JP4999485B2 - Beam splitting element and beam splitting method - Google Patents

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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。   The present invention relates to a light beam splitting element and a light beam splitting method having a function of transmitting or diffracting an element by a polarization component of an incident light beam, and in particular, a light beam splitting element and a light beam splitting device that split an incident light beam from one light source into two or more light beams. Regarding the method.

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。   In recent years, multi-beam technology using a semiconductor laser has progressed, and these are being applied to, for example, electrophotographic image forming apparatuses used in laser printers, digital copying machines, plain paper fax machines, and the like. With respect to the electrophotographic image forming apparatus, colorization and speeding-up have progressed, and tandem-compatible image forming apparatuses having a plurality of (usually four) photoreceptors have become widespread.

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。   However, in the case of such a tandem method, with an increase in the number of light sources, problems such as an increase in the number of parts, a color shift due to a wavelength difference between a plurality of light sources, and a cost increase arise. In addition, the deterioration of the semiconductor laser is cited as a cause of the failure of the writing unit. When the number of light sources increases, the probability of failure increases and the recyclability deteriorates.

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。
Therefore, in order to reduce the number of light sources and the number of parts and reduce the cost, a method of dividing a beam from a common light source has been proposed. In Patent Document 1, a light beam is divided by the following means.
1) A method using a half mirror prism 2) A method combining a half mirror and a mirror 3) A method of spatially dividing an emitted beam by providing a plurality of openings.
Here, since both the 1) and 2) systems use mirrors as the separating means, beam spot diameter deterioration is likely to occur due to the effects of variations in the surface accuracy of the mirrors and the effects of arrangement errors. Further, the half mirror prism used in 1) is very expensive and increases the cost. Further, the method of combining the half mirror and the mirror shown in 2) is difficult to arrange the layout, and has an opening angle in the polarization rotation plane, so that the optical characteristics such as the beam spot diameter deteriorate. The method of splitting a light beam by a plurality of openings uses the peripheral part of the beam from the light source, and therefore has a problem that the light amount is insufficient and the beam spot diameter is increased.

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。   Further, the optical path lengths of the divided light beams are different from each other in the methods 1) and 2), and there is a problem that the focal position in the optical axis direction fluctuates when a light beam having a lens action is incident. In addition, the following patent documents 1-4 are known as a technique regarding a polarization hologram element.

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。   Patent Document 2 discloses an optical anisotropic diffractive element in which a diffraction grating shape is formed on an isotropic substrate, and a groove having the diffraction grating shape is filled with an optically anisotropic material.

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。   In Patent Document 3, photopolymerizable liquid crystal is used and exposed by a method such as interference exposure in a horizontally aligned state. After the liquid crystal in the exposed portion is periodically polymerized and solidified, an external field is applied to the unexposed portion. A hologram element that reacts and solidifies in a vertically aligned state is disclosed.

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。   In Patent Document 4, two-beam interference exposure is performed by controlling an optical medium including a liquid crystal and a polymer to a specific temperature range corresponding to the N-I point of the liquid crystal. A hologram element having a structure oriented in various directions is disclosed.

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
As a technique related to light beam splitting, the invention of Patent Document 5 is known. In Patent Document 5, in the optical scanning apparatus and the image forming apparatus, a beam from a common light source is divided, the beam is incident on a reflecting mirror at a different stage, and different scanned surfaces are scanned. It is a patent and light splitting is realized by a half mirror prism and a combination of a half mirror and a mirror.
JP 2005-92129 A Japanese Patent Laid-Open No. 10-92004 Japanese Patent Laid-Open No. 11-271536 JP 2000-212465 A JP 2005-92129 A

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。   An object of the present invention is to provide a high-efficiency and low-cost light beam splitting element that solves the above-described problems in a method of splitting a beam from a common light source.

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。   Specifically, an object of the present invention is to provide a high-efficiency and low-cost light beam splitting element that splits one light beam into two light beams, in which the optical path lengths of the split light beams are the same. .

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。   The present invention can be applied to an optical scanning device, an image forming apparatus, a projection image forming apparatus, and the like used for a laser printer, a digital copying machine, a plain paper fax machine, and the like.

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。 The invention of the light beam splitting element according to claim 1 is a light beam splitting element comprising a periodic structure element having a periodic structure in which two layers having different refractive indexes in at least one of an optically isotropic region or an optically anisotropic region are repeated. The beam splitting element includes a first periodic structure element that splits an incident beam into a transmitted beam of zero-order light and a diffracted beam of primary light, and diffracts the diffracted beam again to form a second split beam. A second periodic structure element; a third periodic structure element that diffracts the transmitted light beam; and a fourth periodic structure that diffracts the light beam from the third periodic structure element into a first light beam. The optical axis of the split light is adjusted by transmission and diffraction of the first to fourth periodic structure elements, the split light of the outgoing light is emitted substantially in parallel with the adjustment, and the adjustment is performed for each split of the outgoing light. The optical path difference length of light is made substantially the same .

請求項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。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect , the pitch p of the periodic structure of the first to fourth periodic structure elements and the grating inclination φ are substantially the same. Features.

請求項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。 Invention of the light beam splitting device according to claim 3, in claim 1 or 2, the gap between the first-periodical substrate film is a thickness of the fourth structure of the periodic structure elements are the same or different It is characterized by.

請求項に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至において、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。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the light beam splitting element according to any one of the first to third aspects, wherein the first to fourth periodic structure elements have a periodic structure, and the inter-substrate gap, which is the thickness of the element, is substantially constant. The first periodic structure element has the periodic structure formed in a direction substantially orthogonal to the periodic structure element in which the transmitted light is diffracted by dividing incident light into two light beams by diffraction and transmission, When the polarization in the direction substantially parallel to the arrangement direction of the periodic structure is p-polarization and the polarization in the direction substantially perpendicular to the arrangement direction of the periodic structure is s-polarization, the incident light flux to the periodic structure element is The p-polarized light component and the s-polarized light component are divided into substantially equal intensities and emitted.

請求項に記載の光束分割素子の発明は、請求項において、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。 According to a fifth aspect of the present invention, the light beam splitting element according to the fourth aspect is characterized in that the incident light beam is linearly polarized light.

請求項に記載の光束分割素子の発明は、請求項において、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。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the light beam splitting element according to the fifth aspect , wherein the polarization direction of the incident light beam is based on the arrangement direction of the periodic structure of the periodic structure element, and the periodic structure element is periodic. It is characterized by being oriented at approximately + 45 ° or approximately −45 ° with respect to the arrangement direction of such a structure.

請求項に記載の光束分割素子の発明は、請求項において、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。 Invention of the light beam splitting device according to claim 7, in claim 4, wherein the polarization of the light beam the incident is circular or elliptical polarization.

請求項に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至のいずれか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。 The invention of the light beam splitting element according to claim 8 is the pitch of the first and second periodic structure elements or the third and fourth periodic structure elements according to any one of claims 1 to 7. p and each lattice inclination φ are substantially the same and the lattice inclination φ is arranged in the same direction, and the lattice inclination φ of the first periodic structure element and the third periodic structure element is arranged in the opposite direction or the same direction. It is characterized by.

請求項に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至のいずれか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。 The invention of a light beam splitting element according to a ninth aspect is the light beam splitting element according to any one of the first to eighth aspects, wherein each of the first and second periodic structural elements or the third and fourth periodic structural elements. The pitch p and each grating inclination φ are substantially the same, and the first and second periodic structure elements or the third and fourth periodic structure elements are arranged substantially in parallel.

請求項1に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至のいずれか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。 From the invention of the light beam splitting device of claim 1 0, in any one of claims 1 to 9, the periodic structure of the periodic structure elements and the non-polymerizable liquid crystal, and the polymerizable monomer or prepolymer The composition is held between a pair of transparent substrates, and the composition is subjected to a multi-beam interference exposure of two or more light beams, thereby causing a periodic phase of a layer mainly composed of a polymer and a layer mainly composed of a non-polymerizable liquid crystal. It is a polymer dispersion type liquid crystal hologram element in which a separation structure is formed.

請求項1に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至のいずれか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。 Invention of the light beam splitting device of claim 1 1, in any one of claims 1 to 9, wherein at least one region of the periodic structure of the periodic structure element is a region showing optical anisotropy And the region is made of a material having birefringence.

請求項1に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至1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。 Invention of the light beam splitting device of claim 1 2, in any one of claims 1 to 1 1, the region shows optical anisotropy of the periodic structure element has a non-polymerizable liquid or the polymerizable liquid crystal It is characterized by that.

請求項1に記載の光束分割素子の発明は、請求項1乃至12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。 Invention of the light beam splitting device according to claim 1 3, in any one of claims 1 to 12, a region showing a different optical isotropic refractive index of the periodic structure element is obtained as photopolymers It is characterized by that.

請求項1に記載の光束分割素子の発明は、請求項において、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。 Invention of the light beam splitting device according to claim 1 4, in claim 8, grating inclination between the said first periodic structure elements third periodic structure elements φ is reversed, the second period At least one of the structural element and the third periodic structural element is arranged in a stage subsequent to the first periodic structural element.

請求項1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。 Invention of the light beam splitting device according to claim 1 5, in claims 1 to 4, in parallel to the next stage of the second periodic structure elements and said third periodic structure elements and said first periodic structure element It is characterized by being arranged.

請求項1に記載の光束分割素子の発明は、請求項1〜1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。 The invention of the light beam splitting element according to claim 16 is characterized in that, in claims 1 to 15 , the split first light beam and the split second light beam are split vertically or horizontally.

請求項1に記載の光束分割素子の発明は、請求項1〜1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。 The invention of the light beam splitting element according to claim 17 is a method of splitting one light beam using the light beam splitting element according to claims 1 to 16 , wherein an outgoing light beam split by the method is an incident light beam. It is characterized by being substantially parallel to.

請求項18に記載の光束分割素子の発明は、請求項1〜1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。 The invention of the light beam splitting element according to claim 18 is a method of splitting one light beam using the light beam splitting element according to claims 1 to 16 , wherein the split outgoing split light is substantially the same light. It has strength.

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。
In other words, the invention can be as follows.
(1) A light beam splitting element comprising a periodic structure element having a periodic structure in which two layers having different refractive indexes in at least one of an optically isotropic region or an optically anisotropic region are repeated,
The light beam splitting element includes first to fourth periodic structure elements arranged in multiple stages, light is split by transmission and diffraction of the first periodic structure element, and transmitted by the second to fourth periodic structure elements. And the optical axis of the divided light is adjusted by diffraction.
(2) The adjustment is characterized in that each split light of the emitted light is emitted substantially in parallel.
(3) The adjustment is characterized in that the optical path difference length of each divided light of the outgoing light is made substantially the same.
(4) In the above (1) to (3), each pitch p and each grating inclination φ of the periodic structure of the first to fourth periodic structure elements are substantially the same.
(5) In the above (1) to (4), the first periodic structure element is arranged on the light incident side, and the second periodic structure element and the fourth periodic structure element are arranged on the emission side. It is characterized by.
(6) In the above (1) to (5), the gap between the substrates, which is the film thickness of the periodic structure of the first to fourth periodic structure elements, is the same or different.
(7) In the above (1) to (6), the first to fourth periodic structure elements have a periodic structure, and the inter-substrate gap which is the film thickness of the elements is substantially constant, and the first hologram element The periodic structure is formed in a direction substantially orthogonal to the hologram element in which the transmitted light is diffracted by dividing the incident light into two light beams by diffraction and transmission,
Polarized light in a direction substantially parallel to the arrangement direction of the periodic structure is p-polarized light,
When polarized light in a direction substantially perpendicular to the arrangement direction of the periodic structure is s-polarized light,
A light beam incident on the hologram element is divided into a p-polarized component and an s-polarized component and emitted with substantially equal intensity.
(8) In (7), the polarized light of the incident light beam is linearly polarized light.
(9) In the above (8), the polarization direction of the incident light beam is based on the arrangement direction of the periodic structure of the first periodic structure element, and the periodic structure of the first periodic structure element It is approximately + 45 ° or approximately −45 ° with respect to the arrangement direction.
(10) In the above (7), the polarization of the incident light beam is circular or elliptical polarization.
(11) In any one of the above (1) to (10), the periodic structure element has a periodic structure in which a composition comprising a non-polymerizable liquid crystal and a polymerizable monomer or prepolymer is interposed between a pair of transparent substrates. A polymer dispersed liquid crystal in which a periodic phase separation structure of a layer mainly composed of a polymer and a layer mainly composed of a non-polymerizable liquid crystal is formed by multi-beam interference exposure in which the composition is held by two or more light beams. It is a hologram element.
(12) In any one of (1) to (10), at least one region of the periodic structure of the periodic structure element is a region exhibiting optical anisotropy, and the region is a material having birefringence. It is characterized by comprising.
(13) The light beam splitting element according to any one of (1) to (12), wherein the region showing the optical anisotropy of the periodic structure element has a non-polymerizable liquid crystal or a polymerizable liquid crystal.
(14) In any one of the above (1) to (13), a region showing optical isotropy having a different refractive index of the periodic structure element is obtained by a photosensitive polymer.
(15) In any one of (1) to (13), the divided first light beam and the divided second light beam are divided in a vertical direction or a horizontal direction.

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。   As beam splitting means, transmission and diffraction of periodic structure elements (for example, hologram elements) arranged in multiple stages are used as beam splitting means. Therefore, beam spot diameter degradation caused by variations in mirror surface accuracy due to conventional mirror splitting and placement errors. In addition, since the optical path lengths of the divided light beams are the same, the focal position in the optical axis direction can always be fixed even if they are arranged in the lens system. Compared to an expensive half-mirror prism exhibiting similar characteristics, a light beam splitting element having a low cost and a simple configuration can be provided.

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。   The layout range of the periodic structure elements (for example, hologram elements) constituting the light beam splitting element can be expanded, and a light beam splitting element having a wide range of optical axis positions of the split light beams can be provided.

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。   With the optimal layout of the periodic structure elements (for example, hologram elements) formed by the light beam splitting elements, a thin light beam splitting element for split light beams can be provided.

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。   By adopting a configuration using periodic structure elements having different film thicknesses, the polarization direction of the incident light is split by fixing the p-polarized light, so that it is not necessary to adjust the polarization direction incident on the element.

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。   Productivity can be improved by using a device having a constant film thickness.

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。   In a light splitting element having a multistage arrangement using a periodic structure element having a constant film thickness, the intensity balance between the p-polarized component and the s-polarized component can be realized by rotating the light source such as an LD and simply adjusting the phase difference plate. .

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。   In a light beam splitting element having a multistage arrangement using a periodic structure element having a constant film thickness, the setting value of the film thickness by the rotation of a light source such as an LD and a retardation plate is defined, so that the p-polarization component and the s-polarization component The strength balance accuracy is improved.

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。   In a light splitting element having a multi-stage arrangement using a periodic structure element having a constant film thickness, the intensity balance between the p-polarized component and the s-polarized component can be realized without rotation of a light source such as an LD and adjustment by a phase difference plate.

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。   Since the periodic structure element made of liquid crystal produced by interference exposure can be duplicated in the original, cost reduction can be realized. By arranging the periodic structure elements made of liquid crystal in multiple stages, a low-cost beam splitting element can be provided.

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。   The region exhibiting optical anisotropy is composed of a polymer birefringent film, and this polymer birefringent film is a polymer film having birefringence by stretching the polymer film and aligning the polymer chain. . Thereby, the polymer birefringent film can be easily mass-produced, so that the cost can be reduced. By arranging the polarization periodic structure elements in multiple stages, a low-cost beam splitting element can be provided.

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。   The region showing optical anisotropy is made of liquid crystal generally used for display devices and the like. Therefore, in terms of manufacturing, mass production is good at low cost. In addition, since the optical anisotropy (birefringence) of the liquid crystal is large, the diffraction efficiency can be improved relatively easily.

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。   Further, a periodic structure element (for example, a hologram element) made of a photopolymer can be manufactured by interference exposure and can be duplicated, so that the cost can be reduced. By arranging the periodic structure elements in multiple stages, a low-cost beam splitting element can be provided.

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。   Hereinafter, the configuration and function of the light beam splitting element of the present invention will be described in detail by embodiments.

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。   The light beam splitting element of the present invention is configured by arranging hologram elements in multiple stages as first to fourth periodic structure elements.

<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。
<First Embodiment>
A schematic configuration of the first embodiment of the light beam splitting element of the present invention is shown in FIGS.

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。   The light beam splitting element of the present invention is configured by arranging the first to fourth hologram elements in multiple stages, the first hologram element is disposed on the light incident side, and the second hologram and the fourth hologram are disposed on the exit side. A hologram is arranged and configured. As a function of such an element, an incident light beam can be divided into two light beams (0th-order diffracted light (transmitted light) and first-order diffracted light (sometimes simply referred to as “diffracted light”)) having the same optical path length.

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。   As a principle of such division, the incident light beam is divided into two light beams of diffracted (for example, polarized light: first-order diffracted light) and transmitted light (for example, straight travel: zero-order diffracted light (transmitted light)) by the first hologram element. Of the divided light, the polarized light by diffraction is diffracted again by the second hologram element to be polarized, and the straight light (0th order diffracted light) transmitted through the first hologram element is converted into the third hologram element. The light is diffracted and polarized, and the polarized light is further diffracted and polarized again by the fourth hologram element.

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。
Hereinafter, in this specification, the straight light transmitted through the first hologram element is referred to as “first transmitted straight light”,
The polarized light diffracted by the first hologram element to the polarized light diffracted by the fourth hologram element are defined as “first diffracted polarized light” to “fourth diffracted polarized light”, respectively, and in more detail the light beam splitting element Will be described.

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。   As shown in FIG. 2, if the optical axes of the divided first light beam divided into two light beams and the divided second light beam are parallel to the optical axis of the incident light beam, the optical paths of the divided first light beam and the divided second light beam The length difference corresponds to the optical path length difference between the first diffracted polarized light and the third diffracted polarized light, respectively. In addition, in this specification, parallelism refers to 1 degrees or less. The angle is preferably 0.2 ° (12 minutes) or less, more preferably 0.08 (5 minutes) or less.

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L1-2からΔL1=L1-2/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L3-4からΔL3=L3-4/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)。 The optical path length ΔL 1 of the first diffracted polarized light is determined by ΔL 1 = L 1-2 / from the diffraction angle θ 1 of the first hologram element, the distance L 1-2 between the position of the first hologram element and the position of the second hologram element. Further, the optical path length ΔL 3 of the third diffracted polarized light is obtained by sin θ 1 , and the distance L 3− between the diffraction angle θ 3 of the third hologram element, the position of the third hologram element, and the position of the fourth hologram element. 4 is obtained by ΔL 3 = L 3-4 / sin θ 3 (here, the refractive index is 1 (or the refractive index in the optical path is the same)).

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、L1-2、sinθ1、L3-4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。 Therefore, by setting L 1-2 , sin θ 1 , L 3-4 and sin θ 3 so that ΔL 1 = ΔL 3 at the position shown in the configuration as shown in FIG. 2, it is perpendicular to the incident optical axis. It is possible to generate two light beams (a divided first light beam and a divided second light beam) having the same optical path length on a flat surface (xy plane).

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nHの幅で変化する周期構造の屈折率分布を示す。 FIG. 3 is a model diagram schematically showing a cross-sectional structure of a hologram element which is an example of a periodic structure element used in the present invention. At its upper portion a refractive index distribution of the periodic structure which varies in width of the refractive index change n H.

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ΔnH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ΔnH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。 As shown in FIG. 3, the hologram element used in the present invention has a periodic structure in which two regions of an optically anisotropic region and an optically isotropic region are alternately formed, and the refractive index modulation amount of the periodic structure is set. Δn H is defined, the thickness of the periodic structure is defined as T, the pitch of the periodic structure is defined as p, and the lattice inclination of the periodic structure is defined as φ. Here, the refractive index modulation amount Δn H is the refractive index change amount (refractive index of sinusoidal refractive index modulation) of the refractive index distribution in the periodic structure of the hologram element, as shown on the upper side of the diagram showing the periodic structure of FIG. Modulation amplitude × 2).

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。 In general, the diffraction angle θ of the hologram element can be expressed by θ = sin −1 (λ / p), and is determined by the wavelength λ of the incident light beam and the grating pitch p of the hologram element. That is, the diffraction angle can be set by the grating pitch p of the hologram element if the wavelength λ of the light used for the incident light beam is determined.

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。   Further, as shown in FIGS. 1 and 2, since the divided light beams are generated by two diffractions, the light intensity of each divided light beam can be set by the diffraction efficiency of each hologram element.

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ΔnH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。 In general, the diffraction efficiency of a hologram element depends on the refractive index modulation amount Δn H generated from the grating periodic structure and the film thickness T of the periodic structure. By optimizing these parameters, the ideal diffraction efficiency can be obtained. Will be obtained. Although the maximum diffraction efficiency that can be theoretically obtained varies depending on the type of hologram used, the volume hologram can obtain very high diffraction efficiency (theoretical value: 100%), Bragg diffraction conditions (nλ = psinθ; n is an integer, By setting the incident angle satisfying the wavelength of light used, λ is the diffraction angle, and p is the pitch) and the inclination φ of the grating, the efficiency of the diffracted light of a specific order (especially + 1st order or -1st order) can be set is there.

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。 That is, in FIGS. 1 and 2, the first hologram element diffracted from the incident light beam is set by setting the grating inclinations φ 1 and φ 2 of the first hologram element and the second hologram element to be the same (satisfying the Bragg diffraction condition). Diffracted polarized light can be re-diffracted with high efficiency into second diffracted polarized light that is parallel to the incident optical axis. Similarly, by setting the grating tilts φ 3 and φ 4 of the third hologram element and the fourth hologram element to be the same (satisfying the Bragg diffraction condition), the first transmitted straight light (the incident light flux and the optical axis are The third diffracted polarized light diffracted from the same) can be re-diffracted with high efficiency into the fourth diffracted polarized light that is parallel to the optical axis of the first transmitted straight light (the incident light beam has the same optical axis) as the incident light. A split light beam that is parallel to the axis and highly efficient can be generated. As described above, in this embodiment, each of the light beams divided into the 0th-order beam and the 1st-order beam by the first hologram element uses two hologram elements that are substantially the same as the first hologram element, The direction of the periodic structure of these two hologram elements is antisymmetric with respect to the first hologram element, and the primary light beam has substantially the same hologram element as the first hologram as the direction of the periodic structure of the first hologram element. It is the structure arrange | positioned substantially the same.

<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。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the light beam splitting element of the present invention will be described with reference to FIG.

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。   In FIG. 1, the grating pitches and the grating inclinations of the first to second hologram elements and the third to fourth hologram elements are schematically shown as being substantially the same, but in this embodiment, FIG. As shown in FIG. 3, the first and second hologram elements and the third to fourth hologram elements have different pitches and inclinations. In this embodiment, the hologram elements are arranged so that the first and second light beams are separated (for example, symmetrically arranged) on the right side and the left side with respect to the incident optical axis.

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。   Thus, in the present embodiment, the first to second hologram elements and the third to fourth hologram elements are configured so that the grating pitch and the grating inclination are different. In the present embodiment, the grating tilts of the third to fourth hologram elements on the 0th-order beam side separated by the first hologram element into the 0th-order beam and the first-order beam and the first to second hologram elements are They are arranged in the opposite direction. Each split light beam in the present embodiment is split in the same manner as described in the first embodiment.

<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。
<Third Embodiment>
Next, a third embodiment of the light beam splitter according to the present invention will be described with reference to FIG.

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。   As shown in FIG. 5, in this embodiment, the first to second hologram elements and the third to fourth hologram elements have different pitches and tilts, and are separated by the first hologram elements. The transmitted light and the diffracted light are made to be on the same side (right side or left side with respect to the incident light) with respect to the incident light, and the divided first light beam and the divided second light beam are emitted.

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。   As described above, in the light beam splitting element configured by arranging the first to fourth hologram elements in multiple stages, when splitting the incident light beam, by appropriately setting the diffraction angle and the arrangement interval of each hologram element, The optical axis, optical path length, and light intensity of the divided light beam can be set. In particular, when the arrangement shown in FIGS. 1 to 2 is adopted, the grating pitch p and the grating inclination φ of the first hologram element and the second hologram element are made substantially the same, and the third hologram element and the fourth hologram element By adopting a configuration in which the grating pitch p and the grating tilt φ of the hologram element are substantially the same, the optical path length is the same on the plane parallel to the optical axis of the incident light beam and perpendicular to the optical axis (xy plane). It is possible to generate a split beam with high efficiency and the same light intensity. Unlike the second embodiment, the third embodiment shows an example using a periodic structure in which the grating directions of the first to fourth hologram elements are the same. However, this is an example in which the pitches of the first to second hologram elements and the third to fourth hologram elements are different. Therefore, the 0th-order light beam and the 1st-order light beam emitted from the first hologram element are then diffracted to become the divided first light beam and the divided second light beam of the emitted light, but are emitted substantially parallel to the incident light beam. The emission conditions are not symmetrical with respect to the incident light beam.

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。   In the above-described second to third embodiments, the first and second hologram elements and the third and fourth hologram elements have the same pitch, and in both embodiments, the first and second hologram elements have the same pitch. The pitch <the pitch of the third and fourth hologram elements (that is, the pitch of the third and fourth hologram elements is larger than the pitch of the first and second hologram elements) The reverse relationship (pitch of the first and second hologram elements> pitch of the third and fourth hologram elements) may be used. However, as shown in the Bragg reflection condition as described above, the smaller the pitch, the larger the diffraction angle. Therefore, the configuration (arrangement) as shown in FIGS. This is preferable in that the thickness can be made thinner. Note that the configuration in which the hologram element itself is arranged with the tilt angle φ in the opposite direction is equivalent to the arrangement in which the hologram element itself is arranged in the spatially opposite direction. In the present invention, both technical ideas are Used to mean including. Alternatively, holograms having the same pitch but different θ and φ are included in the meaning of substantially the same hologram in the present invention. However, in the present invention, these may be excluded in a narrow sense. This is because, when these θ, φ, etc. are clearly different, path alignment becomes complicated, or the possibility that the thinning of the light beam splitting element is extremely hindered increases. The specific range such as how much of these is permissible is appropriately determined depending on the use condition or application of the light beam splitting element.

<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。
<Fourth embodiment>
A schematic configuration showing another example of the light beam splitting element of the present invention is shown in FIGS.

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。   The light beam splitting element of the present invention is configured by arranging the first to fourth hologram elements in multiple stages, and has the first hologram element on the light incident side. For example, the second hologram element and the third hologram The elements are arranged in the order of the fourth hologram element. As described above, the grating pitch p and the grating inclination φ of the first hologram element and the second hologram element are made the same, and the grating pitch p and the grating inclination φ of the third hologram element and the fourth hologram element are set to be the same. By making the same, it becomes possible to generate a high-efficiency split two-beam with the same optical path length and the same light intensity on a plane (xy plane) parallel to the optical axis of the incident light flux and perpendicular to the optical axis. Furthermore, when such an arrangement is adopted, the distance A′-B ′ between the two split light beams can be narrowed. Even in such a case, the influence of interference due to the arrangement of the second hologram element and the third hologram element. Therefore, the degree of freedom in element layout design can be expanded. In the first embodiment, the first hologram element, the third hologram element, the second hologram element, and the fourth hologram element are arranged in this order with respect to the incident light beam. It arrange | positions in order of the 1st-4th hologram element with respect to the light beam. In this embodiment having such an arrangement, interference between elements can be further suppressed, and the degree of freedom can be increased in the arrangement design in the element arrangement.

<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。
<Fifth Embodiment>
A schematic configuration of another embodiment (fifth embodiment) of the light beam splitting element of the present invention is shown in FIGS. The light beam splitting element of this embodiment is configured by arranging first to fourth hologram elements in multiple stages, and from the light incident side, the first hologram element, the second hologram element, and the third hologram element (both holograms). Both elements are arranged in the order of the fourth hologram element in the order of the distance from the first hologram element being substantially the same. As described above, the grating pitch p and the grating inclination φ of the first hologram element and the second hologram element are substantially the same, and the grating pitch p and the grating inclination φ of the third hologram element and the fourth hologram element are the same. Are substantially the same, it is possible to generate a highly efficient split two-beam with the same optical path length and the same light intensity on a plane (xy plane) parallel to the optical axis of the incident light beam and perpendicular to the optical axis. Further, with such an arrangement, since the second hologram element and the third hologram element are arranged in parallel in a horizontal row, as shown in FIG. 9, the thickness in the optical axis direction ( (Spacing) A-B can be reduced and the light beam splitting element can be thinned.

<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。
<Method for forming periodic structure>
In each embodiment of the present invention, as long as the grating pitch and the grating inclination can be set as the hologram element used for the light beam splitting element having the above-described configuration, as shown in FIGS. A periodic structure composed of regions (see FIG. 10), a periodic structure composed of regions exhibiting different optical anisotropy (see FIG. 11), or a periodic structure composed of regions exhibiting optical anisotropy and regions exhibiting optical isotropy. The structure which has (refer FIG. 12) can be used.

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。   For example, the periodic structure used in the present embodiment is formed by forming a grating groove in an isotropic medium (a medium whose refractive index can be expressed by a real number) or a birefringent medium (a medium having a complex refractive index) and then forming the groove. In addition, a combination of periodic structures formed by embedding an isotropic medium or a birefringent medium different from these groove-formed bodies is possible. Further, the periodic structure may be a periodic structure in which air is used as an isotropic region in the lattice grooves. In other words, a lattice groove having a periodic structure can be formed by using an isotropic medium or a birefringent medium as a base material and using photolithography, etching, other cutting or molding techniques. The grating grooves are embedded with other materials having different refractive indexes, or air under a vacuum including a reduced pressure environment and under normal pressure is also included as a material having different refractive indexes. As a method for forming the periodic structure, a general mask exposure method (wet method, dry method) using a stepper on a hologram recording material, a direct writing method using an electron beam, a direct writing method using a laser beam, a two-beam interference exposure method And so on. As a method of forming a hologram recording photosensitive material, a general coating method can be applied, and a coating film can be formed by a coating method such as spin coating or dipping on a single substrate, or a pair of substrates can be used. For example, a method of inserting between the substrates using a capillary phenomenon or a vacuum injection method to a certain cell can be used. Further, an ODF (One Drop Fill) method in which a single substrate is further bonded and the material is narrowed between a pair of substrates after the material is dropped onto the single substrate can be applied.

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。 As an isotropic medium for forming these periodic structures, for example, a transparent resin such as a photopolymer (after curing), an optical glass material such as quartz, BK7, or the like can be used. Well, it is not limited to these. As the birefringent medium, calcite (calcite), CdS, YVO 4 , TeO 2 , MgF 2 , crystalline quartz, α-BBO, lithium niobate crystal, tantalum niobate crystal, titanium oxide crystal, polymer birefringent film ( Polymer film), liquid crystal, and the like can be used.

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。 As a (hologram) recording material used when forming a periodic structure using a periodic structure forming method, the following general photosensitive materials can be used. For example, dichromated gelatin, photochromic material, photothermoplastic, electro-optic crystal (eg, ferroelectric oxide: LiNbO 3 , BaTiO 3 crystal, etc.), photoresist, photopolymer, polymer liquid crystal, polymer dispersed liquid crystal, etc. There is.

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。
Particularly in the present invention, a highly versatile photopolymer (before curing (before polymerization)) or a photoresist material (particularly positive type) can record a refractive index modulation type hologram (form a hologram). A diffraction efficiency is obtained, and a hologram with low granularity, high resolution, and low noise (low SN ratio) is obtained. In addition, it is possible to select a wide range of exposure sensitivity and photosensitive wavelength band, and there is a degree of freedom with respect to the range of selection such as film thickness and size. Such photosensitive materials (especially liquid materials) such as photopolymers are composed of a wide variety of materials and can be roughly classified into photocrosslinking types and photopolymerization types. Some photopolymerization types require development and others do not. Materials that do not require a development step can be classified into (a) a polymer and a monomer, (b) a monomer and a monomer (two or more monomers), and (c) an inactive component (low molecule) and a monomer. Among these, the components (a) and (c) are selected so that a large difference in refractive index occurs between the monomer polymerization material and the polymer or low molecular weight compound. (B) is composed of two or more types of monomers (including prepolymers such as oligomers) that form a periodic structure having a different refractive index after exposure. For example, I.I. Two or more monomers having different photopolymerizabilities, II. Photopolymerizable and thermally polymerizable monomers III. Combinations such as photo radical polymerizable monomers and photo cationic polymerizable monomers (different photo polymerization modes) are possible.

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。   In the case of a refractive index modulation type hologram having a high diffraction efficiency, the optimum film thickness is reduced when the difference in refractive index modulation of the periodic structure in the recorded hologram region (that is, after photopolymerization by exposure) is large. (Thinning) is also possible. Accordingly, the change in diffraction efficiency depending on the wavelength variation and the incident angle can be reduced. That is, it is possible to realize a hologram (periodic structure) having a wide tolerance range with respect to wavelength variation and incident angle of high diffraction efficiency characteristics. Photosensitive materials that can increase the difference in refractive index modulation of the periodic structure include polymer birefringent materials exhibiting birefringence, polymer liquid crystals, and polymer dispersed liquid crystals.

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。   A polymer birefringent film is a polymer film having birefringence by stretching a polymer film and orienting polymer chains, and can be easily mass-produced by a stamper etc. There is an advantage that an element can be manufactured. Examples of the polymer material for the stretched polymer film include, but are not limited to, polyolefin, polyacrylate, polycarbonate (PC), polyvinyl alcohol (PVA), polymethyl methacrylate (PMMA), polystyrene, and the like. .

<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。
<Periodic structure element having liquid crystal phase>
As an element having a periodic structure (periodic structure element) used in the light beam splitting element of the present invention, a polymer liquid crystal and a polymer-dispersed liquid crystal are a polymerizable liquid crystal or a non-polymerizable liquid crystal. A periodic structure element having a periodic structure can also be prepared using a composition comprising a prepolymer such as a polymerizable monomer or oligomer and a photopolymerization initiator (one type or a combination of two or more types). As the polymerizable liquid crystal that can be used in such a composition, a liquid crystal acrylate monomer or the like can be used, and as the non-polymerizable liquid crystal, a general liquid crystal having refractive index anisotropy can be used. The phase structure may be any of nematic, cholesteric, and smectic types. In addition, as a prepolymer used for the said composition, prepolymers, such as a photopolymerization, a photocrosslinkable monomer, an oligomer, and mixtures thereof can be used.

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。   In addition to the above, a photosensitizer, a thermal polymerization inhibitor (such as MEHQ), and a plasticizer may be added. A light beam splitting element having a lattice-like periodic structure can be obtained by applying a composition comprising these on a substrate or by inserting between the substrates for exposure.

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。   A known material can be used as a photopolymerization initiator for curing by such exposure, and the addition amount depends on the absorbance of each material (initiator) with respect to the wavelength of light to be irradiated. It is adjusted as appropriate according to the exposure conditions.

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。   The composition comprising the above-described photosensitive material forms a periodic structure in which the refractive index distribution varies depending on the polarization direction (the amount of refractive index modulation in the periodic structure varies depending on the polarization direction) by appropriately setting the exposure conditions. Can do. Examples of compositions include holographic polymer dispersed liquid crystal (HPDLC) in which a non-polymerizable liquid crystal and a photopolymerization initiator are dispersed in a polymer monomer, or a mixture of a polymerizable liquid crystal and a photopolymerization initiator. There is a material for a beam splitting element such as a photo-polymerized liquid crystal (PPLC).

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。   The case where an interference fringe is exposed using the above-described composition will be described. FIG. 13 shows a cross-sectional configuration of HPDLC before interference exposure. 1 shows a configuration in which a composition in which a non-polymerizable liquid crystal molecule, a polymerizable monomer or prepolymer, and a photopolymerization initiator (not shown) are uniformly mixed is sandwiched between two transparent substrates. FIG. 14 schematically shows a process of forming a hologram by phase separation as shown in FIG. 13. The monomer moves in the bright part of the interference fringe (phase separation between the polymer and the liquid crystal) and cures, and the dark part of the interference fringe Remains in the liquid crystal and is pulled by the polymer cured in the bright part, and the liquid crystal is oriented in a specific direction. Because of this orientation, one of the incident polarized light beams orthogonal to each other transmits almost no refractive index change. In the polarization direction orthogonal to this, the liquid crystal is aligned and coincides with the direction in which the refractive index is large, so that the incident light is diffracted with a periodic refractive index change. Thus, HPDLC functions as a polarizing diffraction grating. In PPLC, a liquid crystal having a photopolymerizable sensitive group is sealed between a transparent electrode (ITO) and a substrate having an alignment layer for aligning liquid crystal to horizontally align the liquid crystal. When the interference fringes are exposed to this, liquid crystal molecules are polymerized and cured in the bright portions of the fringes. On the other hand, the dark portion of the stripe remains without the liquid crystal molecules being cured. Next, light is irradiated while applying a voltage between the transparent electrodes sandwiching the liquid crystal layer. At this time, the liquid crystal in the dark portion is oriented in the direction perpendicular to the substrate by applying a voltage and cured by light. As described above, the alignment of the liquid crystal has a horizontal / vertical periodic structure corresponding to the bright and dark interference fringes. When polarized light orthogonal to the diffraction grating recorded in this way is incident, in one polarization direction (coincident with the minor axis direction of the horizontally aligned liquid crystal molecules), no change in refractive index is felt even with horizontal / vertical alignment. In the direction orthogonal to this, the incident light almost diffracts in the direction perpendicular to this, feeling the change in the refractive index due to the horizontal / vertical alignment in line with the long axis direction of the horizontally aligned liquid crystal molecules. As described above, a polarization hologram having polarization selectivity can be produced by phase separation accompanying the polymerization reaction of the composition material, or a change in orientation due to the polymerization reaction and an external field.

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。   FIG. 15 shows a schematic configuration of a cross section of an HPDLC (polarization hologram) element. In the polarization hologram element, a region showing optical anisotropy (birefringence) and a region showing optical isotropy are periodically formed between a pair of substrates. As a functional operation of such a hologram element, for example, as shown in FIG. 16, the direction of polarization incident on the element is s-polarized light (here, it is assumed to be perpendicular to the periodic array direction which is the direction perpendicular to the paper surface), and isotropic region When the refractive index n and the refractive index of one of the birefringent regions (real refractive index (real part of refractive index)) no are n = no, the light is transmitted as it is. Further, the incident polarization direction is p-polarized light (here, parallel to the periodic array direction which is the left-right direction on the paper surface), and the refractive index n of the isotropic region and the other refractive index ne (imaginary) of the birefringent region. When the refractive index (imaginary part of the refractive index) is n ≠ ne, the light is diffracted. Thus, an element having a birefringence has a function of selecting transmission and diffraction depending on the polarization direction of incident light. In FIG. 16, the p-polarized light is diffracted and the s-polarized light is transmitted. However, the p-polarized light may be transmitted and the s-polarized light may be diffracted depending on the refractive index of the periodic structure.

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。   FIG. 15 shows a configuration in which a periodic structure of an optically anisotropic region and an optically isotropic region is sandwiched between a pair of substrates. However, the present invention is not limited to this. For example, these periodic structures are formed on a substrate. May be formed (for example, an element in which one surface is in contact with the substrate and the other surface is in contact with the outside), or may be an element composed of only a periodic structure (no substrate).

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ΔnHと厚みTとの積であるΔnH・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ΔnH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。 Here, the polarization hologram elements shown in FIGS. 15 and 16 are volume type refractive index modulation hologram elements. As described above, the diffraction efficiency is the product of the refractive index modulation amount Δn H and the thickness T of the hologram. Depending on Δn H · T, when the refractive index modulation amount Δn H in a region showing optical anisotropy and a region showing optical isotropy in a specific polarization direction is constant, the thickness T ( The diffraction efficiency can be appropriately set by setting the same as the film thickness or the cell gap. Φ shown in FIG. 15 is a vector perpendicular to the grating periodic structure, and the relation (45 ° <φ <135 °) is assumed with the periodic structure arrangement surface as a reference (0 °).

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)。   FIG. 17 shows the relationship between the diffraction efficiency and transmittance of a volume type refractive index modulation hologram element and the film thickness. As described above, the volume type refractive index modulation hologram element theoretically has a diffraction efficiency of 100% at maximum, and when the diffraction efficiency and the transmittance are added, it becomes 100% (100% when the diffraction efficiency and the transmittance are added). Become).

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。 Here, when the polarization hologram elements having the same film thickness (cell gap) are arranged in multiple stages as the first hologram element and the second hologram element, and the incident polarization direction is parallel to the arrangement direction of the hologram periodic structure, As shown in FIG. 18, at T 2 where the film thickness (cell gap) of the element obtains the maximum diffraction efficiency, all incident light is diffracted by the first hologram element and re-diffracted by the second hologram element. That is, the first transmitted straight light is not generated, only the optical axis is shifted, and the light beam is not divided. Further, as shown in FIG. 19, at T 1 where the film thickness (cell gap) of the element obtains half of the maximum diffraction efficiency, the first hologram element is equally divided into the first transmitted straight light and the first diffracted polarized light. In the second hologram element, since the second diffracted polarized light is evenly divided, the light emitted from the elements arranged in multiple stages becomes three luminous fluxes, and the intensity of these three luminous fluxes varies.

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。 In the present invention, for example, in a configuration in which holograms having different film thicknesses (cell gaps) are arranged in multiple stages as a first hologram element and a second hologram element, the incident polarization direction is parallel to the arrangement direction of the hologram periodic structure, When the film thickness of the hologram element is T 1 as shown in FIG. 20, the diffraction efficiency is 50% and the transmittance is 50%. When the film thickness of the second hologram element is T 2 as shown in FIG. 20, the diffraction efficiency is 100% and the transmittance is 0%. That is, the efficiency of the second diffracted polarized light shown in FIG. 20 is 50%, and the efficiency of the first transmitted straight light is 50%, and the light intensity of the two light beams can be evenly divided. Although not shown here, the third hologram element and the fourth hologram element having the same grating pitch and the same grating inclination are appropriately arranged on the optical axis of the first transmitted straight light, and the film thicknesses of both hologram elements (cell Let T 2 be the gap. In this case, the third and fourth hologram elements have a diffraction efficiency of 100% and a transmission efficiency of 0%, and the intensity and optical path length of the first transmitted straight light can be set through two diffractions.

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。   From the above, when the first hologram element to the fourth hologram element having different film thicknesses (cell gaps) are arranged in multiple stages as a configuration of the light beam dividing element, the light beam can be divided into light beams having the same optical path length. By properly setting the film thickness, the strength can be set evenly.

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。   Next, another embodiment of the light beam splitting element of the present invention will be described.

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。 First, in the configuration in which the hologram elements having the same film thickness (cell gap) as shown in FIG. 18 are arranged in multiple stages as described above, the film thickness (cell gap) T 2 that maximizes the diffraction efficiency is set. Even when the hologram element is used, the light beam is not split when the incident polarization direction is polarized light that is substantially parallel (p-polarized light) to the periodic structure of the hologram element and polarized light that is perpendicular (s-polarized light). For example, as shown in FIG. 21, when the polarization direction parallel to the arrangement direction of the periodic structure is incident, the intensity of the incident light includes substantially no s-polarized component and substantially only the p-polarized component. The transmitted light hardly generates transmitted light related to the s-polarized component, and generates only diffracted light (polarized component 1) related to the p-polarized component.

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。   However, when the same incident light is incident with the polarization direction slightly inclined from the direction parallel to the arrangement direction of the periodic structure as shown in FIG. 22, the intensity of the incident light is separated into the s-polarized component and the p-polarized component. The p-polarized light component is larger than the s-polarized light component, the diffracted light related to the p-polarized light is emitted larger, and a small amount of transmitted light related to the s-polarized light is emitted. Further, as shown in FIGS. 23 and 24, when the polarization direction is inclined at 45 ° (or 135 °) with respect to the arrangement direction of the periodic structure, the incident light intensity is equal to the s-polarization component at an equal ratio. This is equivalent to a mixture of p-polarized components, and this mixed incident light is separated by the beam splitting element, and the two split lights, which are the diffracted light related to the p-polarized component and the transmitted light related to the s-polarized component, are emitted equally. Is done.

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。   As described above, the ratio of the first diffracted polarized light and the first transmitted straight light of the first hologram element depends on the ratio of the light intensity of the s-polarized component and the p-polarized component of the incident light.

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。   Therefore, even when the film thickness (cell gap) of the first hologram element and the second hologram element is substantially the same as shown in FIG. 18, the intensities of the p-polarized component and the s-polarized component of the incident light The incident polarization direction is set so that the ratio is substantially uniform, and as described above, the incident light beam is divided into two light beams, the polarized light by diffraction of the first hologram element and the straight light by transmission, and polarized by diffraction. Light can be polarized by re-diffraction of the second hologram element, and the traveling direction and light intensity of the divided two light beams can be set. In such a configuration, it is necessary to adjust the setting of the incident polarization direction. However, since the device can be manufactured by a production process under a certain condition so as to have the same film thickness, productivity is improved.

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。   As shown in FIGS. 22 and 23, when linearly polarized light having a polarization direction different from the arrangement direction of the periodic structure is incident and the intensities of the p-polarized component and the s-polarized component are appropriately adjusted, the p-polarized component in the first hologram element is The first diffracted polarized light is obtained, and the s-polarized light component is the first transmitted straight light. Next, in the second hologram element, the p-polarized component becomes the second diffracted polarized light, the s-polarized component becomes the second transmitted light, and the light beam is split. Here, the setting of the incident polarization direction is performed using a general retardation plate such as a polarizing plate, a Glan-Thompson prism, a Gran Taylor prism, a Glan laser prism, a Wollaston prism, a half-wave plate, a quarter-wave plate, etc. Can be used. Further, when using polarized light such as LD as the light source, it can be set by selecting the polarization direction of the light source (rotating the light source itself).

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。 Although not illustrated in the same manner as described above, the third hologram element and the fourth hologram element having the same grating pitch and the same grating inclination are appropriately arranged on the optical axis of the first transmitted straight light, and the film thicknesses of both hologram elements (cell gap) and T 2. In this case, the diffraction efficiency of the third and fourth hologram elements is 100%, the transmittance is 0%, and the intensity and optical path length of the first transmitted straight light can be set with two diffractions. However, in the above configuration, since the first transmitted straight light has only the s-polarization direction component, the third and fourth hologram elements diffract the s-polarization component different from the first and second hologram elements, and p It is configured to have polarization selectivity that transmits the polarization component. The first and second hologram elements have polarization selectivity that diffracts the s-polarized component and transmits the p-polarized component, and the third and fourth hologram elements diffract the p-polarized component and s-polarized component. It is good also as a structure of the polarization selectivity which permeate | transmits. The difference in polarization selectivity depends on the refractive index modulation amount (or refractive index difference) of the periodic structure. For example, the polarization component of the polarization structure that is desired to be diffracted is large and the polarization component that is desired to be transmitted. When the refractive index modulation amount of the periodic structure is small, and when the refractive index modulation amount of the periodic structure of the polarization component desired to be diffracted is small, the refractive index modulation amount of the periodic structure of the polarization component desired to be transmitted is large. It is desirable to select the case. Such setting of the refractive index modulation amount for the polarization component can be realized by selecting the refractive index of the material forming the periodic structure.

<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。
<Sixth Embodiment>
Next, a sixth embodiment of the light beam splitter according to the present invention will be described with reference to FIG.

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。   As shown in FIG. 24, in the sixth embodiment, the ridge line directions (directions perpendicular to the arrangement direction of the periodic structure) of the gratings of the first and second hologram elements and the third and fourth hologram elements are substantially orthogonal to each other. Arrange. As described above, the polarization direction of the incident light is inclined by approximately 45 ° from the direction parallel to the arrangement direction of the periodic structure. In such a configuration, the polarization selectivity of the first and second hologram elements and the third and fourth hologram elements do not need to be different from the polarization components to be diffracted as described above, and are all hologram elements having the same structure. realizable.

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。   From the above, first to fourth hologram elements having substantially the same film thickness (cell gap) are arranged in multiple stages as a configuration of the light beam splitting element, and the ratio of the intensity of the p-polarized component and the s-polarized component of the incident light is By setting the incident polarization direction so as to be substantially uniform, it can be divided into light beams having the same optical path length, and by setting the film thickness appropriately, the intensity can be set evenly.

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。   FIG. 25 shows an ideal relationship between the diffraction efficiency of the light beam splitter and the incident polarization direction when the configuration shown in FIG. 18 is adopted. From FIG. 25, when the incident polarization direction is approximately 45 ° or approximately 135 ° (45 ° + 90 °) with respect to the arrangement direction of the periodic structure, the luminous flux is divided with a split intensity balance of approximately 50%. However, there is no problem even if it is used as a general optical element.

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。   Further, when a quarter wave plate (quarter λ plate) is used as a phase difference plate to obtain circularly polarized light or elliptically polarized light, the circularly polarized light has p-polarized component and s-polarized light of incident light as shown in FIG. The intensity of the component is set evenly, and the incident light can be divided equally. Even in elliptically polarized light, the ratio of the intensity of the p-polarized component and the s-polarized component can be set by appropriately setting the azimuth angle. In FIG. 26, the circularly polarized light is rotated to the left (left-handed), but the rotation direction may be either left or right. In this way, when circularly polarized light (elliptical polarized light) is incident, the axis may be set with respect to the polarization direction on the light source side, and setting of the polarization direction to the polarization hologram element becomes unnecessary.

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。   The light beam splitting element of the present invention is divided into a zero-order light beam and a primary light beam by the first periodic structure (first hologram element), and the second periodic structure (second hologram element) is divided into 1 The third periodic structure (third hologram element) diffracts the zeroth order light beam and the fourth periodic structure (fourth hologram element) has the third period described above. The 0th-order light beam diffracted by the structure is diffracted again to form a divided first light beam, which is emitted.

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。   Hereinafter, although the light beam splitting element of this invention is demonstrated concretely by an Example, this invention is restrained by the following Examples and is not limitedly interpreted.

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
FIG. 27 is a diagram showing a cellular body for forming a lattice structure constituting a light beam splitting element formed in a cellular shape. As shown in FIG. 27, an antireflection film for blue light and red light is formed on one surface of a 0.7 mm thick glass substrate 1, and each adhesive is mixed with bead spacers having diameters of about 4 μm and 8 μm, respectively. A sheet of glass substrate was bonded together. The adhesive is applied on the surface opposite to the antireflection film forming surface, as shown in the top view of FIG. 27 (b), at the two edges of the substrate (as shown in FIG. 27 (b)). 2 places). The material for forming a lattice structure having a photopolymer resin, crosslinkable liquid crystal, non-crosslinkable liquid crystal, etc. is composed of a mixture of the following materials 1 to 5 from the direction indicated by the arrow in FIG. The composition was injected into the cell by the capillary method while being heated on a hot plate to form composition layers having thicknesses of about 4 μm and 8 μm. In addition, since this composition showed reactivity (light curing reactivity) to light having a shorter wavelength than green, it was handled in a dark room using red light.
1 nematic liquid crystal (Merck Δε> 0) 25 parts by weight 2 urethane prepolymer (manufactured by Kyoeisha Chemical) 75 parts by weight 3 diacrylate (manufactured by Kyoeisha Chemical) 10 parts by weight 4 methacrylate (manufactured by Kyoeisha Chemical) 5 parts by weight 5 bisacylphos Fin oxide photopolymerization initiator (Ciba Geigy) 1 part by weight

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。   When the above compositions 1 to 5 were injected into the cell, this composition was isotropic at room temperature.

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。   Next, a two-beam interference exposure system was prepared using a He—Cd laser having a wavelength of 442 nm. The two-beam interference exposure apparatus is shown in FIG.

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。   As shown in FIG. 28, this two-beam interference exposure apparatus includes an exposure laser apparatus 101 (light source having coherence), a spatial filter including an objective lens 102 and an aperture 103, a collimator lens 104, and a half mirror. 5 and a two-beam interference exposure apparatus composed of mirrors 106a and 106b, a recording material 107 (cell shown in FIG. 27), and a temperature control stage for heating the recording material 107 shown in 108. Yes. As the exposure laser device 101, a krypton ion laser (oscillation wavelength 407 nm), a helium cadmium laser (oscillation wavelength 442 nm), an argon laser (oscillation wavelength 488 or 514 nm), etc. can be used. I just need it. When a single longitudinal mode oscillation laser is used for the exposure laser device, a coherence length is increased and a diffraction grating with less noise can be manufactured. A spatial filter is not always necessary, but noise may be added to the laser beam by an optical element up to the half mirror 105 and the like, which is useful for improving the beam quality. When the laser beam is bisected by the half mirror 105 and beams are superimposed at a predetermined angle by the mirrors 106a and 106b, interference fringes are generated, and the recording material (sample to be exposed) is disposed at the position where the interference fringes are generated. A diffraction grating corresponding to the interference fringe pitch can be produced. Here, the spatial filter 102 + 103 and the collimating lens 104 are disposed in front of the half mirror 105, but may be disposed after each of the mirrors 106a and 106b. Furthermore, by arranging a converging lens (not shown) after the collimating lens, interference exposure using convergent light becomes possible. When interference exposure using convergent light is used, the convergence position when reproducing can be set.

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。   In this embodiment, the laser light source 101 is divided and enlarged to form parallel light, and interference fringes having a period of about 1 μm are generated corresponding to the interference fringes of two-beam interference. With the cell substrate heated, two-beam interference exposure was performed for about 1 minute to produce a liquid crystal hologram element. At this time, it was set so that the two light beams were incident at an angle of about 7 degrees with respect to one incident optical axis.

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。   Characteristic evaluation of the liquid crystal hologram element obtained by the exposure was performed by irradiating the manufactured element with linearly polarized semiconductor laser light having a wavelength of 650 nm and rotating the + first-order light at an incident angle of 0 ° perpendicular to the substrate. The 0th-order light and the + 1st-order diffracted light intensity with respect to the folding angle and the incident light intensity were measured. A linearly polarizing plate and a half-wave plate (λ / 2 plate) are placed in the incident optical path, and the polarization direction (p-polarized light, s-polarized light) incident on the element is switched by rotating the optical axis of the half-wave plate by 45 degrees. Possible configuration. At this time, the p-polarized light was in a direction orthogonal to the interference fringes during interference exposure, and the s-polarized light was in the same direction as the interference fringes. The characteristics of liquid crystal hologram elements having film thicknesses of 4 μm and 8 μm are shown below.

Figure 0004999485
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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L1-2、L3-4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。 Here, the liquid crystal hologram element 1 is a first hologram element, the liquid crystal hologram element 2 is a second hologram element, the liquid crystal hologram element 3 is a third hologram element, and the liquid crystal hologram 4 is a fourth hologram element. As shown in Fig. 4, a beam splitting element was produced by arranging in multiple stages. The incident polarization direction to the element is p-polarized light, the distance L 1-2 , L 3-4 element between the array elements of the first hologram element and the second hologram element, and the third hologram element and the fourth hologram element. The minimum distance at which no interference occurs is about 20 mm. When the light use efficiency of the divided first light beam and the divided second light beam with respect to the incident light of this light beam splitting element was measured, the light use efficiency of the divided first light beam: the divided second light beam was 40.2%: 42.9%. There was a good division. Further, when the light receiving distance AB of the divided light beam was measured at 100 mm and 200 mm, the divided light beam was positioned almost symmetrically with respect to the incident optical axis at both measurement positions, and the distance A′-B ′ between the divided light beams was It was 34 mm. That is, in the light beam splitting element configured as shown in FIG. 2, a split light beam that is parallel to the optical axis of the incident light beam and has the same intensity and optical path length can be generated.

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。   The same liquid crystal hologram elements 1 to 4 as in the first embodiment are used, and the liquid crystal hologram elements 1 to 4 are arranged in multiple stages as shown in FIG. Was made.

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L1-2、L3-4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。 The incident polarization direction to the element is p-polarized light, and the distances L 1-2 and L 3-4 between the array elements of the first hologram element and the second hologram element, and the third hologram element and the fourth hologram element are: The minimum distance at which the element does not interfere was set to about 10 mm. When the light use efficiency of the divided first light beam and the divided second light beam of the light beam splitting element was measured, the light use efficiency of the divided first light beam: the divided second light beam was 40.4%: 42.7%. There was a good division. Further, when the light receiving distance AB of the split light flux was measured at 100 mm and 200 mm, the split light flux was located almost symmetrically with respect to the incident optical axis at both measurement positions, and the split light flux interval A′-B. 'Was 17 mm. That is, in the light beam splitting element having the configuration shown in FIG. 7, it is possible to generate a split light beam that is parallel to the optical axis of the incident light beam and has the same intensity and optical path length. Furthermore, the minimum distance at which the elements do not interfere with each other can be set to about half that of Example 1.

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。   The liquid crystal hologram elements 1 to 4 similar to those of the first embodiment are used, and the liquid crystal hologram elements 1 to 4 are respectively configured as a first hologram element to a fourth hologram element in a multistage arrangement shown in FIG. An element was produced.

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L1-2、L3-4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。 The incident polarization direction to the element is p-polarized light, and the distances L 1-2 and L 3-4 between the array elements of the first hologram element and the second hologram element, and the third hologram element and the fourth hologram element are: The minimum distance at which the element does not interfere was set to about 8 mm. When the light use efficiency of the divided first light beam and the divided second light beam of the light beam splitting element was measured, the light use efficiency of the divided first light beam: the divided second light beam was 41.1%: 42.1%. And could be divided well. Further, when the light receiving distance AB of the split light flux was measured at 100 mm and 200 mm, the split light flux was positioned almost symmetrically with respect to the incident optical axis at both measurement positions, and the split light flux spacing A′-B ′. Was 14 mm. That is, in the light beam splitting element configured as shown in FIG. 9, a split light beam that is parallel to the optical axis of the incident light beam and has the same intensity and optical path length can be generated. Further, the minimum distance at which the element does not interfere can be set smaller than those in Examples 1 and 2, and the light beam splitting element can be thinned.

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。   A liquid crystal hologram element 1 ′ was produced in the same manner as in Example 1.

Figure 0004999485
Figure 0004999485

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。   Using the liquid crystal hologram element 1 ′ and the liquid crystal hologram elements 2 to 4, the liquid crystal hologram element 1 ′ is the first hologram element, the liquid crystal hologram element 2 is the second hologram element, and the liquid crystal hologram element 3 is the third hologram element. Then, the liquid crystal hologram 4 was used as a fourth hologram element, and a multi-stage arrangement shown in FIG.

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。   Here, the first and second hologram elements are set to have the same grating ridge line direction, and the third and fourth hologram elements have the same grating ridge line direction. The lattice ridge line directions of the third and fourth hologram elements were arranged so as to be substantially orthogonal. The incident polarization direction to the element was set to the y direction (in all elements, a direction inclined by 45 ° or 135 ° from the lattice ridge line direction), and the p polarization component and the s polarization component were set to be substantially equal.

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。   The position of the second hologram element is set to 20 mm in the x direction and −17 mm in the y direction with respect to the optical axis, and the position of the fourth hologram element is 20 mm in the x direction and 17 mm in the y direction with respect to the optical axis. The distance between the array elements of the first hologram element and the second hologram element, and the third hologram element and the fourth hologram element was set such that the hologram elements did not interfere with each other, and was about 20 mm. When the light use efficiency of the divided first light beam and the divided second light beam of the light beam splitting element was measured, the light use efficiency of the divided first light beam: the divided second light beam was 41.8%: 41.5%. It was possible to divide well. Further, when the light receiving distance of the split light flux was measured at 100 mm and 200 mm, the split light flux was located almost symmetrically in the y direction with respect to the position where the incident optical axis was shifted by 20 mm in the x direction at both measurement positions. The spacing was 34 mm. That is, in the light beam splitting element configured as shown in FIG. 24, a split light beam that is parallel to the optical axis of the incident light beam and has the same intensity and optical path length can be generated. Furthermore, since all can be realized using elements having the same film thickness, productivity is improved.

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。   In a light beam splitting element similar to that in Example 4, the incident polarization direction to the element was made circularly polarized using a λ / 4 plate, and the optical axis and light utilization efficiency characteristics of the split light beam were almost the same as in Example 4. It was. That is, it was possible to split the light beam only by installing the λ / 4 plate without adjusting the polarization direction of the incident light beam.

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。   As described above, the light beam splitting element of the present invention splits the incident light into the 0th order diffracted light beam and the 1st order diffracted light beam.

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。   Specifically, the first to fifth embodiments are shown as examples divided in the horizontal direction (H direction) in the drawings, and the sixth embodiment is shown as an example divided in the vertical direction (V direction). Although described, these directions may of course be divided in any arbitrary direction, and are merely prescriptions for explanation. However, in the present invention, the first to fourth periodic structure elements (first hologram element to fourth hologram element) are mounted in place of these directions H, V, or H → V, V → H, and are spatially mounted. It is also possible to divide in the direction specified in the above, and the present invention includes these inventions.

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。   By combining a plurality of the light beam splitting elements of the present invention, it can be used as a light beam splitting element having various intensity distributions or as a light beam splitting element group for splitting the same intensity into two or more light beams. In addition, since these divisions can be appropriately combined in the vertical direction and the horizontal direction, the light beam dividing element (light beam dividing element group) of the present invention can be used as an equal light beam dividing element into a space. For example, the incident light beam is split into equal intensities in the vertical and horizontal directions (1 / n: n is a positive integer greater than or equal to 2), the polarization direction of each split light beam is set to a specific direction, or is made entirely random Etc., and can be freely adjusted. For example, the outgoing light shown in FIG. 24 is used as an incident light beam, the divided first light beam is divided into two in the horizontal direction (H), and the divided second light beam is divided into two in the vertical direction (V) to obtain respective p-waves. And the intensity of the s-wave component are substantially the same, and the applicability of the light beam splitting element (group) is also excellent.

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。   Such a light beam splitting element of the present invention is used in a field in which a light beam is split and used, a scanning device, a field in which the number of light source elements such as a light source of an image forming apparatus is limited, a video field or an optical computer element. It can be widely used in the field of using.

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。It is a figure which shows the structure outline of 1st Embodiment of the light beam splitting element of this invention, (a) is a top view, (b) is a perspective view. 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。1 is a layout diagram illustrating a schematic configuration of a first embodiment of a light beam splitter according to the present invention. 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。It is a figure which shows the cross-section structure model of the hologram element used for this invention. 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。It is a figure which shows the structure outline of 2nd Embodiment of the light beam splitting element of this invention, (a) is a top view, (b) is a perspective view. 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。It is a figure which shows the structure outline of 3rd Embodiment of the light beam splitting element of this invention, (a) is a top view, (b) is a perspective view. 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。It is a figure which shows the structure outline of 4th Embodiment of the light beam splitting element of this invention, (a) is a top view, (b) is a perspective view. 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。It is an arrangement figure showing the composition outline of a 4th embodiment of the light beam splitting element of the present invention. 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。It is a figure which shows the structure outline of 5th Embodiment of the light beam splitting element of this invention, (a) is a top view, (b) is a perspective view. 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。It is an arrangement drawing showing the outline of composition of a 5th embodiment of a light beam splitting element of the present invention. 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。It is an example of a hologram element used for a light beam splitting element, and is an example of an element having a periodic structure composed of isotropic regions having different refractive indexes. 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。It is an example of a hologram element used for a light beam splitting element, and is an example of an element having a periodic structure composed of regions exhibiting different optical anisotropies. 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。It is an example of a hologram element used for a light beam splitting element, and is an example of an element having a periodic structure including a region showing optical anisotropy and a region showing optical isotropy. 干渉露光前のHPDLCについての断面構成を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional structure about HPDLC before interference exposure. 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。It is a figure which shows typically the formation process of the hologram element by phase separation. 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。It is a figure which shows the structure outline of the cross section of a HPDLC (polarization hologram) element. 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。FIG. 16 is a diagram for explaining a functional operation of the hologram element shown in FIG. 15. 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。It is a figure which shows the relationship between the diffraction efficiency of a volume type refractive index modulation hologram element, the transmittance | permeability, and a film thickness. The vertical axis represents efficiency (%), and the horizontal axis represents film thickness. 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。It is explanatory drawing at the time of making the incident polarization direction of a multi-stage arrangement | sequence parallel to the arrangement direction of a hologram periodic structure by using the polarization hologram element which has the same film thickness (cell gap) as a 1st hologram element and a 2nd hologram element. . 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。When polarization hologram elements having the same film thickness (cell gap) are arranged in multiple stages as a first hologram element and a second hologram element, both components in which the incident polarization direction is perpendicular to the arrangement direction of the hologram periodic structure are orthogonal to each other. It is explanatory drawing in the case of including. 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。Explanatory drawing when the incident polarization direction when the first hologram elements and the second hologram elements having different film thicknesses (cell gaps) are arranged in multiple stages includes both components that are orthogonal to and parallel to the arrangement direction of the hologram periodic structure It is. 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。It is explanatory drawing when the polarization direction parallel to the arrangement direction of a periodic structure of the structure which arranged the hologram element which has the same film thickness (cell gap) in multistage is incident. 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。It is explanatory drawing in the case of making it incline a little with a polarization direction from the direction parallel to the arrangement direction of a periodic structure. 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。It is explanatory drawing in the case where it injects with the polarization direction inclined 45 degrees (or 135 degrees) on the basis of the arrangement direction of a periodic structure. 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。It is an example which shows the outline of composition of a 6th embodiment of the present invention, and is an explanatory view in case a polarization hologram element is arranged in multiple stages, and it injects with a polarization direction inclined 45 degrees (or 135 degrees). 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。It is a figure which shows the ideal relationship between the diffraction efficiency of a light beam splitting element at the time of employ | adopting the structure shown in FIG. 18, and an incident polarization direction. 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。It is explanatory drawing at the time of arranging a polarization hologram element in multiple stages and making circularly polarized light (left-handed rotation) enter. 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。It is a figure which shows the cellular body for forming the lattice-like structure which comprises the light beam splitting element formed in the cell form, (a) is the sectional view on the AA 'line shown to the cell top view of (b). (B) is a top view of a cellular body. 二光束干渉露光装置概略構成を示す図である。It is a figure which shows a two-beam interference exposure apparatus schematic structure.

符号の説明Explanation of symbols

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
01 incident light beam 1 substrate 1 ′ antireflection film 2 sealant 11 first periodic structure element (first hologram element)
12 Second periodic structure element (second hologram element)
13 Third periodic structure element (third hologram element)
14 Fourth periodic structure element (fourth hologram element)
21 First-order diffracted light beam (first diffracted polarized light)
22 Split second light beam (second diffracted polarized light)
23 Diffracted light of the 0th order diffracted light beam (third diffracted polarized light)
24 split first light beam (fourth diffracted polarized light)
31 0th order diffracted light beam (first transmitted straight light)
40 Optical axis of incident light beam 51 First refractive index medium 52 Second refractive index medium 101 Laser apparatus for exposure (light source having coherence)
102 Objective lens 103 Aperture 104 Collimating lens 105 Half mirror 106a, 106b Mirror 107 Recording material (recording material cell)
108 Temperature control stage

Claims (18)

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。
A light beam splitting element comprising a periodic structure element having a periodic structure in which two layers having different refractive indexes of at least one of an optically isotropic region or an optically anisotropic region are repeated,
The beam splitting element is
A first periodic structure element that divides an incident light beam into a transmitted light beam of zero-order light and a diffracted light beam of primary light;
A second periodic structure element that diffracts the diffracted light beam again to form a second divided light beam;
A third periodic structure element that diffracts the transmitted light beam;
A fourth periodic structure that diffracts the light beam from the third periodic structure element into a first light beam;
The optical axis of the split light is adjusted by transmission and diffraction of the first to fourth periodic structure elements,
In the adjustment, each split light of the emitted light is emitted substantially in parallel,
In the light beam splitting element, the adjustment is performed such that the optical path difference lengths of the split lights of the outgoing light are substantially the same .
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。 According to claim 1, beam splitting device and each pitch p of the periodic structure of the first to fourth periodic structure elements and the grating inclination φ is characterized substantially the same der Rukoto. 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。 According to claim 1 or 2, the gap between the first to fourth periodic structure elements periodic substrate film is a thickness of the structure of the light-flux splitter to the same or different, wherein Rukoto. 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。
4. The first to fourth periodic structure elements according to claim 1, wherein the first to fourth periodic structure elements have a periodic structure, and the inter-substrate gap, which is the film thickness of the elements, is substantially constant. The periodic structure is formed in a direction substantially orthogonal to the periodic structure element in which the transmitted light divided into two light beams by diffraction and transmission is diffracted,
Polarized light in a direction substantially parallel to the arrangement direction of the periodic structure is p-polarized light,
When polarized light in a direction substantially perpendicular to the arrangement direction of the periodic structure is s-polarized light,
The light beam splitting element, wherein the light beam incident on the periodic structure element is split into a p-polarized component and an s-polarized component and emitted with substantially equal intensity .
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。 In claim 4, the light-flux splitter polarization of the light beam the incident, wherein the linear polarization der Rukoto. 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。 6. The polarization direction of the incident light beam according to claim 5, with reference to the arrangement direction of the periodic structure of the periodic structure element as a reference, approximately + 45 ° or substantially about the arrangement direction of the periodic structure of the periodic structure element. beam splitting element characterized that you have facing -45 °. 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。 In claim 4, the light-flux splitter polarization of the light beam the incident and said circular or elliptical polarization der Rukoto. 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。 The pitch p and the lattice inclination φ of the first and second periodic structure elements or the third and fourth periodic structure elements are substantially the same and the lattice inclination φ is arranged in the same direction, The light beam splitting element according to any one of claims 1 to 7, wherein a lattice inclination φ between the periodic structure element and the third periodic structure element is arranged in the opposite direction or the same direction . 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。 Each pitch p and each grating inclination φ of the first and second periodic structure elements or the third and fourth periodic structure elements are substantially the same, and the first and second periodic structure elements, The light beam splitting element according to any one of claims 1 to 8, wherein the third and fourth periodic structure elements are arranged substantially in parallel . 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。 The periodic structure of the periodic structure element according to any one of claims 1 to 9, wherein a composition composed of a non-polymerizable liquid crystal and a polymerizable monomer or a prepolymer is held between a pair of transparent substrates. A polymer-dispersed liquid crystal hologram element in which a periodic phase separation structure of a layer mainly composed of a polymer and a layer mainly composed of a non-polymerizable liquid crystal is formed by multi-beam interference exposure with a composition having two or more beams. A light beam splitting element. 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。 10. The method according to claim 1, wherein at least one region of the periodic structure of the periodic structure element is a region exhibiting optical anisotropy, and the region is made of a material having birefringence. Characteristic light beam splitting element. 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。 The light beam splitting element according to claim 1, wherein the region showing the optical anisotropy of the periodic structure element includes a non-polymerizable liquid crystal or a polymerizable liquid crystal . 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。 13. The light beam splitting element according to claim 1, wherein a region exhibiting optical isotropy having a different refractive index of the periodic structure element is obtained from a photosensitive polymer . 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。 In Claim 8, lattice inclination (phi ) of said 1st periodic structure element and said 3rd periodic structure element is reverse direction, and at least any one of said 2nd periodic structure element and said 3rd periodic structure element beam splitting element but characterized by Rukoto disposed in the next stage of the first periodic structure elements. 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。 According to claim 14, wherein the second periodic structure elements and said third periodic structure element which is arranged in parallel to the next stage of the first periodic structure element beam splitting element characterized Rukoto. 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。 16. The light beam splitting element according to claim 1, wherein the split first light beam and the split second light beam are split in a vertical direction or a horizontal direction . 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。
A method of splitting one light beam using the light beam splitting element according to claim 1 ,
The light beam splitting method, wherein the outgoing light beam split by the method is substantially parallel to the incident light beam.
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。
A method of splitting one light beam using the light beam splitting element according to claim 1 ,
Beam splitting method the divided emitted split light, characterized in Rukoto to have a substantially same light intensity.
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