照光Ｌ２を入力する構造としている。この構造は、波面の歪みが生じ易い光学素子の使用を出来るだけ少なくし、これにより高精度のホログラムデータの取得を可能にするという意義を有する。
【００５０】
干渉ヘッドユニット２において、偏光ビームスプリッタ２４に対して同じ側から物体光と参照光とが入力される構造とすることも可能である。例えば、物体光をｐ偏光として入力させ、いったん偏光ビームスプリッタ２４を透過させてから折り返しミラーで戻す構造が考えられる。折り返しミラーと偏光ビームスプリッタ２４との間には、λ／４波長板が配置される。折り返された物体光はｓ偏光となるので、偏光ビームスプリッタ２４に反射して対象物に向かうことになる。このような構造でも実施可能であるが、折り返しミラーの反射面が僅かでもうねりのような非平坦性を有していると、波面の歪みが生じ易く、ホログラムデータの精度低下につながり易い。実施形態では、このような波面の歪みを生じ得る光学素子を最少化しているので、より精度の高いホログラムデータの取得が可能となっている。
【００５１】
同様の意味で、干渉ヘッドユニット２は、いわゆる参照反射面を有しない構成であることが望ましい。参照反射面は、マイケルソン干渉計のように、対象物に対応する位置にミラーを置いて参照光を折り返す面のことである。このような参照反射面も、僅かな非平坦性等により波面の歪みを生じ易く、デジタルホログラフィ装置では好ましくない。実施形態の装置は、このような参照反射面を有しない構成となっている。
【００５２】
尚、光源ユニット１と干渉ヘッドユニット２とをシングルモードファイバ６１，６２で接続している構成は、波面歪みが発生したとしてもホログラムデータの品質に影響がでないようにする意義を有している。この実施形態では、光源ユニット１内の光路長調整器３等においてミラーを使用しているので、波面歪みが発生し得る。しかしながら、シングルモードファイバ６１，６２はコア径の小さいファイバであり、そこに光を集光して通すと、スペイシャルフィルタを使用したのと同様の効果が得られ、波面歪みをキャンセルすることができる。このため、光源ユニット１内のいずれかの素子で波面歪みが発生したとしても、各入力ポート２１，２２から干渉ヘッドユニット２に入力される物体光Ｌ１、参照光Ｌ２では波面歪みは解消しており、干渉性が低下したりホログラムデータの品質が低下したりする問題は生じない。
【００５３】
次に、第二の実施形態のデジタルホログラフィ装置について説明する。図４は、第二の実施形態のデジタルホログラフィ装置の主要部の概略図である。
第二の実施形態の装置は、いわゆるオフアクシスの構成となっている。即ち、０次光による像と共役像とが重なるのを防止するため、参照光Ｌ２を物体光Ｌ１に対して角度を付けて撮像素子２５に入射させる構成となっている。
【００５４】
具体的には、図４に示すように、この実施形態の干渉ヘッドユニット２において、参照光が斜めの角度で偏光ビームスプリッタ２４に入射する姿勢で参照光入力ポート２２が取り付けられている。偏光ビームスプリッタ２４の分割面は水平に対して４５度であるが、参照光入力ポート２２からの光軸は、水平に対してオフアクシス角αが付与されている。オフアクシス角αは、数度程度（例えば５°）の小さい角度である。
【００５５】
この実施形態においても、参照光ファイバ６２は、入力される参照光が偏光ビームスプリッタ２４のｓ偏光となる姿勢で参照光入力ポート２２に装着されている。このため、入力される参照光Ｌ２は、偏光ビームスプリッタ２４の分割面で反射し、撮像素子２５に入射する。この際、物体光Ｌ１に対してオフアクシス角αを持って入射するため、０次光による像と共役像の重なりが防止される。このため、ホログラムデータを再生した際、鮮明な像が得られることになる。
第二の実施形態では、参照光入力ポート２２がオフアクシス角αの角度で第二の筐体２３に取り付けられているので、参照光ファイバ６２をそこに装着するだけで、オフアクシス角αでの参照光の入射が実現できる。このため、調整が不要であり、簡便である。
【００５６】
次に、第三の実施形態のデジタルホログラフィ装置について説明する。図５は、第三の実施形態のデジタルホログラフィ装置の主要部の概略図である。
上記二つの実施形態は、撮像素子２５に入射する物体光Ｌ１は反射光（反射回折光）であったが、第三の実施形態では、物体光Ｌ１は透過光（透過回折光）となっている。即ち、図５に示すように、透過用物体光入力ポート２１０が、対象物Ｓを挟んで、偏光ビームスプリッタ２４や撮像素子２５が設けられた側とは反対側に配置されている。尚、対象物Ｓは透明な受け板又は観察部のみ開口した受け板（符号省略）の上に保持される。
【００５７】
透過用物体光入力ポート２１０の取り付け構造については幾つか考えられるが、この実施形態では、第二の筐体２３とは別にベース２９が設けられており、そこに透過用物体光入力ポート２１０が取り付けられている。ベース２９と第二の筐体２３とは、支柱２９１で連結されている。ベース２９は、透過用物体光入力ポート２１０の軸と、偏光ビームスプリッタ２４の光軸とが一致するように精度良く支柱２９１に対して取り付けられている。このため、透過用物体光入力ポート２１０に物体光ファイバ６１が装着されると、物体光ファイバ６１からの光軸は、偏光ビームスプリッタ２４の光軸と一致し、物体光Ｌ１が参照光Ｌ２と十分に干渉する状態となる。
【００５８】
尚、この実施形態では、物体光Ｌ１はλ／４波長板２６と偏光ビームスプリッタ２４を透過する必要があるので、物体光ファイバ６１の出射端と対象物Ｓの間には、透過用λ／４波長板２９１が設けられている。この実施形態でも、物体光入力ファイバ６１は、物体光Ｌ１が偏光ビームスプリッタ２４にとってｓ偏光となる姿勢で装着されているが、物体光Ｌ１は、透過用λ／４波長板２９１を透過する際に円偏光となる。その後、対象物ＷＳを透過してλ／４波長板２６を透過する際にｐ偏光となる。このため、偏光ビームスプリッタ２４を透過して撮像素子２５に達する。そして、同様に参照光Ｌ２と干渉してホログラムデータが取得される。
この実施形態では、透過光である物体光Ｌ１と参照光Ｌ２との干渉により対象物Ｓのホログラムデータが取得されるので、透過光による観察が適した対象物Ｓに好適に利用される。例えば、透過率の高い生体試料の観察や、透過率の高い製品の検査等に好適に利用される。
【００５９】
尚、上記説明から解るように、第二の実施形態の構造は、第二の筐体２３及びその内部の部材を反射と透過で共用するものとなっている。即ち、図６において、透過用物体光入力ポート２１０に物体光ファイバ６１を装着すれば透過光によるホログラムデータの取得が可能となるし、物体光入力ポート２１に装着すれば反射光によるホログラムデータの取得が可能となる。但し、物体光入力ポート２１は設けずに透過によるホログラムデータの取得のみとする場合もある。
【００６０】
次に、光路長調整器３の他の例について説明する。図６は、光路長調整器３の他の例を示した概略図である。
図６に示す光路長調整器３は、オプティカルディレイラインと呼ばれる光学ユニットとなっている。この例の光路長調整器３は、一定の屈折率を有する光透過性の材料で形成された階段状部材３７と、階段状部材を変位させて光路長を調整する変位機構３８を有している。
【００６１】
図６に示すように、階段状部材３７は、階段面を有している。階段面は、方形の同じ大きさの平坦な光学面（以下、階段セグメント）３７１を連ねて形成されている。各階段セグメント３７１は光軸Ａの方向に対して垂直であり、各階段セグメント３７１の配列方向も光軸Ａに垂直である。
階段面とは反対側の面は、段差のない平坦な面となっており、従って、各階段セグメント３７１は、光軸方向の厚みが少しずつ異なっている。各階段セグメント３７１は、参照光Ｌ２のビーム径よりも大きい。
【００６２】
変位機構３８は、各階段セグメント３７１の配列方向に階段状部材３７を移動させ、いずれかの階段セグメント３７１の中央が光軸Ａ上にするようにする機構である。光軸Ａ上に位置する階段セグメント３７１が変更されると、参照光Ｌ２が階段状部材３７を透過する際の光学的長さが変わるので、光路長が変更される。図１の制御ユニット５から変位機構３８に制御信号が送られ、階段セグメント３７１を変更することで光路長の調整がされる。
【００６３】
上記各実施形態では、物体光ファイバ６１及び参照光ファイバ６２は偏波保持ファイバであったが、少なくともシングルモードファイバであれば、発明は実施可能である。偏波保持ファイバではない場合、ファイバを曲げると偏波クロストークや偏波分散が生じ易いので、直線状に安定した状態で配置するようにする。逆に言うと、偏波保持ファイバの場合、そのような配慮が不要で、取り扱いが容易であるというメリットがある。
また、分割素子１２としては、ファイバカプラの他、ビームスプリッタが使用されることもある。プレーナ導波路型のものが、分割素子１２として使用されることもある。但し、ファイバカプラは、後段の光学素子（例えば中継ファイバ１６）との軸合わせが容易で、この点で好ましい。
【００６４】
尚、説明は省略したが、ファイバ１６，６１，６２に光を入射させる場合は、コア径が小さいため、集光レンズを適宜使用して集光させてから入射させる。この場合、ファイバ１６１，２から出射する光は広がっているので、平行なビームに戻すレンズが適宜使用される。
また、上記各実施形態では、参照光の光路上に光路長調整器３を設けたが、物体光の光路上に設け、物体光の光路長を調整することで参照光の光路長に対して差異が可干渉距離の範囲になるようにしてもよい。
【００６５】
光量調整器４については、物体光は参照光に比べて微弱になり易いので、参照光の光路上に設ける場合が多いが、物体光の光路上に設ける場合もあり得る。例えば透過性の高い対象物を透過光で対象物のホログラムデータを取得する場合、物体光（透過光）が強くなり過ぎる場合があり得る。この場合には、物体光の光路上に設けた光量調整器４で物体光の量を減らし、参照光とのバランスを取る。反射光でホログラムデータを取得する場合も、対象物の表面が高反射面で物体光が強くなる場合には物体光の量を減らす場合もあり得る。物体光、参照光の双方について光量調整器４を設ける場合もあり得る。いずれにしても、これら光量調整器４を光源ユニット１内に設けることで、振動や熱が干渉計に影響を与えることがなくなり、またメンテナンス性も向上する。
【符号の説明】
【００６６】
１  光源ユニット
１１  半導体レーザ光源
１２  分割素子
１３  物体光出力ポート
１４  参照光出力ポート
１５  第一の筐体
１６  中継ファイバ（偏波保持ファイバ）
２  干渉ヘッドユニット
２１  物体光入力ポート
２２  参照光入力ポート
２３  第二の筐体
２４  偏光ビームスプリッタ
２５  撮像素子
２６  λ／４波長板
２７  対物レンズ
２８  偏光板
３  光路長調整器
４  光量調整器
５  制御ユニット
６１  物体光ファイバ（偏波保持ファイバ）
６２  参照光ファイバ（偏波保持ファイバ）
７  演算ユニット
【図１】
2020095228.tif 000003
【図２】
2020095228.tif 000004
【図３】
2020095228.tif 000005
【図４】
2020095228.tif 000006
【図５】
2020095228.tif 000007
【図６】
2020095228.tif 000008
【図７】
2020095228.tif 000009
【図８】
2020095228.tif 000010