著者：情報通信研究機構 田原 樹
1. はじめに
3次元画像計測技術に関する研究開発は長年行なわれている。その内の一つとしてデジタルホログラフィ1）は，単眼で3次元画像情報を取得でき，透明物体等の定量位相画像情報を計測でき，物理的な被写界深度を超えて画像計測できる次世代3次元計測技術として長年研究開発されてきた。現在デジタルホログラフィに対して，世界的にベンチャー企業が設立される等，社会実装の機運が高まっている。
一方，一般的にデジタルホログラフィは光源にレーザーを必要とするため，適用可能な場面が限定される。あらゆる場面での適用を目指して我々は，日常生活にて用いられる光源を用いたデジタルホログラフィ技術・光学システムを研究開発してきた。各種技術とその進展を紹介する。
2. 日常光デジタルホログラフィ（自然光デジタルホログラフィ2））
図1に日常光を用いるデジタルホログラフィの光学システム概略を示す。日常光デジタルホログラフィ（または自然光デジタルホログラフィ2））には，図1（a）に示す，自己干渉計を用いて完全パッシブホログラフィを実現する光学システムと3〜7），図1（b）に示す，空間的に部分コヒーレントな照明光と自己参照干渉計を用いて3次元空間のホログラフィック定量位相計測を行なう光学システム8, 9）が提案されている。
デジタルホログラフィでは通常，レーザー光源を用い，物体照明光と干渉生成のための光波（参照光）の2光波を生成する。物体に物体照明光を照射し，イメージセンサーを用いて物体の3次元空間情報が含まれた，物体より回折した光波（物体光）の干渉縞画像（デジタルホログラム）を取得する。
一方，図1（a）の日常光デジタルホログラフィにおいては，太陽光照明下のシャボン玉や道路上油膜に生成される干渉模様，白色光照明下のニュートン環が示す，自己干渉と呼ばれる現象を利用する。薄膜または2光学素子により生成される2自然光波の光路長差が波長レベルの時，自然光波同士は干渉し，干渉模様または同心円状の干渉縞画像を生成する。この自己干渉現象は，空間的，時間的にインコヒーレントな自然光でさえも自らの光波に対しては干渉する事を示している。
この自己干渉を利用すると，自然光の3次元空間情報をホログラムとして取得できる。具体的には図1（a）に示す自己干渉計を用いた光学システムの通り，偏光子を通してコヒーレントな偏光状態を生成し，水晶レンズ，液晶レンズ等複屈折レンズを用いて，波面の曲率半径が異なり偏光方向が直交する2物体光を生成する。日常光はレーザー光と異なり可干渉距離が短いため，イメージセンサー面への到達タイミングが合う様に，2光波の光路長差を合わせる複屈折位相板を設置する。単一露光位相シフト干渉法10〜12）に用いられる1/4波長板とフルカラー偏光イメージセンサーを用いると，デモザイキングと位相シフトホログラフィ13）の信号処理を通じて1枚のホログラムよりフルカラー3次元画像情報を像再生する。
図1（b）に示す自己参照干渉計を用いた光学システムにおいては，ホログラフィ14, 15）よりも前に発明された，ゼルニケ位相差顕微鏡16）に見られる自己参照干渉計を活用する。ハロゲンランプやLEDを光源に用い，光学顕微鏡等に見られる照明光学系を通じて，光波の進む方向が真っ直ぐな，空間的に部分コヒーレントな照明光を物体に導入する。物体光に対してフーリエ変換光学系を用い，物体光のフーリエ変換面に相当する面に空間光位相変調素子を設置して物体光の内，ランダム位相開口付き位相マスク8）を用いて照明光と伝搬方向が同様の光波成分を一部参照光に変換する。イメージセンサー面にて物体光と参照光が干渉してホログラムを形成するため，これをデジタル撮影する。空間光位相変調素子を制御して位相変調量を逐次変更すると，位相シフトデジタルホログラムを得られる。位相シフトホログラフィの信号処理を通じて3次元空間における光強度画像と定量位相画像を再生する。
また，我々の研究グループが発明した多次元多重位相シフト干渉法：計算コヒーレント多重技術17, 18）を適用すると，複数波長帯のホログラムを多重記録した後，信号処理を通じて3次元空間における複数波長帯の光強度画像と定量位相画像を再生できる。
