特開 2025-6334 撮像装置

(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】P2025006334

(43)【公開日】2025-01-17

(54)【発明の名称】撮像装置

(51)【国際特許分類】

   G03H 1/06 20060101AFI20250109BHJP

【ＦＩ】

G03H1/06

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023107060

(22)【出願日】2023-06-29

(71)【出願人】

【識別番号】000004352

【氏名又は名称】日本放送協会

(74)【代理人】

【識別番号】100147485

【弁理士】

【氏名又は名称】杉村 憲司

(74)【代理人】

【識別番号】230118913

【弁護士】

【氏名又は名称】杉村 光嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100164471

【弁理士】

【氏名又は名称】岡野 大和

(74)【代理人】

【識別番号】100185225

【弁理士】

【氏名又は名称】齋藤 恭一

(72)【発明者】

【氏名】室井 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】信川 輝吉

(72)【発明者】

【氏名】片野 祐太郎

【テーマコード（参考）】

2K008

【Ｆターム（参考）】

2K008AA00

2K008AA06

2K008EE01

2K008FF07

2K008HH01

2K008HH18

2K008HH28

(57)【要約】

【課題】偏光板と波長板を起因とする干渉縞に重畳するノイズを低減して、位相の異なる干渉縞を同時に取得することができる撮像装置を提供する。
【解決手段】撮像装置は、インコヒーレントな光波を複数に分岐する複数のビームスプリッタと、分岐したそれぞれの光波を自己干渉させる複数の干渉計と、前記干渉計で生成した干渉縞を取得する複数のカメラとを備え、それぞれの干渉計で互いに位相の異なる干渉縞を生成することで、位相の異なる複数の干渉縞を同時に取得することを特徴とする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

インコヒーレントな光波を複数に分岐する複数のビームスプリッタと、分岐したそれぞれの光波を自己干渉させる複数の干渉計と、前記干渉計で生成した干渉縞を取得する複数のカメラとを備え、
それぞれの干渉計で互いに位相の異なる干渉縞を生成することで、位相の異なる複数の干渉縞を同時に取得することを特徴とする、撮像装置。

【請求項2】

請求項１に記載の撮像装置において、
前記干渉計は、ビームスプリッタと、互いに曲率の異なる２つのミラーとを備えることを特徴とする、撮像装置。

【請求項3】

請求項２に記載の撮像装置において、
前記干渉計は、マイケルソン干渉計であることを特徴とする、撮像装置。

【請求項4】

請求項１に記載の撮像装置において、
入射光を１：１に分岐する３つのビームスプリッタを用いて物体光を４つに分岐し、位相の異なる４つの干渉縞を同時に取得することを特徴とする、撮像装置。

【請求項5】

請求項１に記載の撮像装置において、
入射光を２：１に分岐するビームスプリッタと入射光を１：１に分岐するビームスプリッタを用いて物体光を３つに分岐し、位相の異なる３つの干渉縞を同時に取得することを特徴とする、撮像装置。

【請求項6】

請求項１乃至５のいずれか一項に記載の撮像装置において、
取得した複数の干渉縞から複素振幅分布を求め、被写体の３次元情報を取得することを特徴とする、撮像装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は撮像装置に関し、特に、インコヒーレントデジタルホログラフィに用いる撮像装置に関する。

【背景技術】

【0002】

インコヒーレントデジタルホログラフィは、太陽光や一般的な屋内の照明光、蛍光などの空間的なコヒーレンスが低い光源で物体のホログラムを撮像でき、自然光環境下での立体撮像を実現可能とする技術である。インコヒーレントデジタルホログラフィでは、次の手順で、物体の３次元情報を再構成することができる。まず、被写体からの光（物体光)を２つの光に分離して、一方の光路に凹面ミラーやレンズを設けてわずかに光路差を生じさせる。再度これらの光を合成して干渉させることで、被写体を干渉縞として撮影する。異なる位相の干渉縞画像を複数枚取得して、位相シフト法等を用いて計算することで、撮像素子面における被写体の複素振幅分布が得られる。この複素振幅分布から光の逆伝搬計算をすることにより、任意の奥行き距離の２次元画像（すなわち、３次元情報）を得ることができる。

【0003】

図５は、マイケルソン干渉計を用いた撮像装置の光学系の例である。被写体からの物体光は、レンズ１と波長フィルタ２を透過後、ビームスプリッタ（ＢＳ）３で２つの光に分岐される。一方の物体光は平面ミラー４で、他方の物体光は凹面ミラー５で反射され、それぞれの光が再度ビームスプリッタ３で合成されることで、干渉縞が生成される。これをカメラ２０で撮影することにより干渉縞画像を取得することができる。異なる位相の干渉縞を取得する場合、ピエゾアクチュエータ６で平面ミラー４の位置を光軸方向に変える。この操作を複数回行うことにより、異なる位相の干渉縞画像が、複数枚取得できる。

【0004】

しかし、この光学系では、平面ミラー４の光軸方向位置を時間で変えるため、動画像を撮影することが困難である。動画像を撮影するためには、これらの異なる位相の干渉縞画像を同時に取得する必要がある。その方法として、偏光を用いて異なる位相の干渉縞を同時に生成して取得する方法が提案されている。

【0005】

図６は、複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第１の例である。この撮像装置の光学系は、レンズ１、波長フィルタ２、偏光板７、複屈折レンズ８、１／４波長板９、及び偏光カメラ２１を備えている。被写体からの物体光は、レンズ１と波長フィルタ２を通り、偏光板７で任意の方向の直線偏光成分のみとなる。直線偏光となった物体光は、この偏光方向から±４５°となる偏光方向に対して異なる焦点距離を有する複屈折レンズ８に入射する。複屈折レンズ８を透過した物体光は、１／４波長板９を透過し、右回りと左回りの２つの円偏光になる。これを各画素に４５°おきに偏光板が設けられた偏光カメラ２１（４種類の偏光方向の画素を有する）で撮影する。同じ偏光方向の画素の信号を集めることで、各偏光方向（各位相）の画像を生成することができ、異なる位相の干渉縞画像を同時に取得することができる。これらの干渉縞画像から光の逆伝搬計算をすることにより、任意の奥行き距離の再構成画像が得られる。この光学系により、フレームレート２５fpsの動画が取得できたことが報告されている（非特許文献１)。

【0006】

図７は、複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第２の例である。この撮像装置の光学系は、図６の複屈折レンズ８の代わりにビームスプリッタ（ＢＳ）３と反射型液晶パネル１０、偏光カメラ２１の代わりに回折格子１１、偏光板アレイ１２、及びカメラ２０が用いられる。被写体からの物体光は、レンズ１、波長フィルタ２、及び偏光板７を透過後、ビームスプリッタ３を介して反射型液晶パネル１０に、例えば４５°の偏光方向で入射する。反射型液晶パネル１０は、入射した物体光の水平方向と垂直方向の偏光成分に対し、一方の偏光方向に平面の位相分布を、他方の偏光方向に球面の位相分布を付与する。反射型液晶パネル１０とビームスプリッタ３で反射した物体光は、１／４波長板９を透過する。その後、物体光は回折格子１１で４方向に分岐し、これを４５°おきの偏光方向を有する４つの偏光板が設けられた偏光板アレイ１２を通してカメラ２０で撮影することにより、異なる位相の干渉縞画像が同時に取得できる。この光学系により、フレームレート１fpsで連続撮影が可能である（特許文献１)。

【0007】

図８は、複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第３の例である。この撮像装置の光学系は、図６の複屈折レンズ８の代わりに、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３、１／４波長板９、平面ミラー４、及び凹面ミラー５を用いたマイケルソン干渉計が用いられる。被写体からの物体光は、レンズ１、波長フィルタ２、及び偏光板７を透過後、ＰＢＳ１３に入射する。物体光のｐ偏光成分はＰＢＳ１３を透過し、１／４波長板９で円偏光になり、ミラー４で反射する。反射光は再度１／４波長板９を通ることでｓ偏光になり、ＰＢＳ１３で反射する。物体光のｓ偏光成分はＰＢＳ１３で反射し、１／４波長板９で円偏光になり、凹面ミラー５で反射する。反射光は再度１／４波長板９を通ることでｐ偏光になり、ＰＢＳ１３を透過する。ＰＢＳ１３を出た物体光は、さらに１／４波長板９で右回り、左回りの円偏光になる。これを各画素に４５°おきに偏光板が設けられた偏光カメラ２１で撮影する。同じ偏光方向の画素の信号を集めることで、各偏光方向で画像を生成することができ、異なる位相の干渉縞画像を同時に取得することができる。この光学系により、フレームレート６０fpsの動画が取得できる（特許文献２)。

【0008】

図９は、複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第４の例である。この撮像装置の光学系は、図８の偏光カメラ２１の代わりに、回折格子１１、偏光板アレイ１２、及びカメラ２０が用いられる。被写体からの物体光は、レンズ１、波長フィルタ２、及び偏光板７を透過後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３に入射する。物体光のｐ偏光成分はＰＢＳ１３を透過し、１／４波長板９で円偏光になり、ミラー４で反射する。反射光は再度１／４波長板９を通ることでｓ偏光になり、ＰＢＳ１３で反射する。物体光のｓ偏光成分はＰＢＳ１３で反射し、１／４波長板９で円偏光になり、凹面ミラー５で反射する。反射光は再度１／４波長板９を通ることでｐ偏光になり、ＰＢＳ１３を透過する。これらの物体光は、さらに１／４波長板９で右回り、左回りの円偏光になる。その後、回折格子１１で４方向に分岐し、これを４５°おきに偏光板が設けられた偏光板アレイ１２を通してカメラ２０で撮影することにより、異なる位相の干渉縞画像を同時に取得することができる（特許文献２)。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２０２１－１３１４５７号公報

【特許文献2】特開２０２３－７７３２５号公報

【非特許文献】

【0010】

【非特許文献1】KiHong Choi, et al., “Compact self-interference incoherent digital holographic camera system with real-time operation,” Optics Express, (2019), Vol. 27, No. 4, pp. 4818-4833

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

図６及び図８の光学系は、１台の偏光カメラ２１で複数の干渉縞画像を同時に取得できるが、偏光カメラ２１は同じ方向の偏光板を持つ画素が１画素おきに配置されているため、カメラ本来の画素密度と比較して、それぞれの干渉縞画像を取得するときの解像度が半分になる。

【0012】

一方、図７及び図９の光学系は、偏光カメラ２１を用いないことから、図６及び図８の光学系と比較して取得した干渉縞画像の解像度は２倍になる。しかし、図７及び図９の光学系では、回折格子１１を出射した４方向の光は、カメラ２０に対して異なる角度で斜めに入射するため、干渉縞画像に異なる歪みが生じる。

【0013】

さらに、いずれの光学系においても、偏光板７と波長板９が使用されている。これらの光学素子の空間的な不均一性により、位相の変化量が不均一になる。この位相の不均一性は、再構成画像にノイズが生じる原因となる。

【0014】

したがって、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、インコヒーレントデジタルホログラフィにおいて、偏光板と波長板を起因とする干渉縞に重畳するノイズを低減して、位相の異なる干渉縞を同時に取得することができる撮像装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0015】

上記課題を解決するために本発明に係る撮像装置は、
（１）インコヒーレントな光波を複数に分岐する複数のビームスプリッタと、分岐したそれぞれの光波を自己干渉させる複数の干渉計と、前記干渉計で生成した干渉縞を取得する複数のカメラとを備え、それぞれの干渉計で互いに位相の異なる干渉縞を生成することで、位相の異なる複数の干渉縞を同時に取得することを特徴とする、撮像装置である。

【0016】

（２）上記（１）の撮像装置は、更に、前記干渉計が、ビームスプリッタと、互いに曲率の異なる２つのミラーとを備えることが好ましい。

【0017】

（３）上記（１）または（２）の撮像装置は、更に、前記干渉計が、マイケルソン干渉計であることが好ましい。

【0018】

（４）上記（１）～（３）のいずれかの撮像装置は、更に、入射光を１：１に分岐する３つのビームスプリッタを用いて物体光を４つに分岐し、位相の異なる４つの干渉縞を同時に取得することが好ましい。

【0019】

（５）上記（１）～（３）のいずれかの撮像装置は、更に、入射光を２：１に分岐するビームスプリッタと入射光を１：１に分岐するビームスプリッタを用いて物体光を３つに分岐し、位相の異なる３つの干渉縞を同時に取得することが好ましい。

【0020】

（６）上記（１）～（５）のいずれかの撮像装置は、更に、取得した複数の干渉縞から複素振幅分布を求め、被写体の３次元情報を取得することが好ましい。

【発明の効果】

【0021】

本発明における撮像装置によれば、インコヒーレントデジタルホログラフィにおいて、偏光板や波長板に起因するノイズを低減して、位相の異なる干渉縞を同時に取得することができる。また、この干渉縞より、高画質な動画像を再構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明のインコヒーレントデジタルホログラフィ光学系の原理図である。

【図2】実施の形態１の撮像装置の光学系の例である。

【図3】実施の形態１の撮像装置で取得された位相の異なる４つの干渉縞である。

【図4】実施の形態２の撮像装置の光学系の例である。

【図5】マイケルソン干渉計を用いた撮像装置の光学系の例である。

【図6】複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第１の例である。

【図7】複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第２の例である。

【図8】複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第３の例である。

【図9】複数の干渉縞画像を同時に取得する撮像装置の第４の例である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１は、本発明のインコヒーレントデジタルホログラフィ光学系の原理図である。光学系は、光波を自己干渉させるためのｎ個の干渉計を備えている。

【0024】

被写体からの物体光は、反射光、透過光、或いは被写体から発せられた光であってもよく、インコヒーレントな光波である。物体光は、レンズ１及び波長フィルタ２を透過後、複数に分岐（ｎ分岐、ｎ≧３）される。

【0025】

分岐したそれぞれの物体光は、干渉計（例えば、マイケルソン干渉計）に入射する。マイケルソン干渉計は、図５と同様に、ビームスプリッタ（ＢＳ）３（３_１～３_ｎ）、平面ミラー４（４_１～４_ｎ）、及び凹面ミラー５（５_１～５_ｎ）から構成される。干渉計を出射した物体光は干渉縞を生成し、これをカメラ２０（２０_１～２０_ｎ）で撮影する。このとき、それぞれの干渉計の平面ミラー４あるいは凹面ミラー５の光軸方向位置を調整し、それぞれのカメラ２０で取得する干渉縞の位相が２π／ｎだけ異なるようにする。これによりｎ個のカメラ２０で、位相が２π／ｎ異なるｎ枚の干渉縞を同時に取得することができる。

【0026】

取得したｎ枚の干渉縞画像から、位相シフト法を用いて干渉縞の複素振幅分布が求められる。さらにこの複素振幅分布から、従来と同様に光の逆伝搬計算をすることにより、任意の奥行き距離における再構成画像を取得することができる。これを各フレームで行うことにより、動画像を取得することができる。

【0027】

なお、上記の光学系の説明においては、光学系を実装する際の効率性を考慮して、干渉計としてマイケルソン干渉計を用いたが、干渉計は他の構造の干渉計であってもよい。また、各干渉計は平面ミラー４と凹面ミラー５で構成したが、互いに曲率の異なるミラーで構成してもよい。なお、干渉縞の位相が２π／ｎだけ異なるようにしたのは、その後の複素振幅分布を求める計算を効率的に行うためであって、互いに位相の異なる複数の干渉縞が得られればよい。

【0028】

本発明の光学系では、図６，図８で用いられた偏光カメラ２１を使用しないため、干渉縞を取得する際の解像度は、偏光カメラ２１を使用するときと比較して縦横それぞれ２倍になる。また、図７，図９で用いられた回折格子１１を用いておらず、カメラ２０に対して物体光の光軸が斜めに入射することはない。そのため位相ごとによる干渉縞の歪みがなく、再構成画像の解像度の劣化が少ない。さらに、この光学系は、偏光板と波長板を使用しないため、これらの光学素子を起因とするノイズは生じず、従来の手法と比較して低ノイズの干渉縞を取得することができる。そして、高画質な動画像を再構成することができる。

【0029】

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

【0030】

（実施の形態１）
実施の形態１として、分岐数ｎを４としたときのインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置について説明する。図２は、実施の形態１の撮像装置の光学系の例である。この撮像装置の光学系は、レンズ１と、波長フィルタ２と、３つのビームスプリッタ（ＢＳ）３_１０～３_１２と、４つのマイケルソン干渉計と、カメラ２０_１～２０_４から構成される。

【0031】

レンズ１は、物体光を集光し、波長フィルタ２に入射させる。レンズ１は、通常のカメラのレンズと同様に、像の拡大・広角等の調整機能を有している。なお、被写体はレンズ１の焦点位置に無関係に任意の位置に配置することができる。

【0032】

波長フィルタ２は、所定の波長幅（例えば、３ｎｍ～２０ｎｍ）の光波を透過させるバンドパスフィルタであり、光波の時間的コヒーレンスを向上させる。なお、波長幅を狭くすれば画質は向上するが画像の光量が減少するため、求める画像に応じて適切な波長フィルタ２が選択される。波長フィルタ２を透過した光波は、ビームスプリッタ３_１０に入射する。

【0033】

なお、レンズ１及び波長フィルタ２は、撮像装置として必須の構成ではなく、必要に応じて設けることができる。

【0034】

ビームスプリッタ３_１０～３_１２は、入射光を透過光と反射光に１：１で分岐するビームスプリッタである。被写体からの物体光は、レンズ１と波長フィルタ２を透過後、ビームスプリッタ３_１０で２分岐される。それぞれの物体光は、さらにビームスプリッタ３_１１，３_１２で２分岐され、物体光は均等に４分岐される。

【0035】

４分岐された物体光は、それぞれビームスプリッタ（ＢＳ）３（３_１～３_４）、平面ミラー４（４_１～４_４）、及び凹面ミラー５（５_１～５_４）から構成される４つのマイケルソン干渉計に入射する。平面ミラー４と凹面ミラー５のそれぞれで反射した物体光には若干の光路差が生じているため、干渉計を出射した物体光には干渉縞が生成される。そして、４つのカメラ２０（２０_１～２０_４）が、各干渉計で生成された干渉縞を取得する。このとき、４台のカメラ２０で取得する干渉縞の位相がπ／２ずつずれるように、それぞれの平面ミラー４あるいは凹面ミラー５の光軸方向位置を調整することが望ましい。

【0036】

図３は、本実施形態（図２）の撮像装置を用い、点光源を物体光としたときの位相の異なる４つの干渉縞を、シミュレーションで取得したものである。このように、本実施形態の撮像装置は、位相がπ／２ずつ異なる４つの位相の干渉縞を同時に取得することができる。得られた干渉縞に基づいて、従来と同様に位相シフト法と光の逆伝搬計算をすることにより、任意の奥行き距離の再構成画像が得られる。さらにフレームごとに干渉縞取得と再構成計算を行うことにより、動画像が得られる。

【0037】

（実施の形態２）
実施の形態２として、分岐数ｎを３としたときのインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置について説明する。図４は、実施の形態２の撮像装置の光学系の例である。この撮像装置の光学系は、レンズ１と、波長フィルタ２と、２つのビームスプリッタ（ＢＳ）３_１３，３_１４と、３つのマイケルソン干渉計と、カメラ２０_１～２０_３から構成される。実施の形態１と重複する構成は、説明を省略する。

【0038】

ビームスプリッタ３_１３は、入射光を透過光と反射光に２：１で分岐するビームスプリッタである。また、ビームスプリッタ３_１４は、入射光を透過光と反射光に１：１で分岐するビームスプリッタである。被写体からの物体光は、レンズ１と波長フィルタ２を透過後、ビームスプリッタ３_１３で２：１の光量に２分岐される。さらにビームスプリッタ３_１３を透過した物体光は、ビームスプリッタ３_１４で均等に２分岐される。これにより３分岐された物体光の光量は一致する。

【0039】

３分岐された物体光は、それぞれビームスプリッタ（ＢＳ）３（３_１～３_３）、平面ミラー４（４_１～４_３）、及び凹面ミラー５（５_１～５_３）から構成される３つのマイケルソン干渉計に入射する。平面ミラー４と凹面ミラー５のそれぞれで反射した物体光には若干の光路差が生じているため、干渉計を出射した物体光には干渉縞が生成される。そして、３つのカメラ２０（２０_１～２０_３）が、各干渉計で生成された干渉縞を取得する。このとき、３台のカメラで取得する干渉縞の位相が２π／３ずつずれるようにそれぞれの平面ミラー４あるいは凹面ミラー５の光軸方向位置を調整することが望ましい。これにより位相が２π／３ずつ異なる３つの位相の干渉縞を同時に取得することができる。

【0040】

その後、得られた干渉縞に基づいて、従来と同様に位相シフト法と光の逆伝搬計算をすることにより、任意の奥行き距離の再構成画像が得られる。さらにフレームごとに干渉縞取得と再構成計算を行うことにより、動画像が得られる。

【0041】

本実施形態は分岐数が３であるため、実施の形態１と比較して、それぞれの干渉縞の光量が多く、干渉縞の信号対ノイズ比が向上する。なお、ここでは２：１で分岐するビームスプリッタ３_１３を用いたが、１：１で分岐するビームスプリッタを用い、光強度が強い干渉縞に対してカメラ２０の露光時間を半分にしてもよい。

【0042】

（他の実施形態）
本実施形態では分岐数ｎは４又は３であったが、５以上の分岐数としてもよい。また、各干渉計は平面ミラー４と凹面ミラー５で構成したが、互いに曲率の異なるミラーで構成することで、同様の効果が得られる。さらに、干渉計としてマイケルソン干渉計を用いたが、マッハツェンダー干渉計など、干渉縞を取得することができる他の干渉計を用いてもよい。マッハツェンダー干渉計の場合は、ビームスプリッタで物体光を２つに分けた後、この２つの物体光を互いに曲率の異なるミラーで反射させ、再び別のビームスプリッタを通した後、カメラにより干渉縞を撮像する。

【0043】

上記の実施形態では、撮像装置の構成と動作について説明したが、本発明はこれに限らず、インコヒーレントデジタルホログラフィにおいて、複数の干渉縞を同時に取得する撮像方法として構成されてもよい。すなわち、図１、図２および図４の撮像装置の物体光の処理の流れに従って、位相の異なるｎ個の干渉縞を同時に取得する撮像方法の発明としてとらえてもよい。

【0044】

上述の実施形態は代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変更及び置換ができることは当業者に明らかである。したがって、本発明は、上述の実施形態によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形又は変更が可能である。例えば、実施形態に記載の各ブロック、各ステップ等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成ブロック、ステップ等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0045】

１ レンズ
２ 波長フィルタ
３ ビームスプリッタ（ＢＳ）
４ 平面ミラー
５ 凹面ミラー
６ ピエゾアクチュエータ
７ 偏光板
８ 複屈折レンズ
９ １／４波長板
１０ 反射型液晶パネル
１１ 回折格子
１２ 偏光板アレイ
１３ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２０ カメラ
２１ 偏光カメラ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】