JPS61223704A

JPS61223704A - ホログラムレンズの作成方法

Info

Publication number: JPS61223704A
Application number: JP6485985A
Authority: JP
Inventors: Shinya Hasegawa; 信也長谷川; Fumio Yamagishi; 文雄山岸; Masayuki Kato; 雅之加藤; Hiroyuki Ikeda; 池田　弘之; Yushi Inagaki; 雄史稲垣
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1985-03-28
Filing date: 1985-03-28
Publication date: 1986-10-04

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】〔概要〕凸レンズや球面ミラーなどのような球面光学素子を媒体
として収差波番発生させ、この収差波の交差位置より先
にホログラム作成板を置いて参照光との干渉縞を形成し
、ホログラムレンズを作成することで、再生時の収差を
確実に除去し、かつ光学系を簡素化することでノイズの
ないホログラムレンズを作成する。

〔産業上の利用分野〕

レーザディスク装置などにおいて、情報を光学的に読取
る場合は、第１３図のように、コリメートレンズ１で平
行光２を細いビームに絞る必要がある。このような用途
において、光ピンクアップ用のレンズを高速で移動させ
て読取りが行なわれるので、アクセス時間を短縮したり
するためには、出来るだけ軽（、かつ小型であることが
必要であり、駆動装置などを小型化する上でも肝要であ
る。

そのため、レンズ等の光学素子をホログラム素子に置き
換えていく方向に開発、研究が進められている。またホ
ログラムレンズは小型軽量なため、レーザプリンタなど
において、情報をドツトの組み合わせで光学的に記録す
る場合、第１４図のように半導体レーザ３から発生した
レーザ光４を平行光２にする際に必要である。また同様
にして、ホログラムレンズはホログラムスキャナにも適
している。本発明は、このような要求に対応できる、小
型軽量のホログラムレンズに関する。

〔従来の技術〕

光の波面変換素子として、特開昭５７−４５５１２号公
報などに記載されているように、第１５図の如きレンズ
があるが、欠点としては、波面の収差補正のためには、
多数枚の組み合わせレンズが必要なため、調整が難しく
、また大型で、重く、しかも高価である。

軽く安価なホログラムレンズ１枚でもレンズ機能が得ら
れることは知られているので、ホログラムレンズを実用
化できれば、上記のような問題は一掃できる。

ホログラムレンズの再生波には、小型、軽量、安価で、
直接変調可能な利点を持つ、半導体レーザ光を使用する
すう勢にある。ところが、半導体レーザ光の波長は、ホ
ログラム作成材料の感度域外のため、感度内の波長域で
ある３２５〜６３２．８μｍの様な、低波長レーザでホ
ログラムを作成する必要がある。このため、ホログラム
の作成条件と再生条件の違いにより、再生波に収差が生
じるという問題がある。

第１６図（ａｌに示すように、波長λ２の平面波をホロ
グラム５に入射し、期待どおりの無収差光が得られたと
する。このホログラムレンズ５を用いて、同図（ｂ）の
ように波長λ２より低い波長λ、で再生すると、ＮＡが
大きくなるにつれて、正の収差が増大する球面収差波と
なることがわかる。したがって、この波長λ、で、（ｂ
）の正の収差波をホログラムレンズ作成板に照射して、
ホログラムを作成すれば、（ａ）のように波長がλ２の
レーザ光で再生したとき、完全に無収差となる。

そこでこの特性を利用し、ホログラム作成時に、平行ガ
ラス板を用いることで物体波に収差をもたせて、再生波
を無収差とするインライン型ホログラムレンズが提案さ
れた。（■Ｇ、Ｎ、Ｂｕｉｎｏｖ、１．Ｅ、Ｋｉｔ、に
、Ｓ、Ｍｕｓ　ｔａ　ｆｉｎ。

ａｎｄ　　Ｍ、１．５ａｖｒａｓｏｖａ：Ｏｐｔ。

Ｓ　ｐ　ｅ　ｃ　ｔ　ｒ　ｏｓｃ、３８　　（１９７５
）　　、８８　　■Ｇ、Ｎ。

Ｂｕｉｎｏｖ、　　ａｎｄ　　　Ｋ、　　Ｓ、　　Ｍｕ
ｓｔａｔｉｎ：ｏｐｔ、　　５ｐｅｃｔｒｏｓｃ、４１
（１９７６）。

しかし、インライン型ホログラムレンズは、レンズ中央
の回折効率が０％のため、集光効率が小さいという欠点
が発生する。このため、同じく平行ガラス板を用い、作
成波に収差を持たせて、再生波を無収差とする、ｏｆｆ
−ａｘｉｓ型（軸外し型）ホログラムレンズが提案され
ている（１９８４年８月２０日　Ｔｈｅ　　１３ｔｈ　
　Ｃｏ　ｎ　ｇ　ｒ　ｅ　ｓ　ｓ　　ｏｆ　ｔｈｅＩｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　Ｃｏｍ１ｓｓｉｏｎｆｏｒ
　０ｐｔｉｃｓ　　（ＩＣＯ−１３）ｄｉｇｅｓｔｐ、
５２０〜５２１キヤノン、桑山、他　）。

このホログラムレンズは、第１７図（ａ）に示すように
、波長がλ１の集束波Ａを、平行ガラス板６に入射する
ことにより収差を発生させ、これと参照波の平行光Ｂと
で、ホログラム作成板５ｐに干渉縞を形成してホログラ
ムレンズを作成し、（ｂ）図のように波長λ２のレーザ
光で再生すると、無収差となるものである。実際には第
１７図中）において、レーザ光が収束する焦点距離ｆは
、通常４〜６ｍｍ程度とするため、第１８図のように、
参照波である平行光Ｂは、逆方向から平行ガラス板６に
入射し、裏面で反射させる手法が提案されている。すな
わち、参照波Ｂをレンズ７側から照射すると、収束光Ａ
を作るレンズ７に当たってしまい、作成が不可能となる
からである。レンズ７を非常に大きくすれば、該レンズ
７側から平行光Ｂを入射しても、レンズ７に当たらない
が、実用性に乏しい。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ところが第１８図のように、平行ガラス板６で収差補正
する方法は、ホログラム作成のための調整が難しく、平
行ガラス面とホログラム面との多重反射の干渉によりノ
イズが生じるという問題があった。さらに収差波を得る
ためのパラメータが、平行ガラス板６の板厚のみのため
、収差補正も十分でない。また第１８図のような作成法
では、参照波Ｂの波面は、平行光に限られてしまい、参
照波を任意の波面とすると、平行ガラス板６による収差
が生じるという問題もある。

本発明の技術的課題は、従来のホログラムレンズにおけ
るこのような問題を解消し、ホログラム作成が容易で、
かつ収差補正を充分行なうことができ、ノイズも少ない
ホログラムレンズの作成方法を実現することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明によるホログラムレンズの作成方法の基
本原理を説明する側面図である。第１図（ａ）に示すよ
うに、波長λ１の収束光Ａを、球面光学素子の一種であ
る凸レンズ８に入射すると、先に述べたのと逆に、負の
球面収差波を発生できることが、光線追跡によりわかる
。したがってこの収差波を一旦交差させ、交差位置Ｐよ
り先の位置に、ホログラム作成板５ｐをおいて、他方の
参照波を垂直平行光Ｂとしてホログラムを作成する。そ
して（ｂ）のように、この方法で作成されたホログラム
レンズ５に、波長λ２の垂直平行光を入射して再生する
と、無収差となる。球面光学素子としては、凸レンズの
ほかに、球面ミラーを使用することもできる。また収差
発生用レンズは、両凸レンズを使用してもよく、複数枚
を組み合わせることも可能である。

〔作用〕

本発明では、レンズを用いて収差を発生するため、レン
ズ厚み、曲率などのパラメータを最適化することで、再
生波が実用的に問題ない程度にまで絞れるという利点が
ある。

また参照波の平行光を傾けてｏｆｆ−ａｘｉｓ型とし、
例えば第１図（ａ）で、平行光Ｃ３をθ１傾けて作成す
る時には、再生波は（ｂ）において１、−２２　。

θｚ　＝ｓｔｎ　’　（−２，・ｓｔｎθ１）　　”・
（１）とすれば、物体波である収差補正波は、参照光を
垂直とした時の収差補正波と全く同様である。この時第
１図からも明らかなように、第１８図の方法と比べて、
収差は一旦交差させた逆の収差を用いるため、収差発生
のためのレンズ８とホログラム作成板５ｐ間の距離が遠
くなる。その結果参照光の平行光ＣＩは、レンズ８に当
たらないので、第１８図のような複雑なホログラム作成
法は不要である。

またレンズからの反射光は、ノイズにならない。

球面光学素子を用いるため、曲率などを調節することで
、収差の発生に自由度があり、収差補正の効果は大きい
。

〔実施例〕

次に本発明によるホログラムレンズの作成方法が実際上
どのような構成を採っているかを実施例で説明する。第
２図は、実施例における光線追跡図であり、８が収差発
生用の平凸レンズ、５ｐがホログラム作成板である。第
３図は凸レンズ８に、収束球面波Ａを入射して、一旦交
差させ、その先にホログラム作成板５ｐを置いて、収差
波を入射させた時の光線追跡図である。第１６図（ｂ）
と比較すると、必要となる収差と同傾向を示しているこ
とがわかる。なお凸レンズの曲率などのパラメータを最
適化することにより、細かな収差補正が可能である。以
下では、減衰最小自乗法（ＤＬＳ法）を用い、波面収差
が最小になるように、自動設計を行なった結果を示す。

第２図において、作成波としてＡｒレーザ（λ。

＝４８８ｒｖ　）を用いた。ここでレンズの中心厚み２
０１１ＩＩ１１、曲率２４３ｍｍの平凸レンズである。

レンズの材質は、通常良く用いられるＢＨ３を用い、Ａ
ｒレーザでの屈折率は、１．５２２である。また物体波
である収束光Ａがレンズ８の上面から収束するまでの距
離（ただし、レンズ８が無いとした時）は、５９．６９
ｍｍ　、レンズ下面中央からホログラム作成板５ｐまで
の距離は、５０ｍｍである。第２図では、ホログラムを
作成した時の光線を書いている。再生波は、ＬＤ光（λ
、　＝　７８０ｎｍ）とした時、焦点距離は４６８１ｍ
ｍ　　で、はぼ無収差となる。この様子を示したのが、
第４図（ａｌの球面収差および同図中）の波面収差の特
性図である。ＮＡｏ、４５に対し、球面収差は７μｍ以
内に入っている。また波面収差は、ＮＡｏ、４５に対し
、最大０．１λとなり、レーリーの１／４　　波長別か
ら見て、はぼ回折限界に近いレンズが得られた。なお勿
論、収束光Ａは無収差である必要があり、このため平行
光を無収差で絞るレンズを用いる必要があることは言う
までもない。

第１図で説明したように、ホログラムレンズは１ｎ−１
ｉｎｅ型でも、ｏｆｆ−ａｘｉｓ型（軸外し型）のいず
れでも可能である。第５図にｏｆｆ−ａｘｉｓ法による
ホログラムレンズ作成時の光線追跡を、第６図に１ｎ−
１ｉｎｅ法によるホログラムレンズ作成時の光線追跡を
それぞれ示す。この時ｏｆｆ−ａｘｉｓ型では、ホログ
ラムレンズの再生角θ２を、（１）式を満足するように
設定すれば、第２図の物体波には、何らの変化の必要も
ない。

次に球面光学素子として、球面ミラーを用いる例を説明
する。第７図は、球面ミラー９に収束波Ａを入射した時
の反射波りの光線追跡を示す。やはり凸レンズと同様の
、負の収差波を発生するため、第８図の様に、一旦交叉
させてその先にホログラムレンズ作成板５ｐを置いて、
ホログラムを作成する。一旦交叉させるため、球面ミラ
ー９は小さくて良く、参照波Ｂも容易に入射できる。ま
たホログラム作成時に、入射収束球面波Ａがホログラム
作成板５ｐに直接に入射する有能性があるため、第８図
の様に入射光をカントする遮蔽板１０が配設されている
。

球面ミラーを用いると、凸レンズとは違った利点がある
。すなわちホログラム作成波が紫外域に近（なると、レ
ンズなどの透過率が極めて悪くなるので、レンズを用い
た収差補正は、ホログラム作成光量不足のために、困難
になる。一方法面ミラーは、このロスがないため、ホロ
グラム作成波が紫外域に近い時は、この方法が適する。

なお以上の収差補正は、レンズおよび球面ミラーそれぞ
れの一部を用いて行なうこともできる。

すなわち、第９図のように凸レンズ８の一部を利用した
り、第１０図のように球面ミラー９の一部を使用する。

この作成方法は、半導体レーザ光のビーム整形を行なう
ためなどで、作成されたホログラムの出射角を傾けたい
時に必要となる。

このように、レンズやミラーの一部を使用する場合は、
レンズは片面をカットすれば良い。またミラーは一部だ
けになり、簡便となる。さらに参照波Ｂの入射も容易と
なる。

球面ミラーの時は、さらにホログラム作成板５ｐが入射
収束光Ａを邪魔しないため、第８図のような光をさえぎ
る板１０も不要となる。

次に本発明の他の実施例を示す。第１１図は、光ディス
クに用い名ホログラムレンズの説明図である。光ディス
クの情報を読取るためには、ビームの収束点は、通常、
光ディスクの表面より中にある必要がある。第１１図で
は、通常用いられている光ディスクのカバー１１（材質
はＰＭＭＡ）の厚み１．２Ｉ、屈折率を１．４９と設定
した。このために、ホログラムレンズ５は、光デイスク
表面より１．２ｍｍ下の所で収束させる必要がある。

このような収差補正を行なうホログラムレンズも、本方
法で作成できる。すなわち第２図において、平凸レンズ
の中心厚みを７．６２ｍｍ、曲率を２６．２８９１１Ｉ
１１１材質は５Ｆ１Ｂと呼ばれるもので、Ａｒレーザ（
４８８ｎｍ）での屈折率は、１．７３９０３である。こ
のとき、作成波をＡｒレーザ（４８８ｎｍ）とし、物体
波である収束光Ａが、レンズ８の上面から収束するまで
の距離（ただしレンズ８が無いとしたとき）を２２　、
６ｍｍ、レンズ下面中央からホログラム作成板５ｐまで
の距離を２１．８ｍｍとした。再生波には一般的に用い
られる半導体レーザの８３ＯｎＩ１１とした。この時、
ＮＡｏ、３２に対し、波面収差は最大０．１λ、球面収
差（縦収差）は、３μｍ以内と、充分収差補正されたホ
ログラムレンズを得た。焦点距離は、６．１３ｍｍであ
る。

第１２図は、コリメートレンズなどに用いるホログラム
レンズの説明図である。半導体レーザ光は、図のように
、通常レーザダイオード１２から出射し、気密用のガラ
ス窓１３を通って出射される。このガラス窓を通ること
で、球面収差が発生するので、ホログラムレンズ５は、
この球面収差を考慮する必要がある。このような収差補
正を行なうホログラムレンズも、本方法で作成できる。

以下窓ガラスＩ３の屈折率を１．４９、厚みを０．２５
ｍｍとして、説明する。第２図において用いる平凸レン
ズは、第１１図の実施例のものと同一とする。作成波を
静レーザ（４８８ｎｍ）とし、物体波である収束光Ａが
、レンズ８の上面から収束するまでの距離（ただしレン
ズ８が無いとした時）を２３１、レンズ下面中央からホ
ログラム作成板５ｐまでの距離を２３ｍｍとする。

このとき、ＮＡｏ、３３に対し、波面収差は０．１λ以
内、また球面収差は７μｍ以内と充分収差補正されたホ
ログラムレンズを得た。なおこの半導体レーザの発振波
長は、７８７ｎｍとした。またレーザダイオードチップ
１２とホログラムレンズ５間の距離は６゜７６ｍｍであ
る。

以上では、平凸レンズで説明を進めたが、両凸レンズあ
るいは複数枚の組み合わせレンズによる収差発生も可能
であることは言うまでもない。

〔発明の効果〕

以上のように、本発明によれば、凸レンズや球面ミラー
などのような球面光学素子を使用して、収差をもったホ
ログラム作成光を発生し、その交差位置より先にホログ
ラム作成板を置いて、干渉縞を形成し、ホログラムを作
成する方法を採っている。そのため、球面光学素子の曲
率を選択することで、収差が完全に除去されたＮＡの大
きいホログラムレンズを実現できる。また収差発生用の
光学素子とホログラム作成板との間隔を十分に大きくで
きるので、光学系が簡素となり、簡単な装置で安価に、
かつノイズを伴なわないホログラムレンズを作成できる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるホログラムレンズ作成方法の基本
原理を説明する側面図、第２図はホログラムレンズ作成
方法の実施例を示す側面図、第３図は収差発生用凸レン
ズの光線追跡を示す側面図、第４図は本発明の方法で作
成されたホログラムレンズの球面収差特性と波面収差特
性を示す図、第５図はｏｆｆ−ａｘｉｓ式のホログラム
レンズ作成方法における光線追跡図、第６図は１ｎ−１
ｉｎｅ式のホログラムレンズ作成方法における光線追跡
図、第７図は球面ミラーによるホログラムレンズ作成方
法の基本原理を示す断面図、第８図は球面ミラーによる
ホログラムレンズ作成方法の実施例を示す断面図、第９
図は凸レンズの一部を使用する作成方法を示す側面図、
第１０図は球面ミラーの一部を使用する作成方法の断面
図、第１１図は光ディスクに用いるホログラムレンズの
説明図、第１２図はコリメートレンズなどに用いるホロ
グラムレンズの説明図である。第１３図はコリメートレンズの収光作用を示す側面図、
第１４図はコリメートレンズの平行光作成作用を示す側
面図、第１５図は従来の凹凸レンズの組合わせによる収
差補正を示す側面図、第１６図はホログラムレンズ作成
波として収差波を使用できる原理を示す側面図、第１７
図、第１８図は従来の平行ガラス板による収差波発生方
法を示す側面図である。図において、５はホログラムレンズ、５ｐはホログラム
レンズ作成板、８は収差発生用の凸レンズ、Ａは収束球
面波、Ｂ、Ｃ＋　は参照波、λ、はホログラムレンズ作
成波、λ２は再生波、９は球面ミラーをそれぞれ示す。特許、′拐π■富士通株式会社

Claims

【特許請求の範囲】

入射光を収束方向に回折する特性を有するホログラムレ
ンズ（５）を作成する方法であって、ホログラム作成波
として、再生波長（λ＿２）より低い波長（λ＿１）の
ものを使用すること、ホログラム作成波は、球面光学素
子（８）を媒体として収差を発生させ、その交差位置（
Ｐ）より先の位置にホログラム作成板（５ｐ）を配置し
て、参照光との干渉縞を形成し、ホログラムレンズを作
成することを特徴とするホログラムレンズの作成方法。