JP2004272278A - ホログラムの作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スクリーンホログラムの周辺部が暗く、色分散のために色づくことを抑制するホログラムの作製方法を提供する。
【解決手段】光拡散体１３を通過した物体光と、参照光とによる干渉縞を感光乾板１５に記録するようにしたホログラムの作製方法において、光拡散体１３の各辺に配置した反射鏡３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄにより反射した反射光、をも物体光として感光乾板１５に照射するとともに、参照光を感光乾板１５に照射する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ホログラムの作製方法に係り、特に、ホログラムをスクリーンとして利用するスクリーンホログラムの作成方法として好適なものである。

ホログラムを利用した表示装置として、プロジェクタからスクリーンホログラムに像を投射して、この像を透過あるいは反射して観察できる装置が知られている。より詳しく説明すると、透過型スクリーンは、図１７に示すように、スクリーンホログラム４１の背面側においてプロジェクタ４２から表示像を投影して、観察者４３から表示像を見るものである。一方、反射型スクリーンは、図１８に示すように、スクリーンホログラム４４の前面側において、プロジェクタ４５から表示像を投影して、プロジェクタ４５と同方向にいる観察者４６から表示像を見るものである。

又、透過型スクリーンホログラムを作製する露光光学系（像の記録）として色のむらを無くすための一手法として、図１９に示すように拡散体４７に光を当てて出力された物体光を感光乾板４８に照射するとともに参照光を感光乾板４８に照射して干渉縞を記録することにより行われる。一方、反射型スクリーンを作製する時の露光光学系（像の記録）は、図２０に示すように拡散体４９に光を当てて出力された物体光を感光乾板５０に照射するとともに参照光を感光乾板５０に照射して干渉縞を記録することにより行われる。

さらに、表面に結像した実像を所定方向の指向性をもって回折させる透明のスクリーンホログラムが開示されている（例えば、特許文献１参照）。これは、観察者の眼の近傍の複数個の点に向けて回折する複数個の干渉縞を記録することを特徴としている。これは、画面全体の色むら無く観察するためである。

ところで、図３の模式図に示すように、拡散板２０が、感光乾板１５より大きい場合、拡散板２０に入射した物体光は散乱光となって出射するが、散乱光２１ａ、２１ｂ、２１ｃは感光乾板１５の一点から発散するように記録することになる。ここで、図４に示すように拡散板２２と感光乾板１５が同じ大きさだったとすると、散乱光２１ａに対応する方向の光が記録されていないので、図４の光学系で作製されたスクリーンホログラムを観察すると、スクリーンホログラムの周辺部が暗く、色分散のために色づいて見えてしまう。

そこで、本発明では、スクリーンホログラムの周辺部が暗く、色分散のために色づくことを抑制するホログラムの作製方法を提供することにある。

本発明は、光拡散体を通過した物体光と、参照光とによる干渉縞を感光乾板に記録するようにしたスクリーンホログラムの作製方法であって、前記光拡散体の辺に配置した反射鏡により反射した反射光をも前記物体光として前記感光乾板に照射するとともに、前記参照光を前記感光乾板に照射することを特徴とする。

反射鏡により、拡散板の面積を大きくすることと同等の効果があるため、作製されたホログラム（スクリーンホログラム）を用いた表示装置においては、スクリーンホログラムの周辺部が暗く、色分散のために色づくことを抑制することができる。

（第１実施形態）
本発明のホログラムを組み込んだ表示装置の構成を図２に示す。この装置は透過型スクリーンを用いている。

プロジェクタ１は表示器１ａと投影レンズ１ｂとを備えている。プロジェクタ１から所定の距離だけ離間した位置にスクリーンマウント２によりスクリーンホログラム３が立設されている。又、プロジェクタ１に対しスクリーンマウント２よりも離間した位置に観察者４がいる。

プロジェクタ１の表示器１ａを出射した光は、投影レンズ１ｂによってスクリーンホログラム３に結像する。このとき、表示器１ａは光軸Ｌ１に対して傾いており、表示器１ａの表示像５がスクリーンホログラム３の全面でピントが合うようになっている。表示像５は、スクリーンホログラム３によって一部が回折光６となる。回折光６は、散乱光であるが、その指向性の中心は観察者４の眼に向かう。

図１には、スクリーンホログラム３を作製する露光光学系を示す。レーザー発振器７に対しそのレーザー発射口に対向してミラー８が配置され、このミラー８により形成される光軸上には半透過鏡９が配置されている。さらに、ミラー８により形成される光軸上における半透過鏡９の延長線上にはミラー１０が配置されている。このミラー１０により形成される光軸上には対物レンズ１１を介して軸はずし放物面鏡１２が配置されている。対物レンズ１１により光が広がるが軸はずし放物面鏡１２により平行光となる。

軸はずし放物面鏡１２により形成される光軸Ｌ２上には拡散板（光拡散体）１３を介して半透過鏡１４が配置され、さらに、半透過鏡１４により形成される光軸（反射軸）Ｌ３上にはスクリーンホログラムとなる感光乾板（ホログラム乾板）１５が配置されている。拡散板１３は、すりガラスを用いている。感光乾板１５は重クロム酸ゼラチン（ＤＣＧ）を用いている。

又、半透過鏡１４は、特に表面処理等、何も施さなくてもよいが表面に誘電体多層膜による反射増加処理を施してもよい。この処理を施せば、反射光の強度を高めることで、光の利用率が上がるので（通常のガラスだけでは、透過率が高く無駄になる光が多い）露光時間が短くて済むので、露光中の振動による干渉縞のぶれが抑えられる。

前記半透過鏡９の反射により形成される光軸上にはミラー１６が配置され、そのミラー１６により形成される光軸上にはミラー１７が配置され、ミラー１７により形成される光軸上には対物レンズ（光発散体）１８および半透過鏡１４を介して感光乾板１５が配置されている。つまり、半透過鏡１４に対し正面側（図１において右側）には感光乾板１５が配置されるとともに背面側（図１においては左側）には対物レンズ１８が配置されている。又、半透過鏡１４と感光乾板１５とは接近して配置されるとともに、半透過鏡１４と対物レンズ１８とは接近して配置されている。よって、感光乾板１５と対物レンズ１８の距離Ｓ₂は小さく両者は接近配置されている。

半透過鏡１４は可動となっており、拡散板１３からの光を感光乾板１５に対し上下および左右方向に向きが変えられる。図１においては半透過鏡１４の下端部が回転軸１９となっており、回転軸１９を中心に回動して拡散板１３からの光を感光乾板１５に対し上下方向に向きを変えることができる。つまり、半透過鏡１４の角度θ１が調整され、拡散板１３を出射した物体光が感光乾板１５に入射する角度θを自由に調節できる。従って、この半透過鏡１４を５°傾けると（Δθ１＝５°）、感光乾板１５への入射角度θが１０°傾く。

尚、左右方向に光の向きを変えるための機構の説明は省略する。次に、スクリーンホログラム３の作製の手順を説明する。まず、半透過鏡１４を、図１中、実線で示す角度に固定する。そして、レーザー発振器７からレーザー光を発射させる。レーザー発振器７を出射したレーザー光は、半透過鏡９によって、２方向に分けられる。一方のレーザー光はミラー１０で方向を変えた後、対物レンズ１１で発散光に変えられる。次に、軸はずし放物面鏡１２で平行光にされて拡散板１３に入射して拡散光となる。これを半透過鏡１４で反射した後、感光乾板１５に物体光として入射する。他方、半透過鏡９で反射したレーザー光は、ミラー１６、ミラー１７を経て、対物レンズ１８で発散光に変えられる。次に、半透過鏡１４を透過した後、感光乾板１５に参照光として入射する。この光拡散板１３を通した物体光と、参照光とによる干渉縞が感光乾板１５に記録される。

その後、半透過鏡１４を、図１において破線で示すように、５°傾けて（Δθ１＝５°）、感光乾板１５への入射角度θを１０°傾ける。この状態でレーザー発振器７からレーザー光を発射させる。そして、拡散板１３を通した物体光と、参照光とによる干渉縞が感光乾板１５に記録される。これにより、半透過鏡１４を傾けずに記録した干渉縞と合わせると上下方向の視域が広がる。

同様にして、半透過鏡１４を左右に向き（角度）を変えてレーザー発振器７からレーザー光を発射させ、拡散板１３を通した物体光と、参照光とによる干渉縞を感光乾板１５に記録する。これにより、左右方向の視域が広がる。

又、半透過鏡１４を用いて感光乾板１５と対物レンズ１８とを接近して配置して短焦点としているので、プロジェクタで投影された種々の表示像の輝度むらをスクリーン全面で少なくできる。さらに、透過型スクリーンホログラムは、全面フルカラー再生が可能となる。

ここで、物体光を半透過鏡１４で反射することの有用性を述べる。図２１において、スクリーンホログラム５１に結像している実像を、観察者５２が見る時、スクリーン全体の輝度のムラをできるだけ少なくするには、スクリーンホログラム５１に視野レンズの機能を持たせればよい。つまり、プロジェクタ投影レンズ５３と、観察者５２の位置が共役関係になるようにスクリーンホログラム５１がレンズ作用を持てばよい。しかし、視野レンズとしての焦点距離はレンズの結像関係より図２１におけるプロジェクタ投影レンズ５３とスクリーンホログラム５１との間隔Ｓ₁よりも短いものとなり、短焦点の透過型ホログラムを作成するには、図２２に示すように対物レンズ５４が物体光の光束に入ってしまうので、作成不可能となる。

しかし、本実施の形態においては、物体光の光路中に半透過鏡１４を配置して物体光を半透過鏡１４にて反射して感光乾板１５に照射するとともに半透過鏡１４を透過して参照光を感光乾板１５に照射することにより対物レンズ１８と感光乾板１５との距離間隔Ｓ₂を小さくして短焦点のホログラムが作製できる。尚、光路中に半透過鏡１４を配置しても、半透過鏡１４の表面と裏面の反射によって形成される干渉縞のコントラストは低いものとなり、支障はない。

又、図１において、拡散板１３を通過する光束の断面積が感光乾板１５の面積よりも大きくなっている。つまり、図３の模式図に示すように、拡散板２０は、感光乾板１５より大きいサイズである。図３において、拡散板２０に入射した物体光は散乱光となって出射するが、散乱光２１ａ，２１ｂ，２１ｃは感光乾板１５の一点から発散するように記録することになる。ここで、図４に示すように拡散板２２と感光乾板１５が同じ大きさだったとすると、散乱光２１ａに対応する方向の光が記録されていないので、図４の光学系で作製されたスクリーンホログラムを図２のように観察すると、スクリーンホログラム３の周辺部が暗く、また、色分散のために色付いて見えてしまう。これに対し、図３の方法で作製したホログラムであれば、色付きが無くなり周辺部の明るさも確保できる。

又、本実施の形態においては、物体光の強度を感光乾板１５の感度領域外とするとともに、物体光の強度を４０ｍＪ／ｃｍ²以下とし、さらに、物体光の強度Ｅ_Oに対する参照光の強度Ｅ_Rの比Ｅ_R／Ｅ_Oを、「５」以上としている。即ち、透過型スクリーンホログラムを作製する露光光学系を示す図１９において、感光乾板４８として重クロム酸ゼラチン（ＤＣＧ）を利用し、拡散体４７として＃１０００の片面すりガラスを使用する。この時、図５に示すように、物体光の強度Ｅ_Oに対する参照光の強度Ｅ_Rの比Ｅ_R／Ｅ_Oを、「５」以上とすることによって、ノルズ率（白濁、くすみ）を２％以下とし、透明で、曇りのない透過型スクリーンホログラムを得た。ここで言うノイズ率について説明する。図１５に示すように、作製したスクリーンホログラム９９に対し、白色光１００（入射光強度Ｉ₀）を投影する。次に、投影されてスクリーンホログラムで透過散乱する光１０２のうち入射光の垂直方向に透過してくる垂直透過光１０１の透過光強度Ｉ₁を測定する。この時、入射光強度Ｉ₀と垂直透過光強度Ｉ₁との比をとると図１６に示す結果となる。この時、図１６中の１１０の部分が透過率となり、１１１のハッチング部分がノイズ率とスクリーンホログラムの吸収の和になる。ＤＣＧの場合、吸収はほとんど０と考えてよいため、ハッチング部分をノイズ率と定義した。このノイズ率が増加するとスクリーンホログラムに白濁、くすみが生じて背景がくすみ明瞭に視認できない。

つまり、図１の感光乾板１５として重クロム酸ゼラチン（ＤＣＧ）を用いるとともに拡散板１３として＃１０００の片面すりガラスを使用した場合における、物体光の強度Ｅ_Oに対する参照光の強度Ｅ_Rの比Ｅ_R／Ｅ_Oを変えた時のノイズ率の測定結果を図５に示す。尚、物体光同士で形成される干渉縞のノイズ率の測定方法としては、そのスクリーンホログラムの露光光学系において、実際の撮影時と同量の物体光のみを露光し、次に硬膜のため参照光だけ照射した後現像して、そのノイズ率を測定する。

図５から、Ｅ_R／Ｅ_O＝「５」以上とすることによって、ノイズ率（白濁、くすみ）を２％以下とし、透明で、曇りのない透過型スクリーンホログラムを得ることができることが分かる。

Ｅ_R／Ｅ_Oを「５」以上とする方法として、より具体的には、図１に示すような光学系において物体光用レンズ１１の倍率ｎ_Oを大きくして参照光用レンズ１８の倍率ｎ_Rを小さくしている。物体光用レンズ１１の倍率ｎ_Oと参照光用レンズ１８の倍率ｎ_Rの比（ｎ_O／ｎ_R）としては、物体光用レンズ１１の倍率ｎ_O：参照光用レンズ１８の倍率ｎ_Rの倍率＝４：１〜８：１程度とすることが望ましく、また、それ以上の比でもよい。

つまり、レンズ倍率を大きくすることにより、レーザー光がより拡げられるため、中心に対して入射してくる光強度を小さくできる。ここで、Ｅ_R／Ｅ_Oを「５」以上とすることにより、透明感が増し、ノイズ率が低減することについて述べる。

干渉縞を記録するためには、干渉する２つの光の強度がある程度必要である。図６に示すように、今、物体光Ｏ₁と物体光Ｏ₂の２つの光が感光乾板２３上で干渉縞を形成する場合を想定する。感光乾板２３の干渉縞の記録に必要となる露光量を示すグラフを図７に示す。物体光Ｏ₁と物体光Ｏ₂の光強度の和が大きい時（図７中、Ａ領域）は、物体光Ｏ₁と物体光Ｏ₂の干渉縞は記録できる。しかし、物体光Ｏ₁と物体光Ｏ₂の光強度の和が小さい時（図７中、Ｂ領域）は、干渉縞の記録は不可能である。そこで、感光乾板２３としてＤＣＧ乾板を用いた場合において、干渉縞の記録に必要な最低露光量の値Ｐ_minを求めた。即ち、物体光Ｏ₁と物体光Ｏ₂の強度比を１：１とした時の結果を図８に示す。図８より感光乾板２３としてＤＣＧ乾板を用いた場合において、Ｐ_minの値は１０ｍＪ／ｃｍ²となった。

以上を考慮し、透明なスクリーンホログラムを作製する場合を考える。反射型スクリーンの場合を例にとると、その露光光学系の一例を図９に示す。今、拡散体２４のある一点Ｓから感光乾板２５のある一点Ｕにくる物体光をＯ₁とし、同様にある一点Ｔから点Ｕにくる物体光をＯ₂とする。又、点Ｕに入射する参照光をＲ₁とする。この時、感光乾板２５上の点Ｕで形成される干渉縞としては、図１０に示すように、Ｏ₁とＯ₂、Ｏ₁とＲ₁、Ｏ₂とＲ₁の３つがある。今回、透明なスクリーンホログラムを作製するに当たり、必要となる干渉縞はＯ₁とＲ₁、Ｏ₂とＲ₁の２つの干渉縞である。又、スクリーンホログラムの透明感を悪くし、ノイズ率を高くする原因となるのは、Ｏ₁とＯ₂の干渉縞であり、フレネルノイズと呼ばれるものである。よって、Ｏ₁とＲ₁、又はＯ₂とＲ₁の干渉縞のみを記録し、Ｏ₁とＯ₂の干渉縞を記録しなければ、白濁、くすみをなくし透明なスクリーンは作製可能である。

ここで、Ｏ₁とＯ₂の光強度の比は、一般的に１：１であると考えられる。感光乾板２３としてＤＣＧ乾板を用いた場合においては、前記の通りＯ₁とＯ₂の光強度の和を１０ｍＪ／ｃｍ²以下すれば、Ｏ₁Ｏ₂干渉縞（フレネルノイズ）は記録されない。今、Ｏ₁Ｒ₁、又はＯ₂とＲ₁の光強度の比を１：１（つまりＥ_R／Ｅ_O＝１）とすると、Ｏ₁とＲ₁、又はＯ₂とＲ₁の光強度の和を１０ｍＪ／ｃｍ²以上とすれば、本来必要な干渉縞は記録できるが、同時にフレネルノイズも記録されて、透明にはできない。

つまり、物体光Ｏ₁，Ｏ₂により形成される干渉縞はたとえば重クロム酸ゼラチン（ＤＣＧ）ホログラム乾板を利用すると、図８に示すように、物体光の光量（Ｏ₁，Ｏ₂の光を足した露光量）が１０ｍＪ／ｃｍ²以下であれば記録されない。一方、本来スクリーンホログラムに必要な干渉縞（本来ほしい物体光のＯ₁又はＯ₂と参照光Ｒ₁との干渉縞）は、露光量を１０ｍＪ／ｃｍ²以上とすれば記録できる。この時、物体光Ｏ₁，Ｏ₂の光強度はほぼ１：１と考えられる。そのため、物体光Ｏと参照光Ｒの比Ｅ_R／Ｅ_Oを大きくすることにより、Ｏ₁（又はＯ₂）とＲ₁との干渉縞は記録されて、白濁、曇りの原因であるＯ₁とＯ₂の干渉縞（拡散体のフレネルノイズ）は記録されずに、透明なスクリーンホログラムが作製可能である。

そこで、Ｏ₁とＲ₁、又はＯ₂とＲ₁の光強度の比Ｅ_R／Ｅ_Oを、例えば１：２０（Ｅ_R／Ｅ_O＝２０）とする。ここで、２つの光の強度比が１：２０の時に、感光乾板２３としてＤＣＧ乾板を用いた場合に干渉縞が記録可能となる露光量を示すグラフを図１１に示す。図１１より図９のＲ₁とＯ₁（又はＲ₁とＯ₂）の光強度の和が２５ｍＪ／ｃｍ²以上であれば、干渉縞の記録が可能である。

よって、図９においてＯ₁＝Ｏ₂＝３ｍＪ／ｃｍ²、Ｒ₁＝６０ｍＪ／ｃｍ²（Ｏ₁：Ｒ₁＝１：２０）とすれば、上記両方の条件を満足し、フレネルノイズのない透明なスクリーンホログラムが作製可能となる。

以上より、Ｅ_R／Ｅ_Oを「５」以上とすることにより、ノイズ率の小さい、透明なスクリーンホログラムを得ることができる。これについては、透過型スクリーンホログラムにおいても、同様の効果を得ることができる。

さらに、図１２に示すように、スクリーンホログラムにおいてある程度のくすみ、白濁が許されるのは物体光Ｏ₁と物体光Ｏ₂の拡散光同士の干渉縞の発光強度を４０ｍＪ／ｃｍ²以下としたときであり、４０ｍＪ／ｃｍ²以下とすることによりスクリーンホログラムのノイズ率を２％以下にすることができることを確認している。

このように本実施の形態によれば、図１の感光乾板１５に近接して半透明鏡１４を配置し、拡散板１３の通過後の物体光を半透明鏡１４で反射して感光乾板１５に照射するとともに、半透明鏡１４の背面側に近接して対物レンズ１８を配置し、参照光を対物レンズ１８および半透明鏡１４を透過して感光乾板１５に照射するようにしたので、参照光の対物レンズ１８と感光乾板１５との距離Ｓ₂を短くして短焦点のスクリーンホログラムが容易に作製される。よって、透過型スクリーンホログラムで、かつ全面フルカラー再生が可能となった。又、プロジェクタで投影された種々の表示像の輝度むらを、スクリーン全面で少なくすることができる。

又、拡散板１３を透過する光束の断面積が感光乾板１５の面積よりも大きいので、感光乾板１５の周縁部にも多方向から拡散光が入り、そのため、作製されたスクリーンホログラムを用いた表示装置においては、プロジェクタで投影されたスクリーンホログラムの周辺部が暗くなったり色付いたりすることが防止できる。

又、可動型半透明鏡１４を用いて、物体光の感光乾板１５への照射角度θを変えて複数回干渉縞を記録するようにしたので、作製されたスクリーンホログラムを用いた表示装置においては、プロジェクタで投影された種々の表示像の輝度むらを、スクリーン全面で少なくし、また、観察者が広い範囲で観察できる。

又、図１３に示すように、四角板状をなす拡散板３１の各辺には、反射鏡３２ａ〜３２ｄが配置されている。この反射鏡３２ａ〜３２ｄにより、拡散板の面積を大きくすることと同等の効果がある。

その原理を図１４に示す。入射光３３が、拡散板３１に入射し、拡散点Ｐ１において、拡散したとする。拡散光の中で、反射鏡３２ａに当たった光は、反射点Ｐ２で反射したとする。この反射光は、仮想拡散点Ｐ２’から拡散してきたことと同等であるので、拡散板３１の面積が小さくても、面積が大きな拡散板と同じ効果が得られる。

第１の実施の形態におけるスクリーンホログラムの作製の光学系を示す図。 スクリーンホログラムを組み込んだ表示装置の構成図。 スクリーンホログラムの作製の光学系を示す図。 比較のためのスクリーンホログラムの作製の光学系を示す図。 Ｅ_R／Ｅ_Oとノイズ率との関係を示す図。 感光乾板を通過する物体光を示す図。 露光量と干渉縞の記録割合との関係を示す図。 露光量と回折効率との関係を示す図。 スクリーンホログラムの作製の光学系を示す図。 スクリーンホログラムの断面図。 露光量と回折効率との関係を示す図。 物体光露光量とノイズ率との関係を示す図。 スクリーンホログラムの作製の光学系を説明するための斜視図。 スクリーンホログラムの作製の光学系を示す図。 ノイズ率の測定方法を説明するための図。 ノイズ率の定義を説明するための図。 透過型スクリーンを示す図。 反射型スクリーンを示す図。 透過型スクリーンホログラムの作製の光学系を示す図。 反射型スクリーンホログラムの作製の光学系を示す図。 光学系を示す図。 光学系を示す図。

符号の説明

１３…光拡散体としての拡散板、１４…半透明鏡、１５…感光乾板、１８…光発散体としての対物レンズ、２６…半透明鏡、２７…半透明鏡、３２ａ…反射鏡、３２ｂ…反射鏡、３２ｃ…反射鏡、３２ｄ…反射鏡。

Claims (2)

1. 光拡散体を通過した物体光と、参照光とによる干渉縞を感光乾板に記録するようにしたスクリーンホログラムの作製方法であって、
   前記光拡散体の辺に配置した反射鏡により反射した反射光をも前記物体光として前記感光乾板に照射するとともに、前記参照光を前記感光乾板に照射することを特徴とするホログラムの作製方法。
2. 請求項１において、前記反射鏡は、前記光拡散体の各辺に配置していることを特徴とするホログラム作製方法。