JPS6314118A - ホログラムスキヤナおよびその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、ホログラムを用いて可干渉性の光例えばレ
ーザ光を集光し、かつ走査するように構成され、ＰＯ３
（ポイント　オプ　セールス）バーコードリーダ等に適
用されるホログラムスキャナおよびその製造方法に関す
るものである。

〔従来の技術〕

第４図は、例えば文献：アベジーション　コレクション
ズ　フォア　ア　ＰＯＳホログラム　スキャナー（７プ
ライド、オプティックス、１８巻。

ｍ１３，１２６６頁、１９７９年）　　（Ａｂｅｒｒａ
ｔｉｏｎｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｓ　ｆｏｒ　ａ　ＰＯＳ
　ｈｏｌｏｇｒａｍ　５ｃａｎｎｅｒ（Ａｐｐｌ。

Ｏｐｔ、Ｖｏｌ、１Ｂ、　患１３．Ｐ　２１６６．１９
７９））に示された従来のホログラムスキャナに用いら
れるホログラムの記録系とその再生系を示す断面図であ
り、同図（ａ）は記録系、同図山）は再生系を各々示す
０図において、１は断面がＸ軸上にあるホログラム面、
２はＸ軸に直角なＺ軸に沿ってホログラム面１に垂直に
入射する可干渉性で平面波の平行参照光、３はホログラ
ム面１より平行参照光２の入射側でｆの距離にあるＺ軸
上の０点を点光源とする平行参照光２と同波長の可干渉
性の発散物体光、４は、ホログラム面ｌよりＺ軸に沿っ
てａの距離にあり、Ｘ軸に沿ってＸの距離にあるＢ点を
点光源とする平行参照光２と同波長の発散照明光、５は
ホログラム面１により発散照明光４が回折された収束回
折光、６は収束回折光５の集光点Ｃにある光スポットで
ある。なお、ホログラム面ｌは、ホログラム形成前では
少なくとも感光体材料の面から成り、ホログラム形成後
には少なくともホログラムから成る。

次に動作について説明する。平行参照光２と発散物体光
３との干渉縞をホログラム面１の感光体にホログラムと
して記録する。このホログラム面１のホログラムに、Ｂ
点を点光源とする発散照明光４の主光線が垂直入射する
ように発散照明光４ヲ入射する。ホログラム面１のホロ
グラムは、焦点距離ｆを有する凸レンズと等価な機能を
持っているので、発散照明光４は、ホログラム面ｌを通
過後にＣ点に集光される収束回折光５となる。こノ状態
で、ホログラム面ｌのホログラムをＸ軸方向（面方向）
に移動すると、収束回折光の光スポット６も同じ方向に
移動し、収束回折光５が偏向される。いま、発散照明光
４はホログラム面１のホログラム上にＡ、、　ａｓ点点
間拡がりをもって入射するが、ホログラム面１のホログ
ラム上のＡＩ、　Ａｘ点における記録、再生について、
さらに詳しく動作を説明する。Ｘ軸とＺ軸の交点をＯと
し、発散照明光４の主光線のホログラム面ｌのホログラ
ムへの入射位置へ〇をＸとし、ＡＩ＋＾２点のＸ軸上の
位置をＸ＋ΔＸとＸ−ΔＸとすると、ＡＩ、　Ａ１点に
おける回折角θ（゛）　　とθ（−１すなわちθ山は、
ホログラムの回折方向を決定する公式より、ホログラム
面１のホログラムの焦点距離をｆとして図中の記号を用
いると次式で表わされる。

この回折角θ山を用いると、ホログラム面ｌからＣ点す
なわち集光点６迄の距離である結像距離ｂ（Ｘ）は次式
で表わされる。

なお、ホログラム面ｌのホログラムの中心すなわちｘ＝
０の場合の結像距離ｂ（０）は、回折角θｌｆｔ、距離
ΔＸが十分小さいとすれば＋１１．　（２１式より次式
の関係を満足する。

すなわち、上記したようにｆはホログラム面１のホログ
ラムの焦点距離に相当する。次に、発散照明光４の主光
線がホログラム面１のホログラムにより°回折される時
の偏向角θは、（１）式においてΔｘ＝０として、 θ＝　ｊａｎ−’（）　　　・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・（４）で表わされる。ホログラム面
ｌのホログラムを移動させてＸを変化すると、偏向角θ
が変化し、収束回折光５が偏向されることが分る。ここ
で、ホログラム面１のホログラムの移動量に対する集光
スポット６の移動量すなわち走査長の倍率を表わす定数
として偏向倍率Ｍを次式で定義する。

ｂ（０） Ｍ＝□・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（５）この
偏向倍率Ｍを用いると、（３）式より次式が成立する。

Ｍ （１１，（２１，（４１，（６１式を用いて、偏向角θ
に対する結像距離の変化Δｂ／ｆ　　（ここで、Δｂ＝
ｂ（ｘ）−ｂ　（０）　）を、偏向倍率Ｍをパラメータ
として計算した結果を第５図に示す。第５図は、ｆ＝１
００ｍ。

Δｘ＝Ｍ１５１［１（偏向角０°の時の走査面上の光ス
ポツト径が２００μｍとなる条件）とし、偏向角θが正
の場合のみ示している。第５図より、偏向角θ又は偏向
倍率Ｍが大きくなると急激に結像距離の変化Δｂ／ｆす
なわち結像距離が大きくなることが分る。このことは、
（３）式から分るように、偏向角θが大きくなると、ホ
ログラム面１のホログラムの焦点距離が長くなっている
ことを意味している。この結果、光スポット６が一定走
査平面上を走査すると、走査方向のスポット径が大きく
変化することになり、実用的でない。例えば、Δｂ／ｆ
　≦０．２５を満足する偏向角θは、Ｍ＝５の場合で約
±６６以下となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来のホログラムスキャナおよびその製造方法は以上の
ように構成されているので、広い偏向角にわたって光ビ
ームを偏向するとホログラムの焦点距離が長くなり、そ
れによって結像距離も長く変化し、走査面での光スポッ
トの径が大きくなる問題点があり、広い偏向角にわたっ
て光ビームを偏向することができず、特に、偏向倍率が
大きくなると、走査面での光スポットの径が大きくなる
ことが顕著となり、従って、走査面で所定範囲内の径の
光スポットで走査できる幅広い走査線長を得ようとする
と、ホログラムの寸法を大きくするか、または、狭い偏
向角のために結像距離を長くする必要があり、走査光学
系が大型化するなどの問題点があった。

この発明は上記のような問題点を解消するためになされ
たもので、広い偏向角にわたって光ビームを偏向できる
ホログラムスキャナおよびその製造方法を得ることを目
的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るホログラムスキャナは、ホログラムに可
干渉性の光の再生発散球面波を照射して収束回折光を発
生させ、ホログラムの面方向の移動によって収束回折光
を偏向するホログラムスキャナにおいて、ホログラムに
球面収差の特性をもたせるようにしたものである。

この発明の他の発明に係るホログラムスキャナの製造方
法は、ホログラムスキャナ用ホログラムを所定の収差を
有する凹レンズに可干渉性の略平行光を入射することに
よって凹レンズから出射される球面収差をもった記録用
発散球面波と可干渉性の光の平面波との干渉縞をホログ
ラム面の感光体に記録して作製したものである。

〔作用〕

この発明によるホログラムスキャナは、ホログラムの球
面収差の特性により記録されたホログラムの中心から周
辺に行（に従ってホログラムの焦点距離が短かくなり、
従って、ホログラムに可干渉性の再生用発散光を入射さ
せた時には、この再生用発散光がホログラムにより回折
されて収束回折光となり、偏向角を大きく変化させても
この収束回折光の結像距離の変化が少なく、一定走査面
上に所定の径の範囲内で光スポットを形成でき、光学系
を小型にする。

この発明の他の発明によるホログラムスキャナの製造方
法は、記録用発散球面波のホログラム面への到達位置が
ホログラム面の中心位置から遠のくに従って凹レンズの
収差により凹レンズから出射される記録用発散球面波の
虚の点光源の位置がホログラム面に近づくので、記録さ
れたホログラムの中心から周辺に行くに従ってホログラ
ムの焦点距離が短かくなるように感光体に記録する。

〔実施例〕

以下、この発明の一実施例を図について説明する。

第１図はこの発明の一実施例の原理を示す原理図である
。同図において、第４図と同符号の部分は従来例と同じ
部分であり、ＩＡは断面がＸ軸上にあるホログラム面、
７は後述の薄肉凹レンズ８の光軸に平行で平行参照光２
と同一波長の可干渉性の物体光としての平行光、８は入
射した平行光７を球面収差を含む可干渉性の発散物体光
９として平行参照光のホログラム面ＩＡに対する入射側
からホログラム面ＩＡに入射させるために用いられＺ軸
を光軸として所定の収差を有する薄肉凹しンズテアリ、
ホログラム面ＩＡのホログラムの近軸焦点位置とすべき
ホログラム面ＩＡに対する平行参照光２の入射側にある
Ｚ軸上の位置０゜に平行光７の入射側の近軸焦点位置を
一致させて配置されている。なお、ホログラム面ＩＡの
ホログラムから００点魚の距離をＦｏとし、薄肉凹レン
ズ８の焦点距離の絶対値をｆｏとし、薄肉凹レンズ８か
ら００点魚の距離はｆｏとなる。

平行光７を薄肉凹レンズ８に入射すると、薄肉凹レンズ
８により屈折された光ビームは、薄肉凹レンズ８の軸上
球面収差だけ、近軸焦点位置Ｏ０からホログラム面ＩＡ
に近づいた位置から発散するかのように進み、球面収差
を含む発散球面波の発散物体光９となる。例えば、この
球面収差Δは、薄肉凹レンズ８の光軸すなわちＺ軸から
測って平行光７における光ビームの高さをｈとすると、
Δ＝ｋｈ”　　Ｃｋ：薄肉凹レンズ８により決まる正の
定数）で表わされる。従って、高さｈの平行光７の光ビ
ームは薄肉凹レンズ８を入射後、００点から球面収差Δ
だけホログラム面ＩＡに近いＯｅ点を虚の点光源とする
発散物体光９の光ビームとなって、ホログラム面ＩＡの
へ〇点（Ｘ座標でＸ）に入射する。また、高さｈ＋Δｈ
と同り一Δｈの平行光７の各光ビームは、０゜点から収
差分ｋ　（ｈ＋Δｈ）！と同ｋ（ｈ−Δｈ）！　　たけ
ホログラム面ＩＡに各々近いＺ軸上のＯｃ点を挾んだ０
．、０□点を虚の各点源として発散する発散物体光９の
光ビームとなり、ホログラム面ＩＡ上のＡｔ点（Ｘ座標
でＸ＋ΔＸ）と４１点（Ｘ座標でＸ−ΔＸ）に各々入射
する。つまり、平行光７の光ビームの高さが高い程薄肉
凹レンズ８の収差による虚の点光源の位置はホログラム
面ＩＡに近づき、この虚の点光源によりホログラム面Ｉ
Ａに入射する発散光ビームは形成されるホログラムの中
心点（Ｘ座標でＯ）から遠ざかるホログラム面ＩＡ上の
位置に入射する。この発散物体光９と平行参照光２との
干渉縞を球面収差の特性を有するホログラムとしてホロ
グラム面ＩＡの感光体に記録し、第４図（ｂ）と同様に
してホログラム面ＩＡのホログラムを再生する場合につ
いて考える。まず、Ｘを高さｈの光ビームが発散物体光
９としてホログラム面ＩＡを照射する位置へ〇とし、球
面収差Δとホログラム面ＩＡ上のＸ座標上の位置Ｘとの
関係で表わす０図中の記号を用いると、 の関係が成立する。（７）式をＸについてティラー展開
すると Ｆ、　　　　　　Ｆ６’ ・・・・・・　ａ　、　、　−、ｘ　！　Ｒ１＋　・・
・・・・　・・・・・・・・・（８）となる。ここで、
ａｔｎ−１はに、　ｆ、、　Ｐ、により決定される定数
である。従って、ホログラム面ＩＡのホログラムの位置
Ｘにおけるホログラムの焦点距離Ｆ　（ｘ）は次式で表
わされる。

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・（９）こ
のホログラムの焦点距離Ｆ　（ｘ）はｘ＝０の時にＦｏ
で最大となりＸが増すにつれてつまりホログラム面ＩＡ
のホログラムの中心から周辺に行くに従って短かくなる
ことを示している。この焦点距離Ｆ（ｘ）を用いると、
上記のようにして製造した球面収差の特性を有するホロ
グラム面ＩＡのホログラムを用いて第４図山）のように
して再生した場合に、ＡＩ、　４１点における回折角θ
ｌｆｔは（１）式と同様に次式が成立する。

ここで、（６）式と同様に成立するａ　−Ｍ　Ｆｏバ台
−１）の関係を用いた。結像距離ｂ　（ｘ）は、上記回
折角θ（１）を（２）弐′に代入することにより決定で
きる。

次に、偏向角θは、αω式より次式で表わされる。

Ｘ 第２図は第１図の原理に従うこの発明の一実施例による
ホログラムの記録光学系を示す断面図である。同図にお
いて、１０はホログラム面ＩＡに対する平行参照光２の
入射側に所定の角度例えばＸ軸やＺ軸に対して４５°傾
けて配置されたビームスプリッタである。発散物体光９
はこのビームスプリッタ１０の反射面を介してホログラ
ム面ＩＡに入射するように構成されている。従って、薄
肉凹レンズ８はビームスプリンタ１０の反射面の光入射
側に配置され、ビームスプリッタ１０の反射面を介して
第１図と共役な位置関係に配置されている。０＋’　＋
　０．ｌ　ｌ　Ｑ、Ｉ　Ｉ　Ｏａ’点は第１図に示した
Ｚ軸上の０１．ＱＣ，Ｏ□、０゜点と各々共役な薄肉凹
レンズ８の光軸上の位置にある共役点である。

勿論、薄肉凹レンズ８の光入射側の近軸焦点位置は共役
点０．１に一致されている。この実施例の場合には、ビ
ームスプリッタ１０を用いることにより、平行参照光２
の光路外に薄肉凹レンズ８を配置することができ、平行
参照光２の光路を薄肉凹レンズ８で妨害しないようにし
ている。その他のホログラム作製の原理的なことについ
ては第１図で述べたこと＼全ったく同様であるのでその
説明を省略する。球面収差の特性を有するホログラムの
再生は第４図（ｂ）と同様にして再生する。なお、平行
参照光２および平行光７を発生する光源や光学系につい
ては周知なので図示省略しである。

第３図に、偏向倍率Ｍをパラメータとして、偏向角θに
対する結像距離の変化Δｂ＃、（但し、Δｂ　＝　ｂ　
（ｘ）　−ｂ（０）を、上記（２）式および上記（７）
弐〜ｒｍ式より計算した結果を示す。第３図は、Ｆａ＝
１００ｍｍ、　　Δｘ　＝　Ｍ　／　５　龍とし、出来
るだけ広い偏向角の範囲で１Δｂ／ｐａｌ≦０．２５　
（走査面上のスポット径の変化が±２０％に相当）を満
足するように、薄肉凹レンズ８の焦点距離（ｆｏ）を最
適化（−ｆ０々−２９鰭）した場合について示している
。図により、偏向角θの範囲が非常に広くなっているこ
とが分る０例えば、Ｍ＝５のとき、１θ１≦２３＠、Ｍ
＝１０のとき、１θ１≦１６゜である。従来の場合のＭ
＝５における偏向角１θＩ≦６°に比べて、偏向角が約
４倍に拡大されている。なお、薄肉凹レンズ８の最適焦
点距離は、偏向倍率Ｍを変化しても殆ど変化しないため
、１つのホログラムを任意の偏向倍率Ｍで再生すること
ができる。

また、上記実施例では、薄肉凹レンズ８の発散物体光９
をビームスプリッタ１０を介してホログラム面ＩＡに入
射させたが、第１図の構成のものに薄肉凹レンズ８とホ
ログラム面ＩＡとの間にホログラム面ＩＡに対してビー
ムスプリッタを傾斜して配置させ、平行参照光をこのビ
ームスプリッタを介してホログラム面ＩＡに入射させる
ようにしても上記実施例と同様の効果を奏する。

また、上記実施例では、薄肉凹レンズとして両面凹型の
単レンズを用いたものを示したが、他の形状の所定の収
差を有する凹レンズであってもよく、さらに、積極的に
、複数のレンズ例えば凹レンズ等を組合せてホログラム
記録に適当な収差をもたせた凹レンズと同等の機能を有
する発散型の光学系である凹レンズであってもよい。

また、平行参照光をホログラム面に垂直に入射した場合
について示したが、垂直入射以外に傾けて入射させても
よい。

また、さらに、凹レンズに平行光を入射する場合につい
て示したが、必ずしも平行光である必要はない。

また、再生用のホログラム照明光は記録時と同じ波長の
光を用いてホログラム再生した場合を示したが、異なる
波長の照明光を用いても上記実施例と同様の効果を奏す
る。

〔発明の効果〕

以上のように、この発明によれば所定の収差を有する凹
レンズを用いて、球面収差を持つ発散物体光を発生させ
、この発散物体光と平行参照光とでホログラムを記録作
成するようにし、そして、ホログラムに球面収差の特性
を有させるようにしたので、ホログラムスキャナとして
用いた時、偏向倍率が大きい場゛合についても走査面で
の光スポットの径を大きくせずに偏向角が拡大でき、従
って、偏向光学系を小型にできるものが得られる効果が
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の実施例の原理を説明するためにホ
ログラムスキャナ用ホログラムの記録光学系の原理を示
す原理図、第２図はこの発明の一実施例によるホログラ
ムスキャナ用ホログラムの記録光学系の断面図、第３図
は、この発明の一実施例による偏向角に対する結像距離
の変化を示す計算結果による線図、第４図（ａ）は、従
来のホログラムスキャナ用ホログラム記録光学系を示す
断面図、第４図（ｂ）はホログラムスキャナ用ホログラ
ム再生光学系を示す断面図、第５図は従来例による偏向
角に対する結像距離の変化を示す計算結果による線図で
ある。 図において、ＩＡはホログラム面、２は平行参照光、４
は発散照明光、５は収束回折光、６は光スポット、７は
平行光、８は凹レンズ、９は球面収差を含む発散物体光
、１０はビームスプリッタ。 なお、図中、同一符号は同一、又は相当部分を示す。 （外２名） １Ａ：ホ０７′ラム面 論　勿　ノ内　ｅ（席−） （ａ） （ｂ）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）ホログラムに可干渉性の光の再生用発散球面波を
   入射させて収束回折光を発生させ、上記ホログラムの面
   方向の移動によって上記収束回折光を偏向させるホログ
   ラムスキャナにおいて、上記ホログラムは球面収差の特
   性を有することを特徴とするホログラムスキャナ。
2. （２）可干渉性の光の再生用発散球面波による入射によ
   り収束回折光を発生し、面方向の移動によって上記収束
   回折光を偏向させるホログラムを、可干渉性の参照光の
   平面波と可干渉性の物体光の記録用発散球面波とから成
   る干渉縞を面状の感光体に形成することによって製造す
   るホログラムスキャナの製造方法において、上記記録用
   発散球面波を所定の収差を有する凹レンズに略平行光を
   入射することにより球面収差をもたせて発生したことを
   特徴とするホログラムスキャナの製造方法。
3. （３）上記凹レンズから出射された上記記録用発散球面
   波を上記感光体の光入射側に上記感光体に対して傾斜し
   て設けられたビームスプリッタの反射面を介して上記感
   光体に入射せしめたことを特徴とする特許請求の範囲第
   ２項記載のホログラムスキャナの製造方法。
4. （４）上記平面波を互いに向きあっている上記凹レンズ
   と上記感光体との間に上記感光体に対して傾斜して設け
   られたビームスプリッタの反射面を介して上記感光体に
   入射せしめたことを特徴とする特許請求の範囲第２項記
   載のホログラムスキャナの製造方法。