(57)【要約】【課題】高品質で大サイズの回折光学素子を短時間で作製し得る製造方法の提供。【解決手段】計算機を用いて干渉縞パターンを算出し、この干渉縞パターンを記録媒体面に記録することでマスター回折光学素子１０を形成する。その後、マスター回折光学素子１０に再生照明光１４を照射することで、感光性の記録媒体面１１の位置に再生像を形成させる。同時に、記録媒体面１１に参照光１５を照射することで、再生光１６と参照光１５との干渉縞を記録媒体面１１に記録する。この結果、最終的な回折光学素子が光学的に作製される。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラムを構成する回折光学素子の製造方法であって、
（ａ）仮想物体面から所定距離の位置の記録面において、当該仮想物体面から伝播した物体光と当該記録面に照射された参照光との干渉縞パターンを計算機を用いて算出する工程と、
（ｂ）前記工程（ａ）で算出された前記干渉縞パターンを用いて記録媒体面に物理的な第１の回折光学素子を形成する工程と、
（ｃ）前記工程（ｂ）で形成された前記第１の回折光学素子の再生像を用いて第２の回折光学素子を光学的に形成する工程と、
を備えることを特徴とする回折光学素子の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の回折光学素子の製造方法において、前記工程（ａ）において、前記参照光は点光源から発せられた球面波である、回折光学素子の製造方法。
【請求項３】
請求項２記載の回折光学素子の製造方法において、前記工程（ａ）における前記仮想物体面と前記記録面との間の距離が、前記参照光を発する前記点光源と前記記録面との間の距離よりも大きく設定される、回折光学素子の製造方法。
【請求項４】
請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の回折光学素子の製造方法において、前記工程（ｂ）は、描画装置を用いて前記干渉縞パターンを前記記録媒体面に直接的に描画する工程からなる、回折光学素子の製造方法。
【請求項５】
請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の回折光学素子の製造方法において、前記工程（ｃ）は、前記第１の回折光学素子に照射された再生照明光によって発生し前記再生像を形成する再生光と、感光性の記録媒体面に照射された参照光との干渉縞パターンを当該記録媒体面に記録する工程からなる、回折光学素子の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の回折光学素子の製造方法において、前記再生照明光は点光源から発せられた球面波である、回折光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折光学素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５に、光学的なホログラム形成方法の一例を模式的に示す。図５に示すように、物体面１００にレーザ光などの照明光を露光すると、その透過光（物体光）が記録面１０１に伝搬する。同時に参照光を記録面１０１に照射させ、参照光と物体光との干渉縞を感光材料などを塗布した記録面１０１に記録させる。このように光波の干渉作用を利用し、物体光の複素振幅（位相及び振幅）の情報を記録面１０１に記録することでホログラムが光学的に形成される。
【０００３】
一方、計算機を用いて形成されるホログラムは、計算機合成ホログラム（ＣＧＨ；Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  Ｈｏｌｏｇｒａｍ）、或いは単に、計算機ホログラムと呼ばれている。いま、物体面１００上の平面座標を（ｘ，ｙ）、記録面１０１上の平面座標を（Ｘ，Ｙ）でそれぞれ示し、物体面１００から透過した直後の物体光の分布をｇ（ｘ，ｙ）、物体面１００と記録面１０１との間のｚ軸方向の距離をＺｉでそれぞれ示すものとする。物体面１００はｚ軸上の原点に置かれる。フレネル回折が成立する場合、記録面１０１上の点（Ｘ，Ｙ）で観測される物体光の電界分布ＥＯＢＪ（Ｘ，Ｙ）は、次式（１）で表現できる。
【０００４】
【数１】
2004212546.tif 000003
【０００５】
ただし、上式（１）の中で、ｉ２＝−１であり、λ：波長、ｋ：波数（＝２π／λ）、である。
【０００６】
また参照光が点光源１０２から発せられるとき、参照光は球面波となり、記録面１０１上の点（Ｘ，Ｙ）での参照光の電界分布ＥＲＥＦ（Ｘ，Ｙ）は、次式（２）で表現される。
【０００７】
【数２】
2004212546.tif 000004
【０００８】
ただし、上式（２）の中で、ｒ：点光源１０２と記録面１０１上の点（Ｘ，Ｙ）との間の距離、である。
【０００９】
そして、記録面１０１上の点（Ｘ，Ｙ）における参照光と物体光との干渉光強度Ｉ（Ｘ，Ｙ）は、参照光の電界分布ＥＲＥＦ（Ｘ，Ｙ）と物体光の電界分布ＥＯＢＪ（Ｘ，Ｙ）との和の絶対値の２乗、すなわち次式（３）を用いて算出される。
【００１０】
【数３】
2004212546.tif 000005
【００１１】
ＣＧＨのデータは、上式（１）〜（３）に基づいた演算によって算出される。なお、上式（１）は、次の２次元フーリエ変換式（４）に変形することが可能である。
【００１２】
【数４】
2004212546.tif 000006
【００１３】
ただし、上式（４）中の定数ＣＸＹは、次式（５）で表現される。
【００１４】
【数５】
2004212546.tif 000007
【００１５】
上記した計算機ホログラムの技術は、例えば、非特許文献１（光情報工学の基礎，吉村武晃，コロナ社，２０００年発行）に記載されている。
【００１６】
【非特許文献１】
光情報工学の基礎，吉村武晃，コロナ社，２０００年発行（ＩＳＢＮ  ４−３３９−０２３６９−８）。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
コンピュータによって干渉光強度Ｉ（Ｘ，Ｙ）の分布（干渉縞パターン）が算出された後は、高精度のプリンターやレーザ描画装置や電子線描画装置などを用いてレーザ光や電子線などを記録媒体面に描画させることで当該記録媒体面にその干渉縞パターンを記録し、物理的なホログラムである回折光学素子を形成できる。
【００１８】
しかしながら、大サイズの回折光学素子を作製する場合、コンピュータによる大規模な数値計算が必要となり、ＣＧＨの演算に多大な時間を要してしまう。また、レーザ描画装置や電子線描画装置などの描画装置によって、１ｍｍ当たり数百本程度の干渉縞の記録が可能であるが、大サイズの記録媒体面に干渉縞パターンを描画するには多大な時間を要する。さらに、露光装置を用いて、光の干渉作用により大サイズの回折光学素子を作製する場合は、定盤のサイズの制限やレンズ系の収差のために高品質な回折光学素子を作製することが難しい。したがって、比較的大サイズで高品質の回折光学素子を短時間で作製することが難しいのが現状である。
【００１９】
以上の状況などに鑑みて本発明の目的は、高品質で大サイズの回折光学素子を短時間で作製し得る回折光学素子の製造方法を提供する点にある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明は、ホログラムを構成する回折光学素子の製造方法であって、（ａ）仮想物体面から所定距離の位置の記録面において、当該仮想物体面から伝播した物体光と当該記録面に照射された参照光との干渉縞パターンを計算機を用いて算出する工程と、（ｂ）前記工程（ａ）で算出された前記干渉縞パターンを用いて記録媒体面に物理的な第１の回折光学素子を形成する工程と、（ｃ）前記工程（ｂ）で形成された前記第１の回折光学素子の再生像を用いて第２の回折光学素子を光学的に形成する工程と、を備えることを特徴としている。
【００２１】
第２の発明では、第１の発明の回折光学素子の製造方法において、前記工程（ａ）において、前記参照光は点光源から発せられた球面波である。
【００２２】
第３の発明では、第２の発明の回折光学素子の製造方法において、前記工程（ａ）における前記仮想物体面と前記記録面との間の距離が、前記参照光を発する前記点光源と前記記録面との間の距離よりも大きく設定される。
【００２３】
第４の発明では、第１〜第３の発明のうち何れかの回折光学素子の製造方法において、前記工程（ｂ）は、描画装置を用いて前記干渉縞パターンを前記記録媒体面に直接的に描画する工程からなる。
【００２４】
第５の発明では、第１〜第４の発明のうち何れかの回折光学素子の製造方法において、前記工程（ｃ）は、前記第１の回折光学素子に照射された再生照明光によって発生し前記再生像を形成する再生光と、感光性の記録媒体面に照射された参照光との干渉縞パターンを当該記録媒体面に記録する工程からなる。
【００２５】
そして、第６の発明では、第５の発明の回折光学素子の製造方法において、前記再生照明光は点光源から発せられた球面波である。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る回折光学素子の製造方法について説明する。
【００２７】
図１は、本実施形態に係る回折光学素子の製造方法を示すフローチャートである。図１に示すように、本製造方法の工程は、ＣＧＨのデータを算出する計算機ホログラム算出工程（ステップＳ１０〜Ｓ１４）と、物理的なホログラムを形成する物理的ホログラム形成工程（ステップＳ２０，Ｓ２１）とに大別される。
【００２８】
図２は、前記計算機ホログラム算出工程を説明するための模式図である。図２において、仮想物体面１上の平面座標を（ｘ，ｙ）、仮想物体面１から距離Ｚｉ離れた位置の第２の仮想物体面２上の平面座標を（Ｘ１，Ｙ１）、さらに前記仮想物体面２から距離Ｚｉｉ離れた位置の記録面３上の平面座標を（Ｘ２，Ｙ２）でそれぞれ表すものとする。また仮想物体面１は、２次元画像の濃度分布ｇ（ｘ，ｙ）を有する。またこれら全ての平面座標に直交するｚ軸が設けられている。これら仮想物体面１，２及び記録面３は、コンピュータのメモリ空間上に仮想的に設定されるものである。
【００２９】
先ず、ステップＳ１０では、仮想物体面１に照明光５を照射したとき、この仮想物体面１を透過した物体光６が第２の仮想物体面２で形成する回折パターンを算出する。具体的には、回折パターンの計算式として上式（１）または上式（２）のフーリエ変換式を採用し、座標（Ｘ，Ｙ）の代わりに座標（Ｘ１，Ｙ１）を使用すればよい。これにより、当該回折パターンを示す光波分布ＥＯＢＪ（Ｘ１，Ｙ１）が算出される。なお、上式（１）では、照明光５として複素振幅が「１」の平面波を採用している。
【００３０】
次に、第２の仮想物体面２の濃度分布ｇ’（Ｘ１，Ｙ１）を算出する（ステップＳ１１）。具体的には、この濃度分布ｇ’（Ｘ１，Ｙ１）として、前記ステップＳ１０で算出した回折パターンを示す光波分布ＥＯＢＪ（Ｘ１，Ｙ１）をそのまま適用すればよい。
【００３１】
次のステップＳ１２では、濃度分布ｇ’（Ｘ１，Ｙ１）（＝ＥＯＢＪ（Ｘ１，Ｙ１））を持つ第２の仮想物体面２から伝搬した物体光７が記録面３で形成する回折パターンを算出する。具体的には、その回折パターンの計算式として上式（１）または上式（２）のフーリエ変換式を採用し、座標（ｘ，ｙ）の代わりに座標（Ｘ１、Ｙ１）を使用し、座標（Ｘ，Ｙ）の代わりに座標（Ｘ２、Ｙ２）を使用することができる。この結果、記録面３において回折パターンを示す光波分布ＥＯＢＪ（Ｘ２，Ｙ２）が算出される。
【００３２】
次のステップＳ１３では、仮想物体面２の座標平面上に置かれた点光源４から参照光８を発したとき、この参照光８が記録面３で形成する光波分布を算出する。具体的には、上式（２）の球面波の式を使用して光波分布ＥＲＥＦ（Ｘ２、Ｙ２）を算出すればよい。なお、本ステップでは、点光源４を仮想物体面２の座標平面上の位置に置いたが、この位置に限らず、点光源４を他の位置に置いても構わない。また、上記ステップＳ１２と本ステップＳ１３の実行順序はこの限りでは無く、両ステップＳ１２，Ｓ１３の実行順序を入れ替えてもよいし、或いは、両ステップＳ１２，Ｓ１３を並列に実行してもよい。
【００３３】
そして、ステップＳ１４では、物体光７と参照光８との記録面３での干渉縞パターンを算出する。具体的には、上式（３）を採用し、物体光７の光波分布ＥＯＢＪ（Ｘ２，Ｙ２）と参照光８の光波分布ＥＲＥＦ（Ｘ２、Ｙ２）との和の絶対値の２乗を算出することで、干渉縞パターンを示す干渉光強度Ｉ（Ｘ２，Ｙ２）を算出すればよい。以上で計算機ホログラム算出工程が終了する。
【００３４】
なお、仮想物体面１と仮想物体面２との間の距離Ｚｉは、点光源４と記録面３との間の距離Ｚｉｉよりも大きく設定される。例えば、一方の距離Ｚｉは、数十メートル以上の長距離であって、実験室での光学実験では実現が困難な距離に設定され、他方の距離Ｚｉｉは、数メートル程度の距離であって実験室でも容易に実現可能な距離に設定されている。
【００３５】
次に、物理的ホログラム形成工程が実行される。先ず、ステップＳ２０で、上記ステップＳ１４で算出された干渉縞パターンＩ（Ｘ２，Ｙ２）を用いて、記録媒体面にマスター回折光学素子（第１の回折光学素子）を形成する。具体的には、レーザ描画装置や電子線描画装置などの描画装置を用いてレーザ光や電子線を記録媒体面に直接的に描画することで、当該記録媒体面に干渉縞パターンを記録すればよい。ここで、干渉縞の記録方式としては、記録媒体面に干渉縞の濃淡の強度分布を記録するいわゆる振幅ホログラムの形成方式と、記録媒体面に屈折率の変化または表面の凸凹の変化として干渉縞を記録するいわゆる位相ホログラムの形成方式との何れを採用してもよい。
【００３６】
次のステップＳ２１では、前記マスター回折光学素子の再生像を用いて、記録媒体面に最終的な回折光学素子（第２の回折光学素子）を光学的に形成する。図３は、本ステップＳ２１の処理を具体的に説明するための模式図である。同図に示すように、ｚ軸上の平面座標（Ｘ２，Ｙ２）の位置に、上記ステップＳ２０で形成したマスター回折光学素子１０が配設されており、このマスター回折光学素子１０からｚ軸に沿って距離Ｚｉｉ離れた平面座標（Ｘ３，Ｙ３）の位置に、マスター回折光学素子１０よりも大きなサイズを有する記録媒体面１１が配設されている。この記録媒体面１１は、ガラスなどの透光性基板にポジ型またはネガ型のフォトレジストを塗布した感光性基板である。
【００３７】
図３に示すように、マスター回折光学素子１０からｚ軸に沿って後方（図面左方）に距離Ｚｉｉ離れた位置の点光源１２から、当該マスター回折光学素子１０に向けて再生照明光１４が発せられる。図２に示したように、マスター回折光学素子１０に記録した干渉縞パターンは、記録面３から距離Ｚｉｉ離れた位置の点光源４が発した参照光８によって形成される。したがって、図３に示す位置の点光源１２が発した再生照明光１４によって、マスター回折光学素子１０からｚ軸に沿って前方（図面右方）に距離Ｚｉｉ離れた記録媒体面１１の位置に、再生光（透過光）１６による再生像が形成される。ここで、点光源１２とマスター回折光学素子１０との間の距離Ｚｉｉは数メートル程度の短距離に設定されるため、大きな製造設備を要しないという利点がある。
【００３８】
また点光源１２から球面波である再生照明光１４を発すると同時に、平面座標（Ｘ２，Ｙ２）の位置に配設された点光源１３から、記録媒体面１１に向けて球面波である参照光１５が発せられる。よって、記録媒体面１１上のフォトレジストに、参照光１５と再生光１６との干渉光が照射され干渉縞が記録される。なお、参照光１５と再生照明光１４とは、時間的且つ空間的にコヒーレント光（位相が規則的に持続する光）となるべく生成される。
【００３９】
次いで、この記録媒体面１１を現像することで、フォトレジストの感光部分または未感光部分が溶解し、干渉縞の強度分布に応じて記録媒体面１１上に格子溝が形成される。この結果、最終的な第２の回折光学素子が形成され、本実施形態に係る物理的ホログラム形成工程は終了する。
【００４０】
図４は、上記工程により作製された回折光学素子１７の再生像２３を模式的に示す図である。回折光学素子１７から後方に距離Ｚｉｉ離れた位置の点光源２０から、回折光学素子１７に再生照明光２１を照射すると、再生照明光２１は、回折光学素子１７で回折し、当該回折光学素子１７から前方へ距離Ｚｉの位置に再生像（実像）２３を形成することになる。この距離Ｚｉは数十メートル程度の長距離であるから、回折光学素子１７から遠くの位置に再生像２３を形成できる。
【００４１】
以上に述べたように、本実施形態に係る回折光学素子の製造方法によれば、コンピュータによって算出した干渉縞パターンを記録媒体面に直接的に描画し記録してマスター回折光学素子１０を作製し、この後、このマスター回折光学素子１０の再生像を用いて大サイズの回折光学素子１７を光学的に形成している。したがって、大サイズで高品質の回折光学素子１７を短時間で作製することが可能である。さらに、遠方に像を結像させる場合に、良好な再生像を形成し得る回折光学素子を作製することも可能である。
【００４２】
ところで、上記実施形態では、回折光学素子１７の裏側から再生照明光２１を照射したとき、透過した再生光２２によってホログラム像が形成されている。この種の回折光学素子１７は透過型ホログラムと呼ばれる。本発明は、これに限らず、再生照明光を回折光学素子に照射したとき、反射した再生光によってホログラム像を形成し得る反射型ホログラムの製造方法も含む。
【００４３】
【発明の効果】
以上の如く、本発明に係る回折光学素子の製造方法によれば、計算機を用いて算出された干渉縞パターンを第１の回折光学素子に記録し、その後、この第１の回折光学素子を用いて第２の回折光学素子を光学的に形成するため、大サイズで高品質の回折光学素子を短時間で作製することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る回折光学素子の製造方法を示すフローチャートである。
【図２】本実施形態に係る計算機ホログラム算出工程を説明するための模式図である。
【図３】本実施形態に係る物理的ホログラム形成工程を説明するための模式図である。
【図４】本実施形態に係る製造方法で作製された回折光学素子の再生像を模式的に示す図である。
【図５】光学的なホログラム形成方法を説明するための模式図である。
【符号の説明】
１，２  仮想物体面
３  記録面
４，１２，１３，２０  点光源
５  照明光
６，７  物体光
８，１５  参照光
１０  マスター回折光学素子
１１  記録媒体面
１７  回折光学素子
１４，２１  再生照明光
１６，２２  再生光
２３  再生像
【図１】
2004212546.tif 000008
【図２】
2004212546.tif 000009
【図３】
2004212546.tif 000010
【図４】
2004212546.tif 000011
【図５】
2004212546.tif 000012