JPS6042733A - ホログラムを用いた光走査装置 - 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】 〔発明の属する技術分野〕 本発明は、ホログラムを用いて光ビームの方向を高速で
偏向する光走査装置に関するものである。

更に詳しくは、本発明は、光信号を利用して信号あるい
け画像等を記録２表示する装置に使用して有効であって
、直線無収差走査が可能な光走査装置に関するものであ
る。

〔従来技術の説明〕

第１図は、従来のホログラムを用いた光走査装置の要部
構成図である。この装置は、点光源からの発散光として
の物体光１と、平行光としての参照光２（いずれも破線
で示す）により、露光し作製したホログラム３１．５２
．３３・・・に平行ビームを入射し、ホログラム３の後
方に配置された走査面であるところの結像面４に、再生
光５による再生像を得るように構成しである。

このように構成される装置においては、結像面４に得ら
れる再生像は、ホログラム円板３０回転に従い結像面４
上を移動するものの、図示するよった。壕だ半導体レー
ザｅ光走査装置は、レーザプリンタ等に大変有効である
が、半導体レーザの波長（例えば０．７８１Ｊｍ）に感
度をもつボログラム感光材料はなく、半導体レーザ用の
ホログラムを用いた光走査装置はない。

〔本発明の目的〕

ここにおいて、本発明は、ホログラムを用い、そのホロ
グラム作製時に用いる記録光（参照光。

物体光）と違う波長の再生光（例えば半導体レーザ光）
で直線走査が行なえ、かつ無収差の収束作用（レンズ作
用）をもった光走査装置を実現しようとするものである
。

〔本発明の概要〕

本発明に係る装置ｄは、透過又は反射形ホログラム板を
用いるものであって、ホログラム作製時に用いる記録光
（参照光、物体光）と、再生（走査）時に用いる再生元
とを、波長が異なった球面波とし、これら記録光と再生
光の各光源位置をホログラム面に斜めに光ビームが入射
する位置でかつそれぞれ異なっｌ（所定位１ａに選定し
、結像面上の再生像が直線・無収差走存するとともに、
−ｊ時拠再生光のホログラムへの入射角がブラッグ条件
を満足するようにし、高回折効率が得られるようＫ）た
点に特徴がある。

〔実施例の説明〕

第２図及び第３図は本発明に係る装置（光学系）の−例
を示す要部構成図で、第２図は記録（作製）時と再生（
走査）時の状態を示す全体斜視図、第３図は第２図にお
いて、ホログラム板の側面方向から見た図である。これ
らの図において、３はホログラムディスクで、ここには
ホログラム用感光利料が塗付されている乾板で作られた
複数個のホログラム５１．３２．３３・・・が回転方向
（矢印ａで示す方向）に設置されている。このホログラ
ムディスク３は、矢印Ｂ方向に回転（移動）シ、ひとつ
のホログラムで１回の走査を行なうようになっている。

なお、ここでは、透過型ホログラム円板を用いた例を示
す。４は結像面である。

まず、ホログラム作製時において用いられる物体光源２
２は、収束球面波が用いられており、０点にその収束点
がある。−また、参照光源２１け、物体光源２２と同一
波長（例えば波長λｃ＝　ｏ、６３ｐｍ）の発散球面波
が用いられＲ点にその点光源がある。これらの物体光臨
２２と参照光源２１とは、いずれも、ここから出射する
光ビームのホログラムへの入射角が、走査中心でＤ°以
外の角度、すなわち斜めとなるように設置され、これら
の各光源からの光によって、ホログラム３１．３２．３
！、・・・上に干渉縞を記録させる。

再生（走査）時に）ｆ４いられる再生光源２０は、参照
光とは異なった波長（例えば半導体レーザ光の波長２□
−［１，７８ｌＩｍ）の発散球面波が用いられ、Ｑ点に
その点光源があり参照光源の点光源Ｒとは異なった位置
にある。この再生光源２０からの光ビームは、ホログラ
ムディスク３への入射角が、走査中心で０°以外、すな
わ−ち斜口になるように入射しており、ホログラムから
の再生光は、各ホログラム３１＋　５２＋　３５・・・
にあらかじめ記録された干渉縞によって高回折効率で回
折される。この回折光は、ホログラムディスク３の回転
（移動）に伴い、結像面４上に小さな光スポットで、Ｓ
１→Ｓ２→Ｓ３と直線。

無収差走査する。

ここで、本発明においては、参照光源２１−と再生光源
２０の位置及び物体光源２２の焦点位置を、（１）式。

（２）式を満足するように、所定の位置に選定し、これ
によって直線、無収差走査を実現するとともに、同時に
再生光のホログラムへの入射角が（３）式のブラッグ条
件を満足することによって高回折効率を得ている。

ｆｃｃ　１ｒＣｏｔ　”ＣＩ（ｌ　ｒ　ｒθ、ψ、λＣ
）堵Ｒ（１ｒＲＯ１ｒＢＢ＋ｒ＋θ、ψ、λ几）（１） φｃ（ＩｒｃＱ＋　ＩｒＣＲＩ　ｒ　ｒθ・ψ、λＣ戸
φＲ（１ｒＲＯＩ　Ｉｆｆ％（％　山θ、ψ１２Ｒ）（
２） ただし ｆｏ：　物体光と参照光によりホログラム面上に記録さ
れた干渉縞の空間用 波数 φ。　二　上記干渉縞の傾き ｆＲ：　結像面上の所定の一点へ収束する仮想の光束と
再生光と罠より、ホ ログラム面上に出来る干渉縞の空 同周波数 φ□　：　上記干渉縞の傾き ＋ｒｃｏ　：　物体光の光源位置を示すベクトル１’ｃ
Ｒ’　参照光の光源位置を示すベクトル１ｒｒｔｏ　：
　仮想光束の光源位置を示すベクトル ｆｆｒｔｒｔ　’　再生光の光源位置を示すベクトルｍ
θ）：　ホログラムディスク面上の座標ψ　：　ホログ
ラムディスクの回転角 λＣ：　記録光（参照光、物体光）の波長λ　：　再生
光と仮想光束の波長 ｔ θｒ　＝　再生光の入射角 θ。ｂ　：　物体光の入射角 θｒｅｆ　’　参照光の入射角 ｄｌ：　ホログラムディスク上の干渉縞の３次元的なピ
ッチ 本発明においては、第５図において、ホログラムディス
ク３０回転の中心Ｃと、ホログラム３．。

３２・・・の中心Ｐとの距離ｒａ、Ｐ点から結像面４（
走査位置）゛までの距離２ｄが与えられた場合に、物体
光と参照光とによってＰ点に作られた干渉縞に対し、再
生光の入射角がブラッグ条件を満足し、直線性、収束性
が最も良くなるように物体光、参照光、再生光の各光源
位置を（１）式、（２）式、（３）式からめるものであ
る。ここで、（１）式、（２）式は解析的に解くのは難
かしく、従ってコンピュータ等を用い、数値解析の極値
問題として解くものとする。

再生（走査）時に用いられる再生光の光源２０は、参照
光の光源２１とは異なった位置であること、波長がそれ
ぞれ異なっていること、球面波で、斜め入射であること
、更にホログラム３が回転、移動していることから、前
記（１）式、（２）式を満足するように各光源の位置を
選定することによって、ホログラムからの回折光によっ
て結像面４上につくられる再生像は、直線・無収差走査
する。

さらに具体的には、参照光と再生光に発散球面波を用い
、ホログラムディスクの光の入射角を走査中心で０°以
外の角度となるように選定し、ホログラムディスクの回
転に伴い、参照光と再生光との入射角の差を相対的に変
化させ、この角度差を利用して回折光の回折角を変化さ
せ、結像面上の再生像が直線走査する。

次に第４図を参照しながら、無収差走査について説明す
る。ここで無収差とは、結像面上に回折光がつくる光ス
ポットの径が回折限界、または、回折限界に近く、目標
とするスポット径以下である場合をいう。

第４図に示すように、回折光の結像面４上の所定の一点
へ収束する仮想の光束（理想の回折光）と再生光とによ
って、ホログラム面上に作られる干渉縞と、記録（露光
）時の物体光と参照光とによって作られる干渉縞が、ホ
ログラム面上の用生光束幅の領域内で同一となれば、直
線無収差となる。干渉縞が同一ということは、そのず開
局波数ｆｃとｆＢ及び干渉縞の傾きφＣとφＲがそれぞ
れ同一であることが必要十分栄件であるとみなすことが
できる。また、干渉縞を空間周波数の位置による変化率
や曲率等で表現しても、前記の表現と全く同一となる。

（１）式、（２）式において、これらは、いずれも左辺
と右辺は等しくはならないので、許容できる直線無収差
の範囲内で、はぼ等しくなる条件を解き、物体光、参照
光、再生光の各位置をめる。

次に、実際の計算手法の一例を説明する。第４図に示す
ように、Ｘ＊Ｙ＊Ｚ座標系で考えるものとし、ホログラ
ム面上における参照光源の位置（０＋　Ｙ　ｒ＊　Ｚｌ
　）　＋物体光の収束点の位置（０，０，２ｏ）とした
時のそれぞれの電界強度分布の位相項を示せば、（４）
式、（５）式で示すことができる。

ただし、ｋは波数 ホログラム乾板に記録される干渉縞の光強度分布の位相
項ハ、（６）式で表わされる。

これから、干渉縞の空間周波数ｆｃと干渉縞の知きφＣ
は（７）式、（８）式の通りとなる。

ただし、ａ　＝−４７「ｙ２＋Ｚ。′ ｘ＝＝　ｒａｓｉｎψ ｙ　＝　１１−　ｒＩｌｃｏｇψ ＋ｔ＋ｒ、（第２図、第４図参照） 第４図において、ホログラム３に記録さねている干渉縞
による光の回折の入射角と回折角の関係は、入射光のＸ
軸に対する方向余弦をｍｒＹ軸に対する方向余弦をｎ１
回折光のＸ軸、ｙ軸に対する方向余弦をそれぞれｎ’、
　ｍ′で表わすものとすれば、（９）式、（１１式の通
りとなる。

ｍ’　−ｍ　＝　ｐ拳ｆｃ・λｃｏｓφｃ（９）ｎ’　
−ｎ　＝　ｐ・ｆｃ’λｓｉｎφｃ０まただし、Ｐは回
折光の次数で通常１次回折光を考える。

１ｒｃＯ’　１ｒ（ｊ’（＋ぼ旺１　ｒａの相対的な位
置と、４二ログラムディスク３上の再生光の分布が決ま
れニド１適当な走査面上でホログラムディスクｑ）回転
に対応したスポット・ダイアグラムを描くこと力；でき
る。

このスポット・ダイアグラムを基に、反復法によって、
直紡性と収束性が最適となるとともに［包析効率が高く
なる　１ｒＣＱ＋　ｌ’ｃｌｔｌ　１ｒＲＲ１ｆｆｌ（
０＋　ｒａの所定位置をめることができる。

更に具体的手法としては、＋Ｉ＋）式に示す直紡性に関
する評価間数Ｅ１及び０４式に示す収束性に１射する評
価関数Ｅ　２，６１式に示す総合的評価関数Ｅをそれぞ
れ定め、これらの評価関数を最小とするように反復法に
より、１ｒＣＯＩＩｒＣ１＋　１ｒＲ１ｔｌ　ｌｒｌ’
（Ｑ＋　ｒ、の所定位１ａをめる。

ただし、ψ、：（＋　＝１．２・・・、Ｎψｌ）は、ホ
ログラムディスクの回転角ψを適当に標本 Σ 化したときの１つの値、　けψ１に ψ区 開する和である。　ｒ（ψ）は走査面上の二次元ベクト
ルで回折光の走香面 上での位置を示す。　ｒｃ（ψ）の添字Ｃはホログラム
ディスク上の再生光の 分布の中心からの回折光を示す。

（１ｒ（ψ〕）、は　ｒ（ψ）の走査方向と垂直な方向
の成分 ただし、　＋ｒ　ｐ　Ｉ（ψ）の添字ｐ＋（＋＝１．２
．−．　Ｎ、ｌ　）は、ホログラムディスク上の再生光
の 分布を適当に標本化した１つの標本点 からの回折光を示す。

Σ：はｐｉに関する和 ｐｉ 直線性、収束性を総合した全体の評価関数ＥＦｉα場式
の通りとなる。

Ｅ−ω＋ｌＪ　＋ω２Ｅ２　６：３ ただし、ω１．ω２け重み定数 次にブラック条件の具体的な決め方について説明する。

三次元ホログラムの場合、（３）式のブラッグ条件を満
たす場合、高い回折効率が得られる。

このためホログラムディスクの回転角ψ二０のとき、再
生光の中心光束がホログラムディスクに入射する角度が
ブラッグ条件を満たせばよい。この条件での回折効率は
第５図となり、高回折効率が得られるものの、走査の周
辺で回折効率が低下する。

他の方法としては、ψ−士ψＢ（ψＢ＼０）でブラック
条件を満たすようにする。この条件での［回折効率は第
６図となり、比較的平坦な特性が得ら汎る。

具体的なりｆ其方法の一例としては、回折効率の評価関
数を０４式とし、 ただし、θＢ：　再生光の入射角のブラック条件からの
ずれの角度 直線性と収束性と回折効率を総合した評価関数Ｅ−ωＩ
Ｅ１＋ω２Ｂ２＋ω３Ｅ３０υただし、ω１．ω２．ω
３は重み定数 としても良い。

なお、ここでは二次元ホログラムを想定して一部解析、
目［算したが、実際には、高い回折効率が得られるため
三次元ホログラムが多く用いられる。

三次元ホログラムの解析は複雑であり、ここで述べたよ
うに二次元ホログラムで解析しても一般にラム上に複数
領域に亘って記録（露光）する。これを現像し、゛また
、必要に応じて回折効率を向上させるだめの漂白処理を
行々っだ後、１ｒＢＢを満たす所定位置に再生光の光源
を投首して再生すれば回折光は、結像面４上を直線、無
収差走査することとなる。

スポット径及び回折効率をそｆｌぞれ調べた特性縮図で
ある。この実験では、参照光の光源としては波長λＣが
０．６５２８μｍのｌｉｅ　−Ｎｅレーザ、再生光の光
源として波長λＲが０．７８ｐｍの半導体レーザをそれ
ぞれ！用い、走査幅±１５０ｍｍを得たもので、この範
囲内において、直線性±１１００ｐ、最大スポット径φ
１０１００ｐ回折効率ψ＝０で約４５チ（これはホログ
ラム乾板の処理条件により変る）と、満足すべき結果が
得られている。

なお、上記の実施例では透過形ホログラムディスクを用
いたものであるが、これに代えて反射型ホログラムを用
いてもよい。また感光材に７オトレジスを用い、露光、
現像後、斜め方向のイオンエツチングにより基板をエツ
チングしてエシュレット形の格子として回折効率を向上
させることができる。この場合、（１）式、（２）式の
み満足した条件で露光すれば良い。また、基板に８１結
晶などを用い、異方性エツチングで、エシーレ、ト形の
格子としても良い。さらに上記のエン−レット形格子を
原版とし、透明プラスチック等を用いてレズリ力として
も良い。

〔本発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば簡単な構成で、直
線走査が行なえ、かつ無収差の収束作用をもった回折効
率の高い光走査装置が実現できる。

また、記録光（物体光、参照光）と再生光の波長を異に
するものであることから、ホログラムの作製時において
は、現在入手可能なホログラム感光材料に最適なＩ昆−
ＮｅレーザやＡｒレーザが使用でき、−また、再生時に
おいては、半導体レーザが使用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来のホログラムを用いた光走査装置の要部構
成図、第２図及び第３図は本発明に係る装置の一例を示
す要部構成図で、第２図は記録時と再生時の状態を示す
全体斜視図、第３図は側面から見た図、第４図は無１１
ヌ差走査を説明するだめの説明図、第５図〜第り図は本
発明に係る装置における特性線図である。 ３・・・ホログラムディスク、２０・・・再生光源、２
１０．・第　５　叫 策　Ａ　閉 ブ゛ラツ７゛′粂イ〒 ５ｆＪ−ｙ　列 ｆ、ｂ　聞 第　９１で ４（づ１１−４）４ｒ創

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）透過または反射形ホログラムディスクを用いた光
   走査装（礎において、 ホログラム作製時に用いる記録光（参照光。 物一体光）と、再生（走査）時に用いる再生光とを、波
   長がそれぞれ異なった発散光または収束光とし、これら
   記録光と再生光の各光源位置を前記ホログラム面に斜め
   に光ビームが入射する位置でかつそれぞれ異なった所定
   位置に選定し、結像面上の再生像が直線・無収差走査す
   るようにしたことを特徴とするホログラムを用いた光走
   査装置。
2. （２）　参照光源、物体光源、再生光源をホログラム面
   上の再生光の入射する領域において、次式を満足する所
   定位ＩＭとした特許請求の範囲第１項記載のホログラム
   を用いた光走査装置。 ｆｃ（１’ｒｃＯ１１ｒｃＢ、　ｒ　＋θ、ψ、λｃ）
   ＃ｆ　Ｒ（Ｉｒ　ＵＬｏｌ　１ｒ　ＲＲ’、’　ｒ　、
   θ、ψ、λＲ）φｃ（ｌｒ　Ｃｏ　ｌ　ｔｒ　ＣＲｌ　
   ｒ　＊　θ、ψ、λｃ）＝；φＲ（Ｉｒｌ’（Ｑ＋　１
   ｒＲＲ１ｒｌ　θ、ψ、λＲ）ただし ｆｃ：　物体光と参照光によりホログラム面上に記録さ
   れた干渉縞の空 間層波数 φＣ；　上記干渉縞の傾き ｆＲ：　結像面上の所定の一点へ収束する仮想の光束と
   再生光とにより、 ホログラム面上に出来る干渉縞 の空間周波数 φＲ：　上記干渉縞の傾き Ｉｆｃｍ　：　物体光の光源位置を示すベクトル ＩｒｃＲ；　参照先の光源位置を示すベクトル ＩｒＩＬｏ：　仮想光束の光源位置を示すベクトル １ｒ□□　：　再生光の光源位置を示すペクト（ｒ、θ
   ）：　ホログラムディスク面上の座標ψ　：　ホログラ
   ムディスクの回転角 λＣ：　記録光（参照光、物体光）の波長 λＲ：　再生光と仮想光束の波長
3. （３）　ホログラムディスクの回転角が、回折光が走査
   線上の中央に結像する角度にあるとき、再生光のホログ
   ラムディスクへの入射角がブラッグ条件を満足するよう
   にした特許請求の範囲第１項記載のホログラムを用いた
   光走査装着。
4. （４）　ホログラムディスクの回転角が、回折光が走査
   線上の中央からずれたとξろに結像する角度にあるとき
   、再生光のホログラムディスクへの入射角がブラッグ条
   件を満足するようにした特許請求の範囲第１項記載のボ
   ログラムを用いた光走査装＋１０