JP2008233216A

JP2008233216A - 光束分割素子

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Publication number: JP2008233216A
Application number: JP2007068975A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kobayashi; 正典小林; Hiroyoshi Funato; 広義船戸; Kazuya Miyagaki; 一也宮垣
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2008-10-02
Anticipated expiration: 2027-03-16
Also published as: JP4783749B2

Abstract

【課題】この発明は、共通光源からのビームを分割する方式において、高効率で良好な温度特性を有する低コストな光束分割素子を提供することを目的とする。
【解決手段】光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域からなる周期的な構造を有し、透過光または回折光が異なる温度特性を示すホログラム素子を光の入射側に対して、第１ホログラム素子１、第２ホログラム素子２及び第３のホログラム素子３と配列し、第１ホログラム素子１の透過および回折により光が分割され、第１ホログラム素子１の透過光が第３ホログラム素子３に与えられ、第１ホログラム素子１の回折光が第２ホログラム素子２に与えられ、第２ホログラム素子２の透過および回折により分割光の光軸が調整されると共に、第３ホログラム素子３の透過により第１ホログラム素子１からの分割透過光の光強度が調整される。
【選択図】図１５

Description

この発明は、入射光束の偏光成分によって素子を透過または回折させる機能を有する偏光ホログラム素子に関し、特に、一つの光源からの入射光束を２光束以上に分割する光束分割素子に関するものである。

偏光ホログラム素子に関する従来技術としては、以下のものが提案されている。

特許文献１には、等方性基板上に回折格子形状を形成し、この回折格子形状の溝部に光学異方性の材料を充填した光学異方性回折素子が知られている。

特許文献２には、光重合性液晶を用い、水平配向させた状態で干渉露光等の方法で露光を行い、露光部の液晶を周期的に重合固化させた後に未露光部に外場を印加させ垂直配向させた状態で反応固化するホログラム素子が開示されている。

特許文献３には、液晶と高分子を含む光学媒体を液晶のＮ−Ｉ点に対応した特定の温度範囲に制御して二光束干渉露光を行うことで、液晶が微細な周期構造に対し一様な方向に配向する構造を有するホログラム素子が開示されている。

また、光束分割に関する従来技術としては、次の特許文献４に示すものが知られている。

この特許文献４のものは、光走査装置及び画像形成装置において、共通の光源からのビームを分割し、異なる段の反射鏡にビームを入射させ、異なる被走査面を走査するというものである。ここでの光分割は、ハーフミラープリズムおよびハーフミラーとミラーの組み合わせなどの手法にて実現している。

ところで、近年、半導体レーザのマルチビーム化の技術が進んでおり、例えば、レーザプリンタ、デジタル複写機、普通紙ファックス等で用いられる電子写真画像形成装置等に応用されつつある。この電子写真画像形成装置に関してはカラー化、高速化が進み、感光体を複数（通常は４つ）有するタンデム対応の画像形成装置が普及してきている。しかし、このようなタンデム方式の場合、光源数の増加に伴い、部品点数の増加、複数光源間の波長差に起因する色ずれ、コストアップが生じてしまう。また、書込ユニットの故障の原因として半導体レーザの劣化が挙げられており、光源数が多くなると、故障の確立が増え、リサイクル性が劣化する。

そこで、光源数および部品点数を低減し、低コスト化するために、共通光源からのビームを分割する方式が提案されており、上記した特許文献４では、以下の手段で光束を分割している。
（１）ハーフミラープリズムを用いる方式
（２）ハーフミラーとミラーを組み合わせる方式
（３）出射したビームを複数の開口部を設けることで、空間的に分割する方式

ここで、上記の（１）及び（２）方式とも分離手段にミラーを用いているため、ミラーの面精度ばらつきの影響、及び配置誤差の影響により、ビームスポット径劣化が発生し易い。また、１）で用いるハーフミラープリズムは非常に高価であり、コストアップとなる。２）で示すハーフミラーとミラーを組み合わせた方式は、レイアウト配置が困難であり、なおかつ、偏向回転面内で、開き角を有するため、ビームスポット径等の光学特性が劣化する。また、複数の開口部で光束を分割する方式は、光源からのビームの周辺部を用いるため、光量不足、及び、ビームスポット径太りを生じるといった不具合がある。

そこで、光束分離素子として、ホログラム素子を多段に配列し、前段のホログラム素子の透過および回折により光が分割され、後段のホログラム素子の透過および回折により前記分割光の光軸を調整するものがある。

しかしながら、上記したホログラム素子を用いた光学分離素子の場合、ホログラム素子が温度依存性を有するため、温度変化により、光束のパワーに変動が生じるという難点がある。

また、特許文献５には、回折効率が極小値をとる素子温度が２５℃〜７０℃以下の範囲にあり、素子は屈折率異方性および屈折率の温度依存性がそれぞれ異なる領域が交互に配列された構造を有するホログラム素子が開示されている。
特開平１０−９２００４号公報特開平１１−２７１５３６号公報特開２０００−２２１４６５号公報特開２００５−９２１２９号公報特開２００３−２７０４１９号公報

光束分割素子としてホログラム素子（回折格子含む）を積層した構成は、小型で比較的安価に実現できる。しかし、ホログラム素子の光学特性（回折効率）は温度の影響を受け易く、温度環境により光束の分割効率が変化するといった課題がある。光学特性が変化する原因としては、ホログラム材料の屈折率変化、膨張や収縮によるホログラム構造変化等の影響が考えられる。

特許文献５には、材料調整によりホログラム素子の温度依存性を低減するものが開示されているが、材料による調整はホログラム材料としての選択材料を限定し、高効率な特性を実現するのは難しくなる。

一般的に光学素子の特性は使用する装置内の温度変化や周囲環境変化によっても安定して高い効率を維持することが重要とされる。上記した電子写真画像形成装置等に用いられる光学系の特性は、装置内の温度変化や周囲環境変化によっても安定して高い効率を維持することが重要とされている。

この発明の目的は、ホログラム素子を用いて共通光源からのビームを分割する光束分割方式において、上記不具合を解決した、高効率で良好な温度特性を有する低コストな光束分割素子を提供することである。

この発明の光束分割素子は、光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域からなる周期的な構造を有し、透過光または回折光が異なる温度特性を示すホログラム素子を２つ以上組み合わせてなる光束分割素子であって、光の入射側に対して、第１ホログラム素子、第２ホログラム素子及び第３のホログラム素子と配列し、前記第１ホログラム素子の透過および回折により光が分割され、前記第１ホログラム素子の透過光が前記第３ホログラム素子に与えられ、前記第１ホログラム素子の回折光が第２ホログラム素子に与えられ、前記第２ホログラム素子の透過および回折により前記分割光の光軸が調整されると共に、前記第３ホログラム素子の透過により前記第１ホログラム素子からの分割透過光の光強度が調整され、入射光束を二光束以上に分割して出射することを特徴とする。

また、この発明における前記ホログラム素子の透過光または回折光の温度特性は、ホログラムの周期構造の膜厚により設定されることを特徴とする。

また、この発明における前記ホログラム素子の透過光または回折光の温度特性はホログラムの周期構造にて生成される屈折率変調量振幅により設定されることを特徴とする。

更に、この発明は、前記第１ホログラム素子、第２ホログラム素子及び第３ホログラム素子の膜厚をそれぞれＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３とし、＋１次光または−１次光が最大回折効率となる前記ホログラム素子の膜厚をＴmaxとする場合、Ｔ_１はＴ_２より小さく、Ｔ_３はＴ_２より大きく、かつＴmaxがＴ_１とＴ_２の間で設定するとよい。

また、前記第３ホログラム素子の膜厚Ｔ₃が前記ホログラム素子の膜厚Ｔmaxの略２倍でにするとよい。

また、この発明は、前記した第１ホログラム素子と第２ホログラム素子の周期構造の膜厚Ｔ_１、Ｔ_２が、｜Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_１｜≦｜Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_２｜の関係にするとよい。

また、この発明は、前記した第１ホログラム素子の周期構造の膜厚Ｔ_１が、第２ホログラム素子の周期構造の膜厚Ｔ_２の略半分にするとよい。

また、この発明は、前記ホログラム素子の周期的な構造は非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を一対の透明基板間に保持し、前記組成物を二光束以上の多光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したポリマー分散型液晶ホログラム素子を用いるとよい。

この発明は、光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域からなる周期的な構造を有し、透過光または回折光が異なる温度特性を示すホログラム素子を２つ以上組み合わせてなる光束分割素子であって、光の入射側に対して、第１ホログラム素子、第２ホログラム素子及び第３のホログラム素子と配列することで、温度上昇による第１ホログラムの回折効率低下と第２ホログラムの回折効率増加をキャンセルすることができ、分割された光束における第２回折偏向光の温度による変動が抑制され光束分割素子として温度特性が改善される。さらに、第３ホログラム３を配列することで、温度上昇により、第１ホログラムからの第１透過直進光の透過率が増加しても、第３ホログラムの透過光効率特性によりキャンセルされて、温度によらず一定の透過率が得られるようになる。

また、第１ホログラム素子の膜厚を小さく設定することで、入射角依存性の許容範囲が広い。

また、干渉露光により作製する液晶ホログラムは原版複製が可能であるため、低コスト化が実現できる。この液晶ホログラム素子を多段に配列することで、低コストな光束分割素子が提供できる。

この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付し、説明の重複を避けるためにその説明は繰返さない。

まず、この発明の前提となる光束分割素子の概略構成につき図１ないし図３を参照して説明する。図１、図２は、この発明の前提となる光束分割素子の概略構成を示す模式図であり、第１ホログラム素子からの第１透過直進光は第２ホログラム素子を透過していないが、図２のように第２ホログラム素子は透過する配置としている。

図１に示す光束分割素子１００は、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２を多段に配列した構成されている。第１ホログラム素子１は、透光性基板１１、１２間にホログラム層１３を設け、第２ホログラム素子２は、透光性基板２１、２２間にホログラム層２３を設けている。

この第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２を多段に配列した光束分割素子１００の動作原理としては、入射光束１０を第１ホログラム素子１にて回折による偏向光１０ｂと透過による直進光１０ａの二光束に分割し、回折による偏向光１０ｂを第２ホログラム素子２にて再度回折により偏向した偏向光２０ｂとなり、分割した二光束の光軸（進行方向）および光強度を設定することができる。

ここで、第１ホログラム素子１で回折した偏向光を第１回折偏向光１０ｂ、第２ホログラム素子２で再度回折した偏向光を「２回折偏向光２０ｂ、第１ホログラム素子１で透過した直進光を第１透過直進光１０ａ、第２ホログラム素子２で再度透過した直進光を第２透過直進光２０ａと定義する。

図１は、第１ホログラム素子１からの第１透過直進光１０ａは第２ホログラム素子２を透過していない。これに対して、図２に示す構成は、第１ホログラム素子１からの第１透過直進光１０ａが第２ホログラム素子２を透過する配置にしている。

この図２に示すように、第１透過直進光１０ａが第２ホログラム素子２を透過する場合は、第２ホログラム素子２へ入射する前に位相差板（図示しない）により、透過率が高くなる偏光方向を設定することが望ましい。

図３に示すように、光束分割素子１００を構成してもよい。図３に示す構成においては、第１ホログラム素子１の光出射側に用いる基板と第２ホログラム素子２の光入射側に用いる基板を兼用した基板１５を用いたものである。この場合、基板１５の厚さは、第２透過直進光２０ａと第２回折偏向光２０ｂの受光位置（分割光束の間隔距離）によって適宜設定される。

このように、図１ないし図３に示すように、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２を多段に配置することにより、１つの光束から分割した二光束の光軸（進行方向）および光強度を設定することができるものである。

ここで、体積ホログラム素子のモデルにつき図４に従い説明する。図４は、体積ホログラム素子の断面構造のモデルを示す模式図である。

このホログラム素子は、光学異方性領域と光学等方性領域の周期構造からなり、周期構造の屈折率変調量をΔｎ_Ｈ、周期構造の膜厚をＴ、周期構造の格子ピッチをｐ、周期構造の格子傾きをφと定義する。

一般的に、ホログラムの回折角θは、θ＝ｓｉｎ^−１（λ／ｐ）で表せ、入射光束の波長λとホログラムの格子ピッチｐで決まる。すなわち、回折角θは、ホログラムの格子ピッチｐにより設定可能である。

また、回折効率は格子周期構造から生成される屈折率変調量（または屈折率差）Δｎ_Ｈと周期構造の膜厚Ｔに依存し、これらのパラメータを最適化することで、理想的な回折効率が得られる。理論的に得られる最大回折効率はホログラム種類によって異なるが、体積ホログラム（屈折率変調型ホログラム）は、非常に高い回折効率（理論値１００％）を得ることができ、ブラッグ回折条件を満たす入射角度θ_ｉｎや格子の傾きφを設定することで、特定次数（特に、＋１次または−１次）の回折光の効率が設定可能である。

すなわち、上記した図１、図２、図３に示す光束分割素子１００において、第１ホログラム１と第２ホログラム２の格子傾きφを同じに設定（ブラッグ回折条件を満足）することで、入射光束１０から回折した第１回折偏向光１０ｂを入射光軸１０（第１透過直進光１０ａ）と平行となる第２回折偏向光２０ｂに高効率で再回折することができる。

次に、上記のような光束分割素子に用いることが可能であるホログラム素子の光学機能の動作原理につき説明する。

図５に、ホログラフィック高分子分散液晶（ＨＰＤＬＣ：ＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＰｏｌｙｍｅｒＤｉｓｐｅｒｓｅｄＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）を用いた偏向ホログラム素子の概略構成を示す。

偏光ホログラム素子１（２）は、一対の基板１１、１２（２１、２２）間に光学異方性（複屈折性）を示す領域１ａと光学等方性を示す領域１ｂが周期的に構成されている。機能動作としては、例えば、図６（ａ）のように、素子へ入射する偏光方向がｓ偏光（ここでは紙面垂直方向である周期配列方向と垂直とする）であり、等方性領域１ｂの屈折率ｎと複屈折性領域１ａの一方の屈折率ｎｏがｎ＝ｎｏのとき、光はそのまま透過する。また、図６（ｂ）のように、入射する偏光方向がｐ偏光（ここでは紙面左右方向である周期配列方向と平行とする）であり、等方性領域１ｂの屈折率ｎと複屈折性領域１ａのもう一方の屈折率ｎｅがｎ≠ｎｅのとき、光は回折する。このように入射光の偏光方向により、透過と回折の選択がなされる機能を有する。尚、図６に示す例では、ｐ偏光が回折し、ｓ偏光が透過しているが、周期構造の屈折率によってはｐ偏光が透過し、ｓ偏光が回折する場合もある。

また、図５では光学異方性領域１ａと光学等方性領域１ｂの周期構造は基板１１、１２（２１、２２）に挟まれている構成を示しているが、これに限るものではなく、一枚の基板上に成膜されていてもよく、基板上になくてもよい。

ここで、図５、図６に示した偏光ホログラム素子は体積型屈折率変調ホログラムであり、前記したように、回折効率はホログラムの屈折率変調量Δｎ_Ｈと厚みＴの積Δｎ_Ｈ・Ｔに依存し、特定な偏光方向における光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域の屈折率変調量Δｎ_Ｈが一定である場合、ホログラム素子の周期構造の厚みＴ（膜厚またはセルギャップと同じ）を設定することで回折効率を適宜設定することができる。図５に示す格子傾きφは周期構造に垂直なベクトルであり、周期構造配列面を基準（０°）とし、４５°＜φ＜１３５°の関係にあるものとする。

ホログラム素子の温度依存性に関して、一般的にホログラムの周期構造（異なる屈折率の２つの領域、例えば、複屈折性領域、等方性領域）に存在する物質の屈折率には温度依存性があり、環境温度が変化する場合、常に一定の屈折率を保つことは難しい。この温度による屈折率の変化は、回折効率の変動、偏光選択性の低下に繋がりこの発明の光束分割素子構成において実用上大きな問題となる。ここで、偏光選択性とはｓ偏光の回折効率とｐ偏光の回折効率との比と定義する。例えば、この発明のような光束分割素子をプロジェクタ等の投射画像装置に応用した場合、光束分割素子からの分割効率変化は投射像に強度ムラとして反映され、コントラスト低下を招く恐れがある。また、レーザプリンター等の電子写真画像形成装置等に応用した場合、分割効率の変化は印刷像の各ドットに影響し、細線のつぶれや色ムラ等の不具合に繋がる恐れがある。

次に、ホログラム素子の温度依存性に関して説明する。図７に、体積型屈折率変調ホログラムの屈折率変調量Δｎ_Ｈと回折効率の関係を示す。ここで示している屈折率変調量Δｎ_Ｈとは図４、図５に示したホログラム素子内部の屈折率分布の高低差であるが、説明を簡潔にするため、Δｎ_Ｈは｜ｎｏ−ｎ｜または｜ｎｅ−ｎ｜と等価としている。Δｎ_Ｈが大きくなるにつれて回折効率は上昇し、Δｎ_Ｈが最大の時Δｎ_Ｈ_maxは、理論上回折効率１００％となり、Δｎ_Ｈが最大値を超えると回折効率は減少してゆく。

図８は等方性領域１ｂの屈折率ｎと複屈折性領域１ａの屈折率ｎｏ、ｎｅの一般的な温度依存性を示す特性図である。図８に示すように、温度が上昇すると屈折率ｎ、ｎｏ、ｎｅの絶対値は変化し、相対的に｜ｎｏ−ｎ｜および｜ｎｅ−ｎ｜も変化する。

このように温度上昇による屈折率の変化に伴い、ホログラム素子の回折効率も温度により大きく変動する。すなわち、最大回折効率を設定した場合、温度上昇によりΔｎ_Ｈは小さくなり、回折効率は低下する傾向にある（図７の矢印）。ここで、一般的に高い回折効率を得る為には、Δｎ_Ｈがある程度大きくなければならないため、高い回折効率を得る場合はΔｎ_Ｈとして｜ｎｅ−ｎ｜を設定することが好ましい。

前述したように、ホログラム素子の回折効率は屈折率変調量Δｎ_Ｈと厚み（ホログラム層）Ｔの積Δｎ_Ｈ・Ｔに依存する。膜厚Ｔはスペーサーや硬化材料により保持されているため、温度上昇による変化は小さい。すなわち、温度上昇による回折効率の変動は、屈折率変調量Δｎ_Ｈの温度変化による影響が大きいと考えられる。屈折率変調量の大きさは使用するホログラムの材料や作製方法に起因するが、一般的にフォトポリマーを用いたホログラムでは〜約０．０４程度であり、高複屈折性を示す液晶材料を用いた液晶ホログラムでは〜約０．１５程度である。屈折率変調量は材料によりある程度選択することが可能であり、屈折率変調量が大きい方が高効率を得るためには有利である。

光束分割素子の温度特性について説明する。一定の温度環境（例えば、室温）にて屈折率変調量が一定である場合、体積型屈折率変調ホログラム素子の回折効率および透過率と膜厚の関係は図９のようになる。前記したように、体積型屈折率変調ホログラム素子は理論的に最大１００％の回折効率であり、回折効率と透過率の関係は全体で１００％である。最大１００％の回折効率が得られるホログラム層の膜厚（セルギャップ）をＴ_２、回折効率が５０％（透過率が５０％）ホログラム層の膜厚（セルギャップ）をＴ_１とする。Ｔ_１＝Ｔ_２／２となる。図１０に示すように、回折効率と透過率は、サインカーブ、コサインカーブのように膜厚に対応して変化する。

ここで、ホログラム層の膜厚（セルギャップ）が同一である偏光ホログラム素子を第１ホログラム１と第２ホログラム２として多段に配列し、入射偏光方向をホログラム周期構造の配列方向と平行にした場合の光束分割素子につき、図１０及び図１１に従い説明する。

図１０に示すように、素子のホログラム層１３、２３の膜厚（セルギャップ）がそれぞれ最大回折効率を得るＴ_２においては、第１ホログラム素子１にて全ての光が回折され、第２ホログラム素子２にて再回折される。すなわち、第１透過直進光は発生せず、光軸のシフトのみが行われ光束は分割されない。

また、図１１のように、素子のホログラム層１３、２３の膜厚（セルギャップ）が最大回折効率の半分を得るＴ_１においては、第１ホログラム素子１にて、第１透過直進光１０ａと第１回折偏向光１０ｂに均等に分割されるが、第２ホログラム素子２においても第２回折偏向光が均等に分割されるため、多段に配列された素子１、２から出射される光は三光束となり、強度もばらばらとなる。

そこで、ホログラム層の膜厚（セルギャップ）が異なるホログラムを第１ホログラム１と第２ホログラム２として多段に配列した構成につき図１２を参照して説明する。

この構成において、入射偏光方向はホログラム周期構造の配列方向と平行とし、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２を図１２に示すように、ホログラム層１３の膜厚をＴ_１（Ｔ_２／２）、ホログラム層２３の膜厚をＴ_２とする場合、第１ホログラム素子１の回折効率は５０％、透過率は５０％となり、第２ホログラム素子２の回折効率は１００％、透過率は０％となる。すなわち、図１３に示すように、第１ホログラム素子１から第１透過直進光１０ａと第１回折偏向光１０ｂが出力され、第１回折偏向光１０ｂが第２ホログラム素子２で回折され、第２回折偏向光２０ｂとして出力される。この構成の光束分割素子１００では、第２回折偏向光２０ｂの効率は５０％、第１透過直進光１０ａの効率は５０％の割合で二光束を均等に分割することができる。

ここで、前述のような光束分割素子構成における分割効率の温度による変動低減について説明するため、更にホログラム素子の温度特性に関して図１３、図１４にΔｎ_H・Tと回折効率の関係について示す。ホログラム層１３の膜厚がＴ_１の第１ホログラム１、ホログラム層２３の膜厚がＴ_２の第２ホログラム２の温度上昇による回折効率の変化を矢印で示す。屈折率変調量Δｎ_Ｈは膜厚Ｔによらず一定であると仮定している。図１３に示すものは、第１ホログラム１の回折効率が５０％になるようにホログラム層１３の膜厚Ｔ_１を設定し、第２ホログラム２が回折効率が１００％になるホログラム層２３の膜厚Ｔmaxより、少し膜厚を小さくした膜厚Ｔ_２に設定している。また、図１４に示すものは、第１ホログラム１の回折効率が５０％になるようにホログラム層１３の膜厚Ｔ_１を設定し、第２ホログラム２の回折効率が１００％になるホログラム層２３の膜厚Ｔmaxより、少し膜厚を大きくした膜厚Ｔ_２に設定している。

図１３に示すものは、温度上昇により第１ホログラム１、第２ホログラム２ともに回折効率が低下している。これに対し、図１４は温度上昇により第１ホログラム１の回折効率は低下しているが、第２ホログラム２の回折効率は一旦増加してから低下している。

図１３、図１４から、ホログラムの膜厚Ｔは、最大回折効率を得る膜厚Ｔmaxより小さく設定することで、温度上昇により回折効率は低下し、最大回折効率を得る膜厚Ｔmaxより大きく設定することで、温度上昇により回折効率が一旦増加し低下することが分かる。

このことから、膜厚（セルギャップ）の異なるホログラム層を有する第１ホログラム１と第２ホログラム２を多段に配列した構成において、第１ホログラム１の膜厚Ｔ_１は最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘより小さく、第２ホログラム２の膜厚Ｔ_２は最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘより大きく設定する。このように構成することで、温度上昇による第１ホログラム１の回折効率低下と第２ホログラム２の回折効率増加をキャンセルすることができる。従って、分割された光束における第２回折偏向光２０ｂの温度による変動が抑制され光束分割素子として温度特性が改善される。

また、図１、図２、図１２に示すような構成において、分割光束の効率を高くするためには、まず、第１ホログラム１で光束を略等分割する回折効率が得られ、第２ホログラムで高回折効率を得るように、第１ホログラム１、第２ホログラム２のホログラム層を構成することで実現できる。すなわち、第２ホログラム２の回折効率は第１ホログラム１の回折効率より高い方がよいことを意味しており、膜厚に対しては、最大回折効率が得られるＴ_ｍａｘに近いほど高回折効率となることから、第２ホログラム２のホログラム層２３の膜厚と最大回折効率が得られるＴ_ｍａｘとの差｜Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_２｜が第１ホログラム１のホログラム層１３の膜厚Ｔ_１と最大回折効率が得られるＴ_ｍａｘの差｜Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_１｜よりも小さいことで分割光束の効率を高く設定することができる。

さらに、図９の回折効率と膜厚の関係から、第１ホログラム素子１のホログラム層１２の膜厚Ｔ_１を第２ホログラム素子２のホログラム層２３の膜厚Ｔ_２の略半分に設定することで、分割した光束のそれぞれの強度を略等しく設定できる。

ここで、ホログラムの膜厚Ｔ（素子セルギャップ）により回折効率の温度特性を設定する前述の説明においては、ホログラムの屈折率変調量Δｎ_Hは一定であると仮定している。実際に、ホログラムに用いる材料と作製条件を固定することで、略一定の屈折率変調量Δｎ_Hを得ることができる。

また、図１３、図１４に示すようにホログラムの回折効率はΔｎ_H・Tと関係があるため、前述の説明において、膜厚Tを一定とし、屈折率変調量Δｎ_Hによりホログラムの回折効率の温度特性を設定することもできる。ホログラムの屈折率変調量Δｎ_Hは材料と作製条件によって、ある程度調整できる。

また、膜厚Tと、屈折率変調量Δｎ_Hがそれぞれ異なる第１のホログラム素子と第２のホログラム素子を用いても光束分割素子として温度特性が改善できれば問題ない。

次に、この発明の実施形態における光束分割素子の構成概略を図１５、図１６に示す。この実施形態の構成においては、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２および第ホログラム素子３が配列されており、第３ホログラム素子３が第１ホログラム１で分割された第１透過直進光１０ａの強度を調整（温度特性補償）するものである。第１透過直進光１０ａが第３ホログラム素子３を通過して第３透過直進光３０ａとして出力される。

図１５では配列順を入射光側から第１ホログラム１、第２ホログラム２、第３ホログラム３としているが、分割した第１透過直進光１０ａの光強度が調整可能であれば、第２ホログラム２と第３ホログラム３のどちらを入射側に配列してもよく、これらの配列順はどちらでもよい。また、第２ホログラム２と第３ホログラム３の機能が同じであれば、同じ位置としてもよい。

ここで、第１ホログラム１と第２ホログラム２を配列した構成の光束分割素子において、第１ホログラム１から分割した第１回折偏向光１０ｂと第１透過直進光１０ａのうち、第１回折偏向光１０ｂは前述したように、配列するホログラム素子２の膜厚設定により、回折効率の温度特性がキャンセルされ、第２ホログラム２から出射する第２回折偏向光２０ｂの温度特性は改善されている。しかし、第１透過直進光１０ａに関して、温度特性は改善されていない。そこで、第１透過直進光１０ａの光軸に、第３ホログラム素子３を更に配列することで、第１透過直進光１０ａに対しても温度による効率の変化を改善することができる。

配列する第３ホログラムの膜厚Ｔ₃は、図９のように、初期設定は透過率が略１００％または回折効率が略０％であり、温度が上昇するに従って、透過率は低下し、回折効率が増加するような特性を示すことが好ましい。このような特性を有する第３ホログラム３を追加配列することで、温度上昇により、第１ホログラム１からの第１透過直進光１０ａの透過率が増加しても、第３ホログラム３の透過光効率特性によりキャンセルされて、温度によらず一定の透過率が得られるようになる。

次に、この実施形態におけるホログラム素子の分割光束の温度特性として、図１７、図１８にΔｎ_H・Tと透過率および回折効率の関係を示す。膜厚Ｔ_１の第１ホログラム１、膜厚Ｔ_２の第２ホログラム、膜厚Ｔ₃の第３ホログラムの温度上昇による透過率および回折効率の変化は矢印で示している。ここで、屈折率変調量Δｎ_Hは膜厚Ｔによらず一定であると仮定している。

図１７は、温度上昇により、第１ホログラム１の透過率は増加し、第２ホログラム２と第３ホログラム３の透過率は低下している。また、図１８は、温度上昇により、第１ホログラム１の回折効率は低下し、第２ホログラム２と第３ホログラム３の回折効率は増加している。

前述したように図１７、図１８からホログラムの膜厚Tは、最大回折効率を得る膜厚Tmaxより小さく設定することで、温度上昇により回折効率は低下し、最大回折効率を得る膜厚Tmaxより大きく設定することで、温度上昇により回折効率が増加することが分かる。更には膜厚２Tmax付近において、回折効率は略０％、透過率は略１００％であり、温度上昇により回折効率が増加し、透過率が低下することが分かる。

このことから、第１ホログラム１、第２ホログラム２、第３ホログラム３とホログラム素子を多段に配列し、ホログラムの温度特性が異なるように、ホログラムの膜厚をそれぞれ設定する。第１ホログラム１の膜厚Ｔ₁は最大回折効率を得る膜厚Ｔ_maxより小さく、第２ホログラム２の膜厚Ｔ₂は最大回折効率を得る膜厚Ｔ_maxより大きく設定し、かつ第３ホログラム３の膜厚Ｔ₃は第２ホログラム２の膜厚Ｔ₂より大きく設定する。このように構成することで、温度上昇による第１ホログラム１の回折効率低下と第２ホログラム２の回折効率増加がキャンセルされ、更には、温度上昇による第１ホログラム１の透過率増加と第３ホログラム３の透過率低下がキャンセルされる。従って、分割された二つの光束の温度による変動が抑制され、光束分割素子として温度特性が改善される。

ここで、一般的に光学素子は光利用効率が高い方が好ましいため、光束分割素子としても分割効率は高い方が好ましい。そこで、図１７、１８に示すように、第３ホログラムの膜厚Ｔ₃を最大回折効率を得る膜厚Ｔmaxの略２倍とすることで、第３ホログラム３の透過率は最初略１００％の非常に高い効率を示し、光束分割素子としても高い光利用効率が得られる
次に、この発明の参考例につき図１９を参照して説明する。図１９は、この発明の参考例における光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この第２の実施形態においては、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２１３、２３の膜厚（セルギャップ）Ｔが同一である。そして、入射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度の割合が略均等になるように入射偏光方向を設定することを特徴としている。このような構成の場合、入射偏光方向の設定調整等が必要となるが、同一の膜厚を有するため、一定条件の生産プロセスによる素子で実現できるため、生産性が向上できる。

前記したように、ホログラム層の膜厚（セルギャップ）が同一のホログラム素子を多段配列した構成において、回折効率が最大となるような膜厚（セルギャップ）Ｔ_ｍａｘを設定したホログラム素子を用いる場合、入射偏光方向がホログラム素子の周期的な構造に略平行（ｐ偏光）および垂直（ｓ偏光）なときは光束が分割されない。

これはホログラム素子への入射偏光成分（ｐ偏光およびｓ偏光）の光強度に依存し、図２０のように周期的構造の配列方向に平行な偏光方向が入射するとき、入射光の強度は、ｓ偏光成分がほとんどなく、ほぼｐ偏光成分であるため、入射光はｓ偏光成分に係る透過光はほとんど発生せず、ｐ偏光成分に係る回折光のみが発生する。

ここで、図２１に示すように、周期的構造の配列方向に平行な方向から偏光方向を少し傾けて入射するとき、入射光の強度はｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分けられ、強度の割合としてはｐ偏光成分の方がｓ偏光成分より大きく、ｐ偏光成分に係る回折光が大きく発生し、ｓ偏光成分に係る透過光も少し発生する。また、図２２に示すように、周期的構造の配列方向に平行な方向から偏光方向を４５°（１３５°）傾けて入射するとき、入射光の強度は等しい割合でｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分けられるため、ｐ偏光成分に係る回折光とｓ偏光成分に係る透過光は均等になる。このように、第１ホログラム素子１の第１回折偏向光と第１透過直進光の割合は入射光のｓ偏光成分とｐ偏光成分の光強度の割合に依存する。また、周期構造の平均的な屈折率も入射偏光方向によって変化し、僅かであるが第１回折偏向光と第１透過直進光の割合に起因する。

図２１、図２２に示すように、周期構造の配列方向とは異なる偏光方向を有する直線偏光を入射し、ｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度を適宜調整することで、第１ホログラム素子１にてｐ偏光成分は第１回折偏向光１０ｂとなり、ｓ偏向成分は第１透過直進光１０ａとなる。次に、第２ホログラム素子２にてｐ偏向成分は第２回折偏向光２０ｂとなり、ｓ偏向成分は第２透過直進光２０ａとなり、光束が分割される。

ここで、入射偏光方向の設定は一般的な位相差板により設定でき、偏光板、グラントムソンプリズム、１／２波長板、などが使用できる。また、光源としてＬＤ等の偏光光を用いる場合は光源を回転させることでも設定できる。

前述したようにホログラム素子には温度依存性がある。そこで、ホログラム素子のホログラム層の膜厚を異ならせてホログラム素子のΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を調べた。図２３、図２４、図２５に、ホログラム素子のΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す。各ホログラム素子の温度上昇による回折効率の変化を矢印で示す。ただし、屈折率変調量Δｎ_Ｈは膜厚Ｔによらず一定であると仮定している。

図２２は、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２のホログラム層１３，２３の膜厚（セルギャップ）Ｔ_１、Ｔ_２が、最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘと同じである場合を示している。この場合には、温度上昇により、第１ホログラム１、第２ホログラム２、第３ホログラム３ともに回折効率が低下している。

これに対し、図２３は第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２のホログラム層１３、２３の膜厚（セルギャップ）Ｔ_１、Ｔ_２が同じで、かつ最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘよりも大きい関係にある場合を示している。この場合は、温度上昇により第１ホログラム１、第２ホログラム２ともに回折効率が一旦増加してから低下している。このことから、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２のホログラム層の膜厚（セルギャップ）Ｔ_１、Ｔ_２が略同じである場合、最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘ以下であると第１ホログラム１、第２ホログラム２ともに温度上昇により回折効率が低下し、光束分割素子１００としては温度特性が顕著に悪くなる。

しかし、第１，第２ホログラム素子１，２のホログラム層の膜厚Ｔ_１、Ｔ_２が略同じである場合においても、図２３のように、膜厚Ｔ_１、Ｔ_２が最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘより大きいことで、第１ホログラム１、第２ホログラム２ともに温度上昇により回折効率が一旦増加してから低下するため、若干の変動はあるが、広い温度範囲にて高回折効率を保つことができ、光束分割素子１００としては温度特性が改善される。

また、図２４は、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２のホログラム層１３，２３のそれぞれの膜厚（セルギャップ）Ｔ_１、Ｔ_２が、Ｔ_ｍａｘを境に大小関係にある場合を示している。この場合、温度上昇により第１ホログラム１の回折効率は低下し、第２ホログラム２の回折効率は増加している。すなわち、回折効率が略同じとなるように、ホログラム層の膜厚（セルギャップ）を設定し、入射偏光はｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度の割合が略均等になるように偏光方向を設定し、第１ホログラム１と第２ホログラム２を多段に配列した構成の光束分割素子においては、次のように膜厚を設定することが好ましい。第１ホログラム１のホログラム層１３の膜厚Ｔ_１は最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘより小さく、第２ホログラム２のホログラム層２３の膜厚Ｔ_２は最大回折効率を得る膜厚Ｔ_ｍａｘより大きく設定することで、温度上昇による第１ホログラム１の回折効率低下と第２ホログラム２の回折効率増加がキャンセルされて分割された光束（第２回折偏向光）の温度な特性が改善される。

図１９に示すような構成における光束分割素子１００の回折効率と入射偏光方向との理想的な関係を図２５に示す。図２５から入射偏光方向が周期的な構造の配列方向に対して、略４５°または略１３５°（４５°＋９０°）である場合、光束の分割バランスが略５０％であり、用途にもよるが一般的な光学素子として問題ない特性が得られる。図２５から具体的には、入射偏光方向が周期的な構造の配列方向に対して、４３°±３°の範囲で光束のバランスが４０％から６０％の範囲となり、一般的な光学素子として問題ない特性が得られる。

また、入射偏光方向の設定に位相差板として、１／４波長板を使用して円偏光または楕円偏光とする場合、円偏光においては、図２７に示すように入射光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度は均等に設定され、入射光を均等に分割することができる。楕円偏光においても方位角を適宜設定することでｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度の比率が設定できるため、均等な光束分割のバランスをたもつことができる。図２７においては、円偏光の回転を左回転としているが、回転方向は左右どちらでもよい。このように円偏光を入射する場合、光源側の偏光方向に対して軸を設定すればよく、偏光ホログラム素子への偏光方向の設定が不要になる。

この発明の第２の実施形態における光束分割素子の概略構成を図２８、図２９に示す。この実施形態は、第１ホログラム２と第３ホログラム３の後段にそれぞれ光量調整手段４を備えている。図２８、図２９では、模式的にホログラム素子と離して記載しているが、所望の光束が調整可能でかつ他の光束に影響を及ぼさなければホログラム素子と一体となっていてもよい。ここで、光量調整手段４としては一般的なＮＤフィルター、位相差板などが使用できる。このように光量調整手段４を備える場合、分割した光束の強度をそれぞれ設定できる。すなわち、温度上昇により分割した一方の光束の強度が低下した場合、光量調整手段４によりもう一方の光束の強度を調整し、分割した光束の強度を略同じに保つことができ、温度特性のよい光束分割装置が実現できる。

ここで、この発明の構成における光束分割素子１００に用いるホログラム素子としては、温度依存性を示し、格子ピッチおよび格子傾きが設定可能であれば、図３０（ａ）、図３０（ｂ）に示すように、光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域からなる周期構造を有するものが使用できる。例えば、周期構造は等方性媒体あるいは複屈折媒体に格子溝を形成し、等方性媒体あるいは複屈折媒体を埋めたそれぞれの組み合わせが可能である。

周期構造の格子溝はフォトリソグラフィーとエッチングまたは切削加工や成形技術等により形成することができる。また、等方性媒体としては、フォトポリマー等の透明樹脂や石英、ＢＫ７等の光学硝材が使用できるが、複屈折性を有さなければこれに限るものではない。複屈折媒体としては、高分子複屈折膜（高分子フィルム）、液晶等が使用できる。

また、周期構造の形成方法としては、ホログラム記録材料へのステッパによる一般的なマスク露光法、電子ビームによる直接描画法、レーザビームによる直接描画法、二光束干渉露光法などがある。

記録材料としては、下記のような一般的な感光材料が使用できる。例えば、重クロム酸ゼラチン、フォトクロック材料、フォトサーモプラスチック、電気光学結晶（例えば、強誘電性酸化物：ＬｉＮｂＯ_３，ＢａＴｉＯ_３結晶など）、フォトレジスト、フォトポリマー、高分子液晶および高分子分散液晶などがある。

特に、汎用性が高いフォトポリマーは、屈折率変調型のホログラムを記録することができるので、高い回折効率が得られ、粒状性がほとんどないため高解像力で、低ノイズのホログラムが得られる。フォトポリマーは非常に多種・多用の材料により組成されており、光架橋型、光重合型に大別できる。光重合型では現像を要するものと不要なものがある。現像工程が不要な材料では、組成面から（ａ）ポリマー、モノマー、（ｂ）モノマー、モノマー、（ｃ）不活性成分（低分子）、モノマーに分類できる。（ａ）および（ｃ）はモノマー重合物質とポリマーあるいは低分子化合物との間で大きな屈折率差が生じるように成分が選ばれる。（ｂ）は屈折率の異なる２種類のモノマーで構成されるが、（１）光重合性の異なるモノマー、（２）光重合性と熱重合性のモノマー、（３）光ラジカル重合性と光カチオン重合性のモノマーなどの組み合わせがある。

前記した材料において、フォトポリマーやフォトレジストなどの光重合性を有する高分子感光材料は解像力、露光感度、感光波長帯域を幅広く選択でき、高耐環境性に優れ、膜厚・サイズに自由度がある。また粒状性も低い為、ホログラムの特性として高回折効率、高透明性が得られる。

また、高回折効率を有する屈折率変調型ホログラムの場合、記録されたホログラム領域における周期構造の屈折率変調の差は大きい方が、高効率が得られる最適な膜厚は小さくなり、それに伴い波長変動や入射角度に依存する回折効率の変化が小さくできる。即ち、得られる高回折効率特性の波長変動や入射角度に対する許容範囲が広いホログラムが実現できる。周期構造の屈折率変調の差が大きくできる感光材料としは、複屈折性を示す高分子複屈折膜、高分子液晶および高分子分散型液晶などがある。

高分子複屈折膜は高分子フィルムを延伸して高分子鎖を配向させることによって複屈折性を有した高分子膜であり、スタンパ等で簡単に大量生産することができ、低コストで偏光分離素子の作製ができるといった利点がある。延伸する高分子フィルムの高分子材料としては、例えば、ポリオレフィン系、ポリアクリルレート、ポリカーボネイト（ＰＣ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリスチレン等が使用できるが、これに限るものではない。

高分子液晶および高分子分散型液晶は、重合性液晶と、非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤の何れか一つまたは複数の混合によりなる組成物である。重合性液晶モノマーとしては、液晶性アクリレートモノマーなどを用いることができ、非重合性液晶としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。その相構成はネマチック、コレステリック、スメクチックのいずれのタイプでも良い。

重合性モノマーまたはそのプレポリマーとしては、光重合、光架橋可能なモノマー、オリゴマー、プレポリマー及びそれらの混合物を用いることができる。また、上記の他に熱重合禁止剤、可塑剤等が添加されても良い。

光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、添加量は照射する光の波長に対する各材料の吸光度によって異なり、複製時の露光条件によって適宜調整される。

上記した感光材料からなる組成物は、露光時の条件を適切に設定することで、偏光方向によって屈折率分布が異なる周期構造を形成することができる（偏光方向によって周期構造における屈折率変調量が異なる）。

組成物の例としては高分子モノマー中に非重合性液晶と光重合開始剤を分散させたホログラフィック高分子分散液晶（ＨＰＤＬＣ：ＨｏｌｏｇｒａｐｈｉｃＰｏｌｙｍｅｒＤｉｓｐｅｒｓｅｄＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）あるいは重合性液晶と光重合開始剤を混合させた光硬化型液晶（ＰＰＬＣ：Ｐｈｏｔｏ−ＰｏｌｙｍｅｒｉｚｅｄＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌ）などがある。

次に、この発明の光束分割素子に用いることができるホログラム素子として、ＨＰＤＬＣを用いたホログラム素子につき説明する。上記した組成物に干渉縞を露光した場合について説明する。ＨＰＤＬＣについて、干渉露光前の断面構成を図３３に示す。非重合性液晶分子と重合性モノマーあるいはプレポリマーと図示しない光重合開始剤とを均一に混合した組成物５０を二枚の透明基板５１、５２間に挟んだ構成である。図３４は、相分離によるホログラムの形成過程を模式的に示しており、同図（ａ）は、露光状態を示す断面図、（ｂ）は露光後、相分離をした場合の断面図、（ｃ）は相分離をした場合の上面図である。図３４（ａ）に示すように、非重合性液晶分子と重合性モノマーあるいはプレポリマーと図示しない光重合開始剤とを均一に混合した組成物３０に対して、干渉縞の強度分布が図示のような状態で干渉露光を行う。この露光により、図３４（ｂ）、（ｃ）に示すように、干渉縞の明部においてモノマーが移動（高分子と液晶の相分離）して硬化し、干渉縞暗部には液晶が残り、明部で硬化したポリマーに引っ張られて液晶が特定の方向に配向する。この配向のために直交する入射偏光に対し、一方は屈折率変化が生じずほとんど透過する。これと直交する偏光方向は液晶が配向して屈折率が大きい方向と一致することにより、周期的屈折率変化を感じて入射光は回折する。以上によりＨＰＤＬＣは偏光性回折格子として機能する。

また、ＰＰＬＣにおいては透明電極（ＩＴＯ）と液晶を配向させる配向層をもつ基板間に光重合性の感応基がついた液晶を封入して液晶を水平配向させる。これに干渉縞を露光すると縞の明部では液晶分子が重合して硬化する。一方縞の暗部の液晶分子は硬化しないで残っている。次に液晶層をはさむ透明電極間に電圧をかけながら光を照射する。このとき暗部の液晶は電圧印加により基板に垂直方向に配向して光により硬化する。以上より干渉縞の明、暗に対応して液晶の配向が水平／垂直の周期構造をもつようになる。このようにして記録した回折格子に直交する偏光を入射させると一方の偏光方向（水平配向した液晶分子の短軸方向と一致）では水平／垂直の配向があっても屈折率変化を感じないで入射光はほとんど透過し、これと直交する方向では水平配向した液晶分子の長軸方向と一致して水平／垂直の配向による屈折率変化を感じて入射光はほとんど回折する。

以上のように、組成物材料の重合反応に伴った相分離あるいは重合反応と外場による配向変化などによって偏光選択性を有する偏光ホログラムが作製できる。

ホログラム記録用感光材料を成膜する方法としては、一般的な溶剤の成膜手法が適応でき、単基板へのスピンコートやディッピング、対基板で構成されているセルへの毛細管現象あるいは真空による注入方法などがある。

以下、具体的実施例、参考例、比較例によるこの発明をさらに詳細に説明するが、この発明は以下の実施例によって限定されるものではない。

（実施例１）
厚み０．７ｍｍのガラス基板の片面に青色光および赤色光に対する反射防止膜を形成し、およそ４μｍ〜１２μｍ径のビーズスペーサーを用意し、形成するホログラム層に対応するビーズスペーサーを混入したそれぞれの接着剤により、二枚のガラス基板を貼り合わせた。接着剤の塗布は反射防止膜形成面とは反対の面で、基板の縁２箇所に塗布した。

次に、以下の（１）〜（５）の材料の混合物からなる組成物をホットプレートで加熱しながら毛管法によりセル中に注入し、厚み約５μｍ〜２０μｍのホログラム層となる組成物層を形成した。なお、この組成物は緑色より短波長の光に反応性を示すため赤色光を用いた暗室下で取り扱った。

（１）ネマチック液晶（メルク製Δε＞０）２５重量部
（２）ウレタンプレポリマー（共栄社化学製）７５重量部
（３）ジアクリレート（共栄社化学製）１０重量部
（４）メタクリレート（共栄社化学製）５重量部
（５）ビスアシルフォスフィンオキサイド系光重合開始剤（チバガイギー製）１重量部

上記組成物をセル中に注入後、その特性を調べると、この組成物は室温下において等方性を示した。

次に、波長４４２ｎｍのＨｅ−Ｃｄレーザによる二光束干渉露光系を作成した。レーザ光を分割、拡大して平行光とし、二光束干渉の干渉縞に対応して約１μｍ周期の干渉縞が生成される。セル基板を加熱した状態で、約１分間の二光束干渉露光を行い、液晶ホログラム素子を作製した。この時、一方の入射光軸に対して約７度傾けたて二光束が入射するように設定した。

液晶ホログラム素子の特性評価としては、作製した素子に波長６５５ｎｍの直線偏光のレーザ光を照射して、入射光強度に対する０次光と＋１次回折光強度を測定した。入射光強度は５ｍＷ程度になるように、ＮＤフィルターを用いて調整し、入射光路中に直線偏光板と半波長板を配置し、半波長板の光軸を４５度回転させることで、素子に入射する偏光方向（ｐ偏光、ｓ偏光）を切り換え可能な構成とした。このときのｐ偏光は干渉露光時の干渉縞と直交方向とし、ｓ偏光は干渉縞の方向とした。

液晶ホログラム素子の特性評価としては、作製した素子に波長６５５ｎｍの直線偏光のレーザー光を照射して、入射光強度に対する０次光と＋１次回折光強度を測定した。入射光強度は５ｍＷ程度になるようにＮＤフィルターを用いて調整し、入射光路中に直線偏光板と半波長板を配置し、半波長板の光軸を４５度回転させることで、素子に入射する偏光方向（ｐ偏光、ｓ偏光）を切り換え可能な構成とした。このときのｐ偏光は干渉露光時の干渉縞と直交方向とし、ｓ偏光は干渉縞の方向とした。

図３３に膜厚５μｍ〜２０μｍの液晶ホログラム素子のｐ偏向における回折効率の特性を示す。図３３には前述した干渉露光学系で設計した格子構造の理論値（Ｋｏｇｅｌｎｉｋの結合波理論）も重ねて示している。理論値と実測値の比較から設計通りのホログラム構造ができている事が分かる。また膜厚が９μｍで略最大回折効率が得られており、図３４に示すホログラム素子の回折効率の温度特性から膜厚が最大効率を得る膜厚９μｍ以下では、温度上昇に伴い回折効率が低下し、膜厚９μｍ以上では温度上昇に伴い回折効率が増加することがわかる。このように膜厚の設定により回折効率の温度特性が設定可能であることがわかる。

(参考例１)
この発明の前提となる光束分割素子の参考例につき説明する。

作製した上記液晶ホログラムの２素子を用いて、図１のように、多段配列して光束分割素子を作製した。素子への入射偏光方向はｐ偏光とし、配列素子間距離は約１０ｍｍとした。第１ホログラム素子、第２ホログラム素子の膜厚を適宜設定し、膜厚設定した光束分割素子の第１透過直進光（第１光束）と第２回折偏向光（第２光束）の入射光に対する光利用効率の温度特性を評価した。

(参考例１の比較例)
温度上昇に伴い回折効率が低下するようなホログラムの構成として、第１ホログラム１の膜厚を４.５μｍ、第２ホログラム２の膜厚を９μｍとした２つのホログラムを組み合わせて光束分割素子を形成した。この光束分割素子の光利用効率の温度特性を図３５に示す。図３５に示すように、室温付近において、第一光束と第二光束の効率は略５０％で均等に分割されている。しかし、温度上昇に伴い、分割効率は変化しており、５０℃付近では第一光束は約６０％で第二光束は約４０％となっている。温度変化に伴い第一光束、第二光束ともに効率が変化し、各光束の強度差は約２０％と非常に大きくなっている。このような特性の場合は第一光束と第二光束の温度特性をそれぞれ補正する必要がある。

(参考例１−１)
温度による光量変動の影響を低減するための素子
温度上昇に伴い回折効率が低下および増加するようなホログラムの構成として、第１ホログラム１の膜厚を４.５μｍ、第２ホログラム２の膜厚を１１．５μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子を用意した。この光束分割素子の光利用効率の温度特性を図３６に示す。室温付近において、第一光束は約５０％、第二光束は約４０％で分割されている。温度上昇に伴う分割効率において、５０℃付近では第一光束は約６０％であるが、第二光束はほとんど変化せず約４０％のままである。このように第二光束の温度による変動は低減されている。これは比較例１に比べて、各光束の強度差は同じであるが、第一光束のみ温度特性を補正すればよく補正が容易になる。

(参考例１−２）
温度による光量変動の影響および各光束の強度差を低減するための素子
温度上昇に伴い回折効率が低下および増加するようなホログラムの構成として、第１ホログラム１の膜厚を４.９μｍ、第２ホログラムの膜厚を１１μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子を用意した。この光束分割素子の光利用効率の温度特性を図３７に示す。室温付近において、第一光束は約４５％、第二光束は約４８％で略均等に分割されている。ここで温度上昇に伴い分割効率は変化しているが、５０℃付近では第一光束は約５３％、第二光束は約４５％であり、温度による光量変動の影響は低減されている。また、室温〜５０℃の温度範囲において、第一光束および第二光束の効率変化は約±５％であり、各光束の強度差は約１０％で、比較例１と比較して各光束の強度差も小さくなっている。

(実施例）
温度による光量変動の影響および各光束の強度差を低減するための実施例
さらに、作製した上記ホログラムの３素子を用いて、図１５のように多段配列して光束分割素子を作製し、前述と同じように、光束分割素子の第３透過直進光（第一光束）と第２回折偏向光（第二光束）の入射光に対する光利用効率の温度特性を評価した。

温度上昇に伴い回折効率が低下および増加するようなホログラムの構成として、第１ホログラム１の膜厚を５μｍ、第２ホログラム２の膜厚を１２μｍ、第３ホログラム３の膜厚を１８μｍ、とした３つのホログラムを組み合わせた光束分割素子を用意した。この光利用効率の温度特性を図３８並びに表１に示す。また、第１ホログラム１の膜厚を５μｍ、第２ホログラム２の膜厚を１２μｍの２つのホログラム素子で形成した光束分割素子を用意し、光利用効率の温度特性を評価し、その結果を表２に示す。

図３８及び表１より、この発明の実施例においては、その室温付近において、第一光束は約４３％、第二光束は約４３％で略均等に分割されている。ここでは温度上昇に伴い分割効率はほとんど変化しておらず、５０℃付近で第一光束は約４４％であり、第二光束も約４４％である。従って、室温〜５０℃の温度範囲において、第一光束および第二光束の効率変化は約±1％以内であり、温度特性を補正する必要がない。

また、表１と表２の特性を比較すれば、第３ホログラム素子を設けることで、温度特性が更に向上していることが分かる。

（参考例２）
ここで、作製した上記ホログラムの２素子を用いて、図１９のように多段配列して光束分割素子を作製した。素子への入射偏光方向はｐ偏光から４５°回転した偏光方向とし、配列素子間距離は約１０ｍｍとした。第１ホログラム素子１、第２ホログラム素子２の膜厚を適宜設定し、膜厚設定した光束分割素子の第１透過直進光（第一光束）と第２回折偏向光（第二光束）の入射光に対する光利用効率の温度特性を評価した。

（参考例２−比較例１）
温度上昇に伴い回折効率が低下するようなホログラムの構成として、第１ホログラム１の膜厚を９μｍ、第２ホログラム２の膜厚を９μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子を用意した。この光束分割素子の光利用効率の温度特性を図３９に示す。室温付近において、第一光束と第二光束の効率は略５０％で均等に分割されている。しかし、温度上昇に伴い、分割効率は変化しており、５０℃付近では第一光束は約５２％で第二光束は約４５％となっており、各光束の強度差は７％と大きく、温度による特性変動の影響が大きい。

（参考例２−１）
温度による光量変動の影響および各光束の強度差を低減するための素子
温度上昇に伴い回折効率が低下および増加するようなホログラムの構成として、第１ホログラム１の膜厚を９μｍ、第２ホログラムの膜厚を１０μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子を用意した。この光束分割素子の光利用効率の温度特性を図４０に示す。室温付近において、第一光束と第二光束の効率は略５０％で均等に分割されている。しかし、温度上昇に伴い、分割効率は若干変化しており、５０℃付近では第一光束は約５２％で第二光束は約４７％となっており、各光束の強度差は５％で、上記の参考例２−比較例１に比べて温度による特性変動の影響が低減された。

（参考例３）
ここで、作製した上記ホログラムの２素子を用いて、図２８のように多段配列して光束分割素子を作製した。素子への入射偏光方向はｐ偏光から４５°回転した偏光方向とし、配列素子間距離は約１０ｍｍとした。第１ホログラム素子１、第２ホログラム素子２の膜厚を適宜設定し、膜厚設定した光束分割素子の第１透過直進光（第一光束）と第２回折偏向光（第二光束）の入射光に対する光利用効率の温度特性を評価した。光量調整手段４は第１ホログラム素子の後にのみ設置した。

（参考例３−比較例１）
温度上昇に伴い回折効率が低下および増加するようなホログラムの構成として、第１ホログラム１の膜厚を８μｍ、第２ホログラム２の膜厚を１０μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子を用意した。この光束分割素子の光利用効率の温度特性を図４１に示す。室温付近において、第一光束と第二光束の効率はそれぞれ５２％、４６％で分割されている。温度上昇に伴い分割効率はほとんど変化しおらず、５０℃付近では第一光束は約５６％で第二光束は約４３％となっている。しかし、室温〜５０℃付近において各光束の強度差は６〜１３％と大きい。

（参考例３）
温度による光量変動の影響および各光束の強度差を低減するための素子
温度上昇に伴い回折効率が低下および増加するようなホログラムの構成として、第１ホログラムの膜厚を８μｍ、第２ホログラム２の膜厚を１０μｍとした２つのホログラムを組み合わせ、かつ第１ホログラム素子１の後に光量調整手段４として、透過率８５％のＮＤフィルターを設置した光束分割素子を用意した。この光束分割素子の光利用効率の温度特性を図４２に示す。室温付近において、第一光束と第二光束の効率は略４５％で均等に分割されている。温度上昇に伴い分割効率はほとんど変化しおらず、５０℃付近では第一光束は約４７％で第二光束は約４３％となっている。室温〜５０℃付近において各光束の強度差は±２％と小さく。参考例３−比較例１に比べて各光束の強度差は小さくなった。

上述のように、温度特性の異なるホログラムを組み合わせた光束分割素子の構成において、ホログラムの温度特性を膜厚により設定することで、温度変化に伴う分割効率特性の変動が抑制された光束分割素子が実現できていることが確認できた。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明は、レーザプリンタ、デジタル複写機、普通紙ファックス等に用いられる光走査装置及び画像形成装置、投射画像形成装置などに利用することができる。

この発明の前提となる光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この発明の前提となる光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この発明の前提となる光束分割素子の概略構成を示す模式図である。体積ホログラム素子の断面構造のモデルを示す模式図である。ホログラム素子の断面構造のモデルを示す模式図である。ホログラム素子の構成を示す模式的断面図である。ホログラム素子の機能動作を示す模式図である。体積型屈折率変調ホログラムの屈折率変調量Δｎ_Ｈと回折効率の関係を示す図である。等方性領域の屈折率ｎと複屈折性領域の屈折率ｎｏ、ｎｅの一般的な温度依存性を示す特性図である。体積型屈折率変調ホログラム素子の回折効率および透過率と膜厚の関係を示す図である。ホログラム層の膜厚が同一である偏光ホログラム素子を第１ホログラムと第２ホログラム２として多段に配列した光束分割素子を示す模式図である。ホログラム層の膜厚が同一である偏光ホログラム素子を第１ホログラムと第２ホログラム２として多段に配列した光束分割素子を示す模式図である。この発明の実施形態における光束分割素子の概略構成を示す模式図である。 Δｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す特性図である。 Δｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す特性図である。この発明の実施形態における光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この発明の実施形態における光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この発明の実施形態におけるΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す特性図である。この発明の実施形態におけるΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す特性図である。この発明の前提となる光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この発明の実施形態にかかる光束分割素子のホログラム素子に周期的構造の配列方向に平行な偏光方向の光が入射する様子を示す模式図である。この発明の実施形態にかかる光束分割素子のホログラム素子に周期的構造の配列方向に平行な方向から偏光方向を少し傾けて入射する様子を示す模式図である。この発明の実施形態にかかる光束分割素子のホログラム素子に周期的構造の配列方向に平行な方向から偏光方向を４５°傾けて入射する様子を示す模式図である。ホログラム素子のΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す特性図である。ホログラム素子のΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す特性図である。ホログラム素子のΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す特性図である。光束分割素子の光利用効率と入射偏向方向との理想的な関係を示す図である。この発明の実施形態にかかる光束分割素子に位相基板として１／４波長版を使用して円偏向又は楕円偏向により偏向した光束を入射した様子を示す図である。この発明の第２の実施形態における光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この発明の第２の実施形態における光束分割素子の概略構成を示す模式図である。この発明に用いられるホログラム素子の一例を示す模式図である。この発明に用いられる液晶ホログラム素子の干渉露光前の断面構成を示す模式図である。相分離によるホログラム形成過程を示し、（ａ）は露光中の模式的断面図、（ｂ）は相分離した状態の模式的断面図、（ｃ）は、相分離した状態の模式的上面図である。膜厚５μｍ〜２０μｍの液晶ホログラム素子のｐ偏向における回折効率の特性を示す特性図ある。膜厚５μｍ〜１８μｍの液晶ホログラム素子の回折効率の温度特性を示す特性図である。第１ホログラムの膜厚を４.５μｍ、第２ホログラムの膜厚を９μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子の光利用効率の温度特性を示す図である。第１ホログラムの膜厚を４.５μｍ、第２ホログラムの膜厚を１１．５μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子の光利用効率の温度特性を示す図である。第１ホログラムの膜厚を４.９μｍ、第２ホログラムの膜厚を１１μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子の光利用効率の温度特性を示す図である。この発明の実施例に係る光利用効率の温度特性を示す図であり、第１ホログラムの膜厚を５μｍ、第２ホログラムの膜厚を１２μｍ、第３ホログラムの膜厚を１８μｍとしたものである。第１ホログラムの膜厚を９μｍ、第２ホログラムの膜厚を９μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子の光利用効率の温度特性を示す図である。第１ホログラムの膜厚を９μｍ、第２ホログラムの膜厚を１０μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子の光利用効率の温度特性を示す図である。第１ホログラムの膜厚を８μｍ、第２ホログラムの膜厚を１０μｍとした２つのホログラムを組み合わせた光束分割素子の光利用効率の温度特性を示す図である。第１ホログラムの膜厚を８μｍ、第２ホログラム２の膜厚を１０μｍとした２つのホログラムを組み合わせ、かつ第１ホログラム素子１の後に光量調整手段を設けた光束分割素子の光利用効率の温度特性を示す図である。

符号の説明

１第１ホログラム素子、２第２ホログラム素子、３第３ホログラム素子、４光量調整手段、１１、１２、２１、２２、３１、３２基板、１３、２３、３３ホログラム層、１００光束分割素子。

Claims

光学異方性を示す領域と光学等方性を示す領域からなる周期的な構造を有し、透過光または回折光が異なる温度特性を示すホログラム素子を２つ以上組み合わせてなる光束分割素子であって、光の入射側に対して、第１ホログラム素子、第２ホログラム素子及び第３のホログラム素子と配列し、前記第１ホログラム素子の透過および回折により光が分割され、前記第１ホログラム素子の透過光が前記第３ホログラム素子に与えられ、前記第１ホログラム素子の回折光が第２ホログラム素子に与えられ、前記第２ホログラム素子の透過および回折により前記分割光の光軸が調整されると共に、前記第３ホログラム素子の透過により前記第１ホログラム素子からの分割透過光の光強度が調整され、入射光束を二光束以上に分割して出射することを特徴とする光束分割素子。
前記ホログラム素子の透過光または回折光の温度特性はホログラムの周期構造の膜厚により設定されることを特徴とする請求項１に記載の光束分割素子。
前記ホログラム素子の透過光または回折光の温度特性はホログラムの周期構造にて生成される屈折率変調量振幅により設定されることを特徴とする請求項１に記載の光束分割素子。
前記第１ホログラム素子、第２ホログラム素子及び第３ホログラム素子の膜厚をそれぞれＴ_１、Ｔ_２、Ｔ_３とし、＋１次光または−１次光が最大回折効率となる前記ホログラム素子の膜厚をＴmaxとする場合、Ｔ_１はＴ_２より小さく、Ｔ_３はＴ_２より大きく、かつＴmaxがＴ_１とＴ_２の間であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光束分割素子。
前記第３ホログラム素子の膜厚Ｔ₃が前記ホログラム素子の膜厚Ｔmaxの略２倍であることを特徴とする請求項４に記載の光束分割素子。
前記第１ホログラム素子と第２ホログラム素子の周期構造の膜厚Ｔ_１、Ｔ_２が、｜Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_１｜≦｜Ｔ_ｍａｘ−Ｔ_２｜の関係にあることを特徴とする請求項４に記載の光束分割素子。
前記第１ホログラム素子の周期構造の膜厚Ｔ_１が、第２ホログラム素子の周期構造の膜厚Ｔ_２の略半分であることを特徴とする請求項４または６に記載の光束分割素子。
前記ホログラム素子の周期的な構造は非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる組成物を一対の透明基板間に保持し、前記組成物を二光束以上の多光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したポリマー分散型液晶ホログラム素子であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光束分割素子。