JPH04286932A

JPH04286932A - ホログラフィック光学素子の評価方法およびその装置

Info

Publication number: JPH04286932A
Application number: JP5161791A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Akamatsu; 赤松佳則; Tomohisa Ishikawa; 石川友久
Original assignee: Central Glass Co Ltd
Current assignee: Central Glass Co Ltd
Priority date: 1991-03-15
Filing date: 1991-03-15
Publication date: 1992-10-12
Anticipated expiration: 2015-07-04
Also published as: JP3058929B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ホログラフィック光学
素子の評価方法、評価装置に関するものである。

【０００２】

【従来技術とその問題点】ホログラフィック光学素子は
光ピックアップやレーザースキャナーなどの光学素子と
してすでに利用されており、さらにヘッドアップディス
プレイのコンバイナーなどとしても応用が期待されてい
る。

【０００３】従来、このようなホログラフィック光学素
子の結像特性を評価する方法としては、適当な方法がな
く目視によって行っていた。しかしながら、目視による
方法は、評価者や観察条件などの差によって、偏差を生
じ、客観的に評価することは不可能であった。

【０００４】本発明はこのような点に鑑みてなされたも
のであり、ホログラフィック光学素子の結像特性を偏差
を生ずることなく、客観的に評価することができる評価
方法とその装置を提供することを目的とする。

【０００５】

【問題点を解決するための手段】本発明の評価方法は、
ホログラムが記録されたサンプル板に対して、光源によ
り光を照射してサンプル板の回折像を実像として結像さ
せるとともに、この結像される位置の光の強度分布に基
づいて、モジュレーション伝達関数を演算し、この値に
より前記サンプル板の結像の良否を判定するようにした
ことを特徴とし、評価装置としては、ホログラムが記録
されたサンプル板に対して、光を照射する手段として光
源と微小孔を有する小孔板と凸レンズをそれぞれ配設す
るとともに、該サンプル板によって回折像が結像される
位置に配設されたスリット板と該スリット板の透過光を
受光する光電変換素子と該光電変換素子の電気信号に基
づいてモジュレーション伝達関数を演算する演算処理装
置とを具備するようにするか、ホログラムが記録された
サンプル板に対して、光を照射する手段として光源と微
小孔を有する小孔板を、該サンプル板の回折方向に凸レ
ンズをそれぞれ配設するとともに、回折像が結像される
位置に配設されたスリット板と該スリット板の透過光を
受光する光電変換素子と該光電変換素子の電気信号に基
づいてモジュレーション伝達関数を演算する演算処理装
置とを具備するようにしたことを特徴とする。

【０００６】

【作用】透過型ホログラフィック光学素子あるいは反射
型ホログラフィック光学素子を用い虚像を示す通常の表
示装置においては、レンズの結像特性等を結像の強度分
布から空間周波数の関数として光学的伝達関数（ＯＴＦ
）、モジュレーション伝達関数（以下、ＭＴＦと略称す
る）で評価する従来の方法を応用するにも不可能であっ
たが、本発明者らは装置に工夫を凝らし、少なくも凸レ
ンズを光源側か回折光側に挿入することにより、実像を
結像させ、ＭＴＦを演算することを可能にしたものであ
り、さらに反射率が高く、表面平滑な、例えばガラス基
板などにクロムあるいは銀などを被覆した表面鏡などの
標準鏡を１００　％としたときの値に補正した補正ＭＴ
Ｆにより評価をすることにより、絶対的、定量的な評価
を可能にしたものである。

【０００７】

【実施例】以下、図面を参照しながら、本発明を詳細に
説明する。図１、図５は、それぞれ本発明の実施例１、
実施例２におけるホログラフィック光学素子の評価装置
を示す要部側面図、図２、図３、図４はそれぞれ実施例
１における結像を説明するための要部概略図、スリット
による再生像の光強度を示す図であり、（ａ）　はスリ
ットと再生像を示し、（ｂ）　は再生像の光強度分布図
、サンプル１、サンプル４、および標準鏡の空間周波数
−ＭＴＦ特性図であり、点線はサンプル１の補正ＭＴＦ
を示す。

【０００８】実施例１図１に示すように、凸レンズを光源側に設けた評価装置
について例示する。反射型ホログラムが記録されたサン
プル板１は水平面との角度、傾斜角を可変とする回転ス
テージ１ａに保持される。このサンプル板１に対して、
光を照射する手段として、Ｘｅランプ等の光源２、再生
時の光源に近似させるためのフィルター３、反射鏡４、
例えば二つのスリットなどの微小孔を有する小孔板５、
光を絞り凸レンズの中央部分に光を照射するための、中
央部分に円形の孔が形成された絞り６、回折側に実像を
結像させるための水平方向（光路に沿って前後方向）に
移動自在に保持される凸レンズ７を配設する。

【０００９】サンプル板１によって光源の光が回折され
、実像が結像される位置には図１に示すようなスリット
板８、入射した光を散乱させるための散乱板９、光電変
換装置１０を配設し、さらに、光電変換装置の電気信号
に基づいてモジュレーション伝達関数を演算するコンピ
ューターなどの演算処理装置１１を設ける。スリット板
８と光電変換装置９は直交３軸（垂直軸、紙面に垂直な
軸と光路に対して前後方向の軸の水平２軸）方向と水平
方向との角度、傾斜角を可変とする回転１軸の４軸ステ
ージ１２に一体に取り付ける。

【００１０】このような装置において、光束の経路を図
１により説明すると、光源から平面波に近い光を出射す
るとフィルター３でサンプル板の再生時の光源の波長に
近似させ、反射鏡４を介して小孔板５に入射される。小
孔板５の小孔が２次光源として作用し、２次光源からで
た光は絞り６により凸レンズ７の中央部分に入射し、さ
らに凸レンズ７で絞られサンプル板１で回折された光は
スリット板８と散乱板９を介して光電変換装置１０に入
射される。

【００１１】また、本装置において結像する作用を説明
すると、反射型ホログラムは凹面鏡と見做すことがきる
ので、図２のようになる。ここで、凸レンズ７と凹面鏡
１’の焦点距離をそれぞれｆ１、ｆ１、２次光源（物体
像５ａ）　と凸レンズ７の距離、凹面鏡１’と実像結像
位置の距離、凸レンズ７と凹面鏡１’の距離をそれぞれ
Ｌ１、Ｌ２、ｄ　とすると、　　　　凸レンズ７について、　　１／Ｌ１＋１／ｌ１
＝１／ｆ１・・・（１）　　　　　凹面鏡１’について
、　　１／ｌ２＋１／Ｌ２＝１／ｆ２・・・（２）　　
　また、凸レンズと物体像５ｂの距離、物体像５ｂと凹
面鏡の距離をそれぞれｌ１、ｌ２とすると、ｄ＝ｌ１＋
ｌ２　　　　　　　　　　　　・・・（３）となるので
、式（１）　、（２）　、（３）　からＬ２を求めると
、　　Ｌ２＝　［ｆ２・ｄ　−Ｌ１・ｆ１・ｆ２／（Ｌ
１−ｆ１）］／［ｄ＋ｆ２−Ｌ１・ｆ１／（Ｌ１−ｆ１
）］　となり、この位置に実像５ｃが結像するので、光
電変換装置とスリット板をこの位置におけばよい。

【００１２】次に、評価の手順について説明する。（像倍率測定）まず、図３（ｂ）　に示すように、結像
位置におけるスリット板８を移動してサンプル板１、凸
レンズ７などにより拡大された小孔板５のスリットの再
生像を走査することにより、再生像のスリット間の距離
ａ２を測定し、小孔板のスリット間隔ａ１との比ａ２／
ａ１　すなわち元の像に対する倍率を求め、同時に図３
（ｂ）　にしめすおうに、走査距離ｘに対する光強度分
布Ｆ（ｘ）を得る。

【００１３】（ＭＴＦ演算）ここで、走査距離をＳＬ（
ｍｍ）、データー数をｎ個、像倍率をＩＭ（＝ａ２／ａ
１）、ｎ個に対応する光強度をＦ（ｉ）とすると、フー
リエｃｏｓ　変換Ａ（ｕ）とフーリエｓｉｎ　変換Ｂ（
ｕ）はそれぞれ次のように演算処理装置で求められる。

【００１４】　　　　　　　　　　ただし、Δｘ　＝（ＳＬ／ＩＭ）
／（ｎ−１）、ｕ　は空間周波数（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）
ここで、ｕ＝０　とおいてＡ（０）、Ｂ（０）を求める
と、次のようになる。

【００１５】　　Ａ（０）は光強度分布Ｆ（ｘ）の各測定点ｉ　にお
ける光強度を加算すればよい。

【００１６】従って、ＭＴＦをＭ（ｕ）とするとＭ（ｕ
）＝　［Ａ（ｕ）２　＋　Ｂ（ｕ）２］１／２　／　［
Ａ（０）２　＋　Ｂ（０）２］１／２と表されるので、
式（４）　、（５）　、（６）　、（７）　から空間周
波数ｕごとのＭＴＦを演算処理装置１１で、図４に示す
ように求めることができる。

【００１７】（評価方法）（１）　空間周波数ｕが例えば２．５（ｌｉｎｅｓ／ｍ
ｍ）　のときのＭＴＦにより評価する。空間周波数ｕが
例えば２．５（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　のときのＭＴＦは
コントラストの程度を表すもので、人の分解能の限度が
５．０（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　と言われているが、この
値におけるＭＴＦより、実際にコントラストを最も認識
できるのは人の分解能が限度より小さい例えば２．５（
ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　であるから、人の目に近似させる
ということから２．５（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　における
ＭＴＦで比較したほうがよく、ヘッドアップディスプレ
イのコンバイナーとして使用する場合には例えば４０％
以上あるか、ないかで評価することができる。

【００１８】（２）ＭＴＦが例えば２０％における空間
周波数ｕにより評価する。ＭＴＦが例えば２０％におけ
る空間周波数ｕは解像力、すなわちぼけの程度を表すも
ので、識別の限界となるＭＴＦは２０％はであり、その
ときの空間周波数ｕにより判定すればよく、ヘッドアッ
プディスプレイのコンバイナーとして使用する場合には
、例えば３．５（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　以上あるか、な
いかでホログラムの評価をすることができる。

【００１９】具体的には、感材としてポリビニールカル
バゾールを主成分とするフォトポリマーを使用した反射
型ホログラムを、板ガラス、反射型ホログラム、ポリエ
チレンテレフタレート（以下、ＰＥＴと略称する）、ポ
リビニールブチラール等の中間膜、板ガラスの順に積層
したものをサンプル１（　ＨＯＥ　１　と表す）　とし
、板ガラス、反射型ホログラム、ポリビニールブチラー
ル等の中間膜、板ガラスの順に積層したものをサンプル
３（　ＨＯＥ　３　と表す）　とし、同種の感材ではあ
るが、バインダー、増感材などを変えて使用した反射型
ホログラムを、板ガラス、反射型ホログラム、ＰＥＴ、
ポリビニールブチラール等の中間膜、板ガラスの順に積
層したものをサンプル２（　ＨＯＥ　２　と表す）　と
し、板ガラス、反射型ホログラム、中間膜、板ガラスの
順に積層したものをサンプル４（　ＨＯＥ　４　と表す
）　とし空間周波数ｕが２．５（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　
におけるＭＴＦを演算した結果とＭＴＦが２０％におけ
る空間周波数ｕを演算した結果と目視による５段階評価
を、基板の表面に銀層などを被覆した反射率が高く、表
面平滑な標準鏡としての表面鏡と比較して表１に示し、
表面鏡とサンプル１、サンプル４については空間周波数
ｕに対するＭＴＦを図４に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】この結果から明らかなように、各サンプル
について、ＭＴＦおよび空間周波数ｕとも目視に評価と
極めて良い対応を示していることがわかる。また、ヘッ
ドアップディスプレイ用のコンバイナーとしてサンプル
２〜サンプル４は実用レベルにないがサンプル１は実用
に供しうるという評価も目視による評価と完全に一致し
た。

【００２２】このような方法によっても評価できるのは
前述の通りであるが、反射率が高く、表面平滑性に優れ
た銀鏡は空間周波数ｕが１０（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）以下
では、ＭＴＦが１００　％となることが知られており標
準鏡としての表面鏡のＭＴＦが表１、図４では１００　
％を下回っており、これは小孔板、凸レンズ、スリット
板等による伝達ロスがあるためであり、同じ装置を使用
する場合には相対的な評価ができるが、装置が変われば
ＭＴＦも変わるので、表面鏡などの標準鏡のＭＴＦを１
００　としたときの値、すなわち　（サンプル板のＭＴ
Ｆ／　銀鏡のＭＴＦ）　×１００　を補正ＭＴＦとして
求めると、表１、図４（点線）に示すようになり、この
値の大小により評価装置が変わっても絶対的な評価を行
うことができる。

【００２３】実施例２図５に示すように、凸レンズを光源側に設けた評価装置
について例示する。反射型ホログラムが記録されたサン
プル板１、回転ステージ１’、Ｘｅランプ等の光源２、
再生時の光源に近似させるためのフィルター３、反射鏡
４、例えば二つのスリットなどの微小孔を有する小孔板
５、スリット板８、散乱板９、光電変換装置１０、演算
処理装置１１とともに、３軸（垂直軸、紙面に垂直な軸
と光路に対して前後方向の軸の水平２軸）方向と傾斜角
を可変とするステージに一体に取り付けられた絞り６と
凸レンズ７を回折光側に配設し、実施例１と同様の演算
処理をして、ＭＴＦを算出し評価を行う。

【００２４】以上、好適な実施例により説明したが、本
発明はこれらに限定されるものではなく、種々の応用が
可能である。評価装置の取り付けについては、光源側の
サンプル板に照射する光路を一定角度で入射するように
、例えば実施例のように水平方向に入射するようにでき
るので、光源、フィルター、反射鏡はいずれの場合にも
固定することができるが、スリット板、光電変換装置を
駆動する装置は実施例のように、直交３軸（垂直軸、紙
面に垂直な軸と光路に対して前後方向の軸の水平２軸）
方向と水平方向との角度、傾斜角を可変とする回転１軸
の４軸ステージに一体に取り付ければ通常のホログラム
に対応できるが、ホログラムの法線、ホログラムへの入
射光、ホログラムからの回折光が同一平面にない、あお
りがある場合にはさらに光路に直交する面内で垂直軸と
なす角度を可変とする回転軸を付加して直交３軸と回転
２軸の５軸ステージにすると全てのホログラムに対応す
ることができる。さらにこれらの装置に加えて、あるい
は傾斜角可変軸に代えて、駆動装置全体を回動させて傾
斜角を可変とする装置を設けて、駆動装置が上下に移動
するときに結像面に沿って、スリット板、光電変換装置
が動くように設定しておくと再生像の走査が容易になる
。

【００２５】小孔板あるいは凸レンズは可動にしておく
と各種のホログラムの評価ができるので好ましいもので
あるが、実施例１の装置は回折光側に置く実施例２の装
置に比較して凸レンズ７を光源側の光路に置くので例え
ば水平方向に前後に移動自在な１軸駆動装置に保持させ
ればよい。

【００２６】これに対して、実施例２のように、凸レン
ズを回折光側に配設した場合に、全てのホログラムの評
価をするためには、スリット板、光電変換装置を駆動す
るステージと同様の装置で駆動する必要があり、しかも
２次光源（小孔板）から凸レンズまでの距離Ｌ１が長く
なりそのために光電変換装置に結像する像の大きさが実
施例１に比較して小さくなるので、Ｓ／Ｎ比が小さくな
るので、実施例１のように凸レンズは光源側に置いた方
がよい。

【００２７】光源については、インコヒーレントな光源
であれば何でもよいが、例えばＸｅランプ、タングステ
ンランプ、ハロゲンランプなどの白色光源が好ましい。フィルターについては、例えばヘッドアップディスプレ
イ用のコンバイナーとして使用するホログラム等を評価
する場合にはその再生用光源に類似させるために設けた
ほうがよいが、白色光源に対するホログラムの評価を行
う場合には不要である。

【００２８】小孔板について、孔の形状は円形、楕円形
、四角形など各種の形状のものを採用することができる
が、スリット板が走査するときにその走査線に沿って孔
の長さが変わる円形、楕円形などの小孔は光電変換装置
へ入射する光強度がそのために変わり、補正する必要が
あるので、かかる処理を必要としない四角形状の孔、特
にスリット形状の小孔板が好ましい。また、孔の大きさ
は大きくするとＭＴＦが低下することが知られており、
一方評価対象の空間周波数ｕはヘッドアップディスプレ
イ用コンバイナーとして評価するときには、人の目の分
解能はｕは５　（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　であるので、ｕ
≦５　（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　とすれば充分であるがそ
の範囲における標準鏡の示すＭＴＦが１００％であるこ
とが、サンプル板のＭＴＦを補正する必要がなく、好ま
しい。一方、理論的には小孔径が２５μｍ以下であると
、ｕ≦５　（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　で１００％になるこ
とが知られている。しかし小孔径を小さくすると光電変
換装置への入射光量が減少し、Ｓ／Ｎ比が小さくなるの
で、５０〜１５０μｍ、好ましくは１００μｍ前後がよ
い。

【００２９】絞りについては、凸レンズの中央部分に光
を照射し、凸レンズの収差の影響を極力小さくすために
設けた方がよいが、実施例１に示すように比較的平行な
光が凸レンズの中央部分のみに照射される場合には省略
してもよい。

【００３０】凸レンズについては、両凸レンズでもよい
が、Ｌ１（２次光源と凸レンズの距離）≒ｄ＋Ｌ２（凸
レンズと結像面の距離）なる条件を実施例２のように満
たすことが困難な場合には、平凸レンズの方が適してい
る。また、凸レンズに入射される光が平面波に近い場合にも
、収差の少ない平凸レンズがより好ましい。

【００３１】スリット板については、スリットの大きさ
はこの部分再生される像の幅にもよるが、５μｍ　前後
の幅のスリットがあればよい。散乱板については、光電
変換装置全体に光を照射するために、設けた方がよいが
、必ずしもなくてもよい。

【００３２】光電変換装置については、フォトマルと呼
ばれるものが好適であるが、その他、フォトダイオード
を直線状に配置したもの、平面状に配置したものなど各
種の光電変換装置を採用することができる。

【００３３】評価方法について、空間周波数ｕとＭＴＦ
の関係は、ホログラフィック光学表示素子によって、適
宜選択すればよく、ヘッドアップディスプレイ用のコン
バイナ−など、人の目で評価されるものは、空間周波数
ｕが２．５　（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）　のときのＭＴＦが
４０％以上であって、、ＭＴＦガラス２０％における空
間周波数ｕが３．５（ｌｉｎｅｓ／ｍｍ）以上であれば
解像度、コントラストとも良好であると評価することが
でき、レ−ザ−スキャナ−や測定用などの使用されるホ
ログラフィック光学表示素子の場合にはＭＴＦ、空間周
波数とも基準値を上げて評価すればよい。

【００３４】また、本実施例では、いずれも反射型ホロ
グラムの評価について説明したが、透過型ホログラムの
評価も同様に行うことができ、その場合にはサンプル板
を保持する回転ステ−ジを回転させて、例えば実施例１
の場合には、図１の点線で示す位置１’’にホログラム
を回転させてＭＴＦを求めればよく、標準鏡のＭＴＦは
実施例に示した反射型の光学系で求めればよい。

【００３５】

【発明の効果】本発明は従来不可能であったホログラフ
ィック光学素子の評価を可能にしたものであり、簡易な
装置により絶対的で、定量的な評価を行うことができる
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１におけるホログラフィック光
学素子の評価装置を示す要部側面図である。

【図２】実施例１における結像を説明するための要部概
略図である。

【図３】実施例１におけるスリットによる再生像の光強
度を示す図であり、（ａ）　スリットと再生像を示し、
（ｂ）　は再生像の光強度分布図である。

【図４】実施例１におけるサンプル１、サンプル２、お
よび標準鏡の空間周波数−ＭＴＦ特性図であり、点線は
サンプル１の補正ＭＴＦを示す。

【図５】実施例２におけるホログラフィック光学素子の
評価装置を示す要部側面図である。

【符号の説明】

１　　サンプル板２　　光源５　　小孔板７　　凸レンズ８　　スリット板９　　光電変換装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ホログラムが記録されたサンプル板に対し
て、光源により光を照射してサンプル板の回折像を実像
として結像させるとともに、この結像される位置の光の
強度分布に基づいて、モジュレーション伝達関数を演算
し、この値により前記サンプル板の結像の良否を判定す
るようにしたことを特徴とするホログラフィック光学素
子の評価方法。
【請求項２】ホログラムが記録されたサンプル板に対し
て、光を照射する手段として光源と微小孔を有する小孔
板と凸レンズをそれぞれ配設するとともに、該サンプル
板によって回折像が結像される位置に配設されたスリッ
ト板と該スリット板の透過光を受光する光電変換素子と
該光電変換素子の電気信号に基づいてモジュレーション
関数を演算する演算処理装置とを具備するようにしたこ
とを特徴とするホログラフィック光学素子の評価装置。
【請求項３】ホログラムが記録されたサンプル板に対し
て、光を照射する手段として光源と微小孔を有する小孔
板を、該サンプル板の回折方向に凸レンズをそれぞれ配
設するとともに、回折像が結像される位置に配設された
スリット板と該スリット板の透過光を受光する光電変換
素子と該光電変換素子の電気信号に基づいてモジュレー
ション伝達関数を演算する演算処理装置とを具備するよ
うにしたことを特徴とするホログラフィック光学素子の
評価装置。