WO2018190164A1

WO2018190164A1 - ホログラム記録装置およびホログラム製造方法

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Publication number: WO2018190164A1
Application number: PCT/JP2018/014044
Authority: WO
Inventors: 隆太朗大井; 健詞山本; 保之市橋; 奥井　誠人; 光喜涌波; ジェシージャキンボワズ
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2017-04-11
Filing date: 2018-04-02
Publication date: 2018-10-18
Anticipated expiration: 2019-10-11
Also published as: JP2018180201A; JP7037797B2

Abstract

ホログラム記録装置（１Ｂ）は、コヒーレント光を発光するコヒーレント光源（１０）と、コヒーレント光を２つの光路に分離する光源分離手段（１１）と、分離された一方の光によりセル単位の物体光を変調する第１空間光変調手段（１４）と、分離された他方の光によりセル単位の光源位置に応じた参照光を変調する第２空間光変調手段（１７Ｂ）と、書き込み対象となるセルを物体光および参照光の照射位置に移動する記録媒体移動手段（１８）と、書き込み対象のセルの移動に同期して、物体光および参照光を照射する制御を行うホログラム記録制御装置（２０Ｂ）と、を備える。

Description

ホログラム記録装置およびホログラム製造方法

　本発明は、ホログラム記録装置およびホログラム製造方法に関する。

　従来、３次元の被写体情報の記録・再生方式として、ホログラフィ技術がある。このホログラフィ技術は、物体から反射してくる光（物体光）と、物体光とは異なる光（参照光）とを干渉させ、その干渉によって形成される縞（干渉縞）を感光媒体に記録する。この干渉縞を記録した感光媒体をホログラムと呼ぶ。すなわち、ホログラムは、３次元の被写体情報を２次元平面に記録したものである。

　ホログラム記録媒体に干渉縞を記録する、従来から知られているアナログホログラムは、ホログラム記録媒体全体を露光するため、露光可能なパワーのレーザと露光時間が必要な上、干渉縞を静止させる極めて高度な制振技術が必要となる。そのため、アナログホログラムは、ホログラム記録媒体が大きくなるほど、その製造方法は極めて困難なものとなる。

　近年では、ホログラム記録媒体に対して、要素ホログラムと呼ばれる微小なセルごとに干渉縞を記録するホログラムプリンタが知られている。
　このようなホログラムプリンタは、要素ホログラム（セル）を、上下左右に移動させながらセル単位で干渉縞を記録し、最終的に１枚の大きなホログラムを生成する。
　また、このホログラムプリンタは、微小なセルを露光できるレーザパワーがあればよい。さらに、このホログラムプリンタは、物体光をコンピュータから空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）へデジタルデータとして送出するだけで、ＳＬＭとセルとの距離は通常一定であるため、振動の影響を受けにくく、高度な制振が不要である。

　このようにセルごとに干渉縞を記録するホログラムプリンタには、フリンジプリンタと波面プリンタとがある。
　フリンジプリンタは、コンピュータ内で予め干渉縞を計算によって求め、その干渉縞をＳＬＭに表示し、縮小投影することで、ホログラム記録媒体に干渉縞を記録する。
　一方、波面プリンタは、コンピュータ内で生成した３次元デジタルデータ（ホログラムデータ）をＳＬＭにより再生し、得られた複素振幅分布（物体光）と、別の経路でホログラム面まで導かれた物体光と可干渉な光（参照光）との干渉縞をホログラム記録媒体に記録する（特許文献１等）。
　この波面プリンタは、ホログラム記録媒体の厚さ方向にも干渉縞を記録するため、再生時には波長選択制を持たせるなど、フリンジプリンタでは実現できない機能を実装することもできる点で優れている。

特開２０１６－２１２２３１号公報

T.Yamaguchi, O.Miyamoto, and H.Yoshikawa,"Volume hologram printer to record the wavefront of threedimensional objects," Opt. Eng. 51(7), 075802 (2012). H.Kang, E.Stoykoba, Y.Kim, S.Hong, J.Park and J.Hong,"Color Holographic Wavefront Printing Technique for Realistic Representation," IEEE Trans. Industrial Info., Vol.12, No.4, (2016). K.Wakunami, Y.Ichihashi, H.Sasaki, R.Oi, T.Senoh and K.Yamamoto,"Wavefront Printer by Using Cell Overlapping Technique," IDMC’15 and 3DSA2015, AP6-005, (2015). M.Sato, Y.Ito, T.Yanagisawa, K.Takahashi and M.Ogasawara,"Compact Full-Color Hologram Printer", HODIC Circular, Vol.33, No.1, pp.9-13 (2013).

　従来の波面プリンタは、要素ホログラム（セル）を、上下左右に移動させながらセル単位で干渉縞を記録するため、参照光を平行光で照射する必要がある。
　しかし、アナログホログラムは、屋内における観賞用途等におけるホログラムの照明にハロゲンランプ（点光源）を照明光として用いることが一般的に行われている。
　そのため、従来の波面プリンタで記録したホログラムは、平行光以外の通常使用される光源（例えば、点光源）の光では、物体光の再現性が悪くなるという問題がある。

　そこで、本発明は、照明光の光源の位置に応じて、物体光を精度よく再現することが可能なホログラムを製造するホログラム記録装置およびホログラム製造方法を提供することを課題とする。

　前記課題を解決するため、本発明に係るホログラム記録装置は、干渉縞をセル単位でホログラム記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、コヒーレント光を発光するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光を２つの光路に分離する光源分離手段と、分離された一方の光により物体光を変調する第１空間光変調手段と、分離された他方の光により参照光を変調する第２空間光変調手段と、書き込み対象となるセルを前記物体光および前記参照光の照射位置に移動する記録媒体移動手段と、制御手段と、を備え、制御手段は、セル位置制御手段と、セルデータ表示手段と、第２空間光変調制御手段と、を備える構成とした。

　かかる構成において、ホログラム記録装置は、セル位置制御手段によって、書き込み対象となるセルを、照射位置に移動するように記録媒体移動手段を制御する。これによって、ホログラム記録装置は、ホログラム記録媒体に予め定めた大きさのセル単位で干渉縞を記録することが可能になる。
　そして、ホログラム記録装置は、セルデータ表示手段によって、セルの移動に同期して、セルに対応する予め生成したホログラムデータを第１空間光変調手段に表示する。これにより、ホログラム記録装置は、コヒーレント光から分離された一方の光によりセル単位で物体光を変調することができる。

　また、ホログラム記録装置は、第２空間光変調制御手段によって、セルの移動に同期して、ホログラム再生時における光源の位置を参照光の相対位置として、コヒーレント光から分離された他方の光の位相を変調して参照光を生成するように第２空間光変調手段を制御する。これにより、ホログラム記録装置は、コヒーレント光から分離された他方の光によりセル単位で参照光を変調することができる。
　これによって、ホログラム記録装置は、ホログラム全体で同一の平行光となる参照光を用いずに、ホログラム再生時における光源の位置に対応したセルごとに異なる参照光を用いてホログラムを生成することができる。

　この第２空間光変調制御手段は、光源の相対位置からの参照光を、ＳＬＭを用いて変調した複素振幅分布を用いて実現することとしてもよい。
　また、ホログラム記録装置は、同一のセルに視野角の異なる物体光を照射し、重畳して干渉縞を記録することとしてもよい。
　また、第２空間光変調制御手段は、光源の相対位置方向に移動させたミラーから書き込み対象のセル方向に、コヒーレント光から分離された他方の光を反射させることで、参照光を生成することとしてもよい。

　また、前記課題を解決するため、本発明に係るホログラム製造方法は、コヒーレント光を発光するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光を２つの光路に分離する光源分離手段と、分離された一方の光により物体光を変調する第１空間光変調手段と、分離された他方の光により参照光を変調する第２空間光変調手段と、書き込み対象となるセルを前記物体光および前記参照光の照射位置に移動する記録媒体移動手段と、制御手段と、を備えたホログラム記録装置で、干渉縞をセル単位でホログラム記録媒体に記録するホログラム製造方法であって、セル位置制御工程と、セルデータ表示工程と、第２空間光変調制御工程と、を含む手順とした。

　かかる手順において、ホログラム製造方法は、セル位置制御工程として、制御手段により、書き込み対象となるセルが照射位置に移動するように記録媒体移動手段を制御する。
　そして、ホログラム製造方法は、セルデータ表示工程として、制御手段により、セルの移動に同期して、セルに対応するホログラムデータを第１空間光変調手段に表示する。これによって、コヒーレント光から分離された一方の光によりセル単位で物体光を変調する。
　そして、ホログラム製造方法は、第２空間光変調制御工程として、制御手段により、セルの移動に同期して、ホログラム再生時における光源の位置を参照光の相対位置として、コヒーレント光から分離された他方の光の位相を変調して参照光を生成するように第２空間光変調手段を制御する。
　これによって、ホログラム製造方法は、セル単位で、相対的に照射方向の異なる参照光を用いて、ホログラムを製造することができる。

　本発明は、以下に示す優れた効果を奏するものである。
　本発明によれば、ホログラム再生時の光源に応じたセル単位で異なる参照光をホログラム記録媒体に照射して、ホログラムを生成することができる。
　これによって、本発明は、ホログラム再生時において物体光の再現性を高めたホログラムを生成することができる。

本発明の第１実施形態に係るホログラム記録装置の構成を示す全体構成図である。図１のホログラム記録制御装置の構成を示す機能ブロック図である。ホログラム記録媒体とミラーとの関係を示す模式図である。本発明の第１実施形態に係るホログラム記録装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係るホログラム記録装置の構成を示す全体構成図である。図５のホログラム記録制御装置の構成を示す機能ブロック図である。ホログラム面の複素振幅分布を演算する手法を説明するための説明図である。本発明の第２実施形態に係るホログラム記録装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第３実施形態に係るホログラム記録装置の構成を示す全体構成図である。図９のホログラム記録制御装置の構成を示す機能ブロック図である。縮小光学系の構成例を示す構成図である。

　以下、図面を参照して本発明に係るホログラム記録装置およびホログラム製造方法を実施するための形態について詳細に説明する。

≪第１実施形態≫
［ホログラム記録装置の構成］
　図１を参照して、本発明の第１実施形態に係るホログラム記録装置１の構成について説明する。

　ホログラム記録装置１は、予め定めた大きさの矩形領域であるセルＥＨ単位で、ホログラム記録媒体Ｈにホログラムを記録するものである。ここでは、ホログラム記録装置１は、コヒーレント光源１０と、光源分離手段１１と、ミラー１２（１２_１，１２_２）と、ハーフミラー１３と、第１空間光変調手段１４と、不要光除去手段１５と、結像手段１６と、第２空間光変調手段１７と、記録媒体移動手段１８と、ホログラム記録制御装置２０と、を備える。なお、コヒーレント光源１０と光源分離手段１１との間には、レーザ光のビーム径を拡大し、平行光にするビームエキスパンダーを備えるが、ここでは、図示を省略している。また、物体光および参照光の光路上において、それぞれの光を書き込み対象のセルＥＨ以外に照射しないように周辺部を遮光する遮蔽板を備えるが、ここでは、図示を省略している。

　コヒーレント光源１０は、コヒーレント光（レーザ光）を発光するものである。このコヒーレント光源１０は、例えば、波長が５３２ｎｍの緑色レーザ光を出射する半導体レーザで構成することができる。
　このコヒーレント光源１０は、コヒーレント光を光源分離手段１１に出射する。ここでは、コヒーレント光源１０は、ホログラム記録制御装置２０の制御によって、コヒーレント光の出射のＯＮ／ＯＦＦが制御される。例えば、コヒーレント光源１０は、内部または出射口近傍にシャッタ（例えば、光シャッタ）を備え、ホログラム記録制御装置２０の指示により、コヒーレント光の出射のＯＮ／ＯＦＦを行う。

　光源分離手段１１は、入射光を異なる方向に分離するものである。例えば、光源分離手段１１は、クロスハーフミラーで構成することができる。
　ここでは、光源分離手段１１は、コヒーレント光源１０から入射した光を、物体光を生成するための光として、ミラー（ミラー１２_１，ハーフミラー１３）を経由して、第１空間光変調手段１４に照射し、参照光となる光として、ミラー（ミラー１２_２）を経由して、第２空間光変調手段１７に照射する。

　ミラー１２は、入射光を全反射する全ミラーである。ここでは、ミラー１２_１は、光源分離手段１１で分離された一方のレーザ光をハーフミラー１３に反射する。また、ミラー１２_２は、光源分離手段１１で分離された他方のレーザ光を第２空間光変調手段１７内のミラー１７０に反射する。

　ハーフミラー１３は、入射した光の一部を反射し、残りを透過させるものである。ここでは、ハーフミラー１３は、ミラー１２_１で反射した光を第１空間光変調手段１４に反射する。また、ハーフミラー１３は、第１空間光変調手段１４に反射して変調された光を透過し、不要光除去手段１５に出射する。このハーフミラー１３は、偏光ビームスプリッタ（Polarizing Beam Splitter：ＰＢＳ）で構成することができる。

　第１空間光変調手段（ＳＬＭ）１４は、ホログラムデータの光の強度分布または位相分布を変調するものである。この第１空間光変調手段１４は、ＳＬＭ（Spatial Light Modulator）で構成することができる。
　この第１空間光変調手段１４は、ホログラム記録制御装置２０から入力したホログラムデータをページデータとして表示し、ハーフミラー１３から照射される光によって変調された光（複素振幅分布）を物体光として出射する。
　なお、素子を液晶とするＳＬＭ１４を用いることで、光の位相分布または強度分布を変調することができ、素子をＤＭＤ（Digital Mirror Device）とするＳＬＭ１４を用いることで、光の強度分布を変調することができる。

　不要光除去手段１５は、ＳＬＭ１４から物体光と共に出射される不要光を除去するものである。この不要光除去手段１５は、ＳＬＭ１４の回折光のうち、物体光である１次回折光のみを通過させる。すなわち、不要光除去手段１５は、０次回折光、高次回折光を除去する。
　この不要光除去手段１５は、レンズ１５０と、遮蔽板１５１と、レンズ１５２と、で構成される。なお、レンズ１５０，１５２は、同じ焦点距離ｆとする。また、レンズ１５０は、ＳＬＭ１４から焦点距離ｆだけ離間した位置に配置され、レンズ１５０と遮蔽板１５１との距離、および、遮蔽板１５１とレンズ１５２との距離は、焦点距離ｆとする。

　レンズ１５０は、ハーフミラー１３を透過した物体光のフーリエ変換像（周波数分布）を遮蔽板１５１に集光するもので、例えば、凸レンズである。
　遮蔽板１５１は、不要光を除去するもので、ハーフゾーンプレート処理を行うための、物体光の半分を遮蔽するマスクである。
　レンズ１５２は、遮蔽板１５１を通過した物体光のフーリエ変換像（周波数分布）を物体光（実面での分布）に変換するもので、例えば、凸レンズである。このレンズ１５２の後段でレンズ１５２の焦点距離ｆだけ離れた位置に物体光があらわれることになる。
　この不要光除去手段１５で不要光が除去された物体光は、結像手段１６に出射される。

　結像手段１６は、不要光が除去された第１空間光変調手段１４から出射された光（複素振幅分布）を、ホログラム記録媒体Ｈの書き込み対象となるセルＥＨに結像させるものである。この結像手段１６は、例えば、レンズ（凸レンズ）で構成することができる。ここで、結像手段１６として、焦点距離ｆのレンズを用いた場合、レンズ１５２と結像手段１６との距離を３ｆ、結像手段１６とホログラム記録媒体Ｈとの距離を２ｆとすればよい。

　第２空間光変調手段１７は、光源分離手段１１で分離された光を位相変調するものである。この第２空間光変調手段１７は、書き込み対象となるセルＥＨに対して、光の入射角により位相を変調し、参照光として出射する。ここでは、第２空間光変調手段１７は、ミラー１７０と、回転機構１７１と、ミラー移動手段１７２と、を備える。

　ミラー１７０は、入射光を全反射するものである。ここでは、ミラー１７０は、２軸の回転機構１７１によって回転駆動され、光源分離手段１１で分離されてミラー１２_２で反射したレーザ光を、参照光として、セルＥＨに反射する。なお、ミラー１７０の光の反射方向（参照光角度）は、回転機構１７１によって角度が制御される。

　回転機構１７１は、ミラー１７０を保持し、２軸（水平、垂直）の回転軸により、ミラー１７０を回転させるものである。この回転機構１７１は、例えば、ジンバル構造を有し、各軸の回転駆動は、ホログラム記録制御装置２０によって制御される。

　ミラー移動手段１７２は、ホログラム記録媒体Ｈに対して平行に配置され、２軸方向（水平方向、垂直方向）に回転機構１７１を移動させるものである。このミラー移動手段１７２は、例えば、Ｘ－Ｙステージで構成することができ、ステージ面での移動は、ホログラム記録制御装置２０によって制御される。

　記録媒体移動手段１８は、干渉縞を記録する対象であるホログラム記録媒体Ｈを、干渉縞の書き込み単位のセルＥＨごとに、水平方向および垂直方向に移動させるものである。この記録媒体移動手段１８は、例えば、Ｘ－Ｙステージで構成することができ、ステージ面の移動は、ホログラム記録制御装置２０によって制御される。

　ホログラム記録制御装置（制御手段）２０は、ホログラム記録装置１全体の動作を制御するものである。このホログラム記録制御装置２０は、書き込み対象となるセルＥＨの中心が、基準位置（結像手段１６の光軸上）になるように記録媒体移動手段１８を制御するとともに、ミラー１７０の向きが、既知の照明位置（点光源位置）からセルＥＨへの参照光の角度となるように、回転機構１７１およびミラー移動手段１７２を制御する。
　そして、ホログラム記録制御装置２０は、セルＥＨに対応するホログラムデータをＳＬＭ１４に表示し、コヒーレント光源１０のシャッタを開けることで、物体光および参照光を発生させ、セルＥＨに干渉縞を記録する。

　ここで、図２を参照（適宜図１参照）して、ホログラム記録制御装置２０の構成について説明する。
　図２に示すように、ホログラム記録制御装置２０は、光源制御手段２１と、セルデータ表示手段２２と、第２空間光変調制御手段２３と、セル位置制御手段２４と、同期手段２５と、を備える。

　光源制御手段２１は、コヒーレント光源１０の照射のＯＮ／ＯＦＦを制御するものである。この光源制御手段２１は、同期手段２５からの指示により、コヒーレント光源１０が備えるシャッタの開閉を行う。
　これによって、ホログラム記録制御装置２０は、ホログラム記録媒体Ｈの書き込み対象のセルＥＨに干渉縞を記録するときだけ、レーザ光を照射させることができる。

　セルデータ表示手段２２は、第１空間光変調手段（ＳＬＭ）１４に表示するホログラムデータを出力するものである。このセルデータ表示手段２２は、同期手段２５からの指示により、書き込み対象のセルＥＨに対応するホログラムデータを外部から入力し、第１空間光変調手段（ＳＬＭ）１４に出力する。なお、ホログラムデータは、一般的な計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram：ＣＧＨ）により生成されるものである。
　これによって、ホログラム記録制御装置２０は、書き込み対象のセルＥＨに対応する物体光を発生させるホログラムデータをＳＬＭ１４に出力することができる。

　第２空間光変調制御手段２３は、第２空間光変調手段１７を制御するものである。ここでは、第２空間光変調制御手段２３は、参照光角度演算手段２３０と、ミラー駆動手段２３１と、を備える。

　参照光角度演算手段２３０は、ホログラム再生時におけるホログラム位置と、光源情報として入力される既知の照明位置（点光源位置）との相対位置関係から、書き込み対象のセルＥＨへの参照光の入射角度を演算するものである。すなわち、参照光角度演算手段２３０は、仮想３次元空間上のＸＹ平面上に、セルＥＨの中心が座標原点となるように、ホログラム記録媒体Ｈを仮想的に配置し、同じ仮想３次元空間上の点光源位置に対する水平角および仰伏角を参照光の入射角度として演算する。この参照光角度演算手段２３０は、演算に求めた角度を、ミラー駆動手段２３１に出力する。

　ミラー駆動手段２３１は、書き込み対象のセルＥＨに対して、参照光角度演算手段２３０で演算された角度で参照光を照射する位置および角度に、ミラー１７０を駆動制御するものである。
　すなわち、ミラー駆動手段２３１は、書き込み対象のセルＥＨに対して、ミラー１７０が、参照光の入射角度方向の位置となるように、ミラー移動手段１７２を駆動し、さらに、ミラー１７０が、レーザ光の反射光の角度を、参照光の角度となるように、回転機構１７１を駆動する。なお、ミラー駆動手段２３１は、ミラー１７０の駆動を完了した後、駆動完了を同期手段２５に通知する。

　セル位置制御手段２４は、書き込み対象のセルＥＨの中心を、物体光および参照光を照射する基準位置に配置するように、記録媒体移動手段１８を駆動制御するものである。この基準位置は、結像手段１６の光軸上である。
　このセル位置制御手段２４は、同期手段２５から指定されたセルＥＨを、基準位置に配置するように、記録媒体移動手段１８を駆動制御し、駆動を完了した後、駆動完了を同期手段２５に通知する。

　同期手段２５は、ホログラム記録装置１全体の動作を同期制御するものである。この同期手段２５は、外部から起動を指示されることで、セル位置制御手段２４に対して、書き込み対象となるセルＥＨの移動を指示する。例えば、ホログラム記録媒体Ｈの左上のセルを最初の書き込み対象とし、順次、水平方向および垂直方向に書き込み対象を切り替える。
　また、同期手段２５は、セルＥＨの移動に同期して、第２空間光変調制御手段２３に対して、書き込み対象となるセルＥＨへの参照光の角度を演算し、ミラー１７０を駆動するように指示する。
　また、同期手段２５は、セルＥＨの移動に同期して、セルデータ表示手段２２に対して、書き込み対象となるセルＥＨへのホログラムデータの表示を指示する。

　そして、同期手段２５は、セル位置制御手段２４におけるセルＥＨの駆動、第２空間光変調制御手段２３におけるミラー１７０の駆動、および、セルデータ表示手段２２におけるホログラムデータの表示が完了した段階で、光源制御手段２１に対して、コヒーレント光源１０のシャッタを開け、レーザ光を照射するように指示する。
　これによって、ホログラム記録制御装置２０は、ホログラム記録媒体Ｈのセルごとに、点光源の位置から参照光を照射して、干渉縞を記録するように、ホログラム記録装置１を制御することができる。

　ここで、図３を参照（適宜図１，図２参照）して、ホログラム記録媒体Ｈとミラー１７０との関係について模式的に説明する。
　図３に示すように、ホログラム記録媒体Ｈが、ＸＹＺ座標系のＸＹ平面上で駆動され、書き込み対象のセルＥＨの中心が座標原点に存在しているとする。また、ミラー１７０は、Ｚ座標がＺ_１で、ＸＹ平面と平行なｘｙｚ座標系のｘｙ平面上で駆動されるものとする。このとき、参照光角度演算手段２３０は、ＸＹＺ座標原点から点光源Ｌの位置に対する水平角θ_Ｖ、仰伏角θ_Ｈを演算する。
　そして、ミラー駆動手段２３１は、ＸＹＺ座標原点から水平角θ_Ｖ、仰伏角θ_Ｈに対応する位置（ｘ_１，ｙ_１）にミラー１７０を移動させる。さらに、ミラー駆動手段２３１は、ミラー１７０からのレーザ光の反射光が、セルＥＨの中心（ＸＹＺ座標原点）方向に反射するように、ミラー１７０の角度を制御する。
　これによって、ホログラム記録装置１は、セルＥＨごとに、点光源から参照光を照射した干渉縞を記録することができる。

　以上説明したようにホログラム記録装置１を構成することで、ホログラム記録装置１は、ホログラム全体に同一入射角の平行光を参照光として照射するのではなく、点光源を基準としたセルごとに異なる入射角の平行光を参照光とすることができる。そのため、ホログラム記録装置１は、ホログラム全体として、点光源からの球面波を疑似的に再現した参照光を用いて、ホログラムを生成することができる。
　これによって、ホログラム記録装置１で生成されたホログラムは、ホログラム生成時の相対位置と同じ位置に照明を点光源として配置することで、元の物体光を精度よく再現することができる。

［ホログラム記録装置の動作］
　次に、図４を参照（構成については、適宜図１，図２参照）して、本発明の第１実施形態に係るホログラム記録装置１の動作（ホログラム製造方法）について説明する。なお、ここでは、予め第２空間光変調制御手段２３に、点光源の位置を示す光源情報が設定されているものとする。

　まず、ステップＳ１において、ホログラム記録装置１は、書き込み対象のセルＥＨを基準位置（書き込み位置）に移動する。すなわち、ホログラム記録制御装置２０は、同期手段２５からセル位置制御手段２４に、セルＥＨを基準位置（書き込み位置）に移動させる指示を行う。そして、セル位置制御手段２４は、記録媒体移動手段１８を駆動制御し、ホログラム記録媒体Ｈを面方向に移動させて、書き込み対象のセルＥＨを基準位置に移動させる（セル位置制御工程）。

　そして、ステップＳ２において、ホログラム記録装置１は、書き込み対象のセルＥＨに対応するホログラムデータを、第１空間光変調手段（ＳＬＭ）１４に表示する。すなわち、ホログラム記録制御装置２０は、同期手段２５からの指示により、セルデータ表示手段２２によって、書き込み対象のセルＥＨに対応するホログラムデータを外部から入力し、ＳＬＭ１４に出力する（セルデータ表示工程）。

　そして、ステップＳ３において、ホログラム記録装置１は、光源情報で指定された点光源位置から、書き込み対象のセルＥＨへの参照光の入射角度を演算する。すなわち、ホログラム記録制御装置２０は、同期手段２５からの指示により、第２空間光変調制御手段２３の参照光角度演算手段２３０によって、書き込み対象のセルＥＨの中心方向に対する点光源位置からの参照光角度（水平角および仰伏角）を演算する。

　そして、ステップＳ４において、ホログラム記録装置１は、反射光が書き込み対象のセルＥＨへの参照光となる位置および角度となるように、ミラー１７０の位置を移動するとともに、ミラー１７０を回転させる。すなわち、ホログラム記録制御装置２０は、ミラー駆動手段２３１によって、ステップＳ３で演算された参照光角度となる位置に、ミラー移動手段１７２を駆動してミラー１７０を移動させ、回転機構１７１を駆動してミラー１７０を参照光方向に回転させる（第２空間光変調制御工程）。

　その後、ステップＳ５において、ホログラム記録装置１は、書き込み対象のセルＥＨに、物体光および参照光を照射し、干渉縞を記録する。すなわち、ホログラム記録制御装置２０は、同期手段２５からの指示により、光源制御手段２１によって、コヒーレント光源１０のシャッタを開けて、レーザ光を照射する。これによって、光源分離手段１１で分離されたレーザ光が、それぞれ、物体光および参照光として、書き込み対象のセルＥＨに照射され、干渉縞が記録される。なお、干渉縞を記録するための予め定めた時間の照射が完了した後、光源制御手段２１は、コヒーレント光源１０のシャッタを閉じて、レーザ光の照射を停止する。

　そして、ステップＳ６において、ホログラム記録装置１は、同期手段２５によって、ホログラム記録媒体ＨのすべてのセルＥＨへの記録が完了したか否かを判定する。
　ここで、すべてのセルＥＨへの記録が完了していない場合（Ｎｏ）、ホログラム記録装置１は、ステップＳ１に戻って、動作を継続する。一方、すべてのセルＥＨへの記録が完了した場合（Ｙｅｓ）、ホログラム記録装置１は、動作を終了する。
　以上の動作によって、ホログラム記録装置１は、既知の照明位置を点光源とした参照光を疑似的な球面波として、ホログラム記録を行うことができる。

≪第２実施形態≫
［ホログラム記録装置の構成］
　図５を参照して、本発明の第２実施形態に係るホログラム記録装置１Ｂの構成について説明する。ホログラム記録装置１（図１）は、第２空間光変調手段１７によって、セル単位では平行光である疑似的な球面波を参照光とするものであった。しかし、ホログラム記録装置１Ｂは、セルＥＨに対しても球面波等の平行光以外の光を参照光として干渉縞を記録するものである。

　図５に示すように、ホログラム記録装置１Ｂは、コヒーレント光源１０と、光源分離手段１１と、ミラー１２（１２_１，１２_２）と、ハーフミラー１３（１３_１，１３_２）と、第１空間光変調手段１４と、不要光除去手段１５と、結像手段１６（１６_１，１６_２）と、第２空間光変調手段１７Ｂと、記録媒体移動手段１８と、ホログラム記録制御装置２０Ｂと、を備える。
　ハーフミラー１３_２、結像手段１６_２、第２空間光変調手段１７Ｂおよびホログラム記録制御装置２０Ｂ以外の構成は、図１で説明したホログラム記録装置１と同じ構成であるため説明を省略する。

　ハーフミラー１３_２は、入射した光の一部を反射し、残りを透過させるものである。ここでは、ハーフミラー１３_２は、ミラー１２_２で反射した光を第２空間光変調手段１７Ｂに反射する。また、ハーフミラー１３_２は、第２空間光変調手段１７Ｂに反射して変調された光を透過し、結像手段１６_２に出射する。このハーフミラー１３_２は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）で構成することができる。

　結像手段１６_２は、第２空間光変調手段１７Ｂから出射された光（複素振幅分布）を、ホログラム記録媒体Ｈの書き込み対象となるセルＥＨに結像させるものである。この結像手段１６_２は、例えば、レンズ（凸レンズ）で構成することができる。ここで、結像手段１６_２として、焦点距離ｆのレンズを用いた場合、ＳＬＭ１７Ｂと結像手段１６_２との距離を２ｆ、結像手段１６_２とホログラム記録媒体Ｈとの距離を２ｆとすればよい。

　第２空間光変調手段（ＳＬＭ）１７Ｂは、光の強度分布または位相分布を変調するものである。この第２空間光変調手段１７Ｂは、ＳＬＭ（Spatial Light Modulator）で構成することができる。
　この第２空間光変調手段１７Ｂは、ホログラム記録制御装置２０から入力した複素振幅分布のページデータを表示し、ハーフミラー１３_２から入射される光によって変調された光（複素振幅分布）を参照光として出射する。

　ホログラム記録制御装置（制御手段）２０Ｂは、ホログラム記録装置１Ｂ全体の動作を制御するものである。このホログラム記録制御装置２０Ｂは、書き込み対象となるセルＥＨに対して、既知の光源位置からの参照光を照射するように、第２空間光変調手段１７Ｂを制御する。
　ホログラム記録制御装置２０Ｂにおける第２空間光変調手段１７Ｂの制御以外の機能は、ホログラム記録制御装置２０（図１）と同じである。

　ここで、図６を参照（適宜図５参照）して、ホログラム記録制御装置２０Ｂの構成について説明する。
　図６に示すように、ホログラム記録制御装置２０Ｂは、光源制御手段２１と、セルデータ表示手段２２と、第２空間光変調制御手段２３Ｂと、セル位置制御手段２４と、同期手段２５Ｂと、を備える。第２空間光変調制御手段２３Ｂおよび同期手段２５Ｂ以外の構成は、図２で説明したホログラム記録制御装置２０の構成と同じ構成であるため説明を省略する。

　第２空間光変調制御手段２３Ｂは、第２空間光変調手段１７Ｂを制御するものである。ここでは、第２空間光変調制御手段２３Ｂは、複素振幅分布演算手段２３２と、複素振幅分布表示手段２３３と、を備える。

　複素振幅分布演算手段２３２は、既知の光源位置からの参照光がホログラム面に到達したときの複素振幅分布（波面）を演算するものである。
　具体的に、図７を参照して、複素振幅分布演算手段２３２の演算手法について説明する。図７に示すように、ホログラム記録媒体Ｈのｘｙ座標系と点光源Ｌが存在するｘｙ座標系とが同一座標系で距離ｄだけ離れているものとする。また、ｇ（ｘ_１，ｙ_１）を点光源Ｌの振幅と位相を複素数で表したものとする。また、波長をλ、虚数単位をｊとする。
　この場合、ホログラム上の参照光の波面である書き込み対象のセルＥＨの複素振幅分布ｕ（ｘ_２，ｙ_２）は、回折のフレネル（Fresnel）近似により、以下の式（１）で表すことができる。

　すなわち、複素振幅分布演算手段２３２は、既知の点光源位置を光源情報として入力し、前記式（１）の演算を行うことで、書き込み対象のセルＥＨの参照光の複素振幅分布ｕ（ｘ_２，ｙ_２）を演算する。
　ただし、フレネル近似は、使用できる領域に制限があることが知られており、距離ｄに応じて、複素振幅分布ｕ（ｘ_２，ｙ_２）の演算手法を代えることが好ましい。
　具体的には、フレネル近似を用いる場合、距離ｄが近い方については、ｇ（ｘ_１，ｙ_１）のホログラム面での分布範囲の矩形となるセルＥＨの開口の一辺Ｄが、以下の式（２）を満たしている必要がある。

　よって、距離ｄが、この式（２）よりも近い範囲の場合、複素振幅分布演算手段２３２は、ＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain）法等の他の手法で複素振幅分布ｕ（ｘ_２，ｙ_２）を求めることとする。
　一方、距離ｄが遠い方については、ｇ（ｘ_１，ｙ_１）のホログラム面での分布範囲の矩形となるセルＥＨの開口の一辺Ｄが、以下の式（３）を満たしている必要がある。

　よって、距離ｄが、この式（３）よりも遠い範囲の場合、複素振幅分布演算手段２３２は、フラウンフォーファー近似により、複素振幅分布ｕ（ｘ_２，ｙ_２）を求めることとする。なお、複素振幅分布演算手段２３２は、光源情報として、複数の光源を指定されることとしてもよい。その場合、複素振幅分布演算手段２３２は、個々の光源から複素振幅分布ｕ（ｘ_２，ｙ_２）を演算し、複素和を求めることで、ホログラム上の参照光の複素振幅分布を演算する。
　これによって、複素振幅分布演算手段２３２は、点光源（電球）以外にも、線光源（蛍光灯）、複数の点光源（多灯の電球）等による参照光を再現することができる。
　この複素振幅分布演算手段２３２は、演算した複素振幅分布を複素振幅分布表示手段２３３に出力する。

　複素振幅分布表示手段２３３は、第２空間光変調手段（ＳＬＭ）１７Ｂに表示する複素振幅分布を出力するものである。これによって、書き込み対象のセルＥＨに、光源の位置や数に応じた平行光以外の参照光を照射することができる。

　同期手段２５Ｂは、ホログラム記録装置１Ｂ全体の動作を同期制御するものである。この同期手段２５Ｂは、第２空間光変調制御手段２３Ｂの制御以外は、同期手段２５（図２）と同じである。
　同期手段２５Ｂは、セルＥＨの移動に同期して、第２空間光変調制御手段２３Ｂに対して、書き込み対象となるセルＥＨへの参照光の複素振幅分布を演算し、第２空間光変調手段１７Ｂに出力するように指示する。

　そして、同期手段２５Ｂは、セル位置制御手段２４におけるセルＥＨの駆動、第２空間光変調制御手段２３Ｂにおける複素振幅分布の表示、および、セルデータ表示手段２２におけるホログラムデータの表示が完了した段階で、光源制御手段２１に対して、コヒーレント光源１０のシャッタを開け、レーザ光を照射するように指示する。
　このように、ホログラム記録制御装置２０Ｂは、ホログラム記録媒体Ｈのセルごとに、光源情報に基づく光源の位置から参照光を照射して、干渉縞を記録するように、ホログラム記録装置１Ｂを制御することができる。

　以上説明したようにホログラム記録装置１Ｂを構成することで、ホログラム記録装置１Ｂは、光源情報に基づく、球面波または複数の光源で生成される複雑な参照光を用いて、ホログラムを生成することができる。
　これによって、ホログラム記録装置１Ｂで生成されたホログラムは、ホログラム生成時の相対位置と同じ位置に照明を１以上配置することで、元の物体光を精度よく再現することができる。

［ホログラム記録装置の動作］
　次に、図８を参照（構成については、適宜図５，図６参照）して、本発明の第２実施形態に係るホログラム記録装置１Ｂの動作（ホログラム製造方法）について説明する。なお、ここでは、予め第２空間光変調制御手段２３Ｂに、１つ以上の点光源の位置を示す光源情報が設定されているものとする。
　ここで、ステップＳ１，Ｓ２，Ｓ５，Ｓ６の動作は、図４で説明したホログラム記録装置１の動作と同じであるため、説明を省略する。

　ステップＳ２の後、ステップＳ３Ｂにおいて、ホログラム記録装置１Ｂは、ホログラム面における複素振幅分布を演算する。すなわち、ホログラム記録制御装置２０Ｂは、同期手段２５Ｂからの指示により、第２空間光変調制御手段２３Ｂの複素振幅分布演算手段２３２によって、１以上の点光源位置から、ホログラム面における複素振幅分布を演算する。

　そして、ステップＳ４Ｂにおいて、ホログラム記録装置１Ｂは、複素振幅分布を第２空間光変調手段１７Ｂに表示する。すなわち、ホログラム記録制御装置２０Ｂは、複素振幅分布表示手段２３３によって、ステップＳ３Ｂで演算された複素振幅分布を第２空間光変調手段１７Ｂに表示する（第２空間光変調制御工程）。
　以降の動作は、図４で説明したホログラム記録装置１の動作と同じである
　以上の動作によって、ホログラム記録装置１Ｂは、既知の１以上の照明位置からの参照光となる波面を発生させて、ホログラム記録を行うことができる。

≪第３実施形態≫
［ホログラム記録装置の構成］
　図９を参照して、本発明の第３実施形態に係るホログラム記録装置１Ｃの構成について説明する。ホログラム記録装置１Ｂ（図５）は、１つのセルＥＨに対して１回の記録を行うものであった。これに対し、ホログラム記録装置１Ｃは、セルＥＨに対して複数の入射角（位相分布）を持つ参照光を用いてホログラムを記録するものである。
　図８に示すように、ホログラム記録装置１Ｃは、ホログラム記録装置１Ｂ（図５）と比べて、ホログラム記録制御装置２０Ｃの構成が異なるだけである。
　そこで、ここでは、ホログラム記録制御装置（制御手段）２０Ｃについてのみ説明する。

　図９に示すように、ホログラム記録制御装置２０Ｃは、光源制御手段２１と、セルデータ表示手段２２Ｃと、第２空間光変調制御手段２３Ｂと、セル位置制御手段２４と、同期手段２５Ｃと、を備える。セルデータ表示手段２２Ｃおよび同期手段２５Ｃ以外の構成は、図６で説明したホログラム記録制御装置２０Ｂの構成と同じ構成であるため説明を省略する。

　セルデータ表示手段２２Ｃは、第１空間光変調手段（ＳＬＭ）１４に表示するホログラムデータを出力するものである。このセルデータ表示手段２２Ｃは、同期手段２５Ｃからの指示により、書き込み対象のセルＥＨに対応するホログラムデータを外部から入力し、第１空間光変調手段（ＳＬＭ）１４に出力する。
　このとき、ホログラムデータとして、視野角が異なるホログラムデータを準備しておく。例えば、３０°ごとにずれた視野角のホログラムデータを３つ予め生成しておく。
　そして、セルデータ表示手段２２Ｃは、同期手段２５Ｃからの指示により、書き込み対象のセルＥＨに対応する視野角の異なるホログラムデータを順次外部から入力し、第１空間光変調手段（ＳＬＭ）１４に出力する。

　同期手段２５Ｃは、ホログラム記録装置１Ｃ全体の動作を同期制御するものである。この同期手段２５Ｃは、セルデータ表示手段２２Ｃおよび第２空間光変調制御手段２３の制御以外は、同期手段２５（図２）と同じである。
　同期手段２５Ｃは、１つのセルＥＨに対して、複数回の書き込みを行うように、セルデータ表示手段２２Ｃおよび第２空間光変調制御手段２３を制御する。
　すなわち、同期手段２５Ｃは、セルデータ表示手段２２Ｃに対して、１つの視野角のホログラムデータの表示を指示し、第２空間光変調制御手段２３に対して、複素振幅分布の表示を指示する。そして、同期手段２５Ｃは、１つのセルＥＨに対して、ある視野角のホログラムデータである物体光と、参照光とによるホログラム記録を視野角ごとに行う。

　そして、同期手段２５Ｃは、視野角の異なる干渉縞を１つのセルＥＨに記録した後、他のセルＥＨを書き込み対象とするように、セル位置制御手段２４にセルＥＨの移動を指示する。
　これによって、ホログラム記録制御装置２０Ｃは、１つのセルＥＨに、異なる視野角の物体光と参照光とを照射し、干渉縞を重畳して記録することができる。

　以上説明したようにホログラム記録装置１Ｃを構成することで、ホログラム記録装置１Ｃは、ホログラム記録装置１Ｂ（図５）と同様に、光源情報に基づく、球面波または複数の光源で生成される複雑な参照光を用いて、ホログラムを生成することができる。さらに、視野角の異なるホログラムを多重に記録することができる。

　これによって、ホログラム記録装置１Ｃで生成されたホログラムは、ホログラム生成時の相対位置と同じ位置に照明を１以上配置することで、元の物体光を精度よく再現することができる。さらに、ホログラム記録装置１Ｃで生成されたホログラムは、ホログラム記録装置１Ｂで生成されたホログラムに対して視野角を広げることができる。
　なお、ホログラム記録装置１Ｃの動作（ホログラム製造方法）は、１つのセルＥＨに多重記録を行うこと以外、図８で説明したホログラム記録装置１Ｂ（図５）と同様であるため、説明を省略する。

　以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
　ここでは、物体光をセルＥＨに導く手段として結像手段１６（１６_１）を備える構成とした。しかし、ＳＬＭ１４の画素サイズが、コヒーレント光源１０の波長と比べて数倍～数十倍程度大きい場合、結像手段１６（１６_１）を、図１１に示す焦点距離が異なる２つの結像手段（凸レンズ）３１，３２で構成される縮小光学系３０に置き換えることができる。

　ここで、レンズ１５２および結像手段３１の焦点距離をｆ_１、結像手段３２の焦点距離をｆ_２としたとき、不要光除去手段１５のレンズ１５２と結像手段３１との距離を３ｆ_１、結像手段３１と結像手段３２との距離を２ｆ_１＋２ｆ_２、結像手段３２とセルＥＨとの距離を２ｆ_２とする。
　これによって、縮小光学系３０は、ＳＬＭ１４の画素サイズを、セルＥＨの面上で等価的にｆ_１：ｆ_２の割合で縮小することができる。

　１，１Ｂ，１Ｃ　ホログラム記録装置
　１０　　コヒーレント光源
　１１　　光源分離手段
　１２　　ミラー
　１３　　ハーフミラー
　１４　　第１空間光変調手段（ＳＬＭ）
　１５　　不要光除去手段
　１６　　結像手段
　１７　　第２空間光変調手段
　１７０　ミラー
　１７１　回転機構
　１７２　ミラー移動機構
　１８　　記録媒体移動手段
　２０　　ホログラム記録制御装置（制御手段）
　２１　　光源制御手段
　２２　　セルデータ表示手段
　２３　　第２空間光変調制御手段
　２３０　参照角度演算手段
　２３１　ミラー駆動手段
　２３２　複素振幅分布演算手段
　２３３　複素振幅分布表示手段
　２４　　セル位置制御手段
　２５　　同期手段

Claims

　干渉縞をセル単位でホログラム記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、
　コヒーレント光を発光するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光を２つの光路に分離する光源分離手段と、分離された一方の光により物体光を変調する第１空間光変調手段と、分離された他方の光により参照光を変調する第２空間光変調手段と、書き込み対象となるセルを前記物体光および前記参照光の照射位置に移動する記録媒体移動手段と、制御手段と、を備え、
　前記制御手段は、
　前記書き込み対象となるセルを、前記照射位置に移動するように前記記録媒体移動手段を制御するセル位置制御手段と、
　前記セルの移動に同期して、前記セルに対応するホログラムデータを前記第１空間光変調手段に表示するセルデータ表示手段と、
　前記セルの移動に同期して、ホログラム再生時における光源の位置を前記参照光の相対位置として、前記他方の光の位相を変調して前記参照光を生成するように前記第２空間光変調手段を制御する第２空間光変調制御手段と、
を備えることを特徴とするホログラム記録装置。
　前記第２空間光変調手段は、前記参照光の波面データとなる複素振幅分布を発生させるＳＬＭであって、
　前記制御手段は、前記光源の相対位置から前記書き込み対象となるセルのホログラム面に前記参照光が到達する複素振幅分布を演算する複素振幅分布演算手段と、
　この複素振幅分布演算手段で演算した複素振幅分布を前記ＳＬＭに表示する複素振幅分布表示手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録装置。
　前記セルデータ表示手段が、予め生成された同一セルにおける視野角が異なる２以上のホログラムデータを、前記第１空間光変調手段に順に表示し、
　前記複素振幅分布演算手段が、前記視野角に対応する複素振幅分布を順に演算し、前記複素振幅分布表示手段が前記ＳＬＭに表示することで、
　前記同一セルに視野角の異なる干渉縞を重畳して記録することを特徴とする請求項２に記載のホログラム記録装置。
　前記第２空間光変調手段は、前記他方の光を反射する回転機構を備えたミラーと、前記ミラーを前記ホログラム記録媒体の面方向に移動させるミラー移動機構とを備え、
　前記第２空間光変調制御手段は、
　前記相対位置から前記照射位置への参照光の角度を演算する参照光角度演算手段と、
　この参照光角度演算手段で演算された参照光の角度となるように、前記回転機構により前記ミラーを回転させるとともに、前記ミラー移動機構により前記ミラーの位置を移動させるミラー駆動手段と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録装置。
　コヒーレント光を発光するコヒーレント光源と、前記コヒーレント光を２つの光路に分離する光源分離手段と、分離された一方の光により物体光を変調する第１空間光変調手段と、分離された他方の光により参照光を変調する第２空間光変調手段と、書き込み対象となるセルを前記物体光および前記参照光の照射位置に移動する記録媒体移動手段と、制御手段と、を備えたホログラム記録装置で、干渉縞をセル単位でホログラム記録媒体に記録するホログラム製造方法であって、
　前記制御手段により、
　前記書き込み対象となるセルを、前記照射位置に移動するように前記記録媒体移動手段を制御するセル位置制御工程と、
　前記セルの移動に同期して、前記セルに対応するホログラムデータを前記第１空間光変調手段に表示するセルデータ表示工程と、
　前記セルの移動に同期して、ホログラム再生時における光源の位置を前記参照光の相対位置として、前記他方の光の位相を変調して前記参照光を生成するように前記第２空間光変調手段を制御する第２空間光変調制御工程と、
を含むことを特徴とするホログラム製造方法。