JPH032787A - 像形成装置 - Google Patents

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】 （概要〕 像形成装置に関し、 光量減衰やぼけ、にじみ等が生じることなく、十分な視
点と鮮明な像を得ることのできる小型、軽量かつ低コス
トな像形成装置を提供することを目的とし、 第１の透過型ホログラムおよび第２の透過型ホログラム
を備え、該第１の透過型ホログラムの作成波長は再生波
長より短く、かつ該第２の透過型ホログラムの作成波長
は再生波長より長い、それぞれ平面波と球面波により作
成され、第１の透過型ホログラムからの回折光が第２の
透過型ホログラムに入射するように第１の透過型ホログ
ラムおよび第２の透過型ホログラムを平行に配列したこ
とを特徴とするように構成する。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、像形成装置に係り、詳しくは、ホログラムを
用いて物体の像を形成する像形成装置に関する。

ホログラフィは、物体に関する光学情報を一旦干渉パタ
ーンとして記録し、この記録したホログラムから物体の
像を構成するという二段階の過程を経て像を形成する光
学技術である。このことは、ホログラムが波面変換機能
を有する光学素子であることを意味している。

一般に、光学系は、人力波面を出力波面に変換するデバ
イスと考えることができる。今日では、はとんどの光学
素子が屈折素子（レンズ）と反射素子（ミラー）で構成
されている。しかし、屈折、反射型の光学系での波面変
換は限られており、ホログラムを用いることにより、こ
れら通常の光学系では実現できない波面変換も行うこと
ができる。

現在では光学系に必要なある特定の位相伝達関数を持つ
ホログラムを製作することができ、このような場合、そ
のホログラムは、ホログラム光学素子（ＨＯＥ　：　ｈ
ｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｏｐｔｉｃａｌ　ｅｌｅｍｅｎ
ｔ）と呼ばれる。ホログラム光学素子の光学的な伝達関
数は、ホログラムが本質的に格子であることから、回折
論理に基づいて記述し、取り扱うことができる。

一１景皿潤− 第５〜７図は光ホログラフィによる煮物体の記録と表示
（再生）を説明するための図であり、第５図はホログラ
ムの記録光学系を示し、第６．７図は記録したホログラ
ムの再生を示す。第５図において、１はレーザであり、
レーザ１からのレーザビーム２はミラー３で反射した後
、ビーム・スプリッタ４により異なった方向に伝播する
２つのビームに分割され、それぞれのビームをレンズに
より拡げである空間で重なるようにする。すなわち、ビ
ーム・スプリッタ４で分割された一方のレーザビーム２
はミラー５で反射した後、レンズ６を介して煮物体７を
照射し、照射後のビームは物体光８となって高分解能感
材９に照射される。また、分割された他方のレーザビー
ム２はレンズ１０．１１により拡げられ平行参照光１２
として高分解能感材９に照射される。この物体光８およ
び平行参照光１２が重なった空間では第５図斜線部に示
すようにその斜線の方向に干渉縞１３が形成される。干
渉縞１３が形成された空間内に高分解能写真フィルム等
の高分解能感材９をおき、レーザー光による露光を行っ
てそのフィルム面での干渉縞パターンを記録する。干渉
縞１３の間隔はサブミクロンから数ミクロン程度と非常
に細かいので、その縞パターンを適切に記録するために
は、高分解能の感光材料が必要である。この干渉縞パタ
ーンを記録・現像処理した感材をホログラム９ａと呼ぶ
。

次にホログラム９ａを、記録時のレーザー光束の一つで
ある平行参照光１２で照明する。そうすると第６図に示
すように、照明した一部のレーザー光は光の回折現像に
より入射方向とは少し異なった方向へ進む。この光は回
折光と呼ばれ、回折光１４がどの程度具なった方向に進
むかは、光の波長および周期構造の間隔によって決まり
、光の波長が長い程またその間隔が狭い程、入射光と回
折光１４のなす角度（回折角）は大きくなる。この波長
、縞間隔と回折角の関係は、第５図に示したホログラム
記録時のレーザ光束が交わる角度と生じる縞間隔との関
係に等しい。それゆえ、ホログラム９ａからの回折光１
４は、第６図に示すようにホログラムを記録するときの
もう一つの点光源より広がっていくレーザ光線束と同じ
方向に広がって進む光波面１５になる。したがって、こ
の回折光１４の進む方向を逆にたどれば、−点に集まる
ので、この光波面１５の点像は虚像１６である。

また、第７図に示すように、ホログラム９ａに照射する
レーザ光を第６図に示す場合と全く逆の方向より同じ光
波面１５で行なうと、回折光１４は第６図に示す回折光
１４とは全く逆の方向に進み、点０に収束する。すなわ
ち、第６図に示す虚像１６の位置に、今度は実像１７を
生じる。したがって、第７図の左側より観察すれば、ホ
ログラム９ａ面より手前に点像が観察される。

以上は、最も単純な物体として煮物体の場合を示したが
、この煮物体が多数個空間的にちらばって存在する場合
にも個々の煮物体について同様のことが成立し、複雑な
光波面も記録・再生できる。

〔従来の技術〕

画像と視界を同時に見ることができる技術が重要なもの
となってきている。例えば、自動車のフコントガラスに
車速等を表示し、運転中に運転者が目線を落とさずに顔
をあげたまま見ることができるヘッドアップデイスプレ
ィ　（ＨＵ　Ｄ　：　Ｈｅａｄ　ＵｐＤｉｓｐｌａｙ　
）と呼ばれる技術が知られている。その他の応用例とし
てはコンピュータやワードプロセッサ等の端末の画面に
入力しようとする原稿の画面を重ならせて表示する例が
ある。従来のこの種のヘソドアソブディスブレイとして
は、例えば自動車に適用したものとしてフロントガラス
の手前にハーフミラ−を置き、このハーフミラ−の下、
方からハーフミラ−にＣＲＴの表示画像を照射し、ハー
フミラ−を通過して入る外界の景色を見ながら、ＣＲＴ
の表示を見ようとするものである。しかし、ハーフミラ
−を用いるものでは光量が減衰することに加え、視点が
短いという欠点がある。

すなわち、ハーフミラ−の場合、ＣＲＴからハーフミラ
−までの距離と同じ距離のところにある外側に画像が表
示されるにすぎないことから、運転者の視野が遠くにあ
ると焦点が合わないために画像が表示されていても見え
ない。また、ホログラムを用いたヘッドアンプデイスプ
レィとして航空機のパイロットへの計器類の表示を行う
ものがある。これはヘルメットのバイザー（風防）を投
射レンズの作用をするホログラムとして、小型ＣＲＴの
表示を複数のレンズを用いて波面を修正しパイロットの
視野内に拡大表示するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、このような従来のホログラムを用いた像
形成装置にあっては、波面を直すために複数のレンズを
複雑に組合わせて構成されていたため、装置が大型化す
るとともに、重量が増大し、コスト高になるという問題
点があった。

したがって、レンズ等を用いることなくホログラム単体
で構成することができれば上記不具合を解消することが
できるが、そのためには次に述べるような２つの課題を
解決する必要がある。

（Ｉ）ホログラムにはグレーティング（回折格子）が刻
まれており、ここにレーザビームを入れるとそのグレー
ティングによってビームが回折するという特徴がある。

背景説明で述べたようにこの回折角は入射する波長によ
り異なる値をとる。また、ＣＲＴの表示画面から出る光
には相当の波長の拡がり（一般には、例えば数十ｎｍ程
度であり、ＶＦＤといわれるＬＥＤの場合は２０〜５０
ｎｍ程度）があることから、ＣＲＴの表示画面をホログ
ラムに入れる゛と上記波長の拡がりによりぼけ、色のに
じみが生じてしまう。

（ｎ）また、レンズを使わずに構成するためにはビーム
をレンズの機能を持たせて結像するようにする必要があ
る。

そこで本発明は、光量減衰やぼけ、にじみ等が生じるこ
となく、十分な視点と鮮明な像を得ることができる小型
、軽量かつ低コストな像形成装置を提供することを目的
としている。

〔課題を解決するための手段〕

本発明による像形成装置は上記目的達成のため、第１の
透過型ホログラムおよび第２の透過型ホログラムを備え
、該第１の透過型ホログラムの作成波長は再生波長より
短く、かつ該第２の透過型ホログラムの作成波長は再生
波長より長い、それぞれ平面波と球面波により作成され
、第１の透過型ホログラムからの回折光が第２の透過型
ホログラムに入射するように第１の透過型ホログラムお
よび第２の透過型ホログラムを平行に配列したことを特
徴とする像形成装置を備えている。

〔作用〕

本発明では、第１ホログラムと、第１ホログラムから・
の回折光が入射する第２ホログラムの２枚のホログラム
により構成され、２枚のホログラムは平面波と球面波に
より作成される。

したがって、波長の拡がりがある光が入射された場合で
あっても、第１ホログラムで生じた収差は第２ホログラ
ムにより相殺され、ぼけ、にじみ等は解消されて鮮明な
像を得ることができる。また、２枚のホログラムは平面
波と球面波により作成されるため、レンズを用いること
なく十分な視点を持つ像を得ることができる。その結果
、小型、軽量かつ低コストな像形成装置が実現する。

〔実施例〕

以下、本発明を図面に基づいて説明する。

１埋に囲 第１〜３図は本発明の基本原理を説明するための図であ
る。

まず、波長のぼけを解消するためには第１図に示すよう
に作成波長の異なる２枚のホログラム２１．２２を用い
て波長の収差をキャンセルすることにより実現する。例
えば、第１図実線に示すような波長λ、の光をホログラ
ム２１に入射すると、光はホログラム２１に刻まれたグ
レーティングによって、回折角が拡がる方向に曲げられ
、ホログラム２１からの回折光はホログラム２２に入射
してホログラム２２でさらに回折角が拡がる方向に曲げ
られる。ここで、第１図破線に示すようにλ、より波長
の長い波長λ８の光をホログラム２１に入射するとλＢ
の光はλヶの光の回折角より大きい角度で曲げられるこ
とになるが、ホログラム２１からのλ８の回折光はホロ
グラム２２でホログラム２１の場合と同様により回折角
が拡がる方向に曲げられるため適切なホログラムの配置
により所定の１点Ａで両波長λ、、λ８の光は一致させ
ることができる。すなわち、作成波長の異なる２つのホ
ログラム２１．２２を用いることにより、ＣＲＴ表示光
のように波長の拡がりを持つ光が入射されてもその収差
を補正して波長のぼけを適切に防止することができる。

換言すれば、波長の拡がりのある光が第１のホログラム
２１に入射されたとき、第１のホログラム２１からの回
折光の収差が第２のホログラム２２の収差で相殺される
ように第１のホログラム２１および第２のホログラム２
２の作成波長を設定する。

次に、レンズ等を用いることなく、レンズ機能を持たせ
て結像するために平面波と球面波でホログラム２１を作
成するようにする。第２図は平面波と球面波で作成する
ホログラムを示す図である。

作成波の波長をλ１．再生波の再生波長をλ２とλＳ とする。第２図で作成されたホログラム２１を再生する
と第３図のようになる。第３図はホログラム２１の再生
を示したものであり、このときの良好な平面結像性は次
式■、■により示される入射波ａ、再生距離Ｌ１の関係
を満たしたときに得られる。

再生距離Ｌｌ　＝Ｓ　　（１−３２）Ｒ”　＋ｆ２・・
・■但し、Ｓ：作成波と再生波の波長比 ８８球面波がホログラム２１に入射 するまでのホログラム２１に対 して水平方向の距離（第２図 参照）。

ｆ：球面波がホログラム２１に入射 するまでのホログラム２１に対 して垂直方向の距離（第２図 参照）。

ここで、平面波で作成したホログラム２１を第３図に示
す球面波で再生する場合、作成波の波長λ１を再生波の
再生波長λ２より短い波長で作るのは次のような理由か
らである。ＣＲＴデイスプレィからは５００ｎｍ〜６０
０ｎｍ程度の拡がりをもつ波長が出される。一方、ホロ
ーグラム２１はレーザにより光を照射して作成され、一
般に、レーザが発生する光は予め決められた波長のもの
である。したがって、再生する場合の波長の方が一般的
に長いことから、作成時には短い波長に基づいてホログ
ラム２１を作成するようにしている。

第３図に示すように再生波がホログラム２１に入射され
ると、ホログラム２１からは回折波が出される。この回
折光は第３図に示すように１点で交わることはないもの
の、ある距離で無収差になるところが存在する。

二叉１冊 以下、上記基本原理に基づいて実施例を説明する。第４
図は本発明に係る像形成装置の一実施例を示す図であり
、第１〜３図に示した原理説明と同一構成部分には同一
符号を付している。

第４図において、３１はＣＲＴデイスプレィであり、Ｃ
ＲＴデイスプレィ３１からは実際には無数の光が出てい
るが、ここではそれぞれの光を局所的にとらえ４点を代
表して表わしている。このＣＲＴデイスプレィ３１の画
像を限３２により第４図中のＢ点で外界の景色あるいは
端末の画面等と同時に見ようとする。この場合、第４図
中のＢ点が眼３２に近いところにあっては視点が合わず
、距離ａ２を十分に伸ばす必要がある。

第０式および第０式に基づいて作成されたホログラム２
１と同様にして次式■、■に従って良好な平面結像性を
有する２枚目のホログラム２２を作成する。但し、ホロ
グラム２２に対する再生波の波長をλ２、作成波の波長
をλ１′とし、そのとする。ここで２枚目のホログラム
２２の作成波の波長λ、′は再生波の波長λ２より長い
ものとする。

その理由は、第０式および第■弐に従ってホログラム２
２を作成するとホログラム２１から出てきた結像の傾向
が適切な波長比Ｓ′に基づいて逆転し、良好な結像性が
得られるからである。この時のホログラム入射までの距
離Ｌ２と、焦点を結ぶ距離ａ２は第０式および第０式の
ＳをＳ′に入れかえればよい。

Ｌｚ　　＝Ｓ’　　　（１−３’　Ｚ　　）Ｒ”　　＋
ｆ２　・（４）但し、Ｒ：球面波がホログラム２２に入
射するまでのホログラム２２に対して 水平方向の距離。

ｆ：球面波がホログラム２２に入射す るまでのホログラム２２に対して 垂直方向の距離。

一方、ＣＲＴデイスプレィ３１からの画像はその波長の
長短に対応する回折角で回折してホログラム２２に入射
するが、ホログラム２１により生じた収差は原理説明で
述べたようにホログラム２２によりキャンセルされ、色
のぼけ、にじみは適切に補正される。また、第■式〜第
■式を満足するように平面波と球面波でホログラム２１
．２２を作成することにより、ＣＲＴの画像はホログラ
ム２２から距離ａ２離れたＢ点に必ず再生される。その
結果、ハーフミラ−を用いた従来の像形成装置のように
光量減衰や視点が短いという欠点を解消できることは勿
論のこと、ＣＲＴ等の波長の拡がりを持つ入射波に対し
てもぼけ、にじみを適切に防止することができる。また
、レンズ等を用いることなしに結像機能を得ることがで
きることから、装置を大幅に小型化、軽量化させること
ができ、コストを格段に低減させることができる。

〔発明の効果〕

本発明によれば、十分な視点と鮮明な像を得ることがで
き、小型、軽簀かつ低コストな像形成装置を実現するこ
とができる。

であり、 第１図はその原理説明図、 第２図はそのホログラムの作成を示す図、第３図はその
ホログラムの再生を示す図、第４図は本発明に係る像形
成装置の一実施例を示す全体構成図、 第５〜７図は従来の像形成装置を示す図であり、第５図
はそのホログラムの記録光学系を説明するための図、 第６図はその記録時と同じ方向に進む参照光によるホロ
グラムの再生を説明するための図、第７図はその記録時
と逆方向に進む参照先によるホログラムの再生を説明す
るための図である。

２１・・・・・・ホログラム（第１ホログラム）、２２
・・・・・・ホログラム（第２ホログラム）、３１・・
・・・・ＣＲＴデイスプレィ、

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明の詳細な説明するための図第 図 原理説明のホログラムの再生を示す間 第 図 原理説明のホログラムの作成を示す間 第 図 従来例のホログラムの記録光学系を説明するための間第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１の透過型ホログラムおよび第２の透過型ホログラム
   を備え、該第１の透過型ホログラムの作成波長は再生波
   長より短く、かつ該第２の透過型ホログラムの作成波長
   は再生波長より長い、それぞれ平面波と球面波により作
   成され、第１の透過型ホログラムからの回折光が第２の
   透過型ホログラムに入射するように第１の透過型ホログ
   ラムおよび第２の透過型ホログラムを平行に配列したこ
   とを特徴とする像形成装置。