TOP > 国内特許検索 > デジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法 > 明細書

明細書 :デジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5891566号 (P5891566)
登録日 平成28年3月4日(2016.3.4)
発行日 平成28年3月23日(2016.3.23)
発明の名称または考案の名称 デジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法
国際特許分類 G03H   1/22        (2006.01)
FI G03H 1/22
請求項の数または発明の数 8
全頁数 20
出願番号 特願2013-500973 (P2013-500973)
出願日 平成24年2月14日(2012.2.14)
権利譲渡・実施許諾 特許権者において、権利譲渡・実施許諾の用意がある。
国際出願番号 PCT/JP2012/053436
国際公開番号 WO2012/114947
国際公開日 平成24年8月30日(2012.8.30)
優先権出願番号 2011040820
優先日 平成23年2月25日(2011.2.25)
優先権主張国 日本国(JP)
審査請求日 平成26年12月12日(2014.12.12)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504255685
【氏名又は名称】国立大学法人京都工芸繊維大学
発明者または考案者 【氏名】粟辻 安浩
【氏名】夏 鵬
【氏名】田原 樹
個別代理人の代理人 【識別番号】110000338、【氏名又は名称】特許業務法人HARAKENZO WORLD PATENT & TRADEMARK
審査官 【審査官】榎本 吉孝
参考文献・文献 特開2005-283683(JP,A)
国際公開第2009/066771(WO,A1)
国際公開第2010/092739(WO,A1)
調査した分野 G03H 1/22
G01B 11/24
特許請求の範囲 【請求項1】
偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成部と、
前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割部と、
前記第1ホログラムの前記第1領域における強度の第1平均値と、前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の第2平均値とを比較する比較部と、
前記第1平均値と前記第2平均値とが異なるときに、0次回折光強度が正確に除去されるように、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度と前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度との少なくとも一方を補正する補正部とを備えたことを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項2】
前記補正部は、前記第1平均値が前記第2平均値よりも大きいときに、0次回折光強度が正確に除去されるように、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度を補正する請求項1記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項3】
前記分割部は、前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより参照光を複数の参照光領域に分割し、
前記補正部は、前記第1平均値が前記第2平均値よりも大きいときに、前記第1領域と前記第1領域に対応する前記第2領域との少なくとも一方の参照光領域における強度を補正する請求項1記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項4】
前記分割部により前記第1ホログラムで分割された複数の第1領域は、マトリックス状に配置されている請求項1記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項5】
前記分割部により前記第1ホログラムで分割された複数の第1領域は、ホログラムの画素数512×512ピクセルに対して6行×6列に配置されている請求項1記載のデジタルホログラフィ装置。
【請求項6】
偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、
前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割ステップと、
前記第1ホログラムの前記第1領域における強度の第1平均値と、前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の第2平均値とを比較する比較ステップと、
前記第1平均値と前記第2平均値とが異なるときに、0次回折光強度が正確に除去されるように、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度と前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度との少なくとも一方を補正する補正ステップとを包含することを特徴とするデジタルホログラフィによる画像生成方法。
【請求項7】
偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成部と、
前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割部と、
前記第1ホログラムの前記第1領域と及び前記第2ホログラムの前記第2領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第1及び前記第2ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成部と、
前記複数の再生像群から0次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択部とを備えたことを特徴とするデジタルホログラフィ装置。
【請求項8】
偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、
前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割ステップと、
前記第1ホログラムの前記第1領域と及び前記第2ホログラムの前記第2領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第1及び前記第2ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成ステップと、
前記複数の再生像群から0次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択ステップとを包含することを特徴とするデジタルホログラフィによる画像生成方法。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
はじめに、本明細書においては、偏光子アレイが装着された撮像素子の各画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む1枚のホログラムを、偏光子アレイホログラムと定義する。本発明は、この偏光子アレイホログラムから、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出した第1ホログラム及び第2ホログラムに基づいて、被写体の再生像を生成するデジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法に関する。
【背景技術】
【0002】
以後の文章中で位相の単位はラジアンで表す。加工技術の精密化や多様化に伴い、物体の3次元形状等の高度な計測や解析が求められ、様々な測定法が開発されている。該測定法のうち、光の干渉を利用した干渉計測技術、特にデジタルホログラフィは、非接触かつ非破壊で、物体の3次元情報を得ることができるため、近年、注目を集めている測定法の一つとなっている。
【0003】
デジタルホログラフィは、3次元物体への光照射によって得られる干渉パターン(干渉縞)から、コンピュータを用いて3次元物体の像を再生する技術である。具体的には例えば、3次元物体への光照射によって得られる物体光と、該物体光に対して可干渉である参照光とが作る干渉パターンを、CCD(charge coupled device)等の撮像素子を用いて記録する。記録された干渉パターンに基づいて、コンピュータで回折を計算し、3次元物体の像を再生する。
【0004】
本発明者らは、光源から出射された光を、その進行方向に垂直な平面上において互いに位相が異なる2種類の参照光に分割する偏光子アレイをCCDカメラの撮像面に貼り付ける等の装着する構成を備え、1回の撮影により、被写体の再生画像の画質を向上させたデジタルホログラフィ装置を提案している(特許文献1)。
【0005】
また本発明者らは、物体光を互いに偏光方向が異なる2種類の物体光に分割し、それぞれの伝播方向に角度差を生じさせる偏光分割部と、第1偏光子領域および第2偏光子領域が複数配置され、参照光と、被写体を介して到達する物体光とを透過させる偏光子アレイ部とを設けることにより、1回の撮像でその瞬間の深い奥行き範囲の高精度3次元情報を得ることができるデジタルホログラフィ装置を提案している(特許文献2)。
【先行技術文献】
【0006】

【特許文献1】国際公開第2009/066771号パンフレット(2009年5月28日公開)
【特許文献2】国際公開第2010/092739号パンフレット(2010年8月19日公開)
【特許文献3】日本国特許明細書特許第4294526号明細書
【0007】

【非特許文献1】J.W.Goodman and R.W.Lawrence, Appl. Phys. Lett. 11, p.77(1967)
【非特許文献2】I. Yamaguchi and T. Zhang, Opt. Lett. 22, p.1268(1997)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、偏光子アレイをCCDカメラの撮像面に実装する際に、偏光子アレイの区画の撮像面の画素に対する方向及び位置がずれるため組み立て誤差が生じる。この組み立て誤差に起因して、デジタルホログラフィ装置により取得されるホログラムに強度むらが生じる。また、この強度分布(強度むら)は経時変化によっても発生する。このため、物体光、参照光の強度が各透過軸で等しくないとき、デジタルホログラフィ装置による画像の再生処理時に、不要な0次回折光を完全に除去することができないという問題がある。
【0009】
本発明の目的は、偏光子アレイとCCDカメラの撮像面との組み立て誤差に起因して生じる不要な0次回折光を完全に除去することができるデジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィによる画像生成方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0010】
上記の課題を解決するために、本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成部と、前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割部と、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度の第1平均値と、前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の第2平均値とを比較する比較部と、前記第1平均値と前記第2平均値とが異なるときに、0次回折光強度が正確に除去されるように、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度と前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度との少なくとも一方を補正する補正部とを備えたことを特徴とする。
【0011】
この特徴により、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度の前記第1平均値と、前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の前記第2平均値とが異なるときに、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度と前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度との少なくとも一方を補正して、各ホログラムの各領域において0次回折光の強度比を1:1にすることができ、撮像素子面全体において、不要な像成分である0次回折光を正確に除去して強度むらを補正し、被写体を高精度に計測することができる。
【0012】
本発明に係るデジタルホログラフィによる画像生成方法は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割ステップと、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度の第1平均値と、前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の第2平均値とを比較する比較ステップと、前記第1平均値と前記第2平均値とが異なるときに、0次回折光強度が正確に除去されるように、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度と前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度との少なくとも一方を補正する補正ステップとを包含することを特徴とする。
【0013】
本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成部と、前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割部と、前記第1ホログラムの前記第1領域と及び前記第2ホログラムの前記第2領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第1及び前記第2ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成部と、前記複数の再生像群から0次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択部とを備えたことを特徴とする。
【0014】
この特徴により、0次回折光の重畳が最小の再生像補正値を求めることができるので、より正確に0次回折光強度を除去することができる。
【0015】
本発明に係るデジタルホログラフィによる画像生成方法は、偏光子アレイが装着された撮像素子の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムから、前記位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成した第1ホログラム及び第2ホログラムを生成するホログラム生成ステップと、前記第1ホログラムを複数の第1領域に分割し、前記第2ホログラムを前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の第2領域に分割する分割ステップと、前記第1ホログラムの前記第1領域と及び前記第2ホログラムの前記第2領域との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、前記第1及び前記第2ホログラムに基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する再生像群生成ステップと、前記複数の再生像群から0次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、前記選択した再生像の前記補正値を求める選択ステップとを包含することを特徴とする。
【発明の効果】
【0016】
本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、前記第1ホログラムの第1領域における強度の第1平均値と前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の第2平均値とを比較する比較部と、0次回折光強度が正確に除去されるように、前記第1ホログラムの前記第1領域と前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域との少なくとも一方を補正する補正部とを設けたので、各ホログラムの各領域において0次回折光の強度比を1:1にすることができ、撮像素子面全体において、不要な像成分である0次回折光を正確に除去して強度むらを補正し、被写体を高精度に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置の構成を模式的に示す図である。
【図2】上記デジタルホログラフィ装置による並列位相シフトデジタルホログラフィの原理を説明するための図である。
【図3】(a)は上記デジタルホログラフィ装置に設けられた偏光子アレイの各セルにおける透過軸を示す図であり、(b)は上記デジタルホログラフィ装置における参照光の位相分布を示す図である。
【図4】上記デジタルホログラフィ装置による像再生アルゴリズムを説明するための図である。
【図5】上記デジタルホログラフィ装置が撮像する被写体を示す写真である。
【図6】従来のデジタルホログラフィ装置による被写体の再生像を示す写真である。
【図7】(a)は、従来のデジタルホログラフィ装置の撮像素子で記録されたホログラムと像再生に用いる画素の範囲を示す図であり、(b)は、(a)に示す各範囲における0次回折光を示す図である。
【図8】偏光子アレイと撮像素子との位置合わせ誤差を説明するための図である。
【図9】実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置によるホログラムの領域の強度の補正方法を説明するための図である。
【図10】実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置による被写体の再生像を示す写真である。
【図11】実施の形態に係る他のデジタルホログラフィ装置の構成を模式的に示す図で ある。
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図1は、実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置1の構成を模式的に示す図である。デジタルホログラフィ装置1は、並列2段階位相シフトデジタルホログラフィを実現するためのシステムである。図1は、撮像素子7の撮像面に偏光子アレイ6を装着する場合の光学系の一例を示している。図1に示すデジタルホログラフィ装置1を説明する。まず、光源15から出射されるレーザは垂直偏光成分のみを有するものとする。光源15から出射された光は、ビーム分割素子BS1によって物体光と参照光とに分けられる。

【0019】
ビーム分割素子BS1を透過した物体光は、対物レンズ16及びレンズ17を透過し、ミラーM1により反射され、被写体18に照射される。被写体18からの散乱光は、偏光子19を通り、垂直偏光となる。そして、散乱光は、ビーム結合素子BS2を通り、偏光子アレイ6を通過して撮像素子7の撮像面に到達する。

【0020】
一方、ビーム分割素子BS1により反射された参照光は、ミラーM2により反射され、対物レンズ20及びレンズ21を通り、1/4波長板22を通過するときに垂直偏光と水平偏光との成分を持った円偏光になる。このとき、参照光は位相シフトのない成分と-π/2位相シフトした成分とを持つ。そして、参照光は、ミラーM3により反射され、ビーム結合素子BS2により反射されて、偏光子アレイ6と一体に構成された撮像素子7へ到達する。

【0021】
偏光子アレイ6を通過した物体光と参照光とは、撮像素子7の撮像面上で干渉する。偏光子アレイ6を通過した参照光の位相は、空間的に2種類の情報を持ち、市松模様に分布する。この参照光と物体光とが干渉することにより、2種類のホログラムの情報を1回で撮像することができる。

【0022】
デジタルホログラフィ装置1は、再生像生成器14を備えている。再生像生成器14は、偏光子アレイホログラム8(図4)から、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成したホログラム9及びホログラム10(図4)を生成するホログラム生成部26と、ホログラム9を複数の領域11(図9)に分割し、ホログラム10を複数の領域11の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の領域12(図9)に分割する分割部3と、ホログラム9の領域11における強度の第1平均値と、ホログラム10の対応する領域12における強度の第2平均値とを比較する比較部4と、第1平均値と第2平均値とが異なるときに、0次回折光強度が正確に除去されるように、第1平均値と第2平均値との少なくとも一方を補正する補正部5とを有している。

【0023】
図2は、位相シフト干渉計測をシングルショットで実現できるデジタルホログラフィ装置1である並列位相シフトデジタルホログラフィの原理を説明するための図である。デジタルホログラフィ装置1は、単一の撮像素子7を用いて位相シフト法に必要な複数枚のホログラムの情報を1回の撮像で記録する。そして、像再生処理によって被写体の3次元像を再生する。図2は、2枚のホログラムを1回の撮像により取得する並列位相シフトディジタルホログラフィである並列2段階位相シフトデジタルホログラフィの原理を示している。

【0024】
図3(a)はデジタルホログラフィ装置1に設けられた偏光子アレイ6の各セルにおける透過軸を示す図であり、図3(b)はデジタルホログラフィ装置1における参照光の位相分布を示す図である。

【0025】
図3(a)中の矢印は、図中の矢印方向の偏光のみが通過できることを示す。この偏光子アレイ6の1区間の大きさは撮像素子7の撮像面における1画素の大きさに対応しており、偏光子アレイ6は撮像素子7の撮像面上に装着される。偏光子アレイ6は、光源15から出射された光を、その進行方向に垂直な平面上において互いに位相が異なる2種類の参照光に分割する。偏光子アレイ6の各セルにおける透過軸が図3(a)に示すように構成されているとき、撮像素子7の撮像面における各画素に記録される参照光の位相分布は、図3(b)に示すように、位相ずれがゼロの領域と位相ずれが-π/2の領域とが交互に配置された分布となる。よって、偏光子アレイ6により、参照光の位相シフト量が異なる2種類のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラム8(図4)を1回の記録により得ることができる。

【0026】
図4は、デジタルホログラフィ装置1による像再生アルゴリズムを説明するための図である。デジタルホログラフィ装置1の再生像生成器14に設けられたホログラム生成部26は、撮像素子7の撮像面に記録された1枚の偏光子アレイホログラム8から参照光の位相シフト量が同じ干渉縞の情報を表すホログラム23、ホログラム24をそれぞれ抽出する。次に、ホログラム23、ホログラム24のそれぞれの欠落画素I5に対して、隣接する画素I1・I2・I3・I4を用いてそれぞれ補間処理を施して2枚のホログラム9及び10を得る。そして、得られたホログラム9及び10を用いて2段階位相シフト法により計算処理を行う。その後、計算によって得られた被写体18の複素振幅に対して回折計算を行うことにより、再生像を得る。

【0027】
図5は、デジタルホログラフィ装置が撮像する被写体を示す写真である。図1に示す光学システムを用いて実験を行った。実験に用いた被写体を図5に示す。被写体は車のミニチュア模型である。光源15には、波長532nmの固体レーザを用い、撮像素子7には、画素数1164(H)×874(V)の偏光子アレイ付きCCDカメラを用いた。

【0028】
この実験によって得られた再生像を図6に示す。この再生像では、不必要な像成分である0次回折光が所望の車のミニチュア模型の像に重畳してしまった。

【0029】
図7(a)は、従来のデジタルホログラフィ装置の撮像素子で記録されたホログラムと像再生に用いる画素の範囲を示す図であり、図7(b)は、図7(a)に示す各範囲における0次回折光を示す図である。

【0030】
像再生に用いるホログラムの範囲と0次回折光との関係を説明する。デジタルホログラフィでは、電子的に記録したホログラムの一部を用いて、像再生処理を行うことが可能である。図7(a)は、撮像素子により記録された1164×874画素の電子的なホログラムと像再生に用いる画素の範囲とを示す。図7(b)は、左から、図7(a)中の符号A、B、Cにより示されている範囲を、512×512画素を用いて像再生した結果を示している。四角で囲まれた領域A1、領域B1、領域C1とそれぞれの拡大図には、0次回折光が表されている。

【0031】
いずれの再生像にも0次回折光が重畳しているが、拡大図を観察すると、0次回折光が一部除去されている。また、像再生に用いる画素の範囲を変えると、除去及び重畳の様子が変わっていることが伺える。以上より、像再生に用いるホログラムの範囲を変えると、0次回折光の現れ方が変わることが明らかとなった。

【0032】
従来の並列位相シフトデジタルホログラフィでは、被写体の像のみの抽出と瞬時計測との両方を実現可能である。しかしながら、図6及び図7に示すように、0次回折光を完全には除去することができておらず画質が劣化している。また、像再生に用いるホログラムの範囲を変えると、0次回折光の現れ方が変化した。この原因を次に説明する。

【0033】
まず、位相シフト法では、得られた複数のホログラムにおいて0次回折光の強度が一定でなければ、不要な像成分を完全には除去できない。そこで、並列位相シフトデジタルホログラフィでは、0次回折光の強度が一定になるように、光学システムの調整を行う。

【0034】
しかしながら、撮像素子の全面において0次回折光の強度を一定にすることは困難である。撮像素子のある部分で0次回折光の強度を一定にすることができても、他の部分では強度むらが発生する。

【0035】
その結果、従来の像再生処理では、0次回折光を完全には除去できず、0次回折光が残留する。図7(b)は、撮像素子の撮像面の一部分でのみ0次回折光の強度を一定にすることができ、他の部分では、強度のばらつきが起こっていたことを表している。

【0036】
図8は、偏光子アレイと撮像素子とを装着する際の位置合わせ誤差を説明するための図である。0次回折光の強度を一定にすることが困難である原因の一つに、微小な光学素子のアレイの各セルと、撮像素子の各画素との位置合わせ誤差が挙げられる。

【0037】
即ち、微小な光学素子の偏光子アレイ6の各セルを撮像素子7の各画素に装着させる際、位置合わせ誤差に起因して強度むらが発生する。つまり、物体光、参照光の強度が各透過軸で等しくないとき、像再生処理時に不要な像成分を完全に除去することができなくなる。この問題は、デジタルホログラフィ装置の構成上、並びに製造技術上不可避の問題である。

【0038】
このような強度むらの問題を解決する1つの方法として、偏光子アレイ6の各セルと撮像素子7の各画素との装着をより正確に行うことが挙げられる。しかしながら、各セルと各画素とのサイズは近年ではミクロンオーダーであり、非常に高精度な位置合わせが求められている。近年の製造技術の向上により偏光子アレイ6の位置合わせが実現されているが、光学素子の偏光子アレイ6の各セルと撮像素子7の各画素との完全な1対1対応の位置合わせは困難を極める。

【0039】
そこで、本願発明者らは、強度むらの問題を画像処理によって解決するために、0次回折光除去アルゴリズムを発明した。本アルゴリズムは、偏光子アレイ6と撮像素子7との位置合わせ誤差、光学システムの調整誤差、撮像素子の画素ごとの受光感度の違い、暗電流、その他の偶発的な画素値変化等、強度むらが起こる原因に対して有効である。

【0040】
図9は、デジタルホログラフィ装置1によるホログラムの領域の強度を補正する方法を説明するための図である。

【0041】
複数種類のホログラムにおける0次回折光強度がばらつくために、0次回折光を正確に計算することができず除去できなかったことから、強度むらを補正することによって0次回折光強度のばらつきを補正する。また、ホログラムの領域ごとに強度むら補正値を変えることによって、撮像素子7の撮像面全体における0次回折光の強度を一定にする。

【0042】
まず、図9に示すように、再生像生成器14の分割部3は、ホログラム9を6行×6列の36の領域11に分割し、ホログラム10を、ホログラム9の分割パターンと同じ6行×6列の36の領域12に分割する。分割部3は、さらに、参照光25を、6行×6列の36の領域13に分割する。

【0043】
なお、図9に示す分割の態様は例示であり、本発明はこれに限定されない。分割数はこれよりも多くても良く、少なくても良い。4行×4行の16の領域に分割しても良いし、8行×8列の64の領域に分割してもよい。また、マトリックス状に分割しなくてもよい。例えば、行列状に分割しなくても、強度むらの出方が不規則な範囲で現れるようであれば、強度むらが出るところだけ本実施の形態に係るアルゴリズムを適用するなど、様々に不規則な範囲の取り方でも本発明を適用することが可能である。

【0044】
このように、補間処理後に得られた2枚のホログラム9・10と参照光25とに対し、それぞれ複数の領域に分割して、各領域に対して補正を行う。

【0045】
そして、再生像生成器14の比較部4は、ホログラム9の領域11における強度の第1平均値と、ホログラム10の対応する領域12における強度の第2平均値とを比較する。つまり、比較部4は、補間処理後の2枚のホログラム9・10の対応する領域11・12における平均値を計算して比較する。

【0046】
次に、補正部5は、ホログラム9の領域11における強度の第1平均値が、ホログラム10の対応する領域12における強度の第2平均値よりも大きいときに、第1平均値と第2平均値とが等しくなるように、前記第1平均値を補正する。即ち、比較した結果平均値の大きい方に補正値Aを与える。計算方法は以下に示すとおりである。

【0047】
【数1】
JP0005891566B2_000002t.gif

【0048】
であり、補正値Aは、今回0.90~0.99程度であった。

【0049】
なお、本実施の形態では、ホログラム9の領域11における強度の第1平均値が、ホログラム10の対応する領域12における強度の第2平均値よりも大きいときに、第1平均値と第2平均値とが等しくなるように、ホログラム9の領域11の強度を補正する例を示したが、本発明はこれに限定されない。第1平均値と第2平均値とが等しくなるように、ホログラム10の領域11に対応する領域12を補正してもよいし、第1平均値と第2平均値とが等しくなるように、ホログラム9の領域11とホログラム10の領域11に対応する領域12との双方を補正してもよい。

【0050】
また、第1平均値と第2平均値とが等しくなるように補正する例を示したが、本発明はこれに限定されない。0次回折光強度が正確に除去されるように、ホログラム9の領域11における強度とホログラム10の領域11に対応する領域12における強度との少なくとも一方を補正すればよい。このように、第1平均値と第2平均値とが正確に等しくならなくても、0次回折光強度が正確に除去されるように補正すれば、本発明の効果を奏する。

【0051】
参照光強度には、補正値Bを与える。計算方法は以下に示すとおりである。

【0052】
【数2】
JP0005891566B2_000003t.gif

【0053】
ここで、
r_ij:参照光25の領域13における強度の平均値、
r_ij_hosei:参照光25の領域13における補正後の強度、
であり、補正値Bは、今回0.90~0.99程度であった。このようにして、0次回折光が除去されるように、それぞれの領域ごとに強度を調整する。補正値Bは、例えば、予め計測しておいた参照光の強度を基準にして計算することができる。

【0054】
本実施の形態に係る0次回折光除去アルゴリズムに基づいて生成した再生像では、図10に示すように、0次回折光が除去され、鮮明な像が再生された。

【0055】
図11は、実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置27の構成を模式的に示す図である。前述した構成要素と同一の構成要素には、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。デジタルホログラフィ装置27は、再生像生成器14を備えている。再生像生成器14には、ホログラム生成部26と分割部3と再生像群生成部28と選択部29とが設けられている。

【0056】
本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置27では、第1平均値と第2平均値とを比較せず、ホログラム9の領域11とホログラム10の領域11に対応する領域12との少なくとも一方に補正または双方補正せず、位相シフト法の計算を行い回折積分により再生像を得てもよい。

【0057】
即ち、領域11と領域12との少なくとも一方に対する補正値を変えながら、像を再生することにより再生像群を取得する。そして、当該再生像群において0次回折光の重畳を比較することにより、0次回折光の重畳が最も少なくなるときの領域11と、領域11に対応する領域12との少なくとも一方における最適な補正値を求める。同様に、各領域において最適な補正値を求めることで、強度むらを補正し、0次回折光を正確に除去しても良い。

【0058】
この方法は、図9に示した平均値を比較する方法よりも手間を増やすことで、より正確に0次回折光強度を除去する方法である。手順として以下に示す流れとなる。
(1)まず、 ある領域(例えば、1行1列目の領域)で補正値を変えながら像再生までの手順を繰り返し実行する。
(2)そして、 得られた複数の再生像を比較し、0次回折光の重畳が最も少ないときの再生像を選択し、選択した再生像に対応する補正値を採用する。
(3)上記1及び2に示す手順を各領域に対して同様に行なうことで、全領域において、それぞれ0次回折光の重畳が最も少ないときの再生像に対応する補正値を採用し、それぞれ、より正確に0次回折光強度を除去する。

【0059】
上記(2)に示すところの0次回折光の重畳が少ないという判定は、再生像において0次回折光強度が重畳するときに現れる画素(図7参照)の値が小さいということから判定することができる。実施の形態で前述した方法よりも、実行に時間がかかるが、より正確に0次回折光強度を除去することができる。

【0060】
ホログラム生成部26は、偏光子アレイ6が装着された撮像素子7の画素に記録されて、参照光の位相シフト量が異なる2種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラム8から、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出して生成したホログラム9及びホログラム10を生成する。

【0061】
分割部3は、ホログラム9を複数の領域11に分割し、ホログラム10を複数の領域11の分割パターンと同じ分割パターンにより複数の領域12に分割する。

【0062】
再生像群生成部28は、ホログラム9の領域11と及びホログラム10の領域12との少なくとも一方における強度の補正値を変えながら、ホログラム9・10に基づいて、位相シフト法の演算及び回折積分により複数の再生像群を生成する。

【0063】
選択部29は、複数の再生像群から0次回折光の重畳が最小の再生像を選択し、選択した再生像の補正値を求める。

【0064】
なお、本実施の形態では、2種類のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムの例を説明したが、本発明はこれに限定されない。3種類以上のホログラム情報を含む偏光子アレイホログラムに対しても、本発明を適用することができる。例えば、4種類のホログラム情報を含むホログラムに対しても本発明を適用することができる。

【0065】
以上のように、本発明者らは、位相シフトデジタルホログラフィにおける強度補正アルゴリズムを提案し、実験により有効性を確認した。本強度補正アルゴリズムは、位相シフトデジタルホログラフィにおける位相シフトの段数にかかわらず適用可能である。本強度補正アルゴリズムによって、並列位相シフトデジタルホログラフィにおける高画質イメージングが可能となる。

【0066】
このように、本強度補正アルゴリズムは、並列位相シフトデジタルホログラフィの微小偏光子アレイを用いる形態において、不要な像成分を正確に除去して高精度3次元計測を達成するものである。微小偏光子アレイを用いる形態では、微小偏光子アレイの区画が撮像素子の画素に装着された撮像素子を用いるが、装着の際の位置ずれによって強度むらが発生する。また、他の形態でも、光学系の調整精度及び撮像素子の暗電流等によって強度むらが発生する。強度むらが発生すると、不要な像成分である0次回折光の除去計算が正確に行えないために、画質が劣化する。本発明者らは、ホログラムの各部分によって異なる量の強度むらが発生することを発見し、そのことに着目した。そして、0次回折光の除去を正確に行って高精度計測を行うための、強度むらを補正するアルゴリズムを発明した。本強度補正アルゴリズムは、補間処理後のホログラムと参照光強度に対して強度補正を行うものである。

【0067】
本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記補正部は、前記第1平均値が前記第2平均値よりも大きいときに、0次回折光強度が正確に除去されるように、粗面物体あるいは強散乱物体においては前記第1ホログラムの前記第1領域における強度を補正することが好ましく、弱散乱物体あるいは透過物体においては前記第1ホログラムの前記第1領域か前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する前記第2領域における強度を補正することが好ましい。

【0068】
上記構成により、前記第1平均値が前記第2平均値よりも大きいときに、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度を減少させるように補正するという簡単な構成により、各ホログラムの各領域において0次回折光の強度比を1:1にすることができる。

【0069】
本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記分割部は、前記複数の第1領域の分割パターンと同じ分割パターンにより参照光を複数の参照光領域に分割し、前記補正部は、前記第1平均値が前記第2平均値よりも大きいときに、前記第1領域に対応する参照光領域を補正することが好ましい。また、前記第1領域と前記第2領域のいずれも補正しても良い。

【0070】
上記構成により、参照光に対しても、0次回折光を正確に除去して強度むらを補正することができる。

【0071】
本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記分割部により前記第1ホログラムで分割された複数の第1領域は、マトリックス状に配置されていることが好ましい。

【0072】
上記構成により、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度の第1平均値と、前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の第2平均値とを、簡単な構成により比較することができる。

【0073】
本実施の形態に係るデジタルホログラフィ装置では、前記分割部により前記第1ホログラムで分割された複数の第1領域は、ホログラムの画素数512×512ピクセルに対して6行×6列に配置されていることが好ましい。

【0074】
上記構成により、前記第1ホログラムの前記第1領域における強度の第1平均値と、前記第2ホログラムの前記第1領域に対応する第2領域における強度の第2平均値とを、比較的少ない計算量で比較することができる。

【0075】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【0076】
本発明は、偏光子アレイホログラムから、位相シフト量が同じ成分をそれぞれ抽出した第1ホログラム及び第2ホログラムに基づいて、被写体の再生像を生成するデジタルホログラフィ装置、及びデジタルホログラフィに適用することができる。
【符号の説明】
【0077】
1 デジタルホログラフィ装置
3 分割部
4 比較部
5 補正部
6 偏光子アレイ
7 撮像素子
8 偏光子アレイホログラム
9、10 ホログラム
11 領域
12 領域
13 領域
14 再生像生成器
15 光源
16 対物レンズ
17 レンズ
18 被写体
19 偏光子
20 対物レンズ
21 レンズ
22 1/4波長板
23、24 ホログラム
23、24 ホログラム
27 デジタルホログラフィ装置
28 再生像群生成部
29 選択部
BS1 ビーム分割素子
BS2 ビーム結合素子
M1、M2、M3 ミラー
図面
【図1】
0
【図3】
1
【図8】
2
【図9】
3
【図11】
4
【図2】
5
【図4】
6
【図5】
7
【図6】
8
【図7】
9
【図10】
10