JPS60243689A - ホログラムの作製法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔技術分野］ 本発明はホログラムの作製法に関するものであり、特に
作製時の光の波長と使用時の光の波長とが異なる場合に
使用時に略無収差にて結像し且つ高い回折効率を有する
ホログラムを作製する方法に関する。

〔従来技術〕

ホログラフィ技術を用いて点光源のホログラムを作製す
ることによシホログラムレンズが得られる。ホログラム
レンズは平板形であシ、その厚さが数ミクロン程度の薄
膜レンズであること、ステップ書アンド・リピート法で
同−平板上に多数のレンズを量産できること等の利点を
有している。

このため、たとえは光デイスク装置の光ヘッドの集光レ
ンズや半導体レーザからの発散光束を平行光束に変換す
るためのコリメーションレンズ等のレーザ光を利用する
光学系における光学素子としてホログラムレンズを利用
することが提案されている。

光デイスク装置の光ヘツド部の光学系は、ディスク基板
である通常厚さ１．１　ＩＩＢ程度のプラスチ。

り板の裏面に記録された信号を該ディスク基板を通して
読取る様にディスク基板の表面側に集光用ホログラムレ
ンズが配置される。ホログラムレンズはディスクのゆれ
によシ衝突を生じない様にディスク基板と１　ｍａＫ程
度の空気間隔をおいて配置され、更にホコリ等の付着を
防ぐため適当な厚さのカバーガラス又は保欣層が介在せ
しめられる。

この様な光学系中において使用されるホログラムレンズ
の作製光学系を第１図に示す。図において、レーザ光源
１から発せられた単色光２の一部φ半透鏡３を透−過し
反射鏡４で反射され、顕微鏡対物レンズ１５によシピ°
ンホール１６に集光され、該ピンホール１６を透過した
光はコリメーションレンズ１７を透過して平行光束１８
と欧り、平行平板９を透過してホログラム基板１０上に
塗布されたホログラム感材１１へと入射する。これが参
照光である。一方、半透鏡３で反射された光束は反射鏡
５によル反射され顕微鏡対物レンズ７にょシビンホール
８に集光され、該ピンホール８を透過した光は発散、光
束１２となシ、平行平板９を透過してホログラム感材１
１へと入射する。これが物体光である。物体光束１２は
平行平板９によシ球面収差をもった発散光束となシ、こ
れと参照光束とはホログラム感材１１の位置において干
渉縞を形成し、この干渉縞がホログラム感材１１に記録
される。これを現像処理することによシホログラムレン
ズが得られる。

かくして作製されたホログラムレンズを使用する場合に
は、作製時に用いられたと同一の波長のレーザ光を平行
光束１８と同一角度で但し逆向きに平行光束としてホロ
グラム１１に入射させる。

ホログラム１１によル回折された光は作製時に物体光に
与えられた球面収差をもった収束光束となシ、これがカ
バーガラスとディスク基板を透過した後にはホログラム
作製時のピンホール８に対応する位置に光スポットが生
ずる。

かくして、作製時と使用時に同一波長の光を用いること
によシホログラムレンズで略無収差にて完全な波面再生
を行うことができる。

特に、ホログラム感材１１として重クロム酸ゼラチン等
を用いて体積型位相ホログラムを作製した場合にはホロ
グラムの回折効率をほぼ１０（１に迄向上させることが
でき光の利用効率は十分高いものとなる。

ところで、ホログラムを用いた光学系における光源とし
ては小型、軽量且つ特別な変調器を必要としない半導体
レーザを用いるのが好ましい。この様な半導体レーザの
発振波長域は通常近赤外域から赤外域にかけて（０，７
８μｍ以上）である。従って、この半導体レーザを用い
て上記の如きホログラムレンズの作製及びこれを用いた
像再生を行う場合にはホログラム感材として０．７８μ
ｍ以上において有効感度を有するものを用いる必要があ
る。

この波長域に感度を有するホログラム感材としては赤外
光に増感された鋏塩感材がある。しかしながら、この感
材を用いて作製されたホログラムは吸収型ホログラムで
あることから回折効率が数チ程度と低い欠点がある。ま
た、これを漂白する等の方法によれば回折効率はある程
度向上するが、これにも限度が、ある。

従って、回折効率の向上をはかるには体積型位相ホログ
ラムを採用する必要がある。この様なホログラムの作製
に用いられる感材としては重クロム酸ゼラチンが代表的
である。ところが、との感材は有効感度領域がそのまま
では最大０．５５μｍの緑色光までであシ、特殊な色素
増感を行っても０．６μｍの赤色光まで感度を持たせ得
るにすぎない。

更に、体積型ホログラム用感材として近赤外域及び赤外
域に有効感度を有するものは未だ知られていない。

このため、体積型位相ホログラムの作製時には半導体レ
ーザは使用できず、それよシ短かい波長のレーザが用い
られる。この様にして作製されたホログラムを半導体レ
ーザを用いた光学系において使用すると、作製時と使用
時とで光の波長が異なるため無収差では結像しなくなシ
、従って場合によっては収差補正が必要となる。

更に、記１図の如きホログラム作製光学系においては、
ホログラム感材１１の直前に平行平板９が置かれている
ため、これによる有害なゴースト像が発生する。即ち、
物体波光束１２の一部が平行平板９の第２の面次いで第
１の面で反射された光束１３や、物体波光束１２の一部
がホログラム感材１１の表面次いで平行平板９の第２の
面で反射された光束１３′がホログラム感材１１に入射
して有害衣ゴースト像が記録される。これらのゴースト
像はホログラムレンズの使用時に再生され、不要なゴー
スト光の発生や回折効率の低下をまねくことになる。

〔本発明の目的〕

本発明は、以上の如き従来技術に鑑み、ホログラムの作
製時の光の波長と使用時の光の波長とが異なる場合にお
いて、使用時に略無収差にて結像せしめることができ且
つ回折効率の高いホログラムを作製することを目的とす
る。

以上の如き目的は、使用時にホログラムの各点において
所定の方向に回折光を生じ且つ各点において略ブラッグ
条件を満足する様に予め作製用光束に所定の収差を与え
てホログラムを作製することによシ達成さ、れる。

〔本発明の実施例〕

以下、久保田敏弘著「リップマンホログラムの特性と応
用に関する研究」（東京大学生産技術研究所報告第３０
巻第２号、昭和５７年２月発行）に準じて体積型ホログ
ラムにおけるブラッグ条件について説明する。

第２図は体積型ホログラムによシ入射光線が回折される
様子を示したものである。ここで、図の様に座標系をと
シ、入射光１８及び回折光１９の方向の単位ベクトルを
それぞれＸ。（１゜、ｍｃ。

ｎ　）及び澹（１１、ｍｌ、ｎｌ　）とし、ホログラム
１７への入射光１８の入射点２０（ｘ、ｙ）におけるホ
ログラム内の干渉縞のピッチを（Ｐｘ、Ｐｙ。

Ｐ、　）とし、入射光１８及び回折光１９０波長をλ　
ホログラム１７の屈折率をＮ、とすると、入射１ 光１８と回折光１９は次の格子方程式を満たす。

Ｐｙ（ｍｏ−ｍｌ）＝しへｃ　（１，１）”ｚ　（ｎｃ
　”ｉ　）−λ、／Ｎｃ（１，２）ｌ＝±ｒ匹鷹弓　（
１，３） ことで、ｌｌがｌｃと同符号の時は透過型であシ、ｌｉ
がｌｃと異符号の時は反射型を示す。

回折光１９の回折効率はブラッグ条件からのすれ量が大
きくなるほど低下する。入射光１８及び回折光１９の波
数ベクトルをそれぞれ駿及びグとし、その波数をｋｃと
し、ホログラム１７の適格子ベクトルをＫｃとすると、
これらの量の間には次の関係が成シたつ。

ａｒ　ｗ　４ｂ　−Ｋｃ−Δｋ　（２，１）ここで、Δ
にはＸ成分のみをもつベクトルでｌ）、これがブラッグ
条件からのずれの尺度を表わす量である。Δに＝００と
き（２，１）式で表わされる条件をブラッグ条件とよぶ
。これらの諸量は次の様にｃｒ　＝ｋｃＸｉ　（２−２
） ’　”　ｋｃｘｃ　（２，３） ｘ／Ｐｇ　＝　１／Ｐｘ’　＋　１／Ｐｙ２＋１／ＰＺ
（２，４）ＫｃミＩＫｃｌ＝２π／Ｐｃ（２，５）Δに
−に、（’１ｃｍ１１）　ｋｅ（１ｒ−１゜）／Ｍｘ（
２，６）ｋｃ；２πＮｃ／λｃ　（２，７） ｋｅ＝２πＮｅ／λｅ　（２，８） ここで、ｋ、、λ０及びＮ。はそれぞれホログラム作製
時の光の波数、波長及びホログラム感材の屈折率であり
、ｐ、は入射点２０における干渉縞のピッチでＬＪ）、
ＫｃはＫｃのノルムで１　’：ｔ　、ｌｒ及び１０はホ
ログラム使用時における点（Ｘ　、　７）における参照
光及び物体光の方向の単位ベクトルｘｒ（ｌｒ。

ｍｒｙ　ｎｒ　）及びＸ。（１ｏ、ｍｏ、　ｎｏ）　の
Ｘ成分チオる。

またＭｘはホログラムの現像処理等によりておこるＸ方
向の寸法変化率である。同様にＸ方向及び２方向の寸法
変化率はＭｙ及びＭ２で表わされ、これらはシュリンケ
ージとよばれる。Δにはブラッグ条ａ：≠）戯１７′１
す引の２曲で水り一回餌乎の坦鈑珍廓斤Δ・ｋが零の時
に最大と力る。

以上説明したことから、使用時に略無収差の結像及び高
回折効率を得るためには（１，１）〜（１，３）式で決
まるホログラム各点での回折による回折光線が無収差で
結像し更にホログラム各点でブラッグ条件を満足する様
にホログラム作製光束を作ればよいことが分る。従って
、以後に−０の条件下で（２，１）式を満足する光束に
ついて考慮する。

（２，１）式においてに＝０とおくと σ＝＃−Ｋ　（２，１，１） となる。

（２，１，１）式のｙ成分及び２成分に関する式が（１
，１，）式及び（１，２）式であるので、使用時に略無
収差に結像する様にホログラム各点で格子方程式（１，
１）〜（１，３）代置満足し且つブラッグ条件（２゜１
．１）式を満足する逆格字ベクトルとは即ち（２゜１．
１）式を満足するＫｃに他なら々い。従って、ホログラ
ム各点で（２，１，１）式を満足する様に作製光束を決
定すればよいのである。第３図を参照しつつ作製光束の
決定につき説明する。第３図において、２２及び２３は
それぞれか照光及び物体光の波数ベクトルＲ及び０を示
す。２１はＲと０とによって形成される干渉縞の逆格子
ベクトルに８である。ホログラム作製時の干渉縞のピッ
チなＰｅとし、Ｋ、をに０のノルムとし、ｖｏをに。の
単位ベクトルとすると次の式が成立する。

Ｋ０ミ１に、　ｌ　ｗｘ　２π／Ｐｅ　（３，ｌ　）１
／Ｐ、’＝１／Ｐｘ、”＋１／Ｐｙｅ”＋１／Ｐｚｅ２
（３，２）ここで、（Ｐｘｅ　ｔ　Ｐｙｅ　ｔ　Ｐｚｅ
　＞は作製時の格子ピッチである。Ｋ　Ｏ単位ベクトル
を■　としてＣＣ Ｐｃ＝λｃ／Ｎｃ　２　（Ｉ　Ｘ　ｃ　７１　）　（３
，４）次に、シュリンケージを考慮して■ｃ（ｌｖｏ。

ｍｖｏ、　ｎｖｃ）よ”　■ｅ　（ｌｖｅ　ｔ　”ｖ＠
　ｓ　ｎｙ６　）をめると、（３，５） ここでｌｖｅは透過型のときｌｖｃと同符号とし、反射
型のとき１ｖｃと異符号とする。

とのＶ。を作成するＲ及びＯは次式を用いて計算できる
。

（３，６，３）式に（３，６，１）式及び（３，６，２
）式を代入して整理すると次式が得られる。

Ｖ、　＝　（０−Ｒ）／　１０−Ｒｌ　（３，６，４）
一方、作製時の干渉縞のピッチＰ０は次式で定まる。

Ｐｅ＝（ｌｖｃ／１ｖｅ）中（ｘ／ＭＸ）−Ｐｃ（３，
６，５）（３，６，４）式及び（３，６，５）式を用い
て、逆格子ベクトルに０は でめられる。

（３，６，４）式によ、９ＲとＯとの相対的な関係が決
まる。この様子を第３図に示す。第３図の円すい２４は
（３，６，４）式によって決まるが、■６軸２１に対し
て回転の自由度を有している。但し、参照光２２と物体
光２３は同一平面２５内になくてはならない。ま人、こ
の時逆格子ベクトルも同一平面２５内にある。

次に、ホログラム内の局所的な参照光２２と物体光２３
の方向をホログラム全面にわたって連続的に決めるため
には種々方法があるが、たとえば第３図よシ分る様に逆
格子ベクトルＫ。を含む平面２５を一意的に且つホログ
ラム全面にわたって決定すればよい。そのためにはに。

の原点２０を通るホログラム全面にわたって連続なベク
トル場をめればよく、たとえばＸ軸方向の単位ベクトル
場やホログラム面上にわき出しをもつ発散ベクトル場等
が好例となる。

第４図は光デイスク装置の光ヘツド部においてホログラ
ムレンズを用いた場合の光学系を示す図である。図にお
いて、波長λ。の平行光束２６がホログラム基板２８に
入射しホｐグラム２９で略１００％回折され、カバーガ
ラス又は採機膜３０を通過して空気中に射出され、収束
光束２７となってディスク３１の裏面３１’に集光せし
められる。

第５図は第４図の光学系において用いられるホログラム
レンズの作製光学系を示す図である。図において、波長
λ。の参照波光束３３及び物体波光束３４がホログラム
感材３２に入射せしめられる。

ことで、参照波光束３３及び物体波光束３４は上記の如
くホログラム各点の適格子ベクトルに、と同一方位角を
有する参照光Ｒと物体光Ｏである。

この様な光束を作製する方法としては、通常のレンズ系
を用いる方法、計算機ホログラムを用いる方法、更には
これら２つを組合せた方法等がある。

以下、通常のレンズ系を用いる方法を説明する。

参照波光束を作製する方法と物体波光束を作製する方法
とは同一であるので、ここでは物体波光束の作製法のみ
を説明することとし、球面又は非球面のレンズの軸外収
差をコントロールすることによって目的とする波面を作
ることを考える。第６図において、物体波光束（子午面
以外のスキュー光線をも含む）３４の火線の出ていない
部分に基準面３６を設定し、これをレンズ系の像側主平
面とする。適宜の位置に物体側主平面３７を設定し、こ
の両生平面の法線３５と作製すべき物体波光束３４の中
心光線３４′とのなす角をω１とする。

この光学系に画角ω、で入射した平行光束３８の軸外収
差をもった波面として物体波光束３４ができることにな
る。但し、像側主平面３６と射出瞳位置、及び物体側主
平面３７と入射瞳位置は一致するとした。像面３６′上
での横収差量（Δｙ、Δ２）と瞳座標（ξ、η）よル３
，５次収差係数をめ、光学系の配置を決定する。とれに
よって、レンズ系で作製できそうにもないレンン配置を
除くことができる。ここで、レンズ系の光軸方向をｘｇ
、子午面内の座標軸をｙ軸とする。これ以後は通常のレ
ンズ設計技術を用いて所定の収差をもった物体波光束３
４を発生する光学系を設計すればよい。

この時、基準面３６を射出瞳と考え、実現可能な一レン
ズを設計する。

以上の手順によってめた瞳座標（ξ、η）と横収差量（
Δｙ、Δ−Ｌ）の数値例を下表に示す。ここで、表１は
物体波光束の値であシ、表２は参照波光束の値である。

ここで、子午面及び球欠面とはホログラム面上のものを
指す。また、作製時の光の波長は０．４８８μｍである
とした。

第７図は、以上の如くにして設計されたポ日グラム作製
光学系の具体例を示す。画角ω、で参照波用レンズ系３
９に入射した平行光束４ｏは参照波光束３３に変換され
る。一方、画角ω。で物体波用レンズ系４１．に入射し
た平行光束４２は物体波光束３４に変換される。参照波
光束３３と物体波光束３４とはホログラム感材３２に入
射し、ここで形成される干渉縞が記録される。この感材
を現像処理することによってホログラムが得られる。

ホログラム感材３２中で物体波光束３４と参照波光束３
３とがほぼ同一の強度となる様にするのが望ましく、と
のために光学系中に適当な光量調節手段を配設すること
ができる。

第８図は本発明ホログラム作製法の他の実施例における
光学系の図である。この実施例においては参照波光束及
び物体波光束は上記実施例におけるレンズ系の代わシに
計算機ホログラムによシ作製される。図において、入射
平行光束４６及び４７は電子線露光等によシ基板４４上
に作製された計算機ホログラム４３に入射し、該ホログ
ラムによシ回折せしめられて上記実施例と同様な参照波
光束３３及び物体波光束３４を生ぜしめる。この実施例
においては入射光のうち、０次透過光４８及び４９や高
次回折光はマスク４５及び４５′で遮光され、所定のホ
ログラム感材面３２には到達しない様になっている。ま
た、参照波光束３３と物体波光束３４との光量をそろえ
るにＬｌそれ・　それの光束中に光量調節手段を設ける
か又は計算様ホログラムの線幅を調節すれはよい。

更に別の実施例として、通常のレンズ系と計算機ホログ
ラムとを組合わせ、たとえはレンズ系にはパワーのみを
もたせ、一方収差補正分を計算機ホログラムにもたせて
、それぞれの光学系へ負担を分担することも可能である
。この方法はあ８図に示される如き計算機ホログラムが
作製しにくい場合などに有効であシ、これにょシ計算根
ボログラムの仕様をゆるくすることができる。

尚、上記餉６図及び飢７図の実施例においては球面レン
ズ系の軸外収差特性を利用して目的とす乙参照湛売更及
ｒド物仕姑臀市か存創１秀七　１７ソズ部品の横ズレに
よってコマ収差を発生させ、シリンドリカルレンズを用
いて非点収差を発生させ、レンズ部品の光軸方向移動に
よって球面収差を発生させることによっても、同様の参
照波光束及び物体波光束を作製することができる。

以上の実施例においては、ホログラムとしてホログラム
レンズのみを示したが、本発明はその他の一般のホログ
ラム作製においても利用することができる。

〔本発明の効果〕

以上の如き本発明によれば、作製時と使用時とで光の波
長が異なる場合に、使用時に略無収差にて結像し且つ回
折効率の高いホログラムを作製することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のホログラム作製光学系を示す図である。 第２図はホログラムによる光の回折を示す図である。第
３図はホログラム作製時の光の方向を示す図である。第
４図は不ログラムレンズの使用時の光学系を示す図であ
り、第５図、第６図。 ８１．７図及び第８区はその作製時の光学系を示す図で
ある。 １：レーザ光詠、７，１５：ｉｉｌ＋微鏡対物レンズ、
８．１６：ビンホール、９：平行平板、ｌＯ：ホログラ
ム基板、１１：ホログラム又はホログラムＭＵ、１７　
：コリメーションレンズ、２８：ホログラム基板、２９
：ホログラム、３２：ホログラム感材、３６：像側主平
面、３７：物体側主平面、３９　：　釦熱波用レンズ系
、４１：物体波用レンズ糸、４３：計算機ホログラム、
４４：基板。 第　３　因 第４図 第５図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）作製時の光の波長と異女る波長の光にて使用され
   るホログラムを作製する方法において、使用時にホログ
   ラムの各点において所定の方向に回折光を生じ且つ各点
   において略ブラッグ条件を満足する様に予め作製用光束
   に適宜の収差を与えることを特徴とする、ホログラムの
   作製法。
2. （２）作製用光束に与えられる収差が、ホログラム感材
   上の各点に対して必要な入射方向を算出し、この入射方
   向がホログラム感材全面にわｉｂ滑らかに変化する様に
   入射波面を定めることによシ決定される、館１項のホロ
   グラムの作製法。
3. （３）作製用光束が回転対称光学系によル作製された収
   差を有する光束である、第１項のホログラムの作製法。
4. （４）作製用光束が回転非対称光学系によシ作製された
   収差をホする光束である、第１項のホログラムの作製法
   。
5. （５）作製用光束がホログラムによシ再生された光束で
   ある、第１項のホログラムの作製法。