JP2004126535A

JP2004126535A - Hologram observation tool and computer hologram for the same

Info

Publication number: JP2004126535A
Application number: JP2003205316A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Kitamura; 北村　満
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2004-04-22
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: JP4360526B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a hologram observation tool, which enables a light pattern with high diffraction efficiency to be seen replacing a light source in a scene, make a conjugate image and a high-order image unnoticeable even when they appear, and is easily manufactured having specified characteristics, and a computer hologram for the same. <P>SOLUTION: The hologram observation tool is configured to have the computer hologram 20, constituted as a transmission type Fourier transformation hologram, fitted in a frame and is characterized in that an original image pattern reproduced with a specified wavelength of a diffraction grating having grating intervals 2α<SB>x</SB>, 2α<SB>y</SB>twice as large as pitches δ<SB>x</SB>, δ<SB>y</SB>of fine cells 21 constituting the computer hologram 20 is recorded in a range ≤2/3 time of the reproduced image region 30 of the computer hologram defined with the range sandwiched between diffracted lights of (±1)st order of the specified wavelength. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム観察具とそのための計算機ホログラムに関し、特に、作りやすく、ホログラムメガネを通して見える画像が安定して明るいホログラムメガネとそのための計算機ホログラムに関するものである。
【従来の技術】
特許文献１においてホログラムメガネが提案されている。このホログラムメガネは、図７（ａ）に斜視図を示すような構成になっている。すなわち、メガネフレーム１の両眼用の枠内には、２つの透過型ホログラム２、３が嵌め込まれている。この透過型ホログラム２、３を用いたメガネを掛けて図７（ｂ）に示すような小面積の光源４、５、６、７を含むシーンを見ると、例えば図７（ｃ）に示すように見える。すなわち、図７（ｂ）の実際のシーンにおける光源４、５、６、７がそれぞれ予め選択されたパターン「ＮＯＥＬ」８、９、１０、１１に置き替わったシーンとして見える。このような特性を持つ透過型ホログラム２、３としては、計算機ホログラムとして構成された上記パターン「ＮＯＥＬ」のフーリエ変換ホログラム（フラウンホーファーホログラム）が用いられる。
【特許文献１】
米国特許第５，５４６，１９８号明細書
【非特許文献１】
日本光学会（応用物理学会）主催　第２２回冬期講習会テキスト「ホログラムと回折型光学素子−基礎理論から産業応用まで−」ｐｐ．３６〜３９
【発明が解決しようとする課題】
計算機によって得られるフーリエ変換ホログラムは、そのホログラムに記録されるパターン（上記の例では、「ＮＯＥＬ」）を含む制限された矩形領域を縦横に碁盤目状のセルに区切って、セル位置に対応するパターン部分の情報を各セルに持たせ、その限られた数のセルからなるパターンを遠方のホログラム領域にフーリエ変換して投影して構成されているもので、実際には、ホログラム領域も記録するパターン領域と同様に縦横に碁盤目状のセルに区切って、記録するパターンのフーリエ変換された各セル位置の振幅情報と位相情報を記録してなるものである。
このように、予め選択されたパターンを記録したフーリエ変換計算機ホログラムは、有限の数のセルからなるものであるため、回折効率が必ずしも高くなく、上記のホログラムメガネを通して見えるパターンは必ずしも明るいものではなく、また、そのパターンに共役像が重なって見え、さらには、主たるパターンの周囲に近接して高次回折像が見えてしまい、見やすく十分な特性のものと言うことはできなかった。
また、このような計算機ホログラムの作製には、高速フーリエ変換によって作製されたマスクを使用するフォトリソグラフィーの技術が用いられるが、マスクの描画パターンが非常に微細であるため、安定的に所定のパターンを再生する計算機ホログラムを作製することは容易ではない。
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、高回折効率で明るいパターンがシーン中の光源に置き替わって見え、共役像、高次像が出ても気にならず、かつ、所定の特性のものの作製が容易なホログラム観察具とそのための計算機ホログラムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラム観察具は、枠内に透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成された計算機ホログラムが嵌め込まれてなるホログラム観察具において、前記計算機ホログラムには、前記計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_ｘ、δ_ｙの２倍２δ_ｘ、２δ_ｙの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とするものである。
この場合に、計算機ホログラムには、計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることが望ましい。
また、計算機ホログラムは、位相ホログラムからなることが望ましい。
また、計算機ホログラムの位相分布が４段階以上に多値化されていることが望ましい。
本発明の計算機ホログラムは、観察具用の透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成されホログラム観察具用の計算機ホログラムにおいて、その計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_ｘ、δ_ｙの２倍２δ_ｘ、２δ_ｙの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とするものである。
この場合に、計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることが望ましい。
また、この計算機ホログラムは位相ホログラムからなることが望ましい。
また、位相分布が４段階以上に多値化されていることが望ましい。
本発明においては、計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_ｘ、δ_ｙの２倍２δ_ｘ、２δ_ｙの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されているので、明るく、共役像、高次像が目立たないパターンが、観察具を通して見ているシーン中の光源に置き替わって見え、かつ、所定の特性のものの作製が容易な、ホログラム観察具用の計算機ホログラムからなるフーリエ変換ホログラムが得られる。
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のホログラム観察具とそのための計算機ホログラムの実施例を説明する。
図１に、本発明のホログラムメガネの枠に嵌め込まれる計算機ホログラム２０（図７（ａ）の透過型ホログラム２、３に相当）とそれから再現される像領域３０とを模式的に示す。計算機ホログラム２０はフーリエ変換ホログラムであり、碁盤目状に配置された縦方向（ｙ軸方向）の寸法δ_ｙ、横方向（ｘ軸方向）の寸法δ_ｘの微小なセル２１の集合体からなり、本実施例においては、後記のように、各セル２１は位相情報のみを持つ。セル２１はｘ軸方向に２^ｍ個、ｙ軸方向に２^ｎ個配置されている。
一方、この計算機ホログラム２０から十分に遠方に配置される像領域３０は、計算機ホログラム２０に対応してｘ軸方向に同じ２^ｍ個、ｙ軸方向に同じ２^ｎ個配置されたセル３１の集合体からなり、各セル３１は縦方向（ｙ軸方向）寸法Δ_ｙ、横方向（ｘ軸方向）寸法Δ_ｘであり、像領域３０全体のｘ軸方向長さはＬ_ｘ、ｙ軸方向長さはＬ_ｙである。
なお、像領域３０のｘ軸方向長さＬ_ｘ、ｙ軸方向長さＬ_ｙは、計算機ホログラム２０のセル２１のそれぞれｘ軸方向寸法δ_ｘ、ｙ軸方向寸法δ_ｙと関係しており、計算機ホログラム２０からの回折角で表すと（計算機ホログラム２０から十分に遠方の位置に像領域３０があるので、Ｌ_ｘ、Ｌ_ｙは角度で表現した方がよい。）、Ｌ_ｘは空間周波数１／（２δ_ｘ）の回折格子の±１次回折光で挟まれる範囲に対応し、Ｌ_ｙは空間周波数１／（２δ_ｙ）の回折格子の±１次回折光で挟まれる範囲に相当する。これは、計算機ホログラム２０に記録される最大空間周波数がｘ軸方向で１／（２δ_ｘ）、ｙ軸方向で１／（２δ_ｙ）であることに対応している。
このような配置関係で、計算機ホログラム２０の正面から所定波長の平行光１５が入射すると、計算機ホログラム２０の裏面側に回折光１６が生じ、遠方の像領域３０に計算機ホログラム２０に記録されたパターン、例えば後記のような「Ｆ」の字が再生される。したがって、このような計算機ホログラム２０をメガネのレンズの代わりに用いて計算機ホログラム２０の正面方向を見ると、その「Ｆ」の字が見えることになる。そのため、例えば図７（ｂ）に示すようなシーンをこの計算機ホログラム２０を介して見ると、光源４、５、６、７がパターン「Ｆ」に置き替わったシーンとして見えることになる。
このような計算機ホログラム２０がパターン「Ｆ」を再生するように各セル２１の位相情報を計算して求める実施例を説明する。この方法は、再生像面に所定の回折光を与えるために、再生像面とホログラム面との間で束縛条件を加えながらフーリエ変換と逆フーリエ変換を交互に繰り返しながらホログラム面に配置する計算機ホログラムを求める方法であり、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ反復計算法として知られている方法である（例えば、非特許文献１）。
ここで、分かりやすくするため、再生像面３０での原画の振幅分布（画素値）をＡ_ＩＭＧ（ｘ，ｙ）、再生像面３０での原画の位相分布をφ_ＩＭＧ（ｘ，ｙ、）、ホログラム面２０での振幅分布をＡ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）、ホログラム面２０での位相分布をφ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）とする。図２に示すように、ステップ（１）で、再生像面３０領域で、記録する原画の画素値をＡ_ＩＭＧ（ｘ，ｙ）として与え、原画の位相分布をランダムな値に初期化して、ステップ（２）で、その初期化した値にフーリエ変換を施す。ステップ（３）で、フーリエ変換で得られたホログラム面２０での振幅分布Ａ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）を１にし、位相分布φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）を所定の多値化（量子化）する束縛条件が付与される。そのような束縛条件が付与された後、ステップ（４）で、その束縛条件を付与した振幅分布Ａ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）と位相分布φ_ＨＯＬＯにフーリエ逆変換が施される。ステップ（５）で、そのフーリエ逆変換で得られた再生像面３０での振幅分布Ａ_ＩＭＧ（ｘ，ｙ）が原画の画素値と略等しいと収束判定された場合に、ステップ（３）で多値化（量子化）された位相分布φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）が計算機ホログラム２０のセル２１に与えられる位相分布となる。ステップ（５）の収束判定で、フーリエ逆変換で得られた振幅分布Ａ_ＩＭＧ（ｘ，ｙ）が原画の画素値と等しくないと判定されると、ステップ（６）で、そのフーリエ逆変換で得られた振幅分布Ａ_ＩＭＧ（ｘ，ｙ）の代わりに原画の画素値を与え、フーリエ逆変換で得られた位相分布φ_ＩＭＧ（ｘ，ｙ）はそのままとする束縛条件が付与される。そのような束縛条件が付与された後、ステップ（２）→（３）→（４）→（５）→（６）のループがステップ（５）の条件が満足されるまで（収束するまで）繰り返され、最終的な所望の計算機ホログラム２０が得られる。
また、ステップ（３）で位相分布φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）を多値化する処理を行わず、ステップ（５）の条件が満足された後に、所定の多値化する処理を行うようにしてもよい。
このようにして求めた多値化した位相分布φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）から、実際のホログラムの深さ分布を求めるが、本発明のような透過型の場合は、次の式（１）に基づいて、計算機ホログラム２０の深さＤ（ｘ，ｙ）に変換する。
Ｄ（ｕ，ｖ）＝λφ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）／｛２π（ｎ_１−ｎ_０）｝・・・（１）
ここで、λは使用中心波長、ｎ_１，ｎ_０は透過型ホログラムを構成する２つの材質の屈折率である。そして、図３に断面図を例示するように、透明基板１７の表面に上記式（１）で求めたＤ（ｕ，ｖ）の深さのレリーフパターン１８を形成することによって、本発明の計算機ホログラム２０が得られる。図３の場合は、φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）を０，π／２，π，３π／２の４段階に多値化した例である。なお、上記のホログラム面２０での座標（ｕ，ｖ）は、再生像面３０での座標（ｘ，ｙ）と区別するためのものであり、座標軸の方向としては、ｕ軸方向はｘ軸方向に、ｖ軸方向はｙ軸方向に対応する。
ところで、本発明による計算機ホログラム２０は、前記したように、像領域３０のｘ軸方向長さＬ_ｘ、ｙ軸方向長さＬ_ｙの範囲内で任意の大きさの任意のパターンが再生できるように記録できるが、再生されるパターンの寸法が縦横寸法Ｌ_ｙ×Ｌ_ｘ内で大きすぎると、いくつかの問題が起きる。
その第１は、像領域３０内で占める再生パターンの大きさが相対的に大きいと、計算機ホログラム２０の多値化のレベル数が低下することである。前記したように、計算機ホログラム２０の面と再生像領域３０の面との間にはフーリエ変換の関係があるため、再生像領域３０全域に再現されるパターンを計算機ホログラム２０に記録するには、計算機ホログラム２０に記録可能な最大空間周波数１／（２δ_ｘ）（ｘ軸方向）、１／（２δ_ｙ）（ｙ軸方向）で記録しなければならなくなり、計算機ホログラム２０の位相分布を記録する多値化レベル数は２段階、すなわち、０，πの２段階にせざるを得ない。ところが、多値化レベル数が２段階の場合、回折効率は最大でも４０．５％にしかならないので、このような計算機ホログラム２０で理論的に再生可能な像領域３０全域に再現されるパターンを記録しようとすると、再生像の明るさは暗くならざるを得ず、また、インラインで明るい共役像が重なって再生され、本来のパターンが見難くなる。
ここで、再生像領域３０全域でなく、図４（ａ）に示すように、縦横共２／３の範囲３５内にパターンが再生されるように計算機ホログラム２０に記録するには、最大空間周波数１／（３δ_ｘ）、１／（３δ_ｙ）で記録しなければならない。そこで、記録する位相分布の多値化レベル数を３段階、すなわち、０，２π／３、４π／３と、回折効率は最大で６８．４％に上昇し、より明るい再生像が得られるが、するとインラインで重なって再生される共役像が邪魔になる。
そこで、再生像領域３０全域でなく、図４（ｂ）に示すように、縦横共１／２の範囲内３５内にパターンが再生されるように計算機ホログラム２０に記録すると、記録する位相分布の多値化レベル数は４段階、すなわち、０，π／２，π，３π／２となり、回折効率は最大で８１．１％になる。これだけ回折効率が高いと、再生像の明るさは十分で、かつ、インラインで重なって再生される共役像はほとんど目立たなくなる。
第２の問題は、再生像領域３０の周りに再生される高次像である。計算機ホログラム２０はｘ軸方向寸法δ_ｘ、ｙ軸方向寸法δ_ｙのセル２１が碁盤目状に配置されているものであり、ｘ軸方向に格子間隔δ_ｘの回折格子、ｙ軸方向に格子間隔δ_ｙの回折格子がその位相分布φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）に重畳しているのと同じである。そのため、このｘ軸方向には格子間隔δ_ｘの回折格子がキャリア（搬送波）、ｙ軸方向には格子間隔δ_ｙの回折格子がキャリア（搬送波）となって±１次の不要回折光が発生し、そのキャリアが再生像領域３０に再生される本来のパターン「Ｆ」の周りであって、再生像領域３０に隣接する領域に、図５に示すように、本来の再生像「Ｆ」と同じパターンの４つの高次像「Ｆ」が再生される。図５（ａ）は、再生像領域３０（黒縦棒と黒横棒が交差している矩形領域が対応する。）の縦横共１／２以下の範囲内内にパターン「Ｆ」が再生されるように記録された場合、図５（ｂ）は、再生像領域３０（黒縦棒と黒横棒が交差している矩形領域が対応する。）の縦横共２／３以上の範囲内内にパターン「Ｆ」が再生されるように記録された場合に再生される像を示す。
この図５（ａ）と（ｂ）を比較して明らかなように、再生像領域３０略全域に再現されるパターンを計算機ホログラム２０に記録すると、図５（ｂ）に示すように、再生像領域３０に再生される本来のパターン「Ｆ」の周りに再生される高次像が近すぎて目立ち邪魔になり、望ましくない。これに対して、再生像領域３０の縦横共１／２以下の範囲内に再現されるパターンを計算機ホログラム２０に記録すると、図５（ａ）に示すように、再生像領域３０に再生される本来のパターン「Ｆ」の周りに再生される高次像が相対的に遠くなり、余り目立たなく邪魔にならない。
第３の問題は、計算機ホログラム２０の多値化した位相分布φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）をフォトリソグラフィーの手法を用いて作製するときのフォトマスクに関するものである。図６は、それぞれ（ａ１）、（ａ２）に示す原画を位相分布φ_ＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）のみを持つフーリエ変換ホログラムとして４段階に多値化して記録するときの２個のフォトマスクを示す図であり、（ｂ１）、（ｂ２）はそれぞれ位相変調πを与えるためのフォトマスクのパターン、（ｃ１）、（ｃ２）はそれぞれ位相変調π／２を与えるためのフォトマスクのパターンであり、この例では、縦横共３２個に分割してある。図６（ａ１）の原画は、再生像領域３０の縦横共１／２以下の範囲内に再現される原画パターンであり、図６（ａ２）は縦横共１／２を越える範囲内に再現される原画パターンである。
なお、位相変調πを与えるフォトマスク（（ｂ１）、（ｂ２））と位相変調π／２を与えるフォトマスク（（ｃ１）、（ｃ２））とを用いて位相分布を４段階に多値化するには、例えば、ポジ型レジストを用いて２回のパターン露光と透明基板１７のエッチングを行う場合には、位相変調πのフォトマスクの開口部と位相変調π／２のフォトマスクの開口部とが重なるように露光することにより３π／２の位相部が得られ、位相変調πのフォトマスクの開口部と位相変調π／２のフォトマスクの遮光部とが重なるように露光することによりπの位相部が得られ、位相変調πのフォトマスクの遮光部と位相変調π／２のフォトマスクの開口部とが重なるように露光することによりπ／２の位相部が得られ、位相変調πのフォトマスクの遮光部と位相変調π／２のフォトマスクの遮光部とが重なるように露光することにより０の位相部が得られることになる。
この図６（ａ１）〜（ｃ１）と（ａ２）〜（ｃ２）を比較して明らかなように、（ａ２）〜（ｃ２）の場合には、（ｂ２）に矢印で示してあるように、計算機ホログラム２０を作製するためのフォトマスクに孤立パターンが発生しやすい。これに対して、（ａ１）〜（ｃ１）の場合は、そのような孤立パターンはほとんど発生しない。フォトマスクにこのような孤立パターンが存在すると、その描画あるいは転写の際に孤立パターンの角が取れて丸まり、それを用いて作製された計算機ホログラム２０のパターン再現性が悪くなったりノイズ光が増える等の問題が生じる。
以上のように、第１から第３の何れの点から見ても、計算機ホログラム２０の微小なセル２１のピッチδ_ｘ、δ_ｙの２倍２δ_ｘ、２δ_ｙの格子間隔を持つ回折格子の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラム２０の再生像領域３０の２／３以下、望ましくは１／２以下の範囲内に再現される原画パターンを計算機ホログラム２０に記録するようにすることにより、明るく、共役像、高次像が目立たないパターンが、メガネを通して見ているシーン中の光源に置き替わって見え、かつ、所定の特性のものの作製が容易な、ホログラムメガネ用の計算機ホログラムからなるフーリエ変換ホログラムが得られる。
以上、本発明によるホログラムメガネとそのための計算機ホログラムを実施例に基づいて説明してきたが、これらに限定されず種々の変形が可能である。なお、本発明の計算機ホログラムは、片目用のホログラムメガネに用いることも含むものであり、さらには、ホログラムメガネ用に限らず、窓用あるいはディスプレイ用等に用いることもできるものである。
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラム観察具とそのための計算機ホログラムによると、計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_ｘ、δ_ｙの２倍２δ_ｘ、２δ_ｙの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されているので、明るく、共役像、高次像が目立たないパターンが、観察具を通して見ているシーン中の光源に置き替わって見え、かつ、所定の特性のものの作製が容易な、ホログラム観察具用の計算機ホログラムからなるフーリエ変換ホログラムが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラムメガネの枠に嵌め込まれる計算機ホログラムとそれから再現される像領域とを模式的に示す図である。
【図２】本発明の計算機ホログラムを得るためのフローチャートである。
【図３】本発明の計算機ホログラムの構成例を示す断面図である。
【図４】再生像領域内のパターン再生範囲の例を示す図である。
【図５】再生像領域に再生される本来の再生パターンとその周りの４つの高次像とを示す図である。
【図６】原画とその原画パターンに対応する位相変調を与えるためのフォトマスクのパターンとを示す図である。
【図７】ホログラムメガネとその作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…メガネフレーム
２、３…透過型ホログラム
４、５、６、７…小面積の光源
８、９、１０、１１…予め選択された置き替えパターン
１５…平行光
１６…回折光
１７…透明基板
１８…レリーフパターン
２０…計算機ホログラム（ホログラム面）
２１…セル
３０…像領域（再生像面）
３１…セル
３５…パターン再生範囲TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a hologram observation tool and a computer generated hologram for the same, and more particularly, to a hologram glasses which are easy to make and have a stable and bright image viewed through the hologram glasses, and a computer generated hologram therefor.
[Prior art]
Patent Document 1 proposes hologram glasses. The hologram glasses are configured as shown in a perspective view in FIG. That is, two transmission-type holograms 2 and 3 are fitted in a frame for both eyes of the glasses frame 1. Looking at a scene including light sources 4, 5, 6, and 7 having a small area as shown in FIG. 7B with glasses using the transmission holograms 2 and 3, for example, as shown in FIG. Looks like. That is, the light sources 4, 5, 6, and 7 in the actual scene in FIG. 7B appear as scenes in which the light sources 4, 5, 6, and 7 are replaced with the preselected patterns "NOEL" 8, 9, 10, and 11, respectively. As the transmission holograms 2 and 3 having such characteristics, a Fourier transform hologram (Fraunhofer hologram) having the above-mentioned pattern “NOEL” configured as a computer generated hologram is used.
[Patent Document 1]
US Patent No. 5,546,198 [Non-Patent Document 1]
22nd Winter Seminar text “Holograms and Diffractive Optical Elements -From Basic Theory to Industrial Application-” sponsored by the Japan Optical Society (Japan Society of Applied Physics) 36-39
[Problems to be solved by the invention]
The Fourier transform hologram obtained by the computer divides a limited rectangular area including a pattern ("NOEL" in the above example) recorded on the hologram into vertical and horizontal grid cells, and corresponds to a cell position. Each cell has information on the pattern portion, and a pattern consisting of a limited number of cells is Fourier-transformed and projected onto a distant hologram area. In practice, the hologram area is also recorded. Similar to the pattern area, the information is divided into vertical and horizontal grid cells, and the amplitude information and the phase information of each Fourier-transformed cell position of the pattern to be recorded are recorded.
As described above, the Fourier transform computer generated hologram in which the preselected pattern is recorded is composed of a finite number of cells, so the diffraction efficiency is not necessarily high, and the pattern seen through the hologram glasses is not necessarily bright. In addition, a conjugate image appears to be superimposed on the pattern, and a high-order diffraction image is seen close to the periphery of the main pattern.
In addition, to produce such a computer generated hologram, a photolithography technique using a mask manufactured by fast Fourier transform is used. However, since the drawing pattern of the mask is very fine, a predetermined pattern is stably formed. It is not easy to make a computer generated hologram that reproduces
The present invention has been made in view of such a problem of the prior art, and an object thereof is to make a bright pattern with high diffraction efficiency appear as a substitute for a light source in a scene, and a conjugate image and a high-order image appear. An object of the present invention is to provide a hologram observing tool and a computer-generated hologram for the hologram observing tool, which can be easily manufactured with predetermined characteristics.
[Means for Solving the Problems]
The hologram observation tool of the present invention that achieves the above object is a hologram observation tool in which a computer-generated hologram configured as a transmission type Fourier transform hologram is fitted into a frame, wherein the computer-generated hologram includes the computer-generated hologram. pitch [delta] _x of the small _cell, [delta] 2 times 2.delta. _x of _{_y,} 2.delta. ± predetermined wavelength of the diffraction grating having a lattice spacing of _y 1 of the reproduction image regions of a computer generated hologram which is defined by a range sandwiched by order diffracted light 2 / An original pattern reproduced at that wavelength is recorded in a range of 3 or less.
In this case, it is desirable that the computer generated hologram record an original image pattern reproduced within a range of 1/2 or less of the reproduced image area of the computer generated hologram.
Further, it is desirable that the computer generated hologram be composed of a phase hologram.
Further, it is desirable that the phase distribution of the computer generated hologram be multivalued in four or more steps.
The computer generated hologram of the present invention is configured as a transmission type Fourier transform hologram for an observation tool, and in the computer generated hologram for a hologram observation tool, the pitch δ _x , δ _y of the minute cells constituting the computer generated hologram is twice 2δ _x. , the original pattern to be reproduced at that wavelength within ± 1 range of less than 2/3 of the reproduction image regions of a computer generated hologram which is defined by a range sandwiched by order diffracted light of a predetermined wavelength of the diffraction grating having a lattice spacing of the 2.delta. _y It is characterized by being recorded.
In this case, it is desirable that an original image pattern reproduced within a range of 1/2 or less of a reproduction image area of the computer generated hologram is recorded.
It is desirable that the computer generated hologram be a phase hologram.
It is also desirable that the phase distribution be multivalued in four or more steps.
In the present invention, the pitch [delta] _x of the small cells of the computer generated _hologram, twice 2.delta. _X of [delta] _{_y,} is defined by the ± 1 range sandwiched by order diffracted light of a predetermined wavelength of the diffraction grating having a lattice spacing of the 2.delta. _Y Since the original pattern reproduced at that wavelength is recorded in a range of 2/3 or less of the reproduced image area of the computer generated hologram, a bright pattern in which the conjugate image and the high-order image are inconspicuous can be seen through the observation tool. A Fourier-transformed hologram composed of a computer-generated hologram for a hologram observation tool can be obtained, which can be replaced with a light source in a scene and is easily manufactured with predetermined characteristics.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the hologram observation tool of the present invention and a computer generated hologram will be described.
FIG. 1 schematically shows a computer generated hologram 20 (corresponding to the transmission type holograms 2 and 3 in FIG. 7A) fitted into the frame of the hologram glasses of the present invention and an image area 30 reproduced therefrom. The computer generated hologram 20 is a Fourier transform hologram, and is composed of an aggregate of minute cells 21 arranged in a grid pattern with a vertical dimension (y-axis direction) of dimension δ _y and a horizontal dimension (x-axis direction) of dimension δ _x. In the present embodiment, as described later, each cell 21 has only phase information. 2 ^m cells 21 are arranged in the x-axis direction and 2 ⁿ cells 21 are arranged in the y-axis direction.
On the other hand, the image area 30 arranged sufficiently far from the computer generated hologram 20 is a set of cells 31 arranged corresponding to the computer generated hologram 20 in the same 2 ^m number in the x-axis direction and the same 2 ⁿ number in the y axis direction. made from the body, each cell 31 is a vertical direction (y-axis direction) dimension delta _y, transverse (x-axis direction) dimension delta _x, x-axis direction length of the entire image area 30 is L _x, y-axis direction length it is is a _{L y.}
The length L _{x in} the x-axis direction and the length L _y in the y-axis direction of the image area 30 are related to the x-axis dimension δ _x and the y-axis dimension δ _y of the cell 21 of the computer generated hologram 20, respectively. (since the computer-generated hologram 20 well there is the image area 30 to a distant _location, L x, L _y is better expressed in angle.) is represented by the diffraction angle from the computer-generated hologram 20, L _x is the spatial frequency 1 / corresponds to ± 1 range sandwiched by order diffracted light of the diffraction grating (2δ _x), L _y corresponds to a range sandwiched by ± 1-order diffracted light of the diffraction grating spatial frequency 1 / (2δ _y). This corresponds to the maximum spatial frequency to be recorded in the computer-generated hologram 20 is in the x-axis direction 1 / (2δ _x), the y-axis direction 1 / (2δ _y).
In this arrangement, when parallel light 15 having a predetermined wavelength enters from the front of the computer generated hologram 20, diffracted light 16 is generated on the back side of the computer generated hologram 20, and the pattern recorded on the computer generated hologram 20 in the far image area 30. For example, the character "F" as described below is reproduced. Therefore, when such a computer hologram 20 is used in place of a lens of eyeglasses and the front direction of the computer hologram 20 is viewed, the letter “F” can be seen. Therefore, for example, when a scene as shown in FIG. 7B is viewed through the computer generated hologram 20, it appears as a scene in which the light sources 4, 5, 6, and 7 are replaced with the pattern “F”.
An embodiment will be described in which the computer hologram 20 calculates and obtains the phase information of each cell 21 so as to reproduce the pattern “F”. According to this method, a computer generated hologram is arranged on a hologram surface while alternately repeating a Fourier transform and an inverse Fourier transform while applying a constraint between the reconstructed image surface and the hologram surface in order to give a predetermined diffracted light to the reconstructed image surface. Is a method known as Gerchberg-Saxton iterative calculation method (for example, Non-Patent Document 1).
Here, for simplicity, the amplitude distribution (pixel value) of the original image on the reproduced image plane 30 is A _IMG (x, y), and the phase distribution of the original image on the reproduced image plane 30 is φ _IMG (x, y,). , The amplitude distribution on the hologram surface 20 is A _HOLO (u, v), and the phase distribution on the hologram surface 20 is φ _HOLO (u, v). As shown in FIG. 2, in step (1), the pixel value of the original image to be recorded is given as A _IMG (x, y) in the area of the reproduced image plane 30, and the phase distribution of the original image is initialized to a random value. In step (2), the initialized value is subjected to Fourier transform. In step (3), the amplitude distribution A _HOLO (u, v) on the hologram surface 20 obtained by Fourier transform is set to 1, and the phase distribution φ _HOLO (u, v) is multi-valued (quantized) to a predetermined value. Bound conditions are imposed. After such constraints are applied, in step (4), the Fourier inverse transform is performed on the amplitude distribution A _HOLO (u, v) and the phase distribution φ _HOLO to which the _constraints are applied. If it is determined in step (5) that the amplitude distribution A _IMG (x, y) on the reproduced image plane 30 obtained by the inverse Fourier transform is substantially equal to the pixel value of the original image, the process proceeds to step (3). The multilevel (quantized) phase distribution φ _HOLO (u, v) becomes the phase distribution given to the cell 21 of the computer _generated hologram 20. In the convergence determination in step (5), when it is determined that the amplitude distribution A _IMG (x, y) obtained by the inverse Fourier transform is not equal to the pixel value of the original image, in step (6), the inverse Fourier transform is performed. A constraint condition is provided in which the pixel value of the original image is given instead of the obtained amplitude distribution A _IMG (x, y), and the phase distribution φ _IMG (x, y) obtained by the inverse Fourier transform remains unchanged. After such constraint conditions are given, the loop of steps (2) → (3) → (4) → (5) → (6) is performed until the condition of step (5) is satisfied (until convergence). This is repeated to obtain the final desired computer generated hologram 20.
Also, in step (3), the process of multi- _{leveling the} phase distribution φ _HOLO (u, v) is not performed, and after the condition of step (5) is satisfied, a predetermined multi-leveling process is performed. Is also good.
The actual hologram depth distribution is obtained from the multivalued phase distribution φ _HOLO (u, v) thus obtained. In the case of a transmission type as in the present invention, the following expression (1) is used. The hologram 20 is converted into the depth D (x, y) of the computer generated hologram 20 based on the hologram 20.
D (u, v) = λφ HOLO (u, v) / {2π (n 1 -n 0)} ··· (1)
Here, λ is the center wavelength used, and n ₁ and n ₀ are the refractive indexes of the two materials constituting the transmission hologram. Then, as shown in the cross-sectional view of FIG. 3, a relief pattern 18 having a depth of D (u, v) obtained by the above equation (1) is formed on the surface of the transparent substrate 17 to thereby provide the computer of the present invention. A hologram 20 is obtained. FIG. 3 shows an example in which φ _HOLO (u, v) is multileveled into four levels of 0, π / 2, π, and 3π / 2. The coordinates (u, v) on the hologram surface 20 are for distinguishing from the coordinates (x, y) on the reproduction image surface 30, and the u-axis direction is the x-axis direction. Direction, the v-axis direction corresponds to the y-axis direction.
Meanwhile, computer-generated hologram 20 according to the present invention, as described above, so that the x-axis direction length L _x of the image area _30, any pattern of any size within the range of y-axis direction length L _y can play However, if the size of the reproduced pattern is too large within the vertical and horizontal dimensions L _y × L _x , some problems occur.
First, when the size of the reproduction pattern occupying in the image area 30 is relatively large, the number of levels of the multi-valued computer hologram 20 is reduced. As described above, since there is a Fourier transform relationship between the surface of the computer generated hologram 20 and the surface of the reconstructed image area 30, in order to record a pattern reproduced in the entire reconstructed image area 30 on the computer hologram 20, It is necessary to record at the maximum spatial frequency 1 / (2δ _x ) (x-axis direction) and 1 / (2δ _y ) (y-axis direction) that can be recorded on the computer generated hologram 20, and the phase distribution of the computer generated hologram 20 is recorded. The number of levels of the multilevel quantization must be two, that is, two levels of 0 and π. However, when the number of levels is two, the diffraction efficiency is only 40.5% at the maximum, so that the pattern reproduced over the entire image area 30 theoretically reproducible by such a computer generated hologram 20 can be obtained. When recording is attempted, the brightness of the reproduced image must be dark, and a bright conjugate image is superimposed and reproduced in-line, making it difficult to see the original pattern.
Here, in order to record on the computer generated hologram 20 so that the pattern is reproduced not in the entire reconstructed image area 30 but in a range 35 of 2/3 in length and width as shown in FIG. 1 / (3δ _x), shall be recorded in 1 / (3δ _y). Therefore, the number of levels of the multi-levels of the phase distribution to be recorded is set to three levels, that is, 0, 2π / 3, and 4π / 3, and the diffraction efficiency increases up to 68.4% at the maximum, and a brighter reproduced image can be obtained. Then, a conjugate image that is superimposed and reproduced inline becomes an obstacle.
Therefore, if the pattern is recorded on the computer generated hologram 20 so that the pattern is reproduced not within the entire reconstructed image area 30 but within the range of 35 in both the vertical and horizontal directions as shown in FIG. The number of levels of multi-level quantization is four, that is, 0, π / 2, π, 3π / 2, and the diffraction efficiency is 81.1% at maximum. With such a high diffraction efficiency, the brightness of the reproduced image is sufficient, and the conjugate image reproduced inline and superimposed becomes almost inconspicuous.
The second problem is a higher-order image reproduced around the reproduction image area 30. The computer generated hologram 20 has cells 21 each having a dimension δ _{x in} the x-axis direction and a dimension δ _{y in} the y-axis direction arranged in a grid pattern, and a diffraction grating having a lattice spacing δ _{x in} the x-axis direction and a grating in the y-axis direction. It is the same as a diffraction grating with an interval δ _y superimposed on its phase distribution φ _HOLO (u, v). Therefore, the diffraction grating carrier of the x-axis in the direction lattice spacing [delta] _x (carrier), y-axis direction is ± 1-order unnecessary diffracted light is generated diffraction grating lattice spacing [delta] _y is a carrier (carrier wave) Then, as shown in FIG. 5, the original reproduced image “F” is placed around the original pattern “F” in which the carrier is reproduced in the reproduced image region 30 and adjacent to the reproduced image region 30 as shown in FIG. Four higher order images "F" of the same pattern are reproduced. FIG. 5A shows that the pattern “F” is reproduced within a range of less than or equal to 縦 in both the vertical and horizontal directions of the reproduced image area 30 (corresponding to a rectangular area where a black vertical bar and a black horizontal bar intersect). FIG. 5B shows that the reproduced image area 30 (corresponding to a rectangular area where a black vertical bar and a black horizontal bar intersect) is within a range of 2/3 or more in both the vertical and horizontal directions. Shows an image reproduced when the pattern “F” is recorded so as to be reproduced.
As is apparent from a comparison between FIGS. 5A and 5B, when a pattern reproduced in substantially the entire reproduction image area 30 is recorded on the computer generated hologram 20, as shown in FIG. The higher-order image reproduced around the original pattern “F” reproduced in the area 30 is too close to stand out and is undesirable. On the other hand, when a pattern reproduced within a range of less than １／ in both the vertical and horizontal directions of the reproduced image area 30 is recorded on the computer generated hologram 20, the pattern is reproduced in the reproduced image area 30 as shown in FIG. The higher-order image reproduced around the original pattern "F" is relatively distant and less noticeable and out of the way.
The third problem relates to a photomask when the multilevel _binarized phase distribution φ _HOLO (u, v) of the computer generated hologram 20 is produced by using a photolithography technique. FIG. 6 shows two photomasks when the original _images shown in (a1) and (a2) are recorded as a Fourier-transformed hologram having only the phase distribution φ _HOLO (u, v) in four levels and recorded in four stages. (B1) and (b2) are photomask patterns for providing phase modulation π, respectively, (c1) and (c2) are photomask patterns for providing phase modulation π / 2, respectively. In this example, it is divided into 32 pieces both vertically and horizontally. The original image shown in FIG. 6 (a1) is an original image pattern reproduced within a range of 1/2 or less both in the vertical and horizontal directions of the reproduced image area 30, and FIG. 6 (a2) is reproduced in a range exceeding 1/2 in both the vertical and horizontal directions. Original pattern.
The phase distribution is multi-leveled in four stages by using a photomask ((b1), (b2)) for giving phase modulation π and a photomask ((c1), (c2)) for giving phase modulation π / 2. For example, when the pattern exposure and the etching of the transparent substrate 17 are performed twice using a positive resist, the opening of the photomask of phase modulation π and the opening of the photomask of phase modulation π / 2 are used. Are exposed such that 3π / 2 overlaps with each other, and the exposure is performed so that the opening of the photomask of phase modulation π and the light-shielding portion of the photomask of phase modulation π / 2 overlap each other. Is exposed so that the light-shielding portion of the photomask having the phase modulation of π and the opening of the photomask having the phase modulation of π / 2 are overlapped to obtain a phase portion of π / 2, and the phase modulation of π is obtained. Light mask and phase modulation / By 2 of the light-shielding portion of the photomask is exposed so as to overlap so that the phase of 0 is obtained.
As is clear from the comparison between FIGS. 6 (a1) to (c1) and (a2) to (c2), in the case of (a2) to (c2), as indicated by an arrow in (b2). In addition, an isolated pattern is likely to occur on a photomask for producing the computer generated hologram 20. On the other hand, in the cases (a1) to (c1), such an isolated pattern hardly occurs. If such an isolated pattern exists in the photomask, the isolated pattern becomes rounded and rounded at the time of drawing or transfer, and the pattern reproducibility of the computer generated hologram 20 manufactured using the isolated pattern deteriorates and noise light increases. And the like.
As described above, the first even from the third any point, computer pitch [delta] _x of the small cells 21 of the hologram _20, [delta] 2 times 2.delta. _X of _{_y,} the diffraction grating having a lattice spacing of the 2.delta. _Y An original image pattern reproduced within a range of 2/3 or less, preferably 1/2 or less of the reproduced image area 30 of the computer hologram 20 defined by the range sandwiched by the ± 1st-order diffracted light is recorded on the computer hologram 20. By doing so, a pattern for hologram glasses, in which a bright pattern in which a conjugate image and a high-order image are inconspicuous, can be seen by replacing the light source in the scene viewed through the glasses, and which is easy to produce with predetermined characteristics. A Fourier transform hologram consisting of a hologram is obtained.
The hologram glasses according to the present invention and the computer generated hologram for the same have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible. Note that the computer generated hologram of the present invention includes one used for hologram glasses for one eye, and can be used not only for hologram glasses but also for windows or displays.
【The invention's effect】
As apparent from the above description, the hologram viewing device of the present invention and according to the computer-generated hologram for the pitch [delta] _x of the small cells of the computer generated _hologram, twice 2.delta. _X of [delta] _{_y,} the lattice spacing of the 2.delta. _Y Since the original pattern reproduced at that wavelength is recorded in a range of not more than 2/3 of the reproduction image area of the computer generated hologram defined by the range sandwiched by the ± 1st-order diffracted light of the predetermined wavelength of the diffraction grating, and therefore, it becomes brighter. , A conjugate image, a pattern in which a high-order image is inconspicuous, is replaced with a light source in the scene viewed through the observation tool, and is formed of a computer generated hologram for a hologram observation tool, which is easy to manufacture with predetermined characteristics. A Fourier transform hologram is obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a computer generated hologram fitted into a frame of hologram glasses of the present invention and an image area reproduced from the computer generated hologram.
FIG. 2 is a flowchart for obtaining a computer generated hologram of the present invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a configuration example of a computer generated hologram of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a pattern reproduction range in a reproduction image area.
FIG. 5 is a diagram showing an original reproduction pattern reproduced in a reproduction image area and four higher-order images around the original reproduction pattern.
FIG. 6 is a diagram showing an original image and a pattern of a photomask for providing phase modulation corresponding to the original image pattern.
FIG. 7 is a diagram for explaining hologram glasses and its operation.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Glasses frame 2, 3 ... Transmission hologram 4, 5, 6, 7 ... Light source 8, 9, 10, 11 ... Small area replacement pattern 15 ... Parallel light 16 ... Diffracted light 17 ... Transparent substrate 18 Relief pattern 20 Computer hologram (hologram surface)
21 cell 30 image area (reproduced image plane)
31 cell 35 pattern reproduction range

Claims

枠内に透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成された計算機ホログラムが嵌め込まれてなるホログラム観察具において、前記計算機ホログラムには、前記計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_ｘ、δ_ｙの２倍２δ_ｘ、２δ_ｙの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とするホログラム観察具。In the transmission type computer generated hologram viewing device which hologram is fitted configured as a Fourier transform hologram in the frame, said the computer generated hologram, twice the pitch [delta] _x, [delta] _y of fine cells constituting the computer generated hologram 2.delta. _x, original to be reproduced at that wavelength within ± 1 range of less than 2/3 of the reproduction image regions of a computer generated hologram which is defined by a range sandwiched by order diffracted light of a predetermined wavelength of the diffraction grating having a lattice spacing of the 2.delta. _y A hologram observation tool characterized by recording a pattern.

前記計算機ホログラムには、計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることを特徴とする請求項１記載のホログラム観察具。2. The hologram observation tool according to claim 1, wherein the computer generated hologram records an original image pattern reproduced within a range of １／ or less of a reproduced image area of the computer generated hologram. 3.

前記計算機ホログラムは、位相ホログラムからなることを特徴とする請求項１又は２記載のホログラム観察具。The hologram observation tool according to claim 1, wherein the computer generated hologram is a phase hologram.

前記計算機ホログラムの位相分布が４段階以上に多値化されていることを特徴とする請求項３記載のホログラム観察具。The hologram observation tool according to claim 3, wherein a phase distribution of the computer generated hologram is multivalued in four or more steps.

観察具用の透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成されホログラム観察具用の計算機ホログラムにおいて、前記計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_ｘ、δ_ｙの２倍２δ_ｘ、２δ_ｙの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とする計算機ホログラム。In configured as a transmission type Fourier transform hologram for viewing device computer generated hologram for the hologram viewing device, the pitch [delta] _x of the small cells forming the computer generated _hologram, twice 2.delta. _X of [delta] _{_y,} the lattice spacing of the 2.delta. _Y The original pattern reproduced at that wavelength is recorded in a range of 2/3 or less of a reproduction image area of a computer generated hologram defined by a range sandwiched by ± 1st-order diffracted light of a predetermined wavelength of the diffraction grating. Computer hologram.

計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることを特徴とする請求項５記載の計算機ホログラム。6. The computer generated hologram according to claim 5, wherein an original image pattern reproduced in a range equal to or less than 1/2 of a reproduction image area of the computer generated hologram is recorded.

位相ホログラムからなることを特徴とする請求項５又は６記載の計算機ホログラム。7. The computer generated hologram according to claim 5, comprising a phase hologram.

位相分布が４段階以上に多値化されていることを特徴とする請求項７記載の計算機ホログラム。8. The computer generated hologram according to claim 7, wherein the phase distribution is multivalued in four or more steps.