特許 7122153 ホログラム記録装置及び像再生装置

(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】

(24)【登録日】2022-08-10

(45)【発行日】2022-08-19

(54)【発明の名称】ホログラム記録装置及び像再生装置

(51)【国際特許分類】

   G03H 1/06 20060101AFI20220812BHJP

   G03H 1/22 20060101ALI20220812BHJP

【ＦＩ】

G03H1/06

G03H1/22

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2018091516

(22)【出願日】2018-05-10

(65)【公開番号】P2019144520

(43)【公開日】2019-08-29

【審査請求日】2021-04-09

(31)【優先権主張番号】P 2018030708

(32)【優先日】2018-02-23

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【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】100161148

【弁理士】

【氏名又は名称】福尾 誠

(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】信川 輝吉

(72)【発明者】

【氏名】片野 祐太郎

(72)【発明者】

【氏名】室井 哲彦

(72)【発明者】

【氏名】木下 延博

(72)【発明者】

【氏名】石井 紀彦

【審査官】池田 博一

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０１３９５６１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－０９９７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／０５０１４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００５０８３２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】中国特許出願公開第１０３２５７４４１（ＣＮ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０３Ｈ １／０６

Ｇ０３Ｈ １／２２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光に分割し、前記第１分割光と前記第２分割光の波面を互いに異なる曲率に変調し、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ位相分布を付与し、その後、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させてホログラムを撮像面に形成し、記録するホログラム記録装置において、
光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された市松模様の位相変調領域を有する光学素子を、前記撮像面から所定距離離して前記第１分割光と前記第２分割光の光路にそれぞれ配置し、前記撮像面に中心位置が異なる複数のホログラムを形成するホログラム記録装置。

【請求項2】

請求項１に記載のホログラム記録装置において、
前記市松模様の位相変調領域を有する第１光学素子と前記第１分割光の光軸との位置関係と、前記第１光学素子と同一の前記市松模様の位相変調領域を有する第２光学素子と前記第２分割光の光軸との位置関係とを、前記市松模様の格子の１辺より小さい距離で格子面内方向に相対的にずらし、前記第１分割光と前記第２分割光の位相差が異なる４つのホログラムを同時に取得することを特徴とする、ホログラム記録装置。

【請求項3】

請求項２に記載のホログラム記録装置において、
前記市松模様の位相変調領域の格子の前記第１方向・前記第２方向の一辺をそれぞれｄ_h、ｄ_vとし、格子面内方向での前記第１方向・前記第２方向のずれ量をそれぞれｈ，ｖとするとき、ｈ＝ｄ_h／４、ｖ＝ｄ_v／２、又は、ｈ＝ｄ_h／２、ｖ＝ｄ_v／４、とすることを特徴とする、ホログラム記録装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載のホログラム記録装置において、
光波を前記第１分割光と前記第２分割光に分割する偏光ビームスプリッターと、
前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与える第１凹面鏡及び第２凹面鏡と、
光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された位相変調素子と、
複数のホログラムを撮像する撮像素子と
を備えることを特徴とする、ホログラム記録装置。

【請求項5】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載のホログラム記録装置において、
物体光を前記第１分割光と前記第２分割光に分割するビームスプリッターと、
前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与えると共に、第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に異なる位相を加える市松模様の位相変調を与える第１及び第２回折光学素子と、
複数のホログラムを撮像する撮像素子と
を備えることを特徴とする、ホログラム記録装置。

【請求項6】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載のホログラム記録装置において、
物体光を前記第１分割光と前記第２分割光に分割すると共に、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与える空間光変調器と、
前記第１分割光と前記第２分割光に、第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に異なる位相を加える市松模様の位相変調を与える位相変調素子と、
複数のホログラムを撮像する撮像素子と
を備えることを特徴とする、ホログラム記録装置。

【請求項7】

請求項１乃至３のいずれか一項に記載のホログラム記録装置において、
物体光を前記第１分割光と前記第２分割光に分割すると共に、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与え、さらに第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に異なる位相を加える市松模様の位相変調を与える回折光学素子と、
複数のホログラムを撮像する撮像素子と
を備えることを特徴とする、ホログラム記録装置。

【請求項8】

対象物からのインコヒーレントな光波を分割した第１分割光と第２分割光にそれぞれ光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された光学素子により位相分布を付与し、その後、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させて撮像面に形成された複数のホログラムから、再生像を生成する像再生装置であって、
前記複数のホログラムに基づいて位相シフト法により光波の撮像面での複素振幅分布Ｏ(x,y)を求め、
前記複素振幅分布に回折伝搬の計算を適用して、前記撮像面からの距離ｚ _r における再生像Ｏ’(x,y;z _r )を生成する像再生装置において、
既知の対象物から得たホログラムに基づいて得られた、前記撮像面での各ホログラムの中心位置を記録しておき、前記中心位置に基づいて、前記撮像面に形成された複数のホログラムをそれぞれ抽出することを特徴とする、像再生装置。

【請求項9】

対象物からのインコヒーレントな光波を分割した第１分割光と第２分割光にそれぞれ光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された光学素子により位相分布を付与し、その後、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させて撮像面に形成された複数のホログラムから、再生像を生成する像再生装置であって、
前記複数のホログラムに基づいて位相シフト法により光波の撮像面での複素振幅分布Ｏ(x,y)を求め、
前記複素振幅分布に回折伝搬の計算を適用して、前記撮像面からの距離ｚ _r における再生像Ｏ’(x,y;z _r )を生成する像再生装置において、
位相シフト法により得られた、撮像面での複素振幅分布Ｏ(x,y)から、TVノルムに基づく最小化問題、あるいはL２ノルムにTVノルムの正則化項を加えた最小化問題を解くことにより、再生像を生成することを特徴とする、像再生装置。

【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及び像再生装置に関し、特に、インコヒーレントホログラフィによる立体像の記録装置及び再生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

ホログラフィは立体像を記録・再生する技術として知られている。一般的なホログラフィの技術では、ホログラムを感光材料や撮像素子に記録するために、レーザーなどの干渉性が高い光源を用いて記録対象の物体を照明する必要がある。したがって、太陽光・蛍光灯・発光ダイオードなどの干渉性が低い光源を用いてホログラムを記録することができないため、適用範囲が限られていた。一方、上述のホログラフィの技術に対して、インコヒーレントホログラフィの技術では、干渉性が高い光源を必要とせず、上述した干渉性が低い光源を用いてホログラムの記録が可能である。この特徴から、インコヒーレントホログラフィは、自然光環境下の物体や、蛍光物体の立体像を記録・再生する技術として注目されている。

【0003】

インコヒーレントホログラフィによるホログラムの記録方法として、次のような方法が提案されている（特許文献１、非特許文献１，２）。記録対象の物体から、反射・透過した、あるいは発せられた干渉性が低い光波を、ビームスプリッターや空間光変調器、回折光学素子などの光波分割素子を用いて、２つの光波に分割する。これら２つの光波をそれぞれ第１分割光、第２分割光と呼ぶこととする。これら第１分割光と第２分割光の波面の曲率が異なるように、凹面鏡やレンズ、あるいは空間光変調器などの曲率変調素子を用いて各光の波面の曲率を変調する。その後、変調された第１分割光と第２分割光を撮像素子面上で重ね合わせることにより、ホログラムが形成される。このホログラムを撮像素子で撮像・取得し、コンピューター内に保存する。このとき位相差付与素子を用いて第１分割光と第２分割光の位相差を変調し、複数枚のホログラムを記録する。これら複数枚のホログラムに、コンピューター内で位相シフト法に基づく数値演算と回折伝搬の計算を適用することにより、記録対象の物体の立体像、すなわち３次元像が得られる。

【0004】

上述のインコヒーレントホログラフィの技術では、撮像素子を用いて複数枚のホログラムを記録する際に、記録対象の物体は静止している必要がある。仮に、記録対象の物体が移動する場合には、物体のホログラムを正しく取得することができず、立体像が得られない。この問題を解消し動物体の立体像を得るために、複数枚のホログラムを一括して同時に記録する方法が提案されている（特許文献２、非特許文献３，４，５）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特表２０１６－５３３５４２号公報

【文献】特開２０１５－１７２６号公報

【非特許文献】

【0006】

【文献】J. Rosen and G. Brooker、「Digital spatially incoherent Fresnel holography」、Optics Letters、(2007)、vol. 32、No.8、pp.912-914

【文献】M. K. Kim、「Incoherent digital holographic adaptive optics」、Applied Optics、(2013)、 vol. 52、No.1、pp.A117-A130

【文献】Y. Wan, T. Man, F. Wu, M. K. Kim, and D. Wang、「Parallel phase-shifting self-interference digital holography with faithful reconstruction using compressive sensing」、Optics and Lasers in Engineering、(2016)、vol. 86、pp. 38-43

【文献】Z. Zhu and Z. Shi、「Self-interference polarization holographic imaging of a three-dimensional incoherent scene」、Applied Physics Letter、(2016)、vol. 109、091104

【文献】T. Tahara, T. Kanno, Y. Arai, and T. Ozawa、「Single-shot phase-shifting incoherent digital holography」、Journal of Optics、(2017)、vol. 19、065705

【文献】M. Imbe and T. Nomura、「Study of reference waves in single-exposure generalized phase-shifting digital holography」、Applied Optics、(2013)、vol. 52、No.18、pp. 4097-4102

【文献】J. Bioucas-Dias and M. Figueiredo、「A new TwIST: Two-step iterative shrinkage/thresholding algorithms for image restoration」、IEEE Transactions on image processing、(2007)、vol. 16、Issue 12、pp. 2992-3004

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

従来の複数枚のホログラムを一括して記録する技術では、撮像素子にアレイ状の偏光変調素子を導入して、撮像素子の隣接画素毎に、第１分割光と第２分割光の位相差が異なるようにホログラムを記録している。これら隣接画素間で、測定対象の物体からの光の波面は一定、あるいは変化量が微小であるとみなし、コンピューター内で位相シフト法に基づく数値解析を適用することにより、立体像を再生することができる。

【0008】

しかしながら、この従来手法では、隣接画素間で光の波面が一定あるいは微小である必要があるため、記録されるホログラムの分解能が、撮像素子の分解能よりも低くなり、立体像の品質が低下する。例えば、２つの光の位相差が０、π/2、π、3/2π［ｒａｄ］の４枚のホログラムを一括に記録する場合には、ホログラムの分解能が撮像素子の分解能の１／４倍となってしまう。このため、ぼやけた立体像となる。

【0009】

従って、上記のような問題点に鑑みてなされた本発明の目的は、インコヒーレントホログラフィにおいて、従来技術におけるホログラム取得時の分解能の低下を防ぎ、高品質な立体像の記録・再生を可能にするホログラム記録装置及び像再生装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するために本発明に係るホログラム記録装置は、インコヒーレントな光波を第１分割光と第２分割光に分割し、前記第１分割光と前記第２分割光の波面を互いに異なる曲率に変調し、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ位相分布を付与し、その後、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させてホログラムを撮像面に形成し、記録するホログラム記録装置において、光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された市松模様の位相変調領域を有する光学素子を、前記撮像面から所定距離離して前記第１分割光と前記第２分割光の光路にそれぞれ配置し、前記撮像面に中心位置が異なる複数のホログラムを形成することを特徴とする。

【0011】

また、前記ホログラム記録装置は、前記市松模様の位相変調領域を有する第１光学素子と前記第１分割光の光軸との位置関係と、前記第１光学素子と同一の前記市松模様の位相変調領域を有する第２光学素子と前記第２分割光の光軸との位置関係とを、前記市松模様の格子の１辺より小さい距離で格子面内方向に相対的にずらし、前記第１分割光と前記第２分割光の位相差が異なる４つのホログラムを同時に取得することが望ましい。

【0012】

また、前記ホログラム記録装置は、前記市松模様の位相変調領域の格子の前記第１方向・前記第２方向の一辺をそれぞれｄ_h、ｄ_vとし、格子面内方向での前記第１方向・前記第２方向のずれ量をそれぞれｈ，ｖとするとき、ｈ＝ｄ_h／４、ｖ＝ｄ_v／２、又は、ｈ＝ｄ_h／２、ｖ＝ｄ_v／４、とすることが望ましい。

【0013】

また、前記ホログラム記録装置は、光波を前記第１分割光と前記第２分割光に分割する偏光ビームスプリッターと、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与える第１凹面鏡及び第２凹面鏡と、光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された位相変調素子と、複数のホログラムを撮像する撮像素子とを備えることが望ましい。

【0014】

また、前記ホログラム記録装置は、物体光を前記第１分割光と前記第２分割光に分割するビームスプリッターと、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与えると共に、第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に異なる位相を加える市松模様の位相変調を与える第１及び第２回折光学素子と、複数のホログラムを撮像する撮像素子とを備えることが望ましい。

【0015】

また、前記ホログラム記録装置は、物体光を前記第１分割光と前記第２分割光に分割すると共に、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与える空間光変調器と、前記第１分割光と前記第２分割光に、第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に異なる位相を加える市松模様の位相変調を与える位相変調素子と、複数のホログラムを撮像する撮像素子とを備えることが望ましい。

【0016】

また、前記ホログラム記録装置は、物体光を前記第１分割光と前記第２分割光に分割すると共に、前記第１分割光と前記第２分割光にそれぞれ異なる曲率を与え、さらに第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に異なる位相を加える市松模様の位相変調を与える回折光学素子と、複数のホログラムを撮像する撮像素子とを備えることが望ましい。

【0018】

上記課題を解決するために本発明に係る像再生装置は、対象物からのインコヒーレントな光波を分割した第１分割光と第２分割光にそれぞれ光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された光学素子により位相分布を付与し、その後、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させて撮像面に形成された複数のホログラムから、再生像を生成する像再生装置であって、前記複数のホログラムに基づいて位相シフト法により光波の撮像面での複素振幅分布Ｏ(x,y)を求め、前記複素振幅分布に回折伝搬の計算を適用して、前記撮像面からの距離ｚ _r における再生像Ｏ’(x,y;z _r )を生成する像再生装置において、既知の対象物から得たホログラムに基づいて得られた、前記撮像面での各ホログラムの中心位置を記録しておき、前記中心位置に基づいて、前記撮像面に形成された複数のホログラムをそれぞれ抽出することを特徴とする。

【0019】

上記課題を解決するために本発明に係る像再生装置は、対象物からのインコヒーレントな光波を分割した第１分割光と第２分割光にそれぞれ光が所定位相進む領域と所定位相遅れる領域とが第１方向と該第１方向と垂直な第２方向にそれぞれ所定周期で交互に配置された光学素子により位相分布を付与し、その後、前記第１分割光と前記第２分割光を互いに干渉させて撮像面に形成された複数のホログラムから、再生像を生成する像再生装置であって、前記複数のホログラムに基づいて位相シフト法により光波の撮像面での複素振幅分布Ｏ(x,y)を求め、前記複素振幅分布に回折伝搬の計算を適用して、前記撮像面からの距離ｚ _r における再生像Ｏ’(x,y;z _r )を生成する像再生装置において、位相シフト法により得られた、撮像面での複素振幅分布Ｏ(x,y)から、TVノルムに基づく最小化問題、あるいはL２ノルムにTVノルムの正則化項を加えた最小化問題を解くことにより、再生像を生成することを特徴とする。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、インコヒーレントホログラフィにおいて、撮像素子の分解能でホログラムを取得できるホログラム記録装置を提供すると共に、従来よりも高品質な立体像を再生することができる像再生装置を提供する。さらに、本発明は、インコヒーレントホログラフィにより、動画像記録を実現することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明のホログラム記録装置及び像再生装置の概念図である。

【図2】第１分割光と第２分割光のそれぞれに付与する、位相分布である。

【図3】第１分割光と第２分割光から、４つのホログラムが生成される概念図である。

【図4】実施例１のホログラム記録装置である。

【図5】実施例２のホログラム記録装置である。

【図6】実施例２で用いる位相変調素子の位相分布である。

【図7】実施例３のホログラム記録装置である。

【図8】実施例４のホログラム記録装置である。

【図9】空間周波数フィルタリング光学系の構成である。

【図10】記録対象の３次元物体の例である。

【図11】撮像素子面上で形成されるホログラムの例である。

【図12】抽出した４枚のホログラムである。

【図13】物体から伝搬してきた光波の複素振幅分布である。

【図14】本発明の像再生装置による像再生の概念図である。

【図15】物体の配置位置ｚ_sと再生距離ｚ_rの関係を示すグラフである。

【図16】像再生結果を示す図である。

【図17】本発明の検証実験に用いた光学系の構成である。

【図18】検証実験で得られたホログラムと複素強度分布である。

【図19】検証実験で得られた再生像である。

【図20】検証実験で得られた複素振幅分布にTotal Variationノルムと伝搬計算のそれぞれを適用して取得した再生像である。

【発明を実施するための形態】

【0022】

以下、本発明の実施の形態について説明する。

【0023】

図１に、本発明のホログラム記録装置及び像再生装置の概念図を示す。ホログラム記録装置１００は、光波分割素子３、曲率変調素子６、位相変調素子７、及び撮像素子９を備える。なお、ホログラム記録装置１００は、さらに図示しない記録素子を備え、ホログラムを記録することができる。像再生装置２００は、像再生の画像処理計算を行う処理装置１０を備える。

【0024】

光波分割素子３は、記録対象の物体１（立体物、あるいは、３次元位置の異なる複数の物体）から、反射・透過した、あるいは発せられたコヒーレンス（干渉性）の低い光波２を分割し、第１分割光４と第２分割光５を生成する。第１分割光４と第２分割光５は、例えば、波長的・空間的に微小領域から得られる光波を分割することにより、互いが自分自身の光波のように一定の干渉性を有する。

【0025】

曲率変調素子６は、これらの分割された光波４，５の波面の曲率を、互いに異なる曲率に変調する。なお、光波分割素子３及び曲率変調素子６は、従来のインコヒーレントホログラフィのものと同等のものを用いることができる。

【0026】

位相変調素子７は、第１分割光４と第２分割光５のそれぞれに、位相分布を付与する。この位相変調素子７として、回折光学素子、空間光変調器、メタサーフェスなどを用いて、図２に示すような２階調の位相値＋Δφ，－Δφ［ｒａｄ］（０＜φ≦π/2）が市松状に変化する位相分布を付与するものを用いる。なお、Δφが大きいほど光の利用効率が高い。この位相分布の水平方向、垂直方向の空間的な周期をそれぞれ２ｄ_h［ｍ］，２ｄ_v［ｍ］とする。この周期は限定されるものではないが、例えば数μｍから数十μｍである。

【0027】

また、第１分割光４に付与する位相分布７ａと第２分割光５に付与する位相分布７ｂは、図２（ａ）と図２（ｂ）のように、面内での空間的な相対位置がずれている。水平方向・垂直方向の位相分布の相対位置のずれ量をそれぞれｈ［ｍ］，ｖ［ｍ］とすると、それぞれが以下の条件式（１）を満たすように設定する。

【0028】

【数1】

【0029】

この位置のずれにより、撮像素子面では、位相シフト量が、０，２πｈ／ｄ_h ，２πｖ／ｄ_v ，２π（ｈ／ｄ_h＋ｖ／ｄ_v）の４枚のホログラムが得られる。なお、ｈ＝ｄ_h／４、ｖ＝ｄ_v／２、あるいは、ｈ＝ｄ_h／２、ｖ＝ｄ_v／４の場合に、位相シフト量が０、π/2、π、3/2π ［ｒａｄ］の４枚のホログラムが得られるため、最も高品質な立体像の再生が可能である。

【0030】

なお、図１では、光波分割素子３、曲率変調素子６、位相変調素子７をそれぞれ独立した素子として説明したが、空間光変調器や回折光学素子、メタサーフェスなどを用いることにより、光波分割素子３と曲率変調素子６の２つを、または光波分割素子３と曲率変調素子６と位相変調素子７の３つを一つの素子で実現することができる。すなわち、ホログラム記録装置として、光波を第１分割光と第２分割光に分割する機能と、第１分割光と第２分割光の波面を互いに異なる曲率に変調する機能と、第１分割光と第２分割光にそれぞれ位相分布を付与する機能を備えていれば良く、どのような光学素子で実現しても良い。

【0031】

撮像素子９は、位相変調素子７で変調した後の光波８によるホログラムを検出するものであり、位相変調素子７から距離Ｌ離して配置する。Ｌが大きいほど、視野の広い立体像を取得できるが、記録装置が大型になる。一方で、Ｌが小さいほど視野が狭くなるが、記録装置の小型化を実現できる。位相変調素子７により変調された第１分割光４と第２分割光５のそれぞれは、４つの異なる方向に伝搬する光波８となる。これら４方向に伝搬する第１分割光と第２分割光の位相差は、位相変調素子の相対位置のずれｈとｖの値に応じて変化し、撮像素子９の受光面上で位相差が異なる４枚のホログラムが形成される。

【0032】

図３に、第１分割光と第２分割光から、４つのホログラムが生成される概念図を示す。図３で入力される第１分割光と第２分割光は、既に波面がそれぞれ曲率変調された分割光である。第１分割光は２階調の位相値＋Δφ，－Δφ［ｒａｄ］を有する位相分布７ａで位相変調され、４つの異なる方向に伝搬する光波８となる。第２分割光は、同様に２階調の位相値を有するが位相分布７ａと面内方向でずれた位相分布７ｂで位相変調され、４つの異なる方向に伝搬する光波８となる。

【0033】

図３では第１分割光と第２分割光がそれぞれ分かれて記載されているが、実際の光学系では第１分割光と第２分割光の光波８は同じ空間を伝搬し、位相変調素子７から距離Ｌ離れた撮像素子９の受光面で重なり、位相差の異なる４つの干渉パターン（ホログラム）を生成する。図３の右端の撮像素子９で撮影した画像において、ホログラム１１が２つの分割光の位相シフト量が０のホログラムであり、ホログラム１２，１３，１４が、それぞれ位相シフト量２πｈ／ｄ_h ，２πｖ／ｄ_v ，２π（ｈ／ｄ_h＋ｖ／ｄ_v）のホログラムである。なお、４つのホログラムの中心間の水平方向の距離ｌ_h、垂直方向の距離ｌ_vは、それぞれ次式（２）で与えられる。

【0034】

【数2】

【0035】

ｄ_h 、ｄ_v 、Ｌ等を調整することにより、位相シフト量の異なる複数のホログラムが空間的に分散するように撮影することができる。

【0036】

このように、本発明では、第１分割光と第２分割光をそれぞれ位相変調素子７により変調して、一括して複数のホログラムとして撮像素子９により検出し、図示しない記録素子に記録する。よって、撮像素子の分解能でホログラムを取得できる。

【0037】

像再生装置２００は、像再生の画像処理計算を行う処理装置１０を備える。詳細は後述するが、立体像を再生する場合には、撮像素子９で同時に取得された分散された４つのホログラムをそれぞれ切り出し、４枚のホログラムに位相シフト法を適用し、回折伝搬の計算を適用することにより立体像を得ることができる。

【0038】

本発明は、インコヒーレントホログラフィの様々な光学系を用いて実現することができる。

【実施例1】

【0039】

図４に２光束の干渉（異なる光路で変調させた光の干渉）を利用するホログラム記録装置１０１の光学系を示す。本光学系は、レンズ２１、偏光子２２、偏光ビームスプリッター２３、１／４波長板２４，２６、凹面鏡２５，２７、バンドパスフィルター２８、位相変調素子２９、偏光子３０、撮像素子９を備える。本光学系では、光波分割素子として偏光ビームスプリッター２３を用い、曲率変調素子として凹面鏡２５，２７を用いている。

【0040】

レンズ２１は、記録対象の物体１から伝搬してきた光波２を集光し、再生像の倍率を変更するために用いる。

【0041】

偏光子２２は、光波２の偏光状態を、例えば、４５度傾いた直線偏光にする。

【0042】

偏光ビームスプリッター２３は、直線偏光となったこの光波を２つに分割し、第１分割光４（反射光）と第２分割光５（透過光）を得る。偏光ビームスプリッター２３を用いているため、第１分割光４と第２分割光５の偏光状態はともに直線偏光であり、その振動方向は直交している。第１分割光４と第２分割光５はそれぞれ１／４波長板２４，２６に入射する。なお、偏光ビームスプリッター２３は、凹面鏡で反射されて再び入射される分割光４，５を、撮像素子９の方向に伝搬させる機能も有している。

【0043】

１／４波長板２４，２６は、入射光の電界振動方向（偏光面）にπ/2（＝λ／４）の位相差を与える。入射光（分割光）の偏光面を波長板の高速軸（あるいは低速軸）に対して４５度の方位角で入射させることにより、第１分割光４と第２分割光５のそれぞれの偏光状態は右回り円偏光と左回り円偏光となる。第１分割光４は１／４波長板２４を通過して凹面鏡２５に向かい、第２分割光５は１／４波長板２６を通過して凹面鏡２７に向かう。

【0044】

凹面鏡２５，２７は、それぞれの光波の波面の曲率を変調する。後に分割光の干渉を生じさせるため、第１分割光４と第２分割光５のそれぞれの波面の曲率は互いに異なるものとする。第１分割光４は凹面鏡２５で変調・反射され、再度、１／４波長板２４に入射し、第２分割光５は凹面鏡２７で変調・反射され、再度、１／４波長板２６に入射する。

【0045】

１／４波長板２４，２６により、右回り円偏光と左回り円偏光のそれぞれは、直交した直線偏光に変換される。これらの直線偏光は、再度、偏光ビームスプリッター２３に入射し、撮像素子９が配置された方向に伝搬し、バンドパスフィルター２８に入射する。

【0046】

バンドパスフィルター２８は、光波の時間的コヒーレンスを高めるために用いる。例えば、所望の波長の光を中心に、透過帯域が１０ｎｍ程度のバンドパスフィルター２８とすることができる。

【0047】

位相変調素子２９は、バンドパスフィルター２８を通過した分割光４，５に、すなわち、直交した２つの直線偏光のそれぞれに、前述した図２に示す位相分布を付与する。なお、位相変調素子２９は、例えば、図２（ａ）の位相分布７ａを有する光学素子と図２（ｂ）の位相分布７ｂを有する光学素子とが、面内方向に縦ｖ［ｍ］横ｈ［ｍ］ずれて重なった構造で実現することができ、図２（ａ）の位相分布が縦方向の直線偏光のみに変調を与え、図２（ｂ）の位相分布が横方向の直線偏光のみに変調を与える光学素子を用いることにより、同じ中心軸で同じ空間を伝搬する２つの分割光にそれぞれ異なった位相変調を与えることができる。また、位相分布７ａを有する光学素子との位相分布７ｂを有する光学素子とをずれなく重ねて配置し、分割光４，５の中心軸を面内方向に縦ｖ［ｍ］横ｈ［ｍ］ずらして入射することによっても、同等の位相変調を実現することができる。

【0048】

すなわち、市松模様の位相変調領域を有する第１光学素子と第１分割光の光軸との位置関係と、市松模様の位相変調領域を有する第２光学素子と第２分割光の光軸との位置関係とを、市松模様の格子の１辺より小さい距離で格子面内方向に相対的にずらすことが、実質的に実現されればよい。

【0049】

偏光子３０は、位相変調を受けた直交する２つの直線偏光である分割光に対し、その偏光方向を揃えるように作用する。この結果、第１分割光４と第２分割光５は、偏光子３０を通過すると、互いに干渉する。

【0050】

撮像素子９は、その受光面で図３に示すように４枚のホログラムを取得する。なお、この後、記録素子（図示せず）に取得したホログラムを記録することができる。

【0051】

このように、インコヒーレントホログラフィによりホログラム記録装置１０１は同時に４枚のホログラムを記録することができる。

【実施例2】

【0052】

図５は、図４と異なる光学系を用いたホログラム記録装置１０２の構成である。本光学系は、レンズ２１、ビームスプリッター３１、回折光学素子３２，３３、バンドパスフィルター２８、撮像素子９を備える。図５の光学系では、曲率変調素子６である図４の凹面鏡の役割と、図２の位相分布を付与する位相変調素子７の役割を、回折光学素子３２，３３を用いて実現している。

【0053】

図５の光学系について説明する。なお、図４と共通の光学素子については、説明を簡略化する。

【0054】

レンズ２１は、記録対象の物体１から伝搬してきた光波２を集光する。

【0055】

ビームスプリッター３１は、物体からの光波２を２つに分割し、第１分割光４と第２分割光５を形成する。第１分割光４と第２分割光５はそれぞれ回折光学素子３２，３３に入射する。なお、ビームスプリッター３１は、回折光学素子３２，３３で反射されて再び入射される分割光４，５を、撮像素子９の方向に伝搬させる機能も有している。

【0056】

回折光学素子３２，３３は、第１分割光４と第２分割光５のそれぞれに、図６（ａ）、図６（ｂ）に示す位相分布を付与する。図６（ａ）、図６（ｂ）の位相分布は、図２（ａ）、図２（ｂ）の位相分布に、曲率が異なる凹面鏡の位相分布（同心円状の分布）を足し合わせることにより得られる。なお、本実施例では、図６（ｂ）の位相分布と図６（ａ）の位相分布との平面内のずれを、ｈ＝ｄ_h／４、ｖ＝ｄ_v／２となるようにしている。回折光学素子３２と３３は空間的に異なる場所に設置されているが、各分割光の光軸とそれぞれの位相分布の位置を調整することにより、２つの位相分布のずれを等価的に実現している。すなわち、市松模様の位相変調領域を有する回折光学素子（第１光学素子）３２と第１分割光４の光軸との位置関係と、市松模様の位相変調領域を有する回折光学素子（第２光学素子）３３と第２分割光５の光軸との位置関係とを、市松模様の格子の１辺より小さい距離で格子面内方向に相対的にずらしている。なお、回折光学素子３２，３３で反射された分割光４，５は、同じ偏光状態を有するようにする。

【0057】

バンドパスフィルター２８は、所望の波長を中心にある帯域幅の光を透過させ、光波の時間的コヒーレンスを高める。

【0058】

撮像素子９は、その受光面で図３に示すように４枚のホログラムを取得する。なお、この後、記録素子（図示せず）に取得したホログラムを記録することができる。

【0059】

図５のホログラム記録装置１０２は、この回折光学素子３２，３３を用いることにより、図４よりも少ない光学素子でインコヒーレントホログラフィを実現できる。

【実施例3】

【0060】

図７に、単一光路での干渉を利用したホログラム記録装置１０３の構成を示す。本光学系は、レンズ２１、偏光子２２、バンドパスフィルター２８、空間光変調器３４、位相変調素子３５、偏光子３０、及び、撮像素子９を備える。本光学系では、光波分割素子３の役割と曲率変調素子６の役割を、１つの空間光変調器３４により実現している。

【0061】

図７の光学系について説明する。なお、図４，５と共通の光学素子については、説明を簡略化する。

【0062】

レンズ２１は、記録対象の物体１から伝搬してきた光波２を集光する。

【0063】

偏光子２２は、光波２の偏光状態を、例えば４５度傾いた直線偏光にする。

【0064】

バンドパスフィルター２８は、所望の波長を中心にある帯域幅の光を透過させ、光波の時間的コヒーレンスを高める。

【0065】

空間光変調器３４は、偏光状態にある光波２を分割して、波面の曲率が異なる第１分割光４と第２分割光５を得る。例えば、第１分割光４と第２分割光５は、その振動方向が直交している２つの直線偏光であり、且つ、波面の曲率が異なっている。第１分割光４と第２分割光５はそれぞれ位相変調素子３５に入射する。なお、空間光変調器３４は、偏光依存性あるいは複屈折性を有する液晶素子や液晶レンズを用いることで実現可能である。

【0066】

位相変調素子３５は、第１分割光４と第２分割光５のそれぞれに、図２に示す、面内方向にずれた位相分布７ａ，７ｂを付与する。図２の一方の位相分布が縦方向の直線偏光のみに変調を与え、図２の他方の位相分布が横方向の直線偏光のみに変調を与える光学素子を用いることにより、同じ空間を伝搬する２つの分割光にそれぞれ異なった位相変調を与えることができる。

【0067】

偏光子３０は、位相変調を受けた直交する２つの直線偏光である分割光に対し、その偏光方向を揃えるように作用する。この結果、第１分割光４と第２分割光５は、偏光子３０を通過すると、互いに干渉する。

【0068】

撮像素子９は、その受光面で図３に示すように４枚のホログラムを取得する。なお、この後、記録素子（図示せず）に取得したホログラムを記録することができる。

【0069】

図７のホログラム記録装置１０３は、単一光路での干渉を利用することにより、図４、図５よりもコンパクトな光学系でインコヒーレントホログラフィを実現できる。

【実施例4】

【0070】

図８に、単一光路での干渉を利用した別のホログラム記録装置１０４の構成を示す。本光学系は、レンズ２１、偏光子２２、バンドパスフィルター２８、回折光学素子３６、偏光子３０、及び、撮像素子９を備える。本光学系では、光波分割素子３の役割と、曲率変調素子６の役割と、位相変調素子７の役割の３つを、１つの回折光学素子３６を用いて実現している。

【0071】

図８の光学系について説明する。なお、図４，５，７と共通の光学素子については、説明を簡略化する。

【0072】

レンズ２１は、記録対象の物体１から伝搬してきた光波２を集光する。なお、このレンズ２１の焦点距離をｆ₀とする。

【0073】

偏光子２２は、光波２の偏光状態を、例えば４５度傾いた直線偏光にする。

【0074】

バンドパスフィルター２８は、所望の波長を中心にある帯域幅の光を透過させ、光波の時間的コヒーレンスを高める。

【0075】

回折光学素子３６は、偏光状態にある光波２を分割するとともに、第１分割光４と第２分割光５のそれぞれに、異なる波面の曲率（焦点距離ｆ_d1，ｆ_d2）と、前述した図２に示す面内方向にずれた位相分布７ａ，７ｂを付与する。なお、回折光学素子３６は、偏光依存性あるいは複屈折性を有する液晶素子や液晶レンズ、又は、表面に微細な凹凸を形成した透光性材料基板等を用いることで実現可能である。

【0076】

偏光子３０は、位相変調を受けた２つの直線偏光である分割光に対し、その偏光方向を揃えるように作用する。

【0077】

撮像素子９は、その受光面で図３に示すように４枚のホログラムを取得する。なお、この後、記録素子（図示せず）に取得したホログラムを記録することができる。

【0078】

図８のホログラム記録装置１０４の光学系を用いることにより、図７の単一光路干渉計の光学系をより小型化することができる。なお、図４、図５、図７、図８の光学系を構成する光学素子は異なるが、撮像素子面上で得られるホログラムは同じである。

【0079】

以上の実施例では、２光束干渉計と単一光路干渉計に基づく実施例を記述したが、回転シアリング干渉計や、ラディアルシアリング干渉計でも本発明を適用することができる。

【0080】

これまで説明した各光学系において、例えば、位相変調素子のΔφがπ/2未満の場合は反射光が生じる可能性がある。同様に他の光学素子で反射する光波が存在する場合、撮像素子面上で不要な光波がホログラムに重なり、ホログラムの品質の低下を招くことが懸念される。この光波の影響が顕著となる場合には、図９に示す空間周波数フィルタリングの光学系を導入してハイパスフィルタを用いて不要な光波を除去し、ホログラム画像を得ることが望ましい。

【0081】

図９の空間周波数フィルタリング光学系は、焦点を一致させた２枚のレンズ３７，３８と、焦点に配置された空間周波数フィルタ３９とを有する。空間周波数フィルタ３９は、中心部が遮光され、他の部分は光を透過する構造を有する。入射光（入力画像）がレンズ３７に入射すると、画像の空間周波数分布が焦点（フーリエ面）に得られ、ここに上記構造を有する空間周波数フィルタ３９を置くことにより、画像の高い空間周波数成分を通過させるハイパスフィルタとして機能する。出力光（出力画像）は、レンズ３８から出力される。

【0082】

次に、本発明のホログラムの記録と像再生の原理について説明する。

【0083】

図１０に示す３つの画面４１，４２，４３に表示された「１」、「２」、「３」の文字を記録対象の３次元物体とした。物体「１」、「２」、「３」の大きさ（横×縦）はそれぞれ、５０μｍ×２５０μｍ、９０μｍ×２５０μｍ、８０μｍ×２５０μｍであり、それぞれの物体の中心位置は、（ｘ＝３００μｍ、ｙ＝６５０μｍ）、（ｘ＝６３０μｍ、ｙ＝６５０μｍ）、（ｘ＝９５０μｍ、ｙ＝６５０μｍ）である。また、物体「１」と物体「２」の間のz方向の距離は２０ｍｍであり、物体「２」と物体「３」の間のz方向の距離は３０ｍｍである。ただし、画面４１，４２，４３は概念的なものであり、物体「１」、「２」、「３」が上記の位置で光を発し、他の領域は透光性のものであれば良い。

【0084】

これらを３次元物体とし、本発明のホログラム記録装置（例えば、図８の光学系）により撮像素子面（撮像面）上で形成されるホログラムを図１１に示す。この画像は、位相変調素子の位相値Δφをπ/2とし、ｈ＝ｄ_h／４、ｖ＝ｄ_v／２として得られたものである。なお、記録・再生の原理説明で用いる図１１～図１３及び図１６の画像は、シミュレーションで作成した。

【0085】

次に、撮像素子により撮像・取得した図１１の画像から４枚のホログラムを抽出する。このとき、抽出した４枚のホログラムに、抽出位置のずれが生じていると立体像を正しく再生することができない。この抽出位置のずれの問題を解消するために、物体のホログラムを記録する前に、あらかじめ３次元の位置情報が既知である物体のホログラムを記録しておき、以下の処理を実施する。

【0086】

はじめに、取得した既知の物体のホログラムに対して、回折伝搬の計算を適用し、既知の物体の配置位置まで伝搬して再生像を得る。ホログラムの強度分布をＩ(x,y)とすると（この強度分布のｘ、ｙ座標は、撮像素子受光面の特定の１点を原点として取得した座標であり、この強度分布には４つのホログラムが含まれる。）、再生像Ｉ'(x,y;s)は、次式（３）により得られる。

【0087】

【数3】

【0088】

ここでFT[・・・]、FT^-1[・・・]は、２次元のフーリエ変換演算子、２次元の逆フーリエ変換演算子であり、ｉは虚数、ｓは伝搬距離、λは波長、ｕ，ｖは空間周波数である。また、時分割の位相シフト法などで、ホログラム面の複素振幅分布が求まる場合には、式（３）のＩ(x,y)をホログラム面の複素振幅分布として再生像の取得を行ってもよい。

【0089】

回折伝搬の結果、再生面内で４つの再生像が得られるため、この内の一つを切り出す。切り出した再生像をテンプレート画像Ｔ(x,y;s)とし、回折伝搬により得られた再生像Ｉ'(x,y;s)との相関［Ｔ(x,y;s)＊Ｉ'(x,y;s)］の計算を行う。ここで、＊は相関演算子である。この相関演算の結果、相関値のピーク位置から、４つの再生像の位置情報を取得する。取得した４つの再生像の位置情報と、４つのホログラムの中心位置はそれぞれ一致しているため、既知の物体の位置情報から撮像素子面でのホログラムの中心位置の情報を取得できる。この中心位置の情報を記録しておき、任意の物体のホログラムを撮像する際には、上述の手順で取得した位置情報を参照することにより、４枚のホログラムを正確に抽出することができる。

【0090】

上述の中心位置の情報に基づいて、図１１の画像から正確に抽出した４枚のホログラムを図１２に示す。なお、相関演算としては、正規化相互相関、位相限定相関などを用いることも可能である。また、上述の位置情報の取得方法では、ホログラム面から再生面まで、光波の回折伝搬の計算を行うために、２次元のフーリエ変換の演算が２回必要であり、計算時間が長くなる。計算時間の短縮を図るために、４つのホログラムの包絡線を取得する、あるいは、４つのホログラムの位相分布を取得し、これらの情報をもとに相関演算を適用することにより、位置情報を取得することも可能である。

【0091】

以上の手順により得られた４枚のホログラムが有する位相シフト量をφ₁、φ₂、φ₃、φ₄とし、その位相シフト量に対応したホログラムの強度分布をＩ₁(x,y)、Ｉ₂(x,y)、Ｉ₃(x,y)、Ｉ₄(x,y)とすると（このとき、各強度分布のｘ、ｙ座標は、上述の手順で取得した各ホログラムの中心位置を原点として取得した座標である。）、物体から伝搬してきた光波分布Ｏ(x,y)は、非特許文献６の任意の位相シフト量のホログラムを解析可能な一般化位相シフトを用いて、以下の式（４）のように算出される。

【0092】

【数4】

【0093】

以上の演算により算出したＯ(x,y)の複素振幅分布を図１３に示す。取得したＯ(x,y)に対して、式（３）と同様の次式（５）の回折伝搬の計算を適用する。

【0094】

【数5】

【0095】

この計算により、再生系において任意の距離ｚ_rにおける物体の像Ｏ'(x,y;z_r)を再生することができ、フォーカス位置を任意に設定することができる。

【0096】

図１４に、本発明の像再生装置による像再生の概念図を示す。像再生装置２０１は、像再生の画像処理計算を行う処理装置１０を備え、必要に応じて、表示装置４９を備える。処理装置１０は、式（４）の位相シフト法に基づいて、得られた複数のホログラムから物体から伝搬してきた光波の複素振幅分布Ｏ(x,y)を求め、次いで、式（５）の回折伝搬の計算を適用し、任意の距離ｚ_rにおける物体の像を再生する計算処理を行う。表示装置４９に得られた複素振幅分布を表示することにより、距離ｚ_rに再生像５０を生成することもできる。

【0097】

記録対象の実際の物体の配置位置がｚ_sである場合に、フォーカスが合った像を得るためには、次式（６）を満たすようにｚ_rを設定する。

【0098】

【数6】

【0099】

ここで、ｆ₀は物体直後に配置されたレンズの焦点距離、ｄは焦点距離ｆ₀のレンズと回折光学素子との距離、ｆ_d1、ｆ_d2は回折光学素子により実現された曲率変調素子の焦点距離、ｚ_hは回折光学素子と撮像素子の距離である。図８の光学系を用いた実施例では、ｆ₀＝２５０［ｍｍ］、ｄ＝１３２［ｍｍ］、ｆ_d1＝４６０［ｍｍ］、ｆ_d2＝１７１．６［ｍｍ］、ｚ_h＝２５０［ｍｍ］としている。

【0100】

図１５に、式（６）から導かれる物体の配置位置ｚ_sと再生距離ｚ_rの関係を示す。図１５からわかるように、ｚ_sとｚ_rは線形な関係ではない。この非線形性は、インコヒーレントホログラフィでホログラムを形成するために、ｚ_sに応じて異なる曲率の波面の自己干渉を利用していることに起因している。物体「１」とｆ₀＝２５０［ｍｍ］のレンズの間のｚ方向の距離は２００［ｍｍ］であるため、物体「１」、物体「２」、物体「３」の配置位置のそれぞれは、ｚ_s ＝２００，２２０，２５０ ［ｍｍ］である。したがって、物体「１」、 物体「２」、 物体「３」のそれぞれにフォーカスが合った像を得るためには、図１５に示すｚ_sとｚ_rの関係に基づいて、ｚ_rを４３．８、５２．７、５７．１［ｍｍ］とする必要がある。本発明の像再生装置は、対象物の実際の位置と、再生像の再生位置の非線形性を補正するテーブルを備えることができ、このテーブルを参照して対象物の位置を計算することができる。

【0101】

図１６に、ｚ_rを４３．８、５２．７、５７．１［ｍｍ］とし、回折伝搬の計算を適用した結果の物体像を示す。「１」、「２」、「３」の物体のそれぞれにフォーカス位置を合わせることに成功していることがわかる。物体「１」にフォーカス位置を合わせた場合には、物体「２」と物体「３」の像がぼやける。同様に、物体「２」、 物体「３」のそれぞれにフォーカス位置を合わせた場合には、フォーカス位置と異なる面に配置された物体の像がぼやける。

【0102】

以上のように、本発明により、インコヒーレントホログラフィにおいて、一度の撮影で３次元情報を記録・再生することが可能である。

【0103】

（検証実験）
本発明によるインコヒーレントホログラフィの記録・再生を実験的に検証した。

【0104】

図１７に、本発明の検証実験に用いた光学系の構成を示す。光学系は、簡単化のため、２つの空間光変調器を用いて２つの物体像の構成とした。

【0105】

発光素子７１（ＬＥＤ）から放射されるインコヒーレント光（波長６２５ｎｍ）を、マスク７２（Ｏ１）を通過させることにより、物体「１」の物体光とし、発光素子７３（ＬＥＤ）から放射されるインコヒーレント光（波長６２５ｎｍ）を、マスク７４（Ｏ２）を通過させることにより、物体「２」の物体光とした。物体「１」、「２」の大きさ（横×縦）はそれぞれ、３００μｍ×５２０μｍ、４２０μｍ×６７０μｍである。これらの物体光をビームスプリッター７５（ＢＳ）で合成し、立体像とみなした。なお、マスク７２（Ｏ１）とマスク７４（Ｏ２）の光軸方向の距離は１２ｍｍである。また、マスク７２，７４は、焦点距離１５０ｍｍのレンズ７７（Ｌ１）の焦点近傍に配置した。合成光は、偏光子７６（Ｐ）を通過し、直線偏光となり、さらに、レンズ７７（Ｌ１）、バンドパスフィルター７８（ＢＰＦ）を通過する。バンドパスフィルター７８の通過帯域幅は１０ｎｍである。

【0106】

ビームスプリッター７９（ＢＳ）は、物体光を第１分割光と第２分割光に分割し、それぞれを位相変調用の空間光変調器８０，８１（ＳＬＭ１，ＳＬＭ２）に入射させる。空間光変調器８０，８１は市松模様の位相変調素子と曲率変調素子の機能を有しており、ピクセルピッチは１０．４μｍ、その曲率の焦点距離（ｆ_d1，ｆ_d2）は、無限遠と４３０ｍｍである。２つの空間光変調器８０，８１は、位相シフト量が０、π/2、π、3/2π ［ｒａｄ］の４枚のホログラムが得られるように調整されている。

【0107】

位相変調された分割光はビームスプリッター７９（ＢＳ）で合成され、焦点距離２００ｍｍのレンズ８２，８４（Ｌ２，Ｌ３）及び空間周波数フィルタ８３からなるハイパスフィルタを通過して、不要な光波が除去される。

【0108】

合成光は、空間光変調器の共役平面８５から、撮像素子である８ビットのＣＭＯＳカメラ（１００００×７０９６画素、画素ピッチ３．１μｍ）８６に向かい、干渉してホログラムとなる。

【0109】

図１８（ａ）は、実際に得られたホログラムの光強度分布であり、位相シフト量の異なる４つのホログラムが検出された。図１８（ｂ）は、ホログラムの一つを抽出したものである。４つのホログラムから式（４）に基づいて、伝搬光Ｏの複素振幅分布を得た。図１８（ｃ）は、その位相値の分布を示したものである。

【0110】

得られた伝搬光Ｏの複素振幅分布を元に、前述の数値計算式（５）により物体像を再生した。図１９（ａ）は、様々な位置における再生像を示している。図１９（ｂ）に示すように、物体像「２」に焦点を合わせると物体像「１」がぼやけ、図１９（ｃ）に示すように、物体像「１」に焦点を合わせると物体像「２」がぼやける。また、像「１」と「２」の距離は１３ｍｍとなり、元の物体間の距離１２ｍｍとは異なっている。この像の距離は各種パラメータによって調整できる。

【0111】

このように、実際のインコヒーレントホログラフィにおいて、本発明の効果を検証することができた。

【0112】

（像再生の改善）
上記の検証実験では、物体像「１」あるいは「２」に焦点を合わせた際に、本来存在しないはずの光が、「１」と「２」の物体像の付近にノイズとして現れている。このノイズは、撮像素子に起因する熱雑音やショットノイズ、光学素子の端面反射による迷光、市松模様に配置された位相変調素子の作製誤差による４枚のホログラム間の強度のばらつき、の３つが主因で生じていると考えられる。また、前述の数値計算式（５）による再生方法では、物体像「１」と「２」が、それぞれの焦点面から光軸方向にずれた面でぼやけた像としてノイズとなる。以上のノイズは、記録対象の３次元情報を把握する際の弊害となる。

【0113】

これらのノイズを低減する必要がある場合には、TV（Total Variation）ノルムに基づいた３次元情報の再構成手法を適用する。取得すべき物体の３次元情報をxとし、位相シフト法により取得した、撮像素子面での光波の複素振幅分布をyとすると、以下に示す最小化問題を解くことにより３次元情報を推定することができる。

【0114】

【数7】

【0115】

TVノルムは、空間的な光波分布の勾配の大きさに対するL１ノルムに相当する。Ｈは前述したインコヒーレントホログラフィのホログラム記録過程に対応する観測行列である。撮像素子面での光波の複素振幅分布yにはノイズが含まれており、本来の解xが式（７）のy ＝ Hxの等式を満たすことができるとは限らない。yにノイズが含まれている場合には、式（７）の代わりに、以下の式（８）に基づいてｘを推定する。

【0116】

【数8】

【0117】

式（８）において、λは正則化パラメータである。式（８）の最小化問題を解くことによって得られた、ｚ_r ＝０、９０、１８０、２７０、３６０［ｍｍ］における５枚の再生像を図２０（ａ）に示す。なお、式（８）の最小化問題を解く際には、非特許文献７のTwo-step iterative shrinkage-thresholding algorithmを用い、正則化パラメータλを０．２とした。

【0118】

比較のため、数値計算式（５）を用いて取得したｚ_r ＝０、９０、１８０、２７０、３６０［ｍｍ］における５枚の再生像を図２０（ｂ）に示す。図２０（ｂ）と比較して、図２０（ａ）では、ｚ_r ＝１８０、２７０［ｍｍ］の物体像「１」と「２」の周囲のノイズが抑えられていることがわかる。さらに、TVノルムに基づく３次元情報の再構成により、ｚ_r ＝０、９０、３６０［ｍｍ］の面では、物体像「１」と「２」の合焦面以外で発生するぼやけた像の強度を抑制できていることがわかる。

【0119】

上記の実施例では、ホログラム記録装置及び像再生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、ホログラム記録方法及び像再生方法として構成されてもよい。

【0120】

なお、上述した像再生装置として機能させるためにコンピューターを好適に用いることができ、そのようなコンピューターは、像再生装置の各機能を実現する処理内容を記述したプログラムを該コンピューターの記憶部に格納しておき、該コンピューターのＣＰＵによってこのプログラムを読み出して実行させることで実現することができる。なお、このプログラムは、コンピューター読取り可能な記録媒体に記録可能である。

【0121】

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、種々の変形や変更が可能である。例えば、実施形態に記載の複数の構成ブロックを１つに組み合わせたり、あるいは１つの構成ブロックを分割したりすることが可能である。

【符号の説明】

【0122】

１ 物体
２ 光波
３ 光波分割素子
４ 第１分割光
５ 第２分割光
６ 曲率変調素子
７ 位相変調素子
８ 光波
９ 撮像素子
１０ 処理装置
１１～１４ ホログラム
２１ レンズ
２２ 偏光子
２３ 偏光ビームスプリッター
２４ １／４波長板
２５ 凹面鏡
２６ １／４波長板
２７ 凹面鏡
２８ バンドパスフィルター
２９ 位相変調素子
３０ 偏光子
３１ ビームスプリッター
３２，３３ 回折光学素子
３４ 空間光変調器
３５ 位相変調素子
３６ 回折光学素子
３７，３８ レンズ
３９ 空間周波数フィルタ
４１～４３ 画面
４９ 表示素子
５０～５３ 再生像
７１ 発光素子
７２ マスク
７３ 発光素子
７４ マスク
７５ ビームスプリッター
７６ 偏光子
７７ レンズ
７８ バンドパスフィルター
７９ ビームスプリッター
８０，８１ 空間光変調器
８２，８４ レンズ
８３ 空間周波数フィルタ
８５ 共役平面
８６ ＣＭＯＳカメラ
１００～１０５ ホログラム記録装置
２００，２０１ 像再生装置

【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】