JP4325017B2 - 回折格子パターンの作製方法 - Google Patents

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およびその作製方法に関し、特に、一層、明度・彩度が高く注視率の高いパターンとその作製方法に関する。
【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。
尚、回折格子の形成されたセル（ドット）を、以降の説明では、回折格子セルと称する。
【０００４】
上記ディスプレイ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。
【０００５】
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、回折格子パターンが形成されたディスプレイ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。
【０００６】
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（格子縞のピッチ）
(2) 回折格子の方向（格子縞の方向）
(3) 回折格子の描画領域（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。
【０００７】
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。
【０００８】
ところで、このような回折格子パターンは、画素となるセルを回折格子で構成することで、任意の方向・色で光を回折させ像を知覚させることから、パターン上に回折格子が描画されていない領域があると、回折させる光の量が減り十分な明るさが表現できず、高い注視効果を得ることができない。
【０００９】
パターンを明るいものとするには、パターンの構成単位であるセル（ドット）を大面積にすれば良い。
【００１０】
回折格子パターンで各画素の輝度を表現するには、輝度値（明るさ）に比例してセルの面積を変化させることが有効である。
すなわち、最も明るい輝度値を持つ色に、最大の面積のセルを対応させるとすれば、それよりも暗い色については、常に最も明るい色に使用されるセルよりも小さな面積のセルしか使用しないこととなる。
【００１１】
回折格子パターンを構成するセル（ドット）毎にその明るさに応じて指定された大きさに変化させる提案として、本出願人による特開平３−３９７０１号公報が公知である。
【００１２】
上記公報に係る提案は、一つ一つのセル（ドット）が、基板上の任意な位置に任意な面積で配置され得るパターンを作製する上で有効であるが、デジタル処理によりパターン作製の高速化を図る場合には、予め基板上で回折格子の形成されることになる領域がマトリクス状に規定されており、その領域単位で回折格子を形成することでセルを配置する手法が有効である。
従って、デジタル処理によるパターン作製には、上記公報による提案は、必ずしも適当とは言えない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
回折格子パターンの基となるデータが、コンピュータ・グラフィックスや、スキャナ, デジタルカメラなどにより得られる多くの階調色を有する画像データである場合、回折格子パターンの作製にはデジタル処理が適しているだけでなく、前記画像データを構成する画素の大半は、最大の面積のセルを必要としないことから、作製される回折格子パターン上に回折格子が描画されていない領域が多く存在し、それらの部分は回折光の生成に寄与しないため、本来、回折格子パターンで表現しようとするイメージより暗いイメージとなることは避けられない。
【００１４】
本発明は、回折格子パターンにおいて、（特に、デジタル・データの）基の画像データの各画素の輝度値の大小関係を損なうことなく、より明るいイメージを表現できる回折格子パターンとその製造方法を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、最も輝度の高いセルであっても回折格子の描画されない部分を有する場合において、各セルの面積を可能な限り大きくし、回折格子パターンを作製することで、上記の目的を達成する。
【００１９】
請求項１の発明による回折格子パターンの製造方法は、
コンピュータ・グラフィックスや、スキャナ，デジタルカメラなどにより得られる、回折格子パターンを構成する基となる画像データの各画素から、最大の明るさを持つ画素及びその他の画素の輝度データを抽出するステップと、
前記各画素の輝度データを、回折格子の描画される領域を拡張する前の回折格子パターンに変換するステップと、
前記回折格子の描画される領域を拡張する前の回折格子パターンから、回折格子が形成される各セルにおける、回折格子の存在しない領域の面積を計算するステップと、
回折格子の存在しない領域の面積が最も小さいセルについては、その面積を０とし、回折格子の描画される領域を拡張して、その他のセルについても、同様の比率で回折格子の描画される領域を増大させるステップと、
回折格子の描画される領域（セル）の外形を新たに決定するステップと、
を含み、以上のステップに基づいて、回折格子をセル毎に描画しながら、回折格子からなるセルを基板表面に複数配置することを特徴とする。
なお、回折格子の描画される領域を拡張する前の回折格子パターンにおいて、セルの最大面積すべてに回折格子を描画している場合は、除かれるものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、回折格子セルを形成する光学系の一例を示す説明図である。
上述したように、回折格子セルの形成方法は、２光束干渉法による露光形成と電子線（ＥＢ）描画による形成の２通りが代表的であり、図１(a) が２光束干渉法、図１(b) が電子線（ＥＢ）描画法について示す説明図である。
【００２１】
レーザー光による２光束干渉法では、感光材料面で２光束レーザーが干渉する直前に、所望の明るさに対応する面積の開口が設けられたマスクを設置し、レーザー光による露光面積を規定することでセルの輝度値を確定する。（図１(a) ）また、マスクを用いずセルの面積は全て同一とし、各セルでの露光時間を増減させることでセルの輝度値を確定する方法もあるが、上述した特開平３−３９７０１号公報にも記載があるように、レーザー光の強度分布（ガウス分布＝中央部の強度が高い）ことに起因して、セル毎に回折効率（輝度）の変化を適切に設定することが難しい。
【００２２】
一方、電子線（ＥＢ）描画法では、輝度値に対応した各セル固有の面積の内部に回折格子を描画してセルの輝度値を確定することが容易である。（図１(b) ）
【００２３】
このような描画法により作製される回折格子パターンは、図２に示すように、回折格子セルの集合したものとなる。
同図は、回折格子セルが３×３のマトリクス状に配置されて構成されるパターンの一例に係る説明図である。
【００２４】
セル上に記載された数値は、セルの最大面積すべてに回折格子を描画した場合を１００とし、明るさ（回折格子の描画の面積）に比例した数値を表示したものであり、全く回折格子の描画されないセルの領域の数値は０である。
【００２５】
ここで、図２(a) のように、回折格子パターン中に１つでも明るさが１００のセル（左上）が存在した場合、全てのセルの面積を一様に大きくすることにより、パターン全体の明るさを向上させることはできない（表現されるべきパターンにおける画素単位の輝度比が維持されないため）が、図２(b) のように、元データに基づくパターン中に明るさが１００のセルが存在しない場合には、本発明による回折格子セルの拡張が行なわれる。
【００２６】
図２(b) において、形成されている回折格子セルの中で最も明るいセルは、セルの最大面積の８０％に回折格子が形成されたもの（中央上）である。
このセルを１．２５倍の面積（80×1.25＝100 ）にすることで、セルの領域が全て回折格子で占められる明るいセルに変換できる。
表現されるべきパターンにおける画素単位の輝度比を維持するために、同様に他のセルでも、回折格子の形成領域を１．２５倍の面積に拡張することで、元データの明るさの関係を損なうことなく、作製される回折格子パターン全体の明るさを向上させることができる。
【００２７】
また、２次元画像によるフルカラーの回折格子パターンを作製するにあたり、元の画像の色合いを自然に表現する手法として、１つのセルを赤，緑，青の領域に分割する方法が一般的に行なわれている。
【００２８】
この手法を用いると、特定の単一波長で表現できない色（白や中間色など）を忠実に表現することができる。このように、１つのセルがいくつかのより小さなセル（サブセル）に分割されているような場合であっても、セルの輝度値が、
（赤，緑，青）＝（１００，１００，１００）となるセルが存在しなければ、セル中の回折格子の形成領域を拡張し、明るさを向上させることができる。
【００２９】
図３は、１つのセルがサブセルにより構成されている場合について、本発明により、回折格子の形成領域を拡張する概念を示す説明図である。
同図で、１つのセルは、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｇ）のサブセルに分割されて構成される。
【００３０】
例えば、炎の撮影画像のように、赤（Ｒ）の輝度値が非常に高く、緑（Ｇ），青（Ｇ）の輝度値が低いものや、逆に、森林の画像のように、赤（Ｒ）の成分が少ないものでは、赤，緑，青の輝度値の分布に大きな偏りがある。
従って、特定のサブセル（炎の画像における赤）の輝度値を、元データの段階では表現することができない量（すなわち１００を超える値）に指定することもできる。
図３は、炎の画像についての元データ（上）を回折格子パターン（下）に変換する概念を示す。
【００３１】
同様に、視差を持つ複数の２次元画像を合成して構成される３次元の回折格子パターンを作製する場合においても、１つのセルが、前記２次元画像の枚数分のサブセルに分割されることから、元データではセル内に回折格子の形成されない領域にも、効率的に回折格子を形成することができる。
【００３２】
立体的な表示を行なう３次元の回折格子パターンに係る提案として、本出願人による特開平３−２０６４０１号公報，特開平５−２１４８号公報が公知であり、以下に概要を説明する。
【００３３】
立体的な表示にあたっては、観察方向に応じて、視覚されるパターンを変化させる必要がある。例えば、同一の被写体を異なる方向（左／正面／右）から見た場合は、それぞれ異なる被写体の画像を視覚することになり、観察者は立体的に感じることになる。
【００３４】
特開平３−２０６４０１号公報では、
被写体を複数方向から観察して得られる複数の２次元画像について、それぞれをドット単位に分解し、観察方向に応じた方向を持つ回折格子からなるドットにより、２次元画像を回折格子パターンとして描画し、同一基板上に２次元画像の枚数分だけ回折格子パターンの形成を行なう。
【００３５】
特開平５−２１４８号公報では、
２次元画像に対応する回折格子パターンが、直線の回折格子により構成されており、観察する複数の方向毎にそれらの格子の方向が順次変化するような場合、観察者の視点移動に伴ってスムーズに表示パターンが変化するわけではない。この現象を、「像の飛び」と称する。
像の飛びをなくすために、回折格子を曲線（詳しくは、同一の曲線を平行移動した複数の線の集まり）で構成し、曲線の傾きの変化・曲線の移動するピッチを観察条件に応じて変化させる。
【００３６】
図４は、視差を持つ４枚の２次元画像を合成して構成される３次元の回折格子パターンについて、本発明を適用する概念を示す説明図である。
１つのセルがそれぞれ４つのサブセルに分割され、基データ（上）ではセル内に回折格子の形成されない領域にも、回折格子の形成領域を拡張する（下）ことができる。
【００３７】
上述のように、１つのセルが複数のサブセルに分割されている場合について、回折格子の形成される領域を拡張する手順の一例を図５に示す。
【００３８】
先ず、ステップａでコンピュータ・グラフィックスなどの画像データから全ての画素の輝度情報を読みとり、最大の明るさを持つ画素を選択する。
【００３９】
ステップａで得られた（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の各サブセルの面積を（ｒ，ｇ，ｂ）とし、回折格子の形成（描画）が可能であるセルの面積をＳとすると、セル中における回折格子が描画された領域の面積比率は、
（（ｒ＋ｇ＋ｂ）／Ｓ）＊１００（％）
となる。
この値が１００％でない場合、
（（Ｓ−（ｒ＋ｇ＋ｂ））／Ｓ）＊１００（％）
の面積が、回折格子の描画されていない領域である。
【００４０】
よって、Ｒ，Ｇ，Ｂの各要素は、それぞれ以下に示すだけの描画面積の拡張が可能であることが決定される。（ステップｂ）
Ｒ；（（Ｓ−（ｒ＋ｇ＋ｂ））＊ｒ）／（Ｓ＊（ｒ＋ｇ＋ｂ））＊１００（％）
Ｇ；（（Ｓ−（ｒ＋ｇ＋ｂ））＊ｇ）／（Ｓ＊（ｒ＋ｇ＋ｂ））＊１００（％）
Ｂ；（（Ｓ−（ｒ＋ｇ＋ｂ））＊ｂ）／（Ｓ＊（ｒ＋ｇ＋ｂ））＊１００（％）
【００４１】
ステップｃで、拡張された分をも考慮し、各サブセルの外形を決定する。
回折格子の描画されている領域の面積が正しければ、各サブセルでの回折格子の描画された領域の外形は不問であり、自由な形状をとることができる。
図６に示すように、従来の手法による各サブセルに付け足すように拡張された格子を描画すること（上）や、面積が同一で全く異なる形状のサブセルをセルの内部に配置することも可能であり、本発明による効果は、拡張される回折格子の形成領域の面積に起因するものであり、前記領域の外形に依存するものではない。
【００４２】
ステップｄで、以上の工程により決定された各セルの回折格子を描画し、回折格子パターンを完成する。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の回折格子パターンは、各セルにおいて回折格子の描画領域を拡張させたことから、以下のような効果を有することとなる。
(1) 回折格子の描画領域が拡張されることにより、パターンの表面で、光の回折に寄与する領域が多くなるため、従来よりも明るいパターンを得ることができ、高い注視力が期待できる。
(2) パターンを構成する各セルをＲ，Ｇ，Ｂの３色のサブセルに分割した場合や、視差を持つ複数の２次元画像の枚数分のサブセルから各セルが構成される場合であっても、同一セル内のサブセルについて、回折格子を描画していない領域を有効に使用することができ、元データの段階では表現が不可能であるような輝度値についても表現が可能（１００よりも大きくする）である。
(3) 回折格子の描画領域を拡張することにより、階調の変化をより明確に表現することができる。よって、コントラストを強く表現したり、グラデーションを滑らかに表現するなどの配色の効果が、一層鮮明に現れることが期待できる。
(4) 面積の小さい回折格子パターンであっても、明るいパターンが得られることから大面積の回折格子パターンに劣らない注視効果が見込まれる。
【００４４】
【図面の簡単な説明】
【図１】回折格子セルを形成する光学系の一例を示す説明図であり、図１(a) が２光束干渉法、図１(b) が電子線（ＥＢ）描画法について示す説明図。
【図２】回折格子セルがマトリクス状に配置されて構成されるパターンの一例に係る説明図であり、図２(a) が本発明による回折格子の領域拡張が適用できないパターン、図２(b) が本発明による回折格子の領域拡張を適用する前のパターン、図２(c) が適用した後のパターンについての説明図。
【図３】１つのセルがサブセルにより構成されている場合について、本発明により、回折格子の形成領域を拡張する概念を示す説明図。
【図４】１つのセルがサブセルにより構成されている他の場合（３次元回折格子パターンによる立体表示）について、本発明により、回折格子の形成領域を拡張する概念を示す説明図。
【図５】本発明による回折格子パターンの作製方法（回折格子の領域拡張）についての手順の一例を示すフローチャート。
【図６】本発明による回折格子の形成領域の拡張の一例を示す説明図。

Claims (1)

1. コンピュータ・グラフィックスや、スキャナ，デジタルカメラなどにより得られる、回折格子パターンを構成する基となる画像データの各画素から、最大の明るさを持つ画素及びその他の画素の輝度データを抽出するステップと、
   前記各画素の輝度データを、回折格子の描画される領域を拡張する前の回折格子パターンに変換するステップと、
   前記回折格子の描画される領域を拡張する前の回折格子パターンから、回折格子が形成される各セルにおける、回折格子の存在しない領域の面積を計算するステップと、
   回折格子の存在しない領域の面積が最も小さいセルについては、その面積を０とし、回折格子の描画される領域を拡張して、その他のセルについても、同様の比率で回折格子の描画される領域を増大させるステップと、
   回折格子の描画される領域（セル）の外形を新たに決定するステップと、
   を含み、以上のステップに基づいて、回折格子をセル毎に描画しながら、回折格子からなるセルを基板表面に複数配置することを特徴とする回折格子パターンの作製方法。
   なお、回折格子の描画される領域を拡張する前の回折格子パターンにおいて、セルの最大面積すべてに回折格子を描画している場合は、除かれるものである。

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