(57)【要約】      （修正有）【課題】従来に比べて、小型化及び軽量化できる偏光ビームスプリッタを提供する。【解決手段】偏光ビームスプリッタ１は、透光性の基材２と、基材の表面に設けられたホログラム層３とを有し、基材を介してホログラム層に入射した光からＳ偏光の光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、基材は、ホログラム層が設けられた表面２１に対向する裏面２２と、表面と裏面とを接続する側面２３とを有し、ホログラム層は、裏面又は側面の一部のいずれか一方を介して基材の外部からホログラム層に入射した円偏光の光を回折させて消光比が５０：１以上のＳ偏光の光を裏面又は側面の前記一部の他方に向けて発生させるホログラム３１を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からＳ偏光の光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、
前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向し、前記表面と平行な裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、
前記ホログラム層は、
前記裏面を介して前記ホログラム層に対して垂直な光軸を有する入射光が入射すると、Ｓ偏光の光の少なくとも一部を回折させてＳ偏光の光を前記側面の一部に向けて発生し、且つ、Ｐ偏光の光を回折しないホログラム；又は
前記側面の一部を介して前記ホログラム層に入射した光のうち、Ｓ偏光の光の少なくとも一部を回折させて前記ホログラム層に対して垂直な光軸を有するＳ偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、Ｐ偏光の光を回折しないホログラム；
を有していることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２】
前記ホログラム層の前記ホログラムは、円偏光の光を回折させて消光比が５０：１以上のＳ偏光の光を発生させることを特徴とする請求項１に記載の偏光ビームスプリッタ
【請求項３】
前記基材の前記表面は平面であり、前記裏面は平面であることを特徴とする請求項１又は２に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項４】
前記側面の少なくとも一部は、前記表面の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項３に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項５】
前記ホログラム層の前記基材とは反対側に第２の基材を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項６】
前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の前記裏面に向けて、発散光又は進行方向が異なる複数の光を発生させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項７】
光源と、請求項１乃至６の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタとを有し、
前記光源からの出射光が前記側面の前記一部を介して前記ホログラム層に入射するように構成され、前記基材の裏面又は前記基材とは反対側から光を出射することを特徴とする面光源装置。
【請求項８】
光源と、請求項１乃至６の何れか１項に記載の偏光ビームスプリッタとを有し、
前記偏光ビームスプリッタの前記基材の前記表面又は前記裏面には、前記ホログラムとは異なる第２のホログラムが設けられ、
前記第２のホログラムは、前記光源からの出射光を回折させて前記基材の内部に前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角の光を発生させ、
前記臨界角よりも大きい入射角の光が前記ホログラム層に入射することで前記基材の裏面から光を出射することを特徴とする面光源装置。
【請求項９】
請求項７又は８に記載の面光源装置と、
前記面光源装置から出射された光が照射される表示素子とを有することを特徴とする表示装置。
【請求項１０】
請求項７又は８に記載の面光源装置と、
前記面光源装置の前記基材の前記裏面に表示素子の画素電極が形成されていることを特徴とする表示装置。
【請求項１１】
前記表示素子は、画素ごとに入射した光の偏光状態を変更することによって画像を表示することを特徴とする請求項９又は１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記表示素子は、反射型であり、前記表示素子で反射された光が前記面光源装置に入射することを特徴とする請求項１１に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記表示素子から出射する光に対してＰ偏光と平行な透過軸を有する偏光子を備えたことを特徴とする請求項１０乃至１２の何れか１項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラムを使用したホログラフィック光学素子に関し、特に、Ｓ偏光の光を選択的に分離することが可能なホログラムを使用した偏光ビームスプリッタ、それを用いた面光源装置及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から表示装置の表示部として液晶表示素子が多く使用されている。液晶表示素子は、２枚の基板の間に液晶を配向させ、基板に設けられた各画素電極の電圧を制御することにより、画素電極が配置された領域の液晶の配向状態を変化させ、画素ごとに通過する光の偏光状態を変化させ、偏光状態の違いにより画素の明るさを制御して画像を表示する。透過型の液晶表示素子であれば、２枚の基板の外側表面に、特定の直線偏光のみを透過する偏光板を設け、入射側の偏光板によって液晶表示素子に入射する光を特定の直線偏光の光のみとし、直線偏光の光が液晶を通過する間に偏光状態を変化させ、出射側の偏光板を通過できる直線偏光成分の割合によって明るさを制御している。また、反射型の場合には、一表面から光を入射させ、画素電極で反射して同じ表面から出射するが、やはり一表面側に特定の直線偏光のみを透過する偏光板を設け、直線偏光の光が画素電極まで往復する間に液晶によって偏光状態を変化させ、直線偏光成分の割合によって明るさを制御している。反射型液晶表示素子の一つに、シリコンチップの表面に液晶を載せたＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）デバイスが知られている。
【０００３】
反射型の液晶表示素子は、映像を投影する表示装置であるプロジェクターや、使用者の頭部に装着され、眼前に画像を表示する表示装置であるヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）等に使用されるが、光の入射面と画像の表示面が同じであることから、光源から液晶表示装置に照射される光と、液晶表示装置から出射された光との光路を分離する偏光ビームスプリッタが必要であった。特許文献１には、反射型の液晶表示素子を利用したＨＭＤが記載されており、特許文献１のＨＭＤは、光源、導光部材及び液晶表示素子を有する液晶ユニットを備え、液晶表示素子の表示面に導光部材として偏光ビームスプリッタが固定されており、光源から入射した光を偏光ビームスプリッタによって液晶表示素子に向けて反射させ、液晶表示素子から出射した画像については偏光ビームスプリッタを透過させていた。特許文献１のＨＭＤにおいては、偏光ビームスプリッタよりも光源側の光路にＳ偏光を通過する偏光板が設けられており、偏光板を通過したＳ偏光の光が偏光ビームスプリッタに入射し、傾斜面に設けられた反射面によって液晶表示素子に向かって反射するように構成されている。
【０００４】
図１９は、従来の反射型の表示装置３００における表示動作を説明する図である。表示装置３００は、反射型の液晶表示素子３０１と、その表面側に配置された偏光ビームスプリッタ３０２と、偏光ビームスプリッタ３０２よりも光源（図示せず）側に配置された偏光板３０３とを有している。液晶表示素子３０１は、入射したＳ偏光の光を画素電極で反射し、液晶表示素子の表示面に画像を表示するが、ＯＮの画素３０４の光は液晶層を通過する際に偏光の向きが回転し、表示面においてちょうど９０度回転するように構成され、ＯＦＦの画素３０５の光は液晶層を通過する際に偏光の向きが回転しないように構成されている。偏光ビームスプリッタ３０２は、２個の直角プリズムの傾斜面を対向させて貼り合わせたキューブ型が一般的であり、４５度の傾斜面３０６には誘電体多層膜が蒸着されており、Ｓ偏光成分を反射させ、Ｐ偏光成分を透過させる。偏光板３０３は、Ｓ偏光成分を通過し、Ｐ偏光成分を遮蔽する。
【０００５】
光源からの光３１０は、偏光ビームスプリッタ３０２の手前に配置された偏光板３０３によってＳ偏光の光３１１とされて偏光ビームスプリッタ３０２に入射する。Ｓ偏光の光３１１は、偏光ビームスプリッタ３０２の傾斜面３０６によって液晶表示素子３０１に向けて反射され、液晶表示素子３０１に入射する。液晶表示素子３０１のＯＮの画素３０４に入射した光は、液晶層を通過する際に偏光の向きが９０度回転し、Ｐ偏光の光３１２となり、液晶表示素子３０１の表面から出射し、偏光ビームスプリッタ３０２の傾斜面３０６を通過して表示される。一方、液晶表示素子３０１のＯＦＦの画素３０５に入射した光は、液晶層を通過しても偏光の向きは変わらず、Ｓ偏光の光３１３のまま液晶表示素子３０１の表面から出射し、偏光ビームスプリッタ３０２の傾斜面３０６によって反射されるため、非表示の画素となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１７−６８０４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブルディスプレイは、頭部に装着する必要があり、全体的に小型化及び軽量化が求められていた。しかし、反射型の液晶表示素子の場合には、表示素子の表示面に隣接して偏光ビームスプリッタを設ける必要があり、キューブ型の偏光ビームスプリッタではプリズムが重いこと、及び４５度の傾斜面で反射及び透過するため、断面において縦と横の長さが同じであり、装置が大型化する点で問題があった。
【０００８】
また、従来の偏光ビームスプリッタによる光の分割は、反射面による反射と透過を利用したものであり、キューブ型の偏光ビームスプリッタの一面に対して垂直に入射した光をそのまま透過する光路と、かかる光路と直交した反射面で反射する光路の２種類しか選択できず、光学系の設計配置において制約となっていた。
【０００９】
また、表示素子の視野角を大きくするためには、照明光の口径を大きくする必要があり、その結果、偏光ビームスプリッタも大きくする必要があり、光学系が大型化し、重くなることが避けられなかった。さらに、従来の偏光ビームスプリッタでは、入射光の角度が変化すると消光比（Ｓ偏光とＰ偏光との比）が低下するため、視野角を広くとる照明光との組合せが難しかった。
【００１０】
加えて、従来の偏光ビームスプリッタでは、Ｐ偏光の透過光の消光比は高いが、反射光の消光比は低く、消光比の高いＳ偏光を直接得ることが難しかった。さらに、フィールドシーケンシャル方式（時分割方式）でカラー表示する場合、赤色、緑色、青色の照明光を順次表示素子に照射することになるが、従来の偏光ビームスプリッタでは、広い波長帯域で高い消光比を実現するのが難しかった。
【００１１】
本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであって、かかる問題の少なくとも一部を解決することができる偏光ビームスプリッタ、それを用いた面光源装置及び表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述した課題を解決するため、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からＳ偏光の光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを接続する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記裏面又は前記側面の一部のいずれか一方を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した円偏光の光を回折させて消光比が５０：１以上のＳ偏光の光を前記裏面又は前記側面の前記一部の他方に向けて発生させるホログラムを有していることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からＳ偏光の光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記裏面を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した光のうち、Ｓ偏光の光の少なくとも一部を回折させてＳ偏光の光を前記側面の一部に向けて発生し、且つ、Ｐ偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からＳ偏光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記側面の一部を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した光のうち、Ｓ偏光の光の少なくとも一部を回折させてＳ偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、Ｐ偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からＳ偏光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角のＳ偏光の光の少なくとも一部を回折させてＳ偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、前記臨界角よりも大きい入射角のＰ偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。
【００１６】
さらに、上記偏光ビームスプリッタにおいて、前記ホログラム層の前記ホログラムは、円偏光の光を回折させて消光比が５０：１以上のＳ偏光の光を発生させることが好ましく、また、前記裏面を介して入射したＰ偏光の光を透過することが好ましい。また、前記基材の前記表面は平面であり、前記裏面は平面であり、前記表面と前記裏面が平行に配置されていてもよく、前記側面の少なくとも一部は、前記表面の法線に対して傾斜していてもよい。
【００１７】
さらに、上記偏光ビームスプリッタにおいて、前記ホログラム層の前記基材とは反対側に第２の基材を有していてもよい。
【００１８】
また、本発明の面光源装置は、光源と、上記偏光ビームスプリッタとを有し、前記光源からの出射光が前記側面の前記一部を介して前記ホログラム層に入射するように構成され、前記基材の裏面から光を出射することを特徴とする。
【００１９】
また、本発明の面光源装置は、光源と、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有する面光源装置であって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層に対して、前記光源からの出射光が前記基材を介して前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角で入射するように構成され、前記ホログラム層は、前記臨界角よりも大きい入射角で入射した光を回折させて消光比が５０：１以上のＳ偏光の光を前記基材の前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生させるホログラムを有していることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明の面光源装置は、光源と、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有する面光源装置であって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層に対して、前記光源からの出射光が前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角で前記基材側から入射するように構成され、前記ホログラム層は、前記臨界角よりも大きい入射角で入射した光のうち、Ｓ偏光の光の少なくとも一部を回折させてＳ偏光の光を前記基材の前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、Ｐ偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。
【００２１】
さらに、上記面光源装置において、前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記裏面を介して入射したＰ偏光の光を透過することが好ましく、前記基材の前記表面又は前記裏面には、前記ホログラムとは異なる第２のホログラムが設けられ、前記第２のホログラムは、前記光源からの出射光を回折させて前記基材の内部に前記臨界角よりも大きい入射角の光を発生させることが好ましい。また、前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の前記裏面に向けて、発散光又は進行方向が異なる複数の光を発生させてもよい。
【００２２】
また、本発明の表示装置は、上記面光源装置と、前記面光源装置から出射された光が照射される表示素子とを有すること、又は、上記面光源装置と、前記面光源装置の前記基材の前記裏面に表示素子の画素電極が形成されていることを特徴とする。
【００２３】
さらに、上記表示装置において、前記表示素子は、画素ごとに入射した光の偏光状態を変更することによって画像を表示すること好ましく、反射型であり、前記表示素子で反射された光が前記面光源装置に入射することがより好ましい。また、前記表示素子から出射する光に対してＰ偏光と平行な透過軸を有する偏光子を備えていてもよい。
【発明の効果】
【００２４】
本発明の偏光ビームスプリッタによれば、基材の表面に設けられたホログラム層のホログラムによって、基材の側面の一部から入射した光のうちＳ偏光の光の少なくとも一部と干渉して裏面に向けてＳ偏光の光を発生させたり、基材の裏面から入射した光のうちＳ偏光の光の少なくとも一部と干渉して側面の一部に向けてＳ偏光の光を発生させたりすることができ、Ｓ偏光の光を分離することができる。かかる偏光ビームスプリッタは、薄い基材で実現することができ、基材の厚さ（側面の高さ）程度の薄い偏光ビームスプリッタを実現することができ、大幅な小型化及び軽量化できる。またホログラムの設計によって、干渉によって発生する光の状態（向き、形状、数）を調整することが可能であり、様々な用途に応用することができる。本発明のその他の効果については、発明を実施するための形態において述べる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図２】本発明の偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図３】（Ａ）は本発明の反射型ホログラム、（Ｂ）は本発明の透過型ホログラムの製造方法を説明する概略図
【図４】ホログラムの回折光（Ａ）又は非回折光（Ｂ）の偏光成分の測定方法を説明する概略図
【図５】（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実験１、３、７及び９の回折光量の測定結果
【図６】本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
【図７】本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
【図８】本発明の偏光ビームスプリッタの変形例
【図９】本発明の偏光ビームスプリッタの変形例
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は本発明の偏光ビームスプリッタの変形例、（Ｃ）は本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
【図１１】（Ａ）は本発明の偏光ビームスプリッタの変形例、（Ｂ）は本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
【図１２】透過型ホログラムを用いた本発明の偏光ビームスプリッタの変形例
【図１３】透過型ホログラムの回折光の光量（Ａ）、（Ｃ）及び非回折光の光量（Ｂ）、（Ｄ）の測定結果（（Ａ）及び（Ｂ）はＳ偏光同士で記録されたホログラム、（Ｃ）及び（Ｄ）は円偏光同士で記録されたホログラム）
【図１４】本発明の面光源装置の実施形態を示す概略図
【図１５】本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
【図１６】本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
【図１７】本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
【図１８】本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
【図１９】従来の反射型の表示装置における表示動作を説明する図
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定されるものではない。なお、本明細書において、Ｐ偏光の光とは、境界面に入射する光の電気ベクトルの振動方向が、入射平面（境界面の法線と光の進行方向を含む面）内に含まれる直線偏光（円偏光又は楕円偏光等におけるＰ偏光成分を含む）であり、Ｓ偏光の光とは、境界面に入射する光の電気ベクトルの振動方向が、入射平面に垂直な直線偏光（円偏光又は楕円偏光等におけるＳ偏光成分を含む）であり、Ｐ偏光とＳ偏光とは直交する。また円偏光とは、光波の電気ベクトルの先端が円を描く偏光である。
【００２７】
［偏光ビームスプリッタの基本構成］
図１及び図２は、反射型のホログラム３１を使用した本発明の偏光ビームスプリッタ１の概略構成図であり、図１は入射光１１が基材２の側面２３の一部２４から入射した場合の光路を示し、図２は入射光１４が基材２の裏面２２から入射した場合の光路を示している。また、図１２は、透過型のホログラム３２を使用した本発明の偏光ビームスプリッタ１の概略構成図であり、図１２（Ａ）は入射光１１が基材２の側面２３の一部２４から入射した場合の光路を示し、図１２（Ｂ）は入射光１８がベースフィルム４側から入射した場合の光路を示している。
【００２８】
偏光ビームスプリッタ１は、透光性の基材２と、基材２の表面２１に設けられたホログラム層３とを有し、ホログラム層３は反射型ホログラム３１又は透過型ホログラム３２を有している。必要に応じてホログラム層の基材２とは反対側の面にベースフィルム４や第２の基材５（図８（Ｃ）参照）を有していてもよい。本発明の偏光ビームスプリッタ１は、ホログラム層３のホログラムを用いている点において、ホログラフィック光学素子の一種であるが、単に光線の向きを変更する偏向手段やレンズとして使用されていた従来のホログラフィック光学素子とは異なり、ホログラム層３に入射した光からＳ偏光の光を選択的に回折させて分離することができる。
【００２９】
すなわち、本発明の反射型ホログラム３１は、図１（Ａ）に示すように、基材２の側面の一部２４を介して基材２の外部からホログラム層３に入射した入射光１１の少なくとも一部と干渉し、入射光１１の少なくとも一部を回折させて、図１（Ｂ）に示すように、Ｓ偏光の回折光１２を裏面２２に向けて発生させることができ、ホログラム３１と干渉しなかった非回折光１３は、図１（Ｃ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１の表面で全反射して他の側面の一部２５から基材２の外部に出射する。さらに、本発明の反射型ホログラム３１は、図２（Ａ）に示すように、基材２の裏面２２を介して基材２の外部からホログラム層３に入射した入射光１４の少なくとも一部と干渉して、図２（Ｂ）に示すように、Ｓ偏光の回折光１５を側面の一部２４に向けて発生させることができ、ホログラム３１と干渉しなかった非回折光１６は、図２（Ｃ）に示すように、そのままホログラム層３及びベースフィルム４を通過して外部に出射する。また、本発明の透過型ホログラム３２は、図１２（Ａ）に示すように、基材２の側面の一部２４を介して基材２の外部からホログラム層３に入射した入射光１１の少なくとも一部と干渉し、入射光１１の少なくとも一部を回折させて、Ｓ偏光の回折光１７を基材２とは反対側（ベースフィルム４側）に向けて発生させることができ、ホログラム３２と干渉しなかった非回折光１３は、偏光ビームスプリッタ１の表面で全反射して他の側面の一部２５から基材２の外部に出射する。さらに、本発明の透過型ホログラム３２は、図１２（Ｂ）に示すように、ベースフィルム４を介して基材２の外部からホログラム層３に入射した入射光１８の少なくとも一部と干渉して、Ｓ偏光の回折光１５を側面の一部２４に向けて発生させることができ、ホログラム３２と干渉しなかった非回折光１９は、そのままホログラム層３及び基材２を通過して外部に出射する。本発明のホログラム３１及び３２は、Ｓ偏光の光の少なくとも一部を回折させてＳ偏光の回折光を発生させるが、Ｐ偏光の光とはほとんど干渉せず、Ｐ偏光の光を回折しない。ホログラム３１及び３２は、円偏光の入射光（Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とがほぼ５０％）と干渉して、消光比が５０：１以上のＳ偏光の光を発生させることが好ましい。
【００３０】
基材２は、表面２１と、表面２１に対向する裏面２２と、表面２１と裏面２２とを接続する側面２３とを有している。基材２の平面形状（表面２１側から見た形状）は、入射光１１、１４、１８の形状、回折光１２、１５、１７及び非回折光１３、１６、１９の形状に応じた形状とされ、典型的には四角形又は円形であるが、これに限定されるものではない。基材２は、透光性を有しているが、すべての波長に対して透光性を有している必要はなく、少なくともホログラフィック光学素子を介して利用される光の波長に対して透光性を有していれば足りる。基材２の材料としては、空気の屈折率（ｎ0＝１．０）よりも大きい屈折率（ｎS）を有し、ホログラム層３の屈折率（ｎH）と同じ又は近い（±０．１）ことが好ましい。基材２としては、光透光性樹脂やガラスを使用することができ、樹脂としては、例えば、アクリル樹脂（ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を含む）、スチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などを使用してもよい。これらの基材は、通常屈折率（ｎS）は、１．３〜１．６程度である。
【００３１】
基材２の表面２１は、ホログラム層３が設けられる面であり、図では平面で示しているが、平面でなくてもよい。表面２１上には、ホログラム層３が設けられるが、ベースフィルム４上に設けられたホログラム層３の外側表面と表面２１とを接着剤で張り合わせてもよいし、表面２１上に感光材料をホログラム層３として塗布又は蒸着等によって設けてもよい。図１においては、ベースフィルム４が外側となるようにホログラム層３を表面２１に貼り合わせた構造である。また、ホログラムを記録済みのホログラム層３を表面２１に接着してもよいし、表面２１にホログラム層３を塗布又は接着した後、基材２を介して光を照射することでホログラム層３にホログラムを記録してもよい。
【００３２】
裏面２２は、表面２１に対向する面であり、ホログラム層３のホログラム３１によって分離される入射光１４、分離された回折光１２又はホログラム３２を透過した非回折光１９の入射出面の一つとなる。反射型ホログラム３１を用いた偏光ビームスプリッタ１を面光源装置などの照明装置として使用する場合は、通常、裏面２２を介して外側にＳ偏光の光が照射される。裏面２２は、図１に示すように、表面２１と平行な平面であってもよいし、図９（Ａ）に示すように表面２１に対して斜めの平面であってもよい。また、裏面２２は、平面ではなく、図９（Ｂ）に示すように凸曲面として出射する回折光１２を収束させてもよいし、図９（Ｃ）に示すように凹曲面として出射する回折光１２を発散させてもよい。なお、裏面２２に１／２波長板を配置することにより、Ｓ偏光の光をＰ偏光の光として外部に照射することができ、裏面２２に１／４波長板を配置することにより、Ｓ偏光の光を円偏光の光として外部に照射することができる。
【００３３】
側面２３は、基材２の表面２１と裏面２２とを接続する面であり、基材２が直方体の場合は、４つの垂直な側面２３が存在する。図１に示す断面における側面２３の高さが基材２の厚みとなるが、側面２３の高さを表面２１及び裏面２２の長さに比べて短くし、全体として板状とすることにより基材２及び偏光ビームスプリッタ１を軽薄化できる。例えば、基材２として、厚さ１０ｍｍの板状の基材を使用することができた。また、側面２３は、表面２１又は裏面２２に対して傾斜していてもよいし（図８（Ａ））、曲面としてもよい（図８（Ｂ））。また、側面２３に傾斜角の異なる複数の面を設けてもよい。
【００３４】
側面２３の一部２４は、ホログラム層３のホログラムによって分離される入射光１１又は分離された回折光１５の入射出面の一つとなる。また、図１（Ｃ）及び図１２（Ａ）に示すように、側面２３の一部２４と対向する他の側面の一部２５は、側面２３の一部２４から入射した光１１のうち、ホログラム層３のホログラムと干渉しなかった非回折光１３が出射する出射面となる。基材２の屈折率（ｎS）が空気よりも大きいため、側面２３の一部２４から入射する入射光１１の入射角を適宜設定することにより、基材２の内部において、表面２１及び裏面２２に対して臨界角以上の角度で入射し、全反射により基材２を長手方向に伝搬する光を容易に入射させることができる。基材２の空気に対する臨界角θcは、空気の屈折率（ｎ0）を１とすれば、ａｒｃｓｉｎ（１／基材２の屈折率（ｎS））であり、基材２の屈折率（ｎS）が１．３で臨界角θcは約５０．３度、１．４で約４５．６度、１．５で約４１．８度となる。基材２の表面２１に設けられたホログラム層３、ベースフィルム４についても、基材２と同程度以上の屈折率であれば、基材の臨界角以上の光に対して空気との界面で全反射するため、基材２の延長として入射光の光路等を設計することができる。なお、基材２内部に基材の臨界角以上の入射角でホログラム層３に入射する入射光が得られるのであれば、入射面として側面の一部に限定されない（例えば、図１４（Ｂ）及び（Ｃ））。また、ホログラム層３のホログラムと干渉しなかった光は、他の側面２３の一部２５から出射する構成に限定されるものではなく、他の出射手段を設けてもよい。例えば、ホログラム層３の上に第２の基材を設けたり、非回折光と干渉して基材の外部に回折光を発生させる他のホログラム（例えば、図１４（Ｂ）のホログラム１０４）を別の領域に設けたり、非回折光を基材の臨界角よりも小さい角度に偏向する他のホログラム（例えば、図１４（Ｃ）のホログラム１０５）を設けたりすれば、基材２の外部に非回折光を出射できる。
【００３５】
ホログラム層３は、ホログラム３１又は３２を有する層であり、例えば、銀塩、重クロム酸ゼラチン、フォトポリマー、フォトレジストなどが使用される。ホログラム層３の片面又は両面にはベースフィルム４が設けられていることが好ましい。ベースフィルム４は、ホログラム層３を支持又は保護する基材であり、例えば、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリフッ化エチレン系フィルムなどの樹脂が使用される。例えば、ホログラム層３としてフォトポリマーを用いた場合、ホログラム層３は、干渉縞記録のためのモノマー、形状を維持するためのマトリックス及び必要に応じて添加される非反応性成分や各種添加剤によって形成されている。このうちマトリックスは、ホログラム層の形状を維持するための成分であり、高い光線透過率や透明性であることが求められ、屈折率変調を促進するためにモノマーに比してわずかに低屈折率であることが好ましく、一般にウレタン樹脂やエポキシ樹脂が使われている。一方、モノマーは、干渉縞を記録するための成分であり、高い光線透過率や透明性が求められ、マトリックスに比べわずかに高屈折率であることが好ましく、光照射により干渉縞を記録する。モノマーには、主に光カチオン重合系と光ラジカル重合系があり、光カチオン重合系ではシリコーン系エポキシドなど脂環式エポキシ化合物が、また、光ラジカル重合系ではビニルカルバゾール、スチレン誘導体、アクリレートやそれらのプレポリマーなどビニル化合物が用いられている。なお、偏光ビームスプリッタ１としては、ベースフィルム４によって支持されたホログラム層３を基材２に接着させてもよいし、基材２上にホログラム層３及びベースフィルム４を塗布又は蒸着等により設けてもよい。
【００３６】
入射光１１、１４、１８は、ホログラム３１又は３２と干渉により回折する光（例えばホログラムの干渉縞とブラッグの回折条件を満たす光）とする。典型的には、ホログラム３１又は３２を記録する際に用いられる２つの光束の何れかと同じ進行方向の光又はそれと共役な関係の光であって、同じ波長の光を入射光１１，１４，１８として用いることができ、記録する際に用いられる２つの光束の他方と同じ進行方向の光又はそれと共役な関係の光が回折光１２、１５、１９として発生する。入射光１１は、図３（Ａ）及び（Ｂ）の記録時における第１の光束４４と同じ進行方向の光である。入射光１４は、図３（Ａ）の記録時における第２の光束４５と進行方向が反対の共役な関係の光である。入射光１８は、図３（Ｂ）の記録時における第２の光束４５と進行方向が反対の共役な関係の光である。記録時における第１の光束４４及び第２の光束４５の状態によって、ホログラム３１又は３２と干渉する入射光１１、１４、１８の状態を制御することができ、また、ホログラム３１又は３２との干渉によって発生する回折光１２、１５、１９の状態も制御することができる。なお、光の状態には、波長、進行方向、偏光、形状等を含む。
【００３７】
［偏光ビームスプリッタの製造方法］
図３（Ａ）は、本発明の反射型ホログラム３１の製造方法を説明する概略図であり、図３（Ｂ）は、本発明の透過型ホログラム３２の製造方法を説明する概略図である。ベースフィルム４に設けられたホログラム層３が、記録用第１光学素子４１と記録用第２光学素子４２との間に挟持されている。ホログラム層３と記録用第１光学素子４１との表面は隙間なく接着されているが、ベースフィルム４と記録用第２光学素子４２とは隣接して配置しただけであるため、隙間に空気層が形成されないように、屈折率が同程度の浸液４３を介在させている。そして、記録用第１光学素子４１から記録用第２光学素子４２までを角度αだけ傾けて斜めに配置し、光軸が直交する第１の光束４４と第２の光束４５とをホログラム層３において交差するように照射することにより、ホログラム層３において第１の光束４４と第２の光束４５とを干渉させてホログラム３１又は３２を記録することができる。図３（Ａ）と図３（Ｂ）とは、第２の光束４５の進行方向が反対である点で異なる。浸液４３は、ホログラム層３の屈折率と同一であることが好ましいが、同一でなくても、屈折率の差による屈折が許容範囲内であればよい。なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）は概略図であり、光の光学素子内における屈折については図示していないが、第１の光束４４と第２の光束４５がいずれも入射角αで入射するため、屈折してもホログラム層３において第１の光束４４と第２の光束４５の光軸は直交する。
【００３８】
記録用第１光学素子４１及び記録用第２光学素子４２は、ホログラム層３に第１の光束４４及び第２の光束４５を導入し、また導出するための部材であり、少なくとも第１の光束４４及び第２の光束４５に対して透光性を有している。記録用第１光学素子４１及び記録用第２光学素子４２は、空気の屈折率（ｎ0＝１．０）よりも大きい屈折率（ｎS）を有し、ホログラム層３の屈折率（ｎH）と同じ又は近い（±０．１）ことが好ましく、光透光性樹脂やガラスを使用することができ、樹脂としては、例えば、アクリル樹脂（ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）を含む）、スチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などを使用してもよい。これらの基材は、通常屈折率（ｎS）は、１．３〜１．６程度である。
【００３９】
記録用第１光学素子４１は、ホログラム層３と接着させた場合、記録用第１光学素子４１をそのままホログラフィック光学素子の基材として利用することができ、例えば、偏光ビームスプリッタ１の基材２として利用できる。記録用第１光学素子４１とホログラム層３とを接着させずに、隣接させて配置した場合は、所定のホログラムが記録されたホログラム層３を支持したベースフィルム４を得ることができ、他の透光性の基材に接着させることでホログラフィック光学素子（例えば偏光ビームスプリッタ）を作製できる。記録用第１光学素子４１とホログラム層３とを隣接させて配置した場合には、ホログラム層３の両面にベースフィルム４を設け、隙間に空気層が形成されないように、屈折率が同程度の浸液を介在させることが好ましい（図６（Ｂ）参照）。また、記録用第２光学素子４２をベースフィルム４と接着したり、ベースフィルム４を設けずにホログラム層３を記録用第２光学素子４２と直接隣接させたり、接着させたりしてもよい。
【００４０】
また、記録用第１光学素子４１及び記録用第２光学素子４２は、図３に示すように、直方体であってもよいし、一部の面を傾斜させてもよいし、一部の面を曲面としてもよい。直方体の光学素子（基材）として、例えば板ガラスなどをそのまま使用して製造することができ、汎用品を基材として利用できるため、大量生産、低コスト化に有利である。また、例えば、記録用第１光学素子４１における第１の光束４４の入射面を傾斜面として、第１の光束４４の光路と第２の光束４５の光路とが９０°以外の角度で交差するようにしてもよいし（図７（Ａ））、記録用第２光学素子４２における第２の光束４５の入射面に複数の凸曲面をマトリクス状に配列させ、フライアイレンズの機能を付加し、第２の光束４５として複数の点光源からの発散光をホログラム層３に照射してもよい（図７（Ｂ））。また、記録用第１光学素子４１又は記録用第２光学素子４２の表面形状を変更せずに、別途、プリズム、レンズなどの光学素子を配置し、第１及び第２の光束を所定の状態に成形してもよい（図１０（Ｃ））。
【００４１】
第１の光束４４は、Ｓ偏光成分を含む光であり、記録用第１光学素子４１の側面から入射させ、ホログラム層３に対し、記録用第１光学素子４１の空気に対する臨界角以上の入射角で入射させることが好ましい。第１の光束４４は、再生時における入射光１１（図１）に対応し、また、入射光１４（図２）又は入射光１８（図１２（Ｂ））を入射した時に発生する回折光１５と共役な関係である。第２の光束４５は、Ｓ偏光成分を含む光であり、図３（Ａ）においては、記録用第２光学素子４２の裏面側から入射させ、第１の光束４４とはホログラム層３に対し反対の面から入射させ、ホログラム層３に反射型のホログラム３１を記録する。また、図３（Ｂ）においては、第２の光束４５は、記録用第１光学素子４１の裏面側から入射させ、第１の光束４４とはホログラム層３に対し同じ面から入射させ、ホログラム層３に透過型のホログラム３２を記録する。第２の光束４５は、再生時に基材の裏面から出射する回折光１２（図１）又は基板２と反対側に発生する回折光１７（図１２（Ａ））に対応し、また、入射光１４（図２）又は入射光１８（図１２（Ｂ））と共役な関係である。第２の光束４５の入射角度を変化させることで、再生時の回折光１２又は１７の出射方向を変化させることができる。図３（Ａ）及び（Ｂ）においては、第１の光束４４と第２の光束４５とを直交させているが、例えば、第２の光束４５の向きを変更すれば、交差角を９０°以外とすることもできる（図６（Ａ））。本発明のホログラムについては、第１の光束４４と第２の光束４５とのホログラム層３における交差角を９０°に近くすることが好ましく、特に７０°〜９０°の範囲とすることが好ましい。第１の光束４４及び第２の光束４５は、図３においては、平行光であるが、いずれも平行光に限定されるものではなく、発散光（図１０（Ｃ））や収束光としてもよい。第２の光束４５の形状（光軸と平行な断面パターン及び垂直な断面パターン）を変化させることで、再生時の回折光１２又は１７の形状も第２の光束４５と同じ形状に変化させることができる。また、第２の光束４５として、進行方向又は／及び波長が異なる複数の光束を順次あるいは同時に使用してホログラム層３にホログラムを多重記録してもよい（図１１（Ｂ））。
【００４２】
なお、図６、図７、図１０（Ｃ）又は図１１（Ｂ）においては反射型のホログラム３１の製造方法を例示したが、第１の光束４４及び第２の光束４５の何れかの進行方向を反対向きとし、第１の光束４４及び第２の光束４５の双方がホログラム層３の同一面側から照射されるように構成すれば、ホログラム層３に透過型のホログラム３２を記録することができる。
【００４３】
［偏光成分の測定方法］
図４（Ａ）は、ホログラム３１の回折光５２の偏光成分の測定方法の一例を説明する概略図であり、図４（Ｂ）は、ホログラム３１の非回折光（透過光）５９の偏光成分の測定方法の一例を説明する概略図である。図４（Ａ）では、ホログラム３１に対し、ホログラム３１と干渉する再生用の光束５１を第１の光束４４と同じ角度で記録用第１光学素子４１の側面を介して照射し、ホログラム３１から発生した回折光５２をアパーチャ（開口）５３によって一部を取出し、それをグラン・トムソンプリズムのような高性能検光子５４を通過させた光量を検出器５５で検出する。また、図４（Ｂ）では、ホログラム３１に対し、ホログラム３１と干渉する再生用の光束５７を第２の光束４５と同じ角度で記録用第２光学素子４２の裏面を介して照射し、ホログラム３１を透過した非回折光（透過光）５９をアパーチャ（開口）５３によって一部を取出し、それをグラン・トムソンプリズムのような高性能検光子５４を通過させた光量を検出器５５で検出する。検出器５５で光量を測定しつつ検光子５４の透過軸をＰ偏光と平行な方向から９０°回転させてＳ偏光と平行な方向とすることにより、回折光又は非回折光のＰ偏光成分とＳ偏光成分とを測定できる。Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の比を消光比と呼び、検出器５５で検出したＳ偏光成分の光量とＰ偏光成分の光量とから算出できる。
【００４４】
図４（Ａ）及び（Ｂ）においては、ホログラム３１はベースフィルム４に支持され、記録用第１光学素子４１と接着され、記録用第２光学素子４２とベースフィルム４とが浸液４３を介して隣接させた状態で、再生用の光束５１を第１の光束４４と同じ角度で同じ位置に記録用第１光学素子４１の側面から照射している。このように、再生用の光束５１を第１の光束４４と同じ状態で照射することにより回折効率を高くすることができる。また、記録用第２光学素子４２によって、干渉しなかった再生用の光束５１がホログラム層３を透過し、記録用第２光学素子４２を介して出射できるので、再生用の光束５１によるノイズを減らすことができる。さらに、記録用第２光学素子４２によって、再生用の光束５７によって発生した回折光の光束５８がホログラム層３から記録用第２光学素子４２を介して出射できるので、再生用の光束５１によるノイズを減らすことができる。なお、透過型のホログラム３２について偏光成分を測定する場合は、ホログラム３２からの回折光が検出器５５に入射するように配置し、同様に再生用の光束をホログラム３２に照射して回折光や透過光を測定すればよい。図４（Ａ）及び（Ｂ）は概略図であり、回折光や透過光が検出器５５に入射するように配置できればよく、途中に各種の光学系（レンズ、ミラー、プリズム等）を配置してもよい。
【００４５】
［反射型ホログラムの検証実験］
表１及び図５は、本発明のホログラム３１として機能する製造条件についての検証実験の結果である。検証実験は、図３（Ａ）の製造方法において、記録用第１光学素子４１及び第２光学素子４２には屈折率１．４８のガラス板(縦１００ｍｍ×横１００ｍｍ厚さ１
０ｍｍ)を使用し、屈折率１．５８のベースフィルム４に支持された屈折率１．４９のフ
ォトポリマーをホログラム層３として設け、ベースフィルム４と記録用第２光学素子４２との間には屈折率１．５１の浸液４３を介在させた。第１の光束４４のガラス板側面に対する入射角αが１４°となるように傾けた状態（第２の光束４５の入射角も１４°）とし、第１の光束４４及び第２の光束４５について、それぞれＳ偏光、Ｐ偏光、円偏光にした場合の９通りの組み合わせでホログラム３１を記録し、記録された各ホログラムについて、同じ配置で、図４（Ａ）の測定方法において、Ｓ偏光、Ｐ偏光又は円偏光の再生用の光束５１を照射したときの検光子５４の透過軸の角度に対する回折光５２の光量を測定し、回折光５２の光量のＳ偏光成分とＰ偏光成分を算出した。なお、第１の光束４４と第２の光束４５とは光軸が９０°で交差するように配置されており、記録時及び再生時に使用した光束は、５３２ｎｍの固体レーザーからの出射光から消光比１００：１のＳ偏光の光を形成して使用し、Ｐ偏光、円偏光の場合は、それを波長板によって変換して使用した。また、再生用の光束５１の光量は検出器５５で受光する面積比で換算して算出した場合に約１９ｍＷであった。
【００４６】
表１の「記録時の偏光」は、実験１〜９の記録時における第１の光束４４及び第２の光束４５の偏光の条件が示されており、例えば、実験１では、Ｓ偏光の第１の光束４４と、Ｓ偏光の第２の光束４５とで記録した。表１の「再生用の光束の偏光」には、Ｓ偏光、Ｐ偏光又は円偏光の再生用の光束５１を各実験のホログラムに照射したときに発生した回折光５２の回折光量の最大値と消光比の数値が示されている。回折光量の単位はｍＷであり、消光比はＳ偏光成分とＰ偏光成分との比であり、Ｐ偏光成分を１としたときの数値である。表中の「−」は、検出された光量の最大値がホログラムを再生するための再生用の光束（照射光）の光量の１／１００以下の光量であり、実質的な回折はされていないと評価した。なお、測定環境下でのノイズレベルは、再生用の光束（照射光）の光量よりも十分に低くなるように暗室の環境を整えて、１／１００００以下にして測定した。消光比の算出に際しては、最小値が照射光の１／１００以下の光量であっても、そのままの数値で計算した。
【００４７】
【表１】
2020160456.tif 000003
【００４８】
表１から、実験１、３、７及び９の条件で記録したホログラムに対し、Ｓ偏光の再生用の光束又は円偏光の再生用の光束を照射したときに回折光が検出された。図５（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実験１、３、７及び９における検光子５４の透過軸の角度に対する回折光５２の光量の測定結果であり、縦軸が回折光量（ｍＷ）、横軸が検光子５４の透過軸とＰ偏光との角度（°）であり、Ｐ偏光と平行な方向（０°）から１８０°回転させるまでの各角度で回折光量を検出した。また、実線はＳ偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、点線は円偏光の再生用の光束を照射したときの結果である。これらの結果から、本発明のホログラム３１は、記録時においてＰ偏光の光束を使用した場合は形成することができなかった。円偏光はＳ偏光成分とＰ偏光成分とが約１：１であることから、本発明のホログラム３１は、記録時において第１の光束４４にも、第２の光束４５にもＳ偏光の成分が必要と予測される。さらに、再生時においても、Ｐ偏光の光束を照射しても回折光が得られなかったことからすれば、再生時においても、再生用の光束５１にはＳ偏光の成分が必要と予測される。発生した回折光５２は、いずれも消光比が５０：１以上のＳ偏光の光であった。消光比は、図５の各グラフにおいて最大の光量と最小の光量との比で求めたものであり、いずれのグラフにおいても、９０°（Ｓ偏光）近傍で最大値となり、０°又は１８０°（Ｐ偏光）近傍で最小値であった。
【００４９】
実験１のＳ偏光とＳ偏光で記録したホログラムは、Ｓ偏光の再生用の光束５１（約１９ｍＷ）を照射したときの回折光５２の光量の最大値が１３．８ｍＷであり、回折効率は約７３％であり、円偏光の再生用の光束５１を照射したときの回折光５２の光量の最大値が６．１ｍＷであり、回折効率は約３２％であった。また、実験１のホログラムは、消光比１００：１のＳ偏光の光に対する消光比は４４５：１であり、円偏光の光に対する消光比は５８：１であった。実験１のホログラムは、再生用の光束として１００ｍＷの円偏光の光（Ｓ：Ｐ＝５０：５０）を入射すると、３２ｍＷのＳ偏光の回折光（５８：１）を別の光路に分離し、６８ｍＷの非回折光をそのまま通過させる偏光ビームスプリッタとして利用できる。また、実験１のホログラムは、１００ｍＷのＳ偏光の光（消光比１００：１）を入射すると、その一部が干渉して７３ｍＷのＳ偏光の回折光（消光比４４５：１）を別の光路に分離するが、Ｐ偏光の光を入射してもそのまま通過させる偏光ビームスプリッタとして利用できる。
【００５０】
実験３及び７のホログラムは、記録時においてＳ偏光と円偏光とを組合せて記録したものであり、ほぼ同程度の特性を示しているが、実験１のホログラムに比べておよそ半分程度の回折効率となっている。しかし、回折光は、消光比１００：１のＳ偏光の光に対する消光比は３００以上であり、円偏光の光に対する消光比は６３：１、７０：１と円偏光の光から消光比の高いＳ偏光の光を分離することができる。
【００５１】
実験９のホログラムは、円偏光同士で記録したホログラムであり、Ｓ偏光の再生用の光束５１（約１９ｍＷ）を照射したときの回折光５２の光量の最大値が１２．７ｍＷであり、回折効率は約６７％であり、円偏光の再生用の光束５１を照射したときの回折光５２の光量の最大値が５．２ｍＷであり、回折効率は約２７％であり、実験１のホログラムより若干効率は低いが偏光ビームスプリッタとして十分に利用できる。
【００５２】
また、図４（Ｂ）の測定方法により、同様のホログラム３１に対し、再生用の光束５７を照射したときの非回折光５９の光量を測定したところ、Ｐ偏光の光はホログラム３１と干渉せずに、ホログラム３１を透過することが確認された。また、Ｓ偏光の光は、その少なくとも一部がホログラム３１と干渉して回折光を発生するが、干渉しなかった部分については透過する。
【００５３】
［偏光ビームスプリッタの製造方法の変形例］
図６、７は、本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図である。図６（Ａ）は、第２の光束４５をホログラム層３や記録用第１及び第２光学素子４１，４２の表面に対して垂直に照射した例であり、図３（Ａ）とは第２の光束４５の進行方向を偏向すれば実現できる。図６（Ａ）の製造方法で記録されたホログラムは、図１及び２に示すように、側面の一部２４から斜めに入射した入射光１１に対し、裏面２２と垂直な回折光１２を発生させる。
【００５４】
図６（Ｂ）は、ホログラム層３とその両面に設けられたベースフィルム４、４’とを独立した部材とし、ホログラム層３と記録用第１光学素子４１との間にも浸液４６を充填させて第１及び第２の光束を照射してホログラム３１を記録した。図６（Ｂ）では、図３（Ａ）と同様の光軸の配置としているが、特に限定されるものではなく、他の配置としてもよい。図６（Ｂ）の製造方法によれば、所定のホログラム３１が記録されたホログラム層３を有するベースフィルム４、４’を得ることができる。このようにホログラム層３を独立して取り扱うことができ、ホログラム３１を露光した後のホログラム層３を透光性の基材２に貼付すれば、貼付した領域を偏光ビームスプリッタとして機能させることができるので、基材２の形状や配置等の設計の自由度を高くすることができる。また、ホログラム層３の一部を露光してホログラム３１を記録した後、ホログラム層３を移動して別の領域に露光することもでき、基材２の大きさに制限されず、大面積のホログラム３１を形成することが可能である。なお、基材２に貼付する際に一方のベースフィルムを剥がしてホログラム層３を基材２に接着してもよいし、いずれかのベースフィルムを基材２に接着してもよい。
【００５５】
図７（Ａ）は、記録用第１光学素子４１及び記録用第２光学素子４２の側面４７、４８を傾斜面とし、第１の光束４４の空気中での光軸とホログラム層３とを平行に配置し、記録用第１光学素子４１の傾斜面に第１の光束４４が入射すると、屈折して斜めに記録用第１光学素子４１からホログラム層３を通過し、第２の光束４５と干渉するように構成されている。かかるホログラム３１は、ホログラム層３と平行な入射光によって、ホログラム層３から垂直に回折光が発生し、回折光は基材の裏面から垂直に出射するため、光学系として、入射光のＳ偏光成分を直交する方向に分離する偏光ビームスプリッタとして利用できる。なお、記録用第２光学素子４２の側面４８については特に傾斜面としなくてもよい。また、記録用第２光学素子４２を取り除いた状態で同様の第１の光束４４及び第２の光束４５を照射することによっても同様にホログラム層３と平行な入射光によって、ホログラム層３から垂直に回折光が発生するホログラム３１を製造することができる。
【００５６】
図７（Ｂ）は、記録用第２光学素子４２における第２の光束４５の入射面に複数の凸曲面４９をマトリクス状に配列させ、フライアイレンズの機能を付加し、平行な第２の光束４５ａを各凸曲面４９によってホログラム層３よりも手前に位置する焦点に収束させた後の発散光４５ｂをホログラム層３に照射するように構成されている。このため、ホログラム層３のホログラム３１は第１の光束４４と複数の点光源（焦点）からの発散光４５ｂとによって干渉縞が形成され、再生時において第１の光束４４と同じ光路の光束によって回折光として発散光４５ｂと同様の光が発生し、基材の裏面等から出射する。このような発散光は表示装置の光源として利用することにより、表示装置の視野角を広くすることができる。さらに、再生時において、第１の光束４４に対応する照明用の入射光の輝度分布を均一化することにも利用できる。
【００５７】
以上の製造方法の変形例において、各変更部分については、相互に置換可能であり、例えば、図６（Ａ）及び（Ｂ）の製造方法において、図７（Ｂ）と組み合わせて、第２の光束４５の入射面に複数の凸曲面４９をマトリクス状に配列させ、フライアイレンズの機能を付加してもよいし、図７（Ａ）及び（Ｂ）の製造方法において、図６（Ｂ）と組み合わせて、ホログラム層３と記録用第１光学素子４１との間にも浸液４６を充填させてもよい。さらに、第１の光束４４の入射面４７に複数の凸曲面又は凹曲面をマトリクス状に配置させてもよい。
【００５８】
［偏光ビームスプリッタの変形例］
図８（Ａ）は、偏光ビームスプリッタ１の変形例であり、例えば、図７（Ａ）の製造方法で製造したり、図７（Ａ）において、記録用第２光学素子４２を取り除いた状態で同様の第１の光束４４及び第２の光束４５を照射する製造方法でも製造したりすることができる。基材２の側面２３が傾斜しており、基材２の断面が台形となっている。図８（Ａ）の偏光ビームスプリッタ１では、ホログラム層３と平行な光軸の入射光１１が傾斜した側面２３の一部２４に入射し、入射光１１が入射面で屈折することによりホログラム層３に臨界角以上の入射角で斜めに入射し、ホログラム３１と干渉し、Ｓ偏光の回折光１２をホログラム３１から裏面２２に向けてホログラム層３に対して垂直に発生させることができる。入射光１１のうちホログラム３１と干渉しなかった非回折光１３は、偏光ビームスプリッタ１の表面（ホログラム層３の界面又はベースフィルム４表面）で全反射し、傾斜した他方の側面の一部２５によって屈折し、ホログラム層３と平行な光軸で出射することができる。また図示は省略しているが、裏面２２からの入射光１４に対しては、図８（Ａ）の入射光１１と反対向きの回折光１５が発生し、非回折光１６はホログラム層３及びベースフィルム４を通過して外部に出射する。図８（Ａ）の偏光ビームスプリッタ１は、光学系として、入射光のＳ偏光成分を入射光の光軸と直交する方向に分離する偏光ビームスプリッタとして利用でき、また、入射光と非回折光との光軸を同軸とすることもできるので、位置決めの配置等が容易となる。なお、側面２３の傾斜角及び入射光１１の入射角は適宜設定することができ、例えば、入射光１１が側面２３の傾斜面に垂直に入射し、全反射した非回折光１３が他方の側面の傾斜面から垂直に出射するように構成してもよい。
【００５９】
図８（Ｂ）は、偏光ビームスプリッタ１の変形例であり、図８（Ａ）の傾斜した側面をさらに凹曲面２６としたものである。凹曲面２６は、図８（Ｂ）の紙面に垂直な方向に延在した円柱レンズとなっている。図８（Ｂ）の偏光ビームスプリッタ１では、入射光１１が基材２の側方の凹曲面２６に入射し、基材２の内部で発散光として入射し、ホログラム３１と干渉し、Ｓ偏光の回折光１２をホログラム３１から裏面２２に向けてホログラム層３に対して垂直に発生させることができる。入射光１１のうちホログラム３１と干渉しなかった非回折光１３は、偏光ビームスプリッタ１の表面（ホログラム層３の界面又はベースフィルム４表面）で全反射し、傾斜した他方の側方の凹曲面２６によって屈折し、入射光１１よりも幅広の光として出射することができる。また図示は省略しているが、裏面２２からの入射光１４に対しては、図８（Ｂ）の入射光１１と反対向きの回折光１５が発生し、非回折光１６はホログラム層３及びベースフィルム４を通過して外部に出射する。図８（Ｂ）の偏光ビームスプリッタ１は、小さい径の入射光を利用することができ、光学系を小型化することが可能である。なお、基材２の他方の側面については、凹曲面ではなく平面や凸曲面としてもよい。
【００６０】
図８（Ｃ）は、偏光ビームスプリッタ１の変形例であり、ホログラム層の第１の基材２とは反対側の面にベースフィルム４を有し、さらにベースフィルム４のホログラム層３とは反対側の面に第２の基材５を有している。図８（Ｃ）の偏光ビームスプリッタ１は、図７（Ａ）の製造方法において、ベースフィルム４と記録用第２光学素子４２との間に浸液４３を介在させずに直接接着した状態で製造すれば、そのまま図８（Ｃ）の偏光ビームスプリッタ１として利用することができる。図８（Ｃ）の偏光ビームスプリッタ１では、第１の基材２の側面２３が傾斜しており、入射光１１が傾斜に対して垂直に入射し、そのままの光軸でホログラム層３を通過し、ホログラム３１と干渉し、Ｓ偏光の回折光１２をホログラム３１から第１の基材２の裏面２２に向けてホログラム層３に対して垂直に発生させることができる。入射光１１のうちホログラム３１と干渉しなかった非回折光１３は、ベースフィルム４及び第２の基材５を通過し、第２の基材５の傾斜した側面５０に対して垂直に出射する。また図示は省略しているが、第１の基材２の裏面２２からの入射光１４に対しては、図８（Ｃ）の入射光１１と反対向きの回折光１５が発生し、非回折光１６はホログラム層３、ベースフィルム４及び第２の基材５を通過して外部に出射する。図８（Ｃ）の偏光ビームスプリッタ１は、第２の基材５を有しているため、非回折光１３がホログラム層３を通過し、第１の基材２側には反射しないため、回折光１２へのノイズを低減できる。また、入射光１１と非回折光１３との光軸を同軸とすることもできるので、位置決めの配置等が容易となる。なお、第１の基材２及び第２の基材５の側面の傾斜角及び入射光の入射角は適宜設定することができ、例えば、ホログラム層に対して垂直な側面として、偏光ビームスプリッタ１の全体構成として２枚の板状基板でホログラム層を挟持した構成としてもよい。また、図７（Ａ）と同様の光路としてもよい。
【００６１】
図９（Ａ）〜（Ｃ）は、偏光ビームスプリッタ１の基材２の裏面２２を変形した例である。図９（Ａ）は、基材２の裏面２７が表面２１に対して傾斜した平面で構成されており、ホログラム３１から斜めに回折光１２が発生し、裏面の傾斜面２７に対して垂直となるように構成されている。図９（Ａ）のホログラム３１は、例えば、図３（Ａ）の製造方法で製造した場合、入射光１１に対して垂直であるが、ホログラム層３に対して斜めの回折光１２が発生する。図９（Ａ）の基材２の裏面の傾斜面２７は、かかる斜めに進む回折光１２と垂直に設けられているため、収差等の影響を低減できる。また、回折光１２に対して裏面の傾斜面２７を傾斜させることにより、裏面の傾斜面２７での屈折を用いて出射光の方向を大きく変更することもできる。
【００６２】
図９（Ｂ）は、基材２の裏面が凸曲面２８で構成されており、ホログラム３１から発生した垂直な回折光１２ａが、裏面の凸曲面２８で収束する光１２ｂとして出射する。図９（Ｂ）では、基材２の裏面で回折光を成形することができるので、部品点数の削減に伴うコストダウンや、軽量化、信頼性の向上等の様々な効果を有している。なお、凸曲面２８は、紙面に垂直な方向に延在した円柱レンズとし、一方向に収束させる構成でもよいし、凸曲面２８を光軸を中心として回転させた形状として全方向において収束させる構成でもよい。なお円柱レンズとした場合は、線状の光源とすることができ、スキャナーなどのラインセンサーの光源として利用することも可能である。また、凸曲面２８は、反射型の表示装置（例えばＬＣＯＳ）のフロントライトの面光源装置として利用すると、表示装置で反射された後に再度通ることにより投影レンズの一部として機能させることもでき、表示装置の小型化がより効果的に設計することができる。
【００６３】
図９（Ｃ）は、基材２の裏面が凹曲面２９で構成されており、ホログラム３１から発生した垂直な回折光１２ａが、裏面の凹曲面２９で発散する光１２ｂとして出射する。図９（Ｃ）では、基材２の裏面で回折光を成形することができるので、部品点数の削減に伴うコストダウンや、軽量化、信頼性の向上等の様々な効果を有している。なお、凹曲面２９は、紙面に垂直な方向に延在した円柱レンズとし、一方向に発散させる構成でもよいし、凹曲面２９を光軸を中心として回転させた形状として全方向において発散させる構成でもよい。
【００６４】
図１０（Ａ）及び（Ｂ）は、偏光ビームスプリッタ１のホログラム３１による回折光１２を変形した例である。図１０（Ａ）のホログラム３１は、基材２の側面の一部２４を介して基材２の外部からホログラム層３に入射した入射光１１の少なくとも一部と干渉して、ホログラム層３に対して斜めの平行光を回折光１２として裏面２２に向けて発生させることができ、回折光１２は基材２の裏面２２から屈折して斜めに出射する。図１０（Ａ）のホログラム３１は、例えば、図３（Ａ）の製造方法で製造することができ、その場合は、入射光１１の光軸と回折光１２の光軸とは直交する。ホログラム３１と干渉しなかった非回折光１３は、偏光ビームスプリッタ１の表面で全反射して他の側面の一部２５から基材２の外部に出射する。図１０（Ａ）の偏光ビームスプリッタ１は、記録時における２つの光束の交差角を９０°とすることができ、消光比を高くすることができる。
【００６５】
図１０（Ｂ）のホログラム３１は、基材２の側面の一部２４を介して基材２の外部からホログラム層３に入射した入射光１１の少なくとも一部と干渉して、ホログラム層３に対して垂直な発散光を回折光１２ａとして裏面２２に向けて発生させることができ、回折光１２ａは基材２の平坦な裏面２２において屈折し、更なる発散光１２ｂとして出射する。図１０（Ｂ）のホログラム３１は、例えば、図７（Ｂ）の製造方法で製造することができる。また、図１０（Ｃ）に示すように、記録時において、平行光である第２の光束４５ａをレンズ５７によって発散光４５ｂとしてホログラム層３に照射することによっても製造することができる。図１０（Ｂ）の偏光ビームスプリッタ１は、発散する回折光１２ｂを照射することができ、表示装置の光源として利用することにより、表示装置の倍率を大きくすることができる。
【００６６】
図１１（Ａ）は、偏光ビームスプリッタ１のホログラム３１が多重記録されており、ホログラム３１から複数の回折光１２ａ、１２ｂ、１２ｃを発生させた例である。図１１（Ａ）のホログラム３１は、基材２の側面の一部２４を介して基材２の外部からホログラム層３に入射した入射光１１の少なくとも一部と干渉して、回折光としてホログラム層３に対して垂直な平行光１２ａ、斜めの平行光１２ｂ、１２ｃを裏面２２に向けて発生させることができ、基材の裏面２２から出射する。図１１（Ａ）のホログラム３１は、例えば、図１１（Ｂ）に示すように、記録時において、共通する第１の光束４４に対し、複数の第２の光束４５ａ、４５ｂ、４５ｃを順次あるいは同時に記録することにより、ホログラム層３の同じ位置に複数のホログラム３１を多重記録することができる。図１１（Ａ）の偏光ビームスプリッタ１は、複数の回折光１２ａ、１２ｂ、１２ｃによって広い範囲を照射することができ、また、表示装置の光源として利用することにより、表示装置の視野角を広くすることができる。また、第２の光束４５ａ、４５ｂ、４５ｃを異なる波長で多重記録することで、波長ごとに進行方向の異なる照明光を生成することも可能である。
【００６７】
図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、透過型ホログラム３２を利用した偏光ビームスプリッタ１の一例である。図１２の偏光ビームスプリッタ１は、図８（Ａ）と同様の構造において透過型ホログラム３２を採用した例であり、側面２３が傾斜した基材２と、基材２の表面２１に設けられたホログラム層３と、ベースフィルム４とを有し、ホログラム層３は透過型ホログラム３２を有している。図１２の偏光ビームスプリッタ１では、図１２（Ａ）に示すように、ホログラム層３と平行な光軸の入射光１１が傾斜した側面２３の一部２４に入射し、入射光１１が入射面で屈折することによりホログラム層３に臨界角以上の入射角で斜めに入射し、ホログラム３１と干渉し、ホログラム３１からベースフィルム４に向けてホログラム層３に対して垂直に回折光１７を発生させることができる。入射光１１のうちホログラム３１と干渉しなかった非回折光１３は、偏光ビームスプリッタ１の表面（ホログラム層３の界面又はベースフィルム４表面）で全反射し、傾斜した他方の側面の一部２５によって屈折し、ホログラム層３と平行な光軸で出射することができる。また、図１２（Ｂ）に示すように、ベースフィルム４を介して垂直に入射した入射光１８に対しては、図１２（Ａ）の入射光１１と反対向きの回折光１５が発生し、傾斜した側面２３の一部２４によって屈折し、ホログラム層３と平行な光軸で出射し、非回折光１９は、ホログラム層３及び基材２を通過して基材２の裏面２２から外部に出射する。図１２（Ａ）及び（Ｂ）は、透過型ホログラム３２を利用した偏光ビームスプリッタ１は、図７（Ａ）の製造方法において、第２の光束４５の向きを反対向きにし、記録用第１光学素子４１側からホログラム層３を照射するように構成すれば、第１の光束４４と第２の光束４５とによって透過型のホログラム３２を製造することができる。なお、図１２では図８（Ａ）と同様の構造において透過型ホログラム３２を採用した例で説明したが、他の構造についても同様に透過型ホログラムとすることが可能である。
【００６８】
［透過型ホログラムの検証実験］
図１３は、検光子５４の透過軸の角度に対する本発明の透過型ホログラム３２の回折光及び非回折光（透過光）の光量の分布を示す。透過型ホログラム３２は、図３（Ｂ）の製造方法において、反射型ホログラムの検証実験と同様の条件で製造した。ただし、第１の光束４４及び第２の光束４５について、Ｓ偏光同士で製造したホログラム３２、及び円偏光同士で製造したホログラム３２およびＰ偏光同士で製造したホログラム３２の３通りの組み合わせで記録したが、Ｐ偏光同士で製造したホログラムについては回折光が確認されなかったため、上記２つの結果のみ示す。記録された各ホログラム３２については、図４（Ａ）及び（Ｂ）においてホログラムを透過型とした場合の配置で回折光及び非回折光の光量を測定した。すなわち、ホログラム３２に対し、記録時と同じ配置で、再生用の光束５１を第１の光束４４と同じ角度で記録用第１光学素子４１の側面を介して照射し、ホログラム３２から発生した回折光をアパーチャ（開口）５３及び高性能検光子５４を介して検出器５５で検出し、再生用の光束５７を第２の光束４５と同じ角度で記録用第１光学素子４１の裏面を介して照射し、ホログラム３２を透過した非回折光を同様に検出した。第１の光束４４に対応する再生用の光束５１の光量は、検出器５５で受光する面積比で換算して算出した場合に約５．５ｍＷであり、第２の光束４５に対応する再生用の光束５７の光量は、検出器５５で受光する面積比で換算して算出した場合に約２９ｍＷであった。図１３（Ａ）は、Ｓ偏光同士で製造したホログラム３２の回折光の測定結果であり、図１３（Ｂ）は、Ｓ偏光同士で製造したホログラム３２の非回折光の測定結果であり、図１３（Ｃ）は、円偏光同士で製造したホログラム３２の回折光の測定結果であり、図１３（Ｄ）は、円偏光同士で製造したホログラム３２の非回折光の測定結果である。縦軸は、（Ａ）および（Ｃ）が回折光量（ｍＷ）であり、（Ｂ）および（Ｄ）が非回折光量（ｍＷ）で、横軸は、検光子５４の透過軸とＰ偏光との角度（°）であり、Ｐ偏光と平行な方向（０°）から１８０°回転させるまでの各角度で光量を検出した。また、実線はＳ偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、点線は円偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、図１３（Ｂ）及び（Ｄ）の一点鎖線はＰ偏光の再生用の光束を照射したときの結果である。なお、図１３（Ａ）及び（Ｃ）において、Ｐ偏光の再生用の光束を照射したときの光量は、最大値がホログラムを再生するための再生用の光束（照射光）の光量の１／１００以下の光量であり、実質的な回折はされなかった。
【００６９】
図１３（Ａ）及び（Ｃ）から、透過型のホログラム３２では、Ｓ偏光の再生用の光束とは干渉し、その一部を回折させて回折光が発生したが、Ｐ偏光の再生用の光束とは干渉せず、回折光が実質的には発生しなかった。円偏光の再生用の光束を照射した場合であっても、回折光はほぼＳ偏光の光（９０°）であり、回折光におけるＰ偏光成分（０°、１８０°）の光量は、図１３（Ａ）及び（Ｃ）のいずれにおいても測定環境下でのノイズレベルと同等であった。
【００７０】
また、図１３（Ｂ）及び（Ｄ）に示すように、Ｐ偏光の再生用の光束を第２の光束４５と同じ角度で記録用第１光学素子４１の裏面を介して照射してホログラム３２を透過した非回折光（一点鎖線）を検出した場合、Ｐ偏光成分を示す０°の時の透過光量が入射光量とほぼ同じであり、Ｓ偏光成分を示す９０°の時の透過光量がほぼゼロであることから、Ｐ偏光の光は回折せずに非干渉の光としてほとんど全ての光が透過している事が分かる。これに対して、光量は同じで偏光面だけをＳ偏光に変換して入射させた場合には、非回折光として透過した光量の最大値（実線、９０°付近）はＰ偏光の再生用の光束での非回折光の光量（一点鎖線）に比べて小さくなっていることがわかる。具体的には、Ｓ偏光同士で製造したホログラム（図１３（Ｂ））の場合は、Ｐ偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は２８．５ｍＷであるのに対し、Ｓ偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は７．６ｍＷであり、円偏光同士で製造したホログラム（図１３（Ｄ））の場合は、Ｐ偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は２３．３ｍＷであるのに対し、Ｓ偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は１１．９ｍＷでありＳ偏光の透過率はＰ偏光に比べて１／２〜１／３倍以下の透過率であった。
【００７１】
これらの結果から、本発明の透過型ホログラム３２を有するホログラム層は、入射光のうちＳ偏光の一部を回折させてＳ偏光の回折光を発生させ、Ｐ偏光の光とＳ偏光のうち非干渉の光については透過するものであり、Ｓ偏光の光を分離できることが確認された。
【００７２】
以上の偏光ビームスプリッタ１の変形例において、各変更部分については、相互に置換可能であり、例えば、図８（Ｂ）と図８（Ｃ）とを組み合わせて、側面が曲面で構成された第１の基材と第２の基材とでホログラム層を挟むような構造としてもよいし、図８（Ａ）において、図９（Ｃ）に示すように裏面を凹曲面としてもよいし、図８（Ａ）乃至（Ｃ）の偏光ビームスプリッタ１において、図１０（Ａ）、（Ｂ）、図１１（Ａ）のように、ホログラム３１から斜めの回折光、発散した回折光、複数の回折光が発生するようにしてもよい。
【００７３】
［面光源装置の実施形態］
図１４は、本発明の面光源装置１００の幾つかの実施形態を示す図である。本発明の面光源装置１００は、光源１０１と偏光ビームスプリッタ１と、光源１０１から出射した光を偏光ビームスプリッタ１のホログラム層３に所定の状態で入射させる光学系（入射光用光学系）とを有している。面光源装置１００は、面状の光を出射するものであり、偏光ビームスプリッタ１の反射型ホログラム３１によって発生した基材２の裏面から出射する回折光１２や、透過型ホログラム３２によって発生したベースフィルム４から出射する回折光１７等を被照射部材１０２に照射する。なお、図１４では、非回折光については図示していない。
【００７４】
光源１０１は、ホログラムと干渉する波長の光を出射するものである。光源１０１としては、ＬＥＤ、電球、キセノンランプ、半導体レーザー、有機ＥＬ素子、超小型蛍光管などを採用することができる。
【００７５】
偏光ビームスプリッタ１は、すでに説明したように、少なくとも透光性の基材２と、基材２の表面２１に設けられたホログラム層３とを有しており、ホログラム層３は反射型ホログラム３１又は透過型ホログラム３２を有している。反射型ホログラム３１又は透過型ホログラム３２は、所定の状態で入射光１１が入射すると、入射光１１の少なくとも一部と干渉して、面状の回折光１２又は回折光１７を発生させる。
【００７６】
入射光用光学系は、ホログラム層３の反射型ホログラム３１又は透過型ホログラム３２に対して所定の状態で入射光１１を入射させるものであり、偏光ビームスプリッタの基材２を含む。さらに入射光用光学系は、光源から出射した光を所定の大きさ、形状に成形する光学素子、光の進行方向を偏向する光学素子、光の偏光状態を変更する光学素子等を含んでいてもよい。例えば、入射光用光学系の一部として、基材２の表面２１又は裏面２２に設けられた第２のホログラムであってもよい。
【００７７】
第２のホログラムは、透過型又は反射型のホログラムであり、光源からの光と干渉して、基材内部において所定の角度の回折光を発生させるものである。所定の角度は基材の表面又は裏面側からは屈折率の関係で入射させることができない角度であることが好ましく、基材の空気に対する臨界角以上であることがより好ましい。第２のホログラムは、カラー表示に対応して赤、青、緑の光に対して干渉するように、各色の光毎に多重記録されていることが好ましい。第２のホログラムによって、基材２の表面２１又は裏面２２からであってもホログラム３１と干渉する入射光１１を基材２内部に発生させることができる。
【００７８】
被照明部材１０２は、面光源装置１００からの光が照射されるものであり、特定の部材に限定されるものではないが、例えば、液晶表示パネル、電飾看板、内照式標識、ホログラム等である。
【００７９】
図１４（Ａ）は、面光源装置１００の一実施態様であり、光源１０１と、光源１０１から出射した光を平行光とするレンズ１０３と、偏光ビームスプリッタ１とを有している。図１４（Ａ）の面光源装置１００では、出射方向が入射光１１の入射角となるように光源１０１が配置され、光源１０１から出射した光は、入射光用光学系の一部であるレンズ１０３によって平行光に成形され、基材２の側面２３に所定の角度で入射光１１が入射する。入射光１１の少なくとも一部は、基材２内部において、ホログラム層３のホログラム３１と干渉し、ホログラム３１から面状の回折光１２が発生し、基材２の裏面２２から出射し、被照明部材１０２を照明する。図１４（Ａ）は、光源の配置を入射光１１の入射角となるように配置したが、入射光用光学系として種々の光学素子を使用することにより、光源１０１の向きは変更可能である。また、光源１０１から基材２の側面２３の一部２４までの間に入射光用光学系として偏光子や波長板を配置し、入射光１１を所望の偏光状態としてもよい。
【００８０】
図１４（Ｂ）は、面光源装置１００の一実施態様であり、基材２の裏面側に配置された光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１とを有し、偏光ビームスプリッタ１の基材２の裏面２２に入射光用光学系の一部として、第２のホログラム１０４を設けた構成である。図１４（Ｂ）の偏光ビームスプリッタ１は、基材２の一部の表面にホログラム３１を有しており、基材２のホログラム３１を有していない他の一部において、基材２の裏面２２に第２のホログラム１０４が設けられている。さらに、図１４（Ｂ）の光源１０１は、赤色ＬＥＤ１０１ａ、緑色ＬＥＤ１０１ｂ、青色ＬＥＤ１０１ｃの３光源を有しており、カラー表示が可能である。
【００８１】
図１４（Ｂ）の第２のホログラム１０４は、透過型のホログラムであり、偏光ビームスプリッタの外側から入射した光と干渉して、基材内部において所定の角度の回折光を発生させる。つまり、図１４（Ｂ）の第２のホログラム１０４は、赤色ＬＥＤ１０１ａから出射した第１の波長の光（点線）が外側から入射すると、基材２内部にホログラム３１に向かう所定角度の第１の波長の回折光（点線）を発生させる。同様に、第２のホログラム１０４は、緑色ＬＥＤ１０１ｂから出射した第２の波長の光（実線）が外側から入射すると、基材２内部にホログラム３１に向かう所定角度の第２の波長の回折光（実線）を発生させ、青色ＬＥＤ１０１ｃから出射した第３の波長の光（一点鎖線）が外側から入射すると、基材２内部にホログラム３１に向かう所定角度の第３の波長の回折光（一点鎖線）を発生させる。ホログラム３１は、第１の波長ないし第３の波長の回折光が入射すると、面状の回折光を発生させ、基材２の裏面を介して被照明部材１０２を照明する。第２のホログラム１０４は、別途製造されたホログラムを基材２の裏面に貼付して設けてもよいし、基材２の裏面に第２のホログラム層を設け、第２のホログラム層にホログラムを記録させることで設けてもよい。
【００８２】
図１４（Ｃ）は、面光源装置１００の一実施態様であり、基材２の裏面側に配置された光源１０１と、偏光ビームスプリッタ１とを有し、偏光ビームスプリッタ１の基材２の表面２１に入射光用光学系の一部として、第２のホログラム１０５を設けた構成である。図１４（Ｃ）の偏光ビームスプリッタ１は、基材２の表面の一部にホログラム３１を有しており、他の一部に第２のホログラム１０５が設けられている。さらに、図１４（Ｃ）の光源１０１は、赤色ＬＥＤ１０１ａ、緑色ＬＥＤ１０１ｂ、青色ＬＥＤ１０１ｃの３光源を有しており、カラー表示が可能である。
【００８３】
図１４（Ｃ）の第２のホログラム１０５は、反射型のホログラムであり、基材２の裏面側から基材２を介して入射した光と干渉して、基材内部において所定の角度の回折光を発生させる。図１４（Ｃ）においては、基材２の裏面側に配置された赤色ＬＥＤ１０１ａから出射した第１の波長の光（点線）、緑色ＬＥＤ１０１ｂから出射した第２の波長の光（実線）、青色ＬＥＤ１０１ｃから出射した第３の波長の光（一点鎖線）は、基材２の裏面２２から内部に屈折して入射し、第２のホログラム１０５に入射する。第２のホログラム１０５は、第１の波長の光（点線）と干渉して基材２の臨界角以上の角度の第１の波長の回折光（点線）を発生させ、第２の波長の光（実線）と干渉して基材２の臨界角以上の角度の第２の波長の回折光（実線）を発生させ、第３の波長の光（一点鎖線）と干渉して基材２の臨界角以上の角度の第３の波長の回折光（一点鎖線）を発生させる。各回折光は、基材２の裏面において全反射してホログラム３１に入射する。ホログラム３１は、第１の波長ないし第３の波長の回折光が入射すると、面状の回折光を発生させ、基材２の裏面を介して被照明部材１０２を照明する。第２のホログラム１０５は、ホログラム層３の他の一部に形成してもよいし、別途製造されたホログラムを基材２の表面２１に貼付して設けてもよい。
【００８４】
なお、光源を基材２の表面側に配置した場合は、第２のホログラムとして図１４（Ｂ）及び（Ｃ）とは透過型と反射型を変更したホログラムを設ければよい。例えば、第２のホログラムを基材２の表面２１に設けた場合は、第２のホログラムを透過型とし、ベースフィルム４を介して入射した光源からの光を偏向させて基材２内部に所定の角度で入射させればよいし、第２のホログラムを基材２の裏面２２に設けた場合は、第２のホログラムを反射型とし、ベースフィルム４、ホログラム層３及び基材２介して入射した光源からの光を臨界角以上の回折光として反射すればよい。
【００８５】
［表示装置の実施形態］
本発明の表示装置２００は、面光源装置１００（光源は図示していない）と、面光源装置１００から出射された光が照射される表示素子２０１とを有している。面光源を利用することから、表示素子２０１は、面光源装置１００の表面側又は裏面側に隣接して配置されることが好ましい。面光源装置１００は、表示素子に対するバックライト又はフロントライトとして機能し、また、Ｓ偏光の光のみを照射する点において偏光子を通過させた場合と同じ結果を得ることができる。
【００８６】
表示素子２０１は、反射型でも透過型でもよく、複数の画素がマトリクス状に配列されており、画素ごとに入射した光の透過率、偏光状態等を変更することによって画像を表示するものである。表示素子２０１としては、種々の方式のものを使用することができる。表示素子２０１としては、透過型の液晶表示装置（ＬＣＤ：Liquid Crystal Device）、
反射型のＬＣＤ（ＬＣＯＳ：Liquid Crystal on Siliconを含む）、デジタルマイクロミ
ラーデバイス（ＤＭＤ：Digital Micromirror Device）、電子ペーパーなどを利用することができる。反射型の場合には、表示素子２０１の表面側には面光源装置１００が配置されており、表示素子２０１の画像は面光源装置１００を介して表示されるため、少なくともＯＮ表示の画素の光については、表示素子の表面側から出射した光が面光源装置１００の偏光ビームスプリッタ１のホログラム層３を通過する必要があり、Ｐ偏光成分を含む必要がある。面光源装置１００から照射される光はＳ偏光の光であることから、表示素子２０１としては、光の偏光状態を変更する表示素子（例えば反射型のＬＣＤ）を採用することが好ましい。ただし、光の透過率を変更する表示素子においても、四分の一波長板を２回通過させることにより、偏光方向を９０°回転させることができ、Ｐ偏光とすることができる。例えば、表示素子２０１の入射面に四分の一波長板を配置すれば、面光源装置１００から出射したＳ偏光の光が表示素子２０１に入射する際に円偏光に変更され、画素電極で反射された円偏光の光が表示素子２０１から出射する際にＰ偏光に変更され、偏光ビームスプリッタ１のホログラムを通過することができる。なお、表示素子２０１において、中間調の画素については、楕円偏光となりＳ偏光成分とＰ偏光成分を含んであり、Ｐ偏光成分の割合に応じた強度の透過光が表示される。
【００８７】
図１５（Ａ）は、本発明の表示装置２００の一例である。表示装置２００は、反射型の表示素子２０１と、表示素子２０１の表面側に配置された面光源装置１００（光源は図示していない）とを有している。図１５の表示素子２０１は、反射式の液晶表示素子であり、表面側から入射した光を画素電極で反射して再び表面側から出射する構成であり、ＯＮ表示の画素２０２については液晶層を通過する間に偏光方向を９０°回転させ、ＯＦＦ表示の画素２０３については液晶層では偏光方向が変わらない構成である。なお、反射型の表示素子２０１の内部構造については省略している。
【００８８】
図示しない光源からの光２１０が、面光源装置１００の偏光ビームスプリッタ１の基材２の側面の一部２４を介して入射し、少なくとも一部がホログラム層３のホログラム３１と干渉し、Ｓ偏光の回折光２１１を発生し、基材２の裏面２２から出射し、表示素子２０１に入射する。表示素子２０１のＯＮの画素２０２に入射したＳ偏光の回折光２１１は、液晶層を通過する際に偏光の向きが９０度回転し、Ｐ偏光の光２１２となり、表示素子２０１の表面から出射する。表示素子２０１の表面から出射したＰ偏光の光２１２は、基材２の裏面２２を介してホログラム３１に入射するが、Ｐ偏光のためホログラム３１とは干渉せずにホログラム層３及びベースフィルム４を透過する。一方、表示素子２０１のＯＦＦの画素２０３に入射したＳ偏光の回折光２１１は、液晶層を通過しても偏光の向きは変わらず、Ｓ偏光の光２１３のまま表示素子２０１の表面から出射する。表示素子２０１の表面から出射したＳ偏光の光２１３は、基材２の裏面２２を介してホログラム３１に入射し、ホログラム３１によって反射して基材の側面の一部２４から出射する。また、ホログラム３１と干渉しなかった非回折光２１４は、偏光ビームスプリッタ１の表面で全反射して他の側面の一部２５から基材２の外部に出射する。
【００８９】
図１５（Ａ）はホログラム３１の回折効率が高く入射したＳ偏光の光とほぼ干渉する場合の動作である。ホログラム層３の材質や利用する光の波長等により回折効率が低くなる場合もあり、この場合は、入射したＳ偏光の光のうち、回折効率分の成分が干渉し、残りの部分は非回折光となる。このような場合には、図１５（Ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッタ１の表示素子２０１とは反対側の面にＰ偏光成分のみを通過させる偏光板２０４を配置すればよい。
【００９０】
図１５（Ｂ）において、光源からの光２１０が、面光源装置１００の偏光ビームスプリッタ１の基材２の側面の一部２４を介して入射し、光２１０のＳ偏光成分のうち回折効率に応じた一部がホログラム層３のホログラム３１と干渉し、Ｓ偏光の回折光２１１を発生し、表示素子２０１に入射するが、光２１０のＳ偏光成分の残りΔＳはＰ偏光成分と共に非回折光２１４として他の側面の一部２５から基材２の外部に出射される。表示素子２０１の表面から出射するＰ偏光の光２１２は図１５（Ａ）と同様であるが、Ｓ偏光の光２１３は、基材２の裏面２２を介してホログラム３１に入射し、回折効率に応じた一部がホログラム３１と干渉し、基材の側面の一部２４から出射する。干渉しなかったＳ偏光の残部ΔＳは、ホログラム層３及びベースフィルム４を通過するが、偏光ビームスプリッタ１に隣接して配置された偏光板２０４を通過できず、非表示の画素となる。
【００９１】
図１６は、本発明の表示装置２００の他の一例であり、基材２の側面を傾斜面とした偏光ビームスプリッタ１を使用し、光源からの光２１０を表示素子２０１の表面と平行に入射させ、非回折光２１４を平行に出射させる構成である。偏光ビームスプリッタと表示装置における表示動作は図１５と同様である。かかる構成とすることにより、光学系の設計や位置合わせが容易となる。
【００９２】
また、図示しないが、図１４（Ｂ）及び（Ｃ）における被照明部材１０２として反射型の表示素子を配置することで、表示素子と光源とを同一基板上に実装し、その上に偏光ビームスプリッタ１を配置した一体化の表示装置ユニットを構成できる。図１４（Ｃ）においては、光源１０１と被照明部材１０２である表示素子との間に間隔があるので、この領域にＣＰＵ、メモリ等を実装してもよい。
【００９３】
図１７は、本発明の表示装置２００の一例であり、透過型の表示素子２０１のバックライトとして面光源装置を使用した例である。面光源装置の構成は図１６と同じである。透過型の表示素子２０１は、透光性の第１の基板２０５と透光性の第２の基板２０７との間に液晶層２０６が封入され、第２の基板２０７の外側表面にＰ偏光のみを通過させる偏光板２０８が配置されている。表示素子２０１は複数の画素がマトリクス状に配置されており、各画素には透明な画素電極が形成され、画素内の電圧を制御できるように構成されている。液晶の配向方式や駆動方法については特に限定されず、ＴＮ型、ＩＰＳ型、ＶＡ型、ＯＣＢ型等の様々な表示素子を利用できる。表示素子２０１のＯＮ表示の画素２０２は、第１の基板から入射した直線偏光が液晶層２０６を通過する間に偏光方向を９０°回転させるように構成され、ＯＦＦ表示の画素２０３については液晶層では偏光方向が変わらないように構成されている。ただし、透過型の場合は、偏光板２０８の透過軸が変更可能であるので、例えばＳ偏光のみを通過する偏光板を配置すれば、ＯＮ表示の画素とＯＦＦ表示の画素における動作を逆にすることができる。
【００９４】
図１７において、図示しない光源からの光２１０が、面光源装置１００の偏光ビームスプリッタ１の基材２の側面の一部２４を介して入射し、少なくとも一部がホログラム層３のホログラム３１と干渉し、Ｓ偏光の回折光２１１を発生し、基材２の裏面２２から出射し、表示素子２０１に入射する。表示素子２０１のＯＮの画素２０２に入射したＳ偏光の回折光２１１は、液晶層２０６を通過する間に偏光の向きが９０度回転し、Ｐ偏光の光２１５となり、第２の基板２０７及び偏光板２０８を通過して画像が表示される。一方、表示素子２０１のＯＦＦの画素２０３に入射したＳ偏光の回折光２１１は、液晶層を通過しても偏光の向きは変わらず、Ｓ偏光の光２１６のまま第２の基板２０７を通過するが、偏光板２０８を通過できず、非表示の画素となる。また、ホログラム３１と干渉しなかった非回折光２１４は、偏光ビームスプリッタ１の表面で全反射して他の側面の一部２５から基材２の外部に出射する。
【００９５】
図１８は、本発明の表示装置２００の他の一例であり、表示素子２０１の一方の透光性基板を偏光ビームスプリッタの基材として利用した例である。かかる一体型の表示素子２０１は、透光性基板の外側表面にホログラム３１が記録されたホログラム層３を貼付することにより簡単に製造することができる。
【００９６】
図１８（Ａ）においては、透過型の表示素子２０１の第１の基板２０５の外側表面にホログラム３１が記録されたホログラム層３及びベースフィルム４が貼付されている。光源からの光２１０は第１の基板２０５の側面から入射し、ホログラム３１から液晶層２０６に向かってＳ偏光の回折光が発生し、液晶層２０６においてＯＮの画素２０２ではＰ偏光の光２１５に変更され、ＯＦＦの画素２０３ではＳ偏光の光２１６のまま第２の基板２０７を通過し、偏光板２０８によってＰ偏光の光２１５は通過し、Ｓ偏光の光２１６は阻止される。
【００９７】
図１８（Ｂ）においては、反射型の表示素子２０１の表面側の透光性基板２２１の外側表面にホログラム３１が記録されたホログラム層３及びベースフィルム４が貼付され、さらにその外側にＰ偏光成分のみを通過させる偏光板２０４が配置されている。なお、反射型の表示素子２０１は、シリコン基板２２０に液晶駆動回路（図示せず）と画素電極（反射電極）２２４が設けられ、透光性基板２２１との間に液晶層２２２が封入されている。光源からの光２１０は表面側の透光性基板２２１の側面から入射し、ホログラム３１から液晶層２２２に向かってＳ偏光の回折光が発生し、液晶層２２２を介して画素電極で反射し、表面側の透光性基板２２１を通過する。Ｓ偏光の回折光は、ＯＮの画素２０２では液晶層２２２を往復する間にＰ偏光の光２１２に変更され、ＯＦＦの画素２０３ではＳ偏光の光２１３のままである。このため、Ｐ偏光の光２１２はホログラム３１とは干渉せずにホログラム層３及びベースフィルム４を通過し、さらに偏光板２０４も通過して表示される。Ｓ偏光の光２１３は、基材２の裏面２２を介してホログラム３１に入射し、ホログラム３１と一部が干渉して基材の側面の一部２４から出射する。また、Ｓ偏光の光２１３のうちホログラム３１と干渉しなかった光は偏光板２０４を通過できず、結局、非表示の画素となる。
【００９８】
なお、表示装置の面光源装置として反射型ホログラム３１による実施形態を示したが、透過型ホログラム３２の場合であっても、ベースフィルム４を介して照射されるＳ偏光の回折光１７を面光源として利用することができ、表示素子と組み合わせて表示装置を実現できる。
【００９９】
以上のとおり、本明細書では複数の形態について説明したが、本発明の適用範囲は、それぞれの形態に限定されるものではない。例えば、これら複数の形態を組み合せることもできる。
【符号の説明】
【０１００】
１  偏光ビームスプリッタ
２  基材
３  ホログラム層
４  ベースフィルム
１１  入射光
１２  回折光
１３  非回折光
２１  基材の表面
２２  基材の裏面
２３  基材の側面
３１  ホログラム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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