WO2012002207A1

WO2012002207A1 - 偏光イメージング装置および偏光イメージング方法

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Publication number: WO2012002207A1
Application number: PCT/JP2011/064228
Authority: WO
Inventors: 安浩粟辻; 樹田原
Original assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyoto Institute of Technology NUC
Priority date: 2010-06-29
Filing date: 2011-06-22
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2012-12-29
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Abstract

　１回の撮像で被写体の詳細な３次元情報と偏光分布とを得ることができる偏光イメージング装置を実現する偏光イメージング装置（１）は、レーザ光源（１１）と、撮像素子（１２）とを備える。撮像素子（１２）に入射する物体光および参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、撮像素子（１２）は、第１方向の偏光と第１位相とを有する参照光が物体光と干渉して作る第１干渉像と、第１方向の偏光と第２位相とを有する参照光が物体光と干渉して作る第２干渉像と、第２方向の偏光と第１位相とを有する参照光が物体光と干渉して作る第３干渉像と、第２方向の偏光と第２位相とを有する参照光が物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像する。偏光イメージング装置（１）は、これらの干渉像から、被写体（１８）の第１方向の偏光成分の再生像と、第２方向の偏光成分の再生像とを生成する再生部（２４）と、これらの再生像に基づいて、偏光画像を求める偏光画像算出部（２５）とを備える。

Description

偏光イメージング装置および偏光イメージング方法

　本発明は、被写体の偏光イメージングを行う偏光イメージング装置および偏光イメージング方法に関する。

　以後の文章中で位相の単位はラジアンで表す。近年、複数方向の偏光情報を同時に取得する偏光イメージングカメラが開発され、被写体の偏光分布を可視化する偏光イメージング装置（特許文献１）、および、被写体の偏光分布を可視化する偏光顕微鏡（特許文献２）が提案されている。偏光イメージングの応用として、窓材、ショーウィンドウ、ディスプレイ等に使用されるフィルムまたはガラス等の構造・歪みの計測、太陽電池の薄膜における膜圧および歪の計測、偏光顕微鏡の応用として、結晶構造または分子構造の特性評価、造岩鉱物の鑑定、または、生体（細胞）の内部構造の無染色による可視化、生細胞におけるタンパク質またはコラーゲン等の分布の可視化等、多岐にわたる応用が考えられる。

　産業の要求に応じて偏光イメージング技術は発達しているものの、上記の偏光イメージング技術では瞬間の３次元構造のイメージングが不可能である。例えば、偏光顕微鏡においては、微視領域の被写体を観察するために顕微鏡対物レンズの倍率を上げる必要があり、そのため、奥行き方向の撮影可能範囲が非常に狭くなる。それゆえ、製品検査において複数回の撮影が必要となって時間がかかり、また、異なる奥行き位置における化学構造の経時変化の観察、または生体（細胞）内部の３次元に広がった代謝物等の振る舞いを動画像で観察することが非常に困難である。

　上記の問題を解決する技術として、近年、偏光イメージングを行うディジタルホログラフィ技術がいくつか提案されている。例えば、非特許文献１には、軸外し型（off-axis型）のディジタルホログラフィを用いて偏光イメージングを行う技術が記載されている。軸外し型のディジタルホログラフィでは、物体光と参照光とが撮像素子へ異なる角度で入射する。そのため、ホログラムを再生した際に、０次回折光および共役像（－１次回折光）と物体像（１次回折光）とが重なることがなく、所望の物体像だけを得ることができる。非特許文献１に記載の構成によれば、被写体のある瞬間の３次元構造と偏光分布をイメージングすることが可能となる。すなわち、奥行き方向の位置が異なる被写体像の偏光分布を同時に取得することができる。

　図５３は、非特許文献１に示された従来の偏光イメージング装置の構成を示す図である。図５４は、図５３に示された偏光イメージング装置に設けられた撮像装置に入射する物体光と参照光Ｒ１およびＲ２との関係を示す図である。当該従来の偏光イメージング装置では，異なる偏光方向Ｐ１、Ｐ２の成分を持つ参照光Ｒ１、Ｒ２を、物体光に対してそれぞれ異なる方向から異なる角度（説明の簡便さのために、便宜上θ_１、θ_２とおく）で入射させ、１枚の干渉像（ホログラム）を取得する。

　図５５は、上記偏光イメージング装置に記録されたホログラムから像を再生する手順を説明するための図である。得られた干渉像をフーリエ変換し、空間スペクトル分布を計算により求める。そして各偏光方向Ｐ１、Ｐ２における被写体の空間スペクトルの情報をそれぞれ抽出する。その後、各偏光方向の被写体の情報に対して、角度θ_１、θ_２に関係する量だけ位相補正し、逆フーリエ変換し，回折計算により像再生する。像再生後、偏光方向Ｐ１、Ｐ２における被写体の複素振幅分布を用いて偏光イメージングを行う。

　また、非特許文献２には、インライン型（in-line型またはon-axis型）のディジタルホログラフィを用いて偏光イメージングを行う技術が記載されている。インライン型のディジタルホログラフィでは、物体光と参照光とが撮像素子へ同じ角度で入射する。そのため、ホログラムを再生した際に、ノイズ成分である０次回折光と共役像（－１次回折光）と物体像（１次回折光）とが重なってしまう。そのため、所望の物体像だけを得るためには、位相または光路長等の異なる複数のホログラムを逐次撮像し、位相シフト法または光路長シフト法等を用いて物体像のみを抽出する計算を行う必要がある。

日本国公開特許公報「特開２００７－０８６７２０号公報（２００７年４月５日公開）」日本国公開特許公報「特開２００８－０３２９６９号公報（２００８年２月１４日公開）」

D. Beghuin, et. al.、「Single acquisition polarisation imaging with digital holography」、ELECTRONICS LETTERS、11th November 1999、vol.35、No.23、pp.2053-2055 Takanori Nomura、「Polarization imaging of a 3D object by use of on-axis phase-shifting digital holography」、OPTICS LETTERS、March 1 2007、vol.32、No.5、pp.481-483 M. F. Meng, et. al.、「Two-step phase-shifting interferometry and its application in image encryption」、OPTICS LETTERS、May 15 2006、Vol.31、No.10、pp.1414-1416 シグマ社サイト、［online］、平成２２年６月１５日検索、インターネット<ＵＲＬ：http://www.sigma-sd.com/SD15/jp/technology-colorsensor.html> L. Mertz, "Real-time fringe-pattern analysis," Appl. Opt. 22, 1535-1539 (1983). 高濱裕史, 松島恭治, "任意位相シフト公式を用いたシングルショットデジタルホログラフィ", Optics Photonics Japan 2009 講演予稿集, 278-279 (2009). J. Kuhn， et. al.、「Real-time dual-wavelength digital holographic microscopy with a single hologram acquisition」、OPTICS EXPRESS、May 29 2007、vol.15、No.12、pp.7231-7242

　しかしながら、非特許文献１に記載の構成では、軸外し型のディジタルホログラフィを用いているために、撮影可能な範囲（視野）が狭く（ホログラムを空間的に４分割多重して記録するインライン型に比べて約１／４の視野）、ホログラムから再生した再生像における画質が良くなく、再生像の解像度が低いという問題がある。また、光学系が複雑になるので、ホログラムの撮像光学系を１つの装置にする場合に、装置が複雑かつ大型になってしまう。

　さらに、非特許文献１に記載の構成では、参照光の入射角度θ_１、θ_２と、「位相補正」のためのハードウェアあるいはソフトウェアには極めて高精度な調整が必要であるという問題がある。従って、光学素子のわずかな位置および角度変化によって容易に偏光イメージング精度が低下する問題があることを本発明者らは発見した。

　非特許文献１に記載の構成では、異なる偏光方向Ｐ１、Ｐ２における被写体の振幅情報と位相差情報とを用いることで偏光イメージングする。しかしながら、位相差情報には、参照光の入射角度θ_１、θ_２に応じた位相変調が掛けられており、正確な偏光イメージングのためには、この位相変調を取り除く必要がある。位相変調を取り除くためには、まず、参照光の入射角度を物理的に調整した後、高精度で測定し、干渉像を記録して求められた補正量と物理的な測定値とを照らし合わせて、各偏光方向における物体光の位相を補正しなければならない。

　実際に計算機で位相補正する際に、入射角度θ_１、θ_２の値として小数点第３桁、第４桁、またはそれ以上の精度が求められる。物理的な角度調整で言えば、３００ｍｍ離れた被写体に対して０．００６［°］（≒０．０００１［ｒａｄ］）程度の極めて高い精度が求められる。さらに、その様な高精度な調整精度が求められることから、物体光と各参照光との角度ずれに弱く、光学素子（図５３中で言えば各ＢＳ（ビーム分割素子）、各Ｍ（ミラー）など）がほんの少し角度変化、位置変化することによって位相差情報を正確に求められず、容易に偏光イメージングの精度が低下する。この非特許文献１に記載の構成は、波長板などの偏光依存性のある弱散乱の２次元物体では実証されているが、強散乱の３次元物体では実証されておらず、また実際の適用は極めて困難である。

　図５６は、非特許文献１に記載の偏光イメージング装置の問題点を説明するための図である。非特許文献１に記載の構成では、大きな被写体を計測しようとすると、被写体と不要な像成分とで空間スペクトルに重なりが生じ、再生像において不要な像が重畳することから、撮影可能な範囲が狭いという問題がある。

　図５６の説明とは別に、非特許文献１に記載の構成では、被写体の細かい構造の情報を記録しようとすると、再生像において不要な像成分が重畳するため、重畳を避けようとすると再生像の解像度が低くなる。また、無理に解像度を上げようとすると不要な像が重畳する。このことは高倍率顕微鏡への応用の際に分解能を上げることができないことを意味し、微細構造の鮮明なイメージングが極めて困難になるという問題を引き起こす。

　これに対し、非特許文献２に記載の構成では、インライン型のディジタルホログラフィを用いているために、非特許文献１に記載の構成に比べて、撮影可能な範囲が広く、再生像における画質も良い。また、非特許文献２に記載の構成では、非特許文献１に記載の構成に比べて、光学系が簡単であるので、ホログラムの撮像光学系を１つの装置にする場合に、装置を小型化することが容易である。

　しかしながら、非特許文献２に記載の構成では、物体像を得るために、撮像素子面における物体光の強度分布の情報を複数の偏光方向において逐次撮像する必要がある。また、偏光イメージングを行うために、光学系に配置された１／２波長板を回転させる等して複数の偏光方向のホログラムを逐次撮像する必要がある。そのため、被写体に対して複数回の撮像を行う必要があるため、動的な変化を伴う被写体のある瞬間の３次元構造と偏光分布とをイメージングすることができない。

　以上で述べたように、動的な変化を伴う被写体のある瞬間の３次元構造の情報と偏光分布の情報さらには分光特性を同時に取得し、高画質の偏光イメージングを行うことができる技術については、未だ公開も報告もされていない。

　本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、１回の撮像で被写体の広範囲かつ詳細な３次元情報と偏光分布、加えて分光特性とを得ることができる高画質の偏光イメージング装置を実現することにある。ここで、３次元情報は、被写体の３次元の形状、位置または分布の情報を含む。

　本発明に係る偏光イメージング装置は、参照光および物体光を供給する１個以上の光源と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する偏光イメージング装置において、上記撮像部に入射する物体光および上記撮像部に入射する参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、上記撮像部は、上記第１方向の偏光と第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像し、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成する再生像生成部と、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める偏光画像算出部とを備えることを特徴とする。

　例えば、最も簡単な例である偏光が２種類で、位相が２段階で光源が１つの場合は、参照光および物体光を供給する光源と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する偏光イメージング装置において、上記撮像部に入射する物体光および上記撮像部に入射する参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、上記撮像部は、第１方向の偏光成分について、互いに位相が異なる２つの参照光がそれぞれ物体光と干渉して作る第１干渉像および第２干渉像と、第２方向の偏光成分について、互いに位相が異なる２つの参照光がそれぞれ物体光と干渉して作る第３干渉像および第４干渉像との、合わせて４種類の干渉像を含む干渉パターンを一度に撮像し、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成する再生像生成部と、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める偏光画像算出部とを備えることを特徴としている。

　本発明に係る偏光イメージング方法は、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を撮像して、物体光の偏光状態を得る偏光イメージング方法であって、上記干渉像を作る物体光および上記干渉像を作る参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、上記第１方向の偏光と第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像するステップと、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成するステップと、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求めるステップとを含むことを特徴とする。

　例えば、最も簡単な例である偏光が２種類で、位相が２段階で光源が１つの場合は、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を撮像して、物体光の偏光状態を得る偏光イメージング方法であって、上記干渉像を作る物体光および上記干渉像を作る参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、第１方向の偏光成分について、互いに位相が異なる２つの参照光がそれぞれ物体光と干渉して作る第１干渉像および第２干渉像と、第２方向の偏光成分について、互いに位相が異なる２つの参照光がそれぞれ物体光と干渉して作る第３干渉像および第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像するステップと、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成するステップと、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求めるステップとを含むことを特徴としている。

　上記の構成によれば、参照光の位相と偏光方向とが異なるｍ×ｎ種類（ｍは位相の段階数、ｎは偏向方向の種類数で、例えばｍ＝２、ｎ＝２の場合は４種類）の干渉像を一度に取得し、位相シフト法を用いて各偏光方向に関する再生像を得ることができ、これに基づいて被写体の再生像の各位置における物体光の偏光状態を求める。それゆえ、複数回の撮像を行う必要が無く、１回の撮像で被写体の広範囲かつ詳細な３次元情報と偏光分布とを得ることができる。そのため、上記の構成を用いれば、例えば動的な変化を伴う被写体のある瞬間の３次元構造と偏光分布とをイメージングすることができる。

　つまり、偏光方向は少なくとも２種類、参照光の位相は少なくとも２種類、この組み合わせによる一度に撮像する干渉像は少なくとも４種類であり、それより多くても同様に被写体のある瞬間の３次元構造と偏光分布とをイメージングすることができる。また、光源を複数個用いれば分光特性を得ることができる。

　本発明に係る偏光イメージング装置は、参照光および物体光を供給する光源と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する偏光イメージング装置において、上記撮像部に入射する物体光および上記撮像部に入射する参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、上記光源は、少なくとも一種類以上の波長の光を供給し、上記撮像部は、上記第１方向の偏光と第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像し、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成する再生像生成部と、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める偏光画像算出部とを備えることを特徴としている。

　例えば、最も簡単な例である偏光が２種類で、位相が２段階で光源が１つの場合は、参照光および物体光を供給する光源と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する偏光イメージング装置において、上記撮像部に入射する物体光および上記撮像部に入射する参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、上記撮像部は、第１方向の偏光成分について、上記被写体からの光路長が異なる第１干渉像および第２干渉像と、第２方向の偏光成分について、上記被写体からの光路長が異なる第３干渉像および第４干渉像との干渉像を含む干渉パターンを一度に撮像し、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成する再生像生成部と、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める偏光画像算出部とを備えることを特徴としている。

　本発明に係る偏光イメージング方法は、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を撮像して、物体光の偏光状態を得る偏光イメージング方法であって、上記干渉像を作る物体光および上記干渉像を作る参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、上記第１方向の偏光と第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像するステップと、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成するステップと、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光状態を求めるステップとを含むことを特徴としている。

　例えば、最も簡単な例である偏光が２種類で、位相が２段階で光源が１つの場合は、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を撮像して、物体光の偏光状態を得る偏光イメージング方法であって、上記干渉像を作る物体光および上記干渉像を作る参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、第１方向の偏光成分について、上記被写体からの光路長が異なる第１干渉像および第２干渉像と、第２方向の偏光成分について、上記被写体からの光路長が異なる第３干渉像および第４干渉像との干渉像を含む干渉パターンを一度に撮像するステップと、上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成するステップと、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光状態を求めるステップとを含むことを特徴としている。

　上記の構成によれば、光路長と偏光方向とが異なるｍ’×ｎ’種類（ｍ’は参照光の光路長数、ｎ’は偏向方向の種類数で、例えばｍ’＝２、ｎ’＝２の場合は４種類）の干渉像を一度に取得し、光路長シフト法を用いて各偏光方向に関する再生像を得ることができ、これに基づいて被写体の再生像の各位置における物体光の偏光状態を求める。それゆえ、複数回の撮像を行う必要が無く、１回の撮像で被写体の広範囲かつ詳細な３次元情報と偏光分布とを得ることができる。そのため、上記の構成を用いれば、例えば動的な変化を伴う被写体のある瞬間の３次元構造と偏光分布とをイメージングすることができる。

　よって、光路長または参照光の位相と偏光方向とが異なる４種類の干渉像を一度に取得し、光路長シフト法または位相シフト法を用いて各偏光方向に関する再生像を得ることができ、これに基づいて被写体の再生像の各位置における物体光の偏光状態を求めることができる。それゆえ、複数回の撮像を行う必要が無く、１回の撮像で被写体の広範囲かつ詳細な３次元情報と偏光分布とを得ることができる。

　つまり、上記の説明では、偏光方向は２種類、光路長つまり位相差は２種類であり、この組み合わせによる一度に撮像する干渉像は少なくとも４種類であるが、例えば偏光方向は２種類以上、光路長つまり位相差は２種類以上であり、この組み合わせによる一度に撮像する干渉像は少なくとも４種類それよりも種類が多くても同様に被写体のある瞬間の３次元構造と偏光分布とをイメージングすることができる。また、光源を２つ以上の複数個とすれば、被写体のある瞬間の３次元構造と偏光分布と分光特性をイメージングすることができる。

本発明の実施の形態１に係る偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。（ａ）は、位相シフトアレイデバイスの一部を示す模式平面図であり、（ｂ）は、偏光子アレイデバイスの一部を示す模式平面図である。再生部における像再生アルゴリズムを説明するための図である。（ａ）は、水平方向（Ｐ１）の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、（ｂ）は、垂直方向（Ｐ２）の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、（ｃ）は、水平方向（Ｐ１）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像であり、（ｄ）は、垂直方向（Ｐ２）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像である。物体光のストークスパラメータＳ０～Ｓ３を示す画像である。被写体の再生像に関して、実施の一形態に基づいて行ったシミュレーションの結果を示す画像である。シミュレーションで得られた再生像および位相分布から求めたストークスパラメータを示す画像である。本発明の実施の一形態に係る偏光イメージング装置における撮像可能範囲と、軸外し型の偏光イメージング装置における撮像可能範囲とを示す図である。本発明の実施の形態２の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。（ａ）は、第１空間光変調器の一部を示す模式平面図であり、（ｂ）は、第２空間光変調器の一部を示す模式平面図であり、（ｃ）は、第２空間光変調器を通過した直後の一部の参照光の状態を示す模式図である。本発明の実施の形態３の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。本発明の実施の形態４の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。（ａ）は、位相シフトアレイデバイスの一部を示す模式図であり、（ｂ）は、波長選択フィルタの一部を示す模式図であり、（ｃ）は、偏光子アレイデバイスの一部を示す模式図である。上記偏光イメージング装置で得られる干渉パターンの一部を示す図である。（ａ）は、水平方向（Ｐ１）の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、（ｂ）は、垂直方向（Ｐ２）の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、（ｃ）は、水平方向（Ｐ１）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像であり、（ｄ）は、垂直方向（Ｐ２）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像である。各波長λ１～λ３の物体光の各ストークスパラメータＳ０～Ｓ３を示す画像である。被写体の再生像に関して、本発明のさらに他の実施の形態に基づいて行ったシミュレーションの結果を示す画像である。シミュレーションで得られた再生像および位相分布から求めた各波長λ１～λ３の物体光の各ストークスパラメータＳ０～Ｓ３を示す画像である。本発明の実施の形態５の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。光路長シフトアレイデバイスの一部を示す模式図である。本発明の実施の形態６の偏光イメージング装置の基本構成を示す模式図である。上記偏光イメージング装置の動作原理を説明するための図である。上記偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。上記偏光イメージング装置の動作のためのアルゴリズムを説明するための図である。上記アルゴリズムの空間キャリア位相シフト法を説明するための図である。実施の形態６の他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。（ａ）（ｂ）は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。（ａ）（ｂ）は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。１種類のイメージセンサで複数の波長情報を取得する方法を説明するための図である。（ａ）は実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図であり、（ｂ）は１種類のイメージセンサで３次元、偏光、複数の波長情報を取得する方法を説明するための図である。１種類のイメージセンサで３次元、偏光、複数の波長情報を取得するための撮像素子の構成を示す斜視図である。記録したホログラムから複数の偏光、複数の波長における被写体の３次元像を得るまでの流れを示す図である。記録したホログラムから被写体の３次元構造、偏光分布、分光画像再生までの流れを示すフローチャートである。（ａ）は２種類のフィルタを備えた波長選択フィルタアレイの構成を示す図であり、（ｂ）は上記波長選択フィルタアレイの動作を説明するための図である。（ａ）は実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図であり、（ｂ）は上記偏光イメージング装置における撮像素子の構成を示す斜視図である。上記撮像素子により記録したホログラムから各偏光、各波長における３次元像を取得するまでの流れを示す図である。実施の形態６に係る積層型イメージセンサの構成を示す図である。上記積層型イメージセンサを用いた撮像素子の構成を示す斜視図である。実施の形態７の偏光イメージング装置に設けられた撮像部が撮像するホログラムの構成を説明するための図である。上記偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。上記偏光イメージング装置の構成要素の構成を示す図であり、（ａ）は偏光子アレイデバイスの構成を示す図であり、（ｂ）は位相シフトアレイデバイスの構成を示す図である。上記偏光イメージング装置が偏光成分の再生像を生成するためのアルゴリズムを説明するための図である。実施の形態７の他の偏光イメージング装置に設けられた撮像部が撮像するホログラムの構成を示す図である。上記他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。（ａ）は上記偏光イメージング装置に設けられた偏光子アレイデバイスの構成を示す図であり、（ｂ）は上記偏光イメージング装置に設けられた撮像部が撮像するホログラムの構成を示す図である。上記偏光イメージング装置が偏光成分の再生像を生成するためのアルゴリズムを説明するための図である。実施の形態７のさらに他の偏光イメージング装置に設けられた撮像部が撮像するホログラムの構成を説明するための図である。上記さらに他の偏光イメージング装置の構成を示す模式図である。上記偏光イメージング装置の構成要素の構成を示す図であり、（ａ）は偏光子アレイデバイスの構成を示す図であり、（ｂ）は位相シフトアレイデバイスの構成を示す図である。上記偏光イメージング装置が偏光成分の再生像を生成するためのアルゴリズムを説明するための図である。従来の偏光イメージング装置の構成を示す図である。上記偏光イメージング装置に設けられた撮像装置に入射する物体光と参照光との関係を示す図である。上記偏光イメージング装置に記録されたホログラムから像を再生する手順を説明するための図である。上記偏光イメージング装置の問題点を説明するための図である。

　［実施の形態１］
　以下、実施の形態１について、図１～８を参照して詳細に説明する。ここで、光源の数は１であり、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２である。

　図１は、実施の形態１の偏光イメージング装置１の構成を示す模式図である。偏光イメージング装置１は、レーザ光源（光源）１１を含む光学系と、ＣＣＤからなる撮像面１２ａを有する撮像素子（撮像部）１２とを有する撮像装置を備える。さらに、偏光イメージング装置１は、撮像素子１２の出力に接続された計算機１３を備える。撮像素子１２は、撮像面１２ａの前面に配置された偏光子アレイデバイス２３を備える。

　レーザ光源１１は、コヒーレントな光、すなわちレーザ光を発生する。ここで、レーザ光の伝播方向に垂直な１つの方向を第１方向と定義し、レーザ光の伝播方向および第１方向に垂直な方向を第２方向と定義する。このレーザ光は、第１方向の偏光成分と第２方向の偏光成分とを、つまり２つの方向の偏光成分を有する直線偏光の光である。本実施の形態では第１方向は水平方向に一致し、第２方向は垂直方向に一致する。レーザ光の偏光方向は、第１方向から４５°傾いた、光の進行方向から見て右上がりの方向の直線偏光である。なお、１／４波長板をもちいてレーザ光を円偏光にしてもよい。また、他の偏光子または波長板等を配置してレーザ光の偏光を調整してもよい。レーザ光源１１から出射（供給）されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１４およびコリメータレンズ１５を通過することにより平行光となる。それから、レーザ光はビームスプリッタ１６によって参照光と物体光とに分割される。参照光および物体光は、それぞれ第１方向の偏光成分と第２方向の偏光成分とを有する直線偏光の光である。

　分割された光の一方である物体光は、ミラー１７によって反射され被写体１８に照射される。被写体１８に入射した物体光は被写体１８によって回折または散乱されて、被写体１８から出射する。その後、物体光は、ビーム結合素子１９によって反射され、偏光子アレイデバイス２３を通過し、撮像素子１２の撮像面１２ａに入射する。ここで、ビーム結合素子１９はハーフミラーからなる。物体光は、撮像面１２ａに対してほぼ垂直に入射する。

　分割された光の他方である参照光は、ミラー２０によって反射され、位相シフトアレイデバイス（位相シフトアレイ部）２１を通過する。図２の（ａ）は、位相シフトアレイデバイス２１の一部を示す模式平面図である。位相シフトアレイデバイス２１は、通過したレーザ光の位相を互いに異ならせる複数の領域を有する。位相シフトアレイデバイス２１は、２種類の位相シフト領域２１ａ・２１ｂから構成されている。位相シフト領域２１ａを通過した参照光に対して、位相シフト領域２１ｂを通過した参照光は、その進行方向に垂直な平面上における位相がその偏光方向に関わらず（－π／２）だけずれる（位相がπ／２だけ遅れる）。便宜上、位相シフト領域２１ａを通過した参照光を位相シフト量が０の参照光、位相シフト領域２１ｂを通過した参照光を位相シフト量が（－π／２）の参照光と記載する。位相シフトアレイデバイス２１は、線状の位相シフト領域２１ａと線状の位相シフト領域２１ｂとが交互に並んで配置された構成をしている。つまり、位相シフトアレイデバイス２１により位相の異なる２つの参照光ができる。

　位相シフトアレイデバイス２１は、例えば、ガラスで形成し位相シフト領域毎にその厚みを変えることで構成できる。なお、位相シフトアレイデバイス２１の位相を異ならせる複数の領域は、波長板を用いて構成してもよいし、位相シフト領域毎に厚みを変えることによって構成してもよいし、それぞれの領域に液晶素子を設け液晶分子の向きを変えることによって構成してもよいし、他の複屈折材料を用いて構成してもよいし、構造性複屈折を有する素子を用いて構成してもよいし、空間光変調器を用いて構成してもよい。

　位相シフトアレイデバイス２１を通過した参照光は、結像光学部２２を通過し、ビーム結合素子１９を通過し、偏光子アレイデバイス（偏光子アレイ部）２３を通過し、参照光の光軸が撮像素子１２の撮像面１２ａにほぼ垂直になるように撮像面１２ａに入射する。位相シフトアレイデバイス２１を通過した参照光は回折し、結像光学部２２によって撮像面１２ａに結像される。本実施の形態では、結像光学部２２は２つのレンズから構成されているが、これに限らず、レンズは１つでも、それ以上でも構わない。ここで、例えば、位相シフトアレイデバイス２１の１つの位相シフト領域２１ａまたは１つの位相シフト領域２１ｂを通過した参照光は、撮像面１２ａのいずれか１つの行の画素に結像される。すなわち、図２の（ａ）において格子状に区切って表される位相シフト領域２１ａおよび位相シフト領域２１ｂの１つのセルを通過した参照光は、撮像面１２ａのいずれか１つの画素に結像される。また、図２の（ａ）では、位相シフトアレイデバイス２１の領域２１ａおよび領域２１ｂを格子状に区切って描いているが、実際には位相シフトアレイデバイス２１は縞状の構造であってもよい。

　偏光イメージング装置１の撮像光学系は、インライン型の光学系で構成されており、撮像面１２ａに入射する参照光の光軸は撮像面１２ａに垂直であり、かつ被写体１８は撮像面１２ａの光学的な正面（光学的に撮像面１２ａの法線方向）に位置している。

　図２の（ｂ）は、撮像面１２ａ側からみた偏光子アレイデバイス２３の一部を示す模式平面図である。偏光子アレイデバイス２３は、通過した光のある方向（ここでは水平方向）の偏光成分のみを取り出す偏光子（偏光子領域）２３ａと、それとは直交する方向（ここでは垂直方向）の偏光成分のみを取り出す偏光子２３ｂとが市松模様に複数配置されたものである。そして、入射する参照光および物体光は水平方向の偏光成分および垂直方向の偏光成分を有している。本実施の形態では上記の第１方向は水平方向に一致し、第２方向は垂直方向に一致する。すなわち、偏光子２３ａ・２３ｂは、参照光および物体光のそれぞれの偏光方向に対応した偏光成分のみを通過させる。

　偏光子アレイデバイス２３を通過した物体光および参照光は、その背面にある撮像面１２ａに入射する。物体光および参照光の干渉に応じた光の強度が撮像面１２ａの画素によって検出され、撮像素子１２は、物体光と参照光とが撮像面１２ａに作る干渉パターン（干渉像）を撮像する。ここで、偏光子アレイデバイス２３は撮像面１２ａに隣接して貼り付けられているため、個々の偏光子２３ａ・２３ｂは撮像面１２ａの１つの画素に対応する。また、位相シフトアレイデバイス２１の図２の（ａ）に示す格子で区切られた１つのセルを通過した参照光は、結像光学部２２によって結像され、偏光子アレイデバイス２３の１つの偏光子２３ａまたは１つの偏光子２３ｂを通過する。それゆえ、撮像面１２ａには、互いに位相が異なる２つの参照光の水平方向の偏光成分がそれぞれ物体光の水平方向の偏光成分と干渉する２種類の干渉と、互いに位相が異なる２つの参照光の垂直方向の偏光成分がそれぞれ物体光の垂直方向の偏光成分と干渉する２種類の干渉との、合わせて４種類の干渉に対応する画素がある。具体的には、撮像面１２ａには、水平方向偏光かつ位相シフト量が０の参照光と水平方向偏光の物体光とが干渉する画素、水平方向偏光かつ位相シフト量が（－π／２）の参照光と水平方向偏光の物体光とが干渉する画素、垂直方向偏光かつ位相シフト量が０の参照光と垂直方向偏光の物体光とが干渉する画素、および垂直方向偏光かつ位相シフト量が（－π／２）の参照光と垂直方向偏光の物体光とが干渉する画素がある。このようにして、撮像素子１２は、１回の撮像で偏光方向が２方向で、それぞれの方向に対して位相の異なる２種類の干渉パターン、つまり撮像面１２ａにできる４種類の干渉パターンを一度に取得することができる。

　計算機１３は、再生部２４と偏光状態算出部２５と偏光画像生成部３５とを備える。計算機１３は、撮像素子１２で撮像された干渉パターンを示す画像データを撮像素子１２から取得し、再生部２４に入力する。

　図３は、再生部２４における像再生アルゴリズムを説明するための図である。図３には干渉パターン（干渉像）２６の一部だけを示す。

　撮像面１２ａに作られる干渉パターン２６は、物体光の水平方向の偏光成分と位相シフト量が０の参照光の水平方向の偏光成分とが干渉した画素２７ａ、物体光の水平方向の偏光成分と位相シフト量が（－π／２）の参照光の水平方向の偏光成分とが干渉した画素２７ｂ、物体光の垂直方向の偏光成分と位相シフト量が０の参照光の垂直方向の偏光成分とが干渉した画素２７ｃ、および物体光の垂直方向の偏光成分と位相シフト量が（－π／２）の参照光の垂直方向の偏光成分とが干渉した画素２７ｄの４種類の画素を含む。

　再生部２４は、これらの４種類の画素２７ａ・２７ｂ・２７ｃ・２７ｄをそれぞれ抽出することにより、物体光の水平方向の偏光成分と位相シフト量が０の参照光の水平方向の偏光成分との干渉パターン２８ａ、物体光の水平方向の偏光成分と位相シフト量が（－π／２）の参照光の水平方向の偏光成分との干渉パターン２８ｂ、物体光の垂直方向の偏光成分と位相シフト量が０の参照光の垂直方向の偏光成分との干渉パターン２８ｃ、および物体光の垂直方向の偏光成分と位相シフト量が（－π／２）の参照光の垂直方向の偏光成分との干渉パターン２８ｄを得る。再生部２４は、干渉パターン２６の画素を分割して得られた４つの干渉パターン２８ａ～２８ｄに基づき、物体光の水平方向の偏光成分および垂直方向の偏光成分の複素振幅分布を求める。

　次に、再生部２４は、水平方向偏光かつ参照光の位相シフト量が０の干渉パターン２８ａ、水平方向偏光かつ参照光の位相シフト量が（－π／２）の干渉パターン２８ｂ、垂直方向偏光かつ参照光の位相シフト量が０の干渉パターン２８ｃ、および垂直方向偏光かつ参照光の位相シフト量が（－π／２）の干渉パターン２８ｄの欠落している画素（いずれも干渉パターン２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄで白く表されている画素）の画素値を補間し、補間された水平方向偏光かつ参照光の位相シフト量が０の干渉パターン２９ａ、補間された水平方向偏光かつ位相シフト量が（－π／２）の干渉パターン２９ｂ、補間された垂直方向偏光かつ位相シフト量が０の干渉パターン２９ｃ、および補間された垂直方向偏光かつ位相シフト量が（－π／２）の干渉パターン２９ｄを得る。

　これらの干渉パターンから物体光の複素振幅分布を得るためには、撮像素子１２の撮像面１２ａ上での参照光の強度分布の情報が必要になる。参照光の強度分布は定常的で変化しないため、予め、または被写体の干渉パターンを撮像した後に、物体光を遮る等して参照光だけを撮像することができる。参照光の強度分布を得る際に被写体１８は不要である。再生部２４は、干渉パターン２６と同様に、撮像素子１２から参照光の強度分布３０を取得する。参照光は、偏光子アレイデバイス２３を通過しているので、参照光の強度分布３０は、参照光の水平方向の偏光成分の強度を示す画素３１ａおよび参照光の垂直方向の偏光成分の強度を示す画素３１ｂの両方を含む。

　再生部２４は、これらの２種類の画素３１ａ・３１ｂをそれぞれ抽出することにより、参照光の水平方向の偏光成分の強度分布３２ａ、および参照光の垂直方向の偏光成分の強度分布３２ｂを得る。

　また、参照光の強度分布が一様だと仮定できる場合あるいは推定できる場合は、参照光の強度分布の記録を省略し、物体光の複素振幅分布を得る信号処理時に再生部２４によって参照光の強度分布を生成して用いてもよい。得た干渉パターンを反復して処理することで、適切な参照光の強度分布を推定することができる。

　次に、再生部２４は、参照光の水平方向の偏光成分の強度分布３２ａ、および参照光の垂直方向の偏光成分の強度分布３２ｂの欠落している画素（いずれも強度分布３２ａ、３２ｂで白く表されている画素）の画素値を補間し、補間された参照光の水平方向の偏光成分の強度分布３３ａ、および補間された参照光の垂直方向の偏光成分の強度分布３３ｂを得る。

　再生部２４は、水平方向の偏光成分に関するこれらの補間された位相シフト量の異なる干渉パターン２９ａ・２９ｂ、および補間された参照光の強度分布３３ａに基づき、２段階位相シフト法（非特許文献３参照）を用いて、物体光の水平方向の偏光成分の撮像面１２ａ上の複素振幅分布３４ａを求めることができる。同様にして、再生部２４は、垂直方向の偏光成分に関する補間された位相シフト量の異なる干渉パターン２９ｃ・２９ｄ、および補間された参照光の強度分布３３ｂに基づき、物体光の垂直方向の偏光成分の撮像面１２ａ上の複素振幅分布３４ｂを求めることができる。

　再生部２４は、得られた複素振幅分布に基づき、回折積分を行うことにより、各偏光成分について任意の奥行き位置での合焦像（振幅分布を示す再生像）を得ることができる。また、合焦像について被写体の３次元形状の情報を含む位相分布を得ることができる。再生部２４は、被写体の奥行き位置において、計算して得た水平方向の偏光成分および垂直方向の偏光成分についての再生像と位相分布とを偏光状態算出部２５に出力する。

　偏光状態算出部２５は、水平方向の偏光成分の再生像と位相分布および垂直方向の偏光成分の再生像と位相分布に基づき、再生像の各位置（各画素）における詳細な偏光状態を表すためにストークスパラメータを求める。まず、偏光状態算出部２５は、水平方向の偏光成分の位相分布と垂直方向の偏光成分の位相分布の差を求める。次に、偏光状態算出部２５は、求めた位相差分布と各偏光成分における振幅分布とに基づき、再生像の各位置（各画素）におけるストークスパラメータＳ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を求める。ストークスパラメータは以下の式で表すことができる。
Ｓ０＝Ａ_ｘ ^２＋Ａ_ｙ ^２
Ｓ１＝Ａ_ｘ ^２－Ａ_ｙ ^２
Ｓ２＝２Ａ_ｘＡ_ｙcos(θ_ｘ－θ_ｙ)
Ｓ３＝２Ａ_ｘＡ_ｙsin(θ_ｘ－θ_ｙ)
ここで、Ａ_ｘは被写体の水平方向偏光における振幅分布、Ａ_ｙは被写体の垂直方向偏光における振幅分布、θ_xは被写体の水平方向偏光における位相分布、θ_ｙは被写体の垂直方向偏光における位相分布を表す。偏光状態算出部２５は、求めたストークスパラメータを偏光画像生成部３５に出力する。なお、偏光状態算出部２５は、ストークスパラメータの代わりにジョーンズベクトルまたはミュラー行列等を求めることにより、詳細な偏光状態を求めてもよい。また、他の偏光状態を表すパラメータを求めて偏光状態を表現してもよい。偏光状態算出部２５は、水平方向および垂直方向の偏光成分についての物体光の複素振幅分布から、被写体の像の詳細な偏光状態を求めることができる。

　偏光画像生成部３５は、ストークスパラメータから被写体の各偏光方向（例えば、０°方向（水平方向）、４５°方向、９０°方向（垂直方向）、１３５°方向）の振幅分布を求め、偏光方向毎に振幅分布を着色し、偏光分布を表す被写体の画像を生成する。

　実施の形態１では、このようにして、参照光の位相と偏光方向とが異なる４種類の干渉パターンを一回の撮像によって一度に取得し、これに基づいて再生像の詳細な偏光状態を表すストークスパラメータを求めることにより、偏光イメージングを実現する。本実施の形態によれば、参照光の位相と偏光方向とが異なる４種類の干渉パターンを同一平面（撮像面１２ａ）に同時に形成し、撮像面の画素を分割して各干渉パターンを同時に取得するため、一度の撮像によって、被写体の３次元構造と偏光分布とをイメージングするために必要な情報を取得することができる。そのため、動的な変化を伴う被写体の、ある瞬間の３次元構造と偏光分布とをイメージングすることができる。また、本実施の形態では、参照光の位相が異なる干渉パターンを取得するので、位相シフト法によって０次回折光および共役像（－１次回折光）を除去した再生像（１次回折光）を得ることができる。そのため、インライン型のディジタルホログラフィによって再生像を得ることができる。それゆえ、非特許文献１の技術に比べて、撮影可能範囲が広く、かつ被写体のより詳細な構造を取得することができる。そのため、本実施の形態によれば、動的な変化を伴うより大きな被写体をより詳細に観察することができる。また、本実施の形態によれば、軸外し型のディジタルホログラフィを用いる非特許文献１に記載の構成に比べて、偏光調整素子（波長板、偏光板等）が少なくて済み、光学系を簡単に構成することができ、偏光イメージング装置１を小型にすることができる。

　３次元構造の情報と偏光分布の情報とを同時に取得するためには、偏光イメージングカメラとディジタルホログラフィ用撮像素子をそれぞれ１台ずつ使用して別個に撮像を行うことを考えるのが、自然な発想である。しかしながら、２つの撮像素子（カメラ）を用いて別個に撮像を行ったのでは、２つの撮像素子の相対位置をナノメートルオーダーで精密に位置合わせする必要があり実用的ではない。そこで本願発明者は、偏光分布を得るための少なくとも２種類の画素（偏光方向が異なる画素）、および、３次元情報を得るため（位相シフト法を用いて物体像を得るため）の少なくとも２種類の画素（参照光の位相が異なる画素）の組み合わせの４種類の画素を、１つの撮像面に交互に配置する方法（本発明）を発明した。種類の異なる干渉パターンを空間分割多重して撮像面に形成するこの方法は、分割多重数（画素の種類）が少なくとも４つ（見かけの画素数が１／４以下）になるため、軸外し型の偏光イメージング装置（非特許文献１等）と比較した場合に、一見、画質が劣化すると考えられ優位性がないと予測される。しかしながら、本願発明者による解析・評価の結果、本発明は、非特許文献１の構成と比べて広視野かつ高分解能を有するものであり、従来の技術に対して際だった優位性を有するものであることが分かった。後述するシミュレーション結果において、本実施の形態によれば、見かけの画素数が１／４であるにも関わらず、劣化の見られない再生像、および偏光分布を得ることができることを説明する。

　なお、用いるレーザ光の偏光方向は、第１方向および第２方向に対して対等でなくてもよく、第１方向および第２方向の両方の偏光成分を含んでいればよい。レーザ光は、円偏光または楕円偏光等であってもよい。もちろん、第１方向および第２方向は、水平方向および垂直方向に限らない。

　また、位相シフトアレイデバイスの格子状に区切られた１つのセル（位相シフト領域）を通過する参照光が、撮像素子の１画素に結像する必要はなく、位相シフトアレイデバイスの１つのセルを通過する参照光が撮像素子の複数の画素（例えば２×２の画素）に結像するよう結像光学系を構成してもよい。同様に、偏光子アレイデバイスの１つのセル（偏光子２３ａ・２３ｂ）が撮像素子の１画素に対応する必要はなく、偏光子アレイデバイスの１つのセルが複数の画素（例えば２×２の画素）に対応するように構成してもよい。また、本実施の形態では、位相シフトアレイデバイスを通過した参照光は２種類の位相の参照光に分かれるが、３種類以上であってもよい。また、偏光子アレイデバイスの偏光子の光学軸の方向は、３種類以上であってもよい。すなわち、偏光方向と参照光の位相との組み合わせが異なる４種類以上の干渉パターンを一度に撮像し、取得した干渉パターンに基づいて再生像およびストークスパラメータを求めてもよい。

　また、本実施の形態では、被写体を透過・回折した物体光を観察する透過型の光学系を用いているが、本発明は、被写体によって反射・散乱された物体光を観察する反射型の光学系を用いても実現することができる。また、本実施の形態では、偏光子アレイデバイスを用いて各偏光方向の干渉パターンを撮像しているが、これに限らず、撮像素子が受光した物体光および参照光をビームスプリッタで複数に分割し、分割された光毎に、異なる方向の偏光子を通過させて個々の撮像面で撮像し、各偏光方向の干渉パターンを撮像する撮像素子を用いてもよい。

　＜シミュレーション結果＞
　本願発明者は、計算機による本実施の形態に基づく再生像の生成およびストークスパラメータの算出のシミュレーションを行った。以下に、そのシミュレーション結果について説明する。

　被写体の撮像を行う光学系は図１に示す偏光イメージング装置１である。図４の（ａ）は、被写体の見た目の明暗を表す、水平方向（Ｐ１）の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、図４の（ｂ）は、被写体の見た目の明暗を表す、垂直方向（Ｐ２）の偏光成分の振幅分布を示す画像である。被写体は物体光が透過する方向に垂直な平面における断面が正方形の物体であり、被写体には猫の像が形成されている。図４の（ｃ）は、図４の（ａ）に対応して、水平方向（Ｐ１）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像であり、図４の（ｄ）は、図４の（ｂ）に対応して、垂直方向（Ｐ２）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像である。図４の（ｃ）および図４の（ｄ）において、位相の遅れは明暗で表されており、最も暗い箇所は最も明るい箇所に比べてレーザ光（物体光）の位相が１．５π遅れている。

　図５の（ａ）は、この被写体によって回折した物体光のストークスパラメータＳ０を示す画像であり、図５の（ｂ）は、この被写体によって回折した物体光のストークスパラメータＳ１を示す画像であり、図５の（ｃ）は、この被写体によって回折した物体光のストークスパラメータＳ２を示す画像であり、図５の（ｄ）は、この被写体によって回折した物体光のストークスパラメータＳ３を示す画像である。図５の（ａ）～図５の（ｄ）において、明るい箇所ほどストークスパラメータが大きいことを示す。

　なお、シミュレーションの条件として、用いるレーザ光の波長λは５３２ｎｍであり、被写体の断面のサイズ（図４の（ａ）に示す画像の縦横のサイズ）は、３．６９ｍｍ×３．６９ｍｍであり、被写体と撮像素子の撮像面との間の距離（物体光の光軸に沿った距離）は５０ｍｍであり、撮像素子の各画素のサイズは１．８μｍ×１．８μｍであり、撮像素子の画素数は２０４８×２０４８ピクセルであり、画素ピッチは１．８μｍであると仮定した。上記の条件の下、計算機によって、被写体の物体光と参照光とが撮像面に作る干渉パターンを取得し、再生像を計算し、それに基づき再生像のストークスパラメータを求めるシミュレーションを行った。なお、干渉パターンの取得も計算機によるシミュレーションによって行っている。

　図６の（ａ）～図６の（ｄ）は、被写体の再生像に関して、本実施の形態に基づいて行ったシミュレーションの結果を示す画像である。図６の（ａ）は、再生像におけるＰ１の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、図６の（ｂ）は、再生像におけるＰ２の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、図６の（ｃ）は、図６の（ａ）に対応して、再生像におけるＰ１の偏光成分の位相分布を示す画像であり、図６の（ｄ）は、図６の（ｂ）に対応して、再生像におけるＰ２の偏光成分の位相分布を示す画像である。本実施の形態によって、撮像した干渉パターンを４分割して位相と偏光方向が異なる４種類の干渉パターンを得た場合でも、精確かつ鮮明な再生像および精確な位相分布が得られることが分かる。

　図７の（ａ）～図７の（ｄ）は、シミュレーションで得られた再生像および位相分布から求めたストークスパラメータを示す画像である。図７の（ａ）は、再生像におけるストークスパラメータＳ０を示す画像であり、図７の（ｂ）は、再生像におけるストークスパラメータＳ１を示す画像であり、図７の（ｃ）は、再生像におけるストークスパラメータＳ２を示す画像であり、図７の（ｄ）は、再生像におけるストークスパラメータＳ３を示す画像である。図７の（ａ）～図７の（ｄ）と図５の（ａ）～図５の（ｄ）とを比較すると、本実施の形態の偏光イメージングのシミュレーションによって本来のストークスパラメータを精確に再現できたことが分かる。すなわち、本実施の形態によれば、動的な変化を伴う被写体の３次元構造と詳細な偏光状態とを精確に取得し、偏光イメージングを行うことができる。

　＜計測可能範囲の比較＞
　本実施の形態では、撮像面を４分割してホログラム（干渉パターン）を多重記録するが、インライン型の光学系を利用しているため、撮像可能な範囲、すなわち計測できる被写体の大きさは、軸外し型の光学系を利用する非特許文献１のものより大きくなる。

　図８の（ａ）は、本実施の形態の偏光イメージング装置における撮像可能範囲と、軸外し型の偏光イメージング装置における撮像可能範囲とを示す図である。本比較図では、参照光を平行光と仮定している。本実施の形態の偏光イメージング装置では、軸外し型の偏光イメージング装置に比べてより大きな被写体（より大きな範囲）を撮像することができることがわかる。なお、図８の（ａ）に示す撮像可能範囲を求めた条件として、撮像素子の画素ピッチを１．８μｍとし、レーザ光の波長を５３２ｎｍとし、撮像面の面積を１．８４ｍｍ×１．８４ｍｍとし、被写体と撮像面との間の距離を３００ｍｍとした。なお、撮像可能範囲は、鮮明な再生像が得られる範囲（視野）とした。撮像可能範囲から外れると、０次回折光または共役像の重畳、エイリアシングおよびそれに伴うゴースト像の発生等の問題が発生し、画質が低下する。鮮明な再生像が得られる範囲とは、上記の問題が発生しない限界の範囲である。

　画素ピッチが大きい撮像素子を用いる場合、さらに差が顕著になる。図８の（ｂ）は、本実施の形態の偏光イメージング装置における撮像可能範囲と、軸外し型の偏光イメージング装置における撮像可能範囲とを示す図である。図８の（ｂ）に示す撮像可能範囲を求めた条件として、撮像素子の画素ピッチを５μｍとし、レーザ光の波長を５３２ｎｍとし、撮像面の面積を２．５６ｍｍ×２．５６ｍｍとし、被写体と撮像面との間の距離を３００ｍｍとした。この場合、本実施の形態の偏光イメージング装置では、軸外し型の偏光イメージング装置に比べて４倍以上大きな被写体（大きな範囲）を撮像することができることがわかる。

　［実施の形態２］
　以下、実施の形態２について、図９～図１０を参照して詳細に説明する。ここで、光源の数は１であり、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２である。なお、説明の便宜上、実施の形態１にて説明した部材・構成と同じ機能を有する部材・構成については、同じ符号を付記し、以下では実施の形態１と異なる部分についてのみ説明する。

　図９は、本実施の形態２の偏光イメージング装置２の構成を示す模式図である。偏光イメージング装置２のレーザ光源１１は、第２方向（垂直方向）の偏光成分を有する直線偏光のレーザ光を出射する。偏光イメージング装置２は、偏向方向を調整する１／２波長板３６と、偏向方向を調整する第１空間光変調器３７および位相シフトを行う第２空間光変調器３８とを備える。偏光イメージング装置２は、実施の形態１の位相シフトアレイデバイスおよび偏光子アレイデバイスを備えない。

　ビームスプリッタ１６によって分割された垂直方向に偏光している物体光は、１／２波長板３６によって偏光方向が４５°回転され、垂直方向の偏光成分と水平方向の偏光成分とが等しい偏光に変換される。そして、垂直方向の偏光成分と水平方向の偏光成分を含む物体光（斜め偏光の物体光）が、被写体１８に照射される。被写体１８を透過・回折した物体光は、ビーム結合素子１９によって反射され、撮像素子１２の撮像面１２ａに入射する。なお、１／４波長板等を用いて物体光を円偏光または楕円偏光に変換してもよい。

　他方、ビームスプリッタ１６によって分割された垂直方向に偏光している参照光は、ミラー２０によって反射され、２つの空間光変調器３７・３８を通過する。図１０の（ａ）は、第１空間光変調器３７の一部を示す模式平面図である。第１空間光変調器（偏光方向変化アレイ部）３７は、通過したレーザ光の偏光方向を９０°回転させる第１方向領域３７ａと、偏光方向を変化させずにレーザ光を通過させる第２方向領域３７ｂとをそれぞれ複数備える。第１方向領域３７ａに入射した垂直方向偏光の参照光は、偏光方向が９０°回転され、水平方向偏光の参照光となって第１方向領域３７ａから出射される。一方、第２方向領域３７ｂに入射した垂直方向偏光の参照光は、そのまま垂直方向偏光の参照光として第２方向領域３７ｂから出射される。第１空間光変調器３７は、線状の第１方向領域３７ａと線状の第２方向領域３７ｂとが縦方向に交互に並んで配置された構成をしている。なお、入射する参照光の偏光方向、第１方向領域、および第２方向領域の作用は上記の例に限らず、第１空間光変調器の第１方向領域が、入射した参照光を第１方向に偏光した参照光に変換し、第１空間光変調器の第２方向領域が、入射した参照光を第２方向に偏光した参照光に変換するよう構成されていればよい。

　図１０の（ｂ）は、第２空間光変調器３８の一部を示す模式平面図である。第２空間光変調器（位相シフトアレイ部）３８は、通過したレーザ光の位相を互いに異ならせる複数の領域を有する。第２空間光変調器３８は、２種類の位相シフト領域３８ａ・３８ｂから構成されている。位相シフト領域３８ａを通過した参照光に対して、位相シフト領域３８ｂを通過した参照光は、その進行方向に垂直な平面上における位相がその偏光方向に関わらず（－π／２）だけずれる（位相がπ／２だけ遅れる）。便宜上、位相シフト領域３８ａを通過した参照光を位相シフト量が０の参照光、位相シフト領域３８ｂを通過した参照光を位相シフト量が（－π／２）の参照光と記載する。第２空間光変調器３８は、線状の位相シフト領域３８ａと線状の位相シフト領域３８ｂとが横方向に交互に並んで配置された構成をしている。

　第１空間光変調器３７と第２空間光変調器３８とは互いに貼り合わせられており、第１空間光変調器３７および第２空間光変調器３８を通過した参照光は、図１０の（ｃ）に示すように、２種類の偏向と２種類の位相の４種類の参照光に分かれる。図１０の（ｃ）は、図１０の（ｂ）に対応して、第２空間光変調器３８を通過した直後の一部の参照光の状態を示す模式図である。領域３９ａを通過する参照光は、水平方向偏光であり、位相シフト量は０である。領域３９ｂを通過する参照光は、水平方向偏光であり、位相シフト量は（－π／２）である。領域３９ｃを通過する参照光は、垂直方向偏光であり、位相シフト量は０である。領域３９ｄを通過する参照光は、垂直方向偏光であり、位相シフト量は（－π／２）である。これら４種類の参照光は、第２空間光変調器３８を通過することによって広がって進むが、結像光学部２２によって、それぞれ撮像素子１２の撮像面１２ａの各画素に結像される。

　撮像面１２ａには、４種類の参照光と斜め偏光の物体光とが干渉した干渉パターンが形成される。すなわち、撮像面１２ａの各画素は、４種類の参照光のいずれかと、斜め偏光の物体光とが干渉した光強度を測定する。これにより、位相シフト量が０で水平方向偏光である参照光と物体光の水平方向の偏光成分とが作る干渉パターン、位相シフト量が（－π／２）で水平方向偏光である参照光と物体光の水平方向の偏光成分とが作る干渉パターン、位相シフト量が０で垂直方向偏光である参照光と物体光の垂直方向の偏光成分とが作る干渉パターン、および、位相シフト量が（－π／２）で垂直方向偏光である参照光と物体光の垂直方向の偏光成分とが作る干渉パターンの４種類の干渉パターンを、偏光子アレイデバイス等を備えない撮像素子１２によって一度に撮像することができる。

　その後、実施の形態１と同様に、物体光の複素振幅分布を求め、再生像および位相分布を生成し、ストークスパラメータを求めることで偏光イメージングを行うことができる。

　本実施の形態によれば、偏光子アレイデバイスを備えた偏光イメージングカメラを用いる必要がなく、簡素な撮像素子を用いて偏光イメージングを実現することができる。また、結像光学部２２によって生じる収差をいずれかの空間光変調器３７・３８によって補償することも可能である。また、本実施の形態では、２つの空間光変調器３７・３８が参照光の経路に並べて配置され、参照光にのみ作用するので、結像光学部２２の調整が容易になる。

　なお、偏光子アレイを撮像素子の撮像面に貼り合わせる実施の形態１の構成では、偏光子アレイを歪めて貼り付けると光の位相が歪んでしまう問題、および偏光子アレイと撮像素子を貼り合わせる際に位置ずれが起こるという問題がある。偏光子アレイを撮像素子に一度貼り合わせると補正ができない。これに対し、実施の形態２では、偏光子アレイを撮像素子に貼り合わせる必要がなく、光学系の調整を容易に行うことができるという特長がある。

　ここで、同じ偏光方向の２つの光は干渉を起こすが、異なった偏光方向の２つの光は干渉を起こさない。例えば、位相シフト量が０で水平方向偏光である参照光と、斜め偏光の物体光とが入射した画素上では、物体光の水平方向の偏光成分と参照光とは干渉するが、物体光の垂直方向の偏光成分は干渉を起こさない。これに対して、位相シフト量が０で垂直方向偏光である参照光と、斜め偏光の物体光とが入射した画素上では、物体光の垂直方向の偏光成分と参照光とは干渉するが、物体光の水平方向の偏光成分は干渉を起こさない。そのため、撮像素子１２は、物体光の干渉に関与しない偏光成分も測定してしまうが、物体光の干渉に関与しない偏光成分の影響は、位相シフト法による計算過程で０次回折光の影響と共に除去することができる。以下に、干渉に関与しない物体光の偏光成分の影響を除去する方法について説明する。

　＜物体光の複素振幅分布の計算方法＞
　撮像面１２ａにおける物体光の強度Ａ_o ²(x,y) は次式で表せる。

ここで、Ａ_oP1 ²(x,y) は、物体光の水平方向（Ｐ１）の偏光成分の強度であり、Ａ_oP2 ²(x,y)は、物体光の垂直方向（Ｐ２）の偏光成分の強度である。

　位相シフト量が０で水平方向偏光である参照光が入射する画素が検出する光の強度をＩ_A(x,y) 、位相シフト量が（－π／２）で水平方向偏光である参照光が入射する画素が検出する光の強度をＩ_B(x,y) 、位相シフト量が０で垂直方向偏光である参照光が入射する画素が検出する光の強度をＩ_C(x,y) 、位相シフト量が（－π／２）で垂直方向偏光である参照光が入射する画素が検出する光の強度をＩ_D(x,y) とする。各画素に入射する参照光は、直交する偏光方向の物体光とは干渉しないため、各画素が検出する光の強度は次の４つの式で表すことができる。

ここで、Ａ_r(x,y) は、撮像面１２ａにおける参照光の振幅を表し、φ_oP1(x,y) 、およびφ_oP2(x,y) は、それぞれ撮像面１２ａにおける物体光のＰ１およびＰ２の偏光成分の位相を表す。

　Ｉ_A(x,y) およびＩ_B(x,y) からＰ１に関する偏光成分について２段階位相シフト法の式を立て、Ｉ_C(x,y) およびＩ_D(x,y) からＰ２に関する偏光成分について２段階位相シフト法の式を立てると、次の式が得られる。

ここで、αは位相シフト量（ここではα＝－π／２）であり、t(x,y) は０次回折光成分の強度と物体光の非干渉成分（参照光と直交する偏光成分）の強度との和である。

　上記の式（６）～式（９）とsin²φ_o＋cos²φ_o＝１の公式より、t(x,y) を求める２次方程式を立てることができる。結果としてt(x,y) は以下の式で表すことができる。

Ｉ_A(x,y) 、Ｉ_B(x,y) 、Ｉ_C(x,y) 、Ｉ_D(x,y) 、およびＡ_r(x,y) は測定可能な量であるので、上記の式（１１）～式（１７）からt(x,y) の値を求めることができ、求めたt(x,y) と式（６）～式（９）から、物体光の各偏光成分の複素振幅分布を表すための所望の情報であるＡ_oP1(x,y) 、Ａ_oP2(x,y) 、φ_oP1(x,y) 、およびφ_oP2(x,y) を求めることができる。このようにして、干渉に関与しない物体光の偏光成分の影響を除去して、物体光の各偏光成分の複素振幅分布を求めることができる。

　［実施の形態３］
　以下、実施の形態３について、図１１を参照して詳細に説明する。ここで、光源の数は１であり、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２である。なお、説明の便宜上、実施の形態１にて説明した部材・構成と同じ機能を有する部材・構成については、同じ符号を付記し、以下では実施の形態１と異なる部分についてのみ説明する。本実施の形態では、細胞等の生体試料の観察に適した偏光顕微鏡への応用について説明する。

　図１１は、本実施の形態の偏光イメージング装置３の構成を示す模式図である。偏光イメージング装置３のレーザ光源１１が出射するレーザ光の偏光方向は、第１方向から４５°傾いた、光の進行方向から見て右上がりの偏光方向である。なお、１／４波長板をもちいてレーザ光を円偏光等にしてもよい。偏光イメージング装置３は、空間光変調器４０と、結像光学部（波面変換部）４１と、空間フィルタリング素子４２と、顕微鏡対物レンズ４３とを備える。偏光イメージング装置３は、実施の形態１の位相シフトアレイデバイスを備えない。

　被写体１８を透過・回折した物体光は、顕微鏡対物レンズ（拡大光学部）４３によって拡大される。すなわち、顕微鏡対物レンズ４３を通して被写体１８を観察すると、拡大された被写体１８の像を観察することができる。顕微鏡対物レンズ４３を通過した物体光は、ビーム結合素子１９によって反射され、撮像素子１２の撮像面１２ａに入射する。

　他方、ビームスプリッタ１６によって分割された参照光は、ミラー２０によって反射され、空間光変調器（位相シフトアレイ部）４０を通過する。空間光変調器４０は、通過する参照光に対して、図１０（ｂ）に示す空間光変調器３８と同様に位相シフト作用を行う。すなわち、空間光変調器４０は、２種類の領域を有し、第１の領域を通過した参照光に対して、第２の領域を通過した参照光の位相を（－π／２）異ならせる。

　空間光変調器４０を通過した参照光は、結像光学部４１および空間フィルタリング素子４２を通過し、ビーム結合素子１９を通過し、偏光子アレイデバイス２３を通過し、撮像面１２ａに入射する。空間光変調器４０を通過した２種類の参照光は、結像光学部４１および空間フィルタリング素子４２によって、それぞれ撮像素子１２の撮像面１２ａの各画素に結像される。なお、結像光学部４１は、参照光を球面波（あるいは非球面波）として出射する。ここで、空間フィルタリング素子４２は、ピンホールを有し、空間光変調器４０の各セルを通過して回折する参照光の成分を除去する。これにより、きれいな形の球面波（あるいは非球面波）の参照光を得ることができ、参照光は球面波（あるいは非球面波）として撮像素子１２の撮像面１２ａに入射する。

　偏光子アレイデバイス２３は、実施の形態１と同様に、物体光および参照光について、第１の方向（水平方向）の偏光成分、または第２の方向（垂直方向）の偏光成分のみを選択的に通過させる。そのため、撮像面１２ａには、水平方向偏光かつ位相シフト量が０の参照光と水平方向偏光の物体光とが干渉する画素、水平方向偏光かつ位相シフト量が（－π／２）の参照光と水平方向偏光の物体光とが干渉する画素、垂直方向偏光かつ位相シフト量が０の参照光と垂直方向偏光の物体光とが干渉する画素、および垂直方向偏光かつ位相シフト量が（－π／２）の参照光と垂直方向偏光の物体光とが干渉する画素がある。

　被写体１８の一点から回折して広がる物体光は、球面波（あるいは非球面波）として撮像面１２ａに到達する。ここで、参照光が平面波として撮像面１２ａに対して垂直な方向から入射すると、平面波である参照光と球面波（あるいは非球面波）である物体光とは、部分的に撮像面１２ａへの入射角が異なってしまう。撮像面１２ａへの入射角が異なるということは、撮像面１２ａにできる干渉パターンの空間周波数が高くなる（干渉縞の間隔が狭くなる）ことを意味し、被写体の細部の３次元構造を記録するために高解像度の撮像素子を必要とする。

　実施の形態３では、物体光に合わせて、参照光を球面波（あるいは非球面波）に変換して撮像面１２ａに入射させるため、参照光および物体光の進行方向の角度差を小さくし、干渉縞の間隔を広くすることができる。そのため、低解像度の撮像素子を用いて被写体の細部の３次元構造の情報を含む干渉パターンを記録することができる。それゆえ、実施の形態３の偏光イメージング装置３によれば、顕微鏡対物レンズ４２を用いて拡大した被写体１８の像の細部を、より精確に偏光イメージングによって観察することができる。なお、参照光を平面波のまま撮像面１２ａに入射させても、偏光顕微鏡として利用することができる。

　なお、軸外し型の光学系を利用する構成（非特許文献１）は、そもそも物体光の入射角と参照光の入射角に差をつけることが必須の構成であるため、本実施の形態のように高い精度で細部を観察することができない。

　［実施の形態４］
　以下、本実施の形態について、図１２～図１８を参照して詳細に説明する。なお、説明の便宜上、実施の形態１にて説明した部材・構成と同じ機能を有する部材・構成については、同じ符号を付記し、以下では実施の形態１と異なる部分についてのみ説明する。本実施の形態では、３種類の波長のレーザ光を用いる分光情報を得ることができる偏光イメージング装置について説明する。

　図１２は、実施の形態４の偏光イメージング装置４の構成を示す模式図である。ここで、光源の数は３であり、各光源に対して、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２である。偏光イメージング装置４は、互いに異なる波長のレーザ光を出射する３種類のレーザ光源１１ａ・１１ｂ・１１ｃと、ミラー４４と、ビーム結合素子４５・４６と、位相シフトアレイデバイス４７とを備える。また、偏光イメージング装置４は、撮像素子１２の撮像面１２ａの前面に配置された波長選択フィルタ４８および偏光子アレイデバイス４９を備える。

　レーザ光源１１ａは波長λ１のレーザ光を出射し、レーザ光源１１ｂは波長λ２のレーザ光を出射し、レーザ光源１１ｃは波長λ３のレーザ光を出射する。レーザ光源１１ｃから出射された波長λ３のレーザ光はミラー４４で反射され、レーザ光源１１ｂから出射された波長λ２のレーザ光はビーム結合素子４５で反射され、ビーム結合素子４６によって、レーザ光源１１ａから出射された波長λ１のレーザ光と光軸が揃えられる。各レーザ光源１１ａ・１１ｂ・１１ｃが出射するレーザ光の偏光方向は、第１方向から４５°傾いた、光の進行方向から見て右上がりの偏光方向である。なお、１／４波長板をもちいてレーザ光を円偏光等にしてもよい。各波長のレーザ光は、ビームスプリッタ１６によって、各波長の物体光と参照光とに分割される。

　各波長の参照光は、位相シフトアレイデバイス４７を通過する。図１３の（ａ）は、位相シフトアレイデバイス４７の一部を示す模式図である。位相シフトアレイデバイス４７は、通過したレーザ光の位相を互いに異ならせる複数の領域を有する。位相シフトアレイデバイス４７は、６種類の位相シフト領域４７ａ～４７ｆから構成されている。位相シフト領域４７ａを通過した波長λ１の参照光に対して、位相シフト領域４７ｂを通過した波長λ１の参照光は、その進行方向に垂直な平面上における位相がその偏光方向に関わらず（－π／２）だけずれる。また、位相シフト領域４７ｃを通過した波長λ２の参照光に対して、位相シフト領域４７ｄを通過した波長λ２の参照光は、その進行方向に垂直な平面上における位相がその偏光方向に関わらず（－π／２）だけずれる。位相シフト領域４７ｅを通過した波長λ３の参照光に対して、位相シフト領域４７ｆを通過した波長λ３の参照光は、その進行方向に垂直な平面上における位相がその偏光方向に関わらず（－π／２）だけずれる。なお、例えば位相シフト領域４７ａ・４７ｂを通過した波長λ２またはλ３の参照光の位相のずれは問題にならない。位相シフト領域４７ａ・４７ｂを通過した波長λ２およびλ３の参照光は、後に波長選択フィルタ４８によって遮断してしまい撮像素子１２に検出されないからである。便宜上、位相シフト領域４７ａ・４７ｃ・４７ｅを通過した参照光を位相シフト量が０の参照光、位相シフト領域４７ｂ・４７ｄ・４７ｆを通過した参照光を位相シフト量が（－π／２）の参照光と記載する。

　位相シフトアレイデバイス４７には、これら６種類の位相シフト領域４７ａ～４７ｆが図１３の（ａ）のように配置されており、図に示す４×４セルの構造が周期的に配列している。位相シフトアレイデバイス４７は、例えば、ガラスで形成し位相シフト領域毎に厚みを変えることで構成できる。

　位相シフトアレイデバイス４７を通過した参照光は、結像光学部２２を通過し、ビーム結合素子１９を通過し、波長選択フィルタ４８を通過し、偏光子アレイデバイス４９を通過し、参照光の光軸が撮像面１２ａにほぼ垂直になるように撮像面１２ａに入射する。位相シフトアレイデバイス４７を通過した参照光は回折し、結像光学部２２によって撮像面１２ａに結像される。結像光学部２２は複数のレンズから構成されている。ここで、例えば、位相シフトアレイデバイス４７の１つの位相シフト領域４７ａを通過した参照光は、撮像面１２ａのいずれか１つの画素に結像される。すなわち、格子状に区切られた位相シフト領域４７ａ～４７ｆの１つのセルを通過した参照光は、撮像面１２ａのいずれか１つの画素に結像される。

　他方、被写体１８によって回折・散乱された各波長の物体光は、ビーム結合素子１９で反射され、波長選択フィルタ４８を通過し、偏光子アレイデバイス４９を通過し、撮像素子１２の撮像面１２ａに入射する。

　図１３の（ｂ）は、撮像面１２ａ側からみた波長選択フィルタ４８の一部を示す模式図である。波長選択フィルタ４８は、波長に応じて選択的に光を通過させるフィルタであり、波長λ１の光を通過させ波長λ２・λ３の光を遮断する第１波長選択領域４８ａ、波長λ２の光を通過させ波長λ１・λ３の光を遮断する第２波長選択領域４８ｂ、および波長λ３の光を通過させ波長λ１・λ２の光を遮断する第３波長選択領域４８ｃがそれぞれ複数配置されている。

　図１３の（ｃ）は、撮像面１２ａ側からみた偏光子アレイデバイス４９の一部を示す模式図である。偏光子アレイデバイス４９は、通過した光のある方向（ここでは水平方向）の偏光成分のみを取り出す偏光子４９ａと、それとは直交する方向（ここでは垂直方向）の偏光成分のみを取り出す偏光子４９ｂとが複数配置されたものである。そして、入射する参照光および物体光は水平方向の偏光成分および垂直方向の偏光成分を有している。本実施の形態では上記の第１方向は水平方向に一致し、第２方向は垂直方向に一致する。すなわち、偏光子４９ａ・４９ｂは、物体光および参照光のそれぞれの偏光方向に対応した偏光成分のみを通過させる。

　偏光子アレイデバイス４９を通過した物体光および参照光は、その背面にある撮像面１２ａに入射する。物体光および参照光の干渉に応じた光の強度が撮像面１２ａの画素によって検出され、撮像素子１２は、物体光と参照光とが撮像面１２ａに作る干渉パターンを撮像する。ここで、偏光子アレイデバイス４９および波長選択フィルタ４８は撮像面１２ａに隣接して貼り付けられているため、格子で区切られた個々の波長選択領域４８ａ～４８ｃ、および格子で区切られた個々の偏光子４９ａ・４９ｂが撮像面１２ａの１つの画素に対応する。また、位相シフトアレイデバイス４７の格子で区切られた１つのセル（位相シフト領域４７ａ～４７ｆ）を通過した参照光は、結像光学部２２によって結像され、波長選択フィルタ４８の１つの波長選択領域４８ａ～４８ｃおよび偏光子アレイデバイス４９の１つの偏光子４９ａ・４９ｂを通過する。

　それゆえ、３種類の波長のレーザ光について、それぞれ２種類の偏光方向と、２種類の参照光の位相との組み合わせがあり、撮像面１２ａには合計１２種類の干渉の画素がある。図１４は、偏光イメージング装置４で得られる干渉パターン５０の一部を示す図である。撮像面１２ａに作られる干渉パターン５０は、波長λ１の位相シフト量が０で物体光および参照光の水平方向成分が干渉した画素５１ａ、波長λ１の位相シフト量が（－π／２）で物体光および参照光の水平方向成分が干渉した画素５１ｂ、波長λ１の位相シフト量が０で物体光および参照光の垂直方向成分が干渉した画素５１ｃ、波長λ１の位相シフト量が（－π／２）で物体光および参照光の垂直方向成分が干渉した画素５１ｄ、波長λ２の位相シフト量が０で物体光および参照光の水平方向成分が干渉した画素５１ｅ、波長λ２の位相シフト量が（－π／２）で物体光および参照光の水平方向成分が干渉した画素５１ｆ、波長λ２の位相シフト量が０で物体光および参照光の垂直方向成分が干渉した画素５１ｇ、波長λ２の位相シフト量が（－π／２）で物体光および参照光の垂直方向成分が干渉した画素５１ｈ、波長λ３の位相シフト量が０で物体光および参照光の水平方向成分が干渉した画素５１ｉ、波長λ３の位相シフト量が（－π／２）で物体光および参照光の水平方向成分が干渉した画素５１ｊ、波長λ３の位相シフト量が０で物体光および参照光の垂直方向成分が干渉した画素５１ｋ、および波長λ３の位相シフト量が（－π／２）で物体光および参照光の垂直方向成分が干渉した画素５１ｌの１２種類の画素を含む。

　計算機１３は、撮像素子１２で撮像された干渉パターン５０を示す画像データを撮像素子１２から取得する。計算機１３の再生部２４は、これら１２種類の画素５１ａ～５１ｌをそれぞれ抽出することにより、３種類の波長毎に図３に示す干渉パターン２８ａ～２８ｄと同様の、画素の種類に応じた干渉パターンを得ることができる。各波長の干渉パターンについて、実施の形態１と同様に欠落した画素を補間し、２段階位相シフト法を用いることにより、波長および偏光成分毎の６種類の複素振幅分布が得られ、被写体１８の再生像および位相分布を得ることができる。

　またさらに、偏光状態算出部２５が、得られた再生像と位相分布を用いて各波長毎の再生像のストークスパラメータを算出し、詳細な偏光状態を求めることができる。偏光画像生成部３５は、各波長の偏光方向毎に振幅分布を着色し、各波長の偏光分布を表す被写体の画像を生成することができる。このように、本実施の形態の偏光イメージング装置４によれば、複数の波長のレーザ光源１１ａ～１１ｃを用いて、分光を行い、各波長における偏光イメージングを同時に（１回の撮像で）行うことができる。

　なお、波長選択フィルタ４８と偏光子アレイデバイス４９の順番は、逆でも構わない。そのため、波長選択フィルタが貼り付けられた市販のカラーＣＣＤカメラを用いて本実施の形態を構成し、分光情報を取得することが可能である。なお、本実施の形態では、各波長毎に分光した干渉パターンを得るために、ベイヤー配列の波長選択フィルタ４８を用いているが、これに限らず、プリズムで分光して３つの撮像面でそれぞれの波長の干渉パターンを撮像する３枚方式の撮像素子、または、波長により異なる深度で光を吸収するシリコンセンサーの特徴を利用して１画素で複数の波長（赤緑青）の光を別個に検出する撮像素子（非特許文献４参照）等を用いることもできる。

　＜シミュレーション結果＞
　本願発明者は、計算機による実施の形態４に基づく再生像の生成およびストークスパラメータの算出のシミュレーションを行った。以下に、そのシミュレーション結果について説明する。

　被写体の撮像を行う光学系は図１２に示す偏光イメージング装置４である。図１５の（ａ）は、被写体の見た目の明暗を表す、水平方向（Ｐ１）の偏光成分の振幅分布を示す画像であり、図１５の（ｂ）は、被写体の見た目の明暗を表す、垂直方向（Ｐ２）の偏光成分の振幅分布を示す画像である。被写体は物体光が透過する方向に垂直な平面における断面が正方形の物体であり、被写体には文字「ＫＩＴ」の像が形成されている。図１５の（ｃ）は、図１５の（ａ）に対応して、水平方向（Ｐ１）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像であり、図１５の（ｄ）は、図１５の（ｂ）に対応して、垂直方向（Ｐ２）の偏光のレーザ光が被写体を透過した場合の位相分布を示す画像である。図１５の（ｃ）および図１５の（ｄ）において、位相の遅れは明暗で表されており、最も暗い箇所は最も明るい箇所に比べてレーザ光（物体光）の位相が２π遅れている。

　図１６は、この被写体によって回折した各波長λ１～λ３の物体光の各ストークスパラメータＳ０～Ｓ３を示す画像である。図１６において、明るい箇所ほどストークスパラメータが大きいことを示す。

　なお、シミュレーションの条件として、用いるレーザ光の波長はλ１＝６３３ｎｍ（赤色：Ｒ）、λ２＝５３２ｎｍ（緑色：Ｇ）、λ３＝４７３ｎｍ（青色：Ｂ）であり、被写体の断面のサイズ（図４（ａ）に示す画像の縦横のサイズ）は、３．６９ｍｍ×３．６９ｍｍであり、被写体と撮像素子の撮像面との間の距離（物体光の光軸に沿った距離）は５０ｍｍであり、撮像素子の各画素のサイズは１．８μｍ×１．８μｍであり、撮像素子の画素数は２０４８×２０４８ピクセルであり、画素ピッチは１．８μｍであると仮定した。上記の条件の下、計算機によって、被写体の物体光と参照光とが撮像面に作る干渉パターンを取得し、再生像を計算し、それに基づき再生像のストークスパラメータを求めるシミュレーションを行った。なお、干渉パターンの取得も計算機によるシミュレーションによって行っている。

　図１７の（ａ）～図１７の（ｄ）は、被写体の再生像に関して、本実施の形態４に基づいて行ったシミュレーションの結果を示す画像である。図１７の（ａ）は、各波長の再生像におけるＰ１の偏光成分の振幅分布を加算した振幅分布を示す画像であり、図１７の（ｂ）は、各波長の再生像におけるＰ２の偏光成分の振幅分布を加算した振幅分布を示す画像であり、図１７の（ｃ）は、図１７の（ａ）に対応して、再生像におけるＰ１の偏光成分の位相分布を示す画像であり、図１７の（ｄ）は、図１７の（ｂ）に対応して、再生像におけるＰ２の偏光成分の位相分布を示す画像である。なお、シミュレーション条件として位相分布には波長依存性を設定していないため、図１７の（ｃ）、図１７の（ｄ）における位相分布はある波長における位相分布を示す。実施の形態４によって、撮像した干渉パターンを１２分割して位相と偏光方向が異なる１２種類の干渉パターンを得た場合でも、精確かつ鮮明な再生像および精確な位相分布が得られることが分かる。

　図１８は、シミュレーションで得られた再生像および位相分布から求めた各波長λ１～λ３の物体光の各ストークスパラメータＳ０～Ｓ３を示す画像である。図１８と図１６とを比較すると、実施の形態４の偏光イメージングのシミュレーションによって本来のストークスパラメータを精確に再現できたことが分かる。すなわち、本実施の形態によれば、動的な変化を伴う被写体の３次元構造と、複数の波長に関する詳細な偏光状態とを精確に取得し、分光および偏光イメージングを行うことができる。

　なお、実施の形態４では、用いるレーザ光の波長は３種類であったが、用いるレーザ光の波長は２種類でもよく、３種類より多くてもよい。また、可視光線だけでなく赤外、紫外、Ｘ線等の波長の光を用いてもよい。

　［実施の形態５］
　以下、実施の形態５について、図１９～図２０を参照して詳細に説明する。なお、説明の便宜上、実施の形態１にて説明した部材・構成と同じ機能を有する部材・構成については、同じ符号を付記し、以下では実施の形態１と異なる部分についてのみ説明する。実施の形態５では、光路長シフト法を利用するインライン型の光学系を備える形態について説明する。

　図１９は、実施の形態５の偏光イメージング装置５の構成を示す模式図である。ここで、光源の数は１であり、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２である。偏光イメージング装置５のレーザ光源１１が出射するレーザ光の偏光方向は、第１方向から４５°傾いた、光の進行方向から見て右上がりの偏光方向である。なお、１／４波長板をもちいてレーザ光を円偏光等にしてもよい。偏光イメージング装置５は、撮像素子１２の撮像面１２ａの前面に配置された光路長シフトアレイデバイス（光路長シフトアレイ部、位相シフト調整機能を有する）５２を備える。光路長シフトアレイデバイス５２と、偏光子アレイデバイス２３は、撮像面１２ａの前面に隣接して貼り付けられている。偏光イメージング装置５は、位相シフトアレイデバイス２１と結像光学部２２とを備えない。

　被写体１８を透過・回折した物体光は、ビーム結合素子１９によって反射され、撮像素子１２の撮像面１２ａに入射する。

　他方、ビームスプリッタ１６によって分割された参照光は、ミラー２０によって反射され、ビーム結合素子１９を通過して撮像素子１２の撮像面１２ａにほぼ垂直の入射角で入射する。

　物体光および参照光は、共に、偏光子アレイデバイス２３および光路長シフトアレイデバイス５２を通過し、撮像面１２ａに入射する。ここで、偏光子アレイデバイス２３は、図２の（ｂ）に示すものである。

　図２０は、撮像面１２ａ側からみた光路長シフトアレイデバイス５２の一部を示す模式図である。光路長シフトアレイデバイス５２は、通過したレーザ光の光路長を互いに異ならせる複数の領域を有する。本実施の形態では光路長シフトアレイデバイス５２の光路長シフト領域５２ａ・５２ｂは互いに光学軸が直交する１／４波長板で構成されている。光路長シフト領域５２ａの高速軸は水平方向に一致しており、低速軸は垂直方向に一致している。光路長シフト領域５２ｂの高速軸は垂直方向に一致しており、低速軸は水平方向に一致している。したがって、光路長シフト領域５２ａを通過した水平方向偏光の参照光および物体光に対して、光路長シフト領域５２ｂを通過した水平方向偏光の参照光および物体光の位相は（－π／２）だけずれる。すなわち、被写体１８と撮像面１２ａとの間の光路長として１／４波長だけ光路差が生じる。また、光路長シフト領域５２ｂを通過した垂直方向偏光の参照光および物体光に対して、光路長シフト領域５２ａを通過した垂直方向偏光の参照光および物体光の位相は（－π／２）だけずれる。

　そのため、撮像面１２ａには、２種類の偏光方向と、２種類の光路長との組み合わせによる合計４種類の干渉の画素がある。

　撮像素子１２は、撮像面１２ａに形成される４種類の干渉を含む干渉パターンを撮像し、再生部２４は、実施の形態１と同様に、４種類の画素を分離して、４種類の干渉パターンを得る。その後、再生部２４は、光路長シフト法を用いて水平方向の偏光成分の複素振幅分布および垂直方向の偏光成分の複素振幅分布をそれぞれ求める。その後の偏光イメージングまでの処理は実施の形態１と同様である。実施の形態５では偏光子アレイデバイス２３および光路長シフトアレイデバイス５２が、撮像面１２ａ面に貼り付けられ、撮像素子１２に取り付けられているので、このような撮像素子カメラを製造してしまえば、後の偏光イメージング装置のシステム形成は極めて簡単になる。

　［実施の形態６］
　実施の形態６では、参照光に位相シフトデバイスを用いる代わりに、参照光の撮像素子への入射角を変えることにより複数のホログラムを得る本発明の実施形態を説明する。

　図２１は、本発明の実施の形態６の偏光イメージング装置１ａの基本構成を示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

　実施の形態６の基本構成として偏光イメージング装置１ａの撮像素子１２に設けられた偏光子アレイデバイス２３に、物体光とは異なる方向から単一の参照光を入射させる。斜め方向からの参照光を入射することにより、位相シフト機能を果たすためのデバイスを用いることなく空間的に位相シフトしたホログラムを撮像面に取得し、空間キャリアシフト法と名付けられる簡単な画像処理により被写体の情報を抽出し、瞬時の３次元偏光イメージングを実現する。

　図２２は、偏光イメージング装置１ａの動作原理を説明するための図である。ここで、光源の数は１であり、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は４である。この動作原理は、空間的に位相をシフトしたホログラムを取得するものである。撮像素子１２に形成された撮像面と垂直な方向から入射する物体光(物体からの回折光または散乱光を意味する)に対して、参照光を傾斜角度θだけ傾けて入射させ、撮像素子１２の各画素において傾けた分だけ参照光の位相をシフトさせる。
ここで、傾斜角度θはθ＝ｓｉｎ－１（λ／４τ）である。
上式において各記号は、
λ：参照光の波長、
τ：撮像素子１２の画素間隔
である。

　傾斜角度θは、（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））であることが最も好ましいが、厳密に（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））である必要はなく、（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））に基づく角度であれば、本発明の効果を奏する。

　従って、撮像面上の参照光の位相シフト量は、隣り合う画素間隔τごとに（π／２）だけ連続的にシフトするが、図２２では理解を容易にするために参照光の位相シフト量を模式的に表している。

　この参照光と物体光が干渉することで、図２２に示すように、撮像面上に空間的に位相シフトしたホログラムが形成される。このようにして得られたホログラムを、以後空間キャリア位相シフトホログラムと呼ぶ。この空間的に位相シフトしたホログラムを記録することで、シングルショットにより空間キャリア位相シフトホログラムを取得することができる。

　図２３は、偏光イメージング装置１ａの構成を示す模式図である。ここで、光源の数は１であり、各光源に対して、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は４である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。レーザ光源１１から出射された光は、少なくても偏光子アレイデバイス２３中の偏光子の偏光成分と同様の方向の偏光成分を有する。偏光子アレイデバイス２３の構成は、図２（ｂ）を参照して前述した構成と同一である。

　レーザ光源１１から出射された光は、拡大された平行光とされた後、ビームスプリッタ１６によって２波に分けられる。一方の光は、被写体１８に照射され、被写体１８からの回折光が物体光として偏光子アレイデバイス２３付き撮像素子１２に入射する。他方の光は、参照光として、物体光に対して傾斜した角度で偏光子アレイデバイス２３付き撮像素子１２に入射する。

　図２４は、偏光イメージング装置１ａの動作のためのアルゴリズムを説明するための図である。図２３に示す偏光イメージング装置１ａは、計算機１３ａを有しており、計算機１３ａは、空間キャリア位相シフト部５３を有している。

　まず、図２３に示す撮像素子１２の構成を用いて、偏光方向Ｐ１、Ｐ２において空間的に位相シフトしたホログラム６２を１回の撮像により取得する。その後、空間キャリア位相シフト部５３は、偏光方向Ｐ１、Ｐ２ごとに干渉パターン６３ａ、６３ｂを抽出する。次に、空間キャリア位相シフト部５３は、参照光を傾けた方向と直交する方向の画素を用いて、欠落した画素を補間する。なお、本実施の形態では水平方向に参照光を傾けた例を示しているので、図２４では垂直方向の画素を用いて補間する例を示している。このようにして、偏光方向Ｐ１、Ｐ２ごとに空間的に位相シフトしたホログラム６４ａ、６４ｂを取得することができる。

　さらに空間キャリア位相シフト部５３は、得られたホログラム６４ａ、６４ｂに対して、空間キャリア位相シフト法の計算を行うことにより、偏光方向Ｐ１、Ｐ２ごとの被写体の複素振幅分布６５ａ、６５ｂを得ることができる。そして、得られた複素振幅分布６５ａ、６５ｂに基づいて、ストークスパラメータ、ジョーンズベクトル等の偏光状態を計算するための数式を用いて偏光イメージングを行うことができる。

　図２５は、上記アルゴリズムの空間キャリア位相シフト法を説明するための図である。この空間キャリア位相シフト法は、隣り合う、空間的に位相シフトしたホログラムの情報を用いて位相シフト法の計算を行い、被写体の複素振幅分布を計算する。位相シフトの段数は、一般的に何段でも実施可能であるが、一例として、位相シフト量が隣り合う画素で９０度、位相シフトの段数が３段のときの例を示している。

　例えば、図２５に示される領域Ｒ５に配置された画素における被写体の複素振幅を求めるためには、図２５に示される領域Ｒ２に配置された－π／２、０、－３π／２の３つの位相シフト量のホログラムを用いて位相シフト法の計算を行えば良い。領域Ｒ４に配置された画素における被写体の複素振幅を求めるためには、領域Ｒ１に配置された０、－３π／２、－πの３つの位相シフト量のホログラムを用いて位相シフト法の計算を行う。領域Ｒ６に配置された画素における被写体の複素振幅は、領域Ｒ３に配置された－π、－π／２、０の３つの位相シフト量のホログラムを用いて位相シフト法の計算を行う。この様な位相シフト法の計算により被写体の複素振幅分布を求めることができ，この複素振幅分布に回折積分の計算を施すことにより被写体の３次元像を再生することができる。

　今回、３つの位相シフト量のホログラムを用いて位相シフト法の計算を行うときの手順を述べたが、位相シフト法の計算を行う際に必要なホログラムは２つ以上であれば良く、用いる位相シフト量の数は２つでも４つでも、５つでも良い。

　以上のように、本実施の形態によれば、図１に示す位相シフトアレイデバイス２１、結像光学部２２のような特殊な位相シフト素子を用いず、単一の参照光を斜めに入射させるので、よりコンパクトな構成で広範囲、高精細の瞬時３次元イメージングと偏光イメージングを同時に実現可能である。

　この空間キャリア位相シフト法を用いる方法では、非特許文献１とは異なり、異なる偏光方向Ｐ１、Ｐ２の成分を持つ単一の参照光を物体光と角度をなして入射させる。角度をなして入射させるのは単一の参照光であるため偏光方向Ｐ１、Ｐ２の成分は同じ方向から入射しており、位相調整量は、非特許文献１とは異なり偏光方向Ｐ１、Ｐ２で同一である。その結果，非特許文献１で必要な高精度な調整精度が本方法では不要であり、非特許文献１のように光学素子の位置変化によって容易に偏光イメージング精度が低下することはない。

　なお、本実施の形態は、透過型光学系に適用した例を示したが、反射型の光学系でも実現可能である。

　図２６は、実施の形態６の他の偏光イメージング装置３ａの構成を示す模式図である。ここで、光源の数は１であり、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２以上である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。本実施の形態は、図１１に示す偏光イメージング装置３に対しても適用することができ、第２空間光変調器４０、結像光学部４１を用いず、参照光を物体光に対して傾斜させて偏光子アレイデバイス２３に入射させるように構成している。これにより、顕微鏡対物レンズ４３を備えた顕微鏡の構成に本実施の形態を適用することができる。

　図２７は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置４ａの構成を示す模式図である。ここで、光源の数は３であり、各光源に対して、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２以上である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

　本実施の形態は、図１２に示す偏光イメージング装置４に対しても適用することができる。偏光イメージング装置４ａは、図１２に示す位相シフトアレイデバイス４７、結像光学部２２を用いず、レーザ光源１１ａに基づく参照光、レーザ光源１１ｂに基づく参照光、及びレーザ光源１１ｃに基づく参照光を物体光に対して同じ角度で傾斜させて偏光子アレイデバイス４９に入射させるように構成している。これにより、偏光及び分光イメージング応用の偏光イメージング装置４に本実施の形態を適用して分光特性を計測することができる。

　レーザ光源１１ａに基づく参照光、レーザ光源１１ｂに基づく参照光、及びレーザ光源１１ｃに基づく参照光の波長は、互いに異なっている。従って、それぞれの参照光の傾斜角度θ＝（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））は、波長λが互いに異なっているから、厳密には互いに異なっている。しかしながら、前述したように、傾斜角度θは、（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））であることが最も好ましいが、厳密に（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））である必要はなく、（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））に基づく角度であれば、本発明の効果を奏する。

　そして、このように、同じ傾斜角度を有するように構成すれば、厳密に（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））となるように調整する構成に比べて画像精度は若干落ちるが、簡単に傾き調整ができるため、調整時間を短くすることができ、簡単に設置することができる。

　図２８は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置３ｂの構成を示す模式図である。ここで、光源の数は３であり、各光源に対して、参照光の方向が異なる偏光成分の数は２であり、第１および２方向の偏光成分について、互いに異なる位相の数は２以上である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。偏光イメージング装置３ｂは、図２６の顕微鏡に応用した偏光イメージング装置３ａを、レーザ１１ａ～１１ｃを備えた分光イメージング応用装置に適用した例である。図２７に示す偏光イメージング装置４ａと同様に、レーザ光源１１ａに基づく参照光、レーザ光源１１ｂに基づく参照光、及びレーザ光源１１ｃに基づく参照光を物体光に対して同じ角度で傾斜させて偏光子アレイデバイス４９に入射させるように構成している。このように、同じ傾斜角度を有するように構成すれば、厳密に（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））となるように調整する構成に比べて画像精度は若干落ちるが、簡単に傾き調整ができるため、調整時間を短くすることができ、簡単に設置することができる。

　図２９の（ａ）は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置４ｂの構成を示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

　図２７で前述した偏光イメージング装置４ａは、互いに異なる波長を有するレーザ光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃの参照光を同じ傾き角により偏光アレイデバイス４９に入射させていたが、偏光イメージング装置４ｂは、レーザ光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃの参照光のそれぞれがθ＝（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））となる傾斜角度θにより偏光アレイデバイス４９に入射するように構成されている。レーザ光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃの参照光のそれぞれの波長λは互いに異なっているので、レーザ光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃの参照光のそれぞれの傾斜角度θも互いに異なっている。

　レーザ光源１１ａは波長λ１のレーザ光を出射し、レーザ光源１１ｂは波長λ２のレーザ光を出射し、レーザ光源１１ｃは波長λ３のレーザ光を出射する。レーザ光源１１ｃから出射された波長λ３のレーザ光はビーム結合素子４４ａにより物体光と参照光とに分離される。レーザ光源１１ｂから出射された波長λ２のレーザ光は、ビーム結合素子４５により物体光と参照光とに分離される。レーザ光源１１ａから出射された波長λ１のレーザ光は、ビーム結合素子４６により物体光と参照光とに分離される。

　ビーム結合素子４４ａにより反射されたレーザ光源１１ｃの物体光、ビーム結合素子４５により反射されたレーザ光源１１ｂの物体光、及びビーム結合素子４６により反射されたレーザ光源１１ａの物体光は、ミラー２０により反射され、ビームエキスパンダ１４及びコリメータレンズ１５により平行光になり、被写体１８によって回折・散乱され、ビーム結合素子１９を透過して波長選択フィルタ４８、偏光子アレイデバイス４９に入射する。

　ビーム結合素子４４ａを透過したレーザ光源１１ｃの参照光は、ビームエキスパンダ１４ｃ及びコリメータレンズ１５ｃにより平行光になり、ビーム結合素子１９により反射され、物体光に対して傾斜角度θ＝（ｓｉｎ^－１（λ３／４τ））だけ傾斜して、波長選択フィルタ４８、偏光子アレイデバイス４９に入射する。

　ビーム結合素子４５を透過したレーザ光源１１ｂの参照光は、ビームエキスパンダ１４ｂ及びコリメータレンズ１５ｂにより平行光になり、ビーム結合素子１９により反射され、物体光に対して傾斜角度θ＝（ｓｉｎ^－１（λ２／４τ））だけ傾斜して、波長選択フィルタ４８、偏光子アレイデバイス４９に入射する。

　ビーム結合素子４６を透過したレーザ光源１１ａの参照光は、ビームエキスパンダ１４ａ及びコリメータレンズ１５ａにより平行光になり、ビーム結合素子１９により反射され、物体光に対して傾斜角度θ＝（ｓｉｎ^－１（λ１／４τ））だけ傾斜して、波長選択フィルタ４８、偏光子アレイデバイス４９に入射する。

　また、前述したように、傾斜角度θは、（ｓｉｎ^－１（λ／４τ））であることが最も好ましいので、レーザ光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃの参照光のそれぞれを最も好ましい傾斜角度で偏光子アレイデバイス４９に入射させることができ、偏光画像の精度を向上させることができる。

　図２９の（ｂ）は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置４ｃの構成を示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。顕微鏡対物レンズ４３を備えた顕微鏡応用の構成に対しても、図２９の（ａ）に示す構成と同様に、レーザ光源１１ａ、１１ｂ、１１ｃの参照光のそれぞれの傾斜角度θが互いに異なるように構成することができる。

　図３０の（ａ）は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置４ｄの構成を示す模式図である。ここでは光源を４つ用いている。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。偏光イメージング装置４ｄは、図２９（ａ）に示す偏光イメージング装置４ｄにおいて、波長λ４のレーザ光を出射するレーザ光源１１ｄを追加した例である。異なる波長の参照光に異なる傾き角を与えると、少ない画素数、ひいては少ないフィルタ数、センサ数、センサ数により分光イメージングが可能である。

　図３０の（ｂ）は、実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置４ｅの構成を示す模式図である。ここでは光源を４つ用いている。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。偏光イメージング装置４ｅは、図２９の（ｂ）に示す偏光イメージング装置４ｃにおいて、波長λ４のレーザ光を出射するレーザ光源１１ｄを追加した例である。異なる波長の参照光に異なる傾き角を与えると、少ない画素数、ひいては少ないフィルタ数、センサ数、センサ数により分光イメージングが可能である。

　なお、複数の光源を用いる例として、３種類の波長を供給する３つの光源の例、４種類の波長を供給する４つの光源の例を示したが、本発明はこれに限定されず、２種類の波長を供給する２つの光源でもよく、５種類の波長を供給する５つの光源でもよい。

　図３１は、非特許文献７記載の１種類のイメージセンサで複数の波長情報を取得する方法を説明するための図である。イメージセンサ６６は、輝度情報のみ記録可能なモノクロのイメージセンサ（以下、「１種類のイメージセンサ」と呼ぶ。）である。互いに異なる波長λ_１・λ_２・λ_３を有する参照光が互いに異なる傾き角度の方向からイメージセンサ６６に入射し、ホログラム６７を形成する。そして、各参照光の傾き角度に応じて、被写体の空間スペクトルが、波長ごとに、波長λ_１における被写体の空間スペクトル６８ａ・波長λ_２における被写体の空間スペクトル６８ｂ・波長λ_３における被写体の空間スペクトル６８ｃにフーリエ変換によって分離される。次に、各空間スペクトル６８ａ・６８ｂ・６８ｃをフィルタリングすることで、所望の波長における被写体の３次元構造情報像を再生することができる。

　このように、輝度情報のみ記録可能なモノクロのイメージセンサ６６を用いて分光画像情報を取得することが可能である。１回の撮像で記録可能な波長の数は３より少なくても多くてもよい。非特許文献７ではoff-axis型の配置で空間フィルタリングを用いているが、空間キャリア位相シフト法を用いていない。空間キャリア位相シフト法の計算処理部を加えることで広範囲イメージングが可能である。さらに、本発明と組み合わせることで１種類のイメージセンサ６６で広範囲の偏光イメージングだけでなく分光画像情報の同時取得が可能である。

　図３２の（ａ）は実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置４ｆの構成を示す模式図であり、図３２の（ｂ）は１種類のイメージセンサで３次元、偏光、複数の波長情報を取得する方法を説明するための図である。図３３は、１種類のイメージセンサ６６で３次元、偏光、複数の波長情報を取得するための撮像素子１２の構成を示す斜視図である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。

　偏光子アレイデバイス４９と１種類のイメージセンサ６６とにより、空間キャリアシフト法を利用して３次元情報、偏光情報、複数の波長情報を取得する方法を説明する。

　偏光イメージング装置４ｆは、波長λ_１の光を供給するレーザ光源１１ａと波長λ_２の光を供給するレーザ光源１１ｂとを備えている。撮像素子１２には、１種類のイメージセンサ６６と偏光子アレイデバイス４９とが設けられている。

　波長λ_１の光に対応する参照光の光軸の撮像素子１２への入射傾き角と、波長λ_２の光に対応する参照光の光軸の撮像素子１２への入射傾き角とを異ならせることにより、被写体の空間スペクトルを波長ごとに分離することが可能である。

　このように、１種類のイメージセンサ６６を撮像素子１２に設けることにより、波長選択フィルタや積層型のイメージセンサを設けることなく、複数の波長情報を記録することができる。

　図３４は、１種類のイメージセンサ６６に記録したホログラム６９から複数の偏光、複数の波長における被写体の３次元像を得るまでの流れを示す図である。まず、１種類のイメージセンサ６６に記録されたホログラム６９は、偏光方向Ｐ１・Ｐ２ごとに干渉パターン７０ａ・７０ｂに分離される。そして、各干渉パターン７０ａ・７０ｂにおける欠落画素を補間する。補間方向は、参照光の傾けた方向に直交する方向である。このため、所望の情報の波長に応じて異なる補間方向に補間したホログラム７１ａ・７１ｂ及びホログラム７１ｃ・７１ｄを生成する。

　次に、空間フィルタリングのみならず、空間キャリア位相シフト法による計算も利用して、特定の偏光方向Ｐ１・Ｐ２、特定の波長λ_１・λ_２における被写体の複素振幅分布７２ａ・７２ｂ・７２ｃ・７２ｄを取得する。その後、回折積分により特定の偏光方向Ｐ１・Ｐ２、波長λ_１・λ_２における被写体の３次元像を再生する。

　図３５は、記録したホログラムから被写体の３次元構造、偏光分布、分光画像再生までの流れを示すフローチャートである。図３５は、図３４に示す流れを簡略化し、全体の流れを示したものである。図３５に示す流れによって、被写体の３次元構造、偏光分布、分光画像情報を１回の撮像により取得し、像再生する。

　まず、撮像素子にホログラムを記録する（ステップＳ１）。そして、偏光方向ごとに画像情報を分離した干渉パターンを抽出する（ステップＳ２）。次に、抽出した各干渉パターンにおける欠落画素を補間する（ステップＳ３）。その後、空間フィルタリング、空間キャリア位相シフト法の計算を行う（ステップＳ４）。そして、回折積分を実行する（ステップＳ５）。その後、波長ごとに偏光イメージングを行う（ステップＳ６）。そして、３次元構造、偏光分布、分光画像情報を表示する（ステップＳ７）。

　ステップＳ４における、空間フィルタリング、空間キャリア位相シフト法の計算の順序はどちらが先でどちらが後でも良い。

　図３６の（ａ）は２種類のフィルタ７４ａ・７４ｂを備えた波長選択フィルタアレイ７３の構成を示す図であり、図３６の（ｂ）は波長選択フィルタアレイ７３の動作を説明するための図である。

　以下、偏光子アレイデバイス４９と、２種類のフィルタ７４ａ・７４ｂを有する波長選択フィルタ７３付きイメージセンサ６６とにより、空間キャリア位相シフト法を利用して３次元情報、偏光情報、複数の波長情報を取得する方法を説明する。

　波長選択フィルタアレイ７３は、例えば、波長λ_１の赤色光と波長λ_４の赤外色光とを透過させて波長λ_１の赤色光よりも短波長側の光を遮光するフィルタ７４ａと、波長λ_２の緑色光と波長λ_３の青色光とを透過させて波長λ_２緑色光よりも長波長側の光を遮光するフィルタ７４ｂとを備えている。

　フィルタ７４ａとフィルタ７４ｂとは、マトリックス状に配置されており、水平方向及び垂直方向に交互に配置されている。フィルタ７４ａとフィルタ７４ｂとは、吸収型のフィルタ、フォトニック結晶等の透過率、反射率に波長選択性を有する材料、構造によって構成すればよい。

　フィルタ７４ａに対しては、波長λ_１の赤色光の参照光と波長λ_４の赤外色光の参照光とを異なる傾斜角度から入射させる。フィルタ７４ｂに対しては、波長λ_２の緑色光の参照光と波長λ_３の青色光の参照光とを異なる傾斜角度から入射させる。

　図３７の（ａ）は実施の形態６のさらに他の偏光イメージング装置４ｇの構成を示す模式図であり、図３７の（ｂ）は偏光イメージング装置４ｇにおける撮像素子１２の構成を示す斜視図である。

　図３７の（ａ）を参照すると、波長λ_１の赤色光の参照光の波長選択フィルタアレイ７３への傾斜角と波長λ_４の赤外色光の参照光の傾斜角とを異ならせ、波長λ_２の緑色光の傾斜角と波長λ_３の青色光の傾斜角とを異ならせることにより、被写体の空間スペクトルを波長λ_１の赤色光、波長λ_２の緑色光、波長λ_３の青色光、及び波長λ_４の赤外色光ごとに分離することができる。なお、波長λ_１の赤色光の傾斜角と、波長λ_２の緑色光の傾斜角または波長λ_３の青色光の傾斜角とは同じであってもよい。また、波長λ_４の赤外色光の傾斜角と、波長λ_３の青色光の傾斜角または波長λ_２の緑色光の傾斜角とは同じであってもよい。

　図３７の（ｂ）を参照すると、偏光イメージング装置４ｇに設けられた撮像素子１２の撮像面１２ａには、モノクロのイメージセンサ６６と波長選択フィルタアレイ７３と偏光子アレイデバイス４９とがこの順番に設けられている。

　波長選択フィルタアレイ７３がなくても複数波長の多重記録は可能であるが、波長選択フィルタアレイ７３を設けることにより、空間キャリア位相シフト法の計算が複雑にならずに済み、計算誤差の問題も減少する。偏光子アレイデバイス４９、波長選択フィルタアレイ７３、及びイメージセンサ６６をこのように構成することにより、偏光分布、分光画像情報を同時に記録することができる。そして、各参照光の傾斜角を前述したとおりに調整することにより、波長選択フィルタ７３のフィルタ７４ａ・７４ｂの種類（２種類）よりも多くの種類（４種類）の分光画像情報を取得することができる。

　図３８は、撮像素子１２により記録したホログラムから各偏光、各波長における３次元像を取得するまでの流れを示す図である。まず、偏光子アレイデバイス４９及び波長選択フィルタアレイ７３を通して１種類のイメージセンサ６６に記録されたホログラムは、偏光方向Ｐ１・Ｐ２ごとに、及び波長λ_１～λ_４ごとに８種類の干渉パターンに分離される。そして、各干渉パターンにおける欠落画素を補間する。欠落画素の補間方向は、空間キャリアによって位相シフトしていない方向であり、波長λ_１の赤色光及び波長λ_２の緑色光に基づく干渉パターンは、垂直方向に画素を補間し、波長λ_３の青色光及び波長λ_４の赤外色光に基づく干渉パターンは、水平方向に画素を補間する。次に、空間フィルタリングのみならず、空間キャリア位相シフト法による計算も利用して、特定の偏光方向Ｐ１・Ｐ２、特定の波長λ_１・λ_２・λ_３・λ_４における被写体の複素振幅分布を取得する。その後、その後、回折積分により特定の偏光方向Ｐ１・Ｐ２、特定の波長λ_１・λ_２・λ_３・λ_４における被写体の３次元像を再生する。

　図３９は、実施の形態６に係る積層型イメージセンサ７５の構成を示す図である。図４０は、積層型イメージセンサ７５を用いた撮像素子１２の構成を示す斜視図である。

　以下、偏光子アレイデバイス４９と２種類の受光面（センサ７６ａ・７６ｂ）を有するイメージセンサ７５を用いて、空間キャリア位相シフト法を利用して３次元情報、偏光情報、複数の波長情報を取得する方法を説明する。

　積層型イメージセンサ７５は、例えば、波長λ_１の赤色光・波長λ_４の赤外色光を受光するセンサ７６ａと、波長λ_２の緑色光・波長λ_３の青色光を受光するセンサ７６ｂとを有している。このように構成された積層型イメージセンサ７５に、異なる波長の赤色光・緑色光・青色光・赤外色光が到達すると、センサ７６ａは、波長λ_１の赤色光・波長λ_４の赤外色光を受光し、センサ７６ｂは、波長λ_２の緑色光・波長λ_３の青色光を受光する。

　この積層型イメージセンサ７５と偏光子アレイデバイス４９付きの撮像素子１２とを用いることによっても、３次元情報、偏光情報、複数の波長情報を取得することができる。図３９及び図４０の構成は、図３７の（ａ）に示す偏光イメージング装置４ｇにおいて実施することができ、像再生までの処理は、図３４に示す処理を各波長の光に対して実施すればよい。

　［実施の形態７］
　実施の形態７では、偏光方向が２の場合から、より偏光方向の数を増加した場合（例えば偏光方向の数３、４、５・・・の場合であるが、ここでは偏光方向の数４の場合を中心に述べている）の本発明の実施形態について説明する。
図４１は、実施の形態７の偏光イメージング装置に設けられた撮像部が撮像するホログラムの構成を説明するための図である。図４１は、偏光方向の数が２より多いときの実現方法の原理を示すものである。例として、撮像素子で取得する偏光方向の数が偏光方向Ｐ１～Ｐ４の４である場合における方法の原理を示している。

　ホログラムを８分割多重し、４方向の偏光の情報を取得する。例えば図４１に示すように、偏光方向Ｐ１と位相１とを有する参照光のホログラム５６ａと、偏光方向Ｐ１と位相２とを有する参照光のホログラム５６ｂと、偏光方向Ｐ２と位相１とを有する参照光のホログラム５６ｃと、偏光方向Ｐ２と位相２とを有する参照光のホログラム５６ｄと、偏光方向Ｐ３と位相１とを有する参照光のホログラム５６ｅと、偏光方向Ｐ３と位相２とを有する参照光のホログラム５６ｆと、偏光方向Ｐ４と位相１とを有する参照光のホログラム５６ｇと、偏光方向Ｐ４と位相２とを有する参照光のホログラム５６ｈとを組み合わせた干渉像を１回の撮像により取得する。

　このように、偏光方向の数が２より多い干渉像を１回の撮像で取得し、得られた干渉像に像再生アルゴリズムを適用することにより被写体の３次元情報と偏光分布情報を得る。偏光方向の数が２より多いので、より多くの偏光情報を取得し、より詳細な偏光状態の解析が可能になる。

　なお、偏光方向の数が４の例を示したが、本発明はこれに限定されない。偏光方向の数は、３であってもよく、５であってもよい。

　図４２は、実施の形態７の偏光イメージング装置１ｂの構成を示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。偏光イメージング装置１ｂの構成としては，レーザ光源１１から射出される光は、偏光方向Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のすべてを含んでもよく、または、偏光方向Ｐ１からＰ４のうちの幾つかの成分のみを含む場合のどちらでも可能である。偏光子アレイデバイス５５の配列が、図１に示す偏光子アレイデバイス２３の配列とは異なる。また，それに伴って位相シフトアレイデバイス５４のアレイも配列が変わる。

　図４３は偏光イメージング装置１ｂの構成要素の構成を示す図であり、（ａ）は偏光子アレイデバイス５５の構成を示す図であり、（ｂ）は位相シフトアレイデバイス５４の構成を示す図である。図４３の（ａ）に示すように、偏光子アレイデバイス５５の各セルは、水平方向、垂直方向、右斜め４５度方向、左斜め４５度方向の４方向のうちの１方向の情報を抽出する。偏光子アレイデバイス５５を用いることにより、４方向の偏光における干渉像を取得することができる。なお、４方向の例を示したが、本発明はこれに限定されない。３方向、または５方向以上の偏光における干渉像を抽出することもできる。また、図４３の（ｂ）に示す位相シフトアレイデバイス５４と組み合わせることにより、図４１に示す８種類のホログラムの情報を１回の撮像により取得することができる。

　図４４は、偏光イメージング装置１ｂが偏光成分の再生像を生成するためのアルゴリズムを説明するための図である。まず、記録した干渉像から同じ種類のホログラム５６ａ～５６ｈを抽出し、補間処理によって各偏光方向Ｐ１～Ｐ４における複数の干渉像を生成する。次に、生成された干渉像を用いて位相シフト法などの信号処理によって各偏光方向Ｐ１～Ｐ４における被写体の複素振幅分布(振幅分布と位相分布)を取得する。そして、回折計算によって被写体の３次元像を得る。以上より、各偏光方向Ｐ１～Ｐ４における瞬時の被写体の３次元イメージングを達成できる。

　得られた複素振幅分布を用いることで偏光イメージングを行うことができる。偏光イメージングの実施方法として、被写体の振幅分布や位相分布を用いてストークスパラメータ、ジョーンズベクトル、ミュラー行列の計算を行うことにより被写体の偏光分布を計算すること、及び、その他の偏光状態を計算する数式を用いることなどが挙げられる。

　以上のように、空間分解能を落として偏光方向を追加することにより、より多くの偏光方向の振幅と位相情報とを取得して、狭い３次元空間においてより正確な偏光イメージングを達成することができる。

　図４５は、実施の形態７の他の偏光イメージング装置１ｃに設けられた撮像部が撮像するホログラムの構成を示す図である。空間キャリア位相シフト法を用いる方法では、非特許文献１とは異なり、異なる偏光方向Ｐ１、Ｐ２の成分を持つ単一の参照光を物体光と角度をなして入射させる。物体光と角度をなして入射させるのは単一の参照光であるため、偏光方向Ｐ１、Ｐ２の成分は同じ方向から入射しており、位相調整量は、非特許文献１とは異なり偏光方向Ｐ１、Ｐ２で同一である。その結果、非特許文献１で必要な高精度な調整精度が本方法では不要で、非特許文献１のように光学素子の位置変化によって容易に偏光イメージング精度が低下することはない。

　図４５は、空間キャリア位相シフト法を用い、偏光方向の数が２より多いときの実現方法の原理を示している。一例として、撮像素子で取得する偏光方向の数が偏光方向Ｐ１～Ｐ４の４である場合の方法の原理を示している。

　例えば図４５に示すように、偏光方向Ｐ１を有する参照光のホログラム５８ａと、偏光方向Ｐ２を有する参照光のホログラム５８ｂと、偏光方向Ｐ３を有する参照光のホログラム５８ｃと、偏光方向Ｐ４を有する参照光のホログラム５８ｄとを組み合わせた干渉像を１回の撮像により取得する。

　図４６は、他の偏光イメージング装置１ｃの構成を示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。偏光イメージング装置１ｃの構成としては，レーザ光源１１から射出される光は、偏光方向Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ４のすべてを含んでもよく、または、偏光方向Ｐ１からＰ４のうちの幾つかの成分のみを含む場合のどちらでも可能である。空間キャリア位相シフト法を適用しているので、偏光子アレイデバイス５７の配列が、図１に示す偏光子アレイデバイス２３の配列とは異なる。

　図４７の（ａ）は偏光イメージング装置１ｃに設けられた偏光子アレイデバイス５７の構成を示す図である。偏光子アレイデバイス５７の各セルは、水平方向、垂直方向、右斜め４５度方向、左斜め４５度方向の４方向のうちの１方向の情報を抽出する。偏光子アレイデバイス５７を用いることにより、４方向の偏光における干渉像を取得することができる。図４７の（ａ）に示す例では、２行×２列のセルが１単位となっており、この２行×２列の左上のセルが水平方向の偏光情報を抽出し、右下のセルが垂直方向の偏光情報を抽出し、右上のセルが右斜め４５度方向の偏光情報を抽出し、左下のセルが左斜め４５度方向の偏光情報を抽出する。なお、４方向の例を示したが、本発明はこれに限定されない。３方向、または５方向以上の偏光における干渉像を抽出することもできる。

　図４７の（ｂ）は偏光イメージング装置１ｃに設けられた撮像部１２が撮像するホログラムの構成を示す図である。α０～α３は、空間キャリアによる位相シフト量を示し、水平方向に位相シフト量を変化させた例を示している。例えば、α０＝０、α１＝π／４、α２＝π／２、α３＝３π／４（単位はいずれも（ｒａｄ））である。なお、垂直方向に位相シフト量を変化させることも可能である。

　図４７の（ａ）に示す偏光子アレイデバイス５７を用いることにより、４方向の偏光における干渉像を取得することができ、空間キャリアを垂直方向、水平方向等に施すことで位相シフト法に必要なホログラムを取得できる。以上より、図３５に示す、空間キャリア位相シフト法に必要な干渉像と４方向の偏光方向における干渉像との情報を１回の撮像で取得できる。

　図４８は、偏光イメージング装置が偏光成分の再生像を生成するためのアルゴリズムを説明するための図である。まず、記録した干渉像から同じ種類のホログラム５８ａ～５８ｄを抽出し、空間キャリアによる位相シフトのない方向（図４８に示す例では垂直方向）で欠落した画素を補間する。そして、画素値のある画素を用いて空間キャリア位相シフト法の計算を行う。これにより，画素値のあった画素において被写体の複素振幅を得ることができる。次に、得られた複素振幅分布の値を用いて、欠落画素に補間処理を施して値を補間する。以上より，各偏光方向Ｐ１～Ｐ４における被写体の複素振幅分布(振幅分布と位相分布)を取得できる。その後、回折計算によって被写体の３次元像を得る。以上より、各偏光方向Ｐ１～Ｐ４における瞬時の被写体の３次元イメージングを達成できる。

　得られた複素振幅分布を用いることで偏光イメージングを行うことができる。偏光イメージングの実施方法として、被写体の振幅分布や位相分布を用いてストークスパラメータ、ジョーンズベクトル、ミュラー行列の計算を行うことで被写体の偏光分布を計算すること、及び、その他の偏光状態を計算する数式を用いることなどが挙げられる。

　図４９は、実施の形態７のさらに他の偏光イメージング装置１ｄに設けられた撮像部が撮像するホログラムの構成を説明するための図である。各偏光方向Ｐ１及びＰ２において位相シフトの段数が２より多いときの実現方法の原理を示している。例として、撮像素子で取得する位相シフトの段数が４である場合における方法の原理を示している。

　偏光方向Ｐ１と位相１とを有する参照光のホログラム６１ａと、偏光方向Ｐ１と位相２とを有する参照光のホログラム６１ｂと、偏光方向Ｐ１と位相３とを有する参照光のホログラム６１ｃと、偏光方向Ｐ１と位相４とを有する参照光のホログラム６１ｄと、偏光方向Ｐ２と位相１とを有する参照光のホログラム６１ｅと、偏光方向Ｐ２と位相２とを有する参照光のホログラム６１ｆと、偏光方向Ｐ２と位相３とを有する参照光のホログラム６１ｇと、偏光方向Ｐ２と位相４とを有する参照光のホログラム６１ｈとを組み合わせた干渉像を１回の撮像により取得する。

　このように、位相シフトの段数が２より多い干渉像を１回の撮像で取得し、得られた干渉像に像再生アルゴリズムを適用することにより被写体の３次元空間情報と偏光分布情報を得る。

　なお、位相シフトの段数が４の例を示したが、本発明はこれに限定されない。位相シフトの段数は、３であってもよく、５であってもよい。

　図５０は、さらに他の偏光イメージング装置１ｄの構成を示す模式図である。前述した構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付し、その詳細な説明は繰り返さない。レーザ光源１１から射出される光は、偏光方向Ｐ１、Ｐ２の成分のいずれも含む。偏光子アレイデバイス６０の配列が、図１に示す偏光子アレイデバイス２３の配列とは異なる。また，位相シフトアレイデバイス５９のアレイも、図１に示す位相シフトアレイデバイス２１と異なる。

　図５１は、偏光イメージング装置１ｄの構成要素の構成を示す図であり、（ａ）は偏光子アレイデバイス６０の構成を示す図であり、（ｂ）は位相シフトアレイデバイス５９の構成を示す図である。図５１の（ａ）に示すように、偏光子アレイデバイス６０のセルは、２行４列を単位として、水平方向、垂直方向のうちの１方向の情報を抽出する。図５１の（ｂ）に示すように、位相シフトアレイデバイス５９は、２行２列を単位として、位相ｐｈ０～位相ｐｈ３の４段に位相をシフトさせる。位相シフトの段数が４段の例を示したが、本発明はこれに限定されない。位相シフトの段数は、３段でもよく、５段以上でもよい。図５１の（ａ）に示す偏光子アレイデバイス６０と図５１の（ｂ）に示す位相シフトアレイデバイス５９とを組み合わせることにより、図４９に示す８種類の干渉像の情報を１回の撮像で取得できる。

　図５２は、偏光イメージング装置１ｄが偏光成分の再生像を生成するためのアルゴリズムを説明するための図である。まず、記録した干渉像から同じ種類のホログラム６１ａ～６１ｈを抽出し，補間処理によって各偏光方向Ｐ１、Ｐ２における複数の干渉像を生成する。次に、生成された干渉像を用いて位相シフト法などの信号処理によって各偏光方向Ｐ１、Ｐ２における被写体の複素振幅分布(振幅分布と位相分布)を取得する。そして、回折計算によって被写体の３次元像を得る。以上より、各偏光方向Ｐ１、Ｐ２における瞬時の被写体の３次元イメージングを達成できる。

　以上のように、空間分解能を落として位相シフト段数を追加することにより、参照光強度の事前計測または事後計測が不要になり、物体光強度を高く取れるため、非特許文献１で必要とされる定期的な調整等の制約が無くなる。このため、位相シフト段数を増やして計測範囲を狭くしても有用性はある。

　（本発明の好ましい形態）
　また、本発明に係る偏光イメージング装置では、上記参照光は、第３方向の偏光と第４方向の偏光とをさらに含み、上記干渉パターンは、上記第３方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第５干渉像と、上記第３方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第６干渉像と、上記第４方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第７干渉像と、上記第４方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第８干渉像とをさらに含み、上記再生像生成部は、上記干渉パターンから上記第５干渉像および第６干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第３方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第７干渉像および第８干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第４方向の偏光成分の再生像を生成し、上記偏光画像算出部は、上記第１～第４方向の偏光成分の再生像に基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求めることが好ましい。

　本発明に係る偏光イメージング装置では、上記干渉パターンは、上記第１方向の偏光と第３位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第５干渉像と、上記第１方向の偏光と第４位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第６干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第３位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第７干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第４位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第８干渉像とをさらに含み、上記再生像生成部は、上記干渉パターンから上記第１干渉像、上記第２干渉像、上記第５干渉像および上記第６干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像、上記第４干渉像、上記第７干渉像および上記第８干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成し、上記偏光画像算出部は、上記第１及び第２方向の偏光成分の再生像に基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求めることが好ましい。

　本発明に係る偏光イメージング装置では、上記光源は、三種類の波長の光を供給する３個の光源、または四種類の波長の光を供給する４個の光源であることが好ましい。

　また、本発明に係る偏光イメージング装置では、入射した参照光を第１方向に偏光した参照光に変換する第１方向領域、および、入射した参照光を第２方向に偏光した参照光に変換する第２方向領域が複数配置された偏光方向変化アレイ部と、第１位相シフト領域および第２位相シフト領域が複数配置され、第１位相シフト領域に入射した参照光の位相と、第２位相シフト領域に入射した参照光の位相とを互いに異ならせる位相シフトアレイ部とをさらに備える構成であってもよい。

　また、第１位相シフト領域および第２位相シフト領域が複数配置され、第１位相シフト領域に入射した参照光の位相と、第２位相シフト領域に入射した参照光の位相とを互いに異ならせる位相シフトアレイ部と、参照光と、上記被写体を介して到達する物体光とが入射され、入射した参照光および物体光の第１方向の偏光成分を出射する第１偏光子領域と、入射した参照光および物体光の第２方向の偏光成分を出射する第２偏光子領域とが複数配置された偏光子アレイ部をさらに備える構成であってもよい。

　上記の構成によれば、偏光方向と参照光の位相とが異なる４種類の干渉像を同一平面に同時に形成することができ、形成された４種類の干渉像を撮像素子が撮像することにより、４種類の干渉像を一度に取得することができる。

　本発明に係る偏光イメージング装置では、前記参照光は、前記参照光の波長と前記撮像部の画素間隔とに基づく傾き角により前記物体光に対して傾斜して前記撮像部に入射してもよい。

　また、前記参照光の波長：λ、前記撮像部の画素間隔：τ、すると、ｓｉｎ^－１（λ／４τ）、に基づく傾き角により前記物体光に対して傾斜して前記参照光は前記撮像部に入射してもよい。

　上記の構成によれば、特殊な位相シフト素子を必要とせず、コンパクトな光学系、且つ、簡単な画像処理のみで、広範囲で瞬時の３次元偏光イメージングを実現することができる。

　また、前記参照光の傾斜方向に沿って隣り合う領域のホログラムに基づいて前記被写体の複素振幅分布を求める空間キャリア位相シフト部をさらに備えてもよい。

　上記の構成によれば、簡単なアルゴリズムにより、広範囲で瞬時の３次元偏光イメージングを実現することができる。

　また、参照光と、上記被写体を介して到達する物体光とが入射され、入射した参照光および物体光の第１方向の偏光成分を出射する第１偏光子領域と、入射した参照光および物体光の第２方向の偏光成分を出射する第２偏光子領域とが複数配置された偏光子アレイ部と、第１光路長シフト領域および第２光路長シフト領域が複数配置され、参照光および物体光が入射される光路長シフトアレイ部とを、上記被写体と上記撮像部との間にさらに備え、上記光路長シフトアレイ部は、第１光路長シフト領域に入射された参照光の位相と、第２光路長シフト領域に入射された参照光の位相とを互いに異ならせ、第１光路長シフト領域に入射された物体光の位相と、第２光路長シフト領域に入射された物体光の位相とを互いに異ならせる構成であってもよい。

　上記の構成によれば、偏光方向と被写体からの光路長とが異なる４種類の干渉像を同一平面に同時に形成することができ、形成された４種類の干渉像を撮像素子が撮像することにより、４種類の干渉像を一度に取得することができる。

　また、上記再生像生成部は、第１方向の偏光成分に関する上記２種類の干渉像に基づいて、上記被写体の第１方向の偏光成分における位相分布を求め、第２方向の偏光成分に関する上記２種類の干渉像に基づいて、上記被写体の第２方向の偏光成分における位相分布を求め、上記偏光画像算出部は、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像および位相分布と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像および位相分布とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光状態を求める構成であってもよい。

　上記の構成によれば、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像および位相分布と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像および位相分布とに基づいて、例えばストークスパラメータを計算することにより、詳細な偏光状態を求めることができる。

　また、上記被写体と上記撮像部との間に、被写体の像を拡大する拡大光学部と、参照光が上記撮像部に球面波あるいは非球面波として入射するよう、参照光を球面波あるいは非球面波に変換する波面変換部とをさらに備えてもよい。

　上記の構成によれば、参照光が球面波あるいは非球面波であるために、撮像部に入射する際の参照光と物体光との角度差が小さくでき、干渉像における干渉縞の間隔が大きくなる。そのため、干渉縞が含む被写体の細部の情報を欠落させることなく撮像することができる。それゆえ、拡大光学部によって拡大された被写体の像の細部の情報を、精確に再生して観察することができる。

　また、複数の上記光源と、波長選択フィルタとを備え、上記複数の光源は、それぞれが互いに異なる波長の参照光および物体光を供給し、上記波長選択フィルタは、通過させる光の波長が異なる複数の波長選択領域を有し、参照光および物体光を上記波長選択領域毎に波長に応じて選択的に通過させる構成であってもよい。

　上記の構成によれば、偏光方向と、参照光の位相または被写体からの光路長と、波長とが異なる複数の干渉像を得ることができる。そのため、波長毎に再生像および偏光状態を求めることができる。それゆえ、上記の構成によれば、分光と偏光のイメージングを同時に行うことができる。

　また、第１方向と第２方向とが直交していてもよい。

　上記の構成によれば、より精確な偏光状態を求めることができる。

　本発明は下記のように表現することもできる。

　参照光および物体光を供給する光源と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する偏光イメージング装置において、
　上記撮像部に入射する物体光および上記撮像部に入射する参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、
　上記撮像部は、第１方向の偏光成分について、互いに位相が異なる２つの参照光がそれぞれ物体光と干渉して作る２種類の干渉像と、第２方向の偏光成分について、互いに位相が異なる２つの参照光がそれぞれ物体光と干渉して作る２種類の干渉像との、合わせて４種類の干渉像を一度に撮像し、
　第１方向の偏光成分に関する上記２種類の干渉像に基づいて、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、第２方向の偏光成分に関する上記２種類の干渉像に基づいて、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成する再生部と、
　上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光状態を求める偏光状態算出部とを備えることを特徴とする偏光イメージング装置。

　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

　本発明は、偏光イメージング装置に利用することができる。例えば、ビルや一般家屋などの建造物の窓ガラスや薄型ディスプレイなどのガラス製造時の歪、自動車の車体成型や塗装時の歪み、あるいはシリコンウェハの歪み、超高密度ディスクメモリのディスクの歪みなどの様々な偏光画像をリアルタイムで観察することができる。また、本発明は、顕微鏡に応用することもできる。例えば、生体を構成する高分子（たんぱく質）を観察することができるので、がん細胞等の病理組織を偏光画像により観察することができ、また、内視鏡画像に応用することもでき、偏光情報により異なった組織の新たな情報を得ることができる。

　１、２、３、４、５　　偏光イメージング装置
１１　　レーザ光源（光源）
１２　　撮像素子（撮像部）
１２ａ　撮像面
１３　　計算機
１４　　ビームエキスパンダ
１５　　コリメータレンズ
１６　　ビームスプリッタ
１７、２０、４４　　ミラー
１８　　被写体
１９、４５、４６　　ビーム結合素子
２１、４７　　位相シフトアレイデバイス（位相シフトアレイ部）
２１ａ、２１ｂ、３８ａ、３８ｂ、４７ａ～４７ｆ　　位相シフト領域
２２　　結像光学部
２３、４９　　偏光子アレイデバイス（偏光子アレイ部）
２３ａ、２３ｂ、４９ａ、４９ｂ　　偏光子（偏光子領域）
２４　　再生部（再生像生成部）
２５　　偏光状態算出部（偏光画像算出部）
２６、２８ａ～２８ｄ、２９ａ～２９ｄ、５０　　干渉パターン
２７ａ～２７ｄ、３１ａ、３１ｂ、５１ａ～５１ｌ　　画素
３０、３２ａ、３２ｂ、３３ａ、３３ｂ　　参照光の強度分布
３４ａ、３４ｂ　　複素振幅分布
３５　　偏光画像生成部
３６　　１／２波長板
３７　　第１空間光変調器（偏光方向変化アレイ部）
３７ａ　　第１方向領域
３７ｂ　　第２方向領域
３８、４０　　第２空間光変調器（位相シフトアレイ部）
３９ａ、３９ｂ　　領域
４１　　結像光学部（波面変換部）
４２　　空間フィルタリング素子
４３　　顕微鏡対物レンズ（拡大光学部）
４８　　波長選択フィルタ
４８ａ、４８ｂ、４８ｃ　　波長選択領域
５２　　光路長シフトアレイデバイス（光路長シフトアレイ部）
５２ａ、５２ｂ　　光路長シフト領域
５３　　空間キャリア位相シフト部
５４、５９　位相シフトアレイデバイス（位相シフトアレイ部）
５５、５７、６０　偏光子アレイデバイス（偏光子アレイ部）
５６ａ～５６ｈ　ホログラム
５８ａ～５８ｄ　ホログラム
６１　　ホログラム

Claims

　参照光および物体光を供給する１個以上の光源と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する偏光イメージング装置において、
　上記撮像部に入射する物体光および上記撮像部に入射する参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、
　上記撮像部は、上記第１方向の偏光と第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像し、
　上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成する再生像生成部と、
　上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める偏光画像算出部とを備えることを特徴とする偏光イメージング装置。
　上記参照光は、第３方向の偏光と第４方向の偏光とをさらに含み、
　上記干渉パターンは、上記第３方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第５干渉像と、上記第３方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第６干渉像と、上記第４方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第７干渉像と、上記第４方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第８干渉像とをさらに含み、
　上記再生像生成部は、上記干渉パターンから上記第５干渉像および第６干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第３方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第７干渉像および第８干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第４方向の偏光成分の再生像を生成し、
　上記偏光画像算出部は、上記第１～第４方向の偏光成分の再生像に基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める請求項１記載の偏光イメージング装置。
　上記干渉パターンは、上記第１方向の偏光と第３位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第５干渉像と、上記第１方向の偏光と第４位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第６干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第３位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第７干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第４位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第８干渉像とをさらに含み、
　上記再生像生成部は、上記干渉パターンから上記第１干渉像、上記第２干渉像、上記第５干渉像および上記第６干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像、上記第４干渉像、上記第７干渉像および上記第８干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成し、
　上記偏光画像算出部は、上記第１及び第２方向の偏光成分の再生像に基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める請求項１記載の偏光イメージング装置。
　上記光源は、二種類の波長の光を供給する２個の光源、三種類の波長の光を供給する３個の光源、または四種類の波長の光を供給する４個の光源である請求項１記載の偏光イメージング装置。
　入射した参照光を第１方向に偏光した参照光に変換する第１方向領域、および、入射した参照光を第２方向に偏光した参照光に変換する第２方向領域が複数配置された偏光方向変化アレイ部と、
　第１位相シフト領域および第２位相シフト領域が複数配置され、第１位相シフト領域に入射した参照光の位相と、第２位相シフト領域に入射した参照光の位相とを互いに異ならせる位相シフトアレイ部とをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の偏光イメージング装置。
　第１位相シフト領域および第２位相シフト領域が複数配置され、第１位相シフト領域に入射した参照光の位相と、第２位相シフト領域に入射した参照光の位相とを互いに異ならせる位相シフトアレイ部と、
　参照光と、上記被写体を介して到達する物体光とが入射され、入射した参照光および物体光の第１方向の偏光成分を出射する第１偏光子領域と、入射した参照光および物体光の第２方向の偏光成分を出射する第２偏光子領域とが複数配置された偏光子アレイ部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の偏光イメージング装置。
　前記参照光は、前記参照光の波長と前記撮像部の画素間隔とに基づく傾き角により前記物体光に対して傾斜して前記撮像部に入射する請求項１に記載の偏光イメージング装置。
　前記参照光の波長：λ、
　前記撮像部の画素間隔：τ、
とすると、
　ｓｉｎ^－１（λ／４τ）、
　に基づく傾き角により前記物体光に対して傾斜して前記参照光は前記撮像部に入射する請求項７に記載の偏光イメージング装置。
　前記参照光の傾斜方向に沿って隣り合う領域のホログラムに基づいて前記被写体の複素振幅分布を求める空間キャリア位相シフト部をさらに備える請求項４に記載の偏光イメージング装置。
　参照光および物体光を供給する光源と、撮像部とを備え、参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を上記撮像部が撮像する偏光イメージング装置において、
　上記撮像部に入射する物体光および上記撮像部に入射する参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、
　上記光源は、少なくとも一種類以上の波長の光を供給し、
　上記撮像部は、上記第１方向の偏光と第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像し、
　上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成する再生像生成部と、
　上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求める偏光画像算出部とを備えることを特徴とする偏光イメージング装置。
　参照光と、上記被写体を介して到達する物体光とが入射され、入射した参照光および物体光の第１方向の偏光成分を出射する第１偏光子領域と、入射した参照光および物体光の第２方向の偏光成分を出射する第２偏光子領域とが複数配置された偏光子アレイ部と、
　第１光路長シフト領域および第２光路長シフト領域が複数配置され、参照光および物体光が入射される光路長シフトアレイ部とを、上記被写体と上記撮像部との間にさらに備え、
　上記光路長シフトアレイ部は、第１光路長シフト領域に入射された参照光の位相と、第２光路長シフト領域に入射された参照光の位相とを互いに異ならせ、第１光路長シフト領域に入射された物体光の位相と、第２光路長シフト領域に入射された物体光の位相とを互いに異ならせることを特徴とする請求項１０に記載の偏光イメージング装置。
　上記再生像生成部は、第１方向の偏光成分に関する上記２種類の干渉像に基づいて、上記被写体の第１方向の偏光成分における位相分布を求め、第２方向の偏光成分に関する上記２種類の干渉像に基づいて、上記被写体の第２方向の偏光成分における位相分布を求め、
　上記偏光画像算出部は、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像および位相分布と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像および位相分布とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光状態を求めることを特徴とする請求項１または１０に記載の偏光イメージング装置。
　上記被写体と上記撮像部との間に配置されて、被写体の像を拡大する拡大光学部と、
　参照光が上記撮像部に球面波あるいは非球面波として入射するよう、参照光を球面波あるいは非球面波に変換する波面変換部とをさらに備えることを特徴とする請求項１または１０に記載の偏光イメージング装置。
　複数の上記光源と、波長選択フィルタとを備え、
　上記複数の光源は、それぞれが互いに異なる波長の参照光および物体光を供給し、
　上記波長選択フィルタは、通過させる光の波長が異なる複数の波長選択領域を有し、参照光および物体光を上記波長選択領域毎に波長に応じて選択的に通過させることを特徴とする請求項１または１０に記載の偏光イメージング装置。
　第１方向と第２方向とが直交することを特徴とする請求項１または１０に記載の偏光イメージング装置。
　参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を撮像して、物体光の偏光状態を得る偏光イメージング方法であって、
　上記干渉像を作る物体光および上記干渉像を作る参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、
　上記第１方向の偏光と第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２位相とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像するステップと、
　上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成するステップと、
　上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光画像を求めるステップとを含むことを特徴とする偏光イメージング方法。
　参照光と、被写体を介して到達する物体光とが作る干渉像を撮像して、物体光の偏光状態を得る偏光イメージング方法であって、
　上記干渉像を作る物体光および上記干渉像を作る参照光は、第１方向の偏光と、第１方向とは異なる第２方向の偏光とを含み、
　上記第１方向の偏光と第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第１干渉像と、上記第１方向の偏光と第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第２干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第１光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第３干渉像と、上記第２方向の偏光と上記第２光路長とを有する参照光が上記物体光と干渉して作る第４干渉像とを含む干渉パターンを一度に撮像するステップと、
　上記干渉パターンから上記第１干渉像および第２干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像を生成し、上記干渉パターンから上記第３干渉像および第４干渉像に対応する画素を抽出して補間した後、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像を生成するステップと、
　上記被写体の第１方向の偏光成分の再生像と、上記被写体の第２方向の偏光成分の再生像とに基づいて、上記被写体の再生像の各位置における偏光状態を求めるステップとを含むことを特徴とする偏光イメージング方法。