JP5201580B2 - ホログラム作成装置及びホログラムプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、物体光及び参照光の干渉によって形成されるホログラムを記録する装置に関し、特に、３次元画像を再生するためのホログラムを作成できるホログラム作成装置及びホログラムプリンタに関する。

近年、コンピュータ関連技術の発展に伴い、３次元画像情報が容易に扱われるようになってきた。コンピュータで扱われる３次元画像情報を出力する手段としては、ディスプレイ上での擬似的な３次元表示が一般的であった。この擬似的な３次元表示では、ディスプレイ上に表示される画像を自由に動かすことによって、表示される画像を３次元的に観察することが可能である。しかしながら、擬似的な３次元表示では、真に３次元画像を表示するものではないため、３次元画像情報を十分に表現することが困難である。

このため、３次元画像を再生するためのホログラムを作成する装置が研究されている。特許文献１には、物体光と参照光とを記録媒体の同一面側から照射して、記録媒体に透過型のホログラムを作成する装置が開示されている。図１３に、特許文献１の光学系の一部を示す。特許文献１では、光源から出射されたＳ偏光の光が、空間光変調器によって、画素毎にＳ偏光かＰ偏光かに設定された光になり、その光が図１３のビームスプリッタ３７に横方向から入射して、半反射面３７ａによって反射される。そして、Ｓ偏光ホログラム３５に入射した光のうちＰ偏光の光は、平行光束のままＳ偏光ホログラム３５を通過して記録時参照光となり、Ｓ偏光ホログラム３５に入射した光のうちＳ偏光の光は、Ｓ偏光ホログラム３５によって若干収束され、記録時情報光となる。記録時参照光及び記録時情報光は、２分割旋光板３４に入射し、そのうち、旋光板３４Ｌを通過した記録時参照光はＢ偏光となり、旋光板３４Ｒを通過した記録時参照光はＡ偏光となる。反対に、旋光板３４Ｌを通過した記録時情報光はＡ偏光となり、旋光板３４Ｒを通過した記録時情報光はＢ偏光となる。その後、記録時参照光は、対物レンズ３２によって集光されて記録媒体１に照射され、記録媒体１の裏側のガイド部５の下端部で最も小径となるように収束する。また、記録時情報光は、対物レンズ３２によって集光されて記録媒体１に照射され、記録媒体１の手前側で一旦最も小径となるように収束した後、発散しながら記録媒体１を通過する。

旋光板３４Ｒを通過した記録時参照光と、旋光板３４Ｌを通過した記録時情報光は、共にＡ偏光であるため干渉し、その干渉パターンが記録媒体１に記録される。また、旋光板３４Ｌを通過した記録時参照光と、旋光板３４Ｒを通過した記録時情報光は、共にＢ偏光であるため干渉し、その干渉パターンが記録媒体１に記録される。このようにして、記録媒体１に部分ホログラムが形成される。なお、記録時参照光は、ガイド部５の下端部に設けられたエンボスピット５ａによって変調された戻り光となって、対物レンズ３２に入射するようになっている。この戻り光は、２分割旋光板３４、Ｓ偏光ホログラム３５を通過し、ビームスプリッタ３７に入射し、光量の一部が半反射面３７ａを透過して、凸レンズ３８及びシリンドリカルレンズ３９を通過して、４分割フォトディテクタ４０に入射するようになっている。そして、この戻り光によってフォーカスサーボ、トラッキングサーボ及び基本クロックの再生を行っている。

また、特許文献２には、記録媒体の裏面に球面波を入射することによって平面波を再生する反射型ホログラムや凹面鏡等を配置することにより、記録媒体に反射型のホログラムを作成する装置が開示されている。特許文献２の装置においては、記録媒体の表面から空間的に変調した物体光を球面波として照射し、記録媒体を透過した球面波からなる物体光によって、裏面に配置された反射型ホログラムや凹面鏡等から平面波を再生させ、かかる再生した平面波を参照光として、裏面から記録媒体に入射させ、記録媒体に照射される物体光と反射型のホログラムを形成している。

特開平１１−２４９５３６号公報 特許第３３２４３２８号公報

上記特許文献１のホログラム作成装置では、記録する物体光及び参照光として、再生用参照光が照射されたときに所望の３次元画像に対応した再生光を発生させるための干渉パターンの一部を形成する動作を、記録媒体における記録位置を変更しながら複数回行うことによって、全体として一つのホログラムを作成することができ、かかる全体的なホログラムによって所望の３次元画像が再生できるので、再生する３次元画像の大きさや、ホログラムの大きさや、再生時の参照光によって制約されずに、３次元画像を再生するためのホログラムを簡便に作成することが可能となる。さらに、物体光及び参照光を記録媒体の同じ面側から同軸的に照射する構成のため、装置を小型化することができる。

しかしながら、特許文献１で形成されたホログラムは、透過型であり、その立体的な３次元画像を再生するためには、記録媒体の裏面（観察者から記録媒体を挟んで反対側）から発する光源が必要となるため、ＯＨＰ（overhead projector）等の観察用の装置や設備が必要であった。このため、気軽に３次元画像を鑑賞できなかった。また、透過型のホログラムは波長選択性が弱く、白色光源で再生した場合に再生像に色ズレが生じやすく、鮮明な３次元画像が得られにくい等の問題があった。

上記特許文献２のホログラム作成装置は、記録媒体を透過した物体光によって、参照光を生成しているため、生成される参照光の光強度が、その時に照射された物体光の強度に依存することから、所望の３次元画像を正確に記録及び表示することができない。たとえば、ある物体光の画像が、全体としては明るいが明るい部分と暗い部分が含まれる場合、物体光全体が明るいため、比較的強い光強度の参照光が再生される。この参照光は、物体光の明るい部分と干渉すると回折効率が高い干渉縞を形成するが、物体光の暗い部分と干渉した時も、参照光の光強度が比較的強いため、回折効率がそれほど低くならず、物体光の暗い部分については、不自然に明るく再生されてしまう。また、明るい部分と暗い部分が含まれる全体としては暗い画像の物体光の場合、比較的弱い光強度の参照光が生成されるので、物体光の明るい部分であっても回折効率の低い干渉縞が形成されてしまい本来明るいはずが暗く表示される。さらに、参照光の光強度が不足すると、干渉縞自体が形成されなかったり、ソラリゼーション（反転）などの再生像になるなどの問題も生じる。このように、特許文献２の方式では、部分ホログラム毎に明るさの基準となる参照光の光強度が異なってしまうため、再生される３次元画像の表示品質が悪くなるという問題があった。

本発明の目的は、再生する３次元画像の大きさや、ホログラムの大きさによって制約されずに、簡単に観察できる３次元画像を再生するためのホログラムを作成することができるようにしたホログラム作成装置及び方法を提供することにある。

本発明のホログラム作成装置は、光源と、光源からの光の一部を用いて、第一の偏光方向の物体光を生成する物体光生成手段と、光源からの光の他の一部を用いて、第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向の参照光を生成する参照光生成手段と、記録媒体のホログラム記録層の表面側から物体光及び参照光を照射する照射手段と、ホログラム記録層の裏面側に配置され、ホログラム記録層を透過した物体光及び参照光の何れか一方だけをホログラム記録層に向けて反射させる偏光選択反射手段と、ホログラム記録層と偏光選択反射手段との間に配置され、偏光選択反射手段によって反射された物体光及び参照光の一方をホログラム記録層に到達するまでの間に、ホログラム記録層を透過した時とは直交する偏光方向に変換する偏光変換手段とを有し、ホログラム記録層において、物体光及び参照光の一方と、記録媒体の表面から入射する物体光及び参照光の他方とが干渉することにより形成される反射型ホログラムを前記ホログラム記録層に記録する。

上記ホログラム作成装置において、照射手段が、記録媒体に対し、参照光を略平行光として照射することが好ましい。さらに、参照光生成手段は、複数の参照光を生成し、複数の参照光は、進行方向が異なる複数の略平行光としてホログラム記録層内を通過することがより好ましい。

また、上記ホログラム作成装置において、参照光生成手段の一部は、ホログラム記録層の裏面側に配置されており、裏面側に配置された参照光生成手段の一部において、複数の参照光が生成されてもよいし、参照光生成手段は、物体光生成手段の少なくとも一部としても機能する空間光変調器を有し、空間光変調器における物体光の画像情報が表示される領域外に、複数の参照光となる点光源が表示されてもよい。

上記ホログラム作成装置において、照射手段は、対物レンズを含み、記録媒体に対し、物体光のフーリエ変換像を照射することが好ましい。偏光選択反射手段は、ワイヤーグリッド偏光子またはコレステリック液晶フィルムであることが好ましい。

また、本発明のホログラムプリンタは、ホログラム記録層に記録される反射型ホログラムが、再生用参照光が照射されることにより３次元画像が再生されるホログラムの一部であり、反射型ホログラムを記録媒体の平面方向に繰り返し記録することにより、全体として一つの３次元画像が再生されるホログラムを記録することを特徴とする。

さらに、上記ホログラムプリンタにおいて、物体光が、再生される３次元画像から３次元部分画像を計算して、そこから計算された画像情報を担持していることが好ましい。

本発明のホログラム作成装置は、上記の構成を有することによって、記録媒体のホログラム記録層に対し、記録媒体のホログラム記録層の表面側から物体光及び参照光を照射しても第一の偏光方向と第二の偏光方向とが直交するため、照射時における物体光と参照光とは干渉せず、それらによる透過型のホログラムは形成されない。しかし、ホログラム記録層を透過した物体光及び参照光の何れか一方だけが、偏光選択反射手段によってホログラム記録層に向けて反射され、ホログラム記録層に到達するまでの間に、偏光変換手段によって、ホログラム記録層を透過した時とは直交する偏光方向に変換することで、記録媒体の表面から入射する物体光及び参照光の他方と干渉するので、反射型ホログラムをホログラム記録層に記録することができる。その他の効果も含め、詳細については、以下に述べる実施形態の説明において明らかにする。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は、本発明のホログラム作成装置におけるホログラムの記録動作の原理を示す説明図である。図１（Ａ）は物体光の光路を示す概略図であり、（Ｂ）は照射時の参照光の光路を示す概略図であり、（Ｃ）は反射された参照光の光路及び参照光と物体光とによる干渉を説明するための概略図である。

本発明のホログラム作成装置１０１は、図示しない光源と、物体光生成手段１０２と、参照光生成手段１０３と、照射手段１０４と、偏光変換手段１０５と、偏光選択反射手段１０６とを有し、記録媒体１１１において物体光１２１と参照光１２２とを干渉させて反射型のホログラムを作成する。なお、図１において、物体光１２１及び参照光１２２の偏光方向について、紙面と平行に振動するＰ偏光を横向きの両矢印で、紙面に垂直に振動するＳ偏光（Ｐ偏光と直交する偏光）を丸に×で、光の伝播に伴って時計回りに回転する右円偏光を右回りの矢印で、光の伝播に伴って反時計回りに回転する左円偏光（右円偏光と直交する偏光）を左回りの矢印でそれぞれ示す。また、偏光方向や光の形状の変化に合わせて、「１２１」や「１２２」という符号の末尾にａ、ｂ…というアルファベットを付記する。

最初に、本発明のホログラム作成装置１０１の動作の概略を説明し、その後、各構成について詳細に説明する。物体光生成手段１０２は、図示しない光源からの光の一部を用いて、振動方向または回転方向が第一の偏光方向（図１ではＰ偏光）の物体光１２１ａを生成し、参照光生成手段１０３は、図示しない光源からの光の他の一部を用いて、振動方向または回転方向が物体光の第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向（図１ではＳ偏光）の参照光１２２ａを生成する。そして対物レンズを含む照射手段１０３は、記録媒体１１１の表面１１１ａ側から、ホログラム記録層１１２に物体光１２１ｂ及び参照光１２２ｂを照射する。しかし、物体光１２１ｂと参照光１２２ｂの偏光方向は直交するため、照射時において、物体光１２１ｂと参照光１２２ｂとは干渉せず、物体光１２１ｂと参照光１２２ｂとによってホログラムは形成されない。ホログラム記録層１１２を透過し、さらに偏光変換手段１０５を通過した物体光１２１ｃ及び参照光１２２ｃの何れか一方（図１では参照光１２２ｃ）は、ホログラム記録層１１２よりも記録媒体１１１の裏面１１１ｂ側に配置された偏光選択反射手段１０６によって、ホログラム記録層１１２に向けて反射される。そして、偏光選択反射手段１０６によって反射された物体光１２１ｃ及び参照光１２２ｃの何れか一方（図１では参照光１２２ｃ）は、偏光変換手段１０５によって、ホログラム記録層１１２を透過した時とは直交する偏光方向（図１ではＰ偏光）に変換される。偏光方向が変換された物体光及び参照光の何れか一方（図１では参照光１２２ｄ）は、記録媒体１１１のホログラム記録層１１２において、記録媒体１１１の表面１１１ａから入射する物体光１２１ｂ及び参照光１２２ｂの他方（図１（Ｃ）では点線で示す物体光１２１ｂ）と偏光方向（図１ではＰ偏光）が一致し、それらの間で反射型ホログラム１１５が形成され、ホログラム記録層１１２に反射型ホログラム１１５が記録される。

記録媒体１１１は、物体光１２１及び参照光１２２の少なくとも一部が透過する透過型であり、物体光１２１及び参照光１２２の波長に感光性を有する感光材料を含むホログラム記録層１１２を有する。ホログラム記録層１１２の材料としては、たとえば、フォトポリマ（ｐｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒｓ）等が使用される。また、記録媒体１１１において、物体光１２１及び参照光１２２の双方が入射する面１１１ａを表面（図１の上面）と呼び、他方の面１１１ｂを裏面と呼ぶ。図１では、ホログラム記録層１１２は一対の透明基板１１３、１１４によって狭持されている。さらに、記録媒体１１１の表面及び裏面に、反射防止コートや反射防止フィルムが設けられていてもよい。記録媒体１１１としては、シート状または薄板状のものが好ましく、透明基板としては、板状のガラス基板やプラスチック基板だけではなく、薄膜状の高分子材料等のベースフィルムやコーティング層でもよい。なお、ホログラム記録層１１２の表面１１１ａ側及び裏面１１１ｂ側とは、ホログラム記録層１１２に対する方向を意味するものであり、記録媒体１１１よりも外側だけではなく、記録媒体１１１内も含む。たとえば、偏光変換手段１０５、または偏光変換手段１０５及び偏光選択反射手段１０６を記録媒体１１１内に積層させて一体化させた構成であってもよい。

記録媒体１１１は、図示しない記録媒体移動手段によって、物体光１２１及び参照光１２２の照射位置に対して、移動可能とされていることが好ましい。記録媒体１１１の表面に対して平行な方向について、少なくとも一軸方向に、好ましくは、直交する２軸方向に移動可能とする。

図示しない光源は、コヒーレントな光線束を発生するもので、たとえばＱスイッチレーザや半導体レーザを用いることができる。Ｑスイッチレーザは高出力であるため短時間での記録が可能であるが、コヒーレント長が数ｍｍと短いため、物体光と参照光の光路長を精密に制御する必要がある。このため、Ｑスイッチレーザ等のコヒーレント長が短いレーザを光源として利用する場合には、後述する光路長変更手段を物体光または参照光の光路内に設けることが好ましい。半導体レーザは、ＣＷレーザであり、コヒーレント長が数ｍと長く、可干渉性は高いが、低出力のため、ホログラムを記録するための照射時間が長くなり、その間の振動などを防止する必要がある。このため、半導体レーザを光源として利用する場合には、除振台等を設けることが好ましい。

また、光源として、カラーの３次元画像を記録再生するためには、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類の光源を設けることが好ましい。この場合、記録媒体１１１についても、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３種類の光に対応させた３種類のホログラム記録層を積層させるか、３種類の光のそれぞれに感光する３種類の感光材料を含むホログラム記録層を設ける。

物体光生成手段１０２によって生成される物体光は、記録媒体１１１に照射される際において、直線偏光、右円偏光または左円偏光の何れかであり、物体光における直線偏光の振動方向または円偏光の回転方向が第一の偏光方向である。物体光は、空間的に光を変調して、ホログラムに記録される画像情報を担持している。物体光生成手段１０２としては、格子状に配列された複数の画素を有し、画素毎に出射光の位相または／及び強度を変調することができる透過型または反射型の空間光変調器を使用することができる。空間光変調器としては、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）やマトリクス型の液晶素子を使用することができる。空間光変調器の複数の画素によって、担持させる画像情報を表示させ、光源からの光の一部を各画素によって変調することで、物体光を生成できる。空間光変調器の表示面は、照射手段１０４の対物レンズの入射瞳面または入射瞳面と共役な位置に配置される。なお、光源からの光が直線偏光または円偏光の場合は、そのまま空間光変調器によって物体光を生成できるが、そうでない場合は、偏光板などによって、光源からの光を直線偏光にすればよい。また円偏光とするためには、さらに直線偏光を四分の一波長板に通過させればよい。

参照光生成手段１０３によって生成される参照光は、記録媒体１１１に照射される際において、物体光が直線偏光であった場合は、その振動方向と直交する振動方向の直線偏光であり、物体光が右円偏光または左円偏光であった場合は、その回転方向と反対の回転方向の円偏光である。参照光生成手段１０３としては、凹面鏡、凸面鏡、凹レンズ、凸レンズ、所定形状の開口を有するマスク、透過型または反射型の空間光変調器、ホログラム回折素子等を単独若しくは複数を組み合わせて使用することができ、さらに、偏光方向を物体光と直交させるために、二分の一波長板や四分の一波長板を適宜組み合わせてもよい。参照光生成手段１０３として空間光変調器を利用する場合は、物体光生成手段１０２として利用する空間光変調器の物体光の画像を表示していない部分を参照光生成手段１０３として利用してもよいし、異なる空間光変調器を設けてもよい。参照光１２２は、対物レンズの入射瞳面において、物体光１２１と重畳する位置に配置されていてもよいし、対物レンズの入射瞳径内の重畳しない位置に配置されていてもよい。物体光と参照光が重畳している場合は、物体光生成手段１０２と参照光生成手段１０３とを別々に設ける必要があるが、物体光と参照光が重畳しない場合は、物体光生成手段１０２と参照光生成手段１０３とを共有させることができる。

参照光１１２は、記録されたホログラムを再生するための再生用参照光の条件を決定する。すなわち、物体光１２１と干渉した時の参照光１２２の波面と同じ波面によって、ホログラムは再生されるので、参照光１２２の波面と同じ波面を有する光を再生用参照光として利用することになる。

また、参照光は、照射手段によって、記録媒体１１１に対し、略平行光として照射されることが好ましい。略平行光の参照光でホログラムを形成すると、再生時においては、略平行光を照射することで３次元画像を再生できる。本発明において物体光及び参照光によって記録される反射型のホログラム（リップマン型ホログラムともいう）は、角度選択性が高いため、略平行光の参照光によって反射型のホログラムを形成すると、再生時において、平行光ではなく、若干拡散している光や収束している光が再生用参照光として照射されても、再生用参照光のうちの記録時と同じ平行光の成分によって３次元画像を再生でき、再生された像に歪みも生じ難い。

略平行光の参照光を記録媒体１１１に照射するためには、照射手段１０４の対物レンズの入射瞳面または入射瞳面と共役な位置に点光源が配置されるような参照光を成形すればよい。たとえば、凹面鏡、凸面鏡、レンズ、所定形状の開口を有するマスクによって入射瞳面に焦点が位置するような拡散光を生成したり、空間光変調器の微小領域（１画素ないしは数画素）のみから参照光を生成すればよい。参照光として略平行光を照射する場合、略平行光の直径は、物体光のスポット径（最も小径となる位置）と同じかスポット径よりも大きくなるようにする。物体光のスポット径と同じにすると、平面方向において、ホログラムを効率よく形成できる。

略平行光の参照光は、記録媒体に対して、垂直に入射させてもよいが、記録されたホログラムの観察条件を考慮して、所定の入射角を持たせてもよい。たとえば、一般的な環境では、上方から照明されることが多いので、ホログラムの上側から斜め角度を設ければ、一般的な環境下での観察が容易となる。略平行光に所定の入射角を持たせるためには、対物レンズの入射瞳面において、点光源の位置を光軸から平行に移動させればよい。なお、参照光は物体光と同様に照射手段によって収束させるように記録媒体に照射してもよい。この場合は、球面波の再生用参照光によって再生される。

さらに、参照光として、ホログラム記録層１１２において、進行方向が異なる複数の略平行光を通過させることが好ましい。このような複数の参照光は、記録媒体１１１に対し、入射角度が異なる複数の略平行光を照射すればよい。複数の参照光によってホログラムを記録すると、複数の参照光は、物体光との間で反射型のホログラムを形成するが、参照光同士が干渉するので、照射時において、または照射時と反射時の双方において、参照光同士で透過型のホログラムを形成する。この透過型のホログラムは、ある方向から一つの平行光が照射されると、他の参照光を再生する。このため、反射型のホログラムは、ある方向から一つの平行光が照射されると、当該平行光と、平行光によって透過型のホログラムから再生された他の参照光とによって、再生されるので、再生像のボケや歪みが生じにくく、拡散照明光でも視認性の高い再生像が得られる。

反射型のホログラムは、再生用参照光として平行光を照射したときに、再生像のボケや歪みは生じにくいものの再生用参照光の入射角度によっては、反射されて再生される再生像の投影方向が変化してしまう。たとえば、近接する２点から発する平行光をホログラムに照射すると、それぞれの平行光に対応した２つの再生像が再生されてしまい２重に滲んだ再生像が再生されてしまう。しかし、光軸中心にほぼ点対称な複数の参照光を用いて参照光相互に透過型ホログラムを形成しつつ物体光と反射型ホログラムを形成した場合には、再生用参照光が、どれか一つの参照光として照射されると、複数の参照光全てが透過型ホログラムから再生されるので、その全ての複数参照光によって反射型ホログラムから再生像を得ることができ、異なる方向の再生像は位相が相互に打ち消し合って再生されず、２重に滲んだ再生像の再生を抑圧し、ボケや歪みさらには多重像の発生も抑えた鮮明な３次元立体画像を再生できる。

複数の参照光は、対物レンズの入射瞳面において、複数の点光源を配置すればよく、その配置としては、ある参照光に対して、対物レンズの光軸を中心として点対称の位置に他の参照光が配置されないように配置すると種々の方向からの参照光を生成できるので好ましい。複数の参照光は、レンズアレイ、凹面鏡アレイ、ＨＯＥ（holographic optical element：ホログラム光学素子）、複数の開口を有するマスク、空間光変調器等を用いて生成することができる。また、ホログラム記録層１１２の裏面側に回折格子を配置することにより、一つないしは少数の参照光を記録媒体１１１に照射すれば、記録媒体１１１を透過した一つないしは少数の参照光が回折格子によって回折され、偏光選択反射手段１０６によって参照光が反射されることによって、ホログラム記録層１１２の裏面側から複数ないしは多数の参照光をホログラム記録層に照射することができる。

図１（Ａ）及び（Ｂ）においては、物体光生成手段１０２で生成された物体光１２１ａは、紙面と平行な偏光方向を持つ直線偏光（Ｐ偏光）であり、参照光生成手段１０３で生成された参照光１２２ａはＰ偏光と直交する振動方向のＳ偏光である。そして、参照光生成手段１０３は、対物レンズの入射瞳面に配置された微小開口を有するマスクであり、点光源からの放射光として生成された参照光１２２ａは、照射手段１０４によって、記録媒体１１１に対し、略平行光として照射される。

照射手段１０４は、対物レンズを含み、入射瞳面に結像した物体光１２１ａをフーリエ変換して記録媒体１１１の表面１１１ａ側から照射し、また、参照光も記録媒体１１１の表面１１１ａ側から照射する光学系を有している。光学系の具体的な構成については、種々設計できるが、対物レンズの入射瞳面に物体光１２１が結像するように光学系を配置する。

偏光変換手段１０５は、記録媒体１１１のホログラム記録層１１２と偏光選択反射手段１０６との間に配置され、少なくとも偏光選択反射手段１０６によって反射された光の偏光方向をホログラム記録層１１２を透過した時とは直交する偏光方向に変換する。偏光変換手段１０５として、四分の一波長板を利用することができる。また，その他の偏光変換手段として、磁気光学効果によって偏光面を回転させるファラデー素子やカー回転素子などを用いても良いし、液晶素子による偏光面の回転を利用してもよい。四分の一波長板は、入射した光に対し、常光線成分と異常光線成分の間に四分の一波長分の位相差を生じさせることができ、円偏光を直線偏光に、直線偏光を円偏光に変化させることができる。このため、偏光選択反射手段１０６によって反射される光は、偏光選択反射手段１０６に向かう時に四分の一波長板を通過し、偏光選択反射手段１０６から反射された時にも再び四分の一波長板を通過するため、記録媒体を透過した時とは直交する偏光方向に変換される。なお、偏光変換手段１０５は、偏光選択反射手段１０６によって反射されない光の偏光方向を変化させてもよい。

図１（Ｂ）においては、記録媒体１１１を透過したＳ偏光の参照光１２２ｂは、偏光選択反射手段１０６に向かう時に偏光変換手段１０５を通過して、左円偏光の参照光１２２ｃとなる。それが、図１（Ｃ）に示すように、偏光選択反射手段１０６によって反射され、偏光変換手段１０５を通過して、Ｐ偏光の参照光１２２ｄとなる。なお、四分の一波長板は、直線偏光の振動方向に対する遅相軸の向きを変えることにより、ある直線偏光を右円偏光にも、左円偏光にも変換でき、同様に、ある円偏光をＳ偏光にも、Ｐ偏光にも変換できる。

偏光選択反射手段１０６は、ホログラム記録層１１２の裏面１１１ｂ側に配置され、ホログラム記録層１１２を透過した物体光及び参照光の何れか一方だけをホログラム記録層１１２に向けて反射させる。物体光は、３次元画像の情報を有しているため、反射させる光は、参照光とすることが好ましい。偏光選択反射手段１０６としては、コレステリック液晶フィルム、ワイヤーグリッド偏光子、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）と反射鏡の組み合わせ等を使用することができる。コレステリック液晶フィルムは、厚み方向において螺旋構造を形成するグランジャン配向を有するコレステリック液晶層が設けられており、右円偏光及び左円偏光の一方を反射し、他方を透過する。コレステリック液晶フィルムにおいては、螺旋のピッチを制御することで反射される光の波長を設計することができる。ワイヤーグリッド偏光子は、細い金属線（ワイヤー）を規則正しく配列させたものであり、ワイヤーに平行な振動方向の直線偏光を反射し、それと直交する直線偏光を透過する。ＰＢＳと反射鏡の組み合わせは、ＰＢＳによって所定の振動方向の直線偏光のみを反射させて分離し、反射した直線偏光を物体光の照射領域外に配置された反射鏡によって記録媒体１１１やＰＢＳにに向けてさらに反射させる構成である。コレステリック液晶フィルム及びワイヤーグリッド偏光子を使用すると、参照光をそのまま反転させて物体光と１８０°の相対角度で干渉させることができ、また、複数の進行方向の参照光を同時に反射させることもできる。ＰＢＳと反射鏡の組み合わせにおいて、反射鏡によって記録媒体に向けて反射させれば、反射した参照光は反射鏡の角度に応じて物体光と一定の角度で交差させるようにすることができる。また、反射鏡によってＰＢＳに向けて反射させれば、１８０°の相対角度で干渉させることや、所定の相対角度で一本または複数の参照光を反射させることができる。

図１においては、偏光選択反射手段１０６として、左円偏光を反射し、右円偏光を透過するコレステリック液晶フィルムが配置されており、偏光変換手段１０５を通過して左円偏光となった参照光１２２ｃを反射し、偏光変換手段１０５を通過して右円偏光となった物体光１２１ｃを透過している。なお、コレステリック液晶フィルムを適宜選択することで、右円偏光を反射させ、左円偏光を透過させる構成とすることができ、それに合わせて物体光及び参照光の偏光方向を設計してもよい。

なお、図１においては、記録媒体１１１と、偏光変換手段１０５と、偏光選択反射手段１０６との間に、それぞれ距離を空けて配置しているが、これは光の偏光方向などを判りやすく説明するためであり、それらが、接触した構成とすることは好ましい。特に、偏光変換手段１０５及び偏光選択反射手段１０６を一体に設けて、記録媒体１１１の裏面１１１ｂ側において、記録媒体を保持するガイド部材としての機能を持たせることが好ましい。または、記録媒体１１１内において、ホログラム記録層１１２の裏面側に、たとえば、ホログラム記録層１１２と基板１１４との間に、偏光変換手段１０５、または偏光変換手段１０５及び偏光選択反射手段１０６を設けて、記録媒体１１１と一体化させた構成であってもよい。この場合、記録媒体１１１の一部がホログラム作成装置の一部となる。

図２は、偏光選択反射手段１０８として、Ｓ偏光を透過し、Ｐ偏光を反射するワイヤーグリッド偏光子を使用した実施形態の原理を示す説明図である。図２（Ａ）は物体光の光路を示す概略図であり、（Ｂ）は照射時の参照光の光路を示す概略図であり、（Ｃ）は反射された参照光の光路及び参照光と物体光とによる干渉を説明するための概略図である。図１と同じ構成については、同じ符号を付し、説明は省略する。

図２（Ａ）に示すように、物体光生成手段１０２によって形成されたＰ偏光の物体光１３１ａは、第一の四分の一波長板１０７によって右円偏光の物体光１３１ｂとなり、照射手段１０４によって記録媒体１１１に対し、収束する物体光１３１ｃとして照射される。記録媒体１１１を透過した物体光１３１ｃは、偏光変換手段１０５である第二の四分の一波長板によってＳ偏光の物体光１３１ｄとなり、偏光選択反射手段１０８であるワイヤーグリッド偏光子を透過する。

図２（Ｂ）に示すように、参照光生成手段１０３によって形成されたＳ偏光の参照光１３２ａは、第一の四分の一波長板１０７によって左円偏光の参照光１３２ｂとなり、照射手段１０４によって記録媒体１１１に対し、平行光の参照光１３２ｃとして照射される。記録媒体１１１を透過した参照光１３２ｃは、偏光変換手段１０５である第二の四分の一波長板によってＰ偏光の参照光１３２ｄとなり、偏光選択反射手段１０８であるワイヤーグリッド偏光子によって反射される。その後、図２（Ｃ）に示すように、Ｐ偏光の参照光１３２ｄは、再び偏光変換手段１０５である第二の四分の一波長板を通過して右円偏光の参照光１３２ｅとなり、記録媒体１１１の裏面１１１ｂ側から入射して、照射手段１０４によって記録媒体１１１に対し、表面１１１ａ側から照射される右円偏光の物体光１３１ｃ（図２（Ｃ）では点線で示す）と干渉して、反射型のホログラム１１５を形成する。なお、ワイヤーグリッド偏光子の向きを変更することにより、Ｓ偏光を反射させ、Ｐ偏光を透過させる構成とすることができ、それに合わせて物体光及び参照光の偏光方向を設計してもよい。

図３は、記録媒体１１１に対する参照光の入射角を垂直ではなく、所定の入射角を持たせて照射した実施形態についての説明図である。図３（Ａ）は、物体光の光路を示す概略図であり、（Ｂ）は照射時の参照光の光路を示す概略図であり、（Ｃ）は反射された参照光の光路及び参照光と物体光とによる干渉を説明するための概略図である。図１と同じ構成については、同じ符号を付し、説明は省略する。なお、図３においては、基本的には図１と同じ光学部品を使用しているが、記録媒体１１１と、偏光変換手段１０５と、偏光選択反射手段１０６との間隔を空けず、それらを接触させて配置している。このため、偏光変換手段１０５と偏光選択反射手段１０６との間にのみ生成される参照光１２２ｃについては表記しない。

図３（Ｂ）に示すように、参照光生成手段１０３は、照射手段１０４の対物レンズの入射瞳面において、入射瞳面の中心（対物レンズの光軸）から外れた位置に微小な開口を有し、参照光生成手段１０３によって生成されたＳ偏光の参照光１２２ａは、対物レンズの光軸から外れた位置に入射する。このため、参照光１２２ａは、照射手段１０４によって対物レンズの焦点に向かう斜めの平行光１２２ｂとなり、記録媒体１１１に対し所定の入射角θで入射する。その後、記録媒体１１１を透過した参照光１２２ｂは、偏光変換手段１０５を通過し、偏光選択反射手段１０６によって反射されるが、偏光選択反射手段１０６に対して斜めに入射するので、斜めに反射する。その後、図３（Ｃ）に示すように、偏光変換手段１０５を通過してＰ偏光となった参照光１２２ｄは、記録媒体１１１の裏面１１１ｂ側から入射して、照射手段１０４によって記録媒体１１１に対し、表面１１１ａ側から照射されるＰ偏光の物体光１２１ｂ（図３（Ｃ）では点線で示す）と干渉して、反射型のホログラム１１５を形成する。なお、図３においては、図１と同様に、コレステリック液晶フィルムを使用して、右円偏光及び左円偏光の一方を反射し、他方を透過する構成とした。

図３に示すように、所定の入射角を持たせて照射する場合、ホログラム記録層１１２において、物体光と反射された参照光とが重なる領域を広げるために、対物レンズに入射する参照光の角度を傾けて、いわゆる有限系の光学配置とし、偏光選択反射手段１０６によって反射された後、ホログラム記録層１１２が焦点位置となるようにすることが好ましい。参照光は対物レンズの光軸に対して拡散するように入射させる。

図４は、参照光として、ホログラム記録層１１２において、進行方向が異なる複数の略平行光を通過させる実施形態についての説明図である。図４（Ａ）は、物体光の光路を示す概略図であり、（Ｂ）は照射時の参照光の光路を示す概略図であり、（Ｃ）は反射された参照光の光路及び参照光と物体光とによる干渉を説明するための概略図である。図１と同じ構成については、同じ符号を付し、説明は省略する。

図４（Ｂ）に示すように、参照光生成手段１０３は、照射手段１０４の対物レンズの入射瞳面において、複数の微小な開口を有し、参照光生成手段１０３によって複数のＳ偏光の参照光１４２ａが生成される。複数のＳ偏光の参照光１４２ａは、それぞれ照射手段１０４によって対物レンズの焦点に向かう平行光１４２ｂとなり、記録媒体１１１に対し入射角が異なる複数の参照光１４２ｂが照射される。そして、記録媒体１１１のホログラム記録層１１２において、複数の参照光１４２ｂ同士が干渉し、第１の透過型のホログラム１１６が形成され、記録される。その後、記録媒体１１１を透過した複数の参照光１４２ｂは、それぞれ偏光変換手段１０５を通過し、偏光選択反射手段１０６によって反射される。その後、図４（Ｃ）に示すように、それぞれ偏光変換手段１０５を通過してＰ偏光となった複数の参照光１４２ｄは、記録媒体１１１の裏面１１１ｂ側から入射して、照射手段１０４によって記録媒体１１１に対し、表面１１１ａ側から照射されるＰ偏光の物体光１２１ｂ（図４（Ｃ）では点線で示す）と干渉して、反射型のホログラム１１５が形成され、反射型のホログラム１１５が記録される。さらに、反射された複数のＰ偏光の参照光１４２ｄ同士は、ホログラム記録層内で重なり合っていた場合は、それらの重なった領域に、第２の透過型のホログラム（図示せず）が形成され、記録される。

図５（Ａ）及び（Ｂ）は、対物レンズの入射瞳面における複数の参照光の点光源の配置を示すものである。図５（Ａ）では、１９個の参照光の点光源１０３ａ〜ｓは、対物レンズの入射瞳径１０４ａ内において、物体光の領域１０２ａ内も含めて点在している。図５（Ａ）において、点光源１０３ａ〜ｒは、ある参照光に対して、対物レンズの光軸１０４ｂを中心として点対称の位置に他の参照光が配置されないように配置されている。すなわち、点光源１０３ａ〜ｒは、入射瞳径１０４ａの光軸１０４ｂを中心とした１８本の放射状の線上にそれぞれ配置されており、点光源１０３ａ〜ｉは、放射状の線上の入射瞳径１０４ａの円周近傍に、一本おきに配置され、点光源１０３ｊ〜ｒは、放射状の線上の中間点に、同じく一本おきに配置されている。このため、点光源１０３ａの放射状の線と点光源ｎの放射状の線は光軸１０４ｂを中心として点対称であるが、その点光源の位置は円周近傍と中間点で重ならない。なお、点光源１０３ｓは、光軸１０４ｂ上に配置されている。このように配置すると、参照光が反射して折り返されたときに参照光同士が対向する成分が少なくなるので、干渉縞を有効に形成できる。図５（Ａ）の配置では、物体光の領域１０２ａと参照光の点光源１０３ｉ〜ｓが重なっているため、光源からの光を２つの光路に分離して、それぞれの光路で物体光と参照光を生成する必要がある。

図５（Ｂ）は、点光源の具体的な配置ではなく、参照光を物体光の領域１０２ａと重ならないように配置するための参照光の領域１０３ｔを示している。参照光の領域１０３ｔは、対物レンズの入射瞳径１０４ａ内における物体光の領域１０２ａの外側に配置されている。参照光の領域１０３ｔ内において、適当な数の点光源を配置することができ、好ましくは、図５（Ａ）の点光源１０３ａ〜ｉのように、ある参照光に対して、対物レンズの光軸を中心として点対称の位置に他の参照光が配置されないように配置する。図５（Ｂ）のように、参照光の領域１０３ｔと物体光の領域１０２ａとが重ならない場合は、一つの空間光変調器によって、物体光と参照光を生成することができる。なお、物体光と参照光の偏光方向を直交させるため、参照光の領域１０３ｔまたは物体光の領域１０２ａの何れかに、二分の一波長板を配置する。

図６は、参照光として、ホログラム記録層１１２において、進行方向が異なる複数の略平行光を通過させる他の実施形態についての説明図である。図６（Ａ）は、物体光の光路を示す概略図であり、（Ｂ）は照射時の参照光の光路を示す概略図であり、（Ｃ）は反射された参照光の光路及び参照光と物体光とによる干渉を説明するための概略図である。図１と同じ構成については、同じ符号を付し、説明は省略する。

図６においては、第１の参照光生成手段１０３に加えて、ホログラム記録層１１２の裏面側１１１ｂにおいて、記録媒体１１１と偏光選択反射手段１０６との間に第２の参照光生成手段１０９を設ける。第１の参照光生成手段１０３は、図１と同様に、Ｓ偏光の参照光１５２ａを一つ生成する。第２の参照光生成手段１０９は、照射手段１０４によって略平行光とされた参照光１５２ｂが記録媒体を透過して照射されると、複数の参照光１５２ｄ〜ｆを生成する。第２の参照光生成手段１０９としては、回折格子を使用することができ、参照光１５２ｂが入射すると、参照光１５２ｂは、回折格子によって回折され、複数の略平行光の回折光が発生する。さらに、回折光は、偏光選択反射手段１０６によって反射され、再度、回折格子を通過する際に、それぞれが回折されて、複数の略平行光の回折光が発生し、複数の参照光として利用できる。複数の参照光１５２ｄ〜ｆは、偏光変換手段１０５によって、偏光方向が直交するＰ偏光となっており、記録媒体１１１の裏面１１１ｂ側から入射して、照射手段１０４によって記録媒体１１１に対し、表面１１１ａ側から照射されるＰ偏光の物体光１２１ｂ（図６（Ｃ）では点線で示す）と干渉して、反射型のホログラム１１５が形成され、反射型のホログラム１１５が記録される。さらに、複数のＰ偏光の参照光１５２ｄ〜ｆ同士は、ホログラム記録層内で重なり、それらの重なった領域に、透過型のホログラム（図示せず）が形成され、記録される。

以下、より具体的なホログラム作成装置について図７〜図９を用いて説明する。図７は、ホログラム作成装置１６０の全体構造を示す概略図であり、図８は物体光の光路を説明する図であり、図９は参照光の光路を説明する図である。図７〜９のホログラム作成装置１６０は、Ｑスイッチレーザ光源１６１、光源ヘッド１６２、ビームエキスパンダー１６３、第１のミラー１６４、第１の二分の一波長板１６５（以下、二分の一波長板を「ＨＷＰ」と略す）、第１の偏光ビームスプリッタ１６６（以下、偏光ビームスプリッタを「ＰＢＳ」と略す）、遮光板１６７、空間フィルタ１６８、第２のＨＷＰ１６９、レンズ１７０、第２のミラー１７１、第２のＰＢＳ１７２、第１の四分の一波長板（以下、四分の一波長板を「ＱＷＰ」と略す）１７３、第３のミラー１７４、ＤＭＤ１７５、第３のＰＢＳ１７６、第４のＰＢＳ１７７、第２のＱＷＰ１７８、第４のミラー１７９、凹レンズ１８０、第３のＨＷＰ１８１、ズームレンズ１８２、第３のＱＷＰ１８３、第５のミラー１８４、アパーチャー１８５、第１のリレーレンズ１８６、第６のミラー１８７、ドーブプリズム（dove prism）１８８、第７のミラー１８９、第２のリレーレンズ１９０、第８のミラー１９１、対物レンズ１９２、第４のＱＷＰ１９３、ワイヤーグリッド偏光子１９４を有し、さらにフォーカス及びトラッキング用アクチュエータ１９５及び図示しない記録媒体移動手段を有している。なお、図７〜９のホログラム作成装置１６０は、幾つかの付加的な機能も実現可能な構成とされており、本発明に必要不可欠な構成のみからなるものではない点を注意しておく。

図８を用いて、ホログラム作成装置１６０における物体光の光路を説明する。物体光は、図８に示すような光路を経て記録媒体１１１に照射される。まず、Ｑスイッチレーザ光源１６１によって発生された約３０ｎｓのパルスレーザー光（Ｐ偏光）が、光源ヘッド１６２から照射される。レーザ光は、ビームエキスパンダー１６３によって、ビーム径を拡大され、第１のミラー１６４によって反射される。第１のＨＷＰ１６５は、レーザ光の偏光方向を変化させるものであり、第１のＰＢＳ１６６と組み合わせて、レーザ光の強度を調整する手段として機能する。すなわち、第１のＨＷＰ１６５を回転させることでレーザ光中のＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合を変化させ、Ｓ偏光のみを反射する第１のＰＢＳ１６６において、Ｓ偏光成分のみを分離して、光強度を減少させる。なお、第１のＰＢＳ１６６を透過したＰ偏光成分は、遮光板１６７によって遮光される。

第１のＰＢＳ１６６によって反射されたＳ偏光は、空間フィルタ１６８の高倍率のレンズとピンホールによって、強度ムラが取り除かれ、レンズ１７０によって平行光とされる。第２のＨＷＰ１６９は、光の偏光方向を回転させて、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを持たせる。第２のＨＷＰ１６９を回転させることによりＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合を変化させ、第２のＰＢＳ１７２と組み合わせることで、物体光と参照光の強度比を調整することができる。そして、平行光（Ｐ＋Ｓ）は、第２のミラー１７１によって反射され、第２のＰＢＳ１７２によってＳ偏光とＰ偏光に分離される。第２のＰＢＳ１７２を通過したＰ偏光は、第１のＱＷＰ１７３によって、ＤＭＤ１７５の複屈折を補正するため、逆位相を付加される。第３のミラー１７４によって、ＤＭＤ１７９に対する入射角が、ＤＭＤ１７９のミラーの傾斜角の２倍の角度となるようにＤＭＤ１７９に向けて反射させる。そして、ＤＭＤ１７９に表示された画像情報によって、光を空間的に変調させてＰ偏光の物体光を生成する。

ＤＭＤ１７９から射出されたＰ偏光の物体光は、第３のＰＢＳ１７６を透過し、ズームレンズ１８２において対物レンズ１９２の入射瞳径に合わせて画像情報の倍率を変化させる。その後、物体光は、第３のＱＷＰ１８３によって、偏光方向が右円偏光に変換される。そして、物体光（右円）は、第５のミラー１８４によって反射され、第１のリレーレンズ１８６及び第２のリレーレンズ１９０によって、第６のミラー１８７、ドーブプリズム１８８及び第７のミラー１８９を経て、対物レンズ１９２の入射瞳面に結像される。第６のミラー１８７及び第７のミラー１８９は装置の小型化のために設けられており、ドーブプリズム１８８は物体光の画像情報を４５°回転させて正立像とする。

なお、ドーブプリズム１８８を回転させることにより、記録媒体１１１を回転させて周方向に沿って複数のホログラムを記録した場合であっても、各ホログラムの画像の向きを一致させることができる。つまり、記録媒体１１１の移動手段が回転系の場合、そのまま周方向に沿って複数のホログラムを記録すると、各ホログラムの画像の向きが回転対称なものとなってしまい、同一方向の画像を形成することができない。しかし、ドーブプリズム１８８を記録媒体の回転速度の半分の回転速度で回転させると、記録媒体における物体光の画像を常に同じ向きになるように回転させることができる。

そして、物体光（右円）は、第８のミラー１９１によって対物レンズ１９２に向けて反射され、対物レンズ１９２によって、記録する画像を集光させてフーリエ変換した像が記録媒体１１１に照射される。記録媒体１１１を透過した物体光は、第４のＱＷＰ１９３によって右円偏光がＰ偏光に変換される。ワイヤーグリッド偏光子１９４は、Ｐ偏光を透過するので、物体光はワイヤーグリッド偏光子１９４をそのまま透過する。

次に、図９を用いて、ホログラム作成装置１６０における参照光の光路を説明するが、第２のＰＢＳ１７２までは、物体光と共通なので省略する。第２のＰＢＳ１７２によって反射されたＳ偏光は、第４のＰＢＳ１７７によって反射され、第２のＱＷＰ１７８を通過することにより右円偏光に変換され、第４のミラー１７９で反射されて再び第２のＱＷＰ１７８を通過することによりＰ偏光に変換され、第４のＰＢＳ１７７を透過する。このＰ偏光は、第３のＨＷＰ１８１によって元のＳ偏光に変換される。これらの第４のＰＢＳ１７７、第２のＱＷＰ１７８、第４のミラー１７９及び第３のＨＷＰ１８１は、第４のＰＢＳ１７７から第４のミラー１７９までの往復の光路長を参照光の光路長に付加するものであり、参照光の光路長を物体光の光路長と調整するための光路長調整手段として設けられている。特に、光路長調整手段は、図７〜９のホログラム作成装置１６０のように、Ｑスイッチレーザを使用している場合は、コヒーレント長が短いため、物体光の光路長と参照光の光路長との差（記録媒体１１１を透過して偏光選択反射手段によって反射され、再び記録媒体１１１の裏面１１１ｂからホログラム記録層１１２に至るまでの光路長を含む）をコヒーレント長よりも短くするために設けることが好ましい。また、装置の状態や環境により、物体光及び参照光の光路長が変化することがあるので、この変化を吸収できるように、光路長調整手段は、調整する光路長を固定ではなく、可変とすることが好ましい。上記構成の光路長調整手段の場合は、第４のミラー１７９を図９の左右方向に移動できる構成とすれば、調整する光路長が可変となる。さらに、第２のＱＷＰ１７８には、参照光の口径を細くするアパーチャーが設けられていてもよい。前述したとおり、略平行光の参照光としては、物体光のスポット径と同程度とすることが好ましいが、このような細い平行光を形成するためには、段階的に平行光を細くしていくことが好ましい。図７のホログラム作成装置１６０では、第２のＱＷＰ１７８のアパーチャー、ズームレンズ１８２内のアパーチャー、第１のリレーレンズ１８６の前のアパーチャー１８５によって段階的に開口を細くしている。

凹レンズ１８０は、ホログラム作成装置１６０における参照光生成手段の一部であり、平行光（Ｐ偏光）を発散光とするものである。発散光の焦点が、対物レンズの入射瞳面と共役な位置となるように、凹レンズ１８０を配置することが好ましい。なお、参照光生成手段の他の一部としては、物体光と偏光方向を直交させる手段であり、第２のＰＢＳ１７２または第３のＨＷＰ１８１である。発散光（Ｐ偏光）は、第３のＱＷＰ１８３によってＳ偏光となり、第３のＰＢＳ１７６によって反射され、物体光の光路と重なる。続いて発散光（Ｓ偏光）は、ズームレンズ１８２内の最初のレンズによって平行光となり、アパーチャーによって平行光の直径が短くなり、次のレンズで収束、発散光となる。その後、参照光は、第３のＱＷＰ１８３によって、偏光方向が左円偏光に変換される。そして、参照光（左円）は、第５のミラー１８４によって反射され、アパーチャー１８５によってさらに平行光の直径が短くなり、第１のリレーレンズ１８６及び第２のリレーレンズ１９０によって、第６のミラー１８７、ドーブプリズム１８８及び第７のミラー１８９を経て、対物レンズ１９２の入射瞳面に点光源が結像される。

そして、参照光（左円）は、第８のミラー１９１によって対物レンズ１９２に向けて反射され、対物レンズ１９２によって、平行光として記録媒体１１１に照射される。記録媒体１１１を透過した参照光は、第４のＱＷＰ１９３によって左円偏光がＳ偏光に変換される。Ｓ偏光を反射するワイヤーグリッド偏光子１９４によって反射されたＳ偏光の参照光は、再び第４のＱＷＰ１９３を通過して右円偏光に変換され、記録媒体１１１の裏面１１１ｂからホログラム記録層１１２に入射する。そして、参照光は、表面１１１ａから入射した右円偏光の物体光と干渉して反射型のホログラムを記録できる。

また、ホログラム作成装置１６０は、トラッキング用アクチュエータ１９５または／及び図示しない記録媒体移動手段によって、物体光及び参照光の照射位置を光軸方向に移動させるフォーカスサーボや記録媒体１１１の表面と平行な方向に移動させるトラッキングサーボを行ってもよい。これらのサーボを行うために、ホログラムを生成するための光源とは別に、サーボ用の光源を設け、記録媒体または記録媒体の裏面側に位置合わせ用のサーボ情報を形成しておき、サーボ用光源で読み取り可能とすることが好ましい。記録媒体の裏面側において、偏光選択反射手段及び偏光変換手段を備えたガイド部を設ける場合、ガイド部にサーボ情報を形成しておくことが好ましい。なお、サーボ情報は、一定間隔に配列されたピットや模様などでよい。さらに、ホログラム作成装置で記録のタイミングを決定するために使用される基本クロックは、外部から信号として入力してもよいが、かかるサーボ用の光源によって、記録媒体または記録媒体の裏面側に形成されたクロック情報を読み取ることで取得してもよい。さらに、サーボ用の光源を設けなくても、偏光選択反射手段を透過した光によって、クロック情報を読み取ることもできる。たとえば、偏光選択反射手段の透過側（図７〜９の下方）において、クロック情報及び光検出手段を設け、偏光選択反射手段を透過した光（図７〜９においては情報光）がクロック情報（一定周期の遮光部等）によって変調され、変調された透過光の光強度を検出手段によって検出することで、基本クロックを再生できる。

図７〜９のように、物体光を生成する光路と参照光を生成する光路を分離することにより、物体光と参照光が対物レンズの入射瞳面において重畳させることができる。なお、物体光と参照光とが重畳しない場合は、空間光変調器であるＤＭＤにおいて、偏光方向を直交させるためのＨＷＰをいずれかの領域のみに設ければ、物体光と参照光を生成することが可能である。ＤＭＤで物体光と参照光を生成する場合、図７〜９の第２のＨＷＰ１６９、第２のＰＢＳ１７２、第３のＰＢＳ１７６、第４のＰＢＳ１７７、第２のＱＷＰ１７８、第４のミラー１７９、凹レンズ１８０、第３のＨＷＰ１８１が少なくとも不要になる。

なお、参照光に所定の入射角を持たせて照射する場合は、第３のＰＢＳ１７６の位置を物体光の光軸に垂直な面内において平行移動させればよい。また、参照光として、ホログラム記録層１１２において、進行方向が異なる複数の略平行光を通過させる場合は、たとえば、図１０に示すように、微小な複数の凹面鏡を有する凹面鏡アレイ１９６によって、複数の参照光を生成してもよい。凹面鏡アレイ１９６は、入射した平行光を複数の収束光として反射する。ここで、凹面鏡アレイによって収束した光の焦点が、対物レンズの入射瞳面と共役な位置とすることが好ましい。図７の光学系においては、第４のミラー１７９に代えて凹面鏡アレイを配置し、凹レンズ１８０を取り除けばよい。また、第２のＱＷＰ１７８の前に配置されるアパーチャーは、凹面鏡アレイ１９６によって形成される複数の参照光の口径を成形する。

本発明のホログラム作成装置は、記録媒体に、再生用参照光が照射されることにより３次元画像が再生されるホログラムを記録するホログラムプリンタとして利用することが好ましい。かかるホログラムは、物体光と参照光との干渉によって記録されるが、光の直径や対物レンズ等の光学部材の大きさの制約から、一回の照射によって記録することは難しい。このため、物体光と参照光との干渉によって、記録媒体における記録位置に対応する部分ホログラム（全体のホログラムの一部となるホログラム）を記録し、この部分ホログラムの記録を記録媒体の平面方向に繰り返して、全体として一つの３次元画像が再生されるホログラムを記録することが好ましい。なお、物体光に担持させる情報は３次元画像情報に限定されるものではなく、本発明のホログラム作成装置は、３次元画像以外の情報を記録することも可能である。

各部分ホログラムを記録するための物体光に担持させる画像情報は、再生される３次元画像から３次元部分画像を計算して、そこから各部分ホログラムを形成するため画像情報を計算したり、記録媒体内に形成される全体のホログラムを計算して、そこから各部分ホログラムを形成するため画像情報を計算したりすることで求めることができる。

再生される３次元画像から３次元部分画像を計算して、そこから各部分ホログラムを形成するため画像情報を計算するには、３次元形状計測システムで撮影した立体情報を持った実写、コンピューターグラフィックスによる３次元画像（ＣＧ画像）からの視点変化画像からの取り込み、医療分野で用いられているＣＴスキャナーによる３次元断層画像等から、図１１に示すように、異なった視点からの視差画像２００を用意する。この視差画像２００に対し、使用する対物レンズ、部分ホログラムを記録するピッチ、空間光変調器の画素ピッチなどのパラメータを基にして、スライス＆ダイス処理を行い各物体光の画像情報を生成する。

より具体的には、視差画像２００の角度に対し、使用する対物レンズで収束される角度を１：１に対応させた部分ホログラムを記録するために、対物レンズの開口数ＮＡで決まる角度を上限としてθ方向とφ方向の視差画像を複数枚用意する。たとえば、θ方向の視差画像数（たとえばｍ枚）とφ方向の視差画像数（たとえばｎ枚）を用意する。図１１では，θ方向とφ方向ともに６４枚であり、計４０９６枚の視差画像を用意している。図１１において、画像の上方に記載された記号の数字は、画像の座標ｍ、ｎを示している。次に，各視差画像２００をｍ×ｎの微小画像２０１に分割する（図１１の場合，θ方向とφ方向ともに６４分割する。ただし、縮尺の関係から、図１１においては６×６に分割している。）。この処理をスライス＆ダイス処理と呼ぶ。このようにスライス＆ダイスしたそれぞれの視差画像２００における同じ位置（図１１の太線の四角）の微小画像２０１を取り出し、微小画像を視差画像と同じ配置に並べることによって、新たな１枚の画像を合成する。この合成された画像が部分ホログラムを形成するために物体光に担持させる画像情報となる。すなわち，この画像情報は，３次元画像のある部分を異なる視差方向から観察した画像を２次元平面に展開したようなものになっている。この合成処理を全ての微小画像について実行することで、ｍ×ｎの各微小画像２０１についての並び替えた画像情報が得られる。図１１では、６４×６４＝４０９６枚の垂直水平の視差画像２００から、新たに記録用の６４×６４＝４０９６枚の画像情報が生成される。全体のホログラムをどの位の大きさにするかにより、記録するピッチが選択される。また、視差画像数ｍ×ｎを増やすと、より高精細な３次元立体画像を印刷することができるが，空間光変調器の画素数の制限などにより最適なパラメータを設定する。この方法は、以下に述べる記録媒体内に形成される全体のホログラムを計算し、そこから各部分ホログラムを形成するため画像情報を計算する方法よりも計算が簡便であり、上記パラメータを適切に設定することで、再生される３次元画像の品質も同程度のホログラムが形成されるので、ホログラムの作成時間を短縮することができ、ホログラムプリンタとして高速化を図ることができる。

各画像情報を生成する別の方法として、記録媒体内に形成される全体のホログラムを計算し、そこから各部分ホログラムを形成するため画像情報を計算する方法がある。この方法は、最初に、計算機ホログラフィの技術を用いて、参照光と、表示しようとする３次元画像からの物体光とを想定し、記録媒体に対してこれらの参照光と物体光とが照射された場合に記録媒体内に形成される全体のホログラムを計算する。次に、計算により求められた全体のホログラムを部分ホログラムに分割し、各部分ホログラムについての参照光及び物体光を計算する。さらに、各部分ホログラムについての参照光及び物体光が得られるような変調パターンを計算して、物体光の画像情報を生成する。

図１２は、ホログラムプリンタの概略構成図である。図１２においてホログラムプリンタは、シート状の記録媒体１を、図示しない供給部から図示しない排出部まで搬送するための移動手段として、３対の円柱形状の搬送ローラ２ａ，２ｂ；３ａ，３ｂ；４ａ，４ｂを有し、搬送ローラ２ａ，２ｂと搬送ローラ３ａ，３ｂとの間において、記録媒体１の裏面側となる位置に、搬送ローラの軸方向に平行に配置された板状のガイド部５と、記録媒体１の表面側となる位置に、記録媒体１を介してガイド部５に対向するように配置されたヘッド１０とを備えている。更に、ホログラムプリンタは、赤色のコヒーレントなレーザ光を出射する赤色光源装置２１Ｒと、緑色のコヒーレントなレーザ光を出射する緑色光源装置２１Ｇと、青色のコヒーレントなレーザ光を出射する青色光源装置２１Ｂと、各光源装置２１Ｒ，２１Ｇ，２１Ｂから出射されたレーザ光を、それぞれ平行光束にするコリメータレンズ２２Ｒ，２２Ｇ，２２Ｂと、コリメータレンズ２２Ｒを通過した光が入射するダイクロイックプリズム２３Ｒと、コリメータレンズ２２Ｇを通過した光が入射するダイクロイックプリズム２３Ｇと、コリメータレンズ２２Ｂを通過した光が入射する反射プリズム２３Ｂとを備えている。

反射プリズム２３Ｂは、コリメータレンズ２２Ｂを通過した青色の光を反射するようになっている。反射プリズム２３Ｂで反射された青色の光は、ダイクロイックプリズム２３Ｇに対して側方から入射するようになっている。ダイクロイックプリズム２３Ｇは、コリメータレンズ２２Ｇを通過した緑色の光を反射すると共に、反射プリズム２３Ｂ側からの青色の光を透過させるようになっている。ダイクロイックプリズム２３Ｇで反射された緑色の光とダイクロイックプリズム２３Ｇを透過した青色の光は、いずれも、ダイクロイックプリズム２３Ｒに対して側方から入射するようになっている。ダイクロイックプリズム２３Ｒは、コリメータレンズ２２Ｒを通過した赤色の光を反射すると共に、ダイクロイックプリズム２３Ｇ側からの青色の光及び緑色の光を透過させるようになっている。ダイクロイックプリズム２３Ｒで反射された赤色の光とダイクロイックプリズム２３Ｒを透過した青色の光及び緑色の光は、いずれも、ダイクロイックプリズム２３Ｒから同一方向に出射するようになっている。更に、ダイクロイックプリズム２３Ｒからの赤色，緑色，青色の各光は、反射プリズム２５によって反射されて、ヘッド１０に入射する。

ヘッド１０は、物体光生成手段、参照光生成手段及び対物レンズを含む照射手段を有し、反射プリズム２５から入射した赤色，緑色，青色の各光から、第一の偏光方向を持つ物体光と第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向の参照光を生成し、記録媒体１に対して物体光及び参照光を照射する。ヘッド１０として、たとえば、図７における第２のＰＢＳ１７２から対物レンズ１９２までの光学系を設ければよい。

ガイド部５は、記録媒体１の裏面において、シート状の記録媒体１を支持する部材であり、ガイド部５の記録媒体１側に偏光選択反射手段及び偏光変換手段を有していてもよい。この場合、偏光選択反射手段及び偏光変換手段は、搬送ローラの軸方向に沿って、ガイド部５に線状に設けられる。なお、物体光及び参照光を透過する材料でガイド部５を形成し、ガイド部５の記録媒体１とは反対側に、偏光選択反射手段及び偏光変換手段を別途設けてもよい。ヘッド１０から照射され、記録媒体１を透過した物体光及び参照光の何れか一方は、偏光選択反射手段によって反射され、偏光変換手段によって偏光方向が直交する方向に変換され、記録媒体１の裏面から記録媒体１に入射する。そして、記録媒体１において、表面側から入射した物体光及び参照光の他方と干渉して、反射型の部分ホログラムを形成し、部分ホログラムが記録される。

更に、ホログラムプリンタは、搬送ローラ３ａ，３ｂと搬送ローラ４ａ，４ｂとの間において、記録媒体１の表面側となる位置に配置された円柱形状の紫外線ランプ６と、この紫外線ランプ６の下側に配置され、この紫外線ランプ６とによって記録媒体１を保持するための円柱形状のピンチローラ７と、これら紫外線ランプ６及びピンチローラ７と搬送ローラ４ａ，４ｂとの間において、記録媒体１の表面側となる位置に配置された円柱形状のヒートローラ８と、このヒートローラ８とによって記録媒体１を保持するための円柱形状のピンチローラ９とを備えている。紫外線ランプ６は、記録媒体１に対して紫外線を照射するものであり、ヒートローラ８は、記録媒体１に対して熱を加えるものであり、これらは、本発明における定着手段に対応する。

また、ホログラムプリンタは、ヘッド１０の上方において、搬送ローラの軸方向に平行に配置された２本のガイドシャフト１１ａ，１１ｂと、このガイドシャフト１１ａ，１１ｂによってガイドされて、ガイドシャフト１１ａ，１１ｂに沿って移動可能な可動部１２とを備えている。ヘッド１０は、可動部１２の下端面に接合され、可動部１２と共に移動するようになっている。可動部１２は、ボイスコイルモータ（以下、ＶＣＭと呼ぶ）１３によって、ガイドシャフト１１ａ，１１ｂに沿って移動されるようになっている。このＶＣＭ１３は、ガイドシャフト１１ａ，１１ｂの上方において、ガイドシャフト１１ａ，１１ｂに対して平行に配置されたＶＣＭヨーク１４と、このＶＣＭヨーク１４の上方においてＶＣＭヨーク１４に対して平行に所定の間隔を開けて配置され、且つ端部においてＶＣＭヨーク１４と連結されたＶＣＭヨークと、このＶＣＭヨークの下面に固定された板状のＶＣＭ用マグネットと、ＶＣＭヨーク１４の周囲においてＶＣＭヨーク１４の外周面に対して所定の間隔を開けて配置されたボイスコイル１７とを有している。ボイスコイル１７は、可動部１２の上端面に接合されている。なお、図１２では、ＶＣＭヨーク及びＶＣＭ用マグネットを省略している。このような構成のＶＣＭ１３によって、ヘッド１０が、ガイドシャフト１１ａ，１１ｂと平行に移動されるようになっている。搬送ローラ２ａ〜４ｂ及びＶＣＭは、それぞれ、ヘッド１０と記録媒体１との相対的な位置関係を変更するための本発明における位置変更手段を構成する。

記録媒体１は搬送ローラ２ａ〜４ｂによって搬送されるが、この搬送ローラ２ａ〜４ｂは、ヘッド１０によって１ライン分の部分ホログラムを形成する間は、記録媒体１を停止させている。その間、ヘッド１０は、部分ホログラムを形成する範囲の一方の端部から他方の端部まで移動しながら、順次、部分ホログラムを形成していく。そして、１ライン分の部分ホログラムが形成されたら、搬送ローラ２ａ〜４ｂは、記録媒体１を所定のライン間距離だけ移動させた後、記録媒体１を停止させる。そして、上述の動作と同様にして、次の１ライン分の部分ホログラムを形成する。このような動作を繰り返すことにより、全体的なホログラムが作成される。

搬送ローラ２ａ〜４ｂによって記録媒体１が搬送されることによって、記録媒体１において部分ホログラムが形成された部分は、紫外線ランプ６の位置に達し、紫外線ランプ６によって紫外線が照射され、更に、ヒートローラ８の位置に達し、ヒートローラ８によって熱が加えられて、ヘッド１０によって記録された部分ホログラムが定着される。全ての部分ホログラムの形成及び定着が完了した記録媒体１は、安定化されたホログラムとなり、搬送ローラ２ａ〜４ｂによって搬送されて排出部より排出される。なお、紫外線ランプ６やヒートローラ８は、記録媒体１の種類に応じて適宜設けられる。

図１２のホログラムプリンタにおいては、記録媒体１を一方向に移動させ、ヘッド１０を記録媒体１の移動方向と直交する方向に移動させることにより、ホログラムを記録したが、この構成に芸挺されるものではない。ヘッド１０の照射位置を固定して、記録媒体１を光軸と平行な直交する２軸方向に移動可能な構成としてもよいし、反対に、ヘッド１０を光軸と平行な直交する２軸方向に移動可能な構成としてもよい。また、複数のヘッド１０を設け、少なくともヘッド１０から照射される物体光及び参照光の照射位置がライン状に配列するように配置させて、一度に１ライン分の部分ホログラムを記録できるように構成してもよい。この場合、記録媒体またはヘッド群を配列に対して直交する方向に移動させることで、ホログラムを記録することができる。

（Ａ）は物体光の光路を示す概略図であり、（Ｂ）は照射時の参照光の光路を示す概略図であり、（Ｃ）は反射された参照光の光路及び参照光と物体光とによる干渉を説明するための概略図 偏光選択反射手段１０８として、ワイヤーグリッド偏光子を使用した実施形態の原理を示す説明図 記録媒体に対し所定の入射角を持たせて参照光を照射した実施形態についての説明図 参照光として進行方向が異なる複数の略平行光を通過させる実施形態についての説明図 対物レンズの入射瞳面における複数の参照光の点光源の配置を示す図 参照光として進行方向が異なる複数の略平行光を通過させる他の実施形態についての説明図 本発明のホログラム作成装置の全体構造を示す概略図であり、図９は参照光の光路を説明 本発明のホログラム作成装置の物体光の光路を説明する図 本発明のホログラム作成装置の参照光の光路を説明する図 複数の参照光を生成する手段の実施形態を示す図 異なった視点からの視差画像を示す図 ホログラムプリンタの概略構成図 従来のホログラム作成装置の光学系の一部を示す図

符号の説明

１０１ ホログラム作成装置
１０２ 物体光生成手段
１０３ 参照光生成手段
１０４ 照射手段
１０５ 偏光変換手段
１０６ 偏光選択反射手段
１１１ 記録媒体
１１２ ホログラム記録層
１１５ ホログラム
１２１ 物体光
１２２ 参照光

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源からの光の一部を用いて、第一の偏光方向の物体光を生成する物体光生成手段と、
   前記光源からの光の他の一部を用いて、前記第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向の参照光を生成する参照光生成手段と、
   前記記録媒体のホログラム記録層の表面側から前記物体光及び前記参照光を照射する照射手段と、
   前記ホログラム記録層の裏面側に配置され、前記ホログラム記録層を透過した物体光及び参照光の何れか一方だけを前記ホログラム記録層に向けて反射させる偏光選択反射手段と、
   前記ホログラム記録層と前記偏光選択反射手段との間に配置され、前記偏光選択反射手段によって反射された前記物体光及び参照光の一方を前記ホログラム記録層に到達するまでの間に、前記ホログラム記録層を透過した時とは直交する偏光方向に変換する偏光変換手段とを有し、
   前記ホログラム記録層において、前記物体光及び参照光の一方と、前記記録媒体の表面から入射する物体光及び参照光の他方とが干渉することにより形成される反射型ホログラムを前記ホログラム記録層に記録することを特徴とするホログラム作成装置。
2. 前記照射手段は、前記記録媒体に対し、前記参照光を略平行光として照射することを特徴とする請求項１に記載のホログラム作成装置。
3. 前記参照光生成手段は、複数の参照光を生成し、
   前記複数の参照光は、進行方向が異なる複数の略平行光として前記ホログラム記録層内を通過することを特徴とする請求項１または２に記載のホログラム作成装置。
4. 前記参照光生成手段の一部は、前記ホログラム記録層の裏面側に配置されており、当該参照光生成手段の一部において、複数の参照光が生成されることを特徴とする請求項３に記載のホログラム作成装置。
5. 前記参照光生成手段は、前記物体光生成手段の少なくとも一部としても機能する空間光変調器を有し、前記空間光変調器における物体光の画像情報が表示される領域外に、複数の参照光となる点光源が表示されることを特徴とする請求項３に記載のホログラム作成装置。
6. 前記照射手段は、対物レンズを含み、前記記録媒体に対し、前記物体光のフーリエ変換像を照射することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のホログラム作成装置。
7. 前記偏光選択反射手段は、ワイヤーグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のホログラム作成装置。
8. 前記偏光選択反射手段は、コレステリック液晶フィルムであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のホログラム作成装置。
9. 前記ホログラム記録層に記録される前記反射型ホログラムは、再生用参照光が照射されることにより３次元画像が再生されるホログラムの一部であり、
   前記反射型ホログラムを記録媒体の平面方向に繰り返し記録することにより、全体として一つの３次元画像が再生されるホログラムを記録することを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載のホログラム作成装置を用いたホログラムプリンタ。
10. 前記物体光は、再生される３次元画像から３次元部分画像を計算して、そこから計算された画像情報を担持していることを特徴とする請求項９に記載のホログラムプリンタ。