ホログラム光学素子およびその製造方法と、光源ユニット
【課題】光源から出射される放射角度の広い光の大部分を偏向して、明るい光を出射するホログラム光学素子２２を実現する。
【解決手段】ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束を用い、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸または略同軸で入射させる。これにより、ホログラム光学素子２２の使用時には、光源から出射される発散光をホログラム光学素子２２で回折、偏向させることができる。また、ホログラム光学素子２２の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子２２から出射される光線の延長線に対して一方側にできる偏向角だけでなく、他方の側の偏向角も実現することができ、光源から出射される放射角度の広い光の大部分をホログラム光学素子２２にて偏向させることができる。
【解決手段】ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束を用い、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸または略同軸で入射させる。これにより、ホログラム光学素子２２の使用時には、光源から出射される発散光をホログラム光学素子２２で回折、偏向させることができる。また、ホログラム光学素子２２の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子２２から出射される光線の延長線に対して一方側にできる偏向角だけでなく、他方の側の偏向角も実現することができ、光源から出射される放射角度の広い光の大部分をホログラム光学素子２２にて偏向させることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラム感光材料を２光束で露光することにより体積位相型の透過型ホログラム光学素子を作製するホログラム光学素子の製造方法と、そのホログラム光学素子と、そのホログラム光学素子を用いた光源ユニットとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、従来から光源として多く用いられてきた蛍光管に比べ、コンパクトで消費電力が小さく、長寿命であることから、近年では様々な機器に用いられるようになってきている。このようなＬＥＤは、一般に、放射角度が大きいので（例えば強度半値で±６０度（全角１２０度）程度）、用途によってはＬＥＤと集光レンズとを一体化して放射角度の小さな光源ユニットが実現されている。しかし、このように放射角度を小さくするために集光レンズを用いると、パッケージ（光源ユニット）の厚さが集光レンズを用いない場合に比べて約２倍にもなり、集光レンズの厚さ分だけパッケージの厚さが増大してしまう。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１では、図１７（ａ）に示すように、ＬＥＤ１０１を包含する本体１０２の表面に、中間層１０３を介してフィルム状で透過型のホログラム光学素子１０４を貼り付け、ＬＥＤ１０１からの発散光をホログラム光学素子１０４で平行光に整形して射出するようにしている。ホログラム光学素子１０４はフィルム状であるので、これをＬＥＤ１０１の前方に配置することにより、パッケージ全体の厚さを薄くして装置を小型化することが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９２９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図１７（ｂ）に示すように、透過型のホログラム光学素子１０４は、基板上のホログラム感光材料１０４ａに対して同じ側から参照光Ｌ１と物体光Ｌ２とを照射し、干渉縞を屈折率変調として記録することにより作製される。このとき、参照光Ｌ１と物体光Ｌ２とは異なる角度でホログラム感光材料１０４ａに入射するので、作製されたホログラム光学素子１０４の使用時には、図１７（ａ）に示すように、ホログラム光学素子１０４から光が角度を持って斜めに射出されることになる。
【０００６】
ここで、図１８に示すように、使用時にホログラム光学素子１０４に入射する光線（実線）と、ホログラム光学素子１０４から出射される光線（実線）の延長線（破線）とのなす角度のうち、鋭角となる角度θを偏向角と呼ぶことにする。また、説明の理解をしやすくするため、上記のホログラム光学素子１０４は、使用時にそこから出射される光が平行光であり、その出射光と露光時に同一方向となる光（例えば物体光Ｌ２）のホログラム感光材料１０４ａに対する入射角度が０°となるように基板を配置して作製されているものとする。したがって、この場合、ホログラム光学素子１０４の使用時における偏向角θは、露光時に用いた参照光Ｌ１のホログラム感光材料１０４ａに対する入射角度に等しくなる。なお、破線で示すホログラム光学素子１０４は、図１７（ｂ）の露光状態における位置を示している。
【０００７】
図１９は、図１７（ａ）のホログラム光学素子１０４の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。なお、このシミュレーションは、製造波長（参照光Ｌ１および物体光Ｌ２の波長）をλ０、ホログラム感光材料１０４ａ（例えばフォトポリマー）の屈折率をｎ、屈折率変調量をΔｎ、ホログラム感光材料１０４ａの厚さをｔ、ホログラム感光材料１０４ａに対する参照光Ｌ１の入射角度をθ１、ホログラム感光材料１０４ａに対する物体光Ｌ２の入射角度をθ２、再生波長をλ１としたとき、λ０＝５３２ｎｍ、ｎ＝１．５、Δｎ＝０．００８、ｔ＝３５μｍ、θ１＝０〜８５°、θ２＝０°、λ１＝５３２ｎｍとして得られたものである。また、このシミュレーションは、図１７（ａ）の構成では、図１８に示すように、ホログラム光学素子１０４の光入射面１０４ｂに垂直な面内で、ホログラム光学素子１０４から出射される光線の延長線に対して一方の側にのみ偏向角θができるという事実に基づき、偏向角θ（＝θ１）の範囲を０〜８５°の同一符号の範囲で行ったものである。
【０００８】
このシミュレーション結果より、回折効率が例えば７０％以上となる偏向角θの範囲は、ほぼ１０°から６０°までの５０°となる。したがって、露光時の参照光Ｌ１の集光点Ｐ（図１８参照）にＬＥＤ１０１を配置して使用したときのＬＥＤ１０１の放射角度をθ３とすると、図１８での幾何学的関係よりθ３＜θであることから、図１７（ａ）の構成では、ＬＥＤ１０１から出射される光のうち、放射角度が全体で５０°よりも確実に小さい範囲内（ＬＥＤ１０１からの出射光の光軸を基準とすると、そこから±２５°よりも確実に小さい範囲内）の光しか高い回折効率で回折（偏向）されないことになる。その結果、図１７（ａ）の構成では、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができない。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光源から出射される光の大部分（放射角度の広い光）を偏向して明るい光を出射することができる光源ユニットと、その光源ユニットに用いられるホログラム光学素子と、そのホログラム光学素子の製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のホログラム光学素子の製造方法は、ホログラム感光材料を２光束で露光することにより体積位相型の透過型ホログラム光学素子を作製するホログラム光学素子の製造方法であって、２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、ホログラム感光材料に対して２光束を同軸または略同軸で入射させることを特徴としている。
【００１１】
ここで、作製された透過型ホログラム光学素子の使用時にホログラム光学素子に入射する光線と、ホログラム光学素子から出射される光線（ホログラム光学素子に入射した光線が回折、偏向されて出射される場合の出射光線）の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角と呼ぶことにする。すなわち、偏向角とは、入射光線がホログラム光学素子での回折によってどの程度偏向されて出射されるかを示す指標となるものである。また、２光束の軸としては、２光束をそれぞれ生成する光学系の光軸を考えることができる。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、ホログラム感光材料を露光する２光束のうちの少なくとも一方の光束が、ホログラム感光材料への入射時に発散光となる光束であるので、作製されたホログラム光学素子の使用時には、その発散光の出射ポイントに対応する位置に発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも称する）のような一定の放射角度で光を出射する光源を配置して、光源から出射される光（発散光）をホログラム光学素子で偏向（回折）させることができる。
【００１３】
また、露光時には、ホログラム感光材料に対して２光束を同軸または略同軸で入射させるので、作製されたホログラム光学素子の使用時には、ホログラム光学素子の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子から出射される光線の延長線に対して一方の側（プラス側）にできる偏向角だけでなく、他方の側（マイナス側）の偏向角も実現することができる。これにより、使用時に用いる光源として、プラス側およびマイナス側の偏向角の最大値まで放射角度を広げたものを用いることができる。言い換えれば、それ以上に放射角度の広い光源を用いた場合でも、光源から出射される光の大部分をホログラム光学素子にて偏向させて利用することができる。その結果、片側の偏向角のみ実現していた従来に比べて、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００１４】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記２光束は、光路合成手段で光路合成された後、ホログラム感光材料に入射することが望ましい。
【００１５】
このようにすることで、露光時に、別々の方向に進行する２光束を、光路合成手段での光路合成によってホログラム感光材料に対して同軸または略同軸で入射させることができる。また、光路合成手段を用いることにより、製造光学系をシンプルに構成することができ、シンプルな構成で上述した本発明の効果を得ることができる。なお、このような光路合成手段としては、例えば偏光ビームスプリッタやピンホールミラーを想定することができる。
【００１６】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記光路合成手段として、入射光を偏光状態に応じて透過または反射させる偏光ビームスプリッタを用い、上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記偏光ビームスプリッタと、偏光状態変換手段とを配置し、上記偏光状態変換手段は、入射光の偏光状態を維持する第１の領域と、入射光の偏光状態を変換する第２の領域とを有しており、第１および第２の領域のうちの一方は、上記集光レンズの集光位置に位置し、他方は一方を光軸回りに取り囲むように形成されており、一方の光束を、上記集光レンズ、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域のうちで上記集光レンズの集光位置に位置する領域を介してホログラム感光材料に入射させ、他方の光束を、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域の両者を介してホログラム感光材料に入射させるようにしてもよい。なお、偏光状態変換手段の第１の領域は、例えば孔（空隙）や透明基板（ガラス基板またはプラスチック基板）で構成することが可能であり、第２の領域は、例えば１／２波長板で構成することが可能である。
【００１７】
上記製法においては、一方の光束（例えばＳ偏光とする）は、集光レンズを介して偏光ビームスプリッタに入射してそこで反射され、偏光状態変換手段における集光レンズの集光位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料に入射する。このとき、集光レンズの集光位置に偏光状態変換手段の第１の領域が位置していれば、第１の領域に入射した光は、偏光状態がそのまま維持されて（Ｓ偏光のまま）、ホログラム感光材料に入射する。一方、集光レンズの集光位置に偏光状態変換手段の第２の領域が位置していれば、第２の領域に入射した光は、偏光状態が変換されて（Ｐ偏光に変換されて）、ホログラム感光材料に入射する。
【００１８】
これに対して、他方の光束（例えばＰ偏光とする）は、偏光ビームスプリッタに入射してそこを透過し、偏光状態変換手段の第１および第２の領域の両者を介してホログラム感光材料に入射する。このとき、他方の光束のうちで偏光状態変換手段の第１の領域に入射した光は、Ｐ偏光のまま出射され、第２の領域に入射した光は、そこでＳ偏光に変換されて出射される。
【００１９】
したがって、偏光状態変換手段の第１の領域が集光レンズの集光位置に位置しているときには（第１の領域を光軸回りに取り囲むように第２の領域が形成されているときには）、ホログラム感光材料で第１の領域と対応する領域には、一方の光束がＳ偏光で入射し、他方の光束がＰ偏光で入射するので、これらは互いに干渉せず、干渉縞が形成されない。一方、ホログラム感光材料で（他方の光束の入射範囲内における）第２の領域と対応する領域には、２光束がともにＳ偏光で入射するので、これらが互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子では、第１の領域と対応してホログラム非構成領域が形成され、そのホログラム非構成領域を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域が形成される。
【００２０】
また、偏光状態変換手段の第２の領域が集光レンズの集光位置に位置しているときには（第２の領域を光軸回りに取り囲むように第１の領域が形成されているときには）、ホログラム感光材料で第２の領域と対応する領域には、一方の光束がＰ偏光で入射し、他方の光束がＳ偏光で入射するので、これらは互いに干渉せず、干渉縞が形成されない。一方、ホログラム感光材料で（他方の光束の入射範囲内における）第１の領域と対応する領域には、２光束がともにＰ偏光で入射するので、これらは互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子では、第２の領域と対応してホログラム非構成領域が形成され、そのホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域が形成される。
【００２１】
このように、本発明の製法によれば、ホログラム光学素子において、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、例えば作製したホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して用いるときに、ホログラム非構成領域に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域に入射した光はそこで回折されて出射される。
【００２２】
ところで、図５のグラフからわかるように、例えばホログラム構成領域のみを有する透過型のホログラム光学素子においては、使用時における偏向角が小さい領域では回折効率が極端に低下し、取り出す光の強度が著しく低下する。
【００２３】
しかし、本発明によれば、ホログラム光学素子においてホログラム構成領域のみならずホログラム非構成領域をも形成しているので、例えばホログラムが構成されていれば偏向角が小さくなると考えられる領域においては、ホログラム非構成領域とすることで、高い透過光量を得ることができ、取り出す光の強度が著しく低下するのを回避することができる。特に、本発明によれば、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、ホログラム光学素子から取り出される光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００２４】
また、光路合成手段として偏光ビームスプリッタを用いることにより、光路合成の容易な製造光学系を実現することができる。
【００２５】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記偏光状態変換手段の第１の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第２の領域は第１の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、第２の領域は、１／２波長板で構成されており、第１の領域は、上記１／２波長板に形成される孔で構成されていてもよい。
【００２６】
第２の領域を１／２波長板とし、第１の領域をその１／２波長板に形成される孔（空隙）とすることで、第１の領域を光軸回りに取り囲むように、第２の領域を容易に形成することができる。したがって、ホログラム光学素子の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる効果を容易に得ることができる。
【００２７】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記偏光状態変換手段の第２の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第１の領域は第２の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、第１の領域は、透明基板で構成されており、第２の領域は、１／２波長板で構成されていてもよい。
【００２８】
第１の領域を透明基板（例えばガラス基板またはプラスチック基板）とし、第２の領域を１／２波長板とすることで、第２の領域を光軸回りに取り囲むように、第１の領域を形成することができる。したがって、ホログラム光学素子の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる効果を容易に得ることができる。
【００２９】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記光路合成手段として、孔を有する反射膜を透明基板上に形成したピンホールミラーを用い、上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記ピンホールミラーとを配置するとともに、上記反射膜の孔が上記集光レンズの集光位置に位置するように上記ピンホールミラーを配置し、一方の光束を、上記集光レンズ、上記ピンホールミラーの反射膜の孔を介してホログラム感光材料に入射させ、他方の光束を、上記ピンホールミラーに対して反射膜の孔よりも大きな光束径で上記反射膜の孔を含む領域に入射させ、上記反射膜にて反射された光束をホログラム感光材料に入射させるようにしてもよい。
【００３０】
上記製法においては、一方の光束（例えばＰ偏光とする）は、集光レンズを介してピンホールミラーに入射し、その反射膜の孔の位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料に入射する。これに対して、他方の光束（例えばＰ偏光とする）は、ピンホールミラーの反射膜の孔よりも大きな光束径で上記反射膜を含む領域に入射し、反射膜にて反射された光のみがホログラム感光材料に入射する（他方の光束のうちで反射膜の孔に入射した光は、そこを透過するため、ホログラム感光材料には入射しない）。
【００３１】
したがって、ホログラム感光材料でピンホールミラーの反射膜の孔に対応する領域には、１光束のみ（一方の光束のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料で（他方の光束の入射範囲内における）ピンホールミラーの反射膜の形成領域に対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（Ｐ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子では、ピンホールミラーの反射膜の孔と対応してホログラム非構成領域が形成され、そのホログラム非構成領域を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域が形成される。
【００３２】
このように、本発明の製法によれば、ホログラム光学素子において、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、例えば作製したホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して用いるときに、ホログラム非構成領域に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域に入射した光はそこで回折されて出射される。
【００３３】
ところで、図５のグラフからわかるように、例えばホログラム構成領域のみを有する透過型のホログラム光学素子においては、使用時における偏向角が小さい領域では回折効率が極端に低下し、取り出す光の強度が著しく低下する。
【００３４】
しかし、本発明によれば、ホログラム光学素子においてホログラム構成領域のみならずホログラム非構成領域をも形成しているので、例えばホログラムが構成されていれば偏向角が小さくなると考えられる領域においては、ホログラム非構成領域とすることで、高い透過光量を得ることができ、取り出す光の強度が著しく低下するのを回避することができる。特に、本発明によれば、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、ホログラム光学素子から取り出される光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００３５】
また、ピンホールミラーは、透明基板上に反射膜が形成されたものであり、その薄型化が容易である。したがって、光路合成手段としてピンホールミラーを用いることにより、ピンホールミラーの配置角度に自由度が増し、その配置角度の調整次第で集光レンズをピンホールミラー側に近づけて配置することが可能となる。これにより、集光レンズのＮＡ（開口数）を大きくする、言い換えれば、集光レンズの焦点距離を短くすることが可能となる。その結果、作製されたホログラム光学素子の使用時には、より広い放射角度の光をホログラム光学素子にて偏向させることが可能となり、より明るい光を出射する光源ユニットを実現することが可能となる。
【００３６】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、ホログラム感光材料に入射する２光束をそれぞれ生成する光学系の光軸は、作製されたホログラム光学素子の使用時の光学系と同軸であることが望ましい。
【００３７】
この場合、例えば、作製されたホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して使用するときに、露光時と同一軸上に光源を配置すれば、発光特性が軸対称（回転対称）となる光源ユニットを実現することができる。
【００３８】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の両者として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用いてもよい。
【００３９】
この場合、使用時にホログラム光学素子に発散光を入射させた場合には、ホログラム光学素子での回折、偏向によって発散光が出射されるので、上記のホログラム光学素子は、使用時にそのような発散光が要求される光学系や光源ユニットに好適となる。
【００４０】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束のうち、一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、他方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に収束光となる光束を用いてもよい。
【００４１】
この場合、使用時にホログラム光学素子に発散光を入射させた場合には、ホログラム光学素子での回折、偏向によって収束光が出射されるので、上記のホログラム光学素子は、使用時にそのような収束光が要求される光学系や光源ユニットに好適となる。
【００４２】
本発明のホログラム光学素子は、体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、上述した本発明の製造方法によって製造されてなることを特徴としている。
【００４３】
本発明の製法によってホログラム光学素子が作製されているので、例えば、ＬＥＤなどの光源の前方にホログラム光学素子を配置して光源ユニットを構成した場合に、光源として放射角度の広いものを用いた場合でも、光源から出射される光の大部分をホログラム光学素子にて偏向させることができる。これにより、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００４４】
本発明のホログラム光学素子は、体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、ホログラムが構成されないホログラム非構成領域と、ホログラムが構成されるホログラム構成領域とを有しており、ホログラム構成領域は、ホログラム非構成領域を取り囲むように形成されていることを特徴としている。
【００４５】
上記の構成によれば、ホログラム構成領域がホログラム非構成領域を取り囲むように形成されてホログラム光学素子が構成されるので、そのホログラム光学素子を作製すべく、ホログラム感光材料を２光束で露光する際には、２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料への入射時に発散光となる光束を用いながら、２光束を同軸または略同軸でホログラム感光材料に入射させる手法を採用することができる。
【００４６】
これにより、ホログラム光学素子の使用時には、その発散光の出射ポイントに対応する位置にＬＥＤのような一定の放射角度で光を出射する光源を配置して、光源から出射される光（発散光）をホログラム光学素子で偏向させることができる。しかも、ホログラム光学素子の使用時には、ホログラム光学素子の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子から出射される光線の延長線に対して一方の側（プラス側）にできる偏向角だけでなく、他方の側（マイナス側）の偏向角も実現することができる。これにより、使用時に用いる光源として、プラス側およびマイナス側の偏向角の最大値まで放射角度を広げたものを用いることができる。言い換えれば、それ以上に放射角度の広い光源を用いた場合でも、光源から出射される光の大部分をホログラム光学素子にて偏向させて利用することができる。その結果、片側の偏向角のみ実現していた従来に比べて、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００４７】
また、本発明のように、ホログラム光学素子がホログラム構成領域とホログラム非構成領域とを有して構成されていれば、本来、ホログラムが構成されていれば偏向角が小さく、回折効率が極端に低下する領域と、本来なら偏向角が小さい領域の周囲に形成され、偏向角が大きく、回折効率が高い領域とを、ホログラム非構成領域およびホログラム構成領域にそれぞれ対応付けて本発明のホログラム光学素子を使用することができる。
【００４８】
このように各領域を対応付けて本発明のホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して用いた場合、ホログラム非構成領域に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域に入射した光はそこで回折されて出射される。したがって、ホログラム非構成領域からは高い透過光量の光を得ることができ、また、ホログラム構成領域からは高い回折効率で回折光を得ることができる。その結果、ホログラム光学素子から取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００４９】
本発明のホログラム光学素子において、ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、５°以上であることが望ましい。
【００５０】
体積位相型の透過型ホログラム光学素子を構成する元となるホログラム感光材料が例えばフォトポリマーで構成されている場合、偏向角の絶対値が５°以上となる領域は回折効率が高いので、ホログラム構成領域から強度の十分な光を得ることができる。
【００５１】
なお、ホログラム構成領域が取り囲むホログラム非構成領域は、本来ホログラムが構成されれば偏向角の絶対値が５°未満となる領域であり、本来なら回折効率が極端に低下する領域であるが、本発明ではその領域にホログラムが構成されていないので、高い透過光量によって強度の十分な光を得ることができる。
【００５２】
本発明のホログラム光学素子において、ホログラム構成領域を構成する元となるホログラム感光材料は、フォトポリマーで構成されていることが望ましい。
【００５３】
この場合、偏向角の絶対値が５°以上となるホログラム構成領域にて、高い回折効率を確実に実現することができ、ホログラム構成領域から強度の十分な光を確実に得ることができる。また、ホログラム感光材料としてフォトポリマーを用いれば、全てドライプロセスでホログラム光学素子を作製することができるため、製造工程が簡易となる。
【００５４】
本発明のホログラム光学素子において、ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、ホログラム構成領域における１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる角度であってもよい。
【００５５】
この場合、ホログラム構成領域では、１次光の最大回折効率の５０％以上の回折効率が確保されるので、ホログラム構成領域から強度の十分な光を得ることができる。なお、体積位相型の透過型ホログラム光学素子を構成する元となるホログラム感光材料は、例えばフォトポリマーや銀塩材料であってもよく、その他の材料であってもよい。
【００５６】
本発明のホログラム光学素子は、回転対称であってもよい。ホログラム光学素子が回転対称、すなわち、ホログラム非構成領域およびホログラム構成領域が両者とも回転対称に構成されることにより、本発明のホログラム光学素子を一般的な同軸光学系に容易に適用することが可能となる。
【００５７】
本発明のホログラム光学素子において、該ホログラム光学素子は、透明基板上に形成されたホログラム感光材料を２光束で露光することによって作製されており、上記透明基板は、該基板の一部にレンズ部が形成されたレンズ付き基板であり、上記レンズ部は、ホログラム非形成領域に対応して位置している構成であってもよい。
【００５８】
例えば、ＬＥＤなどの光源の前に本発明のホログラム光学素子を、レンズ付き基板側が光源側となるように配置して用いる場合、光源から出射された光は、レンズ付き基板のレンズ部で屈折されてホログラム非構成領域に入射し、そこを透過する。一方、ホログラム構成領域では、上述の通り、入射光が回折、偏向されて出射される。したがって、ホログラム光学素子全体として、光学的パワーを有する薄型の光学素子を容易に実現することができる。
【００５９】
本発明の光源ユニットは、光源と、光源の前方に配置される体積位相型の透過型ホログラム光学素子とを備え、上記ホログラム光学素子は、上述した本発明のホログラム光学素子で構成されていることを特徴としている。
【００６０】
この構成では、例えば光源として放射角度の広いものを用いた場合でも、光源から出射される光の大部分は、本発明のホログラム光学素子にて偏向されて出射される。したがって、光源から出射される光を有効利用して、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００６１】
本発明の光源ユニットにおいて、上記ホログラム光学素子を作製する元となるホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の波長は、使用時の上記光源から出射される光のピーク波長の±２０ｎｍ以内であることが望ましい。
【００６２】
この場合、露光波長と使用波長（ピーク波長）とがほぼ等しいので、光源から出射された光をホログラム光学素子のホログラム構成領域にて効率よく回折させて偏向することができ、光利用効率の高い光源ユニットを実現することができる。
【発明の効果】
【００６３】
本発明によれば、ホログラム光学素子の使用時には、ホログラム光学素子の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子から出射される光線の延長線に対して、偏向角を両側に形成することができる。これにより、放射角度の広い光源を用いた場合でも、光源から出射される光をほとんどホログラム光学素子にて偏向させて利用することができる。その結果、従来よりも明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００６５】
（１．光源ユニットについて）
図２は、本実施形態に係る光源ユニットの概略の構成を示す断面図である。この光源ユニットは、光源モジュール１と、ホログラム基板２とを有しており、光源モジュール１から出射される光がホログラム基板２を介して外部に取り出される構成となっている。
【００６６】
光源モジュール１は、筐体１１内に光源１２を有している。光源１２は、例えばピーク波長（中心波長）が５２０ｎｍの光を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）で構成されている。光源１２は、放射角度が強度半値でも±６０度（全角１２０度）となる広い放射角度特性を有しており、基板１３上に形成された金属パターンからなる電極１４上に実装されている。また、基板１３上には、金属パターンからなる他の電極１５が形成されており、光源１２と電極１５とはＡｕワイヤ１６で接続されている。また、筐体１１内部は、樹脂モールドされている。
【００６７】
ホログラム基板２は、例えばガラスやプラスチック材料からなる透明な基板２１上にホログラム光学素子２２を有して構成されている。このホログラム基板２は、基板２１に対してホログラム光学素子２２が光源１２側となるように、光源モジュール１の表面に粘着層（図示せず）を介して接着されている。この結果、ホログラム光学素子２２は、光源１２の前方に配置されることになる。ホログラム光学素子２２は、体積位相型の透過型ホログラム光学素子で構成されている。
【００６８】
したがって、光源１２から出射された光（発散光）は、ホログラム光学素子２２にて回折、偏向され、その後、基板２１を透過して外部に出射される。これにより、射出角度の小さい良好な配向特性（偏向特性）の光源ユニットを実現することができる。また、ホログラム光学素子２２は、薄型で安価であるので、そのようなホログラム光学素子２２を用いることにより、光源ユニットを小型で安価に実現することができる。
【００６９】
（２．ホログラム光学素子について）
次に、上記したホログラム光学素子２２の詳細な構成について説明する。図３は、ホログラム光学素子２２の詳細な構成を示す断面図である。ホログラム光学素子２２は、ホログラム非構成領域３１と、ホログラム構成領域３２とを有している。
【００７０】
ホログラム非構成領域３１は、入射光を回折、偏向させるホログラムが構成されていない領域である。したがって、ホログラム非構成領域３１は、そこに光が入射したときにその光を単に透過させる透過領域として機能する。一方、ホログラム構成領域３２は、入射光を回折、偏向させるホログラムが構成されている領域である。より具体的には、ホログラム構成領域３２には、光源１２を点光源と考えたときの発光点に相当する点Ｐからの発散光を回折、偏向し、光軸に平行な光束として射出するようなホログラムが形成されている。なお、ホログラム光学素子２２の使用時における光軸とは、点Ｐを通り、ホログラム光学素子２２の光入射面２２ｂに対して垂直な軸Ａを指すものとする。
【００７１】
ここで、上記のホログラムは、基板２１（図２参照）上に保持されたフィルム状のホログラム感光材料２２ａ（図１参照）を、干渉性を有する２光束で露光することにより形成されるものである。つまり、ホログラムは、２光束干渉によって形成される干渉縞で構成される。したがって、ホログラム非構成領域３１は、上記干渉縞を有していない領域であり、ホログラム構成領域３２は、上記干渉縞を有する領域であるとも言える。
【００７２】
また、ホログラム光学素子２２を作製する元となるホログラム感光材料２２ａとしては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどを用いることができるが、ここでは、ホログラム光学素子２２をドライプロセスで容易に製造可能なフォトポリマー（例えばデュポン社製）を用いている。
【００７３】
また、本実施形態では、ホログラム非構成領域３１は光軸上に位置しており、ホログラム構成領域３２は、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成されている。さらに、ホログラム非構成領域３１およびホログラム構成領域３２は両者とも、光軸に対して回転対称（軸対称）に形成されており、その結果、ホログラム光学素子２２は全体として回転対称に構成されていることになる。このように、ホログラム光学素子２２が回転対称に構成されていることにより、ホログラム光学素子２２を一般的な同軸光学系に容易に適用することが可能となる。つまり、使用時の光学系と同軸となる位置にホログラム光学素子２２を配置して使用することが可能となる。
【００７４】
以上のように、ホログラム光学素子２２が、ホログラム非構成領域３１とホログラム構成領域３２とを有し、ホログラム構成領域３２がホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成される構成とすることにより、このホログラム光学素子２２の作製時には、後述する製法を採用することが可能となる。つまり、ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料２２ａへの入射時に発散光となる光束を用いながら、２光束を同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させる手法を採用することができる。なぜなら、２光束を同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させる手法では、後述するように軸Ａ付近にはホログラムを形成せずに、その周りにのみホログラムを形成することが可能だからである。
【００７５】
なお、以下での説明の便宜上、ホログラム光学素子２２の使用時にホログラム構成領域３２に入射した光線と、その光線がホログラム構成領域３２にて回折、偏向されて出射されるときの出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角の角度θを偏向角と呼ぶことにする。
【００７６】
（３．ホログラム光学素子の製造方法について）
次に、上述した構成のホログラム光学素子２２の製造方法について説明する。図１は、ホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【００７７】
本実施形態では、ホログラム構成領域３２にて、光源１２からの光（発散光）を回折、偏向して、光軸に平行な光束として射出するようにするため、ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの一方の光束（例えば参照光Ｌ１）として、ホログラム感光材料２２ａへの入射時に発散光となる光束を用いる。このため、上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズ４１と、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳとも称する）４２と、偏光状態変換部材４３（偏光状態変換手段）とを配置している。
【００７８】
集光レンズ４１は、入射光（例えば平行光）を集光するものであり、所定のＮＡを有している。したがって、集光レンズ４１の焦点距離は、所定の値に設定されている。ＰＢＳ４２は、入射光を偏光状態に応じて透過または反射させることにより、異なる方向から入射する２光束の光路を合成する光路合成手段であり、例えばＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる特性を有している。このようなＰＢＳ４２を用いることにより、異なる方向から入射する２光束を、ＰＢＳ４２を介して同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させることができる。
【００７９】
このとき、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束を生成する光学系の光軸のうちで共通部分を軸Ｂとすると、この製造光学系における軸Ｂは、作製されたホログラム光学素子２２の使用時の光学系の軸Ａ（図３参照）と同軸ともなっている。
【００８０】
偏光状態変換部材４３は、入射光の偏光状態を維持する第１の領域４３ａと、入射光の偏光状態を変換する第２の領域４３ｂとを有している。第２の領域４３ｂは、例えば１／２波長板で構成されており、第１の領域４３ａは、その１／２波長板に形成される孔で構成されている。また、第１の領域４３ａは、集光レンズ４１の集光位置に位置し、第２の領域４３ｂは、第１の領域４３ａを光軸（軸Ｂ）回りに取り囲むように形成されている。
【００８１】
ここで、物体光Ｌ２として平行光を用いるとき、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａの大きさは、製造するホログラム光学素子２２の焦点距離とホログラム構成領域３２での回折による最低偏向角θminとに基づいて決定される。より具体的には、以下の通りである。
【００８２】
図４は、偏光状態変換部材４３からホログラム感光材料２２ａに入射する光の光路を拡大して示す説明図である。偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａの大きさを規定する軸Ｂからの距離（半径）をｈ（ｍｍ）、ホログラム光学素子２２の焦点距離、すなわち、集光レンズ４１の集光位置からホログラム感光材料２２ａにおける光入射面２２ｂまでの距離をｆｌ（ｍｍ）、上記集光位置からホログラム感光材料２２ａにおけるホログラム構成領域３２とホログラム非構成領域３１との境界に対応する部分に入射する光線と軸Ｂとのなす角をφ（°）とすると、距離ｈは、以下のように表現される。
ｈ＝ｆｌｔａｎφ
このとき、図４より、φ＝θminであるので、
ｈ＝ｆｌｔａｎθmin
となる。したがって、第１の領域４３ａの大きさがこれらのパラメータに基づいて決定されることがわかる。また、物体光Ｌ２が平行光のときは、第１の領域４３ａだけでなく、ホログラム非構成領域３１の大きさも距離ｈで規定されることになる。
【００８３】
上記の製造光学系には、集光レンズ４１、ＰＢＳ４２、偏光状態変換部材４３のほかに、レーザ光源、ビームスプリッタ、ビームエキスパンダ等も配置されている。したがって、レーザ光源から射出された可干渉性を有する光束は、ビームスプリッタにて２光束に分岐され、ビームエキスパンダによってそれぞれ所定の光束径に拡大される。なお、レーザ光による露光時間は、図示しないシャッタによりコントロールされる。
【００８４】
上記２光束のうちの一方である参照光Ｌ１（ここではＳ偏光とする）は、平行光の状態から集光レンズ４１で集光されて収束光となり、ＰＢＳ４２で反射された後、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａを介してホログラム感光材料２２ａにＳ偏光のままで入射する。ここで、第１の領域４３ａは、集光レンズ４１の集光位置に配置されているので、参照光Ｌ１は、第１の領域４３ａの通過と同時に発散光となってホログラム感光材料２２ａに入射する。
【００８５】
一方、上記２光束のうちの他方である物体光Ｌ２（ここではＰ偏光とする）は、平行光の状態でＰＢＳ４２を透過し、参照光Ｌ１と同軸で偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａおよび第２の領域４３ｂの両方に入射し、これらの領域を介してホログラム感光材料２２ａに入射する。このとき、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が維持されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＰ偏光のままで入射する。これに対して、第２の領域４３ｂに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が変換されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＳ偏光の状態で入射する。
【００８６】
つまり、ホログラム感光材料２２ａにおいて、第１の領域４３ａに対応する領域には、参照光Ｌ１がＳ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２がＰ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が異なっており、互いに干渉しないため、上記領域には干渉縞は形成されない。よって、上記領域は、ホログラム非構成領域３１となる。すなわち、露光後の後処理（例えばベイク処理）をすると、上記領域は単なる透過領域として機能する。
【００８７】
一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内で第２の領域４３ｂに対応する領域には、参照光Ｌ１がＳ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２もＳ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が同じであり、互いに干渉するため、上記領域には干渉縞が形成される。よって、上記領域は、ホログラム構成領域３２となる。つまり、ホログラム構成領域３２は、光軸付近に形成されるホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成される。
【００８８】
この結果、集光レンズ４１の集光点に対応する位置に光源１２を配置し、作製されたホログラム光学素子２２を光源１２の前方に配置すると、図３で示したように、光源１２（点Ｐ）から出射される発散光の一部（ホログラム非構成領域３１に入射した光）を透過させ、残り（ホログラム構成領域３２に入射した光）を平行光に変換（偏向）して出射するホログラム光学素子２２が得られることになる。
【００８９】
（４．効果について）
以上のように、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの一方の光束（上記の例では参照光Ｌ１）が、ホログラム感光材料２２ａへの入射時に発散光となる光束であるので、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、その発散光の出射ポイントに対応する位置に光源１２を配置して、光源１２から出射される光（発散光）の一部をホログラム光学素子２２で偏向、回折させることができる。
【００９０】
また、図５は、ホログラム光学素子２２の使用時における偏向角と回折効率（透過０次光、透過１次光）との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。なお、同図では、ホログラム光学素子２２の光入射面２２ｂに垂直な面内で、ホログラム光学素子２２から出射される光線の延長線に対して一方の側にできる偏向角をプラスの偏向角で、他方の側にできる偏向角をマイナスの偏向角で表現している。すなわち、図３の断面内においては、点Ｐから出射された光線であって軸Ａよりも右側の光線がホログラム光学素子２２（ホログラム構成領域３２）に入射したときにできる偏向角をプラスの偏向角とすると、点Ｐから出射された光線であって軸Ａよりも左側の光線がホログラム光学素子２２（ホログラム構成領域３２）に入射したときにできる偏向角がマイナスの偏向角となる。
【００９１】
また、上記のシミュレーションでは、製造波長（参照光Ｌ１および物体光Ｌ２の波長）をλ０、ホログラム感光材料２２ａ（フォトポリマー）の屈折率をｎ、屈折率変調量をΔｎ、ホログラム感光材料２２ａの厚さをｔ、ホログラム感光材料２２ａに対する参照光Ｌ１の入射角度をθ１、ホログラム感光材料に対する物体光Ｌ２の入射角度をθ２、再生波長をλ１としたとき、λ０＝５３２ｎｍ、ｎ＝１．５、Δｎ＝０．００８、ｔ＝３５μｍ、θ１＝−８５°〜８５°、θ２＝０°、λ１＝５３２ｎｍである。なお、ここでは、ホログラム非構成領域３１に対応する偏向角０°付近の領域にもホログラムが形成されているものとしてシミュレーションを行っているが、実際にはホログラム非構成領域３１が形成されているので（ホログラムが形成されていないので）、この領域での回折は起こらない。
【００９２】
図５のシミュレーション結果より、回折効率が例えば７０％以上となる偏向角の範囲は、ほぼ−６０°から６０°までの１２０°となり、従来の２倍以上となる。このように、偏向角の範囲として従来の２倍以上の範囲を確保できるのは、上述したホログラム感光材料２２ａの露光時に、参照光Ｌ１および物体光Ｌ２を同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させてホログラム光学素子２２を作製していることによる。
【００９３】
つまり、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａの露光時に、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させているので、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、ホログラム光学素子２２の光入射面２２ｂに垂直な面内で、プラス側にできる偏向角だけでなく、マイナス側の偏向角も実現することができる。これにより、使用時に用いる光源１２として、プラス側およびマイナス側の偏向角で絶対値が最大となる偏向角に対応する角度まで放射角度を広げたものを用いることができる。言い換えれば、それ以上に放射角度の広い光源１２を用いた場合でも、光源１２から出射される光の大部分（プラス側の偏向角で絶対値が最大となる偏向角からマイナス側の偏向角で絶対値が最大となる偏向角の間の角度に対応する放射範囲の光）をホログラム光学素子２２にて偏向させて利用することができる。その結果、片側の偏向角のみ実現していた従来に比べて、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００９４】
また、露光時に用いる２光束をＰＢＳ４２で光路合成した後、ホログラム感光材料２２ａに入射させているので、別々の方向に進行する２光束をホログラム感光材料２２ａに対して同軸で入射させることができる。また、ＰＢＳ４２を用いることによって製造光学系がシンプルな構成となり、そのようなシンプルな構成で上述した本発明の効果を得ることができるとともに、ホログラム光学素子２２を容易にかつ安価に製造することができる。
【００９５】
また、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａの露光時に、一方の光束（参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ＰＢＳ４２、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（物体光Ｌ２）を、ＰＢＳ４２、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａおよび第２の領域４３ｂの両者を介してホログラム感光材料２２ａに入射させている。これにより、上述のように、作製されたホログラム光学素子２２においては、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。
【００９６】
したがって、作製されたホログラム光学素子２２を光源１２の前に配置して用いたときに、ホログラム非構成領域３１に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域３２に入射した光はそこで回折されて出射される。よって、ホログラム非構成領域３１では高い透過光量の光を得ることができ、ホログラム構成領域３２では高い回折効率で光を回折させて外部に取り出すことができる。その結果、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができる。
【００９７】
特に、図５でも示したように、ホログラム光学素子２２において偏向角０°付近の領域にホログラムが形成されていたとすれば、そこは回折効率が極端に低下する領域となるが、本実施形態ではその領域をホログラム非構成領域３１としているので、高い透過光量を確保して取り出す光の強度が著しく低下するのを回避することができる。つまり、ホログラム光学素子２２から取り出される光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００９８】
また、本実施形態のように、ホログラム光学素子２２を構成する元となるホログラム感光材料２２ａがフォトポリマーで構成されている場合、図５に示したように、偏向角の絶対値が５°以上となる領域は回折効率が高い。したがって、ホログラム構成領域３２における偏向角の絶対値を５°以上とすれば、つまり、偏向角の絶対値が５°以上となるようにホログラム構成領域３２を形成すれば、ホログラム構成領域３２から十分な強度の光が得られるホログラム光学素子２２を実現することができる。逆に、偏向角の絶対値が５°未満となる領域は、回折効率が極端に低下する領域であるので、この領域を本実施形態のようにホログラム非構成領域３１に対応付けることで、その領域からは高い透過光量によって強度の十分な光を得ることができる。
【００９９】
なお、ホログラム非構成領域３１とホログラム構成領域３２とを区別する偏向角の絶対値は、上記の５°には限定されず、例えば７°であってもよいし、１０°であってもよい。要は、上記偏向角の絶対値は、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避できるような値であればよい。
【０１００】
また、例えば、１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となるような偏向角がプラス側およびマイナス側の双方で実現されるように、ホログラム構成領域３２が形成されていれば、そのホログラム構成領域３２を介して強度の十分な光を得ることができると思われる。このことは、ホログラム感光材料２２ａがフォトポリマー以外の材料で構成されている場合でも同様である。
【０１０１】
例えば、図６は、銀塩材料からなるホログラム感光材料２２ａを露光して得られるホログラム光学素子２２の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。なお、上記のシミュレーションでは、λ０＝５３２ｎｍ、ｎ＝１．５、Δｎ＝０．０６、ｔ＝５μｍ、θ１＝−８５°〜８５°、θ２＝０°、λ１＝５３２ｎｍである。
【０１０２】
このようなホログラム光学素子２２を構成した場合、１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる偏向角は、ホログラム感光材料２２ａとしてフォトポリマーを用いた場合に比べて、プラス側およびマイナス側でその絶対値が大きくなっているが、ホログラム構成領域３２では、１次光の最大回折効率の５０％以上の回折効率が確保されることに変わりはない。よって、ホログラム構成領域３２における偏向角の絶対値は、ホログラム構成領域３２における１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる角度であれば、ホログラム感光材料２２ａの材料に関係なく、ホログラム構成領域３２から強度の十分な光を得ることができると言える。
【０１０３】
また、本実施形態では、製造光学系において、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａは集光レンズ４１の集光位置に位置し、第２の領域４３ｂは第１の領域４３ａを光軸回りに取り囲むように形成されている。このような偏光状態変換部材４３は、第２の領域４３ｂを１／２波長板で構成し、第１の領域４３ａを１／２波長板に形成される孔で構成することで容易に実現することができる。このような偏光状態変換部材４３の構成によれば、第１の領域４３ａを光軸回りに取り囲むように、第２の領域４３ｂを容易に形成することができるので、作製されたホログラム光学素子２２において、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように、ホログラム構成領域３２を容易に形成することが可能となる。その結果、ホログラム光学素子２２の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる上述の効果を容易に得ることができる。
【０１０４】
また、製造光学系における軸Ｂは、作製されたホログラム光学素子２２の使用時の光学系の軸Ａと同軸であるので、作製されたホログラム光学素子２２の使用時に光源１２を軸Ａ上に配置すれば、発光特性が軸対称（回転対称）となる光源ユニットを実現することができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａの露光時に用いる２光束の波長（製造波長）は例えば５３２ｎｍとなっており、使用波長、つまり光源１２から出射される光の波長である５２０ｎｍに近い。このように製造波長と使用波長とを近づけることにより、使用時に光源１２から出射された光をホログラム光学素子２２（特にホログラム構成領域３２）にて効率よく回折させ、偏向することができ、光利用効率の高い光源ユニットを実現することができる。なお、露光波長が使用時の光源１２から出射される光のピーク波長の±２０ｎｍ以内であれば、上記の効果を得ることができる。
【０１０６】
（５．製造光学系の変形例１）
次に、本実施形態のホログラム光学素子２２の作製に用いる製造光学系の変形例について、以下に説明する。
【０１０７】
図７は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の他の構成を示す断面図である。この製造光学系は、偏光状態変換部材４３の代わりに偏光状態変換部材４４（偏光状態変換手段）を用いた以外は、図１の製造光学系と全く同様の構成である。
【０１０８】
偏光状態変換部材４４は、入射光の偏光状態を維持する第１の領域４４ａと、入射光の偏光状態を変換する第２の領域４４ｂとを有している。第１の領域４４ａは、透明基板（例えばガラス基板やプラスチック基板）で構成されており、第２の領域４４ｂは、１／２波長板で構成されている。なお、第２の領域４４ｂの大きさは、図４と同様の考察により、製造するホログラム光学素子２２の焦点距離とホログラム構成領域３２での回折による最低偏向角θminとに基づいて決定されることになる。また、第２の領域４４ｂは集光レンズ４１の集光位置に位置し、第１の領域４４ａは第２の領域４４ｂを光軸回りに取り囲むように形成されている。
【０１０９】
図７の製造光学系においては、２光束のうちの一方である参照光Ｌ１（ここではＳ偏光とする）は、平行光の状態から集光レンズ４１で集光されて収束光となり、ＰＢＳ４２で反射された後、偏光状態変換部材４４の第２の領域４４ｂに入射し、そこでＰ偏光に変換されてホログラム感光材料２２ａに入射する。ここで、第２の領域４４ｂは、集光レンズ４１の集光位置に配置されているので、参照光Ｌ１は、第２の領域４４ｂの通過と同時に発散光となってホログラム感光材料２２ａに入射する。
【０１１０】
一方、上記２光束のうちの他方である物体光Ｌ２（ここではＰ偏光とする）は、平行光の状態でＰＢＳ４２を透過し、参照光Ｌ１と同軸で偏光状態変換部材４４の第１の領域４４ａおよび第２の領域４４ｂの両方に入射し、これらの領域を介してホログラム感光材料２２ａに入射する。このとき、偏光状態変換部材４４の第１の領域４４ａに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が維持されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＰ偏光のままで入射する。これに対して、第２の領域４４ｂに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が変換されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＳ偏光の状態で入射する。
【０１１１】
つまり、ホログラム感光材料２２ａにおいて、第２の領域４４ｂに対応する領域には、参照光Ｌ１がＰ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２がＳ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が異なっており、互いに干渉しないため、上記領域には干渉縞は形成されない。よって、上記領域は、ホログラム非構成領域３１となり、単なる透過領域として機能する。
【０１１２】
一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内における第１の領域４４ａに対応する領域には、参照光Ｌ１がＰ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２がＰ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が同じであり、互いに干渉するため、上記領域には干渉縞が形成される。よって、上記領域は、ホログラム構成領域３２となる。
【０１１３】
このように、偏光状態変換部材４３の代わりに偏光状態変換部材４４を用いて露光を行った場合であっても、ホログラム構成領域３２は、光軸付近に形成されるホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成される。したがって、図７の製造光学系を用いても、図３と同じホログラム光学素子２２を得ることができ、上述した本発明の効果を得ることができる。
【０１１４】
特に、第１の領域４４ａを透明基板とし、第２の領域４４ｂを１／２波長板とすることで、第２の領域４４ｂを光軸回りに取り囲むように、第１の領域４４ａを容易に形成することができる。したがって、作製されたホログラム光学素子２２において、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように、ホログラム構成領域３２を容易に形成することができ、ホログラム光学素子２２の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる本発明の効果を容易に得ることができる。
【０１１５】
（６．製造光学系の変形例２）
図８は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部のさらに他の構成を示す断面図である。この製造光学系は、ＰＢＳ４２および偏光状態変換部材４３の代わりにピンホールミラー４５を用い、それに応じて集光レンズ４１の位置や参照光Ｌ１および物体光Ｌ２のピンホールミラー４５に対する入射方向を適宜設定した点以外は、図１の製造光学系と同様の構成である。
【０１１６】
ピンホールミラー４５は、異なる方向から入射する２光束の光路を合成して射出する光路合成手段である。このピンホールミラー４５は、孔５１ａを有する反射膜５１を透明基板５２上に形成した平板状のミラーで構成されている。図８の製造光学系では、発散光（例えば参照光Ｌ１）を生成する光学系の光路中に、集光レンズ４１とピンホールミラー４５とが配置されている。しかも、反射膜５１の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置するようにピンホールミラー４５が配置されている。
【０１１７】
この状態で、一方の光束（例えばＰ偏光の参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（例えばＰ偏光の物体光Ｌ２）を、ピンホールミラー４５に対して反射膜５１の孔５１ａよりも大きな光束径で、反射膜５１の孔５１ａを含む領域に入射させる。
【０１１８】
このとき、ピンホールミラー４５の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置しているので、参照光Ｌ１は孔５１ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料２２ａにＰ偏光のまま入射する。また、物体光Ｌ２のうち、反射膜５１（孔５１ａ以外の部分）にて反射された光は、参照光Ｌ１と同軸でホログラム感光材料２２ａにＰ偏光の状態で入射するが、反射膜５１の孔５１ａに入射した光は、そこを透過するため、ホログラム感光材料２２ａには入射しない。
【０１１９】
したがって、ホログラム感光材料２２ａにおいて、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａに対応する領域には、１光束のみ（参照光Ｌ１のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内におけるピンホールミラー４５の反射膜５１の形成領域（孔５１ａを除く）に対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（上記の例ではＰ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子２２では、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａと対応してホログラム非構成領域３１が形成され、そのホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２が形成される。
【０１２０】
このように、図８の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製する場合でも、露光時の２光束の一方として発散光を用いながら、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させることができるとともに、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。したがって、図８の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製した場合でも、その使用時には光源１２からの光の大部分を有効利用して明るい光源ユニットを実現できる、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができるなど、上述した本発明の効果を得ることができる。
【０１２１】
また、ピンホールミラー４５は、透明基板５２上に反射膜５１が形成されたものであり、その薄型化が容易である。したがって、光路合成手段としてピンホールミラー４５を用いることにより、ピンホールミラー４５の配置角度に自由度が増す。したがって、例えば、ピンホールミラー４５の反射面がホログラム感光材料２２ａにおける光入射面２２ｂと平行に近づく方向にピンホールミラー４５を傾けて配置する（ピンホールミラー４５の反射面と軸Ｂとの交差角度がより垂直に近づくようにする）ことも可能となる。
【０１２２】
これにより、集光レンズ４１をピンホールミラー４５に近づけて配置することが可能となるので、例えば集光レンズ４１のＮＡを大きくする、言い換えれば、集光レンズ４１の焦点距離を短くすることが可能となる。その結果、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、発散光の集光点に対応する位置に配置される光源１２から出射される光のうち、より広い放射角度の光をホログラム光学素子２２にて回折、偏向させることが可能となり、より明るい光を出射する光源ユニットを実現することが可能となる。
【０１２３】
（７．製造光学系の変形例３）
以上では、露光時にホログラム感光材料２２ａに２光束を同軸で入射させる例について説明したが、完全な同軸でなくてもよい。例えば、図９は、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束が略同軸となる製造光学系の主要部の構成を示す断面図である。なお、同図では、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束のうち、参照光Ｌ１を生成する光学系の光軸を軸Ｂ１とし、物体光Ｌ２を生成する光学系の光軸を軸Ｂ２としている。また、図１０は、その製造光学系によって製造されたホログラム光学素子２２の概略の構成を示す断面図である。
【０１２４】
ホログラム光学素子２２は、例えば軸Ｂ１に対するピンホールミラー４５の傾斜角度、およびピンホールミラー４５に対する物体光Ｌ２の入射角度を適切に設定してホログラム感光材料２２ａを露光することにより、作製することができる。したがって、このような製造光学系では、ピンホールミラー４５は、露光時に別々の方向に進行する２光束がホログラム感光材料２２ａに対して略同軸で入射するように、２光束の光路を合成する光路合成手段として機能する。
【０１２５】
このように露光時にホログラム感光材料２２ａに２光束を略同軸で入射させるようにしても、プラス側およびマイナス側に偏向角の大きいホログラム光学素子２２を得ることは可能であり、そのホログラム光学素子２２を用いて光源１２からの光の大部分（放射角度の広い光）を利用することが可能である。したがって、このような露光方法であっても、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【０１２６】
なお、露光時の２光束の軸Ｂ１・Ｂ２の交差角度は、例えば５°以下であってもよいし、１０°以下であってもよい。要は、作製されたホログラム光学素子２２において、プラス側およびマイナス側の両方の偏向角を実現できる交差角度であればよい。
【０１２７】
（８．ホログラム光学素子の他の構成について）
図１１は、ホログラム光学素子２２の他の構成を示すものであって、使用時に入射した点Ｐ（光源１２）からの発散光が、光射出面２２ｃに対して垂直以外の角度で平行に射出されるホログラム光学素子２２の概略の構成を示す断面図である。
【０１２８】
このホログラム光学素子２２は、図１、図７または図８の製造光学系において、軸Ｂに対して基板２１（図２参照）が垂直以外の角度で傾くようにホログラム感光材料２２ａを位置させ、これを２光束で露光することにより作製することが可能である。このようにして作製されるホログラム光学素子２２を光源１２と組み合わせて光源ユニットを構成することで、光源ユニットを軸Ａ方向に小型化することができる。
【０１２９】
なお、同図では、製造光学系の軸Ｂと使用時の光学系の軸Ａとは同軸とはなっていないが、軸Ａと軸Ｂとが同軸となるようにホログラム光学素子２２を配置して使用する、つまり、軸Ａに対してホログラム光学素子２２を傾けて使用することも勿論可能である。
【０１３０】
（９．ホログラム基板の他の構成について）
図１２は、ホログラム基板２の他の構成を示す断面図である。このホログラム基板２は、基板２１の代わりに同じく透明な基板２３を用い、その上にホログラム光学素子２２を形成したものであるが、基板２３がレンズ部２３ａを有している点で、平板状の基板２１とは異なっている。また、使用時には、ホログラム基板２は、ホログラム光学素子２２に対して基板２３が光入射側に位置するように光学系中に配置される。
【０１３１】
レンズ部２３ａは、所定の光学的パワーを有しており、基板２３においてホログラム光学素子２２のホログラム非構成領域３１と対応する位置に形成されている。このようなホログラム基板２は、レンズ部２３ａ付きの基板２３上にホログラム感光材料２２ａを貼り付けて２光束で露光することにより得られる。なお、基板２３上にホログラム感光材料２２ａを貼り付ける場合、そのホログラム感光材料２２ａは、予めホログラム非構成領域３１に対応する部分が除去された状態で基板２３（レンズ部２３ａ）と位置決めされて貼り付けられる。つまり、図１２では、ホログラム非構成領域３１が孔で構成されていることになる。なお、このようなホログラム感光材料２２ａを用いてホログラム光学素子２２を作製する場合でも、ホログラム感光材料２２ａの露光方法自体は、上述した各種の方法を用いることができる。
【０１３２】
図１２のようにホログラム基板２を構成した場合、基板２３のレンズ部２３ａにて入射光を偏向（屈折）させた後に、その光をホログラム非構成領域３１に入射させ、そこを透過させることができる。したがって、ホログラム構成領域３２での入射光の回折、偏向を併せて考えると、ホログラム基板２全体として１つの集光レンズと等価なものを実現することができる。なお、レンズ部２３ａを設けることにより、ホログラム基板２全体の厚みが著しく増加することはない。
【０１３３】
（１０．その他）
なお、本実施形態では、ホログラム感光材料２２の露光を単色（５３２ｎｍ）の光で行った例について説明したが、露光時にＲＧＢのレーザ光を用い、ＲＧＢに対応した３種類の干渉縞をホログラム感光材料２２ａに形成することにより、ＲＧＢの３色の光を回折するホログラム光学素子２２を作製してもよい。この場合、ＲＧＢの出射光の強度ピークの波長がホログラム光学素子２２におけるＲＧＢの回折ピーク波長に近い光源１２を用いることにより、配向特性の良好な薄型の白色光源モジュールを実現することができる。
【０１３４】
なお、本実施形態のホログラム光学素子２２では、ホログラム構成領域３２がホログラム非構成領域３１の回りにリング状で形成されるので、ホログラム光学素子２２を結像レンズ（例えば安価で薄型のピックアップの対物レンズなど）として用いることも可能となる。
【０１３５】
なお、本実施形態の手法でホログラム光学素子２２を一旦作製した後は、これをマスターホログラムとして用いることにより、これとのコンタクトコピーで複製ホログラムを作製することも可能である。
【０１３６】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、使用時にホログラム光学素子２２のホログラム構成領域３２にて回折、偏向されて出射される光が軸Ａと平行でない場合、より詳しくは、ホログラム感光材料２２ａの露光時に用いる２光束として、両方ともホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束を用いた場合について説明する。
【０１３７】
図１３は、本実施形態のホログラム光学素子２２の詳細な構成を示す断面図である。本実施形態のホログラム光学素子２２は、点Ｐからの発散光をホログラム構成領域３２にて回折、偏向したときに、上記発散光よりも放射角度（発散角度）の小さい光束が射出されるようにホログラム構成領域３２を形成した点以外は、実施の形態１と同様の構成である。したがって、このホログラム光学素子２２では、その使用時に、あたかも、軸Ａ上の点であって点Ｐからより離れた位置の点Ｑに光源１２が配置されてそこから光が出射されているかのような偏向角が実現されている。
【０１３８】
図１４は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束が両方とも発散光となるように構成されている。つまり、一方の発散光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４１と、ピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、ピンホールミラー４５は、反射膜５１の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置するように配置されている。また、集光レンズ４１の集光位置は、後述する集光レンズ４６の集光位置よりもホログラム感光材料２２ａに光学的に近い位置となっている。これに対して、他方の発散光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４６と、中央に孔４７ａを有するピンホール４７（スペイシャルフィルタ）と、上記のピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、ピンホール４７の孔４７ａは、集光レンズ４６の集光位置に位置している。
【０１３９】
このような製造光学系において、一方の光束（例えばＰ偏光の参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（例えばＰ偏光の物体光Ｌ２）を、集光レンズ４６、ピンホール４７の孔４７ａ、ピンホールミラー４５を介してホログラム感光材料２２ａに入射させる。
【０１４０】
このとき、ピンホールミラー４５の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置しているので、参照光Ｌ１は孔５１ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料２２ａにＰ偏光のまま入射する。また、ピンホール４７の孔４７ａは集光レンズ４６の集光位置に位置しているので、物体光Ｌ２は孔４７ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となって、反射膜５１の孔５１ａよりも大きな光束径でピンホールミラー４５に入射する。そして、反射膜５１（孔５１ａ以外の部分）にて反射された光は、参照光Ｌ１と同軸でホログラム感光材料２２ａにＰ偏光の状態で入射するが、反射膜５１の孔５１ａに入射した光は、そこを透過するため、ホログラム感光材料２２ａには入射しない。
【０１４１】
したがって、ホログラム感光材料２２ａにおいて、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａに対応する領域には、１光束のみ（参照光Ｌ１のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内におけるピンホールミラー４５の反射膜５１の形成領域（孔５１ａを除く）と対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（上記の例ではＰ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子２２では、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａと対応してホログラム非構成領域３１が形成され、そのホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２が形成される。
【０１４２】
しかも、ホログラム構成領域３２は、発散光同士の干渉によって形成されるので、使用時にはホログラム構成領域３２から発散光が出射される。より詳しくは、本実施形態では、製造光学系における集光レンズ４１の集光位置は、集光レンズ４６の集光位置よりもホログラム感光材料２２ａに光学的に近い位置となっているので、露光時の参照光Ｌ１の集光位置に対応する位置に光源１２を配置したときには、光源１２からの発散光よりも発散角度の小さい光（物体光Ｌ２と同じ光路の光）がホログラム構成領域３２から出射される。
【０１４３】
このように、図１４の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製する場合には、露光時に用いる２光束は両者とも、ホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束となるが、この場合であっても、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させることができるとともに、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。したがって、図１４の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製した場合でも、その使用時には光源１２からの光の大部分を有効利用して明るい光源ユニットを実現できる、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１４４】
また、本実施形態では、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、光源１２からの発散光よりも発散角度の小さい光がホログラム構成領域３２から出射されるので、使用時にそのような光が要求される光学系に本実施形態のホログラム光学素子２２は好適となる。
【０１４５】
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１・２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、使用時にホログラム光学素子２２のホログラム構成領域３２にて回折、偏向されて出射される光が軸Ａと平行でない場合、より詳しくは、ホログラム感光材料２２ａの露光時に用いる２光束として、ホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束（例えば参照光Ｌ１）と収束光となる光束（例えば物体光Ｌ２）とを用いた場合について説明する。
【０１４６】
図１５は、本実施形態のホログラム光学素子２２の詳細な構成を示す断面図である。本実施形態のホログラム光学素子２２は、点Ｐからの発散光をホログラム構成領域３２にて回折、偏向したときに、全体として収束光が射出されるようにホログラム構成領域３２を形成した点以外は、実施の形態１と同様の構成である。
【０１４７】
図１６は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束の一方が発散光となり、他方が収束光となるように構成されている。つまり、一方の発散光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４１と、ピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、ピンホールミラー４５は、反射膜５１の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置するように配置されている。これに対して、他方の収束光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４８と、上記のピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、集光レンズ４８の集光位置は、ホログラム感光材料２２ａに対して集光レンズ４１の集光位置とは反対側に設定されている。
【０１４８】
このような製造光学系において、一方の光束（例えばＰ偏光の参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（例えばＰ偏光の物体光Ｌ２）を、集光レンズ４８、ピンホールミラー４５を介してホログラム感光材料２２ａに入射させる。
【０１４９】
このとき、ピンホールミラー４５の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置しているので、参照光Ｌ１は孔５１ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料２２ａにＰ偏光のまま入射する。また、物体光Ｌ２は集光レンズ４８にて集光され、反射膜５１の孔５１ａよりも大きな光束径でピンホールミラー４５に入射する。このとき、物体光Ｌ２のうち、反射膜５１（孔５１ａ以外の部分）に入射した光はそこで反射され、参照光Ｌ１と同軸でホログラム感光材料２２ａにＰ偏光の状態で収束光として入射するが、反射膜５１の孔５１ａに入射した光はそこを透過するため、ホログラム感光材料２２ａには入射しない。
【０１５０】
したがって、ホログラム感光材料２２ａにおいて、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａに対応する領域には、１光束のみ（参照光Ｌ１のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内におけるピンホールミラー４５の反射膜５１の形成領域（孔５１ａを除く）と対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（上記の例ではＰ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子２２では、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａと対応してホログラム非構成領域３１が形成され、そのホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２が形成される。
【０１５１】
しかも、ホログラム構成領域３２は、発散光と収束光との干渉によって形成されるので、露光時の参照光Ｌ１の集光位置に対応する位置に発散光を出射する光源１２を配置したときには、使用時にはホログラム構成領域３２から収束光が出射される。
【０１５２】
このように、図１６の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製する場合には、露光時に用いる２光束の一方が発散光であり、他方が収束光となるが、この場合であっても、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させることができるとともに、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。したがって、図１６の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製した場合でも、その使用時には光源１２からの光の大部分を有効利用して明るい光源ユニットを実現できる、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１５３】
また、本実施形態では、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、光源１２として発散光を出射するものを用いているにもかかわらず、ホログラム構成領域３２からはそこでの回折、偏向によって収束光が出射されるので、使用時にそのような光が要求される光学系に本実施形態のホログラム光学素子２２は好適となる。
【０１５４】
なお、以上の各実施の形態で説明した構成や手法を適宜組み合わせてホログラム光学素子ひいては光源ユニットを構成したり、ホログラム光学素子を製造することも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明の製法により作製されるホログラム光学素子は、例えば光源ユニットをはじめとする各種の照明装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る光源ユニットに適用されるホログラム光学素子を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【図２】上記光源ユニットの概略の構成を示す断面図である。
【図３】上記ホログラム光学素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図４】上記製造光学系の偏光状態変換部材からホログラム感光材料に入射する光の光路を拡大して示す説明図である。
【図５】上記ホログラム光学素子の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図６】他のホログラム光学素子の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図７】上記製造光学系の主要部の他の構成を示す断面図である。
【図８】上記製造光学系の主要部のさらに他の構成を示す断面図である。
【図９】上記製造光学系の主要部のさらに他の構成を示す断面図である。
【図１０】図９の製造光学系によって製造されたホログラム光学素子の概略の構成を示す断面図である。
【図１１】上記ホログラム光学素子の他の構成を示す断面図である。
【図１２】上記光源ユニットに適用されるホログラム基板の他の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態に係るホログラム光学素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図１４】上記ホログラム光学素子を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【図１５】本発明のさらに他の実施の形態に係るホログラム光学素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図１６】上記ホログラム光学素子を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【図１７】（ａ）は、従来の光源ユニットの概略の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、上記光源ユニットに用いられるホログラム光学素子の製造方法を示す断面図である。
【図１８】上記ホログラム光学素子における偏向角の概念を模式的に示す説明図である。
【図１９】上記ホログラム光学素子の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５７】
１２ 光源
２２ ホログラム光学素子
２２ａ ホログラム感光材料
２３ 基板
２３ａ レンズ部
３１ ホログラム非構成領域
３２ ホログラム構成領域
４１ 集光レンズ
４２ ＰＢＳ（光路合成手段）
４３ 偏光状態変換部材（偏光状態変換手段）
４３ａ 第１の領域
４３ｂ 第２の領域
４４ 偏光状態変換部材（偏光状態変換手段）
４４ａ 第１の領域
４４ｂ 第２の領域
４５ ピンホールミラー（光路合成手段）
５１ 反射膜
５１ａ 孔
Ｌ１ 参照光
Ｌ２ 物体光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラム感光材料を２光束で露光することにより体積位相型の透過型ホログラム光学素子を作製するホログラム光学素子の製造方法と、そのホログラム光学素子と、そのホログラム光学素子を用いた光源ユニットとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
発光ダイオード（ＬＥＤ）は、従来から光源として多く用いられてきた蛍光管に比べ、コンパクトで消費電力が小さく、長寿命であることから、近年では様々な機器に用いられるようになってきている。このようなＬＥＤは、一般に、放射角度が大きいので（例えば強度半値で±６０度（全角１２０度）程度）、用途によってはＬＥＤと集光レンズとを一体化して放射角度の小さな光源ユニットが実現されている。しかし、このように放射角度を小さくするために集光レンズを用いると、パッケージ（光源ユニット）の厚さが集光レンズを用いない場合に比べて約２倍にもなり、集光レンズの厚さ分だけパッケージの厚さが増大してしまう。
【０００３】
そこで、例えば特許文献１では、図１７（ａ）に示すように、ＬＥＤ１０１を包含する本体１０２の表面に、中間層１０３を介してフィルム状で透過型のホログラム光学素子１０４を貼り付け、ＬＥＤ１０１からの発散光をホログラム光学素子１０４で平行光に整形して射出するようにしている。ホログラム光学素子１０４はフィルム状であるので、これをＬＥＤ１０１の前方に配置することにより、パッケージ全体の厚さを薄くして装置を小型化することが可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−２９２９３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図１７（ｂ）に示すように、透過型のホログラム光学素子１０４は、基板上のホログラム感光材料１０４ａに対して同じ側から参照光Ｌ１と物体光Ｌ２とを照射し、干渉縞を屈折率変調として記録することにより作製される。このとき、参照光Ｌ１と物体光Ｌ２とは異なる角度でホログラム感光材料１０４ａに入射するので、作製されたホログラム光学素子１０４の使用時には、図１７（ａ）に示すように、ホログラム光学素子１０４から光が角度を持って斜めに射出されることになる。
【０００６】
ここで、図１８に示すように、使用時にホログラム光学素子１０４に入射する光線（実線）と、ホログラム光学素子１０４から出射される光線（実線）の延長線（破線）とのなす角度のうち、鋭角となる角度θを偏向角と呼ぶことにする。また、説明の理解をしやすくするため、上記のホログラム光学素子１０４は、使用時にそこから出射される光が平行光であり、その出射光と露光時に同一方向となる光（例えば物体光Ｌ２）のホログラム感光材料１０４ａに対する入射角度が０°となるように基板を配置して作製されているものとする。したがって、この場合、ホログラム光学素子１０４の使用時における偏向角θは、露光時に用いた参照光Ｌ１のホログラム感光材料１０４ａに対する入射角度に等しくなる。なお、破線で示すホログラム光学素子１０４は、図１７（ｂ）の露光状態における位置を示している。
【０００７】
図１９は、図１７（ａ）のホログラム光学素子１０４の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。なお、このシミュレーションは、製造波長（参照光Ｌ１および物体光Ｌ２の波長）をλ０、ホログラム感光材料１０４ａ（例えばフォトポリマー）の屈折率をｎ、屈折率変調量をΔｎ、ホログラム感光材料１０４ａの厚さをｔ、ホログラム感光材料１０４ａに対する参照光Ｌ１の入射角度をθ１、ホログラム感光材料１０４ａに対する物体光Ｌ２の入射角度をθ２、再生波長をλ１としたとき、λ０＝５３２ｎｍ、ｎ＝１．５、Δｎ＝０．００８、ｔ＝３５μｍ、θ１＝０〜８５°、θ２＝０°、λ１＝５３２ｎｍとして得られたものである。また、このシミュレーションは、図１７（ａ）の構成では、図１８に示すように、ホログラム光学素子１０４の光入射面１０４ｂに垂直な面内で、ホログラム光学素子１０４から出射される光線の延長線に対して一方の側にのみ偏向角θができるという事実に基づき、偏向角θ（＝θ１）の範囲を０〜８５°の同一符号の範囲で行ったものである。
【０００８】
このシミュレーション結果より、回折効率が例えば７０％以上となる偏向角θの範囲は、ほぼ１０°から６０°までの５０°となる。したがって、露光時の参照光Ｌ１の集光点Ｐ（図１８参照）にＬＥＤ１０１を配置して使用したときのＬＥＤ１０１の放射角度をθ３とすると、図１８での幾何学的関係よりθ３＜θであることから、図１７（ａ）の構成では、ＬＥＤ１０１から出射される光のうち、放射角度が全体で５０°よりも確実に小さい範囲内（ＬＥＤ１０１からの出射光の光軸を基準とすると、そこから±２５°よりも確実に小さい範囲内）の光しか高い回折効率で回折（偏向）されないことになる。その結果、図１７（ａ）の構成では、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができない。
【０００９】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、光源から出射される光の大部分（放射角度の広い光）を偏向して明るい光を出射することができる光源ユニットと、その光源ユニットに用いられるホログラム光学素子と、そのホログラム光学素子の製造方法とを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のホログラム光学素子の製造方法は、ホログラム感光材料を２光束で露光することにより体積位相型の透過型ホログラム光学素子を作製するホログラム光学素子の製造方法であって、２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、ホログラム感光材料に対して２光束を同軸または略同軸で入射させることを特徴としている。
【００１１】
ここで、作製された透過型ホログラム光学素子の使用時にホログラム光学素子に入射する光線と、ホログラム光学素子から出射される光線（ホログラム光学素子に入射した光線が回折、偏向されて出射される場合の出射光線）の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角と呼ぶことにする。すなわち、偏向角とは、入射光線がホログラム光学素子での回折によってどの程度偏向されて出射されるかを示す指標となるものである。また、２光束の軸としては、２光束をそれぞれ生成する光学系の光軸を考えることができる。
【００１２】
本発明の製造方法によれば、ホログラム感光材料を露光する２光束のうちの少なくとも一方の光束が、ホログラム感光材料への入射時に発散光となる光束であるので、作製されたホログラム光学素子の使用時には、その発散光の出射ポイントに対応する位置に発光ダイオード（以下、ＬＥＤとも称する）のような一定の放射角度で光を出射する光源を配置して、光源から出射される光（発散光）をホログラム光学素子で偏向（回折）させることができる。
【００１３】
また、露光時には、ホログラム感光材料に対して２光束を同軸または略同軸で入射させるので、作製されたホログラム光学素子の使用時には、ホログラム光学素子の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子から出射される光線の延長線に対して一方の側（プラス側）にできる偏向角だけでなく、他方の側（マイナス側）の偏向角も実現することができる。これにより、使用時に用いる光源として、プラス側およびマイナス側の偏向角の最大値まで放射角度を広げたものを用いることができる。言い換えれば、それ以上に放射角度の広い光源を用いた場合でも、光源から出射される光の大部分をホログラム光学素子にて偏向させて利用することができる。その結果、片側の偏向角のみ実現していた従来に比べて、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００１４】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記２光束は、光路合成手段で光路合成された後、ホログラム感光材料に入射することが望ましい。
【００１５】
このようにすることで、露光時に、別々の方向に進行する２光束を、光路合成手段での光路合成によってホログラム感光材料に対して同軸または略同軸で入射させることができる。また、光路合成手段を用いることにより、製造光学系をシンプルに構成することができ、シンプルな構成で上述した本発明の効果を得ることができる。なお、このような光路合成手段としては、例えば偏光ビームスプリッタやピンホールミラーを想定することができる。
【００１６】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記光路合成手段として、入射光を偏光状態に応じて透過または反射させる偏光ビームスプリッタを用い、上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記偏光ビームスプリッタと、偏光状態変換手段とを配置し、上記偏光状態変換手段は、入射光の偏光状態を維持する第１の領域と、入射光の偏光状態を変換する第２の領域とを有しており、第１および第２の領域のうちの一方は、上記集光レンズの集光位置に位置し、他方は一方を光軸回りに取り囲むように形成されており、一方の光束を、上記集光レンズ、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域のうちで上記集光レンズの集光位置に位置する領域を介してホログラム感光材料に入射させ、他方の光束を、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域の両者を介してホログラム感光材料に入射させるようにしてもよい。なお、偏光状態変換手段の第１の領域は、例えば孔（空隙）や透明基板（ガラス基板またはプラスチック基板）で構成することが可能であり、第２の領域は、例えば１／２波長板で構成することが可能である。
【００１７】
上記製法においては、一方の光束（例えばＳ偏光とする）は、集光レンズを介して偏光ビームスプリッタに入射してそこで反射され、偏光状態変換手段における集光レンズの集光位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料に入射する。このとき、集光レンズの集光位置に偏光状態変換手段の第１の領域が位置していれば、第１の領域に入射した光は、偏光状態がそのまま維持されて（Ｓ偏光のまま）、ホログラム感光材料に入射する。一方、集光レンズの集光位置に偏光状態変換手段の第２の領域が位置していれば、第２の領域に入射した光は、偏光状態が変換されて（Ｐ偏光に変換されて）、ホログラム感光材料に入射する。
【００１８】
これに対して、他方の光束（例えばＰ偏光とする）は、偏光ビームスプリッタに入射してそこを透過し、偏光状態変換手段の第１および第２の領域の両者を介してホログラム感光材料に入射する。このとき、他方の光束のうちで偏光状態変換手段の第１の領域に入射した光は、Ｐ偏光のまま出射され、第２の領域に入射した光は、そこでＳ偏光に変換されて出射される。
【００１９】
したがって、偏光状態変換手段の第１の領域が集光レンズの集光位置に位置しているときには（第１の領域を光軸回りに取り囲むように第２の領域が形成されているときには）、ホログラム感光材料で第１の領域と対応する領域には、一方の光束がＳ偏光で入射し、他方の光束がＰ偏光で入射するので、これらは互いに干渉せず、干渉縞が形成されない。一方、ホログラム感光材料で（他方の光束の入射範囲内における）第２の領域と対応する領域には、２光束がともにＳ偏光で入射するので、これらが互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子では、第１の領域と対応してホログラム非構成領域が形成され、そのホログラム非構成領域を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域が形成される。
【００２０】
また、偏光状態変換手段の第２の領域が集光レンズの集光位置に位置しているときには（第２の領域を光軸回りに取り囲むように第１の領域が形成されているときには）、ホログラム感光材料で第２の領域と対応する領域には、一方の光束がＰ偏光で入射し、他方の光束がＳ偏光で入射するので、これらは互いに干渉せず、干渉縞が形成されない。一方、ホログラム感光材料で（他方の光束の入射範囲内における）第１の領域と対応する領域には、２光束がともにＰ偏光で入射するので、これらは互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子では、第２の領域と対応してホログラム非構成領域が形成され、そのホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域が形成される。
【００２１】
このように、本発明の製法によれば、ホログラム光学素子において、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、例えば作製したホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して用いるときに、ホログラム非構成領域に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域に入射した光はそこで回折されて出射される。
【００２２】
ところで、図５のグラフからわかるように、例えばホログラム構成領域のみを有する透過型のホログラム光学素子においては、使用時における偏向角が小さい領域では回折効率が極端に低下し、取り出す光の強度が著しく低下する。
【００２３】
しかし、本発明によれば、ホログラム光学素子においてホログラム構成領域のみならずホログラム非構成領域をも形成しているので、例えばホログラムが構成されていれば偏向角が小さくなると考えられる領域においては、ホログラム非構成領域とすることで、高い透過光量を得ることができ、取り出す光の強度が著しく低下するのを回避することができる。特に、本発明によれば、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、ホログラム光学素子から取り出される光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００２４】
また、光路合成手段として偏光ビームスプリッタを用いることにより、光路合成の容易な製造光学系を実現することができる。
【００２５】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記偏光状態変換手段の第１の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第２の領域は第１の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、第２の領域は、１／２波長板で構成されており、第１の領域は、上記１／２波長板に形成される孔で構成されていてもよい。
【００２６】
第２の領域を１／２波長板とし、第１の領域をその１／２波長板に形成される孔（空隙）とすることで、第１の領域を光軸回りに取り囲むように、第２の領域を容易に形成することができる。したがって、ホログラム光学素子の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる効果を容易に得ることができる。
【００２７】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記偏光状態変換手段の第２の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第１の領域は第２の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、第１の領域は、透明基板で構成されており、第２の領域は、１／２波長板で構成されていてもよい。
【００２８】
第１の領域を透明基板（例えばガラス基板またはプラスチック基板）とし、第２の領域を１／２波長板とすることで、第２の領域を光軸回りに取り囲むように、第１の領域を形成することができる。したがって、ホログラム光学素子の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる効果を容易に得ることができる。
【００２９】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、上記光路合成手段として、孔を有する反射膜を透明基板上に形成したピンホールミラーを用い、上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記ピンホールミラーとを配置するとともに、上記反射膜の孔が上記集光レンズの集光位置に位置するように上記ピンホールミラーを配置し、一方の光束を、上記集光レンズ、上記ピンホールミラーの反射膜の孔を介してホログラム感光材料に入射させ、他方の光束を、上記ピンホールミラーに対して反射膜の孔よりも大きな光束径で上記反射膜の孔を含む領域に入射させ、上記反射膜にて反射された光束をホログラム感光材料に入射させるようにしてもよい。
【００３０】
上記製法においては、一方の光束（例えばＰ偏光とする）は、集光レンズを介してピンホールミラーに入射し、その反射膜の孔の位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料に入射する。これに対して、他方の光束（例えばＰ偏光とする）は、ピンホールミラーの反射膜の孔よりも大きな光束径で上記反射膜を含む領域に入射し、反射膜にて反射された光のみがホログラム感光材料に入射する（他方の光束のうちで反射膜の孔に入射した光は、そこを透過するため、ホログラム感光材料には入射しない）。
【００３１】
したがって、ホログラム感光材料でピンホールミラーの反射膜の孔に対応する領域には、１光束のみ（一方の光束のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料で（他方の光束の入射範囲内における）ピンホールミラーの反射膜の形成領域に対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（Ｐ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子では、ピンホールミラーの反射膜の孔と対応してホログラム非構成領域が形成され、そのホログラム非構成領域を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域が形成される。
【００３２】
このように、本発明の製法によれば、ホログラム光学素子において、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、例えば作製したホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して用いるときに、ホログラム非構成領域に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域に入射した光はそこで回折されて出射される。
【００３３】
ところで、図５のグラフからわかるように、例えばホログラム構成領域のみを有する透過型のホログラム光学素子においては、使用時における偏向角が小さい領域では回折効率が極端に低下し、取り出す光の強度が著しく低下する。
【００３４】
しかし、本発明によれば、ホログラム光学素子においてホログラム構成領域のみならずホログラム非構成領域をも形成しているので、例えばホログラムが構成されていれば偏向角が小さくなると考えられる領域においては、ホログラム非構成領域とすることで、高い透過光量を得ることができ、取り出す光の強度が著しく低下するのを回避することができる。特に、本発明によれば、ホログラム非構成領域を取り囲むようにホログラム構成領域を形成することができるので、ホログラム光学素子から取り出される光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００３５】
また、ピンホールミラーは、透明基板上に反射膜が形成されたものであり、その薄型化が容易である。したがって、光路合成手段としてピンホールミラーを用いることにより、ピンホールミラーの配置角度に自由度が増し、その配置角度の調整次第で集光レンズをピンホールミラー側に近づけて配置することが可能となる。これにより、集光レンズのＮＡ（開口数）を大きくする、言い換えれば、集光レンズの焦点距離を短くすることが可能となる。その結果、作製されたホログラム光学素子の使用時には、より広い放射角度の光をホログラム光学素子にて偏向させることが可能となり、より明るい光を出射する光源ユニットを実現することが可能となる。
【００３６】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、ホログラム感光材料に入射する２光束をそれぞれ生成する光学系の光軸は、作製されたホログラム光学素子の使用時の光学系と同軸であることが望ましい。
【００３７】
この場合、例えば、作製されたホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して使用するときに、露光時と同一軸上に光源を配置すれば、発光特性が軸対称（回転対称）となる光源ユニットを実現することができる。
【００３８】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の両者として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用いてもよい。
【００３９】
この場合、使用時にホログラム光学素子に発散光を入射させた場合には、ホログラム光学素子での回折、偏向によって発散光が出射されるので、上記のホログラム光学素子は、使用時にそのような発散光が要求される光学系や光源ユニットに好適となる。
【００４０】
本発明のホログラム光学素子の製造方法において、ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束のうち、一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、他方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に収束光となる光束を用いてもよい。
【００４１】
この場合、使用時にホログラム光学素子に発散光を入射させた場合には、ホログラム光学素子での回折、偏向によって収束光が出射されるので、上記のホログラム光学素子は、使用時にそのような収束光が要求される光学系や光源ユニットに好適となる。
【００４２】
本発明のホログラム光学素子は、体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、上述した本発明の製造方法によって製造されてなることを特徴としている。
【００４３】
本発明の製法によってホログラム光学素子が作製されているので、例えば、ＬＥＤなどの光源の前方にホログラム光学素子を配置して光源ユニットを構成した場合に、光源として放射角度の広いものを用いた場合でも、光源から出射される光の大部分をホログラム光学素子にて偏向させることができる。これにより、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００４４】
本発明のホログラム光学素子は、体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、ホログラムが構成されないホログラム非構成領域と、ホログラムが構成されるホログラム構成領域とを有しており、ホログラム構成領域は、ホログラム非構成領域を取り囲むように形成されていることを特徴としている。
【００４５】
上記の構成によれば、ホログラム構成領域がホログラム非構成領域を取り囲むように形成されてホログラム光学素子が構成されるので、そのホログラム光学素子を作製すべく、ホログラム感光材料を２光束で露光する際には、２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料への入射時に発散光となる光束を用いながら、２光束を同軸または略同軸でホログラム感光材料に入射させる手法を採用することができる。
【００４６】
これにより、ホログラム光学素子の使用時には、その発散光の出射ポイントに対応する位置にＬＥＤのような一定の放射角度で光を出射する光源を配置して、光源から出射される光（発散光）をホログラム光学素子で偏向させることができる。しかも、ホログラム光学素子の使用時には、ホログラム光学素子の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子から出射される光線の延長線に対して一方の側（プラス側）にできる偏向角だけでなく、他方の側（マイナス側）の偏向角も実現することができる。これにより、使用時に用いる光源として、プラス側およびマイナス側の偏向角の最大値まで放射角度を広げたものを用いることができる。言い換えれば、それ以上に放射角度の広い光源を用いた場合でも、光源から出射される光の大部分をホログラム光学素子にて偏向させて利用することができる。その結果、片側の偏向角のみ実現していた従来に比べて、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００４７】
また、本発明のように、ホログラム光学素子がホログラム構成領域とホログラム非構成領域とを有して構成されていれば、本来、ホログラムが構成されていれば偏向角が小さく、回折効率が極端に低下する領域と、本来なら偏向角が小さい領域の周囲に形成され、偏向角が大きく、回折効率が高い領域とを、ホログラム非構成領域およびホログラム構成領域にそれぞれ対応付けて本発明のホログラム光学素子を使用することができる。
【００４８】
このように各領域を対応付けて本発明のホログラム光学素子をＬＥＤなどの光源の前に配置して用いた場合、ホログラム非構成領域に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域に入射した光はそこで回折されて出射される。したがって、ホログラム非構成領域からは高い透過光量の光を得ることができ、また、ホログラム構成領域からは高い回折効率で回折光を得ることができる。その結果、ホログラム光学素子から取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００４９】
本発明のホログラム光学素子において、ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、５°以上であることが望ましい。
【００５０】
体積位相型の透過型ホログラム光学素子を構成する元となるホログラム感光材料が例えばフォトポリマーで構成されている場合、偏向角の絶対値が５°以上となる領域は回折効率が高いので、ホログラム構成領域から強度の十分な光を得ることができる。
【００５１】
なお、ホログラム構成領域が取り囲むホログラム非構成領域は、本来ホログラムが構成されれば偏向角の絶対値が５°未満となる領域であり、本来なら回折効率が極端に低下する領域であるが、本発明ではその領域にホログラムが構成されていないので、高い透過光量によって強度の十分な光を得ることができる。
【００５２】
本発明のホログラム光学素子において、ホログラム構成領域を構成する元となるホログラム感光材料は、フォトポリマーで構成されていることが望ましい。
【００５３】
この場合、偏向角の絶対値が５°以上となるホログラム構成領域にて、高い回折効率を確実に実現することができ、ホログラム構成領域から強度の十分な光を確実に得ることができる。また、ホログラム感光材料としてフォトポリマーを用いれば、全てドライプロセスでホログラム光学素子を作製することができるため、製造工程が簡易となる。
【００５４】
本発明のホログラム光学素子において、ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、ホログラム構成領域における１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる角度であってもよい。
【００５５】
この場合、ホログラム構成領域では、１次光の最大回折効率の５０％以上の回折効率が確保されるので、ホログラム構成領域から強度の十分な光を得ることができる。なお、体積位相型の透過型ホログラム光学素子を構成する元となるホログラム感光材料は、例えばフォトポリマーや銀塩材料であってもよく、その他の材料であってもよい。
【００５６】
本発明のホログラム光学素子は、回転対称であってもよい。ホログラム光学素子が回転対称、すなわち、ホログラム非構成領域およびホログラム構成領域が両者とも回転対称に構成されることにより、本発明のホログラム光学素子を一般的な同軸光学系に容易に適用することが可能となる。
【００５７】
本発明のホログラム光学素子において、該ホログラム光学素子は、透明基板上に形成されたホログラム感光材料を２光束で露光することによって作製されており、上記透明基板は、該基板の一部にレンズ部が形成されたレンズ付き基板であり、上記レンズ部は、ホログラム非形成領域に対応して位置している構成であってもよい。
【００５８】
例えば、ＬＥＤなどの光源の前に本発明のホログラム光学素子を、レンズ付き基板側が光源側となるように配置して用いる場合、光源から出射された光は、レンズ付き基板のレンズ部で屈折されてホログラム非構成領域に入射し、そこを透過する。一方、ホログラム構成領域では、上述の通り、入射光が回折、偏向されて出射される。したがって、ホログラム光学素子全体として、光学的パワーを有する薄型の光学素子を容易に実現することができる。
【００５９】
本発明の光源ユニットは、光源と、光源の前方に配置される体積位相型の透過型ホログラム光学素子とを備え、上記ホログラム光学素子は、上述した本発明のホログラム光学素子で構成されていることを特徴としている。
【００６０】
この構成では、例えば光源として放射角度の広いものを用いた場合でも、光源から出射される光の大部分は、本発明のホログラム光学素子にて偏向されて出射される。したがって、光源から出射される光を有効利用して、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００６１】
本発明の光源ユニットにおいて、上記ホログラム光学素子を作製する元となるホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の波長は、使用時の上記光源から出射される光のピーク波長の±２０ｎｍ以内であることが望ましい。
【００６２】
この場合、露光波長と使用波長（ピーク波長）とがほぼ等しいので、光源から出射された光をホログラム光学素子のホログラム構成領域にて効率よく回折させて偏向することができ、光利用効率の高い光源ユニットを実現することができる。
【発明の効果】
【００６３】
本発明によれば、ホログラム光学素子の使用時には、ホログラム光学素子の光入射側の面に垂直な面内で、ホログラム光学素子から出射される光線の延長線に対して、偏向角を両側に形成することができる。これにより、放射角度の広い光源を用いた場合でも、光源から出射される光をほとんどホログラム光学素子にて偏向させて利用することができる。その結果、従来よりも明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
〔実施の形態１〕
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００６５】
（１．光源ユニットについて）
図２は、本実施形態に係る光源ユニットの概略の構成を示す断面図である。この光源ユニットは、光源モジュール１と、ホログラム基板２とを有しており、光源モジュール１から出射される光がホログラム基板２を介して外部に取り出される構成となっている。
【００６６】
光源モジュール１は、筐体１１内に光源１２を有している。光源１２は、例えばピーク波長（中心波長）が５２０ｎｍの光を出射するＬＥＤ（発光ダイオード）で構成されている。光源１２は、放射角度が強度半値でも±６０度（全角１２０度）となる広い放射角度特性を有しており、基板１３上に形成された金属パターンからなる電極１４上に実装されている。また、基板１３上には、金属パターンからなる他の電極１５が形成されており、光源１２と電極１５とはＡｕワイヤ１６で接続されている。また、筐体１１内部は、樹脂モールドされている。
【００６７】
ホログラム基板２は、例えばガラスやプラスチック材料からなる透明な基板２１上にホログラム光学素子２２を有して構成されている。このホログラム基板２は、基板２１に対してホログラム光学素子２２が光源１２側となるように、光源モジュール１の表面に粘着層（図示せず）を介して接着されている。この結果、ホログラム光学素子２２は、光源１２の前方に配置されることになる。ホログラム光学素子２２は、体積位相型の透過型ホログラム光学素子で構成されている。
【００６８】
したがって、光源１２から出射された光（発散光）は、ホログラム光学素子２２にて回折、偏向され、その後、基板２１を透過して外部に出射される。これにより、射出角度の小さい良好な配向特性（偏向特性）の光源ユニットを実現することができる。また、ホログラム光学素子２２は、薄型で安価であるので、そのようなホログラム光学素子２２を用いることにより、光源ユニットを小型で安価に実現することができる。
【００６９】
（２．ホログラム光学素子について）
次に、上記したホログラム光学素子２２の詳細な構成について説明する。図３は、ホログラム光学素子２２の詳細な構成を示す断面図である。ホログラム光学素子２２は、ホログラム非構成領域３１と、ホログラム構成領域３２とを有している。
【００７０】
ホログラム非構成領域３１は、入射光を回折、偏向させるホログラムが構成されていない領域である。したがって、ホログラム非構成領域３１は、そこに光が入射したときにその光を単に透過させる透過領域として機能する。一方、ホログラム構成領域３２は、入射光を回折、偏向させるホログラムが構成されている領域である。より具体的には、ホログラム構成領域３２には、光源１２を点光源と考えたときの発光点に相当する点Ｐからの発散光を回折、偏向し、光軸に平行な光束として射出するようなホログラムが形成されている。なお、ホログラム光学素子２２の使用時における光軸とは、点Ｐを通り、ホログラム光学素子２２の光入射面２２ｂに対して垂直な軸Ａを指すものとする。
【００７１】
ここで、上記のホログラムは、基板２１（図２参照）上に保持されたフィルム状のホログラム感光材料２２ａ（図１参照）を、干渉性を有する２光束で露光することにより形成されるものである。つまり、ホログラムは、２光束干渉によって形成される干渉縞で構成される。したがって、ホログラム非構成領域３１は、上記干渉縞を有していない領域であり、ホログラム構成領域３２は、上記干渉縞を有する領域であるとも言える。
【００７２】
また、ホログラム光学素子２２を作製する元となるホログラム感光材料２２ａとしては、フォトポリマー、銀塩材料、重クロム酸ゼラチンなどを用いることができるが、ここでは、ホログラム光学素子２２をドライプロセスで容易に製造可能なフォトポリマー（例えばデュポン社製）を用いている。
【００７３】
また、本実施形態では、ホログラム非構成領域３１は光軸上に位置しており、ホログラム構成領域３２は、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成されている。さらに、ホログラム非構成領域３１およびホログラム構成領域３２は両者とも、光軸に対して回転対称（軸対称）に形成されており、その結果、ホログラム光学素子２２は全体として回転対称に構成されていることになる。このように、ホログラム光学素子２２が回転対称に構成されていることにより、ホログラム光学素子２２を一般的な同軸光学系に容易に適用することが可能となる。つまり、使用時の光学系と同軸となる位置にホログラム光学素子２２を配置して使用することが可能となる。
【００７４】
以上のように、ホログラム光学素子２２が、ホログラム非構成領域３１とホログラム構成領域３２とを有し、ホログラム構成領域３２がホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成される構成とすることにより、このホログラム光学素子２２の作製時には、後述する製法を採用することが可能となる。つまり、ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料２２ａへの入射時に発散光となる光束を用いながら、２光束を同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させる手法を採用することができる。なぜなら、２光束を同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させる手法では、後述するように軸Ａ付近にはホログラムを形成せずに、その周りにのみホログラムを形成することが可能だからである。
【００７５】
なお、以下での説明の便宜上、ホログラム光学素子２２の使用時にホログラム構成領域３２に入射した光線と、その光線がホログラム構成領域３２にて回折、偏向されて出射されるときの出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角の角度θを偏向角と呼ぶことにする。
【００７６】
（３．ホログラム光学素子の製造方法について）
次に、上述した構成のホログラム光学素子２２の製造方法について説明する。図１は、ホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【００７７】
本実施形態では、ホログラム構成領域３２にて、光源１２からの光（発散光）を回折、偏向して、光軸に平行な光束として射出するようにするため、ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの一方の光束（例えば参照光Ｌ１）として、ホログラム感光材料２２ａへの入射時に発散光となる光束を用いる。このため、上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズ４１と、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳとも称する）４２と、偏光状態変換部材４３（偏光状態変換手段）とを配置している。
【００７８】
集光レンズ４１は、入射光（例えば平行光）を集光するものであり、所定のＮＡを有している。したがって、集光レンズ４１の焦点距離は、所定の値に設定されている。ＰＢＳ４２は、入射光を偏光状態に応じて透過または反射させることにより、異なる方向から入射する２光束の光路を合成する光路合成手段であり、例えばＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる特性を有している。このようなＰＢＳ４２を用いることにより、異なる方向から入射する２光束を、ＰＢＳ４２を介して同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させることができる。
【００７９】
このとき、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束を生成する光学系の光軸のうちで共通部分を軸Ｂとすると、この製造光学系における軸Ｂは、作製されたホログラム光学素子２２の使用時の光学系の軸Ａ（図３参照）と同軸ともなっている。
【００８０】
偏光状態変換部材４３は、入射光の偏光状態を維持する第１の領域４３ａと、入射光の偏光状態を変換する第２の領域４３ｂとを有している。第２の領域４３ｂは、例えば１／２波長板で構成されており、第１の領域４３ａは、その１／２波長板に形成される孔で構成されている。また、第１の領域４３ａは、集光レンズ４１の集光位置に位置し、第２の領域４３ｂは、第１の領域４３ａを光軸（軸Ｂ）回りに取り囲むように形成されている。
【００８１】
ここで、物体光Ｌ２として平行光を用いるとき、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａの大きさは、製造するホログラム光学素子２２の焦点距離とホログラム構成領域３２での回折による最低偏向角θminとに基づいて決定される。より具体的には、以下の通りである。
【００８２】
図４は、偏光状態変換部材４３からホログラム感光材料２２ａに入射する光の光路を拡大して示す説明図である。偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａの大きさを規定する軸Ｂからの距離（半径）をｈ（ｍｍ）、ホログラム光学素子２２の焦点距離、すなわち、集光レンズ４１の集光位置からホログラム感光材料２２ａにおける光入射面２２ｂまでの距離をｆｌ（ｍｍ）、上記集光位置からホログラム感光材料２２ａにおけるホログラム構成領域３２とホログラム非構成領域３１との境界に対応する部分に入射する光線と軸Ｂとのなす角をφ（°）とすると、距離ｈは、以下のように表現される。
ｈ＝ｆｌｔａｎφ
このとき、図４より、φ＝θminであるので、
ｈ＝ｆｌｔａｎθmin
となる。したがって、第１の領域４３ａの大きさがこれらのパラメータに基づいて決定されることがわかる。また、物体光Ｌ２が平行光のときは、第１の領域４３ａだけでなく、ホログラム非構成領域３１の大きさも距離ｈで規定されることになる。
【００８３】
上記の製造光学系には、集光レンズ４１、ＰＢＳ４２、偏光状態変換部材４３のほかに、レーザ光源、ビームスプリッタ、ビームエキスパンダ等も配置されている。したがって、レーザ光源から射出された可干渉性を有する光束は、ビームスプリッタにて２光束に分岐され、ビームエキスパンダによってそれぞれ所定の光束径に拡大される。なお、レーザ光による露光時間は、図示しないシャッタによりコントロールされる。
【００８４】
上記２光束のうちの一方である参照光Ｌ１（ここではＳ偏光とする）は、平行光の状態から集光レンズ４１で集光されて収束光となり、ＰＢＳ４２で反射された後、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａを介してホログラム感光材料２２ａにＳ偏光のままで入射する。ここで、第１の領域４３ａは、集光レンズ４１の集光位置に配置されているので、参照光Ｌ１は、第１の領域４３ａの通過と同時に発散光となってホログラム感光材料２２ａに入射する。
【００８５】
一方、上記２光束のうちの他方である物体光Ｌ２（ここではＰ偏光とする）は、平行光の状態でＰＢＳ４２を透過し、参照光Ｌ１と同軸で偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａおよび第２の領域４３ｂの両方に入射し、これらの領域を介してホログラム感光材料２２ａに入射する。このとき、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が維持されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＰ偏光のままで入射する。これに対して、第２の領域４３ｂに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が変換されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＳ偏光の状態で入射する。
【００８６】
つまり、ホログラム感光材料２２ａにおいて、第１の領域４３ａに対応する領域には、参照光Ｌ１がＳ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２がＰ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が異なっており、互いに干渉しないため、上記領域には干渉縞は形成されない。よって、上記領域は、ホログラム非構成領域３１となる。すなわち、露光後の後処理（例えばベイク処理）をすると、上記領域は単なる透過領域として機能する。
【００８７】
一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内で第２の領域４３ｂに対応する領域には、参照光Ｌ１がＳ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２もＳ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が同じであり、互いに干渉するため、上記領域には干渉縞が形成される。よって、上記領域は、ホログラム構成領域３２となる。つまり、ホログラム構成領域３２は、光軸付近に形成されるホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成される。
【００８８】
この結果、集光レンズ４１の集光点に対応する位置に光源１２を配置し、作製されたホログラム光学素子２２を光源１２の前方に配置すると、図３で示したように、光源１２（点Ｐ）から出射される発散光の一部（ホログラム非構成領域３１に入射した光）を透過させ、残り（ホログラム構成領域３２に入射した光）を平行光に変換（偏向）して出射するホログラム光学素子２２が得られることになる。
【００８９】
（４．効果について）
以上のように、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａを露光する２光束のうちの一方の光束（上記の例では参照光Ｌ１）が、ホログラム感光材料２２ａへの入射時に発散光となる光束であるので、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、その発散光の出射ポイントに対応する位置に光源１２を配置して、光源１２から出射される光（発散光）の一部をホログラム光学素子２２で偏向、回折させることができる。
【００９０】
また、図５は、ホログラム光学素子２２の使用時における偏向角と回折効率（透過０次光、透過１次光）との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。なお、同図では、ホログラム光学素子２２の光入射面２２ｂに垂直な面内で、ホログラム光学素子２２から出射される光線の延長線に対して一方の側にできる偏向角をプラスの偏向角で、他方の側にできる偏向角をマイナスの偏向角で表現している。すなわち、図３の断面内においては、点Ｐから出射された光線であって軸Ａよりも右側の光線がホログラム光学素子２２（ホログラム構成領域３２）に入射したときにできる偏向角をプラスの偏向角とすると、点Ｐから出射された光線であって軸Ａよりも左側の光線がホログラム光学素子２２（ホログラム構成領域３２）に入射したときにできる偏向角がマイナスの偏向角となる。
【００９１】
また、上記のシミュレーションでは、製造波長（参照光Ｌ１および物体光Ｌ２の波長）をλ０、ホログラム感光材料２２ａ（フォトポリマー）の屈折率をｎ、屈折率変調量をΔｎ、ホログラム感光材料２２ａの厚さをｔ、ホログラム感光材料２２ａに対する参照光Ｌ１の入射角度をθ１、ホログラム感光材料に対する物体光Ｌ２の入射角度をθ２、再生波長をλ１としたとき、λ０＝５３２ｎｍ、ｎ＝１．５、Δｎ＝０．００８、ｔ＝３５μｍ、θ１＝−８５°〜８５°、θ２＝０°、λ１＝５３２ｎｍである。なお、ここでは、ホログラム非構成領域３１に対応する偏向角０°付近の領域にもホログラムが形成されているものとしてシミュレーションを行っているが、実際にはホログラム非構成領域３１が形成されているので（ホログラムが形成されていないので）、この領域での回折は起こらない。
【００９２】
図５のシミュレーション結果より、回折効率が例えば７０％以上となる偏向角の範囲は、ほぼ−６０°から６０°までの１２０°となり、従来の２倍以上となる。このように、偏向角の範囲として従来の２倍以上の範囲を確保できるのは、上述したホログラム感光材料２２ａの露光時に、参照光Ｌ１および物体光Ｌ２を同軸でホログラム感光材料２２ａに入射させてホログラム光学素子２２を作製していることによる。
【００９３】
つまり、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａの露光時に、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させているので、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、ホログラム光学素子２２の光入射面２２ｂに垂直な面内で、プラス側にできる偏向角だけでなく、マイナス側の偏向角も実現することができる。これにより、使用時に用いる光源１２として、プラス側およびマイナス側の偏向角で絶対値が最大となる偏向角に対応する角度まで放射角度を広げたものを用いることができる。言い換えれば、それ以上に放射角度の広い光源１２を用いた場合でも、光源１２から出射される光の大部分（プラス側の偏向角で絶対値が最大となる偏向角からマイナス側の偏向角で絶対値が最大となる偏向角の間の角度に対応する放射範囲の光）をホログラム光学素子２２にて偏向させて利用することができる。その結果、片側の偏向角のみ実現していた従来に比べて、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【００９４】
また、露光時に用いる２光束をＰＢＳ４２で光路合成した後、ホログラム感光材料２２ａに入射させているので、別々の方向に進行する２光束をホログラム感光材料２２ａに対して同軸で入射させることができる。また、ＰＢＳ４２を用いることによって製造光学系がシンプルな構成となり、そのようなシンプルな構成で上述した本発明の効果を得ることができるとともに、ホログラム光学素子２２を容易にかつ安価に製造することができる。
【００９５】
また、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａの露光時に、一方の光束（参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ＰＢＳ４２、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（物体光Ｌ２）を、ＰＢＳ４２、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａおよび第２の領域４３ｂの両者を介してホログラム感光材料２２ａに入射させている。これにより、上述のように、作製されたホログラム光学素子２２においては、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。
【００９６】
したがって、作製されたホログラム光学素子２２を光源１２の前に配置して用いたときに、ホログラム非構成領域３１に入射した光は、そこで回折されずに透過し、ホログラム構成領域３２に入射した光はそこで回折されて出射される。よって、ホログラム非構成領域３１では高い透過光量の光を得ることができ、ホログラム構成領域３２では高い回折効率で光を回折させて外部に取り出すことができる。その結果、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができる。
【００９７】
特に、図５でも示したように、ホログラム光学素子２２において偏向角０°付近の領域にホログラムが形成されていたとすれば、そこは回折効率が極端に低下する領域となるが、本実施形態ではその領域をホログラム非構成領域３１としているので、高い透過光量を確保して取り出す光の強度が著しく低下するのを回避することができる。つまり、ホログラム光学素子２２から取り出される光の中心強度が著しく低下するのを回避することができる。
【００９８】
また、本実施形態のように、ホログラム光学素子２２を構成する元となるホログラム感光材料２２ａがフォトポリマーで構成されている場合、図５に示したように、偏向角の絶対値が５°以上となる領域は回折効率が高い。したがって、ホログラム構成領域３２における偏向角の絶対値を５°以上とすれば、つまり、偏向角の絶対値が５°以上となるようにホログラム構成領域３２を形成すれば、ホログラム構成領域３２から十分な強度の光が得られるホログラム光学素子２２を実現することができる。逆に、偏向角の絶対値が５°未満となる領域は、回折効率が極端に低下する領域であるので、この領域を本実施形態のようにホログラム非構成領域３１に対応付けることで、その領域からは高い透過光量によって強度の十分な光を得ることができる。
【００９９】
なお、ホログラム非構成領域３１とホログラム構成領域３２とを区別する偏向角の絶対値は、上記の５°には限定されず、例えば７°であってもよいし、１０°であってもよい。要は、上記偏向角の絶対値は、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避できるような値であればよい。
【０１００】
また、例えば、１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となるような偏向角がプラス側およびマイナス側の双方で実現されるように、ホログラム構成領域３２が形成されていれば、そのホログラム構成領域３２を介して強度の十分な光を得ることができると思われる。このことは、ホログラム感光材料２２ａがフォトポリマー以外の材料で構成されている場合でも同様である。
【０１０１】
例えば、図６は、銀塩材料からなるホログラム感光材料２２ａを露光して得られるホログラム光学素子２２の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。なお、上記のシミュレーションでは、λ０＝５３２ｎｍ、ｎ＝１．５、Δｎ＝０．０６、ｔ＝５μｍ、θ１＝−８５°〜８５°、θ２＝０°、λ１＝５３２ｎｍである。
【０１０２】
このようなホログラム光学素子２２を構成した場合、１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる偏向角は、ホログラム感光材料２２ａとしてフォトポリマーを用いた場合に比べて、プラス側およびマイナス側でその絶対値が大きくなっているが、ホログラム構成領域３２では、１次光の最大回折効率の５０％以上の回折効率が確保されることに変わりはない。よって、ホログラム構成領域３２における偏向角の絶対値は、ホログラム構成領域３２における１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる角度であれば、ホログラム感光材料２２ａの材料に関係なく、ホログラム構成領域３２から強度の十分な光を得ることができると言える。
【０１０３】
また、本実施形態では、製造光学系において、偏光状態変換部材４３の第１の領域４３ａは集光レンズ４１の集光位置に位置し、第２の領域４３ｂは第１の領域４３ａを光軸回りに取り囲むように形成されている。このような偏光状態変換部材４３は、第２の領域４３ｂを１／２波長板で構成し、第１の領域４３ａを１／２波長板に形成される孔で構成することで容易に実現することができる。このような偏光状態変換部材４３の構成によれば、第１の領域４３ａを光軸回りに取り囲むように、第２の領域４３ｂを容易に形成することができるので、作製されたホログラム光学素子２２において、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように、ホログラム構成領域３２を容易に形成することが可能となる。その結果、ホログラム光学素子２２の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる上述の効果を容易に得ることができる。
【０１０４】
また、製造光学系における軸Ｂは、作製されたホログラム光学素子２２の使用時の光学系の軸Ａと同軸であるので、作製されたホログラム光学素子２２の使用時に光源１２を軸Ａ上に配置すれば、発光特性が軸対称（回転対称）となる光源ユニットを実現することができる。
【０１０５】
また、本実施形態では、ホログラム感光材料２２ａの露光時に用いる２光束の波長（製造波長）は例えば５３２ｎｍとなっており、使用波長、つまり光源１２から出射される光の波長である５２０ｎｍに近い。このように製造波長と使用波長とを近づけることにより、使用時に光源１２から出射された光をホログラム光学素子２２（特にホログラム構成領域３２）にて効率よく回折させ、偏向することができ、光利用効率の高い光源ユニットを実現することができる。なお、露光波長が使用時の光源１２から出射される光のピーク波長の±２０ｎｍ以内であれば、上記の効果を得ることができる。
【０１０６】
（５．製造光学系の変形例１）
次に、本実施形態のホログラム光学素子２２の作製に用いる製造光学系の変形例について、以下に説明する。
【０１０７】
図７は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の他の構成を示す断面図である。この製造光学系は、偏光状態変換部材４３の代わりに偏光状態変換部材４４（偏光状態変換手段）を用いた以外は、図１の製造光学系と全く同様の構成である。
【０１０８】
偏光状態変換部材４４は、入射光の偏光状態を維持する第１の領域４４ａと、入射光の偏光状態を変換する第２の領域４４ｂとを有している。第１の領域４４ａは、透明基板（例えばガラス基板やプラスチック基板）で構成されており、第２の領域４４ｂは、１／２波長板で構成されている。なお、第２の領域４４ｂの大きさは、図４と同様の考察により、製造するホログラム光学素子２２の焦点距離とホログラム構成領域３２での回折による最低偏向角θminとに基づいて決定されることになる。また、第２の領域４４ｂは集光レンズ４１の集光位置に位置し、第１の領域４４ａは第２の領域４４ｂを光軸回りに取り囲むように形成されている。
【０１０９】
図７の製造光学系においては、２光束のうちの一方である参照光Ｌ１（ここではＳ偏光とする）は、平行光の状態から集光レンズ４１で集光されて収束光となり、ＰＢＳ４２で反射された後、偏光状態変換部材４４の第２の領域４４ｂに入射し、そこでＰ偏光に変換されてホログラム感光材料２２ａに入射する。ここで、第２の領域４４ｂは、集光レンズ４１の集光位置に配置されているので、参照光Ｌ１は、第２の領域４４ｂの通過と同時に発散光となってホログラム感光材料２２ａに入射する。
【０１１０】
一方、上記２光束のうちの他方である物体光Ｌ２（ここではＰ偏光とする）は、平行光の状態でＰＢＳ４２を透過し、参照光Ｌ１と同軸で偏光状態変換部材４４の第１の領域４４ａおよび第２の領域４４ｂの両方に入射し、これらの領域を介してホログラム感光材料２２ａに入射する。このとき、偏光状態変換部材４４の第１の領域４４ａに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が維持されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＰ偏光のままで入射する。これに対して、第２の領域４４ｂに入射した物体光Ｌ２は、そこで偏光状態が変換されて出射されるので、ホログラム感光材料２２ａにはＳ偏光の状態で入射する。
【０１１１】
つまり、ホログラム感光材料２２ａにおいて、第２の領域４４ｂに対応する領域には、参照光Ｌ１がＰ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２がＳ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が異なっており、互いに干渉しないため、上記領域には干渉縞は形成されない。よって、上記領域は、ホログラム非構成領域３１となり、単なる透過領域として機能する。
【０１１２】
一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内における第１の領域４４ａに対応する領域には、参照光Ｌ１がＰ偏光の状態で入射し、物体光Ｌ２がＰ偏光の状態で入射する。これらの光は偏光方向が同じであり、互いに干渉するため、上記領域には干渉縞が形成される。よって、上記領域は、ホログラム構成領域３２となる。
【０１１３】
このように、偏光状態変換部材４３の代わりに偏光状態変換部材４４を用いて露光を行った場合であっても、ホログラム構成領域３２は、光軸付近に形成されるホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように形成される。したがって、図７の製造光学系を用いても、図３と同じホログラム光学素子２２を得ることができ、上述した本発明の効果を得ることができる。
【０１１４】
特に、第１の領域４４ａを透明基板とし、第２の領域４４ｂを１／２波長板とすることで、第２の領域４４ｂを光軸回りに取り囲むように、第１の領域４４ａを容易に形成することができる。したがって、作製されたホログラム光学素子２２において、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むように、ホログラム構成領域３２を容易に形成することができ、ホログラム光学素子２２の使用時に、取り出す光の中心強度が著しく低下するのを回避できる本発明の効果を容易に得ることができる。
【０１１５】
（６．製造光学系の変形例２）
図８は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部のさらに他の構成を示す断面図である。この製造光学系は、ＰＢＳ４２および偏光状態変換部材４３の代わりにピンホールミラー４５を用い、それに応じて集光レンズ４１の位置や参照光Ｌ１および物体光Ｌ２のピンホールミラー４５に対する入射方向を適宜設定した点以外は、図１の製造光学系と同様の構成である。
【０１１６】
ピンホールミラー４５は、異なる方向から入射する２光束の光路を合成して射出する光路合成手段である。このピンホールミラー４５は、孔５１ａを有する反射膜５１を透明基板５２上に形成した平板状のミラーで構成されている。図８の製造光学系では、発散光（例えば参照光Ｌ１）を生成する光学系の光路中に、集光レンズ４１とピンホールミラー４５とが配置されている。しかも、反射膜５１の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置するようにピンホールミラー４５が配置されている。
【０１１７】
この状態で、一方の光束（例えばＰ偏光の参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（例えばＰ偏光の物体光Ｌ２）を、ピンホールミラー４５に対して反射膜５１の孔５１ａよりも大きな光束径で、反射膜５１の孔５１ａを含む領域に入射させる。
【０１１８】
このとき、ピンホールミラー４５の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置しているので、参照光Ｌ１は孔５１ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料２２ａにＰ偏光のまま入射する。また、物体光Ｌ２のうち、反射膜５１（孔５１ａ以外の部分）にて反射された光は、参照光Ｌ１と同軸でホログラム感光材料２２ａにＰ偏光の状態で入射するが、反射膜５１の孔５１ａに入射した光は、そこを透過するため、ホログラム感光材料２２ａには入射しない。
【０１１９】
したがって、ホログラム感光材料２２ａにおいて、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａに対応する領域には、１光束のみ（参照光Ｌ１のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内におけるピンホールミラー４５の反射膜５１の形成領域（孔５１ａを除く）に対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（上記の例ではＰ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子２２では、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａと対応してホログラム非構成領域３１が形成され、そのホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２が形成される。
【０１２０】
このように、図８の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製する場合でも、露光時の２光束の一方として発散光を用いながら、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させることができるとともに、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。したがって、図８の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製した場合でも、その使用時には光源１２からの光の大部分を有効利用して明るい光源ユニットを実現できる、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができるなど、上述した本発明の効果を得ることができる。
【０１２１】
また、ピンホールミラー４５は、透明基板５２上に反射膜５１が形成されたものであり、その薄型化が容易である。したがって、光路合成手段としてピンホールミラー４５を用いることにより、ピンホールミラー４５の配置角度に自由度が増す。したがって、例えば、ピンホールミラー４５の反射面がホログラム感光材料２２ａにおける光入射面２２ｂと平行に近づく方向にピンホールミラー４５を傾けて配置する（ピンホールミラー４５の反射面と軸Ｂとの交差角度がより垂直に近づくようにする）ことも可能となる。
【０１２２】
これにより、集光レンズ４１をピンホールミラー４５に近づけて配置することが可能となるので、例えば集光レンズ４１のＮＡを大きくする、言い換えれば、集光レンズ４１の焦点距離を短くすることが可能となる。その結果、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、発散光の集光点に対応する位置に配置される光源１２から出射される光のうち、より広い放射角度の光をホログラム光学素子２２にて回折、偏向させることが可能となり、より明るい光を出射する光源ユニットを実現することが可能となる。
【０１２３】
（７．製造光学系の変形例３）
以上では、露光時にホログラム感光材料２２ａに２光束を同軸で入射させる例について説明したが、完全な同軸でなくてもよい。例えば、図９は、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束が略同軸となる製造光学系の主要部の構成を示す断面図である。なお、同図では、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束のうち、参照光Ｌ１を生成する光学系の光軸を軸Ｂ１とし、物体光Ｌ２を生成する光学系の光軸を軸Ｂ２としている。また、図１０は、その製造光学系によって製造されたホログラム光学素子２２の概略の構成を示す断面図である。
【０１２４】
ホログラム光学素子２２は、例えば軸Ｂ１に対するピンホールミラー４５の傾斜角度、およびピンホールミラー４５に対する物体光Ｌ２の入射角度を適切に設定してホログラム感光材料２２ａを露光することにより、作製することができる。したがって、このような製造光学系では、ピンホールミラー４５は、露光時に別々の方向に進行する２光束がホログラム感光材料２２ａに対して略同軸で入射するように、２光束の光路を合成する光路合成手段として機能する。
【０１２５】
このように露光時にホログラム感光材料２２ａに２光束を略同軸で入射させるようにしても、プラス側およびマイナス側に偏向角の大きいホログラム光学素子２２を得ることは可能であり、そのホログラム光学素子２２を用いて光源１２からの光の大部分（放射角度の広い光）を利用することが可能である。したがって、このような露光方法であっても、明るい光を出射する光源ユニットを実現することができる。
【０１２６】
なお、露光時の２光束の軸Ｂ１・Ｂ２の交差角度は、例えば５°以下であってもよいし、１０°以下であってもよい。要は、作製されたホログラム光学素子２２において、プラス側およびマイナス側の両方の偏向角を実現できる交差角度であればよい。
【０１２７】
（８．ホログラム光学素子の他の構成について）
図１１は、ホログラム光学素子２２の他の構成を示すものであって、使用時に入射した点Ｐ（光源１２）からの発散光が、光射出面２２ｃに対して垂直以外の角度で平行に射出されるホログラム光学素子２２の概略の構成を示す断面図である。
【０１２８】
このホログラム光学素子２２は、図１、図７または図８の製造光学系において、軸Ｂに対して基板２１（図２参照）が垂直以外の角度で傾くようにホログラム感光材料２２ａを位置させ、これを２光束で露光することにより作製することが可能である。このようにして作製されるホログラム光学素子２２を光源１２と組み合わせて光源ユニットを構成することで、光源ユニットを軸Ａ方向に小型化することができる。
【０１２９】
なお、同図では、製造光学系の軸Ｂと使用時の光学系の軸Ａとは同軸とはなっていないが、軸Ａと軸Ｂとが同軸となるようにホログラム光学素子２２を配置して使用する、つまり、軸Ａに対してホログラム光学素子２２を傾けて使用することも勿論可能である。
【０１３０】
（９．ホログラム基板の他の構成について）
図１２は、ホログラム基板２の他の構成を示す断面図である。このホログラム基板２は、基板２１の代わりに同じく透明な基板２３を用い、その上にホログラム光学素子２２を形成したものであるが、基板２３がレンズ部２３ａを有している点で、平板状の基板２１とは異なっている。また、使用時には、ホログラム基板２は、ホログラム光学素子２２に対して基板２３が光入射側に位置するように光学系中に配置される。
【０１３１】
レンズ部２３ａは、所定の光学的パワーを有しており、基板２３においてホログラム光学素子２２のホログラム非構成領域３１と対応する位置に形成されている。このようなホログラム基板２は、レンズ部２３ａ付きの基板２３上にホログラム感光材料２２ａを貼り付けて２光束で露光することにより得られる。なお、基板２３上にホログラム感光材料２２ａを貼り付ける場合、そのホログラム感光材料２２ａは、予めホログラム非構成領域３１に対応する部分が除去された状態で基板２３（レンズ部２３ａ）と位置決めされて貼り付けられる。つまり、図１２では、ホログラム非構成領域３１が孔で構成されていることになる。なお、このようなホログラム感光材料２２ａを用いてホログラム光学素子２２を作製する場合でも、ホログラム感光材料２２ａの露光方法自体は、上述した各種の方法を用いることができる。
【０１３２】
図１２のようにホログラム基板２を構成した場合、基板２３のレンズ部２３ａにて入射光を偏向（屈折）させた後に、その光をホログラム非構成領域３１に入射させ、そこを透過させることができる。したがって、ホログラム構成領域３２での入射光の回折、偏向を併せて考えると、ホログラム基板２全体として１つの集光レンズと等価なものを実現することができる。なお、レンズ部２３ａを設けることにより、ホログラム基板２全体の厚みが著しく増加することはない。
【０１３３】
（１０．その他）
なお、本実施形態では、ホログラム感光材料２２の露光を単色（５３２ｎｍ）の光で行った例について説明したが、露光時にＲＧＢのレーザ光を用い、ＲＧＢに対応した３種類の干渉縞をホログラム感光材料２２ａに形成することにより、ＲＧＢの３色の光を回折するホログラム光学素子２２を作製してもよい。この場合、ＲＧＢの出射光の強度ピークの波長がホログラム光学素子２２におけるＲＧＢの回折ピーク波長に近い光源１２を用いることにより、配向特性の良好な薄型の白色光源モジュールを実現することができる。
【０１３４】
なお、本実施形態のホログラム光学素子２２では、ホログラム構成領域３２がホログラム非構成領域３１の回りにリング状で形成されるので、ホログラム光学素子２２を結像レンズ（例えば安価で薄型のピックアップの対物レンズなど）として用いることも可能となる。
【０１３５】
なお、本実施形態の手法でホログラム光学素子２２を一旦作製した後は、これをマスターホログラムとして用いることにより、これとのコンタクトコピーで複製ホログラムを作製することも可能である。
【０１３６】
〔実施の形態２〕
本発明の他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、使用時にホログラム光学素子２２のホログラム構成領域３２にて回折、偏向されて出射される光が軸Ａと平行でない場合、より詳しくは、ホログラム感光材料２２ａの露光時に用いる２光束として、両方ともホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束を用いた場合について説明する。
【０１３７】
図１３は、本実施形態のホログラム光学素子２２の詳細な構成を示す断面図である。本実施形態のホログラム光学素子２２は、点Ｐからの発散光をホログラム構成領域３２にて回折、偏向したときに、上記発散光よりも放射角度（発散角度）の小さい光束が射出されるようにホログラム構成領域３２を形成した点以外は、実施の形態１と同様の構成である。したがって、このホログラム光学素子２２では、その使用時に、あたかも、軸Ａ上の点であって点Ｐからより離れた位置の点Ｑに光源１２が配置されてそこから光が出射されているかのような偏向角が実現されている。
【０１３８】
図１４は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束が両方とも発散光となるように構成されている。つまり、一方の発散光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４１と、ピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、ピンホールミラー４５は、反射膜５１の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置するように配置されている。また、集光レンズ４１の集光位置は、後述する集光レンズ４６の集光位置よりもホログラム感光材料２２ａに光学的に近い位置となっている。これに対して、他方の発散光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４６と、中央に孔４７ａを有するピンホール４７（スペイシャルフィルタ）と、上記のピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、ピンホール４７の孔４７ａは、集光レンズ４６の集光位置に位置している。
【０１３９】
このような製造光学系において、一方の光束（例えばＰ偏光の参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（例えばＰ偏光の物体光Ｌ２）を、集光レンズ４６、ピンホール４７の孔４７ａ、ピンホールミラー４５を介してホログラム感光材料２２ａに入射させる。
【０１４０】
このとき、ピンホールミラー４５の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置しているので、参照光Ｌ１は孔５１ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料２２ａにＰ偏光のまま入射する。また、ピンホール４７の孔４７ａは集光レンズ４６の集光位置に位置しているので、物体光Ｌ２は孔４７ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となって、反射膜５１の孔５１ａよりも大きな光束径でピンホールミラー４５に入射する。そして、反射膜５１（孔５１ａ以外の部分）にて反射された光は、参照光Ｌ１と同軸でホログラム感光材料２２ａにＰ偏光の状態で入射するが、反射膜５１の孔５１ａに入射した光は、そこを透過するため、ホログラム感光材料２２ａには入射しない。
【０１４１】
したがって、ホログラム感光材料２２ａにおいて、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａに対応する領域には、１光束のみ（参照光Ｌ１のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内におけるピンホールミラー４５の反射膜５１の形成領域（孔５１ａを除く）と対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（上記の例ではＰ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子２２では、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａと対応してホログラム非構成領域３１が形成され、そのホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２が形成される。
【０１４２】
しかも、ホログラム構成領域３２は、発散光同士の干渉によって形成されるので、使用時にはホログラム構成領域３２から発散光が出射される。より詳しくは、本実施形態では、製造光学系における集光レンズ４１の集光位置は、集光レンズ４６の集光位置よりもホログラム感光材料２２ａに光学的に近い位置となっているので、露光時の参照光Ｌ１の集光位置に対応する位置に光源１２を配置したときには、光源１２からの発散光よりも発散角度の小さい光（物体光Ｌ２と同じ光路の光）がホログラム構成領域３２から出射される。
【０１４３】
このように、図１４の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製する場合には、露光時に用いる２光束は両者とも、ホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束となるが、この場合であっても、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させることができるとともに、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。したがって、図１４の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製した場合でも、その使用時には光源１２からの光の大部分を有効利用して明るい光源ユニットを実現できる、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１４４】
また、本実施形態では、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、光源１２からの発散光よりも発散角度の小さい光がホログラム構成領域３２から出射されるので、使用時にそのような光が要求される光学系に本実施形態のホログラム光学素子２２は好適となる。
【０１４５】
〔実施の形態３〕
本発明のさらに他の実施の形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、以下での説明の便宜上、実施の形態１・２と同一の構成には同一の部材番号を付記し、その説明を省略する。本実施形態では、使用時にホログラム光学素子２２のホログラム構成領域３２にて回折、偏向されて出射される光が軸Ａと平行でない場合、より詳しくは、ホログラム感光材料２２ａの露光時に用いる２光束として、ホログラム感光材料２２ａに対する入射時に発散光となる光束（例えば参照光Ｌ１）と収束光となる光束（例えば物体光Ｌ２）とを用いた場合について説明する。
【０１４６】
図１５は、本実施形態のホログラム光学素子２２の詳細な構成を示す断面図である。本実施形態のホログラム光学素子２２は、点Ｐからの発散光をホログラム構成領域３２にて回折、偏向したときに、全体として収束光が射出されるようにホログラム構成領域３２を形成した点以外は、実施の形態１と同様の構成である。
【０１４７】
図１６は、本実施形態のホログラム光学素子２２を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。この製造光学系は、露光時にホログラム感光材料２２ａに入射する２光束の一方が発散光となり、他方が収束光となるように構成されている。つまり、一方の発散光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４１と、ピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、ピンホールミラー４５は、反射膜５１の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置するように配置されている。これに対して、他方の収束光を生成する光学系の光路中には、集光レンズ４８と、上記のピンホールミラー４５とが配置されている。このとき、集光レンズ４８の集光位置は、ホログラム感光材料２２ａに対して集光レンズ４１の集光位置とは反対側に設定されている。
【０１４８】
このような製造光学系において、一方の光束（例えばＰ偏光の参照光Ｌ１）を、集光レンズ４１、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａを介してホログラム感光材料２２ａに入射させ、他方の光束（例えばＰ偏光の物体光Ｌ２）を、集光レンズ４８、ピンホールミラー４５を介してホログラム感光材料２２ａに入射させる。
【０１４９】
このとき、ピンホールミラー４５の孔５１ａが集光レンズ４１の集光位置に位置しているので、参照光Ｌ１は孔５１ａの位置で一旦集光され、そこから発散光となってホログラム感光材料２２ａにＰ偏光のまま入射する。また、物体光Ｌ２は集光レンズ４８にて集光され、反射膜５１の孔５１ａよりも大きな光束径でピンホールミラー４５に入射する。このとき、物体光Ｌ２のうち、反射膜５１（孔５１ａ以外の部分）に入射した光はそこで反射され、参照光Ｌ１と同軸でホログラム感光材料２２ａにＰ偏光の状態で収束光として入射するが、反射膜５１の孔５１ａに入射した光はそこを透過するため、ホログラム感光材料２２ａには入射しない。
【０１５０】
したがって、ホログラム感光材料２２ａにおいて、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａに対応する領域には、１光束のみ（参照光Ｌ１のみ）が入射するので、干渉縞は形成されない。一方、ホログラム感光材料２２ａにおいて、物体光Ｌ２の入射範囲内におけるピンホールミラー４５の反射膜５１の形成領域（孔５１ａを除く）と対応する領域には、２光束がともに同じ偏光状態（上記の例ではＰ偏光）で入射するので、２光束は互いに干渉し、干渉縞が形成される。つまり、作製されたホログラム光学素子２２では、ピンホールミラー４５の反射膜５１の孔５１ａと対応してホログラム非構成領域３１が形成され、そのホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２が形成される。
【０１５１】
しかも、ホログラム構成領域３２は、発散光と収束光との干渉によって形成されるので、露光時の参照光Ｌ１の集光位置に対応する位置に発散光を出射する光源１２を配置したときには、使用時にはホログラム構成領域３２から収束光が出射される。
【０１５２】
このように、図１６の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製する場合には、露光時に用いる２光束の一方が発散光であり、他方が収束光となるが、この場合であっても、ホログラム感光材料２２ａに対して２光束を同軸で入射させることができるとともに、ホログラム非構成領域３１を光軸回りに取り囲むようにホログラム構成領域３２を形成することができる。したがって、図１６の製造光学系を用いてホログラム光学素子２２を作製した場合でも、その使用時には光源１２からの光の大部分を有効利用して明るい光源ユニットを実現できる、ホログラム光学素子２２を介して得られる光の強度分布に極端にムラが生じるのを回避することができるなど、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【０１５３】
また、本実施形態では、作製されたホログラム光学素子２２の使用時には、光源１２として発散光を出射するものを用いているにもかかわらず、ホログラム構成領域３２からはそこでの回折、偏向によって収束光が出射されるので、使用時にそのような光が要求される光学系に本実施形態のホログラム光学素子２２は好適となる。
【０１５４】
なお、以上の各実施の形態で説明した構成や手法を適宜組み合わせてホログラム光学素子ひいては光源ユニットを構成したり、ホログラム光学素子を製造することも勿論可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明の製法により作製されるホログラム光学素子は、例えば光源ユニットをはじめとする各種の照明装置に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５６】
【図１】本発明の実施の一形態に係る光源ユニットに適用されるホログラム光学素子を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【図２】上記光源ユニットの概略の構成を示す断面図である。
【図３】上記ホログラム光学素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図４】上記製造光学系の偏光状態変換部材からホログラム感光材料に入射する光の光路を拡大して示す説明図である。
【図５】上記ホログラム光学素子の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図６】他のホログラム光学素子の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【図７】上記製造光学系の主要部の他の構成を示す断面図である。
【図８】上記製造光学系の主要部のさらに他の構成を示す断面図である。
【図９】上記製造光学系の主要部のさらに他の構成を示す断面図である。
【図１０】図９の製造光学系によって製造されたホログラム光学素子の概略の構成を示す断面図である。
【図１１】上記ホログラム光学素子の他の構成を示す断面図である。
【図１２】上記光源ユニットに適用されるホログラム基板の他の構成を示す断面図である。
【図１３】本発明の他の実施の形態に係るホログラム光学素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図１４】上記ホログラム光学素子を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【図１５】本発明のさらに他の実施の形態に係るホログラム光学素子の詳細な構成を示す断面図である。
【図１６】上記ホログラム光学素子を製造する際に用いる製造光学系の主要部の概略の構成を示す断面図である。
【図１７】（ａ）は、従来の光源ユニットの概略の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、上記光源ユニットに用いられるホログラム光学素子の製造方法を示す断面図である。
【図１８】上記ホログラム光学素子における偏向角の概念を模式的に示す説明図である。
【図１９】上記ホログラム光学素子の使用時における偏向角と回折効率との関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１５７】
１２ 光源
２２ ホログラム光学素子
２２ａ ホログラム感光材料
２３ 基板
２３ａ レンズ部
３１ ホログラム非構成領域
３２ ホログラム構成領域
４１ 集光レンズ
４２ ＰＢＳ（光路合成手段）
４３ 偏光状態変換部材（偏光状態変換手段）
４３ａ 第１の領域
４３ｂ 第２の領域
４４ 偏光状態変換部材（偏光状態変換手段）
４４ａ 第１の領域
４４ｂ 第２の領域
４５ ピンホールミラー（光路合成手段）
５１ 反射膜
５１ａ 孔
Ｌ１ 参照光
Ｌ２ 物体光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラム感光材料を２光束で露光することにより体積位相型の透過型ホログラム光学素子を作製するホログラム光学素子の製造方法であって、
２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、
ホログラム感光材料に対して２光束を同軸または略同軸で入射させ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２】
上記２光束は、光路合成手段で光路合成された後、ホログラム感光材料に入射する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の製造方法。
【請求項３】
上記光路合成手段として、入射光を偏光状態に応じて透過または反射させる偏光ビームスプリッタを用い、
上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記偏光ビームスプリッタと、偏光状態変換手段とを配置し、
上記偏光状態変換手段は、
入射光の偏光状態を維持する第１の領域と、
入射光の偏光状態を変換する第２の領域とを有しており、
第１および第２の領域のうちの一方は、上記集光レンズの集光位置に位置し、他方は一方を光軸回りに取り囲むように形成されており、
一方の光束を、上記集光レンズ、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域のうちで上記集光レンズの集光位置に位置する領域を介してホログラム感光材料に入射させ、
他方の光束を、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域の両者を介してホログラム感光材料に入射させることを特徴とする請求項２に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項４】
上記偏光状態変換手段の第１の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第２の領域は第１の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、
第２の領域は、１／２波長板で構成されており、
第１の領域は、上記１／２波長板に形成される孔で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項５】
上記偏光状態変換手段の第２の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第１の領域は第２の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、
第１の領域は、透明基板で構成されており、
第２の領域は、１／２波長板で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項６】
上記光路合成手段として、孔を有する反射膜を透明基板上に形成したピンホールミラーを用い、
上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記ピンホールミラーとを配置するとともに、上記反射膜の孔が上記集光レンズの集光位置に位置するように上記ピンホールミラーを配置し、
一方の光束を、上記集光レンズ、上記ピンホールミラーの反射膜の孔を介してホログラム感光材料に入射させ、
他方の光束を、上記ピンホールミラーに対して反射膜の孔よりも大きな光束径で上記反射膜の孔を含む領域に入射させ、上記反射膜にて反射された光束をホログラム感光材料に入射させることを特徴とする請求項２に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項７】
ホログラム感光材料に入射する２光束をそれぞれ生成する光学系の光軸は、作製されたホログラム光学素子の使用時の光学系と同軸であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項８】
ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の両者として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用いる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の製造方法。
【請求項９】
ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束のうち、一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、他方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に収束光となる光束を用いる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の製造方法。
【請求項１０】
体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、
請求項１から９のいずれかの製造方法によって製造されてなることを特徴とするホログラム光学素子。
【請求項１１】
体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、
ホログラムが構成されないホログラム非構成領域と、
ホログラムが構成されるホログラム構成領域とを有しており、
ホログラム構成領域は、ホログラム非構成領域を取り囲むように形成されていることを特徴とするホログラム光学素子。
【請求項１２】
ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、
ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、５°以上であることを特徴とする請求項１１に記載のホログラム光学素子。
【請求項１３】
ホログラム構成領域を構成する元となるホログラム感光材料は、フォトポリマーで構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のホログラム光学素子。
【請求項１４】
ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、
ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、ホログラム構成領域における１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる角度であることを特徴とする請求項１１に記載のホログラム光学素子。
【請求項１５】
回転対称であることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項１６】
該ホログラム光学素子は、透明基板上に形成されたホログラム感光材料を２光束で露光することによって作製されており、
上記透明基板は、該基板の一部にレンズ部が形成されたレンズ付き基板であり、
上記レンズ部は、ホログラム非形成領域に対応して位置していることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項１７】
光源と、
光源の前方に配置される体積位相型の透過型ホログラム光学素子とを備え、
上記ホログラム光学素子は、請求項１０から１６のいずれかに記載のホログラム光学素子で構成されていることを特徴とする光源ユニット。
【請求項１８】
上記ホログラム光学素子を作製する元となるホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の波長は、使用時の上記光源から出射される光のピーク波長の±２０ｎｍ以内であることを特徴とする請求項１７に記載の光源ユニット。
【請求項１】
ホログラム感光材料を２光束で露光することにより体積位相型の透過型ホログラム光学素子を作製するホログラム光学素子の製造方法であって、
２光束のうちの少なくとも一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、
ホログラム感光材料に対して２光束を同軸または略同軸で入射させ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２】
上記２光束は、光路合成手段で光路合成された後、ホログラム感光材料に入射する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の製造方法。
【請求項３】
上記光路合成手段として、入射光を偏光状態に応じて透過または反射させる偏光ビームスプリッタを用い、
上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記偏光ビームスプリッタと、偏光状態変換手段とを配置し、
上記偏光状態変換手段は、
入射光の偏光状態を維持する第１の領域と、
入射光の偏光状態を変換する第２の領域とを有しており、
第１および第２の領域のうちの一方は、上記集光レンズの集光位置に位置し、他方は一方を光軸回りに取り囲むように形成されており、
一方の光束を、上記集光レンズ、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域のうちで上記集光レンズの集光位置に位置する領域を介してホログラム感光材料に入射させ、
他方の光束を、上記偏光ビームスプリッタ、上記偏光状態変換手段の第１および第２の領域の両者を介してホログラム感光材料に入射させることを特徴とする請求項２に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項４】
上記偏光状態変換手段の第１の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第２の領域は第１の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、
第２の領域は、１／２波長板で構成されており、
第１の領域は、上記１／２波長板に形成される孔で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項５】
上記偏光状態変換手段の第２の領域は、上記集光レンズの集光位置に位置し、第１の領域は第２の領域を光軸回りに取り囲むように形成されており、
第１の領域は、透明基板で構成されており、
第２の領域は、１／２波長板で構成されていることを特徴とする請求項３に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項６】
上記光路合成手段として、孔を有する反射膜を透明基板上に形成したピンホールミラーを用い、
上記発散光を生成する光学系の光路中に、集光レンズと、上記ピンホールミラーとを配置するとともに、上記反射膜の孔が上記集光レンズの集光位置に位置するように上記ピンホールミラーを配置し、
一方の光束を、上記集光レンズ、上記ピンホールミラーの反射膜の孔を介してホログラム感光材料に入射させ、
他方の光束を、上記ピンホールミラーに対して反射膜の孔よりも大きな光束径で上記反射膜の孔を含む領域に入射させ、上記反射膜にて反射された光束をホログラム感光材料に入射させることを特徴とする請求項２に記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項７】
ホログラム感光材料に入射する２光束をそれぞれ生成する光学系の光軸は、作製されたホログラム光学素子の使用時の光学系と同軸であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載のホログラム光学素子の製造方法。
【請求項８】
ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の両者として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用いる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の製造方法。
【請求項９】
ホログラム感光材料の露光時に用いる２光束のうち、一方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に発散光となる光束を用い、他方の光束として、ホログラム感光材料に対する入射時に収束光となる光束を用いる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の製造方法。
【請求項１０】
体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、
請求項１から９のいずれかの製造方法によって製造されてなることを特徴とするホログラム光学素子。
【請求項１１】
体積位相型の透過型ホログラム光学素子であって、
ホログラムが構成されないホログラム非構成領域と、
ホログラムが構成されるホログラム構成領域とを有しており、
ホログラム構成領域は、ホログラム非構成領域を取り囲むように形成されていることを特徴とするホログラム光学素子。
【請求項１２】
ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、
ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、５°以上であることを特徴とする請求項１１に記載のホログラム光学素子。
【請求項１３】
ホログラム構成領域を構成する元となるホログラム感光材料は、フォトポリマーで構成されていることを特徴とする請求項１２に記載のホログラム光学素子。
【請求項１４】
ホログラム構成領域に入射する光線と、その光線がホログラム構成領域にて回折、偏向されて出射される場合の出射光線の延長線とのなす角度のうち、鋭角のものを偏向角とすると、
ホログラム構成領域における偏向角の絶対値は、ホログラム構成領域における１次光の回折効率が最大回折効率の５０％以上となる角度であることを特徴とする請求項１１に記載のホログラム光学素子。
【請求項１５】
回転対称であることを特徴とする請求項１０から１４のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項１６】
該ホログラム光学素子は、透明基板上に形成されたホログラム感光材料を２光束で露光することによって作製されており、
上記透明基板は、該基板の一部にレンズ部が形成されたレンズ付き基板であり、
上記レンズ部は、ホログラム非形成領域に対応して位置していることを特徴とする請求項１０から１５のいずれかに記載のホログラム光学素子。
【請求項１７】
光源と、
光源の前方に配置される体積位相型の透過型ホログラム光学素子とを備え、
上記ホログラム光学素子は、請求項１０から１６のいずれかに記載のホログラム光学素子で構成されていることを特徴とする光源ユニット。
【請求項１８】
上記ホログラム光学素子を作製する元となるホログラム感光材料の露光時に用いる２光束の波長は、使用時の上記光源から出射される光のピーク波長の±２０ｎｍ以内であることを特徴とする請求項１７に記載の光源ユニット。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２００８−２７５８６７（Ｐ２００８−２７５８６７Ａ）
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１１８８９２（Ｐ２００７−１１８８９２）
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１１月１３日（２００８．１１．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月２７日（２００７．４．２７）
【出願人】（０００００１２７０）コニカミノルタホールディングス株式会社 (4,463)
【Ｆターム（参考）】
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