KR20030025279A - 홀로그램 작성 방법 - Google Patents

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KR20030025279A
KR20030025279A KR10-2003-7001275A KR20037001275A KR20030025279A KR 20030025279 A KR20030025279 A KR 20030025279A KR 20037001275 A KR20037001275 A KR 20037001275A KR 20030025279 A KR20030025279 A KR 20030025279A
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KR
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spatial light
hologram
lens
light
light modulator
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KR10-2003-7001275A
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다케모리다미키
콘겐지
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하마마츠 포토닉스 가부시키가이샤
유겐가이샤 아트나우
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Abstract

공간 광변조 소자(7)와 렌즈(8)의 간격은 물체광의 렌즈(8)에 의한 실상 또는 허상 위치(9, 9’)(L, L’)가 홀로그램(12’)의 관찰 위치가 되도록 설정된다. 재생상은 관찰 위치(L, L’)에 정위치하기 때문에, 공간 광변조 소자(7’)의 재생상에 노이즈가 존재하여도, 노이즈 자체가 관찰 위치에 정위치하기 때문에, 노이즈로서 눈에 띄지 않고, 실질적으로는 노이즈가 저감되게 된다.

Description

홀로그램 작성 방법{Hologram producing method}
(종래예 1)
종횡으로 시차를 갖는 1단계 방식의 리프만식 홀로그램(Lippmann-type hologram)의 작성예가 일본 특개평3-249686호 공보에 기재되어 있다.
도 8은 상기 공보에 기재된 2차원 홀로그램 작성 장치의 구성도이다. 이와 같은 홀로그램 작성 장치에서는 레이저 광원(103)으로부터 출력된 레이저광은 빔 분할기(104; splitter)에 의해 2개로 분기되고, 분기한 레이저광의 한쪽은 렌즈계에 의해 광속 직경이 확대되어, 투과형 액정표시기 등의 공간 광변조 소자(F’)에 입사되고, 컴퓨터로 작성된 각 시점(視點)에서의 화상을 표시하는 공간 광변조 소자(F’)의 개개의 화소로 진폭 변조를 받은 후, 렌즈에 의해 감광 재료(111) 상에 집광되고, 빔 분할기(104)에 의해 2분기되어 감광 재료(111)의 배후로부터 입사한 참조광과 간섭하여, 감광 재료(111) 상에 요소 홀로그램이 형성된다.
이렇게 하여, 0.3㎜ 내지 0.5㎜의 간격으로, 도트형 요소 홀로그램이 감광재료(111) 상에 매트릭스형으로 배치되어 리프만식 홀로그램이 작성된다. 또한, 재생시에는 상기 참조광의 입사 방향과 같은 방향으로부터, 광속(光束) 직경이 큰 평행광으로 홀로그램을 조사함으로써, 홀로그램(111) 상의 각 요소 홀로그램으로부터 재생파가 발생하여 물체상이 재생된다.
이 경우, 렌즈에 의해 집광된 광은 국소적으로 강도가 커진다. 이와 같은 국소화에 의해서, 감광 재료의 잠상(latent image) 농도가 다이나믹 레인지(dynamic range)를 넘지 않도록 하기 위해, 몇가지의 방법이 제안되고 있다.
(종래예 2)
예를 들면, 「홀로그래픽 디스플레이」{1990년 12월 7일 발행, 즈지우치가와평편 산업도서(平編, 産業圖書)주식회사, p194-195의 도 2. 42} 문헌이 알려져 있다. 동 문헌에서는 확산 스크린 상에 화상을 투영하고, 그 투영상을 시야 렌즈에 의해서 집광하는 홀로그래픽 스테레오그램 작성 방법이 개시되어 있다.
또한, 상기 장치는 1차원의 스테레오그램의 예이지만, 확산 스크린에 대한 투영상은 확산광이기 때문에, 이 수법은 집광이 방해되는 것을 이용하여 2차원의 스테레오그램(도트형 요소 홀로그램)을 기록하는 방법으로 개량할 수 있다.
종래예 2에 있어서는 확산 스크린에 투영된 투영상과 집광 렌즈의 위치 관계, 및 확산 스크린을 사용하지 않고 위상판을 사용하는 경우의 공간 광변조 소자와 집광 렌즈의 위치 관계에 대해서는 명시되어 있지 않지만, 임의의 위치에 이들을 배치하고 있는 것으로 생각된다.
(종래예 3)
일본 특개평6-266274호 공보는 물체광의 광로 상에 위상 변조를 부여하는 위상 변조 수단이나, 그 특수예인 유사 랜덤 확산판을 배치하여, 집광 렌즈에 의한 국소적인 광의 집중을 막는 방법을 개시하고 있다. 또, 물체광의 광로 상의 확산판은 종래예 2에 제시되어 있지만, 본 예에 있어서는 확산판으로서 유사 랜덤 확산판을 사용함으로써, 필요 이상의 광의 분산과 집중을 함께 억제하고 있다.
상기 방법에 있어서는 유사 랜덤 확산판을 공간 광변조 소자의 직전 근방에 배치하여, 공간 광변조 소자의 요소마다 독립으로 위상차를 부여하거나, 혹은 공간 광변조 소자의 직후 근방에 배치하여 위상차를 부여하고 있다.
종래예 3에 있어서는 종래예 2와 같이, 확산 스크린에 투영된 투영상과 집광 렌즈의 위치 관계, 및 확산 스크린을 사용하지 않고 위상판을 사용하는 경우의 공간 광변조 소자와 집광 렌즈의 위치 관계에 대해서는 명시되어 있지 않다. 따라서, 임의의 위치에 이들을 배치하고 있는 것으로 생각된다.
종래예 3의 방법에 있어서는 두꺼운 보호용 유리판에 액정이 끼워진 액정 패널로 대표되는 공간 광변조 소자와 위상판을 근접시켜, 공간 광변조 소자의 개개의 변조 요소마다 위상 변화를 부여하고자 하는 경우, 특히 변조 요소 간격이 좁은 고세밀의 액정 패널을 사용하는 경우, 회절에 의해서 유리판의 두께분만큼 출사광이 확대되어, 개개의 변조 요소마다 위상 변화를 발생시키는 것이 곤란해진다.
따라서, 보호 유리판의 두께에 의한 회절의 효과를 회피하기 위해서, 투영 광학계를 사용하여, 위상 변조하는 위상판을 투과시킨 광속을 공간 광변조 소자에 투영하는 경우나, 반대로 공간 광변조 소자에 표시된 상을 위상판에 투영하는 경우에는 종래예 2의 경우와 같이, 코스트 및 광로 길이가 증가한다.
또한, 공간 광변조 소자와 위상판의 공간 분해 성능이 같은 경우에는 전자를 포함하는 광학 소자의 특성에 의존하여, 최종적으로 기록되는 요소 홀로그램의 크기가 결정되어, 개개의 요소 홀로그램의 크기가 제한된다.
홀로그램으로부터 재생된 광의 시야각을 확대할 때는 집광 렌즈의 NA(개구수) 또는 초점 거리(f)를 작게 할 필요가 있다. 따라서, 큰 시야각을 유지하면서 광 분포도 크게 하는 것은 곤란하다.
또한, 요소 홀로그램의 크기는 재생하는 3차원상의 시선에 대하여 수직의 횡분해 성능을 결정하는 성질이 있기 때문에, 이 횡분해 성능을 작게 하기 위해서는, 개구를 작게 하는 것으로 대응 가능하지만, 떨어진 관찰 위치에서 재생상을 관측하는 경우, 필요 이상의 횡분해 성능으로 하면, 요소 홀로그램의 수가 증가하여 홀로그램을 작성하는 작성 시간이 증가하기 때문에, 반대로 요소 홀로그램을 크게 하고자 하는 요망에는 대처할 수 없다.
(종래예 4)
일본 특개평11-258971호 공보는 라이트 인티그레이터(integrator)를 통해 레이저 광을 통과시킴으로써 점광원의 수를 증가시키고, 요소 홀로그램 중의 집광점을 복수로 하는 것으로 집광을 완화시키는 수법을 개시하고 있다.
종래예 4의 도 8에서는 집광 렌즈의 전 초점(前焦點)에, 투영상 또는 공간 광변조 소자를 배치하고 있다. 그 이유는 요소 홀로그램으로부터 발생하는 다수의 광선의 각각을 평행광으로 하기 위해서라고 추측되지만, 투영상 또는 공간 광변조소자의 재생상은 요소 홀로그램을 기준으로 하여 바로 앞 무한원과 반대쪽 무한원 방향으로 발생하고, 그 중 요소 홀로그램의 반대쪽에 재생되는 공간 광변조 소자의 재생상에 공간 광변조 소자상의 산란광도 재생되어, 3차원 재생상의 배경에 불필요한 노이즈(noise)로서 보인다.
또한, 투영 광학계를 사용하는 방법에 있어서는 투영 광학계를 준비해야만 하고, 이것은 장치 가격의 증가, 및 광학계가 크고 광로 길이가 길어지는 것에 기인하는 진동 내성 열화가 문제가 된다. 또한, 확산판의 확산 성능으로서 화소 이하의 미세한 영역에서 똑같은 확산 성능이 필요하게 되고, 이 성능이 만족되지 않는 경우, 확산 스크린의 위치가 일반적으로는 집광 렌즈의 전 초점면에 배치되기 때문에, 상술한 바와 같이 요소 홀로그램을 관측할 때, 확산 스크린이 무한원으로 재생되어, 스페클(speckle)이라고 불리는 반점(斑點)형의 노이즈가 관측된다.
종래예 4의 방법의 본질은 점광원을 라이트 인티그레이터로 복수로 하여, 다시 말하면 점광원을 만화경으로 들여다 보았을 때 같은 다중점 광원으로 변환하고, 그 다중점 광원과 화상의 스펙트럼의 컨벌루션(convolution) 적분에 의해 기록되는 광 분포를 확대한 것이다. 그렇지만 화상의 스펙트럼의 분포가 좁은 경우, 즉, 공간 광변조 소자에 표시하는 화상의 종류에 따라서는 다중의 점광원이 그대로 기록되는 경우도 있고, 이와 같은 경우에는 감광 재료의 다이나믹 레인지가 부족한 경우가 있다.
본 발명은 1단계(one-step) 방식의 홀로그램 작성 방법에 관한 것이다.
도 1은 제 1 실시예에 관한 홀로그램의 작성에 사용하는 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도.
도 2는 제 2 실시예에 관한 홀로그램의 작성에 사용하는 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도.
도 3은 제 3 실시예에 관한 홀로그램의 작성에 사용하는 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도.
도 4는 제 4 실시예에 관한 홀로그램의 작성에 사용한 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도.
도 5는 제 5 실시예에 관한 홀로그램의 작성에 사용하는 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도.
도 6은 확산 조명광의 입사각 조건에 대해서 설명하기 위한 설명도.
도 7은 제 6 실시예에 관한 홀로그램의 작성에 사용하는 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도.
도 8은 종래 기술에 관한 2차원 홀로그램 작성 장치의 구성도.
상술된 바와 같이, 종래예 1에 있어서는 감광 재료 상에 집광하는 광속의 국소적 강도차가 문제이고, 이러한 문제를 보정하기 위해서, 종래예 2, 3 또는 4에 기재한 바와 같이, 확산판을 사용한 경우에는 확산판의 표시상이 무한원으로 재생되어, 스페클이라고 불리는 반점형의 노이즈가 관측된다. 본 발명은 이와 같은 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 재생 화상에 있어서 관찰되는 노이즈를 저감 가능한 홀로그램 작성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 관한 홀로그램 작성 방법에 있어서는 복수의 시점에서 실제로 관찰된 또는 가상적으로 관찰된 화상을 표시면 상에 시계열로 1개씩 또는 동시에 표시하고, 상기 표시면 상에 표시된 화상을 물체광으로 하여, 상기 물체광을 렌즈로 집광하여 상기 시점에 대응한 위치에 형성된 개구를 통해서 기록면 상에 조사하는 동시에, 상기 기록면 상에 참조광을 조사함으로써, 상기 물체광과 참조광의 간섭광을 상기 기록면에 기록하여 홀로그램을 작성하는 홀로그램 작성 방법에 있어서, 상기 표시면과 렌즈의 간격은 상기 물체광의 렌즈에 의한 실상 또는 허상 위치가 상기 홀로그램의 관찰 위치가 되도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 판독용 참조광 또는 공역 참조광을 홀로그램에 조사함으로써, 표시면에 표시된 화상이 재생되지만, 이 상은 관찰 위치에 정위치하기 때문에, 표시면 그 자체의 재생상에 노이즈가 존재하거나 표시면의 투영상의 재생상에 노이즈가 존재하여도, 노이즈 자체가 관찰 위치에 정위치하기 때문에, 노이즈로서 눈에 띄지 않고, 실질적으로는 노이즈가 저감되게 된다. 또, 상기 위치를 상기 관찰 위치로설정할 경우는, 이것을 실질적으로 설정하는 것으로서, 실제로 홀로그램으로부터 관찰 위치까지의 거리의 ±5% 이내로 설정하는 것으로 한다.
또한, 상기 표시면은 공간 광변조 소자 또는 상기 공간 광변조 소자에 표시된 화상이 투영되는 확산 스크린이다.
여기서, 표시면이 공간 광변조 소자인 경우에는 이 공간 광변조 소자는 입사하는 광속을 화소마다 변조하는 것이다. 변조는 강도 또는 편광 방향의 변조이다.
이 경우, 공간 광변조 소자에 주어지는 광속은 레이저 광원으로부터 출사된 레이저광의 직경을 확대 광학계에 의해서 확대하여 확산판에 조사하고, 이 조사에 따라서 확산판으로부터 출사된 확산광인 것이 바람직하고, 이 경우에는 확산판에 의해서 공간 광변조 소자를 똑같이 조명하여 최종적으로 기록면 상에 투영되는 공간 광변조 소자 상의 국소적인 불균일함 또는 스페클을 저감할 수 있는 동시에, 확대 광학계를 사용함으로써 확산판으로부터 출사된 다광속의 발산각을 억제하여, 공간 광변조 소자로의 광속의 입사 효율을 높일 수 있다. 또, 확산판은 확산 스크린과 동등한 것으로 구성된다.
이와 같은 확산광은 공간 광변조 소자를 통과하여 최종적으로는 기록면 상에 도달하지만, 본 발명의 홀로그램 작성 방법에 있어서는 확산광을 기록면 상에 결상시키는 결상 광학계를 구비하고 있으며, 이 결상 광학계는 상기 렌즈를 포함하는 것으로 하여도 좋다.
결상 광학계는 대향 배치된 2개의 렌즈를 포함하고, 이들 2개의 렌즈 사이에 공간 광변조 소자가 배치되어 있는 경우에는 2개의 렌즈에 의해서 공간 광변조 소자상이 배율 변환되어 기록면 상에 투영된다. 특히, 확대 광학계 및 확산판에 의해서, 공간 광변조 소자로의 입사광속의 동일성 및 효율이 향상되는 동시에, 발산각이 작아져 있기 때문에, 이 발산한 광이 입사되는 전단측의 렌즈의 구경을 최대한 이용하여 공간 광변조 소자상을 균일하게 조명하여, 배율 변환을 하여도, 최종적으로 투영되는 기록면 상의 공간 광변조 소자상의 조도의 균일성을 유지할 수 있다.
또한, 확산판으로부터 출사되는 광속의 파장을 λ, 상기 2개의 렌즈 중의 확산판측의 렌즈 구경을 DS, 이 렌즈와 공간 광변조 소자 사이의 거리를 LS, 이 렌즈의 광축과 상기 렌즈의 직경 방향 단부와 공간 광변조 소자의 단부를 연결하는 선분이 이루는 각도를 θ, 공간 광변조 소자의 화소 간격을 P로 한 경우, θ가 sin-1(λ/P) 이상이 되도록, DS 및 LS가 설정되는 것이 바람직하고, 이 경우에는 확산판으로부터 출력된 광속, 전단측의 렌즈로부터 출력된 광속의 대부분을 공간 광변조 소자에 입사시킬 수 있고, 공간 광변조 소자에 입사하는 광속의 면 내 균일성을 향상시키고, 따라서, 재생 화상에 포함되는 노이즈를 저감시킬 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관한 홀로그램 작성 방법에 대해서 설명한다. 동일 요소에는 동일 부호를 사용하는 것으로 하고, 중복되는 설명은 생략한다.
(제 1 실시예)
도 1은 공간 광변조 소자의 상을 허상화하고, 그 허상 위치에 시점을 두는 경우의 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도이다. 이하, 상세하게 설명한다.
상기 장치는 단일 파장의 레이저 빔을 출사하는 레이저 광원{1; 가간섭(可干涉) 광원: 반도체 레이저}과, 레이저 광원(1)으로부터 출사된 레이저 빔을 분기하는 하프 미러(2)를 구비하고 있다. 하프 미러(2)에 의해서 분기된 레이저 빔은 각각 (i) 물체광 조사용 광학계와 (ii) 참조 광조사용 광학계를 통과하여, 감광 재료(12)의 표면(전면으로 함) 및 이면 상에 각각 조사된다.
(i) 물체광 조사용 광학계
물체광 조사용 광학계는 하프 미러(2)의 통과광이 주광선으로서 입사하도록 배치된 렌즈(5 및 6)로 이루어지는 빔 익스팬더(expander)와, 상기 익스팬더에 의해서 광속 직경이 확대된 평면파가 조사되는 공간 광변조 소자(7)와, 공간 광변조 소자(7)를 통과한 광(공간 광변조 소자상)이 입사하는 집광 렌즈(8; 집광 광학계)로 이루어지고, 집광 렌즈(8)로부터 출사된 물체광은 감광 재료(12)의 전면에 입사한다. 또한, 이하의 설명에 있어서의 렌즈는 모두 볼록 렌즈이다.
또한, 공간 광변조 소자(7)는 전기 어드레스형의 공간 광변조기로, 액정 디스플레이 등으로 구성되고, 이것에 입사하는 평면파의 광의 강도(진폭)를 화소마다 변조하여 투과시킨다. 공간 광변조 소자(7)의 표시 화상, 즉, 공간 광변조 소자(7)로부터의 출력광상은 각 화소의 투과율을 변화시킴으로써 변화시킬 수 있고, 이 표시 화상은 피사체를 1개의 시점(15)에서 관찰하였을 때의 물체상이다. 따라서, 본 예에서는 집광 렌즈(8)를 통해서 1개의 시점(15)으로부터 관찰된 표시 화상이 물체광으로서 감광 재료(12) 상에 조사된다.
(ⅱ) 참조 광조사용 광학계
참조 광조사용 광학계는 상기 하프 미러(2)에 의한 반사 광을 더욱 반사시켜감광 재료(12)의 배면측으로 안내되는 평면 반사경군(3, 4) 및 해당 광로 내에 개재하는 빔 익스팬더(34)로 이루어지고, 감광 재료(12)의 이면은 참조광의 입사 방향에 대하여 기울어져 있다. 또, 번잡해지는 것을 피하기 위해서 도시를 생략하고 있지만, 실제로는 빔인 채로가 아니라 물체광과 마찬가지로 평행광화하기 위한 무한 초점(afocal) 렌즈계나 스페셜 필터에 의한 파면(波面)의 정형화가 이루어져 있다. 감광 재료(12)의 전면(前面)은 집광 렌즈(8)의 광축에 수직이며, 집광 렌즈(8)로의 입사광의 주광선(물체광)은 감광 재료(12)에 수직으로 입사한다.
따라서, 전면측으로부터는 물체광이 수직으로, 이면측으로부터는 참조광이 경사져 감광 재료(12)의 동일 영역에 입사된다. 이와 같은 입사에 의해서 감광 재료(12) 내의 미소 영역 내에는 소위 리프만식 요소 홀로그램이 노광된다. 상세하게 설명하면, 감광 재료(12)는 상기 미소 영역에만 개구(11)를 갖는 2장의 마스크판(10)에 의해서 끼워져 있고, 물체광 및 참조광의 입사에 의해서 발생하는 간섭 줄무늬가 감광 재료(12)의 미소 영역 내에 기록된다. 또, 감광 재료(12)는 은염유제를 투명 유리판 상에 도포하여 이루어지고, 유제(乳劑)로서는 이 외에도 중크롬산 젤라틴 등의 홀로그램용 감재를 사용할 수 있다. 또한 포토폴리머 등 고분자 재료도 사용할 수 있다.
본 예에서는 복수의 시점에서 관찰된 각각의 화상을 공간 광변조 소자(7)에 1개씩 표시하면서, 각각의 시점 위치에 대응하는 상기 감광 재료(12)의 위치에, 상기 요소 홀로그램의 기록(노광)을 진행한다. 즉, 렌즈(8)의 광축에 수직인 평면을 규정하는 2축을 x축 및 y축으로 하면, 감광 재료(12)를 x축 및 y축에 따라 표시 화상마다 이동시켜, 요소 홀로그램의 기록 위치를 변경하여 간다. 그에 따라, 복수의 요소 홀로그램은 감광 재료(12) 상에 있어 매트릭스형으로 배치되게 된다.
감광 재료(12)를 현상 처리하면, 상기 미소 영역 내에 조사된 간섭 줄무늬의 강도에 따라서 투과율 및/또는 위상이 변화하는 리프만식 요소 홀로그램이 복수 형성되어 이루어지는 홀로그램(12’로 함)이 작성된다. 이 홀로그램(12’)은 피사체를 복수의 시점에서 실제로 관찰한 복수의 화상, 혹은, 컴퓨터로 계산함으로써 가상적으로 관찰하여 이루어지는 복수의 화상(컴퓨터 그래픽)을 상기 시점과 함께 1장의 감광 재료(12) 상에 기록한 홀로그래픽 스테레오그램이다. 또한, 이 홀로그램(12’)은 리프만식 홀로그램이고, 특정 파장에 대해서만 반사율을 갖는 다층막 간섭 필터로서 기능한다.
렌즈(8) 외의 광학계를 분리하여, 홀로그램(12’)의 재생광으로서, 참조광과는 역방향으로 입사하는 공역 참조광을 사용하여 공역광 재생을 하면, 요소 홀로그램을 조명하는 재생광은 물체광과 공역인 파면을 갖는 공역 물체광으로 변환되고, 그에 따라 기록된 공간 광변조 소자상이 재생된다.
여기서, 시야각에 대해서 설명한다. 자연스러운 관찰을 얻기 위해서는 임의의 장소에서 관측할 수 있도록, 시야각은 넓은 쪽이 바람직하다. 이 시야각(θe)은 공간 광변조 소자(7)의 변조 요소(화소)수(N), 그 변조 요소 간격(P), 집광 렌즈(8)의 초점 거리를 f로 하면, 수학식 (1)로 주어진다.
하지만, 확산판이나 위상판을 사용하지 않고, 공간 광변조 소자(7)와 집광 렌즈(8)만으로 집광한 경우, 요소 홀로그램의 크기(D)는 광원(1)의 파장을 λ로 할 때, 이하의 수학식 (2)로 주어진다.
이것은 요소 홀로그램의 크기가 3차원 재생상의 횡분해 성능을 의미하는 것으로, 요소 홀로그램은 작은 쪽이 바람직하다. 통상 요소 홀로그램으로부터 30cm의 관찰 거리를 취하는 경우, 요소 홀로그램은 0.3㎜ 이하이면 눈의 분해 성능 이하가 되기 때문에, 3차원 재생상은 위화감없이 관측된다. 따라서 집광 렌즈에 개구수(NA)가 작은 것이나, 초점 거리가 짧은 것을 사용하는 경우에는 시야각을 크게 하고 또한 요소 홀로그램의 크기를 작게 하는 양자를 용이하게 만족하게 된다.
그러나, 관측 거리를 2m 내지 10m 등으로 크게 하여, 예를 들면 벽 한면과 같은 큰 홀로그램을 작성하자 하는 경우에는 상기 요소 홀로그램의 사이즈는 지나치게 작고, 기록해야 할 요소 홀로그램의 수가 지나치게 많아져 버린다. 이 경우에는 수학식 (2)보다 초점 거리를 크게 하거나, 공간 광변조 소자의 변조 요소 간격이 작은 것을 선택한다.
여기서, 공간 광변조 소자(7)가 렌즈(8)의 전측(前側) 초점 위치보다도렌즈(8)측에 배치되어 있는 경우에 대해서 생각할 수 있다. 즉, 렌즈(8)의 초점 거리를 f2, 공간 광변조 소자(7)와 렌즈(8) 사이의 거리를 a로 하면 a<f2의 경우이다. 이 경우, 홀로그램(12’ )의 작성시에 있어서, 공간 광변조 소자(7)로부터 출사된 광상은 렌즈(8)의 통과에 의해서도 감광 재료(12) 상에는 결상하지 않고, 렌즈(8)를 통과한 물체광은 상기 전측 초점 위치보다도 광원측의 위치{이 위치를 허상 위치라고 하기로 하고, 이 위치를 홀로그램(12’) (감광 재료(12))으로부터의 거리(L)로 표기하는 것으로 함}에 가상적으로 놓여진 공간 광변조 소자상(9; 허상이라고 하기로 함)으로부터의 발산광과 등가인 것으로 되어 있다.
이 때, 허상 위치(L)에 관찰 시점(15)이 위치하도록 공간 광변조 소자(7)와 렌즈(8)의 거리(a)를 결정한다. 또한, 상기 홀로그램(12’)에 공역 참조광을 재생광으로서 조사하면, 재생광의 홀로그램에 의한 반사 회절광이 상기 중첩된 시차 화상에 상당하고, 이것은 허상 위치(L)측에서 관찰을 할 수 있다. 또한 재생되는 물체의 3차원 재생상의 위치는 감광 재료(12)의 파장 선택성의 면에서 감광 재료(12)로부터 떨어질 수록 흐려진다는 성질이 있기 때문에, 감광 재료(12)의 부근에 존재하도록 시차 화상을 작성하는 것이 바람직하다.
또한, 거리(L), 공간 광변조 소자(7)의 허상(9)으로의 변환시의 확대 배율(M), 공간 광변조 소자(7)의 표시 화상에 대해서 약간 설명을 하여 둔다.
거리 (L) 및 확대 배율(M)은 이하의 수학식으로 주어진다.
여기서, 공간 광변조 소자(7)의 화소 피치를 P로 하면, 공간 광변조 소자의 허상(5)의 종횡의 분해 성능은 M×P가 되고, M×P<눈동자 직경 약 3㎜를 만족하도록 하면, 요소 홀로그램 1개로부터 눈동자(15)로 입사되는 광선의 수가 복수가 되어, 화소에 결핍이 생기더라도 눈에 띄지 않고, 시점을 변화시켰을 때, 매끄럽게 3차원 재생상에 대응하여 변화하게 된다. 또한, 종종 공간 광변조 소자(7)의 표면으로부터의 산란광이 물체 재생의 배경에 노이즈로서 나타나는 경우가 있지만, 시점(15)과 공간 광변조 소자(7)의 허상이 대략 일치하고 있는 경우에는 물체 재생상에 상기 노이즈가 영향을 주는 것은 억제된다.
또한, 피사체로서의 3차원 물체로부터 공간 광변조 소자(7)에 전송하는 2차원 화상은 시점을 요소 홀로그램의 위치로 한 경우의 투시 변환에 의해 계산한다. 즉, 3차원 물체를 월드 좌표계(xw, yw, zw)로 표현하고, 요소 홀로그램의 위치를 월드 좌표상(x, y, 0)으로 하면, 3차원 물체의 위치는 공간 광변조 소자(7) 상의 좌표(xh, yh)에서는 이하의 수학식으로 표시하도록 변환되고 있다.
상세하게 설명하면, 좌표(xh, yh)에 (xw, yw, zw)의 휘도 정보나, 색 정보를 전송하고, 공간 광변조 소자(7)에는 계산된 2차원 화상이 표시된다. 이 때, 같은 (xh, yh) 좌표에 복수의 정보가 중복되는 경우에는 대부분의 경우, 공간 광변조 소자(7)의 허상(9)을 관찰자에게 가까이 배치하도록 하기 위해서, zw를 비교하여, 공간 광변조 소자(7)의 허상(9)에 가까운 것을 선택한다.
다음에, 공간 광변조 소자(7)가 렌즈(8)의 전측 초점 위치보다도 광원측에 배치되어 있는 경우에 대해서 생각할 수 있다.
(제 2 실시예)
도 2는 공간 광변조 소자의 상을 실상화하고, 실상 위치에 시점을 두는 경우의 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도이다. 이 장치는 제 1 실시예와 동일하고, 공간 광변조 소자(7)가 렌즈(8)의 전측 초점 위치보다도 광원측에 배치되어 있는 점만이 다르다. 본 예에 있어서도, 상기와 동일 공정에서 감광 재료(12)로부터 홀로그램(12’)이 작성된다.
본 예에서 설명되는 a>f2의 경우, 홀로그램(12’)의 작성시에 있어서, 공간 광변조 소자(7)로부터 출사된 광상은 렌즈(8)의 통과에 의해서 렌즈(8)의 후측 초점 위치보다도 렌즈(8)로부터 격리한 위치{이 위치를 실상 위치라고 하기로 하고, 이 위치를 홀로그램(12’)(감광 재료(12))로부터의 거리(L’))로 표기하기로 함} 상에, 본래, 결상한다. 즉, 렌즈(8)로부터 출사되는 물체광은 실상 위치(L’)에결상할 공간 광변조 소자상(9’; 실상이라고 하기로 함)이다.
상기 실시예와 같이, 렌즈(8) 외의 광학계를 분리하여, 홀로그램(12’)의 재생광으로서, 도 2에 있어서의 참조광과 동일 방향으로 입사하는 재생광을 사용하여 재생을 하면, 요소 홀로그램을 조명하는 재생광은 물체광과 같은 파면을 갖도록 변환되고, 공간 광변조 소자상의 재생이 행하여진다.
홀로그램(12’)의 작성시에는 실상 위치(L’)에 결상(집광)할 실상(9)이 각 요소 홀로그램에 기록되어 있기 때문에, 재생광의 조사에 의해서, 상기 실상 위치(L’)에 각 요소 홀로그램에 대응한 공간 광변조 소자상의 실상이 재생된다. 요소 홀로그램은 시점에 따라서, 홀로그램(12’) 상에 복수 기록되어 있기 때문에, 재생 광조사시에 있어서는 이들의 실상이 중첩되고, 상기 실상 위치(L’)에 복수의 시점에서 관찰된 시차를 갖는 화상(실상)이 중첩하여 재생된다.
이 때, 실상 위치(L’)에 관찰 시점(15)이 위치하도록 공간 광변조 소자(7)와 렌즈(8)의 거리(a)를 결정한다. 이 홀로그램(12’)에 참조광을 재생광으로서 조사하면, 재생광의 홀로그램에 의한 반사 회절광이 상기 중첩된 시차 화상에 상당하고, 이것은 실상 위치(L’)측에서 관찰할 수 있다. 또한 재생되는 물체의 3차원 재생상의 위치는 감광 재료(12)의 파장 선택성의 면에서 감광 재료(12)로부터 떨어질 수록 흐려지는 성질이 있기 때문에, 감광 재료(12)의 부근에 존재하도록 시차 화상을 작성하는 것이 바람직하다.
또, 거리(L’)는 이하의 수학식으로 주어지고, 배율, 투시 변환 등에 대해서는 상기 수학식 (4) 내지 (6)으로 주어진다.
또, 홀로그램의 작성시에 있어서, 상기 공간 광변조 소자를 확산 스크린 상에 투영하고, 이 확산 스크린을 상기 제 1 또는 제 2 실시예에 기재의 공간 광변조 소자(7)와 동일한 위치에 배치하여도 좋다. 이러한 경우에 대해서는 각별한 설명을 필요로 하지 않는 것으로 생각되지만, 일례로서 제 1 실시예에 확산 스크린의 사용예를 적용한 것에 대해서 이하에 설명한다.
(제 3 실시예)
도 3은 공간 광변조 소자(7)의 상을 확산 스크린(7’)에 투영하고, 이 투영상을 허상화하고, 그 허상 위치에 시점을 두는 경우의 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도이다. 본 실시예에 관한 장치에 있어서는 제 1 실시예에 관한 공간 광변조 소자(7)의 위치에 확산 스크린(7’)이 배치되어 있다. 이 장치는 빔 익스팬더(5, 6)에 의해서 조명된 공간 광변조 소자(7)로부터 출사되는 물체광이 확산 스크린(7’) 상에 결상 렌즈(PJ)를 통해서 투영되는 구성으로 한 것으로, 확산 스크린(7’)이 제 1 실시예에 기재한 공간 광변조 소자(7)와 같이 기능한다. 즉, 본 예에서는 제 1 실시예에 있어서의 공간 광변조 소자(7)를 확산 스크린(7’)에 적용한다.
단, 공간 광변조 소자(7)가 확대 투영되어 있기 때문에, 확산 스크린의 투영상의 허상의 분해 성능 및 공간 광변조 소자(7)의 표시 화상이 다르다.
즉, 공간 광변조 소자(7)의 피치를 P, 공간 광변조 소자(7)가 스크린(7’)에투영되는 배율을 MT로 하면, 허상(9)의 종횡의 분해 성능은 M×P×MT가 되고, M×P×MT<눈동자 직경을 만족하도록 하면, 요소 홀로그램 1개로부터 눈동자로 입사되는 광선의 수가 복수가 되어, 화소에 결핍이 생기더라도 눈에 띄지 않고, 시점을 변화시켰을 때, 매끄럽게 3차원 재생상에 대응하여 변화하게 된다. 또한 확산 스크린을 사용한 경우에는 특히 현저히 스페클이라고 불리는 반점 모양이 투영 화상에 겹치고, 물체 재생의 배경에 노이즈로서 눈에 띄지만, 시점(15)과 확산 스크린의 허상이 대략 일치하고 있는 경우에는 물체 재생상에 영향을 주지 않는다.
감광 재료(12) 중에 기록되는 요소 홀로그램은 무엇을 재생할지에 대해서 고찰하면, 확산판이나 위상판을 사용하지 않은 경우에는 공간 광변조 소자(7)의 상이며, 확산판이나 위상판을 사용한 경우에는 확산판이나 위상판의 상과, 공간 광변조 소자(7)의 상 2종류가 재생된다. 다시 말하면, 요소 홀로그램이 재생하는 것은 요소 홀로그램과 공간 광변조 소자(7)의 각각의 변조 소자(화소)를 연결하는 광선군이고, 확산판이나 위상판은 그것들의 광선의 연장 상에 결상하게 된다.
따라서 확산판이나 위상판의 재생상의 위치가 3차원 재생상의 배후나 앞에 근접하는 경우에는 3차원 재생상과 겹치거나, 콘트라스트(contrast) 악화 등 악영향을 주게 된다. 따라서, 확산판이나 위상판의 재생상은 광선의 발생 원인 요소 홀로그램의 위치, 혹은 관찰자의 배후 또는 무한원 전방에 위치시키는 것이 바람직하다. 동시에 공간 광변조 소자(7)도 관찰자의 위치 또는 관찰자의 배후에 위치시킨다.
또한 확산판이나 위상판을 사용하지 않은 경우의 요소 홀로그램에 무엇이 기록되는지에 대해서 고찰하면, 요소 홀로그램의 위치에서의 광은 공간 광변조 소자(7)에 표시된 화상의 스펙트럼과 광원(1)의 컨벌루션 적분으로 되어 있다. 광원(1)으로부터의 광속이 스페셜 필터를 통과한 경우에는 이것은 스페셜 필터의 위치에 있어서의 점광원으로 보이고, 델타 함수라고 생각할 수 있다.
따라서 요소 홀로그램의 위치에서의 광 분포는 화상의 스펙트럼과 델타 함수의 컨벌루션 적분이 되고, 이것은 화상의 스펙트럼 그 자체가 된다. 요소 홀로그램의 감광 재료(12)의 다이나믹 레인지가 부족한 경우에는 화상의 스펙트럼이 확대되지 않는 공간 주파수가 낮은 성분이 많은 화상을 기록할 때 발생한다. 본 예에서는 화상의 스펙트럼이 확대되도록 확산 스크린(7’)을 형성하고, 공간 주파수가 높은 성분을 많게 하고 있다.
또한, 표시해야 할 3차원 물체로부터 공간 광변조 소자(7)에 전송하는 2차원 화상은 시점을 요소 홀로그램의 위치로 한 투시 변환에 의해 작성한다. 상세하게 설명하면 3차원 물체의 위치는 공간 광변조 소자(7) 상의 좌표(xh, yh)에 이하의 수학식으로 표시되도록 변환한다.
상세하게 설명하면, 상기 실시예와 같이, 좌표(xh, yh)에는 (xw, yw, zw)의휘도 정보나, 색 정보가 전송되고, 공간 광변조 소자(7)에는 계산된 2차원 화상이 표시된다. 이 때, 같은 (xh, yh) 좌표에 복수의 정보가 중복되는 경우에는 대부분의 경우, 확산 스크린의 허상의 재생상을 관찰자에게 가까이 배치하도록 하기 위해서, zw를 비교하여, 확산 스크린의 허상 가까운 것을 선택한다.
또, 일례로서 제 2 실시예에 확산 스크린의 사용예를 적용한 것에 대해서 이하에 설명한다.
(제 4 실시예)
도 4는 공간 광변조 소자(7)의 상을 확산 스크린(7’)에 투영하고, 이 투영상을 실상화하고, 실상 위치에 시점을 두는 경우의 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도이다. 본 실시예에 관한 장치에 있어서는 제 2 실시예에 관한 공간 광변조 소자(7)의 위치에 확산 스크린(7’)이 배치되어 있다. 이 장치는 빔 익스팬더(5, 6)에 의해서 조명된 공간 광변조 소자(7)로부터 출사되는 물체광이 확산 스크린(7’) 상에 결상 렌즈(PJ)를 통해서 투영되는 구성으로 한 것이고, 확산 스크린(7’)이 제 2 실시예에 기재의 공간 광변조 소자(7)와 같이 기능한다. 이 이외의 구성은 실상의 작성 및 재생에 관해서도 제 2 실시예와 동일하다. 즉, 본 예에서는 제 1 실시예에 있어서의 공간 광변조 소자(7)를 확산 스크린(7’)에 적용한다. 또한, 배율이나 투시 변환 등의 관계는 상기 제 3 실시예와 동일하다.
다음에, 확산면 광원으로 공간 광변조 소자(7)를 조명하여, 요소 홀로그램의 광 분포의 균일화와 크기의 가변성을 향상시켜, 공간 광변조 소자(7)의 허상의 재생 위치에 관측점을 대략 일치시킨 실시예에 대해서 설명한다.
(제 5 실시예)
도 5는 확산면 광원(17)에 의해 공간 광변조 소자(7)를 조명하는 광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도이다. 본 실시예에 있어서, 제 1 실시예와의 상위점은 레이저 광원(1)으로부터의 광빔을 렌즈(5)로 확대하여, 확산판(16)에 조사함으로써 확산판(16) 상에 확산면 광원(17)으로서 기능하는 새로운 광원을 발생시키고, 확산면 광원(17)으로부터 출사된 확산광을 렌즈(6)에 의해서 집광한 후, 이것을 공간 광변조 소자(7) 상에 조사하여, 공간 광변조 소자(7)에 의해서 변조된 확산광, 즉, 공간 광변조 소자상을 렌즈(8)에 의해서 감광 재료(12) 상에 집광·결상시킨 점이다.
렌즈(6)와 렌즈(8)는 탠덤(tandem) 접속되어 있고, 이들 사이에 공간 광변조 소자(7)가 개재되어 있다. 또, 감광 재료(12)의 표면의 위치는 후단측 렌즈(8)의 후초점면 위치에 한정되어 있지 않다. 그 밖의 광학 배치에 대해서는 제 1 실시예와 같다.
최초에 탠덤 렌즈계(6, 8)의 특수한 경우에 상당하는 무한 초점(afocal) 렌즈계(6, 8)의 경우에 대해서 고찰한다. 무한 초점 렌즈계는 평행 광속을 렌즈에 입사된 경우에는 평행 광속이 출사하는 비초점 광학계로, 빔 익스팩더 등에 사용되고 있다.
무한 초점 렌즈계에서는 확산면 광원(17)이 렌즈(6)의 전측 초점면에 배치되고, 렌즈(6)의 후측 초점면이 렌즈(8)의 전측 초점면에 일치하고, 렌즈(8)의 후측 초점면에 감광 재료(12)가 위치하고 있다. 전단측 렌즈(6)의 초점 거리를 f1, 후단측 렌즈(8)의 초점 거리를 f2, 광원 결상 배율을 Ms로 하면, Ms는 이하의 수학식 (10)으로 주어진다.
이 경우, 확산면 광원(17)은 감광 재료(12)의 표면에 결상하고, 감광 재료(12) 상의 크기는 렌즈 눈동자에 의한 제한을 무시하면, 확산면 광원(17)의 크기에 Ms를 이용한 것이 된다.
따라서, 요소 홀로그램의 크기는 수학식 (10)으로 나타내지는 크기까지는 마스크판(10)의 개구(11)에 의해서 크기를 설정할 수 있다. 또한 거리(L) 및 확대 배율(M) 및 3차원 물체의 위치는 수학식 (4) 내지 수학식 (6)으로 주어진다.
일반적인 탠덤 렌즈계의 경우에는 f를 2개의 렌즈(6, 8)의 합성 초점 거리, 2개의 렌즈(6, 8)의 거리를 d, 2번째의 렌즈(8)로부터 합성 렌즈(6, 8)의 후측 초점까지의 거리를 S2로 하면, 확산면 광원(17)의 결상 위치와 그 결상 배율을 이하의 수학식 (11), 수학식 (12)를 이용하여 구할 수 있다.
여기서 2번째의 렌즈(8)의 위치를 기준으로 하여, 합성 렌즈(6, 8)까지의 거리(d’)는 이하의 수학식 (13)으로 주어진다. 또, 각 요소간의 거리는 그 중심으로부터의 거리로 한다.
또한, 합성 렌즈(6, 8)로부터 확산 광원(17)까지의 거리를 A, 합성 렌즈(6, 8)로부터 확산 광원(17)의 결상점까지의 거리를 B, 2번째의 렌즈(8)로부터 확산 광원(17)까지의 거리를 A”, 2개 번째의 렌즈(8)로부터 확산 광원(17)의 결상점까지의 거리를 B”로 하면, 거리(A, B)는 이하의 수학식 (14), 수학식 (15)를 만족한다.
따라서, 확산 광원을 A”의 위치에 두었을 때의 확산 광원의 결상 위치(B”), 이때의 확산 광원의 결상 배율(M)은 A”와 f, S2를 사용하여, 이하의 수학식 (16), (17)로 주어진다.
여기서 공간 광변조 소자(7)에 조사된 다광속은 확산광이기 때문에, 스페클이라고 불리는 반점 모양이 공간 광변조 소자(7)의 면 상에 중첩하게 된다. 이 스페클의 평균 직경이 공간 광변조 소자(7)의 변조 요소(화소) 간격(P)보다 크면, 요소 홀로그램으로부터 재생되는 공간 광변조 소자(7)의 허상(9)에도 반점 모양이 중첩하고, 그 크기가 눈동자 직경 이상이면 시점(15)에 광이 입사하지 않고, 시점(15)에서 보아 요소 홀로그램을 보기 어려워진다. 따라서 공간 광변조 소자(7) 상의 스페클 직경을 가능한 한 미세하게 할 필요가 있다.
도 6은 확산 조명광의 입사각 조건에 대해서 설명하기 위한 설명도이다. 스페클의 평균 직경(d) 및 최대 입사각(θm)은 렌즈(6)와 공간 광변조 소자(7)의 간격을 LS로 하면, 이하의 수학식 (18), (19)로 주어진다. 또, 최대 입사각(θm)은 각도(θ)의 최대치이고, 각도(θ)는 공간 광변조 소자(7)로부터 렌즈(6)의 광축과, 공간 광변조 소자(7)의 끝점으로부터 렌즈(6)의 유효 구경(DS)에 대하여 연장되는 면과의 이루는 각도이다. 또, 렌즈(6)의 눈동자는 제 2 확산면 광원이라고 간주할 수도 있다.
수치의 일례를 나타내면, P>δ=26㎛에 대하여, LS=10cm, λ=0.6㎛의 경우, DS>29.54㎜, 또한 θm=1.67°가 된다. 단, 스페클 평균 직경(d)이 1자리수 작아지도록 설정하면, δ=2.6㎛에 대하여, DS>54.3㎜, θm=16.28°가 된다.
또는, 간섭의 사고 방식으로부터, 공간 광변조 소자(7)의 변조 요소 간격(P; 화소 간격)을 갖는 2개의 광속의 간섭을 생각하면, 공간 광변조 소자(7)로의 입사각(θ), 즉, 1개 화소측에서 본 입사광의 확대광(반각치)은 이하의 수학식 (20)으로 근사된다.
이 값의 일례를 나타내면, P=26㎛, λ=0.6㎛에 대하여, θ=1.32°가 된다.
도 6에 있어서는 tanθ는 이하의 수학식 (21)로 주어진다.
수학식 (20) 및 수학식 (21)을 만족하는 DS는 DS=31.2㎜가 되고, 수학식 (18), 수학식 (19)의 결과보다 완화된 값으로 되어 있다. 따라서, 최저라도 수학식 (20)의 각도, 바람직하게는 그 이상의 각도를 연장하는 제 2 확산면 광원을 준비하는 것이 필요하며, 즉, 전단측 렌즈(6)의 구경(DS)을 크게 함으로써, 공간 광변조 소자(7)의 단부에 위치하는 화소에도, 그 중심에 위치하는 화소와 같이 광속이 입사한다. 따라서, 렌즈(6)의 구경을 DS 이상으로 하고, 또한 이 구경 내에 확산광을 입사한다.
도 5에 있어서는 렌즈(5)에 의해, 레이저 빔을 확대하고 그 발산각이 작아지도록 제어하고 있다. 구체적으로는 렌즈(5)의 초점 거리를 짧게 하여, 통과하는 빔을 발산시켜 확산판에 조사하고, 전단측 렌즈(6)의 면에 구경(DS) 이상의 제 2 확산면 광원을 발생시키고 있다.
이 확산 조명광으로 공간 광변조 소자(7)를 조사하는 경우에 있어서, 종래와 같이 렌즈(8)의 전초점면에 공간 광변조 소자(7)를 배치하면, 스펙트럼의 불균일성에 의해 공간 광변조 소자(7)에 균일하게 조명되지 않고, 반점형으로 조명되는 경우도 있을 수 있다. 이 경우, 홀로그램의 재생시에 있어서, 공간 광변조 소자(7)의 재생상에도 이 반점형의 모양이 나타나고, 이 모양이 3차원 재생 물체상의 배후에 노이즈로서 관측된다.
그러나, 본 예에 있어서는 공간 광변조 소자(7)의 위치를 후단측의 볼록 렌즈(8)에 가깝게 함으로써 공간 광변조 소자(7)의 허상이 재생되고, 그 재생상을 관측점에 대략 일치시킬 수 있기 때문에, 노이즈가 눈에 띄는 것을 방지할 수 있다.
실제로 사용한 값은 이하와 같다.
(공간 광변조 소자(7)) 제조원: SONY(주) 형번: LCX023AL 화소 간격(피치):26㎛ 화소수: 1024×768(확산면 광원(17)) 지름: 1.5cm (렌즈(6)) F치: F1.2 초점 거리(f) : 50㎜ 유효구경: 35.7㎜ 또, 렌즈(6)와 공간 광변조 소자(7)의간격은 6㎜, 스페클 평균 직경(δ)은 0.5㎛로 작성하였다. 요소 홀로그램으로부터, 공간 광변조 소자(7)의 재생상에 시점을 두고, 요소 홀로그램을 관측하였을 때, 요소 홀로그램이 관측할 수 없게 되는 것은 무시하였다.
다음에, 실상 재생의 경우에 있어서, 확산면 광원으로 공간 광변조 소자를 조명하여, 요소 홀로그램의 광 분포의 균일화와 크기의 가변성을 향상시키고, 공간 광변조 소자의 실상 위치에 관측점을 대략 일치시킨 실시예에 대해서 설명한다.
(제 6 실시예)
도 7은 확산면 광원에 의해 공간 광변조 소자를 조명한 다광학계를 구비한 홀로그램 작성 장치의 설명도인 본 실시예에 있어서, 제 2 실시예와의 차이는 레이저 광원(1)으로부터의 빔을 렌즈(5)로 확대하여 확산판(16)에 조사하고, 확산면 광원(17)을 새로운 광원으로 한 후, 탠덤으로 배치된 렌즈(6과 8)에 의해 감광 재료(12) 상에 결상시키고 있는 것, 및 감광 재료면이 렌즈(8)의 후초점면(5)에 한정되지 않는 것이다. 그 밖의 광학 배치에 대해서는 제 2 실시예와 같다.
기타, 제 5 실시예와 같이 무한 초점 렌즈계에서는 거리(L’)는 수학식 (7), 확대 배율(M) 및 3차원 물체의 위치는 수학식 (4) 내지 수학식 (6), 광원 결상 배율은 수학식 (10)과 같다. 또한 일반적인 탠덤 렌즈계에서는 수학식 (11), 수학식 (12)로부터 확산면 광원의 결상 위치와 그 배율을 구하는 것도 같다. 또한 렌즈(5)에 의해, 레이저 빔을 확대하여 그 발산각을 제어함으로써 대응하고 있는 것도 같다.
이상, 설명한 바와 같이, 상술한 홀로그램 작성 방법에 의하면, 공간 광변조소자(7) 자체의 재생상에 노이즈가 존재하거나 공간 광변조 소자(7)의 투영상의 재생상에 노이즈가 존재하여도, 노이즈 자체가 대략 관찰 위치에 정위치하기 때문에, 노이즈로서 눈에 띄지 않고, 탠덤 렌즈계를 사용하고 있는 것으로부터, 감광 재료(12)의 배치 위치나 결상 배율에 대한 자유도를 갖고, 공간 광변조 소자(7)의 분해 성능, 파장, 집광 소자(8)의 초점 거리로 결정되어 버리는 집광점에서의 광 분포의 크기를 큰 범위로도 가변으로 하는 것이 가능하고, 공간 광변조 소자(7)에 제시되는 화상의 종류에 관계없이, 충분히 광 분포가 확대되고, 감광 재료(12)의 다이나믹 레인지를 넘는 것을 억제할 수 있다.
또, 상기 표시면(7, 7’)에 표시되는 시차 화상은 시계열로 1개씩이지만, 이들은 공간적으로 분할된 복수의 시차 화상을 동시에 표시하고, 시점에 대응하여 기록면(12) 상에 형성된 복수의 개구 상에 각각 투영하여도 되고, 이 경우에는 개개의 시차 화상의 기록면(12) 상에서의 간섭이 억제되도록, 복수의 개구간에 차광벽을 형성한다.
이상의 홀로그램 작성 방법을 이용하면, 제 1 내지 제 6 실시예에 관한 홀로그램 작성 방법에 있어서는 복수의 시점에서 실제로 관찰된 또는 가상적으로 관찰된 화상을 표시면(7, 7’) 상에 시계열로 1개씩 또는 동시에 표시하고, 표시면(7, 7’) 상에 표시된 화상을 물체광으로 하여, 상기 물체광을 렌즈(8)로 집광하여 상기 시점에 대응한 위치에 형성된 개구(11)를 통해서 기록면(12) 상에 조사하는 동시에, 기록면(12) 상에 참조광을 조사함으로써, 물체광과 참조광의 간섭광을 기록면(12)에 기록하여 홀로그램(12’)을 작성하는 홀로그램 작성 방법에 있어서, 표시면(7, 7’) 과 렌즈(8)의 간격은 물체광의 렌즈(8)에 의한 실상 또는 허상 위치(9, 9’) (L, L’)가 홀로그램(12’)의 관찰 위치가 되도록 설정되는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 판독용의 참조광 또는 공역 참조광을 홀로그램(12’)에 조사함으로써, 공간 광변조 소자(7) 자체의 재생상, 혹은 공간 광변조 소자(7)에 제시된 화상이 확산 스크린(7’)에 투영된 투영상의 재생상이 재생되지만, 이것들의 상은 관찰 위치(L, L’)에 정위치하기 때문에, 공간 광변조 소자(7’) 자체의 재생상에 노이즈가 존재하거나 공간 광변조 소자(7’)의 투영상의 재생상에 노이즈가 존재하여도, 노이즈 자체가 관찰 위치에 정위치하기 때문에, 노이즈로서 눈에 띄지 않고, 실질적으로는 노이즈가 저감되게 되었다.
또, 상기 위치를 상기 관찰 위치에 설정하는 것은, 이것을 실질적으로 설정하는 것으로, 실질적으로는 홀로그램(12’)으로부터 관찰 위치까지의 거리의 ±5% 이내에 설정하는 것으로 한다.
또한, 표시면(7, 7’)은 공간 광변조 소자(7) 또는 공간 광변조 소자(7)에 표시된 화상이 투영되는 확산 스크린(7’)이다.
여기서, 표시면이 공간 광변조 소자(7)인 경우에는 이 공간 광변조 소자(7)는 입사한 다광속을 화소마다 변조하는 것이다. 변조는 강도 또는 편광 방향의 변조이다.
제 5 및 제 6 실시예에 있어서는 공간 광변조 소자(7)에 주어지는 상기 광속은 레이저 광원(1)으로부터 출사된 레이저 광의 직경을 확대 광학계(5)에 의해서확대하여 확산판(16)에 조사하고, 이 조사에 따라서 확산판(16)으로부터 출사된 확산광인 것이 바람직하다.
이 경우에는 확산판(16)에 의해서 공간 광변조 소자(7)를 똑같이 조명하여 최종적으로 기록면(12) 상에 투영되는 공간 광변조 소자상이 국소적인 불균일함 또는 스페클을 저감할 수 있는 동시에, 확대 광학계(5)를 사용함으로써 확산판(16)으로부터 출사된 다광속의 발산각을 억제하여, 공간 광변조 소자(7)로의 광속의 입사효율을 높일 수 있다. 또, 확산판(16)은 확산 스크린(7’) 과 동등한 것으로 구성된다.
또, 이 경우의 개구(11)는 렌즈(8)로부터 출사된 광속의 일부만이 통과한다.
또한, 상기 홀로그램 작성 방법에 의하면, 공간 광변조 소자(7)의 분해 성능, 파장, 집광 소자의 초점 거리로 결정되어 버리는 집광점에서의 광 분포의 크기를 큰 범위로도 가변으로 하는 것이 가능해진다.
이 확산광은 공간 광변조 소자(7)를 통과하여 최종적으로는 기록면(12) 상에 도달하지만, 상기 홀로그램 작성 방법에 있어서는 확산광을 기록면(12) 상에 결상시킨 결상 광학계(6, 8)를 구비하고 있고, 이 결상 광학계는 상기 렌즈(8)를 포함하는 것으로 하여도 좋다.
결상 광학계(6, 8)는 대향 배치된 2개의 렌즈(6, 8)를 포함하고, 이들 2개의 렌즈간에 공간 광변조 소자(7)가 배치되어 있는 경우에는 2개의 렌즈(6, 8)에 의해서 공간 광변조 소자상이 배율 변환되어 기록면(12) 상에 투영된다. 특히, 확대 광학계(5) 및 확산판(16)에 의해서, 공간 광변조 소자(7)로의 입사 광속의 동일성및 효율이 향상되는 동시에, 발산각이 작아져 있기 때문에, 이 발산된 광이 입사되는 전단측의 렌즈(6)의 구경을 최대한 이용하여 공간 광변조 소자(7)를 균일하게 조명하고, 배율 변환을 하여도, 최종적으로 투영되는 기록면(12) 상의 공간 광변조 소자상의 조도의 균일성을 유지할 수 있다.
결상 광학계(6, 8)에 의해서, 확산면 광원(17)의 결상 위치에 요소 홀로그램을 작성하면, 기록면(12) 상의 요소 홀로그램에 대하여, 확산면 광원(17)과 공간 광변조 소자(7)의 스페클의 컨벌루션 적분한 광 분포가 기록되게 되기 때문에, 충분히 광 분포가 확대되고, 공간 광변조 소자(7)에 제시되는 화상의 종류에 관계없이, 감광 재료(12)의 다이나믹 레인지 내에 수습되도록 물체광의 광 분포를 설정할 수 있다.
또, 확산 광원면(17)의 결상 광학계(6, 8)는 2개의 볼록 렌즈(6, 8)를 탠덤으로 배치한 렌즈계이다. 전단측의 볼록 렌즈(6)의 후초점면에 공간 광변조 소자(7)를 배치하고, 공간 광변조 소자(7)를 후단측의 볼록 렌즈(8)의 전초점면을 배치하는 경우, 이것은 무한 초점 렌즈계와 달리, 공간 광변조 소자(7)와 2개의 볼록 렌즈(6, 8)의 배치에 자유도가 발생한다. 따라서, 확산면 광원(17)의 결상 위치 즉 감광 재료(12)의 배치 위치나 결상 배율에 대한 자유도도 발생한다.
또한, 확산판(16)으로부터 출사되는 광속의 파장을 λ, 상기 2개의 렌즈 중의 확산판(16)측의 렌즈(6)의 구경을 DS, 이 렌즈(6)와 공간 광변조 소자(7) 사이의 거리를 LS, 이 렌즈(6)의 광축과 상기 렌즈(6)의 직경 방향 단부와 공간 광변조 소자(7)의 단부를 연결하는 선분과의 이루는 각도를 θ, 공간 광변조 소자(7)의 화소의 간격을 P로 한 경우, θ가 sin-1(λ/P) 이상이 되도록, DS 및 LS가 설정되는 것이 바람직하고, 이 경우에는 확산판(16)으로부터 출력된 광속, 전단측의 렌즈(6)로부터 출력된 광속의 대부분을 공간 광변조 소자(7)에 입사할 수 있고, 공간 광변조 소자(7)에 입사하는 광속의 면 내 균일성을 향상시키고, 따라서, 재생 화상에 포함되는 노이즈를 저감시킬 수 있다.
즉, 탠덤 렌즈계(6, 8)의 확산면 광원(17)에 가까운 볼록 렌즈(6)의 구경과 볼록 렌즈(6)와 공간 광변조 소자(7)의 거리의 관계를, 공간 광변조 소자(7)의 임의 위치에 있어서, 적어도 상기 θ의 각도 이상을 유지하도록 볼록 렌즈(6)의 구경(DS)과, 볼록 렌즈(6)와 공간 광변조 소자(7)의 간격(LS)이 설정 배치되어 있다.
이 경우에는 공간 광변조 소자(7) 상에서 발생하는 확산면 광원(17)에 의한 간섭 줄무늬의 간격이 대략 공간 광변조 소자의 변조 요소 간격보다 작아지기 때문에, 공간 광변조 소자(7)에 제시되는 화상의 화소에 광이 조사되지 않아 결함 화소가 될 확률이 낮아진다.
이 홀로그램 작성 방법에 있어서의 확산면 광원(17)의 면적은 볼록 렌즈(6)의 구경(LS) 내 전체로 확산광을 입사시킬 만큼 충분한 면적을 발생시키는 확대 광학계(5)를 갖는다. 이 경우에는 공간 광변조 소자(7) 상에서 발생하는 확산면 광원(17)에 의한 간섭 줄무늬의 간격이 대략 공간 광변조 소자(7)의 변조 요소(화소) 간격보다 작아질 만한 구경의 제 2 확산면 광원을 만들어 내는 효과가 발생한다.
또한, 공간 광변조 소자의 분해 성능, 파장, 집광 소자의 초점 거리로 결정되는 집광점에서의 광 분포의 크기를 큰 범위로 가변으로 하는 것이 가능해진다는 효과, 및 요소 홀로그램에 대하여, 확산 광원과 공간 광변조 소자(7)의 스페클의 컨벌루션 적분한 광 분포가 기록되게 되기 때문에, 충분히 광 분포가 확대되고, 공간 광변조 소자(7)에 제시되는 화상의 종류에 관계없이, 감광 재료(12)의 다이나믹 레인지를 넘지 않는다는 효과에 더하여, 공간 광변조 소자(7) 자체의 재생상이나 공간 광변조 소자(7)의 투영상의 재생상에 노이즈가 존재하여도 노이즈 자체가 대략 관찰 위치에 정위치하기 때문에 노이즈로서 눈에 띄지 않는다는 효과를 더불어 가지는 것이 가능해진다.
이상, 설명한 바와 같이, 상술한 홀로그램 작성 방법에 의하면, 재생 화상에 있어서 관찰되는 노이즈를 저감할 수 있다.
본 발명은 1단계 방식의 홀로그램 작성 방법에 이용할 수 있다.

Claims (8)

  1. 복수의 시점에서 실제로 관찰된 또는 가상적으로 관찰된 화상을 표시면 상에 시계열로 1개씩 또는 동시에 표시하고, 상기 표시면 상에 표시된 화상을 물체광으로 하고, 상기 물체광을 렌즈로 집광하여 상기 시점에 대응한 위치에 형성된 개구를 통해서 기록면 상에 조사함과 함께, 상기 기록면 상에 참조광을 조사함으로써, 상기 물체광과 상기 참조광의 간섭광을 상기 기록면에 기록하여 홀로그램을 작성하는 홀로그램 작성 방법에 있어서,
    상기 표시면과 상기 렌즈의 간격은 상기 물체광의 렌즈에 의한 실상 또는 허상 위치가 상기 홀로그램의 관찰 위치가 되도록 설정되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 표시면은 공간 광변조 소자 또는 상기 공간 광변조 소자에 표시된 화상이 투영되는 확산 스크린인 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 표시면은 공간 광변조 소자이고, 상기 공간 광변조 소자는 입사하는 광속을 화소마다 변조하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 공간 광변조 소자에 주어지는 상기 광속은 레이저 광원으로부터 출사된 레이저광의 직경을 확대 광학계에 의해서 확대하여 확산판에 조사하고, 이러한 조사에 따라서 상기 확산판으로부터 출사된 확산광인 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 확산광을 상기 기록면 상에 결상시키는 결상 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 결상 광학계는 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 결상 광학계는 대향 배치된 2개의 렌즈를 포함하고, 상기 2개의 렌즈 사이에는 상기 공간 광변조 소자가 배치되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 확산판으로부터 출사되는 광속의 파장을 λ, 상기 2개의 렌즈 중의 상기 확산판측의 렌즈 구경을 DS, 상기 렌즈와 공간 광변조 소자 사이의 거리를 LS, 상기 렌즈의 광축과 상기 렌즈의 직경 방향 단부와 상기 공간 광변조 소자의 단부를 연결하는 선분이 이루는 각도를 θ, 상기 공간 광변조 소자의 화소의 간격을 P로 한 경우, θ가 sin-1(λ/P) 이상으로 되도록, DS 및 LS가 설정되는 것을 특징으로 하는 홀로그램 작성 방법.
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