(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラム画像の結像面内において、再生されるホログラム画像を構成する単位である円形画素の直径が、該円形画素における光強度分布の最大強度の点から該最大強度の１／ｅ2となる光強度の円周上の点までの距離をＤ／２とするときにＤであり、該直径Ｄが、ホログラムの標本化のピッチよりも大きいことを特徴とするホログラム情報記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、再生専用のホログラム情報記録媒体に係り、特に磁気カードやＩＣカードのように、持ち運び容易なメモリカードとして使用するに好適な再生専用のホログラム情報記録媒体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ポケットに入れて持ち運びが可能であって、安価且つ偽造の危険性が少ない情報記録媒体として、再生専用多重ホログラムカード（以下ホログラムカードと略記する）が考案されている。図１はホログラムカードの断面構造と情報再生の原理を示す図である。同図において、ホログラムカード５は屈折率の高い層（コア層１と称する）と屈折率の低い層（クラッド層２と称する）を交互に積層した構造で特徴づけられる。
【０００３】
図１に示されているように、レンズ３で絞り込んだレーザ光４を、このホログラムカード５の側方端面に照射すると、レーザ光４はコア層１近傍に閉じ込められてホログラムカード５内を進行する。この光を導波光６と称し、導波光６の光エネルギーが集中するコア層１近傍の領域をスラブ導波路または単に導波路と称する。１つの導波路は１つのコア層１と隣接するクラッド層２の一部を含む。ホログラムカード５は、各導波路がホログラムを備えることをもう一つの特徴としている。
【０００４】
導波路を伝搬する導波光６は、あらかじめ作り込まれた散乱要因７によって導波路外へ散乱されるが、散乱要因７は全体としてボログラムとして機能するように設計されており、このために散乱光は互いに干渉し、全体としては図１上、上方向または下方向に進み、ホログラムカード５外の一平面内で像を結ぶ光となる。この光を回折光８と称し、像をホログラム像（再生画像）９と称する。ホログラム像９は導波路内のホログラムの情報を含んでおり、この像をＣＣＤ等の撮像素子（２次元ディテクタ）で観測することにより、情報読み出しを行う。
【０００５】
さらに、レンズ３によるレーザ光４の絞り込みが適切であれば、導波路のうちの一つのみに導波光を伝搬させることができるため、各導波路に作り込まれたホログラム情報を独立に読み出すことかできる。ホログラムカードに関する技術の中で、撮像素子での情報読み出しに好適なホログラム像を生成するようなホログラムを作成する技術が重要である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のホログラムカードでは、ホログラムの生成は数値計算によって行っており、この場合は、画像の重ね写り現象が起こって、画質を劣化させるか、または高い確率で読み取り誤りが発生していた。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ホログラムから再生された画像の劣化を防止し、またはホログラムに記録された情報の読み出し誤りの発生を抑制することができるホログラム情報記録媒体を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、ホログラム情報記録媒体であって、ホログラム画像の結像面内において、再生されるホログラム画像を構成する単位である円形画素の直径が、該円形画素における光強度分布の最大強度の点から該最大強度の１／ｅ2となる光強度の円周上の点までの距離をＤ／２とするときにＤであり、該直径Ｄが、ホログラムの標本化のピッチよりも大きいことを特徴とする。
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、ホログラム情報記録媒体であって、ホログラム画像の結像面内において、再生されるホログラム画像を構成する単位である円形画素の直径が、該円形画素における光強度分布の最大強度の点から該最大強度の１／ｅ2となる光強度の円周上の点までの距離をＤ／２とするときにＤであり、該直径Ｄを、ホログラムの標本化のピッチよりも大きくしたので、ホログラムから再生された画像の劣化を防止し、またはホログラムに記録された情報の読み出し誤りの発生を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。図２は、ホログラム情報記録媒体から再生された画像とホログラム情報記録媒体に記録されたホログラムとの関係を説明する図である。導波光６はホログラム７によって導波路面１１に対して概ね垂直な方向ヘ回折され、ある平面内にて像を結ぶ。この平面を結像面１０と称する。したがって、結像面１０に撮像素子を置いて再生画像の観測が行われる。結像面１０内でのスカラー光電磁場をフェイザー表示で
【数１】
0003569207.tif 000002
と記す場合、撮像素子で実際に観測されるのは光強度分布Ｉであり、次式（２）に示すようにスカラー光電磁場の絶対値の自乗である。
【００１４】
【数２】
0003569207.tif 000003
つまり、この光強度分布が再生画像であると言える。ホログラム情報記録媒体作製に際しては、式（２）を満たすようなスカラー光電磁場を結像面１０内で生成するようなホログラムを設計することになる。設計ではまず、導波路面１１内でどのようなスカラー光電磁場を用意すれば結像面１０内で目的とするスカラー光電磁場Ｕｉが得られるかを予測する。予測された導放路面１１内でのスカラー光電磁場を
【数３】
0003569207.tif 000004
と記す。スカラー光電磁場Ｕｗが判れば、ホログラムは例えば
【数４】
0003569207.tif 000005
のようなものにすればよい。ただし、ｊは虚数単位、βは導波路の伝搬定数とする。ところで、ホログラム像（再生画像）９を忠実に生成するような導波路面１１内でのスカラー光電磁場Ｕｗは、理想的には連続的に変化するものであり、したがってホログラム７も図２に示すように連続的に変化するものである。
【００１５】
しかし、従来はスカラー光電磁場Ｕｗの予測には数値計算を用いており、したがって、得られる数値は一定間隔おきで、このために図３に示すように、実際に作成されるホログラム１２はモザイク状になり、理想的なホログラムからは誤差がある。このように、本来は連続なホログラムを有限個の代表点で近似的に置き換えることを、デジタル信号処理の分野での用語に習い、標本化（サンプリング）と称する。標本化したホログラム１２でも、目的とする画像はほぼ忠実に再生されるが、画像の重ね写り現象が起きる。
【００１６】
図３に示したように、目的とした画像とほぼ同形の画像が、元の位置から上下（ｙ方向）左右（ｘ方向）にずれて生成される。本来目的とした画像の周りに生成されるこれらの像を、テレビ受像機で電波の反射のために発生する同様な現象にならい、ゴースト１３と称する。ゴースト１３は、元の画像と比較して強度は弱いものの、特に元の画像と比較して強度が１０％を越えると影響が大きく、再生画像の認知に大きな支障を来すことがあった。
【００１７】
ゴーストの強さ・発生する位置は、以下のようにフーリエ光学で予測することができる。導波路面内での理想的なスカラー光電磁場ＵＷ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換を、
【数５】
0003569207.tif 000006
と記す。但し、ｆｘ，ｆｙは空間周波数である。ただし、ここで行ったフーリエ変換は次式（６）で定義される（以下、フーリエ変換したものを空間スペクトルと称することがある）。
【００１８】
【数６】
0003569207.tif 000007
実際の導波路面内でのスカラー光電磁場は、標本化のために例えば
【数７】
0003569207.tif 000008
と書くことができる。但し、ｍ，ｎは整数、式（７）における関数ｒｅｃｔは、式（８）で定義される。
【数８】
0003569207.tif 000009
また式（７）におけるａは標本化のピッチで、図３に示すように実際のホログラム１２を構成する単位正方形（ユニットセルと称する）の一辺の長さである。
【００１９】
また、式（７）をフーリエ変換すると式（５）に対応して、標本化された場合の導波路面内でのスカラー光電磁場の空間スペクトルとして、
【数９】
0003569207.tif 000010
が得られる。但し、式（９）における関数ｓｉｎｃは、以下で定義される。
【数１０】
0003569207.tif 000011
式（９）は、図４にも示したように、標本化したホログラムの空間スペクトルＶＷＳは、理想のホログラムの空間スペクトルＶｗをｆｘ，ｆｙの方向に周期的に並べたものにｓｉｎｃ関数を乗じたものであることを示している。
【００２０】
図４から判るように、標本化したホログラムの空間スペクトルＶＷＳの中央部は理想のホログラムの空間スペクトルＶｗに近いが、左右に元のＶｗには存在しない小さなピークがある。これらが、ゴーストを発生する因子となる。これらのピークはｆｘ＝±１／ａ付近のｓｉｎｃ関数が０に近い部分にあるため、元のＶｗと比較して小さい。
しかし、元のホログラムが高い空間周波数成分を持ち、従って図４でＶｗがもっと左右に拡がった形であった場合、ゴースト発生因子となるピークは大きくなる。これより、ノイズであるゴーストを弱めるためには、空間スベクトルがあまり広くなく、特に±１／ａ以上の領域まで拡がらないようなホログラムを用いるのが良いことが判る。
【００２１】
目的とする結像面内でのスカラー光電磁場Ｕｉ（ｘ，ｙ）をフーリエ変換したものを
【数１１】
0003569207.tif 000012
とすると、フーリエ光学では結像面内とホログラム情報記録媒体における導波路面内のスカラー光電磁場には、次式（１２）の関係が成り立つとする。
【数１２】
0003569207.tif 000013
但し、λ。は空気中での光の波長、ｋは空気中での光の波数でｋ＝２π／λ。、ｚは結像面と導波路面との距離である。これより、標本化の結果、結像面内で得られるスカラー光電磁場Ｕｉｓ（ｘ，ｙ）は、
【数１３】
0003569207.tif 000014
と計算される。但し、全体にかかる一定位相ずれの係数は省略した。式（１３）において、ξ、ηは−ａ／２からａ／２までの範囲の実数である。
【００２２】
式（１３）は、実際に得られるスカラー光電磁場は整数ｍ，ｎで指数付けされた複数の成分からなることを意味している。式（１３）における右辺の最初の指数関数部は単なる位相ずれであり、重要ではない。その後の積分の部分は、意図したスカラー光電磁場Ｕｉと同様な形で、一定間隔λ０ｚ／ａおきにずれたスカラー光電磁場となる。このうち、（ｍ，ｎ）＝（０，０）の成分が意図したスカラー光電磁場Ｕｉにほぼ等しいものであり、それ以外の（ｍ，ｎ）値の成分は全てゴーストである。
【００２３】
ゴーストのうち、最も強いのは（ｍ，ｎ）＝（＋１，０），（−１，０），（０，＋１），（０，−１）のものであり、図３に示すように元の画像の上下左右に現れる。これを（１，Ｏ）ゴーストと称する。式（１３）における積分演算はａ×ａのユニットセル領域内で行っており、この領域内でＵｉ（ｘ，ｙ）が余り変化しない場合、被積分関数である指数関数項のために積分値は０に近づき、ゴーストは弱くなる。逆にＵｉ（ｘ，ｙ）が大きく変化する場合はゴーストは強くなる。
一例として、結像面内で例えば次式（１４）で表せるようなスカラー光電磁場を生成しようとする場合を考える。
【００２４】
【数１４】
0003569207.tif 000015
ここでλは複素定数、Ｄは実定数である。これに対して強度分布は式（２）より、
【数１５】
0003569207.tif 000016
となり、観測される画像は図５のようになる。同図から判るようにこの画像は円形で、ｘ＝ｙ＝０の中心で強度が最大、この中心から離れるにしたがって単調に強度が弱くなり、Ｄ／２離れた円周上で最大強度の１  ／ｅ２となる。この直径Ｄの円の内部に全光パワーの９０％以上が集中することから、この直径Ｄは上記円形画像の大きさであるといえる。
【００２５】
図６は、この円形画像を生成しようとするときの、（１，０）ゴースト成分と目的とする画像である（０，０）成分との光強度比をプロットしたもので、横軸は円形画像の直径Ｄとホログラム標本化ピッチａとの比である。計算には式（１３）を用いた。同図より、再生されるホログラム画像（円形画像）における光強度分布の最大強度の点から該最大強度の１／ｅ２となる光強度の円周上の点までの距離をＤ／２とするときの直径Ｄをホログラム標本化ピッチａより大きくしていくとゴーストが域少していくことか判る。
【００２６】
ところで、図６は１個の円形画像を想定したものであるが、このような円形画像を単位として画素と称し、図７に示すように、画素１４を縦横方向に多数並べて、それぞれに異なる強度を与え、新たに一つの画像１５を構成することができる。この画像全体のスカラー光電磁場は例えば、
【数１６】
0003569207.tif 000017
と表される。但し、ｃは画素間のピッチ、μ，νは整数である。式（１６）は式（１４）の重ね合わせであることから、この画像に関して、ゴーストの強度が図５と全く同様になることは、明らかである。
【００２７】
すなわち、画素における光強度分布の最大強度の点から該最大強度の１／ｅ２となる光強度の円周上の点までの距離をＤ／２とするときの直径Ｄを大きくしていくとゴーストは弱くなるが、逆に直径Ｄが標本化ピッチａよりも小さくなると、ノイズとしてのゴースト強度は目的とする画像の強度の１０％を越え、画像を意図した通りに認知するのに困難を来す。したがって、本発明は、画素の大きさ、すなわち、画素のサイズを標本化ピッチよりも大きくすることにより、意図通りの画像認知を可能にするものである。
【００２８】
光強度分布（式（１４））、または光電磁場分布（式（１５））で定義される画素は、図５に示すように円形であるが、本発明は円形の画素に関するものに限定されるわけではない。四角形や楕円のように、縦と横の長さが違う画素でも同様に適用できるものであり、その場合は画素の最大幅が標本化ピッチよりも大きければよい。また、図５に示した画素のように強度が滑らかに変化する画素では、どこまでを画素の領域としてどこから画素でないか、外形がはっきりしないことがあるが、その場合は画素中の最大強度の１／ｅ２となる場所を画素領域とその外側とを分ける境界として画素の大きさを決める。
【００２９】
次に、本発明の実施の形態に係るホログラム情報記録媒体の実施例について説明する。本実施例においては、ホログラム再生には波長６８０ｎｍの半導体レーザを用いることとし、ホログラム標本化ピッチは１．６７５μｍとした。目的とする画像は、微小な画素を１３．７μｍおきに縦３２個×横３２個並べたもので、全ての画素の強度は等しくし、全体で１辺０．４２５ｍｍの正方形となるものである。ただし、画素には種々の大きさや形のものを用いた。各画像のホログラムを数値計算で求め、これらのホログラムの各々を具備するホログラムカードを作製し、実際に光を導波させたところ図８、図９のような再生画像が観測された。
【００３０】
白線の正方形が目的とした縦３２個×横３２個の画像からなる画像の部分である（図８（ａ），（ｂ））。図５と同様に式（１５）により得られる強度分布の円形画素を用いており、図８（ａ）の円形画素の直径Ｄは０．６μｍ、図８（ｂ）の円形画素の直径Ｄは３．１μｍである。２つの画像のうち、標本化ピッチ１．６７５μｍよりも小さい０．６μｍ直径の円形画素を用いた図８（ａ）では、本来の画像の上下左右に強いゴーストか出ており、このために全体では意図した縦３２個×横３２個の点列という画像とは違った画像に見える。これに対し、本発明による、標本化ピッチよりも大きい直径３．１μｍの円形画素を用いた図８（ｂ）にはゴーストは殆ど観測されず、当初目的としたとおりの画像になっていることが判る。
【００３１】
一方、図９（ｃ）の画像再生例は、やはり直径１．０μｍの円形画素を用いているが、この画素は図５に示す円形画素とは異なり、画素の円の内部は均一強度で、円の外側では強度０というものである。図９（ｄ）の画像再生例も図９（ｃ）の画像再生例と同様に均一強度の円形画像であるが、直径は３．０μｍである。この円形画素の場合でも、本発明に従った直径３μｍの円形画素の場合で有効にゴーストが抑制され（図９（ｄ））、本発明に従わない直径１μｍの円形画素ではゴーストが残っていることが判る（図９（ｃ））。
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したように、請求項１に記載の発明によれば、ホログラム情報記録媒体であって、ホログラム画像の結像面内において、再生されるホログラム画像を構成する単位である円形画素の直径が、該円形画素における光強度分布の最大強度の点から該最大強度の１／ｅ2となる光強度の円周上の点までの距離をＤ／２とするときにＤであり、該直径Ｄを、ホログラムの標本化のピッチよりも大きくしたので、ホログラムから再生された画像の劣化を防止し、またはホログラムに記録された情報の読み出し誤りの発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホログラムカードの構造と情報再生の原理を示す説明図。
【図２】画像を再生するのに理想的なホログラムと再生される目的とする画像との関係を示す説明図。
【図３】数値計算で作成される実際のホログラムと再生される画像との関係を示す説明図。
【図４】ホログラムの空間スペクトルを示す説明図。
【図５】式（１４）で定義される円形画像の再生例を示す図。
【図６】ホログラム像を再生する際に生じるゴースト成分と目的とする画像との光強度比を、再生される円形画像の直径Ｄとホログラム標本化ピッチａとの比の大きさに対してプロットした特性図。
【図７】円形画素によるホログラム像の再生例を示す説明図。
【図８】本発明の実施例に係るホログラム情報記録媒体のホログラム像再生の一例を示す説明図。
【図９】本発明の実施例に係るホログラム情報記録媒体のホログラム像再生の他の例を示す説明図。
【符号の説明】
１  コア層
２  クラッド層
３  レンズ
４  レーザ光
５  ホログラムカード
６  導波光
７  散乱要因（ホログラム）
８  回折光
９  ホログラム像
１０  結像面
１１  導波路面
１２  実際のホログラム
１３  ゴースト
【図１】
0003569207.tif 000018
【図２】
0003569207.tif 000019
【図３】
0003569207.tif 000020
【図４】
0003569207.tif 000021
【図５】
0003569207.tif 000022
【図６】
0003569207.tif 000023
【図７】
0003569207.tif 000024
【図８】
0003569207.tif 000025
【図９】
0003569207.tif 000026