JPS62172304A - ホログラムレンズの作成方法 - 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】 〔概　　要〕 本発明は、レンズなどの球面光学素子を媒体として正の
球面収差又はヨマ収差を発生させ、該収差波を物体波と
して参照波との干渉縞をホログラム作成板上に形成し、
ホログラムレンズを作成することにより、再生波を無収
差とすることができ、加えて高ＮＡでブラング角条件を
も満たすことにより、回折効率の高い再生波を得ること
のできるホログラムレンズの作成方法である。

〔産業上の利用分野〕

本発明は、無収差かつ回折効率の高い再生波を得ること
のできるホログラムレンズの作成方法に関する。

レーザディスク装置等において、情報を光学的に読取る
場合は、第７図のように、対物レンズ１９で平行光２０
を細いビーム１８に絞る必要がある。このような用途に
おいて、光ピツ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、出来るだけ軽く、かつ小型であることが必
要であり、駆動装置等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８図のように半導体レーザ２１から発生した
レーザ光２２を平行光２０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
も通している。

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９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
趨勢にある。ところが、半導体レーザ光の波長は、高い
回折効率をもつ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のような
、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１Ｏ図（ａ）に示すように、波長λ２の平面波をホロ
グラム２３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２３を用いて、同図０１
）のように波長λ２より低い波長λ真で再生すると、Ｎ
Ａ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λ１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λ
２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ある。

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
　　Ｃｏｎｇｒｅｓｓ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　Ｉｎｔｅ
ｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｍｉｓｓｉｏｎ　ｆｏｒ　０ｐ
Ｌｉｃｓ　　（ＩＧＯ−１３）　ｄｉｇｅｓＬｐ。

５２０〜５２１キヤノン、桑山、他）。

このホログラムレンズは、第１１図（ａ）に示すように
、波長がλ１の収束球面波２５を、平行ガラス板２６に
入射することにより収差を発生させ、これと参照波２７
の平行光とで、ホログラム作成板に干渉縞を形成してホ
ログラレンズ２８を作成し、（ｂ１図のように波長λ２
のレーザ光からなる再生波２９で再生すると、無収差と
なるものである。実際には第１１図（ｂ）において、レ
ーザ光が収束する焦点距離ｒは、通常４〜６１１程度と
するため、第１２図のように参照波２７である平行光は
、逆方向から平行ガラス板２６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２７をレ
ンズ３１から照射すると、収束球面波２５を作るレンズ
３１に当ってしまい、作成が不可能となるからである。

レンズ３１を非常に大きくすれば、該レンズ３１側から
参照光２７を入射しても、レンズ３１に当らないが、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１２図のように、平行ガラス板２６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２６の板厚と屈折
率のみのため、収差補正も充分でない。また第１２図の
ような作成法では、参照波２７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
２６による収差が生じるという問題もある。

一方、第１１図（ｂ）においては再生波２９は一般にブ
ラッグ角条件を満たさないため、十分な回折効率が得ら
れない場合がある。そこで高い回折効率を必要とする場
合には、ブラッグ角条件を満たす必要がでてくる。その
ためには第１１図（ａ）の作成時の物体波２５−１もホ
ログラムレンズ２８に対してその入射角を傾ける必要が
あるが、そのようにすると波長による差が単純な球面収
差とはならず、ホログラムレンズの作成が困難になると
いう問題点も有していた。

本発明は上記問題点を除（ため、凹レンズなどの球面光
学素子を媒体として発生される物体波により球面収差を
補正でき、加えて高ＮＡでブラッグ角条件を満たし高い
回折効率の再生波を得るために、コマ収差、非点収差を
も補正することのできるホログラムレンズの作成方法を
提供することを目的とする。

〔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
第１の実施例の構成側面図である。波長λ１の収束波６
を凹レンズ１に入射させると、正の球面収差波を発生で
きる。これを物体波４としてホログラム基板上のホログ
ラム作成材料２に入射させる。一方、平行光を参照波５
として入射角θｃで入射させ、ホログラムを作成する。

第６図は、本発明によるホログラムレンズの作成方法の
第２の実施例の構成側面図である。波長λ１の収束波１
５を凸レンズ１０に傾けて入射させると、コマ収差及び
非点収差波を発生できる。

これを物体波１３としてホログラム作成材料１１に入射
させる。一方、平行光を参照波１４として入射角θ。で
入射させ、ホログラムを作成する。

〔作　　用〕

本発明では、第１及び第２の実施例ともレンズを用いて
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、再生波を無収差に近付けること
が可能となる。また、第２の実施例においては、参照波
１４の入射角θ。が、再生波のブラッグ角条件を高ＮＡ
で満たすように設定されるため、再生波の回折効率を高
めることが可能となる。

〔実　　施　　例〕

以下、本発明の実施例につき詳細に説明を行う。

まず、第１図の第１の実施例について説明を行う。第１
図において、まず収束波６は凹レンズ１により正の球面
収差を持たされていることがわかる。この球面収差は、
再生波の波長をλ２、物体波４の波長をλ書とすると、
前記第１０図で説明したように波長がλ２からλＩに短
（なったことによって増大する正の球面収差に等しくす
る。一方、参照波５は入射角θ。を有する。上記のよう
にホログラムを作成し、第２図に示すようにホログラム
レンズ２への再生波８の入射角θｒを、えｔ　　。

θｒ　＝　５ｉｎ−’　　（−ｓｌｎθｃ）　　　・−
・（ｔ）んイ とすれば、回折波７を無収差で結像点Ｐに結像させるこ
とが可能となる。なお、凹レンズの曲率などのバラメー
クを最適化することにより、細かい収差補正が可能であ
る。この場合１．減衰最小自乗法（Ｄ　Ｌ　Ｓ法）を用
いて波面収差が最も小さくなるように最適化による自動
設計を行っている。

第１図、第２図において、作成波としてＡ、レーザ（λ
＋　＝　４８８ｎｍ）を用いた。また、凹レンズ１の各
パラメータは上記自動設計により、中心厚みｄ＝４ｍ、
曲率Ｒ＝２００ｍｍと設定し、材質はＢＦ２を用い、前
記Ａ、レーザでの屈折率Ｎ　＝　１．５２２２３である
。また、物体波４である収束波６が凹レンズ１の上面か
ら収束するまでの距離Ｆ＝３Ｏｎ、レンズ下面中央から
ホログラム作成材料２までの距離ｄ　Ｌ−２２，３ｍｍ
である。また、ホログラム基板３　（ガラス厚みｔ＝０
．３ｍ屈折率Ｎ、＝１．５）の収差も考慮した。再生波
は、半導体レーザダイオード光（λ２−７８７ｎｍ）と
した時、回折波７の焦点距離は４．５５１７２ｍ−であ
る。この時、第３図に示すようにＮ　Ａ　０．４５で波
面収差はλ／４内に入っていることがわかる。こうして
回折■界のホログラムレンズが得られることがわかる。

なお、凹レンズ１の曲率Ｒの自由度があるため、凹レン
ズ１と、ホログラム作成材料２の間ｖ！ＡｄＬを長くす
ることが可能なため、参照波５が容易に入射できるとい
う利点がある。

次に、第２の実施例について説明を行う。まず、第１の
実施例によれば、第２図に示すようにその再生波８の中
心出射角は０°であり、作成波の中心出射角もＯｏであ
り、作成と再生の波長が異なるためにブラッグ角条件を
満たさない。そのため、回折効率はそれほど高くない。

従って、ブラッグ角条件を満たす高い回折効率の再生波
（回折波）が必要である。

次に、このようなブラッグ角条件を満たすホログラムレ
ンズに必要な作成波について述べる。

今、第４図（ａ）を波長λ２で無収差となるホログラム
レンズとする。しかし、これを波長λ２では作成できな
い。従って、λ２より短い波長λ１で作成する。第４図
（ａｌのホログラムレンズ中心でブラッグ角条件を満た
すには、干渉縞の傾きは、第４図（ｂ）のように半であ
る必要がある。従って無収差となり、ブラッグ角条件を
満たすホログラムは、ホログラム面で第４図（ｂ）と同
一の干渉縞の分布（空間周波数）を持ち、干渉縞の傾き
がレンズθへ 中心でＴのものである。

これを低い波長λＩ５例えば６３２．８ｎｍ　（Ｈｅ−
Ｎｅレーザ）で作成することを考える。第５図は、これ
を示したものである。第４図［ａ）のホログラムレンズ
のホログラム面の中心の干渉縞の分布部ち、空間周波数
をｆｏとする。波長λ１で干渉縞の傾きが、午、また空
間周波数をｆｏとするホログラムレンズを得るためには
、本出願人らが、１９８３年（昭和５８年）春季応用物
理学会講演予稿集６Ｐ−Ｗ−６で示したように１ 、−５　　　λ１・ｆ。

θｃ’　＝　　−”−＋　３＋ｎ　　（−）　　・・・
ｆ２）２２ｃｏｓ　（Ｊｆ３ となる入射角θ。′で作成すればよい。

第４図（ａｌの、仮想的に作成したホログラムレンズを
入射角θ。でなく、第５図＋８）に示す入射角θｃ′の
平面波（波長λ１）を入射すると、同図（ａ）、（ｂ）
に示すような非点収差、コマ収差（出射角θδ）が発生
する。従って、波長λ１でこのような収差波Ｃ１入射角
θｃ′の平面波でホログラムを作成すれば第４図（ａｌ
の無収差、高効率ホログラムレンズが得られる。

次に、この実施例を具体的に示す。

実現したい第４図（ａ）に示したホログラムレンズは波
長λ２　＝　７８０ｎｍ、焦点距離ｆ＝１０ｍｍ又、再
生波９の入射角θ。を６０”とする。これを、λ１＝６
３２．８ｎｍ　　（Ｈｅ−Ｎｅレーザ）で作成する。第
６図にこの具体的な実施例を示す。作成波の参照波１４
である平行光の入射角θ。′は（２）式より、５４°と
なる。そして、一方の収差波である物体波１３は図に示
すように、収束球面波１５を、傾けた凸レンズ１０に入
射し発生する。各パラメータは最適化による自動設計で
、レンズ中心厚みｄ’＝１０ｍｉ＋、レンズ曲率Ｒ’＝
１１５額、前記１ｉｅ−Ｎｅレーザでのレンズ屈折率Ｎ
　＝　１．７３９０３とし、材質はＳ　Ｆ　１Ｂを用い
る。また、物体波である収束波１５が凸レンズ１０の上
面から仮想的な収束点Ｑに収束するまでの距ｉ％Ｉ　Ｆ
　’　＝　２６．３９ｈｍ、レンズ下面中央からホログ
ラム作成材料１１までの距離ｄＬ’＝３抛ｌ、同じくレ
ンズ下面中央とホログラム中心との距離ｈ　−１０，３
４０，凸レンズ１０のホログラム面に対する傾き角ｄθ
−２，９１°、物体波１３の光軸１６とレンズ光軸１７
とのレンズ上面方向の距離ｇ　＝　６．５１６　ｎ、レ
ンズ光軸１７と該光軸１７に平行で点Ｑを通る軸とのレ
ンズ上面方向の距離ｅ　＝　９．２０６　ｔｍである。

また、ホログラム基板１２の収差も考慮した。こうして
、作成したホログラムを、第４図（ａ）、　（ｂ）のよ
うに、λ２　＝　７８０ｎｍの半導体レーザで、θｒ−
６０”の入射角で入射すると、焦点距離ｆ　＝１０ｍ、
　ＮＡ−０，２で、たて球面収差８μｍ以内の、はぼ回
折限界であり、高い回折効率ヲ持つホログラムレンズが
得られた。本発明により作成されたホログラムレンズは
、光デイスク用対物レンズなどに応用し、高精度な光ビ
ーム処理を実現することができる。

〔効　　　果〕

本発明の第１の実施例によれば、球面収差を低減させた
再生波の得られるホログラムレンズを作成することが可
能になる。

また、第２の実施例によれば、コマ収差を低減させ高Ｎ
Ａでブラッグ角条件を満たす回折効率の高い再生波の得
られるホログラムレンズを作成することが可能である。

更に、レンズなどの球面光学素子は、角パラメータの自
由度が大きく、細かい収差補正が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の第１の実施例の構成側面図、第２図
は第１図の方法により作成されたホログラムレンズの構
成側面図、 第３図は、本発明の第１の実施例における波面収差とＮ
Ａの関係図、 第４図は、ブラッグ角条件を満たすホログラムレンズの
構成側面図、 第５図は、第４図のホログラムレンズを作成するのに必
要な作成波の説明図、 第６図は、本発明の第２の実施例の構成側面図、第７図
は、対物レンズの収光作用を示す側面図、第８図は、対
物レンズの平行光作成作用を示す側面図、 第９図は、従来の凹凸レンズの組み合わせによる収差補
正を示す側面図、 第１０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１１図、第１２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。 １・・・凹レンズ、 ２．１１・・・ホログラム作成材料、 ４．１３・・・物体波、 ５．１４・・・参照波、 ６．１５・・・収束波、 ８．９・・・再生波、 １０・・・凸レンズ、 λ１・・・ホログラム作成波長、 λ２・・・再生波長、 θ７．θ８・・・再生波長入射角、 θｃ．θ。′・・・参照波入射角、 ｆｏ・・・干渉縞の空間周波数。 特許　出願人　　　富士通株式会社 本虎硬−軍１の大Ｍ！！、伊ｒ岬１面図第１図 第２図 Ａ 波面収差（λ） 本州哨の冨１／Ｉ実施Ｊす１；ちＩ７）：１波面Ｕ膚Ｉ
ＮＡの関イ系図第３図 （ｂ）渉人口 アラ、、り゛−蛸−牛【璃ｒ；すホログフムレシｒｎＪ
ＪＩＡＪ’１ａｆｌ１図第４図 丈寸乍ηし〉スジ四ヌ九イ乍用Σ示１１シ１市図第７図 第８図 傘む未、の問Δレンス７１ｉめ＼ｈセ１：Ｊる収晟補正
第９図 （０）再生 （ｂ）　イ乍力鷲 ノｂｏａラムレンスＡ乍ガにシ鎚Σじ７耳×ノＥシ皮Σ
檜史ツＦｉ　７−Ｊるｊヒ理と示１図第１０図 （０）ボロゲラムイ乍バ （ｂ）木ログ゛ラム再往。 丹４〒ｈ゛′クスに＋＝ＪるルＱＬ皮刹墾り方；六Ｓ示
１図第１１図 第１２図 手続補正書 昭和６２年４月３０日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）所定の波長（λ＿２）及び再生波入射角（又は出射
   角）（θ＿ｒ又はθ＿ｎ）を有する再生波（８、９）に
   用いるホログラムレンズの作成方法において、 前記再生波長（λ＿２）より短い所定の作成波長（λ＿
   １）と参照波入射角（θ＿ｃ又はθ＿ｃ′）を有する参
   照波（５、１４）と、 収束球面波を用いて、球面光学素子（１、１０）を媒体
   として発生され前記再生波長（λ＿２）と前記作成波長
   （λ＿１）との差に対応する収差を有する前記作成波長
   （λ＿１）と同じ波長（λ＿１）の物体波（４、１３）
   とをホログラム作成波としてホログラム作成材料（２又
   は１１）上に干渉縞を形成し、前記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
   。 ２）前記球面光学素子は凹レンズ（１）であり、該凹レ
   ンズ（１）は前記物体波（４）が前記再生波長（λ＿２
   ）と前記作成波長（λ＿１）との差に対応する正の球面
   収差を有することを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のホログラムレンズの作成方法。 ３）前記参照波（１４）の前記ホログラム作成材料（１
   １）に対する前記参照波入射角（θ＿ｃ′）は前記ホロ
   グラムレンズがブラッグ角条件を満たすように前記再生
   波入射角（θ＿ｎ）、前記作成波長（λ＿１）、及びホ
   ログラムレンズの干渉縞の空間周波数（ｆ＿０）に対し
   て、 ▲数式、化学式、表等があります▼ なる関係を有するように設定され、 前記球面光学素子は凸レンズ（１０）であり、該凸レン
   ズは前記物体波（１３）が前記参照波入射角（θ＿ｃ′
   ）において前記再生波長λ＿２と前記作成波長（λ＿１
   ）との差に対応する非点収差及びコマ収差を有するよう
   に設計されることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のホログラムレンズの作成方法。