JP4240901B2 - 計算機ホログラムを用いた表示体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムや回折格子を用いて画像等を表示する表示体において、画像の構成要素として、干渉縞データをコンピュータ等で計算して形成してなる計算機ホログラムの手法により得られるセルを用いて、特定の観察条件によって通常の観察条件下での肉眼による目視観察とは異なる再生情報を読み取ることが可能な表示体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
干渉縞データをコンピュータ等で計算して形成してなる計算機ホログラム（ＣＧＨ）の手法において、計算機ホログラムに情報を記録する方法としては、フーリエ変換型計算機ホログラムを利用する方法等が公知である。このような計算機ホログラムに、予め決められた光が入射すると、１次回折光により記録した情報が再生される。
一般に、計算機ホログラムでは多彩で複雑な形状の干渉縞を持つため、ピッチが均一で直線の格子縞を持つ回折格子の場合とは異なり、再生される回折光は、回折効率が低く（輝度が低く）、特定波長を持たず無彩色である。
このような計算機ホログラムを肉眼で観察すると、白っぽい領域として観察され、計算機ホログラムを応用した物品の意匠性を低下させる原因となっていた。
【０００３】
また、ホログラムによる装飾画像中に、計算機ホログラムによる特定の情報を隠蔽させて記録する際に、計算機ホログラムによる領域が無彩色であると、情報が記録された領域が目視観察でも推測できてしまうという問題があり、真偽判定用などの特定情報の隠蔽には適さないという問題があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、計算機ホログラムを構成要素とする表示体が有していた上記問題、すなわち、意匠性の欠如に伴う特定情報の隠蔽には適さないという問題を解消し、装飾効果（意匠性）が十分な、計算機ホログラムを構成要素とする表示体を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の表示体は、特定波長の光により再生可能な情報を記録した計算機ホログラムから成るセルを構成要素とし、セルを画素として複数配置して画像を表示する際に、情報を空間的領域における光強度分布とする物体光として記録した計算機ホログラムをセルとし、一つの波長に対して空間的領域が互いに異なる、複数種類のセルを用いていることを特徴としている。
【０００６】
また、各セルの回折効率により画素の輝度を変調して階調画像を表現していることを特徴としている。
ここで、回折効率とは、通常観察条件下において観察者の瞳に入射する回折光（一般的には１次回折光）強度の、セルへの照明光強度に対する割合である。（通常観察条件とは、太陽光による屋外照明環境、及び蛍光灯、白熱灯などの通常の室内照明環境において、観察者が肉眼により通常の観察を行うこととする）
【０００７】
また、これにより、通常の観察において、本発明の表示体上に、回折光により表示された階調画像を観察することができる。（セルの回折効率と、画像上の画素の輝度とが比例している場合）
あるいは、本発明の表示体上に、透過光もしくは正反射光により表示された階調画像を観察することができる。（セルの回折効率と、画像上の画素の輝度とが反比例している場合）
【０００８】
一般的に、透過光や正反射光は強すぎる場合が多く、前者の方が適度な輝度で画像を表示することができる。後者の場合には、画像を観察する際に、セルを構成する計算機ホログラムからの回折光の出射方向が影響しないため、セル毎に全く異なる情報を記録したり、セル毎に計算機ホログラムの搬送周波数を大きく変えた場合でも画像には全く影響せず、安定した階調画像表現が容易となる。
【０００９】
一方、レーザー光などの光を予め設定した条件で本発明の表示体上のセルに入射すると、情報が予め設定した位置においたスクリーン等に投影されるなどして再生される。このような情報は肉眼で読み取ることも、（スクリーン位置にCCDカメラ等の受光器を置くなどして）機械で読み取ることも容易である。従って、本発明の表示体では任意にデザインされた（肉眼で観察できる）階調画像を表示できると共に、この階調画像とは独立したセルに記録された情報を隠蔽することができる。
上記のような条件（一般に、通常の観察条件では得られない再生情報を視覚するための検証器などが用いられる）が、本発明で言う「特定の観察条件」である。
【００１０】
従って、カードや有価証券等に本発明の表示体を応用した際に、通常の観察条件では、肉眼で観察可能な任意のデザインを表現することができ、セルに記録された情報の読み取りと併せて真偽判定等に役立てることができる。また、記録する情報は二次元的な情報でも三次元的な情報でも良く、再生方法を知らなければ正確な再生が不可能とすることができると同時に、大きい情報量を記録／再生できる。なお、本発明における画像及び情報は、文字、数字、写真、図形、パターン、バーコード等、空間的な光の強度分布で表現されるものを指す。特に、三次元的な情報（立体像など）や階調画像も含む。
【００１１】
また、セルを計算機ホログラムとして作製する場合、計算機ホログラムのパターンは計算機中で生成されるので、セル毎に計算に用いる情報を変えて本発明の表示体を作製することも容易である。また、情報だけではなく、情報の再生位置やホログラムの方式（フーリエ変換型ホログラム、フレネルホログラムなど）をセル毎に設定することが容易にでき、偽造防止効果を高くすることや、情報読み取りを容易にすることができる。更に、計算機ホログラムをキノフォーム型にすることにより、再生される情報の明るさを最大にすることができ、情報読み取りの誤差を少なくできると共に、偽造目的で光学的に複製することを極めて困難にできる。
【００１２】
また、セル毎に、計算機ホログラムにおける局所的なパターンの画線部と非画線部間の位相変調量の差を変調することにより、セルの回折効率を変化させていることを特徴としている。位相変調量の変化は、計算機ホログラムを二次元的な複素振幅変調パターンと見なした際に、計算機ホログラム上の各点毎に複素振幅の位相項のみを変調すれば良いため、計算が簡便であり、作製も容易である。特に、表面レリーフ型の計算機ホログラムの場合、位相変調量はレリーフの深さに対応するものであり、深さをセル毎に変調するだけで本発明の表示体が簡便に実現できる。
【００１３】
ここで、計算機ホログラムとしては、複数の情報記録単位の集まりに相当する光の複素振幅分布をフーリエ変換して物体光として記録したフーリエ変換型ホログラムであることを特徴としている。フーリエ変換型ホログラムをセルとして用いる場合、計算機上ではフーリエ変換アルゴリズムによる波面伝搬の計算が行え、非常に容易にホログラムが作製できる。再生時には、再生情報は無限遠に投影されるので、任意の距離にスクリーンを置けば、距離に応じた大きさの再生情報を得ることができる。また、レンズを用いて再生光のフーリエ変換像をスクリーン等に投影しても情報が再生できる。なお、フーリエ変換型ホログラムをセルとして用いて表現された階調画像を通常観察条件下で目視観察する際には、情報が照明光の波長分布によりぼけることと、情報がフーリエ変換されていることにより、情報の内容を認識することは極めて困難であり、隠蔽性が高められる。
【００１４】
また、少なくとも１mmφの領域内にある複数のセルに同一の情報を記録することを特徴としている。これにより、情報再生のために本発明の表示体を照明する光の入射位置が若干変化しても、安定した情報再生が可能となる。また、通常のレーザービームは1mmφ前後のビーム径を持つので、これをそのまま照明光として利用しても、ビームの入射領域が同一の情報を再生するセルであるため、複数のセルからの情報が同時に再生されてもノイズの少ない、正確な情報が再生される。多くのセルから同一の情報を再生することは、再生された情報の明るさを向上させる効果もある。
【００１５】
あるいは、セル毎にそれぞれ別の情報が記録されていることを特徴としている。これにより、非常に多くの情報量を記録／再生することができる。特に、セルが十分に小さければ、単位面積当たりにより多くの情報を記録でき、また、レーザー光源から発した通常のレーザービームをそのまま用いた照明では複数のセルを同時に照明してしまうことを利用して、適切なビーム以外では正確な情報を再生できなくすることができ、情報隠蔽効果を高めることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明による表示体10の一実施形態を示す説明図である。
本発明の表示体上に、セルを画素として階調を持った文字や画像が表示されている。各セルは計算機ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）から構成され、肉眼で観察される画像の階調が計算機ホログラムの回折効率の変化により表現されている。すなわち、計算機ホログラムからの回折光（主として１次回折光）の強度変化が階調に対応（比例、もしくは反比例）している。
ここで、回折効率と階調とを反比例させる場合、厳密には０次以外の全ての回折効率の和と階調とが反比例することが望ましいが、一般的には１次回折効率が他の次数の回折効率よりもずっと大きいため、１次回折効率と階調とが反比例する条件で十分実用的である。
同図では、装飾画像（海上の船舶）を構成する画素のうち、階調の淡い部分（船体）はセル１によって、階調の濃い部分（海）はセル２によって構成されている。
【００１７】
通常の照明条件下では、白色光で本発明の表示体が照明され、階調画像は記録した情報に依存して若干虹色を呈して見える場合と、白っぽく見える場合がある。記録された情報が空間的に狭い領域（計算機ホログラムからの射出角度範囲において）に対応している場合に前者のように見え、空間的に比較的広い領域に対応している場合に後者のように見える。
このように、回折効率の変化で階調画像を表現する際には、計算機ホログラム中に記録した情報の空間的な分布によって目視観察時の色が変化するが、表示体10上の各セルにおいて情報の空間的な分布領域をほぼ同様にして情報を記録しておけば、目視観察時に表示体が呈する色は均一にできる。一方、情報の空間的な分布範囲をセル毎に適宜設計して、目視観察時の各セルにおける観察色を設定することができ、階調を伴ったカラー画像の表示も可能である。
【００１８】
本発明の表示体10では、計算機ホログラムに記録された情報と、計算機ホログラムのセルを画素として表示される画像は独立にでき、それぞれを任意にデザインすることができる。通常の観察条件において肉眼で観察できるのは、セルを画素として表現された文字や画像だけであり、計算機ホログラム中に記録されたパターンは観察できない。セル毎の回折効率の変化は、情報再生の際に各セルから再生される情報の明暗に帰結するが、情報の内容には関与しない。
【００１９】
また、本発明の表示体10を構成するセルは、表面レリーフ型計算機ホログラムであってもよく、エンボス技術等による安価な量産に適した形態とすることができる。
【００２０】
図２は、図１に示す表示体からの情報再生を示す説明図である。
表示体10にレーザービームなどを照明光として入射すると、各セルからの計算機ホログラムの回折光として情報が再生される。同図で再生されているセルは、装飾画像の階調が淡い部分を構成するセル１である。（再生される情報は、文字「ＯＫ」とバーコードに係る例である）
このとき、本発明の表示体10上で、ある程度以上の領域に、同一の情報を記録した計算機ホログラムのセルを複数配置して置けば、照明光の入射位置の変動に対する許容量ができ、再生が容易に確実に行える。また、一度に再生される情報が１種類であれば、Ｓ／Ｎの高い、クリアな情報が再生できる。ここで、通常のレーザービームは１mmφ程度以上であることから、同一の情報を記録した領域の大きさは１mmφ以上が望ましい。
【００２１】
図３は、図１に示す表示体10上の別の位置からの情報再生を示す説明図である。
図１の本発明の表示体に、図２とは別の領域にレーザービームなどを照明光として入射した例である。図３では、図２とは異なる階調の部分にレーザービームが入射しており、同図で再生されているセルは、装飾画像の階調が濃い部分を構成するセル２である。（再生される情報は、文字「７５」とバーコードに係る例である）
この場合も、各セルの計算機ホログラムからの回折光として図２と同様に情報が再生されるが、上述とは情報全体の明るさが異なる。しかし、再生情報内での明るさの空間的な分布は上の場合の再生結果に比例し、従って正確な情報再生が行える。このようにして、表示体上の比較的広い領域のセルを同一内容の情報を記録したセルとすることにより、誰にでも容易な情報再生が行える。一方、場所による再生された情報の濃淡を検出して、真贋判定をより正確に行うことも可能である。
【００２２】
図４は、上記の実施形態において、各計算機ホログラムセル１，２を作製する際に用いられる物体光の空間的領域の配置例を示す説明図である。
同図では、セル１に対応する矩形領域▲１▼，セル２に対応する矩形領域▲２▼が物体光の空間的領域であり、「ＯＫ」や「７５」が記録される情報である。
このような物体光の空間的領域の違いは、レーザービームを入射した場合の回折光（再生情報光）の出射位置の違いになると同時に、肉眼で観察した場合の視点位置（光って見える位置）の違いとなる。
図２，３では、セル１，２をそれぞれ同様の方向からレーザービームで再生しているが、再生位置が、図２では横方向，図３では正面方向のように異なっているのは、上記に基づいている。
【００２３】
図５は、本発明の他の実施形態において、計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の他の配置例を示す説明図である。
同図では、物体光の空間的領域を、搬送波成分の格子ベクトルと同一方向に配置している。
横長スリット状の空間的領域内の右端にある文字「Ｌ（▲１▼）」や「Ｏ（▲２▼）」が記録される情報である。
このように、搬送波成分の格子ベクトルと同一方向に狭い領域とすることで、通常条件下での観察にあたっては、それらセルからの回折光は、彩度が高く視覚されることになる。
また、搬送波成分の格子ベクトルと同一方向における（▲１▼と▲２▼の）位置の違いは色の変化と対応する。
【００２４】
図６は、本発明の他の実施形態において、計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の他の配置例を示す説明図である。
同図では、物体光の空間的領域を、搬送波成分の格子ベクトルと同一方向に３種類配置し、それぞれがＲ，Ｇ，Ｂの３原色となるように配置した例である。
上述の（１）式に基づいて、物体光の空間的領域を設定することで、同図では、情報「Ｌ（▲１▼）」がＲ，情報「Ｏ（▲２▼）」がＧ，情報「７（▲３▼）」および「Ｓ（▲４▼）」がＢに対応している。
白色光で照明した場合に、波長の違いは、位置の違いの他に空間的領域の大きさの違いにも影響するため、水平方向でＲ，Ｇ，Ｂが同じ視点の範囲（視域）から光って見えるようにするには、予め波長に応じた変化分も考慮して、空間的領域のサイズを決定することが望ましい。（一般に、計算機ホログラムの計算時には、特定の１波長についての計算処理が行なわれるためであるが、勿論、計算機ホログラムの計算時に、各波長毎にそれぞれ計算処理を行なうのであれば、空間的領域のサイズは、改めて考慮する必要はない。）
【００２５】
図７は、本発明の他の実施形態において、計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の他の配置例を示す説明図である。
同図では、物体光の空間的領域を、搬送波成分の格子ベクトルと直交する方向に４種類配置している。（「１２３（▲１▼）」，「４５６（▲２▼）」，「７８９（▲３▼）」，「Ｅｎｄ（▲４▼）」である。）
このような物体光の空間的領域の配置は、情報再生にあたって、肉眼で観察した場合、水平方向に互いに視域が連続することを実現する。
図７の例では、異なる４種類の再生情報が、水平方向の視点移動に伴って順次現れることになるが、４種類の再生情報として、視点に応じた視差を持つ２次元画像とすることで、３次元的な再生情報の視覚が可能となる。
【００２６】
このような４つの空間的領域に対応した４つのセルを基本単位とし、３次元的な再生情報を視覚するには、図８（ａ）に示すようにして、視点（撮像方向）が異なる４方向からのカメラによって撮影した４枚の視差画像（２次元画像）を、それぞれ４つのセルを構成する画素（記録情報）とする。
作製された表示体を再生すると、図８（ｂ）に示すように、各セルに対応する視域でそれぞれ異なる画像（対応する視差を持った２次元画像）が観察され、両眼視差による立体画像の観察が可能となる。
具体的には、空間的領域▲１▼がカメラＣ１と視域Ｐ１にそれぞれ対応し、空間的領域▲２▼がカメラＣ２と視域Ｐ２にそれぞれ対応し、その他も同様である。
ここでは、４つの視差画像の場合について説明したが、２つ以上の視差があれば、右目と左目でそれぞれ視差を持つ別の２次元画像を視覚することで、両眼視差による立体視が可能である。
【００２７】
図９は、本発明の他の実施形態において、計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の他の配置例を示す説明図である。
同図では、物体光の空間的領域を▲１▼〜▲６▼に分割し、各領域に、全体として意味をなす情報を分割して記録している。
従って、１つ１つのセルからの情報再生では、意味を持つ情報再生がされないが、空間的領域▲１▼〜▲６▼に対応するセルを全て再生した場合に、意味を持つ情報を得ることができ、高い偽造防止効果を実現できる。
【００２８】
なお、表示体の装飾画像（パターン）を構成する画素は、全てが計算機ホログラムからなるセルである必要はなく、通常の観察条件下での表示のみに寄与する単純な回折格子セルなどが、パターン中に混在していても良い。
【００２９】
【発明の効果】
以上説明したように、計算機ホログラムを構成要素とする表示体では、意匠性の欠如に伴って特定情報の隠蔽には適さないという問題が解消され、本発明によって、装飾効果（意匠性）が十分な、計算機ホログラムを構成要素とする表示体が提供されることになる。
本発明の表示体は、通常の観察条件では、装飾性（意匠効果）の十分な表示画像が視覚されるだけでなく、検証器などを用いた特定の観察条件では、装飾画像とは異なる再生情報が得られるため、その再生情報を読み取ることで、表示体の真偽判別など（または、記録情報の読み取り自体が目的であるような場合もある）が容易に行なわれるため、装飾性とセキュリティ性の双方が十分である。
また、装飾画像の構成要素である全ての画素を計算機ホログラムとすることも可能であり、記録情報量を大幅に向上させることも可能である。
【００３０】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による表示体の一実施形態を示す説明図。
【図２】図１に示す表示体からの情報再生を示す説明図。
【図３】図１に示す表示体上の別の位置からの情報再生を示す説明図。
【図４】計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の配置例を示す説明図。
【図５】計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の配置例を示す説明図。
【図６】計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の配置例を示す説明図。
【図７】計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の配置例を示す説明図。
【図８】計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の配置例を示す説明図。
【図９】計算機ホログラムセルを作製する際に用いられる物体光の空間的領域の配置例を示す説明図。
【００３１】
【符号の説明】
１，２…計算機ホログラムからなるセル
10…表示体

Claims (7)

1. 基材表面に、構成単位となるセルを画素として複数配置することにより、装飾画像を表示する表示体において、
   前記セルは、予め設定した情報を空間的領域における光強度分布とする物体光として記録した計算機ホログラムからなり、
   特定の波長光に対して前記空間的領域が互いに異なる、複数種類のセルを用い、
   表示する装飾画像の元となる画像上の各画素に対して、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色に対応する三種類の計算機ホログラムからなるセルを配置し、
   前記元となる画像上の画素をＲ，Ｇ，Ｂの三原色に分解した各輝度と、前記三種類のセルの回折効率とが比例することを特徴とする計算機ホログラムを用いた表示体。
2. 前記複数のセルにおける計算機ホログラムの搬送波成分の格子ベクトルが同一方向となるよう配置されており、
   特定の波長光に対して、前記計算機ホログラムの搬送波成分の格子ベクトルと同一の方向に前記空間的領域が互いに異なる複数種類のセルが含まれることを特徴とする請求項１記載の計算機ホログラムを用いた表示体。
3. 特定の波長光に対して、計算機ホログラムの搬送波成分の格子ベクトルと直交する方向において前記空間的領域が互いに異なる複数種類のセルにより、それぞれ画像を構成することを特徴とする請求項１または２に記載の計算機ホログラムを用いた表示体。
4. 前記複数のセルにおける計算機ホログラムの搬送波成分の格子ベクトルが同一方向となるよう配置されており、
   特定の波長光に対して、前記計算機ホログラムの搬送波成分の格子ベクトルと直交する方向に前記空間的領域が互いに隣接する複数種類のセルが含まれ、それぞれ互いに視差を有する画像を構成することを特徴とする請求項３に記載の計算機ホログラムを用いた表示体。
5. 前記計算機ホログラムが、フーリエ変換型ホログラムであることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の計算機ホログラムを用いた表示体。
6. 前記情報が複数種類存在することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の計算機ホログラムを用いた表示体。
7. 一つのマクロな情報を、一つの波長に対して前記空間的領域で分割して計算機ホログラムとして記録することにより複数種類のセルとし、表示体上の少なくとも１ｍｍφの領域を構成することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の計算機ホログラムを用いた表示体。

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