JP2004347784A

JP2004347784A - Reflection type optical element

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Publication number: JP2004347784A
Application number: JP2003143482A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Shibata; 諭柴田; Hisashi Watanabe; 寿史渡辺; Wataru Horie; 亘堀江
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-05-21
Filing date: 2003-05-21
Publication date: 2004-12-09

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a reflection type hologram optical element capable of lowering driving voltage as compared with conventional one and/or attaining a broad band. <P>SOLUTION: The liquid crystal optical element has a volumetric hologram layer 8 between a pair of substrates 4 and 6. The volumetric hologram layer 8 comprises first and second volumetric hologram layers 10 and 12 laminated in this order from a light incident side to be nearly parallel to the normal direction of the substrates and at least the first volumetric hologram layer 10 is a transmission type volumetric hologram layer. The first and second volumetric hologram layers form at least one oblique refractive index modulation structure wherein a refractive index is regularly changed in a grating vector direction forming a prescribed angle with the normal direction of the surfaces of the substrates either in a state where voltage is applied or the state where no voltage is applied. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は反射型光学素子に関し、特に、体積ホログラム層を備える位相型体積ホログラム光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
位相型体積ホログラム光学素子は、所定の方向に屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成するホログラム層を備える。位相型体積ホログラム光学素子は、ブラッグの反射の原理により、特定の波長の光を選択的に反射、あるいは回折させることが可能である。位相型体積ホログラム光学素子は様々な素子に応用されている。
【０００３】
例えば特許文献１は、透過型ホログラム層と反射層とを組み合わせることにより、散乱性、オフアクシス性が付与された反射板を開示している。特許文献２は、屈折率可変な層を用いることにより、スイッチング可能なホログラム光学素子を開示している。
【０００４】
非特許文献１、特許文献３および特許文献４は、高分子分散型液晶素子（ＰＤＬＣ）を応用した反射型ホログラム光学素子を開示している。この反射型ホログラム光学素子は、図８に示すように一対の電極付き基板５０、５２と、これらの基板５０、５２間に挟持された体積ホログラム層５４とを有している。体積ホログラム層５４は、基板５０、５２の法線方向に沿って液晶層５６と高分子層５８とが交互に積層された多層構造を形成しており、体積ホログラム層５４内で基板の法線方向に沿って屈折率が周期的に変化している。液晶層５６は液晶ドロップレットを含んでいる。上記のホログラム光学素子はホログラフィックＰＤＬＣと呼ばれることがあり、電気的にスイッチング可能なホログラム光学素子である。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−２２２５１２号公報
【特許文献２】
ＵＳＰ４７８６１２８号
【特許文献３】
特開平４−１７８６２４号公報
【特許文献４】
特開平４−３５５４２４号公報
【非特許文献１】
ＳＰＩＥ，ｖｏｌ．１５５５，２７９−２９０，（１９９１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来の反射型ホログラフィックＰＤＬＣの体積ホログラム層５４は、図８に示したように基板の法線方向に沿って液晶層５６と高分子層５８とが交互に積層された多層構造を形成している。
【０００７】
例えば、この反射型ホログラム光学素子の回折波長λを５５０ｎｍとすると、液晶層５６および高分子層５８の厚さｄ（＝（λ／２ｎ）×（１／２））はそれぞれ９０ｎｍである。なお、ここでは、屈折率ｎを１．５とし、液晶層５６と高分子層５８との厚さが互いに等しいと見積もっている。
【０００８】
液晶ドロップレットを含む液晶層をスイッチングするための駆動電圧は、液晶ドロップレットの径に反比例する。駆動電圧を低くするには、液晶ドロップレットの径を大きくすることが要求されるが、上述した従来の反射型ホログラフィックＰＤＬＣでは、液晶層の厚さ９０ｎｍよりも液晶ドロップレットのサイズを大きくすることができない。このため、液晶層の駆動電圧が高いという問題がある。
【０００９】
また一般に、位相型体積ホログラム光学素子は、ブラッグの条件を満たす特定波長の光を選択的に反射、あるいは回折させることができるが、使用可能な入射光の波長帯域が狭いという問題もある。
【００１０】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、従来よりも駆動電圧を低くでき、および／またはブロードバンド化が可能な反射型ホログラム光学素子を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の反射型光学素子は、一対の基板間に、体積ホログラム層を有する反射型光学素子であって、前記体積ホログラム層は、前記基板の法線方向に略平行に、光の入射側からこの順に積層された第１体積ホログラム層および第２体積ホログラム層を含み、少なくとも前記第１体積ホログラム層は、透過型体積ホログラム層であり、前記第１体積ホログラム層および前記第２体積ホログラム層は、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において、前記基板の表面の法線方向に対して所定の角度をなすグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化する少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成し、これにより上記の課題が解決される。
【００１２】
前記第１体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成してもよい。
【００１３】
前記第２体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成してもよい。
【００１４】
前記第２体積ホログラム層は透過型体積ホログラム層であってもよい。
【００１５】
前記第２体積ホログラム層は反射型体積ホログラム層であってもよい。
【００１６】
前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、液晶材料および高分子材料を含む液晶ホログラム層によって形成され、前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有してもよい。
【００１７】
前記液晶ホログラム層は、液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、前記液晶リッチ層は液晶ドロップレットを含んでもよい。
【００１８】
前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、前記高分子リッチ層は一軸異方性を有し、電圧無印加時において、前記液晶リッチ層は、ホモジニアス配向をとり、その遅相軸は前記高分子リッチ層の遅相軸と略平行であり、前記液晶材料の異常光屈折率をｎ_ｅ、常光屈折率をｎ_ｏとし、前記高分子材料の異常光屈折率をｎｐ_ｅ、常光屈折率をｎｐ_ｏとすると、ｎｐ_ｅ＝ｎ_ｅ、且つ、ｎｐ_ｏ＝ｎ_ｏの関係を満足してもよい。
【００１９】
電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略平行であってもよい。
【００２０】
電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略直交してもよい。
【００２１】
前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、第１の傾斜屈折率変調構造および第２の傾斜屈折率変調構造を含み、前記第１体積ホログラム層は前記第１の傾斜屈折率変調構造を形成し、かつ、前記第２体積ホログラム層は前記第２の傾斜屈折率変調構造を形成し、前記第１傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第１の角度をなす第１のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第２傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第２の角度をなす第２のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第１のグレーティングベクトルおよび前記第２のグレーティングベクトルは入射面内に含まれてもよい。
【００２２】
前記第１体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第１のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ１である第１の層および第２の層を、前記第１のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第１体積ホログラム層の膜厚をｔ１、前記第１のグレーティングベクトルの傾斜角をφ１とすると、ｔ１＝５．８μｍ、φ１＝１００°、２４０ｎｍ≦Ｄ１≦１３００ｎｍであり、前記第２体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第２のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ２である第３の層および第４の層を、前記第２のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第２体積ホログラム層の膜厚をｔ２、前記第２のグレーティングベクトルの傾斜角をφ２とすると、ｔ２＝５．８μｍ、φ２＝３０°、８５０ｎｍ≦Ｄ２≦１１５０ｎｍであってもよい。
【００２３】
図１は、本発明の反射型光学素子２を模式的に示す図である。
【００２４】
本発明の反射型光学素子２は、一対の基板４および６の間に、体積ホログラム層８を有している。体積ホログラム層８は、少なくとも、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２を含んでいる。上記第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、基板４および６の法線方向に略平行に積層されており、光の入射側から、第１体積ホログラム層１０、第２体積ホログラム層１２の順に配置されている。
【００２５】
第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のうち、少なくとも第１体積ホログラム層１０は、透過型体積ホログラム層である。また、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において、基板４、６の表面の法線方向から所定の角度をなすグレーティングベクトル方向に対して屈折率が規則的に変化する少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００２６】
具体的には、例えば第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のうち、少なくとも一方の体積ホログラム層は、電圧のオン／オフによって屈折率が変化し、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において傾斜屈折率変調構造を形成する。上記少なくとも一方の体積ホログラム層が傾斜屈折率変調構造を形成する場合、反射型光学素子は光の回折、反射、散乱状態を実現でき、上記少なくとも一方の体積ホログラム層が傾斜屈折率変調構造を形成しない場合、反射型光学素子は光の透過状態を実現できる。すなわち、本発明の反射型光学素子では、屈折率変化を利用して、電圧のオン／オフによって光の透過状態と、光の回折、反射、散乱状態とがスイッチングされる。なお、図１では、第１体積ホログラム層１０が傾斜屈折率変調構造を形成する場合を示すが本発明はこれに限定されない。
【００２７】
以下の説明では、代表的な例として透過状態と回折状態との間のスイッチングについて説明する。また、体積ホログラム層がスイッチング可能であるときには、特に断りがない限り、傾斜屈折率変調構造を形成している場合を説明する。
【００２８】
本発明の反射型光学素子２は、体積ホログラム層８が、少なくとも２つの体積ホログラム層１０（透過型体積ホログラム層）および１２を含んでいるため、体積ホログラム層が単一の反射型体積ホログラム層で構成されている場合に比べて、入射光のブロードバンド化が可能である。
【００２９】
ここで、反射型体積ホログラム層とは、基板４の法線方向に平行な方向からの入射光を入射側（基板４側）に出射させるホログラム層を示し、透過型体積ホログラム層とは、基板４の法線方向に平行な方向からの入射光を出射側（基板６側）に出射させるホログラム層を示すものとする。
【００３０】
さらに本発明の反射型光学素子２では、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のうちの少なくとも一方が傾斜屈折率変調構造を形成する場合、この傾斜屈折率変調構造を形成する体積ホログラム層の屈折率変化の周期を、単層の反射型体積ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成した場合の屈折率変化の周期よりも大きくすることができる。
【００３１】
本発明の反射型光学素子２では、第１体積ホログラム層１０が透過型体積ホログラム層であり、かつ、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２が少なくとも１つの傾斜屈折率変調構造を形成できれば、第２体積ホログラム層１２は透過型体積ホログラム層および反射型体積ホログラム層のいずれであってもよい。
【００３２】
ある一実施形態では、第１体積ホログラム層１０または第２体積ホログラム層１２が、上記少なくとも１つの傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００３３】
また他の実施形態では、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のそれぞれが異なる傾斜屈折率変調構造を形成することにより、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、２つの傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００３４】
以下、図２〜図５を参照しながら体積ホログラム層８の具体例を説明する。以下の説明では、第１体積ホログラム層８および第２体積ホログラム層１０の両方がそれぞれ、傾斜屈折率変調構造を形成する場合を例示する。また、第１、第２体積ホログラム層はいずれも、屈折率の異なる２種類の層が交互に積層された多層膜であり、多層膜の積層方向に屈折率が規則的に変化する場合を例示する。
【００３５】
図２（ａ）は体積ホログラム層８を模式的に示す図である。図２（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、体積ホログラム層８に入射した光の回折を説明するために、体積ホログラム層８から第１体積ホログラム層１０または第２体積ホログラム層１１２を分離して示した図である。図３は、傾斜屈折率変調構造を説明するための図である。
【００３６】
上述したように体積ホログラム層８は、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２を含んでおり（図２（ａ））、少なくとも第１体積ホログラム層１０は透過型体積ホログラム層である。また、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、いずれも、基板４、６（図１参照）の法線方向（Ｚ軸方向）から傾斜した方向に対して屈折率が規則的に変化する傾斜屈折率変調構造を形成する。
【００３７】
傾斜屈折率変調構造を形成する体積ホログラム層を説明するために、図３を参照しながら以下のように規定する。図３に示す体積ホログラム層１４は、屈折率の異なる２種類の層１４Ａおよび１４Ｂを交互に有している。この体積ホログラム層は、層１４Ａおよび１４Ｂが、基板１５の法線方向に対して所定の傾斜角で交互に積層されることにより、基板１５の法線方向に対して所定の角度をなすグレーティングベクトルＫの方向に屈折率が規則的に変化する傾斜屈折率変調構造を形成している。
【００３８】
体積ホログラム層を支持する基板１５の法線方向をＺ軸とし、グレーティングベクトルＫをＹＺ面内に含むように右手直交座標系（Ｘ、Ｙ、Ｚ）を規定する。なお、グレーティングベクトルＫは、層１４Ａおよび層１４Ｂの層面の法線方向に平行なベクトルを示す。グレーティングベクトルＫのなす角度は、グレーティングベクトルＫとＺ軸方向とのなす角度φで示す。この角度φは、Ｘ軸（正）の方向から見て反時計回りを正とする。以下、グレーティングベクトルのなす角度を層１４Ａ、１４Ｂの傾斜角φという場合がある。
【００３９】
層１４Ａと１４Ｂとは、互いに等しい厚さＤを有しているとする。厚さＤはグレーティングベクトルＫの方向と平行な方向の層の厚さを示す。なお、以下では、体積ホログラム層に含まれる屈折率の異なる層１４Ａ、１４Ｂの厚さＤを「層間隔」といい、体積ホログラム層自体の厚さ（図３にｔで示す）を「膜厚」といい、両者を区別することにする。体積ホログラム層の膜厚ｔはＺ軸方向の長さで表す。図３中で、Ｒは体積ホログラム層に対する入射光を示し、Ｓは出射光を示す。また、上記入射光の入射角度は、図３に示すように、Ｚ軸に対する角度θで表す。
【００４０】
それぞれが傾斜屈折率変調構造を形成する第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２を用いて反射型光学素子を構成するには、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、所定の条件を満たすように積層される。図４は、第１体積ホログラム層１０（厚さｔ１）のグレーティングベクトルＫ１および第２体積ホログラム層１２（厚さｔ２）のグレーティングベクトルＫ２と、入射面との関係を模式的に示す図である。
【００４１】
第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は図４に示すように、第１体積ホログラム層１０のグレーティングベクトルＫ１および第２体積ホログラム層１２のグレーティングベクトルＫ２が同一面内に含まれように積層される。グレーティングベクトルＫ１およびＫ２が同一面内に含まれれば、第１体積ホログラム層１０で回折された光を、第２体積ホログラム層１２によって回折させることができる。
【００４２】
さらに、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は図４に示すように、グレーティングベクトルＫ１およびＫ２が、反射型光学素子に対する入射光（外光）の入射面に含まれるように積層される。回折格子は、回折条件が満たされる方向（回折格子の主断面）と入射面とが一致する時に、最も高い効率で光を回折させることができるからである。
【００４３】
以上説明したように、それぞれが傾斜屈折率変調構造を形成する２つの体積ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成するには、各体積ホログラム層のグレーティングベクトルＫ１とＫ２とが、入射面に含まれるように各体積ホログラム層が積層される。
【００４４】
以下、図２を参照しながら、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２による光の回折を説明する。
【００４５】
ある入射角θ１で体積ホログラム層８に入射した光Ａ１は、図２（ｂ）に示すように、まず、入射側に配置された第１体積ホログラム層１０に入射角θ１で入射する。上記入射光Ａ１は第１体積ホログラム層１０によって回折され、第１体積ホログラム層１０の出射側に出射角θ２で出射する（出射光Ａ２）。第１体積ホログラム層１０を出射した光Ａ２は、次に図２（ｃ）に示すように第２体積ホログラム層１２に入射角θ２で入射する。
【００４６】
図４を参照して説明したように、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２は、グレーティングベクトルＫ１とグレーティングベクトルＫ２とが入射面に含まれるように積層されているため、上記入射光Ａ２は第２体積ホログラム層１２によって角度θ３に回折された後、第１体積ホログラム層１０側に出射する（出射光Ａ３）。
【００４７】
出射光Ａ３は、入射角θ３で第１体積ホログラム層１０に再び入射し、第１体積ホログラム層１０によって回折された後、出射角θ４で出射する（出射光Ａ４）。
【００４８】
結果として、体積ホログラム層８に入射角θ１で入射した光は、第１および第２体積ホログラム層１０、１２を介して、入射基板４側に出射角θ４で出射する。すなわち、上記体積ホログラム層８を用いることにより、入射角θ１で入射した光を出射角θ４で反射させることのできる反射型光学素子が構成される。
【００４９】
第１および第２体積ホログラム層１０、１２のグレーティングベクトルＫ１、Ｋ２および層間隔Ｄ１、Ｄ２は、第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれに対する入射光を、高い効率で回折させることができるように適宜設計される。後述する実施形態でグレーティングベクトルおよび層間隔の具体的な値を示すが、本発明はこれに限定されない。ただし、グレーティングベクトルおよび層間隔は、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が、第２体積ホログラム層１２で回折された後、再び第１体積ホログラム層１０に入射する際に、第１体積ホログラム層１０で２度目の回折が起こるように、ブラッグ条件から大きく外れないように設計されることが好ましい。
【００５０】
以下に、第１および第２体積ホログラム層１０、１２のグレーティングベクトルおよび層間隔の設計方法を説明する。
【００５１】
ブラッグ条件を完全に満足させるには、例えば、入射光（外光）が、第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２をこの順に通った経路と同じ経路を通って、第２体積ホログラム層１２から第１体積ホログラム層１０を通り、第１体積ホログラム層１０から出射するように設計すればよい。すなわち、入射面の法線方向から見て、入射光Ａ２のベクトルと出射光Ａ３のベクトルとが１８０度回転対称になるように設計すれば、入射光Ａ１のベクトルと出射光Ａ４のベクトルとを１８０度回転対称にできる。
【００５２】
具体的には、例えば第１体積ホログラム層１０が−３０度入射（θ１）、０度出射（θ２）のプロファイルを持つ場合、第２体積ホログラム層１２によって、第１体積ホログラム層１０に−１８０度（θ３）で再入射させることができれば、第１体積ホログラム層１０から−３０度（θ４）で出射させることができる。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のグレーティングベクトルおよび層間隔は、上記の条件を満たすように一般的に知られるブラッグの式に従って容易に算出される。
【００５３】
ブラッグ条件から外れるような配置で再入射する場合は、第１および第２体積ホログラム層１０、１２の回折効率が８０％を下回らないようにグレーティングベクトルおよび層間隔を設計することが望ましい。このグレーティングベクトルおよび層間隔の設計の詳細は、Ｋｏｇｅｌｎｉｋの結合波理論、ＢｅｌｌＳｙｓ．Ｔｅｃｈ．Ｊ．４８，２９０９−２９４７（１９６９）に示されている。
【００５４】
本発明の傾斜型屈折率変調構造は、液晶材料および高分子材料を含む液晶ホログラム層によって形成されることが好ましい。液晶ホログラム層は、所定の傾斜方向に対して液晶材料の含有率が規則的に変化するように形成され、電圧印加状態または電圧無印加状態において、その傾斜方向に屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成する。
【００５５】
液晶材料は電圧のオンオフによって屈折率が変化するので、この屈折率変化を利用することにより、液晶ホログラム層をスイッチング層として用いることができる。基板４および６の体積ホログラム層８側表面に例えばＩＴＯなどの透明電極を設け、透明電極に印加する電圧を制御することにより、液晶ホログラム層の屈折率が電圧の大きさに応じて変化し、透過状態と回折状態とがスイッチングされる。
【００５６】
液晶ホログラム層は、例えば、高分子リッチ層と液晶リッチ層とを含み、高分子リッチ層と液晶リッチ層とが交互に積層されて形成される。ここで、液晶リッチ層とは、液晶ホログラム層における液晶材料の平均組成（体積分率）を超える液晶材料を含む層をいい、高分子リッチ層とは、液晶ホログラム層における液晶材料の平均組成未満の液晶材料を含む層をいう。
【００５７】
図５（ａ）は、本発明に適用可能な液晶ホログラム層２０の一例を模式的に示す図である。
【００５８】
液晶ホログラム層２０は、例えば図５（ａ）に示すように高分子リッチ層２２と液晶リッチ層２４とが、基板の表面の法線方向（Ｚ軸方向）から傾斜した方向に対して交互に積層されて形成される。液晶ホログラム層２０は、液晶リッチ層２４が液晶ドロップレット２６を含むホログラフィックＰＤＬＣである。
【００５９】
なお、図５（ａ）では、液晶ホログラム層２０において高分子リッチ層２２と液晶リッチ層２４とが明確に分離されている場合を示しているが、実際には、高分子リッチ層２２と液晶リッチ層２４とは明確に分離されておらず、液晶ホログラム層２０内で屈折率は除々に変化している。ただし、以下では簡単のために、高分子層２２は液晶材料を含まない高分子層であり、液晶層２４は高分子材料を含まない液晶層である場合について説明する。
【００６０】
以下、液晶ドロップレット２６を含む液晶ホログラム層２０の光の透過状態と、光の回折状態とのスイッチングを説明する。なお、液晶層２４の屈折率は、液晶層２４の法線方向から入射する光に対する屈折率である。液晶材料は一軸性複屈折材料であり、常光屈折率ｎ_ｏおよび、異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｅ＞ｎ_ｏ）を有する。
【００６１】
液晶層２４が液晶ドロップレット２６を含む場合、液晶層２４の屈折率は、電圧無印加時に（２ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／３にほぼ等しく、印加電圧を０Ｖから大きくするに伴って屈折率が小さくなり、最終的には印加電圧に拘わらず、ほぼ一定値（飽和値）をとるようになる。この飽和値は、常光屈折率ｎ_ｏにほぼ等しい。以下、屈折率が飽和値に達するときの印加電圧を、飽和電圧Ｖ_ｓａｔと称する場合がある。
【００６２】
高分子層２２は、高分子層の屈折率ｎｐが例えば液晶層２４の常光屈折率ｎ_ｏにほぼ等しくなるように設定される。高分子層２４の屈折率ｎｐが上記のように設定されている場合、液晶ホログラム層２０に飽和電圧Ｖ_ｓａｔを印加すると、高分子層２４の屈折率ｎｐが液晶層２４の屈折率ｎＬＣ（＝ｎ_ｏ）とほぼ等しくなる。従って、液晶ホログラム層２０に例えば白色光を入射させると、透過させることができる。
【００６３】
一方、電圧無印加時には、高分子層２２の屈折率ｎｐは、液晶層２４の屈折率ｎＬＣ（＝（２ｎ_ｏ＋ｎ_ｅ）／３）と異なるため、液晶ホログラム層２０に例えば白色光を入射させると、高分子層２２と液晶層２４との繰り返しピッチに対応したブラッグの条件を満たす特定波長の光を回折させることができる。
【００６４】
以上説明したように液晶ホログラム層２０では、光の透過状態と回折状態とがスイッチングされる。
【００６５】
上述した液晶ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成すると、傾斜屈折率変調構造を有しない単層の反射型液晶ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成する場合に比べて、駆動電圧を低くできるという効果が得られる。この理由を以下に説明する。
【００６６】
一般に、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）素子の駆動電圧Ｖは、下記の式（１）で表される。
【００６７】
【数１】

【００６８】
なお、高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）素子は、一対の電極基板の間に液晶材料を含むＰＤＬＣ層が配置された素子であり、ＰＤＬＣ層は、高分子マトリクスと、高分子マトリクス中に分散している液晶ドロップレットとを含む。上記式（１）において、ｄはＰＤＬＣ層の膜厚、ａは液晶ドロップレット径、σｌｃは液晶の導電率、σｐは高分子の導電率、ｋ３３は弾性定数、Δεは誘電率異方性、ｌは液晶ドロップレットの形状を表す因子であり、ｌ＝（長軸の長さ／短軸の長さ）で示される。上記式（１）から分かるように、ＰＤＬＣ素子の駆動電圧は、液晶ドロップレットの径に反比例する。
【００６９】
上記高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）素子と同様に、図５（ａ）に示した液晶ホログラム層２０も液晶ドロプレット２６を含んでいるため、液晶ドロップレット２６の径を大きくすれば駆動電圧を低減できる。
【００７０】
例えば図８に示したように、回折波長が５５０ｎｍの反射型ホログラム光学素子を従来の構成（基板の法線方向に液晶層と高分子層とが交互に積層された構成）で作製すると、液晶層５６および高分子層５８の厚さはそれぞれ９０ｎｍである。なお、ここでは、屈折率ｎを１．５、液晶層５６と高分子層５８との厚さが互いに等しいと見積もっている。従って、従来の反射型ホログラム光学素子では、９０ｎｍよりも液晶ドロップレットのサイズを大きくすることができない。
【００７１】
一方、体積ホログラム層８を、例えばそれぞれが傾斜屈折率変調構造を形成する第１体積ホログラム層１０と第２体積ホログラム層１２とを用いて形成し、第１体積ホログラム層１０のグレーティングベクトルＫ１の傾斜角φ１を１００度とし、その層間隔Ｄ１（液晶層および高分子層のそれぞれの厚さに対応）を３００ｎｍとし、第２体積ホログラム層１２のグレーティングベクトルＫ２の傾斜角φ２を３０度とし、その層間隔Ｄ２を１１５０ｎｍとすれば、上記の反射型ホログラム光学素子と同様に波長５５０ｎｍの光を回折する。
【００７２】
例えば第２体積ホログラム層１２に液晶ホログラム層２０を用いれば、液晶ドロップレットの径を最大で１１５０ｎｍにまで大きくすることが可能となる。上記式（１）に示したように、駆動電圧は液晶ドロップレットの径に反比例するため、上記反射型光学素子は、従来の反射型光学素子よりも駆動電圧が低い。
【００７３】
以上説明したように、液晶ホログラム層２０を用いて反射型光学素子を構成すると、傾斜屈折率変調構造を有しない単層の反射型液晶ホログラム層を用いて反射型光学素子を構成する場合に比べて、駆動電圧を低くできる。
【００７４】
第１体積ホログラム層１０および第２体積ホログラム層１２のいずれか一方を上記液晶ホログラム層によって形成する場合、層間隔Ｄのより大きい体積ホログラム層を上記液晶ホログラム層によって形成することが好ましい。駆動電圧をより低くできるからである。
【００７５】
本発明に適用される液晶ホログラム層２０は、上述した液晶ドロップレットを含むタイプのものに限られない。図５（ｂ）は、液晶ドロップレットを含まない実施形態の液晶ホログラム層２０（電圧無印加状態）の一例を模式的に示す図である。図５（ｂ）に示す液晶ホログラム層２０では、液晶層２４に含まれる液晶分子３０が電圧無印加時にホモジニアス配向（平行配向）をとる。また、高分子層２２は、一軸光学異方性を有し、その異常光屈折率をｎｐ_ｅとし、常光屈折率をｎｐ_ｏとすると、ｎｐ_ｅ＝ｎ_ｅ、且つ、ｎｐ_ｏ＝ｎ_ｏの関係を満足するように設定される。高分子層２２は、例えば液晶性モノマー２８を用いて形成される。ここで、ホモジニアス配向とは、液晶分子の長軸方向が液晶層の両側に配置される基板面に略平行な配向状態をいう。
【００７６】
上述の電圧無印加時に液晶分子がホモジニアス配向をとる液晶ホログラム層を有する反射型光学素子については、後の実施形態で図６および図７を参照して詳細に説明する。この反射型光学素子では、従来よりもブロードバンド化できるという効果に加えて、液晶ドロップレットを含むタイプの反射型光学素子に比べて、液晶層２４と高分子層２２との屈折率差を大きくできるため、回折効率をより高くすることができるという効果を得ることができる。液晶ホログラム層２０の回折効率は、液晶層２４と高分子層２２との屈折率差が大きいほど高いが、液晶層２４が液晶ドロップレットを含む場合、この屈折率差は最大で（ｎ_ｅ−ｎ_ｏ）／３であるのに対し、上記ホモジニアス配向をとるタイプの場合、一軸光学異方性を有する高分子層と組み合わせることにより、上記屈折率差を最大でｎｅ−ｎｏとすることができるためである。
【００７７】
以下、実施形態を説明する。以下の実施形態では、第１および第２体積ホログラム層のいずれもが、基板の表面の法線方向から傾斜した方向に対して屈折率が規則的に変化する屈折率変調構造を形成し、透過型体積ホログラム層である場合を例示するが、本発明はこれに限定されない。
【００７８】
また、以下の全ての実施形態の反射型光学素子は、入射角（図２（ｂ）のθ１）−３０度の光を−０．５度の出射角（図２（ｄ）のθ４）で反射させることができる反射型光学素子であり、全ての実施形態の反射型光学素子で、第１および第２体積ホログラム層のグレーティングベクトル、層間隔、および膜厚等を共通にするが、本発明はこれに限定されない。グレーティングベクトルの方向、層間隔等を適宜設計することにより、所望の反射特性を備える反射型光学素子が提供される。
【００７９】
（実施形態１）
実施形態１の反射型光学素子は、第１体積ホログラム層１０が、液晶ドロップレットを含むホログラフィックＰＤＬＣで構成されている。
【００８０】
（第１体積ホログラム層１０の作製方法）
ホログラム感剤として、イソボルニルアクリレート（日本化薬社製）を３５重量部、ＨＤＤＡ（日本化薬社製）を１５重量部、ＴＬ２１３（メルク社製）を５０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【００８１】
一対の透明電極付き基板を有する液晶セルに上記ホログラム感剤を注入し、Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を入射角３７度、−１７度で入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。なお入射角は、媒質内での角度である。
【００８２】
（第２体積ホログラム層１２の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、−５３度、−６６．７度の入射角で上記ホログラム感剤に入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【００８３】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【００８４】
以上により、実施形態１の反射型光学素子が得られる。
【００８５】
本実施形態１の反射型光学素子では、電圧無印加状態の時、第１体積ホログラム層１０において、液晶層の屈折率は（２ｎｏ＋ｎｅ）／３であり、高分子層の屈折率はほぼｎｏに等しい。従って、高分子層と液晶層との屈折率が互いに異なるため、回折が起こる。
【００８６】
第１体積ホログラム層１０に入射角−３０度（図２（ｂ）のθ１）で入射した波長５５０ｎｍの光は、３９．５度（図２（ｂ）のθ２）の角度に回折されて第２体積ホログラム層１２に入射する。第２体積ホログラム層１２で回折された光は−１５９．５度（図２（ｃ）のθ３）の角度で出射し、再び第１体積ホログラム層１０に入射して−０．５度（図２（ｄ）のθ４）の方向に回折され、出射する。
【００８７】
電圧印加状態の時は、液晶層の屈折率はおおむね液晶分子の常光屈折率ｎｏを示し、高分子層の屈折率と一致するため、ホログラムによる回折は起こらず、入射した光はそのまま透過する。以上説明したように、本実施形態の反射型光学素子は、電気的にスイッチング可能である。
【００８８】
なお、第２体積ホログラム層１２を干渉露光によって作製する際に、散乱膜やマイクロレンズアレイの拡散プロファイルを転写すれば、拡散反射プロファイルを有する反射型光学素子を作製できる。この場合、視認性を高くできるという効果が得られる。
【００８９】
（実施形態２）
実施形態２の反射型光学素子は、第２体積ホログラム層１２が、液晶ドロップレットを含むホログラフィックＰＤＬＣで構成されている。
【００９０】
（第１体積ホログラム１０の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光をホログラム感剤の一方の面に対して入射角３７度、−１７度で入射させて干渉露光させた後、１２０度のオーブンで２時間加熱、現像処理を行った。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【００９１】
（第２体積ホログラム層１２の作製方法）
ホログラム感剤として、イソボルニルアクリレート（日本化薬社製）を３５重量部、ＨＤＤＡ（日本化薬社製）を１５重量部、ＴＬ２１３（メルク社製）を５０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【００９２】
一対の透明電極つき基板を有する液晶セルに上記ホログラム感剤を注入し、Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、一方の面に対して−５３度、−６６．７度の入射角で入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラム（ホログラフィックＰＤＬＣ）を作製した。
【００９３】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【００９４】
以上により、実施形態２の反射型光学素子が得られる。
【００９５】
本実施形態２でも上述した実施形態１と同様に、電圧無印加状態の時に回折状態が実現し、電圧印加状態の時に透過状態が実現し、スイッチング可能である。また、実施形態１と同様に、入射角−３０度の光を−０．５度の出射角で反射させることができる。
【００９６】
（実施形態３）
実施形態３の反射型光学素子は、第２体積ホログラム層１２が液晶ホログラム層であり、第２体積ホログラム層１２の液晶層に含まれる液晶分子は、電圧無印加時にホモジニアス配向をとる。実施形態３の反射型光学素子は、偏光選択性を有する。
【００９７】
（第１体積ホログラム１０の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、ホログラム感剤の一方の面に対して入射角３７度、−１７度で入射させて干渉露光させた後、１２０度のオーブンで２時間加熱し、現像処理を行った。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【００９８】
（第２体積ホログラム１２の作製方法）
ホログラム感剤として、光学異方性を有する液晶性モノマーＤＡＭ１１１３（住友化学社製）を２０重量部、液晶材料ＡＳＥＴ００６（メルク社製）を８０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【００９９】
配向処理を施した一対の透明電極つき基板を有する液晶セルに、上記ホログラム感剤を注入し、Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、一方の面に対して−５３度、−６６．７度の入射角で入射させて、干渉露光させた。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【０１００】
図６（ａ）は本実施形態の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層１２のうち、Ａ部分のみを模式的に示す図である。なお、（ｂ）は電圧無印加状態を示し、（ｃ）は電圧印加状態を示している。
【０１０１】
本実施形態の反射型光学素子は、２枚の基板４および６、および上記基板の間に配置された体積ホログラム層８を有している。基板４および６には、透明電極が形成されている。本実施形態の反射型光学素子では第２体積ホログラム１２において、図６（ｂ）に示すように、高分子層２２の遅相軸（液晶性モノマー２８の長軸に平行な方向）および液晶層２４の遅相軸（液晶分子３０の長軸に平行な方向）は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行になるように配置される。また、高分子層２２の遅相軸および液晶層２４の遅相軸は、高分子層２２および液晶層２４の層面３２に略垂直になるように配置される。
【０１０２】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【０１０３】
以上により、実施形態３の反射型光学素子が得られる。
【０１０４】
本実施形態の反射型光学素子では、第２体積ホログラム層１２を形成するために屈折率異方性を有する液晶性モノマー（液晶性アクリレート）を用いており、その常光屈折率および異常光屈折率は、液晶材料の値とほぼ等しい。また、上述したように、高分子層２２の遅相軸および液晶層２４の遅相軸は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行になるように配置されている。
【０１０５】
このため、第２体積ホログラム層１２の入射光に対する、高分子層２２および液晶層２４の屈折率はいずれも、入射光の偏光方向にかかわらず等しい。従って、電圧無印加状態では、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、その入射光は、図６（ｂ）に示すように、偏光方向に拘わらず、第２体積ホログラム層１２で回折されないで、そのまま透過する。
【０１０６】
上記電圧無印加状態では図６（ｂ）に示したように、液晶分子３０は、その長軸方向が基板４および６の表面に平行になるように配向していたが、電圧印加状態では図６（ｃ）に示すように、基板４および６の表面に直交する（基板４および６の法線方向に平行になる）ように配向する。一方、液晶性モノマー２８は重合によって固定されているため、配向状態は変化しない。従って、電圧無印加状態から電圧印加状態にすると、液晶層２４の屈折率は、異常光屈折率ｎｅとほぼ等しい値から常光屈折率ｎｏにほぼ等しい値へと変化し、高分子層２２の屈折率（＝ｎｅ）と一致しなくなる。このため、電圧印加状態では第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、図６（ｃ）に示すように、偏光方向がグレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行な直線偏光３４は、回折される。
【０１０７】
実施形態１と同様に、第１体積ホログラム層１０に入射角−３０度（図２（ｂ）のθ１）で入射した波長５５０ｎｍの光は、３９．５度（図２（ｂ）のθ２）の角度に回折されて第２体積ホログラム層１２に入射する。第２体積ホログラム層１２で回折された光は−１５９．５度（図２（ｃ）のθ３）の角度で出射し、再び第１体積ホログラム層１０に入射して−０．５度（図２（ｄ）のθ４）の方向に回折され、出射する。
【０１０８】
なお、グレーティングベクトルを含む入射面に略垂直な直線偏光３６に対しては、高分子層２２および液晶層２４の屈折率はいずれもｎｏである。従って、電圧印加状態でも、上記直線偏光３６は第２体積ホログラム層で回折されない。このため、図６（ｃ）に示すように、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、上記直線偏光３６は第２体積ホログラム層１２をそのまま透過する。
【０１０９】
以上説明したように、本実施形態の反射型光学素子は偏光選択性を有し、電気的にスイッチング可能である。
【０１１０】
（実施形態４）
実施形態４の反射型光学素子は、第２体積ホログラム層１２が液晶ホログラム層であり、第２体積ホログラム層１２の液晶層に含まれる液晶分子は、電圧無印加時にホモジニアス配向をとる。実施形態４の反射型光学素子は実施形態３の反射型光学素子と異なり、偏光選択性を有しない。
【０１１１】
（第１体積ホログラム１０の作製方法）
ホログラム感剤として、ＤｕＰｏｎｔ社のＨＲＦ６００Ｘを用いた。Ｋｒレーザー（波長４０７ｎｍ）の平行光を、上記ホログラム感剤の一方の面に対して入射角３７度、−１７度で入射させて干渉露光した後、１２０度のオーブンで２時間加熱し、現像処理を行った。以上により、グレーティングベクトルの傾斜角１００度、層間隔３００ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【０１１２】
（第２体積ホログラム１２の作製方法）
ホログラム感剤として、光学異方性を有する液晶性モノマーＤＡＭ１１１３（住友化学社製）を２０重量部、ＡＳＥＴ００６（メルク社製）を８０重量部混合した。この混合物に重合開始剤としてイルガキュア３６９（チバガイギー社製）を１重量部、ＤＥＴＸ（日本化薬社製）２重量部、重合遅延剤としてパラフェニルスチレン（日本化薬社製）を１重量部混合した。
【０１１３】
上記ホログラム感剤を、配向処理を施した１対の透明電極つき基板で作製した液晶セルに注入し、Ｋｒレーザーの４０７ｎｍの平行光を、一方の面に対して−５３度、−６６．７度の入射角で入射させ干渉露光することにより、グレーティングベクトルの傾斜角３０度、層間隔１１５０ｎｍ、厚さ５．８μｍの透過型ホログラムを作製した。
【０１１４】
図７（ａ）は本実施形態の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層１２のうち、Ａ部分を模式的に示す図である。なお、（ｂ）は電圧無印加状態を示し、（ｃ）は電圧無印加状態を示している。
【０１１５】
本実施形態の反射型光学素子は、２枚の基板４および６、および上記基板の間に配置された体積ホログラム層８を有している。基板４および６には、透明電極が形成されている。本実施形態の反射型光学素子では第２体積ホログラム１２において、図７（ｂ）に示すように、高分子層２２の遅相軸（液晶性モノマー２８の長軸に平行な方向）および液晶層２４の遅相軸（液晶分子３０の長軸に平行な方向）は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略垂直になるように配置される。
【０１１６】
得られた第１体積ホログラム層１０を第２体積ホログラム層１２に貼り合わせた。貼り合わせにはラミネート法を用いた。第１および第２体積ホログラム層１０、１２のそれぞれのグレーティングベクトルが入射面内に含まれ、第１体積ホログラム層１０で回折した光が第２体積ホログラム層１２に入射した際にブラッグ条件を満たす様に第１および第２体積ホログラム層１０、１２を配置し、貼り合わせを行った。
【０１１７】
以上により、実施形態４の反射型光学素子が得られる。
【０１１８】
本実施形態の反射型光学素子では、第２体積ホログラム層１２を形成するために屈折率異方性を有する液晶性モノマー（液晶性アクリレート）を用いており、その常光屈折率および異常光屈折率は、液晶材料の値とほぼ等しい。また、上述したように、高分子層２２の遅相軸および液晶層２４の遅相軸は、グレーティングベクトルを含む入射面に対して略垂直になるように配置されている。
【０１１９】
このため、第２体積ホログラム層１２の入射光に対する、高分子層２２および液晶層２４の屈折率はいずれも、入射光の偏光方向にかかわらず等しい。従って、電圧無印加状態では、第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、その入射光は、図７（ｂ）に示すように、偏光方向に拘わらず、第２体積ホログラム層１２で回折されないで、そのまま透過する。
【０１２０】
上記電圧無印加状態では図７（ｂ）に示したように、液晶分子３０は、その長軸方向が基板４および６の表面に平行になるように配向していたが、電圧印加状態では図７（ｃ）に示すように、基板４および６の表面に直交する（基板４および６の法線方向に平行になる）ように配向する。一方、液晶性モノマー２８は重合によって固定されているため、配向状態は変化しない。従って、電圧無印加状態から電圧印加状態にすると、液晶層２４の屈折率は、異常光屈折率ｎｅとほぼ等しい値から常光屈折率ｎｏにほぼ等しい値へと変化し、高分子層２２の屈折率（＝ｎｅ）と一致しなくなる。
【０１２１】
このため、電圧印加状態では第１体積ホログラム層１０で回折された入射光が第２体積ホログラム層１２に入射すると、図７（ｃ）に示すように、偏光方向がグレーティングベクトルを含む入射面に対して略平行な直線偏光３４は、回折される。
【０１２２】
実施形態４では実施形態３とは異なり、グレーティングベクトルを含む入射面に略垂直な直線偏光３６に対しても、高分子層２２および液晶層２４の屈折率は互いに一致しない。すなわち、実施形態４では電圧印加状態で、入射光が、図７（ｂ）に示すように、偏光方向に拘わらず、回折される。従って本実施形態４の反射型光学素子は偏光選択性を有しない。本実施形態４の反射型光学素子も実施形態１から３の反射型光学素子と同様に、入射角−３０度の光を−０．５度の出射角で反射させることができる。また、本実施形態４の反射型光学素子は上述した実施形態３の反射型光学素子と同様に、電圧無印加状態の時に回折状態が実現し、電圧印加状態の時に透過状態が実現し、スイッチング可能であるが、偏光選択性を有しないため、実施形態３の反射型光学素子よりも明るいという利点がある。
【０１２３】
上記の実施形態１〜４の反射型光学素子では、第１体積ホログラム層の層間隔Ｄ１を３００ｎｍとし、第２体積ホログラム層の層間隔Ｄ２を１１５０ｎｍとしたが、第１体積ホログラム層の層間隔Ｄ１が２４０ｎｍ≦Ｄ１≦１３００ｎｍ、第２体積ホログラム層の層間隔Ｄ２が８５０ｎｍ≦Ｄ２≦１１５０ｎｍの範囲内にあれば、上記の実施形態１〜４の反射型光学素子と同様の反射特性および回折効率が得られる。
【０１２４】
【発明の効果】
本発明により、従来よりも駆動電圧を低くでき、および／またはブロードバンド化が可能な反射型ホログラム光学素子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の反射型光学素子を模式的に示す図である。
【図２】（ａ）は体積ホログラム層を模式的に示す図であり、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）は、体積ホログラム層に入射した光の回折を説明するための図である。
【図３】傾斜屈折率変調構造を説明するための図である。
【図４】第１体積ホログラム層のグレーティングベクトルおよび第２体積ホログラム層のグレーティングベクトルと、入射面との関係を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、体積ホログラム層に適用可能な液晶ホログラム層の例を模式的に示す図である。
【図６】（ａ）は実施形態３の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層のうち、Ａ部分のみを模式的に示す図である。
【図７】（ａ）は実施形態４の反射型光学素子を模式的に示す図であり、（ｂ）および（ｃ）は（ａ）の反射型光学素子に含まれる第２体積ホログラム層のうち、Ａ部分のみを模式的に示す図である。
【図８】従来の反射型ホログラム光学素子を示す図である。
【符号の説明】
２反射型光学素子
４基板
６基板
８体積ホログラム層
１０第１体積ホログラム層
１２第２体積ホログラム層
１４Ａ層
１４Ｂ層
１５基板面
１８交流電源
２０液晶ホログラム層
２２高分子層
２４液晶層
２６液晶ドロップレット
２８液晶性モノマー
３０液晶分子
５０基板
５２基板
５４体積ホログラム層
５６液晶層
５８高分子層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a reflection type optical element, and more particularly, to a phase type volume hologram optical element having a volume hologram layer.
[0002]
[Prior art]
The phase-type volume hologram optical element includes a hologram layer that forms a refractive index modulation structure whose refractive index changes regularly in a predetermined direction. The phase-type volume hologram optical element can selectively reflect or diffract light of a specific wavelength based on the principle of Bragg reflection. The phase type volume hologram optical element is applied to various elements.
[0003]
For example, Patent Document 1 discloses a reflector provided with scattering and off-axis properties by combining a transmission type hologram layer and a reflection layer. Patent Document 2 discloses a hologram optical element that can be switched by using a layer having a variable refractive index.
[0004]
Non Patent Literature 1, Patent Literature 3 and Patent Literature 4 disclose a reflection hologram optical element to which a polymer dispersed liquid crystal element (PDLC) is applied. As shown in FIG. 8, the reflection hologram optical element has a pair of substrates with

electrodes

50 and 52 and a volume hologram layer 54 sandwiched between these

substrates

50 and 52. The volume hologram layer 54 has a multilayer structure in which liquid crystal layers 56 and polymer layers 58 are alternately stacked along the normal direction of the

substrates

50 and 52, and the normal of the substrate in the volume hologram layer 54. The refractive index changes periodically along the direction. The liquid crystal layer 56 includes liquid crystal droplets. The above hologram optical element is sometimes called a holographic PDLC, and is an electrically switchable hologram optical element.
[0005]
[Patent Document 1]
JP-A-9-222512
[Patent Document 2]
USP4786128
[Patent Document 3]
JP-A-4-178624
[Patent Document 4]
JP-A-4-355424
[Non-patent document 1]
SPIE, vol. 1555, 279-290, (1991)
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
As shown in FIG. 8, the volume hologram layer 54 of the conventional reflection type holographic PDLC has a multilayer structure in which liquid crystal layers 56 and polymer layers 58 are alternately stacked along the normal direction of the substrate. ing.
[0007]
For example, assuming that the diffraction wavelength λ of the reflection hologram optical element is 550 nm, the thickness d (= (λ / 2n) × (1/2)) of the liquid crystal layer 56 and the polymer layer 58 is 90 nm. Here, it is estimated that the refractive index n is 1.5 and the thicknesses of the liquid crystal layer 56 and the polymer layer 58 are equal to each other.
[0008]
The driving voltage for switching the liquid crystal layer including the liquid crystal droplet is inversely proportional to the diameter of the liquid crystal droplet. In order to lower the driving voltage, it is required to increase the diameter of the liquid crystal droplet. However, in the above-mentioned conventional reflective holographic PDLC, the size of the liquid crystal droplet is made larger than the thickness of the liquid crystal layer of 90 nm. I can't. Therefore, there is a problem that the driving voltage of the liquid crystal layer is high.
[0009]
In general, a phase-type volume hologram optical element can selectively reflect or diffract light of a specific wavelength that satisfies the Bragg condition, but has a problem that the usable wavelength band of incident light is narrow.
[0010]
The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and has as its object to provide a reflection hologram optical element capable of lowering the driving voltage and / or achieving broadband than in the past.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The reflection type optical element of the present invention is a reflection type optical element having a volume hologram layer between a pair of substrates, wherein the volume hologram layer is substantially parallel to a normal direction of the substrate, from a light incident side. It includes a first volume hologram layer and a second volume hologram layer stacked in this order, at least the first volume hologram layer is a transmission volume hologram layer, and the first volume hologram layer and the second volume hologram layer are At least one inclined refraction in which the refractive index regularly changes in a grating vector direction at a predetermined angle with respect to a normal direction of the surface of the substrate in one of a voltage application state and a voltage non-application state. A rate modulation structure is formed, which solves the above problem.
[0012]
The first volume hologram layer may form the at least one gradient refractive index modulation structure.
[0013]
The second volume hologram layer may form the at least one gradient refractive index modulation structure.
[0014]
The second volume hologram layer may be a transmission volume hologram layer.
[0015]
The second volume hologram layer may be a reflection volume hologram layer.
[0016]
The at least one gradient refractive index modulation structure is formed by a liquid crystal hologram layer containing a liquid crystal material and a polymer material, and the liquid crystal hologram layer has a content of the liquid crystal material that changes regularly along the grating vector direction. It may have the structure which does.
[0017]
The liquid crystal hologram layer may include a liquid crystal rich layer and a polymer rich layer alternately, and the liquid crystal rich layer may include a liquid crystal droplet.
[0018]
The liquid crystal hologram layer has a liquid crystal rich layer and a polymer rich layer alternately along the grating vector direction, the polymer rich layer has uniaxial anisotropy, The rich layer has a homogeneous orientation, its slow axis is substantially parallel to the slow axis of the polymer rich layer, and the extraordinary refractive index of the liquid crystal material is n. _e , The ordinary light refractive index is n _o And the extraordinary refractive index of the polymer material is np _e , Ordinary light refractive index np _o Then np _e = N _e And np _o = N _o May be satisfied.
[0019]
When no voltage is applied, the slow axis of the polymer rich layer and the slow axis of the liquid crystal rich layer may be substantially parallel to the incident surface.
[0020]
When no voltage is applied, the slow axis of the polymer rich layer and the slow axis of the liquid crystal rich layer may be substantially perpendicular to the plane of incidence.
[0021]
The at least one gradient index modulation structure includes a first gradient index modulation structure and a second gradient index modulation structure, and the first volume hologram layer forms the first gradient index modulation structure. And the second volume hologram layer forms the second gradient refractive index modulation structure, and the first gradient refractive index modulation structure forms a first angle with respect to a normal direction of the surface of the substrate. The refractive index changes regularly in the direction of the first grating vector, and the second gradient refractive index modulation structure includes a second grating vector forming a second angle with respect to a direction normal to the surface of the substrate. The refractive index may change regularly in the direction, and the first grating vector and the second grating vector may be included in an incident plane.
[0022]
The first volume hologram layer alternates the first layer and the second layer having different refractive indices from each other and having a layer interval of D1 in the first grating vector direction in the first grating vector direction. Assuming that the thickness of the first volume hologram layer is t1 and the inclination angle of the first grating vector is φ1, t1 = 5.8 μm, φ1 = 100 °, 240 nm ≦ D1 ≦ 1300 nm, The second volume hologram layer alternates the third layer and the fourth layer having different refractive indices from each other and having a layer interval of D2 in the second grating vector direction in the second grating vector direction. Assuming that the thickness of the second volume hologram layer is t2 and the inclination angle of the second grating vector is φ2, t2 = 5.8 μm, φ2 = 30 °, 85 0 nm ≦ D2 ≦ 1150 nm may be satisfied.
[0023]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a reflective optical element 2 of the present invention.
[0024]
The reflection type optical element 2 of the present invention has a volume hologram layer 8 between a pair of substrates 4 and 6. The volume hologram layer 8 includes at least a first volume hologram layer 10 and a second volume hologram layer 12. The first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 are stacked substantially in parallel to the normal direction of the substrates 4 and 6, and the first volume hologram layer 10, the second volume hologram The layers 12 are arranged in this order.
[0025]
At least the first volume hologram layer 10 of the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 is a transmission type volume hologram layer. Further, the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 have a grating that forms a predetermined angle from the normal direction of the surface of the substrates 4 and 6 in one of the voltage applied state and the voltage non-applied state. At least one gradient refractive index modulation structure whose refractive index changes regularly in the vector direction is formed.
[0026]
Specifically, for example, the refractive index of at least one of the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 changes according to the on / off of the voltage, and the voltage applied state and the voltage non-applied state In either one of the states, the gradient refractive index modulation structure is formed. When the at least one volume hologram layer forms a tilted refractive index modulation structure, the reflection type optical element can realize light diffraction, reflection, and scattering states, and the at least one volume hologram layer forms a tilted refractive index modulation structure. Otherwise, the reflective optical element can realize a light transmitting state. That is, in the reflective optical element of the present invention, the transmission state of light and the diffraction, reflection, and scattering states of light are switched by turning on / off the voltage by using the change in the refractive index. FIG. 1 shows a case where the first volume hologram layer 10 forms a tilted refractive index modulation structure, but the present invention is not limited to this.
[0027]
In the following description, switching between the transmission state and the diffraction state will be described as a typical example. Further, the case where the gradient hologram modulation structure is formed when the volume hologram layer is switchable is described unless otherwise specified.
[0028]
In the reflective optical element 2 of the present invention, since the volume hologram layer 8 includes at least two volume hologram layers 10 (transmission volume hologram layers) and 12, the volume hologram layer is a single reflection volume hologram layer. , It is possible to make incident light broadband.
[0029]
Here, the reflection type volume hologram layer indicates a hologram layer for emitting incident light from a direction parallel to the normal direction of the substrate 4 to the incident side (substrate 4 side). 4 shows a hologram layer that emits incident light from a direction parallel to the normal direction to the emission side (substrate 6 side).
[0030]
Further, in the reflection type optical element 2 of the present invention, when at least one of the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 forms a tilted refractive index modulation structure, the volume of the tilted refractive index modulation structure is formed. The period of the change in the refractive index of the hologram layer can be made longer than the period of the change in the refractive index when a reflection type optical element is formed using a single-layer reflective volume hologram layer.
[0031]
In the reflection type optical element 2 of the present invention, the first volume hologram layer 10 is a transmission type volume hologram layer, and the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 have at least one gradient refractive index modulation structure. If formed, the second volume hologram layer 12 may be either a transmission volume hologram layer or a reflection volume hologram layer.
[0032]
In one embodiment, the first volume hologram layer 10 or the second volume hologram layer 12 forms the at least one gradient refractive index modulation structure.
[0033]
In another embodiment, the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 each form a different gradient refractive index modulation structure, so that the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 Two gradient index modulation structures are formed.
[0034]
Hereinafter, a specific example of the volume hologram layer 8 will be described with reference to FIGS. In the following description, a case where both the first volume hologram layer 8 and the second volume hologram layer 10 each form a gradient refractive index modulation structure will be exemplified. Each of the first and second volume hologram layers is a multilayer film in which two types of layers having different refractive indices are alternately laminated, and a case where the refractive index changes regularly in the laminating direction of the multilayer film is exemplified. I do.
[0035]
FIG. 2A is a diagram schematically illustrating the volume hologram layer 8. FIGS. 2B, 2C, and 2D show the case where the first volume hologram layer 10 or the second volume hologram layer 112 is removed from the volume hologram layer 8 in order to explain the diffraction of light incident on the volume hologram layer 8. It is the figure shown separately. FIG. 3 is a diagram for explaining the gradient index modulation structure.
[0036]
As described above, the volume hologram layer 8 includes the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 (FIG. 2A), and at least the first volume hologram layer 10 is a transmission volume hologram layer. . Further, both the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 have a regular refractive index with respect to a direction inclined from the normal direction (Z-axis direction) of the substrates 4 and 6 (see FIG. 1). Is formed.
[0037]
In order to explain the volume hologram layer forming the gradient refractive index modulation structure, it is defined as follows with reference to FIG. The volume hologram layer 14 shown in FIG. 3 has two types of layers 14A and 14B having different refractive indexes alternately. The volume hologram layer is formed by alternately stacking the layers 14A and 14B at a predetermined inclination angle with respect to the normal direction of the substrate 15 so that the grating vector forms a predetermined angle with respect to the normal direction of the substrate 15. An inclined refractive index modulation structure in which the refractive index changes regularly in the direction of K is formed.
[0038]
The right-handed orthogonal coordinate system (X, Y, Z) is defined so that the normal direction of the substrate 15 supporting the volume hologram layer is the Z axis, and the grating vector K is included in the YZ plane. Note that the grating vector K indicates a vector parallel to the normal direction of the layer surfaces of the layers 14A and 14B. The angle formed by the grating vector K is indicated by an angle φ between the grating vector K and the Z-axis direction. This angle φ is positive when viewed counterclockwise as viewed from the direction of the X axis (positive). Hereinafter, the angle formed by the grating vectors may be referred to as the inclination angle φ of the layers 14A and 14B.
[0039]
It is assumed that the layers 14A and 14B have the same thickness D. The thickness D indicates the thickness of the layer in a direction parallel to the direction of the grating vector K. In the following, the thickness D of the layers 14A and 14B having different refractive indexes included in the volume hologram layer is referred to as “layer interval”, and the thickness of the volume hologram layer itself (indicated by t in FIG. 3) is referred to as “film thickness”. "And distinguish between the two. The thickness t of the volume hologram layer is represented by the length in the Z-axis direction. In FIG. 3, R indicates incident light to the volume hologram layer, and S indicates outgoing light. The incident angle of the incident light is represented by an angle θ with respect to the Z axis, as shown in FIG.
[0040]
In order to configure a reflective optical element using the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12, each of which forms a tilted refractive index modulation structure, the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 Are stacked so as to satisfy a predetermined condition. FIG. 4 is a diagram schematically showing the relationship between the grating vector K1 of the first volume hologram layer 10 (thickness t1) and the grating vector K2 of the second volume hologram layer 12 (thickness t2), and the incident surface. .
[0041]
As shown in FIG. 4, the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 may include the grating vector K1 of the first volume hologram layer 10 and the grating vector K2 of the second volume hologram layer 12 in the same plane. Laminated. If the grating vectors K1 and K2 are included in the same plane, the light diffracted by the first volume hologram layer 10 can be diffracted by the second volume hologram layer 12.
[0042]
Further, as shown in FIG. 4, the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 are laminated so that the grating vectors K1 and K2 are included in the plane of incidence of incident light (external light) on the reflective optical element. Is done. This is because the diffraction grating can diffract light with the highest efficiency when the direction satisfying the diffraction condition (the main cross section of the diffraction grating) coincides with the incident surface.
[0043]
As described above, in order to configure a reflective optical element using two volume hologram layers each forming an inclined refractive index modulation structure, the grating vectors K1 and K2 of each volume hologram layer must Each volume hologram layer is laminated so as to be included.
[0044]
Hereinafter, the diffraction of light by the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 will be described with reference to FIG.
[0045]
The light A1 that has entered the volume hologram layer 8 at a certain incident angle θ1 first enters the first volume hologram layer 10 disposed on the incident side at an incident angle θ1, as shown in FIG. The incident light A1 is diffracted by the first volume hologram layer 10 and is emitted to the emission side of the first volume hologram layer 10 at an emission angle θ2 (emission light A2). The light A2 emitted from the first volume hologram layer 10 then enters the second volume hologram layer 12 at an incident angle θ2 as shown in FIG.
[0046]
As described with reference to FIG. 4, the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 are stacked so that the grating vector K1 and the grating vector K2 are included in the incident surface. The emitted light A2 is diffracted at an angle θ3 by the second volume hologram layer 12, and then is emitted toward the first volume hologram layer 10 (emitted light A3).
[0047]
The outgoing light A3 re-enters the first volume hologram layer 10 at the incident angle θ3, is diffracted by the first volume hologram layer 10, and then exits at the outgoing angle θ4 (emitted light A4).
[0048]
As a result, the light that has entered the volume hologram layer 8 at an incident angle θ1 exits the first and second volume hologram layers 10 and 12 toward the incident substrate 4 at an exit angle θ4. That is, by using the volume hologram layer 8, a reflective optical element capable of reflecting light incident at an incident angle θ1 at an output angle θ4 is configured.
[0049]
The grating vectors K1, K2 and the layer spacings D1, D2 of the first and second volume hologram layers 10, 12 can diffract incident light with respect to the first and second volume hologram layers 10, 12 with high efficiency. It is designed appropriately so that it can be performed. Although specific values of the grating vector and the layer interval will be described in embodiments described later, the present invention is not limited to these. However, when the incident light diffracted by the first volume hologram layer 10 is diffracted by the second volume hologram layer 12 and then enters the first volume hologram layer 10 again, the grating vector and the layer interval It is preferable that the volume hologram layer 10 is designed so as not to deviate significantly from the Bragg condition so that the second diffraction occurs.
[0050]
Hereinafter, a method of designing the grating vectors and the layer intervals of the first and second volume hologram layers 10 and 12 will be described.
[0051]
In order to completely satisfy the Bragg condition, for example, the incident light (external light) passes through the first volume hologram layer 10 and the second What is necessary is just to design so that the light may be emitted from the layer 12 through the first volume hologram layer 10 through the first volume hologram layer 10. That is, if the vector of the incident light A2 and the vector of the output light A3 are designed to be 180 degrees rotationally symmetric when viewed from the normal direction of the incident surface, the vector of the incident light A1 and the vector of the output light A4 can be calculated. It can be 180 degrees rotationally symmetric.
[0052]
Specifically, for example, when the first volume hologram layer 10 has a profile of -30 degree incidence (θ1) and 0 degree emission (θ2), the second volume hologram layer 12 causes the first volume hologram layer 10 to have a profile of -180. If the light can be re-entered at a degree (θ3), it can be emitted from the first volume hologram layer 10 at −30 degrees (θ4). The grating vectors and layer spacings of the first and second volume hologram layers 10 and 12 are easily calculated according to a generally known Bragg equation so as to satisfy the above conditions.
[0053]
When re-entering with an arrangement that deviates from the Bragg condition, it is desirable to design the grating vector and the layer interval so that the diffraction efficiency of the first and second volume hologram layers 10 and 12 does not fall below 80%. Details of the design of the grating vector and the layer spacing are described in Kogelnik's Coupled Wave Theory, Bell Sys. Tech. J. 48, 2909-2947 (1969).
[0054]
The tilt type refractive index modulation structure of the present invention is preferably formed by a liquid crystal hologram layer containing a liquid crystal material and a polymer material. The liquid crystal hologram layer is formed such that the content of the liquid crystal material changes regularly with respect to a predetermined tilt direction, and the refractive index changes regularly in the tilt direction in a voltage applied state or a voltage non-applied state. Form a refractive index modulation structure.
[0055]
Since the refractive index of the liquid crystal material changes according to the on / off of the voltage, the liquid crystal hologram layer can be used as a switching layer by utilizing the change in the refractive index. By providing a transparent electrode such as ITO on the surface of the substrates 4 and 6 on the volume hologram layer 8 side and controlling the voltage applied to the transparent electrode, the refractive index of the liquid crystal hologram layer changes according to the magnitude of the voltage, The transmission state and the diffraction state are switched.
[0056]
The liquid crystal hologram layer includes, for example, a polymer rich layer and a liquid crystal rich layer, and is formed by alternately stacking the polymer rich layer and the liquid crystal rich layer. Here, the liquid crystal rich layer refers to a layer containing a liquid crystal material exceeding the average composition (volume fraction) of the liquid crystal material in the liquid crystal hologram layer, and the polymer rich layer refers to a layer less than the average composition of the liquid crystal material in the liquid crystal hologram layer. Layer containing a liquid crystal material.
[0057]
FIG. 5A is a diagram schematically illustrating an example of the liquid crystal hologram layer 20 applicable to the present invention.
[0058]
For example, as shown in FIG. 5A, the liquid crystal hologram layer 20 is such that the polymer rich layer 22 and the liquid crystal rich layer 24 are alternately arranged in a direction inclined from the normal direction (Z-axis direction) of the substrate surface. It is formed by being laminated. The liquid crystal hologram layer 20 is a holographic PDLC in which a liquid crystal rich layer 24 includes a liquid crystal droplet 26.
[0059]
FIG. 5A shows a case where the polymer rich layer 22 and the liquid crystal rich layer 24 are clearly separated from each other in the liquid crystal hologram layer 20; The liquid crystal hologram layer 20 is not clearly separated from the rich layer 24, and the refractive index is gradually changed. However, for the sake of simplicity, a case will be described below where the polymer layer 22 is a polymer layer containing no liquid crystal material and the liquid crystal layer 24 is a liquid crystal layer containing no polymer material.
[0060]
Hereinafter, switching between the light transmission state of the liquid crystal hologram layer 20 including the liquid crystal droplet 26 and the light diffraction state will be described. Note that the refractive index of the liquid crystal layer 24 is a refractive index for light incident from the normal direction of the liquid crystal layer 24. The liquid crystal material is a uniaxial birefringent material, and the ordinary light refractive index n _o And the extraordinary light refractive index n _e (N _e > N _o ).
[0061]
When the liquid crystal layer 24 includes the liquid crystal droplet 26, the refractive index of the liquid crystal layer 24 becomes (2n _o + N _e ) / 3, and the refractive index decreases as the applied voltage is increased from 0 V. Eventually, the refractive index takes a substantially constant value (saturation value) regardless of the applied voltage. This saturation value is the ordinary light refractive index n _o Is approximately equal to Hereinafter, the applied voltage when the refractive index reaches the saturation value is referred to as the saturation voltage V _sat In some cases.
[0062]
The polymer layer 22 has a refractive index np of the polymer layer, for example, an ordinary refractive index n of the liquid crystal layer 24. _o Is set to be approximately equal to When the refractive index np of the polymer layer 24 is set as described above, the saturation voltage V _sat Is applied, the refractive index np of the polymer layer 24 is changed to the refractive index nLC of the liquid crystal layer 24 (= n _o ). Therefore, for example, when white light is incident on the liquid crystal hologram layer 20, it can be transmitted.
[0063]
On the other hand, when no voltage is applied, the refractive index np of the polymer layer 22 becomes the refractive index nLC of the liquid crystal layer 24 (= (2n _o + N _e ) / 3), when white light is incident on the liquid crystal hologram layer 20, for example, light of a specific wavelength satisfying the Bragg condition corresponding to the repetition pitch of the polymer layer 22 and the liquid crystal layer 24 can be diffracted. it can.
[0064]
As described above, in the liquid crystal hologram layer 20, the light transmission state and the diffraction state are switched.
[0065]
When the reflective optical element is configured using the above-described liquid crystal hologram layer, the driving voltage is reduced as compared with the case where the reflective optical element is configured using a single reflective liquid crystal hologram layer having no tilted refractive index modulation structure. The effect of being able to lower is obtained. The reason will be described below.
[0066]
Generally, a driving voltage V of a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) element is represented by the following equation (1).
[0067]
(Equation 1)

[0068]
Note that a polymer dispersed liquid crystal (PDLC) element is an element in which a PDLC layer containing a liquid crystal material is arranged between a pair of electrode substrates. The PDLC layer includes a polymer matrix and a polymer matrix dispersed in the polymer matrix. Including liquid crystal droplets. In the above formula (1), d is the thickness of the PDLC layer, a is the diameter of the liquid crystal droplet, σlc is the conductivity of the liquid crystal, σp is the conductivity of the polymer, k33 is the elastic constant, Δε is the dielectric anisotropy, l is a factor representing the shape of the liquid crystal droplet, and is represented by l = (length of major axis / length of minor axis). As can be seen from the above equation (1), the drive voltage of the PDLC element is inversely proportional to the diameter of the liquid crystal droplet.
[0069]
Like the polymer dispersed liquid crystal (PDLC) element, the liquid crystal hologram layer 20 shown in FIG. 5A also includes the liquid crystal droplet 26, so that the drive voltage can be reduced by increasing the diameter of the liquid crystal droplet 26. it can.
[0070]
For example, as shown in FIG. 8, when a reflection type hologram optical element having a diffraction wavelength of 550 nm is manufactured in a conventional configuration (a configuration in which a liquid crystal layer and a polymer layer are alternately stacked in the normal direction of a substrate), Each of the layer 56 and the polymer layer 58 has a thickness of 90 nm. Here, it is estimated that the refractive index n is 1.5 and the thicknesses of the liquid crystal layer 56 and the polymer layer 58 are equal to each other. Therefore, in the conventional reflection type hologram optical element, the size of the liquid crystal droplet cannot be made larger than 90 nm.
[0071]
On the other hand, the volume hologram layer 8 is formed using, for example, a first volume hologram layer 10 and a second volume hologram layer 12, each of which forms a tilted refractive index modulation structure. The tilt angle φ1 is set to 100 degrees, the layer interval D1 (corresponding to the respective thicknesses of the liquid crystal layer and the polymer layer) is set to 300 nm, the tilt angle φ2 of the grating vector K2 of the second volume hologram layer 12 is set to 30 degrees, When the layer interval D2 is 1150 nm, light having a wavelength of 550 nm is diffracted similarly to the above-mentioned reflection hologram optical element.
[0072]
For example, if the liquid crystal hologram layer 20 is used for the second volume hologram layer 12, it is possible to increase the diameter of the liquid crystal droplet up to 1150 nm. As shown in the above equation (1), since the driving voltage is inversely proportional to the diameter of the liquid crystal droplet, the driving voltage of the reflective optical element is lower than that of the conventional reflective optical element.
[0073]
As described above, when the reflective optical element is configured using the liquid crystal hologram layer 20, compared with the case where the reflective optical element is configured using a single reflective liquid crystal hologram layer having no tilted refractive index modulation structure. Thus, the driving voltage can be reduced.
[0074]
When one of the first volume hologram layer 10 and the second volume hologram layer 12 is formed by the liquid crystal hologram layer, it is preferable that a volume hologram layer having a larger layer spacing D is formed by the liquid crystal hologram layer. This is because the driving voltage can be lowered.
[0075]
The liquid crystal hologram layer 20 applied to the present invention is not limited to the type including the liquid crystal droplet described above. FIG. 5B is a diagram schematically illustrating an example of the liquid crystal hologram layer 20 (with no voltage applied) according to the embodiment that does not include a liquid crystal droplet. In the liquid crystal hologram layer 20 shown in FIG. 5B, the liquid crystal molecules 30 included in the liquid crystal layer 24 take a homogeneous alignment (parallel alignment) when no voltage is applied. The polymer layer 22 has uniaxial optical anisotropy, and its extraordinary light refractive index is np. _e And the ordinary light refractive index is np _o Then np _e = N _e And np _o = N _o Are set so as to satisfy the relationship. The polymer layer 22 is formed using, for example, a liquid crystalline monomer 28. Here, the homogeneous alignment refers to an alignment state in which the major axis direction of the liquid crystal molecules is substantially parallel to the substrate surfaces arranged on both sides of the liquid crystal layer.
[0076]
The above-mentioned reflective optical element having a liquid crystal hologram layer in which liquid crystal molecules take a homogeneous alignment when no voltage is applied will be described in detail in a later embodiment with reference to FIGS. In this reflective optical element, the difference in refractive index between the liquid crystal layer 24 and the polymer layer 22 can be increased as compared with a reflective optical element of the type including liquid crystal droplets, in addition to the effect that broadband can be achieved as compared with the related art. Therefore, an effect that the diffraction efficiency can be further increased can be obtained. The diffraction efficiency of the liquid crystal hologram layer 20 is higher as the refractive index difference between the liquid crystal layer 24 and the polymer layer 22 is larger. However, when the liquid crystal layer 24 includes liquid crystal droplets, the refractive index difference is at most (n _e -N _o ) / 3, on the other hand, in the case of the type having the above-mentioned homogeneous orientation, by combining with a polymer layer having uniaxial optical anisotropy, the refractive index difference can be made to be at most ne-no. is there.
[0077]
Hereinafter, embodiments will be described. In the following embodiments, both the first and second volume hologram layers form a refractive index modulation structure in which the refractive index changes regularly in a direction inclined from the normal direction of the surface of the substrate. Although the case of a volume hologram layer is exemplified, the present invention is not limited to this.
[0078]
In addition, the reflective optical elements of all the following embodiments convert light having an incident angle (θ1 in FIG. 2B) of −30 degrees into an emission angle of −0.5 degrees (θ4 in FIG. 2D). This is a reflective optical element that can reflect light, and the reflective optical elements of all the embodiments use the same grating vector, layer spacing, and film thickness for the first and second volume hologram layers. Is not limited to this. By appropriately designing the direction of the grating vector, the layer interval, and the like, a reflective optical element having desired reflection characteristics is provided.
[0079]
(Embodiment 1)
In the reflection type optical element of the first embodiment, the first volume hologram layer 10 is formed of a holographic PDLC including a liquid crystal droplet.
[0080]
(Production method of first volume hologram layer 10)
As a hologram sensitizer, 35 parts by weight of isobornyl acrylate (manufactured by Nippon Kayaku), 15 parts by weight of HDDA (manufactured by Nippon Kayaku), and 50 parts by weight of TL213 (manufactured by Merck) were mixed. One part by weight of Irgacure 369 (manufactured by Ciba Geigy) as a polymerization initiator, 2 parts by weight of DETX (manufactured by Nippon Kayaku), and 1 part by weight of paraphenylstyrene (manufactured by Nippon Kayaku) are used as a polymerization initiator. did.
[0081]
The hologram sensitizer was injected into a liquid crystal cell having a pair of substrates with a transparent electrode, and parallel light of a Kr laser (wavelength: 407 nm) was incident at an incidence angle of 37 degrees and -17 degrees to perform interference exposure. Thus, a transmission hologram having a grating vector inclination angle of 100 degrees, a layer interval of 300 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced. Note that the incident angle is an angle in the medium.
[0082]
(Production method of second volume hologram layer 12)
HRF600X manufactured by DuPont was used as a hologram sensitizer. Parallel light of a Kr laser (wavelength: 407 nm) was incident on the hologram sensitizer at incident angles of -53 degrees and -66.7 degrees, and subjected to interference exposure. Thus, a transmission hologram having a grating vector inclination angle of 30 degrees, a layer interval of 1150 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced.
[0083]
The obtained first volume hologram layer 10 was bonded to the second volume hologram layer 12. Lamination was used for bonding. The grating vectors of the first and second volume hologram layers 10 and 12 are included in the plane of incidence, and satisfy the Bragg condition when the light diffracted by the first volume hologram layer 10 enters the second volume hologram layer 12 The first and second volume hologram layers 10 and 12 were arranged as described above, and were bonded.
[0084]
Thus, the reflection type optical element of the first embodiment is obtained.
[0085]
In the reflective optical element of Embodiment 1, when no voltage is applied, the refractive index of the liquid crystal layer in the first volume hologram layer 10 is (2no + ne) / 3, and the refractive index of the polymer layer is substantially no. equal. Therefore, the polymer layer and the liquid crystal layer have different refractive indices, so that diffraction occurs.
[0086]
Light having a wavelength of 550 nm incident on the first volume hologram layer 10 at an incident angle of −30 degrees (θ1 in FIG. 2B) is diffracted to an angle of 39.5 degrees (θ2 in FIG. The light enters the two-volume hologram layer 12. The light diffracted by the second volume hologram layer 12 exits at an angle of -159.5 degrees (θ3 in FIG. 2C), enters the first volume hologram layer 10 again, and is −0.5 degrees (see FIG. 2C). The light is diffracted in the direction of θ4) of 2 (d) and emitted.
[0087]
When a voltage is applied, the refractive index of the liquid crystal layer generally indicates the ordinary light refractive index no of the liquid crystal molecules, and matches the refractive index of the polymer layer. Therefore, diffraction by the hologram does not occur, and the incident light is transmitted as it is. As described above, the reflective optical element of the present embodiment is electrically switchable.
[0088]
When the second volume hologram layer 12 is produced by interference exposure, if a diffusion profile of a scattering film or a microlens array is transferred, a reflective optical element having a diffuse reflection profile can be produced. In this case, the effect that visibility can be improved can be obtained.
[0089]
(Embodiment 2)
In the reflection type optical element of the second embodiment, the second volume hologram layer 12 is formed of a holographic PDLC including a liquid crystal droplet.
[0090]
(Method of Manufacturing First Volume Hologram 10)
HRF600X manufactured by DuPont was used as a hologram sensitizer. After parallel light of a Kr laser (wavelength 407 nm) is incident on one surface of the hologram sensitizer at an incident angle of 37 degrees and -17 degrees to perform interference exposure, heating and development are performed in an oven at 120 degrees for 2 hours. went. Thus, a transmission hologram having a grating vector inclination angle of 100 degrees, a layer interval of 300 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced.
[0091]
(Production method of second volume hologram layer 12)
As a hologram sensitizer, 35 parts by weight of isobornyl acrylate (manufactured by Nippon Kayaku), 15 parts by weight of HDDA (manufactured by Nippon Kayaku), and 50 parts by weight of TL213 (manufactured by Merck) were mixed. One part by weight of Irgacure 369 (manufactured by Ciba Geigy) as a polymerization initiator, 2 parts by weight of DETX (manufactured by Nippon Kayaku), and 1 part by weight of paraphenylstyrene (manufactured by Nippon Kayaku) are used as a polymerization initiator. did.
[0092]
The hologram sensitizer is injected into a liquid crystal cell having a pair of substrates with transparent electrodes, and parallel light of a Kr laser (wavelength 407 nm) is incident on one surface at an incident angle of -53 degrees and -66.7 degrees. Then, interference exposure was performed. Thus, a transmission hologram (holographic PDLC) having a grating vector inclination angle of 30 degrees, a layer interval of 1150 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced.
[0093]
The obtained first volume hologram layer 10 was bonded to the second volume hologram layer 12. Lamination was used for bonding. The grating vectors of the first and second volume hologram layers 10 and 12 are included in the plane of incidence, and satisfy the Bragg condition when the light diffracted by the first volume hologram layer 10 enters the second volume hologram layer 12 The first and second volume hologram layers 10 and 12 were arranged as described above, and were bonded.
[0094]
As described above, the reflection type optical element of Embodiment 2 is obtained.
[0095]
In the second embodiment, as in the first embodiment, a diffraction state is realized when no voltage is applied, and a transmission state is realized when a voltage is applied, and switching is possible. Further, similarly to the first embodiment, light having an incident angle of −30 degrees can be reflected at an output angle of −0.5 degrees.
[0096]
(Embodiment 3)
In the reflective optical element of the third embodiment, the second volume hologram layer 12 is a liquid crystal hologram layer, and the liquid crystal molecules contained in the liquid crystal layer of the second volume hologram layer 12 take a homogeneous alignment when no voltage is applied. The reflective optical element of the third embodiment has polarization selectivity.
[0097]
(Method of Manufacturing First Volume Hologram 10)
HRF600X manufactured by DuPont was used as a hologram sensitizer. Parallel light of a Kr laser (wavelength 407 nm) is incident on one surface of the hologram sensitizer at an incident angle of 37 degrees and -17 degrees to perform interference exposure, and then heated in an oven at 120 degrees for 2 hours and developed. Processing was performed. Thus, a transmission hologram having a grating vector inclination angle of 100 degrees, a layer interval of 300 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced.
[0098]
(Method of manufacturing second volume hologram 12)
As a hologram sensitizer, 20 parts by weight of a liquid crystalline monomer having optical anisotropy DAM1113 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and 80 parts by weight of a liquid crystal material ASET006 (manufactured by Merck) were mixed. One part by weight of Irgacure 369 (manufactured by Ciba Geigy) as a polymerization initiator, 2 parts by weight of DETX (manufactured by Nippon Kayaku), and 1 part by weight of paraphenylstyrene (manufactured by Nippon Kayaku) are used as a polymerization initiator. did.
[0099]
The above-mentioned hologram sensitizer is injected into a liquid crystal cell having a pair of substrates with a transparent electrode which has been subjected to an alignment treatment, and parallel light of a Kr laser (wavelength 407 nm) is applied to one surface at −53 degrees and −66.7 with respect to one surface. The light was incident at an angle of incidence to perform interference exposure. Thus, a transmission hologram having a grating vector inclination angle of 30 degrees, a layer interval of 1150 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced.
[0100]
FIG. 6A is a diagram schematically illustrating the reflection type optical element of the present embodiment, and FIGS. 6B and 6C are diagrams illustrating the second volume hologram layer 12 included in the reflection type optical element of FIG. FIG. Note that (b) shows a state where no voltage is applied, and (c) shows a state where voltage is applied.
[0101]
The reflection type optical element of the present embodiment has two substrates 4 and 6, and a volume hologram layer 8 disposed between the substrates. Transparent electrodes are formed on the substrates 4 and 6. In the reflection type optical element of the present embodiment, in the second volume hologram 12, as shown in FIG. 6B, the slow axis of the polymer layer 22 (the direction parallel to the long axis of the liquid crystal monomer 28) and the liquid crystal layer The 24 slow axes (directions parallel to the long axes of the liquid crystal molecules 30) are arranged so as to be substantially parallel to the incident plane including the grating vector. The slow axis of the polymer layer 22 and the slow axis of the liquid crystal layer 24 are arranged so as to be substantially perpendicular to the layer surfaces 32 of the polymer layer 22 and the liquid crystal layer 24.
[0102]
The obtained first volume hologram layer 10 was bonded to the second volume hologram layer 12. Lamination was used for bonding. The grating vectors of the first and second volume hologram layers 10 and 12 are included in the plane of incidence, and satisfy the Bragg condition when the light diffracted by the first volume hologram layer 10 enters the second volume hologram layer 12 The first and second volume hologram layers 10 and 12 were arranged as described above, and were bonded.
[0103]
Thus, the reflective optical element of the third embodiment is obtained.
[0104]
In the reflection type optical element of the present embodiment, a liquid crystalline monomer having a refractive index anisotropy (liquid crystalline acrylate) is used to form the second volume hologram layer 12, and its ordinary refractive index and extraordinary refractive index are used. Is approximately equal to the value of the liquid crystal material. Further, as described above, the slow axis of the polymer layer 22 and the slow axis of the liquid crystal layer 24 are arranged so as to be substantially parallel to the incidence plane including the grating vector.
[0105]
Therefore, the refractive indexes of the polymer layer 22 and the liquid crystal layer 24 with respect to the incident light of the second volume hologram layer 12 are the same regardless of the polarization direction of the incident light. Accordingly, in a state where no voltage is applied, when the incident light diffracted by the first volume hologram layer 10 enters the second volume hologram layer 12, the incident light is affected by the polarization direction as shown in FIG. Instead, it is not diffracted by the second volume hologram layer 12 and is transmitted as it is.
[0106]
In the state where no voltage is applied, as shown in FIG. 6B, the liquid crystal molecules 30 are oriented such that the major axis direction is parallel to the surfaces of the substrates 4 and 6. As shown in FIG. 6C, the alignment is performed so as to be perpendicular to the surfaces of the substrates 4 and 6 (parallel to the normal direction of the substrates 4 and 6). On the other hand, since the liquid crystalline monomer 28 is fixed by polymerization, the alignment state does not change. Accordingly, when the voltage is applied from the state where no voltage is applied, the refractive index of the liquid crystal layer 24 changes from a value substantially equal to the extraordinary light refractive index ne to a value substantially equal to the ordinary light refractive index no. No longer matches the rate (= ne). For this reason, when the incident light diffracted by the first volume hologram layer 10 is incident on the second volume hologram layer 12 in the voltage applied state, as shown in FIG. 6C, the polarization direction is changed to the incident surface including the grating vector. On the other hand, the linearly polarized light 34 substantially parallel to the light is diffracted.
[0107]
As in the first embodiment, light having a wavelength of 550 nm incident on the first volume hologram layer 10 at an incident angle of −30 degrees (θ1 in FIG. 2B) is 39.5 degrees (θ2 in FIG. 2B). And is incident on the second volume hologram layer 12. The light diffracted by the second volume hologram layer 12 exits at an angle of -159.5 degrees (θ3 in FIG. 2C), enters the first volume hologram layer 10 again, and is −0.5 degrees (see FIG. 2C). The light is diffracted in the direction of θ4) of 2 (d) and emitted.
[0108]
The refractive index of the polymer layer 22 and the refractive index of the liquid crystal layer 24 are both no for linearly polarized light 36 substantially perpendicular to the plane of incidence including the grating vector. Therefore, even when a voltage is applied, the linearly polarized light 36 is not diffracted by the second volume hologram layer. 6C, when the incident light diffracted by the first volume hologram layer 10 enters the second volume hologram layer 12, the linearly polarized light 36 passes through the second volume hologram layer 12 as it is. I do.
[0109]
As described above, the reflective optical element of the present embodiment has polarization selectivity and is electrically switchable.
[0110]
(Embodiment 4)
In the reflection type optical element of the fourth embodiment, the second volume hologram layer 12 is a liquid crystal hologram layer, and the liquid crystal molecules contained in the liquid crystal layer of the second volume hologram layer 12 take a homogeneous alignment when no voltage is applied. The reflective optical element of the fourth embodiment has no polarization selectivity, unlike the reflective optical element of the third embodiment.
[0111]
(Method of Manufacturing First Volume Hologram 10)
HRF600X manufactured by DuPont was used as a hologram sensitizer. Parallel light of a Kr laser (wavelength 407 nm) is incident on one surface of the hologram sensitizer at an incident angle of 37 degrees and -17 degrees for interference exposure, and then heated in an oven at 120 degrees for 2 hours and developed. Processing was performed. Thus, a transmission hologram having a grating vector inclination angle of 100 degrees, a layer interval of 300 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced.
[0112]
(Method of manufacturing second volume hologram 12)
As a hologram sensitizer, 20 parts by weight of a liquid crystalline monomer having optical anisotropy DAM1113 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) and 80 parts by weight of ASET006 (manufactured by Merck) were mixed. One part by weight of Irgacure 369 (manufactured by Ciba Geigy) as a polymerization initiator, 2 parts by weight of DETX (manufactured by Nippon Kayaku), and 1 part by weight of paraphenylstyrene (manufactured by Nippon Kayaku) are used as a polymerization initiator. did.
[0113]
The hologram sensitizer is injected into a liquid crystal cell manufactured from a pair of substrates with a transparent electrode which has been subjected to an alignment treatment, and 407 nm parallel light of a Kr laser is applied at −53 degrees to −66.7 with respect to one surface. A transmission hologram having a grating vector inclination angle of 30 degrees, a layer interval of 1150 nm, and a thickness of 5.8 μm was produced by performing interference exposure at an incident angle of 度 °.
[0114]
FIG. 7A is a diagram schematically illustrating the reflection type optical element of the present embodiment, and FIGS. 7B and 7C are diagrams of the second volume hologram layer 12 included in the reflection type optical element of FIG. FIG. (B) shows a state where no voltage is applied, and (c) shows a state where no voltage is applied.
[0115]
The reflection type optical element of the present embodiment has two substrates 4 and 6, and a volume hologram layer 8 disposed between the substrates. Transparent electrodes are formed on the substrates 4 and 6. In the reflection type optical element of this embodiment, in the second volume hologram 12, as shown in FIG. 7B, the slow axis of the polymer layer 22 (the direction parallel to the long axis of the liquid crystal monomer 28) and the liquid crystal layer The 24 slow axes (directions parallel to the long axes of the liquid crystal molecules 30) are arranged to be substantially perpendicular to the incidence plane including the grating vector.
[0116]
The obtained first volume hologram layer 10 was bonded to the second volume hologram layer 12. Lamination was used for bonding. The grating vectors of the first and second volume hologram layers 10 and 12 are included in the plane of incidence, and satisfy the Bragg condition when the light diffracted by the first volume hologram layer 10 enters the second volume hologram layer 12 The first and second volume hologram layers 10 and 12 were arranged as described above, and were bonded.
[0117]
As described above, the reflection type optical element of Embodiment 4 is obtained.
[0118]
In the reflection type optical element of the present embodiment, a liquid crystalline monomer having a refractive index anisotropy (liquid crystalline acrylate) is used to form the second volume hologram layer 12, and its ordinary refractive index and extraordinary refractive index are used. Is approximately equal to the value of the liquid crystal material. Further, as described above, the slow axis of the polymer layer 22 and the slow axis of the liquid crystal layer 24 are arranged so as to be substantially perpendicular to the incidence plane including the grating vector.
[0119]
Therefore, the refractive indexes of the polymer layer 22 and the liquid crystal layer 24 with respect to the incident light of the second volume hologram layer 12 are the same regardless of the polarization direction of the incident light. Therefore, in a state where no voltage is applied, when the incident light diffracted by the first volume hologram layer 10 enters the second volume hologram layer 12, the incident light is affected by the polarization direction as shown in FIG. Instead, it is not diffracted by the second volume hologram layer 12 and is transmitted as it is.
[0120]
As shown in FIG. 7B, the liquid crystal molecules 30 were oriented so that the major axis direction was parallel to the surfaces of the substrates 4 and 6 in the state where no voltage was applied. As shown in FIG. 7C, the alignment is performed so as to be orthogonal to the surfaces of the substrates 4 and 6 (parallel to the normal direction of the substrates 4 and 6). On the other hand, since the liquid crystal monomer 28 is fixed by polymerization, the alignment state does not change. Therefore, when the voltage is applied from the state where no voltage is applied, the refractive index of the liquid crystal layer 24 changes from a value substantially equal to the extraordinary light refractive index ne to a value substantially equal to the ordinary light refractive index no. No longer matches the rate (= ne).
[0121]
Therefore, when the incident light diffracted by the first volume hologram layer 10 is incident on the second volume hologram layer 12 in the voltage applied state, as shown in FIG. 7C, the polarization direction is changed to the incident surface including the grating vector. On the other hand, the linearly polarized light 34 substantially parallel to the light is diffracted.
[0122]
In the fourth embodiment, unlike the third embodiment, the refractive indices of the polymer layer 22 and the liquid crystal layer 24 do not coincide with each other even with respect to the linearly polarized light 36 substantially perpendicular to the incident surface including the grating vector. That is, in the fourth embodiment, when voltage is applied, incident light is diffracted regardless of the polarization direction, as shown in FIG. 7B. Therefore, the reflective optical element of the fourth embodiment has no polarization selectivity. Similarly to the reflective optical elements of the first to third embodiments, the reflective optical element of the fourth embodiment can reflect light having an incident angle of -30 degrees at an output angle of -0.5 degrees. Further, the reflection type optical element of Embodiment 4 realizes a diffraction state when no voltage is applied, a transmission state when voltage is applied, and a switching state, similarly to the reflection optical element of Embodiment 3 described above. Although possible, it has the advantage of being brighter than the reflective optical element of Embodiment 3 because it has no polarization selectivity.
[0123]
In the reflection type optical elements of the first to fourth embodiments, the layer spacing D1 of the first volume hologram layer is 300 nm and the layer spacing D2 of the second volume hologram layer is 1150 nm. Provided that D1 is within the range of 240 nm ≦ D1 ≦ 1300 nm and the layer interval D2 of the second volume hologram layer is within the range of 850 nm ≦ D2 ≦ 1150 nm, the same reflection characteristics and diffraction efficiency as those of the reflective optical elements of Embodiments 1 to 4 described above. Is obtained.
[0124]
【The invention's effect】
According to the present invention, there is provided a reflection hologram optical element capable of lowering the driving voltage and / or broadening the band than before.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a view schematically showing a reflective optical element of the present invention.
2A is a diagram schematically showing a volume hologram layer, and FIGS. 2B, 2C, and 2D are diagrams for explaining diffraction of light incident on the volume hologram layer. .
FIG. 3 is a diagram for explaining a gradient refractive index modulation structure.
FIG. 4 is a diagram schematically showing a relationship between a grating vector of a first volume hologram layer and a grating vector of a second volume hologram layer, and an incident surface.
FIGS. 5A and 5B are diagrams schematically showing an example of a liquid crystal hologram layer applicable to a volume hologram layer.
FIG. 6A is a diagram schematically showing a reflection type optical element of Embodiment 3, and FIGS. 6B and 6C are diagrams of a second volume hologram layer included in the reflection type optical element of FIG. It is a figure which shows only part A among them typically.
FIG. 7A is a diagram schematically showing a reflection type optical element of Embodiment 4, and FIGS. 7B and 7C are diagrams of a second volume hologram layer included in the reflection type optical element of FIG. It is a figure which shows only part A among them typically.
FIG. 8 is a diagram showing a conventional reflection type hologram optical element.
[Explanation of symbols]
2 Reflective optical element
4 Substrate
6 substrate
8 Volume hologram layer
10 First volume hologram layer
12 Second volume hologram layer
14A layer
14B layer
15 Board surface
18 AC power supply
20 Liquid crystal hologram layer
22 polymer layer
24 liquid crystal layer
26 LCD Droplet
28 Liquid crystal monomer
30 liquid crystal molecules
50 substrates
52 substrate
54 Volume hologram layer
56 liquid crystal layer
58 polymer layer

Claims

一対の基板間に、体積ホログラム層を有する反射型光学素子であって、
前記体積ホログラム層は、前記基板の法線方向に略平行に、光の入射側からこの順に積層された第１体積ホログラム層および第２体積ホログラム層を含み、
少なくとも前記第１体積ホログラム層は、透過型体積ホログラム層であり、
前記第１体積ホログラム層および前記第２体積ホログラム層は、電圧印加状態および電圧無印加状態のいずれか一方の状態において、前記基板の表面の法線方向に対して所定の角度をなすグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化する少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する、反射型光学素子。A reflective optical element having a volume hologram layer between a pair of substrates,
The volume hologram layer includes a first volume hologram layer and a second volume hologram layer stacked in this order from a light incident side substantially in parallel to a normal direction of the substrate,
At least the first volume hologram layer is a transmission volume hologram layer,
The first volume hologram layer and the second volume hologram layer may have a grating vector direction at a predetermined angle with respect to a normal direction of a surface of the substrate in one of a voltage application state and a voltage non-application state. A reflective optical element, wherein at least one gradient refractive index modulation structure whose refractive index changes regularly is formed.

前記第１体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する、請求項１に記載の反射型光学素子。The reflective optical element according to claim 1, wherein the first volume hologram layer forms the at least one gradient refractive index modulation structure.

前記第２体積ホログラム層は、前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造を形成する、請求項１に記載の反射型光学素子。The reflective optical element according to claim 1, wherein the second volume hologram layer forms the at least one gradient refractive index modulation structure.

前記第２体積ホログラム層は透過型体積ホログラム層である、
請求項１から３のいずれかに記載の反射型光学素子。The second volume hologram layer is a transmission volume hologram layer;
The reflective optical element according to claim 1.

前記第２体積ホログラム層は反射型体積ホログラム層である、請求項１から３のいずれかに記載の反射型光学素子。The reflective optical element according to claim 1, wherein the second volume hologram layer is a reflective volume hologram layer.

前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、液晶材料および高分子材料を含む液晶ホログラム層によって形成され、
前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って前記液晶材料の含有率が規則的に変化する構造を有する、請求項１から５のいずれかに記載の反射型光学素子。The at least one gradient refractive index modulation structure is formed by a liquid crystal hologram layer including a liquid crystal material and a polymer material,
The reflective optical element according to claim 1, wherein the liquid crystal hologram layer has a structure in which the content of the liquid crystal material changes regularly along the grating vector direction.

前記液晶ホログラム層は、液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、
前記液晶リッチ層は液晶ドロップレットを含む、請求項６に記載の反射型光学素子。The liquid crystal hologram layer has a liquid crystal rich layer and a polymer rich layer alternately,
The reflective optical element according to claim 6, wherein the liquid crystal rich layer includes a liquid crystal droplet.

前記液晶ホログラム層は、前記グレーティングベクトル方向に沿って液晶リッチ層と高分子リッチ層とを交互に有し、
前記高分子リッチ層は一軸異方性を有し、
電圧無印加時において、前記液晶リッチ層は、ホモジニアス配向をとり、その遅相軸は前記高分子リッチ層の遅相軸と略平行であり、
前記液晶材料の異常光屈折率をｎ_ｅ、常光屈折率をｎ_ｏとし、前記高分子材料の異常光屈折率をｎｐ_ｅ、常光屈折率をｎｐ_ｏとすると、ｎｐ_ｅ＝ｎ_ｅ、且つ、ｎｐ_ｏ＝ｎ_ｏの関係を満足する、請求項６に記載の反射型光学素子。The liquid crystal hologram layer has a liquid crystal rich layer and a polymer rich layer alternately along the grating vector direction,
The polymer rich layer has uniaxial anisotropy,
When no voltage is applied, the liquid crystal rich layer has a homogeneous alignment, and its slow axis is substantially parallel to the slow axis of the polymer rich layer.
When the abnormal light refractive index of the liquid crystal material is _{n e,} the ordinary refractive index and _{n o,} the extraordinary refractive index of np _e of the polymer material, the ordinary refractive index and _{_{_{np o, np e = n e}}} , and, np _o = _{n o} satisfying the relation, the reflective optical element according to claim 6.

電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略平行である、請求項８に記載の反射型光学素子。9. The reflective optical element according to claim 8, wherein when no voltage is applied, a slow axis of the polymer rich layer and a slow axis of the liquid crystal rich layer are substantially parallel to an incident surface.

電圧無印加時において、前記高分子リッチ層の遅相軸および前記液晶リッチ層の遅相軸は入射面に略直交する、請求項８に記載の反射型光学素子。9. The reflection type optical element according to claim 8, wherein, when no voltage is applied, a slow axis of the polymer rich layer and a slow axis of the liquid crystal rich layer are substantially orthogonal to an incident surface.

前記少なくとも一つの傾斜屈折率変調構造は、第１の傾斜屈折率変調構造および第２の傾斜屈折率変調構造を含み、前記第１体積ホログラム層は前記第１の傾斜屈折率変調構造を形成し、かつ、前記第２体積ホログラム層は前記第２の傾斜屈折率変調構造を形成し、
前記第１傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第１の角度をなす第１のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第２傾斜屈折率変調構造は、前記基板の表面の法線方向に対して第２の角度をなす第２のグレーティングベクトル方向に屈折率が規則的に変化しており、前記第１のグレーティングベクトルおよび前記第２のグレーティングベクトルは入射面内に含まれる、請求項１から１０に記載の反射型光学素子。The at least one gradient index modulation structure includes a first gradient index modulation structure and a second gradient index modulation structure, and the first volume hologram layer forms the first gradient index modulation structure. And the second volume hologram layer forms the second tilted refractive index modulation structure,
In the first gradient refractive index modulation structure, the refractive index changes regularly in a first grating vector direction forming a first angle with respect to a normal direction of a surface of the substrate, and the second gradient refractive index In the refractive index modulation structure, the refractive index changes regularly in a second grating vector direction forming a second angle with respect to a normal direction of the surface of the substrate, and the first grating vector and the second grating vector have a second angle. The reflective optical element according to claim 1, wherein the grating vector is included in an incident surface.

前記第１体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第１のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ１である第１の層および第２の層を、前記第１のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第１体積ホログラム層の膜厚をｔ１、前記第１のグレーティングベクトルの傾斜角をφ１とすると、ｔ１＝５．８μｍ、φ１＝１００°、２４０ｎｍ≦Ｄ１≦１３００ｎｍであり、
前記第２体積ホログラム層は、屈折率が互いに異なり、かつ、前記第２のグレーティングベクトル方向の層間隔がＤ２である第３の層および第４の層を、前記第２のグレーティングベクトル方向に交互に有し、前記第２体積ホログラム層の膜厚をｔ２、前記第２のグレーティングベクトルの傾斜角をφ２とすると、ｔ２＝５．８μｍ、φ２＝３０°、８５０ｎｍ≦Ｄ２≦１１５０ｎｍである、請求項１１に記載の反射型光学素子。The first volume hologram layer alternates the first layer and the second layer having different refractive indices from each other and having a layer interval of D1 in the first grating vector direction in the first grating vector direction. Assuming that the thickness of the first volume hologram layer is t1 and the inclination angle of the first grating vector is φ1, t1 = 5.8 μm, φ1 = 100 °, 240 nm ≦ D1 ≦ 1300 nm,
In the second volume hologram layer, a third layer and a fourth layer having different refractive indices from each other and having a layer interval of D2 in the second grating vector direction are alternately arranged in the second grating vector direction. Wherein t2 = 5.8 μm, φ2 = 30 °, 850 nm ≦ D2 ≦ 1150 nm, where t2 is the thickness of the second volume hologram layer and φ2 is the inclination angle of the second grating vector. Item 12. The reflective optical element according to item 11.