特許 7412166 撮像装置および撮像方法

(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】

(24)【登録日】2023-12-28

(45)【発行日】2024-01-12

(54)【発明の名称】撮像装置および撮像方法

(51)【国際特許分類】

   H04N 23/60 20230101AFI20240104BHJP

   G02F 1/01 20060101ALI20240104BHJP

   G02B 21/06 20060101ALI20240104BHJP

   G02B 21/36 20060101ALI20240104BHJP

   H04N 23/55 20230101ALI20240104BHJP

【ＦＩ】

H04N23/60

G02F1/01 B

G02B21/06

G02B21/36

H04N23/55

H04N23/60 500

【請求項の数】 16

(21)【出願番号】P 2019234722

(22)【出願日】2019-12-25

(65)【公開番号】P2021103858

(43)【公開日】2021-07-15

【審査請求日】2022-12-20

(73)【特許権者】

【識別番号】000236436

【氏名又は名称】浜松ホトニクス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100140442

【弁理士】

【氏名又は名称】柴山 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100110582

【弁理士】

【氏名又は名称】柴田 昌聰

(72)【発明者】

【氏名】中本 勝大

【審査官】吉田 千裕

(56)【参考文献】

【文献】中国特許出願公開第１０５４６７８０６（ＣＮ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１０２３１２９２（ＣＮ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１９８２３６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／０６４６３６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１６／０２７６０５０（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０４Ｎ ２３／６０

Ｇ０２Ｆ １／０１

Ｇ０２Ｂ ２１／０６

Ｇ０２Ｂ ２１／３６

Ｈ０４Ｎ ２３／５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

コヒーレントな光を出力する光源と、
前記光源からの出力光が照射された対象物の像が形成される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて前記変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、
前記空間光変調器からの出力光のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、
前記フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、
前記空間光変調器の前記変調面における光振幅変調パターンの設定を制御し、前記光振幅変調パターンおよび前記光強度値に基づいて前記対象物の複素振幅画像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記空間光変調器の前記変調面に第１領域および第２領域を設定し、
第１領域画像取得ステップにおいて、前記第１領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第１領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第１領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求め、
第２領域画像取得ステップにおいて、前記第２領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第２領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第２領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求める、
撮像装置。

【請求項2】

コヒーレントな光を出力する光源と、
前記光源からの出力光が入力される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて前記変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、
前記空間光変調器からの出力光が照射された対象物のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、
前記フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、
前記空間光変調器の前記変調面における光振幅変調パターンの設定を制御し、前記光振幅変調パターンおよび前記光強度値に基づいて前記対象物の複素振幅画像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記空間光変調器の前記変調面に第１領域および第２領域を設定し、
第１領域画像取得ステップにおいて、前記第１領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第１領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第１領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求め、
第２領域画像取得ステップにおいて、前記第２領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第２領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第２領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求める、
撮像装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１領域画像取得ステップにおいて、前記第１領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを前記第１領域に順次に設定する、
請求項１または２に記載の撮像装置。

【請求項4】

前記制御部は、前記第２領域画像取得ステップにおいて、前記第２領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを前記第２領域に順次に設定する、
請求項１～３の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項5】

前記空間光変調器は二値の光振幅変調を行う、
請求項１～４の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項6】

前記空間光変調器はデジタル・マイクロミラー・デバイスである、
請求項５に記載の撮像装置。

【請求項7】

前記フーリエ変換光学系により形成される前記フーリエ変換像のうちの前記０次光を選択的に通過させるアパーチャを更に備え、
前記光検出器が、前記アパーチャを通過した光を受光する、
請求項１～６の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項8】

前記フーリエ変換光学系により形成される前記フーリエ変換像のうちの前記０次光の位置に入力端が配置され、その入力端に入力された光を導光して出力端から出力する光導波路を更に備え、
前記光検出器が、前記光導波路の前記出力端から出力された光を受光する、
請求項１～６の何れか１項に記載の撮像装置。

【請求項9】

コヒーレントな光を出力する光源と、
前記光源からの出力光が照射された対象物の像が形成される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて前記変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、
前記空間光変調器からの出力光のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、
前記フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、
を用いて、前記対象物を撮像する方法であって、
前記空間光変調器の前記変調面に第１領域および第２領域を設定する領域設定ステップと、
前記第１領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第１領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第１領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求める第１領域画像取得ステップと、
前記第２領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第２領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第２領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求める第２領域画像取得ステップと、
を備える撮像方法。

【請求項10】

コヒーレントな光を出力する光源と、
前記光源からの出力光が入力される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて前記変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、
前記空間光変調器からの出力光が照射された対象物のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、
前記フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、
を用いて、前記対象物を撮像する方法であって、
前記空間光変調器の前記変調面に第１領域および第２領域を設定する領域設定ステップと、
前記第１領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第１領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第１領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求める第１領域画像取得ステップと、
前記第２領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として前記光強度値を取得し、前記第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として前記光強度値を取得し、前記第２領域における光振幅変調を一様に０とするとともに前記第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として前記光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および前記光振幅変調パターンに基づいて、前記第２領域に対応する前記対象物の領域の複素振幅画像を求める第２領域画像取得ステップと、
を備える撮像方法。

【請求項11】

前記第１領域画像取得ステップにおいて、前記第１領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを前記第１領域に順次に設定する、
請求項９または１０に記載の撮像方法。

【請求項12】

前記第２領域画像取得ステップにおいて、前記第２領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを前記第２領域に順次に設定する、
請求項９～１１の何れか１項に記載の撮像方法。

【請求項13】

前記空間光変調器は二値の光振幅変調を行う、
請求項９～１２の何れか１項に記載の撮像方法。

【請求項14】

前記空間光変調器はデジタル・マイクロミラー・デバイスである、
請求項１３に記載の撮像方法。

【請求項15】

前記フーリエ変換光学系により形成される前記フーリエ変換像のうちの前記０次光を選択的に通過させるアパーチャを用いて、
前記アパーチャを通過した光を前記光検出器により受光する、
請求項９～１４の何れか１項に記載の撮像方法。

【請求項16】

前記フーリエ変換光学系により形成される前記フーリエ変換像のうちの前記０次光の位置に入力端が配置され、その入力端に入力された光を導光して出力端から出力する光導波路を用いて、
前記光導波路の前記出力端から出力された光を前記光検出器により受光する、
請求項９～１４の何れか１項に記載の撮像方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、撮像装置および撮像方法に関するものである。

【背景技術】

【0002】

特許文献１および非特許文献１に記載された撮像装置は、入力光に対する出力光の強度比を画素毎に変調することができる空間光変調器としてデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ: Digital Micromirror Device）を用いるとともに、入力光の強度を検出する光検出器を用いて、対象物の像を得ることができる。これらの文献に記載された撮像装置では、対象物の像をＤＭＤの変調面に形成し、設定された光振幅変調パターンに基づいてＤＭＤにより画素毎に光振幅変調を行って、その変調後の光の強度を光検出器により検出する。複数種類の光振幅変調パターンを順次にＤＭＤに設定し、各々の光振幅変調パターンの設定時に光検出器により光強度値を取得して、各光振幅変調パターンおよび対応する光強度値を記憶部により記憶する。そして、記憶部に記憶された複数組の光振幅変調パターンおよび光強度値を解析することにより、対象物の像を取得することができる。

【0003】

また、非特許文献２に記載された撮像装置は、光の位相を画素毎に変調することができる空間光変調器を用いるとともに、入力光の強度を検出する光検出器を用いて、対象物の複素振幅画像を得ることができる。この文献に記載された撮像装置では、対象物の像を空間光変調器の変調面に形成し、設定された光位相変調パターンに基づいて空間光変調器により画素毎に光位相変調を行って、その変調後の光の強度を光検出器により検出する。複数種類の光位相変調パターンを順次に空間光変調器に設定し、各々の光位相変調パターンの設定時に光検出器により光強度値を取得して、各光位相変調パターンおよび対応する光強度値を記憶部により記憶する。そして、記憶部に記憶された複数組の光位相変調パターンおよび光強度値を解析することにより、対象物の複素振幅画像を取得することができる。

【0004】

これらの撮像装置で用いられる光検出器は、入力光のビーム断面の強度分布を検出するために複数の画素が配列されたイメージセンサである必要はなく、単一の画素からなるポイントセンサであってよい。したがって、イメージセンサの使用が適切でない波長域で対象物を撮像することが要求される場合、または、イメージセンサより低ノイズもしくは高性能で対象物を撮像することが要求される場合等に、ポイントセンサを用いた撮像装置による撮像が有効である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】米国特許出願公開第２００６／０２３９３３６号明細書

【非特許文献】

【0006】

【文献】Dharmpal Takhar, et al. "ANew Compressive Imaging Camera Architecture using Optical-Domain Compression,"Proc. IS&T/SPIE Computational Imaging IV, January 2006.

【文献】Kazuki Ota, Yoshio Hayasaki, "Complex-amplitudesingle-pixel imaging," Opt. Lett., Vol.43, No.15, pp.3682-3685 (2018).

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

非特許文献２に記載された撮像装置は、空間光変調器の変調面の一部領域をリファレンス領域として用いて、位相シフト法により対象物の複素振幅画像を取得する。このことから、取得される複素振幅画像の画素数は少なくなり、複素振幅画像の解像度は低くなる。

【0008】

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、空間光変調器および光検出器を用いて対象物の高解像度の複素振幅画像を取得することができる撮像装置および撮像方法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】

【0009】

本発明の第１態様の撮像装置は、(1) コヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光源からの出力光が照射された対象物の像が形成される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、(3) 空間光変調器からの出力光のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、(4) フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、(5) 空間光変調器の変調面における光振幅変調パターンの設定を制御し、光振幅変調パターンおよび光強度値に基づいて対象物の複素振幅画像を求める制御部と、を備える。

【0010】

本発明の第２態様の撮像装置は、(1) コヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光源からの出力光が入力される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、(3) 空間光変調器からの出力光が照射された対象物のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、(4) フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器と、(5) 空間光変調器の変調面における光振幅変調パターンの設定を制御し、光振幅変調パターンおよび光強度値に基づいて対象物の複素振幅画像を求める制御部と、を備える。

【0011】

本発明の第１態様および第２態様の撮像装置において、制御部は、(a) 空間光変調器の変調面に第１領域および第２領域を設定し、(b) 第１領域画像取得ステップにおいて、第１領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として光強度値を取得し、第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として光強度値を取得し、第１領域における光振幅変調を一様に０とするとともに第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および光振幅変調パターンに基づいて、第１領域に対応する対象物の領域の複素振幅画像を求め、(c) 第２領域画像取得ステップにおいて、第２領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として光強度値を取得し、第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として光強度値を取得し、第２領域における光振幅変調を一様に０とするとともに第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および光振幅変調パターンに基づいて、第２領域に対応する対象物の領域の複素振幅画像を求める。

【0012】

本発明の第１態様および第２態様の撮像装置において、制御部は、第１領域画像取得ステップにおいて、第１領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを第１領域に順次に設定するのが好適である。また、制御部は、第２領域画像取得ステップにおいて、第２領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを第２領域に順次に設定するのが好適である。空間光変調器は、二値の光振幅変調を行うのが好適であり、デジタル・マイクロミラー・デバイスであるのが好適である。

【0013】

本発明の第１態様および第２態様の撮像装置は、フーリエ変換光学系により形成されるフーリエ変換像のうちの０次光を選択的に通過させるアパーチャを更に備え、光検出器が、アパーチャを通過した光を受光するのが好適である。また、本発明の第１態様および第２態様の撮像装置は、フーリエ変換光学系により形成されるフーリエ変換像のうちの０次光の位置に入力端が配置され、その入力端に入力された光を導光して出力端から出力する光導波路を更に備え、光検出器が、光導波路の出力端から出力された光を受光するのも好適である。

【0014】

本発明の第１態様の撮像方法は、(1) コヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光源からの出力光が照射された対象物の像が形成される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、(3) 空間光変調器からの出力光のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、(4) フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器とを用いて、対象物を撮像する方法である。

【0015】

本発明の第２態様の撮像方法は、(1) コヒーレントな光を出力する光源と、(2) 光源からの出力光が入力される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する空間光変調器と、(3) 空間光変調器からの出力光が照射された対象物のフーリエ変換像を形成するフーリエ変換光学系と、(4) フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する光検出器とを用いて、対象物を撮像する方法である。

【0016】

本発明の第１態様および第２態様の撮像方法は、(a) 空間光変調器の変調面に第１領域および第２領域を設定する領域設定ステップと、(b) 第１領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として光強度値を取得し、第１領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として光強度値を取得し、第１領域における光振幅変調を一様に０とするとともに第１領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および光振幅変調パターンに基づいて、第１領域に対応する対象物の領域の複素振幅画像を求める第１領域画像取得ステップと、(c) 第２領域に複数の光振幅変調パターンを順次に設定し、各々の光振幅変調パターンについて、第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に非０の所定値として光強度値を取得し、第２領域において該光振幅変調パターンを設定するとともに第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に０として光強度値を取得し、第２領域における光振幅変調を一様に０とするとともに第２領域以外の領域における光振幅変調を一様に前記所定値として光強度値を取得し、これらの取得した光強度値および光振幅変調パターンに基づいて、第２領域に対応する対象物の領域の複素振幅画像を求める第２領域画像取得ステップと、を備える。

【0017】

本発明の第１態様および第２態様の撮像方法は、第１領域画像取得ステップにおいて、第１領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを第１領域に順次に設定するのが好適である。また、第２領域画像取得ステップにおいて、第２領域に含まれる画素領域の個数と同数の光振幅変調パターンを第２領域に順次に設定するのが好適である。空間光変調器は、二値の光振幅変調を行うのが好適であり、デジタル・マイクロミラー・デバイスであるのが好適である。

【0018】

本発明の第１態様および第２態様の撮像方法は、フーリエ変換光学系により形成されるフーリエ変換像のうちの０次光を選択的に通過させるアパーチャを用いて、アパーチャを通過した光を光検出器により受光するのが好適である。また、本発明の第１態様および第２態様の撮像方法は、フーリエ変換光学系により形成されるフーリエ変換像のうちの０次光の位置に入力端が配置され、その入力端に入力された光を導光して出力端から出力する光導波路を用いて、光導波路の出力端から出力された光を光検出器により受光するのも好適である。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、空間光変調器および光検出器を用いて対象物の高解像度の複素振幅画像を取得することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、撮像装置１の構成を示す図である。

【図2】図２は、撮像装置２の構成を示す図である。

【図3】図３は、撮像装置３の構成を示す図である。

【図4】図４は、空間光変調器の変調面の第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２の設定例について説明する図である。

【図5】図５は、空間光変調器の変調面の第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２の他の設定例について説明する図である。

【図6】図６は、空間光変調器の変調面の第１領域Ｓ１における第ｋ光振幅変調パターンｇ_k,iについて説明する図である。

【図7】図７（ａ）は、シミュレーションで用いた元の振幅画像である。図７（ｂ）は、シミュレーションで得られた振幅画像である。

【図8】図８（ａ）は、シミュレーションで用いた元の位相画像である。図８（ｂ）は、シミュレーションで得られた位相画像である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0022】

図１は、撮像装置１の構成を示す図である。撮像装置１は、光源１０、空間光変調器２１、フーリエ変換光学系３０、光検出器４０、制御部５０、ビームスプリッタ６０およびアパーチャ７０を備える。撮像装置１は、対象物Ｓの位相画像を取得することができ、更に対象物Ｓの振幅画像を取得することができる。すなわち、撮像装置１は、複素振幅画像を取得することができる。

【0023】

光源１０は、対象物Ｓへ照射すべきコヒーレントな光を出力する光源であり、好適にはレーザ光源である。光源１０が出力する光の波長は、空間光変調器２１により光振幅変調が可能であって、光検出器４０が感度を有するものであればよい。光源１０からの出力光は対象物Ｓに照射される。光源１０と対象物Ｓとの間に、光源１０からの出力光のビーム径を拡大するビームエキスパンダが設けられてもよい。対象物Ｓを透過した光は、ビームスプリッタ６０を透過して、空間光変調器２１の受光面に到達する。

【0024】

対象物Ｓと空間光変調器２１の変調面との間に、対象物Ｓの像を空間光変調器２１の変調面に形成するための結像光学系が設けられてもよい。対象物Ｓから空間光変調器２１の変調面に到達する光が像を維持したまま伝搬するのであれば結像光学系は不要である。

【0025】

空間光変調器２１は、光源１０からの出力光が照射された対象物Ｓの像が形成される変調面を有する。この変調面には複数の画素領域が配列されており、画素領域毎に入力光に対して光振幅変調を行って光を出力することができる。空間光変調器２１は、設定された光振幅変調パターンに基づいて変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を出力する。この図に示される空間光変調器２１は反射型のものである。

【0026】

空間光変調器２１は、三値以上の光振幅変調を行うものであってもよいし、二値の光振幅変調を行うものであってもよい。後者の場合、空間光変調器２１はデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）であってもよい。液晶により光振幅変調を行う空間光変調器を用いる場合と比べて、ＤＭＤを用いる場合には高速の撮像が可能である。

【0027】

また、空間光変調器２１は、各々入力した光の偏光方位によって異なる光位相変調を行って光を出力する複数の画素領域が配列された変調面を有する空間光変調器（例えばＬＣＯＳ-ＳＬＭ（Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulator））および２個の偏光子がクロスニコル配置された構成を有するものであってもよい。

【0028】

空間光変調器２１からの出力光は、ビームスプリッタ６０で反射されて、フーリエ変換光学系３０に到達する。フーリエ変換光学系３０は、空間光変調器２１からの出力光のフーリエ変換像を形成する。光検出器４０は、そのフーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光し、その光強度を検出して光強度値を出力する。光検出器４０は、イメージセンサである必要はなく、ポイントセンサであってよい。光検出器４０の受光領域の大きさは、フーリエ変換像のうち０次光を選択的に受光することができる程度であってもよいし、それより大きくてもよい。後者の場合には、フーリエ変換光学系３０によりフーリエ変換像が形成される位置にアパーチャ７０を設け、このアパーチャ７０によりフーリエ変換像のうち０次光を選択的に通過させて、アパーチャ７０を通過した光を光検出器４０が受光すればよい。

【0029】

制御部５０は、空間光変調器２１の変調面における光振幅変調パターンの設定を制御し、光振幅変調パターンおよび光強度値に基づいて対象物Ｓの複素振幅画像を求める。制御部５０の処理の詳細については後述する。

【0030】

図２は、撮像装置２の構成を示す図である。図１に示された撮像装置１の構成と比較すると、図２に示される撮像装置２は、アパーチャ７０に替えて光ファイバ８０を備える点で相違する。光導波路である光ファイバ８０の入力端８０ａは、フーリエ変換光学系３０により形成されるフーリエ変換像のうちの０次光の位置に配置されており、その０次光を選択的に入力する。光ファイバ８０は、入力端８０ａに入力した光を導光して出力端８０ｂから出力する。光検出器４０は、光ファイバ８０の出力端８０ｂから出力された光を受光する。この場合も、光検出器４０の受光領域は大きくてもよい。

【0031】

図３は、撮像装置３の構成を示す図である。図１に示された撮像装置１の構成と比較すると、図３に示される撮像装置３は、反射型の空間光変調器２１に替えて透過型の空間光変調器２２を備える点で相違し、これによりビームスプリッタ６０を不要としている点で相違している。また、図１に示された撮像装置１の構成と比較すると、図３に示される撮像装置３は、空間光変調器２２より後段に対象物Ｓが配置されている点でも相違している。

【0032】

この構成では、空間光変調器２２は、光源１０からの出力光が入力される変調面を有し、設定された光振幅変調パターンに基づいて変調面における複数の画素領域それぞれにおいて入力光に対して光振幅変調を行って当該変調後の光を対象物Ｓへ出力する。フーリエ変換光学系３０は、空間光変調器２２からの出力光が照射された対象物Ｓのフーリエ変換像を形成する。

【0033】

なお、撮像装置の光学系は様々な態様が可能である。例えば、図３の構成においてアパーチャ７０に替えて光ファイバ８０を備えてもよい。対象物Ｓを一方側から他方側へ透過した光に基づいて複素振幅画像を取得することに替えて、対象物Ｓの背後に配置したミラーで反射した光（すなわち、対象物Ｓの内部を往復した光）に基づいて複素振幅画像を取得してもよい。

【0034】

次に、光検出器４０が出力する光強度値について説明する。空間光変調器の変調面上の二次元直交座標系上の位置を表す変数をξ，ηとし、フーリエ変換像が形成される面上の二次元直交座標系上の位置を表す変数をｘ，ｙとする。変調面に設定される光振幅変調分布をｇ(ξ,η)とする。図１において、空間光変調器の変調面に到達する光の複素振幅分布は下記（１）式で表され、空間光変調器により変調されて出力される光の複素振幅分布は下記（２）式で表される。フーリエ変換光学系３０により形成されるフーリエ変換像の複素振幅分布は下記（３）式で表される。ここで、スケール因子を無視した。ｊは虚数単位である。

【0035】

【数1】

【0036】

【数2】

【0037】

【数3】

【0038】

フーリエ変換像のうちの０次光の複素振幅は、（３）式においてｘ＝ｙ＝０として得られ、下記（４）式で表される。光検出器４０が出力する光強度値は、（４）式の絶対値として下記（５）式で表される。実際には空間光変調器の変調面では離散的に複数の画素領域が配列されているので、積分形式の（５）式に替えて総和形式の下記（６）式で表される。ここでもスケール因子を無視した。添え字ｉは、複数の画素領域のうちの第ｉ画素領域を表す。

【0039】

【数4】

【0040】

【数5】

【0041】

【数6】

【0042】

次に、制御部５０の処理について説明する。制御部５０は、空間光変調器の変調面に第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２を設定する（領域設定ステップ）。図４および図５は、空間光変調器の変調面の第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２の設定例について説明する図である。これらの図では、空間光変調器の変調面が６４（＝８×８）個の画素領域を含むとして、これら６４個の画素領域のうちの第ｉ画素領域に到達する光の複素振幅をｘ_ｉとして示している。第ｉ画素領域に到達する光の複素振幅ｘ_ｉは下記（７）式で表される。

【0043】

【数7】

【0044】

第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２の設定は任意である。例えば、図４に示されるように、３２（＝８×４）個の画素領域を含む矩形領域を第１領域Ｓ１とし、残りの３２（＝８×４）個の画素領域を含む矩形領域を第２領域Ｓ２としてもよい。また、図５に示されるように、４０（＝８×５）個の画素領域を含む矩形領域を第１領域Ｓ１とし、４０（＝８×５）個の画素領域を含む矩形領域を第２領域Ｓ２としてもよく、この場合は、１６個の画素領域は第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２の双方に含まれる。また、第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２それぞれは、矩形領域でなくてもよく、単一の領域ではなく複数の部分領域を含んでいてもよい。以下では、図４に示されるように、各画素領域が第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２の何れか一方に含まれる場合について説明する。

【0045】

制御部５０は、第１領域Ｓ１に対応する対象物Ｓの領域の複素振幅画像を求め（第１領域画像取得ステップ）、第２領域Ｓ２に対応する対象物Ｓの領域の複素振幅画像を求める（第２領域画像取得ステップ）。

【0046】

第１領域画像取得ステップの処理は次のとおりである。第１領域Ｓ１に複数の光振幅変調パターンを順次に設定する。設定する光振幅変調パターンの個数は、第１領域Ｓ１に含まれる画素領域の個数と同数の３２であるのが好適である。第１領域Ｓ１に設定する複数の光振幅変調パターンのうちの第ｋ光振幅変調パターンをｇ_k,iと表す。図６は、空間光変調器の変調面の第１領域Ｓ１における第ｋ光振幅変調パターンｇ_k,iについて説明する図である。第１領域Ｓ１の第ｉ画素領域から出力される変調後の光の複素振幅は下記（８）式で表される。第１領域Ｓ１の全ての画素領域から出力される変調後の光の複素振幅の総和は下記（９）式で表される。

【0047】

【数8】

【0048】

【数9】

【0049】

第１領域Ｓ１以外の領域（すなわち、第２領域Ｓ２）において一様な光振幅変調ｇ_０を設定する。このとき、第２領域Ｓ２の第ｉ画素領域から出力される変調後の光の複素振幅は下記（１０）式で表される。第２領域Ｓ２の全ての画素領域から出力される変調後の光の複素振幅の総和は下記（１１）式で表される。この（１１）式の右辺にあるｂは実数とすることができる。

【0050】

【数10】

【0051】

【数11】

【0052】

光検出器４０が出力する光強度値Ｉは、（９）式と（１１）式との和の絶対値の二乗として、下記（１２）式で表される。

【0053】

【数12】

【0054】

第１領域Ｓ１において光振幅変調パターンｇ_k,iを設定するとともに、第２領域Ｓ２における光振幅変調を一様に非０の所定値ｇ_０とすると、このとき取得される光強度値Ｉ₁₁は上記（１２）式で表される値となる。第１領域Ｓ１において光振幅変調パターンｇ_k,iを設定するとともに、第２領域Ｓ２における光振幅変調を一様に０とすると、このとき取得される光強度値Ｉ₁₀はＡ_k ²となり、Ａ_ｋの値が得られる。第１領域Ｓ１における光振幅変調を一様に０とするとともに、第２領域Ｓ２における光振幅変調を一様に前記所定値ｇ_０とすると、このとき取得される光強度値Ｉ₀₁はｂ^２となり、ｂの値が得られる。そして、これらのＩ₁₁、Ａ_ｋおよびｂの各値を用いて（１２）式からΘ_ｋが得られる。

【0055】

第１領域Ｓ１に複数の光振幅変調パターンｇ_k,iを順次に設定することで、各々の光振幅変調パターンｇ_k,iについてＡ_ｋおよびΘ_ｋが得られ、下記（１３）式で表される連立方程式が得られる。設定する光振幅変調パターンの個数が、第１領域Ｓ１に含まれる画素領域の個数と同数であれば、（１３）式は線形連立方程式であるので、行列｛ｇ_k,i｝の逆行列を用いて解｛ｘ_ｉ｝が得られる。この解｛ｘ_ｉ｝すなわち｛ａ_ｉexp(θ_ｉ)｝は、第１領域Ｓ１に対応する対象物Ｓの領域の複素振幅画像を表す。振幅画像は｛ａ_ｉ｝であり、位相画像は｛θ_ｉ｝である。

【0056】

【数13】

【0057】

第１領域画像取得ステップに続く第２領域画像取得ステップの処理は次のとおりである。第２領域Ｓ２に複数の光振幅変調パターンを順次に設定する。設定する光振幅変調パターンの個数は、第２領域Ｓ２に含まれる画素領域の個数と同数の３２であるのが好適である。第２領域Ｓ２に設定する複数の光振幅変調パターンのうちの第ｋ光振幅変調パターンをｇ_k,iと表す。第２領域Ｓ２の全ての画素領域から出力される変調後の光の複素振幅の総和は下記（１４）式で表される。

【0058】

【数14】

【0059】

第２領域Ｓ２以外の領域（すなわち、第１領域Ｓ１）において一様な光振幅変調ｇ_０を設定する。第１領域Ｓ１の全ての画素領域から出力される変調後の光の複素振幅の総和は下記（１５）式で表される。

【0060】

【数15】

【0061】

光検出器４０が出力する光強度値Ｉは、（１４）式と（１５）式との和の絶対値の二乗として、上記（１２）式と同様の式で表される。

【0062】

第２領域Ｓ２において光振幅変調パターンｇ_k,iを設定するとともに、第１領域Ｓ１における光振幅変調を一様に非０の所定値ｇ_０とすると、このとき取得される光強度値Ｉ₁₁は上記（１２）式と同様の式で表される値となる。第２領域Ｓ２において光振幅変調パターンｇ_k,iを設定するとともに、第１領域Ｓ１における光振幅変調を一様に０とすると、このとき取得される光強度値Ｉ₁₀はＡ_k ²となり、Ａ_ｋの値が得られる。第２領域Ｓ２における光振幅変調を一様に０とするとともに、第１領域Ｓ１における光振幅変調を一様に前記所定値ｇ_０とすると、このとき取得される光強度値Ｉ₀₁はｂ^２となり、ｂの値が得られる。そして、これらのＩ₁₁、Ａ_ｋおよびｂの各値を用いて（１２）式からΘ_ｋが得られる。

【0063】

第２領域Ｓ２に複数の光振幅変調パターンｇ_k,iを順次に設定することで、各々の光振幅変調パターンｇ_k,iについてＡ_ｋおよびΦ_ｋが得られ、上記（１３）式と同様の式で表される連立方程式が得られる。設定する光振幅変調パターンの個数が、第２領域Ｓ２に含まれる画素領域の個数と同数であれば、（１３）式は線形連立方程式であるので、行列｛ｇ_k,i｝の逆行列を用いて解｛ｘ_ｉ｝が得られる。この解｛ｘ_ｉ｝すなわち｛ａ_ｉexp(θ_ｉ)｝は、第２領域Ｓ２に対応する対象物Ｓの領域の複素振幅画像を表す。振幅画像は｛ａ_ｉ｝であり、位相画像は｛θ_ｉ｝である。

【0064】

ここまでの処理により、第１領域および第２領域の双方に対応する対象物Ｓの複素振幅画像｛ｘ_ｉ｝を得ることができる。

【0065】

次に、シミュレーション結果について説明する。ここでは、図４に示されるように、空間光変調器の変調面において各画素領域が第１領域Ｓ１および第２領域Ｓ２の何れか一方に含まれるとした。空間光変調器として、二値の光振幅変調を行うＤＭＤを想定した。図７（ａ）は、シミュレーションで用いた元の振幅画像である。図７（ｂ）は、シミュレーションで得られた振幅画像である。図８（ａ）は、シミュレーションで用いた元の位相画像である。図８（ｂ）は、シミュレーションで得られた位相画像である。

【0066】

このように、本実施形態によれば、空間光変調器の変調面にある全ての画素領域を用いて対象物の複素振幅画像を取得することができるので、対象物の高解像度の複素振幅画像を取得することができる。

【符号の説明】

【0067】

１～３…撮像装置、１０…光源、２１，２２…空間光変調器、３０…フーリエ変換光学系、４０…光検出器、５０…制御部、６０…ビームスプリッタ、７０…アパーチャ、８０…光ファイバ、Ｓ…対象物。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】