(57)【要約】【課題】任意のサイズの複素振幅画像の再生像を任意の空間に再現する。【解決手段】空間光変調器１５と、ＦＴレンズ１２と、ランダム拡散板１１ａと、を備え、ランダム拡散板１１ａがＦＴレンズ１２Ｌのフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に配置されている。【選択図】図６
2015036799.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
散乱位相画像の光波を出力する少なくとも一つの空間光変調器と、
入射された光波に対して逆フーリエ変換を施す逆変換レンズと、
入射された光波を拡散する拡散部材と、を備え、
上記拡散部材が上記逆変換レンズのフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に配置されていることを特徴とする複素振幅画像再生装置。
【請求項２】
上記逆変換レンズは、上記空間光変調器から出力された散乱位相画像の光波に対して逆フーリエ変換を施すことを特徴とする請求項１に記載の複素振幅画像再生装置。
【請求項３】
上記逆変換レンズによる逆フーリエ変換像の光波が上記拡散部材で拡散されて生じた拡散光に対してフーリエ変換を施す変換レンズを備えていることを特徴とする請求項１または２に記載の複素振幅画像再生装置。
【請求項４】
上記変換レンズによるフーリエ変換像から生成される複素振幅画像を表示する表示部を備えていることを特徴とする請求項３に記載の複素振幅画像再生装置。
【請求項５】
上記拡散部材で拡散されて生じた拡散光から生ずる複素振幅画像を表示する表示部が、上記拡散部材に対してフレネル領域またはフラウンホーファー領域に配置されていることを特徴とする請求項４に記載の複素振幅画像再生装置。
【請求項６】
上記表示部に表示される複素振幅画像の解像度が、上記空間光変調器から出力される散乱位相画像の解像度と等しいことを特徴とする請求項４または５に記載の複素振幅画像再生装置。
【請求項７】
上記空間光変調器は、光波の位相のみを出力する位相変調型の空間光変調器であることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の複素振幅画像再生装置。
【請求項８】
散乱位相画像に対して逆フーリエ変換を施す逆変換ステップと、
上記逆変換ステップにて生成される逆フーリエ変換像に対して拡散部材の透過関数を乗算する乗算ステップと、を含み、
上記逆フーリエ変換像に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に上記拡散部材が配置されているという条件下で行うことを特徴とする複素振幅画像再生方法。
【請求項９】
上記乗算ステップにて上記逆フーリエ変換像に対して上記拡散部材の透過関数を乗算することによって生成される像に対してフーリエ変換を施す変換ステップを含むことを特徴とする請求項８に記載の複素振幅画像再生方法。
【請求項１０】
上記逆フーリエ変換像に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面に上記拡散部材が配置されているという条件下で行うことを特徴とする請求項８または９に記載の複素振幅画像再生方法。
【請求項１１】
光波を拡散する拡散部材と、
複素振幅画像に由来する光波が上記拡散部材で拡散されて生じた拡散光に対して逆フーリエ変換を施す逆変換レンズと、
上記逆変換レンズによる逆変換像の光波の散乱波面を解析して散乱位相画像を生成する画像生成部と、を備え、
上記拡散部材が上記逆変換レンズのフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に配置されていることを特徴とする散乱位相画像生成装置。
【請求項１２】
上記複素振幅画像の光波が上記拡散部材で拡散される前に、当該複素振幅画像の光波に対してフーリエ変換を施す変換レンズを備えていることを特徴とする請求項１１に記載の散乱位相画像生成装置。
【請求項１３】
複素振幅画像に由来する光波に対して拡散部材の透過関数を乗算する乗算ステップと、
上記乗算ステップにて上記複素振幅画像に由来する光波に対して上記拡散部材の透過関数を乗算することによって生成される像に対して逆フーリエ変換を施す逆変換ステップと、を含み、
上記複素振幅画像に由来する光波に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に上記拡散部材が配置されているという条件下で行うことを特徴とする散乱位相画像生成方法。
【請求項１４】
上記複素振幅画像の光波に対して上記拡散部材の透過関数を乗算する前に、当該複素振幅画像の光波に対してフーリエ変換を施す変換ステップを含むことを特徴とする請求項１３に記載の散乱位相画像生成方法。
【請求項１５】
上記複素振幅画像に由来する光波または上記複素振幅画像の光波に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面に上記拡散部材が配置されているという条件下で行うことを特徴とする請求項１３または１４に記載の散乱位相画像生成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複素振幅画像再生装置および複素振幅画像再生方法、ならびに散乱位相画像生成装置および散乱位相画像生成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光複素振幅場（光の位相および振幅）を生成する技術もしくは操作する技術は光学分野において極めて重要な役割を担っている。光複素振幅場の生成および操作は、高次ベッセルビームやラゲールガウスビーム等のビーム形成、光ピンセット〔非特許文献１参照〕、ホログラフィックメモリ、３Ｄ（３次元）ディスプレイ、および、大気揺らぎの補正〔非特許文献２参照〕などのあらゆる分野で応用されている。この光複素振幅場の生成もしくは操作を実現するデバイスとして、上述した応用分野を含めほとんどの場合において、空間光変調器（ＳＬＭ： Spatial Light Modulator；以下、「ＳＬＭ」と略称する）が用いられている。電気的な制御が可能なＳＬＭは、１０６ピクセル程度の高解像度のデータページで、かつ６０Ｈｚ程度のリフレッシュレートで変調パターンを再構成可能である点など、非常に自由度が高い素子である。
【０００３】
ＳＬＭを活用して光複素振幅場を生成もしくは操作する方法として、キノフォームと呼ばれる技術が古くから提案されている［非特許文献５参照］。このキノフォームは、入射光エネルギーを全て所望の複素振幅を持つ回折光に費やすことができるという利点がある。図２３の（ａ）に示す光学系３０１ａは、従来のキノフォーム画像の生成過程を実現する光学系の一例である。また、図２３の（ｂ）に示す光学系３０１ｂは、従来のキノフォームを利用した複素振幅情報の再生過程を実現する光学系の一例である。なお、これらの図において「ＦＴ」は、フーリエ変換の略称を示す。
【０００４】
図２３の（ａ）に示す光学系３０１ａの入力空間（ＦＴ面近傍に限定される）に入力された入力像としての２Ｄ像または３Ｄ像の光波は、ＦＴレンズによってフーリエ変換を施され、出力面にてキノフォーム画像に変換される。次に、図２３の（ｂ）に示す光学系３０１ｂでは、ＳＬＭにて表示された散乱位相画像の光波はＦＴレンズによって逆フーリエ変換を施され、再生空間（ＦＴ面近傍に限定される）にて元の２Ｄ像または３Ｄ像が再生される。
【０００５】
この方法では、「拡散性の強い物体のフーリエ変換分布は、散乱波面を形成し、その散乱波面における位相分布は元物体のほとんど全ての重要な特徴を保持している」という統計的な性質を基に、散乱位相画像のみをＳＬＭに表示し、振幅と位相とを含む元物体の複素振幅情報を再生する。
【０００６】
また、この方法では、上記の統計的な性質を基に、入射光に対して位相画像を変調することで元物体の複素振幅情報を再生する。この方法は、ホログラムの代りに位相画像をＳＬＭに表示するため、入射光のエネルギーおよびＳＬＭの空間バンド幅を全て所望の複素振幅場のみに費やすことができるというメリットがある。また、この方法では、参照光の生成や不要な回折次成分の分離にかかる処理を省略することもできるため、動画再生や３Ｄディスプレイへの応用においては大きな優位性を持つという特長がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０５３１９８号パンフレット（２０１２年４月２６日国際公開）
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】A.Ashkin, J.M.Dziedzic, J.E.Bjorkholm, and S.Chu "Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles," Opt. Lett., Vol.5,288(1986).
【非特許文献２】J.M.Beckers, "Adaptive optics for astronomy-principles, performance, and applications," Annu. Rev. Astron. Astrophys., Vol.31, 13(1993).
【非特許文献３】L.G.Neto, D.Roberge, and Y.Sheng, "Full-range, continuous, complex modulation by the use of two coupled-mode liquid-crystal televisions," Appl. Phys., Vol.35, 4567(1996).
【非特許文献４】V.Arrizon, G.Mendezm and D.Sanchez-de-La-Llave, "Accurate encoding of arbitrary complex fields with amplitude-only liquid crystal spatial light modulators," Opt. Express, Vol.13, 7913 (2005).
【非特許文献５】L.B.Lesem, P.M.Hirch, and J.A.Jordan, Jr., "The Kinoform; A New Wavefront Reconstruction Device," IBM J. RES. DEVELOP., Vol.13, 150(1969).
【非特許文献６】I.Yamaguchi and T.Zhang, "Phase-shifting digital holography," Opt. Lett., Vol.22, 1268(1997).
【非特許文献７】A.Okamoto, K.Kunori, M.Takabayashi, A.Tomita, and K.Sato, "Holographic diversity interferometry for optical storage," Opt. Express, Vol.19, 13436(2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述した従来のキノフォームは、入力像の入力可能な空間、および再生像の再生可能な空間がフーリエ変換面の近傍に限られるという極めて重大な欠点を持つため、例えば、３Ｄディスプレイへの応用において、数ｍｍ程度の非常に小さい再生像しか得られないという問題点がある。すなわち、キノフォームでは、レンズによるフーリエ変換面の近傍、または、遠方場におけるフーリエ変換面の近傍においてのみ、任意の複素振幅情報を再生可能である。複素振幅情報の再生がフーリエ変換レンズによって実現される場合、再生される複素振幅物体像はごく小さいものに限られる。例えば、レンズの焦点距離が１００ｍｍ、光源波長が５３２ｎｍ、ＳＬＭのピクセルサイズが２０μｍの場合、再生像の大きさは約２．５ｍｍにしかならない。この点が、３Ｄディスプレイ実用化の大きな障害になっている。一方、遠方場におけるフーリエ変換を使う場合、ＳＬＭ面から大きく離れた位置に物体像が再生されてしまうため、現実的ではない。
【００１０】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その第１の目的は、任意のサイズの複素振幅画像の再生像を任意の空間に再現することができる複素振幅画像再生装置などを提供することである。また、第２の目的は、複素振幅画像の再生に好適に用いることのできる散乱位相画像を生成することができる散乱位相画像生成装置などを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る複素振幅画像再生装置は、散乱位相画像の光波を出力する少なくとも一つの空間光変調器と、入射された光波に対して逆フーリエ変換を施す逆変換レンズと、入射された光波を拡散する拡散部材と、を備え、上記拡散部材が上記逆変換レンズのフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る複素振幅画像再生方法は、散乱位相画像に対して逆フーリエ変換を施す逆変換ステップと、上記逆変換ステップにて生成される逆フーリエ変換像に対して拡散部材の透過関数を乗算する乗算ステップと、を含み、上記逆フーリエ変換像に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に上記拡散部材が配置されているという条件下で行うことを特徴とする。
【００１３】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る散乱位相画像生成装置は、光波を拡散する拡散部材と、複素振幅画像に由来する光波が上記拡散部材で拡散されて生じた拡散光に対して逆フーリエ変換を施す逆変換レンズと、上記逆変換レンズによる逆変換像の光波の散乱波面を解析して散乱位相画像を生成する画像生成部と、を備え、上記拡散部材が上記逆変換レンズのフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に配置されていることを特徴とする。
【００１４】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る散乱位相画像生成方法は、複素振幅画像に由来する光波に対して拡散部材の透過関数を乗算する乗算ステップと、上記乗算ステップにて上記複素振幅画像に由来する光波に対して上記拡散部材の透過関数を乗算することによって生成される像に対して逆フーリエ変換を施す逆変換ステップと、を含み、上記複素振幅画像に由来する光波に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に上記拡散部材が配置されているという条件下で行うことを特徴とする散乱位相画像生成方法。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の一態様によれば、任意のサイズの複素振幅画像の再生像を任意の空間に再現することができるという効果を奏する。また、本発明の一態様によれば、複素振幅画像の再生に好適に用いることのできる散乱位相画像を生成することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る散乱位相画像生成装置の概要構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の一形態に係る散乱位相画像の生成過程における数値解析モデルの一例を示す図である。
【図３】本発明の実施の一形態に係る複素振幅画像再生装置の概要構成を示す図である。
【図４】本発明の実施の一形態に係る複素振幅画像の再生過程における数値解析モデルの一例を示す図である。
【図５】本発明を３Ｄディスプレイに適用する場合における散乱位相画像の生成過程を実現する光学系または仮想光学系の一例を示す図であり、（ａ）は、散乱位相画像の光学的生成過程を実現する光学系の一例を示し、（ｂ）は、散乱位相画像の電子的生成過程を実現するコンピュータ上の仮想光学系の一例を示す。
【図６】本発明を３Ｄディスプレイに適用する場合における３Ｄ像（複素振幅画像）の光学的再生過程を実現する光学系の例を示す図であり、（ａ）は、空間光変調器から発生する光波の進行方向に対して、ＦＴレンズおよびランダム拡散板をこの順序で配置するとともに、ランダム拡散板をフーリエ変換面に配置した光学系の一例を示し、（ｂ）は、（ａ）のＦＴレンズおよびランダム拡散板の位置関係を光波の進行方向に対して逆にした光学系の一例を示し、（ｃ）は、ランダム拡散板がフーリエ変換面からずれた位置に配置されている光学系の一例を示す。
【図７】本発明をホログラフィックメモリに適用する場合における散乱位相画像の電子的生成過程を実現する仮想光学系の一例を示す図である。
【図８】本発明をホログラフィックメモリに適用する場合における散乱位相画像および空間直交振幅変調信号の再生過程を実現する光学系の一例を示す図であり、（ａ）は、ホログラフィック媒質への散乱位相画像の光学的記録・再生過程を実現する光学系の一例を示し、（ｂ）は、空間強度変調と空間位相変調とを組み合わせた空間直交振幅変調信号の電子的再生過程を実現する仮想光学系の一例を示す。
【図９】本発明を光断層撮影装置に適用する場合における光学系の一例を示す図である。
【図１０】本発明の散乱位相画像の生成過程および複素振幅画像の再生過程における数値解析パラメータおよび実験パラメータを示す図である。
【図１１】本発明に係る強度画像および位相画像の例を示す図であり、（ａ）は、散乱位相画像の生成過程における入力像の強度画像（元の強度画像）の一例を示し、（ｂ）は、散乱位相画像の生成過程における入力像の位相画像（元の位相画像）の一例を示し、（ｃ）は、複素振幅画像の再生過程における再生像の強度画像（再生強度画像）の一例を示し、（ｄ）は、複素振幅画像の再生過程における再生像の位相画像（再生位相画像）の一例を示す。
【図１２】複素振幅画像の再生品質のランダム拡散板の拡散角依存性（数値解析結果）を示す図である。
【図１３】本発明に係る実施例の実験系を示す図である。
【図１４】上記実施例の実験系に関連する画像の例を示す図であり、（ａ）は、元の強度画像の一例を示し、（ｂ）は、元の位相画像の一例を示し、（ｃ）は、ＳＬＭ面に表示する散乱位相画像の一例を示し、（ｄ）は、ＣＣＤ面における計測位相画像の一例を示し、（ｅ）は、再生振幅画像（再生強度画像）の一例を示し、（ｆ）は、再生位相画像の一例を示す。
【図１５】複素振幅画像の再生品質のランダム拡散板の拡散角依存性（実験結果）を示す図である。
【図１６】移動操作を加える前の元画像の一例を示す図であり、（ａ）は、背景画像の強度成分の一例を示し、（ｂ）は、物体画像の強度成分の一例を示す図であり、（ｃ）は、背景画像の位相成分の一例を示す図であり、（ｄ）は、物体画像の位相成分の一例を示す図である。
【図１７】物体の原点位置からのシフト量（Δｐｘ）が所定値をとるときの再生画像の例を示す図であり、（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、Δｐｘ＝０における再生画像の強度成分および位相成分を示し、（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、Δｐｘ＝−２００における再生画像の強度成分および位相成分を示し、（ｅ）および（ｆ）は、それぞれ、Δｐｘ＝２００における再生画像の強度成分および位相成分を示す。
【図１８】本発明を具現化する形態で利用可能な位相測定方法の一例を示す図である。
【図１９】本発明を具現化する形態で利用可能な位相測定方法の別の例を示す図である。
【図２０】本発明を具現化する形態で利用可能な空間直交振幅変調信号の生成方法の一例を示す図である。
【図２１】本発明を具現化する形態で利用可能な空間直交振幅変調信号の生成方法の別の例を示す図である。
【図２２】本発明を具現化する形態で利用可能な記録再生装置の要部構成を示す図であり、（ａ）は、空間光変調器とランダム拡散板との組合せで空間位相変調を行う形態を示し、（ｂ）は、（ａ）の変形例として空間光変調器のみで空間位相変調を行う形態を示す。
【図２３】従来のキノフォームを説明するための図であり、（ａ）は、キノフォーム画像の生成過程を示し、（ｂ）は、複素振幅情報の再生過程を示す。
【図２４】光断層撮影技術を実現する光学系を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の一実施形態について図１〜図２２に基づいて説明すれば、次の通りである。以下の特定の項目で説明する構成以外の構成については、必要に応じて説明を省略する場合があるが、他の項目で説明されている場合は、その構成と同じである。また、説明の便宜上、各項目に示した部材と同一の機能を有する部材については、同一の符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００１８】
〔従来技術の問題点について〕
ＳＬＭを活用して光複素振幅場を生成もしくは操作する方法としては、二つのＳＬＭを直列に繋ぐ第１の方法が最も一般的である。しかし、通常のＳＬＭは、所望の強度変調を加えようとする場合、不要な位相変調も付随してしまう。このため、第１の方法では、複数の偏光子および検光子を用いて各ＳＬＭの変調特性を複雑に制御しなければならないという問題点がある。また、第１の方法では、二つのＳＬＭのそれぞれをピクセルサイズの単位で精確に調整しなければならず、また、光の回折の影響も無視できないという問題点もある。従って、振動などが激しい環境下において、第１の方法は十分に機能しない等の課題があるため、ほとんど用いられることがない。
【００１９】
第１の方法とは異なる有力な現状技術として、off-axis型計算機合成ホログラム(ＣＧＨ: Computer Generated Holograms；以下、「off-axis型ＣＧＨ」と略称する)をＳＬＭに表示することで、光複素振幅場を生成する第２の方法がある。off-axis型ＣＧＨは最も一般的な光複素振幅場生成技術であり、この第２の方法では、単一のＳＬＭのみで実現できるため、装置の低コスト化が可能である。しかしながら、第２の方法によって生成可能な光複素振幅場の解像度は、ＳＬＭの解像度より遥かに劣るという別の問題点がある。具体的には、例えば、ＳＬＭの１００ピクセルで、ようやく１ピクセルの光複素振幅場が生成できる程度である。また、第２の方法では、所望の回折光以外に不要な回折光が生じるため、ＳＬＭへの入射光のエネルギーは、各回折光へ分散してしまう。そのため、達成可能な回折効率は最大で約３０％程度でしかない。
【００２０】
これに対して、入射光エネルギーを全て所望の複素振幅を持つ回折光に費やすことができる方法として、キノフォームと呼ばれる技術が古くから提案されている（以下、第３の方法という）。この第３の方法は、「拡散性の強い物体のフーリエ変換分布は、散乱波面を形成し、その散乱波面における位相分布は元物体のほとんど全ての重要な特徴を保持している」という統計的な性質を基に、散乱位相画像のみをＳＬＭに表示し、振幅と位相とを含む元物体の複素振幅情報を再生する。しかしながら、この第３の方法は、「再生可能な空間がフーリエ変換面の近傍に限られる」という極めて重大な欠点を持つため、例えば、３Ｄディスプレイへの応用において、数ｍｍ程度の非常に小さい再生像しか得られないという問題点がある。
【００２１】
以下、上述した従来の光複素振幅場生成技術の概要について纏める。
【００２２】
（１）上述した第１の方法では、二つのＳＬＭを、４ｆ光学系を挟んで直列に配置することで任意の光複素振幅場を生成する［非特許文献３参照］。しかし、一般的なＴＮ（Twisted Nematic）型ＳＬＭでは、所望の空間強度変調をかけるとき、同時に不要な位相変調が掛かってしまう。また、その逆に、所望の空間位相変調を掛けるとき、同時に不要な強度変調が掛かってしまう。すなわち、第１の方法では、各々のＳＬＭで強度と位相とを独立に変調して光複素振幅場を合成することはできないという問題点がある。しかしながら、第１の方法では、各ＳＬＭの変調特性を検光子と偏光子とで巧みに調整することで、任意の光複素振幅場を合成することが可能である。すなわち、第１の方法では、検光子と偏光子とを用いることで、ＳＬＭの解像度と等価な光複素振幅場を生成可能である点が大きな特長である。
【００２３】
（２）次に、上述した第２の方法では、ＳＬＭにoff-axis型ＣＧＨを表示することで所望の複素振幅場を回折させる［非特許文献４参照］。この第２の方法では、予めコンピュータ上で、任意の光複素振幅場を持つ信号光と参照光とを用意し、それらの干渉縞を計算しておく。その後、実光学系におけるＳＬＭに計算したoff-axis型ＣＧＨを表示させ、参照光を照射することで、表現した光複素振幅場を得ることができる。この第２の方法は、上述した第１の方法と比較して、単一のＳＬＭで実現できるため、光学系を簡略化できると共に装置のコストを抑えることができるというメリットがある。
【００２４】
（３）次に、上述したoff-axis型ＣＧＨ（第２の方法）の持つ欠点を解決できるＣＧＨ技術として、キノフォームという第３の方法がある［非特許文献５参照］。この第３の方法は、「散乱物体から回折される光散乱波面において、位相分布は元物体におけるほとんど全ての重要な特徴を有している」という統計的性質に基づき、入射光に対して位相画像を変調することで元物体の複素振幅情報を再生する。この第３の方法は、ホログラムの代りに位相画像をＳＬＭに表示するため、入射光のエネルギーおよびＳＬＭの空間バンド幅を全て所望の複素振幅場のみに費やすことができるというメリットがある。また、第３の方法は、上述した第２の方法と比較して、参照光の生成や不要な回折次成分の分離にかかる処理を省略することもできるため、動画再生や３Ｄディスプレイへの応用においては大きな優位性を持つという特長がある。
【００２５】
しかしながら、上述した従来の光複素振幅生成方法は、いずれも利点を有していると同時に、いくつかの欠点も有している。そこで、上述した第１〜第３のそれぞれの方法における解決すべき問題点について以下に説明する。
【００２６】
（１）上記の第１の方法は、二つのＳＬＭをピクセル単位（１０μｍ）の精度で正確に配置する必要があるため、実施可能なのは、振動などが無い安定した環境下に限られるという問題点がある。また、二つのＳＬＭ以外に検光子と偏光子とをそれぞれ二つずつ必要とするため、使用する光学素子が増えてしまう問題点もある。また、初段のＳＬＭを透過した後の光は、ＳＬＭの素子開口による回折の影響を受けた後で、第２段のＳＬＭに入射する。このため、正確な光複素振幅場の生成が困難になるという問題点もある。
【００２７】
（２）上記の第２の方法では複素振幅情報を参照光との干渉縞によってコード化している。つまり、この干渉縞を形成するためにＳＬＭの複数ピクセルを犠牲しなければいけないという問題点がある。これによって、実現可能な光複素振幅場の分解能は、ＳＬＭの解像度の１／１００程度（ＸおよびＹ方向へそれぞれ１／１０程度）でしかないという問題点がある。この点が、３Ｄディスプレイへの実用化の大きな障害になっている。また、ＳＬＭに入射光を照射した後、所望の回折光（＋１次光）と共に、ホログラム特有の不要な回折次成分（０次光および−１次光）も生じるため、入射光エネルギーが各回折光に分散し、得られる最大の回折効率は、約３０％程度であり、エネルギー利用効率が低いという問題点もある。
【００２８】
（３）上記の第３の方法では、複素振幅情報の再生空間がＳＬＭ面に対するフーリエ空間（領域）近傍に限られるという重大な制約を持つという問題点がある。すなわち、第３の方法は、レンズによるフーリエ変換面の近傍、または、遠方場におけるフーリエ変換面の近傍においてのみ、任意の複素振幅情報を生成可能である。複素振幅情報の生成がフーリエ変換レンズによって実現される場合、再生される複素振幅物体像はごく小さいものに限られる。例えば、レンズの焦点距離が１００ｍｍ、光源波長が５３２ｎｍ、ＳＬＭのピクセルサイズが２０μｍの場合、再生像の大きさは約２．５ｍｍにしかならない。この点が、３Ｄディスプレイ実用化の大きな障害になっている。一方、遠方場におけるフーリエ変換を使う場合、ＳＬＭ面から大きく離れた位置に物体像が再生されてしまうため、現実的ではない。
【００２９】
以下で説明する本発明の態様は、上記の各問題点を解決すべく、本発明者らが考案したものである。
【００３０】
〔空間位相変調、空間強度変調および空間直交振幅変調について〕
ここで、位相変調（Phase Modulation;ＰＭ）は、無線通信や光通信などの通信技術の分野で使用される、位相変調、位相シフト変調（Phase Shift Modulation;ＰＳＭ）または位相シフトキーイング（Phase Shift Keying;ＰＳＫ）による変調方式である。ＰＭは、搬送波の位相を変化させることで情報を伝達する。ホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＰＭと同様に、位相を変化させた信号光を記録する。しかしながら、本実施形態に係るホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、データページとしてこれを記録し、再生する。そこで、本明細書では、本発明を具現化する形態で使用する位相変調による変調方式を、通信技術の分野で使用される「位相変調（ＰＭ）」と区別するために、「空間位相変調（Spatial Phase Modulation;ＳＰＭ）」と呼ぶ。ＳＰＭは、光メモリ分野において用いられる位相変調および多値位相変調の概念を含む。例えば、空間位相変調の場合、信号光は、位相分布を有する光位相信号となる。より具体的には、信号光は、例えば、０およびφの二値の位相がデータピクセル毎に２次元配置（マトリクス状に配置）された位相分布を有する信号（２次元情報；データページ）として構成することができる。
【００３１】
次に、振幅変調（Amplitude Moderation;ＡＭ）は、強度変調ともいい、ＡＭは、搬送波の振幅（または強度）を変化させることで情報を伝達する。ホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＡＭと同様に、振幅を変化させた信号光を記録する。しかしながら、本実施形態に係るホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、データページとしてこれを記録し、再生する。そこで、本明細書では、本発明を具現化する形態で使用する振幅変調（または強度変調）による変調方式を、通信技術の分野で使用される「強度変調（ＡＭ）」と区別するために、「空間強度変調（Spatial Amplitude Modulation;ＳＰＭ）」と呼ぶ。
【００３２】
また、空間強度変調型の場合、信号光は、強度分布を有する光強度信号とする。すなわち、信号光は、例えば、光強度が高いＨｉｇｈ部分と光強度が低いＬｏｗ部分とがデータピクセル毎に２次元配置された強度分布を有する信号（２次元情報；データページ）として構成することができる。
【００３３】
次に、直交振幅変調（Quadrature Amplitude Moderation;以下「ＱＡＭ」と略称する）は、無線通信や光通信など通信技術の分野で使用される。振幅変調（Amplitude Moderation;ＡＭ）と、位相変調（Phase Modulation;ＰＭ）とを組合せた変調方式である。ＱＡＭは、振幅および位相の両方の要素を変化させることで複数の情報を一度に伝達することができる。本実施形態に係るホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＱＡＭと同様に、振幅および位相の両方を変化させた信号を記録する。しかしながら、本実施形態に係るホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、データページとしてこれを記録し、再生する。そこで、本明細書では、本発明を具現化する形態で使用する直交振幅変調による変調方式を、通信技術の分野で使用される「直交振幅変調（ＱＡＭ）」と区別するために、「空間直交振幅変調（Spatial Quadrature Amplitude Moderation;ＳＱＡＭ）」と呼ぶ。
【００３４】
〔散乱位相画像の生成過程・複素振幅画像の再生過程〕
以下では、図１〜図４に基づき、本発明の実施の一形態における基本的な処理について簡単に説明する。この基本的な処理は、「散乱位相画像の生成過程」と「複素振幅画像（または複素振幅物体像）の再生過程」とに大別される。
【００３５】
＜散乱位相画像の生成過程＞・・・図１、図２
図１は、本発明の実施の一形態に係る散乱位相画像生成装置１ａの概要構成を示す図である。また、図２は、本発明の実施の一形態に係る散乱位相画像の生成過程における数値解析モデルの一例を示す図である。
【００３６】
散乱位相画像の生成過程は、光学素子の組合せ（以下、単に「光学系」と称する）を用いて実施しても良く（図１参照）、コンピュータ（計算機、またはその仮想空間）上で電子的に（計算機上の処理として）実施しても良い（図２参照）。また、散乱位相画像の生成過程をコンピュータ上で電子的に実施する場合、後述する散乱位相画像の生成過程の全過程をコンピュータ上で処理しても良いし、上記全過程のうちの少なくとも一以上の過程をコンピュータ上で処理しても良い（図１参照）。
【００３７】
散乱位相画像の生成過程では、入力像としての複素振幅画像に複数過程の処理が行われ、その結果物として、散乱位相画像が生成される。物体などの実映像（実画像）を用いる場合には、本実施形態の散乱位相画像の生成過程に使用される散乱位相画像生成装置１ａの構成は、図１に示すように、ランダム拡散板（拡散部材）１１ａ、ＦＴレンズ（逆変換レンズ）１２Ｌ、ＦＴレンズ（変換レンズ）１２Ｒ、撮像素子（位相検出器）１３、および散乱位相画像生成部（画像生成部）１４を備える。
【００３８】
（ランダム拡散板１１ａ）
空間位相変調素子の一例であるランダム拡散板１１ａは、表面にランダムな凹凸分布が形成された拡散部材（光学素子）の一例であり、光波（またはその空間分布である光波分布）を拡散させる効果がある。また、ランダム拡散板１１ａの凹凸分布が形成された凹凸面は、ＦＴレンズ１２Ｌの側に向けられて配置されている。
【００３９】
ここで、本発明者らは、散乱位相画像が生成される側のＦＴレンズ１２Ｌのフーリエ変換面（領域）またはフーリエ変換面からずれた位置に拡散性の強い拡散部材(例えば、ランダム拡散板１１ａなど)を配置すれば、原理上、フーリエ変換面の近傍のごく限られた領域だけでなく、あらゆる空間領域に散乱波面を作り出すことができることを新たに見出した。なお、本発明者らの実験により、ランダム拡散板１１ａがフーリエ変換面にあるときに、もっとも高い性能がでることが判明している。
【００４０】
但し、本発明は、上述した態様に限定されない。例えば、ＦＴレンズ１２Ｌ，１２Ｒのいずれか一方を用いない光学系（例えば、後述する図５、６に示す光学系参照）の場合、複素振幅画像の再生過程では、ランダム拡散板１１ａをＳＬＭ１５から出射する光波のフレネル領域に配置しても本発明の初期の効果が得られることが判明している。また、散乱位相画像の生成過程では、後述するＣＣＤ１７をランダム拡散板１１ａから射出する光波のフレネル領域に配置しても本発明の初期の効果が得られることが判明している。
【００４１】
すなわち、拡散部材（例えば、ランダム拡散板１１ａ）を用いるだけで、再生可能な領域を従来の「フーリエ変換面の近傍」から「全空間」に拡張することができる。このため、本実施形態では、ランダム拡散板１１ａを後述するＦＴレンズ１２Ｌのフーリエ変換面（以下、「ＦＴ面」と称する）に配置している（なお、本発明の初期の効果を得るためであれば、ＦＴ面からずれた位置に配置しても良い）。なお、ＦＴレンズ１２Ｌの焦点距離をｆとした時、ＦＴレンズ１２Ｌの光軸に対して右側の焦点位置（ＦＴレンズ１２Ｌの焦点距離ｆの位置）がＦＴ面となる。
【００４２】
（ＦＴレンズ１２Ｌ，１２Ｒ）
ＦＴレンズ１２Ｌ，１２Ｒは、フーリエ変換レンズである。例えば、レンズの直前にクロス格子（物体）おくと、レンズによるフーリエ変換によって、その焦点面にはフーリエスペクトルが得られることが知られている。ＦＴレンズ１２Ｌ，１２Ｒの構成材料は、透光性を有するガラス材料または樹脂材料であれば良く、特に限定されない。なお、本明細書では、便宜上、ＦＴレンズによるフーリエ変換後の像をフーリエ変換像と呼び、ＦＴレンズによる逆フーリエ変換後の像を逆フーリエ変換像と呼ぶ。
【００４３】
（撮像素子１３）
撮像素子１３（散乱位相画像生成面を有する）は、ＦＴレンズ１２Ｌを透過する透過光の複素振幅の分布（２次元情報）を位相検出法によって計測（検出する）ものであり、位相検出器として機能する。撮像素子１３としては、例えば、ＣＣＤ（charge coupled device）およびＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）などを用いることができる。
【００４４】
（散乱位相画像生成部１４）
散乱位相画像生成部１４は、撮像素子１３の撮像データを解析して、散乱位相画像を生成（算出）するものであり、例えば、コンピュータ（計算機）などで構成することができる。
【００４５】
＜散乱位相画像の生成過程における処理の詳細＞
次に、散乱位相画像の生成過程（散乱位相画像生成方法）の詳細について説明する。
【００４６】
（１）図１に示すように入力像として、２次元（２Ｄ）的または３次元（３Ｄ）的に分布する複数の複素振幅値の分布を持つ２Ｄ像ＩＭ１（複素振幅画像）または３Ｄ像ＩＭ２（複素振幅画像）を任意の入力空間に入力する。これらの複素振幅画像は物体などの実映像（または実画像）でも良いし、何らかの表示装置に表示された映像（または画像）でも良い。また、電子的に複素振幅画像を生成することも可能であり、この場合には、コンピュータ内に蓄積または生成された映像（または画像）を用いることができる。この場合、図２に示す入力面ＩＳにおいて電子的に生成した複素振幅画像を入力する（同図のＳ１１参照）。なお、ＦＴ面に対する入力空間の位置は、フレネル領域またはフラウンホーファー領域のいずれにあるかを問わない（どの位置にある入力像でも入力可能であることを意味する）。
【００４７】
（２）入力像をコンピュータ内で演算することにより生成せずに、物体などの実映像（または実画像）を用いる場合には、物理的なフーリエ変換レンズ（図１のＦＴレンズ１２Ｒ参照）を配置することもできるし、ＦＴレンズ１２Ｒを配置せずに、フレネル領域の光波分布をＦＴ面〔ＦＴ面は図１に示す散乱位相画像生成装置１ａの光軸に沿って左側のＦＴレンズ１２Ｌの焦点面に位置する〕に入射させても良い。
【００４８】
一方、入力像をコンピュータ内で演算することにより生成する場合（図２参照）、仮想空間上のＦＴ面（図２に示すフーリエ変換面）における入力像の光波分布を計算する。ここで、入力空間がＦＴレンズ１２Ｒ（図２に示す仮想光学系の光軸に沿って右側のレンズ）の後側焦平面に位置する場合、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）によりＦＴレンズ１２Ｒを透過した後の光波分布を求めることができる。また、上記以外の場合（入力空間がＦＴレンズ１２Ｒの後側焦平面に位置しない場合、もしくは、ＦＴレンズ１２Ｒを用いない場合）、光波伝搬計算を行い、図２に示すＦＴ面における光波分布を求める。ここで、光波伝搬計算の方法（例えば、角スペクトル法やフレネル回折積分）は、伝搬距離に応じて適宜選択すれば良い。
【００４９】
（３）物体などの実映像（実画像）を用いる場合には、図１に示すように、物理的なランダム拡散板１１ａを配置して光波を透過させる。一方、入力像をコンピュータ内で仮想的に生成する場合、上記（２）で算出したＦＴ面における光波分布をコンピュータ上で仮想的に生成した拡散板の透過関数と掛け合わせる（図２のＳ１２参照）。
【００５０】
（４）物体などの実映像（実画像）を用いる場合には、図１に示すように、物理的なＦＴレンズ１２Ｌをレンズの焦点面がＦＴ面と一致するように配置して、光波を透過させ、光学的に逆フーリエ変換を実施する。そして、散乱位相画像生成部１４は、逆フーリエ変換後の散乱位相波面を、撮像素子１３により測定し、その測定データを散乱位相画像生成部１４（コンピュータ上）に取り込む。
【００５１】
一方、入力像をコンピュータ内で演算することにより生成する場合（図２参照）、上記の（３）で算出された、拡散板の透過関数が掛け合わされた光波分布に対して、ＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）を施すことで逆フーリエ変換を行い出力面ＯＳにおける散乱波面を求める。
【００５２】
（５）物体などの実映像（実画像）を用いる場合には（図１参照）、「散乱波面における位相分布は、元の複素振幅情報におけるほとんどの重要な特徴を有する」という統計的性質があるため、散乱位相画像生成部１４は、撮像素子１３の撮像データから得られる散乱波面における強度分布ＤＳおよび位相分布ＤＰのうち、強度分布ＤＳを一定値に変換する（Ｓ１；散乱強度を一定と仮定）。一方、入力像をコンピュータ内で演算することにより生成する場合（図２参照）、出力面ＯＳで得られる散乱波面における強度分布ＤＳおよび位相分布ＤＰのうち、強度分布ＤＳを一定と仮定し（図２のＳ１４参照）、散乱位相波面の符号（位相値の符号参照）を反転させることで、位相共役波面を持つ散乱位相画像を求める（図２のＳ１５）。
【００５３】
＜複素振幅画像の再生過程＞・・・図３、図４
図３は、本発明の実施の一形態に係る複素振幅画像再生装置１ｂの概要構成を示す図である。図４は、本発明の実施の一形態に係る複素振幅画像の再生過程における数値解析モデルの一例を示す図である。
【００５４】
複素振幅画像の再生過程は、光学系を用いて実施しても良く（図３参照）、コンピュータ（計算機、またはその仮想空間）上で電子的に（計算機上の処理として）実施しても良い（図４参照）。
【００５５】
複素振幅画像の再生過程では、入力像としての散乱位相画像に複数過程の処理が行われ、その結果物として、複素振幅画像が生成される。
【００５６】
物体などの実映像（実画像）を用いる場合には、本実施形態の複素振幅画像の再生過程に使用される複素振幅画像再生装置１ｂの構成は、図３に示すように、ランダム拡散板１１ａ、ＦＴレンズ（逆変換レンズ）１２Ｌ、ＦＴレンズ（変換レンズ）１２Ｒ、ＳＬＭ（空間光変調器）１５、および表示部１６を備える。
【００５７】
（ＳＬＭ１５）
本実施形態のＳＬＭ１５は、空間位相変調型の空間位相変調器であり、レーザ光源およびレーザ光径を拡大する拡大光学系としてのビームエキスパンダ（ＢＥ：Beam Expander）を備え、上記の散乱位相画像の生成過程で計算した散乱位相画像を出力（または表示）する。ＳＬＭ１５は、位相のみを０〜２πの範囲で変調できることが望ましい。ＳＬＭ１５によれば、ホログラムの代りに散乱位相画像の光波を空間光変調器から出射することができるので、空間光変調器に対する入射光のエネルギー、および、空間光変調器の空間バンド幅を全て所望の複素振幅画像の再生のみに費やすことができる。また、参照光の生成や不要な回折次成分の分離にかかる処理を省略することもできるため、動画再生や３Ｄディスプレイへの応用においては大きな優位性を持つ。
【００５８】
なお、空間光変調器は、空間強度変調型（または空間振幅変調型）、空間位相変調型、空間直交振幅変調型、およびそれらの多値変調型などの各種信号変調方法が可能である。また、空間光変調器には、空間位相変調器または空間強度変調器が存在し、いずれか一台の空間光変調器によって、光の複素振幅(位相と強度との両方)を生成することができる。
【００５９】
（表示部１６）
表示部１６は、ランダム拡散板１１ａで拡散されて生じた拡散光から生ずる２Ｄ像ＩＭ１または３Ｄ像ＩＭ２（複素振幅画像）を表示するものである。表示部１６は、ＦＴ面(ランダム拡散板１１ａの面)に対してフレネル領域またはフラウンホーファー領域に配置できる。これにより、任意のサイズの複素振幅画像の再生像を任意の空間に再現することができる表示装置を実現できる。なお、本明細書において、フラウンホーファー領域とは十分に遠方という意味である。
【００６０】
＜複素振幅画像の再生過程における処理の詳細＞
次に、複素振幅画像の再生過程（複素振幅画像再生方法）における処理の詳細について説明する。
（１）上記の散乱位相画像の生成過程で計算した散乱位相画像をＳＬＭ１５のＳＬＭ面（出力面）上に表示し（表示されるのは、位相値のみであるから一台のＳＬＭで表示可能）、入射光をＳＬＭ１５に照射する。この入射光は、ＳＬＭ面上に表示した位相分布と等しい位相分布を有する光波を得るための光で、一般的には、平面波状の波面を有する光であれば良く、光源に大きな制約はない。
（２）図３に示すＦＴレンズ１２Ｌ（フーリエ変換レンズ）によってＳＬＭ面における散乱位相画像がフーリエ変換面に集束する。ここで、ＦＴレンズ１２Ｌの焦点面の位置とＦＴ面の位置とは一致している。
（３）ＦＴ面に集束した光波がランダム拡散板１１ａを透過する。このとき、散乱位相画像の生成過程における散乱波面の生成過程におけるランダム拡散板１１ａで受けた空間位相変調が相殺され、元の光波分布が復元される。
（４）ランダム拡散板１１ａを透過した光波分布（複素振幅分布＝位相分布＋強度分布）は、元の像空間に再生され、散乱位相画像の生成過程における入力像（２Ｄ像ＩＭ１または３Ｄ像ＩＭ２）が復元される（表示部１６にて表示される）。
【００６１】
〔本発明を３Ｄディスプレイおよびホログラフィックメモリに応用した場合〕
次に、図５〜図８に基づき、本発明を３Ｄディスプレイおよびホログラフィックメモリに応用した場合について説明する。
【００６２】
＜３Ｄディスプレイ＞・・・図５、図６
以下では、ＦＴレンズ１２Ｒを用いずに、ＦＴレンズ１２Ｌに相当するＦＴレンズ１２を備え、光波が伝播する回折効果（フレネル伝播）を用いる形態について説明する。なお、以下では、ＦＴレンズを用いない空間中の伝播を「フレネル変換」という場合がある。
【００６３】
但し、本実施形態のように、３Ｄディスプレイの場合には、ＦＴレンズ１２Ｒを用いないケースが多いと思われるが、ＦＴレンズ１２Ｒを用いるか用いないかは、その装置の設計方針によるため、実際には一概に決定することはできない。
【００６４】
図５は、本発明を３Ｄディスプレイに適用する場合における散乱位相画像の生成過程を実現する光学系を示す図であり、図５の（ａ）は、散乱位相画像の光学的生成過程を実現する光学系２ａを示す。
【００６５】
図５の（ａ）に示すように、光学系２ａは、上述したランダム拡散板１１ａおよび散乱位相画像生成部１４の他、ＦＴレンズ１２（フーリエ変換レンズ）、レンズＬ、ＣＣＤ（撮像装置）１７、ＢＳ（ビームスプリッタ）を備える。
【００６６】
本実施形態で照明光生成に用いられているレンズＬは必須ではなく、必要に応じて、照明用の光学系を用意すれば良い。また、ＣＣＤ１７は、位相検出器（撮像素子）として機能する。一般的なＣＣＤイメージセンサは、光の強度分布のみを検出可能であるが、図１８〜図２１に示す技術などを用いることにより、光の位相分布と、光の位相分布および強度分布の両方の検出が可能になる。なお、ランダム拡散板１１ａから射出する光波に対するフレネル領域にＣＣＤ１７を配置する場合は、入力像の強度成分が必要とされる位相成分に正確に変換されてＣＣＤ１７に入射するように考慮して配置することが望ましい。
【００６７】
図１８は、本発明を具現化する形態で利用可能な位相測定方法を実現する光学系６を示す図である。また、図１９は、本発明を具現化する形態で利用可能な位相測定方法を実現する別の光学系７を示す図である。
【００６８】
図１８に示す光学系６では、予め２つの撮像素子（ＣＣＤ１およびＣＣＤ２）における参照光の強度分布を測定し、これらの強度分布と、位相が互いに異なる２つのホログラム（ホログラム１およびホログラム２）の強度分布を用いて、物体光の複素振幅を測定する。すなわち、この光学系６では、複数の撮像領域（第１光検出部および第２光検出部）を用いることを前提としている。
【００６９】
次に、図１９に示す光学系７では、２つのホログラムの強度分布を測定する前に、２つの撮像素子に試験物体光を照射し、これらの強度分布を測定することで、物体光側の光学素子や光路などの誤差の補正も行う。具体的には、まず、試験物体光（例えば、光路上に被検査物を配置しないで得られる物体光）のみを照射して、２つの撮像素子での強度分布を測定する。次に、参照光のみを照射して、２つの撮像素子で強度分布を測定する。これらの前処理の後、光路上に被検査物を配置した状態で物体光および参照光を同時に照射して、位相が互いに異なる２つのホログラム（ホログラム１およびホログラム２）の強度分布を２つの撮像素子で測定する。これらの６つの強度分布により、物体光の光複素振幅（光の位相および振幅）を正確に算出することができる。
【００７０】
図２０は、本発明を具現化する形態で利用可能な空間直交振幅変調信号の生成方法を実現する光学系８ａを示す図である。図２１は、本発明を具現化する形態で利用可能な空間直交振幅変調信号の生成方法を実現する光学系８ｂを示す図である。
【００７１】
図２０に示すように、光学系８ａは、振幅変調を行う空間光変調器（ＳＭＬ１）と位相変調を行う空間光変調器（ＳＭＬ２）とから構成される。空間光変調器は、２次元の光信号（画像など）の振幅Ａ（ｘ，ｙ）および位相ｅｘｐ{ｉφ（ｘ，ｙ）}の空間分布を電気的に制御することができる。空間光変調器の例には、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）ディスプレイ、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などが含まれる。なお、振幅変調または位相変調のみを行う場合には、１台の空間光変調器（ＳＬＭ）を用いれば良い。
【００７２】
次に、図２１に示す光学系８ｂは、マイケルソンの干渉計を利用して、Ｉ信号とＱ信号とを独立（並列）に強度変調してから混合する構成である。Ｉ信号およびＱ信号は、次式（１）で表される強度信号である。
【００７３】
【数１】
2015036799.tif 000003
【００７４】
図２１に示される２つの空間光変調器（ＳＬＭ１およびＳＬＭ２）は、いずれも振幅変調を行う反射型の空間光変調器である。Ｉ信号は、ＳＬＭ１によって振幅変調される。Ｑ信号は、ＳＬＭ２によって振幅変調される。図２１に示す態様では、ＳＬＭ１と、ビームスプリッターＢＳとの間の光路長ＬＩおよびＳＬＭ２とＢＳとの光路長ＬＱを「ＬＩ−ＬＱ＝λ／４」（λ：光波の波長）となるように設定する。このようにすることで、直交振幅変調信号光の生成位置ＳにおけるＩ信号とＱ信号との位相差がπ／２となる。したがって、以下の式（２）で示されるように、図２０に示される態様と等価な信号を得ることができる。
【００７５】
【数２】
2015036799.tif 000004
【００７６】
散乱位相画像の生成過程では、入力空間における３Ｄ像ＩＭ２（入力像）が実物あるいは実映像の場合、光学的に処理することができる。また、３Ｄ像ＩＭ２（入力像）をコンピュータ上で仮想的に生成あるいはコンピュータ内に蓄積された３Ｄ映像データを利用する場合、光学素子を用いずにコンピュータによる電子的処理で散乱位相画像を生成することができる。
【００７７】
図５の（ａ）に示すように、散乱位相画像を光学的に生成する場合、照明光を３Ｄ物体（３Ｄ像）に照射する。３Ｄ物体から反射した光波は、ランダム拡散板１１ａを透過することで空間位相変調が付加され、ＦＴレンズ１２を介した出力面（位相検出面）で散乱波面を形成する。
【００７８】
ここで、ＦＴレンズ１２とＦＴ面との距離＝ＦＴレンズの焦点距離である。ただし、本発明の実施様態は、このような光学条件に限定されるものではなく、例えば、ランダム拡散板１１ａをＣＣＤ１７（位相検出器）とＦＴレンズ１２との中間に配置しても良いし、ＣＣＤ１７とランダム拡散板１１ａとの距離を大きく取ることによってＦＴレンズ１２を用いない構成とすることも可能である。
【００７９】
次に、散乱波面の位相分布のみをＣＣＤ１７により計測し、そのデータを散乱位相画像生成部１４（コンピュータ上）に取り込む。取り込んだ位相分布の位相共役波面を計算し、これを散乱位相画像とする。
【００８０】
また、図５の（ａ）のＦＴ面の位置に位相検出器（ただしこの場合には、位相と強度との両方を検出できるもの）を配置して、まず、入力像の複素振幅分布を計測した後、コンピュータ内で、ランダム拡散板１１ａによる空間位相変調処理とＦＴレンズ１２によるフーリエ変換と等価な処理を行うことも可能である。この様態においては、入力空間における３Ｄ像ＩＭ２（入力像）が実物あるいは実映像の場合であっても、散乱位相画像の生成過程において物理的なランダム拡散板やＦＴレンズは不要になる。
【００８１】
図５の（ａ）に示されたＣＣＤ１７は、位相検出器を表している。一般的なＣＣＤイメージセンサは、光の強度分布のみを検出可能であるが、上記のように図１８〜図２１に示した技術を用いることにより、光の位相分布の検出、または、光の位相分布および強度分布の両方の検出が可能になる。
【００８２】
一方、図５の（ｂ）は、散乱位相画像の電子的生成過程を実現するコンピュータ上の仮想光学系２ｂを示す。同図に示すように、仮想光学系２ｂでは、入力空間に入力される３Ｄ像ＩＭ２は、ランダム拡散板１１ａの透過関数に掛け合わされ、ＦＴレンズ１２によるフーリエ変換を施され、仮想的に配置された撮像素子１３の位置における散乱位相画像生成面における散乱波面が計算され、その後は、上記の散乱位相画像生成部１４と同様の計算により、散乱位相画像が計算される。このように、散乱位相画像をコンピュータ上で電子的に生成する場合、３Ｄ像ＩＭ２のＦＴ面における光波分布を角スペクトル伝搬計算によって求める。ここで、コンピュータ上で表現される３Ｄ像ＩＭ２は、以下に示すように複数の２Ｄ像から構成される。
【００８３】
【数３】
2015036799.tif 000005
【００８４】
Ｎは３Ｄ像ＩＭ２を構成する２Ｄ像の総数、ｈ（ｘ，ｙ，ｚｉ）は、各光軸位置における２Ｄ像を示す。３Ｄ像ＩＭ２が出力面に形成する散乱波面は、各２Ｄ像が作る散乱波面の重ね合わせによって求められる。具体的には、まず角スペクトル法によって２Ｄ像のＦＴ面における光波分布を計算する。    
【００８５】
【数４】
2015036799.tif 000006
【００８６】
ａ（ｘ，ｙ，ｚｉ＋ｄｉ）はＦＴ面における光波分布、ｄｉは各２Ｄ像からＦＴ面までの距離、添え字ｉは各  ２Ｄ像の番号、μおよびｖは２Ｄ像の空間周波数、Ｆ[＊]またはＦ−１［＊］はそれぞれフーリエ変換、逆フーリエ変換演算子である。その後、ＦＴ面における光波分布と拡散板の透過関数がと以下のように掛け合わされる。  
【００８７】
【数５】
2015036799.tif 000007
【００８８】
ｔ（ｘ，ｙ）はランダム拡散板１１ａの透過関数とする。そして、掛け合わされた光波分布にＦＦＴを施すことでフーリエ変換を行い、各２Ｄ像の出力面における散乱波面ｇｉ（ｘ，ｙ）を求める。      
【００８９】
【数６】
2015036799.tif 000008
【００９０】
式（４）〜式（６）の計算を、３Ｄ像ＩＭ２を構成する全ての２Ｄ像に対して行い、それらの散乱波面を重ね合わせることで、３Ｄ像ＩＭ２の散乱波面を求める。
【００９１】
【数７】
2015036799.tif 000009
【００９２】
その後、求めた散乱波面における強度分布を消失させ、位相分布情報だけからこの散乱波面の位相共役波面を求める。このようにして最終的な散乱位相画像が完成する。この時、散乱位相画像は、位相のみから構成されるものの、元３Ｄ像ＩＭ２（入力像）の強度と位相とを含む複素振幅情報のほとんど全てを有している。
【００９３】
なお、ＦＴレンズ１２とランダム拡散板１１ａとの位置関係は図５の（ｂ）に示す態様に限定されない。例えば、図５の（ｂ）の破線で囲んだ部分に示すように、入力光の光軸に沿って、ＦＴレンズ１２とランダム拡散板１１ａとの位置関係を入れ替えても、本発明の初期の効果を得ることは可能である。なお、この仮想光学系を実際の光学系で実現する場合には、ＣＣＤ１７は、ランダム拡散板１１ａから出射する光波のフレネル領域に配置する。
【００９４】
次に、図６は、本発明を３Ｄディスプレイに適用する場合における３Ｄ像（複素振幅画像）の光学的再生過程を実現する光学系の例を示す図である。ここでは、ＦＴレンズ１２Ｒを用いず、ランダム拡散板１１ａで拡散されて生じた拡散光を直接表示する形態を示す。
【００９５】
図６の（ａ）は、ＳＬＭ１５から発生する光波の進行方向に対して、ＦＴレンズ１２、ランダム拡散板１１ａをこの順序で配置するとともに、ランダム拡散板１１ａをＦＴ面に配置した光学系２ｃを示す。図６の（ａ）に示す光学系２ｃは、上述したＳＬＭ１５、ＦＴレンズ１２、およびランダム拡散板１１ａを備えている。
【００９６】
同図に示す３Ｄ像ＩＭ２の光学的再生過程では、光学的または電子的に生成された散乱位相画像をＳＬＭ１５（空間位相生成装置）上に表示する。ＳＬＭ１５に平面波を照射すると、位相画像が付加された光波が生成され、ＦＴレンズ１２を介して逆フーリエ変換され、ランダム拡散板１１ａを通過する。
【００９７】
このとき、散乱位相画像の生成過程における散乱波面の生成過程において付加されたランダム拡散板１１ａによる空間位相変調は相殺され、元の光波分布が復元し、入力像の複素振幅分布が再生される。なお、光学系２ｃのような配置の場合、ランダム拡散板１１ａは、必ずしもフーリエ変換面(レンズの焦点位置)にある必要はない。以下、この点について説明する。すなわち、本発明を具現化する様態は、上述した形態のような光学条件に限定されるものではなく、例えば、ランダム拡散板１１ａをＳＬＭ１５（空間変調器）とＦＴレンズ１２との中間に配置しても良いし、ランダム拡散板１１ａは、フーリエ変換面(レンズの焦点位置)からずれた位置に配置しても良い。また、ＳＬＭ１５とランダム拡散板１１ａとの距離を大きく取ることによってＦＴレンズ１２を用いない構成とすることも可能である。
【００９８】
図６の（ｂ）は、図６の（ａ）のＦＴレンズ１２およびランダム拡散板１１ａの位置関係を光波の進行方向に対して逆にした光学系２ｄを示す。本実施形態では、ランダム拡散板１１ａは、ＳＬＭ１５から出射する光波のフレネル領域に配置している。
【００９９】
ＳＬＭ１５に平面波を照射すると、位相画像が付加された光波が生成され、ランダム拡散板１１ａを通過し、ＦＴレンズ１２を介して逆フーリエ変換される。
【０１００】
なお、ランダム拡散板１１ａをフレネル領域に配置する場合は、ＳＬＭ１５で生成された位相成分が必要とされる強度成分に正確に変換されて再生されるように考慮して配置することが望ましい。
【０１０１】
図６の（ｃ）は、ランダム拡散板１１ａがＦＴ面からずれた位置に配置されている光学系２ｅを示す。このように、ランダム拡散板１１ａの配置位置は必ずしもＦＴ面に限定されない。
【０１０２】
なお、理論上、フラウンホーファー領域の像は、フーリエ変換像と一致するので「ＦＴレンズ１２Ｒを用いずに十分遠方に再生される像」と「ＦＴレンズ１２Ｒをランダム拡散板１１ａが焦点位置になるように配置した場合（フーリエ変換）の像は一致することになる。
【０１０３】
以上の複素振幅画像を再生する形態について纏めると、
（１）ＦＴレンズ１２Ｒを用いてＦＴ面のフーリエ変換像を再生する形態、
（２）ＦＴレンズ１２Ｒを用いずに、ＦＴ面の右側のフレネル領域に像を再生する形態、および、
（３）ＦＴレンズ１２Ｒを用いずに、ＦＴ面の十分遠方（フラウンホーファー領域）に像を再生する形態の３つの形態が考えられる。
【０１０４】
＜ホログラフィックメモリ＞・・・図７、図８
図７は、本発明をホログラフィックメモリに適用する場合における散乱位相画像の電子的生成過程を実現する仮想光学系の一例を示す図である。
【０１０５】
通常のホログラフィックメモリでは、光の強弱を二次元空間に配列したデータページ（強度画像）が光波に変調され、それがホログラフィック媒質への記録または読出しに用いられる。
【０１０６】
一方、図７に示す本発明の実施の一形態の仮想光学系３ａでは、データページの代わりに散乱位相画像が媒質への記録または読出しに用いられる。すなわち、散乱位相画像の生成と再生とは全てコンピュータ上の電子的処理によって行われる。散乱位相画像は、データページ構造をもはや判別できないが、元のデータページのほとんど全ての情報を含んでいる。これにより、多値強度と多値位相とを含む直交振幅変調信号の利用が可能となるため、ホログラフィックメモリの記憶容量を大幅に向上させることができる。
【０１０７】
図７に示す散乱位相画像の電子的生成過程では、まず、入力面ＩＳに多値強度と多値位相とを含む直交振幅変調信号を用意する。次に、この直交振幅変調信号による光波は、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）によりフーリエ変換され、フーリエ変換面において拡散板の透過関数との乗算が行われる。乗算後の光波分布は、ＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）により逆フーリエ変換され、出力面ＯＳにおける散乱波面が計算される。その後は、上述した散乱位相画像生成部１４が、散乱波面における強度分布を捨て（一定値と仮定）、位相共役波面を持つ散乱位相画像を求める。
【０１０８】
図７では、ＦＴレンズ１２Ｌ，１２Ｒ、およびランダム拡散板１１ａなどの光学モデルが示されているが、実際には、物理的な光学系を用いる必要はなく、これらと等価な処理をコンピュータ内で行えば良い。
【０１０９】
次に、図８は、本発明をホログラフィックメモリに適用する場合における散乱位相画像および空間直交振幅変調信号の再生過程を実現する光学系の一例を示す図である。図８の（ａ）は、ホログラフィック媒質１１ｂへの散乱位相画像の光学的記録再生過程を実現する光学系の一例を示す。
【０１１０】
図８の（ａ）に示す光学系３ｂにて実現するホログラフィック記録再生過程では、散乱位相画像ＩＭＰ１を表示したＳＬＭ１５によって信号光を生成し、これをホログラム媒質１１ｂへの記録および読出しに用いる。本実施形態のホログラフィック記録再生過程では、ホログラム媒質１１ｂへの多重記録方法（シフト多重記録や角度多重記録、位相コード多重記録など）に関して特に制約はない。同様に、ホログラムの読出し方法（順方向読出し、または、位相共役読出し）に関しても特に制約はない。ホログラム媒質１１ｂから読み出された信号光は、ＣＣＤ１７（位相検出面）に到達し、散乱位相画像ＩＭＰ２がコンピュータ上に電子データとして取り込まれる。ここで、位相検出器に関しても特に制限はなく、上述した図１８〜図２１にて示した方法の他、非特許文献７に示された方法を用いることができる。
【０１１１】
図８の（ｂ）は、空間強度変調と空間位相変調とを組み合わせた空間直交振幅変調信号の電子的再生過程を実現する仮想光学系の一例を示す。
【０１１２】
図８の（ｂ）に示す直交振幅変調信号の電子的再生過程では、コンピュータ上に取り込まれた散乱位相画像ＩＭｐを基に、図７に示す過程とは逆の処理が行われる。これによって、散乱位相画像ＩＭｐのみから強度情報と位相情報とを含む直交振幅変調信号が再生される。なお、図８の（ｂ）においてもＦＴレンズ１２Ｌ，１２Ｒやランダム拡散板１１ａなどの光学モデルが示されているが、実際には、物理的な光学系を用いる必要はなく、これらと等価な処理をコンピュータ内で行えば良い。
【０１１３】
〔３次元計測、光断層映像技術（光ＣＴ）、光計測技術への応用〕
上述した本発明の一態様は、図２２に示すホログラム記録装置９ａおよびホログラム再生装置９ｂにおけるノイズ除去方法で必要とされる光複素振幅場生成装置として用いることができる。これにより、３次元計測、光断層映像技術（光ＣＴ）、および光計測技術の大幅な性能向上が期待できる。
【０１１４】
＜ノイズの除去方法＞
以下、コリニアホログラムの場合を仮定して、本発明が適用され得るノイズの除去方法について説明する。
【０１１５】
（ホログラム記録装置９ａ）・・・図２２の（ａ）
図２２の（ａ）に示すように、ホログラム記録装置９ａ（またはホログラム記録過程）に使用される構成は、空間位相変調光学系２１１、レンズ２１２、および記録媒質（ホログラム記録媒体）２１３である。
【０１１６】
（空間位相変調光学系２１１）
同図に示すように空間位相変調光学系２１１は、参照光Ｅとともに、信号光Ａに対して空間位相変調処理を行って生成した位相変調光Ａ’を記録媒質２１３に照射するものであり、本実施形態では、さらに、空間光変調器（光照射手段）２１１ａおよびランダム拡散板２１１ｂを備えている。
【０１１７】
（空間光変調器２１１ａ）
本実施形態の空間光変調器２１１ａは、レーザ光源およびレーザ光径を拡大する拡大光学系としてのビームエキスパンダを備えており、データページＰ１〜Ｐｍのデータページ部分に対応する信号光Ａ、参照光用リングに対応する参照光Ｅを出力（または表示）する。
【０１１８】
空間光変調器２１１ａによる信号変調方法は、強度変調型、位相変調型、空間直交振幅変調型、およびそれらの多値変調型などいずれでも構わない。空間光変調器２１１ａは位相のみを０〜２πの範囲で変調できることが望ましい。ここで、空間光変調器２１１ａとしては、空間位相変調器または空間強度変調器のいずれも用いることができる。いずれか一台の空間光変調器によって、光の複素振幅(位相と強度との両方)を生成することができる。
【０１１９】
（ランダム拡散板２１１ｂ）
空間位相変調素子の一例であるランダム拡散板２１１ｂは、表面にランダムな凹凸分布が形成された光学素子であり、光波を拡散させる効果があるため、信号光Ａは、このランダム拡散板２１１ｂに透過させると、空間位相変調処理が行われ、位相変調光Ａ’が出力される。ランダム拡散板２１１ｂの配置場所に関して特に制約はないが、図２２の（ａ）に示す形態では、ランダム拡散板２１１ｂを信号光Ａのフレネル領域に配置している。
【０１２０】
（レンズ２１２、記録媒質２１３）
レンズ２１２は、コンデンサレンズ（対物レンズ）であり、参照光Ｅおよび位相変調光Ａ’を集光し、記録媒質２１３中で干渉（結像）させて干渉縞を形成し、この干渉縞をホログラムとして記録する。なお、レンズ２１２の構成材料は、透光性を有するガラス材料または樹脂材料であれば良く、特に限定されない。例えば、記録媒質２１３としては、フォトポリマーを用いることができる。ホログラムの記録では、ビームエキスパンダによって拡大されたビームを、レンズ２１２によって記録媒質２１３中に集光する。
【０１２１】
（記録過程の詳細）
本実施形態の記録過程は、下記の（イ）〜（ハ）の各過程を少なくとも含む。
【０１２２】
（イ）空間光変調器２１１ａによって、信号光Ａおよび参考光Ｅを生成する。なお、この手順は従来通りであるのでその説明は省略する。
【０１２３】
（ロ）この信号光Ａにランダム拡散板２１１ｂを介して空間位相変調ｅｘｐ｛ｊΦ｝を加え、位相変調光Ａ’＝Ａｅｘｐ｛ｊΦ｝を得る。空間位相変調素子としては光波を拡散させる効果のあるものが望ましく、本実施形態では、ランダム拡散板２１１ｂを用いているが、これに限定されない。例えば、ランダム拡散板２１１ｂと同様の空間位相変調効果を実現する空間光変調器を用いても良い。図２２の（ａ）に示す形態では、空間位相変調処理のためのランダム拡散板２１１ｂを設置しているが、信号生成の段階でこの空間位相変調効果を含めた信号光Ａ’を生成することにより、図示されているランダム拡散板２１１ｂなどの付加的な光学系を除外することができる。
【０１２４】
（ハ）信号光Ａおよび位相変調光Ａ’を、レンズ２１２を用いて記録媒質２１３に集光し、記録媒質２１３中で干渉させて干渉縞を形成し、この干渉縞をホログラムとして記録する。この手順は従来通りである。
【０１２５】
なお、実際には、必ずしもランダム拡散板２１１ｂを設置する必要はなく、信号光Ａを生成する時に、ランダム拡散板２１１ｂと前後の光波伝搬効果とを含めた位相変調光Ａ’の位相分布または強度分布を計算によって求め、この分布を、空間光変調器２１１ａを用いて直接生成して出射するようにしても良い。
【０１２６】
すなわち、ランダム拡散板２１１ｂなどの空間位相変調素子と前後の光波伝搬効果を含めた位相変調光Ａ’を計算によって求め、この分布を空間光変調器２１１ａによって直接生成する場合には、ｅｘｐ｛ｊΦ｝は計算上与える既知の位相分布または強度分布であるから、あらかじめ計測する必要は生じない。
【０１２７】
また、これにより、ランダム拡散板２１１ａなどの位相変調手段（または素子）を新たに付加する必要がなくなる。すなわち、記録光学系を簡単化することができる。このため、系全体の構成を簡単化することができる。
【０１２８】
（ホログラム再生装置９ｂ）・・・図２２の（ｂ）
図２２の（ｂ）に示すように、本実施形態のホログラム再生装置９ｂ（ホログラム読出し過程）に使用される構成は、空間光変調器２１１ａ、レンズ２１２、記録媒質２１３、レンズ２１４および撮像素子（複素振幅検出手段）２１５である。
【０１２９】
（空間光変調器２１１ａ）
ホログラム読出し過程では、空間光変調器２１１ａは、参照光用リングに対応する参照光Ｅのみを出力（または表示）する。
【０１３０】
（レンズ２１２、記録媒質２１３、レンズ２１４）
レンズ２１２および記録媒質２１３については上記のとおりである。レンズ２１４は、コリメータレンズであり、記録媒質２１３を透過した透過光（回折光Ｄ）をコリメートして、撮像素子２１５に入射させるものである。
【０１３１】
（撮像素子２１５）
撮像素子２１５は、記録媒質２１３を透過する透過光の複素振幅の分布（２次元情報）を位相検出法によって計測（検出する）ものである。撮像素子２１５は、上述した撮像素子１３と同様に、例えば、ＣＣＤおよびＣＭＯＳなどを用いることができる。この検出においては、元の信号（データページＰ１〜Ｐｍ）が強度のみの情報を有する場合でも、位相と強度とを含む複素振幅を計測する必要がある。位相検出方法としては、例えば、特許文献１に開示された方法を用いることができる。
【０１３２】
次に、本実施形態では、撮像素子２１５により計測された複素振幅を用いて以下では、図示しない計算機内の処理によってデジタル位相共役再生過程が行われるようにしている。
【０１３３】
より具体的には、デジタル位相共役再生では、検出された複素振幅（以下、「複素振幅Ａ’’」という）を用いて以下の計算を行う。
【０１３４】
検出された複素振幅Ａ’’の位相共役（Ａ’’）＊を計算し、これを撮像素子２１５の位置に表示したものと仮定して同図の左側に光波伝搬した場合の複素振幅を計算する。この計算を行うと、対応する光学モデルでは、ランダム拡散板２１１ｂの直前において、再生された光波の複素振幅は、再生信号（Ａ’）＊とノイズ成分を加えたものになっている。
【０１３５】
ここで、（Ａ’）＊＝Ａ＊ｅｘｐ｛−ｊΦ｝であるから、これが、ランダム拡散板２１１ｂを再透過すると、位相ｅｘｐ｛Φ｝が加えられ、透過後の信号成分Ａ＊ｅｘｐ｛−ｊΦ｝ｅｘｐ｛ｊΦ｝＝Ａ＊となり信号Ａ＊が復調される。
【０１３６】
これに対して、ノイズ成分は、ランダム拡散板２１１ｂにおいて位相ｅｘｐ｛ｊΦ｝が加えられることによって、ランダムに拡散し、その多くが信号領域の外部に分離されることによってノイズの低減が実現できる。
【０１３７】
このように、通常のホログラム再生手順で再生された信号光の複素振幅を検出することにより、図２２の（ａ）に示すランダム拡散板２１１ｂによる処理はデジタル的（コンピュータ内の処理）に行うことができ、付加的な光学系は不要となる。
【０１３８】
また、ランダム拡散板２１１ｂなどの空間位相変調素子を実際に設置して記録する場合には、上記の計算を行うために、ランダム拡散板２１１ｂの透過特性ｅｘｐ｛ｊΦ｝（透過関数）をあらかじめ計測しておく必要がある。しかしながら、空間位相変調素子として空間光変調器など電気的に特性（位相値）を制御できる素子を用いる場合には、空間位相変調素子の特性は既知であるから、事前計測の必要はない。また、上述したように、ランダム拡散板２１１ｂと前後の光波伝搬効果を含めた位相変調光Ａ’の強度分布または位相分布を計算によって求め、この分布を空間光変調器２１１ａによって生成する場合には、ｅｘｐ｛ｊΦ｝は計算上与える既知の強度分布または位相分布であるから、あらかじめ計測する必要は生じない。
【０１３９】
以上によれば、記録時および／または再生時にランダム拡散板などの新たな光学素子を付加することなく、デジタル位相共役再生技術によって簡素な光学系を保ちながらも、データページ間（単位情報間）のクロストーク（以下、ページ間クロストークという）を大幅に低減することが可能となる。
【０１４０】
また、上記のように、ノイズ成分としてのページ間クロストーク成分も広範囲に拡散して再生成分から分離されるため、記録媒質２１３にデータページを記録できる情報量密度、記録媒質２１３からデータページを再生できる情報量密度、対象物の透過光に含まれる画像計測により単位情報を計測可能な情報量密度を圧倒的に向上させることができる。
【０１４１】
よって、従来よりも記録、再生または計測時における実情報量密度を潜在的情報量密度に近づけることができる。ここに、対象物に単位情報を記録できる単位体積当たりの情報量、対象物から単位情報を再生できる単位面積当たりの情報量、光を照射した対象物の透過光に含まれる画像計測により単位情報を計測可能な単位体積当たりの情報量を情報量密度と称する。
【０１４２】
（図２２に示す形態の適用範囲について）
なお、以上の説明では、ホログラム記録媒体の再生時におけるノイズ成分の除去に関する形態について説明したが、図２２に示す形態はこのような形態に限定されない。例えば、図２２に示す形態は、画像計測装置などに応用することも可能である。この画像計測装置では、上記の空間位相変調光学系２１１（または空間光変調器２１１ａ）を備え、位相変調光Ａ’を観測試料（対象物）に照射するように構成する。また、この画像計測装置では、上記の空間位相変調光学系２１１（または空間光変調器２１１ａ）を備え、位相変調光Ａ’が照射された観測試料から出射される出射光の複素振幅に対して、または、上記の参照光Ｅが照射された観測試料から出射される位相変調光Ａ’の位相共役光を含む出射光に対して、ランダム拡散板２１１ｂと同一の位相変調処理を行うことで、出射光からノイズ成分を除去するように構成しても良い。さらに、この画像計測装置では、位相変調光Ａ’が照射された観測試料から出射される出射光を用いて、または、上記のノイズ成分を除去した光を用いて２次元情報（位相分布または強度分布）を生成する処理を行うように構成しても良い。
【０１４３】
＜本発明の一態様による効果＞
上述した本発明の一態様によれば、光学とエレクトロニクスとの完全な融合を提供する。特に本発明の一態様に係る複素振幅画像の再生過程と位相検出器による複素振幅計測とを組合せた場合、超並列性を持つ光学処理と柔軟性を持つ電子処理との間を目的に応じて自由に移動することが可能となる。そのため、新たな機能や性能を有する独創的な新規デバイスを創出できる。また、本発明をホログラフィックメモリに応用する場合、多値強度と多値位相とを組み合わせた直交振幅変調信号の使用が可能になり、大幅な記録密度拡大が容易に期待できる。この他、ホログラフィックメモリにおける複雑な光学処理の一部を電子的処理に任せた後、処理後の光波分布を本発明の一態様に係る実光学系上に表現することで、大幅な系の簡略化も可能になる。また、本発明の一態様と位相検出器とを組み合わせることで、信号光分布に対する符号化または復号化処理を付加的な光学素子無しに電子的に行うことが可能となるため、従来のホログラフィックメモリでは達成不可能な低ノイズを実現できる。On-axis型ＣＧＨの一種である上述のキノフォームは、不要な回折次成分無しに、１００％の回折効率で所望の複素振幅場を得ることができる。しかし、この技術は「再生可能な空間がフーリエ空間近傍に限られる」という本質的な欠点を持っているため、数ｍｍサイズの微小な２Ｄ像または３Ｄ像しか再生できない。一方の本発明の一態様によれば、ランダム拡散板１１ａなどを用いて「任意の空間」に散乱波面を生成できるため、従来技術における再生空間の制約を完全に排除することができる。すなわち、本発明の一態様によれば、「任意の空間」に「任意のサイズ」の２Ｄ像または３Ｄ像を再現でき、大画面ディスプレイが可能となる。なお、ここでいう、３Ｄ像とは、偏光などを用いて立体感を演出する疑似立体表示技術（現状の３Ｄテレビ）ではなく、光複素振幅分布（光複素振幅場）の正確な再生が可能なリアル３次元表示技術および同時多視点裸眼立体視技術である（たとえば、現状の３Ｄテレビでは、斜め方向から視た時に、隠れていた情報が視えるようなリアルな３Ｄ表示は不可能である）。
【０１４４】
この他、図２２に示す態様を利用する光断層撮影技術（光ＣＴ）にも本発明は大きく貢献できる。図９に示す断層撮影装置４は、物理的なランダム拡散板で生成した拡散光Ｌ１をＳＬＭ１５で表示して生体試料ＯＢの生体組織へ照射した後、反射拡散光Ｌ２にデジタル位相共役再生を施すことで、所定深さの断層情報のみを抽出している。本発明は、任意の複素振幅分布を生成可能な技術であるから、同図に示すように、断層撮影技術で必要とされる「物理的なランダム拡散板で生成した拡散光」の複素振幅分布を物理的なランダム拡散板を用いずに生成可能である。なお、比較例として、図２４のランダム拡散板（拡散板）を用いた断層撮影装置４０１の構成を示す。図９に示す断層撮影装置４と図２４に示す比較例の断層撮影装置４０１とを比較すると、本実施形態の断層撮影装置４によれば、レンズ１，２、拡散板を単一のＳＬＭで置換できるので、不要な光学素子を排除することができる。
【実施例】
【０１４５】
ここで、本発明の一態様に関し、その動作の確認を数値解析と実験との両面から行ったので、その結果について以下で説明する。
【０１４６】
〔数値解析による動作確認〕
図１０の「Ｉ．数値解析パラメータ」に数値解析で用いたパラメータを示しており、光源波長は５３２ｎｍ、複素振幅画像の領域は２５６×２５６（pixels）、ＳＬＭのピクセル数は画像領域の４×４倍に相当する１０２４×１０２４（pixels）と設定している。図２および図４は動作確認に用いた数値解析モデルを示し、図２は散乱位相画像の生成過程における数値解析モデルの一例を示す。一方、図４は複素振幅画像の再生過程における数値解析モデルの一例を示す。ここで、再生可能な複素振幅は、２Ｄ像および３Ｄ像のいずれであるかを問わないが、本数値解析では２Ｄ複素振幅画像（振幅分布と位相分布とを有する）を用いるものとする。
【０１４７】
＜散乱位相画像の生成過程＞・・・図２
以下では、図２に沿って、数値解析の流れについて説明する。
（１）任意の複素振幅値を持つ２Ｄ画像を入力面ＩＳにおいて生成する（Ｓ１１）。
（２）この２Ｄ画像の光波にフーリエ変換を施したフーリエ変換分布を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって計算する（変換ステップ）。
（３）このフーリエ変換分布と計算機上で生成した拡散板の透過関数とを掛け合わせる（乗算する；Ｓ１２）（乗算ステップ）。この拡散部材の透過関数の乗算は、ＦＴ面に拡散部材が配置されているという条件下で行う。なお、拡散部材がＦＴ面からずれた位置に配置されている仮想光学系では、逆フーリエ変換像に対する拡散部材の透過関数の乗算を、拡散部材がＦＴ面からずれた位置に配置されているという条件下で行っても良い。
（４）掛け合わされた光波分布に対して逆ＦＦＴ（ＩＦＦＴ）を施すことで逆フーリエ変換を行い（逆変換ステップ）、出力面ＯＳにおける散乱波面を求める（Ｓ１３）。
（５）「散乱波面における位相分布は、元の複素振幅情報におけるほとんどの重要な特徴を有する」という仮定を基に、散乱波面における強度分布を一定にする（Ｓ１４）。
（６）散乱位相波面の符号を反転（位相符号を反転）させることで、位相共役波面を持つ散乱位相画像を求める（Ｓ１５）。
【０１４８】
＜複素振幅画像の再生過程＞・・・図４
以下では、図４に沿って、数値解析の流れについて説明する。
（１）ＳＬＭ面に上記過程で生成した散乱位相画像を表示（配置）する（Ｓ２１）。
（２）ＳＬＭ面における散乱位相画像の光波の逆フーリエ変換分布をＩＦＦＴにより求める（逆変換ステップ）。
（３）この逆フーリエ変換分布と拡散板の透過関数とを再度掛け合わせる（乗算する；Ｓ２２）（乗算ステップ）。この拡散部材の透過関数の乗算は、ＦＴ面に拡散部材が配置されているという条件下で行う。なお、拡散部材がＦＴ面からずれた位置に配置されている仮想光学系では、逆フーリエ変換像に対する拡散部材の透過関数の乗算を、拡散部材がＦＴ面からずれた位置に配置されているという条件下で行っても良い。
（４）掛け合わされた光波分布をＦＦＴによってフーリエ変換することで、再生面における２Ｄ画像を求める（Ｓ２３）（変換ステップ）。
【０１４９】
図１１は、本発明に係る強度画像および位相画像の例を示す図である。図１１の（ａ）は、散乱位相画像の生成過程における入力像の強度画像（元の強度画像）の一例を示し、図１１の（ｂ）は、散乱位相画像の生成過程における入力像の位相画像（元の位相画像）の一例を示す。また、図１１の（ｃ）は、複素振幅画像の再生過程における再生像の強度画像（再生強度画像）の一例を示し、図１１の（ｄ）は、複素振幅画像の再生過程における再生像の位相画像（再生位相画像）の一例を示す。
【０１５０】
図１に示す散乱位相画像の強度分布ＤＳは一様に散乱し、図１１の（ａ）に示す元の強度画像を全く判別できないことが分かる。散乱波面におけるこの強度分布は再生過程において一定と仮定され（図１のＳ１、図２のＳ１４参照）、この散乱の一様さが再生品質を決定する。例えば、散乱強度画像において元の強度画像の特徴を残している、つまり、ランダム拡散板１１ａによる散乱が不十分である場合、再生強度画像の品質は大きく劣化する。図１１の（ｃ）および（ｄ）は、それぞれ、散乱位相画像のみから再生した強度画像および位相画像を示している。図１１によると、位相画像はほぼ完全に再生されているが、強度画像はわずかにノイズが混在している。これは、一定と仮定される散乱強度画像に一部の元の強度情報が残留していたためと考えられる。本発明者らによる解析により、本発明の一態様に係る複素振幅画像の再生過程における再生品質は、ランダム拡散板１１ａによる拡散角に大きく依存することが判明した。ここで、拡散角は、ランダム拡散板１１ａに平行な光が入射したときの出射光の強度が中心強度の１／２になる角度（全角）の半分の角度（半角）で定義される。
【０１５１】
そこで、複素振幅画像の再生品質の拡散角依存性を図１２に示す。再生品質の評価指標は以下の式によって表される規格化平均自乗誤差（ＮＭＳＥ：Normalized root mean square）を用いるものとする。
【０１５２】
【数８】
2015036799.tif 000010
【０１５３】
ここで、Ｒ（ｉ，ｊ）は再生画像を、Ｓ（ｉ，ｊ）は元画像を表している。また、ＮｐｘおよびＮｐｙは、それぞれ、ｘ方向およびｙ方向に沿う画像のピクセル数を示す。図１２によると、再生強度画像のＮＭＳＥは拡散角を増加させるほど大幅に改善されることが分かる。この原因について本発明者らが鋭意検討した結果、これは拡散角の増加に伴い、散乱位相画像へ移動する元の強度情報が増すためと考えられることが判明した。
【０１５４】
一方、再生位相画像に関しては、ＮＭＳＥに大きな変化は無いことが観察できる。この原因について本発明者らが鋭意検討した結果、光波がランダム拡散板１１ａを透過した後も、元画像におけるほとんどの位相情報は散乱強度分布へ移らず、散乱位相分布に保持されていると考えられることが判明した。これらの結果は、光波における位相情報の重要性を示唆している。なお、図１２では拡散角を５°までに設定しているが、より広い解析領域を用意することで、より大きな拡散角を設定することが可能になり、再生品質を改善できるものと考えられる。
【０１５５】
〔実験による動作確認〕
次に、実際に図１３に示す光学系５を試作し、その動作の確認を実験した結果について説明する。この動作確認の実験は、本発明をホログラフィックメモリに適用することを想定したものであるため、上述したように、ランダム拡散板１１ａによる位相変調および復調処理は全てコンピュータ上で行った。
【０１５６】
したがって、同図に示すＳＬＭへ表示される画像は、図２に示す解析モデルに従ってコンピュータ上で生成された散乱位相分布を使用した。今回の実験では、空間位相変調型のＳＬＭにより生成された信号光は、二つの４ｆ光学系（Ｌ１およびＬ２、ならびに、Ｌ３およびＬ４によって構成される）を介して位相検出面（ＣＣＤ面；ＣＣＤ１およびＣＣＤ２）に直接結像する。位相検出器はホログラフィックダイバーシティ干渉計（非特許文献７参照）を用いており、ＣＣＤ面で位相検出された散乱位相画像は、実光学系からコンピュータ上に取り込まれる。最後に、図４の解析モデルに従った位相復調処理が施され、散乱位相画像のみから元の複素振幅値を持つ再生画像が得られる。ここで、本実験で用いた空間位相変調型のＳＬＭ（Hamamatsu社製のx10468）、およびＣＣＤ（Stingray社製のF125Ｂ）のピクセルサイズは、それぞれ、２０μｍおよび３．７５μｍと異なるため、焦点距離４００ｍｍと７５ｍｍのレンズで構成された縮小光学系を組み、両素子間のピクセルマッチングを行っている（図１３参照）。
【０１５７】
図１４は、上記光学系５に関連する画像の例を示す図である。図１４の（ａ）は、元の強度画像（強度２値；１：０．５）の一例を示し、図１４の（ｂ）は、元の位相画像（位相４値；０，π／２，π，３π／２）の一例を示す。次に、図１４の（ｃ）は、図２に示す解析モデルに従って生成されたＳＬＭ面に表示する散乱位相画像の一例を示し、図１４の（ｄ）は、ＣＣＤ面で位相検出された計測位相画像の一例を示す。最後に、図１４の（ｅ）は、図４に示す解析モデルに従って再生された再生振幅画像の一例を示し、図１４の（ｆ）は、再生位相画像の一例を示す。
【０１５８】
位相画像のみから元の強度情報と位相情報とが高い品質を持って復元されていることが観察できる。再生画像に含まれるムラはビームスプリッター等で発生するゴースト像と正像の干渉の結果である。したがって、ゴースト像が出現しないペリクルビームスプリーターを用いることでムラを無くすことができる。解像度の向上には、ピクセル数の多い位相検出器（ＣＣＤ）を用いれば良い。さらに、あらかじめ、平面波をＳＬＭに表示し、光学系を透過した平面波の位相を位相検出器によって計測し、この計測データを初期光学歪みとしてコンピュータ上に保存しておき、再生時の計測データから差し引くことで、参照光分布にムラがある場合や用いる光学素子に傷や歪みがある場合に生ずる再生品質の低下を防ぐことができる。
【０１５９】
最後に、図１５に再生画像の拡散角依存性を示す。図１５を見ると、図１２に示す数値解析結果と同様の傾向（拡散角Θdiffが大きいほど再生品質が高まる）を示していることが分かる。
【０１６０】
〔情報処理への応用〕
本発明の一態様によれば、任意の空間に「元の像を再生」できるだけでなく、コンピュータ内で入力像に対して「変形や移動、回転などの任意の操作を加えた像も再生」できる。
【０１６１】
例えば、野球グラウンドに白球が落ちているような像がある場合、本発明の一態様によれば、像の散乱波面をコンピュータ上に取り込むことさえできれば、野球グラウンドに白球が転々と転がっている様子を実空間上に表示できる。
【０１６２】
以下に、この方法の具体的な手順を示す。
（１）実空間に存在する像の散乱波面を、位相検出器を通してコンピュータ上に取り込む。このとき、野球グラウンドに白球（操作対象となる物体）が落ちている像とは別に、背景の野球グランドのみから成る像の散乱波面も取得しておく。この様にすることで背景と物体の情報をコンピュータ上で独立して扱う。ここで、実空間に存在する画像を取り込む代りに、コンピュータ内で生成あるいは蓄積した画像情報を用いることもできる。さらに、背景画像と物体画像とを別々に用意することなく、画像処理技術によって１つの画像に含まれる背景から物体画像を抽出したデータを用いることもできる。
（２）取り込んだ散乱波面から、実空間ではなく、コンピュータ上で仮想的に背景画像と物体画像とをそれぞれ独立に再生する。
（３）コンピュータ上の再生空間において、再生物体画像を任意の位置ヘシフトし、シフト後の物体画像と背景画像とを重ね合わせる。
（４）重ね合わせによって生成された画像データをコンピュータ上の入力空間に配置し、重ね合わせた画像の散乱波面を再度計算する。
（５）上記した（３）および（４）の処理を繰り返すことで、白球の位置がそれぞれ異なる像の散乱波面を求める。
（６）各散乱波面をＳＬＭに順々に表示することで、再生空間において、野球グラウンドに転がる白球を表現することができる。
【０１６３】
ここで、元の像に移動操作を加えた像を再生できることを示すために数値解析を実際に行ったので、以下では、その結果について説明する。図１６に本解析で用いた元画像を示す。
【０１６４】
図１６の（ａ）および図１６の（ｂ）は、それぞれ光波場における強度成分へ変調する背景画像（サッカーグラウンド）、および物体画像（サッカーボール）である。一方、図１６の（ｃ）および図１６の（ｄ）は、それぞれ光波場における位相成分へ変調する背景画像（野球グラウンド）、および物体画像（白球）である。
【０１６５】
図１７の（ａ）および図１７の（ｂ）は、それぞれ移動操作無しの再生画像を示しており、散乱位相画像のみから複素振幅値を持つ再生像が綺麗に表現されていることが分かる。図１７の（ｃ）および図１７の（ｄ）は、それぞれ物体を背景に対して左方向（負の符号で示す）へ２００ピクセル分シフトした場合における再生画像である。同様に、図１７の（ｅ）および図１７の（ｆ）は、それぞれ物体を背景に対して右方向（正の符号で示す）へ２００ピクセル分シフトした場合における再生画像である。
【０１６６】
以上のように、本発明の一態様によれば、元の複素振幅像を再生できるだけでなく、必要に応じて元の複素振幅画像に対して、任意の操作を加えた画像も再生することが可能である。
【０１６７】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る複素振幅画像再生装置は、散乱位相画像の光波を出力する少なくとも一つの空間光変調器（ＳＬＭ１５）と、入射された光波に対して逆フーリエ変換を施す逆変換レンズ（ＦＴレンズ１２）と、入射された光波を拡散する拡散部材（ランダム拡散板１１ａ）と、を備え、上記拡散部材が上記逆変換レンズのフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に配置されている構成である。
【０１６８】
また、本発明の態様９に係る複素振幅画像再生方法は、散乱位相画像に対して逆フーリエ変換を施す逆変換ステップと、上記逆変換ステップにて生成される逆フーリエ変換像に対して拡散部材の透過関数を乗算する乗算ステップと、を含み、上記逆フーリエ変換像に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に上記拡散部材が配置されているという条件下で行う方法である。
【０１６９】
上記構成または方法によれば、逆変換レンズの（または逆フーリエ変換に係る）フーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に拡散性の強い拡散部材を配置することで、フーリエ変換面の近傍に限定されず、あらゆる空間領域に散乱波面を作り出すことが可能である。従って、任意のサイズの再生像を任意の空間に再現することが原理的に可能になる。
【０１７０】
より具体的には、上記構成または方法によれば、例えば、圧倒的に大きな自由度（奥行きおよびサイズ）を有する物体情報を含んだ複素振幅画像の生成が可能になる。このため、原理的に３６０°同時多視点裸眼立体視に対応可能であり、大きなサイズ、かつ、大きな視野角の複素振幅画像の再生が可能になる。さらに、上記構成または方法によれば、空間光変調器にホログラムではなく散乱位相画像を表示するため、空間光変調器の解像度や空間光変調器への入射光のエネルギーを効果的に活用できる（ほぼ１００％のエネルギー利用効率）。これにより、入射光のエネルギーの損失がほとんど生じない複素振幅画像の再生方式を提供することができる。
【０１７１】
また、本発明の態様２に係る複素振幅画像再生装置は、上記態様１において、上記逆変換レンズは、上記空間光変調器から出力された散乱位相画像の光波に対して逆フーリエ変換を施しても良い。
【０１７２】
これにより、空間光変調器の情報を結像させる必要がある場合などに好適に使用できる複素振幅画像再生装置を実現できる。
【０１７３】
また、本発明の態様３に係る複素振幅画像再生装置は、上記態様１または２において、上記逆変換レンズによる逆フーリエ変換像の光波が上記拡散部材で拡散されて生じた拡散光に対してフーリエ変換を施す変換レンズを備えていても良い。
【０１７４】
また、本発明の態様９に係る複素振幅画像再生方法は、下記態様８において、上記乗算ステップにて上記逆フーリエ変換像に対して上記拡散部材の透過関数を乗算することによって生成される像に対してフーリエ変換を施す変換ステップを含んでいても良い。
【０１７５】
これにより、空間光変調器の情報を結像させる必要がある場合などに好適に使用できる複素振幅画像再生装置または複素振幅画像再生方法を実現できる。
【０１７６】
また、本発明の態様４に係る複素振幅画像再生装置は、上記態様３において、上記変換レンズによるフーリエ変換像から生成される複素振幅画像を表示する表示部を備えていても良い。
【０１７７】
上記の構成によれば、任意のサイズの複素振幅画像の再生像を任意の空間に再現することができる表示装置を実現できる。
【０１７８】
また、本発明の態様５に係る複素振幅画像再生装置は、上記態様４において、上記拡散部材で拡散されて生じた拡散光から生ずる複素振幅画像を表示する表示部が、上記拡散部材に対してフレネル領域またはフラウンホーファー領域に配置されていても良い。
【０１７９】
上記構成によれば、拡散部材に対して表示部を任意の位置に配置することができる。すなわち、表示部による再生可能な領域を従来のキノフォームの再生可能な領域であるフーリエ変換面の近傍から全空間に拡張できる。例えば、上述した従来のキノフォームでは、数ｍｍ程度の非常に小さい再生像しか得られないのに対して、本発明の上記態様によれば、例えば、数１０ｃｍ以上の複素振幅画像の再生が可能になる（１００倍以上の拡大効果）。
【０１８０】
また、本発明の態様６に係る複素振幅画像再生装置は、上記態様４または５において、上記表示部に表示される複素振幅画像の解像度が、上記空間光変調器から出力される散乱位相画像の解像度と等しくても良い。
【０１８１】
これにより、任意の複素振幅画像を、空間光変調器の有する解像度と等しい解像度で生成可能になる。言い換えれば、本願の上記の態様により、空間光変調器の空間バンド幅と等価な複素振幅画像を取得可能（ＳＬＭの１ピクセルで、１ピクセルの複素振幅画像が生成される）である。
【０１８２】
また、本発明の態様７に係る複素振幅画像再生装置は、上記態様１〜６において、上記空間光変調器は、光波の位相のみを出力する位相変調型の空間光変調器であっても良い。
【０１８３】
上記構成によれば、ホログラムの代りに散乱位相画像の光波を空間光変調器から出射することができるので、空間光変調器に対する入射光のエネルギー、および、空間光変調器の空間バンド幅を全て所望の複素振幅画像の再生のみに費やすことができる。また、参照光の生成や不要な回折次成分の分離にかかる処理を省略することもできるため、動画再生や３Ｄディスプレイへの応用においては大きな優位性を持つ。
【０１８４】
また、本発明の態様１１に係る複素振幅画像再生方法は、上記態様９または１０において、上記逆フーリエ変換像に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面に上記拡散部材が配置されているという条件下で行っても良い。
【０１８５】
本発明者らの実験により、拡散部材がフーリエ変換面にあるときに、もっとも高い性能ができることが判明している。よって、上記の方法では、逆フーリエ変換像に対する拡散部材の透過関数の乗算を、逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面に拡散部材が配置されているという条件下で行っている。
【０１８６】
また、本発明の態様１２に係る散乱位相画像生成装置は、光波を拡散する拡散部材と、複素振幅画像に由来する光波が上記拡散部材で拡散されて生じた拡散光に対して逆フーリエ変換を施す逆変換レンズと、上記逆変換レンズによる逆変換像の光波の散乱波面を解析して散乱位相画像を生成する画像生成部と、を備え、上記拡散部材が上記逆変換レンズのフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に配置されている構成である。
【０１８７】
また、本発明の態様１５に係る散乱位相画像生成方法は、複素振幅画像に由来する光波に対して拡散部材の透過関数を乗算する乗算ステップと、上記乗算ステップにて上記複素振幅画像に由来する光波に対して上記拡散部材の透過関数を乗算することによって生成される像に対して逆フーリエ変換を施す逆変換ステップと、を含み、上記複素振幅画像に由来する光波に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面または当該フーリエ変換面からずれた位置に上記拡散部材が配置されているという条件下で行う方法である。
【０１８８】
上記の構成または方法によれば、入力像（複素振幅画像）の入力可能な空間をフーリエ変換面の近傍から任意の空間に拡張することができる。このため、複素振幅画像の再生に好適に用いることのできる散乱位相画像を生成することができる。
【０１８９】
また、本発明の態様１３に係る散乱位相画像生成装置は、上記態様１２において、上記複素振幅画像の光波が上記拡散部材で拡散される前に、当該複素振幅画像の光波に対してフーリエ変換を施す変換レンズを備えていても良い。
【０１９０】
また、本発明の態様１６に係る散乱位相画像生成方法は、上記態様１５において、上記複素振幅画像の光波に対して上記拡散部材の透過関数を乗算する前に、当該複素振幅画像の光波に対してフーリエ変換を施す変換ステップを含んでいても良い。
【０１９１】
上記構成または上記方法によれば、複素振幅画像の情報を結像させる必要がある場合などに好適に使用できる散乱位相画像生成装置または散乱位相画像生成方法を実現できる。
【０１９２】
また、本発明の態様１５に係る散乱位相画像生成方法は、上記態様１３または１４において、上記複素振幅画像に由来する光波または上記複素振幅画像の光波に対する上記拡散部材の透過関数の乗算を、上記逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面に上記拡散部材が配置されているという条件下で行っても良い。
【０１９３】
本発明者らの実験により、拡散部材がフーリエ変換面にあるときに、もっとも高い性能ができることが判明している。よって、上記の方法では、複素振幅画像に由来する光波または複素振幅画像の光波に対する拡散部材の透過関数の乗算を、逆フーリエ変換に係るフーリエ変換面に上記拡散部材が配置されているという条件下で行っている。
【０１９４】
〔本発明の別の表現〕
また、本発明の態様は以下のように表現することもできる。
【０１９５】
すなわち、本発明の一態様によれば、任意の光複素振幅場（必ずしも光波帯に限定されない電磁波の位相および振幅）を、単一の空間位相変調素子で、かつ、空間位相変調素子の有する解像度と等しい解像度で生成可能な方法を提供する。
【０１９６】
また、本発明の一態様によれば、従来の方法と比較して、圧倒的に大きな自由度（奥行きおよびサイズ）を有する物体情報を含んだ光複素振幅場の生成が可能である。さらに、本発明の一態様によれば、入射光のエネルギー損失がほとんど生じない光複素振幅場の生成方式を提供することができる。
【０１９７】
また、本発明の一態様によれば、散乱位相画像生成面のフーリエ変換領域に拡散性の強い媒体（ランダム拡散板など）を配置することで、原理上、あらゆる空間にある物体の散乱波面を作り出すことができるため、再生可能な領域を従来の「フーリエ変換面近傍」から「全空間」に拡張できる。
【０１９８】
また、上述した従来のキノフォームでは、数ｍｍ程度の非常に小さい再生像しか得られないのに対して、本発明の一態様によれば、数１０ｃｍ以上の３Ｄ画像再生が可能になる（１００倍以上の拡大効果）。
【０１９９】
さらに、本発明の一態様によれば、入射光エネルギーのほぼ１００％が所望の回折光に費やされること、ＳＬＭの空間バンド幅と等価な複素振幅を取得可能（ＳＬＭの１ピクセルで、１ピクセルの複素振幅が生成される）であること、単一のＳＬＭで実現できることも本発明の重要な特長と言える。
【０２００】
また、本発明の一態様によれば、複素振幅出力面のフーリエ変換面に拡散性の強い媒体（ランダム拡散板など）を配置することで、フーリエ変換面近傍に限定されず、あらゆる空間領域に散乱波面を作り出すことが可能である。従って、「任意のサイズ」の再生像を「任意の空間」に再現することが原理的に可能である（原理的には、３６０°同時多視点裸眼立体視に対応可能であり、大きなサイズ、かつ、大きな視野角の複素振幅再生を可能にする）。
【０２０１】
また、本発明の一態様によれば、ＳＬＭにホログラムではなく位相画像を表示するため、ＳＬＭの解像度や入射光エネルギーを効果的に活用できる（ほぼ１００％のエネルギー利用効率）。なお、本発明の一態様に使用される拡散性の強い媒体は、ランダム拡散板に限定されるものではなく、様々なタイプの空間位相変調素子を用いることができる。また、本発明の一態様に使用される「拡散性の強い媒体」は、利用用途によっては必ずしも物理的に配置する必要はなく、コンピュータ内の電子的な処理における仮想的な「拡散性の強い媒体」を用いることもできる。さらに、本発明の一態様に使用される空間位相変調素子は現行のＳＬＭに限定されるものではなく、光の空間位相分布を生成できる様々なタイプの素子を用いることが可能である。
【０２０２】
〔付記事項〕
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。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【産業上の利用可能性】
【０２０３】
本発明は、例えば、２Ｄ表示または３Ｄ表示ディスプレイ、光メモリ、光断層撮影技術（光ＣＴ）、光計測技術などの幅広い技術分野に適用することができる。なお、ここで言う３Ｄ表示とは、偏光などを用いて立体感を演出する疑似立体表示技術（現状の３Ｄテレビ）とは根本的に異なるもので、光複素振幅分布（光複素振幅場）の正確な再生が可能なリアル３次元表示技術および同時多視点裸眼立体視技術を意味する（例えば、現状の３Ｄテレビでは、斜め方向から視た時に、隠れていた情報が視えるようなリアルな３Ｄ表示は不可能である）。
【符号の説明】
【０２０４】
１ａ  散乱位相画像生成装置
１ｂ  複素振幅画像再生装置
２ａ  光学系（散乱位相画像生成装置）
２ｂ  光学系（散乱位相画像生成装置）
２ｃ  光学系（複素振幅画像再生装置）
２ｄ  光学系（複素振幅画像再生装置）
２ｅ  光学系（複素振幅画像再生装置）
１１ａ  ランダム拡散板（拡散部材）
１２，１２Ｌ，１２Ｒ  ＦＴレンズ（変換レンズまたは逆変換レンズ）
１３  撮像素子（位相検出器）
１４  散乱位相画像生成部（画像生成部）
１５  ＳＬＭ（空間光変調器）
１７  ＣＣＤ（位相検出器）
ＤＳ  強度分布（散乱位相画像）
ＤＰ  位相分布（散乱位相画像）
ＩＭ１  ２Ｄ像（複素振幅画像）
ＩＭ２  ３Ｄ像（複素振幅画像）
【図２】
2015036799.tif 000011
【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２４】
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【図１】
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【図５】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2015036799.tif 000033
【図２３】
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