JP4984938B2 - 光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
三次元空間内に所定の物体光を放出する原画像を定義する原画像定義段階と、
三次元空間内に原画像を記録するための記録面を定義する記録面定義段階と、
原画像および記録面を切断することが可能な平面からなる複数N枚のスライス面を定義するスライス面定義段階と、
原画像を各スライス面で切断して得られる切断部にそれぞれ画像輪郭線を定義する画像輪郭線定義段階と、
各画像輪郭線上にそれぞれ複数のサンプル点Sを定義するサンプル点定義段階と、
記録面を各スライス面で切断して得られる切断部にそれぞれセル配置線を定義するセル配置線定義段階と、
各セル配置線上にそれぞれ複数のセル配置点Qを定義するセル配置点定義段階と、
同一のスライス面による切断によって定義された画像輪郭線とセル配置線とを対応させ、各セル配置点Qのそれぞれについて、当該セル配置点Qが所属するセル配置線に対応する画像輪郭線上に定義されたサンプル点Sを対応サンプル点と決定する対応サンプル点決定段階と、
各セル配置点Qのそれぞれについて、その対応サンプル点から放出された物体光のうち当該セル配置点Qの位置に到達する物体光の合成波の所定時刻における振幅Aおよび位相θを演算によって求める振幅位相演算段階と、
記録面上の各セル配置点Qの位置に配置すべき三次元セルの構造として、当該セル配置点Qについて求められた振幅Aおよび位相θに基づいて、当該振幅Aに応じた面積を有する有効領域に、当該位相θに応じた位相をもった回折格子が形成された三次元セルの構造を決定することにより、記録面上に配置された複数の三次元セルの集合から構成される立体構造を決定する立体構造決定段階と、
決定された立体構造を有する物理的な光学素子を形成する素子形成段階と、
を行い、
立体構造決定段階において、記録面に平行な特定方向を定義するとともに、個々の三次元セルについてそれぞれ所定の基準位置を定義し、前記特定方向に関して周期的な構造をもった回折格子が形成された三次元セルの構造を決定するようにし、かつ、個々の三次元セルには、前記基準位置から前記特定方向に位相θに応じた空間的な配置位相だけシフトした位置に配置された回折格子が形成されるようにしたものである。
原画像定義段階で、三次元立体画像もしくは二次元平面画像を原画像として定義するようにしたものである。
原画像定義段階で、方向によって異なる物体光を放出する原画像を定義するようにしたものである。
それぞれが複数通りの画素値をもったサンプル点の集合として原画像を定義し、放出方向に応じていずれか1つの画素値を選択する規則を定め、選択された画素値に基づいて放出する物体光が定まるようにしたものである。
原画像定義段階で、離散的に分布するサンプル点が定義された主原画像と、表面各部に所定の画素値が定義された副原画像と、によって原画像を定義し、所定のサンプル点から所定のセル配置点Qに向かう物体光を、セル配置点Qと所定のサンプル点とを結ぶ直線と副原画像との交点に定義された画素値に基づいて決定するようにしたものである。
記録面定義段階で、平面からなる記録面を定義し、
スライス面定義段階で、互いに平行な平面からなる複数N枚のスライス面を定義し、
セル配置線定義段階で、記録面上に互いに平行な直線からなるN本のセル配置線を定義するようにしたものである。
スライス面定義段階で、一定のピッチPvで配置され、記録面に対して直交するN枚のスライス面を定義し、
セル配置線定義段階で、記録面上に、ピッチPvで配置されたN本のセル配置線を定義し、
セル配置点定義段階で、各セル配置線上に、一定のピッチPhで配置されたセル配置点Qを定義することにより、記録面上に、縦方向ピッチPv、横方向ピッチPhで二次元マトリックス状に配置されたセル配置点Qを定義し、
立体構造決定段階で、縦方向寸法CvがピッチPvに等しく、横方向寸法ChがピッチPhに等しい直方体を基本形状とする三次元セルを、二次元マトリックス上に配置した立体構造を決定するようにしたものである。
振幅位相演算段階で、各対応サンプル点から放出される物体光の放出角度に制限を付加した演算を行うようにしたものである。
振幅位相演算段階で、サンプル点Sからセル配置点Qに向かう物体光の振幅の減衰量を演算する際に、線光源から発せられた物体光の振幅減衰項を用いるようにしたものである。
所定のセル配置点Qに到達する物体光を放出する全K個のサンプル点のうち、第k番目(k=1〜K)のサンプル点S(k)から発せられる物体光について、その波長をλ、サンプル点S(k)から単位距離だけ離れた位置の振幅をAk、サンプル点S(k)における位相をθkとし、セル配置点Qと第k番目のサンプル点S(k)との距離をrkとしたときに、セル配置点QにおけるK個のサンプル点からの物体光の合成複素振幅を、Σ(k=1〜K)(Ak/√rk・cos(θk±2πrk/λ)+iAk/√rk・sin(θk±2πrk/λ))なる式で定義し、この式を用いた演算によって、セル配置点Qにおける振幅Aおよび位相θを求めるようにしたものである。
立体構造決定段階で、所定周期ξで同一の凹凸形状変化を繰り返す凹凸構造面を有する回折格子を、振幅Aに応じた面積を有する有効領域内の、個々の三次元セルについてそれぞれ定義されている基準位置に対して位相θをもつ位置に配置することにより、三次元セルの構造を決定するようにしたものである。
立体構造決定段階で、
寸法Cvの縦辺および寸法Chの横辺を有する長方形からなる格子形成面を含み、縦方向寸法Cv、横方向寸法Ch、奥行寸法Cdをもった直方体を基本形状とする三次元セルを、格子形成面が記録面に対して平行になり、横辺がセル配置線に平行になるように配置し、
格子形成面に、振幅Aに応じた面積を有する部分からなる有効領域と、それ以外の部分からなる余白領域と、を定義し、
有効領域に、凹凸構造面を有する回折格子を配置することにより、三次元セルの構造を決定するようにしたものである。
立体構造決定段階で、寸法Ceの縦辺および寸法Chの横辺を有する長方形からなる有効領域を定義し、全ての三次元セルについて、有効領域の横幅が三次元セルの横幅Chに等しくなるようにし、個々の三次元セルごとの有効領域の面積が縦寸法Ceによって規定されるようにしたものである。
立体構造決定段階で、
記録面上に定義された全てのセル配置点Qについて、それぞれ求められた振幅Aの2乗値A2を求め、その最大値をA2maxとし、A2max≧A2baseなる値A2baseを設定し、
個々のセル配置点Qに配置すべき三次元セルについて、格子形成面の全面積の「A2/A2base」に相当する領域(但し、A2>A2baseの場合は、全面積に相当する領域)を有効領域とするようにしたものである。
立体構造決定段階で、セル配置線に直交する方向に凹凸形状変化が生じるように、回折格子を形成するようにしたものである。
立体構造決定段階で、セル配置線に直交する方向に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが連続的に単調減少するスロープを形成し、当該スロープを繰り返し配置することにより凹凸構造面を形成したものである。
立体構造決定段階で、所定の標準波長λの再生用照明光を用いることを前提とする標準観察条件を設定し、スロープの最浅部から最深部までの深さhを、標準観察条件において、最深部を経て観察位置に到達する光と最浅部を経て観察位置に到達する光との位相差が2πとなるように設定するものである。
立体構造決定段階で、セル配置線に直交する方向に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが段階的に単調減少する階段を形成し、当該階段を繰り返し配置することにより凹凸構造面を形成したものである。
立体構造決定段階で、所定の標準波長λの再生用照明光を用いることを前提とする標準観察条件を設定し、セル配置線に直交する方向に沿った長さξの周期区間内に、最浅部から最深部までの深さがhであり、最深部から最浅部まで深さが連続的に単調減少し、標準観察条件において、最深部を経て観察位置に到達する光と最浅部を経て観察位置に到達する光との位相差が2πとなるようなスロープを定義し、このスロープに近似する階段を配置することにより凹凸構造面を形成するものである。
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、屈折率n2を有する物質からなる透光層の表面に凹凸構造面が形成され、透光層を透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/|n2−n1|」で求まる値に設定するものである。
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層との界面として凹凸構造面が形成され、第1の透光層と第2の透光層との双方を透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/|n2−n1|」で求まる値に設定するものである。
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、再生用照明光を反射する性質を有する反射層の表面に凹凸構造面が形成され、空間内から反射層で反射した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×n1)」で求まる値に設定するものである。
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、屈折率n2を有する物質からなる透光層と再生用照明光を反射する性質を有する反射層との界面として凹凸構造面が形成され、透光層を透過して、反射層により反射し、透光層を再び透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×n2)」で求まる値に設定するものである。
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、屈折率n2を有する物質からなる透光層の表面に凹凸構造面が形成され、透光層の凹凸構造面とは反対側の面に再生用照明光を反射する性質を有する反射層が形成され、透光層を透過して、反射層により反射し、透光層を再び透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×|n2−n1|)」で求まる値に設定するものである。
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層との界面として凹凸構造面が形成され、第2の透光層の第1の透光層に接する面とは反対側の面に再生用照明光を反射する性質を有する反射層が形成され、第1の透光層と第2の透光層との双方を透過して、反射層により反射し、第1の透光層と第2の透光層との双方を再び透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×|n2−n1|)」で求まる値に設定するものである。
反射層を、各三次元セルの有効領域内にのみ形成し、余白領域内には形成しないようにしたものである。
立体構造決定段階で、
所定の標準波長λの再生用照明光を所定の照射方向から光学素子に照射したときに所定の観察方向から観察することを前提とする標準観察条件を設定し、
回折格子の凹凸形状変化の周期ξを、照射方向から入射した光を観察方向へと導くために必要な回折角を得るのに適した値に設定し、
三次元セルの縦方向寸法Cvを、回折格子により十分な回折現象が生じるために必要な寸法以上の値に設定し、
三次元セルの横方向寸法Chを、横方向に関して必要な立体視角度を得るために必要な寸法以上の値に設定するものである。
立体構造決定段階で、回折格子の凹凸形状変化の周期ξを0.6〜2μm、三次元セルの縦方向寸法Cvを3〜300μm、横方向寸法Chを0.2〜4μm、に設定するものである。
素子形成段階で、余白領域に遮光層もしくは吸光層を形成するようにしたものである。
個々のセルには、それぞれ特定振幅および特定位相が定義されており、特定振幅に応じた面積をもった有効領域内に特定位相に応じた位相をもった回折格子が形成されており、個々のセルに所定の入射光を与えると、当該セルに定義された特定振幅および特定位相に応じて入射光の振幅および位相を変化させた射出光が得られるようにし、
前記所定平面に平行な特定方向を定義したときに、個々のセルは、前記特定位相に応じた空間的な配置位相をもった前記特定方向への周期構造を有し、前記回折格子は前記周期構造によって形成されており、前記空間的な配置位相は前記周期構造を前記特定方向にシフトさせることにより得られるようにしたものである。
所定周期ξで同一の凹凸形状変化を繰り返す凹凸構造面からなる周期構造により回折格子を形成し、この回折格子を、有効領域内の、所定の基準位置に対して位相θをもつ位置に配置することにより、個々の三次元セルを形成したものである。
個々の三次元セルが、縦方向寸法Cv、横方向寸法Ch、奥行寸法Cdをもった直方体を基本形状となし、寸法Cvの縦辺および寸法Chの横辺を有し直方体の一面に対して平行な長方形からなる格子形成面を含み、この格子形成面に沿って凹凸構造面が形成されており、各三次元セルを二次元マトリックス状に配置したものである。
個々の三次元セルの格子形成面には、寸法Ceの縦辺および寸法Chの横辺を有する長方形からなる有効領域が定義されており、全ての三次元セルについて、有効領域の横幅がセル自身の横幅Chに等しく設定されており、縦辺に沿った方向に凹凸形状変化が生じるように、凹凸構造体からなる回折格子が形成されているようにしたものである。
有効領域の縦辺に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが連続的に単調減少するスロープを形成し、当該スロープを繰り返し配置することにより凹凸構造面を形成したものである。
有効領域の縦辺に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが段階的に単調減少する階段を形成し、当該階段を繰り返し配置することにより凹凸構造面を形成したものである。
回折格子の凹凸形状変化の周期ξを0.6〜2μm、三次元セルの縦方向寸法Cvを3〜300μm、横方向寸法Chを0.2〜4μm、に設定したものである。
個々の三次元セルを、表面に凹凸構造面が形成された透光層もしくは反射層によって構成したものである。
個々の三次元セルを、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層との積層構造体を含み、第1の透光層と第2の透光層との界面に凹凸構造面が形成されてセルによって構成したものである。
個々の三次元セルを、透光層と反射層との積層構造体を有し、透光層と反射層との界面として凹凸構造面が形成されているセルによって構成したものである。
個々の三次元セルを、透光層と反射層との積層構造体を有し、透光層の反射層に接する面とは反対側の面に凹凸構造面が形成されているセルによって構成したものである。
個々の三次元セルを、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と、屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層と、反射層と、の積層構造体を有し、第1の透光層と第2の透光層との界面に凹凸構造面が形成されており、第2の透光層の第1の透光層に接する面とは反対側の面に反射層が形成されているセルによって構成したものである。
有効領域を経ない光を遮る遮光層もしくは有効領域以外の部分に到達した光を吸収する吸光層を形成したものである。
反射層を各三次元セルの有効領域内のみに形成したものである。
所定の視点位置から観測したときに物体像が再生されるように、当該物体像からの物体光の複素振幅分布を記録し、ホログラムとして利用することができるようにしたものである。
図1は、参照光を利用して、光学的に干渉縞として物体像を記録する一般的なホログラフィーの手法を示す斜視図である。物体10の立体像を記録媒体20上に記録する場合、物体10を参照光Rと同一波長の光(通常は、レーザ光)で照らし、物体10からの物体光と参照光Rとによって記録媒体20上に形成される干渉縞を記録することになる。ここでは、記録媒体20上にXY座標系を定義し、座標(x,y)に位置する任意の点P(x,y)に着目すると、この点P(x,y)には、物体10上の各点O(1),O(2),…,O(k),…,O(K)からの各物体光と参照光Rとの干渉による合成波の振幅強度が記録されることになる。記録媒体20上の別な点P(x′,y′)にも、同様に、各点からの物体光と参照光Rとの干渉による合成波の振幅強度が記録されるが、光の伝播距離が異なるため、点P(x,y)に記録される振幅強度と点P(x′,y′)に記録される振幅強度とは異なる。このようにして、記録媒体20上には、振幅強度分布が記録されることになり、この振幅強度分布によって、物体光の振幅と位相とが表現されていることになる。再生時には、参照光Rと同一波長の再生照明光を参照光Rと同一方向(もしくは、記録媒体20に関して面対称となる方向)から照射することにより、物体10の立体再生像が得られる。
Acosθ + i Asinθ
なる複素関数で表現される(iは虚数単位)。ここで、Aが振幅を示すパラメータであり、θが位相を示すパラメータである。そこで、点光源Oから発せられる物体光を、上記複素関数で定義すれば、代表点P(x,y)の位置における物体光は、
A/r・cos(θ+2πr/λ)
+ i A/r・sin(θ+2πr/λ)
なる複素関数で表される。ここで、Aは基準となる振幅値、rは、点光源Oと代表点P(x,y)との距離であり、λは物体光の波長である。物体光の振幅は距離rが大きくなるにしたがって減衰し、位相は距離rと波長λとの関係で決定される。この複素関数には、時間を示す変数が入っていないが、これは、前述したように、所定の基準時刻において時間を静止させたときに観測される波の瞬間状態を示す式だからである。
Ak cosθk + i Ak sinθk
なる複素関数で表現されたとしよう。物体像10が、それぞれ所定の階調値(濃度値)をもった画素の集合から構成されていたとすれば、振幅を示すパラメータAkは、当該点光源O(k)の位置に存在する画素の階調値に対応して定められる。位相θkは、一般的には、θk=0なる設定でかまわないが、必要に応じて、物体像10の各部から異なる位相の物体光が発せられているような設定を行うことも可能である。全K個の点光源について、それぞれ上記複素関数で表現される物体光が定義できたら、記録面20上の任意の代表点P(x,y)の位置における全K個の物体光の合成波は、図3に示すように、
Σ k=1〜K (Ak/rk cos(θk+2πrk/λ)
+i Ak/rk sin(θk+2πrk/λ))
なる複素関数で表現されることになる。ここで、Akは第k番目の点光源O(k)から単位距離だけ離れた位置の振幅、rkは第k番目の点光源O(k)と代表点P(x,y)との距離である。なお、上述の式は、物体像10を記録媒体の奥に再生させる場合の式に相当する。物体像10を記録媒体の手前側に浮き出すように再生させる場合には、
Σ k=1〜K (Ak/rk cos(θk−2πrk/λ)
+i Ak/rk sin(θk−2πrk/λ))
なる式により複素関数を計算すればよい(位相の項の符号が負になっている)。したがって、両方の場合を考慮した複素関数は、
Σ k=1〜K (Ak/rk cos(θk±2πrk/λ)
+i Ak/rk sin(θk±2πrk/λ))
となる。この関数の実数部をRxy,虚数部をIxyとして、Rxy+iIxyなる形にすれば、この合成波の代表点P(x,y)の位置における複素振幅(位相を考慮した振幅)は、図4に示すように、複素座標平面上における座標点Tで示されることになる。結局、代表点P(x,y)における物体光合成波の振幅は、図4に示す座標平面における原点Oと座標点Tとの距離A(x,y)で与えられ、位相はベクトルOTと実数軸とのなす角度θ(x,y)で与えられることになる。
続いて、複素振幅(振幅Aと位相θ)を記録するのに適した三次元セルの具体的な構成例について述べる。ここで述べるセルは、三次元の立体セルであり、それぞれ特定振幅および特定位相が定義されており、個々のセルに所定の入射光を与えると、当該セルに定義された特定振幅および特定位相に応じて入射光の振幅および位相を変化させた射出光が得られるような特定の光学的特性を有している。たとえば、図6に示すような三次元セルC(x,y)について、振幅A(x,y)および位相θ(x,y)が記録されていたとし、このセルに振幅Ain、位相θinなる入射光Linが与えられた場合には、振幅Aout =Ain・A(x,y)、位相θout =θin±θ(x,y)なる射出光Lout が得られる。入射光の振幅Ainは、セルに記録されていた特定振幅A(x,y)による変調を受けて振幅Aout に変化し、入射光の位相θinは、セルに記録されていた特定位相θ(x,y)による変調を受けて位相θout に変化することになる。
上述したとおり、複素振幅を記録するための三次元セルは、原理的には、特定振幅および特定位相に応じて入射光を変調する機能をもったセルであれば、どのような構成で実現してもかまわない。図7には、特定振幅に応じた変調を透過率により制御し、特定位相に応じた変調を屈折率により制御する例が示されている。このように、理論的には、振幅や位相を変調する方法は、何通りも存在するが、工業的に量産することを考慮すると、必ずしもすべての方法が実用的であるとは言えない。複素振幅を記録した光学素子を用いて、ある程度の解像度をもった物体像を再生するためには、個々の三次元セルの寸法をある程度以下に制限せざるを得ない(大まかに言って、セル寸法が100μm以上になると、視認性の良い物体像の再生は困難である)。したがって、図7に示す16通りの物理セルを組み合わせて光学素子を作成する場合、微小なセルを部品として二次元的に配列する作業が必要になり、しかも、特定の位置には、16通りのセルのうちの特定のセルを配置する必要がある。このような作業を考えれば、図7に示すような物理セルを用いて光学素子を構成する方法は、工業的な量産には適していないことがわかる。
図12は、本発明の基本的実施形態で用いる物理的な三次元セルC(x,y)の構造の一例を示す斜視図である。図8に示す先願発明で提案されていた三次元セルC(x,y)と、図12に示す本発明に係る三次元セルC(x,y)とを比較すると、いずれも直方体を基本形状とする三次元セルであり、個々のセルごとに特定振幅および特定位相が記録されている、という点では共通する。ただ、特定振幅および特定位相の記録形態が異なっている。
ξsinφ=mλ
なる式で与えられる。
ξsinφ=λ
なる式が得られる。
続いて、図12に示す構造を有する三次元セルの利点を述べておく。この三次元セルの最大の利点は、図8に示す先願発明の三次元セルに比べて、製造時の加工精度が緩くなるため、製造プロセスが比較的容易になり、生産性を向上させることができる、という点である。
ξsinφ=λ
に、これらの値を入れると、
ξsin40°=555nm
なる式が得られる。そこで、この式から回折格子の凹凸形状変化の周期ξを求めると、ξ=864nmなる値が得られる。
続いて、本発明に係る光学素子の製造方法を、図21の流れ図を参照して説明する。この製造方法は、複数の三次元セルの集合から構成され所定の原画像の再生が可能な光学素子を製造する方法であり、その基本原理は、§1で述べた先願発明の基本原理と同じである。ただ、本発明では、§5で述べたとおり、記録面上の縦横2方向に関して、1方向に関する立体視を犠牲にする代わりに、加工精度の条件を緩和するという手法をとっているため、この部分について、固有のプロセスを実行することになる。もちろん、先願発明と本発明とでは、用いる三次元セルの構造が異なるため、その点においても異なるプロセスが実行される。以下、本発明に係るプロセスを詳述する。なお、実用上、図21に示す流れ図のステップS1〜S10までの手順は、コンピュータによって実行されるべき手順であり、各手順のアルゴリズムに応じたコンピュータプログラムが用意されることになる。最後のステップS11の手順は、物理的な三次元セルの集合体により光学素子を製造する段階である。
Ak cosθk + i Ak sinθk
なる複素関数で表現される。ここで、Akはサンプル点S(i,k)から単位距離だけ離れた位置の振幅を示すパラメータであり、サンプル点S(i,k)の位置に存在する画素の階調値に対応して定められる。θkは物体光の初期位相を示すパラメータであり、一般的には、θk=0なる設定でかまわない。画像輪郭線F(i)上の全対応サンプル点のうち、セル配置点Q(i,j)に到達する物体光を放出するK個の対応サンプル点について、それぞれ上記複素関数で表現される物体光が定義できたら、セル配置点Q(i,j)の位置における全K個の物体光の合成複素振幅は、§1で説明したとおり、
Σ k=1〜K (Ak/rk cos(θk±2πrk/λ)
+i Ak/rk sin(θk±2πrk/λ))
なる複素関数で表現される。ここで、λ,Ak,θkは、第k番目(k=1〜K)の対応サンプル点S(i,k)から発せられる物体光のそれぞれ波長、振幅、位相であり、rkは、図24に示されているように、当該サンプル点S(i,k)とセル配置点Q(i,j)との距離である。
Σ(k=1〜K)(Ak/√rk・cos(θk±2πrk/λ)+iAk/√rk・sin(θk±2πrk/λ))
なる関数を用いた演算によって、セル配置点Q(i,j)における振幅A(i,j)および位相θ(i,j)を求めるようにすればよい。
ここでは、本発明に用いる三次元セルの種々のバリエーションを述べる。本発明に用いる三次元セルの典型例は、既に図28に示したとおりである。このような三次元セルの集合体によって、所定の視点位置から観測したときに物体像が再生されるように、当該物体像からの物体光の複素振幅分布を記録するようにすれば、ホログラムとして利用することができる光学素子が得られる。この場合、個々のセルには、それぞれ特定振幅および特定位相が定義され、特定振幅に応じた面積をもった有効領域内に特定位相に応じた位相をもった回折格子が形成される。個々のセルに所定の入射光を与えると、当該セルに定義された特定振幅および特定位相に応じて入射光の振幅および位相を変化させた射出光が得られ、これを観測することにより物体像の再生が行われることになる。
図29は、本発明で用いる三次元セルの物理的構造例「タイプ1A(透過型)」を示す部分正断面図である(セルの左側部分の一部のみが示されている)。本願でいう「透過型」とは、光学素子の一方の面から再生用照明光を照射し、他方の面へ透過してくる光を観察するタイプを指す。図29に示すセルを用いた場合も、上方から再生用照明光を照射し、下方へと抜け出てくる光を観察するか、もしくは、下方から再生用照明光を照射し、上方へと抜け出てくる光を観察することになる。一方、本願でいう「反射型」とは、光学素子の一方の面から再生用照明光を照射し、同じ面から反射して戻ってくる光を観察するタイプを指す。
一方、図30に示す「タイプ1B(透過型)」のセルは、図29に示す「タイプ1A(透過型)」のセルの透光層110の上部に、別な透光層120を積層した構造を有している。すなわち、上層となる透光層120は、屈折率n1を有する透光性の物質から構成されており、下層となる透光層110は、屈折率n2を有する透光性の物質から構成されている。そして、この積層構造体を構成する両層の界面として凹凸構造面が形成されており、光学素子としては、透光層120と透光層110との双方を透過した再生用照明光が観察される透過型タイプのものになる。図29に示す「タイプ1A(透過型)」のセルの場合、透光層110の上面が凹凸構造面となり露出した状態になっているが、図30に示す「タイプ1B(透過型)」のセルの場合、凹凸構造面が両層の界面に形成されており、外部に露出していない。このように、凹凸構造面が外部に露出しないタイプのセルは、凹凸構造面の破損を受けにくいというメリットを有する。
続いて、図31に、「タイプ2A(反射型)」のセルを示す。このセルは、図29に示す「タイプ1A(透過型)」の透過層110の上面に、反射層130を形成したものであり、透光層110と反射層130との積層構造体から構成される。そして、この透光層110と反射層130との界面として凹凸構造面が形成されている。ここで、反射層130の膜厚は比較的小さく、透過層110の上面に形成された凹凸構造面が、反射層130の上面にもそのまま現れる形態になっている。この「タイプ2A(反射型)」のセルは、2通りの観察態様が可能である。第1の観察態様は、図の上方から再生用照明光を照射し、反射層130の上面で反射して上方へと戻ってきた光を観察する態様である。そして、第2の観察態様は、図の下方から再生用照明光を照射し、透光層110を透過して、反射層130の下面で反射し、再び透光層110を透過し、図の下方へと戻ってきた光を観察する態様である。いずれの観察態様を前提とするかによって、理想的な深さhを算出する式が異なる。
一方、図32に示す「タイプ2B(反射型)」のセルは、図31に示す「タイプ2A(反射型)」のセルの上部に、別な透光層120を積層した構造を有している。すなわち、上層となる透光層120は、屈折率n1を有する透光性の物質から構成されており、下層となる透光層110は、屈折率n2を有する透光性の物質から構成されている。そして、透光層110,120の間に挟まれて、反射層130が形成されている。前述したように、凹凸構造面が両層の間に挟まれ、外部に露出しないタイプのセルは、凹凸構造面の破損を受けにくいというメリットを有する。
図33に、「タイプ3A(反射型)」のセルを示す。このセルは、図29に示す「タイプ1A(透過型)」の透過層110の下面に、反射層140を形成したものであり、屈折率n2を有する物質からなる透光層110と、再生用照明光を反射する性質を有する反射層140との積層構造体から構成される。そして、凹凸構造面は、この透光層110の表面、すなわち、透光層110の反射層140に接する面とは反対側の面に形成されている。この「タイプ3A(反射型)」のセルは、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内(たとえば、空気中)で利用されることを前提としたセルであり、図の上方から再生用照明光を照射し、透光層110を透過して、反射層140の上面で反射し、再び透光層110を透過し、図の上方へと戻ってきた光を観察する態様で利用される。
一方、図34に示す「タイプ3B(反射型)」のセルは、図33に示す「タイプ3A(反射型)」のセルの上部に、別な透光層120を積層した構造を有している。すなわち、このセルは、屈折率n1を有する物質からなる透光層120と、屈折率n2を有する物質からなる透光層110と、反射層140と、の積層構造体によって構成されている。そして、透光層110と透光層120との界面に凹凸構造面が形成されており、透光層110の透光層120に接する面とは反対側の面に反射層140が形成されている。
図35に示す「タイプ4A(透過型)」のセルは、図29に示す「タイプ1A(透過型)」のセルの余白領域Bの部分に、遮光層150を形成したものである。本発明で用いる三次元セルにおいて、余白領域Bは、回折格子が形成されない領域であり、本来であれば、観察位置に何ら情報を提供する役目を果たさない領域である。しかしながら、実際には、この余白領域を透過した光が観察位置で観察される場合もあり、そのような光は再生された原画像に対するノイズ成分を発生する要因になる。
図36に示す「タイプ4B(透過型)」のセルは、図30に示す「タイプ1B(透過型)」のセルの余白領域Bの部分に、遮光層150を形成したものである。この例では、
透過層110と透過層120との間に遮光層150が挿入されており、ノイズ成分の抑制効果が得られる。
図37に示す「タイプ5A(反射型)」のセルは、図31に示す「タイプ2A(反射型)」のセルの余白領域Bの部分に、吸光層160を形成したものである。反射型の場合、余白領域Bで反射した光が観察位置まで到達すると、ノイズ成分を発生する要因になる。この図37に示すセルでは、余白領域Bの部分における、透過層110と反射層130との間に吸光層160が挿入されているため、この部分まで到達した光はここで吸収され、外部に出てくることはない。これにより、再生された原画像に対するノイズ成分の発生を抑制することができる。
図38に示す「タイプ5B(透過型)」のセルは、図32に示す「タイプ2B(反射型)」のセルの余白領域Bの部分に、吸光層160を形成したものである。この例では、
透過層110と透過層120との間に吸光層160が挿入されており、ノイズ成分の抑制効果が得られる。
図39に示す「タイプ6A(反射型)」のセルは、図37に示す「タイプ5A(反射型)」のセルにおける吸光層160を、反射層130の上面に形成したものである。上方から照明光を当てる場合に限られるが、やはり再生された原画像に対するノイズ成分の発生を抑制する効果が得られる。
図40に示す「タイプ6B(反射型)」のセルは、図38に示す「タイプ5B(反射型)」のセルにおける吸光層160を、反射層130の上面に形成したものである。上方から照明光を当てる場合に限られるが、やはり再生された原画像に対するノイズ成分の発生を抑制する効果が得られる。
図41に示す「タイプ7A(反射型)」のセルは、図33に示す「タイプ3A(反射型)」のセルの余白領域Bの部分に、吸光層160を形成したものである。やはり再生された原画像に対するノイズ成分の発生を抑制する効果が得られる。
図42に示す「タイプ7B(反射型)」のセルは、図34に示す「タイプ3B(反射型)」のセルの余白領域Bの部分に、吸光層160を形成したものである。吸光層160は、透光層110と透光層120との間に挿入されている。やはり再生された原画像に対するノイズ成分の発生を抑制する効果が得られる。
図43に示す「タイプ2A′(反射型)」のセルは、図31に示す「タイプ2A(反射型)」のセルにおける余白領域Bの部分の反射層130を除去したものである。同様に、図44に示す「タイプ2B′(反射型)」のセルは、図32に示す「タイプ2B(反射型)」のセルにおける余白領域Bの部分の反射層130を除去したものであり、図45に示す「タイプ3A′(反射型)」のセルは、図33に示す「タイプ3A(反射型)」のセルにおける余白領域Bの部分の反射層140を除去したものであり、図46に示す「タイプ3B′(反射型)」のセルは、図34に示す「タイプ3B(反射型)」のセルにおける余白領域Bの部分の反射層140を除去したものである。余白領域Bからの光は、再生時にノイズ成分を発生する要因になるので、各反射層を余白領域Bには形成せずに、有効領域E内にのみ形成すれば、ノイズ成分を除去する効果が得られる。
最後に、本発明を実施する上でのいくつかの変形例を述べておく。
これまで述べた実施形態では、図12や図28に示すように、断面が鋸歯状形状をなす凹凸構造面によって回折格子を形成していた。すなわち、三次元セルとして、有効領域の縦辺に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが連続的に単調減少するスロープを形成し、当該スロープを繰り返し配置することにより凹凸構造面を形成していた。このように、断面が鋸歯状形状をなす凹凸構造面によって回折格子を形成すると、理論的には、図19および図20で説明したとおりの回折現象が起こり、理想的な回折効率が得られ、明るく鮮明な再生像を得ることができる。
本発明に係る方法で光学素子を作成する場合、三次元空間内に所定の物体光を放出する像として機能することができるものであれば、どのような像を原画像として用いてもかまわない。ここでは、特殊な原画像を用いる例を2例だけ開示しておく。この2例で用いられている原画像は、いずれも方向によって異なる物体光を放出する特殊な原画像である。
本発明では、個々の三次元セルについて、振幅Aに応じた面積を有する有効領域E内に回折格子を形成することになる。そのために、§6で述べた実施例では、全てのセル配置点Qについて振幅Aの2乗値A2を求め、その最大値A2maxを最大面積として規格化し、各セルごとの有効領域Eの面積を決定していた。すなわち、個々のセル配置点Qに配置すべき三次元セルについては、格子形成面の全面積(Cv×Ch)の「A2/A2max」に相当する領域を有効領域Eとするようにした。
これまで、本発明に係る光学素子を構成する三次元セルの各部の寸法の設定方法や具体的な寸法値を示してきた。もちろん、これらの寸法は、最終製品として提供される光学素子(たとえば、ホログラム記録媒体)自身についての寸法であるので、量産を行う場合に用いる原版を設計する上では、この原版を用いた量産プロセスを考慮した寸法設計を行うようにするのが好ましい。
これまで述べた実施例に用いる三次元セルでは、物理的な凹凸構造によって回折格子を形成していたが、回折格子は必ずしも凹凸構造によって構成する必要はない。たとえば、直方体形状をなす三次元セルの一面に、濃淡のストライプ模様を形成しても回折格子を形成することが可能であるし、屈折率の異なる2種類の材質からなるスティック状構造体を交互に敷き詰めることによっても回折格子を形成することが可能である。
10A,10B:選択的な原画像
10′:主原画像
10”:副原画像
20:記録面(記録媒体)
30:三次元仮想セル集合
40:光学素子
50:回折格子を形成する三角形の部分
110:透光層
120:透光層
130:反射層
140:反射層
150:遮光層
160:吸光層
210:透光層
215:透光層
220:透光層
230:反射層
A,Ak,A(x,y):振幅
Ain:入射光の振幅
Aout :射出光の振幅
B,B(x,y),B(i,j):余白領域
C(x,y):仮想セル/物理的な三次元セル
C1,C2,C3:セルの寸法
Cd:三次元セルの奥行き寸法
Ce:三次元セルの有効領域の縦寸法
Ch:三次元セルの横寸法(有効領域の縦寸法)
Cv:三次元セルの縦寸法
d,d2,d3,d4:光路差
E:視点/有効領域
E(x,y),E(i,j):有効領域
F(i):画像輪郭線
F′(i):主原画像上の画像輪郭線
F”(i):副原画像上の画像輪郭線
f(i−1),f(i),f(i+1):セル配置線
G:回折格子
G(i,j):回折格子
G(x,y):セルに形成された溝/回折格子
G1,G2,G3:溝の寸法/回折格子形成部の寸法
h:回折格子の凹凸構造を構成する溝の最大深さ
Ixy:複素振幅の虚数部
i:虚数単位
i,j,k:順番を示すパラメータ
Lin:入射光
Lout :射出光
Lt:透過型光学素子についての再生用照明光
Lr:反射型光学素子についての再生用照明光
L1〜L4,LL1〜LL4,LL1′〜LL4′:光
m:回折光の次数
N:法線
n,n1〜n4:屈折率
O,O(1),O(k),O(K):点光源
P(x,y),P(x′,y′):代表点
P1〜P4:光学素子上の点
Pv:スライス面のピッチ/セル配置線のピッチ/セル配置点Qの縦方向ピッチ
Ph:セル配置点Qの横方向ピッチ
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):セル配置点
R:参照光
Rxy:複素振幅の実数部
r,r1,rk,rK:点光源からの距離
S1〜S11:流れ図の各ステップ
S1:溝G(x,y)の内部の面
S2:溝G(x,y)の外部の面
S(i,k−1),S(i,k),S(i,k+1),S(i,m):サンプル点
S′(i,k):主原画像上のサンプル点
S”(i,k,j),S”(i,k,j+1):副原画像上のサンプル点
SA(i,k),SB(i,k):選択的なサンプル点
SL(1),SL(2),SL(i),SL(N):スライス面
SS:基準面
ST1,ST2,ST3,ST4:階段構造の各ステップ
T:座標点
u:基準面からの距離
V1〜V4:位相θに応じた行
W1〜W7:振幅Aに応じた列
X,Y,Z:三次元座標系の各座標軸
α:放出制限角
Δ:ステップの段差
θ,θk,θ(x,y):位相
θin:入射光の位相
θout :射出光の位相
λ:光の波長
ξ:凹凸形状変化の周期
φ:入射角
Claims (44)
- 複数の三次元セルの集合から構成され所定の原画像の再生が可能な光学素子を製造する方法であって、
三次元空間内に所定の物体光を放出する原画像を定義する原画像定義段階と、
前記三次元空間内に前記原画像を記録するための記録面を定義する記録面定義段階と、
前記原画像および前記記録面を切断することが可能な平面からなる複数N枚のスライス面を定義するスライス面定義段階と、
前記原画像を前記各スライス面で切断して得られる切断部にそれぞれ画像輪郭線を定義する画像輪郭線定義段階と、
前記各画像輪郭線上にそれぞれ複数のサンプル点Sを定義するサンプル点定義段階と、
前記記録面を前記各スライス面で切断して得られる切断部にそれぞれセル配置線を定義するセル配置線定義段階と、
前記各セル配置線上にそれぞれ複数のセル配置点Qを定義するセル配置点定義段階と、
同一のスライス面による切断によって定義された画像輪郭線とセル配置線とを対応させ、前記各セル配置点Qのそれぞれについて、当該セル配置点Qが所属するセル配置線に対応する画像輪郭線上に定義されたサンプル点Sを対応サンプル点と決定する対応サンプル点決定段階と、
前記各セル配置点Qのそれぞれについて、その対応サンプル点から放出された物体光のうち当該セル配置点Qの位置に到達する物体光の合成波の所定時刻における振幅Aおよび位相θを演算によって求める振幅位相演算段階と、
前記記録面上の前記各セル配置点Qの位置に配置すべき三次元セルの構造として、当該セル配置点Qについて求められた振幅Aおよび位相θに基づいて、当該振幅Aに応じた面積を有する有効領域に、当該位相θに応じた位相をもった回折格子が形成された三次元セルの構造を決定することにより、前記記録面上に配置された複数の三次元セルの集合から構成される立体構造を決定する立体構造決定段階と、
決定された立体構造を有する物理的な光学素子を形成する素子形成段階と、
を有し、
前記立体構造決定段階において、前記記録面に平行な特定方向を定義するとともに、個々の三次元セルについてそれぞれ所定の基準位置を定義し、前記特定方向に関して周期的な構造をもった回折格子が形成された三次元セルの構造を決定するようにし、かつ、個々の三次元セルには、前記基準位置から前記特定方向に位相θに応じた空間的な配置位相だけシフトした位置に配置された回折格子が形成されるようにすることを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項1に記載の光学素子の製造方法において、
原画像定義段階で、三次元立体画像もしくは二次元平面画像を原画像として定義することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項1に記載の光学素子の製造方法において、
原画像定義段階で、方向によって異なる物体光を放出する原画像を定義することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項3に記載の光学素子の製造方法において、
それぞれが複数通りの画素値をもったサンプル点の集合として原画像を定義し、放出方向に応じていずれか1つの画素値を選択する規則を定め、選択された画素値に基づいて放出する物体光が定まるようにしたことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項3に記載の光学素子の製造方法において、
原画像定義段階で、離散的に分布するサンプル点が定義された主原画像と、表面各部に所定の画素値が定義された副原画像と、によって原画像を定義し、所定のサンプル点から所定のセル配置点Qに向かう物体光を、前記セル配置点Qと前記所定のサンプル点とを結ぶ直線と前記副原画像との交点に定義された画素値に基づいて決定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項1〜5のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
記録面定義段階で、平面からなる記録面を定義し、
スライス面定義段階で、互いに平行な平面からなる複数N枚のスライス面を定義し、
セル配置線定義段階で、前記記録面上に互いに平行な直線からなるN本のセル配置線を定義することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項6に記載の光学素子の製造方法において、
スライス面定義段階で、一定のピッチPvで配置され、記録面に対して直交するN枚のスライス面を定義し、
セル配置線定義段階で、前記記録面上に、前記ピッチPvで配置されたN本のセル配置線を定義し、
セル配置点定義段階で、各セル配置線上に、一定のピッチPhで配置されたセル配置点Qを定義することにより、前記記録面上に、縦方向ピッチPv、横方向ピッチPhで二次元マトリックス状に配置されたセル配置点Qを定義し、
立体構造決定段階で、縦方向寸法Cvが前記ピッチPvに等しく、横方向寸法Chが前記ピッチPhに等しい直方体を基本形状とする三次元セルを、前記二次元マトリックス上に配置した立体構造を決定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項1〜7のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
振幅位相演算段階で、各対応サンプル点から放出される物体光の放出角度に制限を付加した演算を行うことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項1〜8のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
振幅位相演算段階で、サンプル点Sからセル配置点Qに向かう物体光の振幅の減衰量を演算する際に、線光源から発せられた物体光の振幅減衰項を用いることを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項9に記載の光学素子の製造方法において、
所定のセル配置点Qに到達する物体光を放出する全K個のサンプル点のうち、第k番目(k=1〜K)のサンプル点S(k)から発せられる物体光について、その波長をλ、サンプル点S(k)から単位距離だけ離れた位置の振幅をAk、サンプル点S(k)における位相をθkとし、前記セル配置点Qと第k番目のサンプル点S(k)との距離をrkとしたときに、前記セル配置点QにおけるK個のサンプル点からの物体光の合成複素振幅を、Σ(k=1〜K)(Ak/√rk・cos(θk±2πrk/λ)+iAk/√rk・sin(θk±2πrk/λ))なる式で定義し、この式を用いた演算によって、前記セル配置点Qにおける振幅Aおよび位相θを求めることを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項1〜10のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、所定周期ξで同一の凹凸形状変化を繰り返す凹凸構造面を有する回折格子を、振幅Aに応じた面積を有する有効領域内の、個々の三次元セルについてそれぞれ定義されている基準位置に対して位相θをもつ位置に配置することにより、三次元セルの構造を決定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項11に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、
寸法Cvの縦辺および寸法Chの横辺を有する長方形からなる格子形成面を含み、縦方向寸法Cv、横方向寸法Ch、奥行寸法Cdをもった直方体を基本形状とする三次元セルを、前記格子形成面が記録面に対して平行になり、前記横辺がセル配置線に平行になるように配置し、
前記格子形成面に、振幅Aに応じた面積を有する部分からなる有効領域と、それ以外の部分からなる余白領域と、を定義し、
前記有効領域に、凹凸構造面を有する回折格子を配置することにより、三次元セルの構造を決定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項12に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、寸法Ceの縦辺および寸法Chの横辺を有する長方形からなる有効領域を定義し、全ての三次元セルについて、有効領域の横幅が三次元セルの横幅Chに等しくなるようにし、個々の三次元セルごとの有効領域の面積が縦寸法Ceによって規定されるようにしたことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項12または13に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、
記録面上に定義された全てのセル配置点Qについて、それぞれ求められた振幅Aの2乗値A2を求め、その最大値をA2maxとし、A2max≧A2baseなる値A2baseを設定し、
個々のセル配置点Qに配置すべき三次元セルについて、格子形成面の全面積の「A2/A2base」に相当する領域(但し、A2>A2baseの場合は、全面積に相当する領域)を有効領域とすることを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項12〜14のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、セル配置線に直交する方向に凹凸形状変化が生じるように、回折格子を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項15に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、セル配置線に直交する方向に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが連続的に単調減少するスロープを形成し、当該スロープを繰り返し配置することにより凹凸構造面を形成したことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項16に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、所定の標準波長λの再生用照明光を用いることを前提とする標準観察条件を設定し、スロープの最浅部から最深部までの深さhを、前記標準観察条件において、前記最深部を経て観察位置に到達する光と前記最浅部を経て観察位置に到達する光との位相差が2πとなるように設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項15に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、セル配置線に直交する方向に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが段階的に単調減少する階段を形成し、当該階段を繰り返し配置することにより凹凸構造面を形成したことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項18に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、所定の標準波長λの再生用照明光を用いることを前提とする標準観察条件を設定し、セル配置線に直交する方向に沿った長さξの周期区間内に、最浅部から最深部までの深さがhであり、前記最深部から前記最浅部まで深さが連続的に単調減少し、前記標準観察条件において、前記最深部を経て観察位置に到達する光と前記最浅部を経て観察位置に到達する光との位相差が2πとなるようなスロープを定義し、このスロープに近似する階段を配置することにより凹凸構造面を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項17または19に記載の光学素子の製造方法において、
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、屈折率n2を有する物質からなる透光層の表面に凹凸構造面が形成され、前記透光層を透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/|n2−n1|」で求まる値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項17または19に記載の光学素子の製造方法において、
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層との界面として凹凸構造面が形成され、前記第1の透光層と前記第2の透光層との双方を透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/|n2−n1|」で求まる値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項17または19に記載の光学素子の製造方法において、
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、再生用照明光を反射する性質を有する反射層の表面に凹凸構造面が形成され、前記空間内から前記反射層で反射した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×n1)」で求まる値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項17または19に記載の光学素子の製造方法において、
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、屈折率n2を有する物質からなる透光層と再生用照明光を反射する性質を有する反射層との界面として凹凸構造面が形成され、前記透光層を透過して、前記反射層により反射し、前記透光層を再び透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×n2)」で求まる値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項17または19に記載の光学素子の製造方法において、
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質が満たされた空間内で利用されることを前提とした光学素子であって、屈折率n2を有する物質からなる透光層の表面に凹凸構造面が形成され、前記透光層の前記凹凸構造面とは反対側の面に再生用照明光を反射する性質を有する反射層が形成され、前記透光層を透過して、前記反射層により反射し、前記透光層を再び透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×|n2−n1|)」で求まる値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項17または19に記載の光学素子の製造方法において、
素子形成段階で、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層との界面として凹凸構造面が形成され、前記第2の透光層の前記第1の透光層に接する面とは反対側の面に再生用照明光を反射する性質を有する反射層が形成され、前記第1の透光層と前記第2の透光層との双方を透過して、前記反射層により反射し、前記第1の透光層と前記第2の透光層との双方を再び透過した再生用照明光が観察される光学素子を形成し、
立体構造決定段階で、hを「h=λ/(2×|n2−n1|)」で求まる値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項22〜25のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
反射層を、各三次元セルの有効領域内にのみ形成し、余白領域内には形成しないことを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項12〜26のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、
所定の標準波長λの再生用照明光を所定の照射方向から光学素子に照射したときに所定の観察方向から観察することを前提とする標準観察条件を設定し、
回折格子の凹凸形状変化の周期ξを、前記照射方向から入射した光を前記観察方向へと導くために必要な回折角を得るのに適した値に設定し、
三次元セルの縦方向寸法Cvを、回折格子により十分な回折現象が生じるために必要な寸法以上の値に設定し、
三次元セルの横方向寸法Chを、横方向に関して必要な立体視角度を得るために必要な寸法以上の値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項27に記載の光学素子の製造方法において、
立体構造決定段階で、回折格子の凹凸形状変化の周期ξを0.6〜2μm、三次元セルの縦方向寸法Cvを3〜300μm、横方向寸法Chを0.2〜4μm、に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 請求項12〜28のいずれかに記載の光学素子の製造方法において、
素子形成段階で、余白領域に遮光層もしくは吸光層を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。 - 複数の三次元セルを所定平面上に並べた集合体からなる光学素子であって、
個々のセルには、それぞれ特定振幅および特定位相が定義されており、前記特定振幅に応じた面積をもった有効領域内に前記特定位相に応じた位相をもった回折格子が形成されており、個々のセルに所定の入射光を与えると、当該セルに定義された特定振幅および特定位相に応じて前記入射光の振幅および位相を変化させた射出光が得られ、
前記所定平面に平行な特定方向を定義したときに、個々のセルは、前記特定位相に応じた空間的な配置位相をもった前記特定方向への周期構造を有し、前記回折格子は前記周期構造によって形成されており、前記空間的な配置位相は前記周期構造を前記特定方向にシフトさせることにより得られることを特徴とする光学素子。 - 請求項30に記載の光学素子において、
所定周期ξで同一の凹凸形状変化を繰り返す凹凸構造面からなる周期構造により回折格子を形成し、この回折格子を、有効領域内の、所定の基準位置に対して位相θをもつ位置に配置することにより、個々の三次元セルが形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項31に記載の光学素子において、
個々の三次元セルが、縦方向寸法Cv、横方向寸法Ch、奥行寸法Cdをもった直方体を基本形状となし、寸法Cvの縦辺および寸法Chの横辺を有し前記直方体の一面に対して平行な長方形からなる格子形成面を含み、この格子形成面に沿って凹凸構造面が形成されており、各三次元セルを二次元マトリックス状に配置したことを特徴とする光学素子。 - 請求項32に記載の光学素子において、
個々の三次元セルの格子形成面には、寸法Ceの縦辺および寸法Chの横辺を有する長方形からなる有効領域が定義されており、全ての三次元セルについて、有効領域の横幅がセル自身の横幅Chに等しく設定されており、前記縦辺に沿った方向に凹凸形状変化が生じるように、凹凸構造体からなる回折格子が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項33に記載の光学素子において、
有効領域の縦辺に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが連続的に単調減少するスロープが形成されており、当該スロープを繰り返し配置することにより凹凸構造面が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項33に記載の光学素子において、
有効領域の縦辺に沿った長さξの周期区間内に、最深部から最浅部まで深さが段階的に単調減少する階段が形成されており、当該階段を繰り返し配置することにより凹凸構造面が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項33〜35のいずれかに記載の光学素子において、
回折格子の凹凸形状変化の周期ξが0.6〜2μm、三次元セルの縦方向寸法Cvが3〜300μm、横方向寸法Chが0.2〜4μm、に設定されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項31〜36のいずれかに記載の光学素子において、
個々の三次元セルが、表面に凹凸構造面が形成された透光層もしくは反射層によって構成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項31〜36のいずれかに記載の光学素子において、
個々の三次元セルが、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層との積層構造体を有し、前記第1の透光層と前記第2の透光層との界面に凹凸構造面が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項31〜36のいずれかに記載の光学素子において、
個々の三次元セルが、透光層と反射層との積層構造体を有し、前記透光層と前記反射層との界面として凹凸構造面が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項31〜36のいずれかに記載の光学素子において、
個々の三次元セルが、透光層と反射層との積層構造体を有し、前記透光層の前記反射層に接する面とは反対側の面に凹凸構造面が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項31〜36のいずれかに記載の光学素子において、
個々の三次元セルが、屈折率n1を有する物質からなる第1の透光層と、屈折率n2を有する物質からなる第2の透光層と、反射層と、の積層構造体を有し、前記第1の透光層と前記第2の透光層との界面に凹凸構造面が形成されており、前記第2の透光層の前記第1の透光層に接する面とは反対側の面に反射層が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項31〜36のいずれかに記載の光学素子において、
有効領域を経ない光を遮る遮光層もしくは有効領域以外の部分に到達した光を吸収する吸光層が形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項37、39〜41のいずれかに記載の光学素子において、
反射層が、各三次元セルの有効領域内のみに形成されていることを特徴とする光学素子。 - 請求項30〜43のいずれかに記載の光学素子において、
所定の視点位置から観測したときに物体像が再生されるように、当該物体像からの物体光の複素振幅分布が記録されており、ホログラムとして利用することができることを特徴とする光学素子。
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