JP2018077330A - 回折素子、および回折素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】干渉縞が内部に形成された回折素子であって光学性能に優れた回折素子を提供す
る。
【解決手段】本発明の回折素子の一つの態様は、第１色の波長範囲の光を回折する第１干
渉縞と、第１色の波長範囲の光を回折する第２干渉縞と、第１色とは異なる第２色の波長
範囲の光を回折する第３干渉縞と、を含み、第１干渉縞に含まれる複数の縞のうち少なく
とも１つの縞は、第２干渉縞に含まれる縞と異なる位置に配置されていることを特徴とす
る。
【選択図】図５

Description

本発明は、回折素子、および回折素子の製造方法に関する。

コヒーレントな光を分離して得られた物体光と参照光とを記録媒体に照射し、物体光と
参照光とを干渉させて記録媒体を露光する体積ホログラムの製造方法が開示されている（
例えば、特許文献１）。

特開２００４−４５６２８号公報

ところで、上記のような体積ホログラムをヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：Ｈｅ
ａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ）あるいはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ：
Ｈｅａｄ−Ｕｐ Ｄｉｓｐｌａｙ）等の画像表示装置に利用する場合がある。この場合、
フルカラー等の複数の色光に対応させるため、複数の色光をそれぞれ物体光と参照光とに
分離して記録媒体に同時に照射して、各色光に対応した干渉縞が形成された体積ホログラ
ムを製造する場合がある。

ここで、記録媒体に照射する各色光の光量が異なると、製造される体積ホログラムの色
バランスが崩れる。そのため、各色光を射出する光源のうち最も光量が小さい光源に合わ
せて他の色光を射出する光源の光量を小さくして、記録媒体に照射される各色光の光量を
揃える。しかし、その場合、記録媒体に照射される光の光量が小さくなるため、記録媒体
を露光する時間が長くなる。露光時間が長くなると、物体光と参照光とが時間変動によっ
て揺らぐ、露光中に記録媒体がぶれる等によって、形成される干渉縞の位置がずれやすい
。そのため、製造される体積ホログラムの光学性能が低下する問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑みて、干渉縞が内部に形成された回折素子であって光学性能
に優れた回折素子、および光学性能が低下することを抑制できる回折素子の製造方法を提
供することを目的の一つとする。

本発明の回折素子の一つの態様は、第１色の波長範囲の光を回折する第１干渉縞と、前
記第１色の波長範囲の光を回折する第２干渉縞と、前記第１色とは異なる第２色の波長範
囲の光を回折する第３干渉縞と、を含み、前記第１干渉縞に含まれる複数の縞のうち少な
くとも１つの縞は、前記第２干渉縞に含まれる縞と異なる位置に配置されていることを特
徴とする。

本発明の回折素子の一つの態様によれば、回折素子の製造方法として、第１色の波長範
囲の光を射出する複数の光源（第１光源および第２光源）を用いた製造方法を採用できる
。これにより、記録材料に照射される第１色の波長範囲の光の光量を大きくすることがで
きる。そのため、１つの光源から射出される第１色の波長範囲の光の光量が他の色の光を
射出する光源の光の光量よりも小さい場合であっても、他の色の光の光量を第１色の波長
範囲の光の光量に合わせて小さくすることなく、各色の光の光量を同じにすることができ
る。これにより、各色の光の光量を同じにしつつ比較的大きくすることができるため、回
折素子の色バランスを崩すことなく、記録材料に干渉縞を記録する際の露光時間を短くす
ることができる。したがって、干渉縞の位置がずれることを抑制でき、回折素子の光学性
能が低下することを抑制できる。その結果、本発明の回折素子の一つの態様によれば、光
学性能に優れた回折素子が得られる。

前記第１干渉縞は、前記第２干渉縞と互いに異なるピッチである構成としてもよい。
この構成によれば、第１色の波長範囲の光を射出する複数の光源における光の波長のず
れを許容できるため、第１色の波長範囲の光を射出する複数の光源の選択が容易である。

前記第１干渉縞は、前記第２干渉縞に含まれる複数の縞のうちの１つと一致する縞を含
む構成としてもよい。
この構成によれば、第１色の波長範囲の光を射出する複数の光源における光の波長のず
れを許容できるため、第１色の波長範囲の光を射出する複数の光源の選択が容易である。

前記第１干渉縞は、前記第２干渉縞と互いに同じピッチであり、かつ、互いに異なる位
相である構成としてもよい。
この構成によれば、所望する波長の光をより好適に回折することができ、より光学性能
に優れた回折素子が得られる。

前記第１色の波長範囲および前記第２色の波長範囲の両方の波長範囲と異なる第３色の
波長範囲の光を回折する第４干渉縞を含み、前記第１色は、赤色であり、前記第２色は、
緑色であり、前記第３色は、青色である構成としてもよい。
赤色の波長範囲の光を射出する光源は、緑色の波長範囲の光を射出する光源および青色
の波長範囲の光を射出する光源に比べて光量が小さくなりやすい。そのため、この構成の
ように、第１色が赤色である場合に、上述した光量を大きくする効果を特に有用に得られ
る。

本発明の回折素子の製造方法の一つの態様は、記録材料を露光することで複数の干渉縞
を形成して回折素子を製造する回折素子の製造方法であって、１つの光源から射出された
コヒーレントな光を物体光と参照光とに分離して、前記物体光と前記参照光とを干渉させ
た露光光を前記記録材料に対して照射する露光工程を含み、前記光源は、第１色の波長範
囲の光を射出する第１光源と、前記第１色の波長範囲の光を射出する第２光源と、前記第
１色とは異なる第２色の波長範囲の光を射出する第３光源と、を含み、前記露光工程にお
いては、前記第１光源および前記第２光源から射出された複数の前記第１色の波長範囲の
光ならびに前記第３光源から射出された前記第２色の波長範囲の光のそれぞれを前記物体
光と前記参照光とに分離して、前記各物体光と前記各参照光とをそれぞれ干渉させた露光
光を前記記録材料に対して同時に照射することで、前記記録材料の内部に複数の前記干渉
縞を形成することを特徴とする。

本発明の回折素子の製造方法の一つの態様によれば、上述したように干渉縞の位置がず
れることを抑制でき、回折素子の光学性能が低下することを抑制できる。

前記第１光源から射出される光と前記第２光源から射出される光とを足し合わせた光量
は、前記第３光源から射出される光の光量と同じである製造方法としてもよい。
この製造方法によれば、色バランスに優れた回折素子が得られる。

前記光源は、前記第１色の波長範囲および前記第２色の波長範囲の両方の波長範囲と異
なる第３色の波長範囲の光を射出する第４光源を含み、前記露光工程においては、前記複
数の第１光源および前記第２光源から射出された複数の前記第１色の波長範囲の光、前記
第３光源から射出された前記第２色の波長範囲の光、ならびに前記第４光源から射出され
た前記第３色の波長範囲の光のそれぞれを前記物体光と前記参照光とに分離して、前記各
物体光と前記各参照光とをそれぞれ干渉させた露光光を前記記録材料に対して同時に照射
し、前記第１色は、赤色であり、前記第２色は、緑色であり、前記第３色は、青色である
製造方法としてもよい。
上述したように、この製造方法のように第１色が赤色である場合に、上述した光量を大
きくする効果を特に有用に得られる。

本実施形態のヘッドマウントディスプレイの使用形態を示す斜視図である。 本実施形態のヘッドマウントディスプレイの構成を示す斜視図である。 本実施形態のヘッドマウントディスプレイが備える表示装置の構成を示す模式図である。 本実施形態の回折素子の断面の一部を模式的に示す図である。 本実施形態の回折素子の断面の一部を模式的に示す図である。 本実施形態の回折素子の断面の一部を模式的に示す図である。 本実施形態の回折素子の断面の一部を模式的に示す図である。 本実施形態の他の一例である回折素子の断面の一部を模式的に示す図である。 本実施形態の露光装置を示す概略構成図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係る回折素子について説明する。本実
施形態の回折素子は、画像表示装置としてのヘッドマウントディスプレイに組み込まれた
ものを例として説明する。なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるもので
はなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面におい
ては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異な
らせる場合がある。

図１は、ヘッドマウントディスプレイ３００の使用形態を示す斜視図である。図２は、
ヘッドマウントディスプレイ３００の構成を示す斜視図である。図３は、ヘッドマウント
ディスプレイ３００が備える表示装置１００の構成を示す模式図である。

本実施形態のヘッドマウントディスプレイ３００は、図１に示すように、使用者Ｍが眼
鏡を掛ける感覚で頭部に装着して使用するものである。ヘッドマウントディスプレイ３０
０は、図２に示すように、眼鏡の形態を有する表示装置（ディスプレイグラス）１００と
、使用者Ｍが手で持つことが可能な程度の大きさを有する制御装置（コントローラー）２
００とを備えている。

表示装置１００と制御装置２００とは、有線または無線で通信可能に接続される。本実
施形態では、表示装置１００を構成する左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示
部１１０Ｂの各々と制御装置２００とは、ケーブル１５０を介して有線で通信可能に接続
され、画像信号や制御信号などを通信する。

表示装置１００は、眼鏡フレーム１２０と、左眼用画像表示部１１０Ａと、右眼用画像
表示部１１０Ｂとを備えている。左眼用画像表示部１１０Ａと右眼用画像表示部１１０Ｂ
とは、眼鏡フレーム１２０により支持されている。眼鏡フレーム１２０は、使用者Ｍが耳
に掛けるための一対のテンプル部１２２Ａ，１２２Ｂを有している。

制御装置２００は、表示部２１０と、操作部２５０とを備えている。表示部２１０は、
例えば使用者Ｍに与える各種の情報や指示等を表示する。操作部２５０は、各種の操作を
指示する釦等からなる。また、操作部２５０は、表示部２１０と一体化されたタッチパネ
ル等であってもよい。

本実施形態のヘッドマウントディスプレイ３００は、図３に示すように、シースルー型
（透過型）であり、左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂで反射し
て表示される画像（図３中に実線で示す画像光ＬＩ）を視認すると同時に、左眼用画像表
示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂを透過する外界の像（図３中に破線で示す
外光Ｔ）を視認できる。

左眼用画像表示部１１０Ａは、使用者Ｍの左眼ＬＥに対応する左眼用の回折素子２Ｌと
、左眼用の画像光生成部１Ｌとを備えている。同様に、右眼用画像表示部１１０Ｂは、使
用者Ｍの右眼ＲＥに対応する右眼用の回折素子２Ｒと、右眼用の画像光生成部１Ｒとを備
えている。

画像光生成部１Ｌは、画像光ＬＩを回折素子２Ｌに向けて射出する。回折素子２Ｌは、
透過した外光Ｔを使用者Ｍの左眼ＬＥに入射させると共に、画像光生成部１Ｌからの画像
光ＬＩを反射して使用者Ｍの左眼ＬＥに集光する。

同様に、画像光生成部１Ｒは、画像光ＬＩを回折素子２Ｒに向けて射出する。回折素子
２Ｒは、透過した外光Ｔを使用者Ｍの右眼ＲＥに入射させると共に、画像光生成部１Ｒか
らの画像光ＬＩを反射して使用者Ｍの右眼ＲＥに集光する。

したがって、使用者Ｍは、回折素子２Ｌおよび回折素子２Ｒを介して画像光生成部１Ｌ
および画像光生成部１Ｒにより表示される画像（画像光ＬＩ）を視認すると同時に、回折
素子２Ｌおよび回折素子２Ｒを介して透過する外界の像（外光Ｔ）を視認することができ
る。

また、相互に視差が付与された立体視画像（左眼用画像および右眼用画像）を画像光生
成部１Ｌおよび画像光生成部１Ｒに表示させることで、使用者Ｍに表示画像の立体感（３
Ｄ画像）を知覚（視認）させることも可能である。

なお、左眼用画像表示部１１０Ａおよび右眼用画像表示部１１０Ｂは、右眼用および左
眼用の画像を表示するため、左右対象となる構造を有する以外は、同一の構造を有してい
る。したがって、以下の説明では、画像光生成部１Ｌおよび画像光生成部１Ｒを画像光生
成部１とし、回折素子２Ｌおよび回折素子２Ｒを回折素子２として、必要に応じてまとめ
て扱うものとする。

次に、本実施形態の回折素子２について詳細に説明する。図４Ａから図５は、回折素子
２の断面の一部を模式的に示す図である。図４Ａおよび図５においては、赤色（第１色）
の波長範囲の光である赤色光Ｒを回折する赤色干渉縞５０Ｒを示している。図４Ｂにおい
ては、赤色とは異なる緑色（第２色）の波長範囲の光である緑色光Ｇを回折する緑色干渉
縞（第３干渉縞）５０Ｇを示している。図４Ｃにおいては、赤色の波長範囲および緑色の
波長範囲の両方の波長範囲と異なる青色の波長範囲の光である青色光Ｂを回折する青色干
渉縞（第４干渉縞）５０Ｂを示している。

回折素子２は、体積ホログラムである。図４Ａから図４Ｃに示すように、回折素子２に
は、複数の干渉縞５０が内部に形成されている。本実施形態において干渉縞５０は、赤色
干渉縞５０Ｒと、緑色干渉縞５０Ｇと、青色干渉縞５０Ｂと、を含む。図４Ａに示すよう
に、赤色干渉縞５０Ｒは、複数の縞５０Ｒａが並んで構成されている。図４Ｂに示すよう
に、緑色干渉縞５０Ｇは、複数の縞５０Ｇａが並んで構成されている。図４Ｃに示すよう
に、青色干渉縞５０Ｂは、複数の縞５０Ｂａが並んで構成されている。

ここで、各干渉縞５０の縞は、回折素子２における屈折率分布として表れているもので
ある。回折素子２における屈折率分布は、回折素子２に含まれる屈折率が互いに異なる物
質同士の分布に基づいて決まる。回折素子２において縞が形成された部分には相対的に屈
折率が高い物質が集まっており、回折素子２において縞が形成された部分の屈折率は、縞
が形成されていない部分の屈折率よりも高い。

赤色干渉縞５０Ｒの縞５０Ｒａのピッチ（間隔）は、緑色干渉縞５０Ｇの縞５０Ｇａの
ピッチよりも大きい。緑色干渉縞５０Ｇの縞５０Ｇａのピッチは、青色干渉縞５０Ｂの縞
５０Ｂａのピッチよりも大きい。各縞５０Ｒａ，５０Ｇａ，５０ＢａのピッチをＰ、回折
素子２を製造する際にホログラム記録材料Ｈに照射する各色光の波長をλ、各色光を分離
して得られる物体光ＯＢと参照光ＳＢとを干渉させる際の交差角度をθとすると、各縞５
０Ｒａ，５０Ｇａ，５０ＢａのピッチＰは、以下の式（１）のように表せる。
式（１） Ｐ＝λ／２ｓｉｎ（θ／２）

式（１）に示すように、波長λが大きくなるほど、ピッチＰは大きくなる。赤色干渉縞
５０Ｒを形成するための赤色光Ｒの波長λは、例えば、６２０ｎｍ以上、７５０ｎｍ以下
程度である。緑色干渉縞５０Ｇを形成するための緑色光Ｇの波長λは、例えば、４９５ｎ
ｍ以上、５７０ｎｍ以下程度である。青色干渉縞５０Ｂを形成するための青色光Ｂの波長
λは、例えば、４５０ｎｍ以上、４９５ｎｍ以下程度である。各干渉縞５０の縞は、これ
らの各色光の波長λに応じたピッチＰで並んで形成される。

図４Ａから図４Ｃでは、説明のためにそれぞれ各干渉縞５０を分けて示しているが、回
折素子２には、図４Ａから図４Ｃに示す赤色干渉縞５０Ｒと緑色干渉縞５０Ｇと青色干渉
縞５０Ｂとが重ね合わされて形成されている。各縞が並ぶ方向、すなわち図４Ａから図４
Ｃにおける左右方向は、例えば、回折素子２の厚み方向と平行な方向であってもよいし、
回折素子２の厚み方向に対して傾いた方向であってもよい。各縞が並ぶ方向は、回折素子
２を製造する際にホログラム記録材料Ｈに照射する物体光ＯＢと参照光ＳＢとの交差角度
θによって決まる。

図４Ａにおいて赤色干渉縞５０Ｒは１種類しか示していないが、回折素子２において赤
色干渉縞５０Ｒは、複数種類の赤色干渉縞５０Ｒを含む。図５に示すように、本実施形態
の赤色干渉縞５０Ｒは、第１赤色干渉縞５１と、第２赤色干渉縞５２と、第３赤色干渉縞
５３と、の３種類の赤色干渉縞５０Ｒを含む。すなわち、本実施形態の回折素子２は、第
１赤色干渉縞５１と、第２赤色干渉縞５２と、第３赤色干渉縞５３と、緑色干渉縞５０Ｇ
と、青色干渉縞５０Ｂと、を含む。本実施形態においては、例えば、第１赤色干渉縞５１
が第１干渉縞に相当し、第２赤色干渉縞５２が第２干渉縞に相当する。

第１赤色干渉縞５１は、複数の縞５１ａがピッチＰ１で並んで構成されている。第２赤
色干渉縞５２は、複数の縞５２ａがピッチＰ２で並んで構成されている。第３赤色干渉縞
５３は、複数の縞５３ａがピッチＰ３で並んで構成されている。第１赤色干渉縞５１は、
第２赤色干渉縞５２および第３赤色干渉縞５３と互いに異なるピッチＰである。ピッチＰ
２は、ピッチＰ１よりも大きい。ピッチＰ３は、ピッチＰ２よりも大きい。すなわち、複
数種類の赤色干渉縞５０Ｒは、縞５０Ｒａが設けられるピッチＰが互いに異なる複数の赤
色干渉縞５０Ｒとして第１赤色干渉縞５１〜第３赤色干渉縞５３の３種類の赤色干渉縞５
０Ｒを含む。各ピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３は互いに異なるものの、ピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３
同士の差は、極小さい。すなわち、各ピッチＰ１，Ｐ２，Ｐ３は、ほぼ同じである。なお
、本明細書においてピッチＰとは、各縞同士の間隔の平均値である。

第１赤色干渉縞５１〜第３赤色干渉縞５３は、それぞれ互いに一致する縞を少なくとも
一つ有する。言い換えると、第１赤色干渉縞５１は、第２赤色干渉縞５２に含まれる複数
の縞のうちの１つと一致する縞、および第３赤色干渉縞５３に含まれる複数の縞のうちの
１つと一致する縞を有する。図５では、第１赤色干渉縞５１の縞５１ａのうち最も左側に
位置する縞５１ａと、第２赤色干渉縞５２の縞５２ａのうち最も左側に位置する縞５２ａ
と、第３赤色干渉縞５３の縞５３ａのうち最も左側に位置する縞５３ａと、が一致してい
る。一致している縞５１ａ，５２ａ，５３ａは、視かけ上、１本の縞に視える。

第１赤色干渉縞５１〜第３赤色干渉縞５３は互いにピッチＰが異なるため、互いに一致
する縞から離れた位置に配置される各縞ほど、互いにずれて配置される。図５では、最も
左側に位置する縞５１ａ〜５３ａが一致するため、右側に位置する各縞５１ａ〜５３ａほ
ど、互いの位置がずれていく。本実施形態では、ピッチＰ１とピッチＰ２とピッチＰ３と
は、この順で大きくなるため、ずれた各縞５１ａ〜５３ａは、縞５１ａ、縞５２ａ、縞５
３ａの順で並んで配置される。

縞５１ａ〜５３ａ同士のずれ量が縞５１ａ〜５３ａの太さよりも小さい場合、縞５１ａ
〜５３ａ同士が一部で重なり合う。これにより、視かけ上、太い１本の縞に視える場合が
ある。例えば、図５における最も左側から２番目に配置された縞５１ａ〜５３ａ同士は、
わずかにずれつつも互いに重なり合って太い１本の縞に視えている。このように、互いに
一致する縞５１ａ〜５３ａがある場合、互いに一致して１本に視える縞から離れた位置に
なるほど、視かけ上、徐々に太い縞となり、さらに離れた位置になると複数の縞に分かれ
て視える場合がある。

干渉縞５０は、回折素子２を厚み方向に切断した切片を透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ：Ｔ
ｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）で観察することに
より観察することができる。このように確認された複数の縞を、例えば、フーリエ変換等
を用いて解析することで、回折素子に上述したような複数の干渉縞が形成されていること
を確認することができる。

なお、本実施形態の回折素子は、下記に示す構成を採用することもできる。

本実施形態の干渉縞５０の構成は、第１干渉縞に相当する赤色干渉縞５０Ｒ（例えば、
第１赤色干渉縞５１）に含まれる複数の縞のうち少なくとも１つの縞が、第２干渉縞に相
当する赤色干渉縞５０Ｒ（例えば、第２赤色干渉縞５２）に含まれる縞と異なる位置に配
置されているならば、特に限定されない。

例えば、干渉縞５０の構成は、図６に示すような回折素子２Ａのような構成であっても
よい。図６は、本実施形態の他の一例である回折素子２Ａの断面の一部を模式的に示す図
である。図６においては、赤色光Ｒに対応した赤色干渉縞５０Ｒを示している。

図６に示すように、回折素子２Ａにおいて、第１赤色干渉縞５１の縞５１ａのピッチＰ
１ａと、第２赤色干渉縞５２の縞５２ａのピッチＰ２ａと、第３赤色干渉縞５３の縞５３
ａのピッチＰ３ａとは、互いに同じである。第１赤色干渉縞５１の位相と第２赤色干渉縞
５２の位相と第３赤色干渉縞５３の位相とは、互いに異なる。すなわち、回折素子２Ａに
おいて、第１赤色干渉縞５１は、第２赤色干渉縞５２と互いに同じピッチＰであり、かつ
、互いに異なる位相である。回折素子２Ａにおいて、第１赤色干渉縞５１は、第３赤色干
渉縞５３と互いに同じピッチＰであり、かつ、互いに異なる位相である。言い換えれば、
回折素子２Ａにおいて、複数種類の赤色干渉縞５０Ｒは、縞が設けられるピッチが同じで
赤色干渉縞５０Ｒの位相が異なる複数の赤色干渉縞５０Ｒを含む。図６では、各赤色干渉
縞５０Ｒの縞は、縞５１ａ、縞５２ａ、縞５３ａの順で交互に、かつ、等間隔に配置され
ている。このように、回折素子２Ａでは、複数の赤色干渉縞５０Ｒの縞は、他の赤色干渉
縞５０Ｒの縞と重なることなく配置されている。

また、複数種類の赤色干渉縞５０Ｒは、互いにピッチＰが同じ赤色干渉縞５０Ｒと、互
いにピッチＰが異なる赤色干渉縞５０Ｒと、を含んでいてもよい。また、図５に示す回折
素子２において、互いに一致する縞が設けられていなくてもよい。また、図６に示す回折
素子２Ａにおいて、各縞同士は不均等に並んでいてもよい。また、複数種類の赤色干渉縞
５０Ｒは、複数の赤色干渉縞５０Ｒにおいて互いに１つでも縞５０Ｒａがずれているなら
ば、縞５０ＲａのピッチＰが同じで、かつ、赤色干渉縞５０Ｒの位相が同じ複数の赤色干
渉縞５０Ｒからなる構成でもよい。

また、図６に示す回折素子２Ａにおいて、第１赤色干渉縞５１の縞５１ａと第２赤色干
渉縞５２の縞５２ａと第３赤色干渉縞５３の縞５３ａとが、一部で重なりあって並んで配
置され、視かけ上、太い縞５０Ｒａとして視えてもよい。この場合、視かけ上、緑色干渉
縞５０Ｇの縞５０Ｇａの太さおよび青色干渉縞５０Ｂの縞５０Ｂａの太さよりも大きい太
さの縞５０Ｒａが、所定のピッチで並んだ１種類の赤色干渉縞５０Ｒが形成されているよ
うに視える。また、この場合、各赤色干渉縞５０Ｒの位相の差は、極小さい。

次に、上述した本実施形態の回折素子２，２Ａの製造方法について説明する。本実施形
態の回折素子２，２Ａの製造方法は、図７に示す露光装置１０を用いる。図７は、本実施
形態の露光装置１０を示す概略構成図である。露光装置１０は、ホログラム記録材料（記
録材料）Ｈに光を照射することによって回折素子２，２Ａを製造する。ホログラム記録材
料Ｈは、例えば、マトリックス樹脂中に高屈折率モノマーが分散したフォトポリマーから
なる。

露光装置１０は、図７に示すように、光源装置１１と、ビームスプリッター３６と、第
１の露光光学系１２と、第２の露光光学系１３と、を備える。光源装置１１は、光源と、
導光光学系１４と、を備える。光源は、赤色光Ｒを射出する複数の赤色光源２０Ｒと、緑
色光Ｇを射出する緑色光源（第３光源）２０Ｇと、青色光Ｂを射出する青色光源（第４光
源）２０Ｂと、を含む。

本実施形態において赤色光源２０Ｒは、第１赤色光源２１と、第２赤色光源２２と、第
３赤色光源２３と、の３つが設けられている。本実施形態においては、例えば、第１赤色
光源２１が第１光源に相当し、第２赤色光源２２が第２光源に相当する。第１赤色光源２
１と第２赤色光源２２と第３赤色光源２３とは、同じ向き（図７では右向き）に赤色光Ｒ
を射出する。緑色光源２０Ｇは、赤色光源２０Ｒが赤色光Ｒを射出する向きと直交する向
き（図７では上向き）に緑色光Ｇを射出する。青色光源２０Ｂは、赤色光源２０Ｒが赤色
光Ｒを射出する向きと直交する向き（図７では上向き）に青色光Ｂを射出する。緑色光源
２０Ｇが緑色光Ｇを射出する向きと青色光源２０Ｂが青色光Ｂを射出する向きとは同じで
ある。

本実施形態において赤色光源２０Ｒ、緑色光源２０Ｇおよび青色光源２０Ｂは、例えば
、コヒーレントな光であるレーザー光を射出するレーザー光源である。すなわち、本実施
形態において赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂは、それぞれレーザー光である。本実施
形態において赤色光源２０Ｒから射出される赤色光Ｒの光量は、緑色光源２０Ｇから射出
される緑色光Ｇの光量および青色光源２０Ｂから射出される青色光Ｂの光量よりも小さい
。緑色光源２０Ｇから射出される緑色光Ｇの光量と青色光源２０Ｂから射出される青色光
Ｂの光量とは、同じである。

本実施形態において、第１赤色光源２１から射出される赤色光Ｒと第２赤色光源２２か
ら射出される赤色光Ｒと第３赤色光源２３から射出される赤色光Ｒとを足し合わせた光量
、すなわち複数の赤色光源２０Ｒから射出される赤色光Ｒを足し合わせた光量は、緑色光
源２０Ｇから射出される緑色光Ｇの光量および青色光源２０Ｂから射出される青色光Ｂの
光量と同じである。

なお、本明細書において「光量が同じである」とは、２つの光の光量が厳密に同じ場合
に加えて、２つの光の光量がほぼ同じである場合も含む。２つの光の光量がほぼ同じであ
る場合とは、例えば、２つの光の光量の比が、０．９以上、１．１以下程度である場合を
含む。

導光光学系１４は、反射ミラー３０，３３と、ハーフミラー３１，３２と、ダイクロイ
ックミラー３４，３５と、を備える。反射ミラー３０には、第１赤色光源２１から赤色光
Ｒが入射する。反射ミラー３０は、入射する赤色光Ｒをハーフミラー３１に向けて反射す
る。ハーフミラー３１には、第２赤色光源２２から赤色光Ｒが入射する。ハーフミラー３
１は、反射ミラー３０から反射された赤色光Ｒを透過させてハーフミラー３２に入射させ
ると共に、第２赤色光源２２から入射した赤色光Ｒをハーフミラー３２に向けて反射する
。これにより、第１赤色光源２１の赤色光Ｒと第２赤色光源２２の赤色光Ｒとが合成され
て、ハーフミラー３２に入射する。

ハーフミラー３２には、第３赤色光源２３から赤色光Ｒが入射する。ハーフミラー３２
は、ハーフミラー３１から反射された赤色光Ｒを透過させてダイクロイックミラー３５に
入射させると共に、第３赤色光源２３から入射した赤色光Ｒをダイクロイックミラー３５
に向けて反射する。これにより、第１赤色光源２１の赤色光Ｒと第２赤色光源２２の赤色
光Ｒと第３赤色光源２３の赤色光Ｒとが合成されて、ダイクロイックミラー３５に入射す
る。

反射ミラー３３には、青色光源２０Ｂから青色光Ｂが入射する。反射ミラー３３は、入
射した青色光Ｂをダイクロイックミラー３４に向けて反射する。ダイクロイックミラー３
４は、青色光Ｂを透過させると共に、緑色光Ｇを反射する性質を有する。反射ミラー３３
からダイクロイックミラー３４に入射した青色光Ｂは、ダイクロイックミラー３４を透過
してダイクロイックミラー３５に入射する。ダイクロイックミラー３４には、緑色光源２
０Ｇから緑色光Ｇが入射する。ダイクロイックミラー３４は、入射した緑色光Ｇをダイク
ロイックミラー３５に向けて反射する。これにより、青色光Ｂと緑色光Ｇとが合成された
光がダイクロイックミラー３５に入射する。

ダイクロイックミラー３５は、青色光Ｂおよび緑色光Ｇを透過させると共に、赤色光Ｒ
を反射する性質を有する。ダイクロイックミラー３４からダイクロイックミラー３５に入
射した青色光Ｂおよび緑色光Ｇは、透過してビームスプリッター３６に入射する。ダイク
ロイックミラー３５は、ハーフミラー３２から入射した赤色光Ｒをビームスプリッター３
６に向けて反射する。これにより、赤色光源２０Ｒの赤色光Ｒと緑色光源２０Ｇの緑色光
Ｇと青色光源２０Ｂの青色光Ｂとが合成されて合成光Ｗとなる。合成光Ｗは、白色光であ
る。合成光Ｗに含まれる赤色光Ｒの光量と緑色光Ｇの光量と青色光Ｂの光量とは、互いに
同じである。これにより、光源装置１１から合成光Ｗが射出される。光源装置１１から射
出された合成光Ｗは、ビームスプリッター３６に入射する。

ビームスプリッター３６は、入射した合成光Ｗを物体光ＯＢと参照光ＳＢとに分離する
。ビームスプリッター３６は、入射した合成光Ｗのうち、物体光ＯＢを第１の露光光学系
１２に向けて透過させる一方、参照光ＳＢを第２の露光光学系１３に向けて反射する。な
お、ビームスプリッター３６の代わりに、偏光ビームスプリッターを用いることも可能で
ある。偏光ビームスプリッターを用いる場合は、１／２波長（λ）板と組み合わせて、例
えば参照光ＳＢの強度比を調整することができる。

第１の露光光学系１２は、物体光ＯＢをホログラム記録材料Ｈの一面側から照射する。
第１の露光光学系１２は、物体光ＯＢを集光する第１の対物レンズ４０と、集光された物
体光ＯＢを平行光束とする第１のコリメーターレンズ４１とを有している。第１の露光光
学系１２は、例えば、物体光ＯＢをホログラム記録材料Ｈの一面に対して略垂直に照射す
る。なお、図示は省略するが、第１の露光光学系１２は、物体光ＯＢの偏光方向を揃える
偏光素子を有していてもよい。

第２の露光光学系１３は、参照光ＳＢを反射して参照光ＳＢの光路を曲げる反射ミラー
３７，３８と、参照光ＳＢを集光する第２の対物レンズ４２と、集光された参照光ＳＢを
平行光束とする第２のコリメーターレンズ４３とを有している。第２の露光光学系１３は
、例えば、参照光ＳＢをホログラム記録材料Ｈの他面に対して斜め方向から照射する。な
お、図示は省略するが、第２の露光光学系１３は、参照光ＳＢの偏光方向を揃える偏光素
子を有していてもよい。

以上のような構成を有する露光装置１０を用いて、１つの光源から射出されたコヒーレ
ントな光を物体光ＯＢと参照光ＳＢとに分離して、物体光ＯＢと参照光ＳＢとを干渉させ
た露光光をホログラム記録材料Ｈに対して照射する露光工程を行う。本実施形態の露光工
程においては、第１赤色光源２１、第２赤色光源２２および第３赤色光源２３から射出さ
れた複数の赤色光Ｒならびに緑色光源２０Ｇから射出された緑色光Ｇおよび青色光源２０
Ｂから射出された青色光Ｂのそれぞれを物体光ＯＢと参照光ＳＢとに分離して、各物体光
ＯＢと各参照光ＳＢとをそれぞれ干渉させた露光光をホログラム記録材料Ｈに対して同時
に照射する。

上述したように、光源装置１１からは、各光源の光が合成された合成光Ｗが射出される
ため、合成光Ｗを物体光ＯＢと参照光ＳＢとに分離してホログラム記録材料Ｈに照射する
ことで、各光源の光を分離した各物体光ＯＢと各参照光ＳＢとをホログラム記録材料Ｈに
同時に照射することができる。

物体光ＯＢと参照光ＳＢとを干渉させた露光光には、干渉縞が発生する。この干渉縞を
ホログラム記録材料Ｈに記録することによって、上述した干渉縞５０が内部に形成された
回折素子２，２Ａを得ることができる。より詳細には、本実施形態の露光工程においてホ
ログラム記録材料Ｈに干渉縞が発生した露光光を照射すると、ホログラム記録材料Ｈ中の
モノマーが重合反応してポリマー化し、干渉縞が照射される部分に凝集する。これにより
、屈折率の違いとしてホログラム記録材料Ｈに干渉縞を記録することができ、ホログラム
記録材料Ｈの内部に複数の干渉縞５０を形成することができる。赤色光Ｒの露光光によっ
て赤色干渉縞５０Ｒが形成され、緑色光Ｇの露光光によって緑色干渉縞５０Ｇが形成され
、青色光Ｂの露光光によって青色干渉縞５０Ｂが形成される。

上述した回折素子の製造方法を用いて回折素子を製造する場合、３つの赤色光源２０Ｒ
はそれぞれ異なる光源であるため、赤色光Ｒの波長λが同じ仕様の赤色光源２０Ｒを選ん
でも、製造ばらつき等によって３つの赤色光源２０Ｒから射出される赤色光Ｒの波長λは
、わずかに異なる場合がある。この場合、図５に示したような、ピッチＰが異なる複数種
類の赤色干渉縞５０Ｒが形成された回折素子２が製造される。

また、３つの赤色光源２０Ｒから射出される赤色光Ｒの波長λが一致している場合であ
っても、別々の光源から射出される光の位相を揃えてホログラム記録材料Ｈに照射するこ
とは極めて困難である。そのため、３つの赤色光源２０Ｒから射出される赤色光Ｒの波長
λが一致している場合であっても、各赤色光源２０Ｒから射出される赤色光Ｒの位相がず
れ、図６に示したような、回折素子２Ａが製造される。

以上のように、ホログラム記録材料Ｈに照射する光の光源として複数の赤色光源２０Ｒ
を用いた場合、上述した回折素子２，２Ａのような、赤色干渉縞５０Ｒが少なくとも１つ
の縞５０Ｒａが互いに異なる位置に配置される複数種類の赤色干渉縞５０Ｒを含んで構成
された回折素子が製造される。

本実施形態によれば、赤色光源２０Ｒを複数用いることで、ホログラム記録材料Ｈに照
射される赤色光Ｒの光量を大きくすることができる。そのため、１つの赤色光源２０Ｒか
ら射出される赤色光Ｒの光量が他の色光を射出する光源の色光の光量よりも小さい場合で
あっても、緑色光源２０Ｇから射出される緑色光Ｇの光量および青色光源２０Ｂから射出
される青色光Ｂの光量を赤色光Ｒの光量に合わせて小さくすることなく、各色光の光量を
同じにすることができる。これにより、各色光の光量を同じにしつつ比較的大きくするこ
とができるため、回折素子の色バランスを崩すことなく、ホログラム記録材料Ｈに干渉縞
を記録する際の露光時間を短くすることができる。したがって、本実施形態によれば、干
渉縞５０の位置がずれることを抑制でき、回折素子の光学性能が低下することを抑制でき
る。その結果、光学性能に優れた回折素子２，２Ａが得られる。

また、上述した実施形態のように回折素子２，２Ａをヘッドマウントディスプレイ３０
０のような画像表示装置に搭載するような場合、回折素子２，２Ａに画像光ＬＩを入射す
る画像光生成部１に用いられる光源は、回折素子２，２Ａを製造する際に用いた光源と同
様の光源であることが好ましい。これは、光源の波長λを揃えることができ、回折素子２
，２Ａの像の再現が容易なためである。

ここで、例えばコスト等の観点から、画像光生成部１の光源として液晶あるいは有機エ
レクトロルミネッセンス等を用いる場合がある。このような場合、液晶あるいは有機エレ
クトロルミネッセンス等はコヒーレンスが低く回折素子２，２Ａを製造する際の光源とし
ては不適なため、画像光生成部１に用いられる光源と回折素子２，２Ａの製造に用いられ
る光源とが異なることとなる。このとき、例えば、回折素子２，２Ａの製造に用いる光源
としてレーザー光源を選択した場合、レーザー光源の波長λが、広帯域の光を射出する液
晶あるいは有機エレクトロルミネッセンス等の中心波長と同じになるように、レーザー光
源を選択することが重要となる。

しかし、波長λが適切なレーザー光源を選択すると十分な光量が得られないような場合
があった。一方で、波長λが液晶あるいは有機エレクトロルミネッセンス等の中心波長か
らずれた光源を選択すると、画像光生成部１に用いられる光源から射出される光を適切に
回折素子２，２Ａで回折させることができず、色バランスが崩れる問題があった。

この問題に対して、本実施形態によれば、特定の色光の光源を複数用いて特定の色光の
光量を大きくできるため、回折素子２，２Ａを製造する際の光源として、広帯域の光を射
出する液晶あるいは有機エレクトロルミネッセンス等の中心波長と同じになる波長λの光
を射出する光源を選択しやすい。これにより、画像光生成部１に用いられる光源と回折素
子２の製造に用いられる光源とが異なる場合であっても、ヘッドマウントディスプレイ３
００等の画像表示装置に用いられる回折素子としての光学性能に優れた回折素子２，２Ａ
が得られる。また、回折素子２，２Ａを製造する際の光源の選択幅を広げられるため、画
像光生成部１に用いられる光源の選択の幅も広げられる。

なお、回折素子２，２Ａにおいて複数種類の赤色干渉縞５０Ｒは互いにずれて形成され
ているが、この場合であっても各赤色干渉縞５０Ｒの縞５０ＲａのピッチＰに応じた光を
回折させることができる。そのため、各ピッチＰが、回折させたい光の波長帯域内の波長
λに応じた値であれば、赤色干渉縞５０Ｒがずれていることに起因する回折素子２，２Ａ
の光学性能低下は生じない。

また、本実施形態によれば、図５に示す回折素子２には、縞５０ＲａのピッチＰが互い
に異なる複数の赤色干渉縞５０Ｒが形成されている。このような場合、複数の赤色光源２
０Ｒにおける赤色光Ｒの波長λのずれを許容できるため、複数の赤色光源２０Ｒの選択が
容易である。

また、本実施形態によれば、図６に示す回折素子２Ａには、縞５０ＲａのピッチＰが同
じで位相が異なる複数の赤色干渉縞５０Ｒが形成されている。そのため、所望する波長λ
の光をより好適に回折することができ、より光学性能に優れた回折素子２Ａが得られる。

また、本実施形態によれば、回折素子２，２Ａには、赤色光Ｒに対応した赤色干渉縞５
０Ｒが複数種類形成されている。すなわち、回折素子２，２Ａの製造においては、複数の
赤色光源２０Ｒを用いている。赤色光Ｒを射出するレーザー光源は、緑色光Ｇを射出する
レーザー光源および青色光Ｂを射出するレーザー光源に比べて光量が小さくなりやすい。
そのため、赤色光源２０Ｒを複数用いる場合に、上述した光量を大きくする効果を特に有
用に得られる。

なお、上述した実施形態の回折素子および回折素子の製造方法では、第１色が赤色であ
り、第２色が緑色であり、第３色が青色であるものとしたが、これに限られず、第１色は
緑色であってもよいし、青色であってもよい。言い換えれば、上述した実施形態では赤色
光源２０Ｒを複数用いるものとしたが、これに限られず、緑色光源２０Ｇを複数用いても
よいし、青色光源２０Ｂを複数用いてもよい。干渉縞５０は、複数種類の緑色干渉縞５０
Ｇを含んでもよいし、複数種類の青色干渉縞５０Ｂを含んでもよい。

また、回折素子の製造方法において、赤色光源２０Ｒと緑色光源２０Ｇと青色光源２０
Ｂとのうちの２つ以上の光源をそれぞれ複数用いてもよい。すなわち、干渉縞５０は、赤
色干渉縞５０Ｒと緑色干渉縞５０Ｇと青色干渉縞５０Ｂとのうちの２つ以上の干渉縞を複
数種類含んでいてもよい。また、複数用いる光源の数は、３つに限られず、２つであって
もよいし、４つ以上であってもよい。すなわち、複数種類形成される干渉縞の数は、２つ
であってもよいし、４つ以上であってもよい。

また、回折素子の製造方法に用いられる光源は、赤色光源２０Ｒと緑色光源２０Ｇと青
色光源２０Ｂとのうちのいずれか２種類を含む構成であってもよい。この場合、回折素子
に形成される干渉縞は、赤色干渉縞５０Ｒと緑色干渉縞５０Ｇと青色干渉縞５０Ｂとのう
ちのいずれか２種類を含む構成となる。

また、露光装置１０における各光源の配置は、上述した実施形態に限られず、適宜変更
してもよい。具体的には、導光光学系１４に用いるダイクロイックミラーの透過率および
反射率の特性に応じて、各光源の配置を変更してもよい。

また、上記実施形態では、回折素子２がヘッドマウントディスプレイ３００に搭載され
る例について示したが、本実施形態の回折素子２，２Ａの用途は特に限定されない。本実
施形態の回折素子２，２Ａは、例えば、ヘッドアップディスプレイ等の他の画像表示装置
に搭載されてもよい。

なお、上記説明した各構成は、相互に矛盾しない範囲内において、適宜組み合わせるこ
とができる。

２，２Ａ，２Ｌ，２Ｒ…回折素子、２０Ｂ…青色光源（第４光源）、２０Ｇ…緑色光源
（第３光源）、２１…第１赤色光源（第１光源）、２２…第２赤色光源（第２光源）、５
０…干渉縞、５０Ｂ…青色干渉縞（第４干渉縞）、５０Ｇ…緑色干渉縞（第３干渉縞）、
５１…第１赤色干渉縞（第１干渉縞）、５１ａ，５２ａ，５３ａ，５０Ｂａ，５０Ｇａ，
５０Ｒａ…縞、５２…第２赤色干渉縞（第２干渉縞）、Ｈ…ホログラム記録材料（記録材
料）、ＯＢ…物体光、Ｐ，Ｐ１，Ｐ１ａ，Ｐ２，Ｐ２ａ，Ｐ３，Ｐ３ａ…ピッチ、ＳＢ…
参照光

Claims (8)

1. 第１色の波長範囲の光を回折する第１干渉縞と、
   前記第１色の波長範囲の光を回折する第２干渉縞と、
   前記第１色とは異なる第２色の波長範囲の光を回折する第３干渉縞と、を含み、
   前記第１干渉縞に含まれる複数の縞のうち少なくとも１つの縞は、前記第２干渉縞に含
   まれる縞と異なる位置に配置されていることを特徴とする回折素子。
2. 前記第１干渉縞は、前記第２干渉縞と互いに異なるピッチであることを特徴とする請求
   項１に記載の回折素子。
3. 前記第１干渉縞は、前記第２干渉縞に含まれる複数の縞のうちの１つと一致する縞を含
   むことを特徴とする請求項２に記載の回折素子。
4. 前記第１干渉縞は、前記第２干渉縞と互いに同じピッチであり、かつ、互いに異なる位
   相であることを特徴とする請求項１に記載の回折素子。
5. 前記第１色の波長範囲および前記第２色の波長範囲の両方の波長範囲と異なる第３色の
   波長範囲の光を回折する第４干渉縞を含み、
   前記第１色は、赤色であり、
   前記第２色は、緑色であり、
   前記第３色は、青色であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の回
   折素子。
6. 記録材料を露光することで複数の干渉縞を形成して回折素子を製造する回折素子の製造
   方法であって、
   １つの光源から射出されたコヒーレントな光を物体光と参照光とに分離して、前記物体
   光と前記参照光とを干渉させた露光光を前記記録材料に対して照射する露光工程を含み、
   前記光源は、第１色の波長範囲の光を射出する第１光源と、前記第１色の波長範囲の光
   を射出する第２光源と、前記第１色とは異なる第２色の波長範囲の光を射出する第３光源
   と、を含み、
   前記露光工程においては、前記第１光源および前記第２光源から射出された複数の前記
   第１色の波長範囲の光ならびに前記第３光源から射出された前記第２色の波長範囲の光の
   それぞれを前記物体光と前記参照光とに分離して、前記各物体光と前記各参照光とをそれ
   ぞれ干渉させた露光光を前記記録材料に対して同時に照射することで、前記記録材料の内
   部に複数の前記干渉縞を形成することを特徴とする回折素子の製造方法。
7. 前記第１光源から射出される光と前記第２光源から射出される光とを足し合わせた光量
   は、前記第３光源から射出される光の光量と同じであることを特徴とする請求項６に記載
   の回折素子の製造方法。
8. 前記光源は、前記第１色の波長範囲および前記第２色の波長範囲の両方の波長範囲と異
   なる第３色の波長範囲の光を射出する第４光源を含み、
   前記露光工程においては、前記複数の第１光源および前記第２光源から射出された複数
   の前記第１色の波長範囲の光、前記第３光源から射出された前記第２色の波長範囲の光、
   ならびに前記第４光源から射出された前記第３色の波長範囲の光のそれぞれを前記物体光
   と前記参照光とに分離して、前記各物体光と前記各参照光とをそれぞれ干渉させた露光光
   を前記記録材料に対して同時に照射し、
   前記第１色は、赤色であり、
   前記第２色は、緑色であり、
   前記第３色は、青色であることを特徴とする請求項６または７に記載の回折素子の製造
   方法。

Images