(57)【要約】【課題】従来よりも駆動電圧を低くでき、および／またはブロードバンド化が可能な反射型ホログラム光学素子を提供する。【解決手段】本発明の液晶光学素子は、一対の基板４、６間に、体積ホログラム層８を有する。体積ホログラム層８は、基板の法線方向に略平行に、光の入射側からこの順に積層された第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２を含み、少なくとも第１体積ホログラム層１０は、透過型体積ホログラム層である。第１体積ホログラム層および第２体積ホログラム層は、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において、基板の表面の法線方向に対して所定の角度をなすグレーティングベクトル方向に対して屈折率が規則的に変化する少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の基板間に、体積ホログラム層を有する反射型光学素子であって、
前記体積ホログラム層は、前記基板の法線方向に略平行に、光の入射側からこの順に積層された第１体積ホログラム層および第２体積ホログラム層を含み、
少なくとも前記第１体積ホログラム層は、透過型体積ホログラム層であり、
前記第１体積ホログラム層および前記第２体積ホログラム層は、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において、前記基板の表面の法線方向に対して所定の角度をなすグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化する少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する、反射型光学素子。
【請求項２】
前記第１体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する、請求項１に記載の反射型光学素子。
【請求項３】
前記第２体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する、請求項１に記載の反射型光学素子。
【請求項４】
前記第２体積ホログラム層は透過型体積ホログラム層である、
請求項１から３のいずれかに記載の反射型光学素子。
【請求項５】
前記第２体積ホログラム層は反射型体積ホログラム層である、請求項１から３のいずれかに記載の反射型光学素子。
【請求項６】
前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、液晶材料および高分子材料を含む液晶ホログラム層によって形成され、
前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有する、請求項１から５のいずれかに記載の反射型光学素子。
【請求項７】
前記液晶ホログラム層は、液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、
前記液晶リッチ層は液晶ドロップレットを含む、請求項６に記載の反射型光学素子。
【請求項８】
前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、
前記高分子リッチ層は一軸異方性を有し、
電圧無印加時において、前記液晶リッチ層は、ホモジニアス配向をとり、その遅相軸は前記高分子リッチ層の遅相軸と略平行であり、
前記液晶材料の異常光屈折率をｎｅ、常光屈折率をｎｏとし、前記高分子材料の異常光屈折率をｎｐｅ、常光屈折率をｎｐｏとすると、ｎｐｅ＝ｎｅ、且つ、ｎｐｏ＝ｎｏの関係を満足する、請求項６に記載の反射型光学素子。
【請求項９】
電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略平行である、請求項８に記載の反射型光学素子。
【請求項１０】
電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略直交する、請求項８に記載の反射型光学素子。
【請求項１１】
前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、第１の傾斜屈折率変調構造および第２の傾斜屈折率変調構造を含み、前記第１体積ホログラム層は前記第１の傾斜屈折率変調構造を形成し、かつ、前記第２体積ホログラム層は前記第２の傾斜屈折率変調構造を形成し、
前記第１傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第１の角度をなす第１のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第２傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第２の角度をなす第２のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第１のグレーティングベクトルおよび前記第２のグレーティングベクトルは入射面内に含まれる、請求項１から１０に記載の反射型光学素子。
【請求項１２】
前記第１体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第１のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ１である第１の層および第２の層を、前記第１のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第１体積ホログラム層の膜厚をｔ１、前記第１のグレーティングベクトルの傾斜角をφ１とすると、ｔ１＝５．８μｍ、φ１＝１００°、２４０ｎｍ≦Ｄ１≦１３００ｎｍであり、
前記第２体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第２のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ２である第３の層および第４の層を、前記第２のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第２体積ホログラム層の膜厚をｔ２、前記第２のグレーティングベクトルの傾斜角をφ２とすると、ｔ２＝５．８μｍ、φ２＝３０°、８５０ｎｍ≦Ｄ２≦１１５０ｎｍである、請求項１１に記載の反射型光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反射型光学素子に関し、特に、体積ホログラム層を備える位相型体積ホログラム光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位相型体積ホログラム光学素子は、所定の方向に屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成するホログラム層を備える。位相型体積ホログラム光学素子は、ブラッグの反射の原理により、特定の波長の光を選択的に反射、あるいは回折させることが可能である。位相型体積ホログラム光学素子は様々な素子に応用されている。
【０００３】
例えば特許文献１は、透過型ホログラム層と反射層とを組み合わせることにより、散乱性、オフアクシス性が付与された反射板を開示している。特許文献２は、屈折率可変な層を用いることにより、スイッチング可能なホログラム光学素子を開示している。
【０００４】
非特許文献１、特許文献３および特許文献４は、高分子分散型液晶素子（ＰＤＬＣ）を応用した反射型ホログラム光学素子を開示している。この反射型ホログラム光学素子は、図８に示すように一対の電極付き基板５０、５２と、これらの基板５０、５２間に挟持された体積ホログラム層５４とを有している。体積ホログラム層５４は、基板５０、５２の法線方向に沿って液晶層５６と高分子層５８とが交互に積層された多層構造を形成しており、体積ホログラム層５４内で基板の法線方向に沿って屈折率が周期的に変化している。液晶層５６は液晶ドロップレットを含んでいる。上記のホログラム光学素子はホログラフィックＰＤＬＣと呼ばれることがあり、電気的にスイッチング可能なホログラム光学素子である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２２２５１２号公報
【特許文献２】
ＵＳＰ４７８６１２８号
【特許文献３】
特開平４−１７８６２４号公報
【特許文献４】
特開平４−３５５４２４号公報
【非特許文献１】
ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．１５５５，２７９−２９０，（１９９１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の反射型ホログラフィックＰＤＬＣの体積ホログラム層５４は、図８に示したように基板の法線方向に沿って液晶層５６と高分子層５８とが交互に積層された多層構造を形成している。
【０００７】
例えば、この反射型ホログラム光学素子の回折波長λを５５０ｎｍとすると、液晶層５６および高分子層５８の厚さｄ（＝（λ／２ｎ）×（１／２））はそれぞれ９０ｎｍである。なお、ここでは、屈折率ｎを１．５とし、液晶層５６と高分子層５８との厚さが互いに等しいと見積もっている。
【０００８】
液晶ドロップレットを含む液晶層をスイッチングするための駆動電圧は、液晶ドロップレットの径に反比例する。駆動電圧を低くするには、液晶ドロップレットの径を大きくすることが要求されるが、上述した従来の反射型ホログラフィックＰＤＬＣでは、液晶層の厚さ９０ｎｍよりも液晶ドロップレットのサイズを大きくすることができない。このため、液晶層の駆動電圧が高いという問題がある。
【０００９】
また一般に、位相型体積ホログラム光学素子は、ブラッグの条件を満たす特定波長の光を選択的に反射、あるいは回折させることができるが、使用可能な入射光の波長帯域が狭いという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、従来よりも駆動電圧を低くでき、および／またはブロードバンド化が可能な反射型ホログラム光学素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型光学素子は、一対の基板間に、体積ホログラム層を有する反射型光学素子であって、前記体積ホログラム層は、前記基板の法線方向に略平行に、光の入射側からこの順に積層された第１体積ホログラム層および第２体積ホログラム層を含み、少なくとも前記第１体積ホログラム層は、透過型体積ホログラム層であり、前記第１体積ホログラム層および前記第２体積ホログラム層は、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において、前記基板の表面の法線方向に対して所定の角度をなすグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化する少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成し、これにより上記の課題が解決される。
【００１２】
前記第１体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成してもよい。
【００１３】
前記第２体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成してもよい。
【００１４】
前記第２体積ホログラム層は透過型体積ホログラム層であってもよい。
【００１５】
前記第２体積ホログラム層は反射型体積ホログラム層であってもよい。
【００１６】
前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、液晶材料および高分子材料を含む液晶ホログラム層によって形成され、前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有してもよい。
【００１７】
前記液晶ホログラム層は、液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、前記液晶リッチ層は液晶ドロップレットを含んでもよい。
【００１８】
前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、前記高分子リッチ層は一軸異方性を有し、電圧無印加時において、前記液晶リッチ層は、ホモジニアス配向をとり、その遅相軸は前記高分子リッチ層の遅相軸と略平行であり、前記液晶材料の異常光屈折率をｎｅ、常光屈折率をｎｏとし、前記高分子材料の異常光屈折率をｎｐｅ、常光屈折率をｎｐｏとすると、ｎｐｅ＝ｎｅ、且つ、ｎｐｏ＝ｎｏの関係を満足してもよい。
【００１９】
電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略平行であってもよい。
【００２０】
電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略直交してもよい。
【００２１】
前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、第１の傾斜屈折率変調構造および第２の傾斜屈折率変調構造を含み、前記第１体積ホログラム層は前記第１の傾斜屈折率変調構造を形成し、かつ、前記第２体積ホログラム層は前記第２の傾斜屈折率変調構造を形成し、前記第１傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第１の角度をなす第１のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第２傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第２の角度をなす第２のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第１のグレーティングベクトルおよび前記第２のグレーティングベクトルは入射面内に含まれてもよい。
【００２２】
前記第１体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第１のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ１である第１の層および第２の層を、前記第１のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第１体積ホログラム層の膜厚をｔ１、前記第１のグレーティングベクトルの傾斜角をφ１とすると、ｔ１＝５．８μｍ、φ１＝１００°、２４０ｎｍ≦Ｄ１≦１３００ｎｍであり、前記第２体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第２のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ２である第３の層および第４の層を、前記第２のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第２体積ホログラム層の膜厚をｔ２、前記第２のグレーティングベクトルの傾斜角をφ２とすると、ｔ２＝５．８μｍ、φ２＝３０°、８５０ｎｍ≦Ｄ２≦１１５０ｎｍであってもよい。
【００２３】
図１は、本発明の反射型光学素子２を模式的に示す図である。
【００２４】
本発明の反射型光学素子２は、一対の基板４および６の間に、体積ホログラム層８を有している。体積ホログラム層８は、少なくとも、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２を含んでいる。上記第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、基板４および６の法線方向に略平行に積層されており、光の入射側から、第１体積ホログラム層１０、第２体積ホログラム層１２の順に配置されている。
【００２５】
第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のうち、少なくとも第１体積ホログラム層１０は、透過型体積ホログラム層である。また、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において、基板４、６の表面の法線方向から所定の角度をなすグレーティングベクトル方向に対して屈折率が規則的に変化する少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００２６】
具体的には、例えば第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のうち、少なくとも一方の体積ホログラム層は、電圧のオン／オフによって屈折率が変化し、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において傾斜屈折率変調構造を形成する。上記少なくとも一方の体積ホログラム層が傾斜屈折率変調構造を形成する場合、反射型光学素子は光の回折、反射、散乱状態を実現でき、上記少なくとも一方の体積ホログラム層が傾斜屈折率変調構造を形成しない場合、反射型光学素子は光の透過状態を実現できる。すなわち、本発明の反射型光学素子では、屈折率変化を利用して、電圧のオン／オフによって光の透過状態と、光の回折、反射、散乱状態とがスイッチングされる。なお、図１では、第１体積ホログラム層１０が傾斜屈折率変調構造を形成する場合を示すが本発明はこれに限定されない。
【００２７】
以下の説明では、代表的な例として透過状態と回折状態との間のスイッチングについて説明する。また、体積ホログラム層がスイッチング可能であるときには、特に断りがない限り、傾斜屈折率変調構造を形成している場合を説明する。
【００２８】
本発明の反射型光学素子２は、体積ホログラム層８が、少なくとも２つの体積ホログラム層１０（透過型体積ホログラム層）および１２を含んでいるため、体積ホログラム層が単一の反射型体積ホログラム層で構成されている場合に比べて、入射光のブロードバンド化が可能である。
【００２９】
ここで、反射型体積ホログラム層とは、基板４の法線方向に平行な方向からの入射光を入射側（基板４側）に出射させるホログラム層を示し、透過型体積ホログラム層とは、基板４の法線方向に平行な方向からの入射光を出射側（基板６側）に出射させるホログラム層を示すものとする。
【００３０】
さらに本発明の反射型光学素子２では、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のうちの少なくとも一方が傾斜屈折率変調構造を形成する場合、この傾斜屈折率変調構造を形成する体積ホログラム層の屈折率変化の周期を、単層の反射型体積ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成した場合の屈折率変化の周期よりも大きくすることができる。
【００３１】
本発明の反射型光学素子２では、第１体積ホログラム層１０が透過型体積ホログラム層であり、かつ、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２が少なくとも１つの傾斜屈折率変調構造を形成できれば、第２体積ホログラム層１２は透過型体積ホログラム層および反射型体積ホログラム層のいずれであってもよい。
【００３２】
ある一実施形態では、第１体積ホログラム層１０または第２体積ホログラム層１２が、上記少なくとも１つの傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００３３】
また他の実施形態では、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のそれぞれが異なる傾斜屈折率変調構造を形成することにより、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、２つの傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００３４】
以下、図２〜図５を参照しながら体積ホログラム層８の具体例を説明する。以下の説明では、第１体積ホログラム層８および第２体積ホログラム層１０の両方がそれぞれ、傾斜屈折率変調構造を形成する場合を例示する。また、第１、第２体積ホログラム層はいずれも、屈折率の異なる２種類の層が交互に積層された多層膜であり、多層膜の積層方向に屈折率が規則的に変化する場合を例示する。
【００３５】
図２（ａ）は体積ホログラム層８を模式的に示す図である。図２（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、体積ホログラム層８に入射した光の回折を説明するために、体積ホログラム層８から第１体積ホログラム層１０または第２体積ホログラム層１１２を分離して示した図である。図３は、傾斜屈折率変調構造を説明するための図である。
【００３６】
上述したように体積ホログラム層８は、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２を含んでおり（図２（ａ））、少なくとも第１体積ホログラム層１０は透過型体積ホログラム層である。また、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、いずれも、基板４、６（図１参照）の法線方向（Ｚ軸方向）から傾斜した方向に対して屈折率が規則的に変化する傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００３７】
傾斜屈折率変調構造を形成する体積ホログラム層を説明するために、図３を参照しながら以下のように規定する。図３に示す体積ホログラム層１４は、屈折率の異なる２種類の層１４Ａおよび１４Ｂを交互に有している。この体積ホログラム層は、層１４Ａおよび１４Ｂが、基板１５の法線方向に対して所定の傾斜角で交互に積層されることにより、基板１５の法線方向に対して所定の角度をなすグレーティングベクトルＫの方向に屈折率が規則的に変化する傾斜屈折率変調構造を形成している。
【００３８】
体積ホログラム層を支持する基板１５の法線方向をＺ軸とし、グレーティングベクトルＫをＹＺ面内に含むように右手直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を規定する。なお、グレーティングベクトルＫは、層１４Ａおよび層１４Ｂの層面の法線方向に平行なベクトルを示す。グレーティングベクトルＫのなす角度は、グレーティングベクトルＫとＺ軸方向とのなす角度φで示す。この角度φは、Ｘ軸（正）の方向から見て反時計回りを正とする。以下、グレーティングベクトルのなす角度を層１４Ａ、１４Ｂの傾斜角φという場合がある。
【００３９】
層１４Ａと１４Ｂとは、互いに等しい厚さＤを有しているとする。厚さＤはグレーティングベクトルＫの方向と平行な方向の層の厚さを示す。なお、以下では、体積ホログラム層に含まれる屈折率の異なる層１４Ａ、１４Ｂの厚さＤを「層間隔」といい、体積ホログラム層自体の厚さ（図３にｔで示す）を「膜厚」といい、両者を区別することにする。体積ホログラム層の膜厚ｔはＺ軸方向の長さで表す。図３中で、Ｒは体積ホログラム層に対する入射光を示し、Ｓは出射光を示す。また、上記入射光の入射角度は、図３に示すように、Ｚ軸に対する角度θで表す。
【００４０】
それぞれが傾斜屈折率変調構造を形成する第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２を用いて反射型光学素子を構成するには、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、所定の条件を満たすように積層される。図４は、第１体積ホログラム層１０（厚さｔ１）のグレーティングベクトルＫ１および第２体積ホログラム層１２（厚さｔ２）のグレーティングベクトルＫ２と、入射面との関係を模式的に示す図である。
【００４１】
第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は図４に示すように、第１体積ホログラム層１０のグレーティングベクトルＫ１および第２体積ホログラム層１２のグレーティングベクトルＫ２が同一面内に含まれように積層される。グレーティングベクトルＫ１およびＫ２が同一面内に含まれれば、第１体積ホログラム層１０で回折された光を、第２体積ホログラム層１２によって回折させることができる。
【００４２】
さらに、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は図４に示すように、グレーティングベクトルＫ１およびＫ２が、反射型光学素子に対する入射光（外光）の入射面に含まれるように積層される。回折格子は、回折条件が満たされる方向（回折格子の主断面）と入射面とが一致する時に、最も高い効率で光を回折させることができるからである。
【００４３】
以上説明したように、それぞれが傾斜屈折率変調構造を形成する２つの体積ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成するには、各体積ホログラム層のグレーティングベクトルＫ１とＫ２とが、入射面に含まれるように各体積ホログラム層が積層される。
【００４４】
以下、図２を参照しながら、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２による光の回折を説明する。
【００４５】
ある入射角θ１で体積ホログラム層８に入射した光Ａ１は、図２（ｂ）に示すように、まず、入射側に配置された第１体積ホログラム層１０に入射角θ１で入射する。上記入射光Ａ１は第１体積ホログラム層１０によって回折され、第１体積ホログラム層１０の出射側に出射角θ２で出射する（出射光Ａ２）。第１体積ホログラム層１０を出射した光Ａ２は、次に図２（ｃ）に示すように第２体積ホログラム層１２に入射角θ２で入射する。
【００４６】
図４を参照して説明したように、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、グレーティングベクトルＫ１とグレーティングベクトルＫ２とが入射面に含まれるように積層されているため、上記入射光Ａ２は第２体積ホログラム層１２によって角度θ３に回折された後、第１体積ホログラム層１０側に出射する（出射光Ａ３）。
【００４７】
出射光Ａ３は、入射角θ３で第１体積ホログラム層１０に再び入射し、第１体積ホログラム層１０によって回折された後、出射角θ４で出射する（出射光Ａ４）。
【００４８】
結果として、体積ホログラム層８に入射角θ１で入射した光は、第１および第２体積ホログラム層１０、１２を介して、入射基板４側に出射角θ４で出射する。すなわち、上記体積ホログラム層８を用いることにより、入射角θ１で入射した光を出射角θ４で反射させることのできる反射型光学素子が構成される。
【００４９】
第１および第２体積ホログラム層１０、１２のグレーティングベクトルＫ１、Ｋ２および層間隔Ｄ１、Ｄ２は、第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれに対する入射光を、高い効率で回折させることができるように適宜設計される。後述する実施形態でグレーティングベクトルおよび層間隔の具体的な値を示すが、本発明はこれに限定されない。ただし、グレーティングベクトルおよび層間隔は、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が、第２体積ホログラム層１２で回折された後、再び第１体積ホログラム層１０に入射する際に、第１体積ホログラム層１０で２度目の回折が起こるように、ブラッグ条件から大きく外れないように設計されることが好ましい。
【００５０】
以下に、第１および第２体積ホログラム層１０、１２のグレーティングベクトルおよび層間隔の設計方法を説明する。
【００５１】
ブラッグ条件を完全に満足させるには、例えば、入射光（外光）が、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２をこの順に通った経路と同じ経路を通って、第２体積ホログラム層１２から第１体積ホログラム層１０を通り、第１体積ホログラム層１０から出射するように設計すればよい。すなわち、入射面の法線方向から見て、入射光Ａ２のベクトルと出射光Ａ３のベクトルとが１８０度回転対称になるように設計すれば、入射光Ａ１のベクトルと出射光Ａ４のベクトルとを１８０度回転対称にできる。
【００５２】
具体的には、例えば第１体積ホログラム層１０が−３０度入射（θ１）、０度出射（θ２）のプロファイルを持つ場合、第２体積ホログラム層１２によって、第１体積ホログラム層１０に−１８０度（θ３）で再入射させることができれば、第１体積ホログラム層１０から−３０度（θ４）で出射させることができる。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のグレーティングベクトルおよび層間隔は、上記の条件を満たすように一般的に知られるブラッグの式に従って容易に算出される。
【００５３】
ブラッグ条件から外れるような配置で再入射する場合は、第１および第２体積ホログラム層１０、１２の回折効率が８０％を下回らないようにグレーティングベクトルおよび層間隔を設計することが望ましい。このグレーティングベクトルおよび層間隔の設計の詳細は、Ｋｏｇｅｌｎｉｋの結合波理論、Ｂｅｌｌ  Ｓｙｓ．Ｔｅｃｈ．Ｊ．  ４８，  ２９０９−２９４７（１９６９）に示されている。
【００５４】
本発明の傾斜型屈折率変調構造は、液晶材料および高分子材料を含む液晶ホログラム層によって形成されることが好ましい。液晶ホログラム層は、所定の傾斜方向に対して液晶材料の含有率が規則的に変化するように形成され、電圧印加状態または電圧無印加状態において、その傾斜方向に屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成する。
【００５５】
液晶材料は電圧のオンオフによって屈折率が変化するので、この屈折率変化を利用することにより、液晶ホログラム層をスイッチング層として用いることができる。基板４および６の体積ホログラム層８側表面に例えばＩＴＯなどの透明電極を設け、透明電極に印加する電圧を制御することにより、液晶ホログラム層の屈折率が電圧の大きさに応じて変化し、透過状態と回折状態とがスイッチングされる。
【００５６】
液晶ホログラム層は、例えば、高分子リッチ層と液晶リッチ層とを含み、高分子リッチ層と液晶リッチ層とが交互に積層されて形成される。ここで、液晶リッチ層とは、液晶ホログラム層における液晶材料の平均組成（体積分率）を超える液晶材料を含む層をいい、高分子リッチ層とは、液晶ホログラム層における液晶材料の平均組成未満の液晶材料を含む層をいう。
【００５７】
図５（ａ）は、本発明に適用可能な液晶ホログラム層２０の一例を模式的に示す図である。
【００５８】
液晶ホログラム層２０は、例えば図５（ａ）に示すように高分子リッチ層２２と液晶リッチ層２４とが、基板の表面の法線方向（Ｚ軸方向）から傾斜した方向に対して交互に積層されて形成される。液晶ホログラム層２０は、液晶リッチ層２４が液晶ドロップレット２６を含むホログラフィックＰＤＬＣである。
【００５９】
なお、図５（ａ）では、液晶ホログラム層２０において高分子リッチ層２２と液晶リッチ層２４とが明確に分離されている場合を示しているが、実際には、高分子リッチ層２２と液晶リッチ層２４とは明確に分離されておらず、液晶ホログラム層２０内で屈折率は除々に変化している。ただし、以下では簡単のために、高分子層２２は液晶材料を含まない高分子層であり、液晶層２４は高分子材料を含まない液晶層である場合について説明する。
【００６０】
以下、液晶ドロップレット２６を含む液晶ホログラム層２０の光の透過状態と、光の回折状態とのスイッチングを説明する。なお、液晶層２４の屈折率は、液晶層２４の法線方向から入射する光に対する屈折率である。液晶材料は一軸性複屈折材料であり、常光屈折率ｎｏおよび、異常光屈折率ｎｅ（ｎｅ＞ｎｏ）を有する。
【００６１】
液晶層２４が液晶ドロップレット２６を含む場合、液晶層２４の屈折率は、電圧無印加時に（２ｎｏ＋ｎｅ）／３にほぼ等しく、印加電圧を０Ｖから大きくするに伴って屈折率が小さくなり、最終的には印加電圧に拘わらず、ほぼ一定値（飽和値）をとるようになる。この飽和値は、常光屈折率ｎｏにほぼ等しい。以下、屈折率が飽和値に達するときの印加電圧を、飽和電圧Ｖｓａｔと称する場合がある。
【００６２】
高分子層２２は、高分子層の屈折率ｎｐが例えば液晶層２４の常光屈折率ｎｏにほぼ等しくなるように設定される。高分子層２４の屈折率ｎｐが上記のように設定されている場合、液晶ホログラム層２０に飽和電圧Ｖｓａｔを印加すると、高分子層２４の屈折率ｎｐが液晶層２４の屈折率ｎＬＣ（＝ｎｏ）とほぼ等しくなる。従って、液晶ホログラム層２０に例えば白色光を入射させると、透過させることができる。
【００６３】
一方、電圧無印加時には、高分子層２２の屈折率ｎｐは、液晶層２４の屈折率ｎＬＣ（＝（２ｎｏ＋ｎｅ）／３）と異なるため、液晶ホログラム層２０に例えば白色光を入射させると、高分子層２２と液晶層２４との繰り返しピッチに対応したブラッグの条件を満たす特定波長の光を回折させることができる。
【００６４】
以上説明したように液晶ホログラム層２０では、光の透過状態と回折状態とがスイッチングされる。
【００６５】
上述した液晶ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成すると、傾斜屈折率変調構造を有しない単層の反射型液晶ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成する場合に比べて、駆動電圧を低くできるという効果が得られる。この理由を以下に説明する。
【００６６】
一般に、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）素子の駆動電圧Ｖは、下記の式（１）で表される。
【００６７】
【数１】
2004347784.tif 000003
【００６８】
なお、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）素子は、一対の電極基板の間に液晶材料を含むＰＤＬＣ層が配置された素子であり、ＰＤＬＣ層は、高分子マトリクスと、高分子マトリクス中に分散している液晶ドロップレットとを含む。上記式（１）において、ｄはＰＤＬＣ層の膜厚、ａは液晶ドロップレット径、σｌｃは液晶の導電率、σｐは高分子の導電率、ｋ３３は弾性定数、Δεは誘電率異方性、ｌは液晶ドロップレットの形状を表す因子であり、ｌ＝（長軸の長さ／短軸の長さ）で示される。上記式（１）から分かるように、ＰＤＬＣ素子の駆動電圧は、液晶ドロップレットの径に反比例する。
【００６９】
上記高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）素子と同様に、図５（ａ）に示した液晶ホログラム層２０も液晶ドロプレット２６を含んでいるため、液晶ドロップレット２６の径を大きくすれば駆動電圧を低減できる。
【００７０】
例えば図８に示したように、回折波長が５５０ｎｍの反射型ホログラム光学素子を従来の構成（基板の法線方向に液晶層と高分子層とが交互に積層された構成）で作製すると、液晶層５６および高分子層５８の厚さはそれぞれ９０ｎｍである。なお、ここでは、屈折率ｎを１．５、液晶層５６と高分子層５８との厚さが互いに等しいと見積もっている。従って、従来の反射型ホログラム光学素子では、９０ｎｍよりも液晶ドロップレットのサイズを大きくすることができない。
【００７１】
一方、体積ホログラム層８を、例えばそれぞれが傾斜屈折率変調構造を形成する第１体積ホログラム層１０と第２体積ホログラム層１２とを用いて形成し、第１体積ホログラム層１０のグレーティングベクトルＫ１の傾斜角φ１を１００度とし、その層間隔Ｄ１（液晶層および高分子層のそれぞれの厚さに対応）を３００ｎｍとし、第２体積ホログラム層１２のグレーティングベクトルＫ２の傾斜角φ２を３０度とし、その層間隔Ｄ２を１１５０ｎｍとすれば、上記の反射型ホログラム光学素子と同様に波長５５０ｎｍの光を回折する。
【００７２】
例えば第２体積ホログラム層１２に液晶ホログラム層２０を用いれば、液晶ドロップレットの径を最大で１１５０ｎｍにまで大きくすることが可能となる。上記式（１）に示したように、駆動電圧は液晶ドロップレットの径に反比例するため、上記反射型光学素子は、従来の反射型光学素子よりも駆動電圧が低い。
【００７３】
以上説明したように、液晶ホログラム層２０を用いて反射型光学素子を構成すると、傾斜屈折率変調構造を有しない単層の反射型液晶ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成する場合に比べて、駆動電圧を低くできる。
【００７４】
第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のいずれか一方を上記液晶ホログラム層によって形成する場合、層間隔Ｄのより大きい体積ホログラム層を上記液晶ホログラム層によって形成することが好ましい。駆動電圧をより低くできるからである。
【００７５】
本発明に適用される液晶ホログラム層２０は、上述した液晶ドロップレットを含むタイプのものに限られない。図５（ｂ）は、液晶ドロップレットを含まない実施形態の液晶ホログラム層２０（電圧無印加状態）の一例を模式的に示す図である。図５（ｂ）に示す液晶ホログラム層２０では、液晶層２４に含まれる液晶分子３０が電圧無印加時にホモジニアス配向（平行配向）をとる。また、高分子層２２は、一軸光学異方性を有し、その異常光屈折率をｎｐｅとし、常光屈折率をｎｐｏとすると、ｎｐｅ＝ｎｅ、且つ、ｎｐｏ＝ｎｏの関係を満足するように設定される。高分子層２２は、例えば液晶性モノマー２８を用いて形成される。ここで、ホモジニアス配向とは、液晶分子の長軸方向が液晶層の両側に配置される基板面に略平行な配向状態をいう。
【００７６】
上述の電圧無印加時に液晶分子がホモジニアス配向をとる液晶ホログラム層を有する反射型光学素子については、後の実施形態で図６および図７を参照して詳細に説明する。この反射型光学素子では、従来よりもブロードバンド化できるという効果に加えて、液晶ドロップレットを含むタイプの反射型光学素子に比べて、液晶層２４と高分子層２２との屈折率差を大きくできるため、回折効率をより高くすることができるという効果を得ることができる。液晶ホログラム層２０の回折効率は、液晶層２４と高分子層２２との屈折率差が大きいほど高いが、液晶層２４が液晶ドロップレットを含む場合、この屈折率差は最大で（ｎｅ−ｎｏ）／３であるのに対し、上記ホモジニアス配向をとるタイプの場合、一軸光学異方性を有する高分子層と組み合わせることにより、上記屈折率差を最大でｎｅ−ｎｏとすることができるためである。
【００７７】
以下、実施形態を説明する。以下の実施形態では、第１および第２体積ホログラム層のいずれもが、基板の表面の法線方向から傾斜した方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成し、透過型体積ホログラム層である場合を例示するが、本発明はこれに限定されない。
【００７８】
また、以下の全ての実施形態の反射型光学素子は、入射角（図２（ｂ）のθ１）−３０度の光を−０．５度の出射角（図２（ｄ）のθ４）で反射させることができる反射型光学素子であり、全ての実施形態の反射型光学素子で、第１および第２体積ホログラム層のグレーティングベクトル、層間隔、および膜厚等を共通にするが、本発明はこれに限定されない。グレーティングベクトルの方向、層間隔等を適宜設計することにより、所望の反射特性を備える反射型光学素子が提供される。
【００７９】
（実施形態１）
実施形態１の反射型光学素子は、第１体積ホログラム層１０が、液晶ドロップレットを含むホログラフィックＰＤＬＣで構成されている。
【００８０】
（第１体積ホログラム層１０の作製方法）
ホログラム感剤として、イソボルニルアクリレート（日本化薬社製）を３５重量部、ＨＤＤＡ（日本化薬社製）を１５重量部、ＴＬ２１３（メルク社製）を５０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【００８１】
一対の透明電極付き基板を有する液晶セルに上記ホログラム感剤を注入し、Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を入射角３７度、−１７度で入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。なお入射角は、媒質内での角度である。
【００８２】
（第２体積ホログラム層１２の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、−５３度、−６６．７度の入射角で上記ホログラム感剤に入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【００８３】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【００８４】
以上により、実施形態１の反射型光学素子が得られる。
【００８５】
本実施形態１の反射型光学素子では、電圧無印加状態の時、第１体積ホログラム層１０において、液晶層の屈折率は（２ｎｏ＋ｎｅ）／３であり、高分子層の屈折率はほぼｎｏに等しい。従って、高分子層と液晶層との屈折率が互いに異なるため、回折が起こる。
【００８６】
第１体積ホログラム層１０に入射角−３０度（図２（ｂ）のθ１）で入射した波長５５０ｎｍの光は、３９．５度（図２（ｂ）のθ２）の角度に回折されて第２体積ホログラム層１２に入射する。第２体積ホログラム層１２で回折された光は−１５９．５度（図２（ｃ）のθ３）の角度で出射し、再び第１体積ホログラム層１０に入射して−０．５度（図２（ｄ）のθ４）の方向に回折され、出射する。
【００８７】
電圧印加状態の時は、液晶層の屈折率はおおむね液晶分子の常光屈折率ｎｏを示し、高分子層の屈折率と一致するため、ホログラムによる回折は起こらず、入射した光はそのまま透過する。以上説明したように、本実施形態の反射型光学素子は、電気的にスイッチング可能である。
【００８８】
なお、第２体積ホログラム層１２を干渉露光によって作製する際に、散乱膜やマイクロレンズアレイの拡散プロファイルを転写すれば、拡散反射プロファイルを有する反射型光学素子を作製できる。この場合、視認性を高くできるという効果が得られる。
【００８９】
（実施形態２）
実施形態２の反射型光学素子は、第２体積ホログラム層１２が、液晶ドロップレットを含むホログラフィックＰＤＬＣで構成されている。
【００９０】
（第１体積ホログラム１０の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光をホログラム感剤の一方の面に対して入射角３７度、−１７度で入射させて干渉露光させた後、１２０度のオーブンで２時間加熱、現像処理を行った。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【００９１】
（第２体積ホログラム層１２の作製方法）
ホログラム感剤として、イソボルニルアクリレート（日本化薬社製）を３５重量部、ＨＤＤＡ（日本化薬社製）を１５重量部、ＴＬ２１３（メルク社製）を５０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【００９２】
一対の透明電極つき基板を有する液晶セルに上記ホログラム感剤を注入し、Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、一方の面に対して−５３度、−６６．７度の入射角で入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラム（ホログラフィックＰＤＬＣ）を作製した。
【００９３】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【００９４】
以上により、実施形態２の反射型光学素子が得られる。
【００９５】
本実施形態２でも上述した実施形態１と同様に、電圧無印加状態の時に回折状態が実現し、電圧印加状態の時に透過状態が実現し、スイッチング可能である。また、実施形態１と同様に、入射角−３０度の光を−０．５度の出射角で反射させることができる。
【００９６】
（実施形態３）
実施形態３の反射型光学素子は、第２体積ホログラム層１２が液晶ホログラム層であり、第２体積ホログラム層１２の液晶層に含まれる液晶分子は、電圧無印加時にホモジニアス配向をとる。実施形態３の反射型光学素子は、偏光選択性を有する。
【００９７】
（第１体積ホログラム１０の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、ホログラム感剤の一方の面に対して入射角３７度、−１７度で入射させて干渉露光させた後、１２０度のオーブンで２時間加熱し、現像処理を行った。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【００９８】
（第２体積ホログラム１２の作製方法）
ホログラム感剤として、光学異方性を有する液晶性モノマーＤＡＭ１１１３（住友化学社製）を２０重量部、液晶材料ＡＳＥＴ００６（メルク社製）を８０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【００９９】
配向処理を施した一対の透明電極つき基板を有する液晶セルに、上記ホログラム感剤を注入し、Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、一方の面に対して−５３度、−６６．７度の入射角で入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【０１００】
図６（ａ）は本実施形態の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層１２のうち、Ａ部分のみを模式的に示す図である。なお、（ｂ）は電圧無印加状態を示し、（ｃ）は電圧印加状態を示している。
【０１０１】
本実施形態の反射型光学素子は、２枚の基板４および６、および上記基板の間に配置された体積ホログラム層８を有している。基板４および６には、透明電極が形成されている。本実施形態の反射型光学素子では第２体積ホログラム１２において、図６（ｂ）に示すように、高分子層２２の遅相軸（液晶性モノマー２８の長軸に平行な方向）および液晶層２４の遅相軸（液晶分子３０の長軸に平行な方向）は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行になるように配置される。また、高分子層２２の遅相軸および液晶層２４の遅相軸は、高分子層２２および液晶層２４の層面３２に略垂直になるように配置される。
【０１０２】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【０１０３】
以上により、実施形態３の反射型光学素子が得られる。
【０１０４】
本実施形態の反射型光学素子では、第２体積ホログラム層１２を形成するために屈折率異方性を有する液晶性モノマー（液晶性アクリレート）を用いており、その常光屈折率および異常光屈折率は、液晶材料の値とほぼ等しい。また、上述したように、高分子層２２の遅相軸および液晶層２４の遅相軸は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行になるように配置されている。
【０１０５】
このため、第２体積ホログラム層１２の入射光に対する、高分子層２２および液晶層２４の屈折率はいずれも、入射光の偏光方向にかかわらず等しい。従って、電圧無印加状態では、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、その入射光は、図６（ｂ）に示すように、偏光方向に拘わらず、第２体積ホログラム層１２で回折されないで、そのまま透過する。
【０１０６】
上記電圧無印加状態では図６（ｂ）に示したように、液晶分子３０は、その長軸方向が基板４および６の表面に平行になるように配向していたが、電圧印加状態では図６（ｃ）に示すように、基板４および６の表面に直交する（基板４および６の法線方向に平行になる）ように配向する。一方、液晶性モノマー２８は重合によって固定されているため、配向状態は変化しない。従って、電圧無印加状態から電圧印加状態にすると、液晶層２４の屈折率は、異常光屈折率ｎｅとほぼ等しい値から常光屈折率ｎｏにほぼ等しい値へと変化し、高分子層２２の屈折率（＝ｎｅ）と一致しなくなる。このため、電圧印加状態では第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、図６（ｃ）に示すように、偏光方向がグレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行な直線偏光３４は、回折される。
【０１０７】
実施形態１と同様に、第１体積ホログラム層１０に入射角−３０度（図２（ｂ）のθ１）で入射した波長５５０ｎｍの光は、３９．５度（図２（ｂ）のθ２）の角度に回折されて第２体積ホログラム層１２に入射する。第２体積ホログラム層１２で回折された光は−１５９．５度（図２（ｃ）のθ３）の角度で出射し、再び第１体積ホログラム層１０に入射して−０．５度（図２（ｄ）のθ４）の方向に回折され、出射する。
【０１０８】
なお、グレーティングベクトルを含む入射面に略垂直な直線偏光３６に対しては、高分子層２２および液晶層２４の屈折率はいずれもｎｏである。従って、電圧印加状態でも、上記直線偏光３６は第２体積ホログラム層で回折されない。このため、図６（ｃ）に示すように、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、上記直線偏光３６は第２体積ホログラム層１２をそのまま透過する。
【０１０９】
以上説明したように、本実施形態の反射型光学素子は偏光選択性を有し、電気的にスイッチング可能である。
【０１１０】
（実施形態４）
実施形態４の反射型光学素子は、第２体積ホログラム層１２が液晶ホログラム層であり、第２体積ホログラム層１２の液晶層に含まれる液晶分子は、電圧無印加時にホモジニアス配向をとる。実施形態４の反射型光学素子は実施形態３の反射型光学素子と異なり、偏光選択性を有しない。
【０１１１】
（第１体積ホログラム１０の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、上記ホログラム感剤の一方の面に対して入射角３７度、−１７度で入射させて干渉露光した後、１２０度のオーブンで２時間加熱し、現像処理を行った。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【０１１２】
（第２体積ホログラム１２の作製方法）
ホログラム感剤として、光学異方性を有する液晶性モノマーＤＡＭ１１１３（住友化学社製）を２０重量部、ＡＳＥＴ００６（メルク社製）を８０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【０１１３】
上記ホログラム感剤を、配向処理を施した１対の透明電極つき基板で作製した液晶セルに注入し、Ｋｒレーザーの４０７ｎｍの平行光を、一方の面に対して−５３度、−６６．７度の入射角で入射させ干渉露光することにより、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【０１１４】
図７（ａ）は本実施形態の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層１２のうち、Ａ部分を模式的に示す図である。なお、（ｂ）は電圧無印加状態を示し、（ｃ）は電圧無印加状態を示している。
【０１１５】
本実施形態の反射型光学素子は、２枚の基板４および６、および上記基板の間に配置された体積ホログラム層８を有している。基板４および６には、透明電極が形成されている。本実施形態の反射型光学素子では第２体積ホログラム１２において、図７（ｂ）に示すように、高分子層２２の遅相軸（液晶性モノマー２８の長軸に平行な方向）および液晶層２４の遅相軸（液晶分子３０の長軸に平行な方向）は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略垂直になるように配置される。
【０１１６】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【０１１７】
以上により、実施形態４の反射型光学素子が得られる。
【０１１８】
本実施形態の反射型光学素子では、第２体積ホログラム層１２を形成するために屈折率異方性を有する液晶性モノマー（液晶性アクリレート）を用いており、その常光屈折率および異常光屈折率は、液晶材料の値とほぼ等しい。また、上述したように、高分子層２２の遅相軸および液晶層２４の遅相軸は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略垂直になるように配置されている。
【０１１９】
このため、第２体積ホログラム層１２の入射光に対する、高分子層２２および液晶層２４の屈折率はいずれも、入射光の偏光方向にかかわらず等しい。従って、電圧無印加状態では、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、その入射光は、図７（ｂ）に示すように、偏光方向に拘わらず、第２体積ホログラム層１２で回折されないで、そのまま透過する。
【０１２０】
上記電圧無印加状態では図７（ｂ）に示したように、液晶分子３０は、その長軸方向が基板４および６の表面に平行になるように配向していたが、電圧印加状態では図７（ｃ）に示すように、基板４および６の表面に直交する（基板４および６の法線方向に平行になる）ように配向する。一方、液晶性モノマー２８は重合によって固定されているため、配向状態は変化しない。従って、電圧無印加状態から電圧印加状態にすると、液晶層２４の屈折率は、異常光屈折率ｎｅとほぼ等しい値から常光屈折率ｎｏにほぼ等しい値へと変化し、高分子層２２の屈折率（＝ｎｅ）と一致しなくなる。
【０１２１】
このため、電圧印加状態では第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、図７（ｃ）に示すように、偏光方向がグレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行な直線偏光３４は、回折される。
【０１２２】
実施形態４では実施形態３とは異なり、グレーティングベクトルを含む入射面に略垂直な直線偏光３６に対しても、高分子層２２および液晶層２４の屈折率は互いに一致しない。すなわち、実施形態４では電圧印加状態で、入射光が、図７（ｂ）に示すように、偏光方向に拘わらず、回折される。従って本実施形態４の反射型光学素子は偏光選択性を有しない。本実施形態４の反射型光学素子も実施形態１から３の反射型光学素子と同様に、入射角−３０度の光を−０．５度の出射角で反射させることができる。また、本実施形態４の反射型光学素子は上述した実施形態３の反射型光学素子と同様に、電圧無印加状態の時に回折状態が実現し、電圧印加状態の時に透過状態が実現し、スイッチング可能であるが、偏光選択性を有しないため、実施形態３の反射型光学素子よりも明るいという利点がある。
【０１２３】
上記の実施形態１〜４の反射型光学素子では、第１体積ホログラム層の層間隔Ｄ１を３００ｎｍとし、第２体積ホログラム層の層間隔Ｄ２を１１５０ｎｍとしたが、第１体積ホログラム層の層間隔Ｄ１が２４０ｎｍ≦Ｄ１≦１３００ｎｍ、第２体積ホログラム層の層間隔Ｄ２が８５０ｎｍ≦Ｄ２≦１１５０ｎｍの範囲内にあれば、上記の実施形態１〜４の反射型光学素子と同様の反射特性および回折効率が得られる。
【０１２４】
【発明の効果】
本発明により、従来よりも駆動電圧を低くでき、および／またはブロードバンド化が可能な反射型ホログラム光学素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反射型光学素子を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）は体積ホログラム層を模式的に示す図であり、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、体積ホログラム層に入射した光の回折を説明するための図である。
【図３】傾斜屈折率変調構造を説明するための図である。
【図４】第１体積ホログラム層のグレーティングベクトルおよび第２体積ホログラム層のグレーティングベクトルと、入射面との関係を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、体積ホログラム層に適用可能な液晶ホログラム層の例を模式的に示す図である。
【図６】（ａ）は実施形態３の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層のうち、Ａ部分のみを模式的に示す図である。
【図７】（ａ）は実施形態４の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層のうち、Ａ部分のみを模式的に示す図である。
【図８】従来の反射型ホログラム光学素子を示す図である。
【符号の説明】
２  反射型光学素子
４  基板
６  基板
８  体積ホログラム層
１０  第１体積ホログラム層
１２  第２体積ホログラム層
１４Ａ  層
１４Ｂ  層
１５  基板面
１８  交流電源
２０  液晶ホログラム層
２２  高分子層
２４  液晶層
２６  液晶ドロップレット
２８  液晶性モノマー
３０  液晶分子
５０  基板
５２  基板
５４  体積ホログラム層
５６  液晶層
５８  高分子層
【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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