(57)【要約】【課題】  従来のデジタルホログラフィ装置における、再生像の精度を高くできないこと及び再生像の生成に伴う計算量が膨大になることの課題を大幅に改善する。【解決手段】  光Ｌが照射された被写体Ｍから放射される物体光Ｌｍと参照光Ｌｒとを撮像部２の撮像面Ｓｐに照射し、物体光Ｌｍと参照光Ｌｒを干渉させることにより得られるホログラム画像データＤｐを所定の演算処理することにより被写体Ｍの再生像を生成するデジタルホログラフィ装置を構成するに際して、撮像面Ｓｐの近傍に物体光Ｌｍの結像点Ｐｆを生じさせる光学系３を有する物体光結像手段Ｆ１と、物体光結像手段Ｆ１により撮像面Ｓｐに照射された物体光Ｌｍの領域Ａ内における撮像素子に係わる画素のみを用いて結像点Ｐｆにおける被写体Ｍの再生像を生成する再生像生成手段Ｆ２とを備える。【選択図】  図１
2012163801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光が照射された被写体から放射される物体光と参照光とを撮像部の撮像面に照射し、前記物体光と前記参照光を干渉させることにより得られるホログラム画像データを所定の演算処理することにより被写体の再生像を生成するデジタルホログラフィ装置において、前記撮像面の近傍に前記物体光の結像点を生じさせる光学系を有する物体光結像手段と、前記物体光結像手段により前記撮像面に照射された物体光の領域（以下、使用画素領域）内における撮像素子に係わる画素のみを用いて前記結像点における前記被写体の再生像を生成する再生像生成手段とを備えてなることを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項２】
前記物体光結像手段は、前記被写体と前記撮像面間に配する凸レンズを備えることを特徴とする請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項３】
前記撮像面に対する前記結像点の相対位置を変更する位置変更手段を備えることを特徴とする請求項１又は２記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項４】
前記使用画素領域には、前記物体光結像手段により前記物体光が本来の結像点に収束する前記撮像面の領域，前記物体光が前記結像点から拡がる前記撮像面の領域，又はこれらの周辺部の領域を含むことを特徴とする請求項１，２又は３記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項５】
略平面波の参照光を前記撮像面に対して所定の傾斜角により照射し、三種類以上の参照光位相値におけるホログラム画像データを一回の撮像画像から得られるようにした参照光傾斜手段を備えるとともに、前記再生像生成手段は、前記撮像面による一回の撮像画像から得られた三種類以上の参照光位相値のホログラム画像データを所定の演算処理することにより被写体の再生像を生成する機能を備えることを特徴とする請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項６】
前記参照光傾斜手段は、前記参照光を前記撮像面に対して所定の傾斜角により照射できるように角度設定したビームスプリッタを用いることを特徴とする請求項５記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項７】
前記参照光傾斜手段は、前記ビームスプリッタの角度を調整する角度調整手段を備えることを特徴とする請求項６記載のデジタルホログラフィ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物体光と参照光を干渉させることにより得られるホログラム画像データに基づいて被写体の再生像を生成するデジタルホログラフィ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光が照射された被写体から放射される物体光と、被写体を介さない参照光とを撮像部の撮像面に照射し、物体光と参照光を干渉させることにより得られるホログラム画像データに基づいて被写体の再生像を生成することができるようにしたデジタルホログラフィ装置としては特許文献１に開示されるデジタルホログラフィ装置が知られている。
【０００３】
このデジタルホログラフィ装置は、互いに位相値が異なる三種類以上の参照光と、光を照射された被写体から放射される物体光とを干渉させることによって得られる位相分布データに基づいて被写体の再生像を生成する再生像生成部を備えたデジタルホログラフィ装置であって、入射した光を互いに位相値の異なる三種類以上の参照光群に変換して出射する、波長板と偏光板とを備えた位相シフト素子と、参照光群と物体光とを干渉させることによって生成される位相分布データを記録する撮像面を有する撮像部とを備え、再生像生成部は、位相分布データの情報に基づいて被写体の再生像を生成するように構成されたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２８３６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上述した特許文献１のデジタルホログラフィ装置をはじめ、従来のデジタルホログラフィ装置は、再生像の精度を高くできないこと、及び再生像の生成に伴う計算量が膨大になること、の二つの基本的な問題点があった。
【０００６】
第一の問題点、即ち、再生像の精度を高くできない点は、０次像及び−１次像の重なりの影響や再生像の処理原理に起因する。この場合、０次像及び−１次像の重なりに対しては、既に、位相シフト法或いはオフアクシス法などの対策により、かなり解消されているが、再生像の処理原理に起因する問題は、再生像の生成そのものに関係するため、その対策がほとんど行われていないのが実状である。以下、この問題について、具体的に説明する。一般にデジタルホログラフィ装置は、ホログラム画像データを演算処理することにより被写体の再生像を生成する。この場合、撮像時には、図７のように、被写体面５１の一つの点（物体点）５１ｐから放射される物体光Ｌｍは拡がることにより、多数の撮像素子により構成された撮像面５２の全域に入射するとともに、図８のように、撮像面５２の一つの撮像素子（ホログラム）５２ｐに入射する物体光Ｌｍは、被写体面５１における全ての物体点５１ｐ…から放射されたものとなる。他方、再生像の生成時には、これとは反対に、図７のように、ホログラム面６２の全ての画素（撮像素子）６２ｐ…からの再生光Ｌｐを被写体面６１の一つの物体点６１ｐに集める計算を行うことにより当該物体点６１ｐの再生像を生成する。そして、図８のように、被写体面６１の全ての物体点６１ｐ…の再生像を生成する際には、ホログラム面６２の一つの画素６２ｐから被写体面６１の全ての物体点６１ｐ…に再生光Ｌｐを出力する計算を行うことになる。したがって、例えば、１００万（１０００×１０００）個の物体点及び画素を想定した場合、一つの物体点６１ｐを再生するには、ホログラム面６２の１００万個の画素から再生光Ｌｐ…を集めることになる。
【０００７】
また、図８のように、撮像時には、被写体面５１の全ての物体点５１ｐ…（１００万個）からの物体光Ｌｍ…が一つの撮像素子５２ｐに入射するが、この撮像素子５２ｐに記録されるのはたった一つの画素データのみである。被写体面５１の縦横の長さに比べて光の波長は僅かであるため、一つの撮像素子（画素）５２ｐに集まる物体光Ｌｍ…の位相分布は、略ランダムになることが考えられる。したがって、ある物体点５１ｐからの物体光Ｌｍの位相値を０と仮定した場合、多くの物体点５１ｐ…から一つの撮像素子５２ｐに集まる各物体光Ｌｍ…の位相値は、―πから＋πまでの様々な位相値も含んだ分布となり、合成して得られる位相値、即ち、一つの撮像素子（画素）５２ｐに記録される一つの位相値は、上述の物体点５１ｐの位相値０とはほとんど関係のない０．８１５πや―０．７４８πになる。上述の位相値０の物体点５１ｐが記録できるたった一つの位相値に寄与できるのは、位相値０側へ１／１００万だけ位相値を寄せられるのみである。このように、寄与度が１／１００万となる画素を全画素（１００万個）集めて再生像を生成してもあまり良い精度は得られないことがわかる。
【０００８】
一方、第二の問題点、即ち、再生像の生成に伴う計算量が膨大になる点は、次の理由による。例えば、上述した例において、必要な単純計算量を算出すれば、一つの物体点像を再生するのに、１００万画素から再生光を集める計算、即ち、１００万回の計算が必要になり、全ての物体点を再生するには、その１００万倍の１兆（１００万×１００万）回という膨大な計算量が必要になる。なお、このような膨大な計算量を少しでも減らすために、ＦＦＴ（高速フーリェ変換）等の計算方法を用いる手法も採用されているが、決定的に減らすほどには至っておらず、十分な効果を得るには限界がある。また、計算量を大幅に減らす方法としては、一つの物体点像を再生する際に用いる画素数を大幅に減らすことも考えられるが、記録できる一つの値への寄与度が非常に低い現状では再生精度を大幅に悪化させてしまうため、採用は困難である。
【０００９】
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決したデジタルホログラフィ装置の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るデジタルホログラフィ装置１は、上述した課題を解決するため、光Ｌが照射された被写体Ｍから放射される物体光Ｌｍと参照光Ｌｒとを撮像部２の撮像面Ｓｐに照射し、物体光Ｌｍと参照光Ｌｒを干渉させることにより得られるホログラム画像データＤｐを所定の演算処理することにより被写体Ｍの再生像を生成するデジタルホログラフィ装置を構成するに際して、撮像面Ｓｐの近傍に物体光Ｌｍの結像点Ｐｆを生じさせる光学系３を有する物体光結像手段Ｆ１と、物体光結像手段Ｆ１により撮像面Ｓｐに照射された物体光Ｌｍの領域（以下、使用画素領域）Ａ内における撮像素子に係わる画素のみを用いて結像点Ｐｆにおける被写体Ｍの再生像を生成する再生像生成手段Ｆ２とを備えてなることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係るデジタルホログラフィ装置１の原理は次のようになる。前述のように、デジタルホログラフィ装置における計算量を減らすことができない理由は、物体光Ｌｍにおける位相値の問題が大きく影響する。即ち、被写体Ｍの面における全ての物体点Ｍｐ…から放射される物体光Ｌｍ…が撮像面Ｓｐの一つの撮像素子（ホログラム）に入射することにより生じる位相値の精度低下が原因となる。したがって、一つの撮像素子（画素）に対して極狭い範囲の物体点Ｍｐ…から放射される物体光Ｌｍのみが入射する光学系を構成すれば、位相値の精度を高めることができる。
【００１２】
図２に示すように、撮像面Ｓｐの近傍に物体光Ｌｍの結像点Ｐｆを生じさせる光学系３を有する物体光結像手段Ｆ１を設けるとともに、結像点（結像面）Ｐｆを被写体Ｍの面に対して共役関係に設定すれば、被写体Ｍの面の任意の物体点Ｍｐから放射される全ての物体光Ｌｍを結像点Ｐｆに集めることができる。このため、結像点Ｐｆの近傍に撮像面（ホログラム）Ｓｐを配置すれば、その撮像面Ｓｐに当該物体光Ｌｍが入射する使用画素領域Ａを極小さくすることができる。この使用画素領域Ａは、撮像面Ｓｐを、被写体Ｍに対して離す方向に位置を変えれば大きくなるとともに、被写体Ｍに対して近づける方向に位置を変えれば小さくなり、結像点Ｐｆの位置では最小となる。さらに、この結像点Ｐｆよりも被写体Ｍに対して近づける方向に位置を変えれば反対に大きくなる。このように、撮像面Ｓｐを結像点Ｐｆの近傍に配した場合、使用画素領域Ａの大きさは撮像面Ｓｐ全域の大きさに比べてかなり小さくなる。このことは、任意の物体点Ｍｐから放射された物体光Ｌｍは、撮像面Ｓｐ中の極小さな使用画素領域Ａにのみ入射し、他の画素領域には影響を与えないとともに、当該物体点Ｍｐから離れた他の物体点Ｍｐ…からの物体光Ｌｍ…は使用画素領域Ａには入射しない（影響しない）ことを意味する。
【００１３】
図３に、使用画素領域Ａと結像点Ｐｆの関係をより詳細に示す。図３に示すように、結像点Ｐｆを通った物体光Ｌｍは、撮像面Ｓｐでは使用画素領域Ａに入射するとともに、その使用画素領域Ａの中心点に位置する画素Ａｐには結像点Ｐｆの周辺領域Ｐからの物体光Ｌｍのみが入射する。結像点Ｐｆは被写体Ｍの面に対して共役関係にあるため、
図２に示した物体点Ｍｐと結像点Ｐｆが相互に対応するように、結像点Ｐｆの周辺領域Ｐと被写体Ｍの面も略同じ状態に対応して再現される。即ち、図２に示した物体点Ｍｐを含むその周辺領域の物体点Ｍｐ…から放射される物体光Ｌｍ…と、図３に示す結像点Ｐｆを含むその周辺領域Ｐの物体光Ｌｍは同じとなり、これ以外の領域の物体点Ｍｐ…から放射される物体光Ｌｍ…は含まれない。
【００１４】
このため、結像点Ｐｆを通って撮像面Ｓｐに入射する物体点Ｍｐからの物体光Ｌｍの位相値が０であると仮定した場合、物体点Ｍｐの極周辺領域から結像点Ｐｆの周辺領域Ｐを通って画素Ａｐに入射する物体光Ｌｍ…群における位相値の分布も０を中心とした極狭い範囲に集約され、合成される位相値も０に極めて近い値になるものと考えられる。したがって、本発明における物体光結像手段Ｆ１を備えていない従来のデジタルホログラフィ装置の場合、物体点Ｍｐからの位相値０は、画素Ａｐの位相値にほとんど反映されないが、本発明に係るデジタルホログラフィ装置１では、物体光結像手段Ｆ１により、画素Ａｐの位相値は、物体点Ｍｐからの位相値０がかなり正確に反映されることになる。この結果、結像点Ｐｆを通って撮像面Ｓｐの使用画素領域Ａに入射する物体点Ｍｐからの物体光Ｌｍの範囲は、結像点Ｐｆの周辺における図３に示す使用領域Ｐｏを通る範囲のみとなり、この使用領域Ｐｏの範囲は、物体点Ｍｐを中心にした周辺の物体点Ｍｐ…群に対応する大きさ、即ち、上記周辺領域Ｐの約四倍の大きさとなる。
【００１５】
よって、結像点Ｐｆの再生像を生成する際に、使用画素領域Ａ内の画素のみを使用するようにすれば、この使用画素領域Ａ内における各画素の位相値は、結像点Ｐｆにおける位相値が強く反映されたものとなる。本発明に係るデジタルホログラフィ装置１は、このような原理を用いるため、精度の高い再生像の生成が可能になるとともに、使用画素領域Ａ内の画素数は全画素数の極一部のみであり、計算量（計算回数）も大きく減らすことが可能になる。
【００１６】
一方、本発明は、好適な実施の態様により、物体光結像手段Ｆ１には、被写体Ｍと撮像面Ｓｐ間に配する凸レンズ４を用いることができる。また、物体光結像手段Ｆ１に加えて、撮像面Ｓｐに対する結像点Ｐｆの相対位置を変更する位置変更手段Ｆ１ａを設けることができる。さらに、使用画素領域Ａには、物体光結像手段Ｆ１により物体光Ｌｍが本来の結像点Ｐｆに収束する撮像面Ｓｐの領域，物体光Ｌｍが結像点Ｐｆから拡がる撮像面Ｓｐの領域，又はこれらの周辺部の領域を含ませることができる。他方、デジタルホログラフィ装置１には、略平面波の参照光Ｌｒを撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射し、三種類以上の参照光位相値（例えば、０，２π／３，４π／３）におけるホログラム画像データＤｐを一回の撮像画像Ｖｏから得られるようにした参照光傾斜手段Ｆ３を設けるとともに、再生像生成手段Ｆ２には、撮像面Ｓｐによる一回の撮像画像Ｖｏから得られた三種類以上の参照光位相値のホログラム画像データＤｐを所定の演算処理することにより被写体Ｍの再生像を生成する機能を設けることができる。この際、参照光傾斜手段Ｆ３には、参照光Ｆｒを撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射できるように角度設定したビームスプリッタ５を用いることができる。また、参照光傾斜手段Ｆ３には、必要によりビームスプリッタ５の角度を調整する角度調整手段Ｆ３ａを設けることができる。
【発明の効果】
【００１７】
このような構成を有する本発明に係るデジタルホログラフィ装置１によれば、次のような顕著な効果を奏する。
【００１８】
（１）  撮像面Ｓｐの近傍に、物体光Ｌｍの結像点Ｐｆを生じさせる光学系３を有する物体光結像手段Ｆ１と、物体光結像手段Ｆ１により撮像面Ｓｐに照射された物体光Ｌｍの使用画素領域Ａ内における撮像素子に係わる画素のみを用いて結像点Ｐｆにおける被写体Ｍの再生像を生成する再生像生成手段Ｆ２とを備えるため、計算量は、全画素数の極一部となる使用画素領域Ａ内の画素数に対して行えば足り、計算量（計算回数）を飛躍的に減らすことができる。したがって、ハードウェアの小容量化、更にはコストダウンを図ることができるとともに、特に高性能化を図ることなく処理速度の高速化も実現可能となる。また、使用画素領域Ａ内における各画素の位相値に対して結像点Ｐｆの位相値を強く反映できるため、精度の高い再生像を生成することができる。
【００１９】
（２）  好適な態様により、物体光結像手段Ｆ１に、被写体Ｍと撮像面Ｓｐ間に配する凸レンズ４を用いれば、最も簡易な構成により実現できるため、特に装置のサイズアップを招くことなく、容易かつ低コストに実施することができる。
【００２０】
（３）  好適な態様により、撮像面Ｓｐに対する結像点Ｐｆの相対位置を変更する位置変更手段Ｆ１ａを設ければ、撮像面Ｓｐに入射する物体光Ｌｍの使用画素領域Ａの大きさを任意に変更（調整）できるため、用途（目的）及び装置の性能等に応じて全体の計算量を増減させることができる。
【００２１】
（４）  好適な態様により、略平面波の参照光Ｌｒを撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射し、三種類以上の参照光位相値（例えば、０，２π／３，４π／３）におけるホログラム画像データＤｐを一回の撮像画像Ｖｏから得られるようにした参照光傾斜手段Ｆ３を設けるとともに、再生像生成手段Ｆ２には、撮像面Ｓｐによる一回の撮像画像Ｖｏから得られた三種類以上の参照光位相値のホログラム画像データＤｐを所定の演算処理することにより被写体Ｍの再生像を生成する機能を設ければ、動的な変化を伴う被写体Ｍの再生像やリアルタイムで被写体Ｍの再生像が得られる位相シフトタイプのデジタルホログラフィ装置を構成できる。しかも、この場合、位相をシフトさせる位相シフト素子等の別途の精密光学部品を排除できるため、精密光学部品（位相シフト素子）の使用に伴う面倒な組付及び調整を含むセッティングが不要になるとともに、初期セッティング或いは撮像部２を仕様等により変更する場合でも、設定（調整）の容易化を図ることができる。また、高価な精密光学部品の追加が不要なため、装置全体のコストダウンを図ることができるとともに、光学系の複雑化を回避できるため、安定性及び信頼性の高い位相シフトタイプのデジタルホログラフィ装置１を構成できる。
【００２２】
（５）  好適な態様により、参照光傾斜手段Ｆ３に、参照光Ｆｒを撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射できるように角度設定したビームスプリッタ５を用いれば、デジタルホログラフィ装置の基本構成に必要な光学部品を利用（兼用）できるため、コスト面からベストの形態として構成可能になるとともに、構成上のサイズアップを回避することができる。
【００２３】
（６）  好適な態様により、参照光傾斜手段Ｆ３に、ビームスプリッタ５の角度を調整する角度調整手段Ｆ３ａを設ければ、必要に応じてビームスプリッタ５の角度調整（再調整）を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第一実施形態に係るデジタルホログラフィ装置の主要部を示す全体構成図、
【図２】同デジタルホログラフィ装置の原理説明図、
【図３】図２の一部を抽出して拡大した原理説明図、
【図４】本発明の第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置の主要部を示す全体構成図、
【図５】同デジタルホログラフィ装置の原理説明図、
【図６】同デジタルホログラフィ装置の撮像画像の参照光位相値データ表、
【図７】背景技術における問題点の説明図、
【図８】背景技術における問題点の他の説明図、
【発明を実施するための形態】
【００２５】
次に、本発明に係る好適実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
（第一実施形態）
【００２６】
最初に、第一実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１の構成について、図１を参照して説明する。
【００２７】
図１中、Ｍは被写体（物体）であり、例示は透光性を有する被写体Ｍである。１１は光源であり、例えば、波長が６３３〔ｎｍ〕のコヒーレント光であるレーザ光Ｌを出射する。１２はコリメータ（コリメータレンズ）であり、光源１１から出射したレーザ光Ｌを平行光に変換する。１３はハーフミラー、１４，１５は反射ミラー、５は内部に反射層５ｆを有するビームスプリッタをそれぞれ示す。また、２は撮像面Ｓｐを有する撮像部であり、この撮像部２には一般的なＣＣＤカメラ２ｃを用いることができる。
【００２８】
これにより、光源１１から出射したレーザ光Ｌは、コリメータ１２により平行光に変換された後、ハーフミラー１３に入射し、レーザ光Ｌは、参照光Ｌｒと被写体照射光Ｌｉに分離される。そして、被写体照射光Ｌｉは、反射ミラー１４において反射し、被写体Ｍに照射されるとともに、被写体Ｍからは物体光Ｌｍが放射され、この物体光Ｌｍは、ビームスプリッタ５（反射層５ｆ）を透過してＣＣＤカメラ２ｃの撮像面Ｓｐに入射する。他方、ハーフミラー１３で分離された参照光Ｌｒは、反射ミラー１５において反射し、ビームスプリッタ５に入射するとともに、反射層５ｆを反射してＣＣＤカメラ２ｃの撮像面Ｓｐに入射する。したがって、撮像面Ｓｐには、物体光Ｌｍと参照光Ｌｒが入射することになり、ＣＣＤカメラ２ｃからは撮像画像Ｖｏに基づくホログラム画像データＤｐが得られる。以上が、デジタルホログラフィ装置１における基本的な光学系となる。
【００２９】
一方、本発明に従って、被写体Ｍとビームスプリッタ５間には凸レンズ４を配置する。この際、凸レンズ４の位置又は撮像面Ｓｐ（ＣＣＤカメラ２ｃ）の位置を選定し、撮像面Ｓｐの近傍に物体光Ｌｍの結像点Ｐｆを生じさせる光学系３を構成する。この光学系３により物体光結像手段Ｆ１が構成される。例示の場合、撮像面Ｓｐに対してビームスプリッタ５側（後側）の近傍に結像点Ｐｆを生じさせる位置を選定した。これにより、被写体Ｍにおける任意の物体点Ｍｐから放射された物体光Ｌｍは、前述したように、撮像面Ｓｐ中の極小さな使用画素領域Ａのみに入射する。なお、物体光結像手段Ｆ１に、被写体Ｍと撮像面Ｓｐ間に配する凸レンズ４を用いれば、最も簡易な構成により実現できるため、特に装置のサイズアップを招くことなく、容易かつ低コストに実施できる利点がある。
【００３０】
また、例示の場合、ＣＣＤカメラ２ｃ（撮像部２）には、撮像面Ｓｐに対する結像点Ｐｆの相対位置を変更する位置変更手段Ｆ１ａを付設した。このような位置変更手段Ｆ１ａは、必ずしも設ける必要はないが、設けた場合には、撮像面Ｓｐに入射する物体光Ｌｍの使用画素領域Ａの大きさを任意に変更（調整）できるため、用途（目的）及び装置の性能等に応じて全体の計算量を増減できる利点がある。例示の位置変更手段Ｆ１ａは、ＣＣＤカメラ２ｃを光軸方向へ変位自在に支持するガイドレール機構２１と、ＣＣＤカメラ２ｃの側面に設けたラック２２と、このラック２２に対して出力ギアを噛合させた減速ギア機構２３と、この減速ギア機構２３の入力ギアに噛合させた初段ギア２４と、この初段ギア２４を回転駆動するモータ２５とを備える動力タイプの位置変更機構により構成した。この場合、画像処理とフィードバック制御を組合わせるなどにより自動調整できるように構成してもよい。なお、モータ２５の代わりに操作ハンドル２６を設け、手動操作タイプの位置変更機構により構成してもよい。これにより、初段ギア２４を正方向又は負方向に回転させれば、ＣＣＤカメラ２ｃを前方向又は後方向へ移動させることができ、被写体Ｍから離す方向に移動させれば、使用画素領域Ａは大きくなり、被写体Ｍに近づく方向に移動させれば、使用画素領域Ａは小さくなる。そして、結像点Ｐｆの位置で最小になり、さらに、結像点Ｐｆから被写体Ｍに近づく方向に移動させれば、使用画素領域Ａは反対に大きくなる。
【００３１】
他方、３１は制御系を示し、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭ等のハードウェアを有するコンピュータ機能を備えるコントローラ３２を備える。３２ｓは演算処理部であり、コントローラ３２の一部として機能するとともに、コントローラ３２には、処理プログラム３２ｐが格納され、この処理プログラム３２ｐにより、少なくとも演算処理部３２ｓにおける一連の演算処理が実行される。また、コントローラ３２には、操作部３３及び表示部３４が付属する。これにより、ＣＣＤカメラ２ｃにより撮像された撮像画像Ｖｏに係わる画像信号（ホログラム画像データＤｐ）は演算処理部３２ｓに付与される。制御系３１は、上述した物体光結像手段Ｆ１により撮像面Ｓｐに照射された物体光Ｌｍの使用画素領域Ａ内における撮像素子に係わる画素のみを用いて結像点Ｐｆにおける被写体Ｍの再生像を生成する再生像生成手段Ｆ２を構成する。なお、光源Ｌ及びＣＣＤカメラ２ｃは、コントローラ３２の電源ポートに接続することができる。
【００３２】
次に、第一実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１の動作及び使用方法について、図１及び図２を参照して説明する。
【００３３】
まず、使用する際には、被写体（物体）Ｍを、図１に示すように、反射ミラー１４とビームスプリッタ５間における所定の位置にセットする。なお、例示の被写体Ｍは、ガラスコップ等の透光性を有する物体を想定している。被写体Ｍをセットしたなら、光源１１からレーザ光Ｌを出射させるとともに、ＣＣＤカメラ２ｃを撮影モードで作動させる。
【００３４】
これにより、ＣＣＤカメラ２ｃの撮像面Ｓｐには、物体光Ｌｍと参照光Ｌｒが同時に入射し、干渉パターン（ホログラム）を含む撮像画像Ｖｏが得られる。この撮像画像Ｖｏにより得られるホログラム画像データＤｐは、ＣＣＤカメラ２ｃから出力し、再生像生成手段Ｆ２を構成する演算処理部３２ｓに付与される。そして、演算処理部３２ｓでは、得られた物体光Ｌｍのデータに対して、再生像を生成するための公知の演算処理を行うことにより、被写体Ｍの再生像を生成することができる。また、生成された再生像は表示部３４に表示させることができる。
【００３５】
よって、このような第一実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１によれば、撮像面Ｓｐの近傍に、物体光Ｌｍの結像点Ｐｆを生じさせる光学系３を有する物体光結像手段Ｆ１と、物体光結像手段Ｆ１により撮像面Ｓｐに照射された物体光Ｌｍの使用画素領域Ａ内における撮像素子に係わる画素のみを用いて結像点Ｐｆにおける被写体Ｍの再生像を生成する再生像生成手段Ｆ２とを備えるため、計算量は、全画素数の極一部となる使用画素領域Ａ内の画素数に対して行えば足り、計算量（計算回数）を飛躍的に減らすことができる。したがって、ハードウェアの小容量化、更にはコストダウンを図ることができるとともに、特に高性能化を図ることなく処理速度の高速化も実現可能となる。また、使用画素領域Ａ内における各画素の位相値に対して結像点Ｐｆの位相値を強く反映できるため、精度の高い再生像を生成することができる。
（第二実施形態）
【００３６】
次に、第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１の構成について、図４及び図５を参照して説明する。
【００３７】
第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１は、第一実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１を、位相シフトタイプのデジタルホログラフィ装置、即ち、三種類以上の位相値（例えば、０，２π／３，４π／３）に対応する参照光Ｌｒを撮像面Ｓｐに照射する位相シフト手段を用いることにより、一回の撮像画像Ｖｏから位相分布データに基づくホログラム画像データＤｐが得られるようにして、動的な変化を伴う被写体Ｍの再生像やリアルタイムで被写体Ｍの再生像を得ることができるようにした位相シフトタイプのデジタルホログラフィ装置１として構成したものである。
【００３８】
したがって、図１の構成に、略平面波の参照光Ｌｒを撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射し、三種類以上の参照光位相値（０，２π／３，４π／３）におけるホログラム画像データＤｐを一回の撮像画像Ｖｏから得られるようにした参照光傾斜手段Ｆ３を設けるとともに、再生像生成手段Ｆ２には、撮像面Ｓｐによる一回の撮像画像Ｖｏから得られた三種類以上の参照光位相値のホログラム画像データＤｐを所定の演算処理することにより被写体Ｍの再生像を生成する機能を付加した構成を備えている。
【００３９】
具体的には、ビームスプリッタ５を、図４及び図５に示すように、参照光Ｌｒを、ＣＣＤカメラ２ｃの撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射できるように角度を設定して設置した。このため、参照光傾斜手段Ｆ３は、ビームスプリッタ５の底面中央を支持軸４１により回動可能に支持し、角度を調整した後にロックネジ等により固定できるように構成する。したがって、ビームスプリッタ５は、角度を設定することにより、略平面波の参照光Ｌｒを撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射し、例えば、三種類の位相値である「０」，「２π／３」，「４π／３」に対応するホログラム画像データＤｐを一回の撮像画像Ｖｏ（図６参照）から得られるようにする。このように、ビームスプリッタ５を用いた参照光傾斜手段Ｆ３を構成すれば、デジタルホログラフィ装置の基本構成に必要な光学部品を利用（兼用）できるため、コスト面からベストの形態として構成可能になるとともに、構成上のサイズアップを回避できる利点がある。
【００４０】
なお、例示のビームスプリッタ５には、当該ビームスプリッタ５の角度を調整する角度調整手段Ｆ３ａを付設した。このような角度調整手段Ｆ３ａは必ずしも設ける必要はないが、設けた場合には、製造時をはじめ、製造後においても必要に応じてビームスプリッタ５の角度調整（再調整）を行うことができる。例示の角度調整手段Ｆ３ａは、支持軸４１に一端を固定したレバー４２を有し、このレバー４２の他端を減速ギア機構４３により回動可能に構成した。この場合、初段のギア４４は、モータ４５の動力駆動により回動できるように構成してもよいし、操作ハンドル４６による手動操作により回動できるように構成してもよい。モータ４５の動力駆動を利用する場合には、画像処理とフィードバック制御を組合わせるなどにより自動調整できるようにしてもよい。また、再生像生成手段Ｆ２を構成する制御系３１は、撮像面Ｓｐによる一回の撮像画像Ｖｏにおける三種類以上の参照光位相値から得られるホログラム画像データＤｐを所定の演算処理を行うことにより被写体Ｍの再生像を生成する機能を付加した構成を備えている。
【００４１】
次に、第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１の機能について、図４〜図６を参照して説明する。
【００４２】
第一実施形態に係るデジタルホログラフィ装置の場合、ビームスプリッタ５の反射層５ｆは、入射する参照光Ｌｒに対して、４５〔゜〕の角度に設定されるため、反射層５ｆにより反射された参照光Ｌｒは、撮像面Ｓｐに対して直角で入射する。したがって、位相シフトは発生せず、撮像画像Ｖｏにおける全ての画素の参照光位相は「０」、即ち、図６に示す撮像画像Ｖｏにおける位相分布データＢｐの各画素の参照光位相は「０」となる。
【００４３】
これに対して、第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１は、支持軸４１を支点にビームスプリッタ５を回動変位させ、入射する参照光Ｌｒに対して、４５−Ｒｓ〔゜〕，又は４５＋Ｒｓ〔゜〕となるように、当該ビームスプリッタ５の角度を設定（調整）する。したがって、第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１は、製造段階における固有の角度設定工程において、ビームスプリッタ５の角度設定（角度調整）を行う。この場合、ビームスプリッタ５自身を所定の治具等を用いて回動変位させ、角度の設定を行うとともに、設定後はロックネジ等により固定する最もシンプルな設定工程を設けてもよいし、例示した角度調整手段Ｆ３ａを利用してもよい。
【００４４】
第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１では、入射する略平面波の参照光Ｌｒに対してビームスプリッタ５における反射層５ｆの角度を４５−Ｒｓ〔゜〕（又は４５＋Ｒｓ〔゜〕）に設定すればよいため、簡単な手法により撮像画像Ｖｏの各画素に対して位相シフトを発生させることができる。図６は、撮像画像Ｖｏの各画素における参照光位相値表、即ち、位相分布データＢｐを示す。なお、図６の参照光位相値表における各四角枠は撮像画像Ｖｏにおける各画素を示すとともに、各四角枠内の数字は参照光位相値を示している。
【００４５】
図５に示すように、第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１の場合、ビームスプリッタ５の反射層５ｆは、４５〔゜〕に対して所定の角度（微小角度）Ｒｓだけ回動変位しているため、参照光Ｌｒは撮像面Ｓｐに対し、角度Ｒｓに対応した傾斜角Ｒｒだけ傾斜して入射する。これにより、撮像面Ｓｐには、物体光Ｌｍと参照光Ｌｒが同時に入射し、物体光Ｌｍと参照光Ｌｒが重ね合わされることにより干渉し、干渉パターン（ホログラム）が得られるとともに、この際、撮像画像Ｖｏの参照光位相値は、図６に示すように、垂直方向の位相値は同一となるが、水平方向の位相値は位相シフトにより、「０」，「２π／３」，「４π／３」の順に繰り返し変化する。例示の場合、撮像画像Ｖｏにおける同一位相画素の位相シフトの周期は、整数画素となる三画素に設定するため、水平方向には、一回の撮像画像Ｖｏ内に三画素の周期で位相値が変化することにより、計三種類の位相値が繰返される。
【００４６】
図６は、一回の撮像画像Ｖｏ内に三種類の参照光位相値を得る場合を示したが、基本的には、一回の撮像画像Ｖｏにおける参照光の同一位相画素の位相周期が整数画素になるように設定するとともに、この整数画素は三種類以上、望ましくは三画素又は四画素となるように設定する。四画素の場合の位相シフトは、「０」，「π／４」，「π／２」，「３π／４」となる。このように、傾斜角Ｒｒを、撮像画像Ｖｏにおける参照光の同一位相画素の位相周期が整数画素になるように設定するとともに、この整数画素に、少なくとも三画素又は四画素を含ませれば、三種類以上の位相値を設定する際における作用効果、特に、各データを効率良く生すとともに、再生像を生成する際の演算処理を容易にする観点から最適なパフォーマンスを得ることができる。
【００４７】
したがって、上述したビームスプリッタ５の角度を設定する際には、撮像面Ｓｐにより撮像される撮像画像Ｖｏにおいて、三画素の周期で参照光位相値「０」，「２π／３」，「４π／３」が変化するように設定（調整）すればよく、四画素（「０」，「π／４」，「π／２」，「３π／４」）の場合も同様である。これにより、ＣＣＤカメラ２ｃの撮像面Ｓｐに、物体光Ｌｍと参照光Ｌｒが入射すれば、撮像画像Ｖｏの参照光位相値、即ち、水平方向の位相値は、位相シフトにより、図６に示すように、「０」，「２π／３」，「４π／３」の順に繰り返し変化する。
【００４８】
そして、撮像画像Ｖｏにより得られるホログラム画像データＤｐは、演算処理部３２ｓに付与され、この演算処理部３２ｓでは所定の演算処理を行うことにより被写体Ｍの再生像を生成する。この場合、演算処理部３２ｓでは、まず、ホログラム画像データＤｐの参照光位相値が同じ画素を用い、補間値置換機能により、それ以外の画素を、補間処理により得た補間値に置換する処理を行う。補間処理は、いわば、他の位相値により空白となってしまう画素を他の画素で埋める処理である。したがって、簡略的な処理としては、同じ位相値となる画素を三回繰り返すデータに変換することも可能であるが、同一参照光画素間を補間処理することにより、より実際の位相値に忠実な画素を得ることができる。このような補間処理を行えば、位相シフトにより各位相値におけるデータ量（データ密度）が低下する場合であっても補間値の追加により、忠実性をより高め、良質の再生像を生成することができる。この補間処理により、参照光位相値が全て同じ画像を、異なる参照光位相値で三種類作成できるため、これら三種類の画像間の異なる参照光位相値データを用いることにより、撮像面Ｓｐ上の物体光Ｌｍのみのデータを演算で得ることができる。そして、得られた物体光Ｌｍのみのデータに対して公知の演算処理を行うことにより被写体Ｍの再生像を生成する。
【００４９】
なお、第二実施形態を示す図４及び図５において、図１及び図２と同一部分には、同一符号を付してその構成を明確にするとともに、その機能等の詳細な説明は省略する。したがって、第二実施形態においては、当該第二実施形態固有の構成部分のみを説明したが、図４及び図５における図１及び図２と同一部分の動作（機能）は、前述した図１及び図２の動作（機能）と同じになる。
【００５０】
よって、このような第二実施形態に係るデジタルホログラフィ装置１によれば、略平面波の参照光Ｌｒを撮像面Ｓｐに対して所定の傾斜角Ｒｒにより照射し、三種類以上の参照光位相値（例えば、０，２π／３，４π／３）におけるホログラム画像データＤｐを一回の撮像画像Ｖｏから得られるようにした参照光傾斜手段Ｆ３を設けるとともに、再生像生成手段Ｆ２には、撮像面Ｓｐによる一回の撮像画像Ｖｏから得られた三種類以上の参照光位相値のホログラム画像データＤｐを所定の演算処理することにより被写体Ｍの再生像を生成する機能を設けたため、動的な変化を伴う被写体Ｍの再生像やリアルタイムで被写体Ｍの再生像が得られるデジタルホログラフィ装置を構成できる。しかも、この場合、位相をシフトさせる位相シフト素子等の別途の精密光学部品を排除できるため、精密光学部品（位相シフト素子）の使用に伴う面倒な組付及び調整を含むセッティングが不要になるとともに、初期セッティング或いは撮像部２を仕様等により変更する場合でも、設定（調整）の容易化を図ることができる。また、高価な精密光学部品の追加が不要なため、装置全体のコストダウンを図ることができるとともに、光学系の複雑化を回避できるため、安定性及び信頼性の高いデジタルホログラフィ装置１を構成できる。
【００５１】
以上、好適実施形態（第一実施形態，第二実施形態）について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，数値等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。
【００５２】
例えば、レーザ光Ｌの波長等の種類は任意に設定できる。また、被写体Ｍとして透光性を有する物体を例示したが、非透光性を有する物体であっても勿論よく、この場合には光Ｌを照射する位置を変更すればよい。一方、凸レンズ４は、単レンズ，複合レンズ，組合わせレンズのいずれであってもよいし、ビームスプリッタ５と撮像面Ｓｐ間に凸レンズ４を配設する場合を排除するものではない。さらに、撮像面Ｓｐに対する結像点Ｐｆの相対位置を変更する位置変更手段Ｆ１ａとして、撮像面Ｓｐ（ＣＣＤカメラ２ｃ）の位置を変更する場合を示したが、凸レンズ４の位置を含む光学系３の構成（レイアウト）を変更してもよい。他方、参照光傾斜手段Ｆ３として例示したビームスプリッタ５は、ビームスプリッタと同様の機能を有する各種光学部品を含む概念であり、また、参照光傾斜手段Ｆ３は、撮像面Ｓｐに対して参照光Ｌｒを傾斜角Ｒｒだけ傾斜して入射できればよく、例えば、ビームスプリッタ５に代わりに、反射ミラー１５を傾斜させてもよい。したがって、参照光傾斜手段Ｆ３には、撮像面Ｓｐに対して参照光Ｌｒを傾斜角Ｒｒだけ傾斜して入射できる各種手段が含まれる。さらに、前述したように、位置変更手段Ｆ１ａ及び角度調整手段Ｆ３ａは必ずしも設けることを要しない。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、被写体の三次元形状を測定する三次元形状計測装置，三次元物体の分布を測定する三次元物体分布計測装置，顕微鏡，製品検査装置等の各種分野に利用できる。
【符号の説明】
【００５４】
１：デジタルホログラフィ装置，２：撮像部，３：光学系，４：凸レンズ，５：ビームスプリッタ，Ｌ：光，Ｌｍ：物体光，Ｌｒ：参照光，Ｍ：被写体，Ｆ１：物体光結像手段，Ｆ１ａ：位置変更手段，Ｆ２：再生像生成手段，Ｆ３：参照光傾斜手段，Ｆ３ａ：角度調整手段，Ｓｐ：撮像面，Ｄｐ：ホログラム画像データ，Ｐｆ：結像点，Ａ：使用画素領域，Ｒｒ：傾斜角，Ｖｏ：撮像画像
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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