ホログラム光学素子、ホログラム光学素子の製造方法並びにホログラム光学素子を用いた光束分割素子
【課題】 この発明は、一回の露光で２つの記録層（または記録領域）を作製することができる光学素子を提供することを目的とする。
【解決手段】
この発明のホログラム光学素子２０は、第１のホログラム記録層２１と第２のホログラム記録層２１とを備え、第１のホログラム記録層２１のホログラム領域１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、第２のホログラム記録層２２が第１のホログラム記録層２１に離れて配置され、露光ビーム３１のうちホログラム領域１００外を通過した光とホログラム原版１０からの１次回折光３２が干渉する位置で第２のホログラム記録層２２が干渉露光され、第２のホログラム領域２が形成される。
【解決手段】
この発明のホログラム光学素子２０は、第１のホログラム記録層２１と第２のホログラム記録層２１とを備え、第１のホログラム記録層２１のホログラム領域１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、第２のホログラム記録層２２が第１のホログラム記録層２１に離れて配置され、露光ビーム３１のうちホログラム領域１００外を通過した光とホログラム原版１０からの１次回折光３２が干渉する位置で第２のホログラム記録層２２が干渉露光され、第２のホログラム領域２が形成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ホログラム光学素子、ホログラム光学素子の製造方法に関し、更に、この発明は、このホログラム光学素子を用いて入射光束を２つの光束に分割する光束分割素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ：以下、ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラム回折格子を偏光分離素子として用いることが提案されている。
【０００３】
このＨＰＤＬＣは、非重合性液晶と等方相しか示さない光重合性モノマーとの混合相からなるホログラム記録材料層に、ホログラム回折格子を露光記録することにより形成される。
【０００４】
このＨＰＤＬＣを作成する方法として、液晶と光重合性モノマーの混合物を光干渉露光によって作成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、従来、複製露光はホログラム原版に記録材料を密着（または近接）させ原版のホログラム層からの少なくとも２つの所定回折光、例えば０次光と１次回折光が重なり合う場所で記録（すなわち複製）してきた。この複製露光方法は、特許文献２に詳しい。
【特許文献１】特開２００３−１２１６５０号公報
【特許文献２】特開昭５４-７０８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した複製露光を用いて作製されるホログラム光学素子は、ホログラム原版とは、別に用いられる。しかしながら、光束分割素子をホログラム光学素子を用いて構成しようとすると、２つのホログラム光学素子を所定の間隔で配置する必要があるなど、その製造が困難であった。すなわち、２枚（２層）のホログラム記録部からなる光束分割素子を組付ける際、露光完了後のホログラムの位置合わせすると調整時間が増えコストアップにつながるなどの難点があった。
【０００７】
この発明は、上記した従来の難点に鑑みなされたものにして、一回の露光で２つの記録層（または記録領域）を作製することができる光学素子を提供することを第１の目的とする。
【０００８】
また、この発明は、仮に、波面収差量の比較的大きなホログラム原版を用いたとしても、ホログラム光学素子の出射光波面収差が低減できる光学素子を提供することを第２の目的とする。
【０００９】
更に、この発明は、作製されたホログラム光学素子の２通りの光学長を同一にすることができる光学素子を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明のホログラム光学素子は、第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層とを備えたホログラム光学素子であって、前記第１のホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、前記第２のホログラム記録層が第１のホログラム記録層に離れて配置され、前記第１のホログラム記録層からの回折光が第２のホログラム記録層に入射することを特徴とする。
【００１１】
前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間の距離を確保して一体化するように構成できる。
【００１２】
また、前記第１のホログラム記録層への入射光軸と回折光軸を含む面の前記第１のホログラム記録層長さをＤとし、前記所定の距離をＬとし、第１のホログラムへの入射角をθｉ、第１のホログラムの回折角をθｄとすると、
Ｌ×ｔａｎ（θｄ）≧Ｄ ・・・（１）
を満たすように構成するとよい。
【００１３】
また、この発明は、前記第１のホログラム記録層で再生された回折光の波面収差Λが第２のホログラム記録層で−Λの波面収差を受け、第２のホログラム記録層からの回折光における波面収差がキャンセル補正されて出力されることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２のホログラム記録層は、前記第１のホログラム記録層を経た所定の回折光とホログラム記録層を通過せずに到達する光とで干渉露光されて形成され、露光ビームの波面を再現して回折光が出射されることにより、波面収差を補正するように構成するとよい。
【００１５】
また、この発明は、前記第１のホログラム記録層は０次を含む所定次数の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製することができる。
【００１６】
また、この発明は、前記第１のホログラム記録層は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製されたことを特徴とする
更に、この発明は、前記ホログラム記録層のホログラム領域外に減光手段を配置するとよい。
【００１７】
また、この発明のホログラム光学素子は、所定回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム基板と、このホログラム領域で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ離れて配置される被複製記録層と、を備え、前記ホログラム領域からの回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで干渉露光により被複製記録層にホログラム記録層が作製されることを特徴とする。
【００１８】
前記ホログラム基板と被複製記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記ホログラム基板と被複製記録層間の距離を確保して一体化することができる。
【００１９】
また、第１のホログラム基板は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させることを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記ホログラム原版のホログラム領域外に減光手段を配置するとよい。
【００２１】
この発明のホログラム光学素子の製造方法は、第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、０次光を含み所定の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させた状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、前記第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とする。
【００２２】
また、この発明のホログラム光学素子の製造方法は、少なくとも第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させ状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達した光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記ホログラム領域外に減光手段が配置され、減光手段を介して露光するように構成するとよい。ことを特徴とする請求項１１または１２に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【００２４】
この発明の光束分割素子は、上記にいずれかに記載のホログラム光学素子を用い、第１のホログラム記録層に入射される光束を第２のホログラム記録層から２つの光束に分割して出力することを特徴とする。
【００２５】
また、前記第１のホログラム記録層の０次回折効率が、第１のホログラム記録層回折効率と第２のホログラム記録層の回折効率の積と実質的に等しいことを特徴とする。
【００２６】
また、前記第１のホログラム記録層に入射させる光束が円偏光または両記録層からの回折光軸を含む面から４５°傾いた直線偏光であることを特徴とする請求項１４に記載の光束分割素子。
【発明の効果】
【００２７】
この発明は、第１のホログラム記録層からの回折光が第２のホログラム記録層に入射させ、ホログラム領域を通過せずに到達する光とで干渉露光により第２のホログラム記録層のホログラム領域が作製されているので、一回の露光で２つの記録層（または記録領域）を作製することができ、生産性がよい。
【００２８】
また、この発明は、第２のホログラム記録層は、第１のホログラム記録層を経た所定の回折光とホログラム記録層を通過せずに到達する光とで干渉露光されて形成され、露光ビームの波面を再現して回折光が出射されることにより、複製露光にもかかわらず原版回折光波面収差を第２のホログラム記録層で相殺することができる。
【００２９】
また、この発明は、第１のホログラム領域が±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるように構成することで、光路長が同一の光を分割して出力することができる。従って、光の波面が同一な光束を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。
【００３１】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。図２は、図１で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【００３２】
図１に示すように、この発明の第１の実施形態は、ホログラム光学素子を作製する記録セル２０に第１のホログラム記録層、第２のホログラム記録層を設けるものである。このため、記録セル２０は、第１の被複製ホログラム層（第１のホログラム記録層）２１と第２の被複製ホログラム層（第２のホログラム記録層）２２を有し、第１の被複製ホログラム層２１と第２の被複製ホログラム層２２とは、第１の被複製ホログラム層２１に形成されたホログラム領域１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ両者が離間して配置される。この所定の距離を保つために、この第１の実施形態においては、所定の厚さの透光性基板２３を被複製ホログラム層２１と第２の被複製ホログラム層２２との間に設け、これら部材を一体化している。
【００３３】
被複製ホログラム層２１と第２の被複製ホログラム層２２とは、ホログラム記録用フォトポリマを透明基板で挟んだものや光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ：以下ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラムが用いられる。
【００３４】
ホログラム光学素子を製造するために、上記した記録セル２０に複製露光を行う。この複製露光時にホログラム原版１０を第１の被複製ホログラム層２１に近接させて配置する。この第１の実施形態におけるホログラム原版１０は、０次光と１次回折光を発生させるホログラム領域１００を有する。露光ビーム３１は、そのビーム径をホログラム原版１０のホログラム領域１００よりも広くして照射する。露光ビーム３１のうちホログラム領域１００に入射した光束は、０次光（すなわち、そのまま直進する光）と１次回折光に二分される。
【００３５】
この二分された光が干渉されている空間に第１の被複製ホログラム層２１が配置される。このように第１の被複製ホログラム層２１のホログラム領域１は従来知られている複製露光方法で作製される。
【００３６】
次に、第１のホログラム領域１を通過したホログラム原版からの１次回折光３２は、透光性基板２３を透過し、第２の被複製ホログラム層２２に入射する。
【００３７】
一方、露光ビーム３１のうちホログラム領域１００外を通過した光とホログラム原版１０からの１次回折光３２が干渉する位置で第２の被複製ホログラム層２２が干渉露光され、第２のホログラム領域２が作製される。この実施形態では、平面波の露光ビーム３１で動作を説明している。第１のホログラム領域１と第２のホログラム領域２は共に同一の格子ピッチが作製される。
【００３８】
次に、複製露光が完了し、記録セル２０の２つの層にそれぞれホログラムが作製され、ホログラム光学素子（光束分割素子２０’）となった再生時の特性を図２に従い説明する。
【００３９】
前述のとおり、光束分割素子２０’の２箇所に形成されたホログラム領域１、２はどちらも同じピッチである。光束分割素子２０’は、第１のホログラム記録層２１と第２のホログラム記録層２２が透光性基板であるガラス基板２３の厚さによって所定の距離だけ離れて配置される。すなわち、第１のホログラム記録層２１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、第２のホログラム記録層２２が第１のホログラム記録層２１に離れて配置されている。
【００４０】
分割したい入射光４０を第１のホログラム記録層２１のホログラム領域１に入射させる。ホログラム領域１は体積ホログラムの特性を有し、紙面に垂直な偏光（ｓ偏光）を回折する。ｓ偏光に垂直なｐ偏光（紙面に平行な偏光）は透過される（光４１）。回折されたｓ偏光４２は第２のホログラム記録層２２のホログラム領域２に入射し、このホログラム領域２も同様の体積ホログラムであると、さらに回折され出射（光４２）される。
【００４１】
両ホログラム領域１，２の格子ピッチが一致していると、入射光４０を平行で紙面内で上下にオフセットされた２つの光に分割されたことになる。
【００４２】
なお、入射されるレーザ光４０はλ／４板を用いて円偏光にするか、レーザ光源を４５度傾けて配置するか、レーザの出射側にλ／２の位相板を設けて偏光軸を４５度回転させればよい。即ち、入射させる光束が円偏光または両記録層からの回折光軸を含む面から４５°傾いた直線偏光の光束にするとよい。
【００４３】
複製時と再生時のレーザの波長が同じものを用いる場合には、被複製ホログラム層２１、２２として、例えば、銀塩タイプのホログラム層を用いることができる。
【００４４】
図２示す光学素子を光束分割素子２０’と呼ぶことにする。図２に示す光学素子のさらに特筆すべき特性について説明する。
【００４５】
図１において、ホログラム原版１０からの回折光３２に波面収差Λを有し平面波といえない波面となったとする。従来の複製露光で作製されたホログラムを図２のごとく配置したとすると、第１と第２のホログラム領域１、２で回折された光は単純計算で２Λの波面収差がのる。ところが、この発明の実施形態では、第１のホログラム領域１で回折された光（Λの波面収差）は第２のホログラム領域２で（−Λの波面収差）が加算され、波面収差量が理論上０になる。
【００４６】
別の説明をすると次のようになる。図１に示すように、第２のホログラム領域２はホログラム領域１００からの回折光（非平面波）と平面波との干渉縞で露光される。
【００４７】
再生時、図２に示すように、平面波とみなせる光束が第１のホログラム領域１で回折されると、忠実に、ホログラム領域１００からの回折光（非平面波）が再生される。この光は第２のホログラム領域２に入射されるため、その回折光は露光ビームの一部（ホログラム領域１００外からの光、すなわち、平面波とみなせる光）を再生するため、実質、波面収差０の光束４２を得ることができる。
【００４８】
図３は、波面収差が補正（キャンセル）される状態を説明するための模式図である。この図３を用いて更に、波面収差補正機能につき説明する。この例では図示しやすいように波面収差を回折光の光線方向に置き換えて説明する。
【００４９】
ホログラム記録層１４３ａ、１４３ｂ、１４４ａ、１４４ｂを有する素子１４２にホログラム原版１４１を近接させ平面波とする露光ビーム（１４５ａ〜１４５ｄ）でを照射する。ホログラム原版１４１のホログラム１４１ａには波面収差があり、領域１４３ａでは回折角が大きめとなるように、領域１４３ｂでは回折角が小さめとなるように回折されるとする。
【００５０】
第１のホログラム１４３（およびホログラム原版１４１）からの回折光の波面はＨ２のようになり、第２の記録層に向かう。第２の記録層のうち領域１４４ａでは光線１４５ｃとの干渉縞によってホログラムが形成されるため回折光は光線１４５ｃの延長上に１４７ａとして出射される。
【００５１】
同様に、第１のホログラムの領域１４３ｂからの回折光１４６ｂは光線１４５ｄの延長線上に回折光として出射されるようにホログラム領域１４４ｂが形成される。
【００５２】
したがって、再生時に両ホログラムで回折された光は露光ビーム１４５ｃ〜１４５ｄの波面を再現して出射させるため平面波Ｈ３となり、第１のホログラムで発生した波面収差を第２のホログラムで補正したことになる。
【００５３】
なお、波面収差補正の機能を十分に発揮させるには、再生波長は露光波長と同一であることが望ましい。
【００５４】
なお、図示しないが、透光性基板を外しても、上記効果を失うことは無い。また、透光性基板に代わりスペーサをもうけて空気層を設けてもよい。スペーサなどを利用して透光性基板が空気層となった場合には分割したい２光束の分割距離（２光束のシフト距離）を達成するための第１のホログラム記録層から第２のホログラム記録層までの距離を短くすることが出来る特徴を有する。
【００５５】
光束分割素子の利用形態としては、特開２００５−１５３３４７号公報に記載されるような２段に重ねられた回転多面鏡を有する光走査装置や画像形成装置に適用できる。即ち、一つのＬＤ光を２光束に分割することによって使用するＬＤの数を減らし低コスト化できる。
【００５６】
この発明の光束分割素子を用いた画像形成装置の構成例を図４に従い簡単に説明する。
【００５７】
半導体レーザ３０１、３０１からそれぞれ１本の光ビームを放射する。これら半導体レーザ３０１、３０１はホルダに所定の位置関係で保持されている。
【００５８】
半導体レーザ３０１、３０１から放射された各光ビームはそれぞれ、カップリングレンズ（図示しない）により、以後の光学系に適した光束形態（平行光束あるいは弱い発散性もしくは弱い収束性の光束）に変換される。この例ではカップリングレンズによりカップリングされた光ビームは共に平行光束である。
【００５９】
カップリングレンズから射出し、所望の光束形態となった各光ビームは、光ビーム幅を規制するアパーチュア（図示しない）の開口部を通過してビーム整形されたのち、この発明の光束分割素子３２０に入射し、光束分割素子３２０の作用により副走査方向に２分割されてそれぞれが２本の光ビームに分けられる。
【００６０】
これら４本の光ビームはシリンドリカルレンズ３３２、３３２に入射し、これらシリンドリカルレンズ３３２、３３２の作用により副走査方向へ集光され、多面鏡式光偏向器３３７の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像する。
【００６１】
多面鏡式光偏向器３３７は、図示のように上ポリゴンミラー、下ポリゴンミラーを回転軸方向に上下２段に積設して一体とし、図示されない駆動モータにより回転軸の周りに回転させられるようになっている。
【００６２】
上ポリゴンミラー、下ポリゴンミラー７ｂは、この例において共に「４面の偏向反射面」を持つ同一形状のものであるが、上ポリゴンミラー７ａの偏向反射面に対し、下ポリゴンミラー７ｂの偏向反射面が、回転方向へ所定角：θ（＝４５度）ずれている。上・下ポリゴンミラーは一体的に形成してもよい。
【００６３】
図４において、符号３３８は第１走査レンズ、符号３４０ａ、３４０ｂは第２走査レンズ」、符号３３９ａ、３３９ｂは光路折り曲げミラーを示している。
【００６４】
第１走査レンズ３３８、第２走査レンズ３４０ａと、光路折り曲げミラー３３９ａとは、多面鏡式光偏向器３３７の上ポリゴンミラーにより偏向される２本の光ビームを、対応する光走査位置である光導電性感光体（図示しない）上に導光して、副走査方向に分離した２つの光スポットを形成する１組の走査結像光学系を構成する。
【００６５】
第１走査レンズ３３８、第２走査レンズ３４０と、光路折り曲げミラー３３９ｂとは、多面鏡式光偏向器３３７の下ポリゴンミラーにより偏向される２本の光ビームを、対応する光走査位置である光導電性感光体上に導光して、副走査方向に分離した２つの光スポットを形成する１組の走査結像光学系を構成する。
【００６６】
このようにして、多面鏡式光偏向器３３７の上ポリゴンミラーにより偏向される２光ビームにより、光導電性感光体が２本の光ビームによりマルチビーム走査され、多面鏡式光偏向器３３７の下ポリゴンミラーにより偏向される２光ビームにより、光導電性感光体１１ｂが２本の光ビームによりマルチビーム走査される。
【００６７】
上記した光束分割素子につき３２０につき、図５に従い更に説明する。図５は、この発明の光束分割素子により、レーザからの光束を２つに分離する状態を示す構成図である。
【００６８】
半導体レーザ（ＬＤ）３０１からの出射光をコリメートレンズ３０２で平行ビームとしλ／２板３０３に入射させる。λ／２板３０３の遅相軸は紙面から２２．５°回転した方位とする。
【００６９】
ＬＤ光の偏光が紙面に平行とするとλ／２板３０３を透過した光は紙面に対して４５°方向に偏光面を有する。光束分割素子３２０の第１のホログラム３２１で紙面に垂直な偏光が回折し、紙面に平行な偏光が透過する。第１のホログラム３２１のホログラム領域３２１ａで回折した光は第２のホログラム３２２のホログラム領域３２２ａでさらに回折される。第１のホログラム３２１を透過した光４１と２つのホログラム領域３２１ａ、３２２ａで回折されたビーム４２とはλ／４板３０４に入射し、それぞれ右回り円偏光と左回り円偏光に変換させ、２段構成の回転多面鏡に入射させる。
【００７０】
この図５に示す両ホログラム３２１、３２２はフォトポリマーを記録材料とし、両ホログラム基板をスペーサ３２３によって以下に示す距離をもたせている。
【００７１】
この図５に示す構成のサイズについて一例を示す。コリメート光のビーム径Ｄは５ｍｍで、光束分割された２ビームの間隔Ｌは７ｍｍである。ＬＤ光の波長は０．６５μｍを使用する。回折角θは、ｓｉｎθ＝λ／Λとなる。
【００７２】
ここで、λ：ＬＤ光の波長（０．６５μｍ）、Λ：両ホログラムの格子ピッチ（１．５μｍとする）より、θ＝２５．７°が得られる。
【００７３】
スペーサ３２３の長さはＬ／ｔａｎ（２５．７°）＝１４．５ｍｍの設計となる。
【００７４】
上記した光束分割素子３２０の露光及び再生についての具体的実施例を、図６を参照して説明する。図６は、この発明の実施形態の光束分割素子の露光、再生状態を説明する構成図である。
【００７５】
ホログラム原版（図示省略）を第１のホログラム記録層３２１の直前に配置する。この実施例では、露光ビームは、ヘリウムカドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザ光（波長０．４４２μｍ）を使用する。ホログラム原版は露光ビーム４３１がθ１＝４．２°で入射したとき回折角θ２＝２１．５°の回折光が発生するように設計されている。なお、回折効率は５０％程度とする。
【００７６】
第１の記録層３２１では露光ビーム４３１と原版からの回折光４３２の２光束によって干渉露光されホログラム領域３２１ａが形成される。
【００７７】
第２のホログラム記録層３２２では第１の記録層３２１からのビーム４３２とビーム４３１の一部によって干渉露光され、第２のホログラム領域３２２ａが形成される。
【００７８】
図６の破線４１、４２は光束分割素子３２０として機能させたとき、すなわち、波長０．６５μｍのレーザ光による再生時の光束の軌跡を表している。
【００７９】
露光波長と再生波長が異なるためホログラム領域３２２ａは再生で使用する領域より大きくなっているが、第２のホログラム領域３２２の円Ａで囲んだ部分が再生時の上側の光束にオーバーラップしていないため、機能上、問題は無い。
【００８０】
次に、上記した光束分割素子において、ホログラム領域の大きさ、回折角、第１の記録層と第２の記録層との間の距離の関係につき説明する。図７は、この発明の実施形態の光束分割素子の配置関係を示す説明図である。この発明によって作製された光束分割素子２０’は第１のホログラム記録領域１と第２のホログラム記録領域２とが紙面内の長さＤで、厚さＬのガラス基板２３の両側に配置された構造を有する。尚、この図においては、第１のホログラム記録領域１と第２のホログラム記録領域２のみ図示しているが、これらホログラム記録領域は、第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層に形成される。即ち、ガラス基板２３の両側に第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層が配置され、ガラス基板、第１のホログラム記録層、第２のホログラム記録層とが一体化された構造となっている。露光ビームは４０は、第１のホログラム記録領域１に対して、θｉの角度で入射し、θｄの角度で回折して第２のホログラム記録領域２に入射する。
【００８１】
図７に図示した距離δがδ≧０でなければ第２のホログラム記録領域２を正しく作製することができない。したがって、δ＝Ｌ×ｔａｎ（θｄ）−Ｄ≧０を満足する必要がある。
すなわち、Ｌ×ｔａｎ（θｄ）≧Ｄ・・・（１）
を満たす必要がある。
【００８２】
（１）式を満たさないと、露光時に露光ビームの記録領域１からの開口による光の回折現象（もしくは回折広がり）のために記録領域２の一部でホログラムにゴースト（不良部）を記録してしまう。
【００８３】
さらに好ましくは、回折広がりによる不良部を避けるために下記（２）式の関係を満たすようにＬ，Ｄ，θｄを選ぶことが望ましい。
Ｌ×ｔａｎ（θｄ）−Ｄ≧Ｌ×Ｄ／λ・・・（２）
（ただし、λは再生波長を表す）
【００８４】
上記のように、（２）式に基づいてＬ，Ｄ，θｄを選ぶことで、良好な光束分割素子を得ることができる。
【００８５】
なお、上記した実施形態、また、以下に示す全ての実施形態で、図示された光束分割素子が紙面内や紙面奥行き方向にアレイ状に配列されていても、発明の効果に何ら影響を及ぼさない。そればかりか、生産性を向上できるメリットを有する。
【００８６】
次に、この発明の第２の実施形態につき説明する。図８は、この発明の第２の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【００８７】
この第２の実施形態は、図８に示すように、透光性基板２３に第２のホログラム記録領域を形成するためのホログラム記録材料３０を設置させる。そして、ホログラム記録材料３０を設置した側とは逆の側の透光性基板１３に予めホログラム領域１０１が形成されたホログラム基板１１を設置または接着して、一体化する。
【００８８】
図８に示すホログラム基板１１は、微細凹凸を形成した形状ホログラムを用いているが、ホログラム基板１１は予めホログラム領域が形成されていればよく、表面レリーフ型ホログラムに限らず。フォトポリマやＨＰＤＬＣを用いて露光によりホログラム形成部１０１を形成したものなどを用いることができる。ホログラム基板１１のホログラム形成部１０１は、偏光依存性のもの、あるいは回折効率が５０％程度に形成している。
【００８９】
次に、ホログラム基板１１を透光性基板２３に設置（あるいは接着）した後、露光ビーム４１をホログラム基板１１側から照射する。露光ビーム４１のうちホログラム基板１１のホログラム形成部１０１に入射した光は回折される。また、ホログラム形成部１０１の外を通過した光（４３）と回折光４２が重なり合う領域で干渉露光されて、ホログラム記録材料３０にホログラム領域３が作製される。すなわち、ホログラム基板１１に再生用光束４２を入射させ、ホログラム基板１１により回折された像再生光束の光路中にホログラム記録材料３０を配置する。像再生光束に可干渉な光束を参照光４３としてホログラム形成部１０１を経由させることなく、ホログラム記録材料３０に照射する。像再生光束４２と参照光４３との干渉縞をホログラム記録材料３０に記録することで、ホログラム領域３が形成されることになる。この露光法は、例えば、特開昭５４−７０８５１号公報に記載されている方法を応用することができる。
【００９０】
さて、露光後、ホログラム記録材料３０にホログラム領域３を形成後、例えば光束分割素子２００として利用する場合、ホログラム基板１１をそのまま素子の一構成要素として使用する。
【００９１】
上記したように、ホログラム基板１１は、多種多様なタイプを用いることが出来る。公知技術（記述せず）を用いてホログラム基板１１をあらかじめ量産しておき、光束分割素子を作製時に組み込む形をとる。
【００９２】
この第２の実施形態についても、第１の実施形態の効果と同じように、ホログラム基板１１からの回折光の波面収差は、ホログラム記録材料３０のホログラム領域３でキャンセルされる効果を有する。
【００９３】
図９は、この発明の第３の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。この第３の実施形態は、第１の実施形態を変形したもので、バイナリホログラム１２により、±１次回折光を発生させ、±１次回折光を発生させるホログラム領域８１ａを第１の記録層８１に形成するものである。
【００９４】
この第３の実施形態におけるホログラム光学素子（光束分割素子２０５）は、第１の記録層８１と第２の記録層５０がガラス基板２３の表裏に設置されている。
【００９５】
バイナリホログラム１２ａが形成されたホログラム基板１２を第１の記録層８１に近接させる。露光ビーム４１はバイナリホログラム１２ａで±１次回折光４２、４３が発生する。そして、第１の記録層８１の一部でホログラム８１ａが形成される。これら回折光４２、４３がガラス基板２３を通過し、さらに、第２の記録層５０に入射される。
【００９６】
露光ビーム４１のうちバイナリホログラム８１ａの領域外を伝搬した光は、第２の記録層５０中で、所定回折光４２、４３と重なる。この２光束で第２の記録層５０が干渉露光され、ホログラム領域５０ａ、５０ｂが形成される。したがって、一度の露光で３箇所にホログラム８１ａ、５０ａ、５０ｂを形成することが出来る。なお、バイナリホログラム１２ａからの回折光に波面収差が発生していても、前述のとおり、二つの平行ビームでは波面収差がほぼ０に補正されている。
【００９７】
次に、複製露光が完了し、２つの層に３つのホログラム８１ａ、５０ａ、５０ｂが作製され、光束分割素子２０５となった再生時の特性を図１０に従い説明する。
【００９８】
前述のとおり、光束分割素子２０５の３箇所に形成されたホログラム領域８１ａ、５０ａ、５０ｂは同じピッチである。光束分割素子２０５は、第１のホログラム記録層８１と第２のホログラム記録層５０が透光性基板であるガラス基板２３の厚さによって所定の距離だけ離れて配置される。すなわち、第１のホログラム記録層８１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、第２のホログラム記録層５０が第１のホログラム記録層８１に離れて配置されている。
【００９９】
分割したい入射光４０を第１のホログラム記録層８１のホログラム領域８１ａに入射させる。ホログラム領域８１は±１次回折光４２、４３が発生する。回折された±１次４２、４３ｓは第２のホログラム記録層５１のホログラム領域５０ａ、５０ｂに入射し、さらに回折され出射（光４４、４４）される。ホログラム領域８１ａ，５０ａ、５０ｂが格子ピッチが一致していると、入射光４１を平行で紙面内で上下にオフセットされた２つの光４４，４４に分割されたことになる。
【０１００】
この実施形態の光束分割素子２０５においては、光の光路長が同じになる。光の光路長が同じになることで、光の波面が同じになる。
【０１０１】
図１１は、この発明の第４の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。この第４の実施形態は、第２及び第３の実施形態を変形したものである。
【０１０２】
この第４の実施形態においては、ホログラム基板１２としてバイナリホログラム１２ａを用いる。被複製記録層５０側にはホログラム基板１２との空気ギャップをとるためにスペーサ２４が配置される。また、ホログラム基板１２がスペーサ２４を介して被複製記録層５０と一体化されてた構造である。
【０１０３】
バイナリホログラムのうち、２値のバイナリホログラムでは断面が矩形形状の溝深さを所定値にすることによって入射ビームを±ｍ（ｍは自然数）次回折光を発生させることが可能である。この実施形態では、０次光を発生させず±１次回折光を発生させるタイプのものを用いた。
【０１０４】
露光ビーム４１はバイナリホログラム領域１２ａを含んで広めのエリアに照射される。バイナリホログラム領域１２ａから±１次光回折光４２、４３が発生する。これらの光束４２，４３とバイナリホログラム領域１２ａの領域外を通過した光とが干渉する領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング領域）にホログラムが作製される。このようにしてホログラム光学機能素子の一例である光束分割素子２０１が完成する。
【０１０５】
次に、再生時の動作を図１２を用いて説明する。
【０１０６】
入射光束５１がホログラム基板１２で±１次回折光として回折される。両回折光は、スペーサ２４で作られた空気層を通過し、ホログラムが記録された領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング領域）に入射する。
【０１０７】
ホログラムが記録された領域５０ａ、５０ｂでさらに回折され、２光束が平行光として出射される。この実施形態も前述の効果と同様に、ホログラム基板１２からの回折光が非平面波となっていてもホログラムが記録された領域（ハッチング領域）５０ａ、５０ｂで回折された光束は実質的に平面波に補正されている。
【０１０８】
図１３は、この発明の第５の実施形態を示す模式図である。この第５の実施形態は、第４の実施形態を変形したものである。
【０１０９】
ホログラム基板１３の裏面に記録材料層５０’を配置させる。記録材料層５０’が液体材料の場合には塗布することが出来る。少なくとも、ホログラム基板１３と記録材料層５０’のみでホログラム光学素子２０２が構成されている。ホログラム基板１３の表面（記録材料と対向する面）にはホログラムが設置されている。例えば、フォトリソグラフィー技術によって２値のバイナリホログラム形状領域１３ａを作製することができる。
【０１１０】
露光ビーム（図示せず）の一部はホログラム基板１３の表面のバイナリホログラム領域１３ａで±ｍ次光（例えばｍ＝１）の回折光を生じ、その他の部分の露光ビームは透過される。記録材料層５０’で回折光と透過光が干渉するところ（ハッチング）でホログラム領域５０ａ、５０ｂが記録される。
【０１１１】
再生時は図１３に示すように、入射光１５がホログラム基板１３の表面のバイナリホログラム領域１３ａで±ｍ次光（例えばｍ＝１）の回折光で回折され、両回折光が記録層のホログラム領域５０ａ、５０ｂでそれぞれ回折し、平行光５２、５３で出射される。
【０１１２】
図１４及び図１５は、この発明の第６の実施形態を示す模式図であり、図１４は露光時、図１５は再生時を示している。
【０１１３】
図１４及び図１５に示すように、この第６の実施形態は、図１３に示すものと同様にホログラム基板１３の裏面に記録材料層５０が配置されている。
【０１１４】
図１４に示すように、バイナリホログラム６０ａが形成されたホログラム基板６０の一部に減光手段６１が設置される。この減光手段６１はＮＤフィルタを利用することができる。２値バイナリホログラム領域６０ａの最大回折効率は理論上、４１％である。露光ビーム４１がその面内均一性が確保されているとし、表面反射や内部吸収を無視しても、ホログラム基板６０に入射されるパワー密度の４１％のパワー密度として回折光４２（回折光４３も同じパワー密度）が発生する。回折光４２，４３と２値バイナリホログラム領域６０ａ以外を通過した光との２光束干渉露光により、記録材料層５０にホログラム領域５０ａ、５０ｂを形成する。この実施形態は、減光手段６１で光の強度比を揃えるものである。
【０１１５】
減光手段６１は透過率が４０％程度のＮＤフィルタを使用する。すると、ホログラム記録領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング部分）での二つのビームの強度比（パワー密度比）を揃えることができる。この強度比が１：１に近いほど光干渉縞のコントラスト比（明部と暗部の比）が高くなる。この結果、作製されるホログラム領域５０ａ、５０ｂの回折効率を高くすることができる。
【０１１６】
露光完了後、再生時は、図１５に示すように、入射光束５１はその約４０％が＋１次光と、同じ効率で−１次光とが発生し、両回折光がホログラム領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング）で効率良く回折し、平行な２光束で出射される。ホログラム領域（ハッチング）がフォトポリマなどの記録材料で記録された体積ホログラムでは効率９０％を超すことが可能である。入射光束の光量を１００とすると、光束分割された各光束の光強度は３６となる。
【０１１７】
上記したバイナリホログラム領域で±ｍ次光を用いて、記録層に２つのホログラム領域を形成した光束分割素子においては、図１２に示すように、記録層に設けられた２つのホログラム領域間に迷光の防ぐために光遮蔽手段５５を設けるとよい。光遮蔽手段５５を設けることで、ノイズ等が防ぐことができる。
【０１１８】
次に、露光時の波長と再生時の波長が異なる場合に対策につき図１６を参照説明する。図１６に示すものは、図２に示した第１の実施形態を例に取り説明するため、図２と同じ部材は同じ数字で図示した。
【０１１９】
図１６に示すものにおいては、露光時の波長と再生波長が異なっている。露光ビーム４０で再生した場合は光束４１、４２に示すように光束分割される。しかし、再生波長が異なる場合、入射角を調整して、入射光を与えることによって、効率良く光束分割可能である。図１６においては、入射角θで入射光５４を与えることにより、２つの光束５５、５６に効率よく分割できる。
【０１２０】
だたし、露光ビーム４０と回折角が異なるため、図１６に示すように、第２のホログラム領域５７での光束中心が露光光束と異なる。このため、露光ビームは再生ビームより広めに照射することが望ましい。
【０１２１】
また、上記した実施形態においては、作製されるホログラムはｓ偏光が回折されるタイプを主体に記載したが、ＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散液晶）のようにｐ偏光が回折される偏光依存性ホログラムとなる記録材料を用いてもよい。
【０１２２】
上述したように、被複製ホログラム層となる記録層としては、光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ：以下ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラムを用いることができる。
【０１２３】
ＨＰＤＬＣは、非重合性液晶と等方相しか示さない光重合性モノマーとの混合相からなるホログラム記録材料層に、ホログラム回折格子を露光記録することにより形成される。
【０１２４】
図１７ないし図２０を参照して、ＨＰＤＬＣにつき簡単に説明する。
【０１２５】
図１７に示すように、非重合性液晶分子２１３と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４と図示しない光重合開始剤とを均一に混合した混合物２２０を二枚の透明基板２１１、２１２間に挟む。混合物２２０の厚みは基板間隔を制御するスペーサー部材２１５によって制御できる。このようにして、被複製ホログラム層（記録層）２１、２２を構成する。
【０１２６】
非重合性液晶２１３としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマーあるいはプレポリマーの硬化層の屈折率と等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率と同じ屈折率になるように重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４を選択してもよい。また重合性モノマーまたはそのプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が小さくなるという問題がある。スペーサー部材２１５としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることが出来る。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工してもよい。
【０１２７】
スペーサー部材２１５の高さは数μｍから数十μｍ範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望のホログラム層厚みとなるように適宜設定される。
【０１２８】
ところで、透過型回折格子の回折効率ηは、次式で現される。
【０１２９】
η＝ｓｉｎ２ψ
ψ＝πｄｎ１／（λｃｏｓθ）
ここで、ｄは記録層の厚さ（すなわち、スペーサ部材２１５の厚さ）、ｎ１は屈折率変調量、λは再生波長、θはブラッグ条件を満たす角度からの差で表される。
【０１３０】
θが０のとき、ｄ＝λ／２／ｎ１を選ぶと、回折効率は１００％となる。
【０１３１】
上記の関係からスペーサー部材２１５の高さを選択する。
【０１３２】
透明基板２１１、２１２としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることが出来る。
【０１３３】
次に、相分離によるホログラム形成過程について図１８、図１９を参照して説明する。図１８に示すように、図示しない所望の波長のレーザー光源（Ｂ１）（Ｂ２）による二光束干渉露光系を用いて、混合物２００中に露光を行う。二光束干渉露光により干渉縞が形成される。図１９は、図１８の丸で囲んだ部分の拡大図である。
【０１３４】
この二光束干渉露光により、図１９に示すように干渉縞の明部において重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４の光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶２１３が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。このとき液晶分子２１３が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には、図２０に示すように、干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー部２１４と非重合性液晶層２１３の周期構造が形成され、液晶部２１３の配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られると考えられる。
【０１３５】
液晶部全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部の屈折率ｎｐがほぼ一致するように液晶の種類とポリマーの種類の組合せを適宜設定することで、ｓ偏光の入射光に対しては液晶部２１３全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部２１４の屈折率ｎｐの差を感じないため回折せず、ｐ偏光の入射光に対しては液晶部２１３全体の異常光屈折率ｎｅとポリマー部２１４の屈折差を感じて回折するような偏光選択性ホログラムが得られる。ここで、体積ホログラムの回折効率は屈折率変調量Δｎと厚みｄの積Δｎ・ｄに依存するので、屈折率差Δｎを大きく出来るとホログラムの厚みｄを薄く出来る。体積ホログラムの厚みを薄くすると回折効率の角度依存性が小さくなり、入射角変動に対する光利用効率低下が改善する。したがって、偏光選択性が大きく入射角度依存性が比較的少ない高効率な偏光選択性ホログラムが得られる。
【０１３６】
上記したＨＰＤＬＣにおいて、露光前から露光後までにおけるＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ）混合物と基板との界面での屈折率差を極めて小さくして反射光量を減らすことで、高効率な回折効率を得ることができる。上記した混合物２２０に用いられる非重合性液晶分子は、ネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良く、従来公知のビフェニル、ターフェニル、フェニルシクロヘキサン、ビフェニルシクロヘキサン、安息香酸フェニルエステル、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル、フェニルピリミジン、フェニルジオキサン、トラン、１−フェニル−２−シクロヘキシルエタン、１−フェニル−２−ビフェニルエタン、１−シクロヘキシル−２−ビフェニルエタン、ビフェニルカルボン酸フェニルエステル、４−シクロヘキシル安息香酸フェニルエステルなどを骨格とし、アルキル基、アルコキシ基や誘電異方性を付与するための極性付与基としてのシアノ基、ハロゲン基などを置換基として有する液晶などを用いることができる。
【０１３７】
この混合物２２０に用いられる重合性モノマー（あるいはプレポリマー）は、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましく、このような重合性モノマーとしては、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、１分子中に少なくともエチレン性不飽和二重結合を１個有する光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物を挙げることができ、モノマー及びその共重合体の例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等を挙げることができるが、特に２官能以上の多官能性モノマーは硬化収縮が大きく、好適に使用できる。
【０１３８】
不飽和カルボン酸のモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸、及びそれらのハロゲン置換不飽和カルボン酸、例えば塩素化不飽和カルボン酸、臭素化不飽和カルボン酸、弗素化不飽和カルボン酸等を挙げることができる。不飽和カルボン酸の塩としては前述の酸のナトリウム塩及びカリウム塩等を挙げることができる。また、ウレタンアクリレート類、ポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と（メタ）アクリル酸等の多官能性のアクリレートやメタクリレートを挙げることができる。上記の他、熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されてもよい。
【０１３９】
更に、光重合反応のために光重合開始剤を「液晶とモノマーの混合用液」に添加することが望ましい。光重合開始剤としては、ビアセチル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、１−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、２−クロロチオキサントン、メチルベンゾイルフォーメート、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、ジエトキシアセトフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン、α−アミノアルキルフェノン、ビスアシルフォスフィンオキサイド、メタロセンなどを例示することができ、特にビスアシルフォスフィンオキサイド系のものは好適である。
【０１４０】
ところで、露光時にガラス基板の界面で反射して不要干渉縞が発生すると、回折効率の低下につながる。そこで、混合物２２０の屈折率とガラス基板の屈折率の差を減らすことでこの反射光量を減らすことができる。
【０１４１】
ここで、非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅとし、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）の屈折率をｎ２とし、非重合性液晶と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）のα：（１−α） ただし、０＜α＜１ とし、透明基板の屈折率ｎを下記（１）式を満たすガラス材料を選ぶ。
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎｅ）≦ｎ≦α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２…（３）
ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値である。
【０１４２】
例えば、ｎｏ＝１．５３、ｎｅ＝１．７８、ｎ２＝１．５５で、α＝０．３とすると混合物５４の平均屈折率は１．６１３となる。この平均屈折率は、露光開始後から減少し始める。ポリマー形成部ではポリマー屈折率１．５５に近づき、液晶部分では露光ビームがｓ偏光で液晶分子が配向されていくに従って１．５３に近づいていく。このため、基板との混合物の屈折率差は露光開始前から露光完了までの間に必ず０以外の値となる。しかし、露光開始直後の屈折率差を０に近づければ格子作製で最も重要な時間帯で不要反射光（もしくは不要干渉縞）を最小にすることができる。さらに、基板屈折率の下限値は液晶の常光屈折率とモノマーの屈折率の小さいほうの値である。この範囲に該当するガラス基板を選ぶことによって不要反射光量を減らし不要干渉縞を低減することができ、回折効率も高くなる。
【０１４３】
上記したのデータの場合、基板の屈折率は１．５３≦ｎ≦１．５６９の範囲で選べばよいことになる。波長０．５μｍでこの屈折率範囲のガラス材料は、例えば、ドイツ・ショット社製の製品で選ぶと、ＰＫ３（屈折率１．５３０）や、Ｎ−ＢＡＫ２（同１．５４５）や、Ｎ−ＰＳＫ３（同１．５５７）や、Ｎ−ＳＫ１１（同１．５６９）がある。特に、露光開始直後の屈折率差を無くしたい場合にはＮ−ＳＫ１１やこの屈折率に近いガラス種を選ぶことが望ましい。
【０１４４】
この発明の実施形態においては、上記したＨＰＤＬＣを被複製ホログラム層（記録層）として用いることができる。
【０１４５】
なお、ＨＰＤＬＣを用いた場合、複製時と再生時のレーザの波長は相違する。例えば、複製時が４４２ｎｍ、再生時が６５０ｎｍの波長のレーザ光が用いられる。これは、複製時の光重合のための吸収の関係から選択される。
【０１４６】
さらには、第１のホログラム記録領域が偏光無依存のホログラムであっても、そのホログラムの回折効率が５０％前後に調整するように露光すれば、本発明に用いることは十分に可能である。
【０１４７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
この発明は、光束分割素子に用いることができ、光束分割素子は２段に重ねられた回転多面鏡を有する光走査装置や画像形成装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図２】図１で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図３】この発明のホログラム光学素子の波面収差がキャンセルされる状態を説明するための模式図である。
【図４】この発明の光束分割素子を用いた画像形成装置の構成例を示す模式的斜視図である。
【図５】この発明の光束分割素子により、レーザからの光束を２つに分離する状態を示す構成図である。
【図６】この発明の実施形態の光束分割素子の露光、再生状態を説明する構成図である。
【図７】この発明の実施形態の光束分割素子の配置関係を示す説明図である。
【図８】この発明の第２の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図９】この発明の第３の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図１０】図９で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図１１】この発明の第４の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図１２】図１１で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図１３】この発明の第５の実施形態を示す模式図である。
【図１４】この発明の第６の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図１５】図１４で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図１６】露光時の波長と再生時の波長が異なる場合に対策を説明するための模式図である。
【図１７】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光前の概略断面図である。
【図１８】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の概略断面図である。
【図１９】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の要部を示す図である。
【図２０】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光後の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１０ ホログラム原版、１、２ ホログラム領域、２０ 記録セル、２１ 第１の被複製ホログラム層（第１のホログラム記録層）、２２ 第２の被複製ホログラム層（第２のホログラム記録層）、３１ 露光ビーム、３２ １次回折光。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ホログラム光学素子、ホログラム光学素子の製造方法に関し、更に、この発明は、このホログラム光学素子を用いて入射光束を２つの光束に分割する光束分割素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ：以下、ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラム回折格子を偏光分離素子として用いることが提案されている。
【０００３】
このＨＰＤＬＣは、非重合性液晶と等方相しか示さない光重合性モノマーとの混合相からなるホログラム記録材料層に、ホログラム回折格子を露光記録することにより形成される。
【０００４】
このＨＰＤＬＣを作成する方法として、液晶と光重合性モノマーの混合物を光干渉露光によって作成する方法が提案されている（特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、従来、複製露光はホログラム原版に記録材料を密着（または近接）させ原版のホログラム層からの少なくとも２つの所定回折光、例えば０次光と１次回折光が重なり合う場所で記録（すなわち複製）してきた。この複製露光方法は、特許文献２に詳しい。
【特許文献１】特開２００３−１２１６５０号公報
【特許文献２】特開昭５４-７０８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記した複製露光を用いて作製されるホログラム光学素子は、ホログラム原版とは、別に用いられる。しかしながら、光束分割素子をホログラム光学素子を用いて構成しようとすると、２つのホログラム光学素子を所定の間隔で配置する必要があるなど、その製造が困難であった。すなわち、２枚（２層）のホログラム記録部からなる光束分割素子を組付ける際、露光完了後のホログラムの位置合わせすると調整時間が増えコストアップにつながるなどの難点があった。
【０００７】
この発明は、上記した従来の難点に鑑みなされたものにして、一回の露光で２つの記録層（または記録領域）を作製することができる光学素子を提供することを第１の目的とする。
【０００８】
また、この発明は、仮に、波面収差量の比較的大きなホログラム原版を用いたとしても、ホログラム光学素子の出射光波面収差が低減できる光学素子を提供することを第２の目的とする。
【０００９】
更に、この発明は、作製されたホログラム光学素子の２通りの光学長を同一にすることができる光学素子を提供することを第３の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明のホログラム光学素子は、第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層とを備えたホログラム光学素子であって、前記第１のホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、前記第２のホログラム記録層が第１のホログラム記録層に離れて配置され、前記第１のホログラム記録層からの回折光が第２のホログラム記録層に入射することを特徴とする。
【００１１】
前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間の距離を確保して一体化するように構成できる。
【００１２】
また、前記第１のホログラム記録層への入射光軸と回折光軸を含む面の前記第１のホログラム記録層長さをＤとし、前記所定の距離をＬとし、第１のホログラムへの入射角をθｉ、第１のホログラムの回折角をθｄとすると、
Ｌ×ｔａｎ（θｄ）≧Ｄ ・・・（１）
を満たすように構成するとよい。
【００１３】
また、この発明は、前記第１のホログラム記録層で再生された回折光の波面収差Λが第２のホログラム記録層で−Λの波面収差を受け、第２のホログラム記録層からの回折光における波面収差がキャンセル補正されて出力されることを特徴とする。
【００１４】
また、前記第２のホログラム記録層は、前記第１のホログラム記録層を経た所定の回折光とホログラム記録層を通過せずに到達する光とで干渉露光されて形成され、露光ビームの波面を再現して回折光が出射されることにより、波面収差を補正するように構成するとよい。
【００１５】
また、この発明は、前記第１のホログラム記録層は０次を含む所定次数の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製することができる。
【００１６】
また、この発明は、前記第１のホログラム記録層は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製されたことを特徴とする
更に、この発明は、前記ホログラム記録層のホログラム領域外に減光手段を配置するとよい。
【００１７】
また、この発明のホログラム光学素子は、所定回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム基板と、このホログラム領域で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ離れて配置される被複製記録層と、を備え、前記ホログラム領域からの回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで干渉露光により被複製記録層にホログラム記録層が作製されることを特徴とする。
【００１８】
前記ホログラム基板と被複製記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記ホログラム基板と被複製記録層間の距離を確保して一体化することができる。
【００１９】
また、第１のホログラム基板は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させることを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記ホログラム原版のホログラム領域外に減光手段を配置するとよい。
【００２１】
この発明のホログラム光学素子の製造方法は、第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、０次光を含み所定の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させた状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、前記第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とする。
【００２２】
また、この発明のホログラム光学素子の製造方法は、少なくとも第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させ状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達した光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記ホログラム領域外に減光手段が配置され、減光手段を介して露光するように構成するとよい。ことを特徴とする請求項１１または１２に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【００２４】
この発明の光束分割素子は、上記にいずれかに記載のホログラム光学素子を用い、第１のホログラム記録層に入射される光束を第２のホログラム記録層から２つの光束に分割して出力することを特徴とする。
【００２５】
また、前記第１のホログラム記録層の０次回折効率が、第１のホログラム記録層回折効率と第２のホログラム記録層の回折効率の積と実質的に等しいことを特徴とする。
【００２６】
また、前記第１のホログラム記録層に入射させる光束が円偏光または両記録層からの回折光軸を含む面から４５°傾いた直線偏光であることを特徴とする請求項１４に記載の光束分割素子。
【発明の効果】
【００２７】
この発明は、第１のホログラム記録層からの回折光が第２のホログラム記録層に入射させ、ホログラム領域を通過せずに到達する光とで干渉露光により第２のホログラム記録層のホログラム領域が作製されているので、一回の露光で２つの記録層（または記録領域）を作製することができ、生産性がよい。
【００２８】
また、この発明は、第２のホログラム記録層は、第１のホログラム記録層を経た所定の回折光とホログラム記録層を通過せずに到達する光とで干渉露光されて形成され、露光ビームの波面を再現して回折光が出射されることにより、複製露光にもかかわらず原版回折光波面収差を第２のホログラム記録層で相殺することができる。
【００２９】
また、この発明は、第１のホログラム領域が±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるように構成することで、光路長が同一の光を分割して出力することができる。従って、光の波面が同一な光束を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。
【００３１】
図１は、この発明の第１の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。図２は、図１で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【００３２】
図１に示すように、この発明の第１の実施形態は、ホログラム光学素子を作製する記録セル２０に第１のホログラム記録層、第２のホログラム記録層を設けるものである。このため、記録セル２０は、第１の被複製ホログラム層（第１のホログラム記録層）２１と第２の被複製ホログラム層（第２のホログラム記録層）２２を有し、第１の被複製ホログラム層２１と第２の被複製ホログラム層２２とは、第１の被複製ホログラム層２１に形成されたホログラム領域１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ両者が離間して配置される。この所定の距離を保つために、この第１の実施形態においては、所定の厚さの透光性基板２３を被複製ホログラム層２１と第２の被複製ホログラム層２２との間に設け、これら部材を一体化している。
【００３３】
被複製ホログラム層２１と第２の被複製ホログラム層２２とは、ホログラム記録用フォトポリマを透明基板で挟んだものや光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ：以下ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラムが用いられる。
【００３４】
ホログラム光学素子を製造するために、上記した記録セル２０に複製露光を行う。この複製露光時にホログラム原版１０を第１の被複製ホログラム層２１に近接させて配置する。この第１の実施形態におけるホログラム原版１０は、０次光と１次回折光を発生させるホログラム領域１００を有する。露光ビーム３１は、そのビーム径をホログラム原版１０のホログラム領域１００よりも広くして照射する。露光ビーム３１のうちホログラム領域１００に入射した光束は、０次光（すなわち、そのまま直進する光）と１次回折光に二分される。
【００３５】
この二分された光が干渉されている空間に第１の被複製ホログラム層２１が配置される。このように第１の被複製ホログラム層２１のホログラム領域１は従来知られている複製露光方法で作製される。
【００３６】
次に、第１のホログラム領域１を通過したホログラム原版からの１次回折光３２は、透光性基板２３を透過し、第２の被複製ホログラム層２２に入射する。
【００３７】
一方、露光ビーム３１のうちホログラム領域１００外を通過した光とホログラム原版１０からの１次回折光３２が干渉する位置で第２の被複製ホログラム層２２が干渉露光され、第２のホログラム領域２が作製される。この実施形態では、平面波の露光ビーム３１で動作を説明している。第１のホログラム領域１と第２のホログラム領域２は共に同一の格子ピッチが作製される。
【００３８】
次に、複製露光が完了し、記録セル２０の２つの層にそれぞれホログラムが作製され、ホログラム光学素子（光束分割素子２０’）となった再生時の特性を図２に従い説明する。
【００３９】
前述のとおり、光束分割素子２０’の２箇所に形成されたホログラム領域１、２はどちらも同じピッチである。光束分割素子２０’は、第１のホログラム記録層２１と第２のホログラム記録層２２が透光性基板であるガラス基板２３の厚さによって所定の距離だけ離れて配置される。すなわち、第１のホログラム記録層２１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、第２のホログラム記録層２２が第１のホログラム記録層２１に離れて配置されている。
【００４０】
分割したい入射光４０を第１のホログラム記録層２１のホログラム領域１に入射させる。ホログラム領域１は体積ホログラムの特性を有し、紙面に垂直な偏光（ｓ偏光）を回折する。ｓ偏光に垂直なｐ偏光（紙面に平行な偏光）は透過される（光４１）。回折されたｓ偏光４２は第２のホログラム記録層２２のホログラム領域２に入射し、このホログラム領域２も同様の体積ホログラムであると、さらに回折され出射（光４２）される。
【００４１】
両ホログラム領域１，２の格子ピッチが一致していると、入射光４０を平行で紙面内で上下にオフセットされた２つの光に分割されたことになる。
【００４２】
なお、入射されるレーザ光４０はλ／４板を用いて円偏光にするか、レーザ光源を４５度傾けて配置するか、レーザの出射側にλ／２の位相板を設けて偏光軸を４５度回転させればよい。即ち、入射させる光束が円偏光または両記録層からの回折光軸を含む面から４５°傾いた直線偏光の光束にするとよい。
【００４３】
複製時と再生時のレーザの波長が同じものを用いる場合には、被複製ホログラム層２１、２２として、例えば、銀塩タイプのホログラム層を用いることができる。
【００４４】
図２示す光学素子を光束分割素子２０’と呼ぶことにする。図２に示す光学素子のさらに特筆すべき特性について説明する。
【００４５】
図１において、ホログラム原版１０からの回折光３２に波面収差Λを有し平面波といえない波面となったとする。従来の複製露光で作製されたホログラムを図２のごとく配置したとすると、第１と第２のホログラム領域１、２で回折された光は単純計算で２Λの波面収差がのる。ところが、この発明の実施形態では、第１のホログラム領域１で回折された光（Λの波面収差）は第２のホログラム領域２で（−Λの波面収差）が加算され、波面収差量が理論上０になる。
【００４６】
別の説明をすると次のようになる。図１に示すように、第２のホログラム領域２はホログラム領域１００からの回折光（非平面波）と平面波との干渉縞で露光される。
【００４７】
再生時、図２に示すように、平面波とみなせる光束が第１のホログラム領域１で回折されると、忠実に、ホログラム領域１００からの回折光（非平面波）が再生される。この光は第２のホログラム領域２に入射されるため、その回折光は露光ビームの一部（ホログラム領域１００外からの光、すなわち、平面波とみなせる光）を再生するため、実質、波面収差０の光束４２を得ることができる。
【００４８】
図３は、波面収差が補正（キャンセル）される状態を説明するための模式図である。この図３を用いて更に、波面収差補正機能につき説明する。この例では図示しやすいように波面収差を回折光の光線方向に置き換えて説明する。
【００４９】
ホログラム記録層１４３ａ、１４３ｂ、１４４ａ、１４４ｂを有する素子１４２にホログラム原版１４１を近接させ平面波とする露光ビーム（１４５ａ〜１４５ｄ）でを照射する。ホログラム原版１４１のホログラム１４１ａには波面収差があり、領域１４３ａでは回折角が大きめとなるように、領域１４３ｂでは回折角が小さめとなるように回折されるとする。
【００５０】
第１のホログラム１４３（およびホログラム原版１４１）からの回折光の波面はＨ２のようになり、第２の記録層に向かう。第２の記録層のうち領域１４４ａでは光線１４５ｃとの干渉縞によってホログラムが形成されるため回折光は光線１４５ｃの延長上に１４７ａとして出射される。
【００５１】
同様に、第１のホログラムの領域１４３ｂからの回折光１４６ｂは光線１４５ｄの延長線上に回折光として出射されるようにホログラム領域１４４ｂが形成される。
【００５２】
したがって、再生時に両ホログラムで回折された光は露光ビーム１４５ｃ〜１４５ｄの波面を再現して出射させるため平面波Ｈ３となり、第１のホログラムで発生した波面収差を第２のホログラムで補正したことになる。
【００５３】
なお、波面収差補正の機能を十分に発揮させるには、再生波長は露光波長と同一であることが望ましい。
【００５４】
なお、図示しないが、透光性基板を外しても、上記効果を失うことは無い。また、透光性基板に代わりスペーサをもうけて空気層を設けてもよい。スペーサなどを利用して透光性基板が空気層となった場合には分割したい２光束の分割距離（２光束のシフト距離）を達成するための第１のホログラム記録層から第２のホログラム記録層までの距離を短くすることが出来る特徴を有する。
【００５５】
光束分割素子の利用形態としては、特開２００５−１５３３４７号公報に記載されるような２段に重ねられた回転多面鏡を有する光走査装置や画像形成装置に適用できる。即ち、一つのＬＤ光を２光束に分割することによって使用するＬＤの数を減らし低コスト化できる。
【００５６】
この発明の光束分割素子を用いた画像形成装置の構成例を図４に従い簡単に説明する。
【００５７】
半導体レーザ３０１、３０１からそれぞれ１本の光ビームを放射する。これら半導体レーザ３０１、３０１はホルダに所定の位置関係で保持されている。
【００５８】
半導体レーザ３０１、３０１から放射された各光ビームはそれぞれ、カップリングレンズ（図示しない）により、以後の光学系に適した光束形態（平行光束あるいは弱い発散性もしくは弱い収束性の光束）に変換される。この例ではカップリングレンズによりカップリングされた光ビームは共に平行光束である。
【００５９】
カップリングレンズから射出し、所望の光束形態となった各光ビームは、光ビーム幅を規制するアパーチュア（図示しない）の開口部を通過してビーム整形されたのち、この発明の光束分割素子３２０に入射し、光束分割素子３２０の作用により副走査方向に２分割されてそれぞれが２本の光ビームに分けられる。
【００６０】
これら４本の光ビームはシリンドリカルレンズ３３２、３３２に入射し、これらシリンドリカルレンズ３３２、３３２の作用により副走査方向へ集光され、多面鏡式光偏向器３３７の偏向反射面近傍に主走査方向に長い線像として結像する。
【００６１】
多面鏡式光偏向器３３７は、図示のように上ポリゴンミラー、下ポリゴンミラーを回転軸方向に上下２段に積設して一体とし、図示されない駆動モータにより回転軸の周りに回転させられるようになっている。
【００６２】
上ポリゴンミラー、下ポリゴンミラー７ｂは、この例において共に「４面の偏向反射面」を持つ同一形状のものであるが、上ポリゴンミラー７ａの偏向反射面に対し、下ポリゴンミラー７ｂの偏向反射面が、回転方向へ所定角：θ（＝４５度）ずれている。上・下ポリゴンミラーは一体的に形成してもよい。
【００６３】
図４において、符号３３８は第１走査レンズ、符号３４０ａ、３４０ｂは第２走査レンズ」、符号３３９ａ、３３９ｂは光路折り曲げミラーを示している。
【００６４】
第１走査レンズ３３８、第２走査レンズ３４０ａと、光路折り曲げミラー３３９ａとは、多面鏡式光偏向器３３７の上ポリゴンミラーにより偏向される２本の光ビームを、対応する光走査位置である光導電性感光体（図示しない）上に導光して、副走査方向に分離した２つの光スポットを形成する１組の走査結像光学系を構成する。
【００６５】
第１走査レンズ３３８、第２走査レンズ３４０と、光路折り曲げミラー３３９ｂとは、多面鏡式光偏向器３３７の下ポリゴンミラーにより偏向される２本の光ビームを、対応する光走査位置である光導電性感光体上に導光して、副走査方向に分離した２つの光スポットを形成する１組の走査結像光学系を構成する。
【００６６】
このようにして、多面鏡式光偏向器３３７の上ポリゴンミラーにより偏向される２光ビームにより、光導電性感光体が２本の光ビームによりマルチビーム走査され、多面鏡式光偏向器３３７の下ポリゴンミラーにより偏向される２光ビームにより、光導電性感光体１１ｂが２本の光ビームによりマルチビーム走査される。
【００６７】
上記した光束分割素子につき３２０につき、図５に従い更に説明する。図５は、この発明の光束分割素子により、レーザからの光束を２つに分離する状態を示す構成図である。
【００６８】
半導体レーザ（ＬＤ）３０１からの出射光をコリメートレンズ３０２で平行ビームとしλ／２板３０３に入射させる。λ／２板３０３の遅相軸は紙面から２２．５°回転した方位とする。
【００６９】
ＬＤ光の偏光が紙面に平行とするとλ／２板３０３を透過した光は紙面に対して４５°方向に偏光面を有する。光束分割素子３２０の第１のホログラム３２１で紙面に垂直な偏光が回折し、紙面に平行な偏光が透過する。第１のホログラム３２１のホログラム領域３２１ａで回折した光は第２のホログラム３２２のホログラム領域３２２ａでさらに回折される。第１のホログラム３２１を透過した光４１と２つのホログラム領域３２１ａ、３２２ａで回折されたビーム４２とはλ／４板３０４に入射し、それぞれ右回り円偏光と左回り円偏光に変換させ、２段構成の回転多面鏡に入射させる。
【００７０】
この図５に示す両ホログラム３２１、３２２はフォトポリマーを記録材料とし、両ホログラム基板をスペーサ３２３によって以下に示す距離をもたせている。
【００７１】
この図５に示す構成のサイズについて一例を示す。コリメート光のビーム径Ｄは５ｍｍで、光束分割された２ビームの間隔Ｌは７ｍｍである。ＬＤ光の波長は０．６５μｍを使用する。回折角θは、ｓｉｎθ＝λ／Λとなる。
【００７２】
ここで、λ：ＬＤ光の波長（０．６５μｍ）、Λ：両ホログラムの格子ピッチ（１．５μｍとする）より、θ＝２５．７°が得られる。
【００７３】
スペーサ３２３の長さはＬ／ｔａｎ（２５．７°）＝１４．５ｍｍの設計となる。
【００７４】
上記した光束分割素子３２０の露光及び再生についての具体的実施例を、図６を参照して説明する。図６は、この発明の実施形態の光束分割素子の露光、再生状態を説明する構成図である。
【００７５】
ホログラム原版（図示省略）を第１のホログラム記録層３２１の直前に配置する。この実施例では、露光ビームは、ヘリウムカドミウム（Ｈｅ−Ｃｄ）レーザ光（波長０．４４２μｍ）を使用する。ホログラム原版は露光ビーム４３１がθ１＝４．２°で入射したとき回折角θ２＝２１．５°の回折光が発生するように設計されている。なお、回折効率は５０％程度とする。
【００７６】
第１の記録層３２１では露光ビーム４３１と原版からの回折光４３２の２光束によって干渉露光されホログラム領域３２１ａが形成される。
【００７７】
第２のホログラム記録層３２２では第１の記録層３２１からのビーム４３２とビーム４３１の一部によって干渉露光され、第２のホログラム領域３２２ａが形成される。
【００７８】
図６の破線４１、４２は光束分割素子３２０として機能させたとき、すなわち、波長０．６５μｍのレーザ光による再生時の光束の軌跡を表している。
【００７９】
露光波長と再生波長が異なるためホログラム領域３２２ａは再生で使用する領域より大きくなっているが、第２のホログラム領域３２２の円Ａで囲んだ部分が再生時の上側の光束にオーバーラップしていないため、機能上、問題は無い。
【００８０】
次に、上記した光束分割素子において、ホログラム領域の大きさ、回折角、第１の記録層と第２の記録層との間の距離の関係につき説明する。図７は、この発明の実施形態の光束分割素子の配置関係を示す説明図である。この発明によって作製された光束分割素子２０’は第１のホログラム記録領域１と第２のホログラム記録領域２とが紙面内の長さＤで、厚さＬのガラス基板２３の両側に配置された構造を有する。尚、この図においては、第１のホログラム記録領域１と第２のホログラム記録領域２のみ図示しているが、これらホログラム記録領域は、第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層に形成される。即ち、ガラス基板２３の両側に第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層が配置され、ガラス基板、第１のホログラム記録層、第２のホログラム記録層とが一体化された構造となっている。露光ビームは４０は、第１のホログラム記録領域１に対して、θｉの角度で入射し、θｄの角度で回折して第２のホログラム記録領域２に入射する。
【００８１】
図７に図示した距離δがδ≧０でなければ第２のホログラム記録領域２を正しく作製することができない。したがって、δ＝Ｌ×ｔａｎ（θｄ）−Ｄ≧０を満足する必要がある。
すなわち、Ｌ×ｔａｎ（θｄ）≧Ｄ・・・（１）
を満たす必要がある。
【００８２】
（１）式を満たさないと、露光時に露光ビームの記録領域１からの開口による光の回折現象（もしくは回折広がり）のために記録領域２の一部でホログラムにゴースト（不良部）を記録してしまう。
【００８３】
さらに好ましくは、回折広がりによる不良部を避けるために下記（２）式の関係を満たすようにＬ，Ｄ，θｄを選ぶことが望ましい。
Ｌ×ｔａｎ（θｄ）−Ｄ≧Ｌ×Ｄ／λ・・・（２）
（ただし、λは再生波長を表す）
【００８４】
上記のように、（２）式に基づいてＬ，Ｄ，θｄを選ぶことで、良好な光束分割素子を得ることができる。
【００８５】
なお、上記した実施形態、また、以下に示す全ての実施形態で、図示された光束分割素子が紙面内や紙面奥行き方向にアレイ状に配列されていても、発明の効果に何ら影響を及ぼさない。そればかりか、生産性を向上できるメリットを有する。
【００８６】
次に、この発明の第２の実施形態につき説明する。図８は、この発明の第２の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【００８７】
この第２の実施形態は、図８に示すように、透光性基板２３に第２のホログラム記録領域を形成するためのホログラム記録材料３０を設置させる。そして、ホログラム記録材料３０を設置した側とは逆の側の透光性基板１３に予めホログラム領域１０１が形成されたホログラム基板１１を設置または接着して、一体化する。
【００８８】
図８に示すホログラム基板１１は、微細凹凸を形成した形状ホログラムを用いているが、ホログラム基板１１は予めホログラム領域が形成されていればよく、表面レリーフ型ホログラムに限らず。フォトポリマやＨＰＤＬＣを用いて露光によりホログラム形成部１０１を形成したものなどを用いることができる。ホログラム基板１１のホログラム形成部１０１は、偏光依存性のもの、あるいは回折効率が５０％程度に形成している。
【００８９】
次に、ホログラム基板１１を透光性基板２３に設置（あるいは接着）した後、露光ビーム４１をホログラム基板１１側から照射する。露光ビーム４１のうちホログラム基板１１のホログラム形成部１０１に入射した光は回折される。また、ホログラム形成部１０１の外を通過した光（４３）と回折光４２が重なり合う領域で干渉露光されて、ホログラム記録材料３０にホログラム領域３が作製される。すなわち、ホログラム基板１１に再生用光束４２を入射させ、ホログラム基板１１により回折された像再生光束の光路中にホログラム記録材料３０を配置する。像再生光束に可干渉な光束を参照光４３としてホログラム形成部１０１を経由させることなく、ホログラム記録材料３０に照射する。像再生光束４２と参照光４３との干渉縞をホログラム記録材料３０に記録することで、ホログラム領域３が形成されることになる。この露光法は、例えば、特開昭５４−７０８５１号公報に記載されている方法を応用することができる。
【００９０】
さて、露光後、ホログラム記録材料３０にホログラム領域３を形成後、例えば光束分割素子２００として利用する場合、ホログラム基板１１をそのまま素子の一構成要素として使用する。
【００９１】
上記したように、ホログラム基板１１は、多種多様なタイプを用いることが出来る。公知技術（記述せず）を用いてホログラム基板１１をあらかじめ量産しておき、光束分割素子を作製時に組み込む形をとる。
【００９２】
この第２の実施形態についても、第１の実施形態の効果と同じように、ホログラム基板１１からの回折光の波面収差は、ホログラム記録材料３０のホログラム領域３でキャンセルされる効果を有する。
【００９３】
図９は、この発明の第３の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。この第３の実施形態は、第１の実施形態を変形したもので、バイナリホログラム１２により、±１次回折光を発生させ、±１次回折光を発生させるホログラム領域８１ａを第１の記録層８１に形成するものである。
【００９４】
この第３の実施形態におけるホログラム光学素子（光束分割素子２０５）は、第１の記録層８１と第２の記録層５０がガラス基板２３の表裏に設置されている。
【００９５】
バイナリホログラム１２ａが形成されたホログラム基板１２を第１の記録層８１に近接させる。露光ビーム４１はバイナリホログラム１２ａで±１次回折光４２、４３が発生する。そして、第１の記録層８１の一部でホログラム８１ａが形成される。これら回折光４２、４３がガラス基板２３を通過し、さらに、第２の記録層５０に入射される。
【００９６】
露光ビーム４１のうちバイナリホログラム８１ａの領域外を伝搬した光は、第２の記録層５０中で、所定回折光４２、４３と重なる。この２光束で第２の記録層５０が干渉露光され、ホログラム領域５０ａ、５０ｂが形成される。したがって、一度の露光で３箇所にホログラム８１ａ、５０ａ、５０ｂを形成することが出来る。なお、バイナリホログラム１２ａからの回折光に波面収差が発生していても、前述のとおり、二つの平行ビームでは波面収差がほぼ０に補正されている。
【００９７】
次に、複製露光が完了し、２つの層に３つのホログラム８１ａ、５０ａ、５０ｂが作製され、光束分割素子２０５となった再生時の特性を図１０に従い説明する。
【００９８】
前述のとおり、光束分割素子２０５の３箇所に形成されたホログラム領域８１ａ、５０ａ、５０ｂは同じピッチである。光束分割素子２０５は、第１のホログラム記録層８１と第２のホログラム記録層５０が透光性基板であるガラス基板２３の厚さによって所定の距離だけ離れて配置される。すなわち、第１のホログラム記録層８１で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、第２のホログラム記録層５０が第１のホログラム記録層８１に離れて配置されている。
【００９９】
分割したい入射光４０を第１のホログラム記録層８１のホログラム領域８１ａに入射させる。ホログラム領域８１は±１次回折光４２、４３が発生する。回折された±１次４２、４３ｓは第２のホログラム記録層５１のホログラム領域５０ａ、５０ｂに入射し、さらに回折され出射（光４４、４４）される。ホログラム領域８１ａ，５０ａ、５０ｂが格子ピッチが一致していると、入射光４１を平行で紙面内で上下にオフセットされた２つの光４４，４４に分割されたことになる。
【０１００】
この実施形態の光束分割素子２０５においては、光の光路長が同じになる。光の光路長が同じになることで、光の波面が同じになる。
【０１０１】
図１１は、この発明の第４の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。この第４の実施形態は、第２及び第３の実施形態を変形したものである。
【０１０２】
この第４の実施形態においては、ホログラム基板１２としてバイナリホログラム１２ａを用いる。被複製記録層５０側にはホログラム基板１２との空気ギャップをとるためにスペーサ２４が配置される。また、ホログラム基板１２がスペーサ２４を介して被複製記録層５０と一体化されてた構造である。
【０１０３】
バイナリホログラムのうち、２値のバイナリホログラムでは断面が矩形形状の溝深さを所定値にすることによって入射ビームを±ｍ（ｍは自然数）次回折光を発生させることが可能である。この実施形態では、０次光を発生させず±１次回折光を発生させるタイプのものを用いた。
【０１０４】
露光ビーム４１はバイナリホログラム領域１２ａを含んで広めのエリアに照射される。バイナリホログラム領域１２ａから±１次光回折光４２、４３が発生する。これらの光束４２，４３とバイナリホログラム領域１２ａの領域外を通過した光とが干渉する領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング領域）にホログラムが作製される。このようにしてホログラム光学機能素子の一例である光束分割素子２０１が完成する。
【０１０５】
次に、再生時の動作を図１２を用いて説明する。
【０１０６】
入射光束５１がホログラム基板１２で±１次回折光として回折される。両回折光は、スペーサ２４で作られた空気層を通過し、ホログラムが記録された領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング領域）に入射する。
【０１０７】
ホログラムが記録された領域５０ａ、５０ｂでさらに回折され、２光束が平行光として出射される。この実施形態も前述の効果と同様に、ホログラム基板１２からの回折光が非平面波となっていてもホログラムが記録された領域（ハッチング領域）５０ａ、５０ｂで回折された光束は実質的に平面波に補正されている。
【０１０８】
図１３は、この発明の第５の実施形態を示す模式図である。この第５の実施形態は、第４の実施形態を変形したものである。
【０１０９】
ホログラム基板１３の裏面に記録材料層５０’を配置させる。記録材料層５０’が液体材料の場合には塗布することが出来る。少なくとも、ホログラム基板１３と記録材料層５０’のみでホログラム光学素子２０２が構成されている。ホログラム基板１３の表面（記録材料と対向する面）にはホログラムが設置されている。例えば、フォトリソグラフィー技術によって２値のバイナリホログラム形状領域１３ａを作製することができる。
【０１１０】
露光ビーム（図示せず）の一部はホログラム基板１３の表面のバイナリホログラム領域１３ａで±ｍ次光（例えばｍ＝１）の回折光を生じ、その他の部分の露光ビームは透過される。記録材料層５０’で回折光と透過光が干渉するところ（ハッチング）でホログラム領域５０ａ、５０ｂが記録される。
【０１１１】
再生時は図１３に示すように、入射光１５がホログラム基板１３の表面のバイナリホログラム領域１３ａで±ｍ次光（例えばｍ＝１）の回折光で回折され、両回折光が記録層のホログラム領域５０ａ、５０ｂでそれぞれ回折し、平行光５２、５３で出射される。
【０１１２】
図１４及び図１５は、この発明の第６の実施形態を示す模式図であり、図１４は露光時、図１５は再生時を示している。
【０１１３】
図１４及び図１５に示すように、この第６の実施形態は、図１３に示すものと同様にホログラム基板１３の裏面に記録材料層５０が配置されている。
【０１１４】
図１４に示すように、バイナリホログラム６０ａが形成されたホログラム基板６０の一部に減光手段６１が設置される。この減光手段６１はＮＤフィルタを利用することができる。２値バイナリホログラム領域６０ａの最大回折効率は理論上、４１％である。露光ビーム４１がその面内均一性が確保されているとし、表面反射や内部吸収を無視しても、ホログラム基板６０に入射されるパワー密度の４１％のパワー密度として回折光４２（回折光４３も同じパワー密度）が発生する。回折光４２，４３と２値バイナリホログラム領域６０ａ以外を通過した光との２光束干渉露光により、記録材料層５０にホログラム領域５０ａ、５０ｂを形成する。この実施形態は、減光手段６１で光の強度比を揃えるものである。
【０１１５】
減光手段６１は透過率が４０％程度のＮＤフィルタを使用する。すると、ホログラム記録領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング部分）での二つのビームの強度比（パワー密度比）を揃えることができる。この強度比が１：１に近いほど光干渉縞のコントラスト比（明部と暗部の比）が高くなる。この結果、作製されるホログラム領域５０ａ、５０ｂの回折効率を高くすることができる。
【０１１６】
露光完了後、再生時は、図１５に示すように、入射光束５１はその約４０％が＋１次光と、同じ効率で−１次光とが発生し、両回折光がホログラム領域５０ａ、５０ｂ（ハッチング）で効率良く回折し、平行な２光束で出射される。ホログラム領域（ハッチング）がフォトポリマなどの記録材料で記録された体積ホログラムでは効率９０％を超すことが可能である。入射光束の光量を１００とすると、光束分割された各光束の光強度は３６となる。
【０１１７】
上記したバイナリホログラム領域で±ｍ次光を用いて、記録層に２つのホログラム領域を形成した光束分割素子においては、図１２に示すように、記録層に設けられた２つのホログラム領域間に迷光の防ぐために光遮蔽手段５５を設けるとよい。光遮蔽手段５５を設けることで、ノイズ等が防ぐことができる。
【０１１８】
次に、露光時の波長と再生時の波長が異なる場合に対策につき図１６を参照説明する。図１６に示すものは、図２に示した第１の実施形態を例に取り説明するため、図２と同じ部材は同じ数字で図示した。
【０１１９】
図１６に示すものにおいては、露光時の波長と再生波長が異なっている。露光ビーム４０で再生した場合は光束４１、４２に示すように光束分割される。しかし、再生波長が異なる場合、入射角を調整して、入射光を与えることによって、効率良く光束分割可能である。図１６においては、入射角θで入射光５４を与えることにより、２つの光束５５、５６に効率よく分割できる。
【０１２０】
だたし、露光ビーム４０と回折角が異なるため、図１６に示すように、第２のホログラム領域５７での光束中心が露光光束と異なる。このため、露光ビームは再生ビームより広めに照射することが望ましい。
【０１２１】
また、上記した実施形態においては、作製されるホログラムはｓ偏光が回折されるタイプを主体に記載したが、ＨＰＤＬＣ（ホログラフィック高分子分散液晶）のようにｐ偏光が回折される偏光依存性ホログラムとなる記録材料を用いてもよい。
【０１２２】
上述したように、被複製ホログラム層となる記録層としては、光重合相分離を用いたホログラフィック高分子型液晶素子（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ：以下ＨＰＤＬＣという。）を応用したホログラムを用いることができる。
【０１２３】
ＨＰＤＬＣは、非重合性液晶と等方相しか示さない光重合性モノマーとの混合相からなるホログラム記録材料層に、ホログラム回折格子を露光記録することにより形成される。
【０１２４】
図１７ないし図２０を参照して、ＨＰＤＬＣにつき簡単に説明する。
【０１２５】
図１７に示すように、非重合性液晶分子２１３と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４と図示しない光重合開始剤とを均一に混合した混合物２２０を二枚の透明基板２１１、２１２間に挟む。混合物２２０の厚みは基板間隔を制御するスペーサー部材２１５によって制御できる。このようにして、被複製ホログラム層（記録層）２１、２２を構成する。
【０１２６】
非重合性液晶２１３としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマーあるいはプレポリマーの硬化層の屈折率と等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率と同じ屈折率になるように重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４を選択してもよい。また重合性モノマーまたはそのプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が小さくなるという問題がある。スペーサー部材２１５としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることが出来る。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工してもよい。
【０１２７】
スペーサー部材２１５の高さは数μｍから数十μｍ範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望のホログラム層厚みとなるように適宜設定される。
【０１２８】
ところで、透過型回折格子の回折効率ηは、次式で現される。
【０１２９】
η＝ｓｉｎ２ψ
ψ＝πｄｎ１／（λｃｏｓθ）
ここで、ｄは記録層の厚さ（すなわち、スペーサ部材２１５の厚さ）、ｎ１は屈折率変調量、λは再生波長、θはブラッグ条件を満たす角度からの差で表される。
【０１３０】
θが０のとき、ｄ＝λ／２／ｎ１を選ぶと、回折効率は１００％となる。
【０１３１】
上記の関係からスペーサー部材２１５の高さを選択する。
【０１３２】
透明基板２１１、２１２としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることが出来る。
【０１３３】
次に、相分離によるホログラム形成過程について図１８、図１９を参照して説明する。図１８に示すように、図示しない所望の波長のレーザー光源（Ｂ１）（Ｂ２）による二光束干渉露光系を用いて、混合物２００中に露光を行う。二光束干渉露光により干渉縞が形成される。図１９は、図１８の丸で囲んだ部分の拡大図である。
【０１３４】
この二光束干渉露光により、図１９に示すように干渉縞の明部において重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４の光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマー（あるいはプレポリマー）２１４が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶２１３が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。このとき液晶分子２１３が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には、図２０に示すように、干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー部２１４と非重合性液晶層２１３の周期構造が形成され、液晶部２１３の配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られると考えられる。
【０１３５】
液晶部全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部の屈折率ｎｐがほぼ一致するように液晶の種類とポリマーの種類の組合せを適宜設定することで、ｓ偏光の入射光に対しては液晶部２１３全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部２１４の屈折率ｎｐの差を感じないため回折せず、ｐ偏光の入射光に対しては液晶部２１３全体の異常光屈折率ｎｅとポリマー部２１４の屈折差を感じて回折するような偏光選択性ホログラムが得られる。ここで、体積ホログラムの回折効率は屈折率変調量Δｎと厚みｄの積Δｎ・ｄに依存するので、屈折率差Δｎを大きく出来るとホログラムの厚みｄを薄く出来る。体積ホログラムの厚みを薄くすると回折効率の角度依存性が小さくなり、入射角変動に対する光利用効率低下が改善する。したがって、偏光選択性が大きく入射角度依存性が比較的少ない高効率な偏光選択性ホログラムが得られる。
【０１３６】
上記したＨＰＤＬＣにおいて、露光前から露光後までにおけるＰＤＬＣ（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌｓ ）混合物と基板との界面での屈折率差を極めて小さくして反射光量を減らすことで、高効率な回折効率を得ることができる。上記した混合物２２０に用いられる非重合性液晶分子は、ネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良く、従来公知のビフェニル、ターフェニル、フェニルシクロヘキサン、ビフェニルシクロヘキサン、安息香酸フェニルエステル、シクロヘキサンカルボン酸フェニルエステル、フェニルピリミジン、フェニルジオキサン、トラン、１−フェニル−２−シクロヘキシルエタン、１−フェニル−２−ビフェニルエタン、１−シクロヘキシル−２−ビフェニルエタン、ビフェニルカルボン酸フェニルエステル、４−シクロヘキシル安息香酸フェニルエステルなどを骨格とし、アルキル基、アルコキシ基や誘電異方性を付与するための極性付与基としてのシアノ基、ハロゲン基などを置換基として有する液晶などを用いることができる。
【０１３７】
この混合物２２０に用いられる重合性モノマー（あるいはプレポリマー）は、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましく、このような重合性モノマーとしては、エチレン性不飽和結合を有する光重合可能な化合物であって、１分子中に少なくともエチレン性不飽和二重結合を１個有する光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物を挙げることができ、モノマー及びその共重合体の例としては、不飽和カルボン酸及びその塩、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アルコール化合物とのエステル、不飽和カルボン酸と脂肪族多価アミン化合物とのアミド等を挙げることができるが、特に２官能以上の多官能性モノマーは硬化収縮が大きく、好適に使用できる。
【０１３８】
不飽和カルボン酸のモノマーとしてはアクリル酸、メタクリル酸、イタコン酸、クロトン酸、イソクロトン酸、マレイン酸、及びそれらのハロゲン置換不飽和カルボン酸、例えば塩素化不飽和カルボン酸、臭素化不飽和カルボン酸、弗素化不飽和カルボン酸等を挙げることができる。不飽和カルボン酸の塩としては前述の酸のナトリウム塩及びカリウム塩等を挙げることができる。また、ウレタンアクリレート類、ポリエステルアクリレート類、エポキシ樹脂と（メタ）アクリル酸等の多官能性のアクリレートやメタクリレートを挙げることができる。上記の他、熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されてもよい。
【０１３９】
更に、光重合反応のために光重合開始剤を「液晶とモノマーの混合用液」に添加することが望ましい。光重合開始剤としては、ビアセチル、アセトフェノン、ベンゾフェノン、ミヒラーケトン、ベンジル、ベンゾインアルキルエーテル、ベンジルジメチルケタール、１−ヒドロキシ−２−メチル−１−フェニルプロパン−１−オン、２−クロロチオキサントン、メチルベンゾイルフォーメート、１−（４−イソプロピルフェニル）−２−ヒドロキシ−２−メチルプロパン−１−オン、ジエトキシアセトフェノン、１−ヒドロキシシクロヘキシルフェニルケトン、２，２−ジメトキシ−１，２−ジフェニルエタン−１−オン、α−アミノアルキルフェノン、ビスアシルフォスフィンオキサイド、メタロセンなどを例示することができ、特にビスアシルフォスフィンオキサイド系のものは好適である。
【０１４０】
ところで、露光時にガラス基板の界面で反射して不要干渉縞が発生すると、回折効率の低下につながる。そこで、混合物２２０の屈折率とガラス基板の屈折率の差を減らすことでこの反射光量を減らすことができる。
【０１４１】
ここで、非重合性液晶の常光と異常光屈折率をそれぞれｎｏ、ｎｅとし、重合性モノマー（あるいはプレポリマー）の屈折率をｎ２とし、非重合性液晶と重合性モノマー（あるいはプレポリマー）のα：（１−α） ただし、０＜α＜１ とし、透明基板の屈折率ｎを下記（１）式を満たすガラス材料を選ぶ。
ｍｉｎ（ｎｏ，ｎｅ）≦ｎ≦α・（２ｎｏ ＋ ｎｅ）／３＋（１−α）・ｎ２…（３）
ただし、ｍｉｎ（ｎｏ， ｎ２）はｎｏとｎ２のうち小さいほうの値である。
【０１４２】
例えば、ｎｏ＝１．５３、ｎｅ＝１．７８、ｎ２＝１．５５で、α＝０．３とすると混合物５４の平均屈折率は１．６１３となる。この平均屈折率は、露光開始後から減少し始める。ポリマー形成部ではポリマー屈折率１．５５に近づき、液晶部分では露光ビームがｓ偏光で液晶分子が配向されていくに従って１．５３に近づいていく。このため、基板との混合物の屈折率差は露光開始前から露光完了までの間に必ず０以外の値となる。しかし、露光開始直後の屈折率差を０に近づければ格子作製で最も重要な時間帯で不要反射光（もしくは不要干渉縞）を最小にすることができる。さらに、基板屈折率の下限値は液晶の常光屈折率とモノマーの屈折率の小さいほうの値である。この範囲に該当するガラス基板を選ぶことによって不要反射光量を減らし不要干渉縞を低減することができ、回折効率も高くなる。
【０１４３】
上記したのデータの場合、基板の屈折率は１．５３≦ｎ≦１．５６９の範囲で選べばよいことになる。波長０．５μｍでこの屈折率範囲のガラス材料は、例えば、ドイツ・ショット社製の製品で選ぶと、ＰＫ３（屈折率１．５３０）や、Ｎ−ＢＡＫ２（同１．５４５）や、Ｎ−ＰＳＫ３（同１．５５７）や、Ｎ−ＳＫ１１（同１．５６９）がある。特に、露光開始直後の屈折率差を無くしたい場合にはＮ−ＳＫ１１やこの屈折率に近いガラス種を選ぶことが望ましい。
【０１４４】
この発明の実施形態においては、上記したＨＰＤＬＣを被複製ホログラム層（記録層）として用いることができる。
【０１４５】
なお、ＨＰＤＬＣを用いた場合、複製時と再生時のレーザの波長は相違する。例えば、複製時が４４２ｎｍ、再生時が６５０ｎｍの波長のレーザ光が用いられる。これは、複製時の光重合のための吸収の関係から選択される。
【０１４６】
さらには、第１のホログラム記録領域が偏光無依存のホログラムであっても、そのホログラムの回折効率が５０％前後に調整するように露光すれば、本発明に用いることは十分に可能である。
【０１４７】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１４８】
この発明は、光束分割素子に用いることができ、光束分割素子は２段に重ねられた回転多面鏡を有する光走査装置や画像形成装置に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１４９】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図２】図１で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図３】この発明のホログラム光学素子の波面収差がキャンセルされる状態を説明するための模式図である。
【図４】この発明の光束分割素子を用いた画像形成装置の構成例を示す模式的斜視図である。
【図５】この発明の光束分割素子により、レーザからの光束を２つに分離する状態を示す構成図である。
【図６】この発明の実施形態の光束分割素子の露光、再生状態を説明する構成図である。
【図７】この発明の実施形態の光束分割素子の配置関係を示す説明図である。
【図８】この発明の第２の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図９】この発明の第３の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図１０】図９で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図１１】この発明の第４の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図１２】図１１で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図１３】この発明の第５の実施形態を示す模式図である。
【図１４】この発明の第６の実施形態を示す模式図であり、ホログラム光学素子を製造する際の複製露光時を示す。
【図１５】図１４で製造したホログラム光学素子の再生時を示す模式図である。
【図１６】露光時の波長と再生時の波長が異なる場合に対策を説明するための模式図である。
【図１７】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光前の概略断面図である。
【図１８】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の概略断面図である。
【図１９】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光状態の要部を示す図である。
【図２０】ポリマー分散液晶型の偏光選択性ホログラム素子を示す露光後の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１５０】
１０ ホログラム原版、１、２ ホログラム領域、２０ 記録セル、２１ 第１の被複製ホログラム層（第１のホログラム記録層）、２２ 第２の被複製ホログラム層（第２のホログラム記録層）、３１ 露光ビーム、３２ １次回折光。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層とを備えたホログラム光学素子であって、前記第１のホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、前記第２のホログラム記録層が第１のホログラム記録層に離れて配置され、前記第１のホログラム記録層からの回折光が第２のホログラム記録層に入射することを特徴とするホログラム光学素子。
【請求項２】
前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間の距離を確保して一体化されたことを特徴とする請求項１に記載のホログラム光学素子。
【請求項３】
前記第１のホログラム記録層への入射光軸と回折光軸を含む面の前記第１のホログラム記録層長さをＤとし、前記所定の距離をＬとし、第１のホログラムへの入射角をθｉ、第１のホログラムの回折角をθｄとすると、
Ｌ×ｔａｎ（θｄ）≧Ｄ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のホログラム光学素子。
【請求項４】
前記第１のホログラム記録層で再生された回折光の波面収差Λが第２のホログラム記録層で−Λの波面収差を受け、第２のホログラム記録層からの回折光における波面収差がキャンセル補正されて出力されることを特徴とするホログラム光学素子請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項５】
前記第２のホログラム記録層は、前記第１のホログラム記録層を経た所定の回折光とホログラム記録層を通過せずに到達する光とで干渉露光されて形成され、露光ビームの波面を再現して回折光が出射されることにより、波面収差を補正することを特徴とする請求項４に記載のホログラム光学素子。
【請求項６】
前記第１のホログラム記録層は０次を含む所定次数の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずかに記載のホログラム光学素子。
【請求項７】
前記第１のホログラム記録層は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずかに記載のホログラム光学素子。
【請求項８】
前記ホログラム記録層のホログラム領域外に減光手段が配置されたこと特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のホログラム光学素子
【請求項９】
所定回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム基板と、このホログラム領域で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ離れて配置される被複製記録層と、を備え、前記ホログラム領域からの回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで干渉露光により被複製記録層にホログラム記録層が作製されてなるホログラム光学素子。
【請求項１０】
前記ホログラム基板と被複製記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記ホログラム基板と被複製記録層間の距離を確保して一体化されたことを特徴とする請求項９に記載のホログラム光学素子。
【請求項１１】
前記ホログラム基板は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させることを特徴とする請求項９または１０に記載のホログラム光学素子。
【請求項１２】
前記ホログラム原版のホログラム領域外に減光手段が配置されたこと特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項１３】
第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、０次光を含み所定の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させた状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、前記第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とするホログラム光学素子の製造方法。
【請求項１４】
少なくとも第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させ状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達した光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とするホログラム光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ホログラム領域外に減光手段が配置され、減光手段を介して露光することを特徴とする請求項１３または１４に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項１６】
前記請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のホログラム光学素子の第１のホログラム記録層に入射される光束を第２のホログラム記録層から２つの光束に分割して出力することを特徴とする光束分割素子。
【請求項１７】
前記第１のホログラム記録層の０次回折効率が、第１のホログラム記録層回折効率と第２のホログラム記録層の回折効率の積と実質的に等しいことを特徴とする請求項１６に記載の光束分割素子。
【請求項１８】
前記第１のホログラム記録層に入射させる光束が円偏光または両記録層からの回折光軸を含む面から４５°傾いた直線偏光であることを特徴とする請求項１４に記載の光束分割素子。
【請求項１】
第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層とを備えたホログラム光学素子であって、前記第１のホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ、前記第２のホログラム記録層が第１のホログラム記録層に離れて配置され、前記第１のホログラム記録層からの回折光が第２のホログラム記録層に入射することを特徴とするホログラム光学素子。
【請求項２】
前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記第１のホログラム記録層と第２のホログラム記録層間の距離を確保して一体化されたことを特徴とする請求項１に記載のホログラム光学素子。
【請求項３】
前記第１のホログラム記録層への入射光軸と回折光軸を含む面の前記第１のホログラム記録層長さをＤとし、前記所定の距離をＬとし、第１のホログラムへの入射角をθｉ、第１のホログラムの回折角をθｄとすると、
Ｌ×ｔａｎ（θｄ）≧Ｄ ・・・（１）
を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載のホログラム光学素子。
【請求項４】
前記第１のホログラム記録層で再生された回折光の波面収差Λが第２のホログラム記録層で−Λの波面収差を受け、第２のホログラム記録層からの回折光における波面収差がキャンセル補正されて出力されることを特徴とするホログラム光学素子請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項５】
前記第２のホログラム記録層は、前記第１のホログラム記録層を経た所定の回折光とホログラム記録層を通過せずに到達する光とで干渉露光されて形成され、露光ビームの波面を再現して回折光が出射されることにより、波面収差を補正することを特徴とする請求項４に記載のホログラム光学素子。
【請求項６】
前記第１のホログラム記録層は０次を含む所定次数の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずかに記載のホログラム光学素子。
【請求項７】
前記第１のホログラム記録層は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム原版を密着もしくは近接させて作製されたことを特徴とする請求項１ないし５のいずかに記載のホログラム光学素子。
【請求項８】
前記ホログラム記録層のホログラム領域外に減光手段が配置されたこと特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のホログラム光学素子
【請求項９】
所定回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム基板と、このホログラム領域で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ離れて配置される被複製記録層と、を備え、前記ホログラム領域からの回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで干渉露光により被複製記録層にホログラム記録層が作製されてなるホログラム光学素子。
【請求項１０】
前記ホログラム基板と被複製記録層間に所定厚さの透光性基板または所定長さのスペーサを配置し、前記ホログラム基板と被複製記録層間の距離を確保して一体化されたことを特徴とする請求項９に記載のホログラム光学素子。
【請求項１１】
前記ホログラム基板は±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させることを特徴とする請求項９または１０に記載のホログラム光学素子。
【請求項１２】
前記ホログラム原版のホログラム領域外に減光手段が配置されたこと特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項１３】
第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、０次光を含み所定の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させた状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、前記第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達する光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とするホログラム光学素子の製造方法。
【請求項１４】
少なくとも第１の被複製記録層と第２の被複製記録層とがホログラム記録層で回折された光束と回折されない光束とが空間的に分離される距離だけ間隔を有して配置され、±ｍ次（ｍは自然数）の回折光を発生させるホログラム領域を有するホログラム原版を前記第１の被複製記録層に密着または近接させ状態で複製露光して、前記第１の被複製記録層にホログラム記録層を作製するとともに、第１の被複製記録層を経た前記ホログラム原版の所定回折光と前記ホログラム領域を通過せずに到達した光とで前記第２の被複製記録層を干渉露光し、前記第２の被複製記録層にホログラム記録層を作製することを特徴とするホログラム光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記ホログラム領域外に減光手段が配置され、減光手段を介して露光することを特徴とする請求項１３または１４に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項１６】
前記請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のホログラム光学素子の第１のホログラム記録層に入射される光束を第２のホログラム記録層から２つの光束に分割して出力することを特徴とする光束分割素子。
【請求項１７】
前記第１のホログラム記録層の０次回折効率が、第１のホログラム記録層回折効率と第２のホログラム記録層の回折効率の積と実質的に等しいことを特徴とする請求項１６に記載の光束分割素子。
【請求項１８】
前記第１のホログラム記録層に入射させる光束が円偏光または両記録層からの回折光軸を含む面から４５°傾いた直線偏光であることを特徴とする請求項１４に記載の光束分割素子。
【図２】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１３】
【図１６】
【図１】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図３】
【図５】
【図６】
【図７】
【図１３】
【図１６】
【図１】
【図４】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１５】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公開番号】特開２００８−１９７３０３（Ｐ２００８−１９７３０３Ａ）
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３１５９４（Ｐ２００７−３１５９４）
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年８月２８日（２００８．８．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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