JPS5821265B2 - ホログラムレンズノ キロクサクセイホウホウ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はホログラムレンズの記録作製方法に関し、特に
有効口径が拡大されたホログラムレンズの記録作製方法
に関するものである。

ホログラムはその応用が種々検討されているが、これを
光学素子として利用することが最近有望視されている。

例えばジエー、・エム・モラン（Ｊ。Ｍ、 Ｍｏｒａｎ
）氏によってアプライド・オプテイクス誌第１０巻第
４１２頁〜第４１５頁に記載されているように、ホログ
ラムレンズはレーザ・ビームを集束させて微小な光点ス
ポットを形成させるための光学素子として利用すること
ができるので、レーザ加工などの工業分野に利用できる
ことが知られている。

このようなホログラムレンズは通常のガラスレンズに比
べると薄（軽量であること、ホログラムを複製すること
によって大量生産が容易であることなどの利点をもって
おり、将来の光学機器の中に積極的に組み込まれる可能
性がある。

ホログラムレンズの代表的な作用としては、実像を形成
する目的の場合、虚像を形成する目的の場合、およびフ
ーリエ変換を行なう目的の場合などの作用が挙げられ、
それぞれの目的に従ってホログラムレンズの記録作製の
際の光学系が異なる。

すなわち実像を形成する目的のホログラムレンズは発散
光ビームと収束光ビームとを、虚像を形成する目的のホ
ログラムレンズは２つの発散光ビームを、フーリエ変換
を行なう目的のホログラムレンズは平行光ビームと収束
光ビームとをそれぞれ干渉させる光学系を用いて記録作
製される。

従って実像を形成する目的のホログラムレンズあるいは
フーリエ変換を行なう目的のホログラムレンズの記録作
製に際しては収束光ビームあるいは平行光ビームが必要
とされる。

この収束光ビームあるいは平行光ビームは、従来通常の
ガラスレンズを利用して得ていたため、ガラスレンズの
口径によってビーム径が制限されることによりホログラ
ムレンズの有効口径を大きく記録作製できないという不
都合があった。

第１図は例えば実像を形成する目的のホログラムレンズ
を記録作製するための従来の光学系の例を示している。

Ｘ−ｙ面内に置かれたホログラム記録材料１０に対し、
互にコヒーレントな発散光ビーム（参照光）２０と収束
光トム（物体光）３０とを入射させ、それらの干渉像を
記録する。

発散光ビーム２０はホログラム記録材料１０の法線（２
軸）に対して角度αで、収束光ビーム３０は平均的には
ホログラム記録材料１００法線（Ｚ軸）に沿って入射さ
せる。

発散光ビーム２０としては、レーザ光源からの光ビーム
２１を焦点距離の短かいレンズ２２を通すなどして点光
源２３を形成し、この点光源２３から発散する光ビーム
を用いる。

点光源２３からホログラム記録材料１０までの平均的な
距離を１゜とする。

また収束光ビーム３０としては、レーザ光源からの光ビ
ーム３１を焦点距離の短かいレンズ３２を通すなどして
点光源３３を形成し、この点光源３３から発散する光ビ
ーム３４をレンズ３５によって収束光ビームに変えて用
いる。

収束光ビーム３０はホログラム記録材料１０の後方に光
点３６を形成する。

レンズ３５とホログラム記録材料１０との距離をｌｌ、
ホログラム記録材料１０と光点３６との距離を１２ と
する。

いまレンズ３５として通常利用される大口径のレンズを
考え、その有効口径をり。

とすると記録作製されるホログラムレンズの有効口径り
はで与えられる。

通常、短かい焦点距離のレンズ２２及びレンズ３５は近
接して配置しなければならない上に、それらの保持部材
が大きな空間を占めるためレンズ３５とホログラム記録
材料１０との距離１１ をかなり大きくとらなければ
ならない。

従って、（１）式で与えられるホログラムレンズの有効
口径りは収束光ビーム３０を得るためのレンズ３５の有
効口径り。

に比べてかなり小さくなってしまうことになる。

第１−ａ図は記録作製されたホログラムレンズ１０１の
有効面積を示している。

第２図は第１図の光学系によって記録作製したホログラ
ムレンズ１０′が実像を形成する機能をもつことを説明
するための図である。

レーザ光源からの光のビーム２１′を焦点距離の短かい
レンズ２２′を通して点光源２３′を形成し、この点光
源２３′から発散する光ビーム２０′をホログラムレン
ズ１０′に入射させる。

光ビーム２０′の波長及び点光源２３′のホログラムレ
ンズ１０′に対する相対位置関係は、それぞれ光ビーム
２００波長及び点光源２３の記録材料１０に対する相対
位置関係と等しくすることが望ましい。

するとホログラムレンズ１０′からの１次回折光ビーム
３０′はホログラムレンズ１０′から１２の位置に光点
３６′を形成する。

光点３６′のホログラムレンズ１０′に対する相対位置
関係は、記録作製の際の光点３６のホログラム記録材料
１０に対する相対位置関係と等しい。

このようなホログラムレンズにより、点光源２３′の位
置に物体２３ａを置いてこの物体から透過或は反射した
光ビームをホログラムレンズ１０′に入射させれば、光
点３６′の位置に実像３６ａが形成される。

この場合に物体を透過ちるいは反射する光ビームとして
ホログラムレンズ１０′の言彌に用いた光ビームと同一
波長のレーザ光を用いることが望ましい。

以上の如くして得られる実像３６ａ（或は光点３６′）
の最小の分解サイズδは、用いるレーザ光の波長をλと
すると回折理論的には で与えられる。

従って上記したようにしてホログラムレンズ１０′の有
効口径りがあまり大きくとれないと最小分解サイズδが
大きくなり、ホログラムレンズの分解能が低下する結果
となる。

本発明の目的は上述したような従来のホログラムレンズ
の欠点を解決すること、即ちホログラムレンズの有効口
径を拡大することにある。

第３図は光ビーム径の拡大のために本発明で用いる補助
ホログラムの記録作製を説明するための図である。

Ｘ′−ｙ′平面に置かれたホログラム記録材料４０に対
し、互にコヒーレントな平行光ビーム（参照光）５０と
発散光ビーム（物体光）６０とを入射させ、それらの干
渉像を記録する。

平行光ビーム５０は、レーザ光源からの光ビーム５１を
焦点距離の短かいレンズ５２を通すなどしてレンズ５５
の焦点位置に点光源５３を形成し、発散光ビーム５４を
レンズ５５によって平行光ビームにしたものであり、ホ
ログラム記録材料４０の法線（ｚ／軸）に対して再度θ
で入射させられる。

また発散光ビーム６０はレーザ光源からの光ビーム６１
を焦点距離の短かいレンズ６２を通すなどして形成され
る点光源６３から発散する光ビームであってホログラム
記録材料４０に対して、平均的にその法線方向（ｚ’軸
）から入射させられる。

第１図に関連して説明した従来の方法と本発明の方法と
の比較のためにレンズ５５の有効口径は第１図のレンズ
３５の有効口径り。

に等しく、また点光源６３とホログラム記録材料４０と
の距離は第１図のレンズ３５と点像３６との距離（１１
＋１２）に等しいとする。

このようにして記録作製された補助ホログラムの有効面
積は２つの光ビーム５０，６０がホログラム記録材料４
０上で重なり合う面積である。

一般にホログラム記録材料４０上において、発散光ビー
ム６０は十分大きな面積にわたって拡がり得るのに対し
、平行光ビーム５０はレンズ５５の有効口径によって制
限されるので記録されるホログラムの有効面積は平行光
ビーム５０がホログラム記録材料４０上で占める面積と
考えてよい。

第３−ａ図は記録作製されたホログラムレンズ４０′の
有効面積を示しており、７方向に関しては本来の平行光
ビーム５０の直径り。

に対して１ ／ ｃｏｓθに拡大されている。

例えばθ−６０′とすれば７方向には２倍に拡大されて
２Ｄｏの径となる。

第４図は第３図のようにして記録作製された補助ホログ
ラム４０′を利用して実像を形成する目的のホログラム
レンズを記録作製するための本発明の一実施例を示して
いる。

第３図のようにして記録作製された補助ホログラム４０
′をｘ／ ｙ／面に置き、平行光ビーム５０′を入射
させる。

平行光ビーム５０′は補助ホログラム４０′の記録作製
に用いた光ビーム５０（第３図）とは逆方向に進む共役
波である。

このとき補助ホログラム４０′から得られる１次回折光
ビーム６σは補助ホログラム４０′から（１１＋１２）
の距離のＺ軸（ｚ／軸）上に点像６３′を形成する。

補助ホログラム４０′からの距離１１にあるｘ−ｙ平面
上（ｙ軸とＸ′軸、ｙ軸とｙ／軸は共に互に平行）に置
かれたホログラム記録材料８０に対して、収束する光ビ
ーム６０′と共に発散スる光ビーム７０を互にコヒーレ
ントに入射させてそれらの干渉像を記録する。

発散光ビーム７０を発する点光源７３′のホログラム記
録材料８０に対する相対位置関係は、第１図における点
光源２３のホログラム記録材料１０に対する相対位置関
係に等しいと考える。

このようにして記録作製されたホログラムレンズ８０′
の有効面積は補助ホログラム４０′の有効面積の１２”
／（１１＋１２）２ 。

・倍であり、Ｘ軸方向に関して口径は ２ＤＯ □・□、ｙ軸方向に関して口径は １１＋１２ ｃｏｓθ ２ □・Ｄｏ である。

第４−ａ図は記録作製さ１１＋１２ れたホログラムレンズ８０′の有効面積を示している。

従来の方法によって記録されたホログラムレンズの有効
口径を示す第１−ａ図と、本発明の方法によって記録さ
れたホログラムレンズの有効口径を示す第４−ａ図を比
較してみると、本発明によってＸ軸方向に関して１ ／
ｃｏｓθ倍だけ有効口径が拡大されることがわかる。

しかも補助ホログラム４０′はホログラム記録材料の厚
さしかもたないので厚くても２ｍｍ程度であり、その保
持部材も極めて簡単なものでよいので点光源７３′をす
ぐ近傍に配置させることも容易である。

以上はホログラムレンズの有効口径をＸ軸方向に関して
のみ拡大する実施例について述べたが、Ｘ軸方向及びｙ
軸方向に関してホログラムレンズの有効口径を拡大する
ことも可能である。

このためには補助ホログラムの有効口径拡大作用をｙ軸
及びｙ軸方向に関して２回適用すればよい。

第５図はＸ軸方向に関する拡大のための第１の補助ホロ
グラムを記録作製する光学系の例である。

Ｘ“−ｙ“平面にホログラム記録材料９０を置き、互に
コヒーレントな２つの平行光ビーム（参照光）１００及
び平行光ビーム（物体光）１１０を入射させる。

レンズ１０５および１１５は通常利用しうるガラスレン
ズのうちで大口径り。

をもつものと考える。

ホログラム記録材料９０の法線（２“軸）に対して角度
θで入射させる平行光ビーム１００はホログラム記録材
料９０上では第３−ａ図と同じ領域を占める。

一方、ホログラム記録材料９００法線（Ｚ“軸）に沿っ
て入射させる平行光ビーム１１０は直径り。

の円形領域のみを占める。

従ってホログラム記録材料９０上で平行光ビーム１１０
が平行光ビーム１００の占める領域を全てカバーさせる
ためには、平行光ビーム１１０をＸ“軸に清って１１６
の方向に平行移動すると共に、開口部１１７を有する遮
光板１１８を同じ１＜７ 軸に清って１１６の方向に同
期的に移動させて重ね合わせ露光すればよい。

この移動は連続的でもよいし、また数段階にわたって間
けつ的に送ってもよい。

このようにして第３−ａ図に示したようにＸ〃軸方向に
関してＩ／ｃｏｓθ培に拡大された領域に第１の補助ホ
ログラムが記録される。

第１の補助ホログラムを第５図の平行光ビーム１００で
照明すれば１次回折光としてＸ“ 軸方向に関してり。

／ ＣＯＳθ、ｙ“軸方向に関してり。なる径をもった
平行光ビームが得られる。

この１次回折光ビームはホログラム面に対して垂直方向
に進む。

第６図は第５図を用いて説明した第１の補助ホログラム
９０′を用いて、今度はｙ軸方向に関する有効口径を拡
大するための第２の補助ホログラムを記録作製する光学
系である。

第５図のようにして記録作製したＸ／／ 、／／平面
内の第１の補助ホログラム９０′に対し、記録作製のと
き用いた光ビーム１００と同じ光ビーム１００′を入射
させれば（第６図と第５図とは９０°異なった方向から
描かれている。

座標軸に注意されたい。）、Ｘ“軸方向にはり。

／ ｃｏｓθ、ｙ“軸方向にはり。なる径をもつ平行光
ビーム（参照光） １１０’が１次回折光ビームとして
得られる。

この１次回折光ビーム１１０′をｘ／ ｙ／平面内に
置いたホログラム記録材料１２０に対し、その法線（ｚ
′軸）にθなる角度をなすように入射させる。

すると光ビーム１１０１はホログラム記録材料１２０上
では直径がＩ）ｏ／’ｃｏｓθ なる円形領域を占める
。

さらにホログラム記録材料１２０から１、＋１２の距離
にある２′軸上の点１３３にレーザ光源からの光ビーム
１３１を焦点距離の短かいレンズ１３２を通すなどして
点光源をつくり、これから発散する光ビーム（物体光）
１３４を入射させる。

ホログラム記録材料１２０上で２つの光ビーム１１０’
及び１３４をコヒーレントに重ね合わせてその干渉像を
記録すれば第２の補助ホログラムが記録される。

第２の補助ホログラムは直径り。

／ ｃｍｓθなる円形領域を占める。

こうして記録された第２の補助ホログラムに光ビーム１
１０′を第６図に描いたのとは逆方向から入射させれば
第２の補助ホログラム面ではり。

／ ＣＯＳθなる直径をもち、その法線上の（１１＋１
２）なる距離の位置に点像を結ぶ収束する光ビーム（第
６図の光ビーム１３４と共役な光ビーム）が１次回折光
として得られる。

第７図は上述のようにして記録作製した第２の補助ホロ
グラム１２０′及びそれを照明するための光ビームを与
える第１の補助ホログラム９０′を用いて、Ｘ軸方向及
びｙ軸方向に有効口径の拡大されたホログラムレンズを
記録作製する光学系を示す図である。

即ち通常利用できる大口径り。をもつガラスレンズを通
して平行光ビーム１００′をＸ〃−ｙ〃平面内の第１の
補助ホログラム９０′に入射させると第６図によって述
べた通り、１次回折光ビームとしてＸ“軸方向に関して
のみ１／ｃｏｓθ倍に拡大された平行光ビーム１１０′
が得られる。

この光ビーム１１０′の有効口径は第１の補助ホログラ
ム９０′の有効口径と同じで第７−ａ図に示さｉれてい
る。

得られた光ビーム１１０′を７−ｙ′平面内に置いた第
２の補助ホログラム１２０′に図示のように角度θで入
射させると、１次回折光ビームとして収束光ビーム１３
４′が得られる。

この光ビーム１３４′は第２の補助ホログラム１２０′
面では９第７−ｂ図に示したように直径り。

／ ｃｏｓθなる有効口径をもち、距離（１１＋１２）
だけ離れた点１３３’に集束する。

次に第２の補助ホログラム１２０前から１１ の距離の
ｘ−ｙ平面に置いたホログラム記録材料１４０に対し、
第２の補助ホロ５グラムからの集束する１次回折光ビー
ム１３４′と共にレーザ光源からの光ビーム１５１を焦
点距離の短かいレンズ１５２を通すなどして形成した点
光源１５３から発散する光ビーム１５０を入射させ、こ
れら２つの光ビームをコヒーレントに重ねン合わせてそ
の干渉像を記録する。

ホログラム記録材料１４０上でホログラムが記録された
領域は第１２Ｄ。

７−ｃ図に示すように直径□・□なる １１＋１２ ｃｏｓθ 円形領域であり、こうして記録されたホログラムレンズ
１４０′は動作距離関係が第１図で述べた従来のホログ
ラムレンズ１０′と同じであるが、有効口径がＸ軸方向
及びｙ軸方向共に１／ｃｏｓθ倍に拡大されたものとな
っている。

このようにして本発明によるホログラムレンズ；は、通
常利用できるガラスレンズを用いて記録作製したホログ
ラムレンズよりも有効口径が１ ／ ｃｍｓθに拡大さ
れたものとなり、解像度が１ ／ ｃｏｓθ倍向上する
。

角度θとしては通常３００〜６０°程度にすることは容
易であるので、１．１５倍〜２倍程度の有効口径拡大が
簡単にできる。

【図面の簡単な説明】

第１図はホログラムレンズを記録する従来の光学系の例
を示す図、第１−ａ図は従来のホログラムレンズの有効
口径を示す図、第２図はホログラムレンズの動作を説明
する図、第３図は本発明で用いられる補助ホログラムを
記録する光学系の例を示す図、第３−ａ図は補助ホログ
ラムの有効口径を示す図、第４図は補助ホログラムを用
いてホログラムレンズを記録する本発明の第１の実施例
を示す図、第４−ａ図は第１の実施例によって記録作製
されたホログラムレンズの有効口径を示す図、第５図は
本発明で用いられる第１の補助ホログラムを記録する光
学系の例を示す図、第６図は第１の補助ホログラムを用
いて第２の補助ホログラムを記録する光学系の例を示す
図、第７図は第１及び第２の補助ホログラムを用いてホ
ログラムレンズを記録する本発明の第２の実施例を示す
図、第７−ａ図は第１の補助ホログラムの有効口径を示
す図、第７−ｂ図は第２の補助ホログラムの有効口径を
示す図、第７−ｃ図は第２の実施例によって記録作製さ
れたホログラムレンズの有効口径を示す図である。 １０．４０，８０，９０，１２０，１４０はホログラム
記録材料、１０’、 ４０’、 ８０’、 ９０’。 １２０’、１４０’はホログラムレンズ、３５，５５゜
１０５．１１５はガラスレンズ、１１８は遮光板。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ホログラム記録材料にその法線に対して角度θで口
   径り。 のレンズを介して平行光を参照光として入射させ、かつ
   該平行光と互いにコヒーレントな発散光または平行光を
   物体光として入射させて、有効口径がり。 ／ ＣＯＳθの補助ホログラムを記録作製し、該補助ホ
   ログラムを用いてホログラムレンズを記録することを特
   徴とするホログラムレンズの記録作製方法。