ホログラム作製方法および作製装置
【課題】低出力でホログラムを安定して描画でき、画点毎の階調表現が可能なホログラムの作製方法、ホログラム作製装置を提供する。
【解決手段】実施形態によれば、アゾベンゼンを含む感光材料に光を入射することにより直接描画法でホログラムを作製する方法であって、前記感光材料上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて前記１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを前記感光材料上に並べて形成することにより、ホログラムを作製するホログラム作製方法である。
【解決手段】実施形態によれば、アゾベンゼンを含む感光材料に光を入射することにより直接描画法でホログラムを作製する方法であって、前記感光材料上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて前記１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを前記感光材料上に並べて形成することにより、ホログラムを作製するホログラム作製方法である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、ホログラムを描画するホログラム作製方法、および作製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、感光材料にあるパターンのホログラム（回折格子）を記録する際には、以下の方法が取られている。まず、レーザーなどのコヒーレントな光をハーフミラーやビームスプリッターを用いて分岐し、ミラー等でその光の進行方向を変え、分岐した光の一方を記録したい物体（以下ＯＢＪとする）に照射し、そのＯＢＪの反射光あるいは透過光を感光材料に当てる。また、分岐したもう一方の光を同一箇所に当て露光する。感光材料上で同一箇所を露光した二光束が干渉し、その干渉縞がホログラムとして記録される。
【０００３】
この方法では、ＯＢＪの画像を感光材料に記録するためには、レンズ等を用いて、光源からの光の径をＯＢＪの大きさに合わせて拡張あるいは縮小する必要がある。また、感光材料に記録されるパターンの大きさを拡大または縮小して記録したい場合も同様に、光の拡張または縮小が必要である。そのため、感光材料に記録できる閾値を超える光を照射するには、高出力の光源と長い描画時間を必要とする。描画時間が長い場合、記録されるパターンが振動などの影響を受けやすく、安定しない可能性がある。
【０００４】
その他、短軸が１μｍ、長軸が１００μｍ程の楕円台の大きさの回折格子を並べることで、その集合体を一つのホログラムとする方法が提案されている。また、電子銃やイオンビームの強度などを変え、材料表面を削ることで材料表面にレリーフを作り、ホロログラムとする方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−６２２０号公報
【特許文献２】特開平１１−５２１１５号公報
【特許文献３】特開２００６−１１３４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、光の照射によりレリーフ（凹凸）を生じることで、ホログラムを作製する方法では、画点一つ一つに階調性を持たせることはできない。すなわち、回折率の違いによって階調を表現することができない。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、低出力でホログラムを安定して描画でき、画点毎の階調表現が可能なホログラムの作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によれば、ホログラム作製方法は、アゾベンゼンを含む感光材料に光を入射することにより直接描画法でホログラムを作製する方法であって、前記感光材料上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて前記１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを前記感光材料上に並べて形成することにより、ホログラムを作製する方法である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係るホログラム作製装置を概略的に示す図。
【図２】図２は、光源の出力を一定にした時の露光時間と回折率の関係を表すグラフ。
【図３】図３は、前記ホログラム作製装置の光束伝播状態を示す平面図。
【図４Ａ】図４Ａは、光源の出力を一定にした時の装置の動作を示すフローチャート。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａのフローチャートの一部を詳細に示すフローチャート。
【図５】図５は、アゾベンゼンに含まれる構造式を示す図。
【図６】図６は、５階調を表現する際の露光時間と回折率との関係を示す図。
【図７】図７は、直線近似できる範囲で５階調を表現する露光時間と回折率との関係を示す図。
【図８】図８は、反射ミラーと集光用のレンズの代わりに凹面鏡９を用いた第１変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図９Ａ】図９Ａは、集光用のレンズの後にレンズを入れ平行光にして露光する第２変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図９Ｂ】図９Ｂは、凹面鏡を用いて集光後、レンズを入れ平行光を露光する第３変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１０】図１０は、ポリゴンミラーで描画位置を変更する機構を備える第４変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１１】図１１は、複数のビームスプリッターまたはハーフミラーで分岐を増やした第５変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１２】図１２は、複数のビームスプリッターまたはハーフミラーで分岐を増やした第６変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１３】図１３は、複数の光源とビームスプリッターまたはハーフミラーを用いた第７変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１４】図１４は、複数の光源とビームスプリッターまたはハーフミラーを用いた第８変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１５】図１５は、第９変形例に係るホログラム作製方法を示すフローチャート。
【図１６】図１６は、図１５に示すフローチャートの一部を詳細に示すフローチャート。
【図１７】図１７は、第２の実施形態に係るホログラム作製装置によるホログラム作製方法を示すフローチャート。
【図１８】図１８は、図１７に示すフローチャートの一部を詳細に示すフローチャート。
【図１９】図１９は、露光時間を一定にした時の光のパワー密度と回折率の関係を表すグラフ。
【図２０】図２０は、５階調を表現する際の光のパワー密度と回折率との関係を示す図。
【図２１】図２１は、直線近似できる範囲で５階調を表現するパワー密度と回折率との関係を示す図。
【図２２】図２２は、ステージがレンズの焦点に近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２３】図２３は、凹面鏡の焦点にステージが近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２４】図２４は、平行光にするレンズの位置が集光レンズの焦点に近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２５】図２５は、平行光にするレンズの位置が凹面鏡の焦点に近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２６】図２６は、ビーム径を変える実施形態のうち、ポリゴンミラーで描画位置を変更する実施形態を概略的に示す図。
【図２７】図２７は、ビーム径を変える実施形態のうち、ポリゴンミラーで描画位置を変更する他の実施形態を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら実施形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るホログラム作製装置を概略的に示し、図２は、階調を表現する際の、光源の出力を一定とした時の露光時間と回折率の関係を示し、図３は、ホログラム作製装置における光の伝播を拡大して示すものである。
【００１１】
図１および図３に示すように、表面(レリーフ)ホログラム作製装置１００は、コヒーレントな光を出射する光源１と、光源１から発振したコヒーレントな光の進行を制御、すなわち、遮蔽あるいは通過を制御するシャッター２と、シャッター２を通過した光を複数、例えば、２光に分光するビームスプリッターまたはハーフミラー３などの分岐光学部材と、を備えている。ホログラム作製装置は、ホログラムを描写する感光材料１６が載置されるステージ６と、分光された２光束の進行方向を変える反射光学部材、例えば、反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃと、２光束を所望のビーム径に集光し、ステージ６上の感光材料１６上で二光束が重なり合うように入射させる２つのレンズ５ａ、５ｂと、を備えている。
【００１２】
変更手段として機能するステージ６は、二光束のどちらとも垂直な方向に回転軸を持ち、その回転軸と平行な方向と回転軸に垂直な方向の少なくとも２軸方向に移動できる機構をもったステージである。ステージ６は、描画する面上に二光束の交点があり、かつ描画面がステージ６の回転軸に垂直な方向と平行で、二光束の成す角の二等分線と垂直になるように設置する。
【００１３】
更に、ホログラム作製装置１００は、光源１、シャッター２の開閉、ステージ６の移動を制御する制御装置７を備え、この制御装置７は、ケーブル８により光源、シャッター、ステージに接続されている。以下の説明では特に断りの無い限り、光源１、シャッター２、ステージ６は制御装置７にケーブル８で接続された状態で存在するものとして図は省略する。
【００１４】
上記ホログラム作製装置１００では、光源１から発振したコヒーレントな光の進行をシャッター２を開閉することで制御し、進行した光はビームスプリッターまたはハーフミラー３で分岐される。分岐された二光束をそれぞれ、反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃで進行方向を変え、２光束のなす角度が１０ないし５０度、例えば３０度となるように、それぞれの光束をレンズ５ａ、５ｂを用いて所望のビーム径に集光し、ステージ６上にある感光材料１６上で二光束が重なり合うように入射させることで、光の干渉縞を感光材料１６に記録する。
【００１５】
感光材料１６としては、例えばアゾベンゼンのような、少なくとも一定の範囲の露光時間において回折率が単調増加する感光材料、また、少なくとも一定の範囲の光源のパワー密度において回折率が単調増加する感光材料を用いる。図５は、アゾベンゼンとしてもっとも基本的な構造式を示している。アゾベンゼン化合物にはこの構造が必ず含まれ、その中で、左右のベンゼン間の水素部分を置換してできる誘導体でもＮの二重結合とＮにベンゼン間のついた基本構造を有している。
【００１６】
干渉縞で形成されるドット１１は、図２に示すような露光時間と回折率のデータに基づいて、制御装置７によって制御されたシャッター２の解放時間すなわち露光時間により回折率を制御することができる。図１に示すように、制御装置７によってステージ６を移動させ、ドット１１を複数並べることによってそのドットの集合で所望の画像（ホログラム）２０を記録する。すなわち、感光材料１６上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを感光材料１６上に並べることにより、ホログラムを作製する。
【００１７】
図４Ａ、４Ｂは、ホログラム作製装置の動作、すなわち、ホログラム作製方法を示すフローチャートである。図４Ａに示すように、描画開始と共にシャッター２を閉じた状態にする（Ｓ１１）。シャッター２が閉じていた場合はその状態を維持する。描画したい画像を制御装置７に取り込み(Ｓ１２)、取込んだ画像の解像度を入力された所望の解像度に変換する(Ｓ１３)。描画するホログラムパターンのパターン指示データは、例えば、ビットマップ形式のデジタル画像データとする。
【００１８】
制御装置７により、解像度変更後の画素毎の階調判定および画素毎の露光時間の決定を行う（Ｓ１４）。より詳しくは、図４Ｂに示すように、制御装置７により画像の最初の画素の階調（Ｋ）を読み取る(Ｓ１４-１)。続いて、解像度変更前の画像(以下、元画像という)の最高階調数(実質的には最高階調＋１)を、表現したい階調（Ｋｗ:Ｓ１２とＳ１３の間に入力された階調)で割った商で、最初の画素の階調（Ｋ）を割った商の値をＫｎに代入する(Ｓ１４-２)。
【００１９】
ｉ＝０とし、Ｋｎ≦Ｋｗ−iの真偽を判定する(Ｓ１４−３)。偽の場合にはｉ＝ｉ＋１を代入し、再度判定し、真の場合にはｉの値、すなわち、その画素の階調に合わせて、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとし、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる各露光時間を、図２に示した露光時間と回折率のグラフから読み取った値を露光時間としてセットする(Ｓ１４-４)。
【００２０】
次いで、全画素の階調判定が終了したかどうかを判定し、ＹＥＳの場合は、描画点への移動情報と描画点での露光時間すなわち、シャッター解放時間を制御装置７に格納(Ｓ１５)し、ＮＯの場合は次の画素の階調判定(Ｓ１４-１)へ戻る(Ｓ１４-５)。
【００２１】
続いて、図４Ａに示すように、描画点への移動情報と描画点での露光時間情報を制御装置７に格納した後（Ｓ１５）、この情報に基づいて、ステージ６を移動し、描画点で停止する(Ｓ１６)。この状態で、制御装置７はシャッター２を開き、光源１から光を出射し、感光材料１６の露光(描画)を開始する(Ｓ１７)。ここでは、光源１からの光出力は一定としている。露光時間経過後、制御装置７はシャッター２を閉じる(Ｓ１８)。次いで、描画終了の判定（全ての画素を描画したか判定)し（Ｓ１９）、ＮＯの場合はステージ６の移動(Ｓ１６)へ戻り、ＹＥＳの場合は描画を終了する。
【００２２】
表現する階調を５とする場合の露光時間の決定方法について説明する。図６に示すように、回折率ＤがＤ＝α、２α、３α、４α、５α（＝Ｄｍ）とグラフ上の交点から横軸上に垂線を下ろし、その垂線と横軸との交点ｔ１からt５を各階調の露光時間とする。
【００２３】
あるいは、図７に示すように、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率と露光時間の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるまでの時間をＴｍとして以下の式に従って算出し各階調の露光時間ｔ１ないしｔ５を決定しても良い。
ｔ＝Ｔｍ÷Ｋｗ×ｉ
階調毎の露光時間がグラフから判断できる方法であれば上記方法に限定されることはない。
【００２４】
以上のように構成されたホログラム作製装置１００およびホログラム作製方法によれば、アゾベンゼン材料で形成された感光材料にホログラムを描画する際、目的の画像情報を点描し、階調を有するドットを形成し、このドットを並べてホログラムを描画することにより、描画の際の光源出力を低減することが可能となる。分岐した光源の光をレンズを用いて集光後、２方向から重ね合わせ干渉させることで、１ドットを回折格子として描画することができる。レンズ等を用いて集光することにより、パワー密度を上げることで、１ドットの描画時間を短くすることができ、描画中の振動等の影響を軽減し、記録される画像の安定化を図ることができる。描画サイズおよび完成画像の解像度を容易に変更することが可能となる。光源の出力を一定にした場合、露光時間と回折率の関係が単調増加である範囲を利用して、回折率の違いによってホログラムの階調を表現することができる。ドット毎の輝度調整による画像の階調表現が可能となる。感光材料が載置されたステージの走査により、完成した画像のサイズをステージの移動範囲で、任意にかつ簡便に変更することが可能となる。２方向に分岐した光のなす角θを、描画点において１０〜５０度とすることにより、以下の表１に示すように、完成したホログラムの視認性を良好にすることができる。
【表１】
【００２５】
次に、種々の変形例に係るホログラム作製装置およびホログラム作製方法について説明する。なお、以下に説明する変形例において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
【００２６】
（第１変形例）
図８は、第１変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態では、光源１から発振した光を集光する手段としてレンズ５を用いているが、反射ミラー４ａ、４ｃを凹面鏡９ａ、９ｂに変更して集光し、レンズ５を取り除く、あるいは、２枚ある反射ミラーの一方のみを凹面鏡に変えるなどして、レンズでの集光と凹面鏡による集光を組み合わせることも可能である。
【００２７】
（第２変形例）
図９Ａは、第２変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態では、レンズ５ａ、５ｂで集光した光をそのまま感光材料１６に照射しているが、集光後にレンズ１０ａ、１０ｂを入れ、２つの光束を平行光にした後、感光材料１６に照射することも可能である。
【００２８】
（第３変形例）
図９Ｂは、第３変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１変形例では、凹面鏡９ａ、９ｂで集光した光をそのまま感光材料１６に照射しているが、集光後にレンズ１０ａ、１０ｂを入れ、２つの光束を平行光にした後、感光材料１６に照射してもよい。
【００２９】
（第４変形例）
図１０は、第４変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態、第１ないし第３変形例では、ステージ６を移動することにより描画点の位置を変えているが、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、集光後に変更手段として機能するポリゴンミラー１２などを挿入し、光の進行方向を変えることによって、描画点の位置を変更する構成としてもよい。この際、制御装置７は、ポリゴンミラー１２の駆動部に接続され、ポリゴンミラーの回転を制御する。
ポリゴンミラーによる光の走査により、完成した画像のサイズをポリゴンミラーにより光を走査できる範囲で、任意にかつ簡便に変更することができる。
【００３０】
（第５変形例）
図１１は、第５変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態、第１ないし第３変形例では、光源１から発振した光をビームスプリッターまたはハーフミラー３で分岐する回数が１回であるが、図１１に示すように、複数のビームスプリッターまたはハーフミラー３を用いて、複数回分岐を行い、感光材料１６上に、２画点以上、同時に描画することも可能である。分岐後の光の進行方向を変える際は、１つの反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃで複数の光束を反射してもよい。
【００３１】
（第６変形例）
図１２は、第６変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。第５変形例のように、複数のビームスプリッターまたはハーフミラー３を用いて、光束を複数回分岐し、感光材料１６上に２画点以上、同時に描画する場合、図１２に示すように、光束の数に合わせて反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃを複数枚ずつ用いても良い。また、シャッター２の位置はそれ以降、分岐を行わない光束上で、描画点で重ね合わせる二光束のうちの一方を遮る機能があれば良い。複数枚の反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃと集光レンズ５の代わりに凹面鏡９を用いることも可能である。シャッター２の位置は、ビームスプリッターまたはハーフミラー３の後に置くことは必須ではなく、光源１の直後に置いても、分岐後の一方の光束上に配置することも可能である。
【００３２】
（第７変形例）
図１３は、第７変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第５、第６変形例では、１つの光源１に対して複数のビームスプリッターまたはハーフミラー３を用いて光源１から出射した光を複数回分岐しているが、図１４に示すように、複数の光源１を設け、これらの光源から出射した光を１つのビームスプリッターまたはハーフミラー３で１回ずつ分岐する構成としてもよい。分岐後の光の進行方向を変える際は、反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃの各々で複数の光束を反射してもよい。
【００３３】
（第８変形例）
図１４は、第７変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。第７変形例のように、複数の光源１を用いて、光束を複数に分岐し、感光材料１６上に２画点以上、同時に描画する場合、図１４に示すように、光束の数に合わせて反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃを複数枚ずつ用いても良い。また、シャッター２の位置はそれ以降、分岐を行わない光束上で、描画点で重ね合わせる二光束のうちの一方を遮る機能があれば良い。複数枚の反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃと集光レンズ５の代わりに凹面鏡９を用いることも可能である。シャッター２の位置は、ビームスプリッターまたはハーフミラー３の後に置くことは必須ではなく、光源１の直後に置いても、分岐後の一方の光束上に配置することも可能である。
【００３４】
（第９変形例）
図１５および図１６は、第９変形例に係るホログラム作製方法のフローチャートを示している。前述した第１の実施形態では、最初の描画点への移動前に、すべての画素について階調判定および露光時間の決定を行っているが、図１５および図１６に示すように、移動中に次の画素の階調判定および露光時間の決定を行うことも可能である。
【００３５】
次に、他の実施形態に係るホログラム作製方法について説明する。なお、以下に説明する実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
【００３６】
（第２の実施形態）
図１７および図１８は、第２の実施形態に係るホログラム作製装置の動作、すなわち、ホログラム作製方法を示すフローチャート、図１９は、階調を表現する際の、露光時間を一定とした時の光源のパワー密度と回折率の関係を示している。ホログラム作製装置は、前述した第１の実施形態と同一の構成を用いることができる。
【００３７】
第１の実施形態では、光源の出力を一定とし、露光時間を変えることにより、回折率、すなわち、階調を調整する構成としたが、第２の実施形態では、露光時間を一定とし、光源のパワー密度を変えることにより、描画されるホログラムの階調を表現する。
【００３８】
図１７および図１８に示すように、第２の実施形態において、描画開始と共にシャッター２を閉じた状態にする（Ｓ２１）。シャッター２が閉じていた場合はその状態を維持する。描画したい画像を制御装置７に取り込み(Ｓ２２)、取込んだ画像の解像度を入力された所望の解像度に変換する(Ｓ２３)。描画するホログラムパターンのパターン指示データは、例えば、ビットマップ形式のデジタル画像データとする。
【００３９】
制御装置７により、解像度変更後の画素毎の階調判定および画素毎の露光時間の決定を行う（Ｓ２４）。より詳しくは、図４Ｂに示すように、制御装置７により画像の最初の画素の階調（Ｋ）を読み取る(Ｓ２４-１)。続いて、解像度変更前の画像(以下、元画像という)の最高階調数(実質的には最高階調＋１)を、表現したい階調（Ｋｗ:Ｓ１２とＳ１３の間に入力された階調)で割った商で、最初の画素の階調（Ｋ）を割った商の値をＫｎに代入する(Ｓ２４-２)。
【００４０】
ｉ＝０とし、Ｋｎ≦Ｋｗ−iの真偽を判定する(Ｓ２４−３)。偽の場合にはｉ＝ｉ＋１を代入し、再度判定し、真の場合にはｉの値、すなわち、その画素の階調に合わせて、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとし、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる光源１の出力を、図１９に示したパワー密度と回折率のグラフから読み取った値にビーム径から算出した露光面積を乗じて光源の出力としてセットする(Ｓ２４-４)。
【００４１】
次いで、全画素の階調判定が終了したかどうかを判定し、ＹＥＳの場合は、描画点への移動情報と描画点での光源の出力を制御装置７に格納(Ｓ２５)し、ＮＯの場合は次の画素の階調判定(Ｓ２４-１)へ戻る(Ｓ２４-５)。
【００４２】
続いて、図４Ａに示すように、描画点への移動情報と描画点での露光時間情報を制御装置７に格納した後（Ｓ２５）、この情報に基づいて、ステージ６を移動し、描画点で停止する(Ｓ２６)。この状態で、制御装置７はシャッター２を開き、光源１から光を出射し、感光材料１６の露光(描画)を開始する(Ｓ２７)。露光時間経過後、制御装置７はシャッター２を閉じる(Ｓ２８)。次いで、描画終了の判定（全ての画素を描画したか判定)し（Ｓ２９）、ＮＯの場合はステージ６の移動(Ｓ２６)へ戻り、ＹＥＳの場合は描画を終了する。
【００４３】
表現する階調を５とする場合の光源出力の決定方法について説明する。図２０に示すように、回折率ＤがＤ＝α、２α、３α、４α、５α（＝Ｄｍ）とグラフ上の交点から横軸上に垂線を下ろし、その垂線と横軸との交点Ｐ１からＰ５を各階調のパワー密度とし、これに露光面積を乗じて光源の出力とする。
【００４４】
あるいは、図２１に示すように、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率とパワー密度の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるまでのパワー密度をＰｍとして以下の式に従って算出し、パワー密度Ｐｄを決定し、光源の出力Ｐを決定しても良い。
Ｐｄ＝Ｐｍ÷Ｋｗ×i
Ｐ＝Ｐｄ×(描画点でのビーム径)2÷(光源のビーム径)2
なお、階調毎のパワー密度がグラフから判断できる方法であれば上記方法に限定されることはない。
【００４５】
以上のように構成されたホログラム作製装置およびホログラム作製方法によれば、アゾベンゼン材料で形成された感光材料にホログラムを描画する際、目的の画像情報を点描し、階調を有するドットを形成し、このドットを並べてホログラムを描画することにより、描画の際の光源出力を低減することが可能となる。描画サイズおよび完成画像の解像度を容易に変更することができるとともに、１ドットの描画時間を短くし記録される画像の安定化を図ることができる。露光時間を一定にした場合、光源のパワー密度と回折率の関係が単調増加である範囲を利用して、回折率の違いによって階調を表現することができる。ドット毎の輝度調整による画像の階調表現が可能となる。
上述した第２の実施形態においても、前述した第１ないし第９変形例を適用することが可能である。また、光源の出力の制御は、制御装置による電子的な制御に限らず、透過率の異なる複数枚のＮＤフィルターを例えば円状に並べ、回転によりメカニカルに入れ替えることにより、光源の出力を制御することも可能である。
【００４６】
次に、描画するホログラムの解像度を変更する方法について図２２から図２６を参照して説明する。第１の実施形態で示したホログラム作製装置１００のレンズ５、凹面鏡９、レンズ１０、ステージ６などの位置を調整して解像度を変更する。
完成する画像サイズを変えずに解像度を２倍にする際は、描画する完成ドットの径を半分にして描画することで実現できる。ドット径を半分にする方法は、図２２に示すように、ステージ６をレンズ５の焦点に近づく位置に移動する方法、あるいは、レンズ５を移動してその焦点をステージ６に近付ける方法がある。また、図２３に示すように、ステージ６を凹面鏡９の焦点に近づく位置に移動する方法、あるいは、凹面鏡９を移動してその焦点をステージ６に近付ける方法がある。図２４に示すように、図９Ａで示したレンズ１０の位置がレンズ５の焦点に近づく位置関係にする方法、また、図２５に示すように、図９Ｂで示したレンズ１０の位置が凹面鏡９の焦点に近づく位置関係にする方法がある。
【００４７】
上述した方法では、すべて集光した光または集光した光を平行光にしたものをステージ上の描画点に照射しているが、所望の解像度を実現するビーム径で描画点に照射する限りにおいて、図２６および図２７に示すように、ポリゴンミラー１２等で描画位置を変えて描画することも可能である。
【００４８】
以上の方法により、感光材料１６に入射する光の径を光源のビーム径、またはレンズのフォーカス、または凹面鏡等による集光の度合いを変更することで、記録される画像の解像度を容易に変更できることができる。
【００４９】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…光源、２…シャッター、３…ビームスプリッターまたはハーフミラー
４ａ、４ｂ、４ｃ…反射ミラー、５ａ、５ｂ…レンズ、６…ステージ、７…制御装置、
８…ケーブル、９…凹面鏡、１０…レンズ、１１…回折格子のドット、
１２…ポリゴンミラー、１３…レンズ、１４…反射ミラー、
１６…感光材料
【技術分野】
【０００１】
この発明の実施形態は、ホログラムを描画するホログラム作製方法、および作製装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、感光材料にあるパターンのホログラム（回折格子）を記録する際には、以下の方法が取られている。まず、レーザーなどのコヒーレントな光をハーフミラーやビームスプリッターを用いて分岐し、ミラー等でその光の進行方向を変え、分岐した光の一方を記録したい物体（以下ＯＢＪとする）に照射し、そのＯＢＪの反射光あるいは透過光を感光材料に当てる。また、分岐したもう一方の光を同一箇所に当て露光する。感光材料上で同一箇所を露光した二光束が干渉し、その干渉縞がホログラムとして記録される。
【０００３】
この方法では、ＯＢＪの画像を感光材料に記録するためには、レンズ等を用いて、光源からの光の径をＯＢＪの大きさに合わせて拡張あるいは縮小する必要がある。また、感光材料に記録されるパターンの大きさを拡大または縮小して記録したい場合も同様に、光の拡張または縮小が必要である。そのため、感光材料に記録できる閾値を超える光を照射するには、高出力の光源と長い描画時間を必要とする。描画時間が長い場合、記録されるパターンが振動などの影響を受けやすく、安定しない可能性がある。
【０００４】
その他、短軸が１μｍ、長軸が１００μｍ程の楕円台の大きさの回折格子を並べることで、その集合体を一つのホログラムとする方法が提案されている。また、電子銃やイオンビームの強度などを変え、材料表面を削ることで材料表面にレリーフを作り、ホロログラムとする方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平９−６２２０号公報
【特許文献２】特開平１１−５２１１５号公報
【特許文献３】特開２００６−１１３４２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記のように、光の照射によりレリーフ（凹凸）を生じることで、ホログラムを作製する方法では、画点一つ一つに階調性を持たせることはできない。すなわち、回折率の違いによって階調を表現することができない。
【０００７】
本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、その課題は、低出力でホログラムを安定して描画でき、画点毎の階調表現が可能なホログラムの作製方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態によれば、ホログラム作製方法は、アゾベンゼンを含む感光材料に光を入射することにより直接描画法でホログラムを作製する方法であって、前記感光材料上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて前記１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを前記感光材料上に並べて形成することにより、ホログラムを作製する方法である。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、第１の実施形態に係るホログラム作製装置を概略的に示す図。
【図２】図２は、光源の出力を一定にした時の露光時間と回折率の関係を表すグラフ。
【図３】図３は、前記ホログラム作製装置の光束伝播状態を示す平面図。
【図４Ａ】図４Ａは、光源の出力を一定にした時の装置の動作を示すフローチャート。
【図４Ｂ】図４Ｂは、図４Ａのフローチャートの一部を詳細に示すフローチャート。
【図５】図５は、アゾベンゼンに含まれる構造式を示す図。
【図６】図６は、５階調を表現する際の露光時間と回折率との関係を示す図。
【図７】図７は、直線近似できる範囲で５階調を表現する露光時間と回折率との関係を示す図。
【図８】図８は、反射ミラーと集光用のレンズの代わりに凹面鏡９を用いた第１変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図９Ａ】図９Ａは、集光用のレンズの後にレンズを入れ平行光にして露光する第２変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図９Ｂ】図９Ｂは、凹面鏡を用いて集光後、レンズを入れ平行光を露光する第３変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１０】図１０は、ポリゴンミラーで描画位置を変更する機構を備える第４変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１１】図１１は、複数のビームスプリッターまたはハーフミラーで分岐を増やした第５変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１２】図１２は、複数のビームスプリッターまたはハーフミラーで分岐を増やした第６変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１３】図１３は、複数の光源とビームスプリッターまたはハーフミラーを用いた第７変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１４】図１４は、複数の光源とビームスプリッターまたはハーフミラーを用いた第８変形例に係るホログラム作製装置を概略的に示す平面図。
【図１５】図１５は、第９変形例に係るホログラム作製方法を示すフローチャート。
【図１６】図１６は、図１５に示すフローチャートの一部を詳細に示すフローチャート。
【図１７】図１７は、第２の実施形態に係るホログラム作製装置によるホログラム作製方法を示すフローチャート。
【図１８】図１８は、図１７に示すフローチャートの一部を詳細に示すフローチャート。
【図１９】図１９は、露光時間を一定にした時の光のパワー密度と回折率の関係を表すグラフ。
【図２０】図２０は、５階調を表現する際の光のパワー密度と回折率との関係を示す図。
【図２１】図２１は、直線近似できる範囲で５階調を表現するパワー密度と回折率との関係を示す図。
【図２２】図２２は、ステージがレンズの焦点に近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２３】図２３は、凹面鏡の焦点にステージが近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２４】図２４は、平行光にするレンズの位置が集光レンズの焦点に近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２５】図２５は、平行光にするレンズの位置が凹面鏡の焦点に近づく位置関係にする方法の実施形態を概略的に示す図。
【図２６】図２６は、ビーム径を変える実施形態のうち、ポリゴンミラーで描画位置を変更する実施形態を概略的に示す図。
【図２７】図２７は、ビーム径を変える実施形態のうち、ポリゴンミラーで描画位置を変更する他の実施形態を概略的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら実施形態について、詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るホログラム作製装置を概略的に示し、図２は、階調を表現する際の、光源の出力を一定とした時の露光時間と回折率の関係を示し、図３は、ホログラム作製装置における光の伝播を拡大して示すものである。
【００１１】
図１および図３に示すように、表面(レリーフ)ホログラム作製装置１００は、コヒーレントな光を出射する光源１と、光源１から発振したコヒーレントな光の進行を制御、すなわち、遮蔽あるいは通過を制御するシャッター２と、シャッター２を通過した光を複数、例えば、２光に分光するビームスプリッターまたはハーフミラー３などの分岐光学部材と、を備えている。ホログラム作製装置は、ホログラムを描写する感光材料１６が載置されるステージ６と、分光された２光束の進行方向を変える反射光学部材、例えば、反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃと、２光束を所望のビーム径に集光し、ステージ６上の感光材料１６上で二光束が重なり合うように入射させる２つのレンズ５ａ、５ｂと、を備えている。
【００１２】
変更手段として機能するステージ６は、二光束のどちらとも垂直な方向に回転軸を持ち、その回転軸と平行な方向と回転軸に垂直な方向の少なくとも２軸方向に移動できる機構をもったステージである。ステージ６は、描画する面上に二光束の交点があり、かつ描画面がステージ６の回転軸に垂直な方向と平行で、二光束の成す角の二等分線と垂直になるように設置する。
【００１３】
更に、ホログラム作製装置１００は、光源１、シャッター２の開閉、ステージ６の移動を制御する制御装置７を備え、この制御装置７は、ケーブル８により光源、シャッター、ステージに接続されている。以下の説明では特に断りの無い限り、光源１、シャッター２、ステージ６は制御装置７にケーブル８で接続された状態で存在するものとして図は省略する。
【００１４】
上記ホログラム作製装置１００では、光源１から発振したコヒーレントな光の進行をシャッター２を開閉することで制御し、進行した光はビームスプリッターまたはハーフミラー３で分岐される。分岐された二光束をそれぞれ、反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃで進行方向を変え、２光束のなす角度が１０ないし５０度、例えば３０度となるように、それぞれの光束をレンズ５ａ、５ｂを用いて所望のビーム径に集光し、ステージ６上にある感光材料１６上で二光束が重なり合うように入射させることで、光の干渉縞を感光材料１６に記録する。
【００１５】
感光材料１６としては、例えばアゾベンゼンのような、少なくとも一定の範囲の露光時間において回折率が単調増加する感光材料、また、少なくとも一定の範囲の光源のパワー密度において回折率が単調増加する感光材料を用いる。図５は、アゾベンゼンとしてもっとも基本的な構造式を示している。アゾベンゼン化合物にはこの構造が必ず含まれ、その中で、左右のベンゼン間の水素部分を置換してできる誘導体でもＮの二重結合とＮにベンゼン間のついた基本構造を有している。
【００１６】
干渉縞で形成されるドット１１は、図２に示すような露光時間と回折率のデータに基づいて、制御装置７によって制御されたシャッター２の解放時間すなわち露光時間により回折率を制御することができる。図１に示すように、制御装置７によってステージ６を移動させ、ドット１１を複数並べることによってそのドットの集合で所望の画像（ホログラム）２０を記録する。すなわち、感光材料１６上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを感光材料１６上に並べることにより、ホログラムを作製する。
【００１７】
図４Ａ、４Ｂは、ホログラム作製装置の動作、すなわち、ホログラム作製方法を示すフローチャートである。図４Ａに示すように、描画開始と共にシャッター２を閉じた状態にする（Ｓ１１）。シャッター２が閉じていた場合はその状態を維持する。描画したい画像を制御装置７に取り込み(Ｓ１２)、取込んだ画像の解像度を入力された所望の解像度に変換する(Ｓ１３)。描画するホログラムパターンのパターン指示データは、例えば、ビットマップ形式のデジタル画像データとする。
【００１８】
制御装置７により、解像度変更後の画素毎の階調判定および画素毎の露光時間の決定を行う（Ｓ１４）。より詳しくは、図４Ｂに示すように、制御装置７により画像の最初の画素の階調（Ｋ）を読み取る(Ｓ１４-１)。続いて、解像度変更前の画像(以下、元画像という)の最高階調数(実質的には最高階調＋１)を、表現したい階調（Ｋｗ:Ｓ１２とＳ１３の間に入力された階調)で割った商で、最初の画素の階調（Ｋ）を割った商の値をＫｎに代入する(Ｓ１４-２)。
【００１９】
ｉ＝０とし、Ｋｎ≦Ｋｗ−iの真偽を判定する(Ｓ１４−３)。偽の場合にはｉ＝ｉ＋１を代入し、再度判定し、真の場合にはｉの値、すなわち、その画素の階調に合わせて、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとし、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる各露光時間を、図２に示した露光時間と回折率のグラフから読み取った値を露光時間としてセットする(Ｓ１４-４)。
【００２０】
次いで、全画素の階調判定が終了したかどうかを判定し、ＹＥＳの場合は、描画点への移動情報と描画点での露光時間すなわち、シャッター解放時間を制御装置７に格納(Ｓ１５)し、ＮＯの場合は次の画素の階調判定(Ｓ１４-１)へ戻る(Ｓ１４-５)。
【００２１】
続いて、図４Ａに示すように、描画点への移動情報と描画点での露光時間情報を制御装置７に格納した後（Ｓ１５）、この情報に基づいて、ステージ６を移動し、描画点で停止する(Ｓ１６)。この状態で、制御装置７はシャッター２を開き、光源１から光を出射し、感光材料１６の露光(描画)を開始する(Ｓ１７)。ここでは、光源１からの光出力は一定としている。露光時間経過後、制御装置７はシャッター２を閉じる(Ｓ１８)。次いで、描画終了の判定（全ての画素を描画したか判定)し（Ｓ１９）、ＮＯの場合はステージ６の移動(Ｓ１６)へ戻り、ＹＥＳの場合は描画を終了する。
【００２２】
表現する階調を５とする場合の露光時間の決定方法について説明する。図６に示すように、回折率ＤがＤ＝α、２α、３α、４α、５α（＝Ｄｍ）とグラフ上の交点から横軸上に垂線を下ろし、その垂線と横軸との交点ｔ１からt５を各階調の露光時間とする。
【００２３】
あるいは、図７に示すように、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率と露光時間の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるまでの時間をＴｍとして以下の式に従って算出し各階調の露光時間ｔ１ないしｔ５を決定しても良い。
ｔ＝Ｔｍ÷Ｋｗ×ｉ
階調毎の露光時間がグラフから判断できる方法であれば上記方法に限定されることはない。
【００２４】
以上のように構成されたホログラム作製装置１００およびホログラム作製方法によれば、アゾベンゼン材料で形成された感光材料にホログラムを描画する際、目的の画像情報を点描し、階調を有するドットを形成し、このドットを並べてホログラムを描画することにより、描画の際の光源出力を低減することが可能となる。分岐した光源の光をレンズを用いて集光後、２方向から重ね合わせ干渉させることで、１ドットを回折格子として描画することができる。レンズ等を用いて集光することにより、パワー密度を上げることで、１ドットの描画時間を短くすることができ、描画中の振動等の影響を軽減し、記録される画像の安定化を図ることができる。描画サイズおよび完成画像の解像度を容易に変更することが可能となる。光源の出力を一定にした場合、露光時間と回折率の関係が単調増加である範囲を利用して、回折率の違いによってホログラムの階調を表現することができる。ドット毎の輝度調整による画像の階調表現が可能となる。感光材料が載置されたステージの走査により、完成した画像のサイズをステージの移動範囲で、任意にかつ簡便に変更することが可能となる。２方向に分岐した光のなす角θを、描画点において１０〜５０度とすることにより、以下の表１に示すように、完成したホログラムの視認性を良好にすることができる。
【表１】
【００２５】
次に、種々の変形例に係るホログラム作製装置およびホログラム作製方法について説明する。なお、以下に説明する変形例において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
【００２６】
（第１変形例）
図８は、第１変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態では、光源１から発振した光を集光する手段としてレンズ５を用いているが、反射ミラー４ａ、４ｃを凹面鏡９ａ、９ｂに変更して集光し、レンズ５を取り除く、あるいは、２枚ある反射ミラーの一方のみを凹面鏡に変えるなどして、レンズでの集光と凹面鏡による集光を組み合わせることも可能である。
【００２７】
（第２変形例）
図９Ａは、第２変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態では、レンズ５ａ、５ｂで集光した光をそのまま感光材料１６に照射しているが、集光後にレンズ１０ａ、１０ｂを入れ、２つの光束を平行光にした後、感光材料１６に照射することも可能である。
【００２８】
（第３変形例）
図９Ｂは、第３変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１変形例では、凹面鏡９ａ、９ｂで集光した光をそのまま感光材料１６に照射しているが、集光後にレンズ１０ａ、１０ｂを入れ、２つの光束を平行光にした後、感光材料１６に照射してもよい。
【００２９】
（第４変形例）
図１０は、第４変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態、第１ないし第３変形例では、ステージ６を移動することにより描画点の位置を変えているが、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、集光後に変更手段として機能するポリゴンミラー１２などを挿入し、光の進行方向を変えることによって、描画点の位置を変更する構成としてもよい。この際、制御装置７は、ポリゴンミラー１２の駆動部に接続され、ポリゴンミラーの回転を制御する。
ポリゴンミラーによる光の走査により、完成した画像のサイズをポリゴンミラーにより光を走査できる範囲で、任意にかつ簡便に変更することができる。
【００３０】
（第５変形例）
図１１は、第５変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第１の実施形態、第１ないし第３変形例では、光源１から発振した光をビームスプリッターまたはハーフミラー３で分岐する回数が１回であるが、図１１に示すように、複数のビームスプリッターまたはハーフミラー３を用いて、複数回分岐を行い、感光材料１６上に、２画点以上、同時に描画することも可能である。分岐後の光の進行方向を変える際は、１つの反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃで複数の光束を反射してもよい。
【００３１】
（第６変形例）
図１２は、第６変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。第５変形例のように、複数のビームスプリッターまたはハーフミラー３を用いて、光束を複数回分岐し、感光材料１６上に２画点以上、同時に描画する場合、図１２に示すように、光束の数に合わせて反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃを複数枚ずつ用いても良い。また、シャッター２の位置はそれ以降、分岐を行わない光束上で、描画点で重ね合わせる二光束のうちの一方を遮る機能があれば良い。複数枚の反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃと集光レンズ５の代わりに凹面鏡９を用いることも可能である。シャッター２の位置は、ビームスプリッターまたはハーフミラー３の後に置くことは必須ではなく、光源１の直後に置いても、分岐後の一方の光束上に配置することも可能である。
【００３２】
（第７変形例）
図１３は、第７変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。前述した第５、第６変形例では、１つの光源１に対して複数のビームスプリッターまたはハーフミラー３を用いて光源１から出射した光を複数回分岐しているが、図１４に示すように、複数の光源１を設け、これらの光源から出射した光を１つのビームスプリッターまたはハーフミラー３で１回ずつ分岐する構成としてもよい。分岐後の光の進行方向を変える際は、反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃの各々で複数の光束を反射してもよい。
【００３３】
（第８変形例）
図１４は、第７変形例に係るホログラム作製装置１００を示している。第７変形例のように、複数の光源１を用いて、光束を複数に分岐し、感光材料１６上に２画点以上、同時に描画する場合、図１４に示すように、光束の数に合わせて反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃを複数枚ずつ用いても良い。また、シャッター２の位置はそれ以降、分岐を行わない光束上で、描画点で重ね合わせる二光束のうちの一方を遮る機能があれば良い。複数枚の反射ミラー４ａ、４ｂ、４ｃと集光レンズ５の代わりに凹面鏡９を用いることも可能である。シャッター２の位置は、ビームスプリッターまたはハーフミラー３の後に置くことは必須ではなく、光源１の直後に置いても、分岐後の一方の光束上に配置することも可能である。
【００３４】
（第９変形例）
図１５および図１６は、第９変形例に係るホログラム作製方法のフローチャートを示している。前述した第１の実施形態では、最初の描画点への移動前に、すべての画素について階調判定および露光時間の決定を行っているが、図１５および図１６に示すように、移動中に次の画素の階調判定および露光時間の決定を行うことも可能である。
【００３５】
次に、他の実施形態に係るホログラム作製方法について説明する。なお、以下に説明する実施形態において、前述した第１の実施形態と同一の部分には、同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に詳しく説明する。
【００３６】
（第２の実施形態）
図１７および図１８は、第２の実施形態に係るホログラム作製装置の動作、すなわち、ホログラム作製方法を示すフローチャート、図１９は、階調を表現する際の、露光時間を一定とした時の光源のパワー密度と回折率の関係を示している。ホログラム作製装置は、前述した第１の実施形態と同一の構成を用いることができる。
【００３７】
第１の実施形態では、光源の出力を一定とし、露光時間を変えることにより、回折率、すなわち、階調を調整する構成としたが、第２の実施形態では、露光時間を一定とし、光源のパワー密度を変えることにより、描画されるホログラムの階調を表現する。
【００３８】
図１７および図１８に示すように、第２の実施形態において、描画開始と共にシャッター２を閉じた状態にする（Ｓ２１）。シャッター２が閉じていた場合はその状態を維持する。描画したい画像を制御装置７に取り込み(Ｓ２２)、取込んだ画像の解像度を入力された所望の解像度に変換する(Ｓ２３)。描画するホログラムパターンのパターン指示データは、例えば、ビットマップ形式のデジタル画像データとする。
【００３９】
制御装置７により、解像度変更後の画素毎の階調判定および画素毎の露光時間の決定を行う（Ｓ２４）。より詳しくは、図４Ｂに示すように、制御装置７により画像の最初の画素の階調（Ｋ）を読み取る(Ｓ２４-１)。続いて、解像度変更前の画像(以下、元画像という)の最高階調数(実質的には最高階調＋１)を、表現したい階調（Ｋｗ:Ｓ１２とＳ１３の間に入力された階調)で割った商で、最初の画素の階調（Ｋ）を割った商の値をＫｎに代入する(Ｓ２４-２)。
【００４０】
ｉ＝０とし、Ｋｎ≦Ｋｗ−iの真偽を判定する(Ｓ２４−３)。偽の場合にはｉ＝ｉ＋１を代入し、再度判定し、真の場合にはｉの値、すなわち、その画素の階調に合わせて、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとし、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる光源１の出力を、図１９に示したパワー密度と回折率のグラフから読み取った値にビーム径から算出した露光面積を乗じて光源の出力としてセットする(Ｓ２４-４)。
【００４１】
次いで、全画素の階調判定が終了したかどうかを判定し、ＹＥＳの場合は、描画点への移動情報と描画点での光源の出力を制御装置７に格納(Ｓ２５)し、ＮＯの場合は次の画素の階調判定(Ｓ２４-１)へ戻る(Ｓ２４-５)。
【００４２】
続いて、図４Ａに示すように、描画点への移動情報と描画点での露光時間情報を制御装置７に格納した後（Ｓ２５）、この情報に基づいて、ステージ６を移動し、描画点で停止する(Ｓ２６)。この状態で、制御装置７はシャッター２を開き、光源１から光を出射し、感光材料１６の露光(描画)を開始する(Ｓ２７)。露光時間経過後、制御装置７はシャッター２を閉じる(Ｓ２８)。次いで、描画終了の判定（全ての画素を描画したか判定)し（Ｓ２９）、ＮＯの場合はステージ６の移動(Ｓ２６)へ戻り、ＹＥＳの場合は描画を終了する。
【００４３】
表現する階調を５とする場合の光源出力の決定方法について説明する。図２０に示すように、回折率ＤがＤ＝α、２α、３α、４α、５α（＝Ｄｍ）とグラフ上の交点から横軸上に垂線を下ろし、その垂線と横軸との交点Ｐ１からＰ５を各階調のパワー密度とし、これに露光面積を乗じて光源の出力とする。
【００４４】
あるいは、図２１に示すように、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率とパワー密度の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるまでのパワー密度をＰｍとして以下の式に従って算出し、パワー密度Ｐｄを決定し、光源の出力Ｐを決定しても良い。
Ｐｄ＝Ｐｍ÷Ｋｗ×i
Ｐ＝Ｐｄ×(描画点でのビーム径)2÷(光源のビーム径)2
なお、階調毎のパワー密度がグラフから判断できる方法であれば上記方法に限定されることはない。
【００４５】
以上のように構成されたホログラム作製装置およびホログラム作製方法によれば、アゾベンゼン材料で形成された感光材料にホログラムを描画する際、目的の画像情報を点描し、階調を有するドットを形成し、このドットを並べてホログラムを描画することにより、描画の際の光源出力を低減することが可能となる。描画サイズおよび完成画像の解像度を容易に変更することができるとともに、１ドットの描画時間を短くし記録される画像の安定化を図ることができる。露光時間を一定にした場合、光源のパワー密度と回折率の関係が単調増加である範囲を利用して、回折率の違いによって階調を表現することができる。ドット毎の輝度調整による画像の階調表現が可能となる。
上述した第２の実施形態においても、前述した第１ないし第９変形例を適用することが可能である。また、光源の出力の制御は、制御装置による電子的な制御に限らず、透過率の異なる複数枚のＮＤフィルターを例えば円状に並べ、回転によりメカニカルに入れ替えることにより、光源の出力を制御することも可能である。
【００４６】
次に、描画するホログラムの解像度を変更する方法について図２２から図２６を参照して説明する。第１の実施形態で示したホログラム作製装置１００のレンズ５、凹面鏡９、レンズ１０、ステージ６などの位置を調整して解像度を変更する。
完成する画像サイズを変えずに解像度を２倍にする際は、描画する完成ドットの径を半分にして描画することで実現できる。ドット径を半分にする方法は、図２２に示すように、ステージ６をレンズ５の焦点に近づく位置に移動する方法、あるいは、レンズ５を移動してその焦点をステージ６に近付ける方法がある。また、図２３に示すように、ステージ６を凹面鏡９の焦点に近づく位置に移動する方法、あるいは、凹面鏡９を移動してその焦点をステージ６に近付ける方法がある。図２４に示すように、図９Ａで示したレンズ１０の位置がレンズ５の焦点に近づく位置関係にする方法、また、図２５に示すように、図９Ｂで示したレンズ１０の位置が凹面鏡９の焦点に近づく位置関係にする方法がある。
【００４７】
上述した方法では、すべて集光した光または集光した光を平行光にしたものをステージ上の描画点に照射しているが、所望の解像度を実現するビーム径で描画点に照射する限りにおいて、図２６および図２７に示すように、ポリゴンミラー１２等で描画位置を変えて描画することも可能である。
【００４８】
以上の方法により、感光材料１６に入射する光の径を光源のビーム径、またはレンズのフォーカス、または凹面鏡等による集光の度合いを変更することで、記録される画像の解像度を容易に変更できることができる。
【００４９】
本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００５０】
１…光源、２…シャッター、３…ビームスプリッターまたはハーフミラー
４ａ、４ｂ、４ｃ…反射ミラー、５ａ、５ｂ…レンズ、６…ステージ、７…制御装置、
８…ケーブル、９…凹面鏡、１０…レンズ、１１…回折格子のドット、
１２…ポリゴンミラー、１３…レンズ、１４…反射ミラー、
１６…感光材料
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アゾベンゼンを含む感光材料に光を入射することにより直接描画法でホログラムを作製する方法であって、
前記感光材料上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて前記１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを前記感光材料上に並べて形成することにより、ホログラムを作製するホログラム作製方法。
【請求項２】
光源から出射された光を複数の光束に分岐し、分岐した光束を集光して少なくとも２方向から前記感光材料上で重ね合わせ干渉させることで、１ドットを回折格子として描画する請求項１に記載のホログラム作製方法。
【請求項３】
前記感光材料が載置されるステージを移動することにより、前記回折格子のドットを描画する位置を変更する請求項２に記載のホログラム作製方法。
【請求項４】
前記分岐した光束を走査することにより、前記回折格子のドットを描画する位置を変更する請求項２に記載のホログラム作製方法。
【請求項５】
前記１ドットを描画する際、光の出力を一定とし、階調に応じて１ドットの露光時間を変更することにより、描画する前記ドットに階調性を持たせる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のホログラム作製方法。
【請求項６】
描画する元画像の最高階調をＫｍ、表現する階調をＫｗとする時、以下の式に従って、ある画素の階調Ｋを表現したい階調Ｋｎに変換し、
Ｋｎ＝Ｋ÷｛（Ｋｍ＋１）÷Ｋｗ}
得られたＫｎがＫｎ≦Ｋｗ−ｉ (ただし、ｉは０≦ｉ≦Ｋｗを満たす整数)
となるまでｉを０から順に増加していき、Ｋｎ≦Ｋｗ−ｉを満たす時のｉを描画する階調と判定する請求項５に記載のホログラム作製方法。
【請求項７】
前記判定した階調に合わせて、光源の出力を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとして、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる各露光時間を、露光時間と回折率の関係グラフから読み取った値として露光時間ｔを決定する請求項６に記載のホログラム作製方法。
【請求項８】
前記判定した階調に合わせて、光源の出力を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率と露光時間の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるまでの時間をＴｍとして、以下の式
ｔ＝Ｔｍ÷Ｋｗ×ｉ に従って露光時間ｔを算出する請求項７に記載のホログラム作製方法。
【請求項９】
前記１ドットを描画する際、前記１ドットの露光時間を一定とし、階調に応じて光源のパワー密度を変更することにより、描画する前記ドットに階調性を持たせる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のホログラム作製方法。
【請求項１０】
描画する元画像の最高階調をＫｍ、表現する階調をＫｗとする時、以下の式に従って、ある画素の階調Ｋを表現したい階調Ｋｎに変換し、
Ｋｎ＝Ｋ÷｛（Ｋｍ＋１）÷Ｋｗ}
得られたＫｎがＫｎ≦Ｋｗ−ｉ (ただし、ｉは０≦ｉ≦Ｋｗを満たす整数)
となるまでｉを０から順に増加していき、Ｋｎ≦Ｋｗ−ｉを満たす時のｉを描画する階調と判定する請求項９に記載のホログラム作製方法。
【請求項１１】
前記判定した階調に合わせて、露光時間を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとして、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる各パワー密度Ｐ１からＰｉを、パワー密度と回折率の関係グラフから読み取った値としてパワー密度Ｐを決定する請求項１０に記載のホログラム作製方法。
【請求項１２】
前記判定した階調に合わせて、露光時間を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率と光源のパワー密度の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるパワー密度をＰｍとして以下の式 Ｐ＝Ｐｍ÷Ｋｗ×ｉ に従って算出する請求項１０に記載のホログラム作製方法。
【請求項１３】
光を発振する光源と、
光源から光を遮るための開閉自在なシャッターと、
光源から発振された光を２方向に分岐する分岐光学部材と、
光の進行方向を変える反射光学部材と、
光を集光するレンズと、
アドベンゼンを含む感光材料を支持するステージと、
前記ステージを移動あるいは前記光を走査し、前記感光材料上における光の照射位置を変更する変更手段と、
前記シャッターの開閉とその開閉時間及び、前記変更手段の動作を制御する制御部と、
を具備し、分岐した光束を集光して少なくとも２方向から前記感光材料上で重ね合わせ干渉させることで、１ドットを回折格子として前記感光材料に描画するホログラム作製装置。
【請求項１４】
前記２方向の光束のなす角が、描画点において１０ないし５０度である請求項１３に記載のホログラム作製装置。
【請求項１】
アゾベンゼンを含む感光材料に光を入射することにより直接描画法でホログラムを作製する方法であって、
前記感光材料上の特定の大きさの領域を１ドットとして、ホログラムの再生条件に応じて前記１ドットを回折格子で形成し、再生時に観察される画像のデータに基づいて前記１ドットを前記感光材料上に並べて形成することにより、ホログラムを作製するホログラム作製方法。
【請求項２】
光源から出射された光を複数の光束に分岐し、分岐した光束を集光して少なくとも２方向から前記感光材料上で重ね合わせ干渉させることで、１ドットを回折格子として描画する請求項１に記載のホログラム作製方法。
【請求項３】
前記感光材料が載置されるステージを移動することにより、前記回折格子のドットを描画する位置を変更する請求項２に記載のホログラム作製方法。
【請求項４】
前記分岐した光束を走査することにより、前記回折格子のドットを描画する位置を変更する請求項２に記載のホログラム作製方法。
【請求項５】
前記１ドットを描画する際、光の出力を一定とし、階調に応じて１ドットの露光時間を変更することにより、描画する前記ドットに階調性を持たせる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のホログラム作製方法。
【請求項６】
描画する元画像の最高階調をＫｍ、表現する階調をＫｗとする時、以下の式に従って、ある画素の階調Ｋを表現したい階調Ｋｎに変換し、
Ｋｎ＝Ｋ÷｛（Ｋｍ＋１）÷Ｋｗ}
得られたＫｎがＫｎ≦Ｋｗ−ｉ (ただし、ｉは０≦ｉ≦Ｋｗを満たす整数)
となるまでｉを０から順に増加していき、Ｋｎ≦Ｋｗ−ｉを満たす時のｉを描画する階調と判定する請求項５に記載のホログラム作製方法。
【請求項７】
前記判定した階調に合わせて、光源の出力を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとして、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる各露光時間を、露光時間と回折率の関係グラフから読み取った値として露光時間ｔを決定する請求項６に記載のホログラム作製方法。
【請求項８】
前記判定した階調に合わせて、光源の出力を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率と露光時間の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるまでの時間をＴｍとして、以下の式
ｔ＝Ｔｍ÷Ｋｗ×ｉ に従って露光時間ｔを算出する請求項７に記載のホログラム作製方法。
【請求項９】
前記１ドットを描画する際、前記１ドットの露光時間を一定とし、階調に応じて光源のパワー密度を変更することにより、描画する前記ドットに階調性を持たせる請求項１ないし４のいずれか１項に記載のホログラム作製方法。
【請求項１０】
描画する元画像の最高階調をＫｍ、表現する階調をＫｗとする時、以下の式に従って、ある画素の階調Ｋを表現したい階調Ｋｎに変換し、
Ｋｎ＝Ｋ÷｛（Ｋｍ＋１）÷Ｋｗ}
得られたＫｎがＫｎ≦Ｋｗ−ｉ (ただし、ｉは０≦ｉ≦Ｋｗを満たす整数)
となるまでｉを０から順に増加していき、Ｋｎ≦Ｋｗ−ｉを満たす時のｉを描画する階調と判定する請求項９に記載のホログラム作製方法。
【請求項１１】
前記判定した階調に合わせて、露光時間を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値をＤｍとして、Ｄｍ÷Ｋｗ＝αとして、回折率がｉα(ｉα≦Ｄｍ)となる各パワー密度Ｐ１からＰｉを、パワー密度と回折率の関係グラフから読み取った値としてパワー密度Ｐを決定する請求項１０に記載のホログラム作製方法。
【請求項１２】
前記判定した階調に合わせて、露光時間を一定にした状態で、描画する回折格子の回折率の最高値Ｄｍを回折率と光源のパワー密度の関係が線型であるまたは線型として近似できる範囲にすることで、回折率が０から最高値Ｄｍになるパワー密度をＰｍとして以下の式 Ｐ＝Ｐｍ÷Ｋｗ×ｉ に従って算出する請求項１０に記載のホログラム作製方法。
【請求項１３】
光を発振する光源と、
光源から光を遮るための開閉自在なシャッターと、
光源から発振された光を２方向に分岐する分岐光学部材と、
光の進行方向を変える反射光学部材と、
光を集光するレンズと、
アドベンゼンを含む感光材料を支持するステージと、
前記ステージを移動あるいは前記光を走査し、前記感光材料上における光の照射位置を変更する変更手段と、
前記シャッターの開閉とその開閉時間及び、前記変更手段の動作を制御する制御部と、
を具備し、分岐した光束を集光して少なくとも２方向から前記感光材料上で重ね合わせ干渉させることで、１ドットを回折格子として前記感光材料に描画するホログラム作製装置。
【請求項１４】
前記２方向の光束のなす角が、描画点において１０ないし５０度である請求項１３に記載のホログラム作製装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【公開番号】特開２０１３−６４９５６（Ｐ２０１３−６４９５６Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０４７８８（Ｐ２０１１−２０４７８８）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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