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WO2022153969A1 - イメージング方法、及びイメージング装置 - Google Patents

イメージング方法、及びイメージング装置 Download PDF

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WO2022153969A1
WO2022153969A1 PCT/JP2022/000523 JP2022000523W WO2022153969A1 WO 2022153969 A1 WO2022153969 A1 WO 2022153969A1 JP 2022000523 W JP2022000523 W JP 2022000523W WO 2022153969 A1 WO2022153969 A1 WO 2022153969A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
mask
target object
light emitting
modulation element
Prior art date
Application number
PCT/JP2022/000523
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
昌之 納谷
龍介 大▲崎▼
崇市郎 中村
Original Assignee
富士フイルム株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 富士フイルム株式会社 filed Critical 富士フイルム株式会社
Priority to EP22739376.6A priority Critical patent/EP4280589A4/en
Priority to JP2022575583A priority patent/JPWO2022153969A1/ja
Publication of WO2022153969A1 publication Critical patent/WO2022153969A1/ja
Priority to US18/348,311 priority patent/US20230353888A1/en

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    • G06V10/00—Arrangements for image or video recognition or understanding
    • G06V10/10—Image acquisition
    • G06V10/12—Details of acquisition arrangements; Constructional details thereof
    • G06V10/14—Optical characteristics of the device performing the acquisition or on the illumination arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an imaging method and an imaging apparatus using a single pixel imaging technique. Specifically, the present invention relates to an imaging method and an imaging apparatus that significantly increase the input speed of single pixel imaging.
  • Non-Patent Document 1 A single pixel imaging technique for imaging an object has been proposed (see Non-Patent Document 1).
  • SLM spatial modulator
  • DMD digital mirror device
  • the target object is irradiated with light having a mask image modulated according to the mask pattern of the two-dimensional random mask shown in FIG. 7A, and the light transmitted or reflected by the target object is collected and collected.
  • the light intensity of the emitted light is detected by one light detector.
  • the mask patterns are changed one after another, and the light intensity at the time when each mask pattern is presented is recorded.
  • the time-series data of the light intensity obtained in this way is represented by, for example, a matrix (column vector) Y of a row of detected values, and the mask pattern at each time point is represented by, for example, a coding matrix W, and the image information (pixels) of the target object is represented.
  • FIG. 6 shows the principle of the above-mentioned single pixel imaging technique.
  • the imaging device 100 shown in FIG. 6 is a device that acquires image information of a target object 102, which is an object to be measured, by the above-mentioned single pixel imaging technique.
  • the imaging device 100 includes a light source 104, a collimator lens 106, a spatial modulation element 108, a condenser lens 110, a single photodetector 112, and a computer 114.
  • the collimator lens 106 converts the light from the light source 104 into collimated light.
  • the collimated light illuminates the spatial modulation element 108.
  • the spatial modulation element 108 generates and presents a plurality of mask patterns 108a.
  • the spatial modulation element 108 transmits or reflects the collimated light from the collimator lens 106 according to one generated mask pattern 108a (only reflection is described in FIG. 6), and the modulated mask image (light) 109. And.
  • the condenser lens 110 irradiates the target object 102 with the mask image (light) 109 from the spatial modulation element 108, and collects all the light transmitted or reflected through the target object 102 on the detector 112.
  • the detector 112 detects the light intensity of all the focused light in one mask pattern 108a.
  • the detector 112 is a detector that does not take an image and is a single pixel detector having one light receiving element.
  • a plurality of mask patterns 108a generated by the space modulation element 108 are represented by, for example, mask patterns 1, 2, 3, ..., M.
  • the mask pattern 1 is, for example, a mask pattern of a two-dimensional rectangular matrix in which N pixels are arranged vertically and horizontally, and the two-dimensional N pixels are converted into a matrix of 1 row and N columns, and [W 11 , W 12 , ..., W 1N ].
  • the mask pattern 2 can be represented as a 1-by-N matrix [W 21 , W 22 , ..., W 2N ]
  • the mask pattern M can be represented by a 1-by-N matrix [WM1, WM2 ]. , ..., W MN ].
  • the mask patterns 1, 2, 3, ..., M are encoded in M rows and N columns represented by the following equation (1), as shown in FIG. 6 corresponding to the spatial modulation element 108. It can be represented as a matrix W.
  • the elements of the coding matrix W that is, the elements W 11 of each mask pattern 1, 2, 3, ..., M, W 11 , ..., W MN are not particularly limited, but for example, in the case of transparency, 1, In the case of reflection, it can be 0 or vice versa.
  • the detected values of the light intensity detected by the detector 112 are Y 1 , Y, respectively.
  • 2 , ..., Y M it can be represented as a matrix Y of M rows and 1 column represented by the following equation (2) as described in FIG. 6 in correspondence with the detector 112.
  • the image information (image data) of the target object 102 is X 1 , X 2 , ..., X N , as shown in FIG. 6 corresponding to the target object 102
  • the following equation (3) It can be represented as a matrix X of M rows and 1 column represented by.
  • the image information of the target object 102 is obtained by calculating the correlation between the detected values Y (Y 1 , Y 2 , ..., Y M ) measured by the imaging device 100 shown in FIG. 6 and the coding matrix W. That is, the image data X (X 1 , X 2 , ..., X N ) of all pixels can be calculated by the following equation (5).
  • the correlation between these coding matrix W, the detected value Y, and the image information X can be obtained by actually measuring in advance.
  • CMOS complementary metal oxide semiconductor
  • CCD charge-coupled device
  • the mask pattern is generated (presented) by the spatial modulation element alone. Therefore, in the prior art, since the mask pattern is generated by the space modulation element alone, the switching speed of the mask is limited by the response speed of the space modulation element, and there is a problem that a sufficient speed cannot be obtained.
  • the conventional single pixel imaging method has a drawback that it is difficult to acquire a high-speed image because the repetition frequency of the mask pattern is limited by the response speed of the spatial modulation element. That is, there is a problem that the image acquisition speed of single pixel imaging depends on the switching speed for switching the mask pattern of the spatial modulation element.
  • the switching speed of mask patterns is on the order of kilohertz for liquid crystal space modulation elements and about 20 kilohertz for DMD, and the required number of mask patterns is on the order of 1000 to 20,000 per second, which is fine.
  • the total number of pixels becomes large, which takes a long time, and there is a problem that a changing image cannot be acquired. For this reason, although mask information, that is, a technique capable of compressing the number of mask patterns has been developed by information-theoretic handling, there is still a problem that a mask of about 30 to 40% of the number of pixels is required.
  • Non-Patent Document 1 discloses various single imaging techniques that make up for this drawback, but it cannot be said to be sufficient.
  • the sub-pixel shift method is applied to the single pixel imaging technique disclosed in Non-Patent Document 1 to shift the pixels and reduce the required mask information, but a machine such as moving one light source or a mirror or the like. Since it depends on the operation, high-speed mask modulation is impossible, and there is a problem that sufficient high-speed cannot be achieved.
  • the present invention solves the above-mentioned problems and problems of the prior art, and by using a light source having a plurality of light emitting points as a light source, the light emission pattern switching of a plurality of light emitting points of the light source is superimposed on the modulation of the space modulation element. By doing so, it is possible to switch the mask pattern at high speed according to the response speed of the light emission of the light source, it is possible to speed up the mask pattern irradiation in single pixel imaging, and the input speed of single pixel imaging is significantly increased. It is an object of the present invention to provide an imaging method and an imaging apparatus that can be used.
  • a light from a light source having a plurality of light emitting points is applied to a space modulation element that generates a plurality of mask patterns, and the space modulation element generates the light.
  • the target object is irradiated with a mask image modulated according to the applied mask pattern, and the light transmitted through the target object irradiated with the mask image or reflected from the target object is condensed to reduce the light intensity of the condensed light.
  • a pixel is lit by sequentially switching one of a plurality of light emitting points or two or more light emitting points that emit light at the same time with respect to one mask pattern generated in the spatial modulation element.
  • the correlation between the mask image corresponding to the mask pattern that caused the deviation and the light intensity detected by the detector when the target object is irradiated with the mask image is multiple mask patterns, and the light emission of the light emitting point that can be sequentially switched.
  • This is an imaging method in which all combinations with patterns are calculated by a computer to acquire an image of an object object, and one or two light emitting points of a light source are set for one mask pattern generated in a spatial modulation element.
  • the pixels of the mask image irradiated to the target object are shifted by a fixed distance by turning on the target object in sequence, and the amount of pixel shift of the mask pattern determined by the position of the light emitting point where the light source is lit is known.
  • the target object is irradiated with a mask image corresponding to a plurality of mask patterns depending on the positions of the light emitting points of the spatial modulation element and the light source, and the computer emits the light intensity detected by the detector and the mask image irradiated to the target object. It is characterized in that an image of a target object is constructed by calculating the correlation with.
  • the imaging apparatus of the second aspect of the present invention spatially uses a light source having a plurality of light emitting points, a space modulation element that generates a plurality of mask patterns, and light from the light emitting points of the light source.
  • the first optical system for irradiating the modulation element, the second optical system for irradiating the target object with a mask image modulated according to the mask pattern generated by the spatial modulation element, and the mask image were irradiated.
  • Multiple light emitting points for a detector that transmits light transmitted through or reflected from the target object and detects the light intensity of the collected light, and a single mask pattern generated in the space modulation element.
  • the amount of pixel shift of the mask pattern determined by the position of the light emitting point where the light source is lit is known, and the target object is irradiated with a mask image corresponding to a plurality of mask patterns depending on the position of the spatial modulation element and the light emitting point of the light source.
  • the computer is characterized in constructing an image of the target object by calculating the correlation between the light intensity detected by the detector and the mask image applied to the target object.
  • the light source is preferably a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) array.
  • the light source is preferably a light emitting diode (LED) array or an end face light emitting semiconductor laser array.
  • the spatial modulation element is a digital mirror device (DMD) or a liquid crystal spatial modulation element (SLM).
  • DMD digital mirror device
  • SLM liquid crystal spatial modulation element
  • the optical system including the first optical system and the second optical system from the light source to the target object is preferably a telecentric optical system.
  • the first optical system has a collimator lens between the light source and the space modulation element, and the space modulation element is arranged on the back focal plane of the collimator lens.
  • the mask pattern generated by the spatial modulation element does not have a periodic structure within the range of pixel deviation generated by sequentially switching the light emitting points and lighting.
  • the mask pattern generated by the spatial modulation element is preferably a random pattern or an Hadamard pattern.
  • the light emission pattern switching of the plurality of light emitting points of the light source is superimposed on the modulation of the spatial modulation element, so that the response speed of the light emission of the light source can be increased.
  • FIG. 1 It is a schematic diagram which shows an example of the imaging apparatus which carries out the imaging method of this invention. It is a top view which shows an example of a VCSEL (vertical cavity surface emitting laser) array used as a light source in the imaging apparatus shown in FIG. It is a side schematic view which shows the pixel shift optical system in the imaging apparatus shown in FIG.
  • A) is a schematic diagram showing a mask presentation time in a conventional single pixel imaging method without pixel shift
  • (b) is a schematic diagram showing a mask presentation time in the single pixel imaging method of the present invention with pixel shift. Is.
  • (A) is a diagram showing an original image of 64 ⁇ 64 pixels
  • (b) and (c) are a reproduced image in a conventional single pixel imaging method without pixel shift, and the present invention with pixel shift, respectively. It is a figure which shows the relationship between the reproduced image in the single pixel imaging method, and the number of random masks generated.
  • (A) is a diagram showing 16 4 ⁇ 4 binary illumination random masks
  • (b) is a diagram showing 16 4 ⁇ 4 binary illumination Hadamard masks
  • (c) is a diagram showing (c). It is a figure which enlarges and shows one of the 16 Hadamard masks shown in b).
  • FIG. 1 is a schematic view schematically showing an example of an imaging apparatus of the present invention that implements the imaging method according to the present invention.
  • the imaging device 10 of the present invention shown in FIG. 1 is an imaging device that implements the imaging method according to the present invention, and acquires image information of the target object 12 based on the principle of the single pixel imaging technique shown in FIG. It is a device to do.
  • the imaging device 10 shown in FIG. 1 includes a light source 14 having a plurality of light emitting points, a collimator lens 16, a spatial modulation element 18, a condenser lens 20, a single photodetector 22, and a computer 24. ..
  • the light source 14 is a light source having a plurality of light emitting points 15 (15a, 15b, 15c in the example shown in FIG. 1), and emits light with respect to one pattern of the space modulation element 18. By switching the point 15 at high speed, the pixel of the mask pattern irradiated to the target object 12 to be observed is shifted.
  • the light source 14 is a light source having a plurality of light emitting points 15 (15a, 15b, 15c in the example shown in FIG. 1).
  • the light source 14 is a light source capable of switching one light emitting point 15 among a plurality of light emitting points or two or more light emitting points 15 that emit light at the same time at high speed, that is, sequentially switching and lighting.
  • the light emitting point 15 of the light source 14 is sequentially switched and turned on means that the light emitting point 15 is turned on within a time corresponding to the light emitting frequency, for example, if the light source 14 has a light emitting frequency of 10 MHz, it is for 10 to 7 seconds (sec).
  • the switching speed of the plurality of light emitting points 15, that is, the switching speed of issuance, that is, lighting, needs to be faster than the switching speed of the mask pattern of the space modulation element 18 described later. That is, the light source 14 sequentially moves one of the plurality of light emitting points 15 or two or more light emitting points at the same time between the generation of one mask pattern of the space modulation element 18 and the generation of the next mask pattern. Need to light up.
  • the light source 14 needs to be able to light a plurality of light emitting points 15 for one mask pattern generated in the space modulation element 18, but at least 10 or more light emitting points 15 It is preferable that the lighting can be performed sequentially, and it is more preferable that all the light emitting points 15 can be lit sequentially. In the light source 14 shown in FIG. 1, only three light emitting points 15a, 15b, and 15c are described as a plurality of light emitting points 15.
  • the light emitting point 15a When the light emitting point 15a emits light, the light indicated by the dotted line is emitted, when the light emitting point 15b emits light, the light indicated by the solid line is emitted, and when the light emitting point 15c emits light, the light indicated by the alternate long and short dash line is emitted. Is shown.
  • the light source 14 is not particularly limited as long as it is a light source having a plurality of light emitting points 15, but it may be an array type light source capable of switching the position of the light emitting point 15 of the light source 14 at high speed.
  • Examples of such a light source 14 include a VCSEL (Vertical Capacity Surface Emitting Laser) array that emits laser light perpendicular to the light surface from a plurality of light emitting points 15, and a light emitting diode (LED) array. , Or an end face light emitting semiconductor laser array and the like.
  • the VCSEL array is more preferable as the light source 14 from the viewpoint that it is a point light source, it is easy to make an array, and it has already been put into practical use.
  • FIG. 2 shows a VCSEL array having 32 (4 ⁇ 8) light emitting points as an example of a preferred light source 14.
  • This VCSEL array is manufactured by Fuji Xerox Co., Ltd. (see Surface Emitting Semiconductor Laser Device (VCSEL) -Application of VCSEL Array to Copiers- (Japan Imaging Society Paper Vol. 44, No. 3 (2005))).
  • the collimator lens 16 is for irradiating the spatial modulation element 18 by converting the light from the light source 14 into collimated light.
  • the collimator lens 16 include a telecentric lens manufactured by ThorLABS, for example, AC508-100-A.
  • the configuration from the light source 14 to the spatial modulation element 18 via the collimator lens 16 constitutes a first optical system for irradiating the spatial modulation element 18 with the light from the light emitting point 15 of the light source 14. Therefore, in the first optical system, it can be said that the collimator lens 16 is provided between the light source 14 and the space modulation element 18.
  • the light indicated by the dotted line, the solid line, and the alternate long and short dash line emitted from the three light emitting points 15a, 15b, and 15c of the light source 14 shown in FIG. 1 is collimated light (parallel light) by the collimator lens 16. Is shown.
  • the light indicated by the solid line emitted from the light emitting point 15b in the center of the light source 14 is symmetrical with respect to the optical axis of the first optical system and is parallel to the optical axis of the first optical system by the collimator lens 16. It becomes a collimated light.
  • the light indicated by the dotted line emitted from the light emitting point 15a on the upper side of the light source 14 becomes light having a slight angle downward with respect to the optical axis of the first optical system, and is determined by the collimator lens 16.
  • the collimated light is slightly angled downward with respect to the optical axis of the first optical system.
  • the light indicated by the one-point chain line emitted from the light emitting point 15c on the lower side of the light source 14 becomes light with a slight angle on the upper side with respect to the optical axis of the first optical system, and is determined by the collimator lens 16.
  • the collimated light is slightly angled upward with respect to the optical axis of the first optical system.
  • the space modulation element 18 is a two-dimensional space modulation element that generates a plurality of mask patterns.
  • the space modulation element 18 generates the collimated light from the collimator lens 16 as a modulated mask image (light) 19 by transmitting or reflecting it according to one generated mask pattern, and the generated mask image (light).
  • Light) 19 is for irradiating the target object 12.
  • the spatial modulation element 18 used in the present invention is not particularly limited as long as it can generate a plurality of mask patterns, but it is not particularly limited, but it is a digital mirror device (DMD: Digital Mirarr Device) or a liquid crystal spatial modulation element (LCSLM: liquid crystal spatial light modulator). ) Is preferable.
  • the configuration from the space modulation element 18 to the target object 12 constitutes a second optical system that irradiates the target object 12 with the mask image 19 modulated according to the mask pattern 18a generated by the space modulation element 18. do.
  • the spatial modulation element 18 is described as generating a 4 ⁇ 4 16-element rectangular mask pattern 18a for the sake of brevity, and only the two colored elements transmit light. Or it is reflected, indicating that the remaining elements are reflected or transmitted.
  • the number of elements of the space modulation element 18 is not particularly limited, but a large number is preferable.
  • the product of the number of elements of the spatial modulation element 18 and the number of switching of the light emitting points 15 of the light source 14 which are sequentially switched in one mask pattern 18a presented by the spatial modulation element 18 is the total number of pixels of the target object 12. Is more preferable.
  • each element of the mask pattern generated in the space modulation element 18 is not particularly limited as long as the image information of all the pixels of the target object 12 can be acquired, but is the same as the pixels required for the image information of the target object 12. It is preferably the size. Further, in the present invention, since the pixel shift is performed by switching the light emission pattern that sequentially changes the light emission point 15 of the light source 14 for one mask pattern, the pixels required for the image information of the target object 12 are obtained. It may be large, but in that case, it is preferable that the pixel shift amount is the same as the pixel required for the image information.
  • the target object 12 is irradiated with the mask images 19a, 19b, and 19c modulated according to the mask pattern 18a generated by the spatial modulation element 18.
  • the mask image 19b shown by the solid line the light emitting point 15b in the center of the light source 14 emits light and is radiated symmetrically to the optical axis, and is collimated by the collimator lens 16 and has a straight deviation parallel to the optical axis.
  • the mask image 19a shown by the dotted line the light emitting point 15a on the upper side of the light source 14 emits light and is emitted slightly downward, and the collimated light collimated slightly downward with respect to the optical axis by the collimator lens 16 is a space. It is a mask image (light) modulated by the mask pattern 18a of the modulation element 18. Therefore, the mask image (light) 19a irradiates the target object 12 in a state of being pixel-shifted to the lower left side, and is slightly shifted to the left downward with respect to the mask image (light) 19b matching the mask pattern 18a. ..
  • the mask image 19c shown by the dotted line the light emitting point 15c below the light source 14 emits light and is radiated slightly upward, and the collimated light collimated slightly upward by the collimator lens 16 is the mask pattern of the spatial modulation element 18. It is a mask image (light) modulated by 18a. Therefore, the mask image (light) 19c irradiates the target object 12 with the target object 12 slightly shifted to the upper right by pixels, and the mask image (light) 19b matching the mask pattern 18a is slightly shifted to the upper right by pixels. There is.
  • a plurality of light sources 14 and three light emitting points 15 (15a, 15b, 15c) in the illustrated example are used (P).
  • the mask images 19a, 19b, and 19c can be generated P times (sheets) and three times (sheets) in the illustrated example.
  • a light source 104 having no plurality of light emitting points is used as in the conventional technique shown in FIG. 6 described above, one (sheet) mask image is used for one mask pattern of the space modulation element 108. Only 109 can be generated.
  • the space modulation element 18 can generate the mask image 19 P times by performing the light emission pattern switching P times with respect to the mask pattern 18a once of the space modulation element 18.
  • the number of mask patterns that need to be generated in is N / P.
  • the time for obtaining the image information of the target object 12 can be approximately Nt / P, and is a single pixel. It is possible to speed up the mask pattern irradiation in imaging.
  • the number of mask patterns 18a generated in the space modulation element 18 can be reduced to 1/32. Therefore, the time for obtaining the image information of all the pixels of the target object 12 can be reduced to about 1/32, and the acquisition of the image information can be speeded up.
  • the array light source 14 having a plurality of light emitting points such as a VCSEL array as the light source used for single pixel imaging, the light emission pattern switching of the plurality of light emitting points 15 of the light source 14 is performed for the modulation of the spatial modulation element 18.
  • the amount of pixel shift due to the movement of the position of the light emitting point 15 of the light source 14 in the mask image 19 generated by the space modulation element 18 and corresponding to the mask pattern 18a applied to the target object 12 is either vertical or horizontal. Is preferably 10% or more of one pixel of the target object 12. The reason is that if it is less than 10%, it may fall within the error range of the detection value of the detector 22 itself. Further, it is necessary that the region where all the pixel shift patterns overlap includes the entire region of the target object, and the pixel shift amount satisfying this is the upper limit of the pixel shift amount.
  • the mask pattern 18a generated by the space modulation element 18 does not have a periodic structure within the range of pixel deviation generated by sequentially switching the light emitting points 15 of the light source 14 and lighting them. The reason is that if the mask pattern 18a has a periodic structure within the range of pixel shift, the same mask pattern will be obtained when the pixel shift corresponding to the periodic structure is performed.
  • the mask pattern 18a generated by the space modulation element 18 is preferably a random pattern or an Hadamard pattern. If it is a random pattern, it does not have a periodic structure, so even if the pixels are shifted, the same mask pattern will not be obtained.
  • a random mask having such a random pattern for example, 16 4 ⁇ 4 binary illumination masks shown in FIG. 7A as described in Non-Patent Document 1 can be mentioned.
  • the Hadamard pattern is a mask pattern corresponding to the Hadamard matrix, which is a square matrix in which the elements are either 1 or -1 and each row is orthogonal to each other.
  • the Hadamard mask having such a Hadamard pattern for example, 16 4 ⁇ 4 binary illumination masks shown in FIG. 7 (b) as described in Non-Patent Document 1 can be mentioned.
  • n Hadamard masks used for illuminating an object can be created from the Hadamard matrix.
  • any two rows represent vectors that are perpendicular to each other.
  • the path from each light emitting point 15 of the light source 14 to the target object 12 is not described, but in FIG. 3, the light emitted from each light emitting point 15 of the light source 14 is the target object.
  • the path leading to 12 is shown as a light source.
  • the results shown in FIG. 3 assume that the light source 14 is a VCSEL array in which three light emitting points are arranged at intervals of 5 mm, the collimator lens 16 is an AC508-100-A telecentric lens manufactured by ThorLABS, and the space modulation element 18 is a DMD. This is the result of a simulation using ZMAX, which is a lens design software for ray tracing, assuming that the above is used.
  • a light ray indicated by a solid line emitted from the upper light emitting point 15d of the light source 14 a light ray indicated by a single point chain line emitted from the central light emitting point 15e, and a broken line emitted from the lower light emitting point 15f.
  • the light rays shown in (1) travel while spreading, and after being focused by a diaphragm 26 having a diameter of 40 mm ⁇ provided on the light source 14 side of the collimator lens 16, they are incident on the collimator lens 16.
  • the collimated solid line, the alternate long and short dash line, and the collimated light indicated by the broken line gradually change their angles to form a telecentric optical system, which is incident on the spatial modulation element 18.
  • the collimated light indicated by the solid line, the alternate long and short dash line, and the broken line reflected on the spatial modulation element 18 has the same predetermined mask pattern and is gradually shifted by the solid line, the alternate long and short dash line, and the broken line. It becomes the mask image (light) shown and irradiates the target object 12.
  • the optical system from the light source 14 to the target object 12 that is, the first optical system for irradiating the space modulation element 18 with the light from the light emitting point 15 of the light source 14, and the space modulation element 18.
  • the optical system including the second optical system that irradiates the target object 12 with the mask image 19 modulated according to the mask pattern 18a is preferably a telecentric optical system. That is, since the optical system from the light source 14 to the target object 12 is a telecentric optical system, the collimated light shown by the collimated solid line, one-point chain line, and broken line in the collimator lens 16 is slightly deviated from each other in angle.
  • the space modulation element 18 As described above, in the present invention, since the relationship between the light source 14 in which the array light source or the like is used and the collimator lens 16 is the telecentric optical system, the pixels can be shifted.
  • the light rays shown by the solid line, the alternate long and short dash line, and the broken line are the optical axes. Are out of alignment and the angles are different from each other.
  • the light rays indicated by the solid line, the alternate long and short dash line, and the broken line hit the posterior focal plane at the same place and at different angles. If there is, the target object 12 can be irradiated with the light rays indicated by the solid line, the alternate long and short dash line, and the broken line without wasting the pixels of the spatial modulation element 18. Therefore, the spatial modulation element 18 is preferably arranged on the posterior focal plane of the collimator lens 16.
  • the condenser lens 20 has the same function as the condenser lens 110 shown in FIG. 6, and targets a mask image (light) 19 modulated according to a predetermined mask pattern 18a from the space modulation element 18. All the light transmitted or reflected by the object 12 that is irradiated to the object 12 is collected by the detector 22.
  • the detector 22 has the same function as the detector 112 shown in FIG. 6, and is one light receiving element that detects the light intensity of the light all condensed by the condenser lens 20 in one mask image (light) 19. Is a single pixel detector with.
  • a plurality of mask patterns 108a generated by the space modulation element 108 are given as mask patterns 1, 2, 3, ..., M, which are directly referred to as a mask image (light) 109. Therefore, it is represented as a mask image (light) 1, 2, 3, ..., M, and the mask image (light) 1, 2, 3, ..., M is applied to the target object 102.
  • one or two or more light emitting points of the light source 14 are sequentially and sporadically emitted (lighted and lit, and) with respect to one mask pattern 18a generated in the space modulation element 18.
  • the target object 12 can be irradiated with P mask images (lights) 19 by repeating turning off the light P times, assuming that the number of mask patterns 18a generated in the space modulation element 18 is Q times.
  • the number of mask images (lights) 19 applied to the target object 12 is P ⁇ Q.
  • M P ⁇ Q
  • the mask image 1 is, for example, a mask image of a two-dimensional rectangular matrix in which N pixels are arranged vertically and horizontally, and the two-dimensional N pixels are converted into a matrix of 1 row and N columns, and [W 11 ] , W 12 , ..., W 1N ].
  • the mask image 2 can be represented as a 1-by-N matrix [W 21 , W 22 , ..., W 2N ], and the mask image M can be represented as a 1-by-N matrix [WM1, WM2 ]. , ..., W MN ].
  • the elements of the coding matrix W ( Wij ), that is, the elements W11, ..., W MN of each mask image 1 , 2, 3, ..., M, are not particularly limited, but are, for example, transparent. The case can be 1, the reflection can be 0, or vice versa.
  • the pattern light irradiation in which the light emitting point 15 of the light source 14 is physically shifted is reflected in the coding matrix W ( Wij ) or the detected value Y. That is, the target object 12 is physically irradiated with the pattern light by shifting the light emitting point 15 of the light source 14 with respect to one mask pattern 18a generated by the space modulation element 18, that is, the mask image (light) is changed.
  • the coding matrix W ( Wij ) can be changed, and a detection value Y reflecting the change can be obtained.
  • the detection value of the light intensity detected by the detector 22 is Y.
  • Y 2 , ..., Y M it can be expressed as a matrix Y of M rows and 1 column represented by the above equation (2), as in the case of the above-mentioned prior art.
  • the image information (image data) of the target object 12 is X 1 , X 2 , ..., X N
  • M rows and 1 column represented by the above equation (3) are the same as in the case of the above conventional technique.
  • the computer 24 switches one or two or more of the plurality of light emitting points 15 of the light source 14 a plurality of (P) times at high speed with respect to one two-dimensional mask pattern 18a generated in the spatial modulation element 18. It is possible to obtain P mask images 19 by shifting the pixels of the mask pattern 18a irradiated on the target object 12 to be observed a plurality of times (P). In this way, the computer 24 acquires P mask images 19 based on the same mask pattern 18a for the plurality of (Q) two-dimensional mask patterns 18a, and generates mask images 1, 2, ..., M. Therefore, it can be said that the coding matrix W of M rows and N columns is already provided.
  • the computer 24 has detected values Y (Y 1 , Y 2 , ..., Y M ) when a plurality of two-dimensional mask images 1, 2, ..., M are used, and mask images 1, 2, ... ..., M, and therefore has a correlation with the coding matrix W of M rows and N columns.
  • the image information X represents W -1 as the coding matrix W.
  • the imaging apparatus 10 of the present invention calculates the correlation between the detected values Y (Y 1 , Y 2 , ..., Y M ) measured by the imaging apparatus 10 of the present invention shown in FIG. 1 and the coding matrix W by the computer 24,
  • the correlation between these coding matrix W, the detected value Y, and the image information X can be obtained by actually measuring in advance and stored in the computer 24.
  • the imaging apparatus that implements the imaging method of the present invention has the above configuration.
  • the imaging method of the present invention will be described with reference to the imaging apparatus 10 shown in FIG.
  • the first two-dimensional mask pattern 18a is first generated in the space modulation element 18, and this is designated as the mask pattern 1.
  • the light source 14 having a plurality of light emitting points 15, one light emitting point 15 that is first lit or two or more light emitting points 15 that are simultaneously emitted are lit, and the light from the lit light emitting points 15 is used as a mask pattern 1.
  • the generated spatial modulation element 18 is irradiated.
  • the mask image (light) 19 modulated according to the mask pattern 1 is generated by superimposing the mask pattern 1 generated by the spatial modulation element 18 and the light from the lit light emitting point 15 on the mask image (light).
  • Light) 1 is applied to the target object 12.
  • the light transmitted through the target object 12 irradiated with the mask image 1 or reflected from the target object 12 is collected by the condenser lens 20, and the light intensity of the collected light is set as the detection value Y by the detector 22. To detect. In this way, the detected value Y (Y 1 ) of the light intensity by the mask image 1 obtained by superimposing the first mask pattern 1 and the light emitting point 15 of the first lit light source 14 can be obtained.
  • the first mask pattern 1 is left as it is, and one or two or more light emitting points 15 of the light source 14 are sequentially switched to cause a pixel shift that is sequentially generated (mask image 2). , ..., P) is also switched, and the light intensity is detected by the detector 22 in the same manner, and the light emitting point 15 of the light source 14 is repeated P times in total until the switching is completed, and the mask image 2, ... ..., The detected value Y (Y 2 , ..., Y P ) of the light intensity by P can be obtained.
  • the spatial modulation element 18 sequentially generates a two-dimensional mask pattern 18a (mask pattern 2) different from the previous one, and similarly, while sequentially switching the light emitting points 15 of the light source 14, P mask images 19 are displayed. Switching to obtain P light intensity detection values is repeated while switching the mask pattern 18a to the mask patterns 2, 3, ..., Q.
  • P ⁇ Q M.
  • M ( P ⁇ Q) by a combination of the above-mentioned Q-time mask pattern 18a switching and the light-emitting pattern switching depending on the position of the light-emitting point 15 of the P-time light source 14 in one mask pattern 18a.
  • the image information (image data) of the target object 12 is calculated.
  • the computer 24 sequentially emits one of the plurality of light emitting points 15 of the light source 14 or two or more light emitting points 15 that emit light at the same time with respect to one mask pattern 18a generated in the space modulation element 18.
  • a plurality of correlations between the mask image 19 corresponding to the mask pattern 18a in which the pixel shift is generated by switching and lighting and the light intensity detected by the detector 22 when the mask image 19 is irradiated to the target object 12 are present. All the image information of the target object 12 can be acquired by calculating all the combinations of the mask pattern and the light emitting pattern depending on the position of the light emitting point 15 of the light source 14 which is sequentially switched.
  • the target object 12 is irradiated with a mask image 19 corresponding to a plurality of mask patterns 18a depending on the positions of the spatial modulation element 18 and the light emitting point 15 of the light source 14.
  • the mask image irradiated to the target object 12 by sequentially lighting one or two or more of the plurality of light emitting points 15 of the light source 14 with respect to one mask pattern 18a generated in the space modulation element 18.
  • the 19 pixels are displaced by a fixed distance. Further, the amount of pixel shift of the mask pattern 18a determined by the position of the light emitting point 15 where the light source 14 is lit can be measured in advance, and is known.
  • a pixel using an array-type light source 14 having light emitting points at a plurality of positions such as a VCSEL array capable of switching the position of the light emitting point 15 of the light source 14 at high speed on a two-dimensional spatial modulation element 18.
  • a two-dimensional spatial modulation element 18 such as DMD or liquid crystal SLM
  • an array light source in which light emitting points are arranged at a plurality of positions such as a VCSEL array is used.
  • the mask pattern projected on the target object 12 which is the object to be measured The position can be shifted at high speed.
  • the mask pattern 18a by the spatial modulation element 18 is pixel-shifted by using a light source 14 having light emitting points 15 at a plurality of positions such as a VCSEL array capable of faster switching, thereby emitting light at the maximum. It is possible to improve the speed by the number of points 15 or the magnification of the number of arrays.
  • the mask image 19 based on the mask pattern 18a is performed at the response speed of the light source 14 such as the VCSEL array. Switching can be performed at high speed. Therefore, the present invention can be significantly speeded up as compared with the conventional method.
  • the present invention is highly practical because an array light source such as a VCSEL array, an LED array, or an end face light emitting semiconductor laser array, which is easily available as the light source 14, can be used. Further, in the present invention, the resolution of the mask can be improved by adjusting the amount of pixel shift.
  • the imaging method and the imaging apparatus of the present invention are basically configured as described above.
  • the mask presentation time was compared depending on the presence or absence of pixel shift.
  • a DMD having a mask pattern switching frequency of 10 kHz is used as the space modulation element 18 regardless of the presence or absence of pixel shift.
  • a VCSEL array having a switching frequency of the light emitting point 15 of 10 MHz is used as the light source 14.
  • the light source 104 when the pixels are not shifted as in the imaging device 100 of the present invention shown in FIG. 6, a normal continuous light source is used.
  • FIG. 4A it takes 10-4 seconds (sec) to generate one mask (mask pattern) by the DMD of 10 kHz in the case of no pixel shift in the prior art.
  • a mask image to be applied to the target object which is the object to be measured, is generated for each mask (mask pattern) in which DMD is generated. Therefore, it can be seen that 1 second (sec) is required because it is necessary to generate 10000 masks (mask patterns) and generate 10000 mask images.
  • FIG. 5B shows a reproduced image to be reproduced with respect to the number of random masks (random mask patterns) generated in the case where there is no pixel shift in the prior art. Since one random mask is generated by one modulation of DMD, the number of generated random masks corresponds to the number of modulations of DMD. In the case of the prior art without pixel shift shown in FIG. 5B, when the number of random masks (random mask patterns) generated is 256, the number of mask images illuminated on the original image is also 256. With this number of images, the original image shown in FIG.
  • FIG. 5C shows a reproduced image reproduced with respect to the number of random masks generated in the case of the pixel shift of the present invention.
  • the number of masks required for DMD is shown when the light source is assumed to be a 4 ⁇ 4 array light source and the pixels are shifted. Since the light emitting point of the light source is 16, the simulation was performed on the assumption that one random mask (random mask pattern) generated by one modulation of the DMD was shifted by 16 pixels. By this simulation, it was confirmed that the image is reproduced by the number of times the mask pattern is generated by dividing by the number of pixel shift points K (16 in this case) when there is pixel shift as compared with the case where there is no pixel shift.
  • FIG. 5C shows that 256 random masks (random mask patterns) provide a reproduced image having the same resolution as the original image. From the above, the effect of the present invention is clear.
  • Imaging device 12 100 Imaging device 12, 102 Target object 14,104 Light source 15, 15a, 15b, 15c, 15d, 15e, 15f Emission point 16, 106 Collimeter lens 18, 108 Spatial modulation element 18a, 108a Mask pattern 19, 19a, 19b , 19c, 109 Mask image (light) 20, 110 Condensing lens 22, 112 Photodetector 24, 114 Computer 26 Aperture

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Abstract

空間変調素子において発生された１回のマスクパターンに対し、光源の発光点を１つ、若しくは２以上順次点灯することで、対象物体に照射されるマスク画像の画素は、決まった距離だけずれるものであり、光源の点灯する発光点の位置によって決まるマスクパターンの画素ずれ量は、既知であり、空間変調素子と光源の発光点の位置に依存する複数のマスクパターンに応じたマスク画像を対象物体に照射し、コンピュータは、検出器で検出される光強度と、対象物体に照射されるマスク画像との相関を計算することで対象物体の画像を構築する。これにより、シングルピクセルイメージングにおけるマスクパターン照射の高速化を図ることができ、シングルピクセルイメージングの入力速度を大幅に高速化することができるイメージング装置、及びイメージング方法を提供する。

Description

イメージング方法、及びイメージング装置
　本発明は、シングルピクセルイメージング技術を用いるイメージング方法、及びイメージング装置に係る。詳しくは、本発明は、シングルピクセルイメージングの入力速度を大幅に高速化するイメージング方法、及びイメージング装置に関する。
　従来、対象物体の画像と予め分かっているマスクパターンとの重ね合わせで得られる強度情報を、多数のマスクパターンを使って取得し、得られた強度情報とマスクパターン群との相関を取ることで、対象物体のイメージングを行うシングルピクセルイメージングの技術が提案されている（非特許文献１参照）。
　非特許文献１にも記載されているように、従来のシングルピクセルイメージングの技術では、光源からの光をコリメート光にした後、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）等のＳＬＭ（空間変調器）おいて、例えば、図７（ａ）に示す２次元のランダムマスクのマスクパターンに応じて変調されたマスク画像を持つ光として対象物体に照射し、対象物体を透過、あるいは反射した光を集光し、集光した光の光強度を１つの光検出器で検出する。ここで、マスクパターンを次々に変化させ、各マスクパターンが提示された時点での光強度をそれぞれ記録する。こうして得られた光強度の時系列データを、例えば検出値の一列の行列（列ベクトル）Ｙで表し、各時点でのマスクパターンを、例えば符号化行列Ｗで表し、対象物体の画像情報（画素データ）を一列の行列（列ベクトル）Ｘで合わすと、Ｙ＝ＷＸと表せる。これを、Ｘ＝Ｗ－１Ｙとして、Ｘについて解く（又は近似する）ことにより対象物体の画像情報Ｘが復元されるという原理を用いている。
　図６に、上述したシングルピクセルイメージングの技術の原理を示す。
　図６に示すイメージング装置１００は、上記シングルピクセルイメージングの技術によって、被測定物である対象物体１０２の画像情報を取得する装置である。イメージング装置１００は、光源１０４と、コリメータレンズ１０６と、空間変調素子１０８と、集光レンズ１１０と、単一の光検出器１１２と、コンピュータ１１４とを有する。
　ここで、コリメータレンズ１０６は、光源１０４からの光をコリメート光にする。コリメート光は、空間変調素子１０８を照射する。
　空間変調素子１０８は、複数のマスクパターン１０８ａを発生して提示するものである。空間変調素子１０８は、コリメータレンズ１０６からのコリメート光を、発生させた１つのマスクパターン１０８ａに応じて透過、若しくは反射させて（図６では、反射のみ記載）変調されたマスク画像（光）１０９とする。集光レンズ１１０は、空間変調素子１０８からのマスク画像（光）１０９が対象物体１０２に照射されて、対象物体１０２を透過、あるいは反射した光を全て検出器１１２に集光する。検出器１１２は、１つのマスクパターン１０８ａにおいて全て集光された光の光強度を検出する。検出器１１２は、撮像しない検出器であり、１つの受光素子を持つシングルピクセル検出器である。
　図６において、空間変調素子１０８で発生させる複数のマスクパターン１０８ａが、例えばマスクパターン１、２、３、……、Ｍで表される。この時、マスクパターン１は、例えばＮ画素が縦横に配列された２次元の矩形の行列のマスクパターンであり、その２次元のＮ画素を１行Ｎ列の行列に変換して、［Ｗ１１、Ｗ１２、……、Ｗ１Ｎ］として表すことができる。同様に、マスクパターン２は、１行Ｎ列の行列［Ｗ２１、Ｗ２２、……、Ｗ２Ｎ］として表すことができ、マスクパターンＭは、１行Ｎ列の行列［ＷＭ１、ＷＭ２、……、ＷＭＮ］として表すことができる。こうして、マスクパターン１、２、３、……、Ｍは、図６に空間変調素子１０８に対応させて記載されているように、下記式（１）で表されるＭ行Ｎ列の符号化行列Ｗとして表すことができる。なお、符号化行列Ｗの要素、即ち各マスクパターンの１、２、３、……、Ｍの各要素Ｗ１１、……、ＷＭＮは、特に制限されないが、例えば、透過の場合は１、反射の場合は０、若しくはその逆とすることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、空間変調素子１０８において提示されたマスクパターン１、２、３、……、Ｍの各マスクパターンを用いた場合において、検出器１１２において検出された光強度の検出値をそれぞれＹ１、Ｙ２、……、ＹＭとすると、図６において、検出器１１２に対応させて記載されているように、下記式（２）で表されるＭ行１列の行列Ｙとして表すことができる。
　ここで、対象物体１０２の画像情報（画像データ）をＸ１、Ｘ２、……、ＸＮとすると、図６に対象物体１０２に対応させて記載されているように、下記式（３）で表されるＭ行１列の行列Ｘとして表すことができる。
　その結果、検出値Ｙは、式（４）としてＹ＝ＷＸで表すことができ、この式（４）は、図６に示すイメージング装置１００の上側に記載されているように、行列で表すと、下記式（４）で表すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　コンピュータ１１４は、空間変調素子１０８おいて発生させる複数の２次元のマスクパターン１、２、……、Ｍを発生させることができ、したがって、Ｍ行Ｎ列の符号化行列Ｗを既に備えている言うことができる。また、複数の２次元のマスクパターン１、２、……、Ｍを用いた場合の検出値Ｙ（Ｙ１、Ｙ２、……、ＹＭ）と、マスクパターン１、２、……、Ｍ、したがって、Ｍ行Ｎ列の符号化行列Ｗとは、相関関係を有している。また、上述したように、検出値Ｙ、符号化行列Ｗ、及び画像情報Ｘは、上記式（４）としてＹ＝ＷＸで表されるので、画像情報Ｘは、Ｗ－１を符号化行列Ｗの逆行列とする時、式(５)としてＸ＝Ｗ－１Ｙで表すことができ、この式（５）は、行列で表すと、下記式（５）で表すことができる。
　したがって、図６に示すイメージング装置１００において測定された検出値Ｙ（Ｙ１、Ｙ２、……、ＹＭ）と、符号化行列Ｗとの相関を計算することにより、対象物体１０２の画像情報、即ち全画素の画像データＸ（Ｘ１、Ｘ２、……、ＸＮ）を、下記式（５）によって計算することができる。これらの符号化行列Ｗ、検出値Ｙ、及び画像情報Ｘとの相関関係は、事前に実測することにより求めておくことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
シングルピクセルイメージングに関する研究　２０１８年度　学位論文　博士（光学）　徳島大学大学院先端技術科学教育部知的力学システム工学専攻　澁谷九輝
　上述したように、シングルピクセルイメージングは、撮像素子を用いず、単一の検出器が使えるため、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化物半導体）、又はＣＣＤ（電荷結合素子）等の撮像素子では得られない高感度化が得られ、撮像素子が存在しない、あるいは赤外域、又は紫外域等の高価な波長領域で、あるいはフォトンカウンティングレベルで測定しないといけないような微弱光の場合でも、シンプルかつ安価なシステムでイメージングが行えるという特長をもつ。
　一方で、高精細な画像情報を得るためには、再現したい画像の画素数と同じ数の互いに独立なマスクパターンを持つマスクが必要である。しかしながら、従来のシングルピクセルイメージングの技術では、マスクパターン発生（提示）を空間変調素子単体でおこなっていた。このため、従来技術では、空間変調素子単体でのマスクパターン発生のため、マスクのスイッチング速度が空間変調素子の応答速度で制限され、十分な速度を得ることができないという問題があった。
　このように、従来のシングルピクセルイメージング方法は、マスクパターンの繰り返し周波数が、空間変調素子の応答速度によって制限を受けているため、高速の画像取得が難しいという欠点を有していた。即ち、シングルピクセルイメージングの画像取得の速度は、空間変調素子のマスクパターンを切り替える切替速度に依存してしまうという問題があった。マスクパターンの切替速度は、例えば、液晶空間変調素子ではキロヘルツオーダー、ＤＭＤでも２０キロヘルツ位であり、必要なマスクパターンの数は、１秒間に１０００枚オーダーから２万枚程度となってしまい、細かい画像を出そうとすると、総画素数が大きくなってしまうので、時間がかかってしまい、変化する画像を取得できないという問題があった。
　このため、情報論的な取り扱いでマスク情報、即ちマスクパターン数を圧縮できる技術が開発されているが、それでも、画素数の３０～４０％程度のマスクが必要であるという問題があった。
　また、非特許文献１においても、この欠点を補う様々なシングルイメージングの技術が開示されているが、十分とは言えない。非特許文献１に開示のシングルピクセルイメージングの技術にサブピクセルシフト法を適用して、画素ずらしを行い、必要なマスク情報を減らしているが、１個の光源、又はミラー等を動かすなどの機械的な動作に依存しているため、高速なマスク変調は不可能であり、十分な高速化が図れないという問題があった。
　本発明は、上記従来技術の問題点、及び課題を解決し、光源として複数の発光点を有する光源を用いることにより、空間変調素子の変調に、光源の複数の発光点の発光パターンスイッチングを重畳することで、光源の発光の応答速度でマスクパターンのスイッチングを高速で行うことを可能とし、シングルピクセルイメージングにおけるマスクパターン照射の高速化を図ることができ、シングルピクセルイメージングの入力速度を大幅に高速化することができるイメージング方法、及びイメージング装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本発明の第１の態様のイメージング方法は、複数の発光点を有する光源からの光を複数のマスクパターンを発生する空間変調素子に照射し、空間変調素子で発生されたマスクパターンに応じて変調されたマスク画像を対象物体に照射し、マスク画像が照射された対象物体を透過、あるいは対象物体から反射した光を集光し、集光した光の光強度を検出器によって検出するに際し、空間変調素子において発生された１回のマスクパターンに対し、複数の発光点の内の１つの、又は同時に発光させる２以上の発光点を順次切り替えて点灯することにより画素ずれを発生させた当該マスクパターンに応じたマスク画像と、当該マスク画像を対象物体に照射した時に検出器によって検出される光強度との相関を複数のマスクパターン、及び順次切り替えられる発光点の発光パターンとの組合せの全てについてコンピュータによって計算して対象物体の画像を取得するイメージング方法であって、空間変調素子において発生された１回のマスクパターンに対し、光源の発光点を１つ、若しくは２以上順次点灯することで、対象物体に照射されるマスク画像の画素は、決まった距離だけずれるものであり、光源の点灯する発光点の位置によって決まるマスクパターンの画素ずれ量は、既知であり、空間変調素子と光源の発光点の位置に依存する複数のマスクパターンに応じたマスク画像を対象物体に照射し、コンピュータは、検出器で検出される光強度と、対象物体に照射されるマスク画像との相関を計算することで対象物体の画像を構築することを特徴とする。
　上記目的を達成するために、本発明の第２の態様のイメージング装置は、複数の発光点を有する光源と、複数のマスクパターンを発生する空間変調素子と、光源の発光点からの光を空間変調素子に照射するための第１の光学系と、空間変調素子で発生されたマスクパターンに応じて変調されたマスク画像を対象物体に照射する第２の光学系と、マスク画像が照射された対象物体を透過、あるいは対象物体から反射した光を集光し、集光した光の光強度を検出する検出器と、空間変調素子において発生された１回のマスクパターンに対し、複数の発光点の内の１つの、又は同時に発光させる２以上の発光点を順次切り替えて点灯することにより画素ずれを発生させた当該マスクパターンに応じたマスク画像と、当該マスク画像を対象物体に照射した時に検出器によって検出される光強度との相関を複数のマスクパターン、及び順次切り替えられる発光点の発光パターンとの組合せの全てについて計算して対象物体の画像を取得するコンピュータと、を有し、空間変調素子において発生された１回のマスクパターンに対し、光源の発光点を１つ、若しくは２以上順次点灯することで、対象物体に照射されるマスク画像の画素は、決まった距離だけずれるものであり、光源の点灯する発光点の位置によって決まるマスクパターンの画素ずれ量は、既知であり、空間変調素子と光源の発光点の位置に依存する複数のマスクパターンに応じたマスク画像を対象物体に照射し、コンピュータは、検出器で検出される光強度と、対象物体に照射されるマスク画像との相関を計算することで対象物体の画像を構築することを特徴とする。
　上記第１の態様、及び第２の態様において、光源は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイであることが好ましい。
　また、光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ、又は端面発光半導体レーザアレイであることが好ましい。
　また、空間変調素子が、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、又は液晶空間変調素子（ＳＬＭ）であることが好ましい。
　また、空間変調素子のマスクパターンのマスク画像の発生から次のマスクパターンのマスク画像の発生までの間に光源の発光点の１つ、又は同時に発光させる２つ以上を順次移動して点灯することが好ましい。
　また、対象物体に照射されるマスクパターンの、光源の発光点の位置の移動による画素ずれ量が、縦、及び横のいずれか一方が１画素の１０％以上であることが好ましい。
　また、光源から対象物体までの第１の光学系及び第２の光学系からなる光学系は、テレセントリック光学系であることが好ましい。
　また、第１の光学系は、光源と空間変調素子との間に、コリメータレンズを有し、空間変調素子は、コリメータレンズの後焦点面に配置されることが好ましい。
　また、空間変調素子によって発生させるマスクパターンは、発光点を順次切り替えて点灯することにより発生させる画素ずれの範囲内で周期構造をもたないことが好ましい。
　また、空間変調素子によって発生させるマスクパターンは、ランダムパターン、又はアダマールパターンであることが好ましい。
　本発明によれば、光源として複数の発光点を有する光源を用いることにより、空間変調素子の変調に、光源の複数の発光点の発光パターンスイッチングを重畳することで、光源の発光の応答速度でマスクパターンのスイッチングを高速で行うことを可能とし、シングルピクセルイメージングにおけるマスクパターン照射の高速化を図ることができ、シングルピクセルイメージングの入力速度を大幅に高速化することができるイメージング方法、及びイメージング装置を提供することができる。
本発明のイメージング方法を実施するイメージング装置の一例を示す模式図である。 図１に示すイメージング装置に光源として用いられるＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光レーザ）アレイの一例を示す平面図である。 図１に示すイメージング装置における画素ずらし光学系を示す側面模式図である。 （ａ）は、従来の画素ずらし無しのシングルピクセルイメージング方法におけるマスク提示時間を示す模式図であり、（ｂ）は、画素ずらし有りの本発明のシングルピクセルイメージング方法におけるマスク提示時間を示す模式図である。 （ａ）は、６４×６４画素のオリジナル画像を示す図であり、（ｂ）及び（ｃ）は、それぞれ従来の画素ずらし無しのシングルピクセルイメージング方法における再生画像、及び画素ずらし有りの本発明のシングルピクセルイメージング方法における再生画像と、発生するランダムマスク枚数との関係を示す図である。 シングルピクセルイメージングの技術の原理を示す模式図である。 （ａ）は、１６個の４×４のバイナリ照明ランダムマスクを示す図であり、（ｂ）は、１６個の４×４のバイナリ照明アダマールマスクを示す図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示す１６個のアダマールマスクの内の１個を拡大して示す図である。
　以下に、本発明に係るイメージング方法、及びイメージング装置を添付の図面に示す好適実施形態を参照して詳細に説明する。
　以下に記載する構成要件の説明は、本発明の代表的な実施態様に基づいてなされるが、本発明はそのような実施態様に限定されるものではない。
　図１は、本発明に係るイメージング方法を実施する本発明のイメージング装置の一例を模式的に示す模式図である。
　図１に示す本発明のイメージング装置１０は、本発明に係るイメージング方法を実施するイメージング装置であって、図６に示すシングルピクセルイメージングの技術の原理に基づいて、対象物体１２の画像情報を取得する装置である。
　図１に示すイメージング装置１０は、複数の発光点を有する光源１４と、コリメータレンズ１６と、空間変調素子１８と、集光レンズ２０と、単一の光検出器２２と、コンピュータ２４とを有する。
　図１に示すイメージング装置１０においては、光源１４を複数の発光点１５（図１に示す例では、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）を有する光源とし、空間変調素子１８の１回のパターンに対し、発光点１５を高速でスイッチングすることで観測対象となる対象物体１２に照射されるマスクパターンの画素ずらしをおこなう。
　光源１４は、複数の発光点１５（図１に示す例では、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）を有する光源である。光源１４は、複数の発光点の内の１つの発光点１５、又は同時に発光させる２以上の発光点１５を高速でスイッチングする、即ち順次切り替えて点灯することができる光源である。ここで、光源１４の発光点１５を順次切り替えて点灯するとは、発光点１５を発光周波数に応じた時間以内だけ、例えば光源１４の発光周波数が１０ＭＨｚであれば、１０－７秒（ｓｅｃ）間以内だけ発光させて点灯し、次の発光点１５を切り替えて点灯する際には当然前の発光点１５は、消灯されていることを言う。なお、本発明では、複数の発光点１５のスイッチングの速度、即ち発行、即ち点灯の切替速度は、後述する空間変調素子１８のマスクパターンの切替速度より高速である必要がある。
　即ち、光源１４は、空間変調素子１８の１つのマスクパターンの発生から次のマスクパターンの発生までの間に複数の発光点１５の内の１つ、又は同時に発光させる２つ以上を順次移動して点灯する必要がある。ここで、光源１４は、空間変調素子１８において発生された１回のマスクパターンに対して、複数の発光点１５の点灯を行うことができる必要があるが、少なくとも１０個以上の発光点１５の点灯を順次行うことができることが好ましく、全ての発光点１５の点灯を順次行うことができることがより好ましい。
　なお、図１に示す光源１４には、複数の発光点１５として３つの発光点１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃのみが記載されている。発光点１５ａが発光した時には、点線で示す光が放射され、発光点１５ｂが発光した時には、実線で示す光が放射され、発光点１５ｃが発光した時には、一点鎖線で示す光が放射されることを示している。
　このような光源１４としては、複数の発光点１５を有する光源であれば特に制限的ではないが、高速に光源１４の発光点１５の位置をスイッチングすることが可能なアレイ型光源であることが好ましい。このような光源１４としては、複数の発光点１５から光面に垂直なレーザ光を放射するＶＣＳＥＬ（Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃａｖｉｔｙ ＳｕｒｆａｃｅＥｍｉｔｔｉｎｇ ＬＡＳＥＲ：垂直共振器面発光レーザ）アレイ、発光ダイオード（ＬＥＤ：ｌｉｇｈｔ ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）アレイ、又は端面発光半導体レーザアレイ等を挙げることができる。この中でも、光源１４としては、点光源であり、かつアレイ化が容易で、すでに実用化が行われているという観点から、ＶＣＳＥＬアレイがより好ましい。
　図２に、好ましい光源１４の一例として、３２（４×８）の発光点を有するＶＣＳＥＬアレイを示す。このＶＣＳＥＬアレイは、富士ゼロックス社製（面発光型半導体レーザ素子（ＶＣＳＥＬ）―ＶＣＳＥＬアレイの複写機への応用―（日本画像学会紙第４４巻第３号（２００５））参照）である。
　コリメータレンズ１６は、光源１４からの光をコリメート光にして、空間変調素子１８を照射するためのものである。コリメータレンズ１６としては、ＴｈｏｒＬＡＢＳ社製のテレセントリックレンズ、例えば、ＡＣ５０８－１００－Ａ等を挙げることができる。
　ここで、光源１４から、コリメータレンズ１６を経て空間変調素子１８に至る構成は、光源１４の発光点１５からの光を空間変調素子１８に照射するための第１の光学系を構成する。したがって、第１の光学系では、光源１４と空間変調素子１８との間に、コリメータレンズ１６を有しているということができる。
　図１に示す光源１４の３つの発光点１５ａ、１５ｂ、及び１５ｃからそれぞれ放射された点線、実線、及び一点鎖線で示される光は、コリメータレンズ１６によって、コリメート光（平行光）になっていることが示されている。
　光源１４の中央にある発光点１５ｂから放射された実線で示される光は、第１の光学系の光軸に対して対称であり、コリメータレンズ１６によって、第１の光学系の光軸に平行なコリメート光になる。
　これに対し、光源１４の上側にある発光点１５ａから放射された点線で示される光は、第１の光学系の光軸に対して下側に少し角度が付いた光となり、コリメータレンズ１６によって、第１の光学系の光軸に対して下側に少し角度が付いたコリメート光になる。また、光源１４の下側にある発光点１５ｃから放射された一点鎖線で示される光は、第１の光学系の光軸に対して上側に少し角度が付いた光となり、コリメータレンズ１６によって、第１の光学系の光軸に対して上側に少し角度が付いたコリメート光になる。
　空間変調素子１８は、複数のマスクパターンを発生する２次元の空間変調素子である。空間変調素子１８は、コリメータレンズ１６からのコリメート光を、発生させた１つのマスクパターンに応じて透過、若しくは反射させて変調されたマスク画像（光）１９として発生させ、発生させたマスク画像（光）１９を対象物体１２に照射するためのものである。
　本発明に用いられる空間変調素子１８としては、複数のマスクパターンを発生できれば特に制限的ではないが、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ：Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）、又は液晶空間変調素子（ＬＣＳＬＭ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）であることが好ましい。
　ここで、空間変調素子１８から対象物体１２に至る構成は、空間変調素子１８で発生されたマスクパターン１８ａに応じて変調されたマスク画像１９を対象物体１２に照射する第２の光学系を構成する。
　図１においては、空間変調素子１８は、説明を簡略化するために、４×４の１６要素の矩形マスクパターン１８ａを発生させるものとして記載され、色付された２要素のみが光を透過、又は反射しており、残りの要素が反射、又は透過していることを表している。しかしながら、空間変調素子１８の要素の数は、特に制限的ではないが、多い方が好ましい。ここでは、空間変調素子１８の要素の数と、空間変調素子１８が提示する１つのマスクパターン１８ａにおいて順次切り替えられる光源１４の発光点１５の切替数との積が、対象物体１２の総画素数となることがより好ましい。
　空間変調素子１８において発生されるマスクパターンの各要素のサイズは、対象物体１２の全画素の画像情報が取得できれば、特に制限的ではないが、対象物体１２の画像情報に要求される画素と同じサイズであるのが好ましい。また、本発明では、１回のマスクパターンに対して、光源１４の発光点１５を順次変更する発光パターンのスイッチングを行って画素ずらしを行うので、対象物体１２の画像情報に要求される画素より大きくても良いが、その場合には、画素ずらし量が画像情報に要求される画素と同じであることが好ましい。
　図１に示されるように、空間変調素子１８が発生したマスクパターン１８ａに応じて変調されたマスク画像１９ａ、１９ｂ、及び１９ｃが対象物体１２に照射されている。
　ここで、実線で示されるマスク画像１９ｂは、光源１４の中央にある発光点１５ｂが発光して光軸に対称に放射され、コリメータレンズ１６でコリメートされた、光軸に平行なまっすぐなずれの無いコリメート光が空間変調素子１８のマスクパターン１８ａによって変調されたマスク画像（光）である。したがって、マスク画像（光）１９ｂは、対象物体１２をずれることなく正面から照射しており、マスクパターン１８ａと、画素のずれが無く、一致している。
　これに対し、点線で示されるマスク画像１９ａは、光源１４の上側の発光点１５ａが発光して少し下向きに放射され、コリメータレンズ１６で光軸に対して少し下向きにコリメートされたコリメート光が空間変調素子１８のマスクパターン１８ａによって変調されたマスク画像（光）である。したがって、マスク画像（光）１９ａは、対象物体１２を左下側に画素ずれした状態で照射しており、マスクパターン１８ａに一致するマスク画像（光）１９ｂ対して少し左下向きに画素ずれしている。
　また、点線で示されるマスク画像１９ｃは、光源１４の下側の発光点１５ｃが発光して少し上向きに放射され、コリメータレンズ１６で少し上向きにコリメートされたコリメート光が空間変調素子１８のマスクパターン１８ａによって変調されたマスク画像（光）である。したがって、マスク画像（光）１９ｃは、対象物体１２を少し右上側に画素ずれした状態で照射しており、マスクパターン１８ａに一致するマスク画像（光）１９ｂ対して少し右上向きに画素ずれしている。
　本発明では、このように、空間変調素子１８の１回のマスクパターン１８ａに対して、光源１４の複数、図示例では３つの発光点１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）を用いて複数（Ｐ）回、図示例では３回の発光パターンスイッチングを行うことにより、Ｐ回（枚）、図示例では３回（枚）のマスク画像１９ａ、１９ｂ、１９ｃを発生させることができる。
　一方、上述した図６に示す従来技術のように、複数の発光点を持たない光源１０４を用いる場合には、空間変調素子１０８の１回のマスクパターンに対して１回（枚）のマスク画像１０９しか発生させることができない。
　ここで、対象物体１２の画素数がＮである場合には、一般的には、マスク画像１９をＮ回（枚）発生させる必要がある。
　このため、従来技術では、空間変調素子１０８において発生させる必要があるマスクパターンの数もＮとなり、Ｎのマスクパターンの繰り返し周波数は、空間変調素子１０８の応答速度によって制限を受けることになり、マスクパターンの切替時間をｔとすると、対象物体１２の全画素の画像情報を得るために必要な時間は、Ｎｔとなる。
　これに対し、本発明では、空間変調素子１８の１回のマスクパターン１８ａに対して、Ｐ回の発光パターンスイッチングを行ってＰ回のマスク画像１９を発生させることができるので、空間変調素子１８において発生させる必要があるマスクパターンの数をＮ／Ｐとすることができる。その結果、発光点１５の発光時間をｔｅとすると、対象物体１２の全画素の画像情報を得るために必要な時間を（ｔ＋Ｐｔｅ）Ｎ／Ｐ｛＝Ｎ（ｔ／Ｐ＋ｔｅ）｝とすることができる。ここで、発光時間をｔｅは、マスクパターンの切替時間ｔに比べるとけた違いに短いので、対象物体１２の画像情報を得るための時間は、ほぼＮｔ／Ｐとすることができ、シングルピクセルイメージングにおけるマスクパターン照射の高速化を図ることができる。
　例えば、光源１４として図２に示す３２の発光点を有するＶＣＳＥＬアレイを用い、空間変調素子１８の１回のマスクパターン１８ａに対して全３２の発光点を順次点灯して３２回の発光パターンスイッチングを行う場合には、空間変調素子１８において発生させるマスクパターン１８ａの数を１／３２に減らすことができる。したがって、対象物体１２の全画素の画像情報を得る時間をほぼ１／３２に減らすことができ、画像情報の取得を高速化することができる。
　このように、シングルピクセルイメージングに用いる光源として、ＶＣＳＥＬアレイ等の複数の発光点を有するアレイ光源１４を用いることにより、空間変調素子１８の変調に、光源１４の複数の発光点１５の発光パターンスイッチングを重畳することで、光源１４の発光点１５の発光の応答速度でマスクパターンのスイッチングを高速で行うことを可能とし、シングルピクセルイメージングの入力速度を大幅に高速化することができる。
　空間変調素子１８によって発生され、対象物体１２に照射されるマスクパターン１８ａに応じたマスク画像１９の、光源１４の発光点１５の位置の移動による画素ずれ量は、縦、及び横のいずれか一方が対象物体１２の１画素の１０％以上であることが好ましい。その理由は、１０％未満では、検出器２２自体の検出値の誤差範囲に入る恐れがあるからである。また、すべての画素ずらしパターンが重なる領域が、対象物体の全体領域を含むことが必要であり、それを満たす画素ずれ量が、画素ずれ量の上限となる。
　一方、空間変調素子１８によって発生させるマスクパターン１８ａは、光源１４の発光点１５を順次切り替えて点灯することにより発生させる画素ずれの範囲内で周期構造をもたないことが好ましい。その理由は、マスクパターン１８ａが、画素ずらしの範囲内で周期構造を持つと、周期構造に該当する画素ずらしをした時に、同一のマスクパターンとなるからである。
　また、空間変調素子１８によって発生させるマスクパターン１８ａは、ランダムパターン、又はアダマールパターンであることが好ましい。
　ランダムパターンであれば、周期構造を持つことはないので、画素ずらしをしても同一のマスクパターンとなることない。このようなランダムパターンを持つランダムマスクの一例としては、例えば、非特許文献１に記載されているような図７（ａ）に示す１６個の４×４のバイナリ照明マスクを挙げることができる。
　アダマールパターンとは、要素が１、又は－１のいずれかであり、かつ各行が互いに直交であるような正方行列であるアダマール行列に対応するマスクパターンである。このようなアダマールパターンを持つアダマールマスクの一例としては、例えば、非特許文献１に記載されているような図７（ｂ）に示す１６個の４×４のバイナリ照明マスクを挙げることができる。ここで、物体の照明に用いるｎ個のアダマールマスクはアダマール行列から作成することができる。アダマールマスクの生成方法には、アダマール行列の各行、又は各列を抜き出しそれぞれを２次元配列に変換しマスクとして使用する方法、及び正規直交基底をマスクとして使用する方法の２つの方法がある。
　例えば、アダマール行列においては、任意の２つの行は、互いに垂直なベクトルを表す。マスクパターンとする場合には、－１を０に置換し、１，０のバイナリマスクとして用いる。即ち、図７（ｂ）に示す１６個のアダマールマスクの内の１個を拡大して示す図７（ｃ）に示すアダマールマスクは、白地が＋１、黒地が０で表されるバイナリマスクである。これをアダマールマスクという。このようなアダマールマスクを用いることで、ランダムマスクに比べてノイズの少ない画像形成が可能であることが知られており、高精度のイメージングに有効である。
　図１においては、光源１４の各発光点１５から出た光が対象物体１２に至るまでの経路が記載されていないが、図３に、光源１４の各発光点１５から出た光が対象物体１２に至る経路を光線として示す。
　図３に示す結果は、光源１４として、３つの発光点が５ｍｍの間隔で並ぶＶＣＳＥＬアレイを仮定し、コリメータレンズ１６として、ＴｈｏｒＬＡＢＳ社製　ＡＣ５０８－１００－Ａ　テレセントリックレンズ、空間変調素子１８として、ＤＭＤを用いることを仮定して、光線追跡のレンズ設計のソフトウエアであるＺＭＡＸを用いてシミュレーションを行った結果である。
　図３に示すように、光源１４の上側の発光点１５ｄから放射された実線で示す光線、中央の発光点１５ｅから放射された一点鎖線で示す光線、下側の発光点１５ｆから放射された破線で示す光線は、拡がりながら進み、それぞれ、コリメータレンズ１６の光源１４側に設けられた直径４０ｍｍφの絞り２６で絞られた後、コリメータレンズ１６に入射する。
　コリメータレンズ１６において、コリメートされた実線、一点鎖線、及び破線で示すコリメート光が、それぞれ少しずつ角度を変えて行き、テレセントリック光学系になり、空間変調素子１８に入射する。空間変調素子１８に入射した実線、一点鎖線、及び破線で示すコリメート光は、空間変調素子１８から反射して、同じ所定のマスクパターンを持ち、少しずつ画素ずれした実線、一点鎖線、及び破線で示すマスク画像（光）となり、対象物体１２に照射される。
　このように、光源１４から対象物体１２までの光学系、即ち、光源１４の発光点１５からの光を空間変調素子１８に照射するための第１の光学系、及び空間変調素子１８で発生されたマスクパターン１８ａに応じて変調されたマスク画像１９を対象物体１２に照射する第２の光学系からなる光学系は、テレセントリック光学系であることが好ましい。
　即ち、光源１４から対象物体１２までの光学系が、テレセントリック光学系であることにより、コリメータレンズ１６において、コリメートされた実線、一点鎖線、及び破線で示すコリメート光は、角度が互いに少しずつずれているにもかかわらず、そのまま空間変調素子１８に入射し、反射されて、対象物体１２に照射される。
　このように、本発明においては、アレイ光源等が用いられる光源１４とコリメータレンズ１６との関係がテレセントリック光学系となるため、画素ずらしが可能となる。
　なお、図３に示すように、元々、発光点１５ｄと１５ｅとの間、及び発光点１５ｅと１５ｆとの間が５ｍｍずれているので、実線、一点鎖線、及び破線で示す光線は、光軸がずれており、互いの角度は異なっている。しかしながら、コリメータレンズ１６の後焦点面においては、実線、一点鎖線、及び破線で示す光線は、一致して、同じ場所に異なる角度で後焦点面に当たるので、この後焦点面に空間変調素子１８があると、非常に空間変調素子１８の画素を無駄にせずに、対象物体１２に実線、一点鎖線、及び破線で示す光線を照射できる。
　したがって、空間変調素子１８は、コリメータレンズ１６の後焦点面に配置されることが好ましい。
　次に、集光レンズ２０は、図６に示す集光レンズ１１０と同様な機能を有し、空間変調素子１８からの所定のマスクパターン１８ａに応じて変調されたマスク画像（光）１９が対象物体１２に照射されて、対象物体１２を透過、あるいは反射した光を全て検出器２２に集光する。
　検出器２２は、図６に示す検出器１１２と同様な機能を有し、１つのマスク画像（光）１９において集光レンズ２０によって全て集光された光の光強度を検出する１つの受光素子を持つシングルピクセル検出器である。
　図６に示すイメージング装置１００においては、空間変調素子１０８で発生させる複数のマスクパターン１０８ａが、マスクパターン１、２、３、……、Ｍとして与えられ、それがそのままマスク画像（光）１０９となるので、マスク画像（光）１、２、３、……、Ｍとして表され、マスク画像（光）１、２、３、……、Ｍが対象物体１０２に照射されることになる。
　これに対し、本発明においては、空間変調素子１８において発生する１回のマスクパターン１８ａに対して、光源１４の複数の発光点を１つ、又は２以上を順次単発的に発光（点灯、及び消灯）させることをＰ回繰り返すことにより、Ｐ個のマスク画像（光）１９を対象物体１２に照射することができるので、空間変調素子１８において発生するマスクパターン１８ａの数をＱ回とすると、対象物体１２に照射されるマスク画像（光）１９の数は、Ｐ×Ｑとなる。このマスク画像（光）１９の数Ｐ×Ｑを上述したＭに等しくする（Ｍ＝Ｐ×Ｑ）と、本発明においても、マスク画像（光）１、２、３、……、Ｍとして表すことができ、マスク画像（光）１、２、３、……、Ｍが対象物体１２に照射されることになる。
　本発明では、図６に示す従来技術の空間変調素子１０８で発生させる複数のマスクパターン１、２、３、……、Ｍの代わりに、空間変調素子１８で発生させる複数のマスクパターン１８ａではなく、対象物体１２に照射されるマスク画像（光）１９の総数がＭとなるようにすることにより、マスク画像１、２、３、……、Ｍを求めることができる。
　この時、マスク画像１は、例えばＮ画素が縦横に配列された２次元の矩形の行列のマスク画像であり、その２次元のＮ画素を１行Ｎ列の行列に変換して、［Ｗ１１、Ｗ１２、……、Ｗ１Ｎ］として表すことができる。同様に、マスク画像２は、１行Ｎ列の行列［Ｗ２１、Ｗ２２、……、Ｗ２Ｎ］として表すことができ、マスク画像Ｍは、１行Ｎ列の行列［ＷＭ１、ＷＭ２、……、ＷＭＮ］として表すことができる。こうして、マスク画像１、２、３、……、Ｍは、上記従来技術の場合と同様に、上記式（１）で表されるＭ行Ｎ列の符号化行列Ｗ（Ｗｉｊ；ｉ＝１、２、…、Ｍ、ｊ＝１、２、…、Ｎ）として表すことができる。なお、符号化行列Ｗ（Ｗｉｊ）の要素、即ち各マスク画像の１、２、３、……、Ｍの各要素Ｗ１１、……、ＷＭＮは、特に制限されないが、例えば、透過の場合は１、反射の場合は０、若しくはその逆とすることができる。
　以上詳述したように、物理的に光源１４の発光点１５をずらしたパターン光照射は、符号化行列Ｗ（Ｗｉｊ）、もしくは検出値Ｙに反映される。即ち、空間変調素子１８において発生させる１つのマスクパターン１８ａに対して、対象物体１２に物理的に光源１４の発光点１５をずらしてパターン光照射を行うこと、即ちマスク画像（光）を変化させて照射することにより、符号化行列Ｗ（Ｗｉｊ）を変化させ、その変化が反映された検出値Ｙを得ることができる。
　また、本発明において、対象物体１２に照射されるマスク画像１、２、３、……、Ｍの各マスク画像を用いた場合において、検出器２２において検出された光強度の検出値をそれぞれＹ１、Ｙ２、……、ＹＭとすると、上記従来技術の場合と同様に、上記式（２）で表されるＭ行１列の行列Ｙとして表すことができる。
　ここで、対象物体１２の画像情報（画像データ）をＸ１、Ｘ２、……、ＸＮとすると、上記従来技術の場合と同様に、上記式（３）で表されるＭ行１列の行列Ｘとして表すことができる。
　その結果、検出値Ｙは、上記従来技術の場合と同様に、式（４）としてＹ＝ＷＸで表すことができ、行列で表すと、上記式（４）で表すことができる。
　コンピュータ２４は、空間変調素子１８おいて発生させる１回の２次元のマスクパターン１８ａに対し、光源１４の複数の発光点１５の１つ、又は２以上を高速で複数（Ｐ）回スイッチングすることにより観察対象の対象物体１２に照射されるマスクパターン１８ａの画素ずらしを複数（Ｐ）回行い、Ｐ枚のマスク画像１９を取得することができる。こうして、コンピュータ２４は、同一のマスクパターン１８ａに基づくＰ枚のマスク画像１９を取得することを複数（Ｑ）の２次元のマスクパターン１８ａについて行い、マスク画像１、２、……、Ｍを発生させることができ、したがって、Ｍ行Ｎ列の符号化行列Ｗを既に備えている言うことができる。
　また、コンピュータ２４は、複数の２次元のマスク画像１、２、……、Ｍを用いた場合の検出値Ｙ（Ｙ１、Ｙ２、……、ＹＭ）と、マスク画像１、２、……、Ｍ、したがって、Ｍ行Ｎ列の符号化行列Ｗとの相関関係を有している。また、上述したように、検出値Ｙ、符号化行列Ｗ、及び画像情報Ｘは、上記式（４）としてＹ＝ＷＸで表されるので、画像情報Ｘは、Ｗ－１を符号化行列Ｗの逆行列とする時、式(５)としてＸ＝Ｗ－１Ｙで表すことができ、この式（５）は、行列で表すと、上記式（５）で表すことができる。
　したがって、図１に示す本発明のイメージング装置１０において測定された検出値Ｙ（Ｙ１、Ｙ２、……、ＹＭ）と、符号化行列Ｗとの相関をコンピュータ２４で計算することにより、対象物体１２の画像情報、即ち全画素の画像データＸ（Ｘ１、Ｘ２、……、ＸＮ）を、Ｘ＝Ｗ－１Ｙ、即ち、上記式（５）によって計算することができる。なお、これらの符号化行列Ｗ、検出値Ｙ、及び画像情報Ｘとの相関関係は、事前に実測することにより求めておき、コンピュータ２４に格納しておくことができる。
　本発明のイメージング方法を実施するイメージング装置は、以上のような構成を有する。
　以下に、本発明のイメージング方法を、図１に示すイメージング装置１０を参照して説明する。
　まず、図１に示す構成のイメージング装置１０を用いて、まず、空間変調素子１８において最初の２次元マスクパターン１８ａを発生させ、これをマスクパターン１とする。
　複数の発光点１５を有する光源１４において、最初に点灯する１つの発光点１５、又は同時に発光させる２以上の発光点１５を点灯して、点灯した発光点１５からの光を、マスクパターン１を発生している空間変調素子１８に照射する。
　その結果、空間変調素子１８発生されたマスクパターン１と、点灯した発光点１５からの光との重畳によって、マスクパターン１に応じて変調されたマスク画像(光)１９が生成され、マスク画像(光)１として、対象物体１２に照射される。
　次に、マスク画像１が照射された対象物体１２を透過、あるいは対象物体１２から反射した光を集光レンズ２０によって集光し、集光した光の光強度を検出器２２によって検出値Ｙとして検出する。
　こうして、最初のマスクパターン１と最初に点灯した光源１４の発光点１５の重畳で得られるマスク画像１による光強度の検出値Ｙ（Ｙ１）を得ることができる。
　次に、最初のマスクパターン１はそのままにしておいて、光源１４の１つ、又は２以上の発光点１５を順次切り換えて、順次生成される画素ずれを生じさせたマスク画像１９（マスク画像２、……、Ｐ）も切り替えながら、同様にして、光強度を検出器２２によって検出することを、光源１４の発光点１５を切り替えが終了するまで全部でＰ回繰り返して、マスク画像２、……、Ｐによる光強度の検出値Ｙ（Ｙ２、……、ＹＰ）を得ることができる。
　次に、空間変調素子１８において、順次、前回と異なる２次元マスクパターン１８ａ（マスクパターン２）を発生させ、同様にして、光源１４の発光点１５を順次切り替えながら、Ｐ枚のマスク画像１９を切り替えてＰ個の光強度の検出値を得ることを、マスクパターン１８ａをマスクパターン２、３、……、Ｑと切り替えながら繰り返す。ここで、Ｐ×Ｑ＝Ｍであるとする。
　こうして、Ｍ（＝Ｐ×Ｑ）種類のマスク画像１、２、……、Ｍに対するＭ（＝Ｐ×Ｑ）個の検出値Ｙ（Ｙ１、Ｙ２、……、ＹＭ）を得ることができる。
　ここで、上述したＱ回のマスクパターン１８ａの切り替えと、１回のマスクパターン１８ａにおけるＰ回の光源１４の発光点１５の位置に依存する発光パターンの切り替えとの組合せによるＭ（＝Ｐ×Ｑ）種類のマスク画像１、２、……、Ｍについて、コンピュータ２４によって、符号化行列Ｗで表すことができることが予め計算しておくことができる。
　したがって、Ｍ（＝Ｐ×Ｑ）個の検出値Ｙ（Ｙ１、Ｙ２、……、ＹＭ）を得ることができれば、コンピュータ２４は、対象物体１２に照射されるマスク画像１、２、……、Ｍと、検出器２２で検出される光強度の検出値Ｙ（Ｙ１、Ｙ２、……、ＹＭ）との相関を計算することで、対象物体１２の画像情報（画像データＸ（Ｘ１、Ｘ２、……、ＸＮ））を構築することができる。即ち、コンピュータ２４は、符号化行列Ｗと、検出値Ｙとの相関、具体的には、上記式（５）Ｘ＝Ｗ－１Ｙを計算することにより、対象物体１２の画像情報、即ち全画素の画像データＸ（Ｘ１、Ｘ２、……、ＸＮ）を求めることができる。
　ここで、コンピュータ２４は、空間変調素子１８において発生された１回のマスクパターン１８ａに対し、光源１４の複数の発光点１５の内の１つの、又は同時に発光させる２以上の発光点１５を順次切り替えて点灯することにより画素ずれを発生させたマスクパターン１８ａに応じたマスク画像１９と、当該マスク画像１９を対象物体１２に照射した時に検出器２２によって検出される光強度との相関を複数のマスクパターン、及び順次切り替えられる光源１４の発光点１５の位置に依存する発光パターンとの組合せの全てについて計算して対象物体１２の全ての画像情報を取得することができる。
　なお、本発明では、空間変調素子１８と光源１４の発光点１５の位置に依存する複数のマスクパターン１８ａに応じたマスク画像１９を対象物体１２に照射する。この時、空間変調素子１８において発生された１回のマスクパターン１８ａに対し、光源１４の複数の発光点１５を１つ、若しくは２以上順次点灯することで、対象物体１２に照射されるマスク画像１９の画素は、決まった距離だけずれるものである。
　また、光源１４の点灯する発光点１５の位置によって決まるマスクパターン１８ａの画素ずれ量は予め測定できるので既知である。
　本発明は、２次元の空間変調素子１８に、高速に光源１４の発光点１５の位置をスイッチングすることが可能なＶＣＳＥＬアレイ等の複数の位置に発光点を持つアレイ型光源１４を用いた画素ずらしを導入している。
　即ち、本発明においては、ＤＭＤ、又は液晶ＳＬＭ等の空間変調素子１８によるマスクパターン投影の光源１４として、ＶＣＳＥＬアレイ等の複数の位置に発光点が配置されたアレイ光源を用いている。したがって、空間変調素子１８の一つのマスクパターン１８ａに対して、より早い空間変調が可能な光源１４の発光点１５を順次切り替えることで、被測定体である対象物体１２に投影されるマスクパターンの位置を高速でずらすことができる。その結果、一つのマスクパターン１８ａに対して、画素ずらしが行われた複数のマスク画像（光）１９を対象物体１２に照射することができる。これにより、短時間にマスクパターンによる多くのマスク画像１９を対象物体１２に投影することを可能となる。
　本発明では、空間変調素子１８によるマスクパターン１８ａを、より高速なスイッチングが可能なＶＣＳＥＬアレイ等の複数の位置に発光点１５を持つ光源１４を用いて、画素ずらしすることで、最大で、発光点１５の個数分、又はアレイ個数分の倍率で速度を向上することが可能である。
　空間変調素子の変調に、ＶＣＳＥＬアレイ等の複数の位置に発光点１５を持つ光源１４の発光パターンスイッチングを重畳することで、ＶＣＳＥＬアレイ等の光源１４の応答速度でマスクパターン１８ａに基づくマスク画像１９のスイッチングを高速で行うことが可能となる。
　したがって、本発明は、従来方式に比べ大幅な高速化が可能である。また、本発明は、光源１４として手に入りやすいＶＣＳＥＬアレイ、ＬＥＤアレイ、又は端面発光半導体レーザアレイ等のアレイ光源を用いることができるために、実用性が高い。更に、本発明は、画素ずらしの量を調整することで、マスクの分解能アップも可能である。
　本発明のイメージング方法、及びイメージング装置は、基本的に、以上のように構成される。
　次に、画素ずらし有無によるマスク提示時間の比較を行った。
　ここでは、画素ずらし有無にかかわらず、空間変調素子１８として、マスクパターン１８ａのマスクパターンの切り替え周波数が１０ｋＨｚであるＤＭＤを用いると仮定する。
　また、図１に示す本発明のイメージング装置１０のように、空間変調素子１８のマスクパターン１８ａの画素ずらしをするために、光源１４として、発光点１５の切り替え周波数が１０ＭＨｚのＶＣＳＥＬアレイを用いると仮定する。
　なお、図６に示す本発明のイメージング装置１００のように、画素ずらしをしない場合の光源１０４としては、通常の連続光源を用いる。
　図４（ａ）に示すように、従来技術の画素ずらし無しの場合には、１０ｋＨｚのＤＭＤによって１枚のマスク（マスクパターン）を発生させるのに、１０－４秒（ｓｅｃ）必要である。なお、画素ずらし無しの場合には、被測定物である対象物体に照射されるマスク画像は、ＤＭＤが発生する１枚のマスク（マスクパターン）毎に生成される。したがって、１００００枚のマスク（マスクパターン）を発生させて、１００００枚のマスク画像を生成する必要があるので、１秒（ｓｅｃ）が必要であることが分かる。
　これに対し、図４（ｂ）に示すように、本発明の画素ずらし有りの場合には、１０ｋＨＺのＤＭＤによって発生する１枚のマスク（マスクパターン）に対して、１０ＭＨｚのＶＣＳＥＬアレイよって１０回の画素ずらしを行ったので、１枚のマスク（マスクパターン）において必要な時間は、（１０－４＋１０×１０－７）秒（ｓｅｃ）である。
　この場合には、１枚のマスク（マスクパターン）に対して１０回の画素ずらしを行ったので、マスク画像は、１０枚生成される。
　また、この場合も、被測定物である対象物体に照射されるマスク画像は、図４（ａ）に示す場合と同様に、１００００枚であるが、１枚のマスク（マスクパターン）に対して１０枚のマスク画像が生成されているので、必要なマスク（マスクパターン）の枚数は、１０００（＝１００００／１０）枚となる。
　以上から、本発明の画素ずらし有りの場合には、１０００枚のマスク（マスクパターン）が必要であるために、（１０－４＋１０×１０－７）×１０００＝（０．１＋１０－３）秒（ｓｅｃ）が必要であることが分かる。
　即ち、同じ解像度（画素数）の画像情報を得る場合に、本発明の画素ずらし有りの場合は、従来技術の画素ずらし無しの場合に比べて、マスク（マスクパターン）の数は、１／１０で済み、簡単化でき、必要な時間も、ほぼ１／１０で済み、ほぼ１０倍高速化できることが分かる。
　次に、本発明の画素ずらしの効果を確認するためにシミュレーションを行った。
　図５（ａ）に、６４×６４（＝４０９６）画素のオリジナル画像を示す。
　図５（ｂ）に、従来技術の画素ずらし無しの場合において、発生するランダムマスク（ランダムマスクパターン）の枚数に対して再生される再生画像を示す。なお、ＤＭＤの１回の変調で、１枚のランダムマスクを発生するので、発生するランダムマスクの枚数は、ＤＭＤの変調回数に相当する。
　図５（ｂ）に示す従来技術の画素ずらし無しの場合には、ランダムマスク（ランダムマスクパターン）の発生枚数が、２５６枚では、オリジナル画像に照射されるマスク画像も、２５６枚であるが、この枚数では、図５（ａ）に示すオリジナル画像は全く再生されておらず、１０２４枚、及び２０４８枚でも、十分な再生は見られないが、オリジナル画像の画素数と同じ４０９６枚で、オリジナル画像と同じ解像度の再生画像が得られていることが分かる。
　一方、図５（ｃ）に、本発明の画素ずらし有りの場合において、発生するランダムマスクの枚数に対して再生される再生画像を示す。
　この場合には、光源を４×４のアレイ光源と想定して画素ずらしを行ったときに、ＤＭＤで必要なマスクの数を示した。光源の発光点が１６であるので、ＤＭＤの１回の変調で発生する１枚のランダムマスク（ランダムマスクパターン）に対して１６回の画素ずらしを行ったとして、シミュレーションを行った。このシミュレーションにより、画素ずらしが無いときに比べて、画素ずらし有りの場合には、画素ずらし点数Ｋ（この場合は１６）で割った回数のマスクパターン発生で画像が再現されることを確認した。
　即ち、１枚のランダムマスク（ランダムマスクパターン）に対して１６回の画素ずらしが行えると、オリジナル画像に照射されるマスク画像を１６枚の生成することができる。このため、画素ずらし無しの場合の図５（ｂ）において、オリジナル画像と同じ解像度の再生画像が得られるマスク画像の枚数は、４０９６枚であることから、本発明の画素ずらし有りの場合において、４０９６枚のマスク画像を生成するためには、２５６（＝４０９６／１６）枚のランダムマスク（ランダムマスクパターン）をＤＭＤによって発生すればよいことが分かる。
　図５（ｃ）は、２５６枚のランダムマスク（ランダムマスクパターン）において、オリジナル画像と同じ解像度の再生画像が得られていることを示している。
　以上から、本発明の効果は明らかである。
　以上、本発明のイメージング方法、及びイメージング装置について、種々の実施形態及び実施例を挙げて詳細に説明したが、本発明は、これらの実施形態及び実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良又は変更をしてもよいのはもちろんである。
１０、１００　イメージング装置
１２、１０２　対象物体
１４，１０４　光源
１５、１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ、１５ｅ、１５ｆ　発光点
１６、１０６　コリメータレンズ
１８、１０８　空間変調素子
１８ａ、１０８ａ　マスクパターン
１９、１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１０９　マスク画像（光）
２０、１１０　集光レンズ
２２、１１２　光検出器
２４、１１４　コンピュータ
２６　絞り

Claims (11)

  1. 　複数の発光点を有する光源からの光を複数のマスクパターンを発生する空間変調素子に照射し、前記空間変調素子で発生された前記マスクパターンに応じて変調されたマスク画像を対象物体に照射し、前記マスク画像が照射された前記対象物体を透過、あるいは前記対象物体から反射した光を集光し、集光した光の光強度を検出器によって検出するに際し、
    　前記空間変調素子において発生された１回の前記マスクパターンに対し、前記複数の発光点の内の１つの、又は同時に発光させる２以上の前記発光点を順次切り替えて点灯することにより画素ずれを発生させた当該マスクパターンに応じた前記マスク画像と、当該マスク画像を前記対象物体に照射した時に前記検出器によって検出される前記光強度との相関を前記複数のマスクパターン、及び順次切り替えられる前記発光点の発光パターンとの組合せの全てについてコンピュータによって計算して前記対象物体の画像を取得するイメージング方法であって、
    　前記空間変調素子において発生された１回の前記マスクパターンに対し、前記光源の前記発光点を１つ、若しくは２以上順次点灯することで、前記対象物体に照射される前記マスク画像の画素は、決まった距離だけずれるものであり、
    　前記光源の点灯する前記発光点の位置によって決まる前記マスクパターンの前記画素ずれ量は、既知であり、
    　前記空間変調素子と前記光源の前記発光点の位置に依存する前記複数のマスクパターンに応じた前記マスク画像を前記対象物体に照射し、前記コンピュータは、前記検出器で検出される光強度と、前記対象物体に照射される前記マスク画像との相関を計算することで前記対象物体の前記画像を構築することを特徴とするイメージング方法。
  2. 　前記光源は、垂直共振器面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）アレイである請求項１に記載のイメージング方法。
  3. 前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）アレイ、又は端面発光半導体レーザアレイである請求項１に記載のイメージング方法。
  4. 　前記空間変調素子が、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）、又は液晶空間変調素子である請求項１～３のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  5. 　前記空間変調素子の前記マスクパターンの前記マスク画像の発生から次の前記マスクパターンの前記マスク画像の発生までの間に前記光源の前記発光点の１つ、又は同時に発光させる２つ以上を順次移動して点灯する請求項１～４のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  6. 前記対象物体に照射されるマスクパターンの、前記光源の前記発光点の位置の移動による前記画素ずれ量が、縦、及び横のいずれか一方が１画素の１０％以上である請求項１～５のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  7. 　前記光源から前記対象物体までの光学系は、テレセントリック光学系である請求項１～６のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  8. 　前記光源と前記空間変調素子との間に、コリメータレンズを有し、前記空間変調素子は、前記コリメータレンズの後焦点面に配置される請求項１～７のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  9. 　前記空間変調素子によって発生させる前記マスクパターンは、前記発光点を順次切り替えて点灯することにより発生させる画素ずれの範囲内で周期構造をもたない請求項１～８のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  10. 　前記空間変調素子によって発生させる前記マスクパターンは、ランダムパターン、又はアダマールパターンである請求項１～９のいずれか１項に記載のイメージング方法。
  11. 　複数の発光点を有する光源と、
    　複数のマスクパターンを発生する空間変調素子と、
    　前記光源の前記発光点からの光を前記空間変調素子に照射するための第１の光学系と、
    　前記光源の前記発光点からの光が照射された前記空間変調素子で発生された前記マスクパターンに応じて変調されたマスク画像を対象物体に照射する第２の光学系と、
    　前記マスク画像が照射された前記対象物体を透過、あるいは前記対象物体から反射した光を集光し、集光した光の光強度を検出する検出器と、
    　前記空間変調素子において発生された１回の前記マスクパターンに対し、前記複数の発光点の内の１つの、又は同時に発光させる２以上の前記発光点を順次切り替えて点灯することにより画素ずれを発生させた当該マスクパターンに応じた前記マスク画像と、当該マスク画像を前記対象物体に照射した時に前記検出器によって検出される前記光強度との相関を前記複数のマスクパターン、及び順次切り替えられる前記発光点の発光パターンとの組合せの全てについて計算して前記対象物体の画像を取得するコンピュータと、を有し、
    　前記空間変調素子において発生された１回の前記マスクパターンに対し、前記光源の前記発光点を１つ、若しくは２以上順次点灯することで、前記対象物体に照射される前記マスク画像の画素は、決まった距離だけずれるものであり、
    　前記光源の点灯する前記発光点の位置によって決まる前記マスクパターンの前記画素ずれ量は、既知であり、
    　前記空間変調素子と前記光源の前記発光点の位置に依存する前記複数のマスクパターンに応じた前記マスク画像を前記対象物体に照射し、前記コンピュータは、前記検出器で検出される光強度と、前記対象物体に照射される前記マスク画像との相関を計算することで前記対象物体の前記画像を構築することを特徴とするイメージング装置。
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