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公開番号2025107951
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-07-22
出願番号2024036876
出願日2024-03-11
発明の名称画像取得装置および画像取得方法
出願人浜松ホトニクス株式会社
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H04N 5/30 20060101AFI20250714BHJP(電気通信技術)
要約【課題】誤差が低減された対象物の像をゴーストイメージングにより取得することができる装置および方法を提供する。
【解決手段】画像取得装置1は、光源11、空間光変調器13、光検出器15および制御部18を備える。制御部18は、空間光変調器13による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるM個のパターンそれぞれに順次に設定し、M個のパターンそれぞれに設定した期間に光検出器15により検出された光強度を取得し、これらの光強度およびM個のパターンに基づいて、ゴーストイメージングにより対象物の像を求める。制御部18は、対象物の像Xに含まれる一部の成分であるWをXから除外してゴーストイメージングを行って、XからWを除外した対象物の像(X-W)を求める。
【選択図】図1

特許請求の範囲【請求項１】
光を出力する光源と、
前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸのＡＣ成分が互いに直交する第１ＡＣ成分と第２ＡＣ成分との和で表され、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷのＡＣ成分が前記第１ＡＣ成分および前記第２ＡＣ成分のうちの前記第２ＡＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａであって、ＡとＷとの積の列ベクトルの全ての要素が互いに等しい値であるシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
ｙ
１
～ｙ
Ｍ
およびａ
１,１
～ａ
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得装置。
続きを表示（約 6,300 文字）【請求項２】
光を出力する光源と、
前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸがＡＣ成分およびＤＣ成分を含み、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷがＤＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａであって、各行の要素の総和が互いに等しい値であるシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
ｙ
１
～ｙ
Ｍ
およびａ
１,１
～ａ
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得装置。
【請求項３】
光を出力する光源と、
前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸのＡＣ成分が互いに直交する第１ＡＣ成分と第２ＡＣ成分との和で表され、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷのＡＣ成分が前記第１ＡＣ成分および前記第２ＡＣ成分のうちの前記第２ＡＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
Ｗの第ｎ要素ｗ
ｎ
とａ
ｍ,ｎ
との積のｎについての総和をα
ｍ
とし、ｙ'
ｍ
＝ｙ
ｍ
／α
ｍ
とし、ａ'
ｍ,ｎ
＝ａ
ｍ,ｎ
／α
ｍ
として、
ｙ'
１
～ｙ'
Ｍ
およびａ'
１,１
～ａ'
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得装置。
【請求項４】
光を出力する光源と、
前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸがＡＣ成分およびＤＣ成分を含み、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷがＤＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
Ｗの第ｎ要素ｗ
ｎ
とａ
ｍ,ｎ
との積のｎについての総和をα
ｍ
とし、ｙ'
ｍ
＝ｙ
ｍ
／α
ｍ
とし、ａ'
ｍ,ｎ
＝ａ
ｍ,ｎ
／α
ｍ
として、
ｙ'
１
～ｙ'
Ｍ
およびａ'
１,１
～ａ'
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得装置。
【請求項５】
光を出力する光源と、
前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸのＡＣ成分が互いに直交する第１ＡＣ成分と第２ＡＣ成分との和で表され、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷのＡＣ成分が前記第１ＡＣ成分および前記第２ＡＣ成分のうちの前記第２ＡＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
Ｗの第ｎ要素ｗ
ｎ
とａ
ｍ,ｎ
との積のｎについての総和をα
ｍ
とし、ｙ'
ｍ
＝ｙ
ｍ
－α
ｍ
として、
ｙ'
１
～ｙ'
Ｍ
およびａ
１,１
～ａ
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得装置。
【請求項６】
光を出力する光源と、
前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸがＡＣ成分およびＤＣ成分を含み、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷがＤＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
Ｗの第ｎ要素ｗ
ｎ
とａ
ｍ,ｎ
との積のｎについての総和をα
ｍ
とし、ｙ'
ｍ
＝ｙ
ｍ
－α
ｍ
として、
ｙ'
１
～ｙ'
Ｍ
およびａ
１,１
～ａ
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得装置。
【請求項７】
光を出力する光源と、
前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、
前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、
前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸのＡＣ成分が互いに直交する第１ＡＣ成分と第２ＡＣ成分との和で表され、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷのＡＣ成分が前記第１ＡＣ成分および前記第２ＡＣ成分のうちの前記第２ＡＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
ａ
ｍ,ｎ
のｎについての総和をβ
ｍ
とし、前記第２ＡＣ成分の第ｎ要素ｘ
n,AC2
とａ
ｍ,ｎ
との積のｎについての総和をβ
ｍ
で除算して得られる値をγ
ｍ
とし、ｙ'
ｍ
＝ｙ
ｍ
／β
ｍ
－γ
ｍ
とし、ａ'
ｍ,ｎ
＝ａ
ｍ,ｎ
／β
ｍ
として、
ｙ'
１
～ｙ'
Ｍ
およびａ'
１,１
～ａ'
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得装置。
【請求項８】
前記制御部は、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外して求めた前記対象物の像に対して列ベクトルＷの全部または一部を加算する、
請求項１～７の何れか１項に記載の画像取得装置。
【請求項９】
前記制御部は、第ｍパターンにおいて前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量と、前記光源から出力された光が前記空間光変調器を経ることなく前記対象物に到達した場合の前記対象物の第ｎ領域での光強度と、の積に応じた値を、前記システム行列Ａの第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とする、
請求項１～７の何れか１項に記載の画像取得装置。
【請求項１０】
光を出力する光源と、前記光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、前記光源と前記光検出器との間の光路上に設けられ前記光を空間的に強度変調する空間光変調器と、を用いて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、前記Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に前記光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度および前記Ｍ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより前記対象物の像を求める方法であって、
前記対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸのＡＣ成分が互いに直交する第１ＡＣ成分と第２ＡＣ成分との和で表され、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷのＡＣ成分が前記第１ＡＣ成分および前記第２ＡＣ成分のうちの前記第２ＡＣ成分のみを含むとき、
前記Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において前記対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａであって、ＡとＷとの積の列ベクトルの全ての要素が互いに等しい値であるシステム行列Ａに基づいて、前記空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に前記光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、
ｙ
１
～ｙ
Ｍ
およびａ
１,１
～ａ
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した前記対象物の像を求める、
画像取得方法。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゴーストイメージングにより対象物の像を取得する装置および方法に関するものである。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
非特許文献１に、ゴーストイメージングにより対象物の像を取得する技術が記載されている。ゴーストイメージング技術は、光源と光検出器との間に空間光変調器および対象物を配置し、空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に光検出器により検出された光強度を取得して、各パターンおよび各光強度の相関演算に基づいて対象物の像を求めるものである。
【０００３】
ゴーストイメージング技術で用いる光検出器は、単一画素の光検出器（ポイントセンサ）でよい。したがって、複数の画素が２次元的に配列されたエリアセンサを用いて２次元画像を取得することが困難な波長域であっても、その波長域に受光感度を有するポイントセンサが存在すれば、そのポイントセンサを用いてゴーストイメージングにより対象物の２次元画像を取得することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
Kingston, Andrew M., et al."Optimizing nonconfigurable, transversely displaced masks for illuminationpatterns in classical ghost imaging." Physical Review A 107.2 (2023):023524.
Ceddia, David, and David M.Paganin. "Random-matrix bases, ghost imaging, and x-ray phase contrastcomputational ghost imaging." Physical Review A 97.6 (2018): 062119.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ゴーストイメージング技術は、各パターンおよび各光強度の相関演算を行う際に直交行列近似を行うことから、ショットノイズがない理想的な状況下であっても、有限のパターン数Ｍでは対象物の像を完全には再構成することができない。非特許文献２には、対象物の像の各画素値を要素とする列ベクトルをＸとしたとき、直交行列近似による誤差（分散）は下記（１）式で近似的に表されることが記載されている。つまり、ゴーストイメージングにより取得される対象物の像Ｘは、像Ｘの各画素値の二乗和に比例する誤差を含んでいる。
【０００６】
TIFF
2025107951000002.tif
13
149
【０００７】
本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、誤差が低減された対象物の像をゴーストイメージングにより取得することができる装置および方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の画像取得装置は、(1) 光を出力する光源と、(2) 光源から出力されて対象物を経た光の強度を検出する光検出器と、(3) 光源と光検出器との間の光路上に設けられ光を空間的に強度変調する空間光変調器と、(4) 空間光変調器による光の空間的強度変調のパターンを互いに異なるＭ個のパターンそれぞれに順次に設定し、Ｍ個のパターンそれぞれに設定した期間に光検出器により検出された光強度を取得して、これらの光強度およびＭ個のパターンに基づいてゴーストイメージングにより対象物の像を求める制御部と、を備える。
【０００９】
本発明の画像取得装置の第１態様では、制御部は、対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸのＡＣ成分が互いに直交する第１ＡＣ成分と第２ＡＣ成分との和で表され、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷのＡＣ成分が第１ＡＣ成分および第２ＡＣ成分のうちの第２ＡＣ成分のみを含むとき、Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａであって、ＡとＷとの積の列ベクトルの全ての要素が互いに等しい値であるシステム行列Ａに基づいて、空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、ｙ
１
～ｙ
Ｍ
およびａ
１,１
～ａ
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した対象物の像を求める。
【００１０】
本発明の画像取得装置の第２態様では、制御部は、対象物の像のＮ個の領域のうちの第ｎ領域（ｎ＝１～Ｎ）の値を第ｎ要素ｘ
ｎ
とする列ベクトルＸがＡＣ成分およびＤＣ成分を含み、この列ベクトルＸに含まれる一部の成分である列ベクトルＷがＤＣ成分のみを含むとき、Ｍ個のパターンのうちの第ｍパターン（ｍ＝１～Ｍ）において対象物の像の第ｎ領域に対応する領域での強度変調量に応じた値を第ｍ行第ｎ列の要素ａ
ｍ,ｎ
とするシステム行列Ａであって、各行の要素の総和が互いに等しい値であるシステム行列Ａに基づいて、空間光変調器による光の空間的強度変調パターンをＭ個のパターンそれぞれに順次に設定して、第ｍパターン設定時に光検出器により検出された光強度ｙ
ｍ
を取得し、ｙ
１
～ｙ
Ｍ
およびａ
１,１
～ａ
Ｍ,Ｎ
に基づいて、列ベクトルＸから列ベクトルＷを除外した対象物の像を求める。
（【００１１】以降は省略されています）

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