JP7579196B2 - Digital hologram signal processing device and digital hologram imaging/reproducing device - Google Patents
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Description
本発明はディジタルホログラム信号処理装置およびディジタルホログラム撮像再生装置に関し、コヒーレント光およびインコヒーレント光のいずれを用いた場合にも、所望の再構成像を作成することが可能なディジタルホログラム信号処理装置およびディジタルホログラム撮像再生装置に関する。 The present invention relates to a digital hologram signal processing device and a digital hologram imaging and reproducing device, and to a digital hologram signal processing device and a digital hologram imaging and reproducing device that can create a desired reconstructed image whether coherent light or incoherent light is used.
ディジタルホログラフィの技術では、光の干渉を利用することで被写体の3次元情報を反映したホログラムを撮像素子や光検出器をはじめとする光電子デバイスで撮像し、これをディジタルホログラムとして信号処理部のメモリに保存する。このメモリに保存されたディジタルホログラムを空間光変調器で表示することにより、肉眼で観察可能な被写体の3次元映像を再生できる。また、信号処理部において、ディジタルホログラムに対して回折伝搬の計算を施すことで、任意の奥行位置の2次元画像を再構成することができ、被写体撮像後に焦点位置を任意に変更するリフォーカスが可能である(下記非特許文献1を参照)。 Digital holography technology uses the interference of light to capture a hologram reflecting the three-dimensional information of a subject using optoelectronic devices such as an image sensor or photodetector, and stores this as a digital hologram in the memory of the signal processing unit. By displaying the digital hologram stored in this memory using a spatial light modulator, a three-dimensional image of the subject that can be viewed with the naked eye can be reproduced. In addition, by performing diffraction propagation calculations on the digital hologram in the signal processing unit, a two-dimensional image at any depth position can be reconstructed, and refocusing is possible to arbitrarily change the focal position after capturing the subject (see Non-Patent Document 1 below).
ディジタルホログラフィの技術を用いることにより、上述の立体撮像・表示やリフォーカスといった有用な機能を実現することができるが、従来のディジタルホログラフィの技術の多くで、光源としてコヒーレンスが高いレーザー光の使用が必須であった。しかしながら、インコヒーレントディジタルホログラフィの技術の進展により、光源に要求される空間コヒーレンスの問題が緩和されたことで、太陽光や蛍光、LEDをはじめとするインコヒーレント光を用いてもディジタルホログラムを撮像でき、上述の立体撮像・表示やリフォーカスを実現できることが示され、ディジタルホログラフィの応用範囲が着実に拡大している(下記特許文献1、2を参照)。 By using digital holography technology, it is possible to realize useful functions such as the above-mentioned stereoscopic imaging/display and refocusing, but most conventional digital holography technologies require the use of highly coherent laser light as a light source. However, advances in incoherent digital holography technology have alleviated the problem of spatial coherence required of light sources, making it possible to capture digital holograms using incoherent light such as sunlight, fluorescent light, and LEDs, and to realize the above-mentioned stereoscopic imaging/display and refocusing, and the range of applications of digital holography is steadily expanding (see Patent Documents 1 and 2 below).
レーザー光(コヒーレント光)を光源とするディジタルホログラフィ(下記非特許文献1を参照)、およびインコヒーレント光を光源とするインコヒーレントディジタルホログラフィ(下記特許文献1、2を参照)は、使用光源のコヒーレンス長とディジタルホログラム作成用の干渉光学系の構成は異なるものの、2次元画像を再構成するために用いる回折伝搬の計算は共通であり、この場合は、フレネル回折積分や角スペクトル法(あるいは平面波展開)が共通して用いられる。これらの回折計算では、光の時間的・空間的コヒーレンスが大きいことを暗黙のうちに前提としており、その再構成像のぼやけの状態は、コヒーレント光の応答を示す。
なお、インコヒーレントディジタルホログラフィにおいても、撮像時はインコヒーレント光が対象とされているものの、再構成時の像は、コヒーレント光に係る性質を示す。
このコヒーレント光の応答は、光の波面情報を用いて3次元情報を再構成する上では不可欠な応答であり、3次元映像を再生する際に問題となることはない。
Digital holography, which uses laser light (coherent light) as a light source (see Non-Patent Document 1 below), and incoherent digital holography, which uses incoherent light as a light source (see Patent Documents 1 and 2 below), use different coherence lengths of the light sources used and different configurations of the interference optical systems used to create digital holograms, but they share the same diffraction propagation calculations for reconstructing two-dimensional images, and in this case, Fresnel diffraction integrals and angular spectrum methods (or plane wave expansions) are commonly used. These diffraction calculations implicitly assume that the light has large temporal and spatial coherence, and the blurring of the reconstructed image indicates the response of the coherent light.
In incoherent digital holography, incoherent light is used during imaging, but the image reconstructed exhibits properties related to coherent light.
This response of coherent light is essential for reconstructing three-dimensional information using wavefront information of light, and does not cause any problems when reproducing three-dimensional images.
したがって、ディジタルホログラフィにおける2次元画像を再構成した像のぼやけの状態は、インコヒーレント光に基づく一眼レフカメラやスマートフォンのような通常のカメラのぼやけ状態と全く異なる。つまり、3次元映像を撮像する技術であるディジタルホログラフィにより、上述する通常の手法で2次元画像を出力してしまうと、通常のカメラを使用してきたユーザーは、ディジタルホログラフィにおける2次元画像のぼやけの状態を不自然に感じてしまう。 Therefore, the blurriness of an image reconstructed from a two-dimensional image in digital holography is completely different from the blurriness of an ordinary camera, such as a single-lens reflex camera or a smartphone, which is based on incoherent light. In other words, if a two-dimensional image is output using the ordinary method described above using digital holography, a technology for capturing three-dimensional images, users who are used to using ordinary cameras will find the blurriness of the two-dimensional image in digital holography to be unnatural.
さらに、通常、人間はぼやけ具合(デフォーカスの大小)により物体の奥行、奥行方向の遠近の順序関係などを判断していることが知られており(下記非特許文献2、3を参照)、従来のディジタルホログラム撮像再生装置では、2次元画像から感じられる奥行感覚が正しく得られない。また、ディジタルホログラム撮像再生装置で撮像した映像を、ディジタルホログラム撮像再生装置ではない、通常のカメラで撮像した映像と合成しながら映像素材を構成する場合に、不整合が生じる。 Furthermore, it is known that humans normally judge the depth of an object and the order of distance in the depth direction based on the degree of blur (the degree of defocus) (see Non-Patent Documents 2 and 3 below), and conventional digital holographic imaging and playback devices are unable to provide a correct sense of depth from a two-dimensional image. Also, when video material is created by combining images captured by a digital holographic imaging and playback device with images captured by a normal camera other than a digital holographic imaging and playback device, inconsistencies arise.
従来のディジタルホログラフィで回折伝搬計算により2次元画像を再構成する際に、フォーカス面からはずれたデフォーカス面の光分布のぼやけ状態は、コヒーレント光の応答を示してリンギングや光の特異点が発生してしまい、通常のカメラを用いた場合のような滑らかなぼやけを得ることができないという問題がある。 When reconstructing a two-dimensional image using diffraction propagation calculations in conventional digital holography, the blurred state of the light distribution on the defocused plane away from the focus plane exhibits a response to coherent light, resulting in ringing and optical singularities, and it is not possible to obtain the smooth blur that can be obtained when using a normal camera.
このように、被写体の奥行位置や奥行順序の奥行感覚が正しく得られないことに加え、通常のカメラで撮像した映像と合成することができない。さらに、ディジタルホログラフィにおける像のぼやけ量は、撮像再生装置と被写体間の距離で決定されてしまう。 As a result, not only is it impossible to obtain a correct sense of depth from the subject's depth position or depth order, but it is also impossible to synthesize the images with those captured by a normal camera. Furthermore, the amount of blur in an image in digital holography is determined by the distance between the imaging/reconstruction device and the subject.
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、被写体の奥行位置や奥行順序等の奥行感覚を正しく得ることができ、通常のカメラで撮像した映像と合成することが可能であり、さらに、ディジタルホログラフィにおける像のぼやけ量を、容易に調整可能なディジタルホログラム信号処理装置およびディジタルホログラム撮像再生装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been made to solve these problems, and aims to provide a digital hologram signal processing device and a digital hologram imaging and reproducing device that can accurately obtain a sense of depth, such as the depth position and depth order of a subject, can be synthesized with an image captured by a normal camera, and can easily adjust the amount of blur of an image in digital holography.
本発明のディジタルホログラム信号処理装置は、
被写体の3次元情報を光の干渉を利用して撮像するディジタルホログラム撮像再生装置の信号処理を行うディジタルホログラム信号処理装置において、
該ディジタルホログラム撮像再生装置の干渉光学系により得られたディジタルホログラムの再構成像から、被写体の所望の数の合焦像と、該合焦像の奥行位置の情報を取得する合焦像/奥行位置情報取得手段と、
被写界深度の領域内の、所望の前記奥行位置に設定される領域内合焦像を指定し得るように、該奥行位置に応じて、被写界深度、レンズの焦点距離、該レンズの開口径、および該レンズから像面までの距離の各要素を設定し、得られた所定数の前記領域内合焦像を互いに加算して基準画像を取得する基準画像取得手段と、
前記被写界深度の領域外の、所望の前記奥行位置に配される領域外合焦像を指定し得るように、該奥行位置に応じて、前記レンズの焦点距離、該レンズの開口径、および該レンズから像面までの距離の各要素を設定し、得られた該領域外合焦像各々の強度分布と、インコヒーレント結像系の点像分布関数の強度分布との畳み込み積分を演算してデフォーカス画像群を得るデフォーカス画像群取得手段と、
前記基準画像取得手段により得られた前記基準画像と、前記デフォーカス画像群取得手段により得られた前記デフォーカス画像群と、を互いに加算して、インコヒーレント応答画像を得る基準画像/デフォーカス画像群加算手段と、
を備えたことを特徴とするものである。
The digital hologram signal processing device of the present invention comprises:
A digital hologram signal processing device performs signal processing for a digital hologram imaging and reproducing device that captures three-dimensional information of a subject by utilizing interference of light,
a focused image/depth position information acquisition means for acquiring a desired number of focused images of an object and information on the depth positions of the focused images from a reconstructed image of a digital hologram obtained by an interference optical system of the digital hologram imaging and reconstructing device;
a reference image acquisition means for setting each element of the depth of field, the focal length of the lens, the aperture diameter of the lens, and the distance from the lens to an image plane in accordance with a desired depth position within the depth of field so as to specify an in-area in-focus image set at the desired depth position within the depth of field, and acquiring a reference image by adding together a predetermined number of the in-area in-focus images thus obtained;
a defocused image group acquiring means for acquiring a defocused image group by calculating a convolution integral between an intensity distribution of each of the obtained out-of-area focused images and an intensity distribution of a point spread function of an incoherent imaging system, the defocused image group acquiring means setting each element of the focal length of the lens, the aperture diameter of the lens, and the distance from the lens to an image plane according to a desired depth position so as to specify an out-of-area focused image located at a desired depth position outside the depth of field, and the intensity distribution of each of the obtained out-of-area focused images and an intensity distribution of a point spread function of an incoherent imaging system;
a reference image/defocused image group adding means for adding the reference image obtained by the reference image obtaining means and the defocused image group obtained by the defocused image group obtaining means to each other to obtain an incoherent response image;
The present invention is characterized by comprising:
また、前記基準画像取得手段において前記基準画像を取得する演算処理は、前記奥行位置を変更して得られた、前記領域内合焦像各々の強度分布を加算して取得された合算強度分布と、前記インコヒーレント結像系の点像分布関数の強度分布との畳み込み積分に係る演算処理であることが好ましい。 In addition, it is preferable that the calculation process for acquiring the reference image in the reference image acquisition means is a calculation process related to the convolution integral of a combined intensity distribution acquired by adding together the intensity distributions of each of the in-region focused images obtained by changing the depth position, and the intensity distribution of the point spread function of the incoherent imaging system.
また、前記合算強度分布と、前記インコヒーレント結像系の点像分布関数の強度分布との畳み込み積分に係る前記演算処理を行う際には、下式(A)の関係を満たすように、前記インコヒーレント結像系の点像分布関数のパラメータを設定する構成とされていることが好ましい。
また、前記合焦像/奥行位置情報取得手段における、前記被写体の所望の数の合焦像と、該合焦像の奥行位置の情報を取得する処理が、前記ディジタルホログラムの再構成像の鮮鋭度の評価結果に基づいてなされる処理であることが好ましい。 It is also preferable that the process of acquiring a desired number of focused images of the subject and information on the depth positions of the focused images in the focused image/depth position information acquisition means is performed based on the evaluation results of the sharpness of the reconstructed image of the digital hologram.
また、本発明のディジタルホログラム撮像再生装置は、撮像素子と、少なくとも一方が被写体情報を担持した2系の光を互いに干渉させて該撮像素子にホログラム像を形成する撮像光学系と、上述したいずれかのディジタルホログラム信号処理装置と、を備えたことを特徴とするものである。 The digital hologram imaging and reproducing device of the present invention is characterized by comprising an imaging element, an imaging optical system that causes two systems of light, at least one of which carries subject information, to interfere with each other to form a hologram image on the imaging element, and any one of the digital hologram signal processing devices described above.
また、上記ディジタルホログラム撮像再生装置において、コヒーレントな光源と、その光源からのコヒーレント光によりディジタルホログラムを得る干渉計の光学系を備え、上記ディジタルホログラム信号処理装置内に、該干渉計の光学系の奥行分解能を記憶するメモリを備えたことが好ましく、被写体からのインコヒーレントな光を入射されてディジタルホログラムを得る自己干渉計の光学系を備え、上記ディジタルホログラム信号処理装置内に、該自己干渉計の光学系の奥行分解能を記憶するメモリを備えたことも好ましい。 In addition, the digital hologram imaging and reproducing device preferably includes a coherent light source and an interferometer optical system that obtains a digital hologram using coherent light from the light source, and the digital hologram signal processing device preferably includes a memory that stores the depth resolution of the interferometer optical system. It is also preferable that the digital hologram signal processing device includes a self-interferometer optical system that obtains a digital hologram when incoherent light from a subject is incident on the self-interferometer optical system, and the digital hologram signal processing device preferably includes a memory that stores the depth resolution of the self-interferometer optical system.
本発明のディジタルホログラム信号処理装置およびディジタルホログラム撮像再生装置によれば、被写界深度の領域内に位置する再構成画像を調整した合焦像を互いに加算してなる基準画像と、被写体深度の領域外に位置する再構成画像を調整した各合焦像からなるデフォーカス画像群とを互いに加算することにより、デフォーカス位置に存在する被写体の像のぼやけの特性をコヒーレント応答からインコヒーレント応答に変換し、さらにインコヒーレント結像系の点像分布関数のパラメータを変更することでぼやけ量を任意に制御することができる。 The digital hologram signal processing device and digital hologram imaging and reproducing device of the present invention add together a reference image formed by adding together focused images obtained by adjusting reconstructed images located within the depth of field, and a group of defocused images formed by adjusting reconstructed images located outside the depth of field. This converts the blur characteristics of the image of the subject located at the defocused position from a coherent response to an incoherent response, and further allows the amount of blur to be controlled as desired by changing the parameters of the point spread function of the incoherent imaging system.
これにより、ディジタルホログラフィの技術により撮像したデータからであっても、通常のカメラのようなぼやけの状態を示す2次元画像を再構成することができる。さらに、通常のカメラで撮像した映像と合成することも可能となる。 This makes it possible to reconstruct a two-dimensional image that shows the same blur as a normal camera, even from data captured using digital holography technology. It will also be possible to synthesize it with images captured using a normal camera.
さらに、通常のカメラや従来のディジタルホログラフィではなし得なかった、被写体の奥行位置に応じて異なるぼやけ量の付与や、ぼやけ量の自在な制御が可能であり、任意焦点画像に撮像の味であるぼやけを付け加えることで、演出効果も出すことができる。 In addition, it is possible to impart different amounts of blur depending on the depth position of the subject, and to freely control the amount of blur, something that was not possible with normal cameras or conventional digital holography. By adding blur, which is a feature of imaging, to an arbitrarily focused image, it is possible to create a dramatic effect.
以下、本発明の実施形態に係るディジタルホログラム信号処理装置およびディジタルホログラム撮像再生装置を、図面を参照しながら説明する。
図1に本発明の信号処理の流れを示す。なお、ステップ12(S12)以降の各ステップは、ディジタルホログラム信号処理装置(以下、信号処理部18、18´とも称する:図3(a)、(b)を参照)においてなされるもので、具体的にはコンピュータプログラムを用いてなされ、モニター上に映出されるものである。
はじめに、ディジタルホログラム撮像再生装置の干渉光学系(後述する)により、ディジタルホログラムを撮像し(S11)、保存する。取得されたディジタルホログラムのデータに基づき、各被写体(被写体1~4)の奥行位置情報および合焦像を以下の手順で取得する((S12):〈1〉は各被写体1~4の合焦像と奥行位置を示す)。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A digital hologram signal processing device and a digital hologram imaging and reproducing device according to embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
The flow of signal processing of the present invention is shown in Fig. 1. Note that each step after step 12 (S12) is performed in a digital hologram signal processing device (hereinafter also referred to as signal processing units 18, 18': see Figs. 3(a) and 3(b)), specifically, by using a computer program, and is displayed on a monitor.
First, a digital hologram is captured (S11) using an interference optical system (described later) of the digital hologram capture and reconstructor, and then stored. Based on the captured digital hologram data, depth position information and focused images of each subject (subjects 1 to 4) are acquired in the following procedure (S12): <1> indicates the focused images and depth positions of each of subjects 1 to 4.
すなわち、このステップ12(S12)においては、ディジタルホログラムの強度分布あるいは、位相シフト法やフーリエ縞解析の方法でディジタルホログラムから抽出した複素振幅分布に対して、回折伝搬の計算を適用する。回折伝搬の計算としては、フレネル回折積分や角スペクトル法(平面波展開)等の手法を用いることができる。回折伝搬の計算時に、伝搬距離を段階的かつ逐次的に変化させて、各伝搬距離における2次元の再構成画像を得る。これらの2次元の再構成画像において、被写体の奥行位置の変化に応じ、つまり伝搬距離に応じて、合焦したりぼやけたりする。合焦している像が形成されている場合、そのときの伝搬距離が、被写体の奥行位置と対応している。したがって、各伝搬距離における2次元の再構成画像から、最も合焦している像を探索すれば、被写体の奥行位置を得ることができる。また、最も合焦している像の探索には、2次元の再構成画像の鮮鋭度を評価すればよい。鮮鋭度の評価方法としては、各画像の微分や、各画像の空間周波数成分の大小を比較すればよい。これらの技術は、ディジタルホログラフィの分野でオートフォーカス技術として知られている。 That is, in this step 12 (S12), a calculation of diffraction propagation is applied to the intensity distribution of the digital hologram or the complex amplitude distribution extracted from the digital hologram by the phase shift method or the Fourier fringe analysis method. For the calculation of diffraction propagation, a method such as Fresnel diffraction integral or angular spectrum method (plane wave expansion) can be used. When calculating diffraction propagation, the propagation distance is changed stepwise and sequentially to obtain a two-dimensional reconstructed image at each propagation distance. In these two-dimensional reconstructed images, the image becomes focused or blurred depending on the change in the depth position of the subject, that is, depending on the propagation distance. When a focused image is formed, the propagation distance at that time corresponds to the depth position of the subject. Therefore, by searching for the most focused image from the two-dimensional reconstructed images at each propagation distance, the depth position of the subject can be obtained. In addition, the sharpness of the two-dimensional reconstructed image can be evaluated to search for the most focused image. The sharpness can be evaluated by comparing the differential of each image or the magnitude of the spatial frequency components of each image. These techniques are known as autofocus techniques in the field of digital holography.
得られた2次元の再構成画像各々の鮮鋭度を評価し、最も鮮鋭度が高くなる伝搬距離を、その被写体の奥行位置として、この奥行位置情報と被写体の合焦像を取得し、信号処理部18、18´(図3を参照)に保存する。なお、被写体の奥行位置の取得には、ライダーなどの装置を併用して、計測してもよい。 The sharpness of each of the obtained two-dimensional reconstructed images is evaluated, and the propagation distance at which the sharpness is highest is taken as the depth position of the subject. This depth position information and the focused image of the subject are acquired and stored in the signal processing units 18, 18' (see Figure 3). Note that the depth position of the subject may also be acquired by using a device such as a lidar in combination.
次に、信号処理部18、18´(図3を参照)に、フォーカスを合わせたい奥行位置情報、その奥行位置を中心とする所望の被写界深度情報、および実現したいぼやけ量に対応するインコヒーレント結像系のパラメータを指定する(S13)。上記被写界深度の設定としては、ディジタルホログラム撮像再生装置19、19´内の光学系の奥行分解能よりも大きな値となるように設定する。
このことにより、結像系の応答を物理的に正しく計算することができ、不要な演算処理を省略することができる。また、光学系の奥行分解能の情報は、光学系の構成の情報を反映して、信号処理部18、18´のメモリに保存する。
Next, the signal processors 18, 18' (see FIG. 3) are assigned with information on the depth position to be focused on, information on the desired depth of field centered on the depth position, and parameters of the incoherent imaging system corresponding to the amount of blur to be realized (S13). The depth of field is set to a value greater than the depth resolution of the optical system in the digital hologram imaging and reproducing device 19, 19'.
This allows the response of the imaging system to be calculated physically correctly, and unnecessary calculation processing can be omitted. Furthermore, information on the depth resolution of the optical system is stored in the memory of the signal processing unit 18, 18', reflecting information on the configuration of the optical system.
インコヒーレント結像系のパラメータとしては、図2に示すように、仮想レンズ6の焦点距離f、開口直径D、仮想レンズ(以下、単にレンズと称する)6から被写体1~4の合焦像までの距離z1、仮想レンズ6から像面7までの距離z2の4つがある。これらの4つのパラメータをもとに、インコヒーレント結像系の点像分布関数は下式(1)に示すように形成される。
本実施形態においては、通常のカメラレンズを想定して、レンズの開口関数を直径Dの円形開口とするが、アポダイゼーション、矩形開口やランダムな開口をはじめ、付与したいぼやけ状態に応じて自由に設定してもよい。λは光源の波長であり、fx、fyは空間周波数領域の座標系の変数である。
2, there are four parameters of the incoherent imaging system: focal length f of virtual lens 6, aperture diameter D, distance z1 from virtual lens (hereinafter simply referred to as lens) 6 to the focused images of subjects 1 to 4, and distance z2 from virtual lens 6 to image plane 7. Based on these four parameters, the point spread function of the incoherent imaging system is formed as shown in the following equation (1).
In this embodiment, assuming a normal camera lens, the aperture function of the lens is a circular aperture with a diameter D, but it may be freely set according to the desired blur state, including apodization, a rectangular aperture, and a random aperture. λ is the wavelength of the light source, and f x and f y are variables of the coordinate system in the spatial frequency domain.
以上に説明したように設定されたパラメータを用いて、以下の手順でぼやけを変換した2次元画像を生成する。
図2に示すように、設定された奥行位置情報および被写界深度の領域内に存在する被写体2、3の各合焦像を加算し、加算画像Iを得る((S14):〈2〉に被写界深度内の合焦像の加算画像Iを示す)。
その後、下式(2)を用いて、加算画像Iとインコヒーレント結像系の点像分布関数(PSF)の畳み込み積分により、基準画像Bを得る((S15):〈3〉に基準画像Bを示す)。
As shown in FIG. 2, the in-focus images of subjects 2 and 3 existing within the region of the set depth position information and depth of field are added together to obtain an added image I (S14: <2> shows the added image I of the in-focus images within the depth of field).
Then, using the following equation (2), a reference image B is obtained by convolution integral of the added image I and the point spread function (PSF) of the incoherent imaging system (S15: reference image B is shown in <3>).
上式(2)の演算処理を行う際には、下式(3)の関係を満たすように、上式(1)の点像分布関数のパラメータを設定することで、通常のカメラで被写体2、3にフォーカスを合わせたような像を得ることができる。
一方で、上式(1)中のP(x,y)の影響、つまりレンズの有限な開口直径の制限により、分解能を低下させる効果も含まれているため、その分解能の低下を抑制したい場合は、上式(2)のPSFをデルタ関数として演算を行うか、本演算自体を省略してB=Iとしてもよい。
なお、上式(1)、(2)の演算にあたり、フーリエ変換アルゴリズムを用いる手法が一般的であるが、その際にアルゴリズムに応じてエネルギーの増減が生じないように、エネルギーの規格化を行い、さらに強度が一定になるように留意する。
On the other hand, since the effect of P(x, y) in the above equation (1), that is, the limitation of the finite aperture diameter of the lens, also includes an effect of reducing the resolution, if it is desired to suppress the reduction in the resolution, the PSF in the above equation (2) can be calculated as a delta function, or this calculation itself can be omitted and B = I can be used.
In addition, when calculating the above formulas (1) and (2), a method using a Fourier transform algorithm is generally used. In that case, in order to prevent an increase or decrease in energy depending on the algorithm, energy is normalized and care is taken to ensure that the intensity is constant.
上述した基準画像Bの作成とは別に、被写界深度の領域外の被写体1、4のデフォーカス像Ddを作成する。デフォーカス像Ddを作成する際には、下式(4)、(5)の演算を適用する。
すなわち、被写界深度の領域外の被写体1、4の各合焦像と、結像系の点像分布関数との畳み込み積分により、デフォーカス像Ddを得る((S16):〈4〉に被写界深度の領域外のデフォーカス像Ddを示す)。
なお、上式(1)に対して上式(4)が相違するのは、z1がdに置き換わっている点である。この演算を、被写界深度の領域外の被写体1、4毎にdの値を変化させて適用する。
A defocused image Dd of the subjects 1 and 4 outside the depth of field is created separately from the creation of the reference image B described above. When creating the defocused image Dd, the following equations (4) and (5) are applied.
That is, a defocused image Dd is obtained by convolution integral of each focused image of the subjects 1 and 4 outside the depth of field with the point spread function of the imaging system (S16: the defocused image Dd outside the depth of field is shown in <4>).
The difference between the above formula (4) and the above formula (1) is that z1 is replaced with d. This calculation is applied by changing the value of d for each of the subjects 1 and 4 outside the depth of field.
最後に、基準画像Bとすべてのデフォーカス像(デフォーカス像Ddの群)の加算を行うことで、ぼやけの状態を変換した2次元画像を得ることができる((S17):〈5〉に信号処理の結果(全画像を互いに加算して)得られた2次元画像を示す)。 Finally, by adding the reference image B and all the defocused images (the group of defocused images Dd), a two-dimensional image with a converted blur state can be obtained (S17): <5> shows the two-dimensional image obtained as a result of signal processing (by adding all the images together).
なお、以上の計算では、すべての被写体1~4に対して、共通のレンズ(仮想レンズ)6を用いた場合のぼやけ状態を付与するため、fの値およびz2の値を固定しているが、いずれについても被写体1~4に応じて変更するようにしてもよい。
また、各被写体1~4の奥行位置情報も、任意の値に変更してもよい。以上の操作により、通常のカメラでは撮像できないようなぼやけ状態とされた2次元画像を得ることができ、さらに奥行位置情報も任意に入れ替え可能であるので、映像表現の幅を広げることができる。
In the above calculations, the value of f and the value of z2 are fixed in order to impart a blur state to all of the subjects 1 to 4 when a common lens (virtual lens) 6 is used. However, both of these may be changed depending on the subjects 1 to 4.
The depth position information of each of the subjects 1 to 4 may also be changed to an arbitrary value. By performing the above operations, it is possible to obtain a two-dimensional image that is blurred in a way that cannot be captured by a normal camera, and since the depth position information can also be arbitrarily replaced, the range of video expression can be expanded.
以上のぼやけ変換の信号処理を実現するディジタルホログラム撮像再生装置としては、例えば、図3(a)、(b)に示すものを採用可能である。
なお、図3(a)、(b)に示す撮像再生装置の光学系は、ディジタルホログラフィ分野では一般的な構成であるが、本撮像再生装置の特徴は、ぼやけ変換の信号処理を施す信号処理部18、18´が搭載されていることに加えて、ぼやけ変換の信号処理の計算の高効率化のために必要な、光学系の奥行分解能の情報が、信号処理部18、18´に保存され、設定されている点にある。
As a digital hologram imaging and reproducing device that realizes the above-mentioned signal processing for blur conversion, for example, the devices shown in FIGS.
The optical system of the imaging and reproducing device shown in Figures 3(a) and (b) is a typical configuration in the field of digital holography. However, a feature of this imaging and reproducing device is that, in addition to being equipped with signal processing units 18, 18' that perform signal processing for blur conversion, information on the depth resolution of the optical system, which is necessary to increase the efficiency of calculations for the signal processing of the blur conversion, is stored and set in the signal processing units 18, 18'.
図3(a)は、コヒーレント光を光源とする場合のディジタルホログラム撮像再生装置19を示すものである。ディジタルホログラム撮像再生装置19内のレーザー光源16からのレーザー光を、スペイシャルフィルタ15とレンズ11により平面波とし、ビームスプリッタ13で分波する。分派された一方を被写体12に照射するとともに、分派された他方を平面鏡14で反射させる。前者の光を物体光、後者の光を参照光とし、ビームスプリッタ13で合波した後、撮像素子17面上で両者を干渉させる。これをディジタルホログラムとして撮像し、信号処理部18のメモリ部(図示されていない)に保存する。 Figure 3(a) shows a digital hologram imaging and reproducing device 19 when coherent light is used as the light source. Laser light from a laser light source 16 in the digital hologram imaging and reproducing device 19 is converted into a plane wave by a spatial filter 15 and a lens 11, and then split by a beam splitter 13. One of the split lights is irradiated onto an object 12, and the other split light is reflected by a plane mirror 14. The former light is the object light and the latter light is the reference light. After being combined by the beam splitter 13, the two are made to interfere on the surface of the imaging element 17. This is captured as a digital hologram and stored in the memory section (not shown) of the signal processing section 18.
他方、図3(b)は、周囲のインコヒーレント光を光源とする場合のディジタルホログラム撮像再生装置19´を示すものである。周囲のインコヒーレント光で照明された被写体12´からの反射光を、レンズ11´で集光し、ビームスプリッタ13´により分波する。分派したインコヒーレント光を平面鏡14´と凹面鏡20で反射させて、再度ビームスプリッタ13´に戻して合波し、撮像素子17´面上で干渉させる。撮像素子17´により、これをディジタルホログラムとして撮像し、信号処理部18´のメモリ部(図示されていない)に保存する。 On the other hand, Figure 3(b) shows a digital hologram imaging and reproducing device 19' when ambient incoherent light is used as the light source. The reflected light from the subject 12' illuminated with ambient incoherent light is collected by lens 11' and split by beam splitter 13'. The split incoherent light is reflected by plane mirror 14' and concave mirror 20, returned to beam splitter 13' and combined, and made to interfere on the surface of image sensor 17'. This is imaged as a digital hologram by image sensor 17' and stored in the memory section (not shown) of signal processing section 18'.
また、図4は、上記信号処理部18(信号処理部18´も同様)の内部構成を示すブロック図である。すなわち、信号処理部18は、合焦像/奥行位置情報取得手段18Aと、基準画像取得手段18Bと、デフォーカス画像群取得手段18Cと、基準画像/デフォーカス画像群加算手段18Dと、を備えている。 Figure 4 is a block diagram showing the internal configuration of the signal processing unit 18 (similar to the signal processing unit 18'). That is, the signal processing unit 18 includes a focused image/depth position information acquisition means 18A, a reference image acquisition means 18B, a defocused image group acquisition means 18C, and a reference image/defocused image group addition means 18D.
まず、合焦像/奥行位置情報取得手段18Aは、ディジタルホログラム撮像再生装置19、19´の干渉光学系により得られたディジタルホログラムの再構成像から、被写体12の合焦像(被写体像1~4の各々について)と、該合焦像の奥行位置情報を取得するように構成されている。 First, the focused image/depth position information acquisition means 18A is configured to acquire the focused image of the subject 12 (for each of subject images 1 to 4) and the depth position information of the focused image from the reconstructed image of the digital hologram obtained by the interference optical system of the digital hologram imaging and reproduction device 19, 19'.
また、基準画像取得手段18Bは、被写界深度の領域内の、所望の奥行位置に設定される領域内合焦像を指定し得るように、その奥行位置に応じて、被写界深度、レンズ6の焦点距離f、レンズ6の開口直径D、およびレンズ6から像面7までの距離z2の各要素を設定し、得られた所定数の領域内合焦像の強度分布を互いに加算して基準画像Bを取得する。 Furthermore, the reference image acquisition means 18B sets each element of the depth of field, the focal length f of the lens 6, the aperture diameter D of the lens 6, and the distance z2 from the lens 6 to the image plane 7 according to the depth position so as to specify an in-area in-focus image that is set at a desired depth position within the area of the depth of field, and acquires a reference image B by adding together the intensity distributions of a predetermined number of in-area in-focus images thus obtained.
また、基準画像取得手段18Bにおいて基準画像Bを取得する演算処理は、奥行位置の設定値を順次変更して得られた、領域内合焦像(被写体2、3の合焦像)各々の強度分布を加算して取得された合算強度分布と、インコヒーレント結像系の点像分布関数の強度分布との畳み込み積分による演算とすることが望ましい。 The calculation process for acquiring the reference image B in the reference image acquisition means 18B is preferably a calculation based on the convolution integral of the intensity distribution of the point spread function of the incoherent imaging system and the combined intensity distribution obtained by adding together the intensity distributions of the in-region focused images (focused images of subjects 2 and 3) obtained by sequentially changing the depth position setting value.
一方、デフォーカス画像群取得手段18Cは、被写界深度の領域外の、所望の奥行位置に配される領域外合焦像(被写体1、4の合焦像)を指定し得るように、その奥行位置に応じて、レンズ6の焦点距離f、レンズ6の開口直径D、およびレンズ6から像面までの距離z2の各要素を設定し、得られた領域外合焦像(被写体1、4の合焦像)各々の強度分布と、インコヒーレント結像系の点像分布関数の強度分布との畳み込み積分を演算してデフォーカス画像群Ddを得る。
換言すれば、このデフォーカス画像群取得手段18Cは、デフォーカス位置に存在する被写体12の像のぼやけの状態を、コヒーレント応答からインコヒーレント応答に変換し、さらにインコヒーレント結像系の点像分布関数のパラメータを変更することでぼやけ量を調整するものである。
On the other hand, the defocused image group acquisition means 18C sets each element, i.e., the focal length f of the lens 6, the aperture diameter D of the lens 6, and the distance z2 from the lens 6 to the image plane, in accordance with the depth position so as to be able to specify an out-of-area focused image (focused image of subjects 1, 4) that is located at a desired depth position outside the depth of field, and calculates the convolution integral of the intensity distribution of each of the obtained out-of-area focused images (focused images of subjects 1, 4) and the intensity distribution of the point spread function of the incoherent imaging system to obtain a defocused image group Dd.
In other words, this defocused image group acquisition means 18C converts the blur state of the image of the subject 12 present at the defocused position from a coherent response to an incoherent response, and further adjusts the amount of blur by changing the parameters of the point spread function of the incoherent imaging system.
さらに、基準画像/デフォーカス画像群加算手段18Dは、基準画像取得手段18Bにより得られた基準画像Bと、デフォーカス画像群取得手段18Cにより得られたデフォーカス画像群Ddと、を互いに加算して、インコヒーレント応答画像を得るものである。
また、図4には示されていないが、信号処理部18には、干渉計の光学系の奥行分解能等を記憶するメモリ部が設けられている。
Furthermore, the reference image/defocused image group addition means 18D adds the reference image B obtained by the reference image acquisition means 18B and the defocused image group Dd obtained by the defocused image group acquisition means 18C to each other to obtain an incoherent response image.
Although not shown in FIG. 4, the signal processing unit 18 is provided with a memory unit for storing the depth resolution of the optical system of the interferometer, etc.
なお、図3(a)、(b)に示すディジタルホログラム撮像再生装置19、19´の光学系は、本発明に係るディジタルホログラム撮像再生装置の光学系の一例を表すものであり、干渉現象を用いてディジタルホログラムを撮像し、光学系の奥行位置情報を導出し得るものであれば、その他の種々の構成のものを採用することができる。 Note that the optical system of the digital hologram imaging and reproducing device 19, 19' shown in Figures 3(a) and (b) represents one example of the optical system of the digital hologram imaging and reproducing device according to the present invention, and various other configurations can be adopted as long as they are capable of imaging a digital hologram using the interference phenomenon and deriving depth position information of the optical system.
以下、本発明の実施例により得られた再構成結果について説明するが、比較例としての従来技術に係るシミュレーションの内容、およびシミュレーションの結果も対応させるようにして説明する。
本実施例および上記比較例に係るシミュレーションにおいては、角スペクトル法による光波の回折計算を用いており、光の伝搬を正確に計算することができる。
ディジタルホログラム撮像再生装置としては図3(a)に示すコヒーレント光を用いたものを採用した。コヒーレント光の波長は633nmとし、被写体12を図5(a)に示す2次元画像とし、被写体12の奥行位置を100mmとした。参照光としては、平面位相を有する平面波とした。また、撮像素子17としては、画素数256×256、画素ピッチ10μm、階調数8bitのものを用いた。ここで、比較例における撮像素子により取得したホログラム像は図5(b)に示すものと同様になった。
Below, the reconstruction results obtained by the embodiments of the present invention will be explained, but the contents and results of a simulation relating to the prior art will also be explained as a comparative example.
In the simulations according to this embodiment and the comparative example, the diffraction of light waves is calculated by the angular spectrum method, and the propagation of light can be calculated accurately.
The digital hologram imaging and reproducing device used was one using the coherent light shown in Fig. 3(a). The wavelength of the coherent light was 633 nm, the subject 12 was a two-dimensional image shown in Fig. 5(a), and the depth position of the subject 12 was 100 mm. The reference light was a plane wave having a planar phase. The imaging element 17 used had a pixel count of 256 x 256, a pixel pitch of 10 μm, and gradation of 8 bits. Here, the hologram image acquired by the imaging element in the comparative example was similar to that shown in Fig. 5(b).
撮像素子により得られたこのホログラムから、位相シフト法により、複素振幅分布を抽出して、再構成した像を図6に示す。被写体のフォーカス位置を中心として、±20mmの範囲内の領域を10mm間隔で伝搬距離を変更しながら、各位置で2次元画像を得るようにしている。すなわち、設定された伝搬距離が、0mm(被写体の合焦位置)のときの再構成結果を(c)に示し、その他、設定された伝搬距離が、各々、-20mm、-10mm、10mmおよび20mmのときの再構成結果を、各々、(a)、(b)、(d)、および(e)に示す。
図6の再構成結果から、通常のディジタルホログラフィの再構成計算では、デフォーカス像にリンギングが発生し、通常のカメラとはぼやけの状態が異なることが明らかである。
From this hologram obtained by the imaging element, a complex amplitude distribution was extracted by the phase shift method, and a reconstructed image is shown in Figure 6. A two-dimensional image is obtained at each position while changing the propagation distance at 10 mm intervals in an area within a range of ±20 mm centered on the focus position of the subject. That is, the reconstruction result when the set propagation distance is 0 mm (the focus position of the subject) is shown in (c), and the reconstruction results when the set propagation distance is -20 mm, -10 mm, 10 mm, and 20 mm are shown in (a), (b), (d), and (e), respectively.
From the reconstruction result in FIG. 6, it is clear that in the reconstruction calculation of ordinary digital holography, ringing occurs in the defocused image, and the blur state is different from that of an ordinary camera.
次に、本実施例技術を適用して再構成した結果を図7に示す。インコヒーレント結像系および仮想レンズ6のパラメータとしては、z1=100mm、z2=100mm、f=50mm、D=6mm(F値8.33)とし、被写界深度領域の長さを8mmとした。本実施例技術を適用することにより、図6の場合と比較するとデフォーカス像が滑らかになっていることが明らかである。
さらに、D=2mm(F値25)、D=0.6mm(F値83.33)とした場合の処理結果を図8、図9に示す((a)~(e)についての伝搬距離は図6の場合と同じ)。F値が大きくなることで、デフォーカス像のぼやけ量が縮小されており、ぼやけ量を良好に制御できていることが明らかである。
Next, the result of reconstruction by applying the technique of this embodiment is shown in Fig. 7. The parameters of the incoherent imaging system and the virtual lens 6 are z1 = 100 mm, z2 = 100 mm, f = 50 mm, D = 6 mm (F value 8.33), and the length of the depth of field region is 8 mm. It is clear that the defocused image is smoother by applying the technique of this embodiment compared to the case of Fig. 6.
Furthermore, the processing results when D = 2 mm (F-number 25) and D = 0.6 mm (F-number 83.33) are shown in Figures 8 and 9 (the propagation distances for (a) to (e) are the same as in Figure 6). It is clear that the blur amount of the defocused image is reduced by increasing the F-number, and the blur amount is well controlled.
次に、図10(a)に示すように、奥行方向に、互いに60mmずつ離して3つの被写体12を配置した場合の適用結果を以下に説明する。これらの3つの被写体12を撮像した場合に、図10(b)のディジタルホログラムが得られる。以下、上記3つの被写体12を、図10(a)における奥行方向に向かって、便宜的に、“物体1”、“物体2”および“物体3”と称するものとする。 Next, the results of application when three subjects 12 are placed 60 mm apart in the depth direction as shown in Figure 10(a) will be described below. When these three subjects 12 are imaged, the digital hologram shown in Figure 10(b) is obtained. Hereinafter, for convenience, the three subjects 12 will be referred to as "Object 1", "Object 2" and "Object 3" in the depth direction in Figure 10(a).
この図10(b)のディジタルホログラムに対して、位相シフト法を適用し、回折伝搬計算を適用した結果を図11(a)~(c)に示す。各被写体12にフォーカスを合わせて再構成すると、コヒーレント光特有のぼやけの状態(縞模様を有する)をしたデフォーカス像が得られていることが明らかである。
この図11(a)~(c)の再構成結果に対して、本実施例技術を適用した再構成結果を図12、図13、および図14に示す。
The results of applying the phase shift method and the diffraction propagation calculation to the digital hologram of Fig. 10(b) are shown in Fig. 11(a) to (c). When each subject 12 is focused and reconstructed, it is clear that a defocused image with the blur (having a striped pattern) characteristic of coherent light is obtained.
The reconstruction results obtained by applying the technique of this embodiment to the reconstruction results shown in FIGS. 11(a) to 11(c) are shown in FIGS. 12, 13, and 14. FIG.
図12、図13、および図14は各々、物体“1”、物体“2”および物体“3”の配設位置をフォーカスの奥行位置として設定し、被写界深度を10mmとした場合の再構成結果を示すものである。
また、各々のぼやけ量を、図12~14の各(a)では、開口直径D=1(F値20)とした場合、図12~14の各(b)では、D=0.6(F値33.33)とした場合、図12~14の各(c)では、D=0.2(F値100)とした場合、の結果を各々示している。
以上に説明した各再構成結果から明らかなように、本実施例技術を用いることにより、ぼやけの状態をコヒーレント光を用いた状態から、インコヒーレント光を用いた状態に変換でき、さらにぼやけ量を任意に調整できていることが明らかである。
12, 13, and 14 respectively show the reconstruction results when the positions of objects "1", "2", and "3" are set as the depth positions of the focus and the depth of field is set to 10 mm.
In addition, for each of the amounts of blur, (a) in Figures 12 to 14 shows the results when the aperture diameter D is 1 (F-number 20), (b) in Figures 12 to 14 shows the results when D is 0.6 (F-number 33.33), and (c) in Figures 12 to 14 shows the results when D is 0.2 (F-number 100).
As is clear from the reconstruction results described above, by using the technology of this embodiment, it is possible to convert the blur state from a state using coherent light to a state using incoherent light, and further, it is clear that the amount of blur can be adjusted as desired.
なお、以上に説明したシミュレーションの結果は、コヒーレント光を利用したディジタルホログラム撮像再生装置19を用いた場合のものであるが、図3(b)のインコヒーレント光を利用したディジタルホログラム撮像再生装置19´の場合でも同様の作用効果を奏することができる。 Note that the simulation results described above are for the case where a digital holographic imaging and reproducing device 19 using coherent light is used, but the same effects can be achieved even in the case of a digital holographic imaging and reproducing device 19' using incoherent light as shown in Figure 3(b).
なお、本発明のディジタルホログラム信号処理装置およびディジタルホログラム撮像再生装置としては、上記の実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。 The digital hologram signal processing device and digital hologram imaging and reproducing device of the present invention are not limited to the above-mentioned embodiments, and various other modifications are possible.
1~4、12、12´ 被写体
6 仮想レンズ(レンズ)
7 像面
11,11´ レンズ
13、13´ ビームスプリッタ
14、14´ 平面鏡
15 スペイシャルフィルタ
16 レーザー光源
17、17´ 撮像素子
18、18´ 信号処理部
18A 合焦像/奥行位置情報取得手段
18B 基準画像取得手段
18C ぼやけ量調整手段
18D 基準画像/デフォーカス画像群加算手段
19、19´ ディジタルホログラム撮像再生装置
20 凹面鏡
B 基準画像
Dd デフォーカス画像群
I 加算画像
1-4, 12, 12' Subject 6 Virtual lens (lens)
Reference image acquisition means 18C; Blur amount adjustment means 18D; Reference image/defocused image group adding means 19, 19'; Digital hologram imaging and reproducing device 20; Concave mirror B; Reference image Dd; Defocused image group I; Addition image
Claims (7)
該ディジタルホログラム撮像再生装置の干渉光学系により得られたディジタルホログラムの再構成像から、被写体の所望の数の合焦像と、該合焦像の奥行位置の情報を取得する合焦像/奥行位置情報取得手段と、
被写界深度の領域内の、所望の前記奥行位置に設定される領域内合焦像を指定し得るように、該奥行位置に応じて、被写界深度、レンズの焦点距離、該レンズの開口径、および該レンズから像面までの距離の各要素を設定し、得られた所定数の前記領域内合焦像を互いに加算して基準画像を取得する基準画像取得手段と、
前記被写界深度の領域外の、所望の前記奥行位置に配される領域外合焦像を指定し得るように、該奥行位置に応じて、前記レンズの焦点距離、該レンズの開口径、および該レンズから像面までの距離の各要素を設定し、得られた該領域外合焦像各々の強度分布と、インコヒーレント結像系の点像分布関数の強度分布との畳み込み積分を演算してデフォーカス画像群を得るデフォーカス画像群取得手段と、
前記基準画像取得手段により得られた前記基準画像と、前記デフォーカス画像群取得手段により得られた前記デフォーカス画像群と、を互いに加算して、インコヒーレント応答画像を得る基準画像/デフォーカス画像群加算手段と、
を備えたことを特徴とするディジタルホログラム信号処理装置。 A digital hologram signal processing device performs signal processing for a digital hologram imaging and reproducing device that captures three-dimensional information of a subject by utilizing interference of light,
a focused image/depth position information acquisition means for acquiring a desired number of focused images of an object and information on the depth positions of the focused images from a reconstructed image of a digital hologram obtained by an interference optical system of the digital hologram imaging and reconstructing device;
a reference image acquisition means for setting each element of the depth of field, the focal length of the lens, the aperture diameter of the lens, and the distance from the lens to an image plane in accordance with a desired depth position within the depth of field so as to specify an in-area in-focus image set at the desired depth position within the depth of field, and acquiring a reference image by adding together a predetermined number of the in-area in-focus images thus obtained;
a defocused image group acquiring means for acquiring a defocused image group by calculating a convolution integral between an intensity distribution of each of the obtained out-of-area focused images and an intensity distribution of a point spread function of an incoherent imaging system, the defocused image group acquiring means setting each element of the focal length of the lens, the aperture diameter of the lens, and the distance from the lens to an image plane according to a desired depth position so as to specify an out-of-area focused image located at a desired depth position outside the depth of field, and the intensity distribution of each of the obtained out-of-area focused images and an intensity distribution of a point spread function of an incoherent imaging system;
a reference image/defocused image group adding means for adding the reference image obtained by the reference image obtaining means and the defocused image group obtained by the defocused image group obtaining means to each other to obtain an incoherent response image;
A digital hologram signal processing device comprising:
The digital hologram imaging and reproducing device according to claim 5, further comprising a self-interferometer optical system that obtains a digital hologram when incoherent light from a subject is incident thereon, and further comprising a memory within the digital hologram signal processing device that stores the depth resolution of the self-interferometer optical system.
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