(57)【要約】  可干渉性に依存しないで、シングルショットで並列にサブピコ秒以下の超高速時間でゲーティングを行うことができる光ゲーティングシステムを提供する。  光ゲーティングシステムは、強度分布が空間的な周期性を有する空間特性シグナル光にシグナル光を変換し、ゲート領域（１３）に斜めに入射するように空間特性シグナル光をゲート領域（１３）に射出し、ゲート領域（１３）の開閉作用における閉状態のときは、ゲート領域（１３）における空間特性シグナル光の強度を弱める方向に作用する空間特性クローズ光と、空間特性シグナル光とを重ね合わせてクローズモアレ縞をゲート領域（１３）に発生させ（グラフ１１）、開状態のときは、ゲート領域（１３）における空間特性シグナル光の強度を強める方向に作用する空間特性オープン光と、空間特性シグナル光とを重ね合わせてオープンモアレ縞をゲート領域（１３）に発生させる（グラフ１２）。
2008053738.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートの開閉作用を行うように、前記ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティングシステムであって、
強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光に前記シグナル光を変換し、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に斜めに入射するように、前記第１の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第１の空間特性光射出手段と、
強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を弱める方向に作用する第２の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第２の空間特性光射出手段と、
強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する第３の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第３の空間特性光射出手段と
を備え、
前記開閉作用における閉状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第２の空間特性光とを重ね合わせて第１のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させ、前記開閉作用における開状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第３の空間特性光とを重ね合わせて第２のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させる
ことを特徴とする光ゲーティングシステム。
【請求項２】
前記第１の空間特性光射出手段は、第１の縞模様を前記ゲート領域に形成する光を前記第１の空間特性光として射出し、
前記第２の空間特性光射出手段は、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に射出されている間において所定の時間を除いた時間に、前記第１の縞模様と前記第１のモアレ縞を形成する第２の縞模様を前記ゲート領域に形成する光を前記第２の空間特性光として射出し、
前記第３の空間特性光射出手段は、前記所定の時間に、前記第１の縞模様と前記第２のモアレ縞を形成する第３の縞模様を前記ゲート領域に形成する光を前記第３の空間特性光として射出する
ことを特徴とする請求項１に記載の光ゲーティングシステム。
【請求項３】
前記第１の空間特性光射出手段は、前記シグナル光を第１の格子パターンに入射して得られる光を前記第１の空間特性光として射出し、
前記第２の空間特性光射出手段は、所定の光を第２の格子パターンに入射して得られる光を前記第２の空間特性光として射出し、
前記第３の空間特性光射出手段は、所定の光を第３の格子パターンに入射して得られる光を前記第３の空間特性光として射出する
ことを特徴とする請求項２に記載の光ゲーティングシステム。
【請求項４】
前記光ゲーティングシステムは、さらに、
撮像面を前記ゲート領域に合わせ、前記撮像面に投影される前記第２のモアレ縞を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記第２のモアレ縞の明部から、前記第１の空間特性光が前記領域を進行する方向の強度分布を抽出し、抽出した強度分布から前記シグナル光の時間波形を特定する画像処理手段と
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ゲーティングシステム。
【請求項５】
ゲートの開閉作用を行うように、前記ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティング方法であって、
強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光に前記シグナル光を変換し、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に斜めに入射するように、前記第１の空間特性光を前記ゲート領域に射出し、
強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を弱める方向に作用する第２の空間特性光を前記ゲート領域に射出し、
強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する第３の空間特性光を前記ゲート領域に射出し、
前記開閉作用における閉状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第２の空間特性光とを重ね合わせて第１のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させ、前記開閉作用における開状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第３の空間特性光とを重ね合わせて第２のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させる
ことを特徴とする光ゲーティング方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モアレ現象を利用した光ゲーティングシステムに関し、特に、非線形光ゲートデバイスを必要とせず、高感度、並列、超高速時間でゲーティングを行うことができる光ゲーティングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光は、あらゆる産業分野で、必要不可欠なものとして利用されている。これは、例えば、超高速性、超広帯域性、無侵襲性などのような優れた特性を光が持つためである。特に、超高速性は、光よりも早く進む現象がないことから、他に類をみない特性である。産業的にも、超高速光通信などにおいて、非常に重要な特性として位置づけられている。その一方で、光よりも速い現象がないため、光自身の過渡的な状態変化を計測するにあたり、繰り返し計測を行う方法が多用されている。また、繰り返し計測を行う方法以外で、シングルショットで計測を行う方法もある。シングルショットで計測を行う方法として、例えば、光を強制的に偏向して計測を行うストリークカメラや、参照光との超高速干渉（光スペクトログラムスコープ）を用いた方法などがある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第３０１８１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記技術において前者は、分解能などに限界がある。光よりも速い偏向は不可能であるためである。また、後者は、インコヒーレントな光の計測は難しい。被計測光とゲート光との間の干渉性が前提であるためである。【０００４】
一方、産業分野では、予め素性の特定ができないインコヒーレントな光の測定も非常に重要である。このため、光計測の従来技術は、光の速度を超える走査技術の決定的な方法が無いために、繰り返し計測が余儀なくされるという問題がある。【０００５】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、可干渉性に依存しないで、シングルショットで並列にサブピコ秒以下の超高速時間でゲーティングを行うことができる光ゲーティングシステム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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係わる光ゲーティングシステムは、（ａ）ゲートの開閉作用を行うように、前記ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティングシステムであって、（ａ１）強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光に前記シグナル光を変換し、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に斜めに入射するように、前記第１の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第１の空間特性光射出手段と、（ａ２）強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を弱める方向に作用する第２の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第２の空間特性光射出手段と、（ａ３）強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する第３の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第３の空間特性光射出手段とを備え、（ａ４）前記開閉作用における閉状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第２の空間特性光とを重ね合わせて第１のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させ、前記開閉作用における開状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第３の空間特性光とを重ね合わせて第２のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させることを特徴とする。【０００７】
これによって、シグナル光の可干渉性に依存しないで、高感度、並列、サブピコ秒以下の超高速時間で、ゲーティングを行うことができる。【０００８】
なお、本発明は、光ゲーティングシステムとして実現されるだけではなく、光ゲーティング方法などとして、実現されるとしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、任意のシグナル光に対して、シングルショットで所定の時間分のシグナル光を計測することができる。高感度かつ低コストで、シグナル光の可干渉性に依存せずに、簡単に計測することができる。【００１０】
シグナル光の可干渉性に依存しないで、高感度かつ並列にサブピコ秒以下の超高速時間ゲーティングを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明に係わる実施の形態におけるクローズモアレ縞とオープンモアレ縞との一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明に係わる実施の形態における空間特性シグナル光の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明に係わる実施の形態における空間特性クローズ光の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明に係わる実施の形態における空間特性オープン光の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明に係わる実施の形態における光ゲーティングシステムに利用されるモアレの概要を示す図である。
【図６】図６は、本発明に係わる実施の形態における光ゲーティングシステムの構成を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明に係わる実施の形態における空間特性シグナル光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。図７（ｂ）は、本発明に係わる実施の形態における空間特性クローズ光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。図７（ｃ）は、本発明に係わる実施の形態における空間特性オープン光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。
【図８】図８は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞の変化を示す図である。
【図９】図９は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞のＡ−Ｂ線における時間変位を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。図１０（ｂ）は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第１の図である。
【図１２】図１２は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第２の図である。
【図１３】図１３は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第３の図である。
【図１４】図１４は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第４の図である。
【図１５】図１５は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第５の図である。
【符号の説明】
【００１２】
１００  光ゲーティングシステム
１０１  光源
１０４  撮像装置
１０５  画像処理装置
１１１，１２１，１２８  ビームスプリッタ
１１４，１１５，１３１，１３４  ミラー
１１２  シグナル光生成部
１１３，１２３，１３３  遅延部
１１６，１２６，１３６  格子パターン
１１７，１２７，１３７  コリメータレンズ
１２２  オープン光生成部
１３２  クローズ光生成部
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施の形態）
以下、本発明に係わる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。【００１４】
本実施の形態における光ゲーティングシステムは、下記に示す特徴を備える。【００１５】
（ａ）ゲートの開閉作用を行うように、ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティングシステムであって、（ａ１）強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光にシグナル光を変換し、第１の空間特性光がゲート領域に斜めに入射するように、第１の空間特性光をゲート領域に射出する第１の空間特性光射出手段と、（ａ２）強度分布が空間的な周期性を有してゲート領域において第１の空間特性光と重ね合わせることでゲート領域における第１の空間特性光の強度を弱める方向に作用する第２の空間特性光をゲート領域に射出する第２の空間特性光射出手段と、（ａ３）強度分布が空間的な周期性を有してゲート領域において第１の空間特性光と重ね合わせることでゲート領域における第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する第３の空間特性光をゲート領域に射出する第３の空間特性光射出手段とを備え、（ａ４）開閉作用における閉状態のときは、第１の空間特性光と第２の空間特性光とを重ね合わせて第１のモアレ縞をゲート領域に発生させ、開閉作用における開状態のときは、第１の空間特性光と第３の空間特性光とを重ね合わせて第２のモアレ縞をゲート領域に発生させることを特徴とする。【００１６】
以上の点を踏まえて本実施の形態におけるゲーティング光学系について説明する。【００１７】
まず、本実施の形態における光ゲーティングシステムの原理について説明する。【００１８】
本実施の形態における光ゲーティングシステムは、あたかもゲートの開閉作用を行うようにして、ゲートになる領域（以下、ゲート領域と呼称する。）に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御するシステムである。ここで、シグナル光は、コヒーレント光、インコヒーレント光のいずれでもよく、任意の光とする。具体的には、ゲートの代わりに、ゲート領域に、開閉状態に応じたモアレ縞を発生させる。このとき、あたかもゲートを閉じてシグナル光を通さないときは、クローズモアレ縞を発生させる。あたかもゲートを開いてシグナル光を通すときは、オープンモアレ縞を発生させる（例えば、図１参照。）。【００１９】
ここで、図１は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞とオープンモアレ縞との一例を示す図である。なお、グラフ１１，１２については、横軸が位置であり、縦軸が強度である。【００２０】
図１に示されるように、クローズモアレ縞（グラフ１１）は、開閉作用における閉状態に対応するモアレ縞であり、空間特性シグナル光（例えば、図２参照。）と空間特性クローズ光（例えば、図３参照。）とを重ね合わせることで生じる。オープンモアレ縞（グラフ１２）は、開閉作用における開状態に対応するモアレ縞であり、空間特性シグナル光（例えば、図２参照。）と空間特性クローズ光（例えば、図４参照。）とを重ね合わせることで生じる。【００２１】
ここで、図２は、本実施の形態における空間特性シグナル光の一例を示す図である。図３は、本実施の形態における空間特性クローズ光の一例を示す図である。図４は、本実施の形態における空間特性オープン光の一例を示す図である。なお、グラフ２１，３１，４１については、横軸が位置であり、縦軸が振幅である。グラフ２２，３２，４２については、横軸が位置であり、縦軸が強度である。【００２２】
図２に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）は、第１の格子パターンなどを使用してシグナル光を変換して得られる光であり、強度分布が空間的な周期性を有する光である（グラフ２２）。また、第１の縞模様をゲート領域１３に形成する光である。【００２３】
図３に示されるように、空間特性クローズ光（グラフ３１）は、第２の格子パターンなどを使用してクローズ光を変換して得られる光であり、強度分布が空間的な周期性を有する光である（グラフ３２）。また、第１の縞模様とクローズモアレ縞を形成する第２の縞模様をゲート領域１３に形成する光である。すなわち、ゲート領域１３においては、空間特性シグナル光の強度を弱める方向に作用する光である。なお、空間特性シグナル光がゲート領域１３に射出されている間において所定の時間を除いた時間に射出される。【００２４】
図４に示されるように、空間特性オープン光（グラフ４１）は、第３の格子パターンなどを使用してオープン光を変換して得られる光であり、強度分布が空間的な周期性を有する光である（グラフ４２）。また、第１の縞模様とオープンモアレ縞を形成する第３の縞模様をゲート領域１３に形成する光である。すなわち、ゲート領域１３においては、空間特性シグナル光の強度を強める方向に作用する光である。なお、空間特性シグナル光がゲート領域１３に射出されている間において所定の時間に射出される。【００２５】
これに伴い、クローズモアレ縞（グラフ１１）は、ゲート領域１３において、強度の弱い領域が大半を占めることになる。オープンモアレ縞（グラフ１２）は、ゲート領域１３において、山１３ａ〜１３ｇのように、強度の強い領域が複数存在することになる。【００２６】
これにより、光ゲーティングシステムは、ゲート領域１３に入射するシグナル光に対して、あたかもゲートを閉じて通さなかったり、開いて通したりすることができる。【００２７】
さらに、シグナル光から得られた空間特性シグナル光を、ゲート領域に対して斜めに入射する。これによって、シグナル光の時間成分をゲート領域の空間に対応付けることができる。これは、斜めに入射することによって、入射する位置に応じて光路差が生じるためである。例えば、ある時間において、シグナル光が平行してゲート領域に入射したとする。このとき、ゲート領域の上側に入射するシグナル光は、下側に入射するシグナル光よりも遅れて入射することになる。結果、光路差に応じた時間のシグナル光が同一のゲート領域に同時に入射することになる。これによって、シングルショットで所定の時間に渡るシグナル光を並列して取り出すことができる。【００２８】
次に、本実施の形態における光ゲーティングシステムに利用されるモアレ現象について説明する。【００２９】
図５は、本実施の形態における光ゲーティングシステムに利用されるモアレの概要を示す図である。なお、グラフ５１，５２については、横軸が位置であり、縦軸が振幅である。【００３０】
図５に示されるように、例えば、空間特性シグナル光（cos(10*1.15*x)）と空間特性クローズ光（cos(10*x+31.4/3.4)）とのように、位相が異なる２つの光を重ね合わせると（グラフ５１）、一様に明暗が繰り返されるモアレ縞が生じる（グラフ１１）。さらに、例えば、空間特性オープン光（cos(10*x)）のように、空間特性クローズ光（cos(10*x+31.4/3.4)）から位相をわずかにずらすと（グラフ５１）、明暗の繰り返しが反転したモアレ縞が生じる（グラフ５２）。【００３１】
このように、モアレ縞は、規則性のある模様を２つ重ね合わせることによって生じる。特に、周期性のある直線模様や曲線模様や点模様などを重ね合わせた場合は、もとの周期とは異なるモアレ縞が生じる。また、ピッチが異なる２種類の模様を重ね合わせることによっても生じる。また、同じピッチの２つの模様であっても、微小角θだけ回転させて重ね合わせることによっても生じる。さらに、位相をずらすことで、領域５３から領域５４のように、明るい領域を暗くしたり、領域５５から領域５６のように、暗い領域を明るくしたり、明暗を反転することができる。【００３２】
次に、本実施の形態における光ゲーティングシステムの構成について説明する。【００３３】
図６は、本実施の形態における光ゲーティングシステムの構成を示す図である。図６に示されるように、光ゲーティングシステム１００は、ここでは、一例として、光源１０１、撮像装置１０４、画像処理装置１０５、シグナル光を生成する光学系、ゲート領域１３の開閉作用を制御するゲート光を生成する光学系などを備える。【００３４】
なお、ここでは、ゲート光としてクローズ光とオープン光とを利用する。空間特性クローズ光は、強度分布が空間的な周期性を有する光にクローズ光を変換して得られる光とする。空間特性オープン光は、強度分布が空間的な周期性を有する光にオープン光を変換して得られる光とする。シグナル光、クローズ光、オープン光のそれぞれから空間特性を有する光を得るにあたっては、一般的に広く知られている回折現象を利用する。撮像装置１０４に備わる撮像素子の撮像面１４１がゲート領域になるように、各光学素子が配置されている。ゲート領域に合わされた撮像面にオープンモアレ縞が投影されると、撮像面に投影されたオープンモアレ縞が撮像装置１０４によって撮像される。撮像されたオープンモアレ縞の明部から、シグナル光がゲート領域を進行する方向に対して、シグナル光の強度分布が抽出され、抽出された強度分布からシグナル光の時間波形が特定される。【００３５】
光源１０１から射出された光は、ビームスプリッタ１１１で分岐され、一方は、シグナル光を生成する光学系に入射し、他方は、ゲート光を生成する光学系に入射する。【００３６】
シグナル光を生成する光学系に入射した光は、シグナル光生成部１１２に入射する。シグナル光生成部１１２から射出されるシグナル光のソースになる。【００３７】
シグナル光生成部１１２は、ここでは、一例として、入射してきた光を測定対象物に照射して透過波や反射波などを生成する。生成した透過波や反射波などをシグナル光として射出する。なお、蛍光やりん光などが透過波や反射波に含まれるとしてもよい。【００３８】
シグナル光生成部１１２から射出されたシグナル光は、遅延部１１３に入射し、遅延部１１３で射出時期が調整される。遅延部１１３で射出時期が調整されたシグナル光は、ミラー１１４，１１５を経由して格子パターン１１６（第１の格子パターン）に入射する。【００３９】
格子パターン１１６は、第１の軸方向に延びる直線状の格子が、第１の軸と直交する第２の軸方向に、第１のピッチで複数並べられて形成されている。さらに、格子が形成されている面にシグナル光が垂直に入射するように配置されている。入射してきたシグナル光が透過して空間特性シグナル光として射出される。【００４０】
格子パターン１１６から射出された空間特性シグナル光は、コリメータレンズ１１７で平行光束にされ、撮像装置１０４に入射する。【００４１】
なお、格子パターン１１６，１２６，１３６等であるモアレ形成用格子を液晶空間変調素子（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いて構成することも可能である。この場合には、液晶空間変調素子の液晶模様を電気的に変更することで格子の幅や位相、角度等を自動調整可能となり、大幅に使用しやすくなる。【００４２】
ここで、図７（ａ）は、本実施の形態における空間特性シグナル光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。このとき、図７（ａ）に示されるように、撮像面１４１に対して斜めに空間特性シグナル光（グラフ２１）が入射する。これに伴い、空間特性シグナル光（グラフ２１）によって得られる縞１５１（グラフ２２）が撮像面１４１に生じる。【００４３】
ここで、図８は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞の変化を示す図である。さらに、図８に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）は、ほぼ光の速度で、Ａ−Ｂ線に沿って右側（Ｂの側）から左側（Ａの側）に撮像面１４１を進行する。具体的には、シグナル光生成部１１２でシグナル光の射出が開始される前は、撮像面１４１には何も投影されていない。その後、シグナル光生成部１１２でシグナル光の射出が開始され、空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達しだすときは、縞１５１ａ〜１５１ｅが順に撮像面１４１に投影される。空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達した後は、縞１５１ｆが撮像面１４１に投影される。【００４４】
その後、シグナル光生成部１１２でシグナル光の射出が終了し、空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達しなくなりだすときは、縞１５１ｆ〜１５１ｊが順に撮像面１４１に投影される。空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達しなくなった後は、撮像面１４１には何も投影されなくなる。【００４５】
ここで、図９は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞のＡ−Ｂ線における時間変位を示す図である。また、図９に示されるように、撮像面１４１に対して、空間特性シグナル光をＡ−Ｂ線に沿って斜めに入射することで、Ａ−Ｂ線に沿って、縞１５１が伸張する。また、入射角に応じた時間分の空間特性シグナル光が撮像面に同時に入射することになる。【００４６】
なお、時間Ｔａは、空間特性シグナル光が撮像面の移動に要する時間である。時間Ｔｂは、空間特性シグナル光が山の移動に要する時間である。【００４７】
ここで、所定の時間に亘って縞１５１をＡ−Ｂ線で標本化したとする。この場合において、縞１５１の時間変位（グラフ１６１）に示されるように、空間特性シグナル光２１が入射している間は、縞１５１の模様については略一定である。このため、空間特性シグナル光２１がＡ−Ｂ線に沿って右から左に移動しても、縞１５１自体は移動しない。しかし、時刻ｔ１において一番下側（Ｂ側）の山に表れた空間特性シグナル光は、時刻ｔ２においては、一つ上側（Ａ側）の山に移動する。そして、順に山を移動しながら、時刻ｔ９においては、一番上側（Ａ側）の山に移動する。このため、この時間Ｔｂよりもオープンモアレ縞を長く発生させておくと、発生させている時間に見合うだけ、空間特性シグナル光は山を移動することになるので、撮像した内容が暈けることになる。【００４８】
次に、図６に示されるように、ゲート光を生成する光学系に入射した光は、さらに、ビームスプリッタ１２１で分岐される。ビームスプリッタ１２１で分岐された光のうち、一方は、ミラー１３１を経由してクローズ光生成部１３２に入射し、クローズ光生成部１３２から射出されるクローズ光のソースになる。他方は、オープン光生成部１２２に入射し、オープン光生成部１２２から射出されるオープン光のソースになる。【００４９】
クローズ光生成部１３２は、ここでは、一例として、入射してきた光から、閉状態のときは、振幅が一定であり、開状態のときは、振幅が０である光を生成する。生成した光をクローズ光として射出する。【００５０】
クローズ光生成部１３２から射出されたクローズ光は、遅延部１３３に入射し、遅延部１３３で射出時期が調整される。遅延部１３３で射出時期が調整されたクローズ光は、ミラー１３４を経由して格子パターン１３６（第２の格子パターン）に入射する。【００５１】
格子パターン１３６は、第３の軸方向に延びる直線状の格子が、第３の軸と直交する第４の軸方向に、第２のピッチで複数並べられて形成されている。さらに、格子が形成されている面にクローズ光が垂直に入射するように配置されている。入射してきたクローズ光が透過して空間特性クローズ光として射出される。【００５２】
格子パターン１３６から射出された空間特性クローズ光は、コリメータレンズ１３７で平行光束にされ、ビームスプリッタ１２８を経由して撮像装置１０４に入射する。【００５３】
ここで、図７（ｂ）は、本実施の形態における空間特性クローズ光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。このとき、図７（ｂ）に示されるように、撮像面１４１に対して垂直に空間特性クローズ光（グラフ３１）が入射する。これに伴い、空間特性クローズ光（グラフ３１）によって得られる縞１５２（グラフ３２）が撮像面１４１に生じる。【００５４】
オープン光生成部１２２は、ここでは、一例として、入射してきた光から、閉状態のときは、振幅が０であり、開状態のときは、振幅が一定である光を生成する。生成した光をオープン光として射出する。【００５５】
オープン光生成部１２２から射出されたオープン光は、遅延部１２３に入射し、遅延部１２３で射出時期が調整される。遅延部１２３で射出時期が調整されたオープン光は、格子パターン１２６（第３の格子パターン）に入射する。【００５６】
格子パターン１２６は、第５の軸方向に延びる直線状の格子が、第５の軸と直交する第６の軸方向に、第３のピッチで複数並べられて形成されている。さらに、格子が形成されている面にオープン光が垂直に入射するように配置されている。入射してきたオープン光が透過して空間特性オープン光として射出される。【００５７】
格子パターン１２６から射出された空間特性オープン光は、コリメータレンズ１２７で平行光束にされ、ビームスプリッタ１２８を経由して撮像装置１０４に入射する。【００５８】
ここで、図７（ｃ）は、本実施の形態における空間特性オープン光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。このとき、図７（ｃ）に示されるように、撮像面１４１に対して垂直に空間特性オープン光（グラフ４１）が入射する。これに伴い、空間特性オープン光（グラフ４１）によって得られる縞１５３（グラフ４２）が撮像面１４１に生じる。【００５９】
このように、クローズ光とオープン光とをゲート光として利用することによって、開閉作用において、クローズモアレ縞とオープンモアレ縞とを切り替えて発生させることができる。【００６０】
ここで、図１０（ａ）は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。そして、図１０（ａ）に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性クローズ光（グラフ３１）とが同じ時期で撮像装置１０４に入射するように、遅延部１１３，１３３における各射出時期が調整されているとする。この場合において、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性クローズ光（グラフ３１）とが重ね合わさることでクローズモアレ縞１７１（グラフ１１）が撮像面１４１に生じる。【００６１】
同様に、図１０（ｂ）は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。そして、図１０（ｂ）に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性オープン光（グラフ４１）とが同じ時期で撮像装置１０４に入射するように、遅延部１２３，１３３における各射出時期が調整されているとする。この場合において、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性オープン光（グラフ４１）とが重ね合わさることでオープンモアレ縞１７２（グラフ１２）が撮像面１４１に生じる。【００６２】
そして、光ゲーティングシステム１００は、撮像面１４１に生じたオープンモアレ縞を撮像装置１０４で撮像する。撮像したオープンモアレ縞の画像データを画像処理装置１０５で画像処理を行う。このとき、撮像面１４１のＡ−Ｂ線に対応する画像データから、Ａ−Ｂ線に沿った複数の山（強度の強い領域）から強度を取り出す。取り出した強度と、予め設定しておいたクローズ光とオープン光との各強度とを利用してシグナル光の強度を特定することができる。【００６３】
なお、シグナル光生成部１１２、オープン光生成部１２２、クローズ光生成部１３２は、共通の光源を使用して、シグナル光、オープン光、クローズ光を生成するとしてもよいし、それぞれ異なる光源を使用して、シグナル光、オープン光、クローズ光を生成するとしてもよい。【００６４】
なお、撮像装置１０４で撮像した画像を画像処理装置１０５で画像処理するにあたり、所定の振幅以下の振幅を遮断するようにしておく。【００６５】
なお、ここでは、一例として、撮像面１４１に生じる縞を作る方法として、格子パターンを透過した光を重ね合わせる方法を利用している。しかし、撮像面１４１に生じる縞については、格子パターンを透過した光を重ね合わせる方法以外の方法によって生じたものであってもよい。【００６６】
なお、格子パターン１１６の第１のピッチと格子パターン１３６の第２のピッチとが同じであるとしてもよいし、異なるとしてもよい。異なる場合は、微小回転させずに、第１の軸と第３の軸とが平行になるように、格子パターン１１６と格子パターン１３６とが配置されているとしてもよい。【００６７】
なお、格子パターン１１６の第１のピッチと格子パターン１２６の第３のピッチとが同じであるとしてもよいし、異なるとしてもよい。異なる場合は、微小回転させずに、第１の軸と第５の軸とが平行になるように、格子パターン１１６と格子パターン１２６とが配置されているとしてもよい。【００６８】
なお、格子パターン１３６の第２のピッチと格子パターン１２６の第３のピッチとが同じであるとしてもよいし、異なるとしてもよい。異なる場合は、微小回転させずに、第３の軸と第５の軸とが平行になるように、格子パターン１３６と格子パターン１２６とが配置されているとしてもよい。【００６９】
次に、本実施の形態におけるシグナル光とゲート光とによるモアレ縞について説明する。【００７０】
図１１〜図１５は、本実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す図である。【００７１】
図１１に示されるように、グラフ１８１は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔａにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から未だ射出されていない。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出される。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、空間特性クローズ光の縞が撮像面１４１に生じる。ここで、空間特性クローズ光の縞１５２は、強度の弱い山（点線領域）が撮像面１４１の中心にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。【００７２】
図１２に示されるように、グラフ１８２は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｂにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されている。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出されている。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、シグナル光が格子パターン１１６を透過して得られる空間特性シグナル光がＡ−Ｂ線に沿って斜めから入射する。クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、クローズモアレ縞１７１が撮像面１４１に生じる。ここで、クローズモアレ縞１７１は、強度の弱い山（破線領域）が撮像面１４１の中心にみられ、さらに強度の弱い山（点線領域）が中心の周辺にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。【００７３】
図１３に示されるように、グラフ１８３は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｃにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されている。振幅が０のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出されている。振幅が一定のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、シグナル光が格子パターン１１６を透過して得られる空間特性シグナル光がＡ−Ｂ線に沿って斜めから入射する。オープン光が格子パターン１２６を透過して得られる空間特性オープン光が垂直に入射する。これに伴い、オープンモアレ縞１７２が撮像面１４１に生じる。ここで、オープンモアレ縞１７２は、強度の強い山（実線領域）が撮像面１４１の中心に複数みられ、強度の弱い山（点線領域）が中心の周辺にみられる。なお、空間特性クローズ光については、クローズ光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。【００７４】
図１４に示されるように、グラフ１８４は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｄにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されている。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出されている。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、シグナル光が格子パターン１１６を透過して得られる空間特性シグナル光がＡ−Ｂ線に沿って斜めから入射する。クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、クローズモアレ縞１７１が撮像面１４１に生じる。ここで、クローズモアレ縞１７１は、強度の弱い山（破線領域）が撮像面１４１の中心にみられ、さらに強度の弱い山（点線領域）が中心の周辺にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。【００７５】
図１５に示されるように、グラフ１８５は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｅにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されなくなる。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出される。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、空間特性クローズ光の縞が撮像面１４１に生じる。ここで、空間特性クローズ光の縞１５２は、強度の弱い山（点線領域）が撮像面１４１の中心にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。【００７６】
以上、本実施の形態における光ゲーティングシステム１００によれば、シグナル光の可干渉性に依存しないで、高感度かつ並列でサブピコ秒以下の超高速時間ゲーティングを実現することができる。このため、メカニカルな走査を全く必要とせずに、奥行き方向のシングルショット計測が可能となる。【００７７】
なお、下記に本発明の光ゲーティングシステムの画像処理装置１０５において用いられる時間変化証明光により形成されるモアレの一般的な理論式を説明する。ここで振幅が空間で一様に時間信号ｆ（ｔ）で変化する最も簡単な場合を仮定して説明すると、クローズモアレ縞の強度Ｉはｆ（ｔ）に対して下記の式（１）で与えられる。【００７８】
【数１】
2008053738.tif 000003
【００７９】
ここで、ｔは時間信号であり、ｘは空間パラメータを示している。【００８０】
そして、式（１）で与えられるモアレ画像に対して、ハードウェアまたはソフトウェア的に空間周波数フィルタリングにより下記の式（２）、式（３）、式（５）および式（６）の条件を満たすΔｘ以下の構造に対応する高い空間周波数をカットすると、下記の式（８）の近似式で与えられるモアレ画像が得られる。【００８１】
１）Δｘと、第一コサイン部分cos(（α＋β)ｘ／２）及び第三コサイン部分cos(βx)の位相シフト量φに対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（２）及び式（３）によって与えられる。【００８２】
【数２】
2008053738.tif 000004
【００８３】
【数３】
2008053738.tif 000005
【００８４】
ここで、２φ／（α＋β）及びφ／βは、第一コサイン部分cos(（α＋β)ｘ／２）及び第三コサイン部分cos(βx)の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。【００８５】
２）Δｘと、第二コサイン部分cos(（α−β)ｘ／２）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（４）で与えられる。【００８６】
【数４】
2008053738.tif 000006
【００８７】
ここで、２φ／α−βは第二コサイン部分cos(（α−β)ｘ／２）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。【００８８】
またさらに、下記の状態及び近似値を考慮する。【００８９】
１）Δｘと第一コサイン部分cos（(α＋β)ｘ／２)及び第三コサイン部分cos(βx)の位相シフト量φ／２，φに対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（５）及び（６）で与えられる。【００９０】
【数５】
2008053738.tif 000007
【００９１】
【数６】
2008053738.tif 000008
【００９２】
ここで、φ／（α＋β）、φ／βは、第一コサイン部分cos(（α＋β)ｘ／２）及び第三コサイン部分cos(βx)の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。【００９３】
２）Δｘと、第二コサイン部分cos（(α−β)ｘ／２)の位相シフト量φ／２に対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（７）で与えられる。【００９４】
【数７】
2008053738.tif 000009
【００９５】
ここで、φ／α−βは、第二コサイン部分cos（(α−β)ｘ／２)の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。【００９６】
そして、以上からオープンモアレ縞の強度Ｉはｆ（ｔ）に対して下記の式（８）で与えられる。【００９７】
【数８】
2008053738.tif 000010
【００９８】
そして、上記の状態と近似値に示すように、式（１）及び（８）の第二コサイン部分中における（(α−β)／２)の周波数は非常に小さな値となり、位相シフト量φ／２の位相変化としての寄与は非常に大きなものとなる。一方、式（１）及び（８）の第一コサイン部分中の（(α＋β)／２)や第三コサイン部分中のβの周波数は大きな値となるために、第一及び第三コサイン部分中における位相シフト量φ／２及びφの位相変化としての寄与は小さいものとなる。従って、モアレ寄与は下記の式（９）〜（１４）を用いて表すことができる。【００９９】
【数９】
2008053738.tif 000011
【０１００】
【数１０】
2008053738.tif 000012
【０１０１】
【数１１】
2008053738.tif 000013
【０１０２】
【数１２】
2008053738.tif 000014
【０１０３】
【数１３】
2008053738.tif 000015
【０１０４】
【数１４】
2008053738.tif 000016
【０１０５】
ここで、上記式（９）及び近似式（１０）の差分である第二コサイン部分中の位相シフト量φ／２がモアレ寄与の位相差を示していることとなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０６】
本発明は、モアレ現象を利用した光ゲーティングシステムなどとして、特に、高感度かつ並列で超高速時間ゲーティングを実現することができる光ゲーティングシステムなどとして、利用することができる。そして、本発明は、例えば光計測、光通信、サブピコ秒以下の超短光パルスを使用した光学システム一般に適用でき、具体的には、蛍光顕微鏡、ラマン分光顕微鏡、超高速時間ゲートを備えたカメラを必要とする医療計測機器などに応用できる。
【図１】
2008053738.tif 000017
【図２】
2008053738.tif 000018
【図３】
2008053738.tif 000019
【図４】
2008053738.tif 000020
【図５】
2008053738.tif 000021
【図６】
2008053738.tif 000022
【図７】
2008053738.tif 000023
【図８】
2008053738.tif 000024
【図９】
2008053738.tif 000025
【図１０】
2008053738.tif 000026
【図１１】
2008053738.tif 000027
【図１２】
2008053738.tif 000028
【図１３】
2008053738.tif 000029
【図１４】
2008053738.tif 000030
【図１５】
2008053738.tif 000031
【手続補正書】
【提出日】平成21年4月16日(2009.4.16)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モアレ現象を利用した光ゲーティングシステムに関し、特に、非線形光ゲートデバイスを必要とせず、高感度、並列、超高速時間でゲーティングを行うことができる光ゲーティングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光は、あらゆる産業分野で、必要不可欠なものとして利用されている。これは、例えば、超高速性、超広帯域性、無侵襲性などのような優れた特性を光が持つためである。特に、超高速性は、光よりも早く進む現象がないことから、他に類をみない特性である。産業的にも、超高速光通信などにおいて、非常に重要な特性として位置づけられている。その一方で、光よりも速い現象がないため、光自身の過渡的な状態変化を計測するにあたり、繰り返し計測を行う方法が多用されている。また、繰り返し計測を行う方法以外で、シングルショットで計測を行う方法もある。シングルショットで計測を行う方法として、例えば、光を強制的に偏向して計測を行うストリークカメラや、参照光との超高速干渉（光スペクトログラムスコープ）を用いた方法などがある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第３０１８１７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記技術において前者は、分解能などに限界がある。光よりも速い偏向は不可能であるためである。また、後者は、インコヒーレントな光の計測は難しい。被計測光とゲート光との間の干渉性が前提であるためである。
【０００４】
一方、産業分野では、予め素性の特定ができないインコヒーレントな光の測定も非常に重要である。このため、光計測の従来技術は、光の速度を超える走査技術の決定的な方法が無いために、繰り返し計測が余儀なくされるという問題がある。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、可干渉性に依存しないで、シングルショットで並列にサブピコ秒以下の超高速時間でゲーティングを行うことができる光ゲーティングシステム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】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明に係わる光ゲーティングシステムは、（ａ）ゲートの開閉作用を行うように、前記ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティングシステムであって、（ａ１）強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光に前記シグナル光を変換し、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に斜めに入射するように、前記第１の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第１の空間特性光射出手段と、（ａ２）強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を弱める方向に作用する第２の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第２の空間特性光射出手段と、（ａ３）強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する第３の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第３の空間特性光射出手段とを備え、（ａ４）前記開閉作用における閉状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第２の空間特性光とを重ね合わせて第１のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させ、前記開閉作用における開状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第３の空間特性光とを重ね合わせて第２のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させることを特徴とする。
【０００７】
これによって、シグナル光の可干渉性に依存しないで、高感度、並列、サブピコ秒以下の超高速時間で、ゲーティングを行うことができる。
【０００８】
なお、本発明は、光ゲーティングシステムとして実現されるだけではなく、光ゲーティング方法などとして、実現されるとしてもよい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、任意のシグナル光に対して、シングルショットで所定の時間分のシグナル光を計測することができる。高感度かつ低コストで、シグナル光の可干渉性に依存せずに、簡単に計測することができる。
【００１０】
シグナル光の可干渉性に依存しないで、高感度かつ並列にサブピコ秒以下の超高速時間ゲーティングを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
（実施の形態）
以下、本発明に係わる実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
本実施の形態における光ゲーティングシステムは、下記に示す特徴を備える。
【００１３】
（ａ）ゲートの開閉作用を行うように、ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティングシステムであって、（ａ１）強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光にシグナル光を変換し、第１の空間特性光がゲート領域に斜めに入射するように、第１の空間特性光をゲート領域に射出する第１の空間特性光射出手段と、（ａ２）強度分布が空間的な周期性を有してゲート領域において第１の空間特性光と重ね合わせることでゲート領域における第１の空間特性光の強度を弱める方向に作用する第２の空間特性光をゲート領域に射出する第２の空間特性光射出手段と、（ａ３）強度分布が空間的な周期性を有してゲート領域において第１の空間特性光と重ね合わせることでゲート領域における第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する第３の空間特性光をゲート領域に射出する第３の空間特性光射出手段とを備え、（ａ４）開閉作用における閉状態のときは、第１の空間特性光と第２の空間特性光とを重ね合わせて第１のモアレ縞をゲート領域に発生させ、開閉作用における開状態のときは、第１の空間特性光と第３の空間特性光とを重ね合わせて第２のモアレ縞をゲート領域に発生させることを特徴とする。
【００１４】
以上の点を踏まえて本実施の形態におけるゲーティング光学系について説明する。
【００１５】
まず、本実施の形態における光ゲーティングシステムの原理について説明する。
【００１６】
本実施の形態における光ゲーティングシステムは、あたかもゲートの開閉作用を行うようにして、ゲートになる領域（以下、ゲート領域と呼称する。）に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御するシステムである。ここで、シグナル光は、コヒーレント光、インコヒーレント光のいずれでもよく、任意の光とする。具体的には、ゲートの代わりに、ゲート領域に、開閉状態に応じたモアレ縞を発生させる。このとき、あたかもゲートを閉じてシグナル光を通さないときは、クローズモアレ縞を発生させる。あたかもゲートを開いてシグナル光を通すときは、オープンモアレ縞を発生させる（例えば、図１参照。）。
【００１７】
ここで、図１は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞とオープンモアレ縞との一例を示す図である。なお、グラフ１１，１２については、横軸が位置であり、縦軸が強度である。
【００１８】
図１に示されるように、クローズモアレ縞（グラフ１１）は、開閉作用における閉状態に対応するモアレ縞であり、空間特性シグナル光（例えば、図２参照。）と空間特性クローズ光（例えば、図３参照。）とを重ね合わせることで生じる。オープンモアレ縞（グラフ１２）は、開閉作用における開状態に対応するモアレ縞であり、空間特性シグナル光（例えば、図２参照。）と空間特性オープン光（例えば、図４参照。）とを重ね合わせることで生じる。
【００１９】
ここで、図２は、本実施の形態における空間特性シグナル光の一例を示す図である。図３は、本実施の形態における空間特性クローズ光の一例を示す図である。図４は、本実施の形態における空間特性オープン光の一例を示す図である。なお、グラフ２１，３１，４１については、横軸が位置であり、縦軸が振幅である。グラフ２２，３２，４２については、横軸が位置であり、縦軸が強度である。
【００２０】
図２に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）は、第１の格子パターンなどを使用してシグナル光を変換して得られる光であり、強度分布が空間的な周期性を有する光である（グラフ２２）。また、第１の縞模様をゲート領域１３に形成する光である。
【００２１】
図３に示されるように、空間特性クローズ光（グラフ３１）は、第２の格子パターンなどを使用してクローズ光を変換して得られる光であり、強度分布が空間的な周期性を有する光である（グラフ３２）。また、第１の縞模様とクローズモアレ縞を形成する第２の縞模様をゲート領域１３に形成する光である。すなわち、ゲート領域１３においては、空間特性シグナル光の強度を弱める方向に作用する光である。なお、空間特性シグナル光がゲート領域１３に射出されている間において所定の時間を除いた時間に射出される。
【００２２】
図４に示されるように、空間特性オープン光（グラフ４１）は、第３の格子パターンなどを使用してオープン光を変換して得られる光であり、強度分布が空間的な周期性を有する光である（グラフ４２）。また、第１の縞模様とオープンモアレ縞を形成する第３の縞模様をゲート領域１３に形成する光である。すなわち、ゲート領域１３においては、空間特性シグナル光の強度を強める方向に作用する光である。なお、空間特性シグナル光がゲート領域１３に射出されている間において所定の時間に射出される。
【００２３】
これに伴い、クローズモアレ縞（グラフ１１）は、ゲート領域１３において、強度の弱い領域が大半を占めることになる。オープンモアレ縞（グラフ１２）は、ゲート領域１３において、山１３ａ〜１３ｇのように、強度の強い領域が複数存在することになる。
【００２４】
これにより、光ゲーティングシステムは、ゲート領域１３に入射するシグナル光に対して、あたかもゲートを閉じて通さなかったり、開いて通したりすることができる。
【００２５】
さらに、シグナル光から得られた空間特性シグナル光を、ゲート領域に対して斜めに入射する。これによって、シグナル光の時間成分をゲート領域の空間に対応付けることができる。これは、斜めに入射することによって、入射する位置に応じて光路差が生じるためである。例えば、ある時間において、シグナル光が平行してゲート領域に入射したとする。このとき、ゲート領域の上側に入射するシグナル光は、下側に入射するシグナル光よりも遅れて入射することになる。結果、光路差に応じた時間のシグナル光が同一のゲート領域に同時に入射することになる。これによって、シングルショットで所定の時間に渡るシグナル光を並列して取り出すことができる。
【００２６】
次に、本実施の形態における光ゲーティングシステムに利用されるモアレ現象について説明する。
【００２７】
図５は、本実施の形態における光ゲーティングシステムに利用されるモアレの概要を示す図である。なお、グラフ５１，５２については、横軸が位置であり、縦軸が振幅である。
【００２８】
図５に示されるように、例えば、空間特性シグナル光（cos(10*1.15*x)）と空間特性クローズ光（cos(10*x+31.4/3.4)）とのように、位相が異なる２つの光を重ね合わせると（グラフ５１）、一様に明暗が繰り返されるモアレ縞が生じる（グラフ１１）。さらに、例えば、空間特性オープン光（cos(10*x)）のように、空間特性クローズ光（cos(10*x+31.4/3.4)）から位相をわずかにずらすと（グラフ５２）、明暗の繰り返しが反転したモアレ縞が生じる（グラフ１２）。
【００２９】
このように、モアレ縞は、規則性のある模様を２つ重ね合わせることによって生じる。特に、周期性のある直線模様や曲線模様や点模様などを重ね合わせた場合は、もとの周期とは異なるモアレ縞が生じる。また、ピッチが異なる２種類の模様を重ね合わせることによっても生じる。また、同じピッチの２つの模様であっても、微小角θだけ回転させて重ね合わせることによっても生じる。さらに、位相をずらすことで、領域５３から領域５４のように、明るい領域を暗くしたり、領域５５から領域５６のように、暗い領域を明るくしたり、明暗を反転することができる。
【００３０】
次に、本実施の形態における光ゲーティングシステムの構成について説明する。
【００３１】
図６は、本実施の形態における光ゲーティングシステムの構成を示す図である。図６に示されるように、光ゲーティングシステム１００は、ここでは、一例として、光源１０１、撮像装置１０４、画像処理装置１０５、シグナル光を生成する光学系、ゲート領域１３の開閉作用を制御するゲート光を生成する光学系などを備える。
【００３２】
なお、ここでは、ゲート光としてクローズ光とオープン光とを利用する。空間特性クローズ光は、強度分布が空間的な周期性を有する光にクローズ光を変換して得られる光とする。空間特性オープン光は、強度分布が空間的な周期性を有する光にオープン光を変換して得られる光とする。シグナル光、クローズ光、オープン光のそれぞれから空間特性を有する光を得るにあたっては、一般的に広く知られている回折現象を利用する。撮像装置１０４に備わる撮像素子の撮像面１４１がゲート領域になるように、各光学素子が配置されている。ゲート領域に合わされた撮像面にオープンモアレ縞が投影されると、撮像面に投影されたオープンモアレ縞が撮像装置１０４によって撮像される。撮像されたオープンモアレ縞の明部から、シグナル光がゲート領域を進行する方向に対して、シグナル光の強度分布が抽出され、抽出された強度分布からシグナル光の時間波形が特定される。
【００３３】
光源１０１から射出された光は、ビームスプリッタ１１１で分岐され、一方は、シグナル光を生成する光学系に入射し、他方は、ゲート光を生成する光学系に入射する。
【００３４】
シグナル光を生成する光学系に入射した光は、シグナル光生成部１１２に入射する。シグナル光生成部１１２から射出されるシグナル光のソースになる。
【００３５】
シグナル光生成部１１２は、ここでは、一例として、入射してきた光を測定対象物に照射して透過波や反射波などを生成する。生成した透過波や反射波などをシグナル光として射出する。なお、蛍光やりん光などが透過波や反射波に含まれるとしてもよい。
【００３６】
シグナル光生成部１１２から射出されたシグナル光は、遅延部１１３に入射し、遅延部１１３で射出時期が調整される。遅延部１１３で射出時期が調整されたシグナル光は、ミラー１１４，１１５を経由して格子パターン１１６（第１の格子パターン）に入射する。
【００３７】
格子パターン１１６は、第１の軸方向に延びる直線状の格子が、第１の軸と直交する第２の軸方向に、第１のピッチで複数並べられて形成されている。さらに、格子が形成されている面にシグナル光が垂直に入射するように配置されている。入射してきたシグナル光が透過して空間特性シグナル光として射出される。
【００３８】
格子パターン１１６から射出された空間特性シグナル光は、コリメータレンズ１１７で平行光束にされ、撮像装置１０４に入射する。
【００３９】
なお、格子パターン１１６，１２６，１３６等であるモアレ形成用格子を液晶空間変調素子（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）を用いて構成することも可能である。この場合には、液晶空間変調素子の液晶模様を電気的に変更することで格子の幅や位相、角度等を自動調整可能となり、大幅に使用しやすくなる。
【００４０】
ここで、図７（ａ）は、本実施の形態における空間特性シグナル光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。このとき、図７（ａ）に示されるように、撮像面１４１に対して斜めに空間特性シグナル光（グラフ２１）が入射する。これに伴い、空間特性シグナル光（グラフ２１）によって得られる縞１５１（グラフ２２）が撮像面１４１に生じる。
【００４１】
ここで、図８は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞の変化を示す図である。さらに、図８に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）は、ほぼ光の速度で、Ａ−Ｂ線に沿って右側（Ｂの側）から左側（Ａの側）に撮像面１４１を進行する。具体的には、シグナル光生成部１１２でシグナル光の射出が開始される前は、撮像面１４１には何も投影されていない。その後、シグナル光生成部１１２でシグナル光の射出が開始され、空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達しだすときは、縞１５１ａ〜１５１ｅが順に撮像面１４１に投影される。空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達した後は、縞１５１ｆが撮像面１４１に投影される。
【００４２】
その後、シグナル光生成部１１２でシグナル光の射出が終了し、空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達しなくなりだすときは、縞１５１ｆ〜１５１ｊが順に撮像面１４１に投影される。空間特性シグナル光（グラフ２１）が撮像面１４１に到達しなくなった後は、撮像面１４１には何も投影されなくなる。
【００４３】
ここで、図９は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞のＡ−Ｂ線における時間変位を示す図である。また、図９に示されるように、撮像面１４１に対して、空間特性シグナル光をＡ−Ｂ線に沿って斜めに入射することで、Ａ−Ｂ線に沿って、縞１５１が伸張する。また、入射角に応じた時間分の空間特性シグナル光が撮像面に同時に入射することになる。
【００４４】
なお、時間Ｔａは、空間特性シグナル光が撮像面の移動に要する時間である。時間Ｔｂは、空間特性シグナル光が山の移動に要する時間である。
【００４５】
ここで、所定の時間に亘って縞１５１をＡ−Ｂ線で標本化したとする。この場合において、縞１５１の時間変位（グラフ１６１）に示されるように、空間特性シグナル光２１が入射している間は、縞１５１の模様については略一定である。このため、空間特性シグナル光２１がＡ−Ｂ線に沿って右から左に移動しても、縞１５１自体は移動しない。しかし、時刻ｔ１において一番下側（Ｂ側）の山に表れた空間特性シグナル光は、時刻ｔ２においては、一つ上側（Ａ側）の山に移動する。そして、順に山を移動しながら、時刻ｔ９においては、一番上側（Ａ側）の山に移動する。このため、この時間Ｔｂよりもオープンモアレ縞を長く発生させておくと、発生させている時間に見合うだけ、空間特性シグナル光は山を移動することになるので、撮像した内容が暈けることになる。
【００４６】
次に、図６に示されるように、ゲート光を生成する光学系に入射した光は、さらに、ビームスプリッタ１２１で分岐される。ビームスプリッタ１２１で分岐された光のうち、一方は、ミラー１３１を経由してクローズ光生成部１３２に入射し、クローズ光生成部１３２から射出されるクローズ光のソースになる。他方は、オープン光生成部１２２に入射し、オープン光生成部１２２から射出されるオープン光のソースになる。
【００４７】
クローズ光生成部１３２は、ここでは、一例として、入射してきた光から、閉状態のときは、振幅が一定であり、開状態のときは、振幅が０である光を生成する。生成した光をクローズ光として射出する。
【００４８】
クローズ光生成部１３２から射出されたクローズ光は、遅延部１３３に入射し、遅延部１３３で射出時期が調整される。遅延部１３３で射出時期が調整されたクローズ光は、ミラー１３４を経由して格子パターン１３６（第２の格子パターン）に入射する。
【００４９】
格子パターン１３６は、第３の軸方向に延びる直線状の格子が、第３の軸と直交する第４の軸方向に、第２のピッチで複数並べられて形成されている。さらに、格子が形成されている面にクローズ光が垂直に入射するように配置されている。入射してきたクローズ光が透過して空間特性クローズ光として射出される。
【００５０】
格子パターン１３６から射出された空間特性クローズ光は、コリメータレンズ１３７で平行光束にされ、ビームスプリッタ１２８を経由して撮像装置１０４に入射する。
【００５１】
ここで、図７（ｂ）は、本実施の形態における空間特性クローズ光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。このとき、図７（ｂ）に示されるように、撮像面１４１に対して垂直に空間特性クローズ光（グラフ３１）が入射する。これに伴い、空間特性クローズ光（グラフ３１）によって得られる縞１５２（グラフ３２）が撮像面１４１に生じる。
【００５２】
オープン光生成部１２２は、ここでは、一例として、入射してきた光から、閉状態のときは、振幅が０であり、開状態のときは、振幅が一定である光を生成する。生成した光をオープン光として射出する。
【００５３】
オープン光生成部１２２から射出されたオープン光は、遅延部１２３に入射し、遅延部１２３で射出時期が調整される。遅延部１２３で射出時期が調整されたオープン光は、格子パターン１２６（第３の格子パターン）に入射する。
【００５４】
格子パターン１２６は、第５の軸方向に延びる直線状の格子が、第５の軸と直交する第６の軸方向に、第３のピッチで複数並べられて形成されている。さらに、格子が形成されている面にオープン光が垂直に入射するように配置されている。入射してきたオープン光が透過して空間特性オープン光として射出される。
【００５５】
格子パターン１２６から射出された空間特性オープン光は、コリメータレンズ１２７で平行光束にされ、ビームスプリッタ１２８を経由して撮像装置１０４に入射する。
【００５６】
ここで、図７（ｃ）は、本実施の形態における空間特性オープン光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。このとき、図７（ｃ）に示されるように、撮像面１４１に対して垂直に空間特性オープン光（グラフ４１）が入射する。これに伴い、空間特性オープン光（グラフ４１）によって得られる縞１５３（グラフ４２）が撮像面１４１に生じる。
【００５７】
このように、クローズ光とオープン光とをゲート光として利用することによって、開閉作用において、クローズモアレ縞とオープンモアレ縞とを切り替えて発生させることができる。
【００５８】
ここで、図１０（ａ）は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。そして、図１０（ａ）に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性クローズ光（グラフ３１）とが同じ時期で撮像装置１０４に入射するように、遅延部１１３，１３３における各射出時期が調整されているとする。この場合において、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性クローズ光（グラフ３１）とが重ね合わさることでクローズモアレ縞１７１（グラフ１１）が撮像面１４１に生じる。
【００５９】
同様に、図１０（ｂ）は、本実施の形態におけるオープンモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。そして、図１０（ｂ）に示されるように、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性オープン光（グラフ４１）とが同じ時期で撮像装置１０４に入射するように、遅延部１２３，１１３における各射出時期が調整されているとする。この場合において、空間特性シグナル光（グラフ２１）と空間特性オープン光（グラフ４１）とが重ね合わさることでオープンモアレ縞１７２（グラフ１２）が撮像面１４１に生じる。
【００６０】
そして、光ゲーティングシステム１００は、撮像面１４１に生じたオープンモアレ縞を撮像装置１０４で撮像する。撮像したオープンモアレ縞の画像データを画像処理装置１０５で画像処理を行う。このとき、撮像面１４１のＡ−Ｂ線に対応する画像データから、Ａ−Ｂ線に沿った複数の山（強度の強い領域）から強度を取り出す。取り出した強度と、予め設定しておいたクローズ光とオープン光との各強度とを利用してシグナル光の強度を特定することができる。
【００６１】
なお、シグナル光生成部１１２、オープン光生成部１２２、クローズ光生成部１３２は、共通の光源を使用して、シグナル光、オープン光、クローズ光を生成するとしてもよいし、それぞれ異なる光源を使用して、シグナル光、オープン光、クローズ光を生成するとしてもよい。
【００６２】
なお、撮像装置１０４で撮像した画像を画像処理装置１０５で画像処理するにあたり、所定の振幅以下の振幅を遮断するようにしておく。
【００６３】
なお、ここでは、一例として、撮像面１４１に生じる縞を作る方法として、格子パターンを透過した光を重ね合わせる方法を利用している。しかし、撮像面１４１に生じる縞については、格子パターンを透過した光を重ね合わせる方法以外の方法によって生じたものであってもよい。
【００６４】
なお、格子パターン１１６の第１のピッチと格子パターン１３６の第２のピッチとが同じであるとしてもよいし、異なるとしてもよい。異なる場合は、微小回転させずに、第１の軸と第３の軸とが平行になるように、格子パターン１１６と格子パターン１３６とが配置されているとしてもよい。
【００６５】
なお、格子パターン１１６の第１のピッチと格子パターン１２６の第３のピッチとが同じであるとしてもよいし、異なるとしてもよい。異なる場合は、微小回転させずに、第１の軸と第５の軸とが平行になるように、格子パターン１１６と格子パターン１２６とが配置されているとしてもよい。
【００６６】
なお、格子パターン１３６の第２のピッチと格子パターン１２６の第３のピッチとが同じであるとしてもよいし、異なるとしてもよい。異なる場合は、微小回転させずに、第３の軸と第５の軸とが平行になるように、格子パターン１３６と格子パターン１２６とが配置されているとしてもよい。
【００６７】
次に、本実施の形態におけるシグナル光とゲート光とによるモアレ縞について説明する。
【００６８】
図１１〜図１５は、本実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す図である。
【００６９】
図１１に示されるように、グラフ１８１は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔａにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から未だ射出されていない。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出される。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、空間特性クローズ光の縞が撮像面１４１に生じる。ここで、空間特性クローズ光の縞１５２は、強度の弱い山（点線領域）が撮像面１４１の中心にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。
【００７０】
図１２に示されるように、グラフ１８２は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｂにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されている。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出されている。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、シグナル光が格子パターン１１６を透過して得られる空間特性シグナル光がＡ−Ｂ線に沿って斜めから入射する。クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、クローズモアレ縞１７１が撮像面１４１に生じる。ここで、クローズモアレ縞１７１は、強度の弱い山（破線領域）が撮像面１４１の中心にみられ、さらに強度の弱い山（点線領域）が中心の周辺にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。
【００７１】
図１３に示されるように、グラフ１８３は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｃにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されている。振幅が０のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出されている。振幅が一定のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、シグナル光が格子パターン１１６を透過して得られる空間特性シグナル光がＡ−Ｂ線に沿って斜めから入射する。オープン光が格子パターン１２６を透過して得られる空間特性オープン光が垂直に入射する。これに伴い、オープンモアレ縞１７２が撮像面１４１に生じる。ここで、オープンモアレ縞１７２は、強度の強い山（実線領域）が撮像面１４１の中心に複数みられ、強度の弱い山（点線領域）が中心の周辺にみられる。なお、空間特性クローズ光については、クローズ光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。
【００７２】
図１４に示されるように、グラフ１８４は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｄにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されている。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出されている。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、シグナル光が格子パターン１１６を透過して得られる空間特性シグナル光がＡ−Ｂ線に沿って斜めから入射する。クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、クローズモアレ縞１７１が撮像面１４１に生じる。ここで、クローズモアレ縞１７１は、強度の弱い山（破線領域）が撮像面１４１の中心にみられ、さらに強度の弱い山（点線領域）が中心の周辺にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。
【００７３】
図１５に示されるように、グラフ１８５は、撮像面１４１のＡ−Ｂ線における強度変位を示すグラフである。時刻ｔｅにおいて、任意のシグナル光がシグナル光生成部１１２から射出されなくなる。振幅が一定のクローズ光がクローズ光生成部１３２から射出される。振幅が０のオープン光がオープン光生成部１２２から射出されているとする。この場合において、撮像面１４１に対して、クローズ光が格子パターン１３６を透過して得られる空間特性クローズ光が垂直に入射する。これに伴い、空間特性クローズ光の縞が撮像面１４１に生じる。ここで、空間特性クローズ光の縞１５２は、強度の弱い山（点線領域）が撮像面１４１の中心にみられる。なお、空間特性オープン光については、オープン光の振幅が０であることから、振幅を０として説明を省略する。
【００７４】
以上、本実施の形態における光ゲーティングシステム１００によれば、シグナル光の可干渉性に依存しないで、高感度かつ並列でサブピコ秒以下の超高速時間ゲーティングを実現することができる。このため、メカニカルな走査を全く必要とせずに、奥行き方向のシングルショット計測が可能となる。
【００７５】
なお、下記に本発明の光ゲーティングシステムの画像処理装置１０５において用いられる時間変化証明光により形成されるモアレの一般的な理論式を説明する。ここで振幅が空間で一様に時間信号ｆ（ｔ）で変化する最も簡単な場合を仮定して説明すると、クローズモアレ縞の強度Ｉはｆ（ｔ）に対して下記の式（１）で与えられる。
【００７６】
【数１】
2008053738.tif 000032
【００７７】
ここで、ｔは時間信号であり、ｘは空間パラメータを示している。
【００７８】
そして、式（１）で与えられるモアレ画像に対して、ハードウェアまたはソフトウェア的に空間周波数フィルタリングにより下記の式（２）、式（３）、式（５）および式（６）の条件を満たすΔｘ以下の構造に対応する高い空間周波数をカットすると、下記の式（８）の近似式で与えられるモアレ画像が得られる。
【００７９】
１）Δｘと、第一コサイン部分cos（（α＋β）ｘ／２）及び第三コサイン部分cos（βx）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（２）及び式（３）によって与えられる。
【００８０】
【数２】
2008053738.tif 000033
【００８１】
【数３】
2008053738.tif 000034
【００８２】
ここで、２φ／（α＋β）及びφ／βは、第一コサイン部分cos（（α＋β）ｘ／２）及び第三コサイン部分cos（βx）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。
【００８３】
２）Δｘと、第二コサイン部分cos（（α−β）ｘ／２）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（４）で与えられる。
【００８４】
【数４】
2008053738.tif 000035
【００８５】
ここで、２φ／α−βは第二コサイン部分cos（（α−β）ｘ／２）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。
【００８６】
またさらに、下記の状態及び近似値を考慮する。
【００８７】
１）Δｘと第一コサイン部分cos（（α＋β）ｘ／２）及び第三コサイン部分cos（βx）の位相シフト量φ／２，φに対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（５）及び（６）で与えられる。
【００８８】
【数５】
2008053738.tif 000036
【００８９】
【数６】
2008053738.tif 000037
【００９０】
ここで、φ／（α＋β）、φ／βは、第一コサイン部分cos（（α＋β）ｘ／２）及び第三コサイン部分cos（βx）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。
【００９１】
２）Δｘと、第二コサイン部分cos（（α−β）ｘ／２）の位相シフト量φ／２に対応する実際の空間次元との関係は、下記の式（７）で与えられる。
【００９２】
【数７】
2008053738.tif 000038
【００９３】
ここで、φ／α−βは、第二コサイン部分cos（（α−β）ｘ／２）の位相シフト量φに対応する実際の空間次元となる。
【００９４】
そして、以上からオープンモアレ縞の強度Ｉはｆ（ｔ）に対して下記の式（８）で与えられる。
【００９５】
【数８】
2008053738.tif 000039
【００９６】
そして、上記の状態と近似値に示すように、式（１）及び（８）の第二コサイン部分中における（（α−β）／２）の周波数は非常に小さな値となり、位相シフト量φ／２の位相変化としての寄与は非常に大きなものとなる。一方、式（１）及び（８）の第一コサイン部分中の（（α＋β）／２）や第三コサイン部分中のβの周波数は大きな値となるために、第一及び第三コサイン部分中における位相シフト量φ／２及びφの位相変化としての寄与は小さいものとなる。従って、モアレ寄与は下記の式（９）〜（１４）を用いて表すことができる。
【００９７】
【数９】
2008053738.tif 000040
【００９８】
【数１０】
2008053738.tif 000041
【００９９】
【数１１】
2008053738.tif 000042
【０１００】
【数１２】
2008053738.tif 000043
【０１０１】
【数１３】
2008053738.tif 000044
【０１０２】
【数１４】
2008053738.tif 000045
【０１０３】
ここで、上記式（９）及び近似式（１０）の差分である第二コサイン部分中の位相シフト量φ／２がモアレ寄与の位相差を示していることとなる。
【産業上の利用可能性】
【０１０４】
本発明は、モアレ現象を利用した光ゲーティングシステムなどとして、特に、高感度かつ並列で超高速時間ゲーティングを実現することができる光ゲーティングシステムなどとして、利用することができる。そして、本発明は、例えば光計測、光通信、サブピコ秒以下の超短光パルスを使用した光学システム一般に適用でき、具体的には、蛍光顕微鏡、ラマン分光顕微鏡、超高速時間ゲートを備えたカメラを必要とする医療計測機器などに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】図１は、本発明に係わる実施の形態におけるクローズモアレ縞とオープンモアレ縞との一例を示す図である。
【図２】図２は、本発明に係わる実施の形態における空間特性シグナル光の一例を示す図である。
【図３】図３は、本発明に係わる実施の形態における空間特性クローズ光の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明に係わる実施の形態における空間特性オープン光の一例を示す図である。
【図５】図５は、本発明に係わる実施の形態における光ゲーティングシステムに利用されるモアレの概要を示す図である。
【図６】図６は、本発明に係わる実施の形態における光ゲーティングシステムの構成を示す図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明に係わる実施の形態における空間特性シグナル光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。図７（ｂ）は、本発明に係わる実施の形態における空間特性クローズ光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。図７（ｃ）は、本発明に係わる実施の形態における空間特性オープン光だけが撮像面に入射した場合を示す図である。
【図８】図８は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞の変化を示す図である。
【図９】図９は、本実施の形態における空間特性シグナル光の縞のＡ−Ｂ線における時間変位を示す図である。
【図１０】図１０（ａ）は、本実施の形態におけるクローズモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。図１０（ｂ）は、本実施の形態におけるオープンモアレ縞が撮像面に生じる場合を示す図である。
【図１１】図１１は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第１の図である。
【図１２】図１２は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第２の図である。
【図１３】図１３は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第３の図である。
【図１４】図１４は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第４の図である。
【図１５】図１５は、本発明に係わる実施の形態における撮像面のＡ−Ｂ線における強度変位を示す第５の図である。
【符号の説明】
【０１０６】
１００  光ゲーティングシステム
１０１  光源
１０４  撮像装置
１０５  画像処理装置
１１１，１２１，１２８  ビームスプリッタ
１１４，１１５，１３１，１３４  ミラー
１１２  シグナル光生成部
１１３，１２３，１３３  遅延部
１１６，１２６，１３６  格子パターン
１１７，１２７，１３７  コリメータレンズ
１２２  オープン光生成部
１３２  クローズ光生成部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲートの開閉作用を行うように、前記ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティングシステムであって、
強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光に前記シグナル光を変換し、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に斜めに入射するように、前記第１の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第１の空間特性光射出手段と、
強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を変化させる作用をする第２の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第２の空間特性光射出手段と、を備え、
前記開閉作用における閉状態および開状態のうちの予め定められた一方の状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第２の空間特性光とを重ね合わせてモアレ縞を前記ゲート領域に発生させ、前記開閉作用における他方の状態のときは、前記第２の空間特性光による当該モアレ縞を発生させない
ことを特徴とする光ゲーティングシステム。
【請求項２】
ゲートの開閉作用を行うように、前記ゲートになるゲート領域に入射するシグナル光の通過を、モアレ現象を利用して制御する光ゲーティング方法であって、
強度分布が空間的な周期性を有する第１の空間特性光に前記シグナル光を変換し、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に斜めに入射するように、前記第１の空間特性光を前記ゲート領域に射出し、
強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を変化させる作用をする第２の空間特性光を前記ゲート領域に射出し、
前記開閉作用における閉状態および開状態のうちの予め定められた一方の状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第２の空間特性光とを重ね合わせてモアレ縞を前記ゲート領域に発生させ、前記開閉作用における他方の状態のときは、前記第２の空間特性光による当該モアレ縞を発生させない
ことを特徴とする光ゲーティング方法。
【請求項３】
前記第２の空間特性光は、前記第１の空間特性光の強度を弱める方向に作用する空間特性光であり、
当該第２の空間特性光が射出される前記一方の状態は、前記開閉状態における前記閉状態である請求項１記載の光ゲーティングシステム。
【請求項４】
前記第２の空間特性光は、前記第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する空間特性光であり、
当該第２の空間特性光が射出される前記一方の状態は、前記開閉状態における前記開状態である請求項１記載の光ゲーティングシステム。
【請求項５】
請求項３記載の光ゲーティングシステムであって、
更に、強度分布が空間的な周期性を有して前記ゲート領域において前記第１の空間特性光と重ね合わせることで前記ゲート領域における前記第１の空間特性光の強度を強める方向に作用する第３の空間特性光を前記ゲート領域に射出する第３の空間特性光射出手段を備え、
前記開閉作用における閉状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第２の空間特性光とを重ね合わせて第１のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させ、前記開閉作用における開状態のときは、前記第１の空間特性光と前記第３の空間特性光とを重ね合わせて第２のモアレ縞を前記ゲート領域に発生させる
ことを特徴とする光ゲーティングシステム。
【請求項６】
請求項１記載の光ゲーティングシステムであって、
前記第２の空間光射出手段は、液晶空間変調素子を含み、含まれる当該液晶空間変調素子により予め定められた光を変換して、変換後の光を、前記第２の空間特性光として前記ゲート領域に射出することを特徴とする光ゲーティングシステム。
【請求項７】
前記第１の空間特性光射出手段は、第１の縞模様を前記ゲート領域に形成する光を前記第１の空間特性光として射出し、
前記第２の空間特性光射出手段は、前記第１の空間特性光が前記ゲート領域に射出されている間において所定の時間を除いた時間に、前記第１の縞模様と前記第１のモアレ縞を形成する第２の縞模様を前記ゲート領域に形成する光を前記第２の空間特性光として射出し、
前記第３の空間特性光射出手段は、前記所定の時間に、前記第１の縞模様と前記第２のモアレ縞を形成する第３の縞模様を前記ゲート領域に形成する光を前記第３の空間特性光として射出する
ことを特徴とする請求項５記載の光ゲーティングシステム。
【請求項８】
前記第１の空間特性光射出手段は、前記シグナル光を第１の格子パターンに入射して得られる光を前記第１の空間特性光として射出し、
前記第２の空間特性光射出手段は、所定の光を第２の格子パターンに入射して得られる光を前記第２の空間特性光として射出し、
前記第３の空間特性光射出手段は、所定の光を第３の格子パターンに入射して得られる光を前記第３の空間特性光として射出する
ことを特徴とする請求項７記載の光ゲーティングシステム。
【請求項９】
請求項５記載の光ゲーティングシステムであって、さらに、
撮像面を前記ゲート領域に合わせ、前記撮像面に投影される前記第２のモアレ縞を撮像する撮像手段と、
前記撮像手段で撮像された前記第２のモアレ縞の明部から、前記第１の空間特性光が前記領域を進行する方向の強度分布を抽出し、抽出した強度分布から前記シグナル光の時間波形を特定する画像処理手段と
を備えることを特徴とする光ゲーティングシステム。
【国際調査報告】
2008053738.tif 000046
2008053738.tif 000047