特開 2024-131084 ホログラム素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024131084

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】ホログラム素子

(51)【国際特許分類】

   G03H 1/22 20060101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

G03H1/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023041131

(22)【出願日】2023-03-15

(71)【出願人】

【識別番号】517132810

【氏名又は名称】地方独立行政法人大阪産業技術研究所

(71)【出願人】

【識別番号】503208150

【氏名又は名称】独立行政法人 造幣局

(74)【代理人】

【識別番号】110001818

【氏名又は名称】弁理士法人Ｒ＆Ｃ

(72)【発明者】

【氏名】山東 悠介

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和郎

(72)【発明者】

【氏名】浅野 祥▲徳▼

(72)【発明者】

【氏名】福 大介

(72)【発明者】

【氏名】大原 輝彦

【テーマコード（参考）】

2K008

【Ｆターム（参考）】

2K008AA00

2K008CC03

2K008EE01

(57)【要約】

【課題】観察方向に応じて複数の画像を選択的に表示可能なホログラム素子を提供する。
【解決手段】観察者の視点Ｖが配置される面を視域面Ｐ３とし、視域面Ｐ３における潜像３が観察される視点Ｖの範囲を視域Ｚとし、視域面Ｐ３に設定される複数の視域Ｚの群を視域群として、視域群に、観察される潜像３が互いに異なる複数の視域Ｚが含まれ、視域Ｚから観察される潜像３は、入射面Ｐ１からの伝搬方向が当該視域Ｚに向かう方向に制御された波面である視域別波面ＷＺにより生成され、視域群を構成する視域Ｚの数に対応する複数の視域別波面ＷＺを生成するように、ホログラム素子１が構成されている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射面への入射光を回折して潜像を表示するホログラム素子であって、
観察者の視点が配置される面を視域面とし、前記視域面における前記潜像が観察される前記視点の範囲を視域とし、前記視域面に設定される複数の前記視域の群を視域群として、
前記視域群に、観察される前記潜像が互いに異なる複数の前記視域が含まれ、
前記視域から観察される前記潜像は、前記入射面からの伝搬方向が当該視域に向かう方向に制御された波面である視域別波面により生成され、
前記視域群を構成する前記視域の数に対応する複数の前記視域別波面を生成するように構成されている、ホログラム素子。

【請求項2】

前記入射面上の前記入射光を表す波面を入射波面として、
前記入射面に、複数の前記視域別波面を前記入射面上で重ね合わせた波面が前記入射波面で除算された波面を符号化したパターンが形成され、
前記視域別波面に対応する前記視域を対象視域とし、前記対象視域から観察される前記潜像を対象潜像とし、複数の前記視域から観察できる前記対象潜像を生成するための前記入射面上の波面を基準波面とし、前記基準波面に対して前記入射面から前記視域面までの順方向の回折計算を行って得られる前記視域面上の波面を対象波面として、
前記入射面上での前記視域別波面は、前記対象波面から前記対象視域に対応する領域以外の領域の波面を除去した波面に対して、前記視域面から前記入射面までの逆方向の回折計算を行って得られる前記入射面上の波面である、請求項１に記載のホログラム素子。

【請求項3】

前記視域群に、形状及び寸法の少なくとも一方が互いに異なる複数の前記視域が含まれている、請求項１に記載のホログラム素子。

【請求項4】

前記視域面に沿う特定の方向を第１方向とし、前記第１方向の一方側を第１方向第１側として、
前記視域群に、第１視域と、前記第１視域に対して前記第１方向第１側に隣接する第２視域とが含まれ、
前記第１視域から観察される前記潜像を第１潜像とし、前記第２視域から観察される前記潜像を第２潜像として、
前記第１潜像に表示される対象物が、当該第１潜像での向きよりも前記第１方向第１側から見た向きで、前記第２潜像に表示されるように構成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載のホログラム素子。

【請求項5】

前記視域面に沿う方向であって前記第１方向に直交する方向を第２方向とし、前記第２方向の一方側を第２方向第１側として、
前記視域群に、前記第１視域に対して前記第２方向第１側に隣接する第３視域が含まれ、
前記第３視域から観察される前記潜像を第３潜像として、
前記第１潜像に表示される前記対象物が、当該第１潜像での向きよりも前記第２方向第１側から見た向きで、前記第３潜像に表示されるように構成されている、請求項４に記載のホログラム素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入射面への入射光を回折して潜像を表示するホログラム素子に関する。

【背景技術】

【0002】

ホログラム素子の一例が、特開２００４－３０９７０９号公報（特許文献１）に開示されている。特許文献１には、観察方向に応じて複数の画像を選択的に再生可能な計算機合成ホログラム（ホログラフィックステレオグラム）に関する技術が開示されている。特許文献１の段落０００２，０００３に記載されているように、ステレオグラムを用いると、全く異なる複数の画像の切り替え表示、立体感のある画像表示、及び、アニメーション効果を持った画像表示が可能となる。特許文献１には、レンズアレイのような物理的な画素構造の必要のないホログラフィックステレオグラムの技術として、視差画像等の複数の画像を再生する面であってホログラム面から離れた面に、放射方向に応じて異なった画像のその方向の放射輝度を持った仮想点光源、或いは集光方向に応じて異なった画像のその方向の輝度に等しい放射輝度を持った仮想集光点を多数定義し、それらの仮想点光源から放射する光或いはそれらの仮想集光点に集光する光を仮想的な物体光として計算機合成ホログラムを作成する技術が開示されている（段落００２０等）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００４－３０９７０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、ホログラム素子を用いると、特定の波面を特定の方向に伝搬させることができる。本発明者らは、鋭意研究の結果、このようなホログラム素子による波面の伝搬方向の制御を、観察方向に応じて複数の画像を選択的に表示可能なステレオグラムに利用できることを新たに見出した。

【0005】

本発明の目的は、このような新規な知見に基づいた、観察方向に応じて複数の画像を選択的に表示可能なホログラム素子を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係るホログラム素子は、入射面への入射光を回折して潜像を表示するホログラム素子であって、観察者の視点が配置される面を視域面とし、前記視域面における前記潜像が観察される前記視点の範囲を視域とし、前記視域面に設定される複数の前記視域の群を視域群として、前記視域群に、観察される前記潜像が互いに異なる複数の前記視域が含まれ、前記視域から観察される前記潜像は、前記入射面からの伝搬方向が当該視域に向かう方向に制御された波面である視域別波面により生成され、前記視域群を構成する前記視域の数に対応する複数の前記視域別波面を生成するように構成されている。

【0007】

本構成によれば、ホログラム素子による波面の伝搬方向の制御を利用して、視域群を構成する複数の視域のそれぞれに対して、各視域に向かう方向に伝搬方向が制御された視域別波面を伝搬させることができる。そして、視域別波面の形は視域別波面毎に独立して設定することができるため、各視域から観察される潜像は、視域毎に自由に設定することができ、本構成では、視域群に、観察される潜像が互いに異なる複数の視域が含まれる。そのため、観察者がこれら複数の視域の間で視点を移動させた場合に、観察される潜像を変化させることができ、観察方向に応じて複数の画像を選択的に表示可能なホログラム素子を実現することができる。

【0008】

ホログラム素子の更なる特徴と利点は、図面を参照して説明する実施形態についての以下の記載から明確となる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態に係るホログラム素子の観察態様を示す図

【図2】実施形態に係る視域と視域潜像との関係を示す図

【図3】視域別波面の計算方法の説明図

【図4】視域別波面の計算方法の説明図

【図5】視域の設定例を示す図

【図6】比較例に係るホログラム素子の観察態様を示す図

【図7】実施形態に係る視域面に到達する波面の説明図

【図8】比較例に係る視域面に到達する波面の説明図

【発明を実施するための形態】

【0010】

ホログラム素子の実施形態について、図面を参照して説明する。

【0011】

図１に示すように、ホログラム素子１は、入射面Ｐ１への入射光（図１に示す例では、点光源９からの入射光）を回折して潜像３を表示する素子である。ホログラム素子１には、入射面Ｐ１への入射光を回折させるためのパターン（ホログラムパターン）が形成されている。ホログラム素子１は、位相型、振幅型、複素振幅型のいずれであってもよい。位相型のホログラム素子１には、凹凸パターン等の光路長（位相遅延量）の変化によって入射光を回折させるホログラムパターンが形成され、振幅型のホログラム素子１には、濃淡パターン等の反射率や透過率の変化によって入射光を回折させるホログラムパターンが形成される。

【0012】

本開示の技術は、例えば、コインやメダル等の金属製品の付加価値向上のために実施することができる。この場合、金属製品が「ホログラム素子」に相当し、当該金属製品の表面におけるホログラムパターン（例えば、凹凸パターン）が形成された領域が「入射面」に相当する。これ以外にも、本開示の技術は、例えば、時計やアクセサリ等の装飾品、フィルムシート、金券、チケット、ＣＤやＤＶＤ等の記録媒体（メディア）、公的文書や機密情報を記録した媒体等にも適用することができる。

【0013】

潜像３を生成するための入射面Ｐ１への入射光（再生光）は、球面波であっても平面波であってもよい。図１には、入射面Ｐ１への入射光が、点光源９からの球面波とされる場合を例示している。なお、点光源９には、疑似的に点光源と近似可能な光源を含む。点光源９は、単色光を発する光源であっても、連続的又は不連続的なスペクトル分布を持つ光（例えば、白色光）を発する光源であってもよい。例えば、スマートフォン等に搭載された白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を、点光源９として用いることができる。

【0014】

ここで、図１に示すように、入射面Ｐ１に直交する方向を奥行き方向Ｄとし、奥行き方向Ｄにおける入射面Ｐ１に対して観察者の視点Ｖが配置される側を手前側Ｄ１とし、奥行き方向Ｄにおける手前側Ｄ１とは反対側を奥側Ｄ２とする。また、入射面Ｐ１よりも奥側Ｄ２であって潜像３が生成される面（仮想面）を潜像面Ｐ２とし、入射面Ｐ１よりも手前側Ｄ１であって観察者の視点Ｖが配置される面（仮想面）を視域面Ｐ３とする。

【0015】

ホログラム素子１は、反射型であっても透過型であってもよい。ホログラム素子１が透過型である場合、図１に示すように、光源（例えば、点光源９）は、入射面Ｐ１に対して奥側Ｄ２に配置され、ホログラム素子１が反射型である場合、図示は省略するが、光源（例えば、点光源９）は、入射面Ｐ１に対して手前側Ｄ１に配置される。ホログラム素子１が透過型である場合の入射側の光学系を入射面Ｐ１に対して奥行き方向Ｄに反転させて手前側Ｄ１に配置すると、ホログラム素子１が反射型である場合の入射側の光学系となる。そのため、以下の説明は、ホログラム素子１が反射型であっても透過型であっても成立する。

【0016】

本出願人らは、特願２０２２－５８５２２号の出願において、レーザ等の特殊な光源や、狭帯域フィルタ等の特殊な光学部材を用いることなく、比較的入手の容易な点光源とホログラム素子のみで、色収差に起因する色滲みや点光源の大きさに起因する像ボケ（潜像のボケ）が低減された潜像を表示する技術を提案している。本開示の技術は、図１に示す態様に限定されないが、図１に示す態様は、特願２０２２－５８５２２号にて提案されている技術を適用したものであり、ホログラム素子１は、入射面Ｐ１に対して奥側Ｄ２であって、入射面Ｐ１からの奥行き方向Ｄに沿った距離が設定距離である位置に、潜像３を生成するように構成されている。ここで、入射面Ｐ１と点光源９との奥行き方向Ｄの距離を対象距離として、設定距離は、対象距離未満の距離（好適には、対象距離の半分と同等の距離）である。ホログラム素子１をこのように構成することで、入射面Ｐ１からの奥行き方向Ｄに沿った距離が対象距離である位置に潜像３を生成する場合に比べて、色滲みや像ボケが低減された潜像３を生成することができる。

【0017】

特願２０２２－５８５２２号にて提案されている技術では、光学的な奥行き範囲を広げなければ、色滲みや像ボケを増加させないようにすることができる。そして、以下に説明するように、本開示の技術によれば、光学的な奥行き範囲を広げることなく、観察方向に応じて複数の潜像を選択的に表示することができる。そのため、図１に例示するようにこれら２つの技術を組み合わせた場合、色滲みや像ボケの増加による画質の劣化を抑制しつつ、観察方向に応じて複数の潜像を選択的に表示することができる。従って、これら２つの技術は好適に組み合わせることができる。なお、本開示の技術は、特願２０２２－５８５２２号にて提案されている技術を組み合わせずに実施することも当然可能であり、例えば、図１に示す態様に代えて、潜像３がフーリエ面（光源或いはその鏡像が配置される面）に生成されるようにホログラム素子１を設計してもよい。

【0018】

図１に示すように、本実施形態では、ホログラム素子１は、視域群ＺＧ（図２参照）を構成する複数の視域Ｚのそれぞれに対して、互いに独立した波面（後述する視域別波面ＷＺ）が到達するように設計される。ここで、視域Ｚは、視域面Ｐ３における潜像３が観察される視点Ｖの範囲（存在範囲）である。また、視域群ＺＧは、視域面Ｐ３に設定される複数の視域Ｚの群である。視域面Ｐ３を複数の区画に分割した場合の区画分割された各領域が、視域Ｚに相当する。なお、視域面Ｐ３の分割方法は任意であり、視域Ｚの形状や寸法は、視域Ｚ毎に独立して設定することができる。また、複数の視域Ｚは、規則的に配列されても不規則に配置されてもよい。複数の視域Ｚ同士の間に隙間があってもよいが、複数の視域Ｚが隙間なく並ぶ構成とすると好適である。

【0019】

視域面Ｐ３に沿う特定の方向を第１方向Ｘとし、視域面Ｐ３に沿う方向であって第１方向Ｘに直交する方向を第２方向Ｙとして、図１及び図２に示す例では、視域面Ｐ３を第１方向Ｘ及び第２方向Ｙのそれぞれにおいて３つの区画に分割しており、視域面Ｐ３には合計で９つの視域Ｚ（図１ではそのうちの３つの視域Ｚのみを図示）が設定されている。図１等では、複数の視域Ｚを互いに区別するためにインデックス［Ｍ，Ｎ］（Ｍ、Ｎは整数）を用いており、Ｍは第１方向Ｘの座標を表し、Ｎは第２方向Ｙの座標を表している。図１及び図２において、視域潜像３Ｚ［Ｍ，Ｎ］は、視域Ｚ［Ｍ，Ｎ］から観察される潜像３であり、図２では、視域Ｚと視域潜像３Ｚとの対応関係の理解を容易にするために、視域Ｚから観察される視域潜像３Ｚを、当該視域Ｚに重ねて示している。ここでは、潜像３に表示される対象物２をサイコロとしている。

【0020】

図１及び図２に示す例では、視域面Ｐ３を第１方向Ｘ及び第２方向Ｙのそれぞれにおいて均等に分割して視域Ｚを設定している。そのため、視域群ＺＧを構成する全ての視域Ｚは、形状及び寸法の双方が互いに同一とされており、具体的には、同じ寸法の正方形状の領域とされている。なお、視域面Ｐ３の分割方法は任意であり、図５に示すように、視域群ＺＧに、形状及び寸法の少なくとも一方が互いに異なる複数の視域Ｚが含まれるようにしてもよい。図５に示す例では、視域群ＺＧにおける互いに異なる場所に、正方形状に形成される第１種視域Ｚ１と、円形状に形成される第２種視域Ｚ２と、長方形状に形成される第３種視域Ｚ３とが設定されている。また、図５に示す例では、第３種視域Ｚ３に分類される５つの視域Ｚについて、第１方向Ｘの寸法を第１方向Ｘの両端部では大きく第１方向Ｘの中央部では小さくすることで、視域Ｚの密度を第１方向Ｘの両端部では低く第１方向Ｘの中央部では高くなるようにしている。このように、本開示のホログラム素子１では、視域面Ｐ３における場所毎に視域Ｚの形状や密度を異ならせることができる。

【0021】

図１及び図２に示すように、視域群ＺＧには、観察される潜像３（視域潜像３Ｚ）が互いに異なる複数の視域Ｚが含まれている。そのため、観察者がこれら複数の視域Ｚの間で視点Ｖを移動させた場合に、観察される潜像３を変化させることができ、観察方向に応じて複数の画像を選択的に表示可能なホログラム素子１を実現することができる。図２では、視域群ＺＧを構成する全ての視域Ｚから互いに異なる潜像３が観察されるようにホログラム素子１が構成されている場合を例示している。

【0022】

ここで、第１方向Ｘの一方側を第１方向第１側Ｘ１とし、第１方向Ｘの他方側を第１方向第２側Ｘ２とし、第２方向Ｙの一方側を第２方向第１側Ｙ１とし、第２方向Ｙの他方側を第２方向第２側Ｙ２とする。本実施形態では、視域群ＺＧに、第１視域と、第１視域に対して第１方向第１側Ｘ１に隣接する第２視域とが含まれる。そして、第１視域から観察される潜像３（視域潜像３Ｚ）を第１潜像とし、第２視域から観察される潜像３（視域潜像３Ｚ）を第２潜像として、第１潜像に表示される対象物２が、当該第１潜像での向きよりも第１方向第１側Ｘ１から見た向きで第２潜像に表示されるように、ホログラム素子１が構成されている。

【0023】

図２に示す例では、第１方向Ｘに隣接する２つの視域Ｚの組のそれぞれが、上記のように構成されている。例えば、視域Ｚ［０，０］を「第１視域」とし視域Ｚ［１，０］を「第２視域」とすると、視域潜像３Ｚ［０，０］が「第１潜像」となり視域潜像３Ｚ［１，０］が「第２潜像」となる。そして、視域潜像３Ｚ［０，０］に表示される対象物２が、当該視域潜像３Ｚ［０，０］での向きよりも第１方向第１側Ｘ１から見た向きで、視域潜像３Ｚ［１，０］に表示される。これにより、第１方向Ｘの視差（運動視差或いは両眼視差）に基づく対象物２の立体感を観察者に与えることができる。

【0024】

また、本実施形態では、視域群ＺＧに、第１視域に対して第２方向第１側Ｙ１に隣接する第３視域が含まれる。そして、第３視域から観察される潜像３を第３潜像として、第１潜像に表示される対象物２が、当該第１潜像での向きよりも第２方向第１側Ｙ１から見た向きで第３潜像に表示されるように、ホログラム素子１が構成されている。

【0025】

図２に示す例では、第２方向Ｙに隣接する２つの視域Ｚの組のそれぞれが、上記のように構成されている。例えば、視域Ｚ［０，０］を「第１視域」とし視域Ｚ［０，１］を「第３視域」とすると、視域潜像３Ｚ［０，０］が「第１潜像」となり視域潜像３Ｚ［０，１］が「第３潜像」となる。そして、視域潜像３Ｚ［０，０］に表示される対象物２が、当該視域潜像３Ｚ［０，０］での向きよりも第２方向第１側Ｙ１から見た向きで、視域潜像３Ｚ［０，１］に表示される。これにより、第２方向Ｙの視差（運動視差或いは両眼視差）に基づく対象物２の立体感を観察者に与えることができる。

【0026】

図２に示す例では、対象物２（本例では、サイコロ）が立体的に表示されるように、各視域潜像３Ｚを設定している。すなわち、視域潜像３Ｚ［Ｍ，Ｎ］は、視域Ｚ［Ｍ，Ｎ］に対応する方向から対象物２を見た画像に設定されている。例えば、潜像面Ｐ２に対象物２が存在するとした場合に視域Ｚ［Ｍ，Ｎ］から見える対象物２の画像を、視域潜像３Ｚ［Ｍ，Ｎ］に設定することができる。このように、視域潜像３Ｚ［Ｍ，Ｎ］を、視域Ｚ［Ｍ，Ｎ］に対応する方向から対象物２を見た画像に設定することで、上述したように、第１潜像に表示される対象物２は、当該第１潜像での向きよりも第１方向第１側Ｘ１から見た向きで第２潜像に表示されると共に、第１潜像に表示される対象物２は、当該第１潜像での向きよりも第２方向第１側Ｙ１から見た向きで第３潜像に表示される。

【0027】

なお、各視域潜像３Ｚは、光学的には２次元像であり、光学的な奥行き範囲はない（言い換えれば、奥行きに幅がない）。そのため、本開示の技術に、上述した特願２０２２－５８５２２号にて提案されている技術を組み合わせた場合には、色滲みや像ボケの増加による画質の劣化を抑制しつつ、立体感を観察者に与えることが可能な視差画像を生成することができる。

【0028】

図２では、視域Ｚの密度が視域面Ｐ３における場所によらずに均一とされる場合を例示しているが、上述したように、本開示のホログラム素子１では、視域面Ｐ３の分割方法は任意であり、視域面Ｐ３における場所毎に視域Ｚの密度を異ならせることができる。例えば、立体表示させる対象物２の形状によっては、或いは対象物２をアニメーションで動かす場合の動く速度の設定によっては、視域面Ｐ３における特定の領域において視点Ｖの移動距離に対する対象物２の変化量が大きくなる場合がある。この場合、当該特定の領域における視域Ｚの密度を他の領域に比べて高くすることで、当該特定の領域における視点Ｖの移動に対する対象物２の変化を滑らかにすることができる。

【0029】

また、視域面Ｐ３における特定の領域において視点Ｖの移動距離に対する対象物２の変化量が小さくなる場合がある。この場合、当該特定の領域における視域Ｚの密度を他の領域に比べて低くすることで、当該特定の領域における視域Ｚの面積を大きく確保することができる。視域Ｚの面積が大きくなるに従って、当該視域Ｚから観察される潜像３（視域潜像３Ｚ）の生成に寄与する入射面Ｐ１上の領域（後述する寄与領域Ｒ、図７参照）が大きくなる。そのため、視域Ｚの面積を大きくすることで、当該視域Ｚから観察される潜像３の解像度を高くすることができる。ホログラム素子１の入射面Ｐ１に形成するホログラムパターンの計算方法については後述するが、視域Ｚの面積を大きくすることで、視域群ＺＧを構成する視域Ｚの数を少なくして、ホログラムパターンの計算時間を削減することもできる。

【0030】

次に、ホログラム素子１の入射面Ｐ１に形成されるパターンについて説明する。図１に示すように、視域Ｚから観察される潜像３（視域潜像３Ｚ）は、入射面Ｐ１からの伝搬方向が当該視域Ｚに向かう方向に制御された波面である視域別波面ＷＺにより生成される。そのため、ホログラム素子１は、視域群ＺＧを構成する視域Ｚの数に対応する複数の視域別波面ＷＺを生成するように構成される。このようなホログラム素子１は、複数の視域別波面ＷＺを入射面Ｐ１上で重ね合わせた波面が入射波面（入射面Ｐ１上の入射光を表す波面）で除算された波面を符号化したパターンを、入射面Ｐ１に形成することで実現できる。波面同士の除算は、各波面が表す複素振幅分布同士の除算（複素除算）を意味する。図１に示す例では、入射光（再生光）は、点光源９からの球面波であり、入射波面が表す複素振幅分布は、レンズと同等の位相分布とされる。入射光が平面波である場合、入射波面が表す複素振幅分布は、場所によらず同じ値（例えば、１）とされる。なお、「複数の視域別波面ＷＺを入射面Ｐ１上で重ね合わせた波面が入射波面で除算された波面」の計算に際して、入射波面での除算は、複数の視域別波面ＷＺを入射面Ｐ１上で重ね合わせた波面に対して行っても、重ね合わせ前の複数の視域別波面ＷＺのそれぞれに対して行ってもよい。

【0031】

視域別波面ＷＺは、回折計算を行って導出することができる。具体的には、視域別波面ＷＺに対応する視域Ｚを対象視域とし、対象視域から観察される潜像３を対象潜像とし、複数の視域Ｚ（本実施形態では、視域群ＺＧを構成する全ての視域Ｚ）から観察できる対象潜像を生成するための入射面Ｐ１上の波面を基準波面ＷＳとし、基準波面ＷＳに対して入射面Ｐ１から視域面Ｐ３までの順方向の回折計算を行って得られる視域面Ｐ３上の波面を対象波面ＷＴとして、入射面Ｐ１上での視域別波面ＷＺは、対象波面ＷＴから対象視域に対応する領域以外の領域の波面を除去した波面に対して、視域面Ｐ３から入射面Ｐ１までの逆方向の回折計算を行って得られる入射面Ｐ１上の波面である。後述するように、基準波面ＷＳは、上記入射波面との乗算により生成される。そのため、基準波面ＷＳには、入射波面が表す複素振幅分布が含まれている。本実施形態では、上記の「対象視域に対応する領域」は、対象視域と同じ領域とされるが、これに限らず、対象視域を拡大又は縮小した領域（例えば、隣接する視域Ｚとの境界を越えるように対象視域を拡大した領域）としてもよい。

【0032】

以下では、図３及び図４を参照して、図２に示す視域潜像３Ｚ［０，１］を生成するための視域別波面ＷＺを例に、視域別波面ＷＺの計算方法について具体的に説明する。本例では、視域Ｚ［０，１］が上記の「対象視域」に相当し、視域潜像３Ｚ［０，１］が上記「対象潜像」に相当する。

【0033】

まず、複数の視域Ｚ（本実施形態では、視域群ＺＧを構成する全ての視域Ｚ）から観察できる潜像３（ここでは、視域潜像３Ｚ［０，１］と同じ潜像）を生成するための入射面Ｐ１上での波面を計算し、これを基準波面ＷＳとする（図３参照）。図３では、図面の見やすさを考慮して、基準波面ＷＳを入射面Ｐ１からずらして示している（図４における視域別波面ＷＺについても同様）。基準波面ＷＳは、視域別波面ＷＺとは異なり、入射面Ｐ１からの伝搬方向が特定の視域Ｚに向かう方向には制御されない波面である。そのため、図３に示すように、基準波面ＷＳにより生成される潜像３（ここでは、図２に示す視域潜像３Ｚ［０，１］と同じ潜像）は、視域Ｚ［０，１］だけでなく視域Ｚ［０，０］や視域Ｚ［０，－１］からも観察される。

【0034】

例えば、潜像３をフーリエ面に生成する場合の基準波面ＷＳは、潜像３の原画像に基づくフーリエ変換像の波面に入射波面を乗算した波面とすることができる。波面同士の乗算は、各波面が表す複素振幅分布同士の乗算（複素乗算）を意味する。一方、図１に示す例のように潜像３をフーリエ面とは異なる面に生成する場合の基準波面ＷＳは、潜像３の原画像に基づくフーリエ変換像にレンズ（具体的には、凹レンズ）の位相分布を乗算した波面に、入射波面を乗算した波面とすることができる。このようにレンズ（仮想レンズ）の位相分布を乗算することで、潜像３の奥行き方向Ｄの位置を制御することができる。なお、潜像３の原画像に基づくフーリエ変換像は、潜像３の原画像をそのままフーリエ変換したものであっても、潜像３の原画像に何らかの処理（例えば、０から２πの間のランダムな位相を付加する処理）を施した後にフーリエ変換したものであってもよい。

【0035】

次に、図３に示すように、基準波面ＷＳに対して入射面Ｐ１から視域面Ｐ３までの順方向の回折計算（伝搬計算）を行い、得られた視域面Ｐ３上の波面を対象波面ＷＴとする。そして、図４に示すように、対象波面ＷＴから視域Ｚ［０，１］に対応する領域以外の領域の波面を除去する（言い換えれば、複素振幅の値を０にする）。このように対象波面ＷＴから視域Ｚ［０，１］に対応する領域以外の領域の波面を除去した波面に対して、視域面Ｐ３から入射面Ｐ１までの逆方向の回折計算（伝搬計算）を行い、得られた入射面Ｐ１上の波面が視域別波面ＷＺとなる。このように計算された視域別波面ＷＺは、入射面Ｐ１からの伝搬方向が視域Ｚ［０，１］に向かう方向に制御された波面であるため、図４に示すように、この視域別波面ＷＺにより生成される潜像３は、視域Ｚ［０，１］からのみ観察される。なお、対象波面ＷＴから対象視域に対応する領域以外の領域の波面を除去するマスク処理を行う際に、対象視域に対応する領域（以下、「対象領域」という）の全域において複素振幅の値をそのままにしてもよいが、この場合、対象領域の外縁に波面の不連続性等のエッジ（境界）が生じることで、上記の逆方向の回折計算で得られる波面に不要なピークが生じる可能性がある。このような不要なピークやそれによる縞を軽減するために、例えば、対象領域を、隣接する視域Ｚとの境界を越えるように対象視域を拡大した領域とし、マスク処理において、対象領域における複素振幅の値を、対象領域における中央部側から外縁に向かうに従って連続的に小さくなる係数（例えば、ガウス分布の係数）をマスク処理前の値に対して乗算した値とすることができる。

【0036】

上記のような視域別波面ＷＺの計算を全ての視域Ｚについて行い、得られた複数の視域別波面ＷＺを入射面Ｐ１上で重ね合わせた波面を入射波面で除算し、或いは、得られた複数の視域別波面ＷＺのそれぞれを入射波面で除算した後に重ね合わせることで、複数の視域別波面ＷＺを入射面Ｐ１上で重ね合わせた波面が入射波面で除算された波面が得られる。そして、このようにして得られた波面を符号化したパターンを、入射面Ｐ１に形成する。符号化（コーディング）は、あらゆる手法を採用することができ、例えば、複素振幅分布の偏角の２値化とすることができる。入射面Ｐ１に形成されるパターンは、例えば、波面が表す複素振幅分布に対応する凹凸パターンとされる。この凹凸パターンは、例えば、複素振幅分布の位相情報を２値以上に多値化した凹凸パターンとされる。このような凹凸パターンを入射面Ｐ１に有するホログラム素子１は、例えば、入射面Ｐ１に対する微細加工（フォトリソグラフィプロセス等）を行って製造することができる。この凹凸パターンを、２値化された複素振幅分布の位相情報を深さで表すパターンとする場合には、ホログラム素子１の作製工程が簡素になると共に、パターンの転写を行うことでホログラム素子１の大量生産も容易となるため、コストの低減を図ることもできる。

【0037】

ところで、本出願人らは、特願２０２２－１８５８４４号の出願において、観察方向に応じて複数の画像を選択的に表示可能なホログラム素子についての、本開示とは異なる技術を提案している。図６は、特願２０２２－１８５８４４号にて提案されている技術を比較例として示している。図６に示す比較例は、本開示に係る技術の実施例ではないが、図１に示す本開示の技術との比較を容易にするために、図１と同様の符号を図６にも付している。なお、ホログラム素子の性能は、光源のサイズ等のここでは考慮しない要素にも依存するが、以下では、簡略化したモデルで考えた場合の、本開示の技術の比較例の技術に対する利点について説明する。

【0038】

図６に示す比較例では、ホログラム素子１の入射面Ｐ１が複数の要素ホログラムＥに分割されている。図６では、入射面Ｐ１が９つの要素ホログラムＥに分割される場合を想定しており、図６ではそのうちの３つの要素ホログラムＥのみを示している。図６では、複数の要素ホログラムＥを互いに区別するために、インデックス［Ｍ，Ｎ］（Ｍ、Ｎは整数）を用いている。そして、複数の要素ホログラムＥのそれぞれは、それぞれに対応する視点Ｖから観察した場合に潜像面Ｐ２に潜像３を生成するように構成されている。図６において、視点Ｖ［Ｍ，Ｎ］は、要素ホログラムＥ［Ｍ，Ｎ］に対応する視点Ｖであり、要素潜像３Ｅ［Ｍ，Ｎ］は、視点Ｖ［Ｍ，Ｎ］から観察される潜像３である。図６では、図１及び図２に示す例と同様に、対象物２としてのサイコロを立体的に表示する場合を想定しており、要素潜像３Ｅ［Ｍ，Ｎ］を、図１及び図２に示す例での視域潜像３Ｚ［Ｍ，Ｎ］と同じ画像としている。

【0039】

このように、図６に示す比較例の技術では、入射面Ｐ１を複数の要素ホログラムＥに分割するため、入射面Ｐ１に明示的な境界が存在する。そのため、当該境界が目視される場合や、当該境界における波面の不連続性によって散乱光が誘発される場合がある。これに対して、本開示の技術では、視域面Ｐ３を複数の視域Ｚに分割するものの、入射面Ｐ１は直接分割しないため、入射面Ｐ１に明示的な境界は存在しない。そのため、本開示の技術では、比較例の技術のように境界が目視されることを回避しやすく（仮に目視される場合であってもその程度を低く抑えやすく）、散乱光の誘発も抑制しやすい。この結果、本開示の技術では、比較例の技術に比べて、意匠性の向上や潜像３の画質の向上を図りやすい。また、本開示の技術では、視域面Ｐ３の分割方法は任意であるため、潜像３の解像度と潜像３の変化の滑らかさとのバランスを視域Ｚ毎に決定することができる。そのため、本開示の技術では、比較例の技術に比べて、潜像３の表現力の向上を図りやすいという利点もある。

【0040】

更には、本開示の技術では、比較例の技術に比べて、潜像３の解像度を高くしやすいという利点もある。この点について、本開示の技術を示す図７と、比較例の技術を示す図８とを参照して説明する。図７では、図２における視域潜像３Ｚ［０，０］及び視域潜像３Ｚ［０，１］に着目しており、図８では、視域潜像３Ｚ［０，０］及び視域潜像３Ｚ［０，１］に対応する要素潜像３Ｅ［０，０］及び要素潜像３Ｅ［０，１］に着目している。

【0041】

図７において、視域間隔Ｔは、視域Ｚの寸法を表し、角度αは、視域Ｚ［０，０］から潜像面Ｐ２上の基準点Ａを見込む角度を表している。そして、基準点Ａと各視域Ｚの外縁とを結ぶ線分を破線で示している。一方、図８において、区画サイズＳは、要素ホログラムＥの寸法を表し、角度βは、要素ホログラムＥ［０，０］から潜像面Ｐ２上の基準点Ａを見込む角度を表している。そして、基準点Ａと要素ホログラムＥの外縁とを結ぶ線分を視域面Ｐ３まで延長した線分を破線で示している。

【0042】

本開示の技術と比較例の技術とを同じ条件で比較するために、図７における視域間隔Ｔと図８における区画サイズＳとを、角度αと角度βとが等しくなるように設定している。そのため、幾何学的に考えた場合、図７において視域潜像３Ｚの生成に寄与する入射面Ｐ１上の領域は、図８の区画サイズＳと同じ大きさの領域となる。このことを示すために、図８の区画サイズＳを図７にも示している。また、幾何学的に考えた場合、図８において要素潜像３Ｅが観察される視域面Ｐ３上の領域は、図７の視域間隔Ｔと同じ大きさの領域となる。このことを示すために、図７の視域間隔Ｔを図８にも示している。

【0043】

このように幾何学的に考えた場合、本開示の技術（図７）及び比較例の技術（図８）のいずれの場合も、潜像３（図７では視域潜像３Ｚ、図８では要素潜像３Ｅ）の生成に寄与する入射面Ｐ１上の領域は、区画サイズＳの大きさの領域となり、潜像３の解像度も等しくなる。しかし、以下に説明するように、回折による光の広がりを考慮すると、本開示の技術（図７）の方が比較例の技術（図８）よりも、潜像３の生成に寄与する入射面Ｐ１上の領域が広くなる。

【0044】

図８に示す比較例の技術では、要素潜像３Ｅは、要素ホログラムＥによって生成されるため、要素潜像３Ｅの生成に寄与する入射面Ｐ１上の領域は、回折による光の広がりを考慮した場合であっても、区画サイズＳの大きさの領域となる。そのため、要素潜像３Ｅを生成する要素別波面ＷＥは、入射面Ｐ１において区画サイズＳの大きさの領域に存在する。そして、回折による光の広がりを考慮すると、要素別波面ＷＥは、図８に示すように、入射面Ｐ１から視域面Ｐ３に向かって伝搬するに従って回折により広がり、視域面Ｐ３において視域間隔Ｔよりも大きく広がる。この結果、潜像３の生成に寄与する情報量の密度が低下し、観察者（具体的には、観察者の瞳）に届く実質的な情報量が減少し得る。また、図８において要素潜像３Ｅ［０，０］を生成する要素別波面ＷＥ［０，０］と要素潜像３Ｅ［０，１］を生成する要素別波面ＷＥ［０，１］とが視域面Ｐ３において重なっているように、視域面Ｐ３において複数の要素別波面ＷＥが重なるため、視点Ｖ毎の潜像３の独立性が損なわれ得る。

【0045】

これに対して、図７に示す本開示の技術では、上述した計算方法によって視域別波面ＷＺが導出されるため、視域面Ｐ３における複数の視域別波面ＷＺの重なりを減らすことができ、視域面Ｐ３における複数の視域別波面ＷＺの重なりをなくすこともできる。そのため、図８に示す比較例の技術に比べて、潜像３の生成に寄与する実質的な情報量の確保や視点Ｖ毎の潜像３の独立性の確保が容易となる。また、視域面Ｐ３における複数の視域別波面ＷＺの区画分割が与える回折への影響の結果、図７において視域潜像３Ｚ［０，０］を生成するための視域別波面ＷＺ［０，０］と視域潜像３Ｚ［０，１］を生成するための視域別波面ＷＺ［０，１］とが入射面Ｐ１において重なっているように、入射面Ｐ１において複数の視域別波面ＷＺが重なることになる。この結果、入射面Ｐ１における視域別波面ＷＺの存在領域（言い換えれば、視域潜像３Ｚの生成に寄与する入射面Ｐ１上の領域である寄与領域Ｒ）は、区画サイズＳよりも大きな領域となる。

【0046】

このように、本開示の技術（図７）の方が比較例の技術（図８）よりも、潜像３の生成に寄与する入射面Ｐ１上の領域が大きくなり、視域面Ｐ３における複数の視域別波面ＷＺの重なりを減らすこともできる。これにより、本開示の技術では、比較例の技術に比べて、潜像３の解像度を高くしやすい。そして、区画サイズＳが小さいほど、比較例の技術との差は顕著になる。

【0047】

本明細書において開示された実施形態は全ての点で単なる例示に過ぎず、本開示の趣旨を逸脱しない範囲内で、適宜、種々の改変を行うことが可能である。

【0048】

〔上記実施形態の概要〕
以下、上記において説明したホログラム素子の概要について説明する。

【0049】

ホログラム素子は、入射面への入射光を回折して潜像を表示するホログラム素子であって、観察者の視点が配置される面を視域面とし、前記視域面における前記潜像が観察される前記視点の範囲を視域とし、前記視域面に形成される複数の前記視域の群を視域群として、前記視域群に、観察される前記潜像が互いに異なる複数の前記視域が含まれ、前記視域から観察される前記潜像は、前記入射面からの伝搬方向が当該視域に向かう方向に制御された波面である視域別波面により生成され、前記視域群を構成する前記視域の数に対応する複数の前記視域別波面を生成するように構成されている。

【0050】

本構成によれば、ホログラム素子による波面の伝搬方向の制御を利用して、視域群を構成する複数の視域のそれぞれに対して、各視域に向かう方向に伝搬方向が制御された視域別波面を伝搬させることができる。そして、視域別波面の形は視域別波面毎に独立して設定することができるため、各視域から観察される潜像は、視域毎に自由に設定することができ、本構成では、視域群に、観察される潜像が互いに異なる複数の視域が含まれる。そのため、観察者がこれら複数の視域の間で視点を移動させた場合に、観察される潜像を変化させることができ、観察方向に応じて複数の画像を選択的に表示可能なホログラム素子を実現することができる。

【0051】

ここで、前記入射面上の前記入射光を表す波面を入射波面として、前記入射面に、複数の前記視域別波面を前記入射面上で重ね合わせた波面が前記入射波面で除算された波面を符号化したパターンが形成され、前記視域別波面に対応する前記視域を対象視域とし、前記対象視域から観察される前記潜像を対象潜像とし、複数の前記視域から観察できる前記対象潜像を生成するための前記入射面上の波面を基準波面とし、前記基準波面に対して前記入射面から前記視域面までの順方向の回折計算を行って得られる前記視域面上の波面を対象波面として、前記入射面上での前記視域別波面は、前記対象波面から前記対象視域に対応する領域以外の領域の波面を除去した波面に対して、前記視域面から前記入射面までの逆方向の回折計算を行って得られる前記入射面上の波面であると好適である。

【0052】

本構成によれば、複数の視域のそれぞれについて、当該視域から観察される潜像を生成するための波面であって当該視域に向かう方向に伝搬方向が制御された視域別波面を、回折計算を行って導出することができる。そして、入射面には、このように導出された複数の視域別波面を入射面上で重ね合わせた波面を、符号化したパターンが形成されるため、複数の視域別波面を生成するホログラム素子を適切に実現することができる。

【0053】

また、前記視域群に、形状及び寸法の少なくとも一方が互いに異なる複数の前記視域が含まれていると好適である。

【0054】

本構成によれば、複数の視域の間で形状及び寸法の少なくとも一方を互いに異ならせることができるため、潜像に表示させる対象物の視点毎に適した視域を設定することができる。例えば、視域面における特定の領域において、視点の移動距離に対する対象物の変化量が大きくなる場合には、視点の移動に対する対象物の変化を滑らかにすることを優先して、当該領域における単位面積当たりの視域の数が多くなるように（言い換えれば、視域の密度が高くなるように）視域の形状や寸法を設定することができる。この場合、隣接する視域間での対象物の変化量（言い換えれば、変化速度）を小さく抑えて、視点の移動に対する対象物の変化を滑らかにすることができる。また、視域面における特定の領域において、視点の移動に対する対象物の変化量が小さくなる場合には、潜像の解像度を高くすることを優先して、当該領域における視域の面積が大きくなるように視域の形状や寸法を設定することができる。この場合、視域の面積が大きくなることに伴い潜像の生成に寄与する入射面上の領域が大きくなるため、当該視域から観察される潜像の解像度を高くすることができる。

【0055】

また、前記視域面に沿う特定の方向を第１方向とし、前記第１方向の一方側を第１方向第１側として、前記視域群に、第１視域と、前記第１視域に対して前記第１方向第１側に隣接する第２視域とが含まれ、前記第１視域から観察される前記潜像を第１潜像とし、前記第２視域から観察される前記潜像を第２潜像として、前記第１潜像に表示される対象物が、当該第１潜像での向きよりも前記第１方向第１側から見た向きで、前記第２潜像に表示されるように構成されていると好適である。

【0056】

本構成によれば、観察者が視点を第１視点から第２視点に移動させた場合（すなわち、視点を第１方向第１側に移動させた場合）には、視点の移動後に観察される対象物の向きを、視点の移動前に比べて第１方向第１側から見た向きとし、観察者が視点を第２視点から第１視点に移動させた場合（すなわち、視点を第１方向第２側に移動させた場合）には、視点の移動後に観察される対象物の向きを、視点の移動前に比べて第１方向第２側から見た向きとすることができる。よって、適切な視差画像が得られるように各視域から観察される潜像を設定することで、運動視差（或いは、両眼視差）に基づく立体感を観察者に与えることができる。

【0057】

上記の構成において、前記視域面に沿う方向であって前記第１方向に直交する方向を第２方向とし、前記第２方向の一方側を第２方向第１側として、前記視域群に、前記第１視域に対して前記第２方向第１側に隣接する第３視域が含まれ、前記第３視域から観察される前記潜像を第３潜像として、前記第１潜像に表示される前記対象物が、当該第１潜像での向きよりも前記第２方向第１側から見た向きで、前記第３潜像に表示されるように構成されていると好適である。

【0058】

本構成によれば、第１方向だけでなく第１方向に直交する第２方向においても、運動視差（或いは、両眼視差）に基づく立体感を観察者に与えることができる。

【0059】

本開示に係るホログラム素子は、上述した各効果のうち、少なくとも１つを奏することができればよい。

【符号の説明】

【0060】

１：ホログラム素子
２：対象物
３：潜像
Ｐ１：入射面
Ｐ３：視域面
Ｖ：視点
ＷＳ：基準波面
ＷＴ：対象波面
ＷＺ：視域別波面
Ｘ：第１方向
Ｘ１：第１方向第１側
Ｙ：第２方向
Ｙ１：第２方向第１側
Ｚ：視域
ＺＧ：視域群

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】