(57)【要約】【課題】光強度変調器および光検出器を用いて容易に対象物の像を取得することができる撮像装置および撮像方法を提供する。【解決手段】撮像装置１は、光源１０、多値光強度変調器２０、光検出器３０、解析部４０および光学系６０を備える。撮像装置１は、光源１０と多値光強度変調器２０との間の光路上に配置された対象物９０の像を取得する。多値光強度変調器２０は、複数の画素領域が１次元状または２次元状に配列された変調面を有する。変調面の各画素領域は、入力した光に対して光強度変調を行って、当該変調後の光を出力する。多値光強度変調器２０は、設定された光強度変調パターンに基づいて変調面の複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能である。【選択図】図１
2020096272.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて前記変調面の前記複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能であり、対象物から前記変調面に到達した光により前記変調面に形成された前記対象物の像に対して前記光強度変調パターンに基づいて光強度変調を行って当該変調後の光を出力する多値光強度変調器と、
前記多値光強度変調器から出力された光を受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、
前記多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して前記光検出器から出力された前記光強度値とを組にして記憶して、これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて前記対象物の像を求める解析部と、
を備える撮像装置。
【請求項２】
各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて前記変調面の前記複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能であり、前記変調面に到達した光に対して前記光強度変調パターンに基づいて前記変調面において光強度変調を行って当該変調後の光を出力する多値光強度変調器と、
前記多値光強度変調器から到達した光により前記多値光強度変調器の前記変調面の像が形成される位置に配置された対象物から出力された光を受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、
前記多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して前記光検出器から出力された前記光強度値とを組にして記憶して、これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて前記対象物の像を求める解析部と、
を備える撮像装置。
【請求項３】
前記多値光強度変調器は、
各々入力した光の偏光方位によって異なる変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有する光変調器と、
特定方位の直線偏光の光を前記光変調器へ入力させる第１偏光子と、
前記光変調器から出力された光のうち前記特定方位と異なる方位の直線偏光の光を出力する第２偏光子と、
を含む、
請求項１または２に記載の撮像装置。
【請求項４】
複数の前記多値光強度変調器を備え、
前記複数の多値光強度変調器それぞれの変調面は、前記対象物の像が形成される位置、または、他の多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置、に配置されている、
請求項１〜３の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項５】
各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて前記複数の画素領域それぞれにおいて二値の光強度変調が可能であり、前記光強度変調パターンに基づいて前記変調面において光強度変調を行って当該変調後の光を出力する二値光強度変調器を更に備え、
前記二値光強度変調器の変調面は、前記対象物の像が形成される位置、または、前記多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置、に配置されている、
請求項１〜４の何れか１項に記載の撮像装置。
【請求項６】
各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて前記変調面の前記複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能である多値光強度変調器を用いて、対象物から前記変調面に到達した光により前記変調面に形成された前記対象物の像に対して前記光強度変調パターンに基づいて光強度変調を行って当該変調後の光を出力する光強度変調ステップと、
前記多値光強度変調器から出力された光を受光する光検出器を用いて、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出ステップと、
前記多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して前記光検出器から出力された前記光強度値とを組にして記憶する記憶ステップと、
これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて前記対象物の像を求める解析ステップと、
を備える撮像方法。
【請求項７】
各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて前記変調面の前記複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能である多値光強度変調器を用いて、前記変調面に到達した光に対して前記光強度変調パターンに基づいて前記変調面において光強度変調を行って当該変調後の光を出力する光強度変調ステップと、
前記多値光強度変調器から到達した光により前記多値光強度変調器の前記変調面の像が形成される位置に配置された対象物から出力された光を受光する光検出器を用いて、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出ステップと、
前記多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して前記光検出器から出力された前記光強度値とを組にして記憶する記憶ステップと、
これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて前記対象物の像を求める解析ステップと、
を備える撮像方法。
【請求項８】
前記多値光強度変調器は、
各々入力した光の偏光方位によって異なる変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有する光変調器と、
特定方位の直線偏光の光を前記光変調器へ入力させる第１偏光子と、
前記光変調器から出力された光のうち前記特定方位と異なる方位の直線偏光の光を出力する第２偏光子と、
を含む、
請求項６または７に記載の撮像方法。
【請求項９】
複数の前記多値光強度変調器を用い、
前記複数の多値光強度変調器それぞれの変調面は、前記対象物の像が形成される位置、または、他の多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置、に配置されている、
請求項６〜８の何れか１項に記載の撮像方法。
【請求項１０】
各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて前記複数の画素領域それぞれにおいて二値の光強度変調が可能であり、前記光強度変調パターンに基づいて前記変調面において光強度変調を行って当該変調後の光を出力する二値光強度変調器を更に用い、
前記二値光強度変調器の変調面は、前記対象物の像が形成される位置、または、前記多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置、に配置されている、
請求項６〜９の何れか１項に記載の撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、撮像装置および撮像方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１および非特許文献１に記載された撮像装置は、入力光に対する出力光の強度比を画素毎に変調することができる光強度変調器としてデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ:  Digital  Micromirror  Device）を用いるとともに、入力光の強度を検出する光検出器を用いて、対象物の像を得ることができる。ここで用いられる光検出器は、入力光の光束断面における強度分布を検出する必要はなく、単一の画素からなるポイントセンサであってよい。
【０００３】
これらの文献に記載された撮像装置では、対象物の像をＤＭＤの変調面に形成し、設定された光強度変調パターンに基づいてＤＭＤにより画素毎に光強度変調を行って、その変調後の光の強度を光検出器により検出する。複数種類の光強度変調パターンを順次にＤＭＤに設定し、各々の光強度変調パターンの設定時に光検出器により光強度値を取得して、各光強度変調パターンおよび対応する光強度値を記憶部により記憶する。そして、記憶部に記憶された複数組の光強度変調パターンおよび光強度値を解析することにより、対象物の像を取得することができる。
【０００４】
このような撮像装置で用いられる光検出器は、入力光の強度分布を検出するために複数の画素が配列されたイメージセンサである必要はなく、ポイントセンサであってよい。したがって、イメージセンサの使用が適切でない波長域で対象物を撮像することが要求される場合、または、イメージセンサより低ノイズもしくは高性能で対象物を撮像することが要求される場合等に、ポイントセンサを用いた撮像装置による撮像が有効である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００６／０２３９３３６号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Dharmpal Takhar, et al. "ANew Compressive Imaging Camera Architecture using Optical-Domain Compression,"Proc. IS&T/SPIE Computational Imaging IV, January 2006.
【非特許文献２】Zhang, Zibang, et al."Single-pixel imaging by means of Fourier spectrum acquisition,"Nature communications 6 (2015): 6225.
【非特許文献３】Rousset, Florian, et al."Adaptive basis scan by wavelet prediction for single-pixel imaging,"IEEE Transactions on Computational Imaging 3.1 (2017): 36-46.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１および非特許文献１に記載された従来の撮像装置は、光強度変調器としてＤＭＤを用いている。ＤＭＤは、ＭＥＭＳ（Micro  Electro  Mechanical  Systems）技術により作製され、基板上に複数の可動ミラーが配列されている。ＤＭＤの各可動ミラーは、反射面の方位に応じて、反射光を光検出器に入射させるか否かを選択することができる。すなわち、光強度変調器としてのＤＭＤには二値の光強度変調パターンが設定される。
【０００８】
従来の撮像装置は、二値の光強度変調パターンが設定されるＤＭＤを光強度変調器として用いることから、多くの光強度変調パターンを順次にＤＭＤに設定して光検出器により光強度値を取得する必要がある。このことから、対象物の像を取得するために必要な多くのデータの取得に長時間を要し、また、対象物の像を取得するための解析は複雑になる。
【０００９】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、光強度変調器および光検出器を用いて容易に対象物の像を取得することができる撮像装置および撮像方法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】
【００１０】
本発明の撮像装置は、(1) 各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて変調面の複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能であり、対象物から変調面に到達した光により変調面に形成された対象物の像に対して光強度変調パターンに基づいて光強度変調を行って当該変調後の光を出力する多値光強度変調器と、(2) 多値光強度変調器から出力された光を受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、(3) 多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して光検出器から出力された光強度値とを組にして記憶して、これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて対象物の像を求める解析部と、を備える。
【００１１】
或いは、本発明の撮像装置は、(1) 各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて変調面の複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能であり、変調面に到達した光に対して光強度変調パターンに基づいて変調面において光強度変調を行って当該変調後の光を出力する多値光強度変調器と、(2) 多値光強度変調器から到達した光により多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置に配置された対象物から出力された光を受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、(3) 多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して光検出器から出力された光強度値とを組にして記憶して、これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて対象物の像を求める解析部と、を備える。
【００１２】
本発明の撮像方法は、(1) 各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて変調面の複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能である多値光強度変調器を用いて、対象物から変調面に到達した光により変調面に形成された対象物の像に対して光強度変調パターンに基づいて光強度変調を行って当該変調後の光を出力する光強度変調ステップと、(2) 多値光強度変調器から出力された光を受光する光検出器を用いて、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出ステップと、(3) 多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して光検出器から出力された光強度値とを組にして記憶する記憶ステップと、(4) これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて対象物の像を求める解析ステップと、を備える。
【００１３】
或いは、本発明の撮像方法は、(1) 各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて変調面の複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能である多値光強度変調器を用いて、変調面に到達した光に対して光強度変調パターンに基づいて変調面において光強度変調を行って当該変調後の光を出力する光強度変調ステップと、(2) 多値光強度変調器から到達した光により多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置に配置された対象物から出力された光を受光する光検出器を用いて、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出ステップと、(3) 多値光強度変調器において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して光検出器から出力された光強度値とを組にして記憶する記憶ステップと、(4) これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて対象物の像を求める解析ステップと、を備える。
【００１４】
本発明の撮像装置または撮像方法において、多値光強度変調器は、(a) 各々入力した光の偏光方位によって異なる変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有する光変調器と、(b) 特定方位の直線偏光の光を光変調器へ入力させる第１偏光子と、(c) 光変調器から出力された光のうち特定方位と異なる方位の直線偏光の光を出力する第２偏光子と、を含む構成としてもよい。
【００１５】
本発明の撮像装置または撮像方法において、複数の多値光強度変調器を用いる構成としてもよい。この場合、複数の多値光強度変調器それぞれの変調面は、対象物の像が形成される位置、または、他の多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置、に配置される。
【００１６】
本発明の撮像装置または撮像方法において、二値光強度変調器を更に用いる構成としてもよい。二値光強度変調器は、各々入力した光に対して光強度変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有し、設定された光強度変調パターンに基づいて複数の画素領域それぞれにおいて二値の光強度変調が可能であり、光強度変調パターンに基づいて変調面において光強度変調を行って当該変調後の光を出力する。この場合、二値光強度変調器の変調面は、対象物の像が形成される位置、または、多値光強度変調器の変調面の像が形成される位置、に配置される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、光強度変調器および光検出器を用いて容易に対象物の像を取得することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は、第１実施形態の撮像装置１の構成を示す図である。
【図２】図２は、撮像装置１の変形例の構成を示す図である。
【図３】図３は、第２実施形態の撮像装置２の構成を示す図である。
【図４】図４は、多値光強度変調器２０の変調面に設定される光強度変調パターンを説明する図である。
【図５】図５は、第３実施形態の撮像装置３の構成を示す図である。
【図６】図６は、第４実施形態の撮像装置４の構成を示す図である。
【図７】図７は、第４実施形態における光強度変調パターンの例を説明する図である。図７（ａ）は、多値光強度変調器２０の光強度変調パターンＡを示す。図７（ｂ），（ｃ）は、全体の光強度変調パターンＣを示す。
【図８】図８は、第５実施形態の撮像装置５の構成を示す図である。
【図９】図９は、第６実施形態の撮像装置６の構成を示す図である。
【図１０】図１０は、第７実施形態の撮像装置７の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【００２０】
図１は、第１実施形態の撮像装置１の構成を示す図である。この図に示される撮像装置１は、光源１０、多値光強度変調器２０、光検出器３０、解析部４０および光学系６０を備える。撮像装置１は、光源１０と多値光強度変調器２０との間の光路上に配置された対象物９０の像を取得する。
【００２１】
光源１０は、対象物９０へ照射すべき光を出力する。光源１０が出力する光は、単色光であってもよいし、或る帯域を有する光であってもよい。光源１０が出力する光は、パルス光であってもよいし、連続発振光であってもよい。光源１０が出力する光は、多値光強度変調器２０による光強度変調が可能であって、光検出器３０が感度を有する波長であればよい。
【００２２】
光源１０から出力された光が対象物９０に照射されたことにより該対象物９０で生じた光は、多値光強度変調器２０の変調面に到達する。対象物９０で生じる光は、照射光波長と同じ波長の光（透過光または反射光）であってもよいし、照射光波長と異なる波長の光（例えば蛍光またはラマン散乱光）であってもよい。後者の場合、対象物９０と多値光強度変調器２０との間の光路上には、照射光波長と異なる波長の光を選択的に通過させる光フィルタが設けられる。
【００２３】
多値光強度変調器２０は、複数の画素領域が１次元状または２次元状に配列された変調面を有する。変調面の各画素領域は、入力した光に対して光強度変調を行って、当該変調後の光を出力する。多値光強度変調器２０は、設定された光強度変調パターンに基づいて変調面の複数の画素領域それぞれにおいて三値以上の光強度変調が可能である。なお、本発明では、多値とは三値以上を意味する。多値光強度変調器２０は、対象物９０から変調面に到達した光により変調面に形成された対象物９０の像に対して、光強度変調パターンに基づいて光強度変調を行い、当該変調後の光を出力する。
【００２４】
多値光強度変調器２０は、透過型または反射型の空間光変調器を含む構成とすることができる。空間光変調器は、強度変調型および位相変調型の何れであってもよい。多値光強度変調器２０は、位相変調型の空間光変調器を含む場合であっても、更に偏光子をも含む構成とすることで、全体として光強度変調を行うことができる。
【００２５】
対象物９０と多値光強度変調器２０との間に、多値光強度変調器２０の変調面に対象物９０の像を結像するための結像光学系が設けられてもよい。対象物９０から多値光強度変調器２０の変調面に到達する光が像を維持したまま伝搬するのであれば結像光学系は不要である。
【００２６】
光学系６０は、多値光強度変調器２０から出力された光を光検出器３０の受光領域に集光する。光学系６０は凸レンズまたは凹面鏡を含む。光検出器３０は、多値光強度変調器２０から出力された光を受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する。光検出器３０は、イメージセンサである必要はなく、ポイントセンサであってよい。多値光強度変調器２０から光検出器３０へ到達する光の光束径が光検出器３０の受光領域の大きさより小さければ、光学系６０は不要である。
【００２７】
解析部４０は、多値光強度変調器２０において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して光検出器３０から出力された光強度値とを組にして記憶する。そして、解析部４０は、これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて解析を行うことで対象物９０の像を求める。
【００２８】
撮像装置１は以下のように動作する。光源１０から出力された光は対象物９０に照射さる。この光照射により対象物９０で生じた光は多値光強度変調器２０の変調面に到達して、多値光強度変調器２０の変調面に対象物９０の像が形成される。多値光強度変調器２０により、変調面に形成された対象物９０の像に対して光強度変調パターンに基づいて光強度変調が施され、当該変調後の光が出力される（光強度変調ステップ）。光検出器３０により、多値光強度変調器２０から出力された光が受光され、その受光された光強度値が出力される（光検出ステップ）。解析部４０により、多値光強度変調器２０において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して光検出器３０から出力された光強度値とが組にして記憶される（記憶ステップ）。そして、解析部４０により、これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて解析が行われて、対象物９０の像が求められる（解析ステップ）。解析の内容については後述する。
【００２９】
図２は、撮像装置１の変形例の構成を示す図である。この図２に示される撮像装置１Ａの多値光強度変調器２０は、図１に示された撮像装置１の多値光強度変調器２０の具体的な一構成例を示している。撮像装置１Ａの多値光強度変調器２０は、光変調器２１、第１偏光子２２、第２偏光子２３およびビームスプリッタ２４を含む。
【００３０】
光変調器２１は、各々入力した光の偏光方位によって異なる変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有する空間光変調器（ＳＬＭ:  Spatial  Light  Modulator）である。光変調器２１は、例えば反射型電気アドレス空間光位相変調器であるＬＣＯＳ-ＳＬＭ（Liquid  Crystal  on  Silicon  ＳＬＭ）である。ＬＣＯＳ-ＳＬＭは、アドレス部にＣＭＯＳ技術を応用して直接液晶を電圧制御することで、高精度かつ高速応答の位相変調を行うことができる。
【００３１】
第１偏光子２２は、特定方位（例えば光変調器２１における液晶の配向方向に対して４５度の方位）の直線偏光の光を光変調器２１へ入力させる。第２偏光子２３は、光変調器２１から出力された光のうち前記特定方位と異なる方位（例えば光変調器２１における液晶の配向方向に対して１３５度の方位）の直線偏光の光を出力する。ビームスプリッタ２４は、第１偏光子２２から出力された光を光変調器２１へ透過させ、光変調器２１から出力された光を第２偏光子２３へ反射させる。ＬＣＯＳ-ＳＬＭは位相変調型のものであるが、このような構成とすることで多値光強度変調器２０は強度変調型のものとなる。
【００３２】
図３は、第２実施形態の撮像装置２の構成を示す図である。この図３に示される撮像装置２は、光源１０、多値光強度変調器２０、光検出器３０、解析部４０および光学系６０を備える点では、図１に示された撮像装置１の構成と同じである。図１に示された撮像装置１は、光源１０と多値光強度変調器２０との間の光路上に配置された対象物９０の像を取得するのに対して、図３に示される撮像装置２は、多値光強度変調器２０と光検出器３０との間の光路上に配置された対象物９０の像を取得する。
【００３３】
対象物９０は、多値光強度変調器２０から到達した光により多値光強度変調器２０の変調面の像が形成される位置に配置されている。多値光強度変調器２０と対象物９０との間に、対象物９０の位置に多値光強度変調器２０の変調面の像を結像するための結像光学系が設けられてもよい。多値光強度変調器２０の変調面から対象物９０に到達する光が像を維持したまま伝搬するのであれば結像光学系は不要である。
【００３４】
撮像装置２は以下のように動作する。光源１０から出力された光は多値光強度変調器２０の変調面に到達する。多値光強度変調器２０により、変調面に到達した光に対して光強度変調パターンに基づいて変調面において光強度変調が施され、当該変調後の光が出力される（光強度変調ステップ）。多値光強度変調器２０から出力された光は対象物９０に照射され、この光照射により対象物９０から光が出力される。光検出器３０により、対象物９０から出力された光が受光され、その受光された光強度値が出力される（光検出ステップ）。解析部４０により、多値光強度変調器２０において設定された複数種類の光強度変調パターンそれぞれについて、各光強度変調パターンとこれに対応して光検出器３０から出力された光強度値とが組にして記憶される（記憶ステップ）。そして、解析部４０により、これら記憶した複数組の光強度変調パターンおよび光強度値に基づいて解析が行われて、対象物９０の像が求められる（解析ステップ）。
【００３５】
次に、解析部４０による解析の内容について説明する。図４は、多値光強度変調器２０の変調面に設定される光強度変調パターンを説明する図である。ここでは、説明の簡便化のために、多値光強度変調器２０の変調面において４×４個の画素領域が配列されているものとする。複数の光強度変調パターンのうちの第ｉの光強度変調パターンにおいて、変調面の４×４個の画素領域のうちの第ｍ行第ｎ列に位置する画素領域の変調度をａi,j とする。ｊ＝４(ｍ−１)＋(ｎ−１) である。各ａi,j は、第ｍ行第ｎ列に位置する画素領域への入力光強度に対する出力光強度の比を表すものであり、０以上１以下の値を有する。各ａi,j がとり得る値は三値以上である。
【００３６】
対象物９０の像のうち、多値光強度変調器２０の変調面の第ｍ行第ｎ列に位置する画素領域に対応する領域における光強度値をｘｊとする。多値光強度変調器２０の変調面に第ｉの光強度変調パターンが設定されたときに、光検出器３０から出力された光強度値をｙｉとする。そして、ａi,j を要素とする二次元の観測行列Ａを下記（１）式で表し、ｘｊを要素とする縦ベクトルを下記（２）式で表し、ｙｉを要素とする縦ベクトルを下記（３）式で表す。これらの間には下記（４）式の関係がある。対象物９０の像の光強度分布ｘは、下記（５）式を解くことにより推定することができる。
【００３７】
【数１】
2020096272.tif 000003
【００３８】
【数２】
2020096272.tif 000004
【００３９】
【数３】
2020096272.tif 000005
【００４０】
【数４】
2020096272.tif 000006
【００４１】
【数５】
2020096272.tif 000007
【００４２】
解がスパース性を有している場合は、圧縮センシングの枠組みを用いることで、計測回数を減らすことができる。なお、多値光強度変調器２０の変調面に設定される光強度変調パターンとしてフーリエ基底の実部を用いることで、Ｓ／Ｎが低くても高い像質が得られる（非特許文献２参照）。また、多値光強度変調器２０の変調面に設定される光強度変調パターンとしてウェーブレット基底を用いることもできる（非特許文献３参照）。
【００４３】
観測行列Ａの各要素は、従来技術では二値に限られていたのに対して、本実施形態では三値以上である。従来技術と比べて、本実施形態では、観測行例Ａの設計の自由度が高い。このことから、本実施形態では、多値光強度変調器２０の変調面に設定する光強度変調パターンの個数を少なくして計測回数を減らしても、Ｓ／Ｎが良好な対象物の像を取得することができる。したがって、本実施形態では、計測に要する時間を短縮することができ、対象物の像を取得するための解析の負荷を低減することができる。本実施形態では、多値光強度変調器および光検出器（ポイントセンサ）を用いて容易に対象物の像を取得することができる。
【００４４】
次に、他の実施形態の撮像装置の構成について説明する。図５は、第３実施形態の撮像装置３の構成を示す図である。この図５に示される撮像装置３は、図１に示された撮像装置１の構成において多値光強度変調器２０に替えて、２つの多値光強度変調器２０Ａ，２０Ｂを備える。多値光強度変調器２０Ａ，２０Ｂは、多値光強度変調器２０と同様のものである。
【００４５】
多値光強度変調器２０Ａの変調面は、対象物９０の像が形成される位置に配置されている。多値光強度変調器２０Ｂの変調面は、多値光強度変調器２０Ａから出力された光により多値光強度変調器２０Ａの変調面の像が形成される位置（すなわち、対象物９０の像が形成される位置）に配置されている。光学系６０は、多値光強度変調器２０Ｂから出力された光を光検出器３０の受光領域に集光する。
【００４６】
対象物９０と多値光強度変調器２０Ａとの間に結像光学系が設けられてもよい。多値光強度変調器２０Ａと多値光強度変調器２０Ｂとの間に結像光学系が設けられてもよい。対象物９０から多値光強度変調器２０Ａを経て多値光強度変調器２０Ｂの変調面に到達する光が像を維持したまま伝搬するのであれば結像光学系は不要である。
【００４７】
第３実施形態では、多値光強度変調器２０Ａの光強度変調パターンをＡ＝{ａi,j}とし、多値光強度変調器２０Ｂの光強度変調パターンをＢ＝{ｂi,j}とすると、全体の観測行列はＣ＝{ａi,jｂi,j}で表される。第３実施形態では、全体の観測行例Ｃの設計の自由度が更に高い。例えば、ａi,jおよびｂi,jそれぞれがとり得る値が０.０、０.５、１.０であるとすると、ｃi,jがとり得る値は０.０、０.２５、０.５、１.０となる。
【００４８】
この実施形態の構成では２個の多値光強度変調器を用いたが、３個以上の多値光強度変調器を用いてもよい。多値光強度変調器の個数が多いほど、全体の観測行列の各要素がとり得る値の個数が多くなる。
【００４９】
図６は、第４実施形態の撮像装置４の構成を示す図である。この図６に示される撮像装置４は、図１に示された撮像装置１の構成に加えて二値光強度変調器５０を更に備える。
【００５０】
二値光強度変調器５０は、複数の画素領域が１次元状または２次元状に配列された変調面を有する。変調面の各画素領域は、入力した光に対して光強度変調を行って、当該変調後の光を出力する。二値光強度変調器５０は、設定された光強度変調パターンに基づいて変調面の複数の画素領域それぞれにおいて二値の光強度変調が可能である。二値とは、例えば、入力した光を次段の多値光強度変調器２０へ出力するか否かである。二値光強度変調器５０は、例えばＤＭＤである。
【００５１】
二値光強度変調器５０の変調面は、対象物９０の像が形成される位置に配置されている。多値光強度変調器２０の変調面は、二値光強度変調器５０から出力された光により二値光強度変調器５０の変調面の像が形成される位置（すなわち、対象物９０の像が形成される位置）に配置されている。光学系６０は、多値光強度変調器２０から出力された光を光検出器３０の受光領域に集光する。
【００５２】
対象物９０と二値光強度変調器５０との間に結像光学系が設けられてもよい。二値光強度変調器５０と多値光強度変調器２０との間に結像光学系が設けられてもよい。対象物９０から二値光強度変調器５０を経て多値光強度変調器２０の変調面に到達する光が像を維持したまま伝搬するのであれば結像光学系は不要である。
【００５３】
多値光強度変調器２０と二値光強度変調器５０とは逆に配置されていてもよい。この場合、二値光強度変調器５０の変調面は、多値光強度変調器２０から出力された光により多値光強度変調器２０の変調面の像が形成される位置（すなわち、対象物９０の像が形成される位置）に配置されている。
【００５４】
第４実施形態では、多値光強度変調器２０の光強度変調パターンをＡ＝{ａi,j}とし、二値光強度変調器５０の光強度変調パターンをＢ＝{ｂi,j}とすると、全体の観測行列はＣ＝{ａi,jｂi,j}で表される。二値光強度変調器５０としてＤＭＤを用いた場合、ｂi,j の値を０または１とすることができ、ｃi,j の値を０にすることもできる。第４実施形態では、全体の観測行例Ｃの設計の自由度が更に高い。全体の観測行例Ｃは、ＤＭＤをバイナリモードで駆動したときと同程度の速度で、バイナリを超えた表現が可能となる。ＤＭＤをグレイスケールモードで駆動した場合も同様である。ＤＭＤをグレイスケールモードで駆動した場合、ｂi,j の値はデューティ比となる。
【００５５】
図７は、第４実施形態における光強度変調パターンの例を説明する図である。図７（ａ）は、多値光強度変調器２０の光強度変調パターンＡを示す。図７（ｂ）は、多値光強度変調器２０の光強度変調パターンＡと二値光強度変調器５０の光強度変調パターンＢとによる全体の光強度変調パターンＣを示す。図７（ｃ）は、多値光強度変調器２０の光強度変調パターンＡと二値光強度変調器５０の他の光強度変調パターンＢとによる全体の光強度変調パターンＣを示す。これらの図において、色が濃いほど、ａi,j またはｃi,j の値が０に近いことを表す。
【００５６】
この実施形態の構成では１個の多値光強度変調器および１個の二値光強度変調器を用いたが、２個以上の多値光強度変調器または２個以上の二値光強度変調器を用いてもよい。多値光強度変調器の個数が多いほど、また、二値光強度変調器の個数が多いほど、全体の観測行列の各要素がとり得る値の個数が多くなる。
【００５７】
図８は、第５実施形態の撮像装置５の構成を示す図である。この図８に示される撮像装置５は、図２に示された撮像装置１Ａの構成に加えて、対象物９０と多値光強度変調器２０との間の光路上に設けられた光学系７０を更に備える。光学系７０は、レンズ７１およびレンズ７２を含み、これら二つのレンズ７１，７２それぞれの焦点距離の比に応じた拡大縮小率を有する。光学系７０の拡大縮小率は、対象物９０の大きさと多値光強度変調器２０の撮像面の大きさとの比に応じて適切に設定される。
【００５８】
図９は、第６実施形態の撮像装置６の構成を示す図である。この図９に示される撮像装置６は、図２に示された撮像装置１Ａの構成において、光源１０を取り除いた上で、対象物９０と多値光強度変調器２０との間の光路上に設けられた光学系８０を更に備える。対象物９０が自発光（例えば化学発光）する場合には、光源は不要である。光学系８０は、対象物９０で生じた光を多値光強度変調器２０の変調面に結像する結像光学系である。
【００５９】
図１０は、第７実施形態の撮像装置７の構成を示す図である。この図１０に示される撮像装置７は、図２に示された撮像装置１Ａの構成に加えて、対象物９０と多値光強度変調器２０との間の光路上に設けられた光学系８０およびミラー８１を更に備える。第１〜第５の各実施形態の撮像装置は対象物９０の透過光像を取得するものであったが、この第７実施形態の撮像装置７は対象物９０の反射光像を取得する。光源１０から出力された光が対象物９０に照射されて生じた反射光は、ミラー８１により反射され、光学系８０により多値光強度変調器２０の変調面に結像される。
【００６０】
本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。本実施形態の撮像装置よび撮像方法は、三値以上の光強度変調が可能な多値光強度変調器および光検出器（ポイントセンサ）を用いる。これにより、本実施形態では、多値光強度変調器の変調面に設定する光強度変調パターンの個数を少なくして計測回数を減らしても、Ｓ／Ｎが良好な対象物の像を取得することができる。したがって、本実施形態では、計測に要する時間を短縮することができ、対象物の像を取得するための解析の負荷を低減することができる。本実施形態では、容易に対象物の像を取得することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１，１Ａ，２〜７…撮像装置、１０…光源、２０，２０Ａ，２０Ｂ…多値光強度変調器、２１…光変調器、２２…第１偏光子、２３…第２偏光子、２４…ビームスプリッタ、３０…光検出器、４０…解析部、５０…二値光強度変調器、９０…対象物。
【図１】
2020096272.tif 000008
【図２】
2020096272.tif 000009
【図３】
2020096272.tif 000010
【図４】
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【図５】
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【図６】
2020096272.tif 000013
【図７】
2020096272.tif 000014
【図８】
2020096272.tif 000015
【図９】
2020096272.tif 000016
【図１０】
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