JP2010044151A - 透過型光学素子 - Google Patents

Abstract

【目的】 波長選択性に優れた透過型光学素子を提供する。
【構成】 第１面１ａと第２面１ｂを有する第１ホログラム１’と、第３面２ａと第４面２ｂを有する第２ホログラム２’と、を有し、第１ホログラム１’の第１面１ａと第２ホログラム２’の第３面２ａとを対向させて配置した透過型光学素子１０において、第１波長を有する第１の光５’は、第２面１ｂ側から第１ホログラム１’に入射し、第１ホログラム１’を透過して、第１面１ａ側から第１ホログラム１’を出射し、第３面２ａ側から第２ホログラム２’に入射し、第２ホログラム２’により回折され、第３面２ａ側から第２ホログラム２’を出射し、第１面１ａ側から第１ホログラム１’に入射し、第１ホログラム１’により回折され、第１面１ａ側から第１ホログラム１’を出射し、第３面２ａ側から第２ホログラム２’に入射し、第２ホログラム２’を透過して、第４面２ｂ側から第２ホログラム２’を出射する。
【選択図】図４

Description

本発明は、リップマンホログラムからなる第１ホログラム及び第２ホログラムを有し、波長選択性を有する透過型光学素子に関するものである。

一般的なホログラムの特徴として、リップマンホログラム（体積型・反射型ホログラム）は角度選択性、波長選択性が高く、透過型ホログラム（体積型および表面レリーフ型）は大きな色分散を生じることが知られている。図１３は、反射型及び透過型ホログラムの分光透過率分布を示す図である。図１３に示すように、反射型ホログラムは、波長選択性が高く、透過型ホログラムは波長選択性が低い。

また、素子の内部に反射型ホログラムを用い、画像表示手段からの光と外界からの光を重畳させるイメージコンバイナに関する発明が開示されている（特許文献１）。
特開２００４−６１７３１号公報

しかしながら、この構成は、光を、導光部材中を全反射させ反射型ホログラムへ導くため、導光部材のエッジ付近から光を入射させねばならず、また、反射型ホログラムのサイズも導光部材の厚み程度に制限されるため光の合成、分離等に用いるには困難であった。

また、透過型ホログラムを光学素子として用いる場合には、大きな色分散が生じるため、設計波長以外の別の波長の光も回折してしまい、光路の合成・分離等に用いるには支障をきたす場合があった。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、波長選択性に優れた透過型光学素子を提供することである。

上記目的を達成する本発明は、第１面と第２面を有する第１ホログラムと、第３面と第４面を有する第２ホログラムと、を有し、前記第１ホログラムの第１面と前記第２ホログラムの第３面とを対向させて配置した透過型光学素子において、第１波長を有する第１の光は、前記第２面側から前記第１ホログラムに入射し、前記第１ホログラムを透過して、前記第１面側から前記第１ホログラムを出射し、前記第３面側から前記第２ホログラムに入射し、前記第２ホログラムにより回折され、前記第３面側から前記第２ホログラムを出射し、前記第１面側から前記第１ホログラムに入射し、前記第１ホログラムにより回折され、前記第１面側から前記第１ホログラムを出射し、前記第３面側から前記第２ホログラムに入射し、前記第２ホログラムを透過して、前記第４面側から前記第２ホログラムを出射することを特徴とする。

また、前記第１波長と異なる第２波長を有する第２の光は、前記第２面側から前記第１ホログラムに入射し、前記第１ホログラムを透過して、前記第１面側から前記第１ホログラムを出射し、前記第３面側から前記第２ホログラムに入射し、前記第２ホログラムを透過して、前記第４面側から前記第２ホログラムを出射することを特徴とする。

また、前記第１の光と前記第２の光は、前記第１ホログラムに対する入射角度が等しい場合、前記第２ホログラムに対する出射角度は異なることを特徴とする。

また、前記第１の光と前記第２の光は、前記第２ホログラムに対する出射角度が等しい場合、前記第１ホログラムに対する入射角度は異なることを特徴とする。

本発明によれば、コンパクト、且つ、安価で、簡単な構造により波長選択性に優れた透過型光学素子を提供することができる。

以下、図面を参照にして本実施形態の波長選択性に優れた透過型光学素子について説明する。

本発明の波長選択性を付与した透過型光学素子１０は２枚の対向したリップマンホログラムからなる。リップマンホログラムは図１のように作製された第１ホログラム１’及び後述する第２ホログラム２’を用いる。

本実施形態の透過型光学素子１０を作製するには、まず、前提となる第１ホログラムを作製する。図１は、第１ホログラムを作製する方法を示す図である。

まず、図１に示すように、フォトポリマー、銀塩材料等の第１ホログラム記録用感光材料１に、第１面１ａ側から所定の入射角度で、第１波長を有する第１物体光３を入射させる。それと同時に、第１ホログラム記録用感光材料１に、第１物体光３の入射側と反対の第２面１ｂ側から、第１物体光３と同一光源等から発せられる第１物体光３と同じ第１波長の平行光又は略平行光からなる第１参照光４を、第１物体光３と異なる所定の入射角度で入射させる。

このように第１物体光３と第１参照光４を第１ホログラム記録用感光材料１に入射させることで、第１物体光３と第１参照光４とが干渉する。その後、第１ホログラム記録用感光材料１を後処理して第１ホログラム１’を作製する。

このようなリップマンホログラムを作製するのに、第１ホログラム記録用感光材料１としては、緑色用として、フォトポリマーを用いた。撮影に用いたレーザ及び波長は、ＤＰＳＳレーザの５３２ｎｍである。

図２は、リップマンホログラムを再生する工程を説明するための図である。作製した第１ホログラム１’第１面１ａ側から、図１に示した第１参照光４と逆方向に進行する、記録時の第１波長を含む第１再生照明光５を入射させると、図１における第１物体光３と逆方向に進行する第１再生光６が回折され、第１面１ａ側から出射する。

図３は、リップマン型の第２ホログラム２’を作製するための工程を説明するための図である。第２ホログラム記録用感光材料２に第３面２ａ側から第１ホログラム１’の第１参照光４と入射角が略等しく第１波長を有し、略平行光からなる第２物体光３’と、第２物体光３’の入射側と反対側の第４面２ｂ側から第１ホログラム１’記録時に用いたものと同じ第１波長であり、第２物体光３’と同一の光源等からの略平行光からなる第２参照光４’と、を入射させ、第２物体光３’と第２参照光４’を干渉させて、第２ホログラム記録用感光材料２を後処理して第２ホログラム２’を作製する。

図４は、作製した波長選択性を付与した透過型光学素子１０の実施例１の構成を説明するための図である。この透過型光学素子１０は、第１ホログラム１’の第１面１ａと第２ホログラム２’の第３面２ａとを対向させて配置したものである。

第１波長を有する第２再生照明光５’を第１ホログラム１’の第２面１ｂ側より入射すると、第２再生照明光５’は、第１ホログラム１’を透過し、第２ホログラム２’にて第２再生光６’を回折する。ここで、第２再生光６’の出射角度は第１ホログラム１’の再生照明光５の入射角度と略等しくなるように設計されているため、再度第１ホログラム１’にて第１再生光６を回折する。そして、第１再生光６は第２ホログラム２’を透過して出射する。なお、第１ホログラム１’と第２ホログラム２’の入射角と出射角は好ましくは同一だがホログラム材料によってはずれることがある。

このように、素子の回折機能としては第２再生照明光５’を第１再生光６の方向へ回折する透過型ホログラムとしての機能を有し、さらにリップマンホログラムの波長選択性も併せ持っている。

次に、光の合成について説明する。図５は、透過型光学素子１０による光の合成の実施例１を示した図である。

第１ホログラム１’の第２面１ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第１再生光６と略等しい角度の第２波長の光１１が入射した場合、第２波長の光１１は、第１再生光６と略等しい角度で出射する。

したがって、図５に示すように、第１波長を有する第２再生照明光５’を第１ホログラム１’の第２面１ｂ側より入射し、第１ホログラム１’の第２面１ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第１再生光６と略等しい角度の第２波長の光１１が入射した場合、第２再生照明光５’と第２波長の光１１は、合成され、第１再生光６と略等しい角度で出射する。

光の合成について、第１再生光６と略等しい角度で波長647.1nmのKrレーザからの光を入射したところ、光は回折されることなく透過し、532nmの回折光と合成できることを確認した。

次に、光の分離について説明する。図６は、透過型光学素子１０による光の分離の実施例１を示した図である。

第１ホログラム１’の第２面１ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第２再生照明光５’と略等しい角度の第２波長の光１１が入射した場合、第２波長の光１１は、再生照明光５’の０次光と同じ角度で出射され、再生光６と異なる角度で出射する。

したがって、図６に示すように、第１波長を有する第２再生照明光５’を第１ホログラム１’の第２面１ｂ側より入射し、第１ホログラム１’の第２面１ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第２再生照明光５’と略等しい角度の第２波長の光１１が入射した場合、第２再生照明光５’と第２波長の光１１は、分離され、第１波長を有する第２再生照明光５’は第１再生光６と略等しい角度で出射し、第２波長の光１１は第２再生照明光５’の０次光と略等しい角度で出射する。

光の分離について、第２再生照明光５’と略等しい角度で同様に波長647.1nmのKrレーザからの光を入射したところ、光は回折されることなく透過し、532nmの回折光から分離できることを確認した。

また、透過型光学素子１０に対して、逆向きに再生光を入射してもよい。図７は、作製した波長選択性を付与した透過型光学素子１０の実施例２の構成を説明するための図である。

第１再生光６と逆向きの第３再生照明光７を第２ホログラム２’の第４面２ｂ側より入射すると、第３再生照明光７は、第２ホログラム２’を透過し、第１ホログラム１’にて第３再生光７’を回折する。ここで、第３再生光７’は第２ホログラム２’の再生光６’と逆向きとなるため、再度第２ホログラム２’にて第４再生光８を回折する。そして、第４再生光８は第１ホログラム１’を透過して第２再生照明光５’と逆向きに出射する。

このように、素子の回折機能としては第３再生照明光７を第４再生光８の方向へ回折する透過型ホログラムとしての機能を有し、さらにリップマンホログラムの波長選択性も併せ持っている。

次に、光の合成について説明する。図８は、透過型光学素子１０による光の合成の実施例２を示した図である。

第２ホログラム２’の第４面２ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第４再生光８と略等しい角度の光が入射した場合、第２波長の光１１は、第４再生光８と略等しい角度で出射する。

したがって、図８に示すように、第１波長を有する第３再生照明光７を第２ホログラム２’の第２面２ｂ側より入射し、第２ホログラム２’の第４面２ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第４再生光８と略等しい角度の第２波長の光１１が入射した場合、第３再生照明光７と第２波長の光１１は、合成され、第４再生光８と略等しい角度で出射する。

次に、光の分離について説明する。図９は、透過型光学素子１０による光の分離の実施例２を示した図である。

第２ホログラム２’の第４面２ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第３再生照明光７と略等しい角度の第２波長の光１１が入射した場合、第２波長の光１１は、第３再生照明光７の０次光と同じ角度で出射され、第４再生光８と異なる角度で出射する。

したがって、図９に示すように、第１波長を有する第３再生照明光７を第２ホログラム２’の第４面２ｂ側より入射し、第２ホログラム２’の第４面２ｂ側から、第１波長と異なる第２波長を有し、第３再生照明光７と略等しい角度の第２波長の光１１が入射した場合、第３再生照明光７と第２波長の光１１は、分離され、第１波長を有する第３再生照明光７は第４再生光８と略等しい角度で出射し、第２波長の光１１は第３再生照明光７の０次光と略等しい角度で出射する。

次に、本実施形態の透過型光学素子１０の設計方法について説明する。図１０は透過型光学素子１０の設計方法を示す図である。

まず、図１０（ａ）に示すように、本実施形態の所望の最終的な出射角を決定する。次に、図１０（ｂ）に示すように、入射側から見て手前のホログラムである第１ホログラム１’に回折されないような入射角度を選択する。

図１１は、設計入射角を０°とした場合の回折効率の入射角度依存性を示す図である。図１１に示すように、第１ホログラム１’はおよそ設計入射角の±１０°までは回折してしまうので、第１ホログラム１’への入射角度を選択する際は、透過型光学素子１０の所望の出射角の±１０°以内を避けるのが好ましい。

次に、図１０（ｃ）に示すように、入射側から見て奥のホログラムである第２ホログラム２’が出射光を回折しないような折り返し角度を選択する。この場合も、図１１に示すように、第２ホログラム２’はおよそ設計入射角の±１０°までは回折してしまうので、第２ホログラム２’の折り返し角度を選択する際は、透過型光学素子１０の所望の出射角の±１０°を避けるのが好ましい。

このように、作製された透過型光学素子１０は、コンパクト、且つ、安価で、簡単な構造により波長選択性に優れたものである。

次に、この透過型光学素子１０を用いた光合成素子について説明する。

図１４は、従来のクロスダイクロプリズム５０を示す図である。プロジェクタの色合成等に用いられるクロスダイクロプリズム５０は、図１４に示すように、ＲＧＢそれぞれの波長を有する光を合成する素子である。従来のものは、各プリズムの直角面の角度精度を高精度とする必要があり、高価であった。

図１２は、本実施形態の透過型光学素子１０を用いた光合成素子２０を示す図である。図１２に示すように、光合成素子２０は、本実施形態の透過型光学素子１０と、Ｒ用ダイクロイックミラー１５を貼り合わせて用いた素子である。

光合成素子２０の作用を説明する。まず、本実施形態の透過型光学素子１０をＢ用透過型光学素子とし、Ｂの波長を持つ光とＧの波長を持つ光を合成する。その後、Ｒ用ダイクロイックミラー１５で、透過型光学素子１０により合成した光とＲの波長を持つ光を合成する。したがって、光合成素子２０により、ＲＧＢそれぞれの波長を持つ光を合成することができる。

このように、本実施形態の透過型光学素子１０を用いた光合成素子２０は、透過型光学素子１０と、Ｒ用ダイクロイックミラー１５を貼り合わせて、簡単に作製することができ、安価で、軽量なものとなる。なお、透過型光学素子１０の合成する波長は、ＧとＢに限定されることはなく、ダイクロイックミラー１５もＲ用に限定されることはなく、それぞれ変更することができる。

以上、本発明の透過型光学素子１０を実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施形態に限定されず種々の変形が可能である。

第１ホログラム１’を作製する方法を示す図である。 第１ホログラム１’を再生する方法を示す図である。 第２ホログラム２’を作製する方法を示す図である。 作製した波長選択性を付与した透過型光学素子の実施例１の構成を説明するための図である。 透過型光学素子による光の合成の実施例１を示した図である。 透過型光学素子による光の分離の実施例１を示した図である。 作製した波長選択性を付与した透過型光学素子の実施例２の構成を説明するための図である。 透過型光学素子による光の合成の実施例２を示した図である。 透過型光学素子による光の分離の実施例２を示した図である。 透過型光学素子の設計方法を示す図である。 設計入射角を０°とした場合の回折効率の入射角度依存性を示す図である。 本実施形態の透過型光学素子１０を用いた光合成素子２０を示す図である。 反射型及び透過型ホログラムの分光透過率分布を示す図である。 従来のクロスダイクロプリズム５０を示す図である。

符号の説明

１…第１ホログラム記録用感光材料
１’…第１ホログラム
２…第２ホログラム記録用感光材料
２’…第２ホログラム
３…第１物体光
３’…第２物体光
４…第１参照光
４’…第２参照光
５…第１再生照明光
５’…第２再生照明光（第１の光）
６…第１再生光
６’…第２再生光
７…第３再生照明光
７’…第３再生光
８…第４再生光（第２の光）
１０…透過型光学素子
１１…第２波長の光（第２の光）
１５…ダイクロイックミラー
２０…光合成素子
５０…クロスダイクロプリズム

Claims (4)

1. 第１面と第２面を有する第１ホログラムと、
   第３面と第４面を有する第２ホログラムと、
   を有し、
   前記第１ホログラムの第１面と前記第２ホログラムの第３面とを対向させて配置した透過型光学素子において、
   第１波長を有する第１の光は、
   前記第２面側から前記第１ホログラムに入射し、前記第１ホログラムを透過して、前記第１面側から前記第１ホログラムを出射し、
   前記第３面側から前記第２ホログラムに入射し、前記第２ホログラムにより回折され、前記第３面側から前記第２ホログラムを出射し、
   前記第１面側から前記第１ホログラムに入射し、前記第１ホログラムにより回折され、前記第１面側から前記第１ホログラムを出射し、
   前記第３面側から前記第２ホログラムに入射し、前記第２ホログラムを透過して、前記第４面側から前記第２ホログラムを出射する
   ことを特徴とする透過型光学素子。
2. 前記第１波長と異なる第２波長を有する第２の光は、
   前記第２面側から前記第１ホログラムに入射し、前記第１ホログラムを透過して、前記第１面側から前記第１ホログラムを出射し、
   前記第３面側から前記第２ホログラムに入射し、前記第２ホログラムを透過して、前記第４面側から前記第２ホログラムを出射する
   ことを特徴とする請求項１に記載の透過型光学素子。
3. 前記第１の光と前記第２の光は、
   前記第１ホログラムに対する入射角度が等しい場合、前記第２ホログラムに対する出射角度は異なる
   ことを特徴とする請求項２に記載の透過型光学素子。
4. 前記第１の光と前記第２の光は、
   前記第２ホログラムに対する出射角度が等しい場合、前記第１ホログラムに対する入射角度は異なる
   ことを特徴とする請求項２に記載の透過型光学素子。

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