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JP7744766B2 - Incoherent digital holographic imaging device - Google Patents
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JP7744766B2 - Incoherent digital holographic imaging device - Google Patents

Incoherent digital holographic imaging device

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JP7744766B2
JP7744766B2 JP2021110409A JP2021110409A JP7744766B2 JP 7744766 B2 JP7744766 B2 JP 7744766B2 JP 2021110409 A JP2021110409 A JP 2021110409A JP 2021110409 A JP2021110409 A JP 2021110409A JP 7744766 B2 JP7744766 B2 JP 7744766B2
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Description

本発明は、可干渉距離の短いインコヒーレント光を用いてデジタルホログラフィ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に関する。 The present invention relates to an incoherent digital holography imaging device that acquires digital holography using incoherent light with a short coherence length.

デジタルホログラフィは、被写体の複素振幅(振幅・位相分布)を取得できる撮影手法であり、空間分解能や奥行き分解能に優れている他、計算によりフォーカス位置を調節できる等の、多くの利点を有している。その中でも、近年、レーザー等の特殊な光源を用いずに、太陽光、LED、蛍光等の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影できる、インコヒーレントデジタルホログラフィの技術が進展し、これによりホログラフィの応用範囲が拡大している。 Digital holography is an imaging technique that can acquire the complex amplitude (amplitude and phase distribution) of a subject, and has many advantages, including excellent spatial and depth resolution, as well as the ability to adjust the focus position through calculations. In particular, incoherent digital holography technology has advanced in recent years, allowing digital holograms to be captured using incoherent light such as sunlight, LEDs, and fluorescent light, without the need for special light sources such as lasers, and this has expanded the range of applications for holography.

インコヒーレントデジタルホログラフィでは、物体光を2系に分割し、それらを互いに自己干渉させることによって撮像面上にホログラム(干渉縞)を形成する。
そして、インコヒーレントな光を干渉させるために、波長フィルタ(バンドパスフィルタ)で光源の波長幅を100nm以下まで制限するようにしている(非特許文献1)。
In incoherent digital holography, the object light is split into two beams, and a hologram (interference fringes) is formed on the imaging surface by causing them to self-interfere with each other.
In order to cause interference of incoherent light, the wavelength width of the light source is limited to 100 nm or less using a wavelength filter (bandpass filter) (Non-Patent Document 1).

J. Rosen and G. Brooker:” Digital spatially incoherent Fresnel holography”, Optics Letters Vol. 32, No. 8, pp. 912-914 (2007)J. Rosen and G. Brooker: “Digital spatially incoherent Fresnel holography”, Optics Letters Vol. 32, No. 8, pp. 912-914 (2007)

しかしながら、例えば、上述したように、2つの光の可干渉性を得る程度まで、自然光の波長幅を制限した場合、光の利用効率が大幅に低下してしまうことから、撮像素子における光ショットノイズ等に伴いS/Nが大幅に低下するという問題がある。
また、例えば、撮像素子で撮影したホログラム画像に対し、所定の演算を施すことにより物体の像を再構成することになるが、このようにして得られた物体の像では、物体からの光を撮像素子に直接入射して、この物体の像を撮影する通常の撮影方式と比べ、撮像素子におけるノイズの、再構成画像の画質に与える影響が格段に大きいという問題等がある。
また、上述した問題とは逆に、所定の画像を、より画質の悪い状態(例えばボケ画像)とすることが望まれる場合等もある。
このため、上述したホログラム画像に基づく物体の再構成画像から、所望の画質の新たな物体の画像を、簡便かつ高精度に形成することが望まれている。
However, for example, as described above, if the wavelength width of natural light is limited to the extent that coherence of the two lights is obtained, the light utilization efficiency will be significantly reduced, which will result in a problem of a significant decrease in S/N due to optical shot noise in the imaging element, etc.
Furthermore, for example, an image of an object is reconstructed by performing a predetermined calculation on a hologram image captured by an image sensor. However, the image of the object obtained in this manner has a problem in that noise in the image sensor has a significantly greater effect on the quality of the reconstructed image than in a normal imaging method in which light from the object is directly incident on the image sensor to capture the image of the object.
Conversely to the above-mentioned problem, there are also cases where it is desired to make a predetermined image have a lower image quality (for example, a blurred image).
Therefore, it is desirable to easily and accurately form a new image of an object with a desired image quality from a reconstructed image of the object based on the above-mentioned hologram image.

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、ホログラフィ技術を用いて得られた被写体の再構成画像から、所望の画質の新たな被写体の画像を、簡便かつ高精度に形成し得るインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像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 in consideration of the above circumstances, and aims to provide an incoherent digital holography imaging device that can easily and accurately generate a new image of a subject with the desired image quality from a reconstructed image of the subject obtained using holography technology.

本発明のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置は、
撮像レンズから入射され、2系に分割された被写体からのインコヒーレント光を互いに干渉させて形成したホログラム画像を撮像し、該被写体の再構成像である第1画像をる第1撮像機能部と、該撮像レンズから入射され、該被写体からの単一光束を結像して該被写体の像である第2画像を該第1画像と同時にまたは順番に得る第2撮像機能部とを有し、
前記第1画像が有する情報と、前記第2画像が有する情報とを組み合わせて新たな前記被写体の画像を形成する画像組合せ部を備え
該画像組合せ部は、前記被写体の部位毎に、該部位までの距離を表す位置情報を有する前記第1画像のうちコントラストの高さに基づく所定のエリアを特定し、該第1画像の該特定した所定のエリアに、前記第2画像のうち前記所定のエリアに対応するエリアを設定し、新たな第1画像を形成するように構成されていることを特徴とするものである。
また、前記第2撮像機能部は、前記第2画像を得る際には、分割された前記2系の光のうちの一方を遮光するシャッタを備えることが好ましい
こで、前記第1撮像機能部は、前記第1画像に係る、撮像面から前記被写体の各部位まで距離を表す位置情報を、得られた前記ホログラム画像の複素振幅分布を逆伝搬したときの、前記第1画像のコントラストの高さに基づいて決定するように構成されていることが好ましい。
The incoherent digital holographic imaging device of the present invention comprises:
a first imaging function unit that captures a hologram image formed by causing incoherent light from a subject, which is incident through an imaging lens and split into two systems, to interfere with each other, and obtains a first image that is a reconstructed image of the subject; and a second imaging function unit that focuses a single light beam incident through the imaging lens from the subject, and obtains a second image that is an image of the subject simultaneously with or sequentially to the first image,
an image combining unit that combines information contained in the first image and information contained in the second image to form a new image of the subject ;
The image combination unit is configured to identify, for each part of the subject, a predetermined area in the first image having position information indicating the distance to that part based on the level of contrast, set an area in the second image corresponding to the predetermined area in the identified predetermined area of the first image, and form a new first image .
Preferably, the second imaging function unit includes a shutter that blocks one of the two split beams of light when obtaining the second image .
Here , it is preferable that the first imaging function unit is configured to determine positional information relating to the first image , which indicates the distance from the imaging surface to each part of the subject, based on the contrast of the first image when the complex amplitude distribution of the obtained hologram image is back- propagated.

また、前記第1撮像機能部における撮像光学系は、前記被写体からの光束を2系に分割する光束分割手段と、分割された一方の光束を入射して平面波を反射する平面鏡と、分割された他方の光束を入射して球面波を収束させるように反射する凹面鏡と、該平面鏡からの平面波と該凹面鏡からの球面波を干渉させてホログラム画像を取得する撮像素子と、該平面波と該球面波との共通光路上に、該撮像素子に入射させる光波の波長範囲を狭める波長フィルタと、を備えていることが好ましい。
また、前記平面鏡と前記凹面鏡のいずれかを、光軸方向に所定位相だけ移動させる位相シフト手段を備えていることが好ましい。
Furthermore, it is preferable that the imaging optical system in the first imaging function unit includes a beam splitter that splits the beam from the subject into two systems, a plane mirror that receives one of the split beams and reflects it as a plane wave, a concave mirror that receives the other of the split beams and reflects it so as to converge as a spherical wave, an imaging element that obtains a hologram image by causing the plane wave from the plane mirror and the spherical wave from the concave mirror to interfere with each other, and a wavelength filter that narrows the wavelength range of the light waves that are incident on the imaging element on a common optical path of the plane wave and the spherical wave.
It is also preferable to provide a phase shifting means for shifting either the plane mirror or the concave mirror by a predetermined phase in the optical axis direction.

さらに、前記第2撮像機能部における撮像光学系は、少なくとも一部が、前記第1撮像機能部における撮像光学系と共用されるように構成され、前記光束分割手段と、該光束分割手段で分割された前記他方の光束を入射して球面波を収束させるように反射する前記凹面鏡と、該凹面鏡からの球面波を結像させて被写体の画像を取得する前記撮像素子とを、備えていることが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the imaging optical system in the second imaging function unit is configured so that at least a portion thereof is shared with the imaging optical system in the first imaging function unit, and that it comprises the light beam splitting means, the concave mirror that receives the other light beam split by the light beam splitting means and reflects it to converge as a spherical wave, and the imaging element that forms an image of the subject by focusing the spherical wave from the concave mirror.

また、前記第1撮像機能部における撮像光学系と、前記第2撮像機能部における撮像光学系とは、被写体からの光束を分割する光束分割手段に至るまでの第1の偏光子が配設された光路を共通にする一方、撮像素子は互いに別個に備え、
前記光束分割手段は空間光変調器とし、
前記光束分割手段から前記第1撮像機能部の撮像素子に至る平面波と球面波の共通光路上に波長フィルタと第2の偏光子を配置して該第1撮像機能部の撮像素子においてホログラム画像が得られるようにするとともに、前記光束分割手段から前記第2撮像機能部の撮像素子に至る球面波を該第2撮像機能部の撮像素子に結像して前記被写体の画像が得られるように構成されていることが好ましい。
In addition, the imaging optical system in the first imaging function unit and the imaging optical system in the second imaging function unit share an optical path in which a first polarizer is disposed up to a beam splitter that splits a beam from a subject, but each of them is provided with an imaging element separately,
The light beam splitting means is a spatial light modulator,
It is preferable that a wavelength filter and a second polarizer are arranged on a common optical path of the plane wave and the spherical wave from the beam splitting means to the image sensor of the first imaging function unit so that a hologram image can be obtained at the image sensor of the first imaging function unit, and that the spherical wave from the beam splitting means to the image sensor of the second imaging function unit is imaged on the image sensor of the second imaging function unit to obtain an image of the subject.

インコヒーレントデジタルホログラフィ撮像技術において、得られた再構成画像(以下、第1画像と称する)は位置情報を有しており、3次元像を構築することができるが、その一方で、ノイズを多く含んでいる、という特性も有している。
そこで本願発明者は、各部位の位置情報を得ることはできないが、ノイズの影響の少ない通常の撮像方式により得られる画像(以下、第2画像と称する)を、共通の光学系を用いて上記第1画像と同時に取得し、両画像における被写体の対応する部位を容易に判別できることを利用して、これら両画像を組み合わせて所望の画質の新しい被写体の画像を形成することを想起するに至った。
In incoherent digital holography imaging technology, the reconstructed image obtained (hereinafter referred to as the first image) contains position information and can be used to construct a three-dimensional image, but it also has the characteristic of containing a lot of noise.
The inventors of the present application therefore came up with the idea of simultaneously acquiring an image (hereinafter referred to as the second image) using a common optical system and the first image, which is obtained using a normal imaging method that is less affected by noise, even though it is not possible to obtain positional information for each part, and then combining these two images to form a new image of the subject with the desired image quality, taking advantage of the fact that corresponding parts of the subject in both images can be easily distinguished.

すなわち、一例について述べるに、第1撮像機能部においてホログラムを用いて得られた被写体の再構成像である第1画像に基づき、被写体の各部位の位置情報を得るようにし、得られた位置情報に基づき、第2撮像機能部により得られた第2画像の各部位を配するようにして、新たな第1画像を形成する。 In other words, as an example, positional information for each part of the subject is obtained based on a first image, which is a reconstructed image of the subject obtained using a hologram in the first imaging function unit, and a new first image is formed by arranging each part of the second image obtained by the second imaging function unit based on the obtained positional information.

これにより、本発明のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置においては、得られた第1画像と第2画像の各情報に基づき、所望の画質の新たな画像を得ることができる。しかも、両画像は、共通の光学系を用いて、略同時に撮影することが可能であるから、所望の画質の新たな画像を、簡便、かつ高精度に得ることができる。
具体的には、例えば上記例を用いて説明すると、インコヒーレントデジタルホログラフィ撮像技術において、光の可干渉性を得るためになされる光の波長幅制限に伴うS/Nの低下を阻止することができ、撮像素子におけるノイズの影響を受けやすい、との問題点を改善することができ、ノイズの影響を受けにくい被写体の3次元再構成像を得ることが可能となる。
また、この発明を利用することによって、被写体の情報を正確にとらえるカメラや計測装置、さらには顕微鏡等を構築することが可能である。
As a result, the incoherent digital holography imaging device of the present invention can obtain a new image of desired image quality based on the information of the obtained first and second images. Moreover, because both images can be captured substantially simultaneously using a common optical system, a new image of desired image quality can be obtained easily and with high accuracy.
Specifically, using the above example, in incoherent digital holography imaging technology, it is possible to prevent the decrease in S/N ratio that accompanies the wavelength width restriction of light that is imposed in order to obtain light coherence, improve the problem of the imaging element being susceptible to noise, and obtain a three-dimensional reconstructed image of the subject that is less susceptible to noise.
Furthermore, by utilizing this invention, it is possible to construct cameras, measuring devices, microscopes, and the like that can accurately capture information about a subject.

本発明の実施形態1に係るホログラフィ撮像再生装置を説明するための概念図である。1 is a conceptual diagram for explaining a holographic imaging and reproducing device according to a first embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2に係るホログラフィ撮像再生装置を説明するための概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining a holographic imaging and reproducing device according to a second embodiment of the present invention. 本発明の実施形態2に係るホログラフィ撮像再生装置において、SLMに表示するパターン(第1の撮像素子106aに結像する球面波のパターン(a)、第2の撮像素子106bに結像する球面波のパターン(b)、および(a)と(b)を合成したパターン(c))である。In the holographic imaging and reproduction device according to the second embodiment of the present invention, the patterns displayed on the SLM are (a) a spherical wave pattern focused on the first imaging element 106a, (b) a spherical wave pattern focused on the second imaging element 106b, and (c) a combination of (a) and (b)). 本発明の実施形態2に係るホログラフィ撮像再生装置における、ホログラフィを用いた撮影と、単一の光による撮影を併用するシステムによって再構成画像の画質が改善される手法の前提を示す概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram showing the premise of a method for improving the image quality of a reconstructed image by a system that combines holographic imaging and single-light imaging in a holographic imaging and reconstructing device according to a second embodiment of the present invention. 図4に示す2つの撮影手法に対して、ノイズを付加した結果の画像状態(上半分はホログラフィを用いた撮影、下半分は単一の光による撮影)を示す図である。5A and 5B are diagrams showing the image states resulting from adding noise to the two imaging techniques shown in FIG. 4 (the upper half is imaging using holography, and the lower half is imaging using a single light source). 本発明の実施形態2のホログラフィ撮像再生装置で互いに距離の異なる物体A、B、Cの3つを含む画角で撮影する手法を説明するための概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining a technique for capturing an image with an angle of view that includes three objects A, B, and C at different distances using a holographic imaging and reproducing device according to a second embodiment of the present invention. 図6に示す2つの撮影手法で得られた2種類の画像から有用な画像を形成する手法を説明するための概念図である。FIG. 7 is a conceptual diagram for explaining a method for forming a useful image from two types of images obtained by the two photographing methods shown in FIG. 6 . 本実施形態の変更態様1に係るホログラフィ撮像再生装置を説明するための概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining a holographic imaging and reproducing device according to a first modified embodiment of the present invention. 本実施形態の変更態様2に係るホログラフィ撮像再生装置を説明するための概念図である。FIG. 10 is a conceptual diagram for explaining a holographic imaging and reproducing device according to a second modified embodiment of the present invention.

以下、本発明のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置および撮像方法について、実施形態を用いて説明する。本実施形態においては、ホログラフィ撮像再生装置の構成を例に挙げて説明する。
また、以下の説明は、まず、実施形態1、2を用いて光学系の構成を主とした説明を行い、次に、実施形態2の構成を前提として、ホログラフィを用いた被写体の再構成画像と、単一の光を用いた、一般の被写体画像を組合せる手法の一例について説明する。その後、上記ホログラフィ撮像再生装置の光学系について、2種類の変更態様を挙げて補足説明を行う。
Hereinafter, an incoherent digital holographic imaging device and imaging method of the present invention will be described using an embodiment, in which the configuration of a holographic imaging and reproducing device is taken as an example.
The following description will first focus on the configuration of the optical system using Embodiments 1 and 2, and then explain an example of a technique for combining a reconstructed image of a subject using holography with a general subject image using a single light, based on the configuration of Embodiment 2. After that, supplementary explanations will be given of the optical system of the above-mentioned holographic imaging and reproduction device, citing two modified embodiments.

[ホログラフィ撮像再生装置の構成(光学系を主として)]
(実施形態1)
本発明における、実施形態1に係るホログラフィ撮像再生装置50の光学系を主とした全体構成を図1に示す。
このホログラフィ撮像再生装置50は、マイケルソン干渉計の光学系を用いたインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置を構成している。本撮像再生装置50は、ホログラフィを用いた撮影機能と、単一の光による撮影(通常の結像系による撮影)機能を有し、両機能を用いて、ノイズの少ない、インコヒーレントデジタルホログラフィ撮像画像を得ることができる。
[Configuration of holographic imaging and reproduction device (mainly optical system)]
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the overall configuration, mainly including the optical system, of a holographic imaging and reproducing apparatus 50 according to a first embodiment of the present invention.
This holographic imaging and reproducing device 50 constitutes an incoherent digital holographic imaging device using a Michelson interferometer optical system. This imaging and reproducing device 50 has a holographic imaging function and a single-light imaging function (imaging using a normal imaging system), and can use both functions to obtain low-noise incoherent digital holographic images.

まず、ホログラフィを用いた撮影について説明する。被写体1からの物体光はレンズ2により平行光とされてビームスプリッタ(B/S)3に入射し、分割された一方の光が平面鏡5に入射して平行光として反射され、分割された他方の光が凹面鏡4に入射して収束光として反射される。
反射された2つの光は、再びビームスプリッタ(B/S)3に入射し、前者の反射光と後者の透過光は撮像素子6方向に進み、撮像素子6の撮像面上において自己干渉によりホログラムを形成する。
First, we will explain holographic photography. Object light from a subject 1 is collimated by a lens 2 and enters a beam splitter (B/S) 3. One of the split beams is incident on a plane mirror 5 and reflected as a collimated beam, while the other split beam is incident on a concave mirror 4 and reflected as a convergent beam.
The two reflected beams of light are incident on the beam splitter (B/S) 3 again, and the former reflected light and the latter transmitted light travel toward the image sensor 6, forming a hologram on the imaging surface of the image sensor 6 by self-interference.

ここでは、in-lineホログラフィにおける直接光・共役光の重畳を避けて物体光を取得するために位相シフト法を用い、その中でも演算を容易とするために4ステップ位相シフト法を用いている。
平面鏡5が位相シフト手段(ピエゾ素子)7によって、基準位置から、波長の1/8倍、2/8倍、3/8倍の距離だけ光軸方向に移動する(平面鏡5側に進む光の光路長が波長の1/4倍、2/4倍、3/4倍だけ変化する)ことで、位相が0、π/2、π、3π/2の4段階で変化するように構成されている。
Here, the phase shift method is used to obtain the object light while avoiding the superposition of direct light and conjugate light in in-line holography, and among these, the four-step phase shift method is used to simplify the calculation.
The plane mirror 5 is moved in the optical axis direction by a phase shifting means (piezo element) 7 from a reference position by distances of 1/8, 2/8, and 3/8 times the wavelength (the optical path length of the light traveling toward the plane mirror 5 changes by 1/4, 2/4, and 3/4 times the wavelength), and the phase changes in four stages: 0, π/2, π, and 3π/2.

平面鏡5のビームスプリッタ(B/S)3側には遮光可能なシャッタ8が示されているが、これは後述する単一の光による撮影を行う際に機能させるものであり、ホログラフィを用いた撮影の場合には、機能させないものである。一方、撮像素子6のビームスプリッタ(B/S)3側には、インコヒーレント光(可干渉距離の短い光)によっても干渉を生じさせ得るよう、光の波長範囲を狭めるための波長フィルタ9が配置されている。 A light-blocking shutter 8 is shown on the beam splitter (B/S) 3 side of the plane mirror 5, but this is only functional when taking photographs using a single light beam, as described below, and is not functional when taking photographs using holography. On the other hand, a wavelength filter 9 is located on the beam splitter (B/S) 3 side of the imaging element 6 to narrow the wavelength range of light so that interference can occur even with incoherent light (light with a short coherence length).

撮像素子6からは、ホログラム画像データが、被写体像再構成手段11に出力され、被写体像再構成手段11内の第1画像演算部12において、位相シフト法を用い、撮像面に形成された4枚のホログラム情報から、演算により撮像面の振幅・位相分布を計算する。具体的には、撮像面から被写体面まで逆伝搬する演算を行うことで、被写体位置での振幅・位相分布が再構成できる。
上記4ステップ位相シフト法に替えて、3ステップ、2ステップあるいは5ステップ以上の位相シフト法を用いてもよいし、参照光チルト、並列位相シフトおよびランダム位相参照光使用等の、1回の撮像(露光)で複素振幅を取得するようにしてもよい(伊藤・下馬場:「ホログラフィ入門 コンピュータを利用した3次元映像・3次元計測」,講談社,pp. 119-125を参照)。
Hologram image data is output from the imaging element 6 to the subject image reconstruction means 11, and a first image calculation unit 12 within the subject image reconstruction means 11 uses a phase shift method to calculate the amplitude and phase distributions on the imaging plane from the four pieces of hologram information formed on the imaging plane. Specifically, the amplitude and phase distributions at the subject position can be reconstructed by performing a calculation that backpropagates from the imaging plane to the subject plane.
Instead of the four-step phase shifting method, a three-step, two-step, or five-step or more phase shifting method may be used. Alternatively, a complex amplitude may be obtained in one imaging (exposure) by using a reference beam tilt, parallel phase shift, or random phase reference beam (see Ito and Shimobaba, "Introduction to Holography: 3D Imaging and Measurement Using a Computer," Kodansha, pp. 119-125).

また、平面鏡5を移動させるのではなく、凹面鏡4を位相シフト手段7で移動させて、凹面鏡4を経由する光の位相を4段階に変化させる4ステップ位相シフト法を行ってもよい。この場合、後述する単一の光による撮影時においては位相シフト手段7による移動を止めて撮影してもよいし、あるいはホログラフィを用いた撮影時と同様に位相シフト手段7によって凹面鏡4を移動させながら撮影してもよい。後者の場合、単一の光による撮影において被写体1の広い奥行き範囲でフォーカスの合った像が得られる、という効果も期待できる。 Alternatively, instead of moving the plane mirror 5, the concave mirror 4 may be moved by the phase shift means 7, thereby performing a four-step phase shift method in which the phase of the light passing through the concave mirror 4 is changed in four steps. In this case, when photographing with a single light beam, as described below, photographing can be performed with the movement by the phase shift means 7 stopped, or photographing can be performed while moving the concave mirror 4 by the phase shift means 7, as in photographing using holography. In the latter case, an effect can be expected in which an image that is in focus over a wide depth range of the subject 1 can be obtained when photographing with a single light beam.

次に、単一の光による撮影について説明する。平面鏡5のビームスプリッタ(B/S)3側に設けたシャッタ8を作動させて、遮光機能をオンすることで、平面鏡5を経由する光が遮断され、凹面鏡4を経由した光のみが撮像素子6に到達することになる。このシャッタ8としてはメカニカルシャッタ、液晶シャッタ等を用いることができる。その結果、撮像素子6から直接、被写体1の像(強度分布)を得ることができる。なお、シャッタ8を凹面鏡4側に配置して平面鏡5からの光のみを撮像面に到達させるようにしてもよい。この場合、レンズ2と撮像素子6が結像関係にある被写体1を撮影することができる。 Next, we will explain shooting using a single light source. By operating the shutter 8 located on the beam splitter (B/S) 3 side of the plane mirror 5 and turning on the light blocking function, light passing through the plane mirror 5 is blocked, and only light passing through the concave mirror 4 reaches the image sensor 6. This shutter 8 can be a mechanical shutter, a liquid crystal shutter, or the like. As a result, an image (intensity distribution) of the subject 1 can be obtained directly from the image sensor 6. Alternatively, the shutter 8 can be located on the concave mirror 4 side, allowing only light from the plane mirror 5 to reach the imaging surface. In this case, it is possible to shoot the subject 1, which is in an imaging relationship between the lens 2 and the image sensor 6.

また、撮像素子6からは、単一の光による画像データが、被写体像再構成手段11に出力され、被写体像再構成手段11内の第2画像格納部13において、単一の光により得られた複数の画像データが格納される。
この後、第1画像演算部12での演算により得られた振幅・位相分布データと、第2画像格納部13に格納された画像データとを、被写体像再構成手段11内の画像組合せ部14において組合せ、この組合わせられた再構成画像(新たな第1画像)を被写体像画像信号として外部のモニタ15等に出力する。画像組合せ部14においてなされる画像組合せ処理については後述する。
なお、上記被写体像再構成手段11および上記モニタ15等によって、ホログラフィ撮像装置部20に対応するホログラフィ再生装置部40が構築される。
In addition, image data obtained by a single light is output from the imaging element 6 to the subject image reconstruction means 11, and multiple image data obtained by the single light are stored in the second image storage section 13 within the subject image reconstruction means 11.
Thereafter, the amplitude and phase distribution data obtained by the calculation in the first image calculation unit 12 and the image data stored in the second image storage unit 13 are combined in the image combination unit 14 within the subject image reconstructing means 11, and this combined reconstructed image (a new first image) is output as a subject image signal to an external monitor 15, etc. The image combination process performed in the image combination unit 14 will be described later.
The subject image reconstruction means 11, the monitor 15, and the like constitute a holographic reproduction device section 40 corresponding to the holographic imaging device section 20.

本実施形態の装置では、上記の、ホログラフィを用いた撮影機能と、単一の光による撮影機能を交互に切り替えて行う。すなわち第1の期間において、シャッタ8をオフにして4ステップ位相シフト法により、位相が0、π/2、π、3π/2に対応した被写体1のホログラム画像を撮影し、第2の期間において、シャッタ8をオンにして、凹面鏡4により収束せしめられた光のみによって被写体1の像を取得する。 The device of this embodiment alternates between the above-mentioned holographic imaging function and the single-light imaging function. That is, during the first period, the shutter 8 is turned off and a hologram image of the subject 1 corresponding to phases of 0, π/2, π, and 3π/2 is captured using the four-step phase shift method; during the second period, the shutter 8 is turned on and an image of the subject 1 is acquired using only the light converged by the concave mirror 4.

なお、波長フィルタ9は常時動作させていてもよいが、第2の期間における単一の光による撮影では、波長幅を制限する必要がないため、光の利用効率を向上させるためには、第2の期間において波長フィルタ9を動作させないように、シャッタ8と同様にオンオフを切り替えて動作させるのが望ましい。波長フィルタ9のオンオフ手法としては光路に物理的に出し入れする手法や、液晶を用いて透過波長帯域を変化させる手法等を適用し得る。 Note that while wavelength filter 9 may be constantly operating, there is no need to limit the wavelength width when capturing images using a single light source during the second period. Therefore, in order to improve light utilization efficiency, it is desirable to operate wavelength filter 9 by switching it on and off in the same way as shutter 8 so that it does not operate during the second period. Methods for turning wavelength filter 9 on and off include physically inserting it into and removing it from the optical path, or using liquid crystal to change the transmission wavelength band.

ホログラフィを用いた撮影では、撮像素子6の位置は凹面鏡4の焦点距離の位置付近にある必要はないが、単一の光による撮影では、解像度を保つため、撮像素子6の位置は凹面鏡の焦点距離の位置付近にあることが望ましい。
また、図1の構成では、時間を切り替えて2つの撮影を択一的に行うことが必要であることから、撮像素子6の位置は単一の光による撮影にあわせて、凹面鏡4(単一の光による撮影に平面鏡5からの光を用いる場合は平面鏡5)の焦点距離の位置付近にあることが望ましい。
In holographic imaging, the position of the image sensor 6 does not need to be near the focal length of the concave mirror 4, but in single-light imaging, it is desirable that the position of the image sensor 6 be near the focal length of the concave mirror in order to maintain resolution.
Furthermore, in the configuration of FIG. 1, it is necessary to selectively perform two types of photography by switching the time, and therefore it is desirable that the position of the image sensor 6 be near the focal length of the concave mirror 4 (or the plane mirror 5 when light from the plane mirror 5 is used for photography using a single light) in accordance with photography using a single light.

(実施形態2)
本発明における、実施形態2に係るホログラフィ撮像再生装置150の光学系を主とした全体構成を図2に示す。なお、本実施形態は、実施形態1のものと、部材の機能が略同様とされているものも多いので、そのような部材については、実施形態1の部材の符号に100を加えて付し、その詳しい説明は煩を避けるため省略する。なお、実施形態1に示すホログラフィ再生装置部40については、同様の構成とされているので、図面からも省略している(以下に説明する、図6、8、9において同じ)。また、本実施形態においては、ホログラム画像を得る際において、複素振幅を得るのに、位相シフト法を用いずに、参照光チルト、並列位相シフトおよびランダム位相参照光使用等の、1回の撮像(露光)で演算可能な手法を用いている(後述する変更態様1、2において同じ)。
本実施形態に係るホログラフィ撮像再生装置150の特徴は、図2に示すように、ホログラフィを用いた撮影と、単一の光による撮影との各々に、専用の撮像素子106a、bを設けたことにより、両撮影を同時に行うことを可能としていることにある。
(Embodiment 2)
FIG. 2 shows the overall configuration, primarily of the optical system, of a holographic imaging and reproducing device 150 according to a second embodiment of the present invention. Since many of the components in this embodiment have substantially the same functions as those in the first embodiment, the reference numerals of those components are given the same reference numerals as those in the first embodiment, but with an additional 100, and detailed descriptions thereof will be omitted to avoid redundancy. The holographic reproducing device section 40 shown in the first embodiment has the same configuration, and is therefore omitted from the drawings (the same applies to FIGS. 6, 8, and 9 described below). Furthermore, in this embodiment, complex amplitudes are obtained by using a single imaging (exposure) technique, such as reference beam tilt, parallel phase shift, and the use of a random phase reference beam, rather than a phase shift technique (the same applies to Modifications 1 and 2 described below).
A feature of the holographic imaging and reproduction device 150 according to this embodiment is that, as shown in FIG. 2, it is possible to perform both types of imaging simultaneously by providing dedicated imaging elements 106a and 106b for both holographic imaging and single-light imaging.

図2に示すように、被写体101からの光は、レンズ102の後段に配された、斜め45度の直線偏光を透過させる第1の偏光子110aを経由した後、SLM116で分割され、第1の撮像素子106aには平面波と球面波を、第2の撮像素子106bには球面波のみを到達させることで、前者でホログラフィを用いた撮影、後者で単一の光による撮影がなされるように構成されている。すなわち、第1の撮像素子106aに到達する平面波は、入射光である45度直線偏光の垂直(または水平)直線偏光成分であり、第1の撮像素子106aに到達する球面波は、入射光である45度直線偏光の水平(または垂直)直線偏光成分である。第1の撮像素子106aのSLM116側に配置された第2の偏光子110bにより、各光の偏光成分を同一にそろえることで、上記2つの光が互いに干渉し、これによりホログラムが得られる。 As shown in Figure 2, light from the subject 101 passes through a first polarizer 110a, which is located after the lens 102 and transmits linearly polarized light at a 45-degree angle, before being split by the SLM 116. Plane waves and spherical waves reach the first image sensor 106a, while only spherical waves reach the second image sensor 106b. This allows holographic imaging at the former and single-light imaging at the latter. In other words, the plane wave reaching the first image sensor 106a is the vertically (or horizontally) linearly polarized component of the 45-degree linearly polarized incident light, and the spherical wave reaching the first image sensor 106a is the horizontally (or vertically) linearly polarized component of the 45-degree linearly polarized incident light. The second polarizer 110b, located on the SLM 116 side of the first image sensor 106a, aligns the polarization components of each light, causing the two lights to interfere with each other, resulting in a hologram.

SLM116に表示するパターンとしては、図3に示すように、第1の撮像素子106aに結像される球面波(a)、第2の撮像素子106bに結像される球面波(b)、これら(a)と(b)を互いに合成したパターン(c)等を適用できる。
このパターンは、入射した水平(または垂直)直線偏光成分を2つの球面波に分波する効果をもたらすが、SLM116の領域を区切って、例えば奇数番目の画素に到達した光は第1の撮像素子106aに、偶数番目の画素に到達した光は第2の撮像素子106bに、それぞれ結像するようなパターンを用いることもできる。この区切り方は画素単位でなくとも、複数画素をまとめたブロック単位としてもよい。なお、SLM116としては、反射型のものを用いてもよい。
As shown in FIG. 3, the pattern to be displayed on the SLM 116 may be a spherical wave (a) formed on the first image sensor 106a, a spherical wave (b) formed on the second image sensor 106b, or a pattern (c) obtained by combining (a) and (b).
This pattern has the effect of separating the incident horizontally (or vertically) linearly polarized light component into two spherical waves, but it is also possible to use a pattern in which the area of the SLM 116 is divided so that, for example, light reaching odd-numbered pixels is imaged on the first image sensor 106a and light reaching even-numbered pixels is imaged on the second image sensor 106b. This division does not have to be done in pixel units, and may be done in block units, each consisting of multiple pixels. Note that a reflective SLM 116 may also be used.

本実施形態の構成では、実施形態1におけるシャッタ8は不要となり、波長フィルタ109は第1の撮像素子106aのSLM116側だけに配置すればよい。このため、シャッタ等の切り替えが不要で簡便な構成を有し、かつ撮影の高速化が図れるシステムを構築することができる。 In the configuration of this embodiment, the shutter 8 in embodiment 1 is not necessary, and the wavelength filter 109 only needs to be placed on the SLM 116 side of the first image sensor 106a. This makes it possible to build a system that does not require switching of shutters, has a simple configuration, and enables faster image capture.

SLM116から撮像素子106a、bまでの距離は、2つの撮像素子106a、bで同一としてもよいが、第1の撮像素子106aは、ホログラフィを用いた撮影で最も解像度が高くなるとされている距離(平面波と球面波の像が同じサイズになる距離)に配置し、第2の撮像素子106bは、焦点距離の位置に配置するというように、互いに異なる距離に配置してもよい。 The distance from the SLM 116 to the image sensors 106a and 106b may be the same for both image sensors 106a and 106b, but they may also be positioned at different distances, such as placing the first image sensor 106a at the distance that is considered to provide the highest resolution in holographic imaging (the distance at which the images of the plane wave and spherical wave are the same size) and the second image sensor 106b at the focal length.

[新たな再構成画像を得る際における画像を組合せる手法]
以下、実施形態2に係るホログラフィ撮像再生装置150において、ホログラフィを用いた撮影と、単一の光による撮影を併用する構成について詳細に説明する。
なお、以下に説明する構成については、前述した、被写体像再構成手段11内の画像組合せ部14における構成に対応する。
なお、以下においては、「被写体」の用語に替えて「物体」を用いて説明する場合がある。
図4は、ホログラフィを用いた撮影と、単一の光による撮影の、一般的な流れを示すものである。上方部分には、ホログラフィを用いた撮影(I)における、ホログラム形成と物体画像再構成の流れを概略的に示すものである。なお、用いた数値パラメータは図2に記載の数値であり、例えば、平面波と球面波を発生させるSLM116と、撮像素子106aとの距離は500mmに設定することで撮像面上に形成されたホログラム画像を取得した。
[Method of combining images to obtain a new reconstructed image]
A detailed description will now be given of a configuration of the holographic imaging and reproducing device 150 according to the second embodiment that combines holographic imaging and single-light imaging.
The configuration described below corresponds to the configuration of the image combination unit 14 in the subject image reconstructing means 11 described above.
In the following description, the term "object" may be used instead of the term "subject."
Figure 4 shows the general flow of holographic imaging and single-light imaging. The upper part shows a schematic diagram of the flow of hologram formation and object image reconstruction in holographic imaging (I). The numerical parameters used are those shown in Figure 2. For example, the distance between the SLM 116, which generates plane waves and spherical waves, and the image sensor 106a was set to 500 mm to obtain a hologram image formed on the imaging surface.

4ステップ位相シフト法により、位相を0、π/2、π、3π/2と4段階で変化させることにより、4つのホログラム画像の強度分布(I~I)が得られたとすると、物体の撮像面での複素振幅分布(振幅・位相分布)uは下式(1)のように表される。
u=1/4×{(I-I)+i(I-I)}(iは虚数単位) …(1)
この複素振幅分布に対して、撮像面から物体面まで逆伝搬する演算を行うことで、物体位置での複素振幅分布(振幅・位相分布)が得られ、被写体101の再構成画像が得られる。
If the intensity distributions (I 1 to I 4 ) of four hologram images are obtained by changing the phase in four steps, 0, π/2, π, and 3π/2, using the four-step phase shift method, the complex amplitude distribution (amplitude/phase distribution) u on the imaging plane of the object is expressed by the following equation (1):
u = 1/4 × {(I 1 - I 3 ) + i (I 2 - I 4 )} (i is the imaginary unit) ... (1)
By performing a backpropagation operation on this complex amplitude distribution from the imaging plane to the object plane, a complex amplitude distribution (amplitude/phase distribution) at the object position is obtained, and a reconstructed image of the subject 101 is obtained.

図4の下方半分には、単一の光による撮影(II)における、物体像を示す。例えば、球面波を発生させるSLM116と、第2撮像素子106bとの距離を250mmに設定することで撮像面上に形成された物体像(強度分布)を取得した。 The lower half of Figure 4 shows an object image captured using a single light source (II). For example, the distance between the SLM 116 that generates the spherical wave and the second image sensor 106b was set to 250 mm, and an object image (intensity distribution) formed on the imaging surface was acquired.

図4に示す2つの撮影手法に対して、ノイズを付加した結果を図5に示す。
撮像素子106a、bで取得する画像に、ガウス分布を有するランダムノイズが付加されることを想定し、ガウス分布の標準偏差は、画素値の最大値の1%または3%とした。
図5において上方半分は、ホログラフィを用いた撮影により、第1撮像素子106aで得られた4枚のホログラムI~Iそれぞれに対してノイズを付加して再構成画像を形成する様子を、一方、図5において下方半分は、単一の光による撮影で、撮像素子106bで得られる物体像に上記のノイズを付加して物体の画像を得る様子を示す。
FIG. 5 shows the results of adding noise to the two imaging techniques shown in FIG.
It is assumed that random noise having a Gaussian distribution is added to the images acquired by the image sensors 106a and 106b, and the standard deviation of the Gaussian distribution is set to 1% or 3% of the maximum pixel value.
The upper half of Figure 5 shows how a reconstructed image is formed by adding noise to each of the four holograms I1 to I4 obtained by the first image sensor 106a using holography, while the lower half of Figure 5 shows how an image of an object is obtained by adding the above-mentioned noise to the object image obtained by the image sensor 106b using a single light source.

図5には、再構成画像とともにPSNR(Peak Signal to Noise Ratio)値を示す。PSNR値は原画像に対する値と、ノイズなし再構成画像に対する値を併記している。再構成画像における、見た目とPSNR値のいずれの観点においても、単一の光による撮影による画像の方がノイズに対する耐性が高いことが明らかである。
例えば、画像劣化の許容されるしきい値を、対出力のPSNR = 30とすると、ホログラフィを用いた撮影では1%のノイズも許容できないが、単一の光による撮影では3%のノイズを許容できることが、図5から明らかである。
Figure 5 shows the reconstructed images along with their PSNR (Peak Signal to Noise Ratio) values. The PSNR values are shown for both the original image and the noise-free reconstructed image. It is clear that the images captured with a single light source are more resistant to noise, both in terms of appearance and PSNR value.
For example, if the acceptable threshold for image degradation is a PSNR of 30 relative to the output, then Fig. 5 clearly shows that even 1% noise is unacceptable in holographic imaging, whereas 3% noise is acceptable in single-light imaging.

図5に示す例においては、2つの撮影手法で付加されるノイズは同一レベルに設定したが、実際には波長幅の制限による光量の減少のため、ホログラフィを用いた撮影のほうがノイズの影響をさらに受けることとなりやすい。
すなわち、撮像素子106aで検出される主なノイズの一つに光ショットノイズがあるが、入射光子数をSとすると光ショットノイズN=√Sで表され、S/N比は、S/√S=√Sとなり、光子数の平方根に比例する。
In the example shown in Figure 5, the noise added by the two imaging techniques was set to the same level, but in reality, imaging using holography is more likely to be affected by noise due to the reduction in light intensity caused by wavelength bandwidth limitations.
That is, one of the main types of noise detected by the image sensor 106a is optical shot noise. If the number of incident photons is S, the optical shot noise is expressed as N = √S, and the S/N ratio is S/√S = √S, which is proportional to the square root of the number of photons.

例えば、単一の光による撮影では波長フィルタによる波長幅制限を行わずに380~780nmの波長の光で撮影し、ホログラフィを用いた撮影では波長フィルタによって波長幅を10nmに制限することとすると、スペクトル分布の影響にもよるが、後者の光量は前者のおよそ10分の1以下に減少してしまうため、S/N比も劣化する。
したがって、この入射光量の違いを考慮に入れると、2つの撮影手法による画質の比較結果は、図5で示した値よりも差が大きくなる。
For example, if a single-light image is taken with light of wavelengths between 380 and 780 nm without limiting the wavelength range with a wavelength filter, and if a wavelength filter is used to limit the wavelength range to 10 nm when taking holographic images, the amount of light in the latter image will be reduced to approximately one-tenth of the amount in the former image, and the S/N ratio will also deteriorate, depending on the influence of the spectral distribution.
Therefore, when this difference in the amount of incident light is taken into consideration, the comparison results of the image quality between the two photographing techniques show a larger difference than the values shown in FIG.

以下、図2に示す装置で得られた2種類の画像から有用な画像を得ることができる実施形態に係る構成の一例について説明する。
図6に示すように、距離が互いに異なる物体A、B、Cの3つを含む画角で撮影を行うものとし、その時の2つの撮影手法で得られる画像のイメージを図7に示す。なお、図6に係るホログラフィ撮像再生装置450は、実施形態2のホログラフィ撮像再生装置150を用いているが、便宜上、図2に示す部材の符号に300を加えた符号を、対応する部材に付している。
ホログラフィを用いた再構成画像(以下、第1画像と称する)ではノイズ(図7では物体A、B、C内のドットで表される)が多いが、各物体の距離a,b,cに対応して逆伝搬させることで、その距離にある物体のコントラストが高くなるため、その距離にある物体の情報が得られることになる。一方、単一の光による撮影画像(以下、第2画像と称する)ではノイズが少ないが、距離と物体の関係は不明である。なお、ここで物体の存在する距離の範囲は、単一の光による撮影における被写界深度の範囲内であるとする。
An example of a configuration according to an embodiment that can obtain a useful image from two types of images obtained by the device shown in FIG. 2 will now be described.
As shown in Fig. 6, an image is captured with an angle of view that includes three objects A, B, and C at different distances, and the images obtained by the two capturing techniques at that time are shown in Fig. 7. Note that holographic imaging and reproducing device 450 shown in Fig. 6 uses holographic imaging and reproducing device 150 of embodiment 2, but for convenience, the reference numerals of the corresponding components shown in Fig. 2 are increased by 300.
The reconstructed image using holography (hereinafter referred to as the "first image") contains a lot of noise (represented by dots within objects A, B, and C in Figure 7). However, by backpropagating the noise corresponding to the distances a, b, and c of each object, the contrast of the objects at those distances increases, and information about the objects at those distances can be obtained. On the other hand, the image captured using a single light (hereinafter referred to as the "second image") contains less noise, but the relationship between the distance and the object is unclear. Note that the range of distances in which objects exist is assumed to be within the depth of field when captured using a single light.

第1画像において、物体の各部位毎に、ノイズの少ない画像とするために、第2画像における、第1画像の部位に対応した部位である、コントラストの高い画素エリアだけを切り出す。すなわち、上記第2画像におけるコントラストの高い部位を特定し、対応する第1画像の各対応部位の位置情報に基づいて第2画像の各部位を位置設定して、新たな第1画像を形成するようにしている。
こうすることで、各距離a,b,cに位置する物体において、ノイズの少ない第1画像(再構成画像)を得ることができる。
図7ではフォーカスの合った部分(コントラストの高い部分)を取り出して利用しているが、ホログラフィを用いた撮影におけるフォーカスが合っていないとの情報を利用して、フォーカスの合っていない部分のぼやけた画像も含めて合成し、敢えてボケ画像を作成することも可能である。
In order to obtain a low-noise image for each part of the object in the first image, only high-contrast pixel areas corresponding to the parts in the first image are extracted from the second image. That is, the high-contrast parts in the second image are identified, and the positions of the parts in the second image are set based on the position information of the corresponding parts in the first image, to form a new first image.
By doing so, it is possible to obtain a first image (reconstructed image) with less noise for the object located at each distance a, b, and c.
In Figure 7, the in-focus part (high contrast part) is extracted and used, but it is also possible to use information about out-of-focus parts in holographic photography to synthesize the out-of-focus part and also to create a blurred image.

また、他の利用手法として、ホログラフィを用いた撮影は、単一の光による撮影に比べて、物体の高い空間周波数の情報を含んでいることが知られているため、例えば、これら2つの撮影手法で得られた画像のFFT処理を行って、前者の撮影で得られた高周波の情報と後者の撮影で得られた低周波の情報を合成して画像を再構成することで、画質と空間周波数帯域を両立させた画像を得ることもできる。 In addition, as another application method, it is known that photography using holography contains information about the high spatial frequencies of an object compared to photography using a single light source. For example, by performing FFT processing on the images obtained using these two photography methods and combining the high-frequency information obtained by the former photography with the low-frequency information obtained by the latter photography to reconstruct the image, it is possible to obtain an image that combines both image quality and spatial frequency bandwidth.

また、他の利用手法として、動画像を得る際の利用が考えられる。すなわち、ホログラフィを用いる撮影において4ステップ位相シフト法を用いた場合には、4枚の画像を取得し、さらに再構成画像を計算により得ることで時間を要するため、フレームレートの向上が制限される場合が考えられる。 Another possible use is when obtaining moving images. In other words, when using the four-step phase shift method in holographic imaging, it takes time to acquire four images and then calculate the reconstructed image, which may limit improvements in frame rate.

一方、単一の光による撮影では、撮像素子自体の性能の限界まで高フレームレートの撮影が可能であるため、最も高いフレームレートでの動画撮影は単一の光による撮影の画像情報を用い、その上で、図7と同様の合成手法を用いる。すなわち、ホログラフィを用いて得られた再構成画像における、各物体の距離に対応した第2画像の、コントラストの高い画素エリアだけを切り出すことで、各物体の距離における、物体の動画像を得ることができる。 On the other hand, when shooting with a single light source, it is possible to shoot at a high frame rate up to the limits of the image sensor's performance. Therefore, video shooting at the highest frame rate uses image information from shooting with a single light source, and then uses a synthesis method similar to that shown in Figure 7. In other words, by extracting only the high-contrast pixel areas from the second image corresponding to the distance of each object in the reconstructed image obtained using holography, video images of the object at each object distance can be obtained.

距離情報は、最高フレームレートの時間精度では得ることができないものの、例えば物体の動きが同一の距離内では激しく変化するが、物体の奥行き方向には変化が少ない、というような撮影対象に対して、本実施形態は特に有効な手法となる。 Although distance information cannot be obtained with the time precision of the highest frame rate, this embodiment is a particularly effective method for capturing subjects where, for example, the movement of an object changes drastically within the same distance, but there is little change in the depth direction of the object.

以上に説明したように、本実施形態の撮像装置および撮像方法では、高S/Nや動画撮影等の、通常の結像系による撮影の機能は保持しながら、被写体の複素振幅(振幅位相分布)を取得できるインコヒーレントデジタルホログラフィの機能を実現することができ、物体の情報を正確にとらえるカメラ、計測装置、顕微鏡等の種々の装置に適用が可能である。 As described above, the imaging device and imaging method of this embodiment can achieve the function of incoherent digital holography, which can acquire the complex amplitude (amplitude-phase distribution) of a subject, while retaining the functions of imaging using a normal imaging system, such as high S/N and video capture, and can be applied to various devices that accurately capture information about objects, such as cameras, measuring devices, and microscopes.

また、本発明に係るインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置および撮像方法としては、上記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。
例えば、光学系としては図8、9に示すような変更態様のものを用いることもできる。
なお、以下の変更態様は、実施形態2のものと、部材の機能が類似しているものも多いので、そのような部材については、実施形態2の部材の符号に、変更態様1については400を加えて付し、他方、変更態様2については500を加えて付し、その詳しい説明は煩を避けるため省略する。
Furthermore, the incoherent digital holography imaging device and imaging method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and various other modifications are possible.
For example, the optical system may be modified as shown in FIGS.
In addition, since many of the following modified embodiments have similar component functions to those of embodiment 2, for such components, the reference numerals of the components of embodiment 2 are given with 400 added for modified embodiment 1, and 500 added for modified embodiment 2, and detailed explanations thereof are omitted to avoid tediousness.

(変更態様1)
本変更態様は、図8に示すように、撮像素子506のSLM516側に、光軸を中心として回転可能とされた回転偏光子517を配置して、ホログラフィを用いた撮影と単一の光による撮影とを、時間的に切り替える構成を備えたものである。ホログラフィを用いた撮影では、撮像素子506のSLM516側に配置した回転偏光子517は、図2に示す実施形態2の場合と同様に、2光波の偏光方向をそろえる動作を行うが、単一の光による撮影では、回転偏光子517を回転させて水平(または垂直)直線偏光成分である球面波のみを透過させる。
この場合、単一の光による撮影条件にあわせて、撮像面で結像するような球面波をSLM516で発生させることが肝要である。この構成では、1つの撮像素子506を用いるだけでよく、シャッタも不要であり、より簡便な構成とすることができる。
(Modification 1)
8, this modified embodiment has a configuration in which a rotary polarizer 517 that can rotate about the optical axis is arranged on the SLM 516 side of the image sensor 506, and which allows for temporal switching between holographic imaging and single-light imaging. In holographic imaging, the rotary polarizer 517 arranged on the SLM 516 side of the image sensor 506 operates to align the polarization directions of two light waves, as in the case of embodiment 2 shown in Fig. 2, but in single-light imaging, the rotary polarizer 517 is rotated to transmit only a spherical wave, which is a horizontally (or vertically) linearly polarized component.
In this case, it is essential to generate a spherical wave that forms an image on the imaging surface in accordance with the imaging conditions using a single light using the SLM 516. This configuration requires only one imaging element 506 and does not require a shutter, making it possible to achieve a simpler configuration.

(変更態様2)
本変更態様は、図9に示すように、偏光ビームスプリッタ(PBS)603を用いて物体光をS偏光とP偏光に分離する構成を備えたものである。分離されたS偏光をレンズ602aを介して第2の撮像素子606bに結像させて、単一の光による撮影を行い、一方、分離されたP偏光は半波長板618で斜め45°の直線偏光を透過させる構成とし、以降は図8に示す変更態様1と同様に、第1の撮像素子606aでホログラフィの撮影を行う。変更態様1と比べると、回転偏光子での光量ロスをなくし、入射光を効率的に利用し得るとの利点を有している。
(Modification 2)
As shown in Fig. 9, this modified example has a configuration in which a polarizing beam splitter (PBS) 603 is used to separate the object light into S-polarized light and P-polarized light. The separated S-polarized light is imaged on a second image sensor 606b via a lens 602a, and photography is performed using a single light beam. On the other hand, the separated P-polarized light is transmitted through a half-wave plate 618 as linearly polarized light at an angle of 45°. Thereafter, holographic photography is performed by the first image sensor 606a, as in the modified example 1 shown in Fig. 8. Compared to the modified example 1, this has the advantage of eliminating light loss in the rotating polarizer and enabling efficient use of incident light.

(その他の変更態様)
光学系に関するその他の変更態様としては、例えば、上記実施形態1においては、マイケルソンタイプの等光路長型の光学系を用いた態様が示されているが、例えば、マッハツェンダタイプや、迂回光路型の等光路長フィゾータイプの光学系等を用いることも可能である。
(Other changes)
As for other modifications to the optical system, for example, although the first embodiment uses a Michelson-type equal-path length optical system, it is also possible to use, for example, a Mach-Zehnder type optical system or a roundabout equal-path length Fizeau type optical system.

1、101、401、501、601 被写体
2、102、402、502、602、602a レンズ
3 ビームスプリッタ(B/S)
4 凹面鏡
5 平面鏡
6、106a、106b、406a、406b、506、606a、606b
撮像素子
7 位相シフト手段(ピエゾ素子)
8 シャッタ
9、109、409、509、609 波長フィルタ
11 被写体像再構成手段
12 第1画像演算部
13 第2画像格納部
14 画像組合せ部
15 モニタ
20、120、420、520、620 ホログラフィ撮像装置部
40 ホログラフィ再生装置部
50、150、450、550、650 ホログラフィ撮像再生装置
110a、110b、410a、410b、510、610 偏光子
116、416、516、616 SLM
517 回転偏光子
603 偏光ビームスプリッタ(PBS)
618 半波長板
1, 101, 401, 501, 601 Object 2, 102, 402, 502, 602, 602a Lens 3 Beam splitter (B/S)
4 Concave mirror 5 Plane mirror 6, 106a, 106b, 406a, 406b, 506, 606a, 606b
Image pickup element 7 Phase shift means (piezo element)
8 shutter 9, 109, 409, 509, 609 wavelength filter 11 subject image reconstruction means 12 first image calculation unit 13 second image storage unit 14 image combination unit 15 monitor 20, 120, 420, 520, 620 holographic imaging device unit 40 holographic reproduction device unit 50, 150, 450, 550, 650 holographic imaging and reproduction device 110a, 110b, 410a, 410b, 510, 610 polarizer 116, 416, 516, 616 SLM
517 Rotating polarizer 603 Polarizing beam splitter (PBS)
618 Half wave plate

Claims (7)

撮像レンズから入射され、2系に分割された被写体からのインコヒーレント光を互いに干渉させて形成したホログラム画像を撮像し、該被写体の再構成像である第1画像をる第1撮像機能部と、該撮像レンズから入射され、該被写体からの単一光束を結像して該被写体の像である第2画像を該第1画像と同時にまたは順番に得る第2撮像機能部とを有し、
前記第1画像が有する情報と、前記第2画像が有する情報とを組み合わせて新たな前記被写体の画像を形成する画像組合せ部を備え
該画像組合せ部は、前記被写体の部位毎に、該部位までの距離を表す位置情報を有する前記第1画像のうちコントラストの高さに基づく所定のエリアを特定し、該第1画像の該特定した所定のエリアに、前記第2画像のうち前記所定のエリアに対応するエリアを設定し、新たな第1画像を形成するように構成されてい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撮像装置。
a first imaging function unit that captures a hologram image formed by causing incoherent light from a subject, which is incident through an imaging lens and split into two systems, to interfere with each other, and obtains a first image that is a reconstructed image of the subject; and a second imaging function unit that focuses a single light beam incident through the imaging lens from the subject, and obtains a second image that is an image of the subject simultaneously with or sequentially to the first image,
an image combining unit that combines information contained in the first image and information contained in the second image to form a new image of the subject ;
The image combination unit is configured to identify, for each part of the subject, a predetermined area in the first image having positional information indicating the distance to the part based on the contrast level, set an area in the second image corresponding to the predetermined area in the identified predetermined area of the first image, and form a new first image .
前記第2撮像機能部は、前記第2画像を得る際には、分割された前記2系の光のうちの一方を遮光するシャッタを備えたことを特徴とする請求項1に記載のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置。 The incoherent digital holography imaging device described in claim 1, characterized in that the second imaging function unit is equipped with a shutter that blocks one of the two split light beams when obtaining the second image. 前記第1撮像機能部は、前記第1画像に係る、撮像面から前記被写体の各部位まで距離を表す位置情報を、得られた前記ホログラム画像の複素振幅分布を逆伝搬したときの、前記第1画像のコントラストの高さに基づいて決定するように構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置。 The incoherent digital holography imaging device described in claim 1 or 2, characterized in that the first imaging function unit is configured to determine position information related to the first image, which represents the distance from the imaging surface to each part of the subject , based on the contrast level of the first image when the complex amplitude distribution of the obtained hologram image is back -propagated. 前記第1撮像機能部における撮像光学系は、前記被写体からの光束を2系に分割する光束分割手段と、分割された一方の光束を入射して平面波を反射する平面鏡と、分割された他方の光束を入射して球面波を収束させるように反射する凹面鏡と、該平面鏡からの平面波と該凹面鏡からの球面波を干渉させてホログラム画像を取得する撮像素子と、該平面波と該球面波との共通光路上に、該撮像素子に入射させる光波の波長範囲を狭める波長フィルタと、を備えていることを特徴とする請求項1~のうちいずれか1項に記載のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置。 The incoherent digital holography imaging device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the imaging optical system in the first imaging function unit comprises: a beam splitter that splits a beam from the subject into two beams; a plane mirror that receives one of the split beams and reflects it as a plane wave; a concave mirror that receives the other of the split beams and reflects it so as to converge as a spherical wave; an imaging element that obtains a hologram image by causing the plane wave from the plane mirror and the spherical wave from the concave mirror to interfere with each other; and a wavelength filter that narrows the wavelength range of the light wave that is incident on the imaging element, on a common optical path of the plane wave and the spherical wave. 前記平面鏡と前記凹面鏡のいずれかを、光軸方向に所定位相だけ移動させる位相シフト手段を備えていることを特徴とする請求項に記載のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置。 5. The incoherent digital holography imaging device according to claim 4 , further comprising a phase shifting means for shifting either the plane mirror or the concave mirror by a predetermined phase in the optical axis direction. 前記第2撮像機能部における撮像光学系は、少なくとも一部が、前記第1撮像機能部における撮像光学系と共用されるように構成され、前記光束分割手段と、該光束分割手段で分割された前記他方の光束を入射して球面波を収束させるように反射する前記凹面鏡と、該凹面鏡からの球面波を結像させて被写体の画像を取得する撮像素子とを、備えていることを特徴とする請求項またはに記載のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置。 The incoherent digital holography imaging device described in claim 4 or 5, characterized in that the imaging optical system in the second imaging function unit is configured to be at least partially shared with the imaging optical system in the first imaging function unit, and is equipped with the light beam splitting means, the concave mirror that receives the other light beam split by the light beam splitting means and reflects it to converge as a spherical wave, and an imaging element that focuses the spherical wave from the concave mirror to obtain an image of the subject. 前記第1撮像機能部における撮像光学系と、前記第2撮像機能部における撮像光学系とは、被写体からの光束を分割する光束分割手段に至るまでの第1の偏光子が配設された光路を共通にする一方、撮像素子は互いに別個に備え、
前記光束分割手段は空間光変調器とし、
前記光束分割手段から前記第1撮像機能部の撮像素子に至る平面波と球面波の共通光路上に波長フィルタと第2の偏光子を配置して該第1撮像機能部の撮像素子においてホログラム画像が得られるようにするとともに、前記光束分割手段から前記第2撮像機能部の撮像素子に至る球面波を該第2撮像機能部の撮像素子に結像して前記被写体の画像が得られるように構成されていることを特徴とする請求項1~のうちいずれか1項に記載のインコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置。
the imaging optical system in the first imaging function unit and the imaging optical system in the second imaging function unit share an optical path in which a first polarizer is disposed up to a beam splitter that splits a beam from a subject, but each of the imaging optical systems is provided with an imaging element separate from the other;
The light beam splitting means is a spatial light modulator,
The incoherent digital holography imaging device according to any one of claims 1 to 3, characterized in that a wavelength filter and a second polarizer are arranged on a common optical path of the plane wave and the spherical wave from the beam splitting means to the imaging element of the first imaging function unit, so that a hologram image can be obtained at the imaging element of the first imaging function unit, and the spherical wave from the beam splitting means to the imaging element of the second imaging function unit is imaged on the imaging element of the second imaging function unit to obtain an image of the subject.
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