CN101241348B - 光学元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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行记录，并可以对其进行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，公知有全息照相技术，以这种方法制作的全息图被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：将从物体发出的物体光和参照光的干涉条纹记录在感光介质上。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纹时，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，从而可以将该再生用照明光的一部分作为具有与物体光等价的波阵面的光进行观测。

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干涉条纹进行记录。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。该方法被称为计算机合成全息图(CGH：Computer GeneratedHologram)，利用计算机来对物体光的波阵面进行运算，并以某种方法将其相位和振幅记录在物理介质上，从而制作全息图。当利用该计算机全息图方法时，当然可以作为物体光和参照光的干涉条纹来进行图像的记录，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接记录在记录面上。

例如，在下面的专利文献1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θ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。在该在先发明所公开的方法中，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θ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θ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号公报

在上述的在先发明中，由于通过记录有振幅A和相位θ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：可以制造再生时可获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0.6×0.25×0.25μm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，分别定义图像轮廓线；采样点定义阶段，在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；单元配置点定义阶段，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，物体光是从对应采样点放出的物体光中的、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而求得的振幅A以及相位θ来确定应该配置在记录面上的各单元配置点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θ相对应的相位的衍射光栅的三维单元的结构。

(2)根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)根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像。

(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)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，并根据定义在连接单元配置点Q和规定的采样点的直线、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规定的单元配置点Q的物体光。

(6)根据本发明第一方面至第五方面中任一方面涉及的光学元件的制作方法，在本发明的第六方面中，在记录面定义阶段，定义由平面构成的记录面；在切割平面定义阶段，定义由相互平行的平面构成的N多个切割平面；在单元配置线定义阶段，在记录面上定义由相互平行的直线构成的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，在切割平面定义阶段，定义以一定间距Pv配置的、与记录面正交的N个切割平面；在单元配置线定义阶段，在记录面上定义以间隔Pv配置的N条的单元配置线；在单元配置点定义阶段，在各单元配置线上定义以一定间距Ph配置的单元配置点Q，从而在记录面上，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；在立体结构确定阶段，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)根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)根据本发明第一方面至第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＝1～K)采样点S(k)发出的物体光，将波长设定为λ，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θk，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∑_(k＝1～K)(Ak/rk·cos(θk±2πrk/λ)+iAk/

rk·sin(θk±2πrk/λ))这样的公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θ。

(11)根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，在立体结构确定阶段，将具有以规定的周期ξ重复同一凹凸形状变化的凹凸结构面的衍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θ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，在立体结构确定阶段，配置三维单元，以便光栅形成面与记录面平行，且横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的横边的长方形构成的光栅形成面，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，在光栅形成面上定义由具有与振幅A相对应的面积的部分构成的有效区域、和由除有效区域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衍射光栅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)根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，在立体结构确定阶段，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A²的最大值设定为A²max，并设定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，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＞A²base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任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，在立体结构确定阶段，在沿与单元配置线正交的方向的长度ξ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斜面，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，在立体结构确定阶段，设定以使用具有规定的标准波长λ的再生用照明光为前提的标准观察条件，并设定从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、与经由最浅部到达观察位置的光的相位差为2π。

(18)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ξ的周期区间内，形成深度从最浅部到最深部阶段地单调减少的阶梯，通过重复配置阶梯来形成凹凸结构面。

(19)根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λ的再生用照明光为前提的标准观察条件，在沿与单元配置线正交的方向的长度ξ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2π，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n1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，从而能够观察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＝λ/|n2-n1|”求得的值。

(21)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n1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，在立体结构确定阶段，将h设定为通过“h＝λ/|n2-n1|”求得的值。

(22)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，在本发明的第二十二方面中，在元件形成阶段，作为以在填满具有折射率n1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，在立体结构确定阶段，将h设定为通过“h＝λ/(2×n1)”求得的值。

(23)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，在本发明的第二十三方面中，在元件形成阶段，作为以在填满具有折射率n1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＝λ/(2×n2)”求得的值。

(24)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，在本发明的第二十四方面中，在元件形成阶段，作为以在填满具有折射率n1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，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，在立体结构确定阶段，将h设定为通过“h＝λ/(2×|n2-n1|)”求得的值。

(25)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n1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，从而能够观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，在立体结构确定阶段，将h设定为通过“h＝λ/(2×|n2-n1|)”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，将反射层仅形成在各个三维单元的有效区域内，未形成在空白区域内。

(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规定的标准波长λ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ξ设定为适于获得衍射角的值，其中，衍射角用于将从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)根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，在立体结构确定阶段，将衍射光栅的凹凸形状变化的周期ξ设定为0.6～2μm，三维单元的纵向尺寸Cv设定为3～300μm，横向尺寸Ch设定为0.2～4μm。

(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，在元件形成阶段，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θ的位置上，从而形成每个三维单元，其中，的凹凸结构面以规定的周期ξ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纵向尺寸为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，光栅形成面由与长方体的一面平行的长方形构成，沿光栅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ξ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ξ的周期区间内，形成深度从最浅部到最深部阶段地单调减少的阶梯，并通过重复配置阶梯来形成凹凸结构面。

(36)根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，将衍射光栅的凹凸形状变化周期ξ设定为0.6～2μm，将三维单元的纵向尺寸Cv设定为3～300μm，横向尺寸Ch设定为0.2～4μm。

(37)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，在本发明的第三十七方面中，每个三维单元构成为包括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，层压结构体包括由具有折射率n1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，且在第一透光层和第二透光层的界面形成有凹凸结构面。

(39)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接触的面的相反侧的面上形成有凹凸结构面。

(41)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n1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，反射层仅形成在各个三维单元的有效区域内。

(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纹进行记录，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。

附图说明

图1是表示利用参照光，将物体图像作为干涉条纹(interferencefringes)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上的代表点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，求得振幅A(x，y)和相位θ(x，y)的示意图；

图5是表示为了记录物体图像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、透光率以及折射率不同的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是用于说明在将图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视图；

图10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θ的记录原理的扩大正视图；

图14是从法线方向向光学元件照射再生用照明光，并从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是从倾斜方向向光学元件照射再生用照明光，并从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是从法线方向向光学元件照射再生用照明光，并从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所示的衍射现象的原理的侧视图；

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，对从各对应采样点放出的物体光的放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视图；

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的流程图中的步骤S9的工序而确定的三维单元的结构例(类型1A)的部分正视截面图；

图30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1B)的部分正视截面图；

图31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2A)的部分正视截面图；

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)的部分正视截面图；

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)的部分正视截面图；

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)的部分正视截面图；

图35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4A)的部分正视截面图；

图36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4B)的部分正视截面图；

图37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5A)的部分正视截面图；

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)的部分正视截面图；

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)的部分正视截面图；

图40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6B)的部分正视截面图；

图41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7A)的部分正视截面图；

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)的部分正视截面图；

图43是表示删除图31所示的类型2A的单元的空白区域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的单元的空白区域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个阶段的阶梯结构的例子的部分正视截面图；

图49是表示将图30所示类型1B的单元的斜面结构替换为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的单元的斜面结构替换为4个阶段的阶梯结构的例子的部分正视截面图；

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个阶段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视图；

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俯视图；以及

图57是用于说明向采用图56所示的原图像的记录面进行记录的方法的俯视图。

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1是表示利用参照光，将物体图像作为干涉条纹进行光学记录的通常全息照相方法的立体图。当将物体10的立体图像记录在记录介质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上的干涉条纹。在此，若在记录介质20上定义XY坐标系，并着眼于位于坐标(x，y)的任意点P(x，y)，则在该点P(x，y)上记录由来自物体10上的各点O(1)、O(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，从与参照光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上记录干涉条纹时，使用感光材料作为记录介质20，且将干涉条纹作为记录介质20上的深浅图案(pattern)而进行记录。另一方面，当利用计算机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，将现实的物体10和记录介质20取而代之，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，且在物体图像10上定义多个点光源O(1)、O(2)、...、O(k)、...、O(K)。此外，对于各个点光源，定义具有规定波长、振幅、相位的物体光(球面波)，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(干涉条纹)，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像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作为干涉条纹来进行记录。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，跨越曝光所需要的一定时间而产生干涉波，且必须将其作为干涉条纹进行记录。因此，需要利用参照光来产生作为驻波的干涉波。但是，若利用计算机合成全息图的方法，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纹而记录的方法。

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相位的波动。

Acosθ+i Asinθ

其中，i为虚数单位。在这里，A为表示振幅的参数，θ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(θ+2π/rλ)+i A/r·sin(θ+2π/rλ)

在此，A为作为基准的振幅值，r为点光源O与代表点P(X，Y)之间的距离，λ为物体光的波长。物体光的振幅随着距离r变大而衰减，且根据距离r和波长λ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的信息记录在记录面20上时，在物体图像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 cosθk+i Ak sinθk

若物体图像10由分别具有规定灰阶值(gradation value)(浓度值)的像素的集合构成，则对应存在于该点光源O(k)的位置的像素的灰阶值来确定表示振幅的参数Ak。虽然一般可以设定θk＝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样的设定。若对于全部K个点光源，定义有分别通过上述复变函数来表现的物体光，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。

∑_k＝1～K(Ak/rk cos(θk+2πrk/λ)+i Ak/rk sin(θk+2πrk/λ))

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，上述公式相当于将物体图像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)。

∑_k＝1～K(Ak/rk cos(θk-2πrk/λ)+i Ak/rk sin(θk-2πrk/λ))

因此，考虑这两种情况的复变函数为下式：

∑_k＝1～K(Ak/rk cos(θk±2πrk/λ)+i Ak/rk sin(θk±2πrk/λ))。

若将该函数的实数部分作为Rxy，将虚数部分作为Ixy，且该函数形成为Rxy+iIxy，则如图4所示，通过复坐标(complexcoordinate)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之间的距离A(x，y)来赋予代表点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θ(x，y)来赋予相位。

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θ(x，y)。因此，在记录面20上，可以获得从物体图像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)。将这样获得的复数振幅的分布以某种形式记录在物理记录介质上，且在赋予规定的再生照明光时，若再生物体光的波阵面(wavefront)，则可以将物体图像10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10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，在记录面20的位置上，定义三维假想单元集合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(朝向物体图像10的面)的中心点位置定义该单元的代表点。例如，当在三维假想单元集合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，在该假想单元C(x，y)的前面的中心点定义代表点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)、O(2)、...、O(k)、...、O(K)的集合。从这些点光源发出分别具有规定振幅以及相位的物体光，且这些物体光的合成波到达代表点P(x，y)。如上所述，可以通过上述公式来计算该合成波的复数振幅，且其被表示为如图4所示的复坐标平面上的坐标点T，根据该坐标点T，可以获得振幅A(x，y)和相位θ(x，y)。在这里，将相对于代表点P(x，y)而获得的振幅A(x，y)以及相位θ(x，y)称为相对于包括该代表点P(x，y)的假想单元C(x，y)的指定振幅A(x，y)以及指定相位θ(x，y)。

实际上，将以上的步骤作为使用计算机的运算处理而加以执行。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，若将这些假想单元中的每个假想单元分别替换为具有实体的物理单元，则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10的全息图记录介质)。在这里，取代假想单元的物理单元需要具有以下光学特征：根据相对于假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征：当赋予有规定的入射光时，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振幅以及相位，从而产生射出光。

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规定的再生用照明光(在理想状态下，为具有与上述运算处理中所使用的物体光的波长λ相同波长的单色光平面波)的情况下，由于在每个物理单元中，通过指定振幅以及指定相位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。如此，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θ)的适当的三维单元的具体构成例进行说明。在此所说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，该射出光是根据相对于该单元而定义的指定振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)，记录有振幅A(x，y)以及相位θ(x，y)，且向该单元赋予具有振幅Ain、相位θin的入射光Lin时，可以获得振幅Aout＝Ain·A(x，y)、相位θout＝θin±θ(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θin接受基于记录于单元中的指定相位θ(x，y)的调制并变化为相位θout。

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设置振幅调制部)。例如，将具有透过率为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的入射光通过该单元时，将其振幅调制为具有Aout＝Ain·Z/100的振幅的射出光。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设置具有与指定振幅相对应的反射率的振幅调制部的方法。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＝Ain·Z/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(该反射面作为振幅调制部而发挥作用)，且将该反射面的反射率设定为任意值即可。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糙度，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振幅相对应的有效面积的振幅调制部的方法。例如，将具有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，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设定为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，入射光被振幅调制为具有Aout＝Ain·Z/100的振幅的射出光。

另一方面，在三维单元中调制相位的一个方法是在单元内设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设置相位调制部)。例如，即使向具有由折射率为n1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位调制。

在三维单元内调制相位的其他方法是在单元内设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位调制部，也可以在单元的一部分设置相位调制部)。例如，即使在具有由折射率为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，且设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振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，作为振幅调制方法，采用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，作为相位调制方法，采用在单元内设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。该表的横轴对应振幅A，纵轴对应相位θ，振幅A及相位θ均被分为4个范围。

在这里，被与振幅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)是由透过率较高的材料构成的单元，被与振幅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θ为“0～π/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n1的材料构成的单元，被与相位θ为“π/2～π”相对应的范围所描绘的单元(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θ为“π～3π/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θ为“3π/2～2π”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。当要使用这样的16种物理单元来替换假想单元时，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：根据相对于每个假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振幅相对应的调制，通过折射率来控制与指定相位相对应的调制。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。为了使用记录有复数振幅的光学元件来再生具有某种程度的分辨率的物体图像，不得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100μm，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：使用如图7所示的物理单元来构成光学元件的方法并不适用于工业的批量生产。

所以，在上述的专利文献1(在先发明：日本特开2002-072837号公报)中，作为优选实施例，公开了具有如图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：C1＝0.6μm、C2＝0.25μm、C3＝0.25μm，槽G(x，y)的尺寸为：G1＝0.2μm、G2＝0.05μm、G3＝C3＝0.25μm。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假想单元时，通过具有与指定振幅相对应的尺寸G1，且具有与指定相位相对应的尺寸G2的物理单元来进行替换。

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G1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)构成为包括具有折射率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n1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S 1的光L1、和垂直入射到槽G(x，y)的外部的面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n1、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S1以及S2变为反射面，大致垂直入射到槽G(x，y)内部的面S1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L1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之间会产生规定的相位差。

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S1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作为用于再生图像的有效射出光)，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进行记录。

并且，如上述，若仅将基于入射到槽G(x，y)内部的面S1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G1越大，槽G(x，y)内部的面S1的面积也越大，从而用于再生物体图像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何意义的相位成分，所以再生时，即使在视点位置观测这些射出光L2，也是被视为所谓的背景光(back ground)的噪声成分，不会被理解为可以再生有意义的图像的光。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成为决定从该物理单元C(x，y)射出的光中的、作为信号成分而观测的光L1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)的物理单元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假想单元而定义的指定振幅相对应的正确的槽宽度G1，且具有与指定相位相对应的正确的深度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a×b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所示的状态的模块状的物理单元，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θ的变化。例如，位于列W1的单元是对应于振幅A的最小值的单元，槽宽G1＝0，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G1＝单元宽度C1，即其是整面被挖(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θ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θ的单元，且槽的深度G2逐渐变大。

但是，为了物理地制造由具有该在先发明涉及的结构的三维单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C1设定为0.6μm。因此，在如图11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G1的变化分为7种，例如需要进行如下设定：在列W1的单元中为G1＝0，在列W2的单元中为G1＝0.1μm，在列W3的单元中为G1＝0.2μm，在列W4的单元中为G1＝0.3μm，在列W5的单元中为G1＝0.4μm，在列W6的单元中为G1＝0.5μm，在列W7的单元中为G1＝0.6μm(即，与单元的宽度C1相同)。

但是，为了以较高的精度形成具有0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm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，难以提高生产率。在本发明所公开的新方法中提供了一种光学元件：其与该在先发明中所公开的光学元件相比，制造工序比较简单，且具有卓越生产率。下面，将在§4以后对该方法进行详细说明。

《§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公开的三维单元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，且每个单元都记录有指定振幅以及指定相位。但是，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θ。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衍射光栅G(x，y)，且进行振幅A以及相位θ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，为了便于说明，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C1、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G1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)的区域的宽度。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G1×G3尺寸的长方形区域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，将关于该三维单元C(x，y)的指定振幅A作为有效区域E(x，y)的面积进行记录。即，当为指定振幅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栅)，有效区域E(x，y)的最大值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，指定振幅A的大小的动态范围是0～“C1×C3”。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)的衍射光，因此有效区域E(x，y)的面积越大的单元，可以观测到越强的衍射光。因此，关于振幅A，该图12所示的三维单元作为与图6所示的模型(model)单元而发挥作用。

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，但是为了简化物理形成衍射光栅的工序，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C1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，仅在图的右侧部分配置空白区域B(x，y)。

此外，在这里所示的实施例中，在沿有效区域E(x，y)的尺寸G1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)而形成衍射光栅，有效区间E(x，y)的面积主要根据尺寸G1来进行规定(有效区域E(x，y)的面积与尺寸G1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C1(为了提高体视效果)。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)来形成衍射光栅。此外，虽然在这里示出了通过基于多个斜面(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，但是形成有衍射光栅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θ的记录方法进行说明。图13是表示该相位θ的记录原理的扩大正视图。图的上段是如图12所示的衍射光栅G(x，y)的部分的扩大正视图，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ξ的周期性凹凸形状变化的结构体，从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ξ的周期性凹凸形状的结构体中，可以将相位θ定义为空间的配置相位。

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ξ/4，则可以获得图13的下段所示的结构体。由于周期ξ相当于2π的相位差，因此，移动量ξ/4相当于π/2的相位差。其结果，若将图13上段所示的衍射光栅的相位θ定义为基准值0，则图13下段所示的衍射光栅的相位θ变为π/2。这样，向图的横向方向，将凹凸结构部分仅移动周期ξ范围内的规定量，从而可以获得与0～2π范围内的相位θ相对应的结构。因此，例如，对于应该记录指定相位θ＝0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θ＝π/2的三维单元，形成具有如图13下段所示的这样结构的衍射光栅即可。

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θ的三维单元，关于相位θ，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被记录的物体图像10的环境。

图14是表示进行这样的再生时的光学元件40(使用物理单元的全息图记录介质)、再生用照明光Lt或Lr、视点E之间的关系的侧视图。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，向与视点E相同侧的面上照射再生用照明光Lr，在视点E观察从光学元件40反射来的光。无论是何种，当采用作为如图6所示的模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，从光学元件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，由于观测者的头部位于视点E的位置，因此，即使从如图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的记录面的倾倾斜方向照射再生用照明光Lt或者Lr，在位于法线方向的视点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，在位于倾倾斜方向的视点E观察再生图像；或者将再生用照明光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规定的视点E的方向。在在先发明中，为了采取这样的措施，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修正处理。与此相对，由于在本发明涉及的三维单元中，形成衍射光栅来代替槽，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规定的视点E的方向。

例如，考虑以下情况：如图17所示，从倾倾斜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λ的单色平面波的简单例子。当从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仅长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被取消，到达视点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是表示从法线方向照射再生用照明光L1～L4，并在位于倾倾斜方向的视点E观察透过光学元件40而接受振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)时的侧视图。在这种情况下，再生用照明光L1～L4是具有波长λ的单色平面波，且从法线方向向光学元件40照射有这样的再生用照明光。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P1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的衍射功能，沿如图所示的方向可以获得衍射光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，从而在到达视点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，使用具有衍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提的光学元件。

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θ与通过该衍射现象而被取消的相位差没有关系。即，若着眼于观察时最终到达视点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记录有指定相位θ(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θ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详细说明这点。该两个图均为以如图17所示的观察环境为前提而制作的光学元件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ξ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θ＝0的单元，图20示出了如图13的下段所示，记录有相位θ＝π/2的单元。无论哪个图，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，但是，该三角形部分50是构成衍射光栅的凹凸结构的部分，且由具有规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n1的介质中(若是在空气中观察该光学元件的一般的情况，则n1是空气的折射率)，且该三角形部分50自身的折射率为n2。

此外，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，为了便于说明，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ξ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θ＝0的单元。在图示的例子中，若从该三角形部分的左上倾倾斜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的入射角度设定为φ，则再生用照明光L1～L3通过衍射光栅仅以衍射角度φ衍射并射出。通常，基于具有周期ξ的周期结构的衍射光栅的波长λ的光的衍射角度φ是将衍射光的次数作为m(m＝0、±1、±2、±3、......)，并通过下式而被赋予的。

ξsinφ＝mλ

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＝±1)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m＝1时(或者m＝-1时也可以)的设定。因此，下面，在上式中，若考虑m＝1的情况，则可以获得下式。

ξsinφ＝λ

在这里，若将到达图19中的入射点P 1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＝ξsinφ，因此，结果，上式表示光程差d＝λ这样的关系。这表示到达仅分离ξ的点P1、P3的再生用照明光L1、L3的相位差变为波长λ。由于相当于波长λ的相位差2π与相位差0等价，因此，上式还具有如下意义：该公式是在到达仅相隔ξ的点P1、P3的再生用照明光L1、L3之间不产生相位差的条件。

另一方面，到达点P1的再生用照明光L1仅以角度φ衍射，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n1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φ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λ的光“在具有折射率n1的材料中仅传播(propagation)距离h时”与波长λ的光“在具有折射率n2的材料中传播距离h时”的相位差变为2π，若将三角形部分50的高度设定为与该距离h相等，则在从点P1、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2π被相抵)。

下面，考虑入射到点P1与点P3之间的任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P1、P3的中点)的时刻，相对于到达入射点P1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d＝λ，所以光程差d/2相当于λ/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π的相位差。

但是，通过在三角形部分50中的传播，从而取消该π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n1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2π的距离”，因此，在三角形部分50仅传播h/2距离的衍射光LL2在该传播中只产生π的相位差，从而由光程差d/2产生的相位差π被相抵。这样，在入射到记录面20的时刻产生的光程差通过三角形部分50而被相抵的现象不仅相对于再生用照明光L2而发生，对于入射到点P1和P3之间的任意位置的再生用照明光也同样发生。

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抵的现象，记录在每个三维单元的指定相位θ也被视为到达视点E的衍射光的相位。将如图19所示的衍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较，则可以便于理解其原因。

即使在如图20所示的衍射光栅中，也配置有与图19所示的衍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ξ/4(即，存在π/2的相位差)。因此，若着眼于图20所示的单元，则由记录面20中的几何的入射位置的不同而产生的相位差通过三角形部分50被相抵，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φ、与图20所示的再生用照明光L1、L2、L3及入射角度φ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记录在各单元中的指定相位θ。

例如，若将记录在图19所示的单元中的指定相位θ设定为θ＝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θ变为θ＝π/2(ξ/4的偏移量相当于π/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P1位置的相位相同。但是，由于图19所示的衍射光LL1在到达视点E的时刻，仅通过三角形部分50的距离h，从而产生2π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)×2π的相位移位。因此，在到达视点E的时刻，在两者之间会产生2π-(3/4)×2π的相位差。

与此完全相同，在到达视点E的时刻，在图19所示的衍射光LL2与图20所示的衍射光LL2′之间也产生π/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/2，从而产生π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)×2π的相位移位。因此，在到达视点E的时刻，在两者之间产生π-(1/4)×2π＝π/2的相位差。

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π/2的相位差。其结果，即使以完全相同的入射角度φ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π/2。这是因为记录在图19所示的单元中的指定相位θ为θ＝0，与此相对，记录在图20所示的单元中的指定相位θ为θ＝π/2。

如上所述，可知：记录有作为衍射光栅的空间配置相位的相位θ的三维单元关于相位θ，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)的面积进行记录，将指定相位θ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所示的模型单元而发挥作用，入射光的振幅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θin接受记录在单元中的指定相位θ(x，y)的调制并变为振幅θout。

《§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，从而可以提高生产率。

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C1＝0.6μm、C2＝0.25μm、C3＝0.25μm、G1＝0.2μm、G2＝0.05μm、G3＝0.25μm这样的值。如图11所示的例子，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0.0μm(没有槽)、0.1μm、0.2μm、0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm(整面的槽)这样的微小宽度的槽。目前，为了进行这样的微细加工，虽然可以利用电子束光刻装置(electron beam lithography device)等，但是即使是使用这样的高精度的装置，也难以正确地形成具有0.1μm刻纹差异的宽度的槽。

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，则需要正确形成具有0.05μm刻纹差异的宽度的槽(0.0μm、0.05μm、0.10μm、0.15μm、...)。

当然，如果较大地设定三维单元的尺寸，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距，从而导致作为记录全息图像(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纹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设定得接近于可视光的波长的尺寸。

具体而言，若将每个单元的配置间距设定在0.2μm～0.4μm的范围内，则即使与光学记录有干涉条纹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0.2μm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4μm，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λ＝555nm时，若将单元的配置间距设定为0.4μm，则可以获得体视的角度为±44°程度，与此相对，若将单元的配置间距设定为4μm，则可以获得体视的角度为±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缓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横2个方向，牺牲一个方向的体视，但是相应地缓和加工精度的条件。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。当在记录面上阵列状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)的体视效果，但是，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λ＝555nm的光的折射率为1.52)时，各部分的尺寸为C1＝20μm、C2＝0.25μm、C3＝0.4μm、G1＝0～20μm、G2＝0.18μm、G3＝0.4μm、ξ＝1μm。在这里，有效区域E(x，y)的长度G1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0μm，最大值是20μm。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，G1＝20μm(最大值)是应该记录在单元中的指定振幅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，其被设定为适用产生2π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绘为相同的尺寸，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C1，则当为如图8所示的在先发明涉及的三维单元时，C＝0.6μm，与此相对，当为如图12所示的本发明涉及的三维单元时，C＝20μm，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＝0.4μm，与此相对，单元的长度C1＝20μm，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设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，并使用来自设置在室内的天花板的照明的再生用照明光进行观察。这种情况下的观察环境相当于以下例子：在如图17所示的透过型例子中，将再生用照明光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φ＝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λ，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

ξsinφ＝mλ

中插入这些值，则可以获得公式

ξsin40°＝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ξ，则可以获得ξ＝864nm这样的值。

可是，该ξ＝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φ＝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。在实际的观察环境中，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φ。只是，作为大致的标准，在上述的观察条件下，获得了ξ＝864nm这样的计算结果，因此，本发明的发明人设定了ξ＝1μm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ξ的值设定在0.6～2μm的范围内，则不会产生问题。

如上所述，若将衍射光栅的凹凸形状变化的周期ξ设定为1μm，则形成衍射光栅时的有效区域E(x，y)的长度G1的最小值为5μm。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ξ＝0.6μm时的G1的最小值为3μm，设定为ξ＝2μm时的G1的最小值为10μm。因此，有效区域E(x，y)的长度G1的绝对最小值是3μm。以2个阶段的精度来记录振幅A的值就足够时，只要准备形成有衍射光栅或未形成有衍射光栅的2种单元就足够，因此，本发明所使用的三维单元的长度C1的最小值是3μm。

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C1)越大越好。例如，若设定C1＝1mm，则即使将C1设定为以1μm刻纹而不同的值，也可以以1000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1mm左右的值，则导致可以以肉眼来观察每个单元，当肉眼观察整个光学元件时，导致可以看见条纹。因此，实际上优选将单元的长度C1设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300μm。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3μm～300μm。

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，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)的体视效果。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、可以获得体视效果的0.2μm～4μm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0.2μm～4μm。

此外，若图12所示的三维单元沿图的纵深方向被配置有多个，则衍射光栅G(x，y)也向图的纵深方向延伸。在这里，在邻接配置的每个单元中分别记录有不同的振幅A和相位θ，因此衍射光栅的空间配置一点点地偏移。因此，若在记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纹(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0.2μm～4μm程度。虽然在通常情况下，也许很少将相邻配置长度仅有0.2μm～4μm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＝0.25μm，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λ(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ξ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C1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放宽，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C 1(在实施例中是20μm)，且单元的宽度C3也是0.4μm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，用于形成衍射光栅G(x，y)的加工精度被大幅度缓和。

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0.1μm刻纹的差异宽度的槽。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ξ＝1μm的周期的衍射光栅即可。由于尺寸G1的最大值是20μm，因此，也可以充分确保振幅A的变化。例如，若除G1＝0μm(完全没有形成衍射光栅的情况)之外，通过G1＝5μm、6μm、7μm、...、20μm和1μm刻纹来记录振幅A，则可以确保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θ，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θ的记录不会产生大问题。例如，当设定周期ξ＝1μm，且以θ＝0、π/2、π、3π/2的4个阶段的精度来记录相位θ时，需要制作将衍射光栅的空间位置分别仅错开0μm、0.25μm、0.5μm、0.75μm的单元，但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：易于进行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所示的观察环境为前提，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ξ设定为适当的值，从而可以进行仅以所希望衍射角度φ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行说明。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，由于采用关于记录面上的纵横2个方向，牺牲关于一个方向的体视来缓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，即使对于该点也执行不同的工序。下面，详细说明本发明涉及的工序。此外，实际应用上，图21所示的流程图的步骤S1～S10的工序是应由计算机执行的工序，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S11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S1中，执行在三维单元内定义放出规定物体光的原图像(物体图像)的原图像定义阶段，在后续的步骤S2中，执行在该三维单元内定义用于记录原图像的记录面的记录面定义阶段。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的平面数据即可。此外，虽然在这里所示的实施例是采用三维立体图像作为原图像10的例子，但是，无需原图像10一定是三维立体图像，例如，也可以将二维俯视图像用作原图像。此外，无需记录面20一定是平面，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。但是，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，对定义平面作为记录面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距Pv配置的相互平行的平面构成的多个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仅限于图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C1(参照图12)相等。在上述的实施例中，由于设定C1＝20μm，所以切割平面的间距Pv也被设定为20μm。

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)切割原图像10而获得的切割部分别定义单元配置线f(1)～f(N)，在后续的步骤S7中，执行单元配置点定义阶段：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，以粗线示出了3条图像轮廓线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)定义为相互平行的平面，所以形成在记录面20上的N条的单元配置线f(1)～f(N)成为相互平行的直线(在图22中，成为沿相对于纸面垂直方向(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像10侧的第i个图像轮廓线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个图像轮廓线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-1)、S(i，k)、S(i，k+1)是定义在该图像轮廓线F(i)上的第(k-1)个、第k个、第(k+1)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-1)、Q(i，j)、Q(i，j+1)是分别定义在该单元配置线f(i)上的第(j-1)个、第j个、第(j+1)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，为了不在图像上形成斑点，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，也可以使直线距离一定。由于采样点S的间隔是确定原图像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，缩小采样点S的间距且提高密度即可。但是，若采样点S的密度高，则相应地运算负担变重。

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＝0.4μm，因此，将单元配置点Q的间距Ph也设定为0.4μm。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，在步骤S8中，执行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，且对于每个单元配置点Q，将在与该单元配置点Q所属的单元配置线相对应在图像轮廓线上定义的采样点S确定为对应采样点。例如，在图23所示的例子中，将通过同一切割平面SL(i)的切割而定义的图像轮廓线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，定义在对应的图像轮廓线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)，定义在图像轮廓线F(i)上的所有采样点(...、S(i，-1)、S(i，k)、S(i，k+1)、...)被确定为对应采样点。此外，关于图示的单元配置点Q(i，j-1)和Q(i，j+1)的对应采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+1)、...)。

在下面的步骤S9中，执行振福相位运算阶段：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θ。

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，但是，如上所述，该单元配置点Q(i，j)的对应采样点是定义在图像轮廓线F(i)上的所有采样点(...、S(i，k-1)、S(i，k)、S(i，k+1)、...)。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)。当从单元配置点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)。若可以选择取舍到达单元配置点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)的位置上的合成波，并求得规定时刻的振幅A以及相位θ。

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)放出的物体光到达单元配置点Q(i，j)的光程的立体图。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加以表示。

Ak cosθk+i Ak sinθk

在这里，Ak是表示从采样点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。θk是表示物体光的初期相位的参数，通常可以设定为θk＝0。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个对应采样点，分别定义以上述复变函数表示的物体光，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振幅可以通过下式的复变函数加以表示。

∑_k＝1～k(Ak/rk cos(θk±2πrk/λ)+iAk/rk sin(θk±2πrk/λ))

在这里，λ、Ak、θk分别是从第k个(k＝1～K)的对应采样点S(i，k)发出的物体光的波长、振幅、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)之间的距离。

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)的俯视图中，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+iIxy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)来赋予单元配置点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θ(x，y)来赋予相位。

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(所放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(所放出的物体光是圆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的信息。本发明的发明人认为其原因在于在本发明中进行使用了切割平面的处理。

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个方向的体视来缓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)，定义图像轮廓线以及采样点(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段(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中的纵向(Y轴方向)的体视被牺牲。即，在图23中，虽然原本在单元配置点Q(i，j)上应该记录从分布在原图像10整体上的采样点放出的物体光的信息，但是实际只记录从切割平面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视，但是有关垂直方向的体视被牺牲。

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)的区域上记录相同振幅以及相位即可，因此在单元配置点Q(i，j)的位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C1的细长单元)。在图23中，若对于单元配置点Q(i，j)的位置，求得指定振幅A(i，j)以及指定相位θ(i，j)，则如后述，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)以及指定相位θ(i，j)的三维单元(i，j)。该三维单元的垂直方向的长度与间距Pv相等。因此，在图23所示的记录面20上的区域中，记录有指定振幅A(i，j)以及指定相位θ(i，j)的地方不是单元配置点Q(i，j)1点，而是沿其上下方向具有间距Pv宽度的区域。如上述，在沿记录面20的上下方向具有一定宽度的区域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的长度的线段光源(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。

由于当将采样点S(i，k)用作点光源时，放出的物体光的波阵面为球状扩散，因此，光的强度(振幅的平方)与球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，放出的物体光的波阵面为圆柱侧面状扩散，因此，光的强度(振幅的平方)与圆柱侧面的面积成反比地衰减(振幅与圆柱的半径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，使用从线光源发出的物体光的振幅衰减项。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)上的振幅A(i，j)以及相位θ(i，j)即可。

∑_(k＝1～k)(Ak/rk·cos(θk±2πrk/λ)+iAk/

rk·sin(θk±2πrk/λ))

并且，虽然在上述的实施例中，以从各对应采样点S(i，k)向物体外侧的所有方向放出物体光为前提进行了说明，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，从对应采样点S(i，k)放出的物体光的放出角度设定为限制角α之内的例子。在该例子中，如图所示，在图像轮廓线F(i)上的采样点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α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，因此从运算对象中排除该物体光。

这样，当结束步骤S9的振幅相位运算阶段时，对于定义在记录面20上的每个单元配置点Q，分别求得指定振幅A以及指定相位θ。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视图。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-1)、f(i)、f(i+1)，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-1)、Q(i，j)、Q(i、j+1)分别是定义在第i个单元配置线f(i)上的第(j-1)个、第(j)个、第(j+1)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而求得的振幅A以及相位θ来确定应该配置在记录面20上的各单元配置点Q的位置上的三维单元结构，从而确定由配置在记录面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上的三维单元的轮廓。例如，在单元配置点Q(i，j)的位置上配置有三维单元C(i，j)。

在这里，根据相对于单元配置点Q(i，j)而求得的振幅A(i，j)以及相位θ(i，j)来确定三维单元C(i，j)的形状。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θ(i，j)相对应相位的衍射光栅来确定三维单元C(i，j)的具体立体形状。

图28是表示在记录面20上的单元配置点Q(i，j)位置上配置三维单元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纵深方向。如§4所述，在这里说明的实施例中，三维单元的C(i，j)的纵向尺寸Cv＝20μm，横向尺寸Ch＝0.4μm，纵深方向的尺寸Cd＝0.25μm，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状地配置在记录面20上，则可以无缝隙地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)的上面为光栅形成面，在该光栅形成面上形成有衍射光栅。若将三维单元C(i，j)配置在记录面20上，则单元的光栅形成面(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Cv×Ch。该光栅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Ce×Ch。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效区域的面积。

通过沿纵向将具有周期ξ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ξ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ξ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，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，衍射光栅G(i，j)产生规定的衍射现象。

将相对于单元配置点Q(i，j)而求得的振幅A(i，j)作为三维单元C(i，j)的有效区域E(i，j)的面积(纵向尺寸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：若振幅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像10的灰阶信息时最优选。这是因为：根据有效区域E的面积而被调制的是光的能量(对应于振幅A的平方的值)。

于是，在此所述实施例中，首先，关于定义在记录面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A²max。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(Cv×Ch)的“A²/A²max”的区域设定为有效区域。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(光栅形成面)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＝Cv×(64/100)。

另一方面，将关于单元配置点Q(i，j)而求得的相位θ(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θ的位置上配置衍射光栅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对应振幅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到衍射光栅G(i，j)的最浅部或者最深部的距离u来定义相位(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ξ除距离u后求得的、由整数构成的商时的余数设定为R(R＝u modξ)，则相位θ＝2πR。

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，并使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S11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的流程图中的步骤S1～S10的步骤是应由计算机执行的步骤，但是，步骤S11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结束的阶段中，从计算机输出表示所确定的立体结构的结构数据，并根据该结构数据，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公知的方法，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，可以对可以获得缓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像的物体光的复数振幅分布，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振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栅。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ξ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规定的有效区域内的、相对于规定的基准位置而具有相位θ的位置上。

如图28所示的三维单元C(i，j)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，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栅形成面(上面)，并沿该光栅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，从而可以获得光学元件。并且，在该三维单元C(i，j)的光栅形成面(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衍射光栅G(i，j)，以便在沿尺寸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：衍射光栅的凹凸形状变化的周期ξ为0.6～2μm、三维单元的纵向尺寸Cv为3～300μm、横向尺寸Ch为0.2～4μm。

(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)”的部分的正视截面图(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行观察的类型。当使用图29所示的单元时，从上面照射再生用照明光，并观察透过到下面的光，或者从下面照射再生用照明光，并观察透过到上面的光。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，并观察从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，图中被标记为E的部分是该单元的有效区域。并且，凹凸形状变化的周期ξ被设定为0.6～2μm程度的值，且如上述，根据应该记录在该单元中的指定相位θ来设定基准面SS、与形成凹凸结构的斜面的最浅部或最深部之间的距离u。

在该图29所示的“类型1A(透过型)”的单元是以用于在填满折射率n1的物质的空间内为前提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n1是空气的折射率。当然，当为以在水中观察为前提的光学元件用的单元时，折射率n1是水的折射率。与此相对，单元主体由具有折射率n2的透光层110构成，在其表面上形成有凹凸结构面，并观察透过透光层110的再生用照明光。

如§4所述，理论上，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n1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2π的距离”。这是因为：通过“设定成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之间的相位差为2π”，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，取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λ而确定的物理量，因此，需要通过确定波长λ来根据这样的条件计算出理论深度h。于是，当实际设计三维单元时，设定以使用规定标准波长λ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设定为标准波长λ。该555nm波长的能见度最高，同时其是可视波长区域中的大致中间点的位置的波长，还具有全部可视波长的平均波长值这样的性质，且也是最适合标准波长λ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λ、外部空间的折射率n1(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＝λ/n2-n1”公式来求得理想的深度h。该公式是通过上述的“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2π”的条件而光学导出的公式。例如，若采用n1＝1.0(空气的折射率)、n2＝1.46(合成石英的折射率)、λ＝555nm进行计算，则理想的深度h＝约1.2μm。

(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n1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，光学元件为可以观察透过透光层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n1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λ、上层的透光层120的折射率n1和下层的透光层110的折射率n2，则可以通过公式“h＝λ/|n2-n1|”来求得理想的深度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。第一观察方式是对从图的上方照射再生用照明光，被反射层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的下面被反射，再次透过透光层110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，当以第一观察方式为前提时，在最深部和最浅部，在具有折射率n1的外部介质(例如，空气)中传播的距离不同，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观察位置的光之间的相位差设定为2π”的条件这样的理想深度h可以通过公式“h＝λ/(2×n1)而求得。此外，当以第一观察方式为前提时，在填满具有折射率n1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，无需设置成图31所示的2层结构，即使采用上面形成凹凸结构面，且该凹凸结构面是反射面的1层结构的单元(总之，通过在表面形成反射性凹凸结构面的板构成的单元)，也可以进行以该第一种观察方式为前提的使用。这时的理想的深度h也可以通过公式“h＝λ/(2×n1)”而求得。

下面，考虑以第二观察方式为前提的情况。图31所示的单元是以在填满具有折射率n1的物质的空间内使用为前提，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，在被反射层130反射之后，再次透过透光层110的再生用照明光进行观察。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n1。被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＝λ/(2×n2)”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由具有折射率n1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种观察方式而分别加以研究。

首先，以观察从上面照射照明光后在向上面反射的光的第一观察方式的前提，则理想的深度h可以通过公式“h＝λ/(2×n1)”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，因此，无需一定以透光材料构成。另一方面，若以观察从下面照射照明光后向下面反射的光的第二观察方式为前提，则理想的深度h可以通过公式“h＝λ/(2×n2)”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n1的物质的空间内(例如，空气中)使用为前提的单元，且以以下方式进行使用：对从图的上方照射再生用照明光，透过透光层110，被反射层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行观察的方式。

当利用上述的观察方式时，在最深部和最浅部，在具有折射率n1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2π”这样条件的理想深度h可以通过公式“h＝λ/(2×|n2-n1|”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n1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相接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，被反射层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观察的方式。

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发挥与图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可以通过公式“h＝λ/(2×|n2-n1|)”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)”的单元的空白区域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是未形成有衍射光栅的区域，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，当在观察位置上观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，由于在空白区域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像产生噪声成分。

(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，从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反射的光到达观察位置，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被吸收，不会射到外部。由此，可以抑制对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。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。

(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部分形成吸光层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被插入在透光层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域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，则可以以任一种材料来构成遮光层。同样，只要是具有吸收光的性质的材料，则可以以任一种材料来构成吸光层。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域E内，而不是形成在空白区域B中，从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，通过截面为锯齿状形状的凹凸结构面来形成衍射光栅。即，作为三维单元，在沿有效区域的纵边的长度ξ的周期期间内，形成深度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，若通过截面为锯齿状形状的凹凸结构面来形成衍射光栅，则理论上，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ξ是1μm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，无法形成斜面。

因此，本发明的发明人将在上述实施例中所述的斜面结构取而代之地利用近似于此的阶梯结构来代替斜面结构，从而试作本发明涉及的光学元件。图47是将形成在三维单元中的衍射光栅的凹凸形状实现为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，该阶梯结构由阶段ST1、ST2、ST3、ST4的4个阶段构成。在该例子中，由于将4个阶段的阶段差(step difference)全部设定为相等，所以阶段的阶段差Δ为Δ＝h/4，阶段的宽度为ξ/4。当将凹凸形状变化的周期ξ设定为1μm时，阶段的宽度为0.25μm。

这样，在图47所示的阶梯结构的衍射光栅中，在周期ξ的区间内，形成有深度从最浅部到最深部的阶段性单调减少的阶梯，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栅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，将用于形成阶段ST1、ST2的区域仅往下挖(2/4)h的深度；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ξ。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θ。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个阶段的阶梯结构的例子的部分正视截面图。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阶段差的阶梯即可。在这种情况下，从阶梯结构的最浅部到最深部的深度是(L-1)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个阶段即可。

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衍射光栅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ξ/2。当将凹凸形状变化的周期ξ设定为1μm时，阶段的宽度是0.5μm。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衍射效率，根据用途，也可以获得有利用价值的光学元件。

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ξ。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θ。

(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像。

第一例是在日本特开2004-309709号公报所公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+1)、...、Q(i，j)。这时，从采样点S(i，k)向各单元配置点Q放出物体光，并进行原图像的定义，以便该物体光根据放出方向而不同。

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、10B。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像素值、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10A表面的像素值和定义在原图像10B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)位置的像素值和定义在图55(b)所示的采样点SB(i，k)位置的像素值是完全不同的值。

虽然根据定义在采样点S(i，k)位置的像素值来确定从采样点S(i，k)向各单元配置点Q放出的物体光，但是，这时，根据放出方向来选择定义在采样点SA(i，k)位置的像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，在图像轮廓线F(i)上的采样点S(i，k)的位置设定法线N，以该法线N为界限，对于朝向图的上面的物体光，选择定义在采样点SA(i，k)位置上的像素值，对于朝向图的下面的物体光，选择定义在采样点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+1)、...、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，并根据所选择的像素值来确定放出的物体光。

第二例是在日本特开2004-264839号公报中所公开的方法中使用的原图像。现在，如图56所示，考虑作为原图像，定义主原图像10′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进行记录。在这里，考虑进行关于记录面20上的单元配置点Q(i，j)的运算的情况。在这种情况下，虽然需要定义从定义在主原图像10′上的采样点S′(i，k)向单元配置点Q(i，j)的物体光，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、与副原图像10″的交叉点S″(i、k、j)的像素值来确定该物体光。总之，根据定义在“连接该单元配置点Q和该规定采样点的直线”与“副原图像10″”的交叉点的像素值来确定从主原图像10′上的规定采样点向规定的单元配置点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10″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+1)、...、Q(i，J)。在这种情况下，根据连接单元配置点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。但是，根据定义在连接单元配置点Q(i、j+1)和采样点S′(i，k)的直线、与副原图像10″的交叉点S″(i、k、j+1)的像素值来确定从定义在主原图像10′上的采样点S′(i，k)向单元配置点Q(i、j+1)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+1)的物体光是不同的物体光。

(3)确定有效区域E的面积的方法的变形例

在本发明中，对于每个三维单元，在具有与振幅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作为最大面积进行规格，并确定每个单元的有效区域E的面积。即，对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(Cv×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的出现频率非常低，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这样的规定的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×Ch)的“A²/A²base”的区域(其中，当“A²＞A²base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，设定A²base＝100。在这种情况下，对于可以获得A²＝50的单元，光栅形成面的全部面积的50％的区域变为有效区域E，对于可以获得A²＝100的单元，光栅形成面的全部面积的100％的区域变为有效区域E，对于A²超过100的单元，光栅形成面的全部面积的100％的区域变为有效区域E。可以说在§6所述的实施例是进行A²max＝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设计。

例如，当制作由具有耐久性的材料构成的原版，将该原版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：与原版的当初设计的尺寸相比，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设定为最优选的尺寸。

(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衍射光栅，但是，衍射光栅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纹状的方式来形成衍射光栅，或者通过交叉地全面覆盖(line up)由折射率不同的2种材料构成的棍状结构体来形成衍射光栅。

附图标记

10物体/物体图像(原图像)

10A、10B选择的原图像

10′主原图像             10″副原图像

20记录面(记录介质)       30三维假想单元集合

40光学元件               50形成衍射光栅的三角形部分

110透光层                120透光层

130反射层                140反射层

150遮光层                160吸光层

210透光层                215透光层

220透光层                230反射层

A、Ak、A(x，y)振幅

Ain入射光的振幅

Aout射出光的振幅

B、B(x，y)、B(i，j)空白区域

C(x，y)假设单元/物理的三维单元

C1、C2、C3单元的尺寸

Cd三维单元的纵深尺寸

Ce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三维单元的纵向尺寸

d、d2、d3、d4光程差

E视点/有效区域

E(x，y)、E(i，j)有效区域

F(i)图像轮廓线

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-1)、f(i)、f(i+1)单元配置线

G衍射光栅

G(i，j)衍射光栅

G(x，y)形成于单元的槽/衍射光栅

G1、G2、G3槽的尺寸/衍射光栅形成部的尺寸

h构成衍射光栅的凹凸结构的槽的最大深度

Ixy复变函数的虚数部

i虚数单位

i、j、k表示顺序的参数

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、LL1～LL4、LL1′～LL4′光

m  衍射光的次数

N  法线

n、n1～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光学元件上的点

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-1)、Q(i，j)、Q(i、j+1)、Q(i，J)、Q(i-1、j)、Q(i+1、j)单元配置点

R参照光

Rxy复数振幅的实数部

r、r1、rk、rK  与点光源之间的距离

S1～S11流程图的各步骤

S1槽G(x，y)的内部的面

S2槽G(x，y)的外部的面

S(i、k-1)、S(i，k)、S(i、k+1)、S(i，m)采样点

S′(i，k)主原图像上的采样点

S″(i、k、j)、S″(i、k、j+1)副原图像上的采样点

SA(i，k)、SB(i，k)选择的采样点

SL(1)、SL(2)、SL(i)、SL(N)切割平面

SS基准面

ST1、ST2、ST3、ST4阶梯结构的各阶段

T坐标点

u与基准面之间的距离

V1～V4与相位θ相对应的行

W1～W4与振幅A相对应的列

X、Y、Z  三维坐标系的各坐标轴

A放出限制角

Δ阶段的阶段差

θ、θk、θ(x，y)相位

θin入射光的相位

θout射出光的相位

λ光的波长

ξ凹凸形状变化的周期

φ入射角

Claims (66)

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，

在所述原图像定义阶段，定义放出由于方向而不同的物体光的所述原图像。

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，并根据所选择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，并根据定义在连接所述单元配置点Q和规定的采样点的直线、与所述副原图像的交叉点上的像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段，定义由平面构成的记录面；在所述切割平面定义阶段，定义由相互平行的平面构成的N多个切割平面；

在所述单元配置线定义阶段，在所述记录面上定义由相互平行的直线构成的N条单元配置线。

7.根据权利要求5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段，定义由平面构成的记录面；

在所述切割平面定义阶段，定义由相互平行的平面构成的N多个切割平面；

在所述单元配置线定义阶段，在所述记录面上定义由相互平行的直线构成的N条单元配置线。

8.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段，定义以一定间距Pv配置的、与记录面正交的N个切割平面；

在所述单元配置线定义阶段，在所述记录面上定义以所述间距Pv配置的N条的单元配置线；

在所述单元配置点定义阶段，在各单元配置线上定义以一定间距Ph配置的单元配置点Q，从而在所述记录面上，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段，确定将三维单元配置在所述二维阵列上的立体结构，其中，该三维单元以纵向尺寸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。

9.根据权利要求7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段，定义以一定间距Pv配置的、与记录面正交的N个切割平面；

在所述单元配置线定义阶段，在所述记录面上定义以所述间距Pv配置的N条的单元配置线；

在所述单元配置点定义阶段，在各单元配置线上定义以一定间距Ph配置的单元配置点Q，从而在所述记录面上，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段，确定将三维单元配置在所述二维阵列上的立体结构，其中，该三维单元以纵向尺寸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。

10.根据权利要求1所述的光学元件的制造方法，其特征在于，

在所述振幅相位运算阶段，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。

11.根据权利要求9所述的光学元件的制造方法，其特征在于，

在所述振幅相位运算阶段，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。

12.根据权利要求1所述的光学元件的制造方法，其特征在于，

在所述振幅相位运算阶段，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。

13.根据权利要求11所述的光学元件的制造方法，其特征在于，

在所述振幅相位运算阶段，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。

14.根据权利要求12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个采样点S(k)发出的物体光，将波长设定为λ，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θk，将所述单元配置点Q和第k个采样点S(k)之间的距离设定为rk，k的取值范围为1～K时，通过

${\mathrm{\Σ}}_{(k=1~K)}(\mathrm{Ak}/\sqrt{\mathrm{rk}}\·\cos (\mathrm{\θk}\±2\mathrm{\πrk}/\mathrm{\λ})+\mathrm{iAk}/\sqrt{\mathrm{rk}}\·\sin (\mathrm{\θk}\±2\mathrm{\πrk}/\mathrm{\λ}))$

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数振幅，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θ。

15.根据权利要求13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个采样点S(k)发出的物体光，将波长设定为λ，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θk，将所述单元配置点Q和第k个采样点S(k)之间的距离设定为rk，k的取值范围为1～K时，通过

${\mathrm{\Σ}}_{(k=1~K)}(\mathrm{Ak}/\sqrt{\mathrm{rk}}\·\cos (\mathrm{\θk}\±2\mathrm{\πrk}/\mathrm{\λ})+\mathrm{iAk}/\sqrt{\mathrm{rk}}\·\sin (\mathrm{\θk}\±2\mathrm{\πrk}/\mathrm{\λ}))$

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数振幅，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θ。

16.根据权利要求1至15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，将具有以规定的周期ξ重复同一凹凸形状变化的凹凸结构面的衍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、相对于所述三维单元的基准位置具有相位θ的位置上，从而确定所述三维单元的结构。

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段，配置所述三维单元，以便光栅形成面与记录面平行，且横边平行于单元配置线，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栅形成面，且所述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，

在所述光栅形成面上定义由具有与振幅A相对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域，

通过在所述有效区域中配置具有凹凸结构面的衍射光栅来确定所述三维单元的结构。

18.根据权利要求17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，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积。

19.根据权利要求17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，对于定义在所述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，将所述平方值A²的最大值设定为A²max，并设定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，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＞A²base时，是相当于全部面积的区域。

20.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，对于定义在所述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，将所述平方值A²的最大值设定为A²max，并设定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，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＞A²base时，是相当于全部面积的区域。

21.根据权利要求17至20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，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。

22.根据权利要求21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，在沿与单元配置线正交的方向的长度ξ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斜面，并通过重复配置所述斜面来形成凹凸结构面。

23.根据权利要求22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，设定以使用具有规定的标准波长λ的再生用照明光为前提的标准观察条件，并设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观察位置的光的相位差为2π。

24.根据权利要求21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，在沿与所述单元配置线正交的方向的长度ξ的周期区间内，形成深度从最浅部到最深部阶段地单调减少的阶梯，通过重复配置所述阶梯来形成所述凹凸结构面。

25.根据权利要求24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λ的再生用照明光为前提的标准观察条件，在沿与单元配置线正交的方向的长度ξ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2π，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。

26.根据权利要求23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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内使用为前提的光学元件，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，从而能够观察透过透光层的再生用照明光，

在所述立体结构确定阶段，将h设定为通过“h＝λ/|n2-n1|”求得的值。

27.根据权利要求25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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内使用为前提的光学元件，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，从而能够观察透过透光层的再生用照明光，

在所述立体结构确定阶段，将h设定为通过“h＝λ/|n2-n1|”求得的值。

28.根据权利要求23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n1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＝λ/|n2-n1|”求得的值。

29.根据权利要求25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n1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＝λ/|n2-n1|”求得的值。

30.根据权利要求23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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内利用为前提的光学元件，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观察被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＝λ/(2×n1)”求得的值。

31.根据权利要求25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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内利用为前提的光学元件，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观察被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＝λ/(2×n1)”求得的值。

32.根据权利要求23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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内利用为前提的光学元件，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段，将h设定为通过“h＝λ/(2×n2)”求得的值。

33.根据权利要求25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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内利用为前提的光学元件，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段，将h设定为通过“h＝λ/(2×n2)”求得的值。

34.根据权利要求23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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内利用为前提的所述光学元件，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段，将h设定为通过“h＝λ/(2×|n2-n1|)”求得的值。

35.根据权利要求25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，形成以下光学元件作为以在填满具有折射率n1的物质的空间内利用为前提的所述光学元件，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段，将h设定为通过“h＝λ/(2×|n2-n1|)”求得的值。

36.根据权利要求23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n1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，从而能够观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h设定为通过“h＝λ/(2×|n2-n1|)”求得的值。

37.根据权利要求25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n1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，从而能够观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h设定为通过“h＝λ/(2×|n2-n1|)”求得的值。

38.根据权利要求30至37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域内，未形成在所述空白区域内。

39.根据权利要求17至20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规定的照射方向向所述光学元件照射规定的标准波长λ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ξ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。

40.根据权利要求38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规定的照射方向向所述光学元件照射规定的标准波长λ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ξ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。

41.根据权利要求39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，将衍射光栅的凹凸形状变化的周期ξ设定为0.6～2μm，所述三维单元的纵向尺寸Cv设定为3～300μm，横向尺寸Ch设定为0.2～4μm。

42.根据权利要求40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，将衍射光栅的凹凸形状变化的周期ξ设定为0.6～2μm，所述三维单元的纵向尺寸Cv设定为3～300μm，横向尺寸Ch设定为0.2～4μm。

43.根据权利要求17至20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。

44.根据权利要求42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。

45.一种由多个三维单元的集合构成的光学元件，其特征在于，

在每个单元中分别定义有指定振幅以及指定相位，在具有与所述指定振幅相对应的面积的有效区域内形成有配置在相对于规定的基准位置而具有所述指定相位的位置上的衍射光栅，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。

46.根据权利要求45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、相对于规定的标准位置具有相位θ的位置上，从而形成每个三维单元，其中，所述的凹凸结构面以规定的周期ξ重复同一凹凸形状变化。

47.根据权利要求46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、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，所述光栅形成面具有尺寸Cv的纵边及尺寸Ch的横边，所述光栅形成面由与所述长方体的一面平行的长方形构成，沿所述光栅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。

48.根据权利要求47所述的光学元件，其特征在于，

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。

49.根据权利要求48所述的光学元件，其特征在于，

在沿所述有效区域的纵边的、长度为ξ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。

50.根据权利要求48所述的光学元件，其特征在于，

在沿所述有效区域的纵边的、长度为ξ的周期区间内，形成深度从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。

51.根据权利要求48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ξ设定为0.6～2μm，将所述三维单元的纵向尺寸Cv设定为3～300μm，横向尺寸Ch设定为0.2～4μm。

52.根据权利要求49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ξ设定为0.6～2μm，将所述三维单元的纵向尺寸Cv设定为3～300μm，横向尺寸Ch设定为0.2～4μm。

53.根据权利要求50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ξ设定为0.6～2μm，将所述三维单元的纵向尺寸Cv设定为3～300μm，横向尺寸Ch设定为0.2～4μm。

54.根据权利要求46至53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。

55.根据权利要求46至53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n1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。

56.根据权利要求46至53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。

57.根据权利要求46至53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，且在所述透光层的与反射层接触的面的相反侧的面上形成有所述凹凸结构面。

58.根据权利要求46至53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n1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。

59.根据权利要求46至53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。

60.根据权利要求54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。

61.根据权利要求56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。

62.根据权利要求58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。

63.根据权利要求45至53中任一项所述的光学元件，其特征在于，

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所述物体图像，从而能将其用作全息图像。

64.根据权利要求60所述的光学元件，其特征在于，

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所述物体图像，从而能将其用作全息图像。

65.根据权利要求61所述的光学元件，其特征在于，

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所述物体图像，从而能将其用作全息图像。

66.根据权利要求62所述的光学元件，其特征在于，

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所述物体图像，从而能将其用作全息图像。

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