JP6326175B2 - 情報記録媒体、情報記録方法、情報再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、媒体に情報を記録する技術に関する。

レーザを用いて媒体の表面あるいは内部に、画像、フォント、２次元バーコードなどの各種のパターンを加工する方法は、レーザマーキングと呼ばれている。レーザマーキングには、媒体の表面に加工を施すものと、ガラスなど透明な媒体の内部に加工を施すものがある。レーザマーキングにおいて使用するレーザは、１０の−９乗秒以上のパルス幅のパルスを出力するナノ秒レーザ、それ以下の超短パルスを出力するピコ秒レーザやフェムト秒レーザ、などがある。ガラスなど透明な媒体の内部に加工を施す例として、以下のような技術が報告されている。

下記特許文献１は、レーザの波長に対し透明性を有する媒体の内部にナノ秒パルスレーザを集光することにより、クラック状の微小変性領域を形成する技術を開示している。同文献においては、照射するパルス数を変えることにより微小変性領域の大きさを制御し、これにより濃淡画像を記録している。

下記特許文献２は、ガラスにフェムト秒レーザを照射してカラーセンターや銀の微小粒子に起因する色を発現させた層を複数作成し、重なった層の数を変えて濃淡や色合いを変える方法を開示している。また同文献記載の方法を用いることにより、フルカラー画像を表現できる可能性がある旨が記載されている（段落００３２参照）。

特許第４１４３７６９号公報 特許第４８８３５６７号公報

透明媒体の内部にマーキングする際に形成される微小変性領域の大きさや形状は、用いるレーザによって差がある。一般にナノ秒レーザは集光点付近に蓄積する熱の影響で微小なクラックを生じさせるのに対して、ピコあるいはフェムト秒レーザ（以下、超短パルスレーザ）はクラックではなく、より形状がなめらかなドット状の変性領域（以下ドットと記す）を生じさせる。ここで変性領域とは、レーザ光の照射によって周辺部分より密度が上がり屈折率の高い状態あるいは、空孔など周辺より屈折率の低い状態になった領域を意味する。石英ガラスにおいては、ナノ秒レーザによる微小クラックの大きさがおおよそ１００μｍ程度であるのに対して、超短パルスレーザを用いる場合は１μｍ程度から数μｍ程度の直径のドットが形成される。したがって超短パルスレーザを用いると、微細なドットによって高精細なマーキングを施すことができる。しかし、肉眼による観察やレンズ倍率の低い小型カメラによる撮影の場合は、高いコントラストが得にくいという課題がある。

上記課題の原因は、超短パルスレーザで形成されるドットはナノ秒レーザによる微小クラックのように形状が複雑でないため、光を散乱する面積の割合が小さいことにある。これを補ってドットの密度を上げるためにドットのピッチを小さくすると、ドット同士が互いに接触するなどによってマーキングの美観を損ねる可能性がある。

本発明は、上記のような課題に鑑みてなされたものであり、レーザを用いて透明媒体の内部へマーキングする際に、美観を損ねることなく肉眼観察時あるいはカメラ撮影時における視認性を向上することを目的とする。

本発明は、透明媒体の内部に対してレーザを照射することにより、媒体内部の第１および第２層においてそれぞれ微小変性領域を形成する。各層における微小変性領域は、２次元平面上において互いにずれるように配置される。

本発明によれば、情報記録媒体を法線方向から観察したときの単位面積あたりのドット数を増すことができる。この結果、単位面積当たりの輝度が上がるので、視認性を向上させることができる。

実施形態１に係る情報記録媒体の構成例を説明する図である。 実施形態２に係る情報記録媒体の構成例を示す図である。 実施形態３に係る情報記録媒体の構成例を示す図である。 情報記録媒体に対して画像を記録する際におけるドット配置を計算する手順を説明するフローチャートである。 実施形態５に係る情報記録媒体におけるドット配置を示す平面図である。 情報記録媒体を製造するレーザマーキング装置の構成図である。 情報記録媒体Ｍを観察する観察装置の構成を示す側面図および上面図である。 情報記録媒体Ｍを撮像する撮像装置の構成を示す側面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下では、情報記録媒体の法線方向をＺ方向とし、Ｚ方向に対して直交する平面をＸＹ平面とする。また以下では、情報記録媒体の同一層内におけるドット中心間距離（ピッチ）の最小許容値をΔＰとし、肉眼あるいは小型カメラなどの観察手段の被写界深度をΔＺとする。ΔＰの値は、層毎に異なる場合もあり得るが、以下では説明を判り易くするために層毎に区別をせず、全ての層においてΔＰが同一であるものとする。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の実施形態１に係る情報記録媒体の構成例を説明する図である。図１左列は、情報記録媒体の表面を法線方向から観察したときのイメージである。情報記録媒体は、画像や文字などを記録することができる。図１においては、２次元画像を記録した例を示した。図１中央列は、情報記録媒体内部の層に形成された微小変性領域の配置を説明する拡大平面図である。図１右列は、図１中央列の側断面図である。以下では情報記録媒体内部に形成した微小変性領域のことを「ドット」と表記する。

図１（ａ）は、比較のため情報記録媒体内部の１層（層Ｌ１）のみにおいて微小変性領域を形成することにより、画像を記録した例を示す。各ドットは、ＸＹ平面上に定義した正方格子点上にその中心が配置されるように形成する。ここでは説明の簡易のため、各ドットの形状およびサイズはいずれの層においても同一とするが、各ドットの形状やサイズを層毎に変えることもできる。ドットピッチＤＰは、同一層においては同一の値とし、最小許容値ΔＰより大きい値に設定している。

図１（ｂ）は、本実施形態１に係る情報記録媒体の構成例を示す。図１（ｂ）においては、図１（ａ）と同じドットパターンを層Ｌ１と層Ｌ２それぞれにおいて形成し、各ドットをＺ方向から観察したときＸＹ平面上で互いに重ならないように配置をずらしている。図１（ｂ）においてＰＩＸＥＬと示したドット群は、図１（ａ）における１つのドットに対応するものであり、図１（ｂ）においては図１（ａ）の１つのドットを各層に形成した２つのドットによって表している。各層のドットピッチＤＰは共通であるが、層Ｌ１においてドットを形成する格子点と層Ｌ２においてドットを形成する格子点をずらしている。これにより、単位面積当たりのドット個数が、図１（ａ）の場合に比べて２倍となる。その結果、画像の明るさが増して視認性が上がる。

図１（ｃ）は、層Ｌ１〜層Ｌ４それぞれにドットを形成した構成例を示す。層Ｌ１におおけるドットは、層Ｌ２においては右下の格子点上に配置され、層Ｌ３においては右隣の格子点上に配置され、層Ｌ４においては下隣の格子点上に配置されている。これにより、単位面積当たりのドット個数が図１（ａ）の４倍となり、画像の明るさがさらに増して視認性がさらに上がっている。

ドットピッチＤＰの値は、最小許容値ΔＰ未満にならない範囲で観察手段（肉眼や小型カメラなど）の分解能を考慮して隣接ドットが分離して見えない程度に設定すると、観察時にざらざらした感じを受けにくくなりより美しく見えるようになる。

図１（ｂ）（ｃ）において、Ｚ方向から見て一番手前の層から一番奥の層までの距離が観察手段の被写界深度ΔＺ以内に収まるように、層間のＺ方向のドットピッチＬＰを設定している。これによって、全ての層においてフォーカスが合って見えるので、単位面積当たりの輝度を、ほぼ層の数に比例して上げることが可能となる。

ドットピッチＤＰ（および最小許容値ΔＰ）は、Ｚ方向から観察したときいずれのドットも互いに重ならないように設定することが望ましい。具体的には、以下の条件を満たすように設定することが望ましい。

（条件１）ある層におけるドットピッチＤＰは、当該層におけるドット同士が互いに重ならないように設定する。
（条件２）各層におけるドットピッチＤＰは、各層のドットを同一の層に対して射影したとき、いずれのドットも重ならない距離以上に設定する。
（条件３）上記条件１および条件２が、いずれの層においても成立する。

図１においては層毎にドットを形成する格子点をずらし、Ｚ方向から観察したときドット同士が互いに重ならないようにしているが、Ｚ方向から見て重なるように配置したとしても、ドットの見かけ上の明るさが増すので視認性がある程度は向上する。したがって、ドットを形成する位置を精度よく制御することが困難な場合は、いずれかの層においてＸＹ平面上で同一の格子点上にドットを形成してもよい。

＜実施の形態１：まとめ＞
以上のように、本実施形態１に係る情報記録媒体によれば、同一のドットパターンを複数の層上に形成することにより、Ｚ方向から見た場合の単位面積当たりのドット数を増やすことができる。これにより、ドットピッチに比較してドット径が小さくなることが多い超短パルスレーザを使用するレーザマーキングにおいても、濃淡画像などを表現する際に十分な明るさを得ることができ、視認性のよいマーキングが可能となる。

＜実施の形態２＞
実施形態１は、各層において形成されているドットパターンは、ＸＹ平面上における座標が互いにずれている点を除いて同一である。本発明の実施形態２においては、各層が記録しているドットパターンが異なる構成例について説明する。

図２は、本実施形態２に係る情報記録媒体の構成例を示す図である。図２（ａ）は比較のため図１（ｃ）を再掲したものである。図２（ｂ）は、本実施形態２に係る情報記録媒体のドットパターンを示す。図２（ａ）（ｂ）いずれも層の数は同一であるため、ドットが密集した部分の画像明るさは同程度となる。

図２（ｂ）においては、例えば層毎に画像上の異なる格子点をサンプリングし、そのサンプリングした格子点をそれぞれ異なる層に対して割り当てている。実施形態１においては各層のドットパターンが同じであるのに対し、本実施形態２においては各層がそれぞれ異なるドットパターンを有しているので、単位面積当たりの情報量が増し、Ｚ方向から観察した場合の空間周波数をより高くすることができる。これにより画像の細部を再現することができる。図２左列の拡大図は、このことを顕著に示している。したがって本実施形態２に係る情報記録媒体は、高精細な濃淡画像を記録する場合に適している。

本実施形態２に係る情報記録媒体は、層毎に異なるドットパターンを形成することにより、情報記録媒体が記録している単位面積当たりの情報量（すなわち画像の空間周波数）を向上させ、より微細な画像を記録することができる。例えば隣接するドットをその並び順にしたがって順次各層に対して割り当てれば簡便であるが、各層に対して割り当てる格子点をサンプリングする順番はこれに限られるものではない。少なくともいずれかの層におけるドット配置パターンが他層におけるドット配置パターンと異なるのであれば、本実施形態２と同様の効果を発揮することができる。

＜実施の形態３＞
以上の実施形態１〜２においては、光を反射する微小変性領域（ドット）により濃淡画像を形成する構成例を説明した。画像の画素とドットは必ずしも１：１に対応している必要はなく、１つの画素を複数のドットによって形成することもできる。本発明の実施形態３では、濃淡画像の画素内に複数のドットを形成し、そのドットパターンによって情報をエンコードする構成例を説明する。情報記録媒体に対して情報を記録する手法そのものは実施形態１〜２と同様である。

図３は、本実施形態３に係る情報記録媒体の構成例を示す図である。図３において、濃淡画像を構成する画素内にデジタルデータを記録している。濃淡画像を構成する白い画素の内部に、複数のドットによって構成された２次元バーコードが形成されている。図３に示す例においては、画像下部を拡大した６×６ピクセルを示すとともに、そのなかの白画素をさらに拡大すると２次元バーコードがドットパターンによって形成されている例を示した。

図３に示す情報記録媒体は、肉眼あるいは拡大率の低いレンズで観察すると濃淡画像に見えるが、拡大率の高いレンズを装着したカメラで撮影すると、個々の画素内に形成された２次元バーコードを読み出すことができる。２次元バーコードは、数字、テキスト、バイナリコードなどのデジタルデータを記録することができる。よく知られているように２次元バーコードは、セルと呼ばれる単位で白または黒の矩形を配列する。本実施形態３においては、１つの白セルを層Ｌ１と層Ｌ２の２つのドットによって構成している。図３においてＣＥＬＬと表示した部分が１つの白セルである。

図３においては、図１（ｂ）と同様にドットを配置する格子点をＺ方向から見て斜め方向にずらしている。このため、ドットを１層のみ形成した場合と比較して白セルがより明るく見えるので、２次元バーコードをカメラで撮影する際に白セルと黒セルとの間のコントラストが高くなり、読み取りエラーを少なくすることができる。

ここでは説明を簡単にするために２層の場合を示したが、白いセルをさらに明るくしたい場合には、３層以上の層を使って同様に構成できることはもちろんである。例えば、図１（ｃ）と同様に４層を用いれば、さらに白セルを明るくすることができる。

本実施形態３に係る情報記録媒体は、単に濃淡画像を記録するだけではなく、その中にデジタル情報を記録することができるので、より多くの情報を記録できるという利点がある。例えば、情報記録媒体に写真データを記録する場合、当該写真データをモノクロ濃淡画像に変換した画像に加えて、カラーデータを扱うことのできるデジタルフォーマットを用いて、モノクロ画像に変換する前のカラー写真データやその説明文章などを記録することができる。濃淡画像だけではなく、文字なども肉眼で認識できるようにフォントとしてマーキングしておけば、それを見ることにより、記録した対象物、記録方法、符号化方式などをひと目で判断することができる。さらに必要に応じて画素を拡大して２次元バーコードをデコードすれば、カラーデータや詳しい説明文章など詳細な記録を読み出すことができる。

記録面積に余裕がある場合には、濃淡画像とデジタルデータ（例えば２次元バーコード）をそれぞれＸＹ平面上の異なる領域に記録してもよい。その場合は、２次元バーコードの１つのセル内に含まれるドット数を増やしてセルサイズを大きくすることにより、拡大率の低いレンズを装着したカメラ（例えばスマートホンが搭載しているカメラ）でデジタルデータをデコードできるようにしてもよい。これにより、デジタルデータを簡便に再生することができる。

２次元バーコードを濃淡画像と別の領域に記録する場合は、複数の２次元バーコードを矩形領域内に間隔を空けて並べることができる。その場合は、矩形部分の縦横比率を一般的な撮像素子の縦横比率に近い値にしておくと、視野内に複数の２次元バーコードをまとめて収めて撮像することができるので便利である。

１つの２次元バーコードに記録できる情報量は限られているため、カラー画像のような容量の大きいデジタルデータを記録する場合は、１つの情報を複数の２次元バーコードに分割して記録する必要が生じる。以下では、容量の大きなデジタルデータを複数の２次元バーコードに分割して記録し、これをデコードする手法について説明する。

２次元バーコードには様々な種類があるが、多くの２次元バーコードは英数字と一般的な記号を扱うことができる。そこで、デジタルデータを分割して記録する際に、元のデジタルデータを例えば英数字によってエンコードし、適当な記号を用いたヘッダを付与した上で複数の２次元バーコードに分割する。以下具体的な手順例を説明する。

まず元のバイナリデータを８ビットずつ００からＦＦまでの１６進数に変換した文字列を作成する（エンコード）。次にその文字列を個々のバーコードに記録できるように短い文字列に分割する。分割した文字列には、その先頭に、分割したデジタルデータであることを示すヘッダを文字列として付加する。ヘッダには、ヘッダの始まりと終わりを示すヘッダ識別文字列（例えば％％や＄など）を付ける。ヘッダ識別文字列の間には、（ａ）分割前のデジタルデータの識別子、（ｂ）分割個数、（ｃ）当該２次元バーコードが何番目のものであるかを示す文字列、などを記載することができる。ヘッダ識別文字列は、当該２次元バーコードが保持するデータ部分とヘッダ部分とを区別する手段として機能する。ヘッダ識別文字列およびヘッダ内に記載されている情報を読み出すことにより、分割された情報をつなぎ合わせて元のデジタルデータを正しく再生することができる。

上記ヘッダは、複数の２次元バーコードを用いてデジタルデータを記録する場合に便利であるが、特に本実施形態３においては画像によって画素の配置が異なるため、上記のようにデジタルデータの識別子や何番目の２次元バーコードであるかを識別できることが重要となる。

上記ヘッダとして例えば、「$JPEG 001/023 picture1 BASE16 0041:1066$」などを用いることができる。＄はヘッダ識別文字列であり、＄と＄の間がヘッダであることを示している。「JPEG」は、記録された画像のファイル形式がＪＰＥＧであることを示す。「001/023」は、全部で２３個の２次元バーコードがあり、このヘッダの付いているものはその１番目であることを示す。「picture1」は、記録されているデジタルデータの識別子である。「BASE16」は、エンコード方式（ここでは１６進数に対応する００からＦＦまでの文字列を使用する手法）を示す。「0041:1066」は、先頭の＄から数えて４１文字目から１０６６文字目までがデータに相当する文字列であることを示している。

＜実施の形態３：まとめ＞
以上のように、本実施形態３に係る情報記録媒体は、肉眼でそのまま読み取れる部分の一部を利用してデジタルデータを階層的に記録する。これにより、媒体のＸＹ平面における記録面積を小さくできるという利点がある。

実施形態１〜２で説明した情報記録媒体は、超短パルスレーザを使用するレーザマーキングであってもドットパターンの明るさを十分に確保できるので、本実施形態３で説明したような２次元バーコードなどのデジタルデータを高密度にマーキングした場合であっても、読取エラーを低減することができる。超短パルスレーザを用いると、通常のガラスはもちろん、セラミックス、石英ガラス、サファイア、ダイヤモンドなどの難加工材料の内部にもクラックを伴わずにきれいなドットを形成できる。したがって本発明によれば、広範な種類の媒体内部に高精細画像や高密度デジタルデータを記録し、明瞭に観察することができる。

＜実施の形態４＞
以上の実施形態１〜３においては、情報記録媒体上に記録しようとする画像を２階調の白黒画像に変換して濃淡画像として記録している。このとき階調をできる限り滑らかにするため、印刷技術などで使われている誤差拡散法を用いることができる。本発明の実施形態４では、誤差拡散法を用いて画像を記録する具体的な手順を説明する。

図４は、実施形態１〜３で説明した情報記録媒体に対して画像を記録する際におけるドット配置を計算する手順を説明するフローチャートである。ここでは、記録する画像として各画素が２５６階調を持つ２ｍ×２ｎ画素の大きさのモノクロ画像を用いて４層にドットを記録する例を示した。

（図４：ＳＴＥＰ１）
ユーザは、情報記録媒体上に記録したい画像データを例えばコンピュータを用いて読み取る。コンピュータはその画像データから、ピクセルの明るさが０から２５５までの２５６階調の２ｍ×２ｎピクセルの画像を作成する。ｍとｎは正の整数であり、情報記録媒体上の記録領域およびドットピッチなどに基づき、２ｍ×２ｎが記録可能なドット数を超えないように適当な値とする。コンピュータが画像のサイズおよび階調を調整する手法としては、任意の公知技術を用いることができるので、ここでは格別言及しない。

（図４：ＳＴＥＰ２）
コンピュータは、ＳＴＥＰ１において作成した２５６階調を持つ２ｍ×２ｎ画素を、白（明るさ２５５）あるいは黒（明るさ０）の２階調の２ｍ×２ｎ画素に変換する。単純に階調値が０から１２７までの画素を黒に変換し、１２８以上の階調値の画素を白に変換してしまうと、元画像においてなめらかに変化していた階調を再現することができない。元画像の階調を保ったまま白黒画像を生成するため、本実施形態４においては誤差拡散法と呼ばれる方法のうち、スタインバーグ法と呼ばれる計算法を用いる。

（図４：ＳＴＥＰ２：計算式）
以下では２ｍ×２ｎの各画素の座標をＸＹ座標（ｉ，ｊ）により表す。ｉはｉ番目の行を表し、ｊはｊ番目の列を示す。コンピュータは、左上画素（１，１）から右下画素（２ｍ，２ｎ）まで１行ずつ左から右へ、誤差拡散法にしたがって画素の明るさを２値（０または２５５）に変換してゆく。誤差拡散法の計算式は以下のように表すことができる：
Δ = I(i,j) - two_value(I(i,j),TH) （式１）
I(i,j) = two_value(I(i,j),TH) （式２）
I(i,j+1) = I(i,j+1)+αΔ （式３）
I(i+1,j-1) = I(i+1,j-1)+βΔ （式４）
I(i+1,j) = I(i+1,j)+γΔ （式５）
I(i+1,j+1) = I(i+1,j+1)+δΔ （式６）
Ｉ（ｉ，ｊ）は、画素（ｉ，ｊ）の明るさを示す。 Ｉ（ｉ，ｊ＋１）は、画素（ｉ，ｊ）の右隣画素の明るさを示す。Ｉ（ｉ＋１，ｊ−１）は、画素（ｉ，ｊ）の左下画素の明るさを示す。Ｉ（ｉ＋１，ｊ）は、画素（ｉ，ｊ）の下隣画素の明るさを示す。Ｉ（ｉ＋１，ｊ＋１）は、画素（ｉ，ｊ）の右下画素の明るさを示す。ｔｗｏ＿ｖａｌｕｅ（Ｉ（ｉ，ｊ），ＴＨ）は、Ｉ（ｉ，ｊ）の値がＴＨ以上なら２５５となり、ＴＨ未満なら０となる、２値化関数である。Δは、元画素の明るさから２値化後の明るさを引いたものであり、２値化による誤差に相当する。α、β、γ、δは、その合計が１になる係数である。閾値ＴＨや係数はパラメータであり、画像によって最適化すればよい。例えば、ＴＨを２５５、α、β、γ、δをそれぞれ、７／１６、３／１６、５／１６、１／１６などとする。

（図４：ＳＴＥＰ２：補足）
本ステップにおいては、座標値が画像の最周辺部において１画素だけオーバフローするので、最周辺部分の階調値が計算できない。そこでコンピュータは例えば、補間処理により元画像をあらかじめ（２ｍ＋１）×（２ｎ＋２）画素に拡大しておき、２ｍ×２ｎ画素の計算終了後に最周辺部を除いた２ｍ×２ｎ画素だけを切り出せばよい。補間処理は２ｍ×２ｎ画素全体を用いて実施してもよいし、最周辺部の画素の明るさをそのまま外側にコピーしてもよいし、その他適当な手法を用いてもよい。

（図４：ＳＴＥＰ３）
コンピュータは、ＳＴＥＰ２において作成した２ｍ×２ｎ画素値をサンプリングして各層に記録するためのビットマップを作成する。サンプリングする画素について以下に説明する。下記ｑとｒは、それぞれ１からｍまでおよび１からｎまでの整数であり、Ｉは画素の明るさを示す。明るさＩはＳＴＥＰ２において２値化されているので、０または２５５となる。コンピュータは、１層目についてはＩ（２ｑ−１，２ｒ−１）、２層目についてはＩ（２ｑ，２ｒ）、３層目についてはＩ（２ｑ−１，２ｒ）、４層目についてはＩ（２ｑ，２ｒ−１）を、それぞれ元画像からサンプリングする。各層についてそれぞれ異なる位置の画素をサンプリングすることにより、２ｍ×２ｎ画素を４つの層に対して重なりなく配置することができる。レーザマーキング装置は、明るさが２５５である層／座標において、レーザマーキングによりドットを形成する。

＜実施の形態４：まとめ＞
以上のプロセスにより４層に形成されたドットをＺ方向から見ると、ＳＴＥＰ２において誤差拡散法により作成した白黒画像が再現される。４層を合わせたドットピッチは各層のピッチの半分になる。図２で説明したように単位面積辺りの明るさが１層の場合に比べて明るくなり、さらに空間周波数も高くなるため、高精細な画像が記録できる。

本実施形態４においては、図２（ｂ）と同様の４層配置を想定したが、その他のドット配置を用いる場合であっても図４と同様な方法でドット配置を計算することができる。層数、階調数、画像の縦横比率を変更することは画像処理の知識のある技術者でれば容易であるため、そのような変形についての詳細説明は省略する。元画像がカラー画像である場合は、ＳＴＥＰ１においてＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のデータを適当な割合で加算してモノクロ２５６階調に変換すればよい。

＜実施の形態５＞
図５は、本発明の実施形態５に係る情報記録媒体におけるドット配置を示す平面図である。本実施形態５においては、ドットを正方形状の格子点ではなく正三角形状の格子点に配置する。その他事項については実施形態１〜４と同様である。これにより、各層における隣接ドット間距離を一定としたまま、ドット密度を向上させることができる。

一辺の長さが同じであれば、正三角形の面積は正方形の面積を１としたときに３^０．５／４となる。ただし、正方形は頂点を４つの正方形が共有するので４つの頂点全てにドットが配置された場合は１つの正方形あたり１つのドットが割り当てられるのに対して、正三角形は頂点を６つの正三角形が共有するので３つの頂点全てにドットが配置された場合は１つの正三角形あたり１／２個のドットが割り当てられることとなる。したがって正三角形配置におけるドット密度は、正方形配置に対して２／３^０．５倍に向上する。すなわち本実施形態５によれば、図２（ｂ）の場合と比べておよそ１５．５％画像を明るくすることができる。図１（ａ）の1層の場合と比較すると約４．６倍の明るさが得られる。図５の各層内における隣接ドット間距離は図１や図２と同じであることに注意されたい。図５において４層の例を示したが、その他層数の場合においても正方形配置よりドット密度を上げることができる。

以上の実施形態において、複数層を用いて濃淡画像を記録する方法を説明した。濃淡画像の記録においては上述の実施形態だけではなく様々バリエーションが可能である。例えば、１つの濃淡画像を記録した層の奥の層に、記録する画像に対してローパスフィルタをかけて濃度を調整した後に誤差拡散法で作成した記録用画像を記録しておくことが考えられる。画像にもよるが、このようにすると、画像の背景がなめらかに見えて美しく観察することが期待できる。あるいは、上記ローパスフィルタを適用した画像の白黒を反転させてから濃度を適当な値に調整して記録することも考えられる。この場合は、画像の空間周波数の低い成分を低減させる効果があるため、記録した画像の高周波成分が強調されシャープに見えることが期待できる。

以上の実施形態において、複数層を肉眼や小型カメラなどの観察手段の被写界深度以内に設けることを説明した。一般に被写界深度とは、ピントが合って見える範囲を示す。カメラの場合には絞りを開けると被写界深度は小さくなり、絞りを絞れば大きくすることができる。例えば、レンズの焦点距離を５０ｍｍ、接写を想定して被写体までの距離を１００ｍｍとし、許容錯乱円径を一般的な値である０．０３ｍｍ（３０μｍ）とした場合、絞りＦが２の場合には被写界深度は約０．４ｍｍ（４００μｍ）となり、絞りＦが８の場合には２ｍｍとなる。肉眼の場合には、脳内の処理によって被写界深度が調整されるため、定量的な数値化は難しいが、被写界深度が例えば１ｍｍ以内であれば通常の観察においては問題にならない。

被写界深度内に層を設ける際に、奥の層の記録領域が、手前の層の記録領域より小さく見えることについて、留意する必要がある。肉眼あるいはカメラから一番近い層までのＺ方向の距離をＬとし、その層から一番奥の層までの距離をΔＬとし、記録領域の中心から記録領域の端までの距離をＲとすると、記録領域の端におけるずれは、およそＲ・ΔＬ／Ｌとなる。この量が、観察手段の分解能より小さくなるようにΔＬを設定しておけば、見かけの大きさの違いによるずれは実用上問題ないレベルに抑えられる。例えばＬを２００ｍｍ、ΔＬを４００μｍ、Ｒを２５ｍｍとした場合には、上記の値は５０μｍとなり、肉眼では判別できない。なおＬが２００ｍｍの場合の肉眼の分解能は、視力１．０（２０／２０ ｖｉｓｉｏｎ）の人でおよそ５８μｍである。この場合、ΔＬを４００μｍ以内にしておけばよい。

＜実施の形態６＞
図６は、実施形態１〜５で説明した情報記録媒体を製造するレーザマーキング装置の構成図である。本装置は、複数層のドットを並列に記録することができる。レーザ装置ＬＡＳＥＲは、情報記録媒体Ｍの内部にドットを記録するためのパルス状のレーザ光を出力する。ビームスプリッタＢＳは、出力されたレーザ光を２つに分岐する光学部品である。光学系ＯＰ１とＯＰ２は、分岐されたレーザ光を情報記録媒体Ｍ内部に集光する。シャッタＳＨ１とＳＨ２は、レーザ光を照射するタイミングを調整するための部品である。

レーザ装置ＬＡＳＥＲから出射したパルス光がビームスプリッタＢＳによって２つに分岐され、光学系ＯＰ１とＯＰ２に入射する。光学系ＯＰ１とＯＰ２は、それぞれを透過したパルス光が情報記録媒体Ｍ内部で異なる層に集光するように調整されている。例えば図１（ｂ）で説明したドットパターンを記録する場合は、光学系ＯＰ１によって層Ｌ１のドットを形成し、光学系ＯＰ２によって層Ｌ２のドットを形成する。

図１（ｂ）で説明したドット配置においては、Ｚ方向から見た場合に、ＸＹ平面上における各ドット位置は重ならない。したがって、記録領域を一回ラスタースキャンしながらドットパターンを形成すれば、記録が完了する。格子点の位置にドットを形成するかどうかは、シャッタＳＨ１とＳＨ２によりパルス光の透過および遮断を制御して選択することができる。

光学系ＯＰ１とＯＰ２がレーザ光を集光するＺ方向の位置（深さ）は、想定している観察手段の被写界深度以内にすることが望ましい。想定している被写界深度の値については例えばレーザマーキング装置を制御するコンピュータの記憶装置などにあらかじめ格納しておき、その値の範囲内でレーザ光が集光されるように各部材を制御すればよい。

実施形態３で説明した２次元バーコードを形成する場合、例えばレーザマーキング装置を制御するコンピュータの画面上で元画像を拡大して画素とその内部に記録する２次元バーコードを指定する機能を、当該コンピュータに実装しておけばよい。ユーザはコンピュータを用いて、２次元バーコードおよびこれを記録する画素を指定し、レーザマーキング装置はその指定にしたがって画素を構成する２次元バーコードを記録する。

＜実施の形態６：まとめ＞
以上のように、本実施形態６に係るレーザマーキング装置は、２つのレーザビームを用いて２つの層のドットを並列に記録するので、単一ビームで記録する場合に比べて記録時間を短縮できる。本実施形態６においては２層を同時に記録する場合を示したが、レーザパルスのエネルギーが十分に高ければ、分岐の数を増やして３層以上の層を同時に記録できることはもちろんである。

本実施形態６において、光学系ＯＰ１が記録する位置と光学系ＯＰ２が記録する位置の相対関係は、必ずしも固定する必要はない。すなわち、光学系ＯＰ１とＯＰ２は、それぞれ独立した位置に対してレーザ光を集光するようにしてもよい。また、異なる層ではなく、同一層上の異なる位置に並列に記録を行ってもよい。

なお、並列に記録する層の数よりも、必要な記録層の数が多い場合には、奥の層から順に記録することが望ましい。これにより、先に記録したドットに対して悪影響を与えないようにすることができる。

＜実施の形態７＞
図７は、実施形態１〜５で説明した情報記録媒体Ｍを観察する観察装置の構成を示す側面図および上面図である。足つきホルダＳＨは、机などの上に本観察装置を斜めに傾けて置くことができるように構成されている。これにより、観察者が楽な姿勢で情報記録媒体を観察することができる。図７に示すように、情報記録媒体Ｍは、足つきホルダＳＨから少し浮いた状態で固定されている。遮光板ＢＤ１は、外部から入ってくる迷い光が情報記録媒体Ｍの表面で反射して記録されたドットによる画像のコントラストを低下させるのを防ぐ。照明ＬＩＧＨＴは、実施形態１〜５で説明した情報記録媒体Ｍに対して光を照射する。ルーペＲは、照明ＬＩＧＨＴによって照明された情報記録媒体Ｍを拡大して観察するためのものである。情報記録媒体Ｍが記録している画像が十分に大きい場合は、ルーペＲを用いず直接肉眼で観察してもよい。

照明ＬＩＧＨＴは、情報記録媒体Ｍをほぼ横方向から照明する。これにより、照明ＬＩＧＨＴの照射光が情報記録媒体Ｍの表面で反射して肉眼に入射することがないようにしている。したがって、ドットが記録されていない部分、すなわち背景は暗く見える。一方、ドットに当たった光は、ドットに散乱されてその一部が肉眼に入射するので、記録されたドットによって形成された画像が明るく浮かび上がって見える。マーキングの際に用いる超短パルスレーザの繰り返し周波数、パルスエネルギー、パルス数を調整すると、ドットの変性状態を調整することができる。例えば（ａ）周辺より屈折率の高い状態にする、または（ｂ）空孔にする、ことができる。（ａ）の変性状態であっても照明光を散乱して画像を明るく見ることができるが、特に（ｂ）の変性状態は、ドットの表面で全反射が起きて画像がより明るく光るので、画像観察の用途においては適している。

本発明者の実験によれば、石英ガラスを用いて形成した情報記録媒体の表面から約３００μｍの深さに、波長７８０ｎｍ、繰り返し周波数７６ＭＨｚ、パルス幅１９０ｆｓ、パルスエネルギー２５ｎＪのパルスを、開口比０．８５のレンズで集光して５００μｓの期間照射すると、おおよそ４μｍ程度の直径の空孔構造のドットができた。そのドットを横方向からＬＥＤ光で照明したところ、ドットの表面の内、直径およそ１．４μｍ程度の部分が明るく光って見えた。また、繰り返し周波数を１ｋＨｚまで下げてエネルギーをより高くしたレーザを用いて、ドットピッチ２．５μｍで記録することができた。この場合はドット径が小さいのでドット内部構造の詳細は不明であるが、図７と同様に照明を当てるとドット部分が明るく見えた。

実施形態６〜７において説明したレーザの照射条件などのパラメータは上記に限定されるものではなく、必要なドットの大きさやドット内部構造に合わせて適宜選択することができる。

本実施形態７においては、室内の照明のみでは観察に不十分である場合であっても、照明ＬＩＧＨＴにより画像を明瞭に観察することができる。また上述の実施形態１、２、３、５などによって観察方向から見たドット密度が高くできるため、照度を必要以上に上げる必要がなくなり、情報記録媒体Ｍを展示する際の電力削減に繋がる。さらに、照明ＬＩＧＨＴは情報記録媒体Ｍの略横方向から照射するので、何らかの原因で照明ＬＩＧＨＴが直接眼に入って眼を痛める危険を抑制することができる。

＜実施の形態８＞
図８は、実施形態１〜５で説明した情報記録媒体Ｍを撮像する撮像装置の構成を示す側面図である。カメラＣＡＭＥＲＡは、撮像素子を内蔵したカメラボディーである。ＬＥＮＳは、近接撮影の可能なレンズである。カメラ装着用ホルダＨＯＬＤＥＲは、情報記録媒体Ｍを固定してレンズＬＥＮＳに装着するためのホルダである。カメラ装着用ホルダＨＯＬＤＥＲは、照明ＬＩＧＨＴを内蔵している。情報記録媒体Ｍは、レンズＬＥＮＳに対する相対位置を調整するステージＳＴＡＧＥ上に固定する。ステージＳＴＡＧＥは、情報記録媒体ＭをレンズＬＥＮＳに対してＸＹ方向に移動する機能を備える。レンズＬＥＮＳがピント合わせ機能を有していれば情報記録媒体ＭをＺ方向に移動させる機能は不要であるが、有していない場合はホルダＨＯＬＤＥＲ内にステージＳＴＡＧＥとは別に情報記録媒体ＭをＺ方向に移動させる機能（例えばヘリコイド調整機能）を設ければよい。

パーソナルコンピュータＰＣは、カメラＣＡＭＥＲＡが撮影した画像データを受信し、これをモニタ上に表示する。情報記録媒体Ｍが実施形態３で説明した２次元バーコードを記録している場合は、これをデコードする処理を実施することもできる。具体的には、実施形態３で説明したヘッダ部分を２次元バーコードから取得し、同じデジタルデータ識別子を有する符号列を指定された順序で統合するとともにデコードすればよい。処理手順はソフトウェア上に実装してもよいし、回路デバイスなどのハードウェアとして実装してもよい。

単に濃淡画像を観察するだけであれば、液晶ディスプレイを備えたカメラＣＡＭＥＲＡを用いて画像を観察することもできるし、プロジェクタによって撮像画像を投影して観察することもできる。２次元バーコードをデコードするソフト（パーソナルコンピュータＰＣが搭載するソフトウェアと同様の機能を実装したもの）をカメラＣＡＭＥＲＡにインストールすれば、カメラＣＡＭＥＲＡ単体でデジタルデータをデコードして、記録された画像などの情報を読み出すこともできる。その場合は特にパーソナルコンピュータＰＣを必要としない。

本実施形態８によれば、情報記録媒体Ｍに記録された画像などの情報を撮影によって取得し、それをモニタで拡大表示したり、画像投影装置を用いて壁などに投影して一度に多数の人に見せたりするのに有用である。また、解像度が高く高倍率のレンズＬＥＮＳを使用すれば、実施形態３のように２次元バーコードを記録したような場合に、画素の拡大写真を撮影してそこからデジタルデータをデコードすることができる。

＜実施の形態８：まとめ＞
本実施形態８に係る撮像装置は、カメラ装着用ホルダＨＯＬＤＥＲ内部に照明ＬＩＧＨＴを内蔵しているので、外部からの迷い光の影響を受けにくい利点がある。また情報記録媒体ＭとレンズＬＥＮＳがカメラ装着用ホルダＨＯＬＤＥＲと一体的に構成されているので、撮影時にブレを起こすことが少ない利点がある。レンズＬＥＮＳをカメラ装着用ホルダＨＯＬＤＥＲに対して固定する手段としては、例えば筒状のカメラ装着用ホルダＨＯＬＤＥＲに対してレンズＬＥＮＳを嵌合することなどが考えられるが、これに限られるものではない。

実施形態７〜８においては、照明ＬＩＧＨＴは情報記録媒体Ｍの略横方向から照明光を照射しているが、少なくとも情報記録媒体Ｍに対して直交する方向（法線方向）に対して角度を付けて斜めに照明光を照射すれば、情報記録媒体Ｍの表面で反射した光によって画像のコントラストが低下するなどの不具合をある程度抑制することができる。

＜本発明の変形例について＞
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。上記実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることもできる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成を追加・削除・置換することもできる。

以上の実施形態においては、画像の濃淡を白黒画像で表現した。すなわち、ドットの大きさを一定としている。この場合は、ドット形成のためのレーザ照射条件を少なくとも同一層内で一定とできるので、品質管理がし易いという利点がある。ドットの大きさを数段階（例えば３段階）にした上で、実施形態４のような誤差拡散法と組み合わせることにより、より微妙な濃淡を表現することもできる。その場合は、図４における閾値ＴＨを３段階設け、白から黒までの４段階のビットマップデータを作成すればよい。

以上の実施形態においては、ＬＥＤ光源や自然光による反射照明下で情報記録媒体を観察することを前提として、ドット部分が周囲より明るく見える例を説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、ドット部分が周囲より暗く見えるような透過照明下で観察する場合にも本発明を適用できることはもちろんである。なお、反射照明を使うか透過照明を使うかに応じて、マーキングするパターンを適宜白黒反転して記録するか、カメラで撮影する場合は、撮影後に必要に応じて白黒反転処理を行うことは言うまでもない。

Ｍ：情報記録媒体
ＤＯＴ：ドット
ＰＩＸＥＬ：画素
ＤＰ：ドットピッチ
ＬＰ：Ｚ方向のドットピッチ
ＬＡＳＥＲ：レーザ装置
ＢＳ：ビームスプリッタ
ＳＨ１〜ＳＨ２：シャッタ
ＯＰ１〜ＯＰ２：光学系
Ｒ：ルーペ
ＢＤ１：遮光板
ＳＨ：足つきホルダ
ＨＯＬＤＥＲ：カメラ装着用ホルダ
ＳＴＡＧＥ：ステージ

Claims (13)

1. 光を透過する媒体の内部にパルスレーザ光を照射することにより形成される微小変性領域の配置を利用して情報を記録する情報記録媒体であって、
   前記微小変性領域は、前記情報記録媒体の内部の第１および第２層それぞれにおいて形成されており、
   前記微小変性領域は、前記第１および第２層それぞれにおいて、前記情報記録媒体の厚さ方向に対して直交する２次元平面上の格子点に対応する位置に形成されており、
   前記第１層において形成されている前記微小変性領域と、前記第２層において形成されている前記微小変性領域は、前記２次元平面上に射影したときの位置が互いに異なるように形成されており、
   前記微小変性領域は、前記第１層において形成されている全ての前記微小変性領域の前記格子点上の位置が、前記第２層において形成されているいずれの前記微小変性領域の前記格子点上の位置とも重ならないように、形成されており、
   前記微小変性領域は、前記第１および第２層それぞれにおいて複数形成されており、
   前記第１層における前記格子点と、前記第２層における前記格子点は、同一の配置パターンである
   ことを特徴とする情報記録媒体。
2. 前記第１層においては、複数の前記微小変性領域が形成されており、
   前記第１層における各前記微小変性領域は、前記２次元平面上に射影したとき互いに重ならないように配置されており、
   前記第１層における前記微小変性領域と、前記第２層における前記微小変性領域は、前記２次元平面上に射影したとき互いに重ならないように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の情報記録媒体。
3. 前記微小変性領域は、前記２次元平面上に射影すると、複数の画素を有する画像を形成するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の情報記録媒体。
4. 前記微小変性領域は、前記２次元平面上に射影すると２次元バーコードを形成するように配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の情報記録媒体。
5. 前記微小変性領域は、前記２次元平面上に射影すると、前記画素の内部に２次元バーコードを形成するように配置されている
   ことを特徴とする請求項３記載の情報記録媒体。
6. 前記微小変性領域は、複数の前記２次元バーコードを形成するように配置されており、 各前記２次元バーコードは、電子データを文字列によってエンコードした符号列の一部をそれぞれ記述するとともに、各前記２次元バーコードが記述している前記符号列を前記電子データに復元するために用いる前記電子データの識別子をそれぞれ記述している
   ことを特徴とする請求項４記載の情報記録媒体。
7. 前記微小変性領域は、前記情報記録媒体の内部に形成された空孔である
   ことを特徴とする請求項１記載の情報記録媒体。
8. 光を透過する情報記録媒体の内部にパルスレーザ光を照射することにより形成される微小変性領域の配置を利用して情報を記録する情報記録方法であって、
   前記微小変性領域を、前記情報記録媒体の内部の第１および第２層それぞれにおいて形成する記録ステップを有し、
   前記記録ステップにおいては、前記微小変性領域を、前記第１および第２層それぞれにおいて、前記情報記録媒体の厚さ方向に対して直交する２次元平面上の格子点に対応する位置に形成し、
   前記記録ステップにおいては、前記第１層において形成されている前記微小変性領域と、前記第２層において形成されている前記微小変性領域を、前記２次元平面上に射影したときの位置が互いに異なるように形成し、
   前記記録ステップにおいては、前記第１層において形成されている全ての前記微小変性領域の前記格子点上の位置が、前記第２層において形成されているいずれの前記微小変性領域の前記格子点上の位置とも重ならないように、前記微小変性領域を形成し、
   前記記録ステップにおいては、前記微小変性領域を、前記第１および第２層それぞれにおいて複数形成し、
   前記記録ステップにおいては、前記第１層における前記格子点と、前記第２層における前記格子点が、同一の配置パターンとなるように配置する
   ことを特徴とする情報記録方法。
9. 前記記録ステップにおいては、前記第１層において前記微小変性領域を形成すると同時に、前記第２層において前記微小変性領域を形成する
   ことを特徴とする請求項８記載の情報記録方法。
10. 前記情報記録方法はさらに、２段階の輝度値のうちいずれかを有する複数の画素を含む画像データを取得する画像取得ステップを有し、
    前記記録ステップにおいては、前記２次元平面上において、前記２段階の輝度値のうち高い方を有する前記画素に対応する位置に前記微小変性領域を形成する
    ことを特徴とする請求項８記載の情報記録方法。
11. 前記情報記録方法はさらに、前記情報記録媒体が記録している前記画素を撮像する撮像装置の被写界深度を取得するステップを有し、
    前記記録ステップにおいては、前記情報記録媒体の表面から前記被写界深度以内の深さにおいて、前記微小変性領域を形成する
    ことを特徴とする請求項１０記載の情報記録方法。
12. 光を透過する媒体の内部にパルスレーザ光を照射することにより形成される微小変性領域の配置を利用して情報を記録する情報記録媒体が記録している前記情報を再生する情報再生方法であって、
    前記微小変性領域は、前記情報記録媒体の内部の第１および第２層それぞれにおいて形成されており、
    前記微小変性領域は、前記第１および第２層それぞれにおいて、前記情報記録媒体の厚さ方向に対して直交する２次元平面上の格子点に対応する位置に形成されており、
    前記微小変性領域は、前記第１層において形成されている全ての前記微小変性領域の前記格子点上の位置が、前記第２層において形成されているいずれの前記微小変性領域の前記格子点上の位置とも重ならないように、形成されており、
    前記微小変性領域は、前記第１および第２層それぞれにおいて複数形成されており、
    前記第１層における前記格子点と、前記第２層における前記格子点は、同一の配置パターンであり、
    前記情報再生方法は、
    前記第１および第２層に対して直交しない方向から前記情報記録媒体に対して照明光を照射するステップ、
    前記照明光が照射されている前記情報記録媒体を撮像装置により撮像するステップ、
    前記撮像装置が撮像した画像から前記情報を再生するステップ、
    を有することを特徴とする情報再生方法。
13. 前記微小変性領域は、前記２次元平面上に射影すると複数の２次元バーコードを形成するように配置されており、
    各前記２次元バーコードは、電子データを文字列によってエンコードした符号列の一部をそれぞれ記述するとともに、各前記２次元バーコードが記述している前記符号列を前記電子データに復元するために用いる前記電子データの識別子をそれぞれ記述しており、
    前記情報再生方法はさらに、
    同一の前記識別子を記述している１以上の前記２次元バーコードからそれぞれ前記符号列を取得して統合することにより、前記電子データを再生するステップを有する
    ことを特徴とする請求項１２記載の情報再生方法。

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