JPS6035701A - ホログラム素子の作成方法 - 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】 本発明は、光束の波面形状を回折を用いてグ換するポロ
グラム素子の作成法に関し、とくに少７ｚくとも２つ以
上の互いに異ったＪｉｉ、ｌ折率を有する）′１１学４
す、質が光路中に存在している状思シで使用されるホロ
グラム素子の作成法に［ｊすする。

ホログラム素子は、平板形で、その厚さが？１ミクロン
程度の厚さであること、任意の波面形状の光束を作り出
せること、ステップ・アンドリピート法で、同一平板上
に多数のレンズ′ｆ：ｆｆｌ産することができる等の多
くの利点を有している・このため、光デイスク用ヘッド
に用いられる集光レンズ。

半導体レーザからの発散光束を平行光束に変換するコリ
メーションレンズ笠種々のものが提案されている。

第１図は、光ディスクに使用するホログラムレンズを作
成する一実施例を示す図である。光デイスク用の光学系
は、ディスク基板のｉＳ側に記録さｉした信号を読取る
ため、通常厚さ１１門程度のプラスチック拐又はガラス
材を通して読取シが行なわれる。またこのディスクに対
向して設けられたホログラム面は、ディスクの上下動に
より衝突の生じないような１ｆＩ＋Ｉ＋＋程度の空気間
隔と、適当な厚さのカバーガラスまたは保設層を介して
配設されている。

このような使用状態において、％　５１７的に無収差の
カド光を行なうには、第１図に示す適当な厚さの平行平
板９を作成光学系中に配置する必要が生じて来る。

射され、顕微鏡対物レンズ１５で集光された後ピンホー
ル１６の開ロ部′ｆ！：透過し、コリメーションレンズ
１７を透過して平行光束１８となるつ平行光束１８は、
平行平板９を透過し７てホログラム基板１０上に塗布さ
れたホログラフィ感材ｌｌ上に入射（六参照光となる。

一方、生透舘３で反射された光束は反射鏡５で反射され
て光束６とな９、顕微鏡対物レンズ７で集光された後、
ビンポール８の開口部を通過して散乱光とな９、平行平
板９を透過してホログラム感材１１に入射し７、物体光
となる。

この物体光１２は、ピンボール８の開口部が十分に小さ
ければ、ｌ丘は完全な無収差の球面波とみなすことがで
きる。この発散球面波は、平行平板９を透過することに
よシ球面収差が生じ、その結果ホログラム感材１１には
この球面収差を有する波面が記録されることとなる。

このホログラム素子を使用する場合には、平行ブ０束１
８と同一の角度て逆方向に進行する平行光束を記録され
たホログラムレンズ１１に照射する。

このとき、回折された光束はイ１成時に与えらｉｔたの
と同一の球面収差を有しているため、カバーガラスとデ
ィスク基板を透過した後には、無収差の欣求光束となり
、良好７１　’；ｆ；シ出しが行なわれることとなる。

以上に示した従来のホログラム素子の作成法の亀ｌの欠
点としては、ホログラムの記録利料１１とじで適当な材
料が存在しないことである。光デイスク用に用いられる
半導体レーザーの波長は、０７８μ２ｎあるいは０．８
３μｍと可視光よりもやや赤外領域であ）、また光通信
には１．３μｍの波長のものも用いられる。これらの波
長に感度を有するホログラフィ−用の感光利料としては
、赤外光に増感をした銀塩感材だけであるが、この感材
により作製したホログラムは吸収形であることから、回
折効率が最高でも数パーセント８度と低い欠点を有して
いる。また、漂白等の方法を用いることによっである程
度回折効率の向上は行なえるが、これにも限度がある。

ホログラムレンズとして用いるのｔこ適する感光材料と
しては、重クロム酸ゼラチン等の体積型ホロクラフィー
感材がある。

これは、三次元的に形成された回折格子のブラック回折
を用いるもので、原理的にｉｏｏ％の回折効率が得られ
るという長所がある。しかし、この体積型感拐で半導体
レーザー波長に感度を有するものは知られていない。従
って、体積型ホログラフィ−を形成する場合の波長と、
再生時の半導体レーザーの波長との間に相違が生じ、こ
のことが１１生時における収差発生の要因となっている
。

従来法の第２の欠点は、焼付は光学系において、感拐の
直前に平行平板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ことでるる。

第１図において、焼付は光束１２からは、平行平板９の
第２と第１の面にＪ、り反射された光束１３や、ホログ
ラム感材１１の而で反射され、平行平板９の第２の面で
反射された光束１３′が生じる。

この結果、これらの有害なゴースト光（寸ホログラム感
材１１に入射され、記録されてしまう。これらのゴース
ト光ｔＪ：　、ホログラノ・レンズの使用１［，５にＦ
Ｔ生され、不要なゴースト光の発生や、回Ｊｌｉ効率の
低下を招くこととなる。

本発明の目的は、体積型ホログラフィ−感イ１を用いた
ポログラム素子を半導体レーザ光束で再生する場合、再
生時に発生する収差を効果的に補正することが可能なホ
ログラム素子作成方法’ｒ提供することにある。

本発明の更なる目的は、高い感度を有する感光材料と、
大出力のレーザとを用いた生産性の良いホログラム素子
作成方法を提供することにある。

本発明に係るホログラム索子作成方法に於いては、記録
（作成）用の９）：Ｓ　１の波長λ簾と、再生用の第２
の波長λ２との間には、λ１〈λ、＜１．９λ慮なる関
係を持たせる。更には、記録用の光束と再生用の光束と
の波長差に伴うホログラム素子の収差を除去する為に、
Ｉｙｒ定の収差を再生波面に与える手段を設けることに
より、上記目的をテｊ成せんとするものである。

又、後述する本発明Ｑて係る実施例の一つとして、第１
の波長λ、で記録されたホログラム素子を第３の波長λ
３の光束でもって、仙のホログラム感材上に礼製し、こ
の複製されたホログラム素子を第２の波長λ２のブＣ束
で照御し、再生する方法が示されているが、この場合、
第３の波長λ、と第２の波長λ２とは、少なくとも５％
以上異々つていることが望ましい。

以下、本発明＆’Ｃついて詳述するが、本発明の＋５１
なる特徴は以下の記載より明らかになるであろう。

第２図（ａ）　（ｂ）　（ｃ）は、本発明のポログラム
素子作成方法の第１の実施例を説明する図でちる。尚、
以下の図に於いて、既述の番号と同一の番号を（すした
部材は同一の部材を示すものとする。第２図（ａ）は、
ホログラムの記録に用いる光学系の部分図を示すもので
、ポログラムを作成する為の二本の光束（１２、１ｓ）
２供給する光学系は第１図に示すものと同一で良いので
、ここでは示されていない。レーザより放射された波長
２重の光束の一部は、ピンホール８の開ローフＸｌｉ　
ｋ　Ｊｌって無収差の発散球面波１２となり、ホログラ
ムＦｊＲｕ　ｓ　を上に入射する。

一方、前記波長λ、の光束の他の部分は、光束径の広が
った平行光束１８となムホログラム感利１１に入射する
。この時、ホログラム感利１１上には波長λ饅光束に対
しては、無収差の４二ログラムレンズ素子が記録される
。また、その７Ｊ【ログラムレンズ素子の焦点距Ｐｉｆ
　ｒｊ：、ヒフ　；１；　−ｉし８　（！Ｚ　ｌｊ＆利
１１の間隔Ｆに等しい。

ｙル栓を第２図（ａ）＆で示す如く、ホログラム素子の
１．−１数として表わすと以下の様になる。光束１２の
６’＋４」Ｊ　Ｊに対する入射角をθ、とじ、ｔ１ヲ以
下の様に定める。

ｔ１＝　ｓｉｎθ□・・・・・・・・・・・・・・・　
（１）幾伺学的関係より、ｙの値とθ、の１・：１係は
以下のようになる。

ｙ””　ｔａｎθ、＝ヱ１− ｅＯ３θ１ 丑た、干渉縞０ヒ、チＰ（１）ｉｌ　、以下のようにし
て算出さノ１−る。

Ｆ’（ｖ）　（ｓｉｎφＨ８１ｎ　ｏ＋　）　””λ１
’ｆ’（）　−　ノ＋　／′　（ｓｉｎ　ｄ＋　ｔ＋　
）　・−・・　（３Ｊ・）”、　２１−Ｅ４　（ｂｌに
、波計λ、のりし束で、記録された対−ｐグラムズ７・
ら洩１υ」が４−Ｊ生されるようすを示したト、１であ
る。「Ｊ生先３８０入射角φ２は、九？１」上の回ｊ１
升がホロクラム而Ｊ１と部面方向（Ｃ生じるために、以
１のようＩＣ定められる。

ｙ＝０における干渉りものピッチＰ（。ノは次式で寿え
らねる。

Ｐ（ｏ）””λ＋　／′ｓｉｎφｒ　−−＝−＝　＜＜
）波（、テλ！つ光束がこのイ古子で回１斤さｚｌ、誓
夫已（Ｃタボ出さ〕するためｌ１Ｔｌま、φ、は次式を
消足するｊｙｊ針ス）ユらＰｏ５ｉｎφ！＝　２！ ｓｉｎφ、　＝　ノｔ／　Ｐｏ　・・・・・・・・・・
・　（４）′このように定められた角度φ２で入射する
波長λ。

の平行ブし束がポログラムレンズ素子Ｃ・ζよジ回折さ
れ射出する方向を角度θ、とすると、この角度θ、は次
式より定められる。

ｒ’（、、）　−（ｓｉｎφ２−ｓｉｎθ、）＝λ、−
＝−＝　（５）（５）式に、（３）　（４）式の結果全
代入４理すると以下の結果が？７られる。

５ｉｎｏ、／λ、＝ｇｉｙ１θｌ／λ１ｓｉｎ　Ｏｐ　
−−！’−５ｉｎｏ、・・・・・・・・・・・・・・・
・・・（６）λ１ や［つて、第２図（ａ）において、ｊ、＝　ｓｉｎ＃１
とおき、第２図（ｂ）において、ｔ、＝ｓｉｎθ、とお
くとホログラムレンズ上り同一の点におけるｔｌとｔｔ
Ｉ！：ｆ”ｔ、直接比例関係にるることがわかり、甘た
座佇ｙと変数ｔ、との関係も直接導出することができる
。

ｔ、　−−Ｌ　ｔ、・・・・・・・・・・・・　（７）
λ１ なお、（７）式および（８）式の結果は、紙面内に存在
している光束について算出し′たものでるるか、紙面外
の光束についても同一の結果が成立し、？りられる収差
を持った光束は回転対称であることが確められる。

このように、ホログラムレンズ抱子の再生波長を変えた
ときに生じる収差は、第２図（ｂ）の状態では回転対称
であり、第２図（ｃ）に示すような平行平板２３を光路
中に置くことにより補正できることが期待される、第２
図（ｃ）において、光束が空気中を光軸方向に（Ｆ、　
−Ｄ／Ｎ　）だけ進行した点でのｙ座標（横収差）δｙ
（ｔｔ）は以下の式であられされる。

δｙ　（ｂ　）　＝ｙ　（ｔｌ　）　−Ｄｔａｎθｔ’
　（Ｆｔ　Ｄ／ｒリ　ｔａｎ　０１このδｙ（ｔｚ）を
、ｔ、について祿数展開すると幾何光学の分野で良く知
られているように、ｔ、の１次の項は焦点外れに、また
ｔ２の３次の係数は最低次の球面収差に対応する。ｔ！
に関する展開を実行すると、以下のようになる。

δｙ（ｔｔ）＝イフＪ、Ｆ、−Ｆ、）ｔ。

十れ飢）３Ｆｔ　Ｆｔ　＋５　Ｎ！　）　ｔｖ３十ｏ（
ｔｚ”）・・・・・・・・・・・・・・・・・・・　（
１ｏ）ここでｏ　（ｔｔ’）はｔ、の５次以上の高次項
である。

ｔ、の１次の係数が０となる条件からは、Ｆ、２１　ｐ
、・・・・・・・・・・・曲（１１）”Ｈ が１９られ、これはホログラムレンズ素子の近軸焦点位
置をあられす。

また、３次の項の係数が０となる条件汀、以下の式で与
えられる。

（弓））−弓＋）”）Ｆｌ””←ｑ−員＋、＞ｖＤ＝４
　（，２：；）　−ｉ　）”　）　Ｆｔ　／　Ｊ　ｉ雫
ｒ）　・・・川・・・　（１２）さらに高次の項までの
収差補正を考えた場合には、使用状態（第２図（Ｃ））
の、レンズの最周辺の光束に対する横収差１ｏとする榮
ｆトが目やすとなる。これは、次式で与えられる。

ここでＴは、ホログラムレンズの使用時におけるＮ、Ａ
をあられす。

以上の解析に従い、具体的乃、ホログラムレンズ素子の
設計を行なってみる。

設計例−１ λ、＝０．６３２８μｍのＨｅ　−ＮｏレーザーでＦ、
＝４０００（μｍ）で露光を行なう。再生はλ＝＝　０
．７８００　ｉｔｍの半導体レーザーで行ない、Ｎ、　
Ａは０．５とする。

カバーガラスとディスク基板の屈折率は１５とする。

（１０式より計算すると。

Ｆ、巨デＦコ肘ユ眼Ｘ４０００ λ、　０．７８００ ＝３２４５．１２８２０５ （１２）式よｐＤを算出すると、以下のようになる。

Ｄ＝２９９４．９８６８１ Ｆ’、−Ｄ／Ｎ＝　１２４８．４７０３３ｉしたがって
、光ヘッドとディスクの間の空気間隔は約１．２　ｔｒ
ｍ確保できることとなる。

一方、’ｒ　＝　０．５として、（１３）式、【ｖカバ
ーガラスとディスク厚りを算出すると、以下のようにな
る。

Ｄ＝３１：１９．２１９８０４ 第３図（ａ）　、　（ｂ）　、　（ｃ）は、横軸にＮ　
、　Ａ　Ｊ　’ｈｔ＋に横収差をとって表示した、本発
明の効果をあられした図である。

図よυ明らかなように、無補正の状態で最大の横収差が
第３図（ａ）で示す如（Ｎ、Ａ＝０．５で、−９８，４
μｍＫも達しているのに対し、近軸的な補正では第３図
（ｂ）に示す如（−４，５μｍ、そしてより高次の項も
Ｉｔ７ｔに入ｊした場合には第３図（Ｃ）に示す如く最
大０８μｍと、大幅な改善が一矢られ、光デイスク用の
ホｔ、み出しレンズや、半導体レーザー用のコリメーシ
ョンレンズ、そしてブＣ通信用のカップリングレンズと
して十分な性能を哨したレンズが得られることとなる。

第４図（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）は本発明に係る作成方法
の他の実施９′１．１を示す図である。第４図（ａ）　
（ｒｉ、第１の波長λ凰の光束を用いて第１のホログラ
ムを作成する工程を示している。光源部からの波長λ寡
の光束は、第１図に示す光学系と同様に、物体光１２と
参照光１８とに分けられてホログラム感旧１１に入射し
、ホログラフィックレンズを形成する。尚、このとき、
基板１０の裏面及び基板１０と感材１１との境、５′ｒ
面には反射防止コーティングや光吸１［Ｙ、層等の如く
、有害な反射ブＣを防止す２）手段が設けられているこ
とが望ましい。第失図（２，）で用いられる波長λ１の
光束は、例えはヘリウムネオンレーザ−光のλ＝０．６
３２８μｍや、クリプト／レーザーのλ＝０．６４７１
μｍの光束が用いられるため感光Ｉ料としては、アグフ
ァ・ケバルト社のホロテス）８Ｅ７５同１０Ｅ７５（商
品名）や、コダック社の５ｏ−２５３、Ｓ　０−１７３
　（商品名）が用いられる。

第４図（ｂ）は、第３の波長λ３の光束３９を用いて、
第２のホロクラム記録材料にコピーを行なう工程を示し
た図である。第４図（ａ）に示す第１の工程で記録され
たホログラム１１は、インデックスマツチング液２２全
介して、基板２０上に塗布されたホログラム感＃２１に
密着して眞かれる。光束３９は、第４図（ｃ）に示す使
用状態で１体積型ホログラム２１が使用波長λ２の光束
３８に対して、近似的にブラッグ先住を満足するように
選ばれる。

この光束３９は、必要とされるブラング条件満足のため
の精度に応じて、種々選ぶことができる。

最も単純には適当な傾きの平行光束で良く、また収束あ
るいは発散光束や、収差を与えられた波面も用いられる
。

第２のホログラム感利２１中には、ポログラム１１をそ
のまま透過して来た光束３９（０次光）と、ホログラム
１１により回折された１次回折光が入射し１両者の干渉
によりホログラム感月２１中に、ホログラフィックに記
録された干渉縞が形成される。

なお、第４図（ｂ）に示した工程において、ホログラム
１１からは必要とする１次回折元のほかに、−１次回折
光や、高次の回折光が発生し、これらは同時に感材２１
中′に記録される。しρ為し、これらの不要な干渉縞は
、第４図（Ｃ）に示す第２の波長λ。

の光束３８で朽生した際には、ブラッグ条件を満足しな
いため、不要な回折光は発生しない。

以上の工程により露光の行なわれた感拐２１は現像処理
されて体積型のホログラムとなる。第４図（ｃ）は、こ
のホログラムを光デイスク用の集光レンズとして用いた
実施例を示Ｉ７たものである。卯２の波長λ２の光束３
８は、ホログラム２１に７射して高い回折効率で回折さ
れ、基板２０を透過した後収束光束３２となってディス
ク基板２４に入射し、ディスク２４の裏面に設けられた
情報記録２５にほぼ無収差で集光する。反射された光束
は以上に示した光路を直進し、光ヘッドの読取りが行な
われる。尚、以上の説明でディスク基板２４とホログラ
ム基板２０とは同一の屈折率として取扱ったが、相互に
異っている場合も大幅な変更なぐ不発ゆ］はす施ムＪ能
である。

第４図（ｂ）で用いられるホログラム感制２１は、以上
の説明より明らかな様に波長に対する’ｉｌ＋ｌＪ限が
基本的には存在しないため、最終的に体積型のホログラ
ムとして良好なｌ特性の感ブ（、利料を用いることがで
きる。感）゛Ｃ材第１の例としては５重クロム酸ゼラチ
ン、Ｐ、Ｍ、鼠へ等の光重合型感九相ネ・［、ポリビニ
ルアルコールの他、唱開昭５３−Ｊ５１５３号公報に示
された光重合性を有する樹脂でちればいかなるものも１
吏用０」能である。又、コヒーに用いられる光源として
は、゛アルゴンレーザーのλ＝０４８８μｍ、λ＝０．
４５７９μｍのほかに、紫外光とし゛Ｃヘリウム　カド
ミウムレーザーのλ＝−Ｑ、３２５０μｍや水銀灯光源
も使用可能である。

第４図（ｃ）より明らかなように、光デイスク基板２４
とホログラム基板２０の厚さの和を波長変化による収差
をうち消すために必要な値に設定することにより、特別
な光学系を用いることがなく、適当なワーギングデイス
冬ンスを有するブＣヘッド用レンズを構成することが可
能となる。

具体的な１ｉ３ｔ　ｉｊｔ値ノＣＩ　＜！：　Ｉ−−ｃ
、Ａ　′−０，６４７１）ｔｍのクリンプトンレーザー
元を用いて　ｇ（λ１のン」−ログラムを作成する設計
例を示す。

設計例−２ 第４図（ｃ）に示すＦｊｉ用状八［へで、Ｔ’５生波長
λ２−０、７８０　μｍ　、　Ｎ、Ａ　′：＝　０．５
とする。ｉ）と、Ｔす生つＣの入射角φ２＝６０°とす
る。（４）　（４）’式より、参１４ｉ先の入射角φＩ
＝＝４５．９°とな、イ〕。

第４図（ａ）におけるス（１点位１ｉｉ　ＦＩ＝　３５
００　（７ｕ＋＋　）　、！：すると、（１１）式よ５
Ｆ２＝＝２９０３．７　（７＋ｍ）となる。

またＮ−１５とすると、（１３）式より　ｒｌ　＝　２
５７９．３（１１ｍ、）となり、空気間ｒ；−ｐ　ｈ−
まＦ２−１３．／Ｎ　＝＝ＩＪ　８４．１（μｍ）と、
第４図（ｃ）における空気間隔（は約１．２＋・１ｍ確
保される。このときの焦点位面における情収差および縦
収差と、適当な評価点において評価した波面収差を、第
５図６）←）（Ｃ）に示す。

第５図（ｃ）より明らかなように、波面収差は００８λ
と、烈視して良い′ｆ１．度の収差発生に押えられてい
る。

第４図（＋、）で用いられる光の波長λ、＝０．４８８
μｍとし、感材の屈折率Ｎｓ　＝　１．５とすると、最
終的に必要なホログラム中の格子傾斜角が１７．６°で
あることから、ブラック条件を満足するための波長λ３
の入射角Ｕ１４５８°となる。以上、中間でホロクラム
を密層し、コピーする方法を用いて本発明の実施例を説
り」したが、本発明におけるブラッグ角の調整手段は単
にこれに留まるものではなく、続刊は後の感材に適当な
膜厚変化合力える方法、平行四辺形の変形（１？与える
方法等、種々の方法が使用可能である。

第６図は不発明により得られたボログラムレンＸ　ｔ　
斗漕８体し・−ザーのコリメーションレンズとして用い
た実施例を示す図である。半導体レーザー２７はヒート
シンク３０に取付けられ、パッケージ２９内に納められ
ている。レーザー２７カユら射出恣れた光束３３は、基
板２６を通ってホログラム２１で回折され、平行光束と
なった後カバーガラス２０？Ｌ−通って、平行光束３４
とな〕、外部に射出する。カバーボルダ−２８を介して
、このホログラムレンズは保持される。このような構成
をとることによｐ、半導体レーザー２７．ホログラＡ　
２１　ｉｊともに耐候性を向上させることができ、しか
も基板２６により発生ずる球面収差も有効に利用するこ
とができ、その利点は非常に太きい。

また、以上に示したホログラム素子としては、ろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は、従来のホログラム素子を作成する方法の一実
施例を示す図、第２図（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）は、本発
明に係る方法の第１実施例を示す為の図、第３図（ａ）
（１，）　（ｃ）は、本発明により得られたホログラム
レンズの収差を説明する為の図、第４図（ａ）　（ｂ）
　（Ｃ）は、本発明に係る方法の第２実施例を示す為の
図、第５図（ａ）　（ｂ）　（Ｃ）は、第２実施例によ
り得られたホログラムレンズの一実施例の収差を示す図
、第６図は不発ツＪにより得られたホログラムレンズの
一使用例を示す図。 】・・・レーザーブＣ源、３・・・半透鏡、７・１５・
・・順＠ｆａ　対’Ｐ７＋レンズ、８・１６・・・ピノ
ポール、　１０・２゜・・・ホログラム基板、　１１・
２１・・・ポログラム感利。 出願人　キャノン株式会社

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）　作成時の第１の波長λ、とけ異なる第２の波長
   λ鵞で再生されるホログラム素子を作成する方法に於い
   て、前記波長λ宜とλ、との間にはλ１〈λ、（１，９
   ・λ１なる門係を満足し、且つ作成光束の波長と前止光
   束の波長差に伴うホログラム素子の収差を除去する為に
   所定の収差を再生波面に与える手段を設けた事を特ｒＲ
   とするホログラム素子の作成方法。