JP4905677B2 - 体積型ホログラム、その作成方法及びそれを用いたホログラム表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、体積型ホログラム、その作成方法及びそれを用いたホログラム表示装置に関し、特に、記録図形のエッジを目立たなくした体積型ホログラムとその作成方法及びそれを用いた表示装置に関するものである。

図形をイメージホログラムとして記録したホログラムにおいて、例えば均一の明るさの図形部分において回折効率はその図形内で略均一であるにも係わらず、その図形のエッジ近傍が明るく目立って見えるという問題がある。この現象は、縁辺対比と呼ばれる視覚の作用によるものである（非特許文献１）。

図形内のエッジ近傍をその他の図形内領域と同じ明るさに見せるには、エッジ近傍の明るさを抑える必要がある。ホログラムの明るさを調整する方法としては、感材膜厚、露光量、露光比を調節する等の方法で回折効率をコントロールするのが一般的である。しかし、同一の感光材料に記録されたホログラムの均一図形部分の明るさをその領域毎に変えることは、膜厚が一定であるし、露光量、露光比の調節による回折効率をコントロールすることで行うことは困難である。
特開２００５−１１５２２５号公報 特公平７−８２２８９号公報 大井義雄 他１名著「カラーコーディネーター入門 色彩」（日本色研事業（株）平成１１年１月３０日改訂版１刷発行）３２〜３３頁

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、図形を記録した体積型ホログラムの均一の明るさの図形部分においてそのエッジ近傍が他に比べて明るく見えず他の図形内領域と同じ明るさに見える体積型ホログラムとその作成方法及びそれを用いた表示装置を提供することである。

上記目的を達成する本発明の体積型ホログラムは、図形を含むパターン画像が透過型あるいは反射型の体積型ホログラムとして記録されており、前記パターン画像として、相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像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、前記グラデーション帯が網点濃度パターンからなることが望ましい。

また、前記パター画像が平面画像からなり、イメージホログラムとして記録されていることが望ましい。

本発明の体積型ホログラムの作成方法は、パターン画像が記録された体積型ホログラムを作成する方法において、
相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像を用意し、前記パターン画像を透過型あるいは反射型の体積型ホログラムとしてホログラム撮影することを特徴とする方法である。

この場合に、前記グラデーション帯が網点濃度パターンからなることが望ましい。

また、前記パター画像が平面画像からなり、イメージホログラムとして記録することが望ましい。

本発明のホログラム表示装置は、再生照明光を照射する導光板と、前記導光板中に埋め込まれた体積型ホログラムと、前記導光板の少なくとも一端に配置された光源とを備え、前記体積型ホログラムは、前記導光板中を全反射を繰り返す多重反射により導光される照明光によって照明されるホログラム表示装置において、
前記体積型ホログラムに、相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像が記録されていることを特徴とするものである。

本発明のもう１つのホログラム表示装置は、再生照明光を照射する導光板と、前記導光板の一面から射出される照明光路中に配置された体積型ホログラムと、前記導光板の少なくとも一端に配置された光源とを備え、前記体積型ホログラムは、前記導光板の一面から射出される照明光によって照明されるホログラム表示装置において、
前記体積型ホログラムに、相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像が記録されていることを特徴とするものである。

これらの場合に、前記グラデーション帯が網点濃度パターンからなることが望ましい。

また、前記パターン画像が平面画像からなり、イメージホログラムとして記録されていることが望ましい。

以上の本発明によると、図形を記録した体積型ホログラムの均一の明るさの図形部分においてそのエッジ近傍が他に比べて明るく見えず他の図形内領域と同じ明るさに見える体積型ホログラムとそれを用いたホログラム表示装置が得られる。

以下に、本発明の体積型ホログラムとその作成方法及びそれを用いた表示装置を原理と実施例の説明に基づいて説明する。

本発明の体積型ホログラムの基本原理は、図形を含むパターン画像を透過型あるいは反射型の体積型ホログラムとして記録する際に、そのパターン画像をそのまま記録するのではなく、少なくとも背景より明るい図形部分のエッジ近傍が明るく目立って見えるのを防止するために、その明るい図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯を縁辺に沿って設けて体積型ホログラムに記録するパターン画像とすることで、そのパターン画像が記録された体積型ホログラムから再生したパターン像における図形内が略均一の明るさに見え、エッジ近傍が明るく目立って見える現象（縁辺対比）が起こらないようにすることである。

図１は、本発明による体積型ホログラムを撮影する配置の１例を示す光路図である。後で説明する例えば図３に平面図を示すようなパターン画像１を投影光学系３の物体面に配置し、パターン画像１の像面近傍にフォトポリマーや銀塩感光材料、あるいは、ホログラフィック高分子分散型液晶素子（特許文献１）からなる体積型ホログラム感材２を配置する。そして、照明光５でパターン画像１を背面から照明しパターン画像１を透過した光を投影光学系３を経て物体光６としてホログラム感材２に入射させると共に、照明光５と同一レーザ光源からの参照光７を所定の入射角θで物体光６と同じ側からホログラム感材２に同時に入射させてホログラム感材２内で干渉させて透過ホログラムとして撮影する。

そして、本発明に基づいて、図２に示すような、暗い背景に対して例えば明るい正方形１１と文字“Ａ”１２とが並列したパターン画像１０を図１のような配置で撮影した体積型ホログラム（以後、符号２’で示す。）から再生させたい場合に、縁辺対比に基づいて再生されたパターン像が、正方形１１と文字“Ａ”１２の明るい部分の内部がその縁辺（エッジ）近傍に比べて相対的に暗く見える現象を防止するために、図３に示すようなパターン画像１を図１のような配置で体積型ホログラム２’として撮影する。

図３のパターン画像１は、暗い背景中に再生表示したい正方形１１と文字“Ａ”１２とが並列して配置されているが、正方形１１と文字“Ａ”１２の明るい部分内の暗い背景に対する縁辺（エッジ）に沿って、暗い背景の明るさから図形１１、１２の内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯１３が設けられている。

このように明るい図形１１、１２内の縁辺（エッジ）に沿って明るさが徐々に変化するグラデーション帯１３を設けたパターン画像１を図１のような配置で記録された体積型ホログラム２’に所定波長の再生照明光を当てることで図３のパターン画像１と同様のパターン画像が再生されるが、観察者には、縁辺対比現象が防止され、図２に示すような、暗い背景に対して例えば明るく一様な明るさの正方形１１と文字“Ａ”１２とが並列したパターン画像１０が観察できる。

ところで、特許文献２に開示されているように、特にイメージホログラムにおいては、濃度変化階調画像の階調の再現性は容易ではない。図３のパターン画像１のグラデーション帯１３は濃度変化階調画像に他ならない。したがって、その階調を正確に再生する体積型ホログラム２’を記録することは容易ではない。グラデーション帯１３の階調を正確に再生するホログラムとして体積型ホログラム２’が記録されていないと、図２に示すような一様な明るさの正方形１１と文字“Ａ”１２とが並列したパターン画像１０の観察が必ずしもできない。

そこで、図１の体積型ホログラム２’を撮影する配置において記録するパターン画像１として、図３のような濃度変化階調画像のグラデーション帯１３を用いる代わりに、網点の面積率によって濃度を表現する図４に例示したようなグラデーション帯１３をパターン画像１の図形１１、１２内の縁辺（エッジ）に沿って設ける。この場合も、図形１１、１２の明るい部分内の暗い背景に対する縁辺（エッジ）に沿って、暗い背景の明るさから図形１１、１２の内部の明るさへ徐々に変化する網点の面積率によって濃度を表現するグラデーション帯１３を設ける。

ここで、網点の面積率によって濃度を表現するグラデーション帯１３は、濃度変化階調画像のグラデーション帯１３と同様に、平均濃度分布が暗い背景の明るさから図形１１、１２の内部の明るさへ徐々に変化するものであり、網点としては、観察の際に目で分解することが困難な微細な不透明な円形、矩形等の図形からなるもので、その面積率を変化させることで平均濃度を変えることができるものである。

このような目で分解することが困難な網点からなるグラデーション帯１３を設けたパターン画像１が図１のような配置で記録された体積型ホログラム２’に所定波長の再生照明光を当てることで、図４のパターン画像１と同様のパターン画像が再生されるが、観察の際にその網点は目で分解することが困難なため、図３のような濃度変化階調画像のグラデーション帯１３を用いた場合と同様に、観察者には、縁辺対比現象が防止され、図２に示すような、暗い背景に対して例えば明るく一様な明るさの正方形１１と文字“Ａ”１２とが並列したパターン画像１０が観察できる。

ここで、グラデーション帯１３の最も目立たない濃度の漸減法について説明する。すなわち、図５のように、疑似的に濃度ηをパターン画像１上の位置ｘに関する連続関数とすると、ηが一定値η₁ ［ｘ₁ ≦ｘ≦ｘ₂ ］をとるパターン画像１の背景部分から図形１１、１２のηが一定値η₂ ［η₁ ＞η₂ ］になる内部の位置ｆに向かう向きにｘ軸正方向をとったとき、ａ＜ｘ＜ｘ₂ で（ｄη／ｄｘ）≦０、かつ、少なくともある一定範囲ｘ₂ ≦ｂ＜ｘ＜ｃでは（ｄ² η／ｄｘ² ）＜０であるようにすればよい。このとき、ｂ＜ｘ＜ｃでは｜ｄη／ｄｘ｜はｘの増加関数となる。なお、ηが最小値η₂ （≧０）［ｅ≦ｘ≦ｆ］に漸近する部分、すなわち、ｘのある一定範囲ｃ＜ｄ＜ｘ＜ｅ≦ｆにおいて（ｄ² η／ｄｘ² ）＞０であれば、図５のようにη₂ への収束の仕方が滑らかになるので、縁辺対比現象はより小さくなる。なお、ここで、Ｃがグラデーション帯１３の幅になる。

ここで、このようなグラデーション帯１３の幅Ｃについては、グラデーション帯１３の設けられている図形１１、１２の縁辺（エッジ）に直交する方向の大きさの３〜２５％程度で、１０μｍ〜３００μｍの範囲に入る大きさであることが望ましい。

さて、以上のように、暗い背景の明るさから図形１１、１２の内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯１３を設けたパターン画像１を記録した体積型ホログラム２’から図２のようなパターン像が観察可能な表示装置の構成例を図６の断面図に示す。図１のような配置で撮影された透過型の体積型ホログラム２’の両面に導光板２１と２２を密着配置して一体化し、その積層体の一端、図６の場合は一方の導光板２１の一端に面して、所定波長の再生照明光を導光板２１内に導入するために例えばＬＥＤからなる光源２３を配置してホログラム表示装置２０を構成する。このような構成において、導光板２１の一端から導入された光源２３からの照明光２４は、導光板２１の体積型ホログラム２’と反対側の表面と導光板２２の体積型ホログラム２’と反対側の裏面との間で全反射を繰り返す多重反射により、導光板２１、体積型ホログラム２’、導光板２２からなる積層体中を光源２３が面した端部から反対の端部へ導かれる。その積層体中を多重反射する間、体積型ホログラム２’を裏面側から所定の入射角（波長が参照光７と同じで、体積型ホログラム感材２の現像処理等の後処理で収縮がないとすると、参照光７の入射角θに等しいかその近傍の角度）で入射する成分が体積型ホログラム２’で回折光２５として積層体の前方に回折されて体積型ホログラム２’に記録されたパターン画像１の再生を行い、ホログラム表示装置２０の前方から図２のようなパターン像が観察できる。

図７に別のホログラム表示装置２０の構成例の断面図を示す。この構成例は、図６のように体積型ホログラム２’を導光板中に埋め込んで導光板中を導光される光で照明する代わりに、バックライトとして導光板を用い、その導光板の表面に出た光で照明する配置である。暗い背景の明るさから図形１１、１２の内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯１３を設けたパターン画像１を記録した体積型ホログラム２’を導光板２６の照明光射出側に近接して配置し、所定波長の光源２３からの照明光２４を導光板２６の一端から導入する。導光板２６はその裏面と体積型ホログラム２’側の表面との間で全反射を繰り返す多重反射により、導光板２６の光源２３側の端部から反対の端部へ導かれるもので、その表面あるいは裏面に微細なプリズム面等の反射体又は散乱体が設けられ、導光板２６中を多重反射により導光されている照明光２４を導光板２６の表面側へ射出させ、その中に体積型ホログラム２’を裏面側から所定の入射角（波長が参照光７と同じで、体積型ホログラム感材２の現像処理等の後処理で収縮がないとすると、参照光７の入射角θに等しいかその近傍の角度）で入射する成分が体積型ホログラム２’で回折光２５として導光板２６と反対の前方に回折されて体積型ホログラム２’に記録されたパターン画像１の再生を行い、ホログラム表示装置２０の前方から図２のようなパターン像が観察できる。

以上、本発明の体積型ホログラムとそれを用いたホログラム表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。

本発明による体積型ホログラムを撮影する配置の１例を示す光路図である。 本発明の体積型ホログラムによって表示しようとするパターン画像を示す平面図である。 本発明の体積型ホログラムに記録するパターン画像の１例を示す平面図である。 本発明の体積型ホログラムに記録するパターン画像の他の例を示す平面図である。 グラデーション帯の濃度の漸減法を説明するための図である。 本発明によるホログラム表示装置の構成例を示す断面図である。 本発明によるホログラム表示装置の別の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１…パターン画像
２…体積型ホログラム感材
２’…体積型ホログラム
３…投影光学系
５…照明光
６…物体光
７…参照光
１０…再生したいパターン画像
１１…正方形
１２…文字“Ａ”
１３…グラデーション帯
２０…ホログラム表示装置
２１、２２…導光板
２３…光源
２４…照明光
２５…回折光
２６…導光板

Claims (10)

1. 図形を含むパターン画像が透過型あるいは反射型の体積型ホログラムとして記録されており、前記パターン画像として、相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像が記録されていることを特徴とする体積型ホログラム。
2. 前記グラデーション帯が網点濃度パターンからなることを特徴とする請求項１記載の体積型ホログラム。
3. 前記パターン画像が平面画像からなり、イメージホログラムとして記録されていることを特徴とする請求項１又は２記載の体積型ホログラム。
4. パターン画像が記録された体積型ホログラムを作成する方法において、
   相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像を用意し、前記パターン画像を透過型あるいは反射型の体積型ホログラムとしてホログラム撮影することを特徴とする体積型ホログラムの作成方法。
5. 前記グラデーション帯が網点濃度パターンからなることを特徴とする請求項４記載の体積型ホログラムの作成方法。
6. 前記パターン画像が平面画像からなり、イメージホログラムとして記録することを特徴とする請求項４又は５記載の体積型ホログラムの作成方法。
7. 再生照明光を照射する導光板と、前記導光板中に埋め込まれた体積型ホログラムと、前記導光板の少なくとも一端に配置された光源とを備え、前記体積型ホログラムは、前記導光板中を全反射を繰り返す多重反射により導光される照明光によって照明されるホログラム表示装置において、
   前記体積型ホログラムに、相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像が記録されていることを特徴とするホログラム表示装置。
8. 再生照明光を照射する導光板と、前記導光板の一面から射出される照明光路中に配置された体積型ホログラムと、前記導光板の少なくとも一端に配置された光源とを備え、前記体積型ホログラムは、前記導光板の一面から射出される照明光によって照明されるホログラム表示装置において、
   前記体積型ホログラムに、相対的に暗い背景の中に明るい図形が記録され、かつ、その図形部分の縁辺からその図形の内部に向かって明るさがその縁辺外部の背景の明るさから図形内部の明るさへ徐々に変化するグラデーション帯がその縁辺に沿って設けられているパターン画像が記録されていることを特徴とするホログラム表示装置。
9. 前記グラデーション帯が網点濃度パターンからなることを特徴とする請求項７又は８記載のホログラム表示装置。
10. 前記パターン画像が平面画像からなり、イメージホログラムとして記録されていることを特徴とする請求項７から９の何れか１項記載のホログラム表示装置。

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