JP7744766B2 - インコヒーレントデジタルホログラフィ撮像装置 - Google Patents

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。

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。

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）。

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。

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。

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画像を得る第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の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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。 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。

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。

［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。

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。

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。

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。

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）。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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_１～Ｉ_４）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_１－Ｉ_３）＋ｉ（Ｉ_２－Ｉ_４）｝（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。

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。

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_１～Ｉ_４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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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。

（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。

（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。

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

Claims (7)

1. 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画像を得る第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。
2. 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。
3. 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の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。
4. 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１～３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。
5. 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４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。
6. 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４または５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。
7. 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１～３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。