JP2005122814A - Hologram recording and reproducing device and method, and phase address code creating method and program - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、位相変調多重方式によりホログラムを記録再生するホログラム記録再生装置、ホログラム記録再生方法に係り、特に参照光を光位相変調するための位相アドレスコードの作成方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a hologram recording / reproducing apparatus and a hologram recording / reproducing method for recording / reproducing a hologram by a phase modulation multiplexing method, and more particularly to a method and program for creating a phase address code for optical phase modulation of reference light.
近年、ホログラフィック技術は、次世代、次々世代光ディスクと競合する強力なストレージの候補として注目を集めているホログラフィックメモリの実用化へ向けて、急速に開発が進められており、ホログラム技術を利用して大容量データの記録再生を行うホログラム記録再生システムが提案されている。 In recent years, holographic technology has been rapidly developed for the practical use of holographic memory, which is attracting attention as a candidate for powerful storage that competes with next-generation and next-generation optical discs. Thus, a hologram recording / reproducing system for recording / reproducing a large amount of data has been proposed.
このホログラムストレージの記録再生システムでは、図7に示すように、レーザー光源2から出射された干渉性を持つレーザー光はシャッター4を通してビームスプリッター6に入射し、信号光100と参照光200に分岐される。信号光100はミラー8を介して空間光変調器10に入射され、信号光はデータページを表示した空間光変調器10で強度変調される。変調された信号光はレンズ12によりホログラム記録メディア14に集光される。一方、参照光200はミラー16を介してホログラム記録メディア14を照射するため、ホログラム記録メディア14内において、この信号光100と参照光200が重ねあわされて、その結果形成される干渉縞がホログラム記録メディア14に微細な疎密パターンとして記録される。
In this hologram storage recording / reproducing system, as shown in FIG. 7, the coherent laser light emitted from the
ホログラム記録メディア14に記録されたデータを再生するには、参照光200と同一の再生光をホログラム記録メディア14に入射させることにより、ホログラム記録メディア14に記録されている干渉縞に対応する回折光としてデータが再生され、この回折光がレンズ(逆フーリエレンズ)18によりCCDやCMOSなどの撮像素子20に結像される。撮像素子20は受光した回折光を光電変換し、得られた受光信号は解析されて画像データとして再生される。
In order to reproduce the data recorded on the
ところで、ホログラフィックメモリの記憶容量は、光ディスクの記憶容量が面記録密度で決められるに対して体積記録密度で決められる。データをホログラフィックに記録する場合、ホログラム記録メディア14には記録データが直接記録されるのではなく、信号光と参照光の干渉縞が記録されるため、ひとつのホログラム(データページ)に1Mバイトのデータを割り当てるということも可能となる。ホログラム記録メディアの体積を利用し、このデータページの多重記録を繰り返して行くと、数100Gバイトを上回る大容量を実現できることになる。通常の体積ホログラムの多重は、各データページに関して参照光を固定せずに、何らかの変化を持たせて同じ場所に或いは、ほとんど同じ場所に異なる干渉縞を記録し、異なる参照光(再生光)間でBragg選択性を持たせることにより実現される。代表的な多重方式としては、角度多重、シフト多重、波長多重、位相変調多重などがある。
By the way, the storage capacity of the holographic memory is determined by the volume recording density while the storage capacity of the optical disk is determined by the surface recording density. When recording data in a holographic manner, recording data is not directly recorded on the
上記のような多重方式の中で位相変調多重方式に着目すると、この位相変調多重方式は他の方式と大きく異なる点があり、それは光学系内でメカニカルに参照光の角度を変化させたり、ホログラム記録メディアをシフトさせたりするのではなく、光学部品は全て固定したままで、参照光を空間光変調器で光位相変調して様々な位相を有する参照光を生成し、各参照光毎に信号光と干渉させてホログラム記録メディアの同一記録領域(スポット)にデータを多重記録する方式で、この光の位相という特性を用いることにより、再生データのS/N比を低下させる原因の一つであるクロストークを大幅に減らせるという利点がある。 Focusing on the phase modulation multiplexing method among the above multiplexing methods, this phase modulation multiplexing method is greatly different from other methods, such as mechanically changing the angle of the reference beam in the optical system, Rather than shifting the recording medium, all optical components remain fixed, and the reference light is optically phase-modulated with a spatial light modulator to generate reference light having various phases. This is a method of multiplex recording data in the same recording area (spot) of a hologram recording medium by interfering with light. One of the causes of reducing the S / N ratio of reproduced data by using this light phase characteristic. There is an advantage that a certain crosstalk can be greatly reduced.
これまでに報告されている位相変調多重方式を用いたホログラムメモリに関する文献は、いずれも1次元の空間光位相変調器を用いた場合についてのものばかりである。1次元位相変調器を使った実験で180多重したという報告が、1998年にDenzらによってなされている(例えば非特許文献1参照)。 All the literatures related to the hologram memory using the phase modulation multiplexing method reported so far are only about the case where a one-dimensional spatial light phase modulator is used. A report of 180 multiplexing in an experiment using a one-dimensional phase modulator was made by Denz et al. In 1998 (see Non-Patent Document 1, for example).
位相変調多重方式において、クロストークのない多重記録を実現するために実際の光学系に課せられる条件は、まず参照光が均一な明るさで且つ、後述するように直交位相変調コードを正確に再現した位相変調を受けることである。この条件は空間光位相変調器が1次元の場合でも2次元の場合でも変わらないが、いずれにしても空間光相変調器のサイズが大きくなるほど参照光での均一照射は困難になる。また、レンズの収差によっても参照光の領域によって光波の平行度が異なってくるため、コードの直交性が満たされない状況になってしまう。 In the phase modulation multiplex method, the conditions imposed on the actual optical system to realize multiplex recording without crosstalk are that the reference light has uniform brightness and accurately reproduces the quadrature phase modulation code as described later. Is subject to phase modulation. This condition does not change whether the spatial light phase modulator is one-dimensional or two-dimensional, but in any case, the uniform irradiation with the reference light becomes more difficult as the size of the spatial light phase modulator increases. In addition, since the parallelism of the light wave varies depending on the region of the reference light due to the aberration of the lens, the code orthogonality is not satisfied.
空間光位相変調器を2次元化することによる利点は、効率良く多重度を増やせるといことにある。空間光位相変調器に位相変調パターン(位相アドレスパターン)を表示するとき、ある分解能より細かいピッチでパターンを表示しても、それらのパターンの間に選択性が作用しなくなるために、異なるデータページを独立に再生することが不可能となる。この分解能の限界は、Bragg条件でも決まるが、実際にホログラムとして記録されているのは、参照光の光学系に組まれている拡散体によるスペックルパターンである。よって、実際には空間光位相変調器の解像度にも依存することになる。それ故、分解能が決まってしまうと、多重度を増していくためには空間光位相変調器のサイズを大きくしていかなければならないことになるが、たとえば、同じ多重度を確保するために1次元空間光位相変調器の横寸法(幅)は、2次元の場合の平方倍となる。先ほど述べたが、空間光位相変調器の表示領域が大きくなるほど、光学的に不利な条件も増すので、2次元パターンで表示できた方が有利となるのは明らかである。
上記のように位相変調多重方式では、2次元の空間光位相変調器を用いることが光学的な負担が少なく有利である。この2次元の空間光位相変調器により参照光を光位相変調するには位相アドレスコードに対応する位相変調パターンを作成し、この位相変調パターンが表示された空間光位相変調器により参照光を光位相変調する。これにより、位相変調パターン毎に光位相変調された参照光を生成し、各参照光と信号光の干渉縞を同一記録領域に多重記録する。その際、空間光位相変調器に表示された位相変調パターンを照射する参照光が平行光でその明るさが均一でないと、参照光の変調が0かπの2値で行われなくなり、直交性が失われてクロストークが増加してしまい、再生データのS/N比が悪化してしまうという問題がある。しかし、平行光でその明るさが均一の参照光を生成することは光学系の収差や光源であるレーザー光の明るさの不均一性により困難であり、光位相変調が理想的な状態からずれてしまい、上記問題を避けて通ることはできなかった。 As described above, in the phase modulation multiplexing system, it is advantageous to use a two-dimensional spatial light phase modulator with less optical burden. In order to optically modulate the reference light with the two-dimensional spatial light phase modulator, a phase modulation pattern corresponding to the phase address code is created, and the reference light is emitted by the spatial light phase modulator on which the phase modulation pattern is displayed. Phase modulation. As a result, reference light that is optically phase-modulated for each phase modulation pattern is generated, and interference fringes of each reference light and signal light are multiplexed and recorded in the same recording area. At this time, if the reference light that irradiates the phase modulation pattern displayed on the spatial light phase modulator is parallel light and the brightness thereof is not uniform, modulation of the reference light is not performed with binary values of 0 or π, and orthogonality Is lost, crosstalk increases, and the S / N ratio of the reproduced data is deteriorated. However, it is difficult to generate reference light with uniform brightness using parallel light, due to aberrations in the optical system and non-uniformity in the brightness of the laser light that is the light source, and optical phase modulation deviates from the ideal state. Therefore, it was impossible to avoid the above problem.
本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、位相変調多重方式によりデータを多重記録した際に光位相変調が理想的な状態で行われなくとも、クロストークを低減して再生データのS/N比を良好に保持することができるホログラム記録再生装置、ホログラム記録再生方法、位相アドレスコード作成方法及びプログラムを提供することにある。 The present invention has been devised in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to achieve crosstalk even when optical phase modulation is not performed in an ideal state when data is multiplexed and recorded by the phase modulation multiplexing method. Is to provide a hologram recording / reproducing apparatus, a hologram recording / reproducing method, a phase address code generating method, and a program that can maintain a good S / N ratio of reproduced data.
本発明は上記目的を達成するため、記録データによって空間光変調された第1の光ビームを第2の光ビームと干渉させることにより生じる干渉縞をホログラム記録媒体に記録するホログラム記録装置であって、ユニタリ行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて、位相アドレスコードを作成する位相アドレスコード作成手段と、前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記第2の光ビームを光位相変調する光位相変調手段とを具備し、前記光位相変調された第2の光ビームと前記空間光変調された第1の光ビームの干渉縞を前記ホログラム記録媒体の同一領域に多重記録することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention provides a hologram recording apparatus for recording on a hologram recording medium interference fringes generated by causing a first light beam spatially modulated by recording data to interfere with a second light beam. , Phase address code creating means for creating a phase address code based on the remaining elements obtained by removing either the first column or the first row of the unitary matrix, and a phase generated from the created phase address code Optical phase modulation means for optically phase-modulating the second light beam by a modulation pattern, and interference fringes between the second light beam modulated by the optical phase and the first light beam modulated by the spatial light. Multiple recording is performed in the same area of the hologram recording medium.
このように本発明のホログラム記録装置では、光位相変調が理想的な状態からずれて行われた場合、ユニタリ行列の一種である例えばアダマール行列より位相アドレスコードを作成した時に、行列を構成する要素の一部が本来の値からずれたアダマール行列に基づいて位相アドレスコードを作成した場合と等価になる。この等価のアダマール行列では特に第1列及び第1行の要素が多重記録したデータを再生する際のクロストークを発生させる作用として大きく貢献するため、アダマール行列から第1列(又は第1行)を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成し、この位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより第2の光ビームを光位相変調することによって、位相変調多重記録すれば、再生データのクロストークを低減することができ、再生データのS/N比を良好に保持することができる。 As described above, in the hologram recording apparatus of the present invention, when the optical phase modulation is performed out of the ideal state, when a phase address code is created from a unitary matrix, for example, a Hadamard matrix, elements constituting the matrix This is equivalent to the case where the phase address code is created based on the Hadamard matrix in which a part of is deviated from the original value. In this equivalent Hadamard matrix, the elements of the first column and the first row contribute greatly as an effect of generating crosstalk when reproducing the data recorded in multiple recording. Therefore, the first column (or the first row) from the Hadamard matrix. If the phase modulation multiplex recording is performed by creating a phase address code based on the remaining elements from which the phase is removed and optically phase-modulating the second light beam with the phase modulation pattern generated from the phase address code, the reproduction data Crosstalk can be reduced, and the S / N ratio of the reproduced data can be maintained well.
また、本発明は、干渉縞が記録されているホログラム記録媒体に光ビームを照射することにより発生する回折光を受光素子で受光することにより読み出してデータを再生するホログラム再生装置であって、ユニタリ行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて、位相アドレスコードを作成する位相アドレスコード作成手段と、前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記光ビームを光位相変調する光位相変調手段とを具備し、前記光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体に照射して前記回折光を得ることを特徴とする。 The present invention also relates to a hologram reproducing apparatus for reproducing data by reading out diffracted light generated by irradiating a light beam onto a hologram recording medium on which interference fringes are recorded, and receiving the light by a light receiving element. Phase address code generating means for generating a phase address code based on the remaining elements from which either the first column or the first row of the matrix is removed, and a phase modulation pattern generated from the generated phase address code And an optical phase modulation means for optical phase modulating the optical beam, and irradiating the hologram recording medium with the optical phase modulated optical beam to obtain the diffracted light.
このように本発明のホログラム再生装置では、ユニタリ行列の一種である例えばアダマール行列から第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成し、この位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより光ビーム(再生光)を光位相変調することにより、記録時の参照光と同一の再生光を生成し、これをホログラム記録媒体に照射することによって、クロストークが低減したS/Nの良いデータを再生することができる。 Thus, in the hologram reproducing apparatus of the present invention, a phase address code is created based on the remaining elements obtained by removing either the first column or the first row from the Hadamard matrix, which is a kind of unitary matrix, and this phase By optically phase-modulating the light beam (reproduction light) with the phase modulation pattern generated from the address code, the same reproduction light as the reference light at the time of recording is generated, and this is irradiated onto the hologram recording medium, thereby Data with good S / N with reduced talk can be reproduced.
また、本発明は、記録データによって空間光変調された第1の光ビームを第2の光ビームと干渉させることにより生じる干渉縞をホログラム記録媒体に記録するホログラム記録方法であって、ユニタリ行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて、位相アドレスコードを作成するステップと、前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記第2の光ビームを光位相変調するステップとを具備し、前記光位相変調された第2の光ビームと前記空間光変調された第1の光ビームの干渉縞を前記ホログラム記録媒体の同一領域に多重記録することを特徴とする。 The present invention is also a hologram recording method for recording interference fringes generated by causing a first light beam spatially modulated by recording data to interfere with a second light beam on a hologram recording medium, wherein the unitary matrix A step of creating a phase address code based on the remaining elements from which either the first column or the first row is removed, and the second light by a phase modulation pattern generated from the created phase address code And optically phase-modulating the beam, and multiple-recording interference fringes of the optical phase-modulated second light beam and the spatial light-modulated first light beam in the same region of the hologram recording medium It is characterized by that.
このように本発明のホログラム記録方法では、光位相変調が理想的な状態からずれて行われた場合、ユニタリ行列の一種である例えばアダマール行列より位相アドレスコードを作成した時に、行列を構成する要素の一部が本来の値からずれたアダマール行列に基づいて位相アドレスコードを作成した場合と等価になる。このアダマール行列では特に第1列及び第1行の要素が多重記録したデータを再生する際のクロストークを発生させる作用として大きく貢献するため、アダマール行列から第1列(又は第1行)を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成し、この位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより第2の光ビームを光位相変調することによって、位相変調多重記録すれば、再生データのクロストークを低減することができ、再生データのS/N比を良好に保持することができる。 As described above, in the hologram recording method of the present invention, when the optical phase modulation is performed out of the ideal state, when a phase address code is created from a unitary matrix, for example, a Hadamard matrix, the elements constituting the matrix This is equivalent to the case where the phase address code is created based on the Hadamard matrix in which a part of is deviated from the original value. In this Hadamard matrix, the first column (or first row) is removed from the Hadamard matrix because the elements of the first column and the first row greatly contribute to the effect of generating crosstalk when data recorded in multiple recording is reproduced. A phase address code is created based on the remaining elements, and the second light beam is optically phase-modulated by the phase modulation pattern generated from the phase address code. Talk can be reduced, and the S / N ratio of the reproduced data can be kept good.
また、本発明は、干渉縞が記録されているホログラム記録媒体に光ビームを照射することにより発生する回折光を受光素子で受光することにより読み出してデータを再生するホログラム再生方法であって、ユニタリ行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて、位相アドレスコードを作成するステップと、前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記光ビームを光位相変調するステップとを具備し、前記光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体に照射して前記回折光を得ることを特徴とする。 The present invention also relates to a hologram reproduction method for reproducing data by reading out a diffracted light generated by irradiating a light beam onto a hologram recording medium on which interference fringes are recorded, and receiving the light by a light receiving element. A step of generating a phase address code based on the remaining elements obtained by removing either the first column or the first row of the matrix; and the light beam by a phase modulation pattern generated from the generated phase address code. And diffracting light to obtain the diffracted light by irradiating the hologram recording medium with the optical phase-modulated light beam.
このように本発明のホログラム再生方法では、ユニタリ行列の一種である例えばアダマール行列から第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成し、この位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより光ビーム(再生光)を光位相変調することにより、記録時の参照光と同一の再生光を生成し、これをホログラム記録媒体に照射することによって、クロストークが低減したS/Nの良いデータを再生することができる。 Thus, in the hologram reproducing method of the present invention, a phase address code is created based on the remaining elements obtained by removing either the first column or the first row from the Hadamard matrix, which is a kind of unitary matrix, and this phase By optically phase-modulating the light beam (reproduction light) with the phase modulation pattern generated from the address code, the same reproduction light as the reference light at the time of recording is generated, and this is irradiated onto the hologram recording medium, thereby Data with good S / N with reduced talk can be reproduced.
また、本発明は、光位相変調器により光ビームを光位相変調する際に前記光位相変調器に表示する位相変調パターンを生成するための位相アドレスコードを作成する方法であって、行列サイズmのアダマール行列を生成するステップと、前記生成されたアダマール行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去するステップと、前記第1列又は第1行のいずれか一方が除去されたアダマール行列の残りの要素から位相変調アドレスコードを作成するステップとを具備することを特徴とする。 The present invention is also a method for creating a phase address code for generating a phase modulation pattern to be displayed on the optical phase modulator when the optical beam is optically phase modulated by the optical phase modulator, the matrix size m Generating a Hadamard matrix, removing one of the first column or the first row of the generated Hadamard matrix, and the Hadamard from which either the first column or the first row is removed Creating a phase modulation address code from the remaining elements of the matrix.
このように本発明の位相アドレスコード作成方法では、第1列又は第1行のいずれか一方を除去されたアダマール行列の残りの要素より位相変調アドレスコードが作成され、この位相変調アドレスコードから生成される位相変調パターンを用いれば、参照光を光位相変調すれば、光位相変調が理想的な状態からずれて行われても、クロストークの少ない位相変調多重を行うことができる。 Thus, in the phase address code creation method of the present invention, a phase modulation address code is created from the remaining elements of the Hadamard matrix from which either the first column or the first row is removed, and is generated from this phase modulation address code. If the phase modulation pattern is used, if the reference light is optically phase-modulated, phase modulation multiplexing with little crosstalk can be performed even if the optical phase modulation is shifted from an ideal state.
また、本発明は、光位相変調器により光ビームを光位相変調する際に前記光位相変調器に表示する位相変調パターンを生成するための位相アドレスコードを作成するプログラムであって、行列サイズmのアダマール行列を生成する機能と、前記生成されたアダマール行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去する機能と、前記第1列又は第1行のいずれか一方が除去されたアダマール行列の残りの要素から位相変調アドレスコードを作成する機能とをコンピュータに実現させることを特徴とする。 The present invention is also a program for creating a phase address code for generating a phase modulation pattern to be displayed on the optical phase modulator when the optical beam is optically phase modulated by the optical phase modulator, the matrix size m A function of generating a Hadamard matrix, a function of removing either the first column or the first row of the generated Hadamard matrix, and a Hadamard from which one of the first column or the first row is removed And a function of creating a phase modulation address code from the remaining elements of the matrix.
以上詳細に説明したように、本発明によれば、アダマール行列から第1列(又は第1行)を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成し、この位相アドレスコードから生成される位相変調パターンを光位相変調器に表示し、この光位相変調器で参照光(再生光)を光位相変調することにより、参照光が平行光からずれていたり或いはその明るさが不均一であって光位位相変調が理想的な状態からずれていても、クロストークを低減させて再生データのS/N比を良好に保持することができる。また、平行光でその明るさが均一な参照光を生成する光学系の精度を緩やかにしてもS/Nの良好な位相変調多重記録を行うことができる。 As described above in detail, according to the present invention, a phase address code is generated based on the remaining elements obtained by removing the first column (or first row) from the Hadamard matrix, and is generated from this phase address code. By displaying the phase modulation pattern on the optical phase modulator and modulating the reference light (reproduced light) with this optical phase modulator, the reference light is deviated from the parallel light or its brightness is not uniform. Thus, even if the optical phase modulation deviates from the ideal state, the crosstalk can be reduced and the S / N ratio of the reproduced data can be maintained well. Also, phase modulation multiplex recording with good S / N can be performed even if the accuracy of an optical system that generates parallel reference light with uniform brightness is reduced.
位相変調多重方式によりデータを多重記録した際に光位相変調が理想的な状態で行われなくとも、クロストークを低減して再生データのS/N比を良好に保持する目的を、アダマール行列から第1列(又は第1行)を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成し、この位相アドレスコードから生成される位相変調パターンを光位相変調器に表示し、この光位相変調器で参照光(再生光)を光位相変調することにより実現した。 Even if optical phase modulation is not performed in an ideal state when data is multiplexed and recorded by phase modulation multiplexing, the purpose of reducing the crosstalk and maintaining a good S / N ratio of the reproduced data is based on the Hadamard matrix. A phase address code is created based on the remaining elements from which the first column (or first row) is removed, and a phase modulation pattern generated from the phase address code is displayed on the optical phase modulator. This was realized by optical phase modulation of the reference beam (reproduced beam).
図1は、本発明の一実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示したブロック図である。但し、従来例と同一の部分は同一符号を用いて説明する。ホログラム記録再生装置は、レーザー光源2、シャッター4、ビームスプリッター6、ミラー8、空間光変調器10、信号光用レンズ(フーリエレンズ)10、ホログラム記録メディア14、ミラー16、レンズ(逆フーリエレンズ)18、CCD等の撮像素子20、2次元の空間光位相変調器(以降、単に位相変調器と称する)22、レンズレットアレイ24、参照光(または再生光)用レンズ(フーリエレンズ)26を有して構成されている。但し、特許請求の範囲のホログラム記録媒体はホログラム記録メディア14に相当し、光位相変調手段は空間光位相変調器22に相当し、受光素子は撮像素子20に相当する。
FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of a hologram recording / reproducing apparatus according to an embodiment of the present invention. However, the same parts as in the conventional example will be described using the same reference numerals. The hologram recording / reproducing apparatus includes a
尚、2次元の位相変調器22としては、浜松ホトニクス製のPPMX8267を用い、その性能は、入力信号XGAレベル、制御画素数約590000(画素)、有効画面サイズ20×20mm、位相変調量2π以上である。
As the two-
図2は図1に示したホログラム記録再生装置の信号処理系の構成を示したブロック図である。信号処理系は、パーソナルコンピュータなどの制御部28がシャッター4の開閉制御、空間光変調器10のデータページの表示制御、後述する位相アドレスコードに対応する位相変調パターンの2次元の位相変調器22への表示制御、撮像素子20の受光信号から画像データを再生する制御を行うように構成されている。但し、特許請求の範囲の位相アドレスコード作成手段は制御部28に相当する。
FIG. 2 is a block diagram showing a configuration of a signal processing system of the hologram recording / reproducing apparatus shown in FIG. In the signal processing system, a
次に本実施の形態の動作について説明する。まず、制御部28は空間光変調器10に記録するデータページを表示すると共に、2次元の位相変調器22に位相変調パターンを表示した後、シャッター4を開く。これにより、レーザー光源2から出射された干渉性を持つレーザー光はシャッター4を通してビームスプリッター6に入射し、信号光(第1の光ビーム)100と参照光(第2の光ビーム)200に分岐される。信号光100はミラー8を介して空間光変調器10に入射され、信号光はデータページを表示した空間光変調器10で強度変調される。強度変調された信号光はレンズ12によりホログラム記録メディア14に集光される。
Next, the operation of the present embodiment will be described. First, the
一方、参照光200はミラー16を介して2次元の位相変調器22に入射され、ここで光位相変調(以降単に位相変調と称する)された後、レンズレットアレイ24、レンズ26を介してホログラム記録メディア14に上記信号光100に重なるように集光される。これにより、ホログラム記録メディア14の記録領域において、この信号光100と参照光200が重ねあわされて、その結果形成される干渉縞がホログラム記録メディア14に微細な疎密パターンとして記録される。
On the other hand, the reference beam 200 is incident on the two-
ホログラム記録メディア14に記録されたデータを再生するには、参照光200と同一の再生光をホログラム記録メディア14に入射させることにより、ホログラム記録メディア14に記録されている干渉縞に対応する回折光としてデータが再生され、この回折光がレンズ18によりCCDやCMOSなどの撮像素子20に結像される。撮像素子20は受光した回折光を光電変換し、得られた受光信号は制御部28により解析されて画像データとして再生される。
In order to reproduce the data recorded on the
ここで、参照光200を変調する2次元の位相変調器22に表示される位相変調パターンについて図3を参照してさらに詳しく説明する。位相変調器22には、参照光200を光位相変調する位相変調パターンが図3に示すように表示される。参照光200は位相変調器22に平面波として入射し、位相変調パターンにより記録多重度に応じて光位相変調される。
Here, the phase modulation pattern displayed on the two-
その後に、レンズ26によってそれぞれの位相を持った参照光200がホログラム記録メディア14の同一の領域に入射し、空間光変調器10で強度変調を受け、レンズ12により入射される信号光100と干渉縞を形成する。位相変調多重記録されたデータページを再生する際は、各データページを記録した際に用いた位相変調パターンと同一の位相変調パターンで光位相変調された再生光を、記録時と同一角度でホログラム記録メディア14に入射させると、同一の記録領域から対応するデータページを独立に再生することができる。
Thereafter, the reference light 200 having the respective phases is incident on the same region of the
ところで、ホログラム記録メディア14のひとつの記録領域に位相変調多重方式でデータページを多重記録した場合、各データページ間でクロストークのない状況は、以下の式(1)で表される。
By the way, when data pages are multiplexed and recorded in one recording area of the
この式(1)において、χ・χ*ユニタリ行列で、i番目のデータページの記録に用いた参照光200の位相アドレスが示されている。この式(1)の行列から、互いに直交するN個の列(あるいは行)が得られ、行列要素が位相アドレスコードの位相項に相当し、これが最大多重(N多重)可能な位相アドレスコードとなる。 In this equation (1), the phase address of the reference beam 200 used for recording the i-th data page is indicated by a χ · χ * unitary matrix. N columns (or rows) which are orthogonal to each other are obtained from the matrix of the equation (1), and the matrix element corresponds to the phase term of the phase address code, which is a phase address code capable of maximum multiplexing (N multiplexing) and Become.
この位相アドレスコードは、一般に、Walsh−Hadamard(アダマール)行列(H−行列)を用いて生成される。このH−行列は、行列の2辺の要素を除いて1と−1を同数含んでおり、以下のようなアルゴリズムでH−行列は生成される。 This phase address code is generally generated using a Walsh-Hadamard matrix (H-matrix). This H-matrix includes the same number of 1s and -1 except for elements on two sides of the matrix, and the H-matrix is generated by the following algorithm.
ここで、式(2)で示されるH−行列各要素の1を変調0、−1を変調πに対応させれば、式(1)を満たす位相直交アドレスコードとなる。 Here, if 1 of each element of the H-matrix represented by Expression (2) is associated with modulation 0 and −1 is associated with modulation π, a phase orthogonal address code satisfying Expression (1) is obtained.
位相変調多重方式の場合、以上で示したようにBragg条件に従って回折される光波のうち、クロストークに寄与する余計な光波同士が干渉して弱められ、消失するという特徴をもっている。この原理によりデータの多重記録が可能で、他の多重方式と比較してS/N比を飛躍的に向上させることができる。 In the case of the phase modulation multiplexing method, as described above, among the light waves diffracted according to the Bragg condition, extra light waves contributing to crosstalk are weakened by interference and disappear. By this principle, multiple recording of data is possible, and the S / N ratio can be dramatically improved as compared with other multiplexing systems.
次にH−行列によって得られる直交コード(位相アドレスコード)と、位相変調器22で表示する位相変調パターンとの対応関係について説明する。直交コードを位相変調器22の表示パターンに対応させる方法として、最も簡単なのは、参照光200を2次元格子状に多重度N分割し、各セルに直交コードのひとつの要素を対応させるという方法である。H−行列のH(4)の場合は、式(3)に示すように表され、位相アドレスコードは(φi1、φi2、φi3、φi4)となる。
Next, the correspondence relationship between the orthogonal code (phase address code) obtained by the H-matrix and the phase modulation pattern displayed by the
この式(3)の右辺で示した相アドレスコードφ1、φ2、φ3、φ4に対応して位相変調パターンが作成される。これら位相変調パターンにより位相アドレスコードは2次元の平面状に割り振られることになる。したがって、位相変調パターンは図4(A)に示すように、位相変調器22の表示面を4分割し、各分割部に0が−πに対応するパターンを有している。図4(B)は実際の位相変調パターンを示したもので、0は黒で、−πは白で表している。この図4(B)では、位相アドレスコードφ1、φ2、φ3、φ4に対応する位相変調パターンがそれぞれP1,P2,P3,P4で示されている。
Phase modulation patterns are created corresponding to the phase address codes φ1, φ2, φ3, and φ4 shown on the right side of the equation (3). With these phase modulation patterns, the phase address codes are allocated in a two-dimensional plane. Therefore, as shown in FIG. 4A, the phase modulation pattern is obtained by dividing the display surface of the
そこで、制御部28は、図4(B)で示される位相変調パターンP1を位相変調器22に表示すると共に、データページデータD1(図示せず)を空間光変調器10に表示して、前述した如く、ホログラム記録メディア14の記録領域にデータページデータD1をホログラム記録する。次に、制御部28は、図4(B)で示される位相変調パターンP2を位相変調器22に表示すると共に、データページデータD2を空間光変調器10に表示して、ホログラム記録メディア14の前記と同一の記録領域にデータページデータD2をホログラム記録する。これを繰り返すことにより、データページデータD1からD4までの4ページのデータがホログラム記録メディア14の同一の記録領域に位相変調多重記録される。
Therefore, the
再生時には、位相変調器22に位相変調パターンP1からP2を順次表示して、参照光200と同一の再生光を生成して、これら再生光をホログラム記録メディア14の前記記録領域に照射することにより、順次データページデータD1〜D4を読み出して再生することができる。
At the time of reproduction, phase modulation patterns P1 to P2 are sequentially displayed on the
前述したように、直交コードを使用してクロストークのない多重が実現するのは、位相変調器22による光位相変調が0かπの2値で行われる場合である。位相変調器22による変調精度は向上しているものの、参照光300の明るさの斑や光学系の収差などにより理想的な性能から多少はずれてしまうのは現在のところやむを得ず、このままでは、どうしてもクロストークが多くなってしまう。
As described above, multiplexing without crosstalk is realized using an orthogonal code when the optical phase modulation by the
この状況を考慮し、H−行列から直交コードを生成する際、行列の第1列(又は第1行)だけは使用しないことによりクロストークを改善する方法について説明する。以下の式(4)に示したH(4)を使い、この理由について述べる。 Considering this situation, a method for improving crosstalk by using only the first column (or first row) of a matrix when generating an orthogonal code from an H-matrix will be described. The reason for this will be described using H (4) shown in the following equation (4).
ここで、参照光200は位相変調器22によって、πで変調されるべき領域が一様にπからδずれた値で変調されるものとする。すると、H−行列は以下の式(5)に示したように書き換えられる。
Here, it is assumed that the reference light 200 is modulated by the
この式(5)を用いて(1)式と同様の計算をすると、式(6)で示された結果を得る。 When the same calculation as in the equation (1) is performed using the equation (5), the result shown in the equation (6) is obtained.
この行列の直交性は式(6)に示すようになり、再生信号として必要な対角成分に対して第1列(又は第1行)において、特にクロストークが強く発生していることがわかる。 The orthogonality of this matrix is as shown in Equation (6), and it can be seen that crosstalk is particularly strong in the first column (or the first row) with respect to the diagonal component necessary for the reproduction signal. .
このクロストークが実際にどの程度になるかを計算すると、光位相変調が理想的に行われた場合は式(4)を用いて式(1)と同様の計算をすると、以下の式(7)が得られ、光位相変調の精度が悪い場合は、式(5)でδ=0.3とし、これを用いて式(1)と同様の計算をすると、式(8)が得られる。 When calculating how much the crosstalk actually becomes, when the optical phase modulation is ideally performed, if the same calculation as the expression (1) is performed using the expression (4), the following expression (7) ) Is obtained, and when the accuracy of optical phase modulation is poor, δ = 0.3 is set in equation (5), and using this, calculation similar to equation (1) is performed to obtain equation (8).
ここで、式(7)に対応する再生画像データは図5(A)で、式(8)に対応する再生画像データは図5(B)となる。図5(A)ではクロストークがなく、対角成分が白で残りの成分が全て黒となり、クロストークがないことが分かる。一方、図5(B)では、対角成分が白で残りの成分が全てグレーと黒となり、クロストークがあることが分かる。また、グレーの部分はクロストークが大きい部分で、式(8)の第1列(又は第1行)に対応していることがわかる。 Here, the reproduced image data corresponding to Expression (7) is shown in FIG. 5A, and the reproduced image data corresponding to Expression (8) is shown in FIG. 5B. In FIG. 5A, it can be seen that there is no crosstalk, the diagonal components are white and the remaining components are all black, and there is no crosstalk. On the other hand, in FIG. 5B, the diagonal component is white and the remaining components are all gray and black, which indicates that there is crosstalk. In addition, it can be seen that the gray portion is a portion where the crosstalk is large and corresponds to the first column (or the first row) of Expression (8).
一般に、m多重できるH−行列におけるクロストーク成分は式(9)の対角成分を除いた部分で示される。 In general, the crosstalk component in the H-matrix that can be m-multiplexed is shown in the portion excluding the diagonal component of Equation (9).
式(9)において、第1列(又は第1行)以外の項のクロストークはδ2 で効いてくるのに比べて、第1列(又は第1行)の項のクロストークはδに比例して増大する。したがって、第1列(又は第1行)の項を用いなければクロストークを減少させることができる。よって、予めこれらの項を位相アドレスコードとして用いないことにすれば、光位相変調が理想的な状態からずれていても、位相変調多重記録におけるクロストークを減少させることができ、実験的にもこの効果は確かめられている。ここでは、位相のずれが一様な場合(δ=一定)についてを考えたが、ある平均的なずれ量を中心としてランダムに位相のずれが存在する場合にも、第1列(又は第1行)を除いた位相アドレスコードを用いることがクロストークを減少させることに有効となる。 In equation (9), the crosstalk of the terms in the first column (or the first row) is proportional to δ, as compared to the fact that the crosstalk of the terms other than the first column (or the first row) is effective at δ2. And increase. Therefore, crosstalk can be reduced if the terms in the first column (or first row) are not used. Therefore, if these terms are not used as the phase address code in advance, even if the optical phase modulation deviates from the ideal state, the crosstalk in the phase modulation multiplex recording can be reduced. This effect has been confirmed. Although the case where the phase shift is uniform (δ = constant) is considered here, the first column (or the first row) is also used when there is a random phase shift around a certain average shift amount. Use of the phase address code excluding the row) is effective in reducing crosstalk.
図6は制御部28により位相アドレスコードを作成する手順を示したフローチャートである。まず、位相変調多重記録する際の最大多重度に対応する行列サイズmが指定されて入力されると(ステップS1)、式(9)で示されるm×mのアダマール行列H(m)を生成し(ステップS2)、作成したアダマール行列H(m)から第1列の要素を除去する(ステップS3)。第1列の要素を除去したアダマール行列H(m)の第2列、第3列、…,第m列、をアドレスコードφ1、φ2、…、φm−1とし(ステップS4)、位相変調アドレスコード(φ1、φ2、…、φm−1)を作成する(ステップS5)。
FIG. 6 is a flowchart showing a procedure for creating a phase address code by the
その後、制御部28は図4で説明したと同様の方法によりこの位相アドレスコード(φ1、φ2、…、φm−1)に対応する位相変調パターンを作成し、順次位相変調器22に表示して、前述したと同様の位相変調多重記録を行う。
Thereafter, the
本実施の形態によれば、位相アドレスコードをアダマール行列の第1列(又は第1行)を除去した各要素から作成し、この作成した位相アドレスコードに対応する位相変調パターンを生成し、これら位相変調パターンを表示した2次元の位相変調器22により参照光を光位相変調して位相変調多重記録再生を行うことにより、参照光200の明るさの斑や光学系の収差などあって光位相変調が理想的な状態からずれて行われても、クロストークを低減した多重記録再生を行うことができる。したがって、平行光でその明るさが均一な参照光を生成する光学系の精度を緩やかにしてもS/Nの良好な位相変調多重記録再生を行うことができるため、データの多重度を光学系に負担を掛けることなく且つ、効率的に
増大させることができる。
According to the present embodiment, a phase address code is created from each element obtained by removing the first column (or first row) of the Hadamard matrix, and a phase modulation pattern corresponding to the created phase address code is generated. By performing optical phase modulation of the reference light by the two-
尚、本実施の形態の図6で示した位相アドレスコードを作成する手順を位相アドレスコード作成プログラムとしてプログラム化し、コンピュータに実行させることにより実施することができる。その際、位相アドレスコード作成プログラムはフレキシブルディスクやハードディスク等のディスク型記憶媒体、半導体メモリやカード型メモリ等の各種メモリ或いは通信ネットワークなどの各種プログラム記憶媒体を通じてコンピュータに供給することができる。 The procedure for creating the phase address code shown in FIG. 6 of the present embodiment can be implemented by programming it as a phase address code creating program and causing it to be executed by a computer. At this time, the phase address code creating program can be supplied to the computer through a disk-type storage medium such as a flexible disk or a hard disk, various memories such as a semiconductor memory or a card-type memory, or various program storage media such as a communication network.
また、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。 In addition, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be implemented in various other forms in specific configurations, functions, operations, and effects without departing from the gist thereof.
2……レーザー光源、4……シャッター、6……ビームスプリッター、8、16……ミラー、10……空間光変調器、12……信号光用レンズ(フーリエレンズ)、14……ホログラム記録メディア、18……レンズ(逆フーリエレンズ)、20……撮像素子、22……空間光位相変調器、24……レンズレットアレイ、26……参照光用レンズ(フーリエレンズ)、28……制御部。 2 ... Laser light source, 4 ... Shutter, 6 ... Beam splitter, 8, 16 ... Mirror, 10 ... Spatial light modulator, 12 ... Signal light lens (Fourier lens), 14 ... Hologram recording medium , 18... Lens (inverse Fourier lens), 20... Imaging element, 22... Spatial light phase modulator, 24... Lenslet array, 26. .
Claims (12)
ユニタリ行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成する位相アドレスコード作成手段と、
前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記第2の光ビームを光位相変調する光位相変調手段とを具備し、
前記光位相変調された第2の光ビームと前記空間光変調された第1の光ビームの干渉縞を前記ホログラム記録媒体の同一領域に多重記録することを特徴とするホログラム記録装置。 A hologram recording apparatus that records interference fringes generated by causing a first light beam spatially modulated by recording data to interfere with a second light beam on a hologram recording medium,
Phase address code creating means for creating a phase address code based on the remaining elements obtained by removing either the first column or the first row of the unitary matrix;
Optical phase modulation means for optically phase-modulating the second light beam with a phase modulation pattern generated from the created phase address code,
A hologram recording apparatus, wherein interference fringes of the optical phase-modulated second light beam and the spatial light-modulated first light beam are multiplexed and recorded in the same region of the hologram recording medium.
ユニタリ行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成する位相アドレスコード作成手段と、
前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記光ビームを光位相変調する光位相変調手段とを具備し、
前記光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体に照射して前記回折光を得ることを特徴とする特徴とするホログラム再生装置。 A hologram reproducing apparatus for reproducing data by reading out a diffracted light generated by irradiating a light beam onto a hologram recording medium on which interference fringes are recorded, by receiving the light with a light receiving element,
Phase address code creating means for creating a phase address code based on the remaining elements obtained by removing either the first column or the first row of the unitary matrix;
Optical phase modulation means for optically phase-modulating the light beam with a phase modulation pattern generated from the created phase address code,
A hologram reproducing apparatus characterized in that the diffracted light is obtained by irradiating the hologram recording medium with the optical phase-modulated light beam.
ユニタリ行列の第1列又は第2行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて、位相アドレスコードを作成するステップと、
前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記第2の光ビームを光位相変調するステップとを具備し、
前記光位相変調された第2の光ビームと前記空間光変調された第1の光ビームの干渉縞を前記ホログラム記録媒体の同一領域に多重記録することを特徴とするホログラム記録方法。 A hologram recording method for recording interference fringes generated by causing a first light beam spatially modulated by recording data to interfere with a second light beam on a hologram recording medium,
Creating a phase address code based on the remaining elements from which either the first column or the second row of the unitary matrix is removed;
Optically phase-modulating the second light beam with a phase modulation pattern generated from the generated phase address code,
A hologram recording method, wherein interference fringes of the optical phase-modulated second light beam and the spatial light-modulated first light beam are multiplexed and recorded in the same region of the hologram recording medium.
ユニタリ行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去した残りの要素に基づいて位相アドレスコードを作成するステップと、
前記作成された位相アドレスコードから生成される位相変調パターンにより前記光ビームを光位相変調するステップとを具備し、
前記光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体に照射して前記回折光を得ることを特徴とするホログラム再生方法。 A hologram reproduction method for reproducing data by reading out diffracted light generated by irradiating a light beam onto a hologram recording medium on which interference fringes are recorded, by receiving the light with a light receiving element,
Creating a phase address code based on the remaining elements from which either the first column or the first row of the unitary matrix is removed;
Optical phase modulation of the light beam with a phase modulation pattern generated from the generated phase address code,
A hologram reproducing method, wherein the diffracted light is obtained by irradiating the hologram recording medium with the optical phase-modulated light beam.
行列サイズmのアダマール行列を生成するステップと、
前記生成されたアダマール行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去するステップと、
前記第1列又は第1行のいずれか一方が除去されたアダマール行列の残りの要素から位相変調アドレスコードを作成するステップと、
を具備することを特徴とする位相アドレスコード作成方法。 A method of creating a phase address code for generating a phase modulation pattern to be displayed on the optical phase modulator when optical phase modulation of the light beam is performed by the optical phase modulator,
Generating a Hadamard matrix of matrix size m;
Removing either the first column or the first row of the generated Hadamard matrix;
Creating a phase modulation address code from the remaining elements of the Hadamard matrix from which either the first column or the first row has been removed;
A phase address code creating method comprising:
行列サイズmのアダマール行列を生成する機能と、
前記生成されたアダマール行列の第1列又は第1行のいずれか一方を除去する機能と、
前記第1列又は第1行のいずれか一方が除去されたアダマール行列の残りの要素から位相変調アドレスコードを作成する機能と、
をコンピュータに実現させることを特徴とする位相アドレスコード作成プログラム。
A program for creating a phase address code for generating a phase modulation pattern to be displayed on the optical phase modulator when an optical beam is optically phase modulated by an optical phase modulator,
A function for generating a Hadamard matrix of matrix size m,
A function of removing either the first column or the first row of the generated Hadamard matrix;
A function of creating a phase modulation address code from the remaining elements of the Hadamard matrix from which either the first column or the first row is removed;
A program for creating a phase address code, characterized in that a computer is realized.
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