JPH0335647B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、光学走査装置、詳述すると、走査素
子として少なくとも１つの平面線形回折格子を有
する回転スピンナーを使用する装置に関する。

レーザ照射技術の極めて優れた特徴は、連続光
学走査における利点を累積して、高速で解像度の
高い像を発生させることのできる装置を提供した
ことである。これらの装置は、通常光スポツト偏
向素子として検流計、回転ミラー、音響光学素子
又は電子光学素子及び回転ホログラムを用いてい
る。ホログラフイー走査は、その機械的形状の簡
単さ、製造の容易さ及び経済性、並びに高解像度
及び高速性のために多くの装置にとつて好ましい
ものとなつている。

従来のホログラフイー走査装置の一型式として
は、回転円板表面上に複数のゾーン型レンズ（例
えば、フレネルレンズ）をホログラフイー的に形
成することにより作られるものが代表的である。
このレンズは、焦点の軌跡に直角入射再成ビーム
を合焦させ、それにより、所望の走査線を形成す
る働きをする。この走査装置の例は、アプライ
ド・オプチツクス（Applied Optics）1969年２
月号第８巻第２号第399頁から第401頁までに記載
の“ホログラフイー走査技術を利用した光ビーム
偏向（Light Beam Deflection Using
Holographic Scanning Techniques）”及び米国
特許第3953105号明細書においてマクマホン
（McMahon）氏等により開示された装置に見ら
れる。これらの従来のスピンナーには、ある特有
の問題がある。この問題の主ななものは走査線が
“弓なり”すなわち湾曲化することである。スピ
ンナーが、再成モードで回転すると、再成された
点源の軌跡は、空間内の１つの円となる。画面が
その走査円に対し接線方向に位置決めされた平坦
なシートである場合には、そのシートに入射する
走査スポツトの軌跡は、一般に湾曲線、すなわち
弓形状線となる。この問題を解決するために種々
の方法が用いられているが、その方法には、それ
ぞれ欠点がある。画面が十分に可撓性である装置
には、湾曲画面を用いることもできるが、それ以
外の場合には、電子写真ドラムのような像形成部
材を使用するのがよい。米国特許第3953105号明
細書において提案されるような付加的な光学系を
用いることもできるが、この種の装置は整合が困
難でありかつスピンナーの中心ずれエラーに対し
影響されやすい。

別の問題は、スピンナーが、同一直線状に多数
の走査線を形成するワブル効果に影響されること
である。この問題は、米国特許出願第708245号明
細書及び同第921409号明細書に示されており、こ
れによれば、ワウフラツタすなわちワブルの安定
化に基づく解決は、特定の光学系の形状により得
られることが開示されている。米国特許第407639
号明細書及び米国特許出願第921411号明細書に
は、ワブルを削減するスピンナー取付技術が開示
されている。

従来のゾーン型プレート装置のいずれにも現わ
れない第３の問題は、スピンナーの中心ずれの問
題である。スピンナーの面（レンズ）が、最初の
組立て及び／又は取付けに起因して、走査モード
時に中心からずれることならば、その面の焦点が
振動して出力走査歪を生じる。

第４の問題は、再成ビームにおいて、波長のず
れから色収差が生じること、すなわち像が構成の
ために用いた波長とは異なる波長で再成されるこ
とである。これを補償するための周知技術の１つ
には、アプライドオプチツクス（Applied
Optics）1971年３月号、第10巻、第３号、第599
頁から第608頁までに記載の論文“ホログラム画
像及び収差のコンピユータによる解析
（Computer−based Analysis of Hologram
lmagery and Aberrations）”においてジエイ．
エヌ．ラツタ（J.N.Latta）氏により開示された
シミユレーシヨンコンピユータホログラフイーレ
ンズ設計プログラムがある。

さらに、走査素子として透過性円板スピンナー
を用いる場合に生じる問題は、スピンナーの“ウ
エツジ”が走査装置の性能に影響することであ
る。基板材料の厚さの変化は、局部的なずれ、す
なわち一定のウエツジすなわちくさびの形状で生
じ、それにより、回折ビームの方向に振動が生じ
て同一直線状に多数の走査線が形成される。

別の問題は、たとえば再成ビーム内の雑音によ
り、一走査線内において露光が不均一になるこ
と、又は各格子の相違により走査線ごとに露光が
不均一になることである。

このように、従来のホログラフイー走査装置に
は、多数の問題があり、その問題の多くは、せい
ぜい個々の問題については解決できるが、その他
の問題は、依然として残しているか、又は問題解
決のために、存続する問題を悪化させたり新しい
問題を生じたりする犠牲を払わなければならな
い。下記説明において、その構造及び再生により
前記問題を完全に排除するか又はその効果を中和
させる走査装置が開示されている。

本発明によれば、再成ビームが、少なくとも１
つの平面線形回折格子を有するスピンナー表面に
対して直角に入射しないような走査装置が開示さ
れている。この格子は、再成ビームの波長λ_rと格
子周期ｄとの比λ_r／ｄが１ないし1.618となるよ
うに構成されている。スピンナーが回転すると、
回折した再成ビームの波面が発生し、そしてある
実施例では、付加的な光学系を用いて、画面上に
合焦される。

この走査装置は、従来装置のような回転対称性
を欠いているにもかかわらず再生ビーム配向にお
ける相対的変化がほぼ一定に維持されるという像
形成上の特徴を有する。これらの特徴には、走査
軌道が実質的に弓形状でないこと、スピンナー中
心ずれエラーに対して安定していること、スピン
ナーの角度誤整合の影響を受けないこと、ホログ
ラフイー技術又は従来のけい線を引く技術を用い
て容易に製造できること、及び単一波長変換であ
ることが含まれる。さらに、透過方式の場合にお
いて、入射角と回折角とをほぼ等しくすると、ス
ピンナーのワブルは除去される。基板のウエツジ
の影響は、前述のように角度が等しい場合には減
少する。（反射型スピンナーもウエツジ効果に対
して安定となるだろう。）また、透過型の場合に
は、予想を越える回折効率が得られた。

第１ａ図及び第１ｂ図を参照すると、透過型ス
ピンナー３の表面上に単一平面線形回折格子面２
をホログラフイーにより形成したものが示されて
いる。この格子は、以下PLDGと称し、この用語
は、平坦な表面と一定の回折周期とを有する格子
を意味する。

第１ａ図を参照すると、単一PLDG面２は、同
一平面内にある平面波である物体波面４と参照波
面５とを、スピンナー３の表面上に配置した記録
媒体６上に向けることにより形成される。これら
のビームは、上流において分割され、個々に調節
（空間フイルタ処理、平行化処理）がなされて所
望の光波面となる。第１ｂ図に示すように、格子
線は、スピンナーの中心線に対して垂直方向に形
成される。

媒体の選定は、主に干渉波面の縞を記録するの
に必要なその解像度により決まる。当業界に周知
のように、スピンナー３は、その表面上に複数の
PLDG面２を形成できるように割出されてもよ
い。

記録媒体に適する材料の例は、ハロゲン化銀の
写真用乳剤であり、これから得られた格子は吸収
型のものとなるだろう。このホログラムは、漂白
されると、その格子は、位相型となるだろう。こ
の材料が厚いか又は薄い場合には、形成された格
子は、ボリユーム型である。

本発明による１実施例では、格子は、記録媒体
６の表面上に形成され、かつ薄表面レリーフ格子
として特徴づけられる。このような特徴は、正弦
波の位相変化が再生波へ伝えられることを意味す
る。

第２図は、PLDG面を形成する実施例を示し、
この面が、実質的に同一の特性を有する面とな
る。連続露光工程におけるレーザパワーの変動の
ため、及び／又は露光時における干渉ビーム間の
位相変動が相違するため、面の均一性を達成する
のは困難である。これらの変動は、通常、いくら
か上流の点においてレーザビームを物体ビームと
参照ビームとに分割した後に生じ、かつそれらの
ビームが、滑らかに結合された光学素子と相互作
用を生じるとき、それらのビームが十分に長い分
離路を移動する間に集積する。レーザパワーの変
動の補償は、レーザの出力を監視して、全エネル
ギーに対する個々の面の露光量を修正することに
より達成できる。異なる位相変動の補償は、難か
しいが、理論的には、ホログラムを形成するのに
用いられる２つのビームの各ビームの一部を利用
して形成された干渉パターンを監視して、そのパ
ターンが時間的に静止するようにビームの一方の
位相を調節することにより達成される。

第２図では、予め調節されたビーム１２がプリ
ズム組立体１１に入射し、ビームスプリツタ１６
によりビーム１４及び１５に分割される。これら
のビームは、プリズムの両側面で反射されてスピ
ンナー３の媒体上に向けられ、第１図において前
述したような面を形成する。干渉縞のコントラス
トを高くするために、プリズムの入口面１７及び
出口面１８を反射防止材料で複覆してフレア光を
減少させる。図示したプリズム組立体のほかに他
の実施例を用いることもできる。たとえば、ビー
ムスプリツタの下流に一対のミラーが位置決めさ
れて２つの波面を所望の角度で反射させてもよ
い。プリズム組立体を用いることの利点は、ビー
ムスプリツタを通過したビームが、厳密に結合さ
れた光学要素とだけ相互作用することである。ま
た、ビームスプリツタ後方の通路を、最小にする
ことができる。他の形状のプリズムもまた可能で
ある。

第１図及び第２図に示す格子は、ホログラフイ
ー技術により形成されているが、一般的な技術に
より形成してもよい。たとえば、主格子は、所望
の格子周期で作られてもよい。次に、格子の部分
を個々の面に分離して、スピンナーの表面上に、
再生ビームに対して適当な方向をなして取付けて
もよい。

第１図に示す透過格子では、干渉縞の間隔ｄ
（誇張して示す）は、次の回折格子方程式により
表わされる。

ｄ＝λ_f／sinφo＋sinφr ここで、λ_fはホログラム形成波面の波長、φo及
びφrは、それぞれ物体光波及び参照光波が記録
媒体の法線方向となす角度である。いずれのビー
ムもスピンナーの法線方向とスピンナーの直径と
により形成される平面内にある。

第３図は、XY平面内に配置されて、Ｚ軸のま
わりに回転する、第１図及び第２図のスピンナー
３を示す。面２上に入射角θ_iで入射する再生光波
面２０が、回折角θ_dで回折されている。回転角が
零度で、面２の格子線がＸ軸に対して平行である
ような条件のもとでは、入射光線及び回折光線
は、次の一般式を満足する。

sinθ_ix＋sinθ_dx＝λr／dsinθ_R （3a） sinθ_iy＋sinθ_dy＝λr／dcosθ_R （3b） ここで、sinθ_ix及びsinθ_iyは、それぞれ入射再生光
波ベクトルのＸ軸方向及びＹ軸方向成分であり、
sinθ_dx及びsinθ_dyは、回折光波ベクトルのＸ軸方
向及びＹ軸方向成分であり、λrは再生光ビーム
の波長であり、ｄは格子周期であり、θ_Rは格子回
転角である。

第４図は、第１図ないし第３図の透過型スピン
ナーを用いる走査装置を概略的に示している。再
生光波面２０は、スピンナーに角度θ_iで入射し
て、角度θ_dで回折される。波面２０は、平面波で
あるので、回折された波２１も平面波であり、こ
の平面波はレンズ２２により合焦され、ミラー２
３が単一ビーム２４を、レンズ２２の焦点面上に
ある画面２５に向ける。

スピンナー３が、従来のモータのような駆動手
段（図示せず）によりシヤフト４０のまわりに回
転されるにつれて、面２は、波面２０を遮切つて
ある角度だけ回転されて回折波面の回転を生じ
る。単一ビーム２４の焦点位置は垂直方向に変位
して単一走査線を生じる。さらに別の面が波面２
０を遮切つて回転して、別の走査線を生じる。

平行化された再生光波面の場合には、レンズ２
２は、図示するようにスピンナーと画面との間に
位置決めされてもよい。この位置において、レン
ズは解像力を与えかつ視野の平坦化及び走査線の
線形化を行なうことができる。またレンズをスピ
ンナーの上流に配置してもよく、その場合には、
ビーム収束がスピンナーの前方において始まり、
画面に合焦されるまで続く。スピンナーの上流に
拡散レンズを配置し、スピンナー下流に収束レン
ズを配置した組合せも可能である。最後に、解像
力の要求が厳しいものでない装置の場合には、レ
ンズを全く除去してもよい。

以下、さらに詳細に述べるように、第４図に示
す走査装置は、画面２５に、ほとんど弓形とはな
らず、スピンナー３の表面の不規則性（ワブル）
に対して不変であり、さらに中心ずれによる歪み
の影響を全く受けない。

これらの有益な効果は、PLDG面の形成及びそ
の再生の有用な洞察を行なうことにより同時に得
られている。これらの洞察は、格子周期、再生波
長並びに再生時の入射角及び回折角の間にある関
係を形成するおとにより最適な走査条件を得るこ
とができるかどうかについての積極的な数学的探
究を介して得られる。

しかしながら、最初の測定において、走査素子
として回転式平面線形回折格子を用いることによ
り、ゾーン型レンズを有するスピンナーにおい
て、そのレンズの間における中心ずれ問題により
生ずる走査歪みの主原因の１つが回避される。解
析すると、レコードの溝が正確に中心に位置決め
されていない場合には、針が前後に移動したり、
又は加速されたりすることがある。ゾーンレンズ
を構成する干渉縞パターンでは、その焦点は、振
動の影響を受けて、回折された光線の歪みが生じ
る。平面格子は、パワーが小さくても、中心位置
決め問題の影響を受けない。さらに、PLDGを面
として使用するについて他の利点があるかどうか
を発見するための解析が行なわれた。この結果に
ついては、第５図ないし第１２図を参照しながら
後述する。便宜上、種々の問題及びその解決法に
ついては、別途後述する。

最初の探究は、斜め入射の再生ビームに対して
走査線の弓形状を最小にすることができる条件が
あるかどうかを決定することであつた。第５図及
び第６図を参照すると、PLDG面がXY平面内に
配置されてＺ軸のまわりに回転するように仮定さ
れている。（第５図をできるだけわかりやすくす
るために、面２は、この図には示さていないが、
そのかわり第６図に示されている。）この図では、
次の表記法に従う。係数ｉ及びｄは、それぞれ入
射波及び回折波を示し、係数０は、θ_R（格子の回
転角）＝０の場合に定まるパラメータを表わし、
係数ｎは、θ_R＝０である場合に定まるパラメータ
を表わし、θ_Sは、回折波ベクトルとＸ軸とにより
定まる平面内において測定された回折ビームの走
査角であり、θ_S′は、XY平面内において測定され
た回折ビームの走査角である。格子の入射回折角
は、格子の法線（Ｚ軸）に関して測定される。入
射波ベクトルは、通常YZ平面内にある。すなち θ_ix＝０およびθ_iy＝θ_i である。

さらに、第５図及び第６図を参照すると、回折
角が走査角に対して一定に維持されるならば、明
らかに画面４６上の走査線４４は、図示するよう
に上方において弓なりになるだろう。走査線が直
線状になるように、θ_dは、走査角とともに増大し
なければならない。格子方程式から sinθ_i＋sinθ_d＝λ_r／ｄ θ_dを大きくするためには、明らかに、入射角θ_iを
小さくしなければならない。見かけの入射角と格
子回転角との間の関係についての考察は、第７図
を参照して行なうことができる。見かけの入射角
が回転角の関数としてどのように変わるかを示す
ために、第７図のスピンナー５０の方が静止して
おり、一方入射ビーム４９の方がその入射角θ_iを
一定に維持しながらＺ軸のまわりに回転するよう
に示されている。回転する入射角のYZ平面上へ
の投影は次式で表わされる。

tanθ_i＝Y₁／Z₁cosθ_R θ_Rが0°から90°まで増加すると見かけの入射角は
θ_iから０まで減少する。θ_dがある角度内にあるな
らば、走査線の弓形状化を最小化するθ_iの値が存
在することが示されるだろう。

弓状化すなわち湾曲値を最小にする条件を作り
出すための最初の工程は、走査線弓状化の大きさ
を表わすのに有効なパラメータを定めることであ
る。第５図から、走査線のＺ軸方向への変化量が
湾曲値の正確な大きさを示すことは明白である。
角度φ_oの変化は、Ｚ軸方向の変化に直接関係す
るので、湾曲値はこの変数により表わされる。第
５図に示す幾可学的な関係により、 tanφ_o＝cotθ_dsecθ′_S (6) 弓なりでない走査線では、φ_oは、θ′_Sに対して
一定である。これが生じる条件を定めるために、
φ_oを定数として、θ′_Sについて微分すると、 dθ_d＝sinθ_dcosθ′_dtanθ′_Sdθ′_S (7) (7)式を解くために、まず、θ_Sをθ_Rで表わした式
を導く。定義により tanθ′_S＝xd／yd (8) xd及びydは、それぞれ回折波ベクトルのＸ軸
方向及びＹ軸方向の成分である。式(3)を代入する
と、 tanθ′_S＝tanθ_R／１−ｄ／λ_r sinθ_i／cos
θ_R(9) 第５図により、 tanθ_S＝tanθ′_Ssinθ_d ＝tanθ_Rsinθ_d／１−ｄ／λ_r sinθ_i／cosθ_R PLDGを作る条件（θ_RＯ）に近づくために、別
の式を導き出す。走査線の弓状化が最小の場合に
は、θ_i、θ_d、λ_r及びｄの間の一般的な関係は次式
で与えられる。

sinθ_i＝λ_r／ｄcos²θ_dsecθ_R （11） θ_Rを零に設定した場合、式（11）は、再生条件
では次の式に変形される。

sinθ_i＝λ_r／ｄ−ｄ／λ_r （12a） sinθ_d＝ｄ／λ_r （12b） これらの式の解は、光の波長及び格子周期のみ
に依存することは容易にわかる。

θ_i及びθ_dの実解は、次の範囲内にのみ存在す
る。

−１（λ_r／ｄ−ｄ／λ_r）１ （13） ０ｄ／λ_r１ （14） ｄは、正の値だけをとるので、ｄが取りうる最
大値及び及び最小値は 0.618λ_rｄλ_r （15） 又は １λ_r／ｄ1.618 （16） である。

θ_iとθ_dの最大値及び最小値は 0°θ_i89.455° 90°θ_d38.17° である。

この解析は、広範囲の入射角及び回折角にわた
つて、走査線の弓なりを小さくする技術を用いる
ことができることを示したものである。しかしな
がら、後述するようにある角度が好ましい。

第８図の考察から明らかなように、提案した技
術は、完全には弓なりを除去しない。

第８図は、式（12a）及び（12b）により予期
した値について入射角が変化するにつれて走査線
の形状がどのように変化するかを示している。曲
線６０は、入射角及び回折角が式（12a）及び
（12b）を満足するとき走査線がどのようになる
かを示す。弓なりは、回転角が小さい場合には実
質的に零であるが、回転角に関して単調に増加す
る（曲線６２）。入射角がθ_iよりも小さい場合に
は、弓なりの単調増加がさらに顕著になる。θ_iよ
りもはるかに大きな入射角では、走査線は、曲線
６４で示すように十分に大きな負の弓なりとなり
始める。しかしながら、曲線６６が形成される場
合には、弓なりが最小となることは明白である。
この曲線は、まず負になり、その後単調増加し、
それにより３つの別の湾曲点を生じる。理想的な
直線からの陥脱は、与えられた回転角に対して曲
線６０よりも小さくすることができる。

走査線の弓なりすなわち湾曲性を小さくすため
に、走査装置は、第８図の曲線６６を形成するよ
うに構成されるのがよい。この走査線の湾曲点の
位置が走査線の最大の湾曲性を決定するので、こ
れらの湾曲点の位置を予測できるのは重要であ
る。この問題を解くのに用いる微分法によれば、
この湾曲点に関する情報は、式（11）内に含まれ
ている。式（11）、（12a）及び（12b）を考察す
ることにより、入射角及び回折角についてのさら
に一般化された次の式が得られる。

sinθ_i＝（λ_r／ｄ−ｄ／λ_r）secθ_R （18a） sinθ_d＝（１−secθ_R）λ_r／ｄ＋ｄ／λ_r （18b） 入射角及び回折角が式（18a）及び（18b）を
満足するとき、３つの湾曲点はθ_R＝０及び±θ_Rの
ときに生じる。通常の走査装置では、湾曲点は、
１走査当たりの最大回転角の50％ないし65％にお
いて生じるより選択されている。格子回転角をビ
ーム走査角と関連づけるためには、次の近似が極
めて有効である。

θ_S＝θ_R／sinθ_d （19） 以上の解析によつて、当業者であれば、透過型
あるいは反射型のいずれの格子走査装置を用いる
かにかかわらず、湾曲性が最小な装置を設計する
ことが可能となろう。しかしながら、さらに透過
型格子走査特性の研究を進めると、装置がスピン
ナーのワブルに関して安定となる形状を発見し
た。そして、式（12a）及び（12b）によりθ_i
θ_d、すなわちθ_i＝θ_d＝45°のときに装置が安定とな
ることがわかつた。スピンナーを角度dθだけ傾
斜したときの回折角の変化分dθ_dは次式のように
なる。

dθ_d＝±［１〓cosθ_i／cosθ_d］dθ （19.1） ただし、上方の符号は、透過型格子の場合、下
方の符号は反射型格子の場合に適用する。

この装置の特性を、パラメータλ_r／ｄ＝
1.414；θ_i＝45.6°；θ_d＝44.41°については理論的に
考察した。走査線の湾曲性は、画面とスピンナー
との距離の関数及び走査線長の関数として計算さ
れた。第９図に示すように、画面を軸上回折光ビ
ームに対して垂直に向けた場合において、その画
面とスピンナーとの距離が50.8cm（20インチ）、
63.5cm（25インチ）、76.2cm（30インチ）とした
ときの３つの曲線７０，７２及び７４をそれぞれ
プロツトした。

第９図における異なる投射距離についてそれぞ
れ計算した湾曲性を示す値は、スピンナーがその
走査線長を生じるようにならなければならない回
転角と関係する。この投射距離が短ければ短いほ
ど、与えられた走査長に対する回転角が大きくな
る。第１０図は、63.5cm（25インチ）の投射距離
に対する湾曲性は、入射角の選択を最適に行なう
ことにより、走査長が35.6cm（14インチ）の場合
に最小となる。この場合には、λ_r／ｄ＝1.41；θ_i
＝45.45°；θ_d＝44.55°である。この図の湾曲性を示
す値、すなわち湾曲値4.06×10^-2mmは、最高の解
像度を有する走査装置に対して受入れられるもの
よりも大きい。ポストスキヤンすなわち後走査合
焦レンズをスピンナーとともに用いる場合には、
画面の湾曲値の大きさは、レンズの角倍率特性の
影響を受けるだろう。そのレンズが望遠型式のも
のであるならば、湾曲性が大きくなるが、広角型
式のものである場合には逆となる。

反射モードで作用するスピンナーは、ウエツジ
効果に対して安定であるだろう。したがつて以
下、透過型装置についてのみ述べる。この型式の
装置では、一定のウエツジに対する局部的な歪み
によりスピンナーの厚さの変化が多くの形態で生
じる。このスピンナー基体のウエツジによる回折
角の変化分dθ_dは次式で与えられる。

dθ_d＝ncosθ₂／cosθd［１−cosθ₁／cosθ₂］dx₂ ＋１／cosθd［ncosθ_i−cosθ_i］dx₁ ここでθ_i及びθ_dは、それぞれ空間内で測定した
入射角及び屈折角であり、θ₁及びθ₂は、それぞれ
スピンナーの基板媒体内で測定した入射角及び屈
折角であり、ｎは、スピンナー媒体の屈折率であ
り、dx₁及びdx₂は、それぞれスピンナーの第１
界面及び第２界面がその理想的な平行位置から偏
向した角度である。この平行位置からの個々の面
の偏角を測定するのは困難なので、ウエツジは、
通常この偏角の和として特定される。従つて、θ_i
＝θ_d；θ₁θ₂のような前述した形状のものに対し
ては、スピンナーの第２界面に関連するウエツジ
の部分は、回折光線角を何ら変化させることはな
い。この物理的理由は、格子が付着した界面に関
連するウエツジは、そのビームに対してワブルと
同じ効果を与え、従つてその装置は、そのビーム
に対して安定になるからである。しかしながらウ
エツジ効果は、他の界面については存在する。

第１図及び第４図を参照すると、走査装置は、
厚さ3.125mm（0.125インチ）、直径93.75mm（3.75
インチ）のガラススピンナー３で構成され、その
スピンナーの中心から38.75mm（1.55インチ）の
場所に10個のPLDG面が形成されている。各面
は、サジタル方向に１cmの幅を有し、タンジエン
シヤル方向に2.47cmの長さを有している。レンズ
２２は、50.8cmの焦点距離を有する。画面は、レ
ンズの焦点に位置決めされかつθ_i＝48.27°；θ_d＝
43.37°である。再生ビームは、赤色He−Neレー
ザにより発生され、その波長は0.6328μｍであり
格子周期は、0.4416μｍである。この場合には、
比λ_r／ｄは1.433である。その形成波長について
は、直ぐ次の節において述べる。この装置は、ア
ンダーフイルドモードで作用しかつ、走査線の
35.6cm（14インチ）の書込み位置にわたつて84％
のデユーテイサイクルを有する。第１１図は、こ
の装置の測定湾曲値と予測湾曲値との間の相関が
すぐれていることを示す。レンズ２２は、望遠型
式であるので、湾曲値は、レンズがない場合の各
目上の値に対して2.4倍だけ増大した。第１１図
に示す湾曲値は、１インチ当り約500本の走査線
を必要とする走査装置にとつてかろうじて受け入
れられることがわかつている。

ホログラフイ一面を形成するのに必要な予め符
号化されたある条件に再生ビーム光波面が適合す
るときにのみ回折限界像が形成されるため、及び
ホログラフイー画像処理の単色性のために、形成
波長以外の波長において回折限界性能を達成する
のは困難である。前述のラツタ（Latta）氏の論
文は、波長ずれを補償することができる複雑なコ
ンピユータ設計によるホログラフイーレンズプロ
グラムを開示している。本発明によれば、式(1)、
（12a）及び（12b）を用いて、この変換工程を大
いに簡略化する。前述の例を参照すると、この形
状ビームは、0.4416μｍの波長を有するHe−Cdレ
ーザである。式（12）をｄについて解くことによ
り、前記値0.4416μｍを得る。この値とλ_fの値
（0.4416μｍ）を式(1)に代入すると、必要な変換を
得るためにはφ_O及びφ_rを30°に設定しなければな
らないことを示す製造条件を得ることができる。

本発明をこの点まで約言するために、平面線形
回折格子を有するスピンナーを用いた光学装置で
は、この走査素子が本質的に湾曲のない走査ビー
ムトレースを形成することができ、この場合、ス
ピンナーの中心ずれ、ワブル及びウエツジによる
走査方向と交差する方向への運動、すなわち横走
査運動は、比λ_r／ｄを１ないし1.168にし、φ_iを0°
ないし89.445°にし、θ_dを38.17°ないし90°に選択す
ることにより最小にすることができる。透過モー
ドθ_iθ_d45°の好ましい実施例では、この装置
は、ワブルに対して安定である。２つの他の特
徴、回折効率及び露光の不均一性について、以下
論述する。

スカラー回折論理では、薄い正弦波表面レリー
フ格子で達成することができる最大回折効率は、
34％である。メタライズされた薄い正弦波表面レ
リーフ格子の場合には、λ／ｄ0.6のときある
偏光に対して80％以上の回折効率を得ることがで
きる。本発明によれば、メタライズされない薄い
正弦波表面レリーフ透過型格子の製造条件では、
比較的高い効率が得られることがわかつた。第１
２図は、θ_i＝θ_dの場合における、λ_r／ｄ及び入射
光偏光の関数としての格子の回折効率の実験デー
タを示している。プロツト８０は、Ｐ偏光の場
合、プロツト９２はＳ偏光の場合である。

第４図に示す走査装置では、第１次回折光のみ
が示されているが、０次回折光成分（図示せず）
も存在する。この０次回折光成分は、空間的に固
定されており、かつパワーPoを有し、このパワ
ーPoが格子に入射する再生光波面２０のパワー
Pmと比較される。本発明によれば、Po及びPm
から生じた修正信号を用いて（パワーPlの）回折
１次ビームにおける強度誤差を除去するフイード
バツク技術が考案されている。これらの誤差は、
通常、各格子の回折効率の相違から生じ、又は格
子内の回折効率の変化として生じる。第１３図
は、透過型スピンナーモードのための修正回路を
示すものであるが、後述する方法は反射型ホログ
ラムにも適用できる。第１３図を参照すれば、修
正信号は、ホログラフイースピンナー１００の回
転角θ_Rの関数として生じる。レーザ変調器１０２
は、変調器駆動入力電圧Ｅ（ｔ）が適当な線形動
作範囲内に維持される場合には、入射レーザビー
ムとその変調器駆動入力電圧Ｅ（ｔ）に比例する
ビームパワー（Pm）を出力するようになつてい
る。変調器からのビームパワーPmの小部分は、
スプリツタミラー１０４により検出器１０６の方
へ偏向され、この検出器１０６がPmに比例する
出力（αPm）を出力する。同様に、スピンナー
１００上のPLDG１０８からの０次ビームパワー
Poの一部が、光検出器１１０により検出されて
Poに比例する信号βPoを発生する（α及びβは、
比例定数）。この信号αPm及びβPoは、増幅器１
１２，１１４により増幅され、この増幅器は、と
もに次の比率回路１１５の出力がPo／Pmに等し
くなるように調節される。この比Po／Pmは、面
相互間の回折効率の変化及び面内の回折効率の変
化のために、角度位置の関数となろう。この比
は、次式に示すように、ホログラフイー格子の局
部回折効率（D_E）に関係する。

D_E（θ）＝P₁（θ）／Pm＝１−P₀（θ）／Pm （21） 走査ビームパワーが任意でかつ一定の回折効率
における小さな局部変化に影響されないように、
その効率Ｄをシミユーレートすることが所望され
るならば、次式で表わされる修正因子Ｍ（θ）が、
計算記憶回路１１８から電子的に発生される。

Ｍ(θ)＝D_O／D_E（θ）＝D_O／１−Po／Pm この修正信号Mθ′は、乗算器１２０において、
入力“ビデオ”信号E_Sと乗算されて、局部走査回
折効率に依存しない、ビデオ信号E_Sに比例する走
査ビームパワーP₁を与える。この記号Ｍ（θ）
は、電子素子及び変調器において生じるいくらか
の時間遅れのために、この修正因子を走査装置の
正しい即時位置決めに適用することが、Ｍ（θ）
に関する時間ずれにとつて必要とさることがある
ことを示すために用いられている。この時間ずれ
は、採用される修正モードに依存して０から多く
の線走査時間まで変わる。

比P₀（θ）／Pmは、明らかに正確な計算でき
るように、Pmが０よりも十分に多きなときに引
出されなければならない。この面によつて、修正
モードにはある制限が存在する。同様に、変調器
及び駆動電子素子には、線形範囲が限られるの
で、定数D_Cの選択及び格子の回折効率D_Eの許容
変化には制限が存在する。変調器及び駆動電子装
置の入力電圧範囲が、線形動作において０から
E_naxまで変化すれば、変調器の線形動作を維持す
るためにはビデオ信号E_Sは、次の不等式を満足し
なければならない。

E_S／E_naxD_E（θ）_nio／D_C 修正に必要な信号は、他の技術からも得ること
ができる。例えば、自己変調式レーザ、たとえば
ダイオードレーザを用いる場合には、補償信号
は、レーザ出力を変えるために用いられる。音響
波レーザ変調器を用いる場合には、その変調器か
らの０次のビーム（通常破棄される）は、Pmを
計算するために用いてもよい。というのは、この
０次ビームのパワー及びPmは、線形関係にある
からである。非変調レーザビームの一部は変調器
のまわりに偏向され、等価なPm（信号）を発生
するように測定され、面に入射するように光学的
に向けられる。変調器の前方で発生したPm信号
は、変調器とスピンナーとの結合信号を修正する
ために用いることができる。

第１４図は、本発明に従つて構成された反射型
走査装置を用いたもの示す。この実施例では、点
源から発生する再生ビーム１２０は、スピンナー
１２６上に形成されたPLDG面１２４に到達する
前にレンズ１２２により平行化される。この回折
ビーム１２８は、レンズ１２２により画面１５０
上に合焦される。この実施例では、これに関連し
て次の利点を有する。走査器の前方に位置するビ
ーム調節光学系の数が削減されること。多くの応
用例において利点となる、入射ビームと回折ビー
ムとの間の角度の相違を小さくできること。合焦
レンズをスピンナーに近接して配置でき、それに
より大きさを小さくすることができること。

本書では、平面線形回折格子を用いることを強
調したけれども、面が種々の格子周期を有するか
及び／または平坦な表面でなくて湾曲状表面上に
形成されているかのいずれかの理由でその平面が
いくつかの光学パワーを有するような装置であつ
てもよい。パワーを面内に組込むことにより、い
くらかの装置において光学装置の欠陥を補償する
ことができる。例として、格子周期は高い回転速
度に関係する遠心力により否むために１つの面に
生ずるパワーのわずかな変化を補償することもで
きる。遠心力の作用により、スピンナーは、半径
方向にわずかに拡大され、その単位セル当りの拡
大の程度は、スピンナーの中心付近において最大
となる。高速スピンナーに配置されたPLDG面
は、その基板拡大のために、次のように極めてわ
ずかに変化する。面の格子線は、スピンナーの中
心から見ると凹形状となり、格子周期の増加は、
スピンナーの中心へ向つて最大となる。遠心力の
動負荷の下では、PLDGは中心が、スピンナーか
ら負の半径距離だけ離れた位置に配置された弱い
合焦レンズに変わる。このレンズの効果は、製造
工程時に、その内面に正のレンズパワーを導入す
ること、すなわち、スピンナーからある対応する
正の半径方向距離だけ離れた位置に配置された点
光源から発生するように見える構成波面を利用す
ることにより除去できる。

以上、本発明を、薄表面格子又は厚表面（ポリ
ユーム型）格子のいずれにも適用できるように述
べたが、薄表面格子は、非光学手段により再現で
きる点において好ましい利点を有する。光学表面
は、マスタの表面をエポキシ薄膜により基板に転
写する技術により再現できることは周知である。

結局、以前とは少し異なる見方をすれば、この
走査装置は、事実上、１つの“平坦な多面体”で
なる。この格子面は、すべての実際の用途では、
平面ミラーとして作用する。多面体走査装置の性
能を改良するために開発された技術は、ほとんど
すべて、本発明による装置にも適用できる。

【図面の簡単な説明】

第１ａ図及び第１ｂ図は、それぞれ透過型スピ
ンナーの表面上に形成された平面線形回折格子
（PLDG）の側面図及び頂面図である。第２図は、
回折格子を作る好ましい装置を示す概略図であ
る。第３図は、再生モードにおける、第１図のス
ピンナーの概略図である。第４図は、本発明によ
る走査装置の概略図である。第５図は、再生時に
おける、入射角と回折角の関係及び画面の走査線
を示す三次元的な概略図である。第６図は、回転
PLDGの概略図である。第７図は、見かけの入射
角と回折角との間の関係を示す三次元的な概略図
である。第８図は、種々の入射角と回折角の値に
ついて、格子の回転角に対する走査線の湾曲性偏
向値をプロツトしたグラフである。第９図は、ス
ピンナーから画面までの距離及び走査線長の関数
として走査線の湾曲値をプロツトしたグラフであ
る。第１０図は、スピンナーと画面との距離が
63.5cm（25インチ）である場合において、走査線
の湾曲値をプロツトしたグラフである。第１１図
は、走査装置の１実施例において走査線長の関数
として走査線の湾曲値をプロツトしたグラフであ
る。第１２図は、比λ_r／ｄ及び入射光線の偏光の
関数として回折効率をプロツトしたグラフであ
る。第１３図は、露光誤差修正回路を用いた走査
装置を示す概略図である。第１４図は、反射型ス
ピンナーを用いた、走査装置の第２実施例であ
る。 ２……回折格子面、３，５０，１００，１２６
……スピンナー、４……物体光波面、５……参照
光波面、６……記録媒体、１１……プリズム組立
体、１６……ビームスプリツタ、１７……入口
面、１８……出口面、２０……再生光波面、２１
……回折光波面、２２，１２２……レンズ、２３
……ミラー、２５，４６……画面、４０……シヤ
フト、４４……走査線、１０２……レーザ変調
器、１０４……スプリツタミラー、１０６，１１
０……光検出器、１０８，１２４……平面線形回
折格子面、１１２，１１４……増幅器、１１５…
…比例回路、１１８……計算記憶回路、１２０…
…乗算器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 一定の格子周期ｄを有する少なくとも１つの
   平面線形回折格子が表面に形成されたスピンナー
   と、 前記回折格子を照射するために入射角θ_iで入射
   する光ビームを発生する波長λ_rの再生光用光源
   と、 スピンナーを、前記回折格子が回転角θ_Rだけ回
   転して入射光の一部を回折角θ_dで回折させるよう
   に、回転させる手段とから成り、 前記入射角θ_iは0°〜89.445°の間の値にあり、前
   記回折角θ_dは38.17°〜90°の間の値にあり、前記格
   子周期ｄに対する波長λ_rの比は、１〜1.618の間
   の値にある ことを特徴とする光学走査装置。 ２ 前記θ_i及びθ_dの値は、関係式 sinθ_i＝λ_r／ｄ−ｄ／λ_r、及び sinθ_d＝ｄ／λ_r によつて定まることを特徴とする特許請求の範囲
   第１項記載の装置。 ３ 前記θ_i及びθ_dの値は、関係式 sinθ_i＝（λ_r／ｄ−ｄ／λ_r）secθ_R、及び sinθ_d＝（１−secθ_R）λ_r／ｄ＋ｄ／λ_r により定められることを特徴とする特許請求の範
   囲第１項記載の装置。 ４ 前記スピンナーは透過型であり、かつ θ_i≒θ_d≒45° であることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載の装置。 ５ 前記格子は、けい線を引く技術により形成さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の装置。 ６ 前記格子は、薄い表面レリーフ格子として形
   成されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載の装置。 ７ 前記格子は、ボリユーム型格子として形成さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載
   の装置。 ８ 前記再生光用光源をコリメートする手段と、
   前記回折ビームを遮断してそのビームを画面上に
   合焦させ、その画面に走査線を形成するよう配置
   された光学レンズとを包含することを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載の装置。 ９ 前記再生光用光源の光路内に配置され、前記
   光線を前記スピンナーに入射させる前に収束させ
   始め、最終的に前記回折光を前記画面上に合焦さ
   せる光学レンズを包含することを特徴とする特許
   請求の範囲第１項記載の装置。 １０ 前記スピンナーは反射型であり、前記レン
   ズが光源コリメート手段及び最終的な像形成手段
   の両手段として機能することを特徴とする特許請
   求の範囲第８項または第９項記載の装置。 １１ 前記回折光は第１次成分及び零次成分を有
   し、且つ、前記再生波面を変調する手段と、スピ
   ンナーに入射する光の強度Pmの一部と零次ビー
   ムパワーPoの一部とを抽出してそれらを比較し、
   Po／Pmの比に等しい出力信号を形成する手段
   と、前記出力比を所定の修正係数と比較して修正
   信号を発生する回路手段と、前記修正信号を前記
   変調器に加える手段とを包含することを特徴とす
   る特許請求の範囲第１項記載の装置。 １２ 表面に感光性媒体を配置したスピンナーを
   設け、 波長λ_fを有するコヒーレント放射線の平面物体
   ビームを、物体光波の第１ビームと参照光波の第
   ２ビームとに、両ビーム共、前記スピンナーの法
   線方向及び直径方向により形成される平面内にあ
   るように、分割し、 前記第１ビームをスピンナーの法線方向に対し
   角度φ_pをもつて前記媒体に入射させ、 前記第２ビームを前記第１ビームと同じ面内に
   おいてスピンナーの法線方向に対し角度φ_rをもつ
   て前記媒体に入射させ、媒体表面において第１ビ
   ームと交差させて一定の格子周期ｄを有する平面
   線形回折格子を構成する干渉縞パターンを形成
   し、 前記格子周期ｄの１〜1.618倍の間の値の波長
   λ_rの再生放射光線としての第３ビームを、0°〜
   89.445の間の入射角θ_iで前記回折格子に入射させ、 前記スピンナーを、前記回折格子が回転角θ_Rだ
   け回転させられると38.17°〜90°の間の値にある回
   折角θ_dで前記入射光線の一部を回折させるよう
   に、回転させること から成ることを特徴とする光学走査装置構成方
   法。 １３ 波長λ_fはλ_rに等しいことを特徴とする特許
   請求の範囲第１２項記載の方法。 １４ 波長λ_fはλ_rに等しくないことを特徴とする
   特許請求の範囲第１２項記載の方法。 １５ 前記格子は薄い表面レリーフ格子として形
   成され、前記格子の少なくとも一部を別のスピン
   ナー表面に復製する工程を包含することを特徴と
   する特許請求の範囲第１２項記載の方法。