JPH08510336A - ホログラフ・レーザ・スキャナおよびレンジ・ファインダ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ホログラム光学要素（ＨＯＥ）は、少なくとも２つのホログラムを回転可能に支持する回転軸に対し回転対称な基板構造を含んでいる。垂直入射経路上の基盤構造上の第１ホログラムは、ビームを回転軸から第１方向転換経路に第１鋭角だけ回折する。第１方向転換経路上の基板構造上の第２ホログラムは、ビームを回転軸から逆方向の第２放射方向に、異なる角度の第２鋭角だけ第２の方向転換経路へ回折する。これにより、第２の方向転換経路は、第１角の大きさと第２角の大きさの間の異なった大きさの回転軸からの角度を有する。基板構造は、第１ホログラムを支持する第１、第２および第３の円板状の基板を含み、第１および第２基板との間に第３基板が積層するように接着され、薄膜干渉フィルタが、第１ホログラムを通過した０次漏洩入射ビームを抑制するために第３基板に含まれる。フィルタ要素は、誘電スタック、透過ホログラムまたは反射ホログラムのいずれかの形態を含む。第１ホログムは、第２ホログムを通過する０次漏洩の内部全反射を達成するインプリントされている。

Description

【発明の詳細な説明】 ホログラフ・レーザ・スキャナおよびレンジ・ファインダ 発明の背景 技術分野 本発明は、一般的には戦闘ヘリコプタ用障害物回避システム含む種々の応用の ためのレーザ・スキャナに関する。特に、本発明は、大ビーム・スキャニングお よび迷走光雑音の抑制に適したホログラフ光学要素に関する。 背景情報 いくつかのスキャナ（走査器）は、小さい角度の開きをもつビームを、通常平 面鏡であるビーム・フォーミング光学系の一部を機械的に動かすことによって、 広い角度の範囲を走査することを思い起こすべきである。 長方形パターンの走査には、機械的に振動するミラー（鏡）が通常２組使用さ れる。１個のミラーは、一つの方向線（例えば、縦方向）に沿ってビームを偏向 するため早く振動し、もう１個のミラーは、ビデオ表示技術と同じように、走査 範囲を作るために、垂直方向（水平方向）にゆっくりと振動する。 他の手法では、多面ミラーの回転を用い、それぞれの面がビームを与えられた 方向に偏向する。 さらに、他の手法では、回転または振動するプリズムにより、ビームを偏向さ せる。 これらの手法のいずれも、特有の不利な点を有する。 反復動作ミラー法は、通常２個のミラーを必要とし、最大反復速度を制限する だけでなく、振動、時間遅延および非線形速度をもたらす。 多面ミラー法は、全体のビームを包含するのに十分な大きさのミラーが必要で あり、大きいビーム用のものは高価であるため経済的に不利となる。 プリズムによる偏向は、通常、小さいビームと小さい角度でのみ実用的であり 、他の条件ではプリズムの重量が大きくなる。さらに、高速の反復動作または高 い 回転速度での走査は、体積の大きな従来の光学要素に厳しい応力をもたらす可能 性がある。 ホログラフ光学要素（以下、ＨＯＥｓという。）は、これらの不利な点のいく つかを解消することができる。 １個の光学要素（以下、ＨＯＥという。）には、屈折や反射でなく回折によっ て光の方向を変える、１個またはそれ以上のホログラムを含んでいる。それは基 板の形状に基本的には依存せずに機能する。従って、ＨＯＥは、より薄く、かつ より軽量に製作することができる。 それ（ＨＯＥ）は、従来の光学要素の研削および研磨に比べ大幅に製造コスト を下げることが可能な簡単な写真プロセスで安価に複製することができる。 さらに、ＨＯＥに多機能を与えるために、単一体積のホログラム・フィルムに 複数のホログラムを重ね焼きすることができる。 ＨＯＥｓは、従来、小さいビームを偏向する位置に、多数の小さいＨＯＥｓを 回転させることにより、ＰＯＳ（販売ポイント）ターミナルのような応用での走 査に用いられてきた。 しかしながら、上記のＨＯＥｓに要求される構造は、目に安全で、かつ小さい 開きのビームによる高解像力のイメージを得るために使用される、より大きなビ ームでは実際的ではない。さらに、ＰＯＳターミナルでは、高いＳ／Ｎ比は必要 とされないし、また必要条件でもない。 従って、ビームの直線通過エネルギーに対する配慮がなければ有効でなくなり 得る。しかし、ビーム（０次ビーム）と他の迷光の非偏倚、滲出透過性がレーザ による距離測定に雑音、好ましくないゴーストおよび他の誤信号を発生させ得る 。 このように、レーザ距離測定には、ＨＯＥｓの優位性を引き出す、より良い方 法が必要とされる。 発明の概要 本発明は上記の問題を解決するためになされたもので、ビームの強度を目に安 全なレベルまで低下させるために十分な大きさの出口開口部全体に広げながら、 垂直入射の軸上ビームを軸から僅かに外れた角度に向ける円板状ＨＯＥによって 解決するものである。 適当な走査要素により、ＨＯＥをスキャン軸上に回転させることで、スキャン 軸を中心とする全周走査パターンを実現することができる。 注目する領域に亘りスキャン軸を動かし、全周走査パターンによりこの領域を 走査する。 遠距離の距離計測（レンジ・ファインディング）には、小角度走査がより有効 である。しかしながら、望ましい小角度を作りだすのに十分な厚さのホログラム は、種々の困難をもたらす。 本発明のＨＯＥは、より容易な２段階法を用いている。また、この２段階法は 、散乱及び吸取損失を減少させるだけでなく、後述するフィルタ設計上の優位性 をもたらす。 本発明のＨＯＥは、２個のホログラムを含んでいる。このＨＯＥの後方表面に 垂直に入射する入射軸上レーザ・ビーム（例えば、８５０ｎｍ波長）は、第１の ホログラムに当り、そのホログラムはビームを軸から大きくずれた第１の角度に 回折させる。この方向が変った１次ビームは、次に第２のホログラムに当り、ビ ームは反対方向に軸から大きくずれた角度に回折される。 この方法で２度方向を変えたビームは、軸から僅かにずれた第３の角度でＨＯ Ｅから出ていく。第３の角度は、第１と第２の角度差に、ＨＯＥ前面の空気との 境界で起こる屈折を加えたものである。 ＨＯＥの最終効率は、２個の分離したホログラムのそれぞれの効率の積である 。この最終効率は、１枚の、遥かに厚く製作がより困難なホログラムに比べ、２ 枚の薄いホログラムで、より容易に達成することができる。 本発明のＨＯＥは、第１のホログラムから出る方向がずれていないビームを抑 制する干渉フィルタを持つことが望ましい。 この目的のための本発明の一変形例は、第１と第２のホログラムの間に、長波 長透過または大きい角のビームを透過する、サンドウィッチ状に配置されたフィ ルタを含む。 このフィルタは、回折された第１次ビームをほとんど減衰しないで透過し、第 １のホログラムから出る方向がずれていない０次ビームをほぼ１００％の反射率 で反射するように設計される。 従って、本フィルタは、発射および入射信号の両方に作用するので、全ての０ 次漏洩で引き起こされるノイズをフィルタ効率の２乗だけ抑制する。 本発明のもう一つの変形例は、薄膜干渉フィルタの代わりに、０次（ビーム） を拒絶する第３のホログラム（反射ホログラム）を使用する。このホログラムは 、垂直入射レーザ・ビーム（０次ビーム）を、ほぼ１００％の効率で反射する一 方、高角度（ビーム）をほとんど減衰しないで伝送する。 さらに、本発明のもう一つの変形例は、０次ビームをもう一つのフィルタがも つ角度、即ちノイズを最小にする角度にほぼ１００％の効率で回折する一方、第 １次ビームを伝送する伝送ホログラムの使用である。 第１ホログラムからの十分に大きい回折角度（例えば、臨界角より大きい任意 の角度）の一つの優位性は、第２ホログラムで回折されない任意のエネルギーが ＨＯＥの前面で全て内部に反射することである（そして、黒で塗装されたＨＯＥ 端で全減衰を起こす）。 また、角度は大きいが臨界角より小さい角度のビームに対しては、第２ホログ ラムからのノイズを拒絶するのに必要とされる干渉フィルタが、従来の手段で容 易に設計、生産される。 従って、ＨＯＥサンドウィッチまたは別のウィンドウと直列にフィルタを追加 し、第２ホログラム内の方向がずれていない全てのビームを抑制することが可能 である。そのフィルタは、反射ホログラムまたは伝送ホログラムでも良く、短波 長透過または小角透過型の干渉フィルタでも可能である。 ＨＯＥの十分な効率を実現するために、空気界面にその他のコーティング（例 えば、反射防止コーティング）を付加することもできる。このようなコーティン グは、高い効率を実現するために光学要素に広く使用されている。 本発明の更なる変形例では、取差に対する波面補償を行うように形成される。 これに関しては、レーザ・ビームを小さいレーザ源から必要な大きさの軸上ビー ムに拡大するために、カセグレン型（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ−ｔｙｐｅ）望遠鏡 などの従来型光学手段が使用される可能性があることを思い起こすべきである。 このようなシステムに、ホログラムによる波面補償を備えることで、より高価 な放物面１次ミラーと双曲面２次ミラーに代えて、球面取差をもたらす安価な１ 次および２次球面ミラーのカセグレン型望遠鏡の使用が許容される。 このような波面補償は、従来、別の体積の大きいシュミット板補正要素によっ て行われていた。しかし、本発明のこの点に沿って、シュミット型補正は、ＨＯ Ｅスキャナそのものに置き換えることが可能である。これにより、いくつかの要 素の機能をホログラフ上一つの要素にまとめることができる。 以上述べたこと並びに本発明のその他の目的、特徴および優位性は、後述の図 面を参照した詳細な記述によって、さらに明らかとなる。 図面の簡単な説明 図１は、本発明にしたがって製作されたＨＯＥを使用した障害物回避システム を外部に取り付けたヘリコプタの概略図である。 図２は、ＨＯＥが作る全周走査パターンにより包含される領域の拡大図である 。 図３は、タレット・アセンブリ、航空機システムとの接続およびＨＯＥの位置 についての種々の要素の全体図を示すブロック・ダイヤグラムである。 図４は、本発明に従って最初に製作されたＨＯＥの前面図である。 図５は、図４の線５−５で切断した断面図である。 図６は、構造をより詳細に示す図５の部分拡大図である。 図７は、図示の都合上拡大した１次および２次ホログラムと薄膜干渉フィルタ を示す一つのＨＯＥデザインをダイヤグラム的に示した概念図である。 図８は、図７のＨＯＥデザイン概念のための内部全反射を示す伝送ダイヤグラ ムである。 図９は、必要な抑制を達成するために、内部全反射の代わりに、ウィンドウ上 に薄膜干渉フィルタを使用したＨＯＥの代替デザイン概念のための伝送ダイヤグ ラムである。 好ましい実施例の説明 状況説明 本発明のホログラフ光学要素をより詳細に検証する前に、この後の記述を実際 の装置の状況説明とするために、図１〜図３を考える。 図１は、タレット・アセンブリ１１とコントロール・パネル１２を含む障害物 回避システム（ＯＡＳＩＳ）を外部に取り付けたヘリコプタ１０を図示したもの である。 これらは、ヘリコプタ１０上に設置され、既存のアビオニクス（航空電気・電 子装置）、ビデオまたは頭上ディスプレイ（ＨＵＤ）並びにワイヤ、塔、アンテ ナ、木、地形の特徴、その他の接近しつつある障害物についての飛行中の音声に よる警告および指揮命令を与える音声システムに集約されている。 タレット・アセンブリ１１は、ヘリコプタ１０の先端部の下の既存のタレット ・ドラム構造の上に取り付けられている。そこで、タレット・アセンブリは、レ ーザ・レーダ機器とそれに附属する走査・処理要素のためのプラットフォーム構 造となっている。 コントロール・パネル１２は、パイロットがオペレーション・モードの設定ま たはコントロール・オペレーションに設定できるように、ヘリコプタ１０の中で パイロットの手が届く位置に取り付けられている。 オペレーション中には、タレット・アセンブリ１１は、前方監視窓１４を通し てレーザ・エネルギのビーム１３を発射している。 それと同時に、タレット・アセンブリ１１上のスキャナは、通常、航空機の縦 軸（長さ方向の軸）に合致した最初のスキャン軸１５の周囲にビーム１３を円形 に走査する。 このスキャナは、本発明に従って製作されたＨＯＥを含み、窓１４の直ぐ後ろ に置かれている。 さらに、タレット・アセンブリ１１上の方位スキャナは、注目している領域を 特定するために、タレット・アセンブリ１１の上部１７に対して下部１６を動か す。それは、第２スキャン軸１８の回りを往復し、ビーム１３の全周パターンを 走査する。第２スキャン軸は、通常、航空機の縦軸と平行である。このようにす ることで、ビーム１３を円錐パターンに方向付け、円錐パターンは、図１で１９ と記号を付けて描いた第１スキャン軸１５に垂直な面で全周走査パターンを作る 。 この方位走査は、図２に示される領域全体に亘り全周走査を行う。ここで、第 １スキャン軸１５は、点ＡとＢの間を往復して方位に全周形の経路を描く。この 複合型の動きは、境界Ｃの中で注目する領域を包含する。 図２でＤの矢印の方向に、第１走査が点ＡとＢの間を比較的遅い速度で往復す る間に、図１のビーム１３は、図２中の点線で描かれたようにパイロットの視点 から見て時計回りにより速い速度で走査する。周方向と方位方向走査を組み合わ せた動作は、ビーム１３が走査線の最低点Ｆと最上点Ｇの間の半円経路に沿って 走査し左側（パイロットの視点から）の上下走査Ｅを作り、また最上点Ｇと最低 点Ｆの間の半円経路に沿ってビーム１３が走査し右側の上下走査Ｈを作りだす。 図３は、ヘリコプタ１０の中に設置されたタレット・アセンブリ１１の拡大し たダイヤグラム的描写である。タレット・アセンブリ１１は、航空機電源、ビデ オ、インターコム（機内通話機）及びアビオニクスのシステムと接続され、パイ ロットがコントロール・パネル１２で設定したオペレーション・モードに従って 既存の航空機ビデオまたはＨＵＤと障害物関連走査情報とを組み合わせてオペレ ーションされる。 次に、関連する音声（例えば音響警告）を航空機インターコム・システムに送 る間に、飛行経路の複合情報を航空機のディスプレイ・システムへフィードバッ クする。 これらの機能を達成するために、タレット・アセンブリ１１には、レーダ光学 ヘッド２０、関連したレーダ・コントロール回路２Ｌ周方向（または第１）スキ ャナ２２、方位方向（または第２）スキャナ２３、およびプロセッサ回路２４が 含まれる。 レーダ光学ヘッド２０は、レーザ・ビーム・エネルギーのパルスを発射し、全 ての接近した障害物からの時間を合わせた帰還信号を受信する。また、レーダ光 学ヘッド２０には、４つの主なサブ・アセンブリ、即ち、送信機、受信機、ビー ム・スプリッタおよび拡大望遠鏡が組み込まれている。 第１スキャナ２２と第２スキャナ２３は、予め設定された注目している領域全 体に亘ってビームを走査するよう結合されている。 レーダ・コントロール回路２１は、レーザ・エネルギー・ビームをパルスとし て発生させ、第１スキャナ２２と第２スキャナ２３を同期化する。これには、注 目している領域内の接近した障害物についての距離情報を作りだすレンジ・プロ セッサおよびある瞬間のビームの方向についての方位情報を作りだす追跡要素が 含まれている。 このプロセッサ回路２４は、既存の航空機アビオニクス・システムからの計器 情報と共にレンジ・データと方向情報を処理また、これは、接近した障害物につ いてのディスプレイ情報を作りだす。これらの目的のため、プロセッサ回路２４ は、レーダ・コントロール回路２Ｌ、コントロール・パネル１２およびブロック ２５として図示されている航空機電源／ディスプレイ／機内通話／アビオニクス ・システムと作動するよう接続されている。 タレット・アセンブリ１１には、レーダ光学ヘッド２０および第１スキャナ２ ２の支持構造として機能するプラットフォーム２６が含まれている。この物理的 な接続は、図３では、点線によってダイヤグラム的に描かれている。プラットフ ォーム２６とレーダ・コントロール回路２１およびプロセッサ回路２４との物理 的な接続は、図に示されてはいない。というのは、レーダ・コントロール回路２ １およびプロセッサ回路２４は、航空機の別の場所に設置されるかも知れないか らである。 プラットフォーム２６は、また、タレット・アセンブリ１１の下部１６と物理 的に接続されている。下部１６にある窓１４は、プラットフォーム２６が第２ス キャン軸１８で回転する時、第１スキャン軸１５と合致されている。さらに、プ ラットフォーム２６は、第２スキャナ２３と物理的に接続されており、その結果 、タレット・アセンブリ１１の上部１７と物理的に接続されている。これにより 、プラットフォーム２６は、ヘリコプタのタレット・ドラムと物理的に接続され る。 第２スキャナ２３は、プラットフォーム２６を上部１７（およびヘリコプタ・ タレット・ドラム）に対し第２スキャン軸１８で回転して、方位方向にビームを 往復させ走査する。この動作が、タレット・アセンブリ１１の下部１６中のレー ダ光学ヘッド２０、第１スキャナ２２および窓１４を回転させる。その結果、第 １スキャン軸１５は、図２のＡ点及びＢ点の間を方位方向で往復する一方、ビー ムは第１スキャン軸１５とした全周を走査する。勿論、当業者は、ここに述べた 方位走査機能を遂行するために種々な物理的形態でタレット・アセンブリを製作 することができる。従って、図に示したタレット・アセンブリ１１の機械的レイ アウトは、詳細には示されていない。 オペレーション中は、レーダ光学ヘッド２０が、図３で双頭の矢印２８で示さ れるように、レーザ・エネルギーのパルス化した射出ビームを放射し、第１スキ ャン軸１５に関し軸上を光速で反射した帰還を受信する。 レーダ光学ヘッド２０と窓１４間の位置を占める第１スキャナ２２は、第１ス キャン軸１５を中心とする全周パターンを作りだすために、ビームを軸からずれ た方向に向ける。図に示した第１スキャナ２２は、本発明に従って製作されたＨ ＯＥ２９と共に、その機能を果たす。ＨＯＥ２９は、双頭の矢印３０の描かれて いるように、射出ビームの方向を決め、第１スキャン軸１５からずれた（例えば 、１２．５度）帰還信号を受信する。第１スキャナ２２は、ＨＯＥ２９をスキャ ナ・コントローラ２７のコントロールで一定の回転速度（例えば、１１０Ｈｚ） で第１スキャン軸１５の周りに回転させるコンポーネントを含んでいる。その結 果、第１スキャン軸１５に対し、１２．５度の半角をもつ円錐形の領域ができる 。勿論、レーダ・スキャンのためのＨＯＥの回転速度は、接近した障害物からの 光速の帰還信号が、ＨＯＥ２９がＨＯＥの高効率角度領域の外へ回転する前に、 入射するのに十分なだけ遅いものである。 その間に、第２スキャナ２３は、レーダ光学ヘッド２０、第１スキャナ２２お よび窓１４を第２スキャン軸１８の周りの回転で、ビームを方位方向に比較的ゆ っくりと走査する。こうして、全周走査パターンは、航空機の方位方向で往復す る。第２スキャナ２３は、プラットフォーム２６とそれにマウントされた全ての コンポーネントを動作の反転時以外では基本的に一定の角速度（例えば、約０． ６６Ｈｚの方位掃射速度）で、第２スキャン軸１８（例えば、中心位置から両側 に１２．５度）の周りに往復させることで走査する。 全周及び方位の複合走査は、図１で参照番号１９として描かれている走査パタ ーンを作り、図２で境界Ｃの内部として示されている注目領域を包含する。勿論 、スキャナ・コントローラ２７は、第１スキャナ２２および第２スキャナ２３の 中のセンサの位置を決めるために（例えば、電気または光学センサを使って）動 作できるよう接続されているが、図示の都合上、図３ではこれらの接続は示され て いない。 走査が継続している間、レーダ・コントロール回路２１は、注目領域全体に亘 りレンジ・データを作るレーダ技術として知られている方法で、帰還信号を処理 する。（例として、窓１４上のゴミだけでなく、第１スキャナ２２およびレーダ 光学ヘッド２０の中の光学走査要素からの後方散乱ノイズを避けるために、レン ジ・ゲート技術が必要とされるであろう。） さらに、スキャナ・コントローラ２７は、プロセッサ回路２４がある瞬間の航 空機に対するビーム方向（即ち、第１スキャン軸１５および第２スキャン軸１８ ）を追跡し続けることを可能にする。プロセッサ回路２４は、レンジ・データ、 ある瞬間のビーム方向についての方向情報、表示および音響情報を作りだす計器 データを処理し、航空機のディスプレイと機内通話システムを使ってパイロット へこの情報を伝達する。 勿論、その他の視覚ディスプレイおよび機内通話システムを使うこともできる 。 しかし、図１および図３に示されたＯＡＳＩＳは、映像情報を統合ヘルメット ・ディスプレイ視界装置（ＩＨＡＤＳＳ）の既存の頭部マウント・ディスプレイ （ＨＭＤ）と重なるだけでなく、顔（頭）の方向で追跡する前方視野赤外線（Ｆ ＬＩＲ）イメージによるパイロット監視システム（ＰＮＶＳ）とも重なる。 この目的のために、図示したプロセッサ回路２４は、タレット・アセンブリ１ １をコントロールし、既存の航空機システムとＯＡＳＩＳシステムを完全に統合 化するようプログラムされた多数のプロセッサを含んでいる。 サイズについては、図示したタレット・アセンブリ１１の全体の高さは、窓１ ４の面に垂直な（第１スキャン軸１５に沿った）奥行きは５０ｃｍ弱であり、幅 は５０ｃｍ弱である。 勿論、これらの寸法は、開示された本発明の走査および処理の概念から離れる ことなく、大きく変わるであろう。 さらに、構成要素の設置は、同様に図示されたものから変わるであろう。例え ば、プロセッサ回路とレーダコンポーネントは、タレット・アセンブリの質量を 削減するために、タレット・アセンブリ１１から離れた航空機の位置に設置され ることもある。 ＨＯＥの詳細 図４〜図９を参照してＨＯＥ２９をさらに詳細に考察する。それは（ＨＯＥ） は、直径６．２５インチ（１５．９ｃｍ）の円板構造で、回転軸３０（図５）に 対して回転対称である。 ＨＯＥには、３層の複合基板３１を含み、タレット・アセンブリ１１（図３） 中の第１スキャナ２２のシャフト上に、ＨＯＥ２９をマウントするためのステン レス・スチールのハブ３２に嵌め込まれている。 マウントに際し、回転軸３０は、第１スキャン軸１５と同軸に合わせられる。 完全な軸合せから小さなオフセット（しかし、高効率の角度帯域内で）によっ て、レーダ光学ヘッド２０（図３）内の受信機への後方反射ノイズを避けること ができる。他の方法として、受信機への後方反射ノイズを避けるために、レンジ ・ゲート回路をレーダ・コントロール回路２１（図３）に汲み込むこともできる 。 オペレーション中には、射出するビーム１３（図１）は、ＨＯＥ２９（図５） の背面３３をまず通過し、次にホログラムとフィルタ要素を通過し、そして最後 に前面３４から出ていく。そうすることで、ビームは第１基板３５上の第１ホロ グラム、第２基板３６上の第２ホログラム、そして第３基板３７上のフィルタ要 素を通過する（図５および図６）。これらのホログラムは、ビームの方向を望ま しい方向に変える。フィルタ要素は、第１ホログラムからの０次漏洩を全て抑制 する。 種々の適当な基板材を使用することができるが、図示したＨＯＥ２９では、３ ５〜３７の基板は全て１／８インチ（３．１７５ｍｍ）の厚さの円板状のガラス （例えば、ホウケイ酸ＢＫ７ガラス）である。 ホログラムとフィルタ要素は、ガラス基板上に形成される。 次に、この３枚の基板は、例えば、光学セメントなどの適当な手段あるいは光 学システム技術で周知の手段で接着され、複合積層構造（即ち、複合基板構造３ １が形成される。 第１ホログラムおよびフィルタ要素は、第１基板３５および第３基板３７の界 面に面しており、第２ホログラムは、第２基板３６と第３基板３７の界面に置か れる。適当にシールされたＨＯＥ（光学セメントによるサンドウィッチ・ガラス の技術として知られている。）によって、湿度に敏感なホログラムとフィルタ要 素は環境から保護されている。 ホログラムは、周知の技術を用いて製作される。ホログラムは約１０ミクロン の厚さであり、フィルタ要素は約５ミクロンとなるであろう。従って、図示の都 合上、図７では非常に誇張されてホログラムとフィルタ要素がダイヤグラム的に 描かれている。 入射する垂直入射の軸上ビーム（図７では、参照番号３８で示されている。） は、背面３３から入り、角度４０（例えば１２．５度）に方向が変えられた、軸 からずれた放射ビーム（参照番号３９で示されている。）として前面３４から出 ていく。 このビームは、途中で、第１基板３５上の第１ホログラム４１（入力ホログラ ム）、第２基板３６上の第２ホログラム４２（出力ホログラム）および第３基板 ３７上のフィルタ要素４３を通過する。 第１ホログラム４１が、このビームを参照番号４４として描かれている最初に 方向転換された経路へ、回転軸から第１放射方向に第１の鋭角（例えば４５度） だけ回折する。 第２ホログラム４２は、ビーム４４を参照番号４５として描かれている２番目 の方向転換された経路へ回転軸から逆方向の第２放射方向に第２鋭角（例えば、 ５３．１８６度）だけ回折する。前面３４の空気境界が、ビーム４５をスネルの 法則に従って（例えば、屈折率１．５２の媒体に対し）小さい追加角（例えば、 ４．３１４度）で屈折し、軸から最終ずれ角４０（例えば、１２．５度）となる 。 図８は、ＨＯＥ２９の図式的ダイヤグラムである。このＨＯＥは、第２ホログ ラム４２を通して全ての０次漏洩の完全内面反射を達成する。臨界角（例えば、 屈折率１．５２の媒体内で垂直方向に対し、約４１．４度）より大きい全ての内 角は、完全な内面反射となる。例えば、図８中で第１ホログラムは、４４で示さ れるようにビーム３８を４５度の内角だけ回折するようインプリントされている 。 第２ホログラムは、４５で示されるようにこのビームを逆方向に５３．１８６ 度だけ回折するようインプリントされている。前面３４の空気境界は、３９で示 されるように、このビームを４．３１４度屈折し、出ていくビームは、軸からの ずれ角１２．５度の方向へ向けられる。 理論的には、ホログラムが単一偏波に対し、１００％の効率を持つことが可能 であるが、この１００％の効率を実際に達成するのは困難であるばかりでなく、 設計仕様として取ることは望ましくない。例を挙げれば、（図示した実施ケース のように）偏波に対し敏感でないホログラムが好ましいであろう。 この場合、２つの直交偏波のそれぞれに対し、１００％未満の同じ値を持つよ うに両ホログラムの効率を調整する必要がある。 図８で、第１ホログラム４１に当たるエネルギーの一部は、回折されずに透過 する。方向が変わっていない（０次）ビームの抑制は、２つのホログラムに挟ま れた薄膜干渉フィルタで達成される。これに代るいくつかのフィルタ・デザイン のいずれも使用可能である。フィルタ要素４３は、そのようなフィルタ要素のい ずれをも表すものとする。 コンピャータで最適化され、広帯域の長波長透過型反射体スタックがＨＯＥ内 にサンドウィッチ状になっているのが好ましい。このような反射体スタックの設 計および製作は、独特のものである必要はなく、薄膜誘電フィルタの技術を持つ 者によって製作可能である。 この反射体スタックは、（図中で５０と逆方向の矢印で示された）０次ビーム を反射し、一方、約４２度の角度を越える第１次および高次ビームを透過する。 このスタックは、垂直入射に対し、かなり広い帯域（例えば、約８５０±２５ ナノ・メートル）で反射し、一方、４５度の第１次ビームのほとんとどを、偏光 には実質的に無関係に透過する。 残存０次漏洩（５１で示されている。）は、桁違いに小さい。第２ホログラム を通った０次漏洩の内面全反射は、５２で示される前面３４で起こる。この０次 漏洩は、内部で（例えば、ＨＯＥディスクの内外径端で）消滅する。他の方法と して、開示された本発明の広義の概念から離れることなく、このフィルタ要素４ ３は、反射または透過ホログラムの形を取ることもできる。 小さい回折内角を持つ別の設計では、より広い帯域、偏光に左右されないより 高い効率および製作の容易さにおいて優位性をもち得るが、内面全反射の性質は 、もはや持たなくなる可能性がある。例えば、図８において、第１ホログラム４ １ に３０度の内角で回折するようインプリントし、第２ホログラムに約３８．１８ ６度だけ回折するようインプリントすることができる。異なった内角のデザイン の比較には、ベル・システム技術ジャーナルＶｏｌ．４８，ｐｐ．２９０９〜２ ９４７（１９６９）に記述されているＨ．Ｋｏｇｅｋ理論を使用することができ る。４５度の内角をもつＨＯＥデザインでは、偏光に左右されない効率が最大で も高々７９．２％である。これと対照的に、３０度の内角では、偏光に左右され ない効率が最大９５．２％であり、角度帯域２度以上で効率は８０％を越える。 不利な点は、第２ホログラムからの０次ビームを減少させるために、もう１枚 のフィルタ要素が必要となることである。 図９は、そのような３０度の内角デザインを採用したＨＯＥ１００を示す。 これは多くの点でＨＯＥ２９と類似しており、異なる点のみをさらに詳細に説 明する。便利のために、ＨＯＥ１００の部品の参照番号は、ＨＯＥ２９の対応す る部品の参照番号に１００が加算されている。このようにして、ＨＯＥ１００に は、第１、第２および３基板、１３５，１３６および１３７含まれる。 第１基板１３５上の第１ホログラム１４１は、垂直入射の侵入ビーム１３８を 参照番号１４４として描かれている最初の方向転換された経路へ、回転軸から第 １放射方向へ第１鋭角（内角３０度）だけ回折するようインプリントされている 。 第２基板１３６上の第２ホログラム１４２は、このビームを参照番号１４５と して描かれている２番目の方向転換経路へ、回転軸に対し逆方向の第２放射方向 に第２鋭角（内角３８．１８６度）だけ回折するようインプリントされている。 前面１３４の空気境界が、このビームを参照番号１３９で示される最終ずれ角 へ、小さい追加角度で屈折する。 ＨＯＥ１００には、第１ホログラム１４１からの０次漏洩を抑制するための第 ３基板１３７上のフィルタ要素１４３が含まれているが、ＨＯＥの内角３０度の ビームは内部全反射を起こさない。そして、そのような０次漏洩は、参照番号１ ６０で示される第２ホログラム１４２で生ずる。しかし、ＨＯＥ１００には、Ｈ ＯＥ１００の直前のガラス・ウィンドウ１６３上に、薄膜フィルタ要素１６２が 組み込まれている。 フィルタ要素１６２は、ビーム１３９の透過率に大きな影響を与えることなく 、 ２次ホログラムからの０次漏洩を抑制する。 別の方法では、フィルタ要素１６２をＨＯＥ１００の前面１３４に置くことも できる。いずれの場合も、フィルタ１６２はコンピュータで最適化され、広帯域 ・短波長型の反射体スタックであり得る。その設計と製作は、通常の薄膜誘電干 渉フィルタの技術を持つ者の能力の範囲内のものである。 透過と反射に関しては、図９の第１基板１３５は（図７の第１基板のように） 参照番号１６４のように僅かな量しか入射ビーム１３８を反射せず（図８上の第 １基板３５がそうであるように）残りのビームを透過する。 この効果を得るために、後の表面１３３上に反射防止コーティングを行うこと もできる。このような反射防止コーティングの設計及び製作は、薄膜干渉フィル タについての通常の技術で達成できる。その間、第１ホログラム１４１は、１４ ４の両方の偏光（１６５の０次漏洩をいくらか伴う）を高い効率で透過する。フ ィルタ要素１４３は、参照番号１６６で示す内角３０度の第１次ビームをごく僅 かしか反射せず、一方、参照番号１６７で示す内角３０度の第１次ビームのほと んどを透過する。 それは、参照番号１６５Ａで示すように、０次ビームのほとんどを反射する一 方、参照番号１６８、１６９および１７５で示す入射ビーム１３８をごく僅かし か透過しない。 第２ホログラム１４２は、ビーム１６７のほとんどをビーム１４５へ回折し、 そしてビームは１３９へ屈折される。第２ホログラム１４２からの全ての０次漏 洩は、１６０へ移行する。第２基板１３６には、ビーム１３９のほとんどを走査 角１２．５度で空気中へ透過する反射防止コーティングを含めることもできる。 フィルタ要素１４２は、走査ビーム１７１を作るために、ほとんどのビーム１ ３９を１２．５度で透過し、参照番号１７０で示すように、ごく僅かだけ反射す る。それは、参照番号１７２で示すごく僅かのビーム１６０のみを透過する一方 、参照番号１７３で示すように、ほとんどのビーム１６０を反射する。 窓１６３には、走査ビーム１７１のほとんどを透過する一方、参照番号１７６ の信号ビームのごく僅かを反射するように前の表面１７４上に反射防止コーティ ングを含めることができる。実際のフィルタでは、一方通行の残存０次漏洩を典 型的な値、０．０７％（７×１０４）未満に維持するために、ＨＯＥ１００とフ ィルタ要索１６２を結合することができる。他の方法として、０次ビーム１６５ を、ビーム１６７に対して逆方向の大きな角度に回折することによってフィルタ 効果を持つ第３の透過ホログラムで、図９のフィルタ要素１４３を置き換えるこ とができる。その後、フィルタ要素１６２が、それ（例えば、反射によって）を 抑制する。この場合、第３ホログラムは、第１ホログラムとかなり同じようなも のとなるが、軸１３０の周りに約１８０度だけ回転されている。 第３ホログラムは、目的となる第１次ビーム１４４のほとんどを、第１ホログ ラム１４１からビーム１６７へ透過する。 勿論、他の内角を持つ様々なＨＯＥデザインを取ることができる。例えば、第 ２ホログラムは、第１ホログラムの回折角より大きい逆方向の内角では回折しな いことが必要である（例として、第１ホログラムが内部へ４５度回折し、１２． ５度の発射角を達成するために、第２ホログラムが逆方向に３６．８１４度回折 することもできる。しかし、このようなホログラムの製作はより困難となる。 本発明に従って製作されたレーザ走査システムには、カセグレン型望遠鏡のよ うなビーム拡大系の追加も可能である。この望遠鏡は、図３のレーダ光学ヘッド ２０の一部である。目への安全についての配慮に加え、このようなビームの拡大 は、ビームの小さい拡散による高解像力を得るためと、反射エネルギーを効率良 く集めるのに必要である。 従来のカセグレン型望遠鏡は、非球面光学系（放物面の１次ミラーと双曲面の ２次ミラー）を持っている。球面の１次および２次ミラーは、製作費がより安く 調整もより容易ではあるが、この組合わせでは許容できない光学取差が発生する 。これらの取差の補正には従来のシュミット型非球面補正器の使用が可能である 。しかし、それは容積が大きく、かつ高価である。 本発明のもう一つの側面は、レーザ走査機能を遂行するだけでなく、取差補正 を行い、シュミット型補正器を不要とすることである。この取差補正は、図９の ホログラム１４１または１４２に埋め込まれるか、１４１と１４２の間に分離さ れる。ホログラフィ技術において、これらの技術は知られているように、目標ビ ームとレファレンス・ビームの２つの平行するレーザ・ビームの重ね合せで発生 する干渉縞の記録により、ホログラム１４１や１４２などのホログラムの製作が できる。 これらのホログラム製作の通常技術で、適当なビーム角とビーム強度を作りだ す記録光学系が設計できる。さらに、目標ビームに取差を導入することで、この ホログラムに取差補正を組み込むことができる。これは、目標ビームの発生に球 面コリメーション光学系を使用することで達成される。これらの光学系には、球 面のレンズまたは／およびミラーが含まれる。これらの光学エンジニアリング上 の通常の技術で、適当な取差を加えた記録光学系が設計される。 このように、本発明によって、垂直入射軸上ビームを、軸から少しずれた方向 に方向転換させ、一方、このビームを目に安全なレベルまで強度を下げるために 、十分に大きい放射開口部の全体へ拡大するＨＯＥの製作が可能となる。 それには、迷光抑制フィルタを含む入射ビームの方向転換に２段階法を使用す る。この２つのホログラムは、現在の技術で都合良く製作することができる。 より少ない０次漏洩、散乱および吸取損失のために、現在入手可能な干渉フィ ルタを組合わせることができる。それぞれのホログラムに採用するマスタ・ホロ グラムは、コンピュータ発生ホログラムまたは光学発生ホログラムいずれでもよ い。ホログラムの追加は、コンタクト・プリントで複写可能である。さらに、こ のホログラムにより、重量、体積およびコストの点で従来の光学系に比べ大きく 低下する。 模範的な実施例を示し、それについて記述してきたが、現在の通常技術の一つ で、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、多くの変更、修正および置換 が可能である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 オコナー、アーサー ビー アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90277、リドンド ビーチ、ナンバー ヘ ルバータ 522 (72)発明者 ラフェンスパーガー、スーザン エム アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90803、ナンバー５ ロング ビーチ、グ レンドラ アベニュー 224 (72)発明者 リバイン、シモア アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90290、トパンガ、サドル ピーク ロー ド 21645

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．回転軸に対し、回転対称である基板構造の形態であって、少なくとも２つ のホログラムを回転可能に支持する手段と、 垂直入射経路上の基盤構造上の第１ホログラムの形態であって、ビームを回転 軸から第１放射方向に第１鋭角だけ回折するための手段と、 第１方向転換経路上の基板構造上の第２ホログラムの形態であって、ビームを 回転軸から逆方向の第２放射方向に、異なる角度の第２鋭角だけ第２の方向転換 経路へ回折するための手段とを備え、 これにより、第２の方向転換経路は、回転軸に対して、第１角の大きさと第２ 角の大きさの差である大きさを有する角度にあることを特徴とするホログラフ光 学要素。 ２．基板構造上のフィルタ要素の形態であって、第１ホログラムを通過した０ 次漏洩の入射ビームを抑制するための手段を含むことを特徴とする請求項１記載 のホログラフ光学要素。 ３．基板構造上の薄膜干渉フィルタをフィルタ要素として含むことを特徴とす る請求項２記載のホログラフ光学要素。 ４．薄膜干渉フィルタが、誘電スタック、透過ホログラムまたは反射ホログラ ムのいずれかの形態からなることを特徴とする請求項３記載のホログラフ光学要 素。 ５．基板構造の形態における手段は、第１ホログラムを支持する第１基板、第 １ホログラムを支持する第２基板およびフィルタ要素を支持する第３基板を含み 、第１、第２および第３基板が、第１および第２基板との間に第３基板が積層す るように接着されていることを特徴とする請求項３記載のホログラフ光学要素。 ６．基板構造が円盤型構造を含むことを特徴とする請求項１記載のホログラフ 光学要素。 ７．第１角および第２角が２０度から６０度の範囲内であるように、第１およ び第２ホログラムがインプリントされていることを特徴とする請求項１記載のホ ログラフ光学要素。 ８．第２ホログムを通過した０次漏洩が、実質的に内部全反射を達成するよう 第１ホログムがインプリントされていることを特徴とする請求項１記載のホログ ラフ光学要素。 ９．第１角が約４５度の内角、第２角が約５３度の内角を持つように、第１お よび第２ホログムがインプリントされていることを特徴とする請求項７記載のホ ログラフ光学要素。 １０．第１角が約３０度の内角、第２角が約３８度の内角となるように、第１ および第２ホログムがインプリントされていることを特徴とする請求項７記載の ホログラフ光学要素。 １１．回転軸に対して回転対称を有する基板構造の形態であって、この基板構 造は、第３基板を第１および第２基板との間に入れるために、第１、第２および 第３基板が接着されているものを含み、ビームを軸からずれた望ましい方向へ向 け、０次漏洩を抑制するため、少なくとも２つのホログムと１つの薄膜フィルタ 要素を、垂直入射の軸方向に向けられたビームの経路上で回転可能に支持する手 段と、 第１基板上の第１ホログラムの形態であって、ビームを、第１放射方向内で回 転軸から第１鋭角だけ第１方向転換経路へ方向転換する手段と、 第２基板上の第２ホログラムの形態であって、第２放射経路が、第１角を第２ 角の間の大きさの回転軸からの角度となるように、このビームを、回転軸から逆 の第２放射方向に第２鋭角だけ第２方向転換経路へ方向を変えるための手段と、 第３基板上の薄膜干渉フィルタの形態であって、第１ホログラムを通過した０ 次漏洩入射ビームを抑制するための手段とからなることを特徴とするホログラフ 光学要素。 １２．第１ホログラムが、垂直入射ビームの０次漏洩の内部反射に必要な臨界 角より小さい角度で回折し、ホログラフ光学要素が、第２ホログラムを通過する 入射ビームの全ての０次漏洩の経路に配置された薄膜干渉フィルタの形態であっ て、０次漏洩を抑制する手段を含むことを特徴とする請求項１０記載のホログラ フ光学要素。 １３．第１および第２ホログラムの少なくとも１つに、シュミット型取差補正 が重ね焼されたことを特徴とする請求項１記載のホログラフ光学要素。