(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
可干渉性のある光を発する光源と、
光源からの入射光を回折格子に応じて透過回折するマスター回折素子と、
マスター回折素子からの回折光をフーリエ変換する第１フーリエ変換系と、
第１フーリエ変換系のフーリエ面近傍に配置され、前記回折光の一部を選択的に透過する空間光変調器と、
空間光変調器を透過した光を逆フーリエ変換する第２フーリエ変換系と、
第２フーリエ変換系の逆フーリエ面近傍に配置された感光材料と、
感光材料を所望の位置に移動させる移動手段と、
作製する回折格子パターンの画像データから、感光材料上の各点に対応するフーリエ面上のパターンを求める画像処理手段と、
フーリエ面上のパターンに基づき、前記空間光変調器と前記移動手段の双方を駆動する制御手段、とから成り、
空間光変調器によって選択的に透過された光である物体光と、同一光源から発し、マスター回折素子からの回折を受けずに透過した光である参照光、とを感光材料上で順次干渉させることを特徴とする回折格子パターン作製装置。
【請求項２】
可干渉性のある光を発する光源と、
光源からの入射光を回折格子に応じて透過回折するマスター回折素子と、
マスター回折素子からの回折光をフーリエ変換するフーリエ変換系と、
前記マスター回折素子と前記フーリエ変換系との間に配置され、入射光の一部を透過し、残りの一部を反射する半透明鏡と、
フーリエ変換系のフーリエ面近傍に配置され、前記半透明鏡を透過した回折光の一部を選択的に反射する空間光変調器と、
前記半透明鏡と相対向する位置に配置される感光材料と、
感光材料を所望の位置に移動させる移動手段と、
作製する回折格子パターンの画像データから、感光材料上の各点に対応するフーリエ面上のパターンを求める画像処理手段と、
フーリエ面上のパターンに基づき、空間光変調器と移動手段の双方を駆動する制御手段、とから成り、
空間光変調器によって選択的に反射され、前記フーリエ変換系に戻って逆フーリエ変換され、前記半透明鏡によって一部を反射された後、前記感光材料に至る光である物体光と、同一光源から発し、マスター回折素子からの回折を受けずに透過した後、前記感光材料に至る光である参照光、とを感光材料上で順次干渉させることを特徴とする回折格子パターン作製装置。
【請求項３】
フーリエ変換系がレンズからなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の回折格子パターン作製装置。
【請求項４】
第１フーリエ変換系と第２フーリエ変換系とが、互いに異なる焦点距離を持つレンズからなることを特徴とする請求項１記載の回折格子パターン作製装置。
【請求項５】
空間光変調器によるフーリエ面上のパターンが、３次元物体のデータから求められる視差を持つ複数枚の２次元画像を構成するセルとなるパターンであり、回折格子パターンが３次元物体を立体的に表示するハードコピーであることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の回折格子パターン作製装置。
【請求項６】
回折格子パターンがフルカラー画像であることを特徴とする請求項１〜請求項５の何れかに記載の回折格子パターン作製装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折格子からなる微小なドット（セル）を構成単位とするパターンの作製装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元物体を立体的に表示するハードコピーに係る提案として、本出願人等による特開平３−２４９６８６号公報が公知である。
上記提案は、基材（リップマン型ホログラムの感光材料）にドット状の要素ホログラムを複数形成し、３次元物体を、左右のみならず上下方向にも視差を持たせて立体表示するハードコピーに関する。各要素ホログラムは、図１に示すように、３次元物体のデータから求められた感光材料の各点に対応する原画パターン（同図で、パネルに表示されたパターンに相当し、ドット状に集光する物体光となる）を、感光材料の反対側からマスクの開口を通過する参照光との露光・干渉させることによって順次形成する。
【０００３】
上記提案により作製されるパターンでは、各要素ホログラムの形状及び大きさがレンズの性能に依存するため、通常は、ある程度のガウス分布を有し、形状がほぼ円形のドット状にしかならず、各要素ホログラムは各原画パターンを忠実には再現できない。
【０００４】
また、各要素ホログラムの再生光の方向は、各再生方向に対応する光の干渉に依存するため、再生するべき方向の多い要素ホログラムと再生するべき方向の少ない要素ホログラムとでは、露光条件が異なるので、再生光量（強度）の均一な要素ホログラムを形成するのが難しいという問題を有する。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、回折格子からなる微小なドット（セル）を構成単位とするパターンを作製するにあたって、各要素ホログラム（ドット，セル）がそれを構成する各原画パターンを忠実に再現できると共に、各要素ホログラムからの再生光量（強度）を均一とするのに好適な作製装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
請求項１の回折格子パターン作製装置は、
可干渉性のある光を発する光源と、
光源からの入射光を回折格子に応じて透過回折するマスター回折素子と、
マスター回折素子からの回折光をフーリエ変換する第１フーリエ変換系と、
第１フーリエ変換系のフーリエ面近傍に配置され、前記回折光の一部を選択的に透過する空間光変調器と、
空間光変調器を透過した光を逆フーリエ変換する第２フーリエ変換系と、
第２フーリエ変換系の逆フーリエ面近傍に配置された感光材料と、
感光材料を所望の位置に移動させる移動手段と、
作製する回折格子パターンの画像データから、感光材料上の各点に対応するフーリエ面上のパターンを求める画像処理手段と、
フーリエ面上のパターンに基づき、前記空間光変調器と前記移動手段の双方を駆動する制御手段、とから成り、
空間光変調器によって選択的に透過された光である物体光と、同一光源から発し、マスター回折素子からの回折を受けずに透過した光である参照光、とを感光材料上で順次干渉させることを特徴とする。
【０００７】
請求項２の回折格子パターン作製装置は、
可干渉性のある光を発する光源と、
光源からの入射光を回折格子に応じて透過回折するマスター回折素子と、
マスター回折素子からの回折光をフーリエ変換するフーリエ変換系と、
前記マスター回折素子と前記フーリエ変換系との間に配置され、入射光の一部を透過し、残りの一部を反射する半透明鏡と、
フーリエ変換系のフーリエ面近傍に配置され、前記半透明鏡を透過した回折光の一部を選択的に反射する空間光変調器と、
前記半透明鏡と相対向する位置に配置される感光材料と、
感光材料を所望の位置に移動させる移動手段と、
作製する回折格子パターンの画像データから、感光材料上の各点に対応するフーリエ面上のパターンを求める画像処理手段と、
フーリエ面上のパターンに基づき、空間光変調器と移動手段の双方を駆動する制御手段、とから成り、
空間光変調器によって選択的に反射され、前記フーリエ変換系に戻って逆フーリエ変換され、前記半透明鏡によって一部を反射された後、前記感光材料に至る光である物体光と、同一光源から発し、マスター回折素子からの回折を受けずに透過した後、前記感光材料に至る光である参照光、とを感光材料上で順次干渉させることを特徴とする。
【０００８】
【作用】
第１・第２のフーリエ変換系を採用することにより、それらは結像系としても機能するため、マスター回折素子に形成された回折素子の空間的な配置が、忠実に感光材料上に再現され、空間光変調器により選択された任意の形状の回折素子を任意に配置することができる。
【０００９】
空間光変調器を反射型とし、半透明鏡を介在させることで、第１・第２のフーリエ変換系を兼用させることができ、回折格子パターン作製装置がコンパクトになる。（請求項２）
【００１０】
第１・第２のフーリエ変換系としてレンズを用いることにより、低コストかつ簡便に回折格子パターン作製装置が得られる。（請求項３）
【００１１】
第１・第２のフーリエ変換系として異なる焦点距離を持つレンズを用いることにより、レンズの組み合わせに応じて、感光材料に記録される回折格子を、マスター回折素子の回折格子のスケールおよび空間周波数とは異なるものにすることができ、ピッチの細かい回折格子や大きなドット（セル）の回折格子を、簡便に記録することができる。（請求項４）
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜実施形態１＞
図１は、本発明の回折格子パターン作製装置の概略を示す説明図である。
ここでは、可干渉性のある光としてレーザー光を用い、第１・第２のフーリエ変換系としてレンズを用い、感光材料にレリーフ型の回折格子パターンを作製する場合を示している。
【００１３】
レーザー光源から発したレーザー光がマスター回折素子に入射し、マスター回折素子による回折を受けずに透過する光（０次光）が、感光材料に参照光として入射する。マスター回折素子からの回折光は、回折素子の構成により様々な成分を持つが、第１のフーリエ変換系（レンズ１）に入射してフーリエ変換されるこれらの成分は、フーリエ面で液晶パネルなどのような空間光変調器により必要な部分が選択的に光量変調を伴って透過され、さらに第２のフーリエ変換系（レンズ２）に入射して逆フーリエ変換されて感光材料に入射する。
【００１４】
ここで、２つのフーリエ変換系により結像系を形成（レンズ１の前側焦点面にマスター回折素子、レンズ２の前側焦点面である後側焦点面に空間光変調器、レンズ２の後側焦点面に感光材料、をそれぞれ配置）しているので、マスター回折素子の空間的分布が相似的に感光材料に再現され、しかも物体光である回折光と参照光である０次光が共に同一位置に入射するので、マスター回折素子の配置や形状に依存した干渉縞が記録される。
【００１５】
例えば、立体表示を行なうための回折格子パターンを作製する場合、以下の３手段は、全てコンピュータによって行なわれる。
▲１▼３次元物体が有する画像データを、空間光変調器に表示するパターンに計算・変換する画像処理手段。
▲２▼感光材料を所望の位置に移動させる移動手段。
▲３▼空間光変調器の表示パターンに基づき、空間光変調器と移動手段の双方を駆動する制御手段。
【００１６】
ここで、任意の複雑な回折格子も微少領域では単純な（直線の）回折格子であると考えられるので、まず単純な回折格子について考える。（図２参照）
Ｘ−Ｙ平面内にある単純な回折格子による回折は次式で表せる。
ｍλ＝ｄx （sin αx ＋sin βx ）
ｍλ＝ｄy （sin αy ＋sin βy ）
ここで、λは入射光の波長、ｄx はＸ−Ｚ平面における回折格子の格子間隔、αx は同照明光の入射角度、βx は同ｍ次の回折光の出射角度（回折角度）、ｄy , αy , βy はそれぞれＹ−Ｚ平面内における格子間隔、入射角度、回折角度である。なお、通常はｍ＝＋１、すなわち＋１次の回折光について考える。
回折格子の空間周波数ｄと角度θは次式により求められる。
θ＝tan -1（ｄy ／ｄx ）
ｄ＝ｄx  sinθ
【００１７】
図３は、曲線の回折格子についての光学特性を示す説明図である。
回折格子は、曲線をｙ方向に等間隔で並べたものである。図では、法線ベクトルがｘ軸に垂直な平行光である照明光がｘ−ｙ面に平行に置かれた回折格子に入射し、透過回折光がｘ方向にのみ広がって出射している。すなわち、この曲線はｄx が連続的に変化している状態を作るので、回折光がｘ方向にのみ連続的に分布することになる。従って、この曲線の形状を変えると、任意のｘ方向の分布を持った回折光を得ることができる。
【００１８】
ここで、回折格子のｙ方向の間隔ｄy （一定）のみを変えると、レーザー光の特定波長に関しては、ｙ方向の透過回折角度が変わる。
一方、白色光について考えると、出射側のあるｙ座標の位置では、ｄy を変えることにより、透過回折光の波長が変わることになる。
【００１９】
前者（回折格子のピッチを、ある範囲内で連続的に幅を持たせることにより、回折光の出射範囲に幅を持たせることができる）は回折格子パターンの作製時に利用する効果であり、後者（ある一定の回折格子のピッチを変化させることで、回折光の波長＝色を変化させることができる）は作製された回折格子パターンの観察時に奏せられる効果であり、フルカラー画像を再生・観察する原理となる。すなわち、マスター回折素子の回折格子を変更することにより、任意の回折光の範囲＝観察可能範囲、任意の波長＝観察時の色が設定できることになる。
【００２０】
図４は、マスター回折素子の一例を示す説明図である。
同図では、横方向にそれぞれｘ方向に回折範囲の異なる回折格子が並び、縦方向にそれぞれｙ方向に回折範囲の異なる回折格子が並んでいる。
【００２１】
図５は、図４のマスター回折素子を使用して立体像を表現する際の、回折格子と視差画像との対応関係を示す説明図である。
すなわち、各回折格子の回折方向に対応する方向から被写体を撮影して得られる視差画像を構成することになる各ドットを、Ｒ，Ｇ，Ｂ用の回折格子の明るさとして表現する。実際には、これらの処理は各画素の視差方向に関しては同時に行われ、感光材料上に同時に記録される。
【００２２】
図６は、図４のマスター回折素子に対応するフーリエ面におけるパターンを示す説明図である。
フーリエ面上のパターンは、マスター回折素子上の回折格子の空間的な配置とは無関係であり、マスター回折素子上の回折格子の空間周波数分布（ｘ方向、ｙ方向の格子間隔の成分）にのみ依存する。
従って、図４のマスター回折素子上の回折格子の位置を入れ替えても、あるいは回折格子の形を四角でないものにしても、フーリエ面上のパターンは変化しない。
【００２３】
フーリエ面において、空間光変調器により各回折格子に対応する回折光の光量を調節すると、感光材料上にはそれぞれ対応した回折格子が、調整された濃度で形成される。（図７参照）
なお、ここでいう濃度は記録される光の強度であり、作製される回折格子パターンは、感光材料の性質と現像などの後処理などによって、振幅型，位相型のどちらのタイプのホログラムにも応用できる。
従って、図５のように、立体画像から得られる視差画像を画素毎に各回折格子で感光材料上に記録することができる。
【００２４】
＜実施形態２＞
本発明のパターン作製装置は、上述した形態の他に、図８のようにしても同様に実現できる。
図８の作製装置では、空間光変調器を反射型とし、半透明鏡を介在させることで、第１・第２のフーリエ変換系を兼用させることができ、装置がコンパクトになり、また精度の要求されるレンズが１つで済むため、簡便に安価に装置が作製できる。
半透明鏡として誘電体ミラーなどを採用することにより、半透明鏡での光損失を極めて少なくでき、回折光の利用効率を高めることができる。
【００２５】
上述した以外にも、本発明は下記に例示する実施形態が適用できる。
（１）マスター回折素子は単純な回折格子から構成されるものではなく、複雑な格子縞を有するホログラムのようなものでも良い。
（２）フーリエ変換系として、レンズに限らず、ホログラフィック光学素子などを用いても良い。
（３）マスター回折素子は、透過型に限らず反射型のものを用いても良い。
（４）入射光を、マスター回折素子に対してフーリエ変換系側から入射するようにしても良い。
【００２６】
なお、リップマンホログラムからなる回折格子パターンを作製する場合には、参照光を感光材料の裏面から入射する必要がある。
また、リップマンホログラムの場合、レーザー光が１種類の波長では、通常は回折格子パターンも単色であり、フーリエ面におけるｙ方向は、縦方向の視域に対応するようになる。なお、リップマンホログラムでカラー化するには、複数種類の波長のレーザー光を用いるか、感光材料の膨潤・収縮などの処理を行ない、格子縞のピッチを変化させれば良い。
【００２７】
【発明の効果】
（１）任意の形状の回折素子の任意の配置が実現できるため、各要素ホログラムがそれを構成する各原画パターンを忠実に再現できる。また、形状だけでなく、例えばマスター上で比視感度の低い青成分表示用の回折素子の画素に占める面積を大きくしておくと、感光材料上でもこれが再現されるなど、画素として任意の回折素子の空間的分布が簡便に作製できる。
（２）マスター上で異なる空間周波数成分の回折素子が異なる空間的位置に配置されていれば、どの成分の回折素子を記録する場合も、あるいは全ての回折素子を記録する場合も、各回折素子に関して露光条件は同じであり、均一で安定した回折素子が作製できる。どの回折素子がどの程度の濃度で記録されるかは、主に物体光と参照光の光量比で決まるが、本発明によれば参照光は一定であるので、物体光の光量によって任意に決められる。物体光の光量はフーリエ面に配置された空間光変調器によって制御されるので、空間変調器のセル構造などは記録する回折素子の形状に影響を与えず、均一な形状の回折格子を任意の濃度で記録できる。従って、各要素ホログラムからの再生光量（強度）を均一とするのに好適である。
【００２８】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折格子パターン作製装置の概略を示す説明図。
【図２】単純な（直線の）回折格子を示す説明図。
【図３】曲線の回折格子についての光学特性を示す説明図。
【図４】マスター回折素子の一例を示す説明図。
【図５】図４のマスター回折素子を使用して立体像を表現する際の、回折格子と視差画像との対応関係を示す説明図。
【図６】図４のマスター回折素子に対応するフーリエ面におけるパターンを示す説明図。
【図７】回折格子からの回折光量が、フーリエ変換によりフーリエ面では、濃淡として表現されることを示す説明図。
【図８】他の形態での回折格子パターン作製装置の概略を示す説明図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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