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技術 撮像システム及び撮像方法

出願人 浜松ホトニクス株式会社
発明者 渡辺向陽高橋考二井上卓伊藤晴康
出願日 2016年3月30日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2016-067875
公開日 2017年10月5日 (4年1ヶ月経過) 公開番号 2017-183994
状態 特許登録済
技術分野 写真撮影方法及び装置 光学的手段による材料の調査、分析 スタジオ装置
主要キーワード 一次元型 三角パルス シェーパー 分散ステップ 選択面 初期パルス スペクトル位相 偏光面回転角
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (12)

課題

撮像速度の更なる高速化が可能な撮像ステム及び撮像方法を提供する。

解決手段

撮像システム1Aは、初期パルス光Lpを出力する光源21と、初期パルス光Lpの偏光面を回転させる偏光制御部22と、偏光面を回転された初期パルス光Lpを入力し、第1の偏光方向を有する第1のパルス光Lp1と、第1の偏光方向とは異なる第2の偏光方向を有する第2のパルス光Lp2とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形部10Aと、パルス光Lp1,Lp2を撮像対象物Bに照射する照射光学系23と、撮像対象物Bにおいて反射または透過したパルス光Lp1,Lp2を偏光方向に基づいて分離する光分離素子24と、分離されたパルス光Lp1を撮像する撮像部25と、分離されたパルス光Lp2を撮像する撮像部26とを備える。

概要

背景

特許文献1、非特許文献1及び2には、高速撮影に関する技術が開示されている。これらの文献に記載された装置及び方法では、まず、単一の光パルスから、波長が互いに異なり互いに時間差を有する複数の光パルスからなる照射光ストロボ光)を生成する。次に、その照射光を撮影対象物照射し、撮影対象物からの透過光または反射光に、各波長に対応する複数のタイミングにおける撮影対象物の像情報を記録する。そして、透過光または反射光を波長成分毎に空間的に分離し、各波長成分撮像する。

概要

撮像速度の更なる高速化が可能な撮像システム及び撮像方法を提供する。撮像システム1Aは、初期パルス光Lpを出力する光源21と、初期パルス光Lpの偏光面を回転させる偏光制御部22と、偏光面を回転された初期パルス光Lpを入力し、第1の偏光方向を有する第1のパルス光Lp1と、第1の偏光方向とは異なる第2の偏光方向を有する第2のパルス光Lp2とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形部10Aと、パルス光Lp1,Lp2を撮像対象物Bに照射する照射光学系23と、撮像対象物Bにおいて反射または透過したパルス光Lp1,Lp2を偏光方向に基づいて分離する光分離素子24と、分離されたパルス光Lp1を撮像する撮像部25と、分離されたパルス光Lp2を撮像する撮像部26とを備える。

目的

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、撮像間隔の更なる短時間化が可能な撮像システム及び撮像方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも1つの初期パルス光を出力する光源と、前記初期パルス光の偏光面を回転させる偏光制御部と、偏光面を回転された前記初期パルス光を入力し、第1の偏光方向を有する第1のパルス光と、前記第1の偏光方向とは異なる第2の偏光方向を有する第2のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形部と、前記第1のパルス光及び前記第2のパルス光を撮像対象物照射する照射光学系と、前記撮像対象物において反射または透過した前記第1のパルス光及び前記第2のパルス光を偏光方向に基づいて分離する光分離素子と、分離された前記第1のパルス光を撮像する第1の撮像部と、分離された前記第2のパルス光を撮像する第2の撮像部と、を備える、撮像システム

請求項2

前記光パルス整形部は、偏光面を回転された前記初期パルス光を波長毎に分散する分散素子と、前記第1の偏光方向に変調作用を有する偏光依存型空間光変調器とを有する、請求項1に記載の撮像システム。

請求項3

前記空間光変調器は、前記第1の偏光方向に対して偏光面が回転し波長毎に分散された前記初期パルス光を入力し、前記初期パルス光に含まれる前記第1の偏光方向の偏光成分の位相スペクトル変調する、請求項2に記載の撮像システム。

請求項4

前記偏光制御部は、偏光面回転角可変に設定可能である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の撮像システム。

請求項5

前記第1の撮像部は第1の撮像素子を含み、前記第2の撮像部は前記第1の撮像素子と異なる第2の撮像素子を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の撮像システム。

請求項6

前記第1の撮像部と前記第2の撮像部とが、共通の撮像素子を含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の撮像システム。

請求項7

少なくとも1つの初期パルス光を出力する光出力テップと、前記初期パルス光の偏光面を回転させる光制御ステップと、偏光面を回転された前記初期パルス光を入力し、第1の偏光方向を有する第1のパルス光と、前記第1の偏光方向とは異なる第2の偏光方向を有する第2のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形ステップと、前記第1のパルス光と前記第2のパルス光を撮像対象物に照射する照射ステップと、前記撮像対象物において反射または透過した前記第1のパルス光及び前記第2のパルス光を偏光方向に基づいて分離する分離ステップと、分離された前記第1のパルス光及び前記第2のパルス光を撮像する撮像ステップと、を含む、撮像方法

請求項8

前記光パルス整形ステップにおいては、前記偏光面が回転され波長毎に分散された前記パルス光を空間光変調器に入力し、前記空間光変調器により、前記初期パルス光に含まれる前記第1の偏光方向の偏光成分の位相スペクトルを変調する、請求項7記載の撮像方法。

技術分野

0001

本発明は、撮像ステム及び撮像方法に関するものである。

背景技術

0002

特許文献1、非特許文献1及び2には、高速撮影に関する技術が開示されている。これらの文献に記載された装置及び方法では、まず、単一の光パルスから、波長が互いに異なり互いに時間差を有する複数の光パルスからなる照射光ストロボ光)を生成する。次に、その照射光を撮影対象物照射し、撮影対象物からの透過光または反射光に、各波長に対応する複数のタイミングにおける撮影対象物の像情報を記録する。そして、透過光または反射光を波長成分毎に空間的に分離し、各波長成分を撮像する。

0003

特開2015−41784号公報

先行技術

0004

K. Nakagawa, et. al., “Sequentially timed all-optical mappingphotography (STAMP),” Nature Photonics,8, pp695-700 (2014).
M. Tamamitsu, et. al., “Design for sequentially timed all-optical mapping photography withoptimum temporal performance,” Optics Letters, 40, pp633-636 (2015).

発明が解決しようとする課題

0005

非特許文献2に記載されているように、上述した従来の方式では、複数の光パルスの時間差(すなわちフレームインターバル)を短くしようと試みると、時間的に互いに隣接する光パルスがオーバーラップする現象が生じる。各々の光パルスの波長がそれぞれ異なる(すなわち帯域制限を受けている)ので、元の単一の光パルスと比べて各々の光パルスの時間波形が大幅に伸展してしまうからである。これにより、撮像画像モーションブラー(motion blur:動いている対象をカメラ撮影した時に生じるブレ)が生じる。それ故に、上述した従来の方式では、フレームインターバル(撮像間隔)の更なる短時間化が難しい。

0006

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、撮像間隔の更なる短時間化が可能な撮像システム及び撮像方法を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0007

上述した課題を解決するために、本発明による撮像システムは、少なくとも1つの初期パルス光を出力する光源と、初期パルス光の偏光面を回転させる偏光制御部と、偏光面を回転された初期パルス光を入力し、第1の偏光方向を有する第1のパルス光と、第1の偏光方向とは異なる第2の偏光方向を有する第2のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形部と、第1のパルス光及び第2のパルス光を撮像対象物に照射する照射光学系と、撮像対象物において反射または透過した第1のパルス光及び第2のパルス光を偏光方向に基づいて分離する光分離素子と、分離された第1のパルス光を撮像する第1の撮像部と、分離された第2のパルス光を撮像する第2の撮像部と、を備える。

0008

また、本発明による撮像方法は、少なくとも1つの初期パルス光を出力する光出力テップと、初期パルス光の偏光面を回転させる光制御ステップと、偏光面を回転された初期パルス光を入力し、第1の偏光方向を有する第1のパルス光と、第1の偏光方向とは異なる第2の偏光方向を有する第2のパルス光とを、互いに時間差を持たせて出力する光パルス整形ステップと、第1のパルス光と第2のパルス光を撮像対象物に照射する照射ステップと、撮像対象物において反射または透過した第1のパルス光及び第2のパルス光を偏光方向に基づいて分離する分離ステップと、分離された第1のパルス光及び第2のパルス光を撮像する撮像ステップと、を含む。

0009

上記の撮像システム及び撮像方法では、照射光学系が(もしくは照射ステップにおいて)、互いに偏光方向が異なり時間差を有する第1のパルス光及び第2のパルス光を、照射光(ストロボ光)として撮像対象物に照射する。そして、撮像対象物からの反射光または透過光を、これらの偏光方向に基づいて分離する。この場合、各パルス光が帯域制限を受けないので、パルス光間の時間差を、上述した従来技術よりも短くすることが可能となる。すなわち、上記の撮像システム及び撮像方法によれば、モーションブラーの影響を受けることなく、フレームインターバルの更なる短時間化を行うことができる。

0010

上記の撮像システムでは、光パルス整形部が、偏光面を回転された初期パルス光を波長毎に分散する分散素子と、第1の偏光方向に変調作用を有する偏光依存型空間光変調器とを有してもよい。さらに、上記の撮像システムでは、空間光変調器が、第1の偏光方向に対して偏光面が回転し波長毎に分散された初期パルス光を入力し、初期パルス光に含まれる第1の偏光方向の偏光成分の位相スペクトル変調してもよい。また、上記の撮像方法では、光パルス整形ステップにおいて、偏光面が回転され波長毎に分散されたパルス光を空間光変調器に入力し、空間光変調器により、初期パルス光に含まれる第1の偏光方向の偏光成分の位相スペクトルを変調してもよい。

0011

この光パルス整形部(光パルス整形ステップ)では、初期パルス光が各波長成分に分散されたのち、空間光変調器によって波長毎に変調される。その後、変調された各波長成分が合成される。故に、空間光変調器に提示される位相パターンを制御することによって、任意の時間遅れを付与することができる。加えて、この光パルス整形部(光パルス整形ステップ)では、空間光変調器が偏光依存型であり、空間光変調器に入力する初期パルス光の偏光面は、空間光変調器が変調作用を有する偏光方向に対して傾斜している(回転している)。すなわち、その偏光方向の偏光成分は変調され、これとは異なる(直交する)偏光成分は変調されない。従って、例えば第1の偏光方向の偏光成分に時間遅れを付与することにより、第1の偏光方向を有する第1のパルス光と第2の偏光方向を有する第2のパルス光との間に時間差を生じさせることができる。更に、空間光変調器に提示される位相パターンを変更することにより遅れ時間を変更することができるので、フレームインターバルを容易に変更することができる。

0012

上記の撮像システムでは、偏光制御部が、偏光面回転角可変に設定可能であってもよい。これにより、第1のパルス光と第2のパルス光との強度比を容易に変更することができる。

0013

上記の撮像システムにおいて、第1の撮像部が第1の撮像素子を含み、第2の撮像部が第1の撮像素子と異なる第2の撮像素子を含んでもよい。あるいは、第1の撮像部と第2の撮像部とが、共通の撮像素子を含んでもよい。例えばこれらの何れかの構成によって、極めて短い時間差を有する第1のパルス光及び第2のパルス光を好適に撮像することができる。

発明の効果

0014

本発明による撮像システム及び撮像方法によれば、撮像間隔の更なる短時間化が可能となる。

図面の簡単な説明

0015

本発明の一実施形態に係る撮像システムの構成を概略的に示す図である。
光パルス整形部(パルスシェーパー)の構成を示す図である。
(a)光源から出力されたパルス光の時間波形の一例を示す。(b)光パルス整形部から出力された2つのパルス光の時間波形の一例を示す。(c)時間波形が互いに相違し且つ時間差を有する2つのパルス光の時間波形の一例を示す。
空間光変調器の変調面概念的に示す図である。
(a)第1のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。(b)第1のパルス光及び第2のパルス光の時間強度波形を示す。(c)(b)に示される各パルス光の偏光方向を示す。
(a)第1のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。(b)第1のパルス光及び第2のパルス光の時間強度波形を示す。(c)(b)に示される各パルス光の偏光方向を示す。
(a)第1のパルス光に与えるスペクトル波形を示す。(b)第1のパルス光及び第2のパルス光の時間強度波形を示す。(c)(b)に示される各パルス光の偏光方向を示す。
一実施形態に係る撮像方法を示すフローチャートである。
第1変形例を示す図である。
第1変形例に係る撮像素子の撮像面を示す図である。
第2変形例を示す図である。

実施例

0016

以下、添付図面を参照しながら本発明による撮像システム及び撮像方法の実施の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

0017

図1は、本発明の一実施形態に係る撮像システム1Aの構成を概略的に示す図である。この撮像システム1Aは、図1に示されるように、照射装置3、光分離素子24、第1の撮像部(カメラ)25、及び第2の撮像部(カメラ)26を備える。

0018

照射装置3は、第1の偏光方向を有する第1のパルス光(第1のサブパルス光)Lp1と、その第1の偏光方向とは異なる(例えば第1の偏光方向と直交する)第2の偏光方向を有する第2のパルス光(第2のサブパルス光)Lp2とを、互いに時間差を持たせて撮像対象物Bに照射する。そのために、照射装置3は、光源21、偏光制御部22、光パルス整形部(パルスシェーパー)10A、及び照射光学系23を有する。

0019

光源21は、例えばレーザ光といった少なくとも1つのパルス光Lp(初期パルス光)を出力する。光源21は、例えばチタンサファイアレーザYAGレーザなどの固体レーザファイバレーザ、或いは半導体レーザによって構成される。そして、パルス光Lpは直線偏光(偏光方向A1)を有する。図3(a)は、光源21から出力されたパルス光Lpの時間強度波形の一例を示す。図3(a)の縦軸は光強度を示す。

0020

偏光制御部(偏光制御素子)22は、光源21と光学的に結合され、後述するSLM14に入力されるパルス光Lpの偏光面を回転させる。これにより、SLM14に入力するパルス光Lpは、偏光方向A1の偏光成分と、偏光方向A1に交差する偏光方向A2の偏光成分とを含む。偏光方向A2は、例えば、偏光方向A1に直交する。偏光制御部22は、例えば、光学素子である。偏光制御部22としては、例えばλ/2板等の波長板偏光子ファラデーローテータバリアブルローテータ偏光変調型SLMなどが用いられ得る。更に、偏光制御部22は、偏光面回転角を可変に設定可能であることが望ましい。

0021

光パルス整形部10Aは、偏光面を回転された初期パルス光Lpを入力し、入力されたパルス光Lpから、第1の偏光方向を有するパルス光Lp1と、第1の偏光方向とは交差する(例えば直交する)第2の偏光方向を有するパルス光Lp2とを生成する。また、光パルス整形部10Aは、パルス光Lp1を任意の時間強度波形に制御し、かつパルス光Lp2に対して時間差を与える。図2は、光パルス整形部10Aの構成を示す図である。図2に示されるように、光パルス整形部10Aは、ビームスプリッタ11、分散素子12、集光光学系13、及び空間光変調器(Spatial Light Modulator;SLM)14を有する。具体的には、ビームスプリッタ11、分散素子12、集光光学系13、及びSLM14がこの順で光結合されている。

0022

ビームスプリッタ11は、偏光制御部22から入力されたパルス光Lpを透過する。分散素子12は、パルス光Lpを波長毎に分散(分光)する。ここで分散とは、パルス光Lpに含まれる各波長成分を波長毎に空間的に分離することをいう。図2には、理解の容易のため6つの波長成分Lλ1〜Lλ6が示されている。分散素子12としては、例えば回折格子グレーティング)やプリズムなど様々な分散素子が適用され得る。また、分散素子12は、反射型透過型のいずれであってもよい。また、分散素子12は、複数の分散素子から構成されてもよい。

0023

集光光学系13は、分散素子12から波長成分毎に異なる方向に出力した各波長成分Lλ1〜Lλ6の伝播方向を相互に揃えるとともに、各波長成分Lλ1〜Lλ6をそれぞれSLM14にて集光させる。具体的には、集光光学系13は、少なくとも分散素子12の波長分散方向を含む平面内においてレンズパワーを有している。このような集光光学系13としては、例えばレンズシリンドリカルレンズが用いられる。また、集光光学系13としては、透過型のレンズに限らず例えば凹面鏡などの反射型のレンズが用いられてもよい。

0024

SLM14は、複数の変調画素二次元状に配列された変調面14aを有する。SLM14は、位相変調型(若しくは位相強度変調型)SLMであって、分散後のパルス光Lpを波長毎に変調する。すなわち、変調面14aは、複数の波長成分にそれぞれ対応する複数の変調領域を含んでおり、これらの変調領域は分散素子12の分散方向に並んでいる。そして、各波長成分Lλ1〜Lλ6は、対応する変調領域に入力し、その変調領域に提示された変調パターンに応じて各々独立に変調される。なお、SLM14は、反射型及び透過型のいずれであってもよい(図には反射型を例示)。また、SLM14は、一次元型空間光変調器及び二次元型空間光変調器のいずれであってもよい。

0025

また、SLM14は偏光依存性を有しており、或る偏光成分については変調作用を有するが、その該偏光成分以外の偏光成分については変調作用を有しない。例えば、パルス光Lp1が有する第1の偏光方向については変調作用を有するが、パルス光Lp2が有する第2の偏光方向については変調作用を有しない。一例として、SLM14は液晶型(Liquid Crystal on Silicon;LCOS)のSLMである。液晶型SLMでは、液晶の複屈折性を用いて位相変調を行うので、液晶の配向方向に沿った偏光方向の成分のみが変調され、その偏光成分と直交する偏光方向の成分は変調されない。

0026

図4は、SLM14の変調面14aを概念的に示す図である。ここで、変調作用を有する第1の偏光方向(変調軸方向)X及び変調作用を有しない第2の偏光方向(非変調軸方向)Yを定義する。変調軸方向Xと非変調軸方向Yとは互いに直交し、変調軸方向Xは液晶の配向方向と一致する。SLM14に入力するパルス光Lpの偏光方向ベクトルE(但し、ベクトルの大きさは光強度に相当)は、偏光制御部22によって回転された結果、変調軸方向Xに対して傾斜する。そのため、変調軸方向Xに沿った第1の偏光成分EMOはSLM14によって変調されるが、変調軸方向Xと直交する非変調軸方向Yに沿った第2の偏光成分ENONは、変調されることなくSLM14をそのまま反射(或いは透過)する。従って、時間的に遅延する(或いは進む)位相パターンをSLM14に提示させて第1の偏光成分EMOの位相スペクトルを制御することにより、第1の偏光成分EMOから成る第1のパルス光Lp1と、第2の偏光成分ENONから成る第2のパルス光Lp2との間に時間差が生じることとなる。この時間差は、例えばフェムト秒オーダーである。図3(b)は、光パルス整形部10Aから出力されたパルス光Lp1,Lp2の時間強度波形の一例を示す。

0027

第1の偏光成分EMO及び第2の偏光成分ENONは、変調軸方向Xに対するパルス光Lpの偏光面の回転角θを用いて以下の数式により表すことができる。つまり、偏光制御部22において回転角θを操作することにより、パルス光Lp1,Lp2の強度比を操作することが可能となる。回転角θが45°である場合、パルス光Lp1,Lp2の光強度は互いに等しくなる。回転角θ(単位:度)は、90×n(nは整数)以外であればよい。
EMO=Ecosθ
ENON=Esinθ

0028

SLM14は、第1の偏光成分EMOを時間的に遅延させる(或いは進む)位相パターンに重畳して、パルス光Lp1の時間強度波形を変化させるような位相パターンを更に提示してもよい。すなわち、各波長成分Lλ1〜Lλ6の波長が既知である場合、所望の時間強度波形を形成するための位相スペクトル及び強度スペクトルを算出可能であることから、算出した位相スペクトル及び強度スペクトルに基づく位相パターンをSLM14に提示させて各波長成分Lλ1〜Lλ6を変調することにより、所望の時間強度波形のパルス光Lp1を出力することができる。その場合、図3(c)に示されるように、時間強度波形が互いに相違し且つ時間差を有するパルス光Lp1,Lp2を容易に生成できる。なお、パルス光Lp1の時間強度波形は任意の波形に整形されることができ、例えばパルス光Lp1の時間幅を拡げる、パルス光Lp1を更に複数のパルス光(パルス列)に分割する、或いはチャープパルスとする等が可能である。

0029

SLM14から出力された各波長成分Lλ1〜Lλ6は、再び集光光学系13を通過する。その際、集光光学系13は、各波長成分Lλ1〜Lλ6をそれぞれ異なる方向に出力させ、各波長成分Lλ1〜Lλ6を分散素子12において空間的に重ねるとともに、各波長成分Lλ1〜Lλ6をそれぞれ平行化させる。分散素子12は、変調後のパルス光Lp1の各波長成分Lλ1〜Lλ6を合成するとともに、パルス光Lp2の各波長成分Lλ1〜Lλ6を合成する。合成後のパルス光Lp1,Lp2は、ビームスプリッタ11において反射し、パルス光Lpの入力方向とは異なる方向へ出力される。

0030

なお、本実施形態では分散素子12と集光光学系13とが分散及び合成の双方を行う形態を例示したが、分散及び合成はそれぞれ別個素子によって行われてもよい。例えば、SLM14を透過型とし、SLM14を透過した各波長成分Lλ1〜Lλ6を異なる方向に出力する分散素子と、出力された各波長成分Lλ1〜Lλ6を空間的に重ねるとともに各波長成分Lλ1〜Lλ6をそれぞれ平行化させる集光光学系とをSLM14の後段に配置することによって、そのような形態が可能となる。また、SLM14から出力された各波長成分Lλ1〜Lλ6を照射光学系23に導光し、照射光学系23による集光により、パルス光Lp1,Lp2を生成してもよい。さらに、本実施形態ではビームスプリッタ11を用いてパルス光Lpとパルス光Lp1,Lp2とを分離しているが、例えば変調面14aに対する各波長成分Lλ1〜Lλ6の入力方向を変調面14aの法線に対して傾けることによって、ビームスプリッタ11を用いることなくパルス光Lpとパルス光Lp1,Lp2とを分離することができる。

0031

再び図1を参照する。照射光学系23は、光パルス整形部10Aで生成されたパルス光Lp1,Lp2を撮像対象物Bに照射する。

0032

撮像対象物Bは、パルス光Lp1,Lp2の照射を受け、これらのパルス光Lp1,Lp2を反射または透過する。これらの透過光または反射光は、パルス光Lp1の照射時刻t1と、パルス光Lp2の照射時刻t2(≠t1)とにおける撮像対象物Bの像情報をそれぞれ保持している。

0033

撮像対象物Bにおいて反射または透過したパルス光Lp1,Lp2は、互いに偏光方向が異なるので、その偏光方向に基づいて分離可能である。光分離素子24は、撮像対象物Bにおいて反射または透過したパルス光Lp1,Lp2を受け、これらのパルス光Lp1,Lp2を偏光方向に基づいて互いに分離する光学素子である。光分離素子24は、例えばグラントソンプリズム、ウォーラストンプリズムサヴァール板偏光ビームスプリッター、或いは偏光プリズムによって好適に実現される。図1に示される例では、光分離素子24が偏波選択面24aを有しており、パルス光Lp1が偏波選択面24aを透過して一方の光出力面から出力され、パルス光Lp2が偏波選択面24aにおいて反射し、他方の光出力面から出力される。

0034

撮像部25は、光分離素子24の一方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Lp1に伴う像を撮像する光検出器を含む。すなわち、撮像部25は、パルス光Lp1をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。撮像部26は、光分離素子24の他方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Lp2に伴う像を撮像する。すなわち、撮像部26は、パルス光Lp2をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。撮像部25,26によって撮像された2枚の画像は、それぞれ照射時刻t1,t2における画像であり、極めて短い時間間隔(例えばフェムト秒オーダー)の連続画像である。動画撮影においては、これらの画像が、連続するフレームを構成する。なお、本実施形態では、撮像部25は第1の撮像素子を含み、撮像部26は第1の撮像素子と異なる第2の撮像素子を含む。言い換えれば、撮像部25,26はそれぞれ別個の撮像素子によって構成されている。撮像部25,26は、例えばCCDイメージセンサCMOSイメージセンサ、或いはストリークカメラによって好適に構成される。

0035

また、前述したように、本実施形態では偏光制御部22における回転角θを操作することにより、パルス光Lp1,Lp2の強度比を操作することが可能である。つまり、回転角θを操作することによって、各フレーム画像露光量の調整を行うことができる。

0036

ここで、パルス光Lp1の時間強度波形を変化させない場合(図3(b)参照)における撮像間隔(フレームインターバル)の調整方法の一例について説明する。図5(a)は、パルス光Lp1に与えるスペクトル波形(グラフG1:スペクトル強度、グラフG21〜G23:スペクトル位相)を示す。図5(b)のグラフG31〜G33はパルス光Lp1の時間強度波形を示し、グラフG4はパルス光Lp2の時間強度波形を示す。図5(c)は、図5(b)に示される各パルス光の偏光方向を示す。図5(a)に示されるように、SLM14は、パルス光Lp1に対し、一次関数型の位相パターンG21を与える。そして、その傾きをグラフG22、G23のように順次傾ける(図中の矢印A1)。これにより、パルス光Lp1は、グラフG31からG32を経てG33まで順次移動する(図中の矢印A2)ので、パルス光Lp1とパルス光Lp2との時間差が順次変化する。すなわち、照射時刻t1,t2の間隔が順次変化するので、適切な傾きを設定することにより、撮像間隔を任意の時間に調整する(設定する)ことができる。原理的には、撮像間隔を限りなく短くすることが可能である。

0037

次に、パルス光Lp1の時間強度波形を変化させる場合(図3(c)参照)における撮像間隔(フレームインターバル)の調整方法の一例について説明する。図6(a)は、パルス光Lp1に与えるスペクトル波形(グラフG5:スペクトル強度、グラフG6:スペクトル位相)を示す。図6(b)のグラフG7はパルス光Lp1の時間強度波形を示し、グラフG8はパルス光Lp2の時間強度波形を示す。図6(c)は、図6(b)に示される各パルス光の偏光方向を示す。図6(a)に示されるように、SLM14は、パルス光Lp1に対し、時間遅延を与える為の一次関数型の位相パターンと、時間強度波形を制御する為の位相パターン(例えば二次関数型の位相パターン)とが加算されてなる位相パターンG6を与える。これにより、パルス光Lp1の時間強度波形が任意の形状に制御される。図6には、二次関数型の位相パターンによってパルス光Lp1の時間幅が伸展された例が示されている。この例では、時間幅の伸展により、パルス光Lp1の撮像対象物Bに対する照明(露光)時間がパルス光Lp2と比べて長くなる。つまり、照明(露光)時間の調整が可能となる。

0038

そして、図5の場合と同様に、位相パターンG6を構成する一次関数型の位相パターンの傾きを順次傾ける(矢印A1)。これにより、パルス光Lp1が時間軸上を順次移動し(矢印A2)、パルス光Lp1とパルス光Lp2との時間差が順次変化する。すなわち、照射時刻t1,t2の間隔が順次変化するので、適切な傾きを設定することにより、撮像間隔を任意の時間に調整する(設定する)ことができる。

0039

パルス光Lp1の時間強度波形の変化は、上記のような時間幅の伸展に限られず、任意の形状(例えば矩形パルス三角パルスダブルパルス等)とすることが可能である。図7は、パルス光Lp1の時間強度波形をダブルパルスとする場合の撮像間隔(フレームインターバル)の調整方法を示す図である。図7(a)は、パルス光Lp1に与えるスペクトル波形(グラフG9:スペクトル強度、グラフG10,G11:スペクトル位相)を示す。図7(b)のグラフG12,G13はパルス光Lp1の時間強度波形を示し、グラフG14はパルス光Lp2の時間強度波形を示す。図7(c)は、図7(b)に示される各パルス光の偏光方向を示す。図7(a)に示されるように、SLM14は、パルス光Lp1に対し、波長の変化に対応して周期的に位相値の上下を繰り返す位相パターンG10を与える。そして、そのスペクトル位相パターンの周期をグラフG11へ連続的に変化させる。これにより、パルス光Lp1は、グラフG12からG13まで順次移動する(図中の矢印A2)ので、パルス光Lp1とパルス光Lp2との時間差が順次変化する。すなわち、照射時刻t1,t2の間隔が順次変化するので、適切なスペクトル位相パターンの周期を設定することにより、撮像間隔を任意の時間に調整する(設定する)ことができる。

0040

なお、図5(c)、図6(c)及び図7(c)に示されるように、パルス光Lp1とパルス光Lp2との時間差を順次変化させても、パルス光Lp1の偏光方向(変調軸方向X)とパルス光Lp2の偏光方向(非変調軸方向Y)とは、時間差にかかわらず常に直交状態を維持する。

0041

ここで、撮像システム1Aを用いた本実施形態の撮像方法について詳細に説明する。図8は、撮像方法を示すフローチャートである。まず、パルス光Lp1,Lp2を、互いに時間差を持たせて撮像対象物Bに照射する(ステップS1)。具体的には、まず、光源21からパルス光Lpを出力する(光出力ステップS11)。次に、パルス光Lpの偏光面を、偏光制御部22によって回転させる(偏光制御ステップS12)。続いて、分散素子12によってパルス光Lpを波長毎に分散する(分散ステップS13)。そして、分散後のパルス光Lpの位相スペクトルを、偏光依存型のSLM14を用いて波長毎に変調する(変調ステップS14)。このとき、SLM14に入力するパルス光Lpの偏光面を、変調軸方向Xに対して傾斜させた状態で、変調軸方向Xに沿ったパルス光Lpの第1の偏光成分EMOの位相スペクトルを変調することにより、第1の偏光成分EMOと第2の偏光成分ENONとの間に時間差を生じさせる。これにより、パルス光Lp2と、パルス光Lp2に対して時間差を有するパルス光Lp1とが生成される。なお、このステップにおいて、パルス光Lp1の時間強度波形を任意の波形に変換するように、第1の偏光成分EMOの位相スペクトルを更に変調してもよい。その後、変調後のパルス光Lp1,Lp2の各波長成分Lλ1〜Lλ6を、分散素子12によって合成し(合成ステップS15)、合成後のパルス光Lp1,Lp2を撮像対象物Bに照射する(照射ステップS16)。なお、本実施形態においては、分散ステップS13、変調ステップS14、及び合成ステップS15により、光パルス整形ステップが構成される。

0042

続いて、撮像対象物Bにおいて反射または透過したパルス光Lp1,Lp2を、光分離素子24において偏光方向に基づいて分離する(光分離ステップS2)。その後、分離されたパルス光Lp1,Lp2をそれぞれ撮像部25,26において撮像する(撮像ステップS3)。

0043

以上に説明した本実施形態の撮像システム1A及び撮像方法によって得られる効果について説明する。前述したように、波長が互いに異なり互いに時間差を有する複数の光パルスからなる照射光(ストロボ光)を撮影対象物に照射する従来の方式において、複数の光パルスの時間差(すなわちフレームインターバル)を短くしようと試みると、各々の光パルスが帯域制限を受け、その時間波形が大幅に伸展してしまう。これにより、撮像画像にモーションブラーが生じるという問題がある。

0044

これに対し、本実施形態の撮像システム1A及び撮像方法では、照射装置3が(もしくは照射ステップS1において)、互いに偏光方向が異なり時間差を有するパルス光Lp1,Lp2を、照射光(ストロボ光)として撮像対象物Bに照射する。そして、撮像対象物Bからの反射光または透過光を、これらの偏光方向に基づいて分離する。この場合、各パルス光Lp1,Lp2が帯域制限を受けないので、パルス光Lp1,Lp2間の時間差を、従来技術よりも短くすることが可能となる。すなわち、本実施形態の撮像システム1A及び撮像方法によれば、モーションブラーの影響を受けることなく、フレームインターバルの更なる短時間化を行うことができる。

0045

また、本実施形態の照射装置3によれば、SLM14に提示される位相パターンを変更することによりパルス光Lp1の遅れ時間を変更することができるので、フレームインターバルを容易に変更することができる。

0046

また、本実施形態のように、照射装置3は、SLM14に入力される初期パルス光Lpの偏光面を回転させる偏光制御部22を有してもよい。これにより、変調軸方向Xに対して初期パルス光Lpの偏光面を容易に傾斜させることができる。この場合、偏光制御部22は、偏光面回転角を可変に設定可能であってもよい。これにより、第1のパルス光Lp1と第2のパルス光Lp2との強度比を容易に変更することができる。

0047

また、本実施形態のように、撮像部25が第1の撮像素子を含み、撮像部26が第1の撮像素子と異なる第2の撮像素子を含んでもよい。このような構成により、極めて短い時間差を有するパルス光Lp1,Lp2を好適に撮像することができる。

0048

(第1変形例)
図9は、上記実施形態の第1変形例に係る撮像システム1Bの構成を示す図である。この撮像システム1Bと上記実施形態との相違点は、第1及び第2の撮像部の構成である。なお、第1及び第2の撮像部を除く撮像システム1Bの構成は、上記実施形態と同様であるため詳細な説明を省略する。

0049

撮像システム1Bは、上記実施形態の撮像部25,26に代えて、撮像素子27を備えている。図10は、撮像素子27の受光面28を示す平面図である。図10に示されるように、受光面28は、2つの受光領域28a,28bを有する。受光領域28aは本変形例の第1の撮像部であり、受光領域28bは本変形例の第2の撮像部である。このように、本変形例では、第1の撮像部と第2の撮像部とが、共通の撮像素子27の受光面28における別個の領域28a,28bによって構成されている。

0050

受光領域28aにおいて生成された電荷は、CDSアレイ29a及びA/D変換素子アレイ30aを含む読出回路によって読み出され、外部へ出力される。受光領域28bにおいて生成された電荷は、CDSアレイ29b及びA/D変換素子アレイ30bを含む読出回路によって読み出され、外部へ出力される。または、受光領域28a,28bにおいて生成された電荷は、CDSアレイ及びA/D変換素子アレイを含む共通の読出回路によって読み出され、外部へ出力されてもよい。

0051

図9に示されるように、受光領域28aは、光分離素子24の一方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Lp1を撮像する。すなわち、受光領域28aは、パルス光Lp1をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。受光領域28bは、光分離素子24の他方の光出力面と光学的に結合され、分離されたパルス光Lp2を撮像する。すなわち、受光領域28bは、パルス光Lp2をストロボ光として、その照射タイミングに同期するようなタイミングで撮像を行う。受光領域28a,28bによって撮像された2枚の画像は、それぞれ照射時刻t1,t2における画像であり、極めて短い時間間隔(例えばフェムト秒オーダー)の連続画像である。動画撮影においては、これらの画像が、連続するフレームを構成する。撮像素子27は、例えばCCDイメージセンサ或いはCMOSイメージセンサによって好適に構成される。

0052

本変形例のように、第1及び第2の撮像部は、共通の撮像素子27の受光面28における別個の領域28a,28bによって構成されてもよい。このような構成であっても、極めて短い時間差を有するパルス光Lp1,Lp2を好適に撮像することができる。

0053

(第2変形例)
図11は、上記実施形態の第2変形例に係る光パルス整形部(パルスシェーパー)10Bの構成を示す図である。本変形例の光パルス整形部10Bは、入力されたパルス光Lpから、第1の偏光方向を有するパルス光Lp1と、第1の偏光方向と交差する(例えば直交する)第2の偏光方向を有するパルス光Lp2とを生成する。また、光パルス整形部10Bは、パルス光Lp1,Lp2に対して時間差を与える。本変形例の光パルス整形部10Bは、光分離素子15、全反射ミラー16a,16b、移動ミラー光路長変更部)17、及び光結合素子18を有する。

0054

光分離素子15は、偏光制御部22から入力された入力されたパルス光Lpを、その偏光方向に基づいて分離する。これにより、パルス光Lpから、第1の偏光方向を有するパルス光Lp1と、第2の偏光方向を有するパルス光Lp2とが生成される。光分離素子15は、例えばグラントムソンプリズム、ウォーラストンプリズム、サヴァール板、偏光ビームスプリッター、或いは偏光プリズムによって好適に実現される。図11に示される例では、光分離素子15が偏波選択面15aを有しており、パルス光Lp1が偏波選択面15aを透過して一方の光出力面から出力され、パルス光Lp2が偏波選択面15aにおいて反射し、他方の光出力面から出力される。

0055

全反射ミラー16a,16bは、光分離素子15と光学的に結合され、パルス光Lp2の光路を変更して移動ミラー17へ導く。移動ミラー17は、その反射位置電気的に制御可能なように構成されており、パルス光Lp2を反射するとともにその光路長を変更する。

0056

光結合素子18は、光分離素子15からパルス光Lp1を受けるとともに、移動ミラー17からパルス光Lp2を受ける。光結合素子18は、偏光方向に応じて透過若しくは反射を行う。すなわち、光結合素子18は、パルス光Lp1を透過(若しくは反射)し、パルス光Lp2を反射(若しくは透過)する。これにより、パルス光Lp1,Lp2の光路が再び一致する。また、パルス光Lp2はパルス光Lp1と異なり全反射ミラー16a,16b及び移動ミラー17を経ているので、パルス光Lp2の光路長はパルス光Lp1の光路長よりも長い。従って、光結合素子18を通過した時点で、パルス光Lp2はパルス光Lp1から時間的に遅れる。すなわち、パルス光Lp1とパルス光Lp2との間には時間差が付与される。光結合素子18は、例えばグラントムソンプリズム、ウォーラストンプリズム、サヴァール板、偏光ビームスプリッタ、或いは偏光プリズムによって好適に実現される。

0057

光パルス整形部を含む照射装置の構成は、上記実施形態に限られず、例えば本変形例のような構成であってもよい。この場合でも、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。

0058

本発明による撮像システム及び撮像方法は、上述した実施形態に限られるものではなく、他に様々な変形が可能である。例えば、上記実施形態では、SLMが変調作用を有する偏光方向に対し、SLMに入力するパルス光の偏光面を偏光制御部によって傾斜させているが、SLM自体を傾けてもよい。すなわち、SLMに入力するパルス光の偏光面に対し、変調作用を有する偏光方向が傾斜するようにSLMを傾けることによって、偏光制御部を不要にできる。

0059

また、上述した実施形態では、SLMとしてLCOS型のものを例示したが、本発明のSLMとして、他の液晶型SLM(例えば電気アドレス型、光アドレス型等)を適用してもよい。

0060

1A,1B…撮像システム、3…照射装置、10A,10B…光パルス整形部、11…ビームスプリッタ、12…分散素子、13…集光光学系、14…SLM、14a…変調面、15…光分離素子、15a…偏波選択面、16a,16b…全反射ミラー、17…移動ミラー、18…光結合素子、21…光源、22…偏光制御部、23…照射光学系、24…光分離素子、24a…偏波選択面、25…第1の撮像部、26…第2の撮像部、27…撮像素子、28…受光面、28a,28b…受光領域、29a,29b…CDSアレイ、30a,30b…変換素子アレイ、B…撮像対象物、Lp…初期パルス光、Lp1…第1のパルス光、Lp2…第2のパルス光。

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