(57)【要約】【課題】高回折効率で明るいパターンがシーン中の光源に置き替わって見え、共役像、高次像が出ても気にならず、かつ、所定の特性のものの作製が容易なホログラム観察具とそのための計算機ホログラム。【解決手段】枠内に透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成された計算機ホログラム２０が嵌め込まれてなるホログラム観察具において、計算機ホログラム２０には、計算機ホログラム２０を構成する微小なセル２１のピッチδｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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３０の２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されているホログラム観察具である。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠内に透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成された計算機ホログラムが嵌め込まれて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δｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とするホログラム観察具。
【請求項２】
前記計算機ホログラムには、計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることを特徴とする請求項１記載のホログラム観察具。
【請求項３】
前記計算機ホログラムは、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。
【請求項４】
前記計算機ホログラムの位相分布が４段階以上に多値化されていることを特徴とする請求項３記載のホログラム観察具。
【請求項５】
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δｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とする計算機ホログラム。
【請求項６】
計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることを特徴とする請求項５記載の計算機ホログラム。
【請求項７】
位相ホログラムからなることを特徴とする請求項５又は６記載の計算機ホログラム。
【請求項８】
位相分布が４段階以上に多値化されていることを特徴とする請求項７記載の計算機ホログラム。
【発明の詳細な説明】
【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、作りやすく、ホログラムメガネを通して見える画像が安定して明るいホログラムメガネとそのための計算機ホログラムに関するものである。
【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７（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７（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７（ｃ）に示すように見える。すなわち、図７（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。
【特許文献１】
米国特許第５，５４６，１９８号明細書
【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
【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。
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、有限の数のセルからなるものであるため、回折効率が必ずしも高くなく、上記のホログラムメガネを通して見えるパターンは必ずしも明るいものではなく、また、そのパターンに共役像が重なって見え、さらには、主たるパターンの周囲に近接して高次回折像が見えてしまい、見やすく十分な特性のものと言うことはできなかった。
また、このような計算機ホログラムの作製には、高速フーリエ変換によって作製されたマスクを使用するフォトリソグラフィーの技術が用いられるが、マスクの描画パターンが非常に微細であるため、安定的に所定のパターンを再生する計算機ホログラムを作製することは容易ではない。
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、高回折効率で明るいパターンがシーン中の光源に置き替わって見え、共役像、高次像が出ても気にならず、かつ、所定の特性のものの作製が容易なホログラム観察具とそのための計算機ホログラムを提供することである。
【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、枠内に透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成された計算機ホログラムが嵌め込まれて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δｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とするものである。
この場合に、計算機ホログラムには、計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることが望ましい。
また、計算機ホログラムは、位相ホログラムからなることが望ましい。
また、計算機ホログラムの位相分布が４段階以上に多値化されていることが望ましい。
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、その計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されていることを特徴とするものである。
この場合に、計算機ホログラムの再生像領域の１／２以下の範囲内に再現される原画パターンが記録されていることが望ましい。
また、この計算機ホログラムは位相ホログラムからなることが望ましい。
また、位相分布が４段階以上に多値化されていることが望ましい。
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δｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されているので、明るく、共役像、高次像が目立たないパターンが、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、かつ、所定の特性のものの作製が容易な、ホログラム観察具用の計算機ホログラムからなるフーリエ変換ホログラムが得られる。
【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。
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７（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δｙ　、横方向（ｘ軸方向）の寸法δｘ　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２ｍ　個、ｙ軸方向に２ｎ　個配置されている。
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２ｍ　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Δｙ　、横方向（ｘ軸方向）寸法Δｘ　であり、像領域３０全体のｘ軸方向長さはＬｘ　、ｙ軸方向長さはＬｙ　である。
なお、像領域３０のｘ軸方向長さＬｘ　、ｙ軸方向長さＬｙ　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δｘ　、ｙ軸方向寸法δｙ　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、Ｌｘ　、Ｌｙ　は角度で表現した方がよい。）、Ｌｘ　は空間周波数１／（２δｘ　）の回折格子の±１次回折光で挟まれる範囲に対応し、Ｌｙ　は空間周波数１／（２δｙ　）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／（２δｘ　）、ｙ軸方向で１／（２δｙ　）であることに対応している。
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７（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。
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）。
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ＡＩＭＧ　（ｘ，ｙ）、再生像面３０での原画の位相分布をφＩＭＧ　（ｘ，ｙ、）、ホログラム面２０での振幅分布をＡＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）、ホログラム面２０での位相分布をφＨＯＬＯ（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ＡＩＭＧ　（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ＡＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）を１にし、位相分布φＨＯＬＯ（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ＡＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）と位相分布φＨＯＬＯ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ＡＩＭＧ　（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φＨＯＬＯ（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ＡＩＭＧ　（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ＡＩＭＧ　（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φＩＭＧ　（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。
また、ステップ（３）で位相分布φＨＯＬＯ（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。
このようにして求めた多値化した位相分布φＨＯＬＯ（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。
Ｄ（ｕ，ｖ）＝λφＨＯＬＯ（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、φＨＯＬＯ（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。
ところで、本発明による計算機ホログラム２０は、前記したように、像領域３０のｘ軸方向長さＬｘ　、ｙ軸方向長さＬｙ　の範囲内で任意の大きさの任意のパターンが再生できるように記録できるが、再生されるパターンの寸法が縦横寸法Ｌｙ　×Ｌｘ　内で大きすぎると、いくつかの問題が起きる。
その第１は、像領域３０内で占める再生パターンの大きさが相対的に大きいと、計算機ホログラム２０の多値化のレベル数が低下することである。前記したように、計算機ホログラム２０の面と再生像領域３０の面との間にはフーリエ変換の関係があるため、再生像領域３０全域に再現されるパターンを計算機ホログラム２０に記録するには、計算機ホログラム２０に記録可能な最大空間周波数１／（２δｘ　）（ｘ軸方向）、１／（２δｙ　）（ｙ軸方向）で記録しなければならなくなり、計算機ホログラム２０の位相分布を記録する多値化レベル数は２段階、すなわち、０，πの２段階にせざるを得ない。ところが、多値化レベル数が２段階の場合、回折効率は最大でも４０．５％にしかならないので、このような計算機ホログラム２０で理論的に再生可能な像領域３０全域に再現されるパターンを記録しようとすると、再生像の明るさは暗くならざるを得ず、また、インラインで明るい共役像が重なって再生され、本来のパターンが見難くなる。
ここで、再生像領域３０全域でなく、図４（ａ）に示すように、縦横共２／３の範囲３５内にパターンが再生されるように計算機ホログラム２０に記録するには、最大空間周波数１／（３δｘ　）、１／（３δｙ　）で記録しなければならない。そこで、記録する位相分布の多値化レベル数を３段階、すなわち、０，２π／３、４π／３と、回折効率は最大で６８．４％に上昇し、より明るい再生像が得られるが、するとインラインで重なって再生される共役像が邪魔になる。
そこで、再生像領域３０全域でなく、図４（ｂ）に示すように、縦横共１／２の範囲内３５内にパターンが再生されるように計算機ホログラム２０に記録すると、記録する位相分布の多値化レベル数は４段階、すなわち、０，π／２，π，３π／２となり、回折効率は最大で８１．１％になる。これだけ回折効率が高いと、再生像の明るさは十分で、かつ、インラインで重なって再生される共役像はほとんど目立たなくなる。
第２の問題は、再生像領域３０の周りに再生される高次像である。計算機ホログラム２０はｘ軸方向寸法δｘ　、ｙ軸方向寸法δｙ　のセル２１が碁盤目状に配置されているものであり、ｘ軸方向に格子間隔δｘ　の回折格子、ｙ軸方向に格子間隔δｙ　の回折格子がその位相分布φＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）に重畳しているのと同じである。そのため、このｘ軸方向には格子間隔δｘ　の回折格子がキャリア（搬送波）、ｙ軸方向には格子間隔δｙ　の回折格子がキャリア（搬送波）となって±１次の不要回折光が発生し、そのキャリアが再生像領域３０に再生される本来のパターン「Ｆ」の周りであって、再生像領域３０に隣接する領域に、図５に示すように、本来の再生像「Ｆ」と同じパターンの４つの高次像「Ｆ」が再生される。図５（ａ）は、再生像領域３０（黒縦棒と黒横棒が交差している矩形領域が対応する。）の縦横共１／２以下の範囲内内にパターン「Ｆ」が再生されるように記録された場合、図５（ｂ）は、再生像領域３０（黒縦棒と黒横棒が交差している矩形領域が対応する。）の縦横共２／３以上の範囲内内にパターン「Ｆ」が再生されるように記録された場合に再生される像を示す。
この図５（ａ）と（ｂ）を比較して明らかなように、再生像領域３０略全域に再現されるパターンを計算機ホログラム２０に記録すると、図５（ｂ）に示すように、再生像領域３０に再生される本来のパターン「Ｆ」の周りに再生される高次像が近すぎて目立ち邪魔になり、望ましくない。これに対して、再生像領域３０の縦横共１／２以下の範囲内に再現されるパターンを計算機ホログラム２０に記録すると、図５（ａ）に示すように、再生像領域３０に再生される本来のパターン「Ｆ」の周りに再生される高次像が相対的に遠くなり、余り目立たなく邪魔にならない。
第３の問題は、計算機ホログラム２０の多値化した位相分布φＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）をフォトリソグラフィーの手法を用いて作製するときのフォトマスクに関するものである。図６は、それぞれ（ａ１）、（ａ２）に示す原画を位相分布φＨＯＬＯ（ｕ，ｖ）のみを持つフーリエ変換ホログラムとして４段階に多値化して記録するときの２個のフォトマスクを示す図であり、（ｂ１）、（ｂ２）はそれぞれ位相変調πを与えるためのフォトマスクのパターン、（ｃ１）、（ｃ２）はそれぞれ位相変調π／２を与えるためのフォトマスクのパターンであり、この例では、縦横共３２個に分割してある。図６（ａ１）の原画は、再生像領域３０の縦横共１／２以下の範囲内に再現される原画パターンであり、図６（ａ２）は縦横共１／２を越える範囲内に再現される原画パターンである。
なお、位相変調πを与えるフォトマスク（（ｂ１）、（ｂ２））と位相変調π／２を与えるフォトマスク（（ｃ１）、（ｃ２））とを用いて位相分布を４段階に多値化するには、例えば、ポジ型レジストを用いて２回のパターン露光と透明基板１７のエッチングを行う場合には、位相変調πのフォトマスクの開口部と位相変調π／２のフォトマスクの開口部とが重なるように露光することにより３π／２の位相部が得られ、位相変調πのフォトマスクの開口部と位相変調π／２のフォトマスクの遮光部とが重なるように露光することによりπの位相部が得られ、位相変調πのフォトマスクの遮光部と位相変調π／２のフォトマスクの開口部とが重なるように露光することによりπ／２の位相部が得られ、位相変調πのフォトマスクの遮光部と位相変調π／２のフォトマスクの遮光部とが重なるように露光することにより０の位相部が得られることになる。
この図６（ａ１）〜（ｃ１）と（ａ２）〜（ｃ２）を比較して明らかなように、（ａ２）〜（ｃ２）の場合には、（ｂ２）に矢印で示してあるように、計算機ホログラム２０を作製するためのフォトマスクに孤立パターンが発生しやすい。これに対して、（ａ１）〜（ｃ１）の場合は、そのような孤立パターンはほとんど発生しない。フォトマスクにこのような孤立パターンが存在すると、その描画あるいは転写の際に孤立パターンの角が取れて丸まり、それを用いて作製された計算機ホログラム２０のパターン再現性が悪くなったりノイズ光が増える等の問題が生じる。
以上のように、第１から第３の何れの点から見ても、計算機ホログラム２０の微小なセル２１のピッチδｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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２／３以下、望ましくは１／２以下の範囲内に再現される原画パターン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、明るく、共役像、高次像が目立たないパターンが、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え、かつ、所定の特性のものの作製が容易な、ホログラムメガネ用の計算機ホログラムからなるフーリエ変換ホログラムが得られる。
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。
【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δｘ　、δｙ　の２倍２δｘ　、２δｙ　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２／３以下の範囲内にその波長で再現される原画パターンが記録されているので、明るく、共役像、高次像が目立たないパターンが、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、かつ、所定の特性のものの作製が容易な、ホログラム観察具用の計算機ホログラムからなるフーリエ変換ホログラムが得られる。
【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】再生像領域内のパターン再生範囲の例を示す図である。
【図５】再生像領域に再生される本来の再生パターンとその周りの４つの高次像とを示す図である。
【図６】原画とその原画パターンに対応する位相変調を与えるためのフォトマスクのパターンとを示す図である。
【図７】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
１６…回折光
１７…透明基板
１８…レリーフパターン
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…パターン再生範囲
【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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