JP3553597B2 - ホログラフ光学要素 - Google Patents

Description

発明の背景
技術分野
本発明は、一般的には戦闘ヘリコプタ用障害物回避システム含む種々の応用のためのレーザ・スキャナに関する。特に、本発明は、大ビーム・スキャニングおよび迷走光雑音の抑制に適したホログラフ光学要素に関する。
背景情報
いくつかのスキャナ（走査器）は、小さい角度の開きをもつビームを、通常平面鏡であるビーム・フォーミング光学系の一部を機械的に動かすことによって、広い角度の範囲を走査することを思い起こすべきである。
長方形パターンの走査には、機械的に振動するミラー（鏡）が通常２組使用される。１個のミラーは、一つの方向線（例えば、縦方向）に沿ってビームを偏向するため早く振動し、もう１個のミラーは、ビデオ表示技術と同じように、走査範囲を作るために、垂直方向（水平方向）にゆっくりと振動する。
他の手法では、他面ミラーの回転を用い、それぞれの面がビームを与えられた方向に偏向する。
さらに、他の手法では、回転または振動するプリズムにより、ビームを偏向させる。
これらの手法のいずれも、特有の不利な点を有する。
反復動作ミラー法は、通常２個のミラーを必要とし、最大反復速度を制限するだけでなく、振動、時間遅延および非線形速度をもたらす。
多面ミラー法は、全体のビームを包含するのに十分な大きさのミラーが必要であり、大きいビーム用のものは高価であるため経済的に不利となる。
プリズムによる偏向は、通常、小さいビームと小さい角度でのみ実用的であり、他の条件ではブリズムの重量が大きくなる。さらに、高速の反復動作または高い回転速度での走査は、体積の大きな従来の光学要素に厳しい応力をもたらす可能性がある。
ホログラフ光学要素（以下、HOEsという。）は、これらの不利な点のいくつかを解消することができる。
１個の光学要素（以下、HOEという。）には、屈折や反射でなく回折によって光の方向を変える、１個またはそれ以上のホログラムを含んでいる。それは基板の形状に基本的には依存せずに機能する。従って、HOEは、より薄く、かつより軽量に製作することができる。
それ（HOE）は、従来の光学要素の研削および研磨に比べ大幅に製造コストを下げることが可能な簡単な写真プロセスで安価に複製することができる。
さらに、HOEに多機能を与えるために、単一体積のホログラム・フィルムに複数のホログラムを重ね焼きすることができる。
HOEsは、従来、小さいビームを偏向する位置に、多数の小さいHOEsを回転させることにより、POS（販売ポイント）ターミナルのような応用での走査に用いられてきた。
しかしながら、上記のHOEsに要求される構造は、目に安全で、かつ小さい開きのビームによる高解像力のイメージを得るために使用される、より大きなビームでは実際的ではない。さらに、POSターミナルでは、高いS/N比は必要とされないし、また必要条件でもない。
従って、ビームの直線通過エネルギーに対する配慮がなければ有効でなくなり得る。しかし、ビーム（０次ビーム）と他の迷光の非偏倚、滲出透過性がレーザによる距離測定に雑音、好ましくないゴーストおよび他の誤信号を発生させ得る。このように、レーザ距離測定には、HOEsの優位性を引き出す、より良い方法が必要とされる。
発明の概要
本発明は上記の問題を解決するためにさなれたもので、ビームの強度を目に安全なレベルまで低下させるために十分な大きさの出口開口部全体に広げながら、垂直入射の軸上ビームを軸から僅かに外れた角度に向ける円板上HOEによって解決するものである。
適当な走査要素により、HOEをスキャン軸上に回転させることで、スキャン軸を中心とする全周走査パターンを実現することができる。
注目する領域に亘りスキャン軸を動かし、全周走査パターンによりこの領域を走査する。
遠距離の距離計測（レンジ・ファインディング）には、小角度走査がより有効である。しかしながら、望ましい小角度を作りだすのに十分な厚さのホログラムは、種々の困難をもたらす。
本発明のHOEは、より容易な２段階法を用いている。また、この２段階法は、散乱及び吸収損失を減少させるだけでなく、後述するフィルタ設計上の優位性をもたらす。
本発明のHOEは、２個のホログラムを含んでいる。このHOEの後方表面に垂直に入射する入射軸上レーザ・ビーム（例えば、850nm波長）は、第１のホログラムに当り、そのホログラムはビームを軸から大きくずれた第１の角度に回折させる。この方向が変った１次ビームは、次に第２のホログラムに当り、ビームは反対方向に軸から大きくずれた角度に回折される。
この方法で２度方向を変えたビームは、軸から僅かにずれた第３の角度でHOEから出ていく。第３の角度は、第１と第２の角度差に、HOE前面の空気との境界で起こる屈折を加えたものである。
HOEの最終効率は、２個の分離したホログラムのそれぞれの効率の積である。この最終効率は、１枚の、遥かに厚く製作がより困難なホログラムに比べ、２枚の薄いホログラムで、より容易に達成することができる。
本発明のHOEは、第１のホログラムから出る方向がずれていないビームを抑制する干渉フィルタを持つことが望ましい。
この目的のための本発明の一変形例は、第１と第２のホログラムの間に、長波長透過または大きい角のビームを透過する、サンドウィッチ状に配置されたフィルタを含む。
このフィルタは、回折された第１次ビームをほとんど減衰しないで透過し、第１のホログラムから出る方向がずれていない０次ビームをほぼ100％の反射率で反射するように設計される。
従って、本フィルタは、発射および入射信号の両方に作用するので、全ての０次漏洩で引き起こされるノイズをフィルタ効率の２乗だけ抑制する。
本発明のもう１つの変形例は、薄膜干渉フィルタの代わりに、０次（ビーム）を拒絶する第３のホログラム（反射ホログラム）を使用する。このホログラムは、垂直入射レーザ・ビーム（０次ビーム）を、ほぼ100％の効率で反射する一方、高角度（ビーム）をほとんど減衰しないで伝送する。
さらに、本発明のもう一つの変形例は、０次ビームをもう一つのフィルタがもつ角度、即ちノイズを最小にする角度にほぼ100％の効率で回折する一方、第１次ビームを伝送する伝送ホログラムの使用である。
第１ホログラムからの十分に大きい回折角度（例えば、臨界角より大きい任意の角度）の一つの優位性は、第２ホログラムで回折されない任意のエネルギーがHOEの前面で全て内部に反射することである（そして、黒で塗装されたHOE端で全減衰を起こす）。
また、角度は大きいが臨界角より小さい角度のビームに対しては、第２ホログラムからのノイズを拒絶するのに必要とされる干渉フィルタが、従来の手段で容易に設計、生産される。
従って、HOEサンドウィッチまたは別のウィンドウと直列にフィルタを追加し、第２ホログラム内の方向がずれていない全てのビームを抑制することが可能である。そのフィルタは、反射ホログラムまたは伝送ホログラムでも良く、短波長透過または小角透過型の干渉フィルタでも可能である。
HOEの十分な効率を実現するために、空気界面にその他のコーティング（例えば、反射防止コーティング）を付加することもできる。このようなコーティングは、高い効率を実現するために光学要素に広く使用されている。
本発明の更なる変形例では、収差に対する波面補償を行うように形成される。これに関しては、レーザ・ビームを小さいレーザ源から必要な大きさの軸上ビームに拡大するために、カセグレン型（Cassegrain−type）望遠鏡などの従来型光学手段が使用される可能性があることを思い起こすべきである。
このようなシステムに、ホログラムによる波面補償を備えることで、より高価な放物面１次ミラーと双曲面２次ミラーに代えて、球面収差をもたらす安価な１次および２次球面ミラーのカセグレン型望遠鏡の使用が許容される。
このような波面補償は、従来、別の体積の大きいシュミット板補正要素によって行われていた。しかし、本発明のこの点に沿って、シュミット型補正は、HOEスキャナそのものに置き換えることが可能である。これにより、いくつかの要素の機能をホログラフ上一つの要素にまとめることができる。
以上述べたこと並びに本発明のその他の目的、特徴および優位性は、後述の図面を参照した詳細な記述によって、さらに明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明にしたがって製作されたHOEを使用した障害物回避システムを外部に取り付けたヘリコプタの概略図でる。
図２は、HOEが作る全周走査パターンにより包含される領域の拡大図である。図３は、タレット・アセンブリ、航空機システムとの接続およびHOEの位置についての種々の要素の全体図を示すブロック・ダイヤグラムである。
図４は、本発明に従って最初に製作されたHOEの前面図である。
図５は、図４の線５−５で切断した断面図である。
図６は、構造をより詳細に示す図５の部分拡大図である。
図７は、図示の都合上拡大した１次および２次ホログラムと薄膜干渉フィルタを示す一つのHOEデザインをダイヤグラム的に示した概念図である。
図８は、図７のHOEデザイン概念のための内部全反射を示す伝送ダイヤグラムである。
図９は、必要な抑制を達成するために、内部全反射の代わりに、ウィンドウ上に薄膜干渉フィルタを使用したHOEの代替デザイン概念のための伝送ダイヤグラムである。
好ましい実施例の説明
状況説明
本発明のホログラフ光学要素をより詳細に検証する前に、この後の記述を実際の装置の状況説明とするために、図１〜図３を考える。
図１は、タレット・アセンブリ11とコントロール・パネル12を含む障害物回避システム（OASIS）を外部に取り付けたヘリコプタ10を図示したものである。
これらは、ヘリコプタ10上に設置され、既存のアビオニクス（航空電気・電子装置）、ビデオまたは頭上ディスプレイ（HUD）並びにワイヤ、塔、アンテナ、木、地形の特徴、その他の接近しつつある障害物についての飛行中の音声による警告および指揮命令を与える音声システムに集約されている。
タレット・アセンブリ11は、ヘリコプタ10の先端部の下の既存のタレット・ドラム構造の上に取り付けられている。そこで、タレット・アセンブリは、レーザ・レーダ機器とそれに附属する走査・処理要素のためのプラットフォーム構造となっている。
コントロール・パネル12は、パイロットがオペレーション・モードの設定またはコントロール・オペレーションに設定できるように、ヘリコプタ10の中でパイロットの手が届く位置に取り付けられている。
オペレーション中には、タレット・アセンブリ11は、前方監視窓14を通してレーザ・エネルギのビーム13を発射している。
それと同時に、タレット・アセンブリ11上のスキャナは、通常、航空機の縦軸（長さ方向の軸）に合致した第１スキャン軸15の周囲にビーム13を円形に走査する。
このスキャナは、本発明に従って製作されたHOEを含み、窓14の直ぐ後ろに置かれている。
さらに、タレット・アセンブリ11上の方位スキャナは、注目している領域を特定するために、タレット・アセンブリ11の上部17に対して下部16を動かす。それは、第２スキャン軸18の回りを往復し、ビーム13の全周パターンを走査する。第２スキャン軸は、通常、航空機の縦軸と平行である。このようにすることで、ビーム13を円錐パターンに方向付け、円錐パターンは、図１で19と記号を付けて描いた第１スキャン軸15に垂直な面で全周走査パターンを作る。
この方位走査は、図２に示される領域全体に亘り全周走査を行う。ここで、第１スキャン軸15は、点ＡとＢの間を往復して方位に全周形の経路を描く。この複合型の動きは、境界Ｃの中で注目する領域を包含する。
図２でＤの矢印の方向に、第１走査が点ＡとＢの間を比較的遅い速度で往復する間に、図１のビーム13は、図２中の点線で描かれたようにパイロットの視点から見て時計回りにより速い速度で走査する。周方向と方位方向走査を組み合わせた動作は、ビーム13が走査線の最低点Ｆと最上点Ｇの間の半円経路に沿って走査し左側（パイロットの視点から）の上下走査Ｅを作り、また最上点Ｇと最低点Ｆの間の半円経路に沿ってビーム13が走査し右側の上下走査Ｈを作りだす。
図３は、ヘリコプタ10の中に設置されたタレット・アセンブリ11の拡大したダイヤグラム的描写である。タレット・アセンブリ11は、航空機電源、ビデオ、インターコム（機内通話機）及びアビオニクスのシステムと接続され、パイロットがコントロール・パネル12で設定したオペレーション・モードに従って既存の航空機ビデオまたはHUDと障害物関連走査情報とを組み合わせてオペレーションされる。
次に、関連する音声（例えば音響警告）を航空機インターコム・システムに送る間に、飛行経路の複合情報を航空機のディスプレイ・システムへフィードバックする。
これらの機能を達成するために、タレット・アセンブリ11には、レーダ光学ヘッド20、関連したレーダ・コントロール回路21、周方向（または第１）スキャナ22、方位方向（または第２）スキャナ23、およびプロセッサ回路24が含まれる。
レーザ光学ヘッド20は、レーザ・ビーム・エネルギーのパルスを発射し、全ての接近した障害物からの時間を合わせた帰還信号を受信する。また、レーダ光学ヘッド20には、４つの主なサブ・アセンブリ、即ち、送信機、受信機、ビーム・スプリッタおよび拡大望遠鏡が組み込まれている。
第１スキャナ22と第２スキャナ23は、予め設定された注目している領域全体に亘ってビームを走査するよう結合されている。
レーダ・コントロール回路21は、レーザ・エネルギー・ビームをパルスとして発生させ、第１スキャナ22と第２スキャナ23を同期化する。これには、注目している領域内の接近した障害物についての距離情報を作りだすレンジ・プロセッサおよびある瞬間のビームの方向についての方位情報を作りだす追跡要素が含まれている。
このプロセッサ回路24は、既存の航空機アビオニクス・システムからの計器情報と共にレンジ・データと方向情報を処理また、これは、接近した障害物についてのディスプレイ情報を作りだす。これらの目的のため、プロセッサ回路24は、レーダ・コントロール回路21、コントロール・パネル12およびブロック25として図示されている航空機電源／ディスプレイ／機内通話／アビオニクス・システムと作動するよう接続されている。
タレット・アセンブリ11には、レーダ光学ヘッド20および第１スキャナ22の支持構造として機能するプラットフォーム26が含まれている。この物理的な接続は、図３では、点線によってダイヤグラム的に描かれている。プラットフォーム26とレーダ・コントロール回路21およびプロセッサ回路24との物理的な接続は、図に示されてはいない。というのは、レーダ・コントロール回路21およびプロセッサ回路24は、航空機の別の場所に設置されるかも知れないからである。
プラットフォーム26は、また、タレット・アセンブリ11の下部16と物理的に接続されている。下部16にある窓14は、プラットフォーム26が第２スキャン軸18で回転する時、第１スキャン軸15と合致されている。さらに、プラットフォーム26は、第２スキャナ23と物理的に接続されており、その結果、タレット・アセンブリ11の上部17と物理的に接続されている。これにより、プラットフォーム26は、ヘリコプタのタレット・ドラムと物理的に接続される。
第２スキャナ23は、プラットフォーム26を上部17（およびヘリコプタ・タレット・ドラム）に対し第２スキャン軸18で回転して、方位方向にビームを往復させ走査する。この動作が、タレット・アセンブリ11の下部16中のレーダ光学ヘッド20、第１スキャナ22および窓14を回転させる。その結果、第１スキャン軸15は、図２のＡ点及びＢ点の間を方位方向で往復する一方、ビームは第１スキャン軸15とした全周を走査する。勿論、当業者は、ここに述べた方位走査機能を遂行するために種々な物理的形態でタレット・アセンブリを製作することができる。従って、図に示したタレット・アセンブリ11の機械的レイアウトは、詳細には示されていない。
オペレーション中は、レーダ光学ヘッド20が、図３で双頭の矢印28で示されるように、レーザ・エネルギーのパルス化した射出ビームを放射し、第１スキャン軸15に関し軸上を光速で反射した帰還を受信する。
レーダ光学ヘッド20と窓14間の位置を占める第１スキャナ22は、第１スキャン軸15を中心とする全周パターンを作りだすために、ビームを軸からずれた方向に向ける。図に示した第１スキャナ22は、本発明に従って製作されたHOE29と共に、その機能を果たす。HOE29は、双頭の矢印30の描かれているように、射出ビームの方向を決め、第１スキャン軸15からずれた（例えば、12.5度）帰還信号を受信する。第１スキャナ22は、HOE29をスキャナ・コントローラ27のコントロールで一定の回転速度（例えば、110Hz）で第１スキャン軸15の周りに回転させるコンポーネントを含んでいる。その結果、第１スキャン軸15に対し、12.5度の半角をもつ円錐形の領域ができる。勿論、レーダ・スキャンのためのHOEの回転速度は、接近した障害物からの光速の帰還信号が、HOE29がHOEの高効率角度領域の外へ回転する前に、入射するのに十分なだけ遅いものである。
その間に、第２スキャナ23は、レーダ光学ヘッド20、第１スキャナ22および窓14を第２スキャン軸18の周りの回転で、ビームを方位方向に比較的ゆっくりと走査する。こうして、全周走査パターンは、航空機の方位方向で往復する。第２スキャナ23は、プラットフォーム26とそれにマウントされた全てのコンポーネントを動作の反転時以外では基本的に一定の角速度（例えば、約0.66Hzの方位掃射速度）で、第２スキャン軸18（例えば、中心位置から両側に12.5度）の周りに往復させることで走査する。
全周及び方位の複合走査は、図１で参照番号19として描かれている走査パターンを作り、図２で境界Ｃの内部として示されている注目領域を包含する。勿論、スキャナ・コントローラ27は、第１スキャナ22および第２スキャナ23の中のセンサの位置を決めるために（例えば、電気または光学センサを使って）動作できるよう接続されているが、図示の都合上、図３ではこれらの接続は示されていない。
走査が継続している間、レーダ・コントロール回路21は、注目領域全体に亘りレンジ・データを作るレーダ技術として知られている方法で、帰還信号を処理する。（例として、窓14上のゴミだけでなく、第１スキャナ22およびレーダ光学ヘッド20の中の光学走査要素からの後方散乱ノイズを避けるために、レンジ・ゲート技術が必要とされるであろう。）
さらに、スキャナ・コントローラ27は、プロセッサ回路24がある瞬間の航空機に対するビーム方向（即ち、第１スキャン軸15および第２スキャン軸18）を追跡し続けることを可能にする。プロセッサ回路24は、レンジ・データ、ある瞬間のビーム方向についての方向情報、表示および音響情報を作りだす計器データを処理し、航空機のディスプレイと機内通話システムを使ってパイロットへこの情報を伝達する。
勿論、その他の視覚ディスプレイおよび機内通話システムを使うこともできる。
しかし、図１および図３に示されたOASISは、映像情報を統合ヘルメット・ディスプレイ視界装置（IHADSS）の既存の頭部マウント・ディスプレイ（HMD）と重なるだけでなく、顔（頭）の方向で追跡する前方視野赤外線（FLIR）イメージによるパイロット監視システム（PNVS）とも重なる。
この目的のために、図示したプロセッサ回路24は、タレット・アセンブリ11をコントロールし、既存の航空機システムとOASISシステムを完全に統合化するようプログラムされた多数のプロセッサを含んでいる。
サイズについては、図示したタレット・アセンブリ11の全体の高さは、窓14の面に垂直な（第１スキャン軸15に沿った）奥行きは50cm弱であり、幅は50cm弱である。
勿論、これらの寸法は、開示された本発明の走査および処理の概念から離れることなく、大きく変わるであろう。
さらに、構成要素の設置は、同様に図示されたものから変わるであろう。例えば、プロセッサ回路とレーダコンポーネントは、タレット・アセンブリの質量を削減するために、タレット・アセンブリ11から離れた航空機の位置に設置されることもある。
HOEの詳細
図４〜図９を参照してHOE29をさらに詳細に考察する。それは（HOE）は、直径6.25インチ（15.9cm）の円板構造で、回転軸30（図５）に対して回転対称である。
HOEには、３層の複合基板31を含み、タレット・アセンブリ11（図３）中の第１スキャナ22のシャフト上に、HOE29をマウントするためのステンレス・スチールのハブ32に嵌め込まれている。
マウントに際し、回転軸30は、第１スキャン軸15と同軸に合わせられる。完全な軸合せから小さなオフセット（しかし、高効率の角度帯域内で）によって、レーダ光学ヘッド20（図３）内の受信機への後方反射ノイズを避けることができる。他の方法として、受信機への後方反射ノイズを避けるために、レンジ・ゲート回路をレーダ・コントロール回路21（図３）に汲み込むこともできる。
オペレーション中には、射出するビーム13（図１）は、HOE29（図５）の背面33をまず通過し、次にホログラムとフィルタ要素を通過し、そして最後に前面34から出ていく。そうすることで、ビームは第１基板35上の第１ホログラム、第２基板36上の第２ホログラム、そして第３基板37上のフィルタ要素を通過する（図５および図６）。これらのホログラムは、ビームの方向を望ましい方向に変える。フィルタ要素は、第１ホログラムからの０次漏洩を全て抑制する。
種々の適当な基板材を使用することができるが、図示したHOE29では、35〜37の基板は全て1/8インチ（3.175mm）の厚さの円板状のガラス（例えば、ホウケイ酸BK7ガラス）である。
ホログラムとフィルタ要素は、ガラス基板上に形成される。
次に、この３枚の基板は、例えば、光学セメントなどの適当な手段あるいは光学システム技術で周知の手段で接着され、複合積層構造（即ち、複合基板構造31が形成される。
第１ホログラムおよびフィルタ要素は、第１基板35および第３基板37の界面に面しており、第２ホログラムは、第２基板36と第３基板37の界面に置かれる。適当にシールされたHOE（光学セメントによるサンドウィッチ・ガラスの技術として知られている。）によって、湿度に敏感なホログラムとフィルタ要素は環境から保護されている。
ホログラムは、周知の技術を用いて製作される。ホログラムは約10ミクロンの厚さであり、フィルタ要素は約５ミクロンとなるであろう。従って、図示の都合上、図７では非常に誇張されてホログラムとフィルタ要素がダイヤグラム的に描かれている。
入射する垂直入射の軸上ビーム（図７では、参照番号38で示されている。）は、背面33から入り、角度40（例えば12.5度）に方向が変えられた、軸からずれた放射ビーム（参照番号39で示されている。）として前面34から出ていく。
このビームは、途中で、第１基板35上の第１ホログラム41（入力ホログラム）、第２基板36上の第２ホログラム42（出力ホロフラム）および第３基板37上のフィルタ要素43を通過する。
第１ホログラム41が、第１放射方向において回転軸方向から参照番号44として描かれている第１方向転換経路へ第１の鋭角（例えば45度）だけ回折する。
第２ホログラム42は、ビームを第１放射方向とは逆方向の第２放射方向において回転軸方向から参照番号45として描かれている第２方向転換経路へ第２の鋭角（例えば、53.186度）だけ回折する。前面34の空気境界が、ビーム45をスネルの法則に従って（例えば、屈折率1.52の媒体に対し）小さい追加角（例えば、4.314度）で屈折し、軸から最終ずれ角40（例えば、12.5度）となる。
図８は、HOE29の図式的ダイヤグラムである。このHOEは、第２ホログラム42を通して全ての０次漏洩の完全内部反射を達成する。臨界角（例えば、屈折率1.52の媒体内で垂直方向に対し、約41.4度）より大きい全ての内角は、完全な内部反射となる。例えば、図８中で第１ホログラムは、44で示されるようにビーム38を45度の内角だけ回折するようインプリントされている。
第２ホログラムは、45で示されるようにこのビームを逆方向に53.186度だけ回折するようインプリントされている。前面34の空気境界は、39で示されるように、このビームを4.314度屈折し、出ていくビームは、軸からのずれ角12.5度の方向へ向けられる。
理論的には、ホログラムが端一偏波に対し、100％の効率を持つことが可能であるが、この100％の効率を実際に達成するのは困難であるばかりでなく、設計仕様として取ることは望ましくない。例を挙げれば、（図示した実施ケースのように）偏波に対し敏感でないホログラムが好ましいであろう。
この場合、２つの直交偏波のそれぞれに対し、100％未満の同じ値を持つように両ホログラムの効率を調整する必要がある。
図８で、第１ホログラム41に当たるエネルギーの一部は、回折されずに透過する。方向が変わっていない（０次）ビームの抑制は、２つのホログラムに挟まれた薄膜干渉フィルタで達成される。これに代るいくつかのフィルタ・デザインのいずれも使用可能である。フィルタ要素43は、そのようなフィルタ要素のいずれをも表すものとする。
コンピュータで最適化され、広帯域の長波長透過型反射体スタックがHOE内にサンドウィッチ状になっているのが好ましい。このような反射体スタックの設計および製作は、独特のものである必要はなく、薄膜誘電フィルタの技術を持つ者によって製作可能である。
この反射体スタックは、（図中で50と逆方向の矢印で示された）０次ビームを反射し、一方、約42度の角度を越える第１次および高次ビームを透過する。
このスタックは、垂直入射に対し、かなり広い帯域（例えば、約850±25ナノ・メートル）で反射し、一方、45度の第１次ビームのほとんとどを、偏光には実質的に無関係に透過する。
残存０次漏洩（51で示されている）は、桁違いに小さい。第２ホログラムを通った０次漏洩の内部全反射は、52で示される前面34で起こる。この０次漏洩は、内部で（例えば、HOEディスクの内外径端で）消滅する。他の方法として、開示された本発明の広義の概念から離れることなく、このフィルタ要素43は、反射または透過ホログラムの形を取ることもできる。
小さい回折内角を持つ別の設計では、より広い帯域、偏光に左右されないより高い効率および製作の容易さにおいて優位性をもち得るが、内部全反射の性質は、もはや持たなくなる可能性がある。例えば、図８において、第１ホログラム41に30度の内角で回折するようインプリントし、第２ホログラムに約38.186度だけ回折するようインプリントすることができる。異なった内角のデザインの比較には、ベル・システム技術ジャーナルVol.48,pp.2909〜2947（1969）に記述されているH.Kogek理論を使用することができる。45度の内角をもつHOEデザインでは、偏光に左右されない効率が最大でも高々79.2％である。これと対照的に、30度の内角では、偏光に左右されない効率が最大95.2％であり、角度帯域２度以上で効率は80％を越える。
不利な点は、第２ホログラムからの０次ビームを減少させるために、もう１枚のフィルタ要素が必要となることである。
図９は、そのような30度の内角デザインを採用したHOE100を示す。
これは多くの点でHOE29と類似しており、異なる点のみをさらに詳細に説明する。便利のために、HOE100の部品の参照番号は、HOE29の対応する部品の参照番号に100が加算されている。このようにして、HOE100には、第１、第２および３基板、135,136および137含まれる。
第１基板135上の第１ホログラム141は、垂直入射の侵入ビーム138を第１放射方向において、回転軸方向から参照番号144として描かれている第１方向転換経路へ第１鋭角（内角30度）だけ回折するようインプリントされている。
第２基板136上の第２ホログラム142は、このビームを逆方向の第２放射方向において、回転軸方向から参照番号145として描かれている第２方向転換経路へ第２鋭角（内角38.186度）だけ回折するようインプリントされている。
前面134の空気境界が、このビームを参照番号139で示される最終ずれ角へ、小さい追加角度で屈折する。
HOE100には、第１ホログラム141からの０次漏洩を抑制するための第３基板137上のフィルタ要素143が含まれているが、HOEの内角30度のビームは内部全反射を起こさない。そして、そのような０次漏洩は、参照番号160で示される第２ホログラム142で生ずる。しかし、HOE100には、HOE100の直前のガラス・ウィンドウ163上に、薄膜フィルタ要素162が組み込まれている。
フィルタ要素162は、ビーム139の透過率に大きな影響を与えることなく、２次ホログラムからの０次漏洩を抑制する。
別の方法では、フィルタ要素162をHOE100の前面134に置くこともできる。いずれの場合も、フィルタ162はコンピュータで最適化され、広帯域・短波長型の反射体スタックであり得る。その設計と製作は、通常の薄膜誘電干渉フィルタの技術を持つ者の能力の範囲内のものである。
透過と反射に関しては、図９の第１基板135は（図７の第１基板のように）参照番号164のように僅かな量しか入射ビーム138を反射せず（図８上の第１基板35がそうであるように）残りのビームを透過する。
この効果を得るために、後の表面133上に反射防止コーティングを行うこともできる。このような反射防止コーティングの設計及び製作は、薄膜干渉フィルタについての通常の技術で達成できる。その間、第１ホログラム141は、144の両方の偏光（165の０次漏洩をいくらか伴う）を高い効率で透過する。フィルタ要素143は、参照番号166で示す内角30度の第１次ビームをごく僅かしか反射せず、一方、参照番号167で示す内角30度の第１次ビームのほとんどを透過する。
それは、参照番号165Aで示すように、０次ビームのほとんどを反射する一方、参照番号168、169および175で示す入射ビーム138をごく僅かしか透過しない。
第２ホログラム142は、ビーム167のほとんどをビーム145へ回折し、そしてビームは139へ屈折される。第２ホログラム142からの全ての０次漏洩は、160へ移行する。第２基板136には、ビーム139のほとんどを走査角12.5度で空気中へ透過する反射防止コーティングを含めることもできる。フィルタ要素142は、走査ビーム171を作るために、ほとんどのビーム139を12.5度で透過し、参照番号170で示すように、ごく僅かだけ反射する。それは、参照番号172で示すごく僅かのビーム160のみを透過する一方、参照番号173で示すように、ほとんどのビーム160を反射する。
窓163には、走査ビーム171のほとんどを透過する一方、参照番号176の信号ビームのごく僅かを反射するように前の表面174上に反射防止コーティングを含めることができる。実際のフィルタでは、一方通行の残存０次漏洩を典型的な値、0.07％（７×10⁴）未満に維持するために、HOE100とフィルタ要素162を結合することができる。他の方法として、０次ビーム165を、ビーム167に対して逆方向の大きな角度に回折することによってフィルタ効果を持つ第３の透過ホログラムで、図９のフィルタ要素143を置き換えることができる。その後、フィルタ要素162が、それを（例えば、反射によって）抑制する。この場合、第３ホログラムは、第１ホログラムとかなり同じようなものとなるが、軸130の周りに約180度だけ回転されている。
第３ホログラムは、目的となる第１次ビーム144のほとんどを、第１ホログラム141からビーム167へ透過する。
勿論、他の内角を持つ様々なHOEデザインを取ることができる。例えば、第２ホログラムは、第１ホログラムの回折角より大きい逆方向の内角では回折しないことが必要である（例として、第１ホログラムが内部へ45度回折し、12.5度の発射角を達成するために、第２ホログラムが逆方向に36.814度回折することもできる。しかし、このようなホログラムの製作はより困難となる。
本発明に従って製作されたレーザ走査システムには、カセグレン型望遠鏡のようなビーム拡大系の追加も可能である。この望遠鏡は、図３のレーダ光学ヘッド20の一部である。目への安全についての配慮に加え、このようなビームの拡大は、ビームの小さい拡散による高解像力を得るためと、反射エネルギーを効率良く集めるのに必要である。
従来のカセグレン型望遠鏡は、非球面光学系（放物面の１次ミラーと双曲面の２次ミラー）を持っている。球面の１次および２次ミラーは、製作費がより安く調整もより容易ではあるが、この組合わせでは許容できない光学収差が発生する。これらの収差の補正には従来のシュミット型非球面補正器の使用が可能である。しかし、それは容積が大きく、かつ高価である。
本発明のもう一つの側面は、レーザ走査機能を遂行するだけでなく、収差補正を行い、シュミット型補正器を不要とすることである。この収差補正は、図９のホログラム141または142に埋め込まれるか、141と142の間に分離される。ホログラフィ技術において、これらの技術は知られているように、目標ビームとレファレンス・ビームの２つの平行するレーザ・ビームの重ね合せで発生する干渉縞の記録により、ホログラム141や142などのホログラムの製作ができる。
これらのホログラム製作の通常技術で、適当なビーム角とビーム強度を作りだす記録光学系が設計できる。さらに、目標ビームに収差を導入することで、このホログラムに収差補正を組み込むことができる。これは、目標ビームの発生に球面コリメーション光学系を使用することで達成される。これらの光学系には、球面のレンズまたは／およびミラーが含まれる。これらの光学エンジニアリング上の通常の技術で、適当な収差を加えた記録光学系が設計される。
このように、本発明によって、垂直入射軸上ビームを、軸から少しずれた方向に方向転換させ、一方、このビームを目に安全なレベルまで強度を下げるために、十分に大きい放射開口部の全体へ拡大するHOEの製作が可能となる。
それには、迷光抑制フィルタを含む入射ビームの方向転換に２段階法を使用する。この２つのホログラムは、現在の技術で都合良く製作することができる。
より少ない０次漏洩、散乱および吸収損失のために、現在入手可能な干渉フィルタを組合わせることができる。それぞれのホログラムに採用するマスタ・ホログラムは、コンピュータ発生ホログラムまたは光学発生ホログラムいずれでもよい。ホログラムの追加は、コンタクト・プリントで複写可能である。さらに、このホログラムにより、重量、体積およびコストの点で従来の光学系に比べ大きく低下する。
模範的な実施例を示し、それについて記述してきたが、現在の通常技術の一つで、本発明の精神および範囲を逸脱することなく、多くの変更、修正および置換が可能である。

Claims (13)

1. 第１の基板（35、135）と第２の基板（36、136）とを含み、少なくとも２つのホログラム（41、42;141、142）を回転可能に支持する回転軸（30、130）に対し回転対称をもつ基板構造（31）を備え、
   前記第１の基板（35、135）で支持される第１のホログラム（41、141）は、垂直入射ビーム（38、138）を第１放射方向において前記回転軸（30、130）方向から第１方向転換経路（44、144）へ第１の鋭角だけ回折し、
   前記第１方向転換経路（44、144）上の前記第２の基板（36、136）で支持される第２のホログラム（42、142）は、前記回折されたビームを前記第１放射方向とは逆方向の第２放射方向において前記回転軸（30、130）方向から第２方向転換経路（45、145）へ前記第１の鋭角とは異なる第２の鋭角だけ回折して、前記第２方向転換経路（45、145）が前記回転軸に対して前記第１の鋭角と前記第２の鋭角の差の大きさとなる角度を有し、
   前記基板構造は、前記第１ホログラムを通過した０次漏洩の入射ビームを抑制するフィルター要素（43、143）を支持し前記第１の基板と前記第２の基板との間に積層される第３の基板（37、137）を備える
   ことを特徴とするホログラフ光学要素（29、100）。
2. 前記フィルター要素（43、143）が、軸方向の垂直入射ビーム（38、138）の経路上で前記入射ビームを軸からずれた望ましい方向へ向けることにより０次漏洩を抑制する薄膜フィルタ要素（43、143）であることを特徴とする請求項１記載のホログラフ光学要素。
3. 前記第３の基板（37、137）に支持された前記フィルター要素が、薄膜干渉フィルター（43、143）を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のホログラフ光学要素。
4. 前記薄膜干渉フィルター（43、143）が、誘電スタックを含むことを特徴とする請求項３記載のホログラフ光学要素。
5. 前記第３の基板（37、137）に支持された前記フィルター要素（43、143）が、透過ホログラムを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のホログラフ光学要素。
6. 前記第３の基板（37、137）に支持された前記フィルター要素（43、143）が、反射ホログラムを含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のホログラフ光学要素。
7. 前記基板構造（31）が円盤型構造を含むことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載のホログラフ光学要素。
8. 前記第１のホログラム（41、141）および前記第２のホログラム（42、142）が、前記第１の鋭角および前記第２の鋭角が20度から60度の範囲内になるようにインプリントされていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のホログラフ光学要素。
9. 前記第１のホログラム（41、141）および前記第２のホログラム（42、142）が、前記第１の鋭角が約45度の内角、前記第２の鋭角が約53度の内角を持つようにインプリントされている請求項８記載のホログラフ光学要素。
10. 前記第１のホログラム（41、141）および前記第２のホログラム（42、142）が、前記第１の鋭角が約30度の内角、前記第２の鋭角が約38度の内角を持つようにインプリントされている請求項８記載のホログラフ光学要素。
11. 前記第１のホログラム（41、141）が、垂直入射ビーム（38、138）の０次漏洩の内部反射に必要な臨界角より小さい角度で回折することを特徴とする請求項10記載のホログラフ光学要素。
12. 前記第１のホログラム（41、141）が、前記第２のホログラム（42、142）を通過した０次漏洩が実質的に内部全反射を達成するようにインプリントされていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載されたホログラフ光学要素。
13. 少なくとも前記第１のホログラム（41、141）と前記第２のホログラム（42、142）の一つが球面収差を補正するようにインプリントされていることを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載のホログラフ光学要素。

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