JP6628103B2 - デジタルホログラフィ記録装置、デジタルホログラフィ再生装置、デジタルホログラフィ記録方法、およびデジタルホログラフィ再生方法 - Google Patents
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Description
本実施形態は、物体光の情報と蛍光の情報とを単一露光で同時に記録するデジタルホログラフィ装置に関する。そして、デジタルホログラフィ装置は、記録したホログラムを用いて、物体光の情報と蛍光の情報とを互いに分離して再生することができる。
図1は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置1の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置1は、軸外し型(off-axis型)のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置1は、記録装置10(デジタルホログラフィ記録装置)と再生装置11(デジタルホログラフィ再生装置)とを備える。記録装置10は、撮像装置12、波長λ1のレーザ光源LS1(第1光源)、および光学系を備える。再生装置11は、コンピュータ等の計算機によって構成することができる。なお、レーザ光としては、可視光のみならず、不可視光(赤外線、紫外線、X線等)も利用することができる。
レーザ光源LS1から出射された波長λ1のレーザ光は、ビームスプリッタBS1によって参照光と物体照明光とに分けられる。
図2は、本実施形態の再生装置11が行う再生処理のフローを示す図である。再生装置11は、撮像装置12によって記録された画像(ホログラム+蛍光)を用いて、被写体13の像の再生および蛍光の像の再生を行う。ただし、記録された画像は、物体光の情報(すなわち被写体13の3次元形状情報)を含むホログラムと、蛍光とが重畳した画像であるので、そのままでは公知のデジタルホログラフィ技術で再生することができない。
Ih=|O|2+|R|2+2|O||R|cosφ (1)
ここで、|O|は物体光の振幅、|R|は参照光の振幅、|O|2は物体光の強度、|R|2は参照光の強度、φは参照光に対する物体光の位相差である。|O|、|R|、およびφは、画素毎に異なり得る。なお、参照光はレーザ光を引き伸ばした平面波であるので、参照光の強度は一様な値または所定の分布(例えばガウス分布)の値であると仮定(推定)してもよい。なお、より精度よく像を再生するために、事前または事後に参照光のみの強度分布を測定してもよい。参照光の強度分布を測定することは再生の精度を上げるためのキャリブレーションに相当する。それゆえ|R|2は既知の値として扱うことができる。
本実施形態では、複数の波長のレーザ光源を用いる場合について説明する。
図4は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置2の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置2は、軸外し型(off-axis型)のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置2は、記録装置20(デジタルホログラフィ記録装置)と再生装置11とを備える。記録装置20は、撮像装置12、波長λ1のレーザ光源LS1、波長λ2のレーザ光源LS2(第1光源)、波長λ3のレーザ光源LS3(第2光源)、および光学系を備える。
図5は、記録された画像を2次元フーリエ変換したものを概略的に示す図である。図5において、横軸はx軸の空間周波数fxを示し、縦軸はy軸の空間周波数fyを示す。
本実施形態では、複数の波長のレーザ光源およびカラー撮像装置を用いる場合について説明する。
図6は、本実施形態のデジタルホログラフィ装置3の構成を示す模式図である。デジタルホログラフィ装置3は、軸外し型(off-axis型)のデジタルホログラフィ装置である。デジタルホログラフィ装置3は、記録装置30(デジタルホログラフィ記録装置)と再生装置11とを備える。記録装置30は、撮像装置32、波長λ1のレーザ光源LS1、波長λ2のレーザ光源LS2、波長λ3のレーザ光源LS3、および光学系を備える。
本実施形態では、フーリエ変換を用いない再生方法について説明する。本実施形態の再生装置11は、参照光の位相が空間的に異なる(撮像面の画素毎に参照光の位相が異なる)場合に、空間的位相シフト法を用いて物体光の複素振幅を求める。なお、記録装置は、実施形態1と同様の構成とすることができる。以下に具体的に説明する。
図20の(a)は、撮像装置の画素と参照光との関係を説明する模式図であり、図20の(b)は撮像装置の撮像面(または記録画像)の一部における参照光の位相シフト量を説明する模式図である。図20の(b)の1つの矩形は1つの画素に対応する。
図21は、本実施形態の再生装置11が行う再生処理のフローを示す図である。図22は、再生処理のフローの概要を示す図である。図22における矩形は一部を拡大して示される画像の画素を表し、矩形の中の数値は位相シフト量を示す。ここでは、x軸方向(水平方向)の隣接画素において、位相シフト量の差が2π/3である場合を例にして説明する。記録画像には、物体光および位相がシフトした参照光が干渉したホログラムと、蛍光の像とが重畳して記録されている。
上記では、画素を抽出・補間する場合を例に挙げて説明した。さらなる再生処理負荷の低減を目的として、補間処理を行わずに物体光と蛍光の像とを分離・再生する例について説明する。
I(x,y)=If(x,y)+Ih(x,y) (2)
Ih(x,y)=|Uo(x,y)|2+|Ur(x,y)|2
+2Ao(x,y)Ar(x,y)cos{φo(x,y)−φr(x,y)} (3)
ここで、物体光の複素振幅をUo(x,y)=Ao(x,y)exp{jφo(x,y)}とし、参照光の複素振幅をUr(x,y)=Ar(x,y)exp{jφr(x,y)}とした。Ao、Arは振幅を表し、φo、φrは位相を表す。jは虚数単位である。Mをx軸方向の画素数、Nをy軸方向の画素数とし、0≦x≦M−1、0≦y≦N−1とする(x、yは画素番地(整数))。
・(x+y)÷4の余りが0のとき、
Uo(x,y)=
[{I(x,y)−I(x+1,y+1)}+j{I(x+1,y)+I(x,y+1)−I(x,y)−I(x+1,y+1)}]
/{4Ar(x,y)} (4)
・(x+y)÷4の余りが1のとき、
Uo(x,y)=
[−{I(x+1,y)+I(x,y+1)−I(x,y)−I(x+1,y+1)}+j{I(x,y)−I(x+1,y+1)}]
/{4Ar(x,y)} (5)
・(x+y)÷4の余りが2のとき、
Uo(x,y)=
[−{I(x,y)−I(x+1,y+1)}−j{I(x+1,y)+I(x,y+1)−I(x,y)−I(x+1,y+1)}]
/{4Ar(x,y)} (6)
・(x+y)÷4の余りが3のとき、
Uo(x,y)=
[{I(x+1,y)+I(x,y+1)−I(x,y)−I(x+1,y+1)}−j{I(x,y)−I(x+1,y+1)}]
/{4Ar(x,y)} (7)
となる。これによって、再生装置11は、物体光の複素振幅を求めることができる。再生装置11は、物体光の複素振幅分布と既知の参照光の強度分布と参照光の位相シフト量(参照光の位相)とから、ホログラムの光強度Ihの分布を求める。式(2)より、再生装置11は、記録画像の画素値Iからホログラムの光強度Ihを減算することにより、蛍光の像の光強度Ifを求める。また、参照光の強度分布にむらがある場合、記録画像から参照光の強度分布を減算した後に空間的位相シフト法の計算をしてもよい。これにより、参照光の強度のむらによる出力される像の画質劣化の問題を緩和することができる。
本発明の実施形態1に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図1に示すデジタルホログラフィ装置1を用いると仮定する。
本発明の実施形態3に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図6に示すデジタルホログラフィ装置3を使用すると仮定する。
本発明の実施形態4に基づくホログラムの記録および再生のシミュレーション結果について説明する。ここでは、図1に示すデジタルホログラフィ装置1を使用すると仮定する。
再生装置11の処理は、集積回路(ICチップ)等に形成された論理回路(ハードウェア)によって実現してもよいし、CPU(Central Processing Unit)を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
本発明の一態様に係るデジタルホログラフィ記録装置は、物体光が生じるように物体に物体照明光を照射する光源と、参照光と前記物体光とが干渉することにより形成されるホログラムと、蛍光の像とを撮像する撮像装置とを備え、前記物体照明光はまた、前記物体に含まれる蛍光体を励起する。
10、20、30 記録装置(デジタルホログラフィ記録装置)
11 再生装置(デジタルホログラフィ再生装置)
12、32 撮像装置
13 被写体(物体)
14 蛍光体
15 結像素子(結像光学素子)
LS1〜LS3 レーザ光源(第1光源、第2光源)
Claims (17)
- 物体光が生じるように物体に物体照明光を照射する光源と、
参照光と前記物体光とが干渉することにより形成され、画素に応じて変化する前記参照光および前記物体光についての位相シフト量が導入されたホログラムと、蛍光の像とを同時に撮像する撮像装置とを備え、
前記物体照明光はまた、前記物体に含まれる蛍光体を励起することを特徴とするデジタルホログラフィ記録装置。 - 前記光源は、単一波長の前記物体照明光を出射することを特徴とする請求項1に記載のデジタルホログラフィ記録装置。
- 前記撮像装置は、前記物体光と参照光とが干渉することにより形成されるホログラムと、前記蛍光体が発する蛍光の像とが重畳した画像を撮像することを特徴とする請求項1または2に記載のデジタルホログラフィ記録装置。
- 前記蛍光を前記撮像装置の撮像面に結像させる結像光学素子を備えることを特徴とする請求項3に記載のデジタルホログラフィ記録装置。
- 前記撮像装置は、カラーフィルタを用いないモノクロ撮像装置であることを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ記録装置。
- 前記光源は、前記物体に第1波長の物体照明光を照射する第1光源であり、
前記第1波長とは異なる第2波長の物体光が生じるように前記物体に前記第2波長の物体照明光を照射する第2光源を備え、
前記撮像装置は、前記第1波長のホログラムと、前記第2波長のホログラムと、前記蛍光の像とを撮像し、
前記第1波長の物体照明光および前記第2波長の物体照明光の両方は、前記蛍光体を励起することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ記録装置。 - 前記撮像装置に入射する前記物体光の光軸に対して、前記撮像装置に入射する前記参照光の光軸は傾いていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載のデジタルホログラフィ記録装置。
- 物体に物体照明光を照射する光源と、
参照光と前記物体からの物体光とが干渉することにより形成され、画素に応じて変化する前記参照光および前記物体光についての位相シフト量が導入されたホログラムと、前記物体に含まれる蛍光体が発する蛍光の像とを同時に撮像することにより、前記ホログラムと前記蛍光の像とが重畳した画像を撮像する撮像装置とを備えることを特徴とするデジタルホログラフィ記録装置。 - 参照光と物体光とが干渉することにより形成されるホログラムと、インコヒーレント光の像とが重畳した画像から、空間的位相シフト法を用いて前記物体光の複素振幅を求め、
前記物体光の複素振幅から前記ホログラムの強度を求め、
前記画像から前記ホログラムを除去することにより、前記インコヒーレント光の像を得ることを特徴とするデジタルホログラフィ再生装置。 - 参照光と物体光とが干渉することにより形成されるホログラムと、インコヒーレント光の像とが重畳した画像をフーリエ変換し、
フーリエ変換された前記画像から、前記物体光の空間スペクトルを抽出し、
抽出された前記物体光の空間スペクトルを逆フーリエ変換することで、前記物体光の複素振幅を求め、
前記物体光の複素振幅から0次回折光成分を求め、フーリエ変換された前記画像から0次回折光成分を除去し、
0次回折光成分が除去されたフーリエ変換された前記画像から、前記インコヒーレント光の像の空間スペクトルを抽出することを特徴とするデジタルホログラフィ再生装置。 - 抽出された前記インコヒーレント光の像の空間スペクトルを逆フーリエ変換することで、前記インコヒーレント光の像を得ることを特徴とする請求項10に記載のデジタルホログラフィ再生装置。
- 参照光と物体光とが干渉することにより形成されるホログラムと、インコヒーレント光の像とが重畳した画像をフーリエ変換し、
フーリエ変換された前記画像から、前記物体光の空間スペクトルを抽出し、
抽出された前記物体光の空間スペクトルを逆フーリエ変換することで、前記物体光の複素振幅を求め、
前記物体光の複素振幅から前記ホログラムの強度を求め、前記画像から前記ホログラムを除去することにより、前記インコヒーレント光の像を得ることを特徴とするデジタルホログラフィ再生装置。 - 光源から出射された物体照明光を物体に照射することにより物体光を生じさせるとともに、前記物体照明光によって前記物体に含まれる蛍光体を励起するステップと、
参照光と前記物体光とが干渉することにより形成され、画素に応じて変化する前記参照光および前記物体光についての位相シフト量が導入されたホログラムと、前記蛍光体が発する蛍光の像とを同時に撮像するステップとを含むことを特徴とするデジタルホログラフィ記録方法。 - 物体照明光を物体に照射するステップと、
参照光と前記物体からの物体光とが干渉することにより形成され、画素に応じて変化する前記参照光および前記物体光についての位相シフト量が導入されたホログラムと、前記物体に含まれる蛍光体が発する蛍光の像とを同時に撮像することにより、前記ホログラムと前記蛍光の像とが重畳した画像を撮像するステップとを含むことを特徴とするデジタルホログラフィ記録方法。 - 参照光と物体光とが干渉することにより形成されるホログラムと、インコヒーレント光の像とが重畳した画像から、空間的位相シフト法を用いて前記物体光の複素振幅を求めるステップと、
前記物体光の複素振幅から前記ホログラムの強度を求めるステップと、
前記画像から前記ホログラムを除去することにより、前記インコヒーレント光の像を得るステップとを含むことを特徴とするデジタルホログラフィ再生方法。 - 参照光と物体光とが干渉することにより形成されるホログラムと、インコヒーレント光の像とが重畳した画像をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された前記画像から、前記物体光の空間スペクトルを抽出するステップと、
抽出された前記物体光の空間スペクトルを逆フーリエ変換することで、前記物体光の複素振幅を求めるステップと、
前記物体光の複素振幅から0次回折光成分を求め、フーリエ変換された前記画像から0次回折光成分を除去するステップと、
0次回折光成分が除去されたフーリエ変換された前記画像から、前記インコヒーレント光の像の空間スペクトルを抽出するステップとを含むことを特徴とするデジタルホログラフィ再生方法。 - 参照光と物体光とが干渉することにより形成されるホログラムと、インコヒーレント光の像とが重畳した画像をフーリエ変換するステップと、
フーリエ変換された前記画像から、前記物体光の空間スペクトルを抽出するステップと、
抽出された前記物体光の空間スペクトルを逆フーリエ変換することで、前記物体光の複素振幅を求めるステップと、
前記物体光の複素振幅から前記ホログラムの強度を求め、前記画像から前記ホログラムを除去することにより、前記インコヒーレント光の像を得るステップとを含むことを特徴とするデジタルホログラフィ再生方法。
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