JP4999485B2 - 光束分割素子および光束分割方法 - Google Patents

Description

本発明は、入射光束の偏光成分によって素子を透過または回折させる機能を有する光束分割素子および光束分割方法に関し、特には一つの光源からの入射光束を二光束以上に分割する光束分割素子および光束分割方法に関する。

近年、半導体レーザを用いたマルチビーム化の技術が進んでおり、これらがたとえば、レーザプリンタ、デジタル複写機、普通紙ファックス等で用いられる電子写真画像形成装置等に応用されつつある。前記電子写真画像形成装置に関してはカラー化、高速化が進み、感光体を複数（通常は４つ）有するタンデム対応の画像形成装置が普及してきている。

しかし、このようなタンデム方式の場合、光源数の増加に伴い、部品点数の増加、複数光源間の波長差に起因する色ずれ、コストアップなどの問題が生じる。また、書込ユニットの故障の原因として半導体レーザの劣化が挙げられており、光源数が多くなると、故障の確立が増え、リサイクル性が劣化する。

そこで、光源数および部品点数を低減し、低コスト化するために、共通光源からのビームを分割する方式が提案されており、特許文献１では以下の手段で光束を分割している。
１）ハーフミラープリズムを用いる方式
２）ハーフミラーとミラーを組み合わせる方式
３）出射したビームを複数の開口部を設けることで、空間的に分割する方式。
ここで、１)及び２）方式とも分離手段にミラーを用いているため、ミラーの面精度ばらつきの影響、及び配置誤差の影響により、ビームスポット径劣化が発生し易い。又、１）で用いるハーフミラープリズムは非常に高価であり、コストアップとなる。また２）で示すハーフミラーとミラーを組み合わせた方式は、レイアウト配置が困難であり、なおかつ、偏光回転面内で、開き角を有するため、ビームスポット径等の光学特性が劣化する。複数の開口部で光束を分割する方式は、光源からのビームの周辺部を用いるため、光量不足、及び、ビームスポット径太りを生じるといった不具合がある。

また、１）及び２）方式とも分割した光束の光路長は異なってしまい、レンズ作用の光束が入射する場合に光軸方向の焦点位置が変動するといった不具合がある。なお偏光ホログラム素子に関する技術として、下記の特許文献１〜４が知られている。

特許文献２には、等方性基板上に回折格子形状を形成し、この回折格子形状の溝部に光学異方性の材料を充填した光学異方性回折素子が知られている。

特許文献３には光重合性液晶を用い、水平配向させた状態で干渉露光等の方法で露光を行い、露光部の液晶を周期的に重合固化させた後に未露光部に外場を印加させ垂直配向させた状態で反応固化するホログラム素子が開示されている。

特許文献４には、液晶と高分子を含む光学媒体を液晶のＮ−Ｉ点に対応した特定の温度範囲に制御して二光束干渉露光を行うことで、液晶が微細な周期構造に対し一様な方向に配向する構造を有するホログラム素子が開示されている。

また光束分割に関する技術として、特許文献５の発明が知られている。なお特許文献５には、光走査装置及び画像形成装置において、共通の光源からのビームを分割し、異なる段の反射鏡にビームを入射させ、異なる被走査面を走査するという方式の基本的な特許であり、光分割はハーフミラープリズムおよびハーフミラーとミラーの組み合わせで実現している。
特開２００５−９２１２９号公報 特開平１０−９２００４号公報 特開平１１−２７１５３６号公報 特開２０００−２２１４６５号公報 特開２００５−９２１２９号公報

本発明は、共通光源からのビームを分割する方式において、上記不具合を解決した、高効率で低コストな光束分割素子を提供することを目的としている。

具体的には、本発明は、一光束を二光束に分割する光束分割素子において、分割した光束の光路長が同じであり、高効率で低コストな光束分割素子を提供することを目的としている。

このような本発明は、レーザプリンタ、デジタル複写機、普通紙ファックス等に用いられる光走査装置及び画像形成装置、投射画像形成装置などに応用できる。

請求項１に記載の光束分割素子の発明は、光学等方性領域または光学異方性領域の少なくとも１つの屈折率が異なる２層が繰り返される周期構造を有する周期構造素子からなる光束分割素子であって、前記光束分割素子は、入射光束を０次光の透過光束と１次光の回折光束に分割する第一の周期構造素子と、前記回折光束を再度回折して第２分割光束とする第二の周期構造素子と、前記透過光束を回折する第三の周期構造素子と、前記第三の周期構造素子からの光束を回折して第１光束とする第四の周期構造とを有し、前記第一〜第四の周期構造素子の透過および回折により前記分割光の光軸が調整され、前記調整は出射光の各分割光が略平行に出射され、前記調整は出射光の各分割光の光路差長が略同一にされることを特徴とする。

請求項２に記載の光束分割素子の発明は、請求項１において、前記第一〜第四の周期構造素子の周期的な構造の各ピッチpと各格子傾きφとが略同一であることを特徴とする。

請求項３に記載の光束分割素子の発明は、請求項１又は２において、前記第一〜第四の周期構造素子の周期的な構造の膜厚である基板間のギャップが、同一または異なることを特徴とする。

請求項４に記載の光束分割素子の発明は、請求項１乃至３において、第一〜第四の周期構造素子が周期的構造を有し該素子の膜厚である基板間ギャップが略一定であり、前記第一の周期構造素子は入射光が回折と透過により２光束に分割された前記透過光が回折される周期構造素子と略直交する方向に前記周期的構造が形成されており、前記周期的な構造の配列方向に略平行な方向の偏光をｐ偏光とし、前記周期的な構造の配列方向に略垂直な方向の偏光をｓ偏光とすると、前記周期構造素子への入射光束が、ｐ偏光成分とｓ偏光成分とに略均等の強度に分割されて出射されることを特徴とする。

請求項５に記載の光束分割素子の発明は、請求項４において、前記入射する光束の偏光は直線偏光であることを特徴とする。

請求項６に記載の光束分割素子の発明は、請求項５において、前記入射する光束の偏光方向が、前記周期構造素子の周期的な構造の配列方向を基準とし、前記周期構造素子の周期的な構造の配列方向に対して略＋４５°または略−４５°向いていることを特徴とする。

請求項７に記載の光束分割素子の発明は、請求項４において、前記入射する光束の偏光が円または楕円偏光であることを特徴とする。

請求項８に記載の光束分割素子の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項において 前記第一および第二の周期構造素子、または前記第三および第四の周期構造素子との各ピッチpと各格子傾きφとが略同一で格子傾きφが同じ向きに配置され、前記第一の周期構造素子と前記第三の周期構造素子との格子傾きφが逆向きまたは同じ向きに配置されていることを特徴とする。

請求項９に記載の光束分割素子の発明は、請求項１乃至８のいずれか１項において、前記第一および第二の周期構造素子、または前記第三および第四の周期構造素子との各ピッチｐと各格子傾きφとが略同一であり、前記第一および第二の周期構造素子、または前記第三および第四の周期構造素子が略平行に配置されていることを特徴とする。

請求項１０に記載の光束分割素子の発明は、請求項１乃至９のいずれか１項において、前記周期構造素子の周期的な構造は非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーとからなる組成物を一対の透明基板間に保持されて前記組成物が二光束以上の多光束干渉露光により、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造が形成されたポリマー分散型液晶ホログラム素子であることを特徴とする。

請求項１１に記載の光束分割素子の発明は、請求項１乃至９のいずれか１項において、前記周期構造素子の前記周期的な構造の少なくとも１つの領域は光学異方性を示す領域であり、当該領域は複屈折を有する材料からなることを特徴とする。

請求項１２に記載の光束分割素子の発明は、請求項１乃至１１のいずれか１項において、前記周期構造素子の光学異方性を示す領域が非重合性液晶または重合性液晶を有することを特徴とする。

請求項１３に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至１２のいずれか１項において、前記周期構造素子の屈折率の異なる光学等方性を示す領域が感光性ポリマーにより得られたことを特徴とする。

請求項１４に記載の光束分割素子の発明は、請求項８において、前記第一の周期構造素子と前記第三の周期構造素子との格子傾きφが逆向きであり、前記第二の周期構造素子と前記第三の周期構造素子の少なくともいずれかが前記第一の周期構造素子の次段に配置されることを特徴とする。

請求項１５に記載の光束分割素子の発明は、請求項１４において、前記第二の周期構造素子と前記第三の周期構造素子とが前記第一の周期構造素子の次段に並列に配置されることを特徴とする。

請求項１６に記載の光束分割素子の発明は、請求項１〜１５において、前記分割第１光束および分割第２光束とが垂直方向にまたは水平方向に分割されることを特徴とする。

請求項１７に記載の光束分割素子の発明は、請求項１〜１６に記載の光束分割素子を用いて１光束を分割する方法であって、前記方法により分割された出射光束が入射光束と略平行であることを特徴とする。

請求項１８に記載の光束分割素子の発明は、請求項１〜１６に記載の光束分割素子を用いて１光束を分割する方法であって、前記分割された出射分割光は略同一の光強度を有することを特徴とする。

また換言すれば、以下のとおりの発明とすることもできる。
（１）光学等方性領域または光学異方性領域の少なくとも１つの屈折率が異なる２層が繰り返される周期構造を有する周期構造素子からなる光束分割素子であって、
前記光束分割素子は第一〜第四の前記周期構造素子を多段に配列し、前記第一の周期構造素子の透過および回折により光が分割され、前記第二〜第四の周期構造素子の透過および回折により前記分割光の光軸が調整されることを特徴とする。
（２）前記調整は出射光の各分割光が略平行に出射されることを特徴とする。
（３）前記調整は出射光の各分割光の光路差長が略同一にされることを特徴とする。
（４）前記（１）乃至（３）において、前記第一〜第四の周期構造素子の周期的な構造の各ピッチｐと各格子傾きφとが略同一であることを特徴とする。
（５）前記（１）乃至（４）において、光の入射側に第一の周期構造素子が配置され、出射側に第二の周期構造素子および第四の周期構造素子が配列されていることを特徴とする。
（６）前記（１）乃至（５）において、前記第一〜第四の周期構造素子の周期的な構造の膜厚である基板間のギャップが、同一または異なることを特徴とする。
（７）前記（１）乃至（６）において、第一〜第四の周期構造素子が周期的構造を有し該素子の膜厚である基板間ギャップが略一定であり、前記第一ホログラム素子は入射光が回折と透過により２光束に分割された前記透過光が回折されるホログラム素子と略直交する方向に前記周期的構造が形成されており、
前記周期的な構造の配列方向に略平行な方向の偏光をｐ偏光とし、
前記周期的な構造の配列方向に略垂直な方向の偏光をｓ偏光とすると、
前記ホログラム素子への入射光束がｐ偏光成分とｓ偏光成分とに略均等の強度に分割されて出射されることを特徴とする。
（８）前記（７）において、前記入射する光束の偏光は直線偏光であることを特徴とする。
（９）前記（８）において、前記入射する光束の偏光方向が、前記第一の周期構造素子の周期的な構造の配列方向を基準とし、前記第一の周期構造素子の周期的な構造の配列方向に対して略＋４５°または略−４５°向いていることを特徴とする。
（１０）前記（７）において、前記入射する光束の偏光が円または楕円偏光であることを特徴とする。
（１１）前記（１）乃至（１０）のいずれかにおいて、前記周期構造素子の周期的な構造は非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーとからなる組成物を一対の透明基板間に保持されて前記組成物が二光束以上の多光束干渉露光により、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造が形成されたポリマー分散型液晶ホログラム素子であることを特徴とする。
（１２）前記（１）乃至（１０）のいずれかにおいて、前記周期構造素子の前記周期的な構造の少なくとも１つの領域は光学異方性を示す領域であり、当該領域は複屈折を有する材料からなることを特徴とする。
（１３）前記（１）乃至（１２）のいずれかにおいて、前記周期構造素子の光学異方性を示す領域が非重合性液晶または重合性液晶を有することを特徴とする光束分割素子。
（１４）前記（１）乃至（１３）のいずれかにおいて、前記周期構造素子の屈折率の異なる光学等方性を示す領域が感光性ポリマーにより得られたことを特徴とする。
（１５）前記（１）乃至（１３）のいずれかにおいて、前記分割第１光束および分割第２光束とが垂直方向にまたは水平方向に分割されることを特徴とする。

光束の分割手段として、多段配列した周期構造素子（たとえばホログラム素子）の透過および回折を利用しているため、従来のミラー分割によるミラー面精度のばらつきによる影響及び配置誤差の影響によるビームスポット径劣化の不具合がなく、また、分割した光束の光路長は同じであるため、レンズ系に配置しても常に光軸方向の焦点位置が固定できる。同様な特性を示す高価なハーフミラープリズムに比べて低コストでかつ簡易構成の光束分割素子が提供できる。

光束分割素子を構成する周期構造素子（たとえばホログラム素子）のレイアウト範囲を広げることができ、分割光束の光軸位置の範囲が広い光束分割素子が提供できる。

光束分割素子の構成する周期構造素子（たとえばホログラム素子）の最適レイアウトにより、分割光束の薄型の光束分割素子が提供できる。

膜厚の異なる周期構造素子を用いた構成とすることで、入射偏光方向はｐ偏光固定によって光束分割が成されるため、素子へ入射する偏光方向の調整が不要となる。

膜厚が一定の素子を用いた構成とすることで、生産性が向上できる。

膜厚が一定の周期構造素子を用いた多段配列構成の光束分割素子において、ＬＤ等の光源の回転および位相差板による簡便な調整にて、ｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度バランスが実現できる。

膜厚が一定の周期構造素子を用いた多段配列構成の光束分割素子において、ＬＤ等の光源の回転及び位相差板による膜厚の設定値が規定されることで、ｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度バランスの精度が向上する。

膜厚が一定の周期構造素子を用いた多段配列構成の光束分割素子において、ＬＤ等の光源の回転及び位相差板による調整なしで、ｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度バランスが実現できる。

干渉露光により作製する液晶による周期性構造素子は原版複製が可能であるため、低コスト化が実現できる。この液晶による周期性構造素子を多段に配列することで、低コストな光束分割素子が提供できる。

光学的異方性を示す領域が高分子複屈折膜からなり、この高分子複屈折膜は高分子フィルムを延伸して高分子鎖を配向させることによって複屈折性を有した高分子膜である。これにより、高分子複屈折膜を簡単に大量生産することができるため、低コスト化が実現できる。この偏光周期構造素子を多段に配列することで、低コストな光束分割素子が提供できる。

光学的異方性を示す領域が一般的に表示装置などに汎用されている液晶からなる。そのため製造面において低コストで量産性がよい。また液晶の光学異方性（複屈折性）は大きいため、回折効率を比較的容易に向上させることができる。

またフォトポリマーからなる周期構造素子（たとえばホログラム素子）は干渉露光により作製でき、原版複製が可能であるため、低コスト化が実現できる。この周期構造素子を多段に配列することで、低コストな光束分割素子が提供できる。

以下、本発明の光束分割素子の構成および機能について、実施の形態により詳細に説明する。

本発明の光束分割素子は、第一〜第四の周期構造素子として、ホログラム素子を多段に配列して構成されている。

＜第１実施形態＞
本発明の光束分割素子の第１実施形態の構成概略を図１〜図２に示す。

本発明の光束分割素子は、第一〜第四のホログラム素子とを多段に配列して構成され、光入射側に第一のホログラム素子を配置し、出射側に第二のホログラムおよび第四のホログラムを配置して構成する。このような素子の機能としては、入射光束を、同じ光路長の二光束（０次回折光（透過光）と１次回折光（単に「回折光」ということがある））に分割することができる。

このような分割の原理としては、入射光束を第一のホログラム素子により回折（たとえば偏光：１次回折光）光と透過（たとえば直進：０次回折光（透過光））光の二光束に分割する。この分割された光のうち、回折による偏光光を第二のホログラム素子により再度回折させて偏光し、また、第一のホログラム素子を透過した直進光（０次回折光）を、第三のホログラム素子により回折させて偏光し、偏光された光を、さらに第四のホログラム素子により再度回折させて偏光する。

以下、本明細書で
第一のホログラム素子で透過した直進光を「第１透過直進光」、
第一のホログラム素子で回折した偏光光〜第四のホログラム素子で回折した偏光光を、それぞれ、「第１回折偏光光」乃至「第４回折偏光光」と定義し、より詳細に光束分割素子について、説明する。

図２に示すように、二光束に分割した分割第１光束と、分割第２光束との光軸が入射光束の光軸と平行であるとすると、分割第１光束と分割第２光束の光路長差は、第１回折偏光光と第３回折偏光光との光路長差とそれぞれ対応する。なお本明細書中、平行度というのは、１°以下を指す。好ましくは０．２°（１２分）以下、より好ましくは０．０８（５分）以下である。

第１回折偏光光の光路長ΔＬ₁は、第一ホログラム素子の回折角θ₁と第一ホログラム素子の位置と第二ホログラム素子の位置の距離Ｌ_1-2からΔＬ₁＝Ｌ_1-2／sinθ₁で求まり、また、第３回折偏光光の光路長ΔＬ₃は、第三のホログラム素子の回折角θ₃と第三のホログラム素子の位置と第四のホログラム素子の位置の距離Ｌ_3-4からΔＬ₃＝Ｌ_3-4／sinθ₃で求まる（ただし、ここでは屈折率を１（あるいは光路中の屈折率は同一）としている）。

このことから、図２のような構成に示す位置において、ΔＬ₁＝ΔＬ₃となるように、Ｌ_1-2、sinθ₁、Ｌ_3-4およびsinθ₃を設定することで入射光軸に対する垂直な面（ｘ−ｙ面）での、同じ光路長を有する二光束（分割第一光束および分割第二光束）を生成することができる。

図３に、本発明に使用される周期構造素子の一例であるホログラム素子の断面構造を模式的に示したモデル図を示す。その上部には屈折率変化量ｎ_Hの幅で変化する周期構造の屈折率分布を示す。

本発明に使用されるホログラム素子は、図３に示すように、光学異方性領域と光学等方性領域の２領域が交互に形成された周期構造からなり、周期構造の屈折率変調量をΔｎ_Hとし、周期構造の膜厚をＴとし、周期構造のピッチをｐとし、周期構造の格子傾きをφと定義する。ここで、屈折率変調量Δｎ_Hとは図３の周期構造を示した図の上側に示すように、ホログラム素子の周期構造における屈折率分布の屈折率変化量（正弦状屈折率変調の屈折率変調振幅×２）である。

一般に、ホログラム素子の回折角θは、θ＝sin^-1（λ／ｐ）で表せ、入射光束の波長λとホログラム素子の格子ピッチｐで決まる。すなわち、回折角は入射光束に使用される光の波長λが決まれば、ホログラム素子の格子ピッチｐにより設定可能である。

また図１、図２に示すように、分割光束はそれぞれ２回の回折により生成されているため、各ホログラム素子の回折効率によって各分割光束の光強度が設定できる。

一般にホログラム素子の回折効率は、格子周期構造から生成される屈折率変調量Δｎ_Hと、周期構造の膜厚Ｔとに依存し、これらのパラメータを最適化することにより、理想的な回折効率が得られることになる。理論的に得られる最大回折効率は使用するホログラムの種類によって異なるが、体積ホログラムは非常に高い回折効率（理論値１００％）を得ることができ、ブラッグ回折条件（ｎλ＝ｐｓｉｎθ；ｎは整数、λは使用光波長、θは回折角、ｐはピッチ）を満たす入射角度や格子の傾きφを設定することで、特定次数（特に＋１次または−１次）の回折光の効率が設定可能である。

すなわち、図１、図２において、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子の格子傾きφ₁、φ₂を同じに設定（ブラッグ回折条件を満足）することで、入射光束から回折した第１回折偏光光を入射光軸と平行となる第２回折偏光光に高効率で再回折することができる。同様にして、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の格子傾きφ₃、φ₄を同じに設定（ブラッグ回折条件を満足）することで、第１透過直進光（入射光束と光軸は同じ）から回折した第３回折偏光光を第１透過直進光（入射光束と光軸は同じ）の光軸と平行となる第４回折偏光光に高効率で再回折させることができ、入射光軸と平行で、かつ高効率な分割光束が生成できる。前記したように本実施形態では、第一のホログラム素子で０次と１次の光束に分割したそれぞれの光束を０次光束は第一のホログラム素子と略同一のホログラム素子を２個使用し、これら２個のホログラム素子の周期構造の方向が第一のホログラム素子と反対称な方向にし、前記１次光束は第一ホログラムと略同一のホログラム素子を第一のホログラム素子の周期構造の方向と略同一に配置した構成となっている。

＜第２実施形態＞
次に本発明の光束分割素子の第２実施形態について図４を参照しながら説明する。

図１において、模式的に第一〜第二のホログラム素子と、第三〜第四のホログラム素子の格子ピッチと格子傾きとを、略同じに記載しているが、本実施形態では、図４に示すように、第一〜第二のホログラム素子と、第三〜第四のホログラム素子の格子ピッチと格子傾きとを、異なる構成とした。そして本実施形態では入射光軸に対して第１および第２光束を右側と左側に分離（たとえば対称的に配置）するように各ホログラム素子を配置した。

このように本実施形態では、第一〜第二のホログラム素子と、第三〜第四のホログラム素子の格子ピッチと、格子傾きとが、異なるように構成している。本実施形態では、第一のホログラム素子により０次光束と１次光束とに分離された０次光束側の第三〜第四のホログラム素子と、第一〜第二のホログラム素子の格子傾きが逆方向になるように配置されている。本実施形態でのそれぞれの分割光束は、第１実施形態で説明したのと同様にして分割される。

＜第３実施形態＞
次に本発明の光束分割素子の第３実施形態について図５を参照しながら説明する。

図５に示すように、本実施形態では、第一〜第二のホログラム素子と、第三〜第四のホログラム素子の格子ピッチと格子傾きとを、異なる構成とし、第一のホログラム素子で分離した透過光と回折光とを、入射光に対して同じ側（入射光に対して右側または左側）になるようにし、分割第１光束と分割第２光束とを出射させるようにした。

前述したように、第一〜第四のホログラム素子を多段に配列して構成した光束分割素子では、入射光束を分割する場合、各ホログラム素子の回折角、配置間隔を適切に設定することによって、分割光束の光軸、光路長、光強度を設定することができる。特に図１〜図２に示すような配列を採用する場合、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子の格子ピッチｐおよび格子の傾きφを略同一にし、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の格子ピッチｐおよび格子の傾きφとを略同一にする構成を採用することで、入射光束の光軸と平行で、光軸に対する垂直な面（ｘ−ｙ面）で同じ光路長および同じ光強度の高効率な分割二光束を生成することが可能となる。本第３実施形態では、第２実施形態と異なり、第一〜第四のホログラム素子の格子の格子方向が同方向となる周期構造を用いた例を示している。ただし、第一〜第二のホログラム素子と第三〜第四のホログラム素子のピッチが異なっている例である。したがって第一のホログラム素子により出射した０次光束と１次光束とは、その後回折して出射光の分割第１光束と分割第２光束となるが、入射光束とは略平行に出射されるが、この入射光束に対して対称的な配置ではない出射条件となっている。

前記した第２〜第３実施形態において、第一と第二のホログラム素子、第三と第四のホログラム素子のピッチは同程度であるとし、両実施形態において第一と第二のホログラム素子のピッチ ＜ 第三と第四のホログラム素子のピッチ（つまり、第一と第二のホログラム素子のピッチよりも、第三と第四のホログラム素子のピッチの方が大きい）として説明しているが、これと逆の関係（第一と第二のホログラム素子のピッチ ＞ 第三と第四のホログラム素子のピッチ）であってもよい。ただし、前記したようにブラッグ反射条件に示されているように、ピッチが小さいほうが回折角が大きく取れるので、図４乃至図５に示すような構成（配置）であると、光束分割素子の厚さをより薄くできるという点で、好ましい。なおホログラム素子自体の傾き角φを逆方向にして配置するという構成もホログラム素子自体を空間的に逆方向に配置するというのと、同等の意味になり、本発明では、どちらの技術的思想も含む意味で用いられる。あるいはピッチが同等ではあるがθ、φが異なるホログラムを、本発明では実質的に略同一のホログラムという意味に含まれている。ただし本発明では、狭義的にこれらを排除する場合もある。これは、これらθ、φなどが明らかに大きく異なる場合には、パス合わせなどが複雑になり、あるいは光束分割素子の薄膜化が極端に阻害される可能性が大きくなるからである。これらがどの程度許容であるかなど具体的な範囲は、光束分割素子の使用条件あるいは用途によって、適宜決定される。

＜第４実施形態＞
本発明の光束分割素子の別の実施形態の例を示す構成概略を図６〜図７に示す。

本発明の光束分割素子は、第一〜第四のホログラム素子とを多段に配列して構成され、光入射側に第一のホログラム素子を有し、たとえば第二のホログラム素子、第三のホログラム素子、第四のホログラム素子の順に配列する。前述のように、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子の格子ピッチｐおよび格子の傾きφを同じにし、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の格子ピッチｐおよび格子の傾きφを同じにすることで、入射光束の光軸と平行で、光軸に対する垂直な面（ｘ−ｙ面）で同じ光路長および同じ光強度を有する高効率な分割二光束を生成することが可能となり、さらに、このような配置を採用すると、二分割光束の間隔Ａ’−Ｂ’を狭くでき、このような場合においても、第二のホログラム素子と第三のホログラム素子との配置による干渉の影響を抑えることができるため、素子レイアウト設計の自由度を広げることができる。第１実施形態では入射光束に対して第一のホログラム素子、第三のホログラム素子、第二のホログラム素子、第四のホログラム素子の順番に配置されているが、本第４実施形態では、入射光束に対し第一〜第四のホログラム素子の順に配置されている。このような配置にした本実施形態では、さらに素子間の干渉が抑制可能となり、さらに、素子配置における配置設計の上で自由度を増加させることができる。

＜第５実施形態＞
本発明の光束分割素子のその他の実施形態（第５実施形態）の構成概略を図８〜図９に示す。本実施形態の光束分割素子は第一〜第四のホログラム素子を多段に配列して構成され、光入射側から、第一のホログラム素子、第二のホログラム素子と第三のホログラム素子（両ホログラム素子共に、第一のホログラム素子からの距離が略同一の位置）、第四のホログラム素子の順に配列する。前述したように、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子の格子ピッチｐおよび格子の傾きφは略同一にし、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の格子ピッチｐおよび格子の傾きφを略同一にすることで、入射光束の光軸と平行で、光軸に対する垂直な面（ｘ−ｙ面）で同じ光路長および同じ光強度の高効率な分割二光束を生成することが可能となり、さらに、このような配置とすることで、第二のホログラム素子と第三のホログラム素子とを横一列に並列に配列されるので、図９に示すように、光軸方向の厚さ（間隔）Ａ−Ｂを小さくでき、光束分割素子として薄型化できる。

＜周期的構造体の形成方法＞
本発明における各実施形態では、前述した構成の光束分割素子に用いるホログラム素子として、格子ピッチおよび格子傾きが設定可能であれば、図１０〜図１２に示すように、屈折率の異なる等方性領域からなる周期構造（図１０参照）、異なる光学異方性を示す領域からなる周期構造（図１１参照）、あるいは光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域からなる周期構造を有する構造（図１２参照）が使用できる。

たとえば、本実施形態で使用される周期構造は等方性媒体（屈折率が実数で表現可能な媒体）あるいは複屈折媒体（複素屈折率を有する媒体）に格子溝を形成後、形成したこの溝にこれらの被溝形成体とは異なる、等方性媒体あるいは複屈折媒体を埋設して構成した周期性構造体の組み合わせが可能である。さらに周期構造として格子溝に空気を等方性領域として採用した周期構造であってもよい。換言すれば等方性媒体または複屈折媒体を基材としてこれにフォトリソグラフィー、エッチング、その他の切削加工や成形技術等を用いて周期構造の格子溝を形成することができる。この格子溝を他の屈折率の異なる材料で埋設したり、あるいは減圧環境を含む真空下、常圧下での空気も屈折率の異なる材料として含む。前記した周期構造の形成方法としては、ホログラム記録材料へのステッパによる一般的なマスク露光法（湿式法、乾式法）、電子ビームによる直接描画法、レーザービームによる直接描画法、二光束干渉露光法などを挙げることができる。ホログラム記録用感光材料を成膜する方法としては、一般的な塗工法が適応でき、単基板へのスピンコートやディッピング等の塗膜法により塗膜を形成したり、一対の基板で構成されているセルへの毛細管現象あるいは真空による注入方法などを用いて基板間に挿入する方法を挙げることができる。また、材料を単基板へ滴下後、さらに単基板を貼り合せて一対基板間に材料を狭時するＯＤＦ（One Drop Fill）工法も適応することができる。

これらの周期構造体を形成するための等方性媒体としては、たとえばフォトポリマー等の透明樹脂（硬化後）や石英、ＢＫ７等の光学硝子材が使用できるが、複屈折性を有さなければよく、これらに限定されるものではない。また複屈折媒体としてはカルサイト（方解石）、ＣｄＳ、ＹＶＯ₄、ＴｅＯ₂、ＭｇＦ₂、結晶石英、α−ＢＢＯ、ニオブ酸リチウム結晶、ニオブ酸タンタル結晶、酸化チタン結晶、高分子複屈折膜（高分子フィルム）、液晶等が使用できる。

周期構造の形成方法などを用いて周期構造体を形成する際に使用される（ホログラム）記録材料としては、下記のような一般的な感光材料が使用できる。たとえば、重クロム酸ゼラチン、フォトクロミック材料、フォトサーモプラスチック、電気光学結晶（たとえば、強誘電性酸化物：ＬｉＮｂＯ₃，ＢａＴｉＯ₃結晶など）、フォトレジスト、フォトポリマー、高分子液晶および高分子分散液晶などがある。

本発明では特に、汎用性が高いフォトポリマー（硬化前（重合前））やフォトレジスト材料（特にポジ型）では、屈折率変調型のホログラムを記録（ホログラムを形成）することができるので、高い回折効率が得られ、粒状性が低く高解像力で、低ノイズ（低ＳＮ比）のホログラムが得られる。また露光感度、感光波長帯域を幅広く選択可能であり、膜厚、サイズ等の選択の幅に対して自由度がある。このようなフォトポリマーなどの感光性材料（特に液状材料）は非常に多種・多用の材料により組成されており、光架橋型、光重合型に大別できる。光重合型では現像を要するものと不要なものがある。現像工程が不要な材料では、組成面から（ａ）ポリマーとモノマー、（ｂ）モノマーとモノマー（２種以上のモノマー）、（ｃ）不活性成分（低分子）とモノマーに分類できる。このうち前記（ａ）および（ｃ）はモノマー重合物質とポリマーあるいは低分子化合物との間で大きな屈折率差が生じるように成分が選ばれる。（ｂ）は、露光後に屈折率の異なる周期構造が形成されるような２種類以上のモノマー（オリゴマーなどのプレポリマーを含む）で構成される。たとえば、Ｉ．光重合性の異なる２種以上のモノマー、ＩＩ．光重合性と熱重合性の
モノマーＩＩＩ．光ラジカル重合性と光カチオン重合性のモノマー（光重合のモードが異
なる）などの組み合わせが可能である。

また、高回折効率を有する屈折率変調型ホログラムの場合、記録された（すなわち露光による光重合後の）ホログラム領域における周期構造の屈折率変調の差が大きい方が、最適な膜厚を小さくすること（薄膜化）もできる。それに伴い波長変動や入射角度に依存する回折効率の変化も小さくできる。即ち、高回折効率特性の波長変動や入射角度に対する許容範囲の広いホログラム（周期性構造）が実現できる。周期構造の屈折率変調の差が大きくできる感光材料として、複屈折性を示す高分子複屈折材料、高分子液晶および高分子分散型液晶などが挙げられる。

高分子複屈折膜は高分子フィルムを延伸して高分子鎖を配向させることによって複屈折性を有した高分子膜であり、スタンパ等により簡単に大量生産することができ、低コストで偏光分離素子の作製ができる利点がある。延伸する高分子フィルムの高分子材料としては、たとえば、ポリオレフィン系、ポリアクリレート、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン等が使用できるが、これらに限定されない。

＜液晶相を有する周期性構造素子＞
本発明の光束分割素子で使用される周期性構造を有する素子（周期構造素子）として、高分子液晶および高分子分散型液晶が、重合性液晶または非重合性液晶であり、これら液晶と、重合性モノマー、オリゴマーなどのプレポリマーと、光重合開始剤（一種または２種以上の併用）よりなる組成物を用いて周期性構造を有する周期性構造素子を作成することもできる。このような組成物に使用できる重合性液晶としては、液晶性アクリレートモノマーなどを用いることができ、非重合性液晶としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。その相構成はネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良い。なお前記組成物に使用されるプレポリマーとしては、光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマーなどのプレポリマー及びそれらの混合物を用いることができる。

また、上記の他に光増感剤、熱重合禁止剤（ＭＥＨＱなど）、可塑剤等が添加されても良い。これらからなる組成物を、基板上に塗布し、あるいは基板間に挿入等して露光することにより、格子状の周期性構造を有する光束分割素子を得ることができる。

このような露光により硬化をする際の光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、その添加量は照射する光の波長に対する各材料（開始剤）の吸光度によって異なり、複製時の露光条件によって適宜調整される。

上記した感光材料からなる組成物は、露光時の条件を適切に設定することで、偏光方向によって屈折率分布が異なる（偏光方向によって周期構造における屈折率変調量が異なる）周期構造を形成することができる。組成物の例としては高分子モノマー中に非重合性液晶と光重合開始剤を分散させたホログラフィック高分子分散液晶（ＨＰＤＬＣ： Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal）あるいは重合性液晶と光重合開始剤を混合させた光硬化型液晶（ＰＰＬＣ： Photo-Polymerized Liquid Crystal）などを光束分割素子の材料がある。

上記した組成物を用いて干渉縞を露光した場合について説明する。ＨＰＤＬＣについて、干渉露光前の断面構成を図１３に示す。非重合性液晶分子と重合性モノマーあるいはプレポリマーと図示しない光重合開始剤とを均一に混合した組成物を二枚の透明基板間に挟持した構成を示す。図１４は図１３に示すような相分離によるホログラムの形成過程を模式的に示しており、干渉縞の明部においてモノマーが移動（高分子と液晶の相分離）して硬化し、干渉縞暗部には液晶が残り、明部で硬化したポリマーに引っ張られて液晶が特定の方向に配向する。この配向のために直交する入射偏光に対し、一方は屈折率変化が生じずほとんど透過する。これと直交する偏光方向では液晶が配向して屈折率が大きい方向と一致することにより、周期的屈折率変化を感じて入射光は回折する。以上によりＨＰＤＬＣは偏光性回折格子として機能する。また、ＰＰＬＣにおいては透明電極（ＩＴＯ）と液晶を配向させる配向層をもつ基板間に光重合性の感応基がついた液晶を封入して液晶を水平配向させる。これに干渉縞を露光すると縞の明部では液晶分子が重合して硬化する。一方、縞の暗部は液晶分子が硬化しないで残っている。次に液晶層をはさむ透明電極間に電圧を印加させながら光を照射する。このとき暗部の液晶は電圧印加により基板に垂直方向に配向して光により硬化する。以上に記載したようにして、干渉縞の明、暗に対応して液晶の配向が水平／垂直の周期構造をもつようになる。このようにして記録した回折格子に直交する偏光を入射させると一方の偏光方向（水平配向した液晶分子の短軸方向と一致）では、水平／垂直の配向があっても屈折率変化を感じないで入射光はほとんど透過し、これと直交する方向では水平配向した液晶分子の長軸方向と一致して水平／垂直の配向による屈折率変化を感じて入射光はほとんど回折する。以上のように組成物材料の重合反応に伴った相分離あるいは重合反応と外場による配向変化などによって偏光選択性を有する偏光ホログラムを作製することができる。

図１５にＨＰＤＬＣ（偏光ホログラム）素子の断面の構成概略を示す。偏光ホログラム素子は一対の基板間に光学異方性（複屈折性）を示す領域と光学等方性を示す領域とが周期的に構成されている。このようなホログラム素子の機能動作としてはたとえば図１６に示すように、素子へ入射する偏光方向がｓ偏光（ここでは紙面垂直方向である周期配列方向と垂直とする）であり、等方性領域の屈折率ｎと複屈折性領域の一方の屈折率（実屈折率（屈折率の実部））ｎoがｎ＝ｎoのとき、光はそのまま透過する。また、入射する偏光方向がｐ偏光（ここでは紙面左右方向である周期配列方向と平行とする）であり、等方性領域の屈折率ｎと複屈折性領域のもう一方の屈折率ｎe（虚屈折率（屈折率の虚部））がｎ≠ｎeのとき、光は回折する。このように複屈折率を有する素子では、入射光の偏光方向により、透過と回折の選択がなされる機能を有する。図１６ではｐ偏光が回折し、ｓ偏光が透過しているが、周期構造の屈折率によってｐ偏光が透過し、ｓ偏光が回折する場合もある。

また図１５では、一対の基板間に光学異方性領域と光学等方性領域の周期構造が挟まれている構成を示しているが、これに限るものではなく、たとえば基板上にこれら周期構造が成膜されていてもよく（たとえば片面が基板に接し他方の面が外界と接しているような素子）、周期構造のみで構成された素子（基板なし）であってもよい。

ここで、図１５、図１６に示した偏光ホログラム素子は体積型屈折率変調のホログラム素子であり、前記したように、回折効率はホログラムの屈折率変調量Δｎ_Hと厚みＴとの積であるΔｎ_H・Ｔに依存し、特定な偏光方向における光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域の屈折率変調量Δｎ_Hが一定である場合、ホログラム素子の周期構造の厚みＴ（膜厚またはセルギャップと同じ）を設定して回折効率を適宜設定することができる。図１５に示すφは格子周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準（０°）とし、４５°＜φ＜１３５°の関係にあるものとする。

また図１７は、体積型屈折率変調のホログラム素子の回折効率および透過率と膜厚の関係を示す。前記したように体積型屈折率変調のホログラム素子は理論的に最大で１００％の回折効率であり、回折効率と透過率とを加えると１００％となる（回折効率と透過率とを足すと１００となる）。

ここで、同一の膜厚（セルギャップ）を有する偏光ホログラム素子を第一のホログラム素子と第二のホログラム素子として多段に配列し、入射偏光方向をホログラム周期構造の配列方向と平行にした場合、図１８に示すように素子の膜厚（セルギャップ）が最大回折効率を得るＴ₂では、第一のホログラム素子により全入射光が回折され、第二のホログラム素子により再回折される。すなわち、第１透過直進光は発生せず、光軸のシフトのみが行われ、光束は分割されない。また、図１９に示すように、素子の膜厚（セルギャップ）が最大回折効率の半分を得るＴ₁では、第一ホログラム素子で第１透過直進光と第１回折偏光光に均等に分割され、第二ホログラム素子でも第２回折偏光光が均等に分割されるため、多段に配列された素子から出射される光は三光束となり、これら三光束の強度もばらばらとなる。

本発明ではたとえば、膜厚（セルギャップ）の異なるホログラムを第一のホログラム素子と第二のホログラム素子として多段に配列した構成において、入射偏光方向はホログラム周期構造の配列方向と平行とし、第一のホログラム素子の膜厚が図２０のようにＴ₁とする場合、回折効率は５０％、透過率は５０％となる。第二のホログラム素子の膜厚が図２０のようにＴ₂とする場合、回折効率は１００％、透過率は０％となる。すなわち、図２０に示す第２回折偏光光の効率は５０％であり、第１透過直進光の効率は５０％の割合で二光束の光強度を均等に分割することができる。ここで図示しないが、第１透過直進光の光軸に、格子ピッチと格子傾きが同じである第三のホログラム素子と第四のホログラム素子を適切に配置し、両ホログラム素子の膜厚（セルギャップ）をＴ₂とする。この場合、第三、第四のホログラム素子の回折効率は１００％、透過効率は０％となり、第１透過直進光の強度および光路長を２回の回折を通して設定することができる。

以上のことから、光束分割素子の構成として膜厚（セルギャップ）の異なる第一のホログラム素子〜第四のホログラム素子を多段に配列すると、同光路長の光束に分割することができ、ホログラム素子の膜厚を適切に設定することで強度を均等に設定することができる。

次に本発明の光束分割素子の別の実施形態について説明する。

まず、前記したように図１８のような同一の膜厚（セルギャップ）を有するホログラム素子を多段配列した構成においては、回折効率が最大となるような膜厚（セルギャップ）Ｔ₂を設定したホログラム素子を用いても、入射偏光方向がホログラム素子の周期的な構造に略平行（ｐ偏光）の偏光のとき、および垂直（ｓ偏光）な方向の偏光のときは光束が分割されない。これは、たとえば図２１に示すように、周期的構造の配列方向に平行な偏光方向が入射するとき、入射光の強度はｓ偏光成分は実質上ほとんど含まれず、略ｐ偏光成分のみとなるため、出射光はｓ偏光成分に係る透過光がほとんど発生せず、ｐ偏光成分に係る回折光（偏光成分１）のみが発生する。

しかし、同じ入射光を、図２２に示すように周期的構造の配列方向に平行な方向から偏光方向を少し傾けて入射すると、入射光の強度はｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分離されて出射され、それぞれの強度割合はｐ偏光成分の方がｓ偏光成分より大きく、ｐ偏光成分に係る回折光が大きく出射され、ｓ偏光成分に係る透過光が少量出射されることになる。また、図２３、図２４に示すように、周期的構造の配列方向を基準にして、偏光方向を４５°（または１３５°）傾斜させて入射すると、入射光強度は等しい割合でｓ偏光成分とｐ偏光成分とが混在したものと同等となり、この混在の入射光は光束分割素子によって分離され、ｐ偏光成分に係る回折光とｓ偏光成分に係る透過光である２つの分割光は均等に出射される。

このように第一のホログラム素子の第１回折偏光光と第１透過直進光との割合は入射光のｓ偏光成分とｐ偏光成分の光強度の割合に依存する。

そこで、図１８に示すような第一のホログラム素子と第二のホログラム素子の膜厚（セルギャップ）がほぼ同一である構成とした場合においても、入射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度の割合が略均等になるように入射偏光方向を設定することで、前記したように入射光束を第一のホログラム素子の回折による偏光光と透過による直進光の二光束に分割し、回折による偏光光を第二のホログラム素子の再回折により偏光させ、分割した二光束の進行方向および光強度を設定することができる。このような構成においては、入射偏光方向の設定調整等が必要であるが、同一の膜厚を有するように一定条件の生産プロセスによって、素子製造が実現できるため、生産性が向上する。

図２２、図２３に示すように周期構造の配列方向と異なる偏光方向を有する直線偏光を入射し、ｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度を適宜調整すると、第一のホログラム素子でｐ偏光成分は第１回折偏光光となり、ｓ偏光成分は第１透過直進光となる。次に第二のホログラム素子でｐ偏光成分は第２回折偏光光となり、ｓ偏光成分は第２透過直進光となり、光束が分割される。ここで、入射偏光方向の設定は一般的な位相差板たとえば、偏光板、グラントムソンプリズム、グランテーラープリズム、グランレーザープリズム、ウォラストンプリズム、1／２波長板、１／４波長板、などが使用できる。また、光源としてＬＤ等の偏光光を用いる場合は光源の偏光方向を選択する（光源自体を回転させる）ことで設定できる。

前記と同様に図示しないが、第１透過直進光の光軸に、格子ピッチと格子傾きが同じである第三のホログラム素子と第四のホログラム素子を適切に配置し、両ホログラム素子の膜厚（セルギャップ）をＴ₂とする。この場合、第三、第四のホログラム素子の回折効率は１００％で、透過率は０％となり、第１透過直進光の強度および光路長を２回の回折を有して設定できる。ただし、前記の構成においては、第１透過直進光はｓ偏光向成分のみであるため、第三、第四のホログラム素子は第一、第二のホログラム素子と異なるｓ偏光成分を回折し、ｐ偏光成分を透過する偏光選択性を有するように構成する。また、第一、第二のホログラム素子がｓ偏光成分を回折し、ｐ偏光成分を透過する偏光選択性を有し、第三、第四のホログラム素子がｐ偏光成分を回折し、ｓ偏光成分を透過する偏光選択性の構成としてもよい。これらの偏光選択性の違いは周期構造の屈折率変調量（または屈折率差）に依存し、たとえば、回折してほしい偏光成分の周期構造の屈折率変調量が大きく、透過してほしい偏光成分の周期構造の屈折率変調量が小さい構成とする場合と、回折してほしい偏光成分の周期構造の屈折率変調量が小さく、透過してほしい偏光成分の周期構造の屈折率変調量を大きい構成とする場合を選択することが望ましい。このような偏光成分に対する屈折率変調量の設定は周期構造を形成する材料の屈折率の選択により実現することができる。

＜第６実施形態＞
次に本発明の光束分割素子の第６実施形態について図２４を用いて説明する。

図２４に示すように、第６実施形態において、第一、第二のホログラム素子と第三、第四のホログラム素子の格子の稜線方向（周期構造の配列方向と垂直な方向）が略直交した配置とする。このように、入射光の偏光方向は周期的構造の配列方向に平行な方向から略４５°傾いた構成とする。このような構成においては、第一、第二のホログラム素子と第三、第四のホログラム素子の偏光選択性は前記したような回折したい偏光成分が異なる必要はなく、全て同一構造のホログラム素子で実現できる。

以上のことから、光束分割素子の構成として膜厚（セルギャップ）の略同一の第一〜第四のホログラム素子を多段に配列し、入射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度の割合が略均等になるように入射偏光方向を設定することで同光路長の光束に分割することができ、膜厚を適切に設定することで強度を均等に設定することができる。

図１８に示す構成を採用した場合の光束分割素子の回折効率と入射偏光方向との理想的な関係を図２５に示す。図２５から、入射偏光方向が周期的な構造の配列方向に対してほぼ略４５°または略１３５°（４５°＋９０°）である場合、光束が略５０％の分割強度バランスで分割され、用途にもよるが一般的な光学素子として使用しても問題のない特性が得られる。

また、位相差板として１／４波長板（４分のλ板）を使用して円偏光または楕円偏光とする場合、円偏光では、図２６に示すように入射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度は均等に設定され、入射光を均等に分割することができる。楕円偏光においても方位角を適宜設定することでｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度の比率が設定できるため、均等な光束分割のバランスをたもつことができる。図２６においては円偏光の回転を左回転（左旋性）としているが、回転方向は左右どちらでもよい。このように円偏光（楕円偏光）を入射する場合、光源側の偏光方向に対して軸を設定すればよく、偏光ホログラム素子への偏光方向の設定が不要になる。

本発明の光束分割素子は、第一の周期構造（第一のホログラム素子）により０次光束と１次光束とに分割し、第二の周期構造（第二のホログラム素子）は分割された１次光束を回折して分割第２光束とし、第三の周期構造（第三のホログラム素子）は０次光束を回折させ第四の周期構造（第四のホログラム素子）は前記した第三の周期構造により回折された０次光束を再度回折させて分割第１光束とし、出射させている。

以下、本発明の光束分割素子を実施例により具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に拘束されて限定解釈されない。

図２７は、セル状に形成した光束分割素子を構成する格子状構造を形成するためのセル状体を示す図である。図２７に示すように、厚さ０．７ｍｍのガラス基板１の片面に青色光および赤色光に対する反射防止膜を形成し、およそ４μｍと８μｍ径のビーズスペーサーをそれぞれ混入したそれぞれの接着剤により二枚のガラス基板を貼り合わせた。接着剤の塗布は反射防止膜形成面とは反対の面で、図２７（ｂ）の上面図に示すように、基板の縁２箇所（図２７（ｂ）において示すように、上下の辺の２箇所）に塗布した。なお光重合成樹脂、架橋性液晶、非架橋性液晶などを有する格子状構造を形成するための材料は、図２７（ｂ）の矢印で示す方向から以下の１〜５の材料の混合物からなる組成物を、ホットプレートで加熱しながら毛管法によりセル中に注入し、厚み約４μｍと８μｍの組成物層を形成した。なお、この組成物は緑色より短波長の光に反応性（光硬化反応性）を示すため、赤色光を用いた暗室下で取り扱った。
１ネマチック液晶（メルク製Δε＞０） ２５重量部
２ウレタンプレポリマー（共栄社化学製） ７５重量部
３ジアクリレート（共栄社化学製） １０重量部
４メタクリレート（共栄社化学製） ５重量部
５ビスアシルフォスフィンオキサイド系光重合開始剤（チバガイギー製） １重量部

セル中に上記１〜５の組成物を注入すると、この組成物は室温下において等方性を示した。

次に波長４４２ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザを用いて二光束干渉露光系を作成した。その二光束干渉露光装置を図２８に示す。

図２８に示すように、この二光束干渉露光装置は、露光用レーザ装置１０１（可干渉性を有する光源）と、対物レンズ１０２とアパーチャ１０３からなるスペイシャルフィルタと、コリメートレンズ１０４と、ハーフミラー５と、ミラー１０６ａ、１０６ｂで構成される二光束干渉露光装置と、１０７に示す記録材料（図２７に示すセル）と、１０８に示す記録材料１０７を加熱するための温調ステージで構成されている。露光用レーザ装置１０１としては、クリプトンイオンレーザー（発振波長４０７ｎｍ）、ヘリウムカドミウムレーザー（発振波長４４２ｎｍ）、アルゴンレーザ（発振波長４８８ｏｒ５１４ｎｍ）等が利用できるが、これに限らず可干渉性を有する光源であればよい。露光レーザ装置には単一縦モード発振レーザを利用するとコヒーレンス長が長くなり、また、ノイズの少ない回折格子を作製できる。スペイシャルフィルタは必ずしも必要ではないが、ハーフミラー１０５までの光学素子などで、レーザビームにノイズが加わることがあり、このビーム品質を良好にするために有用である。ハーフミラー１０５でレーザ光を二分してからミラー１０６ａ、１０６ｂで所定の角度でビームを重ね合わせ、干渉縞を発生させ、記録材料（被露光サンプル）をこの干渉縞の発生した位置に配置すると、干渉縞ピッチに対応した回折格子を作製できる。ここでは、スペイシャルフィルタ１０２＋１０３とコリメートレンズ１０４はハーフミラー１０５の手前に配置しているが、ミラー１０６ａ、１０６ｂの各ミラーの後に配置してもよい。さらに、コリメートレンズの後に収束レンズ（図示せず）を配置することで、収束光を用いた干渉露光が可能となる。収束光による干渉露光を用いた場合、再生した時の収束位置が設定できる。

本実施例では、レーザ光源１０１を分割、拡大して平行光とし、二光束干渉の干渉縞に対応して約１μｍ周期の干渉縞が生成される。セル基板を加熱した状態で、約１分間の二光束干渉露光を行い、液晶ホログラム素子を作製した。この時、一方の入射光軸に対して約７度傾けて二光束が入射するように設定した。

露光して得られた液晶ホログラム素子の特性評価は、作製した素子に波長６５０ｎｍの直線偏光の半導体レーザ光を照射して、基板に対して垂直となる入射角０°において、＋１次光の回折角および入射光強度に対する０次光と＋１次回折光強度を測定した。入射光路中に直線偏光板と半波長板（λ／２板）を配置し、半波長板の光軸を４５度回転させることで、素子に入射する偏光方向（ｐ偏光、ｓ偏光）を切り換え可能な構成とした。このときのｐ偏光は干渉露光時の干渉縞と直交する方向とし、ｓ偏光は干渉縞と同方向とした。以下に膜厚４μｍおよび８μｍの液晶ホログラム素子の特性を示す。

ここで、液晶ホログラム素子１を第一のホログラム素子、液晶ホログラム素子２を第二ホのログラム素子、液晶ホログラム素子３を第三のホログラム素子、液晶ホログラム４を第四のホログラム素子として、図２に示すように多段配列して光束分割素子を作製した。素子への入射偏光方向はｐ偏光とし、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の各配列素子間距離Ｌ_1-2、Ｌ_3-4素子が干渉しない最小距離とし、これを約２０ｍｍとした。この光束分割素子の分割第１光束と分割第２光束の入射光に対する光利用効率を測定したところ、分割第１光束：分割第２光束の光利用効率は４０．２％：４２．９％であり、良好に分割することができた。また、分割光束の受光距離Ａ−Ｂを１００ｍｍ、２００ｍｍで測定したところ、どちらの測定位置においても分割光束は入射光軸を基準としてほぼ対称に位置し、分割光束の間隔Ａ’−Ｂ'は３４ｍｍであった。すなわち、図２のような構成の光束分割素子において、入射光束の光軸に対して平行であり強度および光路長が同じである分割光束が生成できた。

実施例１と同様の液晶ホログラム素子１〜４を用い、液晶ホログラム素子１〜４を、それぞれ第一のホログラム素子〜第四のホログラムとして、図７に示すように多段配列して、光束分割素子を作製した。

素子への入射偏光方向はｐ偏光とし、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の各配列素子間距離Ｌ_1-2、Ｌ_3-4は素子が干渉しない最小距離とし、これを約１０ｍｍとした。この光束分割素子の分割第１光束と分割第２光束の入射光に対する光利用効率を測定したところ、分割第１光束：分割第２光束の光利用効率は４０．４％：４２．７％であり、良好に分割することができた。また、分割光束の受光距離Ａ−Ｂを１００ｍｍ、２００ｍｍで測定したところ、どちらの測定位置においても分割光束は入射光軸を基準としてほぼ対称に位置しており、分割光束の間隔Ａ’−Ｂ'は１７ｍｍであった。すなわち、図７に示す構成の光束分割素子において、入射光束の光軸に対して平行であり、強度および光路長が同じである分割光束が生成できた。さらに素子が干渉しない最小距離が実施例１と比較すると約半分に設定することができた。

実施例１と同様の液晶ホログラム素子１〜４を用い、液晶ホログラム素子１〜４を、それぞれ、第一のホログラム素子〜第四のホログラム素子として、図９に示す多段配列に構成して光束分割素子を作製した。

素子への入射偏光方向はｐ偏光とし、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の各配列素子間距離Ｌ_1-2、Ｌ_3-4は素子が干渉しない最小距離とし、これを約８ｍｍとした。この光束分割素子の分割第１光束と分割第２光束の入射光に対する光利用効率を測定したところ、分割第１光束：分割第２光束の光利用効率は、４１．１％：４２．１％であり、良好に分割することができた。また、分割光束の受光距離Ａ−Ｂを１００ｍｍ、２００ｍｍで測定したところ、どちらの測定位置においても分割光束は入射光軸を基準として、ほぼ対称に位置し、分割光束の間隔Ａ’−Ｂ’は１４ｍｍであった。すなわち、図９のような構成の光束分割素子において、入射光束の光軸に対して平行であり、強度および光路長が同じである分割光束が生成できた。さらに素子が干渉しない最小距離が実施例１、２よりも小さく設定することができ、光束分割素子として薄型化できた。

実施例１と同様にして液晶ホログラム素子１'を作製した。

上記の液晶ホログラム素子１'および液晶ホログラム素子２〜４を用い、液晶ホログラム素子１'を第一のホログラム素子、液晶ホログラム素子２を第二のホログラム素子、液晶ホログラム素子３を第三のホログラム素子、液晶ホログラム４を第四のホログラム素子として、図２４に示す多段配列して光束分割素子を作製した。

ここで、第一、第二のホログラム素子の格子稜線方向が同じで、第三、第四のホログラム素子の格子稜線方向が同じとなるように設定し、第一、第二のホログラム素子と第三、第四のホログラム素子の格子稜線方向は、ほぼ直交するように配置した。また、素子への入射偏光方向はｙ方向（全ての素子において、格子稜線方向から４５°あるいは１３５°傾いた方向）とし、ｐ偏光成分とｓ偏光成分が略等しくなるように設定した。

第二のホログラム素子の位置は光軸を基準としてｘ方向に２０ｍｍ、ｙ方向に−１７ｍｍと設定し、第四のホログラム素子の位置は光軸を基準としてｘ方向に２０ｍｍ、ｙ方向に１７ｍｍと設定し、第一のホログラム素子と第二のホログラム素子、第三のホログラム素子と第四のホログラム素子の各配列素子間距離は互いのホログラム素子が干渉しない距離とし、約２０ｍｍとした。この光束分割素子の分割第１光束と分割第２光束の入射光に対する光利用効率を測定したところ、分割第１光束：分割第２光束の光利用効率は４１．８％：４１．５％で良好に分割することができた。また、分割光束の受光距離を１００ｍｍ、２００ｍｍで測定したところ、どちらの測定位置においても分割光束は入射光軸をｘ方向に２０ｍｍずらした位置を基準として、ｙ方向にほぼ対称に位置し、その間隔は３４ｍｍであった。すなわち、図２４のような構成の光束分割素子において、入射光束の光軸に対して平行であり、強度および光路長が同じである分割光束が生成できた。さらに全て同じ膜厚の素子を用いて実現できるため、生産性が向上した。

実施例４と同様の光束分割素子において、素子への入射偏光方向はλ／４板を用いて円偏光としたところ、分割光束の光軸および光利用効率特性は実施例４とほぼ同じであった。すなわち、入射光束の偏光方向の調整なしにλ／４板を設置するだけで光束を分割することができた。

上記したように本発明の光束分割素子は、入射光を０次回折光束と１次回折光束に分割した。

具体的には、第１実施形態〜第５実施形態までは図面上、水平方向（Ｈ方向）に分割した例として示し、第６実施形態では垂直方向（Ｖ方向）に分割した例として示して説明しているが、これらの方向は、当然にどのような任意の方向の分割で有っても良く、単に説明上での規定に過ぎない。ただし本発明は、これらの方向Ｈ、ＶあるいはＨ→Ｖ、Ｖ→Ｈと代えて第一〜第四の周期構造素子（第一のホログラム素子〜第四のホログラム素子）を実装して空間的に特定した方向への分割をすることも可能であり、本発明はこれらの発明も含んでいる。

これら本発明の光束分割素子を、複数組み合わせることによって、様々な強度分布を有する光束分割あるいは、同一強度を２以上の光束に分割する光束分割素子群として、使用可能とすることができる。また、これらの分割を、垂直方向と水平方向とに適宜組み合わせて行えるので、本発明の光束分割素子（光束分割素子群）は、空間への等光束分割素子としても利用可能である。たとえば入射光束を垂直方向と水平方向とに等強度（１／ｎ：ｎは２以上の正の整数）に分割したり、各分割光束の偏光方向を特定方向にしたり、全体的にランダムにしたりなど、自在に調整可能とすることができる。たとえば図２４に示された出射光を入射光束として用い、この分割第１光束を水平方向（Ｈ）に２分割し、分割第２光束を垂直方向（Ｖ）に２分割してそれぞれのｐ波とｓ波成分の強度を略同一にするなど、光束分割素子（群）の応用性にも優れている。

このような本発明の光束分割素子は、光束を分割して利用する分野、スキャニング用デバイス、画像形成装置の光源のような光源素子数が限定された分野、映像分野あるいは光コンピュータ素子など、光を利用する分野に関して幅広く利用可能である。

本発明の光束分割素子の第１実施形態の構成概略を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は斜視図である。 本発明の光束分割素子の第１実施形態の構成概略を示す配置図である。 本発明に使用されるホログラム素子の断面構造モデルを示す図である。 本発明の光束分割素子の第２実施形態の構成概略を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は斜視図である。 本発明の光束分割素子の第３実施形態の構成概略を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は斜視図である。 本発明の光束分割素子の第４実施形態の構成概略を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は斜視図である。 本発明の光束分割素子の第４実施形態の構成概略を示す配置図である。 本発明の光束分割素子の第５実施形態の構成概略を示す図であり、（ａ）は上面図であり、（ｂ）は斜視図である。 本発明の光束分割素子の第５実施形態の構成概略を示す配置図である。 光束分割素子に用いるホログラム素子の例であり、屈折率の異なる等方性領域からなる周期構造の素子の例である。 光束分割素子に用いるホログラム素子の例であり、異なる光学異方性を示す領域からなる周期構造の素子の例である。 光束分割素子に用いるホログラム素子の例であり、光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域からなる周期構造の素子の例である。 干渉露光前のＨＰＤＬＣについての断面構成を示す図である。 相分離によるホログラム素子の形成過程を模式的に示す図である。 ＨＰＤＬＣ（偏光ホログラム）素子の断面の構成概略を示す図である。 図１５に示すホログラム素子の機能動作を説明するための図である。 体積型屈折率変調ホログラム素子の回折効率および透過率と膜厚の関係を示す図である。縦軸は効率（％）を、横軸は膜厚を示す。 同一の膜厚（セルギャップ）を有する偏光ホログラム素子を第一のホログラム素子と第二のホログラム素子として多段に配列の入射偏光方向をホログラム周期構造の配列方向と平行にした場合の説明図である。 同一の膜厚（セルギャップ）を有する偏光ホログラム素子を第一のホログラム素子と第二のホログラム素子として多段に配列した場合の入射偏光方向がホログラム周期構造の配列方向と平行と直行する両成分を含む場合の説明図である。 異なる膜厚（セルギャップ）の第一のホログラム素子と第二のホログラム素子とを多段に配列した場合の入射偏光方向がホログラム周期構造の配列方向と平行と直行する両成分を含む場合の説明図である。 同一の膜厚（セルギャップ）を有するホログラム素子を多段配列した構成の、周期的構造の配列方向に平行な偏光方向が入射する場合の説明図である。 周期的構造の配列方向に平行な方向から偏光方向を少し傾けて入射する場合の説明図である。 周期的構造の配列方向を基準にして、偏光方向を４５°（または１３５°）傾斜させて入射する場合の説明図である。 本発明の第６実施形態の構成概略を示す例であり、偏光ホログラム素子を多段に配列し偏光方向を４５°（または１３５°）傾斜させて入射する場合の説明図である。 図１８に示す構成を採用した場合の光束分割素子の回折効率と入射偏光方向との理想的な関係を示す図である。 偏光ホログラム素子を多段に配列し円偏光（左旋性）を入射させた場合の説明図である。 セル状に形成した光束分割素子を構成する格子状構造を形成するためのセル状体を示す図であり、（ａ）は（ｂ）のセル上面図に示すＡ−Ａ'線断面図であり、（ｂ）はセル状体の上面図である。 二光束干渉露光装置概略構成を示す図である。

符号の説明

０１ 入射光束
１ 基板
１' 反射防止膜
２ 封止剤
１１ 第１の周期構造素子（第一のホログラム素子）
１２ 第２の周期構造素子（第二のホログラム素子）
１３ 第３の周期構造素子（第三のホログラム素子）
１４ 第４の周期構造素子（第四のホログラム素子）
２１ １次回折光束（第１回折偏光光）
２２ 分割第２光束（第２回折偏光光）
２３ ０次回折光束の回折光（第３回折偏光光）
２４ 分割第１光束（第４回折偏光光）
３１ ０次回折光束（第１透過直進光）
４０ 入射光束の光軸
５１ 第１屈折率媒体
５２ 第２屈折率媒体
１０１ 露光用レーザ装置（可干渉性を有する光源）
１０２ 対物レンズ
１０３ アパーチャ
１０４ コリメートレンズ
１０５ ハーフミラー
１０６ａ、１０６ｂ ミラー
１０７ 記録材料（記録材料セル）
１０８ 温調ステージ

Claims (18)

1. 光学等方性領域または光学異方性領域の少なくとも１つの屈折率が異なる２層が繰り返される周期構造を有する周期構造素子からなる光束分割素子であって、
   前記光束分割素子は、
   入射光束を０次光の透過光束と１次光の回折光束に分割する第一の周期構造素子と、
   前記回折光束を再度回折して第２分割光束とする第二の周期構造素子と、
   前記透過光束を回折する第三の周期構造素子と、
   前記第三の周期構造素子からの光束を回折して第１光束とする第四の周期構造とを有し、
   前記第一〜第四の周期構造素子の透過および回折により前記分割光の光軸が調整され、
   前記調整は出射光の各分割光が略平行に出射され、
   前記調整は出射光の各分割光の光路差長が略同一にされることを特徴とする光束分割素子。
2. 請求項１において、前記第一〜第四の周期構造素子の周期的な構造の各ピッチpと各格子傾きφとが略同一であることを特徴とする光束分割素子。
3. 請求項１又は２において、前記第一〜第四の周期構造素子の周期的な構造の膜厚である基板間のギャップが、同一または異なることを特徴とする光束分割素子。
4. 請求項１乃至３において、第一〜第四の周期構造素子が周期的構造を有し該素子の膜厚である基板間ギャップが略一定であり、前記第一の周期構造素子は入射光が回折と透過により２光束に分割された前記透過光が回折される周期構造素子と略直交する方向に前記周期的構造が形成されており、
   前記周期的な構造の配列方向に略平行な方向の偏光をｐ偏光とし、
   前記周期的な構造の配列方向に略垂直な方向の偏光をｓ偏光とすると、
   前記周期構造素子への入射光束が、ｐ偏光成分とｓ偏光成分とに略均等の強度に分割されて出射されることを特徴とする光束分割素子。
5. 請求項４において、前記入射する光束の偏光は直線偏光であることを特徴とする光束分割素子。
6. 請求項５において、前記入射する光束の偏光方向が、前記周期構造素子の周期的な構造の配列方向を基準とし、前記周期構造素子の周期的な構造の配列方向に対して略＋４５°または略−４５°向いていることを特徴とする光束分割素子。
7. 請求項４において、前記入射する光束の偏光が円または楕円偏光であることを特徴とする光束分割素子。
8. 前記第一および第二の周期構造素子、または前記第三および第四の周期構造素子との各ピッチpと各格子傾きφとが略同一で格子傾きφが同じ向きに配置され、前記第一の周期構造素子と前記第三の周期構造素子との格子傾きφが逆向きまたは同じ向きに配置されていることを特徴とする請求項１乃至７に記載の光束分割素子。
9. 前記第一および第二の周期構造素子、または前記第三および第四の周期構造素子との各ピッチｐと各格子傾きφとが略同一であり、前記第一および第二の周期構造素子、または前記第三および第四の周期構造素子が略平行に配置されていることを特徴とする請求項１乃至８に記載の光束分割素子。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項において、前記周期構造素子の周期的な構造は非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーとからなる組成物を一対の透明基板間に保持されて前記組成物が二光束以上の多光束干渉露光により、主にポリマーから成る層と、主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造が形成されたポリマー分散型液晶ホログラム素子であることを特徴とする光束分割素子。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項において、前記周期構造素子の前記周期的な構造の少なくとも１つの領域は光学異方性を示す領域であり、当該領域は複屈折を有する材料からなることを特徴とする光束分割素子。
12. 請求項１乃至１１のいずれか１項において、前記周期構造素子の光学異方性を示す領域が非重合性液晶または重合性液晶を有することを特徴とする光束分割素子。
13. 請求項１乃至１２のいずれか１項において、前記周期構造素子の屈折率の異なる光学等方性を示す領域が感光性ポリマーにより得られたことを特徴とする光束分割素子。
14. 請求項８において、前記第一の周期構造素子と前記第三の周期構造素子との格子傾きφが逆向きであり、前記第二の周期構造素子と前記第三の周期構造素子の少なくともいずれかが前記第一の周期構造素子の次段に配置されることを特徴とする光束分割素子。
15. 請求項１４において、前記第二の周期構造素子と前記第三の周期構造素子とが前記第一の周期構造素子の次段に並列に配置されることを特徴とする光束分割素子。
16. 前記分割第１光束および分割第２光束とが垂直方向にまたは水平方向に分割されることを特徴とする請求項１〜１５に記載の光束分割素子。
17. 請求項１〜１６に記載の光束分割素子を用いて１光束を分割する方法であって、
    前記方法により分割された出射光束が入射光束と略平行であることを特徴とする光束分割方法。
18. 請求項１〜１６に記載の光束分割素子を用いて１光束を分割する方法であって、
    前記分割された出射分割光は略同一の光強度を有することを特徴とする光束分割方法。

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