JP5515848B2 - Optical element and manufacturing method thereof - Google Patents

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本発明は、光学素子およびその製造方法に関し、特に、ホログラムとして立体像を記録し、これを再生することが可能な光学素子およびその製造方法に関する。   The present invention relates to an optical element and a method for manufacturing the same, and more particularly to an optical element capable of recording and reproducing a three-dimensional image as a hologram and a method for manufacturing the same.

立体像を媒体上に記録し、これを再生する方法として、ホログラフィーの技術が古くから知られており、この方法で作成されたホログラムは、観賞用アートや偽造防止用シールなど、様々な分野で利用されている。光学的にホログラムを作成する方法としては、物体から発せられる物体光と参照光との干渉縞を感光性媒体に記録する方法が一般的である。物体光および参照光の光源としては、通常、可干渉性に優れたレーザ光が利用される。一般に、光などの電磁波の挙動は、振幅と位相とをもった波面の伝播として捉えることができ、ホログラムは、このような波面を再生する機能をもった光学素子と言うことができる。したがって、ホログラムの記録媒体には、空間のそれぞれの位置における物体光の位相と振幅とを正確に再現するための情報を記録しておく必要がある。感光性媒体上に、物体光と参照光とによって生じる干渉縞を記録すれば、物体光の位相と振幅との双方を含んだ情報を記録することができ、この媒体に参照光と同等の照明再生光を照射することにより、この照明再生光の一部が物体光と等価な波面をもった光として観測できる。   Holographic technology has long been known as a method for recording and reproducing stereoscopic images on a medium. Holograms created by this method are used in various fields such as ornamental art and anti-counterfeiting seals. It's being used. As a method of optically creating a hologram, a method of recording interference fringes between object light emitted from an object and reference light on a photosensitive medium is generally used. As a light source for object light and reference light, laser light having excellent coherence is usually used. In general, the behavior of electromagnetic waves such as light can be considered as propagation of wavefronts having amplitude and phase, and a hologram can be said to be an optical element having a function of reproducing such wavefronts. Therefore, it is necessary to record information for accurately reproducing the phase and amplitude of the object light at each position in the space on the hologram recording medium. If interference fringes generated by object light and reference light are recorded on a photosensitive medium, information including both the phase and amplitude of the object light can be recorded, and illumination equivalent to the reference light can be recorded on this medium. By irradiating the reproduction light, a part of the illumination reproduction light can be observed as light having a wavefront equivalent to the object light.

このように、レーザ光などを用いた光学的な方法でホログラムを作成する場合、物体光の位相と振幅は、参照光との干渉縞としてしか記録することはできない。これは、ホログラムを記録する感光性媒体が、光の強度に応じて感光する特性があるためである。これに対して、最近、コンピュータを用いた演算により、ホログラムを作成する手法も実用化されつつある。この手法は、計算機ホログラム(CGH:Computer Generated Hologram )と呼ばれており、コンピュータを利用して物体光の波面を計算し、その位相と振幅とを何らかの方法で物理的な媒体上に記録することにより、ホログラムの作成が行われる。この計算機ホログラムの手法を用いれば、もちろん、物体光と参照光との干渉縞として像の記録を行うことも可能であるが、参照光を用いずに、物体光の位相と振幅に関する情報を直接記録面に記録することも可能になる。たとえば、下記の特許文献1には、記録媒体上に形成した開口部の大きさにより振幅を表し、開口部の位置で位相を表すような記録方式が開示されている。また、下記の特許文献2には、媒体を2層の記録層から構成し、一方の記録層に振幅を記録し、もう一方の記録層に位相を記録するような記録方式が提案されている。   Thus, when creating a hologram by an optical method using laser light or the like, the phase and amplitude of the object light can be recorded only as interference fringes with the reference light. This is because the photosensitive medium on which the hologram is recorded has the property of being exposed according to the light intensity. On the other hand, recently, a method of creating a hologram by computation using a computer has been put into practical use. This method is called Computer Generated Hologram (CGH), which calculates the wavefront of object light using a computer and records its phase and amplitude on a physical medium in some way. Thus, a hologram is created. Of course, if this computer generated hologram method is used, it is possible to record an image as an interference fringe between the object beam and the reference beam, but without using the reference beam, information on the phase and amplitude of the object beam can be directly obtained. It is also possible to record on the recording surface. For example, Patent Document 1 below discloses a recording method in which the amplitude is represented by the size of the opening formed on the recording medium and the phase is represented by the position of the opening. Patent Document 2 below proposes a recording method in which a medium is composed of two recording layers, the amplitude is recorded on one recording layer, and the phase is recorded on the other recording layer. .

特開平5−46062号公報JP-A-5-46062 米国特許第3957353号公報U.S. Pat. No. 3,957,353

光学的なホログラム作成方法として広く行われている干渉縞として像を記録する方法は、一般に、解像度の高い再生像を得ることができ、光学的な方法で実行することができるために生産性が高いというメリットがあるものの、再生時の干渉縞による回折効率が悪いため、像が暗くなるという問題がある。これに対し、計算機ホログラムの一手法として提案されている物体光の位相と振幅とを媒体上に直接記録する方法は、高い回折効率を得ることができるというメリットがあるものの、位相と振幅とを媒体上に記録することが技術的に困難であり、実用上、生産性が低下するという問題がある。   The method of recording an image as interference fringes, which is widely used as an optical hologram creation method, generally provides a high-resolution reproduced image and can be executed by an optical method, so that productivity is high. Although there is a merit that it is high, there is a problem that the image becomes dark due to poor diffraction efficiency due to interference fringes during reproduction. In contrast, the method of directly recording the phase and amplitude of the object light on the medium, which has been proposed as a method of a computer generated hologram, has the advantage that high diffraction efficiency can be obtained. Recording on a medium is technically difficult, and there is a problem that productivity is lowered in practice.

そこで本発明は、再生時に高い回折効率を得ることができ、しかも生産性に優れた光学素子を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an optical element that can obtain high diffraction efficiency during reproduction and that is excellent in productivity.

(1) 本発明の第1の態様は、複数の三次元セルの集合からなる光学素子において、
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、前記特定振幅は、0〜100%の範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現され、前記特定位相は、0〜2πの範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現され、
個々のセルは、当該セルに定義された特定振幅に応じた透過率もしくは反射率をもった振幅変調部と、当該セルに定義された特定位相に応じた屈折率もしくは光路長をもった位相変調部と、を有しており、
個々のセルの振幅変調部は、着色剤の含有率を変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた透過率を有するか、もしくは、反射面の表面粗さを変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた反射率を有しており、
個々のセルの位相変調部は、構成材料の屈折率を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた屈折率を有するか、もしくは、所定の屈折率をもった材料中の光の進行距離を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた光路長を有しており、
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、個々のセルがそれぞれ特定の光学的特性を有しているようにしたものである。
(1) A first aspect of the present invention is an optical element comprising a set of a plurality of three-dimensional cells.
Each cell has a specific amplitude and a specific phase defined, and the specific amplitude is expressed by any one of four or more ranges obtained by dividing a range of 0 to 100%. The specific phase is represented by any one of four or more ranges obtained by dividing a range of 0 to 2π.
Each cell has an amplitude modulator with transmittance or reflectance according to the specific amplitude defined in the cell, and phase modulation with a refractive index or optical path length according to the specific phase defined in the cell. And
The amplitude modulation part of each cell has a transmittance corresponding to each specific amplitude by changing the content of the colorant, or according to each specific amplitude by changing the surface roughness of the reflecting surface. Has reflectivity,
The phase modulation unit of each cell has a refractive index corresponding to each specific phase by changing the refractive index of the constituent material, or changes the traveling distance of light in the material having a predetermined refractive index. Has an optical path length corresponding to each specific phase,
When given incident light is given to an individual cell, each individual cell is specified so that emission light with the amplitude and phase of the incident light changed according to the specific amplitude and phase defined for the cell can be obtained. The optical characteristics are as follows.

(2) 本発明の第2の態様は、上述の第1の態様に係る光学素子において、
個々のセルが一次元的もしくは二次元的に配列されているようにしたものである。
(2) According to a second aspect of the present invention, in the optical element according to the first aspect described above,
Individual cells are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.

(3) 本発明の第3の態様は、上述の第2の態様に係る光学素子において、
個々のセルの縦方向のピッチおよび横方向のピッチがそれぞれ等ピッチとなるように配列されているようにしたものである。
(3) According to a third aspect of the present invention, in the optical element according to the second aspect described above,
The individual cells are arranged so that the vertical pitch and the horizontal pitch of the cells are equal to each other.

(4) 本発明の第4の態様は、上述の第1〜第3の態様に係る光学素子において、
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ようにしたものである。
(4) According to a fourth aspect of the present invention, in the optical element according to the first to third aspects described above,
The complex amplitude distribution of the object light from the object image is recorded so that the object image can be reproduced when observed from a predetermined viewpoint position, and can be used as a hologram.

(5) 本発明の第5の態様は、所定の物体像が記録された光学素子を製造する方法において、
複数の三次元仮想セルの集合を定義するセル定義段階と、
個々の仮想セルについてそれぞれ代表点を定義する代表点定義段階と、
記録すべき物体像を定義する物体像定義段階と、
物体像から発せられた物体光の各代表点位置における複素振幅を計算することにより、個々の仮想セルに、0〜100%の範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現される特定振幅と、0〜2πの範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現される特定位相と、を定義する振幅位相定義段階と、
個々の仮想セルをそれぞれ実体のある物理セルに置き換え、三次元物理セルの集合からなる光学素子を形成する物理セル形成段階と、
を行い、
物理セル形成段階では、個々の物理セルに所定の入射光を与えると、当該物理セルに対応する仮想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、仮想セルに定義された特定振幅に応じた透過率もしくは反射率をもった振幅変調部と、仮想セルに定義された特定位相に応じた屈折率もしくは光路長をもった位相変調部と、を有し、それぞれ特定の光学的特性を有する物理セルによって置き換えを行うようにし、
個々の物理セルの振幅変調部は、着色剤の含有率を変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた透過率を有するか、もしくは、反射面の表面粗さを変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた反射率を有しており、
個々の物理セルの位相変調部は、構成材料の屈折率を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた屈折率を有するか、もしくは、所定の屈折率をもった材料中の光の進行距離を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた光路長を有しているようにしたものである。
(5) According to a fifth aspect of the present invention, in the method of manufacturing an optical element in which a predetermined object image is recorded,
A cell definition stage for defining a set of a plurality of three-dimensional virtual cells;
A representative point definition stage for defining a representative point for each virtual cell;
An object image definition stage for defining an object image to be recorded;
One of four or more ranges obtained by dividing a range of 0 to 100% into individual virtual cells by calculating a complex amplitude at each representative point position of the object light emitted from the object image. An amplitude phase defining step that defines a specific amplitude expressed by one and a specific phase expressed by any one of four or more ranges obtained by dividing a range of 0 to 2π;
A physical cell forming stage in which each virtual cell is replaced with a physical cell, and an optical element composed of a set of three-dimensional physical cells is formed;
And
In the physical cell formation stage, when predetermined incident light is given to each physical cell, the emission and amplitude of the incident light are changed according to the specific amplitude and specific phase defined in the virtual cell corresponding to the physical cell. In order to obtain light, an amplitude modulator having a transmittance or reflectance corresponding to a specific amplitude defined in the virtual cell and a refractive index or optical path length corresponding to a specific phase defined in the virtual cell A phase modulation unit, each of which is replaced by a physical cell having specific optical characteristics ,
The amplitude modulation unit of each physical cell has a transmittance corresponding to each specific amplitude by changing the content of the colorant, or according to each specific amplitude by changing the surface roughness of the reflecting surface. Has a high reflectivity,
The phase modulation unit of each physical cell has a refractive index corresponding to each specific phase by changing the refractive index of the constituent material, or changes the traveling distance of light in the material having a predetermined refractive index. Thus, the optical path length corresponding to each specific phase is provided.

(6) 本発明の第6の態様は、上述の第5の態様に係る光学素子の製造方法において、
セル定義段階において、ブロック状の仮想セルを一次元的もしくは二次元的に配列することによりセル集合の定義を行うようにしたものである。
(6) According to a sixth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical element according to the fifth aspect,
In the cell definition stage, block-like virtual cells are arranged one-dimensionally or two-dimensionally to define a cell set.

(7) 本発明の第7の態様は、上述の第5または第6の態様に係る光学素子の製造方法において、
振幅位相定義段階において、物体像上に複数の点光源を定義し、各点光源から所定振幅および所定位相をもった球面波からなる物体光が発せられたものとし、所定の基準時刻において各代表点位置における各点光源からの物体光の合計複素振幅を計算するようにしたものである。
(7) According to a seventh aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical element according to the fifth or sixth aspect described above,
In the amplitude phase definition stage, a plurality of point light sources are defined on the object image, and object light composed of spherical waves having a predetermined amplitude and a predetermined phase is emitted from each point light source. The total complex amplitude of the object light from each point light source at the point position is calculated.

(8) 本発明の第8の態様は、上述の第7の態様に係る光学素子の製造方法において、
物体像上に波長λの物体光を発するK個の点光源を定義し、第k番目(k=1〜K)の点光源O(k)から発せられる物体光の振幅をAk、位相をθkとし、所定の代表点Pと第k番目の点光源O(k)との距離をrkとしたときに、所定の代表点PにおけるK個の点光源からの物体光の合計複素振幅を、Σ(k=1〜K)(Ak/rk・cos(θk±2πrk/λ)+iAk/rk・sin(θk±2πrk/λ))なる計算によって求めるようにしたものである。
(8) According to an eighth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical element according to the seventh aspect,
Define K point light sources that emit object light of wavelength λ on the object image, the amplitude of the object light emitted from the k-th (k = 1 to K) point light source O (k) is Ak, and the phase is θk. And the total complex amplitude of the object light from the K point light sources at the predetermined representative point P is Σ, where rk is the distance between the predetermined representative point P and the kth point light source O (k). (K = 1 to K) (Ak / rk · cos (θk ± 2πrk / λ) + iAk / rk · sin (θk ± 2πrk / λ))

(9) 本発明の第9の態様は、上述の第5〜第8の態様に係る光学素子の製造方法において、
再生時に照射される照明光の向きもしくは再生時の視点位置を考慮して、各仮想セルについて定義された特定位相に修正を加える位相修正段階を更に行うようにしたものである。
(9) According to a ninth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical element according to the fifth to eighth aspects described above,
In consideration of the direction of illumination light irradiated at the time of reproduction or the viewpoint position at the time of reproduction, a phase correction step of correcting the specific phase defined for each virtual cell is further performed.

(10) 本発明の第10の態様は、上述の第5〜第9の態様に係る光学素子の製造方法において、
セル定義段階において、仮想セルを水平方向および垂直方向に並べることにより、二次元マトリックス上に配列された仮想セルからなるセル集合の定義を行い、
振幅位相定義段階において、物体像上に、それぞれが水平方向に伸び、互いに垂直方向に配置された複数M個の点光源列を定義するとともに、二次元マトリックスにおいて垂直方向に隣接する複数行に所属する仮想セル群を1グループとすることにより合計M個のグループを定義し、M個の点光源列とM個のグループとを垂直方向に関する配置順に応じて対応させ、第m番目(m=1〜M)の点光源列内の点光源から発せられた物体光が、第m番目のグループに所属する仮想セルにのみ到達するものとして、各代表点位置における合計複素振幅の計算を行うようにしたものである。
(10) According to a tenth aspect of the present invention, in the method for manufacturing an optical element according to the fifth to ninth aspects described above,
In the cell definition stage, by arranging virtual cells in the horizontal and vertical directions, a cell set consisting of virtual cells arranged on a two-dimensional matrix is defined,
In the amplitude phase definition stage, a plurality of M point light source columns that extend in the horizontal direction and are arranged in the vertical direction are defined on the object image, and belong to a plurality of adjacent rows in the vertical direction in the two-dimensional matrix. A total of M groups are defined by setting the virtual cell group to be one group, and the M point light source columns and the M groups are associated with each other according to the arrangement order in the vertical direction, and the mth (m = 1) (M), the object light emitted from the point light sources in the point light source array reaches only the virtual cell belonging to the mth group, and the total complex amplitude is calculated at each representative point position. It is a thing.

(11) 本発明の第11の態様は、上述の第5〜第10の態様に係る光学素子の製造方法を用いて光学素子を製造するようにしたものである。   (11) In an eleventh aspect of the present invention, an optical element is manufactured using the method for manufacturing an optical element according to the fifth to tenth aspects described above.

本発明によれば、物体像が干渉縞としてではなく物体光の複素振幅分布として記録されるため、再生時に高い回折効率が得られる。しかも、複素振幅分布は、三次元セルの光学的特性を利用して記録されるので、生産性に優れた光学素子を提供することができる。   According to the present invention, since the object image is recorded not as interference fringes but as a complex amplitude distribution of object light, high diffraction efficiency can be obtained during reproduction. In addition, since the complex amplitude distribution is recorded using the optical characteristics of the three-dimensional cell, an optical element with excellent productivity can be provided.

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。It is a perspective view which shows the general holographic method of recording an object image optically as an interference fringe using reference light. 点光源Oと記録面20とが定義されている場合に、記録面20上の代表点P(x,y)に到達した物体光の振幅と位相を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing the amplitude and phase of object light that has reached a representative point P (x, y) on the recording surface 20 when a point light source O and a recording surface 20 are defined. 物体像10上の各点光源から発せされる物体光が、記録面20上の代表点P(x,y)に到達した場合の代表点P(x,y)の位置における物体光の複素振幅を示す斜視図である。Complex amplitude of object light at the position of the representative point P (x, y) when the object light emitted from each point light source on the object image 10 reaches the representative point P (x, y) on the recording surface 20 FIG. 複素座標平面上の座標点Qで示される複素振幅に基づいて、振幅A(x,y)と位相θ(x,y)が求まることを示す図である。It is a figure which shows that amplitude A (x, y) and phase (theta) (x, y) are calculated | required based on the complex amplitude shown by the coordinate point Q on a complex coordinate plane. 物体像10を記録するために定義された三次元仮想セル集合30の一例を示す斜視図である。3 is a perspective view showing an example of a three-dimensional virtual cell set 30 defined for recording an object image 10. FIG. 本発明に用いる三次元セルC(x,y)の振幅変調および位相変調の機能を示す図である。It is a figure which shows the function of the amplitude modulation and phase modulation of the three-dimensional cell C (x, y) used for this invention. 本発明に係る光学素子の構成要素となるべき、透過率および屈折率の異なる16通りの物理セルの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of 16 types of physical cells from which the transmittance | permeability and refractive index which should become a component of the optical element which concerns on this invention differ. 本発明に利用するのに最適と考えられる物理セルC(x,y)の構造の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the structure of the physical cell C (x, y) considered to be most suitable for utilizing for this invention. 図8に示す物理セルC(x,y)を透過型セルとして用いる場合において、振幅の情報が溝G(x,y)の幅G1として記録され、位相の情報が溝G(x,y)の深さG2として記録される理由を説明する正面図である。When the physical cell C (x, y) shown in FIG. 8 is used as a transmissive cell, the amplitude information is recorded as the width G1 of the groove G (x, y), and the phase information is the groove G (x, y). It is a front view explaining the reason recorded as the depth G2. 図8に示す物理セルC(x,y)を反射型セルとして用いる場合において、振幅の情報が溝G(x,y)の幅G1として記録され、位相の情報が溝G(x,y)の深さG2として記録される理由を説明する正面図である。When the physical cell C (x, y) shown in FIG. 8 is used as a reflection type cell, the amplitude information is recorded as the width G1 of the groove G (x, y), and the phase information is the groove G (x, y). It is a front view explaining the reason recorded as the depth G2. 図8に示す物理セルC(x,y)の構造において、7通りの溝幅と、4通りの深さとを定め、合計28通りの物理セルを用意した例を示す斜視図である。FIG. 9 is a perspective view showing an example in which seven types of groove widths and four types of depths are defined and a total of 28 types of physical cells are prepared in the structure of the physical cell C (x, y) shown in FIG. 8. 透過型セルC(x,y)について、各部の屈折率と溝の深さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the refractive index of each part, and the depth of a groove | channel about transmissive cell C (x, y). 反射型セルC(x,y)について、各部の屈折率と溝の深さとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the refractive index of each part, and the depth of a groove | channel about reflection type cell C (x, y). 本発明に係る光学素子に対して法線方向から再生用照明光を当て、ホログラムとして記録されている物体像を法線方向から観察する基本的な形態を示す側面図である。It is a side view which shows the basic form which irradiates the illumination light for reproduction | regeneration from the normal line direction with respect to the optical element which concerns on this invention, and observes the object image currently recorded as a hologram from a normal line direction. 本発明に係る光学素子に対して斜め方向から再生用照明光を当て、ホログラムとして記録されている物体像を法線方向から観察する形態を示す側面図である。It is a side view which shows the form which irradiates the illumination light for reproduction | regeneration with respect to the optical element which concerns on this invention from the diagonal direction, and observes the object image currently recorded as a hologram from a normal line direction. 本発明に係る光学素子に対して法線方向から再生用照明光を当て、ホログラムとして記録されている物体像を斜め方向から観察する形態を示す側面図である。It is a side view which shows the form which irradiates the illumination light for reproduction | regeneration from the normal line direction with respect to the optical element which concerns on this invention, and observes the object image currently recorded as a hologram from the diagonal direction. 図15に示す再生環境に対応した光学素子を作成するために、特定位相の修正処理を行う原理を示す側面図である。FIG. 16 is a side view showing the principle of performing a specific phase correction process in order to create an optical element corresponding to the reproduction environment shown in FIG. 15. 図16に示す再生環境に対応した光学素子を作成するために、特定位相の修正処理を行う原理を示す側面図である。FIG. 17 is a side view showing the principle of performing a specific phase correction process in order to create an optical element corresponding to the reproduction environment shown in FIG. 16. 白色の再生用照明光を用いた再生環境に対応した光学素子を作成するための手法を示す斜視図であるIt is a perspective view which shows the method for producing the optical element corresponding to the reproduction environment using the illumination light for white reproduction | regeneration. 三次元セルを一次元マトリックス状に配列して三次元仮想セル集合30を構成した例を示す斜視図である。3 is a perspective view illustrating an example in which a three-dimensional virtual cell set 30 is configured by arranging three-dimensional cells in a one-dimensional matrix. FIG.

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。   Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.

<<< §1.本発明の基本原理 >>>
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。
<<< §1. Basic principle of the present invention >>
FIG. 1 is a perspective view showing a general holographic technique for optically recording an object image as an interference fringe using reference light. When a stereoscopic image of the object 10 is recorded on the recording medium 20, the object 10 is illuminated with light having the same wavelength as the reference light R (usually laser light), and the recording medium is irradiated with the object light from the object 10 and the reference light R. Interference fringes formed on 20 are recorded. Here, when an XY coordinate system is defined on the recording medium 20 and attention is paid to an arbitrary point P (x, y) located at the coordinates (x, y), the object 10 is placed at the point P (x, y). The amplitude intensity of the combined wave due to the interference between the object light from each of the above points O (1), O (2),..., O (k),. become. Similarly, the amplitude intensity of the combined wave due to the interference between the object light from each point and the reference light R is recorded at another point P (x ′, y ′) on the recording medium 20. Since the distances are different, the amplitude intensity recorded at the point P (x, y) is different from the amplitude intensity recorded at the point P (x ′, y ′). In this way, the amplitude intensity distribution is recorded on the recording medium 20, and the amplitude and phase of the object light are expressed by this amplitude intensity distribution. At the time of reproduction, a three-dimensional reproduction image of the object 10 is obtained by irradiating reproduction illumination light having the same wavelength as the reference light R from the same direction as the reference light R (or a direction that is plane-symmetric with respect to the recording medium 20).

光学的な方法により、記録媒体20上に干渉縞を記録するには、記録媒体20として感光性材料を用いることになり、干渉縞は記録媒体20上の濃淡パターンとして記録されることになる。一方、計算機ホログラムの手法を利用する場合には、この図1に示す光学系で生じる現象を、コンピュータ上でシミュレーションすればよい。具体的には、現実の物体10や記録媒体20の代わりに、コンピュータ上の仮想三次元空間内において、物体像10および記録面20を定義し、物体像10上に多数の点光源O(1),O(2),…,O(k),…,O(K)を定義する。そして、各点光源について、所定の波長、振幅、位相をもった物体光(球面波)を定義し、更に、この物体光と同一波長をもった参照光を定義する。一方、記録面20上に、多数の代表点P(x,y)を定義し、個々の代表点の位置に到達する物体光と参照光との合成波の振幅強度を演算によって求める。こうして、記録面20上には、演算によって振幅強度分布(干渉縞)が求まることになるので、この振幅強度分布を物理的な記録媒体上に、濃淡分布あるいは凹凸分布として記録すれば、物理的なホログラム記録媒体を作成することができる。   In order to record interference fringes on the recording medium 20 by an optical method, a photosensitive material is used as the recording medium 20, and the interference fringes are recorded as a shading pattern on the recording medium 20. On the other hand, when using the computer generated hologram method, the phenomenon that occurs in the optical system shown in FIG. 1 may be simulated on a computer. Specifically, instead of the real object 10 and the recording medium 20, the object image 10 and the recording surface 20 are defined in a virtual three-dimensional space on the computer, and a large number of point light sources O (1 ), O (2),..., O (k),. For each point light source, object light (spherical wave) having a predetermined wavelength, amplitude, and phase is defined, and further, reference light having the same wavelength as the object light is defined. On the other hand, a large number of representative points P (x, y) are defined on the recording surface 20, and the amplitude intensity of the combined wave of the object light and the reference light reaching the position of each representative point is obtained by calculation. Thus, the amplitude intensity distribution (interference fringes) is obtained on the recording surface 20 by calculation. Therefore, if this amplitude intensity distribution is recorded on a physical recording medium as a light / dark distribution or an uneven distribution, A holographic recording medium can be produced.

もっとも、計算機ホログラムの手法を用いれば、必ずしも参照光Rを用いて干渉縞として記録を行う必要はなく、物体像10からの物体光そのものを記録面20に直接記録することも可能である。すなわち、光学的にホログラムを作成する場合には、感光性材料からなる記録媒体20上に、感光に必要な一定時間にわたって干渉波を発生させ、これを干渉縞として記録しなければならない。このため、参照光を利用して定在波となる干渉波を発生させる必要がある。ところが、計算機ホログラムの手法を利用すれば、記録面20上に存在するある瞬間の波の状態を、あたかも時間を静止させて観測することができ、これを記録することができる。別言すれば、所定の基準時刻における記録面20上の各代表点位置における物体光の振幅および位相を演算によって求めることができる。本発明では、このような計算機ホログラムの利点を生かし、物体光を参照光との干渉縞として記録する手法を採らずに、物体光の振幅と位相とを直接記録する手法を採っている。   However, if the computer generated hologram method is used, it is not always necessary to record as interference fringes using the reference light R, and the object light itself from the object image 10 can be directly recorded on the recording surface 20. That is, in the case of optically creating a hologram, an interference wave must be generated on the recording medium 20 made of a photosensitive material for a certain period of time required for exposure and recorded as interference fringes. For this reason, it is necessary to generate an interference wave that becomes a standing wave by using the reference light. However, if the computer generated hologram method is used, the state of the wave at a certain moment existing on the recording surface 20 can be observed as if the time is stationary, and this can be recorded. In other words, the amplitude and phase of the object light at each representative point position on the recording surface 20 at a predetermined reference time can be obtained by calculation. In the present invention, taking advantage of such a computer generated hologram, a method of directly recording the amplitude and phase of the object light is employed without using a method of recording the object light as interference fringes with the reference light.

いま、たとえば、図2の斜視図に示すように、点光源Oと記録面20とが定義されている場合に、記録面20上の代表点P(x,y)に到達した物体光の振幅と位相がどのように計算されるかを考えてみよう。一般に、振幅と位相とを考慮した波動は、
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、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。
Now, for example, as shown in the perspective view of FIG. 2, when the point light source O and the recording surface 20 are defined, the amplitude of the object light reaching the representative point P (x, y) on the recording surface 20 Let's consider how the phase is calculated. In general, the wave considering the amplitude and phase is
Acosθ + i Asinθ
(I is an imaginary unit). Here, A is a parameter indicating the amplitude, and θ is a parameter indicating the phase. Therefore, if the object light emitted from the point light source O is defined by the complex function, the object light at the position of the representative point P (x, y) is
A / r · cos (θ + 2πr / λ)
+ I A / r · sin (θ + 2πr / λ)
It is expressed by a complex function. Here, r is the distance between the point light source O and the representative point P (x, y), and λ is the wavelength of the object light. The amplitude of the object light attenuates as the distance r increases, and the phase is determined by the relationship between the distance r and the wavelength λ. This complex function does not include a variable indicating time because, as described above, it is an expression indicating the instantaneous state of a wave observed when the time is stopped at a predetermined reference time.

結局、物体像10の情報を記録面20上に記録するには、図3の斜視図に示されているように、物体像10上に多数の点光源O(1),O(2),…,O(k),…,O(K)を定義し、記録面20上の各代表点位置において、各点光源から発せられる物体光の合成波の振幅および位相を演算によって求め、これを何らかの方法で記録すればよい。いま、物体像10上に合計K個の点光源が定義され、第k番目の点光源O(k)から発せられる物体光が、図3に示すように、
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を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、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Q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Qとの距離A(x,y)で与えられ、位相はベクトルOQと実数軸とのなす角度θ(x,y)で与えられることになる。
Eventually, in order to record the information of the object image 10 on the recording surface 20, as shown in the perspective view of FIG. 3, a number of point light sources O (1), O (2), .., O (k),..., O (K) are defined, and at each representative point position on the recording surface 20, the amplitude and phase of the combined wave of the object light emitted from each point light source are obtained by calculation. What is necessary is just to record by some method. Now, a total of K point light sources are defined on the object image 10, and the object light emitted from the kth point light source O (k) is as shown in FIG.
Ak cos θk + i Ak sin θk
Suppose that it is expressed by a complex function. If the object image 10 is composed of a set of pixels each having a predetermined gradation value (density value), the parameter Ak indicating the amplitude is a value of the pixel existing at the position of the point light source O (k). It is determined corresponding to the gradation value. In general, the phase θk may be set such that θk = 0, but it is also possible to perform setting so that object light having a different phase is emitted from each part of the object image 10 as necessary. . If the object light expressed by the complex function can be defined for all K point light sources, the combined wave of all K object lights at the position of an arbitrary representative point P (x, y) on the recording surface 20. As shown in FIG.
Σ k = 1 to K (Ak / rk cos (θk + 2πrk / λ))
+ I Ak / rk sin (θk + 2πrk / λ))
It is expressed by a complex function. Here, rk is the distance between the kth point light source O (k) and the representative point P (x, y). The above formula corresponds to a formula for reproducing the object image 10 in the back of the recording medium. When reproducing the object image 10 so as to be raised toward the front side of the recording medium,
Σ k = 1 to K (Ak / rk cos (θk−2πrk / λ))
+ I Ak / rk sin (θk−2πrk / λ))
The complex function may be calculated by the following formula (the sign of the phase term is negative). Therefore, the complex function considering both cases is
Σ k = 1 to K (Ak / rk cos (θk ± 2πrk / λ))
+ I Ak / rk sin (θk ± 2πrk / λ))
It becomes. If the real part of this function is Rxy and the imaginary part is Ixy, and Rxy + iIxy is formed, the complex amplitude (amplitude in consideration of the phase) at the position of the representative point P (x, y) of this composite wave is shown in FIG. As shown, this is indicated by a coordinate point Q on the complex coordinate plane. Eventually, the amplitude of the object light synthesized wave at the representative point P (x, y) is given by the distance A (x, y) between the origin O and the coordinate point Q in the coordinate plane shown in FIG. 4, and the phase is a vector OQ and a real number. It is given by an angle θ (x, y) formed with the axis.

かくして、記録面20上に定義された任意の代表点P(x,y)位置における物体光合成波の振幅A(x,y)と位相θ(x,y)とが、計算によって求められることになる。したがって、記録面20上には、物体像10から発せされる物体光の複素振幅分布(物体光合成波の振幅および位相の分布)が得られる。こうして得られた複素振幅分布を、何らかの形で物理的な記録媒体上に記録し、所定の再生照明光を与えたときに、物体光の波面が再生されるようにすれば、物体像10をホログラムとして記録できることになる。   Thus, the amplitude A (x, y) and the phase θ (x, y) of the object light synthesized wave at the position of an arbitrary representative point P (x, y) defined on the recording surface 20 are obtained by calculation. Become. Therefore, a complex amplitude distribution of object light emitted from the object image 10 (amplitude and phase distribution of the object light synthesized wave) is obtained on the recording surface 20. If the complex amplitude distribution thus obtained is recorded on a physical recording medium in some form and the wavefront of the object light is reproduced when given reproduction illumination light is given, the object image 10 is It can be recorded as a hologram.

本願発明者は、記録面20上に物体像10から発せられる物体光の複素振幅分布を記録するために、三次元セルを用いる方法を着想した。三次元セルを用いて複素振幅分布を記録し、物体像10をホログラムとして記録するには、次のような手順を行えばよい。まず、たとえば、図5に示すように、記録面20の位置に、三次元仮想セル集合30を定義する。この三次元仮想セル集合30は、所定寸法をもったブロック状の仮想セルを縦横に並べることにより、セルを二次元的に配列したものである。そして、個々の仮想セルについて、それぞれ代表点を定義する。代表点の位置は、セル内の任意の1点でかまわないが、ここでは、セル前面(物体像10に向かい合った面)の中心点位置に当該セルの代表点を定義することにする。たとえば、三次元仮想セル集合30の前面(物体像10に向かい合った面)にXY座標系を定義し、この座標系における座標(x,y)の位置にある代表点P(x,y)をもつ仮想セルを、仮想セルC(x,y)と呼ぶことにすれば、この仮想セルC(x,y)の前面の中心点に代表点P(x,y)がくることになる。   The inventor of the present application has conceived a method using a three-dimensional cell in order to record the complex amplitude distribution of the object light emitted from the object image 10 on the recording surface 20. In order to record a complex amplitude distribution using a three-dimensional cell and record the object image 10 as a hologram, the following procedure may be performed. First, for example, as shown in FIG. 5, a three-dimensional virtual cell set 30 is defined at the position of the recording surface 20. The three-dimensional virtual cell set 30 is a two-dimensional array of cells by arranging block-shaped virtual cells having predetermined dimensions vertically and horizontally. Then, a representative point is defined for each virtual cell. The position of the representative point may be an arbitrary point in the cell, but here, the representative point of the cell is defined at the center point position of the front surface of the cell (the surface facing the object image 10). For example, an XY coordinate system is defined on the front surface (the surface facing the object image 10) of the three-dimensional virtual cell set 30, and the representative point P (x, y) at the position of the coordinate (x, y) in this coordinate system is defined. If the virtual cell is called a virtual cell C (x, y), the representative point P (x, y) comes to the center point of the front surface of the virtual cell C (x, y).

一方、物体像10を点光源の集合として定義する。図5に示す例では、物体像10は、K個の点光源O(1),O(2),…,O(k),…,O(K)の集合として定義されている。これら各点光源からは、それぞれ所定の振幅および位相をもった物体光が発せられ、代表点P(x,y)には、これら物体光の合成波が到達することになる。この合成波の複素振幅は、前述した式により計算することができ、図4に示す複素座標平面における座標点Qとして示され、この座標点Qに基づいて、振幅A(x,y)と位相θ(x,y)が得られることは既に述べたとおりである。ここでは、代表点P(x,y)について得られた振幅A(x,y)および位相θ(x,y)を、当該代表点P(x,y)を含む仮想セルC(x,y)についての特定振幅A(x,y)および特定位相θ(x,y)と呼ぶことにする。   On the other hand, the object image 10 is defined as a set of point light sources. In the example shown in FIG. 5, the object image 10 is defined as a set of K point light sources O (1), O (2),..., O (k),. Each of these point light sources emits object light having a predetermined amplitude and phase, and a combined wave of these object lights reaches the representative point P (x, y). The complex amplitude of this composite wave can be calculated by the above-described equation, and is shown as a coordinate point Q in the complex coordinate plane shown in FIG. 4, and based on this coordinate point Q, the amplitude A (x, y) and phase As described above, θ (x, y) can be obtained. Here, the amplitude A (x, y) and phase θ (x, y) obtained for the representative point P (x, y) are used as the virtual cell C (x, y) including the representative point P (x, y). ) Will be referred to as a specific amplitude A (x, y) and a specific phase θ (x, y).

以上の手順は、実際にはコンピュータを用いた演算処理として実行されることになる。結局、この演算処理により、三次元仮想セル集合30を構成するすべての仮想セルについて、それぞれ特定振幅と特定位相とを求めることができる。そこで、これら個々の仮想セルをそれぞれ実体のある物理セルに置き換えれば、三次元物理セルの集合からなる光学素子(物体像10が記録されたホログラム記録媒体)が作成できる。ここで、仮想セルに取って代わる物理セルは、仮想セルに定義されている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調することができるような光学的特性を有している必要がある。別言すれば、置き換えられた個々の物理セルは、所定の入射光を与えたときに、置換前の仮想セルに定義されていた特定振幅および特定位相に応じて、この入射光の振幅および位相を変化させることにより射出光を生み出す機能をもった特定の光学的特性を有している必要がある。   The above procedure is actually executed as arithmetic processing using a computer. Eventually, the specific amplitude and the specific phase can be obtained for all the virtual cells constituting the three-dimensional virtual cell set 30 by this arithmetic processing. Therefore, if each of these virtual cells is replaced with a physical cell, an optical element (hologram recording medium on which the object image 10 is recorded) composed of a set of three-dimensional physical cells can be created. Here, the physical cell that replaces the virtual cell has optical characteristics such that the amplitude and phase of incident light can be modulated in accordance with the specific amplitude and specific phase defined in the virtual cell. Need to be. In other words, the replaced individual physical cell, when given incident light, depends on the amplitude and phase of the incident light according to the specific amplitude and specific phase defined in the virtual cell before the replacement. It is necessary to have a specific optical characteristic having a function of generating emission light by changing the angle.

このような特定の光学的特性をもった物理セルの集合からなる光学素子に対して、所定の再生用照明光(理想的には、上記演算処理において用いた物体光波長λと同じ波長をもった単色光平面波)を照射すれば、個々の物理セルでは、再生用照明光が特定振幅および特定位相によって変調されるので、もとの物体光の波面が再生されることになる。かくして、この光学素子に記録されていたホログラムが再生されることになる。   For an optical element composed of a set of physical cells having such specific optical characteristics, a predetermined reproduction illumination light (ideally, the same wavelength as the object light wavelength λ used in the above arithmetic processing) is used. If a single monochromatic light plane wave) is irradiated, since the reproduction illumination light is modulated by a specific amplitude and a specific phase in each physical cell, the wavefront of the original object light is reproduced. Thus, the hologram recorded on the optical element is reproduced.

<<< §2.物理セルの具体的な構成 >>>
続いて、本発明に用いる物理セルの具体的な構成について述べる。本発明に用いる物理セルは、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れば、どのような構成のセルでもかまわない。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 が得られるようにすればよい。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 に変化したことになる。
<<< §2. Specific configuration of physical cell >>>
Next, a specific configuration of the physical cell used in the present invention will be described. The physical cell used in the present invention is a three-dimensional solid cell, each having a specific amplitude and a specific phase. When a predetermined incident light is given to each cell, the specific amplitude and the specific cell defined in the cell are specified. A cell having any configuration may be used as long as it has specific optical characteristics such that emission light in which the amplitude and phase of incident light are changed in accordance with the phase can be obtained. For example, assuming that an amplitude A (x, y) and a phase θ (x, y) are recorded in a three-dimensional cell C (x, y) as shown in FIG. 6, the amplitude Ain and phase θin are stored in this cell. When the incident light Lin is given, it is only necessary to obtain the emitted light Lout having the amplitude Aout = Ain · A (x, y) and the phase θout = θin ± θ (x, y). The amplitude Ain of the incident light is modulated by the specific amplitude A (x, y) recorded in the cell and changes to the amplitude Aout, and the phase θin of the incident light is changed to the specific phase θ (x , Y), the phase changes to the phase θout.

三次元セル内において振幅を変調する一つの方法は、セル内に特定振幅に応じた透過率をもった振幅変調部を設けておく方法である(セル全体を振幅変調部として用いてもよいし、セルの一部分に振幅変調部を設けるようにしてもよい)。たとえば、透過率がZ%の振幅変調部をもったセルは、A(x,y)=Z/100なる特定振幅が記録されているセルとして機能し、振幅Ainをもった入射光がこのセルを通ると、Aout =Ain・Z/100なる振幅をもった射出光に振幅変調されることになる。個々の三次元セルの透過率を任意の値に設定するには、たとえば、着色剤の含有率をそれぞれ変えることにより対応することができる。   One method of modulating the amplitude in the three-dimensional cell is a method in which an amplitude modulation unit having a transmittance corresponding to a specific amplitude is provided in the cell (the entire cell may be used as the amplitude modulation unit). An amplitude modulation unit may be provided in a part of the cell). For example, a cell having an amplitude modulation unit with a transmittance of Z% functions as a cell in which a specific amplitude of A (x, y) = Z / 100 is recorded, and incident light having an amplitude Ain is this cell. , The amplitude modulation is performed on the emitted light having an amplitude of Aout = Ain · Z / 100. Setting the transmittance of each three-dimensional cell to an arbitrary value can be dealt with, for example, by changing the content of the colorant.

三次元セル内において振幅を変調する別な方法は、セル内に特定振幅に応じた反射率をもった振幅変調部を設けておく方法である。たとえば、反射率がZ%の振幅変調部をもったセルは、A(x,y)=Z/100なる特定振幅が記録されているセルとして機能し、振幅Ainをもった入射光がこの振幅変調部で反射して射出したとすれば、Aout =Ain・Z/100なる振幅をもった射出光に振幅変調されることになる。個々の三次元セルの反射率を任意の値に設定するには、たとえば、セル内に反射面を用意しておき(この反射面が振幅変調部として機能することになる)、この反射面の反射率を任意の値に設定すればよい。具体的には、たとえば、反射面の表面粗さを変えることにより、反射光と散乱光との割合を調節することができるので、この表面粗さを調節することにより、任意の反射率をもったセルを用意することが可能になる。   Another method for modulating the amplitude in the three-dimensional cell is a method in which an amplitude modulation unit having a reflectance corresponding to a specific amplitude is provided in the cell. For example, a cell having an amplitude modulation unit with a reflectance of Z% functions as a cell in which a specific amplitude of A (x, y) = Z / 100 is recorded, and incident light having an amplitude Ain is this amplitude. If the light is reflected and emitted from the modulation unit, the amplitude is modulated to emitted light having an amplitude of Aout = Ain · Z / 100. In order to set the reflectance of each three-dimensional cell to an arbitrary value, for example, a reflecting surface is prepared in the cell (this reflecting surface functions as an amplitude modulation unit), and the reflecting surface of this reflecting surface is set. What is necessary is just to set a reflectance to arbitrary values. Specifically, for example, the ratio of reflected light and scattered light can be adjusted by changing the surface roughness of the reflecting surface. Therefore, by adjusting the surface roughness, an arbitrary reflectance can be obtained. Cell can be prepared.

三次元セル内において振幅を変調する更に別な方法は、セル内に特定振幅に応じた有効面積をもった振幅変調部を設けておく方法である。たとえば、入射光の全入射領域の面積を100%としたときに、このうちのZ%の有効面積をもった部分に入射した入射光だけから物体像の再生に有効な射出光が得られるような構造からなる振幅変調部をもったセルは、A(x,y)=Z/100なる特定振幅が記録されているセルとして機能する。すなわち、振幅Ainをもった入射光がこの振幅変調部に入射光しても、そのうちのZ%の光だけが有効な射出光として出て行くことになるので、Aout =Ain・Z/100なる振幅をもった射出光に振幅変調されたことになる。このような特定の有効面積をもった領域部分のみから有効な射出光を得るには、物理的な凹凸構造をもったセルを用いればよい。その具体例については、§3において説明する。   Still another method of modulating the amplitude in the three-dimensional cell is a method of providing an amplitude modulation unit having an effective area corresponding to a specific amplitude in the cell. For example, when the area of all incident regions of incident light is 100%, it is possible to obtain emission light effective for reproducing an object image only from incident light incident on a portion having an effective area of Z%. A cell having an amplitude modulation unit having a simple structure functions as a cell in which a specific amplitude of A (x, y) = Z / 100 is recorded. That is, even if incident light having an amplitude Ain is incident on the amplitude modulation unit, only Z% of the light exits as effective emission light, so Aout = Ain · Z / 100. Amplitude modulation is performed on the emitted light having an amplitude. In order to obtain effective emission light only from such a region having a specific effective area, a cell having a physical uneven structure may be used. Specific examples thereof will be described in §3.

一方、三次元セル内において位相を変調する一つの方法は、セル内に特定位相に応じた屈折率をもった位相変調部を設けておく方法である(セル全体を位相変調部として用いてもよいし、セルの一部分に位相変調部を設けるようにしてもよい)。たとえば、屈折率がn1の材料からなる位相変調部をもったセルと、屈折率がn2の材料からなる位相変調部をもったセルとでは、同一位相をもった入射光を与えても、それぞれ射出光の位相に差が生じることになる。したがって、屈折率の異なる種々の材料からセルを構成するようにすれば、入射光に対して任意の位相変調を施すことが可能になる。   On the other hand, one method of modulating the phase in the three-dimensional cell is a method in which a phase modulation unit having a refractive index corresponding to a specific phase is provided in the cell (even if the whole cell is used as the phase modulation unit). Alternatively, a phase modulation unit may be provided in a part of the cell). For example, in a cell having a phase modulation unit made of a material having a refractive index of n1 and a cell having a phase modulation unit made of a material having a refractive index of n2, even if incident light having the same phase is given, A difference occurs in the phase of the emitted light. Therefore, if the cell is made of various materials having different refractive indexes, it is possible to apply arbitrary phase modulation to the incident light.

三次元セル内において位相を変調する別な方法は、セル内に特定位相に応じた光路長をもった位相変調部を設けておく方法である(セル全体を位相変調部として用いてもよいし、セルの一部分に位相変調部を設けるようにしてもよい)。たとえば、屈折率nをもった同一材料からなる位相変調部をもったセルであっても、この位相変調部の光路長が異なれば、同一位相をもった入射光を与えても、それぞれ射出光の位相に差が生じることになる。たとえば、第1のセルに設けられた位相変調部の光路長がL、第2のセルに設けられた位相変調部の光路長が2Lであったとすると、同一位相をもった入射光が与えられたとしても、第1のセルからの射出光に比べて、第2のセルからの射出光は、屈折率nをもった材料中を進んだ距離が2倍になるので、それだけ大きな位相差が生じていることになる。任意の光路長をもった位相変調部を実現するには、物理的な凹凸構造をもったセルを用いればよい。その具体例については、§3において説明する。   Another method for modulating the phase in the three-dimensional cell is a method in which a phase modulation unit having an optical path length corresponding to a specific phase is provided in the cell (the entire cell may be used as the phase modulation unit). A phase modulation unit may be provided in a part of the cell). For example, even in the case of a cell having a phase modulation unit made of the same material having a refractive index n, if the optical path length of the phase modulation unit is different, even if incident light having the same phase is given, There will be a difference in the phase. For example, if the optical path length of the phase modulation unit provided in the first cell is L and the optical path length of the phase modulation unit provided in the second cell is 2L, incident light having the same phase is given. Even so, compared to the light emitted from the first cell, the light emitted from the second cell has doubled the distance traveled in the material having the refractive index n, so that the phase difference is large. It is happening. In order to realize a phase modulation unit having an arbitrary optical path length, a cell having a physical uneven structure may be used. Specific examples thereof will be described in §3.

このように、特定振幅に基づく振幅変調機能をもった三次元セルや、特定位相に基づく位相変調機能をもった三次元セルは、いくつかの方法によって実現可能であり、上述したいくつかの振幅変調方法および位相変調方法のうちから、任意の方法を選択することにより、本発明に係る光学素子を実現することができる。たとえば、振幅変調方法として、セル内に特定振幅に応じた透過率をもった振幅変調部を設けておく方法を採り、位相変調方法として、セル内に特定位相に応じた屈折率をもった位相変調部を設けておく方法を採り、セル全体を振幅変調部および位相変調部として用いるのであれば、図7の表に示されているような16通りの物理セルを選択的に配列することにより、光学素子を形成することができる。この表の横軸は振幅A、縦軸は位相θに対応しており、振幅Aおよび位相θともに、4つのレンジに分けられている。   Thus, a three-dimensional cell having an amplitude modulation function based on a specific amplitude and a three-dimensional cell having a phase modulation function based on a specific phase can be realized by several methods. The optical element according to the present invention can be realized by selecting an arbitrary method from the modulation method and the phase modulation method. For example, as an amplitude modulation method, a method in which an amplitude modulation unit having a transmittance corresponding to a specific amplitude is provided in a cell, and as a phase modulation method, a phase having a refractive index corresponding to a specific phase in the cell is adopted. If a method of providing a modulation unit is adopted and the entire cell is used as an amplitude modulation unit and a phase modulation unit, 16 kinds of physical cells as shown in the table of FIG. 7 are selectively arranged. An optical element can be formed. In this table, the horizontal axis corresponds to the amplitude A, and the vertical axis corresponds to the phase θ, and both the amplitude A and the phase θ are divided into four ranges.

ここで、振幅Aが「0〜25%」に対応するレンジに描かれたセル(表の第1列目のセル)は、透過率が非常に低い材料からなるセルであり、振幅Aが「25〜50%」に対応するレンジに描かれたセル(表の第2列目のセル)は、透過率がやや低い材料からなるセルであり、振幅Aが「50〜75%」に対応するレンジに描かれたセル(表の第3列目のセル)は、透過率がやや高い材料からなるセルであり、振幅Aが「75〜100%」に対応するレンジに描かれたセル(表の第4列目のセル)は、透過率が非常に高い材料からなるセルである。一方、位相θが「0〜π/2」に対応するレンジに描かれたセル(表の第1行目のセル)は、空気に非常に近い屈折率n1をもつ材料からなるセルであり、位相θが「π/2〜π」に対応するレンジに描かれたセル(表の第2行目のセル)は、空気よりやや大きい屈折率n2をもつ材料からなるセルであり、位相θが「π〜3π/2」に対応するレンジに描かれたセル(表の第3行目のセル)は、空気よりかなり大きい屈折率n3をもつ材料からなるセルであり、位相θが「3π/2〜2π」に対応するレンジに描かれたセル(表の第4行目のセル)は、空気より非常に大きい屈折率n4をもつ材料からなるセルである。   Here, the cell drawn in the range corresponding to the amplitude A of “0 to 25%” (the cell in the first column in the table) is a cell made of a material having a very low transmittance, and the amplitude A is “ The cells drawn in the range corresponding to “25 to 50%” (cells in the second column of the table) are cells made of a material having a slightly low transmittance, and the amplitude A corresponds to “50 to 75%”. The cells drawn in the range (cells in the third column of the table) are made of a material having a slightly higher transmittance, and the cells drawn in the range corresponding to the amplitude A of “75 to 100%” (tables). The cells in the fourth column) are cells made of a material having a very high transmittance. On the other hand, the cell drawn in the range corresponding to the phase θ of “0 to π / 2” (cell in the first row of the table) is a cell made of a material having a refractive index n1 very close to air. The cell drawn in the range corresponding to the phase θ of “π / 2 to π” (the cell in the second row of the table) is a cell made of a material having a refractive index n2 slightly larger than air, and the phase θ is A cell drawn in a range corresponding to “π to 3π / 2” (cell in the third row of the table) is a cell made of a material having a refractive index n3 that is considerably larger than air, and the phase θ is “3π / The cell drawn in the range corresponding to “2−2π” (the cell in the fourth row of the table) is a cell made of a material having a refractive index n4 that is much larger than air.

このように、図7に示す例では、4通りの透過率、4通りの屈折率をもった合計16個のセルが用意されているが、より高い精度で振幅と位相をセルに記録するには、透過率および屈折率のステップを更に細かく設定し、より多数種類のセルを用意すればよい。このような16通りの物理セルを用いて仮想セルを置き換えるには、個々の仮想セルに定義された特定振幅および特定位相による変調を行うために必要とされる光学的特性に最も近い光学的特性を有する物理セルを選択すればよい。   As described above, in the example shown in FIG. 7, a total of 16 cells having four types of transmittance and four types of refractive index are prepared, but in order to record the amplitude and phase in the cell with higher accuracy. In this case, the steps of the transmittance and the refractive index should be set more finely, and more types of cells should be prepared. In order to replace a virtual cell using such 16 types of physical cells, the optical characteristics closest to the optical characteristics required for performing modulation with a specific amplitude and a specific phase defined for each virtual cell. May be selected.

<<< §3.物理セルの実用的な構成 >>>
既に述べたように、本発明に用いる物理セルは、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。本発明に係る光学素子を用いて、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。
<<< §3. Practical configuration of physical cell >>>
As described above, the physical cell used in the present invention may be realized in any configuration as long as it has a function of modulating incident light according to a specific amplitude and a specific phase. FIG. 7 shows an example in which the modulation according to the specific amplitude is controlled by the transmittance and the modulation according to the specific phase is controlled by the refractive index. As described above, there are theoretically various methods for modulating the amplitude and phase, but not all methods are practical in view of industrial mass production. In order to reproduce an object image having a certain level of resolution using the optical element according to the present invention, the size of each three-dimensional cell must be limited to a certain level (roughly speaking, the cell size). When the thickness is 100 μm or more, it is difficult to reproduce an object image with good visibility). Therefore, when an optical element is created by combining the 16 types of physical cells shown in FIG. 7, it is necessary to perform a two-dimensional arrangement of minute cells as parts, and there are 16 types of cells at specific positions. It is necessary to arrange a specific cell among the cells. Considering such work, it can be seen that the method of configuring an optical element using a physical cell as shown in FIG. 7 is not suitable for industrial mass production.

本願発明者は、1つの物理セルに振幅と位相の情報をもたせることができ、かつ、そのような物理セルの集合により、工業的量産に適した光学素子を構成する方法として、個々の物理セルに凹凸構造をもたせ、この凹凸構造部分の面積として振幅の情報を記録し、凹凸構造部分の段差長(凹部の深さ、もしくは凸部の高さ)として位相の情報を記録する方法を案出したのである。   The inventor of the present application can provide information on amplitude and phase in one physical cell, and an individual physical cell as a method of constructing an optical element suitable for industrial mass production by a set of such physical cells. A method of recording the amplitude information as the area of the concavo-convex structure portion and recording the phase information as the step length of the concavo-convex structure portion (depth of the concave portion or height of the convex portion). It was.

図8は、本発明に利用するのに最適と考えられる物理セルC(x,y)の構造の一例を示す斜視図である。図示のとおり、この三次元物理セルは、ほぼ直方体のブロック状をしており、その上面には、溝G(x,y)が形成されている。この例では、物理セルC(x,y)の寸法は、図において、C1=0.6μm、C2=0.25μm、C3=0.25μmであり、溝G(x,y)の寸法は、G1=0.2μm、G2=0.05μm、G3=C3=0.25μmである。このような構造をもった物理セルC(x,y)を用いれば、振幅の情報は、溝G(x,y)の横方向の幅G1の値として記録することができ、位相の情報は、溝G(x,y)の深さG2の値として記録することができる。別言すれば、特定振幅および特定位相が定義された仮想セルを、このような構造をもった物理セルで置き換える際には、特定振幅に応じた寸法G1を有し、特定位相に応じた寸法G2を有する物理セルによる置き換えが行われることになる。   FIG. 8 is a perspective view showing an example of the structure of a physical cell C (x, y) that is considered optimal for use in the present invention. As shown in the figure, this three-dimensional physical cell has a substantially rectangular parallelepiped block shape, and a groove G (x, y) is formed on the upper surface thereof. In this example, the dimensions of the physical cell C (x, y) are C1 = 0.6 μm, C2 = 0.25 μm, C3 = 0.25 μm in the figure, and the dimension of the groove G (x, y) is G1 = 0.2 μm, G2 = 0.05 μm, and G3 = C3 = 0.25 μm. If the physical cell C (x, y) having such a structure is used, the amplitude information can be recorded as the value of the lateral width G1 of the groove G (x, y), and the phase information is , And can be recorded as the value of the depth G2 of the groove G (x, y). In other words, when a virtual cell in which a specific amplitude and a specific phase are defined is replaced with a physical cell having such a structure, it has a dimension G1 corresponding to the specific amplitude and a dimension corresponding to the specific phase. Replacement with a physical cell having G2 will be performed.

この図8に示す物理セルにおいて、振幅の情報が溝G(x,y)の幅G1として記録され、位相の情報が溝G(x,y)の深さG2として記録される理由を、図9の正面図を参照して説明しよう。いま、この物理セルC(x,y)が屈折率n2をもった物質から構成されており、この物理セルC(x,y)の外側が屈折率n1をもった物質(たとえば、空気)から構成されているものとする。このとき、溝G(x,y)の内部の面S1に垂直に入射した光L1と、溝G(x,y)の外部の面S2に垂直に入射した光L2とについて、屈折率n2の媒質中を通過する光路長を比較すると、光L1の光路長の方が、光L2の光路長よりも、溝G(x,y)の深さG2の分だけ短くなることがわかる。したがって、屈折率n1,n2が異なっていれば、物理セルC(x,y)から透過光として射出される光L1と光L2との間には、所定の位相差が生じることになる。   The reason why the amplitude information is recorded as the width G1 of the groove G (x, y) and the phase information is recorded as the depth G2 of the groove G (x, y) in the physical cell shown in FIG. 9 will be described with reference to the front view. Now, the physical cell C (x, y) is made of a material having a refractive index n2, and the outside of the physical cell C (x, y) is made of a material (for example, air) having a refractive index n1. It shall be configured. At this time, the refractive index n2 of the light L1 perpendicularly incident on the surface S1 inside the groove G (x, y) and the light L2 perpendicularly incident on the surface S2 outside the groove G (x, y) Comparing the optical path lengths passing through the medium, it can be seen that the optical path length of the light L1 is shorter than the optical path length of the light L2 by the depth G2 of the groove G (x, y). Therefore, if the refractive indexes n1 and n2 are different, a predetermined phase difference is generated between the light L1 and the light L2 emitted as transmitted light from the physical cell C (x, y).

一方、図10は、物理セルC(x,y)からの反射光として射出光が得られる場合を示す正面図である。この例では、物理セルC(x,y)の上面、すなわち、面S1およびS2が反射面となっており、溝G(x,y)の内部の面S1にほぼ垂直に入射した光L1と、溝G(x,y)の外部の面S2にほぼ垂直に入射した光L2とが、それぞれ各面にほぼ垂直に反射して射出することになる。このとき、入射および反射の経路に沿った全光路長を比較すると、光L1の光路長の方が、光L2の光路長よりも、溝G(x,y)の深さG2の2倍に相当する分だけ長くなることがわかる。したがって、物理セルC(x,y)から反射光として射出される光L1と光L2との間には、所定の位相差が生じることになる。   On the other hand, FIG. 10 is a front view showing a case where emitted light is obtained as reflected light from the physical cell C (x, y). In this example, the upper surface of the physical cell C (x, y), that is, the surfaces S1 and S2 are reflection surfaces, and the light L1 incident on the surface S1 inside the groove G (x, y) substantially perpendicularly. The light L2 incident substantially perpendicularly to the surface S2 outside the groove G (x, y) is reflected substantially perpendicularly to each surface and emitted. At this time, when comparing the total optical path length along the incident and reflection paths, the optical path length of the light L1 is twice the depth G2 of the groove G (x, y) than the optical path length of the light L2. It turns out that it becomes long by the corresponding amount. Therefore, a predetermined phase difference is generated between the light L1 and the light L2 emitted as reflected light from the physical cell C (x, y).

このように、物理セルC(x,y)が透過型のセルであっても、反射型のセルであっても、溝G(x,y)の内部の面S1に入射した光L1と、溝G(x,y)の外部の面S2に入射した光L2との間には、所定の位相差が生じることになり、この位相差は溝G(x,y)の深さG2に応じて決まることになる。そこで、物理セルC(x,y)の上面に入射した光のうち、溝G(x,y)の内部の面S1への入射光に基づいて得られる射出光のみを、物体像10の再生に有効な射出光として取り扱うことにすれば(別言すれば、図9または図10において、光L1のみを像の再生に有効な射出光として取り扱うようにすれば)、像の再生に有効な射出光L1は、この物理セルC(x,y)において、溝G(x,y)の深さG2に対応した特定位相による位相変調を受けたことになる。かくして、物体光の位相の情報は、溝G(x,y)の深さG2として記録することができる。   As described above, regardless of whether the physical cell C (x, y) is a transmissive cell or a reflective cell, the light L1 incident on the surface S1 inside the groove G (x, y); A predetermined phase difference is generated between the light L2 incident on the surface S2 outside the groove G (x, y), and this phase difference depends on the depth G2 of the groove G (x, y). Will be determined. Therefore, of the light incident on the upper surface of the physical cell C (x, y), only the emitted light obtained based on the incident light on the surface S1 inside the groove G (x, y) is reproduced from the object image 10. (In other words, in FIG. 9 or FIG. 10, if only the light L1 is handled as the emission light effective for image reproduction), it is effective for image reproduction. The emitted light L1 has undergone phase modulation by a specific phase corresponding to the depth G2 of the groove G (x, y) in the physical cell C (x, y). Thus, the information on the phase of the object light can be recorded as the depth G2 of the groove G (x, y).

また、上述のように、溝G(x,y)の内部の面S1への入射光に基づいて得られる射出光のみを、物体像10の再生に有効な射出光として取り扱うことにすれば、物体光の振幅の情報を、溝G(x,y)の幅G1として記録することができる。なぜなら、溝G(x,y)の幅G1が大きくなればなるほど、溝G(x,y)の内部の面S1の面積も大きくなり、物体像10の再生に有効な射出光の割合が増えるためである。すなわち、図9または図10に示す射出光L2には、何ら意味のある位相成分が含まれていないため、再生時に視点位置においてこれら射出光L2が観測されたとしても、いわゆるバックグラウンドのノイズ成分として観測されるだけであり、意味のある像を再生する有効な光としては認識されないことになる。これに対し、射出光L1には、意味のある位相成分が含まれているため、像の再生に有効な信号成分として観測されることになる。結局、溝G(x,y)の幅G1は、当該物理セルC(x,y)から射出される光のうちの信号成分として観測される光L1の割合を決定する要素ということになり、信号波の振幅の情報を与えるパラメータになる。   Further, as described above, if only the emitted light obtained based on the incident light on the surface S1 inside the groove G (x, y) is handled as the emitted light effective for reproducing the object image 10, Information on the amplitude of the object light can be recorded as the width G1 of the groove G (x, y). This is because as the width G1 of the groove G (x, y) increases, the area of the surface S1 inside the groove G (x, y) also increases, and the proportion of the emitted light effective for reproducing the object image 10 increases. Because. That is, since the emitted light L2 shown in FIG. 9 or 10 does not include any meaningful phase component, even if the emitted light L2 is observed at the viewpoint position during reproduction, a so-called background noise component is used. It is not recognized as effective light for reproducing a meaningful image. On the other hand, since the output light L1 includes a meaningful phase component, it is observed as a signal component effective for image reproduction. Eventually, the width G1 of the groove G (x, y) is an element that determines the proportion of the light L1 observed as a signal component of the light emitted from the physical cell C (x, y). This parameter gives information on the amplitude of the signal wave.

もっとも、一般的には、振幅の情報は、溝G(x,y)の幅G1によって表現されているわけではなく、溝G(x,y)の内部の面S1の面積によって表現されることになる。図8に示す実施形態の場合は、たまたま、溝G(x,y)の奥行き寸法G3が、物理セルC(x,y)の奥行き寸法C3に常に等しくなるように設定しているため、溝G(x,y)の内部の面S1の面積が、幅G1の長さに比例することになっているが、溝G(x,y)の奥行き寸法G3は必ずしも一定にする必要はなく、幅寸法と奥行き寸法との両者を変化させて、溝G(x,y)の内部の面S1の面積にバリエーションをもたせるようにしてもかまわない。   However, in general, the amplitude information is not expressed by the width G1 of the groove G (x, y), but by the area of the surface S1 inside the groove G (x, y). become. In the case of the embodiment shown in FIG. 8, it happens that the depth G3 of the groove G (x, y) is always set equal to the depth C3 of the physical cell C (x, y). The area of the surface S1 inside G (x, y) is proportional to the length of the width G1, but the depth dimension G3 of the groove G (x, y) is not necessarily constant, It is also possible to change both the width dimension and the depth dimension so that the area of the surface S1 inside the groove G (x, y) has a variation.

このように、ブロック状の物理セルの上面のうち、特定振幅に応じた面積をもった部分(図8の面S1に相当する部分)を、特定位相に応じた深さ(図8の寸法G2に相当する深さ)だけ掘り下げることにより、凹部(溝G(x,y))を形成するようにすれば、このような構造をもった物理セルによって、再生用照明光に対して、特定振幅に応じた振幅変調および特定位相に応じた位相変調を施すことが可能になる。もっとも、ブロック状の物理セルに凹部を形成する代わりに、凸部を形成しても、同様の変調処理が可能である。すなわち、図8に示す物理ブロックにおいて、寸法G2を負の値に設定し、溝の代わりに突起部を形成するようにしても、この突起部の高さに応じた光路差を生じさせることができ、位相差を生じさせることができる。別言すれば、ブロック状の物理セルの上面のうち、特定振幅に応じた面積をもった部分を、特定位相に応じた高さだけ隆起させることにより、凸部を形成するようにすれば、このような構造をもった物理セルによっても、再生用照明光に対して、特定振幅に応じた振幅変調および特定位相に応じた位相変調を施すことが可能になる。   As described above, the portion having the area corresponding to the specific amplitude (the portion corresponding to the surface S1 in FIG. 8) of the upper surface of the block-shaped physical cell is the depth corresponding to the specific phase (dimension G2 in FIG. 8). If a concave portion (groove G (x, y)) is formed by digging only by a depth corresponding to (a depth corresponding to), a specific amplitude is generated with respect to the reproduction illumination light by the physical cell having such a structure. It is possible to perform amplitude modulation according to the phase and phase modulation according to the specific phase. However, the same modulation processing can be performed by forming convex portions instead of forming concave portions in the block-like physical cells. That is, in the physical block shown in FIG. 8, even if the dimension G2 is set to a negative value and a protrusion is formed instead of the groove, an optical path difference corresponding to the height of the protrusion can be generated. And a phase difference can be generated. In other words, if the convex portion is formed by raising the portion having the area corresponding to the specific amplitude out of the upper surface of the block-shaped physical cell by the height corresponding to the specific phase, Even with a physical cell having such a structure, it is possible to perform amplitude modulation corresponding to a specific amplitude and phase modulation corresponding to a specific phase to the reproduction illumination light.

図8に示すような溝G(x,y)をもった物理セルC(x,y)では、溝の幅G1および深さG2は連続的に変化させることができるので、理論的には、無限種類の物理セルを用意することが可能である。このような無限種類の物理セルを用いれば、仮想セルに定義された特定振幅に応じた正確な溝幅G1をもち、特定位相に応じた正確な深さG2をもった物理セルによって、当該仮想セルを置き換えることが可能である。しかしながら、実用上は、a通りの溝幅、b通りの深さを予め定め、合計a×b通りの物理セルを用意しておき、これらの物理セルの中から必要とされる光学的特性が最も近い物理セルを選択するのが好ましい。図11は、7通りの溝幅と、4通りの深さとを定め、合計28通りの物理セルを用意した例を示す斜視図である。この28通りの物理セルは、いずれも図8に示す形態をしたブロック状の物理セルであり、図11には、これらの物理セルを4行7列の行列状に配置した状態が示されている。   In the physical cell C (x, y) having the groove G (x, y) as shown in FIG. 8, the groove width G1 and depth G2 can be continuously changed. An infinite variety of physical cells can be prepared. If such an infinite type of physical cell is used, the virtual cell has an accurate groove width G1 corresponding to the specific amplitude defined in the virtual cell and an accurate depth G2 corresponding to the specific phase. It is possible to replace the cell. However, in practice, a groove width and b depth are determined in advance, and a total of a × b physical cells are prepared, and optical characteristics required from these physical cells are obtained. It is preferred to select the closest physical cell. FIG. 11 is a perspective view showing an example in which seven kinds of groove widths and four kinds of depths are defined, and a total of 28 kinds of physical cells are prepared. These 28 physical cells are all block-like physical cells having the form shown in FIG. 8, and FIG. 11 shows a state in which these physical cells are arranged in a matrix of 4 rows and 7 columns. Yes.

この図11に示された行列の7つの列は、振幅Aのバリエーションを示し、4つの行は、位相θのバリエーションを示している。たとえば、列W1に位置するセルは、振幅Aの最小値に対応するセルであり、溝幅G1=0、すなわち、溝Gが全く形成されていないセルになっている。列W2〜W7へと右側へ移動するにしたがって、より大きな振幅Aに対応するセルとなっており、溝幅G1は徐々に広がっている。列W7に位置するセルは、振幅Aの最大値に対応するセルであり、溝幅G1=セル幅C1、すなわち、全面が掘られたセルになっている。また、この図11に示された行列の行に着目すると、たとえば、行V1に位置するセルは、位相θの最小値に対応するセルであり、溝の深さG2=0、すなわち、溝Gが全く形成されていないセルになっている。行V2〜V4へと下側へ移動するにしたがって、より大きな位相θに対応するセルとなっており、溝の深さG2は徐々に大きくなっている。   The seven columns of the matrix shown in FIG. 11 show variations of the amplitude A, and the four rows show variations of the phase θ. For example, the cell located in the column W1 is a cell corresponding to the minimum value of the amplitude A, and is a cell in which the groove width G1 = 0, that is, the groove G is not formed at all. As the line moves to the right side from the lines W2 to W7, the cell corresponds to a larger amplitude A, and the groove width G1 gradually increases. The cell located in the column W7 is a cell corresponding to the maximum value of the amplitude A, and the groove width G1 = cell width C1, that is, a cell in which the entire surface is dug. When attention is paid to the row of the matrix shown in FIG. 11, for example, the cell located in the row V1 is a cell corresponding to the minimum value of the phase θ, and the groove depth G2 = 0, that is, the groove G Is a cell that is not formed at all. As the cell moves downward to the rows V2 to V4, the cell corresponds to a larger phase θ, and the groove depth G2 gradually increases.

<<< §4.実用的な物理セルを用いた光学素子の作成方法 >>>
ここでは、図11に示すような28通りの物理セルを利用して、物体像10が記録された光学素子(ホログラム記録媒体)を作成する具体的な方法を述べる。まず、コンピュータを利用して、図5に示すように、点光源の集合からなる物体像10と、三次元仮想セル集合30を定義する。ここで、三次元仮想セル集合30を構成する個々の仮想セルは、図8に示すようなブロック状のセル(この時点では、まだ溝は形成されていない)であり、このセルを縦横に等ピッチで二次元配列することにより、三次元仮想セル集合30を形成する。1つの仮想セルの寸法は、たとえば、C1=0.6μm、C2=0.25μm、C3=0.25μm程度とすればよく、この場合、セルの横方向のピッチを、0.6μm、縦方向のピッチを、0.25μmとすれば、セルを隙間なく配置することができる。もちろん、ここに紹介した各セルの寸法値は一例であり、実際には、必要に応じて任意の寸法に設定することができる。ただ、セル寸法が大きくなればなるほど、物体の再生像が得られる視野角が狭くなり、物体の解像度も低下することになる。逆に、セル寸法が小さくなればなるほど、物理セルの凹凸構造を形成するための加工が技術的に困難になってくる。なお、セル配置は、必ずしも等ピッチで行う必要はないが、演算処理や物理セルの加工作業の便宜を考慮すると、縦および横にそれぞれ所定の等ピッチでセルを配置するのが好ましい。
<<< §4. Method for creating optical element using practical physical cell >>
Here, a specific method for creating an optical element (hologram recording medium) on which the object image 10 is recorded using 28 physical cells as shown in FIG. 11 will be described. First, as shown in FIG. 5, an object image 10 composed of a set of point light sources and a three-dimensional virtual cell set 30 are defined using a computer. Here, each virtual cell constituting the three-dimensional virtual cell set 30 is a block-shaped cell as shown in FIG. 8 (at this time, no groove is formed yet). A three-dimensional virtual cell set 30 is formed by two-dimensionally arranging at a pitch. The dimensions of one virtual cell may be, for example, about C1 = 0.6 μm, C2 = 0.25 μm, and C3 = 0.25 μm. In this case, the horizontal pitch of the cell is 0.6 μm and the vertical direction If the pitch is set to 0.25 μm, the cells can be arranged without a gap. Of course, the dimension value of each cell introduced here is an example, and in practice, it can be set to an arbitrary dimension as required. However, the larger the cell size, the narrower the viewing angle at which a reproduced image of the object can be obtained, and the resolution of the object also decreases. Conversely, the smaller the cell dimensions, the more technically difficult it will be to form the concavo-convex structure of the physical cell. The cell arrangement is not necessarily performed at an equal pitch, but it is preferable to arrange the cells at predetermined equal pitches in the vertical and horizontal directions in consideration of the convenience of arithmetic processing and physical cell processing.

こうして、物体像10および三次元仮想セル集合30の定義が完了したら、各仮想セル内に代表点を定義し、§2で述べたように、各代表点位置に到達した各物体光の合成波の複素振幅を計算し、個々の仮想セルについて特定振幅および特定位相を定義する。続いて、各仮想セルを、図11に示す28通りの物理セルのいずれかに置き換え(個々の仮想セルに定義されている特定振幅および特定位相に応じた変調を行うために必要とされる光学的特性が最も近い物理セルに置き換える)、物理セルの集合としての光学素子を作成する。このとき、各物理セルの溝形成面(図8や図11に示されている物理セルの場合には上面)が、図5に示す三次元仮想セル集合30の前面(物体像10に向かい合った面)側を向くようにする。   Thus, when the definition of the object image 10 and the three-dimensional virtual cell set 30 is completed, a representative point is defined in each virtual cell, and as described in §2, a combined wave of each object light that has reached each representative point position And a specific amplitude and a specific phase are defined for each virtual cell. Subsequently, each virtual cell is replaced with one of the 28 physical cells shown in FIG. 11 (opticals required for performing modulation according to the specific amplitude and specific phase defined in each virtual cell) An optical element as a set of physical cells is created. At this time, the groove forming surface of each physical cell (upper surface in the case of the physical cell shown in FIGS. 8 and 11) faces the front surface (object image 10) of the three-dimensional virtual cell set 30 shown in FIG. Face) side.

もっとも、実際には、仮想セルを物理セルに置き換える作業は、光学素子となるべき媒体表面に、所定の凹凸構造を形成する処理として行われる。上述したように、図5に示す三次元仮想セル集合30の個々の仮想セルを物理セルに置き換える際には、溝が前面側を向くように物理セルが配置されることになるので、最終的に作成される光学素子は、表面に多数の溝からなる凹凸構造が形成された媒体となる。したがって、仮想セルを物理セルに置き換える作業は、各仮想セルの情報(各仮想セルに定義された特定振幅および特定位相を示す情報)を記憶しているコンピュータから、凹凸パターンに関するデータを描画装置に与え、この描画装置により、物理的な媒体表面に凹凸パターンを描画する処理として行われることになる。微細な凹凸パターンを描画する処理は、たとえば、電子線描画装置などを用いたパターニング技術を利用して行うことができる。また、同一の光学素子を量産する場合には、電子線描画装置などを用いた描画処理により、所望の凹凸構造が形成された原版を作成し、この原版を用いたスタンプ工程により、凹凸構造を多数の媒体上に転写するようにすればよい。   However, in practice, the operation of replacing the virtual cell with the physical cell is performed as a process of forming a predetermined concavo-convex structure on the medium surface to be an optical element. As described above, when replacing individual virtual cells in the three-dimensional virtual cell set 30 shown in FIG. 5 with physical cells, the physical cells are arranged so that the grooves face the front side. The optical element produced in (1) is a medium having a concavo-convex structure comprising a large number of grooves on the surface. Therefore, the work of replacing a virtual cell with a physical cell is performed by transferring data related to the concavo-convex pattern from the computer storing the information of each virtual cell (information indicating the specific amplitude and specific phase defined in each virtual cell) to the drawing device. Given this, this drawing apparatus carries out the process of drawing the concavo-convex pattern on the physical medium surface. The process of drawing a fine concavo-convex pattern can be performed using, for example, a patterning technique using an electron beam drawing apparatus. In addition, when mass-producing the same optical element, an original plate on which a desired concavo-convex structure is formed is created by a drawing process using an electron beam drawing apparatus, and the concavo-convex structure is formed by a stamping process using the original plate. What is necessary is just to make it transfer on many media.

なお、本発明に係る光学素子は、基本的には、図8に示すような物理セルを二次元的に配列することにより得られる本体層によって構成されるが、必要に応じて、この本体層の表面に保護層を形成するようにしてもよい。この保護層は、本体層の表面に形成された凹凸面を覆う役目を果たす。本体層と保護層とは、互いに異なる材質から構成されるようにする。   The optical element according to the present invention is basically composed of a main body layer obtained by two-dimensionally arranging physical cells as shown in FIG. 8, and if necessary, this main body layer. A protective layer may be formed on the surface. This protective layer serves to cover the uneven surface formed on the surface of the main body layer. The main body layer and the protective layer are made of different materials.

各物理セルに与えられた入射光が、本体層および保護層を通過することにより射出光となるような透過型の光学素子の場合、本体層と保護層とは、互いに異なる屈折率をもった透光性材料で構成しておく必要がある。ここでは、このような本体層と保護層との二層構造からなる透過型の光学素子(透過型の物理セル)を作成する場合の溝Gの深さと位相との具体的な関係を検討してみる。   In the case of a transmissive optical element in which incident light given to each physical cell becomes emission light by passing through the main body layer and the protective layer, the main body layer and the protective layer have different refractive indexes. It is necessary to comprise with a translucent material. Here, a specific relationship between the depth of the groove G and the phase in the case of producing a transmission type optical element (transmission type physical cell) having such a two-layer structure of the main body layer and the protective layer is examined. Try.

いま、図12の上段の断面図に示すような構造をもった透過型セルC(x,y)の場合を考える。このセルは、深さd(x,y)の溝Gが形成されている本体層Caと、その上面に溝Gを埋めるようにして形成された保護層Cbと、の二層構造をもったセルである。ここで、保護層Cbを形成する材料の屈折率(別言すれば、凹部に充填された物質もしくは凸部を構成する物質の屈折率)をn1とし、本体層Caを形成する材料の屈折率をn2とすれば、溝Gの最大深さ(凹部の最大深さもしくは凸部の最大高さ)dmax を、dmax =λ/|n1−n2|に設定すると、波長λの光に対して、0〜2πまでの範囲内の位相変調を施すことができる物理セルが実現できる。たとえば、波長λ=400nmとし、屈折率の差|n1−n2|=2であったとすれば、dmax =200nm(0.2μm)に設定すればよいことになる。   Consider the case of a transmissive cell C (x, y) having a structure as shown in the upper cross-sectional view of FIG. This cell has a two-layer structure of a main body layer Ca in which a groove G of depth d (x, y) is formed and a protective layer Cb formed so as to fill the groove G on the upper surface thereof. Cell. Here, the refractive index of the material forming the protective layer Cb (in other words, the refractive index of the substance filled in the concave portion or the substance constituting the convex portion) is defined as n1, and the refractive index of the material forming the main body layer Ca. Is set to n2, the maximum depth of the groove G (the maximum depth of the concave portion or the maximum height of the convex portion) dmax is set to dmax = λ / | n1-n2 | A physical cell capable of performing phase modulation within the range of 0 to 2π can be realized. For example, assuming that the wavelength λ = 400 nm and the difference in refractive index | n1-n2 | = 2, dmax = 200 nm (0.2 μm) may be set.

この場合、特定位相θ(x,y)に応じた深さd(x,y)は、図12に示すように、n1>n2の場合には、
d(x,y)=λ・θ(x,y)/2(n1−n2)π
なる式により求まり、n1<n2の場合には、
d(x,y)=dmax −λ・θ(x,y)/2(n2−n1)π
なる式により求まることになる。したがって、ある1つの仮想セルC(x,y)についての特定振幅および特定位相が、それぞれA(x,y)およびθ(x,y)と求まったら、上述の式に特定位相θ(x,y)を代入して、対応する深さd(x,y)を計算によって求め、図11に示す28通りの物理セルの中から、計算によって求めた深さd(x,y)に最も近い深さを有し、特定振幅A(x,y)に応じた寸法に最も近い横幅を有する物理セルを選択し、当該仮想セルC(x,y)を選択した物理セルに置き換える作業を行えばよい。なお、保護層Cbを設けなかった場合には、保護層の屈折率n1として空気の屈折率(ほぼ1)を用いればよい。
In this case, the depth d (x, y) corresponding to the specific phase θ (x, y) is, as shown in FIG. 12, when n1> n2,
d (x, y) = λ · θ (x, y) / 2 (n1−n2) π
If n1 <n2,
d (x, y) = dmax−λ · θ (x, y) / 2 (n2−n1) π
Is obtained by the following formula. Therefore, when the specific amplitude and specific phase for one virtual cell C (x, y) are respectively determined as A (x, y) and θ (x, y), the specific phase θ (x, y) Substituting y), the corresponding depth d (x, y) is obtained by calculation, and is closest to the depth d (x, y) obtained by calculation from the 28 physical cells shown in FIG. If a physical cell having a depth and having a horizontal width closest to the dimension corresponding to the specific amplitude A (x, y) is selected, and the virtual cell C (x, y) is replaced with the selected physical cell, Good. If the protective layer Cb is not provided, the refractive index of air (approximately 1) may be used as the refractive index n1 of the protective layer.

一方、図13の上段の断面図に示すような構造をもった反射型セルC(x,y)の場合を考えてみよう。このセルは、深さd(x,y)の溝Gが形成されている本体層Cαと、その上面に溝Gを埋めるようにして形成された保護層Cβと、の二層構造をもったセルであるが、本体層Cαと保護層Cβとの境界が反射面となっており、図の上方から下方に向かって保護層Cβに入ってきた入射光は、この反射面で反射して図の上方へ向けて射出することになる。ここで、保護層Cβを形成する材料の屈折率(別言すれば、凹部に充填された物質もしくは凸部を構成する物質の屈折率)をnとすれば、溝Gの最大深さ(凹部の最大深さもしくは凸部の最大高さ)dmax を、dmax =λ/2nに設定すると、波長λの光に対して、0〜2πまでの範囲内の位相変調を施すことができる物理セルが実現できる。たとえば、波長λ=400nmとし、屈折率n=2であったとすれば、dmax =100nm(0.1μm)に設定すればよいことになる。   On the other hand, consider the case of a reflective cell C (x, y) having a structure as shown in the upper cross-sectional view of FIG. This cell has a two-layer structure of a main body layer Cα in which a groove G of depth d (x, y) is formed and a protective layer Cβ formed so as to fill the groove G on the upper surface thereof. Although it is a cell, the boundary between the main body layer Cα and the protective layer Cβ is a reflecting surface, and incident light that has entered the protective layer Cβ from the top to the bottom of the figure is reflected by the reflecting surface. It will inject toward the upper side of. Here, if the refractive index of the material forming the protective layer Cβ (in other words, the refractive index of the substance filling the concave part or the substance constituting the convex part) is n, the maximum depth of the groove G (recessed part) If the maximum depth or the maximum height of the projections) dmax is set to dmax = λ / 2n, a physical cell capable of performing phase modulation within a range of 0 to 2π with respect to light of wavelength λ. realizable. For example, if the wavelength λ = 400 nm and the refractive index n = 2, dmax = 100 nm (0.1 μm) may be set.

この場合、特定位相θ(x,y)に応じた深さd(x,y)は、図13に示すように、
d(x,y)=λ・θ(x,y)/4nπ
なる式により求まる。保護層Cβを設けなかった場合には、保護層の屈折率nとして空気の屈折率(ほぼ1)を用いればよいので、溝Gの最大深さ:dmax =λ/2と設定し、特定位相θ(x,y)に応じた深さd(x,y)は、
d(x,y)=λ・θ(x,y)/4π
とすればよい。
In this case, the depth d (x, y) corresponding to the specific phase θ (x, y) is as shown in FIG.
d (x, y) = λ · θ (x, y) / 4nπ
It is obtained by the following formula. If the protective layer Cβ is not provided, the refractive index n of the protective layer may be the refractive index of air (approximately 1), so the maximum depth of the groove G: dmax = λ / 2 is set and the specific phase is set. The depth d (x, y) according to θ (x, y) is
d (x, y) = λ · θ (x, y) / 4π
And it is sufficient.

<<< §5.再生環境の便宜を考慮した変形例 >>>
ここでは、これまで述べてきた方法によって作成された光学素子に再生用照明光を当て、ホログラムとして記録されている物体像10を再生する環境を考えてみる。図14は、このような再生を行う場合の光学素子40(物理セルを用いたホログラム記録媒体)と、再生用照明光LtまたはLrと、視点Eとの関係を示す側面図である。光学素子40が、透過型セルを用いた透過型タイプの場合、図示のとおり、視点Eとは反対側の面に再生用照明光Ltを照射し、光学素子40を透過してきた光を視点Eにおいて観察することになり、光学素子40が、反射型セルを用いた反射型タイプの場合、図示のとおり、視点Eと同じ側の面に再生用照明光Lrを照射し、光学素子40から反射してきた光を視点Eにおいて観察することになる。いずれにせよ、これまで述べてきた方法で光学素子40を作成した場合は、再生用照明光LtまたはLrを単色光の平面波として与え、図14に示されているように、光学素子40の記録面(物理セルが配列されている二次元配列面)の法線方向から再生用照明光LtまたはLrを照射し(別言すれば、波面が光学素子40の記録面に平行になるように再生用照明光を照射し)、記録面の法線方向から像の観察を行うと、最も良好な再生像が得られることになる。
<<< §5. Modified example considering convenience of playback environment >>
Here, consider an environment in which reproduction illumination light is applied to an optical element created by the method described so far, and the object image 10 recorded as a hologram is reproduced. FIG. 14 is a side view showing the relationship between the optical element 40 (hologram recording medium using a physical cell), the reproduction illumination light Lt or Lr, and the viewpoint E when performing such reproduction. When the optical element 40 is a transmissive type using a transmissive cell, as shown in the drawing, the surface opposite to the viewpoint E is irradiated with the reproduction illumination light Lt, and the light transmitted through the optical element 40 is converted into the viewpoint E. In the case where the optical element 40 is a reflection type using a reflection type cell, as shown in the figure, the surface on the same side as the viewpoint E is irradiated with the reproduction illumination light Lr and reflected from the optical element 40. The observed light is observed at the viewpoint E. In any case, when the optical element 40 is produced by the method described so far, the reproduction illumination light Lt or Lr is given as a plane wave of monochromatic light, and the recording of the optical element 40 is performed as shown in FIG. Irradiation light Lt or Lr for reproduction is irradiated from the normal direction of the surface (two-dimensional array surface on which physical cells are arrayed) (in other words, reproduction is performed so that the wavefront is parallel to the recording surface of the optical element 40). If the image is observed from the normal direction of the recording surface, the best reproduced image can be obtained.

しかしながら、ホログラムとして物体像10が記録されている光学素子40の実際の再生環境は、必ずしも図14に示すような理想的な環境にはならない。特に、反射型タイプの場合、視点Eの位置には観測者の頭が位置するため、図14に示す方向から再生用照明光Lrを照射しても、光学素子40には観測者の影ができてしまい、良好な再生を行うことができない。したがって、実際の再生環境は、図15に示すように、光学素子40の記録面に対して斜め方向から再生用照明光LtもしくはLrを照射し、法線方向に位置する視点Eにおいて再生像を観察するか、図16に示すように、光学素子40の記録面の法線方向から再生用照明光LtもしくはLrを照射し、斜め方向に位置する視点Eにおいて再生像を観察するか、あるいは、再生用照明光Lt,Lrの照射方向も、視点Eからの観察方向も、いずれも斜め方向に設定する、という形式になるのが一般的である。   However, the actual reproduction environment of the optical element 40 in which the object image 10 is recorded as a hologram is not necessarily an ideal environment as shown in FIG. In particular, in the case of the reflection type, the observer's head is located at the position of the viewpoint E. Therefore, even if the reproduction illumination light Lr is irradiated from the direction shown in FIG. As a result, good reproduction cannot be performed. Therefore, as shown in FIG. 15, the actual reproduction environment irradiates the recording light of the optical element 40 with the reproduction illumination light Lt or Lr from an oblique direction, and displays a reproduction image at the viewpoint E located in the normal direction. Or irradiating the reproduction illumination light Lt or Lr from the normal direction of the recording surface of the optical element 40 and observing the reproduction image at the viewpoint E located in the oblique direction, as shown in FIG. In general, both the irradiation direction of the reproduction illumination lights Lt and Lr and the observation direction from the viewpoint E are set in an oblique direction.

このような実際の再生環境において、良好な再生像が得られるような光学素子40を作成するためには、再生時に照射される照明光の向きおよび再生時の視点位置を考慮して、各仮想セルについて定義された特定位相に修正を加える位相修正処理を行うようにすればよい。   In order to create an optical element 40 capable of obtaining a good reproduction image in such an actual reproduction environment, each virtual image 40 is considered in consideration of the direction of illumination light irradiated during reproduction and the viewpoint position during reproduction. What is necessary is just to perform the phase correction process which corrects the specific phase defined about the cell.

たとえば、図17に示すように、斜め方向から再生用照明光L1〜L4を照射し、光学素子40を透過することにより振幅および位相の変調を受けた光LL1〜LL4(物体像10からの物体光の波面を再現した光)を、法線方向に位置する視点Eにおいて観察する場合を考えてみよう。再生用照明光L1〜L4が波長λをもった単色平面波であるとし、このような再生用照明光を斜め方向から光学素子40に照射したとすると、光学素子40上の各点P1〜P4に到達した時点で、既に光路差が生じており、各点P1〜P4における入射光自体が既に位相差を生じていることになる。たとえば、点P2,P3,P4の位置への入射光は、点P1の位置への入射光に比べて、光路長がd2,d3,d4だけ長くなっているため、この光路差の分だけ入射光自体が既に位相差を生じていることになる。そこで、「この図17に示すような再生環境において良好な再生像が得られる光学素子40を作成する」という前提であれば、各仮想セルについて、これまで述べた方法によって特定位相を求めた後に、これら各特定位相をセル位置に応じて修正する処理を行えばよい。たとえば、図17の点P1の位置にあるセルについては修正不要であるが、点P2の位置にあるセルについては、光路差d2によって生じる位相差を相殺することができるように、特定位相に修正を加えることになる。このように、特定位相に対する修正を行って光学素子40を作成すれば、視点Eの方向に射出される光LL1〜LL4によって、良好な再生像が与えられることになる。   For example, as shown in FIG. 17, light LL1 to LL4 (objects from the object image 10) subjected to amplitude and phase modulation by irradiating the reproduction illumination lights L1 to L4 from an oblique direction and passing through the optical element 40. Let us consider the case of observing light (reproducing the wavefront of light) at a viewpoint E located in the normal direction. Assuming that the reproduction illumination lights L1 to L4 are monochromatic plane waves having a wavelength λ, and that the reproduction illumination light is irradiated to the optical element 40 from an oblique direction, the points P1 to P4 on the optical element 40 are applied to the points P1 to P4. At the time of arrival, an optical path difference has already occurred, and the incident light itself at each of the points P1 to P4 has already produced a phase difference. For example, the incident light at the positions of the points P2, P3, and P4 has an optical path length that is longer by d2, d3, and d4 than the incident light at the position of the point P1, and is incident by this optical path difference. The light itself has already produced a phase difference. Therefore, if it is assumed that “the optical element 40 capable of obtaining a good reproduction image in the reproduction environment as shown in FIG. 17 is created”, the specific phase is obtained for each virtual cell by the method described above. These specific phases may be corrected according to the cell position. For example, the cell at the point P1 in FIG. 17 need not be corrected, but the cell at the point P2 is corrected to a specific phase so that the phase difference caused by the optical path difference d2 can be canceled. Will be added. In this way, when the optical element 40 is created by correcting the specific phase, a good reproduced image is given by the lights LL1 to LL4 emitted in the direction of the viewpoint E.

このような特定位相に対する修正処理は、図18に示すように、法線方向から再生用照明光L1〜L4を照射し、光学素子40を透過することにより振幅および位相の変調を受けた光LL1〜LL4(物体像10からの物体光の波面を再現した光)を、斜め方向に位置する視点Eにおいて観察する場合についても同様である。すなわち、再生用照明光L1〜L4が波長λをもった単色平面波であるとし、このような再生用照明光を法線方向から光学素子40に照射したとすると、光学素子40上の各点P1〜P4に到達した時点では、何ら光路差は生じておらず、各点P1〜P4における入射光の位相は揃っている。しかしながら、各点P1〜P4の位置から発せられる射出光が視点Eに到達するまでの光路長にはそれぞれ差が生じており、視点Eにおいて観察した時点で位相差が生じてしまうことになる。たとえば、点P2,P3,P4の位置からの射出光は、点P1の位置からの射出光に比べて、光路長がd2,d3,d4だけ長くなっているため、この光路差の分だけ視点Eの位置では位相差が生じてしまうことになる。そこで、「この図18に示すような再生環境において良好な再生像が得られる光学素子40を作成する」という前提であれば、各仮想セルについて、これまで述べた方法によって特定位相を求めた後に、これら各特定位相をセル位置に応じて修正する処理を行えばよい。たとえば、図18の点P1の位置にあるセルについては修正不要であるが、点P2の位置にあるセルについては、光路差d2によって生じる位相差を相殺することができるように、特定位相に修正を加えることになる。このように、特定位相に対する修正を行って光学素子40を作成すれば、視点Eの方向に射出される光LL1〜LL4によって、良好な再生像が与えられることになる。   As shown in FIG. 18, such correction processing for a specific phase is performed by irradiating the reproduction illumination lights L1 to L4 from the normal direction and transmitting the light LL1 that has undergone amplitude and phase modulation by passing through the optical element 40. The same applies to LL4 (light that reproduces the wavefront of the object light from the object image 10) observed at the viewpoint E located in the oblique direction. That is, assuming that the reproduction illumination lights L1 to L4 are monochromatic plane waves having a wavelength λ and such reproduction illumination light is irradiated onto the optical element 40 from the normal direction, each point P1 on the optical element 40 When reaching ~ P4, no optical path difference occurs, and the phases of incident light at the points P1 to P4 are aligned. However, there is a difference in the optical path length until the emitted light emitted from the positions of the points P1 to P4 reaches the viewpoint E, and a phase difference occurs when observed at the viewpoint E. For example, the light emitted from the positions of the points P2, P3, and P4 has an optical path length that is longer by d2, d3, and d4 than the light emitted from the position of the point P1, so that the viewpoint is increased by this optical path difference. At the position E, a phase difference occurs. Therefore, if it is assumed that “the optical element 40 capable of obtaining a good reproduction image in the reproduction environment as shown in FIG. 18 is created”, the specific phase is obtained for each virtual cell by the method described above. These specific phases may be corrected according to the cell position. For example, the cell at the point P1 in FIG. 18 does not need to be corrected, but the cell at the point P2 is corrected to a specific phase so that the phase difference caused by the optical path difference d2 can be canceled. Will be added. In this way, when the optical element 40 is created by correcting the specific phase, a good reproduced image is given by the lights LL1 to LL4 emitted in the direction of the viewpoint E.

以上、特定位相に対する修正処理を、透過型の光学素子40について説明したが、反射型の光学素子40であっても、その修正処理の原理は全く同じである。   As described above, the correction process for the specific phase has been described for the transmission type optical element 40, but the principle of the correction process is the same even for the reflection type optical element 40.

一方、再生用照明光の波長について検討すると、実際の再生環境では、波長λの単色光を再生用照明光として利用できるケースは極めて稀であり、通常は、白色に近い再生用照明光のもとで再生が行われるケースが一般的であると考えてよい。このように、複数の波長成分を含んだ再生用照明光を用いて再生を行うと、各波長の光ごとに異なる位相変調が行われることになるので、良好な再生像が得られなくなる。具体的には、種々の色をもった像が少しずつずれて重なったような再生像が観察されることになる。   On the other hand, when examining the wavelength of the illumination light for reproduction, in an actual reproduction environment, it is extremely rare that monochromatic light having a wavelength λ can be used as the illumination light for reproduction. It can be considered that the case where the reproduction is performed is generally. As described above, when reproduction is performed using reproduction illumination light including a plurality of wavelength components, different phase modulation is performed for each wavelength of light, so that a good reproduction image cannot be obtained. Specifically, a reconstructed image in which images having various colors are slightly shifted and overlapped is observed.

そこで、白色の再生用照明光を用いた再生環境でも、ある程度良好な再生像が得られるようにするためには、物体光の複素振幅分布を計算する際に、図19に示すような工夫を行うようにすればよい。この図19に示す系は、図5に示す系と同様に、コンピュータ上で物体像10および三次元仮想セル集合30を定義し、物体像10から発せられる各物体光の合計複素振幅の分布を、三次元仮想セル集合30上に求める演算を行うためのものである。ここで、三次元仮想セル集合30は、仮想セルを水平方向および垂直方向に並べることにより構成され、二次元マトリックス上に配列された仮想セルからなるセル集合である。各仮想セルには、それぞれ代表点が定義されている。   Therefore, in order to obtain a somewhat good reproduction image even in a reproduction environment using white reproduction illumination light, a device as shown in FIG. 19 is used when calculating the complex amplitude distribution of object light. You just have to do it. The system shown in FIG. 19 defines the object image 10 and the three-dimensional virtual cell set 30 on the computer in the same manner as the system shown in FIG. 5, and the distribution of the total complex amplitude of each object light emitted from the object image 10 is determined. This is for performing an operation to be obtained on the three-dimensional virtual cell set 30. Here, the three-dimensional virtual cell set 30 is a cell set composed of virtual cells arranged on a two-dimensional matrix, which are configured by arranging virtual cells in the horizontal direction and the vertical direction. A representative point is defined for each virtual cell.

ここで述べる手法を用いる場合、各代表点位置における合計複素振幅の計算は、次のような方法によって行われる。まず、物体像10上に、それぞれが水平方向に伸び、互いに垂直方向に配置された複数M個の点光源列を定義する。図示の例では、M=3として、3本の点光源列m1,m2,m3が定義されている。各点光源列には、それぞれ水平方向に並んだ複数の点光源が含まれている。たとえば、点光源列m1には、j個の点光源O(m1,1),O(m1,2),…,O(m1,j)が含まれている。一方、三次元仮想セル集合30側においては、二次元マトリックスにおいて垂直方向に隣接する複数行に所属する仮想セル群を1グループとすることにより合計M個のグループを定義する。図示の例では、M=3として、合計3個のグループが定義されている。すなわち、第1のグループg1は、第1行〜第3行に所属する仮想セル群からなり、第2のグループg2は、第4行〜第6行に所属する仮想セル群からなり、第3のグループg3は、第7行〜第9行に所属する仮想セル群からなる。   When the method described here is used, the calculation of the total complex amplitude at each representative point position is performed by the following method. First, on the object image 10, a plurality of M point light source arrays, each extending in the horizontal direction and arranged in the vertical direction, are defined. In the illustrated example, three point light source arrays m1, m2, and m3 are defined with M = 3. Each point light source array includes a plurality of point light sources arranged in the horizontal direction. For example, the point light source array m1 includes j point light sources O (m1,1), O (m1,2),..., O (m1, j). On the other hand, on the three-dimensional virtual cell set 30 side, a total of M groups are defined by defining one group of virtual cell groups belonging to a plurality of rows adjacent in the vertical direction in the two-dimensional matrix. In the illustrated example, a total of three groups are defined with M = 3. That is, the first group g1 is composed of virtual cell groups belonging to the first row to the third row, the second group g2 is composed of virtual cell groups belonging to the fourth row to the sixth row, and the third The group g3 includes virtual cell groups belonging to the seventh to ninth rows.

このように、物体像10側にM個の点光源列を定義し、三次元仮想セル集合30側にM個のグループを定義したら、M個の点光源列とM個のグループとを垂直方向に関する配置順に応じて対応させる。すなわち、図示の例の場合、一番上の点光源列m1を一番上のグループg1に対応させ、中央の点光源列m2を中央のグループg2に対応させ、一番下の点光源列m3を一番下のグループg3に対応させることになる。そして、第m番目(m=1〜M)の点光源列内の点光源から発せられた物体光が、第m番目のグループに所属する仮想セルにのみ到達するものとして、各代表点位置における合計複素振幅の計算を行うのである。たとえば、図19における点光源列m1に所属する点光源O(m1,1),O(m1,2),…,O(m1,j)から発せられた物体光は、グループg1に所属する仮想セル(第1行〜第3行に配列されている仮想セル)にのみ到達するものとし、グループg2やg3に所属する仮想セルには到達しないものとして、合計複素振幅の計算を行うようにする。換言すれば、グループg1に所属する仮想セルの代表点位置における合計複素振幅の計算は、点光源列m1に所属する点光源O(m1,1),O(m1,2),…,O(m1,j)から発せられた物体光のみを考慮し、点光源列m2,m3に所属する点光源から発せられた物体光は考慮しないことになる。   As described above, when M point light source arrays are defined on the object image 10 side and M groups are defined on the three-dimensional virtual cell set 30 side, the M point light source arrays and the M groups are vertically aligned. Corresponding to the order of arrangement. That is, in the illustrated example, the uppermost point light source array m1 corresponds to the uppermost group g1, the central point light source array m2 corresponds to the central group g2, and the lowermost point light source array m3. Corresponds to the bottom group g3. Then, it is assumed that the object light emitted from the point light source in the m-th (m = 1 to M) point light source array reaches only the virtual cell belonging to the m-th group at each representative point position. The total complex amplitude is calculated. For example, object light emitted from point light sources O (m1,1), O (m1,2),..., O (m1, j) belonging to the point light source array m1 in FIG. It is assumed that only the cells (virtual cells arranged in the first to third rows) are reached, and that the virtual cells belonging to the groups g2 and g3 are not reached, the total complex amplitude is calculated. . In other words, the calculation of the total complex amplitude at the representative point position of the virtual cell belonging to the group g1 is performed by calculating the point light sources O (m1,1), O (m1,2),. Only the object light emitted from m1, j) is considered, and the object light emitted from the point light sources belonging to the point light source arrays m2 and m3 is not considered.

実は、このような条件で物体像10の記録を行うと、本来のホログラムとしての記録は行われなくなる。そもそもホログラムの基本原理は、記録面のどの位置にも、物体像10のすべての情報が記録されているようにすることにあり、そのような記録を行うことにより、立体像の再生が行われるのである。上述した条件で物体像10の記録を行うと、グループg1の領域には、点光源列m1の部分(すなわち、物体像10の上部の一部分)の情報しか記録されないことになるので、本来のホログラムとしての立体再生像は得られなくなる。具体的には、水平方向に関する立体視は可能になるが、垂直方向に関する立体視が不十分になる。しかしながら、このような条件で物体像10の記録を行うと、白色の再生用照明光を用いた再生環境においては、より良好な再生像(垂直方向に関する立体視は不十分であるものの、より鮮明な再生像)が得られるようになる。これは、垂直方向に関して、物体像10を部分ごとに分けて記録したことにより、再生時の垂直方向に関する再生光の波長分散を抑制する効果が得られるためである。   Actually, when the object image 10 is recorded under such conditions, the original hologram recording is not performed. In the first place, the basic principle of a hologram is that all the information of the object image 10 is recorded at any position on the recording surface. By performing such recording, a three-dimensional image is reproduced. It is. When the object image 10 is recorded under the above-described conditions, only the information of the part of the point light source array m1 (that is, a part of the upper part of the object image 10) is recorded in the group g1 region. As a result, a three-dimensional reproduction image cannot be obtained. Specifically, stereoscopic viewing in the horizontal direction is possible, but stereoscopic viewing in the vertical direction is insufficient. However, when the object image 10 is recorded under such conditions, in a reproduction environment using white reproduction illumination light, a better reproduction image (stereoscopic view in the vertical direction is insufficient, but clearer. (A reconstructed image) can be obtained. This is because the object image 10 is recorded separately for each part in the vertical direction, so that an effect of suppressing the wavelength dispersion of the reproduction light in the vertical direction during reproduction can be obtained.

以上、本発明を図示するいくつかの実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、この他にも種々の形態で実施可能である。たとえば、上述の実施形態では、個々の三次元セルを、二次元マトリックス状に配列することにより三次元仮想セル集合30を定義しているが、図20に示すように、水平方向に細長い三次元セルを用意し、このような三次元セルを一次元マトリックス状に配列することにより三次元仮想セル集合30を定義することも可能である。図20に示す例では、水平方向に細長いセルC(1),C(2),C(3),…を垂直方向に並べることにより、三次元仮想セル集合30が形成されている。このように一次元マトリックス状に配列したセルからなる光学素子に物体像10を記録した場合、垂直方向に関する立体視のみが可能な再生像しか得られないことになるが、用途によっては十分に利用価値がある。   As mentioned above, although this invention was demonstrated based on some embodiment shown in figure, this invention is not limited to these embodiment, In addition, it can implement with a various form. For example, in the above-described embodiment, the three-dimensional virtual cell set 30 is defined by arranging individual three-dimensional cells in a two-dimensional matrix. However, as shown in FIG. It is also possible to define a three-dimensional virtual cell set 30 by preparing cells and arranging such three-dimensional cells in a one-dimensional matrix. In the example shown in FIG. 20, a three-dimensional virtual cell set 30 is formed by arranging vertically elongated cells C (1), C (2), C (3),. When the object image 10 is recorded on the optical element composed of cells arranged in a one-dimensional matrix in this way, only a reconstructed image that can be stereoscopically viewed in the vertical direction can be obtained. worth it.

本発明に係る光学素子は、何らかの物体像10をホログラムとして記録し、立体像としてこれを再生するという「ホログラム記録媒体」としての用途に利用できることは勿論である。しかしながら、本発明は、このようなホログラム記録媒体としての用途に限定されるわけではなく、光学フィルタ、偏光素子、光変調素子といった一般的な光学素子を製造する場合にも利用することができる。たとえば、物体像10として、単純な格子模様のパターンを用い、このパターンから発せられる物体光の複素振幅分布を物理的な媒体上に記録するようにすれば、特有の光学的作用をもった光学素子を実現することができる。   Needless to say, the optical element according to the present invention can be used as a “hologram recording medium” in which any object image 10 is recorded as a hologram and reproduced as a three-dimensional image. However, the present invention is not limited to the use as such a hologram recording medium, and can also be used when manufacturing general optical elements such as an optical filter, a polarizing element, and a light modulation element. For example, if a simple lattice pattern is used as the object image 10 and the complex amplitude distribution of the object light emitted from the pattern is recorded on a physical medium, an optical device having a specific optical action is obtained. An element can be realized.

また、三次元セルの配置は、必ずしも直交座標系に沿った配列にする必要はなく、たとえば、極座標系を利用して球面に沿った配列にすることも可能である。更に、上述した実施形態で用いた三次元物理セルは、いずれも受動素子としてのセルであったが、本発明に用いる物理セルは、外部からの信号に基づいて屈折率、透過率、反射率などを制御することが可能な能動的素子によって構成してもかまわない。たとえば、個々の物理セルを液晶などの複屈折性物質によって構成しておき、常光と異常光との割合を外部の信号によって制御できるようにしておけば、外部から与える信号に基づいて、個々の物理セルのもつ特定振幅および特定位相を決定することができるようになる。このような能動的素子を物理セルとして用いた光学素子では、記録された像は物理的に固定されているわけではないので、外部からの信号に応じて、任意の物体像を再生することができるようになる。   Further, the arrangement of the three-dimensional cells is not necessarily arranged along the orthogonal coordinate system, and can be arranged along the spherical surface using a polar coordinate system, for example. Furthermore, although the three-dimensional physical cells used in the above-described embodiments are all cells as passive elements, the physical cells used in the present invention are based on the refractive index, transmittance, and reflectance based on signals from the outside. It may be configured by an active element capable of controlling the above. For example, if each physical cell is made of a birefringent material such as a liquid crystal and the ratio of ordinary light and extraordinary light can be controlled by an external signal, each physical cell can be controlled based on an external signal. It becomes possible to determine the specific amplitude and specific phase of the physical cell. In an optical element using such an active element as a physical cell, a recorded image is not physically fixed, so that an arbitrary object image can be reproduced according to an external signal. become able to.

10:物体像(物体)
20:記録面(記録媒体)
30:三次元仮想セル集合
40:光学素子
A,Ak,A(x,y):振幅
Ain:入射光の振幅
Aout :射出光の振幅
C(x,y):仮想セル/物理セル
C(1),C(2),C(3):細長いセル
C1,C2,C3:セルの寸法
Ca:本体層
Cb:保護層
Cα:本体層
Cβ:保護層
d(x,y):溝Gの深さ
dmax :溝Gの最大深さ
d2,d3,d4:光路差
E:視点
G,G(x,y):セルに形成された溝
G1,G2,G3:溝の寸法
g1,g2,g3:セルのグループ
Ixy:複素振幅の虚数部
i:虚数単位
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:光
m1,m2,m3:点光源列
n,n1〜n4:屈折率
O,O(1),O(k),O(k):点光源
O(m1,1),O(m1,j):点光源列m1上の点光源
P(x,y),P(x′,y′):代表点
P1〜P4:光学素子上の点
Q:座標点
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:溝G(x,y)の内部の面
S2:溝G(x,y)の外部の面
V1〜V4:位相θに応じた行
W1〜W7:振幅Aに応じた列
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
10: Object image (object)
20: Recording surface (recording medium)
30: Three-dimensional virtual cell set 40: Optical elements A, Ak, A (x, y): Amplitude Ain: Amplitude of incident light Aout: Amplitude of emitted light C (x, y): Virtual cell / physical cell C (1 ), C (2), C (3): elongated cells C1, C2, C3: cell dimensions Ca: body layer Cb: protection layer Cα: body layer Cβ: protection layer d (x, y): depth of groove G Dmax: maximum depth of groove G d2, d3, d4: optical path difference E: viewpoints G, G (x, y): grooves G1, G2, G3 formed in the cell: groove dimensions g1, g2, g3: Cell group Ixy: Imaginary part of complex amplitude i: Imaginary unit Lin: Incident light Lout: Emission light Lt: Reproduction illumination light Lr for transmission optical element: Reproduction illumination lights L1 to L4 for reflection optical element LL1 to LL4: light m1, m2, m3: point light source array n, n1 to n4: refractive indexes O, O (1), O (k), (K): Point light sources O (m1, 1), O (m1, j): Point light sources P (x, y), P (x ′, y ′) on the point light source array m1: Representative points P1 to P4: Point Q on optical element: Coordinate point R: Reference light Rxy: Real part of complex amplitude r, r1, rk, rK: Distance from point light source S1: Surface inside groove G (x, y) S2: Groove G External surfaces V1 to V4 of (x, y): Rows W1 to W7 corresponding to the phase θ: Columns θ, θk, θ (x, y) corresponding to the amplitude A: Phase θin: Phase θout of incident light: Ejection Phase λ of light: wavelength of light

Claims (11)

複数の三次元セルの集合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、前記特定振幅は、0〜100%の範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現され、前記特定位相は、0〜2πの範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現され、
個々のセルは、当該セルに定義された特定振幅に応じた透過率もしくは反射率をもった振幅変調部と、当該セルに定義された特定位相に応じた屈折率もしくは光路長をもった位相変調部と、を有しており、
個々のセルの振幅変調部は、着色剤の含有率を変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた透過率を有するか、もしくは、反射面の表面粗さを変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた反射率を有しており、
個々のセルの位相変調部は、構成材料の屈折率を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた屈折率を有するか、もしくは、所定の屈折率をもった材料中の光の進行距離を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた光路長を有しており、
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るように、個々のセルがそれぞれ特定の光学的特性を有していることを特徴とする光学素子。
An optical element composed of a set of a plurality of three-dimensional cells,
Each cell has a specific amplitude and a specific phase defined, and the specific amplitude is expressed by any one of four or more ranges obtained by dividing a range of 0 to 100%. The specific phase is represented by any one of four or more ranges obtained by dividing a range of 0 to 2π.
Each cell has an amplitude modulator with transmittance or reflectance according to the specific amplitude defined in the cell, and phase modulation with a refractive index or optical path length according to the specific phase defined in the cell. And
The amplitude modulation part of each cell has a transmittance corresponding to each specific amplitude by changing the content of the colorant, or according to each specific amplitude by changing the surface roughness of the reflecting surface. Has reflectivity,
The phase modulation unit of each cell has a refractive index corresponding to each specific phase by changing the refractive index of the constituent material, or changes the traveling distance of light in the material having a predetermined refractive index. Has an optical path length corresponding to each specific phase,
When each cell is given a predetermined incident light, each cell has its own output so that the incident light can be obtained by changing the amplitude and phase of the incident light according to the specific amplitude and phase defined in the cell. An optical element having specific optical characteristics.
請求項1に記載の光学素子において、
個々のセルが一次元的もしくは二次元的に配列されていることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 1,
An optical element in which individual cells are arranged one-dimensionally or two-dimensionally.
請求項2に記載の光学素子において、
個々のセルの縦方向のピッチおよび横方向のピッチがそれぞれ等ピッチとなるように配列されていることを特徴とする光学素子。
The optical element according to claim 2,
An optical element, wherein the vertical pitches and the horizontal pitches of the individual cells are arranged at equal pitches.
請求項1〜3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。
In the optical element in any one of Claims 1-3,
An optical element, wherein a complex amplitude distribution of object light from an object image is recorded so that the object image is reproduced when observed from a predetermined viewpoint position, and can be used as a hologram.
所定の物体像が記録された光学素子を製造する方法であって、
複数の三次元仮想セルの集合を定義するセル定義段階と、
個々の仮想セルについてそれぞれ代表点を定義する代表点定義段階と、
記録すべき物体像を定義する物体像定義段階と、
前記物体像から発せられた物体光の前記各代表点位置における複素振幅を計算することにより、個々の仮想セルに、0〜100%の範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現される特定振幅と、0〜2πの範囲を分割して得られる4段階以上のレンジのうちのいずれか1つによって表現される特定位相と、を定義する振幅位相定義段階と、
個々の仮想セルをそれぞれ実体のある物理セルに置き換え、三次元物理セルの集合からなる光学素子を形成する物理セル形成段階と、
を有し、
前記物理セル形成段階では、個々の物理セルに所定の入射光を与えると、当該物理セルに対応する仮想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るように、仮想セルに定義された特定振幅に応じた透過率もしくは反射率をもった振幅変調部と、仮想セルに定義された特定位相に応じた屈折率もしくは光路長をもった位相変調部と、を有し、それぞれ特定の光学的特性を有する物理セルによって置き換えを行うようにし、
個々の物理セルの振幅変調部は、着色剤の含有率を変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた透過率を有するか、もしくは、反射面の表面粗さを変えることによりそれぞれの特定振幅に応じた反射率を有しており、
個々の物理セルの位相変調部は、構成材料の屈折率を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた屈折率を有するか、もしくは、所定の屈折率をもった材料中の光の進行距離を変えることによりそれぞれの特定位相に応じた光路長を有していることを特徴とする光学素子の製造方法。
A method of manufacturing an optical element in which a predetermined object image is recorded,
A cell definition stage for defining a set of a plurality of three-dimensional virtual cells;
A representative point definition stage for defining a representative point for each virtual cell;
An object image definition stage for defining an object image to be recorded;
By calculating a complex amplitude at each representative point position of the object light emitted from the object image, among the ranges of four or more stages obtained by dividing a range of 0 to 100% into individual virtual cells An amplitude phase definition stage that defines a specific amplitude expressed by any one and a specific phase expressed by any one of four or more ranges obtained by dividing a range of 0 to 2π. When,
A physical cell forming stage in which each virtual cell is replaced with a physical cell, and an optical element composed of a set of three-dimensional physical cells is formed;
Have
In the physical cell formation stage, when predetermined incident light is given to each physical cell, the amplitude and phase of the incident light are changed according to the specific amplitude and specific phase defined in the virtual cell corresponding to the physical cell. In order to obtain the emitted light, an amplitude modulator having a transmittance or reflectance corresponding to the specific amplitude defined in the virtual cell, and a refractive index or optical path length corresponding to the specific phase defined in the virtual cell A phase modulation unit, and each of which is replaced by a physical cell having specific optical characteristics ,
The amplitude modulation unit of each physical cell has a transmittance corresponding to each specific amplitude by changing the content of the colorant, or according to each specific amplitude by changing the surface roughness of the reflecting surface. Has a high reflectivity,
The phase modulation unit of each physical cell has a refractive index corresponding to each specific phase by changing the refractive index of the constituent material, or changes the traveling distance of light in the material having a predetermined refractive index. Therefore , the optical element manufacturing method has an optical path length corresponding to each specific phase .
請求項5に記載の光学素子の製造方法において、
セル定義段階において、ブロック状の仮想セルを一次元的もしくは二次元的に配列することによりセル集合の定義を行うことを特徴とする光学素子の製造方法。
In the manufacturing method of the optical element according to claim 5,
A method of manufacturing an optical element, wherein a cell set is defined by arranging block-like virtual cells one-dimensionally or two-dimensionally in a cell definition stage.
請求項5または6に記載の光学素子の製造方法において、
振幅位相定義段階において、物体像上に複数の点光源を定義し、各点光源から所定振幅および所定位相をもった球面波からなる物体光が発せられたものとし、所定の基準時刻において各代表点位置における各点光源からの物体光の合計複素振幅を計算するようにしたことを特徴とする光学素子の製造方法。
In the manufacturing method of the optical element according to claim 5 or 6,
In the amplitude phase definition stage, a plurality of point light sources are defined on the object image, and object light composed of spherical waves having a predetermined amplitude and a predetermined phase is emitted from each point light source. A method for manufacturing an optical element, characterized in that a total complex amplitude of object light from each point light source at a point position is calculated.
請求項7に記載の光学素子の製造方法において、
物体像上に波長λの物体光を発するK個の点光源を定義し、第k番目(k=1〜K)の点光源O(k)から発せられる物体光の振幅をAk、位相をθkとし、所定の代表点Pと第k番目の点光源O(k)との距離をrkとしたときに、前記所定の代表点PにおけるK個の点光源からの物体光の合計複素振幅を、Σ(k=1〜K)(Ak/rk・cos(θk±2πrk/λ)+iAk/rk・sin(θk±2πrk/λ))なる計算によって求めることを特徴とする光学素子の製造方法。
In the manufacturing method of the optical element according to claim 7,
Define K point light sources that emit object light of wavelength λ on the object image, the amplitude of the object light emitted from the k-th (k = 1 to K) point light source O (k) is Ak, and the phase is θk. And the total complex amplitude of the object light from the K point light sources at the predetermined representative point P, where rk is the distance between the predetermined representative point P and the kth point light source O (k), A method of manufacturing an optical element, characterized in that it is obtained by calculation of Σ (k = 1 to K) (Ak / rk · cos (θk ± 2πrk / λ) + iAk / rk · sin (θk ± 2πrk / λ)).
請求項5〜8のいずれかに記載の製造方法において、
再生時に照射される照明光の向きもしくは再生時の視点位置を考慮して、各仮想セルについて定義された特定位相に修正を加える位相修正段階を更に有することを特徴とする光学素子の製造方法。
In the manufacturing method in any one of Claims 5-8,
A method for manufacturing an optical element, further comprising a phase correction step of correcting a specific phase defined for each virtual cell in consideration of the direction of illumination light irradiated during reproduction or the viewpoint position during reproduction.
請求項5〜9のいずれかに記載の製造方法において、
セル定義段階において、仮想セルを水平方向および垂直方向に並べることにより、二次元マトリックス上に配列された仮想セルからなるセル集合の定義を行い、
振幅位相定義段階において、物体像上に、それぞれが水平方向に伸び、互いに垂直方向に配置された複数M個の点光源列を定義するとともに、前記二次元マトリックスにおいて垂直方向に隣接する複数行に所属する仮想セル群を1グループとすることにより合計M個のグループを定義し、M個の点光源列とM個のグループとを垂直方向に関する配置順に応じて対応させ、第m番目(m=1〜M)の点光源列内の点光源から発せられた物体光が、第m番目のグループに所属する仮想セルにのみ到達するものとして、各代表点位置における合計複素振幅の計算を行うことを特徴とする光学素子の製造方法。
In the manufacturing method in any one of Claims 5-9,
In the cell definition stage, by arranging virtual cells in the horizontal and vertical directions, a cell set consisting of virtual cells arranged on a two-dimensional matrix is defined,
In the amplitude phase defining step, a plurality of M point light source columns each extending in the horizontal direction and arranged in the vertical direction are defined on the object image, and the plurality of rows adjacent in the vertical direction in the two-dimensional matrix are defined. A total of M groups are defined by setting one virtual cell group to which the cell belongs, and M point light source columns and M groups are associated with each other according to the arrangement order in the vertical direction, and the mth (m = 1 to M), the object light emitted from the point light sources in the point light source array reaches only the virtual cell belonging to the mth group, and the total complex amplitude is calculated at each representative point position. A method for producing an optical element characterized by the above.
請求項5〜10のいずれかに記載の製造方法によって製造された光学素子。   The optical element manufactured by the manufacturing method in any one of Claims 5-10.
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DE1900344A1 (en) * 1969-01-04 1970-08-20 Philips Patentverwaltung Synthetic phase hologram
JPH05232852A (en) * 1991-07-24 1993-09-10 Matsushita Electric Ind Co Ltd Formation of computer hologram
JPH0546062A (en) * 1991-08-12 1993-02-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd Method for generating computer hologram and optical information processor
JPH06266273A (en) * 1993-03-16 1994-09-22 Seiko Epson Corp Wave front recording medium and wave front recording medium regenerating device
JP2989115B2 (en) * 1995-03-27 1999-12-13 浜松ホトニクス株式会社 Stereoscopic display method and stereoscopic display device
GB9611278D0 (en) * 1996-05-30 1996-07-31 Secr Defence Multiple active computer generated hologram
JP3703608B2 (en) * 1997-06-30 2005-10-05 大日本印刷株式会社 Computer generated hologram and method for producing the same
JP4108823B2 (en) * 1998-04-14 2008-06-25 浜松ホトニクス株式会社 Hologram creation device
CA2345262A1 (en) * 1998-09-24 2000-03-30 The Secretary Of State For Defence Improvements relating to pattern recognition

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