JP2008233226A - 光束分割素子 - Google Patents

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】 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する温度依存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１、第２ホログラム２の順に配列し、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てなる光束分割素子１００において、第１ホログラム素子１と第２ホログラム素子２の周期構造の膜厚をそれぞれＴ_１、Ｔ_２とし、＋１次光または−１次光が最大回折効率となるホログラム素子の周期構造の膜厚をＴ_ｍａｘとする場合、Ｔ_１はＴ_２より小さく、かつＴ_ｍａｘがＴ_１とＴ_２の間であることを特徴とする。
【選択図】 図１３

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。
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

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。

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。

この発明は、上記した従来の問題点に鑑みなされたものにして、共通光源からのビームを分割する方式において、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を目的とする。

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する温度依存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、第２ホログラムの順に配列し、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てなる光束分割素子において、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をそれぞれＴ_１、Ｔ_２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周期構造の膜厚をＴ_ｍａｘとする場合、Ｔ_１はＴ_２より小さく、かつＴ_ｍａｘがＴ_１とＴ_２の間であることを特徴とする。

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｜の関係にすることができる。

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の略半分にすることができる。

また、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する温度依存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、第２ホログラムの順に配列し、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てなる光束分割素子において、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をそれぞれＴ_１、Ｔ_２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周期構造の膜厚をＴ_ｍａｘとする場合、Ｔ_１はＴ_２以下で、かつＴ_ｍａｘがＴ_１とＴ_２より小さいことを特徴とする。

前記周期的な構造の配列方向に略平行な方向をｐ偏光、前記周期的な構造の配列方向に略垂直な方向をｓ偏光とし、前記ホログラム素子への入射光束のｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度が略均等になる偏光光束が入射されるように構成することができる。

さらに、前記入射する光束の偏光を直線偏光にすることができる。また、前記入射する光束の偏光方向が、前記周期的な構造の配列方向を基準０°とし、前記周期的な構造の配列方向に対して４０°ないし４５°または１３０°ないし１３６°傾いているように構成することができる。

また、前記入射する光束の偏光を円偏光にすることができる。

さらに、前記ホログラム素子の光出射側に光量調整手段を具備するように構成できる。

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ことができる。

この発明は、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をそれぞれＴ_１、Ｔ_２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周期構造の膜厚をＴ_ｍａｘとする場合、Ｔ_１はＴ_２より小さく、かつＴ_ｍａｘがＴ_１とＴ_２の間で設定することで、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。

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、第１ホログラム素子の膜厚が小さく設定され、膜厚の設定値がさらに規定されることで、入射角依存性の許容範囲が広く、且つ光束分割のバランスの精度が向上する。

また、膜厚が一定のホログラム素子を用いる構成とすることで、生産性を向上することができる。

また、この発明は、膜厚が一定のホログラム素子を用いた多段配列構成の光束分割素子において、ＬＤ等の光源の回転および位相差板による簡便な調整にて、ｐ偏向成分とｓ偏向成分の強度バランスが実現することができるとともに、光束分割素子として温度特性が改善される。

入射する光束の偏光が直線偏光を用いることで、膜厚が一定のホログラム素子を用いた多段配列構成の光束分割素子において、ＬＤ等の光源の回転および位相差板による簡便な調整にて、ｐ偏向成分とｓ偏向成分の強度バランスが実現できる。

入射する光束の偏光方向が、前記周期的な構造の配列方向を基準０°とし、前記周期的な構造の配列方向に対して４０°ないし４５°または１３０°ないし１３６°傾いているように構成することで、ｐ偏向成分とｓ偏向成分の強度バランスの精度が向上する。

入射する光束の偏光を円偏光にすることで、ＬＤ等の光源の回転および位相差板による調整なしで、ｐ偏向成分とｓ偏向成分の強度バランスが実現できる。

また、分割光束に光量調整手段を備えることで、温度変動の影響（光量変動）を更に抑制することができる。

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、この発明の実施形態におけ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、この発明の実施形態における光束分割素子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。

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５（ａ）、図５（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： Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）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−Ｐｏｌｙｍｅｒｉｚｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ）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６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３０を二枚の透明基板３１、３２間に挟んだ構成である。図７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７（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７（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。

ここで、図８にＨＰＤＬＣ（偏光ホログラム）素子の断面の概略構成を示す。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９（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９（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９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８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８、図９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８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。

図１０に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。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１１及び図１２に従い説明する。

図１１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１２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１３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。

次に、ホログラム素子の温度依存性に関して説明する。一般的に、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、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。

図１４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８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１５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１５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１４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。

そこで、図１６、図１７にΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す。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１６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１７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１６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１７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１６、図１７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１３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１０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。

次に、この発明の第２の実施形態につき図１８を参照して説明する。図１８は、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２のホログラム層１３、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１９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２０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１８、図２１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。なお、図１８においては、第１透過直進光１０ａは第２ホログラム素子２を透過する配置にしているが、第１透過直進光１０ａは第２ホログラム素子２を透過していない配置にしてもよい。

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２２、図２３、図２４に、ホログラム素子のΔｎ_Ｈ・Ｔと回折効率の関係を示す。し、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１８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２６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２６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３の実施形態における光束分割素子の概略構成を図２７、図２８に示す。この実施形態は、第１ホログラム１と第２ホログラム２の後段にそれぞれ光量調整手段３を備えている。図２７、図２８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３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３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３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。

以下、具体的実施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４μｍ〜１２μｍ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。表１に、膜厚４μｍ〜１２μｍ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。表１より、上記した組成物を用いた液晶ホログラム素子においては、膜厚が９μｍで最大回折効率が得られた。

続いて、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。

まず、第１、第２ホログラムともに、最大回折効率を得る膜厚９μｍより小さい範囲における膜厚４μｍと８μｍのホログラムを組み合わせて４種類の光束分割素子を作成した。その評価した結果を表２〜表５に示す。ここで、表２に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：４μｍ）、表３に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：４μｍ）、表４に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：８μｍ）、表５に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：８μｍ）である。

表２ないし表５から、４種類の光束分割素子において、温度２５°の特性から、表４に示す第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：８μｍ）以外は、均等な光束分割ができていないことがわかる。すなわち、表２に示す第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：４μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が３．２、表３に示す第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：４μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が０．１、表４に示す第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：８μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が１．４、表５に示す第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：４μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が０．０である。

この表２ないし表５からは、表４の構成の光束分割素子以外は、光束分割素子として適さないことがわかる。さらに、これら表２ないし表５からこれら素子は、２５℃〜５５℃と温度が上昇するに従い、第１、第２ホログラム素子共に回折効率が低下し、第１光束、第２光束とも温度による変動が大きい。よって、これら表２ないし表５に示す光束分割素子は、常温からの設定値からのパワーの温度変動を小さくすることはできなかった。

次に、第１ホログラムは最大回折効率を得る膜厚９μｍ以下で、第２ホログラムは最大回折効率を得る膜厚９μｍ以上として光束分割素子を作製した。そして、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。その結果を表６から表８に示す。また、比較のために、第１ホログラム、第２ホログラム共に最大回折効率を得る膜厚９μｍ以上として光束分割素子を作製した。その結果を表９から表１１に示す。

ここで、表６に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）、表７に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）、表８に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）である。

また、表９に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：１０μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）、表１０に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：９μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）、表１１に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：１０μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）である。

表６ないし表１１から、６種類の光束分割素子において、温度２５°の特性から、表６に示す第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）、表７に示す第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）以外は、均等な光束分割ができていないことがわかる。すなわち、表６に示す第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が１．４、表７に示す第１ホログラム（膜厚：４μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が１．４、表８に示す第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が０．０である。

また、表９に示す第１ホログラム（膜厚：１０μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が０．１、表１０に示す第１ホログラム（膜厚：９μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が０．０、表１１に示す第１ホログラム（膜厚：１０μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）のものでは、第１光束／第２光束が０．１である。

さらに、これら表６ないし表８から、これら素子は、２５℃〜５５℃と温度が上昇するに従い、第１ホログラム素子の回折効率は低下するが、逆に第２ホログラム素子の回折効率は上昇している。この結果、温度上昇による第１ホログラムの回折効率の低下と第２ホログラムの回折効率の増加がキャンセルされ、常温からの設定値からパワーの温度変動を小さくできる。

一方、表９ないし表１１から、これら素子は、２５℃〜５５℃と温度が上昇するに従い、第１、第２ホログラム素子の回折効率は共に上昇し、第１の光束、第２の光束とも温度による変動が大きい。よって、これら表９ないし表１１に示す光束分割素子は、常温からの設定値からのパワーの温度変動を小さくすることはできなかった。

上記のように、表２〜表１１において、均等な光束分割ができていない表４、表６、表７以外は、第１ホログラムの膜厚が第２ホログラムの膜厚より大きいか、または第１、第２ホログラムともに膜厚がほぼ同じである。また、表４、表６、表７の温度特性を比較すると、第１光束／第２光束、第１光束の変動率はほぼ同じであるが、第２光束の変動率は表４、表６、表７の順番に温度上昇に伴う変動率が小さくなっている。ここで、最大回折効率を得る膜厚９μｍを基準にすると、第１ホログラムの膜厚は表４、表６、表７の全てにおいて、９μｍよりも小さい。また、第２ホログラムの膜厚は、表４は９μｍよりも小さく、表６は９μｍ、表７は９μｍよりも大きい。すなわち、第１ホログラムの膜厚は最大回折効率を得る膜厚より小さく、第２ホログラムの膜厚は最大回折効率を得る膜厚より大きいことで、温度変動の小さい均等な光分割ができた。

（実施例２）
ホログラム層の膜厚を５．５μｍとする以外は実施例１と同様にして、液晶ホログラム素子を作製した。以下の表１２に回折効率特性を示す。特性はｐ偏向入射のものである。

上記の膜厚５．５μｍのホログラムを第１ホログラムとし、膜厚９〜１２μｍのホログラムを第２ホログラムとして組み合わせて４種類の光束分割素子を作製し評価した。表１３に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：５．５μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）、表１４に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：５．５μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）、表１５に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：５．５μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１１μｍ）、表１６に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：５．５μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１２μｍ）である。

上記した表１３から表１４の全ての組み合わせにおいて、第１光束／第２光束、第１光束の変動率はほぼ同じであるが、第２光束の変動率は若干異なっており、表１５が一番小さい。表１５の膜厚の組み合わせは、第１ホログラムの膜厚５．５μｍ、第２ホログラムの膜厚１１μｍであり、第１ホログラムの膜厚が第２ホログラムの膜厚の略半分であることで、温度上昇に伴う変動率が小さくなった。

（実施例３）
ホログラム素子への入射偏光はｐ偏光から４５°回転した偏向方向とする以外は、実施例１と同様の液晶ホログラム素子における回折効率特性を表１７に示す。

表１７より、上記した実施例１と同様に、膜厚が９μｍで最大回折効率が得られた。

続いて、作製した上記液晶ホログラムの２素子を用いて、実施例１と同じく、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４５°回転した偏向方向とし、配列素子間距離は約１０ｍｍとした。第１ホログラム素子、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。

その評価した結果を表１８〜表２４に示す。ここで、表１８に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：８μｍ）、表１９に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９μｍ）、表２０に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）、表２１に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：９μｍ）／第２ホログラム（膜厚：９ｍ）、表２２に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：９μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）、表２３に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：１０μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１０μｍ）、表２４に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：１０μｍ）／第２ホログラム（膜厚：８μｍ）である。

表１８〜表２２の全ての組み合わせにおいて、第１光束／第２光束はほぼ同じであり均等な光束分割ができた。また、２５℃〜５５℃付近における分割光束の変動率も小さく、表２０、表２１、表２２、表２４においては、変動率が１０％以内に収まった。特に、第１ホログラムの膜厚９μｍ、第２ホログラムの膜厚１０μｍの構成がよく、傾向としては実施例１と同様にして、最大回折効率を得る膜厚９μｍを基準にすると、第１ホログラムの膜厚は、最大回折効率を得る膜厚以下で、第２ホログラムの膜厚は最大回折効率を得る膜厚より大きいことで、温度変動の小さい均等な光分割ができた。

（実施例４）
膜厚４．５μｍの液晶ホログラム素子を実施例１と同様にして作製し、実施例１の液晶ホログラム素子と組み合わせて、図２７の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１、第２ホログラム素子３の膜厚およびホログラムの後段に設置したＮＤフィルター３の透過率を適宜設定し、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。その結果を表２５及び表２６に示す。

ここで、表２５に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：４．５μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１２μｍ）でＮＤフィルターを設けないもの、表２６に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：４．５μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１２μｍ）で第１光束に透過率７０％のＮＤフィルター設置したものである。

表２５及び表２６から第１光束にＮＤフィルターを設置して光強度を調整することで、第１光束／第２光束が１になり、等強度の分割光束が生成できることを確認した。

続いて、実施例１の液晶ホログラム素子を組み合わせて図２７の光束分割素子を作製した。ホログラム素子への入射偏光はｐ偏光から４５°回転した偏向方向とする以外は、前記と同様にして光束分割素子の温度特性を評価した。その結果を表２７及び表２８に示す。

ここで、表２７に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１１μｍ）でＮＤフィルターを設けないもの、表２８に示す光束分割素子は、第１ホログラム（膜厚：８μｍ）／第２ホログラム（膜厚：１１μｍ）で第１光束に透過率８０％のＮＤフィルター設置したものである。

表２７及び表２８から第１光束にＮＤフィルターを設置して光強度を調整することで、第１光束／第２光束が１になり、等強度の分割光束が生成できた。

この表２５から表２８により、入射する偏光方向によらず光量調整手段を設けることで、広い温度範囲において等しい強度の分割光束が生成できた。

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。 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。 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。 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 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。

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 光量調整手段、１１、１２、２１、２２ 基板、１３、２３ ホログラム層、１００ 光束分割素子。

Claims (10)

1. 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する温度依存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、第２ホログラムの順に配列し、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てなる光束分割素子において、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をそれぞれＴ_１、Ｔ_２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周期構造の膜厚をＴ_ｍａｘとする場合、Ｔ_１はＴ_２より小さく、かつＴ_ｍａｘがＴ_１とＴ_２の間であることを特徴とする光束分割素子。
2. 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１に記載の光束分割素子。
3. 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１または２に記載の光束分割素子。
4. 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する温度依存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、第２ホログラムの順に配列し、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てなる光束分割素子において、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をそれぞれＴ_１、Ｔ_２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周期構造の膜厚をＴ_ｍａｘとする場合、Ｔ_１はＴ_２以下で、かつＴ_ｍａｘがＴ_１とＴ_２より小さいことを特徴とする光束分割素子。
5. 前記周期的な構造の配列方向に略平行な方向をｐ偏光、前記周期的な構造の配列方向に略垂直な方向をｓ偏光とし、前記ホログラム素子への入射光束のｐ偏光成分とｓ偏光成分の強度が略均等になる偏光光束が入射されてなることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光束分割素子。
6. 前記入射する光束の偏光が直線偏光であることを特徴とする請求項５に記載の光束分割素子。
7. 前記入射する光束の偏光方向が、前記周期的な構造の配列方向を基準０°とし、前記周期的な構造の配列方向に対して４０°ないし４５°または１３０°ないし１３６°傾いていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光束分割素子。
8. 前記入射する光束の偏光が円偏光であることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光束分割素子。
9. 前記ホログラム素子の光出射側に光量調整手段を具備したことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光束分割素子。
10. 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９のいずれか１項に記載の光束分割素子。

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