(57)【要約】【課題】偏光選択型回折光素子を提供する。【解決手段】偏光選択型回折光素子は、基板によって支持された液晶重合体膜を備えている。液晶重合体膜は、複数のピクセルのアレイを備えており、ピクセルの各々は、固定された液晶配向子で、該液晶配向子の各々が液晶重合体膜に対して直角の共通面内に配向され、予め決められた面外傾斜パターンを提供するように符号化されている。アレイ内のピクセルのサイズおよび予め決められたパターンは、液晶重合体膜が、前記共通面に平行に偏光された回折光に対しては位相ホログラムを形成し、また、前記共通面に直角に偏光された光に対しては第ゼロ次数回折格子を形成するように選択される。非エッチ・フラット位相ホログラムは、広範囲にわたるアプリケーションに適している。【選択図】図２ａ
2009015329.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置されたアライメント層と、
前記アライメント層上に配置された液晶重合体膜であって、前記液晶重合体膜が第１の面に平行に配向された複数の液晶配向子を含み、前記第１の面が前記液晶重合体膜の表面に直角であり、前記複数の液晶配向子の面外傾斜が予め決められたパターンで横空間座標により変化するものであり、前記液晶重合体膜が偏光選択型位相ホログラムを形成するように前記予め決められたパターンが選択される前記液晶重合体膜と
を備えた偏光選択型回折光素子であって、
第１の偏光を有する直線偏光が、前記液晶重合体膜の空間的に別個の第１および第２の領域を一定の相対位相遅延で透過して非第ゼロ次数の回折出力を提供するものであり、第２の偏光を有する直線偏光が、空間的に別個の前記第１および第２の領域を実質的にゼロ相対位相遅延で透過して第ゼロ次数の回折出力を提供するものであり、前記第１の偏光が前記第１の面に平行であり、前記第２の偏光が前記第１の偏光に対して直角であり、前記第１の領域が第１の液晶配向子を含み、前記第２の領域が第２の液晶配向子を含み、前記第１および第２の液晶配向子が異なる面外傾斜を有する、偏光選択型回折光素子。
【請求項２】
前記予め決められたパターンが、前記液晶重合体膜が単一の液晶配向子配列でそれぞれ符号化された複数のピクセルを含むように選択される、請求項１に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項３】
前記予め決められたパターンが、有限の数の異なる面外傾斜角を含み、前記有限の数が２より大きく、かつ、６５より小さい、請求項２に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項４】
前記位相ホログラムが、前記第１の面に平行または直角の格子ベクトルを備えた、請求項１に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項５】
前記位相ホログラムが、前記第１の面に対して傾斜した角度の格子ベクトルを備えた、請求項１に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項６】
前記予め決められたパターンが、光ピックアップ・ユニットに収差修正を提供するための非周期位相マスクを形成するように選択される、請求項１から５のいずれかに記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項７】
前記予め決められたパターンが、光ピックアップ・ユニット内に配置された光ディスクで反射した光のビームを入力光路から遠ざかる方向に向けるための格子を形成するように選択される、請求項１から５のいずれかに記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項８】
前記予め決められたパターンが、外部共振器レーザに偏光弁別を提供するための格子を形成するように選択される、請求項１から５のいずれかに記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項９】
前記ピクセルのサイズおよび前記予め決められたパターンが、前記第１の偏光を有する光にビーム方向付けを提供するための格子を形成するように選択される、請求項２に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項１０】
前記液晶重合体膜が第２の液晶重合体膜に直列に配置され、前記第２の液晶重合体膜が、第２の面に平行に配向された第２の複数の液晶配向子を備え、前記第２の面が前記第２の液晶重合体膜の表面に直角であり、前記第２の複数の液晶配向子の面外傾斜が前記予め決められたパターン内の横空間座標により変化する、請求項９に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項１１】
前記第１の面および前記第２の面が実質的に平行である、請求項１０に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項１２】
前記液晶重合体膜が、前記偏光選択型回折光素子に入射する光の非偏光ビームが、直交偏光を有する２つの実質的に平行の光のビームに変換されるように、前記第２の液晶重合体膜に対して配向された、請求項１１に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項１３】
前記基板が、波長板および反射表面のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の偏光選択型回折光素子。
【請求項１４】
直線偏光ＵＶ光を使用して、フォトマスクを介して、傾斜した角度でアライメント層を照射するステップと、
照射された前記アライメント層の上に、液晶重合体前駆体を含有した液晶層をコーティングするステップと、
液晶重合体膜を形成するために前記液晶層を照射するステップであって、前記液晶重合体膜が、前記液晶重合体膜の表面に直角の第１の面に平行に配向された複数の液晶配向子を備え、前記複数の液晶配向子の面外傾斜が、前記液晶重合体膜が偏光選択型位相ホログラムを形成するように選択される予め決められたパターンで、横空間座標により変化するステップと
を備えた偏光選択型回折光素子を製造する方法であって、
第１の偏光を有する直線偏光が、前記液晶重合体膜の空間的に別個の第１および第２の領域を一定の相対位相遅延で透過して非第ゼロ次数の回折出力を提供し、第２の偏光を有する直線偏光が、空間的に別個の前記第１および第２の領域を実質的にゼロ相対位相遅延で透過して第ゼロ次数の回折出力を提供し、前記第１の偏光が前記第１の面に平行であり、前記第２の偏光が前記第１の偏光に対して直角であり、前記第１の領域が第１の液晶配向子を含み、前記第２の領域が第２の液晶配向子を含み、前記第１および第２の液晶配向子が異なる面外傾斜を有する方法。
【請求項１５】
前記フォトマスクが、可変透過率マスクおよび可変サイズ開口マスクのうちのいずれかからなる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
基板と、
前記基板によって支持された、有限の数の異なる液晶配向子配列を使用して符号化された複数のピクセル領域のアレイを有する薄い平らな膜の形態の液晶層と
を備えた偏光選択型回折光素子であって、
個々のピクセル領域の前記液晶配向子配列が前記ピクセル全体にわたって実質的に一様で、かつ、恒久的であり、
個々のピクセル領域の前記液晶配向子配列が、前記アレイに入射する、前記液晶配向子の前記面に平行に偏光される直線偏光に位相遅延を付与し、かつ、前記アレイに入射する、前記液晶配向子の前記面に直角に偏光される直線偏光に影響を及ぼす位相遅延を実質的に有さないよう、前記基板の表面に直角の共通面に位置し、
前記ピクセル・アレイ内における位相遅延の取り合わせ、ピクセルのサイズおよびピクセルの形状が、前記液晶配向子の前記面に平行に偏光される光に対しては前記液晶層が非第ゼロ次数の回折出力を提供し、また、前記液晶配向子の前記面に直角に偏光される光に対しては前記液晶層が第ゼロ次数の回折出力を提供するように予め決定される偏光選択型回折光素子。
【請求項１７】
第１の偏光を有する直線偏光を放出するための光源と、
前記直線偏光を平行にするためのコリメータ・レンズと、
平行にされた前記直線偏光を光ディスク上に集束させるための対物レンズと、
前記コリメータ・レンズと前記対物レンズの間に配置された、前記光ディスクで反射した光が前記第１の偏光に対して直角の第２の偏光を有する直線偏光として第１のレンズに向かって透過するよう、４分の１波長リターダンスを提供するための４分の１波長板と、
前記コリメータ・レンズと前記４分の１波長板の間に配置された偏光選択型回折光素子であって、前記偏光選択型回折光素子が、基板と、前記基板の上に配置されたアライメント層と、前記アライメント層の上に配置された液晶重合体膜とを備え、前記液晶重合体膜が、前記液晶重合体膜の表面に直角の第１の面に平行に配向された複数の液晶配向子を備え、前記複数の液晶配向子の面外傾斜が、前記液晶重合体膜が偏光選択型位相ホログラムを形成するように選択される予め決められたパターンで、横空間座標により変化する、偏光選択型回折光素子と
を備えた光ピックアップ・ユニットであって、
前記偏光選択型回折光素子が、前記第１の偏光が前記第１の面に対して直角に偏光されるように配置され、また、前記偏光選択型位相ホログラムが、前記第１の偏光を有する前記直線偏光に対してはゼロ次数回折を提供し、前記第２の偏光を有する前記直線偏光に対しては非第ゼロ次数回折を提供するように配置され、前記非第ゼロ次数回折が、前記第２の偏光を有する前記直線偏光を前記光源から遠ざかる方向にその方向を変え、検出器の方向に向けるだけの十分なビーム偏向を提供する光ピックアップ・ユニット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は一般に回折光素子に関し、詳細には非エッチ・フラット偏光選択型回折光素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている、２００７年７月３日に出願した米国仮出願第０／９４７，６９０号の優先権を主張するものである。
【０００３】
プログラム可能液晶（ＬＣ）ベース空間光変調器（ＳＬＭ）の上に符号化された回折格子およびより複雑な薄いホログラムは、光ビームの波面を変えるための方法の１つとして積極的に研究されている。たとえば、これらのＬＣ／ＳＬＭは、適応性光学位相修正のために使用することができ、もしくは合成位相アレイに、または電気通信ビーム方向付けスイッチに使用することができる。ＬＣ／ＳＬＭは、通常、微小ピクセル・ピッチ要求事項を提供するために、透過型マイクロ・ディスプレイ・パネルまたは反射型マイクロ・ディスプレイ・パネルのいずれかに基づいている。ＬＣ配向子（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）の面内（ｉｎ−ｐｌａｎｅ）回転を備えたＬＣ（たとえばネマティックＬＣおよび強誘電性ＬＣを使用した面内スイッチング（ＩＰＳ）など）、およびＬＣ配向子の面外（ｏｕｔ−ｏｆ−ｐｌａｎｅ）回転を備えたＬＣ（たとえば面配向すなわち平行配向（ＰＡ）および垂直配向（ＶＡ）ネマティックＬＣ）の両方が利用されている。強誘電性ＬＣ（ＦＬＣ）は、ホログラムが２つの位相レベルを使用して構成される場合、偏光に対して鈍感になることがある。光源が未知の偏光すなわちスクランブルされた偏光を有しているシステム、たとえば電気通信ネットワークに使用されるビーム方向付けスイッチなどの場合、この偏光鈍感性は、場合によっては重要である。一方、面外スイッチング・ネマティックＬＣ（たとえばＰＡおよびＶＡネマティックＬＣ）は、偏光に対して敏感であることが知られているため、これらのＬＣ／ＳＬＭの上に記録されるホログラムには、通常、既知の偏光が必要である。したがって、これらのタイプのＬＣホログラムが有用であるのは、通常、光源が偏光される光学システムおよび計装においてのみである。
【０００４】
ＬＣ／ＳＬＭの上に符号化されたプログラム可能な薄いホログラムは、極めて汎用性に富んでいるが、これらの能動要素は、多くのアプリケーションに対して費用有効性が低い。また、これらのプログラム可能な薄いホログラムは、比較的微小な方向付け角を提供することが知られている。たとえば、最新技術によるシリコン上ＬＣ（ＬＣｏＳ）パネルは、そのピクセル・ピッチを１０μｍより小さくすることができ、０．５μｍの波長で、１格子周期当たり最小２ピクセルを利用して、約１．４度の最大ビーム偏向角を提供している。他のすべてのプログラム可能ホログラム出力（たとえば再生と呼ばれている）は、さらに小さい偏向角を有することができる。
【０００５】
しかしながら、これらの能動デバイスに基づく受動回折格子またはホログラムを形成する関心が存在している。たとえば、米国特許第６，３０４，３１２号によれば、それぞれアライメント層がコーティングされた２つの透明基板の間に液晶単量体を注入することによって回折格子が形成されている。一例では、アライメント層は一様であり、回折格子は、透明基板の上に提供されている、パターン化された電極に電圧を印加することによって達成されている。他の例では、回折格子は、パターン化されたアライメント層（たとえばフォトリソグラフィ技法を使用してパターン化されたアライメント層）を使用して達成されている。液晶層が配向されると、それらが重合および／または交差結合され、それにより配向が固定される。この参考文献の場合、液晶重合体ピクセルは、ホメオトロピック配向（つまり基板に対して直角の配向）または面配向（つまり基板に平行の配向）のいずれかを有するように制限されていることに留意されたい。得られる２値格子（たとえば約８μｍのピッチを有する格子）は、約４０パーセントの回折効率しか提供しないことが報告されている。
【０００６】
もっと最近では、さらに微小なピクセル・ピッチ（たとえば１μｍ以下）を有するパターン化光アライメント層が提案されている。たとえば、米国特許第７，３７５，７８４号にマイクロ・パターン化アライメント層が開示されている。このアライメント層は、ホメオトロピック配向（つまり基板に対して直角の配向）および面配向（つまり基板に平行の配向）のみを有するように制限されているが、一定の範囲の面外角度を使用して液晶を配向させることができる。より詳細には、下方に位置しているホメオトロピック配向領域および面配向領域の平均面積によって液晶の局部配向が決定されることが言及されている。残念ながら、液晶の配向は、異なる領域の平均に関係しているため、アライメント層を正確にパターン化することができず、したがって多くのアプリケーションに対して適切ではない。
【０００７】
実際、受動ホログラムを必要とするほとんどのアプリケーションは、精度を最適化し、かつ、費用有効性を高くするために、物理的な階段を備えた回折光素子を使用している。残念ながら、これらの回折光素子を形成するために使用されるエッチング・プロセスおよび／または成形プロセスは、比較的複雑で、かつ、時間を消費するプロセスである。さらに、表面レリーフ構造には、通常、繊細な構造を保護するための複雑な光薄膜コーティング・プロセスが必要である。
【特許文献１】米国特許第６，３０４，３１２号
【特許文献２】米国特許第７，３７５，７８４号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
薄膜格子またはホログラムを製造するための、比較的単純で、かつ、低コストであり、かつ／または広範囲にわたるアプリケーションに適した方法が提供されることが有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、薄い液晶重合体層を使用して回折格子および／またはホログラムを形成する方法に関している。一実施形態では、フォトマスクを介して非法線入射の直線偏光に既に照射済みのアライメント層の上に薄い液晶重合体が形成される。この実施形態では、フォトマスクは、光がアライメント層の異なる領域に異なるエネルギー密度で入射するようにパターン化されている。有利には、異なるエネルギー密度で照射されたアライメント層の個々の領域は、アライメント層の上にコーティングされた液晶重合体のうちの該個々の領域の上方に位置している領域に、異なる面外傾斜角を提供する。したがって、０度と９０度の間の複数の傾斜角を有するホログラムが高い精度で容易に形成される。したがって、広範囲にわたるアプリケーションのための比較的複雑なホログラム構造が容易に設計される。また、エッチングおよび／または成形を必要とすることなく、単一の基板の上に液晶重合体膜がコーティングされ、かつ、パターン化されるため、得られるホログラムはフラットであり、低コストで提供することができる。
【００１０】
また、本発明は、これらの非エッチ・フラット（ＮＥＦ）ホログラムを使用して形成される、液晶（ＬＣ）面外傾斜が横空間座標により予め決められた方法で変化する回折光素子に関している。一実施形態では、得られる薄いＮＥＦ回折光素子は、所与の方位面に沿って配向されたホログラムの個々のピクセルにＬＣ配向子を有している。ＬＣ配向子が分布しているこの方位面も傾斜面である。連続的に符号化され、あるいはピクセル化された方法で符号化されたリターダンスの可変量によって影響されるのは、傾斜した面に沿って偏光された光線のみである。リターダンスの可変量は、横空間座標の関数としての可変光路長変調を表している。それに対して、傾斜した面に直角の方向に沿って偏光された光線は、ＬＣディレクトの傾斜に無関係に常光線屈折率のみをサンプルする。可変光路長変調は存在せず、この直交偏光は、本質的に、第ゼロ次数格子に遭遇することになる。つまり、これらの高周波格子は偏光選択型である。第１の直線偏光の場合、入射光線は、非第ゼロ次数位置へ回折することができ、一方、第２の直交直線偏光の場合、入射光線は回折せず、それらの光エネルギーは、第ゼロ回折次数内に保存される。
【００１１】
また、本発明は、様々なアプリケーションにおけるＮＥＦ回折格子および／またはホログラムの使用に関している。
【００１２】
本発明の一態様によれば、基板と、基板上に配置されたアライメント層と、アライメント層上に配置された液晶重合体膜とを備えた偏光選択型回折光素子が提供される。液晶重合体膜は、液晶重合体膜の表面に直角の第１の面に平行に配向された複数の液晶配向子を備えている。複数の液晶配向子の面外傾斜は、液晶重合体膜が偏光選択型位相ホログラムを形成するように選択される予め決められたパターンで、横空間座標により変化する。第１の偏光を有する直線偏光は、液晶重合体膜の空間的に別個の第１および第２の領域を一定の相対位相遅延で透過して非第ゼロ次数の回折出力を提供し、第２の偏光を有する直線偏光は、空間的に別個の第１および第２の領域を実質的にゼロ相対位相遅延で透過して第ゼロ次数の回折出力を提供する。第１の偏光は第１の面に平行であり、第２の偏光は第１の偏光に対して直角である。第１の領域には第１の液晶配向子が含まれており、第２の領域には第２の液晶配向子が含まれている。第１および第２の液晶配向子は、異なる面外傾斜を有している。
【００１３】
本発明の他の態様によれば、直線偏光ＵＶ光を使用して、フォトマスクを介して、傾斜した角度でアライメント層を照射するステップと、照射されたアライメント層の上に、液晶重合体前駆体を含有した液晶層をコーティングするステップと、液晶重合体膜を形成するために液晶層を照射するステップであって、液晶重合体膜が、液晶重合体膜の表面に直角の第１の面に平行に配向された複数の液晶配向子を備え、複数の液晶配向子の面外傾斜が、液晶重合体膜が偏光選択型位相ホログラムを形成するように選択される予め決められたパターンで、横空間座標により変化するステップとを含む、偏光選択型回折光素子を製造する方法が提供される。第１の偏光を有する直線偏光は、液晶重合体膜の空間的に別個の第１および第２の領域を一定の相対位相遅延で透過して非第ゼロ次数の回折出力を提供し、第２の偏光を有する直線偏光は、空間的に別個の第１および第２の領域を実質的にゼロ相対位相遅延で透過して第ゼロ次数の回折出力を提供する。第１の偏光は第１の面に平行であり、第２の偏光は第１の偏光に対して直角である。第１の領域には第１の液晶配向子が含まれており、第２の領域には第２の液晶配向子が含まれている。第１および第２の液晶配向子は、異なる面外傾斜を有している。
【００１４】
本発明の他の態様によれば、基板と、基板によって支持された、有限の数の異なる液晶配向子配列を使用して符号化された複数のピクセル領域のアレイを有する薄い平らな膜の形態の液晶層とを備えた偏光選択型回折光素子が提供される。個々のピクセル領域の液晶配向子配列は、そのピクセル全体にわたって実質的に一様で、かつ、恒久的である。個々のピクセル領域の液晶配向子配列は、アレイに入射する、液晶配向子の前記面に平行に偏光される直線偏光に位相遅延を付与し、かつ、アレイに入射する、液晶配向子の面に直角に偏光される直線偏光に影響を及ぼす位相遅延を実質的に有さないよう、基板の表面に直角の共通面に位置している。ピクセル・アレイ内における位相遅延の取り合わせ、ピクセルのサイズおよびピクセルの形状は、液晶配向子の面に平行に偏光される光に対しては液晶層が非第ゼロ次数の回折出力を提供し、また、液晶配向子の面に直角に偏光される光に対しては液晶層が第ゼロ次数の回折出力を提供するように予め決定される。
【００１５】
本発明の他の態様によれば、第１の偏光を有する直線偏光を放出するための光源と、直線偏光を平行にするためのコリメータ・レンズと、平行にされた直線偏光を光ディスク上に集束させるための対物レンズと、コリメータ・レンズと対物レンズの間に配置された、光ディスクで反射した光が第１の偏光に対して直角の第２の偏光を有する直線偏光として第１のレンズに向かって透過するよう、４分の１波長リターダンスを提供するための４分の１波長板と、コリメータ・レンズと４分の１波長板の間に配置された偏光選択型回折光素子とを備えた光ピックアップ・ユニットが提供される。偏光選択型回折光素子は、基板と、基板の上に配置されたアライメント層と、アライメント層の上に配置された液晶重合体膜とを備えており、液晶重合体膜は、液晶重合体膜の表面に直角の第１の面に平行に配向された複数の液晶配向子を備えている。複数の液晶配向子の面外傾斜は、液晶重合体膜が偏光選択型位相ホログラムを形成するように選択される予め決められたパターンで、横空間座標により変化する。偏光選択型回折光素子は、第１の偏光が第１の面に対して直角に偏光されるように配置されており、また、偏光選択型位相ホログラムが、第１の偏光を有する直線偏光に対してはゼロ次数回折を提供し、第２の偏光を有する直線偏光に対しては非第ゼロ次数回折を提供するように配置されている。非第ゼロ次数回折は、第２の偏光を有する直線偏光を光源から遠ざかる方向にその方向を変え、検出器の方向に向けるだけの十分なビーム偏向を提供する。
【００１６】
本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して行う以下の詳細な説明から明らかになるであろう。
【００１７】
添付のすべての図面を通して、同様の特徴は同様の参照数字で識別されていることに留意されたい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、従来技術による薄い液晶（ＬＣ）ホログラム構造を示したもので、回折ベクトルに沿った厚さ断面図である。回折ベクトルは、光が回折効果によって分散する面である。また、回折ベクトルは、１Ｄ格子またはホログラムのピクセル化方向である。ホログラム５は基板１を備えており、基板１の上に、可変方位ＬＣ配向子配向を有する複数のピクセルのアレイ１０が配置されている。図の１１、１２、１３および１４は、４つの離散方位ＬＣ配向子配向を示したものである。より詳細には、図の面（ＸＺ−平面）に投影されたＬＣ屈折率楕円体が示されている。ピクセル１１は、Ｘ−軸に平行に配向されたその投影配向子を有しており、一方、ピクセル１３は、Ｙ−軸に平行に配向されたその投影配向子を有している。他の２つの状態であるピクセル１２および１４は、ＸＹ平面に含まれ、かつ、Ｘ−軸およびＹ−軸のいずれにも平行ではないそれらの投影配向子を有している。ホログラム素子５は、さらに、透過効率を改善するためのＡＲコーティング・スタック２および３を備えている。
【００１９】
動作中、Ｚ−軸に沿って入射する光線２０がホログラムによって空間的にサンプルされ、空間位相符号化により、ビームが出力光線２１として角度２２で方向付けされる。ホログラムの設計に応じて、出力光線２１に加えて、それ以外の他の回折次数を出力に存在させることも可能であることに留意されたい。また、この出力には、回折の無効力性によって生じる第ゼロ次数（非回折）光が含まれることもある。
【００２０】
この従来技術によるＬＣホログラムのキーとなる特徴は、すべてのピクセルが可変ＬＣ配向子方位配向を備えたＡ−プレート（つまり、その異常軸が層の平面に平行に配向された光リタデーション素子）またはＯ−プレート（つまり、その異常軸が層の平面に対して斜めに配向された光リタデーション素子）のいずれかとして構成されることである。つまり、ＬＣ配向子の面外傾斜の変化は存在しない。図１ｂを参照すると、複数のピクセルに跨るＬＣ配向子方位配向の変化が示されている。４つの離散ピクセル状態１１、１２、１３および１４は、ホログラム・ベクトル２５に対してそれぞれ約０度、４５度、９０度および１３５度で配向されたそれらのＬＣ配向子を有している。
【００２１】
図１ａおよび１ｂに示されているホログラム構成は、偏光に敏感であることに留意されたい。詳細には、１つの円偏光に対して、４つのピクセル状態が連続的に進む位相分布を表し、したがって１つの方向に向かって光が方向付けされることが期待される。円偏光の相対する左右像に対しては、同じ４つのピクセル符号化が、連続的に遅延する位相分布を表し、対称次数に光が方向付けされる。しかしながら、このＬＣ格子は偏光に対して敏感であるが、偏光選択型ではない。入射する偏光に対する完全な制御をたとえ有しているとしても、回折効果を完全に遮断することはできない。２つの円固有偏光は、常に対称パターンに対して再生する。他の偏光（直線偏光、あるいは一般的には楕円偏光）は、２つの円状態の組合せであり、したがって２つの円偏光出力の何らかの混合に対して再生する。入力偏光を選択して、すべての光パワーを非回折次数の中に保存することはできない。
【００２２】
図２ａおよび２ｂを参照すると、本発明の一実施形態による偏光選択型ホログラムが示されている。図２ａは、格子ベクトル４５に沿った断面図である。ホログラム３０は基板３１を備えており、基板３１の上に、連続的に変化する層、つまりピクセル化されたＬＣ層４０が配置されている。ホログラム素子３０は、さらに、透過効率を改善するためのＡＲコーティング・スタック３２および３３を備えている。偏光選択性は、異なるピクセル内のＬＣ配向子を可変量の面外傾斜を使用して配向し、かつ、一様な方位配向を維持することによって提供される。面外傾斜角がそれぞれ約０度、３３．６度、５３．１度および９０度の４つの離散ピクセル状態４１、４２、４３および４４が示されている。公称λ＝４００ｎｍでは、常光線屈折率ｎｏおよび異常光線屈折率ｎｅの屈折値は、それぞれ１．６１および１．７５であり、したがってこれらの４つのピクセルによって、Ａ−プレート構成のピクセル４１に対して、単位長当たり［０  −０．０４６１  −０．０９２１  −０．１３８２］位相差がもたらされる。ＬＣの膜厚が約２．１７μｍの場合、これらの４つのピクセルによって［０、π／２、π、３π／２］位相符号化が提供される。これらの位相符号化は、４レベル位相限定ホログラムの場合、最適離散状態である。
【００２３】
動作中、Ｚ−軸に沿って入射するＸ偏光入力光５０は、偏向角５２で主回折次数５１に方向付けされる。ホログラムの設計に応じて、５１に加えて、それ以外の他の回折次数を出力に存在させることも可能であることに留意されたい。また、この出力には、回折の無効力性によって生じる第ゼロ次数（非回折）光が含まれることもある。直交直線偏光入力（たとえばＹ偏光）の場合、ＬＣホログラム３０は、光路長変調を提供しない。この光は、回折することなく、第ゼロ次数出力の中に含まれる。つまり、ＬＣホログラムを複数の可変傾斜符号化ピクセルのアレイとして構成することにより、薄いホログラムは偏光選択型になる。１つの直線偏光の場合、ホログラムは回折する。直交直線偏光の場合、ホログラムは高度に透明である。
【００２４】
図２ｂを参照すると、傾斜面４６は、ホログラム・ベクトル４５に平行である。一連の暗い矢印は、実効面内複屈折を表している。より一般的には、ホログラム・ベクトルは、光線が回折する方向を表しており、一方、傾斜の面は、ＬＣホログラムを見る直線偏光を表している。回折する直線偏光は、傾斜面に平行に配向される。傾斜面に直角の直線偏光は回折しない。
【００２５】
図２ｃを参照すると、本発明の他の実施形態による偏光選択型ホログラムが示されている。この実施形態では、ＬＣホログラム３５のホログラム・ベクトル４５ａはＸ−軸に平行であるが、傾斜面４６ａは、ホログラム・ベクトルに対して方位オフセット５７を有するように選択されている。したがって、傾斜面４６ａに平行に偏光された光線は、格子ベクトル４６ａに平行の面に沿って回折する。個々のピクセル内のＬＣ配向子の面外角度はピクセル間で変化するが、ＬＣ配向子の方位角はピクセル間で同じであることに留意されたい。
【００２６】
図３を参照すると、本発明の一実施形態による平らな非エッチ偏光選択型回折光素子（たとえばホログラム）を製造するためのシステムが示されている。光学的構成６０は、製造中のデバイス６５を支持するためのマウント、直線偏光紫外（ＬＰＵＶ）光露光システム７０およびフォトマスク７５を備えている。製造中のデバイス６５は基板６６を備えており、基板６６の上に、線状光重合可能（ＬＰＰ）アライメント層６７が付着されている。ＬＰＵＶ露光システム７０は、ＵＶ光源７１、コリメータ・レンズ７２およびＵＶ偏光子７３を備えている。フォトマスク７５は、変化レベルの光を予め決められた方法でアライメント層に提供するようにパターン化されている。詳細には、フォトマスク７５は、可変レベルのエネルギー密度を横空間座標の関数としてアライメント層に提供するようにパターン化されている。一実施形態では、フォトマスク７５は、可変透過率マスクである。他の実施形態では、フォトマスク７５は、可変サイズ開口マスクである。
【００２７】
動作中、光源７１は、ＬＰＵＶ光を基板６６の表面に斜めの角度から提供する。この実施形態では、水平の基板に対して傾斜した光源が示されている。他の実施形態では、基板が光源に対して傾斜している。非法線ＬＰＵＶ光が入射し、そのエネルギー密度線量によってアライメント層６７に変化が誘導され、それにより、次に付着されるＬＣＰ前駆体層中のＬＣ配向子が斜めの角度（何がしかの方位角で基板の面外で傾斜した角度）で配向される。この実施形態では、ＵＶ偏光子７３は、図の面（つまり入射面）に平行に偏光されたＵＶ光を大きい透過率で透過させるように配向されている。この構成によれば、通常、ＬＰＰ材料の化学的性質に応じて、次に付着されるＬＣＰ層のＬＣ配向子がＬＰＵＶの入射面に平行または直角の方位面内に配向されることになる。ＬＣ配向子の実際の面外傾斜は、ＬＰＰアライメント層６７に引き渡されるＬＰＵＶエネルギー密度線量によって決まる。フォトマスク７５は、様々なエネルギー密度を予め決められたパターンでアライメント層６７に提供するため、可変面内リターダンスを有する空間可変傾斜ＬＣＰ膜が得られる。ＬＣ配向子の面外傾斜は、膜全体にわたって予め決められた方法で変化するが、ＬＣ配向子の方位角は、たとえば図２ｂおよび２ｃに示されているように一定である。たとえば、一実施形態では、ＬＣ配向子は単一の方位面に沿って均質に配向されるが、傾斜角は可変である。この方法でＬＰＰ層がＬＰＵＶに露光されると、液晶重合体前駆体の薄い層がアライメント層の上にコーティングされる。次に、この層がＵＶ光（たとえばこのＵＶ光は必ずしも偏光させる必要はない）に露光され、それによりＬＣＰ前駆体が交差結合し、ＬＣ配向子が予め決められた傾斜角度で固定される。したがって、この方法によれば、単一の基板によって支持された薄いＬＣＰ層の上に回折格子およびより複雑な薄いホログラムを符号化することができ、広範囲にわたるアプリケーションに適した安定した回折光素子が提供される。また、ＬＣＰ膜を支える必要があるのは単一の基板のみであるため、薄いＮＥＦ偏光選択型回折素子を他の光学系と容易に統合することができる。
【００２８】
この製造技法は、後続するＵＶ照射による交差結合によってＬＣＰに変換されることが好ましいＬＣＰ前駆体を参照して説明されていることに留意されたい。通常、ＬＣＰ層は、当分野で知られている任意のＬＰＰおよび液晶化合物を使用して形成することができ、液晶化合物は、ＵＶ照射および／または熱によって重合および／または交差結合させることができる。たとえば、一実施形態では、ＬＰＰ層は、シクロペンタノン中のＬＰＰの２重量％溶液をガラス基板の上にスピン塗布し（たとえば３０００ＲＰＭで６０秒間）、厚さ５０ｎｍのアライメント層を得ることによって形成される。他の実施形態では、ＬＰＰ層は、ワイヤ・コーティング、グラビア・コーティング、スロット・コーティング等々などの他のコーティング方法を使用して形成される。ケイ皮酸誘導体および／またはフェルラ酸誘導体を含有していることがしばしばであるＬＰＰ層は、当分野で良く知られている。本発明によれば、ＬＰＰ層は、次に加えられるＬＣ層またはＬＣＰ層中に面外傾斜を生成するタイプの層であってもよい。Ｒｏｌｉｃ（Ａｌｌｓｃｈｗｉｌ、ＣＨ）から、ＬＰＰ層の形成に適した様々な化合物を入手することができる。一実施形態では、フォトマスクを介したＬＰＵＶの照射に先立って、ＬＰＰがコーティングされたガラスが予め決められた時間の間（たとえば５分間）、予め決められた温度（たとえば１８０度）で焼き付けられる。一実施形態では、ＬＰＰは２つのステップ・プロセスで照射される。第１のステップでは、フォトマスクを使用することなく層が直線偏光に露光される（たとえば標準の開口を介して露光され、それによりすべての位置の傾斜角が最も低い角度に設定される）。第２のステップでは、フォトマスクを介して層が直線偏光に露光される（たとえば、選択された、フォトマスクの透過領域に対応する位置の傾斜角を最も高い角度に設定するために）。この実施形態では、第１および第２の照射ステップで露光される領域では、第１の照射ステップでのみ露光される領域と比較して、引き渡される総エネルギー密度（すなわち線量）をより高くすることができる。通常、必要なエネルギー密度および照射波長はＬＰＰの材料で決まる。通常、エネルギー密度は、典型的には３０ｍＪ／ｃｍ２と３００ｍＪ／ｃｍ２の間であり、また、波長の範囲は、典型的には２８０ｎｍと３６５ｎｍの間である。上で示した実施形態では、フォトマスクは、可変量のエネルギーを提供するようにパターン化されている。他の実施形態では、フォトマスクが基板に対して移動し、それにより可変量のエネルギーを提供している。いずれの場合においても、ＬＰＵＶの入射角は、通常、２０度と６０度の間である。上で説明したように、照射されたＬＰＰ層が次にコーティングされるＬＣＰ層のための配向層として使用される。一実施形態では、ＬＣＰ層は、液晶重合体前駆体を含有した液晶材料から形成される。たとえば交差結合が可能なジアクリル酸メナティック液晶化合物を含むことができるＬＣＰ前駆体材料については、当分野で良く知られている。本発明によれば、ＬＣＰ材料は、傾斜を誘導するＬＰＰ層に適切に応答することができるタイプの材料であってもよい。Ｒｏｌｉｃ（Ａｌｌｓｃｈｗｉｌ、ＣＨ）から、ＬＣＰ層の形成に適した様々なＬＣＰ前駆体化合物を入手することができる。一実施形態では、ＬＣＰ前駆体層は、１５重量％アニソール溶液としてＬＰＰ層の上に回転塗布される。他の実施形態では、ＬＣＰ層は、ワイヤ・コーティング、グラビア・コーティング、スロット・コーティング等々などの他のコーティング方法を使用して形成される。次に、得られたＬＬＰ／ＬＣＰデバイスは、通常、予め決められた時間の間、焼き付けられ（つまり焼きなましされ）、ＬＰＰアライメント層へのＬＣＰの良好な配向が促進される。有利には、後続するＬＣＰ層の光化学交差結合は、高出力照明および短波長レーザ露光の下での信頼性が改善されるとされている。
【００２９】
図４は、ＬＰＰ／ＬＣＰシステムに対するＬＰＵＶ露光線量の応答曲線の一例を示したものである。実線は、ＬＰＵＶ線量密度を関数とした面内複屈折をプロットしたものである。可変リターダを生成する場合、ＬＰＵＶ線量密度は、横空間座標に対応する。実効面内複屈折は、デバイス面に全ＬＣ屈折率楕円体を投影することによって得られる。ＬＰＵＶエネルギー密度の増加に伴う実効複屈折の減少は、面外ＬＣ配向子の傾斜がＬＰＵＶエネルギー密度と共に急峻になることを意味している。図４のダッシュ線は、ＬＣ配向子傾斜をプロットしたものである。
【００３０】
通常、フォトマスク７５は、意図するアプリケーションに応じてパターン化することができる。一実施形態では、フォトマスク７５は、可変エネルギー密度をピクセル化された方法でアライメント層６７に提供するようにパターン化される。他の実施形態では、フォトマスク７５は、可変エネルギー密度を連続的にグレード化された方法でアライメント層６７に提供するようにパターン化される。一実施形態では、ピクセルは周期的に配置されている（たとえば一定の間隔で配置されている）。他の実施形態では、ピクセルは非周期的に配置されている（たとえば無作為に、または予め決められたパターンで配置されている）。有利には、フォトマスク７５を使用することにより、極めて多数の位相特性レベルを使用して、かつ、高い精度でＬＣＰ層をパターン化することができる。一実施形態では、フォトマスク７５は、２つのレベルの位相特性を提供するようにパターン化される。他の実施形態では、フォトマスク７５は、２より大きいレベルの位相特性を提供するようにパターン化される。通常、ほとんどのアプリケーションには、合理的な回折効率を提供するために少なくとも４つのレベルの位相特性が必要である。以下、回折効率に対する位相特性のレベルについて説明する。
【００３１】
最も単純な薄いホログラムは通常の格子であり、格子周期は、存在している別個の位相レベルの数と同じ数のピクセルを有している。位相限定格子は、キノフォーム（ｋｉｎｏｆｏｒｍ）とも呼ばれている。回折表現式は、ｍ−レベル格子はｐ−次数回折出力を、
【００３２】
【数１】
2009015329.tif 000003
の効率ηｐｍで生成することを予測している。上式で、ｓｉｎｃ（ｘ）はｓｉｎ（ｘ）／ｘ、ｓｉｎｃ（０）＝１、ｐ＝．．．−２ｍ＋１、−ｍ＋１、１、ｍ＋１、２ｍ−１、．．．である。
【００３３】
ｐ−次数回折角は、
【００３４】
【数２】
2009015329.tif 000004
によって制御される。上式で、λは照明の波長であり、Λは格子周期（すなわちピッチ）である。微小角度近似（たとえばｓｉｎ（θ）〜θ）および焦点距離がｆのフーリエ変換レンズを取ると、
【００３５】
【数３】
2009015329.tif 000005
である。上式で、Δｘは回折出力の空間並進であり、また、ｗはピクセル・ピッチであり、上記表現式は、それぞれ１Ｄホログラム再生および２Ｄホログラム再生に対して、
【００３６】
【数４】
2009015329.tif 000006
で一般化することができる。上式で、（σ、τ）は、第ゼロ次数複製領域内における分数ホログラム主回折次数位置を表しており、また、ｆλ／ｗは、光軸を中心とする物理的サイズである（たとえば、Ｋ．Ｌ．Ｔａｎ  ｅｔ  ａｌ．、「Ｄｙｎａｍｉｃ  ｈｏｌｏｇｒａｐｈｙ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｓ．ＩＩ．Ｒｏｕｔｉｎｇ  ｈｏｌｏｇｒａｍｓ  ｗｉｔｈ  ｐｒｅｄｉｃｔａｂｌｅ  ｌｏｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  ｏｆ  ｅａｃｈ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｏｒｄｅｒ，」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ、１８（１）、２０５〜２１５頁、２００１年を参照されたい）。分数次数は、±１／２複製領域内に位置している。この表記法においては、空間サンプリングおよび複製（つまりホログラム記録デバイスおよびホログラム再生のアーチファクト）は、ホログラム生成から非干渉化されている。すべてのｍレベル位相階段が格子内に存在し、かつ、利用可能な総位相範囲が２π＊（ｍ−１）／ｍであり、また、個々の符号化セルが１００％ピクセル−フィル・デューティ・サイクル比を有していない限り、第１の再生次数の回折効率は、格子記録毎に、式（１）の予測より低くなる。
【００３７】
ＬＣホログラム記録および再生操作が理想化されている（無損失）と仮定すると、いくつかの位相限定格子に対する理想第１次数回折効率は、
【００３８】
【数５】
2009015329.tif 000007
で与えられる。したがって、ホログラム再生をより有効にするためには、別個の位相レベルの数を８より大きくしなければならない。
【００３９】
図５は、４レベル位相限定ホログラムを示したものである。上側のプロットは、傾斜面に沿ったＬＣ配向子の配向を示す側面図を示している。面外極角傾斜特性である下側のプロットは、無損失１／４位相ホログラムを実現するために必要な離散傾斜階段を示している。この構成は、光が、主として、中央再生複製内の第ゼロ次数の左側まで１／４の距離に方向付けされるため、しばしば−１／４分数再生と呼ばれている。非対称再生を示すこのσ＝−１／４偏光選択型周期位相マスク（たとえば格子）は、図の面に平行の直線偏光入力を有する光を回折させ、また、直交直線偏光に対しては透明である。上で説明したように、この４レベル・ホログラムは、第１の回折次数において、最大８１％の回折効率をもたらすことが期待される。回折効率を高くするためには、位相レベルをもっと多くしなければならない。概して損失がないため、単一符号化素子は、Ｚ−軸に対して一定の角度で傾斜し、かつ、ＸＺ平面に含まれるＬＣ配向子として表現することができる。図６を参照すると、ＬＣ配向子８１は、Ｚ−軸に対して極角オフセット８２θｃを形成している。ＬＣ配向子面外傾斜８３θｔは、π／２−θｃで与えられる。屈折率楕円体を記述している二次方程式から、面内実効屈折率ｎａおよび面外実効屈折率ｎｃは、ＸＹ−平面８０への投影およびＺ−軸８５に沿った投影によって表される。これらの実効屈折率は、
【００４０】
【数６】
2009015329.tif 000008
で与えられる。上式で、ｎｅ（λ）およびｎｏ（λ）は、単軸材料の異常光線屈折率および常光線屈折率の分散である。Ａ−プレート配向ピクセル（θｔ＝０）に対する位相の進みに関して、式（６）は、面外傾斜の増加に伴う非直線の位相ランプの増加を示している。図７は、Ａ−プレート構成ピクセル（つまりｎａ（θｔ；λ）−ｎｅ（λ））に対する位相差をプロットしたものである。このプロットによれば、０〜５６．７°のＬＣ傾斜で配向された符号化ピクセルは、単位長当たり−０．１の位相差をもたらしている。つまり、高さ２μｍのピクセルによって、Ａ−プレート・ピクセルに対する２００ｎｍの位相進みが提供される。したがって、λ＝４００ｎｍにおいて、必要なπ位相階段が得られる。多重レベル位相ホログラムの場合にしばしば要求される直線位相ランプは、傾斜角特性に対する単位長当たりの位相から構成することができる。
【００４１】
図８および９ａ〜ｃを参照すると、２つの位相レベルを有する薄い偏光選択型ホログラムの様々な実施形態が示されている。図８は、交番するＡ−プレート・ピクセル／Ｃ−プレート・ピクセルとして符号化された２値ＬＣホログラムを示したものである。上側のプロットは、傾斜面に沿ったＬＣ配向子配向を示す側面図を表している。下側のプロットは、面外極角傾斜特性を示している。このσ＝±−１／２偏光選択型周期位相マスク（たとえば格子）によれば、対称再生が得られ、図の面に平行の直線偏光入力を有する光が回折する。また、このマスクは、直交直線偏光に対しては透明である。上で説明したように、この２レベル・ホログラムは、第１の回折次数において、最大４０．５％の回折効率をもたらすことが期待される。回折効率を高くするためには、位相レベルをもっと多くしなければならない。このホログラムによれば、所与の最小ピクセル・サイズで最大周波数符号化能力が得られることに留意されたい。同じＬＣ材料を上で説明した計算に使用すると、このホログラムの厚さは、たったの１．４５μｍであり、それでも、全ＬＣ複屈折を使用してπ位相階段を生成するには十分である。この２値ＬＣホログラムのイメージは、図９ａに示すように、一連の縞として提供することができる。この実施形態では、明るい縞は０位相ピクセルを表しており、一方、暗い縞はπ位相ピクセルを表している。他の実施形態では、明るい縞がπ位相ピクセルを表し、暗い縞が０位相ピクセルを表している（つまり２つのＬＣ極角傾斜はπ位相の光路差を有している）。図９ｂを参照すると、２Ｄビーム方向付けホログラムの一実施形態が示されている。このチェッカー盤ホログラムは、ＸおよびＹの両方向に対して、光を最大空間周波数位置に方向付けする。図９ｃは、交差型ダマン格子の一実施形態を示したものである。このホログラムは、光をＸ方向に沿って方向付けする際に、Ｙ方向のはるか遠くまで光を３回方向付けする。これらの３つのすべての２値ホログラム例では、スカラ回折領域でホログラムが動作することが仮定されている。ピクセル化することによってＴＥ波およびＴＭ波に対する実効屈折率が影響されることはない。そうではなく、ホログラム全体にわたって一様であり、かつ、１Ｄまたは２Ｄ方向付け面のいずれと一致していても、あるいは一致していなくてもよいホログラム符号化内における傾斜面は、ホログラムによって回折する直線偏光およびホログラムを透過する直交直線偏光を表している。
【００４２】
本発明の一実施形態による偏光選択型ホログラムのアプリケーションの１つは、光ピックアップ・ユニット（ＯＰＵ）に存在している。たとえば、図１０に示されている従来技術によるＯＰＵシステムについて考察する。ＯＰＵ１００は、複数の半導体レーザ源のアレイ１１０を備えている。アレイ１１０の出力は、複数の偏光ビーム・コンバイナ（ＰＢＣ）キューブのアレイ１３０によって空間的に多重化され、レンズ・システム１６０によって平行にされ、漏れミラー１４０によって折り畳まれ、第２の対物レンズ素子１６１を介して、回転ディスク媒体１５０上の単一「ピット」領域に画像化される（集束する）。漏れミラーにより、入射ビーム・エネルギーの微小部分（たとえば５％）をタップ・オフし、もう１つのレンズ素子１６５を介してモニタ・フォトダイオード（ＰＤ）１７５上に集束させることができる。複数の半導体レーザ源のアレイ１１０は、λ＝４００ｎｍの第１のＬＤ１１１、λ＝６６０ｎｍの第２のＬＤ１１２およびλ＝７８０ｎｍの第３のＬＤ１１３を含む３つの離散レーザ・ダイオード（ＬＤ）として示されている。これらのＬＤのアレイ１１０からの出力は、実質的に直線偏光されている（たとえばＰＢＣ斜辺表面に対して「Ｓ」偏光されている）。直線偏光ビームは、直交偏光光線をアレイ１３０内の第１のＰＢＣ１３１、第２のＰＢＣ１３２および／または第３のＰＢＣ１３３によってレーザ共振器に向かって反射させることになる望ましくない帰還からＬＤ源１１０を保護している複数の低仕様偏光子のアレイ１２０を通過する。
【００４３】
動作中、ＬＤ源の各々の主ビームが、共通経路１８０に沿って、ディスク媒体１５０内の情報層（ＩＬ）に向かって方向付けされる。ビームは、色消し４分の１波長板（ＱＷＰ）１４５に到達する前に実質的に直線偏光される。色消しＱＷＰ１４５は、直線偏光（ＬＰ）を円偏光（ＣＰ）に変換し、その左右像は、色消しＱＷＰ１４５の光学軸の配向で決まる（たとえば所与のＳ−偏光入力またはＰ−偏光入力に対して）。「Ｓ」偏光が色消しＱＷＰ１４５に入力されるこの例では、色消しＱＷＰ１４５の光学軸（つまり遅軸）がＰＢＣのＰ−面に対して反時計方向（ＣＣＷ）に４５°で配向されている場合、左回り円偏光が得られる（たとえば、観察者に入射するビームを見ている間、直観ＲＨ−ＸＹＺ座標系を仮定した場合）。回転ディスク媒体１５０が、記録済みピットの物理的な刻み目が存在する事前記録コンパクト・ディスク（ＣＤ）またはディジタル汎用ディスク（ＤＶＤ）の場合、１／６波ないし１／４波におけるピットとその周囲の「ランド」との間の光路長差は、弱め合う干渉（たとえば少なくとも部分的に）をもたらし、ＰＢＣキューブ・アレイ１３０の第２のポートに配置されている主フォトダイオード１７０によって検出される光が弱くなる。ピットが存在しない場合、弱め合う干渉は存在せず、光は、色消しＱＷＰ１４５を２回通過し、色消しＱＷＰ１４５によって元のＳ−偏光からＰ−偏光に有効に変換され、したがって実質的に同じ光パワーがＰＢＣキューブ・アレイ１３０に向かって戻る。
【００４４】
回転ディスク媒体１５０がディスクの片面に複数の情報層を備えた、たとえばＤＶＤ二重層（ＤＬ）ディスクなどである場合、これらの２つのＩＬ層間の分離は、ディスクにアクセスする際のコヒーレント・クロストークを小さくするために、通常、２０μｍと３０μｍの間である。対物レンズ１６１は、必要なＩＬ深さに集束させるために容易に調整されるが、この再焦点合わせは球面収差の原因になる。対物レンズの開口数（ＮＡ）が約０．６であり、かつ、６５０ｎｍの照明波長を利用している、過去から受け継がれているＤＶＤシステムの場合、ＩＬ深さの変化は、場合によっては重要ではない。しかしながら、他のＤＬフォーマット（たとえばＢｌｕ−ｒａｙ（ＢＤ）および高解像度（ＨＤ）−ＤＶＤ）の場合、対応するＮＡの増加（たとえばＢＤの場合、０．８５ＮＡ）および照明波長の減少（たとえば約４０５ｎｍ）は、高ＮＡ対物レンズが第２のＩＬ深さに再焦点合わせされると、大まかに２００〜３００ｍλの球面収差の原因になる（たとえば、屈折率が０〜１．５である約２０μｍのスペーサ層を有する二重層ディスク・フォーマットの場合）。この収差を小さくするための様々な方法が存在している。たとえば、対物レンズに入射するビームの水平または垂直位置を変えるための、複合対物レンズ内の素子の機械的な調整および／またはコリメーション・レンズの位置の調整は広く実践されている。別法としては、様々な非機械式収差修正スキームが提案されている。
【００４５】
図１１を参照すると、非機械式収差修正を備えたＯＰＵ（つまり米国特許第６，９４７，３６８号の中で提案されているＯＰＵシステムに類似したＯＰＵ）の一例が示されている。この図では、図１０で説明した素子と同様の素子は、同様の番号を使用して参照されている。図１１に示されているＯＰＵ２００は、図１０で説明した光要素に加えて、さらに、能動的にスイッチされるＬＣセル２１０および非周期位相マスク２２０を備えている。これらは、コリメータ・レンズ１６０と対物レンズ１６１の間の平行ビーム・セクションに挿入されている。コリメータ・レンズ１６０は、ＰＢＣ１３１の後段ではなく、ＰＢＣ１３１の前段に配置されている。
【００４６】
動作中、ＰＢＣ１３１によって９０度偏向したビームがＰＢＣ斜辺面に対してＳ−偏光される。このビームは、２つの直交直線偏光のうちの一方が出力されるように能動ＬＣセル２１０を通過する（たとえばＰＢＣ斜辺（同じくＹ−軸およびＸ−軸にそれぞれ平行である）に対するＳ−偏光およびＰ−偏光）。所与の出力（たとえば図１１に示されているＳ−偏光）を生成するための電気駆動状態（オンまたはオフ）は、ＬＣの動作モードに応じて異なる。９０度捻じれたネマティックＬＣセルの場合、入力の偏光と同じ偏光の出力を生成するためには、セルの駆動をオフにしなければならない。ＶＡネマティックＬＣセルの場合、セルを駆動することなく、入力の偏光と同じ偏光の出力が得られる。ＦＬＣネマティックＬＣセルおよびＩＰＳネマティックＬＣセルなどのさらに他のＬＣモードには、入射する光ビームの偏光を変え、あるいは偏光を維持するための適切な電圧駆動が必要である。
【００４７】
図１１では、Ｓ−偏光放射が位相マスク２２０に提供されている。位相マスク２２０は、複屈折層または複屈折基板の中にエッチングされた一連の物理的な階段を備えている。通常、これらの物理的な階段の製造は、フォトリソグラフィおよびドライ／ウェット・エッチング技法を使用して達成される。一実施形態では、位相マスク２２０のエッチングされた階段は、空気にさらされている。他の実施形態では、位相マスク２２０は、パターニングおよびエッチングによって得られたエア・ギャップに等方性材料を充填することによって形成される。この等方性材料は、複屈折媒体の複数の主屈折率のうちの１つと同じ屈折率を有していても、あるいは有していなくてもよい。この実施形態では、空気／複屈折位相マスク２２０は、Ｐ−面（たとえば図１１の面）に平行に配向された一様な遅軸配向を有しており、また、階段の高さは、空気およびｎｅ屈折率の場合、２π位相飛越しとして構成されている。したがって、Ｓ−偏光が位相マスク２２０を透過すると、位相変調が付与される。Ｐ−偏光（図示せず）がＬＣセル２１０の通過を許容されると、位相マスクは非活動状態になる。
【００４８】
対物レンズが公称焦点に位置している場合（たとえば０〜１００μｍの深さに存在している内部情報層１５４に集束させる場合）、ＬＣセル２１０は、４分の１波長板１４５を通過し、反射して戻って、レンズ１６３を介して検出器１７０上に集束するＰ−偏光（図示せず）を透過させる。外部情報層１５３（たとえば０〜８０μｍの深さに存在している）に対する読出し／書込みを実施する場合、対物レンズが再焦点合わせされる。対物レンズに入射するビームの水平または垂直位置を変更することなく再焦点合わせすると、球面収差の原因になる。球面収差を小さくするために、焦点位置を公称値から変更する場合、Ｓ−偏光を透過させるためにＬＣセル２１０が使用される。Ｓ−偏光は、位相マスク２２０中のｎｏ屈折率をサンプルし、所望の波面を生成する。
【００４９】
位相マスク２２０は、一連の環状ゾーンを備えた表面レリーフ構造（ＳＲＳ）であることに留意されたい。たとえば、図１２に示されている、中央基準位相ゾーンを有する従来技術による位相マスク２５０について考察する。複屈折材料は、Ｘ−軸に沿って配向されたその光学軸２５２を有している。入射するＳ−偏光ビーム２５３は、Ｙ−軸に対して配向されている。入射するビームが位相マスク中の空気セグメントをサンプルする場合、それは、中央環状ゾーンに対する位相進みを表している。焦点距離が０〜１００μｍＩＬ深さから０〜８０μｍＩＬ深さになると、集束ビームの位相が遅れる。図１３は、ＸＺ断面２５１に沿った位相特性を示したものである。図に示されている、総位相範囲が１．２πに近いこの例は、焦点の変化によってもたらされるｒｍｓ波面収差を約２００ｍλから０〜４０ｍλまで減少させる必要がある。修正された波面収差は、動作波長で回折限界である。
【００５０】
もう一度図１１を参照すると、エッチングされた位相マスク２２０とＬＣスイッチ２１０が相俟って、波面収差に対する２つの偏光状態の選択的な修正を可能にしており、その修正に基づいて情報層がディスク上にアクセスされている。所与の公称対物レンズ焦点（内部情報層に対する焦点または外部情報層に対する焦点のいずれか）に対して、再焦点合わせが実施されると、関連する収差の補足位相特性を位相マスク上に符号化することができる。ＬＣセルの出力偏光を切り換えることにより、回折限界内に含まれている波面収差を使用して個々の情報層がアクセスされる。
【００５１】
残念ながら、位相マスク２２０は、通常、複屈折素子をエッチングすることによって製造されるため、位相マスク２２０は、一般的に比較的高価な光素子と見なされている。本発明の一実施形態によれば、予め決められた位相特性（たとえば、図３を参照して説明した傾斜光アライメント技法を使用して実効面内複屈折をパターニングすることによって形成された位相特性）が符号化された光硬化ＬＣＰ層が、非機械式収差修正スキームで使用されている。
【００５２】
図１４を参照すると、本発明の一実施形態によるＯＰＵ３００の略図が示されている。この図では、図１０および１１で説明した素子と同様の素子は、同様の番号を使用して参照されている。従来のエッチ位相マスク２２０の代わりに非エッチ・フラット（ＮＥＦ）ＬＣ位相マスク３１０が提供されていることに留意されたい。
【００５３】
動作中、平行にされた光のビームが、Ｓ−偏光２３１として、ＰＢＣ１３１の反射ポートを介して共通経路に結合される。ＬＣスイッチ２１０は、Ｓ−偏光を直交Ｐ−偏光２３２に変換する（たとえばＰＢＣ斜辺に対して）。このＰ−偏光は、図の面に平行であり、また、薄いＮＥＦＬＣ位相マスク３１０の一様な方位配向に平行である。ＮＥＦ位相マスクは、ひとみ位置を関数とした可変ＬＣ面外傾斜を有している。実効異常光線屈折率は、ＬＣ配向子の傾斜により変化する。したがって、ＬＣ傾斜を構成することによって光路長が適合される。能動位相修正の場合、Ｐ−偏光は、対物レンズが無収差状態で構成されている第１の情報層の深さとは異なる深さの第２の情報層をアクセスする際に、その対物レンズの公称焦点の変化に関連する相補位相特性を生成するために必要な方法で、個々の符号化ピクセルの位相を別様にサンプルする。ＬＣセル（図示せず）からの第２の直線偏光出力を使用した非能動位相修正の場合、ビームは、個々の符号化ピクセル内の傾斜に無関係にｎｏ屈折率をサンプルする。ＬＣホログラムは、透明な第ゼロ次数格子であり、ビームの位相事前条件付けは実施されない。
【００５４】
事前条件付けされたこのビームは、次に、第１の直線偏光２３２を第１の円偏光２３３に変換する４分の１波長板１４５を横切る。情報層で反射すると、第２の（相対する左右像）円偏光２３４が得られる。このビームは、４分の１波長板１４５によってもう一度第２の直線偏光２３５に変換される。この位相修正は、第１のパスでは能動的であるが、第２のパスではこの位相修正は非能動的であり、ＬＣセルの切換えに応じてその逆についても同様である。ビームは、光検出器に向かう途中では厳密に再焦点合わせされないため、第２のパス位相修正は重要ではない。
【００５５】
図１５は、ひとみ座標におけるＬＣ配向子傾斜特性を示したものである。プロット（ａ）は、図１３に示されているような離散階段位相特性を生成するための、最大傾斜７０度および９０度の２つの事例に対する面外ＬＣ配向子傾斜を示している。計算波長は４００ｎｍであり、この波長における常光線屈折率ｎｏおよび異常光線屈折率ｎｅの屈折値は、それぞれ１．６１および１．７５である。それぞれ７０度および９０度の最大傾斜で１．２πの最大位相範囲を生成するために必要なＬＣ膜の厚さは、約１．９４μｍおよび１．７４μｍである。この膜は非常に薄く、開口全体にわたって一定の物理的厚さを有している。ひとみ全体にわたる極角分布によって位相修正機能が得られる。ＬＣ配向子（同じく遅軸）は、共通面に沿って配向されており、たとえば図に示されている例ではＸＺ−平面に沿って配向されている。図１５のプロット（ｂ）は、ＸＺ平面および傾斜面に沿ったいくつかの離散ピクセルに対するＬＣ配向子特性を示したものである。この場合も、中央環状ゾーンは、ＬＣ膜のｎｅ屈折率によって提供される基準位相を有している。実効屈折率をサンプリングすることにより、初期位相が、ＬＣ膜のｎｅとｎｏの間で、ひとみの中心から外側へ向かって、ＬＣが最大傾斜（たとえば７０度または９０度のいずれか）で配向されているゾーン＃７まで漸進的に進む。この環状ゾーンを超えると、ＬＣ傾斜を小さくすることにより、中央ゾーンに対する位相差がひとみの限界に向かって漸進的に減少する。図１５のプロット（ｃ）は、傾斜面に対して直角の面に沿った実効ＬＣ屈折率楕円体の投影を示したものである。これは垂直面であるため、より長い屈折率楕円体ピクセルによって、法線入射光線に対するより小さい実効リターダンスが得られ、したがってより短い屈折率楕円体ピクセルに対して位相が進む。
【００５６】
図１４を参照して説明した実施形態では、本発明による偏光選択型ホログラムは、非機械式収差修正スキームで使用されている。有利には、非周期マスク３１０の層の厚さは、透明開口全体にわたって一様である。単軸ＬＣ材料の光学軸が斜め傾斜に対して配向され、また、必要な平らなホメオトロピック配向に対して配向されている場合、位相マスク３１０を液晶セル２１０と共に使用して、偏光選択型波面位相修正または全透明画を提供することができる。有利には、偏光選択型位相マスク３１０は、レーザ・ダイオード光源によって、高い偏光純度で便利に提供される直線偏光で動作する。したがって、円偏光の純度不足によって回折効率が低下することになる４分の１波長板１４５の後段に偏光選択型位相マスク３１０を配置する必要はない。
【００５７】
他の実施形態では、本発明による偏光選択型ホログラムは、ＯＰＵ内のビーム方向付け素子として使用されている。たとえば、図１６に示されている、偏光選択型周期格子４１０が図１０に示されているＰＢＣキューブ１３０に類似した機能を提供している、従来技術によるＯＰＵシステム４００について考察する。日本国特許出願第ＪＰ−Ａ−２００１−１７４６１４号および米国特許出願第２００６／０２３９１７１号の中で提案されているシステムに類似したこのシステム４００では、格子４１０は、光ディスクで反射して戻るビームをレーザ・ダイオードから入射する放射から角度的（および空間的）に分離するために使用されている。詳細には、格子４１０は、コレステリック液晶の反射帯域端の近く、および有機色素の吸収帯域エッチの近くの大きな施光性分散を利用して、必要な円偏光を＋１次数（たとえば２値周期格子の場合、同じく±１次数）に優先的に回折させ、かつ、直交円偏光に対する透明性を維持している（たとえば直交円偏光はほとんど回折せず、光は、主として第ゼロ次数内に出現する）。
【００５８】
ＯＰＵシステム４００は、共通パッケージされたレーザ・ダイオードおよび検出器モジュール３０５を備えている。モジュール３０５のレーザ・ダイオード・セクションは、第１の直線偏光２３１（つまり、説明を目的として、図の面に対して直角になるように示されている）の平行ビームを生成するコリメータ・レンズ１６２に向けて発散ビームを放出している。直線偏光２３１は、４分の１波長板１４５を通過すると、第１の円偏光２３３に変換される。円偏光入力として相対する左右像を有する好ましいコレステリック・ヘリカル・ツイストの場合、この円偏光２３３は、周期格子４１０の影響を受けない。ビームは、次に、高ＮＡ対物レンズ１６１によってディスク媒体１５０の上に集束する。より詳細には、ビームは、ディスク中の情報層１５３に集束する。情報層１５３は、保護層１５２で覆われ、かつ、基板１５１の上に配置されている。ディスクで反射すると円偏光の左右像が変化し、したがって反射したビーム２３４は、第１の円偏光とは逆の第２の円偏光を有している。この第２の円偏光は、コレステリック・ヘリカル・ツイストの左右像と同じ左右像を有しているため、ビームは、コレステリック／等方性周期格子４１０によって、戻りのパス上で方向付けされる。ビームが４分の１波長板１４５をもう一度透過すると、第２の直線偏光２３６が得られる（この第２の直線偏光２３６は、たとえば第１の直線偏光に対して直角である）。戻りビームは、格子ピッチおよび動作波長に応じて、回折式（２）に従って角度３２０だけ偏向する。この角偏向がレンズ１６２によって空間オフセットに変換され、ビーム・オフセットΔｘ３２１が得られる。
【００５９】
つまり、偏光選択型周期格子４１０は、順方向伝搬方向ではビーム方向付けを提供し、したがってディスク１５０に伝達されるビーム・エネルギーを保存し、また、逆方向伝搬方向ではビーム方向付けを提供し、したがって情報を担っているビームを入力ビームから分離するホログラフィック・ビーム・スプリッタとして機能している。このスキームは有望ではあるが、偏光選択型周期格子４１０に関連するいくつかの欠点がある。第１に、周期格子４１０の波長選択性は、所与の円偏光で回折し、あるいは回折しないように構成することができるのは、多重波長ＯＰＵシステム（たとえば図１０に示されているＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤシステム）のただ１つの波長のみであることを意味している。したがって、ホログラフィック・ビーム・スプリッタをＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤシステムで動作させるためには、３つの格子層を使用してホログラフィック・ビーム・スプリッタを設計しなければならない。そのためには追加コストが必要であり、また、重量が増加するため、要素のサイズを小さくする目的に逆行することになる。波長選択性は、格子がコレステリック反射帯域端の近くで動作していることに関連していると考えられることに留意されたい。偏光選択型周期格子４１０の第２の欠点は、偏光選択型周期格子４１０が円偏光を使用して動作していることである。一ＯＰＵシステムでは、円偏光を利用することができるのは、４分の１波長板１４５とディスク１５０の間のみである。また、格子４１０の有効性は、４分の１波長板の後段で生成される円偏光の純度で決まる。第３の欠点は、周期格子４１０が、通常、基板をパターニングし、かつ、エッチングすることによって製造され、また、しばしば、エッチングされた基板を充填することによって製造されることである。上で説明したように、これらの製造技法は、時間を消費し、また、比較的コストが高いことがしばしばである。さらに、エッチングされた表面に他の材料を充填する場合、充填材料の屈折率と複屈折格子の屈折率が重要なすべての波長帯域全体にわたって整合しないことが考えられる。非回折の場合、コレステリック・ピクセルおよび等方性ピクセルは、通常、それらの屈折率の値が同じではなく、望ましくない円偏光をすべての動作波長で完全に抑制することは不可能である。第４の欠点は、達成可能な格子分解能が一般的に制限されていることである。たとえば、米国特許第２００６／０２３９１７１号の中で提供されている第１の例について考察する。コレステリックＬＣがどちらかと言えば大きい直線複屈折（たとえばΔｎ＝０．２）を有しているこの例では、４×４行列モデル化円複屈折は約０．０４である（たとえばλ＝６６０ｎｍにおけるπ位相階段および８．８μｍの２値格子の物理的階段高さである）。この高い階段が達成可能な格子分解能に影響を及ぼしている。たとえば、１μｍのピクセル幅を生成するためには９：１のアスペクト比（幅に対する高さの比率）が必要であり、それがエッチング・ステップを困難にしている。多重レベル位相格子の効率をさらに高くするためには、場合によっては２πに近い位相範囲が必要であり、そのためにはさらに大きいアスペクト比が必要である。つまり、従来技術は、実際問題として、格子分解���が粗い２値位相格子に限定されており、それらは不十分であり、また、方向付け角が小さい。
【００６０】
図１７を参照すると、本発明の一実施形態によるＯＰＵ５００の略図が示されている。図１６の中で使用されている偏光選択型周期格子４１０の代わりに偏光選択型周期ＬＣ回折格子５１０が提供されている。この非エッチ・フラット（ＮＥＦ）ＬＣ回折格子５１０は、複数の可変リターダ素子のアレイを生成するために可変傾斜ＬＣＰ膜を利用している。すべての格子ピクセルの遅軸は同じ方位面内に配向されているが、極角傾斜の量が異なっている。
【００６１】
動作中、共通パッケージされたレーザ・ダイオードおよび検出器モジュール３０５が、第１の直線偏光２３１（たとえば、説明を目的として、図の面に対して直角に示されている）の平行ビームを生成するコリメータ・レンズ１６２に向けて発散ビームを放出する。この直線偏光２３１は、偏光選択型ＬＣホログラム５１０の傾斜面に対して直角である。ＬＣホログラムは、この直線偏光に対して透明であるため、透過した光は第ゼロ次数の中に含まれており、４分の１波長板１４５を通過すると、第１の円偏光２３３に変換される。ビームは、次に、高開口数（ＮＡ）対物レンズ１６１によってディスク媒体１５０の上に集束する。ディスク１５０で反射すると円偏光の左右像が変化し、したがって反射して戻るビーム２３４は、ビーム２３３の第２の（相対する）左右像を有している。第２の円偏光は、次に、４分の１波長板１４５をもう一度通過し、第２の直線偏光２３６を提供する。この第２の直線偏光は、戻りのパス上で、偏光選択型ＬＣ周期格子５１０によって方向付けされる。戻りビームは、格子ピッチおよび動作波長に応じて、回折式（２）に従って角度３２０だけ偏向する。この角偏向がレンズ１６２によって空間オフセットに変換され、ビーム・オフセットΔｘ３２１が得られる。
【００６２】
上で説明した従来技術による円偏光選択型格子４１０とは対照的に、偏光選択型ＬＣ周期格子５１０は、直線偏光入力の状態に応じて、場合によってはホログラムであり、また、透明デバイスである。等方性充填格子４１０が交番する近帯域端コレステリックの狭帯域特性とは対照的に、偏光選択型ＬＣ周期格子５１０は、比較的広い範囲の帯域にわたって動作する。
【００６３】
図１８は、一例として、第１の回折次数のみに光を方向付けすることを意図した、Ｂｌｕ−ｒａｙ  Ｄｉｓｃ（ＢＤ）または高解像度（ＨＤ）ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ  ＯＰＵシステムの３つの離散波長に対する単純な格子構造を示したものである。ＬＣホログラム傾斜特性は、６６０ｎｍの中間波長で無損失位相限定格子として構成されている。位相ランプは、連続するピクセル内のＬＣ傾斜を変化させることによって構成されている。６６０ｎｍの設計波長では、１６レベル位相格子は、０から１５π／８にわたっており、また、個々の符号化ピクセルは、１μｍの幅を有していることが仮定されている。上で説明したＬＣ材料の場合、０から９０度傾斜の全範囲を使用することができる場合のＬＣ膜の厚さは５．９μｍである。もっと長い７８０ｎｍの波長では、ＬＣ混合物の自然分散によって２πより小さい位相ランプが得られる。この波長におけるホログラム回折は、第ゼロ次数の非回折光出力を有することになる。一方、より短い全波光路差要求事項と結合した短い４００ｎｍ波長における複屈折の増加により、λ＝４００ｎｍにおいてほぼ４πの位相ランプが得られる。これは、第１次数回折角がこれらの３つの離散波長のすべてに対してほぼ同じであることを意味している（たとえばλ＝４００ｎｍでは、波長は、λ＝７８０ｎｍの場合の波長のほぼ１／２であるが、その空間格子周期も同じくＮＩＲ格子の場合の波長のほぼ１／２である）。図１９は、ＬＣ傾斜面に平行の偏光入力に対する薄いＬＣ格子の角スペクトルを示したものである。設計波長チャネルは、約９８％の第１次数回折効率（ＤＥ）を有している。他の２つの光チャネルは、約８８％の第１次数ＤＥを有していた。また、入力偏光がＬＣ傾斜面に対して直角である場合、ＬＣホログラムは、あらゆる照明波長において第ゼロ次数格子として挙動する。第ゼロ次数格子は、偏光純度が保障され、また、外部ＡＲ損失が除去される場合、無損失にすることができる。
【００６４】
米国特許出願２００６／０２３９１７１の場合、それらの２値コレステリック／等方性格子の総合厚さは約１０μｍである（これは、たとえば上で説明した５．９μｍに類似している）。しかしながら、対称再生は、第１次数ＤＥがせいぜい４０％であることを意味している。いくつかの他の波長帯域では、報告されている理論ＤＥは、色素をベースとする材料の位相符号化が有効ではないため、１０％より小さい。フォトリソグラフィおよびエッチングを実行する要求事項と結合した従来技術技法における小さい円複屈折の場合、アスペクト比の制約のため、位相階段の数が限られている。さらに、この方法で製造された単一格子の場合、円複屈折が吸収／反射帯域端の近くに誘導されるため、複数のチャネルを同時に方向付けすることはできない。
【００６５】
有利には、偏光選択型ホログラム５１０を使用することにより、従来技術が抱えている上記の問題（たとえば、不適切な位相変調、厳格なアスペクト比、回折効率の悪さ、多重チャネル動作の不足、材料のエッチング等々）が解決される。
【００６６】
図２０を参照すると、本発明の一実施形態によるＯＰＵ６００の略図が示されている。周期格子である薄い第１のＮＥＦホログラム５１０は、ホログラフィック・ビーム・スプリッタとして機能しており、また、非周期位相マスクである薄い第２のＮＥＦホログラム３１０は、対物レンズが非設計情報層の深さに再焦点合わせされる際に、読出し／書込みビームの波面を事前条件付けしている。この実施形態では、薄い第１のＮＥＦホログラム５１０および薄い第２のＮＥＦホログラム３１０は、それぞれ図１７および１４を参照して説明したように機能している。図に示されているディスク１５０は、基板１５１の上に配置され、かつ、スペーサ層１５５で分離された第１の情報層１５３および第２の情報層１５４を備えている。
【００６７】
図２１を参照すると、本発明の他の実施形態によるＯＰＵ７００の略図が示されている。薄いＮＥＦホログラム７１０は、微小量の戻りビームをタップ・オフするために使用されている。商用ＯＰＵシステムの場合、ディスク媒体上の螺旋溝、ディスクのそりによって誘導される非点収差、および／または読出し／書込みビームに対する一定の角度でのディスクの配置をトラッキングするために、微小量の戻りビームがしばしばタップされる。タップオフ・ビームは、しばしば、複数の素子がアレイ化された検出器に画像化される。実際の信号ビームは、主フォトダイオードを通過することができる。このようなシナリオの場合、ＬＣホログラム設計は、主ビームを第ゼロ次数内に含むように探索し、かつ、光の微小部分（たとえば５％）を１つまたは複数の再生次数にすることができる。ＯＰＵシステム７００は、レーザ・ダイオード出力の１つまたは複数のチャネルをＰＢＣ１３１の反射ポートを介して共通経路に放出する。Ｓ−偏光は、第１のパスでは、偏光選択型ＬＣホログラム７１０で回折しない。偏光は、戻りのパス上で、ＬＣホログラムの傾斜面に平行の偏光に変換される。ＬＣホログラムは、ここでは大きい第ゼロ次数を再生するように設計され、かつ、符号化されている。したがって、共通パッケージされた検出器アレイ７０５は、主信号を検出するための主フォトダイオード７２１、および１つまたは複数のトラッキング・ビームを検出するための１つまたは複数の補助フォトダイオード７２２を備えている。この優勢な第ゼロ次数再生は、たとえば不適切な位相範囲を故意に提供することによって達成することができる。理想的な位相範囲（たとえばピクセルの符号化に利用することができる最後の位相階段に対する第１の位相階段の差）は、２π＊（ｍ−１）／ｍである。ｍは位相レベルの数である。たとえば、無損失２値および１／４位相限定ホログラムには、πおよび１．５πの位相範囲が必要である。第ゼロ次数非回折光（たとえば幾何学中心再生の和）およびすべての高複製中心は、
【００６８】
【数７】
2009015329.tif 000009
によって与えられる。上式で、Φは、最大ｍ個のレベルの位相階段を符号化するために利用することができる総位相範囲であり、ｓｉｎｃ（ｘ）＝ｓｉｎ（ｘ）／ｘ、ｓｉｎｃ（０）＝１である。２値位相ホログラムの場合、ＤＣ非回折光微小部分は、ｃｏｓ２（Φ／２）である。２値ホログラムは、場合によっては、対称再生次数を有効に使用して幾何学的ねじれを検出することができ、また、ほとんどの光を第ゼロ次数の中に含めなければならないＯＰＵ（つまり回折した次数を有効にしてはならないＯＰＵ）におけるトラッキングの目的に最も適している。たとえば、光の９０％を第ゼロ次数として保持しなければならない場合、０〜３７度の位相変調を持たせなければならないのは２値格子のみである。０度位相階段および３７度位相階段の等しいピクセル幅を含む理想的な符号化条件の下では、トラッキング用として約４％の光出力を得るために第±１次数を期待することができる。他の実施形態では、偏光選択型ＬＣホログラムは、信号ビームを第１回折次数に再生し、また、トラッキング・ビームを他の再生次数に再生するように構成することができる。
【００６９】
上で説明した実施形態では、薄い偏光選択型ＬＣホログラムは、１つの直線偏光に対して位相マップを提供し、直交直線偏光に対しては透明である。たとえば、一実施形態では、位相マップは、収差修正非周期波面マップである。他の実施形態では、位相マップは、ビーム方向付けを提供する周期格子またはホログラムである。これらの実施形態では、薄い偏光選択型ＬＣホログラムは、対応するＯＰＵシステム内に個別に取り付けられた単一の基板によって支持されている。上で説明したように、他の光素子によって薄い偏光選択型ＬＣホログラムを支持することも可能である。たとえば、図２１を参照すると、薄い偏光選択型ＬＣホログラム７１０は、４分の１波長板１４５と統合することができる。
【００７０】
図２２を参照すると、本発明の一実施形態による複合偏光選択型デバイス１１００は基板９０１を備えており、基板９０１の上にＬＣホログラム１０１０が配置されている。ＬＣホログラム１０１０は、ビーム方向付けを実行するべくパターン化された複数のピクセル１０１１、１０１２、１０１３、１０１４を備えている。ＬＣ傾斜面は、ＸＺ平面に平行の直線偏光がビーム方向付けされ、一方、Ｙ−軸に平行の直線偏光は影響を受けないよう、ＸＺ平面に平行に配向されている。基板９０１の反対側の面には、複屈折材料の１つまたは複数の層を有する４分の１波長板１１２０が配置されている。ＱＷＰ１１２０の遅軸および速軸は、通常、Ｘ−軸またはＹ−軸に対して±４５度で配向されている。したがって、図に示されている屈折率楕円体１１２１は、図の面上への全屈折率楕円体の投影である。デバイス１１００は、さらに、総合透過率を改善するための光ＡＲコーティング９０２および９０３を備えている。図２２を参照して説明した実施形態の場合、ＱＷＰは、基板の反対側の面に統合されている。他の実施形態では、ＱＷＰは、基板のＬＣホログラムと同じ面の、ＬＣホログラム層の上側または下側のいずれかに統合されている。図２１を参照して説明したようなＯＰＵにこの複合素子１１００を使用する場合、複合素子１１００は、その構成には無関係に、ＬＣホログラムがＯＰＵの直線偏光セグメント内に位置するように配置されることが好ましい。
【００７１】
動作中、Ｚ−軸に平行に入射する光ビーム９２０が、１０１０の中に符号化された位相特性によって空間変調される。射出するビームが鏡面方向から微小角度だけ逸れる。ビームは、直線偏光を円偏光に変換するＱＷＰ１１２０を通過する。このビームは、次に、角度オフセット９２２を有する９２１としてアセンブリから射出する。
【００７２】
図２３を参照すると、本発明の他の実施形態による複合偏光選択型デバイス１２００が示されている。この複合デバイス１２００は、透明基板９０１の上に配置された反射体１２０３の上に配置されたＬＣホログラム１０１０を備えている。ＬＣホログラムの反対側の面にはＡＲコーティング９０２がコーティングされている。
【００７３】
動作中、入射する光ビーム９２０は、波面が反射体に向かう第１のパスでサンプルされ、また、反射体からのその戻りでもう一度サンプルされるようにデバイス１２００を透過する。したがって、必要な位相範囲は、透過型ＬＣ格子デバイスの位相範囲の半分である。出力ビーム１２２１は、より稠密なピクセル（すなわちＡ−プレート、つまり格子周期内にｎｅ屈折率を有するピクセル）を有する角方向に向かって方向付けされる。ＬＣホログラム構成が図１７に示されている透過型ＬＣ格子デバイス５００と全く同じである場合（たとえばピクセル・サイズ、位相範囲、個々のピクセルにおける位相符号化および動作波長が同じである場合）、デバイス１２００は、回折角の２倍の大きさで方向付けすることになる。しかしながら、２重パスによって位相階段がより少なくなるため、回折効率を維持することができないことに留意されたい。
【００７４】
上で説明した実施形態では、薄いＮＥＦＬＣホログラムは、直線偏光選択型ビーム方向付けデバイスとして機能している。ＬＣホログラムは、単一スポット高効率格子再生として構成されると、常光線波を非回折で透過させ、かつ、異常光線波を微小角度だけ方向付けする。角度オフセットは、ほぼ、波長と格子ピッチ長の比率である（式２）。可視およびＮＩＲ波長帯域内で、かつ、実際的なミクロン・サイズのピクセルの場合、９８％を超える効率で主ビームを約２度に方向付けするように１６−ピクセル格子を構成することができる（方向付け角としてｓｉｎ−１（０．５５／１６））。この量子のウォークオフ角は、多くのアプリケーションで有用である。
【００７５】
図２４を参照すると、高効率ＬＣ格子は、独立型ビーム方向付けデバイス１３００として使用されている。デバイス１３００は、ＬＣ格子膜１３１０を支持するための透明基板１３１９を備えている。ＬＣ格子膜１３１０は、必要に応じてＬＣ面外傾斜を配置することによってもたらされる適合位相特性を備えた複数のピクセルを備えている。図に示されている位相ピクセルのうちの１つ１３１１は、Ｃ−プレート光対称性を有している。図に示されている他のピクセル１３１２は、Ａ−プレート光対称性を有している。図に示されている介在ピクセル（たとえば１３１１と１３１２の間のピクセル）は、Ｏ−プレート光対称性を備えたピクセルとして構成されている。
【００７６】
動作中、光の非偏光光ビーム１３２０がデバイス１３００の左側に入射する。光の非偏光ビーム１３２０には、１３２１で示されているように、ＬＣ傾斜面に平行に偏光された光およびＬＣ傾斜面に直角に偏光された光が同じ量だけ含まれている。光の非偏光ビーム１３２０がＬＣ格子１３１０を通過すると、ＬＣ傾斜面に直角の直線偏光が格子ピクセルの０−波屈折率をサンプルし、影響されることなく透過する。このｏ−ビームは、傾斜面に直角の直線偏光１３３１を有する１３３０として射出する。一方、ＬＣ傾斜面に平行の直線偏光は、格子ピクセルの実効ｅ−波屈折率をサンプルする。格子１３１０の空間位相特性は、格子ベクトル面に平行の方向に沿ってｅ−波を非ゼロ出力角に方向付けする微分位相波面を生成する。ｅ−波１３４０は、傾斜面に平行の直角偏光１３４１を有してＬＣ格子デバイス１３００から射出する。１３４５は方向付け角である。一般的には、傾斜面を格子ベクトル面に平行にする必要はないことに留意されたい。傾斜面は、回折した直線偏光を選択し、一方、格子ベクトルは、回折の面を選択する。
【００７７】
注目すべきことには、この単一段ＬＣホログラム・デバイス１３００の機能は、２つの水晶くさびでできた従来技術によるローション偏光子の機能と等価である。図２５は、ローション偏光子の略図を示したものである。水晶偏光子１３５０は、公称ビーム方向に平行のその光学軸に沿って配向された第１のくさび１３６０、および図の面に直角のその光学軸に沿って配向された第２のくさび１３６１を備えている。図の面に平行および直角の偏光成分を有する光線入力１３７０が、第１のくさびを変化することなく伝搬している間に常光線屈折率をサンプルする。図の面に平行の直線偏光は、くさびの境界で、第２のくさびの常光線屈折率を引き続いてサンプルし、したがって影響を受けることなく（偏光およびビーム方向が変化することなく）偏光子から射出する。図の面に直角の他の直線偏光は、第２のくさびの異常光線屈折率をサンプルする。負の単軸結晶材料を使用する場合、結果として生じる屈折率値の減少は、光線が法線のラインからくさびの境界へ向かって屈折することを意味している。第２の直線偏光は、偏光子から射出するまでの間に一定の角度に方向付けされる。くさびが、λ＝５５０ｎｍにおいて［１．６６および１．４９］の屈折率ｎｏおよびｎｅを有する方解石結晶でできている場合、大きい複屈折が予測され、第２のくさび内で約７度のビーム方向付けが提供される。このビーム方向付けは、空気中における約１０度と等価である。注目すべきことには、本発明の様々な実施形態によるＮＥＦ回折光素子は、１６−位相レベルの１μｍピクセル幅に対して約２度が得られることが予測されている。このビーム方向付けはそれほど大きくはないが、このＮＥＦ回折素子によれば、開口が大きく、かつ、薄いフォーム・ファクタの利点が提供される。
【００７８】
本発明の一実施形態による偏光選択型ホログラムの他のアプリケーションは、外部共振器レーザにおけるビーム方向付け素子としてのアプリケーションである。外部共振器レーザ・システムには、レーザ放出偏光を優先的に選択するために直線偏光子がしばしば使用されている。偏光子は、望ましくない偏光を吸収／反射し、必要な偏光に、共振器からの射出に先立つ往復増幅を連続的に蓄積させることができる。有機吸収型偏光子には、高出力動作に対する信頼性要求事項がしばしば欠乏している。反射型ワイヤグリッドに基づく偏光子は、グリッドの浄化および金属層による吸収などの他の問題をもたらしている。
【００７９】
図２６を参照すると、フロント・ファセット・コーティング１５０２を有するレーザ結晶１５０１と、透明基板１５０４の上に配置された偏光選択型ビーム方向付けデバイス１５０３と、リア（射出）ファセット反射体１５０６を備えた第二高調波発生結晶１５０５とを備えた外部共振器固体レーザ・システム１５００が示されている。レーザ結晶１５０１には、通常、所望の波長の放出を生成するために、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジミウム・ドープ・イットリウム・アルミニウム・ガーネット）、Ｎｄ：ＹＶ０４（ネオジミウム・ドープ・イットリウム・バナジン酸塩）等々などの希土類金属元素がドープされている。たとえば、ダイオード・ポンプ光は、場合によっては８０８ｎｍであり、一方、放出は１０６４ｎｍである。第二高調波発生結晶、たとえばＫＴＰ（カリウム・チタン・ホスファート）は、レーザ結晶放出を他の波長に変換するバルク非線形結晶である（たとえば１０６４ｎｍの入力光を使用して５３２ｎｍに変換する）。第二高調波の発生は、リチウム・ニオベートを周期的にポーリングする拘束導波路モード内で得ることも可能である。偏光選択型格子１５０３を使用することにより、基本周波数光の単一偏光にレーザ共振器内でレーザを放出させることができる。周波数２倍器結晶を使用して生成される第二高調波光は、次に、同じ偏光を出力することができる。
【００８０】
動作中、ダイオード・ポンプがポンプ光ＨＴ（高透過率）コーティング１５０２を介して光ビーム１５１０（たとえばλ＝８０８ｎｍ）をレーザ結晶１５０１の中に放出する。この光がレーザ結晶１５０１によって吸収され、それにより基本周波数光（たとえばλ＝１０６４ｎｍ）が放出される。放出された光は、図の面に平行の直線偏光１５２１と図の面に直角の直線偏光１５２２の２つの直交直線偏光が入り混った光線１５２０として順方向に伝搬する。偏光選択型ＬＣ格子１５０３は、ｏ−波（たとえば図の面に直角の直線偏光）をビーム１５３０として偏向させることなく透過させ、一方、ｅ−波（たとえば図の面に平行の直線偏光）を微小偏向１５４５を有するビーム１５４０として回折させる。ＬＣ格子を第１のパスで通過した後の、空気中の等価偏向角θ１は、ｓｉｎ−１（λ／Λ）である。高反射体１５０６を基本周波数光で反射した偏向ビームは、ビーム１５５０として、システム軸に対して−θ１で移動する。このビームは、もう一度偏光選択型格子１５０３に入射し、ビーム１５６０として透過して、システム軸からさらに遠ざかる方向に方向付けされる。この第２のパスのビームは、図の面に平行の直線偏光１５６１を、空気中の等価偏向角ｓｉｎ（θ２）＝ｓｉｎ（−θ１）−λ／Λ；ｓｉｎ（θ２）＝−２λ／Λで維持している。ＬＣ格子を２回通過したビームは、フロント・ファセット反射体１５０２で反射し、ビーム１５７０として、システム軸に対して−θ２でＬＣ格子に向かって伝搬する。このビームは、もう一度、３度目の偏向を経て、ｓｉｎ（θ３）＝ｓｉｎ（−θ２）＋λ／Λ；ｓｉｎ（θ３）＝３λ／Λで与えられる偏向角１５８５を有する１５８０を提供する。図の面に平行の直線偏光は、偏光選択型ＬＣ格子を透過する毎に、レーザ・システムの光学システムから遠ざかる方向に偏向することが分かる。したがって、この偏光を有する光は、レーザ結晶の利得セグメントから大きく偏向し、そのため、コヒーレント・レーザ放出作用は許容されない。ＬＣ格子のｅ−波に対応する直線偏光は、レーザ・システム内で抑制され、また、この偏光における第二高調波光の生成も抑制される。図の面に平行の直線偏光は、連続的に偏向してレーザ・システムの光軸から遠ざかるが、図の面に直角の直線偏光は、ビーム１５３０として、主軸に沿って複数回にわたって反射する。フロント・ファセット反射体１５０２およびリア・ファセット反射体１５０６で反射する毎に、図の面に直角に偏光された基本周波数光の振幅が蓄積される。この基本周波数光の一部が非線形結晶１５０５によってその第二高調波光に変換される。この第二高調波光が高透過率リア・ファセット・コーティング１５０６を介してレーザから射出する。
【００８１】
有利には、ＮＥＦ偏光選択型ＬＣホログラムは、望ましくない直線偏光を方向付けオフすることによって外部共振器レーザにおける偏光弁別器として動作している。システム内で抑制される直線偏光は、傾斜面によって選択することができる。ＬＣホログラムは完全に平らであり、統合、取扱いおよび浄化を補助している。このアプリケーションでは、ＬＣホログラムの機能は、ローション偏光子（たとえば第１の直線偏光の１つのビームが偏向せず、一方、直交ビームが若干回折する偏光子）の機能に類似している。レーザ・システム・アプリケーションの場合、偏向する偏光の利得を小さくし、レーザ放出作用を引き起こさせないようにするためには、往復縦断毎にごくわずかの角度で偏向させるだけで十分である。また、ＮＥＦ偏光選択型ＬＣ格子は、開口が大きく、また、フォーム・ファクタが比較的薄い。放射状に対称のレーザ・システムの場合、格子ベクトル面の選択はそれほど重要ではないことに留意されたい。
【００８２】
上で説明した実施形態では、ＮＥＦ回折光素子は、たとえばＯＰＵシステムにおける収差修正およびホログラフィック・ビーム分割に使用され、また、外部共振器レーザにおけるレーザ放出偏光選択に使用されている単層ＬＣ格子膜である。他の実施形態では、ＮＥＦ回折光素子は、複数のＬＣ格子層から形成されている。
【００８３】
図２７を参照すると、本発明の一実施形態による２段デバイス１６００は、直列に配置された、図２４で説明したＬＣ格子に類似した２つのＬＣ格子を備えている。より詳細には、この複合デバイス１６００は、第１のＮＥＦ回折光素子１３１０および第２のＮＥＦ回折光素子１６１０を備えている。これらは、ほぼ全く同じになるように製造されており、また、これらの２つの段からの偏向角が同じ角度方向に沿って配向されるように配置されている。たとえば、一実施形態では、第１段ＬＣ格子および第２段ＬＣ格子の各々で、ＬＣ傾斜面および格子ベクトルの両方が同じである。
【００８４】
動作中、両方の直線偏光１３２１を含んだ光ビーム１３２０が、ｏ−波１３３０およびｅ−波１３４０としてＬＣ格子１３１０によって分割される。次に、第１のＬＣ格子１３１０の後段に配置された第２のＬＣ格子１６１０がもう一度ｅ−波を方向付けし、複合偏向角ｓｉｎ（θ）＝２λ／Λを与える。λは照明の波長であり、Λは格子ピッチである。２段デバイスからのｅ−波出力１６４０は、図の面に平行の直線偏光１６４１を有しており、その偏向角は１６４５である。影響を受けない、図の面に直角の直線偏光は、偏光１６３１を有するビーム１６３０として射出する。必要な偏向角で単一段方向付けを提供するようにＬＣ格子の厚さを構成することができない場合、この２段構成は、場合によっては有用である。
【００８５】
図２８を参照すると、本発明の他の実施形態による２段デバイス１７００は、直列に配置された、図２４で説明したＬＣ格子を２つ備えている。より詳細には、この複合デバイス１７００は、第１のＮＥＦ回折光素子１３１０および第２のＮＥＦ回折光素子１７１０を備えている。これらは、ほぼ全く同じになるように製造されており、また、これらの２つの段からの偏向角が逆方向の角度方向に配向されるように配置されている。たとえば、一実施形態では、ＬＣ傾斜面および格子ベクトルは、第１段ＬＣ格子および第２段ＬＣ格子で、必ずしも一致している必要はないが平行である。傾斜面は、これらの２つの格子で平行であるが、これらの格子は、面外傾斜が互いに逆の方向になるように配置されていることに留意されたい。たとえば、一実施形態では、第２のＬＣ格子１７１０は、１８０度回転したその方位位置に沿って配向されるように、また、２つのＬＣ格子が互いに逆符号の角度を有する光ビームを方向付けするように、第１のＬＣ格子１３１０の後段に配置されている。
【００８６】
動作中、両方の直線偏光１３２１を含んだ光ビーム１３２０が、ｏ−波１３３０およびｅ−波１３４０としてＬＣ格子１３１０によって分割される。第１段ＬＣ格子１３１０からのｅ−波出力は、角度ｓｉｎ（θ）＝λ／Λだけ偏向し、これが、第２段ＬＣ格子１７１０の入射角になる。ここで、第２段ホログラムのｅ−波出力が、入力ビームの方向を復元する−ｓｉｎｎ−１（λ／Λ）だけ入射ビームを方向付けする。しかしながら、ビームは、段１と段２の間の所与の距離ｌ１７５０を角度θで伝搬するため、横方向にΔｘだけ並進する。この横方向の並進１７５１は、概ね、空気中におけるΔｘ＝ｌ＊ｔａｎ（θ）で与えられる。したがって、この２段デバイス１７００は、ビーム・ウォークオフ素子つまりビーム・ディスプレーサとして機能している。
【００８７】
したがって、本発明の一実施形態による偏光選択型ホログラムの他のアプリケーションは、光サーキュレータ、アイソレータ、光低域通過フィルタ等々におけるビーム・ディスプレーサとしてのアプリケーションである。有利には、平行常光線（ｏ−光線）出力および異常光線（ｅ−光線）出力を備えたウォークオフ・デバイスとして使用される偏光選択型ホログラムは、類似した２つの格子を直列に接続することによって製造される。詳細には、第１の線形格子（１Ｄ）は、射出するビームが、第２の逆符号角度方向付け１Ｄ格子が非法線ビーム角を修正するまで、特性方向角で順方向に伝搬するように高効率単一次数格子再生を構成している。所与の格子幾何構造に対して、また、２つのホログラム段の間の間隙に応じて、平行のｏ−光線とｅ−光線の間の横方向のオフセットが設定される。
【００８８】
図２９を参照すると、本発明の他の実施形態による２段デバイス１８００は、直列に配置された、図２４で説明したＬＣ格子を２つ備えている。より詳細には、この複合デバイス１８００は、第１のＮＥＦ回折光素子１３１０および第２のＮＥＦ回折光素子１８１０を備えている。これらは、ほぼ全く同じになるように製造されており、また、これらの２つのＬＣ格子段のＬＣ傾斜面が直角に配向されるように配置され、また、これらの２つのＬＣホログラム段が直交直線偏光に対して作用するように配置されている。より詳細には、第２段ＬＣ格子１８１０は、１３１０の格子ベクトル面に平行のその格子ベクトル面を有するように配置されているが、１３１０のＬＣ傾斜面に対して直角の面にＬＣ傾斜面を備えている。図に示されているＬＣ屈折率楕円体は、図の面への投影である。また、第２段ＬＣ格子は、逆符号の角度を第１段ＬＣ格子として方向付けするように構成されている。この構成によれば、第１のＬＣホログラムからのｏ−波１３３０出力およびｅ−波１３４０出力は、それぞれｅ−波１８４０およびｏ−波１８３０として第２のＬＣ格子から射出する。ｅ−波１８４０は、角度−ｓｉｎ−１（λ／Λ）で方向付けされ、一方、ｏ−波１８３０出力は影響を受けない（元の方向付け角ｓｉｎ−１（λ／Λ）で射出する）。
【００８９】
図３０を参照すると、本発明の他の実施形態による２段デバイス１９００は、直列に配置された、図２４で説明したＬＣ格子を２つ備えている。より詳細には、この複合デバイス１９００は、第１のＮＥＦ回折光素子１３１０および第２のＮＥＦ回折光素子１９１０を備えている。これらは、ほぼ全く同じになるように製造されており、また、これらの２つのＬＣ格子段のＬＣ傾斜面が直角に配向されるように配置され、また、デバイスに入力される両方の直線偏光がビーム方向付けされるように配置されている。より詳細には、第２段ＬＣ格子１９１０は、１３１０の格子ベクトル面に平行のその格子ベクトル面を有するように配置されているが、１３１０のＬＣ傾斜面に対して直角の面にＬＣ傾斜面を備えている。図に示されているＬＣ屈折率楕円体は、図の面への投影である。また、第２段ＬＣ格子は、同じ符号の角度を第１段ＬＣ格子として方向付けするように構成されている。この構成によれば、第１のＬＣホログラムからのｏ−波１３３０出力およびｅ−波１３４０出力は、それぞれｅ−波１９４０およびｏ−波１９３０として第２のＬＣ格子から射出する。ｅ−波１８４０は、角度ｓｉｎ−１（λ／Λ）で方向付けされ、一方、ｏ−波１８３０出力は影響を受けない（元の方向付け角ｓｉｎ−１（λ／Λ）で射出する）。ｏ−波およびｅ−波は、いずれも複合デバイスから平行に射出する。このデバイスの独自の機能は、この複合格子がもはや偏光選択型ではないことである。ＬＣ格子の厚さ（たとえば数ミクロン）によって横方向の微小オフセットを禁じることにより、あらゆる偏光入力が角度θだけ光軸に対して方向付けされる。図に示されているデバイス内の２つの基板１３１９および１９１９は、単一の基板の上にＬＣ格子層１３１０および１９１０の両方を連続的にコーティングすることによって省略することができる。
【００９０】
上で説明した４つの２段構成１６００、１７００、１８００および１９００の各々では、デバイスは、段１および段２に平行の格子ベクトルを有するように構成されている。他の実施形態では、任意の第１段および第２段の方向付け面（格子ベクトルによって示される）を有する２段構成が提供される。その場合、第１および第２の格子内のＬＣ傾斜面は、両方の直線偏光入力にアクセスするために、平行または直角のいずれかである。
【００９１】
２段ＬＣホログラムは、それぞれ幅が１μｍの１６個の位相ピクセルを有する非偏光選択型空気／誘電体ブレーズ型格子としてＬＣ格子を表すことにより、λ＝５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ（Ｔｅｘａｓ州Ａｌｌｅｎ在所のＧｒａｔｉｎｇ  Ｓｏｌｖｅｒ  Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  Ｃｏｍｐａｎｙの精密結合波解析ＧＳｏｌｖｅｒ、バージョン４．２０ｂ）プログラムを使用してシミュレートされている。図３１は、その結果を示したものである。右ブレーズは、観察者がビームを真正面から見た場合に、単一格子ピッチの右側がより長い光路長を有する階段様位相ランプである。このブレーズ型格子は、図３１のプロット（ａ）で示すように、ビームを第ゼロ次数の右側に位置している第１次数に方向付けする。この場合、空気／１．５屈折率格子上にＡＲコーティングがなくても、ＤＥは９２％に近づいている。図３１のプロット（ｂ）では、第１の右ブレーズ型の空気／１．５屈折率格子の後に、第２の右ブレーズ型の空気／１．５屈折率格子が続いている。この２段格子は、単一格子と比較すると、出力光を空間周波数の２倍に方向付けする（次数２としてプロットされている）。このシミュレーションでは、どの格子もＡＲコーティングされておらず、また、中間格子層は、屈折率が１．５であり、その物理的な厚さは２２０μｍであった。図３１のプロット（ｃ）は、ビーム・ディスプレーサの結果を示したものである。この複合格子は、入射のより近くに第１の左ブレーズ型格子を有し、その後段に、基板に隣接して第２の右ブレーズ型格子を有していた。これらの２つの格子は、屈折率が１．５、物理的厚さが２２０μｍの中間格子層によって分離されている。いずれの格子も、全く同じ１６位相レベルを有し、１６μｍの格子ピッチ長にわたるランプを形成していた。この結果は、第１段格子によって強いられる方向付け角が第２段格子によって修正されることを示している。出力ビームは、共直線であるが、一定の量だけ空間的にオフセットしている（回折シミュレーションには示されていない）。いずれの２段シミュレーション例も、約８２％の主次数効率をもたらした。
【００９２】
図３２を参照すると、単一の基板２０１０の両面に配置された第１のＬＣ格子１３１０および第２のＬＣ格子１７１０がそれぞれ示されている。ＮＥＦ回折光素子２０００は、複合ＮＥＦ回折光素子１７００と機能的に等価であることに留意されたい。これらの図には、同様の素子を定義するために同様の数表示が使用されている。透明基板２０１０は、ＬＣ格子層を支持し、中間格子層として機能している。既に説明した（たとえば１μｍピクセル・ピッチの１６−ピクセル格子を使用して）２段階方向付けの例を使用し、かつ、中間格子層２０１０の屈折率を１．５と仮定すると、０〜２２０μｍの中間格子層は、約５μｍのビーム変位をもたらすことになる。射出する、格子ベクトルに平行および直角に偏光されたビームは、平行に進行する。０〜５μｍのこのウォークオフは、光低域通過フィルタ・アプリケーションの要求事項に合致している。ディジタル画像化システムの場合、最小の画像スポット・サイズを電子ＣＣＤ／ＣＭＯＳアレイの背面上に確実に集束させるためには、折返し歪み除去技法は、ビーム・ウォークオフを利用しなければならない。ウォークオフは、通常、適切な厚さの４５度切断単軸水晶板を使用して実施される。水晶板は、その製造が高価である。別法としては、４５度で配向されたスピン塗布均質ＬＣ膜を使用して適切なウォークオフを提供することも可能である（たとえば米国特許第７，０８８，５１０号を参照されたい）。しかしながら、必要な４５度の傾斜で分厚いＬＣ層（数十ミクロン）を製造することに伴う困難性のため、均質傾斜ＬＣ膜は実際的ではない。それに対して、２層ＬＣ格子２０００は、最初に、第１のＬＣ格子にビーム方向付け機能を提供し、次に、中間格子層による空間オフセットの蓄積を偏光ビームに許容し、最後に、第２のＬＣ格子によるビーム角の修正によって、ビーム変位を達成している。
【００９３】
図３３を参照すると、付着された中間格子層によってＬＣ格子が分離され、かつ、基板の一方の面にこれらのＬＣ格子が提供された本発明の他の実施形態が示されている。より詳細には、デバイス２０５０は透明基板１７１９を備えており、この透明基板１７１９の上に第１のＬＣ格子１３１０および第２のＬＣ格子１７１０が提供されている。第１および第２のＬＣ格子層は、中間格子層２０１０によって分離されている。同様の数表示は、図２８および３２の数表示と同じ定義を有している。射出するビームは直角に偏光され、かつ、共直線である。射出する際のビーム分離は、
【００９４】
【数８】
2009015329.tif 000010
で与えられる。上式で、ｌは、屈折率がｎの中間格子層の層厚であり、λは照明の波長、Λは格子ピッチである。
【００９５】
本発明のＮＥＦ回折光素子の他のアプリケーションは、光低域通過フィルタ（ＯＬＰＦ）における二次元（２Ｄ）ウォークオフ素子としてのアプリケーションである。たとえば、一実施形態では、図２８に示されているウォークオフ・デバイスと類似したウォークオフ・デバイスの複数の段が直列に接続され、ディジタル画像化システムにおける高空間周波数画像成分を遮断するために使用されるＯＬＰＦを形成している。図３４を参照すると、２Ｄウォークオフ・デバイス２１００は、第１のウォークオフＬＣ格子デバイス２０００、第２の直交軸ウォークオフＬＣ格子デバイス２１１０および偏光スクランブラ２１２０を備えている。２つの直交直線偏光１３２１を有する入力波１３２０の場合、第１のウォークオフＬＣ格子デバイス２０００は、影響を受けないｏ−波ビーム１７３０に対してｅ−波ビーム１７４０を予め決められた量１７５１だけ変位させる。直交直線偏光における２つの共直線ビーム（伝搬方向に平行のビーム）は、次に、偏光スクランブラ２１２０によってスクランブルされ、ビーム毎に両方の直交直線偏光が生成される。一実施形態では、偏光スクランブラ２１２０は、４分の１波長板などのリターダ素子である。図の面に平行および直角の両方の直線偏光を含んだこれらの２つのビームは、第２のウォークオフＬＣ格子デバイス２１１０に向かって伝搬する。第２のＬＣ格子デバイス２１１０の格子ベクトルは、第１の格子デバイス２０００の格子ベクトルに対して直角に配置されている。この構造によれば、第１の格子デバイス２０００の出力が図の面に沿って変位し、一方、第２の格子デバイス２１１０の出力は、図の面に直角に変位する。
【００９６】
偏光スクランブラ２１２０が４分の１波長板の場合、４分の１波長板（ＱＷＰ）の速軸／遅軸は、通常、図の面に対して±４５度で配向される。第１のウォークオフＬＣ格子デバイスから射出する２つのビーム１７３０および１７４０は、ＱＷＰによって円偏光に変換される（つまり、任意の２つの直交方向に沿って等しい量の直線偏光が存在する）。傾斜面は、一般的には、第２のウォークオフＬＣ格子デバイスの格子ベクトルに対して平行（図３４に示されている）または直角（図示せず）になるように選択される。第２のウォークオフＬＣ格子デバイスによって個々のビーム・パワーの約半分が図の面の中へ変位する。図３４の２１３３および２１３４は、この２つのビームのセットを示したものである。これらのビームは、第２のウォークオフＬＣ格子デバイスの傾斜面に平行に偏光されている。影響を受けていない残りの２つのビーム２１３１および２１３２は、第２のウォークオフＬＣ格子デバイスの傾斜面に直角に偏光されている。したがって２Ｄ  ＯＬＰＦは、正方形の格子内（または、第１段の変位の量子と第２段の変位の量子が同じでない場合、長方形の格子内）のビーム入力配列毎に４つのビーム・スポットを生成している。
【００９７】
図３５のプロット（ａ）は、ビーム・ウォークオフ・パターンを示したものである。第１段ウォークオフは、実線矢印で示されているように、単一入力ビームを２つのほぼ等しい強度のスポットへ変位させる。第２段ウォークオフに先立って、両方のビームの偏光がスクランブルされる。次に、直交軸に沿った第２段ウォークオフにより、隣接する４つのＣＣＤ／ＣＭＯＳピクセルに分布した４つのビーム・スポットが得られる。
【００９８】
偏光スクランブラの代わりに４５度切断水晶板を使用したウォークオフの場合、第２段ウォークオフは、第１ウォークオフ段の出力に対して±４５度のｅ−波軸を有するように構成することができる。第１段ウォークオフ出力ビームの各々が１／２ｅ−波および１／２ｏ−波に分解される。ｅ−波は、さらに、±４５度対角線に沿って変位し、菱形ウォークオフ・パターンを生成する（たとえば図３５のプロット（ｂ）を参照されたい）。
【００９９】
偏光選択型ＬＣ格子を使用したウォークオフの場合、理想的な正方形ウォークオフ・パターンを犠牲にすることなく偏光スクランブラ段を省略することができる。図３６は、４分の１波長板偏光スクランブラを備えた２段ウォークオフＯＰＬＦの平面図を示したものである。（ａ）は、水平格子ベクトルを備えたウォークオフＬＣ格子デバイス２０００を示したものである。２００１および２００２は、第１のウォークオフ・デバイス内の第１の層および第２の層のＬＣ屈折率楕円体を図の面に投影したものである。図に示されている４分の１波長板２１２０は、第１のウォークオフ・デバイスの格子ベクトルに対して４５度で配向された遅軸２１２１を備えている（たとえば線図（ｂ）を参照されたい）。第２のウォークオフ格子デバイス２１１０は、垂直（たとえば第１の格子ベクトルに対して直角）に配向されたその格子ベクトルを有している。既に言及したように、偏光スクランブラによって第２のウォークオフ格子デバイスに円偏光が入力されるため、第２の格子デバイスの傾斜面は任意に選択することができる。（ｃ）の線図は、第２の格子ベクトルに沿って配向された傾斜面を示したものである。ラベル２１１１および２１１２は、図の面に投影されたＬＣ屈折率楕円体である。第２のウォークオフ格子デバイスは、垂直偏光で配向されたパワーの微小部分に対して、ビームを垂直方向に変位させる。
【０１００】
上で説明したように、中間偏光スクランブラを使用することなくＯＰＬＦを構成することも可能である。このスキームについて、図３７を参照して説明する。（ａ）は、図３６の（ａ）に示されているウォークオフＬＣ格子デバイスと同様、水平面に第１の格子ベクトルを有する第１のウォークオフ格子デバイスを示したものである。第１のウォークオフ格子デバイスから射出する２つのビーム２００６および２００７は、それぞれ図の面に平行および直角に偏光されている。偏光スクランブルすることなく個々のビームからほぼ等しいｅ−波およびｏ−波パワーの微小部分を得るためには、第２のウォークオフ格子デバイスの傾斜面を第１の格子ベクトルに対して±４５度で配向しなければならない。２１１３および２１１４は、第２のウォークオフ格子デバイス内の第１および第２の格子層のＬＣ屈折率楕円体の投影を示したものである。２００８および２００９は、９０度の第２の格子ベクトル・アライメントを有する、第２のウォークオフ格子デバイスへの入力を示したもので、それぞれ傾斜面に沿ってほぼ１／２のビーム・パワーを有している。ｅ−波微小部分は垂直方向（たとえば９０度方位方向）に変位し、一方、ｏ−波微小部分は影響を受けていない。２段ウォークオフ格子デバイスを備え、かつ、偏光スクランブラのないデバイス全体で、入射するビーム・スポット毎に４つのビーム・スポットが生成される。
【０１０１】
上で説明した本発明の実施形態では、ＮＥＦ偏光選択型回折光素子は、ＬＣ面外傾斜を横空間座標全体にわたって予め決められた方法で合法的に配置することにより、近軸回折限界内で動作する薄いホログラム素子を提供している。得られる薄いＮＥＦホログラムは、所与の方位面に沿って均質に配向されたＬＣ配向子を有している。ＬＣ配向子分布を含んだ面も傾斜面である。連続的に符号化された、あるいはピクセル化された方法で符号化された可変量のリターダンスによって影響されるのは、傾斜面に沿って偏光された光線のみである。可変量のリターダンスは、横空間座標の関数としての可変光路長変調を表している。一方、傾斜面に直角の方向に沿って偏光された光線が見ているのは、ＬＣ配向子の傾斜に無関係に、常光線屈折率のみである。可変光路長変調は存在せず、また、この直交偏光は、本質的に第ゼロ次数格子に遭遇することになる。
【０１０２】
有利には、これらの薄いＮＥＦホログラムの偏光選択性は、直線偏光を使用する様々なアプリケーションに利用される。ＯＰＵシステムにおける収差補償およびホログラフィック・ビーム分割、外部共振器固体レーザにおけるビーム方向付けに基づく偏光選択、および光低域通過フィルタにおけるビーム・ウォークオフ・デバイスを含む、偏光選択性に関連するいくつかのアプリケーションについて、その概要を説明した。偏光選択型である単層ＬＣホログラムまたは多層あるいは多段ＬＣホログラムのいずれかを使用したもっと多くのアプリケーションを列挙することができることは明らかである。偏光選択性は、均質方位配向を使用したＬＣデバイスに固有のものである。しかしながら、いくつかのアプリケーションでは、この選択性は、たとえば傾斜面が直角に配向された２つのＬＣホログラム層を結合することによって故意にターン・オフされる。さらに有利には、ＮＥＦ回折光素子を生成するために使用される製造技法によれば、高回折効率が得られるよう、多重レベル位相限定ホログラムを記録することができる。
【０１０３】
ＮＥＦ回折光素子のさらに他のアプリケーションは、可変量複屈折補償板としてのアプリケーションである。たとえば、直交複屈折軸アライメントの他の複屈折板に隣接して配置された２つの複屈折結晶くさび（たとえば水晶）を備えた従来技術によるバビネ−ソレイユ補償板について考察する。一方のくさびを機械的に並進させることにより、直径の小さい探索用ビームに可変量のリターダンスが提供される。
【０１０４】
図３８は、従来のバビネ−ソレイユ補償板を示したものである。この可変リターダンス補償板２２００は、２つの複屈折くさび２２０２および２２０３でできたもう１つの複屈折板に結合された、第１の均質に配向されたＡ−プレート２２０１を備えている。Ａ−プレート２２０１は、縞の入った方向に平行に配向されたその光学軸を有している。複屈折くさび２２０２／２２０３は、通常、結晶材料から切断されており、縞の入った方向に平行のそれらの光学軸に沿って配向されている。つまり、これらのくさびの光軸は互いに平行であり、かつ、第１の複屈折板の光学軸に対して直角である。上側の複屈折くさび２２０３は、もう一方のくさび２２０３の角度が付いたファセットに対向する角度が付いたそのファセットを有しており、第１の複屈折板の光学軸に平行の方向に（つまり２２０４に沿って）機械的に並進させることができる。この横方向の並進により、これらの２つのくさびの組合せによって実効リターダンスが提供される。次に、このリターダンスの大きさが第１の複屈折板によって提供される第２のリターダンスの大きさからオフセットされる。このリターダンスの差が、光入力２２２０から見た実効リターダンスである。このデバイス構成は、２つの直交軸リターダの各々に実現されるリターダンスの差によって必要なリターダンスが提供される多重次数波長板に類似している。バビネ−ソレイユ補償板２２００の場合、一番上のくさびを横方向に並進させることによってリターダンスの正味の量を調整することができる。
【０１０５】
本発明の一実施形態によれば、ＮＥＦ回折光素子は、可変量複屈折補償板として使用されている。詳細には、精密で正確な可変量複屈折を提供するようにＬＣ面外配向子分布がパターン化される。図３９を参照すると、可変リターダ２３００は単層のＬＣＰを備えており、ＬＣ配向子は、結果として得られる、所与の横空間座標に沿ったリターダンスが、必要な方法で変化する（たとえばＸ座標に対して直線的に変化する）よう、何らかの予め決められた方法で分布している。図に示されているこのモノリシック可変リターダ２３００は、Ｃ−プレート２３０１、Ｏ−プレート２３０２およびＡ−プレート２３０３などのいくつかのセグメントのＬＣ配向子分布を備えている。Ａ−プレート・セグメントは、所与の物理的ＬＣ厚さに対して、Ｏ−プレート・セグメントおよび／またはＣ−プレート・セグメントと比較して最大量のリターダンスを提供している。横空間座標に対して線形リターダンス特性が望ましい場合、ＬＣ傾斜特性が非線形方法で適合される。所与の光入力位置２３２０に対して異なる量のリターダンスを得るために、異なる空間領域が入力ビームに対して整列するよう、機械式駆動手段２３０４によって可変リターダ全体が並進される。本発明による広帯域可変リターダは、従来技術による水晶板スキームの場合と同様、実現可能である。たとえば、Ｃ−プレートからＡ−プレートまで変化させることができる連続ＬＣ配向子を有する単層ＬＣ膜を使用して、λ＝４００ｎｍから１６００ｎｍまでカバーする、最長波長で最大１波のリターダンスの可変リターダを構成することができる。ＬＣ膜は、長い波長端で約０．１の複屈折をもたらすことが仮定されている。したがって、ＬＣ膜の厚さは約１６μｍである。短い波長は、この帯域内の法線材料屈折率分散のため、１波のリターダンスより大きいリターダンスを見ることになる。
【０１０６】
有利には、ＬＣ面外傾斜を直線位置の関数として連続的に傾斜させ、かつ、所与の方位方向を維持することによって得られるこの同調可能リターダは、デバイスの厚さの適切な選択と共に、λの微小倍数までの可変リターダンスを提供する。
【０１０７】
さらに有利には、非エッチ・フラット・リターダ技術の大型基板処理能力により、多重リターダ量ランプをパターン化し、かつ、大型フォーマット基板の上に露出させることができる。ウェーハのレベルでは、格子／ホログラム・タイプの粗い分解能パターンが得られる。大型ウェーハ基板内の個々の「周期」は、特異化ステージで離散可変リターダの中に市松模様にすることができる。通常、モノリシック可変リターダの遅軸／速軸は、リターダの長方形幾何構造に対する±４５度などの必要な方位に沿って均質に固定することができる。均質な方位配向のため、偏光選択性は、このＮＥＦ回折光素子に固有のものであるが、使用に際しては、通常、可変リターダが必ずしも偏光選択型回折光素子として機能しないよう、探索用ビームを可変リターダの寸法に対して小さくすることができる（たとえば、端から端まで１０ｍｍの並進範囲に対して１ｍｍのビーム・サイズにすることができる）。
【０１０８】
上で説明した実施形態の各々では、ＮＥＦ回折光素子を生成するために使用される製造技法に要求されるのは単一の基板のみであり、したがって、比較的安価で、かつ、広範囲にわたるアプリケーションに適した、より薄い受動光素子が製造される。それに対して、従来技術の参考文献である米国特許第７，３７５、７８４号および米国特許第６，３０４，３１２号の場合、いずれも２つの透明基板が必要であり、これらの基板が協同して、比較的分厚い液晶セルの中に液晶のアライメントを誘導している。また、これらの従来技術による製造技法では、多重レベル位相限定ホログラムを提供することはできない。一方、本発明によれば、１μｍ以下（たとえば複数の可変光路領域のアレイを予め決められた方法で提供する場合）のフィーチャを有する多重レベル位相限定ホログラムが提供される。注目すべきことには、ＮＥＦ回折光素子のために使用される製造技法には、表面レリーフ構造（ＳＲＳ）を提供する従来のマスク・プロセスおよびエッチング・プロセスは不要である。また、本発明のための製造技法には、中間ステップとしての液晶セルの製造は不要であり、また、ＬＣアライメントを必要とするため、電気パルスを印加するための透明電極も不要である。さらに、吸収に基づく（たとえば強度変調）ホログラムとは異なり、得られる位相限定ホログラムを無損失にすることができる。また、これらの受動位相限定ＬＣホログラムは、ＳＬＭピクセル・アレイが行／列アドレス指定線およびピクセル・アドレス指定回路を必要とする、能動的にスイッチされるＬＣホログラムと比較すると、ピクセル−フィル・デューティ・サイクル比の制御がより良好であるため、より高い回折効率が得られることが期待される。
【０１０９】
当然、上記実施形態は、例として提供されたものにすぎない。本発明の精神および範囲を逸脱することなく、様々な修正、代替構成および／または等価物を使用することができることは当業者には理解されよう。たとえば、様々な周期パターンおよび非周期パターンを使用して偏光選択型位相ホログラム（たとえばビーム方向付けのために使用されるホログラム）を形成することができる。いくつかの実施形態では、これらの偏光選択型位相ホログラムは、ピクセル化された位相特性を有している。他の実施形態では、偏光選択型位相ホログラムは、連続する位相特性を有している。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ制限されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】図１ａは、方位角分布を備えた従来技術によるＬＣホログラムの屈折率楕円体投影を示す側面図である。図１ｂは、図１ａに示すＬＣホログラムの平面図である。
【図２ａ】本発明の一実施形態による極角分布を備えたＬＣホログラムの屈折率楕円体を示す側面図である。
【図２ｂ】図２ａに示すＬＣホログラムの平面図である。
【図２ｃ】極角分布を備えたＬＣホログラムの配向子配向を示す平面図である。傾斜面は格子ベクトルと一致していない。
【図３】ＬＣＰ層の中に可変傾斜傾斜アライメントを強制するためのＬＰＰのためのＬＰＵＶ露光システム構成を示す略図である。
【図４】ＬＰＰアライメント層のＬＰＵＶ線量を関数とした実効面内複屈折および実効面外ＬＣ配向子傾斜を示すグラフである。
【図５】非対称再生を与え、かつ、４つの離散状態のＬＣ極角傾斜を有するσ＝−１／４偏光選択型格子の面外極角傾斜特性を示す図である。
【図６】面内複屈折成分および面外複屈折成分への単軸Ｏ−プレート複屈折の投影を示すグラフである。
【図７】所有権を主張することができるＬＣＰ単軸材料をλ＝４００ｎｍで使用した、Ａ−プレート構成のピクセルと比較した、所与のＬＣ配向子傾斜の位相差を示すグラフである。
【図８】対称再生を与え、かつ、２つの離散状態のＬＣ極角傾斜を有するσ＝±１／２偏光選択型格子の面外極角傾斜特性を示す図である。
【図９ａ】σ＝±１／２分数次数を備えた２値ＬＣ格子の空間位相特性を示す図である。暗い縞／明るい縞は、π位相の光路差（ＯＰＤ）を有する２つのＬＣ極角傾斜を表している。
【図９ｂ】対称スポット・アレイ発生器に対する２値ホログラムの空間位相特性を示す図である。σ＝±１／２およびτ＝±１／２分数次数である。
【図９ｃ】非均一間隔スポット・アレイ発生器に対する２値ホログラムの空間位相特性を示す図である。σ＝±１／８、τ＝±３／８分数次数である。
【図１０】従来技術による３波長ＨＤ−ＤＶＤ／ＤＶＤ／ＣＤ光ピックアップ・ユニット（ＯＰＵ）を示す略図である。
【図１１】従来技術による、偏光選択型波面収差補償板として機能する非周期位相マスクを備えたＯＰＵを示す略図である。
【図１２】従来技術による、環状領域を備えた非周期位相マスクを示す略図である。単軸Ａ−プレートの光軸は、すべてのひとみ位置全体に一様に配向されている。
【図１３】図１２に示す位相マスクのＸＺ断面に沿った位相特性を示すグラフである。
【図１４】本具体例の一実施形態による、偏光選択型波面収差補償板として機能する偏光選択型非エッチ・フラット（ＮＥＦ）ホログラフィック光素子を備えたＯＰＵを示す略図である。
【図１５】本発明の一実施形態によるＬＣホログラムの極角傾斜特性を示す図である（一番上のプロットは、最大ＬＣ配向子傾斜角の２つの事例に対する個々の位相マスク領域の面外極角傾斜特性を示し、一方、中央および一番下のプロットは、断面平面ＸＺおよびＹＺに沿った、必要な屈折率楕円体投影をそれぞれ示している）。
【図１６】従来技術による、表面レリーフ構造（ＳＲＳ）および／または偏光選択型ビーム方向付けデバイスとして平面ホログラムを備えたＯＰＵを示す略図である。
【図１７】本発明の一実施形態による、偏光選択型ビーム方向付けデバイスとして偏光選択型非エッチ・フラット・ホログラフィック光素子を備えたＯＰＵを示す略図である。
【図１８】光ビームを第１次数に方向付けする３波長周期格子構造を示すグラフである。
【図１９】図１８に示す位相特性に対する、３波長ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤシステムの回折角スペクトルを示すグラフである。個々の符号化ピクセルは１μｍである。
【図２０】偏光選択型波面収差補償板およびビーム方向付けデバイスとして偏光選択型非エッチ・フラット・ホログラフィック光素子を備えたＯＰＵの一部を示す略図である。
【図２１】ビームレットをディスク・トラッキング内にタップ・オフし、また、対物レンズを集束させ、制御し、かつ、フィードバックするための偏光選択型ビーム方向付けデバイスとして偏光選択型非エッチ・フラット・ホログラフィック光素子を備えたＯＰＵの一部を示す略図である。
【図２２】本発明の一実施形態による、４分の１波長板に結合された薄いＬＣホログラムを示す略図である。
【図２３】本発明の一実施形態による、反射型基板の上または透明基板上の反射層の上に取り付けられた薄いＬＣホログラムを示す略図である。
【図２４】偏光選択型ビーム方向付けのために使用される平らなＬＣホログラムを示す略図である。
【図２５】従来技術による、方解石またはα−ＢＢＯなどの負の単軸複屈折結晶を利用したローション偏光子を示す略図である。
【図２６】平面−平面反射体を利用した外部共振器レーザを示す略図である。レーザは、レーザ結晶、平らなＬＣホログラム偏光選択型ビーム方向付けデバイスおよび第二高調波発生結晶を備えている。
【図２７】平らな２段ＬＣホログラム・ビーム方向付けデバイスを示す略図である。これらの両方の段で選択される偏光は平行である。
【図２８】平らなＬＣホログラム・ビーム方向付けデバイスを備えた２段ビーム・ディスプレーサを示す略図である。これらの両方の段で選択される偏光は平行であり、回折角の方向は互いに逆方向である。
【図２９】平らな２段ＬＣホログラム・ビーム方向付けデバイスを示す略図である。これらの両方の段で選択される偏光は互いに直交し、両方の偏光ビームレットは互いに逆の角方向に偏向する。
【図３０】平らな２段ＬＣホログラム・ビーム・ウォークオフ・デバイスを示す略図である。これらの両方の段で選択される偏光は互いに直交し、両方の偏光ビームレットは同じ角方向に偏向する。
【図３１】ＧＳｏｌｖｅｒ模擬単一段格子（ａ）、２段右−右ブレーズ型格子（ｂ）および２段左−右ブレーズ型格子（ｃ）を示すグラフである。
【図３２】平行ｏ−ビームおよびｅ−ビーム出力を生成する平らな２段ＬＣホログラム・ビーム・ウォークオフ・デバイスを示す略図である。
【図３３】基板の上に取り付けられた、平行ｏ−ビームおよびｅ−ビーム出力を生成する平らな２段ＬＣホログラム・ビーム・ウォークオフ・デバイスを示す略図である。
【図３４】光低域通過フィルタリングのための二次元ビーム・ウォークオフ・デバイスを示す略図である。
【図３５】正方形２Ｄウォークオフ（ａ）および菱形２Ｄウォークオフ（ｂ）を示す略図である。
【図３６】（ａ）第１段ＬＣホログラム、（ｂ）第２段ＱＷＰおよび（ｃ）直交の方向付けを有する第３段ＬＣホログラムを示す平面図である。
【図３７】（ａ）水平格子ベクトルを有する第１段ＬＣホログラム、（ｂ）第１段ＬＣホログラムの直交直線偏光出力、および新しい座標基準に対して平行および直角のそれらの分解成分、および（ｃ）直交の方向付け（垂直格子ベクトル）および回転傾斜面を有する第２段ＬＣホログラムを示す平面図である。
【図３８】従来技術による、可動頂部複屈折くさびを備えたバビネ−ソレイユ補償板を示す略図である。
【図３９】本発明の一実施形態による、極角分布を有するＬＣ膜を備えた可変リターダを示す略図である。
【符号の説明】
【０１１１】
３０  ホログラム
３１  基板
３２、３３  ＡＲコーティング・スタック
４０  ピクセル化されたＬＣ層
４１、４２、４３、４４  ピクセル
４５  ホログラム・ベクトル
４６傾斜面
５０  入力光
５１  主回折次数
５２  偏向角
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３】
2009015329.tif 000015
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009015329.tif 000019
【図８】
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【図９ａ】
2009015329.tif 000021
【図９ｂ】
2009015329.tif 000022
【図９ｃ】
2009015329.tif 000023
【図１０】
2009015329.tif 000024
【図１１】
2009015329.tif 000025
【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】
2009015329.tif 000030
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【外国語明細書】
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