专利名称：全息图制作方法
技术领域：
本发明涉及一种全息图制作方法。
背景技术：
日本特开平3-249686号公报记载了一种具有纵横视差的一阶(one-step)方式的李普曼(Lippmann)型全息图的制作例。
图6是该公报记载的二维全息图制作装置的构成图。该全息图制作装置中，激光光源103输出的激光被分束器104分为2束，经过分束的其中一束激光，可通过透镜系统放大光束束径，入射到透过型液晶显示器等空间光调制元件F’，在显示由计算机制作的来自各视点图像的空间光调制元件F’的各个像素受到振幅调制后，通过透镜与从感光材料111背后入射的参照光相干涉，在感光材料111上形成要素全息图。
这样，便以0.3mm～0.5mm的间隔在感光材料111上将点状要素全息图配置成矩阵状，制成李普曼型全息图。此外，还原时可从前述参照光入射方向相同的方向、以光束束径大的平行光照射全息图，从全息图111上的各要素全息图产生还原波，还原物体像。
但一次记录的要素全息图的数目被限定为1个，其缺点在于，记录所有的要素全息图需要大量的记录时间。因此，说明解决该缺点的现有例。
(现有例1)日本特开2001-183962号公报揭示了一种省略缩小光学系统、且一次记录许多要素全息图的全息图制作方法。该公报所记载的制作方法中，液晶屏上显示可改变视点的3×4个图像，对通过该液晶屏的激光加以调制，使包含液晶屏的图像信息的激光通过基于3×4个凸透镜的透镜阵列。可在凸透镜阵列的后侧焦点面配置决定要素全息图大小的掩模及感光材料，一次记录12个其间隔与显示图像的间隔相等、而大小与掩模开口相等的要素全息图。该方法中，为了记录于整面感光材料，使感光材料错开掩模开口大小进行下一次曝光。
(现有例2)M.Yamaguchi，H.Endoh，T.Koyama，N.Ohyama的论文，“并行曝光系统对全视差全息立体图的高速记录(High-speed recording of full-parallax holographicstereogrms by a parallel exposuresystem)”(Opt.Eng.35(6)1556-1559(June 1966))」，揭示了一次记录12个要素全息图的全息图制作方法。该文献中，在液晶屏上显示可改变视点的3×4个图像，对通过该液晶屏的激光加以调制，使包含液晶屏的图像信息的激光通过基于3×4个凹透镜的透镜阵列。通过各凹透镜的光，可利用由2个凸透镜所组合的远焦缩小光学系统缩小投影于感光材料上。这里，凹透镜的前侧焦点位置和感光材料面构成缩小光学系统的成像关系。该制作方法中，为了记录于整面感光材料，使感光材料错开要素全息图的3倍或4倍距离进行下一次曝光。
发明内容
沿纵横方向记录了微小的要素全息图的立体图，即便具有纵视差与横视差，且改变全息图和观察点两者间的距离，也具有纵倍率与横倍率一致、还原像不会发生失真这种优良特征。但由于记录的要素全息图的数量庞大，存在制作时间长的缺点。
作为要缩短记录时间所考虑的手段，同时记录多个要素全息图较为有效，就其实现手段而言，可列举以下方法。(a)并列配置相互不干涉的多个光源、以及各自对应的多个空间光调制元件，同时记录多个要素全息图的方法。(b)光源和空间光调制元件均为一个，但空间光调制元件上显示多个图像，针对各个图像用多个聚光透镜产生多个聚光点，以这些聚光点记录要素全息图的方法。(c)进一步缩小前述(b)方法中的聚光点面以高密度排列多个要素全息图的方法。(d)同时分别采用多个前述(b)以及(c)方法的方法。
现有例1，是前述(b)方法，但缺点在于，将一束激光光束放大用作物体光或参照光，所以，为了使照明各图像的光或记录要素全息图的多个参照光其光强度相同，用的是其透过率从中心开始往周边方向逐步提高的反高斯型滤光器，此外，对各要素全息图进行记录的参照光其入射角度严格相同，需要进行角度调整的光学系统，成本高而且复杂。
现有例2，是前述(c)方法，观察文献1公开的照片得不到清晰的还原像。就其原因来说，主要叙述的是实验精度方面的原因(1)透镜阵列的排列精度低；(2)透镜阵列中各透镜倾斜引起的像差大；(3)由于缩小光学系统的像差而无法成为理想的还原光线角度或广角。但这里涉及原理问题。
第1，要素全息图所记录的是位于凹透镜的前侧焦点的光源的缩小像及图像光谱重叠积分像，但该积分像的大小与要素全息图的间隔相比显得微小。所以，考虑感光材料的动态范围进行适当曝光时，有间隙存在，造成还原像的图像质量变差。
日本特开平6-266274号公报，揭示了插入使每像素的相位超前或滞后的相位板以防止该间隙的方法。各相位变更要素是随机配置的。为了使光分布于要素全息图的整个大小范围，必须预先在缩小光学系统的输入面形成无间隙的光分布。
但是，每像素对4种数值的相位进行调制的前述方法中，令像素间距为P、凹透镜的焦点距离为f3、波长为λ，其聚光点的光分布的大小D可用下式(式1)表示。
(式1)D＝λ×f3/P适合文献1中例子时，D＝0.6328(μm)×0.3(m)/93.75(μm)＝2.0mm，这比需要的画面尺寸(6mm)小，由缩小光学系统成像的要素全息图的大小为0.1(mm)，像素间必然产生间隙，使还原像的图像质量变差。
第2，各要素全息图所还原的液晶屏的显示图像的位置接近要素全息图，因此，还原光线变宽，使还原像变差。令构成缩小光学系统的后级一侧透镜L1的焦点距离为f1、输出像位置为b1、构成缩小光学系统的前级一侧透镜L2的焦点距离为f2、输入像位置为a2，各要素全息图所还原的液晶屏的显示图像的位置可用下式(式2)表示。
(式2)b1=f1×(1+f1f2-b2)=f1+(f1f2)2×(f2-a2)]]>这里，a2是透镜L2至去除高次衍射像的液晶屏的成像位置的距离。文献1中，未明确标出各值，所以不能断定，但f1/f2＝1/20，即便a2＝0，b1＜＝f1+f2/400因此，距透镜L1的后侧焦点达f2/400的位置，液晶屏的像便成像。
假定例如f2＝500(mm)、f1＝25(mm)，距要素全息图数mm左右的位置，液晶屏以1/20的大小范围还原。
考虑到要素全息图所产生的光线的话，与要素全息图邻接的还原像素就其光线间隔角度而言，令要素全息图的大小为0、液晶屏的像素的大小为93.75(μm)/20＝4.69(μm)、要素全息图与还原像素两者间的间隔为1.25(mm)时，光线间隔角度便为0.21度。
不过，若假定要素全息图的大小范围为0.1(mm)，从要素全息图通过一还原像点的发散角度为4.58度。因此、此时造成可从不同角度观察的立体像的观察角度变小的结果，而且在观察视点有通过多个像素的光线重叠入射，因而可同时观察到可从各个角度观察的立体像的光线，还原像显得模糊。
本发明正是针对这种课题，其目的在于，提供一种能够降低还原图像过程中观察干扰的全息图制作方法。
按照本发明的全息图制作方法，将空间光调制元件或漫射屏上显示的多个图像作为物体光，经由与该物体光所包含的各个图像相对应配置的多个透镜构成的透镜阵列、以及将从前述透镜阵列出射的物体光缩小的缩小光学系统，使前述物体光与参照光一起照射于记录面上，并将前述物体光与前述参照光两者间的干涉光记录于该记录面，其特征在于，至少在所述空间光调制元件和所述透镜阵列之间设置将各个所述图像彼此隔离的分隔体。
而且，其特征在于，所述多个图像的显示面和多个透镜构成的透镜阵列两者间的间隔、以及所述透镜阵列和所述缩小光学系统两者间的间隔设定为，使基于所述透镜阵列和所述缩小光学系统的所述显示面的实像或虚像位置与所述全息图的观察位置一致，或者离开所述全息图。
按照本制作方法，通过空间光调制元件的物体光，所调制的是漫射照明光，因此透镜阵列的各聚光像的大小，在空间光调制元件所显示的多个图像的各个大小以上范围内照度基本均匀。因而可防止要素全息图间产生间隙。此外，由于设置分隔体以避免透镜阵列的聚光像彼此重叠。因此、可防止应记录特定要素全息图的区域混入对相邻要素全息图进行记录的光。从而，可无间隙、整齐地以适当大小记录要素全息图的大小范围。
能够设定该要素全息图的大小范围，便可防止从要素全息图还原空间光调制元件的像素的光束的粗细为所需粗细或以上，从而使所观察到的三维像还原像空间其分辨率提高。
此外，通过设定透镜阵列和空间光调制元件两者间的间隔、以及透镜阵列和缩小光学系统两者间的间隔，来决定所还原的空间光调制元件的大小、位置，便可根据要素全息图设定还原空间光调制元件像素的光束的粗细，因而可提高所观察的三维像还原像空间的分辨率。而且，就所还原的空间光调制元件的位置来说，由于可设定相邻的各个光束入射到视点处瞳孔时在空间上不重合的配置，即设定全息图与视点两者间的距离等于或短于全息图到空间光调制元件的还原像的距离，因而可提高所观察的三维像还原像的品质。同时，从空间光调制元件上意外发生的散乱光，在视点或视点背后成像。所以，至少在还原的三维像上或其背后观察，不致于使还原像的品质下降。
图1是第1实施方式全息图制作装置的说明图；图2是第2实施方式全息图制作装置的说明图；图3是第3实施方式全息图制作装置的说明图；图4是表示空间光调制元件6与透镜4的关系图；图5是第4实施方式全息图制作装置的说明图；图6是现有二维全息图制作装置的构成图。
具体实施例方式
以下，对有关实施方式的全息图制作方法进行说明。此外，对同一组成部分用同一标号，说明从略。
(第1实施方式)图1是全息图制作装置的说明图。该装置中，空间光调制元件6显示的多个图像呈矩阵状，通过与各个图像对应的多个透镜所构成的透镜阵列聚光后，使各自图像由远焦光学系统缩小成像，照射、记录于感光材料11。所形成的空间光调制元件6的像为虚像，视点置于其虚像位置、或虚像位置到感光材料的范围。
此装置，具备射出单一波长的激光光束的激光光源1，以及将激光光源1出射的激光光束分束的半透明反射镜2。经过半透明反射镜2分束的激光光束，分别通过(i)物体光照射用光学系统、(ii)参照光照射用光学系统，分别照射到感光材料11的表面(正面)及背面上，由两者间的干涉光制作全息图。所制作的全息图，通过(iii)全息图还原用光学系统还原。以下作详细说明。
(i)物体光照射用光学系统物体光照射用光学系统包括配置为以半透明反射镜2的通过光为主光线入射、由透镜3、4所构成的光束放大器，使经过该光束放大器3、4扩大光束束径的平面波照射的漫射板5，紧接着配置于漫射板5正后方的空间光调制元件6，入射通过空间光调制元件6的光(空间光调制元件像)的聚光透镜阵列7，以及配置为避免构成空间光调制元件像的多个图像彼此干涉的遮光板(分隔体)15。分隔体15设置为至少在空间光调制元件6和基于透镜阵列7的聚光像之间避免有关聚光像相互重叠。
聚光透镜阵列7出射的物体光(多个图像)，在透镜9、10所构成的缩小光学系统的前侧焦点面8处以大体一样的光强度漫射，经缩小光学系统缩小后入射到感光材料11的正面。
该缩小光学系统是远焦光学系统，使透镜9的前侧焦点面8的输入图像缩小成像于透镜10的后侧焦点面。但为了便于理解，图1中未画出周围的分隔体。
空间光调制元件6是电寻址方式的空间光调制器，由液晶显示器等构成，使入射的平面波的光强度(振幅)经过按每一像素调制后透过。空间光调制元件6的显示图像，即空间光调制元件6的输出光图像，可通过使各像素透过率的变化而变化。本例中使用的液晶显示器是1024×768像素的显示器，可在其整个显示区域显示12个(横3列×纵4行)256×256像素的图像。
为便于理解，将透镜阵列7中各个透镜的光轴与透镜9的前侧焦点面8相交叉的12个点作为12个图像图示，经由远焦透镜光学系统所构成的缩小光学系统(透镜9、10)通过感光范围13的大部分光束作为12个缩小图像在感光材料11上成像，成为12个要素全息图。
(ii)参照光照射用光学系统参照光照射用光学系统，具有使前述半透明反射镜2所产生的反射光进一步反射到感光材料11的背面一侧的平面反射镜组20、27，感光材料11的背面相对于参照光入射方向倾斜。激光光源1出射的参照光，通过光束放大器(远焦透镜光学系统)21、23，与物体光同样放大束径并形成为平行光。光束放大器21、23内的光圈位置，配置着作为光阑的空间滤光器22，由此完成波面的整形。
光束束径经过放大的参照光，通过具有矩形开口的掩模24后，通过远焦透镜光学系统25、26在感光材料11上成像。掩模24的开口面积可设定为使参照光按与物体光相同的面积照射到感光材料11上。
感光材料11的正面，与构成缩小光学系统的透镜10的光轴垂直，至透镜10的入射光的主光线(物体光)便垂直入射到感光材料11上。物体光便从感光材料11的正面一侧垂直、而参照光则从背面一侧斜向入射到感光材料11的同一区域。随着这些物体光和参照光的入射，感光材料11的微小区域12内有多个所谓李普曼型要素全息图被曝光。微小区域12内包含12个要素全息图。
感光材料11将银盐乳剂涂布于透明玻璃板上而成，作为乳剂也可另外采用重铬酸明胶等全息图用感光材料。此外，也可采用感光性树脂等高分子材料。
本例中，将从多个视点观察到的各个图像同时显示于空间光调制元件6，并将作为干涉光的前述多个要素全息图记录(曝光)于与各视点位置相对应的感光材料11的微小区域12内。令对与缩小光学系统透镜10的光轴垂直的平面进行规定的2轴为x轴及y轴。
1次曝光结束，便使感光材料11沿x轴或y轴移动，进行下一个要素全息图的曝光。该要素全息图的移动量，就是将空间光调制元件6的显示面积乘以缩小光学系统倍率所得到的量。这样，分别包含多个视差图像的多个要素全息图，便按矩阵状配置于感光材料11上。
对感光材料11进行显像处理时，在多个区域内形成有其透过率和/或相位随多个微小区域12内照射的干涉条纹的强度变化的多个李普曼型要素全息图，来制作全息图(令其为11’)。
全息图中，可记录写实的实在物体或用计算机绘制的虚拟物体。
对显示实在物体的2种方法进行叙述。第一方面，为了从视点观察全息图11’使还原物体显示在全息图11’的深处，重复以下操作在要素全息图的位置配置摄像透镜中心，考虑实在物体和还原物体的大小并在空间光调制元件6对所摄取物体的拍摄图像进行放大缩小，来同时并列显示以记录于感光材料11。第二方面，为了显示还原物体使之处于全息图11’前方或使全息图11’横跨还原物体，将多个所摄取的拍摄图像的像素重新并排来重新制作的多个图像同时并列显示于空间光调制元件6以记录于感光材料11。
要显示虚拟物体，则将要素全息图作为视点，将空间光调制元件的实像或虚像作为屏显示图像，重复以下操作任意配置虚拟物体后进行将要素全息图作为视点的透视变换，至于重叠的物体，使接近实际观察视点的物体所保留的隐面消除的图像同时并列显示于空间光调制元件6，来记录于感光材料11。对于这类种种显示图像的制作方法来说，在以往是所知道的，记载于例如日本特开平7-36357号公报、日本专利第3155263号公报中。
(iii)全息图还原用光学系统作为全息图11’的还原光，参照光使用反方向入射的共轭参照光，进行共轭光还原时，对全息图11’进行照明的还原光，具有在光进行方向原样透过全息图11’的0次衍射光成分、以及反射时具有与物体光相同波面的1次衍射光成分。
这里，考虑空间光调制元件6配置于与透镜阵列7的前侧焦点位置相比更为靠近透镜阵列7一侧的情形。具体来说，令透镜阵列7的前侧及后侧焦点距离为f3、空间光调制元件6与透镜阵列7间的距离为a3时，为a3＜f3的情形。
此时，全息图11’制作时，从空间光调制元件6出射的物体光(空间光调制元件像)，与假设置于与前述前侧焦点位置相比更为靠近光源一侧位置(该位置称为虚像位置，该位置距全息图11’(感光材料11)的距离为L)的空间光调制元件像(称为虚像)13的发散光等效。空间光调制元件6显示有多个图像，因此各图像可与要素全息图的间距按比例错开、多重还原。
通过设定空间光调制元件6和透镜阵列7两者间的距离a3、以及缩小光学系统的前焦点和透镜阵列7两者间的距离L3，换言之，通过设定透镜阵列7的后级一侧分隔体的长度L3，可决定该虚像位置L。此时，设定a3及L3以避免全息图11’和视点14两者间的距离大于全息图11’和虚像位置L两者间的距离。作为还原照明光使用共轭参照光时，全息图11’还原空间光调制元件6的虚像13。
一个要素全息图还原空间光调制元件6所显示多个图像当中一个图像的虚像，因此构成虚像13的像素可看成是用来自相应要素全息图的光束所还原的。此外，由全息图11’观察的三维像由上述光束构成。因此，光束的粗细便决定所观察的三维像的三维分辨率。
忽略视点将三维像作为实像投影于屏幕等情形，为了使该三维分辨率为最小，使虚像13接近所观察的三维像的实像。但从视点直接观察三维像时，相邻的同类光束入射处于视点的瞳孔中，形成会在空间上重叠的配置，也就是说全息图11’和视点两者间的距离比全息图11’至虚像13的距离长时，便使所观察的三维像的分辨率降低。
因此，较好是至少使全息图11’与视点的距离比全息图11’到虚像13的距离短，为了能以最佳图像质量观察三维像，需要使虚像13位于视点位置。
此外，对距离L、空间光调制元件6变换成虚像13时的放大倍率M、以及空间光调制元件6的显示图像作若干说明。
以f1表示缩小光学系统后级一侧透镜10的焦点距离，f2表示缩小光学系统前级一侧透镜9的焦点距离，f3表示透镜阵列7的焦点距离，a3表示空间光调制元件6和透镜阵列7两者间的距离，L3表示缩小光学系统的前焦点和透镜阵列7两者间的距离或透镜阵列7后级一侧的分隔体的长度，距离L及扩大倍率M则可用下式表示。
(式3)L=(f1/f2)2{a3×f3a3-f3-L3)}]]>(式4)f1f2×f3f3-a3]]>这里，令空间光调制元件6的图像间距为P，空间光调制元件的虚像其纵横分辨率便为M×P，当满足M×P＜瞳径(约3mm)时，从1个要素全息图入射到瞳孔的光线数为多个，即使像素发生丢失也不明显，三维还原像可相应于视点变化平稳地变化。
此外，空间光调制元件6表面的散乱光，作为干扰显现于物体还原背景，空间光调制元件6其本身的还原像在视点处或视点背后成像，所以、至少可在所还原的三维像上或其背后观察，其还原像的品质不至于下降。
而且，作为被写体的三维物体传送至空间光调制元件6的二维图像，通过将视点作为要素全息图位置时的透视变换进行计算。具体来说，将三维物体用通用座标系(xw，yw，zw)表示，将要素全息图的位置在通用座标系上表示为(x，y，0)时，三维物体的位置变换为空间光调制元件6上的座标(xh，yh)时用下式表示。
(式5)xh＝M×(xw-x)/zw(式6)yh＝M×(yw-x)/zw详细地说，将(xw，yw，zw)的亮度信息、色度信息传送到座标(xh，yh)，在空间光调制元件6上显示所计算出的二维图像。此时，在相同(xh，yh)座标上有多个信息重复时，往往将空间光调制元件6的虚像13配置得靠近观察者，因而比较zw，选择的是接近空间光调制元件6的虚像13的zw值。
下面给出所用到元件的具体例。
以每一间距0.66mm对3×4＝12个要素全息图一并曝光，设定各视角(要素全息图的还原光发散角)为±30度。所用的空间光调制元件6其制造商SONY(公司)，型号LCX023AL，像素间隔(间距)26μm，图像个数1024×768。该空间光调制元件6上同时显示3×4＝12个256×256图像。所用的远焦光学系统，其透镜9(L2)、10(L1)所形成的缩小率满足0.66/(26×256)＝0.1。此外，考虑缩小率0.1，透镜阵列7的焦点距离f3取50mm，以便通过距光轴100个还原像点(pixel)的像素的光相对于透镜阵列7形成3度的发散角。
下面，对空间光调制元件6配置于与透镜阵列7的前侧焦点位置相比更为靠近光源一侧的情形进行分析。
(第2实施方式)图2是全息图制作装置的说明图。该装置中，空间光调制元件6显示的多个图像呈矩阵状，用各图像对应的多个透镜所构成的透镜阵列聚光后、使各个图像由远焦光学系统缩小成像，照射并记录于感光材料11。空间光调制元件6的像形成为实像，视点置于其实像位置或实像位置至感光材料的范围。
该装置与第1实施方式相同，差异仅在于，空间光调制元件6配置于与透镜阵列7的前侧焦点位置相比更为靠近激光光源1一侧。本例中按与前述相同工序用感光材料11制作全息图11’。
本例中说明的a3＞f3情形，在全息图11’制作时，空间光调制元件6出射的光图像，通过透镜阵列7、缩小光学系统9、10，仍然成像于与透镜10的后侧焦点位置相比更为离开透镜10的位置(该位置称为实像位置，该位置用距全息图11’(感光材料11)的距离L’表示)上。也就是说，透镜10出射的物体光，就是应在实像位置L’成像的空间光调制元件像(称为实像)13’。
与前述实施方式同样，作为全息图11’的还原光，用与图2中参照光同一方向入射的还原光进行还原时，对要素全息图进行照明的还原光，具有在光行进方向原样透过要素全息图的0次衍射光成分、以及反射为具有与物体光相同波面的1次衍射光成分。
全息图11’制作时，应在实像位置L’成像(聚光)的实像13’记录于各要素全息图，因此，通过还原光的照射，在前述实像位置L’还原对应于各要素全息图的空间光调制元件像的实像。又，由于在空间光调制元件6显示多个图像，各自的图像可错开要素全息图的间距进行多重还原。
通过设定空间光调制元件6与透镜阵列7的距离为a3、及缩小光学系统的前焦点与透镜阵列7的距离为L3、换言之，通过设定透镜阵列7的后级一侧的分隔体的长度L3，可决定该实像位置L’。此时，设定a3及L3，使全息图11’与视点14的距离不大于全息图11’与实像位置L’的距离。作为还原照明光使用共轭参照光时，全息图11’还原空间光调制元件6的实像13’。
一个要素全息图还原显示于空间光调制元件6的多个图像中的一个图像的实像，因此构成实像13’的像素可看成是利用来自相关的要素全息图的光束还原的。此外，从全息图11’观察的三维像，由上述光束构成。因此、光束的粗细决定所观察的三维像的三维分辨率。
忽略视点将三维像作为实像投影于屏幕等情形，取该三维的分辨率为最小，使实像13’接近于被观察的三维像的实像。但从视点直接观察三维像，相邻的同类光束射入视点的瞳孔中时，形成会在空间上重叠配置，也就是说，全息图11’与视点的距离比全息图11’到实像13’的距离长时、被观察的三维像的分辨率降低。因此，较好是使至少全息图11’与视点的距离比全息图11’到实像13’的距离短，为了能以最佳图像质量观察三维像、需要使实像13’位于视点的位置。
下面，关于距离L’、倍率、以及透视变换等，可将前述(3)～(6)式的L用L’置换。
此外，作为别的实施方式，去除前述空间光调制元件6、在前述漫射板5上投影新的空间光调制元件的像的全息图制作装置依然是有效的。也就是说，也可将前述空间光调制元件像投影在漫射屏上，在与前述第1或第2实施方式记载的空间光调制元件6的同一位置配置该漫射屏。
下面说明的实施例中，用漫射面光源对空间光调制元件进行照明，使要素全息图的光分布的均匀性和大小的可变性提高，空间光调制元件的像可形成为虚像，视点置于其虚像位置、或从虚像位置到感光材料的范围。
(第3实施方式)图3是利用漫射面光源、具有对空间光调制元件进行照明的光学系统的全息图制作装置的说明图。本实施方式与第1实施方式不同点在于，去除漫射板5，利用透镜3使激光光源1发出的光束放大并照射到漫射板5上，以所产生的漫射面光源17作为新光源后，利用串列配置的透镜4与透镜阵列7使漫射面光源17在透镜9的前侧焦点面8上多重成像。其他光学配置方面则与第1实施方式相同。
首先，说明利用与串列透镜光学系统的特殊情形相当的远焦光学系统使漫射面光源成像的光学系统。
漫射面光源17配置于透镜4的前侧焦点面，透镜4的后侧焦点面与透镜阵列7的前侧焦点面一致。此时，漫射面光源17在透镜9的前侧焦点面8成像，如设透镜4的焦点距离为f4、透镜阵列7的焦点距离为f3、光源成像倍率为Ms，则其大小是与下式中的Ms相乘的结果。
(式7)Ms＝f3/f4因此，可按照(式7)变更透镜9的前侧焦点面8上的各图像的聚光分布的大小。这里，前述各图像的聚光分布的大小至少为空间光调制元件6所显示的多个图像之一大小或以上，所以、在要素全息图11上不发生间隙。为此，可通过使漫射面光源17的大小变化或加大透镜4的焦点距离进行设定。
以下在常规串列透镜系统的情形下，以f表示2个透镜的合成焦点距离，以d表示2个透镜的距离，用S2表示从第2个透镜到合成透镜的后侧焦点的距离时，以下关系成立。
(式8)f＝f1×f2/(f1+f2-d)(式9)d＝f2×(f1-d)/(f1+f2-d)漫射面光源的成像位置及其成像倍率可利用这些式求得。
这里，照射空间光调制元件6的光束是漫射光，因此，称为斑纹(speckle)的斑点模样重叠于空间光调制元件6的面上。如果该斑纹的平均直径比空间光调制元件6的调制要素(像素)间隔P大，要素全息图还原的空间光调制元件6的虚像13上也有斑点模样重叠，若其大小在瞳孔直径以上，从视点14看便难以看到要素全息图。因此、空间光调制元件6上的斑纹直径必须尽量小。
斑纹的平均直径δ，如图4所示，把长度为SLM＿D的空间光调制元件6的端点相对于透镜4的有效口径DS放大的面19看作第2漫射面光源，令透镜4与空间光调制元件6的间隔为LS时，便可得出下式。
(式10)δ＝1.2×λ×LS/(DS-SLM＿D)＜P举一例数值，对P＞δ＝26μm，LS＝10cm、λ＝0.6μm时，DS＞29.4mm。但是，斑纹的平均直径δ的设定变小一位时，对δ＝2.6μm，DS＞54.3mm。
或者考虑干涉方面，考虑具有空间光调制元件6的调制要素间隔(像素间隔)P的2束光束的干涉时，空间光调制元件6的入射角θ，也就是说，从1个像素看到的入射光的放大角(半角值)，可近似用下式表示。
(式11)θ＝sin-1(λ/P)举一例数值，对P＝26μm，λ＝0.6μm，θ＝1.32度。tanθ用下式表示。
(式12)tanθ＝((DS-SLM＿D)/2)/LS满足上述2式(式11、式12)的DS，DS＝31.1mm，比满足δ的值小。因此，需要准备最低放大(式11)的角度θ，最好放大该角度以上角度的第2漫射面光源19。为此，需要取透镜4的口径为DS以上，而且，需要使漫射光入射到该口径内。
因此，图3中应对方法是利用透镜3放大激光光束，控制其发散角。具体来说，缩短透镜3的焦点距离，产生DS以上的第2漫射面光源。
取漫射面光源17的口径为1.5cm，透镜4的F值为F1.2，焦点距离f为50mm，有效口径为35.7mm，透镜4与空间光调制元件6的间隔为6mm，斑纹的平均直径δ为0.5μm，制作全息图。根据要素全息图，置视点于空间光调制元件6的还原像并观察要素全息图时，要素全息图并非不能观察。
具体来说，本例中以λ表示漫射面光源发生的漫射光的波长，P表示空间光调制元件的调制要素间的间隔时，设定凸透镜的口径DS、以及凸透镜DS与空间光调制元件6的间隔LS，以便使得接近串列透镜系统的漫射面光源17的凸透镜4的口径DS和凸透镜4到空间光调制元件6之间距离LS的关系，在空间光调制元件6的任意位置保持至少(式11)的θ角度或以上。此时，由于空间光调制元件6上产生的漫射面光源17所造成的干涉条纹的间隔比空间光调制元件6的调制要素间隔略小，因此，其效果在于使光照射不到显示于空间光调制元件6的图像像素这种缺陷像素其可能性降低。
漫射面光源17的面积，是足以使漫射光入射到整个凸透镜4的口径内的面积，空间光调制元件6上所产生的漫射面光源所造成的干涉条纹其间隔比空间光调制元件6的调制要素间隔略小。
空间光调制元件6其本身的还原像在视点或视点背后成像，因此至少在还原的三维像上或在其背后观察，其还原像的品质不至于降低。
下面说明的实施例，用漫射面光源对空间光调制元件进行照明，使要素全息图的光分布均匀性及大小的可变性提高，使空间光调制元件的像形成为实像，视点置于其实像位置、或实像位置至感光材料的范围。
(第4实施方式)图5是具有利用漫射面光源对空间光调制元件进行照明的光学系统的全息图制作装置的说明图。本实施方式与第2实施方式的不同点在于，去除漫射板5，用透镜3将激光光源1发出的光束放大照射漫射板5，以漫射面光源17作为新光源后，利用串列配置的透镜4与透镜阵列7在透镜9的前侧焦点面8上成像。
其他光学配置方面与第2实施方式相同。远焦透镜系统中，距离L’、放大倍率M及三维物体位置与(式3)～(式6)相同，而光源成像倍率则与(式7)相同。此外，常规远焦透镜系统中根据(式8)～(式9)求漫射面光源的成像位置及其倍率也是一样的。而且，用透镜3放大激光光束，控制其发散角。
如前所述，按照第1～第4实施方式的全息图制作方法，以空间光调制元件6或漫射屏(未图示)上显示的多个图像作为物体光，通过与该物体光所包含的各个图像相对应配置的多个透镜所构成的透镜阵列7以及使透镜阵列7出射的物体光缩小的缩小光学系统9、10，将物体光和参照光一起照射到记录面11上，并在该记录面11记录物体光和参照光两者间的干涉光，其中，至少在空间光调制元件6和透镜阵列7之间设置有将各个前述像素相互隔离的分隔体15。在记录面11上同时记录物体光和参照光两者间的干涉光。
此外，对前述多个图像的显示面和多个透镜所构成的透镜阵列两者间的间隔、以及前述透镜阵列和前述缩小光学系统两者间的间隔进行设定，以便使基于前述透镜阵列及前述缩小光学系统的前述多个图像的显示面其实像或虚像位置与前述全息图的观察位置一致，或者离开前述全息图。
按照本制作方法，在空间光调制元件和透镜阵列之间设置分隔体15，使透镜阵列的聚光像不会相互重叠，因此可防止在应记录特定要素全息图的区域混入记录相邻要素全息图的光，从而可无间隙、整齐地记录。
这样，可防止要素全息图还原空间光调制元件像素的光束其粗细为所需粗细以上，从而可使所观察的三维像还原像其空间分辨率提高。
按照第1～第4实施方式的全息图制作方法，在空间光调制元件6的前级一侧设置漫射光源。由于漫射光照射空间光调制元件6，使空间光调制元件6上的照度均匀。此外，由于漫射光的原因，透镜阵列7的各个聚光像其大小，为空间光调制元件6所显示的多个图像的各个大小或以上。
该漫射光源可由激光光源1和设置于该激光光源1与空间光调制元件6间的漫射板5构成。漫射板5的出射光，可直接入射空间光调制元件6。此时，具有可极简单地实现低成本的漫射光发生手段这种效果。此外，该漫射光源如第3和第4实施方式所示包括将激光光源1出射的激光光束直径放大照射漫射板5的放大透镜3，以及使漫射板5所发散的漫射光成为平行光照射空间光调制元件6的准直透镜4。
此时，与第1个凸透镜的后侧焦点面处配置空间光调制元件以及第2个凸透镜的前侧焦点面的远焦透镜系统不同，在空间光调制元件6及2个凸透镜3、4的配置方面具有自由度。因此，还对于漫射面光源17的成像位置、成像倍率产生自由度。
用L表示全息图11’所还原的空间光调制元件到实像13的还原距离，用Le表示全息图11’至观察位置14的观察距离，用a3表示空间光调制元件6和透镜阵列7两者间的距离，用L3表示缩小光学系统的前焦点和透镜阵列7两者间的距离，换言之，L3表示透镜阵列7的后级一侧的分隔体的长度，f1表示缩小光学系统后级一侧透镜10的焦点距离，f2表示缩小光学系统前级一侧透镜9的焦点距离，f3表示透镜阵列7的焦点距离，设定a3、L3使之满足(式13)的关系。
(式13)Le<=L=(f1/f2)2×{a3×f3a3-f3-L3)}]]>通过设定L的大小，可确定空间光调制元件的像的大小，可确定所还原的像素的大小、以及使要素全息图与像素相连的光束的粗细。因此其效果在于，可确定所还原的三维像的空间分辨率。满足前述不等号时其效果在于，可避免全息图11’和视点两者间的距离比全息图11’和虚像13两者间的距离长时所产生的相邻光束入射到视点处瞳孔中会造成空间上彼此重叠这种配置，可使所观察的三维像的品质提高。而满足等号时其效果在于，可以最佳图像质量观察三维像。
空间光调制元件6其本身的还原像有时存在干扰，即使空间光调制元件6的投影像在还原像方面存在干扰，但由于干扰本身在视点或视点背后成像，所以，不至于发生所还原的三维像方面或其背后观察干扰造成还原像品质下降的情形。
按照本发明的全息图制作方法，由于能以适当大小，无间隙、整齐地记录要素全息图的大小，可防止要素全息图还原空间光调制元件的像素的光束的粗细为所需粗细以上，并且可通过设定透镜阵列和空间光调制元件两者的间隔以及透镜阵列和缩小光学系统两者的间隔，来设定要素全息图还原空间光调制元件的像素的光束的粗细，因此产生使所观察的三维像还原像的空间分辨率提高这种效果。
此外，还可以就所还原的空间光调制元件的位置设定避免相邻光束入射到视点处瞳孔中而在空间上重叠的配置，即设定全息图和视点两者间的距离为等于或短于全息图至空间光调制元件的还原像的距离，因此可产生使所观察的三维像还原像的品质提高这种效果。同时，从空间光调制元件上意外发生的散乱光，在视点或视点背后成像。所以其效果在于，至少在还原的三维像上或其背后观察，不致于使还原像的品质下降。
工业实用性本发明可用于全息图制作方法。
权利要求
1.一种全息图制作方法，将空间光调制元件或漫射屏上显示的多个图像作为物体光，经由与该物体光所包含的各个图像相对应配置的多个透镜构成的透镜阵列、以及将从前述透镜阵列出射的物体光缩小的缩小光学系统，使前述物体光与参照光一起照射于记录面上，并将前述物体光与前述参照光两者间的干涉光记录于该记录面，其特征在于，至少在所述空间光调制元件和所述透镜阵列之间设置分隔体将各个所述图像彼此隔离。
2.如权利要求1所述的全息图制作方法，其特征在于，所述空间光调制元件的前段侧设置有漫射光源。
3.如权利要求1所述的全息图制作方法，其特征在于，所述漫射光源包括激光光源，以及设置于该激光光源和所述空间光调制元件间的漫射板。
4.如权利要求3所述的全息图制作方法，其特征在于，所述漫射光源包括将所述激光光源出射的激光光束束径放大照射所述漫射板的放大透镜，以及使所述漫射板发散的漫射光成为平行光照射所述空间光调制元件的准直透镜。
5.如权利要求4所述的全息图制作方法，其特征在于，令所述漫射板出射的光束的波长为λ，所述准直透镜的口径为DS，所述准直透镜和所述空间光调制元件间的距离为LS，所述准直透镜的光轴与连接该准直透镜的径向端部和所述空间光调制元件的端部的连线所成的角度为θ，显示于所述空间光调制元件的像素间隔为P时，对DS及LS进行设定以便θ为sin-1(λ/P)或以上。
6.如权利要求1所述的全息图制作方法，其特征在于，所述多个图像的显示面和多个透镜构成的透镜阵列两者间的间隔、以及所述透镜阵列和所述缩小光学系统两者间的间隔设定为，使所述透镜阵列和所述缩小光学系统产生的所述显示面的实像或虚像位置与所述全息图的观察位置一致，或者离开所述全息图。
全文摘要
一种全息图制作方法，将空间光调制元件6所显示的多个图像作为物体光，经由与该物体光所包含的各图像s相对应配置的多个透镜构成的透镜阵列7以及使透镜阵列7出射的物体光缩小的缩小光学系统9、10，使物体光与参照光一起照射于记录面11上，并将物体光和所述参照光两者间的干涉光记录于该记录面11。空间光调制元件6与透镜阵列7之间设置有将各个图像彼此隔离的分隔体15，由此使干扰降低。
文档编号G02F1/1335GK1589422SQ02823108
公开日2005年3月2日 申请日期2002年11月29日 优先权日2001年11月30日
发明者竹森民树, 今健次 申请人:浜松光子学株式会社, 阿特诺有限公司