JP5170436B2 - 計算機合成ホログラムの作製方法及びその方法により作製された計算機合成ホログラム - Google Patents

Description

本発明は、計算機合成ホログラムの作製方法及びその方法により作製された計算機合成ホログラムに関するものである。

従来、偽造防止のためホログラムを金券やクレジットカード等に設けるものが知られている。このホログラムとして、計算機を用いた演算により所定の記録面上に干渉縞を形成して作製する計算機合成ホログラム（ＣＧＨ）がある（特許文献１参照）。

特開２００１−０１３８５８号公報 特許３８１０９１７号公報 特開２０００−２１４７５０号公報 特開２００２−７２８３７号公報 特開２００５−２１５５７０号公報 特開２００４−３０９７０９号公報 特開２００４−２６４８３９号公報 A. W. Lohmann and D. P. Paris: "Binary Fraunhofer Holograms, Generated by Computer",Appl. Opt., 6, 10, pp. 1739-1748(Oct. 1967) Wai Hon Lee: "Sampled Fourier Transform Hologram Generated by Computer", Appl. Opt., 9, 3, pp. 639-643(Mar. 1970)

しかしながら、上記特許文献１の計算機合成ホログラムは、計算負荷は小さいが、縦方向の視域が狭かった。例えば、図１７及び図１８は、従来の技術を示す図である。図１７は、計算機合成ホログラム１０１に単色光からなる再生照明光１０２ａを照射した場合の側面図を示す。図１７に示すように、最上段の単位領域から発生する回折光１０３は視点Ｅの方向に回折されない。このため視点Ｅの位置では計算機合成ホログラム１０１の最上段部の再生像は観察できず、縦方向の視域は広がらない。また、図１８は、計算機合成ホログラム１０１に白色光からなる再生照明光１０２ｂを照射した場合を示す。図１８に示すように、白色光からなる再生照明光１０２ｂを照射したにも関わらず、各単位領域は単色にしか見えない。例えば最上段の単位領域から発生する回折光１０３の内、視点Ｅの方向に向かう光は、入射した白色光１０２ｂの内の青色成分Ｂである。このため、視点Ｅの位置では、計算機合成ホログラム１０１の最上段部の再生像は青色Ｂに観察される。また、中央部分は、緑色Ｇに、最下段部分は赤色Ｒに観察される（図示せず）。

なお、原画像からの物体光の光源として点光源を用いることで、上下方向（縦方向）の視域を有する技術が特許文献２に開示されている。特許文献２に開示された技術では、物体光は原画像上の点光源から広がる球面波となり、上下方向の視域は広がる。しかしながら、ホログラム記録面での記録領域を上下方向で制限しているため、物体の奥行き位置によって上下方向の視域が変化してしまう。

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、観察しやすくセキュリティ性に優れた計算機合成ホログラムを作製する方法及びその方法により作製された計算機合成ホログラムを提供することである。

上記目的を達成する本発明の計算機合成ホログラムを作製する方法は、計算機を用いた演算により所定の記録面上に振幅情報と位相情報を記録してなる計算機合成ホログラムの作製方法において、前記計算機合成ホログラムは、第１方向と、前記第１方向に直交する第２方向に対して、前記第１方向のみの視差を有し、前記第２方向に所定の幅を有する各単位領域を有し、前記各単位領域内に、一方から他方へ徐々に変化し、前記第２方向に異なる凹凸パターンの空間周波数の回折パターンが作製され、記録物体上に設定した点光源 から前記第１方向に広がり、前記点光源と異なる位置から前記第２方向に広がる物体光を 用いて記録されることを特徴とする。

また、前記回折パターンは、干渉縞からなることを特徴とする。

また、前記回折パターンは、位相と振幅を変調するパターンからなることを特徴とする。

さらに、計算機合成ホログラムが前記計算機合成ホログラムの作製方法により作製されたことを特徴とする。

本発明によれば、第１方向のみの視差を有し、単位領域内の第２方向の回折パターンの空間周波数が異なるように計算機合成ホログラムを作製することにより、回折光の第２方向の拡散角度を変更するので、第２方向の視域を拡大した計算機合成ホログラムとすることができる。また、物体光の第２方向の広がりを物体の位置とは無関係に決めることができるので、物体の奥行き位置によって第２方向の視域が変化することがない。さらに、再生照明光として白色光を用いた場合、視域が拡大すると共に、再生像を白色で観察することができる。

以下、図面を参照にして本実施形態のホログラムの作製方法を説明する。

本実施形態では、まず、計算機合成ホログラム１を作製する。図１〜図３は、計算機合成ホログラム１を作製する基本的な方法を示す。

まず、本実施形態では、計算機合成ホログラムとして原画像上に設定した点光源から所定の一次元方向にのみ広がる物体光を用いて記録されたものを用いる。この作製方法は、特許文献１の記載に基づく方法である。すなわち、図１に示すように、原画像Ｏ上の任意の点光源Ｐｉから発せられた物体光Ｏｉが、図示の通り本実施形態では水平方向（ＸＺ平面に平行な平面内）にのみ広がると仮定する。すると、物体光Ｏｉは、記録媒体１上の線状領域Ｂだけに到達することになり、記録媒体１の他の領域には、物体光Ｏｉは一切届かないことになる。光学的な方法でホログラムを作製する場合、このように物体光の広がりを制限することは極めて困難であるが、計算機を用いてホログラムを作製する場合であれば、演算式を修正するだけで物体光を容易に制御することができる。そこで、原画像Ｏを構成する全ての点光源から発せられる物体光について、同様の限定（物体光はＸＺ平面に平行な平面内にのみ広がるという限定）を付すようにする。本実施形態で作製した計算機ホログラムは、水平方向の視差のみを有する計算機合成ホログラムとなる。

図２は、上述した基本概念に基づく記録方法の具体例を示す斜視図である。この例では、原画像Ｏ及び記録媒体１（記録面）を、それぞれ多数の平行な平面によって水平方向に分割し、多数の線状の単位領域を定義している。すなわち、図示の通り、原画像Ｏは、合計Ｍ個の単位領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，…，Ａｍ，…ＡＭに分割されており、記録媒体１は、同じく合計Ｍ個の単位領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…，Ｂｍ，…ＢＭに分割されている。原画像Ｏが立体画像の場合、各単位領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，…，Ａｍ，…ＡＭは、この立体の表面部分を分割することによって得られる領域になる。ここで、原画像Ｏ上のＭ個の単位領域と記録媒体１上のＭ個の単位領域とは、それぞれが１対１の対応関係にある。例えば、原画像Ｏ上の第ｍ番目の単位領域Ａｍは、記録媒体１上の第ｍ番目の単位領域Ｂｍに対応している。

なお、この図２に示す例では、各単位領域Ａ１，Ａ２，Ａ３，…，Ａｍ，…ＡＭの幅は、原画像Ｏ上に定義された点光源のＹ方向（本実施形態では鉛直方向）のピッチに等しく設定されており、個々の単位領域は、点光源が一列に並んだ線状の領域になっている。例えば、図示の例では、第ｍ番目の単位領域Ａｍには、Ｎ個の点光源Ｐｍ１〜ＰｍＮが一列に並んでいる。

また、各単位領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…，Ｂｍ，…ＢＭの幅は、原画像Ｏ上に定義された点光源のＹ方向のピッチに等しく設定されており、個々の単位領域には、演算点が二次元に並んだ線状の領域になっている。図示の演算点Ｑ（ｘ，ｙｍ）は、第ｍ番目の単位領域Ｂｍ内に位置する演算点を示しており、ＸＹ座標系において座標値（ｘ，ｙｍ）で示される位置にある。

この例の場合、演算点Ｑ（ｘ，ｙｍ）についての干渉波強度は、次のようにして求められる。まず、この演算点Ｑ（ｘ，ｙｍ）が所属する単位領域Ｂｍに対応する原画像Ｏ上の単位領域Ａｍを演算対象単位領域として定める。そして、この演算対象単位領域Ａｍ内の点光源Ｐｍ１〜ＰｍＮから発せられた物体光Ｏｍ１〜ＯｍＮと、参照光Ｌθｍとによって形成される干渉波についての演算点Ｑ（ｘ，ｙｍ）の位置における振幅強度を求めれば、この振幅強度が、目的とする演算点Ｑ（ｘ，ｙｍ）についての干渉波強度である。ここで、参照光Ｌθｍは、例えばＹＺ平面に平行な単色平行光線であり、何れの位置でも同じ角度で記録媒体１上に入射する。あるいは、参照光Ｌθｍの入射角度θｍは、観察環境を仮定した仮想照明及び仮想視点の設定に基づいて定められ、例えば、観察時に上方からの点光源を想定する場合には、上端の単位領域Ｂ１についての参照光Ｌθ１の記録媒体の法線方向からの入射角度θ１は小さな角度δとなり、下端の単位領域ＢＭについての参照光ＬθＭの入射角度θＭは大きな角度βとなるように設定してもよい。

図３は、このような演算処理の概念を説明するための上面図であり、図２に示す原画像Ｏ及びＣＧＨ原版用記録媒体１を、図の上方から見た状態を示している。図示の通り、演算点Ｑ（ｘ，ｙｍ）における干渉波強度を求めるのに必要な物体光は、演算対象単位領域Ａｍ内のＮ個の点光源Ｐｍ１，…，Ｐｍｉ，…，ＰｍＮから発せられた物体光Ｏｍ１，…，Ｏｍｉ，…，ＯｍＮのみに限定され、原画像Ｏを構成する全点光源からの物体光を考慮する必要はない。こうして、ＣＧＨ原版用記録媒体１上に定義した全ての演算点Ｑ（ｘ，ｙｍ）について、それぞれ所定の干渉波強度を求めれば、ＣＧＨ原版用記録媒体１上に記録すべき干渉波の強度分布が得られ、得られた干渉波の強度分布を何らかの方法で物理的に記録すればＣＧＨ原版１となる。具体的には、特許文献３に記載のように、演算点に対応した位置に干渉波の強度に応じた占有率の矩形を記録することでＣＧＨ原版１を作製することができる。

以上、図１〜図３を参照しながら、原画像Ｏ上に定義された第ｍ番目の単位領域Ａｍ上の光源の情報を、ＣＧＨ原版用記録媒体１上に定義された第ｍ番目の単位領域Ｂｍ上に記録する手法を述べた。この手法で述べたモデルでは、単位領域Ａｍ及びＢｍは、何れも細長い短冊状の領域であり、点光源は一次元的に、演算点は二次元的に並んでいる。

なお、以上の方法において、分割領域上の演算点Ｑでの物体光の振幅と位相の記録には、上記で説明したような参照光との干渉による干渉縞で記録する方法以外に、特許文献４、５に記載されているように１面に溝を持った３次元セルの溝の深さで位相を、溝の幅で振幅を記録する方法でもよい。

あるいは、非特許文献１に記載されたＡ．Ｗ．Ｌｏｈｍａｎｎの方法、非特許文献２に記載されたＬｅｅの方法等で振幅と位相を記録するようにしてもよい。

図４は、本実施形態のＣＧＨ原版１の構成を示す図である。図４（ａ）は、図２に示した系をＸ方向から観察した図、図４（ｂ）は、Ｘ方向から観察したＣＧＨ原版１の拡大図である。

本実施形態のＣＧＨ原版１は、図４（ａ）に示す単位領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…，Ｂｍ，…ＢＭ内に、Ｙ方向のピッチ間隔（空間周波数）をそれぞれ異ならせるように回折パターンとしての干渉縞を作製することで、Ｙ方向の視域を変更するものである。例えば、ＣＧＨ原版１の単位領域ＢｍのＹ方向の干渉縞間隔Ｃｍ１，Ｃｍ２，Ｃｍ３，…，Ｃｍｔ，…ＣｍＴは、図４（ｂ）に示すように、様々なパターンで作製することができる。図４（ｂ）には概念図としてＹ方向の干渉縞間隔Ｃｍ１，Ｃｍ２，Ｃｍ３，…，Ｃｍｔ，…ＣｍＴを図示したが、多くの場合、物理的な干渉縞パターンはＣＧＨ原版１の表面の凹凸として形成する。この場合、図５に示すように、凹凸の断面が矩形（図５（ａ））、曲線（図５（ｂ））など種々の方法がある。また、断面の変化ではなく２次元パターンがＹ方向に周期的に変化することで干渉縞間隔を定めることもできる。なお、図５では、第Ｙ方向に異なる干渉縞間隔は、単位領域内で一方から他方へ徐々に変化しているが、これに限らず、様々なパターンで作製することができる。

図６は、本実施形態の実施例１のＣＧＨ原版１作製時の状態を示す図である。本実施例１では、物体光Ｏｍの光源のＹ方向の発散位置を、ＣＧＨ原版１の観察者と反対側の発散位置Ｆｍ１に設定する。したがって、図７に示すように、物体光Ｏｍは、Ｘ方向に関しては、点光源Ｐ１…Ｐｍ…ＰＭから広がり、Ｙ方向には広がることなく発せられ、Ｙ方向に関しては、発散位置Ｆ１１…Ｆｍ１…ＦＭ１から発せられ広がるように設定される。このため、多少の非点収差が発生するが、原画像ＯとＣＧＨ原版１との間の距離が極めて短いので、ほとんど影響はない。

このように光源を設定し、所定の入射角で参照光Ｌを照射し、物体光Ｏｍと参照光Ｌが干渉するように設定すると、図６に示すＣＧＨ原版１の単位領域Ｂｍ内に干渉縞間隔Ｃｍ１，Ｃｍ２，Ｃｍ３，…，Ｃｍｔ，…ＣｍＴの干渉縞が現れる。本実施例１では、干渉縞間隔は紙面に対して上から下に広がっていくように現れる。すなわち、ＣＧＨ原版１は、干渉縞間隔Ｃｍ１側の空間周波数が高く、干渉縞間隔ＣｍＴ側の空間周波数が低くなるように、作製される。

図８は、図６及び図７に示した実施例１のように作製されたＣＧＨ原版１に単色光からなる再生照明光２を照射した場合を示す図である。図６及び図７に示したＣＧＨ原版１に対して、単色光の再生照明光２を照射した場合、図８に示すように、ＣＧＨ原版１で回折した回折光３は、側面から見ると円弧状に広がり、Ｙ方向に視域を拡大しながら進行する。

図９は、本実施形態の実施例２のＣＧＨ原版１作製時の状態を示す図である。本実施例２では、物体光ＯｍのＹ方向の集束位置をＣＧＨ原版に対して観察者側の集束位置Ｆｍ２に設定する。したがって、物体光Ｏｍは、紙面に垂直なＸ方向に関しては、点光源Ｐ１…Ｐｍ…ＰＭからＹ方向に広がることなく発せられ、Ｙ方向に関しては、集束位置Ｆ１２…Ｆｍ２…ＦＭ２から発せられるように設定される。このため、多少の非点収差が発生するが、原画像ＯとＣＧＨ原版１との間の距離が極めて短いので、ほとんど影響はない。

このように光源を設定し、所定の入射角で参照光Ｌを照射し、物体光Ｏｍと参照光Ｌが干渉するように設定すると、図９に示すＣＧＨ原版１の単位領域Ｂｍ内に干渉縞間隔Ｃｍ１，Ｃｍ２，Ｃｍ３，…，Ｃｍｔ，…ＣｍＴの干渉縞が現れる。本実施例２では、干渉縞間隔は紙面に対して上から下に狭まっていくように現れる。すなわち、ＣＧＨ原版１は、干渉縞間隔Ｃｍ１側の空間周波数が低く、干渉縞間隔ＣｍＴ側の空間周波数が高くなるように、作製される。

図１０乃至図１３は、Ｙ方向に関する物体光の発散位置Ｆｍ１又は集束位置Ｆｍ２の他の例を示す図である。図１０は、発散位置Ｆｍ１をＣＧＨ原版１の近くに配置した場合を示す図である。この場合、Ｙ方向の視域の広がりが大きくなる。図１１は、発散位置Ｆｍ１をＣＧＨ原版１から遠く離れて配置した場合を示す図である。この場合、Ｙ方向の視域の広がりが小さくなる。図１２は、すべての単位領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…，Ｂｍ，…ＢＭに対してＣＧＨ原版１と発散位置Ｆｍ１との位置関係が一定の場合を示す図である。この場合、設計が容易となり、計算負荷が小さくて済む。図１３は、単位領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…，Ｂｍ，…ＢＭ毎にＣＧＨ原版１と発散位置Ｆｍ１との位置関係が異なる場合を示す図である。この場合、単位領域Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，…，Ｂｍ，…ＢＭ毎にＹ方向の視域を変更することができる。図１３に示す例では、上端や下端の単位領域から観察者に向かう再生光が同時に見える範囲が広くなっている。

図１４は、図６に示した実施例１のように作製されたＣＧＨ原版１に白色光からなる再生照明光２を照射した場合を示す図である。図６に示したＣＧＨ原版１に対して、白色光の再生照明光２を照射した場合、図１４に示すように、ＣＧＨ原版１から光の波長毎に異なる回折光３が発生する。本実施形態では、ＲＧＢに対応するそれぞれの回折光３は、図１４に示すように、異なる方向に進行するが、回折光３のＲＧＢすべてを含む領域Ｓで白色に見えるようになる。

ここで、ＣＧＨ原版１が白色で観察可能となる条件について、詳細に説明する。図１５は、ＣＧＨ原版が白色で観察可能となる条件を示す図である。

ＣＧＨ原版１の各単位領域Ｂｍ内において、Ｙ方向の最高空間周波数（ｆmax）の場所に入射する再生照明光２のうち、使用したい最短波長λB（例えば３８０ｎｍ）の光が回折する方向をθBmax（ＺＹ平面内で、Ｚ方向を０度として、反時計回りに正の角度とする）、また、Ｙ方向の最低空間周波数（ｆmin）の場所に入射する再生照明光２のうち、使用したい最長波長λR（例えば７８０ｎｍ）の光が回折する方向をθRminとした時、以下の条件式（１）の関係を満足すれば、ＣＧＨ原版１の各単位領域Ｂｍを白色で観察可能な位置が存在することになる。
θRmin＜θBmax ・・・（１）
ここで、回折角などの角度θは、ＺＹ平面内でＺ方向を０度として、反時計回りに正の角度とし、その取りうる範囲は−π/２＜θ＜π/２とする。

また、回折の式
１／ｆ＝λ／（sinθout−sinθin）
ｆ：ＣＧＨのＹ方向の空間周波数
λ：波長
θin：入射光の入射角度
θout：回折光の出射角度
を用いると、入射光の入射角度をθLとして、
θRmin＝sin^-1（ｆmin・λR＋sinθL）
θBmax＝sin^-1（ｆmax・λB＋sinθL）
となるため、ＣＧＨ原版１の各単位領域Ｂｍを白色で観察可能な位置が存在するには、θRminとθBmaxを条件式（１）に代入し、以下の条件式（２）を満足させ、さらに、観察位置でＣＧＨ原版１の各単位領域Ｂｍを白色で観察するためには、θBmaxを与える矢印とθRminを与える矢印を延長した交点をＷとし、交点Ｗから目Ｅに向かう角度をθEとしたとき、以下の条件式（３）を満足すればよい。
ｆmin・λR＜ｆmax・λB ・・・（２）
θRmin＜θE＜θBmax ・・・（３）

したがって、ＣＧＨ原版１のすべての単位領域Ｂｍ毎に、条件式（２）及び条件式（３）を満足すれば、観察位置においてＣＧＨ全体を白色で観察することができる。

図１６は、参照光Ｌは単位領域毎に所定の集束位置Ｇに集束し、物体光はＹ方向には広がらない場合を示す図である。図１６に示すように、参照光Ｌは単位領域ＢｍごとにＹ方向の所定の集束位置Ｇに集束し、物体光ＯｍはＹ方向には広がらない線光源として設定した場合、ＣＧＨ原版１の単位領域Ｂｍ内の干渉縞は、Ｙ方向の干渉縞間隔Ｃｍ１，Ｃｍ２，Ｃｍ３，…，Ｃｍｔ，…ＣｍＴが紙面に対して上から下に広がっていくように現れる。すなわち、ＣＧＨ原版１は、干渉縞間隔Ｃｍ１側の空間周波数が高く、干渉縞間隔ＣｍＴ側の空間周波数が低くなるように、作製される。また、Ｙ方向の集束位置Ｇは、ホログラムの観察者と反対側でもよく、この場合、Ｙ方向の間隔はＣｍ１側の空間周波数が高く、ＣｍＴ側の空間周波数が低くなるように、作製される。

このように、単位領域内のＹ方向の干渉縞間隔Ｃｍ１，Ｃｍ２，Ｃｍ３，…，Ｃｍｔ，…ＣｍＴが異なるようにＣＧＨ原版１を作製することにより、回折光３のＹ方向の拡散角度を変更するので、Ｙ方向の視域を拡大したＣＧＨ原版１とすることができる。さらに、再生照明光２として白色光を用いた場合、Ｙ方向の視域が拡大すると共に、白色で観察することができる。

以上、本発明の計算機合成ホログラムの作製方法及びその方法により作製された計算機合成ホログラムを実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施形態に限定されず種々の変形が可能である。例えば、本発明に係る計算機合成ホログラムは、特許文献６及び特許文献７に提示されたような計算機合成ホログラフィックステレオグラムの技術を適用してもよい。

本発明に係る計算機合成ホログラムの記録方法の概念を示す斜視図である。 図１の演算処理の概念に基づく具体例を示す図である。 図１の演算処理の概念を説明するための上面図である。 本実施形態のＣＧＨ原版の構成を示す図である。 本実施形態のＣＧＨ原版の具体的な構造を示す図である。 本実施形態の実施例１のＣＧＨ原版作製時の状態を示す図である。 本実施形態の実施例１のＣＧＨ原版作製時の状態を示す斜視図である。 実施例１のＣＧＨ原版に単色光からなる再生照明光を照射した場合を示す図である。 本実施形態の実施例２のＣＧＨ原版作製時の状態を示す図である。 Ｙ方向の発散位置Ｆｍ１の他の例を示す図である。 Ｙ方向の発散位置Ｆｍ１の他の例を示す図である。 Ｙ方向の発散位置Ｆｍ１の他の例を示す図である。 Ｙ方向の発散位置Ｆｍ１の他の例を示す図である。 実施例１のＣＧＨ原版に白色光からなる再生照明光を照射した場合を示す図である。 ＣＧＨ原版が白色で観察可能となる条件を示す図である。 参照光Ｌを所定の集束位置Ｇに集束する光とし、物体光はＹ方向には広がらない光とした場合を示す図である。 従来の技術を示す図である。 従来の技術を示す図である。

符号の説明

１…ＣＧＨ原版（ＣＧＨ原版用記録媒体）
２…再生照明光
３…回折光

Claims (4)

1. 計算機を用いた演算により所定の記録面上に振幅情報と位相情報を記録してなる計算機合成ホログラムの作製方法において、
   前記計算機合成ホログラムは、
   第１方向と、前記第１方向に直交する第２方向に対して、
   前記第１方向のみの視差を有し、
   前記第２方向に所定の幅を有する各単位領域を有し、
   前記各単位領域内に、一方から他方へ徐々に変化し、前記第２方向に異なる凹凸パタ ーンの空間周波数の回折パターンが作製され、
   記録物体上に設定した点光源から前記第１方向に広がり、
   前記点光源と異なる位置から前記第２方向に広がる物体光を用いて記録される
   ことを特徴とする計算機合成ホログラムの作製方法。
2. 前記回折パターンは、干渉縞からなることを特徴とする請求項１に記載の計算機合成ホログラムの作製方法。
3. 前記回折パターンは、位相と振幅を変調するパターンからなることを特徴とする請求項 １に記載の計算機合成ホログラムの作製方法。
4. 請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の計算機合成ホログラムの作製方法によって作製された計算機合成ホログラム。

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