特許 6245551 ホログラム記録装置およびホログラム記録方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6245551

(24)【登録日】2017年11月24日

(45)【発行日】2017年12月13日

(54)【発明の名称】ホログラム記録装置およびホログラム記録方法

(51)【国際特許分類】

   G03H 1/04 20060101AFI20171204BHJP

   G03H 1/12 20060101ALI20171204BHJP

【ＦＩ】

   G03H1/04

   G03H1/12

【請求項の数】11

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2013-127829(P2013-127829)

(22)【出願日】2013年6月18日

(65)【公開番号】特開2015-1726(P2015-1726A)

(43)【公開日】2015年1月5日

【審査請求日】2016年6月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】399030060

【氏名又は名称】学校法人 関西大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】田原 樹

(72)【発明者】

【氏名】新井 泰彦

【審査官】 池田 博一

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１０／０９２７３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／１１５０４２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１２／００２２０７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 GARY Brooker et al.，Optimal resolution in Fresnel incoherent correlation holographic fluorescence microscopy，OPTICS EXPRESS，２０１１年，Vol.19／No.6，p.5047-p.5062

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０３Ｈ １／００−５／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

物体光が通る単一の光路中に、波面変調素子と、位相変調素子と、偏光変換素子とを備え、
上記物体光は、互いに偏光方向が異なる第１成分光および第２成分光を含み、
上記波面変調素子は、該波面変調素子を通過または反射した上記第１成分光の波面形状と、該波面変調素子を通過または反射した上記第２成分光の波面形状とを異ならせ、
上記位相変調素子は、該位相変調素子を通過または反射した上記第１成分光に対する該位相変調素子を通過または反射した上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせ、
上記偏光変換素子は、該偏光変換素子を通過または反射した上記第１成分光と該偏光変換素子を通過または反射した上記第２成分光とが干渉するように、上記第１成分光および上記第２成分光の偏光方向を変化させ、
上記位相変調素子を通過または反射した上記第１成分光が該位相変調素子を通過または反射した上記第２成分光と干渉することにより形成されるホログラムを記録する撮像装置を備えることを特徴とするホログラム記録装置。

【請求項2】

上記位相変調素子は、上記ホログラム上において、空間的に周期的に変化する上記位相シフト量の分布を生じさせることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録装置。

【請求項3】

上記位相変調素子は、上記第１成分光の進行方向と上記第２成分光の進行方向とを異ならせることを特徴とする請求項１または２に記載のホログラム記録装置。

【請求項4】

上記ホログラム上の上記位相シフト量の分布が上記撮像装置の画素の列方向において第１空間周期で変化し、かつ、上記撮像装置の画素の行方向において上記第１空間周期とは異なる第２空間周期で変化することを特徴とする請求項３に記載のホログラム記録装置。

【請求項5】

上記位相変調素子は、空間的に周期的に配列された、複数の第１位相変調領域および複数の第２位相変調領域を含み、
上記第１位相変調領域と上記第２位相変調領域とは、上記第２成分光の位相を互いに異なるように変調することを特徴とする請求項１または２に記載のホログラム記録装置。

【請求項6】

上記第１位相変調領域と上記第２位相変調領域とは、それぞれの領域に入射した上記第１成分光に対して、位相のずれを生じさせないことを特徴とする請求項５に記載のホログラム記録装置。

【請求項7】

上記位相変調素子は、上記第１位相変調領域および上記第２位相変調領域のそれぞれに対応する、複数の波長板を含むことを特徴とする請求項５または６に記載のホログラム記録装置。

【請求項8】

上記偏光変換素子は、偏光子であり、
上記偏光子の透過軸と上記第２成分光の偏光方向とのなす角αは、０°＜α≦３０°であることを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載のホログラム記録装置。

【請求項9】

上記偏光変換素子は、上記第１成分光および上記第２成分光のそれぞれを互いに逆回転の楕円偏光に変換する波長板であり、
上記位相変調素子は、空間的に周期的に配列された、複数の第１偏光領域および複数の第２偏光領域を含み、
上記第１偏光領域と上記第２偏光領域とは、互いに透過軸が異なる偏光子であることを特徴とする請求項１または２に記載のホログラム記録装置。

【請求項10】

上記波面変調素子は、上記第１成分光の波面の曲率と、上記第２成分光の波面の曲率とを異ならせることを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のホログラム記録装置。

【請求項11】

互いに偏光方向が異なる第１成分光および第２成分光を含む物体光が通る単一の光路中において、
波面変調素子を通過または反射した上記第１成分光の波面形状と、該波面変調素子を通過または反射した上記第２成分光の波面形状とを異ならせる波面変調処理と、
位相変調素子を通過または反射した上記第１成分光に対する該位相変調素子を通過または反射した上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせる位相変調処理と、
偏光変換素子を通過または反射した上記第１成分光と該偏光変換素子を通過または反射した上記第２成分光とが干渉するように、上記第１成分光および上記第２成分光の偏光方向を変化させる偏光変換処理と、
上記位相変調素子を通過または反射した上記第１成分光が該位相変調素子を通過または反射した上記第２成分光と干渉することにより形成されるホログラムを記録する撮像処理とを実行することを特徴とするホログラム記録方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はホログラム記録装置およびホログラム記録方法に関する。

【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には、干渉縞から像を再生する際に、不要な像成分（０次回折光および共役像（−１次回折光））を除去する技術（位相シフト法）が記載されている。しかしながら、非特許文献２に記載の構成では、条件を変えて複数回撮像を行うことにより複数の干渉縞を得る。そのため、動的な被写体に適用することができない。

【0006】

特許文献１−４には、画素を分割して、複数種類の干渉縞を同時に撮像し、位相シフト法によって像を再生する技術が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特許第４２９４５２６号公報（２００９年４月１７日登録）

【特許文献2】国際公開第２００９／０６６７７１号（２００９年５月２８日公開）

【特許文献3】国際公開第２０１０／０９２７３９号（２０１０年８月１９日公開）

【特許文献4】国際公開第２０１２／００２２０７号（２０１２年１月５日公開）

【非特許文献】

【0008】

【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】I. Yamaguchi and T. Zhang、「Phase-shifting digital holography」、OPTICS LETTERS、(1997)、Vol. 22、No. 16、p.1268-1270

【非特許文献3】T. Tahara et. al.、「Space-Bandwidth Capacity-Enhanced Digital Holography」、Applied Physics Express、(2013)、Vol. 6、p.022502-1-3

【非特許文献4】JOSEPH ROSEN and GARY BROOKER、「Non-scanning motionless fluorescence three-dimensional holographic microscopy」、nature photonics、(2008)、Vol. 2、p.190-195

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、上述のような従来技術は、干渉縞を形成するために干渉性の高い（コヒーレントな）光（例えばレーザー光）を必要とする。そのため、光路調整に極めて高い精度が求められることから、上述の従来技術では、干渉性の低い光（例えば自然光または蛍光等）を観察することができない。

【0010】

非特許文献４には、単一光路を有する光学系において干渉性の低い光を用いてデジタルホログラフィを実現する技術が記載されている。しかしながら、非特許文献４の技術では、条件を変えてホログラム（干渉縞）を複数回撮像する必要があるため、非特許文献４の技術を動く被写体に適用することは難しい。

【0011】

本発明の一態様では、干渉性の低い光を用いて、被写体の再生に必要なホログラムを１回の撮像で記録することができるホログラム記録装置またはホログラム記録方法を実現することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明に係るホログラム記録装置は、物体光が通る単一の光路中に、波面変調素子と、位相変調素子と、偏光変換素子とを備え、上記物体光は、互いに偏光方向が異なる第１成分光および第２成分光を含み、上記波面変調素子は、上記第１成分光の波面形状と、上記第２成分光の波面形状とを異ならせ、上記位相変調素子は、上記第１成分光に対する上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせ、上記偏光変換素子は、上記第１成分光と上記第２成分光とが干渉するように、上記第１成分光および上記第２成分光の偏光方向を変化させ、上記第１成分光が上記第２成分光と干渉することにより形成されるホログラムを記録する撮像装置を備えることを特徴としている。

【0013】

本発明に係るホログラム記録方法は、互いに偏光方向が異なる第１成分光および第２成分光を含む物体光が通る単一の光路中において、上記第１成分光の波面形状と、上記第２成分光の波面形状とを異ならせる波面変調処理と、上記第１成分光に対する上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせる位相変調処理と、上記第１成分光と上記第２成分光とが干渉するように、上記第１成分光および上記第２成分光の偏光方向を変化させる偏光変換処理と、上記第１成分光が上記第２成分光と干渉することにより形成されるホログラムを記録する撮像処理とを実行することを特徴としている。

【0014】

上記の構成によれば、位相変調素子は、第１成分光に対する上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせる。これにより、記録されるホログラムには位相シフト量が異なる複数種類のホログラムが含まれる。そのため、単一の光路を通る干渉性の低い光を用いて１回の撮像で記録されるホログラムから、被写体の再生像を得ることができる。そのため、上記ホログラム記録装置は、動く被写体の３次元の情報を含むホログラムを記録することができる。

【0015】

ここで、上記位相変調素子は、上記第２成分光の位相を空間的に周期的にずらすことにより、上記第１成分光に対する上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせてもよい。また、上記位相変調素子は、上記第１成分光の位相を空間的に周期的にずらすことにより、上記第１成分光に対する上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせてもよい。基準である上記第１成分光の位相が空間的に周期的にシフトされると、上記第１成分光を基準とした上記第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布が生じると言える。

【0016】

また、上記位相変調素子は、上記ホログラム上において、空間的に周期的に変化する上記位相シフト量の分布を生じさせる構成であってもよい。

【0017】

また、上記位相変調素子は、上記第１成分光の進行方向と上記第２成分光の進行方向とを異ならせる構成であってもよい。

【0018】

また、上記ホログラム上の上記位相シフト量の分布が上記撮像装置の画素の列方向において第１空間周期で変化し、かつ、上記撮像装置の画素の行方向において上記第１空間周期とは異なる第２空間周期で変化するものであってもよい。

【0019】

また、上記位相変調素子は、空間的に周期的に配列された、複数の第１位相変調領域および複数の第２位相変調領域を含み、上記第１位相変調領域と上記第２位相変調領域とは、上記第２成分光の位相を互いに異なるように変調する構成であってもよい。

【0020】

また、上記第１位相変調領域と上記第２位相変調領域とは、それぞれの領域に入射した上記第１成分光に対して、位相のずれを生じさせない構成であってもよい。

【0021】

また、上記位相変調素子は、上記第１位相変調領域および上記第２位相変調領域のそれぞれに対応する、複数の波長板を含む構成であってもよい。

【0022】

また、上記偏光変換素子は、偏光子であり、上記偏光子の透過軸と上記第２成分光の偏光方向とのなす角αは、０°＜α≦３０°であってもよい。

【0023】

また、上記偏光変換素子は、上記第１成分光および上記第２成分光のそれぞれを互いに逆回転の楕円偏光に変換する波長板であり、上記位相変調素子は、空間的に周期的に配列された、複数の第１偏光領域および複数の第２偏光領域を含み、上記第１偏光領域と上記第２偏光領域とは、互いに透過軸が異なる偏光子であってもよい。

【0024】

また、上記波面変調素子は、上記第１成分光の波面の曲率と、上記第２成分光の波面の曲率とを異ならせる構成であってもよい。

【発明の効果】

【0025】

本発明に係るホログラム記録装置は、単一の光路を通る干渉性の低い光を用いて、被写体の再生像を得るために必要なホログラムを１回の撮像で記録することができる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【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】上記デジタルホログラフィ装置の偏光分割素子の構成の例を示す断面図である。

【図3】撮像面に入射する波面変調光の光軸に対する位相変調光の光軸の、画素の列方向における角度を説明する図である。

【図4】本発明の一実施形態の変形例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5】本発明の一実施形態の他の変形例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6】本発明の他の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7】上記デジタルホログラフィ装置における、波長板アレイ、偏光子、および撮像面の関係を示す図である。

【図8】上記デジタルホログラフィ装置における、各画素における位相シフト量を示す図である。

【図9】本発明のさらに他の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10】上記デジタルホログラフィ装置における、偏光子アレイおよび撮像面の関係を示す図である。

【図11】上記デジタルホログラフィ装置における、各画素における位相シフト量を示す図である。

【図12】本発明のさらに他の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13】本発明の他の実施形態に基づくシミュレーションに用いる光学系を示す図である。

【図14】被写体の再生像に関して、シミュレーションの結果を示す画像である。

【図15】本発明の一実施形態に基づくシミュレーションに用いる光学系を示す図である。

【図16】シミュレーションにおける被写体およびその再生像を示す画像である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

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。

【0028】

〔実施形態１〕
（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、記録装置１０（ホログラム記録装置）と再生装置１５とを備える。記録装置１０は、偏光分割素子１１（位相変調素子）、空間光変調器１２（ＳＬＭ：spatial light modulator）（波面変調素子）、偏光子１３（ＬＰ：light polarizer）（偏光変換素子）、および撮像装置１４を備える。再生装置１５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。

【0029】

ここでは被写体である物体（図示せず）から来る光を物体光と称する。物体光は、物体によって反射、回折または散乱された光、あるいは蛍光、高次高調波である。物体光は、記録装置１０に入射される。物体光の伝播方向に直交する１つの方向を第１方向と定義し、物体光の伝播方向および第１方向に直交する方向を第２方向と定義する。ここでは、第１方向を垂直方向と表し、第２方向を水平方向と表す。図においては、垂直方向を縦方向の矢印で表し、水平方向を横方向の矢印で表す。物体光は、互いに偏光方向が異なる第１成分光と第２成分光とを含む。ここでは記録装置１０に入射する物体光において、第１成分光は垂直方向の成分を有する光であり、第２成分光は水平方向の成分を有する光である。ここでは、物体光は、干渉性の低いインコヒーレント光（例えば自然光または蛍光）である。記録装置１０に入射された物体光は、偏光分割素子１１、空間光変調器１２、および偏光子１３を通過して、撮像装置１４の撮像面１４ａに到達する。このように記録装置１０は、単一の光路中に、偏光分割素子１１、空間光変調器１２、および偏光子１３を備える。なお、物体光はそれぞれの光学素子において屈折および反射され得るが、図１においては物体光の光路は模式的に直線で描いている。

【0030】

偏光分割素子１１は、入射した光の偏光方向に応じて異なる方向に光を通過させる。偏光分割素子１１を通過した物体光のうち、垂直方向成分の光の進行方向と水平方向成分の光の進行方向とは角度θ異なる。すなわち、偏光分割素子１１は、垂直方向成分の光の位相に対して水平方向成分の光の位相を変調させることにより、垂直方向成分の光（第１成分光）と水平方向成分の光（第２成分光）との進行方向に角度差θを生じさせる。なお水平方向成分の光の位相は空間的に連続かつ線形に変調される。

【0031】

図２は、偏光分割素子１１の構成の例を示す断面図である。図２の（ａ）に示す例では、偏光分割素子１１は、光学等方性の光学素子からなる平板部１１ａと、光学異方性の光学素子からなる複数の楔部１１ｂとを有する。なお断面に垂直な方向の構造は一様である。図２の（ｂ）に示す例では、偏光分割素子１１は、光学等方性の光学素子からなる平板部１１ａと、光学異方性の光学素子からなる１つの楔部１１ｃとを有する。図２の（ｃ）に示す例では、偏光分割素子１１は、台形の断面形状を有する光学異方性の１つの光学素子１１ｄからなる。図２の（ａ）〜（ｃ）に示す偏光分割素子１１は、いずれも同じように機能し、通過する物体光の、垂直方向成分の光の進行方向と水平方向成分の光の進行方向とを角度θ異ならせる。なお、偏光分割素子１１の前後の向きは逆になっていてもよい。

【0032】

空間光変調器１２は、垂直方向成分の光（第１成分光）の位相を変調させ、垂直方向成分の光を球面波に変換する。空間光変調器１２は、水平方向成分の光（第２成分光）に対しては位相の変調を行わない。そのため、水平方向成分の光は、空間光変調器１２の通過前と通過後とで進行方向および波面形状は変わらない。

【0033】

偏光子１３は、透過軸の方向の成分のみを通過させる。偏光子１３の透過軸は、垂直方向と水平方向の間の第３方向に設定する。すなわち、偏光子１３は、垂直方向成分の光のうちの透過軸方向成分と、水平方向成分の光のうちの透過軸方向成分とを通過させる。偏光子１３を通過した物体光は、透過軸方向に偏光している。偏光子１３を通過した物体光は、垂直方向成分の光のうちの透過軸方向成分と、水平方向成分の光のうちの透過軸方向成分との重ね合わせである。ここでは便宜上、垂直方向成分の光のうちの透過軸方向成分を波面変調光と称し、水平方向成分の光のうちの透過軸方向成分を位相変調光と称す。波面変調光は偏光子１３を通過した第１成分光であり、位相変調光は偏光子１３を通過した第２成分光である。

【0034】

透過軸の向き（第３方向）は、垂直方向と水平方向の間の任意の方向に設定することができる。透過軸が垂直方向に近いか、水平方向に近いかに応じて、偏光子１３を通過した波面変調光と位相変調光との強度の比が変化する。強度比（位相変調光の強度／波面変調光の強度）が大きくなる程、再生像における０次回折光の高空間周波数成分によるノイズ成分の影響がより少なくなり、画質を保ったまま広範囲の高分解イメージングを達成できる。一方、強度比（位相変調光の強度／波面変調光の強度）が小さくなる程、物体の情報を含む光（波面変調光）の利用効率が高くなるので、干渉縞のコントラストが高くなり、得られる再生像のコントラストも向上する。位相変調光の強度と波面変調光の強度とが同程度の場合、再生像の明るさおよびコントラストが高い。それゆえ、画質を保ったままの広範囲・高分解イメージングを重視する場合、透過軸と水平方向（第２成分光の偏光方向）とがなす角度αを０°＜α≦３０°とすることができる。また、コントラストを重視する場合、透過軸と水平方向とがなす角度αを３０°＜α＜９０°とすることができる。

【0035】

撮像装置１４は、撮像するための複数の画素が並んだ撮像面１４ａを有し、撮像面１４ａに到達した光の強度を記録する。撮像装置１４は、ＣＣＤ等の撮像素子を有する。物体光は単一の光路を経て撮像面１４ａに到達するので、物体光の一部である波面変調光と位相変調光とは自己干渉する。球面波と平面波とが干渉すると、フレネルゾーンパターン（干渉縞）が形成される。波面変調光と位相変調光とは、偏光方向が同じであるので、撮像面１４ａ上において、干渉縞（フレネルゾーンパターン）を形成する。撮像装置１４は、撮像面１４ａ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。撮像装置１４は、撮像した干渉縞の画像データを再生装置１５に出力する。なお、波面変調光と位相変調光とは、厳密に球面波と平面波とである必要は無い。波面変調光および位相変調光の波面形状（波面の曲率）が異なっていれば干渉縞が形成される。そのため、空間光変調器１２は、垂直方向成分の光と水平方向成分の光との波面形状（波面の曲率）を異ならせる働きをすればよい。

【0036】

また、物体光の偏光方向を斜め方向の直線偏光とすることにより最終的により鮮明な干渉縞を得るために、偏光分割素子１１の前（被写体側）に、偏光子１３とは別の偏光子を配置してもよい。また、分解能または撮影可能範囲を向上させるために、偏光分割素子１１の前に、拡大光学系または縮小光学系を導入してもよい。また、干渉フィルタまたはカラーフィルタ等の波長を選択的に透過させる素子を物体光の光路中に導入することにより、特定の波長における干渉縞を得ることもできる。

【0037】

再生装置１５は、得られた干渉縞に対して並列位相シフト法（parallel Phase-shifting digital holography）を適用して像再生処理を行い、再生像を得る。

【0038】

（記録装置１０で記録されるホログラム）
本実施形態では、波面変調光の光軸に対して位相変調光の光軸が撮像面１４ａに対して２次元的に角度θ傾くようにする。なお角度は波面変調光の光軸を基準として考える。画素の行方向（横方向）における位相変調光の光軸の傾きをθｘとし、画素の列方向（縦方向）における位相変調光の光軸の傾きをθｙとする。

【0039】

ここでは、撮像面１４ａに入射する波面変調光の光軸と位相変調光の光軸との間の、画素の行方向における角度θｘおよび画素の列方向における角度θｙが、
０＜sinθｘ＜λ／（２ｄ） …（１）
０＜sinθｙ＜λ／ｄ …（２）
となるようにする。ここで、λは物体光の波長、ｄは撮像装置１４の画素のピッチである。例えば、sinθｘ＝λ／（４ｄ）、sinθｙ＝λ／（２ｄ）としてもよい。

【0040】

図３は、撮像面１４ａに入射する波面変調光の光軸に対する位相変調光の光軸の、画素の列方向におけるsinθｙ＝λ／（２ｄ）のときの角度θｙを説明する図である。図３では、撮像面１４ａの列方向に並ぶ複数の画素を黒点で示し、各画素に入射する波面変調光および位相変調光の進行方向を矢印で示す。列方向における各画素のピッチはｄである。位相変調光および波面変調光は、数個の画素の範囲ではほぼ平面波と見なすことができる。波面変調光の光軸は撮像面１４ａの法線に一致し、位相変調光の光軸は撮像面１４ａの法線から画素の列方向において角度θｙ傾いている。

【0041】

図３に示すように、上から１番目の画素に入射する位相変調光と、２番目の画素に入射する位相変調光とは光路がｄ×sinθｙ異なる。すなわち、光路がλ／２異なる。２番目の画素への光路が半波長長いので、１番目の画素に入射する位相変調光の位相に対して、２番目の画素に入射する位相変調光の位相はπ遅れる。すなわち、隣接する画素の間で、位相変調光の位相がπ異なる。同様に、１番目の画素に入射する位相変調光と３番目の画素に入射する位相変調光との位相差は２π（＝０）である。

【0042】

１番目の画素に入射する波面変調光および位相変調光の位相シフト量を基準（０）とすると、２番目の画素上での波面変調光および位相変調光の位相シフト量はπとなり、３番目の画素上での波面変調光および位相変調光の位相シフト量は０となる。ここでは、波面変調光の光軸に沿って進む波面変調光および位相変調光の光軸に沿って進む位相変調光を考えたとき、波面変調光の位相に対する位相変調光の位相の遅れまたは進み（位相のずれまたは位相がシフトした量）を位相シフト量と定義している。実際には画素は点ではなく面なので、各画素上における位相シフト量の平均が、０またはπになる。これにより、画素行毎に、位相シフト量（０、π）が交互に変わる。

【0043】

行方向の角度θｘについても同様のことが言え、行方向における隣接画素の位相変調光の位相が角度θｘに応じて異なる。このように、偏光分割素子１１は、第１成分光に対する第２成分光の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせる。例えばsinθｙ＝λ／（２ｄ）のとき、画素の列方向においては、位相シフト量の分布が画素ピッチの２倍の周期（第１空間周期）で変化する。例えばsinθｘ＝λ／（４ｄ）のとき、画素の行方向においては、位相シフト量の分布が画素ピッチの４倍の周期（第２空間周期）で変化する。そのため、１回の撮像で記録されるホログラムは、位相シフト量が互いに異なる複数種類のホログラムを含む。このように記録装置１０によって１回の撮像で記録されるホログラムには、互いに位相シフト量が異なる複数種類のホログラムが空間分割多重されている。

【0044】

なお、角度θｙは式sinθｙ＝λ／（２ｄ）に限定されないが、式sinθｙ＝λ／（２ｄ）を満たす場合、特に精細な再生像を得ることができる。

【0045】

（像再生処理）
再生装置１５は、記録装置１０によって記録されたホログラムから、再生像を生成する。像再生処理において、再生装置１５は、角度θｙによって生成された空間キャリアを利用して、空間キャリア位相シフト法によって回折光から０次回折光を除去する。あるいは、再生装置１５は、全画素領域またはある領域における光強度の平均値をホログラムから差し引くことによって回折光から０次回折光を除去することもできる。また、像再生処理において、再生装置１５は、角度θｘによって生成された空間キャリアを利用して、フーリエ変換縞解析法によって回折光から共役像（−１次回折光）を除去する。なお、像再生処理においては、波面変調光を一般のデジタルホログラフィにおける物体光と見なし、位相変調光を一般のデジタルホログラフィにおける参照光と見なして、計算を行う。これにより、波面変調光（１次回折光）を再生することができる。再生装置１５は、波面変調光（すなわち物体光の垂直方向成分の光）を用いて回折積分を行うことにより、任意の奥行き位置の被写体の再生像を得ることができる。

【0046】

（デジタルホログラフィ装置１の効果）
デジタルホログラフィ装置１は、偏光分割素子１１によって、物体光の水平方向成分の光の進行方向を、垂直方向成分の光の進行方向に対して角度θ傾ける。ここで、水平方向成分の光の進行方向は、記録装置１０の画素の列および行の両方の方向に傾けられる。これにより、記録されるホログラムに複数種類の位相シフト量の画素が含まれる。デジタルホログラフィ装置１は、空間光変調器１２によって、垂直方向成分の光の波面の曲率と、水平方向成分の光の波面の曲率とを異ならせる。デジタルホログラフィ装置１は、偏光子１３によって、垂直方向成分の光および水平方向成分の光を、互いに干渉するように、第３方向（斜め方向）の偏光に変換する。デジタルホログラフィ装置１は、記録装置１０によって、第３方向の偏光が形成する干渉縞（ホログラム）を記録する。

【0047】

本実施形態では、デジタルホログラフィ装置１は、単一光路において物体光を自己干渉させるので、干渉性の低い光を用いてホログラムを記録することができる。また、デジタルホログラフィ装置１は、単一光路において、直交する２つの方向成分のうちの一方の方向成分の位相を空間的に線形に変調させることで、該一方の方向成分に複数種類の位相シフト量を生じさせる。そのため、デジタルホログラフィ装置１は、単一光路を用いて１回の撮像において（１フレームで）記録されたホログラムに、０次回折光および−１次回折光を除去するために、位相シフト量が異なる複数種類のホログラムを含めることができる。それゆえ、デジタルホログラフィ装置１は、記録装置１０のフレームレートで被写体の３次元の情報を含むホログラムを記録することができる。よって、デジタルホログラフィ装置１は、干渉性の低い光を用いて、動く物体の３次元の動画の記録を可能にする。

【0048】

（変形例）
なお、空間キャリア位相シフト法およびフーリエ変換縞解析法を用いずに軸外し（off-axis）法を用いて再生像を得ることもできる。この場合も、偏光分割素子１１を通過後の第２成分光の位相シフト量は、空間的に周期的に変化していると言える。ただしこの場合、０次回折光および−１次回折光が残留したままなので、空間キャリア位相シフト法およびフーリエ変換縞解析法を用いる場合よりも、鮮明な再生像を得られる領域が狭くなり再生像のダイナミックレンジが減少する。

【0049】

図１の偏光分割素子１１の代わりに、空間光変調器１２とは別の空間光変調器を配置し、物体光の進行方向を変化させることなく、上記別の空間光変調器の画素毎に異なる位相シフト量を生じさせてもよい。ただし、上記別の空間光変調器の画素毎に水平方向成分の位相を変化させると（すなわち離散的に位相を変化させると）、上記別の空間光変調器から多くの回折光が発生し、光利用効率の低下および画質の劣化が生じうる。そのため、画質を重視する場合、偏光分割素子１１のように、空間的に線形かつ空間的に連続的に位相を変調させる偏光光学素子を用いることが好ましい。

【0050】

図４は、本実施形態の変形例のデジタルホログラフィ装置１ａの構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置１ａは、記録装置１０ａと再生装置１５とを備える。記録装置１０ａでは、図１の記録装置１０に比べて、偏光分割素子１１と空間光変調器１２との位置が入れ替わっている。図４に示す記録装置１０ａも、図１に示す記録装置１０と同様に機能する。

【0051】

図５は、本実施形態の他の変形例のデジタルホログラフィ装置１ｂの構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置１ｂは、記録装置１０ｂと再生装置１５とを備える。記録装置１０ｂは、偏光分割素子１１、空間光変調器１２、偏光子１３、および撮像装置１４に加えて、２つのレンズ１６ａ、１６ｂおよび空間フィルタ１７を備える。レンズ１６ａ、空間フィルタ１７、およびレンズ１６ｂは、例えば空間光変調器１２および偏光子１３の間に、この順に配置される。このように、空間フィルタ１７によって物体光に種々のフィルタを適用することもできる。

【0052】

また、図１に示す記録装置１０において偏光分割素子１１の被写体側に波長フィルタ（波長選択フィルタ）を設け、物体光の干渉性を良くするために、偏光分割素子１１等に入射する物体光の波長範囲を狭くしてもよい。

【0053】

なお、図１に示す記録装置１０および図４に示す記録装置１０ａのいずれにおいても、全ての光学素子（偏光分割素子１１、空間光変調器１２、および偏光子１３）を、撮像装置１４の撮像面１４ａに貼り合わせた構成とすることもできる。

【0054】

〔実施形態２〕
本実施形態では、試料に含まれる蛍光分子が発する蛍光を観察するデジタルホログラフィ装置について説明する。

【0055】

（デジタルホログラフィ装置２の構成）
図６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２０（ホログラム記録装置）と蛍光顕微鏡装置２１と再生装置１５とを備える。記録装置２０は、空間光変調器１２、波長板アレイ２８（位相変調素子）、偏光子１３、およびカラー撮像装置２９を備える。蛍光顕微鏡装置２１は、光源２２、波長フィルタ２３、ビーム分割素子２４、顕微鏡対物レンズ２５、およびレンズ２７を備える。ビーム分割素子２４は、励起光の一部を通過させかつ蛍光の一部を反射するように、例えば２色性ミラーまたはハーフミラー等を有する。

【0056】

観察対象である生体試料２６には、蛍光標識として複数種類の蛍光分子が含まれる。複数種類の蛍光分子は、互いに波長の異なる蛍光を発生させる。デジタルホログラフィ装置２は、生体試料２６内の蛍光標識された物質を被写体として観察することができる。生体試料２６は例えば細胞等である。

【0057】

光源２２は、蛍光分子を励起させるための励起光を発生させる。波長フィルタ２３は、励起に必要ない波長の光を遮蔽する。波長フィルタ２３を通過した励起光は、ビーム分割素子２４および顕微鏡対物レンズ２５を通過し、生体試料２６に照射される。

【0058】

生体試料２６の中の複数種類の蛍光分子は、励起光によって励起し、複数の波長の蛍光を発生させる。生体試料２６から出射された蛍光は、顕微鏡対物レンズ２５によって拡大され、ビーム分割素子２４によって反射される。レンズ２７は、蛍光が拡がって蛍光の強度が小さくなるのを防ぐために、通過した蛍光を平行光に近づける。レンズ２７を通過した蛍光は、物体光として記録装置２０に入射する。

【0059】

空間光変調器１２を通過した蛍光は、波長板アレイ２８および偏光子１３を通過し、カラー撮像装置２９の撮像面２９ａに入射する。空間光変調器１２および偏光子１３の働きは、実施形態１と同じである。波面変調光は第１成分光が偏光子１３を通過したものであり、位相変調光は第２成分光が偏光子１３を通過したものである。

【0060】

図７は波長板アレイ２８、偏光子１３、および撮像面２９ａの関係を示す図である。なお、図７は、波長板アレイ２８、偏光子１３、および撮像面２９ａの一部を拡大して示している。波長板アレイ２８は、空間的に周期的に配列された、複数の位相変調領域２８ａ・２８ｂを有する。波長板アレイ２８において、線状の位相変調領域２８ａと線状の位相変調領域２８ｂとは交互に並んで配置されている。位相変調領域２８ａを通過した水平方向成分の光に対し、位相変調領域２８ｂを通過した水平方向成分の光は、その位相がπ／２だけずれる（位相がシフトする）。なお、位相のずれηはπ／２に限らず、任意に設定することができる。一方、位相変調領域２８ａ・２８ｂは、垂直方向成分の光に対しては、位相のずれは生じさせない、または変調する位相の量は同じである。すなわち位相変調領域２８ａを通過した垂直方向成分の光に対し、位相変調領域２８ｂを通過した垂直方向成分の光の位相のずれは０である。このように、波長板アレイ２８は、位相変調領域２８ａ・２８ｂ毎に、垂直方向成分の光に対する水平方向成分の光の位相シフト量を、異ならせる光学素子である。波長板アレイ２８は、複数の位相変調領域に対応して（例えば厚さが異なる）複数の波長板（位相差板）を配置することにより、構成することができる。各位相変調領域２８ａ・２８ｂの遅相軸は同一方向であり、垂直方向または水平方向に一致する。

【0061】

位相変調領域２８ａ・２８ｂのそれぞれは、撮像面２９ａの画素２９ｂの１つの画素行に対応する。なお１つの位相変調領域２８ａ・２８ｂが複数の画素行に対応していてもよい。ここでは、位相変調領域２８ａを通過した蛍光は、対応する１つの画素行２９ｃに入射し、位相変調領域２８ｂを通過した蛍光は、対応する他の１つの画素行２９ｄに入射する。このように対応するように、波長板アレイ２８および偏光子１３は撮像面２９ａに貼り合わせられている構成とすることができる。または、波長板アレイ２８と撮像面２９ａとの間に、結像光学系（レンズ）を配置することもできる。なお、カラー撮像装置２９は、色を識別するためにＲＧＢ（赤緑青）に対応する複数の画素を有する。例えば１つの画素行２９ａはＲＧＢの各画素を含み、１つの画素２９ｂは、ＲＧＢのいずれかに対応する。

【0062】

なお、ここでは波長板アレイ２８の各位相変調領域は線状の領域であるが、これに限らない。例えば複数の位相変調領域が、各色成分の複数の画素２９ｂに対応して、配置されていてもよい。

【0063】

（記録装置２０で記録されるホログラム）
図８は、各画素における位相シフト量を示す図である。画素行２９ｃに入射する波面変調光および位相変調光の位相シフト量を基準（０）とすると、画素行２９ｄに入射する波面変調光および位相変調光の位相シフト量はπ／２となる。このように、波長板アレイ２８は、ホログラム上において第１成分光（波面変調光）に対する第２成分光（位相変調光）の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせる。このように、記録装置２０は、ＲＧＢの色成分毎に、位相シフト量の異なる複数のホログラムを記録することができる。再生装置１５は、ある色成分について位相シフト量の異なる複数のホログラムを用いて、並列位相シフト法によって、対応する蛍光標識がされた物質の再生像（１次回折光）を得ることができる。一方、再生装置１５は、別の色成分について位相シフト量の異なる複数のホログラムから、別の蛍光標識がされた物質の再生像を得ることができる。

【0064】

（デジタルホログラフィ装置２の効果）
本実施形態では、デジタルホログラフィ装置２は、蛍光顕微鏡装置２１によって蛍光をホログラムに記録することができる。また、波長板アレイ２８によって、空間分割多重された複数種類のホログラムを１回の撮像によって（１フレームで）得ることができる。そのため、像再生処理において複数種類のホログラムを用いて所望の再生像を得ることができる。また、カラー撮像装置２９によって色を識別することができるので、デジタルホログラフィ装置２は、生体試料２６の中の複数種類の蛍光分子の３次元の位置の情報を同時にホログラムとして記録することができる。利用者は、その再生像を用いて、複数種類の蛍光分子のそれぞれの動きを観察することができる。

【0065】

（変形例）
なお、上述した波長板アレイ２８の代わりに、位相変調領域２８ａの遅相軸が垂直方向であり位相変調領域２８ｂの遅相軸が水平方向であり、各位相変調領域２８ａ・２８ｂにおいて高速軸と遅相軸との間に生じる位相差が同じである波長板アレイを用いることもできる。この場合、波長板アレイによって、位相変調光だけでなく、波面変調光にも空間的に周期的な位相のずれが与えられる。

【0066】

また、各位相変調領域２８ａ・２８ｂの遅相軸が同一方向であり、波面変調光にのみ空間的に周期的な位相のずれを与える波長板アレイを用いることもできる。この場合、波面変調光における位相シフト量の分布に応じて生成される空間キャリアに起因して、像再生処理において抽出された波面変調光の複素振幅情報に空間的に周期的な位相のずれが含まれる。再生装置は、波面変調光における空間的に周期的な位相のずれを補正することで、所望の再生像を得ることができる。

【0067】

ただし、上述した波長板アレイ２８のように、波面変調光には空間的に周期的な位相のずれを生じさせず、位相変調光にのみ空間的に周期的な位相のずれを生じさせる方が、予期せぬ回折光の発生を防ぐことができるため、画質を良くできる可能性がある。

【0068】

〔実施形態３〕
本実施形態では、試料に含まれる蛍光分子が発する蛍光を観察するデジタルホログラフィ装置の他の実施形態について説明する。

【0069】

（デジタルホログラフィ装置３の構成）
図９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、記録装置３０（ホログラム記録装置）と蛍光顕微鏡装置２１と再生装置１５とを備える。記録装置３０は、空間光変調器１２、波長板３２（偏光変換素子）、偏光子アレイ３３（位相変調素子）、および撮像装置１４を備える。観察対象である生体試料３１には、蛍光標識として１種類の蛍光分子が含まれる。

【0070】

空間光変調器１２を通過した蛍光は、波長板３２および偏光子アレイ３３を通過し、撮像装置１４の撮像面１４ａに入射する。空間光変調器１２の働きは、実施形態１と同じである。波面変調光は垂直方向成分の光が波長板３２を通過したものであり、位相変調光は水平方向成分の光が波長板３２を通過したものである。

【0071】

波長板３２は、１／４波長板である。波長板３２は、その遅相軸が垂直方向と水平方向との間になるように配置される。ここでは、遅相軸と水平方向とのなす角は４５°である。空間光変調器１２で波面が変調された第１成分光（垂直方向偏光）は、波長板３２によって、ある回転方向の円偏光（楕円偏光）に変換される。一方、第２成分光（水平方向偏光）は、波長板３２によって、逆回転方向の円偏光に変換される。例えば、第１成分光（波面変調光）は右回りの円偏光であり、第２成分光（位相変調光）は左回りの円偏光である。

【0072】

図１０は、偏光子アレイ３３および撮像面１４ａの関係を示す図である。図１０では、偏光子アレイ３３および撮像面１４ａの一部を拡大して示す。偏光子アレイ３３は、マトリクス状に空間的に周期的に配列された４種類の偏光領域３３ａ・３３ｂ・３３ｃ・３３ｄを含む。偏光領域３３ａは右上がり方向（４５°方向）の偏光成分のみを通過させる。偏光領域３３ｂは水平方向（０°方向）の偏光成分のみを通過させる。偏光領域３３ｃは左上がり方向（−４５°方向）の偏光成分のみを通過させる。偏光領域３３ｄは垂直方向（９０°方向）の偏光成分のみを通過させる。２行×２列の４つの偏光領域３３ａ〜３３ｄを単位として、各偏光領域３３ａ〜３３ｄが周期的に配置されている。各偏光領域３３ａ〜３３ｄが撮像面１４ａの各画素に対応するように、偏光子アレイ３３は撮像面１４ａ上に配置されている。すなわち１つの偏光領域３３ａを通過した光は、１つの画素に入射する。

【0073】

（記録装置３０で記録されるホログラム）
図１１は、各画素における位相シフト量を示す図である。波面変調光の円偏光と位相変調光の円偏光とは、互いに逆向きに回転している。波面変調光および位相変調光が偏光領域３３ａに入射すると、それらの水平方向より４５°方向の偏光成分のみが通過する。例えば、水平方向より４５°の偏光を基準にして、偏光領域３３ａを通過した波面変調光および位相変調光との位相シフト量を０とする。

【0074】

これに対して、波面変調光および位相変調光が偏光領域３３ｂに入射すると、それらの水平方向偏光成分（０°方向の偏光成分）のみが通過する。各偏光領域に入射する波面変調光および位相変調光とは互いに逆方向に回転する円偏光である。そのため、偏光領域３３ａを通過した波面変調光および位相変調光に比べて、例えば、偏光領域３３ｂを通過した波面変調光の成分は位相がπ／４進み、偏光領域３３ｂを通過した位相変調光の成分は位相がπ／４遅れる。すなわち、偏光領域３３ｂを通過すると波面変調光の位相に対して位相変調光の位相がπ／２遅れる。偏光領域３３ｂを通過した波面変調光および位相変調光との位相シフト量はπ／２となる。

【0075】

同様に、偏光領域３３ｃを通過した波面変調光および位相変調光との位相シフト量はπとなる。同様に、偏光領域３３ｄを通過した波面変調光および位相変調光との位相シフト量は３π／２となる。ここでは、水平方向より＋４５°方向の偏光を透過する偏光領域３３ａを通過した波面変調光および位相変調光の位相の関係を基準にし、波面変調光の位相に対する位相変調光の位相の遅れまたは進みを位相シフト量と定義している。

【0076】

４種類の偏光領域３３ａ〜３３ｄに対応して、π／２刻みの４種類の位相シフト量の波面変調光および位相変調光が得られる。なお、４種類の偏光領域３３ａ〜３３ｄは、任意の並びに配置することができる。また、偏光子アレイを、互いに通過させる偏光方向が異なる２種類の偏光領域を有する構成とすることもできる。この場合、２種類の位相シフト量（例えば０、π／２）の波面変調光および位相変調光が得られる。このように、偏光子アレイ３３は、第１成分光（波面変調光）に対する第２成分光（位相変調光）の位相シフト量に、空間的に周期的に変化する分布を生じさせる。

【0077】

各偏光領域３３ａ〜３３ｄを通過した波面変調光および位相変調光は、対応する画素に入射する。波面変調光および位相変調光は、撮像面１４ａで干渉して干渉縞（ホログラム）を形成する。このように、記録装置３０は、位相シフト量の異なる複数のホログラムを記録することができる。再生装置１５は、位相シフト量の異なる複数のホログラムを用いて、並列位相シフト法によって、蛍光標識がされた物質の再生像（１次回折光）を得ることができる。

【0078】

（デジタルホログラフィ装置３の効果）
本実施形態では、デジタルホログラフィ装置３は、蛍光顕微鏡装置２１によって蛍光をホログラムに記録することができる。また、偏光子アレイ３３によって、空間分割多重された複数種類のホログラムを１回の撮像によって（１フレームで）得ることができる。そのため、像再生処理において複数種類のホログラムを用いて所望の再生像を得ることができる。利用者は、その再生像を用いて、複数の蛍光分子の動きを観察することができる。

【0079】

〔実施形態４〕
本実施形態では、試料に含まれる蛍光分子が発する蛍光を観察するデジタルホログラフィ装置のさらに他の実施形態について説明する。

【0080】

（デジタルホログラフィ装置４の構成）
図１２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、記録装置４０（ホログラム記録装置）と蛍光顕微鏡装置２１と再生装置１５とを備える。記録装置４０は、第１空間光変調器４１（波面変調素子）、第２空間光変調器４２（位相変調素子）、レンズ４３・４４、偏光子１３、および撮像装置１４を備える。蛍光顕微鏡装置２１の構成は実施形態３と同様である。

【0081】

第１空間光変調器４１は、反射型の空間光変調器であり、上述の空間光変調器１２と同様の働きをする。すなわち、第１空間光変調器４１は、垂直方向成分の光の波面の曲率を変化させる。

【0082】

第２空間光変調器４２は、反射型の空間光変調器であり、図６に示す波長板アレイ２８または図４に示す偏光分割素子１１と同様の働きをする。すなわち、第２空間光変調器４２は、複数種類のホログラムを空間分割多重するために、水平方向成分の光の位相を、領域毎に異なる変化量で変化させる。

【0083】

レンズ４３およびレンズ４４は結像光学系を構成する。結像光学系は、第２空間光変調器４２において回折または散乱が生じる場合に、第２空間光変調器４２の各画素と撮像装置１４の各画素とを対応付けるため、回折または散乱した光を結像させるものである。偏光子１３の構成は図６または図４に示す偏光子１３と同じである。

【0084】

記録装置４０は、実施形態１または実施形態２と同様に、１回の撮像で複数種類のホログラムを記録することができる。このように、波長板アレイまたは偏光分割素子の代わりに第２空間光変調器４２を用いることもできる。もちろん、空間光変調器は反射型に限らず、透過型であってもよい。

【0085】

〔シミュレーション１〕
本発明の実施形態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。

【0086】

図１３は、本発明の実施形態３に基づくシミュレーションに用いる光学系を示す図である。記録装置３０は、図９に示すものと同じである。被写体は、球形の２つの蛍光源５１ａ・５１ｂである。蛍光源５１ａは記録装置３０から見て手前側に、蛍光源５１ｂは記録装置３０から見て奥側に存在する。ここで、２つの蛍光源５１ａ・５１ｂは、蛍光顕微鏡装置によって拡大された像を仮定したものである。蛍光源５１ａ・５１ｂは、偏光していない干渉性の低い蛍光を出射する。

【0087】

シミュレーションの条件は以下の通りである。蛍光の波長はλ＝５３２ｎｍである。撮像素子の画素数は５１２×５１２（横×縦）、画素ピッチは横方向４μｍ、縦方向４μｍである。蛍光源５１ａ・５１ｂ（拡大された像）の直径はそれぞれ４０μｍである。

【0088】

上記の条件の下、計算機によって、波面変調光と位相変調光とが撮像面１４ａ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。

【0089】

図１４は、被写体の再生像に関して、シミュレーションの結果を示す画像である。なお、比較のために、従来の方法で行ったシミュレーションの結果も示す。

【0090】

図１４の（ａ）は、非特許文献４に記載の方法でシミュレーションを行って得られた、手前側の蛍光源５１ａの再生像を示す画像である。このシミュレーションでは、複数回の撮像で記録した複数のホログラムから再生像を再生した。図１４の（ｄ）は、同じシミュレーションで得られる奥側の蛍光源５１ｂの再生像を示す画像である。この方法では条件を変えて複数回の撮像を行う必要があり、蛍光源５１ａ・５１ｂが動く場合には適さない。

【0091】

図１４の（ｂ）は、非特許文献４に記載の方法で別のシミュレーションを行って得られた、手前側の蛍光源５１ａの再生像を示す画像である。ただし、このシミュレーションでは１回の撮像で記録した１つのホログラムから再生像を再生した。図１４の（ｅ）は、同じシミュレーションで得られる奥側の蛍光源５１ｂの再生像を示す画像である。１つ（１種類）のホログラムからでは不要な像成分（０次回折光および−１次回折光）を除去することができず、不要な像成分がノイズとして残る。

【0092】

図１４の（ｃ）は、本発明の実施形態３の方法でシミュレーションを行って得られた、手前側の蛍光源５１ａの再生像を示す画像である。このシミュレーションでは、１回の撮像で空間分割多重記録した複数種類のホログラムから再生像を再生した。図１４の（ｆ）は、同じシミュレーションで得られる奥側の蛍光源５１ｂの再生像を示す画像である。図１４の（ｂ）（ｃ）（ｅ）（ｆ）の右下に平均二乗誤差を示す。本発明の実施形態によれば、１回の撮像で、ノイズの少ない再生像を得ることができる。動く物体を被写体とする場合、本発明の実施形態で得られる再生像（図１４（ｃ）（ｆ））は、従来の方法で得られる再生像（図１４（ｂ）（ｅ））に比べて、誤差を１／１００程度にすることができる。そのため、記録装置３０は、干渉性の低い蛍光を用いて、動く被写体の精度の高い３次元情報を含むホログラムを記録することができる。

【0093】

〔シミュレーション２〕
本発明の実施形態に基づくホログラムの記録および再生の他のシミュレーション結果について説明する。

【0094】

図１５は、本発明の実施形態１に基づくシミュレーションに用いる光学系を示す図である。記録装置１０ａは、図４に示すものと同じである。被写体は、球形の複数の蛍光源６１である。ここで、複数の蛍光源６１は、蛍光顕微鏡装置によって拡大された像を仮定したものである。シミュレーションの条件はシミュレーション１と同様である。

【0095】

上記の条件の下、計算機によって、波面変調光と位相変調光とが撮像面１４ａ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。

【0096】

図１６は、シミュレーションにおける被写体およびその再生像を示す画像である。図１６の（ａ）は、記録装置１０ａから見た複数の蛍光源６１を示す画像であり、図１６の（ｄ）は、その拡大画像である。図１６の（ｂ）は、記録装置１０ａにおいて記録されるホログラムを示す画像であり、図１６の（ｅ）は、その拡大画像である。図１６の（ｃ）は、本発明の実施形態１の方法でシミュレーションを行って得られた複数の蛍光源６１の再生像を示す画像である。このシミュレーションでは、１回の撮像で空間分割多重記録した複数種類のホログラムから再生像を再生した。シミュレーションの結果から、本発明の実施形態によれば、複数の蛍光源６１の分布を精度よく再生することができることがわかる。そのため、記録装置１０ａは、干渉性の低い蛍光を用いて、動く被写体の精度の高い３次元情報を含むホログラムを記録することができる。

【0097】

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】

【0098】

本発明は、高速３次元ビデオカメラ、蛍光３次元動画像顕微鏡法、蛍光Ｘ線３次元分析装置、他の干渉計測・分析装置等に利用することができる。

【符号の説明】

【0099】

１、１ａ、１ｂ、２、３、４ デジタルホログラフィ装置
１０、１０ａ、１０ｂ、２０、３０、４０ 記録装置（ホログラム記録装置）
１１ 偏光分割素子（位相変調素子）
１２ 空間光変調器（波面変調素子）
１３ 偏光子（偏光変換素子）
１４ 撮像装置
１４ａ、２９ａ 撮像面
１５ 再生装置
１７ 空間フィルタ
２１ 蛍光顕微鏡装置
２２ 光源
２３ 波長フィルタ
２４ ビーム分割素子
２５ 顕微鏡対物レンズ
２６、３１ 生体試料
２８ 波長板アレイ（位相変調素子）
２８ａ・２８ｂ 位相変調領域
２９ カラー撮像装置
３２ 波長板（偏光変換素子）
３３ 偏光子アレイ（位相変調素子）
３３ａ・３３ｂ・３３ｃ・３３ｄ 偏光領域
４１ 第１空間光変調器（波面変調素子）
４２ 第２空間光変調器（位相変調素子）
５１ａ・５１ｂ、６１ 蛍光源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】