(57)【要約】【課題】単一の光学系を用い、撮影状況に応じて立体像およびパンフォーカス像の撮像機能を切替え可能なホログラム記録装置を提供する。【解決手段】  インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光に分割する光波分割手段１０２と、これら２つの分割光の光波の空間座標を相対的に回転させる光波回転素子１１３と、第１分割光および第２分割光の少なくとも一方の波面の曲率半径（無限大を含む）を変調して、波面の位相分布に球面位相（および平面位相）の分布を付与する位相分布変調素子１１２と、光波回転素子１１３と位相分布変調素子１１２を通過した第１分割光および第２分割光を合波する光合波手段１０４と、この光合波手段１０４により合波された第１分割光および第２分割光が互いに干渉して形成されたホログラムを撮像し記録する撮像素子１０５を備えてなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光からなる２つの光波に分割する光波分割手段と、
これら２つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させる波面回転手段と、
該第１分割光および該第２分割光の少なくとも一方の波面の曲率半径を変調して、該２つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与する位相分布可変手段と、
前記波面回転手段および前記位相分布可変手段を通過した前記第１分割光および前記第２分割光を合波する光合波手段と、
この光合波手段により合波された前記第１分割光および前記第２分割光が、互いに干渉して形成されたホログラムを記録するホログラム記録手段と、
を備えたことを特徴とするホログラム記録装置。
【請求項２】
前記ホログラム記録手段が撮像手段を備え、
前記位相分布可変手段において、前記第１分割光または前記第２分割光に、曲率半径が無限大である平面位相を付与することにより、前記撮像手段によるパンフォーカス像の撮像を可能とし、前記第１分割光および前記第２分割光の波面の差分が、有限の大きさの曲率半径の球面位相となるように、これら２つの分割光の少なくとも一方に、有限の大きさの曲率半径の球面位相を付与することにより、前記撮像手段による立体像の撮像を可能とするように構成されていることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録装置。
【請求項３】
前記撮像手段により撮像されるパンフォーカス像または立体像について、横倍率、分解能および視野のうち少なくとも１つを変更可能とするように、光波の波面の空間座標の回転角度が任意に調整可能に構成されていることを特徴とする請求項２に記載のホログラム記録装置。
【請求項４】
前記光波分割手段の対象物体側にレンズを配設し、前記撮像手段の撮像面を、該レンズの後側焦点距離だけ離間した位置に配設することを特徴とする請求項２または３に記載のホログラム記録装置。
【請求項５】
前記波面回転手段がダブプリズム、コーナーキューブプリズム、リトロリフレクタおよび直角プリズムのいずれかであることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項に記載のホログラム記録装置。
【請求項６】
前記位相分布可変手段が、複屈折を有する空間光変調器、回折光学素子および液晶レンズのいずれかであることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項に記載のホログラム記録装置。
【請求項７】
インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光からなる２つの光波に分割し、これら２つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させるとともに、少なくとも一方の該波面の曲率半径を変調して、該２つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与し、これら２つの分割した光波を互いに干渉させて撮像面に形成されたホログラムに基づき、再生像を生成するホログラム再生装置において、
前記球面位相に係る球面波の曲率半径および記録対象である物体の位置に基づき設定される、前記光波の回折伝搬による伝搬距離だけ前記撮像面から離れた位置に再生像が形成されるように構成されていることを特徴とするホログラム再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラム記録装置およびホログラム再生装置に関し、詳しくは、インコヒーレントな光を用いたホログラフィにより、立体像あるいはパンフォーカス像を記録するホログラム記録装置およびその記録された情報を再生するホログラム再生装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インコヒーレントホログラフィの技術では、レーザなどのコヒーレンスが高い光源を必要とせず、太陽光や蛍光などのコヒーレンス性が低い光源を用いて、物体のホログラムを記録することができる。このように、インコヒーレントホログラフィは、従来のホログラフィで要求されていた光源のコヒーレンス性の条件を緩和できるため、ホログラフィの応用範囲を拡大する可能性を秘めている。
【０００３】
従来から知られているインコヒーレントホログラフィの光学系の一例を図１２に示す（特許文献1、非特許文献１、２、３、４、５を参照）。
このうち、図１２（ａ）に示す、非共通光路干渉計の代表格であるマイケルソン干渉計を用いたインコヒーレントホログラフィでは、物体８０１から伝搬された空間的にインコヒーレントな光波を、ビームスプリッター８０２を用いて２つの光波に分割する。これら分割された２つの光波のうち一方を第１分割光、他方を第２分割光と各々称する。これら２つの分割光のうち、第１分割光をミラー８０３ａにより反射させるとともに、第２分割光を、ミラー８０３ａとは曲率半径が異なるミラー８０３ｂにより反射させて、それぞれの位相分布を変調する。
【０００４】
ミラー８０３ａ、ミラー８０３ｂで各々反射した２つの光波は、再びビームスプリッター８０２に入射され、重ね合わされる。光源のコヒーレンス長よりも、２つの光波の光路長差が短い場合、第１分割光と第２分割光は干渉するため、撮像素子８０５により自己干渉のホログラムを撮像することができる。なお、光源のコヒーレンス長が短く、ホログラムが形成されない場合には、光源からの光波の波長範囲を狭くするために、バンドパスフィルター８０４が用いられる。
【０００５】
これに対し、図１２（ｂ）に示す、共通光路干渉計を用いたインコヒーレントホログラフィは、単一の光路により光学系が構成されるため、振動や空気の擾乱に強いことが特徴である。
【０００６】
図１２（ｂ）に示す光学系においては、物体から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を、偏光子８１６ａ、およびこの偏光子８１６ａに対して直交する偏光成分を出力する偏光子８１６ｂに通過させる。すなわち、光波を、互いに直交する偏光成分を有する２つの光波の重ね合わせと考え、それぞれの光波を第１分割光と第２分割光とする。そして、２つの偏光子８１６ａ、８１６ｂの間に配された、複屈折を有する空間光変調器、回折光学素子あるいは液晶レンズ等のいずれか（図１２（ｂ）においては空間光変調器８１７）を用いて、第１分割光と第２分割光の位相分布を変調する。
【０００７】
この後、第１分割光と第２分割光を偏光子８１６ｂに通過させることにより、偏光状態が互いに直交していた第１分割光と第２分割光の偏光状態を揃える。その結果、第１分割光と第２分割光が撮像素子８１５の撮像面上で干渉し、自己干渉のホログラムを撮像することができ、このホログラム情報を記録する。
【０００８】
図１２（ａ）、図１２（ｂ）の各干渉計により取得したホログラムを再生する際の手順は共通しており、コンピュータ内で回折伝搬の計算を適用することにより、撮像物体の立体像を再構成することができる。下記特許文献１および下記非特許文献１、２では、上述の光学系を用いて、蛍光を発する３次元物体の立体像を撮像することに成功している。下記非特許文献３、４、５では、上述の光学系を用いて、アークランプ、発光ダイオード、あるいは太陽光で照明された３次元物体の立体像を撮像することに成功している。
【０００９】
上述の光学系はいずれも、インコヒーレントホログラフィの技術により、３次元物体の立体像を撮像するものであるが、このようなインコヒーレントホログラフィの技術を用い、３次元物体の手前の面から奥の面まで、光軸方向の広い範囲にわたって合焦した像、すなわちパンフォーカス像を撮像するための光学系も知られている（下記非特許文献６、７を参照）。
【００１０】
図１３に、インコヒーレントホログラフィによりパンフォーカス像を取得するための光学系の一例を示す。本光学系では、物体から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を、ビームスプリッター９２２により２つの光波に分割し、第１分割光と第２分割光を得、それぞれの光波を各々対応するダブプリズム９２８ａ、９２８ｂに入射させる。これらの２つのダブプリズム９２８ａ、９２８ｂは、光軸を回転軸として回転角が相対的に９０度だけ異なるようにして配置されている。その結果、ダブプリズム９２８ａ、９２８ｂを通過した第１分割光と第２分割光の空間座標は、上記９０°の２倍である１８０°だけ相対的に回転した値となる。
【００１１】
これらの第１分割光と第２分割光をビームスプリッター９２９に入射させて、互いに重畳させる。図１２（ｂ）の共通光路干渉計は、図１２（ａ）のマイケルソン干渉計と同様に、２つの光波の光路長差が、光源のコヒーレンス長よりも短い場合に干渉するため、撮像素子９２５を配置して自己干渉のホログラムを撮像し、記録することができる。この光学系で記録したホログラムは、フーリエ変換型のホログラムに相当しているため、コンピュータ内で、フーリエ変換の演算を適用することにより、３次元物体のパンフォーカス像を再生することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特表２０１６−５３３５４２号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】J. Rosen and G. Brooker、「Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy」、Nature Photonics、(2008)、vol. 2、pp. 190-195
【非特許文献２】N. Siegel, V. Lupashin, B. Storrie, and G. Brooker、「High-magnification super-resolution FINCH microscopy using birefringent crystal lens interferometers」、Nature Photonics、(2016)、vol. 10、pp. 802-808
【非特許文献３】M. K. Kim、「Full color natural light holographic camera」、Optics Express、(2013)、 vol. 21、issue 8、pp. 9636-9642
【非特許文献４】J. Rosen and G. Brooker、「Fluorescence incoherent color holography」、Optics Express、(2007) vol. 15、issue 5、pp. 2244-2250
【非特許文献５】P. Bouchal and Z. Bouchal、「Selective edge enhancement in three-dimensional vortex imaging with incoherent light」、Optics Letters、(2012) vol. 37、issue 14、pp. 2949-2951
【非特許文献６】P. Potuluri, M. R. Fetterman, and D. J. Brady、「High depth of field microscopic imaging using an interferometric camera」、Optics Express、(2001)、 vol. 8、pp. 624-630
【非特許文献７】D. Weigel, H. Babovsky, A Kiessling, and R. Kowarschik、「Aberration correction in coherence imaging microscopy using an image inverting interferometer」、Optics Express、(2015)、 vol. 23、issue 16、pp. 20505-20520
【非特許文献８】M. Takeda, H. Ina, and S. Kobayashi、「Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry」、Journal of the Optical Society of America、(1982)、 vol. 72、issue 1、pp. 156-160
【非特許文献９】I. Yamaguchi and T. Zhang、「Phase-shifting digital holography」、Optics Letters、(1997)、 vol. 22、issue 16、pp. 1268-1270
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上述したように、インコヒーレントホログラフィの技術を用いることにより、立体像あるいはパンフォーカス像いずれかの撮像を実現することができるが、仮に、１台の装置で立体像およびパンフォーカス像の撮像機能を自在に切り替えるようにして、立体像およびパンフォーカス像のいずれをも撮像することができれば、撮影状況に応じた多様な撮像を容易に実現することができるので好ましい。
【００１５】
しかしながら、上述した特許文献１および非特許文献１〜５に開示された光学系のいずれにおいても、３次元物体の立体像を撮像することは可能であるが、パンフォーカス像を撮像することはできない。一方、上述した非特許文献６、７の技術によっては、３次元物体のパンフォーカス像を撮像することは可能であるが、立体像を撮像することはできない。
【００１６】
本発明では、単一の光学系を用い、撮影状況に応じて立体像およびパンフォーカス像の撮像機能を切り替え可能なホログラム記録装置およびホログラム再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明のホログラム記録装置は、
インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光からなる２つの光波に分割する光波分割手段と、
これら２つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させる波面回転手段と、
該第１分割光および該第２分割光の少なくとも一方の波面の曲率半径を変調して、該２つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与する位相分布可変手段と、
前記波面回転手段および前記位相分布可変手段を通過した前記第１分割光および前記第２分割光を合波する光合波手段と、
この光合波手段により合波された前記第１分割光および前記第２分割光が、互いに干渉して形成されたホログラムを記録するホログラム記録手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
ここで、「前記波面回転手段および前記位相分布可変手段を通過した前記第１分割光および前記第２分割光」とは、「前記第１分割光および前記第２分割光の少なくともいずれかは前記波面回転手段を通過し、前記第１分割光および前記第２分割光の少なくともいずれかは前記位相分布可変手段を通過する」状況となっていることを意味する。
【００１８】
また、前記ホログラム記録手段が撮像手段を備え、
前記位相分布可変手段において、前記第１分割光または前記第２分割光に、曲率半径が無限大である平面位相を付与することにより、前記撮像手段によるパンフォーカス像の撮像を可能とし、前記第１分割光および前記第２分割光の波面の差分が、有限の大きさの曲率半径の球面位相となるように、これら２つの分割光の少なくとも一方に、有限の大きさの曲率半径の球面位相を付与することにより、前記撮像手段による立体像の撮像を可能とするように構成されていることが好ましい。
【００１９】
また、前記撮像手段により撮像されるパンフォーカス像または立体像について、横倍率、分解能および視野のうち少なくとも１つを変更可能とするように、光波の波面の空間座標の回転角度が任意に調整可能に構成されていることが好ましい。
また、前記光波分割手段の対象物体側にレンズを配設し、前記撮像手段の撮像面を、該レンズの後側焦点距離だけ離間した位置に配設することが好ましい。
【００２０】
また、前記波面回転手段がダブプリズム、コーナーキューブプリズム、リトロリフレクタおよび直角プリズムのいずれかであることが好ましい。
また、前記位相分布可変手段が、複屈折を有する空間光変調器、回折光学素子および液晶レンズのいずれかであることが好ましい。
【００２１】
また、本発明のホログラム再生装置は、
インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光からなる２つの光波に分割し、これら２つの分割した光波の波面の空間座標を相対的に回転させるともに、少なくとも一方の該波面の曲率半径を変調して、該２つの分割した光波の波面に、相対的に球面位相の分布を付与し、これら２つの分割した光波を互いに干渉させて撮像面に形成されたホログラムに基づき、再生像を生成するホログラム再生装置において、
前記球面位相に係る球面波の曲率半径および記録対象である物体の位置に基づき設定される、前記光波の回折伝搬による伝搬距離だけ前記撮像面から離れた位置に再生像が形成されるように構成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明のホログラム記録装置およびホログラム再生装置によれば、立体像とパンフォーカス像の両者の撮像を、撮像機能の切換操作により、１台の装置で容易に行うことができる。このホログラム記録装置を用いることにより、撮影対象・撮影状況に応じて、ユーザーが立体像とパンフォーカス像の撮像を容易に切り替えることができるようになり、多様なニーズの撮像態様に対応することができる。
【００２３】
本発明のホログラム記録装置の原理およびその作用効果を説明する概念図を図１に示す。なお、以下の説明に用いられる図１は、説明の便宜のために例示されている部分を含んでいるが、本発明の構成としてはこれに限られるものではない。
このホログラム記録装置においては、物体１０１から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を分割手段１０２により分割し、第１分割光１１０と第２分割光１１１を得る。光波回転素子１１３により、第１分割光と第２分割光の波面の空間座標を相対的に任意の角度だけ回転させる。
【００２４】
さらに、位相分布変調素子１１２により、第１分割光あるいは第２分割光の位相分布を変調する。位相分布変調素子１１２を用いて光波に付与する位相分布を変化させることにより、パンフォーカス像と立体像の撮像機能を切り替えることができる。すなわち、パンフォーカス像を撮像する場合には、位相分布変調素子１１２に、曲率半径が無限大の球面位相、つまり平面位相を入力する。このとき、第１分割光１１０と第２分割光１１１の各波面の空間座標は回転角度のみが異なっている。したがって、第１分割光１１０と第２分割光１１１を合波手段１０４により合波し、互いの干渉により生じたホログラムを撮像素子１０５により記録する際には、撮像対象の物体１０１の奥行情報がホログラムに反映されずに、パンフォーカス像を撮像することができる。
【００２５】
一方、立体像を撮像する場合には、位相分布変調素子１１２に球面位相を入力する。すなわち、この球面位相の曲率半径は、無限大ではなく、有限の大きさのものである。
球面位相を光波に付与することにより、第１分割光１１０と第２分割光１１１を干渉させて得られたホログラムを撮像素子１０５により撮像する際に、撮像対象である物体１０１の奥行情報がホログラムに反映されるため、立体像を撮像することができることになる。
【００２６】
また、本発明のホログラム再生装置においては、撮像面に形成され、記録されたホログラムに対して、該ホログラムを作成する際に用いた球面位相に係る球面波の曲率半径と記録対象である物体の位置との２つのパラメータを用いて、光波の回折伝搬による伝搬距離に相当する位置に再生像を形成するようにしているので、所望する位置にホログラムの立体像を再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係るホログラム記録装置の原理を説明するための概念図である。
【図２】光波回転素子としてダブプリズムを用いた光学系（(ａ)は配置パターン１、(ｂ)は配置パターン２）を示すものである（実施形態１）。
【図３】本発明の実施形態に係るホログラム再生装置を説明するための概念図（(ａ)はパンフォーカス像の再生を示す図、(ｂ)は立体像の再生を示す図）である。
【図４】光波回転素子としてリトロリフレクタを用いた光学系を示すものである（実施形態２）。
【図５】光波回転素子としてコーナーキューブプリズムを用いた光学系を示すものである（実施形態３）。
【図６】光波回転素子として直角プリズムを用いた光学系を示すものである（実施形態４）。
【図７】記録対象である３次元物体を表すものであり、特に、(ａ)は伝搬方向の位置関係を表すものであり、(ｂ)は伝搬方向から見た物体を表すものである。
【図８】本発明の具体的な実施例に係るホログラム記録装置（ダブプリズムを用いた例）を示すものである。
【図９】パンフォーカス像を撮像した際において、（ａ)はホログラムを表すものであり、(ｂ)は、その再生像を表すものである。
【図１０】立体像を撮像した際において、（ａ）はホログラムを表すものであり、(ｂ)は物体１に合焦した再生像を表すものであり、（ｃ）は物体２に合焦した再生像を表すものである。
【図１１】物体の配置距離ｚｓと、ホログラム面からの再生距離ｚｒとの関係を示すグラフである。
【図１２】立体像の撮像が可能な光学系を示すものであり、（ａ）はマイケルソン干渉計を、（ｂ）は共通光路干渉計を各々示すものである。
【図１３】パンフォーカス像の撮像が可能な光学系を示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態に係るホログラム記録装置およびホログラム再生装置を、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
＜実施形態１＞
図２（ａ）は、本発明の実施形態１に係るホログラム記録装置の光学系部分を概略的に示すものであり、光波回転素子として、２つのダブプリズム２０８ａ、２０８ｂを用いている。すなわち、この実施形態１に係るホログラム記録装置は、物体２０１から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波をレンズ２１６に通過させた後、分割手段２０２により分割し、第１分割光と第２分割光を得る。第１分割光はミラー２０３ａを介してダブプリズム２０８ａを通過し、空間光変調器２０７を透過する際に位相変調を受けてビームスプリッター２０９に到達する。一方、第２分割光は、ダブプリズム２０８ｂを通過した後、ミラー２０３ｂを介してビームスプリッター２０９に到達する。
ビームスプリッター２０９に到達した第１分割光は撮像素子２０５方向に反射され、ビームスプリッター２０９に到達した第２分割光は撮像素子２０５方向に透過することで、これら２つの分割光が重畳して撮像素子２０５の撮像面上でホログラムを形成する。なお、ビームスプリッター２０９と撮像素子２０５の間にはバンドパスフィルター２０４が配設されている。
【００３０】
実施形態１の光学系においては、光波回転素子（波面回転手段）１１３として、２つのダブプリズム２０８ａ、ｂを用いている。２つのダブプリズム２０８ａ、ｂは、光軸を回転軸として互いに９０°回転した形状に配置されている。ダブプリズム２０８ａ、ｂには光波の空間座標を回転する効果に加え、光波を１方向に反転させる効果を有しているので、ダブプリズム２０８ａ、ｂを、このような配置とすることにより、光波の反転効果のみを互いに打ち消すことが可能である。
このように、光波回転素子１１３により光波を相対的に回転させることにより、２つの分割光の光波間で面内のｘ、ｙ方向それぞれにずれ量を与えることができる。相対的に回転量が与えられた２つの光波を互いに干渉させると、光波の奥行情報は消失した干渉縞が得られる。この干渉縞はフーリエ変換ホログラムに対応しており、フーリエ変換の演算でパンフォーカス撮像機能を担保することが可能となる。
また、このように光波を相対的に回転させることにより、パンフォーカス撮像と立体撮像の両方について、レンズを変更することなく、撮像画像の空間分解能・視野・倍率を自在に変更することが可能となる。すなわち、２つの分割光の光波間の回転量が変化することにより、光波のｘ、ｙ位置も変化するため、それらの光波の干渉によって形成される干渉縞の周期も変化する。干渉縞の周期はパンフォーカス像、あるいは立体像の空間分解能・視野・倍率の変数であるため、相対的な回転を与えることによって、光学系の構成を変更することなく空間分解能・視野・倍率を制御することができることになる。
【００３１】
また、実施形態１の光学系においては、位相分布変調素子（位相分布可変手段）１１２として、光波を位相変調する空間光変調器２０７を用いている。
この空間光変調器２０７においては、第１分割光あるいは第２分割光の位相分布を変調する（図２（ａ）、（ｂ）においては、第１分割光に対してのみ変調処理を行っている）。空間光変調器２０７を用いて光波に付与する位相分布を変化させることにより、パンフォーカス像と立体像の撮像機能を切り替えることができる。
パンフォーカス像を撮像する場合には、空間光変調器２０７に平面位相を入力する。このとき、第１分割光と第２分割光の各波面の空間座標は回転角度のみが異なっており、第１分割光と第２分割光をビームスプリッター２０９により合波し、互いの干渉により生じたホログラムを撮像素子２０５により記録する際には、撮像対象である物体２０１の奥行情報がホログラムに反映されずに、パンフォーカス像を撮像することができる。
一方、立体像を撮像する場合には、空間光変調器２０７に球面位相を入力する。すなわち、この球面位相の曲率半径は有限の大きさのものである。
球面位相を光波に付与することにより、第１分割光と第２分割光を干渉させて得られたホログラムを撮像素子２０５により撮像する際に、撮像対象である物体２０１の奥行情報がホログラムに反映されるため、立体像を撮像することができることになる。
なお、位相分布変調素子１１２としては、他に、可変焦点レンズ、液晶レンズなど、球面位相の曲率半径を任意に変更可能な素子であればよい。
【００３２】
また、実施形態１の光学系においては、物体２０１から伝搬してきた空間的にインコヒーレントな光波を、レンズ２１６を用いて収束あるいは発散させている。このレンズ２１６は像の倍率を調整するために用いており、レンズ２１６を挿入しない構成とすることもでき、さらにレンズ２１６を配設した場合に、これを複数のレンズによる組合せレンズにより構成することも可能である。
なお、一方の分割光を通過させる、ダブプリズム２０８ａと空間光変調器２０７の配置を入れ替え、先に位相分布を変調してから、後にダブプリズム２０８ａを用いて空間座標を回転させてもよい。
【００３３】
図２（ｂ）は、本発明の実施形態１に係るホログラム記録装置の変型例を概略的に示すものであり、図２（ａ）の部材に対応する部材については、図２（ａ）の各部材に付した符号に１００を加えた符号を付すものとし、詳しい説明は省略する。
【００３４】
ただし、図２（ｂ）に示すホログラム記録装置は、図２（ａ）に示すホログラム記録装置に対し、第１の分割光が通過するダブプリズム３０８ａをミラー３０３ａの後段ではなく、前段に設けるようにしている。なお、図２（ａ）に示すホログラム記録装置の光学系において、第２の分割光が通過するダブプリズム２０８ｂをミラー２０３ｂの前段ではなく、後段に設けるようにした変型例を採用することも可能である。
【００３５】
ところで、本実施形態に係るホログラム記録装置においては、撮像素子２０５を用いて、第１分割光と第２分割光との干渉により生成されるホログラムを撮像し、記録する。一回の露光でホログラムを取得する必要がある場合には、光学系のミラー３０３ａ、ｂの角度を調整し、撮像素子２０５の撮像面に斜めから光を入射させることで、オフアクシスのホログラムを記録することが可能である。
【００３６】
前述した非特許文献８に開示されたフーリエ縞解析技術に基づき、オフアクシスのホログラムから不要な成分を除去することにより、ホログラム面の複素振幅分布を取得する。また、２光波間の位相シフト量を変化させることができ、ホログラムの記録枚数の増加が許容される場合には、非特許文献９に開示された位相シフト法を用いてホログラム面の複素振幅分布を取得することが可能である。
すなわち、ホログラム面の複素振幅分布の取得はフーリエ縞解析法、位相シフト法のいずれを用いることも可能である。
【００３７】
また、光源のコヒーレンス長が短く、２光波間の光路長差の方が大きい場合には図２（ａ）、（ｂ）に示すように、バンドパスフィルター２０４、３０４を用いて光源のコヒーレンス長を長くすることによって、２光波が互いに干渉し易くするようにしてもよい。
【００３８】
上述したように構成されたホログラム記録装置において、空間光変調器２０７、３０７から平面位相を入力した場合には、撮像素子２０５、３０５によりフーリエ変換型のホログラムが撮像され、記録される。図３（ａ）に示すように、このホログラム３１８ａ、あるいはこのホログラム３１８ａにフーリエ縞解析あるいは位相シフト法を適用して得られる複素振幅分布に対してフーリエ変換の演算を適用することにより、パンフォーカス像（再生像）３１７ａを再生することができる。このパンフォーカス像３１７ａの横倍率は、物体２０１の配置、光学系のパラメータに応じて変化する。レンズ２１６から物体２０１までの距離をｚｓ、レンズ２１６の焦点距離をｆｏ、レンズ２１６と撮像素子２０５間の距離をｚｈ１とすると、横倍率ＭＴは、下式（１）で表される。
2020060709.tif 000003
【００３９】
ここで、物体２０１までの配置距離ｚｓに依存せず、横倍率を一定にしたい場合には、撮像素子２０５をレンズ２１６の後ろ側の焦点距離の位置に配置する。
つまり、ｚｈ１＝ｆｏとすると、横倍率ＭＴは１/ｆｏで一定となる。
ホログラム３１８ａを記録する際に、空間光変調器２０７で曲率半径ｆｄの球面位相を入力した場合には、物体の奥行情報を反映したホログラムが記録される。
【００４０】
一方、図３（ｂ)に示すように、このホログラム３１８ｂ、あるいはこのホログラム３１８ｂにフーリエ縞解析あるいは位相シフト法を適用して得られる複素振幅分布に対してコンピュータ内で伝搬距離ｚｒの回折伝搬の計算を行うことにより、任意の伝搬面の像を再構成することができ、立体像（再生像）３１７ｂを再生することができる。特に、物体２０１の配置距離ｚｓがあらかじめ既知であり、この配置距離ｚｓの物体に合焦した像を得たい場合には、伝搬距離ｚｒを、下式（２）〜（４）を用いて算出する。
2020060709.tif 000004
2020060709.tif 000005
2020060709.tif 000006
ここで、ｄはレンズ２１６から空間光変調器２０７までの距離である。
また、ｚｈ２は、立体像撮像時における、空間光変調器２０７と撮像素子２０５の距離であり、上記ｚｈ１とこのｚｈ２は、ともに光学系を構築した際に決定されるパラメータである。
このように、伝搬距離ｚｒは像を再生する際の再生距離を示しており、撮影者が像を再構成する際に任意に設定する値となっている。特に、撮像対象の物体２０１の配置距離ｚｓが既知で、その物体２０１に焦点が合った像を取得したい場合には、上記数式（２）〜（４）で定義される値をｚｒとして用いることができる。
また、上記数式（２）〜（４）のパラメータのうち、ｚｓは、「記録対象である物体の位置」を示すものであり、ｚｓ以外のパラメータは「球面波の曲率半径」を決定するものである。したがって、光学系を構築すると、ｚｓを除くすべての変数に値を代入することができ、数式（２）〜（４）に基づき、物体２０１の配置距離ｚｓ（mm）と再生距離ｚｒ（mm）の関係は、図１１に示すグラフで表される。すなわち、ｚｓが既知の場合には、記録対象である物体２０１の位置に応じ、図１３のグラフで表される関係に基づきｚｒを決定することができ、焦点のあった像を再構成することができる。
【００４１】
＜実施形態２＞
図４は、本発明の実施形態２に係るホログラム記録装置を概略的に示すものであり、上記実施形態１と同様の等光路長型かつ非共通光路型の干渉計であるが、図２（ａ）、（ｂ）がいずれもマッハ・ツェンダ干渉計であるのに対し、図４に示す実施形態２のものはマイケルソン干渉計である。
【００４２】
実施形態２に係るホログラム記録装置の光学系は、波面回転手段としてリトロリフレクタを用いている。
すなわち、物体４０１からの空間的にインコヒーレントな光波をビームスプリッター４０２により分割し、第１分割光と第２分割光を得る。いずれか一方の分割光の光波の位相分布を空間光変調器４０７により変調し、他方の分割光の光波を、該一方の分割光の光波に対し、リトロリフレクタ４１９を用いて、空間座標を回転する。この後、ビームスプリッター４０２に再帰した、これら２つの分割光の光波を互いに干渉させ、生成されたホログラムを、撮像素子４０５により撮像し、記録する。
【００４３】
実施形態２に係るホログラム記録装置の光学系は、前述した実施形態２に係るホログラム記録装置の光学系と同様に、空間光変調器４０７に平面位相を入力した場合には、パンフォーカス像を撮像することができ、球面位相を入力した場合には、立体像を撮像することができる。また、リトロリフレクタ４１９を用いて２つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。また、記録されたパンフォーカス像および立体像それぞれの像を再生するホログラム再生装置は、図３に示す手法と同様の手法によりホログラムを再生する。
【００４４】
＜実施形態３＞
図５は、本発明の実施形態３に係るホログラム記録装置を概略的に示すものである。上記実施形態２と同様のマイケルソン干渉計とされているが、主に、光波回転素子１１３として、コーナーキューブプリズム５１９を用いていることが異なっているので、図４の部材に対応する部材については、図４の各部材に付した符号に１００を加えた符号を付すものとし、その部材の詳しい説明は省略する。
【００４５】
本実施形態に係るホログラム記録装置においては、光波回転素子１１３として、実施形態２におけるリトロリフレクタ４１９とは異なり、中実のコーナーキューブプリズム５１９を用いているので、光源からの光波の波長幅が広い場合は、コーナーキューブプリズム５１９を構成する硝材による波長分散の影響により、ホログラムのコントラストの低下が問題となる。波長分散の影響が大きい場合には、バンドパスフィルター５０４により光源の波長範囲を狭くするか、光路中に、波長分散を補償するガラス板５２１等の光学素子を配置することが肝要である。
【００４６】
実施形態３に係るホログラム記録装置の光学系は、前述した実施形態２に係るホログラム記録装置の光学系と同様に、空間光変調器５０７に平面位相を入力した場合には、パンフォーカス像を撮像することができ、球面位相を入力した場合には、立体像を撮像することができる。また、コーナーキューブプリズム５１９を用いて２つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。記録されたパンフォーカス像および立体像それぞれの像を再生するホログラム再生装置は、図３に示す手法と同様の手法によりホログラムを再生する。
【００４７】
＜実施形態４＞
図６は、本発明の実施形態４に係るホログラム記録装置を概略的に示すものである。上記実施形態２、３と同様のマイケルソン干渉計とされているが、主として、光波回転素子１１３として直角プリズム６１９ａ、ｂを用いていることが異なっているので、図４の部材に対応する部材については、図４の各部材に付した符号に２００を加えた符号を付すものとし、その部材の詳しい説明は省略する。
【００４８】
実施形態４に係るホログラム記録装置の光学系は、前述した実施形態２、３に係るホログラム記録装置の光学系と同様に、空間光変調器６０７に平面位相を入力した場合には、パンフォーカス像を撮像することができ、球面位相を入力した場合には、立体像を撮像することができる。また、直角プリズム６１９ａ、ｂを用いて２つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。また、直角プリズム６１９ａ、ｂを用いて２つの分割光の波面の空間座標軸を互いに回転させており、立体画像のみならず、パンフォーカス画像を形成することができる。記録されたパンフォーカス像および立体像それぞれの像を再生するホログラム再生装置は、図３に示す手法と同様の手法によりホログラムを再生する。
【００４９】
＜実験例＞
本発明によるインコヒーレントホログラフィを用いたホログラム記録装置を実験例を用いてさらに説明する。
撮像対象を３次元物体とし、以下に説明する実験によって、その３次元物体のパンフォーカス像および立体像を１台の記録装置で切り替えて撮像した。
【００５０】
本実験においては、図７（ａ）に示すように、所定間隔（ここでは２４ｍｍ）を置いて配された２枚のマスク７２５、７２６に配された「１」、「２」の数字の組合せ全体で記録対象の３次元物体とした。この「１」、「２」の数字は、各々、物体１（６２３）、物体２（６２４）とした。これら物体１（６２３）の大きさ（横×縦）は0.37 mm×1.31 mmとし、物体２（６２４）の大きさ（横×縦）は、0.96 mm×1.35 mmとした。また、物体１（６２３）と物体２（６２４）間の距離は前述したように２４mmである。
【００５１】
上述のようにして構成された３次元物体に係るホログラムを、図８に示すダブプリズムを用いたホログラム記録装置により生成し、撮像した。
図８に示すホログラム記録装置の光学系は、図２（ａ）に示す光学系と同様の機能を実現するものである。なお、上述した３次元物体は、図８に示すように、２つの発光ダイオード（中心波長625 nm、波長幅18 nm）７２７ａ、ｂにより、物体１（６２３）である「１」の数字と、物体２（６２４）である「２」の数字の形状を各々有する透過型のマスク７２５、７２６を各々照明し、「１」の形状情報を担持した光波と「２」の形状情報を担持した光波をビームスプリッター７２８で合波することにより実現した。
【００５２】
ビームスプリッター７２８により合波された光波は偏光子７０６を通過させ、その偏光方向を、空間光変調器７０７が変調可能な光波の偏光方向（液晶の配向方向）と一致させる。その後、光学素子を保持する筐体内での光波の反射に伴う迷光の発生を防止するために、開口７２９を用いて、透過光の直径がビームスプリッター７０２aの大きさよりも十分小さくなるように設定する。開口７２９を通過した光波は焦点距離２００mmのレンズ７１６を通過し、ビームスプリッター７０２ａに入射し、このビームスプリッター７０２ａにおいて２つの光波に分割される。
【００５３】
一方の光波（第１分割光）は、ダブプリズム７０８ａを通過し、ビームスプリッター７０２を透過してミラー７０３で反射され、ビームスプリッター７０２に戻り、このビームスプリッター７０２で反射されて、ビームスプリッター７０９に入射し、このビームスプリッター７０９を透過する。
ビームスプリッター７０２ａを透過した他方の光波（第２分割光）は、ビームスプリッター７０２ｂを透過し、その位相分布が空間光変調器（画素数1408×1058、画素ピッチ10.4μm）７０７で所定の変調を受けて反射され、戻ったビームスプリッター７０２ｂでさらに反射される。この後、他方の光波（第２分割光）は、ダブプリズム７０８ｂを通過し、ビームスプリッター７０９に入射し、このビームスプリッター７０９により反射される。
【００５４】
ビームスプリッター７０９に入射した一方の光波（第１分割光）と他方の光波（第２分割光）は、このビームスプリッター７０９で重ね合わされて互いに干渉し、バンドパスフィルター７０４を介して撮像素子７０５の撮像面上にホログラムを形成する。この形成されたホログラムは撮像素子７０５により撮像され、記録される。撮像素子７０５はＣＭＯＳ（画素数10000×7096、画素ピッチ3.1 μm）により構成される。
上述した２つのダブプリズム７０８ａ、ｂは光軸を中心として互いに９０°回転した状態に配置されているので、これら２つのダブプリズム７０８ａ、ｂを通過した２つの光波の空間座標は、互いに１８０°回転している。
【００５５】
図８に示すホログラム記録装置を用い、空間光変調器７０７に平面位相を入力してパンフォーカス像を撮像して得たホログラムを図９（ａ）に示し、このホログラムに対して、フーリエ変換の演算を適用して取得した再生像を図９（ｂ）に示す。「１」の数字からなる、物体１（６２３）と、「２」の数字からなる物体２（６２４）とは、光波の伝搬方向に間隔を置いた、互いに異なるマスク（マスク１（７２５）およびマスク２（７２６））上に配置されているが、両方の物体６２３、６２４に合焦した像が得られていることが明らかである。
【００５６】
次に、図８に示すホログラム記録装置を用い、空間光変調器７０７に曲率半径が４６０mmの球面位相を入力して立体像を撮像して得たホログラムを図１０（ａ）に示す。
【００５７】
なお、図８に示すホログラム記録装置における光学系において、レンズの焦点距離ｆｏは２００ mmであり、レンズ７１６から空間光変調器７０７までの距離ｄは１１７ mmであり、空間光変調器７０７で変調される球面波の曲率半径ｆｄは４６０ mmであり、空間光変調器７０７と撮像素子７０５との距離ｚｈ２は２７０ mmである。
ここで、上記数式（２）、（３）、（４）から導かれる、物体１、２（６２３、６２４）からレンズ７１６までの距離ｚｓと、ホログラム面から再生像までの伝搬距離ｚｒの関係を図１１に示す。
【００５８】
本実験によれば、レンズ７１６から、物体１（６２３）と物体２（６２４）それぞれまでの距離ｚｓは２００ mmと１７６ mmであるため、それぞれの物体６２３、６２４に合焦した像を得るためには、図１１の関係から、伝搬距離ｚｒを１９０ mm、３１４．２ mmに設定する必要がある。
【００５９】
このように、伝搬距離ｚｒを１９０ mm、３１４．２ mmとし、回折伝搬の計算を適用して得られた再生像を、図１０（ｂ）および図１０（ｃ）に各々示す。図１０（ｂ）では物体１（６２３）に、また図１０（ｃ）では物体２（６２４）にそれぞれフォーカス位置を合わせられており、立体像が得られていることが明らかである。
【００６０】
物体１（６２３）に、フォーカス位置を合わせた場合には、物体２（６２４）の像がぼやける。同様に、物体２（６２４）にフォーカス位置を合わせた場合には、物体１（６２３）の像がぼやける。
以上の実験により、本実施形態のホログラム記録装置によれば、パンフォーカス像と立体像の撮像が、１つの光学系を用いて機能切替えにより行うことが可能であることが実証された。
【００６１】
本発明のホログラム記録装置としては、上記実施形態のものに限られるものではなくその他の種々の態様のものに変更が可能である。例えば、装置の光学系の構成としても、上記実施形態のものに限られるものではない。
また、上記実施形態においては、分割した２つの分割光のうちの一方に位相分布変調素子を配置しているが、分割した２つの分割光のうちの両方に位相分布変調素子を配置して、通過する分割光に、互いに異なる曲率半径の球面波を付与するようにしても、所望の立体画像を撮像、記録することが可能である。
また、上記実施形態においては、空間的にインコヒーレントな光波を、レンズを用いて収束あるいは発散させているが、このレンズは正の屈折力を有するものに限られず負の屈折力を有するものであってもよく、また、単レンズであっても複数枚からなる組み合わせレンズであってもよい。
また、図８を用いて説明した実験例の光学系においては、所定の直線偏光に対して機能するＬＣＤ等の空間光変調器７０７を用いているため、偏光子７０６を空間光変調器７０７よりも物体側の光学系内に導入しているが、位相分布可変素子１１２が偏光状態に拘わらず、どのような光波に対しても位相を変調できる態様である場合には、光学系内に偏光子を挿入することを要しない。
【符号の説明】
【００６２】
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、８０１、８１１、９２１      物体
１０２      分割手段
１０４      合波手段
１０５、２０５、３０５、４０５、５０５、６０５、７０５、８０５、８１５、９２５      撮像素子
１１０      第１分割光
１１１      第２分割光
１１２      位相分布変調素子
１１３      光波回転素子
１１４      球面位相
１１５      平面位相
２０２、２０９、３０２、３０９、４０２、５０２、６０２、７０２、７０２ａ、ｂ、７０９、７２８、８０２、９２２、９２９      ビームスプリッター
２０３ａ、ｂ、３０３ａ、ｂ、７０３、８０３ａ、ｂ、９２３ａ、ｂ      ミラー
２０４、３０４、４０４、５０４、６０４、７０４、８０４、８１４、９２４    バンドパスフィルター
２０７、３０７、４０７、５０７、６０７、７０７、８１７      空間光変調器
２０８ａ、ｂ、３０８ａ、ｂ、７０８ａ、ｂ、９２８ａ、ｂ      ダブプリズム
７０６、８１６ａ、ｂ      偏光子
２１６、３１６、７１６      レンズ
３１７ａ、ｂ      再生像
３１８ａ、ｂ      ホログラム
４１９      リトロリフレクタ
５１９      コーナーキューブプリズム
５２１      ガラス板
６１９ａ、ｂ      直角プリズム
６２３      物体１
６２４      物体２
７２５      マスク１
７２６      マスク２
７２７ａ、ｂ      発光ダイオード
７２９      開口
【図１】
2020060709.tif 000007
【図２】
2020060709.tif 000008
【図３】
2020060709.tif 000009
【図４】
2020060709.tif 000010
【図５】
2020060709.tif 000011
【図６】
2020060709.tif 000012
【図７】
2020060709.tif 000013
【図８】
2020060709.tif 000014
【図９】
2020060709.tif 000015
【図１０】
2020060709.tif 000016
【図１１】
2020060709.tif 000017
【図１２】
2020060709.tif 000018
【図１３】
2020060709.tif 000019