光学元件及其制造方法

专利名称：光学元件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种光学元件及其制造方法，尤其涉及将立体图像 作为全息图进4亍记录，并可以对其进4于再生的光学元件及其制造方 法。
背景技术：
作为将立体图像记录在介质上，并对其进行再生的方法，7>知 有全息照相才支术，以这种方法制作的全息图纟皮应用于观赏用艺术或 者防伪用封条等各种领域。作为光学制作全息图的方法，通常使用有以下方法将乂人物体发出的物体光和参照光的干涉条紋记录在感 光介质上。作为物体光以及参照光的光源，通常利用相干性卓越的 激光。 一般，可以将光等的电磁波的动作作为具有振幅和相位的波 阵面的传播来加以捕获，并可以将全息图称为具有再生这样的波阵面功能的光学元件。由此，需要在全息图的记录介质上记录用于正 确再现在空间的各个位置上的物体光的相位和振幅的信息。当在感 光介质上记录由物体光和参照光产生的干涉条紋时，可以记录包括 物体光的相位和振幅两者的信息，并通过向该介质照射与参照光同 等的再生用照明光，乂人而可以将该再生用照明光的 一 部分作为具有 与物体光等〗介的波阵面的光进4于7见测。这样，当通过使用激光等的光学方法来制作全息图时，物体光 的相位和振幅只能作为与参照光的千涉条紋进行记录。这是因为记 录全息图的感光介质具有对应光的强度而进行曝光的特性。与此相对，最近正在实际应用有通过使用计算机的运算来制作全息图的方法。该方法净皮称为计算才几合成全息图(CGH: Computer Generated Hologram),利用计算才凡来对物体光的波阵面进4亍运算，并以某种 方法将其相位和4展幅记录在物理介质上，乂人而制作全息图。当利用 该计算才几全息图方法时，当然可以作为物体光和参照光的干涉条紋 来进行图像的记录，但是不使用参照光，也可以将有关物体光的相 位和振幅的信息直4妾记录在记录面上。例如，在下面的专利文献l以及专利文献2 (与本发明是同一 发明人的发明的专利申请)中公开了以下发明定义任意的原图像、 及以规定的间距配置有代表点的记录面，利用计算机，相对于每个 代表点的位置，计算与从原图像的各部分发出的物体光的合成波的 波阵面有关的复数振幅，求出记录面上的复数振幅的分布(振幅A 和相位e的分布)，并通过三维单元的集合体对其进行记录。下面， 将该发明称为在先发明。在该在先发明所7>开的方法中，准备在一 面上具有槽的三维单元，且将其配置在每个代表点位置上，从而构 成由多个三维单元的集合体构成的光学元件。这时，对于每个代表点位置而求出的相位e被作为三维单元的槽的深度而记录，振幅A被作为三维单元槽的宽度而记录。这样，由于在记录面上的每个代表点位置上都分别记录有固有的相位e和振幅A,因此，当照射再生用照明光时，可以获得原图像的全息图再生图像。专利文献1:日本特开2002-072837号公报专利文献2:日本特开2005-215569号^>报在上述的在先发明中，由于通过记录有才展幅A和相位e的三维 单元的集合体来构成光学元件，所以可以获得以下优点可以制造 再生时可荻得高衍射效应的元件。但是，为了物理制造由这样的三 维单元构成的光学元件，需要进行微细加工，需要高精度的制造工序。例如，在上述的专利文献1中示出了以下的例子在 0.6x0.25x0.25)am的微小尺寸的三维单元的上面，根据振幅A值来 形成具有各种宽度的槽。不仅是在这样的微小尺寸的物理单元上面 形成槽这样的工序需要高精度的加工，对于将该槽的宽度控制为与 振幅A的值相对应的正确的宽度这样的工序也需要极高的加工精 度。发明内容本发明的目的在于提供一种光学元件及其制作方法，该光学元 件当再生时可获得高的衍射效应，且制造工序比较简单，生产率卓 越。(1 )在本发明的第一方面中，在由多个三维单元的集合构成 且能够再生规定的原图像光学元件的制造方法中包括原图像定义 阶段，在三维空间内定义放出规定的物体光的原图像；记录面定义 阶段，在三维空间内定义用于记录原图像的记录面；切割平面定义 阶段，定义由可切割原图像以及记录面的平面构成的N多个切割平 面；图像轮廓线定义阶段，在以切割平面切割原图像而获得的切割 部，分别定义图像轮廊线；采样点定义阶段，在各图^4仑廓线上分 别定义多个采样点S;单元配置线定义阶革殳，在以切割平面切割记 录面而获得的切割部，分别定义单元配置线；单元配置点定义阶4殳， 在各单元配置线上分别定义多个单元配置点Q;对应采样点确定阶 #殳， -使通过同一切割平面的切割而定义的图傳4仑廓线和单元配置线 相对应，且对于各个单元配置点Q的每个单元配置点Q，将定义在 与单元配置点Q所属的单元配置线对应的图i象4仑廓线上的采^^点S 确定为对应采才羊点；振幅相位运算阶革殳，对于各个单元配置点Q的 每个单元配置点Q，通过运算来求得物体光合成波的^L定时刻的振 幅A以及相位e,其中，物体光是从对应采样点;故出的物体光中的、 到达单元配置点Q的位置的物体光；立体结构确定阶段，根据相对于单元配置点Q而求纟寻的4展幅A以及相^f立e来确定应该配置在i己录面上的各单元配置点Q的^f立置上的三维单元的结构，乂人而确定由 配置在记录面上的多个三维单元的集合构成的立体结构；以及元件 形成阶^殳，形成具有确定的立体结构的物理的光学元件，其中，在 立体结构确定阶段中，在具有与振幅A相对应的面积的有效区域，确定形成有具有与相位e相对应的相位的衍射光栅的三维单元的结构。(2) 才艮据本发明第一方面涉及的光学元件的制作方法，在本 发明的第二方面中，在原图像定义阶段，将三维单元立体图像或者 二维俯视图像定义作为原图像。(3) 4艮据本发明第一方面涉及的光学元件的制作方法，在本 发明的第三方面中，在原图像定义阶段，定义放出由于方向而不同 的物体光的原图l象。(4) 根据本发明第三方面涉及的光学元件的制作方法，在本 发明的第四方面中，作为分别具有多种像素值的采样点的集合而定 义原图像，确定根据放出方向来选择任一个像素值的规则，并根据 所选择的像素值来确定放出的物体光。(5) 才艮据本发明第三方面涉及的光学元件的制作方法，在本 发明的第五方面中，在原图像定义阶段，通过定义有离散分布的采 样点的主原图像、和在表面各部分定义有规定的像素值的副原图像 来定义原图像，并才艮据定义在连接单元配置点Q和-见定的采样点的 直线、与副原图像的交叉点上的像素值来确定从规定的采样点朝向 头见定的单元配置点Q的物体光。(6) 才艮才居本发明第一方面至第五方面中l壬一方面涉及的光学 元件的制作方法，在本发明的第六方面中，在记录面定义阶^敬，定义由平面构成的记录面；在切割平面定义阶^殳，定义由相互平4亍的 平面构成的N多个切割平面；在单元配置线定义阶^殳，在记录面上 定义由相互平4于的直线构成的N条单元配置线。(7) 根据本发明第六方面涉及的光学元件的制作方法，在本 发明的第七方面中，在切割平面定义阶^殳，定义以一定间3巨Pv配 置的、与i己录面正交的N个切割平面；在单元配置线定义阶革殳，在 i己录面上定义以间隔Pv配置的N条的单元配置线；在单元配置点 定义阶革殳，在各单元配置线上定义以一定间3巨Ph配置的单元配置 点Q， 乂人而在记录面上，定义以纟从向间距Pv、牙黄向间距Ph配置成 二维阵列状的单元配置点Q;在立体结构确定阶^:,确定将三维单 元配置在二维阵列上的立体结构，其中，该三维单元以纵向尺寸 Cv等于间距Pv,横向尺寸Ch等于间距Ph的长方体为基本形状。(8) 才艮据本发明第一方面至第七方面中任一方面涉及的光学 元件的制作方法，在本发明的第八方面中，在振幅相位计算阶段， 进行对从各对应采样点放出的物体光的放出角度附加限制的运算。(9 )才艮据本发明第一方面至第八方面中4壬一方面涉及的光学 元件的制作方法，在本发明的第九方面中，在振幅相位计算阶段， 当对从采样点S朝向单元配置点Q的物体光的振幅的衰减量进行运 算时，使用从线光源发出的物体光的振幅衰减项。(10)根据本发明第九方面涉及的光学元件的制作方法，在本 发明的第十方面中，对于在》文出到达规定的单元配置点Q的物体光 的全部K个采样点中、从第k个(k=l~K)釆样点S (k)发出的物 体光，将波长设定为X,将从采样点S (k)仅离开单位距离的位置 的振幅设定为Ak,将采样点S (k)上的相位设定为0k，将单元配 置点Q和第k个采样点S(k)之间的距离设定为rk时，通过S(k-^K) (Ak7f rk.cos(ek士2兀rk/X)+iAk/(rk'sin(0k士2兀rk/人))这才羊的乂>式来定义来自单元配置点Q上的K个采样点的物体光的合成复数振幅， 根据使用该公式的运算，求得单元配置点Q上的振幅A以及相位e。(11 )才艮据本发明第一方面至第十方面中任一方面涉及的光学 元件的制作方法，在本发明的第十一方面中，在立体结构确定阶l史， ;)寻具有以井见定的周期g重复同一凹凸形爿犬变化的凹凸结构面的书亍射光栅配置在具有与振幅A相对应的面积的有效区域内的、相对于三维单元的基准位置具有相位e的位置上，从而确定三维单元的结构。(12)根据本发明第十一方面涉及的光学元件的制作方法，在 本发明的第十二方面中，在立体结构确定阶4殳，配置三维单元，以 i更光4册形成面与记录面平行，且4黄边平行于单元配置线，其中，三 维单元包括由具有尺寸Cv的纵边及尺寸Ch的橫边的长方形构成的 光4册形成面，且三维单元以具有纵向尺寸Cv、横向尺寸Ch、纵深 方向尺寸Cd的长方体为基本形状，在光4册形成面上定义由具有与 净展幅A相对应的面积的部分构成的有效区i或、和由除有效区》或以外 的部分构成的空白区域，通过在有效区域中配置具有凹凸结构面的 书亍射光4册来确定三维单元的结构。(13 )根据本发明第十二方面涉及的光学元件的制作方法，在 本发明的第十三方面中，在立体结构确定阶段，定义由具有尺寸 Ce的纵边及尺寸Ch的横边的长方形构成的有效区域，对于所有的 三维单元，使有效区域的横向宽度等于三维单元的横向宽度Ch， 从而根据纵尺寸Ce来规定每个三维单元的有效区域的面积。(14) ^f艮据本发明第十二方面或第十三方面涉及的光学元件的 制作方法，在本发明的第十四方面中，在立体结构确定阶革殳，对于 定义在记录面上的所有单元配置点Q，分别求得所求得的振幅A的 平方值A2,将平方值八2的最大值设定为A2max,并设定A2max〇A2base这样的值A2base,对于应该配置在每个单元配置点Q上的三 维单元，将相当于光栅形成面的全部面积的"A2/A2base"的区域作 为有效区域，其中，当A2〉A^ase时，是相当于全部面积的区域。(15 )根据本发明第十二方面至第十四方面中^f壬一方面涉及的 光学元件的制作方法，在本发明的第十五方面中，在立体结构确定 阶段，形成衍射光栅，以便沿与单元配置线正交的方向产生凹凸形 状变化。(16) 根据本发明第十五方面涉及的光学元件的制作方法，在 本发明的第十六方面中，在立体结构确定阶革殳，在沿与单元配置线 正交的方向的长度g的周期区间内，形成深度从最浅部到最深部连 续单调减少的名牛面，并通过重复配置斜面来形成凹凸结构面。(17) 根据本发明第十六方面涉及的光学元件的制作方法，在 本发明的第十七方面中，在立体结构确定阶4殳，i殳定以^吏用具有^L 定的标准波长X的再生用照明光为前^是的标准观察条件，并i殳定乂人 斜面的最浅部到最深部的深度h,以便在标准观察条件下，使经由 最深部到达观察位置的光、与经由最浅部到达7见察位置的光的相位 差为2兀。(18) 才艮据本发明第十五方面涉及的光学元件的制作方法，在 本发明的第十八方面中，在立体结构确定阶段，在沿与单元配置线 正交的方向的长度g的周期区间内，形成深度从最浅部到最深部阶 ,殳地单调减少的阶梯，通过重复配置阶梯来形成凹凸结构面。(19) 才艮据本发明第十八方面涉及的光学元件的制作方法，在 本发明的第十九方面中，在立体结构确定阶段，设定以使用规定的 标准波长X的再生用照明光为前提的标准》见察条件，在沿与单元配 置线正交的方向的长度g的周期区间内定义斜面，以便在标准观察条件下，经由最深部到达观察位置的光、和经由最浅部到达观察位 置的光的相位差是2兀，并通过配置近似于斜面的阶梯来形成凹凸结构面，其中，斜面的从最浅部到最深部的深度是h,且从最、浅部到 最深部的深度连续单调减少。(20)根据本发明第十七方面或第十九方面涉及的光学元件的 制作方法，在本发明的第二十方面中，在元件形成阶段，作为以在 填满具有折射率nl的物质的空间内使用为前提的光学元件，形成 有以下光学元件在光学元件中，在由具有4斤射率n2的物质构成 的透光层的表面上形成有凹凸结构面，从而能够^见察透过透光层的 再生用照明光，在立体结构确定阶4殳，将h设定为通过"h-X/ln2-nll" 求得的值。(21 ) #>据本发明第十七方面或第十九方面涉及的光学元件的 制作方法，在本发明的第二十一方面中，在元件形成阶段，形成光 学元件，在光学元件中，作为由具有折射率nl的物质构成的第一 透光层、与由具有折射率n2的物质构成的第二透光层的界面，形 成有凹凸结构面，从而能够观察透过第一透光层和第二透光层两者 的再生用照明光，在立体结构确定阶革殳，将h i殳定为通过 "h二Vln2-nll"求得的值。(22)#4居本发明第十七方面或第十九方面涉及的光学元件的 制作方法，在本发明的第二十二方面中，在元件形成阶段，作为以 在填满具有折射率nl的物质的空间内利用为前提的光学元件，形成有以下光学元件在光学元件中，在具有反射再生用照明光性质 的反射层表面上形成有凹凸结构面，从而从空间内能够观察被反射 层反射的再生用照明光，在立体结构确定阶^殳，将h i殳定为通过 "h=X/ (2xnl ),，求得的值。(23 )才艮据本发明第十七方面或第十九方面涉及的光学元件的 制作方法，在本发明的第二十三方面中，在元件形成阶段，作为以 在填满具有折射率nl的物质的空间内利用为前提的光学元件，形 成有以下光学元件在光学元件中，作为由具有4斤射率n2的物质 构成的透光层、和由具有反射再生用照明光性质的反射层的界面， 形成有凹凸结构面，从而能够观察透过透光层，通过反射层反射， 再次透过透光层的再生用照明光，在立体结构确定阶^殳，将hi殳定 为通过"h=X/ (2xn2)"求得的值。(24) 4艮据本发明第十七方面或第十九方面涉及的光学元件的 制作方法，在本发明的第二十四方面中，在元件形成阶段，作为以 在填满具有折射率nl的物质的空间内利用为前提的光学元件，形 成有以下光学元件在光学元件中，在由具有折射率n2的物质构 成的透光层的表面上形成有凹凸结构面，在与透光层的凹凸结构面 相反侧的面上形成有具有反射再生用照明光性质的反射层，乂人而能 够观察透过透光层，通过反射层反射，再次透过透光层的再生用照 明光，在立体结构确定阶段，将h设定为通过"h=X/(2x|n2-nl|)" 求得的值。(25 )才艮据本发明第十七方面或第十九方面涉及的光学元件的 制作方法，在本发明的第二十五方面中，在元件形成阶段，形成光 学元件，在光学元件中，作为由具有折射率nl的物质构成的第一 透光层、和由具有折射率n2的物质构成的第二透光层的界面，形 成有凹凸结构面，在第二透光层的与第 一透光层接触的面的相反侧 的面上形成具有反射再生用照明光性质的反射层，/人而能够^见察透 过第一透光层和第二透光层两者，通过反射层反射，再次透过第一 透光层和第二透光层两者的再生用照明光，在立体结构确定阶l殳， 将h设定为通过"h=X/ (2x|n2-nl|)"求得的值。(26) 根据本发明第二十二方面至第二十五方面中任一方面涉及的光学元件的制作方法，在本发明的第二十六方面中，将反射层4又形成在各个三维单元的有岁文区i或内，未形成在空白区i或内。(27) 根据本发明第十二方面至第二十六方面中任一方面涉及 的光学元件的制作方法，在本发明的第二十七方面中，在立体结构 确定阶段，设定标准观察条件，标准观察条件以当从规定的照射方 向向光学元件照射身见定的标准波长X的再生用照明光时，,人^L定的 观察方向进行观察为前提，将衍射光栅的凹凸形状变化的周期g设 定为适于获得衍射角的值，其中，衍射角用于将乂人照射方向入射的 光导向观察方向，将三维单元的纵向尺寸Cv设定为为了使衍射光 栅产生充分的衍射现象所需要的尺寸以上的值，将三维单元的横向 的尺寸Ch设定为为了相对于横向能够获得所需要的体视角度而需 要的尺寸以上的值。(28 )才艮据本发明第二十七方面涉及的光学元件的制作方法， 在本发明的第二十八方面中，在立体结构确定阶4殳，将衍射光栅的 凹凸形状变化的周期^设定为0.6~2pm，三维单元的纵向尺寸Cv ^殳定为3 ~300jum，才黄向尺寸Ch"i殳定为0.2 ~4|um。(29) 根据本发明第十二方面至第二十八方面中任一方面涉及 的光学元件的制作方法，在本发明的第二十九方面中，在元件形成 阶H在空白区域形成遮光层或者吸光层。(30) 在本发明第三十方面中，在由多个三维单元的集合构成 的光学元件中，在每个单元中分别定义有指定振幅以及指定相位， 在具有与指定振幅相对应的面积的有效区域内形成有具有与指定相位相对应的相位的衍射光栅，当向每个单元赋予规定的入射光 时，能够获得根据定义在单元的指定振幅以及指定相位而改变入射 光的振幅以及相位的射出光。(31 )根据本发明第三十方面涉及的光学元件的制作方法，在 本发明的第三十一方面中，将具有凹凸结构面的衍射光栅配置在有效区域内的、相对于规定的标准位置具有相位e的位置上，从而形 成每个三维单元，其中，的凹凸结构面以A见定的周期g重复同一凹 凸形状变化。(32)根据本发明第三十一方面涉及的光学元件的制作方法， 在本发明的第三十二方面中，每个三维单元以具有纟从向尺寸为Cv、 横向尺寸为Ch、纵深方向尺寸为Cd的长方体为基本形状，且包括 光栅形成面，其中，光栅形成面具有尺寸Cv的纵边及尺寸Ch的横 边，光4册形成面由与长方体的一面平行的长方形构成，沿光4册形成 面形成凹凸结构面，将各个三维单元配置成二维阵列状。(33 )根据本发明第三十二方面涉及的光学元件的制作方法， 在本发明的第三十三方面中，在每个三维单元的光4册形成面上定义 有由具有尺寸Ce的纵边及尺寸Ch的一黄边的长方形构成的有效区 域，对于所有的三维单元，将有效区域的横向宽度设定得等于单元 本身的横向宽度Ch，且形成由凹凸结构体构成的衍射光栅，以便 在沿纵边的方向上产生凹凸形状变化。(34)根据本发明第三十三方面涉及的光学元件的制作方法， 在本发明的第三十四方面中，在沿有效区域的纵边的长度？的周期 区间内，形成有深度从最浅部到最深部连续单调减少的斜面，并通 过重复配置斜面来形成凹凸结构面。(35 )根据本发明第三十三方面涉及的光学元件的制作方法， 在本发明的第三十五方面中，在沿有效区域的纵边的长度g的周期 区间内，形成深度/人最浅部到最深部阶賴:地单调减少的阶梯，并通 过重复配置阶梯来形成凹凸结构面。(36 )才艮据本发明第三十三方面至第三十五方面中任一方面涉 及的光学元件的制作方法，在本发明的第三十六方面中，将AT射光 栅的凹凸形状变化周期g设定为0.6-2jam,将三维单元的纵向尺寸 Cv i殳定为3 ~ 300|um， 4黄向尺寸Ch i殳定为0.2 ~ 4jam。(37) 才艮据本发明第三十一方面至第三十六方面中任一方面涉 及的光学元件的制作方法，在本发明的第三十七方面中，每个三维 单元构成为包4舌在表面形成有凹凸结构面的透光层或者反射层。(38) 根据本发明第三十一方面至第三十六方面中任一方面涉 及的光学元件的制作方法，在本发明的第三十八方面中，每个三维 单元包括层压结构体，其中，层压结构体包4舌由具有折射率nl的 物质构成的第一透光层和由具有4斤射率n2的物质构成的第二透光 层，且在第一透光层和第二透光层的界面形成有凹凸结构面。(39) 才艮据本发明第三十一方面至第三十六方面中任一方面涉 及的光学元件的制作方法，在本发明的第三十九方面中，每个三维 单元包括透光层和反射层的层压结构体，且作为透光层和反射层的 界面，形成有凹凸结构面。(40) 根据本发明第三十一方面至第三十六方面中任一方面涉 及的光学元件的制作方法，在本发明的第四十方面中，每个三维单 元具有透光层和反射层的层压结构体，且在透光面的与反射层4妻触 的面的相反侧的面上形成有凹凸结构面。(41 )才艮据本发明第三十一方面至第三十六方面中任一方面涉 及的光学元件的制作方法，在本发明的第四十一方面中，每个三维 单元具有层压结构体，层压结构体包括由具有折射率nl的物质构 成的第一透光层、由具有折射率n2的物质构成的第二透光层、以 及反射层，在第一透光层和第二透光层的界面形成有凹凸结构面，在第二透光层的与第 一透光层接触的面的相反侧的面上形成有反 射层。(42) 根据本发明第三十一方面至第三十六方面中任一方面涉 及的光学元件的制作方法，在本发明的第四十二方面中，在光学元 件中，形成有用于遮挡未经由有效区域的光的遮光层、或者用于吸 收到达有效区域之外的部分的光的吸光层。(43) 根据本发明第三十七方面、第三十九方面至第四十一方 面中任一方面涉及的光学元件的制作方法，在本发明第四十三方面 中，反射层4又形成在各个三维单元的有效区i或内。(44) 根据本发明第三十方面至第四十三方面中任一方面涉及 的光学元件的制作方法，在本发明的第四十四方面中，记录来自物 体图像的物体光的复数振幅分布，以便从规定的视点位置观测时再 生物体图像，从而能将其用作全息图像。发明的效果根据本发明，由于将原图像作为物体光的复数振幅分布而进行记录，而不是将其作为干涉条紋进行记录，因此，再生时可以获得高的衍射效率。而且，将复数振幅分布作为衍射光栅而记录于三维单元，并作为形成有该衍射光栅的有效面积而表现振幅，作为衍射光栅的空间位置而表现相位。因此，可以比较大地设定用于记录振幅的区域，从而即使没有那么高的加工精度的工序，也可以制造物理的光学元件。总之，根据本发明，可以提供制造工序比较简单， 且生产率卓越的光学元件。


图1是表示利用参照光，将物体图像作为干涉条紋(interference fringes )进行光学记录的通常全息照相方法的立体图；图2是表示当定义有点光源O和记录面20时，到达记录面20 上的4、表点P (x, y)的物体光的振幅和相位的立体图；图3是表示从物体图像10上的各点光源发出的物体光到达记 录面20上的代表点P (x， y)时的代表点P (x， y)的位置上的物 体光的复数振幅的立体图；图4是表示根据通过复坐标平面上的坐标点T表示的复数振 幅，求4寻4展幅A (x, y)和相4立0 (x, y)的示意图；图5是表示为了记录物体图^f象10而定义的三维假想单元集合 30的一例的立体图；图6是本发明采用的三维单元C (x, y)的振幅调制以及相位 调制功能的示意图；图7是应该作为在先发明涉及的光学元件的构成要素的、透光 率以及4斤射率不同的16种物理单元的 一例的示意图；图8是表示在先发明中的优选实施例的物理三维单元C(x, y) 的结构的一例的立体图；图9是用于i^明在将图8所示的三维单元C (x, y)用作透过 型单元时，将振幅的信息作为槽G (x, y)的宽度G1进行记录， 将相位的信息作为槽G (x, y)的深度G2进行记录的理由的正一见 图；图IO是用于说明在将图8所示的三维单元C (x, y)用作反 射型单元时，将振幅的信息作为槽G (x, y)的宽度Gl进行记录， 将相位的信息作为槽G (x， y)的深度G2进行记录的理由的正视 图；图11是在图8所示的三维单元C (x, y)的结构中，确定7 种槽宽度、4种深度，并准备合计28种物理单元的例子的立体图；图12是表示在本发明的基本实施例中所采用的物理的三维单 元C (x, y)的结构的一例的立体图；图13是表示在图12所示的三维单元C (x， y)中，相位e的 i己录原理的扩大正^L图；图14是,人法线方向向光学元4牛照射再生用照明光，并乂人法线 方向观察作为全息图像而被记录的物体图像的基本实施例的侧视 图；图15是乂人倾斜方向向光学元件照射再生用照明光，并乂人法线 方向观察作为全息图像而被记录的物体图像的实施例的侧视图；图16是/人法线方向向光学元件照射再生用照明光，并/人倾斜 方向观察作为全息图像而被记录的物体图像的实施例的侧视图；图17是表示为了制作与图15所示的再生环境相对应的光学元 件，利用基于衍射光栅的衍射现象的原理的侧视图；图18是表示为了制作与图16所示的再生环境相对应的光学元 件，利用基于衍射光栅的衍射现象的原理的侧视图；图19是表示图17所示的书于射现象的原理的侧一见图；图20是表示图17所示的衍射现象的原理的其他侧视图；图21是表示本发明涉及的光学元件的制造方法的基本工序的 流程图；图22是用于说明图21的流程图中的步骤S1 S3的工序的正视图；图23是用于说明图21的流程图中的步骤S4 S7的工序的立体图；图24是用于说明图21的流程图中的步骤S8的工序的立体图；图25是用于说明图21的流程图中的步骤S8的工序的俯视图；图26是用于说明当进行图21的流程图中的步骤S8的工序时， 对/人各对应采样点i文出的物体光的i文出角度附加限制的方法的俯 视图；图27是表示通过图21的流程图中的步骤S5、 S6的工序，在 记录面20上定义的单元配置线以及单元配置点的一例的俯^L图；图28是表示通过图21的流程图中的步骤S9的工序而确定的 三维单元的结构的一例的立体图；图29是表示通过图21的流程图中的步艰《S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型1A)的部分正一见截面图；图30是表示通过图21的流:程图中的步驶《S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型1B)的部分正一见截面图；图31是表示通过图21的流^呈图中的步驶《S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型2A)的部分正一见截面图；图32是表示通过图21的流程图中的步骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型2B)的部分正一见截面图；图33是表示通过图21的流程图中的步骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型3A)的部分正一见截面图；图34是表示通过图21的流程图中的步骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型3B)的部《>正纟见截面图；图35是表示通过图21的流禾呈图中的步艰《S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型4A)的部分正一见截面图；图36是表示通过图21的流^E图中的步艰《S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型4B)的部分正一见截面图；图37是表示通过图21的流^呈图中的步骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型5A)的部分正—见截面图；图38是表示通过图21的流程图中的步-骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型5B)的部分正一见截面图；图39是表示通过图21的流程图中的步-骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型6A)的部分正一见截面图；图40是表示通过图21的流程图中的步驶《S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型6B)的部分正一见截面图；图41是表示通过图21的流禾呈图中的步-骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型7A)的部分正纟见截面图；图42是表示通过图21的流程图中的步骤S9的工序而确定的 三维单元的结构例(类型7B)的部分正—见截面图；图43是表示删除图31所示的类型2A的单元的空白区i^的反 射层后的三维单元的物理结构例(类型2A')的部分正截面图；图44是表示删除图32所示的类型2B的单元的空白区域的反 射层后的三维单元的物理结构例(类型2B')的部分正截面图；图45是表示删除图33所示的类型3A的单元的空白区域的反 射层后的三维单元的物理结构例(类型3A')的部分正截面图；图46是表示删除图34所示的类型3B的单元的空白区Jt或的反 射层后的三维单元的物理结构例(类型3B')的部分正截面图；图47是以4个阶段的阶梯结构来代替斜面结构，从而实现形 成在三维单元的衍射光栅的凹凸形状的实施例的扩大正视图；图48是表示将图29所示的类型1A的单元的斜面结构替换为 4个阶，敬的阶梯结构的例子的部分正^L截面图；图49是表示将图30所示类型1B的单元的4牛面结构替换为4 个阶^殳的阶梯结构的例子的部分正一见截面图；图50是表示将图31所示的类型2A的单元的斜面结构替换为 4个阶革殳的阶梯结构的例子的部分正一见截面图；图51是表示将图28所示的三维单元的斜面结构替换为4个阶 段的阶梯结构的例子的立体图；图52是以2个阶段的阶梯结构来代替斜面结构，从而实现形 成在三维单元的衍射光栅的凹凸形状的实施例的扩大正视图；图53是表示将图29所示的类型1A的结构例的斜面结构替换 为2个阶l殳的阶梯结构的例子的部分正截面图；图54是定义放出根据方向而不同物体光的原图像的第一例的 俯一见图；图55是表示作为图54中的原图像的实体的2个立体图像的正 视图；图56是定义放出根据方向而不同物体光的原图像的第二例的 《府一见图；以及图57是用于说明向釆用图56所示的原图《象的记录面进行记录 的方法的俯^见图。
具体实施方式
下面，根据图示的实施例来说明本发明。 《§1.记录复数振幅分布的基本原理》图l是表示利用参照光，将物体图像作为干涉条紋进行光学记 录的通常全息照相方法的立体图。当将物体10的立体图^f象记录在 记录介质20上时，通过与参照光R同一波长的光(通常为激光) 照射物体10，且记录通过来自物体10的物体光和参照光R而形成在记录介质20上的干涉条紋。在此，若在记录介质20上定义XY 坐标系，并着眼于4立于坐标(x， y)的4壬意点P(x， y)，则在该点P (x, y )上i己录由来自物体10上的各点O ( 1 )、 0(2)..... O(k)..... O (K)的各物体光和参照光R的干涉引起的合成波的振幅强度。虽然在记录介质20上的其他点P (X'、 Y')上也同样记 录由来自各点的物体光和参照光R的干涉引起的合成波的振幅强 度，但是由于光的传播距离不同，所以记录在点P(X， Y)上的振 幅强度和记录在点P (X'、 Y')上的振幅强度不同。这样，在记录 介质20上，记录有振幅强度分布，并通过该振幅强度的分布来表 现物体光的振幅和相位。在再生时，乂人与参照光R同一方向(或者 相对于记录介质20成平面对称的方向)照射与参照光R同一波长 的再生照明光，从而可以获得物体10的立体再生图像。通过光学方法，当在记录介质20上记录干涉条紋时，使用感 光材料作为记录介质20,且将干涉条紋作为记录介质20上的深浅 图案(pattern)而进4亍记录。另一方面，当利用计算才几合成全息图 的方法时，在计算机上模拟通过如图1所示的光学系产生的显影即 可。具体而言， 一夺现实的物体10和记录介质20耳又而4戈之，而在计 算机上的假想三维空间内，定义作为原图像的物体图像10以及记 录面20,且在物体图^f象10上定义多个点光源O ( 1 )、 0(2)、…、O(k)..... O(K)。此外，对于各个点光源，定义具有失见定波长、^展幅、相位的物体光(5求面波)，并进一步定义具有与该物体光同 一波长的参照光。另一方面，在记录面20上定义多个代表点P (X, Y),通过运算来求得到达每个代表点的位置的物体光和参照光的合 成波的振幅强度。这样，在记录面20上，由于通过运算来求得振 幅强度分布(干涉条紋)，因此，当将该振幅强度作为深浅分布或 者凹凸分布并记录在物理记录介质上时，可以制作物理的全息图记录介质。可是，若使用计算机合成全息图的方法，则可以将来自物体图4象10的物体光本身直接记录在记录面20上，无需使用参照光R作 为干涉条紋来进行记录。即，当光学地制作全息图时，在由感光材 料构成的记录介质20上，^争越曝光所需要的一定时间而产生干涉 波，且必须将其作为千涉条紋进行记录。因此，需要利用参照光来 产生作为驻波的干涉波。但是，若利用计算4几合成全息图的方法， 则可以静止时间地观测存在于记录介质20上的某瞬间的波的状态， 且可以对其进行记录。换言之，可以通过运算来求得在规定基准时 刻的记录面20上的各代表点位置的物体光的振幅以及相位。在本 发明中，具有如上所述的计算机合成全息图的优点，且采用将物体 光的振幅和相位进行直接记录的方法，而没有采用将物体光作为与 参照光的干涉条纟丈而i己录的方法。如图2的立体图所示，现在例如，当定义有点光源O和记录面 20时，考虑如何计算到达记录面20上的代表点P (X， Y)的物体 光的振幅和相位。通常，通过作为下式的复变函数来表现考虑振幅 和对目^f立的波动。Acos0+i Asin0其中，i为虚数单位。在这里，A为表示4展幅的参H e为表示相位的参数。于是，当通过上述复变函数来定义从点光源o发出的物体光时，通过作为下式的复变函数来表示代表点P (X， Y)的位 置上的物体光。A/r.cos ( e+2兀/rX ) +i A/r.sin ( 0+2兀/r入)在此，A为作为基准的4展幅值，r为点光源O与代表点P (X， Y)之间的距离，X为物体光的波长。物体光的振幅随着距离r变大 而衰减，且才艮据距离r和波长X之间的关系来确定相位。虽然在该复变函数中未包括表示时间的变数，如上所述，这是因为该公式 是表示在规定的基准时刻，静止时间时，观测到的波的瞬间状态的 公式。其结果是，如图3的立体图所示，当将物体图像10的信息记 录在i己录面20上时，在物体图4象10上定义多个点光源O ( 1 )、 O(2)..... O(k).....O(K)，且在记录介质20上的各代表点位置上，通过运算来求得从各点光源发出的物体光的合成波的振幅以 及相位，将其以某种方法进行记录即可。现在，如图3所示，在物 体图像10上定义有合计K个点光源，且通过作为下式的复变函数 来表现从第k个点光源O (k)发出的物体光。Ak cos0k + i Ak sin0k若物体图像10由分别具有规定灰阶值(gradation value )(浓度 值)的^象素的集合构成，则对应存在于该点光源O (k)的位置的 ^象素的灰阶值来确定表示纟展幅的参凄t Ak。虽然一^:可以设定6k = 0,但是根据需要，也可以进行从物体图像10的各部分发出不同相 位的物体光这才羊的i殳定。若对于全部K个点光源，定义有分别通过 上述复变函ft来表iE见的物体光，则如图3所示，可以通过作为下式 的复变函数来表现记录面20上的任意的代表点P (X， Y)位置上 的全部K个物体光的合成波。<formula>formula see original document page 36</formula>在此，Ak是从第k个点光源O (k)仅分离单位距离的位置的 振幅，rk是第k个点光源O (k)和代表点P (X, Y)之间的距离。 此外，上述/^式相当于将物体图i象10再生于记录介质的后面时的 公式。当将物体图像10以浮现在记录介质的前面侧的方式被再生 时，通过下式来计算复变函数即可(相位项的符号为负)。<formula>formula see original document page 37</formula>因此，考虑这两种情况的复变函数为下式<formula>formula see original document page 37</formula>若将该函数的实数部分作为Rxy,将虚数部分作为Ixy,且该 函凄t开》成为Rxy+ilxy ，贝'J 图4所示，通过复坐标(complex coordinate )平面上的坐标点T来表示该合成波的代表点P ( X， Y ) 位置上的复数振幅(考虑相位的振幅)。其结果是，通过图4所示 的坐标平面上的原点O和坐标点T之间的3巨离A (x, y )来贝武予代 表点P(X, Y)上的物体光合成波的振幅，且通过矢量OT和实数 轴所成的角度e (x， y)来贝武予相位。如此，可以通过运算来求得定义在记录面20上的任意代表点P (X， Y )位置上的物体光合成波的振幅A ( x, y )和相位0 ( x, y )。 因此，在记录面20上，可以获得从物体图^f象10发出的物体光的复 数振幅分布(物体光合成波的振幅以及相位的分布)。将这样获得 的复IW展幅的分布以某种形式i己录在物理i己录介质上，且在U武予规j 定的再生照明光时，若再生物体光的波阵面(wavefront),则可以 将物体图〗象IO作为全息图进行记录。因此，为了在记录面20上记录从物体图像IO发出的物体光的 复数振幅的分布，本发明的发明人立意使用三维单元(cell)的方 法。当使用三维单元来记录复数振幅的分布，且将物体图像10作 为全息图进行记录时，进行下面的步骤即可。首先，如图5所示， 例如，在i己录面20的4立置上，定义三维々1想单元集合30。该三维 假想单元集合30通过沿纵向和横向排列具有规定尺寸的模块状的 假想单元，从而二维地排列单元。并且，对每个三维假想单元分别 定义代表点。虽然代表点的位置可以是单元内的任意1点，但是，在此，在单元前面(朝向物体图Y象10的面)的中心点位置定义该单元的代表点。例如，当在三维々i想单元集合30的前面(朝向物 体图像10的面)定义XY坐标系，并将具有处于该坐标系的坐标 (x, y )位置上的代表点P ( x， y )的假想单元称为假想单元C ( x， y)时，在该々I想单元C (x， y)的前面的中心点定义4戈表点P (x,y)。另一方面，将物体图像10定义作为点光源的集合。在图5所示的例子中，将物体图像10定义作为K个点光源O( 1 )、0(2 ).....O (k).....O (K)的集合。从这些点光源发出分别具有失见定振幅以及相位的物体光，且这些物体光的合成波到达4戈表点P (x， y)。 如上所述，可以通过上述公式来计算该合成波的复lt振幅，且其洋皮 表示为如图4所示的复坐标平面上的坐标点T, 4艮才居该坐标点T, 可以获得振幅A(x， y)和相位e(x, y)。在这里，将相对于代表 点P (x， y)而获4寻的才展幅A (x， y)以及相^f立6 (x， y)称、为相 对于包括该代表点P (x, y)的々i想单元C (x， y)的指定4展幅A (x, y)以及指定相4立0 (x, y)。实际上，将以上的步骤作为使用计算才几的运算处理而加以#L 行。其结果，通过该运算处理，对于构成三维假想单元集合30的 所有假想单元，可以分别求得指定振幅和指定相位。于是，若将这可以制造由三维物理单元的集合构成的光学元件(记录有物体图像 IO的全息图记录介质)。在这里，取代々支想单元的物理单元需要具 有以下光学特征根据相对于布I想单元而定义的指定振幅以及指定 相位，可以调制入射光的振幅以及相位。换言之，替换后的各个物 理单元必须具有持有以下功能的指定的光学特4i:当il!武予有^见定的 入射光时，根据相对于替换前的假想单元而定义的指定振幅以及指 定相位，通过改变该入射光的才展幅以及相^立，乂人而产生射出光。在对由具有这样的指定的光学特征的物理单元的集合构成的 光学元件照射失见定的再生用照明光(在理想状态下，为具有与上述情况下，由于在每个物理单元中，通过指定4展幅以及指定相^f立来调 整再生用照明光，所以可以再生原来的物体光的波阵面。i。A匕，可 以再生记录于该光学元件的全息图。《§2.三维单元的具体构成例》接着，对用于记录复数振幅(振幅A和相位e)的适当的三维 单元的具体构成例进4于i兌明。在此所i兌明的单元为三维的立体单 元，其分别定义有指定振幅及指定相位，且其具有以下指定的光学特征当向每个单元赋予规定的入射光时，可以获得射出光，其中， 该射出光是才艮据相对于该单元而定义的指定冲展幅以及指定相位来 改变入射光的振幅以及相位的射出光。例如，当相对于如图6所示 的三维单元C (x， y)， i己录有4展幅A (x, y)以及才目^立0 (x, y )， 且向该单元赋予具有振幅Ain、相位0in的入射光Lin时，可以获 4寻冲展幅Aout=Ain.A ( x， y )、对目^f立0out=ein±e ( x, y )的射出光Lout。 入射光的振幅Ain接受基于记录于单元的指定振幅A ( x, y )的调 制并变化为振幅Aout，入射光的相位0in4妄受基于记录于单元中的 指定相^f立e (x, y)的调制并变化为相位eout。在三维单元内调制振幅的一个方法是在单元内设置具有与指 定振幅相对应的透过率的振幅调制部的方法(也可以将整个单元用 作振幅调制部，还可以在单元的一部分i殳置振幅调制部)。例如， 将具有透过率为ZM的振幅调制部的单元作为记录有A (x, y) =Z/100的指定振幅的单元而发挥作用，当具有振幅Ain的入射光通 过该单元时， 一夸其才展幅调制为具有Aout=AirvZ/100的才展幅的射出 光。例如，可以通过分别改变着色剂的含有率来对应将每个三维单 元的透过率设定为任意值。在三维单元内调制振幅的其他方法是在单元内i殳置具有与指 定^展幅相对应的反射率的4展幅调制部的方法。例如，将具有反射率为Z。/。的振幅调制部的单元作为记录有A (x, y) :Z/100的指定振 幅的单元而发挥作用，当具有振幅Ain的入射光通过该振幅调制部 被反射且射出时，将其振幅调制为具有Aout=AirvZ/100振幅的射出 光。相对于将每个三维单元的反射率设定为任意值，例如，在单元 内准备反射面(该反射面作为4展幅调制部而发挥作用)，且将该反 射面的反射率设定为4壬意值即可。具体而言，例如，由于可以通过 改变反射面的表面粗糙度来调节反射光和散射光之间的比例，所以 通过调节该表面的粗4造度，从而可以准备具有任意反射率的单元。在三维单元内调制振幅的其他方法是在单元内设置具有与指 定4展幅相对应的有效面积的4展幅调制部的方法。例如，将具有才展幅 调制部的单元作为记录有A (x, y) -Z/100的指定4展幅的单元而 发挥作用，其中，该振幅调制部构成为当将入射光的全部入射区域的面积"i殳定为100%时，仅从入射到其中的Z。/。的有效面积的部 分的入射光中获得用于再生物体图像的有效射出光。即，由于即使 将具有振幅Ain的入射光作为入射到该振幅调制部的入射光，也只 有其中的Z。/。的光被作为有效的射出光而被射出，因此，入射光被 才展幅调制为具有Aout=AirvZ/l 00的冲展幅的射出光。另一方面，在三维单元中调制相位的一个方法是在单元内"i殳置 具有与指定相位相对应的折射率的相位调制部的方法(可以将整个 单元用作相位调制部，也可以在单元的一部分"i殳置相〗立调制部)。 例如，即-使向具有由折射率为nl的材料构成的相位调制部的单元、 和具有由折射率为n2的材料构成的相位调制部的单元赋予具有同 一相位的入射光，其相对于射出光的相位分别产生差异。因此，若 通过折射率不同的各种材料来构成单元，则可以对入射光进行任意 的相^f立调制。在三维单元内调制相位的其他方法是在单元内i殳置具有与指 定相位相对应的光程长度的相位调制部的方法(可以将整个单元用 作相〗立调制部，也可以在单元的一部分;殳置相^f立调制部)。例如，即寸吏在具有由4斤射率为n的同一材料构成的相位调制部的单元中， 若该相位调制部的光程长度不同，则即使赋予同一相位的入射光， 相对于射出光的相位也会分别产生差异。例如，若设置在第一单元 的相位调制部的光程长度为L，且i殳置在第二单元的相位调制部的 光程长度为2L，则即使赋予具有同一相位的入射光，由于与来自第 一单元的射出光相比，来自第二单元的射出光进入具有折射率n的 材料中的距离为2倍，因此，产生相当于该部分的较大的相位差。 为了实现具有任意光程长度的相位调制部，使用具有物理的凹凸构 造的单元即可。这样，可以通过多种方法来实现具有基于指定^展幅的振幅调制 功能的三维单元、和具有基于指定相位的相位调制功能的三维单 元。例如，作为4展幅调制方法，采用在单元内设置具有与指定纟展幅 相对应的透过率的振幅调制部的方法，作为相位调制方法，采用在 单元内"i殳置具有与指定相位相对应的折射率的相位调制部的方法， 且将整个单元作为振幅调制部及相位调制部而加以使用，则通过选 择性地排列如图7所示的16种的物理单元，从而可以形成光学元 件。该表的4黄轴对应4展幅A,纟从轴对应相^[立e,，振幅A及相〗立e均 #皮分为4个范围。在这里，坤皮与4展幅A为"0~25%"相对应的范围所描绘的单 元(表中的第一列单元)是由透过率非常低的材料构成的单元，被 与振幅A为"25~50%"相对应的范围所描绘的单元(表中的第二 列单元)是由透过率较低的材料构成的单元，被与振幅A为"50~ 75%"相对应的范围所描绘的单元(表中的第三列单元)是由透过 率4交高的材4牛构成的单元，^皮与4展幅A为"75 ~ 100%"相对应的范围所描绘的单元(表中的第四列单元)是由透过率非常高的材料 构成的单元。另一方面，被与相位e为"o 兀/2"相对应的范围所描绘的单元(表中的第一行单元)是由具有非常接近空气的折射率nl的材料构成的单元，净皮与相4立e为"兀/2 ~兀"相对应的范围所描《会的单元(表中的第二行单元)是由具有略大于空气的折射率的折射率n2的材 料构成的单元，被与相位0为"兀 3兀/2"相对应的范围所描绘的单元 (表中的第三行单元)是由具有颇大于空气的折射率的折射率n3 的材料构成的单元，与相位e为"3兀/2~2兀"相对应的范围所描绘的 单元(表中的第四行单元)是由具有比空气的折射率相比非常大的 折射率n4的材料构成的单元。这样，虽然在图7所示的例子中，准备有具有4种透过率、4 种折射率的合计16个单元，但是要以较高的精度在单元中记录振 幅和相位，则更加细致地设定透过率以及折射率的步骤(step),并 准备更多个单元即可。当要4吏用这样的16种物理单元来替换々i想 单元时，选择具有光学特性的物理单元即可，其中，该光学特性非 常接近于以下情况所需的光学特性根据相对于每个4艮想单元而定 义的指定振幅以及指定相位来进行调制。《§3.在先发明中公开的三维单元》如上所述，若用于记录复数振幅的三维单元原理上为具有对应 指定振幅及指定相位而调制入射光的功能的单元，则无论以何种结 构来实现均可。在图7中示出了以下例子通过透过率来控制与指 定4展幅相对应的调制，通过折射率来控制与指定相〗立相对应的调 制。这样，虽然在理论上，调制振幅和相位的方法有多种，但是考 虑工业地批量生产，未必所有的方法均为实用。为了^f吏用记录有复不将每个三维单元的尺寸控制在某种程度以下(大体地_说，若单元的尺寸大于等于100pm，则很难再生可见性良好的物体图像)。因 此，当组合如图7所示的16种物理单元来制作光学元件时，需要 将微小的单元作为部件进行二维排列的作业，并且，需要在指定的 位置上配置16种单元中的指定的单元。当考虑这种作业时，可知的批量生产。所以，在上述的专利文献1 (在先发明日本特开2002-072837 号公才艮)中，作为优选实施例，7>开了具有如图8所示的结构的三 维单元C (x， y)。如图8所示，该三维单元形成为大致长方体的 模块状，在其上面形成有槽G (x， y)。在图8中，各部分的具体 尺寸为Cl=0.6)am、 C2=0.25)am、 C3二0.25拜，槽G(x， y)的尺 寸为Gl=0.2jum、 G2=0.05^m、 G3= C3=0.25^m。当使用具有这种 结构的三维单元C(x, y)时，可以将振幅的信息作为槽G (x， y) 的横向的宽度G1的值进行记录，并可以将相位的信息作为槽G(x, y )的深度G2的值进行记录。换言之，当通过具有这种结构的物理 单元替换定义有指定振幅以及指定相位的4艮想单元时，通过具有与 指定振幅相对应的尺寸Gl,且具有与指定相位相对应的尺寸G2的 物理单元来进^^齐换。参照图9的正视图，对在如该图8所示的三维单元中，将振幅 的信息作为槽G(x， y)的宽度Gl进行记录，并将相位的信息作 为槽G(x, y)的深度G2进行记录的理由进行说明。现在，该物 理单元C ( x， y )构成为包4舌具有4斤射率n2的物质，该物理单元C (x， y)的外侧构成为包括具有折射率nl的物质(例如空气)。此 时，相对于垂直入射到槽G (x, y)的内部的面Sl的光L1、和垂 直入射到槽G(x， y )的夕卜部的面S2的光L2，若与通过折射率n2 的介质中的光程长度进行比较，则可知光L1的光程长度比光L2的光程长度仅短相当于槽G (x， y)的深度G2的长度。因此，若 折射率nl、 n2不同，则在作为透过光从物理单元C (x, y)射出 的光L1和光L2之间会产生规定的相位差。另一方面，图10是表示作为来自三维单元C (x， y)的反射 光而获得射出光时的正视图。在该例中，三维单元C (x， y)的上 面、即面Sl以及S2变为反射面，大致垂直入射到槽G(x, y)内 部的面Sl的光L1、和大致垂直入射到槽G (x， y)外部的面S2 的光L2分别在各个面上大致被垂直反射且射出。这时，若比较沿 入射以及反射路径的全部光程长度，则可知光Ll的光程长度比 光L2的光程长度长相当于槽G ( x， y )的深度G2的2倍。因此， 在作为反射光从物理单元C (x， y)射出的光L1和光L2之间会产 生夫见定的相4立差。这样，无论三维单元C(x, y)是透过型的单元还是是反射型 的单元，在入射到槽G(x， y)内部的面S1的光L1、和入射到槽 G (x， y)外部的面S2的光L2之间都会产生规定的相位差，且根 据槽G(x， y)的深度G2来确定该相位差。于是，仅将入射到三 维单元C (x, y)的上面的光中的、根据入射到槽G (x， y)内部 的面Sl的入射光而获得的射出光用作用于再生物体图像10的有效 的射出光(换言之，在图9或者图10中，仅将光L1作为用于再生 图象的有效射出光)，则在该三维单元C (x, y)中，用于再生图 像的有效的射出光L1接受了与槽G(x, y)的深度G2相对应的指 定相位的相位调制。如此，可以将物体光的相位信息作为槽G (x, y)的深度G2进4亍记录。并且，如上述，若仅将基于入射到槽G (x, y)内部的面Sl 的入射光而获得的射出光用作用于再生物体图像10的有效的射出 光，则可以将物体光的振幅的信息作为槽G (x， y)的宽度G1进 行记录。这是因为槽G (x， y )的宽度Gl越大，槽G (x， y )内部的面Sl的面积也越大，乂人而用于再生物体图〗象10的有效的射出光的比例增加。即，由于在如图9或者图10所示的射出光L2中 并没有包括具有任4可意义的相位成分，所以再生时，即使在一见点位 置观测这些射出光L2，也是被视为所谓的背景光(background)的 噪声成分，不会4皮理解为可以再生有意义的图^象的光。与此相对， 由于射出光L1包括有意义的相位成分，所以被认为是用于再生图 像的有效的信号成分。其结果，槽G(x， y)的宽度G1成为决定 乂人该物理单元C(x， y)射出的光中的、作为信号成分而乂见测的光 Ll的比例的主要因素，且成为赋予信号波的振幅信号的参数。在具有如图8所示的槽G (x, y)的物J里单元C(x, y)中， 可以连续性地改变槽的宽度G1以及深度G2，因此，理论上，可以 准备无限种的物理单元。若使用这样的无限种的物理单元，则可以 通过具有与相对于々￡想单元而定义的指定4展幅相7十应的正确的槽 宽度G1，且具有与指定相4立相对应的正确的;果度G2的物理单元来 替换该假想单元。但是，在实际应用中，预先规定a种槽宽、b种 深度，准备合计axb种物理单元，从这些物理单元中选择所需要 的光学特征最接近的物理单元进行使用。图11是表示规定有7种 槽宽、4种深度，且准备合计28种物理单元的例子的立体图。该 28种物理单元均是形成为如图8所示的状态的才莫块状的物理单元， 在图11中示出了将这些物理单元配置成4行7列的阵列状的状态。该图11所示的阵列的7列表示振幅A的变化，4行表示相位e 的变化。例如，位于歹'J Wl的单元是对应于4展幅A的最小值的单元， 槽宽GtO，即其是完全没有形成槽G的单元。随着向列W2 W7 即向右侧移动，逐渐变为对应于更大振幅A的单元，槽宽G1逐渐 变宽。位于列W7的单元是对应于振幅A的最大值的单元，槽宽 Gl-单元宽度Cl,即其是整面#皮挖(excavate)的单元。并且，若 注意如该图11所示的阵列的行，则例如，位于行V1的单元是对应于相位e的最小值的单元，槽的深度G2-0，即其是完全没有形成 有槽G的单元。随着向行V2-V4即向下侧移动，变为对应于更大 相位0的单元，且槽的深度G2逐渐变大。元的集合体构成的光学元件，则需要进行微细加工的技术，需要高 精度的制造工序。例如，在图8所示的三维单元中，将单元的宽度 Cl i殳定为0.6)am。因此，在如图ll所示的例子中，为了通过7个 阶段的精度来记录振幅A的值，需要将槽宽Gl的变化分为7种， 例如需要进4亍如下i殳定在列Wl的单元中为G1=0，在列W2的 单元中为Gl=0.1fim,在列W3的单元中为Gl=0.2jum，在列W4的 单元中为Gl=0.3pm,在列W5的单元中为Gl=0.4jum，在列W6的 单元中为Gl=0.5jum,在列W7的单元中为Gl=0.6jum (即，与单元 的宽度C1相同)。但是，为了以较高的精度形成具有O.ljim、 0.2pm、 0.3pm、 0.4pni、 0.5pm这样的微小宽度的槽，则需要具有极高的加工精度 的装置。因此，当通过具有图8所示的结构的三维单元的集合体来 形成光学元件时，难以才是高生产率。在本发明所/>开的新方法中損二 供了一种光学元件其与该在先发明中所公开的光学元件相比，制 造工序比專交简单，且具有卓越生产率。下面，将在§4以后对该方 -法进^亍+羊细{兌明。《§ 4.在本发明中使用的三维单元的基本结构》图12是表示在本发明的基本实施例中使用的物理的三维单元 C (x, y)的结构的一例的立体图。当将如图8所示的在先发明中 所/>开的三维单元C (x, y)、和如图12所示的本发明涉及的三维 单元C(x， y)进行比较时，其共同点是均为以长方体为基本形状的三维单元，且每个单元老卩i己录有指定纟展幅以及指定相^[立。^f旦是， 指定振幅以及指定相位的记录形态不同。即，在前者中，如图8所示，在以长方体为基本形状的单元的上面形成有槽G (x, y)，以其宽度G1来表现振幅A，以深度G2 来表现相位e。与此相对，在后者中，如图12所示，在以长方体为 基本形状的单元的上面形成有糸f射光^册G (x， y),且进行振幅A 以及相位e的记录。这样，在后者中，由衍射光栅发挥了前者中的 槽的作用，因此在这里，为了Y更于说明，采用与图8的槽相同的符 号G (x， y)表示图12的衍射光栅。此外，衍射光栅G (x, y) 以及三维单元C (x， y)的符号(x, y)表示.'该单元是配置在如 图5所示的XY坐标系上的代表点P (x, y )的位置上的单元。在图12中，尺寸Cl、 C2、 C3是以该三维单元C (x, y)的 基本形状形成的长方体的尺寸，尺寸Gl为形成有衍射光栅G (x， y)的区域的长度，尺寸G2为从构成衍射光栅G (x, y)的凹凸结 构的最浅部到最深部的深度，尺寸G3为形成有衍射光栅G (x, y) 的区i或的宽度。其结果，如在图的上面附加阴影所示，衍射光栅G (x， y )形成在具有Gl x G3尺寸的长方形区^或E (x, y )上。在 这里，将该长方形的区域称为有效区域E (x， y)，将单元上面的有 效区域E (x, y)之外的区域称为空白区域B (x, y)。在本发明中，爿夸关于该三维单元C (x, y)的指定4^幅A作为 有效区i或E(x， y)的面积进4亍i己录。即，当为指定4展幅A小的单 元时，较小地设定有效区域E (x, y)的面积，当为指定振幅A大 的单元时，较大地设定有效区域E (x， y)的面积即可。有效区域 E (x, y)的最小值为0 (在这种情况下，完全没有形成衍射光4册)， 有效区i或E (x， y)的最大〗直为单元上面的整体面积(在这种情况 下，没有空白区域B(x, y))。因此，在图中所示的例子中，指定 才展幅A的大小的动态范围是0 "ClxC3"。如后所述，由于本发明涉及的光学元件的观察者可以观测到基于该衍射光栅G (x, y) 的彩f射光，因此有效区域E ( x， y )的面积越大的单元，可以)現测 到越强的衍射光。因此，关于振幅A，该图12所示的三维单元作 为与图6所示的才莫型(model)单元而发一军作用。当然，在实施本发明时，作为三维单元没有必要一定采用基本 形状为长方体的单元。但是，在实际应用上，如图5所示，由于阵 列状地配置该三维单元而形成光学元件，所以优选将单元的基本形 状形成为长方体。并且，虽然有效区域E(x， y)的形状也没有必 要一定形成为长方体，^f旦是为了简化物理形成书f射光^f册的工序，所 以在实际应用上，优选形成为长方形。并且，虽然在图12所示的 例子中，构成为将有效区间E (x, y)设定在单元长度Cl的区间 的大致中央部，在两侧配置空白区域B (x， y)，但是，例如，也 可以构成为将有效区域E (x， y)移动到单元C (x, y)的上面 的左端，4又在图的右侧部分配置空白区i或B (x， y)。此夕卜，在这里所示的实施例中，在沿有效区域E (x, y)的尺 寸Gl边的方向上发生衍射光栅的凹凸形状的变化，在沿尺寸G3 边的方向上完全没有凹凸变化。并且，有效区域E(x, y)的宽度 G3始终与单元的宽度C3相同。因此，不管是哪一个单元，横跨单 元的整个宽度(尺寸C3)而形成衍射光对册，有效区间E (x， y)的 面积主要才艮据尺寸Gl来进4亍>见定(有效区域E (x, y)的面积与 尺寸Gl成比例)。当然，不一定将有效区域E(x， y)的宽度G3设定为始终与 单元的宽度C3相等。但是，如后所述，优选在实施本发明时，将 三维单元C (x， y)的尺寸C3设定为颇小于尺寸Cl (为了提高体 一见效果)。由此，在实际应用上，优选将有效区域E(x, y)的宽度 G3设定为始终等于单元的宽度C3,在不管应该记录的振幅A的值， 且无论是哪个单元的情况下，均横跨单元的整个宽度(尺寸C3)来形成书f射光斗册。此外，虽然在这里示出了通过基于多个杀牛面(slope)的凹凸结构(截面为连接三角形的锯齿状的结构)而形成 G(x, y)的例子，^f旦是形成有4汙射光4册的凹凸结构并不仅限于这 样的例子(将在后面示出阶梯状的结构例)。接着，对在该图12所示的三维单元中的指定相位e的记录方法进行说明。图13是表示该相位e的记录原理的扩大正视图。图 的上4爻是如图12所示的布f射光4册G (x， y)的部分的扩大正-见图， 其示出了在具有长度G1的有效区间E (x, y)内形成具有基于斜 面的凹凸结构的衍射光栅G的状态。如图所示，该衍射光栅G是 形成具有周期《的周期性凹凸形状变化的结构体，^v该凹凸结构体 的最浅部到最深部的深度为h (对应图12中的尺寸G2)。这样，在 包括具有规定周期g的周期性凹凸形状的结构体中，可以将相位e定义为空间的配置相4立。例如，若将该图13的上段所示的凹凸结构部分(具有长度G1 的有效区域内的部分)向右方向仅移动g/4,则可以获得图13的下 ,殳所示的结构体。由于周期g相当于2兀的相位差，因此，移动量 "4相当于兀/2的相位差。其结果，若将图13上段所示的衍射光栅 的相位e定义为基准值0,则图13下段所示的衍射光栅的相位e变 为兀/2。这样，向图的横向方向，将凹凸结构部分仅移动周期g范围内的夫见定量，乂人而可以获4寻与0~2兀范围内的相^立e相7于应的结 构。因此，例如，对于应该记录指定相位e=o的三维单元，形成具有如图13的上段所示的这样结构的衍射光栅即可，对于应该记录指定相位0=兀/2的三维单元，形成具有如图13下革殳所示的这样结构 的^f射光4册即可。这样，记录有作为周期性凹凸形状变化的空间的配置相位的相 位e的三维单元，关于相位e，作为如图6所示的模型单元而发挥 作用。在下面说明其原因。首先，通过将具有这样结构的物理的三维单元进行二维阵列状的排列，从而构成光学元件，考虑向该光学 元件照射再生用照明光，并再生作为全息图而^皮记录的物体图^象10 的环境。图14是表示进行这样的再生时的光学元件40 H吏用物理单元 的全息图记录介质)、再生用照明光Lt或Lr、 一见点E之间的关系的 侧一见图。当光学元件40是采用透过型单元的透过型类型时，如图 所示，向与视点E相反侧的面照射再生用照明光Lt，在视点E观察 透过光学元件40的光，当光学元件40是采用反射型单元的反射型 类型时，如图所示，向与一见点E相同侧的面上照射再生用照明光 Lr,在—见点E 7见察从光学元件40反射来的光。无"i仑是何种，当采 用作为如图6所示的才莫型单元而发挥作用的物理的单元来构成光学 元件40时，将再生用照明光Lt或者Lr赋予作为单色光的平面波， 如图14所示，乂人光学元件40的记录面(排列有物理单元的二维排 列面)的法线方向照射再生用照明光Lt或者Lr (换言之，照射再 生用照明光，以便使波阵面平行于光学元件40的记录面)，若从记 录面的法线方向观察图像，则可以观察到正确的再生图像。但是，记录有作为全息图的物体图像10的光学元件40的实际 再生环境并不一定是如图14所示的理想的环境。尤其是，当为反 射型类型时，由于7见测者的头部^立于一见点E的4立置，因此，即佳乂人 如图14所示的方向照射再生用照明光Lr，导致在光学元件40上形 成观测者的影子，从而无法进行良好的再生。因此，实际的再生环 境一般采用如下的方式如图15所示，从相对于光学元件40的记 录面的倾倾杀+方向照射再生用照明光Lt或者Lr,在〗立于法线方向 的视点E观察再生图像；或者如图16所示，从光学元件40的记录 面的法线方向照射再生用照明光Lt或者Lr,在〗立于倾倾存牛方向的 一见点E ^见察再生图^f象；或者一夸再生用照明光Lt、 Lr的照射方向和 从视点E的观察方向均设定在倾倾斜方向。在这样的实际的再生环境中，为了制作可以获得良好再生图像的光学元件40，需要采取措施，使从光学元件40放射的再生用照 明光朝向失见定的一见点E的方向。在在先发明中，为了采耳又这样的措 施，采用了以下方法相对于作为每个三维单元(具有图8所示的 槽的单元)的槽的深度而应该进行记录的指定相位而进行^f奮正处 理。与此相对，由于在本发明涉及的三维单元中，形成衍射光4册来 代替槽，因此利用该衍射光栅的衍射功能，可以使再生用照明光朝 向头见定的一见点E的方向。例如，考虑以下情况4口图17所示，/人倾倾杀牛方向照射再生 用照明光L1 L4，在位于法线方向的视点E观察由于透过光学元件 40而接受振幅及相位的调整的光LL1 LL4 (再现来自物体图像10 的物体光的波阵面的光)。在这种情况下，若着眼于光学元件40作 为衍射光栅而发挥作用，则入射到衍射光栅的再生用照明光L1 L4 衍射，且其作为衍射光LL1 LL4而朝向视点E即可。在这里，考虑再生用照明光L1 L4是具有波长X的单色平面波 的筒单例子。当乂人倾斜方向向光学元件40照射这样的再生用照明 光时，在到达光学元件40上的各点P1 P4的时刻产生光程差，各 点P1 P4上的入射光本身已经产生有相位差。例如，与向点P1位 置入射的入射光相比，入射到点P2、 P3、 P4位置的入射光的光程 长度4又长d2、 d3、 d4，因此，入射光本身已经产生有相当于该光程 差的相位差。光的衍射现象原本是向用于取消由于这样的位置而产 生的相位差的方向射出光的现象。因此，若由于光学元件40的衍 射功能，可以沿如图所示的方向获得衍射光LL1 LL4，则在这些衍 射光LL1 LL4之间产生的相位差已经#:取消，到达一见点E的光中 不会产生由光程长度d2、 d3、 d4引起的相位差。另一方面，图18是表示乂人法线方向照射再生用照明光L1 L4， 并在位于倾倾4牛方向的一见点E 7见察透过光学元件40而4妻受纟展幅以及相位的调制的光LL1 LL4(再现来自物体图像10的物体光的光) 时的侧—见图。在这种情况下，再生用照明光L1 L4是具有波长X的 单色平面波，JU人法线方向向光学元4牛40照射有这才羊的再生用照 明光。于是，虽然在到达光学元件40上的各点P1 P4的时刻，没 有产生任何光程差，且各点P1 P4上的入射光的相位一致，但是导 致在从各点P1 P4的位置发出的射出光到达视点E为止的光程长度 上分别产生有差异。例如，与来自点Pl位置的射出光相比，来自 点P2、 P3、 P4位置的射出光的光程长度仅长d2、 d3、 d4。但是， 由于光学元件40的书于射功能，沿如图所示的方向可以获得布t射光 LL1 LL4，这说明对于向这个方向射出的衍射光LL1 LL4，由光程 长度d2、 d3、 d4引起的相位差被相抵，/人而在到达一见点E的光中 不产生由光程长度d2、 d3、 d4引起的相位差。以上，虽然对有关透过型的光学元件40进行了说明，但是， 即使是反射型的光学元件40，其基本的现象也是相同的。因此，在 本发明中，使用具有书于射光栅的三维单元来预先设定适用于指定观 察环境的衍射角度，从而制作如图17或图18所示的观察环境为前 才是的光学元件。此外，对于所谓由衍射光栅引起的光的衍射现象，虽然可以认 为其是用于取消基于经由图17或图18所示的位置P1 P4观察到的 光的光程差的相位差的现象，但是，在本发明中，记录在每个三维 单元的相位9与通过该衍射现象而被取消的相位差没有关系。即， 若着眼于7见察时最^^到达一见点E的光，则由如图17或图18所示的 光程差d2 d4而产生的相位差是通过衍射现象而取消的，所以不会 产生由光学元件40上的几何位置而引起的相位差。但是，在每个 三维单元中分别"i己录有指定相^f立e(如图13所示的例子，作为凹凸 结构部分的移动量而被记录)，由该指定相位e引起的相位差对观察时最终到达视点E的光的相位赋予影响。因此，在视点E上，可以将物体图像10作为全息图像进行观察。参照图19以及图20详细i兌明这点。该两个图均为以如图17 所示的^L察环境为前4是而制作的光学元件40的 一部的示意图，即， 是相当于形成为三维单元的衍射光栅的1周期g的部分的扩大图， 但是两者的衍射光栅的相位不同。图19示出了如图13的上段所示， 记录有相位e-0的单元，图20示出了如图13的下^史所示，记录有 相位0=兀/2的单元。无^仑哪个图，在记录面20的右侧部分都示出了 附加有阴影的三角形部分50, 4旦是，该三角形部分50是构成书亍射 光栅的凹凸结构的部分，且由具有^L定衍射率的透光材料构成。在 这里，若将该三角形部分50置于具有折射率nl的介质中(若是在 空气中观察该光学元件的一般的情况，则nl是空气的折射率)，且 该三角形部分50自身的折射率为n2。此夕卜，实际上，虽然在记录面20的左侧部分存在由相同材料 构成的单元的主体部分，但是，在这里，为了^f更于说明，仅考虑有 关附加阴影的三角形部分50的光的动作。该三角形部分50的横向 的尺寸h是从该凹凸结构体的最浅部到最深部的深度，纵向的尺寸 5变为凹凸形状变化的1周期。首先，考虑记录有如图19所示的相位6=0的单元。在图示的 例子中，若乂人该三角形部分的左上倾倾名+方向照射再生用照明光 L1 L3，则沿图的右方向可以获得衍射光LL1 LL3。在这种情况下， 若将再生用照明光L1 L3的入射角度i殳定为巾，则再生用照明光L1 L3通过衍射光栅仅以衍射角度cM汙射并射出。通常，基于具有 周期g的周期结构的衍射光栅的波长X的光的衍射角度4)是将衍射光的次H作为m (m=0、 ±1、 ±2、 ±3.......),并通过下式而4皮贝武予的。
sin 4 =mX但是，在图17或图18所示的观察环境中，由于是在视点E获 得一次衍射光(m=±l )时，可以获得比较明亮的再生图像，因此， 在实际应用上，优选进行设111=1时(或者111=-1时也可以)的设定。因此，下面，在上式中，若考虑！11=1的情况，则可以获得下式。《sin cj) =X在这里，若将到达图19中的入射点P1的再生用照明光L1、 与到达入射点P3的再生用照明光L3之间的光程差设为d,则根据 几何学，d=gsin4)，因此，结果，上式表示光程差c^X这样的关系。 这表示到达^又分离g的点Pl、 P3的再生用照明光L1、 L3的相位差 变为波长X。由于相当于波长X的相位差2兀与相位差O等价，因此， 上式还具有如下意义该公式是在到达仅相隔^的点Pl、 P3的再 生用照明光L1、 L3之间不产生相4立差的条4牛。另一方面，到达点Pl的再生用照明光L1仅以角度cM汙射，且 其被作为衍射光LL1射出。这时，在通过由具有折射率n2的透光 性材料构成的三角形部分50之后，进入具有折射率n 1的介质中(通 常为空气中)。在这种情况下，三角形部分50 (具有折射率n2的材 料)的通过距离为h。与此相对，到达点P3的再生用照明光L3仅 以角度cj)衍射，且其被作为衍射光LL3射出，但是，三角形部分 50 (具有折射率n2的材料)的通过距离为0。于是，求得距离h， 以便波长X的光"在具有折射率nl的材料中仅传播(propagation) 距离h时"与波长X的光"在具有折射率n2的材料中传播距离h时" 的相^立差变为2兀，若将三角形部分50的高度i殳定为与该3巨离h相 等，则在从点Pl、 P3射出且穿过三角形部分50的衍射光LL1、 LL3 之间不会产生相位差(入射时产生的相位差2兀被相抵)。下面，考虑入射到点P1与点P3之间的4壬意中间点的再生用照明光的相位差。例如，图19所示的再生用照明光L2在到达入射点 P2 (在这里为点Pl、 P3的中点)的时刻，相对于到达入射点Pl的 再生用照明光L1，产生d/2的光程差。在这里，如上所述，由于光 程差(1=^,所以光程差d/2相当于X/2。从而，相对于到达入射点P1 的再生用照明光L1，到达入射点P2的再生用照明光L2产生仅为兀 的相位差。但是，通过在三角形部分50中的传播，从而取消该兀相位差。 即，由于将三角形部分50的高度h设定为"在具有折射率nl的材 料仅传播距离时h时、和在具有折射率n2的材料中仅传播距离h 时的相位差变为2兀的距离"，因此，在三角形部分50仅传播h/2 距离的书亍射光LL2在该传播中只产生兀的相位差，乂人而由光考呈差 d/2产生的相位差兀被相抵。这样，在入射到记录面20的时刻产生 的光禾呈差通过三角形部分50而一皮相4氏的iE见象不V又相^"于再生用照 明光L2而发生，对于入射到点Pl和P3之间的任意位置的再生用 照明光也同才羊发生。其结果，由记录介质20上的几何学入射位置的不同而产生的 相位差通过三角形部分50来相抵。这是具有如图所示的周期性结 构的衍射光栅的基本功能，光向产生这样的相位差相抵的方向弯曲 的想象就是光衍射的本质。只是，即使发生由这样的几何学入射位 置的不同而产生相位差相^^氏的现象，记录在每个三维单元的指定相 位0也^皮一见为到达^L点E的衍射光的相位。将如图19所示的书亍射 光栅中产生的现象和如图20所示的衍射光栅中产生的现象进行比 專交，则可以1更于理解其原因。即j吏在如图20所示的衫f射光4册中，也配置有与图19所示的杏亍 射光栅成完全相同形状的三角形部分50。两者的唯一区别是以下这 点三角形部分50的配置偏移了 g/4 (即，存在兀/2的相位差)。因此，若着眼于图20所示的单元，则由记录面20中的几何的入射 4立置的不同而产生的相4立差通过三角形部分50 ^皮相4氐，因此，在 到达视点E的衍射光LL1'、 LL2'、 LL3'的相互间不产生相位差。但 是，即使图19所示的再生用照明光L1、 L2、 L3及入射角度4)、与 图20所示的再生用照明光L1、 L2、 L3及入射角度cf)完全相等，图 19所示的衍射光LL1的相位与图20所示的衍射光LL1'的相位也是 不同的。当然，图19所示的衍射光LL2的相位与图20所示的衍射 光LL2'的相位也不同，且入图19所示的衍射光LL3的相位与图20 所示的衍射光LL3'的相位也不同。产生在这些之间的相位差相当于 i己录在各单元中的指定相4立e。例如，若将记录在图19所示的单元中的指定相位e设定为0=0,且将其作为基准，则记录在图20所示的单元中的指定相位e变为0=兀/2 ( g/4的偏移量相当于兀/2的相位)。在这里，若将图19所示 的衍射光LL1的相位和图20所示的衍射光LL1'的相位进行比较， 则两者的入射点Pl位置的相位相同。但是，由于图19所示的衍射 光LL1在到达一见点E的时刻，4又通过三角形部分50的距离h,从 而产生2兀的相位移位(shift),与此相对，衍射光LL1'在到达视点 E的时刻，仅通过三角形部分50距离(3/4)h,从而产生(3/4)x2兀 的相^f立移位。因此，在到达一见点E的时刻，在两者之间会产生2兀-(3/4) x2兀的^H立差。与此完全相同，在到达一见点E的时刻，在图19所示的书f射光 LL2与图20所示的衍射光LL2'之间也产生兀/2的相位差。即，若 将在图19所示的衍射光LL2的相位与图20所示的衍射光LL2'的相 位进行比较，则两者在入射点P2位置上的相位差相等。但是，由 于图19所示的4汙射光LL2在到达^f见点E的时刻，4义通过三角形部 分50距离h/2,从而产生兀的相位移位，与此相对，衍射光LL2' 在到达视点E的时刻，仅通过三角形部分50距离h/4，从而产生(1/4 )x2兀的相位移位。因此，在到达一见点E的时刻，在两者之间产生兀-(1/4 ) ><2兀=兀/2的对目^f立差。在图19所示的衍射光LL3与图20所示的衍射光LL3'之间也 完全相同地产生兀/2的相位差。其结果，即Y吏以完全相同的入射角 度c])照射具有相位完全相同的再生用照明光，则相对于从图19所 示的单元观察到的衍射光的相位，从图20所示的单元观察到的衍 射光的相位与几何的位置无关地始终仅偏移兀/2。这是因为记录在 图19所示的单元中的指定相位0为0=0,与此相对，记录在图20 所示的单元中的指定相位0为0=兀/2。^口上所述，可》口 i己录有作为书亍射光斥册的空间配置相^f立的相^立e的三维单元关于相位e，作为如图6所示的模型单元而发挥作用。其结果，若使用具有如图12所示的结构的三维单元，并将指定振 幅A作为有效区域E(x， y)的面积进4亍记录，将指定相位e作为 衍射光栅G(x, y)的空间配置相位进行记录，则该三维单元作为 如图6所示的才莫型单元而发挥作用，入射光的4展幅Ain接受基于记 录在单元中的指定振幅A (x， y )的调制并变为振幅Aout，入射光 的相位0in接受记录在单元中的指定相位0 (x, y )的调制并变为振幅e。ut。《§5.在本发明中使用的三维单元的优点以及适当的尺寸》接着，对具有如图12所示的结构的三维单元的优点进行描述。 该三维单元的最大优点是以下这点与图8所示的在先发明的三维 单元相比，制造时的加工精度放宽，因此制造工序变为比较简单， 乂人而可以^是高生产率。根据在先发明的实施例，作为图8所示的三维单元的各部分的 尺寸，例示有Cl=0.6jim、 C2=0.25)im、 C3=0.25nm、 Gl=0.2|am、G2=0.05nm、 G3=0.25pm这才羊的4直。^口图11戶斤示的侈']子，为了以7 个阶段的精度记录振幅A的值，则需要准备7种槽G1的变化，因 此，需要高精度地形成具有例如O.Ojum (没有槽)、O.ljum、 0.2jum、 0.3)im、 0.4jum、 0.5pm、 0.6jam (整面的冲曹)这才羊的孩t小宽度的冲曹。 目前，为了进行这样的孩i细加工，虽然可以利用电子束光刻装置 (electron beam lithography device )等，4旦是即4吏是<吏用这才羊的高4青 度的装置，也难以正确地形成具有O.lpm刻紋差异的宽度的槽。如上所述，由于即使仅以7个阶段的精度也难以记录振幅A的 值，因此，以目前的技术，以更高的精度记录振幅A的值是极其困 难的。例如，为了以13个阶段的精度记录振幅A的值，则需要正 石角形成具有0.05pm刻乡丈差异的宽A的冲曹(O.Oiim、 0.05^im、 O.lOjam、 0.15,、…)。当然，如果4交大地:没定三维单元的尺寸，则虽然也可以扩大槽 的宽度G1的最大值，但是，当使用具有如图8所示的槽结构的三 维单元时，若扩大三维单元的尺寸，则不得不增大每个单元的配置 间3巨，乂人而导致作为记录全息图寸象(hologram image)的光学元件 的功能受到损失。为了再生全息图像，需要这样的三维单元的集合 体整体发挥与光学地记录有干涉条紋的全息图记录介质相同的作 用。因此，在使用具有图8所示的槽结构的三维单元的基础上，不 得不将每个单元的尺寸i殳定得接近于可^L光的波长的尺寸。具体而言，若将每个单元的配置间距设定在0.2|um~0.4Mm的范 围内，则即使与光学记录有千涉条紋的全息图记录介质相比，也可 以获得具有并不逊色的体视效果的再生图像。当单元的配置间距未 满0.2pm时，通过可视光难以形成清楚的全息图再生图像。相反， 若单元的配置间距超过4pm,则难以形成具有充分的体视效果的再 生图像。这是因为单元的配置间距越大，可以获得体视的角度变 得越小。例如，当再生用照明光的波长)^555nm时，若将单元的配置间距设定为0.4jum,则可以获得体视的角度为士44。程度，与此相 对，若将单元的配置间距设定为4pm，则可以获得体视的角度为士4。 程度。根据上述理由，当使用具有图8所示的槽结构的三维单元时， 无法采用单纯地扩大单元的尺寸来纟爰和加工精度的条件的方法。为 此，在本发明中采用以下方法虽然相对于记录面上的纵4黄2个方 向，牺4生一个方向的体一见，4旦是相应地》爰和加工4青度的条件。如图 12所示的本发明涉及的三维单元是用于适用于上述方法的三维单 元。当在^己录面上阵列爿犬配置上述的单元来构成光学元件时，虽然 可以获得有关图12的纵深方向(平行于具有长度C3的边的方向) 的体纟见效果，^f旦是，要牺牲有关图12的左右方向(平行于具有长 度C1的边的方向)的体视效果。如上所述，若以牺牲关于一个方向的体视效果为前提，则在图 12所示的本发明涉及的三维单元中，可以将单元的长度C1设定为 相当长的值。当为本发明的发明人实际制造的、具有图12所示的 结构的三维单元(紫外线固化树脂对于波长X=555nm的光的折射 率为1.52 )时，各部分的尺寸为Cl=20jum、 C2=0.25^im、 C3=0.4jLim、 Gl=0 20pm、 G2=0.18,、 G3=0.4jum、 g=l,。在这里，有效区 域E (x, y)的长度Gl是对应应该记录的指定振幅A，相对于每 个单元都不同的值，最小值是OjLim，最大值是20jum。 G1=0 (最小 值)是应该记录在单元中的指定振幅A为0的情况，在这种情况下， 在该单元中完全没有形成有衍射光栅。并且，Gl=20|um (最大值) 是应该记录在单元中的指定4展幅A为最大值的情况，在这种情况 下，在该单元的整个上表面形成有衍射光栅，且不存在空白区域B (x， y)。另一方面，形成有衍射光栅的凹凸结构体的深度G2是相 当于如图19以及图20所示的三角形部分50的高度h的值，如上 所述，其^皮i殳定为适用产生2兀的相位差的值。还需要考虑三维单元的结构、采用的材料的折射率、光的波长来确定深度G2(高度h) 的具体值，将在§ 7中进行详细说明。图8所示的在先发明涉及的三维单元和图12所示的本发明涉 及的三维单元均以长方体为基本形状，且虽然在图面上大致被描纟会 为相同的尺寸，但是，实际上两者的形状以及尺寸有很大不同。尤 其，若着眼于有关图的横向的单元的长度Cl,则当为如图8所示 的在先发明涉及的三维单元时，C=0.6pm，与it匕相只十，当为如图12 所示的本发明涉及的三维单元时，C=20|um，其有着显著的差。即， 当为图12所示的本发明涉及的三维单元时，单元的宽度C3=0.4jLim， 与此相对，单元的长度O20jLim,关于具有这样尺寸的实施例，图 12是忽视尺寸比而加以描绘的图。按照上述尺寸制作的三维单元在 图12中是沿横向细长的棍状单元。在这里，首先，对将单元各部分的尺寸i殳定为上述值的理由进 行说明。上述的各尺寸值是作为制造反射型光学元件时的最适合值 而被确定的值，其中，上述反射型光学元件被作为信用卡等的防伪 封条而使用。当视觉确认信用卡的内容时， 一般情况下，将视点置 于手持的信用卡(光学元件40)的正面，并使用来自i殳置在室内的 天花才反的照明的再生用照明光进4于5见察。这种情况下的》见察环境相 当于以下例子在如图17所示的透过型例子中， 一寻再生用照明光 L1 L4的位置相对光学元件40的记录面，变更为平面对称的位置。 于是，例如以入射角度小=40°这样的观察环境为前提(从天花板的 照明向垂直方向的再生用照明光以相对于信用卡(光学元件40)的 法线方向，以入射角40。进行照射)，作为波长X,赋予为555nm(通 常，基于肉眼的能见度最高的波长)，若在上述的衍射公式g sin (J) =mX中插入这些值，则可以获得/>式g sin40。=555nm。因此，若从该公式中求得衍射光栅的凹凸形状变化的周期《， 则可以获4寻？ =864nm这才羊的j直。可是，该g-864nm这样的计算结果是以再生用照明光为具有 555nm波长的单色光，且入射角4> =40。这样的观察环境为前提时的 值，因此，大体上只具有该数值的意义。在实际的^见察环境中，通 常使用几乎接近于白色的再生用照明光，并且，由于不是完全的平 面波，因此，无法根本意义地设定入射角度cl)。只是，作为大致的 标准，在上述的观察条件下，获得了《=864nm这样的计算结果， 因此，本发明的发明人设定了 ？-ljum这样的阶段好的值。实际上， 当将其作为信用卡用的防伪封条等的、日常生活中肉眼观察的对象 的光学元件时，若将^的值设定在0.6 2nm的范围内，则不会产生 问题。如上所述，若将》f射光^f册的凹凸形状变化的周期gi殳定为 lfim，则形成衍射光栅时的有效区域E (x, y)的长度Gl的最小 值为5pm。这是因为为了作为具有某种程度的衍射效率的衍射光 栅而发挥作用，最多需要5周期左右的凹凸形状变化。因此，设定 为g-0.6^m时的Gl的最小Y直为3|Lim, "i殳定为g =2jum时的Gl的 最小值为lOjum。因此，有效区域E (x， y)的长度G1的绝对最小 值是3pm。以2个阶段的精度来记录振幅A的值就足够时，只要准 备形成有书于射光4册或未形成有书f射光4册的2种单元就足够，因此， 本发明所使用的三维单元的长度Cl的最小值是3jum。另一方面，从尽量要以较高的精度来记录振幅A的值的观点出 发，有效区域E (x， y)的长度G1的最大值(换言之，单元C (x, y)的长度Cl)越大越好。例如，若设定Cl=lmm,则即使将Cl 设定为以lpm刻紋而不同的值，也可以以IOOO个阶段的高精度来记录振幅A的值。但是，若将单元的长度C1设定为lmm左右的 <直，则导致可以以肉眼来 见察每个单元，当肉眼乂见察整个光学元件 时，导致可以看见条紋。因此，实际上优选将单元的长度Cl i殳定 为肉眼无法观察单元程度的值，具体而言，优选设定为小于等于 300|um。如上所述，本发明采用的三维单元的长度C1 (有关衍射光 栅的周期性凹凸形状变化产生的方向的长度)的实用的尺寸范围是 3jum 300jum。接着，考虑本发明采用的三维单元的宽度C3的适当尺寸范围。 如上所述，在本发明中，虽然牺4生有关图12的左右方向(平4亍于 具有长度C1的边的方向)的体视效果，但是，确保有关图12的纵 深方向(平行于具有长度C3的边的方向)的体^f见效果。因此，需 要将沿图12的纵深方向邻接配置的每个单元的间距设定在如上所 述的、可以获得体 f见效果的0.2|Lim 4^im的范围内。由此，本发明 采用的三维单元的宽度C3的适当尺寸范围是0.2jnm 4Mm。此外，若图12所示的三维单元沿图的^v深方向^皮配置有多个， 贝'H汙射光片册G(x, y)也向图的纵深方向延伸。在这里，在邻4妄配 置的每个单元中分别记录有不同的振幅A和相位e，因此衍射光栅 的空间配置一点点:t也偏移。因此，若在i己录面上配置多个三维单元， 则其结果变为以下状态近似于在记录面上形成干涉条纟丈(衍射光 栅)的状态。但是，若逐个地着眼于单元，则有效区域E(x， y) 的宽度G3变为0.2jLim 4jum程度。虽然在通常情况下，也i午4艮少将 相邻配置长度仅有0.2^im 4nm程度的多个光栅线的光栅称为"衍 射光栅"，但是，在本发明中，"衍射光栅"具有包括这样排列的广 义意思。最后，考虑三维单元的尺寸C2的适当值。由于C2不是左右上 述的光学现象的参数，所以理论上可以将其设定为任意值。但是， 该尺寸C2是规定作为最终产品的光学元件的厚度的值。因此，若将该光学元件用作信用卡等防伪封条，则需要设定为适用于该用途的值。在此所述的实施例中，虽然设定C2=0.25|am，但是，这是为 了将其设定为适用于防伪封条的值。其结果，为了将本发明采用的三维单元的各部分的尺寸设定为 适当的值，进行以下设定即可首先设定标准的观察条件，该观察 条件以从规定的照射方向，向光学元件照射具有规定标准波长人(例 如，555nm)的再生用照明光时，从规定的观察方向进行观察为前 提，并且，将衍射光栅的凹凸形状变化的周期？设定为适用于获得 衍射角的值，该衍射角是将从再生用照明光的照射方向入射的光引 导向观察方向时所需要的衍射角，将三维单元的长度Cl设定为用 于通过衍射光栅产生充分的衍射现象时所需要的尺寸以上的值，将 三维单元的宽度C3设定为用于获得有关横向必要的体视角度所需 要的尺寸以下的值。以上，虽然具体示出了如图12所示的本发明涉及的三维单元 的适当尺寸，但是，该三维单元的最大优点是以下这点当进行如 上所述尺寸设定时，由于制造时的加工精度》欠宽，因此制造工序变 得比较简单，从而可以提高生产率。尤其，可以相当长地确保单元 的长度C1 (在实施例中是20nm),且单元的宽度C3也是0.4ium程 度，很充分，因此，与用于形成图8所示的在先发明涉及的三维单 元的槽G (x, y)的加工精度相比，用于形成书f射光4册G (x, y) 的加工精度被大幅度緩和。如上所述，当采用图8所示的在先发明涉及的三维单元时，为 了准备7种振幅A的变化，则需要正确形成具有0.1|Lim刻紋的差异 宽度的槽。与此相对，当采用如图12所示的本发明涉及的三维单 元时，例如形成具有g=l|am的周期的衍射光一册即可。由于尺寸Gl 的最大值是20iim,因此，也可以充分确保振幅A的变化。例如， 若除Gl=Opm(完全没有形成衍射光栅的情况)之外，通过Gl=5)im、6jim、 7jam、…、20pm和ljam刻纟丈来"i己录4展幅A，贝'J可以确4呆17 个阶段(stage)的变化。此外，在本发明中，虽然为了正确地记录相位e，需要正确地 控制衍射光栅的空间配置位置，但是当使用电子束光刻装置等来形 成想要的图案的形成时，可以比较容易地进行该图案的位置控制， 因此，对于相位e的记录不会产生大问题。例如，当i殳定周期？ =ljum，且以9=0、兀/2、兀、3兀/2的4个阶4殳的精度来记录相位e时， 需要制作将衍射光栅的空间位置分别仅错开0|um、 0.25jam、 0.5nm、 0.75pm的单元，^旦是在通常的电子束光刻装置中，以该程度的精度 来控制曝光图案的位置是比较容易的。因此，若以本发明涉及的方 法来代替在先发明的方法，则制造时的加工精度放宽，且可以提高 生产率。并且，若利用本发明，则可以获得如下的附加优点易于进4亍 以使再生用照明光仅以希望的角度进行衍射为前提的设计。如上所 述，当将本发明涉及的光学元件用于信用卡等的防伪封条等中时， 将图14所示的观察环境为前提是不适当的。实际上，只能以图15 或者图16所示的7见察环境为前4是，再生时，如图17或图18所示， 需要使再生用照明光仅以希望的角度进行衍射的设计。在本发明 中，仅通过将衍射光栅的周期？设定为适当的值，从而可以进行仅 以所希望衍射角度4)进行衍射为前提的设计。《§6.本发明涉及的光学元件的制造方法》接着，参照图21的流程，对本发明涉及的光学元件的制造方 法进4亍i兌明。该制造方法是用于制造可以再生由多个三维单元的集 合构成的规定的原图像的光学元件的制造方法，其基本原理与在§ 1中说明的在先发明的基本原理相同。但是，在本发明中，如在§5 中所说明的，由于釆用关于记录面上的纵;镜2个方向，牺牲关于一个方向的体视来緩和加工精度的条件的方法，所以对于该部分，执 行固有的工序。当然，在在先发明和本发明中，由于所采用的三维 单元的结构不同，因此，即4吏对于该点也才丸4亍不同的工序。下面， 详细i兌明本发明涉及的工序。A匕外，实际应用上，图21所示的流程图的步骤si si0的工序是应由计算枳4丸4亍的工序，且准备有与各个工序的数字相对应的计算机程序。最后的步骤Sll的工序是通过物理的三维单元集合体来制造光学元件的阶段。首先，在步骤Sl中，执行在三维单元内定义放出规定物体光 的原图^象(物体图像)的原图^f象定义阶段，在后续的步骤S2中， 才丸4亍在该三维单元内定义用于记录原图 <象的记录面的记录面定义 阶-险。具体而言，如图3所示，定义XYZ三维坐标系，且准备作 为原图像10的三维立体图像数据和作为记录面20的平面凄t据即 可。此外，虽然在这里所示的实施例是采用三维立体图〗象作为原图 像10的例子，但是，无需原图像10—定是三维立体图像，例如， 也可以将二维俯视图像用作原图像。此外，无需记录面20 —定是平面，当最终制作的光学元件为由曲面构成的产品时，可以定义由 曲面构成的记录面。1"旦是，实际应用上，几乎都是制作由平面构成 的光学元件的情况，在这里，对定义平面作为i己录面20的例子进 行说明。在下面的步骤S3中，执行定义由可以切割原图像10以及记录 面20的平面构成的N (复数)张的切割平面(slice plane)的切割 平面定义阶段。图22是表示原图像10、记录面20、 N张的切割平 面SL(1) SL(N)的位置关系的正视图。如图22所示，每个切割平面 SL(1) SL(N)由可以切割原图像10和记录面20两者的平面构成。 在这里示出的例子中，定义由在垂直方向以一定间3巨Pv配置的相 互平4亍的平面构成的多个N张的切割平面。在这里示出的例子中， 在XYZ三维坐标系中的XY平面上定义记录面20,将每个切割平面SL(1) SL(N)定义作为与XZ平面平行的平面。因此，每个切割 平面SL(1) SL(N)与记录面20正交。当然，每个切割平面的定义并不4又限于图22的实施例中。例 如，无需每个切割平面的间距一定是间距Pv,在各部分中，间隔也 可以不相等。并且，无需每个切割平面一定要与记录面20正交， 也无需相互平行。但是，优选在减轻后述的运算处理的负担的基础 上，定义如图22所示的实施例所示的切割平面。此外，在形成无 缝隙地填满三维单元的光学元件的基础上，将切割平面的间距Pv 设定为与三维单元的长度Cl (参照图12)相等。在上述的实施例 中，由于i殳定Cl=20pm，所以切割平面的间-巨Pv也4皮i殳定为20|am。在下面步骤S4中，执行图像轮廓线定义阶段在通过各切割 平面SL ( 1 ) SL (N)切割原图像10而获得的切割部分别定义图 像轮廓线F ( 1 ) F (N)，且在后续的步骤S5中，执行在各图像轮 廓线F ( 1 ) F (N)上分别定义多个采样点S的采样点定义阶段。 并且，在步骤S6中，执行单元配置线定义阶段在通过各切割平 面SL ( 1 ) SL (N)切割原图〗象10而获得的切割部分别定义单元 西己置线f ( 1 ) f (N)，在后续的步骤S7中，执行单元配置点定义 阶,殳在每个单元配置线f ( 1 ) f (N)上分别定义多个单元配置 点Q。在图22中，以并且线示出了 3条图4象4仑廓线F ( 1 )、 F (i)、 F (N),以黑点示出了 3条单元配置线f ( 1 )、 f(i)、 f(N)。在此 所示的实施例中，由于将每个切割平面SL ( 1 ) SL (N)定义为相 互平^于的平面，所以形成在i己录面20上的N条的单元配置线f( 1 ) f (N)成为相互平4亍的直线(在图22中，成为沿相只于于纸面垂直 方向(X轴方向)延伸的线)。在图23的立体图中，分别以虚线示出了通过基于第i个切割平 面SL (i)的切割而定义在原图^象IO侧的第i个图傳4仑廓线F (i)、 和定义在记录面20侧的第i个单元配置线f ( 1 )。并且，在该第i 个图^f象4仑廓线F (i)上，以"x"印记的点示出了定义有多个采样 点S的状态。在图中标记符号并加以示出的采样点S (i, k-l )、 S (i， k)、 S (i, k+l)是定义在该图像轮廓线F (i)上的第(k-l) 个、第k个、第(k+l)个采样点。另一方面，在第i个单元配置线 f(i)上，以黑点示出了定义有多个单元配置点Q的状态。在图中 标记符号并加以示出的配置点Q (i, j-l )、 Q(i, j)、 Q(i， j+l ) 是分别定义在该单元配置线f(i)上的第(j-l )个、第j个、第(j+l ) 个单元配置点。虽然在此示出的实施例中，在各图像轮廓线F上相隔一定间隔 地定义有采样点S，但是，无需使采样点S的间隔一定相等。但是， 为了不在图^象上形成斑点，优选尽量均匀地分布采样点S。此外， 当使采样点S的间隔一定时，也可以使沿图像轮廓线F的距离一定， 也可以4吏直线距离一定。由于采样点S的间隔是确定原图4象10的 分辨率的主要因素，因此，当想记录分辨率高的原图像时，缩小釆 样点S的间距且提高密度即可。但是，若采样点S的密度高，则相 应地运算负4旦变重。另一方面，定义在单元配置线f上的各单元配置点Q分别作为 配置一个三维单元的位置指标而发挥作用。因此，在形成无缝隙地 填满三维单元的光学元件的基础上，各单元配置点Q的图的水平方 向的间距Ph (沿单元配置线f的X轴方向的间距)设定为与三维单 元的宽度C3(参照图12 )相等。在上述的实施例中，设定C3=0.4^im, 因此，—夺单元配置点Q的间距Ph也i殳定为0.4|um。当然，单元配 置点Q的间隔也无需一定，但是，在形成填满相同尺寸的三维单元 的光学元件的基础上，优选使其一定。然后，在步艰《S8中，冲丸^亍对应采才羊点确定阶^殳^f吏通过同一 切割平面的切割而定义的图傳4仑廓线和单元配置线相对应，且对于 每个单元配置点Q,爿寻在与该单元配置点Q所属的单元配置线相对 应在图傳4仑廓线上定义的采^^点S确定为只于应采^f点。例如，在图 23所示的例子中，将通过同一切割平面SL (i)的切割而定义的图 <象寿仑廓线F (i)和单元配置线f (i)相对应。并且，相对于定义在 单元配置线f (i)上的每个单元配置点Q，定义在对应的图^f象4仑廓 线F (i)上的各采样点S被确定为对应采样点。因此，例如，对于 图示的单元配置点Q (i, j)，定义在图^f象4仑廓线F (i)上的所有采 才羊点(…、S (i， -1)、 S(i, k)、 S (i， k+l )、...) 一皮确定为对应 采样点。此外，关于图示的单元配置点Q (i, j-l )和Q (i， j+l) 的对应釆样点也与之完全相同地是定义在图像轮廓线F (i)上的所 有采样点(…、S (i， -1 )、 S (i, k)、 S (i, k+l )、...)。在下面的步骤S9中，执4于振福相位运算阶4殳对于每个单元 配置点Q，通过运算而求得在从该对应采样点放出的物体光中，到 达该单元配置点Q的位置的物体光的合成波的规定时刻的振幅A 以及相位0。例如，图23所示的单元配置点Q (i, j )是通过第i个切割平 面SL (i)的切割而定义的单元配置线f (i)上的第j个单元配置点， ^f旦是，如上所述，该单元配置点Q (i， j)的对应采^f点是定义在 图像轮廓线F (i)上的所有采样点(…、S (i, k-l)、 S (i， k)、 S (i， k+l)、…)。于是，首先，判断从这些每个对应采样点放出的 物体光是否到达单元配置点Q (i， j)。当乂人单元配置点Q (i， j) 观察原图像10时，来自位于作为隐面部分的采样点的物体光被原 图像10的其他部分遮挡，从而无法到达单元配置点Q (i, j)。因 此，不一定所有来自各个对应采样点的物体光都一定到达单元配置 点Q (i, j)。若可以选择耳又舍到达单元配置点Q (i， j)的物体光，则求得该到达的物体光的单元配置点Q (i， j)的4立置上的合成波， 并求碍^见定时刻的4展幅A以及相^f立e。图24是表示从图像轮廓线F (i)上的第k个对应采样点S (i， k);改出的物体光到达单元配置点Q (i, j)的光考呈的立体图。如在 §1中所述，从采样点S(i， k)放出的物体光可以通过下式的复变 函数力口以表示。Ak cos0k+i Ak sin6k在这里，Ak是表示从釆样点S (i, k)仅离开单位距离的位置 的振幅的参数，其对应存在于采样点S (i, k)的位置的像素的灰 阶值而确定。ek是表示物体光的初期相位的参数，通常可以设定为 0k=O。在图像轮廓线F (i)上的全部对应采样点中，对于放出到达 单元配置点Q (i, j)的物体光的K个对应采才羊点，分别定义以上 述复变函lt表示的物体光，则如在§1所述，单元配置点Q(i， j) 的位置上的所有K个物体光的合成复数纟展幅可以通过下式的复变 函数力口以表示。2k=1 k(Ak/rk cos(ek士2兀rk/X)+iAk/rk sin(0k士2兀rk/X))在这里，X、 Ak、 9k分别是从第k个(k=l K)的对应采样点 S (i, k)发出的物体光的波长、才展幅、相位，如图24所示，rk是 该采样点S (i, k)和单元配置点Q (i， j)之间的3巨离。此外，如上述，从单元配置点Q(i, j)观察原图像10时，从 运算对象中除去来自位于变为隐面部分的采样点的物体光。上述公 式中的所有K个物体光是指除去这些后的剩余的物体光。例如，在 图25所示的第i个切割平面SL (i)的俯一见图中，来自第k个对应 采样点S (i， k)的物体光全部到达单元配置线f (i)上的全部J个的单元配置点Q(i， 1) Q(i, J),因此，在关于这些J个单元 配置点Q (i, 1) Q (i， J)的运算中加以考虑。但是，来自位于 从记录面20侧观察时的隐面上的对应采样点S (i, m )的物体光均 无法到达单元配置线f (i)上的全部J个的单元配置点Q (i， 1 ) Q(i， J)中的任一个。从而，完全不会在关于J个单元配置点Q (i， 1) Q(i， J)的运算中加以考虑来自对应采样点S(i, m) 的物体光。如§ 1所述，若将上述函数的实数部作为Rxy，虚数部作为Ixy， 并作为Rxy+ilxy形，则如图4所示，该合成波的单元配置点Q (i, j)位置上的复数振幅(考虑相位的振幅)通过复坐标平面上的坐标 点T加以表示。因此，通过如图4所示的坐标平面中的原点O和坐 标点T之间的距离A (x， y)来贝武予单元配置点Q (i, j)的物体 光合成波的振幅，并通过矢量OT和实数轴所成的角度9 (x， y) 来贝武予相^立。此外，上述函数是放出物体光的采样点是点光源时的公式。虽 然在实施本发明时，进行将采样点作为点光源(所》文出的物体光是 球面状扩散的光源)的运算也无大碍，但是，根据本发明的发明人 的实-验，可知当进行将采样点作为线光源(所》欠出的物体光是圓 柱侧面状扩散的光源)的运算时，可以更加准确地记录原图像10割平面的处理。如§5所述，在本发明中，采用关于记录面上的纵横2个方向， 牺牲有关1个方向的体视来緩和加工精度的条件的方法。在图21 所示的工序中，当定义切割平面(步骤S3 ),定义图傳4仑廓线以及 釆样点(步骤S4、 S5 )，定义单元配置线以及单元配置点(步骤S6、 S7 ),确定对应采样点(步骤S8 ),并进行振幅相位运算阶-跌(步骤 S9)时，若进行仅考虑来自对应采样点的物体光的运算，则有关图22、图23中的舌从向(Y轴方向)的体视#皮牺牲。即，在图23中， 虽然原本在单元配置点Q (i， j)上应该记录/人分布在原图^象10整 体上的釆样点;改出的物体光的信息，但是实际只记录/人切割平面SL (i)的切断面上的采样点放出的物体光的信息。因此，当再生记录 在记录面20上的信息时，虽然可以获得有关沿切割平面的水平方 向的体一见，1"旦是有关垂直方向的体一见一皮牺4生。如上述，在本发明中，有关垂直方向的体视被牺牲，但是，关 于垂直方向，由于在跨越宽度Pv(切割平面的间距)的区域上记录 相同4展幅以及相^f立即可，因此在单元配置点Q (i， j)的4立置上可 以配置具有图12所示的结构的三维单元(具有与Pv间距相等长度 Cl的细长单元)。在图23中，若对于单元配置点Q (i, j)的位置， 求4寻指定才展幅A (i， j)以及指定相位0 (i, j),贝'J如后述，在该单 元配置点Q (i, j)的位置上配置记录有指定振幅A (i， j)以及指 定相^立0 (i, j)的三维单元(i, j)。该三维单元的垂直方向的长度 与间3巨Pv相等。因jt匕，在图23戶斤示的i己录面20上的区》成中，i己 录有指定振幅A (i, j)以及指定相位e (i, j)的地方不是单元配 置点Q(i， j) l点，而是沿其上下方向具有间距Pv宽度的区域。 如上述，在沿^己录面20的上下方向具有一定宽度的区纟或中定义有 同 一振幅以及相位的现象原本是当原图像上的采样点为线光源(具 有相当于Pv的长度的线l殳光源(segment light source ))时所产生的 现象。本发明人认为在实施本发明时，与将原图像上的每个采样点 用作点光源相比，用作线光源时可以获得更加好的结果是因为上述 的理由。可是，若从图25所示的俯视图观察，则可知由于从第i 个采样点S (i， k)放出的物体光仅传播在第i个切割平面SL (i) 后到达单元配置点Q(i, j),因此，在实际的运算中，完全无需考虑通过各切割平面之外的物体光。因此，由将采样点S(i, k)用作线光源来代替用作点光源时的变更点只是振幅的衰减量的运算。由于当将采^^羊点S (i, k)用作点光源时，方文出的物体光的波阵面为5求状扩散，因此，光的强度(振幅的平方)与3求的表面面积成反比地衰减(振幅与球的半径r成反比)。另一方面，由于当将采 样点S (i, k)用作线光源时，；改出的物体光的波阵面为圓柱侧面 状扩散，因此，光的强度(振幅的平方)与圓柱侧面的面积成反比 地衰减(振幅与圓柱的半径r的平方根成反比)。因此，当将采样点 S(i, k)用作线光源时，在振幅相位运算阶段中，当对从采样点S (i， k)向单元配置点Q (i， j)的物体光的振幅的衰减量进行运算 时，〗吏用乂人线光源发出的物体光的4展幅衰减项。具体而言，通过将 上述的复变函数取而代之地使用下式的函数的运算，从而求得单元 配置点Q (i, j )上的^展幅A (i, j )以及相4立0 (i， j )即可。S (k=1~k) (Ak/V"rk.cos(ek士2兀rk/人)+iAk/V"rk.sin(ek士2兀rk/ 0)并且,虽然在上述的实施例中，以乂人各对应采样点S (i, k) 向物体外侧的所有方向方文出物体光为前才是进^f亍了i兌明，但是，在振 幅相位运算阶段中，也可以进行对从各对应采样点S (i， k)放出 的物体光的放出角度加以限制的运算。如上述，若进行对物体光的 放出角度加以限制的运算，则虽然体视效果变弱，但是可以减轻运 算负担。图26是用于说明对物体光的放出角度加以限制的方法的俯视 图，在图26中示出了在第i个切割平面SL (i)上，^v对应釆^^羊点 S(i， k)放出的物体光的放出角度设定为限制角a之内的例子。在 该例子中，如图所示，在图傳4仑廓线F (i)上的采^f点S (i， k) 位置上设置法线N,并以该法线N为中心，仅在限制角a的范围内， 放出来自采样点S (i， k)的物体光，从而执行振幅相位运算阶段。因此，虽然在关于如图所示的单元配置点Q (i, j)的振幅相位运 算中，进行考虑来自采样点S (i, k)的物体光的运算，但是，在 有关单元配置点Q (i, 1)、 Q (i, j)的振幅相位运算中，由于来 自采样点S (i， k)的物体光未到达，因此^v运算对象中排除该物 体光。这样，当结束步骤S9的振幅相位运算阶-敬时，对于定义在记 录面20上的每个单元配置点Q，分别求^f寻指定纟展幅A以及指定相 位0。图27是表示定义在记录面20上的单元配置线以及单元配置 点的一例的俯一见图。如图所示，在记录面20上，在垂直方向以间 距Pv定义有单元配置线f (i-l)、 f(i)、 f(i+l)，在各单元配置线 上，在水平方向以间距Ph定义有单元配置点Q。图示的单元配置 点Q (i、 j-l )、 Q (i， j )、 Q (i、 j+l )分别是定义在第i个单元配 置线f (i)上的第(j-l)个、第(j)个、第(j+l)个单元配置点。在下面的步骤S10中，执行立体结构确定阶段根据关于单元 配置Q而求4寻的纟展幅A以及相^f立0来确定应该配置在^己录面20上 的各单元配置点Q的4立置上的三维单元结构，乂人而确定由配置在i己 录面20上的多个三维单元的集合构成的立体结构。由如图27所示 的记录面20上以直线描绘的多个矩形表示配置在各单元配置点Q 上的三维单元的l仑廓。例如，在单元配置点Q (i, j)的^立置上配 置有三维单元C (i， j)。在这里，才艮据相对于单元配置点Q (i， j )而求得的振幅A (i, j)以及相^f立e (i， j)来确定三维单元C (i, j)的形一犬。具体而言， 通过在具有与振幅A (i, j)相对应的面积的有效区域E (i， j)中 形成具有与相位e (i, j )相对应相位的衍射光4册来确定三维单元C (i， j)的具体立体形状。图28是表示在"i己录面20上的单元配置点Q (i， j ) ^立置上配 置三维单元C (i， j)的状态的立体图。三维单元C (i， j)的基本 形状与图12所示的三维单元C (x， y)完全相同，是以具有尺寸 Cv、尺寸Ch、尺寸Cd的长方体为基本形状的单元。在这里，为了 便于说明，将沿具有尺寸Cv的边的方向称为单元的纵向，将沿具 有尺寸Ch的边的方向称为单元的横向，将沿具有尺寸Cd的边的方 向称为单元的纟从深方向。如§4所述，在这里i兌明的实施例中，三 维单元的C (i, j )的纵向尺寸Cv=20pm,冲黄向尺寸Ch=0.4pm,纵 深方向的尺寸Cd=0.25(am,实际上，长度Cv远远大于宽度Ch，整 体上为棍状(图是忽略实际的尺寸而加以描绘)。在此所述的实施例中，单元的长度Cv与单元配置点Q的垂直 方向间距Pv相等，单元的宽度Ch与单元配置点Q的水平方向间 距Ph相等。从而，如图所示，若将该三维单元C (i， j)的上面朝 上且成二维阵列4犬i也配置在记录面20上，则可以无纟逢隙i也通过单 元填满记录面20。在步骤S10中，获得表示由这些多个三维单元的 集合构成的立体结构的数据。在如图所示的例子中，三维单元C (i， j)的上面为光4册形成 面，在该光4册形成面上形成有4汙射光4册。若将三维单元C (i, j) 配置在^己录面20上，则单元的光斥册形成面(在该例子中是上面) 平行于记录面20，单元的横边(具有长度Ch的边)平行于单元配 置线f (i )。光栅形成面自身由具有尺寸Cv的纵边以及尺寸Ch的 横边的长方形构成，其面积是CvxCh。该光4册形成面被分为有效区 域E (i, j)和由除此以外的部分构成的空白区域B (i， j)，在有效 区域E (i, j)部分上形成有衍射光栅G (i， j)。如在图28的上部 附加阴影所示，有效区域E (i, j)由具有尺寸Ce的纵边及尺寸 Ch的横边的长方形构成，其面积是CexCh。在此所示的实施例中， 关于所有的三维单元，设定有效区域的横向宽度与三维单元的横向宽度Ch相等。换言之，衍射光栅G(i， j)通常以整个三维单元的 横向宽度的方式形成。从而，根据有效区域的纵向尺寸Ce来规定 每个三维单元的有凌文区i或的面积。通过沿纵向将具有周期g的凹凸形状变化重复配置来构成衍 射光栅G (i， j)。由于三维单元C (i, j)被配置成其横边(具有 长度Ch的边)平行于单元配置线f (i)，因此，其结果，变为沿与 单元配置线f (i)正交的方向(Y轴方向)产生具有周期？的凹凸 形状变化的状态。在图示的例子中，在沿与单元配置线f (i)正交 的方向(Y轴方向)的长度S的周期区间内，形成有深度,人最浅部 到最深部连续单调减少的斜面，通过重复配置该斜面来形成截面为 锯齿状的凹凸结构面。由于该凹凸结构面，书f射光4册G (i， j)产 生^见定的书f射现象。将相对于单元配置点Q (i， j )而求得的4展幅A (i, j )作为三 维单元C (i, j)的有效区i或E (i, j)的面积(似人向尺寸Ce)加以 记录。在这里，有效区域E (i， j)的面积没有必要一定与振幅A (i, j)成比例，成以下关系即可若4展幅A (i， j)变大，则有效 区域E (i, j)也变大。根据本发明的发明人的实验，可知若使 有效区域的E (i， j)的面积与振幅A (i， j)的平方成比例，则相 对于如实地再现原图4象10的灰阶信息时最优选。这是因为冲艮据 有效区域E的面积而#皮调制的是光的能量(对应于振幅A的平方的 值)。于是，在此所述实施例中，首先，关于定义在i己录面20上的 所有单元配置点Q,求得分别求得的振幅A的平方值A2,然后求 得其最大值ASmax。并且，关于应该配置在每个单元配置点Q的三 维单元，将相当于光栅形成面的全部面积(CvxCh)的"A2/A2max" 的区i或i殳定为有效区i或。例如，当有关单元配置点Q (i, j)而求 得的振幅为A( i, j )=8时，平方值A2=64,因此，若最大值A2max= 100,则三维单元C (i， j)的上面(光斥册形成面)的64/100的部分是有 效区域E(i, j)，剩下的36/100的部分是空白区域B (i, j)。在这 种情况下，有效区域E (i, j)的纵向宽度尺寸Ce二Cvx (64/100)。另一方面，将关于单元配置点Q (i, j)而求得的相位e (i, j) 作为形成在三维单元C (i， j)的衍射光栅G (i， j)的空间配置相 位而被记录。具体而言，在三维单元上定义某个基准位置，并需要 在相对于该基准位置具有相位9的位置上配置々t射光栅G (i, j )。 单元上的基准位置设定在所有三维单元共通的规定位置，而不是有 关有效区域E (i, j)的位置。由于有效区域E (i， j)的位置的纵 向尺寸Ce只于应4展幅A (i， j)的大小而变动，因此，并不一定是固 定的。于是，在本实施例中，如图28所示，将单元的一面(在本 实施例中，最接近X轴的面)定义为基准面SS,根据从该基准面 SS到书于射光4册G (i， j)的最浅部或者最深部的3巨离u来定义相4立 (当截面为锯齿状的凹凸结构体时，最浅部的位置和最深部的位置 相同)。即，若将通过周期《除距离u后求得的、由整数构成的商 时的余数i殳定为R (R=umocU ),则相位9=2tiR。此外，虽然在图27或图28所示的例子中，将三维单元C(i, j )的底面的中心点作为基准点，并〗吏该基准点重叠于单元配置点Q (i, j)上，但是，没有必要一定以这种方式向记录面20上配置各 单元。例如，也可以将三维单元C(i,j)的底面的一个角点(corner) 为基准点，并使该基准点重叠于单元配置点Q (i, j)之上。这样，在步骤S10中，若确定了由多个三维单元的集合体构成 的立体结构，则在最后的步-骤Sll中，形成具有所确定的立体结构 的物理光学元件。如上述，虽然图21的流禾呈图中的步-骤S1 S10的 步骤是应由计算机执行的步骤，但是，步骤Sll是通过物理的三维 单元集合体来制造光学元件的工序。在步骤S10结束的阶^:中，/人 计算才几输出表示所确定的立体结构的结构^:据，并才艮据该结构据，制造物理的全息图记录介质即可。由于制造这样的全息图记录 介质的方法是已经《^知的方法，因此在这里省略对其的详细说明， 但是，通常将立体结构数据供给给电子束光刻装置等，并进行在物 理的介质上形成凹凸图案的工序。根据本发明，如上所述，可以对 可以获得緩和该工序中的加工精度的优点这点进行了说明。《§7.三维单元的变化》在这里对本发明采用的三维单元的各种变化进行说明。本发明采用的三维单元的典型例子如在图28所示的一样。若通过这样的三维单元的集合体来记录来自物体^象的物体光的复^u展幅分布，以 便在从规定的视点位置进行观察时再生物体图像，从而可以获得可 以用作全息图的光学元件。在这种情况下，在每个单元中分别定义 有指定振幅和指定相位，并在具有对应于指定4展幅的面积的有效区 域内形成具有对应于指定相位的相位的衍射光才册。若向每个单元赋 予规定的入射光，则根据定义在该单元的指定振幅以及指定相位， 可以获得改变入射光的振幅以及相位的射出光，通过对其进行观测 来进行物体图像的再生。形成在每个三维单元中的衍射光栅具有以规定周期g重复同 一凹凸形状变化的凹凸结构面，这样的衍射光栅被配置在每个三维 单元中的一见定的有-文区i或内的、相^"于失见定的基准^立置而具有相位 e的位置上。如图28所示的三维单元C (i, j)以具有鈔人向尺寸Cv、 4黄向 尺寸Ch、纵深方向尺寸Cd的长方体为基本形状，包括具有尺寸 Cv的纵边及尺寸Ch的横边且由相对于长方体的一面(底面)平行 的长方形构成的光一册形成面(上面)，并沿该光纟册形成面形成有凹 凸结构面。此外，通过在记录面20上二维阵列状配置具有上述结 构的三维单元，/人而可以获得光学元件。并且，在该三维单元C(i，j )的光一册形成面(上面)定义有具有尺寸Ce的纵边及尺寸Ch的 横边的长方形构成的有效区域E (i， j)，对于所有的三维单元，将 有效区域E(i, j)的横向宽度设定得与单元自身的横向宽度Ch相 等。并且，形成有由凹凸结构体构成的4汙射光斥册G (i, j)，以1更在 沿尺寸Ce的纵边方向(Y轴方向)产生凹凸形状变化。如上述，优选将上述的三维单元C (i， j)的各部分的尺寸设 定为以下这样的范围内衍射光4册的凹凸形状变化的周期g为 0.6 2pm、三维单元的》从向尺寸Cv为3 300Mm、冲黄向尺寸Ch为 0.2~4jum。(1 )类型1A (透过型)图29是表示本发明采用的三维单元的物理性结构例"类型1A (透过型)"的部分的正浮见截面图(只示出了单元左侧部分的一部 分)。本发明中所谓的"透过型，，是指从光学元件的一面照射再生 用照明光，并对透过到另一面的光进朽-^见察的类型。当^f吏用图29 所示的单元时，乂人上面照射再生用照明光，并观察透过到下面的光， 或者/人下面照射再生用照明光，并7见察透过到上面的光。另一方面， 本发明中所谓的"反射型，，是指从光学元件的一面照射再生用照明 光，并^L察/人同一面反射回来的光的类型。图29所示的三维单元是对应于该"类型1A (透过型)"的单 元，其由在表面形成有凹凸结构面的透光层110构成。虽然图29 所示的三维单元和图28所示的三维单元C (i， j)的各部分的尺寸 不同，但是基本结构是完全相同。在图29中被标记为B的部分是 该单元的空白区域，图中,皮标记为E的部分是该单元的有效区域。 并且，凹凸形状变化的周期g被设定为0.6 2lum程度的值，且如上 述，才艮据应该记录在该单元中的指定相位e来i殳定基准面SS、与形 成凹凸结构的杀+面的最浅部或最深部之间的3巨离u 。在该图29所示的"类型1A (透过型)"的单元是以用于在填 满4斤射率nl的物质的空间内为前4是的光学元件用的单元。例如， 当进行信用卡用的防伪封条等普通用途时，由于其前提是在空气中 利用，因此折射率nl是空气的折射率。当然，当为以在水中观察 为前4是的光学元件用的单元时，折射率nl是水的折射率。与此相 对，单元主体由具有4斤射率n2的透光层110构成，在其表面上形 成有凹凸结构面，并7见察透过透光层110的再生用照明光。如§4所述，理i仑上，优选将该凹凸结构中的深度h (最浅部 与最深部的距离)设定为"当在具有折射率nl的材料中仅传播距 离h时、与在具有折射率n2的材料中仅传播距离h时之间的相位 差为2兀的距离"。这是因为通过"i殳定成经由最深部到达^见察位 置的光与经由最浅部到达观察位置的光之间的相位差为2兀"，从而 即使对于经由光学元件的任意地方而到达观察位置的光，也可抵消 由位置而产生的光程差，并在观察位置上，耳又消从各位置来的光的 相互相位差(参照图19、图20的说明)。可是，相位差是依存于波长X而确定的物理量，因此，需要通 过确定波长X来根据这样的条件计算出理论深度h。于是，当实际 i殳计三维单元时，i殳定以<吏用失见定标准波长X的再生用照明光为前 提的标准观察条件，在该标准观察条件下观察为前提，计算出理论 深度h即可。当然，虽然实际的观察条件一般无法与标准观察条件 一致，但是只要设计具有在标准观察条件下计算出的深度h的单元， 则在可能的范围内可以获得的最理想的再生图像。虽然在实际的观察环境中，大多都是在几乎接近白色的照明光 下进行观察的情况，但是，本发明的发明人认为最优选为将作为能 见度最高的555nm"i殳定为标准波长人。该555nm波长的能见度最高， 同时其是可一见波长区域中的大致中间点的位置的波长，还具有全部 可碎见波长的平均波长值这样的性质，且也是最适合标准波长人的波长值。当为图29所示的"类型1A (透过型)"时，若确定标准波 长X、外部空间的折射率nl (例如，空气的折射率)和构成单元主 体的透光层110的折射率n2,则可以通过"h^X/n2-nl"公式来求得 理想的深度h。该7>式是通过上述的"将经由最深部到达观察位置 的光和经由最浅部到达观察位置的光之间的相位差设定为2兀"的条 件而光学导出的公式。例如，若采用nl=1.0(空气的折射率)、n2=1.46 (合成石英的折射率)、？i=555nm进行计算，则理想的深度11=约 1.2nm。(2)类型1B (透过型)另一方面，图30所示的"类型1B (透过型)"单元具有在图 29所示的"类型1A (透过型)"单元的透光层110的上部层压其他 透光层120的结构。即，作为上层的透光层120由具有折射率nl 的透光材料构成，作为下层的透光层110由具有折射率n2的透光 材料构成。并且，作为构成该层压结构体的两层的界面，形成有凹 凸结构面，光学元件为可以〗現察透过透光层120和透光层110两者 的再生用照明光的透过型类型。虽然在为图29所示的"类型1A(透 过型)"的单元时，透光层110的上面变为凹凸结构面且变为露出 (expose)的状态，但是，当为图30所示的"类型1B (透过型)" 的单元时，凹凸结构面形成最早两层的界面，未露出在外部。如上 述，凹凸结构面未露出外部的类型的单元具有凹凸结构面不易受到 损坏的优点。但是，从对于透过单元的光所产生的光学现象的观点来看，图 29所示的"类型1A(透过型)"和图30所示的"类型1B(透过型)" 完全相同。即，位于图30的下层的透光层110与图29所示的透光 层110完全相同。并且，位于图30的上层的透光层120发挥与图 29所示的外部空间的介质(例如空气)相等的功能。其结果，将凹 凸结构面为界面，并形成具有第一折射率nl的透光层和具有第二折射率n2的透光层，关于这样的物理结构，类型1A与1B之间没 有差异。从而，当设计图30所示的"类型1B (透过型)"单元时， 若确定标准波长X、上层的透光层120的折射率nl和下层的透光层 110的4斤射率n2，则可以通过/>式"h=X/ I n2-nl | ，，来求揭-理想的 深度h。(3)类型2A (反射型)接下来，在图31中示出了 "类型2A (反射型)"单元。该单 元在图29所示的"类型1A (透过型)"的透过层110的上面形成 有反射层130,且由透光层110和反射层130的层压结构体构成。 并且，作为该透光层110和反射层130之间的界面，形成有凹凸结 构面。在这里，反射层130的膜厚比较薄，从而在反射层130的上 面直接呈现形成在透过层110的上面的凹凸结构面的形态。该"类 型2A (反射型)"单元可以有2种观察方式。第一^L察方式是对乂人 图的上方照射再生用照明光，纟皮反射层130的上面反射后返回上方 的光进行观察的方式。此外，第二观察方式是对从图的下方照射再 生用照明光，透过透光层110，在反射层130的下面^皮反射，再次 透过透光层IIO后返回到图的下方的光进行观察的方式。以任一种 观察方式为前提，计算理想深度h的公式都不同。首先，当以第一7见察方式为前才是时，在最深部和最浅部，在具 有折射率nl的外部介质(例如，空气)中传4番的距离不同，因此， 产生光程差。在去路和归路两者产生该光程差。从而，满足"经由 最深部到达观察位置的光与经由最浅部到达^L察位置的光之间的 相^f立差i殳定为2兀"的条件这才羊的理想深度h可以通过爿厶式"h=X/(2 xnl)而求;彈。此外，当以第一》见察方式为前才是时，在》真满具有4斤射 率nl的外部介质的空间内，观察被反射层130反射的再生用照明 光，因此，光不会进入透光层110内。从而，由于透光层110的上 面为凹凸结构面，且其仅作为用于支持反射层130的支持基板而发挥功能，因此，无需具有透光性。从该观点看，无需"i殳置成图31 所示的2层结构，即4吏采用上面形成凹凸结构面，且该凹凸结构面 是反射面的l层结构的单元(总之，通过在表面形成反射性凹凸结 构面的纟反构成的单元)，也可以进^于以该第一种7见察方式为前^是的 使用。这时的理想的深度h也可以通过公式"h=V(2xnl)，，而求得。下面，考虑以第二 见察方式为前"R的情况。图31所示的单元 是以在填满具有折射率nl的物质的空间内4吏用为前提，作为由具 有折射率n2的物质构成的透光层110和具有反射再生用照明光性 质的反射层130之间的界面，形成有凹凸结构面。并且，在第二观 察方式中，对透过透光层110，在^皮反射层130反射之后，再次透 过透光层110的再生用照明光进4亍7见察。此时，由于产生在图31 的透光层110的底面下面的光学现象完全未受到凹凸结构的影响， 因此无需考虑折射率nl。；波凹凸结构的最深部反射的光与被最浅部 反射的光的光程差是在具有折射率n2的透光层110内进行而产生 的。因此，以第二观察方式为前提时的理想深度h可以通过公式 "h=X/(2xn2)，，而求得。(4)类型2B (反射型)另一方面，图33所示的"类型2B (反射型)"单元具有在图 31所示的"类型2A (反射型)"单元的上部层压其他透光层120的 结构。即，作为上层的透光层120由具有4斤射率nl的透光性物质 构成，作为下层的透光层110由具有折射率n2的透光性物质构成。 并且，在透光层110、 120之间夹持地形成有反射层130。如上述， 具有以下优点凹凸结构面夹在两层之间，且未露出外部的类型的 单元的凹凸结构面不易受损。同样，从光学性现象观点来看，图31所示的"类型2A(反射 型)"和图32所示的"类型2B (反射型)"完全相同。即，图32的透光层110以及反射层130、与图31所示的透光层110以及反射 层130完全相同。并且，处于图32的上层的透光层120发挥与图 31所示的外部空间的介质(例如，空气)同等的功能。其结果，从 光学观点来看，类型2A、 2B没有差异。从而，在设计图32所示的 "类型2B (反射型)"单元时，也需要相对于2种》见察方式而分别 力口以研究。首先，以 见察乂人上面照射照明光后在向上面反射的光的第一^L 察方式的前纟是，则理想的深度h可以通过/^式"h=X/(2xnl)，，而求 得。在这种情况下，由于透光层110仅发挥作为支持基板的功能， 因》匕，无需一定以透光才才冲牛构成。另一方面，若以只见察/人下面照射 照明光后向下面反射的光的第二观察方式为前"^是，则理想的深度h 可以通过/>式"h=X/(2xn2)，，而求得。在这种情况下，由于透光层 120仅发挥作为支持基板的功能，因此，无需一定以透光材料构成。 总之，当为图32所示的"类型2B (反射型)"单元时，光学的重 要事项是形成包括透光层110或120、和反射层130的层压结构体， 且作为两者的界面而形成凹凸结构面。(5)类型3A (反射型)图33示出了 "类型3A (反射型)"单元。该单元在图29所示 的"类型1A (透过型)"的透过层110的下面形成有反射层140， 由具有折射率n2的物质构成的透光层110和具有反射再生用照明 光性质的反射层140的层压结构体构成。此外，凹凸结构面形成在 该透光层110的表面、即透光层110的与反射层140相接触的面的 相反侧的面上。该"类型3A(反射型)"单元是以在填满具有折射 率nl的物质的空间内(例如，空气中) -使用为前^是的单元，且以 以下方式进4iM吏用刈-乂人图的上方照射再生用照明光，透过透光层 110，纟皮反射层140的上面反射之后，再次透过透光层110,返回到 图的上方的光进4亍^L察的方式。当利用上述的只见察方式时，在最深部和最浅部，在具有折射率nl的外部介质(例如，空气)中传播的距离、和在具有折射率n2 的透光层110内传播的距离的比例不相同，因此，产生相位差。在 去路和归路两者中产生该相位差。从而，满足"经由最深部到达观察位置的光与经由最浅部到达观察位置的光的相位差设定为2兀"这 样条件的理想深度h可以通过7^式"h=X/(2x|n2-nl|)，，而求得。(6)类型3B (反射型)另一方面，图34所示的"类型3B (反射型)"单元具有在图 33所示的"类型3A (反射型)，，单元的上部层压其他透光层120的 结构。即，该单元由具有折射率nl的物质构成的透光层120、具有 折射率n2的物质构成的透光层110和反射层140构成的层压结构 体而构成。并且，在透光层110和透光层120之间的界面上形成有 凹凸结构面，在透光层110的与透光层120相^妄触的面的相反侧的 面上形成有反射层140。该"类型3B(反射型)"的单元以如下方式利用对从图的上 面照射再生用照明光，透过透光层120和透光成110的两层，净皮反 射层140反射，再次透过透光层110和透光层120两层之后，返回 到图的上面的光进行》见察的方式。在这里，从光学现象的观点来看，图33所示的"类型3A(反 射型)"和图34所示的"类型3B(反射型)"完全相同。即，图34 的透光层110以及反射层140、与图33所示的透光层110以及反射 层140完全相同。此外，位于图34的上层的透光层120发4军与图 33所示的外部单元的介质(例如，空气)等同的功能。其结果，从 光学观点来看，类型3A、 3B没有差异。从而，当设计图34所示的"类型3B (反射型)"单元时，理想的深度h可以通过/厶式"h=X/(2x |n2-nl |)"而求得。(7)类型4A (透过型)图35所示的"类型4A (透过型)"单元在图29所示的"类型 1A(透过型)"的单元的空白区i或B的部分上形成遮光层150。在 本发明中利用的三维单元中，空白区域B是未形成有衍射光斥册的区 域，原本是对观察位置不提供任何信息的功能的区域。但是，实际 上，当在观察位置上 见察透过该空白区域的光时，这样的光成为对 再生的原图像产生噪声成分的主要原因。在图35所示的单元中，由于在空白区i或B的部分形成有遮光 层150，因此，要透过空白区域B的光被遮挡，无法到达观察位置 上。由此，可以抑制对再生的原图^f象产生p喿声成分。(8 )类型4B (透过型)图36所示的"类型4B (透过型)"单元在图30所示的"类型 1B (透过型)"单元的空白区域B的部分形成有遮光层150。在该 例子中，在透过层110和透过层120之间插入有遮光层150,,人而 可以获得抑制噪声成分的效果。(9)类型5A (反射型)图37所示的"类型5A (反射型)，，单元在图31所示的"类型 2A (反射型)，，单元的空白区域B的部分形成有吸光层160。当为 反射型时，若被空白区域B反射的光到达^L察位置，则其成为发生 噪声成分的主要原因。在该图37所示的单元中，由于空白区域B 部分的、透过层110与反射层130之间插入有吸光层160,因此， 到达该部分的光在此纟皮p及收，不会射到外部。由此，可以抑制^j"再 生的原图像产生噪声成分。(10)类型5B (反射型)图38所示的"类型5B (反射型)"单元在图32所示的"类型 2B (反射型)"单元的空白区域B部分形成有吸光层160。在该例 子中，在透过层110和透过层120之间插入有吸光层160，从而可 以获得抑制噪声成分的效果。(11 )类型6A (反射型)图39所示的"类型6A (反射型)"单元将图37所示的"类型 5A (反射型)"单元中的吸光层160形成在反射层130的上面。4又 限于从上面照射照明光的情况，但也可以获得抑制对再生的原图像 产生噪声成分的效果。(12) 类型6B (反射型)图40所示的"类型6B (反射型)"单元将图38所示的"类型 5B (反射型)，，单元中的吸光层160形成在反射层130的上面。仅 限于从上面照射照明光的情况，但也可以获得抑制对再生的原图像 产生噪声成分的效果。(13) 类型7A (反射型)图41所示的"类型7A (反射型)"单元在图33所示的"类型 3A (反射型)"单元的空白区域B部分形成^及光层160。可以获得 抑制对再生的原图像产生噪声成分的效果。(14) 类型7B (反射型)图42所示的"类型7B (反射型)"单元将在图34所示的"类 型3B (反射型)"单元的空白区域B部分形成吸光层160。吸光层160 ^^皮插入在透光层110和透光层120之间。可以获得抑制对再生 的原图像产生噪声成分的效果。以上，虽然示出了几个在单元的空白区i或B部分形成遮光层或者吸光层的例子，但是，只要是具有遮挡光透过的性质的材料，则 可以以任一种材一+来构成遮光层。同样，只要是具有吸收光的性质 的材^l"，则可以以〗壬一种材冲牛来构成吸光层。总之，通过形成遮挡 未经由衍射光栅形成面中的有效区域的光的遮光层或者吸收到达 有效区域之外的部分的光的吸光层，从而可以防止作为引起噪声成 分的主要原因的光到达观察位置。(15)类型2A'、 2B'、 3A'、 3B'(反射型)图43所示的"类型2A'(反射型)"单元是除去图31所示的"类 型2A (反射型)"单元中的空白区域B部分的反射层130的单元。 同样，图44所示的"类型2B'(反射型)"单元是除去图32所示的 "类型2B (反射型)"单元中的空白区域B部分的反射层130的单 元，图45所示的"类型3A'(反射型)"单元是除去图33所示的"类 型3A (反射型)"单元中的空白区域B部分的反射层140的单元， 图46所示的"类型3B'(反射型)"单元是除去图34所示的"类型 3B(反射型)"单元中的空白区域B部分的反射层140的单元。由 于来自空白区域B的光成为再生时产生噪声成分的主要原因，所以 将各反射层形成在有效区i或E内，而不是形成在空白区i或B中，乂人 而可以获得除去噪声成分的效果。《§ 8.本发明的变形例》最后，对实施本发明的几个变形例进行描述。 (1 )使用阶梯状衍射光栅的例子在上述的实施例中，如图12或图28所示，通过截面为4居齿状 形状的凹凸结构面来形成衍射光4册。即，作为三维单元，在沿有效 区域的纵边的长度g的周期期间内，形成深,变.从最浅部到最深部连 续单调减少的斜面，重复配置该斜面，从而形成凹凸结构面。这样， 若通过截面为4居齿状形状的凹凸结构面来形成书f射光4册，则理i仑 上，发生如在图19以及如20中所说明的衍射现象，从而可以获得 理想的衍射效果，并可以获得明亮且鲜艳的再生图像。但是，若考虑大量生产光学元件，则很难制造具有这样的理想 的凹凸结构面的单元。即，虽然在机械性切削工序等中比较容易形 成深度连续单调减少的斜面，但是当为在本发明中采用的光学单元 时，斜面的周期g是lpm程度的长度，所以利用机械性切削工序大 量制造产品是不现实的。因此，目前，虽然为了商业性地大量生产 光学元件，使用基于电子束光刻装置的描画、显影工序来制作构成 衍射光栅的凹凸结构面为最现实的方法，但是，在该方法中，无法 形成冻牛面。涉及的光学元件。图47是将形成在三维单元中的々f射光4册的凹凸 形状实现为4个阶段的阶梯结构来代替斜面结构的实施例的扩大正 视图。图中以虚线表示的形状是基于上述实施例中使用的斜面结构 的凹凸，图中以直线表示的形状是基于上述变形例涉及的阶梯结构 的凹凸。如图所示，该阶斗弟结构由阶，殳ST1、 ST2、 ST3、 ST4的4 个阶革史构成。在该例子中，由于将4个阶段的阶革殳差(step difference ) 全部设定为相等，所以阶段的阶段差△为△ = h/4,阶段的宽度为g /4。当将凹凸形状变^(匕的周期g^殳定为lfim时，阶l是的宽度为 0.25pm。这样，在图47所示的阶梯结构的衍射光栅中，在周期g的区间内，形成有深度/人最浅部到最深部的阶_险性单调减少的阶梯，通过重复配置该阶梯来形成凹凸结构面。比较图47中的直线与虚线， 则存在若干偏移，因此，由该阶梯结构构成的衍射光斥册无法获得由 斜面结构构成的衍射光栅的这样理想的衍射效率。但是，在实际运 用上，本发明的发明人的试作产品可以获得完全没有障碍的良好的 再生图像。此外，对于通过基于电子束光刻装置的描画、显影工序来形成 如图47所示的4个阶段的阶梯结构的衍射光栅，例如执行如下两 个工序即可第一工序，将阶段ST4的位置作为最上面，将用于形 成阶4殳ST1、 ST2的区i或^U主下4乞(2/4) h的;果度；以及第二工序， 将用于形成阶段ST1 、 ST3的区域往下挖(1/4 ) h深度。图48是表示将图29所示的类型1A单元的斜面结构替换成4 个阶段的阶梯结构的例子的部分正视截面图。配置有4个阶段ST1 、 ST2、 ST3、 ST4的区间为1周期g 。根据"单元的基准面SS"与 "最浅部和最深部之间的境界位置"之间的距离u来定义指定相位 0。图49是表示将图30所示的类型1B单元的斜面结构替换成4个 阶段的阶梯结构的例子的部分正视截面图，图50是表示将图31所 示的类型2A单元的斜面结构替换成4个阶l殳的阶梯结构的例子的 部分正一见截面图。并且，图51是表示将图28所示的单位单元C(i， j)的斜面替换成4个阶段的阶梯结构的例子的立体图。如上述，对 于上述的所有实施例，都可以将斜面结构替换成阶梯结构。此外，阶梯结构的阶段没有必要一定是4个阶段，可以设定为 任意个阶段。通常，若将深度h的斜面结构替换为L段的阶梯结构， 则只要形成具有h/L阶4殳差的阶梯即可。在这种情况下，,人阶梯结 构的最浅部到最深部的深度是(L-l ) h/L。阶段的数量L越多，越 接近理想的斜面结构，从而可以提高衍射效果，但是，制造工序相应地变得复杂。若将制造工序变为非常简单，则将阶梯结构设定为 2个阶^殳即可。图52是将2个阶段的阶梯结构代替斜面结构，从而实现形成 在三维单元的书f射光4册的凹凸形状的实施例的扩大正视图。图中的 虚线表示的形状是基于斜面结构的凹凸，图中的实线表示的形状是 基于2个阶段的阶梯结构的凹凸。如图所示，由于该阶梯结构由阶 段ST1、 ST2的2个阶段构成，阶段的阶段差相等于h/2,阶段的宽 度是口2。当将凹凸形状变化的周期g设定为lpm时，阶段的宽度 是0.5^m。虽然若比较图中的虚线和实线，则其产生了相当大的偏 移，但是即使通过这样的2个阶段的阶梯结构也可以获得一定程度 的布t射效率，^f艮据用途，也可以获得有利用1^介值的光学元件。图53是将图29所示的类型1A单元的斜面结构替换成2个阶 段的阶梯结构的例子的部分正视截面图。配置有2个阶段ST1 、 ST2 的区间是1周期g 。根据"单元的基准面SS"与"最浅部和最深部 的界限位置"之间的距离u来定义指定相位e。(2)使用特殊的原图像的例子当通过本发明涉及的方法来制作光学元件时，只要是可以作为 在三维单元内放出规定的物体光的图像而发挥功能，则使用任意的 原图像均可以。在这里，仅以2个例子来说明使用特殊原图像的例 子。在该2个例子中使用的原图像都是在不同方向放出不同的物体 光的特殊的原图{象。第一例是在日本特开2004-309709号乂>才艮所7>开的方法中所使 用的原图像。如图54所示，在第i个斜面SL (i)上定义有图像轮 廓线F (i)和单元配置线f (i)。在图4象轮廓线F (i)上定义有采 样点S(i, k)，在单元配置线f(i)上定义有单元配置点Q(i， 1 ).....Q (i， j)、 Q (i、 j+l )..... Q (i, j)。这时，/人采样点S (i， k)向各单元配置点Q》文出物体光，并进4亍原图4象的定义，以1更该物体 光梠4罟》丈出方向而不同。具体而言，如图55 (a)、图55 (b)所示，准备同一形状同一 尺寸的2种原图像10A、 IOB。在这些原图像的表面的各部分，分 别定义规定的像素值(是包括所谓的表示深浅灰阶或颜色的 <象素 值、和例如表示反射率等参数的广义的像素值)。这时，定义在原 图像IOA表面的像素值和定义在原图像IOB表面的像素值是分别独 立的不同的像素值。从而，定义在图55 (a)所示的采样点SA (i, k)位置的〗象素值和定义在图55 (b)所示的采样点SB (i, k)位 置的像素值是完全不同的值。虽然才艮据定义在采样点S (i， k)位置的4象素值来确定,人采样 点S (i， k)向各单元配置点Q放出的物体光，但是，这时，才艮据 ;改出方向来选4奪定义在采样点SA (i, k)位置的l象素值和定义在采 样点SB(i， k)位置的像素值中的任一个，并根据所选择的像素值 来定义物体光。例如，如图54所示，在图傳4仑廓线F (i)上的釆 样点S (i， k)的位置i殳定法线N，以该法线N为界限，对于朝向 图的上面的物体光，选4奪定义在采样点SA(i, k)位置上的像素值， 对于朝向图的下面的物体光，选4奪定义在采样点SB (i, k)位置上的像素值。于是，在图示的例子中，到达单元配置点Q(i, 1).....Q (i, j)的物体光是基于定义在采样点SA (i， k)位置上的像素值的物体光，到达单元配置点Q (i、 j+l).....Q (i， j)的物体光是基于定义在采样点SB (i， k)位置上的像素值的物体光。总之，在该第一例子中，将原图像定义为分别具有多种像素值 的采样点的集合，确定对应放出方向来选择任一个像素值的规则， 并才艮据所选4奪的4象素值来确定力文出的物体光。第二例是在日本特开2004-264839号公才艮中所公开的方法中使 用的原图#>。现在，如图56所示，考虑作为原图^^,定义主原图 像IO'和副原图像10",将其记录在记录面20上。在这里，虽然主 原图像10'是定义有离散分布的采样点S' (i, k)的平面，但是，该 采样点S'(i, k)自身上没有定义任何像素值。定义在主原图像10' 上的各采样点S' (i， k)只是作为表示离散的位置分布的点而发挥 作用。另一方面，副原图像10"是具有原来的原图像的性质的图像， 在表格各部定义有规定的像素值。如上述，若以主原图像10'和副原图像10"两个来定义原图像， 则以以下方式向记录面20进4亍记录。在这里，考虑进4亍关于i己录 面20上的单元配置点Q (i， j)的运算的情况。在这种情况下，虽 然需要定义乂人定义在主原图像IO'上的采样点S' (i, k)向单元配置 点Q (i, j)的物体光，但是这时，根据定义在连接单元配置点Q (i, j)和采样点S' (i， k)的直线、与副原图〗象IO"的交叉点S" (i、 k、 j)的像素值来确定该物体光。总之，4艮据定义在"连接该 单元配置点Q和该少见定采样点的直线'，与"副原图像10""的交叉 点的^f象素ii来确定乂人主原图^f象10'上的*见定采才羊点向*见定的单元配 置点Q的物体光。若这样定义物体光，则虽然是从同一采样点S' (i， k)放出的物体光，但是根据作为目的地的单元配置点Q不同， 所以其内容相互不同。对于这点，将使用图57稍微地进行详细说明。图57是表示在 第i个斜面SL (i)上定义有主原图像10'的图像轮廓线F (i)、副 原图像IO"的图像轮廓线F' (i)和单元配置线f (i)的状态的俯视 图。在主原图像10'的图像轮廓线F' (i)上定义有采样点S'(i, k)，在单元配置线f (i)上定义有单元配置点Q (i， 1 ).....Q (i, j )、Q (i、 j+l)..... Q (i， J)。在这种情况下，才艮据连接单元配置点Q (i， j)和采样点S' (i， k)的直线、与副原图像10"的交叉点S"(i、 k、 j)的像素值来确定从定义主原图像10'上的采样点S' (i, k) 向单元配置点Q (i、 j)的物体光。^f旦是，4艮据定义在连接单元配 置点Q (i、 j+l)和采才羊点S' (i， k)的直线、与副原图傳-10"的交 叉点S" (i、 k、 j+l)的<象素4直来确定乂人定义在主原图{象10'上的采 样点S' (i， k)向单元配置点Q (i、 j+l )的物体光。这样，虽然是 从同一采样点S'(i, k)放出的物体光，但是向单元配置点Q(i， j)的物体光和向单元配置点Q (i、 j+l )的物体光是不同的物体光。(3 )确定有步文区i或E的面禾口、的方法的变形例在本发明中，乂t于每个三维单元，在具有与纟展幅A相对应的面 积的有效区域E内形成有衍射光栅。因此，在§6所述的实施例中， 相对于所有的单元配置点Q求得振幅A的平方值A2，将其最大值 A2max作为最大面积进行^见才各，并确定每个单元的有效区域E的面 积。即，》寸于应该配置在每个单元配置点Q的三维单元，^!寻相当于 光^to形成面的全部面积(Cv x Ch )的"A2/A2max"的区域作为有 效区域E。但是，实际上，由于可以获得接近最大值A2max的值的单元配 置点Q的出现频率非常4氐，所以若以在§ 6所述的实施例的方法来 确定每个单元的有效区域E的面积，则有效区域E的比例变小，且 只能获得整体较暗的再生图像的情况较多。于是，实际运用时，设 定A2max > A2base这样的^L定的A2base,对于每个三维单元，优选 将相当于光栅形成面的全部面积(Cv x Ch )的"A2/A2base"的区 域(其中，当"A2〉A、ase时，为相当于全部面积的区域)作为有 效区域E。例如，当最大值A2max-128时，i殳定A2base=100。在这种情 况下，对于可以获得A2 = 50的单元，光4册形成面的全部面积的50 D/。的区域变为有效区域E，对于可以获得A2= 100的单元，光^3"形成面的全部面积的10(T/。的区域变为有效区域E,对于A2超过100 的单元，光4册形成面的全部面积的100%的区纟或变为有效区域E。 可以i兌在§ 6所述的实施例^是进行A2niax = A2base这样的设定的例 子。(4)进行考虑大量生产工序的尺寸设计的例子到此为止，示出了构成本发明涉及的光学元件的三维单元的各 部分的尺寸设定方法和具体尺寸值。当然，由于这些尺寸是作为最 终产品而被提供的光学元件(例如，全息图记录介质)自身的尺寸， 因此，优选在设计进行大量生产时使用的原版的基础上，进行考虑 使用该原版的大量生产的工序的尺寸"i殳计。例如，当制作由具有耐久性的材并+构成的原X反，将该原片反的凹 凸结构转印到紫外线固化树脂或热固化树脂等上，并大量生产原版的复制品时，存在以下倾向与原片反的当初i殳计的尺寸相比，复制 的大量生产的产品的凹部的槽的深度变浅。于是，优选在实施这样 的大量生产工序的情况下，当进行原版的尺寸设计时，考虑转印复 制时的凹凸尺寸的变化，并考虑将转印后的大量生产的产品的尺寸 i殳定为最优选的尺寸。(5 )使用未使用凹凸结构的衍射光栅的例子虽然在上述的实施例中所使用的三维单元中，通过物理的凹凸 结构来形成4汙射光4册，〗旦是，书f射光4册没有必要一定以凹凸结构构 成。例如，在呈长方体形状的三维单元的一面上以形成深浅的条紋 状的方式来形成衍射光栅，或者通过交叉地全面覆盖(lineup)由 折射率不同的2种材坤牛构成的棍状结构体来形成彩f射光才册。附图标^己10 物体/物体图像(原图像)IOA、 10B 选择的原图像10' 主原图i象10"副原图<象20 记录面(记录介质)30 三维假想单元集合40 光学元件 110 透光层 130 反射层 150 遮光层 210 透光层 220 透光层A、 Ak、 A (x， y) #展幅 Ain 入射光的4展幅 Aout 射出光的才展幅B、 B (x， y)、 B (i， j) 空白区域 C (x, y) 々支i殳单元/物理的三维单元 Cl、 C2、 C3 单元的尺寸50 形成衍射光栅的三角形部》 120 透光层 140 反射层 160 吸光层 215 透光层 230 反射层Cd 三维单元的纟从深尺寸C e 三维单元的有效区域的纵向尺寸Ch 三维单元的横向尺寸(有效区域的纵向尺寸)Cv 三维单元的纟从向尺寸d、 d2、 d3、 d4 光禾呈差E 一见点/有效区i或E (x， y )、 E (i， j ) 有效区域F (i) 图傳4仑廓线F' (i) 主原图像上的图像轮廓线F" (i) 副原图像上的图像轮廓线f (i-l )、 f (i)、 f (i+l ) 单元配置线G 衍射光才册G (i, j) 衍射光栅G(x， y) 形成于单元的槽/书t射光棚^Gl、 G2、 G3 槽的尺寸/衍射光栅形成部的尺寸h 构成衍射光4册的凹凸结构的槽的最大深度Ixy 复变函lt的虚凄史部i 虚lt单位i、 j、 k 表示顺序的参凄丈 Lin 入射光 Lout 射出光Lt 关于透过型光学元件的再生用照明光 Lr 关于反射型光学元件的再生用照明光 L1 L4、 IX1 LL4、 IX1' LL4' 光 m 衍射光的次数 N 法线n、 nl n4 折射率O、 O ( 1 )、 O (k)、 O (K) 点光源 P (x, y )、 P (x'、 y') 代表点 P1 P4 光学元〗牛上的点Pv 切割平面的间距/单元配置线的间距/单元配置点Q的纵向间距Ph 单元配置点Q的横向间距Q (i, 1 )、 Q (i、 j-l )、 Q ", j)、 Q (i、 j+l )、 Q (i， J)、 Q (i-l、 j)、 Q (i+l、 j) 单元配置点R 参照光Rxy 复数振幅的实数部r、 rl、 rk、 rK 与点光源之间的3巨离S 1 S 11流程图的各步骤Sl才曹G (x， y )的内部的面S2冲曹G (x, y )的外部的面S (i、 k-l )、 S (i, k)、 S (i、 k+l )、 S (i, m) 采样点 S'(i， k) 主原图〗象上的采样点S" (i、 k、 j)、 S" (i、 k、 j+l ) 副原图^象上的采样点 SA (i, k)、 SB (i, k) 选择的采才羊点 SL ( 1 )、 SL (2)、 SL (i)、 SL (N) 切割平面 SS 基准面ST1、 ST2、 ST3、 ST4 阶冲弟结构的各阶^殳 T 坐冲示点u 与基准面之间的3巨离v i V4 与相位e相对应的4亍Wl W4 与才展幅A相只t应的列 X、 Y、 Z 三维坐才示系的各坐标轴 A 》文出限制角 △ 阶^殳的阶^殳差e、 ek、 e (x， y) 相位0in 入4tib6勺才目^te。ut 射出光的相位入光的波长g 凹凸形状变化的周期c]) 入射角
权利要求
1.一种光学元件的制造方法，所述光学元件由多个三维单元的集合构成且能够再生规定的原图像，所述光学元件的制造方法的特征在于，包括原图像定义阶段，在三维空间内定义放出规定的物体光的原图像；记录面定义阶段，在所述三维空间内定义用于记录所述原图像的记录面；切割平面定义阶段，定义由可切割所述原图像以及所述记录面的平面构成的N多个切割平面；图像轮廓线定义阶段，在以所述切割平面切割所述原图像而获得的切割部，分别定义图像轮廓线；采样点定义阶段，在所述各图像轮廓线上分别定义多个采样点S；单元配置线定义阶段，在以所述切割平面切割所述记录面而获得的切割部，分别定义单元配置线；单元配置点定义阶段，在所述各单元配置线上分别定义多个单元配置点Q；对应采样点确定阶段，使通过同一切割平面的切割而定义的图像轮廓线和单元配置线相对应，且对于所述各个单元配置点Q的每个单元配置点Q，将定义在与所述单元配置点Q所属的单元配置线对应的图像轮廓线上的采样点S确定为对应采样点；振幅相位运算阶段，对于所述各个单元配置点Q的每个单元配置点Q，通过运算来求得物体光合成波的规定时刻的振幅A以及相位θ，其中，所述物体光是从所述对应采样点放出的物体光中的、到达所述单元配置点Q的位置的物体光；立体结构确定阶段，根据相对于所述单元配置点Q而求得的振幅A以及相位θ来确定应该配置在所述记录面上的所述各单元配置点Q的位置上的三维单元的结构，从而确定由配置在所述记录面上的多个三维单元的集合构成的立体结构；以及元件形成阶段，形成具有确定的所述立体结构的物理的光学元件，其中，在所述立体结构确定阶段中，在具有与所述振幅A相对应的面积的有效区域，确定形成有具有与所述相位θ相对应的相位的衍射光栅的三维单元的结构。
2. 根据权利要求1所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述原图像定义阶段，将三维单元立体图像或者二维 俯视图像定义作为所述原图像。
3. 根据权利要求1所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述原图l象定义阶革殳，定义方欠出由于方向而不同的物 体光的所述原图l象。
4. 根据权利要求3所述的光学元件的制造方法，其特征在于，作为分别具有多种像素值的采样点的集合而定义所述原 图像，确定根据放出方向来选择任一个像素值的规则，并根据 所选#^的像素值来确定放出的物体光。
5. 根据权利要求3所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述原图像定义阶段，通过定义有离散分布的采样点 的主原图像、和在表面各部分定义有规定的像素值的副原图像来定义原图像，并才艮据定义在连接所述单元配置点Q和-见定 的采样点的直线、与所述副原图像的交叉点上的4象素值来确定 从所述规定的采样点朝向规定的单元配置点Q的物体光。
6. 根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件的制造方法，其 特征在于，在所述记录面定义阶l殳，定义由平面构成的记录面；在所述切割平面定义阶，段，定义由相互平4于的平面构成 的N多个切割平面；在所述单元配置线定义阶^殳，在所述i己录面上定义由相 互平^f于的直线构成的N条单元配置线。
7. 根据权利要求6所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述切割平面定义阶,史，定义以 一 定间3巨P v配置的、 与^己录面正交的N个切割平面；在所述单元配置线定义阶_敬，在所述记录面上定义以所 述间隔Pv配置的N条的单元配置线；在所述单元配置点定义阶革史，在各单元配置线上定义以 一定间3巨Ph配置的单元配置点Q， 乂人而在所述i己录面上，定 义以纵向间距Pv、横向间距Ph配置成二维阵列状的单元配置 点Q;在所述立体结构确定阶^:,确定将三维单元配置在所述 二维阵列上的立体结构，其中，该三维单元以纟从向尺寸Cv等于所述间距Pv,横向尺寸Ch等于所述间距Ph的长方体为基 本形状。
8. 根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件的制造方法，其 特征在于，在所述振幅相位计算阶段，进行对从各对应采样点放出 的物体光的放出角度附加限制的运算。
9. 根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件的制造方法，其 特征在于，在所述才展幅相位计算阶段，当对从采样点S朝向单元配 置点Q的物体光的振幅的衰减量进行运算时，使用从线光源 发出的物体光的振幅衰减项。
10. 根据权利要求9所述的光学元件的制造方法，其特征在于，对于在放出到达规定的单元配置点Q的物体光的全部K 个采样点中、从第k个(k=l K)采样点S (k)发出的物体 光，将波长设定为X,将从采样点S (k)仅离开单位距离的 位置的振幅设定为Ak，将采样点S (k)上的相位设定为ek， 将所述单元配置点Q和第k个采样点S (k)之间的距离i殳定 为rk时，通过<formula>formula see original document page 5</formula>这样的公式来定义来自所述单元配置点Q上的K个采样点的 物体光的合成复教:振幅，根据-使用该公式的运算，求得所述单 元配置点Q上的振幅A以及相位e。
11. 根据权利要求1至10中任一项所述的光学元件的制造方法， 其特征在于，在所述立体结构确定阶^^殳，将具有以规定的周期5重复 同 一 凹凸形状变化的凹凸结构面的4汙射光栅配置在具有与振 幅A相对应的面积的有效区i或内的、相对于所述三维单元的基准位置具有相位e的位置上，/人而确定所述三维单元的结 构。
12. 根据权利要求11所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述立体结构确定阶4殳，配置所述三维单元，以<更光4册形成面与记录面平4于，且4黄边平4于于单元配置线，其中，所 述三维单元包括由具有尺寸Cv的纵边及尺寸Ch的横边的长 方形构成的所述光4册形成面，且所述三维单元以具有纟从向尺寸 Cv、横向尺寸Ch、纵深方向尺寸Cd的长方体为基本形状，在所述光才册形成面上定义由具有与4展幅A相^"应的面积 的部分构成的有效区域、和由除所述有效区域以外的部分构成 的空白区i或，通过在所述有效区域中配置具有凹凸结构面的衍射光斗册 来确定所述三维单元的结构。
13. 根据权利要求12所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述立体结构确定阶l殳，定义由具有尺寸Ce的纵边及 尺寸Ch的一黄边的长方形构成的有效区i或，对于所有的所述三 维单元，使有效区域的横向宽度等于所述三维单元的横向宽度 Ch，从而根据纵尺寸Ce来规定每个所述三维单元的有效区域 的面禾、
14. 根据权利要求12或13所述的光学元件的制造方法，其特征在 于，在所述立体结构确定阶^殳，对于定义在所述记录面上的 所有单元配置点Q，分別求得所求得的振幅A的平方值A2,将所述平方值A2的最大值i殳定为A2max，并i殳定A2max^ A2base这样的值A2base，对于应该配置在每个单元配置点Q上的三维单元，爿寻相 当于光栅形成面的全部面积的"A2/A2base"的区域作为有效区 域，其中，当A"〉A、ase时，是相当于全部面积的区域。
15. 根据权利要求12至14中任一项所述的光学元件的制造方法， 其特征在于，在所述立体结构确定阶,殳，形成书f射光冲册，以〗更沿与单 元配置线正交的方向产生凹凸形状变4匕。
16. 根据权利要求15所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述立体结构确定阶,殳，在沿与单元配置线正交的方 向的长度g的周期区间内，形成深度从最浅部到最深部连续单 调减少的4牛面，并通过重复配置所述杀牛面来形成凹凸结构面。
17. 根据权利要求16所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述立体结构确定阶^殳，设定以使用具有规定的标准 波长X的再生用照明光为前4是的标准》见察条件，并i殳定从所述 斜面的最浅部到最深部的深度h，以便在标准观察条件下，使 经由所述最深部到达观察位置的光、与经由所述最浅部到达乂见 察位置的光的相位差为2兀。
18. 根据权利要求15所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述立体结构确定阶,殳，在沿与所述单元配置线正交 的方向的长度g的周期区间内，形成深度从最浅部到最深部阶萃殳地单调减少的阶梯，通过重复配置所述阶梯来形成所述凹凸 结构面。
19. 根据权利要求18所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述立体结构确定阶段，设定以使用规定的标准波长X 的再生用照明光为前才是的标准7见察条件，在沿与单元配置线正 交的方向的长度g的周期区间内定义斜面，以便在标准观察条 件下，经由最深部到达观察位置的光、和经由最浅部到达观察位置的光的相位差是2兀，并通过配置近似于所述斜面的阶梯 来形成所述凹凸结构面，其中，所述斜面的从最浅部到最深部 的深度是h,且从最浅部到最深部的深度连续单调减少。
20. 根据权利要求17或19所述的光学元件的制造方法，其特征在 于，在所述元件形成阶段，作为以在填满具有折射率nl的物 质的空间内4吏用为前才是的光学元件，形成有以下光学元件在 所述光学元件中，在由具有4斤射率n2的物质构成的透光层的 表面上形成有凹凸结构面，/人而能够^L察透过透光层的再生用 照明光，在所述立体结构确定阶l殳，将hi殳定为通过"h=X/|n2-nl|" 求得的值。
21. 根据权利要求17或19所述的光学元件的制造方法，其特征在 于，在所述元件形成阶段，形成光学元件，在所述光学元件 中，作为由具有折射率nl的物质构成的第一透光层、与由具 有折射率n2的物质构成的第二透光层的界面，形成有凹凸结 构面，/人而能够7见察透过所述第 一透光层和所述第二透光层两 者的再生用照明光，在所述立体结构确定阶段，将h设定为通过"h=X/|n2-nl|" 求得的值。
22. 根据权利要求17或19所述的光学元件的制造方法，其特征在 于，在所述元件形成阶段，作为以在填满具有折射率nl的物 质的空间内利用为前4是的光学元件，形成有以下光学元件在 所述光学元件中，在具有反射再生用照明光性质的反射层表面 上形成有凹凸结构面，从而从所述空间内能够X^L察一皮所述反射 层反射的再生用照明光，在所述立体结构确定阶段，将h设定为通过"h=V(2x nl )"求得的值。
23. 根据权利要求17或19所述的光学元件的制造方法，其特征在 于，在所述元件形成阶段，作为以在填满具有折射率nl的物 质的空间内利用为前提的光学元件，形成有以下光学元件在 所述光学元件中，作为由具有折射率n2的物质构成的透光层、 和由具有反射再生用照明光性质的反射层的界面，形成有凹凸 结构面，从而能够观察透过所述透光层，通过所述反射层反射， 再次透过所述透光层的再生用照明光，在所述立体结构确定阶l殳，将h设定为通过"h=V(2x n2)"求得的值。
24. 根据权利要求17或19所述的光学元件的制造方法，其特征在 于，在所述元件形成阶段，作为以在填满具有折射率nl的物 质的空间内利用为前才是的所述光学元件，形成有以下光学元件在所述光学元件中，在由具有折射率n2的物质构成的透 光层的表面上形成有凹凸结构面，在与所述透光层的所述凹凸 结构面相反侧的面上形成有具有反射再生用照明光性质的反 射层，从而能够观察透过所述透光层，通过所述反射层反射， 再次透过所述透光层的再生用照明光，在所述立体结构确定阶4殳，将h i殳定为通过"h=X/ ( 2 x |n2-nl|)"求得的值。
25. 才艮据4又利要求17或19所述的光学元件的制造方法，其特征在 于，在所述元件形成阶段，形成光学元件，在所述光学元件 中，作为由具有折射率nl的物质构成的第一透光层、和由具 有折射率n2的物质构成的第二透光层的界面，形成有凹凸结 构面，在所述第二透光层的与所述第 一透光层4妄触的面的相反 侧的面上形成具有反射再生用照明光性质的反射层，/人而能够 7见察透过所述第一透光层和所述第二透光层两者，通过所述反 射层反射，再次透过所述第一透光层和所述第二透光层两者的 再生用照明光，在所述立体结构确定阶段，将hi殳定为通过"h=X/(2x |n2-nl|)"求得的值。
26. 根据权利要求22至25中任一项所述的光学元件的制造方法， 其特征在于，将所述反射层仅形成在各个所述三维单元的所述有效区 i或内，未形成在所述空白区i或内。
27. 根据权利要求12至26中任一项所述的光学元件的制造方法， 其特征在于，在所述立体结构确定阶段，设定标准观察条件，所述标 准观察条件以当从失见定的照射方向向所述光学元件照射规定 的标准波长X的再生用照明光时，从规定的观察方向进行观察 为前提，将衍射光栅的凹凸形状变化的周期g设定为适于获得衍 射角的值，其中，所述衍射角用于将从所述照射方向入射的光 导向所述观察方向，将所述三维单元的纵向尺寸Cv设定为为了使衍射光栅产 生充分的衍射现象所需要的尺寸以上的值，将所述三维单元的横向的尺寸Ch设定为为了相对于横向 能够获得所需要的体视角度而需要的尺寸以上的值。
28. 根据权利要求27所述的光学元件的制造方法，其特征在于，在所述立体结构确定阶#殳，将衍射光栅的凹凸形状变化 的周期^设定为0.6~2|um,所述三维单元的纵向尺寸Cv设 ,定为3 ~ 300]nm, 4黄向尺寸Ch "i殳定为0.2 ~ 4jiim。
29. 根据权利要求12至28中任一项所述的光学元件的制造方法， 其特征在于，在所述元件形成阶段，在所述空白区域形成遮光层或者 吸光层。
30. —种由多个三维单元的集合构成的光学元件，其特4i在于，在每个单元中分别定义有指定4展幅以及指定相位，在具 有与所述指定振幅相对应的面积的有效区域内形成有具有与 所述指定相位相对应的相位的》f射光4册，当向每个所述单元赋 予规定的入射光时，能够获得根据定义在所述单元的指定振幅 以及指定相位而改变所述入射光的振幅以及相位的射出光。
31. 根据权利要求30所述的光学元件，其特征在于，将具有凹凸结构面的衍射光栅配置在有效区域内的、相对于井见定的标准位置具有相位e的位置上，/人而形成每个三维 单元，其中，所述的凹凸结构面以失见定的周期g重复同一凹凸 形状变化。
32. 根据权利要求31所述的光学元件，其特征在于，每个三维单元以具有纵向尺寸为Cv、纟黄向尺寸为Ch、纵 深方向尺寸为Cd的长方体为基本形状，且包括光栅形成面， 其中，所述光4册形成面具有尺寸Cv的纵边及尺寸Ch的一黄边， 所述光4册形成面由与所述长方体的一面平4于的长方形构成，沿 所述光^f册形成面形成凹凸结构面，将各个三维单元配置成二维 阵列状。
33. 一艮据纟又利要求32所述的光学元件，其特4正在于，在每个三维单元的所述光栅形成面上定义有由具有尺寸 Ce的纵边及尺寸Ch的横边的长方形构成的有效区域，对于 所有的三维单元，将有效区域的横向宽度设定得等于单元本身 的横向宽度Ch，且形成由凹凸结构体构成的衍射光栅，以便 在沿所述纵边的方向上产生凹凸形状变化。
34. 4艮据纟又利要求33所述的光学元件，其特4i在于，在沿所述有效区域的纵边的长度S的周期区间内，形成 有深度从最浅部到最深部连续单调减少的斜面，并通过重复配 置所述斜面来形成所述凹凸结构面。
35. 才艮据4又利要求33所述的光学元件，其特征在于，在沿所述有效区域的纵边的长度g的周期区间内，形成 深度,人最浅部到最深部阶段地单调减少的阶梯，并通过重复配 置所述阶梯来形成所述凹凸结构面。
36. 4艮据权利要求33至35中任一项所述的光学元件，其特征在于，将所述衍射光栅的凹凸形状变化周期^设定为0.6 ~ 2pm,将所述三维单元的纵向尺寸Cv设定为3~ 300|am,横 向尺寸Ch i殳定为0.2 ~ 4pm。
37. 根据权利要求31至36中任一项所述的光学元件，其特征在于，每个所述三维单元构成为包括在表面形成有所述凹凸结 构面的透光层或者反射层。
38. 根据权利要求31至36中任一项所述的光学元件，其特征在于，每个所述三维单元包括层压结构体，其中，所述层压结 构体包括由具有折射率nl的物质构成的第一透光层和由具有 折射率n2的物质构成的第二透光层，且在所述第一透光层和 所述第二透光层的界面形成有所述凹凸结构面。
39. 根据权利要求31至36中任一项所述的光学元件，其特征在于，每个所述三维单元包括透光层和反射层的层压结构体， 且作为所述透光层和所述反射层的界面，形成有所述凹凸结构面。
40. 根据权利要求31至36中任一项所述的光学元件，其特征在于，每个所述三维单元具有透光层和反射层的层压结构体， 且在所述透光面的与反射层4妄触的面的相反侧的面上形成有 所述凹凸结构面。
41. 根据权利要求31至36中任一项所述的光学元件，其特征在于，每个所述三维单元具有层压结构体，所述层压结构体包 括由具有折射率nl的物质构成的第一透光层、由具有折射率 n2的物质构成的第二透光层、以及反射层，在所述第一透光 层和所述第二透光层的界面形成有所述凹凸结构面，在所述第 二透光层的与所述第一透光层接触的面的相反侧的面上形成 有所述反射层。
42. 才艮据权利要求31至36中任一项所述的光学元件，其特征在于，在所述光学元件中，形成有用于遮挡未经由所述有效区 域的光的遮光层、或者用于吸收到达所述有效区域之外的部分 的光的吸光层。
43. 根据权利要求37、 39至41中任一项所述的光学元件，其特征 在于，所述反射层仅形成在各个所述三维单元的所述有效区域内。
44. 根据权利要求30至43中任一项所述的光学元件，其特征在于，记录来自物体图^f象的物体光的复凌t才展幅分布，以便从规 定的视点位置观测时再生所述物体图像，从而能将其用作全息 图像。
全文摘要
本发明提供一种光学元件及其制作方法，当再生时可获得高的衍射效应，制造工序简单，生产率卓越。以具有间隔Cv的多个切割平面切割记录面(20)和原图像，使以同一切割平面切割获得的单元配置线f(i)和原图像侧的图像轮廓线对应。在单元配置线f(i)上，以间距Ph定义单元配置点Q。对于每个单元配置点Q，通过运算而求得从对应的图像轮廓线上的多个采样点放出的物体光的合成波的振幅A以及相位θ。在每个单元配置点Q，配置有三维单元C，该三维单元C是在具有对应于振幅A的面积的有效区域E内形成有对应于相位θ的相位的衍射光栅G。通过周期配置具有周期ξ的阶段状阶梯构成衍射光栅G。三维单元C的长度Cv为20μm，宽度Ch为0.4μm，周期ξ为1μm。
文档编号G03H1/22GK101241348SQ20081000524
公开日2008年8月13日 申请日期2008年1月31日 优先权日2007年2月7日
发明者北村满 申请人:大日本印刷株式会社