(57)【要約】【課題】高精度に物体の情報をホログラムに記録または再生する。【解決手段】本発明の一態様に係るデジタルホログラフィ装置１は、物体光の空間スペクトルの値に対して、所定の関数の逆数をかけることにより補正を行う再生装置１１を備える。再生装置１１は、物体光の空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数を少なくとも１／ｄシフトさせた上で上記補正を行う。ここでｄは画素間隔である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
撮像されたホログラムに基づいて再生像を生成する再生装置を備え、
上記再生装置は、物体光の空間スペクトルの値に対して、空間周波数ｆを変数とする所定の関数の逆数をかけることにより補正を行い、補正された物体光の空間スペクトルを用いて再生像を生成し、
撮像装置の画素間隔をｄとして、
上記関数は、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において、関数値が空間周波数ｆに応じて単調減少する関数であり、
上記再生装置は、物体光の上記空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数を少なくとも１／ｄシフトさせた上で上記補正を行うことを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項２】
第１波長の参照光、第２波長の参照光、第１波長の物体光、および第２波長の物体光が干渉することにより形成されるホログラムを撮像する撮像装置と、
上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を上記撮像装置に導く光学系とを備え、
上記撮像装置の１つの画素は、上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を受光し、
上記光学系は、上記撮像されたホログラムにおいて上記第１波長の物体光の空間スペクトルにエイリアシングが発生するように、上記撮像装置に入射する上記第１波長の物体光の光軸と上記第１波長の参照光の光軸との間に角度差を与えることを特徴とする請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項３】
第１経路の物体光、第２経路の物体光、および参照光が干渉することにより形成されるホログラムを撮像する撮像装置と、
上記第１経路の物体光および上記第２経路の物体光をそれぞれ異なる方向から上記撮像装置に入射させる光学系とを備え、
上記光学系は、上記撮像されたホログラムにおいて上記第１経路の物体光の空間スペクトルにエイリアシングが発生するように、上記撮像装置に入射する上記第１経路の物体光の光軸と上記参照光の光軸との間に角度差を与えることを特徴とする請求項１に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項４】
上記関数は、
０＜ｆ＜３／（２ｄ）の範囲において、関数値が空間周波数ｆに応じて単調減少する関数、
または、上記撮像装置の複数の画素のフィルファクタに応じた上記空間スペクトルの減衰を表す関数であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項５】
上記撮像装置の複数の画素のフィルファクタをαとして、
上記関数は、sinc(απｆｄ)またはウィナーフィルタであることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項６】
上記再生装置は、物体光の上記空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数をＮ／ｄシフトさせた上で上記補正を行い、
干渉により形成される上記ホログラムの縞の間隔をｐとし、
Ｎは、（２ｄ）／（２Ｎ＋１）≦ｐ＜（２ｄ）／（２Ｎ−１）を満たす整数であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項７】
複数の上記画素はｘ方向およびｙ方向に配列しており、
上記光学系は、上記第１波長の物体光の空間スペクトルについては上記ｘ方向にエイリアシングが発生するよう、かつ、上記第２波長の物体光の空間スペクトルについては上記ｙ方向にエイリアシングが発生するよう、構成されていることを特徴とする請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項８】
上記第１波長をλ１として、
上記撮像装置に入射する上記第１波長の物体光と上記第１波長の参照光の光軸との間の角度がarcsin(λ１／(２ｄ))より大きいことを特徴とする請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項９】
上記第１波長の物体光の空間スペクトルの中心の空間周波数が、１／（２ｄ）であることを特徴とする請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１０】
撮像されたホログラムにおいて上記第１波長の物体光の空間スペクトルと０次回折光の空間スペクトルとが互いに重ならないことを特徴とする請求項２に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１１】
上記第１波長の物体光の空間スペクトルの中心のｘ方向における空間周波数が、１／（２ｄ）であり、
上記第２波長の物体光の空間スペクトルの中心のｙ方向における空間周波数が、１／（２ｄ）であり、
上記第１波長の物体光の空間スペクトルと上記第２波長の物体光の空間スペクトルとは接していることを特徴とする請求項７に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１２】
上記撮像装置は、カラーフィルタを用いないモノクロ撮像装置であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１３】
撮像されたホログラムに基づいて再生像を生成するデジタルホログラフィ方法であって、
物体光の空間スペクトルの値に対して、空間周波数ｆを変数とする所定の関数の逆数をかけることにより補正を行うステップと、
補正された物体光の空間スペクトルを用いて再生像を生成するステップとを含み、
撮像装置の画素間隔をｄとして、
上記関数は、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において、関数値が空間周波数ｆに応じて単調減少する関数であり、
上記補正を行うステップでは、物体光の上記空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数を少なくとも１／ｄシフトさせた上で上記補正を行うことを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
【請求項１４】
第１波長の参照光、第２波長の参照光、第１波長の物体光、および第２波長の物体光が干渉することにより形成されるホログラムを撮像する撮像装置と、
上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を上記撮像装置に導く光学系とを備え、
上記撮像装置の１つの画素は、上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を受光し、
上記光学系は、
上記第１波長の物体光および上記第２波長の物体光から分離された上記第１波長の参照光および上記第２波長の参照光に単一の経路を通過させ、
上記第１波長の参照光および上記第２波長の参照光が同じ方向から入射する回折格子またはプリズムを上記単一の経路に備えることを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項１５】
上記光学系は、上記単一の経路において、上記回折格子または上記プリズムと上記撮像装置との間に、使用される波長数と少なくとも同じ数の開口が配列した開口アレイを備えることを特徴とする請求項１４に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１６】
上記光学系は、上記単一の経路において上記回折格子または上記プリズムと上記開口アレイとの間に第１レンズを備え、上記開口アレイと上記撮像装置との間に第２レンズを備えることを特徴とする請求項１５に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１７】
上記開口アレイの上記開口は、通過する参照光の波長分布の幅を絞るよう機能することを特徴とする請求項１５または１６に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１８】
上記光学系は、上記回折格子として、ブレーズド回折格子を備えることを特徴とする請求項１４から１７のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項１９】
第１波長の物体光および第２波長の物体光から分離された第１波長の参照光および第２波長の参照光に単一の経路を通過させるステップと、
上記単一の経路において、上記第１波長の参照光および上記第２波長の参照光を同じ方向から回折格子またはプリズムに入射させるステップと、
上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光が干渉することにより形成されるホログラムをモノクロの撮像装置によって撮像するステップとを含むことを特徴とするデジタルホログラフィ方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタルホログラフィ装置およびデジタルホログラフィ方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
以後の文章中で位相の単位はラジアンで表す。光の干渉を利用した干渉計測技術、特にデジタルホログラフィは、非接触かつ非破壊で、物体の３次元情報を得ることができるため、近年、注目を集めている測定法の一つとなっている。
【０００３】
デジタルホログラフィは、３次元物体への光照射によって得られる干渉縞から、コンピュータを用いて３次元物体の像を再生する技術である。一般的には例えば、３次元物体への光照射によって得られる物体光と、該物体光に対して可干渉（コヒーレント）である参照光とが作る干渉縞を、ＣＣＤ（charge coupled device）等の撮像素子を用いて記録する。記録された干渉縞に基づいて、コンピュータで３次元物体の像を再生する。
【０００４】
非特許文献１には、干渉縞から像を再生する基本的なデジタルホログラフィ技術が記載されている。
【０００５】
非特許文献２、５には、干渉縞から像を再生するフーリエ変換縞解析法が記載されている。
【０００６】
ここで、被写体の色情報をホログラムに記録する技術として、特許文献１−２、および非特許文献３の技術がある。特許文献１−２には、複数の波長のレーザ光およびカラーフィルタアレイを用いることにより、被写体の色情報をホログラムに記録する技術が記載されている。カラーフィルタアレイを用いる方式は、ホログラフィではない一般的なデジタルカメラで用いられるカラー撮影方式と同様のものである。
【０００７】
一方、非特許文献３には、カラーフィルタを用いず、波長毎に異なる方向から参照光をモノクロ撮像素子へ入射することにより、被写体の色情報をホログラムに記録する技術（角度多重記録法）が記載されている。これはホログラフィ特有の方法である。
【０００８】
特許文献２、非特許文献６にはそれぞれ、空間分割多重記録法、角度多重記録法に基づく、３次元物体の偏光分布記録可能なデジタルホログラフィ技術が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１０／０９２７３９号（２０１０年８月１９日公開）
【特許文献２】国際公開第２０１２／００２２０７号（２０１２年１月５日公開）
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】J. W. Goodman and R. W. Lawrence、「DIGITAL IMAGE FORMATION FROM ELECTRONICALLY DETECTED HOLOGRAMS」、APPLIED PHYSICS LETTERS、(1967)、Vol. 11、No. 3、p.77-79
【非特許文献２】M. Takeda, et al., "Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry", J. Opt. Soc. Am. 72, pp.156-160 (1982)
【非特許文献３】J. Kuhn, et al., "Real-time dual-wavelength digital holographic microscopy with a single hologram acquisition", Opt. Express 15, pp.7231-7242 (2007)
【非特許文献４】T. M. Kreis, "Frequency analysis of digital holography", Opt. Eng. 41(4), pp.771-778 (2002)
【非特許文献５】T. Tahara, et al., "Space-Bandwidth Capacity-Enhanced Digital Holography", Appl. Phys. Express 6, pp.022502-1-3 (2013)
【非特許文献６】T. Colomb, et al., "Polarization imaging by use of digital holography", Appl. Opt. 41, pp.27-37 (2002)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、ホログラムの縞の間隔が短いと撮像装置において撮像される物体光の振幅値が減衰することが非特許文献４で明らかにされている。振幅値が減衰すると、再生像が暗くなってしまい、物体本来の明るさを像再生できなくなる。これは、あらゆるデジタルホログラフィ方法に共通の問題であるが、細かい縞を記録する方法であるフーリエ変換縞解析法では、再生像の画質に特に影響する問題である。さらに、非特許文献５では、エイリアシングにより、得られるホログラムの空間周波数と振幅減衰量の対応が通常のホログラムと異なる。
【００１２】
次に、複数波長の情報を記録可能なデジタルホログラフィにおける問題を述べる。カラーフィルタアレイを用いる方法では、以下の問題を生じる。まず、カラーフィルタによって光の吸収および反射が生じ、光利用効率が低下する。また、カラーフィルタは単一の波長成分のみを通過させるわけではないので、波長成分の完全な分離記録が困難である。デジタルホログラフィの像再生時おいて、カラーフィルタで遮断できなかった不要な波長の光成分は、所望の波長の光成分であると誤認識されて計算される。そのため、不要な波長の光成分は本来とは異なる空間位置で像を結ぶ。その結果、不要な波長の光成分は再生像にゴーストを生じさせてしまう。
【００１３】
一方、角度多重記録法では、光利用効率が高く、ゴーストも生じない。そして、角度多重記録法は、市販のモノクロ撮像素子によって実現可能である。しかしながら、従来の角度多重記録法（非特許文献３）では、高精度かつ広い範囲（視野）の再生像を得ることができない。その原因の一つには上記の振幅減衰があり、また記録可能な空間情報量の不足も原因の一つである。
【００１４】
また、偏光分布を記録するデジタルホログラフィにおいて角度多重記録法、または空間分割多重記録法を適用する場合にも、振幅減衰と空間情報量不足により、高精度かつ広い視野で３次元物体の偏光分布を計測することができない。角度多重記録法においては、振幅減衰が著しく偏光分布計測精度に悪影響を与える。
【００１５】
本発明の一態様では、モノクロ撮像素子を用いたホログラム記録法において、高精度に物体の情報をホログラムに記録またはホログラムから再生することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、撮像されたホログラムに基づいて再生像を生成する再生装置を備え、上記再生装置は、物体光の空間スペクトルの値に対して、空間周波数ｆを変数とする所定の関数の逆数をかけることにより補正を行い、補正された物体光の空間スペクトルを用いて再生像を生成し、上記関数は、撮像装置の画素間隔をｄとして、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において、関数値が空間周波数ｆに応じて単調減少する関数であり、上記再生装置は、物体光の上記空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数を少なくとも１／ｄシフトさせた上で上記補正を行うことを特徴としている。
【００１７】
ホログラムの縞の間隔が短いと撮像装置において撮像される物体光の振幅値が減衰する。そのため、例えば撮像装置の複数の画素のフィルファクタが１００％のとき、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において、ホログラムの空間周波数ｆが高くなるにしたがって振幅値が減衰する。物体光の空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分は、空間周波数面において、本来の干渉縞の空間周波数とは異なる空間周波数の位置に現れる。
【００１８】
上記の構成によれば、空間周波数ｆが高いほど、振幅値を大きく補正する。また、エイリアシングによる空間周波数の誤認識を考慮して、物体光の空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数を少なくとも１／ｄシフトさせた上で上記補正を行う。これにより、ホログラムに生じた振幅値の減衰を適切に補正することができるので、再生像の画質を向上することができる。
【００１９】
上記デジタルホログラフィ装置は、第１波長の参照光、第２波長の参照光、第１波長の物体光、および第２波長の物体光が干渉することにより形成されるホログラムを撮像する撮像装置と、上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を上記撮像装置に導く光学系とを備え、上記撮像装置の１つの画素は、上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を受光し、上記光学系は、上記撮像されたホログラムにおいて上記第１波長の物体光の空間スペクトルにエイリアシングが発生するように、上記撮像装置に入射する上記第１波長の物体光の光軸と上記第１波長の参照光の光軸との間に角度差を与える構成であってもよい。
【００２０】
上記の構成によれば、上記再生装置による振幅値の補正により、波長数２以上の場合においても再生像の画質を向上させることができる。また、第１波長の物体光の空間スペクトルと第２波長の物体光の空間スペクトルとを記録する際、より広い空間周波数帯域を物体光の情報の記録に使用することができる。これにより、物体の情報をホログラムに高精度に記録することができる。そのためホログラムを再生したとき、再生像の画質を向上することができる。
【００２１】
上記デジタルホログラフィ装置は、第１経路の物体光、第２経路の物体光、および参照光が干渉することにより形成されるホログラムを撮像する撮像装置と、上記第１経路の物体光および上記第２経路の物体光をそれぞれ異なる方向から上記撮像装置に入射させる光学系とを備え、上記光学系は、上記撮像されたホログラムにおいて上記第１経路の物体光の空間スペクトルにエイリアシングが発生するように、上記撮像装置に入射する上記第１経路の物体光の光軸と上記参照光の光軸との間に角度差を与える構成であってもよい。
【００２２】
上記の構成によれば、第１経路の物体光および第２経路の物体光はそれぞれ異なる方向から撮像装置に入射する。そして、第１経路の物体光の空間スペクトルについてエイリアシングを発生させる。そのため、被写体（物体）の面内方向の小さな波数の情報のみならず、被写体の面内方向の大きな波数の情報をもホログラムとして記録することができる。そして、振幅値の減衰の補正により、エイリアシングを伴って記録された物体光の情報を復元できる。それゆえ、高画質の３次元再生像を得ることができる。
【００２３】
上記の構成の実施方法として、光学系は、複数経路の物体光同士が干渉しないように複数経路の光路長の差を調整する素子を含み、複数経路の物体光のそれぞれに対応して干渉する複数の参照光を含んでもよい。
【００２４】
また、光学系は、上記第１経路の物体光と上記第２経路の物体光とが異なる波長であり、両方の波長を含む参照光を含んでもよく、
または、光学系は、上記第１経路の物体光と上記第２経路の物体光とが異なる偏光状態であり、両方の偏光状態を含む参照光を含んでもよく、
または、光学系は、物体へ照射する単一または複数の、波長、偏光状態、または伝搬方向の物体照明光あるいは物体から発せられる波動と、物体照明光に基づいて形成される物体光あるいは物体から発せられる波動の伝播方向を選択的に透過、減衰、変調、または遮断する開口のアレイ、レンズのアレイ、またはフィルタのアレイを含んでもよい。
【００２５】
上記関数は、０＜ｆ＜３／（２ｄ）の範囲において、関数値が空間周波数ｆに応じて単調減少する関数、または、上記撮像装置の複数の上記画素のフィルファクタに応じた上記空間スペクトルの減衰を表す関数であってもよい。例えば、画素の開口が矩形の場合、フィルファクタをαとして、０＜ｆ＜１／（αｄ）の範囲において空間スペクトルは単調減少（減衰）する。
【００２６】
上記撮像装置の複数の上記画素のフィルファクタをαとして、上記関数は、sinc(απｆｄ)またはウィナーフィルタであってもよい。また、上記関数は、撮像素子の各画素に対し、見かけの開口のフーリエ変換で表される関数であってもよい。
【００２７】
上記再生装置は、物体光の上記空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数をＮ／ｄシフトさせた上で上記補正を行い、干渉により形成される上記ホログラムの縞の間隔をｐとし、Ｎは、（２ｄ）／（２Ｎ＋１）≦ｐ＜（２ｄ）／（２Ｎ−１）を満たす整数である構成であってもよい。
【００２８】
上記デジタルホログラフィ装置において、複数の上記画素はｘ方向およびｙ方向に配列しており、上記光学系は、上記第１波長の物体光の空間スペクトルについては上記ｘ方向にエイリアシングが発生するよう、かつ、上記第２波長の物体光の空間スペクトルについては上記ｙ方向にエイリアシングが発生するよう、構成されていてもよい。
【００２９】
上記第１波長をλ１として、上記撮像装置に入射する上記第１波長の物体光と上記第１波長の参照光の光軸との間の角度がarcsin(λ１／(２ｄ))より大きくてもよい。
【００３０】
上記第１波長の物体光の空間スペクトルの中心の空間周波数が、１／（２ｄ）であってもよい。
【００３１】
撮像されたホログラムにおいて上記第１波長の物体光の空間スペクトルと０次回折光の空間スペクトルとが互いに重ならないようにしてもよい。
【００３２】
上記第１波長の物体光の空間スペクトルの中心のｘ方向における空間周波数が、１／（２ｄ）であり、上記第２波長の物体光の空間スペクトルの中心のｙ方向における空間周波数が、１／（２ｄ）であり、上記第１波長の物体光の空間スペクトルと上記第２波長の物体光の空間スペクトルとは接していてもよい。
【００３３】
上記撮像装置は、カラーフィルタを用いないモノクロ撮像装置であってもよい。
【００３４】
本発明に係るデジタルホログラフィ方法は、撮像されたホログラムに基づいて再生像を生成するデジタルホログラフィ方法であって、物体光の空間スペクトルの値に対して、空間周波数ｆを変数とする所定の関数の逆数をかけることにより補正を行うステップと、補正された物体光の空間スペクトルを用いて再生像を生成するステップとを含み、上記関数は、上記撮像装置の画素間隔をｄとして、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において、関数値が空間周波数ｆに応じて単調減少する関数であり、上記補正を行うステップでは、物体光の上記空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数を少なくとも１／ｄシフトさせた上で上記補正を行うことを特徴としている。
【００３５】
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、第１波長の参照光、第２波長の参照光、第１波長の物体光、および第２波長の物体光が干渉することにより形成されるホログラムを撮像する撮像装置と、上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を上記撮像装置に導く光学系とを備え、上記撮像装置の１つの画素は、上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光を受光し、上記光学系は、上記第１波長の物体光および上記第２波長の物体光から分離された上記第１波長の参照光および上記第２波長の参照光に単一の経路を通過させ、上記第１波長の参照光および上記第２波長の参照光が同じ方向から入射する回折格子またはプリズムを上記単一の経路に備えることを特徴とする。
【００３６】
上記の構成によれば、回折格子またはプリズムによって、単一の経路を通過する第１波長の参照光および第２波長の参照光の進行方向を互いに異ならせる、すなわち進行方向に角度差をつけることができる。それゆえ、空間周波数面において、第１波長の物体光波の空間スペクトルと第２波長の物体光波の空間スペクトルとを容易に分離することができる。また、第１波長の参照光および第２波長の参照光は単一の経路を進むので、複数波長のホログラムをモノクロの撮像装置で記録するデジタルホログラフィ装置をコンパクトに構成することができる。
【００３７】
上記光学系は、上記単一の経路において、上記回折格子または上記プリズムと上記撮像装置との間に、使用される波長数と少なくとも同じ数の開口が配列した開口アレイを備える構成であってもよい。
【００３８】
上記光学系は、上記単一の経路において上記回折格子または上記プリズムと上記開口アレイとの間に第１レンズを備え、上記開口アレイと上記撮像装置との間に第２レンズを備える構成であってもよい。
【００３９】
上記開口アレイの上記開口は、通過する参照光の波長分布の幅を絞るよう機能する構成であってもよい。
【００４０】
上記光学系は、上記回折格子として、ブレーズド回折格子を備える構成であってもよい。
【００４１】
本発明に係るデジタルホログラフィ方法は、第１波長の物体光および第２波長の物体光から分離された第１波長の参照光および第２波長の参照光に単一の経路を通過させるステップと、上記単一の経路において、上記第１波長の参照光および上記第２波長の参照光を同じ方向から回折格子またはプリズムに入射させるステップと、上記第１波長の参照光、上記第２波長の参照光、上記第１波長の物体光、および上記第２波長の物体光が干渉することにより形成されるホログラムをモノクロの撮像装置によって撮像するステップとを含むことを特徴とする。
【００４２】
本発明の各態様に係る再生装置は、コンピュータによって実現してもよく、この場合には、コンピュータを上記再生装置として動作させることにより上記再生装置をコンピュータにて実現させる再生装置の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体も、本発明の範疇に入る。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、空間周波数ｆが高いほど、振幅値を大きく補正する。また、エイリアシングによる空間周波数の誤認識を考慮して、物体光の空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分については、空間周波数を少なくとも１／ｄシフトさせた上で上記補正を行う。これにより、ホログラムに生じた振幅値の減衰を適切に補正することができるので、再生像の画質を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係るデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【図２】参照光および物体光が撮像面に入射する方向を示す概略図である。
【図３】参考例として、エイリアシングが発生していないホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図４】上記デジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図５】図３の参考例に対応し、エイリアシングが発生していないホログラムの空間周波数面における空間スペクトル分布の一例を示す図である。
【図６】図４に対応し、エイリアシングが発生しているホログラムの空間周波数面における空間スペクトル分布の一例を示す図である。
【図７】本発明の他の実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図８】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図９】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図１０】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【図１１】上記デジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図１２】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【図１３】上記デジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図１４】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図１５】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図１６】シミュレーションに用いる被写体の像および記録されたホログラムを示す図である。
【図１７】ある波長の成分についての、シミュレーションによる再生像を示す図である。
【図１８】他の波長の成分についての、シミュレーションによる再生像を示す図である。
【図１９】被写体の３次元形状およびシミュレーションによる３次元形状の計測結果を示す図である。
【図２０】シミュレーションに用いる被写体の像および記録されたホログラムを示す図である。
【図２１】シミュレーションによる空間スペクトル分布を示す図である。
【図２２】ある波長の成分についての、シミュレーションによる再生像を示す図である。
【図２３】本発明のさらに他の実施形態に関する、ピンホールを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。
【図２４】本発明のさらに他の実施形態に関する、ミラーを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。
【図２５】本発明のさらに他の実施形態に関する、パラボリックミラーを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。
【図２６】本発明のさらに他の実施形態に関する、プリズムを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。
【図２７】本発明のさらに他の実施形態に関する、レンズを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。
【図２８】本発明のさらに他の実施形態に関する、ピンホールを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。
【図２９】本発明のさらに他の実施形態に関する、フレネルゾーンプレートを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。
【図３０】本発明のさらに他の実施形態の記録装置の構成を示す図である。
【図３１】本発明のさらに他の実施形態の記録装置の構成を示す図である。
【図３２】本発明のさらに他の実施形態の記録装置の構成を示す図である。
【図３３】本発明のさらに他の実施形態の記録装置の構成を示す図である。
【図３４】本発明のさらに他の実施形態の記録装置の構成を示す図である。
【図３５】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【図３６】上記デジタルホログラフィ装置の参照光の経路の一部を拡大して示す模式図である。
【図３７】上記デジタルホログラフィ装置によって得られるホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図３８】Ｎ個の波長を用いた場合に図１２に示す記録装置において得られるホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図３９】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【図４０】上記デジタルホログラフィ装置によって得られるホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図４１】エイリアシングを発生させた場合に上記デジタルホログラフィ装置によって得られるホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。
【図４２】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【図４３】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【図４４】本発明のさらに他の実施形態のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明の実施形態について図に基づいて以下に説明する。説明の便宜上、各項目において、上述の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ことがある。
【００４６】
〔実施形態１〕
本実施形態は、物体光の複数の波長の情報を単一露光で同時に記録するデジタルホログラフィ装置に関する。そして、デジタルホログラフィ装置は、記録したホログラムを用いて、複数の波長の情報を互いに分離して再生することができる。
【００４７】
（デジタルホログラフィ装置１の構成）
図１は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置１の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置１は、軸外し型（off-axis型）のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置１は、記録装置１０（ホログラム記録装置）と再生装置１１とを備える。記録装置１０は、撮像装置１２、波長λ１のレーザ光源ＬＳ１、波長λ２のレーザ光源ＬＳ２、および光学系を備える。波長λ１と波長λ２とは互いに異なる。再生装置１１は、コンピュータ等の計算機によって構成することができる。なお、レーザ光としては、可視光のみならず、不可視光（赤外線、紫外線、Ｘ線等）も利用することができる。
【００４８】
光学系は、ミラー等の複数の光学素子を備え、波長λ１・λ２のレーザ光（コヒーレント光）を被写体１３（物体）および撮像装置１２へ導く。具体的には、光学系は、複数の光学素子として、ビームスプリッタＢＳ１〜ＢＳ５、およびミラーＭ１〜Ｍ３、およびビームエキスパンダＢＥ１〜ＢＥ３を備える。ビームエキスパンダＢＥ１〜ＢＥ３はそれぞれ、対物レンズＢＥａ、ピンホールＢＥｂ、およびコリメータレンズＢＥｃを備える。ビームスプリッタＢＳ１〜ＢＳ５は、ハーフミラーからなる。ビームスプリッタＢＳ３・ＢＳ４は、ダイクロイックミラーまたは偏光ビームスプリッタからなってもよい。
【００４９】
撮像装置１２は、撮像するための複数の画素がｘ方向およびｙ方向に配列した撮像面を有し、撮像面に到達した光の強度を記録する。ｘ方向はｙ方向に対して垂直である。撮像装置１２は、ＣＣＤ等の撮像素子を有する。撮像装置１２は、撮像面上に形成された干渉縞を記録する。この干渉縞は物体光の情報を有するホログラムである。なお、１つの画素は有限の受光領域を有する。そのため、１つの画素によって検出される光強度は、受光領域における干渉縞の光強度の積分である。撮像装置１２はカラーフィルタを備えないため、撮像装置１２の１つの画素は同時に複数の波長の光を受光する。すなわち撮像装置１２はモノクロ撮像装置である。撮像装置１２は、撮像した干渉縞の画像データを再生装置１１に出力する。再生装置１１の詳細については後述する。
【００５０】
（物体光および参照光）
レーザ光源ＬＳ１から出射された波長λ１のレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ１によって参照光と物体照明光とに分けられる。同様に、レーザ光源ＬＳ２から出射された波長λ２のレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ２によって参照光と物体照明光とに分けられる。
【００５１】
ビームスプリッタＢＳ１・ＢＳ２によって分けられた波長λ１の物体照明光および波長λ２の物体照明光は、ビームスプリッタＢＳ３によって同じ経路に合成される。その後、波長λ１の物体照明光および波長λ２の物体照明光は、ビームエキスパンダＢＥ３を通過する。
【００５２】
波長λ１の物体照明光および波長λ２の物体照明光は、ミラーＭ３、およびビームスプリッタＢＳ５を経由して、被写体１３に照射される。物体照明光が被写体１３によって散乱、透過または回折されたものが物体光である。被写体１３からの物体光は、ビームスプリッタＢＳ５で反射され、撮像装置１２の撮像面に入射する。
【００５３】
ビームスプリッタＢＳ１・ＢＳ２によって分けられた波長λ１の参照光および波長λ２の参照光は、それぞれビームエキスパンダＢＥ１・ＢＥ２を通過し、ビームスプリッタＢＳ４で合成される。ただし、波長λ１の参照光の光軸と波長λ２の参照光の光軸とは、互いに異なる方向に沿っている。波長λ１の参照光および波長λ２の参照光は、ビームスプリッタＢＳ５を通過し、撮像装置１２の撮像面に入射する。物体光および参照光が撮像面に入射する角度は、光学系に含まれる光学素子（ビームスプリッタ、ミラー等）によって調整できる。
【００５４】
図２は、参照光および物体光が撮像面に入射する方向を示す概略図である。図２の（ａ）はｙ−ｚ平面における参照光の光軸を示し、図２の（ｂ）はｘ−ｚ平面における参照光の光軸を示す。図２の（ｃ）は、ｘ−ｚ平面における被写体１３の複数の点からの物体光の進行方向を示す。図２の（ｃ）においてはビームスプリッタＢＳ５の図示を省略している。撮像装置１２の複数の画素１２ａは、ｘ方向およびｙ方向に配列している。図２においては、１つの画素は模式的に四角で表される。ｚ軸は撮像面（ｘ−ｙ平面）に垂直である。
【００５５】
撮像装置１２の撮像面に入射する波長λ１の参照光および波長λ２の参照光は、それぞれ平面波である。波長λ１の参照光および波長λ２の参照光は、互いに異なる方向から撮像面に入射する。参照光の光軸をｙ−ｚ平面に射影したとき、波長λ１の参照光とｚ軸との間の角度をθｙ１とし、波長λ２の参照光とｚ軸との間の角度をθｙ２とする。ここでは、θｙ１＜θｙ２である。また、参照光の光軸をｘ−ｚ平面に射影したとき、波長λ１の参照光とｚ軸との間の角度をθｘ１とし、波長λ２の参照光とｚ軸との間の角度をθｘ２とする。ここでは、θｘ１＞θｘ２である。
【００５６】
一方、被写体１３で散乱された波長λ１の物体光および波長λ２の物体光は、被写体１３の大きさに応じて、様々な方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。撮像面に入射する物体光は、被写体１３上の各点から来る物体光の重ね合わせである。一部の物体光は、撮像面に垂直な方向から入射するが、他の物体光は撮像面に垂直ではない方向から入射する。ここでは、被写体１３の中心からの物体光は、撮像面の中心に対して、垂直に入射することを前提としている。言い換えれば、被写体１３の中心は、撮像面の中心を通り撮像面に垂直な線上に位置する。
【００５７】
物体光の光軸と参照光の光軸との間の角度が大きくなると、干渉縞（ホログラム）の縞の間隔が小さくなる。撮像装置１２は干渉縞の明暗（光強度）を撮像するものであるが、ｘ方向およびｙ方向の画素間隔ｄは有限である。画素間隔ｄは連続的な干渉縞を撮像装置１２によってサンプリングする間隔である。それゆえ、干渉縞の周期が画素間隔ｄの２倍より小さくなると、エイリアシングが発生する。すなわち、ある波長λについて参照光の光軸と一部の物体光の光軸との角度をθとしたとき、θが臨界角θｃ＝arcsin(λ／(２ｄ))を越えると、波長λの物体光波が形成するホログラム（干渉縞）の記録時にエイリアシングが発生する。
【００５８】
従来の方法では、エイリアシングが発生しないように光学系を設定する。一方、本実施形態では、少なくとも１つの波長の物体光波についてエイリアシングが発生するように、光学系を設定する。エイリアシングを発生させるためには、θ＞arcsin(λ／(２ｄ))となるように、参照光の光軸を一部の物体光の光軸に対して傾ければよい。本実施形態のデジタルホログラフィ装置１では、波長λ１および波長λ２の両方の物体光波についてエイリアシングを発生させる。具体的には、θｘ１＝arcsin(λ１／(２ｄ))、θｙ１＝arcsin(λ１／(４ｄ))、θｘ２＝arcsin(λ２／(４ｄ))、θｙ２＝arcsin(λ２／(２ｄ))である。波長λ１の物体光波はｘ方向においてエイリアシングを発生させ、波長λ２の物体光波はｙ方向においてエイリアシングを発生させる。
【００５９】
（ホログラムの空間周波数解析）
次に、記録されたホログラムの空間周波数解析に基づいて、エイリアシングを発生させることの効果について説明する。
【００６０】
図３は、参考例として、エイリアシングが発生していないホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。このホログラムは、２波長を用いた軸外し型の撮像装置によって記録されるものである。図３において、横軸はｘ軸の空間周波数ｆｘを示し、縦軸はｙ軸の空間周波数ｆｙを示す。
【００６１】
ホログラムは、参照光と物体光とが干渉することにより形成される、様々な間隔の干渉縞を含む。このホログラムをフーリエ変換すると、縞の間隔に応じて、物体光波（１次回折光）、０次回折光、および共役像（−１次回折光）のそれぞれのスペクトルが現れる。以後、２次元フーリエ変換した後の平面を空間周波数面と呼び、スペクトルを空間スペクトルと呼ぶ。なお、ここでは各空間スペクトルは四角形である。物体光の経路に同様の形の光透過フィルタ（開口または絞り）を配置する、または撮像装置１２を±４５°傾けたとき等に、このような空間スペクトルが得られる。記録される空間周波数帯域がフィルタにより制限された状態で、平行光の参照光でホログラムを記録すると、波長毎に干渉縞の間隔が変わるために空間スペクトルの半径が波長毎に変わる。ここで、波長毎に波面の曲率半径が異なる参照光を導入すると、波長毎の空間スペクトルの半径が図３の通りに等しくなる。すなわち、図３は波長毎に異なる曲率半径の参照光を導入したときの空間スペクトル分布の一例と見ることができる。また、透過フィルタが波長毎に異なる帯域を通す構造であるときにも、同様に図３の空間スペクトル分布が得られる。
【００６２】
撮像装置において記録可能な空間周波数帯域は、空間周波数面において原点を中心とした幅１／ｄの範囲である。ｄは画素間隔である。空間帯域幅積は、複数の画素が配列している撮像面の面積と、画素密度との積で表される指標である。空間帯域幅積が大きいほど、撮影範囲および分解能が向上する。撮像面の面積が一定とすると、空間帯域幅積は記録可能な空間周波数帯域によって決まる。
【００６３】
図３では、ホログラムの空間周波数面において、波長λ１および波長λ２の０次回折光の空間スペクトル、波長λ１の物体光波の空間スペクトル、波長λ２の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。コヒーレント光を用いる場合、０次回折光の空間スペクトルは物体光波の空間スペクトルの２倍の半径を有する。再生像を得るためには、各波長の物体光波の空間スペクトルが必要である。しかしながら、重畳している空間スペクトルを互いに分離することはできないので、物体光波の空間スペクトルのうち０次回折光（または共役像）の空間スペクトルと重なっている部分を像再生に用いると、不要な像成分が必ず残留して物体の像が再生される。そして、画質が劣化してしまう。そのため、図３に示す参考例では、有効に使用できる空間周波数帯域（他の空間スペクトルと重なっていない物体光波の空間スペクトルの領域）が小さく、記録可能な空間情報量および画質のいずれかが犠牲にならざるを得ない。
【００６４】
図４は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置１によって得られるエイリアシングが発生しているホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。図４において、横軸はｘ軸の空間周波数ｆｘを示し、縦軸はｙ軸の空間周波数ｆｙを示す。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１および波長λ２の０次回折光の空間スペクトル、波長λ１の物体光波の空間スペクトル、波長λ２の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。なお、共役像の空間スペクトルは物体光波の空間スペクトルに対して原点対称の位置に現れる。
【００６５】
記録可能な空間周波数帯域からｆｘ軸の正側にはみ出した波長λ１の物体光波の空間スペクトルは、干渉縞の周期の誤認識によってｆｘ軸の負側に現れている。本来であれば物体光波の空間スペクトルにおいてｘ方向の空間周波数ｆｘが＋１／（２ｄ）より大きい部分が、空間周波数の誤認識により、−１／（２ｄ）＜ｆｘ＜０の範囲に現れる。すなわち波長λ１の物体光波について、ｘ方向においてエイリアシングが発生している。これは複数の画素による離散的なサンプリングに起因している。例えば波長λ１の参照光をｘ方向により大きく傾けると、波長λ１の物体光波の空間スペクトルはｆｘ軸の正側により大きくシフトする。同様に、波長λ２の物体光波について、ｙ方向においてエイリアシングが発生している。
【００６６】
デジタルホログラフィ装置１は、０次回折光の空間スペクトルと物体光波の空間スペクトルとが互いに重ならないように、エイリアシングを発生させることにより物体光波の空間スペクトルを高周波数側にシフトさせる。また、デジタルホログラフィ装置１は、波長λ１と波長λ２とで互いに異なる方向にエイリアシングを発生させる。これは、実空間における参照光と一部の物体光とに関して、波長λ１ではθｘ＞θｃとなり、波長λ２ではθｙ＞θｃとなることに対応する。ここで、θｘはｘ−ｚ平面における参照光と一部の物体光との間の角度であり、θｙはｙ−ｚ平面における参照光と一部の物体光との間の角度である。また、波長λ１ではθｙ＞θｃとなる物体光は存在せず、波長λ２ではθｘ＞θｃとなる物体光は存在しない。
【００６７】
デジタルホログラフィ装置１は、波長λ１について、一方（正側）の物体光波の空間スペクトルに加えて、エイリアシングの発生により見かけ上反対側（負側）に現れた物体光波の空間スペクトルをも、像の再生に使用する。波長λ２についても同様である。そのため、再生に使用可能な空間周波数帯域が、図３に示す参考例の場合より広くなる。具体的には、参考例の再生に使用可能な空間周波数帯域の半径ｆｏが１／｛２（３＋√２）ｄ｝であるのに対し、本実施形態では、再生に使用可能な空間周波数帯域の半径ｆｓは１／｛４（√２）ｄ｝である。すなわち、参考例に比べて本実施形態では、再生に使用可能な空間周波数帯域の半径が１．５６倍、その面積は２．４３倍以上になる。よって、本実施形態では、再生に使用可能な空間周波数帯域の増大に伴い、記録可能な空間情報量も増大する。
【００６８】
なお、図４に示すように各空間スペクトルが互いに重畳しないホログラムを記録するためには、θｘ１＝±arcsin(λ１／(２ｄ))、θｙ１＝±arcsin(λ１／(４ｄ))、θｘ２＝±arcsin(λ２／(４ｄ))、θｙ２＝±arcsin(λ２／(２ｄ))とすることもできる。
【００６９】
このように、画素間隔の逆数１／ｄによって記録可能な空間周波数帯域が決まる。空間周波数帯域によって撮影範囲と分解能とが決まる。空間周波数帯域と干渉縞の周期とは関連しており、干渉縞の周期と参照光および物体光の間の角度とが関連している。それゆえ、記録可能な空間周波数帯域は、記録可能な最大視野角の指標となる。空間スペクトルの重畳がないことを前提とすると、撮像面からＺ離れた位置の記録可能な実空間の撮影範囲は以下のようになる。ここで、撮影範囲（面積）をＦＯＶ、撮影範囲（半径）をｌ、撮影可能な最大角度をθｍａｘ、物体と撮像面との距離をＺ、記録可能な空間周波数帯域の半径をｆｍａｘとする。
【００７０】
ＦＯＶ＝ｌ２
ｌ＝２Ｚtan(θｍａｘ)
θｍａｘ＝arcsin(λｆｍａｘ)
上式より、記録可能な空間周波数帯域から撮影範囲が決まる。見方を変えると、被写体の大きさから最大角度が決まり、最大角度から記録される空間周波数帯域が決まる。
【００７１】
今回、複数の波長の情報を角度多重記録法により同時に記録する場合を述べたが、直交する複数の偏光方向の成分を角度多重記録法または空間分割多重記録法で同時に記録する場合にも本発明を適用することが可能である。例えば、図１におけるレーザ光源ＬＳ１を波長λ１の垂直偏光の光を出射する光源に置き換え、レーザ光源ＬＳ２を同じ波長λ１の水平偏光の光を出射する光源に置き換えることができる。なお、もちろん１つのレーザ光源から垂直偏光と水平偏光とを分けてもよい。また、非特許文献６の構成に本発明を適用した光学系を用いてもよい。この場合、複数の波長を空間周波数面において分離したように、偏光毎の情報を空間周波数面において分離して記録することができる。この場合、帯域拡張だけでなく、振幅成分の減衰の補正により、３次元物体の偏光状態をより高精度に計測することを可能にする。また、複数の波長と複数の偏光とを同時計測する角度多重記録法にも適用可能である。
【００７２】
（空間スペクトルの補正）
撮像装置１２の開口率（フィルファクタα、０＜α≦１）に応じて、ホログラムの高空間周波数成分の振幅値は減衰する。１つの画素の受光領域に渡って干渉縞の輝度値が積分（平均化）される。そのため、縞の周期が短いと、１つの画素が検出する光強度の変調成分が積分によって減衰する。それゆえ、空間周波数が高いほど、ホログラムから再生される物体光の振幅値がより減衰する。そのため、高空間周波数成分の減衰により画質の劣化が起こる。
【００７３】
図５は、図３の参考例に対応し、エイリアシングが発生していないホログラムの空間周波数面における空間スペクトル分布の一例を示す図である。ただし図５における明るさはスペクトル値の対数に対応する。エイリアシングが発生していない場合、振幅値の減衰は各軸について、原点から離れるほど大きくなる。この場合、減衰の割合は、ｘ軸およびｙ軸に対して対称である。
【００７４】
図６は、図４に対応し、エイリアシングが発生しているホログラムの空間周波数面における空間スペクトル分布の一例を示す図である。ただし図６における明るさはスペクトル値の対数に対応する。エイリアシングが発生している場合、参考例とは異なり、物体光波の一部の空間スペクトルＢは、本来の空間周波数とは異なる位置に現れてしまう。空間周波数ｆｘが１／（２ｄ）を越える分、例えば本来の空間周波数ｆｘ＝３／（４ｄ）の物体光波の空間スペクトルは、ホログラムの空間周波数面ではエイリアシングのせいでｆｘ＝−１／（４ｄ）の位置（領域Ｂ）に現れる。領域Ｂは、実際には空間周波数が１／（２ｄ）を越える空間スペクトルであるので、領域Ａよりも振幅（図における明るさ）が減衰している。ｙ軸方向にエイリアシングが発生している波長λ２についても同様のことが言える。このように、参考例より参照光をより大きな角度で撮像面に入射する本実施形態では、振幅の減衰による画質の劣化は考慮すべき問題である。
【００７５】
この空間周波数に応じた振幅の減衰を空間周波数面において補正することで、再生像の画質を向上することができる。各画素の開口が矩形である場合、スペクトルの減衰の割合は、各軸について、sinc(απｆｄ)で表される。すなわち、画素が矩形の開口であるとき、スペクトルは空間周波数ｆを変数としたsinc関数に基づき減衰する。スペクトルの減衰の割合が１であれば物体光の振幅値が減衰していないことを表し、スペクトルの減衰の割合が０．５であれば物体光の振幅値が半分に減衰することを表す。
【００７６】
ここで、αは撮像装置１２の画素の開口率（フィルファクタ）、ｆはｘ軸（またはｙ軸）における干渉縞の空間周波数、ｄは画素間隔を示す。ホログラムの空間周波数面において、空間スペクトルの各値（振幅）にsinc(απｆｄ)の逆数をかけることにより、補正された空間スペクトルが得られる。ただし、エイリアシングが発生した部分（エイリアシングを伴って記録された領域Ｂ）については、Ｎを整数として、空間周波数面上での空間周波数にＮ／ｄを加えたsinc(απ(ｆ＋Ｎ／ｄ)ｄ)の逆数を補正値として用いる。干渉縞の間隔をｐとして、Ｎの値は次の通りに決まる。ｐ≧２ｄのときＮ＝０であり、２ｄ／３≦ｐ＜２ｄのときＮ＝１であり、２ｄ／５≦ｐ＜２ｄ／３のときＮ＝２である。すなわち、ｐ＜２ｄのとき、（２ｄ）／（２Ｎ＋１）≦ｐ＜（２ｄ）／（２Ｎ−１）を満たすように、整数Ｎの値は決定される。すなわち、エイリアシングが発生した部分（領域Ｂ）の本来の空間周波数は、今回Ｎ＝１であるため、空間周波数面上での空間周波数を１／ｄだけシフトさせた空間周波数であると見なす。例えば、ｆｘ＝−１／（４ｄ）の空間スペクトルの値には、sinc(απ(３／(４ｄ))ｄ)の逆数を補正係数としてかける。ここでは、空間スペクトルをシフトさせた方向を正方向としている。参照光を傾ける方向が逆側であれば、空間スペクトルの位置も逆になる。なお補正はｘ軸およびｙ軸のそれぞれについて行う。この補正により、物体光波の本来の振幅値を得ることができる。それゆえ、この補正により、再生像の画質を向上させることができる。
【００７７】
このように、エイリアシングした領域に対して、原点対称のsinc関数を用いて補正するのではなく、空間スペクトルＡとエイリアシングした空間スペクトルＢとに対して異なる補正値を用いることで、適切に光強度の減衰を補償することができる。また、sinc関数の代わりにウィナーフィルタを用いてもよく、ウィナーフィルタを用いる場合でも上記と同様である。
【００７８】
なお、空間周波数面における空間周波数が正でも負でも、減衰は同じである、すなわち補正係数は同じでよい。以上では、エイリアシングが発生している方向を正方向として説明した。
【００７９】
また、sinc関数は各画素が矩形の開口である場合に適した補正関数であるが、各画素の開口が矩形とは異なる形の場合であっても、空間スペクトルの減衰を表す関数が分かれば、sinc関数の代わりに同様に適用することができる。たとえば、各画素が円形の開口である場合、当該減衰を表すベッセル関数に基づいて補正することができる。なお、撮像装置１２の各画素の実効的な開口の形状をフーリエ変換した関数が、空間スペクトルの減衰を表す。開口の形状をフーリエ変換した関数の逆数を用いて、空間スペクトルの減衰を補正することができる。
【００８０】
例えば、画素の前にマイクロレンズアレイ、またはボールレンズ等が配置されていれば、実効的な開口の形状は円形となる。円形開口の形状をフーリエ変換するとベッセル関数となり、矩形開口の形状をフーリエ変換するとsinc関数となる。例えば、半径ａの円形開口なら、原点から半径ａまでの透過率が１、原点から半径ａを超えると透過率０と表現できる。原点からの距離をｒ＝√（ｘ２＋ｙ２）とし、ｇを開口の形状を表す透過率とすると、
ｇ（ｘ，ｙ）＝１  （ｒ≦ａ）
０  （ｒ＞ａ）
となる。これをフーリエ変換するとベッセル関数になる。
【００８１】
（再生装置１１の構成）
再生装置１１は、記録されたホログラムを用いて像の再生を行う。具体的には、再生装置１１は、記録されたホログラムを２次元フーリエ変換する。再生装置１１は、フーリエ変換されたホログラムの値をsinc関数の逆数を用いて補正する。再生装置１１は、補正されたホログラムの物体光波の空間スペクトルを用いて、波長毎に再生像を生成する。なお、物体光波においてエイリアシングが発生した部分（領域Ｂ）の空間周波数は、空間周波数面上での空間周波数を１／ｄだけシフトさせた空間周波数であると見なして、像の再生に用いる。また、再生装置１１は、空間周波数面において不要な０次回折光および共役像の空間スペクトルをフィルタリング（除去）して、波長毎に物体光波の空間スペクトルだけを抽出して像の再生に用いる。抽出した物体光波の空間スペクトルから像を再生する方法としては公知の技術を利用することができる。
【００８２】
また空間スペクトルの補正には、sinc関数に近い増減の特性を有する関数を用いてもよい。sinc関数は、フィルファクタが１のとき、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において変数が大きく（空間周波数ｆが高く）なればなるほど値が０に近づく関数である。例えば空間スペクトルの補正にウィナーフィルタを用いてもよい。また、空間スペクトルの補正に、sinc関数のように、フィルファクタが１のとき、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において、関数値が、空間周波数ｆに応じて単調減少し、空間周波数ｆが１／ｄに近づくほどある値（０）に近づく関数（の逆数）を用いてもよい。該関数は、sinc関数のように、０＜ｆ＜１／ｄの範囲において、２階微分の値が負（関数の形が上に凸）であってもよい。フィルファクタが１より小さいとき、ｆ＝１／ｄの関数値が０をとらなくともよい。
【００８３】
（デジタルホログラフィ装置１の効果）
このように、本実施形態のデジタルホログラフィ装置１では、意図的にエイリアシングを発生させるため、一部の物体光と参照光との間の角度θが臨界角θｃを越えるようにホログラムを記録する。そのため、複数波長を用いる場合でも、複数波長の所望の空間スペクトルに不要な空間スペクトルが互いに重ならないようにすることと、記録可能な空間周波数帯域を大きくすることとを両立することができる。そして、高空間周波数帯の減衰を補正するため、sinc関数の逆数を用いて空間スペクトルの値を補正する。そのため、特にエイリアシングが発生した高空間周波数帯における減衰を補正することができる。それゆえ、複数波長の情報を１つのホログラムに記録し、かつ、再生像の画質を向上することができる。また、デジタルホログラフィ装置１は、カラーフィルタを利用しないので、光利用効率が高い。そのため、一例としてデジタルホログラフィ装置１は、利用できる光量が少ない、ハイスピード３Ｄカメラ、および蛍光３次元顕微鏡等に好適に利用することができる。
【００８４】
なお、以上では２波長の光を用いる場合について説明したが、もちろん１波長の光を用いて行うこともできる。その場合、図１に示すデジタルホログラフィ装置１から波長λ２のレーザ光に関する構成（レーザ光源ＬＳ２、ビームスプリッタＢＳ２〜ＢＳ４、ビームエキスパンダＢＥ２、ミラーＭ２）が不要になる。同様に、フーリエ変換されたホログラムは、図４に示すものから波長λ２の物体光波の空間スペクトルおよびその共役像の空間スペクトルがないものとなる。この場合も、波長λ１の物体光波についてエイリアシングを発生させることにより、記録可能な空間周波数帯域を拡張することができる。また、波長λ１の物体光波の空間スペクトルのうちエイリアシングが発生した部分について、空間周波数をシフトさせて補正を行うことにより、再生像の画質を向上することができる。
【００８５】
〔実施形態２〕
本実施形態では、物体光が参照光に比べて十分弱い場合について説明する。デジタルホログラフィ装置の構成は実施形態１と同じであるが、撮像装置１２への参照光の入射角度および光透過フィルタ（絞り）の形状が異なる。
【００８６】
図７は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１および波長λ２の０次回折光の空間スペクトル、波長λ１の物体光波の空間スペクトル、波長λ２の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。
【００８７】
本実施形態のように、物体光が参照光に比べて十分に弱い場合（例えば、物体光の強度＜参照光の強度／１０である場合等）、０次回折光の高空間周波数成分は無視できる程度にまで小さくなる。そのため、０次回折光の空間スペクトルの分布範囲が小さくなる。図７は、一例として、θｘ１＝＋arcsin(３λ１／(１０ｄ))、θｙ１＝＋arcsin(λ１／(５ｄ))、θｘ２＝＋arcsin(λ２／(５ｄ))、θｙ２＝−arcsin(３λ２／(１０ｄ))、と設定した場合に得られる空間スペクトルを示す。図７に示すように、０次回折光の空間スペクトルの分布範囲が物体光波の空間スペクトルの分布範囲と同程度と見なせる程度に物体光の強度が弱い場合、記録可能な空間周波数帯域の半径をｆｓ＝１／(５ｄ)まで拡張することができる。この場合、撮像面に垂直に入射する物体光については、エイリアシングを起こしていないが、撮像面に斜めに入射する一部の物体光についてエイリアシングが発生している。
【００８８】
ｆｘ軸における波長λ１の物体光波の空間スペクトルの中心位置Ｃｘ１は、波長λ１の参照光のｘ軸方向の入射角θｘ１によって決まる。同様にｆｙ軸における波長λ１の物体光波の空間スペクトルの中心位置Ｃｙ１は、波長λ１の参照光のｙ軸方向の入射角θｙ１によって決まる。
【００８９】
本実施形態では空間スペクトルが、各辺がｆｘ軸およびｆｙ軸に沿った正方形になる。この場合、空間スペクトル同士の重畳を回避し、かつ記録可能な空間周波数帯域を広くするためには、波長λ１および波長λ２の物体光波の空間スペクトルの中心位置（Ｃｘ１，Ｃｙ１）および（Ｃｘ２，Ｃｙ２）が以下のようになるように、参照光の入射角を決めればよい。
Ｃｘ１＝ｆａ＋ｆｓ
Ｃｙ１＝ｆｓ
Ｃｘ２＝ｆｓ
Ｃｙ２＝−ｆａ−ｆｓ
ここで、ｆａは０次回折光の空間スペクトルの各軸方向の実質的な半径である。物体光の強度に応じて０次回折光の高空間周波数成分が無視できる場合、ｆａも小さくなる。
【００９０】
〔実施形態３〕
本実施形態では、デジタルホログラフィ装置１を顕微鏡等に応用する場合を想定して、光透過フィルタ（絞り）として円形の開口を有するものを使用する場合について説明する。開口（または被写体）が円形の場合、各空間スペクトルも円形になる。
【００９１】
図８は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１および波長λ２の０次回折光の空間スペクトル、波長λ１の物体光波の空間スペクトル、波長λ２の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。図８に示す例では、物体光が参照光に比べて十分に弱い。
【００９２】
物体光が参照光に比べて十分に弱いので、０次回折光の高空間周波数成分は無視できる程度にまで小さくなる。そのため、０次回折光の空間スペクトルの分布範囲が小さくなる。図８は、一例として、θｘ１＝±arcsin(λ１／(２ｄ))、θｙ１＝±arcsin(λ１／(６ｄarccos(７／９)))、θｘ２＝±arcsin(λ２／(６ｄarccos(７／９)))、θｙ２＝±arcsin(λ２／(２ｄ))、と設定した場合に得られる空間スペクトルを示す。開口（または被写体）が円形の場合、このように参照光の角度を設定することで、各波長の物体光波の空間スペクトルが他の空間スペクトルと重ならないという条件の下、物体光波の空間スペクトルの面積を最大化することができる。すなわち、記録可能な空間周波数帯域を最大化することができる。このとき、記録可能な空間周波数帯域の半径をｆｓ＝１／(６ｄarccos(７／９))まで拡張することができる。
【００９３】
図９は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。図９に示す例では、物体光は参照光に比べて十分に弱くはない。すなわち、０次回折光の高空間周波数成分は無視できない。
【００９４】
図９は、一例として、θｘ１＝±arcsin(λ１／(２ｄ))、θｙ１＝±arcsin(λ１／(２(１＋√２)ｄ))、θｘ２＝±arcsin(λ２／(２(１＋√２)ｄ))、θｙ２＝±arcsin(λ２／(２ｄ))、と設定した場合に得られる空間スペクトルを示す。このとき、記録可能な空間周波数帯域の半径をｆｓ＝１／(２(１＋√２)ｄ)まで拡張することができる。
【００９５】
図８または図９に示すように開口（または被写体）が円形の場合、このように参照光の角度を設定することで、各波長の物体光波の空間スペクトルが他の空間スペクトルと重ならないという条件の下、物体光波の空間スペクトルの面積を最大化することができる。すなわち、記録可能な空間周波数帯域を最大化することができる。
【００９６】
空間スペクトルが円形の場合についてまとめると、以下の条件ａ〜ｃを満たすことで記録可能な空間周波数帯域を最大化することができる。
条件ａ：撮像面に垂直に入射する波長λ１の物体光と波長λ１の参照光との間のｘ方向における角度θｘ１が臨界角θｃと実質的に等しい。これは、波長λ１の物体光波の空間スペクトルの中心が、空間周波数面においてｆｘ＝±１／(２ｄ)の位置にあることを意味する。
条件ｂ：撮像面に垂直に入射する波長λ２の物体光と波長λ２の参照光との間のｙ方向における角度θｙ２が臨界角θｃと実質的に等しい。これは、波長λ２の物体光波の空間スペクトルの中心が、空間周波数面においてｆｙ＝±１／(２ｄ)の位置にあることを意味する。
条件ｃ：空間周波数面において波長λ１の物体光波の空間スペクトルの中心と波長λ２の物体光波の空間スペクトルの中心との間の距離が２ｆｓに実質的に等しい。これは波長λ１および波長λ２の物体光波の空間スペクトルが互いに接することを意味する。
【００９７】
なおｆｓは各波長の物体光波の空間スペクトルの半径でもあり、撮像装置１２に入射する物体光の角度範囲を変更することでｆｓを調整することができる。すなわち、被写体の大きさ、被写体までの距離、または絞りの半径等を変更することで、ｆｓを調整することができる。なお、波長λ１および波長λ２の物体光波の空間スペクトルの中心間の距離が２ｆｓ以上であっても、空間スペクトル同士が重ならないよう、空間周波数帯域を効率よく利用することができる。
【００９８】
さらに、０次回折光の高空間周波数成分が無視できない場合（図９）、さらに条件ｄを満たす。
条件ｄ：空間周波数面において各波長の物体光波の空間スペクトルの中心と０次回折光の空間スペクトルの中心との間の距離が３ｆｓに実質的に等しい。
【００９９】
〔実施形態４〕
本実施形態では、３波長の光を用いる場合について説明する。なお、本発明は、３波長より多い波長の光を用いる場合についても、同様の方法で適用することができる。
【０１００】
図１０は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置２の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置２は、記録装置１４と再生装置１１とを備える。デジタルホログラフィ装置２は、実施形態１のデジタルホログラフィ装置１に対して、波長λ３のレーザ光源ＬＳ３が追加されたものである。また、レーザ光源ＬＳ３の追加に応じて、ビームスプリッタＢＳ６〜ＢＳ８、ビームエキスパンダＢＥ４、およびミラーＭ４が追加されている。空間周波数面において各空間スペクトルが重ならないように、波長λ１〜λ３の参照光はそれぞれ異なる方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。図示はしないが、物体光の経路に円形の開口を有する光透過フィルタ（絞り）が設けられている。
【０１０１】
図１１は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１〜λ３の０次回折光の空間スペクトル、各波長の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。
【０１０２】
３波長の光を使用するの場合、１つの波長（λ１）についてのみエイリアシングが発生するように、各波長の参照光の角度を異ならせればよい。図１１は、一例として、θｘ１＝±arcsin(λ１／(２ｄ))、θｙ１＝±arcsin(０．１５０λ１／ｄ)、θｘ２＝±arcsin(０．２８３λ２／ｄ)、θｙ２＝arcsin((０．５−０．１５０)λ２／ｄ)、θｘ３＝±arcsin(０．２８３λ３／ｄ)、θｙ３＝−arcsin((０．５−０．１５０)λ３／ｄ)、と設定した場合に得られる空間スペクトルを示す。このとき、記録可能な空間周波数帯域の半径をｆｓ＝０．１５０／ｄまで拡張することができる。
【０１０３】
このとき、波長λ１の物体光波の空間スペクトルは、ｆｘ軸に接し、かつ、中心がｆｘ＝±１／(２ｄ)の位置にある。波長λ２の物体光波の空間スペクトルは、０次回折光の空間スペクトル、波長λ１の物体光波の空間スペクトル、およびｆｙ＝＋１／(２ｄ)の線（境界）に接する。波長λ３の物体光波の空間スペクトルは、０次回折光の空間スペクトル、波長λ１の共役像の空間スペクトル、およびｆｙ＝−１／(２ｄ)の線（境界）に接する。
【０１０４】
〔実施形態５〕
本実施形態では、複数の波長の参照光の光軸を同じにする場合について説明する。
【０１０５】
図１２は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置３の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置３は、軸外し型（off-axis型）のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置３は、記録装置１５と再生装置１１とを備える。記録装置１５は、撮像装置１２、波長λ１のレーザ光源ＬＳ１、波長λ２のレーザ光源ＬＳ２、波長λ３のレーザ光源ＬＳ３、および光学系を備える。図示はしないが、物体光の経路に円形の開口を有する光透過フィルタ（絞り）が設けられている。
【０１０６】
波長λ１〜λ３のレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ３・ＢＳ７によって同軸に揃えられる。波長λ１〜λ３のレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ１によって物体照明光と参照光とに分割される。
【０１０７】
物体照明光は被写体１３に照射される。被写体１３からの物体光は、ビームスプリッタＢＳ５で反射され、撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１０８】
参照光は、ビームスプリッタＢＳ５を通過し、撮像装置１２の撮像面に入射する。撮像装置１２の撮像面に入射する波長λ１〜λ３の参照光は、互いに光軸が同じである。
【０１０９】
波長が短くなるほど、干渉縞の間隔（周期）は小さくなる。複数の波長の参照光が同軸であっても、波長によって干渉縞の間隔が異なる。それゆえ、空間周波数面において、複数の波長の物体光波の空間スペクトルを異なる領域に分布させることができる。
【０１１０】
図１３は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置３によって得られるエイリアシングが発生しているホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１〜λ３の０次回折光の空間スペクトル、各波長の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。ただし、ここでは物体光の強度は参照光の強度に比べて非常に小さいので、０次回折光の空間スペクトルは原点の近傍のみに分布している。そのため０次回折光の空間スペクトルは図示を省略している。
【０１１１】
λ１＞λ２＞λ３である。波長が短くなるほど、空間周波数面においてｆｘ軸およびｆｙ軸の高周波数側に物体光波の空間スペクトルの分布がシフトしている。空間周波数面において、原点および各波長の物体光波の空間スペクトルの中心は、周期境界的に直線上に分布する。ｚ軸に対する参照光の角度（撮像面への入射角）を所定の角度より大きくすることで、複数の波長の物体光波の空間スペクトルが重ならないようにすることができる。
【０１１２】
例えばｆｘ軸について、波長λ３の物体光波の空間スペクトルの全体は、エイリアシングによって、本来の空間周波数（の絶対値）より小さい空間周波数に位置に現れる。しかしながら、波長λ３の干渉縞の間隔は波長λ２の干渉縞の間隔よりも小さいはずなので、波長λ３の物体光波の空間スペクトルの値の減衰の割合は波長λ２の物体光波の空間スペクトルのそれより大きいはずである。
【０１１３】
それゆえ、エイリアシングが発生した部分（波長λ３の物体光波の空間スペクトル）の本来の空間周波数は、空間周波数面上での空間周波数を１／ｄだけシフトさせた空間周波数であると見なして、振幅の減衰を補正する。例えば、波長λ２の物体光波の空間スペクトルと比べて、波長λ３の物体光波の空間スペクトルにはより大きい補正係数をかけることで補正を行う。これにより、エイリアシングの発生により減衰した波長λ３の物体光波の振幅値を適切に回復させることができる。それゆえ、この補正により、再生像の画質を向上させることができる。
【０１１４】
〔実施形態６〕
本実施形態では、実施形態５のデジタルホログラフィ装置において、物体光の強度が参照光の強度と同程度である場合について説明する。
【０１１５】
図１４および図１５は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置によって得られるエイリアシングが発生しているホログラムを２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１〜λ３の０次回折光の空間スペクトル、各波長の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。
【０１１６】
λ１＞λ２＞λ３である。波長が短くなるほど、空間周波数面においてｆｘ軸およびｆｙ軸の高周波数側に物体光波の空間スペクトルの分布がシフトしている。空間周波数面において、原点および各波長の物体光波の空間スペクトルの中心は、周期境界的に直線上に分布する。波長λ１の物体光波の空間スペクトルは、０次回折光の空間スペクトルに接するように、参照光の角度および物体光波の空間スペクトルの半径が調整される。
【０１１７】
ここで、空間スペクトルの振幅の減衰の割合はsinc(απｆｄ)である。sinc(π)＝０であるので、フィルファクタα＝１かつ空間周波数ｆ＝１／ｄの空間スペクトルは再生に使用できない。
【０１１８】
そのため、フィルファクタα＝１の場合、図１４に示すように、ｘ方向にエイリアシングを伴って記録された波長λ３の物体光波の空間スペクトルが、ｆｘ＝１／ｄより小さい範囲に分布するようにする。すなわち、波長λ３の物体光波の空間スペクトルの見た目の空間周波数がｆｘ＝０の線を越えないようにする。
【０１１９】
また、フィルファクタα＜１の場合、図１５に示すように、ｘ方向にエイリアシングを伴って記録された波長λ３の物体光波の空間スペクトルが、ｆｘ＝１／ｄより大きい範囲に分布してもよい。すなわち、波長λ３の物体光波の空間スペクトルの見た目の空間周波数がｆｘ＝０の線を越えてもよい。このように空間スペクトルを配置することで、空間周波数帯域を効率よく利用することができる。
【０１２０】
〔実施形態７〕
本実施形態では、複数の波長のレーザ光として単一のビームを使用する光学系（軸外し型）について説明する。なお、本実施形態の再生装置は上述の実施形態で説明したものと同じであるので、説明を省略する。
【０１２１】
図２３は、ピンホールを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。記録装置２１は、レーザ光源ＬＳ４、ビームエキスパンダＢＥ５、ピンホール１６ａ、撮像装置１２を備える。
【０１２２】
レーザ光源ＬＳ４は、複数の波長（λ１、λ２、…）のレーザ光を同時にまたは高速で切り替えて出力する。レーザ光源ＬＳ４として、例えば波長可変レーザ光源を使用することができる。また、レーザ光源ＬＳ４は、実施形態１のように、複数の波長に対応した複数のレーザ光源を含んでもよい。また、可視光に限らず、Ｘ線レーザ、紫外線レーザ、または、テラヘルツ光を含む赤外線レーザ、あるいは、音波、電波、電子線等あらゆる波動を使用することができる。
【０１２３】
レーザ光源ＬＳ４から出射された複数の波長のレーザ光は、ビームエキスパンダＢＥ５によって拡大される。被写体１３（物体）およびピンホール１６ａは、拡大されたレーザ光の経路に、並列に配置される。
【０１２４】
拡大されたレーザ光の一部は、被写体１３により散乱または回折して物体光となる。この物体光は、複数の波長（λ１、λ２、…）を含む。物体光は撮像装置１２の撮像面に入射する。被写体１３は、撮像装置１２の正面に位置する。
【０１２５】
一方、拡大されたレーザ光の他の一部は、ピンホール１６ａを通過して参照光となる。この参照光は、複数の波長（λ１、λ２、…）を含む。ピンホール１６ａは、拡大されたレーザ光の一部を参照光として分離する光学素子である。ピンホール１６ａによって回折し、進行方向が変化した参照光は、物体光とは異なる方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１２６】
撮像装置１２の１つの画素は、複数の波長の参照光および物体光を受光する。レーザ光源ＬＳ４が複数の波長を高速で切り替える場合、波長の切替の周期は、撮像装置１２のフレーム周期よりも短い。そのため、上述の実施形態と同様に、撮像装置１２が撮像する１フレームのホログラムは、複数の波長が合成されたホログラムである。
【０１２７】
参照光を分離する光学素子としてピンホール１６ａを用いる場合、複数の波長の参照光は同軸で撮像装置１２に入射する。この場合も、実施形態５、６と同様に、記録装置２１は、各波長の物体光波の空間スペクトルが重ならないようにし、少なくとも１つの波長についてエイリアシングが発生するようにホログラムを記録する。そのため、空間周波数帯域を効率的に使用することができる。なお、各空間スペクトルの分布範囲は、撮像装置１２に入射する物体光の角度範囲、および波長に依存する。
【０１２８】
このように、単一のビームを使用する光学系では、光学素子の数を少なくすることができるので、光学素子による波面の歪みを抑制することができる。また、光学素子の数が少ないので、低コストで、簡単に光学系を構成することができる。
【０１２９】
なおビームエキスパンダＢＥ５を用いなくてもよい。ビームエキスパンダＢＥ５を備えない場合、記録装置２１は、レンズを必要としないので、特に、Ｘ線レーザまたはテラヘルツ光を含む赤外線レーザに好適に使用することができる。
【０１３０】
図２４は、ミラーを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。記録装置２２は、記録装置２１のピンホールの代わりに、ミラー１６ｂを備える。ミラー１６ｂは、拡大されたレーザ光の一部を参照光として分離する光学素子である。記録装置２２でも、物体光と参照光とを異なる方向から撮像装置１２に入射させることができる。なお、参照光を分離する光学素子としてミラー１６ｂを用いる場合、複数の波長の参照光は同軸で撮像装置１２に入射する。例えば赤外線レーザを使用する場合、ビームエキスパンダＢＥ５を用いなくてもよい。
【０１３１】
図２５は、パラボリックミラーを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。記録装置２３は、記録装置２１のピンホールの代わりに、パラボリックミラー１６ｃを備える。パラボリックミラー１６ｃは、拡大されたレーザ光の一部を参照光として分離する光学素子である。記録装置２３でも、物体光と参照光とを異なる方向から撮像装置１２に入射させることができる。なお、参照光を分離する光学素子としてパラボリックミラー１６ｃを用いる場合、複数の波長の参照光は同軸で撮像装置１２に入射する。例えば赤外線レーザを使用する場合、ビームエキスパンダＢＥ５を用いなくてもよい。
【０１３２】
図２６は、プリズムを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。記録装置２４は、記録装置２１のピンホールの代わりに、プリズム１６ｄを備える。プリズム１６ｄは、拡大されたレーザ光の一部を参照光として分離する光学素子である。記録装置２４でも、物体光と参照光とを異なる方向から撮像装置１２に入射させることができる。なお、参照光を分離する光学素子としてプリズム１６ｄを用いる場合、屈折率の波長依存性により、複数の波長の参照光は異なる方向から撮像装置１２に入射する。プリズム１６ｄの代わりに回折格子を使用することもできる。
【０１３３】
図２７は、レンズを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。記録装置２５は、記録装置２１のピンホールの代わりに、レンズ１６ｅを備える。レンズ１６ｅは、拡大されたレーザ光の一部を参照光として分離する光学素子である。記録装置２５でも、物体光と参照光とを異なる方向から撮像装置１２に入射させることができる。なお、参照光を分離する光学素子としてレンズ１６ｅを用いる場合、複数の波長の参照光は同軸で撮像装置１２に入射する。
【０１３４】
図２８は、ピンホールを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。記録装置２６は、記録装置２１のビームエキスパンダＢＥ５の代わりに、ピンホール１７を備える。ピンホール１７は、複数の波長のレーザ光を回折させ、レーザ光を拡大する。ビームを拡大する光学素子としてビームエキスパンダの代わりにピンホール１７を使用することで、収差を低減することができる。
【０１３５】
図２９は、フレネルゾーンプレートを用いた、単一のビームを使用する光学系を示す図である。記録装置２７は、ビームエキスパンダを備えず、ピンホールの代わりに、フレネルゾーンプレート１６ｆを備える。フレネルゾーンプレート１６ｆは、レーザ光の一部を参照光として分離する光学素子である。記録装置２７でも、物体光と参照光とを異なる方向から撮像装置１２に入射させることができる。記録装置２７は、レンズを必要としないので、特に、Ｘ線レーザに好適に使用することができる。なお、図示するように、撮像装置１２に向かわない参照光は使用されないので、フレネルゾーンプレート１６ｆを、ハーフ・フレネルゾーンプレートに置き換えてもよい。
【０１３６】
以上に例示した光学系では、光学素子を機械的に駆動することなく、かつカラーフィルタを使用することなく、複数の波長の情報を１つのホログラムに記録することができる。各光学系において、レーザ光源ＬＳ４から出射されるレーザ光は平面波でも球面波でもよい。なお、参照光を分離する光学素子としていずれの光学素子１６ａ〜１６ｆを使う場合でも、被写体１３を透過した物体光を利用する透過型、および被写体１３で反射された物体光を利用する反射型の両方が実現可能である。
【０１３７】
〔実施形態８〕
本実施形態では、伝搬方向が異なる複数の物体照明光を被写体に照射するデジタルホログラフィ装置について説明する。ここでは、干渉性がよくない光、すなわちコヒーレンス長が短い光を用いる光学系（軸外し型）について説明する。なお、本実施形態の再生装置は上述の実施形態で説明したものと同じであるので、説明を省略する。
【０１３８】
図３０は、本実施形態の記録装置３１の構成を示す図である。記録装置３１は、波長λ１の光源ＬＳ５、ビームスプリッタＢＳ１１〜ＢＳ１９、ビームエキスパンダＢＥ、ミラーＭ１１〜Ｍ１７、光路調整素子ＬＡ１・ＬＡ２、および撮像装置１２を備える。
【０１３９】
波長λ１の光源ＬＳ５は、有限のコヒーレンス長の光を出射する光源であり、例えば、パルスレーザ光源、ＬＥＤ、またはその他の低コヒーレンス光源等である。後述する複数の経路の物体照明光を、それぞれに対応する複数のレーザ光源（コヒーレントな光源）で生成してもよい。
【０１４０】
光源ＬＳ５から出射された光は、ビームスプリッタＢＳ１１・ＢＳ１３によって物体照明光と参照光とに分割される。
【０１４１】
物体照明光は、ビームスプリッタＢＳ１２・ＢＳ１３によって複数（ここでは３つ）の経路に分けられる。ここでは、物体照明光の３つの経路をＯＰ１〜ＯＰ３で表す。３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体照明光はそれぞれ、対応するビームエキスパンダＢＥで拡大され、光路調整素子ＬＡ１を通過する。３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体照明光は、ミラーＭ１２〜Ｍ１５およびビームスプリッタＢＳ１４を経由して被写体１３（物体）に照射される。被写体１３によって散乱、透過または回折された物体照明光は、物体光としてビームスプリッタＢＳ１９を通過して撮像装置１２に達する。３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体光は、それぞれ異なる方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。すなわち、３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体光の伝搬方向は、それぞれ異なる。図示はしないが、物体光の経路に光透過フィルタ（絞り）が設けられている。また、被写体１３と撮像装置１２との間に、顕微鏡対物レンズ、拡大光学系、または縮小光学系を導入することもできる。
【０１４２】
分割された参照光は、ビームスプリッタＢＳ１５・ＢＳ１６によって複数（ここでは３つ）の経路に分けられる。ここでは、参照光の３つの経路をＲＰ１〜ＲＰ３で表す。３つの経路ＲＰ１〜ＲＰ３の参照光はそれぞれ、光路調整素子ＬＡ２を通過し、対応するビームエキスパンダＢＥで拡大される。３つの経路ＲＰ１〜ＲＰ３の参照光は、ミラー１７およびビームスプリッタＢＳ１７・ＢＳ１８によって１つの経路に合成される。その後、参照光は、ビームスプリッタＢＳ１９を経由して撮像装置１２に達する。３つの経路ＲＰ１〜ＲＰ３の参照光は、単一の方向から撮像面に入射してもよいし、それぞれ異なる方向から撮像面に入射してもよい。ここでは、３つの経路ＲＰ１〜ＲＰ３の参照光は、それぞれ異なる方向から撮像面に入射する。
【０１４３】
３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体光は、それぞれ光源ＬＳ５から撮像装置１２までの光路長が異なる。各経路の光路長の差は、光源ＬＳ５から出射された光のコヒーレンス長より大きい。そのため、異なる経路の物体光は、互いに干渉しない。同様に、３つの経路ＲＰ１〜ＲＰ３の参照光は、それぞれ光源ＬＳ５から撮像装置１２までの光路長が異なる。そのため、異なる経路の参照光は、互いに干渉しない。また、対応しない経路の参照光および物体光も、互いに干渉しない。
【０１４４】
経路ＯＰ１の物体光に対しては、対応する経路ＲＰ１の参照光のみが干渉する。同様に、経路ＯＰ２の物体光に対しては、対応する経路ＲＰ２の参照光のみが干渉し、経路ＯＰ３の物体光に対しては、対応する経路ＲＰ３の参照光のみが干渉する。すなわち、各経路の物体光は、対応する経路の参照光と干渉するように、光路調整素子ＬＡ１によって物体光の光路長が調整されている。同様に、光路調整素子ＬＡ２は、参照光の光路長を調整する。光路調整素子ＬＡ２は複数の経路ＲＰ１〜ＲＰ３に対応して設けられてもよい。
【０１４５】
撮像装置１２は、３つの経路の物体光および参照光によって形成される１つのホログラムを記録する。
【０１４６】
３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体光のうち、少なくとも１つの経路の物体光の光軸は、対応する経路の参照光の光軸に対して大きな角度（臨界角より大きな角度）で傾いている。そのため当該物体光について、エイリアシングが発生する。３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体光の伝搬方向が互いに異なるため、各経路の物体光波の空間スペクトルの分布は、例えば図１１に示すようになる。ここで、図１１の波長λ１〜λ３は、経路ＯＰ１〜ＯＰ３に読み換える。なお、経路が２つの場合は、各経路の物体光波の空間スペクトルの分布は、例えば図４に示すようになる。
【０１４７】
そのため、上述の実施形態で説明した再生装置によって、高精度に再生像を生成することができる。本実施形態の記録装置３１は、撮像面に平行な面内方向における被写体１３の小さな波数の情報のみならず、面内方向における被写体１３の大きな波数の情報も、単一露光で記録することができる。記録可能な波数の範囲を大きくすることができるので、ＣＴ（Computed Tomography）等の深さ情報の分離再生が可能になる。そして、再生装置において物体光波の空間スペクトルの減衰に対して補正を行うことにより、エイリアシングが発生するような大きな波数の情報も高精度で再生することができる。よって、深さ情報を高精度で再生することができ、高画質の３次元像の再生が可能となる。
【０１４８】
〔実施形態９〕
本実施形態では、複数の経路の参照光の光軸が揃っている点が実施形態８とは異なる。
【０１４９】
図３１は、本実施形態の記録装置３２の構成を示す図である。記録装置３２は、ビームスプリッタＢＳ１５・ＢＳ１６によって参照光を複数の経路ＲＰ１〜ＲＰ３に分割する。分割された複数の経路ＲＰ１〜ＲＰ３の参照光は、それぞれミラー１６〜Ｍ１８で反射されて、再びビームスプリッタＢＳ１５・ＢＳ１６によって共通の経路に合成される。複数の経路ＲＰ１〜ＲＰ３の参照光は、単一の方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１５０】
物体光の経路は実施形態８と同様である。３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体光のうち、少なくとも１つの経路の物体光の光軸は、対応する経路の参照光の光軸に対して大きな角度（臨界角より大きな角度）で傾いている。各経路の物体光は、対応する経路の参照光とのみ干渉可能である。再生像の生成および効果等も実施形態８と同様であるので、説明を省略する。
【０１５１】
〔実施形態１０〕
本実施形態では、複数の波長の光を用いる点が実施形態９とは異なる。
【０１５２】
図３２は、本実施形態の記録装置３３の構成を示す図である。記録装置３３は、複数の波長λ１〜λ３のレーザ光源ＬＳ１〜ＬＳ３を備える。
【０１５３】
レーザ光源ＬＳ１〜ＬＳ３から出射された各波長の光は、ビームスプリッタＢＳ１１〜ＢＳ１３によって物体照明光と参照光とに分割される。３つの波長の物体照明光はそれぞれ、異なる経路ＯＰ１〜ＯＰ３を通過して、異なる方向から被写体１３に照射される。そして、３つの経路（３つの波長）の物体光はそれぞれ、異なる方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１５４】
一方、各波長の参照光は、単一の経路を通過して、単一の方向から撮像面に入射する。
【０１５５】
レーザ光はコヒーレントな光である。３つの経路ＯＰ１〜ＯＰ３の物体光は、それぞれ波長が異なる（光源が異なる）ので、互いに干渉しない。この光学系においても、例えば図１１に示すような空間スペクトル分布を得ることができる。なお、干渉性のよい光を用いる場合、光路調整素子は省略することもできる。
【０１５６】
また、波長が同じ複数の光源を用いる形態も実施可能であり、その場合、光源が異なるため波長が同じであっても複数の光源から出射された光は互いに干渉せず、光路調整素子を省略することもできる。
【０１５７】
〔実施形態１１〕
本実施形態では、実施形態１０の複数の波長の代わりに、複数の偏光方向毎に異なる方向から被写体に物体照明光を照射する点が異なる。
【０１５８】
図３３は、本実施形態の記録装置３４の構成を示す図である。記録装置３４は、１つのレーザ光源ＬＳ１を備える。レーザ光源ＬＳ１は、垂直偏光のレーザ光を出射する。
【０１５９】
レーザ光源ＬＳ１から出射された光は、ビームスプリッタＢＳ１１によって物体照明光と参照光とに分割される。物体照明光は、ビームスプリッタＢＳ１２によって複数の経路ＯＰ１・ＯＰ２に分けられる。一方の経路ＯＰ１の物体照明光は、１／２波長板ＨＷＰによって水平偏光に変換される。他方の経路ＯＰ２の物体照明光は、垂直偏光のままである。複数の経路ＯＰ１・ＯＰ２の物体照明光はそれぞれ、異なる方向から被写体１３に照射される。そして、２つの経路（２つの偏光状態）の物体光はそれぞれ、異なる方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１６０】
一方、参照光は、波長板ＷＰによって、垂直偏光の成分および水平偏光の成分を有する状態に変換される。例えば波長板ＷＰは、低速軸が垂直偏光に対して４５°傾いた１／４波長板でもよいし、低速軸が垂直偏光に対して２２．５°傾いた１／２波長板でもよい。前者の場合、参照光は円偏光になり、後者の場合、参照光は垂直方向に対して４５°の直線偏光になる。なお、低速軸の方向は上記に限らない。垂直偏光の参照光および水平偏光の参照光は、単一の経路を通過して、単一の方向から撮像面に入射する。
【０１６１】
参照光と、対応する偏光方向の物体光とは、撮像面に入射する方向が異なる。垂直偏光の参照光は、垂直偏光の物体光の一部に対してエイリアシングを発生させ、水平偏光の参照光は、水平偏光の物体光の一部に対してエイリアシングを発生させる。
【０１６２】
偏光方向が直交する複数の偏光は、互いに干渉しないので、実施形態１０と同様に、この光学系においても、例えば図４に示すような空間スペクトル分布を得ることができる。ただし、図４とは異なり、２つの波長の代わりに、２つの偏光状態（水平偏光および垂直偏光）の物体光波の空間スペクトルが、互いに分離されて記録される。そのため、複数の偏光状態の情報を分離して、情報を高精度に再生することができる。
【０１６３】
本実施形態では、複数の偏光方向を利用して複数の物体光の干渉を避けるため、コヒーレンス長が長い場合においても適用可能である。
【０１６４】
〔実施形態１２〕
本実施形態では、物体照明光および参照光がそれぞれ単一の経路を通り、物体光の経路に開口アレイを配置する構成について説明する。
【０１６５】
図３４は、本実施形態の記録装置３５の構成を示す図である。記録装置３５は、１つの波源ＷＳを備える。波源ＷＳは、ここではレーザ光源であるが、これに限らず、任意の波長の、横波または縦波の波源を用いることができる。
【０１６６】
波源ＷＳから出射された光は、ビームスプリッタＢＳ１１によって物体照明光と参照光とに分割される。物体照明光は、単一の経路を通過して被写体１３に照射される。被写体１３によって散乱された物体光は、開口アレイ１８を通過して、撮像装置１２の撮像面に入射する。参照光は、単一の経路を通過して、撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１６７】
開口アレイ１８は、複数の開口が配列したアレイである。開口アレイ１８の例として、開口アレイ１８ａ〜１８ｆを図３４に示す。開口の形状は円形に限らず、また、複数の開口の配置も限定されない。複数の開口の配置は、周期的でも非周期的でも、等方的でも非等方的でも、対称性があってもなくても、構わない。開口アレイ１８は、開口がある部分とない部分とで、透過率、振動方向、または位相を変調する。例えば、開口アレイ１８のある開口を通過した物体光と、他の開口を通過した物体光とは、それぞれ異なる画素に入射する。
【０１６８】
撮像面に入射する参照光は、開口アレイ１８の少なくともいずれかの開口を通過した物体光に対して、エイリアシングを発生させるような角度をなす。再生装置１１によってエイリアシングが発生した部分についても補正を行うことで、面内方向に大きな波数の情報も高精度に再生することができる。また、開口アレイ１８によって、面内方向に大きな波数の情報を、空間周波数面で分離して抽出することができる。
【０１６９】
なお、物体光の経路に、再回折光学系を適用してもよい。例えば、再回折光学系はレンズを備え、被写体を該レンズの前焦点面に配置し、開口アレイ１８を該レンズのフーリエ変換面（後焦点面）に配置してもよい。この場合、開口アレイ１８の複数の開口によって、空間周波数面における物体光波の空間スペクトルが分離される。そのため、開口に応じた複数の視点における被写体の波数情報をホログラムから分離して抽出することが容易になる。図３４では、物体の１点から回折した物体光が波数ごとに撮像素子の異なる画素に分離されて記録される形態が示されている。しかしながら、再回折光学系を適用するときのように、物体の１点から回折したあらゆる波数の物体光が撮像素子の１画素に記録される場合であっても、空間周波数面で分離抽出できる。
【０１７０】
また、拡大光学系または縮小光学系を物体光の光路に配置してもよい。開口アレイ１８は、拡大光学系または縮小光学系の中または外に配置することができる。また、レンズのアレイを拡大、縮小、等倍などのあらゆる光学系に配置すること、レンズのアレイを再回折光学系の一方あるいは両方のレンズの代わりに配置すること、または、レンズのアレイを開口アレイとして用いることも可能である。
【０１７１】
このように、単一の経路の物体照明光を用いて、面内方向における被写体１３の大きな波数の情報を、単一露光で記録することができる。
【０１７２】
〔シミュレーション１〕
本発明の実施形態１に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図１に示すデジタルホログラフィ装置１を使用すると仮定する。
【０１７３】
シミュレーションの条件は以下の通りである。λ１＝５３２ｎｍ、λ２＝４７３ｎｍである。撮像装置の画素数は２０４８（横）×２０４８（縦）、画素間隔は縦横共に１．１２μｍである。イメージホログラムを想定し、被写体の像と撮像装置の撮像面との距離は１０μｍとした。物体光と参照光との強度比は１：１である。空間スペクトルが図４のように分布するように、参照光の角度を設定した。物体光の位相分布はランダムである。
【０１７４】
図１６は、シミュレーションに用いる被写体の像および記録されたホログラムを示す図である。図１６の（ａ）は、波長λ１および波長λ２を含む被写体の像を示す。図１６の（ｂ）は、図１６の（ａ）に示す被写体の像のうち、波長λ１の成分を示す。図１６の（ｃ）は、図１６の（ａ）に示す被写体の像のうち、波長λ２の成分を示す。図１６の（ｄ）は、記録された実空間のホログラムを示す。図１６の（ｅ）は、上記ホログラムを部分的に拡大したものを示す。ホログラムにおける明暗は干渉縞の強度を示す。
【０１７５】
上記の条件の下、計算機によって、物体光と参照光とが撮像面に形成するホログラムを記録し、再生像を計算するシミュレーションを行った。なお、ホログラムの記録も計算機によるシミュレーションによって行っている。
【０１７６】
図１７は、波長λ１の成分についての、シミュレーションによる再生像を示す図である。図１８は、波長λ２の成分についての、シミュレーションによる再生像を示す図である。図１７および図１８の（ａ）〜（ｃ）は、画像のある部分Ｃを拡大したものを示し、図１７および図１８の（ｄ）〜（ｆ）は、画像の他の部分Ｄを拡大したものを示す。図１７および図１８の（ａ）（ｄ）は、元の被写体の像を示す。図１７および図１８の（ｂ）（ｅ）は、比較のための、参考例の軸外し型のデジタルホログラフィ装置を想定したシミュレーションによる再生像を示す。参考例では、エイリアシングを発生させておらず、かつ、sinc関数を用いた補正も行っていない。図１７および図１８の（ｃ）（ｆ）は、実施形態１に基づく上記シミュレーションによる再生像を示す。実施形態１では、エイリアシングを発生させ、かつ、sinc関数を用いた補正を行っている。
【０１７７】
いずれの波長においても参考例の再生像（図１７および図１８の（ｂ）（ｅ））では、元の被写体に比べて、画質が劣化しており、分解能が低いことが分かる。参考例の再生像では、波長λ１成分に関して、元の被写体の像に対する平均二乗誤差は３１．４、相互相関係数は０．９３６、ＳＮ比は１１．６［ｄＢ］であった。波長λ２成分に関して、元の被写体の像に対する平均二乗誤差は３３．８、相互相関係数は０．９４７、ＳＮ比は１１．１［ｄＢ］であった。
【０１７８】
これに対し、いずれの波長においても実施形態１に基づく再生像（図１７および図１８の（ｃ）（ｆ））では、参考例に比べて画質が向上しており、高い分解能が得られることが分かる。実施形態１に基づく再生像では、波長λ１成分に関して、元の被写体の像に対する平均二乗誤差は１２．８、相互相関係数は０．９８８、ＳＮ比は２０．１［ｄＢ］であった。波長λ２成分に関して、元の被写体の像に対する平均二乗誤差は１２．９、相互相関係数は０．９９１、ＳＮ比は１９．４［ｄＢ］であった。参考例に比べて、実施形態１に基づく再生像では、平均二乗誤差が６０％以上減少し、ＳＮ比が７０％以上増加している。このことからも、実施形態１では高精度にホログラムを記録・再生できることが分かる。
【０１７９】
〔シミュレーション２〕
本発明の実施形態１に基づく複数波長（２波長）位相接続法のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図１に示すデジタルホログラフィ装置１を使用すると仮定する。２波長位相接続法とは、２つの波長を用いて記録されたホログラムから、被写体の３次元形状の情報を得る方法である。
【０１８０】
シミュレーションの条件は以下の通りである。λ１＝５３２ｎｍ、λ２＝４８８ｎｍである。２波長位相接続法による合成波長は５．９０μｍである。撮像装置の画素数は５１２（横）×５１２（縦）、画素間隔は縦横共に２．２μｍである。被写体の像と撮像装置の撮像面との距離は１０ｍｍとした。物体光と参照光との強度比は１：１である。空間スペクトルが図４のように分布するように、参照光の角度を設定した。物体光の強度分布は一様であり、かつ物体光の強度分布に波長依存性はない。
【０１８１】
上記の条件の下、計算機によって、物体光と参照光とが撮像面に形成するホログラムを記録し、２波長位相接続法によって３次元形状を計算するシミュレーションを行った。なお、ホログラムの記録も計算機によるシミュレーションによって行っている。
【０１８２】
図１９は、被写体の３次元形状およびシミュレーションによる３次元形状の計測結果を示す図である。図１９の（ａ）は、被写体の高さ（奥行き寸法）の分布を示す。被写体の寸法は、１．１３ｍｍ（横）×１．１３ｍｍ（縦）×２．５０μｍ（高さ）である。図１９の（ｂ）は、比較のための、参考例の軸外し型のデジタルホログラフィ装置を想定したシミュレーションによる計測結果を示す。参考例では、エイリアシングを発生させておらず、かつ、sinc関数を用いた補正も行っていない。図１９の（ｃ）は、実施形態１に基づく上記シミュレーションによる計測結果を示す。実施形態１では、エイリアシングを発生させ、かつ、sinc関数を用いた補正を行っている。図１９の（ａ）〜（ｃ）において、明るい箇所が高く（手前側にあり）暗い箇所が低い（奥側にある）ことを示す。
【０１８３】
図１９の（ｄ）は、枠囲みの箇所における、元の被写体の高さ分布（図１９の（ａ））と、参考例による計測結果の高さ分布（図１９の（ｂ））との差分を示す。明るい箇所は差がプラス、暗い箇所は差がマイナス、中間のグレーの箇所は差が０であることを示す。参考例に基づく計測結果の平均二乗誤差は１１．１［ｎｍ］であった。
【０１８４】
図１９の（ｅ）は、枠囲みの箇所における、元の被写体の高さ分布（図１９の（ａ））と、実施形態１に基づく計測結果の高さ分布（図１９の（ｃ））との差分を示す。参考例に比べて、実施形態１に基づく計測結果では、誤差が小さくなっていることが分かる。実施形態１に基づく計測結果の平均二乗誤差は３．４４［ｎｍ］であった。このことからも、実施形態１では高精度に被写体の３次元形状を計測できることが分かる。
【０１８５】
〔シミュレーション３〕
本発明の実施形態４に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図１０に示すデジタルホログラフィ装置２を使用すると仮定する。
【０１８６】
シミュレーションの条件は以下の通りである。λ１＝６３２．８ｎｍ、λ２＝５３２ｎｍ、λ３＝４７３ｎｍである。撮像装置の画素数は２０４８（横）×２０４８（縦）、画素間隔は縦横共に２．２μｍである。フレネル型のホログラムを想定し、被写体の像と撮像装置の撮像面との距離は２５０ｍｍとした。物体光と参照光との強度比は１：１である。空間スペクトルが図１１のように分布するように、参照光の角度を設定した。物体光の位相分布はランダムである。
【０１８７】
図２０は、シミュレーションに用いる被写体の像および記録されたホログラムを示す図である。図２０の（ａ）は、波長λ１〜λ３を含む被写体の像を示す。図２０の（ｂ）は、図２０の（ａ）に示す被写体の像のうち、波長λ１の成分を示す。図２０の（ｃ）は、図２０の（ａ）に示す被写体の像のうち、波長λ２の成分を示す。図２０の（ｄ）は、図２０の（ａ）に示す被写体の像のうち、波長λ３の成分を示す。図２０の（ｅ）は、記録された実空間のホログラムを示す。図２０の（ｆ）は、上記ホログラムを部分的に拡大したものを示す。ホログラムにおける明暗は干渉縞の強度を示す。
【０１８８】
上記の条件の下、計算機によって、物体光と参照光とが撮像面に形成するホログラムを記録し、再生像を計算するシミュレーションを行った。なお、ホログラムの記録も計算機によるシミュレーションによって行っている。
【０１８９】
図２１は、シミュレーションによる空間スペクトル分布（ホログラムのフーリエ変換）を示す図である。図２１の（ａ）は、比較のための、一参考例の軸外し型のデジタルホログラフィ装置を想定したシミュレーションによる空間スペクトル分布を示す。この参考例では、いずれの波長についてもエイリアシングが発生していない代わりに、波長λ１の物体光波の空間スペクトルが０次回折光の空間スペクトルに重なっている。図２１の（ｂ）は、実施形態４に基づくシミュレーションによる空間スペクトル分布を示す。実施形態４に基づくシミュレーションでは、波長λ１についてエイリアシングを発生させることで、各空間スペクトルが互いに重ならないように配置している。参考例でも波長λ２・λ３については物体光波の空間スペクトルが重なっていないので、差が顕著な波長λ１について、参考例と実施形態４とを比較した。
【０１９０】
図２２は、波長λ１の成分についての、シミュレーションによる再生像を示す図である。図２２の（ａ）は、参考例のシミュレーションによる再生像を示す。図２２の（ｂ）は、図２２の（ａ）の２つの枠囲みの箇所をそれぞれ拡大したものを示す。参考例では、エイリアシングを発生させておらず、かつ、sinc関数を用いた補正も行っていない。図２２の（ｃ）は、実施形態４に基づく上記シミュレーションによる再生像を示す。図２２の（ｄ）は、図２２の（ｃ）の２つの枠囲みの箇所をそれぞれ拡大したものを示す。実施形態４では、エイリアシングを発生させ、かつ、sinc関数を用いた補正を行っている。
【０１９１】
波長λ１において参考例の再生像（図２２（ａ）（ｂ））では、元の被写体に比べて、画質が劣化しており、分解能が低いことが分かる。参考例の再生像では、波長λ１成分に関して、元の被写体の像に対する平均二乗誤差は２７．２、相互相関係数は０．９８０、ＳＮ比は１３．１［ｄＢ］であった。
【０１９２】
これに対し、波長λ１において実施形態４に基づく再生像（図２２の（ｃ）（ｄ））では、参考例に比べて画質が向上しており、高い分解能が得られることが分かる。実施形態４に基づく再生像では、波長λ１成分に関して、元の被写体の像に対する平均二乗誤差は１１．０、相互相関係数は０．９９０、ＳＮ比は２１．０［ｄＢ］であった。このことからも、実施形態４では高精度にホログラムを記録・再生できることが分かる。
【０１９３】
〔実施形態１３〕
本実施形態では、複数の波長の参照光が単一の経路を通って撮像面に入射する構成について説明する。実施形態５（図１２）では、複数の波長の参照光は、同軸で（同じ角度で）撮像面に入射する。一方、本実施形態では、複数の波長の参照光は単一の経路を通るが、複数の波長の参照光は、互いに異なる角度で撮像面に入射する。
【０１９４】
図３５は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置４の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置４は、軸外し型（off-axis型）のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置４は、記録装置４１と再生装置１１とを備える。記録装置４１は、モノクロの撮像装置１２、波長λ１のレーザ光源ＬＳ１、波長λ２のレーザ光源ＬＳ２、波長λ３のレーザ光源ＬＳ３、および光学系を備える。
【０１９５】
波長λ１〜λ３のレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ３・ＢＳ７によって同軸に揃えられる。波長λ１〜λ３のレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ１によって物体照明光と参照光とに分割される。
【０１９６】
物体照明光は被写体１３に照射される。被写体１３の反射光である物体光は、ビームスプリッタＢＳ５で反射され、撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１９７】
（参照光の経路）
本実施形態では、光学系は、波長λ１〜λ３の参照光が単一の経路を通過するよう、参照光を撮像面まで導く。光学系は、参照光の経路に、ミラーＭ１、回折格子ＧＲ、２つのレンズＬＮ１・ＬＮ２、および開口アレイＡＡを備える。
【０１９８】
ビームスプリッタＢＳ１で物体光と分けられた参照光は、ミラーＭ１によって反射され、回折格子ＧＲに入射する。波長λ１〜λ３の参照光は、回折格子ＧＲによってそれぞれ回折される。その後、各波長の参照光はレンズＬＮ１、開口アレイＡＡ、レンズＬＮ２、およびビームスプリッタＢＳ５をこの順に通過し、撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０１９９】
図３６は、デジタルホログラフィ装置４の参照光の経路の一部を拡大して示す模式図である。ここでは、回折格子ＧＲからレンズＬＮ２までが図示されている。ｚ軸は撮像面に垂直であり、ｘ軸およびｙ軸は撮像面に平行である。レンズＬＮ１、開口アレイＡＡ、およびレンズＬＮ２は、ｚ軸に沿って配置されている。レンズＬＮ１と開口アレイＡＡとの間の距離、および開口アレイＡＡとレンズＬＮ２との間の距離は、レンズＬＮ１・ＬＮ２の焦点距離に等しい。開口アレイＡＡは、フーリエ変換面に位置することになる。回折格子ＧＲに入射する前において、波長λ１〜λ３の参照光は、互いに光軸が同じである平行光である。
【０２００】
回折格子ＧＲは、反射型の回折格子、例えば、ブレーズド回折格子である。回折格子ＧＲは、ｘ−ｙ平面に平行に配置されており、回折格子ＧＲの法線は、ｚ軸に一致している。回折格子ＧＲのブレーズ方向は、ｙ軸に対して角度φ傾いている。ここで、ブレーズ方向とは、ブレーズド回折格子において複数の鋸歯が配列する方向である。ブレーズド回折格子は、入射角に応じて特定の次数（ｍ次、典型的には１次または−１次）の回折光にエネルギーを集中させる。なお、回折格子として、ブレーズド回折格子に限らず、任意の回折格子を用いることができる。
【０２０１】
各波長の参照光は、角度Ψｘ、角度Ψｙの角度で、回折格子ＧＲに入射する。Ψｘは、参照光の進行方向とｙ−ｚ平面との間の角度を表す。Ψｙは、参照光の進行方向とｘ−ｚ平面との間の角度を表す。例えばΨｘ、Ψｙは、ミラーＭ１の角度によって調整される。回折格子ＧＲに入射した波長λ１〜λ３の参照光は、回折格子ＧＲによって、それぞれ異なる方向に回折される。回折格子ＧＲによって回折された後の波長λ１の参照光（波長λ１のｍ次回折光）は、平行光である。波長λ１について他の次数の回折光（図示せず）も生じるが、これらの回折光の強度はｍ次回折光に比べて小さい。同様に、波長毎に進行方向（回折方向）が定まるので、それぞれの波長の参照光は、平行光である。強められた特定の次数の各波長の参照光は、ｚ軸に対してｘ軸方向に傾いた方向に進む。また、強められた特定の次数の各波長の参照光は、互いにｙ軸方向について異なる方向に進む。
【０２０２】
回折された後、各波長の参照光は、レンズＬＮ１によって開口アレイＡＡ上に集光される。レンズＬＮ１に入射する前の参照光は、波長毎にその進行方向が異なる。そのため、波長λ１〜λ３の参照光は、それぞれ開口アレイＡＡ上における異なる位置に集光される。
【０２０３】
開口アレイＡＡは、少なくとも使用される波長の数以上の、複数（ここでは３つ）の開口を有する。例えば波長λ１のｍ次以外の回折光は、回折格子ＧＲからの進行方向がｍ次の回折光とは異なるので、開口アレイＡＡ上において波長λ１のｍ次の回折光とは異なる位置に集光される。これらｍ次以外の回折光は、開口アレイＡＡによって遮断される。また、参照光はレーザ光であるが、レーザ光源に応じて波長分布に幅がある。波長に応じて回折格子ＧＲによる回折方向が決まり、回折方向はレンズＬＮ１への入射方向になる。それゆえ、参照光の波長分布の幅が大きくなるにしたがって、開口アレイＡＡ上における参照光のスポット径が大きくなる。開口アレイＡＡにおいて、開口の径を絞り、通過する参照光の径を絞る（小さくする）ことにより、開口アレイＡＡを通過した参照光の波長分布の幅を小さくすることができる。すなわち、参照光の単色性を向上させ、コヒーレンス性を高めることができる。他の波長λ２、λ３についても同様である。このように、開口アレイＡＡは、参照光の波長λ１・λ２・λ３に対応して配列する複数の開口を有する。ここでは、開口アレイＡＡにおける複数の開口は、直線状に並ぶ。このように、開口アレイＡＡは、各波長の参照光について、特定の次数（例えば１次）の回折光のみを通過させる。なお、開口アレイＡＡおよびレンズＬＮ１・ＬＮ２を省略することもできる。開口アレイの代わりに、各波長の参照光について、特定の次数の回折光を通過させる、単なる開口を用いてもよい。また、波長数よりも少ない開口数を備えた開口アレイを用い、各波長の参照光について、特定の次数の回折光を通過させてもよい。
【０２０４】
開口アレイＡＡを通過した波長λ１・λ２・λ３の参照光は、それぞれレンズＬＮ２によって再び平行光に変換される。ただし、レンズＬＮ２を通過した後の進行方向は、波長に応じてそれぞれ異なる。そしてビームスプリッタＢＳ５を通過した後、波長λ１・λ２・λ３の参照光は、ｚ軸に垂直な撮像面に対して、それぞれｘ方向およびｙ方向に角度を持って入射する。波長λ１・λ２・λ３の参照光は、それぞれ異なる方向から撮像面に入射する。モノクロの撮像装置１２は、複数の波長の参照光および物体光が多重化された干渉縞（ホログラム）を記録する。
【０２０５】
なお、レーザ光源を追加してＮ個の波長の参照光および物体光を用いることもできる。この場合、開口アレイＡＡは、Ｎ個の開口を有する。
【０２０６】
（ホログラムの空間周波数解析）
図３７は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置４によって得られるホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１〜λ３の０次回折光の空間スペクトル、各波長の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。ここでは、エイリアシングは発生していない。なお、レーザ光源を追加してＮ個の波長の参照光および物体光を用いれば、図示のようにλ１〜λＮの物体光波の空間スペクトルが直線上に並ぶ。
【０２０７】
λ１＞λ２＞…＞λＮである。波長毎に参照光のｙ方向の入射角が大きく異なるため、各波長の物体光波の空間スペクトルの分布が、ｆｙ軸に沿ってシフトしている。なお、各波長の物体光波の空間スペクトルは、０次回折光の空間スペクトルを避けるように、あるｆｘの位置に分布している。各波長の物体光波の空間スペクトルの配列は、ミラーＭ１によって回折格子ＧＲへ入射する角度Ψｘ、Ψｙを変更する、または回折格子ＧＲのブレーズ方向の角度φを変更することにより、２次元的に調節することができる。なお、各波長の物体光波の空間スペクトルの中心は、直線上に並ぶ。なお、撮像装置１２から見た被写体１３の大きさ（視野角、すなわち物体光が撮像面に入射する角度範囲）が小さければ、各波長の物体光波の空間スペクトルの半径も小さくなる。
【０２０８】
このように、本実施形態では、０次回折光の空間スペクトルが存在する領域（原点付近）を避けて、複数の波長の物体光波の空間スペクトルを直線状に配置することができる。このように空間スペクトルを配置することで、特に用いる波長数が多い場合において、空間周波数帯域を効率よく利用することができる。また、像の再生においては、上述の実施形態のように、空間スペクトルの補正を行うことができる。
【０２０９】
本実施形態では、複数の波長の参照光が単一の経路を通って撮像面に入射し、かつ、参照光の単一の経路において、進行方向が揃っていた複数の波長の参照光が回折格子ＧＲによって、それぞれ異なる方向に回折される。これにより、複数の波長の参照光は単一の経路を通りつつ、それぞれ異なる方向から撮像面に入射する。参照光が撮像面に入射する角度に波長毎に差をつけることで、ホログラムの空間周波数面において、各波長の物体光波の空間スペクトルが重ならないようにすることができる。これにより、空間周波数面において、所望の波長の物体光波の空間スペクトルを抽出することができる。これにより、波長毎に被写体の立体像を再生することができ、それらから多波長の被写体の３次元画像を得ることができる。
【０２１０】
例えば、図１０に示す光学系では、複数の波長の参照光を異なる方向から撮像面に入射させるために、複数の参照光の経路を設けている。例えば、波長λ１の参照光は、ビームエキスパンダＢＥ１からビームスプリッタＢＳ８を通ってビームスプリッタＢＳ４へ至る経路を通る。波長λ２の参照光は、ビームエキスパンダＢＥ２からミラーＭ２を通ってビームスプリッタＢＳ４へ至る経路を通る。波長λ３の参照光は、ビームエキスパンダＢＥ４からミラーＭ４およびビームスプリッタＢＳ８を通ってビームスプリッタＢＳ４へ至る経路を通る。そのため、光学系が複雑かつ大きくなる。
【０２１１】
一方、本実施形態の光学系では、参照光が単一の経路を通るため、光学系ひいては記録装置４１をコンパクトかつ簡易な構成にすることができる。
【０２１２】
また、例えば赤色光から近赤外の範囲において１０波長帯域程度に分光して、生体または細胞を観察したいという要望がある。このような要望に合わせて、３つより多い波長を用いる場合にも、本実施形態は有利である。例えば図１２に示す記録装置１５では、複数の波長の参照光は単一の経路を通って、互いに同じ方向から撮像面に入射する。そのため、空間周波数面における複数の波長の物体光波の空間スペクトルの分布は、原点を通る直線上に位置することになる。
【０２１３】
図３８は、Ｎ個の波長を用いた場合に図１２に示すような記録装置において得られるホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。利用する空間周波数帯域を広くするために、各波長の物体光波について、ｘ方向およびｙ方向にエイリアシングを発生させている。ｆλ１、ｆλ２、ｆλＮの矢印は、各波長の空間スペクトルの本来の空間周波数を表す。ｆｏｂｊλ１、ｆｏｂｊλ２、…ｆｏｂｊλＮは、それぞれ波長λ１、λ２…λＮについて再生に使用可能な空間周波数帯域の半径を示す。このように、波長数が増加すると、利用できる空間周波数帯域が小さくなる。無理に各波長の空間周波数帯域を大きくとると、空間スペクトルのＳＮ比が下がるため、画質劣化を引き起こしてしまう。
【０２１４】
一方、図３７に示すように、本実施形態では、３つより多い波長を用いる場合でも、利用可能な空間周波数帯域を広くすることができる。
【０２１５】
なお、開口アレイＡＡによって使用する参照光の波長範囲を限定することができるので、レーザ光源の代わりに、コヒーレンス性の低い（単色性の低い）、パルスレーザ光源、またはＬＥＤ光源等を用いることもできる。また、光源から出射される光の複数の波長がλ１、λ２、λ３のように離散的でなくてもよい。連続スペクトルの光を物体照明光と参照光とに分離し、回折した連続スペクトルの参照光を開口アレイＡＡの複数の開口によって、離散的な波長に限定してもよい。
【０２１６】
〔実施形態１４〕
本実施形態では、透過型の回折格子を用いる点が実施形態１３と異なる。
【０２１７】
図３９は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置５の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置５は、軸外し型（off-axis型）のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置５は、記録装置４２と再生装置１１とを備える。記録装置４２は、モノクロの撮像装置１２、波長λ１のレーザ光源ＬＳ１、波長λ２のレーザ光源ＬＳ２、波長λ３のレーザ光源ＬＳ３、および光学系を備える。
【０２１８】
本実施形態では、図３５に示す記録装置４１の反射型の回折格子の代わりに、透過型の回折格子ＧＲを備える。ビームスプリッタＢＳ１で物体光と分けられた参照光は、ミラーＭ１によって反射され、透過型の回折格子ＧＲに入射する。波長λ１〜λ３の参照光は、回折格子ＧＲによってそれぞれ回折される。その後、各波長の参照光はレンズＬＮ１、開口アレイＡＡ、レンズＬＮ２、およびビームスプリッタＢＳ５をこの順に通過し、撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０２１９】
例えば、各波長の参照光は、ミラーＭ１によってｚ方向に対してｘ方向に同じ角度傾けられる。また、各波長の参照光は、回折格子ＧＲによって、ｚ方向に対してｙ方向に異なる角度傾けられる。そのため、各波長の参照光は、互いに異なる方向から撮像面に入射する。
【０２２０】
図４０は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置５によって得られるホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ホログラムの空間周波数面において、波長λ１〜λ３の０次回折光の空間スペクトル、各波長の物体光波の空間スペクトル、ならびに、各波長の共役像の空間スペクトルが存在する。ここでは、エイリアシングは発生していない。レーザ光源を追加してＮ個の波長の参照光および物体光を用いれば、図示のようにλ１〜λＮの物体光波の空間スペクトルが直線上に並ぶ。
【０２２１】
λ１＞λ２＞…＞λＮである。波長毎に参照光のｙ方向の入射角が大きく異なるため、各波長の物体光波の空間スペクトルの分布が、ｆｙに関してシフトしている。なお、各波長の参照光のｘ方向の入射角は同じであるが、波長が異なれば干渉縞の空間周波数が異なってくる。そのため、各波長の物体光波の空間スペクトルの分布は、ｆｘに関してもずれている。なお、各波長の物体光波の空間スペクトルの中心は、直線上に並ぶ。例えば各波長の物体光波の空間スペクトルのｆｘ軸における位置は、ミラーＭ１によって調節することができる。また、各波長の物体光波の空間スペクトルのｆｙ軸における位置は、回折格子ＧＲの格子間隔によって調節することができる。
【０２２２】
また、透過型または反射型の回折格子ＧＲの代わりにプリズムを用いることにより、波長毎に参照光の進行方向を異ならせることもできる。
【０２２３】
図４１は、さらにエイリアシングを発生させた場合に本実施形態のデジタルホログラフィ装置５によって得られるホログラム（干渉縞）を２次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。ここでは、λ１…λＫ…λＮの、Ｎ個の波長を用いている（１＜Ｋ＜Ｎ）。図４０と同様に、図４１においても、各波長の物体光波の空間スペクトルが直線上に配列する。ただし、ｆｙが±１／２ｄを超えたλ１およびλＮ等の一部の波長の物体光波の空間スペクトルは、エイリアシングのため、１／ｄシフトした位置に現れる。各波長の物体光波の空間スペクトルは、点線に沿った位置に現れる。なお、像の再生においては、上述の実施形態のように、空間スペクトルの補正を行うことができる。
【０２２４】
このようにエイリアシングを利用することで、利用可能な空間周波数帯域を広くすることができる。また、記録可能な波長数を増加させることができる。そのため、被写体の３次元画像を多波長に分光して得ることができる。
【０２２５】
なお、互いに回折させる方向が異なる（格子の並ぶ方向が異なる）２つ以上の回折格子を用いてもよい。この場合、空間周波数面において、複数の波長の物体光波の空間スペクトルの分布を２次元的（ｆｘ方向およびｆｙ方向）に分離（すなわち分光）することができる。
【０２２６】
〔実施形態１５〕
本実施形態では、他の構成の光学系を用いる場合について説明する。
【０２２７】
図４２は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置６の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置６は、軸外し型（off-axis型）のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置６は、記録装置４３と再生装置１１とを備える。記録装置４３は、モノクロの撮像装置１２、Ｎ個の光源（波長λ１のレーザ光源ＬＳ１、波長λ２のレーザ光源ＬＳ２、…波長λＮのレーザ光源ＬＳＮ）、および光学系を備える。
【０２２８】
波長λ１〜λＮのレーザ光は、複数のビームスプリッタによって同軸に揃えられる。波長λ１〜λＮのレーザ光は、ビームスプリッタＢＳ１によって物体照明光と参照光とに分割される。
【０２２９】
物体照明光は被写体１３に照射される。被写体１３の反射光である物体光は、ビームスプリッタＢＳ１を通過し、撮像装置１２の撮像面に入射する。
【０２３０】
本実施形態では、光学系は、波長λ１〜λＮの参照光が単一の経路を通過するよう、参照光を撮像面まで導く。光学系は、参照光の経路に、ミラーＭ１・Ｍ２を備える。
【０２３１】
ビームスプリッタＢＳ１で物体光と分けられた参照光は、ミラーＭ１・Ｍ２によって反射され、再びビームスプリッタＢＳ１に入射する。その後、ビームスプリッタＢＳ１によって反射された参照光は、物体光の光軸とは異なる方向から撮像装置１２の撮像面に入射する。撮像面への参照光の入射角度は、ミラーＭ１・Ｍ２によって調節することができる。各波長の空間スペクトルは、波長に応じて空間周波数が異なるため、空間周波数面において区別可能となる。
【０２３２】
〔実施形態１６〕
本実施形態では、参照光の単一の経路に回折格子が配置される点が、実施形態１５とは異なる。
【０２３３】
図４３は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置７の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置７は、記録装置４４と再生装置１１とを備える。記録装置４４は、参照光の単一の経路に回折格子ＧＲを備える点が、図４２の記録装置４３とは異なる。なお、複数の光源ＬＳ１〜ＬＳＮは、単一のレーザ光源ＬＳに置き換えることができる。レーザ光源ＬＳは、複数の波長λ１〜λＮのレーザ光を同軸で出射する。
【０２３４】
本実施形態では、回折格子ＧＲが複数の波長の参照光を異なる方向に回折させる。そのため、得られるホログラムの空間周波数面において、各波長の空間スペクトルをより離して配置させることができる。回折格子ＧＲと撮像装置１２との間に、レンズおよび開口アレイを配置してもよい。
【０２３５】
〔実施形態１７〕
さらに、拡大光学系または縮小光学系を配置してもよい。
【０２３６】
図４４は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置８の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置８は、記録装置４５と再生装置１１とを備える。記録装置４５は、被写体１３の手前に、対物レンズおよびレンズ等を含む拡大光学系ＭＧを備える。これにより、小さい被写体１３のホログラムを得ることができる。拡大光学系ＭＧとして、共焦点光学系、凸レンズと凹レンズとの組み合わせ、または、その他の既存の拡大光学系を利用することができる。
【０２３７】
なお、拡大光学系の代わりに縮小光学系を配置してもよい。この場合、人体、機械装置、電子機器、車両のボディ等の大きな物体のホログラムを得ることもできる。
【０２３８】
〔ソフトウェアによる実現例〕
再生装置１１は、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０２３９】
後者の場合、再生装置１１は、各機能を実現するソフトウェアであるプログラムの命令を実行するＣＰＵ、上記プログラムおよび各種データがコンピュータ（またはＣＰＵ）で読み取り可能に記録されたＲＯＭ（Read Only Memory）または記憶装置（これらを「記録媒体」と称する）、上記プログラムを展開するＲＡＭ（Random Access Memory）などを備えている。そして、コンピュータ（またはＣＰＵ）が上記プログラムを上記記録媒体から読み取って実行することにより、本発明の目的が達成される。上記記録媒体としては、「一時的でない有形の媒体」、例えば、テープ、ディスク、カード、半導体メモリ、プログラマブルな論理回路などを用いることができる。また、上記プログラムは、該プログラムを伝送可能な任意の伝送媒体（通信ネットワークや放送波等）を介して上記コンピュータに供給されてもよい。なお、本発明は、上記プログラムが電子的な伝送によって具現化された、搬送波に埋め込まれたデータ信号の形態でも実現され得る。
【０２４０】
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。
【産業上の利用可能性】
【０２４１】
本発明は、デジタルホログラフィ装置、ハイスピード３Ｄカメラ、および蛍光３次元顕微鏡等に利用することができる。
【符号の説明】
【０２４２】
１〜８    デジタルホログラフィ装置
１０、１４、１５、２１〜２７、３１〜３５、４１〜４５    記録装置
１１    再生装置
１２    撮像装置
１２ａ    画素
１３    被写体（物体）
ＡＡ    開口アレイＡＡ
ＧＲ    回折格子
ＬＳ１〜ＬＳ４    レーザ光源
ＬＳ５    光源
ＬＡ１、ＬＡ２    光路調整素子
【図１】
2015064565.tif 000003
【図２】
2015064565.tif 000004
【図３】
2015064565.tif 000005
【図４】
2015064565.tif 000006
【図７】
2015064565.tif 000007
【図８】
2015064565.tif 000008
【図９】
2015064565.tif 000009
【図１０】
2015064565.tif 000010
【図１１】
2015064565.tif 000011
【図１２】
2015064565.tif 000012
【図１３】
2015064565.tif 000013
【図１４】
2015064565.tif 000014
【図１５】
2015064565.tif 000015
【図２３】
2015064565.tif 000016
【図２４】
2015064565.tif 000017
【図２５】
2015064565.tif 000018
【図２６】
2015064565.tif 000019
【図２７】
2015064565.tif 000020
【図２８】
2015064565.tif 000021
【図２９】
2015064565.tif 000022
【図３０】
2015064565.tif 000023
【図３１】
2015064565.tif 000024
【図３２】
2015064565.tif 000025
【図３３】
2015064565.tif 000026
【図３４】
2015064565.tif 000027
【図３５】
2015064565.tif 000028
【図３６】
2015064565.tif 000029
【図３７】
2015064565.tif 000030
【図３８】
2015064565.tif 000031
【図３９】
2015064565.tif 000032
【図４０】
2015064565.tif 000033
【図４１】
2015064565.tif 000034
【図４２】
2015064565.tif 000035
【図４３】
2015064565.tif 000036
【図４４】
2015064565.tif 000037
【図５】
2015064565.tif 000038
【図６】
2015064565.tif 000039
【図１６】
2015064565.tif 000040
【図１７】
2015064565.tif 000041
【図１８】
2015064565.tif 000042
【図１９】
2015064565.tif 000043
【図２０】
2015064565.tif 000044
【図２１】
2015064565.tif 000045
【図２２】
2015064565.tif 000046