JP4013405B2

JP4013405B2 - 回折格子パターン

Info

Publication number: JP4013405B2
Application number: JP16530699A
Authority: JP
Inventors: 敏貴戸田
Original assignee: Toppan Inc
Current assignee: Toppan Inc
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000352609A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の表面に、回折格子からなる微小なセル（ドット）を配置することによって表現されるパターンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折格子によって構成されるパターンは、通常の印刷技術では表現することのできない指向性のある光沢を有することから、ディスプレイの用途や偽造防止を目的としたセキュリティ商品に広く用いられており、より多彩でオリジナリティの高いパターンを作製することが求められている。
【０００３】
このような要求に応じて、セル（ドット）状の回折格子の集まりによって構成される回折格子パターンを有するディスプレイが公知である。
【０００４】
尚、ディスプレイ（パターン）の構成単位である「セル」および「ドット」は同義語として扱われるが、形状（輪郭）や大きさに制約を受けないニュアンスのある用語「セル」、さらに製造物は「回折格子パターン」として、以後の説明を統一する。
【０００５】
回折格子パターンを作製する方法としては、特開昭６０−１５６００４号公報に例示されるような方法が公知である。この方法は、レーザー光の２光束干渉による微小な干渉縞（回折格子）を、そのピッチ，方向，および光強度を変化させて、感光性フィルムに次々と露光するものである。
【０００６】
一方、レーザーではなく電子ビーム露光装置を用い、かつコンピュータ制御により、平面状の基板が載置されたＸ−Ｙステージを移動させて、基板の表面に、回折格子からなる複数の微小なドットを配置することにより、回折格子パターンを作製する方法も提案されている。
上記方法は、特開平２−７２３２０号公報や米国特許５，０５８，９９２号に開示されている。
【０００７】
回折格子パターンのパラメータとして、
(1) 回折格子の空間周波数あるいは格子間隔（格子のピッチ）
(2) 回折格子の方向（格子の方向）
(3) 回折格子の形成領域（回折格子セルの配置）
の３つがあり、
(1) に応じて、定点に対してその回折格子セルが光って見える色が変化し、
(2) に応じて、その回折格子セルが光って見える方向が変化し、
(3) に応じて、表示パターン（絵柄）が決定される。
【０００８】
ところで、このような回折格子パターンでは、視認性などの面から白色で文字などを表現することは非常に多く、色々な観察条件で安定した白色を提示できるようにすることは重要である。
【０００９】
回折格子パターンで白色の表示を実現するために、Ｒ，Ｇ，Ｂの３色の波長に対応する空間周波数を持つ３種類の回折格子セルを用いて、それらを組み合わせたものを画素とし、白色の表示を行なう手法が公知である。
【００１０】
しかし、白色を表示する画素が、上記のような３種類の回折格子セルからなる場合、非常に限定された観察条件下でのみ当該画素が白色として観察可能となるが、その条件から若干でもずれると色付いた画素として観察されることになる。
【００１１】
回折格子に対する照明光の波長・入射角度と、回折格子の格子間隔とその回折格子から出射する回折光の出射角度との関係は、以下のように説明される。
【００１２】
図３は、回折格子セルに特定角度で波長λの単色光が入射した場合の、回折光を観察する状態を示す説明図である。
ここで、回折格子セル面に垂直な任意の面において、回折格子セルによる任意の次数に対する回折現象は以下の式で表される。
ｄ＝ｍλ／（sin α−sin β）
【００１３】
上式において、ｄは着目した面における格子間隔（空間周波数の逆数）、ｍは回折次数、αは当該面における０次回折光（照明光の透過光あるいは正反射光であり、図３では正反射光にあたる）の出射角度、βは当該面における１次回折光の出射角度（回折角）である。
【００１４】
例えば、回折格子セル面をＸ−Ｙ平面とし、それに直交するＸ−Ｚ平面およびＹ−Ｚ平面について、上式を考慮することで、３次元空間における回折光の方向などを知ることができる。
また、通常は、１次回折光（すなわち、ｍ＝１）の場合を考える。０次回折光の出射角度は、照明光の入射角度と同じ（透過の場合）、もしくは符号が反転する（反射の場合）だけである。
【００１５】
一方、通常の照明条件下、すなわち、白色光による回折格子セルの照明を考える。図４は、回折格子セルに特定角度で白色光が入射した場合の、回折光を観察する状態を示す説明図である。
【００１６】
ホログラムや回折格子では、回折光が必然的に波長分散を伴うため、観察者は、特定の１方向からのみ所定波長での１次回折光を視覚することができる。
そのため、図４のように、波長ごとに分散した１次回折光が出射し、観察者の上下（回折格子の格子ベクトルの方向）の視点移動などにより、観察される色が虹色に変化する。同図の上側では１次回折光は赤に近い 600ｎｍであるのに対し、下側では青に近い 400ｎｍである。
言い換えれば、上式における回折角βは、空間周波数の関数であると同時に、波長の関数でもある。
【００１７】
Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの波長に対応する３種類の空間周波数の回折格子セルを用いた画素により白色を表現をしている場合でも、特定の条件（照明光の入射角度，回折光の出射角度）においては、白色で観察されるが、この条件を少しでもずれると、白色を提示すべき部分も色づき、別の色として観察されてしまう。
この主な原因は、回折格子によるＲ，Ｇ，Ｂの３波長の１次回折光を使用する場合、可視波長範囲の両端に近いＲとＢの波長を用いることによる。
【００１８】
このとき、入射角や回折角が変化した際、ＲやＢの波長を出射すべき回折格子セルからの１次回折光のうち、実際に観察者の眼に入るのは赤外や紫外の波長になってしまうことになる。この結果、可視波長範囲を外れた１次回折光は認識されず、残りの２つの波長の加法混色による表現色となるため、白色とはかけ離れてしまう。
【００１９】
図６は、上記のことを示す色度図である。
●でプロットしたＲ，Ｇ，Ｂの３波長で表現された色（白色）に対して、観察条件が若干変化することにより、視覚される色が○でプロットしたＲ' ，Ｇ' ，Ｂ' の３波長で表現された色にシフトする。
この場合、Ｒ' が可視波長範囲外となり、Ｇ' とＢ' の２波長で表現された色が視覚されることになる。
【００２０】
Ｒ，Ｇ，Ｂの３波長の混色で表現が可能なのは、●でプロットした３点を頂点とする３角形の内側全て（網がけした３角形）であるが、Ｇ' とＢ' の２波長の混色で表現できるのはこの２点の線分上の点だけである。
【００２１】
「白」と認識される領域は、色度図上の中心付近（点線の楕円状）に比較的広く分布し、３つ以上の複数の波長の光がほぼ等しい明るさで感知されると「白」と認識されやすい。
一方、２波長のみでは極めて限られた条件下でしか「白」と認識させることはできない。
【００２２】
実際には、１次回折光が観察される波長が、赤外や紫外の可視波長範囲外まで行かなくても、Ｒの波長より長く、あるいはＢの波長よりも短い波長になると、人間の比視感度の著しい低下が見られるので、上記と同様のことが起こる。
従って、Ｒ，Ｇ，Ｂの３つの波長に対応する３種類の空間周波数の回折格子セルによる白色表示では、画素は、非常に限定された状態でのみ、白色として視覚されることとなる。
【００２３】
以上のように、従来の回折格子パターンでは、白色を提示したい部分を、色々な観察条件で白色として認識させることが難しく、白色を含む画像などの表現が困難であった。
【００２４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、観察条件の変化（波長分散）による影響が少なく、視認性などの面から好適な「白色の表示」が実現される回折格子パターンを提供することを目的とする。
【００２５】
【課題を解決するための手段】
本発明では、白色を表現する領域を構成する画素として、従来のＲ，Ｇ，Ｂに代表される３種類よりも多い「４種類以上の異なる空間周波数」の回折格子からなる微小セルにより構成される微小領域を採用して、上記目的を実現する。
【００２６】
すなわち、請求項１の発明は、
回折格子からなる微小なセルが基板表面に複数配置されて構成され、回折格子の空間周波数，回折格子の方向，回折格子の形成領域の少なくとも何れかが変化してなるパターンにおいて、
パターン内に、それぞれの方向が等しい４種類以上の異なる空間周波数を持つ回折格子からなる微小なセルが集まって構成される微小領域を有し、
観察条件の変化に伴って、そのうちの１種類の空間周波数の回折格子セルからの１次回折光が可視波長範囲外となったとしても、残る３種類以上の空間周波数の回折格子セルにより、３つ以上の複数の波長の光がほぼ等しい明るさで感知されて、
前記微小領域は、観察条件に応じて色変化の少ない白色を表現することを特徴とする。
【００２９】
請求項２の発明は、
微小領域における４種類以上の異なる空間周波数が、観察される全ての波長が可視波長領域内に存在するような観察条件を持つ組み合わせ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である。
【００３０】
請求項３の発明は、
微小領域における４種類以上の異なる空間周波数が、観察される全ての波長が可視波長領域内に均等に分布して存在するような観察条件を持つ組み合わせからなることを特徴とする請求項２記載の回折格子パターンである。
【００３１】
請求項４の発明は、
微小領域における４種類以上の異なる空間周波数のうち、少なくとも１種類の空間周波数の回折格子が、可視波長領域外の波長で再生されるような観察条件を持つ組み合わせ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である。
【００３２】
請求項５の発明は、
微小領域における４種類以上の異なる空間周波数の逆数が、均等な間隔で分布して存在するような組み合わせ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である。
【００３３】
請求項６の発明は、
微小領域の大きさが、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の回折格子パターンである。
【００３４】
＜作用＞
本発明の回折格子パターンに白色光を入射すると、回折光（主として１次回折光）により、「白色を表現する」微小領域が、観察条件の変化による影響が少なく、広い視域から安定して白色として観察することが可能となる。
【００３５】
上述したように、微小領域からの１次回折光として、３種類以上の適当な波長が同時に観察されれば、十分な白色表現が可能であり、
観察条件、すなわち、照明光の入射角度および観察者の観察する角度（回折光の出射角度に相当）が若干変化しても、その微小領域からの１次回折光として、３種類以上の適当な波長が同時に観察される状態が維持されていれば、依然として十分な白色表現が可能となる。
【００３６】
本発明では、それぞれ方向が等しい４種類以上の異なる空間周波数を持つ回折格子からなる微小なセルが集まって微小領域を構成するため、観察条件の変化に伴って、そのうちの１種類の空間周波数の回折格子セルからの１次回折光が可視波長範囲外となったとしても、残る３種類以上の空間周波数の回折格子セルにより、白色表現が実現されるため、本発明の回折格子パターンでは、観察条件の変化による影響を受けずに安定して白色の表示が可能である。（請求項１）
【００３７】
もちろん、微小領域における回折格子セルの大きさを変えるなどの方法により、白色またはその他の色でも、濃淡を表現することは可能である。
【００３８】
また、微小領域内に１種類の回折格子セル等を配置してもよく、１〜３種類の回折格子による任意の波長による色表現も混在できる。従って、微小領域を画素として、白色を含む任意のカラー画像を表現できる。
【００３９】
４種類以上の回折格子セルの空間周波数を、観察される全ての波長が可視波長領域内に存在するような観察条件を持つ組み合わせからなるようにすることで、観察条件の若干の変化に対し、常に３つ以上の波長の加法混色が利用でき、安定した白色を表現できる。（請求項２）
【００４０】
さらには、微小領域における４種類以上の異なる空間周波数が、観察される全ての波長が可視波長領域内に均等に分布して存在するような観察条件を持つ組み合わせからなるようにすることで、観察されるそれぞれの回折格子セルからの回折光の波長がほぼ均等に分布することになり、さらに安定した白色を表現できる。（請求項３）
【００４１】
また、微小領域における４種類以上の異なる空間周波数のうち、少なくとも１種類の空間周波数の回折格子が、可視波長領域外の波長で再生されるような観察条件を持つ組み合わせからなるようにすることで、観察条件の比較的大きな変化に対しても、３つ以上の波長の加法混色が利用でき、多くの視点から白色で視覚することが可能となる。（請求項４）
【００４２】
また、微小領域における４種類以上の異なる空間周波数の逆数が、均等な間隔で分布して存在するような組み合わせからなるようにすることで、観察されるそれぞれの回折格子セルからの回折光の波長がほぼ均等に分布することになり、観察条件の若干の変化に対してのみならず比較的大きな変化に対しても、安定した白色を実現しやすい。（請求項５）
【００４３】
上記の何れの回折格子パターンにおいても、微小領域の大きさが、３００μｍ以下であることにより、微小領域の構造を目立たなくすることができ、一般的な観察距離では白色を表示する画素を構成する各回折格子セルを目立たなくすることができ、均一な白色の提示が可能となる。白色を含んだ画像を表示する場合には、高品質な画像を表現できる。請求項６）
【００４４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の回折格子パターンの一実施形態を示す説明図であり、パターン内に「停止」という文字（白色）を形成している。黒で表現される文字の周りには回折格子セルが配置してない。
【００４５】
同図の「停止」という文字の内部を拡大すると、左上のように４種類の異なる空間周波数を持ち、それぞれの方向は等しい回折格子セルが微小領域に形成され、これを画素として文字の部分が表現されている。
【００４６】
文字の回りの部分には、回折格子が形成されていないため、照明光を本発明の回折格子パターンに入射すると、文字の部分のみから１次回折光が出射し、これを観察することにより、明るく光った「停止」という文字が認識できる。
このとき、１次回折光として微小領域から３種類以上の可視波長が出射されていると、多くの場合、観察像は白色として認識される。
ここで、観察条件を変化させ、照明光の入射角度を若干変化させても、また、観察者の視点位置を若干変化させても、観察される像はほとんど変化しない。
このように、観察条件によらず、安定して白色を提示できることは、観察像（文字など）の識別を容易にする。
【００４７】
尚、文字と周囲とを反転させて、文字の部分には上記の回折格子セルからなる画素を形成せず、文字の周り（黒で表現した部分）全体に前記画素を形成することにより、１次回折光を観察した際に、白地に黒で表現された文字を認識させるようにすることも可能である。
【００４８】
図２は、白色を表示する上記の「微小領域」を、さらに拡大して示す説明図である。
同図では、回折格子はｄ1 〜ｄ4 の空間周波数（ピッチ）持ち、白と黒で表現される格子の線幅と格子ピッチの比（表面レリーフ型回折格子の山−谷に相当）は、ほぼ１：１であるが、本発明はそれに限定されるものではない。
【００４９】
図７は、上記の「微小領域」による光学特性を示す色度図である。
図２の微小領域は、●でプロットしたＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４波長で表現された色（白色）に相当する。
観察条件が若干変化することにより、視覚される色が○でプロットしたＡ' ，Ｂ' ，Ｃ' ，Ｄ' の４波長で表現された色にシフトし、Ａ' は可視波長範囲外（もしくはその近辺）になってしまうような条件下でも、他の３つ（Ｂ' ，Ｃ' ，Ｄ' ）の波長で表現された色は、依然として白色のまま認識されることになる。
【００５０】
尚、４種類以上の異なる空間周波数を持つ回折格子セルのうち、少なくとも１種類の空間周波数の回折格子が、可視波長領域外の波長で再生されるような観察条件を持つ組み合わせからなるようにすることにより、１つの回折格子セルからの１次回折光の波長が可視波長範囲を外れると同時に、別の回折格子セルからの１次回折光が可視波長範囲内の波長となるようにすることも可能である。
この場合は、観察条件の若干の変化ではなく、比較的大きな変化に対しても、３つ以上の波長の加法混色が利用でき、多くの視点から白色で視覚する上で有効である。
【００５１】
また、図５に示すように、パターン内には、４種類未満の異なる空間周波数を持つ回折格子からなる微小なセルが集まって構成される領域も併せ持つようにしても良い。
同図では、白色で表示する「停止」の文字の周囲を、単一の空間周波数の回折格子セルで埋めた様子を表している。
これにより、例えば、文字を白く、周りを赤く表現することも可能であるが、単一の空間周波数の回折格子セルが配置された領域は、観察条件の変化によって色が変わりやすくなってしまうことは明らかである。
【００５２】
次いで、微小領域の大きさについて考察する。
微小領域が、観察者の眼の分解能以下の配置間隔で並べられていれば、観察者は個々の微小領域を認識できず、本発明の回折格子パターンにおいては、均一な白色を提示できる。
【００５３】
一方、回折格子パターンで画像を表現する場合には、十分な解像度を持つ画像などの表示が可能となる。もちろん、観察者が若干視点移動した場合でも、白色で表示された像はほとんど変化しない。
このように、画像の一部は色が変化し、視認性を上げたい部分は安定した白色を提示することにより、色の変化で観察者の注意を引き、白色表示部で情報を伝えるなどの効果的な表示が可能となる。
【００５４】
視力１．０の観察者が約１．０ｍ離れて観察する場合、回折格子セルの配置間隔は３００μｍ程度、
また、同じ観察者が約０．３ｍ離れて観察する場合、回折格子セルの配置間隔は１００μｍ程度、
で、観察者には微小領域の配置構造が認識できないことになり、十分均一な面を提示可能、もしくは十分な解像度を持つ像を表示可能となる。
従って、微小領域の大きさが３００μｍ以下であることが、均一性や解像度の十分な表示の上で有効である。
【００５５】
以上の説明では、４種類の異なる空間周波数を持つ回折格子からなる微小なセルにより微小領域を構成する場合について説明したが、これに限らず、より多くの種類の空間周波数の異なる回折格子セルを用いても良い。
多くの種類の空間周波数を用いると、より広い範囲から、より安定した白色として観察可能となる。
【００５６】
また、以上の説明では、回折格子セルからの１次回折光に関して説明したが、回折格子からの２次以上の回折光の回折効率が十分であれば、当該回折次数の回折光でも同様の効果が得られる。
【００５７】
本発明のパターンを構成する回折格子としては、表面レリーフ型を始めとする位相型回折格子，濃度表現による振幅型回折格子などの如何なる種類の回折格子を用いても良いが、回折効率（光の利用効率）の面などから、ブレーズド回折格子などを用いるのが好ましい。
単なる白色の表示であれば、光の拡散を利用することも多いが、本発明では、回折格子を用いて視域を限定できるため、より明るい白色を（特定方向に）表示することが可能である。特にこの効果は、ブレーズド回折格子のような高効率の回折格子を用いた場合に顕著である。
【００５８】
以上の説明では表現する画像の濃淡としては２値の場合について説明したが、これに限らず、微小領域の面積や微小領域内の回折格子の回折効率の変更などにより、濃淡を持った画像を表現することも可能である。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によって、
観察条件（照明光の入射角，観察方向）の変化による波長分散に影響されず、比較的広い観察条件下で視認性などの面から好適な「白色の表示」が実現できる回折格子パターンが提供される。
【００６０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折格子パターンの一実施形態を示す説明図。
【図２】白色を表示する微小領域（図１のパターン内で、文字「停止」を構成）を拡大して示す説明図。
【図３】回折格子セルに特定角度で波長λの単色光が入射した場合の、回折光を観察する状態を示す説明図。
【図４】回折格子セルに特定角度で白色光が入射した場合の、回折光を観察する状態を示す説明図。
【図５】本発明の回折格子パターンの他の実施形態を示す説明図。
【図６】従来技術（３種類の回折格子セル）により、回折格子パターンで白色を表現する場合の光学特性を示す色度図。
【図７】本発明（４種類以上の回折格子セル）により、回折格子パターンで白色を表現する場合の光学特性を示す色度図。

Claims

回折格子からなる微小なセルが基板表面に複数配置されて構成され、回折格子の空間周波数，回折格子の方向，回折格子の形成領域の少なくとも何れかが変化してなるパターンにおいて、
パターン内に、それぞれの方向が等しい４種類以上の異なる空間周波数を持つ回折格子からなる微小なセルが集まって構成される微小領域を有し、
前記微小領域における４種類以上の異なる空間周波数が、観察される全ての波長が可視波長領域内に均等に分布して存在するような観察条件を持つ組み合わせにより色変化の少ない白色を表現することを特徴とする回折格子パターン。
微小領域における４種類以上の異なる空間周波数が、観察される全ての波長が可視波長領域内に存在するような観察条件を持つ組み合わせ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。
微小領域における４種類以上の異なる空間周波数のうち、少なくとも１種類の空間周波数の回折格子が、可視波長領域外の波長で再生されるような観察条件を持つ組み合わせ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。
微小領域における４種類以上の異なる空間周波数の逆数が、均等な間隔で分布して存在するような組み合わせ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。
微小領域の大きさが、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の回折格子パターン。