JP6179173B2 - ホログラフィック光学素子の製造方法並びに当該製造方法によって製造されたホログラフィック光学素子を備えるホログラフィック光コンバイナ - Google Patents

Description

本発明は、干渉縞が形成されたホログラフィック光学素子の製造方法に係り、とりわけ、干渉縞における回折によって生成された再生光がホログラフィック光学素子の内部で全反射されるよう構成されたホログラフィック光学素子の製造方法に関する。また本発明は、当該製造方法によって製造されたホログラフィック光学素子を備えるホログラフィック光コンバイナに関する。

近年、外界からの映像を含む外界光と、変調器などを用いて人工的に生成された映像などの情報を含む情報光とを合成する光コンバイナを備えたディスプレイ装置が注目されている。例えば特許文献１には、ハーフミラーを利用して外界光と情報光とを合成する、眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ装置が提案されている。また特許文献２には、フロントガラスの内面においてｓ偏光となる光を用いて構成された情報光を、フロントガラスの内面で反射させることによって、フロントガラスを透過した外界光と情報光とを合成する、ヘッドアップディスプレイ装置が提案されている。

特開平１１−３４６３３６号公報 特開平２−１４１７２０号公報

光コンバイナを備えたディスプレイ装置の応用分野を広げるためには、光コンバイナが可能な限り高い効率で外界光と情報光とを合成することが求められている。しかしながら、特許文献１において提案されているように、光コンバイナとしてハーフミラーが利用される場合、観察者に到達する外界光の光量が光コンバイナにおいて大きく低減されてしまう。また、特許文献２において提案されているように、情報光をｓ偏光で構成する場合、フロントガラスの内面における情報光の反射率は２０％程度である。すなわち、情報光の光量が光コンバイナによって大きく低減されてしまう。

ところで、上述したタイプの光コンバイナ以外にも、反射型ホログラムを用いるタイプの光コンバイナが知られている。反射型ホログラムは、高い波長選択性と、対象となる波長以外の波長からなる光に対する高い透過性とを備えている。このため、反射型ホログラムを利用してディスプレイ装置を構成することにより、外界光に対する高い透過率と、情報光に対する高い反射率とを両立させることができる。

一方、反射型ホログラムを用いて外界光と情報光とを合成する場合、通常は、反射型ホログラムに入射する再生照明光を生成する光源が、外界光および情報光の合成光を視認する観察者と同一の側で観察者の近傍に配置される。このため、上述のような眼鏡型のヘッドマウントディスプレイ装置を作製する場合、着用者の眼の近傍に光源や変調器が配置されることになり、ディスプレイ装置の利便性や意匠性の観点からは好ましくない。

このような課題を解決するため、反射型ホログラムによって回折された情報光を、反射型ホログラム素子や光コンバイナの内部で全反射によって伝導させ、これによって、光源や変調器の位置を着用者から遠ざけることが考えられる。しかしながら、反射型ホログラム素子によって回折された情報光が反射型ホログラム素子や光コンバイナの内部で全反射するということは、再生光と同一波長の物体光および参照光を用いて感光材に反射型ホログラムを記録する工程のとき、感光材に対する物体光および参照光の入射角が、感光材の界面において物体光および参照光が全反射するような角度になっていることを意味する。このため、感光材を含む積層体に対いて物体光および参照光を大気から直接的に入射させることはできない。従って従来は、積層体の表面に取り付けられたプリズムブロック等を介して物体光または参照光を感光材に入射させることによって、所望の入射角が実現されてきた。しかしながら、干渉縞を記録する度にプリズムブロックの着脱を実施しなければならないため、高い効率で反射型ホログラムを生産することが困難であった。

本発明は、このような点を考慮してなされたものであり、高い効率でホログラフィック光学素子を製造することができる方法を提供することを目的とする。

本発明は、ｎの屈折率を有する媒質を通って入射する波長λ１の第１再生照明光を回折するホログラフィック光学素子の製造方法であって、前記ホログラフィック光学素子は、前記第１再生照明光が入射する側から順に積層された第１基材およびホログラム層を備え、前記ホログラム層は、ｎ０の屈折率を有する感光材と、前記感光材に間隔ｄで形成された干渉縞であって、前記ホログラフィック光学素子の法線方向に対して角度φを成す方向に延びる干渉縞と、を含み、前記干渉縞の前記角度φは、前記ホログラフィック光学素子の法線方向に沿って前記ホログラフィック光学素子の前記第１基材に入射した前記第１再生照明光が前記ホログラム層の前記干渉縞によって回折されることによって生成される第１再生光の、前記ホログラム層における進行方向と、前記ホログラフィック光学素子の法線方向との間の角度φ１が、以下の関係式
ｓｉｎ（φ１）≧ｎ／ｎ０
を満たすよう、設定されており、前記ホログラフィック光学素子の製造方法は、前記第１基材と、前記第１基材上に設けられた前記感光材と、を含む積層体を準備する工程と、前記波長λ１よりも長波長の波長λ２の物体光および参照光を前記積層体に入射させて、前記感光材に前記干渉縞を形成する記録工程と、を備え、前記物体光および前記参照光のうちの一方は、前記第１基材側から前記積層体に入射し、前記物体光および前記参照光のうちの他方は、前記第１基材の反対側から前記積層体に入射し、前記物体光および前記参照光のうち前記第１基材側から前記積層体に入射して前記感光材に到達した光の進行方向と、前記ホログラフィック光学素子の法線方向との間の角度φ３が、以下の関係式
ｓｉｎ（φ３）＜ｎ／ｎ０
を満たしている、ホログラフィック光学素子の製造方法である。

本発明によるホログラフィック光学素子の製造方法において、前記ホログラフィック光学素子は、前記第１基材との間で前記ホログラム層を挟持するよう設けられた第２基材をさらに備えていてもよい。この場合、前記記録工程において、前記物体光および前記参照光のうち前記第２基材側から前記積層体に入射して前記感光材に到達した光の進行方向と、前記ホログラフィック光学素子の法線方向との間の角度φ４が、以下の関係式
ｓｉｎ（φ４）＜ｎ／ｎ０
を満たしていてもよい。

本発明によるホログラフィック光学素子の製造方法において、前記物体光および前記参照光として、前記積層体と媒質との界面においてｐ偏光となる光が用いられてもよい。

本発明によるホログラフィック光学素子の製造方法において、前記物体光および前記参照光のうち前記積層体の前記第１基材に入射する光の入射角は、前記第１基材と前記媒質との界面における反射率が１％以下となるよう設定されていてもよい。

本発明は、上記記載の製造方法によって製造されたホログラフィック光学素子と、前記ホログラフィック光学素子に取り付けられた光伝導媒体であって、前記干渉縞によって回折され、前記第１基材と前記媒質との界面において全反射した後に光伝導媒体に入射した前記第１再生照明光を伝導させる光伝導媒体と、前記光伝導媒体に取り付けられた光合成部であって、前記光伝導媒体から前記光合成部に入射した前記第１再生照明光をその他の光と合成する光合成部と、を備える、ホログラフィック光コンバイナである。

本発明によるホログラフィック光コンバイナにおいて、前記光合成部が、上記記載の製造方法によって製造されたホログラフィック光学素子を含んでいてもよい。

本発明によれば、干渉縞における回折によって生成された再生光がホログラフィック光学素子の内部で全反射されるよう構成されたホログラフィック光学素子を、高い効率で製造することができる。

図１は、本発明の実施の形態によるホログラフィック光学素子において、第１再生照明光が干渉縞によって回折されることによって生成される第１再生光が全反射される様子を示す図。 図２は、図１のホログラフィック光学素子の干渉縞を記録する方法を示す図。 図３Ａは、図１のホログラフィック光学素子を備えたホログラフィック光コンバイナを示す図。 図３Ｂは、ホログラフィック光コンバイナの変形例を示す図。 図４は、比較の形態において、ホログラフィック光学素子の干渉縞を記録する方法を示す図。

以下、図１乃至図３Ａを参照して、本発明の一実施の形態について説明する。なお、本件明細書に添付する図面においては、図示と理解のしやすさの便宜上、適宜縮尺および縦横の寸法比等を、実物のそれらから変更し誇張してある。

ホログラフィック光学素子
まず図１により、本実施の形態によるホログラフィック光学素子１０について説明する。ここでは、ホログラフィック光学素子１０に含まれる後述するホログラム層が、反射型体積ホログラムとして構成されている例について説明する。なお以下の説明において、ホログラフィック光学素子１０のことを単に光学素子１０と称することもある。

図１には、ｎの屈折率を有する媒質を通って光学素子１０に入射する波長λ１の第１再生照明光Ｌ１１が、ブラッグの回折条件に基づいて回折される様子が示されている。媒質は例えば大気であり、この場合、屈折率ｎは約１である。第１再生照明光Ｌ１１を生成する光源としては、狭波長帯域の光を発生させるＬＥＤ光源やレーザ光源等が用いられ得る。

図１に示すように、光学素子１０は、第１再生照明光Ｌ１１が入射する側から順に積層された第１基材２０およびホログラム層３０を備えている。また光学素子１０は、第１基材２０との間でホログラム層３０を挟持するよう設けられた第２基材４０をさらに備えていてもよい。図１において、光学素子１０の表面のうち第１再生照明光Ｌ１１が入射する側の表面が符号１１で表されており、符号１１で表される表面の反対側にある表面が符号１２で表されている。以下の説明において、符号１１で表される表面を第１表面１１と称し、符号１２で表される表面を第２表面１２と称することもある。また図１および後述する図２，４においては、光学素子１０の法線ｎｄが点線で表されている。

なお図１に示す例においては、第１表面１１、第１基材２０とホログラム層３０との界面、ホログラム層３０と第２基材４０との界面および第２表面１２がいずれも平行になっているが、これに限られることはない。第１表面１１および第１基材２０とホログラム層３０との界面が平行である限りにおいて、様々な層構成の光学素子１０が考えられる。

第１基材２０および第２基材４０はそれぞれ、ｎ１およびｎ２の屈折率を有する透明材料から構成されている。またホログラム層３０は、ｎ０の屈折率を有する感光材と、感光材に間隔ｄで形成された干渉縞３５と、を含んでいる。屈折率ｎ０、屈折率ｎ１および屈折率ｎ２は、３つ全てが同一であってもよく、３つのうち２つが同一であってもよく、若しくは全てが異なっていてもよい。なお図１および後述する図２においては、第１基材２０とホログラム層３０との界面における光の屈折、およびホログラム層３０と第２基材４０との界面における光の屈折の描写を省略している。

以下、干渉縞３５について説明する。図１に示すように、干渉縞３５は、光学素子１０の法線方向に対して角度φを成す方向に延びるよう構成されている。ここで角度φ、すなわち干渉縞３５が延びる方向は、光学素子１０の法線方向に沿って第１基材２０に入射してホログラム層３０の干渉縞３５に到達した第１再生照明光Ｌ１１がブラッグの回折条件を満たすよう、設定されている。具体的には、第１再生照明光Ｌ１１および第１再生光Ｌ１２と干渉縞３５とが成す角を符号δ１で表す場合に、以下の関係式が満たされるよう、角度δ１が設定されている。
（２ｄ）×ｓｉｎ（δ１）＝ｋ×λ１…（式１）
ここでｋは任意の整数である。なお本実施の形態において、干渉縞３５に到達する第１再生照明光Ｌ１１の進行方向は予め定められており、例えば上述のように光学素子１０の法線方向に平行な方向となっている。従って、角度φが定まれば角度δ１を算出することができる。具体的には、本実施の形態において、角度δ１は角度φに等しい。このように、角度φと角度δ１とは一対一の関係にある。このため、上記の式１を満たすように角度δ１を設定することは、上記の式１を満たすように角度φを設定することと同義である。
上記の式１を満たすよう角度φが設定されている場合、第１再生照明光Ｌ１１は、干渉縞３５によって高い回折効率で回折され、これによって第１再生光Ｌ１２が生成される。生成された第１再生光Ｌ１２は、第１基材２０に向かって進むようになる。

次に、干渉縞３５の角度φに対して課される更なる条件について説明する。本実施の形態において、光学素子１０は、干渉縞３５における回折によって生成された第１再生光Ｌ１２が、光学素子１０の内部で全反射されるよう構成されている。具体的には、干渉縞３５によって回折された第１再生光Ｌ１２が第１基材２０と大気との界面に到達するときの入射角θ１が全反射条件を満たすよう、設定される。より具体的には、入射角θ１は、以下の関係式が満たされるよう設定されている。
ｓｉｎ（θ１）≧ｎ／ｎ１…（式２）
なお図１に示すように、干渉縞３５に到達するときに第１再生照明光Ｌ１１と干渉縞とが成す角、および、干渉縞３５による回折によって生成された第１再生光Ｌ１２と干渉縞とが成す角は、いずれも上述の角度δ１である。また本実施の形態において、干渉縞３５に到達する第１再生照明光Ｌ１１の進行方向は予め定められており、例えば上述のように光学素子１０の法線方向に平行な方向となっている。従って、角度φが定まれば、角度φと、第１基材の屈折率ｎ１およびホログラム層３０の感光材の屈折率ｎ０とに基づいて、入射角θ１を算出することができる。すなわち、角度φと入射角θ１とは一対一の関係にある。このため、上記の式２を満たすように入射角θ１を設定することは、上記の式２を満たすように角度φを設定することと同義である。
上記の式２を満たすよう角度φが設定されている場合、図１に示すように、光学素子１０の第１表面１１において第１再生光Ｌ１２が全反射される。また図示はしないが、第１表面１１において全反射された後に第２基材４０に入射した第１再生光Ｌ１２は、第２表面１２においても同様に全反射される。本実施の形態によれば、このように第１再生光Ｌ１２が光学素子１０の内部で全反射を繰り返すことにより、光学素子１０の内部で第１再生光Ｌ１２を低損失で伝導させることができる。すなわち、光学素子１０は、反射型ホログラムとして機能するだけでなく、光学素子１０が延びる方向に沿って第１再生光Ｌ１２を伝導させる光伝導体としても機能することができる。このため、第１再生照明光Ｌ１１の光源から離れた任意の箇所において第１再生光Ｌ１２を光学素子１０から取り出すことが可能になる。このことにより、光学素子１０の利便性を高め、光学素子１０の応用分野を広げることができる。

なお、第１基材２０とホログラム層３０との界面における第１再生光Ｌ１２の屈折がスネルの法則に従うことを考慮すると、上記の式１は、以下のように表すこともできる。
ｓｉｎ（φ１）≧ｎ／ｎ０…（式３）
ここでφ１は、干渉縞３５における回折によって生成された第１再生光Ｌ１２のホログラム層３０における進行方向と、光学素子１０の法線方向との間の角度を表している。

また上述のように、第１再生照明光Ｌ１１は、光学素子１０の法線方向に沿って干渉縞３５に入射する。この場合、角度φ１と角度φとの間には以下の関係式が成立している。
φ１＝１８０−２×φ…（式４）
従って、上記の式３は、以下のように表すこともできる。
ｓｉｎ（１８０−２×φ）≧ｎ／ｎ０…（式５）

本実施の形態によれば、上記の式１および式５を満たす干渉縞３５を形成することにより、反射型ホログラムとして機能するだけでなく、光伝導体としても機能する光学素子１０を得ることができる。

なお、図１に示すように第２基材４０が設けられており、かつ、第２基材４０によって構成される光学素子１０の第２表面１２が第１表面１１に平行である場合、光学素子１０の法線方向に沿って第２表面１２から光学素子１０に入射した波長λ１の第２再生照明光Ｌ２１を干渉縞３５によって回折することにより得られる第２再生光Ｌ２２についても、大気と第２基材４０との間における全反射条件が満たされることになる。すなわち光学素子１０は、光学素子１０の法線方向に沿って第２表面１２から入射した光に対しても、光伝導体として機能することができるようになる。

以下、このような光学素子１０を製造する方法について説明する。ここでは、物体光および参照光を用いた干渉露光法によって感光材に干渉縞３５を記録する方法について、図２を参照して説明する。

ホログラフィック光学素子の製造方法
はじめに、第１基材２０と、第１基材２０上に設けられた感光材と、第１基材２０との間で感光材を挟持する第２基材４０と、を含む積層体を準備する。また、感光材に干渉縞３５を形成するための物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１を、積層体に入射させる。ここでは、物体光Ｌ３１が、第１基材２０によって構成される第１表面１１に入射角θ５で入射し、参照光Ｌ４１が、第２基材４０によって構成される第２表面１２に入射角θ６で入射する。

物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１は、いずれも波長λ２を有する光となっている。また物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１は、干渉性を有するよう構成されており、例えば、同一光源から放射された光を分岐させることによって構成されている。このため、積層体に入射した物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１は、感光材において干渉する。これによって、干渉縞３５が記録された感光材を含むホログラム層３０を第１基材２０と第２基材４０との間に生成することができる。

以下、物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１の入射角並びに波長λ２に関する条件について説明する。

はじめに、第１基材２０に対する物体光Ｌ３１の入射角θ５に関する条件について説明する。本実施の形態において、第１基材２０に対する物体光Ｌ３１の入射角θ５は、第１基材２０と感光材との界面に平行な第１表面１１において物体光Ｌ３１がスネルの法則に従って屈折して第１基材２０に入射することができるよう、設定されている。具体的には、第１基材２０に入射した物体光Ｌ３１の進行方向と、光学素子１０の法線方向との間の角度θ３が、第１表面１１における全反射条件を満たさないよう、入射角θ５が設定されている。より具体的には、角度θ５は、以下の関係式が満たされるよう設定されている。
ｎ×ｓｉｎ（θ５）＝ｎ１×ｓｉｎ（θ３）…（式６）
ｓｉｎ（θ３）＜ｎ／ｎ１…（式７）

なお、第１基材２０と感光材との界面における物体光Ｌ３１の屈折がスネルの法則に従うことを考慮すると、上記の式７は、以下のように表すこともできる。
ｓｉｎ（φ３）＜ｎ／ｎ０…（式８）
ここでφ３は、第１基材２０から感光材に入射した物体光Ｌ３１の感光材における進行方向と、光学素子１０の法線方向との間の角度を表している。式８を満たすことができるよう、光学素子１０の第１表面１１に対する物体光Ｌ３１の入射角を設定することにより、プリズムブロックなどの治具を用いることなく、簡易な設備で干渉縞３５を記録することができるようになる。

次に、第２基材４０に対する参照光Ｌ４１の入射角θ６に関する条件について説明する。第２基材４０に対する参照光Ｌ４１の入射角θ６は、物体光Ｌ３１の入射角θ５の場合と同様に、第２基材４０と感光材との界面に平行な第２表面１２において参照光Ｌ４１がスネルの法則に従って屈折して第２基材４０に入射することができるよう、設定されていてもよい。具体的には、第２基材４０に入射した参照光Ｌ４１の進行方向と、光学素子１０の法線方向との間の角度θ４が、第２表面１２における全反射条件を満たさないよう、入射角θ６が設定されている。より具体的には、角度θ６は、以下の関係式が満たされるよう設定されていてもよい。
ｎ×ｓｉｎ（θ６）＝ｎ２×ｓｉｎ（θ４）…（式９）
ｓｉｎ（θ４）＜ｎ／ｎ２…（式１０）

なお、第２基材４０と感光材との界面における参照光Ｌ４１の屈折がスネルの法則に従うことを考慮すると、上記の式１０は、以下のように表すこともできる。
ｓｉｎ（φ４）＜ｎ／ｎ０…（式１１）
ここでφ４は、第２基材４０から感光材に入射した参照光Ｌ４１の感光材における進行方向と、光学素子１０の法線方向との間の角度を表している。式１１を満たすことができるよう、光学素子１０の第２表面１２に対する参照光Ｌ４１の入射角を設定することにより、プリズムブロックなどの治具を用いることなく、簡易な設備で干渉縞３５を記録することができるようになる。

感光材に入射角φ３で入射した物体光Ｌ３１と、感光材に入射角φ４で入射した参照光Ｌ４１とが干渉することにより、感光材の感光材に干渉縞３５が形成される。以下、感光材に対する物体光Ｌ３１の入射角φ３および参照光Ｌ４１の入射角φ４、並びに物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１の波長λ２に関する条件について説明する。

物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１の干渉露光を用いて干渉縞３５を形成する場合、形成される干渉縞３５の延びる方向は、物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１の進行方向の垂直二等分線の方向に一致する。ここで、物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１と干渉縞３５とが成す角をδ２とすると、角度δ２、波長λ２および干渉縞３５の間隔ｄの間には、以下の関係式が満たされている。
（２ｄ）×ｓｉｎ（δ２）＝ｌ×λ２…（式１２）
ここでｌは任意の整数である。この式１２および上述の式１を満たすよう、感光材に対する物体光Ｌ３１の入射角φ３および参照光Ｌ４１の入射角φ４、並びに物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１の波長λ２を設定することにより、光学素子１０の内部で全反射することができる第１再生光Ｌ１２を生成することができる干渉縞３５を、大気から第１表面１１を介して光学素子１０に入射した物体光Ｌ３１を用いて記録することができるようになる。

なお、上記の式１のｋおよび式９のｌがいずれも１である場合、式１および式１２を以下のように表すこともできる。
ｓｉｎ（δ１）／λ１＝ｓｉｎ（δ２）／λ２…（式１３）
ここで上述のように、角度δ１は、干渉縞３５が光学素子１０の法線方向との間で成す角φに等しい。
また図２に示されている幾何学的な関係から、角度φ、φ３、δ２の間には以下の関係式が成立している。
δ２＝１８０−φ−φ３…（式１４）
同様に図２に示されている幾何学的な関係から、角度φ、φ４、δ２の間には以下の関係式が成立している。
δ２＝φ＋φ４…（式１５）
これらの関係式を考慮すると、本実施の形態において、第１再生照明光Ｌ１１の波長λ１と、物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１の波長λ２との間の関係を、以下のように表すこともできる。
ｓｉｎ（φ）／λ１＝ｓｉｎ（（１８０−φ３＋φ４）／２）／λ２…（式１６）

上述の各式を満たす限りにおいて、波長λ１と波長λ２との関係は特には限られないが、波長λ１および波長λ２の組み合わせとして、例えば以下のような組合せが考えられる。
・波長λ１：５５０ｎｍ、波長λ２：６４７ｎｍ
・波長λ１：４６０ｎｍ、波長λ２：５３２ｎｍ
これらの組合せや、上述の各式から明らかなように、通常は、物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１の波長λ１は、第１再生照明光Ｌ１１の波長λ１よりも長波長のものとなっている。

本実施の形態によれば、光学素子１０の法線方向に沿って光学素子１０に入射した波長λ１の第１再生照明光Ｌ１１を、干渉縞３５を用いて回折することによって得られる第１再生光Ｌ１２は、光学素子１０の内部で全反射することができる。このため、光学素子１０の内部で第１再生光Ｌ１２を低損失で伝導させることができる。また本実施の形態によれば、そのような回折を実現する干渉縞３５を、第１基材２０と感光材との界面に平行な第１表面１１に大気から直接的に入射した波長λ２の物体光Ｌ３１を用いて記録することができる。すなわち、プリズムブロック等の治具を用いることなく、物体光Ｌ３１を所望の角度で感光材に入射させることができる。このため、干渉縞３５が記録された光学素子１０を効率良く生産することができる。

比較の形態
次に、本実施の形態の効果を、比較の形態と比較して説明する。図４は、比較の形態において、感光材に干渉縞３５を形成する方法を示す図である。

図４に示す比較の形態においては、波長λ１の物体光Ｌ３１’および参照光Ｌ４１’を用いることによって干渉縞３５が記録される。他の構成は、図２に示す本実施の形態と略同一である。図４に示す比較の形態において、図２に示す本実施の形態と同一部分には同一符号を付して詳細な説明を省略する。

比較の形態においては、干渉縞３５を記録するための物体光Ｌ３１’および参照光Ｌ４１’として、第１再生照明光Ｌ１１と同一の波長λ１を有する光が用いられる。この場合、物体光Ｌ３１’は通常、物体光Ｌ３１’ と干渉縞３５とが成す角δ２’が、図１に示す角度δ１と等しくなるよう、感光材内を進行する必要がある。このことは、第１基材２０に入射した物体光Ｌ３１’の進行方向と、光学素子１０の法線方向との間の角度θ３’が、図１に示す角度θ１と等しくなることを意味している。一方、角度θ１は、第１基材２０と大気との界面において光が全反射するよう設定された角度である。従って、図４に示す比較の形態においては、大気などの媒質から直接的に物体光Ｌ３１’を第１基材２０の第１表面１１に入射させることが不可能である。従って比較の形態においては、何らかの治具を介して物体光Ｌ３１’を第１表面１１に入射させる必要がある。例えば図４に示すように、第１基材２０の第１表面１１に対して傾斜した傾斜面８１を有するプリズムブロック８０を第１基材２０に取り付けた状態で、干渉縞３５を記録する記録工程を実施することになる。このため比較の形態の記録工程においては、本実施の形態の記録工程に比べて、プリズムブロック８０を第１基材２０に着脱する作業が余分に必要になる。

これに対して本実施の形態によれば、上述の各式を満たすよう設定された波長λ２の光を物体光Ｌ３１および参照光Ｌ４１として用いることにより、物体光Ｌ３１を大気などの媒質直接的に第１基材２０の第１表面１１に入射させ、かつ、参照光Ｌ４１を大気などの媒質直接的に第２基材４０の第２表面１２に入射させることができる。このため、プリズムブロック８０などの治具を用いることなく、容易に干渉縞３５を感光材に記録してホログラム層３０を得ることができる。

次に、このようにして得られた光学素子１０の用途について、図３Ａを参照して説明する。ここでは、用途の一例として、光学素子１０を備えたホログラフィック光コンバイナ５０について説明する。なお以下の説明において、ホログラフィック光コンバイナ５０のことを単に光コンバイナ５０と称することもある。

ホログラフィック光コンバイナ
図３Ａに示すように、光コンバイナ５０は、光伝導媒体５５と、光伝導媒体５５の長手方向の両端に設けられた一対の光学素子１０と、を備えている。なお、以下の説明において、光伝導媒体５５の長手方向における一方の端部、具体的には図３Ａに示す左側の端部に取り付けられている光学素子１０を、第１光学素子１０Ａと称し、光伝導媒体５５の長手方向における他方の端部、具体的には図３Ａに示す右側の端部に取り付けられている光学素子１０を、第２光学素子１０Ｂと称することもある。また図３Ａにおいて、光伝導媒体５５の長手方向に平行に延びる光伝導媒体５５の一対の表面がそれぞれ符号５１，５２で表されている。

光伝導媒体５５は、光伝導媒体５５の内部で全反射によって光を伝導させることができるよう構成されたものである。例えば光伝導媒体５５は、約１．５の屈折率を有する材料から構成されている。

第１光学素子１０Ａは、大気などの媒質と光伝導媒体５５との間での全反射条件を満たす角度で波長λ１の光を光伝導媒体５５に入射させるよう、配置されている。例えば図３Ａに示すように、第１光学素子１０Ａは、干渉縞３５によって第１再生照明光Ｌ１１を回折することによって得られる第１再生光Ｌ１２が、媒質と第１基材２０との間の界面で１回全反射した後に光伝導媒体５５に入射するよう、配置されている。なお図３Ａに示すように第１光学素子１０Ａが第２基材４０を備えている場合、第１再生光Ｌ１２は、媒質と第１基材２０との界面で１回全反射した後、媒質と第２基材４０との界面においてもう１回全反射した後に光伝導媒体５５に入射してもよい。

第２光学素子１０Ｂは、光伝導媒体５５から第２光学素子１０Ｂに入射した光が、干渉縞３５によって回折された後に第２光学素子１０Ｂから出射されるよう、配置されている。なお、第１光学素子１０Ａおよび第２光学素子１０Ｂとして、同一の干渉縞３５を有する光学素子１０が用いられる場合、図３Ａに示すように、第２光学素子１０Ｂから出射される際の第１再生光Ｌ１２は、第２光学素子１０Ｂの法線方向に沿って進むようになる。

なお図３Ａに示す例においては、第１光学素子１０Ａが光伝導媒体５５の長手方向における端部に取り付けられる例を示したが、これに限られることはない。光伝導媒体５５の内部で全反射することができる角度で第１再生光Ｌ１２を光伝導媒体５５に入射させることができる限りにおいて、第１光学素子１０Ａと光伝導媒体５５との様々な組み合わせ方法が考えられる。例えば図３Ｂに示すように、第１光学素子１０Ａが光伝導媒体５５の第１表面５１または第２表面５２に取り付けられていてもよい。
同様に、光伝導媒体５５から入射した第１再生光Ｌ１２を適切に外部に取り出すことができる限りにおいて、第２光学素子１０Ｂと光伝導媒体５５との組み合わせ方法が限られることはない。例えば図３Ｂに示すように、第２光学素子１０Ｂが光伝導媒体５５の第１表面５１または第２表面５２に取り付けられていてもよい。

以下、光コンバイナ５０の使い方の一例について、図３Ａを参照して説明する。ここでは、光コンバイナ５０が、車載用のディスプレイ装置として利用される場合について説明する。

はじめに、図示しない光源を用いて、波長λ１の第１再生照明光Ｌ１１を生成する。次に、ＳＬＭなどの変調器６０を用いて、車を運転する上で有用な情報、例えば速度情報を第１再生照明光Ｌ１１に重畳する。所定の情報が重畳された第１再生照明光Ｌ１１は、図３Ａに示すように、第１光学素子１０Ａの法線方向に沿って第１光学素子１０Ａの第１基材２０に入射する。

第１光学素子１０Ａに入射した第１再生照明光Ｌ１１は、干渉縞３５によって回折されて第１再生光Ｌ１２となった後、光伝導媒体５５に入射する。ここで第１光学素子１０Ａの干渉縞３５は、第１再生光Ｌ１２が、第１光学素子１０Ａの第１表面１１および第２表面１２、並びに、第１表面１１および第２表面１２と平行に延びる表面において全反射するよう、構成されている。このため光伝導媒体５５は、第１表面１１および第２表面１２に平行な第１表面５１および第２表面５２において第１再生光Ｌ１２を全反射することができ、これによって、光伝導媒体５５の長手方向に沿って第１再生光Ｌ１２を伝導することができる。

光伝導媒体５５によって所定距離だけ伝導された後の第１再生光Ｌ１２は、第２光学素子１０Ｂに入射する。第２光学素子１０Ｂには、第１光学素子１０Ａの干渉縞３５と同様の干渉縞３５が形成されており、このため干渉縞３５によって回折された第１再生光Ｌ１２は、第２光学素子１０Ｂの第２表面１２から出射することができる角度で進むようになる。この結果、第１再生光Ｌ１２は、第２光学素子１０Ｂの第２表面１２から取り出されて、観察者、この場合は車の運転者に到達する。

また第２光学素子１０Ｂには、図３Ａにおいて符号Ｌ５１で表されているように、車の外部から車内に入射した外界光Ｌ５１も入射している。ここ外界光Ｌ５１は、様々な波長の光を含む白色光である。一方、第２光学素子１０Ｂは、所定の波長の光のみを選択的に回折する反射型体積ホログラムとして構成されている。このため、第２光学素子１０Ｂに入射した外界光Ｌ５１の大部分は、第２光学素子１０Ｂを透過して観察者に到達する。このように、第２光学素子１０Ｂは、第１再生光Ｌ１２と外界光Ｌ５１とを高い効率で合成する光合成部７０として機能することができる。

このように本実施の形態によれば、光学素子１０の干渉縞３５における回折と、光学素子１０の内部や光伝導媒体５５の内部における全反射とを利用することにより、人工的に生成された情報を含む情報光を低損失で観察者まで伝導させることができる。このため、情報光を生成するための光源や変調器を、観察者から離れた所望の位置に設置することができる。また、光学素子１０における高い波長選択性のため、外界からの映像を含む外界光を低損失で情報光に合成することができる。これらのことにより、本実施の形態によれば、高い利便性を有し、かつ低損失で光を合成することができる光コンバイナ５０を提供することができる。

なお、上述した実施の形態に対して様々な変更を加えることが可能である。以下、図面を参照しながら、変形例について説明する。以下の説明および以下の説明で用いる図面では、上述した実施の形態と同様に構成され得る部分について、上述の実施の形態における対応する部分に対して用いた符号と同一の符号を用いることとし、重複する説明を省略する。また、上述した実施の形態において得られる作用効果が変形例においても得られることが明らかである場合、その説明を省略することもある。

（第１の変形例）
屈折率の異なる２つの物質の界面に光が入射するとき、ｐ偏光とｓ偏光では界面における反射率が異なることが知られている。具体的には、ｐ偏光の反射率は、入射角を０度から増加するにつれて減少し、ブリュースター角と呼ばれる所定の角度で０になる。ブリュースター角を超えて入射角をさらに増加させると、ｐ偏光の反射率は増加していく。一方、ｓ偏光の反射率は、入射角を０度から増加するにつれて単調に増加する。

ところで、上述の本実施の形態においては、第１表面１１から第１基材２０に入射して感光材に到達した物体光Ｌ３１と、第２表面１２から第２基材４０に入射して感光材に到達した参照光Ｌ４１とが干渉することによって干渉縞３５が形成されることが想定されている。従って、仮に感光材を透過した後に第２基材４０と大気との界面において反射された物体光Ｌ３１が再び感光材に戻ってきてしまうと、想定されていない干渉が感光材において生じ、この結果、意図しない干渉縞が形成されることが考えられる。従って、好ましくは、第１基材２０に対する物体光Ｌ３１の入射角θ５は、第２基材４０と大気との界面における物体光Ｌ３１の反射を防ぐまたは抑制することができるよう、設定されている。

ここで上述のように、ｐ偏光における反射率は、所定の角度において０になる。このような特性を利用して、物体光Ｌ３１の反射を防ぐまたは抑制するため、好ましくは物体光Ｌ３１として、第２基材４０と大気との界面においてｐ偏光となる光が用いられる。この場合、第２基材４０と大気との界面における物体光Ｌ３１の入射角θ７がブリュースター角またはブリュースター角近傍の角度になるよう、第１表面１１に対する物体光Ｌ３１の入射角θ５を設定することにより、第２基材４０と大気との界面での物体光Ｌ３１の反射を防ぐまたは抑制することができる。これによって、意図しない干渉縞が形成されることを防ぐことができる。

第１表面１１に対する物体光Ｌ３１の入射角θ５の具体的な値は特には限られないが、例えば入射角θ５は、第２基材４０と大気との界面での物体光Ｌ３１の反射率が１％以下になるよう、設定されている。例えば、第２基材４０の屈折率ｎ２が１．５５であり、大気などの媒質ｎの屈折率が１である場合、第２基材４０と大気との界面でのブリュースター角は約５７度になる。従って、入射角θ７が４６度〜６４度の範囲内になるよう、第１表面１１に対する物体光Ｌ３１の入射角θ５が設定されていてもよい。なお、第１基材２０の屈折率ｎ１と第２基材４０の屈折率ｎ２とが同一である場合、第２基材４０と大気との界面での物体光Ｌ３１の入射角θ７がブリュースター角になっていると、同様に大気と第１基材２０との界面での物体光Ｌ３１の入射角θ５もブリュースター角になる。従って、第２基材４０と大気との界面での物体光Ｌ３１の反射を防ぐだけでなく、大気と第１基材２０との界面での物体光Ｌ３１の反射を防ぐこともできる。

物体光Ｌ３１の場合と同様に、参照光Ｌ４１としても好ましくは、第１基材２０と大気との界面においてｐ偏光となる光が用いられる。この場合、第１基材２０と大気との界面における参照光Ｌ４１の入射角θ８がブリュースター角またはブリュースター角近傍の角度になるよう、第２表面１２に対する参照光Ｌ４１の入射角θ６を設定することにより、第１基材２０と大気との界面での参照光Ｌ４１の反射を防ぐまたは抑制することができ、これによって、意図しない干渉縞が形成されることを防ぐことができる。例えば、入射角θ８が２７．５度〜３５．５度の範囲内になるよう、第２表面１２に対する参照光Ｌ４１の入射角θ６が設定されていてもよい。

（第２の変形例）
また上述の本実施の形態において、第１基材２０の第１表面１１と平行な第２表面１２を有する第２基材４０が光学素子１０に設けられる例を示したが、これに限られることはない。感光材における進行方向と光学素子１０の法線方向とが成す角度φ４が上述の各式を満たすよう、参照光Ｌ４１を感光材に入射させることができる限りにおいて、様々な層構成の光学素子１０を採用することができる。

（第３の変形例）
また上述の本実施の形態において、物体光Ｌ３１が第１表面１１から入射され、参照光Ｌ４１が第２表面１２から入射される例を示したが、これに限られることはない。例えば、参照光Ｌ４１を第１表面１１から入射させ、物体光Ｌ３１を第２表面１２から入射させることによって、感光材に干渉縞３５を形成する記録工程を実施してもよい。

なお、上述した実施の形態に対するいくつかの変形例を説明してきたが、当然に、複数の変形例を適宜組み合わせて適用することも可能である。

１０ 光学素子
２０ 第１基材
３０ ホログラム層
３５ 干渉縞
４０ 第２基材
５０ ホログラフィック光コンバイナ
５５ 光伝導媒体
６０ 変調器
７０ 光合成部
Ｌ１１ 第１再生照明光
Ｌ１２ 第１再生光
Ｌ２１ 第２再生照明光
Ｌ２２ 第２再生光
Ｌ３１ 物体光
Ｌ４１ 参照光
Ｌ５１ 外界光

Claims (5)

1. ｎの屈折率を有する媒質を通って入射する波長λ１の第１再生照明光を回折するホログラフィック光学素子の製造方法であって、
   前記ホログラフィック光学素子は、前記第１再生照明光が入射する側から順に積層された第１基材およびホログラム層を備え、
   前記ホログラム層は、ｎ０の屈折率を有する感光材と、前記感光材に間隔ｄで形成された干渉縞であって、前記ホログラフィック光学素子の法線方向に対して角度φを成す方向に延びる干渉縞と、を含み、
   前記干渉縞の前記角度φは、前記ホログラフィック光学素子の法線方向に沿って前記ホログラフィック光学素子の前記第１基材に入射した前記第１再生照明光が前記ホログラム層の前記干渉縞によって回折されることによって生成される第１再生光の、前記ホログラム層における進行方向と、前記ホログラフィック光学素子の法線方向との間の角度φ１が、以下の関係式
   ｓｉｎ（φ１）≧ｎ／ｎ０
   を満たすよう、設定されており、
   前記ホログラフィック光学素子の製造方法は、
   前記第１基材と、前記第１基材上に設けられた前記感光材と、を含む積層体を準備する工程と、
   前記波長λ１よりも長波長の波長λ２の物体光および参照光を前記積層体に入射させて、前記感光材に前記干渉縞を形成する記録工程と、を備え、
   前記物体光および前記参照光のうちの一方は、前記第１基材側から前記積層体に入射し、前記物体光および前記参照光のうちの他方は、前記第１基材の反対側から前記積層体に入射し、
   前記物体光および前記参照光のうち前記第１基材側から前記積層体に入射して前記感光材に到達した光の進行方向と、前記ホログラフィック光学素子の法線方向との間の角度φ３が、以下の関係式
   ｓｉｎ（φ３）＜ｎ／ｎ０
   を満たしており、
   前記ホログラフィック光学素子は、前記第１基材との間で前記ホログラム層を挟持するよう設けられた第２基材をさらに備え、
   前記記録工程において、前記物体光および前記参照光のうち前記第２基材側から前記積層体に入射して前記感光材に到達した光の進行方向と、前記ホログラフィック光学素子の法線方向との間の角度φ４が、以下の関係式
   ｓｉｎ（φ４）＜ｎ／ｎ０
   を満たしており、
   前記角度φ４は、前記ホログラフィック光学素子の法線方向に対して前記角度φ３とは反対の側に形成されている、ホログラフィック光学素子の製造方法。
2. 前記物体光および前記参照光として、前記積層体と媒質との界面においてｐ偏光となる光が用いられる、請求項１に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
3. 前記物体光および前記参照光のうち前記積層体の前記第１基材に入射する光の入射角は、前記第１基材と前記媒質との界面における反射率が１％以下となるよう設定されている、請求項２に記載のホログラフィック光学素子の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載の製造方法によってホログラフィック光学素子を製造する工程と、
   前記干渉縞によって回折され、前記第１基材と前記媒質との界面において全反射した後に光伝導媒体に入射した前記第１再生照明光を伝導させる光伝導媒体を前記ホログラフィック光学素子に取り付ける工程と、
   前記光伝導媒体から入射した前記第１再生照明光をその他の光と合成する光合成部を前記光伝導媒体に取り付ける工程と、を備える、ホログラフィック光コンバイナの製造方法。
5. 前記光合成部が、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の製造方法によって製造されたホログラフィック光学素子を含む、請求項４に記載のホログラフィック光コンバイナの製造方法。

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