JP2024031622A - ホログラム光学素子の製造装置、ホログラム光学素子の製造方法およびホログラム光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】所望する輝度分布を有するホログラム光学素子を作成する。【解決手段】本実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置は、レーザ光Ｌ２（第１光）およびレーザ光Ｌ３（第２光源）を照射するレーザ光源１（第１光源および第２光源）と、体積ホログラム１１（ホログラム光学素子）が用いられる製品の形状で作成されており、体積ホログラム１１に対してレーザ光Ｌ２を反射させるミラー５と、体積ホログラム１１に照射されるレーザ光Ｌ３に対して、体積ホログラム１１に記録する照度分布を与える位相変調素子７（光強度変調部）とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、ホログラム光学素子の製造装置、ホログラム光学素子の製造方法およびホログラム光学素子に関するものである。

従来より、ホログラム光学素子を製造するための製造装置が知られている。例えば、特許文献１では、レーザ光源から出射した光ビームを偏光ビームスプリッタによってＳ偏光とＰ偏光とに分岐させ、これらの光を記録媒体に照射することで、体積型ホログラム（ホログラム光学素子）を作成している。

特開２０２１－１２２４９号公報

ところで、ホログラム光学素子を導光板として用いられることがある。この導光板は、例えば、表示装置や照明装置等に用いられる。この表示装置等のサイズを小さくするために、導光板の側面側に光源を配置し、導光板の正面から光を照射する構成とすることがある。このような導光板において、所望する輝度分布を有する導光板の作成が求められている。

そこで、本開示は、所望する輝度分布を有するホログラム光学素子を作成可能なホログラム光学素の製造装置およびホログラム光学素子の製造方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本開示の一実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置は、第１光を照射する第１光源と、第２光を照射する第２光源と、ホログラム光学素子が用いられる製品の形状で作成されており、前記ホログラム光学素子に対して前記第１光を反射させるミラーと、前記ホログラム光学素子に照射される前記第２光に対して、前記ホログラム光学素子に記録する照度分布を与える光強度変調部とを備える。

本開示によると、所望する輝度分布を有するホログラム光学素子を作成することができる。

第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置の側面図。 第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置における光量分布制御を説明するための図。 第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置における光量分布を示すグラフ。 第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置によって製造された体積ホログラムを用いた導光板の断面図。 第２実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置の側面図。 第１および第２実施形態に係る体積ホログラムの露光時の状態を示す側面図。

以下、本開示の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物あるいはその用途を制限することを意図するものでは全くない。なお、以下の説明では、同じ部分については同じ符号を付し、詳細な説明を適宜省略する。

なお、本開示で用いる体積ホログラムとは、表面上に細かい周期的な凹凸を配置した２次元的な回折格子とは異なり、体積の中に３次元的に屈折率分布を正弦波状に記録させるものである。この正弦波の方向と周期および屈折率差の振幅を制御することにより、体積ホログラムの光の配光制御が可能となる。

（第１実施形態）
（ホログラム光学素子の製造装置の全体構成）
図１は、第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置の側面図である。なお、図１では、レーザ光線の照射方向をＸ方向、体積ホログラムの厚み方向（上下方向）をＹ方向、Ｘ方向およびＹ方向と垂直をなす方向をＺ方向とする。

図１に示すように、第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置は、レーザ光源１と、集光レンズ２と、コリメートレンズ３と、分岐ミラー４と、ミラー５と、１／４波長板６と、位相変調素子７と、偏光板８と、ミラー９と、カップラー１０と、体積ホログラム１１（ホログラム光学素子）とを備える。第１実施形態では、１／４波長板６、位相変調素子７および偏光板８が光強度変調部に相当する。

レーザ光源１は、集光レンズ２に対して、レーザ光Ｌ１を照射する光源である。レーザ光源１は、可干渉性の高いレーザ光源である。このため、後述する分岐ミラー４によってレーザ光Ｌ１がレーザ光Ｌ２，Ｌ３に分岐した後に、レーザ光Ｌ２，Ｌ３が同一光路長から離れていても、互いに光の干渉を発生させることが可能である。また、レーザ光Ｌ１は、直線偏光の特性を持っており、偏光比が不十分な場合は波長板や偏光板などを挿入して偏光方向を制御してもよい。

集光レンズ２は、レーザ光源１からのレーザ光Ｌ１を集光するレンズである。集光レンズ２によって集光されたレーザ光Ｌ１は、集光された後に、拡大光となる（図１参照）。レーザ光Ｌ１は、一般的にガウス分布と呼ばれる中心の光量が高く、周辺へ行くほど低くなる分布となっている。干渉に必要な光は面内の強度分布がほぼ一定の方が望ましいため、拡大した中央部の光を用い、それ以外の光は遮光して使用しないようにしている。図１では不要な光は省略し、使用する光束のみを示している。

コリメートレンズ３は、集光レンズ２によって拡散されたレーザ光Ｌ１を、平行光とするレンズである。具体的には、コリメートレンズ３は、その焦点距離ｆが集光レンズ２に集光されたレーザ光Ｌ１の集光点までの距離と一致するように配置される。

分岐ミラー４は、コリメートレンズ３によって平行光となったレーザ光Ｌ１を、２光束（レーザ光Ｌ２（物体光），Ｌ３（参照光））に分岐する。例えば、分岐ミラー４は、偏光プリズムスプリッタなどで構成されており、レーザ光Ｌ１のうち、第１偏光方向の直線偏光（レーザ光Ｌ２）を透過させ、第２偏光方向の直線偏光（レーザ光Ｌ３）を反射させる。

ミラー５は、分岐ミラー４を透過したレーザ光Ｌ２を反射させるミラーである。具体的には、ミラー５は、体積ホログラム１１が用いられる製品の形状で作成されている。例えば、体積ホログラム１１が車両のフロントガラス等に映像を投映する導光板として用いられる場合、ミラー５は車両のフロントガラスの形状で作成される。ミラー５に入射したレーザ光Ｌ２は、ミラー５の部位の曲率により平行光からずれた光として反射される。ミラー５の反射光が、体積ホログラム１１に照射される。ここで、体積ホログラム１１に対する入射角度によっては、ミラー５の反射光が、体積ホログラム１１の表面反射により、体積ホログラム１１に入射しないことがあるため、体積ホログラム１１とミラー５との間にはカップラー１０が配置される。カップラー１０は、ガラス製でプリズム形状である。カップラー１０と体積ホログラム１１との間には、水または屈折率が同一のマッチングオイルが充填されている。これにより、ミラー５の反射光の、体積ホログラム１１に対する入射角度を制御し、ミラー５の反射光を体積ホログラム１１に入射させることができる。

１／４波長板６は、入射した光に、直交する偏光成分の間にλ／４の位相差を生じさせる光学素子である。具体的には、１／４波長板６は、分岐ミラー４によって反射されたレーザ光Ｌ３を直線偏光から円偏光に変換する。

位相変調素子７は、１／４波長板６から入射したレーザ光Ｌ３の位相を変調する。位相変調素子７の構成については後述する。

偏光板８は、位相変調素子７から入射したレーザ光Ｌ３のうち、所定の偏光方向（第２偏光方向）の光を透過させる。

ミラー９は、偏光板８から入射したレーザ光Ｌ３を反射し、カップラー１０を介して体積ホログラム１１に入射させる。

（光量分布制御について）
次に、第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置における光量分布制御について説明する。図２は、第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置における光量分布制御を説明するための図である。

上述したように、分岐ミラー４によって分岐されたレーザ光Ｌ３は、１／４波長板により円偏光に変換される。そして、レーザ光Ｌ３は、位相変調素子７によって反射される。このとき、レーザ光Ｌ３は、位相変調素子７に入光する領域によって異なる波長に変調される。

図２では、位相変調素子７は、図面左上の領域Ｓ１から図面右下の領域Ｓ３に掛けて、位相変調量が徐々に大きくなっている。例えば、位相変調素子７の図面左上の領域Ｓ１は、入射した光の波長を変調しないため、入射したレーザ光Ｌ３（Ｌ３１）は、円偏光のまま反射される。また、位相変調素子７の図面中央の領域Ｓ２は、入射した光の波長を５／８波長変調するため、入射したレーザ光Ｌ３（Ｌ３２）は、楕円偏光に変換される。また、位相変調素子７の図面中央の領域Ｓ３は、入射した光の波長を１／２波長変調するため、入射したレーザ光Ｌ３（Ｌ３３）は、直線偏光に変換される。

その後、レーザ光Ｌ３は、偏光板８を透過する。偏光板８は、第２偏光方向の光を透過させる。このため、位相変調素子７の位相変調量が大きい領域（例えば領域Ｓ３）で反射されたレーザ光Ｌ３（Ｌ３３）は、偏光板８による光量の低下が少なくなり、位相変調素子７の位相変調量が小さい領域（例えば領域Ｓ１）で反射されたレーザ光Ｌ３（Ｌ３１）は、偏光板８による光量の低下が大きくなる。例えば、レーザ光Ｌ３１の光量は、レーザ光Ｌ３の５０％程度の光量となり、レーザ光Ｌ３３の光量は、レーザ光Ｌ３の６６％程度の光量となる。

図３は第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置における光量分布を示すグラフである。具体的に、図３（ａ）は分岐ミラー４透過後のレーザ光Ｌ２の光量分布を示すグラフであり、図３（ｂ）は偏光板８透過後のレーザ光Ｌ３の光量分布を示すグラフであり、図３（ｃ）は体積ホログラム１１に照射されるレーザ光の光量分布を示すグラフである。なお、図３（ｃ）では、中央部の領域において、レーザ光Ｌ２，Ｌ３が重なり合っている。

図１に示すように、体積ホログラム１１上でレーザ光Ｌ２，Ｌ３が重なりあう。これにより、体積ホログラム１１上に干渉縞が記録（形成）される。

ここで、上述したように、偏光板８透過後のレーザ光Ｌ３は、位相変調素子７および偏光板８によって、図２の図面下部から図面上部に掛けて徐々に光量が低下する光量分布を有する（図３（ｂ）参照）。これにより、体積ホログラム１１に形成される干渉縞は、図１の図面左側から図面右側に掛けて、回折効率が徐々に高くなるような構成となる。このため、図３（ｃ）に示すように、中央部の領域における、レーザ光Ｌ２，Ｌ３が重なり合う領域において、体積ホログラム１１に回折格子が記録される。

図４は第１実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置によって製造された体積ホログラムを用いた導光板の断面図である。具体的には、図４（ａ）は本実施形態に係る体積ホログラム１１を用いた導光板の断面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）における正面輝度を示すグラフであり、図４（ｃ）は干渉縞の回折効率が一定となる体積ホログラム１１’を用いた導光板２０’の断面図であり、図４（ｄ）は図４（ｃ）における正面輝度を示すグラフである。

図４（ａ）に示すように、本実施形態に係る導光板２０は、透明基材２１，２２の間に、体積ホログラム１１が配置されている。透明基材２１，２２は、平面であっても曲面であってもよく、また、そのサイズも用途により数ｍｍ角オーダーから数１００ｍｍ角オーダーまで様々である。導光板２０は、一般的に、透明基板の表裏面に凹形状や凸形状のプリズムパターンを配置する方式や、拡散材を混入させる方式で面からの光の取り出しを行う用途に用いたれるが、ホログラム光学素子を用いたホログラム導光板は特定の方向に光を取り出す効果が高く、配光制御が必要な用途に対して好ましい特性を保有している。

これに対して、図４（ｃ）に示すように、導光板２０’は、透明基材２１，２２の間に、体積ホログラム１１’が配置されている。体積ホログラム１１’は、干渉縞の回折効率が一定となるように形成されている。

図４（ａ），（ｃ）では省略しているが、導光板２０（２０’）の図面左側に光源が配置されており、光源から照射された光が透明基材２１，２２内で全反射され、図面右側に伝搬する。そして、導光板２０（２０’）内に配置された体積ホログラム１１（１１’）に記録された干渉縞に応じて、図面上側に光が照射される。

ここで、導光板２０（２０’）内を伝搬する光は、光源から離れるにつれて、光量が低下（減衰）する。このため、干渉縞の回折効率が一定となる体積ホログラム１１’を用いた導光板２０’を使用すると、図面左側から図面右側の領域に掛けて光量が徐々に低下していく輝度分布となり、導光板の正面輝度を一定とすることができない（図４（ｄ）参照）。これに対して、本実施形態に係る体積ホログラム１１は、図面左側から図面右側に掛けて回折効率が徐々に高くなる構成であるため（図３（ｃ）参照）、導光板２０の正面輝度を一定に保つことが可能となる（図４（ｂ）参照）。

以上の構成により、本実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置は、レーザ光Ｌ２（第１光）およびレーザ光Ｌ３（第２光）を照射するレーザ光源１（第１光源および第２光源）と、体積ホログラム１１（ホログラム光学素子）が用いられる製品の形状で作成されており、体積ホログラム１１に対してレーザ光Ｌ２を反射させるミラー５と、体積ホログラム１１に照射されるレーザ光Ｌ３に対して、体積ホログラム１１に記録する照度分布を与える位相変調素子７（光強度変調部）とを備える。

この構成により、体積ホログラム１１の露光時に、体積ホログラム１１が用いられる製品の形状に合わせたレーザ光Ｌ２と、体積ホログラム１１に記録する照度分布を有するレーザ光Ｌ３とが体積ホログラム１１に照射される。レーザ光Ｌ３に対して所望する照度分布を与えるように位相変調素子７を構成することで、体積ホログラム１１に所望する照度分布を記録することが可能となる。したがって、所望する輝度分布を有するホログラム光学素子を作成することができる。

（第２実施形態）
図５は第２実施形態に係るホログラム光学素子の製造装置の側面図である。第２実施形態では、第１実施形態と異なり、１／４波長板６、位相変調素子７および偏光板８に代えて、ミラー１２および透過濃度制御フィルタ１３（光強度変調部）が配置されている。

ミラー１２は、分岐ミラー４によって反射されたレーザ光Ｌ３を、透過濃度制御フィルタ１３に向けて反射させるミラーである。

透過濃度制御フィルタ１３は、透過する光の光量を制御する。例えば、図４では、透過濃度制御フィルタ１３は、図面上部の領域Ｓ４では、透過させる光の光量が低いため、レーザ光Ｌ３（Ｌ３４）の光量は低くなる。また、透過濃度制御フィルタ１３は、図面下部の領域Ｓ５では、透過させる光の光量が高いため、レーザ光Ｌ３（Ｌ３５）の光量は高くなる。このように、位相変調素子７および偏光板８に代えて、透過濃度制御フィルタ１３を用いることで、第１実施形態と同様の干渉縞の回折効率を有する体積ホログラム１１を生成可能である。

（複製ホログラムの生成方法について）
次に、第１および第２実施形態における体積ホログラムの複製方法について説明する。以下の説明では、第１および第２実施形態における体積ホログラム１１をマスタホログラム１４とする。また、このマスタホログラム１４を複製した（複製する）ものを複製ホログラム１５とする。

図６に示すように、マスタホログラム１４と複製ホログラム１５とを近接して配置する。

具体的には、マスタホログラム１４は、透明基板１４１と、フォトポリマー１４２と、保護膜１４３とを備える。透明基板１４１とフォトポリマー１４２と保護膜１４３とは、積層されている。

透明基板１４１は、透過率の高い平板であり、例えば、石英や光学ガラスなどが用いられる。

フォトポリマー１４２は、例えば、可視光を受光すると屈折率が変化する光学材料で形成されている。フォトポリマー１４２の屈折率変化量は、フォトポリマー１４２が受光したエネルギー量、すなわち、光強度と時間の積で決定される。また、フォトポリマー１４２は、紫外線を照射することにより、屈折率変化を停止させることができる。フォトポリマー１４２には、あらかじめ光強度の強弱のある可視光を用いて屈折率分布（回折格子）が形成され、その後、紫外線照射により屈折率分布が変化しないように処理している。これにより、フォトポリマー１４２には、所定の干渉縞が形成されている。

保護膜１４３は、フォトポリマー１４２を保護するための薄い透明な保護層であり、例えば、薄い透過率の高いガラスなどの傷のつきにくい材質により形成される。なお、透明基板１４１とフォトポリマー１４２の平均屈折率と保護膜１４３の屈折率とは、近しい屈折率であることが望ましい。

また、複製ホログラム１５は、透明基板１５１と、フォトポリマー１５２と、保護膜１５３とを備える。透明基板１５１とフォトポリマー１５２と保護膜１５３とは、積層されている。

透明基板１５１とフォトポリマー１５２と保護膜１５３とは、透明基板１４１と、フォトポリマー１４２と、保護膜１４３とそれぞれ同じ構成である。ただし、フォトポリマー１５２は、フォトポリマー１４２と同じ厚みであり、初期状態では、屈折率分布は形成されておらず、紫外線照射もされていない。

マスタホログラム１４に、複製ホログラム１５を露光するための平行光Ｌ４を入射させる。マスタホログラム１４に平行光Ｌ４が入射すると、マスタホログラム１４に記録されたホログラムパターン（干渉縞）により回折光Ｌ５が発生する。平行光Ｌ４と回折光Ｌ５は干渉して、複製ホログラム１５に干渉縞が発生する。この干渉縞はマスタホログラム１４と同一のパターンとなる。このため、マスタホログラム１４と同じく複製ホログラム１５にも縞の明暗で光のエネルギー量に応じた屈折率変化が発生する。その後、必要な屈折率差が発生した段階で平行光Ｌ４の照射を止め、複製ホログラム１５を取り出し、その後に紫外線などの特定の波長の光を照射することで屈折率の分布を定着させることによるホログラム光学素子とすることができる。

これにより、マスタホログラム１４から複製ホログラム１５を製造することが可能となる。

（その他の実施形態）
なお、第１および第２実施形態では、正面輝度を一定に保つように、体積ホログラム１１が作成されたが、これに限られない。体積ホログラム１１の面内輝度部分に応じて、体積ホログラム１１の照度分布の設定可能である。具体的には、所望する照度分布に応じて位相変調素子７あるいは透過濃度制御フィルタ１３の分布を設定すればよい。

また、第１および第２実施形態のホログラム光学素子の製造装置は、その構造上、レーザ光Ｌ２，Ｌ３を同じタイミングで広範囲にわたって照射可能である。すなわち、本ホログラム光学素子の製造装置は、体積ホログラム１１を広範囲にわたって同時に露光させることができる。従来のホログラム光学素子の製造装置（例えば、特許文献１）では、構造上、体積ホログラムに照度分布を記録するための２つの記録光を一度に、体積ホログラムの狭い領域にしか照射することができないため、体積ホログラム全体を露光させるためには、体積ホログラムを複数回に分けて露光させる必要があった。このため、従来のホログラム光学素子の製造装置を用いて体積ホログラムを作成した場合、輝度分布が滑らかな導光板を作成することが困難である。これに対して、本ホログラム光学素子の製造装置は、体積ホログラム１１を広範囲にわたって同時に露光させることができるため、導光板の輝度分布を滑らかにすることが可能となる。具体的には、本ホログラム光学素子の製造装置によって制作された体積ホログラム１１は、Ｘ方向における一方端部から他方端部に掛けて、所定の割合で回折効率が増加する構成とすることができる（図３（ｃ）参照）。

また、上記第１および第２実施形態において、分岐ミラー４を用いずにホログラム光学素子の製造装置を構成することも可能である。この場合、本ホログラム光学素子の製造装置に、光源１に代えて、レーザ光Ｌ２を照射する光源と、ミラー５に対してレーザ光Ｌ２を照射する光源とを備え、１／４波長板６に対してレーザ光Ｌ３を照射する光源とを備えればよい。

本開示のホログラム光学素子の製造装置は、プロジェクタ、ベッドマウントディスプレイ、ヘッドアップディスプレイなどのホログラム光学素子系に適用することができる。

１ レーザ光源（第１光源、第２光源）
５ ミラー（光強度変調部）
６ １／４波長板（光強度変調部）
７ 位相変調素子（光強度変調部）
１３ 透過濃度制御フィルタ（光強度変調部）
１１ 体積ホログラム（ホログラム光学素子）
２０ 導光板

Claims (5)

1. 第１光を照射する第１光源と、
   第２光を照射する第２光源と、
   ホログラム光学素子が用いられる製品の形状で作成されており、前記ホログラム光学素子に対して前記第１光を反射させるミラーと、
   前記ホログラム光学素子に照射される前記第２光に対して、前記ホログラム光学素子に記録する照度分布を与える光強度変調部とを備える、ホログラム光学素子の製造装置。
2. 前記光強度変調部は
   前記第２光の偏光方向を変化させる波長板と、
   前記波長板から入射した前記第２光に対して、前記ホログラム光学素子に記録する照度分布に応じた位相変調を行う位相変調素子と、
   前記位相変調素子から入射した前記第２光のうち、所定の偏光方向の光を透過させる偏光板とを備える、請求項１記載のホログラム光学素子の製造装置。
3. 前記光強度変調部は、前記ホログラム光学素子に記録する照度分布に応じて、前記第２光を透過させる透過濃度制御フィルタを備える、請求項１記載のホログラム光学素子の製造装置。
4. 第１光を照射するステップと、
   第２光を照射するステップと、
   ホログラム光学素子が用いられる製品の形状で作成されたミラーにより、前記ホログラム光学素子に対して前記第１光を反射させるステップと、
   前記ホログラム光学素子に照射される前記第２光に対して、前記ホログラム光学素子に記録する照度分布を与えるステップとを備える、ホログラム光学素子の製造方法。
5. 平面視において、一方端部から他方端部に掛けての回折効率が所定の割合で滑らかに増加している、ホログラム光学素子。