(57)【要約】  本発明のデジタルホログラフィ装置（１００）は、露光量の異なる複数枚のホログラムを被写体（５０）に基づいて撮像素子に記録する撮像装置（１０）と、記録した露光量の異なる複数枚のホログラムを合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む高ダイナミックレンジホログラムを生成し、高ダイナミックレンジホログラムに基づいて位相シフト干渉法や回折の計算等の演算処理を実施して被写体（５０）の再生像を生成する計算機（２０）とを備える。
2014034729.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体に対応する物体光と第１位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる複数枚のホログラムを含む第１ホログラム群を撮像素子に記録する記録手段と、
前記記録した第１ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第１高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成手段と、
前記第１高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成手段とを備えたことを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項２】
前記複数枚のホログラムのうちの一つは、第１露光量で前記高輝度情報が記録された少露光量ホログラムであり、
前記複数枚のホログラムのうちの他の一つは、前記第１露光量よりも多い第２露光量で前記低輝度情報が記録された多露光量ホログラムである請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項３】
前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを同時に記録し、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを同時に記録する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項４】
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイと、
前記減光フィルタアレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフトアレイとを有する請求項３に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項５】
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過軸が異なる第１領域及び第２領域が形成された偏光子アレイと、
前記偏光子アレイに向かう物体光及び参照光を直線偏光に変換する偏光子とを有する請求項３に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項６】
前記記録手段は、前記偏光子により変換された直線偏光を楕円偏光に変換する１／４波長板をさらに有する請求項５に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項７】
前記記録手段は、前記偏光子アレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフト手段をさらに有する請求項５に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項８】
前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、
前記高ダイナミックレンジホログラム生成手段は、前記第２ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第２高ダイナミックレンジホログラムを生成し、
前記再生像生成手段は、前記第１及び第２高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、位相シフト干渉法及び前記回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項９】
前記再生像生成手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録した異なる露光量同時記録ホログラムから、前記露光量ごとに画素を抽出して補間したホログラムを生成する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１０】
前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを逐次記録し、
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムのうちの一つと、前記複数枚のホログラムのうちの前記一つと露光量が対応する前記他の複数枚のホログラムのうちの一つとを同時に記録する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１１】
前記記録手段は、４つの異なる方向に向く透過軸をそれぞれ有する４種類の偏光領域が前記撮像素子の画素にそれぞれ対応して配列された偏光子アレイデバイスを有する請求項１０に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１２】
前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを同時に記録し、
前記記録手段は、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを逐次記録する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１３】
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイを有する請求項１２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１４】
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過軸が異なる第１領域及び第２領域が形成された偏光子アレイを有する請求項１２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１５】
前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを逐次記録し、
前記記録手段は、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを逐次記録する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１６】
前記記録手段は、光路長を変化させることにより前記参照光の位相を変化させるピエゾ素子駆動反射鏡を有する請求項１５に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１７】
前記物体光と前記参照光とは異なる角度で前記撮像素子に入射し、
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１８】
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイを有する請求項１７に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１９】
前記物体光と前記参照光とは異なる角度で前記撮像素子に入射し、
前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次記録する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項２０】
被写体に対応する物体光と第１位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる複数枚のホログラムを含む第１ホログラム群を撮像素子に記録する記録工程と、
前記記録した第１ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第１高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成工程と、
前記第１高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成工程とを包含することを特徴とするデジタルホログラフィ再生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、デジタルホログラフィ装置およびデジタルホログラフィ再生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光の干渉を利用したデジタルホログラフィ（以下、「ＤＨ」とも表記する）が従来技術として知られている。デジタルホログラフィは、３次元物体への光照射によって得られる干渉パターンから、コンピュータを用いて３次元物体の像を再生する技術である。干渉パターンは、３次元物体の光照射によって得られる物体光と、該３次元物体の光照射に用いられる光源から得られる参照光とが干渉することによって形成され、ＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の撮像素子で記録される。この記録された干渉パターンに基づいて、コンピュータでフレネル変換等の回折の計算をされ、３次元物体の再生像が再生される。【０００３】
このデジタルホログラフィでは、in-line（イン−ライン）型デジタルホログラフィが主に研究されており、in-line型デジタルホログラフィでは０次回折光や共役像といった不要な像成分がＣＣＤ等で記録されたデータに含まれるために、再生像が劣化するといった問題があった。この問題に対し、０次回折光や共役像を伴わない再生像を得るための技術が提案されており、この技術が非特許文献１および特許文献１に開示されている。また、物体光と参照光に角度をつけて撮像素子に入射させることで、所望の像成分と不要な像成分とを空間的に分離するoff-axis（オフ−アクシス）型デジタルホログラフィという技術もある。【０００４】
しかしながら、非特許文献１および特許文献１に記載の技術や、off-axis型デジタルホログラフィを採用したとしても、干渉パターンの記録には撮像素子を使用するため、撮像素子のダイナミックレンジ不足により白とびや黒潰れを含んだ干渉パターンが記録され、高画質な再生像を得ることができないといった問題がある。【０００５】
一方、デジタルスチルカメラやデジタルムービーカメラのような撮像装置の分野においては、白とびや黒潰れを含んだ画像の記録を防止する技術として、高ダイナミックレンジ合成が採用されている。高ダイナミックレンジ合成は、同じ被写体に対して、異なる露光量で複数回の撮像をして得られた複数枚の画像から、白とびや黒潰れのない画像部分を選択して１つの画像に合成する技術であり、画像中の白とびや黒潰れを除去した明部から暗部に至るまでの階調を再現することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】日本国特許公報「特許第４２９４５２６号公報（２００９年４月１７日登録）」
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】I.Yamaguchi and T.Zhang,Opt.Lett.22,p.1268(1997)
【非特許文献２】J.W.Goodman and R.W.Lawrence,Appl.phys.Lett.11,p.77(1967)
【非特許文献３】X. F. Meng, et. al., Opt. Lett 31(2006) 1414
【非特許文献４】Y. Awatsuji, et. al., Appl. Opt. 47 (2008)D183
【非特許文献５】S. Mann and R. W. Picard, Proc. of IS&T’s 48th Annual Conference (1995) 442
【非特許文献６】P. E. Debevec and J. Malik, Proc. SIGGRAPH 97’(1997) 369
【非特許文献７】S. K. Nayar and T. Mitsunaga, IEEE Conference on CVPR, 1 (2000) 472
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
デジタルホログラフィにより生成される再生像を、白とびや黒潰れが含まれない鮮明な画像とするために、上述のような撮像装置の分野において既知の高ダイナミックレンジ合成を適用することが想定される。この場合、露光量を異ならせて記録した複数種類の干渉パターンから複数の再生像を生成し、これら再生像を高ダイナミックレンジ合成により１つの合成画像を生成する。【０００９】
しかしながら、デジタルホログラフィは、被写体の情報を干渉パターンに分散して記録するので、通常のカメラ画像のように、干渉パターンの明るさと再生像の輝度とが単純な対応関係になく、白とびしたホログラムから白とびした像が、黒潰れしたホログラムから黒潰れした像が再生されるという簡単な関係が成り立つわけではない。したがって、デジタルホログラフィに、上述のような撮像装置の分野において既知の高ダイナミックレンジ合成の技術をそのまま適用することはできない。【００１０】
なお、デジタルホログラフィにおいて、白とびや黒潰れが含まれないホログラムを記録し、高画質な再生像を生成するために、適切な露光条件に手動で調整することによって、撮像素子のダイナミックレンジ内で、干渉パターンを記録することも想定される。しかしながら、撮像の度に、適切な露光条件に調整する必要があるため、使い勝手が悪く、また、干渉パターンのダイナミックレンジが撮像素子のダイナミックレンジよりも大きく、どのように露光条件を調整しても、撮像素子のダイナミックレンジ内で干渉パターンが記録できない、または適切な露光条件の設定さえも難しいという場合があるといった問題があり、これらの問題を解決して、露光条件にかかわりなく白とびや黒潰れに因る画質劣化がない再生像を生成できることが好ましい。【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、白とびや黒潰れに因る画質劣化のない像を再生することが可能なデジタルホログラフィ装置およびデジタルホログラフィ再生方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明のデジタルホログラフィ装置は、被写体に対応する物体光と第１位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる複数枚のホログラムを含む第１ホログラム群を撮像素子に記録する記録手段と、前記記録した第１ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第１高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成手段と、前記第１高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成手段とを備えたことを特徴とする。【００１３】
上記の構成によれば、高ダイナミックレンジ合成の対象をホログラムとしている。このため、再生像の画質劣化の要因となる白とびや黒潰れの影響をホログラムから除去でき、高画質な再生像を生成することができる。したがって、白とびや黒潰れに因る画質劣化のない像を再生することが可能なデジタルホログラフィ装置を提供することができる。【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明のデジタルホログラフィ再生方法は、被写体に対応する物体光と第１位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる複数枚のホログラムを含む第１ホログラム群を撮像素子に記録する記録工程と、前記記録した第１ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第１高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成工程と、前記第１高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成工程とを包含することを特徴とする。【００１５】
上記の構成によれば、白とびや黒潰れに因る画質劣化のない像を再生することが可能なデジタルホログラフィ再生方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、白とびや黒潰れに因る画質劣化のない像を再生することができるという効果を奏する。すなわち、本発明のホログラフィ装置においては、ホログラムの白とびや黒潰れは再生画像の白とびや黒潰れになるのではなく、再生像の不鮮明さの一因であることに初めて着目し、高ダイナミックレンジのホログラムを得れば、白とびや黒潰れの影響を極力小さくした再生画像が得られることを見出したものである。従って、通常のカメラ画像では白とびまたは黒潰れを完全に無くした画像から画像合成しないと画像の白とびや黒潰れは無くならないが、ホログラフィ装置ではホログラムの白とびや黒潰れが完全に無くなっていれば鮮明な再生画像が得られるのはもちろんであるが、例え白とびや黒潰れが完全に無くなっていないホログラムからでも、高ダイナミックレンジのホログラム合成を行うことによって、白とびや黒潰れの影響を極力なくした鮮明な画像を再生することができるということを初めて考案したものである。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態におけるデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。
【図２】第１の実施形態における２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。
【図３】被写体の振幅分布および位相分布を示す図である。
【図４】第１の実施形態における２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成される再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す第１の図である。
【図５】第１の実施形態における２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成される再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す第２の図である。
【図６】変形例１における撮像装置を示す図である。
【図７】２種類の偏光の物体光および参照光を、変形例１における撮像装置に入射させる場合を示す模式図である。
【図８】変形例１における位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。
【図９】変形例２における撮像装置を示す図である。
【図１０】第２の実施形態におけるデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。
【図１１】第２の実施形態における撮像装置の一例を示す図である。
【図１２】第２並列位相ホログラムデータの一例を示す図である。
【図１３】変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。
【図１４】位相遅延素子アレイの構造の一例を示す図である。
【図１５】変形例４における撮像装置により記録される第３並列位相ホログラムデータを示す図である。
【図１６】変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。
【図１７】変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成される再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す第１の図である。
【図１８】変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成される再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す第２の図である。
【図１９】変形例５における並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。
【図２０】変形例５における撮像装置を示す図である。
【図２１】変形例５における並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。
【図２２】変形例５における並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成された再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す第１の図である。
【図２３】変形例５における並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成された再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す第２の図である。
【図２４】第３の実施形態におけるデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。
【図２５】変形例６におけるｏｆｆ−ａｘｉｓ型ホログラフィ装置により生成されたホログラムデータによって再生像が生成される流れを示す図である。
【図２６】カメラ応答関数を説明するための図である。
【図２７】高ダイナミックレンジ合成の流れを説明するための図である。
【図２８】計算機シミュレーションに用いたパラメータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部材には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１９】
＜第１の実施形態：位相シフトＤＨ装置＞
第１の実施形態では、本発明を位相シフトＤＨ装置に適用した例を説明する。
【００２０】
（逐次記録型位相シフトＤＨ装置）
図１は、本発明の第１の実施形態におけるデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。図１に示されるように、デジタルホログラフィ装置の一例としての位相シフトデジタルホログラフィ装置１００は、レーザ１と、ビーム分割素子３・５と、ビーム結合素子７と、ミラー９ａ，９ｂと、撮像装置（記録手段）１０と、ピエゾ素子駆動反射鏡１１と、計算機２０とを含む。
【００２１】
レーザ１は、垂直偏光のレーザ光を出射し、出射されたレーザ光は、ビーム拡大器を介してビーム分割素子３に入射される。ビーム分割素子３は、レーザ光を分岐させる光学素子であり、レーザ１から入射されたレーザ光を２方向に分岐する。ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光のうち一方は物体照明光として、ミラー９ａによって反射され、被写体５０に照射される。被写体５０に照射されたレーザ光は物体光となり、ビーム結合素子７を通って物体光として撮像装置１０の撮像面に入射する。
【００２２】
一方、ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光のうち他方は、さらにビーム分割素子５を介して、ピエゾ素子駆動反射鏡１１を照射する。ピエゾ素子駆動反射鏡１１は、ピエゾ素子１１ａと、反射鏡１１ｂとを備え、反射鏡１１ｂに照射されたレーザ光を反射して、ミラー９ｂに反射させる。ミラー９ｂに反射された光は、ビーム結合素子７を通って、参照光として撮像装置１０の撮像面に入射する。
【００２３】
ピエゾ素子駆動反射鏡１１は、ピエゾ素子１１ａによって反射鏡１１ｂを移動させることにより反射鏡１１ｂとミラー９ｂとの間の距離を変化させる。これにより、光路長を変化させることにより参照光の位相をシフトさせる。なお、以下では、レーザ１が出射するレーザ光に対して位相がシフトした参照光の位相量を位相シフト量という。
【００２４】
撮像装置１０は、撮像素子としてＣＣＤが２次元配列した撮像面を有する。この撮像面に垂直に入射する参照光と物体光とが干渉することによって干渉パターンが形成される。撮像装置１０は、撮像面に形成された干渉パターンをホログラムとして記録することにより第１ホログラムデータを生成する。
【００２５】
上述したように、ピエゾ素子駆動反射鏡１１によって参照光の位相値を変化させることができ、撮像装置１０は、露光時間を異ならせて逐次撮像することができる。このため、撮像装置１０は、同じ位相シフト量ごとに露光量の異なる複数のホログラムである第１ホログラムデータを生成することができる。
【００２６】
計算機２０は、撮像装置１０により生成された第１ホログラムデータに基づいて、再生像を生成する。具体的には、第１ホログラムデータのうちの同じ位相シフト量であって異なる露光量のホログラムデータを用いて高ダイナミックレンジ合成を行ったうえで、所定の演算処理を実行することにより再生像を生成する。すなわち、計算機２０は、高ダイナミックレンジ合成を行う高ダイナミックレンジホログラム生成手段と、所定の演算処理を実行することにより再生像を生成する再生像生成手段とを有する。所定の演算処理は、位相シフトデジタルホログラフィにおいて実行される通常の演算処理であり、複素振幅分布の算出処理（位相シフト干渉法）と、フレネル変換等の回折の計算処理とを含む。
【００２７】
本発明における高ダイナミックレンジ合成は様々な手法が考えられるが、非特許文献２に記載されている技術を本発明者らがホログラムに適応した技術であり、同じ被写体５０に対して、異なる露光量で複数回の撮像をして得られた複数枚のホログラムを、明部から暗部に至るまでの階調を再現した１つのホログラムに合成する処理である。
【００２８】
まず、最小二乗法により、露光量と画素値（色の種類や強さ（明るさ）を表す数値で、同じ色なら強さを表す）の関係を表すカメラ応答関数を推定する（図２６、２７参照）。多くの撮像装置において、撮像素子の特性により露光量に比例して画素値が増えるとは限らないためである。露光時間を調整することによって露光量を異ならせる場合、カメラ応答関数の推定には、複数枚のホログラムの画素値と露光時間の情報、重み関数を用いる。
【００２９】
重み関数は、画素値の最大値（白とび）と最小値（黒潰れ）において最小となり、画素値の中間値において最大となるようにする（図２７の（ｂ）参照）。露出オーバーまたは露出アンダーになるにつれて、記録した画像の情報量および信頼性が低下するので、上記のように重み付けを行うことで、情報量および信頼性の低い情報を計算から除外することができる。
【００３０】
次に、複数枚の画像の画素値の重み付き平均を計算し、高ダイナミックレンジのホログラムを合成する（図２７の（ａ）〜（ｃ）参照）。高ダイナミックレンジのホログラムの合成では、重み関数、各画像の露光時間、推定されたカメラ応答関数が用いられる。
【００３１】
計算機２０は、複素振幅分布の算出処理により、高ダイナミックレンジ合成された複数の第１合成ホログラムデータについて、撮像装置１０の撮像面の複素振幅分布を算出する。また、フレネル変換等の回折の計算処理によって、複素振幅分布の算出処理により算出された複素振幅分布を、光学波面に変換する。
【００３２】
ここで、位相シフトデジタルホログラフィ装置１００によって生成される第１ホログラムデータに基づいて再生像を生成する流れを、図を用いて具体的に説明する。なお、位相シフトデジタルホログラフィ装置１００は、上述したようにピエゾ素子駆動反射鏡１１によって位相をシフトさせることにより、参照光を異なる位相値に変換することが可能であるので、２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置または４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置になり得る。
【００３３】
図２は、第１の実施形態における２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。図２に示されるように、撮像装置１０は、位相シフト量０（第１位相）の干渉パターンを異なる露光量で複数回撮像することにより記録したホログラムａ１〜ａ４の第１ホログラムデータと、位相シフト量−π／２（第２位相）の干渉パターンを異なる露光量で複数回撮像することにより記録したホログラムｂ１〜ｂ４の第１ホログラムデータとを記録している。なお、ホログラムａ１〜ａ４、ｂ１〜ｂ４それぞれにおいて、露光量は、符号の数字が大きくなるほど多くなっている。
【００３４】
また、ホログラムａ１〜ａ４の第１ホログラムデータは高ダイナミックレンジ合成されることにより、合成ホログラムａ５の第１合成ホログラムデータが生成され、ホログラムｂ１〜ｂ４は、高ダイナミックレンジ合成されることにより、合成ホログラムｂ５の第１合成ホログラムデータが生成される。そして、合成ホログラムａ５、ｂ５の第１合成ホログラムデータに対して、上述した所定の演算処理が実行されることにより再生像として振幅分布および位相分布が生成される。
【００３５】
振幅分布の明暗は、輝度を示し、明るくなるほど画素値が大きいことを示す。また、位相分布の明暗は、被写体５０を散乱または透過した光の位相の遅れを示し、暗くなるほど位相が遅れていることを示す。
【００３６】
図３の（ａ），（ｂ）は、被写体の振幅分布および位相分布を示す図である。図４の（ａ），（ｂ）、図５の（ａ），（ｂ）は、２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成される再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す図である。なお、計算機シミュレーションに用いたパラメータは、図２８に示すとおりである。図４の（ａ），（ｂ）が高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合に生成された再生像を示し、図５の（ａ），（ｂ）が高ダイナミックレンジ合成を適応した場合に生成された再生像を示す。
【００３７】
図４の（ａ），（ｂ）に示されるように、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合には、振幅分布および位相分布ともに画質が劣化していることがわかる。この画質の劣化は、ホログラムの白とびおよび黒潰れに起因するものである。特に、位相分布については、明暗の境界が識別し難くなっていることがわかる。これに対して、図５の（ａ），（ｂ）に示されるように、高ダイナミックレンジ合成を適応した場合には、図３の（ａ），（ｂ）に示される被写体５０の振幅分布および位相分布に近い像を生成することができたことがわかる。特に、位相分布においては、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合において生成された再生像において明暗の境界が不明瞭であったのに対して、識別し易くなっていることがわかる。したがって、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合に対して、高ダイナミックレンジ合成を適応した場合には、再生像が高画質化できたことがわかる。
【００３８】
＜変形例１：同時記録型位相シフトＤＨ装置＞
第１の実施形態における位相シフトデジタルホログラフィ装置１００は、逐次撮像することによって露光量の異なる複数の第１ホログラムデータを記録するものであった。変形例１における位相シフトデジタルホログラフィ装置は、露光量を画素単位で異ならせる手段を用いることで、画素単位で露光量の異なる第１並列ホログラムを１回の撮像で同時に記録するものである。
【００３９】
図６は、変形例１における撮像装置を示す図である。図６に示されるように、撮像装置１０Ａは、撮像面に偏光子アレイデバイス（位相シフトアレイ）５１が取り付けられる。ここでは説明の便宜上、撮像装置１０Ａの全画素に対応する全領域ではなく、一部の領域について、偏光子アレイデバイス５１の構造を示している。
【００４０】
偏光子アレイデバイス５１は、２つの異なる方向に向く透過軸を有する偏光領域（第１領域，第２領域）５１ａ，５１ｂそれぞれが撮像素子の画素に対応して配列された素子である。具体的には、垂直方向に対して−４５度傾斜した透過軸を有する第１偏光領域５１ａと、垂直方向に対して４５度傾斜した透過軸を有する第２偏光領域５１ｂとが行方向および列方向それぞれに交互に繰り返し配列される。
【００４１】
ここで、直線偏光の物体光と直線偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合と、楕円偏光の物体光と楕円偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合とについて説明する。
【００４２】
図７の（ａ）は、直線偏光の物体光と直線偏光の参照光とを、変形例１における撮像装置に入射させる場合を示す模式図である。図７の（ａ）に示されるように、ランダム偏光の物体光と垂直偏光の参照光とが偏光子１５を通った後、撮像装置１０Ａの偏光子アレイデバイス５１を通ることにより第１並列ホログラムデータＡが記録される。直線偏光の物体光と直線偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合において、変形例１における位相シフトデジタルホログラフィ装置が図１で前述した位相シフトデジタルホログラフィ装置１００と異なる点は、偏光子１５と偏光子アレイデバイス５１と撮像装置１０Ａとを備える点である。その他の構成は、位相シフトデジタルホログラフィ装置１００と同じであるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００４３】
偏光子１５は、垂直方向に対して、例えば０度より大きく４５度未満の範囲で傾斜した透過軸を有しており、ランダム偏光の物体光および垂直偏光の参照光それぞれを直線偏光に変換する。
【００４４】
偏光子アレイデバイス５１は、透過軸と同じ方向の成分の光を取り出す。具体的には、偏光子１５により変換された直線偏光の物体光のうち第１偏光領域５１ａの透過軸と同じ方向の成分の光と、直線偏光の物体光のうち第２偏光領域５１ｂの透過軸と同じ方向の成分の光を取り出す。同様に、偏光子１５により変換された直線偏光の参照光のうち第１偏光領域５１ａの透過軸と同じ方向の成分の光と、第２偏光領域５１ｂの透過軸と同じ方向の成分の光を取り出す。
【００４５】
ここで、偏光子１５と偏光子アレイデバイス５１とは、偏光子１５の透過軸と偏光子アレイデバイス５１の２つの透過軸との向きが調整され、第２偏光領域５１ｂの傾斜角度と偏光子１５により変換された直線偏光の偏光方向との角度差が、第１偏光領域５１ａの傾斜角度と偏光子１５により変換された直線偏光の偏光方向との角度差よりも小さくなる。このため、直線偏光の物体光のうち第２偏光領域５１ｂを透過する光は、第１偏光領域５１ａを透過する光よりも透過量が多くなり、直線偏光の参照光のうち第２偏光領域５１ｂを透過する光は、第１偏光領域５１ａを透過する光よりも透過量が多くなる。
【００４６】
したがって、偏光子１５と偏光子アレイデバイス５１とによって、撮像装置１０Ａは、２つの異なる露光量の画素が配列された第１並列ホログラムデータＡを１回の撮像で同時に生成することができる。また、ピエゾ素子駆動反射鏡１１により位相シフト量を異ならせて撮像することによって、複数の位相シフト量それぞれについて第１並列ホログラムデータＡを生成することができる。
【００４７】
図７の（ｂ）は、楕円偏光の物体光と楕円偏光の参照光とを、変形例１における撮像装置１０Ａに入射させる場合を示す模式図である。図７の（ｂ）に示されるように、ランダム偏光の物体光と垂直偏光の参照光とが偏光子１５および１／４波長板１３を通った後、撮像装置１０Ａの偏光子アレイデバイス５１を通ることにより第１並列ホログラムデータＢが記録される。楕円偏光の物体光と楕円偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合において、変形例１における位相シフトデジタルホログラフィ装置が図１で前述した位相シフトデジタルホログラフィ装置１００と異なる点は、偏光子１５、１／４波長板１３、偏光子アレイデバイス５１および撮像装置１０Ａを備える点である。その他の構成は、位相シフトデジタルホログラフィ装置１００と同じであるので、ここでは説明を繰り返さない。
【００４８】
１／４波長板１３は、入射する光に対して１／４波長（π／２）位相差を生じさせることにより直線偏光を円偏光（楕円偏光）に変換する。１／４波長板１３は、垂直方向に対して−４５度傾斜した高速軸と、垂直方向に対して４５度傾斜した低速軸とを有する。偏光子１５と１／４波長板１３とは、偏光子１５の透過軸と１／４波長板１３の高速軸および低速軸との向きが調整され、偏光子１５によって変換された直線偏光の物体光および直線偏光の参照光それぞれを楕円偏光に変換する。
【００４９】
偏光子アレイデバイス５１は、１／４波長板１３により変換された楕円偏光の物体光のうち第１偏光領域５１ａの透過軸と同じ方向の成分の光と、楕円偏光の物体光のうち第２偏光領域５１ｂの透過軸と同じ方向の成分の光を取り出す。同様に、１／４波長板１３により変換された楕円偏光の参照光のうち第１偏光領域５１ａの透過軸と同じ方向の成分の光と、第２偏光領域５１ｂの透過軸と同じ方向の成分の光を取り出す。
【００５０】
ここで、第２偏光領域５１ｂの透過軸は、楕円偏光の物体光の長軸上に位置し、第１偏光領域５１ａの透過軸は、楕円偏光の物体光の短軸上に位置する。同様に、第２偏光領域５１ｂの透過軸は、楕円偏光の参照光の長軸上に位置し、第１偏光領域５１ａの透過軸は、楕円偏光の参照光の短軸上に位置する。このため、楕円偏光の物体光のうち第２偏光領域５１ｂを透過する光は、第１偏光領域５１ａを透過する光よりも透過量が多くなり、楕円偏光の参照光のうち第２偏光領域５１ｂを透過する光は、第１偏光領域５１ａを透過する光よりも透過量が多くなる。
【００５１】
したがって、偏光子１５と、１／４波長板１３と、偏光子アレイデバイス５１とによって、撮像装置１０Ａは、２つの異なる露光量の画素が配列された第１並列ホログラムデータＢを１回の撮像で同時に生成することができる。また、ピエゾ素子駆動反射鏡１１により位相シフト量を異ならせて撮像することによって、複数の位相シフト量それぞれについて第１並列ホログラムデータＢを生成することができる。
【００５２】
計算機２０Ａは、撮像装置１０Ａにより生成された第１並列ホログラムデータ（第１並列ホログラムデータＡまたは第１並列ホログラムデータＢ）において、露光量の等しい画素を抽出し、欠落画素を補間する。これにより、露光量が同じ画素で統一された第２ホログラムデータが２つの位相シフト量それぞれについて生成される。すなわち、第２ホログラムデータは、４種類形成され、そのうち２種類が互いに同じ位相シフト量（例えば位相シフト量０）で、露光量が異なる（露光量多と露光量少）画像データであり、他の２種類が互いに同じ位相シフト量（例えば位相シフト量−π/２）で、露光量が異なる（露光量多と露光量少）画像データである。
【００５３】
また、計算機２０Ａは、４種類の第２ホログラムデータについて、同じ位相シフト量ごとに異なる露光量の第２ホログラムデータを用いて高ダイナミックレンジ合成を行なったうえで、上述した所定の演算処理を実行することにより再生像を生成する。
【００５４】
なお、上述したように直線偏光の物体光と直線偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合（図７の（ａ））には、１／４波長板１３が不要であるので、楕円偏光の物体光と楕円偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合（図７の（ｂ））よりも、装置構成を簡単にすることができる。
【００５５】
図８は、変形例１における位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。ピエゾ素子駆動反射鏡１１（図１参照）による反射鏡の移動の前後それぞれにおいて、撮像装置１０Ａ（図６参照）により逐次撮像されることにより、位相シフト量０の第１並列ホログラムデータａ１１と、位相シフト量−π／２の第１並列ホログラムデータｂ１１とが生成される。
【００５６】
位相シフト量０の第１並列ホログラムデータａ１１は、露光量の異なる２種類の画素が配列された画像データである。位相シフト量０の第１並列ホログラムデータａ１１から、露光量の等しい画素が種類ごとに抽出され、欠落画素が補間される。これにより、同じ露光量の画素で統一された２種類の第２ホログラムデータａ１２，ａ１３が生成される。また、第２ホログラムデータａ１２，ａ１３が高ダイナミックレンジ合成されることにより、位相シフト量０の第２合成ホログラムデータａ１４が生成される。
【００５７】
同様に、位相シフト量−π／２の並列ホログラムデータｂ１１は、露光量の異なる２種類の画素が配列された画像データである。位相シフト量−π／２の第１並列ホログラムデータｂ１１から、露光量の等しい画素が種類ごとに抽出され、欠落画素が補間される。これにより、同じ露光量の画素で統一された２種類の第２ホログラムデータｂ１２，ｂ１３が生成される。また、第２ホログラムデータｂ１２，ｂ１３が高ダイナミックレンジ合成されることにより、位相シフト量−π／２の第２合成ホログラムデータｂ１４が生成される。また、これら第２合成ホログラムデータａ１４，ｂ１４に基づいて、上述した所定の演算処理により再生像が生成される。
【００５８】
＜変形例２：他の同時記録型位相シフトＤＨ装置＞
変形例２における位相シフトデジタルホログラフィ装置は、露光量を画素単位で異ならせる手段を用いることで、画素単位で露光量の異なるホログラムを１回の撮像で同時に記録するものであるが、その手段は変形例１と異なるものである。なお、変形例２における位相シフトデジタルホログラフィ装置が、図１で前述した第１の実施形態における位相シフトデジタルホログラフィ装置１００と異なる点は、撮像装置１０が撮像装置１０Ｂ（図９参照）に変更された点である。撮像装置１０Ｂ以外の構成および機能は、位相シフトデジタルホログラフィ装置１００と同じであるので、ここでは異なる点について主に説明する。
【００５９】
図９は、変形例２における撮像装置を示す図である。図９に示されるように、撮像装置１０Ｂは、撮像面に減光フィルタアレイデバイス５３が取り付けられている。ここでは説明の便宜上、撮像装置１０Ｂの全画素に対応する全領域ではなく、一部の領域について、減光フィルタアレイデバイス５３の構造を示している。
【００６０】
減光フィルタアレイデバイス５３は、透過率が異なる４種類の減光フィルタ領域５３ａ〜５３ｄが配列された素子である。具体的には、透過率Ｔ１のフィルタ領域５３ａと透過率Ｔ２のフィルタ領域５３ｂとが行方向において交互に繰り返し配列されるとともに、透過率Ｔ３のフィルタ領域５３ｃと透過率Ｔ４のフィルタ領域５３ｄとが行方向において交互に繰り返し配列されている。フィルタ領域５３ａとフィルタ領域５３ｄとは、列方向において交互に繰り返し配列され、フィルタ領域５３ｂとフィルタ領域５３ｃとは、列方向において交互に繰り返し配列されている。
【００６１】
これにより、減光フィルタアレイデバイス５３を透過する参照光および物体光は、画素単位に４種類の露光量に変換されるので、撮像装置１０Ｂは、４種類の露光量の画素が配列された第２並列ホログラムデータを１回の撮像により同時に生成することができる。また、ピエゾ素子駆動反射鏡１１（図１参照）により位相シフト量を異ならせて撮像することによって、複数の位相シフト量それぞれについて第２並列ホログラムデータを生成することができる。
【００６２】
なお、減光フィルタアレイデバイスの透過率が異なる領域を２種類とすることで、変形例１と同じ２種類の画素が配列された第１並列ホログラムデータを得ることができる。
【００６３】
＜第２の実施形態：並列位相シフトＤＨ装置＞
第２の実施形態では、本発明を並列位相シフトＤＨ装置に適用した例を説明する。
【００６４】
（逐次記録型並列位相シフトＤＨ装置）
図１０は、第２の実施形態におけるデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。図１０に示されるように、デジタルホログラフィ装置の一例としての並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置２００は、レーザ１と、ビーム分割素子３と、ビーム結合素子７と、ミラー９ａ〜９ｃと、撮像装置１０Ａと、１／４波長板１３と、偏光子１５Ａと、計算機２０Ｂとを含む。
【００６５】
レーザ１により出射されたレーザ光は、ビーム拡大器を介してビーム分割素子３に入射され、ビーム分割素子３は、レーザ１から入射されたレーザ光を２方向に分岐する。ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光（垂直偏光）のうち一方（物体照明光）は、ミラー９ａによって反射され、被写体５０に照射される。被写体５０に照射されたレーザ光は、偏光子１５Ａを介してビーム結合素子７を通り、物体光（垂直偏光）として撮像装置１０Ａの撮像面に入射する。
【００６６】
一方、ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光（垂直偏光）のうち他方（参照光）は、１／４波長板１３を通過した後、ミラー９ｂに反射され、ビーム結合素子７を通って円偏光の参照光として撮像装置１０Ａの撮像面に入射する。１／４波長板１３は、１／４波長（π／２）位相差を生じさせることにより直線偏光を円偏光に変換する。ここでは、参照光は、左回りの円偏光に変換される。
【００６７】
図１１は、第２の実施形態における撮像装置の一例を示す図である。図１１に示されるように、撮像装置１０Ａの撮像面に偏光子アレイデバイス５１が取り付けられている。また、上述したように、参照光は１／４波長板１３を通過するので、撮像装置１０Ａの偏光子アレイデバイス５１には、垂直偏光の物体光と、左回り円偏光の参照光とが入射される。
【００６８】
偏光子アレイデバイス５１は、左回り円偏光の参照光が通過するとき、画素単位で位相シフト量０，−π／２の参照光それぞれを取り出す。偏光子アレイデバイス５１によって取り出された位相シフト量０，−π／２の参照光と、物体光とは撮像装置１０Ａの撮像面において干渉する。これにより、撮像面には、位相シフト量０，−π／２の干渉パターンが形成される。したがって、これら干渉パターンが撮像装置１０Ａによって露光時間を異ならせて逐次複数回撮像されることにより、位相シフト量０，−π／２の画素が配列された第１並列位相ホログラムデータが異なる露光量それぞれについて生成される。
【００６９】
計算機２０Ｂは、撮像装置１０Ａにより生成された複数の第１並列位相ホログラムデータを高ダイナミックレンジ合成することにより、第１合成並列位相ホログラムデータを生成する。また、第１合成並列位相ホログラムデータにおいて、同じ位相シフト量ごとに画素を抽出し、欠落画素を補間する。これにより、同じ位相シフト量の画素で統一された第３ホログラムデータが生成される。すなわち、位相シフト量０の画素で統一された第３ホログラムデータと位相シフト量−π／２の画素で統一された第３ホログラムデータとが生成される。計算機２０Ｂは、異なる位相シフト量それぞれの第３ホログラムデータに対して、所定の演算処理を実行することにより再生像を生成する。
【００７０】
＜変形例３：同時記録型並列位相シフトＤＨ装置＞
第２の実施形態における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置２００は、１回の撮像により、２種類の位相シフト量（０、−π／２）の画素が配列された第１並列位相ホログラムデータを生成するものであった。変形例３における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置は、１回の撮像により、４種類の露光量と２種類の位相シフト量（０、−π／２）との組合せの画素が配列された第２並列位相ホログラムデータを生成するものである。具体的には、図１０に示す第２の実施形態における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置２００が備える撮像装置１０Ａの偏光子アレイデバイス５１の前面側に減光フィルタアレイデバイス５３（図９参照）を有する構成である。
【００７１】
図１２の（ａ），（ｂ）は、第２並列位相ホログラムデータの一例を示す図である。図１２の（ａ），（ｂ）に示されるように、第２並列位相ホログラムデータａ２１は、２種類の位相シフト量（０、−π／２）と４種類の露光量との組合せの８種類の画素が配列されたデータである。この第２並列位相ホログラムデータａ２１から、位相シフト量と露光量とが同じ画素からなる８種類の画素が抽出され、それぞれにおいて欠落画素が補間されることにより、８種類のホログラムデータａ２２〜ａ２５，ｂ２２〜ｂ２５が生成される。そして、同じ位相シフト量ごとに異なる露光量のホログラムデータ（位相シフト量０で露光量が異なるホログラムデータａ２２〜２５、位相シフト量−π／２で露光量が異なるホログラムデータｂ２２〜２５）を用いて高ダイナミックレンジ合成が行われたうえで、上述した所定の演算処理が実行されることにより再生像が生成される。
【００７２】
＜変形例４：他の同時記録型並列位相シフトＤＨ装置＞
変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置は、１回の撮像により、２種類の位相シフト量と４種類の露光量との組合せによる８種類の画素が配列された並列位相ホログラムデータを生成するものであるが、変形例３とは異なる構成である。図１３は、変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。図１３に示されるように、並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置３００は、レーザ１と、ビーム分割素子３と、ビーム結合素子７と、ミラー９ａ〜９ｃと、位相遅延素子アレイ（位相シフト手段）１７と、偏光子１５と、撮像装置１０Ａと、計算機２０Ｂとを含む。
【００７３】
レーザ１により出射されたレーザ光は、ビーム拡大器を介してビーム分割素子３に入射され、ビーム分割素子３は、レーザ１から入射されたレーザ光を２方向（物体照明光と参照光）に分岐する。ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光のうち一方（物体照明光）は、ミラー９ａによって反射され、被写体５０に照射される。被写体５０に照射されたレーザ光は、ビーム結合素子７を通った後に偏光子１５を通り、物体光として撮像装置１０Ａの撮像面に入射する。物体光が偏光子１５を通るときには、直線偏光に変換される。
【００７４】
一方、ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光のうち他方（参照光）は、ミラー９ｂに反射された後ミラー９ｃに反射されて位相遅延素子アレイ１７を通り、結像光学系を介してビーム結合素子７を通る。さらに、偏光子１５を通ることにより直線偏光に変換され、参照光として撮像装置１０Ａの撮像面に入射する。なお、撮像装置１０Ａの撮像面には、図６に示されるように偏光子アレイデバイス５１が取り付けられている。
【００７５】
なお、ここでは、撮像装置１０Ａの撮像面に直線偏光の参照光および直線偏光の物体光を干渉させる場合を例に説明したが、円偏光（楕円偏光）の参照光および円偏光（楕円偏光）の物体光を干渉させるようにしてもよい。この場合、偏光子１５と偏光子アレイデバイス５１との間に、１／４波長板１３が配置される。
【００７６】
なお、変形例３においても、変形例１と同様に直線偏光の物体光と直線偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合には、１／４波長板１３が不要であるので、楕円偏光の物体光と楕円偏光の参照光とを撮像装置１０Ａに入射させる場合よりも、装置構成を簡単にすることができる。
【００７７】
図１４は、位相遅延素子アレイの構造の一例を示す図である。なお、ここでは説明の便宜上、撮像装置１０Ａの全画素に対応する全領域ではなく、一部の領域について、位相遅延素子アレイ１７の構造を示している。図１４に示されるように、位相遅延素子アレイ１７は、２種類の位相遅延素子１７ａ，１７ｂが行方向および列方向に並べられる。具体的には、行方向に複数の位相遅延素子１７ａが配列された第１遅延領域と、行方向に複数の位相遅延素子１７ｂが配列された第２遅延領域とが列方向に交互に並べられる。
【００７８】
２種類の位相遅延素子１７ａ，１７ｂは、例えばガラスのように偏光依存性のない透明材料を用いて、厚みを異ならせることで実現できる。厚みの薄い方の位相遅延素子１７ａは、位相遅延量０であり、厚みの厚い方の位相遅延素子１７ｂは、位相遅延量π／２である。このため、図１５に示されるように、撮像装置１０Ａにより、２種類の位相シフト量と２種類の露光量の組合せの４種類の画素を含む第３並列位相ホログラムデータが生成される。
【００７９】
なお、ここでは、位相遅延素子アレイ１７を備える場合を例に説明したが、位相遅延素子アレイ１７に代えて空間光変調器を備える構成であってもよい。
【００８０】
図１６は、変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。図１６に示されるように、並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置３００（図１３参照）によって生成される第３並列位相ホログラムデータａ３１（異なる露光量同時記録ホログラム）には、２種類の位相シフト量と２種類の露光量との組合せにより４種類の画素が含まれる。この第３並列位相ホログラムデータａ３１から、位相シフト量と露光量とが同じ画素からなる４種類の画素が抽出され、それぞれにおいて欠落画素が補間されることにより、４種類の第４ホログラムデータａ３２，ａ３３，ｂ３２，ｂ３３が生成される。また、４種類の第４ホログラムデータａ３２，ａ３３，ｂ３２，ｂ３３について、同じ位相シフト量ごとに異なる露光量の第４ホログラムデータを用いて高ダイナミックレンジ合成されることにより、位相シフト量０の第３合成ホログラムデータａ３４と位相シフト量−π／２の第３合成ホログラムデータｂ３４とが生成される。さらに、第３合成ホログラムデータａ３４，ｂ３４に対して所定の演算処理が実行されることにより、再生像が生成される。
【００８１】
図１７，１８は、変形例４における並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成される再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す図である。なお、計算機シミュレーションに用いたパラメータは、図２８に示すとおりである。図１７の（ａ），（ｂ）が高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合に生成された再生像を示し、図１８の（ａ），（ｂ）が高ダイナミックレンジ合成を適応した場合に生成された再生像を示す。
【００８２】
図１７に示されるように、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合には、振幅分布および位相分布ともに画質が劣化していることがわかる。特に、位相分布については、明暗の境界が識別し難くなっていることがわかる。これに対して、図１８に示されるように、高ダイナミックレンジ合成を適応した場合には、図３の（ａ），（ｂ）に示される被写体５０の振幅分布および位相分布に近い像を生成することができたことがわかる。特に、位相分布においては、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合において生成された再生像において明暗の境界が不明瞭であったのに対して、識別し易くなっていることがわかる。したがって、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合に対して、高ダイナミックレンジ合成を適応した場合には、再生像が高画質化できたことがわかる。
【００８３】
＜変形例５：さらに他の同時記録型並列位相シフトＤＨ装置＞
図１９は、変形例５における並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。図１９に示されるように、並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置４００は、レーザ１と、ビーム分割素子３と、ビーム結合素子７と、ミラー９ａ〜９ｃと、１／４波長板１３および１／２波長板１９と、偏光子１５Ａと、撮像装置１０Ｃと、計算機２０Ｃとを含む。
【００８４】
レーザ１により出射されたレーザ光は、ビーム拡大器を介してビーム分割素子３に入射され、ビーム分割素子３は、レーザ１から入射されたレーザ光を２方向に分岐する。ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光（垂直偏光）のうち一方（物体照明光）は、ミラー９ａによって反射され、被写体５０に照射される。被写体５０に照射されたレーザ光は、偏光子１５Ａ、ビーム結合素子７および１／４波長板１３の順に通り、物体光（垂直偏光）として撮像装置１０Ｃの撮像面に垂直に入射する。
【００８５】
一方、ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光（垂直偏光）のうち他方（参照光）は、１／２波長板１９を介してミラー９ｂを照射し、照射されたレーザ光（水平偏光）はミラー９ｃに反射され、ビーム結合素子７、１／４波長板１３の順に通って参照光として撮像装置１０Ｃの撮像面に垂直に入射する。
【００８６】
１／２波長板１９は、入射する光に対して１／２波長（π）位相差を生じさせる波長板である。これにより、垂直偏光のレーザ光は水平偏光に変換される。１／４波長板１３は、上述したように、入射する光に対して１／４波長（π／２）位相差を生じさせる波長板である。これにより、垂直偏光の物体光は左回りの円偏光に変換され、水平偏光の参照光は右回り円偏光に変換される。
【００８７】
図２０は、変形例５における撮像装置を示す図である。図２０に示されるように、撮像装置１０Ｃは、撮像面に偏光子アレイデバイス５１Ａが取り付けられている。なお、ここでは説明の便宜上、撮像装置１０Ｃの全画素に対応する全領域ではなく、一部の領域について、偏光子アレイデバイス５１Ａの構造を示している。
【００８８】
偏光子アレイデバイス５１Ａは、４つの異なる方向に向く透過軸を有する偏光領域５１ｅ，５１ｆ，５１ｇ，５１ｈが撮像素子それぞれの画素に対応して配列された素子である。偏光領域５１ｅは水平方向の透過軸を有し、偏光領域５１ｆは垂直方向に対して４５度傾斜した透過軸を有し、偏光領域５１ｇは垂直方向に対して−４５度傾斜した透過軸を有し、偏光領域５１ｈは垂直方向の透過軸を有する。
【００８９】
偏光子アレイデバイス５１Ａにおいて、偏光領域５１ｅと偏光領域５１ｆとは行方向において交互に繰り返し配列され、偏光領域５１ｇと偏光領域５１ｈとは行方向において交互に繰り返し配列されている。偏光領域５１ｅと偏光領域５１ｇとは列方向に交互に繰り返し配列され、偏光領域５１ｆと偏光領域５１ｈは列方向に交互に繰り返し配列される。
【００９０】
上述したように、参照光は１／４波長板１３および１／２波長板１９を通過するので、撮像装置１０Ｃの偏光子アレイデバイス５１Ａには、物体光（左回りの円偏光）と、参照光（右回りの円偏光）とが入射される。
【００９１】
偏光子アレイデバイス５１Ａは、位相シフト量０、π／４、π／２、３π／４の物体光（左回りの円偏光）および位相シフト量０、−π／４、−π／２、−３π／４の参照光（右回りの円偏光）が通過するとき、偏光領域５１ｅでは位相シフト量０の物体光と位相シフト量０の参照光、偏光領域５１ｆでは位相シフト量π／４の物体光と位相シフト量−π／４の参照光、偏光領域５１ｈでは位相シフト量π／２の物体光と位相シフト量−π／２の参照光、偏光領域ｇでは位相シフト量３π／４の物体光と位相シフト量−３π／４の参照光それぞれを取り出す。偏光子アレイデバイス５１Ａによって取り出された参照光と、物体光とは撮像装置１０Ｃの撮像面において干渉する。したがって、撮像装置１０Ｃによって、位相シフト量０，−π／２，−π，−３π／２の画素を含む第４並列位相ホログラムデータが１回の撮像により生成される。また、撮像装置１０Ｃは、露光時間を異ならせて、逐次撮像することにより、露光量の異なる複数の第４並列位相ホログラムデータを生成する。
【００９２】
計算機２０Ｃは、撮像装置１０Ｃにより生成された複数の第４並列位相ホログラムデータを高ダイナミックレンジ合成することにより、第２合成並列位相ホログラムデータを生成する。また、第２合成並列位相ホログラムデータにおいて、同じ位相シフト量ごとに画素を抽出し、欠落画素を補間する。これにより、異なる位相シフト量それぞれについての第５ホログラムデータが生成される。計算機２０Ｃは、異なる位相シフト量それぞれの第５ホログラムデータに対して、所定の演算処理を実行することにより再生像を生成する。
【００９３】
このように、計算機２０Ｃは、計算機２０，２０Ａ，２０Ｂとは異なる処理の流れで再生像を生成するが、計算機２０Ｃの処理の流れは、計算機２０，２０Ａ，２０Ｂの処理の流れに比べて、計算回数(計算量)を低減するとともに、カメラ応答関数推定時の推定精度を向上させることができる。
【００９４】
計算回数(計算量)低減について具体的に説明すると、複数の第４並列位相ホログラムデータについて、計算機２０，２０Ａ，２０Ｂの処理の流れで高ダイナミックレンジ合成する場合、合計４回（＝位相シフト量を異ならせた数）の高ダイナミックレンジ合成の計算を行うが、計算機２０Ｃの処理の流れであれば、高ダイナミックレンジ合成の計算が１回で済み、計算回数を減らすことができる。
【００９５】
カメラ応答関数推定時の推定精度の向上について具体的に説明すると、高ダイナミックレンジ合成の後に欠落画素を補間するので、欠落画素の補間により補間誤差が生じる前に高ダイナミックレンジ合成をすることができ、推定精度を向上させることができる。これにより、高ダイナミックレンジ合成によって取得したい干渉パターンとは異なる高ダイナミックレンジホログラムが生成されることを回避して、再生像の画質をより良好にすることができる。
【００９６】
図２１は、変形例５における並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置によって再生像を生成する流れを示す図である。図２１に示されるように、撮像装置１０Ｃ（図１９参照）は、ホログラムａ４１〜ａ４４の第４並列位相ホログラムデータを記録している。なお、ホログラムａ４１〜ａ４４それぞれにおいて、露光量は、符号の数字が大きくなるほど多くなっている。ホログラムａ４１〜ａ４４の第４並列位相ホログラムデータが高ダイナミックレンジ合成され、４種類の位相シフト量の画素が抽出され、欠落画素が補間されることにより、４種類の第４合成ホログラムデータａ４６〜ａ４９が生成される。４種類の第４合成ホログラムデータａ４６〜ａ４９に対して所定の演算処理が実行されることにより、再生像が生成される。
【００９７】
図２２の（ａ）〜（ｃ），２３の（ａ）〜（ｃ）は、変形例５における並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置により生成された再生像を計算機シミュレーションで生成した結果を示す図である。なお、計算機シミュレーションに用いたパラメータは、図２８に示すとおりである。図２２の（ａ）〜（ｃ）が高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合に生成された再生像を示し、図２３の（ａ）〜（ｃ）が高ダイナミックレンジ合成を適応した場合に生成された再生像を示す。
【００９８】
図２２の（ａ）〜（ｃ）に示されるように、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合には、振幅分布および位相分布ともに画質が劣化していることがわかる。これに対して、図２３の（ａ）〜（ｃ）に示されるように、高ダイナミックレンジ合成を適応した場合には、被写体５０の振幅分布および位相分布に近い像を生成することができたことがわかる。したがって、高ダイナミックレンジ合成を適応しない場合に対して、高ダイナミックレンジ合成を適応した場合には、再生像が高画質化できたことがわかる。
【００９９】
なお、変形例３のように、減光フィルタアレイデバイス５３と組み合わせることで、並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置４００においても、露光量の異なるホログラムデータを同時に取得することが可能である。ただし、偏光子アレイデバイス５１Ａの偏光領域か減光フィルタアレイデバイス５３の減光フィルタ領域どちらかの配置変更が必要である。これにより、４種類の位相シフト量と４種類の露光量との組合せによる画素が配列されたホログラムデータが生成される。
【０１００】
＜第３の実施形態：ｏｆｆ−ａｘｉｓ型ＤＨ装置＞
第３の実施形態では、本発明をｏｆｆ−ａｘｉｓ型ＤＨ装置に適用した例を説明する。
【０１０１】
（逐次記録ｏｆｆ−ａｘｉｓ型ＤＨ装置）
図２４は、第３の実施形態におけるデジタルホログラフィ装置の一例を示す図である。図２４に示されるように、デジタルホログラフィ装置の一例としてのｏｆｆ−ａｘｉｓ型デジタルホログラフィ装置５００は、レーザ１と、ビーム分割素子３と、ビーム結合素子７Ａと、ミラー９ａ，９ｂ，９ｃと、撮像装置１０Ｂと、計算機２０Ｄとを含む。
【０１０２】
レーザ１により出射されたレーザ光は、ビーム拡大器を介してビーム分割素子３に入射され、ビーム分割素子３は、レーザ１から入射されたレーザ光を２方向に分岐する。ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光のうち一方（物体照明光）は、ミラー９ａによって反射され、被写体５０に照射される。被写体５０に照射されたレーザ光は、ビーム結合素子７Ａを通り、物体光として撮像装置１０Ｂの撮像面に垂直に入射する。
【０１０３】
一方、ビーム分割素子３により２方向に分岐されたレーザ光のうち他方（参照光）は、ミラー９ｂに反射され、ビーム結合素子７Ａを通って参照光として撮像装置１０Ｂの撮像面に斜めに入射する。
【０１０４】
撮像装置１０Ｂは、撮像面において、互いに角度差をもって入射する参照光と物体光とが干渉することによって干渉パターンが形成される。撮像装置１０Ｂは、撮像面に形成された干渉パターンをホログラムとして記録することにより第６ホログラムデータを生成する。ここでは、露光時間を異ならせて逐次撮像することにより、露光量の異なる複数の第６ホログラムデータが生成される。
【０１０５】
計算機２０Ｄは、複数の第６ホログラムデータに高ダイナミックレンジ合成を行なったうえで、フレネル変換等の回折の計算処理を実行することにより再生像を生成する。
【０１０６】
＜変形例６：同時記録ｏｆｆ−ａｘｉｓ型ＤＨ装置＞
図２４で前述した第３の実施形態におけるｏｆｆ−ａｘｉｓ型デジタルホログラフィ装置５００は、露光時間を異ならせて逐次撮像することにより、露光量の異なるホログラムデータを生成するものであった。変形例６におけるｏｆｆ−ａｘｉｓ型デジタルホログラフィ装置は、１回の撮像で露光量の異なる複数のホログラムデータを生成するものである。具体的には、図９に示すように、撮像装置１０Ｂの撮像面に減光フィルタアレイデバイス５３が取り付けられる構成である。この構成により４種類の露光量を有する画素を含む第３並列ホログラムデータが生成される。
【０１０７】
図２５は、変形例６におけるｏｆｆ−ａｘｉｓ型ホログラフィ装置により生成されたホログラムデータによって再生像が生成される流れを示す図である。図２５に示されるように、第３並列ホログラムデータａ５１（異なる露光量同時記録ホログラム）から４種類の露光量を有する画素それぞれが抽出され、欠落画素が補間される。これにより、同じ露光量の画素で統一された４種類の第７ホログラムデータａ５２〜ａ５５が生成される。この４つの第７ホログラムデータａ５２〜ａ５５が高ダイナミックレンジ合成されることにより、第５合成ホログラムデータａ５６が生成される。さらに、第５合成ホログラムデータａ５６に、フレネル変換等の回折の計算処理が実行されることにより再生像が生成される。
【０１０８】
なお、撮像装置１０Ｂの撮像面に、減光フィルタアレイデバイス５３に代えて、偏光子１５（図７参照）と偏光子アレイデバイス５１（図６参照）を取り付けるようにしてもよい。この場合、直線偏光の参照光と直線偏光の物体光とを干渉させ、２種類の露光量のホログラムデータを生成することができる。楕円偏光の参照光と楕円偏光の物体光とを干渉させる場合には、偏光子１５（図７参照）と偏光子アレイデバイス５１（図６参照）との間に１／４波長板１３（図７の（ｂ）参照）を設けるようにすればよい。
【０１０９】
以上説明したように、本実施の形態のデジタルホログラフィ装置は、露光量の異なる複数枚のホログラムを被写体に基づいて撮像素子に記録する撮像装置と、記録した露光量の異なる複数枚のホログラムを高ダイナミックレンジ合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む合成ホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成手段及び合成ホログラムに基づいて位相シフト干渉法や回折の計算等の演算処理を実施して被写体の再生像を生成する再生像生成手段を含む計算機とを備える。
【０１１０】
この構成によれば、高ダイナミックレンジ合成の対象をホログラムとしている。このため、再生像の画質劣化の要因となる白とびや黒潰れをホログラムから除去でき、高画質な再生像を生成することができる。したがって、白とびや黒潰れに因る画質劣化のない像を再生することができる。
【０１１１】
（本発明の他の側面）
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記複数枚のホログラムのうちの一つは、第１露光量で前記高輝度情報が記録された少露光量ホログラムであり、前記複数枚のホログラムのうちの他の一つは、前記第１露光量よりも多い第２露光量で前記低輝度情報が記録された多露光量ホログラムであることが好ましい。
【０１１２】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを同時に記録し、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを同時に記録することが好ましい。
【０１１３】
この構成によれば、露光量の異なる複数枚の第１位相のホログラムと、露光量の異なる複数枚の第２位相のホログラムとを１回の撮像により取得することができる。
【０１１４】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイと、前記減光フィルタアレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフトアレイとを有することが好ましい。
【０１１５】
この構成によれば、減光フィルタアレイを設けたので、画素単位で露光量の異なるホログラムを１回の撮像で記録することができる。このため、露光量を異ならせて逐次撮像する必要がない。また、位相シフトアレイを設けたので、画素単位で位相がシフトしたホログラムを１回の撮像で記録することができる。このため、例えばピエゾ素子等の部材を用いることなく位相をシフトさせることができる。
【０１１６】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過軸が異なる第１領域及び第２領域が形成された偏光子アレイと、前記偏光子アレイに向かう物体光及び参照光を直線偏光に変換する偏光子とを有することが好ましい。
【０１１７】
この構成によれば、画素単位で露光量の異なるホログラムを記録することができる。このため、露光量を異ならせて逐次撮像する必要がない。
【０１１８】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記偏光子により変換された直線偏光を楕円偏光に変換する１／４波長板をさらに有する構成とすることができる。
【０１１９】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記偏光子アレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフト手段をさらに有する構成とすることができる。
【０１２０】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、前記高ダイナミックレンジホログラム生成手段は、前記第２ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第２高ダイナミックレンジホログラムを生成し、前記再生像生成手段は、前記第１及び第２高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、位相シフト干渉法及び前記回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する構成とすることができる。
【０１２１】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記再生像生成手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録した異なる露光量同時記録ホログラムから、前記露光量ごとに画素を抽出して補間したホログラムを生成する構成とすることができる。
【０１２２】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを逐次記録し、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムのうちの一つと、前記複数枚のホログラムのうちの前記一つと露光量が対応する前記他の複数枚のホログラムのうちの一つとを同時に記録することが好ましい。
【０１２３】
この構成によれば、位相の異なるホログラムを同時に記録することができる。
【０１２４】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、４つの異なる方向に向く透過軸をそれぞれ有する４種類の偏光領域が前記撮像素子の画素にそれぞれ対応して配列された偏光子アレイデバイスを有する構成とすることができる。
【０１２５】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを同時に記録し、前記記録手段は、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを逐次記録することが好ましい。
【０１２６】
この構成によれば、露光量の異なるホログラムを同時に記録することができる。
【０１２７】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイを有することが好ましい。
【０１２８】
この構成によれば、画素単位で露光量の異なるホログラムを１回の撮像で記録することができる。このため、露光量を異ならせて逐次撮像する必要がない。
【０１２９】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過軸が異なる第１領域及び第２領域が形成された偏光子アレイを有することが好ましい。
【０１３０】
上記の構成によれば、画素単位で露光量の異なるホログラムを記録することができる。このため、露光量を異ならせて逐次撮像する必要がない。
【０１３１】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像素子に記録し、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次記録し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを逐次記録し、前記記録手段は、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを逐次記録することが好ましい。
【０１３２】
上記の構成によれば、露光量の異なるホログラムを逐次記録し、参照光の位相の異なるホログラムを逐次記録するので、簡単な構成で所要のホログラムを記録することができる。
【０１３３】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、光路長を変化させることにより前記参照光の位相を変化させるピエゾ素子駆動反射鏡を有する構成とすることができる。
【０１３４】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記物体光と前記参照光とは異なる角度で前記撮像素子に入射し、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録することが好ましい。
【０１３５】
上記の構成によれば、off-axis方式のデジタルホログラフィ装置において、露光量の異なるホログラムを同時に記録することができる。
【０１３６】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイを有することが好ましい。
【０１３７】
上記の構成によれば、画素単位で露光量の異なるホログラムを１回の撮像で記録することができる。このため、露光量を異ならせて逐次撮像する必要がない。
【０１３８】
本発明のデジタルホログラフィ装置では、前記物体光と前記参照光とは異なる角度で前記撮像素子に入射し、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次記録することが好ましい。
【０１３９】
上記の構成によれば、off-axis方式のデジタルホログラフィ装置において、簡単な構成でホログラムを記録することができる。
【０１４０】
（付記）
上記の課題を解決するために、本発明のデジタルホログラフィ装置は、露光量の異なる複数枚のホログラムを被写体に基づいて撮像素子に記録する記録手段と、前記記録した露光量の異なる複数枚のホログラムを合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成手段と、前記高ダイナミックレンジホログラムに基づいて位相シフト干渉法や回折の計算等の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成手段とを備える。
【０１４１】
上記の構成によれば、高ダイナミックレンジ合成の対象をホログラムとしている。このため、再生像の画質劣化の要因となる白とびや黒潰れの影響をホログラムから除去でき、高画質な再生像を生成することができる。したがって、白とびや黒潰れに因る画質劣化のない像を再生することが可能なデジタルホログラフィ装置を提供することができる。
【０１４２】
具体的には、前記複数枚のホログラムのうちの一つは、第１露光量で前記高輝度情報が記録された少露光量ホログラムであり、前記複数枚のホログラムのうちの他の一つは、前記第１露光量よりも多い第２露光量で前記低輝度情報が記録された多露光量ホログラムである。
【０１４３】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイを有する。
【０１４４】
上記の構成によれば、画素単位で露光量の異なるホログラムを１回の撮像で記録することができる。このため、露光量を異ならせて逐次撮像する必要がない。
【０１４５】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、前記減光フィルタアレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフトアレイをさらに有する。
【０１４６】
上記の構成によれば、画素単位で位相がシフトしたホログラムを１回の撮像で記録することができる。このため、例えばピエゾ素子等の部材を用いることなく位相をシフトさせることができる。
【０１４７】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置は、前記ホログラムを生成するために干渉する物体光と参照光とが前記撮像素子に対して異なる角度で入射する。
【０１４８】
上記の構成によれば、所望の像成分と、０次回折光、共役像が空間的に分離できるため、例えばピエゾ素子等の、位相をシフトさせる部材を用いる必要がない。
【０１４９】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過軸が異なる第１領域及び第２領域が形成された偏光子アレイを有する。
【０１５０】
上記の構成によれば、画素単位で露光量の異なるホログラムを記録することができる。このため、露光量を異ならせて逐次撮像する必要がない。
【０１５１】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、前記偏光子アレイに向かう物体光及び参照光を直線偏光に変換する偏光子をさらに有する構成とすることができる。
【０１５２】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、前記偏光子により変換された直線偏光を楕円偏光に変換する１／４波長板をさらに有する構成とすることができる。
【０１５３】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、前記偏光子アレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフト手段をさらに有する構成とすることができる。
【０１５４】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置は、前記ホログラムを生成するために干渉する物体光と参照光とが前記撮像素子に対して異なる角度で入射する構成とすることができる。
【０１５５】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、前記少露光量ホログラム及び前記多露光量ホログラムを逐次前記撮像素子に記録する。
【０１５６】
上記の構成によれば、露光時間や物体照明光および参照光の生成に用いる光源の出力等を異ならせて複数回撮像することにより露光量の異なる複数のホログラムを記録することができる。この場合、例えば減光フィルタアレイ等の部材を用いる必要がない。
【０１５７】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記記録手段は、参照光の第１位相及び前記第１位相と異なる第２位相ごとに、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録し、前記高ダイナミックレンジホログラム生成手段は、前記第１位相に対応する複数枚のホログラムを合成して前記第１位相に対応する高ダイナミックレンジホログラムを生成し、前記第２位相に対応する複数枚のホログラムを合成して前記第２位相に対応する高ダイナミックレンジホログラムを生成する構成とすることができる。
【０１５８】
また、本発明のデジタルホログラフィ装置において、前記再生像生成手段は、前記高ダイナミックレンジホログラムから、参照光の第１位相及び前記第１位相と異なる第２位相ごとに画素を抽出して補間し、位相シフト干渉法の計算のためのホログラムを生成する。
【０１５９】
上記の構成によれば、第１位相の画素で統一されたホログラムと第２位相の画素で統一されたホログラムとを生成することができる。
【０１６０】
また、上記課題を解決するために、本発明のデジタルホログラフィ再生方法は、露光量の異なる複数枚のホログラムを被写体に基づいて撮像素子に記録する記録工程と、前記記録した露光量の異なる複数枚のホログラムを合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成工程と、前記高ダイナミックレンジホログラムに基づいて位相シフト干渉法や回折の計算等の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成工程とを包含する。
【０１６１】
上記の構成によれば、白とびや黒潰れに因る画質劣化のない像を再生することが可能なデジタルホログラフィ再生方法を提供することができる。
【０１６２】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１６３】
１  レーザ
３  ビーム分割素子
５  ビーム分割素子
７，７Ａ  ビーム結合素子
９ａ〜９ｃ  ミラー
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ  撮像装置（記録手段）
１１  ピエゾ素子駆動反射鏡
１１ａ  ピエゾ素子
１１ｂ  反射鏡
１３  １／４波長板
１５，１５Ａ  偏光子
１７  位相遅延素子アレイ（位相シフト手段）
１７ａ，１７ｂ  位相遅延素子
１９  １／２波長板
２０，２０Ａ，２０Ｂ  計算機（高ダイナミックレンジホログラム生成手段、再生像生成手段）
５１，５１Ａ  偏光子アレイデバイス（位相シフトアレイ）
５１ａ，５１ｂ  偏光子アレイ
５１ｅ，５１ｆ，５１ｇ，５１ｈ  偏光子アレイ
５３  減光フィルタアレイデバイス
５３ａ〜５３ｄ  減光フィルタアレイ
１００  位相シフトデジタルホログラフィ装置
２００  並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置
３００  並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置
４００  並列４段階位相シフトデジタルホログラフィ装置
５００  ｏｆｆ−ａｘｉｓ型デジタルホログラフィ装置
【図１】
2014034729.tif 000003
【図６】
2014034729.tif 000004
【図７】
2014034729.tif 000005
【図１０】
2014034729.tif 000006
【図１１】
2014034729.tif 000007
【図１３】
2014034729.tif 000008
【図１４】
2014034729.tif 000009
【図１５】
2014034729.tif 000010
【図１９】
2014034729.tif 000011
【図２０】
2014034729.tif 000012
【図２４】
2014034729.tif 000013
【図２８】
2014034729.tif 000014
【図２】
2014034729.tif 000015
【図３】
2014034729.tif 000016
【図４】
2014034729.tif 000017
【図５】
2014034729.tif 000018
【図８】
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【図９】
2014034729.tif 000020
【図１２】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【手続補正書】
【提出日】平成26年2月6日(2014.2.6)
【手続補正１】
【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】
被写体に対応する物体光と第１位相を有する参照光とに基づいたホログラムであって、前記ホログラムは露光量の異なる複数枚のホログラムであり、前記複数枚のホログラムを含む第１ホログラム群を撮像する撮像素子と、
前記記録した第１ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第１高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成手段と、
前記第１高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成手段とを備えたことを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項２】
前記複数枚のホログラムのうちの一つは、第１露光量で前記高輝度情報が記録された少露光量ホログラムであり、
前記複数枚のホログラムのうちの他の一つは、前記第１露光量よりも多い第２露光量で前記低輝度情報が記録された多露光量ホログラムである請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項３】
前記撮像素子は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像し、
前記撮像素子は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に撮像し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを同時に撮像し、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを同時に撮像する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項４】
前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイと、
前記減光フィルタアレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフトアレイとをさらに備える請求項３に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項５】
前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過軸が異なる第１領域及び第２領域が形成された偏光子アレイと、
前記偏光子アレイに向かう物体光及び参照光を直線偏光に変換する偏光子とをさらに備える請求項３に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項６】
前記偏光子により変換された直線偏光を楕円偏光に変換する１／４波長板をさらに備える請求項５に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項７】
前記偏光子アレイを透過する参照光の位相をシフトさせる位相シフト手段をさらに備える請求項５に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項８】
前記撮像素子は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像し、
前記高ダイナミックレンジホログラム生成手段は、前記第２ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第２高ダイナミックレンジホログラムを生成し、
前記再生像生成手段は、前記第１及び第２高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、位相シフト干渉法及び前記回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項９】
前記再生像生成手段は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に記録した異なる露光量同時記録ホログラムから、前記露光量ごとに画素を抽出して補間したホログラムを生成する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１０】
前記撮像素子は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像し、
前記撮像素子は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次撮像し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを逐次撮像し、
前記撮像素子は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムのうちの一つと、前記複数枚のホログラムのうちの前記一つと露光量が対応する前記他の複数枚のホログラムのうちの一つとを同時に撮像する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１１】
４つの異なる方向に向く透過軸をそれぞれ有する４種類の偏光領域が前記撮像素子の画素にそれぞれ対応して配列された偏光子アレイデバイスをさらに備える請求項１０に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１２】
前記撮像素子は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像し、
前記撮像素子は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に撮像し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを同時に撮像し、
前記撮像素子は、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを逐次撮像する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１３】
前記露光量の異なる複数枚のホログラムを撮像するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイをさらに備える請求項１２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１４】
前記露光量の異なる複数枚のホログラムを撮像するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過軸が異なる第１領域及び第２領域が形成された偏光子アレイをさらに備える請求項１２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１５】
前記撮像素子は、前記物体光と第２位相を有する参照光とに基づいて、露光量の異なる他の複数枚のホログラムを含む第２ホログラム群を撮像し、
前記撮像素子は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次撮像し、前記露光量の異なる他の複数枚のホログラムを逐次撮像し、
前記撮像素子は、前記第１ホログラム群と前記第２ホログラム群とを逐次撮像する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１６】
光路長を変化させることにより前記参照光の位相を変化させるピエゾ素子駆動反射鏡をさらに備える請求項１５に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１７】
前記物体光と前記参照光とは異なる角度で前記撮像素子に入射し、
前記撮像素子は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを同時に撮像する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１８】
前記露光量の異なる複数枚のホログラムを記録するために前記撮像素子の１画素ごとに対応して透過率が異なる第１領域及び第２領域が形成された減光フィルタアレイをさらに備える請求項１７に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１９】
前記物体光と前記参照光とは異なる角度で前記撮像素子に入射し、
前記撮像素子は、前記露光量の異なる複数枚のホログラムを逐次撮像する請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項２０】
被写体に対応する物体光と第１位相を有する参照光とに基づいたホログラムであって、前記ホログラムは露光量の異なる複数枚のホログラムであり、前記複数枚のホログラムを含む第１ホログラム群を撮像する撮像工程と、
前記記録した第１ホログラム群を合成して、低輝度情報から高輝度情報までを含む第１高ダイナミックレンジホログラムを生成する高ダイナミックレンジホログラム生成工程と、
前記第１高ダイナミックレンジホログラムに基づいて、回折の計算の演算処理を実施して前記被写体の再生像を生成する再生像生成工程とを包含することを特徴とするデジタルホログラフィ再生方法。
【国際調査報告】
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