[論文レビュー] Direct-Write Digital Holography. Development and research of a hologram printer

John Tapsell|ArXiv.org|Feb 3, 2009

Advanced Optical Imaging Technologies参考文献 57被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、液体結晶を用いたシリコン上に配置した（LCOS）ディスプレイを用いて干渉縞をドットマトリクス順に投影することで、白色光視認可能な透過型ホログラムを直接作成するデジタルホログラフィー方式を提示する。本システムはマイクロレンズアレイと無焦点望遠鏡を用いて回折効率、コントラスト、視野深度を向上させ、0.3 mmピクセル解像度で1秒間に40ホロピクセルの速度を達成した。これは、高解像度でオフィス環境でも使用可能なホログラム印刷への実現可能性を示している。

ABSTRACT

Chapter 1 gives a brief history of the field of holography along with an overview of this thesis. A more detailed description of holography is provided in Chapter 2 along with a discussion of digital holography. Chapter 3 examines the design of a one-step monochromatic hologram printer capable producing white-light viewable transmission holograms created with the aid of an LCOS display system and printed in a dot-matrix sequence. The lens system employed includes a microlens array and an afocal relay telescope which are both quantitatively examined in order to maximise the contrast, diffraction efficiency and depth of view of the final hologram image. A brief overview of speckle reduction techniques and their applicability to pulsed digital holography is presented along with experimental results of the use of a microlens array to reduce speckle effects. Chapter 4 presents an analysis of the unwanted side effects of the angular intensity distribution of a hologram pixel, using a case study for analysis. Chapter 5 examines methods for increasing both the printing speed and resolution of the hologram printer. Chapter 6 describes the analysis and design of a temperature-energy feedback system to correct for pulsed laser instabilities arising from mode beating due to temperature variations. Chapter 7 provides a conclusion to the work and discusses possible future developments.

研究の動機と目的

• 白色光視認可能な透過型ホログラムを1工程で作成可能なモノクロホログラムプリンタの設計および構築を目的とする。
• 特にマイクロレンズアレイと無焦点望遠鏡を最適化し、最大の回折効率、コントラスト、視野深度を達成する光学系の最適化を目的とする。
• マイクロレンズアレイを用いてパルス型デジタルホログラフィーにおけるスペーキルノイズを低減し、その有効性を評価することを目的とする。
• 高出力供給、ソフトウェア制御、ステージ移動の向上により、印刷速度と解像度を向上させることを目的とする。
• 熱的ドリフトによるモード混合を補償するため、温度-エネルギーフィードバックシステムを用いてレーザー出力を安定化させることを目的とする。

提案手法

• パルスレーザー光源とLCOS空間光変調器を用いて、ドットマトリクス順にホログラフィック干渉縞を生成する。
• マイクロレンズアレイと無焦点中継望遠鏡（L1–L4）を用いてビームを整形・中継し、波面品質を向上させ、ビーム発散を低減する。
• 定量的光学モデリングを適用し、ホログラム像質を最大化するための最適な焦点距離およびレンズ間隔を決定する。
• カスタムエネルギー計とデジタル温度制御装置を統合し、キャビティ長の変化を補償するため、加熱された金属ブロックの調整により、レーザー出力をモニタリングおよび安定化する。
• ソフトウェアベースの画像事前処理およびステージ制御を実装し、印刷速度と解像度を向上させる。
• 温度とエネルギー測定を組み合わせたフィードバックループを用いて、熱的ドリフトおよびモード混合によって引き起こされるレーザー不安定性を動的に補正する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1工程で高コントラストで白色光視認可能な透過型ホログラムを生成できる直接的ホログラムプリンタは、どのように設計できるか？
• RQ2 マイクロレンズアレイと無焦点望遠鏡のどの光学的構成が、印刷ホログラムにおける回折効率、コントラスト、視野深度を最大限に高めるか？
• RQ3 マイクロレンズアレイは、パルス型デジタルホログラフィーにおけるスペーキルノイズをどの程度低減できるか？また、スペーキルの空間的構造にどのような影響を与えるか？
• RQ4 熱的ドリフトによって引き起こされるレーザー不安定性は、どのように補償可能か？これにより一定のエネルギー出力を維持できるか？
• RQ5 印刷速度と解像度をオフィスプリンタの基準に近づけるために、ハードウェア、ソフトウェア、フィードバック制御のどのシステムレベルの改善が必要か？

主な発見

• ホログラムプリンタは、0.3 mmの直径で1秒間に40ホロピクセルの印刷速度を達成し、初期の4ホロピクセル/秒と比べて顕著に向上した。
• マイクロレンズアレイにより、スペーキル繰返し構造のサイズが約2.5倍小さくなり、有効なスペーキル相関性の低下が示された。
• 温度-エネルギーフィードバックシステムにより、熱的ドリフトの補償が成功し、時間経過に伴う安定したエネルギー出力を維持できた。
• 無焦点望遠鏡およびマイクロレンズアレイを含む光学系の設計により、回折効率とコントラストが向上し、高品質な白色光視認可能なホログラムの実現が可能になった。
• ガウスビームプロファイルを用いることで、最適な再生角度での明るさが向上したが、オフアングルの強度は低下した。これにより、有効な視認範囲が拡大された。
• 600 DPI（ピクセルサイズ0.04 mm）へのスケーリングの可能性が立証されたが、50 HzでA4サイズのホログラムを印刷するには8日間を要するため、アライメントと速度の課題が浮き彫りになった。