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JP7737293B2 - Imaging device and imaging method - Google Patents
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JP7737293B2 - Imaging device and imaging method - Google Patents

Imaging device and imaging method

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JP7737293B2
JP7737293B2 JP2021190591A JP2021190591A JP7737293B2 JP 7737293 B2 JP7737293 B2 JP 7737293B2 JP 2021190591 A JP2021190591 A JP 2021190591A JP 2021190591 A JP2021190591 A JP 2021190591A JP 7737293 B2 JP7737293 B2 JP 7737293B2
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Description

本発明は撮像装置及び撮像方法に関し、特にインコヒーレントデジタルホログラフィにおける撮像装置及び撮像方法に関する。 The present invention relates to an imaging device and an imaging method, and in particular to an imaging device and an imaging method for incoherent digital holography.

インコヒーレントデジタルホログラフィはレーザなどの特殊な照明を使わずに3次元情報を取得できる方法として検討されている。被写体からのインコヒーレントな物体光を2つの光路に分岐して、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(ホログラム)を複数枚取得して計算することで、撮像素子面における被写体の複素振幅情報が得られる。この複素振幅情報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次元画像情報が得られる。 Incoherent digital holography is being investigated as a method for acquiring three-dimensional information without using special lighting such as lasers. Incoherent object light from a subject is split into two optical paths, and a concave mirror or lens is placed in one of the optical paths to create a slight optical path difference. These lights are then combined and interfered with, capturing the subject as interference fringes. By acquiring and calculating multiple interference fringe images (holograms) with different phases, complex amplitude information of the subject on the image sensor surface can be obtained. By performing backpropagation calculations of light from this complex amplitude information, a two-dimensional image of any depth distance, i.e., three-dimensional image information, can be obtained.

3次元情報を含む動画像を撮影するためには、被写体の複素振幅情報をフレームごとに取得する必要があり、そのためには、例えば異なる位相の干渉縞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画像を同時に生成して取得する方法が提案されている(特許文献1,非特許文献1)。 Capturing moving images containing three-dimensional information requires acquiring complex amplitude information about the subject for each frame, which in turn requires simultaneously acquiring interference fringes of different phases. One proposed method for this is to use polarized light to simultaneously generate and acquire interference fringe images of different phases (Patent Document 1, Non-Patent Document 1).

図7、図8は、従来のインコヒーレントデジタルホログラフィの撮像装置の例である。図7の撮像装置は、複屈折レンズを用いる光学系で構成されている。被写体1からの物体光はレンズ2と波長フィルタ3を通り、偏光板4で任意の方向の直線偏光成分のみとする。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5を設ける。複屈折レンズ5を透過した物体光は、1/4波長板6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20で撮影し、各偏光方向の画像(各偏光方向の画素データを集約して構成された画像)を生成することで、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複素振幅情報を得て、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)。 Figures 7 and 8 show examples of conventional incoherent digital holography imaging devices. The imaging device in Figure 7 is composed of an optical system using a birefringent lens. Object light from subject 1 passes through lens 2 and wavelength filter 3, and polarizer 4 filters out only linearly polarized components in a given direction. Birefringent lens 5 is provided with different focal lengths for polarization directions ±45° from this polarization direction. The object light passing through birefringent lens 5 is converted into right-handed and left-handed circularly polarized light by quarter-wave plate 6. This light is captured by polarization camera 20, in which polarizers are provided at 45° intervals for each pixel, and images for each polarization direction (images constructed by aggregating pixel data for each polarization direction) are generated, allowing interference fringe images with different phases to be simultaneously obtained. Complex amplitude information is obtained from these interference fringe images, and a reconstructed image at any depth can be obtained by performing a light backpropagation calculation. It has been reported that this optical system has been able to capture video at a frame rate of 25 fps (Non-Patent Document 1).

一方、図8に示すように、複屈折レンズの代わりに反射型液晶パネルを用いる光学系も提案されている。被写体1からの物体光は、レンズ2、波長フィルタ3、及び偏光板4を透過後、直線偏光の光波となる。この直線偏光をビームスプリッタ(BS)7を介して反射型液晶パネル8に入射する。反射型液晶パネル8は、この偏光方向から±45°となる偏光方向に対して異なる球面の位相分布を付与する。 On the other hand, as shown in Figure 8, an optical system has also been proposed that uses a reflective liquid crystal panel instead of a birefringent lens. Object light from a subject 1 passes through a lens 2, a wavelength filter 3, and a polarizing plate 4, becoming a linearly polarized light wave. This linearly polarized light is incident on a reflective liquid crystal panel 8 via a beam splitter (BS) 7. The reflective liquid crystal panel 8 imparts a different spherical phase distribution to polarization directions that are ±45° from this polarization direction.

反射型液晶パネル8とビームスプリッタ(BS)7で反射した物体光は、1/4波長板9を透過して右回りと左回りの円偏光となり、回折格子21で4方向に分岐する(図8は平面図であるため、2方向の光が描かれているが、実際は4方向に回折する。)。なお、この回折格子21は、例えば、2種類の位相物体(光の位相のみを変化させる物体)が市松模様状に配置された市松状回折格子を用いる。市松状の回折格子(位相格子)は、その周期的な構造から、上下左右の4方向に光を回折させることができ、これにより、入射光と同質の光を4方向に伝搬させる作用がある。 The object light reflected by the reflective liquid crystal panel 8 and beam splitter (BS) 7 passes through the quarter-wave plate 9, becoming clockwise and counterclockwise circularly polarized light, which is then split into four directions by the diffraction grating 21 (since Figure 8 is a plan view, light is depicted in two directions, but in reality it is diffracted in four directions). This diffraction grating 21 may, for example, be a checkered diffraction grating in which two types of phase objects (objects that change only the phase of light) are arranged in a checkered pattern. Due to its periodic structure, a checkered diffraction grating (phase grating) can diffract light in four directions (up, down, left, and right), thereby propagating light of the same quality as the incident light in four directions.

次に、4方向に回折された光波を、偏光板アレイ22に入射させる。図9は、偏光板アレイ22の透過軸の例を示す図である。偏光板アレイ22は、例えば、透過軸が0°、45°、90°、135°の4種類(4領域)の直線偏光子で構成されている。偏光子の透過軸がx軸に対してηの角度となるように設置した場合、右回り円偏光と左回り円偏光は、それぞれ+ηと-ηの位相シフトを生じ、偏光状態が同じで相対的な位相差が2ηの2つの直線偏光として直線偏光子から出力される。すなわち、直線偏光子の透過軸の角度に応じて、領域ごとに異なる位相シフト量0、π/2、π、3π/2 [rad]がそれぞれの直線偏光の組に付与される。 Next, the light waves diffracted in four directions are incident on the polarizing plate array 22. Figure 9 shows an example of the transmission axis of the polarizing plate array 22. The polarizing plate array 22 is composed of four types (four regions) of linear polarizers with transmission axes at 0°, 45°, 90°, and 135°, for example. When the polarizers are installed so that their transmission axes form an angle of η with respect to the x-axis, right-handed circularly polarized light and left-handed circularly polarized light undergo phase shifts of +η and -η, respectively, and are output from the linear polarizer as two linearly polarized lights with the same polarization state but a relative phase difference of 2η. In other words, depending on the angle of the transmission axis of the linear polarizer, different phase shifts of 0, π/2, π, and 3π/2 [rad] are imparted to each pair of linearly polarized light for each region.

偏光板アレイ22を透過した直線偏光の組をそれぞれカメラ23,24(実際は、4台のカメラ)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。これらの干渉縞画像から複素振幅情報を得て、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(特許文献1)。 By capturing pairs of linearly polarized light transmitted through the polarizer array 22 with cameras 23 and 24 (actually, four cameras), interference fringe images of different phases can be simultaneously obtained. By obtaining complex amplitude information from these interference fringe images and performing backpropagation calculations of light, a reconstructed image at any depth distance can be obtained (Patent Document 1).

図8の撮像装置は、1/4波長板9を通過後の物体光を偏光板アレイ22とカメラ23,24で撮影することで、図7と同様に干渉縞の一括取得が可能であり、さらにこの手法は各偏光方向の干渉縞を高解像度で取得することができるため、図7に比べて干渉縞画像の分解能が縦横それぞれ2倍になる。 The imaging device in Figure 8 uses the polarizing plate array 22 and cameras 23 and 24 to capture the object light after it passes through the quarter-wave plate 9, making it possible to acquire interference fringes all at once, just like in Figure 7. Furthermore, this method can acquire interference fringes in each polarization direction with high resolution, so the resolution of the interference fringe image is twice as high both vertically and horizontally as in Figure 7.

特開2021-131457号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2021-131457

KiHong Choi, Kyung-Il Joo, Tae-Hyun Lee, Hak-Rin Kim, Junkyu Yim, Hyeongkyu Do, and Sung-Wook Min, “Compact self-interference incoherent digital holographic camera system with real-time operation,” Optics Express, Vol. 27, No 4, pp. 4818-4833, (2019)KiHong Choi, Kyung-Il Joo, Tae-Hyun Lee, Hak-Rin Kim, Junkyu Yim, Hyeongkyu Do, and Sung-Wook Min, “Compact self-interference incoherent digital holographic camera system with real-time operation,” Optics Express, Vol. 27, No 4, pp. 4818-4833, (2019)

図7に示す撮像装置の光学系は、複屈折レンズ5を用いている。しかし、複屈折素材でレンズを構成する場合、インコヒーレントデジタルホログラフィに使用可能な大きさの複屈折率を有し、レンズを形成できるほど大きな素材は取得することが困難である。また、回折型の複屈折レンズ5では余計な回折光が生じて、再構成画像の劣化を引き起こす。 The optical system of the imaging device shown in Figure 7 uses a birefringent lens 5. However, when constructing a lens from a birefringent material, it is difficult to obtain a material large enough to form a lens with a birefringence large enough to be used in incoherent digital holography. Furthermore, a diffractive birefringent lens 5 generates unnecessary diffracted light, which causes degradation of the reconstructed image.

図8に示す撮像装置の光学系は、ビームスプリッタ(BS)7を用いている。この光学系は物体光がビームスプリッタを2回通過するため、光の利用効率が1/4になる。また、ビームスプリッタを使わずに斜めから反射型液晶パネルに物体光を入射させると光の利用効率は減少しないが、液晶パネルの角度依存性により、正確に球面の位相分布を付与することができない。 The optical system of the imaging device shown in Figure 8 uses a beam splitter (BS) 7. In this optical system, the object light passes through the beam splitter twice, reducing the light utilization efficiency to 1/4. Furthermore, if the object light is incident on a reflective LCD panel at an angle without using a beam splitter, the light utilization efficiency does not decrease, but due to the angle dependency of the LCD panel, it is not possible to accurately impart a spherical phase distribution.

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、従来のインコヒーレントデジタルホログラフィの撮像装置と比較して、光の利用効率を向上させ、高画質のホログラム画像/再構成画像を得ることができる撮像装置及び撮像方法を提供することにある。 Therefore, in consideration of the above-mentioned problems, the object of the present invention is to provide an imaging device and imaging method that improves light utilization efficiency and enables high-quality hologram images/reconstructed images to be obtained compared to conventional incoherent digital holography imaging devices.

上記課題を解決するために本発明に係る撮像装置は、インコヒーレントな光波を直線偏光にする第1の偏光板と、前記第1の偏光板を透過した光波を偏光方向により第1分割光と第2分割光に分割する偏光ビームスプリッタと、第1分割光及び第2分割光をそれぞれ反射する、互いに曲率の異なる第1及び第2のミラーと、前記偏光ビームスプリッタと前記第1のミラーの間に配置される第1の1/4波長板と、前記偏光ビームスプリッタと前記第2のミラーの間に配置される第2の1/4波長板と、前記第1のミラーで反射され前記第1の1/4波長板を透過した第1分割光と、前記第2のミラーで反射され前記第2の1/4波長板を透過した第2分割光を、円偏光にする第3の1/4波長板と、を備え、前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、偏光板を通して撮影し、同時に複数の干渉縞を取得することを特徴とする。 To solve the above problem, the imaging device of the present invention comprises a first polarizing plate that converts incoherent light waves into linearly polarized light; a polarizing beam splitter that splits the light waves transmitted through the first polarizing plate into first and second split lights according to the polarization direction; first and second mirrors with different curvatures that reflect the first and second split lights, respectively; a first quarter-wave plate disposed between the polarizing beam splitter and the first mirror; a second quarter-wave plate disposed between the polarizing beam splitter and the second mirror; and a third quarter-wave plate that converts the first split light reflected by the first mirror and transmitted through the first quarter-wave plate and the second split light reflected by the second mirror and transmitted through the second quarter-wave plate into circularly polarized light. The imaging device is characterized by capturing the first and second split lights transmitted through the third quarter-wave plate through a polarizing plate, thereby simultaneously acquiring multiple interference fringes.

また、前記撮像装置は、前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、偏光カメラにより撮影し、異なる位相の干渉縞を同時に取得することが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the imaging device captures the first and second split lights that have passed through the third quarter-wave plate using a polarization camera, and simultaneously acquires interference fringes of different phases.

また、前記撮像装置は、前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、回折格子により複数の方向に回折し、各方向の回折光を異なる偏光方向の偏光板を通してカメラで撮影し、異なる位相の干渉縞を同時に取得することが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the imaging device diffracts the first and second split lights that have passed through the third quarter-wave plate in multiple directions using a diffraction grating, and photographs the diffracted lights in each direction using a camera through polarizing plates with different polarization directions, thereby simultaneously obtaining interference fringes of different phases.

また、前記撮像装置は、前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、偏光板を通してビームスプリッタで2つの光路に分岐し、前記ビームスプリッタから異なる距離で各光路に配置したカメラで撮影し、光路の距離の異なる干渉縞を同時に取得することが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the imaging device splits the first and second split lights that have passed through the third quarter-wave plate into two optical paths using a beam splitter after passing through a polarizing plate, and captures images using cameras positioned on each optical path at different distances from the beam splitter, thereby simultaneously acquiring interference fringes at different optical path distances.

また、前記撮像装置は、さらに、異なる位相の複数の干渉縞から位相シフト法により複素振幅情報を求め、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を得ることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the imaging device further obtains complex amplitude information from multiple interference fringes of different phases using a phase shift method, and performs backpropagation calculations of light to obtain a reconstructed image at any depth distance.

また、前記撮像装置は、さらに、異なる距離で取得した干渉縞の振幅情報から位相回復により位相情報を求め、取得した振幅情報と求めた位相情報を用いて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を得ることが望ましい。 Furthermore, it is desirable that the imaging device further obtains phase information by phase retrieval from amplitude information of interference fringes acquired at different distances, and performs backpropagation calculations of light using the acquired amplitude information and the obtained phase information, thereby obtaining a reconstructed image at any depth distance.

上記課題を解決するために本発明に係るインコヒーレントデジタルホログラフィの撮像方法は、偏光板を透過した光波を偏光ビームスプリッタで第1分割光と第2分割光に分割し、第1分割光及び第2分割光をそれぞれ1/4波長板を通して曲率の異なるミラーで反射させ、再度1/4波長板を通して前記偏光ビームスプリッタで合成し、合成した第1分割光及び第2分割光を1/4波長板と異なる偏光方向を有する偏光板を通してカメラで撮影することで、異なる位相の干渉縞を同時に取得することを特徴とする。 To solve the above problems, the incoherent digital holography imaging method of the present invention splits a light wave transmitted through a polarizing plate into first and second split lights using a polarizing beam splitter, then passes the first and second split lights through quarter-wave plates, reflects them off mirrors with different curvatures, and then passes them again through the quarter-wave plate to be combined by the polarizing beam splitter. The combined first and second split lights are then photographed by a camera through a polarizing plate with a polarization direction different from that of the quarter-wave plate, thereby simultaneously obtaining interference fringes of different phases.

上記課題を解決するために本発明に係るインコヒーレントデジタルホログラフィの撮像方法は、偏光板を透過した光波を偏光ビームスプリッタで第1分割光と第2分割光に分割し、第1分割光及び第2分割光をそれぞれ1/4波長板を通して曲率の異なるミラーで反射させ、再度1/4波長板を通して前記偏光ビームスプリッタで合成し、合成した第1分割光及び第2分割光を1/4波長板と偏光板を通してビームスプリッタで2つの光路に分岐し、前記ビームスプリッタから異なる距離で各光路に配置したカメラで撮影することで、光路の距離の異なる干渉縞を同時に取得することを特徴とする。 To solve the above problems, the incoherent digital holography imaging method of the present invention splits a light wave transmitted through a polarizing plate into first and second split lights using a polarizing beam splitter, passes the first and second split lights through quarter-wave plates, reflects them off mirrors with different curvatures, and then passes them again through the quarter-wave plate and combines them using the polarizing beam splitter. The combined first and second split lights then pass through the quarter-wave plate and polarizing plate and are split into two optical paths using a beam splitter. Images are taken with cameras positioned on each optical path at different distances from the beam splitter, thereby simultaneously obtaining interference fringes with different optical path lengths.

本発明における撮像装置及び撮像方法によれば、従来のインコヒーレントデジタルホログラフィの撮像装置と比較して、光の利用効率を向上させ、高画質のホログラム画像/再構成画像を得ることができる。 The imaging device and imaging method of the present invention improve the light utilization efficiency and enable the production of high-quality hologram images/reconstructed images compared to conventional incoherent digital holography imaging devices.

本発明の撮像装置に用いる干渉計の原理図である。1 is a diagram illustrating the principle of an interferometer used in an imaging device of the present invention. 本発明の第1の実施形態の撮像装置の概略図である。1 is a schematic diagram of an imaging device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の第2の実施形態の撮像装置の概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram of an imaging device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の第3の実施形態の撮像装置の概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram of an imaging device according to a third embodiment of the present invention. 本発明の撮像装置により、点物体を撮影したときの位相の異なる4つの干渉縞の例である。10 is an example of four interference fringes with different phases when a point object is photographed by the imaging device of the present invention. 本発明の撮像装置により、移動するグレースケールを動画で撮影したときの1フレームの再構成画像の例である。10 is an example of a reconstructed image of one frame when a moving grayscale object is captured as a moving image by the imaging device of the present invention. 従来のインコヒーレントデジタルホログラフィの撮像装置の例である。1 is an example of a conventional incoherent digital holography imaging device. 従来のインコヒーレントデジタルホログラフィの撮像装置の例である。1 is an example of a conventional incoherent digital holography imaging device. 偏光板アレイの透過軸の例を示す図である。1A and 1B are diagrams illustrating examples of transmission axes of a polarizing plate array.

図1は、本発明の撮像装置に用いる干渉計の原理図である。干渉計は、偏光板11、偏光ビームスプリッタ(PBS)12、1/4波長板13,15,17、凹面ミラー14及び平面ミラー16で構成される。さらに、撮像装置として、干渉縞を撮影するため、偏光板18とカメラ19を備えている。以下、各構成について説明する。 Figure 1 shows the principle of the interferometer used in the imaging device of the present invention. The interferometer is composed of a polarizing plate 11, a polarizing beam splitter (PBS) 12, quarter-wave plates 13, 15, and 17, a concave mirror 14, and a plane mirror 16. Furthermore, the imaging device is equipped with a polarizing plate 18 and a camera 19 to capture interference fringes. Each component is explained below.

偏光板11(第1の偏光板)は、被写体からの物体光を直線偏光にする。例えば、水平面に対して45°のみの直線偏光が透過するように、偏光板11を設置する。 Polarizing plate 11 (first polarizing plate) converts the object light from the subject into linearly polarized light. For example, polarizing plate 11 is installed so that only linearly polarized light at 45° to the horizontal plane is transmitted.

偏光ビームスプリッタ(PBS)12は、偏光板11を透過した物体光を、偏光成分により第1分割光と第2分割光に分割する。PBS12は、偏光板11を透過した物体光のうちs偏光成分(第1分割光とする。)を反射して進行方向を(図面上方向に)変え、また、偏光板11を透過した物体光のうちp偏光成分(第2分割光とする。)を透過させる。なお、後述するように、ミラーで反射後に、第1分割光はp偏光としてPBS12に入射し、第2分割光はs偏光としてPBS12に入射するため、PBS12は、ミラー反射後の第1分割光を透過させ、第2分割光を反射して進行方向を(図面下方向に)変えて、第1分割光及び第2分割を合成する。 The polarizing beam splitter (PBS) 12 splits the object light transmitted through the polarizing plate 11 into a first split light and a second split light based on its polarization components. The PBS 12 reflects the s-polarized component (referred to as the first split light) of the object light transmitted through the polarizing plate 11, changing its direction of travel (upward in the drawing), and transmits the p-polarized component (referred to as the second split light) of the object light transmitted through the polarizing plate 11. As described below, after reflection from the mirror, the first split light enters the PBS 12 as p-polarized light, and the second split light enters the PBS 12 as s-polarized light. Therefore, the PBS 12 transmits the first split light after reflection from the mirror and reflects the second split light, changing its direction of travel (downward in the drawing), thereby combining the first and second split lights.

1/4波長板13(第1の1/4波長板)は、PBS12で反射したs偏光成分の物体光(第1分割光)を透過させ、円偏光にする。さらに、凹面ミラー14で反射されて入射する円偏光を透過させてp偏光にし、PBS12に導く。 The quarter-wave plate 13 (first quarter-wave plate) transmits the s-polarized component of the object light (first split light) reflected by the PBS 12, converting it to circularly polarized light. It also transmits the circularly polarized light reflected by the concave mirror 14, converting it to p-polarized light, and directs it to the PBS 12.

1/4波長板15(第2の1/4波長板)は、PBS12を透過したp偏光成分の物体光(第2分割光)を透過させ、円偏光にする。さらに、ミラー16で反射されて入射する円偏光を透過させてs偏光にし、PBS12に導く。 The quarter-wave plate 15 (second quarter-wave plate) transmits the p-polarized component of the object light (second split light) that has passed through the PBS 12, converting it to circularly polarized light. It also transmits the circularly polarized light that is reflected by the mirror 16 and incident on it, converting it to s-polarized light, and directs it to the PBS 12.

凹面ミラー14(第1のミラー)は、1/4波長板13を透過してきた円偏光に対し、所定の焦点距離(曲率)の位相分布を与え、1/4波長板13に向けて反射する。 The concave mirror 14 (first mirror) imparts a phase distribution with a predetermined focal length (curvature) to the circularly polarized light that has passed through the quarter-wave plate 13, and reflects it toward the quarter-wave plate 13.

平面ミラー16(第2のミラー)は、1/4波長板15を透過してきた円偏光に対し、平面(無限大の焦点距離)の位相分布を与え、1/4波長板15に向けて反射する。なお、本原理図では、ミラー16を平面ミラーとして説明しているが、凹面ミラー14と異なる焦点距離(曲率)を有する任意のミラーであってよい。 The plane mirror 16 (second mirror) imparts a plane (infinite focal length) phase distribution to the circularly polarized light that has passed through the quarter-wave plate 15, and reflects it toward the quarter-wave plate 15. Note that in this principle diagram, mirror 16 is described as a plane mirror, but it may be any mirror with a focal length (curvature) different from that of the concave mirror 14.

1/4波長板17(第3の1/4波長板)は、ミラーで反射されPBS12を透過/反射した第1分割光と第2分割光を透過させ、それぞれを右回り、左回りの円偏光にする。 The quarter-wave plate 17 (third quarter-wave plate) transmits the first and second split lights that are reflected by the mirror and transmitted/reflected by the PBS 12, converting them into right-handed and left-handed circularly polarized light, respectively.

この干渉計では、第1分割光と第2分割光が、凹面ミラー14と平面ミラー16の反射によりわずかな光路差が生じるため干渉する。1/4波長板17を透過後の第1分割光と第2分割光について、偏光板18を通してカメラ19で撮像することにより、干渉縞を取得することができる。例えば、偏光カメラにより位相の異なる複数の干渉縞を同時に取得する。その後、これらの干渉縞画像から撮像面における複素振幅情報を求め、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。 In this interferometer, the first and second split lights interfere due to a slight difference in optical path caused by reflections from the concave mirror 14 and the plane mirror 16. Interference fringes can be obtained by capturing images of the first and second split lights after they pass through the quarter-wave plate 17 using a camera 19 via a polarizing plate 18. For example, multiple interference fringes with different phases can be simultaneously captured using a polarization camera. Complex amplitude information at the imaging plane can then be calculated from these interference fringe images, and a reconstructed image at any depth distance can be obtained by performing a backpropagation calculation of the light.

なお、本説明では、物体光のうちs偏光成分を第1分割光とし、物体光のうちp偏光成分を第2分割光としたが、第1分割光と第2分割光は反対であってもよい。 In this description, the s-polarized component of the object light is referred to as the first split light, and the p-polarized component of the object light is referred to as the second split light, but the first and second split lights may be reversed.

本発明の撮像装置の干渉計(光学系)によれば、PBS12に入射した物体光のs偏光成分は凹面ミラー14で反射され、再び1/4波長板13を透過してp偏光になり、PBS12を透過する。すなわち、PBS12に入射した物体光のs偏光成分はすべてp偏光となってPBS12を透過するため、従来技術のようにビームスプリッタ(BS)7で干渉計を構成したときに生じる光の減衰は生じない。同様に、PBS12を透過したp偏光成分の物体光は平面ミラー16で反射され、再び1/4波長板15を透過してs偏光になり、PBS12で反射する。PBS12を入射した物体光のp偏光成分はすべてs偏光となってPBS12で反射するため、ビームスプリッタ(BS)7で干渉計を構成したときに生じる光の減衰は生じない。したがって、光の利用効率を向上させることができる。 In the interferometer (optical system) of the imaging device of the present invention, the s-polarized component of the object light incident on PBS 12 is reflected by concave mirror 14, passes through quarter-wave plate 13 again, becomes p-polarized, and passes through PBS 12. That is, all of the s-polarized components of the object light incident on PBS 12 become p-polarized and pass through PBS 12, eliminating the attenuation of light that occurs when an interferometer is configured using a beam splitter (BS) 7, as in conventional technology. Similarly, the p-polarized component of the object light that passes through PBS 12 is reflected by plane mirror 16, passes through quarter-wave plate 15 again, becomes s-polarized, and is reflected by PBS 12. All of the p-polarized components of the object light incident on PBS 12 become s-polarized and are reflected by PBS 12, eliminating the attenuation of light that occurs when an interferometer is configured using a beam splitter (BS) 7. This improves light utilization efficiency.

また、この干渉計では、干渉計を構成するPBS12、凹面ミラー14、平面ミラー16は一般的な光学部品であり、凹面ミラー14の焦点距離、あるいは平面ミラー16を凹面ミラーに変えて、再構成画像に求められる分解能に応じて干渉縞の大きさを容易に調整することができる。さらに、回折型複屈折レンズを使用していないため、回折による高調波成分などに起因するノイズが抑制できる。また、複屈折素材や回折型のレンズと異なり、凹面ミラー、平面ミラーでは色収差の影響が生じない。 In addition, the PBS 12, concave mirror 14, and plane mirror 16 that make up this interferometer are common optical components, and the size of the interference fringes can be easily adjusted according to the required resolution of the reconstructed image by changing the focal length of the concave mirror 14 or replacing the plane mirror 16 with a concave mirror. Furthermore, because a diffractive birefringent lens is not used, noise caused by harmonic components due to diffraction can be suppressed. Furthermore, unlike birefringent materials or diffractive lenses, concave and plane mirrors are not affected by chromatic aberration.

以下、複屈折レンズ及び反射型液晶パネルを用いずに、偏光ビームスプリッタ(PBS)を用いて干渉計を構成することで、光の利用効率を向上するインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置の実施形態について説明する。 Below, we describe an embodiment of an incoherent digital holography imaging device that improves light utilization efficiency by configuring an interferometer using a polarizing beam splitter (PBS) without using a birefringent lens or a reflective liquid crystal panel.

(第1の実施形態)
図2は、本発明の第1の実施形態の撮像装置の概略図である。撮像装置は、偏光板11、偏光ビームスプリッタ(PBS)12、1/4波長板13,15,17、凹面ミラー14及び平面ミラー16で構成される干渉計に、さらに、レンズ2、波長フィルタ3、偏光カメラ20を備えている。干渉計の構成は図1と同じであるので、干渉計を構成する各光学素子の説明は省略する。
(First embodiment)
2 is a schematic diagram of an imaging device according to a first embodiment of the present invention. The imaging device includes an interferometer made up of a polarizing plate 11, a polarizing beam splitter (PBS) 12, quarter-wave plates 13, 15, and 17, a concave mirror 14, and a plane mirror 16, as well as a lens 2, a wavelength filter 3, and a polarization camera 20. The configuration of the interferometer is the same as that shown in FIG. 1, so a description of the optical elements that make up the interferometer will be omitted.

被写体1からの物体光は、インコヒーレントな光波であり、レンズ2に入射する。なお、物体光は、反射光、透過光、或いは被写体1から発せられた光であってもよい。 Object light from subject 1 is an incoherent light wave that enters lens 2. Note that object light may be reflected light, transmitted light, or light emitted from subject 1.

レンズ2は、物体光を集光し、波長フィルタ3に入射させる。レンズ2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1はレンズ2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。 Lens 2 focuses the object light and makes it incident on wavelength filter 3. Like a normal camera lens, lens 2 has adjustment functions such as image magnification and wide angle. Note that subject 1 can be positioned anywhere, regardless of the focal position of lens 2.

波長フィルタ3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3が選択される。波長フィルタ3を透過した光波は、干渉計の偏光板11に入射する。 Wavelength filter 3 is a bandpass filter that transmits light waves with a specified wavelength range (e.g., 3 nm to 20 nm) and improves the temporal coherence of the light waves. Narrowing the wavelength range improves image quality but reduces the amount of light in the image, so an appropriate wavelength filter 3 is selected depending on the desired image. Light waves that pass through wavelength filter 3 are incident on polarizing plate 11 of the interferometer.

なお、レンズ2及び波長フィルタ3は、撮像装置として必須の構成ではなく、物体光を直接偏光板11に入力させてもよい。 Note that the lens 2 and wavelength filter 3 are not essential components of the imaging device, and the object light may be input directly to the polarizing plate 11.

偏光板11に入射後の物体光の動き、及び各光学素子の機能は、図1の原理図で説明したとおりである。偏光板11を透過した物体光は水平面に対して45°の直線偏光となり、PBS12によりs偏光成分が反射し、p偏光成分が透過する。s偏光成分の物体光は1/4波長板13を透過して円偏光になり、凹面ミラー14で反射され、再び1/4波長板13を透過してp偏光になり、PBS12を透過する。p偏光成分の物体光は1/4波長板15を透過して円偏光になり、平面ミラー16で反射され、再び1/4波長板15を透過してs偏光になり、PBS12で反射する。この2つの光(第1分割光と第2分割光)は1/4波長板17により、右回り、左回りの円偏光となる。それぞれの光は凹面ミラー14と平面ミラー16の反射によりわずかな光路差が生じるため、干渉する。 The behavior of the object light after entering polarizing plate 11 and the function of each optical element are as explained in the principle diagram in Figure 1. The object light passing through polarizing plate 11 becomes linearly polarized at 45° to the horizontal plane, and PBS 12 reflects the s-polarized component and transmits the p-polarized component. The s-polarized component of the object light passes through quarter-wave plate 13 and becomes circularly polarized light. It is reflected by concave mirror 14, passes through quarter-wave plate 13 again and becomes p-polarized light, and passes through PBS 12. The p-polarized component of the object light passes through quarter-wave plate 15 and becomes circularly polarized light, is reflected by plane mirror 16, passes through quarter-wave plate 15 again and becomes s-polarized light, and is reflected by PBS 12. These two beams (the first and second split beams) are converted to clockwise and counterclockwise circularly polarized light by quarter-wave plate 17. A slight optical path difference occurs between the two beams due to reflections from concave mirror 14 and plane mirror 16, causing interference between them.

この干渉光を、画素ごとに45°おきの偏光板が設けられた偏光カメラ20で撮影する。例えば、1画素が3.75μmピッチであり、隣接する2×2の4画素ごとに45°おきの4種類の偏光板が設けられている偏光カメラ20を用いることができる。それぞれの偏光方向の画素から画像を構成することにより、縦・横方向にそれぞれ6.5μmピッチの分解能で干渉縞を撮影でき、異なる位相の4つの干渉縞が得られる。 This interference light is captured by a polarization camera 20 equipped with polarizing plates spaced 45° apart for each pixel. For example, a polarization camera 20 can be used in which each pixel has a 3.75 μm pitch and four types of polarizing plates are installed at 45° intervals for every four adjacent 2x2 pixels. By constructing an image from pixels with different polarization directions, interference fringes can be captured with a resolution of 6.5 μm pitch in both the vertical and horizontal directions, resulting in four interference fringes with different phases.

撮像装置は、さらに情報処理装置(図示せず)を備えていてもよい。情報処理装置は、取得した4つの干渉縞から、位相シフト法等により偏光カメラ20の撮像面における被写体1の複素振幅情報を得る。さらに、この複素振幅情報から波面逆伝搬計算により、任意の奥行き距離の画像を再構成することができる(特許文献1参照)。本実施形態によれば、従来よりも光の利用効率が高く露光時間を短くできるため、動画像を容易に取得することができる。 The imaging device may further include an information processing device (not shown). The information processing device obtains complex amplitude information of the subject 1 on the imaging plane of the polarization camera 20 from the four acquired interference fringes using a phase shift method or the like. Furthermore, an image at any depth distance can be reconstructed from this complex amplitude information using wavefront backpropagation calculations (see Patent Document 1). According to this embodiment, light utilization efficiency is higher than conventional methods and exposure time can be shortened, making it easy to acquire moving images.

(第2の実施形態)
図3は、本発明の第2の実施形態の撮像装置の概略図である。撮像装置は、偏光板11、偏光ビームスプリッタ(PBS)12、1/4波長板13,15,17、凹面ミラー14及び平面ミラー16で構成される干渉計に、さらに、レンズ2、波長フィルタ3、回折格子21、偏光板アレイ22、カメラ23,24を備えている。
Second Embodiment
3 is a schematic diagram of an imaging device according to a second embodiment of the present invention. The imaging device includes an interferometer made up of a polarizing plate 11, a polarizing beam splitter (PBS) 12, quarter-wave plates 13, 15, and 17, a concave mirror 14, and a plane mirror 16, as well as a lens 2, a wavelength filter 3, a diffraction grating 21, a polarizing plate array 22, and cameras 23 and 24.

被写体1からの物体光は、インコヒーレントな光波であり、レンズ2に入射する。レンズ2及び波長フィルタ3の機能は第1の実施形態と同じである。また、干渉計の構成は図1と同じであるので、干渉計を構成する各光学素子の説明は省略する。物体光は干渉計の中で第1分割光と第2分割光に分かれ、それぞれ凹面ミラー14と平面ミラー16で反射され、1/4波長板17により、右回り、左回りの円偏光となる。 Object light from subject 1 is an incoherent light wave that enters lens 2. The functions of lens 2 and wavelength filter 3 are the same as in the first embodiment. Furthermore, since the configuration of the interferometer is the same as in Figure 1, a description of each optical element that makes up the interferometer will be omitted. The object light is split into first and second split lights within the interferometer, which are reflected by concave mirror 14 and plane mirror 16, respectively, and converted into clockwise and counterclockwise circularly polarized light by quarter-wave plate 17.

干渉計を経た物体光(第1分割光と第2分割光)は、回折格子21で4方向に分岐する(図3では2方向の光が描かれているが、実際は4方向に回折する。)。この回折格子21は、例えば、2種類の位相物体(光の位相のみを変化させる物体)が市松模様状に配置された市松状回折格子を用いる。 The object light (first and second split lights) that passes through the interferometer is split into four directions by the diffraction grating 21 (although Figure 3 shows light in two directions, in reality it is diffracted in four directions). This diffraction grating 21 uses, for example, a checkered diffraction grating in which two types of phase objects (objects that only change the phase of light) are arranged in a checkered pattern.

次に、4方向に分岐した回折光を、偏光板アレイ22の各領域に入射させる。偏光板アレイ22は、例えば、図9に示すように、透過軸が0°、45°、90°、135°の4種類(4領域)の直線偏光子で構成されている。直線偏光子の透過軸の角度に応じて、領域ごとに異なる位相シフト量0、π/2、π、3π/2 [rad]がそれぞれの直線偏光の組に付与される。 Next, the diffracted light split into four directions is incident on each region of the polarizing plate array 22. Polarizing plate array 22 is composed of four types (four regions) of linear polarizers with transmission axes of 0°, 45°, 90°, and 135°, as shown in Figure 9. Depending on the angle of the transmission axis of the linear polarizer, different phase shift amounts of 0, π/2, π, and 3π/2 [rad] are imparted to each set of linearly polarized light for each region.

偏光板アレイ22を透過した直線偏光の組をそれぞれカメラ23,24(実際は、4台のカメラ)で撮影することにより、異なる位相の干渉縞画像を4枚同時に取得することができる。なお、ここでは4台のカメラを用いたが、受光面積の広い1台のカメラ(撮像素子)で4つの干渉縞を同時に取得してもよい。 By capturing the pairs of linearly polarized light that have passed through the polarizer array 22 with cameras 23 and 24 (actually, four cameras), four interference fringe images with different phases can be obtained simultaneously. Note that while four cameras are used here, it is also possible to simultaneously capture four interference fringe images with a single camera (image sensor) with a large light-receiving area.

撮像装置は、さらに情報処理装置(図示せず)を備えていてもよい。情報処理装置により、取得した4つの干渉縞から位相シフト法等により撮像面における被写体1の複素振幅分布を得て、さらに、この複素振幅分布から波面逆伝搬計算により、任意の奥行き距離の画像を再構成することは、第1の実施形態と同じである。 The imaging device may further include an information processing device (not shown). The information processing device obtains the complex amplitude distribution of the subject 1 on the imaging plane from the four acquired interference fringes using a phase shift method or the like, and then reconstructs an image at any depth distance from this complex amplitude distribution using wavefront backpropagation calculations, just as in the first embodiment.

なお、上記実施形態においては、市松状回折格子を用いて光を4方向に分岐させたが、ライン状回折格子を用いて光を3方向に分岐させてもよい。例えば、入射光に対して、1軸方向(x方向)には周期的に変化し、これと直交する方向(y方向)には一定の2階調の位相分布を付与する機能を有する回折格子(光変調素子)を回折格子21として用いると、1/4波長板17を透過した第1分割光と第2分割光である左回り・右回りの円偏光は、それぞれ3つ(中央及び左右)に分岐する。偏光板アレイ22を3領域分割偏光板(中央及び左右で透過軸の方向が異なる3つの直線偏光子からなる偏光板)とし、3つに分岐した回折光を3領域分割偏光板の各領域に入射させる。各領域を透過した光を3台のカメラにより撮影することにより、異なる位相の干渉縞画像を3枚同時に取得することができる。 While the above embodiment uses a checkerboard diffraction grating to split light into four directions, a linear diffraction grating may be used to split light into three directions. For example, if a diffraction grating (light modulation element) that periodically changes the incident light in one axial direction (x direction) and imparts a constant two-level phase distribution in the orthogonal direction (y direction) is used as the diffraction grating 21, the first and second split light beams, which are left-handed and right-handed circularly polarized light beams that pass through the quarter-wave plate 17, are each split into three beams (center and left and right). The polarizer array 22 is a three-area split polarizer (a polarizer consisting of three linear polarizers with different transmission axis directions at the center and left and right), and the three split diffracted beams are incident on each of the three areas of the three-area split polarizer. By capturing the light that passes through each area with three cameras, three interference fringe images with different phases can be simultaneously obtained.

さらに、情報処理装置により、取得した3つの干渉縞から位相シフト法等により撮像面における複素振幅分布を得て、この複素振幅分布から波面逆伝搬計算により、任意の奥行き距離の画像を再構成することができる。 Furthermore, the information processing device can use a phase shift method or other method to obtain a complex amplitude distribution on the imaging plane from the three acquired interference fringes, and then use wavefront backpropagation calculations to reconstruct an image at any depth distance from this complex amplitude distribution.

このように、第1の実施形態(図2)では偏光カメラ20を用いてそれぞれの偏光成分の分離をしたが、第2の実施形態(図3)では、回折格子21、偏光板アレイ22、及びカメラ23,24を用いることで、偏光成分を分離して、異なる位相の干渉縞を同時に取得している。本実施形態は、干渉縞を各カメラで高密度で取得できるため、第1の実施形態と比較して、干渉縞の分解能を向上することができる。 In this way, while the first embodiment (Figure 2) uses the polarization camera 20 to separate each polarization component, the second embodiment (Figure 3) uses a diffraction grating 21, a polarizing plate array 22, and cameras 23 and 24 to separate the polarization components and simultaneously acquire interference fringes of different phases. In this embodiment, interference fringes can be acquired at high density by each camera, thereby improving the resolution of the interference fringes compared to the first embodiment.

(第3の実施形態)
図4に、本発明の第3の実施形態の撮像装置の概略図を示す。第3の実施形態の撮像装置は、位相回復により干渉縞の複素振幅情報を取得するインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置である。撮像装置は、偏光板11、偏光ビームスプリッタ(PBS)12、1/4波長板13,15,17、凹面ミラー14及び平面ミラー16で構成される干渉計に、さらに、レンズ2、波長フィルタ3、偏光板25、ビームスプリッタ(BS)26、カメラ27,28を備えている。
(Third embodiment)
4 shows a schematic diagram of an imaging device according to a third embodiment of the present invention. The imaging device according to the third embodiment is an incoherent digital holography imaging device that acquires complex amplitude information of interference fringes by phase retrieval. The imaging device includes an interferometer consisting of a polarizing plate 11, a polarizing beam splitter (PBS) 12, quarter-wave plates 13, 15, and 17, a concave mirror 14, and a plane mirror 16, as well as a lens 2, a wavelength filter 3, a polarizing plate 25, a beam splitter (BS) 26, and cameras 27 and 28.

被写体1からの物体光は、インコヒーレントな光波であり、レンズ2に入射する。レンズ2及び波長フィルタ3の機能は第1の実施形態と同じである。また、干渉計の構成は図1と同じであるので、干渉計を構成する各光学素子の説明は省略する。物体光は干渉計の中で第1分割光と第2分割光に分かれ、それぞれ凹面ミラー14と平面ミラー16で反射され、1/4波長板17により、右回り、左回りの円偏光となる。 Object light from subject 1 is an incoherent light wave that enters lens 2. The functions of lens 2 and wavelength filter 3 are the same as in the first embodiment. Furthermore, since the configuration of the interferometer is the same as in Figure 1, a description of each optical element that makes up the interferometer will be omitted. The object light is split into first and second split lights within the interferometer, which are reflected by concave mirror 14 and plane mirror 16, respectively, and converted into clockwise and counterclockwise circularly polarized light by quarter-wave plate 17.

1/4波長板17を透過した物体光(第1分割光と第2分割光)は、偏光板25を通過して直線偏光となる。そして、ビームスプリッタ(BS)26で2つの光路に分岐される。 The object light (first and second split lights) that passes through the quarter-wave plate 17 passes through the polarizing plate 25 and becomes linearly polarized light. It is then split into two optical paths by the beam splitter (BS) 26.

各光路のカメラ27,28は、ビームスプリッタ(BS)26から互いに異なる距離に設置される。分岐した物体光(第1分割光と第2分割光を含む)をそれぞれカメラ27,28で撮影することにより、光路の距離(したがって、拡大率)の異なる干渉縞を同時に取得することができる。 The cameras 27 and 28 for each optical path are installed at different distances from the beam splitter (BS) 26. By capturing the split object light (including the first split light and the second split light) with cameras 27 and 28, respectively, interference fringes with different optical path distances (and therefore magnification ratios) can be simultaneously obtained.

撮像装置は、さらに情報処理装置(図示せず)を備えていてもよい。情報処理装置は、異なる距離で取得した2つの干渉縞の強度分布(振幅情報)から、TIE(Transport of Intensity Equation)法やGS(Gerchberg-Saxton)アルゴリズムなどの位相回復により、位相情報を求めることができる。取得した振幅情報と求めた位相情報を用いて光の逆伝搬計算することにより、任意の奥行き距離の画像を再構成することができる。 The imaging device may further include an information processing device (not shown). The information processing device can obtain phase information from the intensity distributions (amplitude information) of two interference fringes acquired at different distances using phase retrieval methods such as the TIE (Transport of Intensity Equation) method or the GS (Gerchberg-Saxton) algorithm. Images at any depth distance can be reconstructed by performing backpropagation calculations of light using the acquired amplitude information and the obtained phase information.

本実施形態は、位相シフト法とは異なる手法である位相回復により複素振幅情報を得るものであるが、第1及び第2の実施形態と同様に、偏光ビームスプリッタ(PBS)を用いて干渉計を構成することで光の利用効率を向上させることができる。 This embodiment obtains complex amplitude information using phase retrieval, a technique different from the phase shift method. However, as with the first and second embodiments, the efficiency of light utilization can be improved by configuring the interferometer using a polarizing beam splitter (PBS).

(実験結果と効果の検証)
図5は、本発明の第1の実施形態の撮像装置により、点物体を撮影したときの位相の異なる4つの干渉縞の例である。
(Test results and verification of effects)
FIG. 5 shows an example of four interference fringes with different phases when a point object is photographed by the imaging device according to the first embodiment of the present invention.

図5(a)は、画素に設けられた偏光板の偏光方向が水平方向に対して0°の干渉縞である。図5(b)は偏光方向が135°の干渉縞であり、図5(c)は偏光方向が45°の干渉縞であり、図5(d)は偏光方向が90°の干渉縞である。なお、図5の各画像は、1024×1024画素の画像である。取得した4つの干渉縞から波面逆伝搬計算により、任意の奥行き距離の画像を再構成することができる。本発明によれば、従来よりも光の利用効率が高く、鮮明な干渉縞を撮影できることが確認できた。 Figure 5(a) shows interference fringes when the polarization direction of the polarizer installed in the pixel is 0° relative to the horizontal direction. Figure 5(b) shows interference fringes when the polarization direction is 135°, Figure 5(c) shows interference fringes when the polarization direction is 45°, and Figure 5(d) shows interference fringes when the polarization direction is 90°. Each image in Figure 5 is an image of 1024 x 1024 pixels. Using wavefront backpropagation calculations, it is possible to reconstruct an image at any depth distance from the four acquired interference fringes. It has been confirmed that this invention achieves higher light utilization efficiency than conventional methods and can capture clearer interference fringes.

図6は、本発明の第1の実施形態の撮像装置により、移動するグレースケールを動画で撮影したときの1フレームの再構成画像の例である。図で左右方向に明度が異なるグレースケールのチャート(上側は右が明るく左が暗くなっており、中央は黒いラインであり、下側は右が暗く左が明るい配置である。)を、水平方向に移動させた映像である。 Figure 6 shows an example of a reconstructed image of one frame when a moving grayscale image is captured as a video using the imaging device of the first embodiment of the present invention. The image shows a grayscale chart with different brightness levels in the horizontal direction (the upper side is bright on the right and dark on the left, the center is a black line, and the lower side is dark on the right and bright on the left). It is an image of the chart being moved horizontally.

図6(a)は、グレースケールをフレームレート10fpsで撮影したときの1フレームの再構成画像であるが、10fpsでは各輝度レベルの境界が不鮮明である。一方、図6(b)は、フレームレート60fpsで撮影したときの1フレームの再構成画像であり、画像はぼやけず、各輝度レベルの境界が鮮明になっている。 Figure 6(a) shows a reconstructed image of one frame taken in grayscale at a frame rate of 10 fps. At 10 fps, the boundaries between each brightness level are unclear. On the other hand, Figure 6(b) shows a reconstructed image of one frame taken at a frame rate of 60 fps. The image is not blurred, and the boundaries between each brightness level are clear.

本発明の撮像装置は、光利用効率が高く、露光時間を短くできるため、動画像を容易に取得することができる。このため、フレームレート60fpsの動画(再構成画像)も撮影可能であることが確認された。 The imaging device of the present invention has high light utilization efficiency and can shorten exposure times, making it easy to capture moving images. Therefore, it has been confirmed that it is possible to capture moving images (reconstructed images) at a frame rate of 60 fps.

本発明の実施の形態では、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の撮像方法として構成されてもよい。すなわち、各図の物体光(光波)の流れに従って、偏光板を透過した光波を偏光ビームスプリッタで第1分割光と第2分割光に分割し、第1分割光及び第2分割光をそれぞれ1/4波長板を通して曲率の異なるミラーで反射させ、再度1/4波長板を通して偏光ビームスプリッタで合成し、合成した第1分割光及び第2分割光を1/4波長板と偏光板を通してカメラで撮影することで、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良い。 In the embodiments of the present invention, the configuration and operation of an imaging device have been described, but the present invention is not limited to this and may also be configured as an imaging method for incoherent digital holography. That is, the imaging method may be configured in such a way that, following the flow of object light (light waves) in each figure, a light wave transmitted through a polarizing plate is split into first and second divided lights by a polarizing beam splitter, the first and second divided lights are each reflected by mirrors with different curvatures through a quarter-wave plate, and then combined by the polarizing beam splitter after passing through the quarter-wave plate again. The combined first and second divided lights are then photographed by a camera through the quarter-wave plate and polarizing plate, thereby simultaneously acquiring multiple interference fringes.

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。 The above-described embodiments have been described as representative examples, but it will be apparent to those skilled in the art that numerous modifications and substitutions are possible within the spirit and scope of the present invention. Therefore, the present invention should not be construed as being limited to the above-described embodiments, and various modifications and alterations are possible without departing from the scope of the claims. For example, the functions contained in each block, step, etc. described in the embodiments can be rearranged so as not to result in logical inconsistencies, and multiple constituent blocks, steps, etc. can be combined into one or divided.

1 被写体
2 レンズ
3 波長フィルタ
4 偏光板
5 複屈折レンズ
6 1/4波長板
7 ビームスプリッタ
8 反射型液晶パネル
9 1/4波長板
11 偏光板
12 偏光ビームスプリッタ
13 1/4波長板
14 凹面ミラー
15 1/4波長板
16 平面ミラー
17 1/4波長板
18 偏光板
19 カメラ
20 偏光カメラ
21 回折格子
22 偏光板アレイ
23 カメラ
24 カメラ
25 偏光板
26 ビームスプリッタ
27 カメラ
28 カメラ
1 Object 2 Lens 3 Wavelength filter 4 Polarizer 5 Birefringent lens 6 1/4 wave plate 7 Beam splitter 8 Reflective liquid crystal panel 9 1/4 wave plate 11 Polarizer 12 Polarizing beam splitter 13 1/4 wave plate 14 Concave mirror 15 1/4 wave plate 16 Plane mirror 17 1/4 wave plate 18 Polarizer 19 Camera 20 Polarized camera 21 Diffraction grating 22 Polarizer array 23 Camera 24 Camera 25 Polarizer 26 Beam splitter 27 Camera 28 Camera

Claims (8)

インコヒーレントな光波を直線偏光にする第1の偏光板と、
前記第1の偏光板を透過した光波を偏光方向により第1分割光と第2分割光に分割する偏光ビームスプリッタと、
第1分割光及び第2分割光をそれぞれ反射する、互いに曲率の異なる第1及び第2のミラーと、
前記偏光ビームスプリッタと前記第1のミラーの間に配置される第1の1/4波長板と、
前記偏光ビームスプリッタと前記第2のミラーの間に配置される第2の1/4波長板と、
前記第1のミラーで反射され前記第1の1/4波長板を透過した第1分割光と、前記第2のミラーで反射され前記第2の1/4波長板を透過した第2分割光を、円偏光にする第3の1/4波長板と、
を備え、
前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、偏光板を通して撮影し、同時に複数の干渉縞を取得することを特徴とする、撮像装置。
a first polarizer for converting incoherent light waves into linearly polarized light;
a polarizing beam splitter that splits the light wave transmitted through the first polarizing plate into a first split light and a second split light according to the polarization direction;
first and second mirrors having different curvatures that reflect the first divided light and the second divided light, respectively;
a first quarter-wave plate disposed between the polarizing beam splitter and the first mirror;
a second quarter-wave plate disposed between the polarizing beam splitter and the second mirror;
a third quarter-wave plate that converts the first split light reflected by the first mirror and transmitted through the first quarter-wave plate and the second split light reflected by the second mirror and transmitted through the second quarter-wave plate into circularly polarized light;
Equipped with
an imaging device, characterized in that the first split light and the second split light that have passed through the third quarter-wave plate are photographed through a polarizing plate, and a plurality of interference fringes are simultaneously obtained.
請求項1に記載の撮像装置において、
前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、偏光カメラにより撮影し、異なる位相の干渉縞を同時に取得することを特徴とする、撮像装置。
2. The imaging device according to claim 1,
an imaging device, characterized in that the first split light and the second split light that have passed through the third quarter-wave plate are photographed by a polarization camera, and interference fringes of different phases are simultaneously obtained.
請求項1に記載の撮像装置において、
前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、回折格子により複数の方向に回折し、各方向の回折光を異なる偏光方向の偏光板を通してカメラで撮影し、異なる位相の干渉縞を同時に取得することを特徴とする、撮像装置。
2. The imaging device according to claim 1,
an imaging device characterized in that the first divided light and the second divided light that have passed through the third quarter-wave plate are diffracted in a plurality of directions by a diffraction grating, and the diffracted light in each direction is photographed by a camera through a polarizing plate of a different polarization direction, thereby simultaneously obtaining interference fringes of different phases.
請求項1に記載の撮像装置において、
前記第3の1/4波長板を透過した第1分割光及び第2分割光を、偏光板を通してビームスプリッタで2つの光路に分岐し、前記ビームスプリッタから異なる距離で各光路に配置したカメラで撮影し、光路の距離の異なる干渉縞を同時に取得することを特徴とする、撮像装置。
2. The imaging device according to claim 1,
an imaging device, characterized in that the first split light and the second split light that have passed through the third quarter-wave plate are split into two optical paths by a beam splitter through a polarizing plate, and the first split light and the second split light are photographed by cameras arranged on each optical path at different distances from the beam splitter, thereby simultaneously obtaining interference fringes at different optical path distances.
請求項2又は3に記載の撮像装置において、
さらに、異なる位相の複数の干渉縞から位相シフト法により複素振幅情報を求め、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を得ることを特徴とする、撮像装置。
4. The imaging device according to claim 2,
Furthermore, the imaging device is characterized in that it obtains complex amplitude information from a plurality of interference fringes of different phases by a phase shift method, and performs a back propagation calculation of light to obtain a reconstructed image at any depth distance.
請求項4に記載の撮像装置において、
さらに、異なる距離で取得した干渉縞の振幅情報から位相回復により位相情報を求め、取得した振幅情報と求めた位相情報を用いて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を得ることを特徴とする、撮像装置。
5. The imaging device according to claim 4,
Furthermore, the imaging device is characterized in that it obtains phase information by phase retrieval from amplitude information of interference fringes acquired at different distances, and performs back propagation calculations of light using the acquired amplitude information and the obtained phase information, thereby obtaining a reconstructed image at any depth distance.
偏光板を透過した光波を偏光ビームスプリッタで第1分割光と第2分割光に分割し、第1分割光及び第2分割光をそれぞれ1/4波長板を通して曲率の異なるミラーで反射させ、再度1/4波長板を通して前記偏光ビームスプリッタで合成し、合成した第1分割光及び第2分割光を1/4波長板と異なる偏光方向を有する偏光板を通してカメラで撮影することで、異なる位相の干渉縞を同時に取得することを特徴とする、インコヒーレントデジタルホログラフィの撮像方法。 An incoherent digital holography imaging method characterized by splitting a light wave transmitted through a polarizing plate into first and second split lights using a polarizing beam splitter, having the first and second split lights each pass through a quarter-wave plate, reflected by mirrors with different curvatures, and then combined by the polarizing beam splitter after passing through the quarter-wave plate again, and then photographing the combined first and second split lights with a camera through a polarizing plate with a polarization direction different from that of the quarter-wave plate, thereby simultaneously obtaining interference fringes of different phases. 偏光板を透過した光波を偏光ビームスプリッタで第1分割光と第2分割光に分割し、第1分割光及び第2分割光をそれぞれ1/4波長板を通して曲率の異なるミラーで反射させ、再度1/4波長板を通して前記偏光ビームスプリッタで合成し、合成した第1分割光及び第2分割光を1/4波長板と偏光板を通してビームスプリッタで2つの光路に分岐し、前記ビームスプリッタから異なる距離で各光路に配置したカメラで撮影することで、光路の距離の異なる干渉縞を同時に取得することを特徴とする、インコヒーレントデジタルホログラフィの撮像方法。 An incoherent digital holography imaging method in which a light wave transmitted through a polarizing plate is split into first and second split lights by a polarizing beam splitter, the first and second split lights are each passed through a quarter-wave plate and reflected by mirrors with different curvatures, and then passed through the quarter-wave plate again and combined by the polarizing beam splitter. The combined first and second split lights are then passed through the quarter-wave plate and polarizing plate and split into two optical paths by a beam splitter, and images are taken with cameras positioned on each optical path at different distances from the beam splitter, thereby simultaneously obtaining interference fringes at different optical path lengths.
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