(57)【要約】【課題】  単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができ、ひいては簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムおよびその製造方法、並びに当該マスターホログラムを用いた位相型体積ホログラム光学素子の製造方法を提供する。【解決手段】  マスターホログラム１は、第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂを有する第一の透過型ホログラム２と、第二の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂを有する第二の透過型ホログラム３とを備えている。第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とが互いに積層された二層構造である。第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂ及び第二の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂは、ホログラム複製用の感光性材料４に入射する、第一の光束９及び第二の光束１０の入射角をそれぞれ制御するように形成されている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラムを複製するために用いるマスターホログラムにおいて、
複数の第一の要素ホログラムを有する第一の透過型ホログラムと、上記第一の要素ホログラムとは異なる、複数の第二の要素ホログラムを有する第二の透過型ホログラムとを備え、
上記第一の透過型ホログラムと上記第二の透過型ホログラムとが互いに積層されていることを特徴とするマスターホログラム。
【請求項２】
上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムは、上記第一の透過型ホログラム側から光が入射したときに、ホログラム複製用の感光性材料に入射する第一の光束の入射角を制御するように形成されており、
上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、上記感光性材料に入射する、上記第一の光束とは異なる第二の光束の入射角を制御するように形成されていることを特徴とする請求項１記載のマスターホログラム。
【請求項３】
上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムは、上記第一の透過型ホログラム側から光が入射したときに、入射する光を回折させて第一の角度で出射させるグレーティングであり、
上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、上記各第一の要素ホログラムから出射した光を回折させて、第一の角度とは異なる第二の角度で出射させるグレーティングであることを特徴とする請求項２記載のマスターホログラム。
【請求項４】
上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムの回折効率は１００％であり、上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムの回折効率は５０％であることを特徴とする請求項２または３記載のマスターホログラム。
【請求項５】
上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラム及び上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、それぞれの回折効率が所望の回折効率になるように、それぞれの屈折率変調を調整されて形成されていることを特徴とする請求項４記載のマスターホログラム。
【請求項６】
上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムおよび上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の三原色の波長の光を回折するホログラムを複製すべく、三原色用の要素ホログラムであることを特徴とする請求項４記載のマスターホログラム。
【請求項７】
第一の感光波長によって感光する第一の感光性材料と、第一の感光波長とは異なる第二の感光波長によって感光する第二の感光性材料とを積層する積層工程と、
第一の感光波長の光により、第一の感光性材料を感光して、入射する光を回折させて第一の角度で出射させるグレーティングを有する第一の要素ホログラムを形成する第一の露光工程と、
第二の感光波長の光により、第二の感光性材料を感光して、第一の要素ホログラムから出射した光を回折させて第一の角度と異なる第二の角度で出射させるグレーティングを有する第二の要素ホログラムを形成する第二の露光工程とを少なくとも含むことを特徴とするマスターホログラムの製造方法。
【請求項８】
上記第一の露光工程および上記第二の露光工程は、所定の位置に開口部を有するマスクを用いて、露光する工程であると共に、
上記マスクと第一の感光性材料および第二の感光性材料との位置を変えて、複数回、露光を繰り返して、所望のパターンを第一の感光性材料および第二の感光性材料の異なる位置に形成する工程であることを特徴とする請求項７記載のマスターホログラムの製造方法。
【請求項９】
請求項１〜６の何れか１項に記載のマスターホログラムを、感光性材料における光の入射面側に配して、上記マスターホログラムの第一の透過型ホログラム側から光を入射させて、上記マスターホログラムのホログラムを複製するようにしたことを特徴とする位相型体積ホログラム光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マスターホログラム及びその製造方法、並びに、当該マスターホログラムを用いた位相型体積ホログラム光学素子の製造方法に関するものである。特に、マスターホログラムを用いて、干渉露光光学系により、複数の画素領域にピクセル化された透過型ホログラムを複製する位相型体積ホログラム光学素子の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ホログラム光学素子として、高分子化合物中に、屈折率の異なる屈折率変調層が積層された位相型体積ホログラム光学素子が知られている。上記位相型体積ホログラム光学素子は、干渉フィルタの原理により、特定の波長の光を透過させること、あるいは回折させることが可能である。そのため、投写型液晶表示装置のカラーフィルタや、互いに異なる複数方向の視差画像を再生して立体的な画像が得られるホログラム光学素子等に応用されている。
【０００３】
一般に、位相型体積ホログラム光学素子で回折された回折光の色は、位相型体積ホログラム光学素子内部に形成された干渉縞の格子間隔によって決定される。そして、上記格子間隔は二光束干渉露光光学系を設計することによって制御することが可能である。
【０００４】
具体的には、位相型体積ホログラム光学素子は、図１１（ａ）に示すように、位相型体積ホログラム光学素子となるホログラム乾板、すなわち感光性材料１０１に、物体光および参照光を入射させ、これら二光束による露光によって、図１１（ｂ）に示すように、感光性材料１０１に干渉縞１０１ａを形成することにより製造される。このとき、感光性材料１０１に入射する物体光の波長および参照光の波長を変化させることにより、または、物体光と参照光との交差する角度を変化させることにより、感光性材料１０１に形成される干渉縞１０１ａの格子間隔ｄを変化させることができる。
【０００５】
このようにして、任意の波長を回折、あるいは透過させる位相型体積ホログラム光学素子を製造することができる。このようにして形成された、位相型体積ホログラム光学素子では、図１１（ｃ）に示すように、別の光である再生照明光で照明すると、その回折によって、物体光に相当する再生光が出射し、その物体の像を再生することができる。
【０００６】
ここで、例えば、特許文献１に、ホログラム素子をＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）等の各画素領域にピクセル化し、投写型液晶表示装置の透過型カラーフィルタとして応用する例が開示されている。
【０００７】
図１２を参照しながら、上記ホログラム素子を製造する方法について説明する。図１２は透過型カラーフィルタとして応用するホログラム素子の製造過程を説明するための構成図である。図１２に示すように、カラーフィルタの青色の画素に対応するホログラムを記録する場合、露光用マスク２０２を通して例えば青色の光を透過させ、これを物体光２０４として決像光学系２０３を介してホログラム用基板２０１に照射する。このとき、ホログラム用基板２０１には物体光２０４と共に参照光２０５を入射させ、これら二光束の照射によって、ホログラム用基板２０１に干渉縞を形成する。引き続き、他の色（赤色、緑色）の画素についても同様にその色に対応する干渉縞を順次形成する。以上により、３原色それぞれについての干渉縞を有するホログラム素子を形成することができる。
【０００８】
また、特許文献２には、マスターホログラムを用いて、互いに異なる複数方向の視差画像を再生して立体的な画像を得ることができるホログラムを製造する製造方法が開示されている。
【０００９】
図１３を参照しながら、特許文献２に記載の透過型のホログラムの製造方法を説明する。図１３は、マスターホログラムを用いて透過型のホログラムを製造する方法を説明するための断面図である。図１３に示すように、マスターホログラム３０２には、予め各パターンに対応する複数の要素ホログラムが形成されている。レーザ光３０４を空間変調素子３０３側から入射するとき、空間変調素子３０３の光透過部３０８およびマスターホログラム３０２を透過した０次回折光３０５が、乾板３０１の感光材料３０９への参照光となると共に、１次回折光３０６が物体光となる。上記参照光と上記物体光とが干渉して干渉縞が乾板３０１の感光材料３０９に記録される。
【００１０】
以上により、マスターホログラム３０２の複数の要素ホログラムに対応したパターンが感光材料３０９に記録することができ、その結果、透過型のホログラムを製造することができる。すなわち、マスターホログラム３０２に記録されているパターンを感光材料３０９に複製することにより、透過型のホログラムを製造することができる。
【００１１】
上記マスターホログラム３０２を用いて透過型のホログラムを複製する場合、一回の露光により上記透過型のホログラムを製造することができる。さらに、予め各パターンが形成されたマスターホログラム３０２と感光材料３０９との位置合わせを行って積層するので、各要素ホログラムの作製毎にマスク等の位置合わせを行う必要がなく、生産性を向上することが可能となる。
【００１２】
また、特許文献３に、リップマンフルカラーホログラムを製造する方法が開示されている。図１４を参照しながら、特許文献３に記載のリップマンフルカラーホログラムの製造方法を説明する。図１４は、リップマンフルカラーホログラムの複製方法を説明するための断面図である。図１４に示すように、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各色成分ごとの３枚のコピーマスター４０１Ｒ・４０１Ｂ・４０１Ｇに対して、ミラー４０３を介して、３方向から例えば赤色の各レーザ再生照明光を入射すると、各コピーマスター４０１Ｒ・４０１Ｂ・４０１Ｇからそれぞれ赤のレーザ再生照明光が反射し、これらがそれぞれ物体光としてホログラム感光材料４０２に入射し、かつこれら物体光と新たに入射する各レーザ再生照明光とが干渉して、再生角度の異なる各物体光が１枚のホログラム感光材料４０２に記録される。つまり、三重露光を行ってリップマンフルカラーホログラムを複製する。
【特許文献１】特開平１０−６２７８４号公報（公開日：１９９８年３月６日）
【特許文献２】特許第２８２２７９８号公報（公報発行日：１９９８年１１月１１日）
【特許文献３】特開平７−１０４６５０号公報（公開日：１９９５年４月２１日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、上記従来の構成では、所望のホログラムを製造するために、複数のレーザ光源を使用しなければならないという問題を有する。または、大規模な光学系においてレーザ光の入射角を制御しなければならないという問題を有する。
【００１４】
具体的には、特許文献１に記載の製造方法では、ホログラム用基板２０１に所望のパターンを形成するために、各色に対応した３種類の露光用マスク２０２および３種類の光源を用いて露光する必要がある。したがって、二光束干渉露光を３回行わなければならず、手間と時間とを要すると共に、光学系が大規模になるという問題を生じる。
【００１５】
さらに、ホログラム素子を製造するごとに、ホログラム素子用の感光材料であるホログラム用基板２０１と露光用マスク２０２との位置合わせを精度良く行う必要がある。したがって、ホログラム素子を製造するための操作が煩雑になるという問題を生じる。
【００１６】
また、特許文献２に記載の製造方法では、視差画像を再生するホログラムの複製、つまり、視差画像の再生のように、左右の各眼に再生光を導くようなホログラムの複製、換言すれば、一点へ導かれるようなホログラムの複製については、単一のレーザ光源により一回の干渉露光で透過型のホログラムに所望のパターンを製造することができる。しかしながら、ホログラムによって回折させられる光を、それぞれ任意の方向へ導くようなホログラム、例えば、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長光を、それぞれまったく異なる方向へ導くようなホログラムを複製する場合、すなわち、透過型のホログラムをカラー化する場合、所定の波長の光、つまり３種類のレーザ光源が必要となる。また、一種類の光源で複製するためには、レーザ光源の入射角を制御する必要が生じるため、ＲＧＢ用の３枚のマスターホログラム３０２が必要となる。したがって、光学系が大規模になるという問題を生じる。
【００１７】
また、特許文献３に記載の製造方法では、１つの光源で複製することができる代わりに、光源の入射角を精度良く制御する必要がある。すなわちミラー４０３に入射するレーザ再生照明光４０４の入射角、ミラー４０３のコピーマスター４０１Ｒ・４０１Ｂ・４０１Ｇに対する角度を精度良く制御する必要がある。
【００１８】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができ、ひいては簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムおよびその製造方法、並びに当該マスターホログラムを用いた位相型体積ホログラム光学素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明のマスターホログラムは、上記課題を解決するために、ホログラムを複製するために用いるマスターホログラムにおいて、例えば赤（Ｒ）の波長の光に対応する要素ホログラム・緑（Ｇ）の波長の光に対応する要素ホログラム・青（Ｂ）の波長の光に対応する要素ホログラムからなる複数の第一の要素ホログラムを有する第一の透過型ホログラムと、上記第一の要素ホログラムとは例えばグレーティングベクトル及びグレーティングピッチが異なる、複数の第二の要素ホログラムを有する第二の透過型ホログラムとを備え、上記第一の透過型ホログラムと上記第二の透過型ホログラムとが互いに積層されていることを特徴としている。
【００２０】
一般に、ホログラムを製造する方法の一例として、例えば赤（Ｒ）の波長の光に対応する要素ホログラム・緑（Ｇ）の波長の光に対応する要素ホログラム・青（Ｂ）の波長の光に対応する要素ホログラムからなる複数の要素ホログラムを有するマスターホログラムを感光性材料に複製する方法が挙げられる。この方法は、マスターホログラムにレーザ光を照射することによりマスターホログラムに入射して該マスターホログラムを透過する透過光である０次回折光と、マスターホログラムで回折された１次回折光との二光束の干渉によって、マスターホログラムの下側に設けられた感光性材料に干渉縞を形成することにより、マスターホログラムを感光性材料に複製するものである。
【００２１】
しかしながら、上記の方法では、マスターホログラムが一層である場合、単一波長の光がマスターホログラムに入射するときには、１次回折光については、例えば赤（Ｒ）の波長の光に対応する要素ホログラム・緑（Ｇ）の波長の光に対応する要素ホログラム・青（Ｂ）の波長の光に対応する要素ホログラム等の各要素ホログラムにおいて任意の角度に回折させるように制御することが可能である。しかしながら、上記各要素ホログラムを透過する０次回折光については、何れの要素ホログラムにおいても制御できないため、該透過する０次回折光は同一の角度で感光性材料に入射することになる。そのため、単一光源を用いて各要素ホログラムで、感光性材料に入射する０次回折光の入射角と１次回折光の回折角との両方を任意に制御することができない。
【００２２】
そこで、本発明では、マスターホログラムは、複数の第一の要素ホログラムを有する第一の透過型ホログラムと、上記第一の要素ホログラムとは異なる、第二の要素ホログラムを有する第二の透過型ホログラムとを備えており、上記第一の透過型ホログラムと上記第二の透過型ホログラムとが互いに積層された二層構造としている。
【００２３】
これにより、例えば、単一波長の光を第一の透過型ホログラム側から入射した場合、複数の第一の要素ホログラムにおいて、光を回折すると共に、光を透過することができる。つまり、１次回折光として入射角と異なる角度で光を出射すると共に、透過光である０次回折光として入射した光と同一の角度で光を出射することができる。したがって、第二の透過型ホログラムにおける複数の第二の要素ホログラムにそれぞれ入射する光の入射角度を、第一の透過型ホログラムに入射した光の入射角度と異なる、あるいは同一になるようにすることができる。
【００２４】
また、複数の第二の要素ホログラムにおいて、第一の要素ホログラムから出射された光を１次回折光として回折すると共に、０次回折光として透過することができる。つまり、入射角と異なる角度で光を出射すると共に、入射角と同一の出射角で光を出射することができる。
【００２５】
したがって、第一の透過型ホログラムと第二の透過型ホログラムとが積層されていることにより、第一の透過ホログラムに入射した光の入射角度と、第一の透過ホログラムから出射した光の出射角度と、第二の透過ホログラムから出射する光の出射角度とを異なるようにすることができる。つまり、マスターホログラムに入射した光の入射角度と異なる角度で、マスターホログラムから、二光束を出射することが可能となる。換言すれば、単一の光源を用いて、マスターホログラムの各要素ホログラムで、感光性材料に入射する０次回折光の入射角と１次回折光の回折角との両方を変えることが可能となる。
【００２６】
したがって、単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができ、ひいては簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムを提供することができる。
【００２７】
本発明のマスターホログラムでは、上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムは、上記第一の透過型ホログラム側から光が入射したときに、ホログラム複製用の感光性材料に入射する第一の光束の入射角を制御するように形成されており、上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、上記感光性材料に入射する、上記第一の光束とは異なる第二の光束の入射角を制御するように形成されていることが好ましい。
【００２８】
上記の構成によれば、第一の要素ホログラム及び第二の要素ホログラムは、ホログラム複製用の感光性材料に入射する、第一の光束及び第二の光束の入射角をそれぞれ制御するように形成されている。これにより、ホログラムを複製するために、光をマスターホログラムに入射したときに、感光性材料に入射する二光束、つまり二光束干渉露光系の物体光および参照光の入射角を所望の入射角に制御することが可能となる。したがって、各感光性材料に、異なる波長の光を出射する要素ホログラムを形成することが可能となる。
【００２９】
本発明のマスターホログラムでは、上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムは、上記第一の透過型ホログラム側から光が入射したときに、入射する光を回折させて第一の角度で出射させるグレーティングであり、上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、上記各第一の要素ホログラムから出射した光を回折させて、第一の角度とは異なる第二の角度で出射させるグレーティングであることが好ましい。
【００３０】
上記の構成によれば、第一の透過型ホログラムで回折されて所定の出射角度となった光を、さらに第二の透過型ホログラムを通過する０次回折光と、第二の透過型ホログラムによって回折されて、０次回折光とは異なる出射角度となる１次回折光とに分離して、第二の透過型ホログラムから出射する。これにより、出射角度が任意に制御された二光束を干渉させることが可能となる。したがって、１つの光源により、波長の異なる光を出射する位相型体積ホログラム光学素子を製造することが可能となる。この結果、従来のように、ホログラムの複製時に、複数の光源を必要としないので、装置を小型化することが可能となる。
【００３１】
本発明のマスターホログラムでは、上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムの回折効率は１００％、つまり０次回折光０％かつ１次回折光１００％であり、上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムの回折効率は５０％つまり０次回折光５０％かつ１次回折光５０％であることが好ましい。
【００３２】
例えば、第一の透過型ホログラムに光が入射したときに、当該第一の透過型ホログラムにおいて回折されずに透過する０次回折光が生じると、ホログラムの複製時にノイズが生じる場合がある。具体的には、第一の透過型ホログラムにおける０次回折光と１次回折光とが干渉することにより、余計な干渉縞が感光性材料に記録される場合がある。
【００３３】
しかしながら、上記の構成では、第一の透過型ホログラムに入射する光は、全て回折されるので、第二の透過型ホログラムに、所定の入射角度の光のみを入射させることが可能となる。つまり、第二の透過型ホログラムに入射する光は一光束となるので、第一の透過ホログラムを透過する０次回折光と回折される１次回折光とによる干渉が生じない。つまり、ホログラムを複製するときに余計な干渉縞が形成されることを防止することができる。したがって、精度良くホログラムを複製することが可能となる。
【００３４】
さらに、上記の構成によれば、第二の透過型ホログラムの回折効率が５０％であるので、当該第二の透過型ホログラムにおける０次回折光と１次回折光との光の強度が等しくなる。したがって、上記０次回折光と上記１次回折光とを、それぞれ参照光と物体光として考えた場合、参照光と物体光との干渉による干渉縞の明部と暗部とのコントラストが最大となる。つまり、屈折率差が最大となり、複製されるホログラムの回折効率を高くすることが可能となり、複製されたホログラムを鮮明に再現することが可能となる。
【００３５】
本発明のマスターホログラムでは、上記第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラム及び上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、それぞれの回折効率が所望の回折効率になるように、それぞれの例えば屈折率変化量等の屈折率変調を調整されて形成されていることが好ましい。
【００３６】
例えば、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の３色に対応する要素ホログラムを感光性材料に形成する場合、各要素ホログラムの厚さを全て同一にすると、各色の波長の光によって回折効率が異なることになり、所望の回折効率を得ることができない。これにより、ホログラムを複製したときに、再現されるホログラムの精度が低下するおそれがある。
【００３７】
そこで、マスターホログラムの各要素ホログラムの厚さを制御することによって、回折効率を調整することが考えられる。この場合、各波長の光に対応するように、各要素ホログラムの厚さを異なるようにする必要がある。しかしながら、例えば、液晶表示装置のカラーフィルタのように、ＲＧＢの各色に対応するピクセルが複数ある場合には、マスターホログラムの製造上、ピクセル毎に要素ホログラムの厚さを変更することは困難である。
【００３８】
一方、本発明の構成によれば、第一の要素ホログラムおよび第二の要素ホログラムの回折効率は、例えば屈折率変化量等の屈折率変調を調整することによって、調整される。つまり、各要素ホログラムの厚さを一定に保ちながら、回折効率を調整することができる。この場合、各要素ホログラム毎に、屈折率変調を変更すれば良いので、製造工程が煩雑になることを防止することができる。
【００３９】
本発明のマスターホログラムでは、第一の透過型ホログラムにおける各第一の要素ホログラムおよび上記第二の透過型ホログラムにおける各第二の要素ホログラムは、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の三原色の波長の光を回折するホログラムを複製すべく、三原色用の要素ホログラムであることが好ましい。
【００４０】
上記の構成によれば、マスターホログラムの第一の要素ホログラムおよび第二の要素ホログラムは、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）用の要素ホログラムであるので、複製されるホログラムをカラー化することが可能となる。つまり、異なる波長の光を出射する位相型体積ホログラム光学素子を製造することができる。
【００４１】
本発明のマスターホログラムの製造方法は、上記課題を解決するために、第一の感光波長によって感光する第一の感光性材料と、第一の感光波長とは異なる第二の感光波長によって感光する第二の感光性材料とを積層する積層工程と、第一の感光波長の光により、第一の感光性材料を感光して、入射する光を回折させて第一の角度で出射させるグレーティングを有する第一の要素ホログラムを形成する第一の露光工程と、第二の感光波長の光により、第二の感光性材料を感光して、第一の要素ホログラムから出射した光を回折させて第一の角度と異なる第二の角度で出射させるグレーティングを有する第二の要素ホログラムを形成する第二の露光工程とを少なくとも含むことを特徴としている。
【００４２】
上記の構成によれば、第一の感光波長によって感光する第一の感光性材料と、第一の感光波長と異なる第二の感光波長によって感光する第二の感光性材料を積層した後、第一の露光工程および第二の露光工程を行う。
【００４３】
これにより、第一の感光性材料と第二の感光性材料とを、個別に露光工程を行った後、第一の要素ホログラムと第二の要素ホログラムとの位置合わせを行う場合に比して、互いの位置合わせを精度良く行わなくても良く、マスターホログラムを容易に製造しやすくなる。
【００４４】
さらに、感光波長が異なる２種類の感光性材料を使用するので、第一の露光工程と第二の露光工程との互いの光によって、第一感光性材料および第二の感光性材料に余計な干渉縞が形成されることがなく、精度良く干渉縞を形成することができる。
【００４５】
さらに、第一の露光工程および第二の露光工程により、入射する光を回折させて第一の角度で出射させるグレーティングを有する第一の要素ホログラムを形成すると共に、第一の要素ホログラムから出射した光を回折させて第一の角度と異なる第二の角度で出射させるグレーティングを有する第二の要素ホログラムを形成する。
【００４６】
したがって、単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができる、つまり簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムの製造方法を提供することができる。
【００４７】
本発明のマスターホログラムの製造方法では、上記第一の露光工程および上記第二の露光工程は、所定の位置に開口部を有するマスクを用いて、露光する工程であると共に、上記マスクと第一の感光性材料および第二の感光性材料との位置を変えて、複数回、露光を繰り返して、所望のパターンを第一の感光性材料および第二の感光性材料の異なる位置に形成する工程であることが好ましい。
【００４８】
上記の構成によれば、所定の位置に開口部を有するマスクを用いて露光するので、所望の位置のみ露光することができる。
【００４９】
さらに、マスクの位置を変えて、繰り返して露光するので、複数のパターンを第一の感光性材料および第二の感光性材料に形成することができる。
【００５０】
本発明の位相型体積ホログラム光学素子の製造方法は、上記課題を解決するために、上記マスターホログラムを、感光性材料における光の入射面側に配して、上記マスターホログラムの第一の透過型ホログラム側から光を入射させて、上記マスターホログラムのホログラムを複製するようにしたことを特徴としている。
【００５１】
上記の構成によれば、単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができる、つまり簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムを用いた位相型体積ホログラム光学素子の製造方法を提供することができる。したがって、スループット、コスト面で有利となる。
【発明の効果】
【００５２】
本発明のマスターホログラムは、以上のように、複数の第一の要素ホログラムを有する第一の透過型ホログラムと、上記第一の要素ホログラムとは異なる、複数の第二の要素ホログラムを有する第二の透過型ホログラムとを備え、上記第一の透過型ホログラムと上記第二の透過型ホログラムとが互いに積層されているものである。
【００５３】
それゆえ、単一の光源を用いて、マスターホログラムの各要素ホログラムで、感光性材料に入射する０次回折光の入射角と１次回折光の回折角との両方を変えることが可能となる。したがって、単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができ、ひいては簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムを提供することができるという効果を奏する。
【００５４】
本発明のマスターホログラムの製造方法は、以上のように、第一の感光波長によって感光する第一の感光性材料と、第一の感光波長とは異なる第二の感光波長によって感光する第二の感光性材料とを積層する積層工程と、第一の感光波長の光により、第一の感光性材料を感光して、入射する光を回折させて第一の角度で出射させるグレーティングを有する第一の要素ホログラムを形成する第一の露光工程と、第二の感光波長の光により、第二の感光性材料を感光して、第一の要素ホログラムから出射した光を回折させて第一の角度と異なる第二の角度で出射させるグレーティングを有する第二の要素ホログラムを形成する第二の露光工程とを少なくとも含む方法である。
【００５５】
それゆえ、単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができ、ひいては簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムの製造方法を提供することができるという効果を奏する。
【００５６】
本発明の位相型体積ホログラム光学素子の製造方法は、以上のように、上記マスターホログラムを、感光性材料における光の入射面側に配して、上記マスターホログラムの第一の透過型ホログラム側から光を入射させて、上記マスターホログラムのホログラムを複製するようにした方法である。
【００５７】
それゆえ、単一のレーザ光源を用いて一回の露光で位相型体積ホログラム光学素子にＲＧＢ等のパターンを記録することができ、ひいては簡便かつ少ない部品数でホログラムの複製を行うことができるマスターホログラムを用いた位相型体積ホログラム光学素子の製造方法を提供することができるという効果を奏する。したがって、スループット、コスト面で有利である等の優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５８】
本発明の一実施形態について図１ないし図１０に基づいて説明すると以下の通りである。なお、本実施の形態では、例えば液晶表示素子のカラーフィルタとして使用するための位相型体積ホログラム光学素子について説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
【００５９】
（１）ホログラムの複製技術の基本原理
一般に、ホログラム用の感光性樹脂にホログラムを記録する方法として、例えば、物体光と参照光とを干渉させることによって生じる干渉縞の明暗を、上記感光性樹脂中に屈折率差として記録する方法が挙げられる。
【００６０】
ここでは、透過型のマスターホログラムを用いたホログラムの複製技術の基本原理について、図１０を参照しながら説明する。
【００６１】
図１０に示すように、マスターホログラム９１は、所望とするホログラムに対応するパターンが形成された要素ホログラムから構成されている。したがって、マスターホログラム９１は、入射する露光用の光の角度変換層として用いられる。なお、上記「要素ホログラム」とは、感光性材料９２に所望のパターンを形成させるためのグレーティングピッチ及びグレーティングベクトルで設計されたグレーティングを意味する。すなわち、ある特定パターンが形成されたホログラムを意味する。
【００６２】
この透過型のマスターホログラム９１に感光性材料９２を密着させて、マスターホログラム９１側から感光性材料９２側へと特定の波長λａの一光束を入射角度θａにより入射させる。マスターホログラム９１に入射した一光束は、マスターホログラム９１を通過する０次回折光と、マスターホログラム９１により回折される１次回折光とに分離される。上記０次回折光と上記１次回折光とを互いに干渉させて、つまり二光束を干渉させて感光性材料９２に干渉縞を形成する。このとき、感光性材料９２には、高屈折率部分および低屈折部分からなる干渉縞が形成されることになる。つまり、光の干渉縞の明暗により屈折率差が生じることになる。
【００６３】
ここで、感光性材料９２に入射する０次回折光の入射角度θＯａ（＝θａ）と１次回折光の入射角度θＲａとを制御することにより、感光性材料９２に所望のグレーティングピッチおよびグレーティングベクトルからなるグレーティングを形成することができる。すなわち、特定の波長の光を、特定の方向へ回折させるホログラムを感光性材料９２に記録することができる。
【００６４】
（２）マスターホログラム
次に、図１ないし図３を参照しながら、本実施の形態のマスターホログラムについて説明する。図１は透過型マスターホログラムの概略構成を示す断面図である。図２は上記マスターホログラムに形成された要素ホログラムの配置状態を示す平面図である。図３は上記マスターホログラムに形成された要素ホログラムの他の配置状態を示す平面図である。
【００６５】
図１に示すように、マスターホログラム１は第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とから構成されている。第二の透過型ホログラム３上に第一の透過型ホログラム２が積層された構成となっている。すなわち、マスターホログラム１は第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とが二層積層した構成となっている。なお、説明のため、第一の透過型ホログラム２側を上側、第二の透過型ホログラム３を下側として説明する。
【００６６】
また、図１では、説明の便宜上、第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とは分離された状態で描画されている。しかしながら、実際には、図示されないＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等を介して、第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とが密着した構造となっている。
【００６７】
なお、ＰＶＡは第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とを固定する接着剤として機能している。ただし、接着剤としてはＰＶＡに限定されるものではなく、使用に耐えうる程度の接着性を有し、かつレーザ光を透過させる素材なら適宜使用することができる。
【００６８】
次に、第一の透過型ホログラム２は、複数の第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂを備えている。第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂは、それぞれ赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の３色に対応して、グレーティングベクトル及びグレーティングピッチが異なる要素ホログラムである。すなわち、第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂは、液晶表示素子の赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各画素領域に対応するようにパターン化されたものである。換言すれば、液晶表示素子の赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各画素領域に対応するようにグレーティングピッチ及びグレーティングベクトルが設計されたグレーティングが形成されたものである。
【００６９】
具体的には、第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂは、所定の入射角度θ０で入射する単一波長λ０のレーザ光が、それぞれ異なる角度θｒ１、θｇ１・θｂ１に回折されるように、グレーティングベクトルが異なる角度で傾斜した構造となっている。また、回折された光同士が干渉しないように、所定のグレーティングピッチで設計されている。
【００７０】
第二の透過型ホログラム３は、複数の第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂを備えている。第一の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂは、それぞれ赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の３色に対応して、ホログラム構造が異なる要素ホログラムである。すなわち、第二の透過型ホログラム３は、液晶表示素子の赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各画素領域に対応するようにグレーティングピッチ及びグレーティングベクトルが設計されたグレーティングが形成されたものである。
【００７１】
より詳細には、第一の透過型ホログラム２の各第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂによって、それぞれ異なる角度θｒ１・θｇ１・θｂ１に回折された単一波長λ０のレーザ光が、第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂにそれぞれ入射したときに、それぞれ異なる角度θｒ２・θｇ２・θｂ２に回折するように、グレーティングベクトルがそれぞれ異なる角度で傾斜した構造となっている。また、第一の透過型ホログラム２と同様に、回折された光同士が干渉しないように、所定のグレーティングピッチで設計されており、多層膜状の構造となっている。
【００７２】
また、第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂおよび第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂは、それぞれのグレーティングベクトルおよびグレーティングピッチが異なるように形成されたものである。
【００７３】
次に、図２および図３では、本実施の形態のマスターホログラムに形成された要素ホログラムの配置状態を示している。図中、各部材に付している参照番号のうち、５Ｒ・６ＲはＲ（赤）の要素ホログラムに対応する位置、５Ｇ、６ＧはＧ（緑）の要素ホログラムに対応する位置、５Ｂ・６ＢはＢ（青）の要素ホログラムに対応する位置を示している。例えば、図２に示すように、第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂおよび第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂは、ストライプ状に分割され規則正しく配列して、それぞれ第一の透過型ホログラム２および第二の透過型ホログラム３に形成されている。但し、ストライプ状に限定されるものではなく、図３に示すように、マトリクス状に第一の透過型ホログラム２に形成されていてもよい。
【００７４】
但し、第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂと第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂはそれぞれ対応しているので、一方がストライプ状に形成されている場合、他方もストライプ状になる。同様に一方がマトリクス状に形成されている場合、他方もマトリクス状になる。すなわち、法線方向から（すなわち図１の上側から下側へ）見たときに、各第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂと各第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂとの位置が一致した構造となっている。
【００７５】
（３）位相型体積ホログラムの製造方法
次に、図１を参照しながら、本実施の形態のマスターホログラムを用いて位相型体積ホログラム光学素子を製造する製造方法について説明する。
【００７６】
まず、図１に示すように、位相型体積ホログラム光学素子となる感光性材料４にマスターホログラム１を密着するように載置する。
【００７７】
このとき、マスターホログラム１と感光性材料４との界面での光の乱反射等を防止するため、マスターホログラム１と感光性材料４との間に、適当な屈折率を有する屈折率調整液（インデックスマッチング液）を配置することが望ましい。
【００７８】
ここで、屈折率調整液としては、例えば、マスターホログラム１の屈折率が１．５０である場合、例えば、屈折率がごく近い芳香族炭化水素系のベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼンを使用することができる。なお、ここで、キシレンは乾燥速度が早いため、特に効果的である。
【００７９】
次に、単一波長λ０のレーザ光を、第一の透過型ホログラム２に入射角度θ０で入射させる。なお、「入射角度」とは、第一の透過型ホログラム２におけるレーザ光が入射する面（入射面）に垂直な線（法線）に対して、レーザ光が入射する入射角度を意味する。また、「出射角度」とは、上記法線に対してレーザ光が第一の透過型ホログラム２から出射する出射角度を意味する。以下、第二の透過型ホログラム３、感光性材料４においても同様とする。
【００８０】
第一の透過型ホログラム２入射したレーザ光は、それぞれの第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂにおいて所定の角度に回折される。すなわち、レーザ光は、第一の要素ホログラム２Ｒでは、グレーティングベクトルの傾斜角に基づきθｒ１、第一の要素ホログラム２Ｇではθｇ１、第一の要素ホログラム２Ｂではθｂ１の角度に回折される。
【００８１】
このとき、第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂにおいて回折されずに透過する０次回折光が生じるとホログラム製造時のノイズの原因となるため、第一の透過型ホログラム２つまり第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂにおける回折効率が略１００％であることが望ましい。これにより、入射するレーザ光は、第一の透過型ホログラム２つまり第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂにおいて、略１００％回折されることになる。
【００８２】
次に、第一の透過型ホログラム２の第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂにおいて所定の角度θｒ１・θｇ１・θｂ１に回折されたレーザ光は、第二の透過型ホログラム３に入射する。具体的には、第一の要素ホログラム２Ｒで回折されたレーザ光は要素ホログラム３Ｒに入射する。同様に、第一の要素ホログラム２Ｇ・２Ｂで回折されたレーザ光はそれぞれ第一の要素ホログラム３Ｇ・３Ｂに入射する。つまり、第一の透過型ホログラム２および第二の透過型ホログラム３の同色に対応する要素ホログラムにレーザ光が進行する。
【００８３】
第二の透過型ホログラム３に入射したレーザ光は、それぞれ回折された角度θｒ１・θｇ１・θｂ１で第二の透過型ホログラム３を透過する０次回折光である第一の光束９と、第二の透過型ホログラム３の複数の要素ホログラム３Ｒ、３Ｇ、３Ｂにおいて所定の角度θｒ２・θｇ２・θｂ２に回折された１次回折光である第二の光束１０とに分離される。
【００８４】
具体的には、第一の要素ホログラム２Ｒを出射角度θｒ１で出射したレーザ光は、要素ホログラム３Ｒで出射角度がθｒ２の一次回折光と出射角度θｒ１の０次回折光とに分離される。同様に、第一の要素ホログラム２Ｇを出射角度θｇ１で出射したレーザ光は、要素ホログラム３Ｇで出射角度がθｇ２の一次回折光と出射角度θｇ１の０次回折光とに分離される。また、第一の要素ホログラム２Ｂを出射角度θｂ１で出射したレーザ光は、要素ホログラム３Ｂで出射角度がθｂ２の一次回折光と出射角度θｂ１の０次回折光とに分離される。
【００８５】
換言すると、第一の光束９は、第一の透過型ホログラム２によって、それぞれ回折角度を制御される。また、第二の光束１０は、第二の透過型ホログラム３によって、第一の透過型ホログラム２により回折角度を制御された第一の光束９を、再び、それぞれ所望の角度に回折するように制御される。これにより、所望の角度に回折された第一の光束９および第二の光束１０が生じることになる。
【００８６】
つまり、第一の透過型ホログラム２は、入射したレーザ光を所定の出射角度に変換する角度変換層であるといえる。すなわち、第二の透過型ホログラム３に入射するレーザ光を互いに異なる入射角度に変換するものである。また、同様に、第二の透過型ホログラム３は第一の透過型ホログラム２からの光を所定の出射角度に変換する角度変換層であるといえる。
【００８７】
したがって、第一の透過型ホログラム２及び第二の透過型ホログラム３により、所望の角度に制御された第一の光束９と第二の光束１０とを、それぞれ物体光と参照光として干渉露光することによって、所望の要素ホログラムからなるパターン化された透過型ホログラムを製造することができる。
【００８８】
つまり、感光性材料４における各画素領域である各ＲＧＢ領域に、異なる角度でレーザ光の二光束が交差することにより、間隔がそれぞれ異なる干渉縞が形成されることになる。すなわち、複製されたホログラムは、単一波長のレーザ光を、形成されたグレーティングによって、原色ごとに分離して、異なる再生波長を再生させる機能を有することになる。結果として、異なる波長の光を出射する透過型の位相型体積ホログラム光学素子を形成することができる。
【００８９】
このように、上記構成によれば、単一のレーザ光源を用いて一回の露光により、ＲＧＢ等の各色をピクセル化する位相型体積ホログラム光学素子を形成することが可能となる。
【００９０】
また、上記構成によれば、マスターホログラム１と感光性材料４は、上述した通り、例えば、屈折率調整液などを介して密着されており、マスターホログラム１と感光性材料４との間隔が狭いため、ほぼマスターホログラム１のパターン形状の要素ホログラムから構成される透過型ホログラムが感光性材料４に複製される。
【００９１】
なお、本実施の形態では、第二の透過型ホログラム３における１次回折光を参照光、０次回折光を物体光としたが、その逆に１次回折光を物体光、０次回折光を参照光とすることが可能である。
【００９２】
また、第二の透過型ホログラム３の回折効率は０％および１００％を含まないことが必要である。つまり二光束が発生するように設計されている必要がある。例えば、回折効率が０％では、入射するレーザ光が全て透過することになり、第二の透過型ホログラム３から一光束しか出射されない。一方、回折効率が１００％では、入射するレーザ光が全て回折されることになり、第二の透過型ホログラム３から一光束しか出射されない。そのため、干渉縞を形成するためには、新たに物体光または参照光としてレーザ光を照射することが必要となる。したがって、新たに他のレーザ光源を必要とするため、装置が大規模になるおそれがある。
【００９３】
さらに、第二の透過型ホログラム３の回折効率は、０次回折光の強度と１次回折光の強度とが等しくなるように略５０％であることが特に望ましい。この場合、０次回折光の強度と１次回折光の強度とが等しいので、干渉縞を形成するときに、レーザ光の調整を行いやすくなる。さらに、０次回折光と１次回折光との干渉による明部と暗部とのコントラストを最大にすることができる。これに伴い、感光性材料４に形成される高屈折率部分と低屈折部分との屈折率差を大きくすることができる。つまり、複製されるホログラムの回折効率を高くすることができる。
【００９４】
一方、第二の透過型ホログラム３の回折効率が略５０％と異なる場合、１次回折光と０次回折光との強度比が異なる場合、干渉縞を形成するときに、明部と暗部とのコントラストが低下することになる。したがって、複製されるホログラムの再生光が暗くなり、つまり、複製されるホログラムの回折効率が低下してしまうおそれがある。
【００９５】
但し、第二の透過型ホログラム３回折効率は、所望とする位相型体積ホログラム光学素子の用途に応じて、適宜決定すればよい。
【００９６】
（４）マスターホログラムの製造方法
本実施の形態のマスターホログラムの製造方法について図５（ａ）〜図５（ｅ）、図６（ａ）〜図６（ｃ）および図７（ａ）〜図７（ｃ）を参照しながら説明する。
【００９７】
上述のとおり、マスターホログラム１は第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とが順に積層された構造である。第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とは、それぞれ、第一の感光波長λ１によって感光する第一の感光性材料１２と、第一の感光波長λ１と異なる第二の感光波長λ２によって感光する第二の感光性材料１３とから構成されている。上述したマスターホログラム１を製造する方法について説明する。
【００９８】
まず、図５（ａ）に示すように、図示しない透明なガラス支持基板に第二の感光性材料１３、透明な接着層７、および第一の感光性材料１２を順に積層する。すなわち、図示しないガラス支持基板によって支持しながら、第二の感光性材料１３に、透明な接着層７を介して、第一の感光性材料１２を固定する。
【００９９】
第一の感光性材料１２は、第一の感光波長λ１に感光する感光性樹脂である。第一の感光性材料１２としては、例えば、銀塩乳剤、重クロム酸ゼラチン、フォトポリマーなどを使用することができる。但し、第一の感光性材料１２は特に限定されるものではなく、一般にホログラム材料として使用されている材料を使用することができる。なお、フォトポリマーを使用した場合、現像処理をすることが不要であると共に、非常に明るい再生像の表示が可能となるため、より効果的である。
【０１００】
第二の感光性材料１３は、第二の感光波長λ２に感光する感光性樹脂である。第二の感光性材料１３としては、例えば、第一の感光性材料１２と同様の材料を使用することができる。
【０１０１】
なお、第一の感光性材料１２と第二の感光性材料１３とは、感光波長が異なることを除いて、他の物性は略同一であることが望ましい。
【０１０２】
接着層７は、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）からなる透明なＰＶＡ膜である。
【０１０３】
次に、図５（ｂ）に示すように、第一の感光性材料１２の上に、所望の位置に開口部１４が設けられているマスク８を載置する。
【０１０４】
ここでマスク８としては、例えば、図６（ａ）〜図６（ｃ）または図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すマスクを使用すればよい。
【０１０５】
ここで、図６（ａ）〜図６（ｃ）は、本実施の形態のマスターホログラムの製造方法で使用するマスクの形状を示す平面図である。各ピクセル領域に開口部が形成されており、ストライプ状の形態のマスクである。また、図７（ａ）〜図７（ｃ）は、本実施の形態のマスターホログラムの製造方法で使用するマスクの形状を示す平面図である。各ピクセル領域に開口部が形成されており、マトリクス状の形態のマスクである。
【０１０６】
図中、各部材に付している参照番号のうち、１５Ｒ、１５Ｇ、１５Ｂ、１６Ｒ、１６Ｇ、および１６Ｂは、第一の感光性材料１２および第二の感光性材料１３に形成される、それぞれの赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各色のピクセル領域と対応する位置を示している。例えば、１５Ｒおよび１６Ｒが赤（Ｒ）領域、１５Ｇおよび１６Ｇが緑（Ｇ）領域、１５Ｂおよび１６Ｂが青（Ｂ）領域に対応する。また、斜線部がマスク部を示し、白抜き部が開口部を示している。
【０１０７】
ここで、例えば、図６（ａ）〜図６（ｃ）に示すマスクを使用する場合、ＲＧＢ等のパターンがストライプ状に区分されて感光性材料４に形成されることになる。一方、図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すマスクを使用する場合、ＲＧＢ等のパターンがマトリクス状に区分されて感光性材料４に形成されることになる。
【０１０８】
次に、図５（ｃ）に示すように、マスク８上側から、波長λ１の光源（図示しない）より、波長λ１の物体光および参照光の二光束を照射する。なお、図中、矢印が光の照射方向を示す。また、２つある矢印は、参照光と物体光との区別がないものである。上記二光束は、マスク８の開口部１４から第一の感光性材料１２および第二の感光性材料１３に入射する。このとき、上記物体光及び上記参照光を所望の角度で入射させると、第一の感光性材料１２において、該物体光と該参照光とは互いに交差することになる。これにより、第一の感光性材料１２は、波長λ１の二光束によって感光して、干渉縞が形成されることになる。このようにして、第一の要素ホログラム２Ｒが形成されることになる。一方、第二の感光性材料１３は、波長λ１の二光束によって感光されずに露光前の状態を維持している。
【０１０９】
続いて、図５（ｄ）に示すように、マスク８を載置したままの状態で、マスク８を介して、波長λ２の光源（図示しない）より、所定の入射角度で、波長λ２の物体光および参照光の二光束を照射する。これにより、第一の感光性材料１２は感光されずに、第二の感光性材料１３のみが感光して干渉縞が形成される。その結果、第二の要素ホログラム３Ｒが形成されることになる。
【０１１０】
次に、図５（ｅ）に示すように、図６（ａ）〜図６（ｃ）または図７（ａ）〜図７（ｃ）に示すような開口位置の異なる複数のマスク８を取替えて、図５（ｂ）〜図５（ｄ）の作業を繰り返すことで、第一の感光性材料１２および第二の感光性材料１３がストライプ状、または、マトリクス状にパターン化されたマスターホログラム１が得られる。
【０１１１】
また、マスク８として同一のものを用い、マスク８自体の載置位置を変えて、図５（ｂ）〜図５（ｄ）の作業を繰り返し行ってもよい。
【０１１２】
また、第一の透過型ホログラム２、及び第二の透過型ホログラム３を個別に製造した後、第一の透過型ホログラム２、及び第二の透過型ホログラム３の位置合わせを行い積層して、その積層体をマスターホログラム１として用いても良い。この場合、第一の感光性材料１２と第二の感光性材料１３として同一の材料を用いることができるので、作製されたマスターホログラム１にレーザ光が入射したときに、第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３との界面での反射を防止することができる。したがって、界面においてホログラム複製時のノイズとなる反射光が生じることがないので、ホログラムを複製するときに、精度良く複製することができる。
【０１１３】
また、本実施の形態では、第一の透過型ホログラム２の回折効率が略１００％となるように形成すると共に、第二の透過型ホログラム３の回折効率が略５０％となるように形成する。
【０１１４】
一般に、異なるグレーティングベクトルを有する複数の要素ホログラムからなる透過型ホログラムに、単一波長の光源を一定の角度で入射した場合、回折効率は、各要素ホログラムによって異なってしまう。
【０１１５】
例えば、一般に、厚さの厚い透過位相型ホログラムである透過型の体積ホログラムの回折効率は、以下に示すような関係で表現することができる。
【０１１６】
η＝ｓｉｎ２（（πｎ１Ｔ）／（λＢｃｏｓθBragg））  …（１）
（ｎ１：屈折率変調、η：回折効率、Ｔ：体積ホログラムの厚さ、θBragg：ブラッグ角入射角度、λＢ：ブラッグ波長）
ここで、ブラッグ波長は、形成された各第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂにおける、それぞれの対応する波長を示すものとする。つまり、第一の要素ホログラム２ＲではＲ（赤）領域の波長、第一の要素ホログラム２ＧではＧ（緑）領域の波長、第一の要素ホログラム２ＢではＢ（青）領域の波長がブラック波長に相当する。したがって、各要素ホログラムの対応する波長（回折・透過する波長）により、回折効率が変化することになる。
【０１１７】
つまり、第一の要素ホログラム２Ｒにおける回折効率ηＲ＝１００％となるホログラムの厚さＴ、屈折率変調ｎ１、ブラッグ入射角度θBraggと、第一の要素ホログラム２Ｇ・２Ｂとが同じ条件である場合、波長の異なる第一の要素ホログラム２Ｇ・２Ｂでは、回折効率が１００％以下になる。その結果、第一の要素ホログラム２Ｇ・２Ｂにおいては０次回折光が生じることになる。
【０１１８】
ここで、上記〔（３）位相型体積ホログラムの製造方法〕の項で説明したとおり、ホログラムを複製するときには、必要とする露光光以外の光が生じると、余計な干渉縞が感光性材料４に形成されることとなり、ホログラムを精度良く複製することができない。したがって、第一の透過型ホログラム２では、各第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂの回折効率を略１００％にそろえることが望ましい。
【０１１９】
そこで、各要素ホログラムの厚さをそれぞれ調整することにより、各要素ホログラムの回折効率を均一化する方法が挙げられる。すなわち、上記式（１）より、上記体積ホログラムの厚さＴを変化させることにより、回折効率ηが増減することは明らかである。
【０１２０】
しかしながら、本実施の形態のマスターホログラム１は第一の透過型ホログラム２と第二の透過型ホログラム３とが積層された構造であるため、各第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂおよび各第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂの厚さを異なるようにすること、つまりピクセル毎に厚さを変えることは、製造上困難である。
【０１２１】
そこで、それぞれの要素ホログラム領域での第一の感光性材料１２および第二の感光性材料１３の屈折率変化量である屈折率変調を制御することが望ましい。換言すれば、各第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂ及び第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂの屈折率変調ｎ１を調整することにより所望の回折効率を得ることが望ましい。これにより、複数の要素ホログラムの厚さを異ならせることなく、所望の回折効率を得ることが可能となる。
【０１２２】
ここで、屈折率変調ｎ１は、例えば、感光性材料４としてフォトポリマーを用いる場合、積算露光量で制御することが可能である。また、積算露光量は、物体光と参照光との照射強度、また、照射時間などで調整することが可能である。
【０１２３】
（５）マスターホログラムおよび位相型体積ホログラムの製造例
次に、上述した位相型体積ホログラムの製造方法に基づいて、図４、図８（ａ）、図８（ｂ）、及び図９を参照しながら、位相型体積ホログラム光学素子の製造例について説明する。
【０１２４】
図４に、上記位相型体積ホログラム光学素子として、赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の光を選択的に回折・透過させる各要素ホログラムがマトリクス状に配列された透過型カラーフィルタ素子、すなわちホログラムカラーフィルタ１１を示している。
【０１２５】
このホログラムカラーフィルタ１１は赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各色に対応する各要素ホログラム１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂから構成されている。
【０１２６】
また、ホログラムカラーフィルタ１１は、例えば、入射角度θＲ＝６０°で入射した白色光（Ｒ＋Ｇ＋Ｂ）を各ＲＧＢ光に分離して、各ＲＧＢ光をホログラムカラーフィルタ面に垂直に出射するものである。すなわち、ＲＧＢ光とホログラムカラーフィルタ面に対する法線となす角度が０°であるものである。
【０１２７】
ここで、ホログラムカラーフィルタ１１の各要素ホログラム１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂから出射される各色光の波長は、それぞれλＲ＝６３０ｎｍ、λＧ＝５５０ｎｍ、λＢ＝４６０ｎｍである。また、各要素ホログラム１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂのグレーティングピッチは、ΛＲ＝４２０ｎｍ、ΛＧ＝３６７ｎｍ、ΛＢ＝３０７ｎｍとなるように形成されている。また、グレーティングベクトルの傾斜角は、それぞれ３０°になるように形成されている。
【０１２８】
次に、ホログラムカラーフィルタ１１の各要素ホログラム１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂのグレーティングの計算方法について図８（ａ）、図８（ｂ）、図９を参照しながら説明する。
【０１２９】
図８（ａ）に示すように、一般に、物体光と参照光とを、法線（ｚ軸）に対して対称の角度で入射させると、物体光と参照光、及び、形成されるグレーティングベクトルは二等辺三角形を示し、物体光と参照光とがなす角度を二等分する角度にグレーティングが形成される。すなわち、法線（ｚ軸）上に、グレーティングが形成される。また、グレーティングベクトルはグレーティングと直交する。ここで、物体光と参照光との交差角度を変えることで、形成されるグレーティングのピッチを変えることが可能となる。例えば、上記交差角度を大きくすると、グレーティングピッチは小さくなる。
【０１３０】
また、図８（ｂ）に示すように、物体光と参照光とを、法線（ｚ軸）に対して非対称の角度で入射させると、法線（ｚ軸）に対して傾斜したグレーティングを形成することができる。
【０１３１】
ここで、グレーティングピッチ、回折波長、及び入射角（回折角）との関係式は、次のようになる。なお、入射光は基本的に鏡面反射するものとする。
【０１３２】
Λ＝λ／（２ｎ・ｓｉｎθ）  …（２）
さらに、グレーティングが法線（ｚ軸）となす角度をθｏｆｆとすると、
θｏｆｆ＝（θ１＋θ２）／２  …（３）
となる（図９参照）。
【０１３３】
なお、Λ：グレーティングピッチ、λ：光の波長、θ：光の入射角（法線（ｚ軸）となす角度）、ｎ：ホログラムの屈折率を示す。また、変数の添え字については、Ｒでは赤色の要素ホログラム１１Ｒ、Ｇでは緑色の要素ホログラム１１Ｇ、Ｂでは青色の要素ホログラム１１Ｂに対応するものとする。
【０１３４】
ここで、Ｒ領域の要素ホログラム１１Ｒについては、再生波長はλＲ＝６３０ｎｍであり、再生光入射角θ２＝６０°、出射角θ１＝０°であるので、このように入射光を透過・回折させるホログラムのグレーティングは、式（３）より、法線に対してθｏｆｆ（Ｒ）だけ傾斜することになる。つまり、
θｏｆｆ（Ｒ）＝（６０°＋０°）／２＝３０°
だけ傾斜することになる。
【０１３５】
ここで、このグレーティングを軸として入射角および回折角を考えると、
入射角：θ２−（θ１＋θ２）／２＝（θ２−θ１）／２
の角度で入射した光（ここでは、６３０ｎｍの波長光）は、
回折角：（θ１＋θ２）／２−θ１＝（θ２−θ１）／２
の角度で回折されることになる。すなわち、入射角＝回折角である。したがって、Ｒ領域の要素ホログラム１１Ｒのグレーティングピッチは、以下のようになる。
【０１３６】
ΛＲ＝λ／（２ｎ・ｓｉｎθ）＝６３０／（２×１．５×ｓｉｎ（（６０°−０°）／２））＝４２０ｎｍ
となる。同様にして、ホログラムカラーフィルタ１１における要素ホログラム１１ＧでのグレーティングピッチはΛＧ＝３６７ｎｍ、要素ホログラム１１ＢではΛＢ＝３０７ｎｍ、グレーティングベクトルの傾斜角が、各Ｇ・Ｂ領域で６０°（なお、グレーティングの傾斜角は３０°）と求めることができる。
【０１３７】
次に、ホログラムカラーフィルタ１１を複製するためのマスターホログラム１の第一の透過型ホログラム２、及び、第二の透過型ホログラム３のグレーティングを計算する方法について説明する。
【０１３８】
例えば４０７ｎｍ波長のクリプトン（Ｋｒ）レーザによるＫｒ光を、マスターホログラム１に照射してホログラムカラーフィルタ１１を作製する場合、マスターホログラム１に形成するべきグレーティングは以下のように示される。なお、マスターホログラム１の屈折率は１．５とする。また、変数の添え字は、Ｒ１・Ｇ１・Ｂ１はそれぞれ第一の要素ホログラム２Ｒ・２Ｇ・２Ｂに対応し、Ｒ２・Ｇ２・Ｂ２はそれぞれ第二の要素ホログラム３Ｒ・３Ｇ・３Ｂに対応するものとする。
【０１３９】
まず、要素ホログラム１１Ｒでは、上述のとおり、グレーティングの傾斜角θｏｆｆ（Ｒ）＝３０°である。このグレーティングを形成するためには、物体光と参照光との入射角度を式（２）により次のように設定する。
【０１４０】
ここで、必要とされるグレーティングに対する角度をθｉとすると、
４２０＝λＫｒ／（２ｎ・ｓｉｎθｉ）＝４０７／（２×１．５×ｓｉｎθｉ）
したがって、θｉ＝１８．８４５≒１８．８°
となる。
【０１４１】
つまり、形成されるべきグレーティングに対してθｉ≒１８．８°の角度で、物体光、及び参照光を入射させることになる。ここで、上記グレーティングはホログラムカラーフィルタ面の法線に対してθｏｆｆ（Ｒ）＝３０°だけ傾斜しているので、物体光、及び参照光が上記ホログラムカラーフィルタ面の法線となす角度は、３０°＋１８．８°＝４８．８°及び、３０°−１８．８°＝１１．２°となる。
【０１４２】
上記の角度でＫｒ光を入射させるマスターホログラム１の第一の透過型ホログラム２および第二の透過型ホログラム３は次のようになる。
【０１４３】
例えば、第一の透過型ホログラム２の第一の要素ホログラム２Ｒにおいて４８．８°で透過・回折する場合、式（２）より、第一の要素ホログラム２Ｒのグレーティングピッチ及びグレーティングベクトルの傾斜角は、
ΛＲ１＝λＫｒ／（２・ｎ・ｓｉｎ（（θ２−θ１）／２））
＝４０７／（２・１．５・ｓｉｎ（４８．８°−０°）／２）
＝３２８．４０７ｎｍ
≒３２８ｎｍ
グレーティングベクトルは６５．６°、つまりグレーティングの傾斜角が法線となす角度は２４．４°となる。
【０１４４】
次に、この角度（４８．８°）で出射されたＫｒ光は、第二の透過型ホログラム３の第二の要素ホログラム３Ｒに導かれて入射する。ここで、第二の要素ホログラム３Ｒによって、法線とのなす角が１１．２°の角度に回折される。したがって、第二の要素ホログラム３Ｒでのグレーティングピッチは、同様に、
ΛＲ２＝λＫｒ／（２・ｎ・ｓｉｎ（（θ２−θ１）／２））
＝４０７／（２・１．５・ｓｉｎ（（４８．８°−１１．２°）／２））
＝４２０．９７７ｎｍ
≒４２０ｎｍ
となる。
【０１４５】
また、グレーティングベクトルは６０°（グレーティングの傾斜角は３０°）となる。
【０１４６】
同様に計算すると、Ｇ領域の要素ホログラム１１Ｇ、及び、Ｂ領域の要素ホログラム１１Ｂを形成するための第一の透過型ホログラム２および第二の透過型ホログラム３は以下のようなグレーティングを有することになる。
【０１４７】
すなわち、第一の透過型ホログラム２は、第一の要素ホログラム２Ｇでのグレーティングピッチは３１１ｎｍ、第一の要素ホログラム２Ｂでは２８８ｎｍ、グレーティングベクトルの傾斜角が、第一の要素ホログラム２Ｇでは６４．１°（θｏｆｆ（Ｇ１）＝２５．９°）、第一の要素ホログラム２Ｇで６１．８°（θｏｆｆ（Ｂ１）＝２８．２°）の各要素ホログラムで構成される。また、第二の透過型ホログラム３では、Ｇ領域でのグレーティングピッチが３６７ｎｍ、Ｂ領域で３０７ｎｍ、グレーティングベクトルの傾斜角が、Ｇ領域で６８．３°（θｏｆｆ（Ｇ２）＝２１．７°）、Ｂ領域では６３．７°（θｏｆｆ（Ｂ２）＝２６．３°）の各要素ホログラムから構成されることになる。
【０１４８】
上述のとおり、マスターホログラム１を構成する第一の透過型ホログラム２および第二の透過型ホログラム３を設計することによって、図４に示すような、Ｋｒレーザーの４０７ｎｍの単一波長光源により、１度の露光でホログラムカラーフィルタ１１を製造することができる。
【０１４９】
なお、Ｋｒ光と異なる波長の光のみを用いても、Ｋｒ光によって形成されるグレーティングと同様のグレーティングをホログラムカラーフィルタ１１に形成することができる。この場合、Ｋｒ光を用いた場合と比して、物体光および参照光の入射角を上記式（２）に基づいて適宜変更すればよい。
【０１５０】
なお本実施の形態では、一定の角度から入射された白色光を各ＲＧＢ光に分離し、ホログラムカラーフィルタ面に垂直に出射するホログラムカラーフィルタ１１について説明したが、これに限定されるものではない。マスターホログラム１の設計によっては、例えば、異なる角度で入射される各ＲＧＢ光を、それぞれ、異なる所望の角度に回折・出射させる位相型体積ホログラム光学素子を製造することも可能である。
【０１５１】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１５２】
本発明は、位相型体積ホログラム光学素子を製造するときに好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１５３】
【図１】本発明の一実施形態であるマスターホログラムの概略構成を示す断面図である。
【図２】上記マスターホログラムに形成された要素ホログラムの配置状態を示す平面図である。
【図３】上記マスターホログラムに形成された要素ホログラムの他の配置状態を示す平面図である。
【図４】本発明の一実施形態である位相型体積ホログラム光学素子の斜視図である。
【図５】上記マスターホログラムの製造工程を示す断面図である。
【図６】上記マスターホログラムを製造するときに用いるマスクの形状を示す平面図である。
【図７】上記マスターホログラムを製造するときに用いるマスクの他の形状を示す平面図である。
【図８】物体光および参照光と、グレーティングとの関係を説明するための説明図である。
【図９】物体光および参照光と、グレーティングとの関係を説明するための説明図である。
【図１０】透過型のマスターホログラムを用いた体積ホログラムの複製技術の基本原理を説明するための断面図である。
【図１１】ホログラムの基本原理を説明するための説明図である。
【図１２】従来の、透過型カラーフィルタとして応用するホログラム素子の製造方法を説明するための断面図である。
【図１３】従来の、マスターホログラムを用いて透過型のホログラムを製造する方法を説明するための断面図である。
【図１４】従来の、リップマンフルカラーホログラムの複製方法を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【０１５４】
１    マスターホログラム
２    第一の透過型ホログラム
２Ｒ・２Ｇ・２Ｂ    第一の要素ホログラム
３    第二の透過型ホログラム
３Ｒ・３Ｇ・３Ｂ    第二の要素ホログラム
４    感光性材料
７    接着層
８    マスク
９    第一の光束
１０    第二の光束
１１    ホログラムカラーフィルタ（位相型体積ホログラム光学素子）
１１Ｒ・１１Ｇ・１１Ｂ    要素ホログラム
１２    第一の感光性材料
１３    第二の感光性材料
ｎ１    屈折率変調（屈折率変化量）
η    回折効率
【図１】
2006349874.tif 000003
【図２】
2006349874.tif 000004
【図３】
2006349874.tif 000005
【図４】
2006349874.tif 000006
【図５】
2006349874.tif 000007
【図６】
2006349874.tif 000008
【図７】
2006349874.tif 000009
【図８】
2006349874.tif 000010
【図９】
2006349874.tif 000011
【図１０】
2006349874.tif 000012
【図１１】
2006349874.tif 000013
【図１２】
2006349874.tif 000014
【図１３】
2006349874.tif 000015
【図１４】
2006349874.tif 000016