JP3422677B2 - ホログラフィックレンズ作製方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、波長分散のないホ
ログラフィックレンズとその作製方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】ホログラフィックレンズ等の回折型レン
ズは、基本的に光の波長分散をもっており波長によって
回折方向が異なる。これは、同じ回折格子では波長が長
い光の方が、短い波長の光よりも回折角度が大きいこと
に起因しているものであり、薄いホログラフィックレン
ズ、厚いホログラフィックレンズに共通の現象である。

【０００３】ホログラフィックレンズの厚さは、回折光
の波長幅に関係し、厚いホログラフィックレンズの方
が、回折光の波長幅が狭くなり、その波長幅の範囲にお
いて波長分散が生じる。このため、従来のホログラフィ
ックレンズでは、ホログラフィックレンズ単体で像のイ
メージングを行うとすると、その波長分散により結像面
で波長ごとに位置ずれを起こしボケた像になってしまう
という問題があった。

【０００４】この問題を解決すべく方法としてホログラ
フィックレンズを２枚用いて波長分散を除去する方法が
登録特許公報第２５５６０２０号に開示されている。本
公報はホログラフィックレンズの自動車のヘッドアップ
ディスプレイへの応用についての技術であり図１０にそ
の基本構成を示してある。発光表示手段１００からの画
像光は第１のホログラム１０１で回折反射されるが、こ
の際に波長分散を起こし第２のホログラム１０２へ入射
する。この光は第２のホログラム１０２によって再度回
折反射されるが、第１のホログラム１０１による波長分
散とは逆の作用をもっているので波長分散は相殺され、
虚像１０３は波長分散のない鮮明な像になるというもの
である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の技術では、光軸上の近似によって波長分散を除去す
るという仮定のもとになされたものであって、完全に波
長分散による色収差を取り除くものとはなっていない。
また、ホログラムを２枚用いているのでその取り付け方
に制限を受ける、生産コストが悪い等の問題があった。
本発明は、ホログラフィックレンズ単体での使用におい
ても波長分散のないホログラフィックレンズとその作製
方法を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は以下のような手段を講じた。 即ち、本発明
に係るホログラフィックレンズ作製方法は、干渉縞の向
きがホログラム面と平行となる構造のホログラフィック
シンプルミラーを所定の曲率で湾曲させたホログラフィ
ックレンズの作製方法であって、予め作製するホログラ
フィックレンズの形状に合わせて作製した球面表面ミラ
ーにホログラム記録材料をスピンコートにより塗布し、
発散球面波により、ホログラムを露光して現像し、前記
球面表面ミラーから前記現像されたホログラムを剥離す
る、工程からなることを特徴とするものである。

【０００７】更に、前記剥離されたホログラムを前記球
面表面ミラーと同形状の基板に貼り付ける工程を有して
も良い。

【０００８】

【０００９】

【００１０】

【００１１】

【００１２】

【００１３】本発明は、上記手段により以下の作用を奏
する。 即ち、本発明によれば、しわの発生を抑制しなが
らホログラフィックレンズの湾曲の曲率を大きくでき
る。

【００１４】

【００１５】

【００１６】

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【００２２】

【００２３】

【００２４】

【００２５】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態について図面
を参照しながら詳しく説明する。図１は、本発明に使用
するホログラフィックシンプルミラーの断面図、図２
は、ホログラフィックシンプルミラーの格子ベクトル群
と回折現象を説明するための図、図３はホログラフィッ
クシンプルミラーによる白色光の回折を説明するための
図である。

【００２６】＜第１の実施の形態＞図４と図５は本発明
の第１の実施の形態のホログラフィックレンズの概略図
である。以下、このホログラフィックレンズの構造と特
性、また作製方法について、図１及び図２も加えて説明
する。

【００２７】図１は、ホログラフィックシンプルミラー
１の断面図であって、ホログラムの厚みをｔ、大きさ
（幅）をＤとし、記録されている干渉縞の間隔をΛとし
ている。干渉縞は全てホログラム面内に平行になってい
る。このホログラフィックシンプルミラー１の格子ベク
トルは、ホログラム内部の周期構造のフーリエ変換によ
って求めることが出来、その積分範囲は、図１に表され
ているホログラム領域内である。その計算を省略し、計
算結果のみを図２に示す。

【００２８】格子ベクトル３、４、５は、先述したフー
リエ変換によって求められた格子ベクトルであって、全
ての格子ベクトル３、４、５の方向は図１の干渉縞に垂
直になっている。ここで、格子ベクトル３は、いわゆる
ブラッグの反射条件（特定の波長で特定の入射角度での
み回折現象が生じる。これはホログラムの大きさと厚み
が無限大であるときに限って、格子ベクトルが１つに定
まるからである。）を満足させる格子ベクトルであり、
その大きさは２π／Λである。しかし、実際の実験で
は、ホログラムの厚みと大きさは図１のように有限であ
るので、ブラッグの条件から多少ズレた条件でも回折現
象は生じる。このブラッグの条件から多少ズレた回折
が、波長分散の原因である。図２の格子ベクトル４、５
は、ブラッグの反射条件付近の回折を生じさせる格子ベ
クトルであって、この他に図示はしていないが格子ベク
トル３を中心として、格子ベクトル４から格子ベクトル
５にわたって無数の格子ベクトルが存在している（図２
においては、格子ベクトル３、４、５によって無数の格
子ベクトルを代表させて表現している）。その広がりの
大きさは、格子ベクトル３を中心として４π／ｔである
ことが、前述のフーリエ変換の結果である格子ベクトル
スペクトルから理解できる。

【００２９】このような格子ベクトルスペクトルをもつ
ホログラフィックシンプルミラーレンズ１にホログラム
面とθをなす角度で白色光２が入射した場合の回折光に
ついて、さらに図２を用いて考察する。白色光２は、無
数の波長の光の集まりであるので、無数の大きさを持っ
た波数ベクトルの集まりである（方向は同じである）。

【００３０】図２では、無数の波数ベクトルを、白色入
射光２のベクトルで代表させて表現している。これらの
入射光のうち、格子ベクトル３、４、５によって回折を
生じるのは、図２に示しているように格子ベクトル３、
４、５をそれぞれ底辺とした２等辺三角形で形づくられ
る斜辺の大きさの波数の光である。従って、白色入射光
２は、格子ベクトル３、４、５によって、その波長の一
部分が回折され、回折光の波数ベクトルはそれぞれ６、
７、８のベクトルで表される。ここで注目すべきこと
は、回折光波数ベクトル６、７、８の方向は、全て同じ
であることである。回折光の方向が全て同じであるとい
うことは、波長分散がないということである。

【００３１】以上説明したように、ホログラフィックシ
ンプルミラー１は、図３に示すように白色入射光２に対
する回折光６、７、８が全て同じ方向に伝播するという
理由で無分散であるといえる。一般的なホログラフィッ
クレンズでは、ホログラム内部に記録されている干渉縞
の方向は図１のような構造ではなくホログラム面に対し
て複雑に傾いている。このような場合には格子ベクトル
群は、それぞれ異なった方向を持っているので特定方向
からの白色入射光に対する回折光は、波長によってさま
ざまな方向に伝播する。これが一般的なホログラフィッ
クレンズに生ずる波長分散である。しかし、前述した通
り図１のような構造を持つホログラフィックシンプルミ
ラーの場合は、干渉縞の向きがホログラム面と平行であ
るので格子ベクトル群の方向は全て同じであるので波長
分散がない。

【００３２】このような波長分散がないホログラフィッ
クシンプルミラーを図４のように曲面状に湾曲させる。
ホログラフィックシンプルミラーは、ミラーと同様に正
反射であるので、例えば曲率半径Ｒの球面形状に曲げる
なら焦点距離Ｒ／２の反射型のレンズになり得る。

【００３３】また、図４には図示はしていないが、ホロ
グラム基板が可撓性を有するフィルム状のものであるな
らばホログラフィックレンズ９の曲率を自由に変化させ
ることが出来るので焦点可変の反射型レンズとすること
もできる。ただし、あまり曲率を大きくしすぎると波長
分散が生じてしまうのでパワーの大きなレンズを得たい
場合には、パワーの低いホログラフィックレンズを複数
枚用意し、反射を繰り返すことで実現可能となる。

【００３４】また、フィルム状のホログラフィックレン
ズであるので縦横の曲率を変えたトロイダルミラー（反
射型レンズ）や、非球面の反射型レンズとすることも可
能である。また、スピーカー、モーター、アクチュエー
ター、ピエゾ素子、静電気、空気圧等による力学的駆動
手段を利用してリアルタイムにホログラフィックレンズ
の曲面形状を変えることにより、リアルタイムの焦点可
変レンズとすることも可能である。

【００３５】形状を変化させる必要がない場合には、図
５に示すようにある曲面を持った基板にホログラフィッ
クシンプルミラー１をラミネートし固定焦点のホログラ
フィックレンズ９とすることも可能である。また、これ
らの基板を透明にすることで、透明な反射型レンズとす
ることも可能であるので、例えば自動車のヘッドアップ
ディスプレイのコンバイナーとして利用することも可能
である。自動車のヘッドアップディスプレイのコンバイ
ナーは、合わせガラスであるフロントガラスの中に図４
に示したホログラフィックレンズを封止することで実現
できる。以上説明した様に、本発明のホログライックレ
ンズは、単体で波長分散がないので従来のガラスレンズ
の代用として様々な応用を考えることが可能である。

【００３６】＜第２の実施の形態＞第１の実施の形態で
は、本発明のホログラフィックレンズの構造と特性さら
には応用例について述べたが、以下ではホログラフィッ
クレンズの作製方法について述べる。

【００３７】図６は、ホログラフィックシンプルミラー
１の露光光学系であり、レーザ光源１５とミラー１６、
１７と対物レンズ１８とコリメートレンズ１９と基板２
０とホログラム記録材料２１と屈折率マッチング液２２
と平面表面ミラー２３から構成されている。レーザ光源
１５から射出されたレーザビーム２４はミラー１６、１
７によって偏向をうけ（ミラー１６、１７は必ずしも必
要ではない。）、対物レンズ１８によって発散球面波に
変換されコリメートレンズ１９によってさらに平面波２
５に変換される。ホログラム記録材料２１は平板のガラ
ス基板２０に露光後に剥がせるようにラミネートしてあ
る。この基板２０のホログラム記録材料２１をラミネー
トする面と反対の面（図６中基板２０の斜線部分）は反
射防止膜を形成することが望ましい。これと略等しい大
きさの平面表面ミラー２３はホログラム記録材料２１と
屈折率マッチング液２２を用いて貼り合わされている。
屈折率マッチング液２２はその界面での不要な反射光を
生じさせないために用いている。平面表面ミラー２３
は、そのミラーコーティング面（図６中平面表面ミラー
２３の斜線部分）をホログラム記録材料２１面に対向す
るように配置した方が望ましい。このように準備された
露光系により、先述した平面波を照射し、現像処理し、
基板から剥がすことで、図１に示したホログラフィック
シンプルミラー１を作製することができる。干渉縞の間
隔は使用するレーザの波長を選んだり、入射させる平面
波の入射角度（図６では垂直入射である）を変えること
で任意に選択することが出来る。

【００３８】図６では、ホログラム記録材料２１を、ガ
ラス基板２０にラミネートしているが、これを図７に示
すように直接平面表面ミラー２３にラミネートしても良
い。こうすることで、反射防止膜の付いたガラス基板２
０を使用する場合にくらべ、ホログラム記録材料２１で
の表面反射による光量低下を招くが、露光時における部
品点数の削減につながるので作製コストを安くすること
も可能である。

【００３９】このようにして作製したホログラフィック
シンプルミラー１を任意の形状に曲げることにより、任
意の反射型レンズにすることが出来る。また、第１の実
施の形態で説明したように、リアルタイムにその形状を
変化させ焦点距離等をリアルタイムに変化させたり、予
め決められた形状の基板に再度ラミネートすることで固
定焦点の反射型レンズを作製することも可能となる。

【００４０】＜第３の実施の形態＞以上、第２の実施の
形態では、第１の工程によって平面であるフレキシブル
ホログラフィックシンプルミラーを作製し、第２の工程
によってホログラフィックシンプルミラーを自由な曲面
に曲げて任意の焦点距離を持つ反射型のホログラフィッ
クレンズを作製していたが、第２の工程において、ホロ
グラフィックシンプルミラーを湾曲させる曲率が大きい
場合、しわ等の問題により平面状のものを曲面形状の基
板にラミネートすることが困難である場合がある。この
ような場合は第１の工程として、図８に示すように、予
め作製するホログラフィックレンズの形状に合わせて作
製した球面表面ミラー２７にホログラム記録材料２６を
スピンコート等によって塗布し、発散球面波２８を用い
てホログラムを露光し、現像等の後処理をおこない、球
面表面ミラー２７からホログラムを剥離することで、曲
率の大きなホログラフィックレンズを作製することが可
能となる。また、必要があれば、第１の工程で使用した
球面表面ミラー２７と同形状の基板に再度貼り付ける第
２の工程もしわ等の問題なく容易に実施できる。

【００４１】このように第１の工程で球面表面ミラー２
７を使用する場合の対物レンズの位置は出来る限り球面
表面ミラー２７の曲率半径の位置がよろしい。これは、
発散球面波２８の発散点の位置が、球面表面ミラー２７
の曲率半径の位置となることで、ホログラム全面にわた
って記録される干渉縞の間隔及び、方向が一定になるた
めである。但し、本発明のホログラフィックレンズの応
用次第ではこの限りでなく、平面波を使用しても良い
し、発散球面波を使用する場合において対物レンズの位
置を自由にとっても良い。

【００４２】＜第４の実施の形態＞本第４の実施の形態
では、第３の実施の形態において、特に縦横方向で焦点
距離の異なるレンズ（トロイダル鏡と呼ばれる）の場合
の作製について説明する。

【００４３】レンズの縦横方向で焦点距離が異なる場合
のホログラフィックレンズの作製は図９に示すように図
８の露光光学系にシリンドリカルレンズ２９を追加した
露光光学系にてホログラムを作製する。また、図８の球
面反射鏡２７の代わりに実際のトロイダル表面ミラー３
０を使用し、そのミラー表面にホログラム記録材料２６
を塗布する。シリンドリカルレンズ２９は、一方向にの
み光を屈折させる作用（例えば、横方向のみ焦点距離を
持ち、縦方向は屈折力を持っていない）を持っている。
まず、トロイダル表面ミラー３０の短い曲率半径の位置
に対物レンズ１８を配置し、トロイダル表面ミラー３０
の長い曲率半径の位置に発散球面波２８（図９は上面図
であるので発散球面波２８は、横方向に広がる光がシリ
ンドリカルレンズ２９によって屈折を受けた光である）
によって作られる発散点の虚像の位置がくるようにシリ
ンドリカルレンズ２９を配置する。また、このように縦
横での曲率半径の異なる２つの発散球面波がそれぞれ、
もとの発散点に戻るようにトロイダル表面ミラー３０を
配置する（従って、対物レンズ１８からの発散光はイン
ドリカルレンズ２９とトロイダル表面ミラー３０によっ
て屈折、反射、屈折を受けその戻り光は正確に対物レン
ズ１８の位置に集光して戻ってくる）。このようにして
作製されたホログラフィックレンズの内部に記録された
干渉縞はホログラム面に完全に平行になり、しかも干渉
縞の間隔はホログラム全体にわたって均一になる。

【００４４】

【発明の効果】本発明によれば、湾曲の曲率が大きなホ
ログラフィックレンズをしわの発生を抑制しながら作製
できる。

【００４５】

【００４６】

【００４７】

【００４８】

【００４９】

【００５０】

【００５１】

【００５２】

【００５３】

【００５４】

【００５５】

【００５６】

【００５７】

【００５８】

【図面の簡単な説明】

【図１】ホログラフィックシンプルミラーの断面図であ
る。

【図２】ホログラフィックシンプルミラーの格子ベクト
ル群と回折現象を説明するための図である。

【図３】ホログラフィックシンプルミラーによる白色光
の回折を説明するための図である。

【図４】本発明のホログラフィックレンズの実施の形態
を説明するための図である。

【図５】本発明のホログラフィックレンズの実施の形態
を説明するための図である。

【図６】本発明のホログラフィックレンズの作製方法の
実施の形態を説明するための図である。

【図７】本発明のホログラフィックレンズの作製方法の
実施の形態を説明するための図である。

【図８】本発明のホログラフィックレンズの作製方法の
実施例を説明するための図である。

【図９】本発明のホログラフィックレンズの作製方法の
実施例を説明するための図である。

【図１０】従来のホログラフィックレンズの波長分散を
低減させる技術を説明するための図である。

【符号の説明】

１…ホログラフィックシンプルミラー、２…白色入射
光、３…格子ベクトル（中心）、４…格子ベクトル（長
波長）、５…格子ベクトル（短波長）、６…回折光波数
ベクトル（スペクトル中心）、７…回折光波数ベクトル
（スペクトル長波長）、８…回折光波数ベクトル（スペ
クトル短波長）、９…ホログラフィックレンズ、１０…
白色入射光、１１…回折光波数ベクトル（スペクトル中
心）、１２…回折光波数ベクトル（スペクトル長波
長）、１３…回折光波数ベクトル（スペクトル短波
長）、１４…基板、１５…レーザ光源、１６…ミラー、
１７…ミラー、１８…対物レンズ、１９…コリメートレ
ンズ、２０…基板、２１…ホログラム記録材料、２２…
屈折率マッチング液、２３…平面表面ミラー、２４…レ
ーザビーム、２５…平面波、２６…ホログラム記録材
料、２７…球面表面ミラー、２８…発散球面波、２９…
シリンドリカルレンズ、３０…トロイダル表面ミラー、
１００…発光表示手段、１０１…第１のホログラム、１
０２…第２のホログラム、１０３…虚像。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 干渉縞の向きがホログラム面と平行とな
   る構造のホログラフィックシンプルミラーを所定の曲率
   で湾曲させたホログラフィックレンズの作製方法であっ
   て、 予め作製するホログラフィックレンズの形状に合わせて
   作製した球面表面ミラーにホログラム記録材料をスピン
   コートにより塗布し、 発散球面波により、ホログラムを露光して現像し、 前記球面表面ミラーから前記現像されたホログラムを剥
   離する、 工程からなることを特徴とするホログラフィックレンズ
   作製方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のホログラフィックレン
   ズ作製方法であって、 前記剥離されたホログラムを前記球面表面ミラーと同形
   状の基板に貼り付ける工程を有したことを特徴とするホ
   ログラフィックレンズ作製方法。