JP4367750B2

JP4367750B2 - Hologram observation tool and computer generated hologram therefor

Info

Publication number: JP4367750B2
Application number: JP2003205317A
Authority: JP
Inventors: 満北村
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2002-08-02
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2009-11-18
Anticipated expiration: 2023-08-01
Also published as: JP2004126536A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム観察具とそのための計算機ホログラムに関し、特に、ホログラムで回折されずに直接観察者の眼に達する０次光がシーン中の光源に置き替わって見えパターンに影響を与えないようにしたホログラムメガネとそのための計算機ホログラムを提供することである。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１においてホログラムメガネが提案されている。このホログラムメガネは、図６（ａ）に斜視図を示すような構成になっている。すなわち、メガネフレーム１の両眼用の枠内には、２つの透過型ホログラム２、３が嵌め込まれている。この透過型ホログラム２、３を用いたメガネを掛けて図６（ｂ）に示すような小面積の光源４、５、６、７を含むシーンを見ると、例えば図６（ｃ）に示すように見える。すなわち、図６（ｂ）の実際のシーンにおける光源４、５、６、７がそれぞれ予め選択されたパターン「ＮＯＥＬ」８、９、１０、１１に置き替わったシーンとして見える。このような特性を持つ透過型ホログラム２、３としては、計算機ホログラムとして構成された上記パターン「ＮＯＥＬ」のフーリエ変換ホログラム（フラウンホーファーホログラム）が用いられる。
【０００３】
【特許文献１】
米国特許第５，５４６，１９８号明細書
【０００４】
【非特許文献１】
日本光学会（応用物理学会）主催第２２回冬期講習会テキスト「ホログラムと回折型光学素子−基礎理論から産業応用まで−」ｐｐ．３６〜３９
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
計算機によって得られるフーリエ変換ホログラムは、そのホログラムに記録されるパターン（上記の例では、「ＮＯＥＬ」）を含む制限された矩形領域を縦横に碁盤目状のセルに区切って、セル位置に対応するパターン部分の情報を各セルに持たせ、その限られた数のセルからなるパターンを遠方のホログラム領域にフーリエ変換して投影して構成されているもので、実際には、ホログラム領域も記録するパターン領域と同様に縦横に碁盤目状のセルに区切って、記録するパターンのフーリエ変換された各セル位置の振幅情報と位相情報を記録してなるものである。
【０００６】
このように、予め選択されたパターンを記録したフーリエ変換計算機ホログラムは、所定波長（設計波長）において回折効率が１００％となるように作製されていても、それ以外の波長においては位相条件を満足しないため、ホログラムで回折されずに直接観察者の眼に達する０次透過光が存在する。また、実際に作製される計算機ホログラムの位相分布等は設計値から若干なりともずれて作製されるので、設計波長においても回折効率は必ずしも１００％とはならず、同様にこのような０次光が存在する。この０次光は、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの中心にスポットとして見えるため、観察においては邪魔なものとなる。
【０００７】
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、０次透過光によるスポットが目立たなく明るい再生パターンがシーン中の光源に置き替わって見えるホログラムメガネとそのための計算機ホログラムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラム観察具は、透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成され計算機ホログラムからなるホログラム観察具において、前記計算機ホログラムには、前記計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_x、δ_yの２倍２δ_x、２δ_yの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されていることを特徴とするものである。
【０００９】
この場合に、計算機ホログラムは、位相分布を多値化した位相ホログラムからなることが望ましい。
【００１０】
本発明の計算機ホログラムは、観察具用の透過型のフーリエ変換ホログラムとして構成されホログラム観察具用の計算機ホログラムにおいて、前記計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_x、δ_yの２倍２δ_x、２δ_yの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されていることを特徴とするものである。
【００１１】
この場合に、この計算機ホログラムは、位相分布を多値化した位相ホログラムからなることが望ましい。
【００１２】
本発明においては、計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_x、δ_yの２倍２δ_x、２δ_yの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されているので、再生像領域の中心に発生する０次透過光のスポットは目立たず、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの観察の邪魔にはならない。そのため、明るく原画通りのパターンが観察具を通して見ているシーン中の光源に置き替わって見えるようになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明のホログラム観察具とそのための計算機ホログラムの実施例を説明する。
【００１４】
図１に、本発明のホログラムメガネの枠に嵌め込まれる計算機ホログラム２０（図６（ａ）の透過型ホログラム２、３に相当）とそれから再現される像領域３０とを模式的に示す。計算機ホログラム２０はフーリエ変換ホログラムであり、碁盤目状に配置された縦方向（ｙ軸方向）の寸法δ_y、横方向（ｘ軸方向）の寸法δ_xの微小なセル２１の集合体からなり、本実施例においては、後記のように、各セル２１は位相情報のみを持つ。セル２１はｘ軸方向に２^m個、ｙ軸方向に２ⁿ個配置されている。
【００１５】
一方、この計算機ホログラム２０から十分に遠方に配置される像領域３０は、計算機ホログラム２０に対応してｘ軸方向に同じ２^m個、ｙ軸方向に同じ２ⁿ個配置されたセル３１の集合体からなり、各セル３１は縦方向（ｙ軸方向）寸法Δ_y、横方向（ｘ軸方向）寸法Δ_xであり、像領域３０全体のｘ軸方向長さはＬ_x、ｙ軸方向長さはＬ_yである。
【００１６】
なお、像領域３０のｘ軸方向長さＬ_x、ｙ軸方向長さＬ_yは、計算機ホログラム２０のセル２１のそれぞれｘ軸方向寸法δ_x、ｙ軸方向寸法δ_yと関係しており、計算機ホログラム２０からの回折角で表すと（計算機ホログラム２０から十分に遠方の位置に像領域３０があるので、Ｌ_x、Ｌ_yは角度で表現した方がよい。）、Ｌ_xは空間周波数１／（２δ_x）の回折格子の±１次回折光で挟まれる範囲に対応し、Ｌ_yは空間周波数１／（２δ_y）の回折格子の±１次回折光で挟まれる範囲に相当する。これは、計算機ホログラム２０に記録される最大空間周波数がｘ軸方向で１／（２δ_x）、ｙ軸方向で１／（２δ_y）であることに対応している。
【００１７】
このような配置関係で、計算機ホログラム２０の正面から所定波長の平行光１５が入射すると、計算機ホログラム２０の裏面側に回折光１６が生じ、遠方の像領域３０に計算機ホログラム２０に記録されたパターン、例えば後記のような「Ｆ」の字が再生される。したがって、このような計算機ホログラム２０をメガネのレンズの代わりに用いて計算機ホログラム２０の正面方向を見ると、その「Ｆ」の字が見えることになる。そのため、例えば図６（ｂ）に示すようなシーンをこの計算機ホログラム２０を介して見ると、光源４、５、６、７がパターン「Ｆ」に置き替わったシーンとして見えることになる。
【００１８】
このような計算機ホログラム２０がパターン「Ｆ」を再生するように各セル２１の位相情報を計算して求める実施例を説明する。この方法は、再生像面に所定の回折光を与えるために、再生像面とホログラム面との間で束縛条件を加えながらフーリエ変換と逆フーリエ変換を交互に繰り返しながらホログラム面に配置する計算機ホログラムを求める方法であり、Ｇｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ反復計算法として知られている方法である（例えば、非特許文献１）。
【００１９】
ここで、分かりやすくするため、再生像面３０での原画の振幅分布（画素値）をＡ_IMG（ｘ，ｙ）、再生像面３０での原画の位相分布をφ_IMG（ｘ，ｙ、）、ホログラム面２０での振幅分布をＡ_HOLO（ｕ，ｖ）、ホログラム面２０での位相分布をφ_HOLO（ｕ，ｖ）とする。図２に示すように、ステップ（１）で、再生像面３０領域で、記録する原画の画素値をＡ_IMG（ｘ，ｙ）として与え、原画の位相分布をランダムな値に初期化して、ステップ（２）で、その初期化した値にフーリエ変換を施す。ステップ（３）で、フーリエ変換で得られたホログラム面２０での振幅分布Ａ_HOLO（ｕ，ｖ）を１にし、位相分布φ_HOLO（ｕ，ｖ）を所定の多値化（量子化）する束縛条件が付与される。そのような束縛条件が付与された後、ステップ（４）で、その束縛条件を付与した振幅分布Ａ_HOLO（ｕ，ｖ）と位相分布φ_HOLOにフーリエ逆変換が施される。ステップ（５）で、そのフーリエ逆変換で得られた再生像面３０での振幅分布Ａ_IMG（ｘ，ｙ）が原画の画素値と略等しいと収束判定された場合に、ステップ（３）で多値化（量子化）された位相分布φ_HOLO（ｕ，ｖ）が計算機ホログラム２０のセル２１に与えられる位相分布となる。ステップ（５）の収束判定で、フーリエ逆変換で得られた振幅分布Ａ_IMG（ｘ，ｙ）が原画の画素値と等しくないと判定されると、ステップ（６）で、そのフーリエ逆変換で得られた振幅分布Ａ_IMG（ｘ，ｙ）の代わりに原画の画素値を与え、フーリエ逆変換で得られた位相分布φ_IMG（ｘ，ｙ）はそのままとする束縛条件が付与される。そのような束縛条件が付与された後、ステップ（２）→（３）→（４）→（５）→（６）のループがステップ（５）の条件が満足されるまで（収束するまで）繰り返され、最終的な所望の計算機ホログラム２０が得られる。
【００２０】
また、ステップ（３）で位相分布φ_HOLO（ｕ，ｖ）を多値化する処理を行わず、ステップ（５）の条件が満足された後に、所定の多値化する処理を行うようにしてもよい。
【００２１】
このようにして求めた多値化した位相分布φ_HOLO（ｕ，ｖ）から、実際のホログラムの深さ分布を求めるが、本発明のような透過型の場合は、次の式（１）に基づいて、計算機ホログラム２０の深さＤ（ｘ，ｙ）に変換する。
【００２２】
Ｄ（ｕ，ｖ）＝λφ_HOLO（ｕ，ｖ）／｛２π（ｎ₁−ｎ₀）｝・・・（１）
ここで、λは使用中心波長、ｎ₁，ｎ₀は透過型ホログラムを構成する２つの材質の屈折率である。そして、図３に断面図を例示するように、透明基板１７の表面に上記式（１）で求めたＤ（ｕ，ｖ）の深さのレリーフパターン１８を形成することによって、本発明の計算機ホログラム２０が得られる。図３の場合は、φ_HOLO（ｕ，ｖ）を０，π／２，π，３π／２の４段階に多値化した例である。なお、上記のホログラム面２０での座標（ｕ，ｖ）は、再生像面３０での座標（ｘ，ｙ）と区別するためのものであり、座標軸の方向としては、ｕ軸方向はｘ軸方向に、ｖ軸方向はｙ軸方向に対応する。
【００２３】
上記のような本発明による計算機ホログラム２０は、インラインのホログラムであり、前記したように、所定波長（設計波長）において回折効率が１００％となるように作製されていても、それ以外の波長においては位相条件を満足しないため、図１に示すように、計算機ホログラム２０で回折されずに直接再生像面３０に達する０次透過光１５’が存在する。また、実際に作製される計算機ホログラム２０の位相分布等は設計値から若干なりともずれて作製されるので、設計波長においても回折効率は１００％とはならず、同様にこのような０次透過光１５’が存在する。この０次透過光１５’は、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの中心（再生像面３０の中心）にスポット１９として見えてしまい、観察においては再生パターンの邪魔なものとなる。なお、図１では再生像面３０に達する０次透過光１５’の領域１９はスポットと言うよりは計算機ホログラム２０の外形と略同じ有限の領域のように図示されているが、実際にはこの領域は遠方に位置するので、観察者にはスポットとして認識される。
【００２４】
そこで、本発明においては、計算機ホログラム２０から再生像面３０に再生されるパターンの明部がこの０次透過光によるスポット１９と重なるように、計算機ホログラム２０に原画パターンを記録するようにする。
【００２５】
図４に、計算機ホログラム２０に記録する原画パターン３５、３５’を示す。原画パターン３５、３５’は、明部３６（文字「Ｆ」の字部分）と暗部３７（文字「Ｆ」の背景）との組み合わせからなるが、原画パターン３５、３５’全体の大きさは再生像面３０の縦横の寸法Ｌ_y×Ｌ_xと同じ大きさに選ばれる。ここで、図４（ａ）の原画パターン３５は、その中心Ｏが原画パターン３５の明部３６（文字「Ｆ」の字部分）に重なる原画パターンであり、図４（ｂ）の原画パターン３５’は、その中心Ｏが原画パターン３５の暗部３７（文字「Ｆ」の背景）に重なる原画パターンである。
【００２６】
図４（ａ）、（ｂ）に示すような原画パターン３５、３５’を用いて図２のフローチャートに従って作製した計算機ホログラム２０から再生した実際の再生像をそれぞれ図５（ａ）、（ｂ）に示す。図４（ａ）の原画パターン３５を用いた場合は、図５（ａ）に示すように、再生像面３０の中心に発生する０次透過光１５’のスポット１９が再生パターン「Ｆ」の明部（原画パターン３５の明部３６の位置に対応）に重なるため、０次透過光１５’のスポット１９は見えず（目立たず）、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターン「Ｆ」の観察の邪魔にはならない。これに対して、図４（ｂ）の原画パターン３５’を用いた場合は、図５（ｂ）に示すように、再生像面３０の中心に発生する０次透過光１５’のスポット１９が再生パターン「Ｆ」の明部でなく暗部（原画パターン３５’の暗部３７の位置に対応）中に位置することになって明るく見えるため、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターン「Ｆ」の観察の邪魔になるばかりでなく、再生パターンを「Ｆ」と認識できない場合もある。
【００２７】
以上のように、計算機ホログラム２０の微小なセル２１のピッチδ_x、δ_yの２倍２δ_x、２δ_yの格子間隔を持つ回折格子の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラム２０の再生像領域３０の中心に、その波長で再現される原画パターン３５の明部（上記の例では、文字「Ｆ」の字部分）が重なるように、原画パターン３５を計算機ホログラム２０に記録するようにすることにより、再生像領域３０の中心に発生する０次透過光１５’のスポット１９は目立たず、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの観察の邪魔にはならない。そのため、明るく原画通りのパターンがメガネを通して見ているシーン中の光源に置き替わって見ることができる。
【００２８】
以上、本発明によるホログラムメガネとそのための計算機ホログラムを実施例に基づいて説明してきたが、これらに限定されず種々の変形が可能である。なお、本発明の計算機ホログラムは、片目用のホログラムメガネに用いることも含むものであり、さらには、ホログラムメガネ用に限らず、窓用あるいはディスプレイ用等に用いることもできるものである。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラム観察具とそのための計算機ホログラムによると、計算機ホログラムを構成する微小なセルのピッチδ_x、δ_yの２倍２δ_x、２δ_yの格子間隔を持つ回折格子の所定波長の±１次回折光で挟まれる範囲で定義される計算機ホログラムの再生像領域の中心に、その波長で再現される原画パターンの明部が重なるように記録されているので、再生像領域の中心に発生する０次透過光のスポットは目立たず、シーン中の光源に置き替わって見える再生パターンの観察の邪魔にはならない。そのため、明るく原画通りのパターンが観察具を通して見ているシーン中の光源に置き替わって見えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のホログラムメガネの枠に嵌め込まれる計算機ホログラムとそれから再現される像領域とを模式的に示す図である。
【図２】本発明の計算機ホログラムを得るためのフローチャートである。
【図３】本発明の計算機ホログラムの構成例を示す断面図である。
【図４】本発明に基づいて計算機ホログラムに記録する原画パターンと別の原画パターンを示す図である。
【図５】図４の原画パターンを用いて図２のフローチャートに従って作製した計算機ホログラムから再生した実際の再生像の例を示す図である。
【図６】ホログラムメガネとその作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…メガネフレーム
２、３…透過型ホログラム
４、５、６、７…小面積の光源
８、９、１０、１１…予め選択された置き替えパターン
１５…平行光
１５’…０次透過光
１６…回折光
１７…透明基板
１８…レリーフパターン
１９…０次透過光によるスポット
２０…計算機ホログラム（ホログラム面）
２１…セル
３０…像領域（再生像面）
３１…セル
３５…原画パターン（本発明）
３５’…原画パターン
３６…原画パターンの明部
３７…原画パターンの暗部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hologram observing tool and a computer generated hologram for the same, and in particular, 0th-order light that reaches the observer's eye directly without being diffracted by the hologram is replaced with a light source in the scene and does not affect the appearance pattern. Holographic glasses and a computer generated hologram for the same.
[0002]
[Prior art]
In Patent Document 1, hologram glasses are proposed. The hologram glasses are configured as shown in a perspective view in FIG. That is, two transmission holograms 2 and 3 are fitted into the binocular frame of the spectacle frame 1. When a scene including light sources 4, 5, 6, and 7 having a small area as shown in FIG. 6B is viewed by wearing glasses using the transmission holograms 2 and 3, for example, as shown in FIG. 6C. Looks like. That is, the light sources 4, 5, 6, and 7 in the actual scene of FIG. 6B appear as scenes that are replaced with the previously selected patterns “NOEL” 8, 9, 10, and 11, respectively. As the transmission holograms 2 and 3 having such characteristics, a Fourier transform hologram (Fraunhofer hologram) having the pattern “NOEL” configured as a computer generated hologram is used.
[0003]
[Patent Document 1]
US Pat. No. 5,546,198 Specification
[Non-Patent Document 1]
Textbook "Holograms and diffractive optical elements-from basic theory to industrial application" sponsored by The Optical Society of Japan (Applied Physics Society) pp. 36-39
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
A Fourier transform hologram obtained by a computer corresponds to a cell position by dividing a limited rectangular area including a pattern ("NOEL" in the above example) recorded in the hologram into a grid-like cell vertically and horizontally. Each cell is provided with information on the pattern portion, and a pattern consisting of a limited number of cells is projected by Fourier transform onto a distant hologram area. In fact, the hologram area is also recorded. Similar to the pattern area, it is divided into cells in a grid pattern in the vertical and horizontal directions, and the amplitude information and phase information of each cell position subjected to Fourier transform of the pattern to be recorded are recorded.
[0006]
As described above, a Fourier transform computer generated hologram in which a preselected pattern is recorded is produced so that the diffraction efficiency is 100% at a predetermined wavelength (design wavelength), but the phase condition is satisfied at other wavelengths. Therefore, there is zero-order transmitted light that reaches the observer's eyes directly without being diffracted by the hologram. In addition, since the phase distribution and the like of the actually produced computer generated hologram is slightly deviated from the design value, the diffraction efficiency is not necessarily 100% even at the design wavelength. Exists. This zero-order light appears as a spot at the center of the reproduction pattern that appears to be replaced by the light source in the scene, and is therefore obstructive for observation.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and an object of the present invention is to provide hologram glasses in which a spot due to 0th order transmitted light is inconspicuous and a bright reproduction pattern is replaced with a light source in the scene, and therefore To provide a computer generated hologram.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The hologram observation tool of the present invention that achieves the above object is a hologram observation tool that is configured as a transmission type Fourier transform hologram and includes a computer generated hologram. The computer generated hologram includes a pitch δ _{x of} a minute cell that forms the computer generated hologram. Is reproduced at the center of the reproduced image area of the computer generated hologram defined by the range sandwiched between ± 1st order diffracted light of a predetermined wavelength of the diffraction grating having a lattice spacing of 2δ _x , 2δ _y , δ _y The bright pattern of the original pattern is recorded so as to overlap.
[0009]
In this case, the computer generated hologram is preferably composed of a phase hologram having a multilevel phase distribution.
[0010]
The computer generated hologram of the present invention is configured as a transmission type Fourier transform hologram for an observation tool. In the computer generated hologram for a hologram observation tool, the pitches δ _x and δ _y of the minute cells constituting the computer hologram are two times 2δ _x. The bright portion of the original pattern reproduced at that wavelength overlaps the center of the reproduced image region of the computer generated hologram defined by the range sandwiched by the ± 1st order diffracted light of the predetermined wavelength of the diffraction grating having a grating interval of 2δ _y It is characterized by being recorded.
[0011]
In this case, the computer generated hologram is preferably composed of a phase hologram having a multilevel phase distribution.
[0012]
In the present invention, it is defined within a range sandwiched between ± 1st order diffracted lights of a predetermined wavelength of a diffraction grating having a pitch of 2δ _x , 2δ _y , which is twice the pitch δ _x and δ _y of the minute cells constituting the computer generated hologram. Since the bright portion of the original image pattern reproduced at the wavelength overlaps with the center of the reproduced image area of the computer generated hologram, the spot of the 0th order transmitted light generated at the center of the reproduced image area is inconspicuous, It does not interfere with the observation of the playback pattern that appears to replace the light source in the scene. Therefore, the bright and original pattern can be seen as a replacement for the light source in the scene being viewed through the observation tool.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the hologram observation tool of the present invention and a computer generated hologram therefor will be described.
[0014]
FIG. 1 schematically shows a computer generated hologram 20 (corresponding to the transmission holograms 2 and 3 in FIG. 6A) fitted into the frame of the hologram glasses of the present invention and an image region 30 reproduced therefrom. Computer-generated hologram 20 is the Fourier transform hologram, made of an aggregate of size [delta] _y, the horizontal direction (x-axis direction) dimension [delta] _x of the small cell 21 in the longitudinal direction arranged in a grid pattern (y-axis direction) In this embodiment, as will be described later, each cell 21 has only phase information. 2 ^m cells 21 are arranged in the x-axis direction and 2 ⁿ cells are arranged in the y-axis direction.
[0015]
On the other hand, the image region 30 arranged sufficiently far from the computer generated hologram 20 is a set of cells 31 arranged in the same 2 ^m pieces in the x-axis direction and the same 2 ⁿ pieces in the y-axis direction corresponding to the computer generated hologram 20. Each cell 31 has a vertical direction (y-axis direction) dimension Δ _y and a horizontal direction (x-axis direction) dimension Δ _x , and the length of the entire image region 30 in the x-axis direction is L _x and the length in the y-axis direction. it is is a L _y.
[0016]
The x-axis direction length L _x and the y-axis direction length L _y of the image region 30 are related to the x-axis direction dimension δ _x and the y-axis direction dimension δ _y of the cell 21 of the computer generated hologram 20, respectively. When expressed by the diffraction angle from the computer generated hologram 20 (since the image region 30 is located far away from the computer generated hologram 20, it is better to express L _x and L _y as angles), L _x is the spatial frequency 1 / corresponds to ± 1 range sandwiched by order diffracted light of the diffraction grating (2δ _x), L _y corresponds to a range sandwiched by ± 1-order diffracted light of the diffraction grating spatial frequency 1 / (2δ _y). This corresponds to the fact that the maximum spatial frequency recorded in the computer generated hologram 20 is 1 / (2δ _x ) in the x-axis direction and 1 / (2δ _y ) in the y-axis direction.
[0017]
With this arrangement relationship, when parallel light 15 having a predetermined wavelength is incident from the front of the computer generated hologram 20, diffracted light 16 is generated on the back side of the computer generated hologram 20, and the pattern recorded on the computer generated hologram 20 in the distant image region 30. For example, the letter “F” as described below is reproduced. Accordingly, when such a computer generated hologram 20 is used in place of the glasses lens and the front direction of the computer generated hologram 20 is viewed, the letter “F” can be seen. Therefore, for example, when a scene as shown in FIG. 6B is viewed through the computer generated hologram 20, it appears as a scene in which the light sources 4, 5, 6, and 7 are replaced with the pattern “F”.
[0018]
An embodiment will be described in which the phase information of each cell 21 is calculated and obtained so that the computer generated hologram 20 reproduces the pattern “F”. In this method, in order to give predetermined diffracted light to the reproduced image plane, a computer generated hologram is arranged on the hologram plane while alternately repeating Fourier transform and inverse Fourier transform while applying a constraint condition between the reproduced image plane and the hologram plane. This is a method known as Gerchberg-Saxton iterative calculation (for example, Non-Patent Document 1).
[0019]
Here, for easy understanding, the amplitude distribution (pixel value) of the original image on the reproduced image plane 30 is A _IMG (x, y), and the phase distribution of the original image on the reproduced image plane 30 is φ _IMG (x, y,). The amplitude distribution on the hologram surface 20 is A _HOLO (u, v), and the phase distribution on the hologram surface 20 is φ _HOLO (u, v). As shown in FIG. 2, in step (1), the pixel value of the original image to be recorded is given as A _IMG (x, y) in the reproduction image plane 30 region, and the phase distribution of the original image is initialized to a random value. In step (2), the initialized value is subjected to Fourier transform. In step (3), the amplitude distribution A _HOLO (u, v) on the hologram surface 20 obtained by Fourier transform is set to 1, and the phase distribution φ _HOLO (u, v) is multi-valued (quantized) in a predetermined manner. A binding condition is given. After such a constraint condition is given, in step (4), inverse Fourier transform is performed on the amplitude distribution A _HOLO (u, v) and the phase distribution φ _HOLO to which the constraint condition is given. If it is determined in step (5) that the amplitude distribution A _IMG (x, y) on the reproduced image plane 30 obtained by the inverse Fourier transform is substantially equal to the pixel value of the original image, the convergence is determined in step (3). The multilevel (quantized) phase distribution φ _HOLO (u, v) is the phase distribution given to the cell 21 of the computer _generated hologram 20. If it is determined in the convergence determination in step (5) that the amplitude distribution A _IMG (x, y) obtained by the inverse Fourier transform is not equal to the pixel value of the original image, in the inverse Fourier transform in step (6). Instead of the obtained amplitude distribution A _IMG (x, y), a pixel condition of the original image is given, and a constraint condition is given to leave the phase distribution φ _IMG (x, y) obtained by inverse Fourier transform as it is. After such a binding condition is given, the loop of step (2) → (3) → (4) → (5) → (6) is satisfied until the condition of step (5) is satisfied (until convergence). Repeatedly, the final desired computer generated hologram 20 is obtained.
[0020]
In addition, the process of multi- _{leveling the} phase distribution φ _HOLO (u, v) is not performed in step (3), and a predetermined multi-level process is performed after the condition of step (5) is satisfied. Also good.
[0021]
The depth distribution of the actual hologram is obtained from the multi-valued phase distribution φ _HOLO (u, v) obtained in this way. In the case of a transmission type like the present invention, the following equation (1) is obtained. Based on this, the depth is converted to the depth D (x, y) of the computer generated hologram 20.
[0022]
D (u, v) = λφ _HOLO (u, v) / {2π (n ₁ −n ₀ )} (1)
Here, λ is a use center wavelength, and n ₁ and n ₀ are refractive indexes of two materials constituting the transmission hologram. Then, as illustrated in the cross-sectional view of FIG. 3, by forming a relief pattern 18 having a depth of D (u, v) obtained by the above formula (1) on the surface of the transparent substrate 17, the computer of the present invention. A hologram 20 is obtained. In the case of FIG. 3, φ _HOLO (u, v) is an example of multi-leveling in four stages of 0, π / 2, π, and 3π / 2. The coordinates (u, v) on the hologram surface 20 are for distinction from the coordinates (x, y) on the reproduced image plane 30. As the direction of the coordinate axis, the u-axis direction is the x-axis. Direction, the v-axis direction corresponds to the y-axis direction.
[0023]
The computer generated hologram 20 according to the present invention as described above is an in-line hologram, and as described above, even if the diffraction efficiency is 100% at a predetermined wavelength (design wavelength), 1 does not satisfy the phase condition, as shown in FIG. 1, there is 0th-order transmitted light 15 ′ that reaches the reproduced image plane 30 directly without being diffracted by the computer generated hologram 20. Further, since the phase distribution or the like of the actually produced computer generated hologram 20 is slightly deviated from the design value, the diffraction efficiency does not become 100% even at the design wavelength. There is light 15 '. The zero-order transmitted light 15 ′ appears as a spot 19 at the center of the reproduction pattern (the center of the reproduction image plane 30) that appears to replace the light source in the scene, and disturbs the reproduction pattern in observation. In FIG. 1, the region 19 of the zero-order transmitted light 15 ′ that reaches the reproduction image plane 30 is illustrated as a finite region that is substantially the same as the outer shape of the computer generated hologram 20 rather than a spot. Since the region is located far away, the viewer recognizes it as a spot.
[0024]
Therefore, in the present invention, the original pattern is recorded on the computer generated hologram 20 so that the bright part of the pattern reproduced from the computer generated hologram 20 on the reproduced image plane 30 overlaps with the spot 19 caused by the zero-order transmitted light.
[0025]
FIG. 4 shows original image patterns 35 and 35 ′ recorded on the computer generated hologram 20. The original image patterns 35 and 35 'are composed of a combination of a bright portion 36 (character portion of the letter "F") and a dark portion 37 (background of the character "F"), but the size of the original image patterns 35 and 35' is reproduced. The size is selected to be the same as the vertical and horizontal dimensions L _y × L _x of the image plane 30. Here, the original image pattern 35 in FIG. 4A is an original image pattern whose center O overlaps with the bright part 36 (character “F”) of the original image pattern 35, and the original image pattern 35 in FIG. 4B. 'Is an original image pattern whose center O overlaps with the dark portion 37 (the background of the letter “F”) of the original image pattern 35.
[0026]
Actual reproduced images reproduced from the computer generated hologram 20 according to the flowchart of FIG. 2 using original picture patterns 35 and 35 ′ as shown in FIGS. 4A and 4B are shown in FIGS. 5A and 5B, respectively. Shown in When the original pattern 35 of FIG. 4A is used, as shown in FIG. 5A, the spot 19 of the 0th-order transmitted light 15 ′ generated at the center of the reproduction image plane 30 is the reproduction pattern “F”. Since it overlaps with the bright part (corresponding to the position of the bright part 36 of the original pattern 35), the spot 19 of the 0th-order transmitted light 15 ′ is not visible (not noticeable), and the reproduction pattern “F” appears to be replaced with the light source in the scene. Will not interfere with the observation. On the other hand, when the original pattern 35 ′ of FIG. 4B is used, as shown in FIG. 5B, the spot 19 of the 0th-order transmitted light 15 ′ generated at the center of the reproduced image plane 30 is Since the reproduction pattern “F” is positioned not in the bright part but in the dark part (corresponding to the position of the dark part 37 of the original pattern 35 ′), the reproduction pattern “F” appears to be replaced with the light source in the scene. May not be able to be recognized as “F”.
[0027]
As described above, the computer generated hologram is defined in the range sandwiched between the ± first-order diffracted lights of the diffraction grating having the lattice spacing of 2δ _x , 2δ _{y which is} twice the pitch δ _x and δ _y of the minute cell 21 of the computer generated hologram 20. The original pattern 35 is recorded on the computer generated hologram 20 so that the bright part of the original pattern 35 reproduced at that wavelength (in the above example, the letter “F”) overlaps with the center of the 20 reproduced image areas 30. By doing so, the spot 19 of the 0th-order transmitted light 15 ′ generated at the center of the reproduced image region 30 is not conspicuous and does not obstruct the observation of the reproduced pattern that appears to be replaced with the light source in the scene. Therefore, the bright and original pattern can be replaced with the light source in the scene viewed through the glasses.
[0028]
The hologram glasses according to the present invention and the computer generated holograms therefor have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these, and various modifications are possible. In addition, the computer generated hologram of the present invention includes use for hologram glasses for one eye, and can be used not only for hologram glasses but also for windows or displays.
[0029]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the hologram observation tool of the present invention and the computer generated hologram therefor, the lattice spacing of 2δ _x , 2δ _y , which is twice the pitches δ _x and δ _y of the minute cells constituting the computer hologram, is obtained. Since it is recorded so that the bright part of the original pattern reproduced at that wavelength overlaps the center of the reproduced image area of the computer generated hologram defined by the range sandwiched between the ± 1st order diffracted light of the predetermined wavelength of the diffraction grating it has, The spot of the 0th-order transmitted light generated at the center of the reproduced image area is not conspicuous and does not interfere with the observation of the reproduced pattern that appears to replace the light source in the scene. Therefore, the bright and original pattern can be seen as a replacement for the light source in the scene being viewed through the observation tool.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a computer generated hologram fitted in a frame of hologram glasses of the present invention and an image area reproduced therefrom.
FIG. 2 is a flowchart for obtaining a computer generated hologram of the present invention.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a configuration example of a computer generated hologram according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing an original pattern different from the original pattern recorded on the computer generated hologram according to the present invention.
5 is a diagram showing an example of an actual reproduced image reproduced from a computer generated hologram produced according to the flowchart of FIG. 2 using the original image pattern of FIG.
FIG. 6 is a diagram for explaining hologram glasses and the operation thereof.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Glasses frame 2, 3 ... Transmission type holograms 4, 5, 6, 7 ... Small area light source 8, 9, 10, 11 ... Preselected replacement pattern 15 ... Parallel light 15 '... 0th-order transmitted light 16 ... Diffraction light 17 ... Transparent substrate 18 ... Relief pattern 19 ... Spot 20 by 0th order transmitted light ... Computer hologram (hologram surface)
21 ... Cell 30 ... Image area (reproduced image plane)
31 ... Cell 35 ... Original pattern (present invention)
35 '... Original picture pattern 36 ... Bright part 37 of the original picture pattern ... Dark part of the original picture pattern

Claims

In a hologram observing tool configured as a transmission type Fourier transform hologram and comprising a computer generated hologram, the computer generated hologram includes a lattice of 2δ _x and 2δ _{y which is} twice the pitch δ _x and δ _y of the minute cells constituting the computer generated hologram. The bright part of the original pattern reproduced at that wavelength overlaps the center where the 0th order transmitted light reaches the reproduced image area of the computer generated hologram defined by the range sandwiched by the ± 1st order diffracted light of the predetermined wavelength of the diffraction grating having the interval. A hologram observation tool characterized by being recorded as described above.

3. The hologram observation tool according to claim 1, wherein the computer generated hologram is a phase hologram having a multilevel phase distribution.

In a computer generated hologram for a holographic observing tool configured as a transmission type Fourier transform hologram for an observing tool, the pitch of δ _x , δ _y of the minute cells constituting the computer generated hologram is set to 2δ _x , 2δ _y. The bright part of the original pattern reproduced at that wavelength overlaps the center where the 0th order transmitted light reaches the reconstructed image area of the computer generated hologram defined by the range sandwiched by the ± 1st order diffracted light of the predetermined wavelength of the diffraction grating. A computer generated hologram characterized by being recorded.

4. The computer generated hologram according to claim 3, comprising a phase hologram having a multilevel phase distribution.