JP2008064914A - ホログラム露光方法、光学素子および映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い回折効率で複数のＨＯＥを安定して作製するとともに、小型、コンパクトな設備で安価に複数のＨＯＥを作製する。
【解決手段】レーザ光源１から射出された光を、ホログラム感光材料１２ａの同一領域に異なる入射角度で複数回入射させる。このとき、ホログラム感光材料１２ａに入射してそこを透過した光を、反射ミラー２〜７のいずれかで反射させてホログラム感光材料１２ａに入射させる。これにより、光路を分岐することなく、ホログラム感光材料１２ａに複数回光を入射させることができるので、光量を極端に低下させずに露光することができ、露光時間の短縮により複数のＨＯＥを安定して作製することが容易となる。また、光路を分岐させるための光学部材が不要であり、露光光学系の小型化、低コスト化が可能となる。さらに、１個のレーザ光源で複数のＨＯＥを作製できるので、低コストである。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラム感光材料の同一領域に複数のホログラフィック回折光学素子（以下、ＨＯＥとも称する）を多重記録するホログラム露光方法と、その露光方法によって複数のＨＯＥが多重記録された光学素子と、その光学素子を備えた映像表示装置とに関するものである。

ＨＯＥは、干渉性を有する２光束でホログラム感光材料を干渉露光することによって作製される。このようなＨＯＥは、入射光束を任意の方向に回折反射させることが可能であることから、従来から映像表示装置に多く用いられている。

ＨＯＥは、作製時に使用した２つの露光光束のうちの一方の光束と同じ入射角の光が入射すると、他方の光が再生するという特性を有しており、その再生波長は、作製時に使用した露光光束の波長と一致するか、それに近い。したがって、カラー対応のＨＯＥ、すなわち、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各波長域の光に対して作用するＨＯＥを作製するためには、ＲＧＢの光をそれぞれ射出する３つのレーザ光源を用いてホログラム感光材料を露光するのが一般的である。例えば特許文献１では、ＲＧＢの各波長域の光を射出する３つのレーザ光源を用いてホログラム感光材料を露光する方法が開示されている。

これに対して、例えば特許文献２では、波長の異なる２つの光が再生される２つのＨＯＥを１つのレーザ光源を用いて作製することで、全体として用いるレーザ光源の数を減らしている。

より具体的には、第１のレーザ光源から射出される光束を２光束に分岐し、さらにそのそれぞれを２光束に分岐することで、合計４つの露光光束を得るようにしている。これらのうちの２光束でホログラム感光材料を露光することにより、第１のＨＯＥが作製される。一方、残りの２光束でホログラム感光材料を露光することにより、第２のＨＯＥが作製される。ただし、一方の組の２光束はともにＰ偏光であり、他方の組の２光束はともにＳ偏光である。また、一方の組の２光束のホログラム感光材料への入射角度は、他方の組の２光束のホログラム感光材料への入射角度とは異なっている。これにより、単色光でホログラム感光材料を露光しても、波長の異なる２つの光でホログラム感光材料を露光したときと等価なＨＯＥ（第１および第２のＨＯＥ）を作製することができる。一方、第２のレーザ光源から射出される光束を２光束に分岐してホログラム感光材料を露光することにより、第３のＨＯＥが作製される。

このように、特許文献２の露光方法によれば、２個のレーザ光源を用いて３つの波長に対応するＨＯＥを作製することができ、全体として用いるレーザ光源の数を減らすことができる。

特開２００２−２５８４８８号公報 特開平１１−５２８２６号公報

ところが、特許文献２の露光方法では、第１のレーザ光源から射出される光束が最終的に４つの光束に分離されるため、４光束のそれぞれの光量は、分離前の元の光束の略１／４となってしまう。この場合、２光束の干渉縞を記録するのに必要な光量でホログラム感光材料を露光しようとすると、単純に４倍の露光時間が必要となる。このことは、単に製造のタクトタイムが長くなるだけでなく、干渉縞の記録時間が長くなることで、記録中の振動などの影響が大きくなり、高い回折効率のＨＯＥを安定して作製することが困難となる。また、元の光束を４光束に分離するために、多くの光学部材（例えばＰＢＳ）や、その光学部材の配置スペースおよび光の光路を確保するためのスペースが必要となり、設備が大掛かりで高コストなものとなる。

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、高い回折効率で複数のＨＯＥを安定して作製するとともに、小型、コンパクトな設備で安価に複数のＨＯＥを作製することができるホログラム露光方法と、その露光方法によって複数のＨＯＥが多重記録された光学素子と、その光学素子を備えた映像表示装置とを提供することにある。

本発明のホログラム露光方法は、ホログラム感光材料の同一領域に複数のホログラフィック回折光学素子を多重記録するホログラム露光方法であって、光源として、可干渉性の光を射出する１つのレーザ光源を用い、上記レーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなく、上記ホログラム感光材料の同一領域に異なる入射角度で複数回入射させて複数のホログラフィック回折光学素子を作製することを特徴としている。

レーザ光源から射出された可干渉性の光は、途中で分岐されずに（すなわち、１本の光路のままで）、ホログラム感光材料の同一領域に複数回入射し、これによって複数のホログラフィック回折光学素子（ＨＯＥ）が作製される。例えば、ホログラム感光材料の同一領域に１本の光路で光を４回入射させれば、最大で６個のＨＯＥを作製することが可能である。このとき、ホログラム感光材料に複数回入射する光は、互いに異なる入射角度でホログラム感光材料に入射するので、単色光を射出するレーザ光源を１つだけ用いて、同一方向から入射する複数波長の光を反射させる複数のＨＯＥを多重記録することができる。なお、ホログラム感光材料に入射する複数の光のうち、入射角の絶対値が異なる２つの光は勿論のこと、入射角の絶対値が同じでも入射方向が異なる２つの光も、互いに入射角度が異なるものとする。

本発明では、レーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなくホログラム感光材料に入射させるので、光路を分岐して得られる２光束を干渉させてＨＯＥを作製する従来とは異なり、光量を極端に低下させずに、干渉に必要な２光束をホログラム感光材料に入射させることができる。これにより、露光時間を短縮することができ、複数のＨＯＥを安定して作製することが容易となる。

また、レーザ光源から射出された光を途中で分岐させないので、光路を分岐させるための光学部材（例えばＰＢＳ）は不要であり、さらにその配置スペースや光の光路となるスペースを広く確保しなくても済む。したがって、ＨＯＥを作製するための露光光学系の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。

さらに、複数のＨＯＥを作製するにあたり、用いるレーザ光源は、可干渉性の光（例えば単色光）を射出する１個の光源であるので、例えばＲＧＢの光を射出する３個の光源を用いて複数のＨＯＥを作製する場合に比べて、低コストとなる。

また、本発明においては、上記ホログラム感光材料に入射してそこを透過した光の光路を光路折り曲げ部材によって折り曲げて再度上記ホログラム感光材料に入射させるようにしてもよい。この場合、レーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなく、ホログラム感光材料の同一領域に異なる入射角度で複数回確実に入射させることができる。

また、本発明においては、上記レーザ光源から射出された光から得られる第１の偏光方向の光を上記ホログラム感光材料の同一領域に（異なる入射角度で）２回入射させた後、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光の偏光方向を偏光方向変換部材によって変換し、第２の偏光方向の光を上記ホログラム感光材料の同一領域に（異なる入射角度で）２回入射させ、第１の偏光方向の２光束の干渉により第１のホログラフィック回折光学素子を、第２の偏光方向の２光束の干渉により第２のホログラフィック回折光学素子を作製するようにしてもよい。

第１のＨＯＥは、第１の偏光方向（例えばＰ偏光）の２光束の干渉によって作製され、第２のＨＯＥは、第１の偏光方向の光が偏光方向変換部材（例えば１／２波長板）によって変換された後の第２の偏光方向（例えばＳ偏光）の２光束の干渉によって作製される。偏光方向の異なる光同士はほとんど干渉しないので、上記の方法によれば、第１のＨＯＥの作製時に用いた光と、第２のＨＯＥの作製時に用いた光とが干渉して、ノイズとなる不要な干渉縞（目的以外の干渉縞）がホログラム感光材料に記録されるのを抑制することができ、これによって、第１および第２のＨＯＥを高い回折効率で作製することができる。

このとき、上記偏光方向変換部材は、入射光をそれとは直交する偏光方向の光に変換することが望ましい。例えば、第１のＨＯＥの作製時に用いる光がＰ偏光であるとすると、第２のＨＯＥの作製時に用いる光はＳ偏光となる。Ｐ偏光とＳ偏光とは偏光方向が９０度異なり、互いに干渉しないので、上記のような変換を行う偏光方向変換部材を用いることにより、不要な干渉縞がホログラム感光材料に記録されるのを抑制できる効果を最大限に得ることができ、第１および第２のＨＯＥを確実に高い回折効率で作製することができる。

また、最初に上記ホログラム感光材料に入射する第１の偏光方向の光は、Ｐ偏光であることが望ましい。この場合、第２のＨＯＥは、第２の偏光方向の光であるＳ偏光同士の干渉露光によって作製される。

ところで、第２のＨＯＥの作製に用いる上記光は、既にホログラム感光材料を２回透過しているため、その光量が若干低下している。また、一般的に、Ｐ偏光同士の干渉性は、Ｓ偏光同士の干渉性よりも良くはない。そのため、例えば、第１の偏光方向の光がＳ偏光であると、第２のＨＯＥは、低下した光量でのＰ偏光同士の干渉によって作製されることになるため、その回折効率が大幅に低下しやすい。その結果、第１のＨＯＥと第２のＨＯＥとで、回折効率に極端に差が生じやすい。

しかし、上記のように、第１の偏光方向の光をＰ偏光とすることにより、第２のＨＯＥを干渉性の良いＳ偏光で作製できるので、たとえ光量低下が生じても、第２のＨＯＥの回折効率が大幅に低下するのを極力回避することができ、第１のＨＯＥと第２のＨＯＥとで、回折効率に極端に差が出るのを回避することができる。

また、本発明においては、上記レーザ光源を第１のレーザ光源とすると、上記第１のレーザ光源とは発振波長の異なるレーザ光を射出する第２のレーザ光源を併せて用い、上記第２のレーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなく、上記ホログラム感光材料の上記同一領域に（異なる入射角度で）２回入射させてホログラフィック回折光学素子を作製するようにしてもよい。

このように、第２のレーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなく、ホログラム感光材料の上記同一領域に（異なる入射角度で）２回入射させてＨＯＥを作製することにより、第１のレーザ光源を用いて作製される複数のＨＯＥ（例えば第１および第２のＨＯＥ）と併せて、別のＨＯＥ（例えば第３のＨＯＥ）を同一領域に多重記録することが可能となる。

このとき、第２のレーザ光源と第１のレーザ光源とは、レーザ光の発振波長が互いに異なるので、第２のレーザ光源から射出されるレーザ光と第１のレーザ光源から射出されるレーザ光とは干渉しない。したがって、第１のレーザ光源を用いて作製される複数のＨＯＥとは独立して、高い回折効率で別のＨＯＥを作製することができる。

なお、上記の方法によれば、用いるレーザ光源の数は２つになるが、ＲＧＢに対応して３つの光源を用いて３つのＨＯＥを作製する場合と比べると、光源の数が１つ少ない分だけ依然として低コストであることに変わりはない。

また、本発明においては、上記レーザ光源として、パルスレーザを射出する光源を用い、上記レーザ光源から射出される光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で上記ホログラム感光材料に（異なる入射角度で）２回入射させることにより、第１のホログラフィック回折光学素子を作製し、その後、パルス時間幅よりも長い時間が経過してから、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度上記ホログラム感光材料に（異なる入射角度で）２回入射させることにより、第２のホログラフィック回折光学素子を作製するようにしてもよい。

光源から射出されるパルスレーザは、そのパルス時間幅よりも短い時間内でホログラム感光材料に（異なる入射角度で）２回入射するので、２光束干渉によって第１のＨＯＥが確実に作製される。その後、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光（パルスレーザ）は、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度上記ホログラム感光材料に（異なる入射角度で）２回入射するので、２光束干渉によって第２のＨＯＥが確実に作製される。

また、第１のＨＯＥを作製した後、第２のＨＯＥを作製するまでに、パルス時間幅よりも長い時間が経過しているので、第１のＨＯＥの作製時に用いた光と、第２のＨＯＥの作製時に用いた光とが干渉することはない。したがって、ノイズとなる不要な干渉縞がホログラム感光材料に記録されるのを防止することができ、これによって、高い回折効率の第１および第２のＨＯＥを作製することができる。

また、上記第２のホログラフィック回折光学素子を作製した後、パルス時間幅よりも長い時間が経過してから、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度上記ホログラム感光材料に（異なる入射角度で）２回入射させることにより、第３のホログラフィック回折光学素子を作製するようにしてもよい。

第２のＨＯＥを作製した後、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光（パルスレーザ）は、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度上記ホログラム感光材料に（異なる入射角度で）２回入射するので、２光束干渉によって第３のＨＯＥが確実に作製される。また、第２のＨＯＥを作製した後、第３のＨＯＥを作製するまでに、パルス時間幅よりも長い時間が経過しているので、第２のＨＯＥの作製時に用いた光と、第３のＨＯＥの作製時に用いた光とが干渉することはない。したがって、ノイズとなる不要な干渉縞がホログラム感光材料に記録されるのを防止することができ、これによって、第１および第２のＨＯＥのみならず、第３のＨＯＥを高い回折効率で作製することができる。

また、本発明において、上記ホログラム感光材料に入射させる光は、全て平行光であってもよい。平行光からなる２光束でホログラム感光材料を露光することにより、ホログラム感光材料では干渉縞が湾曲せずに記録されるので、この場合は、作製されるＨＯＥを全て平面反射ミラーとして機能させることができる。

また、本発明においては、互いに平行な平面を有する導光部材の上記平面上の異なる位置に、上記ホログラム感光材料として第１および第２のホログラム感光材料を形成し、上記レーザ光源から射出された光を上記第１のホログラム感光材料の同一領域に（異なる入射角度で）複数回入射させた後、上記第１のホログラム感光材料を最後に透過した光を上記導光部材内での全反射により導光して、上記第２のホログラム感光材料の同一領域に（異なる入射角度で）複数回入射させ、その後、上記第２のホログラム感光材料を最後に透過した光を上記導光部材内での全反射により導光して、上記第１のホログラム感光材料の上記同一領域に（異なる入射角度で）複数回入射させるようにしてもよい。

レーザ光源から射出された光は、第１のホログラム感光材料の同一領域に（異なる入射角度で）複数回入射するので、第１のホログラム感光材料には、ＨＯＥが少なくとも１つ作製される。続いて、第１のホログラム感光材料を最後に透過した光は、導光部材内での全反射により導光され、第２のホログラム感光材料の同一領域に（異なる入射角度で）複数回入射する。これにより、第２のホログラム感光材料には、ＨＯＥが少なくとも１つ作製される。なお、第２のホログラム感光材料に対する光の入射回数を増やすことで、第２のホログラム感光材料に複数のＨＯＥを作製することが可能である。その後、第２のホログラム感光材料を最後に透過した光は、導光部材内での全反射により導光され、第１のホログラム感光材料の上記同一領域に（異なる入射角度で）複数回入射する。これにより、第１のホログラム感光材料には、複数のＨＯＥが確実に作製される。

このように、導光部材の平面上の異なる位置に複数のホログラム感光材料（第１および第２のホログラム感光材料）が形成されている場合であっても、上記の方法によれば、各ホログラム感光材料に、複数のＨＯＥを多重記録することが可能となる。しかも、一方のホログラム感光材料の露光に用いた光を導光部材内で導光して、他方のホログラム感光材料を露光するので、各ホログラム感光材料の露光を、途中で光路を分岐することなく、１本の光路のままで行うことが可能となる。

本発明の光学素子は、上述した本発明のホログラム露光方法によって、ホログラム感光材料の同一領域に複数のホログラフィック回折光学素子が多重記録されていることを特徴としている。

上述した本発明のホログラム露光方法によれば、複数のＨＯＥを安定して、かつ、低コストで作製することができ、本発明の光学素子は、その露光方法で複数のＨＯＥが多重記録されたものであるので、光学性能の良好な光学素子を安価に実現することができる。

また、本発明の光学素子においては、複数のホログラフィック回折光学素子の干渉縞は、互いに平行で、かつ、ピッチが異なっていてもよい。

ここで、複数のＨＯＥの干渉縞が互いに平行とは、複数のＨＯＥ間で、干渉縞が湾曲した状態で互いに平行である場合も含むし、干渉縞が湾曲せずに互いに平行である場合も含む。前者は、発散光同士の干渉露光によって各ＨＯＥが作製された場合であり、各ＨＯＥは光学的パワーを有する。一方、後者は、平行光同士の干渉露光によって各ＨＯＥが作製された場合であり、各ＨＯＥは光学的パワーを有しない。

このように、複数のＨＯＥの干渉縞が互いに平行である場合、干渉縞のピッチが互いに異なっていれば、複数のＨＯＥは、光学的パワー（レンズ特性）が同じで（光学的パワーがゼロの場合も含む）、回折波長だけが異なるものとなり、複数のＨＯＥに一方向から光を入射させた場合に、複数波長の光を同じ方向に反射させる光学素子を実現することができる。

また、本発明の光学素子においては、上述したホログラム露光方法によって、ホログラム感光材料の同一領域に３つのホログラフィック回折光学素子が多重記録されている場合に、上記３つのホログラフィック回折光学素子は、一方向からの入射光に対して、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の波長域の光をそれぞれ反射させる構成であってもよい。この場合、ＲＧＢの３色について再生可能な光学素子を実現することができる。

本発明の映像表示装置は、映像を表示する映像表示素子と、上述した本発明の光学素子と、互いに平行な平面を有し、内部に入射した光を全反射により導光する導光部材とを備え、上記光学素子は、上記導光部材の上記平面上に保持されており、上記導光部材内を全反射によって導光されてきた上記映像表示素子からの映像光を、回折反射によって観察者の瞳に導くことを特徴としている。

映像表示素子からの映像光を導光部材内での全反射によって導光する構成とすることで、導光部材として薄型のものを用いることができ、薄型でコンパクトな映像表示装置を実現することができる。また、映像表示素子からの映像光は、複数のＨＯＥが多重記録された光学素子での回折反射によって観察者の瞳に導かれるので、観察者は、少なくとも２色の映像を観察することが可能となる。

本発明によれば、レーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなくホログラム感光材料に入射させるので、光量を極端に低下させずに、干渉に必要な２光束をホログラム感光材料に入射させることができ、露光時間を短縮して複数のＨＯＥを安定して作製することが容易となる。また、光路を分岐させるための光学部材は不要であり、さらにその配置スペースや光の光路となるスペースを広く確保しなくても済むので、ＨＯＥを作製するための露光光学系の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。さらに、ＲＧＢの光を射出する３個の光源を用いて複数のＨＯＥを作製する場合に比べて、用いるレーザ光源の数を減らして複数のＨＯＥを作製することができ、低コストである。

〔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。

（１．露光光学系について）
図１は、本実施形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。この露光光学系は、レーザ光源１（第１のレーザ光源）と、複数の反射ミラー２〜７と、１／２波長板８とを有している。

レーザ光源１は、可干渉性の光を射出するものであり、例えば波長５３２ｎｍの緑色レーザ光を射出する。反射ミラー２〜７は、入射光をこの順で反射させる光学素子であり、ホログラム感光材料１２ａに入射してそこを透過した光の光路を折り曲げて再度ホログラム感光材料１２ａに入射させる光路折り曲げ部材として機能している。なお、反射ミラー２〜７の代わりにプリズムを用いて入射光の光路を折り曲げてもよい。反射ミラー２〜７の位置および傾き角を適切に設定することにより、反射ミラー２〜７を介してホログラム感光材料１２ａに入射する光の入射角度を適切に設定することが可能である。１／２波長板８は、入射光をこれとは垂直な偏光方向の光に変換する偏光方向変換部材であり、反射ミラー４・５間の光路中に配置されている。

（２．露光方法について）
次に、上記構成の露光光学系を用いて行うホログラム露光方法について説明する。まず、透明な基板１１上にホログラム感光材料１２ａを貼り付けたものを、露光光学系の所定の位置に配置する。なお、ホログラム感光材料１２ａ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が挙げられるが、中でもドライプロセスで製造できるフォトポリマーが望ましい。そして、このホログラム感光材料１２ａをレーザ光源１から射出される光で露光する。

なお、ここでは、レーザ光源１から射出されて最初にホログラム感光材料１２ａに入射する光Ｒ１は、Ｐ偏光とする。また、図１では、模式的にレーザ光源１から射出される光線を線で表しているが、実際には、上記光線をビームエキスパンダを通して必要なビーム径に広げてホログラム感光材料１２ａに照射する。

光Ｒ１は、ホログラム感光材料１２ａに基板１１とは反対側から入射してそこを透過し、反射ミラー２・３で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａにおける光Ｒ１の入射領域と同一の領域に、光Ｒ１とは異なる入射角度で基板１１側から光Ｒ２として入射する。なお、光Ｒ１と光Ｒ２とでは、ホログラム感光材料１２ａに対する入射角の絶対値は同じであるが、入射方向が互いに異なるので、ホログラム感光材料１２ａに対する入射角度は互いに異なるものとする。つまり、ホログラム感光材料１２ａに対する光Ｒ１の入射角度が例えば１０度であれば、光Ｒ２の入射角度は例えば−１０度と考えて、これらを区別する。以下、光Ｒ１・Ｒ２以外の光についても同様に考える。

ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ２は、そこを透過し、反射ミラー４で反射された後、１／２波長板８にてＳ偏光に変換され、反射ミラー５で反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａの上記同一領域に、光Ｒ１・Ｒ２とは異なる入射角度で基板１１とは反対側から光Ｒ３として入射する。光Ｒ３は、ホログラム感光材料１２ａを透過し、反射ミラー６・７で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａの上記同一領域に、光Ｒ１・Ｒ２・Ｒ３とは異なる入射角度で基板１１側から光Ｒ４として入射する。ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ４は、そこを透過した後、適切に処理される。

このようなホログラム感光材料１２ａの露光の結果、光Ｒ１・Ｒ２の２光束干渉により、体積位相型で反射型の第１のＨＯＥ２１（図２参照）が作製され、光Ｒ３・Ｒ４の２光束干渉により、同じく体積位相型で反射型の第２のＨＯＥ２２（図２参照）が作製される。つまり、ホログラム感光材料１２ａの同一領域に複数のＨＯＥ（第１のＨＯＥ２１、第２のＨＯＥ２２）が多重記録されて光学素子１２が得られる。

以上のように、１個のレーザ光源１からの光を、途中で分岐することなく、ホログラム感光材料１２ａに複数回入射させることにより、複数のＨＯＥを多重露光によって一度に作製することが可能となる。しかも、複数のＨＯＥの作製の際に、光Ｒ１〜Ｒ４は、互いに異なる入射角度でホログラム感光材料１２ａに入射するので、単色光を射出するレーザ光源１を１つだけ用いて、同一方向から入射する複数波長の光を反射させる複数のＨＯＥを多重記録することができる。

また、本実施形態では、レーザ光源１から射出された光を、途中で分岐することなく、１本の光路のままでホログラム感光材料１２ａに入射させている。この場合、光路中の反射ミラー２〜７での反射ロスおよびホログラム感光材料１２ａでの光吸収により、若干光量が低下することを加味したとしても、同じ強度の光を射出するレーザ光源を用いて光路を分岐させる構成と比較して、必要露光量を得るための露光時間が短くて済む。したがって、記録中の振動などの影響が小さくて済み、高い回折効率で複数のＨＯＥを容易にかつ安定して作製することが可能となる。

また、光路を分岐させるための光学部材（例えばＰＢＳ）は不要であり、さらにその配置スペースや光の光路となるスペースを広く確保しなくても済むので、露光光学系の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。さらに、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２を作製するにあたり、用いる光源は、可干渉性の光を射出する１個のレーザ光源１であるので、光源を２つ用いる場合に比べて、低コストである。

また、本実施形態では、光路折り曲げ部材として反射ミラー２〜７を用い、ホログラム感光材料１２ａに入射してそこを透過した光の光路を反射ミラー２〜７によって折り曲げて再度ホログラム感光材料１２ａに入射させている。このように反射ミラー２〜７を用いるという簡単な構成で、レーザ光源１から射出された光を、途中で分岐することなく、ホログラム感光材料１２ａの同一領域に異なる入射角度で複数回確実に入射させることができる。

（３．偏光方向の変換について）
ところで、４つの光をホログラム感光材料の同一領域に入射させて複数のＨＯＥを多重記録する場合、原理的には、ホログラム感光材料に、最大で、２光束の組み合わせの全てに対応する６種類のＨＯＥを作製することが可能である。つまり、本実施形態において、光Ｒ１〜Ｒ４の偏光方向が全て同じであると仮定して考えた場合には、ホログラム感光材料１２ａには、光Ｒ１と光Ｒ２、光Ｒ１と光Ｒ３、光Ｒ１と光Ｒ４、光Ｒ２と光Ｒ３、光Ｒ２と光Ｒ４、光Ｒ３と光Ｒ４、の２光束干渉による６種類のＨＯＥを作製することが可能である。

しかし、作製したいＨＯＥが、光Ｒ１と光Ｒ２、光Ｒ３と光Ｒ４、の２光束干渉による２種類のＨＯＥだけである場合、他の４種類のＨＯＥは全て不要なものとなり、却って、これらが作製されているとノイズとなる。

そこで、本実施形態では、反射ミラー４・５の間の光路中に１／２波長板８を配置し、レーザ光源１から射出された光から得られる第１の偏光方向の光（Ｐ偏光）をホログラム感光材料１２ａの同一領域に２回（光Ｒ１・Ｒ２として順に）入射させた後、ホログラム感光材料１２ａを最後に透過した光（光Ｒ２）の偏光方向を１／２波長板８によって変換し、その変換によって得られる第２の偏光方向の光（Ｓ偏光）をホログラム感光材料１２ａの同一領域に２回（光Ｒ３・Ｒ４として順に）入射させている。そして、第１の偏光方向の２光束の干渉により第１のＨＯＥ２１を作製し、第２の偏光方向の２光束の干渉により第２のＨＯＥ２２を作製している。

偏光方向の異なる光同士はほとんど干渉しないので、上記のようにホログラム感光材料１２ａを露光することで、第１のＨＯＥ２１の作製時に用いた光と、第２のＨＯＥ２２の作製時に用いた光とが干渉して、ノイズとなる不要な干渉縞（目的以外の干渉縞）がホログラム感光材料１２ａに記録されるのを抑制することができ、不要なＨＯＥが作製されるのを抑制することができる。その結果、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２を高い回折効率で作製することができる。

特に、１／２波長板８は、入射光をそれとは直交する偏光方向の光に変換するので、第１のＨＯＥ２１の作製時に用いる光がＰ偏光であれば、第２のＨＯＥ２２の作製時に用いる光は必ずＳ偏光となる。Ｐ偏光とＳ偏光とは偏光方向が９０度異なり、互いに干渉しないので、１／２波長板８を用いることにより、不要な干渉縞がホログラム感光材料１２ａに記録されるのを抑制できる効果を最大限に得ることができる。その結果、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２を確実に高い回折効率で作製することができる。

また、ホログラム感光材料１２ａに入射した光は、そこを透過する際に若干吸収され、その光量が若干低下する。一方、Ｐ偏光同士の干渉性は、Ｓ偏光同士の干渉性よりも良くはなく、Ｐ偏光同士の干渉露光によって作製されるＨＯＥにおいては、Ｓ偏光同士の干渉露光によって作製されるＨＯＥに比べて、高い回折効率を得にくい。そのため、例えば、第１のＨＯＥ２１をＳ偏光同士の干渉露光によって作製し、第２のＨＯＥ２２をＰ偏光同士の干渉露光によって作製すると、第２のＨＯＥ２２の作製時は、第１のＨＯＥ２１の作製によって低下した光量でのさらにＰ偏光同士の干渉となるため、作製される第２のＨＯＥ２２の回折効率が大幅に低下しやすい。その結果、第１のＨＯＥ２１と第２のＨＯＥ２２とで、回折効率に極端に差が生じやすい。

しかし、本実施形態では、最初にホログラム感光材料１２ａに入射する第１の偏光方向の光Ｒ１をＰ偏光としている。この場合、第１のＨＯＥ２１をＰ偏光同士の干渉露光によって作製し、第２のＨＯＥ２２を干渉性の良いＳ偏光同士の干渉露光によって作製することができる。これにより、たとえ第１のＨＯＥ２１の作製時に光量低下が生じても、第２のＨＯＥ２２の回折効率が大幅に低下するのを極力回避することができ、第１のＨＯＥ２１と第２のＨＯＥ２２とで、回折効率に極端に差が出るのを回避することができる。

（４．干渉縞の記録状態について）
本実施形態では、ホログラム感光材料１２ａに入射する光Ｒ１〜Ｒ４を全て平行光としている。ここで、図２は、光学素子１２を構成する第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２の一構成例を模式的に示す断面図である。なお、同図のハッチングは、それぞれのＨＯＥに記録される干渉縞を示している。

第１のＨＯＥ２１は、光Ｒ１と光Ｒ２との２光束干渉により作製され、第２のＨＯＥ２２は、光Ｒ３と光Ｒ４との２光束干渉により作製されることは上述の通りであるが、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２のそれぞれの作製時に、平行光からなる２光束でホログラム感光材料１２ａを露光することにより、ホログラム感光材料１２ａでは干渉縞が湾曲せずに記録される。したがって、この場合は、作製される第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２を平面反射ミラーとして機能させることができる。

ここで、光Ｒ１と光Ｒ２、光Ｒ３と光Ｒ４とが、それぞれホログラム感光材料１２ａの表面に対して対称、すなわちホログラム感光材料１２ａの両面から同一入射角（絶対値）で入射したとすると、図２に示すように、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２に記録される干渉縞は、ともにホログラム感光材料の表面に対して平行となる。このとき、第１のＨＯＥ２１と第２のＨＯＥ２２とでは、干渉縞は互いに平行であるが、そのピッチが異なることとなる。

このようにして作製された第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２に再生光を同一方向から入射させると、第１のＨＯＥ２１と第２のＨＯＥ２２とでは、回折反射される波長が異なるが、反射方向は等しいということになる。例えば、図３は、ホログラム感光材料１２ａ（光学素子１２）の表面に対して垂直方向から光を入射させた場合に、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２での回折反射により同一方向に再生される光の波長と、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２の回折効率との関係を示すグラフである。同図に示すように、第１のＨＯＥ２１での回折反射により再生される光の波長λ₁は、露光時に用いた光の波長λ₀よりも長波長側に現れ、第２のＨＯＥ２２での回折反射により再生される光の波長λ₂は、波長λ₁よりもさらに長波長側に現れる。

このように、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２の干渉縞が互いに平行で、かつ、ピッチが異なっていることにより、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２に一方向から光を入射させた場合に、２つの波長の光を同じ方向に反射させる２色再生可能な光学素子１２を実現することができる。

また、図４は、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２の他の構成例を模式的に示す断面図である。同図の第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２では、干渉縞が湾曲した状態で互いに平行であり、かつ、両者でピッチが異なっている。このような干渉縞を有する第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２は、発散光同士の干渉露光によって作製することができる。

図４の構成の場合、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２において、干渉縞が湾曲した状態で記録されていることにより、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２は、光学的パワーを有することになるが、干渉縞が互いに平行で、干渉縞のピッチが互いに異なっていれば、光学的パワー（レンズ特性）が同じで、回折波長だけが異なるものとなる。したがって、図４の構成であっても、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２に一方向から光を入射させた場合に、２つの波長の光を同じ方向に反射させる２色再生可能な光学素子１２を実現することができる。

〔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、実施の形態１の露光光学系を利用して、ホログラム感光材料１２ａの同一領域に３つのＨＯＥを多重記録して３色再生可能な光学素子を作製する場合について説明する。

図５は、本実施形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。この露光光学系は、図１の構成に加えて、レーザ光源３１と、複数の反射ミラー３２・３３とを有している。レーザ光源３１は、レーザ光源１とは発振波長の異なるレーザ光（例えば赤色レーザ光）を射出する第２のレーザ光源である。反射ミラー３２・３３は、入射光（レーザ光源３１から射出された光）をこの順で反射させる光学素子であり、ホログラム感光材料１２ａに入射してそこを透過した光の光路を折り曲げて再度ホログラム感光材料１２ａに入射させる光路折り曲げ部材として機能している。

このような露光光学系においては、実施の形態１と同様の手法で第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２が作製される。一方、レーザ光源３１から射出された光Ｒ５（例えばＳ偏光）は、ホログラム感光材料１２ａの同一領域（レーザ光源１から射出される光の入射領域）に基板１１とは反対側から入射してそこを透過し、反射ミラー３２・３３で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａにおける光Ｒ５の入射領域と同一の領域に、光Ｒ５とは異なる入射角度で基板１１側から光Ｒ６として入射する。ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ６は、そこを透過した後、適切に処理される。光Ｒ５・Ｒ６の２光束干渉により、体積位相型で反射型の第３のＨＯＥ２３（図６参照）が作製される。

このように、レーザ光源３１から射出された光を、途中で分岐することなく、ホログラム感光材料１２ａの同一領域（レーザ光源１から射出される光の入射領域）に異なる入射角度で２回入射させることにより、ホログラム感光材料１２ａの同一領域に第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２のみならず、第３のＨＯＥ２３を多重記録することができる。

また、ゴーストとなるＨＯＥの作製を防ぐため、実施の形態１で述べたような方法、つまり、Ｐ偏光同士を干渉させるとともにＳ偏光同士を干渉させて２つのＨＯＥを多重記録する方法では、原理的に１本のレーザ光を用いてＨＯＥを２種類までしか多重記録することができない。そこで、偏光方向の異なる２光束を用いて複数のＨＯＥを多重記録する場合には、レーザ光源１に加えて、さらにそれとは発振波長の異なる光源、すなわち、レーザ光源１とは別の光源で干渉性のない光を射出するレーザ光源３１を併せて用いることにより、レーザ光源１を用いて作製される第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２とは独立して、高い回折効率で第３のＨＯＥ２３を作製することができる。

また、３つのＨＯＥを多重記録する場合、レーザ光源１・３１から射出される光の波長、ホログラム感光材料１２ａに対する入射光（光Ｒ１〜Ｒ６）の入射角度、入射光の状態（平行光か発散光か）を適切に設定することで、図６に示すように、干渉縞が互いに平行で、かつ、ピッチが異なる第１のＨＯＥ２１、第２のＨＯＥ２２および第３のＨＯＥ２３を作製することができる。これにより、一方向からの入射光に対して、ＲＧＢの各波長域の光をそれぞれ反射させる３つのＨＯＥを有し、ＲＧＢの３色について再生可能な光学素子１２を実現することができる。このような光学素子１２は、例えば映像表示装置のコンバイナ、すなわち、表示映像の光を反射させて観察者の瞳に導く一方、外界像の光を透過させて観察者の瞳に導くコンバイナに好適となる。

なお、本実施形態の露光方法によれば、用いるレーザ光源の数は２つになるが、ＲＧＢに対応して３つの光源を用いて３つのＨＯＥを作製する場合と比べると、光源の数が１つ少ない分だけ依然として低コストであることに変わりはない。したがって、本実施形態の露光方法によれば、少ない露光光源でカラー表示が可能な光学素子１２を安価に実現することができると言える。

なお、レーザ光源３１から射出される光でホログラム感光材料１２ａを露光する際に、実施の形態１と同様にＰ偏光同士およびＳ偏光同士を干渉させて２つのＨＯＥを作製すれば、レーザ光源１から射出される光を用いて作製される２つのＨＯＥとともに、合計で４つのＨＯＥを多重記録することも可能である。

〔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。

図７は、本実施形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。この露光光学系は、レーザ光源１の代わりにレーザ光源４１を用い、１／２波長板８を削除した以外は、実施の形態１と同様の構成である。レーザ光源４１は、パルスレーザを射出する光源である。以下、本実施形態のホログラム露光方法について説明する。なお、ここでは、レーザ光源４１から射出されて最初にホログラム感光材料１２ａに入射する光Ｒ１は、Ｓ偏光とする。

レーザ光源４１から射出された光（パルスレーザ）は、ホログラム感光材料１２ａに基板１１とは反対側から光Ｒ１として入射してそこを透過し、反射ミラー２・３で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａにおける光Ｒ１の入射領域と同一の領域に、光Ｒ１とは異なる入射角度で基板１１側から光Ｒ２として入射する。このとき、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ１として入射してから次に光Ｒ２として入射するまでの時間は、パルスレーザの１パルスの時間幅よりも短い時間とする。この結果、光Ｒ１・Ｒ２の２光束干渉により、図２と同様の第１のＨＯＥ２１が作製される。

ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ２は、そこを透過し、反射ミラー４・５で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａの上記同一領域に、光Ｒ１・Ｒ２とは異なる入射角度で基板１１とは反対側から光Ｒ３として入射する。ただし、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ２として入射してから次に光Ｒ３として入射するまでの光路長を十分に確保し、光Ｒ２として入射してから光Ｒ３として入射するまでに、１パルスの時間幅よりも長い時間経過させる。

ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ３は、そこを透過し、反射ミラー６・７で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａの上記同一領域に、光Ｒ１・Ｒ２・Ｒ３とは異なる入射角度で基板１１側から光Ｒ４として入射する。このとき、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ３として入射してから光Ｒ４として入射するまでの時間は、パルスレーザの１パルスの時間幅よりも短い時間とする。この結果、光Ｒ３・Ｒ４の２光束干渉により、図２と同様の第２のＨＯＥ２２が作製される。ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ４は、そこを透過した後、適切に処理される。

以上のように、本実施形態においても、レーザ光源４１から射出された光を、途中で分岐することなく（１本の光路のままで）、ホログラム感光材料１２ａの同一領域に異なる入射角度で複数回入射させて複数のＨＯＥ（第１のＨＯＥ２１、第２のＨＯＥ２２）を作製しているので、高い回折効率で複数のＨＯＥを容易にかつ安定して作製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。

また、本実施形態では、レーザ光源４１から射出される光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内でホログラム感光材料１２ａに異なる入射角度で２回入射させることにより、第１のＨＯＥ２１を作製し、その後、パルス時間幅よりも長い時間が経過してから、ホログラム感光材料１２ａを最後に透過した光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度ホログラム感光材料１２ａに異なる入射角度で２回入射させることにより、第２のＨＯＥ２２を作製している。

このように、第１のＨＯＥ２１を作製した後、第２のＨＯＥ２２を作製するまでに、パルス時間幅よりも長い時間が経過しているので、第１のＨＯＥ２１の作製時に用いた光と、第２のＨＯＥ２２の作製時に用いた光とが干渉することはない。したがって、ノイズとなる不要な干渉縞がホログラム感光材料１２ａに記録されるのを防止することができ、これによって、高い回折効率で第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２を作製することができる。しかも、実施の形態１のような偏光方向変換部材としての１／２波長板８を用いなくても、目的とする第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２のみを作製できるため（不要なＨＯＥが作製されないため）、露光光学系の構成を簡素化することができる。

ここで、レーザ光源４１を用いて複数のＨＯＥを作製するための条件についてまとめると以下のようになる。図８は、光Ｒ１〜Ｒ４がホログラム感光材料１２ａに入射するタイミングを模式的に示す説明図である。なお、Ｌｐは、１パルスの光路長（ｍ）を示し、ＰＷは、１パルスの時間幅（ｓ）を示し、ｃは、光速（＝３×１０⁸ｍ／ｓ）を示す。また、Ｌ₁₂は、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ１として入射してから次に光Ｒ２として入射するまでの光路長（ｍ）を示し、Ｌ₂₃は、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ２として入射してから次に光Ｒ３として入射するまでの光路長（ｍ）を示し、Ｌ₃₄は、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ３として入射してから次に光Ｒ４として入射するまでの光路長（ｍ）を示す。

まず、Ｌｐ＞Ｌ₁₂であれば、光Ｒ１と光Ｒ２とは干渉するため、第１のＨＯＥ２１を作製することはできるが、Ｌｐ＜Ｌ₁₂であれば、光Ｒ１と光Ｒ２とは干渉しないので、第１のＨＯＥ２１を作製することができない。また、Ｌｐ＞Ｌ₃₄であれば、光Ｒ３と光Ｒ４とは干渉するため、第２のＨＯＥ２２を作製することはできるが、Ｌｐ＜Ｌ₃₄であれば、光Ｒ３と光Ｒ４とは干渉しないので、第２のＨＯＥ２２を作製することができない。さらに、Ｌｐ＜Ｌ₂₃であれば、光Ｒ２と光Ｒ３とは干渉しないため、目的以外のＨＯＥ（ゴーストとなるＨＯＥ）は作製されないが、Ｌｐ＞Ｌ₂₃であれば、光Ｒ２と光Ｒ３とが干渉するため、目的以外のＨＯＥが作製される。

以上のことから、目的とする第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２のみを作製するためには、Ｌｐ＞Ｌ₁₂、Ｌｐ＞Ｌ₃₄、Ｌｐ＜Ｌ₂₃であることが必要と言える。逆に、Ｌｐ＜Ｌ₁₂、Ｌｐ＜Ｌ₃₄、Ｌｐ＞Ｌ₂₃の場合には、目的とする複数のＨＯＥを多重記録することができないと言える。

なお、レーザ光源４１として、例えば１パルス時間幅が２００ｎｓのＱスイッチパルスレーザを用いた場合、１パルス光路長は、１パルス時間幅（２００×１０^-9ｓ）×光速（３×１０⁸ｍ／ｓ）＝６０ｍとなる。光路長６０ｍは、光ファイバ束を用いることで、コンパクトに実現することが可能である。したがって、この場合は、Ｌｐ＜Ｌ₂₃となるような露光光学系を容易に実現することが可能となる。なお、レーザ光源４１として、より短パルスのレーザ光を射出するものを用いれば、上記光路長をさらに短く構成することができる。

ところで、図９は、本実施形態の露光光学系の他の構成例を模式的に示す説明図である。図９の露光光学系は、図７の露光光学系に、さらに反射ミラー４２〜４５を光路折り曲げ部材として加えたものである。この構成では、レーザ光源４１から射出された光を光Ｒ１〜Ｒ４として１本の光路でホログラム感光材料１２ａに入射させ、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２を作製するまでは、上記と同様である。

ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ４は、そこを透過し、反射ミラー４２・４３で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａの上記同一領域に、光Ｒ１〜Ｒ４とは異なる入射角度で基板１１とは反対側から光Ｒ５として入射する。ただし、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ４として入射してから次に光Ｒ５として入射するまでの光路長を十分に確保し、光Ｒ４として入射してから光Ｒ５として入射するまでに、１パルスの時間幅よりも長い時間経過させる。

ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ５は、そこを透過し、反射ミラー４４・４５で順に反射された後、再度ホログラム感光材料１２ａの上記同一領域に、光Ｒ１〜Ｒ５とは異なる入射角度で基板１１側から光Ｒ６として入射する。このとき、ホログラム感光材料１２ａへの入射光が光Ｒ５として入射してから光Ｒ６として入射するまでの時間は、パルスレーザの１パルスの時間幅よりも短い時間とする。この結果、光Ｒ５・Ｒ６の２光束干渉により、図６と同様の第３のＨＯＥ２３が作製される。ホログラム感光材料１２ａに入射した光Ｒ６は、そこを透過した後、適切に処理される。

以上のように、第２のＨＯＥ２２を作製した後、パルス時間幅よりも長い時間が経過してから、ホログラム感光材料１２ａを最後に透過した光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度ホログラム感光材料１２ａに異なる入射角度で２回入射させて第３のＨＯＥ２３を作製することで、第２のＨＯＥ２２の作製時に用いた光と、第３のＨＯＥ２３の作製時に用いた光とが干渉するのを防止することができる。したがって、ノイズとなる不要な干渉縞がホログラム感光材料１２ａに記録されるのを防止することができ、これによって、第１のＨＯＥ２１および第２のＨＯＥ２２のみならず、第３のＨＯＥ２３を高い回折効率で作製することができる。その結果、１個のレーザ光源４１だけを用いてＲＧＢの３色について再生可能な光学素子１２、すなわち、一方向からの入射光に対して、ＲＧＢの各波長域の光をそれぞれ反射させる３つのＨＯＥを有する光学素子１２を容易に得ることができる。

なお、以上では、１個のレーザ光源４１を用いて、２つのＨＯＥおよび３つのＨＯＥを多重記録する場合について説明したが、前段のＨＯＥを作製した後、パルス時間幅よりも長い時間が経過してから、ホログラム感光材料１２ａを最後に透過した光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度ホログラム感光材料１２ａに異なる入射角度で２回入射させるという工程を繰り返すことにより、原理的には、１本のレーザ光で４つ以上の複数のＨＯＥを作製することも可能となる。

〔実施の形態４〕
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１〜３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、一度に２つのホログラム感光材料に複数のＨＯＥをそれぞれ多重記録する方法について説明する。

図１０は、本実施形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。本実施形態では、まず、透明基板である導光部材５１の異なる平面上に第１のホログラム感光材料５２ａおよび第２のホログラム感光材料５３ａをそれぞれ貼り付ける。より具体的には、導光部材５１は、互いに平行な平面５１ａ・５１ｂを有しており、平面５１ａ上に第１のホログラム感光材料５２ａを貼り付け、平面５１ｂ上に第２のホログラム感光材料５３ａを貼り付ける。

次に、第１のホログラム感光材料５２ａ上にマッチングオイルを介してプリズム６１を密着配置し、第２のホログラム感光材料５３ａ上にマッチングオイルを介してプリズム６２を密着配置する。プリズム６１・６２は、その表面がミラーコートされたものであり、さらにその内部には、反射型偏光板６１ａ・６２ａがそれぞれ埋め込まれている。反射型偏光板６１ａ・６２ａは、偏光方向が９０度異なるＳ偏光とＰ偏光とのうち、一方を反射させ、一方を透過する特性を有しているもので、例えばワイヤーグリッド素子や、輝度上昇フィルム（例えば住友スリーエム株式会社製のＤＢＥＦ；Dual Brightness Enhancement Film）などで構成されている。本実施形態では、反射型偏光板６１ａ・６２ａは、Ｓ偏光を透過させ、Ｐ偏光を反射するように配置されている。

レーザ光源１から射出された光は、光Ｒ１（例えばＳ偏光）として導光部材５１の平面５１ｂ側から第１のホログラム感光材料５２ａに入射した後、プリズム６１の反射型偏光板６１ａを透過し、ミラー６１ｂで反射された後、再度反射型偏光板６１ａを透過し、光Ｒ２（Ｓ偏光）として再び第１のホログラム感光材料５２ａにおける光Ｒ１の入射領域と同一の領域に、光Ｒ１とは異なる角度で入射する。第１のホログラム感光材料５２ａに入射した光Ｒ２は、そこを透過し、導光部材５１内を全反射によって導光された後、光Ｒ３（Ｓ偏光）として第２のホログラム感光材料５３ａに入射する。

第２のホログラム感光材料５３ａに入射した光Ｒ３は、そこを透過した後、プリズム６２の反射型偏光板６２ａを透過し、ミラー６２ｂで反射された後、再度反射型偏光板６２ａを透過し、光Ｒ４（Ｓ偏光）として再び第２のホログラム感光材料５３ａにおける光Ｒ３の入射領域と同一の領域に、光Ｒ３とは異なる角度で入射する。

第２のホログラム感光材料５３ａに入射した光Ｒ４は、そこを透過した後、１／４波長板６３を透過し、ミラー６４・６５で順次反射された後、再度１／４波長板６３を透過する。このように、１／４波長板６３を光が２回往復で透過することにより、入射光の偏光方向は９０度回転し、Ｓ偏光がＰ偏光に変換される。

１／４波長板６３を介して得られるＰ偏光は、光Ｒ５として第２のホログラム感光材料５３ａにおける光Ｒ３・Ｒ４の入射領域と同一の領域に、光Ｒ３・Ｒ４とは異なる角度で入射する。第２のホログラム感光材料５３ａに入射した光Ｒ５は、そこを透過し、反射型偏光板６２ａで反射された後、光Ｒ６（Ｐ偏光）として再び第２のホログラム感光材料５３ａの上記同一領域に、光Ｒ３〜Ｒ５とは異なる角度で入射する。

第２のホログラム感光材料５３ａに入射した光Ｒ６は、そこを透過し、導光部材５１内を全反射により導光され、光Ｒ７（Ｐ偏光）として第１のホログラム感光材料５２ａにおける光Ｒ１・Ｒ２の入射領域と同一の領域に、光Ｒ１・Ｒ２とは異なる角度で入射する。第１のホログラム感光材料５２ａに入射した光Ｒ７は、そこを透過し、反射型偏光板６１ａで反射された後、光Ｒ８（Ｐ偏光）として再び第１のホログラム感光材料５２ａに、光Ｒ１・Ｒ２・Ｒ７とは異なる角度で入射する。第１のホログラム感光材料５２ａを透過した光Ｒ８は、その後適切に処理される。

この結果、光Ｒ１・Ｒ２の２光束干渉により、第１のホログラム感光材料５２ａに第１のＨＯＥが作製され、光Ｒ３・Ｒ４の２光束干渉により、第２のホログラム感光材料５３ａに第２のＨＯＥが作製される。また、光Ｒ５・Ｒ６の２光束干渉により、第２のホログラム感光材料５３ａに第３のＨＯＥが第２のＨＯＥと多重記録され、光Ｒ７・Ｒ８の２光束干渉により、第１のホログラム感光材料５２ａに第４のＨＯＥが第１のＨＯＥと多重記録される。第１のＨＯＥと第４のＨＯＥとにより光学素子５２が構成され、第２のＨＯＥと第３のＨＯＥとにより光学素子５３が構成される。

以上のように、本実施形態では、レーザ光源１から射出された光を第１のホログラム感光材料５２ａの同一領域に複数回入射させた後、第１のホログラム感光材料５２ａを最後に透過した光を導光部材５１内での全反射により導光して、第２のホログラム感光材料５３ａの同一領域に複数回入射させ、その後、第２のホログラム感光材料５３ａを最後に透過した光を導光部材５１内での全反射により導光して、第１のホログラム感光材料５２ａの上記同一領域に複数回入射させている。これにより、導光部材５１の異なる平面上に複数のホログラム感光材料（第１のホログラム感光材料５２ａおよび第２のホログラム感光材料５３ａ）が形成されている場合であっても、一度に複数のホログラム感光材料に２つのＨＯＥを多重記録することが可能となる。しかも、一方のホログラム感光材料の露光に用いた光を導光部材５１内で導光して、他方のホログラム感光材料を露光するので、各ホログラム感光材料の露光を、途中で光路を分岐することなく、１本の光路のままで行うことが可能となる。

なお、本実施形態では、１／４波長板６３を用いてＳ偏光からＰ偏光への変換を行っているが、１／２波長板を用いて行ってもよい。つまり、１／４波長板６３に対して光を２回透過させる代わりに、１／２波長板に対して光を１回透過させることで、偏光方向の変換を行ってもよい。

また、本実施形態では、偏光方向変換部材（１／４波長板６３）を用い、Ｐ偏光同士およびＳ偏光同士の干渉により、複数のホログラム感光材料に複数のＨＯＥを作製しているが、実施の形態３のように、偏光方向変換部材の代わりに、パルスレーザを射出するレーザ光源を用い、複数のホログラム感光材料に複数のＨＯＥを作製することも勿論可能である。この場合、第２のホログラム感光材料５３ａへの入射光が光Ｒ４として入射してから次に光Ｒ５として入射するまでの光路長を十分に確保することが必要である。また、本実施形態の手法と実施の形態２または３の手法とを組み合わせ、複数のホログラム感光材料のそれぞれに３つ以上のＨＯＥを作製することも勿論可能である。

〔実施の形態５〕
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１〜４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、実施の形態４の方法で作製した光学素子５２・５３を、映像表示装置に適用した場合について説明する。

図１１は、本実施形態の映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。この映像表示装置は、導光部材５１と、光学素子５２・５３と、映像表示素子７１と、接眼光学系７２とを備えている。

導光部材５１は、互いに平行な平面を有し、内部に入射した光を全反射により導光する透明な基板である。光学素子５２・５３は、導光部材５１の平面上の異なる位置に保持されている。光学素子５２は、映像表示素子７１から出射されて導光部材５１内に入射した映像光を、導光部材５１内で全反射される角度で回折反射させる。光学素子５３は、導光部材５１内を全反射によって導光されてきた映像表示素子７１からの映像光を回折反射によって観察者の瞳に導く。

映像表示素子７１は、映像を表示するものであり、光源７１ａと、光源７１ａから出射された光を変調して映像光を出射する光変調素子７１ｂ（例えばＬＣＤ）とを有している。接眼光学系７２は、映像表示素子７１からの映像光を略平行光に変換して導光部材５１に導く。

このような映像表示装置の構成において、映像表示素子７１からの映像光は、接眼光学系７２により拡大されて略平行光となり、導光部材５１内に入射する。そして、その入射光は、光学素子５２にて回折反射され、導光部材５１内を全反射を繰り返しながら導光され、光学素子５３にて観察瞳方向に回折反射される。なお、図１１では、光軸上の光線のみを図示している。また、上記の光軸とは、光変調素子７１ｂにおける映像表示領域の中心と観察瞳中心とを光学的に結ぶ軸を指す。

このように、映像表示素子７１からの映像光を導光部材５１内での全反射によって導光する構成とすることで、導光部材５１として薄型のものを用いることができ、薄型でコンパクトな映像表示装置を実現することができる。また、映像表示素子７１からの映像光は、複数のＨＯＥが多重記録された光学素子５２・５３での回折反射によって観察者の瞳に導かれるので、観察者は２色の映像を観察することが可能となる。

また、図１２は、３つのＨＯＥが多重記録された光学素子の光学特性を模式的に示す説明図である。この光学素子は、光軸上の入射光線に対して、それぞれＲＧＢの光線を回折反射する３種のＨＯＥが多重記録されたものとして作製されている。このような光学素子は、実施の形態４と実施の形態２または３の手法とを組み合わせることによって作製可能である。

したがって、光学素子５２・５３として、図１２の光学特性を有するものを用いれば、映像表示素子７１にて表示されたカラー映像の光を光学素子５２・５３を介して観察者の瞳に導くことができ、観察者は良好なカラー映像を観察することが可能となる。

なお、各実施の形態で説明した手法や構成を適宜組み合わせてホログラム感光材料を露光したり、光学素子や映像表示装置を構成することも勿論可能である。

本発明は、例えばヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイに利用可能である。

本発明の実施の一形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。 上記ホログラム露光方法によって作製される第１および第２のＨＯＥの一構成例を模式的に示す断面図である。 再生される光の波長と、第１および第２のＨＯＥの回折効率との関係を示すグラフである。 第１および第２のＨＯＥの他の構成例を模式的に示す断面図である。 本発明の他の実施の形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。 第１、第２および第３のＨＯＥの一構成例を模式的に示す断面図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。 複数の光がホログラム感光材料に入射するタイミングを模式的に示す説明図である。 上記露光光学系の他の構成例を模式的に示す説明図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係るホログラム露光方法を適用可能な露光光学系を模式的に示す説明図である。 本発明のさらに他の実施の形態に係る映像表示装置の概略の構成を示す断面図である。 ３つのＨＯＥが多重記録された光学素子の光学特性を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ レーザ光源（第１のレーザ光源）
２〜７ 反射ミラー（光路折り曲げ部材）
８ １／２波長板（偏光方向変換部材）
１２ 光学素子
１２ａ ホログラム感光材料
２１ 第１のＨＯＥ
２２ 第２のＨＯＥ
２３ 第３のＨＯＥ
３１ レーザ光源（第２のレーザ光源）
３２〜３３ 反射ミラー（光路折り曲げ部材）
４１ レーザ光源
４２〜４５ 反射ミラー（光路折り曲げ部材）
５１ 導光部材
５１ａ 平面
５１ｂ 平面
５２ 光学素子
５２ａ 第１のホログラム感光材料
５３ 光学素子
５３ａ 第２のホログラム感光材料
７１ 映像表示素子

Claims (14)

1. ホログラム感光材料の同一領域に複数のホログラフィック回折光学素子を多重記録するホログラム露光方法であって、
   光源として、可干渉性の光を射出する１つのレーザ光源を用い、
   上記レーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなく、上記ホログラム感光材料の同一領域に異なる入射角度で複数回入射させて複数のホログラフィック回折光学素子を作製することを特徴とするホログラム露光方法。
2. 上記ホログラム感光材料に入射してそこを透過した光の光路を光路折り曲げ部材によって折り曲げて再度上記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１に記載のホログラム露光方法。
3. 上記レーザ光源から射出された光から得られる第１の偏光方向の光を上記ホログラム感光材料の同一領域に２回入射させた後、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光の偏光方向を偏光方向変換部材によって変換し、第２の偏光方向の光を上記ホログラム感光材料の同一領域に２回入射させ、第１の偏光方向の２光束の干渉により第１のホログラフィック回折光学素子を、第２の偏光方向の２光束の干渉により第２のホログラフィック回折光学素子を作製す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露光方法。
4. 上記偏光方向変換部材は、入射光をそれとは直交する偏光方向の光に変換することを特徴とする請求項３に記載のホログラム露光方法。
5. 最初に上記ホログラム感光材料に入射する第１の偏光方向の光は、Ｐ偏光であることを特徴とする請求項４に記載のホログラム露光方法。
6. 上記レーザ光源を第１のレーザ光源とすると、
   上記第１のレーザ光源とは発振波長の異なるレーザ光を射出する第２のレーザ光源を併せて用い、
   上記第２のレーザ光源から射出された光を、途中で分岐することなく、上記ホログラム感光材料の上記同一領域に２回入射させてホログラフィック回折光学素子を作製することを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のホログラム露光方法。
7. 上記レーザ光源として、パルスレーザを射出する光源を用い、
   上記レーザ光源から射出される光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で上記ホログラム感光材料に２回入射させることにより、第１のホログラフィック回折光学素子を作製し、その後、パルス時間幅よりも長い時間が経過してから、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度上記ホログラム感光材料に２回入射させることにより、第２のホログラフィック回折光学素子を作製す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露光方法。
8. 上記第２のホログラフィック回折光学素子を作製した後、パルス時間幅よりも長い時間が経過してから、上記ホログラム感光材料を最後に透過した光を、そのパルス時間幅よりも短い時間内で再度上記ホログラム感光材料に２回入射させることにより、第３のホログラフィック回折光学素子を作製することを特徴とする請求項７に記載のホログラム露光方法。
9. 上記ホログラム感光材料に入射させる光は、全て平行光であることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のホログラム露光方法。
10. 互いに平行な平面を有する導光部材の上記平面上の異なる位置に、上記ホログラム感光材料として第１および第２のホログラム感光材料を形成し、
    上記レーザ光源から射出された光を上記第１のホログラム感光材料の同一領域に複数回入射させた後、上記第１のホログラム感光材料を最後に透過した光を上記導光部材内での全反射により導光して、上記第２のホログラム感光材料の同一領域に複数回入射させ、その後、上記第２のホログラム感光材料を最後に透過した光を上記導光部材内での全反射により導光して、上記第１のホログラム感光材料の上記同一領域に複数回入射させることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載のホログラム感光材料の露光方法。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のホログラム露光方法によって、ホログラム感光材料の同一領域に複数のホログラフィック回折光学素子が多重記録されていることを特徴とする光学素子。
12. 請求項１から８、１０のいずれかに記載のホログラム露光方法によって、ホログラム感光材料の同一領域に複数のホログラフィック回折光学素子が多重記録されており、
    複数のホログラフィック回折光学素子の干渉縞は、互いに平行で、かつ、ピッチが異なっていることを特徴とする光学素子。
13. 請求項６または８に記載のホログラム露光方法によって、ホログラム感光材料の同一領域に３つのホログラフィック回折光学素子が多重記録されており、
    上記３つのホログラフィック回折光学素子は、一方向からの入射光に対して、赤、緑、青の波長域の光をそれぞれ反射させることを特徴とする光学素子。
14. 映像を表示する映像表示素子と、
    請求項１１から１３のいずれかに記載の光学素子と、
    互いに平行な平面を有し、内部に入射した光を全反射により導光する導光部材とを備え、
    上記光学素子は、上記導光部材の上記平面上に保持されており、上記導光部材内を全反射によって導光されてきた上記映像表示素子からの映像光を、回折反射によって観察者の瞳に導くことを特徴とする映像表示装置。

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