特開 2024-178785 ホログラム記録方法、ホログラム再生方法およびホログラフィ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024178785

(43)【公開日】2024-12-25

(54)【発明の名称】ホログラム記録方法、ホログラム再生方法およびホログラフィ装置

(51)【国際特許分類】

   G03H 1/04 20060101AFI20241218BHJP

   G02F 1/13 20060101ALI20241218BHJP

【ＦＩ】

G03H1/04

G02F1/13 505

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023097200

(22)【出願日】2023-06-13

【新規性喪失の例外の表示】新規性喪失の例外適用申請有り

(71)【出願人】

【識別番号】304021831

【氏名又は名称】国立大学法人千葉大学

(74)【代理人】

【識別番号】100098729

【弁理士】

【氏名又は名称】重信 和男

(74)【代理人】

【識別番号】100204467

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 好文

(74)【代理人】

【識別番号】100148161

【弁理士】

【氏名又は名称】秋庭 英樹

(74)【代理人】

【識別番号】100195833

【弁理士】

【氏名又は名称】林 道広

(72)【発明者】

【氏名】角江 崇

(72)【発明者】

【氏名】植山 恭帆

(72)【発明者】

【氏名】下馬場 朋禄

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 智義

【テーマコード（参考）】

2H088

2K008

【Ｆターム（参考）】

2H088EA37

2H088EA42

2H088EA47

2H088EA48

2H088HA11

2H088HA18

2H088HA20

2H088HA21

2H088HA24

2H088HA28

2H088MA10

2K008AA06

2K008BB06

2K008EE01

2K008HH01

(57)【要約】

【課題】インコヒーレント光を利用して簡単な方法でホログラムの多重記録、再生を可能とするホログラム記録方法、ホログラム再生方法およびホログラフィ装置を提供する。
【解決手段】インコヒーレント光によるホログラム記録方法であって、イメージセンサによる１回の撮影において、光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、１枚のホログラムの異なる位置に複数の干渉縞を空間分割して記録する。
【選択図】図１９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インコヒーレント光によるホログラム記録方法であって、
イメージセンサによる１回の撮影において、光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、１枚のホログラムの異なる位置に複数の干渉縞を空間分割して記録することを特徴とするホログラム記録方法。

【請求項2】

前記位相変調パターンのみを平行移動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方法。

【請求項3】

液晶型の位相変調手段上における表示を切り替えることにより、前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴とする請求項２に記載のホログラム記録方法。

【請求項4】

前記ホログラムに記録された干渉縞に重ならない位置に、次の干渉縞が配置されるように前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴とする請求項２または３に記載のホログラム記録方法。

【請求項5】

インコヒーレント光によるホログラム記録方法により、イメージセンサによる１回の撮影において、光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、１枚のホログラムの異なる位置に空間分割して記録された複数の干渉縞から再生像を再生するホログラム再生方法であり、
前記ホログラムの画素値から全ての画素値の平均を引くとともに、前記ホログラムにおいて干渉縞のある部分を切り取り再生することを特徴とするホログラム再生方法。

【請求項6】

前記ホログラムに空間分割して記録された干渉縞の位置に応じて前記再生像を平行移動させることを特徴とする請求項５に記載のホログラム再生方法。

【請求項7】

インコヒーレント光による自己干渉を可能とする光学系と、前記自己干渉により形成される干渉縞を有するホログラムを記録するイメージセンサと、を備えるホログラフィ装置であって、
前記光学系の中心光軸に対して位相変調パターンを平行移動させる位相変調手段を有していることを特徴とするホログラフィ装置。

【請求項8】

液晶型の前記位相変調手段上における表示を切り替えることにより、前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴とする請求項７に記載のホログラフィ装置。

【請求項9】

前記位相変調手段は、前記イメージセンサに記録された干渉縞に重ならない位置に、次の干渉縞が配置されるように前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴とする請求項７または８に記載のホログラフィ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、インコヒーレント光によるホログラム記録方法、ホログラム再生方法およびホログラフィ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ホログラフィとは、光の干渉現象を利用して３次元物体からの光波をホログラムに記録・再生する技術である。従来、ホログラムを記録する際、光波の干渉性を高めるためにコヒーレント光が用いられてきたが、レーザ等のコヒーレント光を発するコヒーレント光源は高価であるばかりか、コヒーレント光を用いてイメージセンサ上で撮影されたホログラムから計算機内で再生像を再生するデジタルホログラフィにおいては、コヒーレント光の干渉性の高さから再生像にスペックルと呼ばれる斑点状のノイズが発生し、撮影対象が大きく制限されてしまうという問題がある。

【0003】

そこで、近年、撮影対象の制限をなくすために、ＬＥＤやハロゲンランプ等の安価なインコヒーレント光源を用いて、インコヒーレント光の自己干渉を利用することによりイメージセンサ上でホログラムを撮影し、当該ホログラムから計算機内で再生像を再生するインコヒーレントデジタルホログラフィの研究が進められている。

【0004】

特許文献１に示されるように、インコヒーレントデジタルホログラフィにおいては、再生像の画質を向上させるために、再生像から直接光や共役光といった不要光を除去する技術である位相シフト法が確立されている。詳しくは、特許文献１のデジタルホログラフィ装置では、単一光路において直交する２つの方向成分のうち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、当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ている。詳しくは、例えば偏光子アレイを用いてイメージセンサに入射する物体光の一部である波面変調光に対する位相変調光の位相シフト量に空間的かつ周期的に変化する分布を生じさせ、イメージセンサにおける撮像面の画素毎に位相シフト量の異なる複数の干渉縞を有するホログラムを記録し、再生装置において、並列位相シフト法により位相シフト量の異なる複数の干渉縞を用いて再生像を得ることができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１５－１７２６号公報（第１３頁～第１４頁、第９図～第１１図）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１のデジタルホログラフィ装置においては、単一光路を用いてイメージセンサによる１回の撮影において、位相シフト量が異なる複数種類の干渉縞を空間分割多重記録することができるため、イメージセンサを用いて３次元物体情報を含むホログラムを動画撮影することが可能であるが、偏光子アレイの各偏光領域を撮像面の各画素に対応させる必要があり、光学系の設計に非常に高い精度が求められるという問題があった。加えて、特許文献１のデジタルホログラフィ装置においては、位相シフト量が異なる複数種類の干渉縞が重畳した状態で記録されたホログラムから再生像を再生するため、多数の干渉縞を処理する場合にはその計算時間が膨大となってしまうという問題もあった。

【0007】

本発明は、このような課題に着目してなされたもので、インコヒーレント光を利用して簡単な方法でホログラムの多重記録、再生を可能とするホログラム記録方法、ホログラム再生方法およびホログラフィ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

前記課題を解決するために、本発明のホログラム記録方法は、
インコヒーレント光によるホログラム記録方法であって、
イメージセンサによる１回の撮影において、光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、１枚のホログラムの異なる位置に複数の干渉縞を空間分割して記録することを特徴としている。
この特徴によれば、イメージセンサによる１回の撮影において、光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、相関性を持たせた状態で干渉縞を平行移動させることでき、簡単に１枚のホログラムに複数の干渉縞を空間分割して記録することができる。そのため、イメージセンサの性能を超える速度でのインコヒーレント光によるホログラムの高速撮影が可能となる。

【0009】

前記位相変調パターンのみを平行移動させることを特徴としている。
この特徴によれば、位相変調パターンを平行移動させることにより、干渉縞を高精度で平行移動させることができる。

【0010】

液晶型の位相変調手段上における表示を切り替えることにより、前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴としている。
この特徴によれば、液晶型の位相変調手段上に表示される位相変調パターンの切り替えにより位相変調パターンを高速かつ高精度に平行移動させることができる。

【0011】

前記ホログラムに記録された干渉縞に重ならない位置に、次の干渉縞が配置されるように前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴としている。
この特徴によれば、再生像の形成に必要な干渉縞を保護しながら、１枚のホログラムにより多くの干渉縞を空間分割して記録することができる。

【0012】

本発明のホログラム再生方法は、
インコヒーレント光によるホログラム記録方法により、イメージセンサによる１回の撮影において、光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、１枚のホログラムの異なる位置に空間分割して記録された複数の干渉縞から再生像を再生するホログラム再生方法であり、
前記ホログラムの画素値から全ての画素値の平均を引くとともに、前記ホログラムにおいて干渉縞のある部分を切り取り再生することを特徴としている。
この特徴によれば、ホログラムにおける直接光成分を低減して干渉縞のコントラストを強められるとともに、ホログラムにおけるノイズ成分を効率的に除去することができる。

【0013】

前記ホログラムに空間分割して記録された干渉縞の位置に応じて前記再生像を平行移動させることを特徴としている。
この特徴によれば、１枚のホログラムに干渉縞が平行移動されて記録されることによって生じる再生像の位置ずれを補正することができる。

【0014】

本発明のホログラフィ装置は、
インコヒーレント光による自己干渉を可能とする光学系と、前記自己干渉により形成される干渉縞を記録するイメージセンサと、を備えるホログラフィ装置であって、
前記光学系の中心光軸に対して位相変調パターンを平行移動させる位相変調手段を有していることを特徴としている。
この特徴によれば、イメージセンサによる１回の撮影において、光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、相関性を持たせた状態で干渉縞を平行移動させることでき、簡単に１枚のホログラムに複数の干渉縞を空間分割して記録することができる。そのため、イメージセンサの性能を超える速度でのインコヒーレント光によるホログラムの高速撮影が可能となる。

【0015】

液晶型の前記位相変調手段上における表示を切り替えることにより、前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴としている。
この特徴によれば、液晶型の位相変調手段上に表示される位相変調パターンの切り替えにより位相変調パターンを高速かつ高精度に平行移動させることができる。

【0016】

前記位相変調手段は、前記イメージセンサに記録された干渉縞に重ならない位置に、次の干渉縞が配置されるように前記位相変調パターンを平行移動させることを特徴としている。
この特徴によれば、再生像の形成に必要な干渉縞を保護しながら、１枚のホログラムにより多くの干渉縞を空間分割して記録することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態におけるＦＩＳＣＨを使用した光学系によるホログラフィ装置を示す概略図である。

【図2】インコヒーレント光の自己干渉による干渉縞の発生原理を示す図である。

【図3】インコヒーレントデジタルホログラフィにおける再生光学系の概略図である。

【図4】（ａ）は、実施例における検証実験に使用したピンホールであり、（ｂ）は、同じく解像力テストチャートである。

【図5】（ａ）は、ピンホールの撮影により得られたホログラムであり、（ｂ）は、（ａ）のホログラムにおいて干渉縞が現れている枠部分を拡大した図であり、（ｃ）は、（ａ）のホログラムに対してフーリエ変換を行って再生された再生像である。

【図6】（ａ）は、解像力テストチャートの撮影により得られたホログラムであり、（ｂ）は、（ａ）のホログラムにおいて干渉縞が現れている枠部分を拡大した図であり、（ｃ）は、（ａ）のホログラムに対してフーリエ変換を行って再生された再生像である。

【図7】点光源からの光波の伝搬を簡略化して示す図である。

【図8】（ａ）～（ｄ）は、ピンホールを撮影したホログラムの再生において画質向上処理を行った結果を示す図である。

【図9】（ａ）～（ｄ）は、解像力テストチャートを撮影したホログラムの再生において画質向上処理を行った結果を示す図である。

【図10】図９（ａ）～（ｄ）における直線で示される画素列の画素値分布をグラフ化した図である。

【図11】光学系の中心光軸に対して位相変調パターンを平行移動させたときの光波の伝搬を簡略化して示す図である。

【図12】撮影対象として使用したＯＨＰシートを示す図である。

【図13】（ａ）は、検証に使用した位相変調パターンの平行移動前の位相分布を示す図であり、（ｂ）は、平行移動後の位相分布を示す図である。

【図14】（ａ）は、位相変調パターンを平行移動させない場合のホログラムであり、（ｂ）は、（ａ）のホログラムにおいて干渉縞が現れている枠部分を拡大した図であり、（ｃ）は、（ａ）のホログラムから再生された再生像である。

【図15】（ａ）は、位相変調パターンを平行移動させた場合のホログラムであり、（ｂ）は、（ａ）のホログラムにおいて干渉縞が現れている枠部分を拡大した図であり、（ｃ）は、（ａ）のホログラムから再生された再生像である。

【図16】図１４（ｃ）における直線（１）部分、図１５（ｃ）における直線（３）部分の画素列の画素値分布をグラフ化した図である。

【図17】図１４（ｃ）における直線（２）部分、図１５（ｃ）における直線（４）部分の画素列の画素値分布をグラフ化した図である。

【図18】インコヒーレント光を使用したホログラムの空間分割多重記録の検証におけるＳＬＭ上に表示される位相変調パターンの制御の一例を示す図である。

【図19】（ａ）は、位相変調パターンを平行移動させた場合のホログラムであり、（ｂ）は、（ａ）のホログラムにおける干渉縞（１）から再生された再生像であり、（ｃ）は、（ａ）のホログラムにおける干渉縞（２）から再生された再生像である。

【図20】図１９（ｂ）における直線（１）部分、図１９（ｃ）における直線（３）部分の画素列の画素値分布をグラフ化した図である。

【図21】図１９（ｂ）における直線（２）部分、図１９（ｃ）における直線（４）部分の画素列の画素値分布をグラフ化した図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

発明者らは、試行錯誤の研究の末、インコヒーレント光による自己干渉を可能とする光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、相関性を持たせた状態で干渉縞を平行移動させることできるという知見を得た。そして、この知見を基に、イメージセンサによる１回の撮影において、インコヒーレント光による自己干渉を可能とする光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させ、１枚のホログラムの異なる位置に複数の干渉縞を空間分割して記録することにより、１回の撮影で１枚のホログラムに従来の複数回分の撮影で得られていた干渉縞を持たせることができ、さらにはイメージセンサの性能を超える速度でのインコヒーレント光によるホログラムの高速撮影を行うことが可能となった。

【0019】

以下、本発明の実施形態について説明する。ただし、本発明は多くの異なる形態により実施することが可能であり、以下に示す実施形態や実施例の例示に限定されるものではない。

【0020】

本実施形態においては、白熱電球、ＬＥＤ、ハロゲンランプ、蛍光灯等の光源から発せられるインコヒーレント光を用いたイメージセンサによる１回の撮影で、インコヒーレント光による自己干渉を利用して物体光、直接光、共役光を分離して撮影が可能なフーリエインコヒーレントシングルチャネルホログラフィ（ＦＩＳＣＨ）を使用した光学系（図１参照）を利用する。なお、「自己干渉」とは、同じ光源から発せられた光波の光路差が短いという特徴を活かして光波を干渉させることである。

【0021】

また、本実施形態において、ホログラム（干渉縞）の記録に使用される光学系は、インコヒーレント光による自己干渉を可能とするものであれば、ＦＩＳＣＨを使用した光学系に限らず、例えばフレネルインコヒーレント自己相関ホログラフィ（ＦＩＮＣＨ）や符号化開口相関ホログラフィ（ＣＯＡＣＨ）等の他の技術を使用した光学系であってもよい。

【0022】

ここで、インコヒーレント光の自己干渉による干渉縞の発生原理について、図２を用いて説明する。図２に示されるように、撮影対象となる物体（被写体）を点光源の集合と考えたとき、まず、点光源から発せられた球面波は第１偏光子を通過することにより偏光方向が揃えられた後、複屈折素子へと入射する。複屈折素子の進相軸と遅相軸は、ｓ偏光成分（実線矢印参照）とｐ偏光成分（点線矢印参照）に対してそれぞれ平行になるように配置されており、第１偏光子を通過することで偏光方向が揃えられた光波１，２が複屈折素子を通過することにより、ｓ偏光成分とｐ偏光成分との間で位相差が生じ、偏光方向の直交する２つの光波１，２に分離される。このとき、分離された２つの光波１，２は、偏光方向が直交しているため、両者の間で干渉は起こらないが、第２偏光子を通過することにより偏光方向が揃えられた結果、自己干渉が起こりイメージセンサ上で干渉縞が形成される。なお、図２における第１偏光子および第２偏光子の透過軸は、複屈折素子の進相軸と遅相軸のそれぞれに対して４５度傾いた状態である。

【0023】

なお、インコヒーレント光の場合、異なる点光源から発せられた光波同士では干渉縞が形成されず、同じ点光源から発せられた光波のみで自己干渉が起こり、干渉縞が形成される。すなわち、イメージセンサ上では、各点光源から発せられた光波によりそれぞれ干渉縞が形成され、それらを足し合わせたものがホログラムとして記録される。

【0024】

本実施形態におけるホログラフィ装置について、図１を用いて説明する。図１に示されるように、ホログラフィ装置は、ＦＩＳＣＨを使用した光学系を利用しており、インコヒーレント光を発する白色光源と、被写体としての透過型撮影対象と、特定波長のみを透過させるバンドパスフィルタと、第１偏光子と、レンズＬ_０と、位相変調手段としての空間位相変調器（ＳＬＭ）と、ミラーと、ビームスプリッタと、２つのレンズＬ_２と、第２偏光子と、ホログラム（干渉縞）を記録するイメージセンサと、から主に構成されている。なお、２枚のレンズＬ_２は、後述する焦点距離ｆ_２が同一のレンズである。また、本実施形態においては、ＳＬＭが図２の複屈折素子と同じ機能を奏する。

【0025】

本実施形態における位相変調手段は、ＳＬＭや液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）のような電気的制御が可能な液晶型を用いることで、焦点距離に応じた位相変調パターンの構成に容易に変更可能であることに加え、位相変調手段上における位相変調パターンの表示を切り替えることにより、光学系における中心光軸に対して位相変調パターンを高速かつ高精度で平行移動させることができる。また、位相変調手段上における位相変調パターンの表示の切り替えにより位相変調パターンを平行移動させることができるため、位相変調手段を機械的に平行移動させる必要がなく、ホログラフィ装置を簡素に構成することができる。

【0026】

本実施形態においては、ＦＩＳＣＨを使用した光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、相関性を持たせた状態で干渉縞を平行移動させることできる。なお、被写体を平行移動させた場合、被写体の移動距離が僅かであっても干渉縞の移動距離が大きくなってしまい制御が難しいのに対し、位相変調パターンを平行移動させた場合、位相変調パターンの移動距離と干渉縞の移動距離が略同じになる。このことから、位相変調パターンのみを平行移動させることにより、干渉縞が現れる位置の制御性を向上させることができる。

【0027】

また、インコヒーレント光による自己干渉を利用する場合、イメージセンサ上での干渉縞の形成が難しいことから、光学系の中心光軸を可能な限り合わせておくことが好ましい。光学系の中心光軸を合わせる手順の一例としては、まず、ＳＬＭとミラーのみを配置した状態で水平に調整したレーザ光源をＳＬＭに入射させ、ＳＬＭとミラーの角度を調整するとともに、照射されるレーザを光学系の中心光軸として設定する。次に、ビームスプリッタを配置してＳＬＭからイメージセンサまでの光路を確保し、焦点距離に応じて各レンズを配置し、レンズの中心に光学系の中心光軸として設定したレーザが通過するように位置を調整する。最後に、第１偏光子、第２偏光子、バンドパスフィルタ、透過型撮影対象（被写体）、白色光源を配置する。

【0028】

また、図１に示されるように、光学系を構成する各素子の位置関係、詳しくは透過型撮影対象とレンズＬ_０の距離ｚ_ｓ、レンズＬ_０の焦点距離ｆ_０、ＳＬＭに表示されたフレネルレンズＬ_１（位相変調パターン）の焦点距離ｆ_１、レンズＬ_２の焦点距離ｆ_２、レンズＬ_０とＳＬＭまでの距離ｄ_０、レンズＬ_２とイメージセンサまでの距離ｄ_２は、所定の位置関係となるように配置する。なお、図１においては、透過型撮影対象がｚ_ｓ＝ｆ_０の位置関係となるように配置されている。

【0029】

次いで、ホログラフィ装置における光波の伝搬について、図１を用いて説明する。図１に示されるように、ホログラフィ装置において、白色光源から発せられた光波は、透過型撮影対象を透過した後、バンドパスフィルタを通過することにより、特定波長のみが透過され光波の単色性が高められ、さらに第１偏光子を通過することにより、偏光方向が揃えられる。偏光方向が揃えられた光波は、レンズＬ_０を通過する際に位相が変化する。なお、レンズＬ_０は、凸レンズであり、その位相変換作用により平面波の入射光が所定の焦点距離の位置に集光されＳＬＭに入射する。ＳＬＭに入射した光波は、偏光方向によって２つの光波に分離される。詳しくは、ＳＬＭに所定の焦点距離の位相変調パターンを表示しておくことにより、ＳＬＭはｓ偏光の光波に対してはフレネルレンズとして、ｐ偏光の光波にはミラー（平面鏡）として作用する（図１右下の「ＳＬＭでの変調」を参照）。ＳＬＭで変調されたｓ偏光の光波と、ＳＬＭで変調されなかったｐ偏光の光波は、適切な角度で配置されたミラーに反射され再びＳＬＭに入射する。そして、２つの光波は、ビームスプリッタにより確保されたイメージセンサまでの光路においてレンズＬ_２、第２偏光子、レンズＬ_２の順に通過してイメージセンサに達し、イメージセンサ上において自己干渉により干渉縞を形成する。

【0030】

ここで、後述する実施例のように１ｍｍ×１．５ｍｍのサイズの撮影対象（図４（ｂ）および図１２参照）について、コヒーレント光を利用してイメージセンサに干渉縞を記録した場合、干渉縞がホログラム全体に現れるのに対し、本実施形態のように、インコヒーレント光による自己干渉を利用してイメージセンサに干渉縞を記録した場合、干渉縞はホログラムの一部分にしか現れない（図５～図７等を参照）。すなわち、本実施形態のように、インコヒーレント光による自己干渉を利用してイメージセンサに干渉縞を記録した場合、コヒーレント光を利用してイメージセンサに干渉縞を記録した場合と比べて、ホログラムに干渉縞が小さいサイズで記録される。また、撮影対象の情報は、干渉縞として記録されることから、ホログラムの干渉縞以外の部分は再生像におけるノイズの原因となる。また、発明者らにより、位相変調パターンを平行移動させたとき、ホログラムの干渉縞が僅かに変化することが確認されている。

【0031】

これらのことから、インコヒーレント光による自己干渉を利用して１枚のホログラムの異なる位置に複数の干渉縞を空間分割して記録する際には、ホログラムに先に記録された干渉縞に重ならない位置に、次の干渉縞が配置されるように平行移動させることにより、再生像の形成に必要な干渉縞を保護しながら、１枚のホログラムにより多くの干渉縞を空間分割して記録することができる。このように、本実施形態においては、インコヒーレント光による自己干渉を利用したときの干渉縞の特性を利用することにより、１枚のホログラムの異なる位置に複数の干渉縞を空間分割して重なりなく記録しやすくなっている。

【0032】

次いで、本実施形態におけるホログラム記録方法により得られたホログラムの再生方法について説明する。

【0033】

ＦＩＳＣＨを使用した光学系により記録されたホログラムは、単に全ての点光源による寄与の総和であると考えられ、物体光が逆フーリエ変換された形で含まれていることから、ホログラムの再生にはフーリエ変換を行う必要がある。フーリエ変換を行うため、再生像には物体像の他に、物体像と同じ共役像が点対称の位置に現れ、直接光成分は画像の中心に現れるため、物体光の成分と分離可能であり、直接光による画質の低下が抑制できる。なお、本実施形態のように、ホログラフィ装置における透過型撮影対象とレンズＬ_０の距離ｚ_ｓとレンズＬ_０の焦点距離ｆ_０が同じ平面（ｚ_ｓ＝ｆ_０）に対してはフーリエ変換をするだけで再生像が得られるが、ｚ_ｓ≠ｆ_０の場合には、透過型撮影対象とレンズＬ_０の距離ｚ_ｓでの回折積分を用いることによって再生像が得られる。

【0034】

図３に示されるように、インコヒーレントデジタルホログラフィにおける再生光学系では、レンズＬ_ｒのフーリエ変換作用を利用して再生像を得ている。レンズＬ_ｒのフーリエ変換作用とは、前側焦点面における光波の分布をフーリエ変換したものが後側焦点面における光波の分布として現れることである。また、図３は、焦点面から距離ｚ_ｒの位置に物体像と共役像のそれぞれが点対称に現れることを示している。これらのことから、再生面を調節したい場合には、角スペクトル法を用いて適切にホログラムからの再生光の伝搬計算を行うことにより、任意の位置における再生像が得られる。

【0035】

また、本実施形態においては、ホログラム再生方法として、インコヒーレント光による自己干渉を利用したホログラム記録方法により、１枚のホログラムの異なる位置に空間分割して記録された複数の干渉縞から再生される再生像の画質を向上させるために、ホログラムの画素値から全ての画素値の平均を引くとともに、ホログラムにおいて干渉縞のある部分のみを切り取り再生を行う。これにより、ホログラムにおける直接光成分を低減して干渉縞のコントラストを強められるとともに、ホログラムにおけるノイズ成分を効率的に除去することができる。

【0036】

また、本実施形態においては、ホログラム再生方法として、１枚のホログラムに記録された複数の干渉縞から再生される再生像は、干渉縞を平行移動させた距離に応じて平行移動することから、ホログラムに空間分割して記録された干渉縞の位置に応じて再生像を平行移動させることにより、再生像の位置ずれを補正して基準となる位置に再生することができる。

【実施例0037】

ここで、上記実施形態に係る実施例のホログラフィ装置について、以下具体的に説明する。

【0038】

本実施例におけるＦＩＳＣＨを使用した光学系（図１参照）を構成する各素子の位置関係を表１に示す。

【0039】

【表1】

【0040】

本実施例における光学系に使用したＳＬＭ（ＨＯＬＯＥＹＥ社製 ＰＬＵＴＯ－２．１ ＳＬＭ）は、画素数１９２０×１０８０、画素間隔８．００μｍである。また、本実施例における光学系に使用したイメージセンサ（Ｂａｕｍｅｒ社製 ＴＸＧ５０）は、画素数２４４８×２０５０、画素間隔３．４５μｍである。また、本実施例における光学系に使用したバンドパスフィルタＡ（Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ社製 蛍光用ＢＰＦ８６３６５）は、中心透過波長５２５ｎｍ、バンド幅１５ｎｍであり、バンドパスフィルタＢ（Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ社製 蛍光用ＢＰＦ８６９９５）は、中心透過波長６４０ｎｍ、バンド幅１４ｎｍである。また、白色光源としては、ケイエイブル社製のＬＵＸＹＲ－ＬＥＤ ＰＩＣＯを使用した。

【0041】

［検証実験］
まず、本実施例における光学系を使用して、図４（ａ）に示されるピンホール（ピンホール径０．３ｍｍ）および図４（ｂ）に示される解像力テストチャート（Ｅｄｍｕｎｄ Ｏｐｔｉｃｓ社製 ＮｅｇａｔｉｖｅＮＢＳ １９６３Ａ）を撮影対象として撮影を行い、ＦＩＳＣＨを使用した光学系を用いた撮影が可能であるか検証を行う。詳しくは、ピンホールを撮影することにより、撮影対象が最も基本的な１つの点光源であった場合のホログラムを記録できるか検証を行う。また、解像力テストチャート上の１ｍｍ×１．５ｍｍのサイズの文字「６」を撮影することにより、撮影対象が点光源の集合とみなせる場合のホログラムを記録できるか検証を行う。

【0042】

なお、本実施例においては、ピンホールの撮影にはバンドパスフィルタＡ、解像力テストチャートの撮影にはバンドパスフィルタＢを使用して撮影を行った。また、撮影対象はレンズＬ_０の焦点距離ｆ_０の位置に配置した。

【0043】

図５（ａ）のホログラムおよびその拡大図である図５（ｂ）に示されるように、ピンホールの撮影により得られたホログラムの一部分に干渉縞が小さいサイズで現れていることが確認できる。また、図５（ｃ）の再生像に示されるように、再生像には輝点が２つ現れていることが確認できる。なお、本実施例においては、ホログラムから再生像を得るためのフーリエ変換後、中心の直接光による画素値が大きすぎて物体像が見えないことがあったため、物体像が見えるように閾値を設定し、閾値以上の画素値は全て閾値に揃える処理をした後、再生像の再生を行っている。

【0044】

ここで、ＦＩＳＣＨを使用した光学系における点光源からの光波の伝搬について説明する。図７に示されるように、レンズＬ_０の焦点面に置かれた点光源から出た光波は、レンズＬ_０により平行光となった後、ＳＬＭに入射することにより偏光方向によって２つの光波に分離される。その後、ミラーで反射された２つの光波は、再びＳＬＭに入射することで変調されて平行光となり、ＳＬＭからイメージセンサまでの光路に配置される２つのレンズＬ_２をそれぞれ通過することにより、最終的には平行光として異なる角度でイメージセンサ上に入射して干渉縞を形成する。また、２つの光波は、イメージセンサのセンサ面に対して０度以外の入射角度でそれぞれ入射し、いわゆるオフアクシスホログラムのような状態となることによって、物体光を直接光、共役光から分離して再生することができるものと推測される。また、イメージセンサ上に干渉縞ができる範囲は、イメージセンサ上で２つの光波が重なっている領域面に限定される。さらに、２つの光波の光路長差が使用した光源のコヒーレンス長を超えない範囲で干渉が起きるという条件もあるため、光路長差が最も小さくなる場所を中心として、図５（ｂ）に示されるように、円形の範囲（点線部分参照）のみ一部分に点光源の干渉縞が小さいサイズで現れたものと推測される。

【0045】

図６（ａ），（ｂ）に示されるように、解像力テストチャートの撮影により得られたホログラムには、上述したピンホールの撮影と同様に、ホログラムの一部分に干渉縞が小さいサイズで現れていることが確認できる。撮影対象である解像力テストチャートの文字「６」が点光源の集合であると考えると、ホログラムは点光源の位置に応じた干渉縞の重ね合わせであると考えられるため、ピンホールの撮影において現れた干渉縞（図５（ｂ）参照）よりも広範囲に干渉縞が現れている。また、図６（ｃ）に示されるように、再生時にフーリエ変換を行うため、再生像には物体像と同じ共役像が点対称の位置に現れ、直接光成分が中心に現れていることが確認できる。

【0046】

［再生像の画質向上処理］
上述した検証実験において、記録されたホログラムでは干渉縞が一部分にしか現れていなかった。撮影対象の情報は干渉縞として記録されるため、干渉縞以外の部分は再生像のノイズの原因となる。また、インコヒーレント光の自己干渉を利用する場合には、イメージセンサ上で光強度が低くなるため、干渉縞のコントラストが弱まってしまう。これらの問題を解決し、再生像の画質を向上させるために、上述した検証実験により得られたホログラムに対し、イメージセンサに記録されたホログラムの画素値からすべての画素値の平均値を引く処理（以下、「画質向上処理Ａ」という。）を行うとともに、干渉縞のある部分のみを切り取る処理（以下、「画質向上処理Ｂ」という。）を行った。

【0047】

図８（ｂ）および図９（ｂ）に示されるように、画質向上処理Ａのみを行った再生像は、処理なしの再生像（図８（ａ）および図９（ａ）参照）と比べて、ノイズおよび中心の直接光が低減できていることが確認できる。これは、画質向上処理Ａを行うことにより、ホログラム上の直接光成分が小さくなり、干渉縞のコントラストが強まったためであると推測される。

【0048】

図８（ｃ）および図９（ｃ）に示されるように、画質向上処理Ｂのみを行った再生像は、処理なしの再生像と比べて、ノイズが除去できており、特に中心から同心円状に広がっていたノイズが大幅に除去できていることが確認できる。これは、画質向上処理Ｂを行うことにより、ホログラムにおいてノイズの原因となっていた干渉縞以外の部分が除去され、再生像の画質が向上されたためであると推測される。

【0049】

さらに、図８（ｄ）および図９（ｄ）に示されるように、画質向上処理Ａ，Ｂの両方を行った再生像は、ノイズが除去された上に、物体光成分をよりはっきりと再生できていることが確認できる。

【0050】

ここで、再生像の画質について評価を行うため、図９（ａ）～（ｄ）における直線で示した部分における画素列の画素値分布をグラフ化した結果を図１０に示す。図１０に示されるように、処理なしの再生像（図９（ａ）参照）と画質向上処理Ａのみを行った再生像（図９（ｂ）参照）を比較すると、ノイズを低減できている部分もあるが、逆にノイズが大きくなってしまっている部分もあることが確認できる。これは、画質向上処理Ａにより干渉縞のコントラストが強くなるとともに、ノイズのコントラストも強くなったためであると推測される。

【0051】

また、処理なしの再生像（図９（ａ）参照）と画質向上処理Ｂのみを行った再生像（図９（ｃ）参照）を比較すると、ノイズの低減が画素値の変化として現れていることが確認できる。

【0052】

さらに、画質向上処理Ｂのみを行った再生像（図９（ｃ）参照）と画質向上処理Ａ，Ｂの両方を行った再生像（図９（ｄ）参照）を比較すると、物体光の表れている画素の画素値が大きくなり、コントラストが強くなっていることが確認できる。これらのことから、本実施例のＦＩＳＣＨを使用した光学系により撮影したホログラムに対して画質向上処理Ａ，Ｂの両方を行うことにより、再生像上の直接光やノイズを低減して、効果的に画質を向上させることができる。

【0053】

［ＦＩＳＣＨを用いたホログラムの空間分割多重記録］
本実施例のＦＩＳＣＨを使用した光学系では、光波を２つに分けるためにＳＬＭを使用しているため、ＳＬＭ上に表示される位相変調パターン（フレネルレンズパターン）をシフトさせる、すなわち光学系の中心光軸に対して位相変調パターンを平行移動させることにより、ホログラムの干渉縞を平行移動させて、インコヒーレント光を用いたホログラムの空間分割多重記録を行う。

【0054】

図１１に示されるように、ＳＬＭ上で変調されていない光波（点線矢印参照）は、位相変調パターンを平行移動する前と後で、同じ光路をたどることが確認できる。一方、ＳＬＭ上で変調された光波（実線矢印参照）と平行移動したフレネルレンズ（位相変調パターン）によって変調された光波（鎖線矢印参照）は、イメージセンサに対して光軸が平行移動していることが確認できる。その結果、干渉縞が現れる位置がイメージセンサ上で平行移動される。位相変調パターンの平行移動距離に対して、干渉縞がどの程度平行移動するかは、光学系を構成する各素子の位置関係や撮影対象の位置によって変化する。

【0055】

ＳＬＭ上に表示される位相変調パターンを平行移動させることで、干渉縞をホログラム上の任意の場所に平行移動できることを検証するため、上述した検証実験と同じＦＩＳＣＨを使用した光学系を使用したホログラフィ装置を用いて、図１２に示される「Ｔ」を印字したＯＨＰシートを撮影対象として、上述したバンドパスフィルタＢを使用して撮影を行った。また、ＳＬＭ上に表示される平行移動後の位相変調パターンは、図１３（ｂ）に示されるように、図１３（ａ）の位置から４８０画素左に平行移動したものを使用している。なお、ＳＬＭ上での４８０画素は、ＳＬＭの画素間隔が８．００μｍであることから、平行移動距離は８．００μｍ×４８０＝３．８４ｍｍである。

【0056】

図１４（ａ），（ｂ）と図１５（ａ），（ｂ）を比べると、ＳＬＭ上に表示される位相変調パターンを平行移動させたことにより、干渉縞のできる位置も平行移動していることが確認できる。なお、イメージセンサの画素間隔が３．４５μｍであり、干渉縞の位置が約１０００画素だけ平行移動していることから距離にして、約３．４５ｍｍの平行移動が行われていることとなる。すなわち、本実施例において、ＳＬＭ上に表示される位相変調パターンの平行移動距離とホログラム上における干渉縞の移動距離との差は約０．３９ｍｍと小さいことが確認できる。

【0057】

図１４（ｃ）および図１５（ｃ）に示されるように、再生像には画質に略差がない。なお、再生像の再生においては、上述した画質向上処理Ａ，Ｂの両方を行っている。

【0058】

また、図１６の直線（１），（３）の画素値分布のピークの画素は略同じであるのに対し、図１７の直線（２）の画素値分布のピークの画素に比べ、直線（４）の画素値分布のピークの画素は、左に２５画素程度平行移動している、すなわち再生像が左右方向に平行移動していることが確認できる。これは、ＳＬＭ上に表示される位相変調パターンが平行移動したことによって、レンズと撮影対象の位置関係が変化したためであると推測される。

【0059】

これらのことから、ＳＬＭ上に表示される位相変調パターンを平行移動させることにより、再生像の画質に略影響なく、ホログラム上において干渉縞を平行移動可能であることが確認できた。また、本実施例の手法により撮影した場合、干渉縞を平行移動した方向や距離に応じて再生像自体も所定方向に所定距離平行移動することから、ホログラムの再生後、再生像を平行移動して基準となる位置に戻す調整を行うことが好ましい。

【0060】

次いで、インコヒーレント光を使用したホログラムの空間分割多重記録の検証を行う。本実施例においては、ＦＩＳＣＨを使用した光学系を用いたホログラフィ装置（図１参照）のＳＬＭに接続されるコンピュータにより、ＳＬＭ上に表示される位相変調パターンを制御する。詳しくは、イメージセンサ（カメラ）の露光時間Ｔの間にｎ種類のフレネルレンズパターン（位相変調パターン）をＴ／ｎの時間ずつ表示させるように切り替え制御する（図１８参照）。これにより、ＳＬＭ上に表示されるフレネルレンズパターンの中心が適切に平行移動されていれば、露光時間Ｔの間にｎ種類の干渉縞をそれぞれ１枚のホログラムの空間的に異なる位置で撮影することができる。また、ｎ種類の干渉縞が空間分割多重記録された１枚のホログラムから、これらの干渉縞を切り取り、再生することにより１枚のホログラムからｎ枚の再生像を得ることができる。

【0061】

ここで、イメージセンサの露光時間を１秒間として、ＳＬＭ上にｎ＝２種類のフレネルレンズパターンを表示し、静止した撮影対象（上述した「Ｔ」を印字したＯＨＰシート）の空間分割多重記録を行った結果を図１９に示す。なお、再生像の再生においては、上述した画質向上処理Ａ，Ｂの両方を行っている。図１９（ａ）に示されるように、１枚のホログラムに平行移動した２つの干渉縞（１），（２）が記録されていることが確認できる。また、図１９（ｂ），（ｃ）に示されるように、上記干渉縞（１），（２）から再生された再生像には、「Ｔ」の印字が再生されていることが確認できる。

【0062】

以上、説明したように、ＦＩＳＣＨを使用した光学系を用いたホログラフィ装置において、ＳＬＭ上の位相変調パターンを制御（平行移動）することで簡単にホログラムの空間分割多重記録を行うことができる。なお、ホログラムに空間分割多重記録された複数の干渉縞から再生される複数の再生像を利用して再生像（静止画）の画質の改善や視野の拡大等が可能である。

【0063】

また、本実施例により実証されたホログラムの空間分割多重記録により、イメージセンサの性能（フレームレート）を超える速度でのインコヒーレント光によるホログラムの高速撮影が可能となることが示され、これは動的物体の撮影、すなわち動画撮影への応用が可能である。

【0064】

なお、図１９（ｂ），（ｃ）に示されるように、本実施例のホログラムの空間分割多重記録においては、図１４および図１５に示される干渉縞を平行移動させた場合の撮影結果と比べて、再生像の輝度が低下している。また、図１９（ｂ）の直線（１）部分と図１９（ｃ）の直線（３）部分の画素列における画素値分布を示す図２０のグラフ、および図１９（ｂ）の直線（２）部分と図１９（ｃ）の直線（４）部分の画素列の画素値分布を示す図２１のグラフと、図１６および図１７のグラフを比べても、画素値が低下している。このような再生像の画質の低下は、露光時間の減少によって干渉縞のコントラストが弱まったことにより、直接光やノイズが物体光に与える影響が大きくなったためであると推測される。このことから、ホログラフィ装置を構成する光学系における各素子の位置を変更する、インコヒーレント光源の種類を変更する等のシステムの再設計を行い、干渉縞のコントラストを強めることにより、画質を向上させることが可能である。

【0065】

また、本実施例においては、透過型撮影対象を用いたインコヒーレント光によりホログラムの空間分割多重記録について説明したが、反射型撮影対象（反射型物体）を用いたインコヒーレント光によりホログラムの空間分割多重記録も可能である。さらに、撮影対象は、２次元物体に限らず、３次元物体でも可能である。

【0066】

以上、本発明の実施例を図面により説明してきたが、具体的な構成はこれら実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における変更や追加があっても本発明に含まれる。

【0067】

例えば、インコヒーレント光は、白熱電球、ハロゲンランプ、蛍光灯、ＬＥＤ等の光源から発せられるものに限らず、太陽光等の自然光であってもよい。

【0068】

また、ホログラムの空間分割多重記録における多重数に制限はなく、ホログラムの大きさと、干渉縞の大きさとのバランスにより適宜設計することができる。なお、前記実施例では、１ｍｍ×１．５ｍｍのサイズの撮影対象を用いた態様について説明したが、撮影対象のサイズは自由に選択されてよく、撮像対象のサイズが大きくなれば、ホログラムに記録される干渉縞の大きさも大きくなる。また、イメージセンサのサイズが大きくなれば、ホログラムの大きさも大きくなる。
［産業上の利用可能性］

【0069】

本発明は、インコヒーレント光による自己干渉を可能とする光学系における中心光軸に対して被写体および位相変調パターンの少なくとも一方を平行移動させることにより、イメージセンサによる１回の撮影において、１枚のホログラムの異なる位置に複数の干渉縞を空間分割して記録でき、複数の干渉縞から再生される複数の再生像を利用して静止画を精度良く得られるとともに、イメージセンサの性能を超える速度でのインコヒーレント光によるホログラムの高速撮影を行うことが可能となることから、動的物体の撮影、すなわち動画撮影に応用でき産業上の利用可能性がある。また、安価な光源から発せられるインコヒーレント光を用いて多くの撮影対象を高速で記録・再生することが可能となり、ホログラフィ装置の低コスト化を実現できる。

【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】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】