JPH0720766A - ホログラムの作製方法及び表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 装置全体の小型化を図りつつ高精度のホログ
ラムを作成することができ、又そのホログラムを表示手
段の一部に用いたホログラムの作製方法及び表示装置を
得ること。 【構成】 物体光と参照光を記録媒体に異なった方向か
ら入射させて、該記録媒体に干渉縞を形成させてホログ
ラムを作製する際、該物体光を発生させる物体光光学系
と該参照光を発生させる参照光光学系のうちの少なくと
も一方の光学系にシリンドリカルレンズと計算機ホログ
ラム、そしてアフォーカルレンズ系を設けていること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はホログラムレンズの作製
方法及び表示装置に関し、例えばオフ・アクシス（ｏｆ
ｆ−ａｘｉｓ）型のホログラムレンズを光束結合素子と
して用い、画像表示器からの画像情報と前方視野（ホロ
グラムレンズの背後）の自然風景等の他の画像情報とを
空間的に重畳させて、双方の画像情報を同一視野で観察
するような場合にも好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】多層膜反射面やホログラム光学素子等の
光学的に透明な光束結合素子を用いて、表示素子からの
表示情報（画像情報）と外界の光景等の画像情報とを同
一視野内で空間的に重畳して観察するようにした表示装
置は、一般にヘッドアップディスプレイ装置と呼ばれ、
各分野で多用されている。

【０００３】又、該ヘッドアップディスプレイ装置の光
学装置の部品を小型にするために、前記光束結合素子を
観察者の眼に比較的近い場所に設け、光学装置をヘルメ
ットに装着した表示装置はヘルメットマウントディスプ
レイ装置（ＨＭＤ装置）と呼ばれ、航空機の操縦時の表
示装置、ゲーム等の娯楽用、又は人工現実感（Artifici
al Reality）用の表示装置等の様々な応用が提案されて
いる。

【０００４】図５は米国特許第 4,530,564号に記載され
ているコンバイナ素子としてのホログラムの作成方法を
示す要部概略図である。

【０００５】同図においてはアルゴンレーザー７１から
の単色光は二つに分割される。一方の光束は顕微鏡対物
レンズ７２により広げられ、収差補正レンズ系７３によ
って必要な球面収差、非点収差、及びコマ収差を補正し
た後、凹面鏡７４により反射されて収束光となり透明基
板７５上のホログラム記録材料７６に入射する。

【０００６】一方、アルゴンレーザー７１からの分割さ
れた他の光束は顕微鏡対物レンズ７７で広げられ、収差
補正光学系７８により所定の非点収差、コマ収差を補正
した後、透明基板７５を透過してホログラム記録材料７
６に入射する。

【０００７】上記の二光束はホログラム記録材料７６中
で干渉して、体積位相回折格子を形成する。該ホログラ
ム記録材料７６を現像処理し、これによりホログラムを
作製している。ホログラム記録材料７６としては重クロ
ム酸ゼラチンやポリビニルカルバゾールが用いられる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】図５に示すホログラム
の作製装置は、焼付用光学系の部品点数が非常に多く、
所要の位置にこれらすべての光学素子を配置することが
困難であるという問題点がある。

【０００９】特にシリンドリカルレンズや平行平板等が
光軸を外して配置されていることから、配置には特殊な
治具が必要となる。又、所定の大きさのホログラム光学
素子を作製する為に、極端に大口径の光学系が必要とな
ることである。

【００１０】例えば、直径２００mmのホログラム光学素
子を作製する場合に、反射鏡７４は直径４００mm以上の
ものが必要となり、この結果、焼付光学系は非常に高価
なものとなってしまう。又、ホログラム記録材料７６に
記録される干渉縞はピッチ０．１５μｍ程度であり、露
光中の振動は０．０１μｍ以下が望ましい。この為には
焼付光学系をコンパクトに高い剛性で作る必要があり、
図５に示すような大型の光学系は高精度なホログラムを
作製することが難しいという問題点があった。

【００１１】本発明の目的は、装置全体の小型化及び簡
素化を図りつつ、高精度のホログラムを作製することが
出来、又ホログラムをコンバイナとして用いたとき画像
表示器からの画像情報と他の画像情報とを空間的に重畳
して同一視野で良好に観察することのできるホログラム
の作製方法及び表示装置の提供にある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のホログラム作製
方法としては、 （１−１）物体光と参照光を記録媒体に異なった方向か
ら入射させて、該記録媒体に干渉縞を形成させてホログ
ラムを作製する際、該物体光を発生させる物体光光学系
と該参照光を発生させる参照光光学系のうちの少なくと
も一方の光学系にシリンドリカルレンズと計算機ホログ
ラム、そしてアフォーカルレンズ系を設けていることを
特徴としている。

【００１３】特に、前記アフォーカルレンズ系はホログ
ラム記録の為の可干渉光に対して少なくとも前記計算機
ホログラムの後に配置されており、該計算機ホログラム
によって回折された所定の回折光のみを通過させる空間
フィルタを有していること、又、前記空間フィルタは所
定の開口を有していること等を特徴としている。

【００１４】（１−２）シリンドリカルレンズと計算機
ホログラムそしてアフォーカルレンズ系を含む光学系を
介した光束と収束球面波又は発散球面波の光束とを記録
媒体に異なった方向から入射させて、該記録媒体に干渉
縞を形成させてホログラムを作製するようにしたことを
特徴としている。

【００１５】この他本発明では、（１−１），（１−
２）の方法で作製した要素ホログラムを複数個、平面上
に配列してホログラムを作製したことや前記計算機ホロ
グラムがｏｆｆ−ａｘｉｓ型のホログラムであること等
を特徴としている。

【００１６】更に、本発明では前記アフォーカルレンズ
系は入射光束径を等倍から数倍へ拡大して射出すること
を特徴としている。

【００１７】本発明の表示装置としては、 （１−３）画像表示器からの画像情報に基づく光束をホ
ログラムレンズを介し、所定方向に回折させて、該画像
情報と該ホログラムレンズの背後の画像情報とを空間的
に重畳させて同一視野で観察する際、該ホログラムレン
ズは物体光を発生させる物体光光学系と参照光を発生さ
せる参照光光学系のうちの少なくとも一方の光学系にシ
リンドリカルレンズと計算機ホログラムそしてアフォー
カルレンズ系を設けた系を用いて物体光と参照光を記録
媒体に異なった方向から入射させて、該記録媒体に干渉
縞を形成させて作製した体積位相型ホログラムレンズで
あることを特徴としている。

【００１８】（１−４）画像表示器からの画像情報に基
づく光束をホログラムレンズを介して回折させて、該画
像情報と該ホログラムレンズの背後の画像情報とを空間
的に重畳させて同一視野で観察する際、該ホログラムレ
ンズはシリンドリカルレンズと計算機ホログラムそして
アフォーカルレンズ系を含む光学系を介した光束と収束
球面波又は発散球面波の光束とを記録媒体に異なった方
向から入射させて、該記録媒体に干渉縞を形成させて作
製した体積位相型ホログラムレンズであることを特徴と
している。

【００１９】

【実施例】図１（Ａ）は本発明の実施例１の要部概略図
である。本実施例ではホログラムレンズを作製する際の
光学系（焼付光学系）を示している。

【００２０】図１（Ａ）においてアルゴンイオンレーザ
１からの波長514.5nm のレーザ光２はハーフミラー３で
２つの光束に分けている。このうち一方の光路は物体光
を発生させる物体光光学系であり、他方の光路は参照光
を発生させる参照光光学系となっている。ハーフミラー
３で反射した光束２ａはミラー５で反射し、顕微鏡対物
レンズ６により光束径を拡大し、その後、コリメーター
レンズ７で平行光束８として収束レンズ９に入射する。
収束レンズ９で収束した光束は点Ｆに収束するような所
定の曲率半径を有する収束球面波１０に変換され、ガラ
ス等の透明な基板１１上に塗布又は貼付したホログラム
記録材料１２へ入射する。

【００２１】他方ハーフミラー３を透過した光束２ｂは
反射鏡４で反射し、顕微鏡対物レンズ１３で光束径を拡
大し、その後、コリメーターレンズ１４で平行光束１５
として後述する構成の計算機ホログラム（以下「ＣＧ
Ｈ」と称す）１６に所定の入射角で入射する。

【００２２】ＣＧＨ１６に入射した光束は回折される。
このうち１次回折光（実線）１７、０次回折光（破線）
１９そして−１次回折光（一点鎖線）１８は各々アフォ
ーカルレンズ系２０へ入射する。

【００２３】このアフォーカルレンズ系２０を構成する
レンズ２０−１により前記回折光のうち、０次透過光１
９と−１次回折光１８はそれぞれ光束２３，２２に変換
されレンズ２０−１の焦点近傍に配置した所定の開口を
有する空間フィルタ２０−２によって遮光され、前記回
折光のうち＋１次回折光１７の光束２１のみが通過す
る。この光束２１はレンズ２０−３により再び拡げられ
て光束２４となり、シリンドリカルレンズ２５に入射
し、主として非点収差が与えられた波面の光束２６に変
換され、基板１１に設けたホログラム記録材料１２に入
射する。

【００２４】本実施例に用いたアフォーカルレンズ系２
０は、入射光束１７に対して等倍の射出光束２４となる
様に設定されているが、必ずしも等倍で変換される必要
はなく、数倍の射出光束径へ変換しても構わない。この
様な場合、前記ＣＧＨ１６の大きさを小さくすることが
でき、後述するＣＧＨの作製を容易にすることができる
という効果を有する。

【００２５】本実施例において、ＣＧＨ１６によって付
与される収差は若干のコマ収差と非点収差である。前記
＋１次回折光１７のレンズ２０−１によるスポットは必
ずしも円形とはならず所定の形状となる。本実施例に用
いる空間フィルタ２０−２の開口の形状はこのスポット
形状と略一致するように設定されている。尚、本実施例
ではアフォーカルレンズ系２０は図を簡単にするため
に、２枚のレンズ２０−１，２０−３から構成される様
に図示したが、レンズ要素はこれに限られるものではな
く、種々の構成を用いることができる。

【００２６】図１（Ｂ）は本実施例で用いている空間フ
ィルタ２０−２の開口形状を示す説明図である。図中、
斜線領域が遮光領域である。

【００２７】ホログラム記録材料１２の両側から入射し
た２つの光束１０，２６は互いに干渉し、該干渉縞がホ
ログラム記録材料１２に記録される。ホログラム記録材
料１２は公知の現像工程を経て、これによりホログラム
レンズを作製している。

【００２８】本実施例で用いたＣＧＨとしては光学的に
露光したものや電子線露光（ＥＢ露光）によるもの等が
使用可能である。

【００２９】図２は本発明の実施例２の要部概略図であ
る。

【００３０】本実施例では図１の実施例１に比べて、ア
フォーカルレンズ系２０とシリンドリカルレンズ２５と
の光学配置を入れ替えて構成している点が異なってお
り、その他の構成は同じである。

【００３１】本実施例においては、ＣＧＨ１６によって
回折された０次透過光（破線）１９、＋１次回折光（実
線）１７、そして−１次回折光（一点鎖線）１８は、そ
れぞれシリンドリカルレンズ２５によって大きな非点収
差を付与されアフォーカルレンズ系２０へ入射する。こ
れらの回折光のうち＋１次回折光１７のみが光束２１と
なり、空間フィルタ２０−２を通過し、これ以外の回折
光１８，１９は、それぞれ光束２２，２３となり空間フ
ィルタ２０−２によって遮光される。空間フィルタ２０
−２を通過した＋１次回折光１７の光束２１はレンズ２
０−３で再び拡げられて光束２６となり、所定の収差が
付与された波面の光束として基板１１に設けたホログラ
ム記録材料１２に入射する。

【００３２】本実施例においては実施例１に比べて、Ｃ
ＧＨ１６と空間フィルタ２０−２との距離が大きくな
り、レンズ２０−１によって集光される光束２１，２
２，２３が空間的に離れるのでスポットを分離し、所定
の光束をフィルタリングしやすくなるという効果を有し
ている。

【００３３】図３は本発明の実施例３の要部概略図であ
る。本実施例は複数の領域に分割した複数の要素ホログ
ラムから成るホログラムレンズアレイを作製する場合を
示している。図では簡単の為に２つの要素ホログラム１
２−１，１２−２から成る場合を示しているが数はいく
つあっても良い。

【００３４】図３（Ａ）は図１の実施例１に示した光学
系を用いて第１の要素ホログラム１２−１を記録する場
合のホログラム記録材料１２−１近傍の光路を示してい
る。

【００３５】同図ではレーザ光源からの単色光は実施例
１で説明した如く点Ｆに集光する収束球面波１０とＣＧ
Ｈ１６とシリンドリカルレンズ２５によって収差を与え
られた波面２６とが基板１１上のホログラム記録材料１
２−１へ互いに対向する側から入射する。そして第１の
干渉縞がホログラム記録材料１２−１に記録される。

【００３６】次に、実施例１と同様の光学系によって、
ホログラム記録材料１２−２へ第２の干渉縞が記録され
る。図３（Ｂ）はこのときの第２の干渉縞を記録する光
学系のホログラム記録材料１２−２近傍の概略図であ
る。

【００３７】この第２の干渉縞は、点Ｆから発散する球
面波１０ａと、ＣＧＨ１６とシリンドリカルレンズ２５
によって収差を与えられた波面２６ａの２つの光束をホ
ログラム記録材料１２−２へ互いに対向する側から入射
させて、ホログラム記録材料１２−２に干渉縞を記録し
ている。

【００３８】尚、本実施例では各要素ホログラムの露光
時には、不要な光がホログラム記録材料の露光部以外へ
入射しない様に、乾板ホルダー等を用いて、又は適当な
マスク等を用いて遮光する手段を設けている。

【００３９】又、本実施例では各要素ホログラム１２−
１，１２−２は、各ホログラムのエッジが隣接する様に
つなぎ合わせる場合について示したが、本実施例におけ
る要素ホログラムの光学特性は再生光を点Ｆへ集光する
同一の機能を有しているので、各要素ホログラム間に多
少のオーバーラップ領域があっても何んら差しつかえな
い。

【００４０】尚、この場合、各要素ホログラムの位相は
必ずしも揃っている必要はない。

【００４１】以上に示した本実施例において得られるホ
ログラムは、従来のホログラム作製法を用いる場合に比
べて多くの欠点を改善することができる。

【００４２】本実施例のホログラム作製用の光学系は図
５に示す従来の光学系と比較すると大幅に単純化され、
しかも既製品を使用することができる。図１に示すよう
にレーザー光２を顕微鏡対物レンズ６，１３を通して球
面波として広げ、コリメーターレンズ７，１４で平行光
化する光学系は光軸に対して回転対称で軸出しが容易で
あり、しかも夫々のレンズに他の分野で大量に使用され
ている安価な製品を使用することが可能である。

【００４３】顕微鏡対物レンズ６，１３には無限遠補正
の金属顕微鏡用を用いればほぼ無収差であり、コリメー
ターレンズ７，１４は望遠鏡の対物レンズや写真用望遠
レンズが使用可能である。

【００４４】又、ここで用いるレンズ径の口径も、最少
限のもので十分であり、必要とする要素ホログラムの面
積をカバーすれば良い。更に、図３に示す作製法では、
一回の露光に対して必要な焼付面積が小さくて良いの
で、光学系は大幅に安価なものが使用可能となる。

【００４５】加えて、本実施例のホログラム作製用の光
学系ではＣＧＨ１６が最も高価であるが、本実施例で用
いるアフォーカルレンズ系２０を等倍ではなく数倍の拡
大倍率を有するものを使用することにより、ＣＧＨ１６
のサイズを小さくすることも可能で、この場合、ホログ
ラム記録光学系は更に安価なもので構成できる。

【００４６】更に、副次的な利点として焼付に必要な露
光時間が小面積のものでは、それだけ短時間で済むこと
から、製品の歩留りが向上するということもある。本発
明では使用している回折格子の格子に垂直な方向のピッ
チは０．１５μｍ程度であることから、露光時のわずか
な振動でも回折効率の大幅な低下を招いてしまうことか
ら、露光時間の短縮により得られる利益は大きい。

【００４７】図４は本発明の実施例４の要部概略図であ
る。本実施例では図３で説明した方法により作製したホ
ログラムレンズ１２を光束結合素子として用いた画像観
察装置を示している。

【００４８】本実施例ではハロゲンランプ等の光源３０
８から発せられた光束は適宜な形状を有するランプハウ
ス３０７で略平行光とし、画像表示器の画像情報として
の液晶表示素子３０６を照明している。液晶表示素子３
０６の表示面３０５上の点Ｆ１の画像情報から発せられ
る光束３２４は、ガラスやプラスチック等の透明な基板
３０２上に形成されたホログラムレンズアレイ３０３へ
入射する。

【００４９】該ホログラムレンズアレイ３０３は光束３
２４に対してのみブラッグ条件を満足する要素ホログラ
ム３３１を有しており、光束３２４は該要素ホログラム
３３１でのみ反射回折され観察者の瞳３０１へ入射す
る。このとき、要素ホログラム３３１は光束３２４をわ
ずかな発散光束へ変換するレンズ作用を有している。観
察者は表示面３０５の点Ｆ１の画像情報をホログラムレ
ンズアレイ３０３の前方の点Ｆ１ａから発散してきた光
束３０４ａに基づく虚像として観察している。

【００５０】同様の理由により、液晶表示素子３０６の
表示面３０５上の点Ｆ２，Ｆ３の画像情報から発光した
光束は、それぞれ要素ホログラム３３２，３３３によっ
てのみ観察者の瞳３０１方向へ反射回折される。これに
より、点Ｆ２，Ｆ３の画像情報をホログラムレンズアレ
イ３０３の前方の点Ｆ２ａ，Ｆ３ａから発散してきた光
束に基づく虚像として観察している。

【００５１】以上の如く、液晶表示素子３０６の表示面
３０５上の各点は各要素ホログラム３３１，３３２，３
３３で反射回折され、虚像面３０９を形成する。

【００５２】尚、本発明では白色光源を使用しても、要
素ホログラムは波長選択性（回折効率の波長依存性）を
有している為に、ブラッグ条件を満足する中心波長λ０
の光束で回折効率のピークを有している。このとき半
値全幅を２Δλとすると、該要素ホログラムは入射して
きた白色光のうち、λ０ −Δλからλ０ ＋Δλの光
束に対してのみ反射回折作用を生じる。この為、本実施
例では光源としてハロゲンランプを使用している。

【００５３】又、当然のことながら、ハロゲンランプか
らの光束のうちで必要な波長の光束のみを透過する干渉
フィルタを用いても良い。又、本実施例では各要素ホロ
グラム３３１，３３２，３３３はそれぞれ良好に収差補
正された領域３６１，３６２，３６３を有しており、各
領域３６１ａ，３６２ａ，３６３ａからなる虚像面９上
の点はほとんど無収差に近い点像となって観察できる。

【００５４】以上のように実施例１〜４によれば簡易な
構成によりホログラムの作製が可能となり、又ホログラ
ムの再生時（使用時）の仕様変更に対して計算機ホログ
ラム（ＣＧＨ）の変更のみで対応することが可能であ
り、更にホログラムを分割露光することにより露光中の
振動等による悪影響を取り除くことができるという特徴
がある。又、ホログラム記録時に不要なＣＧＨによる高
次回折光を確実にカットすることにより高品質のホログ
ラムを作製できる。

【００５５】

【発明の効果】本発明によれば前述の如く光学系を設定
することにより、装置全体の小型化及び簡素化を図りつ
つ、高精度のホログラムを作製することができ、又ホロ
グラムをコンバイナとして用いたとき画像表示器からの
画像情報と他の画像情報とを空間的に重畳して同一視野
で良好に観察することのできるホログラムの作製方法及
び表示装置を達成することができる。

【００５６】尚、本発明では通常のＣＧＨを用いたホロ
グラム作成光学系に比較してアフォーカルレンズ系を用
いている為に露光波面に収差が付加されるが、これはＣ
ＧＨ設計時に付加収差をキャンセルする波面が発生する
ようにＣＧＨ微細構造を設定して補正している。これに
よりアフォーカルレンズ系により安価なものを使用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の要部概略図

【図２】 本発明の実施例２の要部概略図

【図３】 本発明のホログラムレンズの作製方法の要部
概略図

【図４】 本発明のホログラムレンズを用いた表示装置
の概略図

【図５】 従来のホログラムレンズの作製方法の要部概
略図

【符号の説明】 １ レーザ光源 １１ 基板 １２ ホログラム記録材料 １６ 計算機ホログラム（ＣＧＨ） ２０ アフォーカルレンズ系 ２０−１，２０−３ レンズ ２０−２ 空間フィルタ ２５ シリンドリカルレンズ ３０１ 瞳 ３０３ ホログラムレンズ ３０６ 液晶表示素子 ３０７ ランプハウス ３０８ 光源 ３０９ 虚像面 ３３１，３３２，３３３ 要素ホログラム

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 物体光と参照光を記録媒体に異なった方
   向から入射させて、該記録媒体に干渉縞を形成させてホ
   ログラムを作製する際、該物体光を発生させる物体光光
   学系と該参照光を発生させる参照光光学系のうちの少な
   くとも一方の光学系にシリンドリカルレンズと計算機ホ
   ログラム、そしてアフォーカルレンズ系を設けているこ
   とを特徴とするホログラムの作製方法。
2. 【請求項２】 前記アフォーカルレンズ系はホログラム
   記録の為の可干渉光に対して少なくとも前記計算機ホロ
   グラムの後に配置されており、該計算機ホログラムによ
   って回折された所定の回折光のみを通過させる空間フィ
   ルタを有していることを特徴とする請求項１のホログラ
   ムの作製方法。
3. 【請求項３】 前記空間フィルタは所定の開口を有して
   いることを特徴とする請求項２のホログラムの作製方
   法。
4. 【請求項４】 シリンドリカルレンズと計算機ホログラ
   ムそしてアフォーカルレンズ系を含む光学系を介した光
   束と収束球面波又は発散球面波の光束とを記録媒体に異
   なった方向から入射させて、該記録媒体に干渉縞を形成
   させてホログラムを作製するようにしたことを特徴とす
   るホログラムの作製方法。
5. 【請求項５】 請求項３又は４の方法で作製した要素ホ
   ログラムを複数個、平面上に配列してホログラムを作製
   したことを特徴とするホログラムの作製方法。
6. 【請求項６】 前記計算機ホログラムがｏｆｆ−ａｘｉ
   ｓ型のホログラムであることを特徴とする請求項３又は
   ４のホログラムの作製方法。
7. 【請求項７】 画像表示器からの画像情報に基づく光束
   をホログラムレンズを介し、所定方向に回折させて、該
   画像情報と該ホログラムレンズの背後の画像情報とを空
   間的に重畳させて同一視野で観察する際、該ホログラム
   レンズは物体光を発生させる物体光光学系と参照光を発
   生させる参照光光学系のうちの少なくとも一方の光学系
   にシリンドリカルレンズと計算機ホログラム、そしてア
   フォーカルレンズ系を設けた系を用いて物体光と参照光
   を記録媒体に異なった方向から入射させて、該記録媒体
   に干渉縞を形成させて作製した体積位相型ホログラムレ
   ンズであることを特徴とする表示装置。
8. 【請求項８】 画像表示器からの画像情報に基づく光束
   をホログラムレンズを介して回折させて、該画像情報と
   該ホログラムレンズの背後の画像情報とを空間的に重畳
   させて同一視野で観察する際、該ホログラムレンズはシ
   リンドリカルレンズと計算機ホログラムそしてアフォー
   カルレンズ系を含む光学系を介した光束と収束球面波又
   は発散球面波の光束とを記録媒体に異なった方向から入
   射させて、該記録媒体に干渉縞を形成させて作製した体
   積位相型ホログラムレンズであることを特徴とする表示
   装置。
9. 【請求項９】 前記アフォーカルレンズ系は入射光束径
   を等倍から数倍へ拡大して射出することを特徴とする請
   求項１から８に記載のホログラムの作製方法及び表示装
   置。