具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式涉及的全息摄像装置以及同装置所使用的数据处理方法进行说明。

第一实施方式：全息摄像装置

参照图1(a)(b)、图2，对第一实施方式涉及的全息摄像装置1进行说明。如图1(a)(b)所示，全息摄像装置1具备：数据取得部10，取得从由照明光Q照明的物体4放出的物体光O的数据并电子地保存；以及图像再现部12，从由数据取得部10取得的数据中再现物体4的图像。本实施方式的全息摄像装置1是具有长工作距离的摄像装置。

数据取得部10具有：图像传感器5，其将光强度变换为电信号并作为全息图数据输出；光束耦合器3，其配置在物体4与图像传感器5之间；光学系统2，其使光成形并传播；以及数据保存部6，其保存所取得的数据。全息摄像装置1具备由控制数据取得部10和图像再现部12的计算机构成的控制部11、以及存储FFT等计算用程序、控制用数据等的存储器11a。数据保存部6与图像再现部12一起被设置在控制部11中。以下，对各部分进行说明。

光学系统2根据光源所放射的相干光生成照明光Q、作为相对于物体光O的同轴光而使用的同轴球面波参照光L、以及作为相对于物体光O的离轴光而使用的离轴参照光R，使这些光与物体光O传播。另外，光学系统2使用立方体型的分束器作为光束耦合器3，将物体光O或同轴球面波参照光L与离轴参照光R合波而入射到图像传感器5。

光束耦合器3在透光性块具有内部反射镜30，将2个直角棱镜的45°斜面接合而构成。接合的斜面成为半透光的内部反射镜30。与内部反射镜30面对的一组平行面的一个面成为物体光O或同轴球面波光L的入射面31，另一个面成为图像传感器5的受光面即与全息图面50对置的出射面32。另外，与内部反射镜30面对的另一组平行面即光束耦合器3的侧面之一成为离轴参照光R的入射面。光束耦合器3在其表面具有光反射防止处理层、光吸收处理层，并且具有遮挡外部光的暗箱构造，由此防止噪声光产生、杂散光进入。

离轴参照光R用的光学系统具有小径的聚光透镜21和大径的准直透镜22。参照光R在由聚光透镜21聚光于聚光点P1之后，通过准直透镜22入射到光束耦合器3，由内部反射镜30反射而入射到图像传感器5。参照光R的光轴为了使参照光R成为离轴而相对于受光元件5的法线倾斜。参照光R具有聚光点P1，由此成为球面波状的光。

同轴球面波参照光L用的光学系统具有：聚光透镜23，其生成球面波；以及针孔板24，其在聚光透镜23的聚光点P2的位置具有针孔。聚光透镜23的光轴与朝向受光元件5的中心的光学中心轴一致。通过了聚光透镜23的光在针孔的位置处形成聚光点P2之后，一边扩展一边直行而入射到受光元件5。同轴球面波参照光L用的光学系统中，通过在聚光点P2的位置具备具有针孔的针孔板24，将同轴球面波参照光L生成为没有变形或噪声的球面波。

同轴球面波参照光L的聚光点P2的位置的信息是通过计算来求出同轴球面波参照光L通过光束耦合器3而在全息图面50中形成的光强度分布和相位分布时使用的重要的信息。聚光点P2的位置的信息能够通过使用同轴球面波参照光L作为照明光来取得刻度板等全息图数据，并对该图像进行再现来取得。

聚光点P2位于图像传感器5的中心法线上，因此，同轴球面波参照光L在物体光全息图与参照光全息图相互重叠时，与物体光O成为同轴关系。另外，离轴参照光R相对于物体光O被设定为离轴的关系，同样地，相对于同轴球面波参照光L具有离轴的关系。另外，离轴参照光R是具有聚光点P1的球面波状的光，离轴参照光R的聚光点P1与同轴球面波参照光L的聚光点P2以光学上相互接近的方式设定。通过该设定，能够使参照光全息图I_LR的空间频带变窄。

如图2所示，全息摄像装置1的图像再现部12具有复振幅全息图生成部13、计算参照光全息图生成部14和物体光全息图生成部15。复振幅全息图生成部13根据物体光离轴全息图I_OR和参照光离轴全息图I_LR的数据，在作为图像传感器5的面的全息图面50中生成物体光的复振幅同轴全息图J_OL。

计算参照光全息图生成部14对从同轴球面波参照光L的聚光点P2放出的球面波进行包含光束耦合器3内的传播的光传播计算，生成表示全息图面50中的光波的同轴参照光全息图j_L。

物体光全息图生成部15使用物体光的复振幅同轴全息图J_OL的数据和同轴参照光全息图j_L的数据来生成全息图面50中的物体光全息图g，并通过光传播计算来传播所生成的物体光全息图g，生成并保存物体4的位置处的图像再现用的再现物体光全息图h。

接着，说明全息摄像装置1的动作。在图1(a)的结构中，对配置在图像传感器5的中心垂线上的前方的物体4照射照明光Q，从物体4放出物体光O。物体光O从图像传感器5的中心垂线上的物体表面上的点P0呈放射状扩展，入射到光束耦合器3，与从侧方入射的离轴参照光R重叠而由图像传感器5接收。物体光O和参照光R在全息图面50上形成的干涉条纹的光强度分布的数据、即物体光O的数据被图像传感器5取得为物体光离轴全息图I_OR，并保存在数据保存部6中。

另外，在除去了物体4的状态下的图1(b)的结构中，同轴球面波参照光L与离轴参照光R的干涉条纹的光强度分布的数据、即离轴参照光R的数据被图像传感器5取得为参照光离轴全息图I_LR，并保存在数据保存部6中。

保存在数据保存部6中的物体光离轴全息图I_OR和参照光离轴全息图I_LR的数据由图像再现部12处理，生成物体4的位置处的图像再现用的再现物体光全息图h。从再现物体光全息图h求出例如光强度图像|h|²，并显示于显示部16。显示部16是液晶显示装置等FPD，显示图像等。图像再现部12的各部除了显示部17以外，还使用在计算机上动作的程序和包含其子例行程序组的软件而构成。

第二实施方式：数据处理方法

参照图3至图6，对第二实施方式的数据处理方法进行说明。此外，作为应用本方法的装置例，一并参照第一实施方式的装置(图1、图2)。本数据处理方法能够应用于长工作距离且宽视野的全息摄像装置、实现具有高数值孔径或超过1的合成数值孔径的超高分辨率的透射型或反射型的显微镜的全息摄像装置等。

如图3所示，本数据处理方法具备从物体光全息图取得工序(S1)到再现物体光全息图生成工序(S6)的工序。

在物体光全息图取得工序(S1)中，从由照明光Q照明的物体4放射的物体光O的数据，使用离轴参照光R作为物体光离轴全息图I_OR被取得。物体光O在作为光束耦合器使用的立方体型的光束耦合器3中直行而入射到图像传感器5。离轴参照光R从光束耦合器3的侧面入射并在其内部被反射而入射到图像传感器5。

在参照光全息图取得工序(S2)中，在没有物体4、照明光Q或物体光O的状态下，入射到图像传感器5的离轴参照光R的数据通过使用同轴球面波参照光L被取得为参照光离轴全息图I_LR。同轴球面波参照光L是相对于物体光O成为同轴并在光束耦合器3中直行而入射到图像传感器5的光。该工序(S2)和上述工序(S1)也可以按照相反顺序实施。

在复振幅全息图生成工序(S3)中，在作为图像传感器5的表面的全息图表面50中，根据物体光离轴全息图I_OR和参照光离轴全息图I_LR的数据生成物体光的复振幅同轴全息图J_OL。

同轴参照光全息图生成工序(S4)中，对于从同轴球面波参照光L的聚光点P2放出的球面波，进行包含光束耦合器3内的传播的光传播计算，生成表示全息图面50中的光波的同轴参照光全息图j_L。

在物体光全息图生成工序(S5)中，使用物体光的复振幅同轴全息图J_OL的数据和同轴参照光全息图j_L的数据，生成全息图面50中的物体光全息图g。

在再现物体光全息图生成工序(S6)中，通过光传播计算变换物体光全息图g，生成并保存物体4的位置处的图像再现用的再现物体光全息图h。所拍摄的物体4的图像例如通过将再现物体光全息图h的绝对值的平方即|h|²显示于计算机的显示器，能够作为光强度图像来观察。

(全息图数据及其处理)

基于数学式表现说明全息数据及其处理。离轴参照光R、同轴球面波参照光L、物体光O等参与全息图。在此，xyz右手系正交坐标系的原点被设定在全息图面50(图像传感器5的受光面)的中央。从全息图面50朝向物体光O的光源的方向是z轴的正方向。使用位置坐标(x，y)，将物体光O(x，y，t)、离轴参照光R(x，y，t)以及同轴球面波参照光L(x，y，t)分别以一般的形式由下式(1)(2)(3)表示。这些光是相互相干的角频率ω的光。各式中的系数、自变量、下标等被解释为一般的表现。在以下的各式中，适当省略位置坐标(x，y，z)、空间频率(u，v，w)的明示等。

[数式1]

O(x，y，t)＝O₀(x，y)exp[i(φ_O(x，y)-ωt)] (1)

R(x，y，t)＝R₀(x，y)exp[i(φ_R(x，y)-ωt)] (2)

L(x，y，t)＝L₀(x，y)exp[i(φ_L(x，y)-ωt)] (3)

上式中的O(x，y，t)与R(x，y，t)所形成的合成光的光强度I_OR(x，y)、以及L(x，y，t)与R(x，y，t)所形成的合成光的光强度I_LR(x，y)分别由下式(4)(5)表示。这些光强度I_OR、I_LR通过图像传感器5被取得为全息图的数据。

[数式2]

I_OR(x，y)＝O₀ ²+R₀ ²+O₀R₀exp[i(φ_O-φ_R)]+O₀R₀exp[-i(φ_O-φ_R)] (4)

I_LR(x，y)＝L₀ ²+R₀ ²+L₀R₀ exp[i(φ_L-φ_R)]+L₀R₀ exp[-i(φ_L-φ_R)] (5)

在上式(4)、(5)中，右边的第1项是物体光O或同轴球面波参照光L的光强度成分，第2项是离轴参照光R的光强度成分。另外，各式的第3项和第4项分别是物体光O或同轴球面波参照光L被离轴参照光R调制而制作的直接像成分和共轭像成分。

另外，上述第3项的直接像成分是包含对于本数据处理方法来说必要的物体光O或参照光L的信息即上式(1)(3)的O₀exp和L₀exp的项。该第3项的直接像成分的物体光O或参照光L的相位部分与定义这些光的上式(1)(3)的相位部分相同。另一方面，第4项的物体光O或参照光L的相位部分成为定义这些光的上式(1)(3)的相位部分的复共轭，第4项被称为共轭像成分。

通过使用离轴参照光R，由此，通过其离轴的效果，能够取得在空间频率空间中表现全息图时直接像成分(第3项)与光强度成分(第1、2项)以及共轭像成分(第4项)分离的全息图。通过应用空间频率滤波仅取出上式(4)(5)的第3项，由此，记录了物体光O的物体光复振幅全息图J_OR和记录了同轴球面波参照光L的复振幅全息图J_LR分别如下式(6)(7)那样得到。这些复振幅全息图是包含离轴参照光R的成分的全息图。

[数式3]

J_OR(x，y)＝O₀(x，y)R₀(x，y)exp[i(φ_O(x，y)-φ_R(x，y))] (6)

J_LR(x，y)＝L₀(x，y)R₀(x，y)exp[i(φ_L(x，y)-φ_R(x，y))] (7)

空间频率滤波通过将上式(4)(5)变换为空间频率空间中的表现的傅立叶变换、基于带通滤波器的滤波、以及之后的傅立叶逆变换来进行。此外，若受光元件中的像素以像素间距d进行2维排列，则使用受光元件能够进行记录的全息图的最高空间频率成为空间频率fs＝1/d。

若进行将上述的式(6)除以式(7)的除法处理，则能够从式(6)中去除离轴参照光R的振幅R₀和相位该处理是进行相位的减法的处理即进行频率变换的处理，是异质调制的处理。由此，如下述式(8)那样得到物体光O相对于同轴球面波参照光L的复振幅同轴全息图J_OL。

[数式4]

J_OL(x，y)＝(O₀(x，y)/L₀(x，y))exp[i(φ_O(x，y)-φ_L(x，y))] (8)

同轴球面波参照光L是用于取得并保存参照光R的数据作为离轴全息图的参照光全息图I_LR的参照光，并且具有作为全息图数据的数字处理中的基准光的作用。同轴球面波参照光L用于生成作为不包含参照光R的数据的全息图的复振幅同轴全息图J_OL。

参照光全息图I_LR在例如通过改变了相对于物体的入射方向θ^j的照明光Q^j取得各入射方向的多个物体光全息图I^j _OR的数据的情况下，能够对这些全息图I^j _OR使用共同的全息图I_LR进行上式(8)的处理。即，只要取得1张离轴全息图I_LR，制作1张复振幅全息图J_LR即可。在这种情况下，多个全息图I^j _OR的取得所使用的离轴参照光R需要被维持在相同的条件下。

(同轴球面波参照光L的成分和乘法因子)

接着，在式(8)中，通过在两边乘以乘法因子 能够从上式(8)除去同轴球面波参照光L的成分，能够生成仅包含物体光O的光波的全息图(物体光全息图)，该全息图的用语以包含全部用于再现光波所需的数据这样的含义来使用，以下也以同样的含义来使用。

上述乘法因子是表示从同轴球面波参照光L的聚光点P2发出的球面波在空气中和光束耦合器3中传播并到达图像传感器5即全息图面50的光波的全息图，将其称为同轴参照光全息图j_L。对于同轴参照光全息图j_L，从光束耦合器3通过的结果是，具有从球面波变形后的波面。该全息图j_L通过被赋予从同轴球面波参照光L的聚光点P2到全息图面50的距离ρ、以及光束耦合器3的厚度尺寸，由此能够通过使用平面波展开的光传播计算而被计算出(在后叙述)。

(到聚光点P2的距离ρ的决定)

从同轴参照光全息图j_L的计算中使用的图像传感器到同轴球面波参照光L的聚光点P2的距离ρ能够通过以下的步骤来决定。代替物体，在透光板上配置具有标尺图案而构成的目标T，使用离轴参照光R，取得由同轴球面波参照光L照射时的透射光构成的目标物体光O_T的数据作为目标离轴全息图I_TR。参照光离轴全息图I_LR设为已取得。

将距离ρ作为参数进行临时确定，生成临时的同轴参照光全息图j_L。使用目标离轴全息图I_TR、已取得的参照光离轴全息图I_LR以及临时的同轴参照光全息图j_L，生成表示全息图面50上的目标T的物体光的目标物体光全息图g_T。通过光传播计算对目标物体光全息图g_T进行变换，在目标T的位置对目标T的图像进行再现。将目标T的再现图像的尺寸与目标T的原尺寸一致时的参数的值决定为距离ρ的值。图像再现面中的再现图像的尺寸能够通过图像传感器5、例如CCD的已知的像素间距来测量。

(通过光束耦合器之后的球面波的计算)

接着，说明同轴参照光全息图j_L的生成。如图4、图5、图6所示，同轴参照光全息图j_L进行从同轴球面波参照光L的聚光点P2的位置到作为图像传感器5的入射面的全息图面50的光波的光传播计算，作为全息图面50中的同轴球面波参照光L的全息图而生成。光传播计算使用平面波展开来进行。在聚光点P2对参照光L进行平面波展开，在空气中以及光束耦合器3内传播并计算全息图面50中的各平面波成分，将计算出的平面波成分相加而求出同轴参照光全息图j_L。

参照图4、图5所记载的坐标系。在聚光点P2的位置z＝ρ的xy平面上，存在同轴球面波参照光L的点光源b₀δ(x)δ(y)。该点光源的空间频谱B(u，v)为固定值b₀，B(u，v)＝b₀。因此，通过平面波的传播，z＝0的全息图面50中的同轴球面波参照光L的全息图，即同轴参照光全息图j_L成为下式(9)。

[数式5]

j_L＝L₀(x，y)exp(iφ_L(x，y))

＝b₀∫∫exp{-i2π[w_n(u，v)A+w(u，v，)(ρ-A)]}

.exp[i2π(ux+vy)]dudv (9)

上式(10b)中的n是光束耦合器3的折射率。上式(9)成为从原点z＝0到聚光点P2的距离ρ和光束耦合器3的光轴(z轴)方向的厚度尺寸A的函数，但与从原点到光束耦合器3的距离无关。即，无论将光束耦合器3置于哪个位置都成为相同的式子。

上式(9)是原理上的计算式，在实际的计算中，需要以满足采样定理的计算点数进行光传播计算。然而，如果计算点数变大，则会成为非现实的较长的计算时间。因此，如图6所示，导入近似计算。

以光波长λ_m、像素间距d、数值孔径NA的关系满足λ_m/(2d)＞NA的方式，对光波长λ进行系数m倍，生成变换波长λ_m＝mλ(S41)。

接着，进行包含从聚光点P2放出的变换波长λ_m的球面波的光束耦合器3内的传播的传播计算，生成表示全息图面50中的光波的变换波长同轴参照光全息图

接着，对变换波长同轴参照光全息图j_Lm的相位成分(exp的项)进行m次幂，生成包含从聚光点P2放出的波长λ的球面波的光束耦合器3内的传播的传播光的全息图面50中的球面波光全息图 因此，得到同轴参照光全息图j_L的相位

在上述的光传播计算中，对同轴球面波参照光L的光波长λ乘以系数m而延长了波长的变换波长mλ的光进行使用平面波展开法的光传播计算，计算出全息面50中的球面波的相位将对变换波长mλ的光计算出的相位乘以系数m而得到的相位设为同轴参照光全息图j_L的相位

在图5中示出空气中以及光束耦合器3内的球面波状参照光的传播。球面波状的光波的沿着同相位面的振幅大致恒定，振幅的空间变化与表示相位成分的的空间变化相比能够忽略。关于这样的球面波状的光，光波长λ的相位成分使用光波长λ_m的相位成分通过下式(11)得到。基于下式(11)的光相位的计算是基于惠更斯原理的波面光学近似计算。

[数式6]

对于实际使用的光学系统中的点光源所形成的球面波状的光，该近似计算以非常高的精度成立的情况能够通过对能够进行数值计算的光波长进行光传播计算来确认。对于满足λ/(2d)＞NA的光波长λ以及变换波长λ_m＝mλ，进行光传播计算来求出相位成分以及相位成分能够确认在两者之间式(11)的关系高精度地成立。另外，也可以通过将使用上式(11)求出的光波长λ的光相位分布与通过几何光学的光路跟踪法计算出的光波长λ的光的相位分布进行比较来确认。

(物体光全息图g(x，y))

通过将式(8)乘以执行基于振幅因子L₀(x，y)的振幅调制和基于相位因子的异质调制，如下述式(12)那样得到表示图像传感器5的表面(全息图面、xy平面或者面z＝0)处的物体光O的光波的物体光全息图g(x，y)。生成物体光全息图g(x，y)的工序是再现物体光O的工序。能够将物体光全息图g(x，y)的绝对值的2次方|g(x，y)|²显示于显示器，将全息图面50中的物体光O的光强度分布作为图像来观察。同样地，能够显示物体光全息图g(x，y)的振幅分布图像、相位分布图像来进行观察。

[数式7]

g(x，y)＝O₀(x，y)exp[i(φ_O(x，y)] (12)

平面波展开和光传播计算

能够使用与电磁波相关的亥姆霍兹方程的严格解即平面波展开物体光O的光波，能够进行使光传播的光传播计算。该平面波展开通过对上式(12)的物体光全息图g(x，y)进行傅立叶变换来执行。即，傅立叶变换是平面波展开。平面波展开的结果是，如下式(13)那样得到关于物体光O的空间频谱G(u，v)。空间频谱G(u，v)是具有波数矢量(u，v)的平面波的复振幅，也被称为复振幅G(u，v)。另外，通过下式(14)得到与平面波的传播相比，z＝z₀的再现面中的物体光h(x，y)。

[数式8]

G(u，v)＝∫∫g(x，y)exp[-i2π(ux+vy)]dxdy (13)

h(x，y)＝∫∫G(u，v)exp{i2π[w_n(u，v)A+w(u，v)(z₀-A)]}

·exp[f2π(ux+vy)]dudv (14)

上式(13)中的u、v分别是x方向和y方向的傅立叶空间频率。z方向的傅立叶空间频率w、w_n如上述式(10a)(10b)所示，由平面波的分散式(波数与波长的关系式)求出。分散式以(n/λ)²的形式包含光路上的折射率n的信息。

第三实施方式

参照图7、图8，说明第三实施方式涉及的全息摄像装置1。本实施方式的全息摄像装置1实现将物体4与光束耦合器3接近配置的透射型的全息显微镜。全息摄像装置1将用于通过具有聚光点的照明光Q对物体4进行照明的聚光透镜23接近光束耦合器3而具备。离轴参照光R的光学系统为了使形成聚光点P1而成为球面状的参照光R从光束耦合器3的侧面入射，而将小径的聚光透镜21和在聚光点P1的位置具有针孔的针孔板25接近光束耦合器3的侧面而具备。

同轴球面波参照光L的光学系统具备：聚光透镜23，用于在形成聚光点P2之后，使参照光L从图像传感器5的正面向光束耦合器3入射；以及针孔板24，在聚光点P2的位置具有针孔。聚光透镜23和针孔板24由高性能的光学部件构成，使得同轴球面波参照光L成为理想的球面波光。

在该全息摄像装置1的光学系统中，离轴参照光R的聚光点P1与同轴球面波参照光L的聚光点P2在光学上相互接近地配置。另外，这些聚光点P1、P2与呈放射状放出的物体光O的产生点即观察点也相互接近配置。在这样的聚光点的配置结构中，作为全息显微镜，能够增大各光的数值孔径。进而，能够使形成于图像传感器5的干涉条纹、因此所取得的物体光离轴全息图I_OR、以及参照光离轴全息图I_LR的空间频带变窄。

第四实施方式

参照图9、图10，对第四实施方式涉及的全息摄像装置1进行说明。本实施方式的全息摄像装置1实现将物体4与光束耦合器3接近配置的反射型的全息显微镜。照明光Q的光学系统为反射型的显微镜，因此在光束耦合器3中的入射有离轴参照光R的侧面的对置侧面具有大直径的聚光透镜26。照明光Q通过聚光透镜26入射，被光束耦合器3的内部反射镜30朝向物体4反射，从图像传感器5侧对物体4的背面即与图像传感器5对置的面进行照明。聚光透镜26将照明光Q朝向物体4聚光。离轴参照光R和同轴球面波光L的各光学系统与第三实施方式相同。

第五实施方式

参照图11、图12，说明第五实施方式涉及的全息摄像装置1。在图7至图10所示的光学系统中，如果使用折射率n大的光束耦合器，则能够增大数值孔径NA。在折射率n＝1.5时，大约NA＝0.63，在折射率n＝2.0时，能够增大数值孔径到大约NA＝0.8。为了获得更大的数值孔径NA，使用进深尺寸小的光束耦合器的方法是有效的。本实施方式的全息摄像装置1是在第三实施方式涉及的透射型全息显微镜中，将数值孔径NA增大到接近1的值的显微镜。为了将数值孔径NA增大至接近1的值，光束耦合器3的与图像传感器5对置的2个面之间的厚度比其他任意2个面之间的厚度薄。即，使用进深尺寸小的立方体型BS。

另外，以入射到光束耦合器3并被图像传感器5接收的物体光O、参照光R、L在光束耦合器3内传播的方式，放大光束耦合器3的侧方尺寸。该全息摄像装置1的光学系统构成为，离轴参照光R的聚光点P1、同轴球面波参照光L的聚光点P2、以及以放射状放出的物体光O的产生点在光学上相互接近。为了实现该结构，离轴参照光R的光学系统具备在光束耦合器3的内部形成离轴参照光R的聚光点P1的透镜27。根据该全息摄像装置1，即使在折射率n＝1.5的情况下，也能够将数值孔径NA增大到接近1的值，通过接近1的值的较大的数值孔径NA，能够将分辨率提高到光的衍射极限。图11示出了透射型的光学系统，但如果利用图9所示的照明光Q对被拍摄体进行照明，则能够实现数值孔径NA接近1的反射型显微镜。

第六实施方式

参照图13，对第六实施方式涉及的全息摄像装置1进行说明。本实施方式的全息摄像装置1具有倒角部31a，该倒角部31a是第三实施方式涉及的透射型全息显微镜中的光束耦合器3形成为使对物体4进行倾斜照射的照明光Q与光束耦合器3不干涉的倒角部。倒角部31a例如可以形成为圆锥面，另外，也可以由多棱锥的平面形成。

本全息摄像装置1用于合成使用来自多个方向的照明光得到的空间频带不同的多个全息图，得到具有比1大的合成数值孔径的全息图，得到高分辨率化图像。因此，物体4中的显微观察的区域由从图像传感器5的正面通过聚光透镜23进行照明的正面照明光Q⁰、以及来自形成为平行光束状的多方向的斜照明光Q^j、j＝1、…、N依次照明。针对各照明光Q^j、j＝0、…、N，取得物体光离轴全息图I^J _OR。另外，通过代替物体4而配置的针孔板和聚光透镜23而传播的同轴球面波光L，取得参照光离轴全息图I_LR。使用数字全息摄影从这些全息图获得高分辨率再现图像。

第七实施方式

图14所示的第七实施方式涉及的全息摄像装置1具有倒角部31a，该倒角部31a是第四实施方式涉及的反射型全息显微镜中的光束耦合器3形成为使对物体4进行倾斜照射的照明光Q与光束耦合器3不干涉的倒角部。根据该全息摄像装置1，与第六实施方式的全息摄像装置1同样地，得到高分辨率再现图像。

上述各实施方式的全息显微镜在将图像传感器和离轴参照光用的光学系统安装于光束耦合器的紧凑的全息图记录部(数据取得部10)具备能够正确地再现物体光的图像再现部12。这样的紧凑的全息图记录部容易用作液浸渍显微镜，能够设为浸液状态而进一步提高分辨率。

(第八实施方式：数据处理)

参照图15至图17，对物体光全息图g和空间采样间隔δ进行说明。上述各全息摄像装置使用聚光点P1位于接近以球面波状扩展的物体光O的产生点的位置的离轴参照光R，记录物体光O。因此，物体光O和参照光R的干涉条纹的全息图的空间频带变窄。当从这样的全息图仅取出物体光O的全息图时，空间频带变宽。由此可知，表示物体光O的波面的上式(12)的物体光全息图g(x，y)与上式(9)的复振幅同轴全息图J_OL(x，y)相比，具有更宽的空间频带。

物体光全息图g(x，y)的空间变化随着远离全息图中心而变大，在全息图的端成为最大。当设全息图的数值孔径为NA_O、光波长为λ时，物体光全息图g(x，y)的最大空间频率f_M以f_M＝NA_O/λ表示。而且，为了以离散值表示该宽频带的物体光全息图g(x，y)，根据采样定理的制约，需要使用例如数据插补，将空间采样间隔δ设定为δ＝1/(2f_M)＝λ/(2NA_O)以下的值。为了消除采样定理的制约，进行采样点增加和数据补充。窄波段的复振幅同轴全息图J_OL以受光元件5的像素间距d缓慢变化，因此在数据插补中能够进行使用了3次式的高速计算。

图15(a)(b)表示为了得到物体光全息图g(x，y)而使用数据插补来减小全息图的空间采样间隔δ的方法。复振幅同轴全息图J_OL可以在不使用成像透镜的情况下获得。因此，即使将空间采样间隔细分化而减小至光波长左右，也不会产生失真。因此，能够通过实质上增加像素数的像素数增大工序来减小采样间隔。

在像素数增大工序中，对于具有与受光元件5的像素间距d对应的空间采样间隔d的复振幅同轴全息图J_OL，将空间采样间隔d细分化而作为空间采样间隔δ。然后，对通过细分化而产生的新的采样点进行数据插补，实质上增加像素数。作为数据插补的方法，能够使用基于图像处理中的公知的3次式的数据插补、基于sinc函数的数据插补。如果使用sinc插补作为数据插补，则与使用了3次式的插补相比，数值计算花费时间，但能够得到更准确的结果。

将针对复振幅同轴全息图J_OL通过数据插补而增加了像素数的结果重新作为复振幅同轴全息图J_OL。另外，受光元件5的像素间距d可以在像素的排列方向(xy方向)上相互不同，空间采样间隔δ也可以在像素的排列方向上相互不同。与不进行像素数增大工序的处理的情况下的全息图相比，增加了像素数的复振幅同轴全息图J_OL成为如下的全息图，即，基于上述的像素间距d与空间采样间隔δ的比，记录无失真且放大为倍率d/δ倍的像、即提高了分辨率的像。

(高速处理)

图16(a)(b)、图17(a)(b)表示高速处理物体光全息图g(x，y)的方法。在使用快速傅里叶变换(FFT)对全息图数据进行处理的情况下，如果所需的采样点数变得过大，则难以进行物体光全息图g(x，y)的处理。另外，记录在不同的频带中的各个信息即使在空间上重叠也不会丢失地被保存。如果利用该情况，则能够重叠作为宽频带的大数值孔径物体光的物体光全息图g(x，y)，制作宽频带的微小全息图(数据点数少的全息图)。另外，全息图在分割出的各区域中分别保持用于再现光波的信息。

因此，如图16(a)所示，将物体光全息图g(x，y)分割为宽度dx、dy的多张微小全息图g_i，如图16(b)(c)所示，使各微小全息图g_i相互重叠而生成合成微小全息图Σ。如果对该合成微小全息图Σ进行基于上式(13)的计算，则能够缩短计算时间而得到复振幅G(u，v)。图17(a)表示将宽度D的物体光全息图g(x，y)分割为宽度dx、dy的微小全息图g₁、g₂、g₃的情形。该物体光全息图g(x，y)以1张再现光波(再现像9)。

如图17(b)所示，这样的物体光全息图g(x，y)例如在x方向上错开宽度dx的同时重叠后的全息图成为宽度dx的周期性全息图，能够按照宽度dx的间隔再现多个相同的再现像9。计算点数被压缩为重叠的微小全息图g_i的张数的倒数的量。即，若重叠n张，则计算量为1/n。

(实施例1：全息摄像机)

图18是使用具有图1(a)(b)的光学系统的全息摄像装置得到的彩色图像。被拍摄体是1边的长度为18mm的骰子，从图像传感器5放置在64cm的位置。记录全息图的数值孔径NA为NA＝0.017。光源使用蓝色半导体激发固体激光(波长473nm，输出30mW)、绿色半导体激发固体激光(波长532nm，输出50mW)及红色He-Ne激光(波长632.8nm，输出10mW)。

图像传感器使用了单色摄像机连杆CCD摄像机。图6的图像对各个波长光进行由空气中以及立方体型分束器构成的光束耦合器3内的光传播计算，使通过数值计算求出的蓝色、绿色以及红色的再现图像重合而再现。再现无焦点偏移、颜色偏差及失真的高画质的彩色图像。这表示对于蓝色、绿色以及红色各自的波长光，准确地进行使用了立方体型分束器的物体光的记录、以及空气中及立方体型分束器内的光传播计算。

(实施例2：透射型全息显微镜)

图19(a)(b)是使用图7、图8的透射型全息显微镜的光学系统得到的USAF测试目标的图像。作为相干光源，使用蓝色的半导体激励固体激光(波长473nm，输出30mW)。在CCD摄像机的前方放置被拍摄体的USAF测试目标，记录物体光O和离轴参照光R所形成的干涉条纹。另外，去除被拍摄体的USAF测试目标，记录了同轴球面波参照光L和离轴参照光R所形成的干涉条纹。

由记录的2张干涉条纹生成复振幅同轴全息图J_OL，将其分割为16×16，得到256张分割记录全息图。对各分割记录全息图进行数据插补和空间外差调制后，进行分割全息图(微小全息图gi)的重合，得到图像再现用的微小全息图(合成微小全息图Σ)。对所得到的合成微小全息图Σ进行使用了FFT的数值计算，再现图像。

图19(a)是合成微小全息图Σ、即从复振幅同轴全息图J_OL不仅在空气中而且在队列分离器内进行光传播计算而再现的USAF测试目标的图像。记录全息图的数值孔径NA为NA＝0.5，相对于该数值孔径的理论分辨率为0.457μm。图19(b)是图19(a)的部分放大再现图像。

图19(a)中的较大的矩形区域a1、其中的矩形区域a2、进一步其中的矩形区域a3、以及图19(b)中的矩形区域a2、a3的外形未观察到失真。即，能够确认各矩形区域a1、a2、a3的外形由直线构成，可知在再现图像中没有产生失真。另外，由于能够清楚地识别出图19(b)中的线与线间的宽度0.775μm的图案，因此可知得到与理论值相同程度的分辨率。

(比较例)

图20(a)表示作为图19(a)的比较例，仅进行空气中的光传播计算而再现的图像，图20(b)表示其部分放大图像。在光传播计算时，利用具有立方体进深的折射率倍的进深的空气中的光传播来近似地计算立方体型分束器内的光传播。

当将图20(a)与图19(a)进行比较时，通过光传播的近似，能够在图20(a)的周边部确认图像的失真和焦点模糊。另外，将图20(b)与图19(b)进行比较可知，在图20(b)中产生分辨率的降低和图像的模糊。由于立方体型分束器内的光传播计算的近似而产生的图像失真、焦点模糊、以及分辨率降低随着数值孔径变大而变得显著，为了再现大开口物体光，需要准确地进行立方体型分束器内的光传播计算。

(实施例3：透射型全息显微镜)

图21是干燥硅藻的光强度图像，图22是与该光强度图像对应的相位差图像，使用图7、图8的透射型全息显微镜的光学系统进行拍摄并再现。记录全息图的数值孔径NA为NA＝0.5。图10的相位差图像是表示物体光与照明光的相位差的图像。根据再生后的光强度图像和相位差图像，能够观察更细小的试样的结构。

(实施例4：反射型全息显微镜)

图23(a)(b)是使用图9、图10的反射型全息显微镜的光学系统得到的USAF测试目标的图像。记录全息图的数值孔径NA为NA＝0.5，理论分辨率为0.457μm。另外，在图23(b)的部分放大图像中，在矩形区域a1和其中的矩形区域a2中观察不到失真。即，可知在再现图像中没有产生失真。另外，可知能够清楚地识别出图23(b)中的线与线间的宽度0.775μm的图案，在反射型中也能够得到与透射型相同程度的分辨率。

此外，本发明不限于上述结构，能够进行各种变形。例如，可以采用将上述各实施方式的结构相互组合的结构。另外，也可以将立方体型的光束耦合器3设为立方体型无偏转光束耦合器，在光学系统2中组装有偏转元件的全息摄像装置。根据这样的全息摄像装置，能够应用于偏振光全息显微镜或椭偏仪，能够准确地单拍记录偏振光物体光。

(工业实用性)

作为相对于现有技术的本发明的新颖性和优越性，可列举：(1)能够准确地单拍记录遍及大范围的开口的物体光，(2)能够构成具有简单且具有稳定构造的紧凑的记录用光学系统，(3)能够将记录物体光的数值孔径NA增大到接近1的值，(4)能够将同一光学系统作为用于透射型、反射型以及偏光型的高分辨率全息显微镜用的全息图记录用而利用，(5)能够通过光束耦合器表面的光反射防止处理、光吸收处理来避免表面反射光、杂散光的影响。

从上述优越性出发，本发明能够在光学、数字全息摄影、光计测、应用光信息、显微镜的领域中利用于活用这些优点的广泛的用途。另外，从技术应用的观点出发，考虑有精密计测、纳米技术、生物体光计测、生物技术、医疗诊断等领域中的利用。作为具体的利用例，可举出表面的微小伤痕、灰尘等的高精度检测与计测、体积中微粒的精密光计测、培养液中的生物体组织、生物体细胞的长工作距离宽视场高分辨率计测或超高分辨率计测、通过低能量照明而产生的生物体组织的超高分辨率计测、使用了光相位或光偏振光的透明生物体组织的超高分辨率计测、使用了反射物体光的超高分辨率的3维光学计测等。

(标号说明)

1 全息摄像装置

2 光学系统

3 光束耦合器

31a 倒角部

4 物体

5 图像传感器

50 全息图面

6 数据保存部

10 数据取得部

12 图像再现部

13 复振幅全息图生成部

14 计算参照光全息图生成部

15 物体光全息图生成部

I_LR 参照光离轴全息图

I_OR 物体光离轴全息图

I_TR 目标离轴全息图

j_L 同轴参照光全息图

j_Lm 变换波长同轴参照光全息图

J_OL 物体光的复振幅同轴全息图

O 物体光

O_T 目标的物体光

Q 照明光

R 离轴参照光

L 同轴球面波参照光

P2 同轴球面波参照光的聚光点

P1 离轴参照光的聚光点

T 目标

g 物体光全息图

g_T 目标物体光全息图

h 再现物体光全息图

m 系数

ρ 从图像传感器到同轴球面波参照光的聚光点的距离

相位

相位

λ 光波长

λ_m 变换波长。