(57)【要約】【課題】  反射モードと透過モードとの双方を行う実用的なデジタルホログラフィ方法及び装置を提供するとともに、物体を空中に浮いた状態にしなくとも精度の高いホログラムデータが取得できるようにする。【解決手段】  光源１からの光を物体Ｓに照射して得られた物体Ｓからの回折光と、物体情報を含まない光である参照光とを撮像素子２の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する。反射モードでは、反射回折光用導光系３１により第１の側から物体Ｓに光を照射し、透過モードでは透過回折光用導光系３２により第１の側とは反対側の第２の側から物体Ｓに光を照射する。反射モードと透過モードは、選択用光学素子により択一的に選択される。【選択図】  図１
2013047709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、光源から放出された光を物体を経ることなく導いて得られた参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ方法であって、
光源からの光を第１の側から物体に照射した際に物体から第１の側に反射して出射する反射回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する反射モードを行うステップと、
光源からの光を第１の側とは反対側の第２の側から物体に照射した際に第１の側に透過して出射する透過回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する透過モードを行うステップとを有しており、
前記反射モードを行うステップと前記透過モードを行うステップとは、択一的に選択されて互いに異なる時間帯に行われるものであることを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
【請求項２】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、物体からの回折光から物体情報を含まない状態で抽出した参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ方法であって、
光源からの光を第１の側から物体に照射した際に物体から第１の側に反射して出射する反射回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する反射モードを行うステップと、
光源からの光を第１の側とは反対側の第２の側から物体に照射した際に第１の側に透過して出射する透過回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する透過モードを行うステップとを有しており、
前記反射モードを行うステップと前記透過モードを行うステップとは、択一的に選択されて互いに異なる時間帯に行われるものであることを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
【請求項３】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、光源から放出された光を物体を経ることなく導いて得られた参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ装置であって、
光が物体に反射して出射する回折光である反射回折光を得るために光源からの光を物体まで導く反射回折光用導光系と、
光が物体を透過して出射する回折光である透過回折光を得るために光源からの光を物体まで導く透過回折光用導光系と、
反射回折光が入射可能な位置であるとともに透過回折光が入射可能な位置に撮像面が位置する撮像素子と、
光源からの光を物体を経ずに撮像素子の撮像面に導く参照光導光系とを備えており、
撮像素子の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを択一的に選択する選択用光学素子が設けられており、
前記反射回折光用導光系は、前記光源からの光を前記物体に対して第１の側から照射するものであり、
前記透過回折光用導光系は、前記光源からの光を第１の側とは反対の第２の側から前記物体に照射するものであり、
前記物体から前記撮像素子の撮像面に至る光路である撮像光路が前記物体の第１の側に設定されていることを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項４】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、物体からの回折光から物体情報を含まない状態で抽出した参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ装置であって、
光が物体に反射して出射する回折光である反射回折光を得るために光源からの光を物体まで導く反射回折光用導光系と、
光が物体を透過して出射する回折光である透過回折光を得るために光源からの光を物体まで導く透過回折光用導光系と、
反射回折光が入射可能な位置であるとともに透過回折光が入射可能な位置に撮像面が位置する撮像素子と、
反射回折光又は透過回折光から物体情報を含まない状態で参照光を抽出して撮像素子の撮像面に導く参照光導光系とを備えており、
撮像素子の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを択一的に選択する選択用光学素子が設けられており、
前記反射回折光用導光系は、前記光源からの光を前記物体に対して第１の側から照射するものであり、
前記透過回折光用導光系は、前記光源からの光を第１の側とは反対の第２の側から前記物体に照射するものであり、
前記物体から前記撮像素子の撮像面に至る光路である撮像光路が前記物体の第１の側に設定されていることを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項５】
前記撮像光路上には、レンズを含む撮像光学系が設けられていることを特徴とする請求項３又は４記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項６】
前記撮像光学系は、前記反射モードと前記透過モードとで少なくとも一部の光学素子を共用するものであることを特徴とする請求項５記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項７】
前記撮像光学系は、テレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項３、４、５又は６記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項８】
前記撮像光路は、前記物体から前記撮像面に一直線に延びるものであることを特徴とする請求項３乃至７いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項９】
前記反射回折光用導光系は、前記撮像光路を通って光を前記物体に導くものであって、前記撮像光路に達するまでの光路上に第１のスペイシャルフィルタを備えているとともに第１のスペイシャルフィルタから前記撮像光路に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えており、
前記透過回折光用導光系は、第２のスペイシャルフィルタを備えているとともに第２のスペイシャルフィルタから前記物体に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えていることを特徴とする請求項３乃至８いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１０】
前記選択用光学素子として、前記光源から延びる主光路上に配置された第１の選択用光学素子を備えており、主光路は、前記反射回折光用導光系の光路と前記透過回折光用導光系の光路とに分岐しており、第１の選択用光学素子は、前記光源からの光を前記反射回折光用導光系の光路に沿って進ませるか前記透過回折光用導光系の光路に沿って進ませるかを択一的に選択するものであることを特徴とする請求項３乃至９いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１１】
前記撮像光路上には第１のビームスプリッタが設けられており、前記反射回折光用導光系は、光源からの光を第１のビームスプリッタに導くものであり、第１のビームスプリッタは、反射モードの際に前記反射回折光用導光系で導かれた光を分割してその一方を前記物体に向かわせる第１の状態を取るものであることを特徴とする請求項３乃至１０いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１２】
前記選択用光学素子として、前記光源から延びる主光路上に配置された第１の選択用光学素子を備えており、主光路は、前記反射回折光用導光系の光路と前記透過回折光用導光系の光路とに分岐しており、第１の選択用光学素子は、前記光源からの光を前記反射回折光用導光系の光路に沿って進ませるか前記透過回折光用導光系の光路に沿って進ませるかを択一的に選択するものであり、
前記撮像光路上には第１のビームスプリッタが設けられており、前記反射回折光用導光系は、光源からの光を第１のビームスプリッタに導くものであり、第１のビームスプリッタは、反射モードの際に前記反射回折光用導光系で導かれた光を分割してその一方を前記物体に向かわせる第１の状態を取るものであり、
前記参照光導光系は、反射モードの際に前記第１のビームスプリッタで分割された他方の光を前記物体を経ずに前記撮像素子の撮像面に導くものであり、
前記第１の選択用光学素子は、第２のビームスプリッタであって、第２のビームスプリッタの配置位置を変更する駆動部が設けられており、駆動部は、反射モードの際には第２のビームスプリッタを主光路から外れた位置として光が前記透過回折光用導光系の光路に進まないようにするとともに、透過モードの際には第２のビームスプリッタを主光路上に配置して光の一部が前記透過回折光用導光系の光路に沿って進むようにするものであり、
前記第１のビームスプリッタは第２の選択用光学素子として配置されており、前記第１のビームスプリッタには前記第１のビームスプリッタの状態を変更する切替部が設けられており、
前記切替部は、反射モードの際には前記第１のビームスプリッタを前記第１の状態とするものであり、透過モードの際には、前記第１のビームスプリッタを第２の状態とするものであり、該第２の状態は、前記反射回折光用導光系が前記参照光導光系として兼用されるよう、前記反射回折光用導光系で導かれて前記第１のビームスプリッタに達した光が前記物体を経ずに前記撮像素子の撮像面に入射する状態であることを特徴とする請求項３，５，６，７，８又は９記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１３】
前記参照光導光系は、反射モードの際、前記第１のビームスプリッタを透過した前記他方の光が前記第１のビームスプリッタを経て前記撮像素子の撮像面に入射するよう該他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻すものであり、
該他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す光路上に配置されることが可能なビームストッパと、ビームストッパを駆動するストッパ駆動部とが設けられており、ストッパ駆動部は、反射モードの際にはビームストッパを光路上に配置せず、透過モードの際にはビームストッパを光路上に配置するものであることを特徴とする請求項１２記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１４】
前記参照光導光系は、前記撮像素子の撮像面に入射する際の前記反射回折光又は前記透過回折光の方向に対して所定の角度が付与された状態で参照光を前記撮像素子の撮像面に入射させるオフアクシス用光学素子を備えていることを特徴とする請求項３乃至１２いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１５】
前記撮像素子の撮像面に入射する際の前記反射回折光又は前記透過回折光の方向に対して所定の角度が付与された状態で参照光を前記撮像素子の撮像面に入射させるオフアクシス用光学素子が設けられており、
オフアクシス用光学素子は、前記反射回折光用導光系が前記第１のビームスプリッタの手前の光路上に備える第１オフアクシス用ミラーと、前記参照光導光系が前記他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す際の光路上に備えた第２オフアクシス用ミラーであり、
第１オフアクシス用ミラーには駆動部が設けられており、この駆動部は、反射モードの際には該第１オフアクシス用ミラーを第１の姿勢とし、透過モードの際には該第１オフアクシス用ミラーを第２の姿勢とするものであり、
第１の姿勢は、該第１オフアクシス用ミラーによっては前記所定の角度が付与されない姿勢であり、第２の姿勢は、該第１オフアクシス用ミラーによって前記所定の角度が付与される姿勢であることを特徴とする請求項１３記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１６】
前記第１のビームスプリッタから前記光源に向けて光の進行方向とは逆向きに光路をたどった際、前記第１オフアクシス用ミラーは最初のミラーであり、
前記参照光導光系が前記他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す光路上において前記第１のビームスプリッタから光の進行方向とは逆向きにたどった際、前記第２オフアクシス用ミラーは最初のミラーであることを特徴とする請求項１５記載のデジタルホログラフィ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の干渉を利用することにより、物体の３次元情報をリアルタイムで得ることができるデジタルホログラフィに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の２次元画像処理では検出が困難な、物体の欠け、凹み、膨らみ、反りなどの欠陥の検出や機械振動の計測に必要となる３次元情報を記録・検出できる技術が必要とされている。さらに、例えば生体細胞のような動体について、３次元情報をリアルタイムに取得したいというニーズもある。かかる３次元情報を記録・検出できる技術として、ホログラフィがある。従来は、高解像度写真乾板に３次元情報を記録し、それを現像・再生する過程が必要であり、記録から再生まで長時間を要する上に、動体の３次元情報を得ることは困難であった。【０００３】
近年は、コンピュータの高速化、記憶装置の大容量化、ＣＣＤなどの撮像素子の高解像・高画素化などエレクトロニクス技術の進化をホログラフィに導入することにより高速に計測ができるデジタルホログラフィが提案されている。この技術は、撮像素子で干渉縞を撮像し、その干渉縞の画像データに対してコンピュータにより光の回折現象に基づく数値計算処理を施すことで、物体の３次元像をコンピュータ上で再生する技術である。
デジタルホログラフィは、１）現像処理が不要で、撮影現場で再生像が得られる、２）一つの干渉縞の画像データで任意の面での再生像が得られる、３）ホログラムデータ（干渉縞の画像データ）を容易に伝送、複製できる、などの利点を有する。これらの利点を活かし、デジタルホログラフィ技術を用いて、固体、流体、生体細胞、機械振動などの３次元計測を目指す研究が盛んになされている。【０００４】
図１６は、従来のデジタルホログラフィ装置の概略を示した図である。このデジタルホログラフィ装置は、光源７１から放出された光をハーフミラー７２で参照光と物体照射用の光とに分割する。ハーフミラー７２で分割された物体照射用の光は、反射ミラー７３を介して物体７４に照射され、物体７４から物体光７５が出射する。物体光７５は、ビームスプリッタ７６に入射する。一方、ハーフミラー７２で分割された参照光は、反射ミラー７７に反射してビームスプリッタ７６に入射する。
そして、ビームスプリッタ７６を透過した物体光とビームスプリッタ７６で反射した参照光とが同時にＣＣＤカメラ７８の撮像面に入射することにより、物体光と参照光とが重ね合わされて生じた干渉縞が撮像され、ホログラムデータが得られる。得られたホログラムデータを図示しないコンピュータでフレネル変換等の計算処理を行うことにより、物体７４の再生像が得られる。【０００５】
なお、物体光とは、光が照射された物体から出射する光であり、ホログラフィでは回折現象を利用するので、物体から出射する回折光を意味する。図１６に示す装置は、透過モードの装置であり、透過回折光が物体光である。透過モードとは、物体に光が照射された際に物体を透過して出てくる回折光（透過回折光）と参照光との干渉縞を撮像するモードである。
ホログラフィでは、一般的に、物体光と参照光の可干渉性を高くするなどの理由から平面波が用いられる。デジタルホログラフィでも同様であり、光源としてはレーザのような平面波を放出するものが用いられる。【０００６】
従来のデジタルホログラフィ装置の多くは、インライン式と呼ばれる装置であり、撮像素子の解像度限界を考慮し、物体光と同様に参照光も撮像面に対して垂直に入射させることによってホログラムデータを得ている。そのため、ホログラムデータを計算処理して得られる再生像には、０次像や共役像が重なり、鮮明な再生像を得ることが困難となっている。
そこで、位相シフト干渉法を用いたデジタルホログラフィ装置が提案されている。位相シフト干渉法とは、二光束干渉計において、参照光の光路中にピエゾ素子などの圧電素子またはＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ，空間光変調器）などの光路長を変化させることができる素子を配置し、この素子により参照光の位相を例えば３段階以上に変化させながらホログラムデータを得る手法である。かかる位相シフト干渉法を用いたデジタルホログラフィ装置では、０次光や共役像が除去されることで鮮明な像が得られ、高精度の計測が可能である。
しかしながら、位相シフト干渉法は、参照光の位相を圧電素子等によって順次変えながら干渉縞を撮像するため、動く物体には適用することができなかった。
特許文献１（特許第４２９４５２６号公報）には、参照光を互いに位相値の異なる参照光群に変換して出射する素子、およびその素子を用いた透過モードで画像を形成するマッハツェンダー干渉計で構成されたデジタルホログラフィ装置が示されている。同文献のように、物体光と参照光の干渉状態を空間的に分割して記録することで、単一画像の撮像でも動的形状の測定が可能である。【０００７】
また、特許文献２（特表２００２−５２６８１５号公報）には、オフアクシス・デジタルホログラフィの原理を応用し、単一干渉縞画像を撮像してそこから物体の振幅像と位相像を求める方法が開示されている。この方法でも、単一画像の撮像でよいため、物体が動いているとしても形状の測定が可能（動的形状の測定が可能）となる。
同文献には、基本的に反射モードで画像を形成するように設計したマイケルソン干渉計で構成されたデジタルホログラフィ装置が示されている。反射モードとは、物体に光を照射した際に物体に反射して出射する回折光（反射回折光）を物体光として撮像素子の撮像面に入射させ、参照光と干渉させるモードである。【０００８】
同文献の図２Ｂに示すように、光源から放出された光は、直径方向に広げられてビームスプリッタに入射する。ビームスプリッタに入射した光は、ビームスプリッタを透過する一方の光と、ビームスプリッタで反射する他方の光とに分割される。一方の光は、傾いたミラーで反射した後、ビームスプリッタに入射し、ビームスプリッタで反射して参照光として撮像される。上記他方の光は、対物レンズを介してサンプルに照射され、サンプルで反射して物体光となる。この物体光は、ビームスプリッタに入射し、ビームスプリッタを透過して撮像される。上記傾いたミラーを用いて、参照光を物体光に対して所定の角度を持たせた状態にして干渉させることによって、オフアクシス・ホログラムを記録することができる。【０００９】
また、同文献には、基本的に透過モードで画像を形成するよう設計したマッハツェンダー干渉計で構成されたデジタルホログラフィ装置が示されている。同文献の図２Ｃに示すように、光源から放出された光は、直径方向に広げられてビームスプリッタに入射する。この光は、ビームスプリッタを透過した一方の光と、ビームスプリッタで反射した他方の光とに分割される。一方の光は、サンプルに入射してサンプルを透過し、物体光を形成する。物体光は対物レンズで集光され、ビームスプリッタに入射し、ビームスプリッタで反射して撮像される。一方、他方の光は、ビーム径が広げられ、傾いたミラーで反射した後、ビームスプリッタを透過して参照光として撮像される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許第４２９４５２６号公報
【特許文献２】特表２００２−５２６８１５号公報
【特許文献３】ＷＯ２００８／１２３４０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
前述したように、デジタルホログラフィは、各種物体の観察や３次元計測に応用が期待されているが、観察や計測の対象となる物体は様々である。したがって、物体には、反射モードのデジタルホログラフィが適したものと、透過モードのデジタルホログラフィが適したものとが存在する。また、一つの物体に対して、反射モードと透過モードとの双方を行った方が良い場合もある。
しかしながら、特許文献２に見られるように、従来のデジタルホログラフィ装置としては、反射モードでのみ動作可能な装置と、透過モードでのみ動作可能な装置のいずれかしか存在しておらず、双方のモードで動作可能なデジタルホログラフィ装置は存在しなかった。したがって、一つの物体について反射モードと透過モードとの両方を行おうとした場合、反射モードの装置と透過モードの装置との双方を準備する必要があった。【００１２】
反射モードと透過モードとの両方が行える装置を唯一開示したものとして、特許文献３（ＷＯ２００８／１２３４０８号公報）が知られている。図１７は、特許文献３に開示されたデジタルホログラフィ装置を示す図である。図１７に示すように、特許文献３には、物体１１９に対して光を照射する第１光学系１１０と、物体１１９から出射する回折光と参照光とを撮像装置に導く第２光学系と、回折光と参照光との干渉像を撮像する撮像装置１６５と、撮像装置１６５によって取得された照射方向ごとの干渉像から物体の３次元画像を生成する処理装置２０１とを含む、デジタルホログラフィ装置が開示されている。撮像装置１６５には、透過回折光用撮像装置と反射回折光用撮像装置とが個別に設けられており、透過回折光用撮像装置及び反射回折光用撮像装置によってホログラムデータを個別に取得する。【００１３】
しかしながら、特許文献３に示すデジタルホログラフィ装置には、以下の問題があった。
図１８は、特許文献３のデジタルホログラフィ装置の問題点について示した概略図である。図１８（１）に示すように、特許文献３のデジタルホログラフィ装置では、回折光を得るために物体１１９に光（平面波）を照射する側は、物体１１９の一方の側に限られている。物体１１９の一方の側からのみ光を照射することが可能な装置であり、一方の側から光を照射して一方の側に反射した回折光（反射回折光）を第１対物レンズの一方１１７を経て反射回折光用撮像装置に到達させ、他方の側に透過した回折光（透過回折光）を第１対物レンズの他方１２１を経て透過回折光用撮像装置に到達させる。このように、物体１１９の一方の側からのみ光を照射するようにしているのは、反射回折光による干渉縞と透過回折光による干渉縞とを同時に撮像するためであると考えられる。【００１４】
図１７から理解する限り、物体は宙に浮いたような状態であると観念せざるを得ない。しかし、現実には、何か容器や台のようなものの上に物体を置いた状態で光を照射し、ホログラムデータを取得する。例えば、図１８（２）に示すように、透光性を考慮し、透明なガラス製のシャーレ８１に物体Ｓを置いて光照射する。
この場合、透過回折光については問題ないが、反射回折光についてはシャーレ８１を通して反射回折光を捉えることになる。このため、シャーレ８１の厚みや屈折率の影響を受け、球面収差が発生してしまう。図１８（２）中に、透過回折光がシャーレ８１の厚みや屈折率により本来の状態と異なる状態で伝搬する様子を示す。このような球面収差のため、特許文献３の装置では、精度の高いホログラムデータを得ることができない。物体が宙に浮かせた状態で保持できるものであれば、問題が生じないようにすることができるかもしれないが、細菌のような微細なものを観察する場合には不可能であるし、柔らかな物の場合、両側から挟み込んで保持するようにすると変形や破損が生じるので、やはり不可能な場合が多い。【００１５】
また、特許文献３の構成では、上記の通り、反射モードでの視点と透過モードでの視点とは１８０°異なる。したがって、同じ側の視点から物体を反射モードで観察したり透過モードで観察したりすることはできない。何らかの理由で同じ側の視点から物体を反射モードと透過モードの双方で観察する必要がある場合、特許文献３の装置は使用できない。
このように、特許文献３の装置は、精度の高いホログラムデータを得るには実用的な装置であるとは言い難い。【００１６】
また、精度の高いホログラムデータを得るには、物体に光照射されるレーザ光の光路上にスペイシャルフィルタを置くことが望ましい。図１９は、スペイシャルフィルタの概略図である。
スペイシャルフィルタは、図１９に示すように、レンズ８２とピンホール板８３とで構成され、レンズ８２の集光位置にピンホール板８３のピンホールを配置することにより、ゴミや光学素子の傷などにより発生するノイズを除去するものである。例えば光を反射するミラーの表面にゴミが付着していたり傷がついていたりすると、傷やゴミによって波面が乱れたり、傷やゴミの影響による干渉縞が発生したりすることがあり、本来の物体光による干渉縞のみの精度の高いホログラムデータを得ることができなくなる。この問題を防止するため、スペイシャルフィルタを用いることが望ましい。【００１７】
スペイシャルフィルタは、物体に照射される光の光路において、なるべく物体に近い場所に配置することが望ましい。仮に、物体から離れた光路上にスペイシャルフィルタが配置されており、スペイシャルフィルタと物体との間にさらにレンズやミラーなどの光学素子が配置されていると、これら光学素子の表面のゴミやキズによる影響は除去できないことになる。
ここで、図１７（特許文献３）において物体１１９に近い光路上、例えばミラー１１５と物体１１９との間にスペイシャルフィルタを配置することが考えられる。しかしながら、この場所は、物体１１９から反射してくる反射回折光の光路上でもある。ここにスペイシャルフィルタを配置すると、反射回折光はスペイシャルフィルタのピンホールを通過することができないため、反射回折光を撮像装置１６５によって撮像することができないという問題が起きる。【００１８】
図１７において上記問題を回避するには、照射光の光路と反射回折光の光路とが分離された位置までスペイシャルフィルタを離さなければならない。物体１１９に最も近い位置を選んだとしても、ミラー１０５とビームスプリッタ１０７の間の位置ということになる。この位置にスペイシャルフィルタを配置したとしても、ここから物体１１９までは、ビームスプリッタ１０７、第２対物レンズ１０９、偏光ビームスプリッタ１１１、ミラー１１５等の光学素子が存在している。したがって、スペイシャルフィルタを配置する意味がない。つまり、スペイシャルフィルタを使用して精度の高いホログラムデータを得ることは、特許文献３の装置では実質的に不可能である。【００１９】
本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、第一に、反射モードと透過モードとの双方を行う実用的なデジタルホログラフィ方法を提供することを目的とするものである。
また、本発明は、第二に、反射モードと透過モードとの双方を行うことが可能な実用的なデジタルホログラフィ装置を提供することを目的としている。
また、本発明は、第三に、物体を宙に浮いた状態にしなくとも精度の高いホログラムデータが取得できるようにすることを目的としている。
また、本発明は、第四に、スペイシャルフィルタを使用することでさらに精度の高いホログラムデータを取得できるようにすることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、光源から放出された光を物体を経ることなく導いて得られた参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ方法であって、
光源からの光を第１の側から物体に照射した際に物体から第１の側に反射して出射する反射回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する反射モードを行うステップと、
光源からの光を第１の側とは反対側の第２の側から物体に照射した際に第１の側に透過して出射する透過回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する透過モードを行うステップとを有しており、
前記反射モードを行うステップと前記透過モードを行うステップとは、択一的に選択されて互いに異なる時間帯に行われるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、物体からの回折光から物体情報を含まない状態で抽出した参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ方法であって、
光源からの光を第１の側から物体に照射した際に物体から第１の側に反射して出射する反射回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する反射モードを行うステップと、
光源からの光を第１の側とは反対側の第２の側から物体に照射した際に第１の側に透過して出射する透過回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する透過モードを行うステップとを有しており、
前記反射モードを行うステップと前記透過モードを行うステップとは、択一的に選択されて互いに異なる時間帯に行われるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、光源から放出された光を物体を経ることなく導いて得られた参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ装置であって、
光が物体に反射して出射する回折光である反射回折光を得るために光源からの光を物体まで導く反射回折光用導光系と、
光が物体を透過して出射する回折光である透過回折光を得るために光源からの光を物体まで導く透過回折光用導光系と、
反射回折光が入射可能な位置であるとともに透過回折光が入射可能な位置に撮像面が位置する撮像素子と、
光源からの光を物体を経ずに撮像素子の撮像面に導く参照光導光系とを備えており、
撮像素子の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを択一的に選択する選択用光学素子が設けられており、
前記反射回折光用導光系は、前記光源からの光を前記物体に対して第１の側から照射するものであり、
前記透過回折光用導光系は、前記光源からの光を第１の側とは反対の第２の側から前記物体に照射するものであり、
前記物体から前記撮像素子の撮像面に至る光路である撮像光路が前記物体の第１の側に設定されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、物体からの回折光から物体情報を含まない状態で抽出した参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ装置であって、
光が物体に反射して出射する回折光である反射回折光を得るために光源からの光を物体まで導く反射回折光用導光系と、
光が物体を透過して出射する回折光である透過回折光を得るために光源からの光を物体まで導く透過回折光用導光系と、
反射回折光が入射可能な位置であるとともに透過回折光が入射可能な位置に撮像面が位置する撮像素子と、
反射回折光又は透過回折光から物体情報を含まない状態で参照光を抽出して撮像素子の撮像面に導く参照光導光系とを備えており、
撮像素子の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを択一的に選択する選択用光学素子が設けられており、
前記反射回折光用導光系は、前記光源からの光を前記物体に対して第１の側から照射するものであり、
前記透過回折光用導光系は、前記光源からの光を第１の側とは反対の第２の側から前記物体に照射するものであり、
前記物体から前記撮像素子の撮像面に至る光路である撮像光路が前記物体の第１の側に設定されているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項３又は４の構成において、前記撮像光路上には、レンズを含む撮像光学系が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項３、４又は５の構成において、前記撮像光学系は、前記反射モードと前記透過モードとで少なくとも一部の光学素子を共用するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項３、４、５又は６の構成において、前記撮像光学系は、テレセントリックな光学系であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項３乃至７いずれかの構成において、前記撮像光路は、前記物体から前記撮像面に一直線に延びるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、請求項３乃至８いずれかの構成において、前記反射回折光用導光系は、前記撮像光路を通って光を前記物体に導くものであって、前記撮像光路に達するまでの光路上に第１のスペイシャルフィルタを備えているとともに第１のスペイシャルフィルタから前記撮像光路に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えており、
前記透過回折光用導光系は、第２のスペイシャルフィルタを備えているとともに第２のスペイシャルフィルタから前記物体に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、前記請求項３乃至９いずれかの構成において、前記選択用光学素子として、前記光源から延びる主光路上に配置された第１の選択用光学素子を備えており、主光路は、前記反射回折光用導光系の光路と前記透過回折光用導光系の光路とに分岐しており、第１の選択用光学素子は、前記光源からの光を前記反射回折光用導光系の光路に沿って進ませるか前記透過回折光用導光系の光路に沿って進ませるかを択一的に選択するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１１記載の発明は、前記請求項３乃至１０いずれかの構成において、前記撮像光路上には第１のビームスプリッタが設けられており、前記反射回折光用導光系は、光源からの光を第１のビームスプリッタに導くものであり、第１のビームスプリッタは、反射モードの際に前記反射回折光用導光系で導かれた光を分割してその一方を前記物体に向かわせる第１の状態を取るものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１２記載の発明は、前記請求項３，５，６，７，８又は９の構成において、前記選択用光学素子として、前記光源から延びる主光路上に配置された第１の選択用光学素子を備えており、主光路は、前記反射回折光用導光系の光路と前記透過回折光用導光系の光路とに分岐しており、第１の選択用光学素子は、前記光源からの光を前記反射回折光用導光系の光路に沿って進ませるか前記透過回折光用導光系の光路に沿って進ませるかを択一的に選択するものであり、
前記撮像光路上には第１のビームスプリッタが設けられており、前記反射回折光用導光系は、光源からの光を第１のビームスプリッタに導くものであり、第１のビームスプリッタは、反射モードの際に前記反射回折光用導光系で導かれた光を分割してその一方を前記物体に向かわせる第１の状態を取るものであり、
前記参照光導光系は、反射モードの際に前記第１のビームスプリッタで分割された他方の光を前記物体を経ずに前記撮像素子の撮像面に導くものであり、
前記第１の選択用光学素子は、第２のビームスプリッタであって、第２のビームスプリッタの配置位置を変更する駆動部が設けられており、駆動部は、反射モードの際には第２のビームスプリッタを主光路から外れた位置として光が前記透過回折光用導光系の光路に進まないようにするとともに、透過モードの際には第２のビームスプリッタを主光路上に配置して光の一部が前記透過回折光用導光系の光路に沿って進むようにするものであり、
前記第１のビームスプリッタは第２の選択用光学素子として配置されており、前記第１のビームスプリッタには前記第１のビームスプリッタの状態を変更する切替部が設けられており、
前記切替部は、反射モードの際には前記第１のビームスプリッタを前記第１の状態とするものであり、透過モードの際には、前記第１のビームスプリッタを第２の状態とするものであり、該第２の状態は、前記反射回折光用導光系が前記参照光導光系として兼用されるよう、前記反射回折光用導光系で導かれて前記第１のビームスプリッタに達した光が前記物体を経ずに前記撮像素子の撮像面に入射する状態であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１３記載の発明は、前記請求項１２の構成において、前記参照光導光系は、反射モードの際、前記第１のビームスプリッタを透過した前記他方の光が前記第１のビームスプリッタを経て前記撮像素子の撮像面に入射するよう該他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻すものであり、
該他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す光路上に配置されることが可能なビームストッパと、ビームストッパを駆動するストッパ駆動部とが設けられており、ストッパ駆動部は、反射モードの際にはビームストッパを光路上に配置せず、透過モードの際にはビームストッパを光路上に配置するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１４記載の発明は、前記請求項３乃至１２の構成において、前記参照光導光系は、前記撮像素子の撮像面に入射する際の前記反射回折光又は前記透過回折光の方向に対して所定の角度が付与された状態で参照光を前記撮像素子の撮像面に入射させるオフアクシス用光学素子を備えているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１５記載の発明は、前記請求項１３の構成において、前記撮像素子の撮像面に入射する際の前記反射回折光又は前記透過回折光の方向に対して所定の角度が付与された状態で参照光を前記撮像素子の撮像面に入射させるオフアクシス用光学素子が設けられており、
オフアクシス用光学素子は、前記反射回折光用導光系が前記第１のビームスプリッタの手前の光路上に備える第１オフアクシス用ミラーと、前記参照光導光系が前記他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す際の光路上に備えた第２オフアクシス用ミラーであり、
第１オフアクシス用ミラーには駆動部が設けられており、この駆動部は、反射モードの際には該第１オフアクシス用ミラーを第１の姿勢とし、透過モードの際には該第１オフアクシス用ミラーを第２の姿勢とするものであり、
第１の姿勢は、該第１オフアクシス用ミラーによっては前記所定の角度が付与されない姿勢であり、第２の姿勢は、該第１オフアクシス用ミラーによって前記所定の角度が付与される姿勢であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１６記載の発明は、前記請求項１５の構成において、前記第１のビームスプリッタから前記光源に向けて光の進行方向とは逆向きに光路をたどった際、前記第１オフアクシス用ミラーは最初のミラーであり、
前記参照光導光系が前記他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す光路上において前記第１のビームスプリッタから光の進行方向とは逆向きにたどった際、前記第２オフアクシス用ミラーは最初のミラーであるという構成を有する。
【発明の効果】
【００２１】
以下に説明する通り、本願の請求項１又は２記載の発明によれば、一つの物体について反射回折光と透過回折光とでそれぞれホログラムデータが得られるので、物体の状態や形状等を詳しく調べるのに適したものとなる。この際、反射モードと透過モードとを時間的に分けて行うので、光学系の構成が簡略化される。また、請求項１記載の発明によれば、参照光を物体を経ずに撮像素子に導くので、物体の条件によらず常に安定した参照光が得られる。このため、精度の高いホログラムデータが取得できる。
また、請求項３又は４記載の発明によれば、一つの物体について反射回折光と透過回折光とでそれぞれホログラムデータを得ることができるので、物体の状態や形状等を詳しく調べるのに適したものとなる。この際、反射モードと透過モードとを時間的に分けて行うので、光学系の構成が簡略化される。また、反射モードと透過モードとを一つの装置で行うことができるので、コスト上のメリットに加え、作業性の点でも好適である。さらに、透明な容器に物体を置いた状態でも精度の高いホログラムデータを得ることができ、同じ側の視点で反射モードでの観察と透過モードでの観察が行える。また、請求項３記載の発明によれば、参照光を物体を経ずに撮像素子に導くので、物体の条件によらず常に安定した参照光が得られる。このため、精度の高いホログラムデータが取得できる。
また、請求項６記載の発明によれば、上記効果に加え、撮像光学系が少なくとも一部の光学素子を共用しているので、光学系の構成が簡略化され、コストが安くなる。
また、請求項７記載の発明によれば、上記効果に加え、撮像光学系がテレセントリックな光学系であるので、反射モードにおいても透過モードにおいても物体に対して平面波を照射することができる。このため、物体光が歪められず、補正計算が不要となる。
また、請求項８記載の発明によれば、上記効果に加え、前記撮像光路は、前記物体から前記撮像面に一直線に延びるものであるので、光学系の構成もシンプルになり、波面の乱れが少なくなる。このため、より精度の高いホログラムデータの取得に貢献でき、コストも安価となる。
また、請求項９記載の発明によれば、上記効果に加え、スペイシャルフィルタを使用しているので、より精度の高いホログラムデータが得られる。そして、スペイシャルフィルタは物体に対してより近い光路上に位置しているので、精度向上の効果がより高くなっている。
また、請求項１２記載の発明によれば、上記効果に加え、反射回折光用導光系が参照光導光系に兼用されているので、光の可干渉性が向上し、この点でより精度の高いホログラムデータが取得できる。
また、請求項１３記載の発明によれば、上記効果に加え、参照光導光系は、反射モードの際、第１のビームスプリッタに光を戻して第１のビームスプリッタを経て光を撮像素子に導くので、この点で光の可干渉性がさらに向上し、より精度の高いホログラムデータが取得できる。
また、請求項１４又は１５記載の発明によれば、上記効果に加え、オフアクシス用光学素子が設けられているので、オフアクシス式の動作が可能となる。このため、真像を０次像やと共役像から分離した状態で像再生が行える。
また、請求項１６記載の発明によれば、オフアクシス用ミラーが撮像素子に近いところに設けられているので、撮像素子の撮像面に対する参照光の入射位置が大きくずれてしまうことがない。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態に係るデジタルホログラフィ方法を概念的に示した図である。
【図２】本発明の第１の実施形態のデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。
【図３】本発明の第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。
【図４】第２のビームエキスパンダ３２１と第２のスペイシャルフィルタ３２６について示した概略図である。
【図５】図３の装置における撮像光学系５のテレセントリック性について模式的に示した概略図である。
【図６】第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置の制御系を示した概略図である。
【図７】第２の実施形態の装置の動作について示した概略図であり、反射モードと透過モードとにおける各光の進行状況について対比して示した図である。
【図８】反射モードでの動作フローの概略を示した図である。
【図９】透過モードでの動作フローの概略を示した図である。
【図１０】第２の実施形態の装置がテレセントリックな撮像光学系５を備えていることの効果を示した概略図である。
【図１１】本発明の第３の実施形態に係るデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。
【図１２】第３の実施形態で用いられているオフアクシス用ミラーの配置角度の変化を示した図である。
【図１３】第３の実施形態の装置の動作について示した概略図であり、反射モードと透過モードとにおける各光の進行状況について対比して示した図である。
【図１４】本発明の第４の実施形態のデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。
【図１５】図１４に示す実施形態における参照光抽出ユニット９の例を示した正面概略図である。
【図１６】従来のデジタルホログラフィ装置の概略を示した図である。
【図１７】特許文献３に開示されたデジタルホログラフィ装置を示す図である。
【図１８】特許文献３のデジタルホログラフィ装置の問題点について示した概略図である。
【図１９】スペイシャルフィルタの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
次に、本発明を実施するための形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るデジタルホログラフィ方法を概念的に示した図である。実施形態に係るデジタルホログラフィ方法は、光源１から放出された光（平面波）を物体Ｓに照射して得られた物体Ｓからの回折光（物体光）と、光源１からの光を物体Ｓを経ることなく導いて得られた参照光とを撮像素子２の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する方法である。
【００２４】
この方法の大きな特徴点の一つは、物体Ｓに照射された光のうち物体Ｓに反射して回折となって進む物体光（反射回折光）と参照光とを撮像面で干渉させてホログラムデータを得る反射モードと、物体Ｓに照射された光のうち物体Ｓを透過して回折光となって進む物体光（透過回折光）と参照光とを撮像面で干渉させてホログラムデータを得る透過モードとを行う方法となっている点であり、反射モードと透過モードとが別々のステップで行われる点である。図１（１）が反射モードを示し、図１（２）が透過モードを示す。
反射モードのステップと透過モードのステップは、どちらが先でも良い。要は、透過回折光は使用せずに反射回折光を使用してホログラムデータを得るステップと、反射回折光は使用せずに透過回折光を使用してホログラムデータを得るステップとがあり、これらが同時ではなく別々の時間帯に行われるということである。
【００２５】
実施形態のデジタルホログラフィ方法の別の大きな特徴点は、反射モードと透過モードとでは、物体Ｓに対する光の照射の仕方が異なるということである。すなわち、図１（１）に示すように、反射モードでは光源１からの光を第１の側から物体Ｓに照射する。一方、図１（２）に示すように、透過モードでは第１の側とは反対側の第２の側から物体Ｓに光を照射する。そして、反射モードでは第１の側に反射してきた回折光を撮像素子２に入射させ、透過モードでも第１の側に透過してきた回折光を撮像素子２に入射させる。すなわち、撮像素子２による撮像の側は反射モードでも透過モードでも同じである。
【００２６】
次に、上記実施形態のデジタルホログラフィ方法の実施に使用される各実施形態のデジタルホログラフィ装置について説明する。まず、第１の実施形態のデジタルホログラフィ装置について説明する。図２は、第１の実施形態のデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。
図２に示すように、第１の実施形態のデジタルホログラフィ装置は、反射回折光を得るために光源１からの光を物体Ｓまで導く反射回折光用導光系３１と、透過回折光を得るために光源１からの光を物体Ｓまで導く透過回折光用導光系３２と、光源１からの光を物体Ｓを経ずに撮像素子２の撮像面に導く参照光導光系３３と、反射回折光と参照光とが干渉する位置であるとともに透過回折光と参照光とが干渉する位置に撮像面が位置する撮像素子２とを備えている。そして、この装置には、撮像素子２の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを択一的に選択する選択用光学素子が設けられている。
【００２７】
前述したように、反射モードでも透過モードでも、物体光は同じ第１の側に出射する。したがって、撮像素子２はこの第１の側に設定された撮像光路Ｐｉ上に設けられている。撮像光路Ｐｉ上には、第１のビームスプリッタ４１が設けられている。反射回折光用の光は撮像光路Ｐｉを通って物体Ｓに照射するため、撮像光路Ｐｉの途中に第１のビームスプリッタ４１を配置し、そこから反射回折光用の光を導入するようにしている。
また、この実施形態では、レンズを含む撮像光学系５が撮像光路Ｐｉ上に設けられている。撮像光学系５は、撮像素子２が物体Ｓに比較的近い位置にありフレネル回折を利用する場合（フレネルホログラムの場合）には不要である。また、参照光を球面波としたフーリエ変換ホログラム（レンズレスフーリエ変換ホログラム）の場合も撮像光学系５は不要である。撮像光学系５が必要になる場合としては、レンズを用いてフラウンホーファーホログラム（フーリエ変換ホログラム）とする場合や、物体Ｓからの回折光による干渉像を拡大像又は縮小像とする場合などである。
【００２８】
鮮明なホログラム再生像を得るには、物体光と参照光とが十分に干渉して干渉縞が形成されることが必要である。このためには、光源１は単一波長で位相がそろっている（コヒーレントである）ことが必要である。このため、光源１としてはレーザが用いられる。例えば波長が６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅ（ヘリウムネオン）レーザが用いられる。
物体光用と参照光用とで別々の光源を使用することも原理的には可能であるが、別々の光源を使用すると波長や位相を十分にそろえることが非常に難しい。このため、一つの光源１からの光を分割して使用している。すなわち、光源１から放出された光を参照光取り出し用ビームスプリッタ４２で分け、一方を参照光として使用している。
【００２９】
選択用光学素子は、この実施形態では可動ミラー４３である。可動ミラー４３は、移動可能なミラーであり、参照光用取り出し用ビームスプリッタ４２からの照射光を反射回折光用導光系３１に導くか透過回折光用導光系３２に導くかを選択するようになっている。
なお、この実施形態はインライン式の装置であり、参照光も物体光と同様に撮像素子２の撮像面に垂直に入射させるものである。図１に示すように、撮像光路Ｐｉ上には統合用ビームスプリッタ４４が配置されており、参照光は統合用ビームスプリッタ４４に反射して撮像素子２の撮像面に垂直に入射するようになっている。なお、参照光導光系３３は、参照光用第１ミラー３３１と、参照光用第２ミラー３３２とから構成されており、参照光取り出し用ビームスプリッタ４２で取り出された光を統合用ビームスプリッタ４４に導くものとなっている。
【００３０】
実施形態の方法及び装置においては、シャーレのような容器に物体Ｓを置いてそのホログラムデータを得る。光源１を動作させ、最初に例えば反射モードでホログラムデータを得た後、可動ミラー４３を移動させて透過モードでホログラムデータを得る。それぞれのホログラムデータは、撮像素子２が接続されたコンピュータ（図１中不図示）で処理される。コンピュータには、ホログラムデータから再生像を得るための所定のプログラム（以下、像再生プログラム）がインストールされており、像再生プログラムを実行することによってディスプレイ上に再生像を表示したり、物体Ｓ上の特定の箇所の距離を計測したり、または物体Ｓの反射率分布や透過率分布を表示したりことが可能となる。
このような実施形態の方法及び装置によれば、一つの物体Ｓについて反射回折光と透過回折光とでそれぞれホログラムデータが得られるので、物体Ｓの状態や形状等を詳しく調べるのに適したものとなる。例えば、物体Ｓの表面の反射率分布と透過率分布との双方を知るのに好適に利用できる。
【００３１】
この際、実施形態の方法および装置では、反射モードと透過モードとを時間的に分けて行うので、光学系の構成が簡略化される。図１５のような構成でも反射回折光によるホログラムデータと透過回折光によるホログラムデータとを得ることができるが、図１５の構成では、反射回折光と透過回折光とが同時に物体から出てきてしまうので、これを分離してそれぞれの撮像素子に入射させる必要がある。このため、複雑な撮像光学系５が必要なる。事実、図１５は、偏光ビームスプリッタ１４３等を使用した複雑な撮像光学系となっている。なお、撮像光学系とは、物体から撮像素子に至る物体光の光路上の光学系という意味である。
一方、本実施形態の方法又は装置によれば、反射モードと透過モードとを時間的に分離して行うので、光学的な分離は不要である。このため、撮像光学系５がシンプルになる。撮像光学系５がシンプルになるということは、コスト面での優位性に加え、より多くの光学素子を使うことによる波面の乱れの可能性が少なくなるため、より精度の高いホログラムデータが得られるという優位性がある。
【００３２】
また、図１５のように反射モードと透過モードとを同時に行うということは、光を一方の側から物体Ｓに照射し、一方の側に反射して出てくる反射回折光と他方の側に透過して出てくる透過回折光とをそれぞれ撮像素子で捉えるということになる。この場合、前述したように、物体Ｓを空中に浮かせて保持するような構成にしなければ、精度の高いホログラムデータを得ることができない。しかし、反射モードと透過モードとを時間的に別々に行う場合、透過モードの際には逆側から光を照射するようにすることができ、撮像する側を物体Ｓの同じ側とすることができる。このため、シャーレのような容器に物体Ｓを置いた状態でも精度の高いホログラムデータを得ることができ、また同じ側の視点から反射モードでの観察と透過モードでの観察が行える。実施形態の装置は、このような装置となっている。
【００３３】
反射モードと透過モードとを行うことは、前述したように物体Ｓの状態や形状等を詳しく調べるのに適しているが、これが一つの装置で行えることは、コスト上のメリットの他、作業性の点でも好適である。反射モードで測定を行うデジタルホログラフィ装置と透過モードで測定を行うデジタルホログラフィ装置とを用意すれば同様のことが可能であるが、この場合、反射モードの装置で測定を行った後に物体Ｓを取り出し、透過モードの装置にセットして測定を行わなければならず、煩雑である。本実施形態の装置によれば、このような問題はない。
また一般的に言えば、物体Ｓが不透明体である場合には、そもそも透過モードでのホログラムデータの取得はできない。透明体の場合、透過モードでも反射モードでもデータ取得はできるが、反射モードを透明体に対して行った場合、物体の表面からの反射回折光と物体の裏面からの反射回折光とが干渉して干渉縞が生じてしまう場合があり、この影響で正確なホログラムデータが得られないことがある。これらを考えると、対象物である物体Ｓの性状に応じて一台の装置でモードを任意に選ぶことができるメリットは、非常に大きい。
【００３４】
また、参照光を物体Ｓを経ずに撮像素子２に導いている点は、物体Ｓの条件によらず常に安定した参照光を得るという点で優れている。図１５では、物体Ｓを透過した光を取り出して参照光としている。このように、物体Ｓへの光照射→物体光→撮像素子２という物体光のルートと同じルートで参照光を撮像素子２に入射させることも不可能ではない。しかしながら、このようにすると、物体Ｓの光学的な物性によって参照光が変化してしまうため、常に安定した光を参照光として使用することができない。一方、本実施形態のように、物体Ｓを経ないで参照光を撮像素子２に導くようにすれば、物体Ｓの条件によって変化することはなく、参照光を常に安定したものとすることができる。例えば、物体Ｓからの光透過率を測定する場合、本実施形態の方法又は装置によれば、定量性を持ったデータが得られるメリットがある。
【００３５】
次に、より実用性を高めた第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置について以下に説明する。図３は、本発明の第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。
第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置は、反射回折光を得るために光源１からの光を物体Ｓまで導く反射回折光用導光系３１と、透過回折光を得るために光源１からの光を物体Ｓまで導く透過回折光用導光系３２と、光源１からの光を物体Ｓを経ずに撮像素子２の撮像面に導く参照光導光系３３と、反射回折光と参照光とが干渉する位置であるとともに透過回折光と参照光とが干渉する位置に撮像面が位置する撮像素子２と、撮像素子２の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを選択する選択用光学素子と、選択用光学素子の動作を制御する制御系（図３中不図示）とを備えている。
【００３６】
第２の実施形態は、装置の実用性を高めるため、反射回折光用導光系３１を参照光導光系として一部兼用したものである。具体的に説明すると、第２の実施形態では、第１の実施形態における可動ミラー４３に変えて第２のビームスプリッタ４５を設けている。第２のビームスプリッタ４５には、駆動部４５１が付設されている。また、第１の実施形態と同様に第１のビームスプリッタ４１が設けられているが、第１のビームスプリッタ４１には、駆動機構として切替部４１１が付設されている。これら第１のビームスプリッタ４１と第２のビームスプリッタ４５は、選択用光学素子として機能するようになっている。
【００３７】
図３に示すように、光源１から延びる光路（以下、主光路）は、第１のミラー４６で９０°折り曲げられた後、まず、第２のビームスプリッタ４５で分岐し得るようになっている。反射回折光用導光系３１は、主光路上であって、第２のビームスプリッタ４５による分割位置の像側（光の進行方向における前方、以下同じ）に配置されている。図１に示すように、反射回折光用導光系３１は、第１のビームエキスパンダ３１１と、第２のミラー３１２と、第１のビームスプリッタ４１等で構成されている。第２のミラー３１２は、第１のビームエキスパンダ３１１で幅が広げられた光を９０°曲げて第１のビームスプリッタ４１に到達させるものである。
【００３８】
また、透過回折光用導光系３２は、この第２のビームスプリッタ４５が主光路上に位置することにより主光路から分かれて形成される光路（以下、分岐光路）Ｐｓ上に配置された各光学素子によって構成されている。各光学素子とは、第２のビームエキスパンダ３２１や第３のミラー３２２などである。
第３のミラー３２２は、分岐光路Ｐｓを９０°曲げて物体Ｓの位置に達するようにしている。第２のビームスプリッタ４５で分かれた分岐光路Ｐｓ上を進む光は、第２のビームエキスパンダ３２１を経て第３のミラー３２２に反射し、物体Ｓに達するようになっている。この光が物体Ｓを透過して透過回折光となる。
第２のビームスプリッタ４５に設けられた駆動部４５１は、第２のビームスプリッタ４５を主光路上に配置して光を分割する分割位置と、光を分割しないよう主光路から退避させた退避位置との間で第２のビームスプリッタ４５を移動させる機構である。これにより、第２のビームスプリッタ４５は選択用光学素子として機能する。駆動部４５１は、例えばリニアステージなどの直動式のステージで構成される。
【００３９】
第１のビームスプリッタ４１に設けられた切替部４１１は、第１のビームスプリッタ４１が選択用光学素子として機能するよう第１のビームスプリッタ４１の状態を変更するものである。具体的には、切替部４１１は、反射モードの際には第１のビームスプリッタ４１を第１の実施形態の場合の同じ状態、すなわち、反射回折光用導光系３１によって導かれた光が反射して物体Ｓに向かう姿勢（以下、第１の状態という）とする。そして、切替部４１１は、透過モードの際には、第１のビームスプリッタ４１を９０°回転させ、反射回折光用導光系３１で導かれた光を反射させてそのまま撮像素子２に入射させる姿勢（以下、第２の状態という）とするものである。すなわち、切替部４１１は、透過モードの際には、光源１からの光が逆側から物体Ｓに照射されないようにするとともに、反射回折光用導光系３１が参照光導光系３３として機能するようにする二つの役割を果たしている。このような切替部４１１は、例えば回転ステージで構成される。回転軸は、光軸に対して垂直で且つ第１のビームスプリッタ４１の反射面の中心を通り反射面に沿った直線上である。
【００４０】
上記説明から解る通り、参照光導光系３３は、参照光を撮像素子２まで導くものであるが、透過モードと反射モードで異なる経路で参照光を導くものとなっている。参照光導光系３３は、透過モードでは、上述した反射回折光用導光系３１の一部を使用して参照光を撮像素子２まで導くものとなっている。すなわち、透過モードにおける参照光導光系３３は、第１のミラー４６と、第２のビームスプリッタ４５と、第１のビームエキスパンダ３１１と、第２のミラー３１２等によって構成されている。
反射モードにおいては、参照光導光系３３は、同様に共用する反射回折光用導光系３１の一部と、追加導光系３４とによって構成される。反射モードにおいては、第１のビームスプリッタ４１は、分割した光の一方を物体Ｓに向けて進ませる。追加導光系３４は、第１のビームスプリッタ４１が分割した他方の光を撮像素子２まで導くものである。本実施形態では、なるべく同一の経路を通って導くようにするため、追加導光系３４は、他方の光を第１のビームスプリッタ４１に戻し、第１のビームスプリッタ４１を経て撮像素子２の撮像面に参照光として入射させるようにしている。
【００４１】
より具体的に説明すると、反射モードにおいては、参照光導光系３３は、第１のミラー４６と、第１のビームエキスパンダ３１１と、第２のミラー３１２と、第１のビームスプリッタ４１と、追加導光系３４とによって構成される。追加導光系３４は、第４のミラー３４１と、折り返しミラー３４２等によって構成されている。第４のミラー３４１は、第２のビームスプリッタ４５からの光を９０°折り曲げるものであり、折り返しミラー３４２は光を１８０°曲げて折り返すものである。
第４のミラー３４１と折り返しミラー３４２との間には、ビームストッパ３４３と、ビームストッパ３４３を駆動するストッパ駆動部３４４とが設けられている。ビームストッパ３４３及びストッパ駆動部３４４は、透過モードの際には追加導光系３４は不要であるので、光をストップさせて折り返さないようにするものである。
【００４２】
本実施形態のデジタルホログラフィ装置は、精度の良いホログラムデータを得るため、第１のスペイシャルフィルタ３１６と第２のスペイシャルフィルタ３２６を配置している。第１のスペイシャルフィルタ３１６と第２のスペイシャルフィルタ３２６は、反射回折光用導光系３１、透過回折光用導光系３２及び参照光導光系３３にそれぞれ配置されている。
具体的に説明すると、反射回折光用導光系３１に第１のスペイシャルフィルタ３１６が配置され、透過回折光用導光系３２に第２のスペイシャルフィルタ３２６が配置されている。反射回折光用導光系３１は、参照光導光系３３に兼用されているので、結局、透過回折光用の光、反射回折光用の光、参照光のすべてがスペイシャルフィルタを経由することになる。すなわち、撮像素子２に入射する光はすべてスペイシャルフィルタを経由したものである。このため、精度の良いホログラムデータを得る点で極めて好適となっている。
【００４３】
本実施形態では、第１のスペイシャルフィルタ３１６と第２のスペイシャルフィルタ３２６を物体Ｓ又は撮像素子２になるべく近い位置に配置している。具体的に説明すると、反射回折光用導光系３１においては、第１のスペイシャルフィルタ３１６は、主光路において分岐光路Ｐｓの分岐点から像側に配置されており、第１のスペイシャルフィルタ３１６と第１のビームスプリッタ４１との間には、１個のみの第２のミラー３１２が配置された状態となっている。透過回折光用導光系３２においては、第２のスペイシャルフィルタ３２６は分岐光路Ｐｓ上に配置されており、第２のスペイシャルフィルタ３２６から物体Ｓまでの間には１個のみの第３のミラー３２２が配置された状態となっている。
【００４４】
このように、第１のスペイシャルフィルタ３１６と第２のスペイシャルフィルタ３２６から物体Ｓ又は撮像素子２までの間に配置されるミラーの数を最小限にすることで、ミラーのキズやミラーに付着したゴミの影響でホログラムデータの精度が低下するのを抑制することができる。
なお、反射回折光用導光系３１において、スペイシャルフィルタを第２のミラー３１２と第１のビームスプリッタ４１との間に配置することができる。このようにすると、ホログラムデータの精度をさらに向上させることができる。透過回折光用導光系３２においては、スペイシャルフィルタを第３のミラー３２２と物体Ｓとの間に配置することができ、同様にホログラムデータのさらなる精度向上を可能にする。
【００４５】
また、本実施形態では、光学系の構成を簡素化するため、ビームエキスパンダとスペイシャルフィルタとで光学素子を一部兼用した構成としている。すなわち、第１のスペイシャルフィルタ３１６は第１のビームエキスパンダ３１１において実現されており、第２のスペイシャルフィルタ３２６は、第２のビームエキスパンダ３２１において実現されている。具体的な構造について、図４を使用して説明する。図４は、一例として、第２のビームエキスパンダ３２１と第２のスペイシャルフィルタ３２６について示した概略図である。
図４に示すように、第２のビームエキスパンダ３２１は、集光レンズ３２３と、コリメータレンズ３２４とによって構成されている。集光レンズ３２３の像側の焦点ｆ１の位置にコリメータレンズ３２４の物側の焦点ｆ２を合わせておき、コリメータレンズ３２４として口径の大きなものを用いることで、図４に示すように、ビーム径が大きくされた平行光が出射する。
【００４６】
そして、本実施形態では、集光レンズ３２３による集光位置にピンホール板３２５が配置されている。ピンホール板３２５のピンホールは集光位置に一致している。図４から解るように、集光レンズ３２３とピンホール板３２５によって第２のスペイシャルフィルタ３２６が構成されている。すなわち、集光レンズ３２３が第２のビームエキスパンダ３２１と第２のスペイシャルフィルタ３２６に兼用されている。このような構造であるため、光学系の構成が簡素化され、部品点数の削減によるコストダウンが図られている。第１のビームエキスパンダ３１１内に実現された第１のスペイシャルフィルタ３１６についても同様の構造である。
【００４７】
次に、撮像光学系５について説明する。
本実施形態においても、反射回折光用導光系３１は、透過回折光用導光系３２が光を物体Ｓに照射する側とは反対側から光を照射するものであり、撮像光学系５は、反射回折光用導光系３１が光を照射する側において延びる撮像光路Ｐｉ上に設けられている。すなわち、反射回折光と透過回折光とは、共通の撮像光路Ｐｉを経て撮像素子２の撮像面に至るよう構成されており、撮像光学系５は、この共通の光路上に配置されている。
撮像光学系５は、物体Ｓに近い側に配置された対物レンズ５１と、撮像素子２に近い側に配置された結像レンズ５２によって構成されている。本実施形態の装置の別の大きな特徴点は、この撮像光学系５がテレセントリックな光学系となっている点である。以下、この点について図５を使用して説明する。
【００４８】
図５は、図３の装置における撮像光学系５のテレセントリック性について模式的に示した概略図である。テレセントリックな光学系とは、一般的には、主光線が主軸と平行であるとみなせる光学系をいう。図５（１）には像側でテレセントリックな光学系が示されている。特に、物側及び像側の双方において主光線が光軸に平行であるとみなせる光学系は、両側テレセントリックと呼ばれる。
【００４９】
本実施形態における撮像光学系５のテレセントリック性も、図５（２）に示すように、光学系の前側（物体Ｓ側）と後側（撮像素子２側）との双方において主光線が光軸に平行であるとみなせることである。本実施形態では、光源１はレーザであって平面波（平行光）が入射することが前提になっている。このため、両側テレセントリックである結合光学系は、対物レンズ５１の後側焦点の位置と結像レンズ５２の前側焦点の位置を一致させること（コンフォーカルにすること）によって達成できる。
本実施形態における撮像光学系５のテレセントリック性とは、もう一つ意味がある。それは、図５（３）に示すように、対物レンズ５１と結像レンズ５２とが無限遠補正光学系となっており、物体Ｓの一点から出た回折光（物体光）は、対物レンズ５１で平行光となって結像レンズ５２に入射するようになっている点である。
テレセントリック性を持つ無限遠補正系では、物体Ｓの位置を変えてピント調節をしても像の大きさが変化しないという大きなメリットがある。これは、物体Ｓの表面から少し深い位置からの反射回折光ないし透過回折光でホログラムデータを得たい場合にメリットがある。例えば、本実施形態の装置をデジタルホログラフィック顕微鏡として構成し、ある程度透明な生体試料を拡大しながら再生像を得るような場合、大きなメリットがある。
【００５０】
このような撮像光学系５としては、物側テレセントリックレンズを対物レンズ５１として採用し、像側テレセントリックレンズを結像レンズ５２として採用するともに、対物レンズ５１の像側の焦点位置と結像レンズ５２の物側焦点位置を一致させた状態（コンフォーカルな状態）で配置することで達成できる。物側テレセントリックレンズや像側テレセントリックレンズについては、市販のものを使用できるので、詳細な説明は割愛する。なお、像側テレセントリックレンズである結像レンズ５２は、無限遠補正系を構成するものであるので、光のロスをなるべく少なくするため、有効口径の大きいものを使用することが好ましい。
【００５１】
撮像素子２は、例えばＣＣＤカメラである。ＣＣＤカメラは、例えば１０２４×１０２４画素の撮像面を備えている。撮像素子２は、撮像面の中心が光軸上に位置し、撮像面が光軸に対して垂直となるよう配置されている。
なお、光源１から光が出た直後の光路上には、偏光フィルタ１１と１／４波長板１２が設けられている。偏光フィルタ１１と１／４波長板１２は、光源１に戻り光が入射するのを防止するものである。
偏光フィルタ１１は、特定の方向の直線偏光の光のみを透過させるものである。１／４波長板１２は、偏光フィルタ１１の透過軸（直線偏光の方向）から４５°だけ結晶軸をずらして配置されており、直線偏光を円偏光に変換する機能を持っている。円偏光となった光は、物体Ｓに照射されたり参照光として撮像素子２に入射したりするが、第１のビームスプリッタ４１や第２のビームスプリッタ４５を使用している関係で、この光が戻ってくることがある。戻ってきた円偏光の光は、再度１／４λ波長板１２を透過することで再び直線偏光の光に変換される。この直線偏光の光は、さらに１／４波長の位相差が生ずるので、最初の直線偏光の光とは９０°偏光方向がずれることになる。このため、この光は偏光フィルタ１１を透過することができず、偏光フィルタ１１のところで遮蔽される。戻り光が光源１に入射することがないので、戻り光による光源１の破損等が防止される。
【００５２】
また、物体Ｓの保持について説明すると、物体Ｓは、その性状や大きさ等に応じて適宜の部材で保持される。例えば、前述したようにシャーレのような透明な容器や透明なプレート状の部材の上に置いて物体Ｓを保持する他、大きい物体Ｓの場合には、挟み込んで保持するクランプ状の部材が使用されることもある。物体Ｓが基板のような板状のものであれば、枠状の部材で保持することもある。いずれにしても、このような保持部材により物体Ｓは導光系や撮像光学系５に対して所定位置に保持される。
【００５３】
次に、装置の制御系について図６を使用して説明する。図６は、第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置の制御系を示した概略図である。
選択用光学素子などを制御する制御系６は、制御ボード６１と、反射モードと透過モードとを切り替えるために制御ボード６１に信号を送る切替プログラム６２がインストールされたコンピュータ６３等で構成されている。
本実施形態では、コンピュータ６３に再生像の計算処理の機能も持たせるため、コンピュータ６３として、デスクトップパソコンのような汎用ＯＳ上で動作する一般的なコンピュータを用いている。そして、各部の制御を可能にするため、そのインターフェースとして制御ボード６１を付設している。切替プログラム６２は、反射モードと透過モードとを切り替えるための制御信号をコンピュータ６３から制御ボード６１に送出するプログラムである。
【００５４】
制御ボード６１には、送出された制御信号に基づいて、第１のビームスプリッタ４１の切替部４１１、第２のビームスプリッタ４５の駆動部４５１、およびビームストッパ３４３のストッパ駆動部３４４を駆動するための各動作信号を送出するようになっている。制御ボード６１は、ＲＡＭのような記憶部を有しており、この記憶部には制御信号にしたがって各動作信号を出力するシーケンス制御プログラムが書き込まれている。
切替プログラム６２において反射モードが選択され、反射モードとする旨の制御信号が送出されると、シーケンス制御プログラムは、第１のビームスプリッタ４１の切替部４１１、第２のビームスプリッタ４５の駆動部４５１、およびビームストッパ３４３のストッパ駆動部３４４に反射モード用の動作信号を送るようプログラミングされている。また、切替プログラム６２において透過モードが選択され、透過モードとする旨の制御信号が送出されると、シーケンス制御ブログラムは、透過モード用の動作信号を第１のビームスプリッタ４１の切替部４１１、第２のビームスプリッタ４５の駆動部４５１、およびビームストッパ３４３のストッパ駆動部３４４に送出するようプログラミングされている。
【００５５】
なお、第１のビームスプリッタ４１、第２のビームスプリッタ４５、ビームストッパ３４３について、それぞれの位置や姿勢を検出するセンサを設け、各センサからの信号を制御ボード６１に入力して制御に用いると好適である。各センサからの信号は、各部が正常に駆動されているかを監視したり、前回の動作と同じモードを行う際には位置や姿勢を確認するだけで動作信号を送らないようにしたりするのに使用され得る。
また、光源１については、不図示の電源に設けられたスイッチでオンオフするようになっている。但し、光源１のオンオフについてもコンピュータ６３から制御ボード６１を介して信号を送ることで行うことも勿論可能である。
【００５６】
上記コンピュータ６３には、撮像素子２の撮像面で得られたホログラムデータに基づいて再生像を得るための所定の計算処理を実行するプログラム（以下、再生プログラム）６４もインストールされている。
ホログラムデータから再生像を得る計算処理については、種々の計算式や技術が周知となっており、任意のものを選択して適用することができる。一例として、フーリエ変換を利用したものを以下に示す。
【００５７】
再生面（再生像ができる平面）はホログラム面（ここでは撮像素子２の撮像面）と平行であってその距離はＲであるとし、ｒはホログラム面上の一点から再生面上の一点までの距離であるとする。ｘ，ｙはホログラム面上の座標、Ｘ，Ｙを再生面上の座標である。
再生面での複素振幅分布は、キルヒホッフの回折積分の式に従い、式１のように表せる。ｇ（ｘ、ｙ）はホログラムデータ、Ｇ（Ｘ，Ｙ）は生成像の複素振幅分布である。
【数１】
2013047709.tif 000003
式１において、λは波長、ｋは波数である。式１に対し、式２に示すフレネル近似を適用して代入すると、式３が得られる。
【数２】
2013047709.tif 000004
【数３】
2013047709.tif 000005
式３において、積分をフーリエ変換であるとみなして変形すると、式４が得られる。
【数４】
2013047709.tif 000006
式４においてＦのカッコ内はフーリエ変換であることを示す。ｘやｙは、撮像面の各ピクセルからの出力であり、離散フーリエ変換をすることで再生像Ｇ（Ｘ，Ｙ）が得られる。
【００５８】
また、コンピュータ６３には、全体の動作を制御するメインプログラム（不図示）がインストールされている。メインプログラムは、装置がオンされると自動で起動するものである。メインプログラムは、反射モードと透過モードとのいずれかを選ぶ画面をディスプレイに表示したり、ホログラムデータの取得及び再生像の形成というメインの動作の実行を指令するボタンを表示したりするものである。
【００５９】
次に、上記第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置の動作について、図３〜図９に基づいて以下に説明する。図７〜図９は、第２の実施形態のデジタルホログラフィ装置の動作について示した概略図である。このうち、図７は反射モードと透過モードとにおける各光の進行状況について対比して示した図、図８は反射モードでの動作フローの概略を示した図、図９は透過モードでの動作フローの概略を示した図である。
まず、ホログラムデータを取得する対象である物体Ｓを保持部材によって所定位置に配置して保持する。この状態で、装置の電源をオンし、メインプログラムを起動させる。コンピュータ６３のディスプレイ上には、反射モードと透過モードのいずれを選択するかの画面が表示されるので、入力部によっていずれかを選択する。
【００６０】
例えば、反射モードを選択すると、切替プログラム６２が実行され、反射モードとする制御信号が制御ボード６１に送出される。この制御信号を受けた制御ボード６１は、反射モード用の各動作信号を第１のビームスプリッタ４１の切替部４１１と、第２のビームスプリッタ４５の駆動部４５１と、ビームストッパ３４３のストッパ駆動部３４４に送出する。
具体的に説明すると、制御ボード６１は、まず、図８のＳ１に示すように、切替部４１１に動作信号を送り、第１のビームスプリッタ４１が第１の状態となるようにする。第１の状態とは、図７（Ａ）に示すように、反射回折光用導光系３１を介して第１のビームスプリッタ４１に入射した光が、その反射面で反射して物体Ｓに向けて進む姿勢を取る状態である。
【００６１】
次に、制御ボード６１は、図８のＳ２および図７（Ａ）に示すように、駆動部４５１に動作信号を送り、第２のビームスプリッタ４５を主光路上の分岐位置から退避させる。すなわち、反射モードでは、透過回折光用導光系３２は使用しない。
その次に、図８のＳ３および図７（Ａ）に示すように、制御ボード６１は、ストッパ駆動部３４４に動作信号を送り、ビームストッパ３４３を光路から退避させる。
これで制御ボード６１上のシーケンス制御プログラムの動作は終了である。
【００６２】
次に、図８のＳ４に示すように、光源１の電源をオンにして光を放出させる。光源１から放出された光Ｌ１は、反射回折光用導光系３１を介して第１のビームスプリッタ４１に入射する。光Ｌ１は、第１のビームスプリッタ４１の反射面により物体Ｓに向けて反射する一方の光Ｌ２と、第１のビームスプリッタ４１を透過して追加導光系３４に達する他方の光Ｌ３に分割される。
一方の光Ｌ２は、撮像光学系５を介して物体Ｓに照射され、物体Ｓからは反射回折光Ｌ４が出射する。反射回折光Ｌ４は、再び撮像光学系５を経て第１のビームスプリッタ４１に入射し、第１のビームスプリッタ４１を透過して撮像素子２に入射する。
他方の光Ｌ３は、追加導光系３４の折り返しミラー３４２に反射して戻り、第１のビームスプリッタ４１に再入射する。そして、この光Ｌ３は、第１のビームスプリッタ４１の反射面で反射し、参照光として撮像素子２の撮像面に入射する。
そして、図８のＳ５，Ｓ６に示すように、撮像素子２の撮像面では反射回折光Ｌ４と参照光Ｌ３とが干渉し、この干渉縞が撮像面で撮像されてホログラムデータがコンピュータ６３に出力される。ホログラムデータが出力されると、コンピュータ６３上で再生プログラム６４が実行され、上述したような計算処理を行うことで物体Ｓの再生像が形成される。
【００６３】
また、コンピュータ６３上で透過モードが選択されると、切替プログラム６２は透過モードとする制御信号を制御ボード６１に送出する。この制御信号を受けた制御ボード６１は、シーケンス制御プログラムを実行し、反射モード用の各動作信号を第１のビームスプリッタ４１の切替部４１１と、第２のビームスプリッタ４５の駆動部４５１と、ビームストッパ３４３のストッパ駆動部３４４に送出する。
具体的に説明すると、図９のＳ１に示すように、制御ボード６１は、上記切替部４１１によって、第１のビームスプリッタ４１を駆動し、第１のビームスプリッタ４１を第２の状態とする。第２の状態は、図７（Ｂ）に示すように、反射回折光用導光系３１を介して第１のビームスプリッタ４１に入射した光が反射面で反射して撮像素子２に向けて進む姿勢を取る状態である。第２の状態は、第１のビームスプリッタ４１の反射面の向きが第１の状態とは９０°異なる。
次に、図９のＳ２および図７（Ｂ）に示すように、制御ボード６１は、上記駆動部４５１に動作信号を送り、第２のビームスプリッタ４５を主光路上に配置する。すなわち透過モードでは、透過回折光用導光系３２および反射回折光用導光系３１を使用する。
その次に、図９のＳ３および図７（Ｂ）に示すように、制御ボード６１は、上記ストッパ駆動部３４４に動作信号を送り、ビームストッパ３４３を追加導光系３４の光路上に配置し、光路を遮断する。
これで、制御ボード６１上のシーケンス制御プログラムの動作は終了である。
【００６４】
次に、図９のＳ４に示すように、光源１を動作させ光を放出させる。光源１から放出された光は、第２のビームスプリッタ４５に入射する。この光は、第２のビームスプリッタ４５を透過する一方の光Ｌ５と、第２のビームスプリッタ４５の反射面で反射して物体Ｓに向う他方の光Ｌ６とに分岐される。一方の光Ｌ５は、参照光導光系３３に兼用された反射回折光用導光系３１により導かれ、第１のビームスプリッタ４１に入射する。第１のビームスプリッタ４１に入射した光Ｌ５は、第１のビームスプリッタ４１の反射面で反射して撮像素子２に向かい、参照光として撮像素子２の撮像面に入射する。なお、第１のビームスプリッタ４１を透過した光は、ビームストッパ３４３により遮蔽され、第１のビームスプリッタ４１には戻らない。
第２のビームスプリッタ４５で分割された他方の光Ｌ６は、透過回折光用導光系３２を介して物体Ｓに照射される。光は物体Ｓを透過し、透過回折光Ｌ７となって該物体Ｓから放射される。透過回折光Ｌ７は、撮像光学系５を介して第１のビームスプリッタ４１に入射し、第１のビームスプリッタ４１を透過して撮像素子２の撮像面に入射する。
図９のＳ５，Ｓ６に示すように、撮像素子２の撮像面では、参照光Ｌ５と透過回折光Ｌ７との干渉縞が形成され、この干渉縞が撮像されてホログラムデータが得られる。ホログラムデータは、同様にコンピュータ６３に送られ、再生プログラム６４が実行されて物体Ｓの再生像が形成される。
【００６５】
上記したように、反射モード及び透過モードを順次行って像が再生されるが、再生像の情報には、振幅情報と位相情報とが含まれる。一般的に言えば、振幅情報は物体の表面の２次元的な形状やコントラストを観察するのに適しており、位相情報は物体の奥行きにおける形状を観察するのに適している。したがって、再生像を得る際、振幅情報のみを取り出して２次元的な形状等を主に観察したり、位相情報のみを取り出して奥行き状態の観察をしたりすることがある。
【００６６】
上記本実施形態の装置の動作において、撮像光学系５がテレセントリックなものであることは、精度の高いホログラムデータを得る観点において顕著な効果を有している。以下、この点について、図１０を使用して説明する。
図１０は、第２の実施形態の装置がテレセントリックな撮像光学系５を備えていることの効果を示した概略図である。図１０（Ａ）は比較のため示したもので、テレセントリックではない撮像光学系を使用した場合の波面図である。図１０（Ｂ）は、本実施形態のもので、テレセントリックな撮像光学系５を使用した場合の波面図である。
【００６７】
本実施形態の装置におけるテレセントリック性は、無限補正光学系を構成する対物レンズ５１と結像レンズ５２とをコンフォーカルに配置することで達成されている。図１０（Ａ１）に示すように、一般的な有限補正光学系を使用すると、透過モードでは、物体Ｓに対して平面波Ｌｐを照射することができる。ところが、有限補正光学系では、透過モードから反射モードに切替えた場合に、図１０（Ａ２）に示すように、平面波Ｌｐを物体Ｓに照射しようとしても、撮像光学系５を経ることになるため、対物レンズにより集光された光（球面波）Ｌｓが物体Ｓに照射されることになってしまう。この場合、撮像素子２に撮像される物体光が歪められることに起因して、精度良く再生像を形成することができない。
【００６８】
また、図１０（Ａ２）に示すように球面波Ｌｓが物体Ｓに照射されると、透過モードの際と比較して視野が変化してしまう。また、デジタルホログラフィは、光軸上の任意位置での再生像を計算できるため、原理的に作動距離を可変とできる特徴を持つが、比較例の光学系では、物体光が歪められているため、作動距離の変化に対して視野も変化してしまう。この視野の変化を抑えたい場合、別途補正計算が必要となる。
これに対して、図１０（Ｂ）に示す本実施形態のように、無限補正光学系を使用し、結像レンズ５２と対物レンズ５１とをコンフォーカルな光学配置とすれば、テレセントリックな光学系となることから、反射モードおよび透過モードの何れを選択した場合でも、物体Ｓに対して平面波Ｌｐが照射される（図１０（Ｂ１）（Ｂ２））。なお、コンフォーカルとは、前述したように、対物レンズ５１の像側の焦点と結像レンズ５２の物側の焦点とが一致しているということである。
【００６９】
このように、本実施形態によれば、反射モードおよび透過モードの何れを選択した場合でも物体Ｓに対して平面波Ｌｐが照射される。したがって、透過モードおよび反射モードのいずれも同サイズの領域を観察対象とでき、また同一の再生計算手段により像再生できる。さらに、物体光が歪められないために、補正計算が不要となり、デジタルホログラフィの原理的特徴である、作動距離を可変とした像再生も自由に行える。さらに、テレセントリックな光学系であるため、作動距離を可変とした像再生において結像倍率が変化しないというメリットもある。なお、作動距離を可変とした像再生とは、物体の奥行き方向で任意の位置にピントを合わせて像再生が行えるということである。
【００７０】
本実施形態のデジタルホログラフィ装置においても、反射モードと透過モードの双方のモードが一台で行えるので、物体Ｓに対して多様な観察や計測を低コストに行うことができる。加えて、反射回折光と透過回折光とが時間的に分離されて撮像素子２に入射するので、光学系の構成が簡略化される上、撮像素子２も一個で済む。このため、一台の装置のコストも安くなる。
また、反射回折光用の光が物体Ｓの第１の側から照射され、透過回折光用の光が反対の第２の側から照射されるので、第１の側で専ら物体光を捉えることができる。このため、物体Ｓを無理に空中に浮いた状態にすることなく精度の高いホログラムデータを得ることができる。
また、撮像光学系５は、反射モードにおいても透過モードにおいても物体光を撮像素子２に入射させるものであるが、両モードで共用されるものであるため、この点でも光学系の構成が簡略化され、装置のコストを低減するのに貢献している。
【００７１】
なお、本発明を実施する上では、反射モード用と透過モード用とで別々の撮像光学系を設け、リボルバ式の機構等を採用して択一的に使用するようにしても良い。反射モードの際には反射モード用の撮像光学系を撮像光路Ｐｉ上に配置し、透過モードの際には透過モード用の撮像光学系を撮像光路Ｐｉ上に切り替えて配置する。
また、両モードで撮像光学系を共用する場合でも、全部を共用する場合の他、一部を共用しても良い。例えば、結像レンズは共用とし、対物レンズを反射モード用と透過モード用に用意して切り替えて使うようにしても良い。
【００７２】
また、図１５の装置と比べると、本実施形態の装置は、撮像光路Ｐｉが一直線となっている。すなわち、物体Ｓから出た物体光は、一直線上の光路を進んで撮像素子２に入射する。この点は、以下のような効果がある。
まず、光路が一直線であるため、光軸の調整が容易である。すなわち、精度の高いホログラムデータを得るには、物体Ｓ、撮像光学系５及び撮像素子２が精度良く光軸上に並ぶ必要があるが、光軸が一直線であるため、この調整が容易である。
また、図１５のように、物体Ｓから撮像素子２までの光路が複雑に屈曲したものであると、ミラー等の光学素子が多く必要になり、その分だけコストがアップする。本実施形態によれば、そのようなコストアップはない。
さらに、光路が複雑に屈曲していると、ミラー等の光学素子による波面の乱れが生じやすいが、本実施形態ではこのような問題はない。この点でも精度の高いホログラムデータの取得が可能となっている。
【００７３】
また、本実施形態の装置は、第１のスペイシャルフィルタ３１６と第２のスペイシャルフィルタ３２６を使用しており、物体光及び参照光のいずれもがスペイシャルフィルタを経由した光となっている。このため、ノイズが除去された状態で波面が撮像素子２に入射する。この点も、ホログラムデータの精度向上に大きく貢献している上、スペイシャルフィルタは物体Ｓに対してより近い光路上に位置している。このため、スペイシャルフィルタを経由した後の要因によってノイズが波面に紛れ込んでしまう可能性が小さくなっている。この点も、ホログラムデータの精度向上に大きく貢献している。
【００７４】
また、本実施形態の装置は、第１の実施形態と比較すると、参照光導光系３３を物体光用の導光系と共通化することで、さらに光学系を簡略化し、可干渉性を高めており、より実用的な装置となっている。以下、この効果について説明する。
まず、反射モードの際には、反射回折光用の光と参照光とは、光源１から第１のビームスプリッタ４１までは全く同一の導光系によって導かれる。そして、第１のビームスプリッタ４１に分かれて反射回折光用の光は物体Ｓに達し、参照光は追加導光系３４によって物体Ｓを経ることなく撮像素子２に達する。
このように、なるべく導光系を共用しながら物体光と参照光とが撮像素子２に入射するようにした構成であると、光学的な条件の差を小さくしたり光路長の差を少なくしたりすることが容易である。このため、参照光と物体光との可干渉性を高めることができ、より精度の高いホログラムデータを得るのに役立つとともに、光学素子の使用数の削減による装置コストの低下が実現される。追加導光系３４は、光を折り返して第１のビームスプリッタ４１に戻してそこから撮像素子２に参照光として入射させている点も、同様の意味がある。
また、透過モードでは、反射回折光用導光系３１によって導かれた光が第１のビームスプリッタ４１を経て撮像素子２に入射しており、参照光の導光用のほぼ全ての部分が反射回折光用導光系３１を兼用している。このため、可干渉性がさらに高まり、光学系の構成がより簡略化され、光学素子の使用数の低減によるコストダウンがさらに実現されている。
【００７５】
次に、本発明の第３の実施形態のデジタルホログラフィ装置について説明する。
図１１は、本発明の第３の実施形態に係るデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。第３の実施形態の装置は、第２の実施形態の装置においてオフアクシス式による動作を可能としたものである。オフアクシス式は、物体光と参照光とが角度をもって入射するので、像再生時において所望の像（真像）が共役像や０次像（参照光による像）から分離して形成され、像が重なることを防ぐことができるという利点がある。
図１１に示す装置は、オフアクシス式を可能にするため、参照光導光系３３の構成が第２の実施形態と異なっている。すなわち、参照光導光系３３を構成するミラーの一つが、光軸に対する角度が変更可能な状態で配置されている。
具体的に説明すると、透過モードの際に参照光導光系３３に兼用される反射回折光用導光系３１のうち、第２の実施形態における第２のミラー３１２がオフアクシス用ミラー（以下、第１オフアクシス用ミラー）３１７に変更されている。第１オフアクス用ミラー３１７には、第１オフアクシス用駆動部３１８が設けられており、第１オフアクシス用ミラー３１７の光軸に対する配置角度を変更可能としている。
【００７６】
また、反射モードの際の参照光導光系３３については、追加導光系３４の構成が大きく変更されている。第３の実施形態における追加導光系３４も、反射モード時に第１のビームスプリッタ４１を透過した光を折り返して第１のビームスプリッタ４１に戻すものである。第３の実施形態では、オフアクシス用ミラーを撮像素子２に対して近い位置に配置するとともに、物体光と光路長の差を少なく（または無いように）するため、追加導光系３４はループ状の光路を形成するものとなっている。
具体的に説明すると、追加導光系３４は、第１のビームスプリッタ４１から延びる光路上に、偏光ビームスプリッタ３４５を有している。偏光ビームスプリッタ３４５は、特定の偏光方向の直線偏光成分のみを透過し、他の成分は反射するビームスプリッタである。第１のビームスプリッタ４１と偏光ビームスプリッタ３４５の間には、１／４波長板３４６が設けられている。
【００７７】
前述したように、光源１からの光は、直後の偏光フィルタ１１及び１／４波長板１２により円偏光に変換されている。このため、１／４波長板３４６を透過すると、光はさらに４５°ずれた方向の直線偏光となる。偏光ビームスプリッタ３４５は、この方向の直線偏光の光を反射し、他の光を透過するものとなっている。
そして、偏光ビームスプリッタ３４５で反射した直線偏光の光の光路に沿って、第５のミラー３４７、第６のミラー３４８及び第２オフアクシス用ミラー３４９が設けられている。これらミラーに反射することで、光は偏光ビームスプリッタ３４５に戻るようになっている。第２オフアクシス用ミラー３４９には、第２オフアクシス用駆動部３５０が設けられている。
偏光ビームスプリッタ３４５と第５のミラーとの間には、１／２波長板３５１が設けられている。したがって、偏光ビームスプリッタ３４５に戻る光は９０°ずれた偏光方向になっており、偏光ビームスプリッタ３４５に反射せずに透過する。この光は、１／４波長板３４６を再度透過することにより再び円偏光に変換され、第１のビームスプリッタ４１を経て撮像素子２に達するようになっている。
【００７８】
なお、この実施形態においても、透過モードでは追加導光系３４は使用しないので、光を遮断するビームストッパ及びストッパ駆動部が設けられている。これらビームストッパ及びストッパ駆動部の図示は省略されているが、例えば、１／４波長板３４６と偏光ビームスプリッタ３４５の間にビームストッパを配置することができる。
また、追加導光系３４には、ビームエキスパンダ３５２が配置されている。このビームエキスパンダ３５２は、例えば等倍のビームエキスパンダであり、図４に示すものと同様に内部にピンホールを持ち、スペイシャルフィルタ構成を成す。これにより、スペイシャルフィルタ直前までのミラーや波長板などの光学部品に由来する波面の揺らぎを除去できる。
【００７９】
図１２を参照しながら、オフアクシス用ミラーについてさらに詳説する。図１２は、第３の実施形態で用いられているオフアクシス用ミラーの配置角度の変化を示した図であり、図１２（１）は平面概略図、図１２（２）は斜視概略図である。図１２には、一例として、追加導光系３４に配置された第２オフアクシス用ミラー３４９について示している。
図９に示すように、第２オフアクシス用ミラー３４９は、光軸に対する角度が４５°ではなく僅かに傾いた姿勢を取り得るようになっている。この結果、撮像素子２に入射する際の参照光の入射角度は、物体光の入射角度と同じ角度ではなく、物体光の入射角度に対して所定の角度（以下、オフアクシス角と呼び、図１２（１）にθで示す）が付与された状態にできるようになっている。
【００８０】
本実施形態では、第２オフアクシス用ミラー３４９の姿勢変化は、二つの方向で可能となっている。すなわち、図１２（２）に示すように、屈折する前の光軸と屈折した後の光軸が成す平面が反射面に交差してできる線に沿った回転軸Ａ１の回りの回転と、回転軸Ａ１に対して垂直な方向であって反射面に沿った方向の回転軸Ａ２の回りの回転である。このような二つの回転ができるようにすることで、撮像素子２の撮像面に対し、直交する二つの方向（ＸＹ方向）においてオフアクシス角θを付けて参照光を入射させることができる。いずれの方向にオフアクシス角θを付けるかは、どの方向に真像を０次像や共役像から分離したいかであり、操作者の任意である。図１２に示す方向以外の方向に第２オフアクシス用ミラー３４９を傾け、その方向に像を分離する場合もあり得る。
このような各オフアクシス用ミラーの駆動部としては、２方向での調整が可能なキネマティックミラーホルダーを使用できるし、各調整軸にアクチュエータを付設して外部信号による制御を可能とした構成を採用することができる。各駆動部は、同様に制御ボード６１から動作信号が送られて制御されるようにする。
【００８１】
反射回折光用導光系３１内の第１オフアクシス用ミラー３１７は、透過モードの際にオフアクシス用として使用されるものであり、反射モードの際には通常のミラーとして使用される。したがって、制御ボード６１は、透過モードの際にはオフアクシス角θが得られるように４５°から所定角度傾いた姿勢する動作信号を送る。また、反射モード時には、通常の姿勢すなわち光軸に対して４５°の姿勢に戻すよう動作信号を送る。なお、「通常のミラー」とは、そのミラーによってはオフアクシス角が発生しない状態のミラーという意味である。
追加導光系３４内の第２オフアクシス用ミラー３４９は、透過モード時には使用しないので、オフアクシス角θを達成する傾斜角に維持した構成とすることもできる。この場合には、制御ボード６１から動作信号は送られない。角度変更のための機構も不要ということになるが、調整等のため角度変更できるようにすることが好ましい。
【００８２】
上記したように、反射モード時に使用される追加導光系３４の構成は、本実施形態では大きく変更されている。この理由は、第２オフアクシス用ミラー３４９を撮像素子２になるべく近い位置に置きたいためと、参照光と物体光との光路長差を少なくするためである。
オフアクシス式では、参照光を物体光に対して斜めに入射させることで真像を０次像や共役像から分離するものである。しかしながら、斜めの角度（オフアクシス角）が大きくなると、撮像素子２の撮像面における空間周波数が高くなり（すなわち、干渉縞が細かくなり）、撮像素子２の解像度の影響を受けて鮮明な像再生ができなくなってしまう。このため、オフアクシス角θは、例えば２〜３°度程度の小さいものであることが好ましい。
このようなオフアクシス角θのため、第１オフアクシス用ミラー３１７と第２オフアクシス用ミラー３４９は、図１２に示すように光軸に対して４５°ではなく斜めの姿勢とされるのであるが、撮像素子２から離れた光路上に位置していると、僅かに角度を変化させただけでも撮像素子２の撮像面では大きく入射位置がずれてしまう。参照光は、撮像素子の撮像面の全域をカバーする必要があり、入射位置のずれによって参照光が入射しない領域ができてしまうと、その部分では干渉縞の撮像ができなくなってしまう。したがって、２〜３°程度の小さい角度であっても、参照光を撮像素子２の撮像面の全域に入射させるため、第１オフアクシス用ミラー３１７と第２オフアクシス用ミラー３４９は、撮像素子２に対して近い位置のミラーとすべきである。
【００８３】
図３に示す第２の実施形態の構成で言うと、追加導光系３４の折り返しミラー３４２をオフアクシス用ミラーとしても良いが、撮像素子２から離れた位置にあるため、撮像素子２の撮像面に対する参照光の入射位置のずれが大きくなってしまう。折り返しミラー３４２の手前の光路上にある第４のミラー３４１をオフアクシス用ミラーとすることが考えられるが、第４のミラー３４１は、折り返しミラー３４２に達する前と達した後とで２回反射するため、参照光のずれは２倍になってしまう。
さらに、第４のミラー３４１の位置に折り返しミラー３４２を設け、これをオフアクシス用ミラーとすることも考えられるが、こうすると、光路長が短くなり、参照光と物体光（この場合には反射回折光）とで光路長の差が大きくなる。このため、可干渉性の点で問題が生じ得る。すなわち、光路長の差が大きくなると、光源１の出力の時間的な安定性の問題から、参照光と物体光とが干渉しにくくなる。
【００８４】
これらの点を考慮すると、一回だけ反射するミラーを撮像素子２に近い位置に配置して光路長を確保する観点から、偏光ビームスプリッタ３４５でループ状の光路を形成し、その一角にオフアクシス用ミラーを配置するのが好適である。第３の実施形態の追加導光系３４は、このような考えに基づいている。
なお、第１オフアクシス用ミラー３１７と第２オフアクシス用ミラー３４９の配置位置における「近い」ということについて補足して説明すると、本実施形態の構成では、物体光と参照光とは第１のビームスプリッタ４１で統合される。したがって、光の進行方向とは逆向きにたどった際に第１のビームスプリッタ４１から見て最初のミラーがオフアクシス用ミラーとなっているということが、「近い」ということである。
【００８５】
図１１に示す第３のデジタルホログラフィ装置の動作について、図１３を参照しながら説明する。図１３は、第３の実施形態の動作について示した概略図であり、反射モードと透過モードとにおける各光の進行状況について対比して示した図である。
まず、反射モードが選択された場合、制御ボード６１から反射モード用の動作信号が各部に送られて制御される。すなわち、図１３（Ａ）に示すように、第２のビームスプリッタ４５が主光路上から退避させられ、第１のビームスプリッタ４１が第１の状態とされる。また、追加導光系３４内のビームストッパ（不図示）が光路から退避して追加導光系３４が開放される。なお、第１オフアクシス用ミラー３１７は、通常のミラーとして使用されるため、光軸に対して４５°の姿勢が維持される。
【００８６】
光源１から放出された光Ｌ１は、偏光フィルタ１１及び１／４波長板１２を経ることで円偏光の光とされ、反射回折光用導光系３１を介して第１のビームスプリッタ４１に入射する。この光Ｌ１は、図１３（Ａ）に示すように、第１のビームスプリッタ４１に反射した光Ｌ２と透過した光Ｌ３に分割される。第１のビームスプリッタ４１で反射した光Ｌ２は、撮像光学系５を介して物体Ｓに照射される。照射された光Ｌ２は、物体Ｓに反射して物体光（反射回折光）Ｌ４となる。物体光（反射回折光）Ｌ４は、撮像光学系５を介して、第１のビームスプリッタ４１に入射し、第１のビームスプリッタ４１を透過して撮像素子２の撮像面に入射する。
一方、第１のビームスプリッタ４１を透過した光Ｌ３は、追加導光系３４に入射する。この光Ｌ３は、円偏光の光であるので、１／４波長板３４６によって特定の偏光成分を有する直線偏光の光に変換され、直線偏光となった光Ｌ３が偏光ビームスプリッタ３４５に入射する。
【００８７】
この偏光ビームスプリッタ３４５は、１／４波長板３４６によって変換された上記特定の成分の偏光の光のみを反射する。よって、図１３（Ａ）に示すように、光Ｌ３は、偏光ビームスプリッタ３４５によって反射され、１／２波長板３５１に入射して、上記直線偏光の光と偏光方向が９０°異なる直線偏光の光に変換される。９０°異なる直線偏光とされた光Ｌ３は、第５のミラー３４７、第６のミラー３４８、ビームエキスパンダ３５２を経た後、第２オフアクシス用ミラー３４９で反射して偏光ビームスプリッタ３４５に戻る。この際、第２オフアクシス用ミラー３４９は光軸に対して４５°ではなく僅かに傾けられているため、オフアクシス用ミラーに反射した光Ｌ３は、光軸に対して平行ではなく僅かに角度を持った状態で進む。
【００８８】
このように角度を持った状態で偏光ビームスプリッタ３４５に達した光Ｌ３は、１／２波長板３５１により直線偏光の方向が９０°変換されているので、偏光ビームスプリッタ３４５を透過する。そして、この光Ｌ３は、１／４波長板３４６によって円偏光に変換され、第１のビームスプリッタ４１に反射した後、撮像素子２の撮像面に参照光として入射する。この際、第２オフアクシス用ミラー３４９を経ているため、図１２に示すように、参照光Ｌ３は物体光（反射回折光）Ｌ４に対してオフアクシス角θが付いた状態で入射する。撮像素子２の撮像面では、物体光（反射回折光）Ｌ４と参照光Ｌ３とが干渉して干渉縞が形成され、この干渉縞が撮像面で撮像される。これにより反射モードでのホログラムデータが得られる。
なお、第２オフアクシス用ミラー３４９で反射した光は、上記のように光軸に対して角度を持った状態で進行して偏光ビームスプリッタ３４５や１／４波長板３４６を透過することになるが、光軸に対する角度は非常に小さいものなので、偏光ビームスプリッタ３４５や１／４波長板３４６における光制御の点で問題になることはない。
【００８９】
透過モードが選択された場合は、制御ボード６１から反射モード用の動作信号が各部に送られて制御される。すなわち、図１３（Ｂ）に示すように、第１のビームスプリッタ４１は９０°回転して第２の状態となる。また、第２のビームスプリッタ４５が主光路上に移動し、追加導光系３４内のビームストッパ（不図示）を光路上に配置する。また、第１オフアクシス用ミラー３１７の駆動部に動作信号が送られ、第１オフアクシス用ミラー３１７は光軸に対して４５°の姿勢から所定角度傾けられる。
光源１から放出された光は、同様に円偏光の光に変換された後、第２のビームスプリッタ４５に入射する。図１３（Ｂ）に示すように、第２のビームスプリッタ４５でその一部が反射して透過回折光用の光Ｌ５として分岐光路Ｐｓに進み、透過回折光用導光系３２によって物体Ｓに照射される。この光Ｌ５は、物体Ｓを透過して物体光（透過回折光）Ｌ６となり、撮像光学系５を経て第１のビームスプリッタ４１に入射し、第１のビームスプリッタ４１を透過して撮像素子２の撮像面に入射する。
【００９０】
一方、第２のビームスプリッタ４５で反射することなく第２のビームスプリッタ４５を透過した光Ｌ７は、参照光導光系３３に兼用される反射回折光用導光系３１によって導かれ、第１のビームスプリッタ４１に達し、第１のビームスプリッタ４１で反射して撮像素子２の撮像面に参照光として入射する。この際、第１オフアクシス用ミラー３１７が所定角度傾けられているため、参照光Ｌ７は物体光Ｌ６に対してオフアクシス角θが付いた状態で入射する。
撮像素子２の撮像面では、参照光Ｌ７と物体光Ｌ６とが干渉して干渉縞が形成され、この干渉縞が撮像面において撮像され、ホログラムデータが得られる。そして、ホログラムデータを同様に計算処理することで物体Ｓの再生像が形成される。
【００９１】
この第３の実施形態のデジタルホログラフィ装置によれば、ホログラムデータを計算処理して像を再生した際、真像が０次像や共役像から分離して形成されるので、より鮮明な真像を得ることができる。このため、物体Ｓ上のある点とある点との距離を計算したり、物体Ｓの状態を観察したりする場合、より好適となる。
また、第１オフアクシス用ミラー３１７と第２オフアクシス用ミラー３４９が撮像素子２に近いところに設けられているので、撮像素子２の撮像面に対する参照光の入射位置が大きくずれてしまう問題がない。その一方、参照光の光路長と物体光の光路長とが十分に一致するように工夫しているので、光源１の出力の時間的な変動によらず精度の高いホログラムデータが得られる。「十分に一致する」とは、光路長に差があっても可干渉性の点で問題が無い範囲であるという意味である。
オフアクシス用ミラーを使用してオフアクシス式の装置とすることは、第１の実施形態の装置においても可能である。第１の実施形態の場合、参照光用第２ミラー３３２をオフアクシス用ミラーに変更することになる。このように、オフアクシス手段としては、撮像素子２に達する参照光の光路上に一つのオフアクシス用ミラーがあれば足りる。
また、オフアクシス手段としては、ミラー以外の光学素子を用いることも原理的には可能である。例えば、プリズムのような光路を曲げる機能を有する光学素子を参照光の光路上に配置することでオフアクシスとすることができる。
【００９２】
また、オフアクシス以外の構成として、第１の実施形態の装置や第２の実施形態の装置において、位相シフト法により真像を０次像や共役像から分離するようにすることも可能である。この場合は、参照光導光系３３内に位相シフト素子を設けることになる。位相シフト素子としては、前述したようにピエゾ素子などの圧電素子やＳＬＭなどの光路長を変化させることができる素子である。位相シフト素子を配置する場所は、例えば第２の実施形態であれば、反射モード用の位相シフト素子を追加導光系３４内に配置し、透過モード用の位相シフト素子を反射回折光用導光系３１内（但し、物体Ｓと第１のビームスプリッタ４１の間の光路上は除く。例えば、第２のミラー３１２と第１のビームスプリッタ４１の間の位置）に配置するということになる。反射回折光用導光系３１内の位相シフト素子は、反射モードの際には光路から退避させるようにする。
なお、位相シフト法を採用すると、前述したように、物体Ｓが動くものの場合は実質的にホログラムデータを得ることができない。一方、第１第２の実施形態の装置（インライン式装置）や第３の実施形態の装置（オフアクシス式装置）では、物体Ｓが動くものであってもホログラムデータを得ることができる。つまり、再生像を動画として得ることができる。この点も各実施形態の装置のメリットである。
【００９３】
次に、参照光導光系の構成が異なる第４の実施形態について説明する。図１４は、本発明の第４の実施形態のデジタルホログラフィ装置の正面概略図である。
図１４に示すように、この第４の実施形態のデジタルホログラフィ装置においても、反射回折光用導光系３１と、透過回折光用導光系３２とが設けられている。これらの導光系３１，３２は、図３に示す第２の実施形態とほぼ同様である。この第４の実施形態が第２の実施形態と大きく異なるのは、参照光導光系３３が、参照光を物体光から抽出して撮像素子２に導くものとなっている点である。
【００９４】
具体的に説明すると、図１４に示すように、この実施形態では、参照光導光系３３は、第１のビームスプリッタ４１と撮像素子２との間の光路上に配置されている。参照光導光系３３は、一つのユニット９の要素として設けられている。このユニット９は、物体光を撮像素子２に導きつつ、物体光から参照光を抽出して撮像素子２に導くユニットである（以下、参照光抽出ユニット呼ぶ）。
【００９５】
物体光から参照光を抽出する手法としては、空間周波数フィルタリングの手法が採用される。物体光のうち、物体の形状や表面状態等に応じて波面（振幅又は位相）が変化している部分は、空間周波数が高い部分である。そのように物体の形状や表面状態等に応じて波面が変化している部分というのは、前述したように像を再生することで物体の形状や表面状態を表現し得る部分であり、物体情報を含んだ部分であると言える。一方、物体光のうち、屈折率が十分に一様な領域から出た回折光は、空間周波数が低く、物体を経ない光と同様であると扱える。つまり、物体光のうち、物体情報を表現し得る光というのは空間周波数が高い光であり、それを物体光から除去すれば、物体情報を含まない光（即ち、参照光）が抽出できる。これは、スペイシャルフィルタと同様の原理である。図１４に示す参照光抽出ユニット９は、このような抽出を行うユニットとなっている。
【００９６】
このような参照光抽出ユニット９については、幾つかの異なる光学系が考えられる。このうち、図１５には、二つの異なる例が示されている。図１５は、図１４に示す実施形態における参照光抽出ユニット９の例を示した正面概略図である。
図１５（１）に示す参照光抽出ユニット９は、物体光を分離して二つの異なる光軸に沿って進ませる分離素子９１と、参照光の抽出のために光を集光する抽出用レンズ９２と、抽出用レンズ９２による集光位置に配置された空間周波数フィルタ９３と、各光を平行光に戻して統合するコリメータレンズ９４等を備えたものとなっている。
分離素子９１としては、例えば特開平１０−１４１９１２号公報が開示するように回折格子を使用したり、または特開２００６−２９２９３９号公報が開示するように偏光ビームスプリッタを使用したりすることができる。
【００９７】
分離素子９１として回折格子が使用される場合を例にすると、物体光は分離素子９１により０次回折光と１次回折光に分離される。抽出用レンズ９２は、０次光回折光、１次回折光をそれぞれ集光するが、空間周波数フィルタ９３は、０次回折光が集光される光軸上の位置に設けられた開口９３１と、１次回折光が集光される光軸上の位置に設けられたピンホール９３２とを有する。開口９３１は、十分に大きいために物体光（０次回折光）について空間周波数を選択せずにそのまま通過させる。一方、ピンホール９３２は十分に小さいものであるため、低い周波数のみ通過させる。このため、１次回折光は物体情報を含まないものとなる。これらの光は、図１５（１）に示すようにコリメータレンズ９４により平行光に戻されながら統合され、撮像素子２の撮像面において重ね合わされる。
【００９８】
分離素子９１として偏光ビームスプリッタが使用される場合、物体光は、偏光方向が９０°異なる二つの偏光光に分離される。便宜上、二つの偏光光を第一偏光光と第二偏光光と呼ぶと、第一第二の二つの偏光光は同様に抽出用レンズ９２でそれぞれ集光され、空間周波数フィルタ９３に達する。空間周波数フィルタ９３の構造は上記と同様であり、第一偏光光の光軸上には十分に大きな開口９３１が形成され、第二偏光光の光軸上には十分に小さなピンホール９３２が形成される。第一偏光光は空間周波数によるフィルタリングがされずにそのまま開口９３１を通過し、物体光として撮像素子２に入射する。その一方、第二偏光光については空間周波数の高い成分が除去された状態でピンホール９３２を通過し、参照光となる。この光は、コリメータレンズ９４により第一偏光光（物体光）とともに平行光に戻されて第一偏光光に統合される。尚、図１５（１）中に点線で示すように、分離素子９１として偏光ビームスプリッタを使用する場合、空間周波数フィルタ９３のピンホール９３２の出射側に、１／２波長板９５が設けられる。参照光の偏光状態を物体光に一致させ、可干渉性を高めるためである。
【００９９】
分散素子９１としては、物体光を二つの光軸に沿って分離できるものであれば、上述した二つの例以外のものであっても良い。図１５（２）に示す例はこのうちの一つであり、通常のビームスプリッタを使用した例となっている。分離素子９１（ビームスプリッタ）で物体光を二つに分離し、一方の光軸上に抽出用レンズ９２と、空間周波数フィルタ９３と、コリメータレンズ９４とを設けた構成となっている。空間周波数フィルタ９３は、他方の光軸から大きく外れているため、物体光のための開口は不要であり、ピンホール９３２のみを有する構造となっている分離素子９１で分離された一方の光は、空間周波数フィルタ９３を通過する際に空間周波数の高い成分が除去されて参照光となり、コリメータレンズ９４で平行光に戻される。そして、統合用ビームスプリッタ９６で他方の光（物体光）と統合され、撮像素子２に入射する。
【０１００】
第４の実施形態では、図３に示す第２の実施形態と異なり、反射回折光用導光系３１が参照光導光系に兼用されていないので、第２のビームスプリッタ４５を駆動するのではなく、二つのシャッタの切替によって透過モードと反射モードとを切り替えている。即ち、図１４に示すように、主光路Ｐ上には第一のシャッタ３１９が設けられ、分岐光路Ｐｓ上には第二のシャッタ３２７が設けられている。透過モードの際には、第一のシャッタ３１９は閉じられ、第二のシャッタ３２７が開けられる。反射モードの際には、第一のシャッタ３１９が開けられ、第二のシャッタ３２７は閉じられる。
【０１０１】
尚、図１５（１）に示す例では、参照光は物体光に対してオフアクシスの状態で撮像素子２に入射するが、図１５（２）に示す例では、インラインの状態で入射する。図１５（２）に示す例でオフアクシスの状態にしたい場合、コリーメータレンズ９４と統合用ビームスプリッタ９６との間に配置されたミラー９７に駆動機構を付設してオフアクシス用ミラーとすれば良い。
上記第４の実施形態においても、参照光を得る構造が異なるのみで、他は前述した実施形態と同様である。反射モードと透過モードとを別々に行うことができ、物体の状態や形状等を詳しく調べるのに好適なものとなり、光学系の構成が簡略化される。
尚、図１５（２）に示す光学系において、物体光と参照光の光路長が異なることが可干渉性等の点で問題になる場合には、統合用ビームスプリッタ９６に代えてミラーを配置して物体光を下方に折り返し、ミラー９７に代えて統合用ビームスプリッタを配置し、空間周波数フィルタ９３から光軸を直線的に延ばした位置に撮像素子２を配置するようにすれば良い。
【０１０２】
上述した各実施形態において、撮像光学系５は、前述したようにホログラムのタイプによって適宜構成が変更される。フレネル回折を利用するフレネルホログラムの場合やレンズレスフーリエ変換ホログラムとする場合には、撮像光学系５が設けられない場合もある。レンズレスフーリエ変換ホログラムの場合、参照光導光系３３は、参照光を球面波にして撮像素子２の撮像面に入射させるレンズを含むことになる。
また、上記各実施形態において、撮像光学系５は、対物レンズ５１と結像レンズ５２とを有するものであったが、これは一例であり、レンズが一つの場合もある。レンズを二つ以上用いる場合であっても、イメージホログラムのように撮像面上に像を結ぶ場合もあるが、これは必須ではないから、一方のレンズが結像レンズ５２と呼べない場合もあり、第１対物レンズ、第２対物レンズのように呼ばれることもある。
【０１０３】
上記各実施形態の装置では、反射回折光用の光が物体Ｓに入射する向きと透過回折光用の光が物体Ｓに入射する向きは１８０°異なっている。しかしながら、これは本発明において必須の要件ではない。物体Ｓから撮像素子２に至る直線状の撮像光路Ｐｉの光軸を基準にして考えた場合、反射回折光用の光を光軸に対して斜めに入射させる場合もあるし、透過回折光用の光を光軸に対して斜めに入射させる場合もある。したがって、物体Ｓの位置を原点とした直交座標で考え、「第１の側」をその第１象限及び第２象限とした場合、「第２の側」とはその第３象限及び第４象限ということになる。
【０１０４】
また、上記各実施形態では、反射モード時には第１のビームスプリッタ４１で反射した光が物体Ｓに達し、透過モード時には第１のビームスプリッタ４１で反射した光が参照光として撮像素子２に達した。この構成は、本発明において必須の条件ではなく、他の構成もあり得る。すなわち、反射モード時に第１のビームスプリッタ４１を透過した光が物体に達し、透過モード時には第１のビームスプリッタを透過した光が参照光として撮像素子に達するようにしても良い。具体的には、反射モードでは、図３に示す第２の実施形態において物体Ｓが置かれている位置に折り返しミラーを置き、第４のミラー３４１が置かれている位置に物体を置く。透過モードの際には、物体の位置は図３の場合と変えずに第４のミラー３４１の位置に撮像素子を置き、第１のビームスプリッタを同様に９０°向きを変える。このようにしても、本発明の実施は可能である。但し、物体から撮像素子に至る撮像光路が第１のビームスプリッタ４１のところで９０°折れ曲がった状態になるので、光軸調整の容易さや得られるホログラムデータの精度といった点では、上記各実施形態に劣る。
【０１０５】
上記の点に関連するが、第２の実施形態や第３の実施形態において、第１のビームスプリッタ４１についての「第１の状態」や「第２の状態」は広義に解される必要がある。例えば、第１のビームスプリッタとして機能するビームスプリッタを二つ用意し、反射モード用と透過モード用とで使い分ける構成も考えられる。図７（Ａ）に示すように反射面が斜め左上から斜め右下に延びる姿勢のビームスプリッタと、図７（Ｂ）に示すように反射面が斜め左下から斜め右上に延びるビームスプリッタとを用意し、適宜の切替機構で光路上に切り替えて配置する構成が考えられる。このような構成も、「第１の状態」及び「第２の状態」の概念の範囲内である。
【符号の説明】
【０１０６】
１  光源
２  撮像素子
３１  反射回折光用導光系
３２  透過回折光用導光系
３３  参照光導光系
３４  追加導光系
４１  第１のビームスプリッタ
４５  第２のビームスプリッタ
５  撮像光学系
６  制御系
６１  制御ボード
６２  切替プログラム
６３  コンピュータ
【図１】
2013047709.tif 000007
【図２】
2013047709.tif 000008
【図３】
2013047709.tif 000009
【図４】
2013047709.tif 000010
【図５】
2013047709.tif 000011
【図６】
2013047709.tif 000012
【図７】
2013047709.tif 000013
【図８】
2013047709.tif 000014
【図９】
2013047709.tif 000015
【図１０】
2013047709.tif 000016
【図１１】
2013047709.tif 000017
【図１２】
2013047709.tif 000018
【図１３】
2013047709.tif 000019
【図１４】
2013047709.tif 000020
【図１５】
2013047709.tif 000021
【図１６】
2013047709.tif 000022
【図１７】
2013047709.tif 000023
【図１８】
2013047709.tif 000024
【図１９】
2013047709.tif 000025
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月12日(2013.3.12)
【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】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、光源から放出された光を物体を経ることなく導いて得られた参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ方法であって、
光源からの光を第１の側から物体に照射した際に物体から第１の側に反射して出射する反射回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する反射モードを行うステップと、
光源からの光を第１の側とは反対側の第２の側から物体に照射した際に第１の側に透過して出射する透過回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する透過モードを行うステップとを有しており、
前記反射モードを行うステップと前記透過モードを行うステップとは、択一的に選択されて互いに異なる時間帯に行われるものであることを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
【請求項２】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、物体からの回折光から物体情報を含まない状態で抽出した参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ方法であって、
光源からの光を第１の側から物体に照射した際に物体から第１の側に反射して出射する反射回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する反射モードを行うステップと、
光源からの光を第１の側とは反対側の第２の側から物体に照射した際に第１の側に透過して出射する透過回折光と前記参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得する透過モードを行うステップとを有しており、
前記反射モードを行うステップと前記透過モードを行うステップとは、択一的に選択されて互いに異なる時間帯に行われるものであることを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
【請求項３】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、光源から放出された光を物体を経ることなく導いて得られた参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ装置であって、
光が物体に反射して出射する回折光である反射回折光を得るために光源からの光を物体まで導く反射回折光用導光系と、
光が物体を透過して出射する回折光である透過回折光を得るために光源からの光を物体まで導く透過回折光用導光系と、
反射回折光が入射可能な位置であるとともに透過回折光が入射可能な位置に撮像面が位置する撮像素子と、
光源からの光を物体を経ずに撮像素子の撮像面に導く参照光導光系とを備えており、
撮像素子の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを択一的に選択する選択用光学素子が設けられており、
前記反射回折光用導光系は、前記光源からの光を前記物体に対して第１の側から照射するものであり、
前記透過回折光用導光系は、前記光源からの光を第１の側とは反対の第２の側から前記物体に照射するものであり、
前記物体から前記撮像素子の撮像面に至る光路である撮像光路が前記物体の第１の側に設定されていることを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項４】
光源から放出された光を物体に照射して得られた物体からの回折光と、物体からの回折光から物体情報を含まない状態で抽出した参照光とを撮像素子の撮像面で干渉させてホログラムデータを取得するデジタルホログラフィ装置であって、
光が物体に反射して出射する回折光である反射回折光を得るために光源からの光を物体まで導く反射回折光用導光系と、
光が物体を透過して出射する回折光である透過回折光を得るために光源からの光を物体まで導く透過回折光用導光系と、
反射回折光が入射可能な位置であるとともに透過回折光が入射可能な位置に撮像面が位置する撮像素子と、
反射回折光又は透過回折光から物体情報を含まない状態で参照光を抽出して撮像素子の撮像面に導く参照光導光系とを備えており、
撮像素子の撮像面に反射回折光を入射させて反射モードとするか透過回折光を入射させて透過モードとするかを択一的に選択する選択用光学素子が設けられており、
前記反射回折光用導光系は、前記光源からの光を前記物体に対して第１の側から照射するものであり、
前記透過回折光用導光系は、前記光源からの光を第１の側とは反対の第２の側から前記物体に照射するものであり、
前記物体から前記撮像素子の撮像面に至る光路である撮像光路が前記物体の第１の側に設定されていることを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項５】
前記撮像光路上には、レンズを含む撮像光学系が設けられていることを特徴とする請求項３記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項６】
前記撮像光学系は、前記反射モードと前記透過モードとで少なくとも一部の光学素子を共用するものであることを特徴とする請求項５記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項７】
前記撮像光学系は、テレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項３、４、５又は６記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項８】
前記撮像光路は、前記物体から前記撮像面に一直線に延びるものであることを特徴とする請求項３乃至７いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項９】
前記反射回折光用導光系は、前記撮像光路を通って光を前記物体に導くものであって、前記撮像光路に達するまでの光路上に第１のスペイシャルフィルタを備えているとともに第１のスペイシャルフィルタから前記撮像光路に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えており、
前記透過回折光用導光系は、第２のスペイシャルフィルタを備えているとともに第２のスペイシャルフィルタから前記物体に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えていることを特徴とする請求項３乃至８いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１０】
前記撮像光路上には、レンズを含む撮像光学系が設けられていることを特徴とする請求項４記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１１】
前記撮像光学系は、前記反射モードと前記透過モードとで少なくとも一部の光学素子を共用するものであることを特徴とする請求項１０記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１２】
前記撮像光学系は、テレセントリックな光学系であることを特徴とする請求項３、４、１０又は１１記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１３】
前記撮像光路は、前記物体から前記撮像面に一直線に延びるものであることを特徴とする請求項１０乃至１２いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１４】
前記反射回折光用導光系は、前記撮像光路を通って光を前記物体に導くものであって、前記撮像光路に達するまでの光路上に第１のスペイシャルフィルタを備えているとともに第１のスペイシャルフィルタから前記撮像光路に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えており、
前記透過回折光用導光系は、第２のスペイシャルフィルタを備えているとともに第２のスペイシャルフィルタから前記物体に達するまでの光路上に０個又は１個のみのミラーを備えていることを特徴とする請求項１０乃至１３いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１５】
前記選択用光学素子として、前記光源から延びる主光路上に配置された第１の選択用光学素子を備えており、主光路は、前記反射回折光用導光系の光路と前記透過回折光用導光系の光路とに分岐しており、第１の選択用光学素子は、前記光源からの光を前記反射回折光用導光系の光路に沿って進ませるか前記透過回折光用導光系の光路に沿って進ませるかを択一的に選択するものであることを特徴とする請求項３乃至１４いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１６】
前記撮像光路上には第１のビームスプリッタが設けられており、前記反射回折光用導光系は、光源からの光を第１のビームスプリッタに導くものであり、第１のビームスプリッタは、反射モードの際に前記反射回折光用導光系で導かれた光を分割してその一方を前記物体に向かわせる第１の状態を取るものであることを特徴とする請求項３乃至１５いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１７】
前記選択用光学素子として、前記光源から延びる主光路上に配置された第１の選択用光学素子を備えており、主光路は、前記反射回折光用導光系の光路と前記透過回折光用導光系の光路とに分岐しており、第１の選択用光学素子は、前記光源からの光を前記反射回折光用導光系の光路に沿って進ませるか前記透過回折光用導光系の光路に沿って進ませるかを択一的に選択するものであり、
前記撮像光路上には第１のビームスプリッタが設けられており、前記反射回折光用導光系は、光源からの光を第１のビームスプリッタに導くものであり、第１のビームスプリッタは、反射モードの際に前記反射回折光用導光系で導かれた光を分割してその一方を前記物体に向かわせる第１の状態を取るものであり、
前記参照光導光系は、反射モードの際に前記第１のビームスプリッタで分割された他方の光を前記物体を経ずに前記撮像素子の撮像面に導くものであり、
前記第１の選択用光学素子は、第２のビームスプリッタであって、第２のビームスプリッタの配置位置を変更する駆動部が設けられており、駆動部は、反射モードの際には第２のビームスプリッタを主光路から外れた位置として光が前記透過回折光用導光系の光路に進まないようにするとともに、透過モードの際には第２のビームスプリッタを主光路上に配置して光の一部が前記透過回折光用導光系の光路に沿って進むようにするものであり、
前記第１のビームスプリッタは第２の選択用光学素子として配置されており、前記第１のビームスプリッタには前記第１のビームスプリッタの状態を変更する切替部が設けられており、
前記切替部は、反射モードの際には前記第１のビームスプリッタを前記第１の状態とするものであり、透過モードの際には、前記第１のビームスプリッタを第２の状態とするものであり、該第２の状態は、前記反射回折光用導光系が前記参照光導光系として兼用されるよう、前記反射回折光用導光系で導かれて前記第１のビームスプリッタに達した光が前記物体を経ずに前記撮像素子の撮像面に入射する状態であることを特徴とする請求項３，５，６，７，８又は９記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１８】
前記参照光導光系は、反射モードの際、前記第１のビームスプリッタを透過した前記他方の光が前記第１のビームスプリッタを経て前記撮像素子の撮像面に入射するよう該他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻すものであり、
該他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す光路上に配置されることが可能なビームストッパと、ビームストッパを駆動するストッパ駆動部とが設けられており、ストッパ駆動部は、反射モードの際にはビームストッパを光路上に配置せず、透過モードの際にはビームストッパを光路上に配置するものであることを特徴とする請求項１７記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１９】
前記参照光導光系は、前記撮像素子の撮像面に入射する際の前記反射回折光又は前記透過回折光の方向に対して所定の角度が付与された状態で参照光を前記撮像素子の撮像面に入射させるオフアクシス用光学素子を備えていることを特徴とする請求項３乃至１７いずれかに記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項２０】
前記撮像素子の撮像面に入射する際の前記反射回折光又は前記透過回折光の方向に対して所定の角度が付与された状態で参照光を前記撮像素子の撮像面に入射させるオフアクシス用光学素子が設けられており、
オフアクシス用光学素子は、前記反射回折光用導光系が前記第１のビームスプリッタの手前の光路上に備える第１オフアクシス用ミラーと、前記参照光導光系が前記他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す際の光路上に備えた第２オフアクシス用ミラーであり、
第１オフアクシス用ミラーには駆動部が設けられており、この駆動部は、反射モードの際には該第１オフアクシス用ミラーを第１の姿勢とし、透過モードの際には該第１オフアクシス用ミラーを第２の姿勢とするものであり、
第１の姿勢は、該第１オフアクシス用ミラーによっては前記所定の角度が付与されない姿勢であり、第２の姿勢は、該第１オフアクシス用ミラーによって前記所定の角度が付与される姿勢であることを特徴とする請求項１８記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項２１】
前記第１のビームスプリッタから前記光源に向けて光の進行方向とは逆向きに光路をたどった際、前記第１オフアクシス用ミラーは最初のミラーであり、
前記参照光導光系が前記他方の光を前記第１のビームスプリッタに戻す光路上において前記第１のビームスプリッタから光の進行方向とは逆向きにたどった際、前記第２オフアクシス用ミラーは最初のミラーであることを特徴とする請求項２０記載のデジタルホログラフィ装置。
【国際調査報告】
2013047709.tif 000026
2013047709.tif 000027
2013047709.tif 000028
2013047709.tif 000029