JP7557845B2 - Imaging device and imaging method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、撮像装置及び画像処理方法に係り、特に、ノイズ環境下において、高ダイナミックレンジの撮影装置や光学限界を超える高精度・高解像度の撮像装置および撮像方法に関する。 The present invention relates to an imaging device and an image processing method, and in particular to a high dynamic range imaging device and imaging method that achieves high accuracy and high resolution beyond the optical limit in a noisy environment.
単一画素検出器を用いたイメージング手法の歴史的背景として、統計光学的な観点から発展してきたコンピューテーショナルゴーストイメージング(Computational Ghost Imaging:CGI)と、スペクトル計測手法から発展してきたシングルピクセルイメージング(Single-Pixel Imaging:SPI)の二つに大別される。SPIやCGIと呼ばれる単一画素検出器を用いたイメージング技術としては非特許文献1に開示されたものが知られている。SPIやCGIは物体を空間的な分布パターンでフィルタリングする。フィルタリングされた光強度を単一画素検出器で取得する。パターンを次々と変化させていき、各パターンでの光強度をそれぞれ記録する。CGIでは空間的な分布パターンパターンにランダムなパターンを用い、パターンと得られた光強度の相関を計算することによる対象物体の2次元構造の列ベクトルxの情報を復元する手法である。また、SPIは空間的な分布パターンにアダマール行列等の直交行列から生成される基底パターンを用いることで、得られた光強度の時系列をベクトルyとし、各パターンが各行に相当する行列をHとすると、ベクトルyとベクトルx及び行列Hとの関係は(1)式によって表される。
また、複数のシングルシングルピクセルカメラを用いた圧縮センシング方式の撮像装置および撮像方法について、固定値のフィルタを用いた場合でも各シングルピクセルカメラの観測範囲の補正を可能とすることが特許文献1に記載されている。
In addition,
上述のようにSPIやCGIと呼ばれる単一画素検出器を用いたイメージング技術が注目されている。SPIやCGIは物体とパターンとの内積値を光強度として単一画素検出器で取得し、デジタル再構成処理により物体の情報を再構成する手法である。SPIやCGIは光学系の単純化、可視域以外での波長帯でのイメージングが可能であること、耐ノイズ性がある等といった利点がある。また単一の画素検出器を使用できることから高いダイナミックレンジを確保することが出来た。しかし、パターンとの照合に時間がかかるため、リアルタイムでの観測は困難であった。そのため、イメージング方式としては単純であり小型化も可能であるがリアルタイム性が乏しいので通常の撮像装置としては使えなかった。さらに高精度化も難しかった。 As mentioned above, imaging technologies using single-pixel detectors, known as SPI and CGI, are attracting attention. SPI and CGI are techniques that use a single-pixel detector to obtain the dot product value between an object and a pattern as light intensity, and then reconstruct information about the object through digital reconstruction processing. SPI and CGI have the advantages of simplifying the optical system, enabling imaging in wavelength bands outside the visible range, and being noise-resistant. In addition, the use of a single pixel detector makes it possible to ensure a high dynamic range. However, since matching with the pattern takes time, real-time observation is difficult. Therefore, although the imaging method is simple and can be made compact, it lacks real-time capabilities and cannot be used as a normal imaging device. It is also difficult to achieve high accuracy.
本発明は上記の実情に鑑みてなされたもので有り、その目的は高速に画像のマッチングが可能な光相関技術と、光強度を高感度に検出する単一画素検出機を使うことにより、高ダイナミックレンジの高速カメラを提供することである。さらにホログラムによる複素振幅分布を記録できることを利用し、光の振幅、位相、波長、偏光情報の変化をとらえることもできる。そのため、通常のカメラでは取得できない、複素振幅分布の変化を可視化することが出来、従来の撮像法に用いられる振幅情報では変化のないような回折限界を超える微小なサンプルでも、その複素振幅情報の変化をとらえて再構成することで、撮像光学系の性能を超えるイメージングが実現できる。 The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide a high-speed camera with a high dynamic range by using optical correlation technology that enables high-speed image matching and a single-pixel detector that detects light intensity with high sensitivity. Furthermore, by utilizing the ability to record complex amplitude distributions using holograms, it is also possible to capture changes in the amplitude, phase, wavelength, and polarization information of light. Therefore, it is possible to visualize changes in complex amplitude distributions that cannot be obtained with normal cameras, and even for very small samples that exceed the diffraction limit and do not change with the amplitude information used in conventional imaging methods, it is possible to capture and reconstruct the changes in the complex amplitude information, thereby achieving imaging that exceeds the performance of the imaging optical system.
本発明は上記の実情に鑑みてなされたもので有り、その目的は高速に画像のマッチングが可能な光相関技術と、光強度を高感度に検出する単一画素検出機を使うことにより、高ダイナミックレンジの高速イメージングや、揺らぎや散乱などを除去するイメージング、撮像光学系の性能を超える顕微イメージングを使った撮像装置とその撮像方法を提供することである。
The present invention has been made in consideration of the above-mentioned circumstances, and its purpose is to provide an imaging apparatus and imaging method that uses optical correlation technology capable of high-speed image matching and a single-pixel detector that detects light intensity with high sensitivity, thereby enabling high-speed imaging with a high dynamic range, imaging that removes fluctuations and scattering, and microscopic imaging that exceeds the performance of imaging optical systems.
前記課題を解決するための手段として、特許請求の範囲に記載の技術を用いる。
そこで、高速に画像のマッチングが可能な光相関技術と、光強度を高感度に検出する単一画素検出機を使うことにより、高Dレンジの高速カメラを提供できる。
As a means for solving the above problems, the technology described in the claims is used.
Therefore, by using optical correlation technology that enables high-speed image matching and a single-pixel detector that detects light intensity with high sensitivity, it is possible to provide a high-speed camera with a high D range.
例えば、現在AI技術を使い車の自動運転を開発しているが、その目となるカメラに関しては高Dレンジが必須となっている。理由はトンネルを抜けた後の太陽光がカメラに入力したとしても十分撮影できることや、対向車のヘッドライトにも対応できる高ダイナミックレンジのカメラにする必要がある。しかしながら従来技術では十分な高Dレンジカメラがないため、カメラで対応できない光強度の変化に対してはカメラと赤外線センサーの組み合わせ等で対応を考えていた。よって高Dレンジカメラが安価で提供できればその経済効果は高い。 For example, AI technology is currently being used to develop self-driving cars, and the cameras that act as their eyes need to have a high dynamic range. The reason is that the camera needs to be able to capture sufficient images even if sunlight enters the camera after passing through a tunnel, and it needs to have a high dynamic range that can also handle the headlights of oncoming vehicles. However, with conventional technology, there are no cameras with a sufficiently high dynamic range, so changes in light intensity that cameras cannot handle have been dealt with by combining cameras with infrared sensors, etc. Therefore, if high dynamic range cameras could be provided at low cost, the economic impact would be great.
また、光相関技術を使うために、ホログラフィックディスクにマッチング用のパターンを記録しておき、更にAIにより新たなデータを記録することでより精度を高くすることができる。さらにホログラフィックディスクも大きなサイズは必要ではなく、せいぜい1インチ程度の大きさのディスクを使い単一画素検出器を使えば良いので小型化も可能である。 In addition, in order to use optical correlation technology, a matching pattern can be recorded on a holographic disk, and new data can be further recorded using AI to improve accuracy. Furthermore, the holographic disk does not need to be large in size; it is possible to miniaturize it by using a disk that is at most about 1 inch in size and a single-pixel detector.
すなわちCCDカメラではピクセル数を多く必要なため、1個当たりのピクセルに相当するセンサーは感度に制限がある。これに対し単画素検出器では一個の検出器の大きさをCCDの1ピクセルあたりの大きさの1,000倍に大きくすることも簡単である。1,000倍に出来れば感度は単純に60dB改善でき、例えばトンネルと太陽光の差も十分補正でき、イメージを形成できる。確認できる。 In other words, because a CCD camera requires a large number of pixels, the sensor equivalent to each pixel has limited sensitivity. In contrast, with a single-pixel detector, it is easy to make the size of each detector 1,000 times larger than the size of one CCD pixel. If it can be made 1,000 times larger, the sensitivity can be improved by simply 60 dB, and the difference between a tunnel and sunlight can be sufficiently corrected to form an image, for example. This can be confirmed.
さらに、ホログラムには複素振幅分布を記録できるため、光の振幅、位相、波長、偏光情報の変化をとらえることもできる。そのため、通常のカメラでは取得できない、光の振幅、位相、波長、偏光の変化を可視化することができる。振幅情報では変化のないような回折限界を超える微小なサンプルでも、その複素振幅分布の変化をとらえて再構成することで、撮像光学系の性能を超えるイメージングが実現できる。 Furthermore, because holograms can record complex amplitude distributions, they can also capture changes in the amplitude, phase, wavelength, and polarization information of light. This makes it possible to visualize changes in the amplitude, phase, wavelength, and polarization of light that cannot be captured with normal cameras. Even for tiny samples that exceed the diffraction limit and show no change in amplitude information, capturing and reconstructing the changes in the complex amplitude distribution can achieve imaging that exceeds the performance of imaging optical systems.
本発明によれば、高速に画像のマッチングが可能な光相関技術と、光強度を高感度に検出する単一画素検出器を使うことにより、高Dレンジの高速カメラを提供できる。さらに通常のカメラでは撮影できない霧や蜃気楼、熱揺らぎ、等、イメージングを邪魔する空間の揺らぎや散乱等を除去してクリヤーな画像を形成ですることが出来るので、高精細のカメラを提供できる。また、測定したい対象に隔たる散乱体、例えば皮膚や想定対象までを隠す要素となる散乱体という影響を除去できるので、高精細な顕微鏡を提供できる。さらに、撮像光学系の性能を超える顕微イメージングを実現できるので、超解像顕微鏡や、微細な構造欠陥等を検査する様な装置を提供できる。
According to the present invention, a high-speed camera with a high D range can be provided by using an optical correlation technique that enables high-speed image matching and a single-pixel detector that detects light intensity with high sensitivity. Furthermore, a high-definition camera can be provided because a clear image can be formed by removing spatial fluctuations and scattering that interfere with imaging, such as fog, mirages, and thermal fluctuations that cannot be captured by normal cameras. In addition, the influence of scattering bodies that are distant from the object to be measured, such as skin or scattering bodies that are elements that hide the intended object, can be removed, so a high-definition microscope can be provided. Furthermore, microscopic imaging that exceeds the performance of the imaging optical system can be realized, so a super-resolution microscope and a device for inspecting fine structural defects can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。全図を通じて同一の構成には同一の符号を付けてその重複説明は省略する。以下の実施形態においては、本発明に係る撮像装置を例に挙げて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Identical components throughout the drawings will be given the same reference numerals, and duplicate descriptions will be omitted. In the following embodiments, an imaging device according to the present invention will be described as an example.
図1は本発明の実施形態の撮像装置1を含む全体構成の一例を示した図である。図では本発明の撮像装置1を車載カメラとして利用したケースを示している。説明を容易にするため撮像装置1を車載カメラとして使っているがこれに限ることはない。図1(a)において自動車20が例えばトンネル21内で走行していた場合、車載用のカメラとして使われている通常のカメラ、例えばCCDを使った車載カメラの場合には周りの輝度が低いので感度を上げる、或いは増幅して記録する。従って車載カメラの映像は図1(a)に示す様にトンネル内を映し出すことが可能となる。その後、自動車20がトンネル21を抜けた瞬間、車載カメラとしての感度は非常に上がっているため例えば太陽22からの太陽光が直接車載カメラに入射した時には図1(b)に示す様にハレーションを起こして正しい撮影を行うことができない。これに対し、本発明の撮像装置1を使った場合には車載カメラに入る光強度に対して非常に高いダイナミックレンジを確保しているため、ハレーションを起こすことなく連続的な撮影ができる。ハレーションなく撮影可能な理由は下記に示す光相関技術とシングルイメージセンサー技術を使うことで達成されるが詳しくは後述する。
1 is a diagram showing an example of the overall configuration including the
図2は上記撮像装置1の全体ブロックを示した図である。撮像装置1には対象物体Aからの反射または透過光を取得するために照射するレーザー2、対象物体Aにレーザー光を照射、その照射したレーザー光の対象物体Aからの反射光を透過または反射するハーフミラーA4、後述する予めマッチング用のパターンを記録してあるホログラフィックディスク8、対象物体Aからの反射光をホログラフィックディスク8に集光するためのレンズ3、ホログラフィックディスクにより回折された光を反射するハーフミラーB5、回折された光の強度を電気信号のレベルに変換して撮像処理部に送る単一画素検出器であるディテクタ6、ディテクタ6からなる光学系と、前記ディテクタ6からの電気信号のレベルを時間軸変換してそのレベルの時間軸変化を計測&画像処理して元の対象物体Aの映像を作成する撮像処理部7、前記ホログラフィックディスク8を高速回転し、且つホログラフィックディスク8に記録されているマッチング用のパターンと入射された対象物体Aからの光を精度良くマッチング用のパターンと合致させて精度良く回折光を形成するための制御を施すサーボ処理部9と、対象物の映像を表示する表示部14と、これら全体を制御し、指示を行うコントローラ11、ROM10、RAM12、映像や画像データを保存する外部メモリ13、システムバス16からなる。
Figure 2 is a diagram showing the overall block diagram of the
さらに上記対象物Aの映像を自動運転のためのデータとして自動制御処理部15に送っても良い。前記撮像処理部7には入力された光強度の時間変化を元の対象物画像に復元するための処理部として後述する学習処理部7a、復元処理部7b、ホログラフィックメモリに記録されているマッチング用のパターンを一時的に記憶し、上記学習処理部7a、復元処理部7bに送るメモリ7c等からなる。
The image of the object A may be sent to the automatic
図3は本実施例の撮像装置1のソフトウェア構成図であり、コントローラ11、ROM10、RAM12、及び外部メモリ13、システムバス16からなる。
コントローラ11は、所定のプログラムに従って撮像装置1全体を制御するマイクロプロセッサユニットである。システムバス16はコントローラ11と撮像装置1内の各部との間でデータ送受信を行うためのデータ通信路である。
FIG. 3 is a diagram showing the software configuration of the
The
ROM(Read Only Memory)10は、オペレーティングシステムなどの基本動作プログラムやその他のアプリケーションプログラムが格納されたメモリであり、例えばEEPROM(Electrically Erasable Programmable ROM)やフラッシュROMのような書き換え可能なROMが用いられ、ROM10に格納されたプログラムを更新することにより、基本動作プログラムやその他のアプリケーションプログラムのバージョンアップや機能拡張が可能である。
The ROM (Read Only Memory) 10 is a memory that stores basic operating programs such as an operating system and other application programs. For example, a rewritable ROM such as an EEPROM (Electrically Erasable Programmable ROM) or a flash ROM is used, and by updating the programs stored in the
RAM(Random Access Memory)12は基本動作プログラムやその他のアプリケーションプログラム実行時のワークエリアとなる。具体的には、例えばROM10に格納された基本動作プログラム10aはRAM12に展開され、更にコントローラ11が前記展開された基本動作プログラムを実行することにより、基本動作実行部12aを構成する。
RAM (Random Access Memory) 12 serves as a work area when the basic operation program and other application programs are executed. Specifically, for example, the
以下では、説明を簡単にするために、コントローラ11がROM10に格納された基本動作プログラム10aをRAM12に展開して実行することにより各部の制御を行う処理を、基本動作実行部12aが各部の制御を行うものとして記述する。なお、その他のアプリケーションプログラムに関しても同様の記述を行うものとする。
撮影映像処理実行部12bは撮影映像処理部7に対し撮影の指示、停止、学習処理部7a、復元処理部7bへの指示、メモリ7cのデータ化、画像改善等の処理指示を行う。
In the following, for the sake of simplicity, the process of the
The captured image
学習処理実行部12cは図1において対象物体Aの反射光とホログラフィックディスク8とで出来る回析光の光強度をディテクタ6で検出し、電気信号として撮像処理部7に入力した時にその時間軸での変化を数値化し、2次元化した後に特徴量抽出して後述する各種学習処理を行うソフトウェアである。復元処理実行12dは図1において学習処理部7aで学習処理されたデータを画像データに復元処理を行うソフトウェアである。具体的な手法の例については後述する。サーボ処理実行部12eはホログラフィックディスク8の回転制御、位置制御をフィードバック、或いはフィードフォアードで制御するアルゴリズムを含むソフトウェアである。表示実行部12fは前記復元された画像データを表示するためのソフトウェアである。但し、前記ソフトウェアは全てがソフトウェアではなくても良く、例えば高速化するために一部をハードウェア化されていても良い。
The learning
コントローラ11は撮像装置1全体の制御を行うアルゴリズムが組み込まれている。
本実施例の撮像装置1の動作は、図2に示したように、主として外部メモリ13に記憶された撮像処理プログラム13bと、学習処理プログラム13cと、復元処理プログラム13dと、サーボ処理プログラム13eがRAM12に展開され、コントローラ11により実行される撮影映像処理実行部12bと、学習処理実行部12cと、復元処理実行部12d、サーボ処理実行部12e、表示実行部12fによって制御されるものとする。前述の撮影映像処理実行部12bと、学習処理実行部12cと、復元処理実行部12d、サーボ処理実行部12e、表示実行部12fはその一部または全部の動作をハードウェアで実現する各ハードウェアブロックで行っても良い。
The
2, the operation of the
ROM10及びRAM12はコントローラ11と一体構成であっても良い。また、ROM10は、図2に示したような独立構成とはせず、外部メモリ13内の一部記憶領域を使用しても良い。また、RAM12は、各種アプリケーションプログラム実行時に、必要に応じてデータを一時的に保持する一時記憶領域を備えるものとする。
The
外部メモリ13は撮影映像処理部7で撮影されている画像や映像を一時的に蓄えても良い。また、撮像装置1の各動作設定値や撮像装置1の位置情報や各種情報、撮像装置1が撮影した画像や映像情報等の一部または全部のデータ、その他プログラムを格納している。
The
外部メモリ13の一部領域を以ってROM10の機能の全部または一部を代替しても良い。また、外部メモリ13は、撮像装置1に電源が供給されていない状態であっても記憶している情報を保持する必要がある。したがって、例えばフラッシュROMやSSD(Solid State Drive)、HDD(Hard Disc Drive)等のデバイスが用いられる。
A portion of the
次に上述のマッチング用のパターンをホログラフィックディスク8に記録する方法について図4を用いて説明する。光相関システムはコアキシャルホログラフィックメモリを応用したシステムでホログラフィックディスク上に記録した大容量のデータと入力データとの高速照合が可能なデバイスである。光相関シングルピクセルカメラにおいてホログラフィックディスクに記録するデータは基底パターンに、入力データは対象物体にそれぞれ対応する。光相関シングルピクセルカメラは観測した物体とパターンとの照合を行う相関プロセスと相関プロセスで取得した光強度を基に物体情報を再構成する再構成プロセスからなる。相関プロセスは光相関システム上で、再構成プロセスは計算機上でそれぞれ行われる。
Next, a method for recording the above-mentioned matching pattern on the
図4はホログラフィックディスクにマッチング用のパターンを記録する方法について説明した図である。これを以下記録プロセスとする。記録プロセスでは,記録するデータを参照光と共にページデータとして未記録のホログラフィックディスク8に入力し,その干渉縞をホログラムとしてシフト多重記録することでデータベースとなるマッチング用のパターンを作成する.図4(a)において、ホログラフィックディスク8に記録する記録プロセスでは、空間的な分布パターンをリング状に配置した参照光と共に空間光変調器17に表示し、レーザーを用いてホログラフィックディスク8に光情報として入力し,その干渉縞をホログラムとしてシフト多重記録する。この図ではハーフミラーB5ではなくてビームスプリッタ18を使っているが、ハーフミラーB5でも良い。シフト多重としては図4(b)に示すように少しずつ回転させてホログラフィックディスク上に記録していく。この記録プロセスではホログラフィックディスクの材料により感度等が異なるため、記録のスピードは十分記録でき且つ情報が定着させるために低速でも構わない。また、一つの記録パターンの大きさは数百ミクロン程度の大きさで構わない。例えば直径2インチ(5.08cm)程度のディスクに100ミクロン四方のデータを一重記録したとしてもその容量は25.4mm x 25.4mm x π/0.1mm2 = 約20万個のデータを記録できる。実際は数十多重できるので、数百万個のデータを記録できる。従ってマッチング用のパターンとしては十分な個数を記録できる。また図4のホログラフィックディスクに記録する装置に関しては例えば工場の製造ラインに1台あり、各撮像装置1に配置されるマッチング用のパターンを記録されたホログラフィックディスクを複数枚作成すれば良い。
Figure 4 is a diagram explaining a method for recording a matching pattern on a holographic disk. This is hereafter referred to as the recording process. In the recording process, the data to be recorded is input as page data together with a reference light into an unrecorded
図5は図4で作成されたホログラフィックディスク8を使って実際の対象物Aをイメージ化する方法について説明した図である。この場合にはホログラフィックディスク8には既に図4で示したマッチング用のパターンが記録されており、各撮像装置1に挿入された状態を示している。図5の工程をここでは相関プロセスと称する。この相関プロセスでは、対象物体Aにレーザー2を照射させ、ビームスプリッタ18を通過してその光情報をホログラフィックディスク8に入射させる。ホログラフィックディスク8から参照光方向に回折する光(回折光)の強度をディテクタ6により検出する。図5では透過光のノイズ除去のために透過光カットマスク19が配置されているが、低コスト化のために入れる必要がなければ配置しなくても良い。また、図5ではビームスプリッタ18を使用しているが、同様機能を有するハーフミラー5でも良い。検出には単一検出した光強度は記録したパターンと対象物体との内積値に対応しているため、光相関システムの高速性から、SPIのさらなる高速化が期待できる。ここで、光相関システムのパターン照合速度Vは(2)式で示される。
FIG. 5 is a diagram for explaining a method of imaging an actual object A using the
なお、Rはディスクの回転速度、rはディスクの記録する半径、dはシフト多重記録間隔である。例えばホログラフィックディスク8の回転速度を900rpm、ホログラフィックディスクの記録する半径を2cm、シフト多重記録の間隔を10μmとすると、Vは(3)式で示される。
Here, R is the rotation speed of the disk, r is the recording radius of the disk, and d is the shift multiplex recording interval. For example, if the rotation speed of the
従って、後述する高精度化のための深層学習を行うとしても十分すぎる個数のデータを照合できるので通常の動画映像で必要な60フレーム/秒の同画像を再生できる。この後図6に示す元の対象物体Aの画像に戻す再構成プロセスになる。この時、図にも示している通り、光強度の時間軸変化の値には様々なノイズも含まれている。 Therefore, even if deep learning is performed to improve accuracy, as described below, more than enough data can be collated, and the same image can be reproduced at the 60 frames per second required for normal video footage. After this, a reconstruction process occurs to return the image to the original image of target object A, as shown in Figure 6. At this time, as shown in the figure, various noises are included in the values of the change in light intensity over time.
次に光相関技術での対象物体の画像を再構成する再構成プロセスについて説明する。光相関シングルピクセルカメラにおける再構成プロセスを説明する前に従来のシングルピクセルイメージングにおける再構成プロセスについて説明する。シングルピクセルイメージングは空間的な分布パターンにアダマールパターンや離散cosパターンといった基底パターンを用いて物体情報を解析的に再構成する手法である。ベクトルxを観測したい物体、行列Hを観測行列、ベクトルyを取得する光強度としたとき相関プロセスは(1)式で示される。 Next, the reconstruction process for reconstructing an image of a target object using optical correlation technology will be described. Before describing the reconstruction process in an optical correlation single pixel camera, the reconstruction process in conventional single pixel imaging will be described. Single pixel imaging is a method for analytically reconstructing object information using basis patterns such as a Hadamard pattern or a discrete cosine pattern as a spatial distribution pattern. When vector x is the object to be observed, matrix H is the observation matrix, and vector y is the light intensity to be obtained, the correlation process is expressed by equation (1) .
取得した光強度を基に物体情報を再構成させる際は、光強度に観測行列の逆行列を作用させ、(4)式に示すように物体情報を再構成する。 When reconstructing object information based on the acquired light intensity, the inverse matrix of the observation matrix is applied to the light intensity to reconstruct the object information as shown in equation (4) .
ここでアダマールパターン等の基底パターンからなる直交行列を観測行列として採用することで(5)式が得られるため、ノイズがない状況下では物体情報を解析的に再構成することが可能となる。シングルピクセルイメージングにおいてアダマールパターンの照合枚数を増やすことで高解像な再構成像を取得していた。また、パターンの照合によりノイズが平均化されるため、耐ノイズ性に優れるといった利点もある。しかし、欠点として高解像な物体の再構成像を得るために多くのパターン照合が必要であるため、観測に時間がかかるといった課題があった。このため今回の発明にある様なリアルタイムの差撮像機器には不向きな手法である。図6の従来例がこれにあたる。
上記従来技術の欠点を補うために光相関シングルピクセルカメラを使い、高速且つ高精度な手法を提案する。光相関シングルピクセルカメラの高精度化に向けて再構成プロセスに深層学習を用いたネットワークを利用する。これが図6の本発明の再構成プロセスである。本発明の光相関シングルピクセルカメラ用再構成ネットワークは深層学習を用いたネットワークであり数4に示す再構成計算の代わりに使用する。ネットワークには逆畳み込み層及び深層畳み込み層からなり、既知の物体において相関プロセスにて取得された光強度を入力したときに、物体情報と同じ値が出力されるように学習させる。本発明を用いることで、従来手法では再構成像が取得できないノイズレベルにおいても鮮明な再構成像を取得することが可能となる。さらに、光相関システムの要素技術からなる誤差要因が生じる場合においても高精細な物体再構成が期待できる。これに対する実験的な評価を次に示す。
In order to compensate for the shortcomings of the above conventional techniques, we propose a high-speed and high-precision method using an optical correlation single pixel camera. A network using deep learning is used in the reconstruction process to improve the accuracy of the optical correlation single pixel camera. This is the reconstruction process of the present invention shown in Figure 6. The reconstruction network for the optical correlation single pixel camera of the present invention is a network using deep learning and is used instead of the reconstruction calculation shown in
図7に構築したネットワーク評価における学習方法の概要を示す。時間変動する空間ノイズと時間変動のない空間ノイズを加え、図6で示した従来手法での光相関シングルピクセルカメラによる再構成像と、構築したネットワークを用いて再構成した像の精度を比較した。ここで時間変動しない固定の空間ノイズは光相関システム由来の誤差要因を想定している。これは例えばディスクの欠陥による固定ノイズやレンズ系等の収差によるノイズなどである。本評価では、相関プロセスにて32×32 pixelのアダマールパターン1024枚を使用した。また、学習用データには機械学習で使われる画像データセットであるMNISTの一部を使用した。MNISTは28×28 pixelの0から9までの数字からなるデータセットで、合計7万枚である。このうち1024枚をアダマールパターンの大きさに合うように外枠を0埋めすることで、学習用データとした。ネットワークの学習時には、学習用データが相関プロセスにおいてノイズが付与された場合のシミュレーション光強度を入力し、学習用データと同じ値が出力されるように学習させた。また検証データには学習データに使用していないMNISTデータを使用した。図8に相関プロセスにノイズが含まれている場合の検証データにおける各再構成結果の比較を示す。比較の一例として用いたCGIはパターンにランダムパターンを用いた再構成手法であり、SPIに比べて再構成精度は悪くなるもののパターンの照射枚数を増やすことで耐ノイズ性に優れる。時間変動するノイズにおいて、提案した再構成ネットワークは従来手法であるCGI・SPIにおいて再構成が不可能なレベルでノイズ付与されている状況においても物体の再構成が可能であることを確認した。また観測ごとに変化せず、時間変動しないノイズが付与されている場合における各再構成ではCGIのようにパターン数を増やすことで物体の再構成精度は改善せず、従来手法では除去不可能な再構成誤差要因である。しかしながら、提案手法では物体を再構成することが可能であり、光相関システムの誤差要因をも取り除くことが可能であることから構築したネットワークの有効性を確認した。 Figure 7 shows an overview of the learning method used in the evaluation of the constructed network. Time-varying spatial noise and time-invariant spatial noise were added, and the accuracy of the reconstructed image using the optical correlation single pixel camera in the conventional method shown in Figure 6 was compared with that of the image reconstructed using the constructed network. Here, the fixed spatial noise that does not vary with time is assumed to be an error factor derived from the optical correlation system. For example, this is fixed noise due to disk defects or noise due to aberrations in the lens system. In this evaluation, 1024 Hadamard patterns of 32 x 32 pixels were used in the correlation process. In addition, a part of MNIST, an image dataset used in machine learning, was used as the learning data. MNIST is a 28 x 28 pixel dataset of numbers from 0 to 9, with a total of 70,000 images. Of these, 1024 images were used as learning data by filling the outer frame with zeros to match the size of the Hadamard pattern. When training the network, the simulation light intensity when noise is added to the training data in the correlation process was input, and the network was trained to output the same value as the training data. In addition, MNIST data that was not used in the training data was used as the validation data. Figure 8 shows a comparison of the reconstruction results for the validation data when noise is included in the correlation process. CGI, used as an example for comparison, is a reconstruction method that uses random patterns. Although the reconstruction accuracy is worse than SPI, it has excellent noise resistance by increasing the number of patterns irradiated. It was confirmed that the proposed reconstruction network can reconstruct an object even in a situation where noise is added at a level that makes reconstruction impossible with the conventional methods CGI and SPI, in the case of time-varying noise. In addition, in the case of noise that does not change with each observation and does not vary with time, the reconstruction accuracy of the object does not improve by increasing the number of patterns as with CGI, and this is a reconstruction error factor that cannot be removed with conventional methods. However, the proposed method is able to reconstruct the object, and the effectiveness of the constructed network was confirmed by being able to remove the error factors of the optical correlation system.
上述ではアダマールパターン1024枚を使用した例を示したが、式(1)の計算例で示した様に1秒間に約18.8万回の照合ができるため十分な速度を得ることは可能となり、リアルタイムでのノイズ除去、映像化が可能である。 The above example shows the use of 1,024 Hadamard patterns, but as shown in the calculation example of formula (1), approximately 188,000 matches can be made per second, which is fast enough to achieve real-time noise removal and visualization.
上述の実施例では光相関シングルピクセルカメラ を使い、高ダイナミックカメラについての実施例について記載しているがこれに限ることはない。測定対象物体に対し、再構成不可能なレベルで付加されるノイズとは、霧や蜃気楼、熱揺らぎ、等、測定対象物体のイメージングを邪魔する空間の揺らぎや散乱等と考えることもできる。この撮像方法では、測定対象物体と、光検出器の間に生じるゆらぎなどのノイズ対象を除去してクリヤーな画像を形成ですることが出来る。従って、高感度であり且つ高精細のカメラを提供できる。また、顕微鏡においては、測定したい対象に隔たる散乱体、例えば皮膚や想定対象までを隠す要素となる散乱体という影響を上述した技術により除去できる。さらに、本発明ではホログラム技術を使っているため、複素振幅分布を記録できる。従って、光の振幅、位相、波長、偏光情報の変化をとらえることも可能となる。そのため、通常のカメラでは取得できない、光の複素振幅情報の変化を可視化することができる。すなわち、振幅情報では変化のないような回折限界を超える微小なサンプルでも、その複素振幅情報の変化をとらえて再構成することで、撮像光学系の性能を超えるイメージングが実現できる。そのため、超解像顕微鏡や、微細な構造欠陥等を検査する様な装置を提供できる。上記に関しても図2、図3のブロック構成やソフトウェア構成で実現できる。 In the above embodiment, an optical correlation single pixel camera is used, and an embodiment of a high dynamic camera is described, but the present invention is not limited to this. The noise added to the object to be measured at a level that cannot be reconstructed can be considered to be spatial fluctuations and scattering that interfere with the imaging of the object to be measured, such as fog, mirage, and thermal fluctuation. In this imaging method, it is possible to remove noise objects such as fluctuations that occur between the object to be measured and the photodetector, and form a clear image. Therefore, a camera with high sensitivity and high resolution can be provided. In addition, in a microscope, the effect of scattering objects that are separated from the object to be measured, such as skin or scattering objects that are elements that hide the intended object, can be removed by the above-mentioned technology. Furthermore, since the present invention uses hologram technology, it is possible to record complex amplitude distribution. Therefore, it is also possible to capture changes in the amplitude, phase, wavelength, and polarization information of light. Therefore, it is possible to visualize changes in the complex amplitude information of light that cannot be obtained with a normal camera. In other words, even for very small samples that exceed the diffraction limit and do not change in amplitude information, imaging that exceeds the performance of the imaging optical system can be achieved by capturing and reconstructing the changes in the complex amplitude information. This makes it possible to provide a super-resolution microscope or a device for inspecting minute structural defects. The above can also be achieved with the block configuration and software configuration in Figures 2 and 3.
本発明では相関演算の場合を記載しているが、これに限る事はない。ホログラム媒体に参照光を入射させ再生された再生光を高速複素振幅パターン照射器(ホログラム再生機)として利用し、その再生光を対象物体に照射することで得られる再生光と測定対象物体により変調された光との干渉信号を利用して、撮像してもよい。この場合、記録媒体には参照光を照射することで複数の複素振幅パターンを高速に再生(生成)する再生部機能となる。 Although the present invention describes the case of correlation calculation, the present invention is not limited to this. Reference light is incident on a hologram medium, and the reconstructed light is used as a high-speed complex amplitude pattern irradiator (hologram reconstructor), and the reconstructed light is irradiated onto a target object, and an interference signal between the reconstructed light obtained and the light modulated by the object to be measured is used to capture an image. In this case, the recording medium functions as a reconstructor that reconstructs (generates) multiple complex amplitude patterns at high speed by irradiating the reference light.
A:対象物体、
1:撮像装置、
2:レーザー、
3:レンズ、
4:ハーフミラーA、
5:ハーフミラーB、
6:ディテクタ、
7:撮像処理部、
7a:学習処理部、
7b:復元処理部、
7c:メモリ、
8:ホログラフィックディスク、
9:サーボ処理部、
10:ROM、
11:コントローラ、
12:RAM、
13:外部メモリ、
14:表示部、
15:自動制御処理部、
16:システムバス、
17:空間光変調器、
18:ビームスプリッタ、
19:透過光カットマスク、
20:自動車、
21:トンネル、
22:太陽
A: target object,
1: imaging device,
2: Laser,
3: Lens,
4: Half mirror A,
5: Half mirror B,
6: detector,
7: Imaging processing unit,
7a: learning processing unit,
7b: restoration processing unit,
7c: memory,
8: Holographic disc,
9: servo processing unit,
10: ROM,
11: controller,
12: RAM,
13: external memory,
14: display unit,
15: automatic control processing unit,
16: system bus,
17: spatial light modulator,
18: Beam splitter,
19: Transmitted light blocking mask,
20: Automobiles,
21: Tunnel,
22: Sun
Claims (11)
複数の空間的な分布パターンが光学的に記録された記録媒体を有する記録部と、
前記対象物体からの観測光と前記分布パターンとの照合を行い、前記対象物体と前記分布パターンとの相関度に応じた光相関信号を生成する相関部と、
前記光相関信号を受光し、前記対象物体と前記分布パターンとの相関度を算出する相関度算出部と、
前記相関度から前記対象物体の情報を復元する復元部と、
を備え、
前記記録媒体はホログラフィックディスクであり、
前記相関部は前記観測光と前記分布パターンとの照合を行う際に、前記ホログラフィックディスクを高速回転させ、前記対象物体からの反射光又は透過光を前記ホログラフィックディスクに入射させ、前記光相関信号として前記ホログラフィックディスクからの回折光を発生させ、
前記復元部は前記対象物体の情報を復元する際に、前記相関度に応じた光強度に関する情報を光相関シングルピクセルカメラ用再構成ネットワークに入力することによって前記対象物体の再構成像を取得する、
撮像装置。 In an imaging device for photographing a target object,
a recording unit having a recording medium on which a plurality of spatial distribution patterns are optically recorded;
a correlation unit that compares the observed light from the target object with the distribution pattern and generates an optical correlation signal according to a degree of correlation between the target object and the distribution pattern;
a correlation degree calculation unit that receives the optical correlation signal and calculates a correlation degree between the target object and the distribution pattern;
a restoration unit that restores information of the target object from the correlation degree;
Equipped with
the recording medium is a holographic disk,
when comparing the observation light with the distribution pattern, the correlation unit rotates the holographic disk at high speed, causes reflected light or transmitted light from the target object to be incident on the holographic disk, and generates diffracted light from the holographic disk as the optical correlation signal;
When restoring the information of the target object, the restoration unit acquires a reconstructed image of the target object by inputting information about the light intensity according to the degree of correlation to a reconstruction network for an optical correlation single pixel camera.
Imaging device.
複素振幅パターンが光学的に記録された記録媒体を有する記録部と、
前記対象物体からの観測光と前記複素振幅パターンとの干渉を行い、前記対象物体と前記複素振幅パターンとの干渉度に応じた光干渉信号を生成する干渉部と、
前記光干渉信号を受光し、前記対象物体と前記複素振幅パターンとの干渉度を算出する干渉度算出部と、
前記干渉度から前記対象物体の情報を復元する復元部と、
を備え、
前記記録媒体はホログラム媒体であり、
前記復元部は前記対象物体の情報を復元する際に、前記干渉度に応じた光強度に関する情報を光相関シングルピクセルカメラ用再構成ネットワークに入力することによって前記対象物体の再構成像を取得する、
撮像装置。 In an imaging device for photographing a target object,
a recording unit having a recording medium on which a complex amplitude pattern is optically recorded;
an interference unit that performs interference between observation light from the target object and the complex amplitude pattern and generates an optical interference signal according to the degree of interference between the target object and the complex amplitude pattern;
an interference degree calculation unit that receives the optical interference signal and calculates an interference degree between the target object and the complex amplitude pattern;
a reconstruction unit that reconstructs information about the target object from the degree of interference;
Equipped with
the recording medium is a holographic medium,
When restoring the information of the target object, the restoration unit inputs information about the light intensity according to the degree of interference into a reconstruction network for an optical correlation single pixel camera to obtain a reconstructed image of the target object.
Imaging device.
複素振幅パターンが光学的に記録された記録媒体を有する記録部と、
前記記録媒体に参照光を照射することで複素振幅パターンを生成する再生部と、
前記対象物体と再生部から生成された前記複素振幅パターンとの干渉信号を生成する干渉部と、
前記干渉信号を受光し、前記対象物体と前記複素振幅パターンとの干渉度を算出する干渉度算出部と、
前記干渉度から前記対象物体の情報を復元する復元部と、
を備え、
前記記録媒体はホログラム媒体であり、
前記復元部は前記対象物体の情報を復元する際に、前記干渉度に応じた光強度に関する情報を光相関シングルピクセルカメラ用再構成ネットワークに入力することによって前記対象物体の再構成像を取得する、
撮像装置。 In an imaging device for photographing a target object,
a recording unit having a recording medium on which a complex amplitude pattern is optically recorded;
a reproducing unit that generates a complex amplitude pattern by irradiating the recording medium with a reference beam;
an interference unit that generates an interference signal between the target object and the complex amplitude pattern generated by a reproduction unit;
an interference degree calculation unit that receives the interference signal and calculates an interference degree between the target object and the complex amplitude pattern;
a reconstruction unit that reconstructs information about the target object from the degree of interference;
Equipped with
the recording medium is a holographic medium,
When restoring the information of the target object, the restoration unit inputs information about the light intensity according to the degree of interference into a reconstruction network for an optical correlation single pixel camera to obtain a reconstructed image of the target object.
Imaging device.
前記ホログラフィックディスクからの回折光の強度を電気信号のレベルに変換する単一画素検出器であるディテクタと、
前記ディテクタからの前記電気信号のレベルの時間軸変化を計測及び画像処理して前記対象物体の映像を作成する撮像処理部と、
を有し、
前記撮像処理部は、前記対象物体について前記照合にて取得される光強度が入力されたときに、前記対象物体と同じ光強度の値が出力されるように学習された学習処理部を含む、
請求項1に記載の撮像装置。 The restoration unit is
a detector, which is a single pixel detector that converts the intensity of the diffracted light from the holographic disk into an electrical signal level;
an imaging processing unit that measures and processes a time-axis change in the level of the electrical signal from the detector to create an image of the target object;
having
The imaging processing unit includes a learning processing unit that is trained to output a light intensity value the same as that of the target object when a light intensity value acquired by the matching for the target object is input .
The imaging device according to claim 1 .
前記学習処理部の学習では、学習用データとしての画像データに前記照合においてノイズが付与された場合の光強度を入力したときに、前記画像データと同じ光強度の値が出力されるように学習する、
請求項4に記載の撮像装置。 The learning processing unit includes a deconvolution layer and a deep convolution layer ;
In the learning of the learning processing unit, when a light intensity when noise is added to image data as learning data in the collation is input, learning is performed so that a light intensity value the same as that of the image data is output.
The imaging device according to claim 4 .
請求項1、請求項4、及び、請求項5の何れか一項に記載の撮像装置。 The distribution pattern is optically recorded on the recording medium , and information on the target object is restored by capturing changes in amplitude, phase, wavelength, and polarization information of the light modulated by the target object.
The imaging device according to claim 1 , 4 , or 5 .
請求項2又は請求項3に記載の撮像装置。 The complex amplitude pattern is optically recorded on the recording medium , and changes in amplitude, phase, wavelength, and polarization information of the light modulated by the target object are captured to restore information of the target object.
The imaging device according to claim 2 or 3 .
請求項5に記載の撮像装置。 the plurality of spatial distribution patterns are generated by inputting the spatial distribution patterns together with a reference light into the holographic disk, and shift-multiplexing and recording interference fringes as holograms .
The imaging device according to claim 5 .
前記記録媒体としてホログラフィックディスクを用い、
前記観測光と前記分布パターンとの照合を行う際に、前記ホログラフィックディスクを高速回転させ、前記対象物体からの反射光又は透過光を前記ホログラフィックディスクに入射させ、前記光相関信号として前記ホログラフィックディスクからの回折光を発生させ、
前記対象物体の情報を復元する際に、前記相関度に応じた光強度に関する情報を光相関シングルピクセルカメラ用再構成ネットワークに入力することによって前記対象物体の再構成像を取得する、
撮像方法。 An imaging method for photographing a target object, comprising: optically recording a plurality of spatial distribution patterns on a recording medium; comparing observed light from the target object with the distribution patterns; generating an optical correlation signal according to a degree of correlation between the target object and the distribution patterns; receiving the optical correlation signal; calculating a degree of correlation between the target object and the distribution patterns from an intensity of the optical correlation signal ; and restoring information about the target object from the degree of correlation ;
A holographic disk is used as the recording medium,
When comparing the observation light with the distribution pattern, the holographic disk is rotated at high speed, and reflected or transmitted light from the target object is incident on the holographic disk, and diffracted light from the holographic disk is generated as the optical correlation signal.
When restoring information about the target object, information about the light intensity according to the degree of correlation is input to a reconstruction network for an optical correlation single pixel camera to obtain a reconstructed image of the target object.
Imaging method.
前記記録媒体としてホログラム媒体を用い、
前記対象物体の情報を復元する際に、前記干渉度に応じた光強度に関する情報を光相関シングルピクセルカメラ用再構成ネットワークに入力することによって前記対象物体の再構成像を取得する、
撮像方法。 An imaging method for photographing an object, comprising: optically recording a complex amplitude pattern on a recording medium; causing observation light from the object to interfere with the complex amplitude pattern; generating an optical interference signal according to a degree of interference between the object and the complex amplitude pattern; receiving the optical interference signal; calculating a degree of interference between the object and the complex amplitude pattern from an intensity of the optical interference signal ; and restoring information about the object from the degree of interference ;
A hologram medium is used as the recording medium,
When restoring information about the target object, information about the light intensity according to the degree of interference is input to a reconstruction network for an optical correlation single pixel camera to obtain a reconstructed image of the target object.
Imaging method.
前記記録媒体としてホログラム媒体を用い、
前記対象物体の情報を復元する際に、前記干渉度に応じた光強度に関する情報を光相関シングルピクセルカメラ用再構成ネットワークに入力することによって前記対象物体の再構成像を取得する、
撮像方法。 In an imaging method for photographing a target object, a complex amplitude pattern is optically recorded on a recording medium, a complex amplitude pattern is generated by irradiating a reference light onto the recording medium, an interference signal between the target object and the complex amplitude pattern generated by a reproduction unit is generated, the interference signal is received, a degree of interference between the target object and the complex amplitude pattern is calculated from an intensity of the interference signal , and information about the target object is restored from the degree of interference;
A hologram medium is used as the recording medium,
When restoring information about the target object, information about the light intensity according to the degree of interference is input to a reconstruction network for an optical correlation single pixel camera to obtain a reconstructed image of the target object.
Imaging method.
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