(57)【要約】ダイレクト対デジタル式ホログラフィ及びホロビジョンのための捕捉及び再生システムを開示する。軸外しホログラムを記録する方法は、レーザービームを物体光（１６２０）と参照光（１６８５）に分離する段階と、参照光を参照光ミラー（１６７５）から反射する段階と、物体光を照明光ビームスプリッタ（１６３０）から反射する段階と、物体光を対物レンズ（１６３５）に通す段階と、物体光を対象物（１６４０）から反射する段階と、参照光及び物体光をデジタル記録装置（１６５５）の焦点面に集束して軸外しホログラムを形成する段階と、軸外しホログラムをデジタル的に記録しフーリエ変換する段階を備えている。軸外しホログラムを書き込む方法は、レーザービーム（１９５０）を空間光変調器（１９７５）に通す段階と、レーザービームを光屈折結晶（１９９５）の焦点面に集束してホログラムを付与する段階を備えている。軸外しホログラムを再生する方法は、ホログラムを有している光屈折結晶を再生ビーム（１９１５）で照らす段階を備えている。
2004500601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸外しホログラムを記憶するための装置において、
レーザーと、
前記レーザーに光学的に連結された照明光ビームスプリッタと、
前記照明光ビームスプリッタに光学的に連結された対物レンズと、
前記対物レンズに光学的に連結された対象物と、
前記レーザーに連結された参照光ビームスプリッタと、
前記参照光ビームスプリッタに光学的に連結された参照光ミラーと、
前記参照光ビームスプリッタ及び前記照明光ビームスプリッタの双方に光学的に連結されたビームコンバイナと、
前記ビームコンバイナに光学的に連結されたデジタル記録装置と、を備え、
参照光と物体光は前記デジタル記録装置の焦点面において組み合わされて軸外しホログラムを形成し、前記物体光と前記参照光は、複数の実質的に同時発生する参照波及び物体波を構成することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記照明光ビームスプリッタと、前記対物レンズと、前記対象物と、前記参照光ビームスプリッタと、前記参照光ミラーと、前記ビームコンバイナと、前記デジタル記録装置は、マッハ・ツェンダー配置を形成していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記対象物からの物体光は前記照明光ビームスプリッタの前面に反射され、前記参照光ミラーからの参照光は前記参照光ビームスプリッタの前面に反射されることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記照明光ビームスプリッタは、偏光用照明光ビームスプリッタを含み、前記参照光ビームスプリッタは偏光用参照光ビームスプリッタを含んでおり、
前記装置は、前記偏光用照明光ビームスプリッタと前記対象物との間に光学的に連結された照明用１／４波長板と、前記偏光用参照光ビームスプリッタと前記参照光ミラーとの間に光学的に連結された参照光１／４波長板を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記照明光ビームスプリッタと前記ビームコンバイナの間に光学的に連結された第１の偏光子と、前記参照光ビームスプリッタと前記ビームコンバイナの間に光学的に連結された第２の偏光子と、を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
物体光経路は参照光経路と実質的に同一であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記レーザーと、前記照明光ビームスプリッタ及び前記参照光ビームスプリッタ双方との間に、光学的に連結された音響光学変調器を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記レーザーと前記照明光ビームスプリッタとの間に光学的に連結された第１の音響光学変調器と、前記レーザーと前記参照光ビームスプリッタとの間に光学的に連結された第２の音響光学変調器とを、更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記レーザーと前記照明光ビームスプリッタとの間に光学的に連結された第１の光ファイバーと、前記レーザーと前記参照光ビームスプリッタとの間に光学的に連結された第２の光ファイバーと、を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の光ファイバーは、第１の単モード偏光維持光ファイバーを含み、前記第２の光ファイバーは、第２の単モード偏光維持光ファイバーを含んでいることを特徴とする、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記照明光ビームスプリッタと前記ビームコンバイナとの間に光学的に連結された第１のチューブレンズと、前記参照光ビームスプリッタと前記ビームコンバイナとの間に光学的に連結された第２のチューブレンズと、を更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記レーザーと前記照明光ビームスプリッタとの間に光学的に連結された第１のビーム拡大器／空間フィルタと、前記レーザーと前記参照光ビームスプリッタとの間に光学的に連結された第２のビーム拡大器／空間フィルタとを、更に備えていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
軸外しホログラムを記録する方法において、
レーザービームを物体光と参照光に分離する段階と、
前記参照光を参照光ミラーから反射する段階と、
前記物体光を照明光ビームスプリッタから反射する段階と、
前記物体光を対物レンズに通す段階と、
前記物体光を対象物から反射する段階と、
前記参照光及び前記物体光をデジタル記録装置の焦点面に集束して軸外しホログラムを形成する段階と、
前記軸外しホログラムをデジタル的に記録する段階と、
前記軸外しホログラムをフーリエ変換に則り変換して一連の結果を入手する段階と、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１４】
デジタル的に記録する段階の前に、前記物体光と前記参照光をビームコンバイナで組み合わせる段階を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
ｉ）前記物体光を前記照明光ビームスプリッタから反射する段階は、前記物体光を前記対象物から反射する段階の後に、前記物体光を前記照明光ビームスプリッタの前面から反射する段階を含み、ｉｉ）前記参照光を前記参照光ビームスプリッタから反射する段階は、前記参照光を前記参照光ミラーから反射する段階の後に、前記参照光を前記参照光反射器の前面から反射する段階を含んでいることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
ｉ）前記物体光を前記照明光ビームスプリッタから反射する段階は、前記物体光を偏光用照明光ビームスプリッタから反射する段階を含んでおり、ｉｉ）前記参照光を前記参照光ビームスプリッタから反射する段階は、前記参照光を偏光用参照光ビームスプリッタから反射する段階を含んでおり、
更に、ａ）前記物体光を前記対象物から反射する段階の前及び後に、前記物体光を照明用１／４波長板に通す段階と、ｂ）前記参照光を前記参照光ミラーから反射する段階の前及び後に、前記参照光を参照光１／４波長板に通す段階と、を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記物体光を前記照明光ビームスプリッタから反射する段階の後で且つ前記物体光と前記参照光とを前記ビームコンバイナで組み合わせる段階の前に、前記物体光を第１の偏光子に通す段階と、
前記参照光を前記参照光ビームスプリッタから反射する段階の後で且つ前記物体光と前記参照光とを前記ビームコンバイナで組み合わせる段階の前に、前記参照光を第２の偏光子に通す段階と、を更に備えていることを特徴とする、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
前記物体光が辿る物体光経路は、前記参照光が辿る参照光経路と実質的に同一であることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記レーザービームを分離する段階の前に、前記レーザービームを音響光学変調器に通す段階を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２０】
前記物体光を前記照明光ビームスプリッタで反射する段階の前に、前記物体光を第１の音響光学変調器に通す段階と、
前記参照光を前記参照光ビームスプリッタで反射する段階の前に、前記参照光を第２の音響光学変調器に通す段階と、を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
前記物体光を前記照明光ビームスプリッタで反射する段階の前に、前記物体光を第１の光ファイバーに通す段階と、
前記参照光を前記参照光ビームスプリッタから反射する段階の前に、前記参照光を第２の光ファイバーに通す段階と、を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２２】
前記物体光を前記照明光ビームスプリッタから反射する段階の後に、前記物体光を第１のチューブレンズに通す段階と、
前記参照光を前記参照光ビームスプリッタから反射する段階の後に、前記参照光を第２のチューブレンズに通す段階と、を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
前記物体光を前記照明光ビームスプリッタで反射する段階の前に、前記物体光を第１のビーム拡大器／空間フィルタに通す段階と、
前記参照光を前記参照光ビームスプリッタで反射する段階の前に、前記参照光を第２のビーム拡大器／空間フィルタに通す段階と、を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２４】
前記軸外しホログラムをデジタルデータとして記憶する段階を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２５】
前記軸外しホログラムを再生する段階を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２６】
前記軸外しホログラムを伝送する段階を更に備えていることを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
【請求項２７】
請求項１３の方法により調えられた軸外しホログラム。
【請求項２８】
前記軸外しホログラムは、拡張フーリエ変換を使って生成されることを特徴とする、請求項２７に記載の軸外しホログラム。
【請求項２９】
軸外しホログラムを書き込むための装置において、
レーザーと、
前記レーザーに光学的に連結された空間光変調器と、
前記空間光変調器に光学的に連結されたレンズと、
前記レンズに光学的に連結された光屈折結晶と、を備え、
書き込みビームは、前記レンズによって前記光屈折結晶の焦点面に集束され、前記光屈折結晶にホログラフィ回折格子パターンを付与することを特徴とする装置。
【請求項３０】
前記軸外しホログラムは、前記ホログラフィ格子を再生ビームで非直角に照らすことにより、前記光屈折結晶に付与された前記ホログラフィ回折格子パターンから再生され得ることを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記軸外しホログラムは、実質的に全ての前記書き込みビームを前記空間光変調器に通して、前記ホルグラフィー回折格子パターンを前記書き込みビームで照らすことにより、前記光屈折結晶に付与された前記ホログラフィ回折格子パターンから、非直角に再生され得ることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記空間光変調器と前記光屈折結晶との間に光学的に連結されたゼロ回折次数アパーチャを更に備えていることを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３３】
前記レーザーと前記空間光変調器との間に光学的に連結された音響光学変調器を更に備えていることを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３４】
前記レーザーと前記空間光変調器との間に光学的に連結されたビームスプリッタと、前記ビームスプリッタに光学的に連結された再生ミラーと、前記再生ミラーと前記空間光変調器との間に光学的に連結されたビームコンバイナと、を更に備えていることを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３５】
前記レーザーと前記空間光変調器との間に光学的に連結された光ファイバーを更に備えていることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３６】
前記光ファイバーは、第１の単モード偏光維持光ファイバーを含んでいることを特徴とする、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記空間光変調器は、反射性液晶ディスプレイと、透過性液晶ディスプレイと、マイクロミラーとで構成されるグループから選択されることを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３８】
前記空間光変調器は液晶ディスプレイを含み、更に、前記空間光変調器と前記ビームコンバイナとの間に光学的に連結された線形偏光子を備えていることを特徴とする、請求項２９に記載の装置。
【請求項３９】
軸外しホログラムを書き込む方法において、
書き込みビームを空間光変調器に通す段階と、
前記書き込みビームを光屈折結晶の焦点面に集束して、ホログラフィ回折格子パターンを前記光屈折結晶に付与する段階と、を備えていることを特徴とする方法。
【請求項４０】
書き込みビームシャッターを閉じて、前記ホログラフィ回折格子パターンを再生ビームで非直角に照らすことにより、前記光屈折結晶に付与された前記ホログラフィ回折格子パターンから、前記軸外しホログラムを再生する段階を更に備えていることを特徴とする、請求項３９に記載の装置。
【請求項４１】
実質的に全ての前記書き込みビームを前記空間光変調器に通して、前記ホログラフィ回折格子を書き込みビームで照らすことにより、前記光屈折結晶に付与された前記ホログラフィ回折格子パターンから非直角で前記軸外しホログラムを再生する段階を更に備えていることを特徴とする、請求項３９に記載の装置。
【請求項４２】
前記書き込みビームを、前記空間光変調器と前記光屈折結晶との間に光学的に連結されたチューブレンズに通す段階と、
前記書き込みビームを、前記チューブレンズと前記光屈折結晶との間に光学的に連結されたゼロ回折次数アパーチャに通す段階と、
前記書き込みビームを、前記ゼロ回折次数アパーチャと前記光屈折結晶との間に光学的に連結された対物レンズに通す段階と、を更に備えていることを特徴とする、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
前記レーザービームを、前記レーザーと前記光屈折結晶との間に光学的に連結された音響光学変調器に通す段階を更に備えていることを特徴とする、請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
前記書き込みビームを、前記レーザーと前記空間光変調器との間に光学的に連結された第１の音響光学変調器に通す段階と、前記再生ビームを、前記レーザーと前記光屈折結晶との間に光学的に連結された第２の音響光学変調器に通す段階とを、更に備えていることを特徴とする、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記書き込みビームを、前記空間光変調器に光学的に連結された第１の光ファイバーに通す段階を更に備えていることを特徴とする、請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
軸外しホログラムを再生するための装置において、
レーザーと、
前記レーザーに光学的に連結された光屈折結晶と、を備えていることを特徴とする装置。
【請求項４７】
前記光屈折結晶に光学的に連結された観察用光学系を更に備えていることを特徴とする、請求項４６に記載の装置。
【請求項４８】
前記軸外しホログラムは、前記光屈折結晶を再生ビームで照らすことにより、非直角で再生されることを特徴とする、請求項４６に記載の装置。
【請求項４９】
前記軸外しホログラムは、前記光屈折結晶を再生ビームで非直角に照らすことにより再生されることを特徴とする、請求項４６に記載の装置。
【請求項５０】
軸外しホログラムを再生する方法において、ホログラフィ回折格子を有する光屈折結晶を再生ビームで照らす段階を備えていることを特徴とする方法。
【請求項５１】
前記軸外しホログラムは、前記光屈折結晶を前記再生ビームで直角に照らすことにより、非直角に再生されることを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記軸外しホログラムは、前記光屈折結晶を前記再生ビームで非直角に照らすことにより、直角に再生されることを特徴とする、請求項５０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の説明）
本出願は、１９９７年６月１１日に出願され現在係属中である同時係属米国特許出願第０８／８７３，２５２号の、３５Ｕ．Ｓ．Ｃ§１２０に基づく一部継続出願であり、同出願の全内容を、ここで完全に説明したかの如く、参考文献として本願に援用する。
【０００２】
（連邦政府後援による研究及び開発の下に成された発明への権利に関する説明）
本発明は、合衆国エネルギー省がロッキード・マーティンエネルギー研究社に対して交わした契約書番号ＤＥ−ＡＣ０５−９６ＯＲ２２４６４の下で政府の支援を受けて成されたものであり、合衆国政府は本発明に特定の権利を有する。
【０００３】
（発明の属する技術分野）
本発明は、概括的には、ホログラフィの分野に関する。より厳密には、本発明は、ダイレクト対デジタル式ホログラム捕捉及び再生システム（即ち、フィルム不要、乾板不要）に関する。本発明のある好適な実施例では、ホログラム捕捉は電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラを基本にしている。本発明は、従ってホログラフィシステムに関する。
【０００４】
（発明の背景）
従来のホログラフィの方法では、フィルム又はホログラフィ板（ホログラフィ用に最適化した写真用エマルジョンを塗布したガラス板）を使用してホログラムを記録していた（１）。再生は、レーザー（又は場合によっては白色光）及び元の記録されているホログラム又はその複製を使って、しかもアナログ方式で可能となっているにすぎない。これらアナログ方式は緩慢で面倒且つ高価である（４）。また、送信してそれを別の場所で再生することのできる電子信号に変換する術もない。常にハードコピーを送る必要がある。更に不都合なことに、フィルムの現像処理に関わる時間的遅延が、ホログラフィ及びその派生物を様々な状況で利用する障害となっている。古典的なホログラフィシステム自体の出費は許容できるとしても、フィルムを現像処理しなければならないことから生じる時間的遅延及び低いスループットにより、時間遅延に付帯する費用が生まれ、この費用は断じて許容できないものである（例えば、タイヤ製造者は特定のタイヤにきずがあることを知るのに４５分も、いや２分でさえ待てるわけがない）。
【０００５】
図１には、古典的な側波帯ホログラフィシステムの記録に関する幾何学的配置を示している（２−３）。レーザー１１０からの光は、ビーム拡大器１２０により拡大される。レンズ１３０を通った後、光はビームスプリッタ１４０によって２つの成分に分離される。ビームスプリッタ１４０は、例えば反射率９０％のものでもよい。反射されたビームは物体光１５０を構成しミラー１６０に向かって進みこれに反射される。物体光１５０は、次に、対象物１７０に向かう。物体光１５０は、次に、ホログラフィ板１９０に入射する。
【０００６】
一方、レンズ１３０から出てビームスプリッタ１４０を通り抜けた光の部分は参照光１８０を構成し、ミラー２００に向かって進みこれに反射される。反射された参照光は、次に、ホログラフィ板１９０に入射する。
【０００７】
つい最近では、ホログラフィ干渉法が開発されてきてはいるが、依然としてアナログ方式である（５）。これには、集束式ホログラフィの開発も含まれる（６−７）。
【０００８】
本願では、幾つかの出版物を丸括弧内にアラビア数字を挿入した上付き文字で参照している。これら及び他の出版物の引用については全て本明細書の末尾に掲載している。これら出版物の開示事項はその全体を、本発明の背景を示し且つ当技術の現状を説明する目的で、本願に参考文献として明示的に援用する。
【０００９】
（発明の概要）
従って、１）ホログラムをＣＣＤ（電荷結合素子）カメラ、又はデジタルコンピューターインタフェースを備えた何らかの適切なビデオカメラに直接記録し、次に、２）そのホログラムをデジタル記憶媒体（例えば、ＲＡＭ、ハードドライブ、テープ、記録可能ＣＤ等）に記憶するための方法が特に必要とされている。この方法を実行するための装置に必要十分な特性としては、参照光と物体光の間の角度を非常に小さくしてホログラムを像面に結像し、画像を単純化することが挙げられる。本発明は更に、１）ホログラム位相又は振幅を２次元ディスプレイ上に表示する方法、及び２）光学活性結晶及びレーザーを使用してホログラムを完全に再生する方法を含んでいる。対照的に、従来の方法は、如何にして光学ホログラムを電子的（デジタル的）に記録するかについての記述は含んでおらず、ましてや光学ホログラムの再生や放送などには全く触れていない。
【００１０】
本願に開示する改良は、高品質低ノイズデジタルホログラム捕捉及び再生に備えている。この改良によって、各種の幾何学的配置及び光学要素を利用して、高分解能ホログラムの捕捉及び分析が可能となる。更に、再生システムへ改良を加えた結果、デジタル格子（ホログラム）を光屈折結晶に書き込み、その後当該格子又はホログラムを単一のレーザービームで再生することが可能となる。
【００１１】
本発明のある実施例は、軸外しホログラムを記録するための装置に基づくものであり、レーザーと、前記レーザーに光学的に連結された照明光ビームスプリッタと、前記照明光ビームスプリッタに光学的に連結された対物レンズと、前記対物レンズに光学的に連結された対象物と、前記レーザーに連結された参照用ビームスプリッタと、前記参照用ビームスプリッタに光学的に連結された参照用ミラーと、前記参照用ビームスプリッタ及び前記照明光ビームスプリッタの両方に光学的に連結されたビームコンバイナと、前記ビームコンバイナに光学的に連結されたデジタル記録装置とを備えており、参照光及び物体光は前記デジタル記録装置の焦点面で組み合わされて軸外しホログラムを結像し、前記物体光及び前記参照光は、複数の実質的に同時発生する参照及び物体波を構成する。本発明の別の実施例は、軸外しホログラムを記録する方法に基づくものであり、レーザービームを物体光と参照光に分離する段階と、前記参照光を参照用ミラーから反射する段階と、前記物体光を照明光ビームスプリッタから反射する段階と、前記物体光を対物レンズに通す段階と、前記物体光を対象物から反射させる段階と、前記参照光及び前記物体光をデジタル記録装置の焦点面に集束して軸外しホログラムを結像する段階と、前記軸外しホログラムをデジタル的に記録する段階と、前記軸外しホログラムをフーリエ変換に則り変換して一連の結果を得る段階とを備えている。
【００１２】
本発明の又別の実施例は、軸外しホログラムを書き込むための装置に基づくものであり、レーザーと、前記レーザーに光学的に連結された空間光変調器と、前記空間光変調器に光学的に連結されたレンズと、前記レンズに光学的に連結された光屈折結晶とを備えており、書き込みビームが、前記レンズにより前記光屈折結晶の焦点面に集束され、ホログラフィ回折格子パターンを前記光屈折結晶に付与する。本発明の又別の実施例は、軸外しホログラムを書き込む方法に基づくものであり、レーザービームを空間光変調器に通す段階と、前記レーザービームを光屈折結晶の焦点面に集束してホログラフィ回折格子パターンを前記光屈折結晶に付与する段階を備えている。
【００１３】
本発明の又別の実施例は、軸外しホログラムを再生するための装置に基づくもので、レーザーと、前記レーザーに光学的に連結された光屈折結晶とを備えている。本発明の別の実施例は、軸外しホログラムを再生する方法に基づくものであり、ホログラフィ回折格子を有する光屈折結晶を再生ビームで照らす段階を備えている。
【００１４】
本発明の上記及びこの他の態様は、以下の記述及び添付図面に関連付けて考察すれば、より深く認識、理解頂けよう。なお、以下の説明では、本発明の好適な実施例と数多くの具体的な詳細事項を示してはいるが、その記述は、説明を目的としたものであり、本発明に限定を加えるものではないと理解頂きたい。本発明の精神を逸脱することなく本発明の範囲内で、数多くの変更及び修正を加えることができ、そのような修正は全て本発明の範囲に含まれる。
【００１５】
（好適な実施例の詳細な説明）
本発明を構成する利点及び特徴と、本発明により提供されるモデルシステムの構成要素及び作用との明確な概念は、本明細書に付随しその一部を成す図面中に示されている例証的な、従って非限定的な実施例を参照することにより、更に容易に明らかになるであろう。なお、幾つかの図面中、同じ要素は同様の符号で示している。また、図面中に示される機構は必ずしも縮尺が合ってはいない。
【００１６】
本発明及びその種々の特徴並びに有益な詳細事項について、添付図面及び以下の記述中に説明している非限定的な実施例を参照しながらより詳しく説明する。周知の構成要素及び処理技術の説明は省略して、本発明の詳細をいたずらにあいまいにさせることのないように配慮した。
【００１７】
１．システム概観
デジタルホログラフィが現在まで開発されてこなかった理由は、デジタルビデオカメラ又はデジタル媒体対応可能カメラの分解能が、古典的なホログラムにつきものの非常に高い空間周波数を記録するのに、これまで十分でなかったことである。本発明は、幾つかの技法を組み合わせてこの問題を克服し、ホログラムの記録を可能にし、フーリエ変換ホログラム分析用の記録カメラに本来的なホログラフィ分解能に対応するまでの空間周波数全てを記録できるようにしている。
【００１８】
光ホログラムを如何にしてデジタル的に記録するか（及び、それがホログラムであること）を理解する必要があった。干渉法及び電子ホログラフィに使用されるフーリエ変換技法がホログラムの分析に使用できることを理解することも必要であった。平面波をデジタルホログラムへ算術的に加算し、合成された強度関数を光学感知結晶へ書き込むことにより、ホログラムが、元の側波帯ホログラムを作成するときに使用した角度とは異なる（及びそれより大幅に大きな）回折角度αで実際に再生できるようになることも理解する必要があった。
【００１９】
２．好適な実施例の詳細な説明
図２には、ホログラムのデジタル記録と再生を可能にするために組み合わせられたハードウェアコンセプトを説明するために、単純なダイレクト対デジタル式ホログラフィシステムを示す。レーザー２１０からの光は、ビーム拡大器／空間フィルタ２２により拡大される。拡大された／フィルタに掛けられた光は、レンズ２３０を通る。続いて、光はビームスプリッタ２４０に進む。ビームスプリッタ２４０は、例えば、５０％反射性のものである。ビームスプリッタにより反射された光は、物体光２５０を構成し、対象物２６０に向かって進む。対象物２６０から反射された光の一部は、ビームスプリッタ２４０を通り抜けて集束レンズ２７０に向かって進む。この光は、電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ（図示せず）に進む。
【００２０】
一方、レンズ２３０を出てビームスプリッタ２４０を通り抜けた光の一部は、参照光２８０を構成する。この参照光２８０は、ミラー２９０に小さい角度で反射される。ミラー２９０により反射された参照光は、ビームスプリッタ２４０に向かって進む。ビームスプリッタ２４０により反射された反射参照光の一部は、集束レンズ２７０に向かって進む。集束レンズ２７０を出た参照光は、ＣＣＤカメラに向かって進む。集束レンズ２７０からの物体光と集束レンズ２７０からの参照光は、一緒になって複数の同時発生参照及び物体波３００を構成する。
【００２１】
図２を図１と比較すると、少なくとも以下に述べる違いによって、フィルム又は写真乾板を使うのではなく、ＣＣＤカメラでホログラムを記録できるようになる。１）本発明は高分解能ＣＣＤ（例えば１４０万画素、なお６０００万画素以上のＣＣＤが既に利用可能である）を使用する。２）本発明は「マイケルソン」配置（ビームスプリッタ、参照光、及び物体光の幾何学的関係を、非常に小さな角度で組み合わせており、参照光ミラー及びＣＣＤは、マイケルソン干渉計の幾何学的配置を真似ている）を使用している。この様な幾何学的配置とすれば、参照光ミラーを傾けて、ホログラムのフーリエ解析用の空間ヘテロダイン又は側波帯縞を形成する小さな角度を作り出すことができる。３）本発明は、集束レンズを使って対象物をＣＣＤの焦点面に焦点合わせする。このレンズは、必要に応じて、焦点長の異なるレンズを使って対応する空間的幾何学配置（例えば、対象物距離対画像距離の比）を調整することにより、拡大縮小ができるようにもなっている。以上３つの要因によって、当研究分野では既知のフーリエ変換ソフトウェア解析法と組み合わせた場合に、ホログラムのダイレクト対デジタル記録及び再生が可能になる（１０−１２）。
【００２２】
本システムは、ホログラフィ画像をリアルタイムで記録し再生すること、又は後刻の再生に備えてそれらを記憶することに適している。ホログラムはデジタル的に記憶されるため、一連のホログラムによってホログラフィ動画を作成することができ、或いは遠隔サイトで再生するためにホログラムを電子的に放映してホログラフィテレビジョン（ホロビジョン）を提供することもできる。ホログラムは振幅及び位相を記憶し、位相が波長及び光経路長に正比例するので、このダイレクト対デジタルホログラフィは、精密な構成要素、アッセンブリなどの形状及び寸法を検証するための非常に精密な測定具としても機能する。同様に、ホログラムをデジタル的に即時に記憶する能力は、デジタルホログラフィ干渉法のための方法を提供する。同じ対象物のホログラムを、幾つかの物理的変化（応力、温度、微細加工等）の後、互いに対して減算（位相の直接減算）すれば、変化の物理的測定値を計算する（位相変化は波長に正比例する）ことができる。同様に、１つの対象物を別の類似対象物と比較して、第１の対象物、即ちマスター対象物からの第２の対象物の偏りを、ホログラム同士の減算によって測定することができる。ｘ−ｙ面内の２画素についてのｚ面内の２πを超える位相変化を明確に測定するためには、ホログラムは２波長以上で記録せねばならない（２周波数干渉法は当研究分野ではよく知られており、ここで説明を繰り返すことは避ける）。
【００２３】
本発明は、高分解能ビデオカメラの使用と、ホログラフィ対象物と参照光との非常に小さい角度でのミキシング（縞当たり少なくとも２画素、空間的特徴当たり少なくとも２縞、解像できるような角度でのミキシング）と、記録（カメラ）面での対象物の画像化と、空間低周波数ヘテロダイン（側波帯）ホログラムのフーリエ変換解析とを組み合わせて、ホログラフィ画像（各画素毎に記録される位相及び振幅の両方を備えた画像）の記録を可能にする。更に、画像化システムで解像できる周波数よりも高いあらゆる周波数のエイリアシングを防ぐために、対象物を結像させる際に関係する１つ又はそれ以上のレンズの背面焦点面に開口絞りを使用する（エイリアシングは文献に余すところ無く記述されており、当該空間周波数の存在を制限するためにレンズの背面焦点面に開口絞りを配設することについても詳しく記され、よく理解されている）ことができる。対象物の空間周波数が画像化システムによって分解可能である場合は、開口は不用である。一旦記録されると、ホログラフィ画像を、３−Ｄ位相として又は２次元ディスプレイ上で振幅プロットとして再生するか、又は完全な元の記録波を、位相変更結晶及び白色光又はレーザー光を使って元の画像に再生するか、のいずれかが可能となる。元の画像は、位相変更媒体にレーザーで書き込みをすることにより再生されるが、再生には白色光又は別のレーザーの何れかが使用される。画像を異なる３色のレーザーを使って記録し、再生された複数の画像を組み合わせることによって、本来の色彩のホログラムを形成することができる。継続して一連の画像を書き込み、再生することにより、ホログラフィ動画を形成することができる。画像はデジタル的に記録されるので、無線周波数（ＲＦ）波（例えばマイクロ波）で放送し、又はファイバー又はケーブルのデジタルネットワークで適切なデジタルエンコーディング技術を使って放送し、遠隔サイトで再生することができる。これにより、ホログラフィテレビジョン及び動画即ち「ホロビジョン」が効果的に行えるようになる。
【００２４】
対象物をＣＣＤの焦点面に結像するためのレンズの使用に関して、点の回折パターンを球関数により記述することができるが、球関数ではパターンの中心からの距離が大きくなるにつれ縞は段々接近する。これら縞が互いに益々接近してくるにつれ、ビデオカメラでは解像不可能になる。更に悪いことには、複雑な対象物からのこれら点回折パターンによって、どうしようもないほど高密度で複雑なパターンが作り出され、ビデオカメラではどうしても解像できなくなる。対象物を記録面に結像することにより、これら回折パターンがなくなるので、近代的な高分解能ビデオカメラであれば合理的な忠実度でホログラムを記録できる。
【００２５】
記録媒体の分解能が１００線／ｍｍである場合、ホログラフィ分解能は全体倍率で凡そ１６線／ｍｍ、即ち５０ミクロン程度となる。この限界は、拡大レンズを使用すると高くなる。例えば、カメラ分解能が１００線／ｍｍの場合、倍率１０を使えばホログラム分解能は１６０線／ｍｍとなる。同様に、空間分解能は、元の画像を記録用カメラ上に縮小すれば下がることになる。
【００２６】
本発明は、数多くの別のアプローチでも実現できる。例えば、本発明は、各画素毎のホログラム位相及び振幅のヘテロダイン補足ではなく、位相偏位を使用することができる。移相干渉法は文献で明確に立証されている。別の例として、本発明は、強度パターンを光学感知結晶に書き込む多種多様な方法を使用することができる。これらの方法としては、鋭く集束された走査レーザービームを使う方法（空間光変調器を使うのではない）と、空間光変調器（ＳＬＭ）を使うがバイアスレーザービームは使わない方法と、書き込みスキームの配置上可能な種々の変形法が挙げられる。別の例として、本発明は、位相変化以外の光学作用を採用している光学感知結晶を使って、回折格子を作り出し、ホログラムを再生することができる。更に別の例では、本発明は、極細画素型空間光変調器を実際に使って強度パターンを作成し、これによりホログラムの再生に当たって強度パターンを光学活性結晶に書き込む必要性を無くすことができる。
【００２７】
事例
本発明の具体的な実施例について、各種の重要な特徴をある程度詳しく説明する役割を果たす以下の非限定的な事例により、これより更に詳しく説明する。事例は、本発明を実行する方法への理解を促すこと、及び当業者が本発明を実用化できるようにすることだけを目的としている。従って、事例は本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【００２８】
図３Ａは、ダイレクト対デジタルホログラフィの代表的な「マイケルソン」配置の斜視図である。レーザー光がビームスプリッタ３１０に向けられる。ビームスプリッタ３１０からの物体光は、半導体ウェーハマウント３２０に向かい、次に集束レンズ３３０に進む。一方、ビームスプリッタ３１０からの参照光は、圧電参照光ミラーマウント３４０に取り付けられた参照光ミラーに進む。
【００２９】
図３Ｂは、代表的な記録用「マイケルソン」配置の別の斜視図を示している。本図では、当該装置の他の副構成要素に関するダイレクト対デジタルＣＣＤカメラ３５０の位置が、より容易に理解されるであろう。この図では、目標対象物マウント３６０の位置も、より分かり易いはずである。
【００３０】
図４は、ミラーの引っかき傷（本事例の対象物）のヘテロダイン（側波帯）ホログラムである。本ホログラムは、図３Ａ−３Ｂに示し先に説明済みのダイレクト対デジタルホログラフィシステムで作成された。ホログラム中に観察できる縞は、参照光と物体光との干渉によるものである。参照光ミラーを僅かに傾けて、これら縞を作り出した。これら縞が存在するおかげで、ホログラムのフーリエ変換解析によってホログラムの画素の位相と振幅を計算することができるようになる。フーリエ変換解析については以下に更に詳しく論じる。
【００３１】
図５は、図４の２次元フーリエ変換のグラフ表示である。ｘ軸はｘ次元に沿う空間周波数軸であり、ｙ軸はｙ次元に沿う空間周波数軸である。実際のデータ自体は、（ｆｘ，ｆｙ）周波数空間内の特定の空間周波数の強さに対応する数の行列である。白色ドットの数及び明度は、図４に存在する空間周波数の周波数空間内の強さと位置を表している。図５からは、参照光縞が現実及び仮想のホログラム画像をシフトして軸ずれさせるヘテロダイン局部発振器の役目をし、周波数空間でのそれらの分離を可能にしていることがご理解いただけるであろう。シャノンの法則（又はナイキスト限界）より、縞の解像には縞毎に少なくとも２画素が必要であることが知られており、電子ホログラフィより、ホログラムで対象物を解像するには解像可能な特徴毎に少なくとも３縞が必要であることが知られている（理論上は、搬送波空間周波数プラス物体周波数の解像を可能にするには、特徴毎に３から４縞必要とされるが、ヴォルケル他による拡張フーリエ変換に関する取り組みでは特徴毎に２縞を使うだけでよい）（１０−１２）。このように、２つの限界によって、ホログラムで特徴（空間周波数）を解像するための、対象物の必要倍率及び参照光と物体光の間の傾斜角が求められる。
【００３２】
図５に示すデータは、フーリエ空間内の軸を変換（シフト）してヘテロダイン搬送波周波数（物体光と参照光の間の小さな傾斜角により発生する空間周波数）の一番上に据え、次にデジタルフィルタ（例えば、ハニング又はバターワースフィルタ）を適用して原基点周りの信号を切り捨て（これらは実際には、参照光の参照光自身との相互作用により、及び物体光の物体光自身との相互作用により生まれる信号であり、ホログラムの見地からは単なるノイズに過ぎない）その後、逆フーリエ変換を行うことにより解析される。この解析は全てデジタルコンピュータ上で実行することができ、リアルタイムで行うことができる。リアルタイム解析には、毎秒３０フレームのフレーム速度を実現するために、３０から１００ほどもの高性能並行プロセッサ（例えばＰｅｎｔｉｕｍ（登録商標） Ｐｒｏ又はＤＥＣ Ａｌｐｈａ）が必要となる。このサイズのコンピュータシステムは、大型データベースサーバ及び株式市場計算エンジンとして現在一般的に用いられている。それらは、短期低分解能天気予報にも、映画産業用の画像操作と作成にも適している。このようなシステムは、６から１０年以内にデスクトップ型システムになると期待されている。
【００３３】
図６は、説明してきた分析を図５のデータ（ホログラム）について実行することにより作成した位相データの再生を示す。データを実際のホログラムとして再生するには、光学結晶に回折格子を作り出すこと、及び回折格子を正しい角度からレーザー光（又は適切に処理された白色光）で照らすことが必要となる。光学感知結晶に実際に書き込まれるデータは、関数ｆ（ｘ，ｙ，ｚ０）をホログラムデータの各画素ｈ（ｘ，ｙ，ｚ０）に加えることによりホログラムデータから計算されるが、ここで２つの関数は複素数であり、
2004500601.tif 000003
ｒは
2004500601.tif 000004
の平方根である。
【００３４】
上で加えられた指数関数は、物理的には、角度αでホログラムの元の物体波と交差する平面波を加えることに相当する。合算によりできあがった関数に複素共役を掛けると絶対値強度関数になり、これを光感知結晶にレーザーを使って書き込む（参照光と対象物との強度交差項だけを書き込み、自己相関項を落とすことも可能である）ことになる。次に、光感知結晶内にこのように作られた回折格子を、レーザー光で角度αから照らして元のホログラムを再生する。レーザー光で書き込むと一時的な位相変化又は屈折率変化を起こす結晶が使用される場合、継続して、瞬時に捕捉されたホログラムか瞬時に記憶されたホログラムかの何れかによる新しい画像を書き込み、更に各画像を別のレーザーからのレーザー光（又は適切に処理された白色光）でα角度から照らすことにより、３−Ｄ動画又は３−Ｄテレビ画像を作成することができる。これは、ホログラフィ画像を光学感知結晶に書き込みその後それを再生するための、考えられる１つの方法に過ぎず、唯一可能な方法というわけではない。
【００３５】
図７は、本発明を使って動画又はテレビジョンを生成するための方法を示している。ホログラムは、２つのレーザービームを位相変化結晶７１０内で交差させることにより、位相変化結晶又は他の光学活性結晶に書き込まれると理解することができる。レーザービーム１は、空間光変調器７２０を通過すると、ホログラム強度パターンを、上記のように元のホログラムから算術的に作成した強度パターン内に変調する。ＳＬＭ７２０は、コンピュータ７４０によりデータ経路７５０を経由して制御される。集束レンズ７３０は、このパターンを位相変化結晶７１０内にレーザービーム１とレーザービーム３の交点で結像するが、この位置での２つのレーザーを組み合わせた強度は、パターンを結晶７１０に書き込むのに適している。パターン書き込みの後、角度αで結晶７１０に入射したレーザービーム２が元のホログラムを再生する。
【００３６】
光波ホログラフィ序論
ここに説明するホログラム処理をより容易に理解して頂くためには、先ず軸外しホログラフィについて簡単に復習することが役に立つ。高コヒーレント電子ソースを備えた電子顕微鏡、例えば電界放出電子銃を使ったものなどでは、試料に入射する電子ビームは平面波が理想的である。実際には、照明が広範囲に広がっている場合は、これは合理的な近似状態まで実現されたことになる。この理想的な事例では、顕微鏡内の対象物が、入射平面波
2004500601.tif 000005
を、物体波
2004500601.tif 000006
に変更し、それは以下のように定義される
【数１】
2004500601.tif 000007
2004500601.tif 000008
と
2004500601.tif 000009
は両方とも実数関数であり、それぞれ物体光の振幅と位相を記述している。ベクトル
2004500601.tif 000010
は、試料面即ち（ｘ，ｙ）面のベクトルである。簡潔さを期すために、倍率及び像回旋は無視しているので、像面のベクトルと物体面は一致する。
【００３７】
軸外しホログラムを記録する場合、対象物を複プリズムの一方の側だけに置くのが理想的である。次に、複プリズムは、画像波（又は、実験装備によっては物体波）を参照波、即ち複プリズムの他方の側の波に重ねる（１９８６年リヒト、１９９３年ジョイ他、１９５６年モーレンスタッドとダッカー、１９９３年トノムラ）。参照波は、試料の何れの部分も通過しない平面波であることが理想的である。しかしながら、これは排他的要件ではなく、参照光が資料を通り抜け、或いは磁界又は電界により変形される場合でも、依然として許容可能な結果が得られる。複プリズム下方の像面では、画像強度
2004500601.tif 000011
は以下の通りであることが分かっている（１９９０年ヴォルケルとリヒト）：
【数２】
2004500601.tif 000012
ここに、追加項
2004500601.tif 000013
は、非弾性散乱光子を考慮に入れている。項
2004500601.tif 000014
はホログラフィ縞の空間周波数を記述している。
2004500601.tif 000015
と
2004500601.tif 000016
は、画像振幅と位相を記述しているが、対物レンズの収差（及び他の外乱源）のせいで、これらは物体波の振幅及び位相とは異なる。項μは、対象物を全く使用しない場合は、干渉縞のコントラストを記述しており、Ａ＝１でＩｉｎｅｌとΦはゼロである。
【００３８】
図８は、干渉縞を示すために、無定形炭素フォイル上の金粒のホログラムから選択された小面積を表示している。縞は画像の左上から右下に走っている。（複素）画像波についての情報を抽出し、そこから振幅と位相を抽出するために、画像強度
2004500601.tif 000017
のフーリエ変換（ＦＴ）を行い以下の結果を得た：
【数３】
2004500601.tif 000018
ここに、＊はコンボルーションを示す。
【００３９】
図８のホログラムのフーリエ変換を図９に示す。中心域は「自己相関」として知られており、従来からの画像のフーリエ変換に相当する。この画像の興味深い特徴は、自己相関の周りに耳のように見える「側波帯」があることである。接近して見ると、例えば、側波帯の中心に関して中心対称とはなっておらず、つまり相対するビームは強度が同一ではなく、これは数学的必然性である。
【００４０】
数式３の最後の２行は、図９の２つの側波帯に対応する。側波帯の一方をフーリエ変換から隔離することにより、複素画像波のフーリエ変換が維持される。色収差を無視すると、複素画像波のフーリエ変換は、以下のように複素物体波のフーリエ変換に対応する：
【数４】
2004500601.tif 000019
ここに、項
2004500601.tif 000020
は同一平面波収差である。ここで、
2004500601.tif 000021
は、フーリエ空間（又は相反空間）即ち対物レンズの背面焦点面内の２次元ベクトルである。この等式より、
2004500601.tif 000022
が分かっていれば、この情報を使って
2004500601.tif 000023
の影響を取り消すことができ、その結果、点分解能を改善することができる（１９７９年トノムラ他、１９９１年フゥ他）。これは、高分解能結晶構造画像の解釈としては望ましく、より直感的に理解し易くなる。
【００４１】
顕微鏡の点分解能の潜在的改良の他に、光波ホログラフィの別の重要な特徴としては、画像位相に直接アクセス可能である点が挙げられる。正弦関数（１９８９年ライマー）であり図１０Ａに表示されている従来のコントラスト関数とは対照的に、物体位相から画像位相への変換関数は余弦関数で記述される。この変換関数を図１０Ｂに表示している。余弦型変換関数の利点は、大面積コントラスト（詳細寸法＞１ｎｍ）は下がらず、僅かな点分解能の低下は別として、情報の総量は、ガブール焦点における画像強度よりも画像位相の方が高い（１９８９年ワイアストール、１９９１年リヒト）ことである。これは、場合によっては画像位相の直接表示が画像強度よりも好ましい理由の１つである。
【００４２】
拡張フーリエ変換
ホログラムをコンピュータで評価するために、従来から離散フーリエ光学器が使用されている。画像の離散フーリエ変換は、元の画像と同じ情報を保有しているが、従来の離散フーリエ変換はこのタスクを実行するには理想的なツールとはいえない。
【００４３】
これを説明するに当たって、低速走査ＣＣＤカメラにより容易に入手できるサイズＮ×Ｎ画素の個別画像を考察してみよう。ＣＣＤカメラの各画素のサイズは大きさがｄ×ｄで、隣接する画素からの距離もｄであるとする。画像関数Ｉ（ｘ，ｙ）が各画素において記録され、その値は、
【数５】
2004500601.tif 000024
となるが、このときｍ，ｎ＝１，．．．，Ｎである。画素の面積に亘る積分により、Ｉｍ，ｎは、画素の中心（（ｍ−１／２）ｄ），（ｎ，−１／２）ｄ））では、関数Ｉ（ｘ，ｙ）の値とは僅かに異なる。この効果は他の効果と合わさって、ＣＣＤカメラのＭＴＦに寄与する。これを論議するに当たり、ＭＴＦは訂正されＩ（（ｍ−１／２）ｄ），（ｎ，−１／２）ｄ））＝Ｉｎ，ｍとされたものと仮定する。また、当面はＩ（ｘ，ｙ）が
０＜ｘ，ｙ＜Ｎｄでは
【数６】
2004500601.tif 000025
の形態を有し、他の場合はゼロであると仮定する。デジタル画像Ｉｍ，ｎは、
０＜ｍ，ｎ＜Ｎでは
【数７】
2004500601.tif 000026
となり、その他の場合はゼロである。数式（７）に定義された縞に垂直な方向に２πを覆うのに必要な画素の個数を定義するに、空間周波数
2004500601.tif 000027
に対するサンプリング速度ｓとして、
【数８】
2004500601.tif 000028
となる。この画素数は整数である必要はない。サンプリング理論では、画像の空間周波数はどれもナイキスト限界（１２）未満でサンプルされないように、画像関数Ｉ（ｘ，ｙ）をサンプリングする場合には、画像関数はＣＣＤカメラの面積内に独自に定義されると述べられている。換言すれば、画像関数Ｉ（ｘ，ｙ）の空間周波数全てがｓ＞＝２の条件でサンプルされるならば、ＣＣＤカメラの面積内のＩ（ｘ，ｙ）上の情報Ｉｍ，ｎは完全である。従って、Ｉ（ｘ，ｙ）が、実空間及びフーリエ空間両方において、例えば１２４ｘ１２４又は１３７８９ｘ１３７８９サンプリング点（即ち表示点）という条件で表示される場合は、単に表示の問題に留まる。離散フーリエ変換ＦＴｄ｛．．．｝は、
【数９】
2004500601.tif 000029
のように定義され、ここにＮ／２＝＜ｋ，１＝＜Ｎ／２−１である。図１１は、ある大きさでＮ＝３２の場合の、数式（７）ＦＴｄ｛Ｉｍ｝のフーリエ変換のモジュラスを示している。拡張フーリエアルゴリズムに対する動機付けは、元は、ＦＴｄ｛Ｉｍ｝のモジュラスと、数式（６）のＦＴａ｛Ｉ（ｘ）｝の解析フーリエ変換のモジュラスとの間の表示における驚異的な差からきている。解析フーリエ変換ＦＴａは、
【数１０】
2004500601.tif 000030
のように定義される。
ＦＴａ｛Ｉ（ｘ）｝のモジュラスを図１２に示す。図１１と図１２を比較すると、図１２に見られる詳細部分は図１１では全くみられないことが明らかである。又、ＦＴａはフーリエ空間に無限に広がるが、一方ＦＴｄは１／（２ｄ）の周知のナイキスト限界を超えてまで広がることはない。
【００４４】
（離散）拡張フーリエ変換ＥＦＴは、
−１＝＜ΔＫ，Δ１＝＜１； −Ｎτ／２＝＜ｋ，１＝＜Ｎ１τ／２−１の条件では、以下のように定義される。
【数１１】
2004500601.tif 000031
逆拡張フーリエ変換は、
【数１２】
2004500601.tif 000032
のように定義される。
新たな変数Δｋ，ｌΔ及びτは、フーリエ空間での表示内の変化並びに表示点数の変化を許容する。なお、、Δｋ， Δｌ＝０及びτ＝１の場合ＥＦＴ＝ＦＴｄである。
【００４５】
τの効果
τの効果を図１３に示す。τ＝１６及びΔｋ，Δｌ＝０を使うと、フーリエ空間の表示は図１１のＮ＝３２点の代わりにＮΔ＝５１２点となる。明らかに、解析フーリエ変換（図１２）に見られる内容が、離散ＥＦＴにも現れている。しかし、繰り返すが、ＥＦＴ（τ＞＝１の場合）とＦＴｄは双方共に同一の情報を保有している。解析フーリエ変換のモジュラスと拡張フーリエ変換のモジュラスとの間には表示に依然として２つの相違点がある。１つは、ナイキスト限界はいまだ拡張フーリエ変換には有効で、ナイキスト限界を超える空間周波数は現れないことである。もう１つは、画像領域が限定されているため、フーリエ空間の周波数は高くなり、これがナイキスト限界にはねかえって、ＦＴａでは非常に細かい詳細部が見えなくなってしまうという違いが生まれることである。
【００４６】
Δｋの効果
ＥＦＴ｛Ｉｍ｝におけるΔｋの効果を、Δｋ＝０．１３３及びτ＝１の場合について図１４に表示している。図１１と比較すると、２つのピークのうち右側のピークは、ここではフーリエ空間内のある画素（即ち表示点）とぴったり一致している。これによって、図１１に見られるサイドローブが消失する。
【００４７】
フーリエ空間の表示点をこのようにシフトすることは、軸外し光波ホログラフィにとっては非常に重要であり、特に画像振幅の再構成には重要である（殆どの状況下では、再構成された位相内のウェッジ、これは側波帯の中心が表示点からずれているために起きるものであるが、これを容易に補償することができる）。　側波帯の中心が表示点からずれていることの効果として、再構成された振幅にノイズが発生することになる。
【００４８】
再構成に関して側波帯の中心が実際にフーリエ空間の表示点の中心とずれていることの影響を実証してみよう。これに当たり、側波帯がフーリエ空間の表示点（ｋ，ｌ）にきっちり当てはまるように、コンピュータに（画像サイズ５１２ｘ５１２の）空のホログラムを生成する。この場合、再構成された振幅は平坦で、平均標準偏差は有効に０％を示す。生成時に僅かな変化を加えると、例えばサンプル速度ｓを下げるなどすると、側波帯の中心は表示点（ｋ，ｌ）と（ｋ＋１，ｌ＋１）の間になってしまう。再度、平均標準偏差を計算し、側波帯の中心が表示点（ｋ＋１，ｌ＋１）になるまでサンプル速度を下げ続ける。このシミュレーションの結果を図１５に示す。最悪の場合で、側波帯の中心が（ｋ＋１／２，ｌ＋１／２）に見られる場合、再構成振幅の平均標準偏差は１０％に達する。
【００４９】
上記の観察に基づき、以下の再構成手順が有効であると言える：
（１）（可能であれば）対象物の寄与しないホログラム区域を選択する。
（２）この区域（又はホログラム全体）にハニングウインドウを適用する。
（３）ＦＴｄを実行し、側波帯の「正確な」位置について情報を抽出する。これにより、拡張フーリエアルゴリズムのΔｋとΔｌを定義づける。
（４）ΔｋとΔｌの情報を使ってＥＦＴを適用する。τ＝１を用いる。
（５）現在完全に中心にある側波帯を隔離する。
（６）逆ＦＴｄを実行する。
（７）振幅と位相を抽出する。
【００５０】
事例：ハニングウインドウを適用しＦＴｄを実行する。側波帯の位置は、一例的に、第１０回プフェッフェルコルン会議、会議録、走査顕微鏡、補遺６（１９９２年）３４７のＷ．Ｊ．ド・ルター他を用い（１３４．６２、１７２．３１）即ち、Δｋ＝０．６２及びΔｌ＝０．３１とする。これらのデータをτ＝１と共に用いてホログラムのＥＦＴを行う。側波帯は、ここでは表示点に中心があっており、再構成振幅のアーチファクトは低減される。
【００５１】
デジタルホログラム捕捉システム改良点
レンズを介した照明及びマッハ・ツェンダー配置
本発明は、レンズを介して目標物を照明し、それにより対物レンズを対象物に接近させることを可能にすることを含んでいる。本発明は、物体光と参照光の重なりを維持しながら、マイケルソン配置に比較して搬送波周波数縞の調整可能な範囲を広げることのできるマッハ・ツェンダー配置を含む。
【００５２】
図１６では、レーザー１６０５は可変減衰器１６１０に光学的に連結され、この可変減衰器１６１０は、可変ビームスプリッタ１６１５に光学的に連結されている。ビーム拡大器アッセンブリ１６２５付きの空間フィルタは、可変ビームスプリッタ１６１５に光学的に連結されている。照明光ビームスプリッタ１６３０は、アッセンブリ１６２５に光学的に連結されている。対物レンズ１６３５は、ビームスプリッタ１６３０に光学的に連結されている。問題の対象物１６４０はレンズ１６３５の近くにある。ビームコンバイナ１６５０は、ビームスプリッタ１６３０にチューブレンズ１６４５を介して光学的に連結されている。ＣＣＤカメラ１６５５は、ビームコンバイナ１６５０に光学的に連結されている。参照光ビームスプリッタ１６６５は、ビームスプリッタ１６１５に、ビーム拡大器アッセンブリ１６６０付きの別の空間フィルタ１６６０を介して光学的に連結されている。参照光ミラー１６７５は、ビームスプリッタ１６６５に参照光対物レンズ１６８０を介して光学的に連結されている。ビームコンバイナ１６５０は、ビームスプリッタ１６６５に別のチューブレンズ１６７０を介して光学的に連結されている。
【００５３】
引き続き図１６を参照するが、可変ビームスプリッタ１６１５からの物体光１６２０は、アッセンブリ１６２５を通り、照明光ビームスプリッタ１６３０により反射されて、対象物対物レンズ１６３５を通る。物体光１６２０は、問題の対象物１６４０と交わると、レンズ１６３５を通って戻り、次に照明光ビームスプリッタ１６３０を通過し、レンズ１６４５を経由してビームコンバイナ１６５０に向かう。参照光１６８５は、アッセンブリ１６６０を通過し、参照光ビームスプリッタ１６６５に反射されて、参照光対物レンズ１６６０を通過する。参照光１６８５は、次に参照光ミラー１６７５に反射され、レンズ１６８０を通って戻り、参照光ビームスプリッタ１６６５を通過して、チューブレンズ１６７０経由でビームコンバイナ１６５０に向かう。組み合わされたビームは、ビームコンバイナ１６５０からＣＣＤカメラ１６５５に進み、ここでデジタルデータが収集される。無論、デジタルデータは、記録し、送信し及び／又は変換することができる。
【００５４】
図１６はマッハ・ツェンダー配置の概略図である。図１６のマッハ・ツェンダー配置（マッハ・ツェンダー干渉計の配置に似ていることからこう呼んでいる）をマイケルソン配置と比較すると、レンズ越しの照明によって、照明光に使用するビームスプリッタを、対物レンズ１６３５と対象物１６４０の間ではなく対物レンズ１６３５の背後に置くことができるので、集束レンズ（図１６では対物レンズ１６３５）を対象物１６４０に相当に近づけることができるものと評価される。これによって、小さな対象物を見る（及びそのホログラムを記録する）ために高開口率高倍率の対物レンズが使用できるようになる。対象物が大型の場合には、状況によっては元のマイケルソン配置のほうが好ましいこともある。
【００５５】
図１６から、最終的なビームコンバイナ１６５０がＣＣＤカメラ１６５５の直前に置かれているのもご理解いただけるであろう。最終的なビームコンバイナ１６５０は、参照光１６８５と物体光１６２０を組み合わせて、デジタルＣＣＤカメラ１６５５を照らす。ビームコンバイナの角度は、参照光と物体光がぴったり同一線になるか、或いは、電荷結合素子カメラに互いに概ねある角度で当たり、ヘテロダイン搬送波縞が発生するように変更してもよい。これにより、搬送波縞周波数は０からＣＣＤカメラのナイキスト限界まで変化する。最終的なビームコンバイナ１６５０は、少なくとも拡大配置（デジタルカメラによる補足のために対象物のホログラムを拡大しようとする場合の配置）では、マイケルソン配置の場合よりもデジタルカメラ１６５５に相当に接近している。これにより、参照光からのスポットと物体光からのスポットがＣＣＤカメラで重なる事態を起こすことなく、参照光と物体光の間の合成角度を比較的大きくすることができるようになる。これにより、搬送波周波数縞をより微細に制御することができるようになる。ヘテロダインホログラムの空間搬送波周波数がＣＣＤの許容するナイキスト周波数を超えること無く、参照光と物体光の２つのビームをゼロから本システムの拘束条件により許される最大角度までの範囲（即ち、空間搬送波周波数の縞当たり２つのＣＣＤ画素しかなくなるまで、つまりこの角度を越えると空間搬送波周波数はＣＣＤにより正確に記録されなくなるというところまで、角度を上げることができる）で変更することができる。マイケルソン配置では、配置によっては要求される角度がかなり大きく参照光と物体光がＣＣＤカメラで重ならない場合もあるので、ホログラムの最大空間搬送波周波数には到達不可能となることもある。
【００５６】
物体光用ビームスプリッタ／ビームコンバイナの前面照明で非点収差を排除
本発明は、物体光用のビームスプリッタによる前面反射を含んでいるので、画像の非点収差を防止するのに役立つ。図１６のレイアウトに限定される点は、物体光が、ＣＣＤカメラに進むとき照明光ビームスプリッタ材を通過することである。照明の場合に限ってレーザービームはビームスプリッタを通過し、対象物から戻るビームはビームスプリッタの前面から反射されるように照明配置を変更すると、非点収差を排除できる。この配置は、ビームスプリッタの通過に伴う非点収差を防止し、システムのレンズ設計を簡素化するが、そうでなければ設計にはビームスプリッタの材料を考慮せねばならないことになる。図１７は、５０Ｘ対物レンズを装着したこのような配置を示している（本システムは、ニコン１０Ｘ対物レンズ、及びニコン１００Ｘ対物レンズを用いた構成にも使用できる）。
【００５７】
図１７を参照すると、ＰＣＸレンズ１７１０はビームスプリッタ１７２０に光学的に連結されている。目標物１７３０は、ビームスプリッタ１７２０にレンズ１６３５を介して光学的に連結されている。目標物１７３０からの物体光はビームスプリッタ１７２０の前面１７２５で反射され、チューブレンズ１７３５を経由してビームコンバイナ１７３０に進むことが分かる。また、参照光ミラー１６７５からの参照光は、参照光ビームスプリッタ１７４０の前面で反射されることが分かる。本例では、合体したビームは、コダックＫＡＦ−１４００センサを備えたアポジＫＸ−１４カメラに進む。
【００５８】
１／４波長板及び偏光子ビーム隔離により不要な反射を抑制
本発明には、１／４波長板と偏光子ビーム隔離を利用して不要な反射を抑えることが含まれる。実験によって、対物レンズ（又はその他のソース）のレンズ表面からの偽反射は、１／４波長板隔離設計を用いれば数倍規模の抑制が可能になることが判明している。この技法を使用するに当たり、照明光ビームスプリッタを、Ｐ偏光を通しＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタに置換え、１／４波長板を対物レンズと対象物との間に配置する。１／４波長板は、入ってくるＰ偏光が対象物に当たると円偏光に変換されるように調整する。対象物から戻る光は１／４波長板を再度通過してＳ偏光に変換される。このＳ偏光は、次に偏光ビームスプリッタにより反射され、光学経路を下りＣＣＤカメラに至る。対物レンズからの偽反射は、依然としてＰ偏光であるため偏光ビームスプリッタにより反射されないことから、抑制される。この変型例として、チューブレンズの前方に偏光子を配置するだけで、偏光ビームスプリッタを全く使用しないやり方も考えられる。また、偏光ビームスプリッタは、Ｓ偏光を通しＰ偏光を反射するものであってもよい。１／４波長板による非点収差を防ぐため、対物レンズは１／４波長板の材料、位置、及び肉厚に合わせて特別に設計せねばならない。そうしないと、１／４波長板は、ある程度の非点収差を発生させ、或いは対象物の画像に他の収差が発生することになる。この技法は、ＯＲＮＬのシステムに１／４波長板と偏光子をチューブレンズの前方に配した構成を用いてテストされ、不要な対物レンズ反射及び他のノイズを数倍規模で抑制できることが判明している。
【００５９】
図２４Ａを参照すると、Ｐ偏光透過１／４波長板２４１０が偏光ビームスプリッタ２４２０に光学的に連結されている。図２４Ｂでは、Ｓ偏光透過１／４波長板２４３０が偏光ビームスプリッタ２４２０に光学的に連結されている。図２４Ｃでは、Ｐ偏光透過１／４波長板２４１０は偏光ビームスプリッタ２４２０の前面に光学的に連結されている。図２４Ｄでは、Ｓ偏光透過１／４波長板２４３０は偏光ビームスプリッタ２４２０の前面に光学的に連結されている。
【００６０】
同一対象物と参照光経路
本発明には、同一対象物と最大可能範囲までの参照光経路を用い、これにより搬送波縞周波数を一定に保ってフーリエ変換解析ができるようにすることが含まれる。搬送波縞周波数が変動すると再生時にアーチファクトが生まれる。
【００６１】
図１６からは、本設計では、物体光経路と参照光経路が本質的に同一であることが分かる。この要点は、物体光波面と参照光波面をデジタルカメラ（ＣＣＤセンサー）において可能な限りほぼ同一になるようにしていることである。半同一波面であれば干渉しあって一定の空間周波数で線形の搬送波縞が発生する。元の発明の開示内容中に論じているように、フーリエ変換解析は、ホログラフィ空間搬送波周波数を排除するために使用しており、逆ＦＦＴの後には物体光の位相と振幅だけを残すためにデジタルフィルタを活用している。ホログラフィ搬送波周波数が一定でなければ、搬送波周波数に付加的な周波数成分が存在することで逆変換中に偽アーチファクトが発生するので、この技法が生きないことになる。物体光経路と参照光経路を半同一にすると、ヘテロダインホログラムに関する空間搬送波周波数は全く一定になる。代わりの方法としては、デジタルカメラでの物体光波面特性を正確に計算し、参照光の波面を再生するのにより単純な光学器設計を使用することである。図１８はＯＲＮＬのホログラフィ研究所の試作システムの写真であるが、ここに半同一の物体光経路と参照光経路が配備されている。
【００６２】
機械的減衰器及び無限可変比ビームスプリッタを音響光学変調器に入れ替える
本発明には、機械的減衰器及び無限可変比ビームスプリッタを音響光学変調器に入れ換えることが含まれる。高速運転の場合（例えばデジタルカメラ）は、機械的シャッターに付随する磨耗や亀裂を回避するために、図１６に示す機械的減衰器及び可変比ビームスプリッタの２要素を音響光学変調器に入れ代えることができる。音響光学変調器１器を減衰器と入れ換え、参照光経路と物体光経路それぞれに音響光学変調器を使って、特定の経路のパワーを調節し、高速シャッターとして働かせることができる。音響光学変調器は、通常は、無線周波数（ＲＦ）電磁波で駆動され、通常は１マイクロ秒程度でオン／オフ状態が切り替わる。これは、画像を毎秒当たり複数フレーム継続して捕捉しようとする場合（例えばホロビジョン）で、毎日実施される運転サイクル数のせいで機械的構成要素が十分に素早く調整できず失敗を被るような場合は特に有用である。
【００６３】
レーザーを各区間の対応するレンズに結合するために光ファイバーを利用
本発明では、レーザーを捕捉システムの各区間（物体光、参照光）の対応するレンズに結合するために光ファイバーを使用することができる。例えば、空間フィルタを、単モード偏光維持ファイバーと入れ換える。光ファイバー２４３５を図２４Ｂに示す。光ファイバーを使用すると、レーザーシステム及び音響光学変調器並びに他のビーム調整要素を、必要に応じて捕捉システムから遠く離して配置できるようになり、空間フィルタのミクロンサイズのピンホールを時間をかけて整列させるという煩わしさがなくなる。単モード光ファイバーは、許容されたモード以外の全てのレーザー光を迅速に減衰させ、これによりビームプロフィールの「クリーニング」を行う。
【００６４】
図１６からは、ミラーとレンズを使用してレーザーを「ホロカメラ」の物体光及び参照光の区間に結合する場合には、レーザーをカメラシステムから遠ざけて配置するのは不便であることが理解頂けよう。遠隔場所には障害のないビーム経路が必要であり、安全上の理由から密閉されるか、又はデブリやアーチファクトを経路から無くし光学器から遠ざけることが必要になる。一方、単モード偏光維持光ファイバーを使用してレーザーを各区間の対応するレンズに結合する場合には、レーザーの遠隔配置はかなり好都合であり、単モードファイバーは許容された伝播モード以外の全モードを抑制することにもなるので、図１６の２つの空間フィルタは両方とも無くすことができる。レーザー及び音響光学変調器又は機械的減衰器及びビームスプリッタの遠隔配置は、多くの状況で可成りの有効性を発揮する。レーザーは嵩張ることが多く、環境的な要件も多い（冷却、電力など）ので、遠隔に配置して融通性のある接続形態を取れれば、用途に合わせてホロカメラのヘッドを、重量が重要なら軽量に、可動性が重要なら移動可動にすることができる。
【００６５】
デジタルホログラム再生システム改良点
実際のシステム配置
本発明には、ＳＬＭ画素エッジによる格子効果を取り除くために、ＳＬＭ出力をフーリエレンズで濾過することが含まれる。図１９は、元の発明の開示部分に説明した再生システムの実際の実装形態を示している。レーザー１９００は、可変ビームスプリッタ１９１０に可変減衰器１９０５を介して光学的に連結されている。書き込みビーム１９５０は、可変ビームスプリッタ１９１０からシャッター１９５５を通過し、ミラー１９６０に到り、空間フィルタ１９６５を通り、更にコリメートレンズ１９７０を通過し、空間光変調器１９７５に到る。空間光変調器１９７５から、書き込みビーム１９５０は、線形偏光子１９７７を通過し、チューブレンズ１９８０、アパーチャ１９８５、対物レンズ１９９０を通って、ビームコンバイナ１９４５に至り、次に光屈折結晶１９９５の焦点面に到る。再生ビーム１９１５は、可変ビームスプリッタ１９１０から出ると、１／２波長板１９２０を通り、シャッター１９２５、空間フィルタ１９３０、コリメートレンズ１９３５を通過して、ミラー１９４０、そしてビームコンバイナ１９４５（例えばビームスプリッタ）に到り、次に光屈折結晶１９９５の焦点面に到達する。一揃いの観察光学系１９９９は、結晶１９９５に光学的に連結されている。
【００６６】
更に図１９を参照すると、濾過されコリメートされて該当寸法になった後、書き込みビーム１９５０は、ＳＬＭ１９７５（空間光変調器）を通過し、ここで所望のホログラフィ回折格子パターンを付与するために（例えばコンピュータ駆動のＳＬＭにより）デジタル的に変調される。チューブレンズ１９８０及び対物レンズ１９９０は、次いで、ホログラフィ格子を光屈折結晶１９９５内（本例ではニオブ酸リチウムであるが、チタン酸バリウム及び他の光屈折結晶も利用可能である）に該当サイズまでに集束する。縮小は、結晶１９９５内のホログラム回折格子が、再生に使用されたゼロ次ビームと再生されたホログラムを分離するものである。再生ビーム列全体は書き込み処理には余計である。一旦、ホログラフィ格子が光屈折結晶１９９５に書き込まれれば、書き込みビームシャッター１９５５を閉じて再生ビームシャッター１９２５を開けることにより再生可能となり、光屈折結晶に書き込まれたホログラフィ格子を再生ビーム１９１５によって正確な角度で照らすとホログラムが再生されることになる。代わりに、ホログラムはＳＬＭ１９７５に対するデジタル変調を切ることによって再生することもでき、書き込みビームはこの場合には未変調の概ね平面波となって光屈折結晶１９９５に先に書き込まれているホログラムを照らし出すことになる。この構成では、再生されたホログラムは、書きこみビームの元の方向に再生するため再生ビームが結晶に当たった角度で結晶１９９５から現れる。これを図１９に、右下角に下向きの矢印で示している。この事例では、再生ビーム光学系全体及び対物レンズと光屈折結晶との間のビームスプリッタは無関係であって不用となる。この様に、光屈折結晶１９９５に書き込まれたホログラフィ格子は、再生ビームで再生することもできるし、或いは、書きこみビーム単独で、空間光変調器のスイッチを切り従って再生ビーム又は付帯装置の必要性を排除して、再生することもできる。表示タイミング上の理由から、望ましい構成は場合によりまちまちとなる。
【００６７】
図２０は、ＯＲＮＬのホログラフィ研究所で具体化された試作再生システムの写真である。反射性ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）と、透過性ＬＣＤと、マイクロミラー（例えば、テキサス・インストルメンツ社製ＤＬＰ−デジタル光プロセッサ）については全て、各種の適切且つ商業的に容易に入手可能なＳＬＭがある。通常、ＬＣＤのＳＬＭには偏光子が必要である。
【００６８】
図２１Ａ、Ｂは、ホログラフィ再生システムに装備するのに適した２つのＳＬＭ配置を示している。なお、マイクロミラーを装備すると偏光子は不要となり、図示のＬＣＤ装備でのように偏光を回転させることはない。図２２は、図１９に概略的に示すホログラフィ再生書きこみビーム構成用に採用された８００画素ｘ６００画素透過性ＳＬＭの写真を示している。
【００６９】
ＳＬＭ画素エッジ回折格子を排除する
本発明には、ＳＬＭ（空間光変調器）信号を書きこみにはオンに再生にはオフに切り替えることにより、同じビームでホログラム回折格子を光屈折結晶に書き込みそして再生することが含まれる。ＳＬＭに信号が送られないと、書きこみビームは再生に適した平面波になるので別個の再生ビームは不用となる。
【００７０】
ＳＬＭ画素は、（無限に薄く続くのとは反対に）エッジが有限であるので、そのエッジがかなり強力な回折格子を形成する。これらのエッジ／回折格子を画像から取り除かなければ、光屈折結晶に書き込まれるホログラム格子に高周波のアーチファクトが発生する。このアーチファクトは、光の回折秩序を乱し、光屈折結晶に書き込まれるべき所望のホログラム格子と相互に作用するので、望ましくない。
【００７１】
再度図１９を参照すると、これらの画素エッジ／回折格子は、チューブレンズと集束対物レンズの間に発現する、チューブレンズのフーリエ面にアパーチャ１９８５を設けることにより排除される。アパーチャは、ゼロ回折次数のものだけを通過させる寸法になっており、画素エッジはＳＬＭに付帯する高周波数である（ナイキストの限界により、画素自体は、高々、画素エッジ周波数の半分の周波数を表示できるだけである）ため、画素エッジは排除されるが、ＳＬＭに書き込まれる画像は排除されない。フーリエ面は、ＳＬＭをオフにして、画素エッジにより発生した回折の大きさがスポットを結像する場所を観察することにより容易に見つけられる。
【００７２】
減衰器、シャッター、及び空間フィルタを音響光学変調器及び単モード偏光維持ファイバーに代える
本発明には、スピードと利便性を求めて機械的ビーム減衰器を音響光学変調器に置き換えることが含まれる。より厳密には、機械的シャッターを、スピードと利便性を追求して音響光学変調器に置き換えることができる。
【００７３】
ホログラム捕捉システムに関連して先に説明したように、同じ理由から、図１９に示す減衰器及び可変ビームスプリッタを、音響光学変調器（ＡＯＭ）に置き換えることができる。同様にして、レーザーとＡＯＭは、単モード偏光維持光ファイバーで再生光学系に接続することによって、ホログラム再生ヘッドから遠く離して配置することもできる。ここでもいえることだが、これはホロビジョンヘッドからレーザーとＡＯＭに起因する質量上及び環境上の影響（熱、振動など）を排除する目的を果たしており、これによりホロビジョンヘッドを軽量且つ移動可能にすることができる。ファイバーについても、ここでもやはり図１９の空間フィルタを無くすという目的を果たしている。
【００７４】
同様の配置が数多く考えられる。角度は変更可能であり、参照光及び物体光の配置も変更できる。書きこみ及び再生ビームの配置も変更可能である。特定の構成要素を他種の構成要素と置き換えることもできる。記録と再生に使用するレーザー波長は異なっていてもよい。本システムは、コヒーレントＸ線放射、ＵＶ、ＤＵＶ、ＶＵＶ、又は赤外線コヒーレント放射を使っても実現できる。再生システムは、光屈折結晶への書きこみ後に、白色光を使って再生するように変更してもよい。再生システムには、振幅変調型ではなく移相式のＳＬＭを使用してもよい。強誘電ＳＬＭを使用してもよいし、ＳＬＭの代わりにマイクロミラー（例えばテキサス・インストルメンツ社のＤＬＰシステム）を使ってもよい。
【００７５】
本発明の実用例
技術的方法の範囲内で価値のある本発明の実用的活用例は、コンピュータ支援計測のためのホログラフィ干渉法である。更に、本発明は、娯楽や訓練の目的等に使用されるようなホログラフィテレビジョン又は動画（ホロビジョン）に使うと有用である。光波ホログラフィ顕微鏡及び電子ホログラフィ顕微鏡用の３次元のナノ単位視覚化及び測定が、主要な科学的用途となることが期待されている。本発明の利用例は実際に数え切れないほどあり、その全てをここで説明する必要はない。
【００７６】
本発明は、超精密測定学に有用である。本発明は、技術材料及び科学的データセットの３Ｄ表示及び精査に有用である。本発明は、３Ｄビジュアルニュース、通信、会議、映画、ゲーム、広告、及び娯楽用途に有用である。
【００７７】
本発明の利点
本発明の１つの実施例を代表する、ダイレクト対デジタルホログラムシステムは、費用効率が良く、少なくとも以下の点で都合が良い。高分解能ＣＣＤと、干渉パターン（縞）の密度をＣＣＤが記録できる密度まで下げる光学技法との組み合わせを、干渉法用に開発され、電子ホログラフィ用にはヴォルケル博士により開発されたフーリエ変換技術と組み合わせることにより、ホログラムの電子記録と再生が可能になる。
【００７８】
ここに説明した本発明の開示実施例の全ては、過度の実験をせずに実現し、実用化することができる。以上、本発明を実行するに当たり発明者が考案した最良の形態を説明してきたが、本発明の実用化はこれ等に限定されない。本発明の機構に対して様々な追加、変更、及び配置直しが、その基礎を成す発明概念の精神及び範囲を逸脱することなく加えられ得ることは明らかであろう。従って、本発明はここで具体的に説明した以外のやり方でも実行され得ることを、当業者には理解頂きたい。
【００７９】
例えば、個々の構成要素は、開示の形状に形成する必要も開示の構成に組立てる必要もなく、実質的に如何なる形状にしても実質的に如何なる構成に組立ててもよい。更に、個々の構成要素は、開示の材料で製作する必要は無く、実質的に適するのであれば何れの材料で製作してもよい。更に、ここに説明した記録装置は物理的には別々のモジュールであるが、記録装置を関連装置と一体化した装置とすることもできる。更には、各開示実施例に示した全開示要素及び機構は、相互に両立しない場合を除いては、他の開示された実施例に示された要素及び機構と、組み合せ又はそれらに取って代えることができる。
【００８０】
特許請求の範囲に述べる事項は、このような追加、変更、及び再配置を網羅することを意図している。本発明の好都合な実施形態は、従属請求項に規定する。
【００８１】
参考文献
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１３．電気工学ハンドブック、ＣＲＣプレス、（Ｒｉｃｈａｒｄ Ｃ． Ｄｏｒｆ他著、１９９３年）
１４．光学系ハンドブック、Ｉ−ＩＩ巻、第２版、マグローヒル、（Ｍｉｃｈａｅｌ Ｂａｓｓ他著、１９９５年）
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術（リース及びウパトニークス）による側波帯ホログラフィシステムの構成を示す概略図であり、「先行技術」と標記されている。
【図２】
本発明のある実施例を表す簡易型ダイレクト対デジタル式ホログラフィシステムの構成を示す概略図である。
【図３Ａ】
本発明のある実施例を表す「マイケルソン」配置のダイレクト対デジタル式ホログラフィ設備の斜視図である。
【図３Ｂ】
図３Ａに示すダイレクト対デジタル式ホログラフィの別の斜視図である。
【図４】
本発明のある実施例を表す、ミラーの引っかき傷をデジタル的に捕捉したホログラムを示している。
【図５】
図４の２次元フーリエ変換のグラフを示している。
【図６】
図４のホログラムからのホログラム位相データの再生を示している。
【図７】
本発明のある実施例を表す、ホログラフィ再生システムの構成を示す概略図である。
【図８】
本発明のある実施例を表す、無定形炭素フィルム上の金粒のホログラムの選択区域を示している。
【図９】
本発明のある実施例を表す、図８のホログラムのフーリエ変換のモジュールの選択区域を示す（中央区域：自己相関、左右区域：側波帯）。
【図１０Ａ】
シェルツァー焦点におけるコントラスト変換関数を示す。
【図１０Ｂ】
本発明のある実施例を表す、ガブール焦点におけるホログラフィ特殊変換関数を示す。
【図１１】
本発明のある実施例を表す、サンプル速度Ｓ＝４．６６で３２点をサンプリングした余弦パターンの離散フーリエ変換のモジュールを示す（離散フーリエ変換の表示点の個数は３２）。
【図１２】
本発明のある実施例を表す、数式（６）による余弦パターンの解析フーリエ変換のモジュールを示す（余弦パターンは、図１１からのデータと同じ区域（実数空間内の）に限定され、本図面中の詳細部分は図１１には全く見られない）。
【図１３】
本発明のある実施例を表す、余弦パターンの拡張フーリエ変換のモジュールを示す（表示点の元のセットは図１１のように３２点で、パラメータπを１６に選定しており、拡張フーリエ変換の表示点の個数は５１２であり、解析フーリエ変換にも見られるのと同じ詳細部分を提示している）。
【図１４】
本発明のある実施例を表す、従来の離散フーリエ変換をわずかな画素分移動して表示できるようにする拡張フーリエアルゴリズムの結果を示している（ここでも、図１１と同じ余弦パターンを用いており、Δｋに（及び２次元ではΔ１に）真の値を選定し、フーリエ空間に少なくとも１つのピークを、それが表示点上にぴったり当てはまるように表示できるようにしており、この場合、副ローブが消滅する（右側のピークを参照））。
【図１５】
本発明のある実施例を表す、側波帯からの再構成振幅が正しくセンタリングされていないため画像内にアーチファクトを生じている状態を示している（最悪の状態は、側波帯の中心がフーリエ空間内の表示点と表示点の間になってしまう場合である）。
【図１６】
本発明のある実施例を表す、レンズを介した照明を利用したホログラム捕捉システムのマッハ−ツェンダー配置の略図を示している。
【図１７】
本発明のある実施例を表す、デジタルホログラム捕捉システム配置図であり、物体光がビームスプリッタとビームコンバイナの面に反射して外れ、それにより非点収差がなくなることを説明している。
【図１８】
本発明のある実施例を表す、デジタルホログラム捕捉システムの写真を示す。
【図１９】
本発明のある実施例を表す、実際の再生システムの構成を示す概略図である。
【図２０】
本発明のある実施例を表す、ニオブ酸リチウム結晶及びホログラム書き込み／再生光学器を示す。
【図２１Ａ】
本発明のある実施例を表す、ホログラフィ再生システムに適した透過性空間光変調器の光学的配置を示す。
【図２１Ｂ】
本発明のある実施例を表す、ホログラフィ再生システムに適した反射性空間光変調器の光学的配置を示す。
【図２２】
本発明のある実施例を表す、ホログラム再生システムに実装されている８００ｘ６００コンピュータ駆動空間光変調器を示しており、この下流に偏光子が配置されている。
【図２３】
本発明のある実施例を表す、チューブレンズのフーリエ面におけるレーザービームの写真であり、空間光変調器画素エッジ回折度を示している（中心の明るい点はゼロ次の回折画像である）。
【図２４Ａ】
本発明のある実施例を表す、１／４波長板と組み合わせられた偏光ビームスプリッタを示している。
【図２４Ｂ】
本発明のある実施例を表す、１／４波長板と組み合わせられた偏光ビームスプリッタを示している。
【図２４Ｃ】
本発明のある実施例を表す、１／４波長板と組み合わせられた偏光ビームスプリッタを示している。
【図２４Ｄ】
本発明のある実施例を表す、１／４波長板と組み合わせられた偏光ビームスプリッタを示している。
【図１】
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【図２】
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【図６】
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【図７】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２４Ｄ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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