JP3912700B2 - Composite hologram - Google Patents
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Landscapes
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合ホログラムに関し、特に、特定方向から特定波長の光が入射したのときのみ特定方向へ回折する複合ホログラムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来から、CDカード、プリペイドカード、定期券、通帳、パスポート、身分証明書、商品等が真実なもので偽造されたものでないことを保証するために、立体像、模様等を記録したレリーフホログラム又はリップマンホログラムからなるラベル、シール等を対象物に貼着することが広く行われている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
これらのホログラムは、単純な再生照明光あるいは白色光により再生可能であり、これを複製等の手法を用いて偽造することは必ずしも困難なことではない。そのため、このようなホログラムからなるラベル、シール等のセキュリティー性は必ずしも高いものではなかった。
【0004】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、特定方向から特定波長の光が入射したのときのみ特定方向へ回折するホログラムであって、偽造防止ホログラム、狭帯域波長フィルター等の光学素子として使用可能な複合ホログラムを提供することである。
【0005】
【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複合ホログラムは、一様な平面の干渉縞が記録された複数の体積型ホログラムが重畳されるか多重記録されてなる複合ホログラムであって、特定の入射角の特定の波長の光のみがこれら複数の体積型ホログラムを順にブラッグ回折して特定の出射角で出射するように、前記複数の体積型ホログラム各々の干渉縞のスラント角とピッチが設定されていることを特徴とするものである。
【0006】
この場合、例えば2枚の体積型ホログラムが重畳されるか多重記録されてなるものとすることができる。
【0007】
本発明の複合ホログラムは、例えば偽造防止ホログラムとして用いることができ、立体物、模様等の物体像が記録された体積型ホログラムの一部の所定パターン領域にのみその複数の体積型ホログラムを重畳するか多重記録して構成することもできる。
【0008】
本発明の複合ホログラムは、また、高指向性狭帯域波長フィルターとして用いることができる。
【0009】
本発明においては、特定の入射角の特定の波長の光のみが複数の体積型ホログラムを順にブラッグ回折して特定の出射角で出射するように、その複数の体積型ホログラム各々の干渉縞のスラント角とピッチが設定されているので、特定の入射角で特定の波長の光が入射したときのみ、特定の出射角でその光が回折し、他の入射角及び波長においてはその出射角の方向へ回折しないので、例えば偽造防止ホログラムとして有用であり、また、高指向性狭帯域波長フィルター等の光学素子として使用可能なものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の複合ホログラムの原理と実施例について説明する。
図1に断面を示すように、一様な平面の干渉縞3、4(フリンジ)が記録された2枚の体積型ホログラム1、2が重畳されいる場合を考える。図1においては、干渉縞3、4はそれぞれ1面しか図示していないが、実際には一定ピッチで平行に多数の干渉縞が形成されている。以下に、ホログラム1に入射した光5がホログラム1の干渉縞3でブラッグ回折を受け、その回折光が今度はホログラム2に入射してその干渉縞4でブラッグ回折を受け、再びホログラム1あるいはホログラム2から回折光6として出射する場合について検討する。
【0011】
ホログラム1、2の干渉縞3、4の法線N’、N”が何れも図1の平面内にあるとし、また、ホログラム1、2の平均屈折率は同じnとする。
ホログラム1の干渉縞のスラント角(ホログラム1の平面に対する角度)をθ、干渉縞のピッチ(隣接する干渉縞間の距離)をPとする。
ホログラム2の干渉縞のスラント角をφ、干渉縞のピッチをQとする。
空気中から入射角Iで入射した光5のホログラム1内での屈折角をI’で表す。
【0012】
空気中からホログラム1の法線に対して入射角Iで入射した光5で、ホログラム1のフリンジ3の面にその法線N’から(I’−θ)の角度で入射し、ホログラム1の平面に垂直な法線Nから(2θ−I’)の角度で回折し、ホログラム2のフリンジ4の面にその法線N”から(π+2θ−φ−I’)の角度で入射し、ホログラム1(2)の平面に垂直な法線Nから(2φ+I’−2θ−π)の角度で回折し、空気中に屈折角Dで出射する光6を考える。
【0013】
ホログラム1のブラッグ波長は、
(2P/n)×cos(I’−θ) ・・・(1)
ホログラム2のブラッグ波長は、
(2Q/n)×cos(π+2θ−φ−I’) ・・・(2)
である。この両波長が一致するときのみ光は上記のような回折を行う。
【0014】
つまり、
Pcos(I’−θ)=−Qcos(2θ−φ−I’) ・・・(3)
ここで、
A=(θ−φ)/2
B=(2I’−3θ+φ)/2
r=−P/Q
とおくと、上記(3)式は次のように書ける。
【0015】
rcos(A+B)=cos(A−B) ・・・(4)
(r−1)cosAcosB=(r+1)sinAsinB・・・(5)
tanB=(r−1)/{(r+1)tanA} ・・・(6)
tan{(2I’−3θ+φ)/2}
=(−P−Q)/[(−P+Q)tan{(θ−φ)/2}]・(7)
I’=tan-1〔(P+Q)/[(P−Q)tan{(θ−φ)/2}]〕
+(3θ−φ)/2 ・・・(8)
となる。
【0016】
つまり、入射光5の入射角Iは、
となる。
【0017】
また、そのときのブラッグ波長λは、
λ=(2P/n)cos〈tan-1〔(P+Q)/[(P−Q)×
tan{(θ−φ)/2}]〕+(θ−φ)/2〉・・(10)
となり、回折光6の回折角Dは、
D=−sin-1《nsin〈tan-1〔(P+Q)/[(P−Q)×
tan{(θ−φ)/2}]〕+(3φ−θ)/2〉》・(11)
となる。
【0018】
以上の検討より明らかなように、一様な平面状の干渉縞を記録した2枚の体積型ホログラムを重畳するか、あるいは、1枚のホログラム媒体中に多重記録することにより、2つの干渉縞により順次回折される回折波長は(10)式を満たす特定の単波長であり、その際の(9)式を満たす入射角I、(11)式を満たす回折角Dも特定の1つの値であることが分かる。なお、光線の可逆性から、入射角Iと回折角Dを入れ換えても良いから、このような複合ホログラムは、特定の入射角I又はDで特定の波長λの光が入射したときのみ、特定の出射角D又はIでその光が回折し、他の入射角及び波長においてはその出射角の方向へ回折しないことが分かる。なお、3枚以上の体積型ホログラムを重畳するか、あるいは多重記録したものも同様な解析によりこのような解が存在し得る。
【0019】
実際の数値例を示す。図2はホログラム1の干渉縞のスラント角θが−50°、そのピッチPが700nm、ホログラム2の干渉縞のスラント角φが60°、そのピッチQが800nm、両ホログラム1、2の平均屈折率nが1.52のときの、図1の構成の複合ホログラムの入射角Iに対する回折角(出射角)D(太い実線)、ホログラム1の入射角Iに対するブラッグ波長λ(▲角系列)、ホログラム2の入射角Iに対するブラッグ波長λ(◇系列)を示す。図2から、両ホログラム1、2で順番にブラッグ回折される波長λは、λ=801.1579nm、入射角Iは、I=32.05901°、回折角(出射角)Dは、D=−30.59181°となる。この値は、上記(9)〜(11)式から求めた値と一致する。なお、当然、入射角Iと出射角Dは入替え可能である。
【0020】
図3はホログラム1の干渉縞のスラント角θが−40°、そのピッチPが700nm、ホログラム2の干渉縞のスラント角φが45°、そのピッチQが800nm、両ホログラム1、2の平均屈折率nが1.52のときの、図2と同様の図であり、λ=662.5027nm、入射角Iは、I=6.092934°、回折角(出射角)Dは、D=−9.135626°となる。この場合も、上記(9)〜(11)式から求めた値と一致する。また、同様に入射角Iと出射角Dは入替え可能である。
【0021】
さて、以上のような複合ホログラムは、特定の2つの方向の一方から入射した特定の狭い波長帯域の光のみをその特定の2つの方向の他方へ回折し、他の方向、波長の光は直通するなり全く別の方向へ回折する特性を有するが、このような複合ホログラムを複製等の手法で偽造することは極めて困難であるのと同時に、再生のために光源、読み取り受光素子を所定の厳密な相対位置、方向に配置しなければならない。したがって、このようなホログラムは、例えば偽造防止ホログラムとして有用なものである。偽造防止ホログラムとして用いる場合は、図1のような2層のホログラム1、2が重ねてなるホログラム媒体、あるいは、干渉縞3、4を多重記録してなる1層構成のホログラム媒体をそのまま用いて、CDカード、プリペイドカード、定期券、通帳、パスポート、身分証明書、商品等の対象物に貼り付けて用いることができる。また、図4に示すように、立体物、模様等の物体像11を記録したフォトポリマー等の体積型ホログラム媒体10の一部の所定パターン領域12にのみ2つの干渉縞3、4を記録しておき、所定の方向(入射角I又はD)から所定波長(λ)の光を入射したときに、所定の方向(回折角D又はI)からこの所定パターン領域12のパターンが読み取れるか否かにより、その媒体10が真実なものか偽造されたものかを判断することができる。
【0022】
また、本発明の複合ホログラムは、例えば指向性の強い狭帯域波長フィルターとしても用いることができる。その場合は、例えば図5に示すように、メタルハライドランプ等の高輝度の白色光源21からの発散光を正レンズ22により略平行な光束23に変換して、高指向性狭帯域波長フィルター20として用いる本発明の体積型ホログラム1と2を重畳あるいは多重記録してなる複合ホログラム20にその光束23の主光線が入射角I又はDで入射するようにすればよい。このような配置で本発明の複合ホログラム20を用いれば、出射角(回折角)D又はIで出射する光24は、光源21からの放射された光の中の特定波長λの光であって、出射角がフィルター20の何れの位置でも同じ角度D又はIのもののみが選択されるので、出射光24は単色波長で平行性が高いものとなる。すなわち、本発明による複合ホログラムは高指向性狭帯域波長フィルターとして用いることができる。
【0023】
以上、本発明の複合ホログラムを原理といくつかの用途の例について説明してきたが、本発明はこれらに限定されず種々の変形、用途が可能である。
【0024】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の複合ホログラムによると、特定の入射角の特定の波長の光のみが複数の体積型ホログラムを順にブラッグ回折して特定の出射角で出射するように、その複数の体積型ホログラム各々の干渉縞のスラント角とピッチが設定されているので、特定の入射角で特定の波長の光が入射したときのみ、特定の出射角でその光が回折し、他の入射角及び波長においてはその出射角の方向へ回折しないので、例えば偽造防止ホログラムとして有用であり、また、高指向性狭帯域波長フィルター等の光学素子として使用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の複合ホログラムの原理を説明するための図である。
【図2】本発明の1例の複合ホログラムの入射角に対する回折角、入射角に対する各ホログラムのブラッグ波長を示す図である。
【図3】別の例の複合ホログラムの図2と同様の図である。
【図4】本発明の複合ホログラムを偽造防止ホログラムとして用いる場合の1例の構成を示す模式図である。
【図5】本発明の複合ホログラムを高指向性狭帯域波長フィルターとして用いる場合の配置を示す模式図である。
【符号の説明】
1、2…体積型ホログラム
3、4…干渉縞
5…入射光
6…出射(回折)光
10…体積型ホログラム媒体
11…物体像
12…所定パターン領域
20…高指向性狭帯域波長フィルター(複合ホログラム)
21…白色光源
22…正レンズ
23…略平行光束
24…出射光[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a composite hologram, and more particularly to a composite hologram that diffracts in a specific direction only when light of a specific wavelength is incident from a specific direction.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, relief holograms that record 3D images, patterns, etc. to ensure that CD cards, prepaid cards, commuter passes, passbooks, passports, identification cards, merchandise, etc. are genuine and not forged It is widely practiced to attach a label, a seal, or the like made of a Lippmann hologram to an object.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
These holograms can be reproduced by simple reproduction illumination light or white light, and it is not always difficult to forge them using a technique such as replication. For this reason, security such as labels and seals made of such holograms is not always high.
[0004]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and an object thereof is a hologram that diffracts in a specific direction only when light of a specific wavelength is incident from a specific direction, and is a forgery prevention hologram. It is to provide a composite hologram that can be used as an optical element such as a narrow band wavelength filter.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The composite hologram of the present invention that achieves the above object is a composite hologram in which a plurality of volume holograms on which uniform plane interference fringes are recorded are superimposed or multiple-recorded, and a specific incident angle is specified. The slant angle and pitch of the interference fringes of each of the plurality of volume holograms are set so that only the light of the wavelength of the plurality of volume holograms is sequentially Bragg diffracted and emitted at a specific emission angle. It is a feature.
[0006]
In this case, for example, two volume holograms can be superimposed or multiple-recorded.
[0007]
The composite hologram of the present invention can be used as, for example, an anti-counterfeit hologram, and a plurality of volume holograms are superimposed only on a predetermined pattern area of a volume hologram on which an object image such as a three-dimensional object or a pattern is recorded. Alternatively, multiple recording can be performed.
[0008]
The composite hologram of the present invention can also be used as a highly directional narrow band wavelength filter.
[0009]
In the present invention, the slant of the interference fringes of each of the plurality of volume holograms is emitted so that only light of a specific wavelength at a specific incident angle sequentially emits the plurality of volume holograms by Bragg diffraction. Since the angle and pitch are set, the light is diffracted at a specific exit angle only when light of a specific wavelength is incident at a specific incident angle, and the direction of the exit angle at other incident angles and wavelengths. For example, it is useful as an anti-counterfeit hologram and can be used as an optical element such as a highly directional narrow band wavelength filter.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The principle and examples of the composite hologram of the present invention will be described below.
Consider a case where two
[0011]
It is assumed that the normal lines N ′ and N ″ of the interference fringes 3 and 4 of the
The slant angle of the interference fringes of the hologram 1 (angle with respect to the plane of the hologram 1) is θ, and the pitch of the interference fringes (distance between adjacent interference fringes) is P.
The slant angle of the interference fringes of the
A refraction angle in the
[0012]
The
[0013]
The Bragg wavelength of
(2P / n) × cos (I′−θ) (1)
The Bragg wavelength of
(2Q / n) × cos (π + 2θ−φ−I ′) (2)
It is. Only when these two wavelengths match, the light diffracts as described above.
[0014]
That means
Pcos (I′−θ) = − Qcos (2θ−φ−I ′) (3)
here,
A = (θ−φ) / 2
B = (2I′−3θ + φ) / 2
r = −P / Q
The above equation (3) can be written as follows.
[0015]
rcos (A + B) = cos (AB) (4)
(R-1) cosAcosB = (r + 1) sinAsinB (5)
tanB = (r−1) / {(r + 1) tanA} (6)
tan {(2I'-3θ + φ) / 2}
= (-PQ) / [(-P + Q) tan {(θ-φ) / 2}] (7)
I ′ = tan −1 [(P + Q) / [(P−Q) tan {(θ−φ) / 2}]]
+ (3θ−φ) / 2 (8)
It becomes.
[0016]
That is, the incident angle I of the
It becomes.
[0017]
The Bragg wavelength λ at that time is
λ = (2P / n) cos <tan −1 [(P + Q) / [(P−Q) ×
tan {(θ−φ) / 2}]] + (θ−φ) / 2> (10)
The diffraction angle D of the diffracted light 6 is
D = −sin −1 << nsin <tan −1 [(P + Q) / [(PQ) ×
tan {(θ−φ) / 2}]] + (3φ−θ) / 2 >>> (11)
It becomes.
[0018]
As is clear from the above examination, two interference fringes can be obtained by superimposing two volume holograms on which uniform planar interference fringes are recorded or by multiplex recording in one hologram medium. The diffraction wavelength sequentially diffracted by is a specific single wavelength satisfying the equation (10), the incident angle I satisfying the equation (9) at that time, and the diffraction angle D satisfying the equation (11) is also a specific one value. I understand that there is. Since the incident angle I and the diffraction angle D may be interchanged due to the reversibility of the light beam, such a composite hologram is specified only when light of a specific wavelength λ is incident at a specific incident angle I or D. It can be seen that the light is diffracted at the exit angle D or I and is not diffracted toward the exit angle at other incident angles and wavelengths. It should be noted that such a solution can exist by a similar analysis even when three or more volume holograms are superimposed or recorded in a multiplexed manner.
[0019]
An actual numerical example is shown. 2 shows that the slant angle θ of the interference fringe of the
[0020]
3 shows that the slant angle θ of the interference fringe of the
[0021]
The composite hologram as described above diffracts only light in a specific narrow wavelength band incident from one of the two specific directions to the other of the two specific directions, and light in the other direction and wavelength is directly transmitted. Although it has a characteristic of diffracting in a completely different direction, it is extremely difficult to forge such a composite hologram by a method such as duplication, and at the same time, a light source and a reading light receiving element are set to a predetermined exact for reproduction. Must be placed in the correct relative position and direction. Therefore, such a hologram is useful as, for example, a forgery prevention hologram. When used as a forgery-preventing hologram, the hologram medium in which the two-
[0022]
The composite hologram of the present invention can also be used as a narrow band wavelength filter having strong directivity, for example. In this case, for example, as shown in FIG. 5, divergent light from a high-intensity
[0023]
As described above, the principle and some examples of the application of the composite hologram of the present invention have been described. However, the present invention is not limited to these, and various modifications and applications are possible.
[0024]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the composite hologram of the present invention, only light of a specific wavelength at a specific incident angle is Bragg diffracted in order to emit a plurality of volume holograms at a specific emission angle. Since the slant angle and pitch of the interference fringes of each of the volume holograms are set, the light is diffracted at a specific emission angle only when light of a specific wavelength is incident at a specific incident angle, Since the incident angle and wavelength do not diffract in the direction of the emission angle, it is useful as, for example, a forgery prevention hologram and can be used as an optical element such as a highly directional narrow band wavelength filter.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of a composite hologram of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a diffraction angle with respect to an incident angle of a composite hologram of one example of the present invention, and a Bragg wavelength of each hologram with respect to the incident angle.
FIG. 3 is a view similar to FIG. 2 of another example of a composite hologram.
FIG. 4 is a schematic diagram showing a configuration of an example when the composite hologram of the present invention is used as an anti-counterfeit hologram.
FIG. 5 is a schematic diagram showing an arrangement when the composite hologram of the present invention is used as a highly directional narrow band wavelength filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
21 ... White
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