JPH05100615A - ホログラム再生法及び再生装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 変調された等間隔直線干渉縞からなるホログ
ラムを２つの平面波を用いて高精度に再生する方法とそ
のための装置。 【構成】 記録波面により変調を受けた等間隔直線干渉
縞からなるホログラムＨに再生用平面波とそれに共役な
共役平面波を入射させて、回折された再生波面と共役波
面を干渉させることによりホログラムＨを光学的に再生
する場合に、再生用平面波とそれに共役な共役平面波を
直線回折格子１の対称な±１次の回折光により生成す
る。必要以外の回折格子１からの回折次数は空間フィル
ター７により取り除き、ホログラムＨからの再生波面と
共役波面以外の光は空間フィルター１０により取り除
く。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ホログラム再生法及び
再生装置に関し、特に、等間隔直線干渉縞を変調して波
面が記録された電子線ホログラム等のホログラムの高精
度な再生に適したホログラム再生法及び再生装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】電子線ホログラムは、図５に模式的に示
すように、光軸の片側に試料を配置して平面電子波を光
軸に沿って入射させ、対物電子レンズにより電子波を一
旦集光させてから結像させ、この集光点と結像面の間に
電子バイプリズムを配置し、光軸の片側の試料を通過し
た波を物体波、光軸の反対側を通過した波を参照波とし
て、イメージホログラムとして干渉させて作成される。
実際には、光によりホログラムを再生するために、この
干渉縞を電子レンズにより拡大して記録したものを電子
線ホログラムとしている。このような電子線ホログラム
は、等間隔直線干渉縞を物体情報によって変調した形を
している。

【０００３】この電子線ホログラムのように、等間隔直
線干渉縞を物体情報によって変調した形のホログラムか
ら記録されている波面を再生するには、図３に原理を示
すように、再生用平面波とそれに共役な共役平面波とを
光軸を挟んで相互に角度２θをなして入射させ、再生用
平面波により光軸に沿って再生波面を、また、共役平面
波により光軸に沿って共役波面を再生し、他の０次光等
を取り除き、光軸に沿って進む再生波面と共役波面を干
渉させて、位相を２倍に拡大した干渉縞として記録波面
を再生している。

【０００４】ところで、図３に示すような位相を増幅し
て記録波面を再生するには、従来図４に示すような配置
がとられている（Applied Optics Vol.26,No.2(1987)p
p.377-382）。すなわち、反射鏡Ａ、Ｂとビームスプリ
ッターからなるトワイマン・グリーン型干渉計を用い、
反射鏡Ａ、Ｂの双方又は片方を微小角傾けて、入射した
レーザ光を、図３の再生用平面波と共役平面波がなす角
度２θに等しい角度をなす２つの光に分割してホログラ
ムに入射させ、図３の原理により光軸に沿って進む再生
波面とその共役波面を得る。このとき、これ以外の０次
光、回折光を取り除くために、ホログラムの後にレンズ
Ｌ１を配置し、その後側焦点面に空間フィルターを配置
して、光軸に沿って進む再生波面とその共役波面のみを
通過させるようにし、空間フィルターを通過した両波面
をレンズＬ２により再びコリメートし、ホログラムと共
役な位置にＴＶカメラを配置して両波面を干渉させ、そ
の干渉縞情報を画像メモリに記憶し、コンピュータによ
り画像処理して、記録波面の形を求めている。この際、
記録された波面の位相分布を正確に求めるために位相変
調干渉法を利用しており（例えば、谷田貝豊彦著「応用
光学 光計測入門」第１３１〜１３５頁（丸善（株）発
行）参照）、そのために、再生用平面波又は共役平面波
の一方の位相を０から２πの間で位相変調するように、
一方の反射鏡Ａの裏面にＰＺＴ（圧電素子）を取り付
け、ＰＺＴドライバの信号によりその反射鏡Ａを前後に
微小距離移動させている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このように、反射鏡
（ビームスプリッターも反射鏡に含まれる。）を用いて
２つの角度をなす平面波を生成し、それを用いて等間隔
直線干渉縞からなるホログラムを再生する場合、いくつ
かの問題があり、高精度で記録波面を再生することは容
易ではない。まず、反射鏡には少なくともλ／３０程度
の凹凸が存在し、質のよい平面波が得難い。さらに、反
射鏡を用いる場合は、分割された光路が空間的に別々の
経路をたどるため、空気のゆらぎの影響が大きい。さら
に、通常複数の反射鏡を分離して配置するので、振動に
弱い。また、光源系、中間の光学系の収差の影響が大き
い。また、反射鏡を前後に移動させて位相変調するた
め、変調精度を高くしなければならない。

【０００６】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、その目的は、電子線ホログラムのように変
調された等間隔直線干渉縞からなるホログラムを２つの
平面波を用いて高精度に再生する方法とそのための装置
を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明のホログラム再生法は、記録波面により変調を受けた
等間隔直線干渉縞からなるホログラムに再生用平面波と
それに共役な共役平面波を入射させて、回折された再生
波面と共役波面を干渉させることによりホログラムを光
学的に再生する方法において、前記再生用平面波とそれ
に共役な共役平面波を直線回折格子の対称な所定の回折
次数の光により生成することを特徴とする方法である。

【０００８】また、本発明のホログラム再生装置は、記
録波面により変調を受けた等間隔直線干渉縞からなるホ
ログラムに再生用平面波とそれに共役な共役平面波を入
射させて、回折された再生波面と共役波面を干渉させる
ことによりホログラムを光学的に再生する装置におい
て、直線回折格子と該回折格子に平行光を入射させる光
源装置を備え、前記回折格子により回折された回折光の
中、所定の対称次数の２つの光を選択してホログラム上
で所定の角度で交差するように射出する光学系を備えた
ことを特徴とするものである。

【０００９】この場合、前記回折格子をその平面に沿い
格子に交差する方向に移動させる手段を設けることによ
り、位相変調干渉法により記録波面を高精度で測定する
ことができるようになる。なお、この装置は、直線回折
格子の検査に用いることができる。

【００１０】本発明のもう１つのホログラム再生装置
は、記録波面により変調を受けた等間隔直線干渉縞から
なるホログラムに再生用平面波とそれに共役な共役平面
波を入射させて、回折された再生波面と共役波面を干渉
させることによりホログラムを光学的に再生する装置に
おいて、所定の対称回折次数の２つの光のみを射出する
直線回折格子と該回折格子に平行光を入射させる光源装
置を備え、前記回折格子の射出面に近接ないし密着して
ホログラムを保持する手段を備えたことを特徴とするも
のでる。

【００１１】

【作用】本発明のホログラム再生法及び再生装置におい
ては、反射鏡を用いずに回折格子を用いて再生用の２つ
の平面波を生成しているので、回折格子の不完全さによ
る平面波への影響は反射鏡の場合に比べて相当程度小さ
くなり、より高精度の波面の再生ができる。また、２つ
の平面波はほぼ同じ光路をたどるので、空気のゆらぎの
影響がほとんどなく、さらに、光路分割に１個の回折格
子しか用いていないので、外部振動に強いものである。
また、再生光学系の収差の影響が取り除かれる。さら
に、位相変調についても、変調の分割精度が従来の場合
に比較して相当に向上する。

【００１２】

【実施例】以下、図面を参照にして本発明のホログラム
再生法とそのための装置の実施例について説明する。図
１は本発明の１実施例のホログラム再生装置の光路図で
あり、この装置の最も重要な点は、直線回折格子１を用
いてその２つの対称な回折光を発生させ、この２つの光
をホログラムＨの再生のための平面波と共役平面波（図
３）として用いる点にある。図１において、安定化レー
ザ２からの光は、ＮＤフィルター３で強度が調節され、
ミラー４を経てコリメータ５によりビーム径が拡大され
た平面波になり、回折格子１に入射する。回折格子１に
より、入射光は０次以外に±１次、±２次等に回折され
るが、所定の対称な次数、通常は±１次を選択するため
に、レンズ６により一旦集光され、その集光面（後側焦
点面）にその±１次の光のみを通過する空間フィルター
７が配置されている。空間フィルター７を通過した２つ
の光はレンズ８によりその後側焦点面で所定の角度２θ
（図３）で光軸を挟んで交差する２つの平面波に変換さ
れる。この位置には変調された等間隔直線干渉縞からな
るホログラムＨが配置されており、ホログラムＨに入射
した平面波と共役平面波により再生された再生波面とそ
の共役波面は光軸に沿って進む。この際生じる０次光、
高次回折光は光軸に対して角度をなしているため、ホロ
グラムＨの後の焦点距離の位置に配置されたレンズ９に
よりその後側焦点面に回折光を一旦集光し、その位置に
光軸に沿って進む光以外をカットするスペシャル（空
間）フィルター１０を配置して、再生波面とその共役平
面波のみを通過させ、スペシャルフィルター１０を通過
した両波面をレンズ１１により再びコリメートし、ホロ
グラムＨと共役な位置に二次元ディテクター１２を配置
して両波面を干渉させ、その干渉縞情報を画像メモリ１
３に記憶し、コンピュータ１４により画像処理して、記
録波面の形を求める。この際、記録された波面の位相分
布を正確に求めるため、前記した位相変調干渉法を利用
する。そのために、回折格子１を回折格子移動機構及び
制御部１５によりその面で格子に交差する方向に移動さ
せて両波面に反対方向の位相変調を加え、異なる位相状
態の干渉パターンを得、これらの異なる干渉パターンか
ら正確な波面の位相分布を求めることができる（前記文
献参照）。回折格子１の移動による位相変調は、回折格
子１を例えば半ピッチ分移動すると、＋１次の波はπだ
け位相が進み、−１次の波はπだけ位相が遅れるので、
両方の波を干渉させた場合、一方の波を２π進めたと同
じ効果になることより理解される。なお、上記配置にお
いて、回折格子１、ホログラムＨ、二次元ディテクター
１２は相互に共役な位置に配置されている。

【００１３】このような配置により、物体により変調さ
れた等間隔直線干渉縞からなるホログラムＨを再生する
場合、図４の従来例に比較して、反射鏡を用いずに回折
格子を用いて再生用の２つの平面波を生成しているの
で、回折格子の不完全さによる影響のみであり、反射鏡
の凹凸による影響を受けない。回折格子の不完全さによ
る平面波への影響は、反射鏡に比べて３分の１程度であ
る。しかも、回折格子１の不完全さは、空間フィルター
７による空間フィルタリングにより取り除くことができ
る。さらに、反射鏡を用いる場合は、分割された光路が
空間的に別々の経路をたどり、空気のゆらぎの影響が大
きいが、図１の場合は、ほぼ同じ光路をたどるので、空
気のゆらぎの影響はほとんどない。また、光路分割に１
個の回折格子しか用いていないので、外部振動に強い。
さらに、図１の場合は、ホログラムＨに入射する２つの
平面波は、分割位置と同じ位置で交差するので、回折格
子１の照明系２〜５に収差があっても、再生波面とその
共役波面に同じ方向に収差の影響が加わることになり、
干渉すると収差の影響は取り除かれる。また、回折格子
１とホログラムＨの間の光学系６、８に軸対称な収差が
あっても、ホログラムＨに入射する２つの平面波には同
じように影響するので、同様に収差の影響は現れない。
さらに、位相変調についても、回折格子１のピッチは波
長の５０〜５００倍程度であるので、変調の分割精度が
従来の場合に比較して相当程度高くなる。

【００１４】ところで、図１の場合、レンズ６としてズ
ームレンズ（可変倍率レンズ）を用いると、再生するホ
ログラムＨの干渉縞ピッチが異なる場合についても、回
折格子１を変更しなくてもよくなる。すなわち、このよ
うにすると、レンズ６の倍率を変更して、ホログラムＨ
に入射する２つの波面がなす角度をホログラムＨ特有の
角度に一致させることができるからである。なお、これ
は、回折格子１のホログラムＨ上にできる像の格子ピッ
チを、レンズ６の焦点距離に対応した倍率を変えること
により、ホログラムＨの干渉縞のピッチに合わせること
と技術的意味が同じである。実際には、回折格子１の像
の格子ピッチとホログラムＨの干渉縞のピッチは、正確
に一致させる必要は必ずしもなく、多少のズレが存在し
ていても測定上は問題ない。干渉パターンにそのズレに
相当する空間周波数の干渉縞がバックグラウンドとして
のるだけあるので、画像処理してこの干渉縞を取り除く
ようにすればよい。

【００１５】以上の説明において、図１の装置は、例え
ば電子線ホログラムに記録されている位相情報を再生す
るのに用いることを前提としていたが、その他に、回折
格子の検査に用いることができる。この場合は、ホログ
ラムＨとして被検査回折格子が配置される。

【００１６】なお、図１の場合は、図３に原理に基づい
てホログラムＨに再生用平面波と共役平面波を光軸を挟
んで両側から入射させて位相を増幅して干渉させていた
が、再生用平面波と光軸に沿って進む平面波をホログラ
ムＨに入射させ、再生波面とホログラムＨを光軸に沿っ
て透過した平面波とを干渉させて波面の位相を検出する
ようにしてもよい。この場合は、回折格子１を透過した
０次光と例えば＋１次光を空間フィルター７で選択して
用いることになる。なお、この場合、位相の増幅なしに
干渉させて記録波面を求めることになる。

【００１７】ところで、図１において、回折格子１とホ
ログラムＨの間に光学系６〜８を配置するのは、回折格
子１から所定の２つの次数の回折光を取り出すためであ
るが、回折格子１として例えば±１次の光しか回折しな
いものを用いる場合、光学系６〜８を省くことができ
る。その場合の光路図は図２のようになる。この場合
は、回折格子１にホログラムＨを密着させ、それをレン
ズ９の前側焦点面に配置するようにすればよい。

【００１８】なお、図１、図２の場合、ホログラムＨか
ら光軸方向に回折された２つの波面を取り出すのに、レ
ンズ９、１１、スペシャルフィルター１０からなる空間
フィルタリング光学系を用いていたが、この代わりに、
比較的遠方にレンズを配置し、その開口に光軸に沿って
進む２つの波面のみを通し、このレンズによりホログラ
ム面を二次元ディテクター１２検出面上に結像するよう
にしてもよい。

【００１９】以上、本発明のホログラム再生法及び再生
装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本
発明はその他種々の変形が可能である。また、再生する
ホログラムとしては電子線ホログラムに限らずＸ線ホロ
グラム又は通常の光学ホログラムであってもよい。

【００２０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のホログラ
ム再生法及び再生装置によると、反射鏡を用いずに回折
格子を用いて再生用の２つの平面波を生成しているの
で、回折格子の不完全さによる平面波への影響は反射鏡
の場合に比べて３分の１程度となり、より高精度の波面
の再生ができる。また、２つの平面波はほぼ同じ光路を
たどるので、空気のゆらぎの影響がほとんどなく、さら
に、光路分割に１個の回折格子しか用いていないので、
外部振動に強いものである。また、再生光学系の収差の
影響が取り除かれる。さらに、位相変調についても、変
調の分割精度が従来の場合に比較して相当に向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例のホログラム再生装置の光路
図である。

【図２】他の実施例のホログラム再生装置の光路図であ
る。

【図３】本発明の基礎となる再生法の原理を説明するた
めの図である。

【図４】従来のホログラム再生装置の光路図である。

【図５】電子線ホログラム撮影装置の概略の構成を示す
模式図である。

【符号の説明】

Ｈ…ホログラム １…直線回折格子 ２…安定化レーザ ３…ＮＤフィルター ４…ミラー ５…コリメータ ６…レンズ ７…空間フィルター ８…レンズ ９…レンズ １０…スペシャル（空間）フィルター １１…レンズ １２…二次元ディテクター １３…画像メモリ １４…コンピュータ １５…回折格子移動機構及び制御部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石塚和夫 埼玉県東松山市松風台14−48 (72)発明者 外村 彰 埼玉県比企郡鳩山町楓ケ丘２−19−５

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 記録波面により変調を受けた等間隔直線
   干渉縞からなるホログラムに再生用平面波とそれに共役
   な共役平面波を入射させて、回折された再生波面と共役
   波面を干渉させることによりホログラムを光学的に再生
   する方法において、前記再生用平面波とそれに共役な共
   役平面波を直線回折格子の対称な所定の回折次数の光に
   より生成することを特徴とするホログラム再生法。
2. 【請求項２】 記録波面により変調を受けた等間隔直線
   干渉縞からなるホログラムに再生用平面波とそれに共役
   な共役平面波を入射させて、回折された再生波面と共役
   波面を干渉させることによりホログラムを光学的に再生
   する装置において、直線回折格子と該回折格子に平行光
   を入射させる光源装置を備え、前記回折格子により回折
   された回折光の中、所定の対称次数の２つの光を選択し
   てホログラム上で所定の角度で交差するように射出する
   光学系を備えたことを特徴とするホログラム再生装置。
3. 【請求項３】 前記回折格子をその平面に沿い格子に交
   差する方向に移動させる手段を有することを特徴とする
   請求項２記載のホログラム再生装置。
4. 【請求項４】 直線回折格子の検査に用いることを特徴
   とする請求項２又は３記載のホログラム再生装置。
5. 【請求項５】 記録波面により変調を受けた等間隔直線
   干渉縞からなるホログラムに再生用平面波とそれに共役
   な共役平面波を入射させて、回折された再生波面と共役
   波面を干渉させることによりホログラムを光学的に再生
   する装置において、所定の対称回折次数の２つの光のみ
   を射出する直線回折格子と該回折格子に平行光を入射さ
   せる光源装置を備え、前記回折格子の射出面に近接ない
   し密着してホログラムを保持する手段を備えたことを特
   徴とするホログラム再生装置。