JP2000292617A - ホログラム素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 凹凸形状の周期に相応する適度な高低の凹凸
を有する、異方性材料を用いないホログラム素子及びそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】 全体として透過光の偏光成分間の位相差
が異なる複数の領域Ａ、Ｂが基板１１上に略周期的に形
成された、入射光の偏光方向に依存して光路を切り替え
るホログラム素子において、略周期的に形成された複数
の領域Ａ、Ｂの一周期（領域Ｃ）内で、少なくとも一つ
の領域Ａが入射光の波長以下の一次元周期構造を有する
凹凸形状１２の形成領域であり、かつ凹凸形状１２の形
成領域には屈折率の異なる等方性媒質からなる多層膜１
３が屈折率の配列が周期的になるように積層されている
ことを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、ホログラム素子
に係り、詳しくは、入射光の偏光方向に依存して透過光
の偏光成分間に位相差が生じる領域を含み、かつ全体と
して透過光の偏光成分間の位相差が異なる複数の領域が
基板上に略周期的に形成された、入射光の偏光成分に依
存して異なる回折効率を有するホログラム素子に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】入射光の偏光方向に依存して光路を切り
替えるホログラム素子は、光通信の分野や、光デイスク
の分野に多数利用されている。従来、この種のホログラ
ム素子は、図１１に記載されたものがある。同図は、偏
光依存性を有し、特定の偏光成分のみ回折する従来例の
ホログラム素子の断面図である。このホログラム素子の
構成は、同図に示すように、入射光の偏光方向によって
異なる屈折率を有する複屈折性の結晶であるニオブ酸リ
チウム基板1に、紙面に垂直な方向に帯状に延びたプロ
トン交換領域2と、該プロトン交換領域2に沿う基板露出
領域である非プロトン交換領域３とが交互に形成されて
なる。プロトン交換領域2は、プロトンを含む酸に開口
部を有するマスクで表面が覆われたニオブ酸リチウム基
板1を浸け、マスクの開口部を通してプロトンイオンと
リチウムイオンとを相互拡散によって交換することで形
成される。このプロトン交換領域２と非プロトン交換領
域３とは異なる複屈折性を有する。これら２つの領域
２，３は、異なる複屈折性によって、基板に垂直な方向
から入射する光の相互に直交する偏光成分（Ｐ偏光とＳ
偏光と称する。）に対してその透過光の直交偏光成分間
に異なる位相差を生じさせることができる。

【０００３】また、非プロトン交換領域３上には位相調
整膜４が形成されている。位相調整膜４は各領域２，３
間での位相差が所望の値になるように調整するための膜
であり、等方性媒質からなる。図１１では、この位相調
整膜４は非プロトン交換領域３上に形成されているが、
プロトン交換領域２又は非プロトン交換領域３のいずれ
か、又は両方の領域２，３に形成する場合もある。位相
調整は、例えば図４（ｂ）に示すように、Ｐ偏光につい
ては特定の領域で透過光の位相が１８０度変化し、かつ
Ｓ偏光についてはいずれの領域でも位相が変化しないよ
うに行うことができる。これにより、Ｐ偏光のみを選択
的に回折する偏光依存ホログラム素子を作成できる。

【０００４】この位相調整は、位相調整膜４に係る調整
パラメータの他に、以下のパラメータを用い、式（１）
及び式（２）によって行うことができる。 Ｄｈ・(Ｎｈｐ−Ｎｐ)＋Ｄ・(１−Ｎ)＝２・ｎ・λ＋λ／２ (１) Ｄｈ・(Ｎｈｓ−Ｎｓ)＋Ｄ・(１−Ｎ)＝２・ｍ・λ (２) （ただし、ｍ，ｎは正の整数）

【０００５】ここに、Ｎｐはニオブ酸リチウム基板１で
ある非プロトン交換領域３でのＰ偏光屈折率、Ｎｓは非
プロトン交換領域３でのＳ偏光屈折率、Ｄｈはプロトン
交換領域２の厚さ、Ｎｈｐはプロトン交換領域２でのＰ
偏光屈折率、ＮｈｓはＳ偏光屈折率、Ｄは位相調整膜４
の膜厚、Ｎは位相調整膜４の屈折率である。しかしなが
ら、上記ホログラム素子は高価な複屈折性結晶であるニ
オブ酸リチウムが必要なこと、およびプロトン交換領域
２を酸処理によって行うため専用のプロセス設備が必要
なこと等によりコスト高になるなどの問題がある。

【０００６】そこで、複屈折性材料を用いないホログラ
ム素子が開発されている。従来、この種のホログラム素
子として特開平２−９６１０３号公報等に記載されてい
るものが知られている。この構造の特徴は、等方性媒質
からなる基板の表面に、入射光の波長の１／２よりも小
さいピッチを有する凹凸形状の形成領域を複数周期方向
が相互に異なるように形成したことである。これらの凹
凸はフォトリソグラフィー技術やエッチング技術を用い
て基板に溝を形成することで形成される。この種のホロ
グラム素子においては、位相調整は、主に溝の深さを調
整することにより行われる。一般に各領域間の溝の深さ
の差を大きくするほど位相差を大きくすることができ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、複屈折
性材料を用いない上記構造を有するホログラム素子にお
いては、所望の位相差を得るのに凹凸形状のピッチに比
べてかなり深い溝を形成する必要があるため、生産性が
よくない、という問題がある。

【０００８】この発明は、上述の事情に鑑みてなされた
もので、凹凸形状の周期に相応する適度な高低の凹凸を
有する、異方性材料を用いないホログラム素子を提供す
ることを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、ホログラム素子に係り、入
射光の偏光方向に依存して透過光の偏光成分間に位相差
が生じる領域を含み、かつ全体として前記透過光の偏光
成分間の位相差が異なる複数の領域が基板上に略周期的
に形成された、前記入射光の偏光成分に依存して異なる
回折効率を有するホログラム素子において、前記略周期
的に形成された複数の領域の一周期内における少なくと
も一つの前記領域が前記入射光の波長以下の一次元周期
構造を有する凹凸形状の形成領域であり、かつ該凹凸形
状の形成領域では屈折率の異なる等方性媒質からなる多
層膜が該屈折率の配列が周期的になるように積層されて
いることを特徴としている。

【００１０】また、請求項２記載の発明は、請求項１に
記載のホログラム素子に係り、前記偏光方向が互いに直
交している方向であることを特徴としている。

【００１１】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載のホログラム素子に係り、全ての前記複数の領域にわ
たって、前記透過光の偏光成分のうち特定方向の偏光成
分の位相変化量が等しくなるように位相調整されている
ことを特徴としている。

【００１２】請求項４記載の発明は、請求項１乃至３の
何れか一に記載のホログラム素子に係り、前記基板が透
明基板であり、かつ前記凹凸形状の形成領域が、前記透
明基板に形成された入射光の波長以下の周期を有する凹
凸上に前記多層膜を積層した構造であることを特徴とし
ている。

【００１３】また、請求項５記載の発明は、請求項１乃
至４のうち何れか一に記載のホログラム素子に係り、前
記略周期的に形成された複数の領域の一周期内における
少なくとも一つの前記領域が前記多層膜を積層した平坦
な領域であることを特徴としている。

【００１４】また、請求項６記載の発明は、請求項１乃
至５のうち何れか一に記載のホログラム素子に係り、前
記略周期的に形成された複数の領域の一周期内で、前記
領域ごとに前記基板の厚さを調整することにより位相調
整していることを特徴としている。

【００１５】また、請求項７記載の発明は、請求項１乃
至６のうちの何れか一に記載のホログラム素子に係り、
前記略周期的に形成された複数の領域の周期方向と前記
凹凸形状の形成領域の一次元周期構造の周期方向とが相
互に異なっていることを特徴としている。

【００１６】請求項８記載の発明は、請求項１乃至６の
うち何れか一に記載のホログラム素子に係り、前記略周
期的に形成された複数の領域の一周期内で、複数の前記
領域が、前記一次元周期構造の周期方向が相互に異なる
複数の凹凸形状の形成領域を含むことを特徴としてい
る。

【００１７】請求項９記載の発明は、請求項１乃至６の
うち何れか一に記載のホログラム素子に係り、前記略周
期的に形成された複数の領域の一周期内で、前記一次元
周期構造の周期方向が前記複数の領域の周期方向と同じ
である複数の凹凸形状の形成領域を含み、かつ前記複数
の領域の周期方向に前記一次元周期構造の周期が次第に
大きく、又は小さくなっていることを特徴としている。

【００１８】また、請求項１０記載の発明は、請求項１
乃至９のうちの何れか一に記載のホログラム素子に係
り、前記基板に形成された凹凸のうち該凹部が、前記基
板に形成した溝であることを特徴としている。

【００１９】

【作用】この発明の構成では、入射光の偏光方向、例え
ば直交偏光方向に依存して透過光の偏光成分間に位相差
が生じる領域を含み、全体として透過光の偏光成分間の
位相差が異なる複数の領域が面内に略周期的に形成さ
れ、かつ複数の領域の一周期内における少なくとも一つ
の領域が入射光の波長以下の一次元周期構造を有する凹
凸形状の形成領域であり、凹凸形状の形成領域では屈折
率の異なる等方性媒質からなる多層膜が屈折率の配列が
周期的になるように積層されている。これにより、透過
光の偏光成分間の位相差の調整パラメータとして多層膜
の膜厚や屈折率を用いることができるため、主に凹凸形
状の深さだけを位相調整パラメータとしている従来の場
合に比べて位相調整パラメータを多様化させることがで
きる。

【００２０】凹凸形状として、例えば、透明基板に形成
された凹凸上に多層膜を積層した構造を用いることがで
きるが、凹部が透明基板に形成された溝である場合、多
層膜の膜厚や屈折率を適当に調整することにより、凹凸
形状の周期に対してあまり深い溝を形成しなくても、必
要な位相差を確保できる。すなわち、凹凸形状の周期に
相応する適度な深さの溝を形成することで所望の位相差
を確保して、入射光の偏光方向に依存して光路を切り替
えるホログラム素子を作成することができる。さらに、
複数の領域の一周期内で領域ごとに基板の厚さを調整し
てもよく、位相調整パラメータを一層多様化させ、設計
の自由度を広げることができる。また、略周期的に形成
された複数の領域の周期方向と凹凸形状の形成領域の一
次元周期構造の周期方向とが相互に異なっている。とこ
ろで、回折方向は複数の領域の周期方向と一致し、一
方、偏光依存性を示す方向は凹凸形状の形成領域の一次
元周期構造の周期方向及びこれに直交する方向である。
したがって、偏光依存性を示す方向と回折方向を独立に
設定することができる。

【００２１】また、略周期的に形成された複数の領域の
一周期内で、一次元周期構造の周期方向が複数の領域の
周期方向と同じである複数の凹凸形状の形成領域を含
み、かつ複数の領域の周期方向に一次元周期構造の周期
が次第に大きく、又は小さくなっている。したがって、
これらの領域では複屈折量にも違いが生じる。すなわ
ち、多層膜の膜厚や凹凸の高低差を調節して位相調整す
ることにより、このホログラム素子の基板表面に垂直な
方向から光が入射した場合、特定の偏光成分のみ、透過
光の位相が階段状になるようにすることができる。これ
により、回折格子の＋１次回折光強度と−１次回折光強
度の比を変えることが可能となる。また、一次元周期構
造の周期が次第に大きく、又は小さくなっている領域の
分割の幅をさらに細かくすることにより、特定の偏光成
分のみ、透過光の位相分布を鋸歯状の位相分布に近づけ
ることができる。これにより、±１次回折の１方向の回
折光のみを発生することが可能となる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して、この発明
の実施の形態について説明する。 ◇第１の実施の形態 図１は、この発明の第１の実施の形態であるホログラム
素子の構成を示す断面図、図２は、同ホログラム素子の
フォトニック結晶への入射光の波長とフォトニック結晶
中の波数との関係を示す特性図、図３は、同ホログラム
素子の製造方法を示す断面図、また、図４（ａ）は、同
ホログラム素子の構成を示す上面図、同図（ｂ）は、同
ホログラム素子のｙ方向（Ｐ）偏光透過光の位相変化の
様子を示す図、また、同図（ｃ）は、同ホログラム素子
のｘ方向（Ｓ）偏光透過光の位相変化の様子を示す図で
ある。なお、図４（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う断面が図１に
相当する。

【００２３】このホログラム素子は、複屈折性結晶の代
わりに、誘電体や半導体等さまざまな材料からなる等方
性材料に入射光の波長以下の周期を有する凹凸形状を形
成した、いわゆるフォトニック結晶を用いており、等方
性材料に等価的に屈折率の異方性を持たせている。

【００２４】すなわち、このホログラム素子の構成は、
図１に示すように、等価的に複屈折性を有する一次元周
期構造を有する凹凸形状１２に屈折率の異なる多層膜１
３を積層した領域Ａと平坦部面に多層膜１３を積層した
だけの複屈折性を有しない領域Ｂを周期的に形成してな
る。これにより、高価な複屈折材料を用いることなく偏
光方向に依存して領域Ａ，Ｂ間で偏光成分間の位相差が
異なるようにし、入射光の偏光方向に依存して光路を切
り替えるホログラム素子を実現できる。なお、上記領域
Ａにおける周期的に配置された凹凸形状を、周期方向が
一方向（この場合はｘ方向である）であるという意味
で、一次元周期構造と称する。

【００２５】具体的には、透明基板１１の表面に、入射
光の波長以下の周期でｘ方向に周期的に凹凸形状１２が
形成された領域Ａと、凹凸形状１２の凹部１２ｂの底面
に一致している平坦部面からなる領域Ｂとがｘ方向に所
定の周期で形成されている。さらに、この凹凸形状１２
を有する基板１１上に、互いに異なる屈折率を有する２
つの膜１３ａ，１３ｂを一組として屈折率が周期的に配
置されるように複数組が多層膜１３として積層されてい
る。多層膜１３全体の膜厚Ｄｂは基板１１の凹凸形状１
２が維持される程度に薄くなっている。なお、この場
合、領域Ｂでは平坦部面からの高さが多層膜１３全体の
膜厚Ｄｂと等しくなる。一方、領域Ａでは領域Ｂよりも
凸部１２ａだけ平坦部面からの高さＤａが高くなってい
る。図４（ａ）に示すように、領域Ａと領域Ｂとがｘ方
向に交互に並んでいる。領域Ａでは帯状の凹部１２ｂと
凸部１２ａが略同じ幅でｙ方向に並行して延び、かつｘ
方向に交互に並んでいる。また、平坦部面からなる領域
Ｂでは長手方向がｙ方向に延び、ｘ方向の幅が領域Ａの
幅と略同じとなっている。領域Ａと領域Ｂが一周期Ｃを
構成している。

【００２６】上記構成において、凹凸形状１２の周期が
入射光の波長以下である場合、基板１１表面に垂直に入
射する光に対して回折光が生じず、複屈折性を示す。さ
らに、この入射光の偏光方向が凹部１２ｂに平行な場合
と直交する場合で見かけ上の屈折率が異なってくる。こ
れらの平行領域及び直交領域における実効的な屈折率
は、一次元周期構造の一周期に対する凹部１２ｂの幅の
比や、凸部１２ａ及び凹部１２ｂの屈折率によって決ま
る。このように、上記構造を異方性媒質として扱うこと
ができ、複屈折性を利用して偏光方向に依存して回折効
率を変化させることができる。

【００２７】また、図２は、直交する偏光成分（Ｐ偏光
とＳ偏光）間で見かけ上の屈折率が異なるため、波数に
違いが生じていることを表しており、同図において、縦
軸は入射光の波長の逆数（１／波長）を示し、横軸は結
晶内の波数（結晶内での伝搬光の波長の逆数）を示して
いる。

【００２８】入射光が上記したホログラム素子の表面に
垂直に入射する場合、Ｐ偏光の領域Ａ，Ｂ間の位相差γ
ｐと、Ｓ偏光の領域Ａ，Ｂ間の位相差γｓは、式（３）
及び式（４）で与えられる。 γｐ＝Ｄａ・Ｎａｐ−Ｄｂ・Ｎｂ−(Ｄａ−Ｄｂ) (３) γｓ＝Ｄａ・Ｎａｓ−Ｄｂ・Ｎｂ−(Ｄａ−Ｄｂ) (４) ここに、Ｎａｐは領域ＡでのＰ偏光に対する実効的な屈
折率、Ｎａｓは領域ＡでのＳ偏光に対する実効的な屈折
率、Ｎｂは領域Ｂでの等価屈折率（多層膜１３の平均屈
折率）である。（３）式及び（４）式を用いて位相調整
パラメータを調整し、ｙ方向（Ｐ）偏光が領域Ａで１８
０度（πラジアン）だけ進み、領域Ｂでは位相変化がな
いようにし、ｘ方向（Ｓ）偏光は領域Ａ及び領域Ｂでと
もに位相変化がないようにすることができる。

【００２９】図４（ｂ）は、領域Ａ及び領域Ｂの周期構
造におけるｙ方向（Ｐ）偏光の透過光の位相変化の様子
を示し、図４（ｃ）は、同ｘ方向（Ｓ）偏光の透過光の
位相変化の様子を示す。この位相差の相違によりｙ方向
（Ｐ）偏光の回折効率を大きくし、ｘ方向（Ｓ）偏光の
回折効率を小さくすることができる。以上のように、ホ
ログラム素子は全体として、入射光の直交偏光成分のう
ちｙ方向（Ｐ）偏光を選択的に回折させる、等価的に異
方性を有する回折格子としての機能を有することにな
る。

【００３０】次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、こ
のホログラム素子の製造方法について説明する。まず、
図３（ａ）に示すように、誘電体又は半導体からなる基
板１１上に図示しないレジスト膜を形成する。続いて、
微細なパターンを形成する場合に適したよく知られたホ
ログラフィー干渉露光法などを用いてレジスト膜をパタ
ーニングする。次いで、このパターニングされたレジス
ト膜をマスクとして基板１１をドライエッチングし、完
成したホログラム素子に入射させる光の波長の１／２以
下の幅を有する溝（凹部）１２ｂをこの光の波長以下の
周期で形成する。この場合、溝１２ｂ間の凸部１２ａの
幅も溝１２ｂの幅と略同じとする。以上がフォトニック
結晶を構成する。

【００３１】次に、図３（ｂ）に示すように、薄膜形成
に適したスパッタリング法等により屈折率が異なる膜１
３ａ，１３ｂを順次積層する。この場合、成膜材料とし
てアモルファスシリコンとＳｉＯ_２とを用い、２層毎に
同じ屈折率の膜１３ａ、１３ｂを積層していく。一周期
内の２層の膜１３ａ、１３ｂの膜厚をそれぞれ各層０．
２μｍ程度とする。これにより、第１の実施の形態に係
るホログラム素子が完成する。上記したように、この形
態のホログラム素子においては、入射光の偏光方向に依
存して透過光の直交偏光成分（Ｐ偏光とＳ偏光）間に位
相差が生じる領域Ａと位相差が生じない領域Ｂが基板１
１の表面に略周期的に形成され、かつ基板１１の表面を
被覆して屈折率の異なる多層膜１３が屈折率の配列が周
期的になるように積層されている。これにより、透過光
の直交偏光成分間の位相差の調整パラメータとして多層
膜１３の膜厚や屈折率を用いることができるため、主に
凹凸形状の深さだけを位相調整パラメータとしている従
来の場合に比べて位相調整パラメータを多様化させるこ
とができる。したがって、凹凸形状１２として周期的に
溝１２ｂが形成された透明基板１１の表面を多層膜１３
で被覆した構造を用いる場合、多層膜１３の膜厚や屈折
率を適当に調整することにより、凹凸形状１２の周期に
相応する適度な深さの溝１２ｂを形成して必要な位相差
を得ることができる。このため、ホログラム素子の作成
が容易になる。

【００３２】◇第２の実施の形態 図５及び図６は、この発明の第２の実施の形態であるホ
ログラム素子の構成を示す断面図である。図５及び図６
では、多層膜１３を省略し、透明基板１１のみを示して
いる。この形態のホログラム素子が、第１の実施の形態
のホログラム素子と大きく異なるところは、一周期（領
域Ｃ）内で領域Ａと領域Ｂでの基板１１の厚さを相違さ
せている点である。同図において、図１の構成部分と同
じ部分には同一の符号を付して説明を省略する。すなわ
ち、（３）式及び（４）式を用いて位相差を決めている
第１の実施の形態では、実際にはＤａとＤｂは差が小さ
いため設計の自由度が少なく、凹凸形状の最適化だけで
は所望の位相差を実現することが難しい場合がある。こ
のような場合は、第１に、図５及び６にそれぞれ示すよ
うに、領域Ａに対して領域Ｂの基板１１の厚さを薄く
し、或いは厚くして領域Ａと領域Ｂでの基板１１の厚さ
を相違させることが有効である。図５中の１４ａは基板
１１の厚さの薄い領域を示し、図６中の１４ｂは基板１
１の厚さの厚い領域を示す。なお、この相違は相対的な
ものであり、領域Ｂに対して領域Ａの基板１１の厚さを
厚くし、或いは薄くすることと同じことである。

【００３３】このようなホログラム素子の表面に入射光
が垂直に入射する場合、Ｐ偏光の領域間位相差γｐと、
Ｓ偏光の領域間位相差γｓは次式で表される。 γｐ＝Ｄａ・Ｎａｐ−Ｄｂ・Ｎｂ−(Ｄａ−Ｄｂ)＋Ｄｄ・(Ｎｓ−１) (５) γｓ＝Ｄａ・Ｎａｓ−Ｄｂ・Ｎｂ−(Ｄａ−Ｄｂ)＋Ｄｄ・(Ｎｓ−１) (６) ここに、Ｄｄは領域ＡとＢの基板１１の厚さの差（Ｄａ
−Ｄｂ（ただしＤａ≧Ｄｂ））を示し、Ｎｓは基板１１
の屈折率を示す。

【００３４】このように、第２の実施の形態によれば、
一周期（領域Ｃ）内で領域Ａと領域Ｂでの基板１１の厚
さを調整することにより、位相調整パラメータを一層多
様化させ、設計の自由度をさらに広げることができる。

【００３５】◇第３の実施の形態 図７は、この発明の第３の実施の形態であるホログラム
素子の構成を示す上面図である。この形態のホログラム
素子が、第１の実施の形態のホログラム素子と大きく異
なるところは、図７に示すように、領域Ａに凹凸形状
（溝形状）１２が形成されている他に、領域Ｂにも凹凸
形状（溝形状）１５が形成されており、かつ領域Ａと領
域Ｂ各々の一次元周期構造の周期方向が相互に異なり、
互いに直交している点である。同図において、図４
（ａ）の構成部分と同じ部分には同一の符号を付して説
明を省略する。この形態のホログラム素子によれば、凹
凸形状（溝形状）が領域Ａと領域Ｂとで方向を変えて形
成されているので、異なる領域間での偏光による特性の
違いを大きくすることができるので、層方向の厚さ（高
低差）を図１に較べて薄く（小さく）することができ
る。それゆえ、基板１１の加工が一段と容易になる。

【００３６】◇第４の実施の形態 図８は、この発明の第４の実施の形態であるホログラム
素子の構成を示す上面図である。この形態のホログラム
素子が、第１の実施の形態のホログラム素子と大きく異
なるところは、略周期的に形成された凹凸形状１６の形
成領域Ａと領域Ｂの周期方向と、凹凸形状１６の形成領
域Ａの一次元周期構造の周期方向とが相互に異なってい
る点である。同図に示すように、凹凸形状１６の形成領
域Ａの帯状の凹凸形状１６は長手方向が右上がりの斜め
方向に配置されている。したがって、偏光依存性を示す
方向は凹凸形状１６の長手方向及びこの長手方向に直交
する方向である。この場合、一次元周期構造の周期方向
は左上がりの斜め方向となる。一方、回折方向は略周期
的に形成された凹凸形状１６の形成領域Ａと領域Ｂの周
期方向と一致する。このように、領域Ａと領域Ｂの周期
方向と、凹凸形状１６の形成領域Ａの一次元周期構造の
周期方向とを相違させることで偏光依存性を示す方向と
回折方向を独立に設定することができる。

【００３７】この形態のホログラム素子では、入射光の
直交偏光成分のうちＰ偏光成分を凹凸形状１６の長手方
向に平行な方向に一致するように光を入射させれば、第
１の実施の形態と同様に、特定の偏光方向に対して平行
領域及び直交領域における実効的な屈折率は一次元周期
構造の一周期に対する凹部１６ｂの幅の比や、凸部１６
ａ及び凹部１６ｂの屈折率によって決まる。したがっ
て、このような構造を異方性媒質として扱うことがで
き、複屈折性を利用して偏光方向に依存して回折効率を
変化させることができる。これにより、入射光の偏光方
向に依存して光路を切り替えるホログラム素子を作成す
ることができる。また、第１の実施の形態と同様に、多
層膜１３の膜厚や屈折率を適当に調整することにより、
さらには第２の実施の形態と同様に、各領域Ａ、Ｂの基
板の厚さを調整することにより、凹凸形状１６の周期に
相応する適度な深さの溝１６ｂを基板１１に形成して所
望の位相差を確保することができる。

【００３８】◇第５の実施の形態 図９（ａ）は、この発明の第５の実施の形態であるホロ
グラム素子の構成を示す断面図、図９（ｂ）は、ホログ
ラム素子の構成を示す上面図、また、図９（ｃ）は、図
９（ａ）の構造のホログラム素子への入射光に対してｙ
方向（Ｐ）偏光の透過光の位相変化の様子を示す図であ
る。なお、同図（ｂ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面が同図
（ａ）に相当する。この形態のホログラム素子が、第１
の実施の形態のホログラム素子と大きく異なるところ
は、第１に、３つの領域Ａ１、Ａ２、Ｂを一周期（領域
Ｃ）としてこれらの領域Ａ１、Ａ２、Ｂが略周期的に形
成されている点である。第２に、領域Ａ１及びＡ２はそ
れぞれ多層膜１３で被覆された入射光の波長以下の一次
元周期構造を有する凹凸形状１７、１８の形成領域であ
り、領域Ｂは図９に示すように凹凸形状１７、１８の凹
部の底面に一致している基板１１の平坦部面に多層膜１
３が積層された領域である点である。第３に、３つの領
域Ａ１、Ａ２、Ｂからなる一周期（領域Ｃ）内で、凹凸
形状１７、１８の形成領域Ａ１、Ａ２の一次元周期構造
の周期方向が領域Ｃの周期方向と同じであり、かつ領域
Ｃの周期方向に沿う配列順に一次元周期構造の周期が大
きくなっている点である。

【００３９】上記構成では、領域Ａ１、Ａ２は入射光の
波長以下の一次元周期構造を有する同じ凹凸形状１７、
１８の形成領域であるが、各々周期が異なっているの
で、領域Ａ１、Ａ２では複屈折量にも違いが生じる。す
なわち、多層膜１３の膜厚や屈折率、或いは凹凸の高低
差を調節して位相調整することにより、このホログラム
素子の基板１１に垂直な方向から光が入射した場合、図
９（ｃ）に示すように、ｙ方向（Ｐ）偏光成分のみ、透
過光の位相が階段状になるようにすることができる。な
お、ｘ方向（Ｓ）偏光成分は全ての領域Ａ１、Ａ２、Ｂ
で位相変化が生じないようにしている。

【００４０】このような階段状の位相分布を形成した場
合、回折格子の＋１次回折光強度と−１次回折光強度の
比を変えることが可能となる利点がある。それゆえ、こ
の形態によれば、上述した第１の実施の形態と略同様の
効果を得ることができる。加えて、２方向の光量をアン
バランスにできるので、例えば、光ヘッド光学系等に適
用して好適である。

【００４１】◇第６の実施の形態 図１０（ａ）は、この発明の第６の実施の形態であるホ
ログラム素子の構成を示す上面図である。また、図１０
（ｂ）は、図１０（ａ）の構造のホログラム素子への入
射光に対してｙ方向（Ｐ）偏光の透過光の位相変化の様
子を示す図である。この形態のホログラム素子が、第５
の実施の形態のホログラム素子と大きく異なるところ
は、第１に、平坦部面からなる領域はなく、凹凸形状の
形成領域Ａ１乃至Ａｎのみが略周期的に形成されている
点である。第２に、一周期（領域Ｃ）内の領域Ａ１乃至
Ａｎが第５の実施の形態と比べて大幅に細かく分割され
ている点である。一方、第５の実施の形態のホログラム
素子と同じところは、複数の領域Ａ１乃至Ａｎの一周期
内で、凹凸形状１９（１）乃至１９（ｎ）の形成領域Ａ
１乃至Ａｎの一次元周期構造の周期方向が領域Ｃの周期
方向と同じであり、かつ領域Ｃの周期方向に沿う配列順
に一次元周期構造の周期が次第に大きくなっている点で
ある。

【００４２】このような非対称の構造では、第５の実施
の形態と比べて一周期（領域Ｃ）内の領域Ａ１乃至Ａｎ
がより細かく分割されているので、位相調整により、図
１０（ｂ）に示すように、ｙ方向（Ｐ）偏光の透過光の
位相分布が鋸歯状の位相分布になるようにすることがで
きる。なお、ｘ方向（Ｓ）偏光成分は全ての領域Ａ１乃
至Ａｎで位相変化が生じないようにしている。これによ
り、±１次回折の１方向の回折光のみを発生することが
できるようになる。

【００４３】それゆえ、この形態によれば、第１の実施
の形態で述べたと略同様の効果を得ることができる。加
えて、矩形位相格子では、回折光が２方向に発生してし
まうのに対して、この形態の非対称格子では、１方向に
回折するので、光の利用効率を上げることができる。

【００４４】以上、この発明の実施の形態を図面により
詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限ら
れるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の
設計変更等があってもこの発明に含まれる。例えば、図
１や図３に示す領域Ｂの基板１１表面は領域Ａの凹部１
２ｂの底面と一致した平坦部面からなるが、領域Ａの凸
部１２ａの上面と一致した平坦部面であってもよい。

【００４５】また、第５及び第６の実施の形態では、凹
凸形状１７、１８の形成領域Ａ１，Ａ２の周期を変化さ
せて階段状の位相分布を得ているが、凹凸形状１７、１
８の高低差や凹部や凸部の幅を変化させても同様な効果
を得ることができる。さらに、図９及び図１０では複数
の領域の周期方向に沿う凹凸形状の形成領域の配列順に
凹凸形状の形成領域の一次元周期構造の周期が大きくな
っているが、逆にこの一次元周期構造の周期が小さくな
っていてもよい。また、回折格子は単純な一次元の周期
構造のものを用いているが、従来より用いられている２
次元の周期構造のホログラムパターンを用いることもで
きる。この場合、基板の凹凸形状をホログラムパターン
の領域に沿って形成することになる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように、この発明の構成に
よれば、複数の領域の一周期内における少なくとも一つ
の領域が入射光の波長以下の一次元周期構造を有する凹
凸形状の形成領域であり、凹凸形状の形成領域では屈折
率の異なる等方性媒質からなる多層膜が屈折率の配列が
周期的になるように積層されているので、透過光の偏光
成分間の位相差の調整パラメータとして多層膜の膜厚や
屈折率を用いることができる。これにより、主に凹凸形
状の高低差だけを位相調整パラメータとしている従来の
場合に比べて位相調整パラメータを多様化させることが
できるため、適度な凹凸形状の高低差で必要な位相差を
確保できる。このため、ホログラム素子の作成が容易に
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態であるホログラム
素子の概略構成を示す断面図である。

【図２】同ホログラム素子のフォトニック結晶への入射
光の波長とフォトニック結晶中の波数との関係を示す特
性図である。

【図３】同ホログラム素子の製造方法を示す断面図であ
る。

【図４】（ａ）は、同ホログラム素子の構成を示す上面
図、（ｂ）は、同ホログラム素子のｙ方向（Ｐ）偏光透
過光の位相変化の様子を示す図、（ｃ）は、同ホログラ
ム素子のｘ方向（Ｓ）偏光透過光の位相変化の様子を示
す図である。

【図５】この発明の第２の実施の形態であるホログラム
素子に用いる基板の構成を示す断面図である。

【図６】この発明の第２の実施の形態であるホログラム
素子に用いる基板の別の構成を示す断面図である。

【図７】この発明の第３の実施の形態であるホログラム
素子の構成を概略示す上面図である。

【図８】この発明の第４の実施の形態であるホログラム
素子の構成を概略示す上面図である。

【図９】（ａ）は、この発明の第５の実施の形態である
ホログラム素子の構成を示す断面図、（ｂ）は、同ホロ
グラム素子の構成を示す上面図、（ｃ）は、同ホログラ
ム素子のｙ方向（Ｐ）偏光透過光の位相変化の様子を示
す図である。

【図１０】（ａ）は、この発明の第６の実施の形態であ
るホログラム素子の構成を示す上面図、（ｂ）は、同ホ
ログラム素子のｙ方向（Ｐ）偏光透過光の位相変化の様
子を示す図である。

【図１１】従来例である、複屈折性結晶を用いたホログ
ラム素子の構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１１ 透明基板（基板） １２、１５、１６、１７、１８、１９（１）乃至１９
（ｎ） 凹凸形状 １２ａ、１５ａ、１６ａ 凸部 １２ｂ、１５ｂ、１６ｂ 凹部 １３ 多層膜 １３ａ，１３ｂ 膜 １４ａ 薄い部分 １４ｂ 厚い部分

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光の偏光方向に依存して透過光の偏
   光成分間に位相差が生じる領域を含み、かつ全体として
   前記透過光の偏光成分間の位相差が異なる複数の領域が
   基板上に略周期的に形成された、前記入射光の偏光成分
   に依存して異なる回折効率を有するホログラム素子にお
   いて、前記略周期的に形成された複数の領域の一周期内
   における少なくとも一つの前記領域が前記入射光の波長
   以下の一次元周期構造を有する凹凸形状の形成領域であ
   り、かつ該凹凸形状の形成領域では屈折率の異なる等方
   性媒質からなる多層膜が該屈折率の配列が周期的になる
   ように積層されていることを特徴とするホログラム素
   子。
2. 【請求項２】 前記偏光方向が互いに直交している方向
   であることを特徴とする請求項１に記載のホログラム素
   子。
3. 【請求項３】 全ての前記複数の領域にわたって前記透
   過光の偏光成分のうち特定方向の偏光成分の位相変化量
   が等しくなるように位相調整されていることを特徴とす
   る請求項１又は２記載のホログラム素子。
4. 【請求項４】 前記基板が透明基板であり、かつ前記凹
   凸形状の形成領域が、前記透明基板に形成された入射光
   の波長以下の周期を有する凹凸上に前記多層膜を積層し
   た構造であることを特徴とする請求項１乃至３の何れか
   一に記載のホログラム素子。
5. 【請求項５】 前記略周期的に形成された複数の領域の
   一周期内における少なくとも一つの前記領域が前記多層
   膜を積層した平坦な領域であることを特徴とする請求項
   １乃至４のうち何れか一に記載のホログラム素子。
6. 【請求項６】 前記略周期的に形成された複数の領域の
   一周期内で、前記領域ごとに前記基板の厚さを調整する
   ことにより位相調整していることを特徴とする請求項１
   乃至５のうち何れか一に記載のホログラム素子。
7. 【請求項７】 前記略周期的に形成された複数の領域の
   周期方向と前記凹凸形状の形成領域の一次元周期構造の
   周期方向とが相互に異なっていることを特徴とする請求
   項１乃至６のうちの何れか一に記載のホログラム素子。
8. 【請求項８】 前記略周期的に形成された複数の領域の
   一周期内で、前記複数の領域が、前記一次元周期構造の
   周期方向が相互に異なる複数の凹凸形状の形成領域を含
   むことを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか一に記
   載のホログラム素子。
9. 【請求項９】 前記略周期的に形成された複数の領域の
   一周期内で、前記一次元周期構造の周期方向が前記複数
   の領域の周期方向と同じである複数の凹凸形状の形成領
   域を含み、かつ前記複数の領域の周期方向に前記一次元
   周期構造の周期が次第に大きく、又は小さくなっている
   ことを特徴とする請求項１乃至６のうち何れか一に記載
   のホログラム素子。
10. 【請求項１０】 前記基板に形成された凹凸のうち該凹
    部が、前記基板に形成した溝であることを特徴とする請
    求項１乃至９のうちの何れか一に記載のホログラム素
    子。