JP4151808B2 - ホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムに関し、特に、ホログラム原版又は回折格子原版から発生する０次、＋１次以外の高次（＋２，＋３，＋４，・・・及び−１，−２，−３，−４，・・・次）の回折光と０次、＋１次の回折光との間で生じる不要干渉縞が記録されることを防止したホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムアレーは、例えばマイクロレンズアレーの代わりに用いることができる。このようなホログラムアレーの１つとして、本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、液晶表示装置用ホログラムカラーフィルターを提案した。その構成は、偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるものである。また、上記出願において、この微小ホログラムアレーと同様の作用をはたす別の液晶表示装置用ホログラムカラーフィルターとして、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された集光性レンズアレーとからなるものも提案している。以下、代表的に偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターについて簡単に説明する。
【０００３】
図９の断面図を参照にして上記ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置について説明する。同図において、規則的に液晶セル６′（画素）に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側にこのホログラムカラーフィルターを構成するホログラムアレー５が離間して配置される。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラック・マトリックス４が配置される。以上の他、図示しない偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【０００４】
ホログラムアレー５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム５′は液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′各組に整列して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムアレー５の法線に対して角度θをなして入射するバックライト３の中の緑色の成分の光を、その微小ホログラム５′に対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の液晶セルＧ上に集光するように、図１０にその干渉縞を模式的に示すようなフレネルゾーンプレート状に形成されているものである（偏心ホログラムレンズ）。そして、微小ホログラム５′は、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここで、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長はほとんど回折しないタイプのものではなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを意味し、この回折効率の波長依存性が少ない回折格子は、波長に応じて異なる回折角で回折する。
【０００５】
このような構成であるので、ホログラムアレー５の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対して角度θをなして入射する白色のバックライト３を入射させると、波長に依存して微小ホログラム５′による回折角は異なり、各波長に対する集光位置はホログラムアレー５面に略平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢの位置にそれぞれ回折集光するように、ホログラムアレー５を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックス４でほとんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができる。
【０００６】
このように、ホログラムアレー５をカラーフィルターとして用いることにより、従来のカラーフィルター用バックライトの各波長成分を無駄なく吸収なく各液晶セル６′へ入射させることができるため、その利用効率を大幅に向上させることができる。
【０００７】
上記のようなホログラムアレーからなるカラーフィルター５の作製は、例えば計算機ホログラムからなる微小ホログラムレンズアレーから回折された＋１次の多点収束光と０次透過光との２光束干渉による複製方法によっている。その複製方法を図７の断面図を参照にして簡単に説明すると、微小ホログラム５′（図９）のホログラム干渉縞を計算機によって計算し、ガラス基板１上にクロム膜を形成し、その上に電子線レジストを塗布し、計算の結果得られた干渉縞を電子ビームによって描画、現像し、そのクロム膜をエッチングしてクロムパターン２を形成することにより、振幅型の計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）５″のアレー７′を作製する。次いで、図７に示すように、このようにして作製したＣＧＨアレー７′をホログラム原版とし、そのクロムパターン２の上に、ガラス基材１２上にフォトポリマー等の感光層１３を設けその上にカバーフィルム１４を積層してなるホログラム感材１８を、カバーフィルム１４側でインデックスマッチング液を介して密着するか若干ギャップをおいて重ね合わせ、ＣＧＨアレー７′側から図９のバックライト３に相当する角度θでレーザ光９を入射させ、ＣＧＨアレー７′の各ＣＧＨ５″によって生じる収束回折光１０′と直進透過光１１とをホログラム感材１８の感光層１３中で干渉させて、ＣＧＨアレー７′を複製する。この複製されたホログラムが図９のホログラムアレー５として用いられる。なお、複製の際のレーザ光９の入射角は必ずしもバックライト３の入射角θに略等しくする必要はなく、また、その波長もバックライト３の波長と略等しくする必要もない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＧＨアレー７′のような振幅型ホログラムにレーザ光９を入射させると、図８に模式的に示すように、収束回折光１０′が相当する＋１次回折光２１、直進透過光１１が相当する０次回折光２０以外にも、＋２次回折光２２、それ以外の＋３，＋４，・・・及び−１，−２，−３，−４，・・・次の高次回折光２３が生じる。例えば＋２次回折光２２については、密着あるいはギャップをおいて配置されたホログラム感材１８の感光層１３中で０次回折光２０あるいは＋１次回折光２１と干渉して不要な干渉縞が複製と同時に記録されてしまう。このような不要干渉縞が複製された正規のホログラム干渉縞に重畳して記録されると、複製されたホログラムの回折効率を低下させてしまうと共に、不要干渉縞により迷光が発生してしまい、ホログラムからの再生像の質を悪化させる。また、図９に示したようなホログラムカラーフィルター５の場合には、このような不要干渉縞による迷光により、カラー液晶表示装置の表示のコントラストを低下させてしまう。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、原版ホログラム又は回折格子から複製によってホログラムを複製する際に、原版ホログラムから０次、＋１次以外の高次の回折光がホログラム感材に入射して不要干渉縞が記録されるのを防止するホログラムの複製方法とその方法により複製されたホログラムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラムの複製方法は、原版のホログラム又は回折格子から感光性材料に光学的に複製する方法において、
かつ、
ここで、Λ：原版の有する表面ピッチの中の１つ、
ｎ：感光性材料の平均屈折率、
φ：複製品の記録時の目標とするフリンジ角度、
を満たす波長λの光束により複製することを特徴とする方法である。
【００１１】
本発明のもう１つのホログラムの複製方法は、振幅型原版のホログラム又は回折格子から感光性材料に光学的に複製する方法において、
かつ、
ここで、α＝ｔａｎ-1（ｒｄΛ／ｔ）、
Λ：振幅型原版の有する表面ピッチの中の１つ、
ｎ：感光性材料の平均屈折率、
φ：複製品の記録時の目標とするフリンジ角度、
ｄ：振幅型原版の平均デューティ比（スペース／ピッチ）、
ｔ：振幅型原版のライン部（不透明部）の平均膜厚、
ｒ：０．５≦ｒ≦１を満たす値、
を満たす波長λの光束により複製することを特徴とする方法である。
【００１２】
これらの場合に、原版のホログラムが一定の焦点距離の位置に集光する要素ホログラムのアレーからなるものとすることができる。
【００１３】
本発明はこのようなホログラムの複製方法によって複製されたホログラムを含むものである。
【００１４】
本発明においては、原版の再生において、高次光が生じないため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞が記録されず、その複製品を再生しても不要な迷光が生じず、回折効率の低下もない。あるいは、原版の再生において、高次光の強度を減らせるため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞の記録の度合いが少なく、その複製品を再生しても不要な迷光の強度は弱く、回折効率の低下もほとんどない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムの複製方法の原理と実施例について説明する。
一般に、ホログラム及び回折格子は、記録波長と異なる照明光を照射しても回折光が生じる。そこでホログラム（以下では、特別の場合以外は、ホログラムと回折格子の両者を含めてホログラムと呼ぶ。）の複製波長として、比較的長い波長を用いるものとする。その具体的な説明を以下に示す。
【００１６】
原版のホログラム又は回折格子の種類は、振幅型であっても位相型であってもよいが、ここでは、振幅型の場合を例にとって説明する。図１に回折格子３０による回折を説明するための図を示す。振幅型回折格子３０が入射側媒質３１と出射側媒質３２の境界面に配置され、入射側媒質３１の屈折率をｎ’、出射側媒質３２の平均屈折率をｎとする。まず、波長λの入射光３３によって原版３０から感光性材料（出射側媒質）３２に複製する場合、図１において、ｍ次の回折光の感光性材料３２中での角度をθm （ｍ＝・・・，−１，０，＋１，＋２，・・・。ただし、符号＋は省く。）とする。また、Λは原版３０が有する表面ピッチ、φは複製品の記録時の干渉縞の傾きを表すフリンジ角度（目標）とする。図中のθinは入射光３３の入射角であり、θ0 との間にはスネルの法則が成り立つ。なお、これらのパラメータの定義は図１に示した通りとする。
【００１７】
このとき、
−π／２＜θ1 ＜θ0 ＜π／２ ・・・（１）
となるように、θ0 ，θ1 をとる。回折の式から、
ｓｉｎθ0 −ｓｉｎθ1 ＝λ／（ｎΛ） ・・・（２）
ｓｉｎθ0 −ｓｉｎθm ＝ｍλ／（ｎΛ） ・・・（３）
（２）、（３）式より、
ｓｉｎθm ＝ｍｓｉｎθ1 −（ｍ−１）ｓｉｎθ0 ・・・（４）
ここで、拘束条件として、
（θ0 ＋θ1 ）／２＝φ
である（フリンジ角φは、加熱等のホログラム作製時の角度変化を見越して、予め補正値を用いることも考えられる。）。これから、
θ0 ＝φ＋ｘ ・・・（５）
θ1 ＝φ−ｘ ・・・（６）
（ｘ＞０）
と置いて、（５）、（６）式を（２）式に代入し、変形して、
２ｃｏｓφｓｉｎｘ＝λ／（ｎΛ）
ｘ＝ｓｉｎ-1｛λ／（２ｎΛｃｏｓφ）｝ ・・・（７）
（３）、（５）式より、
となる。−１次光に対しては、（８）式にｍ＝−１を代入して、
が得られる。＋２次光に対しては、（８）式にｍ＝２を代入して、
が得られる。ここで、ｘの範囲は、（１）式と（５）、（６）式より、
ｘ＜π／２−φ、かつ、ｘ＜π／２＋φ
であるから、まとめて、
０＜ｘ＜π／２−｜φ｜ ・・・（１１）
となる。（７）、（１１）式より、
λ／（２ｎΛｃｏｓφ）＜ｓｉｎ（π／２−｜φ｜）
λ／（２ｎΛｃｏｓφ）＜ｃｏｓφ
λ＜２ｎΛｃｏｓ2 φ ・・・（１２）
となる。
【００１８】
そして、−１次以下及び＋２次以上の回折光が出射側に生じない条件は、（１）式、及び、・・・＜θ2 ＜θ1 ＜θ0 ＜θ-1＜・・・を考慮して、それぞれｓｉｎθ-1≧１，ｓｉｎθ2 ≦−１であるため、このとき（９）、（１０）式より、
かつ、
である。
【００１９】
さらに、原版３０が振幅格子である場合について説明する。図２に示すように、振幅格子３０のライン３０’とスペース３０”の中のライン部（不透明部）３０’が不透明でかつ厚みがある場合、スペース部３０”（ｄΛの幅）に到達する光束の回折角α＝ｔａｎ-1（ｒｄΛ／ｔ）で回折する成分の中の割合ｒが、幾何光学的にライン部３０’の側面で影響（吸収、乱反射等）され、回折光は減衰されることになる。ここで、ｄは振幅型原版３０の平均デューティ比（スペース／ピッチ）、ｔは振幅型原版３０のライン部３０’の平均膜厚、ｒは振幅型原版３０のライン部（不透明部）３０’の厚みに影響されて減衰する割合である。これは、αが正でも負でも同様であることと、（１）式、及び、・・・＜θ2 ＜θ1 ＜θ0 ＜θ-1＜・・・を考慮して、ｓｉｎθ-1≧ｓｉｎα，ｓｉｎθ2 ≦−ｓｉｎαの場合に、−１次以下及び＋２次以上の光が、それぞれｒ以上の割合でライン部３０’の側面で影響され減衰されることになる。その条件は、（９）、（１０）式より、
かつ、
である。ｒは０〜１の間にあるが、この値を、
０．５≦ｒ≦１ ・・・（１７）
とすることにより、−１次以下及び＋２次以上の回折光が半分以上がライン部３０’の側面でケラれて減衰されることになる。なお、そのためには、ライン部３０’の側面表面が、少なくとも複製波長λに対する光吸収材料からなることが望ましい。
【００２０】
以下に、本発明の比較例と実施例について説明する。
〔比較例〕
複製により得ようとするホログラム（回折格子）として次の設計条件とする（図３）。
・単純回折格子
・設計波長４４０ｎｍ
・入射角５２．４°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２の媒質中に換算して５０°）
・出射角０°（屈折率１．５２の媒質中）
・スラント角φ＝２５°
このような設計条件を満たすホログラム（回折格子）を複製するための原版として、一様なライン・アンド・スペースのクロムマスクからなる振幅型回折格子を用意した。その表面ピッチは、Λ＝３７８ｎｍ（一様）である。
【００２１】
そして、以下の条件でその原版を用いて感光性材料（ｎ＝１．５２）に複製を行った。
・複製波長４５７ｎｍ
・入射角θin＝５３．５°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２に換算して、５１．０°（＝θ0 ））
この条件では、原版から２次光が生じるため、複製品を白色光で再生すると、その２次光の影響によると考えられる迷光が観測された。このとき、計算では、（９）、（１０）式より、ｓｉｎθ2 ＝−０．８１＞−１（＋２次回折光が生じる）、ｓｉｎθ-1＝１．５７≧１（−１次回折光が生じない）である。
【００２２】
なお、図６に、表面ピッチΛ＝３７８ｎｍ（一様）のときに、（８）式により導かれる、複製して得られる単純回折格子がスラント角φ＝２５°となる複製波長λと回折角θ0 ，θ1 ，θ2 の関係を示す。ただし、入射側媒質の屈折率ｎ’＝１．４７、出射側媒質（感光性材料）の屈折率ｎ＝１．５２とする。
【００２３】
〔実施例１〕
複製により得ようとするホログラム（回折格子）として、比較例と同様の設計条件とする（図３）。
このような設計条件を満たすホログラム（回折格子）を複製するための原版として、比較例と同様の振幅型回折格子を用いた。
【００２４】
そして、以下の条件でその原版を用いて感光性材料（ｎ＝１．５２）に複製を行った（図４）。
・複製波長５３２ｎｍ
・入射角θin＝５８．７°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２に換算して、５５．７°（＝θ0 ））
この条件では、原版から２次光が生じないため、複製品を白色光で再生しても、その２次光の影響によると考えられる迷光は観測されなかった。このとき、計算では、（９）、（１０）式より、ｓｉｎθ2 ＝−１．０３≦−１（＋２次回折光が生じない）、ｓｉｎθ-1＝１．７５≧１（−１次回折光が生じない）である。
【００２５】
〔実施例２〕
複製により得ようとするホログラムとして次の設計条件とする（図５）。
・偏心ホログラムレンズ（図９、図１０）
焦点距離３０ｍｍ（屈折率１．５２の媒質中）
レンズ径４ｍｍ
・設計波長４４０ｎｍ
・入射角５２．４°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２の媒質中に換算して５０°）
・出射角０°（屈折率１．５２の媒質中）（偏心ホログラムレンズの中心において）
・スラント角φ＝２５°（偏心ホログラムレンズの中心において）
このような設計条件を満たすホログラムを複製するための原版として、クロムマスクからなる振幅型計算機ホログラムを用意した。その表面ピッチは、図５の面上で、Λ＝３４８ｎｍ〜４１４ｎｍ（中心ではΛ＝３７８ｎｍ）である。
【００２６】
そして、実施例１と同様の以下の複製条件で、感光性材料（ｎ＝１．５２）に複製を行った。
・複製波長５３２ｎｍ
・入射角θin＝５８．７°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２に換算して、５５．７°（＝θ0 ））
この条件では、原版からあまり２次光が生じない（少なくとも中心から右側では生じない。左端では生じる（ｓｉｎθ2 ＝−０．８７＞−１）。）ため、複製品を白色光で再生しても、その影響による迷光の観測は少なかった。このとき、複製波長を例えば６４７ｎｍにすれば、原版のレンズ全域で２次光は生じない（ｓｉｎθ2 ＝−１．１７≦−１）。
【００２７】
以上、本発明のホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムをその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず種々の変形が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムによると、原版の再生において、高次光が生じないため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞が記録されず、その複製品を再生しても不要な迷光が生じず、回折効率の低下もない。あるいは、原版の再生において、高次光の強度を減らせるため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞の記録の度合いが少なく、その複製品を再生しても不要な迷光の強度は弱く、回折効率の低下もほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための回折格子による回折を説明するための図である。
【図２】本発明において振幅格子の厚みの影響を説明するための図である。
【図３】比較例及び実施例１の設計条件を示す図である。
【図４】実施例１の複製条件を示す図である。
【図５】実施例２の設計条件を示す図である。
【図６】複製して得られる単純回折格子が特定のスラント角となる複製波長と回折角の関係を例示する図である。
【図７】従来の複製方法を説明するための断面図である。
【図８】ホログラムから発生する回折光を模式的に示す図である。
【図９】ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の断面図である。
【図１０】ホログラムカラーフィルターを構成する微小ホログラムの干渉縞を模式的に示す図である。
【符号の説明】
３０…振幅型回折格子（原版）
３１…入射側媒質
３２…出射側媒質（感光性材料）
３３…入射光
３０’…ライン部（不透明部）
３０”…スペース部
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムに関し、特に、ホログラム原版又は回折格子原版から発生する０次、＋１次以外の高次（＋２，＋３，＋４，・・・及び−１，−２，−３，−４，・・・次）の回折光と０次、＋１次の回折光との間で生じる不要干渉縞が記録されることを防止したホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムアレーは、例えばマイクロレンズアレーの代わりに用いることができる。このようなホログラムアレーの１つとして、本出願人は、特願平５−１２１７０号等において、液晶表示装置用ホログラムカラーフィルターを提案した。その構成は、偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるものである。また、上記出願において、この微小ホログラムアレーと同様の作用をはたす別の液晶表示装置用ホログラムカラーフィルターとして、平行で一様な干渉縞からなるホログラム又は回折格子とその入射側あるいは射出側に配置された集光性レンズアレーとからなるものも提案している。以下、代表的に偏心したフレネルゾーンプレート状の微小ホログラムアレーからなるホログラムカラーフィルターについて簡単に説明する。
【０００３】
図９の断面図を参照にして上記ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置について説明する。同図において、規則的に液晶セル６′（画素）に区切られた液晶表示素子６のバックライト３入射側にこのホログラムカラーフィルターを構成するホログラムアレー５が離間して配置される。液晶表示素子６背面には、各液晶セル６′の間に設けられたブラック・マトリックス４が配置される。以上の他、図示しない偏光板が液晶表示素子６の両側に配置される。なお、ブラック・マトリックス４の間には、従来のカラー液晶表示装置と同様に、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素に対応した色の光を通過する吸収型のカラーフィルターを付加的に配置するようにしてもよい。
【０００４】
ホログラムアレー５は、Ｒ、Ｇ、Ｂの分色画素の繰り返し周期、すなわち、液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム５′からなり、微小ホログラム５′は液晶表示素子６の紙面内の方向に隣接する３つの液晶セル６′各組に整列して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム５′は、ホログラムアレー５の法線に対して角度θをなして入射するバックライト３の中の緑色の成分の光を、その微小ホログラム５′に対応する３つの分色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の液晶セルＧ上に集光するように、図１０にその干渉縞を模式的に示すようなフレネルゾーンプレート状に形成されているものである（偏心ホログラムレンズ）。そして、微小ホログラム５′は、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなる。ここで、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないとは、リップマンホログラムのように、特定の波長だけを回折し、他の波長はほとんど回折しないタイプのものではなく、１つの回折格子で何れの波長も回折するものを意味し、この回折効率の波長依存性が少ない回折格子は、波長に応じて異なる回折角で回折する。
【０００５】
このような構成であるので、ホログラムアレー５の液晶表示素子６と反対側の面からその法線に対して角度θをなして入射する白色のバックライト３を入射させると、波長に依存して微小ホログラム５′による回折角は異なり、各波長に対する集光位置はホログラムアレー５面に略平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分は赤を表示する液晶セルＲの位置に、緑の成分は緑を表示する液晶セルＧの位置に、青の成分は青を表示する液晶セルＢの位置にそれぞれ回折集光するように、ホログラムアレー５を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックス４でほとんど減衰されずに各液晶セル６′を通過し、対応する位置の液晶セル６′の状態に応じた色表示を行うことができる。
【０００６】
このように、ホログラムアレー５をカラーフィルターとして用いることにより、従来のカラーフィルター用バックライトの各波長成分を無駄なく吸収なく各液晶セル６′へ入射させることができるため、その利用効率を大幅に向上させることができる。
【０００７】
上記のようなホログラムアレーからなるカラーフィルター５の作製は、例えば計算機ホログラムからなる微小ホログラムレンズアレーから回折された＋１次の多点収束光と０次透過光との２光束干渉による複製方法によっている。その複製方法を図７の断面図を参照にして簡単に説明すると、微小ホログラム５′（図９）のホログラム干渉縞を計算機によって計算し、ガラス基板１上にクロム膜を形成し、その上に電子線レジストを塗布し、計算の結果得られた干渉縞を電子ビームによって描画、現像し、そのクロム膜をエッチングしてクロムパターン２を形成することにより、振幅型の計算機ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）５″のアレー７′を作製する。次いで、図７に示すように、このようにして作製したＣＧＨアレー７′をホログラム原版とし、そのクロムパターン２の上に、ガラス基材１２上にフォトポリマー等の感光層１３を設けその上にカバーフィルム１４を積層してなるホログラム感材１８を、カバーフィルム１４側でインデックスマッチング液を介して密着するか若干ギャップをおいて重ね合わせ、ＣＧＨアレー７′側から図９のバックライト３に相当する角度θでレーザ光９を入射させ、ＣＧＨアレー７′の各ＣＧＨ５″によって生じる収束回折光１０′と直進透過光１１とをホログラム感材１８の感光層１３中で干渉させて、ＣＧＨアレー７′を複製する。この複製されたホログラムが図９のホログラムアレー５として用いられる。なお、複製の際のレーザ光９の入射角は必ずしもバックライト３の入射角θに略等しくする必要はなく、また、その波長もバックライト３の波長と略等しくする必要もない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＧＨアレー７′のような振幅型ホログラムにレーザ光９を入射させると、図８に模式的に示すように、収束回折光１０′が相当する＋１次回折光２１、直進透過光１１が相当する０次回折光２０以外にも、＋２次回折光２２、それ以外の＋３，＋４，・・・及び−１，−２，−３，−４，・・・次の高次回折光２３が生じる。例えば＋２次回折光２２については、密着あるいはギャップをおいて配置されたホログラム感材１８の感光層１３中で０次回折光２０あるいは＋１次回折光２１と干渉して不要な干渉縞が複製と同時に記録されてしまう。このような不要干渉縞が複製された正規のホログラム干渉縞に重畳して記録されると、複製されたホログラムの回折効率を低下させてしまうと共に、不要干渉縞により迷光が発生してしまい、ホログラムからの再生像の質を悪化させる。また、図９に示したようなホログラムカラーフィルター５の場合には、このような不要干渉縞による迷光により、カラー液晶表示装置の表示のコントラストを低下させてしまう。
【０００９】
本発明はこのような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、原版ホログラム又は回折格子から複製によってホログラムを複製する際に、原版ホログラムから０次、＋１次以外の高次の回折光がホログラム感材に入射して不要干渉縞が記録されるのを防止するホログラムの複製方法とその方法により複製されたホログラムを提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラムの複製方法は、原版のホログラム又は回折格子から感光性材料に光学的に複製する方法において、
ｎ：感光性材料の平均屈折率、
φ：複製品の記録時の目標とするフリンジ角度、
を満たす波長λの光束により複製することを特徴とする方法である。
【００１１】
本発明のもう１つのホログラムの複製方法は、振幅型原版のホログラム又は回折格子から感光性材料に光学的に複製する方法において、
Λ：振幅型原版の有する表面ピッチの中の１つ、
ｎ：感光性材料の平均屈折率、
φ：複製品の記録時の目標とするフリンジ角度、
ｄ：振幅型原版の平均デューティ比（スペース／ピッチ）、
ｔ：振幅型原版のライン部（不透明部）の平均膜厚、
ｒ：０．５≦ｒ≦１を満たす値、
を満たす波長λの光束により複製することを特徴とする方法である。
【００１２】
これらの場合に、原版のホログラムが一定の焦点距離の位置に集光する要素ホログラムのアレーからなるものとすることができる。
【００１３】
本発明はこのようなホログラムの複製方法によって複製されたホログラムを含むものである。
【００１４】
本発明においては、原版の再生において、高次光が生じないため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞が記録されず、その複製品を再生しても不要な迷光が生じず、回折効率の低下もない。あるいは、原版の再生において、高次光の強度を減らせるため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞の記録の度合いが少なく、その複製品を再生しても不要な迷光の強度は弱く、回折効率の低下もほとんどない。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムの複製方法の原理と実施例について説明する。
一般に、ホログラム及び回折格子は、記録波長と異なる照明光を照射しても回折光が生じる。そこでホログラム（以下では、特別の場合以外は、ホログラムと回折格子の両者を含めてホログラムと呼ぶ。）の複製波長として、比較的長い波長を用いるものとする。その具体的な説明を以下に示す。
【００１６】
原版のホログラム又は回折格子の種類は、振幅型であっても位相型であってもよいが、ここでは、振幅型の場合を例にとって説明する。図１に回折格子３０による回折を説明するための図を示す。振幅型回折格子３０が入射側媒質３１と出射側媒質３２の境界面に配置され、入射側媒質３１の屈折率をｎ’、出射側媒質３２の平均屈折率をｎとする。まず、波長λの入射光３３によって原版３０から感光性材料（出射側媒質）３２に複製する場合、図１において、ｍ次の回折光の感光性材料３２中での角度をθm （ｍ＝・・・，−１，０，＋１，＋２，・・・。ただし、符号＋は省く。）とする。また、Λは原版３０が有する表面ピッチ、φは複製品の記録時の干渉縞の傾きを表すフリンジ角度（目標）とする。図中のθinは入射光３３の入射角であり、θ0 との間にはスネルの法則が成り立つ。なお、これらのパラメータの定義は図１に示した通りとする。
【００１７】
このとき、
−π／２＜θ1 ＜θ0 ＜π／２ ・・・（１）
となるように、θ0 ，θ1 をとる。回折の式から、
ｓｉｎθ0 −ｓｉｎθ1 ＝λ／（ｎΛ） ・・・（２）
ｓｉｎθ0 −ｓｉｎθm ＝ｍλ／（ｎΛ） ・・・（３）
（２）、（３）式より、
ｓｉｎθm ＝ｍｓｉｎθ1 −（ｍ−１）ｓｉｎθ0 ・・・（４）
ここで、拘束条件として、
（θ0 ＋θ1 ）／２＝φ
である（フリンジ角φは、加熱等のホログラム作製時の角度変化を見越して、予め補正値を用いることも考えられる。）。これから、
θ0 ＝φ＋ｘ ・・・（５）
θ1 ＝φ−ｘ ・・・（６）
（ｘ＞０）
と置いて、（５）、（６）式を（２）式に代入し、変形して、
２ｃｏｓφｓｉｎｘ＝λ／（ｎΛ）
ｘ＝ｓｉｎ-1｛λ／（２ｎΛｃｏｓφ）｝ ・・・（７）
（３）、（５）式より、
ｘ＜π／２−φ、かつ、ｘ＜π／２＋φ
であるから、まとめて、
０＜ｘ＜π／２−｜φ｜ ・・・（１１）
となる。（７）、（１１）式より、
λ／（２ｎΛｃｏｓφ）＜ｓｉｎ（π／２−｜φ｜）
λ／（２ｎΛｃｏｓφ）＜ｃｏｓφ
λ＜２ｎΛｃｏｓ2 φ ・・・（１２）
となる。
【００１８】
そして、−１次以下及び＋２次以上の回折光が出射側に生じない条件は、（１）式、及び、・・・＜θ2 ＜θ1 ＜θ0 ＜θ-1＜・・・を考慮して、それぞれｓｉｎθ-1≧１，ｓｉｎθ2 ≦−１であるため、このとき（９）、（１０）式より、
【００１９】
さらに、原版３０が振幅格子である場合について説明する。図２に示すように、振幅格子３０のライン３０’とスペース３０”の中のライン部（不透明部）３０’が不透明でかつ厚みがある場合、スペース部３０”（ｄΛの幅）に到達する光束の回折角α＝ｔａｎ-1（ｒｄΛ／ｔ）で回折する成分の中の割合ｒが、幾何光学的にライン部３０’の側面で影響（吸収、乱反射等）され、回折光は減衰されることになる。ここで、ｄは振幅型原版３０の平均デューティ比（スペース／ピッチ）、ｔは振幅型原版３０のライン部３０’の平均膜厚、ｒは振幅型原版３０のライン部（不透明部）３０’の厚みに影響されて減衰する割合である。これは、αが正でも負でも同様であることと、（１）式、及び、・・・＜θ2 ＜θ1 ＜θ0 ＜θ-1＜・・・を考慮して、ｓｉｎθ-1≧ｓｉｎα，ｓｉｎθ2 ≦−ｓｉｎαの場合に、−１次以下及び＋２次以上の光が、それぞれｒ以上の割合でライン部３０’の側面で影響され減衰されることになる。その条件は、（９）、（１０）式より、
０．５≦ｒ≦１ ・・・（１７）
とすることにより、−１次以下及び＋２次以上の回折光が半分以上がライン部３０’の側面でケラれて減衰されることになる。なお、そのためには、ライン部３０’の側面表面が、少なくとも複製波長λに対する光吸収材料からなることが望ましい。
【００２０】
以下に、本発明の比較例と実施例について説明する。
〔比較例〕
複製により得ようとするホログラム（回折格子）として次の設計条件とする（図３）。
・単純回折格子
・設計波長４４０ｎｍ
・入射角５２．４°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２の媒質中に換算して５０°）
・出射角０°（屈折率１．５２の媒質中）
・スラント角φ＝２５°
このような設計条件を満たすホログラム（回折格子）を複製するための原版として、一様なライン・アンド・スペースのクロムマスクからなる振幅型回折格子を用意した。その表面ピッチは、Λ＝３７８ｎｍ（一様）である。
【００２１】
そして、以下の条件でその原版を用いて感光性材料（ｎ＝１．５２）に複製を行った。
・複製波長４５７ｎｍ
・入射角θin＝５３．５°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２に換算して、５１．０°（＝θ0 ））
この条件では、原版から２次光が生じるため、複製品を白色光で再生すると、その２次光の影響によると考えられる迷光が観測された。このとき、計算では、（９）、（１０）式より、ｓｉｎθ2 ＝−０．８１＞−１（＋２次回折光が生じる）、ｓｉｎθ-1＝１．５７≧１（−１次回折光が生じない）である。
【００２２】
なお、図６に、表面ピッチΛ＝３７８ｎｍ（一様）のときに、（８）式により導かれる、複製して得られる単純回折格子がスラント角φ＝２５°となる複製波長λと回折角θ0 ，θ1 ，θ2 の関係を示す。ただし、入射側媒質の屈折率ｎ’＝１．４７、出射側媒質（感光性材料）の屈折率ｎ＝１．５２とする。
【００２３】
〔実施例１〕
複製により得ようとするホログラム（回折格子）として、比較例と同様の設計条件とする（図３）。
このような設計条件を満たすホログラム（回折格子）を複製するための原版として、比較例と同様の振幅型回折格子を用いた。
【００２４】
そして、以下の条件でその原版を用いて感光性材料（ｎ＝１．５２）に複製を行った（図４）。
・複製波長５３２ｎｍ
・入射角θin＝５８．７°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２に換算して、５５．７°（＝θ0 ））
この条件では、原版から２次光が生じないため、複製品を白色光で再生しても、その２次光の影響によると考えられる迷光は観測されなかった。このとき、計算では、（９）、（１０）式より、ｓｉｎθ2 ＝−１．０３≦−１（＋２次回折光が生じない）、ｓｉｎθ-1＝１．７５≧１（−１次回折光が生じない）である。
【００２５】
〔実施例２〕
複製により得ようとするホログラムとして次の設計条件とする（図５）。
・偏心ホログラムレンズ（図９、図１０）
焦点距離３０ｍｍ（屈折率１．５２の媒質中）
レンズ径４ｍｍ
・設計波長４４０ｎｍ
・入射角５２．４°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２の媒質中に換算して５０°）
・出射角０°（屈折率１．５２の媒質中）（偏心ホログラムレンズの中心において）
・スラント角φ＝２５°（偏心ホログラムレンズの中心において）
このような設計条件を満たすホログラムを複製するための原版として、クロムマスクからなる振幅型計算機ホログラムを用意した。その表面ピッチは、図５の面上で、Λ＝３４８ｎｍ〜４１４ｎｍ（中心ではΛ＝３７８ｎｍ）である。
【００２６】
そして、実施例１と同様の以下の複製条件で、感光性材料（ｎ＝１．５２）に複製を行った。
・複製波長５３２ｎｍ
・入射角θin＝５８．７°（屈折率１．４７の媒質中）（屈折率１．５２に換算して、５５．７°（＝θ0 ））
この条件では、原版からあまり２次光が生じない（少なくとも中心から右側では生じない。左端では生じる（ｓｉｎθ2 ＝−０．８７＞−１）。）ため、複製品を白色光で再生しても、その影響による迷光の観測は少なかった。このとき、複製波長を例えば６４７ｎｍにすれば、原版のレンズ全域で２次光は生じない（ｓｉｎθ2 ＝−１．１７≦−１）。
【００２７】
以上、本発明のホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムをその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれらに限定されず種々の変形が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムの複製方法及びその方法により複製されたホログラムによると、原版の再生において、高次光が生じないため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞が記録されず、その複製品を再生しても不要な迷光が生じず、回折効率の低下もない。あるいは、原版の再生において、高次光の強度を減らせるため、その原版を用いて複製しても複製品に不所望な干渉縞の記録の度合いが少なく、その複製品を再生しても不要な迷光の強度は弱く、回折効率の低下もほとんどない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための回折格子による回折を説明するための図である。
【図２】本発明において振幅格子の厚みの影響を説明するための図である。
【図３】比較例及び実施例１の設計条件を示す図である。
【図４】実施例１の複製条件を示す図である。
【図５】実施例２の設計条件を示す図である。
【図６】複製して得られる単純回折格子が特定のスラント角となる複製波長と回折角の関係を例示する図である。
【図７】従来の複製方法を説明するための断面図である。
【図８】ホログラムから発生する回折光を模式的に示す図である。
【図９】ホログラムカラーフィルターを用いた液晶表示装置の断面図である。
【図１０】ホログラムカラーフィルターを構成する微小ホログラムの干渉縞を模式的に示す図である。
【符号の説明】
３０…振幅型回折格子（原版）
３１…入射側媒質
３２…出射側媒質（感光性材料）
３３…入射光
３０’…ライン部（不透明部）
３０”…スペース部
Claims (4)
- 原版のホログラム又は回折格子から感光性材料に光学的に複製する方法において、
かつ、
ここで、Λ：原版の有する表面ピッチの中の１つ、
ｎ：感光性材料の平均屈折率、
φ：複製品の記録時の目標とするフリンジ角度、
を満たす波長λの光束により複製することを特徴とするホログラムの複製方法。 - 振幅型原版のホログラム又は回折格子から感光性材料に光学的に複製する方法において、
かつ、
ここで、α＝ｔａｎ-1（ｒｄΛ／ｔ）、
Λ：振幅型原版の有する表面ピッチの中の１つ、
ｎ：感光性材料の平均屈折率、
φ：複製品の記録時の目標とするフリンジ角度、
ｄ：振幅型原版の平均デューティ比（スペース／ピッチ）、
ｔ：振幅型原版のライン部（不透明部）の平均膜厚、
ｒ：０．５≦ｒ≦１を満たす値、
を満たす波長λの光束により複製することを特徴とするホログラムの複製方法。 - 前記原版のホログラムが一定の焦点距離の位置に集光する要素ホログラムのアレーからなることを特徴とする請求項１又は２記載のホログラムの複製方法。
- 請求項１又は２記載のホログラムの複製方法により複製されたことを特徴とするホログラム。
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