JP4367750B2

JP4367750B2 - ホログラム観察具とそのための計算機ホログラム

Info

Publication number: JP4367750B2
Application number: JP2003205317A
Authority: JP
Inventors: 満北村
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: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: JP2004126536A

Description

【０００１】
【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、ホログラムで回折されずに直接観察者の眼に達する０次光がシーン中の光源に置き替わって見えパターンに影響を与えないようにしたホログラムメガネとそのための計算機ホログラムを提供することである。
【０００２】
【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６（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６（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６（ｃ）に示すように見える。すなわち、図６（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。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，５４６，１９８号明細書
【０００４】
【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
【０００５】
【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。
【０００６】
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、所定波長（設計波長）において回折効率が１００％となるように作製されていても、それ以外の波長においては位相条件を満足しないため、ホログラムで回折されずに直接観察者の眼に達する０次透過光が存在する。また、実際に作製される計算機ホログラムの位相分布等は設計値から若干なりともずれて作製されるので、設計波長においても回折効率は必ずしも１００％とはならず、同様にこのような０次光が存在する。この０次光は、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの中心にスポットとして見えるため、観察においては邪魔なものとなる。
【０００７】
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、０次透過光によるスポットが目立たなく明るい再生パターンがシーン中の光源に置き替わって見えるホログラムメガネとそのための計算機ホログラムを提供することである。
【０００８】
【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、透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成され計算機ホログラムから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中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されていることを特徴とするものである。
【０００９】
この場合に、計算機ホログラムは、位相分布を多値化した位相ホログラムからなることが望ましい。
【００１０】
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、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中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この場合に、この計算機ホログラムは、位相分布を多値化した位相ホログラムからなることが望ましい。
【００１２】
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中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されているので、再生像領域の中心に発生する０次透過光のスポットは目立たず、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの観察の邪魔にはならない。そのため、明るく原画通りの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るようになる。
【００１３】
【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。
【００１４】
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６（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２ⁿ個配置されている。
【００１５】
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２ⁿ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。
【００１６】
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。
【００１７】
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６（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。
【００１８】
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）。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
Ｄ（ｕ，ｖ）＝λφ_HOLO（ｕ，ｖ）／｛２π（ｎ₁−ｎ₀）｝・・・（１）
ここで、λは使用中心波長、ｎ₁，ｎ₀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。
【００２３】
上記のような本発明による計算機ホログラム２０は、インラインのホログラムであり、前記したように、所定波長（設計波長）において回折効率が１００％となるように作製されていても、それ以外の波長においては位相条件を満足しないため、図１に示すように、計算機ホログラム２０で回折されずに直接再生像面３０に達する０次透過光１５’が存在する。また、実際に作製される計算機ホログラム２０の位相分布等は設計値から若干なりともずれて作製されるので、設計波長においても回折効率は１００％とはならず、同様にこのような０次透過光１５’が存在する。この０次透過光１５’は、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの中心（再生像面３０の中心）にスポット１９として見えてしまい、観察においては再生パターンの邪魔なものとなる。なお、図１では再生像面３０に達する０次透過光１５’の領域１９はスポットと言うよりは計算機ホログラム２０の外形と略同じ有限の領域のように図示されているが、実際にはこの領域は遠方に位置するので、観察者にはスポットとして認識される。
【００２４】
そこで、本発明においては、計算機ホログラム２０から再生像面３０に再生されるパターンの明部がこの０次透過光によるスポット１９と重なるように、計算機ホログラム２０に原画パターンを記録するようにする。
【００２５】
図４に、計算機ホログラム２０に記録する原画パターン３５、３５’を示す。原画パターン３５、３５’は、明部３６（文字「Ｆ」の字部分）と暗部３７（文字「Ｆ」の背景）との組み合わせからなるが、原画パターン３５、３５’全体の大きさは再生像面３０の縦横の寸法Ｌ_y×Ｌ_xと同じ大きさに選ばれる。ここで、図４（ａ）の原画パターン３５は、その中心Ｏが原画パターン３５の明部３６（文字「Ｆ」の字部分）に重なる原画パターンであり、図４（ｂ）の原画パターン３５’は、その中心Ｏが原画パターン３５の暗部３７（文字「Ｆ」の背景）に重なる原画パターンである。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）に示すような原画パターン３５、３５’を用いて図２のフローチャートに従って作製した計算機ホログラム２０から再生した実際の再生像をそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）の原画パターン３５を用いた場合は、図５（ａ）に示すように、再生像面３０の中心に発生する０次透過光１５’のスポット１９が再生パターン「Ｆ」の明部（原画パターン３５の明部３６の位置に対応）に重なるため、０次透過光１５’のスポット１９は見えず（目立たず）、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターン「Ｆ」の観察の邪魔にはならない。これに対して、図４（ｂ）の原画パターン３５’を用いた場合は、図５（ｂ）に示すように、再生像面３０の中心に発生する０次透過光１５’のスポット１９が再生パターン「Ｆ」の明部でなく暗部（原画パターン３５’の暗部３７の位置に対応）中に位置することになって明るく見えるため、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターン「Ｆ」の観察の邪魔になるばかりでなく、再生パターンを「Ｆ」と認識できない場合もある。
【００２７】
以上のように、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の中心に、その波長で再現される原画パターン３５の明部（上記の例では、文字「Ｆ」の字部分）が重なるように、原画パターン３５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、再生像領域３０の中心に発生する０次透過光１５’のスポット１９は目立たず、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの観察の邪魔にはならない。そのため、明るく原画通りの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ることができる。
【００２８】
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。
【００２９】
【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中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されているので、再生像領域の中心に発生する０次透過光のスポットは目立たず、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの観察の邪魔にはならない。そのため、明るく原画通りの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るようになる。
【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】本発明に基づいて計算機ホログラムに記録する原画パターンと別の原画パターンを示す図である。
【図５】図４の原画パターンを用いて図２のフローチャートに従って作製した計算機ホログラムから再生した実際の再生像の例を示す図である。
【図６】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
１５’…０次透過光
１６…回折光
１７…透明基板
１８…レリーフパターン
１９…０次透過光によるスポット
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…原画パターン（本発明）
３５’…原画パターン
３６…原画パターンの明部
３７…原画パターンの暗部

Claims

透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成され計算機ホログラムから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０次透過光が達する中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されていることを特徴とするホログラム観察具。
前記計算機ホログラムは、位相分布を多値化した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。
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０次透過光が達する中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されていることを特徴とする計算機ホログラム。
位相分布を多値化した位相ホログラムからなることを特徴とする請求項３記載の計算機ホログラム。