JP5339535B2

JP5339535B2 - デジタルホログラフィ装置及び位相板アレイ

Info

Publication number: JP5339535B2
Application number: JP2009542605A
Authority: JP
Inventors: 安浩粟辻; 篤志金子; 貴正小山; 樹田原; 健若松
Original assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Priority date: 2007-11-22
Filing date: 2008-11-21
Publication date: 2013-11-13
Anticipated expiration: 2028-11-21
Also published as: EP2224291A1; EP2224291A4; EP2224291B1; JPWO2009066771A1; US8665504B2; CN101925865A; US20100253986A1; WO2009066771A1

Description

本発明は、物体光と参照光とが干渉した干渉縞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これに用いる位相板アレイに関するものである。

以後の文章中で位相および角度の単位はラジアンで表す。入射した光を互いに位相が異なる４種類の参照光に分割して出射する位相シフトアレイ素子を備えたデジタルホログラフィ装置を本発明者らは提案している（特許文献１）。図２３は、従来のデジタルホログラフィ装置１０１の構成を説明するための模式図である。デジタルホログラフィ装置１０１は、レーザ光を出射する光源１０４を備えている。光源１０４から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタＢＳにより分割される。分割されたレーザ光の一方は、ミラーＭによって反射され、ビームエキスパンダＢＥを通ってコリメータレンズＣＬにより平行光となり、被写体１０６に照射され、被写体１０６によって反射されて物体光となり、他のビームスプリッタＢＳを通ってＣＣＤカメラ１０３に設けられた撮像面１００に入射する。

ビームスプリッタＢＳにより分割されたレーザ光の他方は、他のミラーＭによって反射され、他のビームエキスパンダＢＥを通って他のコリメータレンズＣＬにより平行光となり、アレイデバイス１０２に入射する。

アレイデバイス１０２は、レーザ光の入射方向に垂直な平面上において格子状に配置された４種類の領域１０７ａ・１０７ｂ・１０７ｃ・１０７ｄを有している。４種類の領域１０７ａ・１０７ｂ・１０７ｃ・１０７ｄは、ＣＣＤカメラ１０３の各画素に対応して配置されている。アレイデバイス１０２の領域１０７ａを通過したレーザ光は位相シフト計測手段の基準となる位相を有する参照光となる。領域１０７ｂを通過したレーザ光は、領域１０７ａを通過した参照光の位相よりも−π位相がシフトした参照光に変換される。領域１０７ｃを通過したレーザ光は、領域１０７ａを通過した参照光の位相よりも（−π／２）位相がシフトした参照光に変換される。領域１０７ｄを通過したレーザ光は、領域１０７ａを通過した参照光の位相よりも（−３π／２）位相がシフトした参照光に変換される。

アレイデバイス１０２により生成された４種類の参照光は、さらに他のミラーＭにより反射され、結像光学系を通過して他のビームスプリッタＢＳにより反射されてＣＣＤカメラ１０３に設けられた撮像面１００に入射する。

撮像面１００には、４種類の参照光と物体光とがそれぞれ干渉した４種類の干渉縞が記録される。再生像生成器１０５は、撮像面１００に記録された４種類の干渉縞に基づいて被写体１０６の再生像を生成する。

また、偏光波面分割法による単一ショット位相シフトデジタルホログラフィの構成が知られている（非特許文献２）。この構成では、偏光イメージングカメラを用いて物体光と位相の異なる２枚の干渉縞を、偏光イメージングカメラの撮像面に同時に記録するため、１回の記録により、静止した被写体の複素振幅分布を取得できる。しかしながら、被写体が動くたびに物体光の強度分布の取得が必要となるので動く被写体の複素振幅分布を取得できない。また、図２３に示す構成に比較して、結像光学系が不要であり、μｍ単位で光学系をセッティングする必要がない。また、アレイデバイス１０２を用いないので、波長依存性が無い。

デジタルホログラフィで得られる位相分布は、−π＜φ≦πの範囲に折り畳まれている。これをもとの位相分布に戻すために位相接続をする必要がある。その１つの方法として以下に示す方法が提案されている。

まず、２波長を用いた位相接続法（非特許文献５）が知られている。この方法によれば、２波長の組み合わせにより，合成波長の長さを自由に変更することができる。また、１波長を用いた位相接続法に比べ、非常に長い合成波長で記録したのと同等の位相分布を得ることができ、位相の折り畳みが少ない。

また、並列位相シフトデジタルホログラフィの構成が知られている。この構成では、通常複数回の撮影が必要であるが、空間分割多重することで１回の記録でよい。また、瞬時の被写体の再生像を得られるため被写体は動く物体でも良い。
特開２００５−２８３６８３号公報（平成１７年１０月１３日公開） Yasuhiro Awatsuji,他著、「Parallel three-step phase-shifting digital holography」、1 Mat 2006/Vol.45,No.13/APPLIED OPTICS, 2995-3002頁 Takanori Nomura,他著、「Phase-shifting digital holography with a phase difference between orthogonal polarizations」、10 July 2006/Vol.45,No.20/ APPLIED OPTICS, 4873-4877頁 X.F.Meng, 他著、「Two-step phase-shifting interferometry and its application in image encryption」、OPTICS LETTERS/Vol.31,No.10/May 15, 2006、1414-1416頁 Yan Zhang, 他著、「Reconstruction of in-line digital holograms from two intensity measurements」、August 1,2004/Vol.29,No.15/OPTICS LETTERS、1787-1789頁 Daniel Parshall, 他著、「Digital holographic microscopy with dual-wavelength phase unwrapping」、20 January 2006/Vol.45,No.3/ APPLIED OPTICS, 451-459頁

しかしながら、図２３に示す構成に対しては、被写体の再生像の画質の向上に対する要望が強いという問題がある。

また、結像光学系が必要であり、収差による問題が生じる。位相をシフトさせるアレイデバイスによる回折が生じるため、μｍ単位で光学系をセッティングする必要があり、アレイデバイスの位置合わせが困難であるという問題がある。また、位相をシフトさせるアレイデバイスは、波長依存性があるので、特定の波長においてしか使用することができないという問題がある。

前記した偏光波面分割法による単一ショット位相シフトデジタルホログラフィの構成では、特殊なカメラを用いる必要があるという問題があり、また、偏光特性や波長に依存するという問題がある。

前記した２波長を用いた位相接続法では、２波長を使用するため、２回以上の撮影が必要であるという問題がある。

本発明の目的は、画質が向上したデジタルホログラフィ装置を提供することにある。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源と、前記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位相シフト素子と、前記位相シフト素子によって分割された２種類の参照光と前記被写体から放射または透過または散乱または反射または回折された物体光とがそれぞれ干渉した２種類の干渉縞が記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された２種類の干渉縞に基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。

この特徴によれば、位相シフト素子は、前記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。このため、位相シフトの段階数を従来の構成の４段階から２段階に減らすことができる。従って、被写体の再生像の画質を、従来構成のデジタルホログラフィ装置よりも向上させることができ、また、位相シフト素子の作製が、従来のデジタルホログラフィ装置よりも容易になる。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト素子は、前記光源から出射された光の進行方向に垂直な平面上において格子状に配置された２種類の領域を有するアレイデバイスであることが好ましい。

上記構成によれば、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位相シフト素子を、簡単な構成によって実現することができる。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記撮像手段は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳイメージセンサーカメラであり、前記２種類の領域は、前記撮像手段の各画素に対応して配置されていることが好ましい。

上記構成によれば、位相シフト素子によって分割された２種類の参照光と被写体から放射または透過または散乱または反射または回折された物体光とがそれぞれ干渉した２種類の干渉縞を、簡単な構成によって記録することができる。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト素子は、位相シフト計測手段の基準となる位相を有する参照光と、その参照光と０からπラジアンの間のいずれかの値分位相が異なる参照光とに前記光を分割することが好ましい。

上記構成によれば、簡単な構成によって、並列２段階位相シフトデジタルホログラフィ装置を実現することができる。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記光源は、第１方向に偏光した光を出射し、前記位相シフト素子によって分割された２種類の参照光の一方は第２方向に偏光し、前記参照光の他方は第３方向に偏光し、前記物体光と前記２種類の参照光とを透過させる偏光子アレイデバイスをさらに備え、前記偏光子アレイデバイスは、前記第２方向に偏光した参照光の一方と前記物体光の前記第２方向への正射影成分とを透過させる第１領域と、前記第３方向に偏光した参照光の他方と前記物体光の前記第３方向への正射影成分とを透過させる第２領域とを有していることが好ましい。前記偏光子アレイデバイスは偏光子をアレイ状に配置したデバイスである。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記偏光子アレイデバイスは、前記撮像手段と一体に構成されていることが好ましい。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト素子は、１／４波長板であることが好ましい。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記光源は、第１方向偏光成分と第２方向偏光成分とを有する直線偏光を出射し、前記物体光を第１方向偏光成分の光に変換し、前記光源から出射された光を第２方向偏光成分の光に変換する偏光ビームスプリッタをさらに備え、前記位相シフト素子は、前記第２方向偏光成分の光を、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波長板光学媒質アレイデバイスと、前記物体光の第３方向偏光成分と前記２種類の参照光の第３方向偏光成分と透過させる偏光子とを有していることが好ましい。前記波長板光学媒質アレイデバイスは波長板と光学媒質を交互に配置したデバイスである。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト素子は、前記撮像手段と一体に構成されていることが好ましい。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置では、前記波長板光学媒質アレイデバイスは、前記第２方向偏光成分の光を透過させる光学媒質と、前記第２方向偏光成分の光を位相をシフトさせて透過させる１／４波長板とを有していることが好ましい。

本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置は、光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源と、前記物体光に基づいて、互いに光路差が異なる第１光路物体光及び第２光路物体光を生成し、前記光源から出射された光に基づいて、互いに光路差が異なる第１光路参照光及び第２光路参照光を生成する光路差生成素子と、前記光路差生成素子によって生成された第１光路物体光及び第１光路参照光が干渉した第１干渉縞と、前記光路差生成素子によって生成された第２光路物体光及び第２光路参照光が干渉した第２干渉縞とが記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された第１干渉縞と第２干渉縞とに基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。

この特徴によれば、光路差生成素子が、前記物体光に基づいて、互いに光路差が異なる第１光路物体光及び第２光路物体光を生成し、前記光源から出射された光に基づいて、互いに光路差が異なる第１光路参照光及び第２光路参照光を生成する。このため、異なる光路差で形成される第１干渉縞と第２干渉縞とを１つの撮像手段によって同時に取得することができる。従って、３次元像を瞬時に記録することができるデジタルホログラフィ装置を提供することができる。

本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置では、前記光路差生成素子は、前記物体光及び前記光源から出射された光の進行方向に垂直な平面上において格子状に配置された２種類の領域を有することが好ましい。

上記構成によれば、２種類の領域によって、物体光及び光源から出射された光に光路差を与えることができる。

本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置では、前記撮像手段は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳイメージセンサーカメラであり、前記２種類の領域の一方は、前記物体光及び前記光源から出射された光に基づいて、前記第１光路物体光及び前記第１光路参照光をそれぞれ生成し、前記２種類の領域の他方は、前記物体光及び前記光源から出射された光に基づいて、前記第２光路物体光及び前記第２光路参照光をそれぞれ生成することが好ましい。

上記構成によれば、２種類の領域によって、光路差が異なる干渉縞を得ることができる。

本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置では、前記アレイデバイスは、物体光と参照光とに対して屈折率が等しい光学媒質によって形成されており、前記２種類の領域の一方の厚みと前記２種類の領域の他方の厚みとは、互いに異なっていることが好ましい。

上記構成によれば、光路差が異なる干渉縞を得るための２種類の領域を有するアレイデバイスを容易に構成することができる。

本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置では、前記アレイデバイスは、入射する物体光および参照光に対して第１屈折率を有する第１光学媒質と、前記物体光および参照光に対して第２屈折率を有する第２光学媒質とによって形成されており、前記第１屈折率と前記第２屈折率とは、互いに異なっており、前記第１および第２光学媒質は、同じ厚みを有していることが好ましい。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置は、第１方向偏光成分の光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源ユニットと、前記物体光と前記光源ユニットから出射された第１方向偏光成分の光とを位相をシフトさせて透過させる第１領域と、前記物体光と前記光源ユニットから出射された第１方向偏光成分の光とを透過させる第２領域とを有する位相シフト素子と、前記第１領域を位相をシフトさせて透過した前記物体光と前記光とが干渉した第１干渉縞と、前記第２領域を透過した前記物体光と前記光とが干渉した第２干渉縞とが記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された第１及び第２干渉縞に基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト素子の第１領域は１／２波長板によって構成されており、第２領域はガラスによって構成されており、前記位相シフト素子は、前記第１領域と前記第２領域とを格子状に配置して構成されていることが好ましい。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト素子は、前記撮像手段と一体に構成されていることが好ましい。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置は、第１方向偏光成分の光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源ユニットと、前記出射した第１方向偏光成分の光から参照光を分離する分離手段と、前記第１方向に対して＋４５度傾いた第１偏光子と、−４５度傾いた第２偏光子とを交互に配置した偏光子アレイデバイスと、前記第１方向に対して＋４５度傾いた高速軸と、−４５度傾いた低速軸とを有する位相シフト素子と、前記第１偏光子を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第１干渉縞と、前記第２偏光子を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第２干渉縞とが記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された第１及び第２干渉縞に基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト素子は、１／２波長板であることが好ましい。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置では、前記偏光子アレイデバイスと前記位相シフト素子とは、前記撮像手段と一体に構成されていることが好ましい。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置は、互いに異なる第１波長及び第２波長をそれぞれ有する第１波長光及び第２波長光をそれぞれ出射し、前記出射した第１波長光及び第２波長光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するためにそれぞれ設けられた第１光源及び第２光源と、前記第１光源及び第２光源からそれぞれ出射された第１波長光及び第２波長光を、第１位相及び前記第１波長に対応する第１位相第１波長参照光と、前記第１位相と異なる第２位相及び前記第１波長に対応する第２位相第１波長参照光と、前記第１位相及び前記第２波長に対応する第１位相第２波長参照光と、前記第２位相及び前記第２波長に対応する第２位相第２波長参照光とに、前記第１波長光及び第２波長光の入射方向に垂直な平面上において分割する位相シフト波長選択素子と、前記位相シフト波長選択素子によって分割された第１位相第１波長参照光、第２位相第１波長参照光、第１位相第２波長参照光、及び第２位相第２波長参照光と、前記被写体から放射または透過または散乱または反射または回折された物体光とがそれぞれ干渉した第１位相第１波長干渉縞、第２位相第１波長干渉縞、第１位相第２波長干渉縞、及び第２位相第２波長干渉縞が記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された第１位相第１波長干渉縞、第２位相第１波長干渉縞、第１位相第２波長干渉縞、及び第２位相第２波長干渉縞に基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。

この特徴によれば、互いに異なる第１波長及び第２波長に対応する第１位相第１波長干渉縞、第２位相第１波長干渉縞、第１位相第２波長干渉縞、及び第２位相第２波長干渉縞を同時に撮像面に記録することができる。このため、１回の撮影で正確な位相分布を計算することができ、動いている被写体についても２波長位相接続を実施することができる。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト波長選択素子は、前記第１波長光及び第２波長光の入射方向に垂直な第１方向に沿ってストライプ状にそれぞれ配置されて、前記第１位相に対応する第１位相領域と前記第２位相に対応する第２位相領域とを有する位相シフトアレイデバイスと、前記第１波長光及び第２波長光の入射方向に垂直な方向であって前記第１方向に交差する方向に沿ってストライプ状にそれぞれ配置されて、前記第１波長を有する光を透過する第１波長領域と前記第２波長を有する光を透過する第２波長領域とを有する波長選択アレイデバイスとを有することが好ましい。前記波長選択アレイデバイスは波長フィルタをアレイ状に配置したデバイスである。

上記構成によれば、位相シフトアレイデバイスと波長選択アレイデバイスとによって、前記第１光源及び第２光源からそれぞれ出射された第１波長光及び第２波長光を、第１位相及び前記第１波長に対応する第１位相第１波長参照光と、前記第１位相と異なる第２位相及び前記第１波長に対応する第２位相第１波長参照光と、前記第１位相及び前記第２波長に対応する第１位相第２波長参照光と、前記第２位相及び前記第２波長に対応する第２位相第２波長参照光とに、前記第１波長光及び第２波長光の入射方向に垂直な平面上において分割する位相シフト波長選択素子を容易に構成することができる。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記撮像手段は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳイメージセンサーカメラであり、前記第１及び第２位相領域、並びに前記第１及び第２波長領域は、前記撮像手段の各画素に対応して配置されていることが好ましい。

上記構成によれば、位相シフト波長選択素子によって分割された第１位相第１波長参照光、第２位相第１波長参照光、第１位相第２波長参照光、及び第２位相第２波長参照光と、前記被写体から放射または透過または散乱または反射または回折された物体光とがそれぞれ干渉した第１位相第１波長干渉縞、第２位相第１波長干渉縞、第１位相第２波長干渉縞、及び第２位相第２波長干渉縞を、簡単な構成によって記録することができる。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフトアレイデバイスは、前記第１及び第２位相と異なる第３位相に対応する第３位相領域と、前記第１及び第２及び第３位相と異なる第４位相に対応する第４位相領域とをさらに有していることが好ましい。

上記構成によれば、４つの異なる位相に基づいた干渉縞を得ることができる。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記第１及び第２波長と異なる第３波長を有する第３波長光を出射し、前記第１、第２、及び第３波長光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた第３光源をさらに備えることが好ましい。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記第１及び第２および第３波長と異なる第４波長を有する第４波長光を出射し、前記第１、第２、第３及び前記４波長に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた第４光源をさらに備えることが好ましい。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記第１光源及び第２光源からそれぞれ出射される第１波長光及び第２波長光は、第１方向偏光であり、前記位相シフト波長選択素子は、前記第１波長光が入射されて前記第１位相に対応する高速軸と前記第２位相に対応する低速軸とを有する第１（１／４）波長板と、前記第２波長光が入射されて前記高速軸と前記低速軸とを有する第２（１／４）波長板と、前記第１波長光を透過させる第１波長領域と前記第２波長光を透過させる第２波長領域とを配置した波長選択アレイデバイスとを有しており、前記高速軸に平行な偏光を透過させる高速軸透過領域と、前記低速軸に平行な偏光を透過させる低速軸透過領域とを有する偏光子アレイをさらに備えることが好ましい。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記波長選択アレイデバイスと前記偏光子アレイとは、前記撮像手段と一体に構成されることが好ましい。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記第１光源及び第２光源からそれぞれ出射される第１波長光及び第２波長光は、第１方向偏光であり、前記位相シフト波長選択素子は、前記第１波長光を透過させる第１波長領域と、前記第２波長光を透過させる第２波長領域とを配置した波長選択アレイデバイスと、前記第１位相に対応する高速軸と前記第２位相に対応する低速軸とを有して前記第１波長光に対応する第１（１／４）波長板と、前記第１位相に対応する高速軸と前記第２位相に対応する低速軸とを有して前記第２波長光に対応する第２（１／４）波長板とを配置した位相シフトアレイデバイスと、前記第１方向偏光成分を透過させる偏光子とを有していることが好ましい。

本発明に係るさらにもう一つの他のデジタルホログラフィ装置では、前記位相シフト波長選択素子は、前記撮像手段と一体に構成されていることが好ましい。

本発明に係る位相板アレイは、入射した光を透過させ、その入射した光の位相をシフトさせるために１／２波長板によって構成された第１領域と、入射した光を透過させるためにガラスによって構成された第２領域とを備え、前記第１領域と前記第２領域とを格子状に配置したことを特徴とする。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置は、第１方向偏光成分の光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源ユニットと、前記出射した第１方向偏光成分の光から参照光を分離する分離手段と、１／４波長板と１／２波長板とを交互に配置した波長板アレイデバイスと、前記第１方向に対して傾斜する偏光子と、前記１／４波長板を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第１干渉縞と、前記１／２波長板を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第２干渉縞とが記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された第１及び第２干渉縞に基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。前記波長板アレイデバイスは波長板をアレイ状に配置したデバイスである。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置は、第１方向偏光成分の光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源ユニットと、前記出射した第１方向偏光成分の光から参照光を分離する分離手段と、互いに直交する第１高速軸および第１低速軸を有する第１波長板素子と、前記第１高速軸に平行な第２低速軸および前記第１低速軸に平行な第２高速軸を有する第２波長板素子とを交互に配置した波長板アレイデバイスと、前記第１波長板素子を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第１干渉縞と、前記第２波長板素子を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第２干渉縞とが記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された第１及び第２干渉縞に基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置は、第１方向偏光成分の光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源ユニットと、前記出射した第１方向偏光成分の光から参照光を分離する分離手段と、第１偏光方向と異なる方向に高速軸と低速軸を持つ４分の１波長板と、４分の１波長板の高速軸または低速軸に平行な第２偏光方向を有する第１偏光子と、前記第２偏光方向に直交する第３偏光方向を有する第２偏光子とを交互に配置した偏光子アレイデバイスと、前記第１偏光子を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第１干渉縞と、前記第２偏光子を透過した前記物体光及び前記参照光とが干渉した第２干渉縞とが記録される撮像面を有する撮像手段と、前記撮像面に記録された第１及び第２干渉縞に基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器とを備えたことを特徴とする。

本発明に係るデジタルホログラフィ装置は、以上のように、前記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位相シフト素子を備えているので、被写体の再生像の画質を、従来構成のデジタルホログラフィ装置よりも向上させることができ、また、位相シフト素子の作製が、従来のデジタルホログラフィ装置よりも容易になるという効果を奏する。

本発明に係る他のデジタルホログラフィ装置は、以上のように、前記物体光に基づいて、互いに光路差が異なる第１光路物体光及び第２光路物体光を生成し、前記光源から出射された光に基づいて、互いに光路差が異なる第１光路参照光及び第２光路参照光を生成する光路差生成素子を備えているので、異なる光路差で形成される第１干渉縞と第２干渉縞とを１つの撮像手段によって同時に取得することができ、従って、３次元像を瞬時に記録することができるデジタルホログラフィ装置を提供することができるという効果を奏する。

本発明に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置は、以上のように、前記第１光源及び第２光源からそれぞれ出射された第１波長光及び第２波長光を、第１位相及び前記第１波長に対応する第１位相第１波長参照光と、前記第１位相と異なる第２位相及び前記第１波長に対応する第２位相第１波長参照光と、前記第１位相及び前記第２波長に対応する第１位相第２波長参照光と、前記第２位相及び前記第２波長に対応する第２位相第２波長参照光とに、前記第１波長光及び第２波長光の入射方向に垂直な平面上において分割する位相シフト波長選択素子を備えているので、１回の撮影で正確な位相分布を計算することができ、動いている被写体についても２波長位相接続を実施することができるという効果を奏する。

実施の形態１に係るデジタルホログラフィ装置の構成を説明するための模式図である。上記デジタルホログラフィ装置における被写体のホログラフィ像再生手順を説明するための図である。（ａ）は物体光の振幅分布を示す図であり、（ｂ）は物体光の位相分布を示す図であり、（ｃ）は従来法による再生像の振幅分布を示す図であり、（ｄ）は従来法による再生像の位相分布を示す図であり、（ｅ）は本発明による再生像の振幅分布を示す図であり、（ｆ）は本発明による再生像の位相分布を示す図である。本発明及び従来法の相関係数値を示す図である。本発明及び従来法の相関係数値を示すグラフである。実施の形態２に係るデジタルホログラフィ装置の構成を説明するための模式図である。上記デジタルホログラフィ装置に設けられたアレイデバイスの構成を説明するための模式的な斜視図である。上記デジタルホログラフィ装置に設けられたアレイデバイスの構成を説明するための模式的な断面図である。上記デジタルホログラフィ装置における像再構成アルゴリズムを説明するための図である。（ａ）は上記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図であり、（ｂ）は従来のフレネル変換法による被写体の再生像を示す図であり、（ｃ）は従来の逐次位相シフトデジタルホログラフィによる被写体の再生像を示す図である。（ｄ）は従来法である特許文献１によ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図である。実施の形態３に係るデジタルホログラフィ装置の構成を説明するための模式図である。上記デジタルホログラフィ装置に設けられたアレイデバイスの構成を説明するための図である。上記デジタルホログラフィ装置における像再構成アルゴリズムを説明するための図である。（ａ）〜（ｅ）は、上記デジタルホログラフィ装置における画素の補間方法を説明するための図である。上記デジタルホログラフィ装置における複素振幅を求める方法を説明するための図である。（ａ）はデジタルホログラフィ装置の被写体の高さ分布を示す図であり、（ｂ）は被写体の振幅分布を示す図であり、（ｃ）は波長６３３ｎｍ、５３２ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示し、（ｄ）は波長６３３ｎｍ、６３５ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示し、（ｅ）は従来法である特許文献１によるデジタルホログラフィ装置（波長：６３３ｎｍ）による計算機シミュレーションの結果を示す。実施の形態３に係る他のデジタルホログラフィ装置の構成を説明するための模式図である。上記デジタルホログラフィ装置に設けられたアレイデバイスの構成を説明するための図である。上記デジタルホログラフィ装置における像再構成アルゴリズムを説明するための図である。上記デジタルホログラフィ装置における画素の補間方法を説明するための図である。上記デジタルホログラフィ装置における複素振幅を求める方法を説明するための図である。（ａ）は波長６３３ｎｍ、５３２ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示し、（ｂ）は波長６３３ｎｍ、５３２ｎｍ、４７５ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示す。従来法である特許文献１によるデジタルホログラフィ装置の構成を説明するための模式図である。実施の形態４に係るデジタルホログラフィ装置の構成を説明するための模式図である。（ａ）は上記デジタルホログラフィ装置の偏光子アレイデバイスの構成を説明するための模式図であり、（ｂ）は偏光方向を示す図である。上記デジタルホログラフィ装置における偏光方向の変化を説明するための図である。デジタルホログラフィ装置に設けられたＣＣＤカメラの撮像面における参照光の偏光方向と位相分布とを示す図である。実施の形態４に係る他のデジタルホログラフィ装置の構成を説明するための模式図である。上記他のデジタルホログラフィ装置に設けられた位相シフトアレイデバイスの構成を説明するための図である。上記位相シフトアレイデバイスにおける参照光の位相シフトと偏光方向の変化を説明するための図である。上記他のデジタルホログラフィ装置における物体光と参照光との各素子での位相と偏光方向との変化を説明するための図である。実施の形態５に係るデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。実施の形態５に係る他のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。実施の形態６に係るデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。上記デジタルホログラフィ装置に設けられた波長選択アレイデバイスと偏光子アレイとの構成を説明するための模式的斜視図である。上記デジタルホログラフィ装置における偏光状態の変化を説明するための図である。実施の形態６に係る他のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。上記他のデジタルホログラフィ装置に設けられた波長選択アレイデバイスと偏光子アレイとの構成を説明するための模式的斜視図である。上記他のデジタルホログラフィ装置における偏光状態の変化を説明するための図である。実施の形態６に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。上記さらに他のデジタルホログラフィ装置に設けられた位相シフト波長選択素子の構成を説明するための模式的斜視図である。上記さらに他のデジタルホログラフィ装置における偏光状態の変化を説明するための図である。実施の形態６に係るさらにもう１つの他のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。上記さらにもう１つの他のデジタルホログラフィ装置に設けられた位相シフト波長選択素子の構成を説明するための模式的斜視図である。上記さらにもう１つの他のデジタルホログラフィ装置における偏光状態の変化を説明するための図である。実施の形態７に係るデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。上記デジタルホログラフィ装置に設けられた波長板アレイデバイスと偏光子とＣＣＤカメラとの構成を示す模式図である。上記波長板アレイデバイスと偏光子との構成を示す模式図である。実施の形態７に係る他のデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。実施の形態８に係るデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。上記デジタルホログラフィ装置に設けられた１／４波長板アレイとＣＣＤカメラとの構成を示す模式図である。上記１／４波長板アレイの構成を示す模式図である。実施の形態９に係るデジタルホログラフィ装置の構成を示す模式図である。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デバイスとＣＣＤカメラとの構成を示す模式図である。上記偏光子アレイデバイスの構成を示す模式図である。

符号の説明

１、１ｃ〜１ｍデジタルホログラフィ装置
２アレイデバイス（位相シフト素子）
３ＣＣＤカメラ（撮像手段）
４光源
５再生像生成器
６被写体
７ａ、７ｂ領域
８干渉縞
９ａ、９ｂ領域
１０ａ、１０ｂ、１１ａ、１１ｂ干渉縞データ
１２結像光学系
１３撮像面
１４アレイデバイス（光路差生成素子）
１５ａ、１５ｂ領域
１６干渉縞
１７ａ、１７ｂ領域
１８ａ、１８ｂ、１９ａ、１９ｂ干渉縞データ
２０アレイデバイス（位相シフト波長選択素子）
２１位相シフトアレイデバイス
２２波長選択アレイデバイス
２３ａ〜２３ｄ位相領域
２４ａ、２４ｂ波長領域
２５ａ〜２５ｈ干渉縞
２６ａ〜２６ｃ波長領域
２７ａ〜２７ｌ干渉縞
２８ａ、２８ｂ、２８ｃ光源（第１光源、第２光源、第３光源）
３１、３１ａ光源
３２１／４波長板（位相シフト素子）
３３偏光子アレイデバイス
３４ａ、３４ｂ領域（第１領域、第２領域）
３５位相シフトアレイデバイス（位相シフト素子）
３６波長板光学媒質アレイデバイス
３７偏光子
３８光学媒質
３９１／４波長板
４０高速軸
４１低速軸
３１ｂ光源ユニット
４２位相板アレイ（位相シフト素子）
４３、４４領域（第１領域、第２領域）
４５１／４波長板
４６高速軸
４７低速軸
４８光源
４９偏光板
５０偏光子アレイデバイス
５１ａ、５１ｂ偏光子
５２１／４波長板（位相シフト素子）
５３高速軸
５４低速軸
５５ａ、５５ｂ、５５ｃ光源
５６位相シフト波長選択素子
ＱＷＰ１１／４波長板（第１（１／４）波長板）
ＱＷＰ２１／４波長板（第２（１／４）波長板）
ＱＷＰ３１／４波長板（第３（１／４）波長板）
５７、６１波長選択アレイデバイス
５８ａ、６２ａ波長領域（第１波長領域）
５８ｂ、６２ｂ波長領域（第２波長領域）
５９偏光子アレイ
６２ｃ波長領域（第３波長領域）
６０ａ高速軸透過領域
６０ｂ低速軸透過領域
６３、７２高速軸
６４、７３低速軸
６５ａ、６５ｂ、６５ｃ光源
６６、７４位相シフト波長選択素子
６７、７５波長選択アレイデバイス
６８ａ、７６ａ波長領域（第１波長領域）
６８ｂ、７６ｂ波長領域（第２波長領域）
７６ｃ波長領域（第３波長領域）
６９、７７位相シフトアレイデバイス
７１偏光子
７０ａ、７８ａ１／４波長板（第１（１／４）波長板）
７０ｂ、７８ｂ１／４波長板（第２（１／４）波長板）
７８ｃ１／４波長板（第３（１／４）波長板）
８０波長板アレイデバイス
８１ａ１／４波長板
８１ｂ１／２波長板
８２偏光板
８３偏光子
８４波長板アレイデバイス
８５第１波長板素子
８６ａ第１高速軸
８６ｂ第１低速軸
８７第２波長板素子
８８ａ第２高速軸
８８ｂ第２低速軸
８９偏光子アレイデバイス
９０ａ第１偏光子
９０ｂ第２偏光子
９１１／４波長板
ＢＳ１，ＢＳ２ビームスプリッタ
ＰＢＳ１，ＰＢＳ２偏光ビームスプリッタ

本発明の一実施形態について図１ないし図５５に基づいて説明すると以下の通りである。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るデジタルホログラフィ装置１の構成を説明するための模式図である。デジタルホログラフィ装置１は、レーザ光を出射する光源４を備えている。光源４から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタＢＳにより分割される。分割されたレーザ光の一方は、ミラーＭによって反射され、ビームエキスパンダＢＥを通ってコリメータレンズＣＬにより平行光となり、被写体６に照射され、被写体６によって散乱されて物体光となり、他のビームスプリッタＢＳを通ってＣＣＤカメラ３に設けられた撮像面１３に入射する。

ビームスプリッタＢＳにより分割されたレーザ光の他方は、他のミラーＭによって反射され、他のビームエキスパンダＢＥを通って他のコリメータレンズＣＬにより平行光となり、アレイデバイス２に入射する。

アレイデバイス２は、レーザ光の入射方向に垂直な平面上において格子状に配置された２種類の領域７ａ・７ｂを有している。２種類の領域７ａ・７ｂは、ＣＣＤカメラ３の各画素に対応して配置されている。アレイデバイス２の領域７ａを通過したレーザ光は、位相シフト計測手段の基準となる参照光となる。領域７ｂを通過したレーザ光は、領域７ａを通過したレーザ光の位相よりも（−π／２）位相がシフトした参照光に変換される。

アレイデバイス２により生成された２種類の参照光は、さらに他のミラーＭにより反射され、結像光学系１２を通過して他のビームスプリッタＢＳにより反射されてＣＣＤカメラ３に設けられた撮像面１３に入射する。

図２は、上記デジタルホログラフィ装置１における被写体６のホログラフィ像再生手順を説明するための図である。ＣＣＤカメラ３の撮像面１３には、２種類の参照光と物体光とがそれぞれ干渉した干渉縞８が記録される。干渉縞８は、格子状に交互に配置された領域９ａ・９ｂを有している。領域９ａは、物体光と、アレイデバイス２の領域７ａを通過して位相シフト計測手段の基準となる位相を有する参照光とが干渉した干渉縞が記録される領域である。領域９ｂは、物体光と、アレイデバイス２の領域７ｂを通過して、領域７ａを通過した参照光の位相よりも（−π／２）位相がシフトした参照光とが干渉した干渉縞が記録される領域である。

再生像生成器５は、領域９ａからなる干渉縞データ１０ａと、領域９ｂからなる干渉縞データ１０ｂとを干渉縞８からそれぞれ抜き出す。そして、再生像生成器５は、干渉縞データ１０ａを補間して干渉縞データ１１ａを生成し、干渉縞データ１０ｂを補間して干渉縞データ１１ｂを生成する。次に、再生像生成器５は、干渉縞データ１１ａ・１１ｂをフレネル変換して被写体６の再生像を生成する。

参照光の強度は、十分強いことが好ましく、物体光強度の２倍以上であることが好ましい。その理由は、再生像生成器５において行われるホログラフィ像再生手順で用いられる（３）式〜（５）式が成立するための必要条件だからである。

次に、被写体６の再生像を生成する原理を説明する。ＣＣＤカメラ３の撮像面１３での物体光の複素振幅分布を求めることにより、物体の３次元情報を計算する。物体の複素振幅分布を求めるためには、次の情報が必要である。
・参照光の強度分布
・物体光と参照光とによる干渉縞
・物体光と（−π／２）位相がシフトした参照光とによる干渉縞
これらの情報からＣＣＤカメラ３の撮像面１３での物体光の複素振幅分布を求める理論を次に示す。

物体光と参照光とで生成される干渉縞は、次式（１）により表わされる。

位相シフト量δが、０、（−π／２）のときの干渉縞はそれぞれ次の通りである。

ここで、干渉縞の０次回折光成分を、

と定義し、参照光の初期位相φ_{（ｘ、ｙ）}＝０とする。
上の２つの式を書き換えると、

となる。干渉縞の０次回折光成分ａ_{（ｘ、ｙ）}を求める手順を述べる。三角関数の公式ｓｉｎ^２θ＋ｃｏｓ^２θ＝１に（２）式を代入すると、

となる。これを整理すると次式（３）に示すａ_{（ｘ、ｙ）}の２次方程式となる。

これより、２枚の干渉縞、参照光の強度の情報からＣＣＤ面での物体光の複素振幅分布を求められる。その順序は以下の通りである。

まず、２枚の干渉縞、参照光の強度分布を撮像素子に記録する。そして、２枚の干渉縞、参照光の強度分布の情報を（５）式に代入して干渉縞の０次回折光成分を求める。次に、２枚の干渉縞、参照光の強度分布の情報、求めた干渉縞の０次回折光成分を（２）式に代入して物体光の実部、虚部を求める。

実施の形態１に係るデジタルホログラフィの有効性を示すために、計算機を用いてシミュレーションを行なった。図３（ａ）は物体光の振幅分布を示す図であり、図３（ｂ）は物体光の位相分布を示す図であり、図３（ｃ）は従来法である特許文献１によるデジタルホログラフィ装置による再生像の振幅分布を示す図であり、図３（ｄ）は従来法である特許文献１によるデジタルホログラフィ装置による再生像の位相分布を示す図であり、図３（ｅ）は本発明による再生像の振幅分布を示す図であり、図３（ｆ）は本発明による再生像の位相分布を示す図である。図４は、本発明及び従来法の相関係数値を示す図である。図５は、本発明及び従来法の相関係数値を示すグラフである。

シミュレーション条件は以下の通りである。
・記録・再生光の波長：６３２．８［ｎｍ］
・ＣＣＤ面からの再生距離：７［ｃｍ］
・ＣＣＤの画素数：５１２×５１２［ｐｉｘｅｌｓ］
・ＣＣＤの画素間隔：１０［μｍ］
・像再生手法：コンボリューション法
・Ａｒ_{（ｘ，ｙ）}：２
Ａｒ_{（ｘ，ｙ）}＝２としているのは、物体光の強度分布を規格化しており、物体光の強度と参照光の強度との比を１：４と仮定したためである。比較対象として従来法である特許文献１のデジタルホログラフィで同様の条件でシミュレーションを行なった。補間処理方法として、共に、ＣＣＤ面上で欠落した各位相シフト量の画素値を補間した。比較の方法として、図３に示す物体光の振幅分布、位相分布と、それぞれの方法で得られた再生像の振幅分布、位相分布とで相関をとった。その得られた相関係数の値から有効性を調べた。相関係数ｒを求める式を次に示す。

上式（６）において、Ｐ_{（ｉ，ｊ）}を被写体のデータの各画素値とし、Ｑ_{（ｉ，ｊ）}を再生像のデータの各画素値とし、Ｎ_ｘ、Ｎ_ｙをそれぞれｘ、ｙ軸方向の画素数とする。Ｐ_{（ｉ，ｊ）}に被写体の振幅分布、位相分布のデータを与え、Ｑ_{（ｉ，ｊ）}に再生像の振幅分布、位相分布を与えた。図４に相関値を、図５にグラフを示す。このシミュレーション結果より、画質の向上を確認することができた。

なお、実施の形態１では、光源４がレーザ光を出射する例を示したが、しかしながら、本発明はこれに限定されない。レーザ光の替わりに、超音波、Ｘ線、ＬＥＤからの光、スーパールミネッセントダイオードからの光、ハロゲンランプからの光、キセノンランプからの光、水銀ランプからの光、ナトリウムランプからの光、マイクロ波、テラヘルツ光、電子線、またはラジオ波を使用するように構成してもよい。後述する実施の形態も同様である。

また、アレイデバイス２の領域７ａ・７ｂは、アレイデバイス２を構成する材料のガラスの厚みを変えることによって構成してもよいし、アレイデバイス２に液晶素子を設け、液晶分子の向きを変えることによって構成してもよい。

また、ＣＣＤカメラを撮像手段として使用する例を示したが、本発明はこれに限定されない。撮像手段として撮像素子一般を用いることができ、ＣＣＤカメラの替わりにＣＭＯＳイメージセンサーカメラを使用してもよい。後述する実施の形態も同様である。

また、アレイデバイスをガラスによって構成する例を示したが、本発明はこれに限定されない。

また、光源から出射されたレーザ光が被写体によって散乱されて物体光となる例を示したが、本発明はこれに限定されない。被写体から放射または透過または反射または回折されて物体光となってもよい。後述する実施の形態においても同様である。

（実施の形態２）
図６は、実施の形態２に係るデジタルホログラフィ装置１ｃの構成を説明するための模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

デジタルホログラフィ装置１ｃは、レーザ光を出射する光源４を備えている。光源４から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタＢＳにより分割される。分割されたレーザ光の一方は、ミラーＭによって反射され、ビームエキスパンダＢＥを通ってコリメータレンズＣＬにより平行光となり、被写体６に照射され、被写体６によって散乱されて物体光となり、他のビームスプリッタＢＳを通ってアレイデバイス１４に入射する。

ビームスプリッタＢＳにより分割されたレーザ光の他方は、他のミラーＭによって反射され、他のビームエキスパンダＢＥを通って他のコリメータレンズＣＬにより平行光となり、さらに他のミラーＭ及び他のビームスプリッタＢＳによって反射されてアレイデバイス１４に入射する。

図７はアレイデバイス１４の構成を説明するための模式的な斜視図であり、図８はその断面図である。アレイデバイス１４は、レーザ光の入射方向に垂直な平面上において交互に格子状に配置された２種類の領域１５ａ・１５ｂを有している。２種類の領域１５ａ・１５ｂは、ＣＣＤカメラ３の各画素に対応して配置されている。アレイデバイス１４は、物体光と参照光とに対して屈折率が等しいガラスによって構成されており、図８に示すように、領域１５ａは、領域１５ｂよりも薄く構成されている。

領域１５ａは、被写体６からの物体光及び他のビームスプリッタＢＳにより反射されたレーザ光に基づいて、第１光路物体光及び第１光路参照光をそれぞれ生成して撮像面１３に入射する。領域１５ｂは、被写体６からの物体光及び他のビームスプリッタＢＳにより反射されたレーザ光に基づいて、第２光路物体光及び第２光路参照光をそれぞれ生成して撮像面１３に入射する。アレイデバイス１４は、ＣＣＤカメラ３の撮像面１３に貼り付けてもよい。このようなアレイデバイス１４の構成によって、ＣＣＤカメラ３の画素ごとに光路差が生じるので、光路長の異なる２枚の干渉縞を一回で同時記録することができる。この光路差は満たすべき特定の条件を持たないので、ガラスの厚さは均一であれば自由に定めても良い。

アレイデバイスは、同じ厚みを有する第１光学媒質および第２光学媒質によって形成してもよい。この場合は、第１光学媒質は、入射する物体光および参照光に対して第１屈折率を有し、第２光学媒質は、物体光および参照光に対して第１屈折率と異なる第２屈折率を有するように構成する。

図９は、デジタルホログラフィ装置１ｃにおける像再構成アルゴリズムを説明するための図である。ＣＣＤカメラ３の撮像面１３には、干渉縞１６が記録される。干渉縞１６は、格子状に交互に配置された２種類の領域１７ａ・１７ｂに記録される。領域１７ａは、アレイデバイス１４の領域１５ａに対応する。領域１７ｂは、アレイデバイス１４の領域１５ｂに対応する。

再生像生成器５は、領域１７ａからなる干渉縞データ１８ａと、領域１７ｂからなる干渉縞データ１８ｂとを干渉縞１６から抜き出す。そして、再生像生成器５は、干渉縞データ１８ａを補間して干渉縞データ１９ａを生成し、干渉縞データ１８ｂを補間して干渉縞データ１９ｂを生成する。次に、再生像生成器５は、干渉縞データ１９ａ・１９ｂをフレネル変換して被写体６の再生像を生成する。

このように、光路長の異なる２枚の干渉縞情報を本実施の形態の撮像素子で記録し、各成分を抜き出しそれぞれ欠落した画素を補間する。そして、以上のプロセスで得た２枚の干渉縞から、計算機で像再生計算を行うことで物体光を求め、三次元情報を再生する。

以上のように、インライン上に配置された撮像素子（ＣＣＤカメラ３）と被写体６の間の距離が異なる２つの位置で記録した２枚のインラインホログラムから、任意の位置での被写体の振幅情報を再生することが可能である。この手法の原理を以下で述べる。

被写体６に光を照射することで被写体６から散乱される物体光と、参照光となる平面波とをインラインで重ね合わせることで撮像素子上に干渉縞が形成される。この撮像素子で記録される干渉縞は、撮像素子と被写体の間の距離をzとすると、

の式（７）で与えられる。

ここで、物体光が参照光に対して十分に小さいとき、（７）式は近似を用いて、

の式（８）のように表される。
ここで、関数を式（９）のように定義する。

このとき、ｌ（ｘ、ｙ、ｚ）のフーリエ変換は、

の式（１０）となる。
ここで、Ｈ（ｆ_ｘ，ｆ_ｙ，ｚ）はレイリー・ゾンマーフェルトの積分を用いた伝達関数であり、

の式（１１）で与えられる。（１０）式より、関数Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ）は物体の複素振幅分布とその共役像の両方のフーリエ変換像を含んでいる。

そこで物体の複素振幅分布を再生し、共役像を除去するために撮像素子と被写体の距離がz＋Δzの干渉縞を記録する。この干渉縞よりＬ（ｘ，ｙ，ｚ＋Δｚ）を求める。

求めたＬ（ｘ，ｙ，ｚ）、Ｌ（ｘ，ｙ，ｚ＋Δｚ）より以下の式（１２）が成立する。

この式（１２）から物体光をフーリエ変換した関数Ｕ（ｆ_ｘ、ｆ_ｙ、０）を求めることができるので、逆フーリエ変換により求める物体の振幅・位相情報となるｕ（ｘ、ｙ、０）を求めることができる。

図１０（ａ）は上記デジタルホログラフィ装置１ｃによる被写体の再生像を示す図であり、図１０（ｂ）は従来のフレネル変換法による被写体の再生像を示す図であり、図１０（ｃ）は従来の逐次位相シフトデジタルホログラフィによる被写体の再生像を示す図である。図１０（ｄ）は従来法である（特許文献１）によ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図である。

実施の形態２に係るデジタルホログラフィ装置１ｃによれば、従来の逐次位相シフトデジタルホログラフィ及び従来法である（特許文献１）によるデジタルホログラフィ装置による再生像と同等の画質を得られることが分かる。

（実施の形態３）
図１１は、実施の形態３に係るデジタルホログラフィ装置１ｄの構成を説明するための模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

デジタルホログラフィ装置１ｄは、緑色に対応する波長を有する緑色レーザ光を出射する光源２８ａと、赤色に対応する波長を有する赤色レーザ光を出射する光源２８ｂとを備えている。光源２８ａから出射した緑色レーザ光は、ミラーＭにより反射されてハーフミラーＨＭを透過して他のハーフミラーＨＭに入射する。光源２８ｂから出射した赤色レーザ光は、ハーフミラーＨＭにより反射されて他のハーフミラーＨＭに入射する。

他のハーフミラーＨＭによって反射された緑色レーザ光及び赤色レーザ光は、ビームエキスパンダＢＥを通って被写体６に照射され、被写体６により透過される物体光は、他のミラーＭにより反射されビームスプリッタＢＳにより反射されてＣＣＤカメラ３の撮像面１３に入射する。

他のハーフミラーＨＭを通り抜けた緑色レーザ光及び赤色レーザ光は、さらに他のミラーＭによって反射され他のビームエキスパンダＢＥを通ってアレイデバイス２０に入射する。

図１２は、アレイデバイス２０の構成を説明するための図である。アレイデバイス２０は、緑色レーザ光及び赤色レーザ光の入射方向に垂直な第１方向に沿ってストライプ状にそれぞれ配置されて、位相０に対応する位相領域２３ａと、位相（π／２）に対応する位相領域２３ｂと、位相πに対応する位相領域２３ｃと、位相（３π／２）に対応する位相領域２３ｄとを有する位相シフトアレイデバイス２１と、緑色レーザ光及び赤色レーザ光の入射方向に垂直な方向であって前記第１方向に垂直に交差する方向に沿ってストライプ状にそれぞれ配置されて、緑色に対応する波長を有する緑色レーザ光を透過する波長領域２４ａと、赤色に対応する波長を有する赤色レーザ光を透過する波長領域２４ｂとを有する波長選択アレイデバイス２２とを有している。

位相領域２３ａ・２３ｂ・２３ｃ・２３ｄ、並びに波長領域２４ａ・２４ｂは、ＣＣＤカメラ３の各画素に対応して配置されている。

瞬時に正確な位相分布を取得するためには、２つの波長に対応する干渉縞を同時に記録するシステムがあればよい。また，参照光の位相をシフトさせたものを波長ごとに取得できれば、０次回折光などの影響を軽減できる。上記のように構成されたアレイデバイス２０及びＣＣＤカメラ３を設けた。

即ち、ＣＣＤカメラ３の画素ごとに位相シフト量が０、（π／２）、π、（３π／２）のいずれかとなる位相シフトアレイデバイス２１と，さらにその前面に特定の波長のみを通す波長選択アレイデバイス２２とを取り付けたものである。

このように、アレイデバイス２０は、光源２８ａ及び光源２８ｂからそれぞれ出射された緑色レーザ光及び赤色レーザ光を、位相０及び緑色波長に対応する第１位相緑色参照光と、位相（π／２）及び緑色波長に対応する第２位相緑色参照光と、位相π及び緑色波長に対応する第３位相緑色参照光と、位相（３π／２）及び緑色波長に対応する第４位相緑色参照光と、位相０及び赤色波長に対応する第１位相赤色参照光と、位相（π／２）及び赤色波長に対応する第２位相赤色参照光と、位相π及び赤色波長に対応する第３位相赤色参照光と、位相（３π／２）及び赤色波長に対応する第４位相赤色参照光との８種類の参照光に、緑色レーザ光及び赤色レーザ光の入射方向に垂直な平面上において分割する。

図１３は、デジタルホログラフィ装置１ｄにおける像再構成アルゴリズムを説明するための図である。前述した第１位相緑色参照光、第２位相緑色参照光、第３位相緑色参照光、第４位相緑色参照光、第１位相赤色参照光、第２位相赤色参照光、第３位相赤色参照光、及び第４位相赤色参照光と、物体光とがそれぞれ干渉して撮像面１３に記録された干渉縞から，同じ波長かつ同じ位相シフト量で記録された画素を抜き出し，干渉縞２５ａ・２５ｂ・２５ｃ・２５ｄ・２５ｅ・２５ｆ・２５ｇ・２５ｈの８枚の干渉縞を得る。

図１４（ａ）〜図１４（ｅ）は、デジタルホログラフィ装置１ｄにおける画素の補間方法を説明するための図である。８枚の干渉縞２５ａ〜２５ｈのそれぞれにおいて欠落した画素を図１４（ａ）〜図１４（ｅ）に示すように補間する。端の画素では近接する画素の値を複製する。８画素を１グループとし、図１４（ａ）〜図１４（ｅ）に示す丸印の１番から丸印の７番の順番に補間を行う。

図１５は、デジタルホログラフィ装置１ｄにおける複素振幅を求める方法を説明するための図である。補間を行った８枚の干渉縞２５ａ〜２５ｈを用いて，波長ごとに位相シフト計算を再生像生成器５により行い，それぞれの波長に対応する複素振幅分布を求める。そして、２つの波長に対する複素振幅分布に基づいて、それぞれの位相分布を計算する。次に、２つの波長に対する位相分布の画像中の同じ位置に配置された画素同士で差を取る。その結果、負となった画素に対して２πを加える。

次に、実施の形態３に係るデジタルホログラフィの原理を説明する。物体の複素振幅分布Ｕとすると、物体の位相分布φは以下のように複素振幅Ｕより求められる。

観測される位相分布はarctanで求められるため、−π＜φ≦πの範囲に折り畳まれ，正確な位相分布を得ることができない。そこで，正確な位相分布を得るために位相接続を行う。

２波長を用いて位相接続を行う方法を２波長位相接続法と呼ぶ。その理論を次に示す。

波長λｍに対する位相分布φｍとすると，それに対応する物体の表面形状ｚ_ｍは次のように表せる。

以下，２つの波長λ１、λ２（λ１＜λ２）とし、波長λ１に対する位相分布φ１、波長λ２に対する位相分布φ２とする。２つの位相分布φ１、φ２の差φ_１２を次のように求める。

このφ_１２は、φ１、φ２の折り返し点に対応する点において位相差が２πとなり、このような点が多数存在する。この位相差が２πとなる点の数を減らすために、φ_１２＜０となる部分に２πを加える。その結果、求まる位相分布φ´_１２は、以下のように表される。

φ´_１２は，次式で表される合成波長Λ_１２により得られる位相分布に相当する。

図１６（ａ）はデジタルホログラフィ装置１ｄの被写体６の高さ分布を示す図であり、図１６（ｂ）は被写体６の振幅分布を示す図であり、図１６（ｃ）は波長６３３ｎｍ、５３２ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示し、図１６（ｄ）は波長６３３ｎｍ、６３５ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示し、図１６（ｅ）は従来法である（特許文献１）によるデジタルホログラフィ装置（波長：６３３ｎｍ）による計算機シミュレーションの結果を示す。

シミュレーション条件は、以下に示すとおりである。
・物体とホログラム面の距離（再生距離）：１０ｃｍ
・物体光・参照光の波長：６３３ｎｍと５３２ｎｍ、または６３３ｎｍと６３５ｎｍ
・ホログラム、再生像の画素間隔：１０μｍ
・ホログラム、再生像の画素数：５１２×５１２ｐｉｘｅｌｓ
・像再生の方法：コンボリューション法
また，被写体６の高さは最大３μｍとした。図１６に示す画像は，２５６階調に値を規格化しており，最小値を黒（０），最大値を白（２５５）としている。

図１６（ｃ）〜図１６（ｅ）は、計算機シミュレーションの結果を示す。波長６３３ｎｍと５３２ｎｍのレーザを用いた場合の合成波長は約３．３μｍとなる。また、波長６３３ｎｍと６３５ｎｍのレーザを用いた場合の合成波長は約２００μｍとなる。

図１７は、実施の形態３に係る他のデジタルホログラフィ装置１ｅの構成を説明するための模式図である。前述した図１１で示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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

デジタルホログラフィ装置１ｅが前述した図１１で示したデジタルホログラフィ装置１ｄと異なる点は、光源２８ｃを追加した点、及びアレイデバイス２０に代えてアレイデバイス２０ｅを設けた点である。光源２８ｃは、青色に対応する波長を有する青色レーザ光を出射する。

図１８は、アレイデバイス２０ｅの構成を説明するための図である。アレイデバイス２０ｅは、位相シフトアレイデバイス２１と波長選択アレイデバイス２２ｅとを有している。

位相シフトアレイデバイス２１は、緑色レーザ光、赤色レーザ光及び青色レーザ光の入射方向に垂直な第１方向に沿ってストライプ状にそれぞれ配置されて、位相０に対応する位相領域２３ａと、位相（π／２）に対応する位相領域２３ｂと、位相πに対応する位相領域２３ｃと、位相（３π／２）に対応する位相領域２３ｄとを有している。

波長選択アレイデバイス２２ｅは、緑色レーザ光、赤色レーザ光及び青色レーザ光の入射方向に垂直な方向であって前記第１方向に垂直に交差する方向に沿ってストライプ状にそれぞれ配置されて、緑色に対応する波長を有する緑色レーザ光を透過する波長領域２６ａと、赤色に対応する波長を有する赤色レーザ光を透過する波長領域２６ｂと、青色に対応する波長を有する青色レーザ光を透過する波長領域２６ｃとを有している。位相領域２３ａ・２３ｂ・２３ｃ・２３ｄ、並びに波長領域２６ａ・２６ｂ・２６ｃは、ＣＣＤカメラ３の各画素に対応して配置されている。

図１９は、デジタルホログラフィ装置１ｅにおける像再構成アルゴリズムを説明するための図である。アレイデバイス２０ｅによって生成した１２種類の参照光と物体光とが干渉して撮像面１３に記録された干渉縞から、同じ波長かつ同じ位相シフト量で記録された画素を抜き出して、１２枚の干渉縞２７ａ〜２７ｌを得る。

図２０は、デジタルホログラフィ装置１ｅにおける画素の補間方法を説明するための図である。１２枚の干渉縞２７ａ〜２７ｌのそれぞれにおいて欠落した画素の補間を以下のように行う。端の画素では近接する画素の値を複製する。補間は以下に示すように重み付けをし，補間する。

例）有効な４画素から欠落した画素を記録する場合
有効な４画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄとし、画素Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄから欠落した画素までの距離をそれぞれａ、ｂ、ｃ、ｄとする。欠落した画素を画素Ｆとすると、画素Ｆの値は、下記の式に従って求める。

図２１は、デジタルホログラフィ装置１ｅにおける複素振幅を求める方法を説明するための図である。補間を行った１２枚の干渉縞２７ａ〜２７ｌを用いて，波長ごとに位相シフト計測法における複素振幅分布を求める計算を行い，それぞれの波長に対応する複素振幅分布を求める。そして、３つの波長に対する複素振幅分布より、それぞれの位相分布を計算する。次に、３つの波長λ１、λ２、λ３（λ２＜λ３＜λ１）のうち、λ１とλ３、λ２とλ３の２組に２波長位相接続法を適用する。その後、上記２波長位相接続法を適用して得られた２つの位相分布に、さらに、２波長位相接続法を適用する。

図２２（ａ）は波長６３３ｎｍ、５３２ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示し、図２２（ｂ）は波長６３３ｎｍ、５３２ｎｍ、４７５ｎｍのレーザを用いた場合の計算機シミュレーションの結果を示す。

シミュレーション条件、被写体等は、図１６を参照して前述した並列２波長位相接続法と同じである。また、前述した並列２波長位相接続法（波長：６３３ｎｍ、５３２ｎｍ）の合成波長は約３．３μｍであり、並列３波長位相接続法（波長：６３３ｎｍ、５３２ｎｍ、４７５ｎｍ）の合成波長は約１３．５μｍである。

次に、３波長を用いて位相接続する方法の原理を説明する。３つの波長をλ１、λ２、λ３（λ２＜λ３＜λ１）とする。まず、波長λ１とλ３に対応する位相分布に２波長位相接続法を適用し、合成波長Λ_１３に対応する位相分布を得る。次に、波長λ２とλ３に対応する位相分布に２波長位相接続法を適用し、合成波長Λ_２３に対応する位相分布を得る。その後、合成波長Λ_１３とΛ_２３に対応する位相分布に２波長位相接続法を適用し、合成波長Λ_{１３−２３}に対応する位相分布を得る。
以下に，合成波長Λ_{１３−２３}を導く。

各合成波長は、

となる。

Λ_１３とΛ_２３の合成波長Λ_{１３−２３}は以下のように計算される。

（実施の形態４）
図２４は、実施の形態４に係るデジタルホログラフィ装置１ｆの構成を説明するための模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

図２４は、ＣＣＤカメラ３の撮像面１３に偏光子アレイデバイス３３を貼り付ける場合の光学系の一例を示している。図２４に示す光学系の説明を行なう。まず、光源３１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３１から出射された光は、ビームエキスパンダＢＥを通り、対物レンズと平行光を形成するレンズ（コリメートレンズＣＬ）によって、拡大された平行光となり、ビームスプリッタＢＳ１によって物体光と参照光とに分けられる。物体光は物体（被写体６）の散乱光が偏光子とビームスプリッタＢＳ２とを通って偏光子アレイデバイス３３と一体に構成されたＣＣＤカメラ３（撮像素子）へ到達する。一方、参照光は１／４波長板３２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。そしてビームスプリッタＢＳ２を通して偏光子アレイデバイス３３と一体に構成されたＣＣＤカメラ３へ到達する。

図２５（ａ）はデジタルホログラフィ装置１ｆの偏光子アレイデバイス３３の構成を説明するための模式図であり、図２５（ｂ）は偏光方向を示す図である。ＣＣＤカメラ３の撮像面１３に偏光子アレイデバイス３３を貼り付ける場合についての位相シフトアレイデバイスの概要図を図２５に示す。この場合、位相シフトアレイデバイスは図２５のような偏光子アレイデバイス３３となる。図中の矢印は、図中の矢印方向の偏光のみが通過できることを示す。この偏光子アレイデバイス３３の１区間の大きさはＣＣＤカメラ３の撮像素子の１画素の大きさに対応しており、偏光子アレイデバイス３３は撮像素子の撮像面１３上に貼り付けられる。偏光子アレイデバイス３３は、光源３１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。

図２６は、デジタルホログラフィ装置１ｆにおける偏光方向の変化を説明するための図である。図２４の光学系における、物体光と参照光の偏光方向の変化を図２６に示す。物体光は、位相シフトせずにＣＣＤカメラ３の撮像面１３（撮像素子）の各画素に記録される。１／４波長板３２を通過した後の参照光の偏光は図２６のように２つの直線偏光で表せる。片側の偏光は位相がシフトせず、もう片側は１／４波長板３２によって位相が−π／２シフトする。そして、撮像面１３に貼り付けられた偏光子アレイデバイス３３によって、位相がシフトしていない成分のみ又は位相が−π／２シフトした成分のみの参照光が各画素に記録される。

図２７は、デジタルホログラフィ装置１ｆに設けられたＣＣＤカメラ３の撮像面１３における参照光の偏光方向と位相分布とを示す図である。図２６の撮像面１３での参照光の偏光方向と位相分布とを図２７に示す。ＣＣＤカメラ３（撮像素子）には偏光子アレイデバイス３３が貼り付けられており、偏光子アレイデバイス３３によって決められた偏光しか通らない。そのために、位相がシフトしていない成分のみ又は位相が−π／２シフトした成分のみの参照光が各画素に記録される。よって、図２７の通りの位相シフト量を持った参照光が各画素に記録される。物体光は位相が変化しないので、干渉縞は、参照光が位相シフトしていないものと−π／２位相シフトしたものの２種類になる。このようにして２枚分の干渉縞の情報をシングルショットで記録する。

このように、光源３１は、垂直方向に偏光した光を出射し、１／４波長板３２によって分割された２種類の参照光の一方は垂直方向に対して４５度傾斜する第２方向に偏光し、参照光の他方は垂直方向に対して−４５度傾斜する第３方向に偏光する。

物体光と２種類の参照光とを透過させる偏光子アレイデバイス３３は、第２方向に偏光した参照光の一方と物体光の第２方向への正射影成分とを透過させる領域３４ａと、第３方向に偏光した参照光の他方と物体光の第３方向への正射影成分とを透過させる領域３４ｂとを有している。

図２８は、実施の形態４に係る他のデジタルホログラフィ装置１ｇの構成を説明するための模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

ＣＣＤカメラ３の撮像面１３に波長板光学媒質アレイデバイス３６と偏光子３７と有する位相シフトアレイデバイス３５を貼り付ける場合の光学系の一例を図２８に示す。図２８に示す光学系の説明を行なう。まず、光源３１ａから出射されるレーザは、垂直偏光と水平偏光の成分を持つ直線偏光とする。光源３１ａから出射された光は対物レンズと平行光を形成するレンズによって拡大された平行光となり、ビームスプリッタＢＳ１によって物体光と参照光に分けられる。物体光は、物体の散乱光が偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射するときに垂直偏光成分のみとなり、そして位相シフトアレイデバイス３５と一体に構成されたＣＣＤカメラ３へ到達する。ただし、位相シフトアレイデバイス３５を通過するときに物体光の位相はシフトしない。一方、参照光は、偏光ビームスプリッタＰＢＳを通過して水平偏光成分のみとなり、そして位相シフトアレイデバイス３５と一体に構成されたＣＣＤカメラ３へ到達する。

図２９は、デジタルホログラフィ装置１ｇに設けられた位相シフトアレイデバイス３５の構成を説明するための図である。ＣＣＤカメラ３の撮像面１３に波長板光学媒質アレイデバイス３６と偏光子３７とを有する位相シフトアレイデバイス３５を貼り付ける場合の位相シフトアレイデバイス３５の概要図を図２９に示す。この場合、位相シフトアレイデバイス３５は図２９のような波長板光学媒質アレイデバイス３６と偏光子３７とから構成される。光学媒質３８は、等方性で、屈折率が波長板の高速軸４０の屈折率と等しく、厚みが波長板と等しく、光の吸収のない材料で設計される。本方法で必要とされる波長板は１／４波長板３９以外のものでも良いが、今回、参照光の位相シフト量が０と−π／２として説明しているため、一例として１／４波長板３９を用いる。また、図中の偏光子３７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。この波長板光学媒質アレイデバイス３６の１区画の大きさはＣＣＤカメラ３の撮像素子の１画素の大きさに対応しており、波長板光学媒質アレイデバイス３６と偏光子３７とはＣＣＤカメラ３の撮像面１３上に貼り付けられる。

図３０は、位相シフトアレイデバイス１ｇにおける参照光の位相シフトと偏光方向の変化を説明するための図であり、偏光ビームスプリッタＰＢＳからＣＣＤカメラ３の撮像面１３へ向かう参照光が位相シフトする様子を示す。水平偏光成分のみを持つ参照光は、波長板光学媒質アレイデバイス３６に設けられて高速軸４０と低速軸４１とを有する波長板（１／４波長板３９）の部分を通過するときに位相が−π／２シフトする。その後に偏光子３７を通り、偏光方向が一定で２段階の位相を持った参照光が撮像面１３に記録される。

図３１は、デジタルホログラフィ装置１ｇにおける物体光と参照光との各素子での位相と偏光方向との変化を説明するための図である。光源３１ａ（レーザ）から射出された垂直偏光と水平偏光との成分を持った直線偏光は、偏光ビームスプリッタＢＳ１によって物体光が垂直または水平偏光成分のみ、参照光が物体光と垂直な偏光成分のみに変えられ、位相シフトアレイデバイス３５と一体に構成されたＣＣＤカメラ３に向かう。波長板の高速軸４０と低速軸４１とが図２９に示すようなものであるとき、物体光は垂直偏光、参照光は水平偏光である。物体光は波長板光学媒質アレイデバイス３６を通過したときに、波長板光学媒質アレイデバイス３６のあらゆる区画で位相がシフトしない。そして偏光子３７を通って、撮像面１３の各画素に図３１に示す偏光方向の物体光が記録される。波長板光学媒質アレイデバイス３６の波長板（１／４波長板３９）の部分を通った参照光は位相が−π／２シフトし、偏光板３７を通って図３１に示す偏光方向の参照光が記録される。撮像面１３で物体光と参照光との偏光方向が揃うため干渉し、また２枚分の干渉縞の情報をシングルショットで記録する。

このように、光源３１ａは、垂直方向偏光成分と水平方向偏光成分とを有する直線偏光を出射する。そして、物体光を垂直方向偏光成分の光に変換し、参照光を水平方向偏光成分の光に変換する偏光ビームスプリッタＰＢＳが設けられる。位相シフトアレイデバイス３５は、水平偏光成分の光を、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波長板光学媒質アレイデバイス３６と、物体光の垂直方向に対して−４５度傾斜した第３方向偏光成分と２種類の参照光の第３方向偏光成分と透過させる偏光子３７とを有している。波長板光学媒質アレイデバイス３６は、水平方向偏光成分の光を透過させる光学媒質３８と、水平方向偏光成分の光を位相をシフトさせて透過させる１／４波長板３９とを有している。

（実施の形態５）
異なる距離での２枚の干渉縞による像再生デジタルホログラフィの実現方法を説明する。

図３２は、実施の形態５に係るデジタルホログラフィ装置１ｈの構成を示す模式図である。位相板をアレイ状に配列したデバイスを用いて２枚の干渉縞を記録する方法を以下に示す。まず、光学系を図３２に示す。光源４８から出た光は、直後の偏光板４９により垂直な偏光の成分のみが取り出される。この垂直偏光方向と１／４波長板４５の高速軸４６とが一致するように、１／４波長板４５を、ＣＣＤカメラ３の撮像面１３の直前に貼り付けられた位相板アレイ４２の領域４３に配置する。位相板アレイ４２は前述の１／４波長板４５と、位相を変化させないガラスを設けた領域４４とが１画素ごとに格子状に交互に配置されており、位相の異なる２枚の干渉縞情報を一度に記録することができる。

位相板アレイ４２の実現方法として２例を挙げて、その作製方法をのべる。

［デバイスの実現方法１：１／４波長板をフォトニック結晶で実現する方法］
（１）ガラスなどの等方性媒質に対して、フォトレジストを塗布する。
（２）フォトマスクを用いて露光をおこなう。フォトマスクとしては、田パターンのうち右上と左下の部分が光を通し他の部分が光を通さない、あるいは右上と左下の部分が光を通さず他の部分を通すものが周期的に並んだものを用いる。田の各口部分は撮像素子と同じ大きさを持つ。
（３）エッチングを行い、凹凸分布を作製する。
（４）凹の部分には、フォトニック結晶を作製して１／４波長板の機能を形成する。

［デバイスの実現方法２：１／４波長板を微細周期構造で実現する方法］
上記（１）〜（３）を行う。
（４）凹の部分には、光源として使用する光の波長程度以下の微細周期構造を構造性複屈折により１／４波長板の機能を形成する。

図３３は、実施の形態５に係る他のデジタルホログラフィ装置１ｉの構成を示す模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

偏光子をアレイ状に配列したデバイスを用いて２枚の干渉縞を記録する方法を以下に示す。まず、光学系を図３３に示す。光源ユニット３１ｂは、光源４８と偏光板４９とを備えている。光源４８から出た光は、直後の偏光板４９により垂直な偏光の成分のみが取り出される。この偏光方向に対して−４５度傾いた偏光子５１ａと、＋４５度傾いた偏光子５１ｂが交互に配置された偏光子アレイデバイス５０を撮像面１３の直前に貼り付ける。偏光子アレイデバイス５０の直後には、撮像面１３と同等の大きさを持つ１／４波長板５２を配置する。１／４波長板５２の高速軸５３は偏光子５１ａが＋４５度傾いた方向に一致しており、低速軸５４は−４５度傾いた方向に一致している。このため、干渉縞の位相がπ遅れた情報と、位相遅れの無い情報とを同時に記録することができる。

（実施の形態６）
図３４は、実施の形態６に係るデジタルホログラフィ装置１ｊの構成を示す模式図である。図３５は、デジタルホログラフィ装置１ｊに設けられた波長選択アレイデバイス５７と偏光子アレイ５９との構成を説明するための模式的斜視図である。図３６は、デジタルホログラフィ装置１ｊにおける偏光状態の変化を説明するための図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

図３４は、２波長を用いて並列位相シフトデジタルホログラフィを実現する光学系を示しており、図３５は、偏光子アレイ５９・波長選択アレイデバイス５７と一体に構成した位相シフト波長選択素子５６を設けたＣＣＤカメラ３の撮像面１３の構造を示しており、図３６は、各時点での偏光状態を示している。

光源５５ａ（ＬＡＳＥＲ１）から出る波長λ１の光及び光源５５ｂ（ＬＡＳＥＲ２）から出る波長λ２の光の偏光状態は垂直偏光である。光源５５ａから出た光は１／４波長板ＱＷＰ１を通りハーフミラーＨＭで反射され，次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光とに分けられる。光源５５ｂから出た光は１／４波長板ＱＷＰ２を通りミラーＭで反射され，ハーフミラーＨＭを透過した後，次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。光は１／４波長板の低速軸６４を透過するとその低速軸６４と平行な偏光の位相がπ／２遅れ，高速軸６３を透過した偏光の位相は変化しない。参照光はコリメートされ、ミラーＭ、ビームスプリッタＢＳで反射し，一体型ＣＣＤカメラ３に入る。

物体光は偏光板Ｐ１で波長板の高速軸６３を透過する偏光方向と同じ偏光のみが透過し，コリメートされ被写体６を透過する。その後、偏光板Ｐ２で垂直偏光のみが透過し、ビームスプリッタＢＳを透過し、一体型ＣＣＤカメラ３に入る。

一体型ＣＣＤカメラ３の撮像面１３には、波長選択アレイデバイス５７と、偏光子アレイ５９とが貼り付けられる。物体光及び参照光は，波長選択アレイデバイス５７で各波長に応じたフィルタを透過し，その後、物体光は偏光子アレイ５９を波長板の低速軸６４に平行な偏光と高速軸６３に平行な偏光として透過し、それぞれの偏光方向と同じ偏光方向を持つ参照光と干渉する。そして、その干渉縞が撮像面１３に記録され、その干渉強度を撮像素子（ＣＣＤカメラ３）で取り込む。

波長選択アレイデバイス５７は、光源５５ａからの第１波長光を透過させる波長領域５８ａと光源５５ｂからの第２波長光を透過させる波長領域５８ｂとを配置している。偏光子アレイ５９は、高速軸６３に平行な偏光を透過させる高速軸透過領域６０ａと、低速軸６４に平行な偏光を透過させる低速軸透過領域６０ｂとを有している。

図３７は、実施の形態６に係る他のデジタルホログラフィ装置１ｋの構成を示す模式図である。図３８は、デジタルホログラフィ装置１ｋに設けられた波長選択アレイデバイス６１と偏光子アレイ５９との構成を説明するための模式的斜視図である。図３９は、デジタルホログラフィ装置１ｋにおける偏光状態の変化を説明するための図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

図３７は３波長を用いて並列位相シフトデジタルホログラフィを実現する光学系を示している。図３８は、偏光子アレイ５９・波長選択アレイデバイス６１と一体に構成されたＣＣＤカメラ３の撮像面１３の構造を示している。また、各時点での偏光状態を図３９に示している。２波長の場合と異なる点は、光源５５ｃ（ＬＡＳＥＲ３）及び１／４波長板ＱＷＰ３の追加、波長選択アレイデバイスの変更（波長λ３に対応するフィルタの追加）である。

光源５５ａ（ＬＡＳＥＲ１）から出る波長λ１の光及び光源５５ｂ（ＬＡＳＥＲ２）から出る波長λ２の光及び光源５５ｃ（ＬＡＳＥＲ３）から出る波長λ３の光の偏光状態は垂直偏光である。光源５５ａから出た光は１／４波長板ＱＷＰ１を通りハーフミラーＨＭで反射され、次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。光源５５ｂから出た光は１／４波長板ＱＷＰ２を通りハーフミラーＨＭで反射され、ハーフミラーＨＭを透過した後、次のハーフミラーで参照光と物体光に分けられる。光源５５ｃから出た光は１／４波長板ＱＷＰ３を通りミラーＭで反射され、ハーフミラーＨＭを透過し、さらにもう一つハーフミラーＨＭを透過した後、次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。これらの光は波長板の低速軸６４を透過するとその軸と平行な偏光の位相がπ／２遅れ、高速軸６３を透過した偏光の位相は変化しない。参照光はコリメートされ、ミラーＭ、ビームスプリッタＢＳで反射し、一体型ＣＣＤカメラ３に入る。

物体光は偏光板Ｐ１で波長板の高速軸６３を透過する偏光方向と同じ偏光のみが透過し、コリメートされ被写体６を透過する。その後，偏光板Ｐ２で垂直偏光のみが透過し、ビームスプリッタＢＳを透過し、一体型ＣＣＤカメラ３に入る。

一体型ＣＣＤカメラ３には、波長選択アレイデバイス６１、偏光子アレイ５９が貼り付けられる。物体光及び参照光は、波長選択アレイデバイス６１で各波長に応じたフィルタを透過し、その後、物体光は偏光子アレイ５９で波長板の低速軸６４に平行な偏光と高速軸６３に平行な偏光として透過し、それぞれの偏光方向と同じ偏光方向を持つ参照光と干渉する。そして、その干渉強度を撮像素子（ＣＣＤカメラ３）で取り込む。

図４０は、実施の形態６に係るさらに他のデジタルホログラフィ装置１ｌの構成を示す模式図である。図４１は、デジタルホログラフィ装置１ｌに設けられた位相シフト波長選択素子６６の構成を説明するための模式的斜視図である。図４２は、デジタルホログラフィ装置１ｌにおける偏光状態の変化を説明するための図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。

図４０は、２波長を用いて並列位相シフトデジタルホログラフィを実現する光学系を示している。図４１は、位相シフトアレイデバイス６９・波長選択アレイデバイス６７・偏光子７１が一体になったＣＣＤカメラ３の構造を示している。また、図４２は、各時点での偏光状態を示している。

偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射する光は垂直偏光となり、透過する光は水平偏光となる。光源６５ａから出る波長λ１の光及び光源６５ｂから出る波長λ２の光は垂直方向から−４５度傾いている偏光である。光源６５ａから出た光はハーフミラーＨＭで反射され、次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。光源６５ｂから出た光はミラーＭで反射され、ハーフミラーＨＭを透過した後，次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。参照光はコリメートされ、ミラーＭ、偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射し、垂直偏光となり一体型ＣＣＤカメラ３に入る。物体光はコリメートされ被写体６を透過し、さらに偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、水平偏光となり一体型ＣＣＤカメラ３に入る。

一体型ＣＣＤカメラ３は，波長選択フィルタアレイ，偏光子アレイ，撮像素子で構成される。物体光及び参照光は，波長選択アレイデバイス６７で各波長に応じたフィルタを透過し、位相シフトアレイデバイス６９で物体光は水平偏光のため位相遅れなしに透過し、参照光は垂直偏光のためλ１に対する１／４波長板７０ａ、λ２に対する１／４波長板７０ｂの配置された画素を透過する際、位相がπ／２遅れる。その後、偏光子７１を透過するとき物体光と参照光が干渉する。そして，その干渉強度を撮像素子（ＣＣＤカメラ３）で取り込む。

図４３は、実施の形態６に係るさらにもう１つの他のデジタルホログラフィ装置１ｍの構成を示す模式図である。図４４は、デジタルホログラフィ装置１ｍに設けられた位相シフト波長選択素子７４の構成を説明するための模式的斜視図である。図４５は、デジタルホログラフィ装置１ｍにおける偏光状態の変化を説明するための図である。

３波長を用いて並列位相シフトデジタルホログラフィを実現する光学系を図４３に示す。位相シフトアレイデバイス７７・波長選択アレイデバイス７５・偏光子７１の一体型ＣＣＤカメラ３の構造を図４４に示す。また、各時点での偏光状態を図４５に示す。２波長の場合と異なる点は、光源６５ｃ（ＬＡＳＥＲ３）の追加、波長選択アレイデバイス７５の変更（波長λ３に対応するフィルタの追加）、位相シフトアレイデバイス７７の変更（λ３に対する１／４波長板ＱＷＰ３の追加）である。

偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射する光は垂直偏光となり、透過する光は水平偏光となる。光源６５ａ（ＬＡＳＥＲ１）から出る波長λ１の光及び光源６５ｂ（ＬＡＳＥＲ２）から出る波長λ２の光及び光源６５ｃ（ＬＡＳＥＲ３）から出る波長λ３の光は垂直方向から−４５度傾いている偏光である。光源６５ａ（ＬＡＳＥＲ１）から出た光はハーフミラーＨＭで反射され、次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。光源６５ｂ（ＬＡＳＥＲ２）から出た光はハーフミラーＨＭで反射され、ハーフミラーＨＭを透過した後、次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。光源６５ｃ（ＬＡＳＥＲ３）から出た光はミラーＭで反射され、ハーフミラーＨＭを透過し、さらにもう一つハーフミラーＨＭを透過した後、次のハーフミラーＨＭで参照光と物体光に分けられる。参照光はコリメートされ、ミラーＭ、偏光ビームスプリッタＰＢＳで反射し、垂直偏光となり一体型ＣＣＤカメラ３に入る。物体光はコリメートされ物体を透過し、さらに偏光ビームスプリッタＰＢＳを透過し、水平偏光となり一体型ＣＣＤカメラ３に入る。

一体型ＣＣＤカメラ３には、波長選択アレイデバイス７５、偏光子７１、位相シフトアレイデバイス７７が貼り付けられる。物体光及び参照光は、波長選択アレイデバイス７５で各波長に応じたフィルタを透過し、位相シフトアレイデバイス７７で物体光は水平偏光のため位相遅れなしに透過し、参照光は垂直偏光のためλ１に対する１／４波長板、λ２に対する１／４波長板、λ３に対する１／４波長板の配置された画素を透過する際、位相がπ／２遅れる。その後，偏光子７１を透過するとき物体光と参照光が干渉する。そして，その干渉強度をＣＣＤカメラ３で取り込む。

なお、本実施の形態は、分光計測に適用することもできる。複数波長を同時に使用することにより、瞬時３次元構造かつ分光画像計測、および３次元動画像かつ分光画像計測が可能になる。波長の選び方は任意である。

例えば３波長λ１、λ２、λ３を同時に使用すると、被写体のλ１、λ２、λ３のそれぞれの波長に対する３次元形状とその波長の反射率あるいは吸収率の分布が同時に計測できる。Ｘ線、ガンマ線、紫外光、可視光、赤外光、テラへルツ光、マイクロ派、ミリ波、電波など種々の波動を利用することが可能である。この方法では、被写体の３次元構造と機能の分布の瞬時計測が可能となる。

（実施の形態７）
実施の形態７では、波長板アレイデバイス８０と偏光子８３とを備えたデジタルホログラフィ装置を説明する。
図４６は、実施の形態７に係るデジタルホログラフィ装置１ｎの構成を示す模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。デジタルホログラフィ装置１ｎは、光源ユニット４８を備えている。光源ユニット４８は、垂直偏光成分と水平偏光成分とを有するレーザ光をレンズを介して偏光ビームスプリッタＰＢＳ１に向かって照射する。垂直偏光成分は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１によって反射され、ミラーＭおよび他のミラーＭにより反射されて被写体６に照射され、被写体６によって反射されて物体光（散乱光）になり、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２により反射されて垂直偏光でＣＣＤカメラ３に入射する。水平偏光成分は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１を透過し、さらに他のミラーＭによって反射されて参照光として偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を透過して水平偏光でＣＣＤカメラ３に入射する。

図４７は、デジタルホログラフィ装置１ｎに設けられた波長板アレイデバイス８０と偏光子８３とＣＣＤカメラ３との構成を示す模式図である。ＣＣＤカメラ３の撮像面１３には、偏光子８３と波長板アレイデバイス８０とがこの順番に貼り付けられている。

図４８は、波長板アレイデバイス８０と偏光子８３との構成を示す模式図である。波長板アレイデバイス８０は、４分の１波長板８１ａと２分の１波長板８１ｂとを交互に市松模様に配置して構成されている。各波長板の１個が、撮像素子の１画素に対応するように、各波長板の寸法が設定されている。４分の１波長板８１ａの高速軸の方向と、２分の１波長板８１ｂの高速軸の方向とは同一であり、４分の１波長板８１ａの低速軸の方向と、２分の１波長板８１ｂの低速軸の方向とは同一である。図４８に示す例では、高速軸が垂直方向に向いており、低速軸が水平方向に向いている例を示している。偏光子８３の偏光方向は、垂直方向から角度θ傾いている。角度θは、０度、９０度、１８０度、および２７０度以外であればよい。

ＣＣＤカメラ３の撮像面には、１／４波長板８１ａを透過した物体光及び参照光とが干渉した第１干渉縞と、１／２波長板８１ｂを透過した物体光及び参照光とが干渉した第２干渉縞とが記録される。
図４９は、実施の形態７に係る他のデジタルホログラフィ装置１ｏの構成を示す模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。デジタルホログラフィ装置１ｏは、被写体から異なる２つの距離における２枚の干渉縞画像を単一露光で記録するデジタルホログラフィの計測アルゴリズムを用いるときの光学系の実現例であり、光源ユニット４８を備えている。光源ユニット４８は、水平偏光成分を有するレーザ光をレンズを介してビームスプリッタＢＳ１に向かって照射する。
ビームスプリッタＢＳ１を透過したレーザ光は、ミラーＭにより反射されて被写体６を透過し、物体光（散乱光）となって、ビームスプリッタＢＳ２により反射される。
ビームスプリッタＢＳ１により反射されたレーザ光は、他のミラーＭによって反射され、参照光としてビームスプリッタＢＳ２を透過する。
物体光と参照光との干渉光は、偏光板８２を透過する。偏光板８２は、水平偏光のみを通すように設定する。干渉光は、波長板アレイデバイス８０および偏光子８３を透過してＣＣＤカメラ３に到達する。波長板アレイデバイス８０および偏光子８３を透過することによって２種類のホログラムを同時に記録できる。

実施の形態７に示す構成によれば、並列位相シフトデジタルホログラフィと、被写体から異なる２つの距離における２枚の干渉縞画像を単一露光で記録するデジタルホログラフィとの双方の計測アルゴリズムを適用できるカメラができるので、計測対象に応じてより適したシステムにより計測することができる。

また、光エネルギーを有効に利用したコンパクトなデジタルホログラフィ装置を得ることができ、顕微鏡等の広い用途に適用することができる。

（実施の形態８）
図５０は、実施の形態８に係るデジタルホログラフィ装置１ｐの構成を示す模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。デジタルホログラフィ装置１ｐは、被写体から異なる２つの距離における２枚の干渉縞画像を単一露光で記録するデジタルホログラフィの計測アルゴリズムを用いるときの光学系の実現例であり、光源ユニット４８を備えている。光源ユニット４８は、垂直偏光成分を有するレーザ光をレンズを介してビームスプリッタＢＳ１に向かって照射する。
ビームスプリッタＢＳ１を透過したレーザ光は、ミラーＭにより反射されて被写体６を透過し、物体光（散乱光）となって、ビームスプリッタＢＳ２により反射される。
ビームスプリッタＢＳ１により反射されたレーザ光は、他のミラーＭによって反射され、参照光としてビームスプリッタＢＳ２を透過する。
物体光と参照光との干渉光は、偏光板８２を透過する。偏光板８２は、垂直偏光のみを通すように設定する。干渉光は、１／４波長板アレイ８４を透過してＣＣＤカメラ３に到達する。１／４波長板アレイ８４を透過することによって２種類のホログラムを同時に記録できる。

図５１は、デジタルホログラフィ装置１ｐに設けられた１／４波長板アレイ８４とＣＣＤカメラ３との構成を示す模式図である。ＣＣＤカメラ３の撮像面には、１／４波長板アレイ８４が貼り付けられている。

図５２は、１／４波長板アレイ８４の構成を示す模式図である。１／４波長板アレイ８４は、互いに直交する第１高速軸８６ａおよび第１低速軸８６ｂを有する第１波長板素子８５と、第１高速軸８６ａに平行な第２低速軸８８ｂおよび第１低速軸８６ｂに平行な第２高速軸８８ａを有する第２波長板素子８７とを交互に配置している。このように、１／４波長板アレイ８４では、隣り合う画素で高速軸と低速軸とが直交する。第１波長板素子８５と第２波長板素子８７とは、同一の波長板の向きを９０度異ならせて配列することにより構成することができる。第１波長板素子８５の寸法は、撮像素子の１画素に対応するように設定することができる。

ここで、高速軸とは、波長板において、入射光が位相遅延せず、透過する軸をいう。低速軸とは、高速軸に直交し、その入射光が位相遅延し、透過する軸をいう。具体例として、１／４波長板の場合、低速軸を透過した光の位相は、高速軸を透過した光の位相に対してπ／２ラジアン（９０度）遅延する。

ＣＣＤカメラ３の撮像面には、第１波長板素子８５を透過した物体光及び参照光とが干渉した第１干渉縞と、第２波長板素子８７を透過した物体光及び参照光とが干渉した第２干渉縞とが記録される。

実施の形態８に用いられるアレイデバイスは、製作がより容易である。そのため、アレイデバイスの作製精度がより高く、計測精度の向上が期待できる。

図５０の実施形態において偏光板８２は、水平偏光のみを通すように設定し、さらに水平偏光成分を有するレーザ光を用い、他の構成は同一の構成の装置でも実施可能である。

実施の形態８では、垂直偏光成分を有するレーザ光を使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、水平偏光を有するレーザ光を使用しても本発明を実現することができる。

（実施の形態９）
図５３は、実施の形態９に係るデジタルホログラフィ装置１ｑの構成を示す模式図である。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ている。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。デジタルホログラフィ装置１ｑは、光源ユニット４８を備えている。光源ユニット４８は、垂直偏光成分を有するレーザ光をレンズを介してビームスプリッタＢＳ１に向かって照射する。ビームスプリッタＢＳ１を透過したレーザ光は、２枚のミラーＭにより反射されて、被写体６に照射され、被写体６によって反射されて物体光（散乱光）になる。物体からの散乱光は、偏光板８２を通って垂直偏光となった後、ビームスプリッタＢＳ２により反射される。ビームスプリッタＢＳ１により反射された光は、参照光として他のミラーＭで反射され、そのままビームスプリッタＢＳ２を透過する。その後、物体光と参照光との干渉光は、１／４波長板９１を通る。１／４波長板９１の高速軸と低速軸とは、偏光子アレイデバイス８９の偏光を通す方向と同じになるように設定する。干渉光は、偏光子アレイデバイス８９を通ってＣＣＤカメラ３に到達し、１／４波長板９１と偏光子アレイデバイス８９とにより２種類のホログラムを同時に記録できる。
図５４はデジタルホログラフィ装置１ｑに設けられた偏光子アレイデバイス８９とＣＣＤカメラ３との構成を示す模式図であり、図５５は偏光子アレイデバイス８９の構成を示す模式図である。
ＣＣＤカメラ３の撮像面には、偏光子アレイデバイス８９とが貼り付けられている。偏光子アレイデバイス８９には、第１偏光方向を有する第１偏光子９０ａと、第１偏光方向に直交する第２偏光方向を有する第２偏光子９０ｂとが交互に配置されている。図５５に示す例では、第１偏光子９０ａの第１偏光方向は、垂直方向に対して４５度傾いた方向であり、第２偏光子９０ｂの第２偏光方向は、垂直方向に対して−４５度傾いた方向である。このように、偏光子アレイデバイス８９では、隣り合う画素で透過する偏光が直交する。第１偏光子９０ａの寸法は、第１偏光子９０ａが撮像素子の１画素に対応するように設定されている。第２偏光子９０ｂの寸法も、同様である。
ＣＣＤカメラ３の撮像面では、第１偏光子９０ａを透過した物体光及び参照光とが干渉した第１干渉縞と、第２偏光子９０ｂを透過した物体光及び参照光とが干渉した第２干渉縞とが記録される。
実施の形態９によれば、偏光子アレイデバイス８９の１枚構成であるので、実施の形態７の波長板アレイデバイス８０および偏光子８３の構成のように位置あわせが不要である。また、並列位相シフトデジタルホログラフィと被写体から異なる２つの距離における２枚の干渉縞画像を単一露光で記録するデジタルホログラフィの双方の計測アルゴリズムを適用できるカメラができるので、計測対象に応じてより適したシステムで計測できる。

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。

図５３の実施形態において偏光板８２を、水平偏光のみを通すように設定し、さらに水平偏光成分を有するレーザ光を用い、他の構成は同一の構成の装置でも実施可能である。
実施の形態９では、垂直偏光成分を有するレーザ光を使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、水平偏光を有するレーザ光を使用しても本発明を実現することができる。

本発明は、物体光と参照光とが干渉した干渉縞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に適用することができる。

Claims

光を出射し、前記出射した光に基づいて被写体から放射または透過または散乱または反射または回折される物体光を供給するために設けられた光源と、
前記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位相シフト素子と、
前記位相シフト素子によって分割された２種類の参照光と前記被写体から放射または透過または散乱または反射または回折された物体光とがそれぞれ干渉した２種類の干渉縞が記録される撮像面を有する撮像手段と、
前記撮像面に記録された２種類の干渉縞と前記参照光の強度分布とに基づいて前記被写体の再生像を生成する再生像生成器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。
前記位相シフト素子は、前記光源から出射された光の進行方向に垂直な平面上において格子状に配置された２種類の領域を有するアレイデバイスである請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
前記撮像手段は、ＣＣＤカメラまたはＣＭＯＳイメージセンサーカメラであり、
前記２種類の領域は、前記撮像手段の各画素に対応して配置されている請求項２記載のデジタルホログラフィ装置。
前記位相シフト素子は、位相シフト計測手段の基準となる位相を有する参照光と、その参照光と０からπラジアンの間のいずれかの値分位相が異なる参照光とに前記光を分割する請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
前記光源は、第１方向に偏光した光を出射し、
前記位相シフト素子によって分割された２種類の参照光の一方は第２方向に偏光し、前記参照光の他方は第３方向に偏光し、
前記物体光と前記２種類の参照光とを透過させる偏光子アレイデバイスをさらに備え、
前記偏光子アレイデバイスは、前記第２方向に偏光した参照光の一方と前記物体光の前記第２方向への正射影成分とを透過させる第１領域と、前記第３方向に偏光した参照光の他方と前記物体光の前記第３方向への正射影成分とを透過させる第２領域とを有している請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
前記偏光子アレイデバイスは、前記撮像手段と一体に構成されている請求項５記載のデジタルホログラフィ装置。
前記位相シフト素子は、１／４波長板である請求項５記載のデジタルホログラフィ装置。
前記光源は、第１方向偏光成分と第２方向偏光成分とを有する直線偏光を出射し、
前記物体光を第１方向偏光成分の光に変換し、前記光源から出射された光を第２方向偏光成分の光に変換する偏光ビームスプリッタをさらに備え、
前記位相シフト素子は、前記第２方向偏光成分の光を、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波長板光学媒質アレイデバイスと、前記物体光の第３方向偏光成分と前記２種類の参照光の第３方向偏光成分とを透過させる偏光子とを有している請求項１記載のデジタルホログラフィ装置。
前記位相シフト素子は、前記撮像手段と一体に構成されている請求項８記載のデジタルホログラフィ装置。
前記波長板光学媒質アレイデバイスは、前記第２方向偏光成分の光を透過させる光学媒質と、前記第２方向偏光成分の光を位相をシフトさせて透過させる１／４波長板とを有している請求項８記載のデジタルホログラフィ装置。