(57)【要約】  単一素子を介した簡素な構成で装置を小型化した上で映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現する。複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する撮像システム１００であって、撮像対象を光学情報ごとに分割してから符号化する体積ホログラム光学素子１０４と、体積ホログラム光学素子で符号化された各符号化像を多重化して多重化像を取得するイメージセンサ１０６と、イメージセンサで取得された多重化像を圧縮センシングにより画像復元処理して撮像対象の撮像データを分離再構成する画像処理部１０８と、を備えることを特徴とする。
2018207613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する撮像システムであって、
前記撮像対象を光学情報ごとに分割してから符号化する体積ホログラム光学素子と、
前記体積ホログラム光学素子で符号化された各符号化像を多重化して多重化像を取得するイメージセンサと、
前記イメージセンサで取得された前記多重化像を圧縮センシングにより画像復元処理して前記撮像対象の撮像データを分離再構成する画像処理部と、を備えることを特徴とする撮像システム。
【請求項２】
前記体積ホログラム光学素子は、前記撮像対象に含まれる前記複数の光学情報を前記体積ホログラム素子との角度ごと又は前記光学情報の波長幅ごとに分割してから符号化することを特徴とする請求項１に記載の撮像システム。
【請求項３】
前記体積ホログラム光学素子は、干渉縞のパターンがそれぞれ異なる複数のホログラム素子が積層されて構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の撮像システム。
【請求項４】
前記体積ホログラム光学素子を構成する前記複数のホログラム素子は、それぞれ傾き角度又は配置を調整可能に構成されていることを特徴とする請求項３に記載の撮像システム。
【請求項５】
前記画像処理部は、復元処理対象となる画像のスパース性を利用して前記多重化像の画像を復元処理することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の撮像システム。
【請求項６】
前記体積ホログラム光学素子と前記イメージセンサとの間にレンズが設けられることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像システム。
【請求項７】
前記体積ホログラム光学素子と前記イメージセンサとの間にレンズが設けられないレンズレス方式であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の撮像システム。
【請求項８】
複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する撮像方法であって、
前記撮像対象の前記複数の光学情報を小さな視野・波長幅ごとに分割する分割工程と、
前記工程で分割された前記複数の光学情報ごとに体積ホログラム光学素子で符号化して符号化像を得る符号化工程と、
前記複数の光学情報ごとに得られた前記符号化像のそれぞれをイメージセンサで多重化して多重化像を取得する多重化工程と、
前記多重化像を復元対象となる画像のスパース性を利用して圧縮センシングにより復元処理する復元処理工程と、を有することを特徴とする撮像方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の光学情報を含む撮像対象を高解像度化に撮像する撮像システム、及び撮像方法に関する。本出願は、日本国において２０１７年５月１０日に出願された日本特許出願番号特願２０１７−０９３６１３を基礎として優先権を主張するものであり、この出願を参照することにより、本出願に援用される。
【背景技術】
【０００２】
近年では、パノラマ写真、デジタルアーカイブ、環境保全、衛星写真、病理診断、セキュリティ、防犯等といったアプリケーションにおいて、映像記録は、大情報量化の方向に推移している。特に、生体認証や微小物体の認識、質感計測等のように、従来に無い新たな映像記録の利用態様に対応するために、撮像した映像記録の高解像度化の要請が高まっている。【０００３】
撮像する映像記録の広角化・高解像度化、又は多波長化・高解像度化を実現する従来技術として、特許文献１には、センサアレイ方式により高解像度の画像情報を取得可能とした撮像装置について開示され、特許文献２には、機械走査方式により高解像度な画像を取得できる撮像装置について開示されている。また、多波長化・高解像度化を実現する従来技術として、特許文献３には、符号化光学素子と画像復元処理（圧縮センシング）を融合するシステム設計によって多波長撮像を単一素子で一括符号化する撮像技術について開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８２５９２１２号明細書
【特許文献２】米国特許第６１０１２６５号明細書
【特許文献３】米国特許第７３３６３５３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、センサアレイ方式では、映像記録の高解像度化は、実現されるものの、光学系が大型化・高コスト化してしまうことが課題となる。一方、機械走査方式では、映像記録を高解像度化した上での装置の小型化が実現されるものの、光学系が複雑になり、また、多数回の撮影が必要となることから撮影時間が長大化することが課題となる。【０００６】
このように、映像記録の高解像度化に対応した上で光学系を簡素にして装置を小型化するには、単一素子を介した簡素な構成で映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現されることが好ましい。すなわち、複数の視野・波長の像情報を独立に一括符号化する単一光学素子を介して、小型化した装置で大情報量化した映像記録の高解像度化を実現することが要請されている。【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、単一素子を介した簡素な構成で装置を小型化した上で映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現することの可能な、新規かつ改良された撮像システム、及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】
【０００８】
本発明の一態様は、複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する撮像システムであって、前記撮像対象を光学情報ごとに分割してから符号化する体積ホログラム光学素子と、前記体積ホログラム光学素子で符号化された各符号化像を多重化して多重化像を取得するイメージセンサと、前記イメージセンサで取得された前記多重化像を圧縮センシングにより画像復元処理して前記撮像対象の撮像データを分離再構成する画像処理部と、を備えることを特徴とする。【０００９】
本発明の一態様によれば、イメージセンサの前段側に体積ホログラム光学素子を設けることによって、撮像対象に含まれる各光学情報を光学情報ごとに分割して独立に符号化できる。このため、イメージセンサで各光学情報の多重化像を取得してから画像処理部で当該多重化像を分離再構築して、簡素な構成で効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。【００１０】
このとき、本発明の一態様では、前記体積ホログラム光学素子は、前記撮像対象に含まれる前記複数の光学情報を前記体積ホログラム素子との角度ごと又は前記光学情報の波長幅ごとに分割してから符号化することとしてもよい。【００１１】
このようにすれば、体積ホログラム光学素子によって、撮像対象に含まれる各光学情報の角度ごと、又は波長幅ごとに分割して独立に符号化できるので、イメージセンサで各光学情報の多重化像を生成してから画像処理部で当該多重化像を分離再構築して、簡素な構成で効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。【００１２】
また、本発明の一態様では、前記体積ホログラム光学素子は、干渉縞のパターンがそれぞれ異なる複数のホログラム素子が積層されて構成されることとしてもよい。【００１３】
このようにすれば、体積ホログラム光学素子を構成する過程でホログラムの多重露光回数を減らせるので、体積ホログラム光学素子の回折効率の減少やクロストーク発生のリスクを低減できる。【００１４】
また、本発明の一態様では、前記体積ホログラム光学素子を構成する前記複数のホログラム素子は、それぞれ傾き角度又は配置を調整可能に構成されていることとしてもよい。【００１５】
このようにすれば、体積ホログラム光学素子を露光して干渉縞を設けた後でも、各ホログラム素子の傾き角度又は配置を調整することによって、柔軟にＰＳＦ（Point Spread Function）を設計・制御できるようになる。【００１６】
また、本発明の一態様では、前記画像処理部は、復元処理対象となる画像のスパース性を利用して前記多重化像の画像を復元処理することとしてもよい。【００１７】
このようにすれば、体積ホログラム光学素子とイメージセンサによって、撮像対象の各光学情報ごとに分割して独立に符号化された符号化像から生成された多重化像を復元処理することが数学的に可能となるので、映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。【００１８】
また、本発明の一態様では、前記体積ホログラム光学素子と前記イメージセンサとの間にレンズが設けられることとしてもよい。【００１９】
このようにすれば、体積ホログラム光学素子とイメージセンサとレンズのみで構成される簡素な光学系で高情報量の撮像を実現できる。【００２０】
また、本発明の一態様では、前記体積ホログラム光学素子と前記イメージセンサとの間にレンズが設けられないレンズレス方式であることとしてもよい。【００２１】
このようにすれば、体積ホログラム光学素子とイメージセンサのみで構成される簡素な光学系で高情報量の撮像を実現できる。【００２２】
また、本発明の他の態様は、複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する撮像方法であって、前記撮像対象の前記複数の光学情報を小さな視野・波長幅ごとに分割する分割工程と、前記工程で分割された前記複数の光学情報ごとに体積ホログラム光学素子で符号化して符号化像を得る符号化工程と、前記複数の光学情報ごとに得られた前記符号化像のそれぞれをイメージセンサで多重化して多重化像を取得する多重化工程と、前記多重化像を復元対象となる画像のスパース性を利用して圧縮センシングにより復元処理する復元処理工程と、を有することを特徴とする。【００２３】
本発明の他の態様によれば、イメージセンサの前段側に体積ホログラム光学素子を設けることによって、撮像対象に含まれる各光学情報を光学情報ごとに分割して独立に符号化できる。このため、イメージセンサで各光学情報の多重化像を取得してから画像処理部で当該多重化像を分離再構築して、簡素な構成で効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。
【発明の効果】
【００２４】
以上説明したように本発明によれば、イメージセンサの前段側に体積ホログラム光学素子を設ける簡素な光学系の構成によって、効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る撮像システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像システムに備わる撮像部の概略構成を示すブロック図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る撮像システムの動作説明図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る撮像システムを適用した撮像方法の概略を示すフロー図である。
【図５】図５Ａ乃至図５Ｄは、本発明の一実施形態に係る撮像システムによる撮像結果を示す説明図である。
【図６】図６Ａ及び図６Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像システムに備わる体積ホログラム光学素子の一態様の概略構成を示す説明図である。
【図７】図７は、図６Ａ及び図６Ｂに示す体積ホログラム光学素子を備える本発明の一実施形態に係る撮像システムによる撮像結果を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２７】
まず、本発明の一実施形態に係る撮像システムの概略構成について、図面を使用しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る撮像システムの概略構成を示すブロック図であり、図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の一実施形態に係る撮像システムに備わる撮像部の概略構成を示すブロック図である。
【００２８】
本発明の一実施形態に係る撮像システム１００は、複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する際に適用される。すなわち、本実施形態の撮像システム１００は、撮像対象が広視野・多波長・高画素数の全て、又は何れかが該当するような高情報量の場合に、当該撮像対象を高解像度化して撮像する際に適用される。
【００２９】
本実施形態の撮像システム１００は、図１に示すように、被写体となる撮像対象を撮像して得られた画素信号を画像データに変換する撮像部１０２と、撮像部１０２で変換された画像データに、所定の画像処理を行う画像処理部１０８とを備える。
【００３０】
本実施形態では、撮像部１０２は、発光された光を利用して撮像対象を撮像する機能を有し、体積ホログラム光学素子（Volume Holographic Optical Element：以下、vHOEとも称する。）１０４とイメージセンサ１０６によって構成される。体積ホログラム光学素子１０４は、撮像対象を光学情報ごとに分割してから符号化、変調する機能を有する。イメージセンサ１０６は、体積ホログラム光学素子１０４で符号化された各符号化像を多重化して多重化像を取得する機能を有する。
【００３１】
本実施形態では、撮像部１０２は、図２Ａに示すように、変調機能を有する体積ホログラム光学素子１０４とイメージセンサ１０６との間にレンズ１０５を設けて、フィルタ付加型方式の撮像部１０２ａとしてもよい。また。撮像部１０２は、体積ホログラム光学素子１０４が変調機能とレンズ機能を併せ持つ場合には、図２Ｂに示すように、体積ホログラム光学素子１０４とイメージセンサ１０６のみで構成されるレンズレス方式の撮像部１０２ｂとしてもよい。さらに、レンズ機能をレンズアレイと画像再構成にして、光学系を更に短焦点距離化、薄型化を実現させてもよい。なお、本実施形態の撮像部１０２の動作・機能の詳細については、後述する。
【００３２】
画像処理部１０８は、撮像部１０２が取得した画像データに対して画像処理を施す機能を有する。本実施形態では、画像処理部１０８は、イメージセンサ１０６で取得された多重化像を圧縮センシングにより画像復元処理して撮像対象の撮像データを分離再構成するように画像処理を施す。
【００３３】
具体的には、画像処理部１０８は、再構成対象を画像ベクトルとして表現した際に０値となる要素が多い性質、すなわち、疎（スパース）性を利用して、少ないデータから大規模なデータを線形システムに適用可能な数理的技術で復元する。その際に、マクロな撮像は、線形システムで表現でき、自然画像は、基底変換行列等による何らかの基底変換をすることによって、ほぼ例外なく疎に表現できるため、スパース性を利用した画像処理部１０８による画像処理は、符号化撮像（大規模画像再構成）にも有用となる。このため、その応用として、独立変調された撮像情報の多重像の分離再構成が実現できるようになる。
【００３４】
このように、本実施形態では、撮像部１０２をイメージセンサ１０６の前段側に体積ホログラム光学素子１０４を設ける構成とすることによって、撮像対象に含まれる各光学情報を光学情報ごとに分割して独立に符号化できるようになる。このため、イメージセンサ１０６で各光学情報の多重化像を取得してから、画像処理部１０８で当該多重化像を分離再構築することで、簡素な構成で効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。
【００３５】
次に、本発明の一実施形態に係る撮像システムの動作の詳細について、図面を使用しながら説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る撮像システムの動作説明図である。
【００３６】
本発明の一実施形態に係る撮像システム１００は、撮像部１０２を構成する光学素子として体積ホログラム光学素子（ｖＨＯＥ）１０４を用いることによって、複数の波長、視野の画像情報を撮像する小型な撮像システムを実現することを特徴とする。すなわち、本実施形態の撮像システム１００は、体積ホログラム光学素子１０４を用いて、カメラにおける装置のコンパクトさと高撮像情報量の同時実現を可能とすることを特徴とする。
【００３７】
体積ホログラム光学素子１０４は、光が入射した際におけるホログラム露光時に記録した光の波面を再生する波面再現性と、光の入射角ごとに独立な波面の記録・再生を可能とする角度選択性と、光の波長ごとに独立な波面の記録・再生を可能とする波長選択性を有する。
【００３８】
特に、体積ホログラム光学素子１０４は、物理的には、ブラッグ回折を利用しているので、光の入射角に本質的な制限がなくなる。このため、体積ホログラム光学素子１０４の角度選択性として、例えば、９０度の入射角でカメラに入った光をセンサに伝達することも可能となる。
【００３９】
また、体積ホログラム光学素子１０４の波長選択性によって、波長の大きさに本質的な制限がなくなるので、可視光に限らず，音波，赤外線，X線などでも独立に波面記録・再生が可能となる。このため、体積ホログラム光学素子１０４は、様々な視野から入射する光を全てイメージセンサ１０６に誘導するようにプリズム機能を有して、かつ、視野・波長ごとに異なるインパルス応答（ＰＳＦ：Point Spread Function）を実装できるので、視野・波長独立な光学的符号化及びその多重像撮影を１枚の素子で実現できるようになる。
【００４０】
このように、体積ホログラム光学素子１０４には、波面再現性、角度選択性、及び波長選択性があるので、体積ホログラム光学素子１０４のこれらの性質を利用して、視野・波長独立な光学的符号化、多重化が可能なプリズム機能を有する高機能な光学素子を実現できる。特に、撮像部１０２がレンズを有する方式である場合には、体積ホログラム光学素子１０４には、プリズム（光伝搬方向変調）機能と、視野波長独立符号化機能と、符号化された像のセンサ面への多重伝送機能が備わり、撮像部１０２がレンズレス方式である場合には、体積ホログラム光学素子１０４には、これらの機能に加えて、更に結像機能（凸レンズ機能、又は集光型位相変調機能）が備わる。
【００４１】
このため、本実施形態では、まず、撮像部１０２の前段側に設けられる体積ホログラム光学素子１０４が当該体積ホログラム光学素子１０４を介して撮像した撮像対象となる複数の光学情報を小さな視野・波長幅ごとに分割する。具体的には、図３に示すように、撮像対象となる光学情報として花Ｄ１とリンゴＤ２が含まれる場合には、花Ｄ１を撮像する視野となる光角度Ａ１と、花Ｄ１とリンゴＤ２との間のブランク部分の視野となる光角度Ａ２、Ａ３と、リンゴＤ２を撮像する視野となる光角度Ａ４ごとに分割する。なお、本実施形態では、体積ホログラム光学素子１０４によって、撮像対象となる複数の光学情報を小さな視野ごとに分割しているが、波長幅ごとに分割してもよい。
【００４２】
そして、体積ホログラム光学素子１０４は、これら光角度Ａ１乃至Ａ４ごとに分割された光学情報のそれぞれを独立に変調、符号化する。体積ホログラム光学素子１０４で符号化された符号化像のそれぞれが多重化されたものは、図３に示すように、イメージセンサ１０６により多重化像Ｄ３の画像として取得される。
【００４３】
イメージセンサ１０６で得られた多重化像Ｄ３は、撮像部１０２の後段側に設けられる画像処理部１０８によって、画像復元処理して撮像対象の撮像データとして分離再構成される。本実施形態では、当該多重画像Ｄ３を画像のスパース性を積極的に利用した圧縮センシングによる画像復元処理で分離再構成する。
【００４４】
なお、本実施形態では、画像処理部１０８で多重化像Ｄ３を圧縮センシングする際に、再構成画像の情報量（画角とサンプリング解像度と波長数の積）の上限は、再構成画像の圧縮率、すなわち、何らかの基底空間上で対象をどれだけスパースに表現して良いとするかによって決まる。例えば、画像工学分野で実験用標準画像として用いられるＬｅｎａ画像を画質指標（Peak Signal-to-Noise Ratio）３０ｄＢ以上で再構成することを目的とする場合、設定可能な圧縮率は、凡そ１０であるから、同じ画角の広角カメラに比べてサンプリング解像度の向上の上限が１０倍となる。また、再構成画像の画質の低下を更に許容すれば、より一層の解像度の向上が期待できる。その際に、どれだけの画質が許容できるかに関しては、適用先の映像システムにより適宜規定される。
【００４５】
このように、本実施形態では、体積ホログラム光学素子（ｖＨＯＥ）１０４の波面再現性、角度選択性、及び波長選択性を利用して、一般的な屈折・反射型の光学素子では、実現できないような高機能な光学素子を実現している。特に、近年では、体積ホログラム光学素子１０４に使用される商用フォトポリマーが高感度化・高安定化したことに伴い、体積ホログラム光学素子１０４が高精度に生成できるようになったので、単一の光学素子による高情報量（広視野・多波長・高画素数の全て、又は何れか）の撮像の実現性が高まっている。
【００４６】
また、近年では、信号処理技術の発展により、多重像分離に必要な画像再構成処理である「圧縮センシング」技術が成熟して実用的な処理速度・精度での画像処理技術の実装が実現可能となり、複数画像の多重化撮像とその分離が精度良く実現できるようになっている。このため、本実施形態では、高設計自由度を有する体積ホログラム光学素子（ｖＨＯＥ）１０４と、高精度信号処理を実行可能な画像処理部１０６を融合設計することによって、既存の撮像法の高解像度化の物理的限界を打破するような新しい光-計算機融合型の撮像システム１００としている。
【００４７】
次に、本発明の一実施形態に係る撮像システムを適用した撮像方法について、図面を使用しながら説明する。図４は、本発明の一実施形態に係る撮像システムを適用した撮像方法の概略を示すフロー図であり、図５Ａ乃至図５Ｄは、本発明の一実施形態に係る撮像システムによる撮像結果を示す説明図である。
【００４８】
本発明の一実施形態に係る撮像システムを適用した撮像方法は、複数の光学情報を含む撮像対象を撮像する撮像方法であって、簡素な光学系の構成で効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できることを特徴とする。本実施形態では、撮像方法は、図４に示すように、分割工程Ｓ１１と、符号化工程Ｓ１２と、多重化工程Ｓ１３と、及び復元処理工程Ｓ１４とを有し、これらの工程Ｓ１１乃至Ｓ１４が図４に示すフローで行われることによって、効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現する。
【００４９】
分割工程Ｓ１１では、撮像対象の複数の光学情報を小さな視野・波長幅ごとに分割する。本実施形態では、撮像部の前段側に体積ホログラム光学素子が設けられているので、当該体積ホログラム光学素子を介して撮像した撮像対象となる複数の光学情報を小さな視野・波長幅ごとに分割する。
【００５０】
符号化工程Ｓ１２では、当該分割工程Ｓ１１で分割された複数の光学情報ごとに体積ホログラム光学素子で符号化して符号化像を得る。本実施形態では、体積ホログラム光学素子によって、視野や波長幅ごとに分割された光学情報のそれぞれを独立に変調、符号化している。
【００５１】
多重化工程Ｓ１３では、複数の光学情報ごとに得られた符号化像のそれぞれをイメージセンサで多重化して多重化像を取得する。本実施形態では、体積ホログラム光学素子で符号化された符号化像のそれぞれが多重化されたものがイメージセンサにより多重化像の画像として取得される。
【００５２】
復元処理工程Ｓ１４では、多重化像を復元対象となる画像のスパース性を利用して圧縮センシングにより復元処理して、分離再構成する。本実施形態では、イメージセンサで得られた多重化像が画像処理部によって、画像のスパース性を積極的に利用した圧縮センシングによる画像復元処理で分離再構成される。
【００５３】
このように、本実施形態では、イメージセンサの前段側に体積ホログラム光学素子を設けることによって、当該体積ホログラム光学素子の性質を利用して、撮像対象に含まれる各光学情報ごとに分割して独立に符号化できるようになる。このため、イメージセンサで各光学情報の多重化像を生成して画像処理部で当該多重化像を分離再構築して、簡素な構成で効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。すなわち、ｖＨＯＥとイメージセンサのみ、場合によっては、ｖＨＯＥとイメージセンサとレンズ等の幾つかの補助光学素子のみで構成された小型かつシンプルな光学系によって、広視野・多波長・高画素数の全て、又は何れかを満たす高情報量の撮像を実現できる。
【００５４】
本実施形態の撮像システム、撮像方法を適用することによって、図５Ａに示す撮影画像が得られる。一方、図５Ａに記録されている画像の画像分裂に基づく符号化を、分裂幅を強調して分かりやすく表示した例を図５Ｂに示す。また、本実施形態の撮像システム、撮像方法を適用して、画像のスパース性を積極的に利用した圧縮センシングによる画像復元処理で分離再構成することによって、図５Ｃに示す一の視野の画像と図５Ｄに示す他の視野の画像が得られる。このことからも、本実施形態の撮像システム、撮像補法によって、簡素な構成で効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現可能であることがわかる。
【００５５】
なお、前述したように、体積ホログラム光学素子１０４は、光が入射した際におけるホログラム露光時に記録した光の波面を再生する波面再現性、光の入射角ごとに独立な波面の記録・再生を可能とする角度選択性、及び光の波長ごとに独立な波面の記録・再生を可能とする波長選択性を有する。特に、体積ホログラム光学素子１０４が角度選択性と波長選択性を有するためには、それぞれの角度や波長に対応する異なる干渉縞のパターンを体積ホログラム光学素子１０４に設ける必要がある。このため、従来では、体積ホログラム光学素子に異なる干渉縞パターンを設けるためには、異なる干渉縞パターンを設けるのに必要な回数の多数露光を行っていた。
【００５６】
しかしながら、１つの体積ホログラム光学素子に複数の異なる干渉縞パターンを設けるために、多数露光を行うと、体積ホログラム光学素子の回折効率の減少やクロストークの発生といった問題が発生する。特に、体積ホログラム光学素子が高度な角度選択性と波長選択性を有するためには、より多数の干渉縞パターンが設けられる必要があり、多数露光に伴う上記問題が顕著になる。
【００５７】
このため、本発明の一実施形態に係る撮像システム１００に備わる体積ホログラム光学素子１０４では、例えば、図６Ａに示すような回折効率や屈折角等の光学特性が異なる複数のホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄのそれぞれに異なる干渉縞のパターンを設けてから、図６Ｂに示すように、各ホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを積層する構成とすることも可能である。すなわち、本実施形態では、体積ホログラム光学素子１０４は、干渉縞のパターンがそれぞれ異なる複数のホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄが積層されて構成されることとしてもよい。
【００５８】
このように、干渉縞のパターンが異なる複数のホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを積層させる構成とすることによって、体積ホログラム光学素子１０４は、図６Ｂに示すように、様々な角度の入射光に対して角度選択性や波長選択性を有するので、撮像対象に含まれる各光学情報が光学情報ごとに分割、符号化されて、カメラ１０３のイメージセンサに入るようになる。このため、撮像対象に含まれる各光学情報が光学情報ごとに分割されて独立に符号化されるので、当該イメージセンサで各光学情報の多重化像を取得してから、後続の画像処理部１０８（図１参照）で当該多重化像を分離再構築することによって、効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現できる。
【００５９】
また、本実施形態では、体積ホログラム光学素子１０４を多重露光によって作成しないで、異なるホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄのそれぞれに所望の干渉縞のパターンを露光して形成してから、これらのホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを積層させて構成させる。このため、ホログラムの多重露光回数を減らせるので、体積ホログラム光学素子１０４の回折効率の減少やクロストーク発生のリスクを低減できる。
【００６０】
ホログラム素子は、通常、当該ホログラム素子を構成するフォトポリマーに露光することによって、当該フォトポリマーを構成するモノマーが移動して所望の干渉縞が形成される。しかしながら、１つのホログラム素子を構成するフォトポリマーに異なる干渉縞のパターンを形成しようとすると、干渉縞同士がクロストークを起こすことが問題となる。
【００６１】
このため、本実施形態では、異なる干渉縞のパターンを別個のホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄにそれぞれ露光して形成して、当該干渉縞を構成するモノマーの移動が停止した状態になってから、これらのホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを積層して体積ホログラム光学素子１０４を構成している。このようにすることによって、各ホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄに形成された干渉縞が安定した状態となるので、体積ホログラム光学素子１０４の光学性能が向上するようになる。
【００６２】
また、本実施形態では、体積ホログラム光学素子１０４は、干渉縞のパターンが異なる複数のホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを積層させる構成となっているので、これらのホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄがそれぞれ傾き角度又は配置を調整可能に構成されるようになる。このため、体積ホログラム光学素子１０４を露光して干渉縞を設けた後でも、各ホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄの傾き角度又は配置を調整することによって、柔軟にＰＳＦを設計・制御できるようになる。
【００６３】
本発明の一実施形態に係る撮像システム１００に備わる体積ホログラム光学素子１０４をこのような構成とすることによって、図７に示すように、レーザー証明された拡散物体となる「Ａ」を表示する印刷紙Ｄ６と、「Ｂ」を表示する印刷紙Ｄ７をレンズとイメージセンサを備えるカメラ１０３で撮像すると、これら印刷紙Ｄ６、Ｄ７で表示される「Ａ」と「Ｂ」の多重像Ｄ８が取得される。また、本実施形態の撮像システム、撮像方法を適用して、画像のスパース性を積極的に利用した圧縮センシングによる画像復元処理で分離再構成することによって、再構成視野による一の視野の画像Ｄ９と他の視野の画像Ｄ１０が得られる。
【００６４】
このことから、体積ホログラム光学素子１０４は、干渉縞のパターンが異なる複数のホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを積層させる構成としても、効率的に映像記録の広角化、多波長化、高解像度化を実現可能であることがわかる。なお、本実施形態では、４つの異なるホログラム素子１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄを積層させて体積ホログラム光学素子１０４を構成しているが、当該体積ホログラム光学素子１０４を構成する積層させるホログラム素子の個数は、４つに限定されず、他の個数から構成するようにしてもよい。
【００６５】
以上説明したように、本発明の一実施形態に係る撮像システム、撮像方法を適用することによって、カメラアレイ・センサアレイで実現されるようなシングルショット広角・多波長・高解像度イメージングを体積ホログラム光学素子とイメージセンサ（場合によっては、レンズ等の補助光学素子）を付加したのみの小型で簡素な光学系で実現できるようになる。
【００６６】
すなわち、撮像システムの撮像手段として、複数の視野・波長の像情報を独立に一括符号化する光学素子となる体積ホログラム光学素子を利用することによって、小型化したカメラ等のコンパクトな装置によって、映像記録の広角化、多波長化、高解像度化した高撮像情報量を容易に実現できるようになる。
【００６７】
このため、ユーザが気軽に使えるサイズ、コスト、撮像時間で超高画素マルチスペクトルカメラを実現できるようになる。すなわち、本発明の一実施形態に係る撮像システム、及び撮像方法は、撮像及び画像解析対象の高情報化が進行する情報時代における画像入力のための新しい基盤技術として応用され得るので、極めて大きな工業的価値を有する。
【００６８】
なお、上記のように本発明の一実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【００６９】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、撮像システムの構成、動作も本発明の一実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００７０】
１００  撮像システム、１０２  撮像部、１０３  カメラ、１０４  体積ホログラム光学素子、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ、１０４ｄ  ホログラム素子、１０６  イメージセンサ、１０８  画像処理部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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