[論文レビュー] Single-shot Fresnel incoherent digital holography based on geometric phase lens

Dong Liang, Qiu Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2018

Digital Holography and Microscopy参考文献 3被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、幾何位相レンズを用いて、複数回の露光を必要とせず、コンpactで三次元像を再構成可能な、ワンショット・インライン・フレネル非コherentデジタルホログラフィー方式を提案する。幾何位相レンズの位相分離特性を活用し、偏光イメージングカメラによる並列位相シフトと空間多重結合を組み合わせることで、1回の露光でリアルタイムに非コherentなホログラフィック再構成が可能となり、テストチャートを用いた実験的に検証された。

ABSTRACT

Single-shot and incoherent imaging are two important properties for digital holography technique to extend its application range. In this paper, a simple and compact in-line Fresnel incoherent digital holographic recording system with capability of single-shot and three-dimensional imaging is proposed. A GP lens is used as the common-path interferometer based on its special wave separation property. Parallel phase-shifting holography is used to achieve single-shot operation by using a polarization imaging camera together with space-division multiplexing. The capability of the proposed technique and the setup was experimentally confirmed by images of two standard test charts.

研究の動機と目的

• 非コherent照明下で、三次元像再構成が可能なコンpactでワンショットのデジタルホログラフィー方式の開発。
• 従来のデジタルホログラフィーが要求する複数回の露光やコherent光源の制限を克服すること。
• 幾何位相レンズを共通パス干渉計として統合し、安定した位相分離と耐障害性を実現すること。
• 偏光イメージングカメラと空間多重結合を用いて並列位相シフトを実現し、ワンショット動作を可能とすること。
• 非コherent照明下で標準テストチャートの実験的像再構成により、システムの性能を検証すること。

提案手法

• 幾何位相レンズの特異な波面分離特性により、安定的かつコンpactな干渉計構成が実現可能な共通パス干渉計として採用される。
• インライン・フレネル幾何を用いて、非コherentに照明された三次元物体のホログラムを1回の露光で記録する。
• 偏光イメージングカメラを用いて直交する偏光状態を活用し、複数の位相シフトされたホログラムを同時に捉えることで並列位相シフトを実現する。
• 空間多重結合を適用し、同じ画像フレーム内に位相シフトされたホログラムを空間的に分離する。
• 得られたホログラムは、標準的なデジタルホログラフィック再構成アルゴリズムを用いて処理され、物体の複素振幅分布が回復される。
• 全セットアップは簡素性とコンpactさを最適化しており、アライメント感度と環境ノイズを最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 幾何位相レンズを用いて、非コherent照明下でワンショットのデジタルホログラフィー方式を実現できるか？
• RQ2 複数回の露光を必要とせずに、ワンショット構成で効果的な並列位相シフトをどのように実現できるか？
• RQ3 幾何位相レンズは、非コherentホログラフィーのための安定的で共通パス干渉計を実現するために果たす役割は何か？
• RQ4 提案手法は、非コherent照明下でも三次元像再構成能力をどの程度保持できるか？
• RQ5 偏光イメージングと空間多重結合の組み合わせは、どのように効率的なワンショットホログラフィック再構成を可能にするか？

主な発見

• 提案手法は、幾何位相レンズをキーステップとする干渉計素子として用いることで、非コherent照明下での3D物体のワンショットホログラム記録に成功した。
• 偏光イメージングカメラにより、複数の位相シフトされたホログラムを同時に捉えることができ、機械的または時間的位相シフトの必要性が排除された。
• 空間多重結合の適用により、1枚の画像フレーム内に位相シフトされたホログラムを効率的に空間分離可能となった。
• 実験結果から、2枚の標準テストチャートの成功した再構成が確認され、システムの3D像再構成能力が裏付けられた。
• コherent光源を必要とせず、複数回の露光も不要な状態で、安定的かつコンpactでリアルタイムのホログラフィック像再構成が達成された。