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JP6193546B2 - Three-dimensional position measuring method, velocity measuring method, three-dimensional position measuring device and velocity measuring device - Google Patents

Three-dimensional position measuring method, velocity measuring method, three-dimensional position measuring device and velocity measuring device Download PDF

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JP6193546B2
JP6193546B2 JP2012185890A JP2012185890A JP6193546B2 JP 6193546 B2 JP6193546 B2 JP 6193546B2 JP 2012185890 A JP2012185890 A JP 2012185890A JP 2012185890 A JP2012185890 A JP 2012185890A JP 6193546 B2 JP6193546 B2 JP 6193546B2
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司 松尾
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篤志 本
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晴之 木下
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輝夫 藤井
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Description

本願の発明は、デジタルホログラフィの技術を利用して物体の三次元位置を測定する方法及び装置に関し、また物体の速度を三次元で測定する方法及び装置に関するものである。   The present invention relates to a method and apparatus for measuring the three-dimensional position of an object using digital holography technology, and to a method and apparatus for measuring the velocity of an object in three dimensions.

粒子の三次元位置を測定することは、例えば、流体の流れを可視化したり、流体中に浮遊する粒子の流速や密度分布の変化をリアルタイムに測定したりする際に必要になる。流れの可視化については、数多くの手法が開発されているが、代表的な手法としては、微小な霧状の煙を流体中に流して煙の流れを視覚的に観察する方法が知られている。光学的な手法を用いた流れの可視化法としてはシュリーレン法が、流速測定法としては、レーザドップラ流速測定法(Laser Doppler Velocimetry,LDV)、粒子像流速測定法(Particle Image Velocimetry,PIV)などが知られている。
また、粒子の動きを三次元で観察する技術も開発されており、その一つがステレオPIVである。特許文献1には、ステレオPIVの一例が開示されている。ここでは、カメラを2台使用し、三角測量の原理を用いて粒子の三次元の動きを観察している。
Measuring the three-dimensional position of particles is necessary, for example, when visualizing the flow of a fluid or measuring changes in flow velocity or density distribution of particles floating in the fluid in real time. Numerous methods have been developed for flow visualization, but a typical method is to visually observe the flow of smoke by flowing a fine mist of smoke into the fluid. . The Schlieren method is used as a flow visualization method using an optical method, and the laser Doppler velocity measurement method (Laser Doppler Velocimetry, LDV) and particle image velocity measurement method (Particle Image Velocimetry, PIV) are used as flow velocity measurement methods. Are known.
A technique for observing the movement of particles in three dimensions has also been developed, one of which is stereo PIV. Patent Document 1 discloses an example of a stereo PIV. Here, two cameras are used to observe the three-dimensional movement of particles using the principle of triangulation.

一方、近年、CCDなど固体撮像素子を用いたビデオカメラの高感度化や、パーソナルコンピュータ(以下、PC)の高性能化に伴い、物体のホログラムをビデオカメラで記録し、物体の三次元画像をPC上で計算により再生するデジタルホログラフィ技術が開発されている。デジタルホログラフィ技術は、粒子像流速測定法に応用されており、デジタルホログラフィックPIVと呼ばれている。   On the other hand, with the recent increase in sensitivity of video cameras using solid-state imaging devices such as CCDs and higher performance of personal computers (hereinafter referred to as PCs), holograms of objects are recorded with video cameras, and three-dimensional images of objects are recorded. Digital holography technology for reproducing by calculation on a PC has been developed. Digital holography technology is applied to particle image velocimetry and is called digital holographic PIV.

特許文献2には、ホログラフィックPIVの一例が開示されている。特許文献2では、透明なガラス管で形成された流路内に流体が流され、そこにトレーサ粒子が混入される。流路にレーザが照射され、流路を透過したレーザがCCDで受光され、トレーサ粒子によって散乱した光がCCDで捉えられる。CCD上では、散乱光と非散乱光とが干渉し、干渉縞がCCDで撮像される。この干渉縞のデータ(ホログラムデータ)に対して所定の計算処理をすることで、各トレーサ粒子の像が再生される。像の再生に伴い、各トレーサ粒子の三次元位置が求まる。三次元のうちの二次元(X,Y)は、CCDの撮像面に平行な面の直交座標であり、残りの一つは撮像面に垂直なZ軸方向である。Z軸方向は、像再生の際に設定される再生距離の方向である。   Patent Document 2 discloses an example of a holographic PIV. In Patent Document 2, a fluid is caused to flow in a flow path formed of a transparent glass tube, and tracer particles are mixed therein. The laser is irradiated to the flow path, the laser transmitted through the flow path is received by the CCD, and the light scattered by the tracer particles is captured by the CCD. On the CCD, scattered light and non-scattered light interfere with each other, and interference fringes are imaged by the CCD. By performing a predetermined calculation process on the interference fringe data (hologram data), an image of each tracer particle is reproduced. As the image is reproduced, the three-dimensional position of each tracer particle is determined. Of the three dimensions, two dimensions (X, Y) are orthogonal coordinates of a plane parallel to the imaging surface of the CCD, and the remaining one is the Z-axis direction perpendicular to the imaging surface. The Z-axis direction is the direction of the reproduction distance set during image reproduction.

特許文献2では、Z軸方向の位置として複数の位置を設定し、各位置で像再生をしながら輝度値の変化を調べることでトレーサ粒子の座標を特定している。そして、所定の時刻差の二つの時刻においてトレーサ粒子の三次元位置の特定を行うことで、当該トレーサ粒子の三次元速度ベクトルを得ている。尚、特許文献2では、ホログラムデータを計算処理して得られる三次元画像データを例えばX軸方向及びZ軸方向で分割し、複数のPCで並列処理を行うことで処理速度を高めている。
この他、非特許文献1の199頁〜205頁にもデジタルホログラフィックPIVが開示されている。ここでは、インライン式の他、オフアクシス式のデジタルホログラフィックPIVが開示されている。また、非特許文献2には、カメラを2台使用したステレオデジタルホログラフィックPIVが開示されている。
In Patent Document 2, a plurality of positions are set as positions in the Z-axis direction, and the coordinates of the tracer particles are specified by examining changes in luminance values while reproducing an image at each position. Then, the three-dimensional velocity vector of the tracer particle is obtained by specifying the three-dimensional position of the tracer particle at two times with a predetermined time difference. In Patent Document 2, the processing speed is increased by dividing three-dimensional image data obtained by calculating hologram data, for example, in the X-axis direction and the Z-axis direction and performing parallel processing on a plurality of PCs.
In addition, Non-Patent Document 1, pages 199 to 205, discloses a digital holographic PIV. Here, an in-axis type and an off-axis type digital holographic PIV are disclosed. Non-Patent Document 2 discloses a stereo digital holographic PIV using two cameras.

特開2010−243309号公報JP 2010-243309 A 特開2005−315850号公報JP 2005-315850 A

可視化情報学会編、「PIVハンドブック」(森北出版社、2002年7月20日発行)The Visualization Society of Japan, “PIV Handbook” (Morikita Publishing, July 20, 2002) 今村俊介及び池田耕著、「微小領域におけるステレオデジタルホログラフィックPIV」(可視化情報学会誌Vol.31 Suppl. No.1(2011年7月)、317〜320頁)Shunsuke Imamura and Ko Ikeda, “Stereo digital holographic PIV in the microscopic area” (Journal of Visualization Information Society Vol.31 Suppl. No.1 (July 2011), 317-320)

非特許文献1で説明されているように、写真撮影によるPIVが光振幅の記録により位置測定を行うのに対し、デジタルホログラフィックPIVは干渉縞をホログラムデータとして記録する。このため、デジタルホログラフィックPIVでは、被写界深度の深い撮影が行え、より奥行きの広い三次元位置測定が可能となる。   As explained in Non-Patent Document 1, PIV by photography takes a position measurement by recording optical amplitude, whereas digital holographic PIV records interference fringes as hologram data. For this reason, in the digital holographic PIV, photographing with a deep depth of field can be performed, and a three-dimensional position measurement with a wider depth is possible.

このような特性は、PIVに限らず、デジタルホログラフィによる三次元位置測定全般に言えることである。しかしながら、これまでに開示された各技術は、デジタルホログラフィの特性を三次元位置測定において十分に活かしきっているとはいえない。
本願の発明は、このような技術的背景を考慮してなされたものであり、デジタルホログラフィの特性をより活かした三次元位置測定技術を提供することで、三次元位置測定の各種分野におけるデジタルホログラフィの応用をさらに進展させていくことを目的としている。
Such characteristics are applicable not only to PIV but also to general three-dimensional position measurement by digital holography. However, it cannot be said that each technique disclosed so far fully utilizes the characteristics of digital holography in three-dimensional position measurement.
The invention of the present application has been made in consideration of such a technical background, and by providing a three-dimensional position measurement technique that makes better use of the characteristics of digital holography, digital holography in various fields of three-dimensional position measurement is provided. The purpose is to further develop the application of.

上記課題を解決するため、本願の請求項1記載の発明は、光源から放射されたコヒーレント光を物体に照射する照射工程と、
コヒーレント光が照射された物体からの光である物体光と、物体情報を含まないコヒーレント光とを撮像素子に導き、二つの光による干渉縞を撮像素子により撮像する撮像工程と、
撮像された干渉縞をホログラムデータとして記録する記録工程と、
ホログラムデータから物体の三次元位置を特定する特定工程とを有する三次元位置測定方法であって、
三次元位置のうちの一つの次元は、撮像素子の撮像面と再生面との離間距離である再生距離の方向であり、
特定工程は、記録されたホログラムデータに対して再生距離を変えながら物体の像の再生計算を行い、再生計算の結果として複素振幅データである波面データを取得し、取得された波面データに含まれる位相情報に基づいて、再生面とは別の場所に設定された基準面に対する再生距離の方向の物体の位置を特定する動作を含んでおり、
特定工程における再生距離の方向の位置の特定は、再生距離の違いによって変化する前記像の形状が、正しい再生距離で再生された場合に得られると想定される形状になった際の再生距離に基づいて行われるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項の構成において、標本データを取得する標本データ取得工程を有しており、標本データは、前記正しい再生距離で再生した場合に得られると想定される形状の像の波面データであり、
前記正しい再生距離で再生された場合に得られる形状となったとの判断は、再生距離を変えながら取得された各波面データと標本データとを対比し、両者の相関性が基準値以上であるかどうかにより行われるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項の構成において、前記標本データは、前記物体と同一の寸法形状及び同一の屈折率を有するとみなせる標本物体について既知の撮像距離で前記物体と同様に撮像工程と記録工程とを行い、記録されたホログラムデータから再生計算を行って得た波面データであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項の構成において、前記標本データは、前記物体の寸法形状と、前記物体の屈折率と、前記物体の周囲の媒質の屈折率とに従って計算により取得されたデータであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項1乃至いずれかの構成において、前記特定工程における再生距離の方向の位置の特定は、前記物体の像全体の波面データに基づいて行われるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項1乃至いずれかの構成において、前記波面データは振幅情報を含んでおり、
前記特定工程は、前記位相情報に基づいて再生距離の方向の位置を特定した後、当該位置に物体が存在しているかどうかの確認を振幅情報に基づいて行う動作を含んでいるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項1乃至いずれかの構成において、前記撮像工程は、前記物体光を、像側テレセントリック、物体側テレセントリック又は両側テレセントリックな撮像用光学系によって前記撮像素子に導いて撮像する工程であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項1乃至いずれかの構成において、前記物体は、前記コヒーレント光に対して透明な材料で形成された球状のものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項記載の発明は、前記請求項1乃至いずれかの構成において、前記物体は、単細胞生物、生体細胞又は培養細胞であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項10記載の発明は、前記請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法を利用した速度測定方法であって、
前記照射工程は、前記物体に対して第一の時刻において前記コヒーレント光を照射するとともに、第一の時刻から所定時間後の第二の時刻において前記コヒーレント光を照射する工程であり、
前記記録工程は、第一第二の各時刻において撮像された干渉縞をそれぞれホログラムデータとして記録する工程であり、
前記特定工程は、各ホログラムデータから、第一第二の各時刻における前記物体の三次元位置を特定する工程であり、
特定された各時刻の三次元位置に基づいて前記物体の速度ベクトルを求める計速工程を有している。
また、上記課題を解決するため、請求項11記載の発明は、前記請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法を利用した速度測定方法であって、
前記物体は、流路を流れる流体に混入されたトレーサ粒子であり、
前記照射工程は、トレーサ粒子に対して第一の時刻において前記コヒーレント光を照射するとともに、第一の時刻から所定時間後の第二の時刻において前記コヒーレント光を照射する工程であり、
前記記録工程は、第一第二の各時刻において撮像された干渉縞をそれぞれホログラムデータとして記録する工程であり、
前記特定工程は、各ホログラムデータから、第一第二の各時刻におけるトレーサ粒子の三次元位置を特定する工程であり、
特定された各時刻の三次元位置に基づいてトレーサ粒子の速度ベクトルを求める計速工程を有しているという構成を有する。
In order to solve the above problem, the invention according to claim 1 of the present application includes an irradiation step of irradiating an object with coherent light emitted from a light source,
An imaging process in which object light that is light from an object irradiated with coherent light and coherent light that does not include object information are guided to an image sensor, and interference fringes due to the two lights are imaged by the image sensor,
A recording step of recording the imaged interference fringes as hologram data;
A three-dimensional position measuring method having a specific step of identifying a three-dimensional position of an object from hologram data,
One dimension of the three-dimensional position is the direction of the reproduction distance, which is the separation distance between the imaging surface and the reproduction surface of the image sensor,
The specific process calculates the reproduction of the image of the object while changing the reproduction distance with respect to the recorded hologram data, acquires wavefront data as complex amplitude data as a result of the reproduction calculation, and is included in the acquired wavefront data Including the operation of identifying the position of the object in the direction of the reproduction distance with respect to the reference plane set at a location different from the reproduction plane based on the phase information;
The position in the direction of the reproduction distance in the identification process is determined based on the reproduction distance when the shape of the image that changes due to the difference in the reproduction distance becomes a shape assumed to be obtained when reproduced at the correct reproduction distance. Based on the configuration.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 2 has a sample data acquisition step of acquiring sample data in the configuration of claim 1 , and the sample data is reproduced at the correct reproduction distance. It is the wavefront data of the image of the shape assumed to be obtained when
Judgment that the shape is obtained when played back at the correct playback distance is made by comparing each wavefront data acquired while changing the playback distance with the sample data, and whether the correlation between the two is greater than the reference value It has a configuration that it is performed depending on why.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 3 is known in the configuration of claim 2 with respect to a sample object in which the sample data can be regarded as having the same size and shape as the object and the same refractive index. The imaging process and the recording process are performed at the imaging distance as in the case of the object, and the wavefront data is obtained by performing the reproduction calculation from the recorded hologram data.
In order to solve the above problem, the invention according to claim 4 is the configuration according to claim 2 , wherein the sample data includes the size and shape of the object, the refractive index of the object, and a medium around the object. The data is obtained by calculation according to the refractive index.
In order to solve the above-described problem, the invention according to claim 5 is the configuration according to any one of claims 1 to 4 , wherein the specifying of the position in the direction of the reproduction distance in the specifying step is the wavefront of the entire image of the object. It is configured to be performed based on data.
In order to solve the above problem, the invention according to claim 6 is the structure according to any one of claims 1 to 5 , wherein the wavefront data includes amplitude information.
The identifying step includes an operation of identifying a position in the direction of the reproduction distance based on the phase information and then confirming whether an object exists at the position based on the amplitude information. .
In order to solve the above problem, according to a seventh aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the first to sixth aspects, the imaging step is configured to convert the object light into image side telecentric, object side telecentric, or both side telecentric. It has a configuration in which the imaging optical system guides the imaging device to take an image.
In order to solve the above problem, according to an eighth aspect of the present invention, in the structure according to any one of the first to seventh aspects, the object is a spherical object formed of a material transparent to the coherent light. It has a configuration that there is.
In order to solve the above-mentioned problems, the invention according to claim 9 has a structure in which the object is a unicellular organism, a living cell, or a cultured cell in the configuration of any of claims 1 to 7 .
In order to solve the above problem, the invention according to claim 10 is a velocity measurement method using the three-dimensional position measurement method according to any one of claims 1 to 9 ,
The irradiation step is a step of irradiating the object with the coherent light at a first time and irradiating the coherent light at a second time after a predetermined time from the first time,
The recording step is a step of recording the interference fringes imaged at the first and second times as hologram data,
The specifying step is a step of specifying the three-dimensional position of the object at each first and second time from each hologram data,
A speed measuring step for obtaining a speed vector of the object based on the identified three-dimensional position at each time;
In order to solve the above problem, the invention according to claim 11 is a velocity measuring method using the three-dimensional position measuring method according to any one of claims 1 to 8 ,
The object is tracer particles mixed in the fluid flowing through the flow path,
The irradiation step is a step of irradiating the tracer particles with the coherent light at a first time and irradiating the coherent light at a second time after a predetermined time from the first time,
The recording step is a step of recording the interference fringes imaged at the first and second times as hologram data,
The specifying step is a step of specifying the three-dimensional position of the tracer particle at each first and second time from each hologram data,
It has the structure of having the speed measurement process which calculates | requires the velocity vector of tracer particle | grains based on the identified three-dimensional position of each time.

また、上記課題を解決するため、請求項12記載の発明は、
コヒーレント光を放射する光源と、
撮像素子と、
コヒーレント光を物体に導いて照射し、照射された物体からの光である物体光を撮像素子に導くとともに、物体情報を含まないコヒーレント光を参照光として撮像素子に導き、撮像素子の撮像面で干渉させて干渉縞を撮像素子に撮像させる光学系と、
撮像素子が撮像した干渉縞をホログラムデータとして記憶する記憶部と、
前記ホログラムデータから前記物体の三次元位置を計算により特定する演算処理部とを備えた三次元位置測定装置であって、
三次元位置のうちの一つの次元は、撮像素子の撮像面と再生面との離間距離である再生距離の方向であり、
演算処理部は、記憶されたホログラムデータに対して再生距離を変えながら物体の像の再生計算を行い、その再生計算の結果として複素振幅データである波面データを取得し、取得された波面データに含まれる位相情報に基づいて、再生面とは別の場所に設定された基準面に対する再生距離の方向の物体の位置を特定するものであり、
演算処理部は、再生距離の違いによって変化する前記像の形状が、正しい再生距離で再生された場合に得られると想定される形状になった際の再生距離に基づいて再生距離の方向の位置を特定するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項13記載の発明は、前記請求項12の構成において、前記記憶部には、標本データが記憶されており、標本データは、前記正しい再生距離で再生した場合に得られると想定される像の波面データであり、
前記演算処理部は、前記再生距離を変えながら取得された各波面データと標本データとを対比し、両者の相関性が基準値以上であるかどうかにより、前記正しい再生距離で再生された場合に得られると想定される形状になったとの判断を行うものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項14記載の発明は、前記請求項13の構成において、前記標本データは、前記物体と同一の寸法形状及び同一の屈折率を有するとみなせる標本物体について既知の撮像距離で前記物体と同様に干渉縞を撮影して得られたホログラムデータに対して再生計算を行うことで取得した波面データであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項15記載の発明は、前記請求項13の構成において、前記標本データは、前記物体の寸法形状と、前記物体の屈折率と、前記物体の周囲の媒質の屈折率に従って計算により取得されたデータであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項16記載の発明は、前記請求項12乃至15いずれかの構成において、前記演算処理部は、前記物体の像全体の波面データに基づいて再生距離の方向の位置を特定するものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項17記載の発明は、前記請求項12乃至16いずれかの構成において、前記波面データは振幅情報を含んでおり、
前記演算処理部は、前記位相情報による像の再生結果に基づいて再生距離の方向の位置を特定した後、当該位置に物体が存在しているかどうかの確認を、振幅情報による像の再生結果に基づいて行うものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項18記載の発明は、前記請求項12乃至17いずれかの構成において、前記光学系は、前記物体光を前記撮像素子に導く撮像用光学系を含んでおり、撮像用光学系は、像側テレセントリック、物体側テレセントリック又は両側テレセントリックであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項19記載の発明は、前記請求項12乃至18いずれかの構成において、前記物体は、前記コヒーレント光に対して透明な材料で形成された球状のものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項20記載の発明は、前記請求項12乃至19いずれかに記載の三次元位置測定装置を使用し、前記物体の三次元速度ベクトルを測定する速度測定装置であって、
前記コヒーレント光源及び前記光学系は、前記物体に対して第一の時刻において前記コヒーレント光を照射するとともに、第一の時刻から所定時間後の第二の時刻において前記コヒーレント光を照射するものであり、
前記撮像素子は、第一第二の各時刻における干渉縞をそれぞれ撮像するものであり、
前記記憶部は、第一第二の各時刻において撮像された干渉縞をそれぞれホログラムデータとして記憶しており、
前記演算処理部は、各ホログラムデータから、第一第二の各時刻における前記物体の三次元位置を特定するとともに、特定された各時刻の三次元位置に従って前記物体の速度ベクトルを求めるものであるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項21記載の発明は、前記請求項20の構成において、前記物体は、流路を流れる流体に混入されたトレーサ粒子であるという構成を有する。
In order to solve the above problems, the invention according to claim 12 is
A light source that emits coherent light;
An image sensor;
Guide and emit coherent light to the object, guide the object light from the irradiated object to the image sensor, and guide the coherent light not including object information to the image sensor as the reference light. An optical system that causes the image sensor to pick up interference fringes by causing interference, and
A storage unit for storing the interference fringes captured by the image sensor as hologram data;
A three-dimensional position measurement apparatus comprising an arithmetic processing unit that specifies a three-dimensional position of the object from the hologram data by calculation,
One dimension of the three-dimensional position is the direction of the reproduction distance, which is the separation distance between the imaging surface and the reproduction surface of the image sensor,
The arithmetic processing unit performs a reproduction calculation of the image of the object while changing the reproduction distance with respect to the stored hologram data, and acquires wavefront data that is complex amplitude data as a result of the reproduction calculation. Based on the phase information included, it specifies the position of the object in the direction of the reproduction distance relative to the reference plane set at a location different from the reproduction plane,
The arithmetic processing unit determines the position in the direction of the reproduction distance based on the reproduction distance when the shape of the image that changes due to the difference in the reproduction distance is assumed to be obtained when the image is reproduced at the correct reproduction distance. Is specified.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 13 is the configuration of claim 12 , wherein the storage unit stores sample data, and the sample data is reproduced at the correct reproduction distance. Is the wavefront data of the image that is supposed to be obtained,
The arithmetic processing unit compares each wavefront data acquired while changing the reproduction distance and the sample data, and when the correlation between the two is greater than or equal to a reference value, when the reproduction is performed at the correct reproduction distance, It has a configuration in which it is determined that the shape is assumed to be obtained.
Further, in order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 14 is known in the configuration of claim 13 with respect to a sample object in which the sample data can be regarded as having the same size and shape as the object and the same refractive index. The wavefront data obtained by performing reproduction calculation on the hologram data obtained by photographing the interference fringes in the same manner as the object at the imaging distance.
In order to solve the above problem, according to a fifteenth aspect of the present invention, in the configuration of the thirteenth aspect , the sample data includes the dimensional shape of the object, the refractive index of the object, and a medium around the object. The data is obtained by calculation according to the refractive index.
In order to solve the above problem, according to a sixteenth aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the twelfth to fifteenth aspects, the arithmetic processing unit is configured to determine the direction of the reproduction distance based on the wavefront data of the entire image of the object. It has the structure that it specifies what position.
In order to solve the above problem, the invention according to claim 17 is the structure according to any one of claims 12 to 16 , wherein the wavefront data includes amplitude information.
The arithmetic processing unit identifies a position in the direction of the reproduction distance based on the image reproduction result based on the phase information, and then confirms whether an object exists at the position based on the image reproduction result based on the amplitude information. It has the structure of being based on.
In order to solve the above problem, an invention according to claim 18 is the structure according to any one of claims 12 to 17 , wherein the optical system includes an imaging optical system that guides the object light to the imaging element. The imaging optical system is configured to be image side telecentric, object side telecentric, or both side telecentric.
In order to solve the above problem, according to a nineteenth aspect of the present invention, in the structure according to any one of the twelfth to eighteenth aspects, the object is a spherical one formed of a material transparent to the coherent light. It has a configuration that there is.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 20 uses the three-dimensional position measuring device according to any one of claims 12 to 19 to measure a three-dimensional velocity vector of the object. Because
The coherent light source and the optical system irradiate the object with the coherent light at a first time and the coherent light at a second time after a predetermined time from the first time. ,
The imaging element is for imaging the interference fringes at the first and second times,
The storage unit stores the interference fringes imaged at the first and second times as hologram data, respectively.
The arithmetic processing unit specifies a three-dimensional position of the object at each first and second time from each hologram data, and obtains a velocity vector of the object according to the specified three-dimensional position at each time. It has the structure of.
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 21 has the structure according to claim 20 , wherein the object is a tracer particle mixed in a fluid flowing in a flow path.

以下に説明する通り、本願の請求項1の方法又は請求項12の装置によれば、位相情報に基づいて三次元位置特に再生距離の方向の位置を特定するため、物体の立体的形状に即した位置特定になり、またより広い領域のデータに基づいた位置特定になる。このため、精度の高い三次元測定が行える。
また、請求項2又は13記載の発明によれば、上記効果に加え、再生像のデータと標本データとの相関性の高さに基づいて位置を特定するので、特定が容易である。
また、請求項3又は14記載の発明によれば、上記効果に加え、標本データは標本物体について同様の撮影と再生計算を行うことによって得られたものであるので、形状の複雑な物体についても精度良く位置測定することができる。
また、請求項4又は15記載の発明によれば、上記効果に加え、標本データが計算により得られたものであるので、形状や屈折率の点でばらつきが大きい物体を対象とする場合でも、位置測定の精度を低下させることがないように標本データを作成することができる。
また、請求項5又は16記載の発明によれば、上記効果に加え、一つの物体の再生像の波面全体を使って位置を特定しているので、精度向上の効果が著しい。
また、請求項6又は17記載の発明によれば、上記効果に加え、振幅情報でフィルタ処理を行っているため、物体が存在しない位置を誤って特定してしまうエラーの発生が抑制されており、この点でより精度の高い三次元位置測定が行える。
また、請求項7又は18記載の発明によれば、上記効果に加え、物体光を、像側テレセントリック、物体側テレセントリック又は両側テレセントリックな撮像用光学系によって撮像素子に導いて撮像するので、再生距離の方向の位置特定の作業が容易になり、又は被写界深度を深くすることで奥行き方向で広い測定空間を対象とすることができる。
また、請求項8又は19記載の発明によれば、上記効果に加え、物体がコヒーレント光に対して透明な材料で形成された球状のものであるので、再生距離の方向の位置特定が容易である。また、物体を撮像する際の視野角も小さくて済むので、被写界深度を深くすることができ、奥行き方向において広い測定空間を対象とすることができる。
また、請求項記載の発明によれば、上記請求項1乃至いずれかの効果を得つつ、単細胞生物、生体細胞又は培養細胞の三次元位置を測定することができる。
また、請求項10又は20記載の発明によれば、上記請求項1乃至いずれかの効果又は請求項12乃至19いずれかの効果を得つつ、物体の三次元速度ベクトルを測定することができる。
また、請求項11又は21記載の発明によれば、上記請求項1乃至いずれかの効果又は請求項20の効果を得つつ、トレーサ粒子の三次元速度ベクトルを測定することができる。
As described below, according to the method of claim 1 or the apparatus of claim 12 of the present application, the three-dimensional position, particularly the position in the direction of the reproduction distance, is specified based on the phase information. The position is specified based on the data of a wider area. For this reason, highly accurate three-dimensional measurement can be performed.
According to the second or thirteenth aspect of the invention, in addition to the above effects, the position is specified based on the high degree of correlation between the reproduced image data and the sample data, so that the specification is easy.
According to the invention described in claim 3 or 14 , in addition to the above effect, the sample data is obtained by performing the same photographing and reproduction calculation on the sample object. The position can be measured with high accuracy.
Further, according to the invention of claim 4 or 15 , in addition to the above effect, the sample data is obtained by calculation. Therefore, even when an object having a large variation in shape and refractive index is targeted, Sample data can be created so as not to reduce the accuracy of position measurement.
According to the invention described in claim 5 or 16 , in addition to the above effect, the position is specified by using the entire wavefront of the reproduced image of one object, so the effect of improving accuracy is remarkable.
According to the invention described in claim 6 or 17 , in addition to the above effect, the filter processing is performed by the amplitude information, so that the occurrence of an error that erroneously specifies the position where the object does not exist is suppressed. In this respect, more accurate three-dimensional position measurement can be performed.
According to the invention described in claim 7 or 18 , in addition to the above effect, the object light is guided to the image sensor by the image side telecentric, object side telecentric or both side telecentric imaging optical system, so that the reproduction distance is obtained. The work of specifying the position in the direction can be facilitated, or by increasing the depth of field, it is possible to target a wide measurement space in the depth direction.
According to the invention described in claim 8 or 19 , in addition to the above effect, the object is a spherical object formed of a material transparent to coherent light, so that it is easy to specify the position in the direction of the reproduction distance. is there. In addition, since the viewing angle when imaging an object can be small, the depth of field can be increased, and a wide measurement space in the depth direction can be targeted.
According to the ninth aspect of the invention, it is possible to measure the three-dimensional position of a unicellular organism, a living cell or a cultured cell while obtaining the effect of any of the first to seventh aspects.
According to the invention of claim 10 or 20 , the three-dimensional velocity vector of the object can be measured while obtaining the effect of any of claims 1 to 9 or the effect of any of claims 12 to 19. .
According to the invention of claim 11 or 21 , the three-dimensional velocity vector of the tracer particles can be measured while obtaining the effect of any one of claims 1 to 8 or the effect of claim 20 .

本願発明の第一の実施形態に係る三次元位置測定装置の概略図である。1 is a schematic diagram of a three-dimensional position measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. デジタルホログラフィを利用した三次元位置測定の原理について示した斜視概略図である。It is the perspective schematic which showed the principle of the three-dimensional position measurement using digital holography. 実施形態の方法と特許文献2の方法との違いについて模式的に示した図である。It is the figure which showed typically about the difference between the method of embodiment and the method of patent document 2. FIG. 実施形態の三次元位置測定方法における再生距離方向の位置の特定について示した概略図である。It is the schematic shown about specification of the position of the reproduction | regeneration distance direction in the three-dimensional position measuring method of embodiment. 標本データの取得方法の第一の例について示した概略図である。It is the schematic shown about the 1st example of the acquisition method of sample data. 標本データの取得方法の第二の例について示した概略図である。It is the schematic shown about the 2nd example of the acquisition method of sample data. 標本データによる再生距離方向の位置の特定を実際のデータに基づいて行った実験について示した図である。It is the figure which showed about the experiment which specified the position of the reproduction | regeneration distance direction by sample data based on actual data. 実施形態の方法における特定工程について模式的に示した斜視図である。It is the perspective view shown typically about the specific process in the method of embodiment. 振幅情報によるフィルタ処理について示した概略図である。It is the schematic shown about the filter process by amplitude information. 位置特定プログラムの概略について示したフローチャートである。It is the flowchart shown about the outline of a position specific program. 図1の装置における撮像用光学系4のテレセントリック性について示した概略図である。It is the schematic shown about the telecentricity of the imaging optical system 4 in the apparatus of FIG. 本願発明の第二の実施形態に係る三次元位置測定装置の主要部の概略図である。It is the schematic of the principal part of the three-dimensional position measuring apparatus which concerns on 2nd embodiment of this invention. 速度測定方法の発明の実施形態について示した斜視概略図である。It is the isometric view schematic shown about embodiment of invention of the speed measuring method.

次に、本願発明を実施するための形態(以下、実施形態)について説明する。
図1は、本願発明の第一の実施形態に係る三次元位置測定装置の概略図である。図1に示す装置は、デジタルホログラフィの技術を利用して物体の三次元位置を測定する装置である。この装置は、コヒーレント光源1と、撮像素子2と、光学系3,4,5と、コンピュータ6とを備えている。
Next, modes for carrying out the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be described.
FIG. 1 is a schematic diagram of a three-dimensional position measuring apparatus according to the first embodiment of the present invention. The apparatus shown in FIG. 1 is an apparatus that measures the three-dimensional position of an object using a digital holography technique. This apparatus includes a coherent light source 1, an image sensor 2, optical systems 3, 4, and 5, and a computer 6.

コヒーレント光源1としては、レーザ発振器が用いられる。例えば波長が632.8nmのHeNeレーザ発振器、波長694nmのルビーレーザ発振器などが用いられる。撮像素子2には、十分に細かい画素ピッチで十分なエリアをカバーした画素数のCCDが用いられる。
光学系としては、コヒーレント光源1からの光を物体Sに導いて照射する照射用光学系3と、照射された物体Sからの光(物体光)を撮像素子2に導く撮像用光学系4と、物体情報を含まないコヒーレント光を参照光として撮像素子2に導く参照光用光学系5とが設けられている。尚、「物体情報」とは、コヒーレント光が物体に照射された際に物体の性状(形状、屈折率等)に応じてコヒーレント光の波面が変化することを想定した用語であり、変化した波面によって表現し得る物体の情報という意味の用語である。例えば、後述するように波面によって物体の像を再生する場合、物体の形状が「物体情報」ということになる。また、物体における透過率の分布が波面から得られる場合、透過率の分布が「物体情報」ということになる。そういった物体情報を含まないコヒーレント光(この実施形態では物体を経ていないコヒーレント光)が、参照光として使用される。
As the coherent light source 1, a laser oscillator is used. For example, a HeNe laser oscillator having a wavelength of 632.8 nm, a ruby laser oscillator having a wavelength of 694 nm, or the like is used. As the image sensor 2, a CCD having a number of pixels that covers a sufficient area with a sufficiently fine pixel pitch is used.
As the optical system, an irradiation optical system 3 that guides and emits light from the coherent light source 1 to the object S, and an imaging optical system 4 that guides the light (object light) from the irradiated object S to the imaging device 2. A reference light optical system 5 that guides coherent light not including object information to the image sensor 2 as reference light is provided. “Object information” is a term that assumes that the wavefront of coherent light changes according to the properties (shape, refractive index, etc.) of the object when the object is irradiated with coherent light. It is a term meaning object information that can be expressed by. For example, when an object image is reproduced by a wavefront as described later, the shape of the object is “object information”. When the transmittance distribution in the object is obtained from the wavefront, the transmittance distribution is “object information”. Coherent light that does not include such object information (in this embodiment, coherent light that has not passed through an object) is used as reference light.

この実施形態の装置は、後述するようにPIVの一種であるPTV(Particle Tracking Velocimetry)を実現するための装置となっている。従って、三次元位置の測定対象である物体Sは、流路を流れる流体100内に混入された複数のトレーサ粒子である。流路は、コヒーレント光を十分に透過するガラスやアクリル等の材料で形成された管101で形成されている。図1に示すように、照射用光学系3は、コヒーレント光源1からの光を導いて管101内の物体(トレーサ粒子)Sに照射するものとなっている。   The apparatus of this embodiment is an apparatus for realizing PTV (Particle Tracking Velocimetry) which is a kind of PIV as described later. Therefore, the object S that is the measurement target of the three-dimensional position is a plurality of tracer particles mixed in the fluid 100 flowing through the flow path. The flow path is formed of a tube 101 made of a material such as glass or acrylic that sufficiently transmits coherent light. As shown in FIG. 1, the irradiation optical system 3 guides light from the coherent light source 1 and irradiates an object (tracer particle) S in the tube 101.

物体光用と参照光用とで別々の光源を使用することも原理的には可能であるが、別々の光源を使用すると波長や位相を十分にそろえる(可干渉性にする)ことは非常に難しい。このため、一つのコヒーレント光源1からの光を分割して使用している。即ち、図1に示すように、照射用光学系3の光路上には取り出し用ビームスプリッタ51が設けられており、光の一部を参照光として取り出すようになっている。また、参照光は、物体光から抽出することもできる。これには、具体的には二つの方法がある。一つは、物体回折後の光をビームスプリッタで二つに分離した後に、片方に対してフーリエ変換レンズとピンホールを組み合わせたスペイシャルフィルタを通過させることで、物体情報を欠落させたコヒーレント光を取り出し、これを参照光とするやり方である(これについては後述する)。もう一つは、国際公開2008/123408号公報に開示されているように、物体回折後の光の光路上に同じくフーリエ変換レンズとマイクロ半透ミラーを配置し、物体回折光の0次光成分のみを参照光として用いるやり方である。   In principle, it is possible to use separate light sources for object light and reference light, but using separate light sources makes it possible to sufficiently align the wavelength and phase (make it coherent). difficult. For this reason, the light from one coherent light source 1 is divided and used. That is, as shown in FIG. 1, an extraction beam splitter 51 is provided on the optical path of the irradiation optical system 3, and a part of the light is extracted as reference light. Further, the reference light can be extracted from the object light. Specifically, there are two methods. One is that the light after object diffraction is separated into two by a beam splitter and then passed through a spatial filter that combines a Fourier transform lens and a pinhole on one side, thereby coherent light with missing object information. Is used as a reference light (this will be described later). The other is that, as disclosed in International Publication No. 2008/123408, a Fourier transform lens and a micro semi-transparent mirror are similarly arranged on the optical path of the light after object diffraction, and the zero-order light component of the object diffraction light Is used as a reference beam.

本実施形態では、管101内を透過した光が撮像素子2に入射するようになっている。この光の中に、物体光が含まれる。物体光は、コヒーレント光が照射された物体(トレーサ粒子)Sからの回折光であるが、コヒーレント光が物体Sにより散乱されて出た光(散乱光)の場合と、物体Sに反射して出た光(反射光)の場合と、物体S中を透過して出た光(透過光)の場合とがある。物体Sからの光を捉えて参照光との干渉縞を撮像して位置測定することが目的であり、物体光としてはいずれの場合であっても良い。散乱光、反射光、透過光は区別できない場合もあり、区別できなくても位置測定が可能な限り問題はない。尚、本実施形態では、物体Sであるトレーサ粒子は、アクリル等の透明な材料で形成されており、従って物体光は主として透過光となっている。   In the present embodiment, light transmitted through the tube 101 enters the image sensor 2. This light includes object light. The object light is diffracted light from the object (tracer particle) S irradiated with the coherent light. However, the object light is reflected by the object S in the case where the coherent light is scattered by the object S (scattered light). There is a case of the emitted light (reflected light) and a case of the light emitted through the object S (transmitted light). The object is to capture the light from the object S, image the interference fringe with the reference light and measure the position, and the object light may be any case. Scattered light, reflected light, and transmitted light may be indistinguishable, and even if they cannot be distinguished, there is no problem as long as position measurement is possible. In the present embodiment, the tracer particles that are the object S are formed of a transparent material such as acrylic, and therefore the object light is mainly transmitted light.

図1に示すように、撮像用光学系4は、管101と撮像素子2との間に設けられている。本実施形態では、物体Sを拡大して投影しながら得た干渉縞をホログラムデータとして記録するようになっている。このため、撮像用光学系4は、対物レンズ41と、結像レンズ42とを備えている。尚、図1に示すように、撮像素子2は、撮像面が撮像用光学系4の光軸に対して垂直となるように配置される。
結像レンズ42と撮像素子2との間の光路上には、統合用ビームスプリッタ52が設けられている。参照光用光学系5は、取り出し用ビームスプリッタ51で取り出された参照光をミラー53で統合用ビームスプリッタ52まで導き、物体光とともに撮像素子2に入射させる。
As shown in FIG. 1, the imaging optical system 4 is provided between the tube 101 and the imaging device 2. In this embodiment, the interference fringes obtained while enlarging and projecting the object S are recorded as hologram data. For this reason, the imaging optical system 4 includes an objective lens 41 and an imaging lens 42. As shown in FIG. 1, the image sensor 2 is arranged so that the imaging surface is perpendicular to the optical axis of the imaging optical system 4.
An integrating beam splitter 52 is provided on the optical path between the imaging lens 42 and the image sensor 2. The reference light optical system 5 guides the reference light extracted by the extraction beam splitter 51 to the integration beam splitter 52 by the mirror 53 and makes it incident on the image sensor 2 together with the object light.

参照光用光学系5は、オフアクシスで参照光を撮像素子2に入射させることができるようになっている。オフアクシスとは、物体光と同じ入射角ではなく物体光に対して角度を持たせた状態で参照光を入射させることである。具体的には、ミラー53にはオフアクシス用駆動機構54が付設されている。オフアクシス用駆動機構54は、ミラー53を光軸に対して45°の角度から所定角度だけ傾けた状態に変化させる機構である。   The reference light optical system 5 is configured to allow the reference light to be incident on the image sensor 2 in an off-axis manner. The off-axis means that the reference light is incident with an angle with respect to the object light instead of the same incident angle as the object light. Specifically, the mirror 53 is provided with an off-axis drive mechanism 54. The off-axis drive mechanism 54 is a mechanism that changes the mirror 53 from a 45 ° angle with respect to the optical axis to a state inclined by a predetermined angle.

尚、図1に示すように、照射用光学系3や参照光用光学系5には、ビームエキスパンダ31,55が設けられており、コヒーレント光を必要な大きさの光芒に拡大して使用するようになっている。各ビームエキスパンダ31,55内には、ノイズ除去のためのスペイシャルフィルタ32,56が必要に応じて配置される。   As shown in FIG. 1, the irradiation optical system 3 and the reference light optical system 5 are provided with beam expanders 31 and 55, and the coherent light is expanded and used in a light beam of a necessary size. It is supposed to be. In each of the beam expanders 31 and 55, spatial filters 32 and 56 for noise removal are arranged as necessary.

コンピュータ6は、撮像素子2から送られたデータについて演算処理を行うことで物体の三次元位置測定を行うものである。コンピュータ6は、演算処理部61としてのCPUと、記憶部62と、出力部としてのプリンタやディスプレイ等を備えている。撮像素子2は、インターフェースを介してコンピュータ6に接続されており、撮像素子2で撮像された干渉縞のデータは、ホログラムデータとしてコンピュータ6の記憶部62に記憶されるようになっている。   The computer 6 performs three-dimensional position measurement of the object by performing arithmetic processing on the data sent from the image sensor 2. The computer 6 includes a CPU as an arithmetic processing unit 61, a storage unit 62, a printer, a display, and the like as an output unit. The image pickup device 2 is connected to the computer 6 via an interface, and interference fringe data picked up by the image pickup device 2 is stored in the storage unit 62 of the computer 6 as hologram data.

尚、ホログラムの記録とは、本実施形態では、撮像された干渉縞のデータをホログラムデータとしてコンピュータ6の記憶部62に記憶することである。記憶部62は、メモリやハードディスクのようなストレージである。この他、コンピュータ6には、後述する再生計算を行う再生計算プログラムや、再生計算結果から三次元位置を特定する位置特定プログラムなどがインストールされており、演算処理部61において実行可能となっている。   In the present embodiment, the recording of the hologram is to store the captured interference fringe data in the storage unit 62 of the computer 6 as hologram data. The storage unit 62 is a storage such as a memory or a hard disk. In addition, the computer 6 is installed with a reproduction calculation program for performing reproduction calculation described later, a position specifying program for specifying a three-dimensional position from the reproduction calculation result, and the like, which can be executed by the arithmetic processing unit 61. .

このような三次元位置測定装置を使用して物体の三次元位置を測定する方法について、以下に説明する。以下の説明は、三次元位置測定方法の発明の実施形態の説明でもあり、また上記演算処理部61の説明でもある。
図2は、デジタルホログラフィを利用した三次元位置測定の原理について示した斜視概略図である。数値計算によって像を再生する場合、ホログラム面と再生面とを特定する必要がある。ホログラム面とは、ホログラムが存在する面であるが、ここでは、撮像素子2の撮像面の位置を仮想する。通常は、計算を簡単にするため、図2に示すように再生面はホログラム面と平行な面とされる。
A method for measuring the three-dimensional position of an object using such a three-dimensional position measuring apparatus will be described below. The following description is also a description of an embodiment of the invention of the three-dimensional position measurement method, and is also a description of the arithmetic processing unit 61.
FIG. 2 is a schematic perspective view showing the principle of three-dimensional position measurement using digital holography. When reproducing an image by numerical calculation, it is necessary to specify a hologram surface and a reproduction surface. The hologram surface is a surface on which the hologram exists, but here, the position of the imaging surface of the imaging device 2 is assumed. Usually, in order to simplify the calculation, the reproduction surface is parallel to the hologram surface as shown in FIG.

撮像素子2から出力されるホログラムデータは、各画素における光強度の信号(光強度分布)である。従って、図2に示すように、ホログラムデータ21は、g(x、y)と定義できる。但し、前述したように、ホログラムデータ21は、物体光と参照光とによってできた干渉縞(図2中に一部拡大して符号22で示す)であり、この干渉縞22のパターンがg(x,y)である。図2に示すように、計算を簡単にするため、再生面はホログラム面とZ軸を共通にしたXY平面とされる。ホログラム面と再生面との距離Dは、再生計算において重要なパラメータとなる再生距離である。   The hologram data output from the image sensor 2 is a light intensity signal (light intensity distribution) in each pixel. Therefore, as shown in FIG. 2, the hologram data 21 can be defined as g (x, y). However, as described above, the hologram data 21 is interference fringes (partially enlarged in FIG. 2 and indicated by reference numeral 22) formed by the object light and the reference light, and the pattern of the interference fringes 22 is g ( x, y). As shown in FIG. 2, in order to simplify the calculation, the reproduction surface is an XY plane that shares the hologram surface with the Z axis. The distance D between the hologram surface and the reproduction surface is a reproduction distance that is an important parameter in the reproduction calculation.

一例として、フーリエ変換を利用しフレネル回折の距離で再生する場合について説明する。rはホログラム面上の一点から再生面上の一点までの距離であるとする。x,yはホログラム面上の座標、X,Yは再生面上の座標である。
再生面での複素振幅分布は、キルヒホッフの回折積分の式に従い、式1のように表せる。

Figure 0006193546

式1において、λは再生光の波長、kは波数である。式1に対し、式2に示すフレネル近似を適用して代入すると、式3が得られる。
Figure 0006193546

Figure 0006193546

式3において、積分をフーリエ変換であるとみなして変形すると、式4が得られる。
Figure 0006193546

式4において、Fのカッコ内はフーリエ変換であることを示す。xやyは、撮像面の各ピクセルからの出力値であり、離散フーリエ変換をすることでG(X,Y)が得られる。式4からも解るように、データG(X,Y)は、再生面における各点の光情報を複素数の形式で表現したもの(複素振幅データ)である。従って、途中の計算を省略すると、このデータG(X,Y)は、以下の式5で表現されることになる。
Figure 0006193546
As an example, a case where reproduction is performed at a distance of Fresnel diffraction using Fourier transform will be described. Let r be the distance from one point on the hologram surface to one point on the playback surface. x and y are coordinates on the hologram surface, and X and Y are coordinates on the reproduction surface.
The complex amplitude distribution on the reproduction surface can be expressed as Equation 1 according to Kirchhoff's diffraction integral equation.
Figure 0006193546

In Equation 1, λ is the wavelength of the reproduction light, and k is the wave number. If the Fresnel approximation shown in Formula 2 is applied and substituted into Formula 1, Formula 3 is obtained.
Figure 0006193546

Figure 0006193546

In Equation 3, if the integral is regarded as a Fourier transform and transformed, Equation 4 is obtained.
Figure 0006193546

In Equation 4, the parentheses of F indicate Fourier transform. x and y are output values from each pixel on the imaging surface, and G (X, Y) is obtained by performing a discrete Fourier transform. As can be seen from Equation 4, the data G (X, Y) is a representation of the optical information of each point on the reproduction surface in the form of a complex number (complex amplitude data). Therefore, if the calculation in the middle is omitted, this data G (X, Y) is expressed by the following Equation 5.
Figure 0006193546

このように、再生計算の結果は、再生面の各点における複素振幅データであり、そのピッチは、元データであるホログラムデータ21のピッチ(画素ピッチ)に依存する。デジタルホログラフィにおいて、振幅情報で像を再生する場合、上記式5から各座標点における|A|を計算して出力する。位相情報で像を再生する場合、各座標点における偏角φを計算して出力する。出力されるのは、再生面における振幅値の分布(振幅値マップ)や位相値の分布(位相値マップ)であり、それを何らかの方法で視覚化すると、その中に目的とする物体の像が現れることになる。 Thus, the result of the reproduction calculation is complex amplitude data at each point on the reproduction surface, and the pitch depends on the pitch (pixel pitch) of the hologram data 21 that is the original data. In digital holography, when an image is reproduced with amplitude information, | A | 2 at each coordinate point is calculated from Equation 5 and output. When an image is reproduced with phase information, a deviation angle φ at each coordinate point is calculated and output. The output is an amplitude value distribution (amplitude value map) and a phase value distribution (phase value map) on the playback surface. When this is visualized by some method, an image of the target object is displayed in it. Will appear.

さて、このような再生計算の結果を利用して物体の三次元位置を特定する場合、三次元のうちの二次元は上記再生計算におけるX軸及びY軸ということになる。図1において、管101に対してある基準面を設定する(例えば鉛直面)。図2に示すように、基準面に対して撮像素子2を撮像面が平行になるように精度良く配置する。これにより、再生面も基準面に対して平行ということになる。基準面内にある基準となる点(基準点)を設定しておけば、再生面における像のXY方向の位置が基準点との関係で特定できたことになる。
尚、本実施形態では、物体Sはトレーサ粒子であり、球状である。従って、振幅再生像にしろ位相再生像にしろ、像が正しく再生できた場合には、円形の輪郭を有する。従って、円の中心位置をXY方向の位置として特定することができる。
Now, when the three-dimensional position of the object is specified using the result of such reproduction calculation, the two dimensions out of the three dimensions are the X axis and the Y axis in the reproduction calculation. In FIG. 1, a certain reference plane is set for the pipe 101 (for example, a vertical plane). As shown in FIG. 2, the image pickup device 2 is arranged with high accuracy so that the image pickup surface is parallel to the reference plane. As a result, the reproduction surface is also parallel to the reference surface. If a reference point (reference point) in the reference plane is set, the position in the XY direction of the image on the reproduction plane can be specified in relation to the reference point.
In the present embodiment, the object S is a tracer particle and is spherical. Therefore, when the image can be correctly reproduced, whether it is an amplitude reproduction image or a phase reproduction image, it has a circular outline. Therefore, the center position of the circle can be specified as the position in the XY direction.

XY方向の位置はこのようにして特定できたとして、問題はZ軸方向である。Z軸方向は、図2から解るように再生距離Dの方向ということになる。Z軸方向の位置を特定する際には、図2に示すように、再生距離を変えて像再生を何回か繰り返し、最も正しく再生できた際の再生距離に従ってZ軸方向の位置を特定する。即ち、対物レンズを用いない場合(等倍の場合)、最も正しく再生できた際の再生距離は、その物体が位置する位置と撮像面との距離に等しい。従って、管101においてZ軸方向について何らかの基準面を設けておき、基準面に対するホログラム面(撮像素子2の撮像面)の位置を既知データとして設定しておけば、物体のZ軸方向の位置も特定できたことになる。   Assuming that the position in the XY direction can be specified in this way, the problem is in the Z-axis direction. The Z-axis direction is the direction of the reproduction distance D as can be seen from FIG. When specifying the position in the Z-axis direction, as shown in FIG. 2, the image reproduction is repeated several times while changing the reproduction distance, and the position in the Z-axis direction is specified according to the reproduction distance when the reproduction was most correctly performed. . That is, when the objective lens is not used (same magnification), the reproduction distance when the reproduction is most correct is equal to the distance between the position where the object is located and the imaging surface. Accordingly, if a certain reference surface is provided in the tube 101 in the Z-axis direction, and the position of the hologram surface (the image pickup surface of the image pickup device 2) with respect to the reference surface is set as known data, the position of the object in the Z-axis direction is also determined. It was able to be identified.

例えば、図2に示すように、ある再生距離Dで最も正しく再生ができたとする。この場合、基準面とホログラム面との距離をdとし、物体Sとホログラム面の距離をdとすると、距離dはDに等しいということになるので、物体Sは基準面からd−Dだけホログラム面よりの位置に位置していることになる。対物レンズを使用する場合には、その倍率に応じてd:Dの比が変わってくるが、基本的な原理は同じである。 For example, as shown in FIG. 2, it is assumed that reproduction is most correctly performed at a certain reproduction distance D. In this case, if the distance between the reference surface and the hologram surface is d 1 and the distance between the object S and the hologram surface is d 2 , the distance d 2 is equal to D. Therefore, the object S is d 1 from the reference surface. It is located at a position from the hologram surface by −D. When an objective lens is used, the ratio d 2 : D varies depending on the magnification, but the basic principle is the same.

このようにZ軸方向の位置を特定する際に問題になるのは、何をもって「最も正しく再生できた」とするかである。この点について、特許文献2では、「輝度値がピークとなるZの値」としている(段落0022)。つまり、特許文献2は、再生距離を変えながら再生像における輝度の変化を観察し、輝度がピークを持った際の再生距離に基づいてZ軸方向の位置を特定している。輝度値というのは、光強度即ち振幅であるから、特許文献2は、再生計算の結果のうち振幅情報を利用して三次元位置を測定するものであると言える。   Thus, what becomes a problem when specifying the position in the Z-axis direction is what makes “most correctly reproduced”. With respect to this point, Patent Document 2 describes “the value of Z at which the luminance value reaches a peak” (paragraph 0022). That is, Patent Document 2 observes a change in luminance in a reproduced image while changing the reproduction distance, and specifies the position in the Z-axis direction based on the reproduction distance when the luminance has a peak. Since the luminance value is the light intensity, that is, the amplitude, it can be said that Patent Document 2 measures the three-dimensional position using the amplitude information among the results of the reproduction calculation.

一方、本実施形態では、このような特許文献2の開示とは異なり、再生計算の結果のうち位相情報を利用して三次元位置を特定するものとなっている。以下、この点について説明する。
前述したように、デジタルホログラフィにおいて、再生計算の結果は再生面における複素振幅データとして得られる。これは、物体からの光の波面データがそのまま再生されているとも言える。特許文献2の手法は、このような波面データのうち振幅情報のみを利用したものである。これは、ある意味、再生計算の結果の一部のみしか利用しておらず、デジタルホログラフィ技術の特性を十分に活かしきっていない。本実施形態では、再生計算の結果を波面として捉え(このことはデジタルホログラフィの本来的特性である)、波面の状態によって判断を行う。波面の状態によって判断を行うことは、再生計算の結果のうち、特許文献2が使っていない位相情報を利用するということを必然的に意味する。
On the other hand, in the present embodiment, unlike the disclosure of Patent Document 2, the three-dimensional position is specified using the phase information in the result of the reproduction calculation. Hereinafter, this point will be described.
As described above, in digital holography, the result of reproduction calculation is obtained as complex amplitude data on the reproduction surface. It can be said that the wavefront data of light from the object is reproduced as it is. The method of Patent Document 2 uses only amplitude information among such wavefront data. In a sense, only a part of the result of the reproduction calculation is used, and the characteristics of the digital holography technology are not fully utilized. In the present embodiment, the result of the reproduction calculation is regarded as a wavefront (this is an inherent characteristic of digital holography), and a determination is made according to the state of the wavefront. Judgment based on the state of the wavefront inevitably means that phase information that is not used in Patent Document 2 is used in the result of reproduction calculation.

上記の点について、図3を使用してより詳しく説明する。図3は、実施形態の方法と特許文献2の方法との違いについて模式的に示した図である。
図3に示すように、物体Sに対し、平面波であるコヒーレント光Lを照射する。コヒーレント光Lの波面は、物体Sによって乱され、物体Sからは、物体Sの形状や表面状態、屈折率に応じて変化した波面Wで物体光が出射される。そして、物体光が撮像面で参照光と干渉してホログラムとなり、そのホログラムに対して計算処理を施すことで像が再生される。像の再生結果は、前述したように複素振幅データであり、物体上の波面Wを表現している(即ち、再生している)。この再生された波面をWとすると、特許文献2の方法は、この再生像の波面Wのデータにおいて輝度値(振幅情報)のみに着目し、輝度値がピークになることで「最も正しく再生できた」とする方法である。これは、図3に示すように、フリンジ像(特許文献2の段落0011)から得られる振幅情報のみの再生像の部分の輝度値ΔIの立ち上がりの鋭さのみに基づいて「最も正しく再生できた」と判断する方法と同等である。
The above point will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram schematically showing the difference between the method of the embodiment and the method of Patent Document 2.
As shown in FIG. 3, the object S is irradiated with coherent light L that is a plane wave. Wavefront of the coherent light L is disturbed by the object S, from the object S, the shape and surface state of the object S, the object light is emitted by the wavefront W 1 which changes according to the refractive index. Then, the object light interferes with the reference light on the imaging surface to form a hologram, and an image is reproduced by performing calculation processing on the hologram. Reproducing the resulting image is a complex amplitude data, as described above, it expresses the wavefront W 1 on the object (i.e., playing). Assuming that the reproduced wavefront is W 2 , the method of Patent Document 2 focuses on only the luminance value (amplitude information) in the data of the wavefront W 2 of this reproduced image, and “ This is a method of “reproduced”. As shown in FIG. 3, this is based on only the sharpness of the rising edge of the luminance value ΔI of the reproduced image portion of only the amplitude information obtained from the fringe image (paragraph 0011 of Patent Document 2). It is equivalent to the method of judging.

一方、本実施形態の方法は、再生像の波面Wを直接的に利用する方法である。具体的に説明すると、本実施形態の方法は、波面データから位相情報を抽出して像を再生した際、再生された像の形状が再生距離に応じて変化することを利用している。正しい再生距離で再生された場合にどのような形状の像になるかは、予め想定することができる。従って、その想定に基づき、正しい形状になった際の再生距離により位置を特定するのである。
より具体的に説明すると、本実施形態では、正しく再生された場合に得られるであろう波面Wsを想定し、この波面Wsと、実際に得られた波面Wとを対比する。そして、両者の相関性が最も高くなった場合に「最も正しく再生できた」とする。この「正しく再生された場合には得られるであろうと想定される波面Ws」のデータを、以下、標本データと呼ぶ。
On the other hand, the method of the present embodiment is a method of directly utilizing the wavefront W 2 of the reproduced image. More specifically, the method of the present embodiment utilizes the fact that the shape of the reproduced image changes according to the reproduction distance when the phase information is extracted from the wavefront data and the image is reproduced. It can be assumed in advance what shape the image will be when reproduced at the correct reproduction distance. Therefore, based on the assumption, the position is specified by the reproduction distance when the correct shape is obtained.
To be more specific, in this embodiment, assuming wavefront Ws that would be obtained if it is correctly reproduced, comparing the wavefront Ws, the wavefront W 2 which is actually obtained. Then, when the correlation between the two becomes the highest, it is assumed that “the most correctly reproduced”. The data of “the wavefront Ws assumed to be obtained when correctly reproduced” is hereinafter referred to as sample data.

このような方法の違いによる優劣は、明らかである。即ち、特許文献2では、再生結果から輝度値の情報のみを取り出し、しかもフリンジ像の部分という再生像のごく一部の領域のみ取り出して判断しているのに対し、本実施形態では、再生処理の結果をあくまで波面として捉え、波面で判断している。波面で判断するということは、物体の立体的形状に即した判断ということになるし、より広い領域に基づいて判断することになる。   The superiority or inferiority due to such a difference in method is obvious. That is, in Patent Document 2, only luminance value information is extracted from the reproduction result, and only a very small area of the reproduced image, which is a fringe image portion, is extracted and judged, whereas in the present embodiment, reproduction processing is performed. The result is taken as a wavefront to the last, and is judged by the wavefront. Judgment based on the wavefront means judgment based on the three-dimensional shape of the object and judgment based on a wider area.

このような光学的な手法による位置測定では、光学系に存在する僅かな異物や撮像素子による読み出しノイズ等によるノイズの影響が避けられず、再生結果には相当量のノイズが含まれる。この場合、特許文献2の方法では、波面で判断していないので、何らかの原因で輝度値のピークをもたらすようなノイズ(例えばスペックルノイズ)が混入すると、再生距離方向の位置の誤認に直結してしまう。また、特許文献2のように、狭いごく一部の領域だけを捉えて判断すると、SN比(即ち、判断の根拠となる情報の量に対するノイズの量の比)が悪く、判断の精度が低下し易い。一方、本実施形態の方法では、波面という物体の形状に即したパラメータで判断するので、より精度の高い判断が可能である。またより広い領域を根拠として判断するので、混入するノイズの影響は相対的に小さくなる(SN比が高い)。この点でも、より判断の精度が高くなる。つまり、Z軸方向の位置特定の精度が高くなる。   In the position measurement by such an optical method, the influence of noise due to slight foreign matter existing in the optical system or readout noise by the image sensor is unavoidable, and a considerable amount of noise is included in the reproduction result. In this case, since the method of Patent Document 2 does not make a judgment based on the wavefront, if noise (for example, speckle noise) that causes a peak in luminance value is mixed for some reason, it directly leads to a misperception of the position in the reproduction distance direction. End up. Further, as in Patent Document 2, if only a small part of the area is captured and judged, the SN ratio (that is, the ratio of the amount of noise to the amount of information that is the basis of judgment) is poor, and the accuracy of judgment is reduced. Easy to do. On the other hand, in the method according to the present embodiment, the determination is made based on the parameter corresponding to the shape of the object called the wavefront. In addition, since the determination is based on a wider area, the influence of mixed noise is relatively small (the SN ratio is high). In this respect as well, the accuracy of determination is further increased. That is, the position specifying accuracy in the Z-axis direction is increased.

上記のような優位性を持つ本実施形態の方法について、図4を使用してさらに詳しく説明する。図4は、実施形態の三次元位置測定方法における再生距離方向の位置の特定について示した概略図である。
本実施形態では、標本データとの相関性を評価し易くするため、物体Sとして透明な球状粒子を対象としている。物体Sが透明であるので、前述したように物体光は主として透過光である。
The method of this embodiment having the above advantages will be described in more detail with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic diagram illustrating the specification of the position in the reproduction distance direction in the three-dimensional position measurement method of the embodiment.
In this embodiment, transparent spherical particles are targeted as the object S in order to facilitate the evaluation of the correlation with the sample data. Since the object S is transparent, the object light is mainly transmitted light as described above.

図4に示すように、透明な物体Sにコヒーレントな平面波Lが入射すると、媒質の屈折率nと物体Sの屈折率nに応じて平面波Lが歪められる。この際、n>nであれば、光は物体Sに入ると速度が低下するので、図4に示すように、物体Sを透過した時点では、球面状の波面となる。この透過光の波面は、透明で球状の物体Sがレンズに似た作用をすることによるもので(以下、この作用をレンズ効果と呼ぶ)、波面は、図4に示すように、徐々に収縮し、ある集光点を経て逆に広がっていく。 As shown in FIG. 4, the coherent plane wave L in transparent object S is incident, plane wave L distorted according to the refractive index n 2 of the refractive index n 1 and the object S in the medium. At this time, if n 2 > n 1 , the speed of the light decreases as it enters the object S. Therefore, when the light passes through the object S as shown in FIG. The wavefront of this transmitted light is due to the action of the transparent and spherical object S resembling a lens (hereinafter, this action is referred to as the lens effect), and the wavefront gradually contracts as shown in FIG. However, it spreads through a certain condensing point.

ここで、平面波が物体Sを透過した直後の波面Wを基準として考え、以下、基準波面と呼ぶ。基準波面Wの位置を、物体Sの位置とする。また、図4に示すように、基準波面Wとホログラム面との距離をdとする。仮に、dよりも少し短い再生距離で再生を行った場合、基準波面Wの位置よりも少し手前の位置(ホログラム面に近い位置)で再生してしまったことになるので、再生した波面は、基準波面Wよりも全体の大きさが小さくなり、曲率半径が小さくなる。また、dよりも少し長い再生距離で再生を行った場合、基準波面Wの位置よりも少し奥の位置(ホログラム面から遠い位置)で再生してしまったことになるので、再生した波面は、基準波面Wより少し曲率半径が大きくなる。従って、再生距離を変えながら像再生を行い、得られた波面の大きさや形状がWに一致したと判断した時点の再生距離を特定すれば、それによってZ軸方向での物体の位置が特定できたことになる。 Here, consider the wavefront W 1 immediately after the plane wave is transmitted through the object S as a reference, hereinafter referred to as a reference wavefront. The position of the reference wavefront W 1, the position of the object S. Further, as shown in FIG. 4, a distance between the reference wavefront W 1 and the hologram surface to as d. If, when carrying out the regenerating a little shorter regeneration distance than d, than the position of the reference wavefront W 1 it means that had regenerated a little at a position before (position closer to the hologram plane), the wave front of the regenerated , decreases the size of the overall than the reference wavefront W 1, the radius of curvature becomes smaller. In addition, in the case of performing the play in a little long playback distance than d, than the position of the reference wavefront W 1 it means that had to play a little bit position of the back (a position far from the hologram surface), wavefront play , a little curvature radius is larger than the reference wavefront W 1. Therefore, if an image is reproduced while changing the reproduction distance, and the reproduction distance at the time when it is determined that the obtained wavefront size and shape match W 1 is specified, the position of the object in the Z-axis direction can be specified accordingly. It ’s done.

次に、上記方法における標本データについて説明する。標本データについては、二つの異なる取得方法が考えられる。一つは、標本的な物体について実際に撮影を行ってホログラムデータを記録し、これに対して再生計算を行った結果を標本データとする方法である。図5は、この方法について示したもので、標本データの取得方法の第一の例について示した概略図である。   Next, sample data in the above method will be described. For sample data, two different acquisition methods are possible. One is a method in which a sample object is actually photographed, hologram data is recorded, and a result of reproduction calculation is used as sample data. FIG. 5 shows this method, and is a schematic diagram showing a first example of a sample data acquisition method.

上記の例で言えば、管101内の流体に混入させる多数のトレーサ粒子は、すべて同じ材質で同じ粒径とされる。従って、一つのトレーサ粒子を標本物体Soとして取り出し、同様の媒質中でコヒーレント光Lを照射して干渉縞を撮像し、ホログラムデータを得る。この際、図5に示すように、位置を既知の固定された位置とするため、シャーレのような透明な板102の上に標本物体Soを置いて撮影が行われる。板102は、撮像素子2との関係で所定の位置に精度良く配置される。
板102と撮像素子2との離間距離から粒径を引いた値が撮影距離dであり、この距離と同じ距離に再生距離を設定し、再生計算をする。これにより、標本データが得られる。尚、板102としては、物体の周囲の媒質の屈折率になるべく近い屈折率のものを用いる。
In the above example, all the tracer particles mixed into the fluid in the tube 101 are all made of the same material and have the same particle size. Accordingly, one tracer particle is taken out as the sample object So, and the interference pattern is imaged by irradiating the coherent light L in the same medium to obtain hologram data. At this time, as shown in FIG. 5, in order to set the position to a known fixed position, imaging is performed by placing the sample object So on a transparent plate 102 such as a petri dish. The plate 102 is accurately arranged at a predetermined position in relation to the image sensor 2.
A value obtained by subtracting the particle size from the separation distance between the plate 102 and the image pickup device 2 is the photographing distance d. The reproduction distance is set to the same distance as this distance, and the reproduction calculation is performed. Thereby, sample data is obtained. As the plate 102, a plate having a refractive index as close as possible to the refractive index of the medium around the object is used.

別の方法として、撮影を行わずに計算によって標本データを取得することもできる。図6は、これについて示したもので、標本データの取得方法の第二の例について示した概略図である。
前述したように、透明な球状の物体の場合、レンズ効果により基準波面Wは半球面状の波面となる。基準波面Wの大きさや曲率は、媒質の屈折率n、物体の屈折率n、物質の粒径φが既知であれば、計算により求めることができる。即ち、直径がφである半球面は、以下の式6で表すことができる(半球の最下点を原点とする)。

Figure 0006193546

従って、標本データの波面Wは、屈折率差を考慮し、式7で表される。
Figure 0006193546
As another method, sample data can be obtained by calculation without performing imaging. FIG. 6 shows this, and is a schematic diagram showing a second example of the sample data acquisition method.
As described above, when the object transparent spherical reference wavefront W 1 by the lens effect is hemispherical wavefront. Size and curvature of the reference wavefront W 1, the refractive index n 1 of the medium, the refractive index n 2 of the object, if known particle size of the material φ is can be obtained by calculation. That is, a hemispherical surface having a diameter of φ can be expressed by the following Equation 6 (the lowest point of the hemisphere is the origin).
Figure 0006193546

Therefore, the wavefront W s of the sample data is expressed by Expression 7 in consideration of the refractive index difference.
Figure 0006193546

上記のような標本データに基づいて再生距離方向の位置が特定できることについて、実際のデータによって確認した結果について説明する。図7は、標本データによる再生距離方向の位置の特定を実際のデータに基づいて行った実験について示した図である。
図7に示す実験では、粒径25μmのポリスチレン製の透明な球状粒子(屈折率1.59)を水中に浮かべ、波長632.8nmのHeNeレーザを照射してホログラムを撮影した。そして、再生距離を130mm、140mm、150mmと変えながら再生計算を行い、複素振幅データから位相情報を抽出し、位相値マップを得た。図7は、再生面(XY平面)のある方向での位相値の分布をグラフ化したものである。横軸は、再生面上での位置、縦軸は、位相値をZ軸方向での位置に換算して表示している。即ち、同一位相値を持つ点をつなげた線(波面)として表している。図7中、D=130mmが再生距離130mmのときの位相値分布、D=140mmが再生距離140mmのときの位相値分布、D=150mmが再生距離150mmのときの位相値分布をそれぞれ示している。
The result confirmed by actual data that the position in the reproduction distance direction can be specified based on the sample data as described above will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating an experiment in which the position in the reproduction distance direction is specified based on sample data based on actual data.
In the experiment shown in FIG. 7, a transparent spherical particle (refractive index: 1.59) made of polystyrene having a particle size of 25 μm was floated in water and irradiated with a HeNe laser having a wavelength of 632.8 nm to photograph a hologram. Then, reproduction calculation was performed while changing the reproduction distance to 130 mm, 140 mm, and 150 mm, phase information was extracted from the complex amplitude data, and a phase value map was obtained. FIG. 7 is a graph showing the distribution of phase values in a certain direction of the reproduction surface (XY plane). The horizontal axis represents the position on the reproduction surface, and the vertical axis represents the phase value converted into a position in the Z-axis direction. That is, it is represented as a line (wavefront) connecting points having the same phase value. FIG. 7 shows a phase value distribution when D = 130 mm is a reproduction distance 130 mm, a phase value distribution when D = 140 mm is a reproduction distance 140 mm, and a phase value distribution when D = 150 mm is a reproduction distance 150 mm. .

図7には、各再生距離における波面が重ね合わされて示されている。図7(1)に示すように、再生距離を短くしていくと、波面の曲率半径が小さくなる(即ち、形状が変化する)。これは、前述したレンズ効果によるものである。尚、一般的に言っても、平面波が物体によって乱された際の波面の形状は、物体の表面上では物体の形状に依っているが、その後に伝搬していく過程で波面の形状は変化する。
図7(2)には、(1)のデータに対して標本データが書き加えられている。この例では、図6に示す計算による方法で標本データを取得した。図7(2)に示すように、この例では、再生距離が140mmのときの波面が最も標本データに近い(最も相関性が高い)。従って、この例の場合、再生距離140mmにおいて「最も正しく再生された」と判断することができる。
In FIG. 7, wavefronts at respective reproduction distances are shown superimposed. As shown in FIG. 7 (1), as the reproduction distance is shortened, the radius of curvature of the wavefront becomes smaller (that is, the shape changes). This is due to the lens effect described above. Generally speaking, the shape of the wavefront when a plane wave is disturbed by an object depends on the shape of the object on the surface of the object, but the shape of the wavefront changes during the subsequent propagation process. To do.
In FIG. 7B, sample data is added to the data of (1). In this example, the sample data was acquired by the calculation method shown in FIG. As shown in FIG. 7B, in this example, the wavefront when the reproduction distance is 140 mm is closest to the sample data (highest correlation). Therefore, in this example, it can be determined that “the most correctly reproduced” is achieved at the reproduction distance of 140 mm.

次に、上記いずれかの方法により得た標本データにより物体の三次元位置を特定する方法について、図8を使用して説明する。図8は、実施形態の方法における特定工程について模式的に示した斜視図である。
まず、図8(1)に示すように、再生距離を変えながら再生計算を行い、その結果として位相値マップM,M,M…を得る。コヒーレントな平面波が照射されており、撮像素子2の撮像面は波面に対して平行に配置されているので、物体が存在しないところでは波面の乱れはなく、位相は一定である。物体が存在するところでは波面が乱れ、位相が異なってくるので、それが像…G31,G32,G33…として現れてくる。尚、図8では理解を容易にするためイメージ化(視覚化)をしているが、実際には位相値(数値)のままでデータ処理するのであり、図8に示すようなイメージ化をした上で処理する訳ではない。
Next, a method for specifying the three-dimensional position of an object from the sample data obtained by any of the above methods will be described with reference to FIG. FIG. 8 is a perspective view schematically showing a specific step in the method of the embodiment.
First, as shown in FIG. 8A, reproduction calculation is performed while changing the reproduction distance, and as a result, phase value maps M 1 , M 2 , M 3 ... Are obtained. Since the coherent plane wave is irradiated and the imaging surface of the imaging device 2 is arranged in parallel with the wavefront, the wavefront is not disturbed and the phase is constant when no object is present. Where the object is present, the wave front is disturbed and the phase is different, so that it appears as images... G 31 , G 32 , G 33 . In FIG. 8, the image is made (visualized) for easy understanding, but actually the data is processed with the phase value (numerical value) as it is, and the image is made as shown in FIG. It's not the above process.

各再生距離(Z=Z,Z=Z,Z=Z,…)それぞれについて得られた位相値マップM,M,M,…を、理解を容易にするため、三次元的に並べてみると、例示的に図8(2)に示すようになる。図8(2)に示すように並べられた位相値マップ(三次元再生空間)において、XY方向では同じ位置に再生像が存在するのが確認される。即ち、再生像G11、再生像G21、再生像G31は、XY方向においてほぼ同じ位置に位置している。再生像G12、再生像G22、再生像G32の三つも、XY方向ではほぼ同じ位置に位置している。また、再生像G13、再生像G23、再生像G33も、XY方向ではほぼ同じ位置に位置している。これらXY方向で同じ位置である各像は、各々一つの物体についての再生像であると推測される。しかし、各組の再生像において、XY方向の位置は同じであっても、形状は同じではない。即ち、各組の再生像は、再生距離が短くなるに従って曲率半径が小さくなっている。 In order to facilitate understanding of the phase value maps M 1 , M 2 , M 3 ,... Obtained for each reproduction distance (Z = Z 1 , Z = Z 2 , Z = Z 3 ,. If they are arranged side by side, an example is shown in FIG. In the phase value map (three-dimensional reproduction space) arranged as shown in FIG. 8 (2), it is confirmed that a reproduced image exists at the same position in the XY directions. That is, the reproduced image G 11 , the reproduced image G 21 , and the reproduced image G 31 are located at substantially the same position in the XY direction. Three of the reproduced image G 12 , the reproduced image G 22 , and the reproduced image G 32 are also located at substantially the same position in the XY direction. Further, the reproduced image G 13 , the reproduced image G 23 , and the reproduced image G 33 are also located at substantially the same position in the XY direction. Each image at the same position in the XY directions is assumed to be a reproduced image for one object. However, in each set of reproduced images, the shape is not the same even if the positions in the XY directions are the same. That is, the radius of curvature of each set of reproduced images becomes smaller as the reproduction distance becomes shorter.

このような各再生面での再生像G11〜G33について、前述したように標本データとの相関性を評価し、相関性が基準値以上のものをデータとして残す。そして、相関性が基準値未満のデータをゼロにリセットする。ゼロにリセットするとは、像以外の部分の位相値(バックグラウンドの位相値)と同じ位相値にすることである。これにより、その箇所の像は図8(3)に示すように消失する。 As described above, the correlation between the reproduction images G 11 to G 33 on each reproduction plane and the sample data is evaluated, and data having a correlation higher than the reference value is left as data. Then, the data whose correlation is less than the reference value is reset to zero. To reset to zero is to make the phase value the same as the phase value of the part other than the image (background phase value). As a result, the image at that location disappears as shown in FIG.

このような処理をすべての再生像の半球面の波面に対して行うと、図8(3)に示すように、3次元空間には、標本データとの相関性が一定以上高い再生像G32,G21,G13のみが残る。これらの再生像G32,G21,G13は、正しい再生距離で再生がされたと判断された再生像であり、それらの位置が各物体(トレーサ粒子)の位置を指し示しているものである。従って、各再生像G32,G21,G13において、XY方向の中心の座標を求めてXY方向の位置と特定し、その再生像が得られた再生距離に従ってZ軸方向の位置を特定する。これにより、各物体の三次元位置が特定できたことになる。 When performing such processing with respect to the wavefront of the hemispherical surfaces of all of the reproduction image, as shown in FIG. 8 (3), the three-dimensional space, is high than a predetermined correlation reproduction image of the sample data G 32 , G 21 and G 13 remain. These reproduced images G 32 , G 21 , and G 13 are reproduced images determined to have been reproduced at the correct reproduction distance, and their positions indicate the positions of the respective objects (tracer particles). Therefore, in each reproduced image G 32 , G 21 , G 13 , the coordinates of the center in the XY direction are obtained and specified as the position in the XY direction, and the position in the Z-axis direction is specified according to the reproduction distance from which the reproduced image is obtained. . Thereby, the three-dimensional position of each object has been identified.

尚、基準値は、撮像用光学系4の解像度、再生距離を変えて再生計算を行う際のピッチ等を考慮に入れて適宜決定される。基準値をより高く設定した方がより精度の高い測定になるが、基準値以上の再生像が全く存在しないことになってしまうと、物体が確かに存在するにもかかわらず物体が存在しないと判断してしまうことになるし、基準値をあまり低く設定すると、一つの物体について二つの位置を特定してしまうことになりかねない。このあたりを考慮して、基準値は適宜決定される。   Note that the reference value is appropriately determined in consideration of the pitch when the reproduction calculation is performed by changing the resolution and reproduction distance of the imaging optical system 4. Setting a higher reference value results in a more accurate measurement, but if there is no reconstructed image that exceeds the reference value at all, there is no object even though there is an object. If the reference value is set too low, two positions for one object may be specified. In consideration of this, the reference value is appropriately determined.

本実施形態では、このようにして位相情報に従って物体の三次元位置を特定するが、測定精度をより高めるため、振幅情報も補助的に利用するようにしている。具体的には、図8(3)に示す各再生像(標本データとの相関性が基準値以上であるとされた各再生像)について、振幅情報による再生像との照合を行い、ノイズなどに起因したエラーデータではないかどうかチェックするようにしている。振幅情報から判断してエラーデータであるとされる場合には、その再生像のデータをゼロにリセットし、その位置には物体(トレーサ粒子)は無かったとして取り扱う。いわば、振幅情報によるフィルタ処理である。   In the present embodiment, the three-dimensional position of the object is specified according to the phase information in this way, but amplitude information is also used in an auxiliary manner in order to further improve measurement accuracy. Specifically, each reproduced image shown in FIG. 8 (3) (each reproduced image whose correlation with the sample data is determined to be equal to or higher than the reference value) is collated with the reproduced image based on the amplitude information, noise, etc. It is checked whether it is error data caused by the error. If the error data is determined from the amplitude information, the reproduced image data is reset to zero and handled as no object (tracer particle) at that position. In other words, it is a filtering process based on amplitude information.

図9は、振幅情報によるフィルタ処理について示した概略図である。フィルタ処理を行う場合、再生計算の結果から振幅情報を抽出し、各再生距離における振幅値マップを得ておく。その上で、図8(3)に示す位相情報の各再生像(各物体を正しい位置で再生していると判断された再生像)について、前述したように三次元位置を特定し、その特定された三次元位置の座標(以下、特定済み座標という)における振幅値を参照する。
具体的には、ある特定済み座標がXn、Yn、Znであるとすると、Z=Znの再生距離における振幅値マップを読み込む。そして、図9に示すように、Z=Znの振幅値マップにおいて、特定済み座標を含む矩形の参照領域を設定する。即ち、Xn±Δx、Yn±Δyの領域を設定する。Δx、Δyの大きさは、想定される再生像の大きさよりも十分に大きなものとする。
FIG. 9 is a schematic diagram illustrating filtering processing based on amplitude information. When performing filter processing, amplitude information is extracted from the result of reproduction calculation, and an amplitude value map at each reproduction distance is obtained. Then, for each reproduced image of the phase information shown in FIG. 8 (3) (reproduced image determined to reproduce each object at the correct position), the three-dimensional position is identified as described above, and the identification is performed. The amplitude value at the coordinate of the three-dimensional position (hereinafter referred to as the specified coordinate) is referred to.
Specifically, if certain specified coordinates are Xn, Yn, and Zn, an amplitude value map at a reproduction distance of Z = Zn is read. Then, as shown in FIG. 9, a rectangular reference area including the specified coordinates is set in the amplitude value map of Z = Zn. That is, areas of Xn ± Δx and Yn ± Δy are set. The sizes of Δx and Δy are assumed to be sufficiently larger than the assumed size of the reproduced image.

そして、この参照領域内のデータに対して、コントラスト比をチェックする画像処理を行い、コントラスト比が一定以上であるかどうか判断する。例えば、振幅値の最大値と最小値を比べてそれが一定以上であるかどうかで判断したり、振幅値の立ち上がり(像の輪郭部分)の角度の大きさが一定以上であるかで判断したりする。コントラスト比が一定以上あれば、振幅情報によってもその位置に物体が存在していたことが確認されたことになるので、位相情報による特定結果はそのまま採用できることになる。コントラスト比が一定未満であれば、振幅情報によってはその位置に物体が存在していたことの確認ができなかったことになるので、位相情報による特定結果は何らかのノイズに起因したエラーであると判断される。従って、この場合は、その特定結果をゼロにリセットする(その位置には物体は無かったとして扱う)。本実施形態の方法では、このような振幅情報によるフィルタ処理を行い、最終的に残った再生像についてのみ三次元位置の測定結果とする。   Then, image processing for checking the contrast ratio is performed on the data in the reference area, and it is determined whether or not the contrast ratio is a certain level or more. For example, the maximum and minimum amplitude values are compared to determine whether they are above a certain level, or whether the angle of the rising edge of the amplitude value (image outline) is above a certain level. Or If the contrast ratio is above a certain level, it is confirmed by the amplitude information that an object is present at that position, so that the identification result based on the phase information can be adopted as it is. If the contrast ratio is less than a certain value, depending on the amplitude information, it could not be confirmed that the object was present at that position. Therefore, the specific result based on the phase information is determined to be an error caused by some noise. Is done. Therefore, in this case, the specific result is reset to zero (there is no object at that position). In the method of the present embodiment, such a filtering process based on the amplitude information is performed, and only the finally reconstructed image is obtained as a three-dimensional position measurement result.

次に、上記方法が実施される三次元位置測定装置のうち、ソフトウェアに関連した部分について説明する。前述したように、装置はコンピュータ6を備えており、上述した各種処理は、コンピュータ6にインストールされた各種プログラムによって実行される。
各種プログラムとしては、一つのホログラムデータに対して再生計算を行い、各再生距離における複素振幅データを得る再生計算プログラム、各複素振幅データから各再生距離における位相値マップを得る位相情報抽出プログラム、各複素振幅データから各再生距離における振幅値マップを得る振幅情報抽出プログラム、各位相値マップに基づいて三次元位置を特定し、振幅情報によるフィルタ処理を行った後に正式な三次元位置の特定結果とする位置特定プログラム等がインストールされている。
Next, a part related to software among the three-dimensional position measuring apparatus in which the above method is performed will be described. As described above, the apparatus includes the computer 6, and the various processes described above are executed by various programs installed in the computer 6.
As various programs, a reproduction calculation program that performs reproduction calculation on one hologram data and obtains complex amplitude data at each reproduction distance, a phase information extraction program that obtains a phase value map at each reproduction distance from each complex amplitude data, An amplitude information extraction program that obtains an amplitude value map at each reproduction distance from complex amplitude data, specifies a three-dimensional position based on each phase value map, and performs a filtering process based on the amplitude information, and a formal three-dimensional position specification result A location specifying program is installed.

再生計算プログラムは、像再生のために離散フーリエ変換等を行うもので、通常のデジタルホログラフィと特に変わるところはない。従って、詳細な説明は割愛する。尚、再生距離を変えながら再生計算を行うので、再生計算プログラムに対しては、再生距離の初期値、再生距離の終期値、再生距離を変えるピッチが引数として渡される。例えば、50×50×50(mm)の空間について物体の三次元位置測定を行う場合、奥行きが50mmであるので再生距離も50mm範囲に亘って変える必要がある。この場合、例えば再生距離の初期値は100mm、終期値150mm、変更のピッチは10mmとされる。この例では、再生計算は6回繰り返されることになり、1つのホログラムデータ(一回の撮影)について6個の複素振幅のデータセットが得られることになる。   The reproduction calculation program performs discrete Fourier transform and the like for image reproduction, and is not particularly different from ordinary digital holography. Therefore, detailed description is omitted. Since reproduction calculation is performed while changing the reproduction distance, an initial value of the reproduction distance, an end value of the reproduction distance, and a pitch for changing the reproduction distance are passed as arguments to the reproduction calculation program. For example, when measuring the three-dimensional position of an object in a space of 50 × 50 × 50 (mm), since the depth is 50 mm, the reproduction distance needs to be changed over a 50 mm range. In this case, for example, the initial value of the reproduction distance is 100 mm, the final value is 150 mm, and the change pitch is 10 mm. In this example, the reproduction calculation is repeated six times, and six complex amplitude data sets are obtained for one hologram data (one shot).

また、位相情報抽出プログラムや振幅情報抽出プログラムも、通常のデジタルホログラフィにおける像再生の場合と基本的に同様である。位相情報抽出プログラムは、複素振幅の各データセットを順次読み込み、各点の複素振幅から偏角を算出して位相値マップを出力する。位相値マップは、複素振幅のデータセットの数(再生距離を変えた数)だけ出力され、上記の例では6個出力される。振幅情報抽出プログラムも、複素振幅の各データセットを順次読み込み、各点の複素振幅から振幅の絶対値の二乗を算出して振幅値マップを出力する。同様に、振幅値マップの数は再生距離を変えた分の数である。位相値マップや振幅値マップは、後の処理のために記憶部62に記憶される。   The phase information extraction program and the amplitude information extraction program are basically the same as in the case of image reproduction in normal digital holography. The phase information extraction program sequentially reads each data set of complex amplitudes, calculates a declination from the complex amplitude at each point, and outputs a phase value map. The number of phase value maps is output as many as the number of complex amplitude data sets (the number obtained by changing the reproduction distance). In the above example, six phase value maps are output. The amplitude information extraction program also sequentially reads each data set of complex amplitudes, calculates the square of the absolute value of the amplitude from the complex amplitude at each point, and outputs an amplitude value map. Similarly, the number of amplitude value maps is the number of times the reproduction distance is changed. The phase value map and the amplitude value map are stored in the storage unit 62 for later processing.

位置特定プログラムは、前述したように、各再生距離の位相値マップから三次元位置を特定するものである。図10は、位置特定プログラムの概略について示したフローチャートである。
図10に示すように、位置特定プログラムは、記憶部62から最初の位相値マップを読み出す。最初のとは、例えば前述した再生距離が初期値である場合の位相値マップである。そして、位相値マップをデータ処理し、各物体の像とみられる部分の領域を設定する。即ち、位相値が大きく変化している領域があれば、その部分を含む矩形領域を設定する。そして、その矩形領域のデータを、前述したように標本データと対比し、相関性を評価する。相関性が基準値以上であれば、物体を正しく再生している像であると判断し、その像の中心座標を、特定された物体の位置を示すもの(特定済み座標)としてメモリ変数に格納する。
As described above, the position specifying program specifies a three-dimensional position from the phase value map of each reproduction distance. FIG. 10 is a flowchart showing an outline of the position specifying program.
As illustrated in FIG. 10, the position specifying program reads the first phase value map from the storage unit 62. The first is, for example, a phase value map when the above-described reproduction distance is an initial value. Then, the phase value map is subjected to data processing, and an area of a portion that is considered as an image of each object is set. That is, if there is an area where the phase value has changed greatly, a rectangular area including the area is set. Then, the data of the rectangular area is compared with the sample data as described above, and the correlation is evaluated. If the correlation is greater than or equal to the reference value, it is determined that the image is an image that is correctly reproduced, and the center coordinates of the image are stored in a memory variable as an indication of the position of the specified object (specified coordinates). To do.

相関性をみる方法について具体例を示すと、例えば像とみられる部分の各座標の位相値と、標準データにおける同一座標の位相値とを順次比較してその差分を取り、座標全体で差分の平均値を計算し、平均値が基準値以内であるかどうかで判断する方法が考えられる。差分を合計し、合計値が基準値以内であるかどうかで判断しても良い。   A specific example of the method of checking the correlation is, for example, by sequentially comparing the phase value of each coordinate of the portion seen as an image with the phase value of the same coordinate in the standard data, and taking the difference, and averaging the difference over the entire coordinate A method is conceivable in which a value is calculated and a determination is made based on whether the average value is within a reference value. The differences may be summed and a determination may be made based on whether the sum is within a reference value.

一つの位相値マップについて上記処理を繰り返し、各三次元座標を特定済み座標として別々にメモリ変数に格納した後、次の位相値マップを読み込む。次の位相値マップとは、所定のピッチだけ再生距離を変化させて得た位相値マップである。次の位相値マップについても同様に処理を繰り返し、相関性が一定以上ある再生像の部分の三次元座標を特定し、その座標をメモリ変数に格納する。   The above processing is repeated for one phase value map, and each three-dimensional coordinate is stored as a specified coordinate separately in a memory variable, and then the next phase value map is read. The next phase value map is a phase value map obtained by changing the reproduction distance by a predetermined pitch. The same processing is repeated for the next phase value map, the three-dimensional coordinates of the portion of the reproduced image having a certain correlation or more are specified, and the coordinates are stored in a memory variable.

すべての位相値マップについて三次元座標の特定とメモリ変数への格納が終了したら、プログラムは、次に、振幅情報でのフィルタ処理を行う。即ち、図10に示すように、メモリ変数から各特定済み座標を順次読み出し、その座標を有している振幅値マップを記憶部62から読み出す。そして、前述したように矩形の参照領域を設定し、コントラスト比が一定以上であるかどうかの判断をし、一定以上でなかったら、エラーデータであるとしてゼロへのリセットを行う。すべての特定済み座標についてフィルタ処理が終わると、位置特定プログラムは終了である。   When the three-dimensional coordinates are specified and stored in the memory variables for all the phase value maps, the program next performs a filtering process with the amplitude information. That is, as shown in FIG. 10, each specified coordinate is sequentially read from the memory variable, and an amplitude value map having the coordinate is read from the storage unit 62. Then, as described above, a rectangular reference area is set, and it is determined whether or not the contrast ratio is greater than a certain value. If not, the error data is reset to zero. When the filtering process is completed for all specified coordinates, the position specifying program ends.

上述した実施形態の三次元位置測定方法又は装置によれば、位相情報に基づいて三次元位置特に再生距離の方向の位置を特定する。このため、正しい位置の再生像であるかどうかの判断を物体の立体的形状に即した行うことになり、またより広い領域に基づいて判断することになる。このため、より精度の高い判断が行え、精度の高い三次元位置の特定となる。特に本実施形態では、一つの物体の再生像の波面全体を使って判断しているので、この効果が著しい。   According to the three-dimensional position measurement method or apparatus of the above-described embodiment, the three-dimensional position, particularly the position in the reproduction distance direction, is specified based on the phase information. For this reason, whether or not the reproduced image is at the correct position is determined according to the three-dimensional shape of the object, and is determined based on a wider area. For this reason, a more accurate determination can be made, and a highly accurate three-dimensional position can be specified. In particular, in this embodiment, since the determination is made using the entire wavefront of the reproduced image of one object, this effect is remarkable.

また、この実施形態では、位相情報に基づく三次元位置の特定の際に、振幅情報でフィルタ処理を行っている。このため、物体が存在しない位置を誤って特定してしまうエラーの発生が抑制されており、この点でより精度の高い三次元位置測定が行える。
尚、位相情報を利用することは波面で判断することになるが、再生像の波面全体を利用することは必ずしも必須ではない。例えば、図7に示す半円弧状の位相再生像において、最下点から一方の側の半分領域(1/4円弧)について標本データと比較して相関性をチェックすることによっても判断は行える。この場合でも、特許文献2のように輝度値のピークで判断するのに比べ、十分に高い精度の測定となる。但し、再生像全体の波面データで判断を行った方がより精度の高い測定となることは勿論である。
In this embodiment, when the three-dimensional position is specified based on the phase information, the filtering process is performed using the amplitude information. For this reason, the occurrence of an error that erroneously specifies a position where no object exists is suppressed, and in this respect, more accurate three-dimensional position measurement can be performed.
Note that the use of the phase information is determined by the wavefront, but it is not always necessary to use the entire wavefront of the reproduced image. For example, in the semi-arc-shaped phase reproduction image shown in FIG. 7, the determination can also be made by checking the correlation with the sample data for the half area (¼ arc) on one side from the lowest point. Even in this case, the measurement can be performed with sufficiently high accuracy as compared with the determination of the peak of the luminance value as in Patent Document 2. However, it is a matter of course that the measurement with higher accuracy can be performed by using the wavefront data of the entire reproduced image.

また、測定の対象物である物体が球状である点には、前述した標本データを計算によって得る際、計算が容易であるという効果がある。物体が、球状ではなくて複雑な形状を有している場合、標本データを得るための計算が複雑になることがあり得るが、その場合には、図5に示す方法(標本となる物体について予め撮影を行って標本データを得る方法)を採用すれば良い。   Further, the point that the object that is the object of measurement is spherical has an effect that the calculation is easy when the sample data is obtained by calculation. If the object is not spherical but has a complicated shape, the calculation for obtaining the sample data may be complicated. In this case, the method shown in FIG. A method for obtaining specimen data by performing imaging in advance may be adopted.

尚、計算によって標本データを得る方法は、寸法形状や屈折率の点で物体のばらつきが大きい場合にメリットがある。寸法形状や屈折率の点で物体のばらつきが大きい場合(標準偏差が大きい場合)、たまたま選んだ標本物体が偏差値の大きいものであった場合、測定精度の低下につながる。計算によって標本データを得る場合には、平均的な形状及び屈折率を有するものとして観念されるものを標本物体とするので、このような問題はない。場合によっては、相当数の物体について予め寸法や屈折率を調べ、統計的手法により標本物体の寸法や屈折率を定めても良い。   Note that the method of obtaining sample data by calculation is advantageous when there is a large variation in objects in terms of dimensions and refractive index. If the variation of the object is large in terms of dimensions and refractive index (when the standard deviation is large), or if the selected sample object has a large deviation value, the measurement accuracy will be reduced. In the case of obtaining sample data by calculation, there is no such problem because a sample object is assumed to have an average shape and refractive index. In some cases, the size and refractive index of a considerable number of objects may be examined in advance, and the size and refractive index of the sample object may be determined by a statistical method.

また、物体Sが透明であり、物体光が透過光である点には、奥行き方向で広い測定空間を対象とすることができるというメリットがある。従来知られたPIVのように、物体(トレーサ粒子)が透明ではなく散乱光によってホログラムを記録する場合、透過光による場合と比べると、より広い視野角で撮影を行う必要がある。この場合、NAの大きなレンズを使用する必要があり、被写界深度を深くすることが難しくなる。このため、奥行き方向で広い測定空間を確保することが難しくなる。一般的に言っても、透過光でホログラムを記録して三次元位置を測定する場合、散乱光に比べて狭い視野角で足りる。従って、奥行き方向で広い測定空間を確保する点では有利である。   Further, the point that the object S is transparent and the object light is transmitted light has an advantage that a wide measurement space can be targeted in the depth direction. When a hologram is recorded by scattered light instead of transparent objects (tracer particles) as in the conventionally known PIV, it is necessary to shoot with a wider viewing angle than when using transmitted light. In this case, it is necessary to use a lens having a large NA, and it becomes difficult to increase the depth of field. For this reason, it becomes difficult to ensure a wide measurement space in the depth direction. Generally speaking, when recording a hologram with transmitted light and measuring a three-dimensional position, a narrower viewing angle is sufficient compared to scattered light. Therefore, it is advantageous in securing a wide measurement space in the depth direction.

尚、物体Sが透明で且つ球状である点は、上記メリットをより顕著にする。即ち、物体が球状であれば、前述したようにレンズ効果によって波面が徐々に収縮していく状態に基づいて標本データとの相関性を判断することができる。図4から解るように、このような観察には、撮像用光学系4の視野角はより狭くて済む。従って、NAの小さいレンズを使用して被写界深度を深くできる効果が顕著となる。   In addition, the point which the object S is transparent and spherical makes the said merit more remarkable. That is, if the object is spherical, the correlation with the sample data can be determined based on the state where the wavefront gradually contracts due to the lens effect as described above. As can be seen from FIG. 4, the viewing angle of the imaging optical system 4 may be narrower for such observation. Therefore, the effect of deepening the depth of field by using a lens having a small NA is remarkable.

また、本実施形態の方法及び装置においては、撮像用光学系4はテレセントリックな光学系となっている。このため、精度の高い三次元位置測定がより容易に行える。この点について、図11を使用して説明する。図11は、図1の装置における撮像用光学系4のテレセントリック性について示した概略図である。テレセントリックな光学系とは、一般的には、主光線が主軸と平行であるとみなせる光学系をいう。特に、図11(1)に示すように、物体側及び像側の双方において主光線が光軸に平行であるとみなせる光学系は、両側テレセントリックと呼ばれる。このような両側テレセントリック光学系は、対物レンズ41の像側焦点の位置と結像レンズ42の物体側焦点の位置を一致させること(コンフォーカルにすること)によって達成できる。   In the method and apparatus of the present embodiment, the imaging optical system 4 is a telecentric optical system. For this reason, highly accurate three-dimensional position measurement can be performed more easily. This point will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic diagram showing the telecentricity of the imaging optical system 4 in the apparatus of FIG. A telecentric optical system generally refers to an optical system in which the principal ray can be regarded as being parallel to the principal axis. In particular, as shown in FIG. 11 (1), an optical system in which the principal ray can be regarded as parallel to the optical axis on both the object side and the image side is called double-sided telecentric. Such a double-sided telecentric optical system can be achieved by making the position of the image-side focal point of the objective lens 41 coincide with the position of the object-side focal point of the imaging lens 42 (confocal).

精度の高い三次元位置測定を容易に行うためには、特に像側テレセントリックが重要である。図11(2)に示すように、像側でテレセントリックではない光学系を介して撮像素子2で撮影を行うと、像に歪みが生じるのが避けられない。この場合、得られた再生像の歪みが、前述したような再生距離が正しくないことにより生じているのか、それとも光学系がテレセントリックではないことにより生じているのかの見分けが難しくなってしまう。テレセントリックではないことによる歪みについては、予めどのような歪みが生じるのかを調べて補正用のデータを作っておき、それによって再生像を補正した上で、前述した標本データとの対比等を行う必要がある。このため、精度の高い三次元位置特定を行おうとすると、煩雑で難しい作業となってしまう。本実施形態のように像側テレセントリックであれば、このような問題はない。   In order to easily perform highly accurate three-dimensional position measurement, image side telecentric is particularly important. As shown in FIG. 11 (2), when an image is taken with the image sensor 2 via an optical system that is not telecentric on the image side, it is inevitable that the image is distorted. In this case, it becomes difficult to distinguish whether the distortion of the obtained reproduced image is caused by the incorrect reproduction distance as described above or whether the optical system is not telecentric. The distortion caused by non-telecentric advance what distortions examines whether occurring keep making data for correction, by in terms of correcting the reproduced image it necessary to perform contrast or the like of the sample data described above There is. For this reason, trying to specify a highly accurate three-dimensional position is a complicated and difficult task. If the image side telecentric as in this embodiment, there is no such problem.

また、図11(2)に示すように物側テレセントリックではないと、横倍率が異なってしまうため、物体の位置によって像の寸法形状が変化してしまう。このため、前述した標本データとの対比が難しくなり、正しい再生距離で再生された像ではあっても正しくないとして判断してしまうエラーが発生し易い。本実施形態では、物側でもテレセントリックであるのでこのような問題はなく、精度の高い三次元位置測定が安定して行える。尚、透過光によってホログラムを記録して三次元位置を測定することのメリットについて前述したが、被写界深度を深くするには、物側テレセントリックな光学系が有利であり、奥行き方向で測定空間を大きくできる効果がより顕著となる。   In addition, as shown in FIG. 11 (2), if the object side telecentric is not used, the lateral magnification is different, and the dimensional shape of the image changes depending on the position of the object. For this reason, it becomes difficult to compare with the above-described sample data, and an error in which it is determined that the image reproduced at the correct reproduction distance is not correct is likely to occur. In this embodiment, since the object side is also telecentric, there is no such problem, and highly accurate three-dimensional position measurement can be performed stably. The merit of recording a hologram with transmitted light and measuring the three-dimensional position has been described above. However, in order to increase the depth of field, an object-side telecentric optical system is advantageous, and the measurement space in the depth direction is advantageous. The effect of increasing the value becomes more remarkable.

次に、本願発明の三次元位置測定方法及び装置の他の実施形態について説明する。図12は、本願発明の第二の実施形態に係る三次元位置測定装置の主要部の概略図である。
図1に示す実施形態では、コヒーレント光源1からの光を取り出し用ビームスプリッタ51で取り出して参照光としたが、前述したように物体光から参照光を抽出することもできる。図12に示す第二の実施形態の装置は、このタイプの装置となっている。
Next, another embodiment of the three-dimensional position measurement method and apparatus of the present invention will be described. FIG. 12 is a schematic view of the main part of the three-dimensional position measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention.
In the embodiment shown in FIG. 1, the light from the coherent light source 1 is extracted by the extraction beam splitter 51 and used as the reference light. However, as described above, the reference light can be extracted from the object light. The apparatus of the second embodiment shown in FIG. 12 is this type of apparatus.

具体的に説明すると、この実施形態における参照光用光学系5では、物体光が入射する位置に取り出し用ビームスプリッタ57が設けられている。そして、取り出し用ビームスプリッタ57で分岐した光路の一方には、図12に示すようにフーリエ変換レンズ581と、ピンホール板582と、コリメータレンズ583とが設けられている。ピンホール板582は、ピンホールがフーリエ変換レンズ581の像側焦点の位置になるよう配置されている。   More specifically, in the reference light optical system 5 in this embodiment, an extraction beam splitter 57 is provided at a position where the object light is incident. Then, as shown in FIG. 12, a Fourier transform lens 581, a pinhole plate 582, and a collimator lens 583 are provided on one of the optical paths branched by the extraction beam splitter 57. The pinhole plate 582 is disposed so that the pinhole is positioned at the image side focal point of the Fourier transform lens 581.

レンズもある有限な面積を通して光を通過させるものであり、回折現象がある。周知のように、レンズの像側焦点の位置にスクリーンを置くと、無限遠上のスクリーンに回折光を投影したのと同じ状態になり、フラウン−ホーファー回折像が得られる。この回折像はフーリエ変換と同じになることから、レンズによるフーリエ変換作用とか、フーリエ変換レンズとか呼ばれる。この実施形態でも、ピンホール板582上では、フーリエ変換レンズ581によるフラウン−ホーファー回折像が得られ、その分布は、フーリエ変換に相当する。この際、空間周波数の低い光は光軸付近に分布し、空間周波数の高い光は光軸から離れた位置に分布する。これは、スペイシャルフィルタの原理と同様である。   A lens also allows light to pass through a finite area and has a diffraction phenomenon. As is well known, when the screen is placed at the image-side focal position of the lens, the same state as when diffracted light is projected onto the screen at infinity is obtained, and a Fraunhofer diffraction image is obtained. Since this diffraction image is the same as the Fourier transform, it is called a Fourier transform action by a lens or a Fourier transform lens. Also in this embodiment, a Fraun-Hofer diffraction image by the Fourier transform lens 581 is obtained on the pinhole plate 582, and its distribution corresponds to Fourier transform. At this time, light having a low spatial frequency is distributed in the vicinity of the optical axis, and light having a high spatial frequency is distributed at a position away from the optical axis. This is the same as the principle of the spatial filter.

図12において、物体S(ここではトレーサ粒子)に平面波(平行光)Lを照射すると、物体Sから回折光(物体光)Lが出射される。図12に模式的に示すように、平面波Lの波面は物体Sによって乱されるが、物体光Lには、物体Sの形状や屈折率等に応じて波面が乱れた光と乱れなかった光が含まれる。即ち、物体光Lでも、物体Sの均質な部分を透過した光の波面は、元の平面波とほぼ同様の形状を保持する。このような物体光Lは、ビームスプリッタ57で分割され、分割された一方がフーリエ変換レンズ581を経てピンホール板582に達する。波面が乱れた光は、高い空間周波数を有するから光軸から離れた場所に分布する。したがって、図12に示すようにピンホール板582を配置することにより、空間周波数の高い光が除去され、低い空間周波数のみの光(ここでは球面波)Lとなる。空間周波数が高い光は、物体Sによって波面が乱れた光であり、物体情報を表現し得る光であるから、球面波Lは、物体情報を含まない光ということになる。この球面波Lは、コリメータレンズ583により平行光Lとされ、ビームスプリッタ59により他方の物体光Lと統合される。そして、平行光Lと物体光Lが重ね合わされて干渉した状態で撮像素子2に入射する。このような参照光用光学系5を使用しても、同様に干渉縞を得ることができ、ホログラムデータを記録することができる。 In FIG. 12, when a plane wave (parallel light) L 1 is irradiated onto an object S (here, tracer particles), diffracted light (object light) L 2 is emitted from the object S. As shown schematically in FIG. 12, the wavefront of the plane wave L 1 is disturbed by the object S, the object beam L 2, not disturbed and the light wave is disturbed depending on the shape and the refractive index or the like of the object S Light included. That is, even the object light L 2, a wavefront of light transmitted through the homogeneous part of the object S holds almost the same shape as the original plane wave. Such object light L 2 is divided by the beam splitter 57, and one of the divided light beams reaches the pinhole plate 582 through the Fourier transform lens 581. The light whose wave front is disturbed has a high spatial frequency and is therefore distributed at a location away from the optical axis. Therefore, by arranging the pinhole plate 582 as shown in FIG. 12, light having a high spatial frequency is removed, and light having only a low spatial frequency (here, a spherical wave) L 3 is obtained. Light high spatial frequencies, an optical wavefront is disturbed by the object S, because it is light, which may represent the object information, the spherical wave L 3 would that light which does not include the object information. The spherical wave L 3 is converted into parallel light L 4 by the collimator lens 583 and integrated with the other object light L 5 by the beam splitter 59. Then, the parallel light L 4 and the object light L 5 are superimposed on each other and enter the image sensor 2 in a state of interference. Even when such a reference light optical system 5 is used, interference fringes can be similarly obtained and hologram data can be recorded.

次に、速度測定方法の発明及び速度測定装置の発明の各実施形態について説明する。図13は、速度測定方法の発明の実施形態について示した斜視概略図である。
速度測定方法の実施形態は、上述した方法による三次元位置測定を二つの時刻において行い、時刻差に基づいてトレーサ粒子の速度ベクトルを求める方法である。ある時刻tにおいて図13(1)に示すように例えば三つの箇所で物体(トレーサ粒子)の存在が確認され、三次元位置がP〜Pとして特定されたとする。また、Δt後のtにおいて、図13(2)に示すように三つの箇所で物体の存在が確認され、三次元位置がP’〜P’として特定されたとする。
Next, each embodiment of the invention of the speed measuring method and the invention of the speed measuring device will be described. FIG. 13 is a schematic perspective view showing an embodiment of the invention of the speed measuring method.
The embodiment of the velocity measuring method is a method of performing the three-dimensional position measurement by the above-described method at two times and obtaining the velocity vector of the tracer particle based on the time difference. Presence of an object (tracer particles), for example, three positions as shown in FIG. 13 (1) was confirmed at a certain time t 1, the three-dimensional position is identified as P 1 to P 3. Furthermore, at t 2 after Δt, it is assumed that the presence of an object is confirmed at three locations as shown in FIG. 13B, and the three-dimensional positions are specified as P 1 ′ to P 3 ′.

この際、二つの時刻で撮像された各物体について、どの再生像が同一の物体の再生像として対応しているのかという対応づけが行われる。対応づけについては、幾つかの手法が公知となっているが、例えば、管101内の流体の流れの大まかな向きや速度が既知である場合、それに従ってΔt秒後にトレーサ粒子が存在し得る領域を設定し、Δt秒後のその領域内で位置が特定された再生像を同一粒子のものであると対応づけする。また、各再生像を1:1で対応づけした後、他の組に比べて速度ベクトルの向きが限度以上に異なっている組がある場合、その組の対応付けは誤りであるとして対応づけし直すような補正が行われることもある。これら公知の手法を必要に応じて使いながら、二つの時刻において特定された各三次元位置の対応づけを行い、三次元速度ベクトルの空間分布を得る。   At this time, for each object imaged at two times, correspondence is made as to which reproduced image corresponds to the reproduced image of the same object. Several methods are known for the correspondence. For example, when the rough direction and velocity of the fluid flow in the tube 101 are known, the region where the tracer particles can exist after Δt seconds accordingly. And the reproduced image whose position is specified in the region after Δt seconds is associated with the same particle. In addition, after associating each reproduced image with 1: 1, if there is a pair in which the direction of the velocity vector is different from the limit as compared with the other pairs, the correspondence of the pair is associated as an error. Correction may be performed to correct it. Using these known methods as necessary, the three-dimensional positions specified at two times are associated with each other to obtain a spatial distribution of the three-dimensional velocity vector.

速度測定装置の実施形態としては、前述した三次元位置測定装置のいずれかの実施形態において、コンピュータ6に速度測定プログラムを追加してインストールすることで実現することができる。二つの時刻での三次元位置の測定結果を記憶部62から読み出し、上述した対応づけを行った後、対応づけされた各対の座標間のベクトルと時刻差とに基づいて各速度ベクトルを求めるようプログラミングされる。   An embodiment of the velocity measuring device can be realized by adding a velocity measuring program to the computer 6 and installing it in any of the above-described embodiments of the three-dimensional position measuring device. After reading the measurement result of the three-dimensional position at two times from the storage unit 62 and performing the above-described association, each velocity vector is obtained based on the vector between the paired coordinates and the time difference. Programmed like so.

尚、上記二つの時刻での撮影を撮像素子2に行わせるため、速度測定装置は、撮像素子2やコヒーレント光源1を制御する制御部を備える。例えば、コヒーレント光としてのレーザをパルスにし、パルスの周期を上記二つの時刻の時刻差に一致させる。そして、パルス周期に同期して撮像素子2で撮像を行わせる。この際、撮像素子2のフレーム周波数とレーザパルスを同期させ、ちょうど1フレーム分で一つの時刻の撮影が行われるようにすることもある。   Note that the speed measurement device includes a control unit that controls the image sensor 2 and the coherent light source 1 in order to cause the image sensor 2 to perform imaging at the two times. For example, a laser as coherent light is used as a pulse, and the cycle of the pulse is made to coincide with the time difference between the two times. Then, imaging is performed by the imaging device 2 in synchronization with the pulse period. At this time, the frame frequency of the image sensor 2 and the laser pulse may be synchronized so that photographing at one time is performed in exactly one frame.

速度測定方法及び速度測定装置は、上述したいずれかの実施形態の三次元位置測定方法及び装置を使用しているので、精度の良い三次元位置の測定結果に基づいて速度ベクトルを測定することができる。
尚、トレーサ粒子が透明な球状であるメリットについては前述したが、特に液体流れをPIV測定する場合、トレーサ粒子には、粒子の流れへの追従性の観点から、比重が1に近いポリスチレン粒子が一般的に用いられている。ポリスチレンのような樹脂製の粒子は、透明なものが入手し易く、この点でもメリットがある。
Since the speed measurement method and the speed measurement apparatus use the three-dimensional position measurement method and apparatus according to any one of the above-described embodiments, the speed vector can be measured based on the measurement result of the accurate three-dimensional position. it can.
The merit that the tracer particle is a transparent spherical shape has been described above. In particular, when the liquid flow is measured by PIV, the tracer particle is a polystyrene particle having a specific gravity close to 1 from the viewpoint of following the flow of the particle. Commonly used. Resin particles such as polystyrene are readily available as transparent particles, and this is also advantageous.

本願発明の三次元位置測定方法及び装置は、前述したPIVにおけるトレーサ粒子の他、各種物体の三次元位置の測定に用いることができる。例えば、クラミドモナス、ゾウリムシなどの単細胞生物や、がん細胞、血球、精子などの生体細胞、そして酵母などの培養細胞の観察に用いることができる。この場合、水中の三次元位置を測定する場合や、3次元空間での個数カウントの他、測定した二時刻間の三次元位置から三次元速度ベクトルを測定することも同様に行える。
また、前述した各実施形態では、照射光学系がコヒーレント光を照射する側とは反対側に撮像用光学系4を配置し、主として透過光を物体光として撮像素子2に入射させたが、反射光を物体光とする場合もある。コヒーレント光を照射する側と同じ側に撮像素子2を配置し、必要に応じてビームスプリッタ等を使用し、反射光を取り出して撮像素子2に入射させる。
The three-dimensional position measuring method and apparatus of the present invention can be used for measuring the three-dimensional positions of various objects in addition to the tracer particles in the PIV described above. For example, it can be used for observation of single-cell organisms such as Chlamydomonas and Paramecium, biological cells such as cancer cells, blood cells and sperm, and cultured cells such as yeast. In this case, in the case of measuring a three-dimensional position in water, in addition to counting the number in a three-dimensional space, it is also possible to measure a three-dimensional velocity vector from the measured three-dimensional position between two times.
In each of the above-described embodiments, the imaging optical system 4 is disposed on the side opposite to the side on which the irradiation optical system emits coherent light, and the transmitted light is mainly incident on the imaging element 2 as object light. In some cases, light is used as object light. The image pickup device 2 is arranged on the same side as the side on which the coherent light is irradiated, and a reflected beam is taken out and made incident on the image pickup device 2 using a beam splitter or the like as necessary.

尚、三次元位置の特定の際、再生像をイメージ化することなく数値データの状態のままで処理すると説明したが、イメージ化した後に数値データを処理してもよく、三次元位置特定の後にイメージ化した再生像を出力してもよいことは勿論である。
また、上記各実施形態では、位相情報による像でZ軸方向の位置を特定するとともに、当該像の中心位置でXY方向の位置も特定したが、XY方向の位置の特定について振幅情報による像で行っても良い。即ち、位相情報により特定された座標がXn,Yn,Znであったら、Z=Znの振幅値マップを読み込み、(Xn,Yn)の座標を含む位置に振幅再生像が再生されているのを確認した後、その振幅再生像の中心を求めてXY方向の位置としても良い。
In the above description, it is explained that the processing is performed in the state of numerical data without imaging the reproduced image when specifying the three-dimensional position. However, the numerical data may be processed after imaging, and after the three-dimensional position is specified. Of course, an imaged reproduced image may be output.
In each of the above embodiments, the position in the Z-axis direction is specified by the image based on the phase information, and the position in the XY direction is also specified at the center position of the image. However, the position in the XY direction is specified by the image based on the amplitude information. You can go. That is, if the coordinates specified by the phase information are Xn, Yn, Zn, the amplitude value map of Z = Zn is read, and the amplitude reproduction image is reproduced at a position including the coordinates of (Xn, Yn). After confirmation, the center of the amplitude reproduction image may be obtained and set as the position in the XY direction.

尚、「正しい再生距離で再生されたかどうか」の判断については、前述した各実施形態では、標本データとの相関性をチェックすることで行ったが、他の方法もあり得る。例えば、再生距離を変えながら得られた各波面データについて、像の形状の特徴的な部分を計算により算出し、その値によって判断することが考えられる。前述した例では、得られた各波面データについて円弧の曲率を計算し、その値が基準値に一倍近い場合に「正しい再生距離で再生された」と判断することができる。
また、標本データとの相関性をチェックする方法について、前述した説明では、数値ベースで行う方法(位相値自体を比較する方法)を例示したが、像同士を対比する方法もあり得る。例えば、再生距離を変えながら得られた一つの像と標本データによる像とを重ね合わせ、その重なり部分の量の大きさによって相関性をチェックするようにしても良い。
The determination of “whether or not playback was performed at the correct playback distance” is performed by checking the correlation with the sample data in each of the above-described embodiments, but there may be other methods. For example, with respect to each wavefront data obtained while changing the reproduction distance, it is conceivable to calculate a characteristic part of the shape of the image by calculation and judge based on the value. In the above-described example, the curvature of the arc is calculated for each obtained wavefront data, and it can be determined that “reproduced at the correct reproduction distance” when the value is close to the reference value.
Further, in the above description, the method of checking the correlation with the sample data is exemplified by the method based on the numerical value (the method of comparing the phase values themselves), but there may be a method of comparing the images. For example, one image obtained while changing the reproduction distance may be overlaid with an image based on sample data, and the correlation may be checked based on the amount of the overlapped portion.

尚、デジタルホログラフィの大きな特徴点の一つは、ホログラムがデジタルデータであり、データの転送やコピーが容易なことである。従って、撮影場所とは異なる場所にホログラムデータを転送して再生計算を行い、三次元位置を測定する場合もある。また、再生計算や位置特定を行うプログラムがサーバ上のプログラムとして実装されており、撮像素子2が接続されたコンピュータからデータをサーバに送って位置を測定する場合もあり得る。   One of the major features of digital holography is that the hologram is digital data, and data transfer and copying are easy. Accordingly, there is a case where hologram data is transferred to a place different from the photographing place, reproduction calculation is performed, and a three-dimensional position is measured. In addition, a program for performing reproduction calculation and position specification is implemented as a program on the server, and the position may be measured by sending data from the computer to which the image sensor 2 is connected to the server.

1 コヒーレント光源
2 撮像素子
3 照射用光学系
4 撮像用光学系
5 参照光用光学系
6 コンピュータ
61 演算処理部
62 記憶部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Coherent light source 2 Imaging device 3 Irradiation optical system 4 Imaging optical system 5 Reference light optical system 6 Computer 61 Arithmetic processing unit 62 Storage unit

Claims (21)

光源から放射されたコヒーレント光を物体に照射する照射工程と、
コヒーレント光が照射された物体からの光である物体光と、物体情報を含まないコヒーレント光とを撮像素子に導き、二つの光による干渉縞を撮像素子により撮像する撮像工程と、
撮像された干渉縞をホログラムデータとして記録する記録工程と、
ホログラムデータから物体の三次元位置を特定する特定工程とを有する三次元位置測定方法であって、
三次元位置のうちの一つの次元は、撮像素子の撮像面と再生面との離間距離である再生距離の方向であり、
特定工程は、記録されたホログラムデータに対して再生距離を変えながら物体の像の再生計算を行い、再生計算の結果として複素振幅データである波面データを取得し、取得された波面データに含まれる位相情報に基づいて、再生面とは別の場所に設定された基準面に対する再生距離の方向の物体の位置を特定する動作を含んでおり、
特定工程における再生距離の方向の位置の特定は、再生距離の違いによって変化する前記像の形状が、正しい再生距離で再生された場合に得られると想定される形状になった際の再生距離に基づいて行われることを特徴とする三次元位置測定方法。
An irradiation step of irradiating an object with coherent light emitted from a light source;
An imaging process in which object light that is light from an object irradiated with coherent light and coherent light that does not include object information are guided to an image sensor, and interference fringes due to the two lights are imaged by the image sensor,
A recording step of recording the imaged interference fringes as hologram data;
A three-dimensional position measuring method having a specific step of identifying a three-dimensional position of an object from hologram data,
One dimension of the three-dimensional position is the direction of the reproduction distance, which is the separation distance between the imaging surface and the reproduction surface of the image sensor,
The specific process calculates the reproduction of the image of the object while changing the reproduction distance with respect to the recorded hologram data, acquires wavefront data as complex amplitude data as a result of the reproduction calculation, and is included in the acquired wavefront data Including the operation of identifying the position of the object in the direction of the reproduction distance with respect to the reference plane set at a location different from the reproduction plane based on the phase information;
The position in the direction of the reproduction distance in the identification process is determined based on the reproduction distance when the shape of the image that changes due to the difference in the reproduction distance becomes a shape assumed to be obtained when reproduced at the correct reproduction distance. A three-dimensional position measurement method, characterized in that the method is performed based on the above.
標本データを取得する標本データ取得工程を有しており、標本データは、前記正しい再生距離で再生した場合に得られると想定される形状の像の波面データであり、
前記正しい再生距離で再生された場合に得られる形状となったとの判断は、再生距離を変えながら取得された各波面データと標本データとを対比し、両者の相関性が基準値以上であるかどうかにより行われることを特徴とする請求項記載の三次元位置測定方法。
A sample data acquisition step of acquiring sample data, the sample data is wavefront data of an image of a shape assumed to be obtained when reproduced at the correct reproduction distance;
Judgment that the shape is obtained when played back at the correct playback distance is made by comparing each wavefront data acquired while changing the playback distance with the sample data, and whether the correlation between the two is greater than the reference value The three-dimensional position measuring method according to claim 1 , wherein the three-dimensional position measuring method is performed depending on whether or not.
前記標本データは、前記物体と同一の寸法形状及び同一の屈折率を有するとみなせる標本物体について既知の撮像距離で前記物体と同様に撮像工程と記録工程とを行い、記録されたホログラムデータから再生計算を行って得た波面データであることを特徴とする請求項記載の三次元位置測定方法。 The specimen data is reproduced from the recorded hologram data by performing an imaging process and a recording process in the same manner as the object at a known imaging distance for a specimen object that can be regarded as having the same size and shape and the same refractive index as the object. 3. The three-dimensional position measuring method according to claim 2 , wherein the wavefront data is obtained by calculation. 前記標本データは、前記物体の寸法形状と、前記物体の屈折率と、前記物体の周囲の媒質の屈折率とに従って計算により取得されたデータであることを特徴とする請求項記載の三次元位置測定方法。 3. The three-dimensional image according to claim 2 , wherein the sample data is data obtained by calculation according to a dimension and shape of the object, a refractive index of the object, and a refractive index of a medium around the object. Position measurement method. 前記特定工程における再生距離の方向の位置の特定は、前記物体の像全体の波面データに基づいて行われることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法。 The specific position of the reproduction distance in a particular process, three-dimensional position measuring method according to claim 1 to 4, characterized in that is performed based on wavefront data of the entire image of the object. 前記波面データは振幅情報を含んでおり、
前記特定工程は、前記位相情報に基づいて再生距離の方向の位置を特定した後、当該位置に物体が存在しているかどうかの確認を振幅情報に基づいて行う動作を含んでいることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法。
The wavefront data includes amplitude information;
The identifying step includes an operation of identifying a position in the direction of the reproduction distance based on the phase information and then confirming whether an object is present at the position based on the amplitude information. The three-dimensional position measuring method according to any one of claims 1 to 5 .
前記撮像工程は、前記物体光を、像側テレセントリック、物体側テレセントリック又は両側テレセントリックな撮像用光学系によって前記撮像素子に導いて撮像する工程であることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法。 The imaging process, the object beam, the image-side telecentric to any one of claims 1 to 6, characterized in that the object-side telecentric or double telecentric imaging optical system is a step of imaging is guided to the image sensor The three-dimensional position measuring method described. 前記物体は、前記コヒーレント光に対して透明な材料で形成された球状のものであることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法。 An object is three-dimensional position measuring method according to any one claims 1 to 7, characterized in that the spherical formed of a material transparent to the coherent light. 前記物体は、単細胞生物、生体細胞又は培養細胞であることを特徴とする請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法。 The three-dimensional position measurement method according to any one of claims 1 to 7 , wherein the object is a unicellular organism, a living cell, or a cultured cell. 請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法を利用した速度測定方法であって、
前記照射工程は、前記物体に対して第一の時刻において前記コヒーレント光を照射するとともに、第一の時刻から所定時間後の第二の時刻において前記コヒーレント光を照射する工程であり、
前記記録工程は、第一第二の各時刻において撮像された干渉縞をそれぞれホログラムデータとして記録する工程であり、
前記特定工程は、各ホログラムデータから、第一第二の各時刻における前記物体の三次元位置を特定する工程であり、
特定された各時刻の三次元位置に基づいて前記物体の速度ベクトルを求める計速工程を有していることを特徴とする速度測定方法。
A speed measuring method using the three-dimensional position measuring method according to any one of claims 1 to 9,
The irradiation step is a step of irradiating the object with the coherent light at a first time and irradiating the coherent light at a second time after a predetermined time from the first time,
The recording step is a step of recording the interference fringes imaged at the first and second times as hologram data,
The specifying step is a step of specifying the three-dimensional position of the object at each first and second time from each hologram data,
A speed measurement method comprising a speed measurement step of obtaining a speed vector of the object based on a specified three-dimensional position at each time.
請求項1乃至いずれかに記載の三次元位置測定方法を利用した速度測定方法であって、
前記物体は、流路を流れる流体に混入されたトレーサ粒子であり、
前記照射工程は、トレーサ粒子に対して第一の時刻において前記コヒーレント光を照射するとともに、第一の時刻から所定時間後の第二の時刻において前記コヒーレント光を照射する工程であり、
前記記録工程は、第一第二の各時刻において撮像された干渉縞をそれぞれホログラムデータとして記録する工程であり、
前記特定工程は、各ホログラムデータから、第一第二の各時刻におけるトレーサ粒子の三次元位置を特定する工程であり、
特定された各時刻の三次元位置に基づいてトレーサ粒子の速度ベクトルを求める計速工程を有していることを特徴とする速度測定方法。
A speed measuring method using the three-dimensional position measuring method according to any one of claims 1 to 8,
The object is tracer particles mixed in the fluid flowing through the flow path,
The irradiation step is a step of irradiating the tracer particles with the coherent light at a first time and irradiating the coherent light at a second time after a predetermined time from the first time,
The recording step is a step of recording the interference fringes imaged at the first and second times as hologram data,
The specifying step is a step of specifying the three-dimensional position of the tracer particle at each first and second time from each hologram data,
A speed measuring method comprising a speed measuring step for obtaining a speed vector of a tracer particle based on a specified three-dimensional position at each time.
コヒーレント光を放射する光源と、
撮像素子と、
コヒーレント光を物体に導いて照射し、照射された物体からの光である物体光を撮像素子に導くとともに、物体情報を含まないコヒーレント光を参照光として撮像素子に導き、撮像素子の撮像面で干渉させて干渉縞を撮像素子に撮像させる光学系と、
撮像素子が撮像した干渉縞をホログラムデータとして記憶する記憶部と、
前記ホログラムデータから前記物体の三次元位置を計算により特定する演算処理部とを備えた三次元位置測定装置であって、
三次元位置のうちの一つの次元は、撮像素子の撮像面と再生面との離間距離である再生距離の方向であり、
演算処理部は、記憶されたホログラムデータに対して再生距離を変えながら物体の像の再生計算を行い、その再生計算の結果として複素振幅データである波面データを取得し、取得された波面データに含まれる位相情報に基づいて、再生面とは別の場所に設定された基準面に対する再生距離の方向の物体の位置を特定するものであり、
演算処理部は、再生距離の違いによって変化する前記像の形状が、正しい再生距離で再生された場合に得られると想定される形状になった際の再生距離に基づいて再生距離の方向の位置を特定するものであることを特徴とする三次元位置測定装置。
A light source that emits coherent light;
An image sensor;
Guide and emit coherent light to the object, guide the object light from the irradiated object to the image sensor, and guide the coherent light not including object information to the image sensor as the reference light. An optical system that causes the image sensor to pick up interference fringes by causing interference, and
A storage unit for storing the interference fringes captured by the image sensor as hologram data;
A three-dimensional position measurement apparatus comprising an arithmetic processing unit that specifies a three-dimensional position of the object from the hologram data by calculation,
One dimension of the three-dimensional position is the direction of the reproduction distance, which is the separation distance between the imaging surface and the reproduction surface of the image sensor,
The arithmetic processing unit performs a reproduction calculation of the image of the object while changing the reproduction distance with respect to the stored hologram data, and acquires wavefront data that is complex amplitude data as a result of the reproduction calculation. Based on the phase information included, it specifies the position of the object in the direction of the reproduction distance relative to the reference plane set at a location different from the reproduction plane,
The arithmetic processing unit determines the position in the direction of the reproduction distance based on the reproduction distance when the shape of the image that changes due to the difference in the reproduction distance becomes a shape that is assumed to be obtained when reproduced at the correct reproduction distance. A three-dimensional position measuring apparatus characterized by specifying
前記記憶部には、標本データが記憶されており、標本データは、前記正しい再生距離で再生した場合に得られると想定される像の波面データであり、
前記演算処理部は、前記再生距離を変えながら取得された各波面データと標本データとを対比し、両者の相関性が基準値以上であるかどうかにより、前記正しい再生距離で再生された場合に得られると想定される形状になったとの判断を行うものであることを特徴とする請求項12記載の三次元位置測定装置。
Sample data is stored in the storage unit, the sample data is wavefront data of an image assumed to be obtained when reproduced at the correct reproduction distance,
The arithmetic processing unit compares each wavefront data acquired while changing the reproduction distance and the sample data, and when the correlation between the two is greater than or equal to a reference value, when the reproduction is performed at the correct reproduction distance, 13. The three-dimensional position measuring apparatus according to claim 12 , wherein it is determined that the shape assumed to be obtained is obtained.
前記標本データは、前記物体と同一の寸法形状及び同一の屈折率を有するとみなせる標本物体について既知の撮像距離で前記物体と同様に干渉縞を撮影して得られたホログラムデータに対して再生計算を行うことで取得した波面データであることを特徴とする請求項13記載の三次元位置測定装置。 The specimen data is reproduced and calculated with respect to the hologram data obtained by photographing the interference fringes in the same manner as the object at a known imaging distance with respect to the specimen object that can be regarded as having the same size and shape and the same refractive index as the object. The three-dimensional position measurement apparatus according to claim 13 , wherein the wavefront data is acquired by performing the step. 前記標本データは、前記物体の寸法形状と、前記物体の屈折率と、前記物体の周囲の媒質の屈折率に従って計算により取得されたデータであることを特徴とする請求項13記載の三次元位置測定装置。 The three-dimensional position according to claim 13 , wherein the sample data is data obtained by calculation according to the size and shape of the object, the refractive index of the object, and the refractive index of a medium around the object. measuring device. 前記演算処理部は、前記物体の像全体の波面データに基づいて再生距離の方向の位置を特定するものであることを特徴とする請求項12乃至15いずれかに記載の三次元位置測定装置。 16. The three-dimensional position measurement apparatus according to claim 12 , wherein the arithmetic processing unit specifies a position in a reproduction distance direction based on wavefront data of the entire image of the object. 前記波面データは振幅情報を含んでおり、
前記演算処理部は、前記位相情報による像の再生結果に基づいて再生距離の方向の位置を特定した後、当該位置に物体が存在しているかどうかの確認を、振幅情報による像の再生結果に基づいて行うものであることを特徴とする請求項12乃至16いずれかに記載の三次元位置測定装置。
The wavefront data includes amplitude information;
The arithmetic processing unit identifies a position in the direction of the reproduction distance based on the image reproduction result based on the phase information, and then confirms whether an object exists at the position based on the image reproduction result based on the amplitude information. The three-dimensional position measurement apparatus according to claim 12 , wherein the three-dimensional position measurement apparatus is performed based on the determination.
前記光学系は、前記物体光を前記撮像素子に導く撮像用光学系を含んでおり、撮像用光学系は、像側テレセントリック、物体側テレセントリック又は両側テレセントリックであることを特徴とする請求項12乃至17いずれかに記載の三次元位置測定装置。 Wherein the optical system, the object beam includes an optical system for imaging for guiding the imaging element, an optical imaging system, 12 through claim, wherein the image-side telecentric, and an object-side telecentric or both-side telecentric The three-dimensional position measuring apparatus according to any one of 17 . 前記物体は、前記コヒーレント光に対して透明な材料で形成された球状のものであることを特徴とする請求項12乃至18いずれかに記載の三次元位置測定装置。 The three-dimensional position measurement apparatus according to claim 12 , wherein the object is a spherical object formed of a material transparent to the coherent light. 請求項12乃至19いずれかに記載の三次元位置測定装置を使用し、前記物体の三次元速度ベクトルを測定する速度測定装置であって、
前記コヒーレント光源及び前記光学系は、前記物体に対して第一の時刻において前記コヒーレント光を照射するとともに、第一の時刻から所定時間後の第二の時刻において前記コヒーレント光を照射するものであり、
前記撮像素子は、第一第二の各時刻における干渉縞をそれぞれ撮像するものであり、
前記記憶部は、第一第二の各時刻において撮像された干渉縞をそれぞれホログラムデータとして記憶しており、
前記演算処理部は、各ホログラムデータから、第一第二の各時刻における前記物体の三次元位置を特定するとともに、特定された各時刻の三次元位置に従って前記物体の速度ベクトルを求めるものであることを特徴とする速度測定装置。
A velocity measuring device for measuring a three-dimensional velocity vector of the object using the three-dimensional position measuring device according to any one of claims 12 to 19 ,
The coherent light source and the optical system irradiate the object with the coherent light at a first time and the coherent light at a second time after a predetermined time from the first time. ,
The imaging element is for imaging the interference fringes at the first and second times,
The storage unit stores the interference fringes imaged at the first and second times as hologram data, respectively.
The arithmetic processing unit specifies a three-dimensional position of the object at each first and second time from each hologram data, and obtains a velocity vector of the object according to the specified three-dimensional position at each time. A speed measuring device characterized by that.
前記物体は、流路を流れる流体に混入されたトレーサ粒子であることを特徴とする請求項20記載の速度測定装置。 21. The velocity measuring device according to claim 20 , wherein the object is a tracer particle mixed in a fluid flowing in a flow path.
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