(57)【要約】【課題】水平方向のみの干渉縞を記録する計算機ホログラムに対して光が垂直方向に回折する効果を高め、該ホログラムによる再生像を上下方向の広い視域範囲で観賞できるようにする。【解決手段】ホログラム全体を構成する干渉縞形成領域（計算機ホログラム）１０に、同領域を水平方向に分割して形成される要素領域１２を単位に、干渉縞が形成されている計算機ホログラムにおいて、要素領域毎１２に、再生光の下で水平方向のみに視差を持った立体像を再生する同一のパターンを有する干渉縞列１４を、垂直方向に一方向性光学素子を構成する配列で形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラム全体を構成する干渉縞形成領域に、同領域を水平方向に分割してなる要素領域を単位として、干渉縞が形成されている計算機ホログラムにおいて、
要素領域毎に、再生光の下で水平方向のみに視差を持った立体像を再生する同一のパターンを有する干渉縞列が、垂直方向に一方向性光学素子を構成する配列で形成されていることを特徴とする計算機ホログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特に、再生像を観賞するためのディスプレイ用ホログラムに適用して好適な計算機ホログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
物体の３次元情報を物体からの反射光である物体光と参照光との干渉現象を利用してフィルム等の物理的媒体に記録し、その記録媒体に参照光と同様の再生光を照射した際の光の回折現象を利用して物体像を再生表示する技術としてホログラフィがある。又、このような光の干渉現象を利用して物体の３次元情報を物理的媒体に記録したものをホログラムという。
【０００３】
又、ホログラムには、このように実際に光の干渉現象を利用して作成するもの以外に、計算機上で対象物に相当する３次元の対象物データを基に干渉縞をディジタルデータとして表わした干渉縞データを作成し、それを物理的な媒体に記録して作成する、いわゆる計算機ホログラムも知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
この計算機ホログラムは、図１２に光学ホログラムを模した計算モデルを模式的に示すように、対象物表面からの反射光である物体光を、該表面上の○印で示す点光源（サンプル点）からの光と仮定し、３次元的な拡がりを持つ各点光源（便宜上、２次元的に示してある）からの物体光と、参照光との干渉縞を計算機上で求め、それを物理媒体上の各サンプル点（図には１点での干渉の様子のみを代表して示してある）に記録して計算機ホログラムが作成される。このようにして作成された計算機ホログラムは、図１３に示すように再生光を照射すると、ホログラム上の各サンプル点からの光が瞳に入射するため、立体的な物体像として観察できる。
【０００５】
上記のように、物体光が対象物上の３次元的な拡がりのある点光源から媒体に入射されるとして、即ち水平方向にも垂直方向にも視差を持った像の再生を意図して計算機ホログラムを作成すると、このホログラムによってはどの方向にも立体的に拡がりのあるホログラム像を観察することができる。ところが、このように３次元的な拡がりのある点光源からの物体光に基づく干渉縞データを計算機上で作成するには、演算量が膨大となる。
【０００６】
そこで、計算機ホログラムには、垂直方向のホログラム像の立体的な拡がりを犠牲にし、対象物の水平方向のみに視差を持った像の再生を意図して、図１４に計算モデルを模式的に示すように、水平方向のみに相関を有する物体光を計算機上で仮想的に生成し、干渉領域の水平方向１ライン毎に干渉縞データを生成し、それを媒体上に１：１に対応させて１ライン毎に水平方向に記録して計算機ホログラムを作成することが行われている。
【０００７】
図１５には、このようにして作成された計算機ホログラム（干渉縞形成領域）１０と、その一部を拡大して模式的に示したもので、この拡大図には干渉縞の水平方向の形成単位である１ライン分の要素領域と、その上下に位置する他の要素領域の一部が示してある。ここで言う干渉縞は、水平方向に並んだ、要素領域の幅を長さとする多数の短冊で構成される縞模様である。
【０００８】
このように作成した計算機ホログラムは、もとより垂直方向の干渉を無視して作成してあるため、図１６に示すように、再生光を照射して像を再現した場合、垂直方向には立体的な拡がりのある像は観察されないが、データ量を大幅に削減できるため、ホログラムデータの作成が容易であることから一般に利用されている。
【０００９】
【特許文献１】特開平７−５７９７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記方法により作成された水平方向のみに視差を持った干渉縞データを、物理的媒体に記録した計算機ホログラムは、光が垂直方向に回折する効果が弱いため、再生像を観察できる上下方向の視域角が狭く、観賞し難いという問題があった。
【００１１】
本発明は、前記従来の問題点を解決するべくなされたもので、水平方向のみの干渉縞を記録する計算機ホログラムに対して、光が垂直方向に回折する効果を高め、該ホログラムによる再生像を上下方向の広い視域にわたって観賞することができる計算機ホログラムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、ホログラム全体を構成する干渉縞形成領域に、同領域を水平方向に分割してなる要素領域を単位として、干渉縞が形成されている計算機ホログラムにおいて、要素領域毎に、再生光の下で水平方向のみに視差を持った立体像を再生する同一のパターンを有する干渉縞列を、垂直方向に一方向性光学素子を構成する配列で形成することにより、前記課題を解決したのものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、水平方向のみの干渉縞を記録する計算機ホログラムに対して光が垂直方向に回折する効果を高めることができるため、該ホログラムによる再生像を上下方向の広い視域範囲にわたって観賞することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明に係る一実施の形態の計算機ホログラムの特徴を模式的に示す、前記図１５に相当する図である。
【００１６】
この計算機ホログラム１０は、前記図１５に示した従来のものと同様に、ホログラム全体を構成する物理的媒体上の干渉縞形成領域に、同領域を水平方向に分割して形成される要素領域１２を単位として、干渉縞が形成されているものである。しかも、この計算機ホログラム１０には、要素領域１２毎に、水平方向に同一のパターンを有する干渉縞列１４が、垂直方向の一方向性光学素子である回折格子を構成する配列、即ち垂直方向に同一の幅の干渉縞列１４が同一の間隔で形成されている。
【００１７】
この計算機ホログラム１０を具体的に説明すると、上記要素領域１２は、その垂直方向の幅Ａが、例えば約８０μｍ、水平方向に縞模様を形成するように配列された干渉縞列１４の幅Ｂと、その形成間隔Ｃは、例えばそれぞれ０．５μｍで、又、図中Ｄで示す縞模様の単位を、例えば０．１５μｍで形成することができる。
【００１８】
このように、水平方向に同一の縞模様からなる干渉縞列１４を、上記寸法で形成することにより、各要素領域１２に約８０本の干渉縞列１４からなる回折格子が形成されたホログラム構造にできるため、図２に、その拡大断面図（前記図１のII−II線における断面図に相当する）を模式的に示すように、平行光が入射したとすると、垂直方向へ光を回折させ、拡散させることが可能となる。その結果、上記計算機ホログラム１０を観察できる上下方向の視域角を広げることが可能となる。従って、この計算機ホログラム１０を用いることにより、観賞し易いディスプレイ用ホログラムを提供することが可能となる。
【００１９】
上記要素領域１２に形成する一方向性光学素子としては、上記回折格子の他に、フレネルゾーンプレート（フレネル輪帯板）としてもよい。このフレネルゾーンプレートは、平面図を図３（Ａ）に、干渉縞列に斜線を付して、又、断面図を同図（Ｂ）に、ぞれぞれ模式的に示すように、中心に近付くほどその幅を広くすることにより構成できる。このような配列で干渉縞列を形成することにより、図３（Ｂ）に矢印で示すように、入射光を一方向に拡散させる機能を各要素領域に付与できるので、入射した光を上下方向に拡散させることができる。この場合、干渉縞列１４の幅と配置間隔はフレネルゾーン状に限らず、光を上下方向に拡散させる機能を付与できればよいので、例えば等間隔で幅を少しずつ変えるようにしてもよい。又、中心に近付くほどその幅を狭くするようにしてもよい。
【００２０】
図４は、上記計算機ホログラムを作成する装置を示したブロック図である。この作成装置は計算機ホログラムのデータを作成するまでの各処理を行う機能（後に詳述する）を有する対象物データ作成部２０、初期条件設定部２２、要素領域設定部２４、干渉縞データ計算部２６、光学素子選定部２８、干渉縞データ２値化部３０及び干渉縞データ複写部３２からなる計算機ホログラムデータ作成部を備えている。又、この作成装置は、作成された上記ホログラムデータを描画装置用データに変換するデータ変換部３４と、変換後のデータを用いてホログラムを作成する描画装置３６と、作成されたホログラムを原版として計算機ホログラムの製品化を行う後加工装置３８とを備えている。
【００２１】
上記計算機ホログラムデータ作成部では、ホログラム全体の干渉縞データを記述する干渉縞計算領域に、同領域を水平方向に分割してなるデータ上の要素領域を単位として、対応する対象物データを基に計算される水平方向の干渉縞データを記述することにより計算機ホログラムのデータ作成が実行される。
【００２２】
これを、対象物データと干渉縞計算領域との関係を模式的に示した図５を用いて説明する。図５（Ａ）に示した対象物データは３次元の座標値で記述された物体データである。この対象物データを基に、同図（Ｂ）に示したホログラム全体の干渉縞データを記述する干渉縞計算領域１０Ａに、計算機ホログラムデータを作成する場合は、同領域１０Ａを水平方向に分割して形成されるデータ上の要素領域１２Ａを単位として、これに対応する対象物データ（図中網掛で示した１ライン分に当り、これは従来の計算単位の１ライン分と同じ）を基に水平方向の干渉縞データを計算し、それを同要素領域１２Ａに記述する。同様の方法で、他の全ての要素領域１２Ａについて干渉縞データを求め、それを順に記述することにより、上記計算機ホログラムデータが作成される。
【００２３】
その際、以下に詳述するように、要素領域１２Ａ毎に、水平方向の代表ラインについて計算される干渉縞データを、垂直方向の一方向性光学素子を構成する配列に複写して干渉縞データ列（ホログラムにおける干渉縞列に相当する）を作成する。
【００２４】
次に、図６に示すフローチャートに基づいて計算機ホログラムの作成工程を説明する。
【００２５】
まず、ステップ１において対象物データ作成部２０を用いて、前記図５（Ａ）に示したような対象物データを計算機上で作成する。この対象物データは、干渉縞データを計算する対象物を定義するデータであり、この対象物は任意の標本点数でサンプルされたディジタルデータであればよい。従って、対象物は文字、パターン、画像、平面、立体の如何を問わない。例えば、パーソナルコンピュータのモニタに表示された文字や画像を対象物として定義してもよく、３次元コンピュータ・グラフィックスを作成し、これを対象物と定義してもよい。従って、各サンプル点において値を持ったディジタルデータであればよいので、この作成部２０としては市販の画像作成ツールを用いてもよい。
【００２６】
次に、ステップ２において、初期条件設定部２２を用いて、計算機ホログラムデータ作成の初期条件として、対象物の領域と干渉縞計算領域とを設定する。対象物の領域の設定は、前記図５（Ａ）のデータで干渉縞の計算を行う座標範囲を指定することに、又、干渉縞計算領域の設定は、同図（Ｂ）の干渉縞計算領域１０Ａの大きさを指定することに当たる。
【００２７】
次に、ステップ３において、要素領域設定部２４を用いて、上で設定した干渉縞計算領域１０Ａを水平方向に所定の数に分割する。分割数は、作成する計算機ホログラムのサイズ等により変更される。
【００２８】
次に、ステップ４において、干渉縞データ計算部２６を用いて、上で決定したデータ上の要素領域１２Ａ毎に、その代表ライン、例えば中心ラインを干渉縞データ計算ラインとして、そのラインに相当する対象物データに基づいて１ライン分の干渉縞データを計算で求める。
【００２９】
この干渉縞データ計算部２６で行う計算について、図７に示す計算モデルの断面図を参照しながら説明すると、前記図５（Ｂ）に示した干渉縞計算領域１０Ａのサンプル点（ｘ，ｙ）における干渉縞データＩ（ｘ，ｙ）は、同サンプル点（ｘ，ｙ）に到達した物体光Ｏ（ｘ，ｙ）と参照光Ｒ（ｘ，ｙ）により、次の（１）式で計算される。この式による計算は１ライン毎に、即ち、１回の計算の間はｙを固定して行われる。
【００３０】
Ｉ（ｘ，ｙ）＝｜Ｏ（ｘ，ｙ）＋Ｒ（ｘ，ｙ）｜2 …（１）
【００３１】
又、上記物体光Ｏ（ｘ，ｙ）は、図７に示す対象物データ上のＮ個の各サンプル点（点光源）からの合成波であるので、次の（２）式のように表わすことができる。
【００３２】
【数１】
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【００３３】
ここで、Ｏi ：サンプル点ｉの物体光（点光源）の振幅
ｒi （ｘ，ｙ）：サンプル点ｉからの距離
ｋ：波数（２π／λ）
φi ：サンプル点ｉの物体光（点光源）の初期位相
【００３４】
更に、この実施の形態では、参照光として平行光を用いているため、これを（３）式のように表わすことができる。
【００３５】
Ｒ（ｘ，ｙ）＝Ｒo ｅｘｐ（ｊｋｘｓｉｎ（θ）＋ｊφr ）  …（３）
【００３６】
ここで、Ｒo ：振幅
θ：参照光の入射角
φr ：初期位相
【００３７】
この実施の形態では、前記図５で説明したように、上記図７に示した物体光は、同図のｘ−ｚ平面においてのみ進行し、ｙ方向には進行しない波として扱っている。従って、ｙ方向の他の断面（ｘ−ｚ平面）との相関はなく、前述した如く、干渉縞はこの各断面毎に独立に、即ちｙを固定して計算される。従って、干渉縞計算領域１０Ａは複数のストライプ状の領域である前記データ上の要素領域１２Ａに分割される。
【００３８】
図８には、干渉縞データを計算する基本単位である、対象物データの水平方向１ラインと、これに対応するデータ上の要素領域１２Ａとの関係を模式的に示す。図中、手前に位置する小さい正方形は対象物データの単位を示ており、該データ単位は、便宜上ここでは平面的に配列されているが、実際には前記図７に示された対象物データの場合と同様に、ｚ方向に変化している３次元データである。
【００３９】
そして、物体光は上記データ単位の中心に○印で示した点光源からの光と仮定して計算する。即ち、水平方向に並ぶ対象物データの単位の各中心に位置する点光源からの光の干渉により、後方に位置する計算機ホログラム１０上の１つの要素領域１２の中心ライン（代表ライン）上に干渉縞が生成するとして、そのデータが計算される。この計算で得られる１ライン分の干渉縞データを模式的に示したのが図９（Ａ）である。
【００４０】
次に、ステップ５において、光学素子選定部２８を用いて、干渉縞データを複写する幅と間隔を設定する。即ち、回折格子を選択する場合は、同一幅で等間隔に、フレネルゾーンプレートの場合は、中心ほど幅を広く、又、場合によっては、中心ほど幅を狭くするように寸法を設定する。ここでは回折格子を選定したものとして以下の説明を行う。
【００４１】
次のステップ６では、２値化部３０を用いて、前記干渉縞計算部２６で計算して得られた、上記図９（Ａ）に示したような１ライン分の干渉縞データを、所定の閾値を設定して２値化し、同図（Ｂ）に示したようなバイナリデータとする。
【００４２】
次に、ステップ７において、データ複写部３２を用いて、図１０に前記図８と同一の大きさのデータ上の要素領域１２Ａを後方に、それを拡大した状態を手前にそれぞれ概念的に示したように、要素領域１２Ａ毎に２値化された中心１ライン分の干渉縞データを、ホログラムにすると回折機能を発揮するように間欠的に複写する。この図１０では、中心１ライン分の干渉縞データを、該中心より上の領域に４本複写した状態が模式的に示してある。その後、同様に下の領域にも４本複写する。この図の場合は、中心部にも同一幅で複写したとすると、合計９本の干渉縞データ列が１つの要素領域１２Ａに作成される場合が示してある。上記データ複写部３２による複写処理により、この実施の形態による計算機ホログラムデータの作成が完了する。
【００４３】
次に、ステップ８において、データ変換部３４を用いて、上記データ複写部３２より作成された計算機ホログラムデータが、計算機上のバイナリデータであるため、これを荷電粒子ビーム描画装置３６を制御駆動するための描画装置用フォーマットのデータに変換し、それを描画データとする。図９（Ｃ）は、この描画データを模式的に示したものである。
【００４４】
次に、ステップ９において、描画装置３６を用いて、上記描画データを用いて装置を駆動し、荷電粒子ビームにより物理的媒体を描画し、計算機ホログラムを作成する。その結果、干渉縞列の本数は、前記図１０に示した干渉縞データ列の本数とは異なるが、前記図１に示した計算機ホログラムが得られる。
【００４５】
この描画装置３６としては、例えば日本電子株式会社製の電子ビーム描画装置を用いることができる。この描画装置３６を、フォーマット変換した上記描画データで制御しながら駆動し、ガラス基板上に塗布されたレジスト膜（物理的媒体）に電子線ビームで描画して、レジスト膜を所定のパターンに硬化した後、未硬化部分を除去する現像を行うことにより、計算機ホログラムは完成する。このようにして作成された計算機ホログラムには、前述した如く、要素領域１２毎に同一パターンの干渉縞列１４が間欠的に形成されることになるが、そのパターンの断面は前記図９（Ｃ）の描画データに相当する。
【００４６】
次に、ステップ１０において、後加工装置３８を用いて、以上のようにして作成された計算機ホログラムを原版として大量生産する場合の処理が行われる。具体的には、図１１（Ａ）に示す、上記描画装置３６により描画した後、現像して作成されたレジストからなる計算機ホログラムの表面に、蒸着法や無電解めっき法により導電性金属被膜を形成して同図（Ｂ）の状態にした後、該金属被膜を電極としてニッケル等の金属を厚くめっきし、同図（Ｃ）に示すような金属スタンパを作成する。その後、レジスト面から剥離した上記金属スタンパを用いて熱可塑性樹脂からなるフィルムを熱プレスするエンボス複製により、計算機ホログラム（エンボスホログラム）を量産する。
【００４７】
実際のプレス装置では、多面付けされたスタンパを用いて、フィルム原反（例えば、ＰＥＴ／アクリル樹脂／アルミ蒸着によりなる多層構造のフィルム）に対して、プレスしてホログラムが作成される。
【００４８】
このようにして作成された計算機ホログラムに対しては、必要に応じてシール加工が施される。これは、粘着剤（例えば、塩化ビニル／酢酸ビニル共重合体を主成分とするもの）を、上記多層構造の場合はプレス後のアルミ蒸着面に塗布して、剥離紙（例えば、ＰＥＴ）を張り付けることにあたる。
【００４９】
以上詳述した如く、この実施の形態によれば、計算機によって作成される干渉縞データに、媒体にホログラムとして記録した際に回折格子又は凸レンズ列等の一方向性光学素子と同様に機能させるデータを混在させることができる。従って、このデータを荷電粒子ビーム描画装置を用いて２値パターンとして物理的媒体に描画することにより、垂直方向に回折効果の高い計算機ホログラムを作成することができる。
【００５０】
以上、本発明を具体的に説明したが、本発明は、前記実施の形態に示したものに限られるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。
【００５１】
例えば、前記実施の形態では、２値化部３０がデータ複写部３２の前に設けられ、干渉縞データの２値化を複写する前に実行する場合を示したが、逆に、２値化部をデータ複写部３２の後方に設置し、干渉縞データをコピーする作業が完了した後に２値化を行うようにしてもよい。但し、前記実施の形態のように先に２値化する方が、処理を短時間で行うことができる。
【００５２】
又、前記実施の形態では、要素領域に形成する干渉縞列について、幅と間隔の寸法を具体例を挙げて示したが、この間隔等は回折効果を生じさせるものであれば、任意の寸法でよい。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明に係る一実施の形態の計算機ホログラムを模式的に示す説明図
【図２】要素領域に形成された回折格子による作用を示す線図
【図３】要素領域に形成されたフレネルゾーンプレートとその作用を示す線図
【図４】本実施形態に適用可能な計算機ホログラム作成装置の概略構成を示すブロック図
【図５】対象物データと干渉縞計算領域及び要素領域の関係を示す説明図
【図６】この実施の形態における計算ホログラムの作成工程を示すフローチャート
【図７】干渉縞データの計算モデルを示す説明図
【図８】干渉縞データを計算する基本単位を示す説明図
【図９】干渉縞データ、バイナリデータ、描画データの関係を示す線図
【図１０】干渉縞データ列の作成の仕方を模式的に示す説明図
【図１１】計算機ホログラムの量産化までの処理手順を示す説明図
【図１２】光学ホログラムを模した計算モデルを示す説明図
【図１３】図１２の計算モデルと、再生光による像の再生を示す説明図
【図１４】水平方向のみ相関を有する物体光を用いた計算モデルを示す説明図
【図１５】図１４の計算モデルを基に作成された計算機ホログラムを模式的に示す説明図
【図１６】図１４の計算モデルと、再生光による像の再生を示す説明図
【符号の説明】
【００５４】
１０…計算機ホログラム
１０Ａ…干渉縞計算領域
１２…要素領域
１２Ａ…データ上の要素領域
１４…干渉縞列
２０…対象物データ作成部
２２…初期条件設定部
２４…要素領域設定部
２６…干渉縞データ計算部
２８…光学素子選定部
３０…干渉縞２値化部
３２…干渉縞データ複写部
３４…データ変換部
３６…描画装置
３８…後加工装置
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１】
2006293392.tif 000018
【図１５】
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