CN103348409B - 全息存储器再现装置及全息存储器的再现方法、解调装置及解调方法以及观测装置及观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能够不受噪声影响而精密地再现多值相位信息的全息存储器再现装置。本发明的全息存储器再现装置包括：全息图衍射光生成单元，将第一参考光照射至所述全息存储器，生成所述第一全息图的衍射光；全息图生成单元，使能与所述第一全息图的衍射光产生干涉的第二参考光的相位发生变化，并且基于所述第一全息图的衍射光与所述相位发生了变化的第二参考光生成第二全息图；检测单元，检测所述第二全息图的强度分布；以及处理单元，根据所述强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

Description

全息存储器再现装置及全息存储器的再现方法、解调装置及解调方法以及观测装置及观测方法

技术领域

本发明涉及全息存储器的再现装置及再现方法。另外，本发明涉及空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的解调装置及解调方法。另外，本发明涉及光强度分布及光相位分布的观测装置及观测方法。

背景技术

至今为止，以CD或DVD、蓝光光盘等二维记录方式的光盘为中心，光存储器不断发展。然而，二维记录方式的光存储器已达到衍射极限，难以进行更进一步的大容量化。因此，近年来，三维记录方式的光存储器的开发正活跃地进行。若采用三维记录方式，则与二维记录方式相比，有可能能够使记录容量增大100倍～1000倍以上。理论上甚至能够实现100TB级的光盘存储器。

作为面向光存储器的大容量化的技术，可以列举1)近场光记录方式、2)双光子吸收存储器及3)全息存储器这三种技术。1)近场光记录方式是使用光的波长大小以下的光即“近场光”的记录方式。近场光记录方式基本上是二维记录方式的技术，但通过使用近场光，有可能实现超过衍射极限的高密度记录。另外，2)双光子吸收存储器是通过利用非线性效应的强度依赖性而能够在三维空间存取记录介质的三维记录方式的光存储器。与上述两种技术不同，3)全息存储器是如下的光存储器，即：通过多重记录由信号光与参考光的干涉生成的全息图，能够不使记录介质多层化而在三维空间进行记录。

目前，采用上述1)～3)技术的光存储器均实现了约500GB～1TB左右的记录容量。因此，从记录容量的观点出发，采用上述1)～3)技术的光存储器之间在优劣方面无太大差异。然而，从数据传输速度的观点出发，在采用上述1)～3)技术的光存储器中，特别是具备在空间上进行二维超并行式输入输出这种功能的全息存储器具有较大的优势。最近，还开发出了超过微秒的高速响应的空间光调制器(SpatialLightModulator；以下有时也简称为“SLM”)等。通过将此种高速响应的SLM应用于全息存储器，从而有可能实现超过100Gbps的传输速度。

全息存储器能够实现高密度记录与高数据传输速度这两者，因此，正在期待该全息存储器被应用为下一代光存储器。当前开发出的全息存储器的记录容量为600GB～1TB/片左右(例如参照非专利文献1)。HDD(3.5英寸，存储容量为2TB)的一张盘片的单面的记录容量为333GB，因此，从记录容量的观点出发，与已被实用化的磁记录介质相比，全息存储器具有记录容量为其2倍～3倍左右的优势。另外，能够认为理论上可使全息存储器的记录容量进一步扩大10倍～100倍。在此种状况下，为了增大全息存储器的记录容量，目前不仅在研究至今为止的强度调制方式的全息存储器，还正在研究相位调制方式的全息存储器。然而，相位调制方式的全息存储器存在以下的问题：由于光检测器无法直接检测相位调制信号，所以必须利用某些方法将相位调制信号转换成强度信号后再进行检测。

强度调制方式是最普遍的调制方法，至今为止已有大量事例的报告(例如参照非专利文献1～非专利文献3)。从最开始启示能够使用全息摄影记录信息的文献(非专利文献2)到已有产品化前景的最近的文献(非专利文献1、非专利文献3)，利用了全息摄影的记录方式大多使用2进制(0和1)强度调制。然而，强度调制虽然具有能以简单的光学系统构建系统这一优点，但另一方面在强度调制中激光照射区域的中央部与周边部之间的曝光强度差大，导致大幅消耗记录介质的动态范围，因此存在记录效率差这一问题。引起该问题的原因在于：在一般的傅立叶变换全息图像中，傅立叶变换图像的中央附近的强度与所有像素的振幅之和成比例，因此激光照射区域的中央附近与周边部之间的曝光强度差增大(例如参照非专利文献4)。

作为用于缓和上述强度调制方式中的问题的方法，已有使用调制编码的方法，该调制编码是指将2进制信息分散至被称为区块的多个像素中并进行编码，仅使区块内的一部分的像素发光来表现数据。通过这样使用调制编码，能够减少由像素之间的串扰引起的错误。另外，通过使用调制编码，使激光照射区域的中央附近与周边部之间的曝光强度差减小，从而增大多重记录数，由此，也能够高效率地进行记录(例如参照非专利文献5、非专利文献6)。然而，若使用调制编码，则会导致以“(每一个区块的记录比特数)/(每一个区块的像素数)”定义的码率小于1。这意味着在原理上使用了调制编码时的每一个区块的记录容量小于未使用调制编码时的记录容量。

为了扩大全息存储器的记录容量，需要在每一个像素上记录多个信息的方法，也就是使码率大于1的方法。为了实现大于1的码率，需要使用多于0、1这两个值的多值信号。能够通过将光强分为多个阶段而实现该多值信号，由此，能够显著地提高码率。然而，对于目前的直接检波方式，由于检测系统的精度或噪声，导致再现光的信噪比因多值数的增大而大幅劣化(例如参照非专利文献7)。

如上所述，在强度调制方式中，激光照射区域的中央部与周边部之间的曝光强度差大，导致大幅消耗记录介质的动态范围，对于这一问题，还能够通过相位调制方式加以解决。相位调制方式是使用光波的相位进行调制的方式，近年来其备受关注。例如，对于相位调制方式，当将某个像素的光波的相位设为0时，将其他像素的光波的相位设为π来表现信息。当由空间光调制器(SLM)生成的二维页数据所含的像素中相位0与相位π的像素数量相同时，激光照射区域的中央附近与周边部之间不会产生曝光强度差，能够抑制对于记录介质动态范围的多余的消耗。这将大幅地有助于增大多重记录数。然而，CCD等光电转换器件仅对光强具有灵敏度，因而无法直接检测相位信息。因此，为了检测相位信息，必须在进行光检测之前将相位转换成强度。对于相位调制方式而言，这一特征会成为很大的问题。

至今为止，已提出了若干用于实现相位调制型全息存储器的相位检测方法(例如参照非专利文献4、非专利文献8、非专利文献9)。

在非专利文献4中，提出了边缘检测(Edge-Detection)法作为用于全息存储器的相位检测方法。边缘检测法是很好地利用了相位调制型全息存储器的特长的方法。在相位调制型全息存储器中，傅立叶变换图像中央的强度(直流成分)欠缺，因此，仅利用除此之外的交流成分进行再现。这意味着再现图像(实际空间分布)中的相位0与相位π的像素的边界部分的强度被加强。换句话说，只要以某一已知的像素为基准沿着强度被加强的边界进行处理，就能够确定所有像素的相位。该方法具有能够利用与强度调制型全息存储器完全相同的光学系统实现相位调制型全息存储器的优点，而另一方面存在不适于检测多值相位调制信号的问题。

在非专利文献8中，提出了使用复折射介质的相位检测法。该方法使用π/4波片使再现光成为圆偏振光，然后使该圆偏振光通过复折射介质。由此，稍微错开的再现光彼此干涉，从而获得强度图案。因为能够根据预先设计的复折射介质确定错开的像素数，所以能够根据获得的强度图案取舍相位信息。根据该非专利文献内记载的实验，已知该方法具有高抗位置偏差性，因此该方法对于对偏差敏感的相位检测而言是非常有吸引力的方法。然而，该方法也存在以下的问题：难以检测多值信号，而且需要以高精度设计复折射介质。

在非专利文献9中提出了光锁相方式共线全息图的方案，将其作为采用单光束记录方式而受到关注的共线光学系统专用的相位调制型全息存储器。在该单光束记录方式中，在再现共线全息图时，除了对所记录的全息图照射通常的共线参考光之外，同时还照射相位已知的锁相光，由此读取已记录的相位信息作为强度信息。对于该单光束记录方式，因为锁相光透射记录全息图，所以该锁相光的相位分布会因在包括相位衍射光栅的全息图内传播而受到影响。这能够成为在检测面上产生相位误差的原因。上述方法也难以高精度地记录再现相位信息，且相位多值数也仅限于二值～四值。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：Ken-ichiShimada,ToshikiIshii,TatsuroIde,SteveHughes,AlanHoskins,KevinCurtis,"HighdensityrecordingusingMonoculararchitecturefor500GBconsumersystem",OpticalDataStorage(ODS)TopicalMeeting,TuC2(2009).

非专利文献2：P.J.VanHeerden,"Theoryofopticalinformationstorageinsolids",Appl.Opt.,Vol.2,No.4,pp.393-400(1963).

非专利文献3：KenjiTanaka,MasaakiHara,KazutatsuTokuyama,KazuyukiHirooka,Kojilshioka,AtsushiFukumotoandKenjiroWatanabe,"Improvedperformanceincoaxialholographicdatarecording,"Opt.Exp.,Vol.15,No.24,pp.16196-16209(2007).

非专利文献4：JobyJosephandDavidA.Waldman,"HomogenizedFouriertransformholographicdatastorageusingphasespatiallightmodulatorsandmethodsforrecoveryofdatafromthephaseimage",Appl.Opt.,Vol.45,pp.6374-6380(2006).

非专利文献5：GeoffreyW.Burr,JonathanAshley,HansCoufal,RobertK.Grygier,JohnA.Hoffnagle,C.MichaelJeffersonandBrianMarcus,"Modulationcodingforpixel-matchedholographicdatastorage"Opt.Lett.,Vol.22,pp.639-641(1997).

非专利文献6：JinyoungKimandJaejinLee,"Two-Dimensional5:8ModulationCodeforHolographicDataStorage",Jpn.J.ofAppl.Phys.,Vol.48,03A031-1-03A031-4(2009).

非专利文献7：GeoffreyW.Burr,GabrieleBarking,HansCoufal,JohnA.Hoffnagle,C.MichaelJeffcrsonandMarkA.Neifeld,"Gray-scaledatapagesfordigitalho1ographicdatastoragc,"Opt.Lett.,Vol.23,No.15,pp.1218-1220(1998).

非专利文献8：PalKoppa,"Phase-to-amplitudedatapageconversionforholographicstorageandopticalencryption,"Appl.Opt.,Vol.46,pp.3561-3571(2007).

非专利文献9：井上光辉，“光フェーズロック方式コリニアホログラフィー（次世代コリニアホログラムメモリの実現を目指して）”，OPTRONICS，No.12，pp.76-80(2008).

发明内容

发明要解决的问题

如上所述，以往的强度调制式全息存储器存在以下的问题：激光照射区域的中央部与周边部之间的曝光强度差增大，导致大幅度地消耗记录介质的动态范围，因此，多重记录的效率差。使用调制编码的方式虽然能够避免上述问题，但是存在以下的问题：因为每一个区块的码率变低，所以会导致记录容量变小。为了提高码率，需要使用多值强度信号，但由于检测系统的精度或噪声，尚未实现多值数大的强度调制型全息存储器。

相位调制型全息存储器能够解决上述问题。然而，相位调制型全息存储器存在以下的问题：为了检测相位信息，必须在进行光检测之前将相位转换成强度。另外，在检测转换后的强度信号时，与强度调制型全息存储器同样地存在检测系统的精度或噪声的问题。最终是目前尚未实现多值数大的相位调制型全息存储器。

本发明的目的在于，提供能够不受噪声影响而精密地再现多值相位信息的全息存储器的再现装置及再现方法。

另外，本发明的其他目的在于提供能够不受噪声影响而精密地对多值相位信息进行解调的空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的解调装置及解调方法。

另外，本发明的其他目的在于，提供能够实时地观测来自观测对象的透射光或反射光的光强度分布及光相位分布的光强度分布及光相位分布的观测装置及观测方法。

解决问题的方案

本发明人发现通过基于记录在全息存储器中的全息图(第一全息图)的衍射光与参考光生成第二全息图，能够高精度地对全息存储器中所记录的相位调制信号进行解调，在此基础上进一步研究后完成了本发明。

即，本发明涉及以下的全息存储器再现装置。

[1]全息存储器再现装置，记录有第一全息图，该全息存储器记录有第一全息图，该第一全息图基于包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光与参考光而生成，该全息存储器再现装置包括：全息图衍射光生成单元，其将第一参考光照射至所述全息存储器，生成所述第一全息图的衍射光；全息图生成单元，其使能与所述第一全息图的衍射光产生干涉的第二参考光的相位发生变化，并且基于所述第一全息图的衍射光与所述相位发生了变化的第二参考光生成第二全息图；检测单元，其检测所述第二全息图的强度分布；以及处理单元，其根据所述强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

[2]如[1]所述的全息存储器再现装置，还包括：激光光源，其射出激光；以及激光分离单元，其将从所述激光光源射出的激光分离成所述第一参考光与所述第二参考光。

[3]如[1]或[2]所述的全息存储器再现装置，所述全息图生成单元包括：可变移相器，其使所述第二参考光的相位发生变化；以及分束器，其第一面被射入所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入相位通过所述可变移相器而发生了变化的第二参考光。

[4]如[2]所述的全息存储器再现装置，所述激光光源射出直线偏振激光，所述全息图生成单元包括：半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光；第一偏振分束器，其被射入由所述分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及透射过所述分束器的所述第二参考光的一部分的光，并使入射光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射且反射另一个偏振成分；以及第二偏振分束器，其被射入透射过所述分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及由所述分束器反射后的所述第二参考光的一部分的光，并使射入的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射且反射另一个偏振成分。

[5]如[2]所述的全息存储器再现装置，所述激光光源射出直线偏振激光，所述全息图生成单元包括：半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光；以及偏振分束器，其第一面被射入由所述分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及透射过所述分束器的所述第二参考光的一部分的光，并且其第二面被射入透射过所述分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及由所述分束器反射后的所述第二参考光的一部分的光，该偏振分束器使射入的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射且反射另一个偏振成分。

[6]如[2]所述的全息存储器再现装置，所述激光光源射出直线偏振激光，所述全息图生成单元包括：半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；第一分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光射入；第一偏振分束器，其使由所述第一分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及透射过所述第一分束器的所述第二参考光的一部分的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射，并反射另一个偏振成分；第二偏振分束器，其使透射过所述第一分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及由所述第一分束器反射后的所述第二参考光的一部分的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射，并反射另一个偏振成分；以及第二分束器，其第一面被射入由所述第一偏振分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光、以及透射过所述第一偏振分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光，其第二面被射入由所述第二偏振分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光、以及透射过所述第二偏振分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光。

[7]如[2]所述的全息存储器再现装置，所述激光光源射出直线偏振激光，所述全息图生成单元包括：半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光；以及偏振分束器，其被射入由所述分束器反射后的所述第一全息图的衍射光及透射过所述分束器的所述第二参考光，该偏振分束器使射入的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射，并反射另一个偏振成分。

[8]如[1]至[7]中任一项所述的全息存储器再现装置，还包括：空间正交振幅调制信号光生成单元，其对激光进行空间正交振幅调制，生成包含空间正交振幅调制信号的信号光；以及记录单元，其将基于所述信号光与参考光生成的第一全息图记录至全息存储器。

[9]如[8]所述的全息存储器再现装置，所述空间正交振幅调制信号光生成单元包括：分束器，其被射入所述激光；反射型的第一空间光调制器，其对由所述分束器反射后的所述激光的振幅进行调制；以及反射型的第二空间光调制器，其对透射过所述分束器的所述激光的振幅进行调制，所述分束器与所述第一空间光调制器之间的光路长度L_I、以及所述分束器与所述第二空间光调制器之间的光路长度L_Q满足下式：其中，λ是所述激光的波长。

另外，本发明涉及以下的全息存储器的再现方法。

[10]全息存储器的再现方法，该全息存储器记录有第一全息图，该第一全息图基于包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光与参考光而生成，该全息存储器的再现方法包括以下的步骤：将第一参考光照射至所述全息存储器，生成所述第一全息图的衍射光；使能与所述第一全息图的衍射光产生干涉的第二参考光的相位发生变化，并且基于所述第一全息图的衍射光与所述相位发生了变化的第二参考光生成第二全息图；检测所述第二全息图的强度分布；以及根据所述强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

[11]如[10]所述的全息存储器的再现方法，还包括将从激光光源射出的激光分离成所述第一参考光与所述第二参考光的步骤。

另外，本发明涉及以下的解调装置。

[12]空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的解调装置，包括：输入单元，其接收包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光；激光光源，其射出能与所述信号光产生干涉的激光；全息图生成单元，其使所述激光的相位发生变化，并且基于所述信号光与所述相位发生了变化的激光生成全息图；检测单元，其检测所述全息图的强度分布；以及处理单元，其根据所述强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

另外，本发明涉及以下的解调方法。

[13]空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的解调方法，包括以下的步骤：接收包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光；射出能与所述信号光产生干涉的激光；使所述激光的相位发生变化，并且基于所述信号光与所述相位发生了变化的激光而生成全息图；检测所述全息图的强度分布；以及根据所述强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

另外，本发明涉及以下的观测装置。

[14]光强度分布及光相位分布的观测装置，包括：输入单元，其被输入来自观测对象的透射光或反射光；激光光源，其射出能与所述透射光或所述反射光产生干涉的激光；全息图生成单元，其使所述激光的相位发生变化，并且基于所述透射光或所述反射光与所述相位发生了变化的激光生成全息图；检测单元，其检测所述全息图的强度分布；以及处理单元，其根据所述强度分布计算出所述透射光或所述反射光的光强度分布及光相位分布。

另外，本发明涉及以下的观测方法。

[15]光强度分布及光相位分布的观测方法，包括以下的步骤：输入来自观测对象的透射光或反射光；射出能与所述透射光或所述反射光产生干涉的激光；使所述激光的相位发生变化，并且基于所述透射光或所述反射光与所述相位发生了变化的激光生成全息图；检测所述全息图的强度分布；以及根据所述强度分布计算出所述透射光或所述反射光的光强度分布及光相位分布。

发明的效果

根据本发明的全息存储器再现装置及再现方法，能够不受噪声影响而精密地再现多值相位信息。因此，根据本发明的全息存储器再现装置及再现方法，能够高精度地再现记录有空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的全息存储器。

另外，根据本发明的解调装置及解调方法，能够不受噪声影响而高精度地对空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号进行解调。

另外，根据本发明的观测装置及观测方法，能够实时地观测来自观测对象的透射光或反射光的光强度分布及光相位分布。

附图说明

图1是表示实施方式1的全息存储器记录再现装置的结构的示意图。

图2是表示空间正交振幅调制信号光生成单元的结构的一例的示意图。

图3是表示空间正交振幅调制信号光生成单元的结构的其他例子的示意图。

图4是表示使用实施方式1的全息存储器记录再现装置将数据页记录至全息存储器的情况的示意图。

图5是表示使用实施方式1的全息存储器记录再现装置从全息存储器读取数据页的情况的示意图。

图6是表示实施方式2的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

图7是图6的第三分束器的周边部分的放大示意图。

图8是表示实施方式3的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

图9是表示实施方式4的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

图10是表示实施方式4的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的其他结构的示意图。

图11是表示实施方式5的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

图12是表示实施方式5的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的其他结构的示意图。

图13是表示实施方式5的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的另一结构的示意图。

图14是表示实施方式6的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

图15是表示实施方式6的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的其他结构的示意图。

图16是表示利用共线全息法进行记录及再现的情况的示意图。

图17A是表示利用共线全息法进行记录时的空间光调制器的图案的图，图17B是表示利用共线全息法进行再现时的空间光调制器的图案的图。

图18是表示实施例1、实施例2中的用于模拟的本发明的全息存储器记录再现装置的结构的示意图。

图19是实施例1中使用的八值空间相位调制信号(8-SPM)的图解。

图20A是表示原始数据页的图，图20B是表示解调后的数据页的图。

图21是表示数据页＃1的第二全息图的信号强度分布的图。

图22是表示数据页＃2的第二全息图的信号强度分布的图。

图23是表示数据页＃3的第二全息图的信号强度分布的图。

图24是表示解调后的数据页＃1所具有的相位信息的柱状图。

图25是实施例2中使用的八值空间正交振幅调制信号(8-SQAM)的图解。

图26A是表示原始数据页的振幅信息的图，图26B是表示原始数据页的相位信息的图。

图27是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图28是表示根据图27所示的信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图。

图29是表示在各数据像素内对图28所示的数据进行平均化处理而获得的数据的图。

图30是表示对图29所示的数据进行阈值处理而获得的数据的图。

图31是表示实施例3中使用的本发明的全息存储器记录再现装置的结构的示意图。

图32是实施例3、实施例4中使用的六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)的图解。

图33A是表示原始数据页的逻辑值的图，图33B是表示原始数据页的物理值的图。

图34是表示共线环图案的图。

图35是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图36是表示根据图35所示的信号强度分布进行解调后的数据页的图。

图37是表示实施例4中使用的本发明的解调装置的结构的示意图。

图38是表示原始数据页的逻辑值的图。

图39是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图40A是表示根据图39所示的信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图，图40B是表示对图39A所示的数据进行平均化处理及阈值处理而获得的数据的图。

图41是表示实施例5中使用的本发明的观测装置的结构的示意图。

图42是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图43是表示根据图42所示的信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图。

图44是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图45是表示根据图44所示的信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图。

图46是表示实施例6中使用的本发明的观测装置的结构的示意图。

图47是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图48是表示根据图47所示的信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图。

图49是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图50是表示根据图49所示的信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图。

图51是表示第二全息图的信号强度分布的图。

图52是表示根据图51所示的四张信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图。

图53是表示根据图52所示的两张信号强度分布并以CCD像素点为单位恢复出的数据的图。

标号说明

100全息存储器记录再现装置

105激光光源

110第一分束器

115空间正交振幅调制信号光生成单元

120第一透镜

125第一反射镜

130第二分束器

135光闸

140第二透镜

145可变移相器

150第二反射镜

155第三分束器

160CCD

165全息存储器

210空间正交振幅调制信号光

220第一参考光

230第二参考光

240第一全息图的衍射光

250第二全息图

305第一分束器

310第二分束器

315第三分束器

320第四分束器

325移相器

330第一CCD

335第二CCD

340第三CCD

345第四CCD

405半波片

410可变移相器

415λ/4波片

420分束器

425第一偏振分束器

430第二偏振分束器

435第一CCD

440第二CCD

445第三CCD

450第四CCD

505半波片

510可变移相器

515λ/4波片

520分束器

525第一反射镜

530第二反射镜

535偏振分束器

540第一CCD

545第二CCD

550第二偏振分束器

555第三偏振分束器

560第二分束器

565第三反射镜

605半波片

610可变移相器

615λ/4波片

620第一分束器

625第一反射镜

630第二反射镜

635第一偏振分束器

640第二偏振分束器

645第三偏振分束器

650第四偏振分束器

655第二分束器

660CCD

665第三分束器

670第四分束器

675移相器

705半波片

710λ/4波片

715分束器

720偏振分束器

725第一CCD

730第二CCD

805半波片

810λ/4波片

815偏振分束器

820第一反射镜

825第二反射镜

830分束器

835CCD

900、1000全息存储器记录再现装置

910、1010、1110空间正交振幅调制信号光生成单元

920、1020、1120、1210、1310全息图生成单元

1100解调装置

1200、1300观测装置

具体实施方式

本发明的全息存储器再现装置是记录有第一全息图的全息存储器的再现装置，该第一全息图由包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光与参考光生成。此处，所谓“空间相位调制信号”，是指通过空间相位调制(SPM)而被调制后的信号。另外，所谓“空间正交振幅调制信号”，是指通过空间正交振幅调制(SQAM)而被调制后的信号。

“相位调制(PhaseModulation；以下简称为“PM”)”是利用在无线通信或光通信等通信技术领域中使用的相位调制、移相调制(PhaseShiftModulation；PSM)或移相键控(PhaseShiftKeying；PSK)的调制方式。PM通过使载波的相位发生变化来传递信息。与通信技术领域中使用的PM同样地，本发明的全息存储器记录相位发生了变化的信号光。然而，与在时间轴方向上调制信号的通信不同，全息存储器在二维的空间轴方向(x，y)上调制信号，将经调制的信号作为数据页进行记录及再现。因此，在本申请说明书中，将本发明中使用的基于相位调制的调制方式称为“空间相位调制(SpatialPhaseModulation；SPM)”，以区分在通信技术领域中使用的“相位调制(PM)”。SPM包含在光存储器领域中使用的相位调制及多值相位调制的概念。

“正交振幅调制(QuadratureAmplitudeModulation；以下简称为“QAM”)”是组合了无线通信或光通信等通信技术领域中使用的振幅调制(AmplitudeModulation；AM)与相位调制(PhaseModulation；PM)的调制方式。QAM通过使振幅及相位这两个要素发生变化，能够一次传递多个信息。与通信技术领域中使用的QAM同样，本发明的全息存储器记录振幅及相位这两个要素发生了变化的信号。然而，与在时间轴方向上调制信号的通信不同，全息存储器在二维的空间轴方向(x，y)上调制信号，将经调制后的信号作为数据页进行记录及再现。因此，在本申请说明书中，将本发明中使用的组合了振幅调制与相位调制的调制方式称为“空间正交振幅调制(SpatialQuadratureAmplitudeModulation；SQAM)”，以区分通信技术领域中使用的“正交振幅调制(QAM)”。

本发明的全息存储器再现装置包括：激光光源、全息图衍射光生成单元、全息图生成单元、检测单元及处理单元。

激光光源是从全息存储器再现数据页时所使用的参考光(第一参考光及第二参考光)的光源。

第一参考光是照射至记录有第一全息图的全息存储器的参考光。第一参考光只要是相对于第一全息图满足布拉格条件的激光即可。例如，只要从同一角度照射出波长与记录第一全息图时所使用的参考光的波长相同的光，则满足布拉格条件。这里，若满足布拉格条件，则第一参考光的波长及照射角度并不限于此。如下所述，全息图衍射光生成单元将第一参考光照射至全息存储器，由此，生成第一全息图的衍射光。

第二参考光是能够与上述第一全息图的衍射光发生干涉的激光。即，第二参考光是波长与第一参考光的波长相同的激光。如下所述，全息图生成单元混合第一全息图的衍射光与第二参考光，由此生成第二全息图。通常，第二参考光不照射至全息存储器。即，第二参考光与第一全息图的衍射光混合但不透射过全息存储器。

第一参考光的激光光源与第二参考光的激光光源可以是同一光源，也可以是不同光源。在第一参考光及第二参考光的激光光源相同的情况下，只要设置激光分离单元，将从激光光源射出的激光分离成第一参考光与第二参考光即可(参照实施方式1)。

全息图衍射光生成单元将第一参考光照射至全息存储器，生成第一全息图的衍射光。

全息图生成单元使第二参考光的相位发生变化。例如，全息图生成单元使第二参考光的相位变化成0、π/2、π、3π/4。另外，全息图生成单元分别利用由全息图衍射光生成单元生成的第一全息图的衍射光、和相位发生了变化的第二参考光生成第二全息图。例如，在使第二参考光的相位变化了4次的情况下，生成四张第二全息图。

第二参考光的相位的变化数(第二全息图的生成数)也可以与相位调制的多值数相同，但并非必须相同。如后述的实施方式1所示，无论相位调制的多值数如何，使第二参考光的相位至少变化3次，由此，能够对空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号进行解调。能够通过增加第二全息图的生成数来减小测量误差。

第二参考光的光束直径只要为第一全息图的衍射光的光束直径以上则无特别限定。在第二参考光的光束直径小于第一全息图的衍射光的光束直径的情况下，无法对第一全息图的衍射光的周边部所含有的信号进行解调。另外，从提高解调精度的观点出发，第二参考光优选为平面波。

全息图生成单元使第二参考光的相位发生变化的方法并无特别限定。例如，也可以使用可变移相器使第二参考光的相位发生变化(参照实施方式1)。另外，也可以调整构成全息图生成单元的光学系统的分束器之间的间隔，使第二参考光的相位发生变化(参照实施方式2)。另外，还可以组合地使用半波片、λ/4波片及偏振分束器，使第二参考光的相位发生变化(参照实施方式3～实施方式5)。

检测单元检测由全息图生成单元生成的所有第二全息图的强度分布。检测单元例如为CCD或CMOS等光图像检测器(拍摄元件)。检测单元一次能够检测的像素数需要为第一全息图中所记录的数据页(二维数据)的像素数以上。

处理单元根据由检测单元检测出的第二全息图的强度分布，对相位调制信号或空间正交振幅调制信号进行解调。例如，处理单元是与检测单元连接的计算机。

如上所述，现有的光图像检测器(拍摄元件)能够检测强度，但无法检测相位。因此，本发明的全息存储器再现装置根据改变第二参考光的相位而获得的多张第二全息图的强度的图案(组合)，读取空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号中所含有的相位信息。

例如，当针对数据页内的某一特定像素，基于记录了相位的信息的第一全息图的衍射光与第二参考光生成第二全息图时，将第二参考光的相位设为0、π/2、π、3π/2，生成四张第二全息图。对于获得的第二全息图的强度大小，例如第一张第二全息图的强度为大，第二张第二全息图的强度为中，第三张第二全息图的强度为小，第四张第二全息图的强度为中。同样地，当针对数据页内的某一特定像素，基于记录了相位(与相位不同)信息的其他第一全息图的衍射光与第二参考光生成第二全息图时，将第二参考光的相位设为0、π/2、π、3π/2，生成四张第二全息图。对于获得的第二全息图的强度大小，例如第一张第二全息图的强度为中，第二张第二全息图的强度为小，第三张第二全息图的强度为中，第四张第二全息图的强度为大。能够根据此种图案的差异读取第一全息图的衍射光中所含有的相位信息。在后述的各实施方式中，将会详细地说明根据第二全息图的强度分布对空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号进行解调的方法。

在上述例子中，仅能够区分四值相位，但通过更细致地改变第二参考光的相位，或使检测单元在对强度的检测阶段更细致地检测，从而能够区分更多的相位值。

如后述的实施方式1所示，本发明的全息存储器再现装置也可以是还包括记录单元、以及空间相位调制信号光生成单元或空间正交振幅调制信号光生成单元的全息存储器记录再现装置。

空间相位调制信号光生成单元对激光进行空间相位调制，生成包含相位调制信号的信号光。同样地，空间正交振幅调制信号光生成单元对激光进行空间正交振幅调制，生成包含空间正交振幅调制信号的信号光。例如，空间正交振幅调制信号光生成单元使用进行振幅调制的空间光调制器及进行相位调制的空间光调制器来进行空间正交振幅调制。

另外，空间正交振幅调制信号光生成单元仅使用进行振幅调制的空间光调制器也能够进行空间正交振幅调制。在此情况下，空间正交振幅调制信号光生成单元包括：被射入激光的分束器、对由分束器反射后的激光的振幅进行调制的反射型第一空间光调制器、以及对透射过分束器的激光的振幅进行调制的反射型第二空间光调制器，对该空间正交振幅调制信号光生成单元进行调整，以使分束器与第一空间光调制器之间的光路长度L_I、以及分束器与第二空间光调制器之间的光路长度L_Q满足规定条件(参照实施方式1)。

记录单元将第一全息图记录至全息存储器，该第一全息图是基于由空间相位调制信号光生成单元或空间正交振幅调制信号光生成单元所生成的信号光与参考光而生成的。

接着，说明由本发明的全息存储器再现装置再现全息存储器的过程。

首先，激光光源射出激光。在第一参考光与第二参考光的光源不同的情况下，第一激光光源射出第一参考光，第二激光光源射出第二参考光。另一方面，在第一参考光与第二参考光的光源相同的情况下，从激光光源射出的激光在激光分离单元中被分离成第一参考光与第二参考光。第一参考光被全息图衍射光生成单元照射至全息存储器。由此，从全息存储器生成第一全息图的衍射光。除了在激光分离单元中分离出第二参考光这一内容之外，至此为止的工序与以往的全息存储器的再现方法相同。

第一全息图的衍射光在全息图生成单元中与第二参考光混合。此时，全息图生成单元根据相位调制的多值数使第二参考光的相位发生变化。由此，生成数量与相位调制的多值数对应的第二全息图。检测单元检测第二全息图的强度分布，并将该强度分布发送至处理单元。

处理单元根据从检测单元发送来的第二全息图的强度分布，对上述相位调制信号或上述空间正交振幅调制信号进行解调。

如上所述，作为本发明的全息存储器再现装置，由全息图生成单元基于全息存储器中所记录的全息图(第一全息图)的衍射光与第二参考光生成第二全息图，使用该第二全息图的强度分布对相位调制信号进行解调。

本发明的全息存储器再现装置能够对二值或多值的振幅调制信号、二值或多值的相位调制信号、以及组合了振幅调制与相位调制的空间正交振幅调制信号进行解调。

此外，在上述说明中说明了以下的形态：检测单元立即检测由全息图生成单元生成的第二全息图的强度分布。然而，本发明的全息存储器的再现装置及再现方法并不一定需要立即检测第二全息图的强度分布，也可以暂时形成光学全息图作为第二全息图。在此情况下，再现光学全息图即第二全息图，并由检测单元检测基于获得的衍射光与第二参考光生成的全息图(与第二全息图相同的全息图)的强度分布。这样，在形成光学全息图作为第二全息图的情况下，只要对于第一全息图选择适合于大容量化的全息图记录方式、对于第二全息图选择虽不适合于大容量化但却能够进行高精度检测的全息图记录方式即可。

另外，若使用上述全息图生成单元、检测单元及处理单元，则能够对空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号进行解调。即，包括全息图生成单元、检测单元及处理单元的装置能够用作空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的解调装置(参照实施例4)。

例如，本发明的解调装置包括：输入单元，接收包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光；激光光源，射出能与上述信号光产生干涉的激光；全息图生成单元，使上述激光的相位发生变化，并且基于上述信号光和上述相位发生了变化的激光生成全息图；检测单元，检测上述全息图的强度分布；以及处理单元，根据上述强度分布对上述空间相位调制信号或上述空间正交振幅调制信号进行解调。

本发明的解调装置能够通过与上述本发明的全息存储器再现装置相同的过程，对空间相位调制信号及空间正交振幅调制信号进行解调。

另外，若使用上述全息图生成单元、检测单元及处理单元，则能够观测到来自观测对象的透射光或反射光的强度及相位的二维分布。即，包括全息图生成单元、检测单元及处理单元的装置能够用作来自观测对象的透射光或反射光的光强度分布及光相位分布的观测装置(参照实施例5、实施例6)。观测对象的种类无特别限定，例如为生物样本。

例如，本发明的观测装置包括：输入单元，输入来自观测对象的透射光或反射光；激光光源，射出能与上述透射光或上述反射光产生干涉的激光；全息图生成单元，使上述激光的相位发生变化，并且基于上述透射光或上述反射光和上述相位发生了变化的激光生成全息图；检测单元，检测上述全息图的强度分布；以及处理单元，根据上述强度分布计算出上述透射光或上述反射光的光强度分布及光相位分布。

本发明的观测装置被输入来自观测对象的透射光或反射光来代替第一全息图的衍射光。即，本发明的观测装置对观测对象照射光(相当于第一参考光)来代替对全息存储器照射光(相当于第一参考光)，将来自观测对象的透射光或反射光作为上述“空间正交振幅调制信号”进行处理，由此，计算出透射光或上述反射光的光强度分布及光相位分布。

以下，参照附图说明本发明的实施方式，但本发明的范围并不限于这些实施方式。

（实施方式1）

在实施方式1中说明以下的全息存储器记录再现装置，该全息存储器记录再现装置能够使用信号光(空间正交振幅调制信号光)将数据页(二维数据)记录至全息存储器，且能够从该全息存储器再现所记录的数据页，所述信号光(空间正交振幅调制信号光)是并用振幅调制与相位调制而生成的信号光。

图1是表示实施方式1的全息存储器记录再现装置的结构的示意图。如图1所示，实施方式1的全息存储器记录再现装置100包括：激光光源105、第一分束器110、空间正交振幅调制信号光生成单元115、第一透镜120、第一反射镜125、第二分束器130、光闸135、第二透镜140、可变移相器145、第二反射镜150、第三分束器155、CCD160及处理单元(未图示)。

该全息存储器记录再现装置100将数据页(第一全息图)记录至配置在第一透镜120与第二透镜140之间的全息存储器(记录介质)165，并从该全息存储器165再现数据页。全息存储器165能够从全息存储器记录再现装置100上取下，且能够如CD或DVD等那样用作可移动存储器。

激光光源105是将数据页(第一全息图)记录至全息存储器时所使用的信号光及参考光(第一参考光)、和从全息存储器再现数据页时所使用的参考光(第一参考光及第二参考光)的光源。

第一分束器110将从激光光源105射出的激光分离成信号光与参考光(第一参考光及第二参考光)。

空间正交振幅调制信号光生成单元115在将数据页记录至全息存储器时，使由第一分束器110分离出的信号光的振幅(强度)及相位发生变化，生成空间正交振幅调制信号。即，空间正交振幅调制信号光生成单元115通过空间正交振幅调制(SQAM)使信号光承载数据页(二维数据)。

对于空间正交振幅调制(SQAM)，当将调制的信号的同相成分设为I，并将正交成分设为Q时，能够以如下式那样表示这些信号。

I=A(x，y)cosφ(x，y)

Q=A(x，y)sinφ(x，y)(1)

此处，若将光波的频率设为ω，将时间设为t，将波数设为k，将空间变量设为r，则根据三角函数的加法定理表示为下式。

$A(x,y)\cos (\mathrm{\ωt}-\stackrel{\→}{k}\·\stackrel{\→}{r}+\mathrm{\φ}(x,y))=I\cos (\mathrm{\ωt}-\stackrel{\→}{k}\·\stackrel{\→}{r})-Q\sin (\mathrm{\ωt}-\stackrel{\→}{k}\·\stackrel{\→}{r})---\left(2\right)$

即，对信号的同相成分I与正交成分Q进行调制等同于对光波的振幅A与相位进行调制。

例如，如图2所示那样，空间正交振幅调制信号光生成单元115包括进行振幅调制的空间光调制器(SLM1)与进行相位调制的空间光调制器(SLM2)。空间光调制器能够对二维光信号(图像等)的振幅A(x，y)及相位的空间分布进行电气控制。空间光调制器的例子中包含LCD(透射型液晶)、LCOS(透射型液晶)、DMD(数字微镜器件)等。此外，在仅进行振幅调制或相位调制的情况下，只要使用一台空间光调制器(SLM)即可。

另外，如图3所示那样，空间正交振幅调制信号光生成单元115也可以为以下的结构：利用迈克尔森干涉仪独立(并行)地对I信号与Q信号的强度进行调制后进行混合。I信号及Q信号是由式(1)所表示的强度信号。图3所示的两个空间光调制器(SLM1及SLM2)均是进行振幅调制的反射型空间光调制器。通过第一空间光调制器(SLM1)对I信号的振幅进行调制。通过第二空间光调制器(SLM2)对Q信号的振幅进行调制。在图3所示的方式中，将SLM1与分束器(BS)之间的光路长度LI、以及SLM2和BS之间的光路长度LQ(λ：光波的波长)设定为“LI－LQ＝λ/4”。由此，正交振幅调制信号光的生成位置S处的I信号与Q信号的相位差为π/2。因此，如下所示，能够获得与图2所示的方式等效的信号。

$S(x,y)=\mathrm{Iexp}\left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)+Q=A(x,y)\sin \mathrm{\φ}(x,y)\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)+A(x,y)\cos \mathrm{\φ}(x,y)$

$=\mathrm{iA}(x,y)\sin \mathrm{\φ}(x,y)+A(x,y)\cos \mathrm{\φ}(x,y)=A(x,y)\exp \left\{\mathrm{i\φ}(x,y)\right\}$

第一透镜120是用于对通过空间正交振幅调制信号光生成单元115调制后的信号光(空间正交振幅调制信号光)进行傅立叶变换、并且对全息存储器165的期望的位置进行聚光照射的透镜。

第一反射镜125是用于使通过第一分束器110分离出的参考光(第一参考光及第二参考光)射入第二分束器130的反射镜。

第二分束器130将由第一分束器110分离出的参考光分离成第一参考光与第二参考光。即，第二分束器130作为“激光分离单元”而发挥作用。

光闸135用于遮断由第二分束器130分离出的第二参考光。

第二透镜140是与第一透镜120等效的透镜，且对全息存储器165中所记录的全息图(第一全息图)的衍射光进行傅立叶逆变换。

可变移相器145使由第二分束器110分离出的第二参考光的相位发生变化。可变移相器145的例子中包含液晶元件或压电元件等。

第二反射镜150是用于使相位通过可变移相器145而发生了变化的第二参考光射入第三分束器155的反射镜。

第三分束器155基于经第二透镜140进行了傅立叶逆变换的第一全息图的衍射光、和相位通过可变移相器145而发生了变化的第二参考光生成第二全息图。可变移相器145、第二反射镜150及第三分束器155作为“全息图生成单元”而发挥作用。

CCD160检测第二全息图的强度分布。检测出的强度分布经光电转换后被发送至处理单元。CCD160作为“检测单元”而发挥作用。

处理单元(未图示)对经光电转换的第二全息图的强度分布的信息进行处理，对空间正交振幅调制信号进行解调。

接着说明以下的过程：使用本实施方式的全息存储器记录再现装置100，将数据页(二维数据)记录至全息存储器165。

图4是表示使用全息存储器记录再现装置100将数据页(第一全息图)记录至全息存储器165的情况的示意图。

如图4所示，当将数据页记录至全息存储器165时，由光闸135遮断第二参考光230。在该状态下，将由空间正交振幅调制信号光生成单元115生成的信号光210(空间正交振幅调制信号光)、和由第二分束器110分离出的第一参考光220聚光照射至全息存储器165的预定位置，从而记录全息图(第一全息图)。此时，当然还能够将多张全息图或数据页多重记录至全息存储器165的同一位置。多重记录方法包含使第一参考光220的入射角度发生变化而进行多重记录的角度多重记录、或使第一参考光220的相位发生变化而进行多重记录的相位编码多重记录等。

接着说明以下的过程：使用本实施方式的全息存储器记录再现装置100，根据全息存储器165中所记录的第一全息图恢复数据页。

图5是表示使用全息存储器记录再现装置100从全息存储器165读取数据页的情况的示意图。

如图5所示，当从全息存储器165读取数据页时，由空间正交振幅调制信号光生成单元115的空间光调制器(SLM)遮断信号光210。也可以不使用空间光调制器而将光闸设置在信号光210的光路上以遮断信号光210。另一方面，第二参考光230的光路上的光闸135打开。在该状态下，将第一参考光220聚光照射至全息存储器165的预定位置，从而产生第一全息图的衍射光240。接着，通过使该第一全息图的衍射光240与第二参考光230干涉而生成第二全息图250。然后，CCD160对该第二全息图250的强度分布I(x，y)进行光电转换，从而恢复二维信息。此时，通过可变移相器145使第二参考光230的相位发生变化，生成多张第二全息图，对通过光电转换获得的多个二维信号数据进行电气处理，由此，能够高精度地对全息存储器中所记录的空间正交振幅调制信号进行解调。

此处，说明根据由CCD160检测出的强度分布，对第一全息图中所记录的空间正交振幅调制信号进行解调的两种方法(第一方法及第二方法)。此处，假设所记录的N值相位信息为中的任一个信息。

1)第一方法

第一方法使第二参考光230的相位变化为N次生成特性不同的第二全息图。此时，将第二全息图的再现光的强度最高时的第二参考光的相位设为第一全息图中所记录的相位信息。关于振幅信息，关闭图5所示的光闸135，不生成第二全息图而利用CCD160仅观测第一全息图的衍射光240，由此，通过光电转换自动去除相位成分，因此，能够对振幅信息A(x，y)进行解调。

对于上述方法，虽然数字信号处理的负担小，但是因为调制信号中的多值数N与解调所需的第二全息图的生成次数相等，所以若多值数N变大，则相位信息的解调所需的全息图生成次数也会增加。

2)第二方法

若将空间正交振幅调制信号光录至第一全息图时的第一参考光220的复振幅设为R，则在第一全息图面上产生的强度分布为

I(x，y)=|A(x，y)exp{iφ(x，y)}+R|²

={A(x，y)}²+|R|²+A(x，y)exp{iφ(x，y)}R^*+A(x，y)exp{-iφ(x，y)}R(3)

。若以光学方式将式(3)的强度分布记录至第一全息图，则其振幅透射率分布以

T_A=T₀+t₁I(x，y)(4)的形式被记录。此处，T₀及t₁是由构成第一全息图的感光材料的种类或记录方式确定的常数。

在空间正交振幅调制信号的解调过程中，首先，根据式(3)、式(4)，通过第一参考光220再现第一全息图时所获得的光波为

T_AR=T₀R+t₁RI(x，y)

=T₀R+t₁R{A(x，y)}²+t₁R|R|²+t₁A(x，y)exp{iφ(x，y)}|R|²+t₁A(x，y)exp{-iφ(x，y)}R²(5)

。在式(5)中，再现第一全息图时产生的衍射光的信号成分包含在右边第四项中。除此以外的成分的光因为传播方向不同，所以能够容易地被空间滤波器等去除。因此，再现第一全息图而获得的第二全息图的记录光S与式(6)所示出的成比例。即

S=ηA(x，y)exp{iφ(x，y)}+A_N(6)

此处，η是第一全息图的衍射效率，η＝t₁｜R｜²。另外，A_N是未能够被空间滤波器去除的多余的衍射光成分及混入第二全息图的记录光的噪声成分。

通过式(6)的第二全息图的记录光240(第一全息图的衍射光的信号成分)与第二参考光230(复振幅R')，将最初记录在第一全息图中的空间正交振幅调制信号转印至CCD上所生成的第二全息图。此时，通过可变移相器145对第二参考光230施加以下的相位偏移。

R'=R₀exp{imΔΨ}(7)

此处，R₀是复振幅R'的振幅，imΔΨ是相位。另外，m是整数(m＝1、2、…、M)。M是第二参考光230的相位的移动次数，且相当于第二全息图的生成数。

即，使m从1变化至M，也就是使第二参考光230的相位发生变化，生成M个不同的第二全息图，同时再现该M个不同的第二全息图。此时，CCD160的面上产生的第m个第二全息图的强度分布为

I_m(x,y)=S+R'²=|ηAexp(iφ)+R₀exp(imΔΨ)+A_N|²(8)

。与噪声成分即AN成比例的项与第二参考光230不具有相干性，因此，对于全息图分布而言无帮助。其中，(A_N)²的成分为噪声，若I_N＝(A_N)²，则式(8)可以写成

$I_m(x,y)={\mathrm{\η}}^2{A}^2+R_0^2+I_N+\mathrm{\β}{A}_N+2\mathrm{\η}{\mathrm{AR}}_0\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{m\Δ\Ψ})---\left(9\right)$

。此处，若I₀＝η²A²＋R₀ ²，则

I_m=I₀+I_N+βA_N2ηAR₀cosφcosmΔΨ+2ηAR₀sinφsinmΔΨ(9)’

。CCD160的光电转换效率相对于光强度大致固定，若将该转换效率设为q，则相对于第m个全息图强度分布，从CCD160输出的电信号强度V_m(x，y)＝qI_m为

V_m=q(I₀+I_N)+V_N+2qηAR₀cosφcosmΔΨ+2qηAR₀sinφsinmΔΨ(10)

。上式中的V_N是在光电转换中产生的噪声成分。此处，若将三个参数a、b、c设为

a=q(I₀+I_N)+V_N,b=2qηAR₀cosφ,c=2qηAR₀sinφ(11)

，则可以表示为

V_m=a+bcosmΔΨ+csinmΔΨ(12)。

当检测第二全息图的强度分布时，若V_m的实际测量值变成V_m'，则测量者所能得知的信息为V_m'与mΔΨ。因此，为了满足

$\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{({V_m}^{\′}-V_m)}^2=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{({V_m}^{\′}-a-b\cos \mathrm{m\Δ\Ψ}-c\sin \mathrm{m\Δ\Ψ})}^2\→\min .---\left(13\right)$

(此处min.表示最小值)，使用计算机等确定未知的参数a、b、c即可。若使用这样计算出的参数a、b、c，则能够根据式(11)获得

φ(x，y)=tan^-1c/b(14)

，并能够对空间正交振幅信号光的相位信息进行解调。另外，同样能够根据式(11)获得

$b^2+c^2=4q^2{\mathrm{\η}}^2{A}^2{R}_0^2---\left(15\right)$

，并能够对空间正交振幅信号光的振幅信息进行解调，且

$A(x,y)=\frac{\sqrt{b^2+c^2}}{2\mathrm{q\η}{R}_0}---\left(16\right)$

。若对于所有(M个)第二全息图，参考光的强度R₀恒定，则为下式。

$A(x,y)\∝\sqrt{b^2+c^2}---\left(17\right)$

以上过程的特征在于：无论相位及振幅的多值数N如何，未知参数的数量均为三个即a、b、c，因此，通过最少3次生成第二全息图(M＝3)，能够对正交振幅调制信号光进行解调。这在再现使用了较大多值数N的全息存储器的情况下，与第二全息图的生成次数为M＝N的第一方法相比具有优势。另外，在第二全息图的生成过程中，使第二参考光230的强度保持固定，由此，具有以下的优点：能够利用参数b与参数c对信号进行解调，且不会受到检测中产生的噪声成分的影响(包含在参数a中的噪声成分I_N及V_N)。

接着，叙述参数a、b、c的计算过程。首先，若预先使式(13)中的α＝mΔΨ、且分别以参数a、b、c进行偏导数运算而计算为0，则能够获得

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{V_m}^{\′}\cos \mathrm{\α}\\ \mathrm{\Σ}{V_m}^{\′}\sin \mathrm{\α}\\ \mathrm{\Σ}{V_m}^{\′}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}\mathrm{\Σ}\cos \mathrm{\α}& \mathrm{\Σ}{\cos }^2\mathrm{\α}& \mathrm{\Σ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}\\ \mathrm{\Σ}\sin \mathrm{\α}& \mathrm{\Σ}\sin \mathrm{\α}\cos \mathrm{\α}& \mathrm{\Σ}{\sin }^2\mathrm{\α}\\ M& \mathrm{\Σ}\cos \mathrm{\α}& \mathrm{\Σ}\sin \mathrm{\α}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}a\\ b\\ c\end{array}\right)---\left(18\right)$

。此处，若将对第二参考光230实施的移相步骤设定为ΔΨ＝2π/M，则

∑sinα=∑cosα=∑sinαcosα=0，∑sin²α=∑cos²α=M/2(19)

，因此，计算变得相当容易，求出各参数为

a=M∑V_m′b=∑V_m′cosαc=∑V_m′sinα(20)

。若将该结果代入式(14)及式(17)，则

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Σ}{V_n}^{\′}\sin \mathrm{\α}}{\mathrm{\Σ}{V_n}^{\′}\cos \mathrm{\α}}---\left(21\right)$

，从而求出空间正交振幅调制信号的相位信息。根据

$A(x,y)\∝\sqrt{b^2+c^2}=\sqrt{{\left(\mathrm{\Σ}{V_n}^{\′}\sin \mathrm{\α}\right)}^2+{\left(\mathrm{\Σ}{V_n}^{\′}\cos \mathrm{\α}\right)}^2}---\left(22\right)$

求出振幅信息。

如上所述，实施方式1的全息存储器记录再现装置能够使用信号光(空间正交振幅调制信号光)将数据页(二维数据)记录至全息存储器，且能够从该全息存储器高精度地再现数据页，其中上述信号光(空间正交振幅调制信号光)是并用上述相位调制与振幅调制而生成的信号光。

（实施方式2）

在实施方式1中，当生成M个第二全息图时，使用可变移相器使第二参考光的相位发生变化。在实施方式2中说明以下的全息存储器记录再现装置，该全息存储器记录再现装置通过利用特别的干涉仪，不使用可变移相器而同时生成M个第二全息图。

实施方式2的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元以外的各结构要素与实施方式1的全息存储器记录再现装置相同。因此，仅对全息图生成单元及检测单元进行说明。此处，作为一例，将设为

M=4,ΔΨ=π/2(23)

时的实施方式2的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构表示在图6中。

如图6所示，全息图生成单元及检测单元包括：第一分束器305、第二分束器310、第三分束器315、第四分束器320、移相器325、第一CCD330、第二CCD335、第三CCD340、第四CCD345。第一分束器305、第二分束器310、第三分束器315、第四分束器320及移相器325作为“全息图生成单元”而发挥作用。另外，第一CCD330、第二CCD335、第三CCD340及第四CCD345作为“检测单元”而发挥作用。在图6中，第一参考光220及第二参考光230是由同一激光光源产生的彼此具有干涉性的激光。

第一分束器305、第二分束器310、第三分束器315及第四分束器320分别将入射的光束分成两条光束。第一分束器305、第二分束器310、第三分束器315及第四分束器320以图6所示的位置关系配置。

如图6所示，第一全息图的衍射光240射入第一分束器305。入射的第一全息图的衍射光的一部分透射后射向第三分束器315，剩余部分经反射后射向第四分束器320。同样地，第二参考光230射入第二分束器310。入射的第二参考光230的一部分经反射后射向第三分束器315，剩余部分透射后射向第四分束器320。

透射过第一分束器305的第一全息图的衍射光240射入第三分束器315的第一面。入射的第一全息图的衍射光240的一部分经反射后射向第一CCD330，剩余部分透射后射向第二CCD335。另一方面，由第二分束器310反射后的第二参考光230射入第三分束器315的第二面。入射的第二参考光230的一部分透射后射向第一CCD330，剩余部分经反射后射向第二CCD335。

由第一分束器305反射后的第一全息图的衍射光240射入第四分束器320的第一面。入射的第一全息图的衍射光240的一部分经反射后射向第三CCD340，剩余部分透射后射向第四CCD345。另一方面，透射过第二分束器310的第二参考光230射入第四分束器320的第二面。入射的第二参考光230的一部分透射后射向第三CCD340，剩余部分经反射后射向第四CCD345。

如图6所示，移相器325配置在第二分束器310与第四分束器320之间。移相器325使由第二分束器310分离出的第二参考光的相位发生变化。

第一CCD330、第二CCD335、第三CCD340及第四CCD345以图6所示的位置关系配置。第一CCD330检测由第三分束器315反射后的第一全息图的衍射光240与透射过第三分束器315的第二参考光230所生成的第二全息图的强度分布。第二CCD335检测透射过第三分束器315的第一全息图的衍射光240与由第三分束器315反射后的第二参考光230所生成的第二全息图的强度分布。第三CCD340检测由第四分束器320反射后的第一全息图的衍射光240与透射过第四分束器320的第二参考光230所生成的第二全息图的强度分布。第四CCD345检测透射过第四分束器320的第一全息图的衍射光240与由第四分束器320反射后的第二参考光230所生成的第二全息图的强度分布。

对图6所示的光学系统进行调整，以使第一分束器305与第三分束器315之间的光路长度L₁、第二分束器310与第三分束器315之间的光路长度L₂、第一分束器305与第四分束器320之间的光路长度L₃及第二分束器310与第四分束器320之间的光路长度L₄满足以下的式(24)。

对于光学系统的调整，只要照射作为基准的信号光代替全息图衍射光240，并调整各分束器305～分束器320的位置以使此时的第一CCD330上的光强度变得最大的方式即可。由此，第二参考光230的相位α＝0时的第二全息图会生成在第一CCD330上。另外，根据斯托克斯(Stokes)关系式及能量守恒定律，当在特定信号位置(x，y)，第一CCD上的光强度变得最大时，在相同的信号位置(x，y)，第二CCD335上的光强度变得最小。因此，第二参考光230的相位α＝π时的第二全息图会生成在第二CCD335上。

使用图7说明能够利用图6所示的结构同时生成第二全息图的理由。图7是图6的第三分束器315的周边部分的放大示意图。

如图7所示，第一全息图的衍射光从图左侧射入第三分束器315。将第三分束器315相对于来自该方向(从图面左侧朝向右侧的方向)的光的振幅透射率设为t(射向第二CCD335的成分)，将振幅反射率设为r(射向第一CCD330的成分)。另外，由R0表示的第二参考光230从图下侧射入第三分束器315。将第三分束器315相对于来自该方向(从图面下侧朝向上侧的方向)的光的振幅透射率设为t'(射向第一CCD330的成分)，将振幅反射率设为r'(射向第二CCD335的成分)。在此情况下，一般而言，斯托克斯关系式

t^*t'+r^*r=1,t^*r'+r^*t=0(25)

及能量守恒定律

t=t′(26)

成立(记号*表示复共轭)。

此处，若使用式(26)，则通过与式(8)大致相同的过程，第一CCD330上产生的全息图振幅可以写成

$I_{\mathrm{CCD}1}(x,y)={|\mathrm{rAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+t^{\′}{R}_0|}^2$

$={|\mathrm{rAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+t{R}_0|}^2$

$={\left|r\right|}^2{A}^2+{\left|t\right|}^2{R}_0^2+A{R}_0\{{\mathrm{rt}}^{*}\exp \left(\mathrm{i\φ}\right)+r^{*}\mathrm{texp}(-\mathrm{i\φ})\}---\left(27\right)$

$={\left|r\right|}^2{A}^2+{\left|t\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ}).$

此处，γ是反射率与透射率的积rt^*的相位角。即

rt^*=|rt^*|exp(iγ)

。同样地，第二CCD335上产生的全息图振幅可以写成

$I_{\mathrm{CCD}2}(x,y)={|\mathrm{tAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+r^{\′}{R}_0|}^2$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2+A{R}_0\{{\mathrm{tr}\′}^{*}\exp \left(\mathrm{i\φ}\right)+r^{\′}{t}^{*}\exp (-\mathrm{i\φ})\}---\left(28\right)$

。此处，若使用式(25)，则

tr′^*=-rt^*r′t^*=-r^*t

，因此，式(28)可以写成

$I_{\mathrm{CCD}2}(x,y)={|\mathrm{tAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+r^{\′}{R}_0|}^2$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2-A{R}_0\{{\mathrm{rt}}^{*}\exp \left(\mathrm{i\φ}\right)+r^{*}\mathrm{texp}(-\mathrm{i\φ})\}$

$={\left|r\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2-2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ})$

$={\left|r\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ}-\mathrm{\π})---\left(29\right).$

对于式(27)，若采用作为基准的信号光代替全息图衍射光，并调整光学系统(对于I_CCD1为最大)以使此时的第一CCD330上的光强度变得最大，则此对于式(9)，相当于表示光强度变化的cos()函数变为0的情况，因此，等同于m＝0的光学条件，即能够获得第二参考光230的相位α＝0时的第二全息图的光学条件。另外，对式(27)与式(29)进行比较后可知：干涉条纹的符号相反，即，右边第三项中的干涉条纹的相位移动π(表示光强度变化的cos()函数中包含-π)。因此，式(29)等同于式(9)中的m＝2的光学条件，即能够获得第二参考光230的相位相当于α＝π的第二全息图的光学条件。此处，在式(27)与式(29)中，右边第一项及第二项的值不同，但通过使用

|r|²=|r'|²=|t|²=0.5

的标准光强度分支比为1：1的分束器(半反射镜)，能够使上述值成为相等的值。

根据以上内容可知：在第一CCD330上生成第二参考光230的相位α＝0时的第二全息图，在第二CCD335上生成第二参考光230的相位α＝π时的第二全息图。

接着，采用与作为基准的信号光之间的相位差为π/2的信号光代替全息图衍射光，并调整移相器325以使此时的第三CCD340上的光强度变得最大。此外，该调整与实施方式1的全息存储器再现装置的可变移相器中的工作不同，只要最初仅进行一次即可。

此处，若第四分束器320的振幅透射率和振幅反射率与第三分束器315的振幅透射率和振幅反射率相同，则第三CCD340及第四CCD345上产生的全息图振幅可以写成

$I_{\mathrm{CCD}3}(x,y)={|\mathrm{rAexp}(\mathrm{i\φ}-i\frac{\mathrm{\π}}{2})+t^{\′}{R}_0|}^2$

$={|\mathrm{rAexp}(\mathrm{i\φ}-i\frac{\mathrm{\π}}{2})+t{R}_0|}^2---\left(30\right)$

$={\left|r\right|}^2{A}^2+{\left|t\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\π}}{2})$

$I_{\mathrm{CCD}4}(x,y)={|\mathrm{tAexp}(\mathrm{i\φ}-i\frac{\mathrm{\π}}{2})+r^{\′}{R}_0|}^2$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2-2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(31\right)$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ}-\frac{3\mathrm{\π}}{2}).$

式(30)等同于式(9)中的m＝1的光学条件，即能够获得第二参考光230的相位α＝π/2时的第二全息图的光学条件。另外，式(31)等同于式(8)中的m＝3的光学条件，即能够获得第二参考光230的相位α＝3π/2时的第二全息图的光学条件。

若在以上述方式调整光学系统后，将第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)与第二参考光230导入该光学系统，则不使第二参考光230的相位发生变化而在第一CCD330、第二CCD335、第三CCD340及第四CCD345上同时生成以下的第二全息图，该第二全息图等同于使第二参考光230的相位变化为α＝0、π/2、π、3π/2的情况下的第二全息图。根据以上述方式同时获得的四张第二全息图，并通过电子处理对信号进行解调的过程与实施方式1中所说明的第二方法相同(参照式(18)～式(22))。

如上所述，实施方式2的全息存储器记录再现装置能够通过利用特别的干涉仪，不使用可变移相器而同时生成M个第二全息图，对空间正交振幅调制信号光进行解调。

（实施方式3）

在实施方式2中，需要调整各分束器之间的光路长度。在实施方式3中说明以下的全息存储器记录再现装置，该全息存储器记录再现装置不调整各分束器之间的光路长度而同时生成M个第二全息图。

实施方式3的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元以外的各结构要素与实施方式1的全息存储器记录再现装置相同。因此，仅对全息图生成单元及检测单元进行说明。

图8是表示实施方式3的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

如图8所示，全息图生成单元及检测单元包括：半波片405、可变移相器410、λ/4波片415、分束器420、第一偏振分束器425、第二偏振分束器430、第一CCD435、第二CCD440、第三CCD445及第四CCD450。半波片405、可变移相器410、λ/4波片415、分束器420、第一偏振分束器425及第二偏振分束器430作为“全息图生成单元”而发挥作用。另外，第一CCD435、第二CCD440、第三CCD445及第四CCD450作为“检测单元”而发挥作用。在图8中，第一参考光220及第二参考光230是由同一激光光源产生的直线偏振(水平偏振；图面的面内方向)激光。

半波片405配置在第一全息图的衍射光240的光路上，其使第一全息图的衍射光240的偏振角旋转45度。

可变移相器410配置在第二参考光230的光路上。此外，在式(23)所示的M＝4、即第二全息图的数量为4或4以下的情况下，并不需要可变移相器410。

λ/4波片415配置在第二参考光230的光路上，其将第二参考光230的偏振状态转换成圆偏振。此处，所谓圆偏振，是指水平偏振成分与垂直偏振成分的相位差为π/2的偏振状态。

分束器420是不具有偏振依赖性的分束器。偏振角因半波片405而发生了变化的第一全息图的衍射光240射入分束器420的第一面。入射的第一全息图的衍射光240的一部分经反射后射向第一偏振分束器425，剩余部分透射后射向第二偏振分束器430。另外，偏振状态通过λ/4波片415而发生了变化的第二参考光230射入分束器420的第二面。入射的第二参考光230的一部分透射后射向第一偏振分束器425，剩余部分经反射后射向第二偏振分束器430。

第一偏振分束器425及第二偏振分束器430是具有偏振依赖性的分束器。即，第一偏振分束器425及第二偏振分束器430使水平偏振光透射，并反射垂直偏振光。第一偏振分束器425及第二偏振分束器430以图8所示的位置关系配置。

如图8所示，由分束器420反射后的第一全息图的衍射光240及透射过分束器420的第二参考光230射入第一偏振分束器425。第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分透射过第一偏振分束器425后射向第一CCD435。另一方面，第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由第一偏振分束器425反射后射向第三CCD445。

同样地，透射过分束器420的第一全息图的衍射光240及由分束器420反射后的第二参考光230射入第二偏振分束器430。第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分透射过第二偏振分束器430后射向第二CCD440。另一方面，第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由第二偏振分束器430反射后射向第四CCD450。

第一CCD435、第二CCD440、第三CCD445及第四CCD450分别检测不同的第二全息图的强度分布。第一CCD435、第二CCD440、第三CCD445及第四CCD450以图8所示的位置关系配置。第一CCD435检测由透射过第一偏振分束器425的第一全息图的衍射光240的水平偏振成分与第二参考光230的水平偏振成分生成的第二全息图的强度分布。第二CCD440检测由透射过第二偏振分束器430的第一全息图的衍射光240的水平偏振成分与第二参考光230的水平偏振成分生成的第二全息图的强度分布。第三CCD445检测由第一偏振分束器425反射后的第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分与第二参考光230的垂直偏振成分生成的第二全息图的强度分布。第四CCD450检测由第二偏振分束器430反射后的第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分与第二参考光230的垂直偏振成分生成的第二全息图的强度分布。

使用图8说明能够利用图8所示的结构同时生成第二全息图的理由。

如图8所示，半波片405使由第一参考光220生成的第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)的偏振角旋转45度。因此，透射过半波片405的第一全息图的衍射光240在图中的A位置具有相位彼此相同的水平偏振成分(图面的面内方向，由图中的箭头表示)与垂直偏振成分(图面的垂直方向，由图中的双重圆表示)各一半。

另一方面，λ/4波片415将第二参考光230的偏振状态转换成圆偏振。因此，透射过λ/4波片415的第二参考光230在图中的B位置变成圆偏振光(由图中的圆表示)。如上所述，所谓圆偏振，是指水平偏振成分与垂直偏振成分的相位差为π/2的偏振状态。

以上述方式获得的45度直线偏振的第一全息图的衍射光240与圆偏振的第二参考光230射入分束器420。如实施方式2中的说明所述，能够通过该分束器420同时生成第二参考光230的相位α＝0时的第二全息图与第二参考光230的相位α＝π时的第二全息图。因此，由向图中的C方向前进的光波与向图中的D方向前进的光波生成相位偏差了π的第二全息图。

首先，说明第一全息图的衍射光240及第二参考光230射入分束器420后，从分束器420向第一偏振分束器425的方向(图中的C方向)前进的两束光。

如图8所示，第一全息图的衍射光从图面左侧射入分束器420。将分束器420相对于来自该方向(从图面左侧朝向右侧的方向)的光的振幅透射率设为t(射向第二CCD440及第四CCD450的成分)，将振幅反射率设为r(射向第一CCD435及第三CCD445的成分)。另外，第二参考光R0从图面下侧射入分束器405。将分束器420相对于来自该方向(从图面下侧朝向上侧的方向)的光的振幅透射率设为t'(射向第一CCD435及第三CCD445的成分)，将振幅反射率设为r'(射向第二CCD440及第四CCD450的成分)。

首先，第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及圆偏振的第二参考光230的水平偏振成分在第一偏振分束器425中直线前进(透射)。根据与式(27)相同的考虑，若使用式(25)及式(26)，则

$I_{\mathrm{CCD}1}(x,y)={|\mathrm{rAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+t^{\′}{R}_0|}^2$ (32)

$={\left|r\right|}^2{A}^2+{\left|t\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ})$

，在第一CCD435上生成第二参考光230的相位α＝0时的第二全息图。

同时，第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及圆偏振的第二参考光230的垂直偏振成分被第一偏振分束器425反射，并向第三CCD445侧前进。此时，圆偏振的第二参考光230的水平偏振成分与垂直偏振成分的相位差为π/2，因此，第三CCD445上产生的全息图变成

$I_{\mathrm{CCD}3}(x,y)={|\mathrm{rAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+t^{\′}{R}_0\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)|}^2$ (33)

$={\left|r\right|}^2{A}^2+{\left|t\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ}-\frac{\mathrm{\π}}{2})$

，生成第二参考光230的相位α＝π/2时的第二全息图。

接着，说明第一全息图的衍射光240及第二参考光230射入分束器420后，从分束器420向第二偏振分束器430的方向(图中的D方向)前进的两束光。

首先，第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及圆偏振的第二参考光230的水平偏振成分在第二偏振分束器430中直线前进(透射)。根据与式(29)相同的考虑，

$I_{\mathrm{CCD}2}(x,y)={|\mathrm{tAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+r^{\′}{R}_0|}^2$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2-2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ})---\left(34\right)$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}+\mathrm{\γ}-\mathrm{\π})$

在第二CCD440上生成第二参考光230的相位α＝π时的第二全息图。

同时，第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及圆偏振的第二参考光230的垂直偏振成分被第二偏振分束器430反射，并向第四CCD450侧前进。此时，圆偏振的第二参考光230的水平偏振成分与垂直偏振成分的相位差为π/2，因此，第四CCD450上产生的全息图变成

$I_{\mathrm{CCD}4}(x,y)={|\mathrm{tAexp}\left(\mathrm{i\φ}\right)+r^{\′}{R}_0\exp \left(i\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)|}^2$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2-2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}-\frac{\mathrm{\π}}{2})---\left(35\right)$

$={\left|t\right|}^2{A}^2+{\left|r^{\′}\right|}^2{R}_0^2+2A{R}_0\left|{\mathrm{rt}}^{*}\right|\cos (\mathrm{\φ}-\frac{3\mathrm{\π}}{2})$

，生成第二参考光230的相位α＝3π/2时的第二全息图。

根据此种工作原理，若将第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)与第二参考光230导入，则不调整光路长度而在第一CCD435、第二CCD440、第三CCD445及第四CCD450上同时生成以下的第二全息图，该第二全息图等同于使第二参考光230的相位变化为α＝0、π/2、π、3π/2的情况下的第二全息图。根据这样那样同时获得的四张第二全息图，并通过电子处理对信号进行解调的过程与实施方式1中所说明的第二方法相同(参照式(18)～式(22))。

另外，生成数量大于M＝4的第二全息图以提高信号的解调精度的情况下，利用可变移相器410即可。首先，使可变移相器410的相位差为0，生成与使第二参考光230的相位变化为α＝0、π/2、π、3π/2的情况等效的四张第二全息图。然后，通过可变移相器410使第二参考光230产生π/4的相位差，由此，生成与使第二参考光230的相位变化为α＝π/4、3π/4、5π/4、7π/4的情况等效的四张第二全息图。能够根据这样生成的合计八张第二全息图，使用式(18)～式(22)精密地对空间正交振幅调制信号进行解调。

（实施方式4）

在实施方式3的光学系统中，为了一次检测四张第二全息图，需要四台CCD。在实施方式4中，说明利用两台CCD一次检测四张第二全息图的全息存储器记录再现装置。

实施方式4的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元以外的各结构要素与实施方式1的全息存储器记录再现装置相同。因此，仅对全息图生成单元及检测单元进行说明。

图9是表示实施方式4的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

如图9所示，全息图生成单元及检测单元包括：半波片505、可变移相器510、λ/4波片515、分束器520、第一反射镜525、第二反射镜530、偏振分束器535、第一CCD540及第二CCD545。半波片505、可变移相器510、λ/4波片515、分束器520、第一反射镜525、第二反射镜530及偏振分束器535作为“全息图生成单元”而发挥作用。另外，第一CCD540及第二CCD545作为“检测单元”而发挥作用。在图9中，第一参考光220及第二参考光230是由同一激光光源产生的直线偏振(水平偏振；图面的面内方向)激光。

半波片505、可变移相器510及λ/4波片515与实施方式3中的半波片、可变移相器及λ/4波片相同。

分束器520是不具有偏振依赖性的分束器。偏振角因半波片505而发生了变化的第一全息图的衍射光240射入分束器520的第一面。入射的第一全息图的衍射光240的一部分经反射后射向第一反射镜525，剩余部分透射后射向第二反射镜530。另外，偏振状态因λ/4波片515而发生了变化的第二参考光230射入分束器520的第二面。入射的第二参考光230的一部分透射后射向第一反射镜525，剩余部分经反射后射向第二反射镜530。

第一反射镜525是用于使由分束器520反射后的第一全息图的衍射光240及透射过分束器520的第二参考光230射入偏振分束器535的第一面的反射镜。

第二反射镜530是用于使透射过分束器520的第一全息图的衍射光240及由分束器520反射后的第二参考光230射入偏振分束器535的第二面的反射镜。

偏振分束器535是具有偏振依赖性的分束器。即，偏振分束器535使水平偏振光透射，并反射垂直偏振光。偏振分束器535以图9所示的位置关系配置。

如图9所示，由分束器520反射后的第一全息图的衍射光240及透射过分束器520的第二参考光230射入偏振分束器535的第一面。第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由偏振分束器535反射后射向第一CCD540。另一方面，第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分透射过偏振分束器535后射向第二CCD545。

透射过分束器520的第一全息图的衍射光240及由分束器520反射后的第二参考光230射入偏振分束器535的第二面。第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分透射过偏振分束器535后射向第一CCD540。另一方面，第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由偏振分束器535反射后射向第二CCD545。

来自第一反射镜525侧的光射入偏振分束器535的第一面，来自第二反射镜530侧的光射入第二面。即，光同时射入偏振分束器535的表面及背面。此时，以使来自第一反射镜525侧的光的光轴与来自第二反射镜530侧的光的光轴错开的方式，配置第一反射镜525及第二反射镜530(参照图9)。

第一CCD540及第二CCD545以图9所示的位置关系配置。第一CCD540及第二CCD545各自生成两张第二全息图。即，第一CCD540检测由偏振分束器535的第一面反射后的光(第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布、和透射过偏振分束器535的第二面的光(第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布。另一方面，第二CCD545检测透射过偏振分束器535的第一面的光(第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布、和由偏振分束器535的第二面反射后的光(第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布。

使用图9说明能够利用图9所示的结构同时生成第二全息图的理由。

如图9所示，半波片505使由第一参考光220生成的第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)的偏振角旋转45度。因此，透射过半波片505的第一全息图的衍射光240在图中的A位置具有相位彼此相同的水平偏振成分(图面的面内方向，由图中的箭头表示)与垂直偏振成分(图面的垂直方向，由图中的双重圆表示)各一半。

另一方面，λ/4波片515将第二参考光230的偏振状态转换成圆偏振。因此，透射过λ/4波片515的第二参考光230在图中的B位置变成圆偏振光(由图中的圆表示)。

以上述方式获得的45度直线偏振的第一全息图的衍射光240与圆偏振的第二参考光230射入分束器520。如实施方式2中的说明所述，能够通过该分束器520同时生成第二参考光230的相位α＝0时的第二全息图与第二参考光230的相位α＝π时的第二全息图。因此，由向图中的C方向前进的光波与向图中的D方向前进的光波生成相位偏差了π的第二全息图。

第一全息图的衍射光240及第二参考光230射入分束器520后，从分束器520向第一反射镜525的方向(图中的C方向)前进的两束光从图面左侧射入偏振分束器535。另一方面，从分束器520向第二反射镜530的方向(图中的D方向)前进的两束光从图面下侧射入偏振分束器535。即，向图中的C方向前进的光与向图中的D方向前进的光从不同方向射入同一偏振分束器535。

此时，使从第一反射镜525侧射入的光射入偏振分束器535的位置、和从第二反射镜530侧入射的光射入偏振分束器535的位置稍微错开。由此，在第一CCD540的左半面上，生成第二参考光的相位α＝π/2时的第二全息图，同时在第一CCD540的右半面上，生成第二参考光的相位α＝π时的第二全息图。另外，在第二CCD545的下半面上，生成第二参考光的相位α＝0时的第二全息图，同时在第二CCD545的上半面上，生成第二参考光的相位α＝3π/2时的第二全息图。

本实施方式的全息存储器记录再现装置将一个CCD的拍摄区域一分为二地使用。当前能够容易地取得具有数千万像素的拍摄元件，因此，此方面不会成为技术上的制约。而且，CCD等拍摄元件的数量少即可，因此，在能够构建廉价系统方面优势明显。

图10是表示全息图生成单元及检测单元的其他结构的示意图。图10所示的结构与图9所示的结构的不同点在于：在半波片505的前方配置有一组偏振分束器(第二偏振分束器550及第三偏振分束器555)；以及在λ/4波片515的前方配置有第二分束器560及第三反射镜565。由此，能够同时生成相对于第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)的垂直偏振成分(α成分)的第二全息图、和相对于水平偏振成分(β成分)的第二全息图这两张第二全息图。

如图10所示，利用一组偏振分束器(第二偏振分束器550及第三偏振分束器555)将由第一参考光220生成的第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)一分为二。另外，利用第二分束器560及第三反射镜565将第二参考光230一分为二。由此，能够在第一CCD540及第二CCD545的检测面的各个不同区域同时生成八张第二全息图，该八张第二全息图包含相对于第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)的垂直偏振成分(α成分)的四张第二全息图、和相对于水平偏振成分(β成分)的四张第二全息图。

当全息存储器165中所记录的全息图为生成垂直偏振成分及水平偏振成分这两种成分的偏振型全息图时，特别是当全息存储器165中所记录的全息图为分别在垂直偏振成分及水平偏振成分中记录不同的值(振幅及相位)的偏振型全息图时，图10所示的全息图生成单元及检测单元能够同时对第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及水平偏振成分进行解调。另外，在将图10所示的全息图生成单元及检测单元用作观测装置的情况下，该观测装置能够同时观测由晶体等具有双折射性的样本产生的垂直偏振成分及水平偏振成分。

（实施方式5）

在实施方式4的光学系统中，为了一次检测四张第二全息图，需要两台CCD。在实施方式5中，说明利用一台CCD一次检测四张第二全息图的全息存储器记录再现装置。

实施方式5的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元以外的各结构要素与实施方式1的全息存储器记录再现装置相同。因此，仅对全息图生成单元及检测单元进行说明。

图11是表示实施方式5的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

如图11所示，全息图生成单元及检测单元包括：半波片605、可变移相器610、λ/4波片615、第一分束器620、第一反射镜625、第二反射镜630、第一偏振分束器635、第二偏振分束器640、第三偏振分束器645、第四偏振分束器650、第二分束器655及CCD660。半波片605、可变移相器610、λ/4波片615、第一分束器620、第一反射镜625、第二反射镜630、第一偏振分束器635、第二偏振分束器640、第三偏振分束器645、第四偏振分束器650及第二分束器655作为“全息图生成单元”而发挥作用。另外，CCD660作为“检测单元”而发挥作用。在图11中，第一参考光220及第二参考光230是由同一激光光源产生的直线偏振(水平偏振；图面的面内方向)激光。

半波片605、可变移相器610、λ/4波片615、第一分束器620、第一反射镜625及第二反射镜630与实施方式4的半波片、可变移相器、λ/4波片、第一分束器、第一反射镜及第二反射镜相同。

第一偏振分束器635、第二偏振分束器640、第三偏振分束器645及第四偏振分束器650是具有偏振依赖性的分束器。即，第一偏振分束器635、第二偏振分束器640、第三偏振分束器645及第四偏振分束器650使水平偏振光透射，并反射垂直偏振光。如图11所示，第一偏振分束器635及第二偏振分束器640被组合配置。同样地，第三偏振分束器645及第四偏振分束器650也被组合配置。

如图11所示，由第一分束器620反射后的第一全息图的衍射光240及透射过第一分束器620的第二参考光230射入第一偏振分束器635。第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由第一偏振分束器635反射后射向第二偏振分束器640。另一方面，第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分透射过第一偏振分束器635后射向第二分束器655。

由第一偏振分束器635反射后的第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分射入第二偏振分束器640。入射的第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由第二偏振分束器640反射后射向第二分束器655。

透射过第一分束器620的第一全息图的衍射光240及由第一分束器620反射后的第二参考光230射入第三偏振分束器645。第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由第三偏振分束器645反射后射向第四偏振分束器650。另一方面，第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分透射过第三偏振分束器645后射向第二分束器655。

由第三偏振分束器645反射后的第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分射入第四偏振分束器650。入射的第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分由第四偏振分束器640反射后射向第二分束器655。

此外，也可以使用梯形型偏振棱镜代替第一偏振分束器635及第二偏振分束器640的组合。同样地，也可以使用梯形型偏振棱镜代替第三偏振分束器645及第四偏振分束器650的组合。

第二分束器655是不具有偏振依赖性的分束器。透射过第一偏振分束器635的第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分、和由第二偏振分束器640反射后的第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分射入第二分束器655的第一面。以使上述水平偏振成分及垂直偏振成分的光轴彼此错开的方式，配置第一偏振分束器635及第二偏振分束器640(参照图11)。上述水平偏振成分及垂直偏振成分透射过第二分束器655后射向CCD660。

透射过第三偏振分束器645的第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分、和由第四偏振分束器650反射后的第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分射入第二分束器655的第二面。以使上述水平偏振成分及垂直偏振成分的光轴彼此错开的方式，配置第三偏振分束器645及第四偏振分束器650(参照图11)。上述水平偏振成分及垂直偏振成分由第二分束器655反射后射向CCD660。

来自第一偏振分束器635及第二偏振分束器640侧的光射入第二分束器655的第一面，来自第三偏振分束器645及第四偏振分束器650侧的光射入第二面。即，光同时射入第二分束器655的表面及背面。此时，以使源于第一偏振分束器635的光的光轴、源于第二偏振分束器640的光的光轴、源于第三偏振分束器645的光的光轴及源于第四偏振分束器650的光的光轴彼此错开的方式，配置有第一偏振分束器635、第二偏振分束器640、第三偏振分束器645及第四偏振分束器650(参照图11)。

CCD660检测四张第二全息图的强度分布。即，CCD660检测透射过第一偏振分束器635的光(第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布、由第二偏振分束器640反射后的光(第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布、透射过第三偏振分束器645的光(第一全息图的衍射光240的水平偏振成分及第二参考光230的水平偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布、以及由第四偏振分束器650反射后的光(第一全息图的衍射光240的垂直偏振成分及第二参考光230的垂直偏振成分)所生成的第二全息图的强度分布。

根据与图9所示的结构的全息图生成单元及检测单元相同的理由，图11所示的结构的全息图生成单元及检测单元能够同时生成四张第二全息图。此外，在图11所示的例子中，将两个偏振分束器配置在与纸面水平的方向上，但也可以将两个偏振分束器配置在与纸面垂直的方向上。由此，能够在一个CCD的检测面上配置2段×2列的四张第二全息图。

图12是表示全息图生成单元及检测单元的其他结构的示意图。图12所示的结构与图11所示的结构的不同点在于：在半波片605的前方配置有一组分束器(第三分束器665及第四分束器670)。

如图12所示，利用一组分束器(第三分束器665及第四分束器670)将由第一参考光220生成的第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)一分为二。由此，能够在一个CCD的检测面的各个不同区域中同时生成八张第二全息图。

若将八张第二全息图的强度分布分别设为V₁、V₂、…、V₈，将第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)的相位设为将由一组分束器(第三分束器665及第四分束器670)引起的相位差设为Ψ(x，y)，则根据

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{V_2(x,y)-V_4(x,y)}{V_1(x,y)-V_3(x,y)}---\left(36\right)$

$\mathrm{\φ}(x,y)+\mathrm{\Ψ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{V_6(x,y)-V_8(x,y)}{V_5(x,y)-V_7(x,y)}---\left(37\right)$

，能够获得

$\mathrm{\Ψ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{V_6(x,y)-V_8(x,y)}{V_5(x,y)-V_7(x,y)}-{\tan }^{-1}\frac{V_2(x,y)-V_4(x,y)}{V_1(x,y)-V_3(x,y)}---\left(38\right).$

通过使用该Ψ的值，能够观测到α₁＝0、α₂＝Ψ、α₃＝π/2、α₄＝π/2＋Ψ、α₅＝π、α₆＝π＋Ψ、α₇＝3/2π、α₈＝3/2π＋Ψ这八个不同的干涉强度。

此时，通过

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{\Σ}{V}_n(x,y)\sin {\mathrm{\α}}_n}{\mathrm{\Σ}{V}_n(x,y)\cos {\mathrm{\α}}_n}---\left(39\right)$

计算出第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)的相位

这样，通过使第一全息图的衍射光240(空间正交振幅调制信号光)一分为二，能够增大一次所能够检测的第二全息图的数量。若进一步增大第一全息图的衍射光240的分支数，则也能够进一步增大一次所能够检测的第二全息图的数量。例如，若将第一全息图的衍射光240一分为三，则能够一次测量十二张第二全息图的强度分布。

另外，如图13所示，也能够通过移相器675将上述相位差Ψ预先设定成特定的值。例如，若Ψ₁＝π/4，则能够观测到α₁＝0、α₂＝π/4、α₃＝π/2、α₄＝3π/4、α₅＝π、α₆＝5π/4、α₇＝3/2π、α₈＝7π/4这八个不同的干涉强度。

（实施方式6）

在上述各实施方式的光学系统中，需要设置四个拍摄区域(α＝0、α＝π/4、α＝π/2、α＝3π/4)。在实施方式6中，说明能够仅利用两个拍摄区域(α＝0、α＝π/2)对空间正交振幅调制信号进行解调的全息存储器记录再现装置。

实施方式6的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元以外的各结构要素与实施方式1的全息存储器记录再现装置相同。因此，仅对全息图生成单元及检测单元进行说明。

图14是表示实施方式6的全息存储器记录再现装置的全息图生成单元及检测单元的结构的示意图。

如图14所示，全息图生成单元及检测单元包括：半波片705、λ/4波片710、分束器715、偏振分束器720、第一CCD725及第二CCD730。半波片705、λ/4波片710、分束器715及偏振分束器725作为“全息图生成单元”而发挥作用。另外，第一CCD725及第二CCD730作为“检测单元”而发挥作用。在图14中，第一参考光220及第二参考光230是由同一激光光源产生的直线偏振(水平偏振；图面的面内方向)激光。另外，第二参考光230的强度R₀ ²为已知的值。

图14所示的光学系统采用从图8所示的实施方式3的光学系统中去除与光线D相关的构成构件(第二偏振分束器430、第二CCD440及第四CCD450)所得的结构相同的结构。如实施方式3中的说明所述，在第一CCD725上，生成第二参考光230的相位α＝0时的第二全息图，在第二CCD730上，生成第二参考光230的相位α＝π/2时的第二全息图。此外，对于图14所示的光学系统，还可以去除分束器715，使偏振角因半波片705而发生了变化的第一全息图的衍射光240直接射入偏振分束器720。在此情况下，偏振角因半波片705而发生了变化的第一全息图的衍射光240射入偏振分束器720的第一面，偏振状态因λ/4波片710而发生了变化的第二参考光230射入偏振分束器720的第二面。

此处，若假设上述式(9)

$I_m(x,y)={\mathrm{\η}}^2{A}^2+R_0^2+I_N+\mathrm{\β}{A}_N+2\mathrm{\ηA}{R}_0\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{m\Δ\Ψ})---\left(9\right)$

中的噪声成分I_N及A_N足够小，则

$I_m(x,y)={\mathrm{\η}}^2{A}^2+R_0^2+2\mathrm{\ηA}{R}_0\cos (\mathrm{\φ}-\mathrm{m\Δ\ψ})---\left(40\right).$

为了便于计算，设η＝q＝1，由第一CCD725及第二CCD730测量的光强度分布的测量值分别为V₀(x，y)及V_π/2(x，y)。此时，可以写成

$V_0(x,y)=A^2(x,y)+R_0^2+2A(x,y)R_0\cos \left\{\mathrm{\φ}(x,y)\right\}---\left(41\right)$

$V_{\mathrm{\π}/2}(x,y)=A^2(x,y)+R_0^2+2A(x,y)R_0\cos \{\mathrm{\φ}(x,y)-\mathrm{\π}/2\}$ (42)。

$=A^2(x,y)+R_0^2+2A(x,y)R_0\sin \left\{\mathrm{\φ}(x,y)\right\}$

此处，若设

$I_0=A^2+R_0^2---\left(43\right)$

，则根据式(41)及式(42)，

$A\cos \mathrm{\φ}=\frac{V_0-I_0}{2R_0}---\left(44\right)$

$A\sin \mathrm{\φ}=\frac{V_{\mathrm{\π}/2}-I_0}{2R_0}---\left(45\right)$

。若使用三角函数的公式

sin²φ+cos²φ=1(46)

，则会获得

$2I_0^2-2(V_0+V_{\mathrm{\π}/2}+2R_0^2)I_0+V_0^2+V_{\mathrm{\π}/2}^2+4R_0^4=0---\left(47\right).$

用式(47)来求解I₀，若求出满足式(43)～式(45)的解，则对于(x，y)的各点，

$I_0=\frac{V_0+V_{\mathrm{\π}/2}+2R_0^2-\sqrt{{(V_0+V_{\mathrm{\π}/2}+2R_0^2)}^2-2(V_0^2+V_{\mathrm{\π}/2}^2+4R_0^4)}}{2}---\left(48\right)$

成立。将该结果代入式(44)及式(45)，由此，能够根据以下的式(49)求出光复振幅

$A(x,y)\exp \left\{\mathrm{i\φ}(x,y)\right\}=A(x,y)\cos \mathrm{\φ}(x,y)+\mathrm{iA}(x,y)\sin \mathrm{\φ}(x,y)$

$=\frac{V_0(x,y)-I_0(x,y)}{2R_0}+i\frac{V_{\mathrm{\π}/2}(x,y)-I_0(x,y)}{2R_0}---\left(49\right)$

如上所述，在检测系统的噪声小的情况下，能够通过图14所示的简单的光学系统，由一次测量计量出光复振幅

图15是表示全息图生成单元及检测单元的其他结构的示意图。图15所示的结构与图14所示的结构的不同点在于：在一个CCD835上形成有两个拍摄区域。

如图15所示，全息图生成单元及检测单元包括：半波片805、λ/4波片810、偏振分束器815、第一反射镜820、第二反射镜825、分束器830及CCD835。也能够通过图15所示的简单的光学系统，由一次测量计量出光复振幅

(实施方式3～实施方式6的效果)

在信号光的空间相位的计量(包含光复振幅的计量、空间正交振幅调制信号的计量)中，需要通过使信号光与其他光干涉来将相位转换成强度。已知相位偏移干涉仪测法，该相位偏移干涉仪测法使用相位不同的干涉光以精密地测量观测对象的相位。

相位偏移干涉仪测法大致分为顺序方式与并行移相方式。对于顺序方式，通过可变移相器使干涉光的相位发生变化，并进行多次计量(IchirouYamaguchiandTongZhang,"Phase-shiftingdigitalholography",Opt.Lett.,Vol.22,pp.1268-1270(1997).)。另一方面，对于并行移相方式，使用通过空间相位阵列的信号光进行一次计量(YasuhiroAwatsuji,AtsushiFujii,ToshihiroKubota,andOsamuMatoba,"Parallelthree-stepphase-shiftingdigitalholography,"Appl.Opt.Vol.45,pp.2995-3002(2006).)。

对于顺序方式，因为进行多次计量，所以使不同时刻的信号产生相位差并计量相位。因此，顺序方式存在以下的问题：对于观测对象的随着时间的变动(例如观测对象即微生物的运动等)会产生大计量误差。另一方面，对于并行移相方式，通过一组空间相位阵列的三～四个信号是由观测对象的不同位置产生的信号。并行移相方式是根据通过上述空间相位阵列的一组信号来计算原信号。因此，并行移相方式存在以下的问题：在观测对象的相位值的空间变动大的情况下(例如在观测对象的形状复杂的情况下)，会产生大计量误差。

与此不同，实施方式3～实施方式6的方式具有以下的优点。首先，因为能够一次进行顺序方式中所需的多次计量，所以无时间误差，能够保持系统的稳定性及高速性。另外，因为不使用并行移相方式中所需的相位阵列而利用多个CCD观测同一位置的原信号，所以也不会产生空间误差。例如，利用半反射镜(或分束器)及偏振分束器使在同一时刻从同一位置产生的信号产生相位差，并且生成由图8中的四个CCD的同一位置的像素接收的信号(图6及图9～图15中也相同)。即，实施方式3～实施方式6的计量方式不具有顺序方式及并行移相方式的任何缺点而具有顺序方式及并行移相方式这两者的优点。

另外，对于顺序方式，因为将压电元件用作可变移相器，所以需要复杂的装置(光学系统)以确保精度或稳定性。与此不同，对于实施方式3～实施方式6的计量方式，无需通过可变移相器精密地调整相位。另外，对于实施方式3～实施方式6的计量方式，也无需开发并行移相方式中所需的高精度的新颖器件(例如微小空间相位阵列等)。即，只要采用以往就存在的廉价的偏振元件及CCD照相机就能够实现实施方式3～实施方式6的计量方式，从而该实施方式3～实施方式6的计量方式具有面向产业化、低价格化及普及的很大优点。

此外，图6及图8～图15所示的全息图生成单元及检测单元还能够被用作以下的观测装置，该观测装置观测来自观测对象的透射光或反射光的强度及相位的二维分布(参照实施例5、实施例6)。在此情况下，设置观测对象(例如生物样本)代替全息存储器165。另外，代替第一全息图的衍射光240，使用来自观测对象的透射光或反射光(空间正交振幅调制信号光)生成第二全息图。

此外，在上述各实施方式中说明了通过双光束干涉方式进行记录的例子，但全息图的记录方式并不限定于此。例如，也可以通过共线方式进行记录(参照实施例)。

作为全息图的记录方式，对信号光与参考光使用角度不同的光的双光束干涉方式已广为人知。然而，该方式在与光盘技术的匹配性方面存在问题。作为解决该问题的方式，已有共线全息法，该共线全息法如图16所示，将信号光与参考光配置在同一光轴上，使空间光调制器(SLM)的中心部用于生成全息图信号光，并使外周部用于生成参考光图案(HideyoshiHorimai,XiaodiTanandJunLi,"CollinearHolography",Appl.Opt.,Vol.44,pp.2575-2579(2005))。此外，图16中表示了反射型全息图的光学配置，但也可以如实施例所示，采用透射型全息图的光学配置。

图17中表示利用共线全息法进行记录及再现时的空间光调制器(SLM)的图案的一例。在记录时，如图17A所示，在中心部与外周部使用分离的页数据，使中心部用于形成信号光，使外周部用于形成参考光。利用一个物镜将从中心部射出的光(信号光)及从外周部射出的光(参考光)聚光照射至记录介质(例如光盘)，从而记录两者的干涉图案。在再现时，如图17B所示，仅将从外周部射出的光(参考光)聚光照射至记录介质，从记录介质取出作为衍射光的记录数据。对于共线全息法，通过使光点的位置在空间上稍微错开，能够进行多重记录(移位多重)。

以下，参照实施例详细地说明本发明，但本发明并不受这些实施例限定。

[实施例]

[实施例1]

实施例1中表示使用本发明的全息存储器记录再现装置进行八值空间相位调制信号(8-SPM)的记录及再现的模拟后的结果。

图18是表示用于模拟的本发明的全息存储器记录再现装置的结构的示意图。该全息存储器记录再现装置通过共线全息法对第一全息图进行记录及再现。

如图18所示，全息存储器记录再现装置900包括：激光光源(波长λ＝532.0nm)、第一反射镜(M1)、扩束器(BE)、第一分束器(BS1)、第二分束器(BS2)、第一空间光调制器(SLM1)、第一透镜(L1)、第一光阑(Iris1)、第二透镜(L2)、第二空间光调制器(SLM2)、第三空间光调制器(SLM3)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、可变移相器(压电元件)、第三分束器(BS3)、第五透镜(L5)、第二光阑(Iris2)、第六透镜(L6)、第二反射镜(M2)、第三反射镜(M3)及CCD照相机。该全息存储器记录再现装置900将记录介质(光聚合物)设置在第三透镜(L3)与第四透镜(L4)之间进行记录及再现。

如图18所示，从激光光源射出的光由第一分束器(BS1)一分为二。射向图面的下方向的光成为生成第一全息图的信号光及第一参考光。另一方面，射向图面的右方向的光成为生成第二全息图的第二参考光。

从第一分束器(BS1)射向图面的下方向的光射入空间正交振幅调制信号生成单元910。在空间正交振幅调制信号生成单元910中，光束的中心部(图17A中的数据页区域)由相位调制型的第一空间光调制器(SLM1)施加空间相位调制，并由强度调制型的第二空间光调制器(SLM2)施加空间振幅调制。另外，对于共线全息法，如图17B所示，将光束的外周部用作被称为共线环图案的参考光。因此，在空间正交振幅调制信号生成单元910中，强度调制型的第三空间光调制器(SLM3)在光束的外周部生成相当于第一参考光的共线环图案。

此外，第二空间光调制器(SLM2)仅使用中心部，第三空间光调制器(SLM3)仅使用外周部，因此，也可以将上述第二空间光调制器(SLM2)与第三空间光调制器(SLM3)一并换成一个空间光调制器。另外，还可以任意地改变第一空间光调制器(SLM1)、第二空间光调制器(SLM2)及第三空间光调制器(SLM3)的顺序。另外，在图18中，将反射型空间光调制器用作第一空间光调制器(SLM1)，将透射型空间光调制器用作第二空间光调制器(SLM2)及第三空间光调制器(SLM3)，但第一空间光调制器(SLM1)、第二空间光调制器(SLM2)及第三空间光调制器(SLM3)中的任一个空间光调制器均可以使用反射型及透射型的空间光调制器。

以上述方式生成的空间正交振幅调制信号及第一参考光成为一条光束，将第一全息图记录至记录介质(光聚合物)。为了将多张第一全息图记录至记录介质，只要使记录介质移动即可(例如使盘状的记录介质旋转)。

在再现所记录的数据时，由第二空间光调制器(SLM2)遮断光束的中心部(数据页区域)，由第三空间光调制器(SLM3)在光束的外周部生成相当于第一参考光的共线环图案。若将以上述方式生成的第一参考光照射至记录介质内的第一全息图，则会产生第一全息图的衍射光。如图18所示，从记录介质产生的第一全息图的衍射光射入全息图生成单元920。

另一方面，从第一分束器(BS1)射向图面的右方向的光成为用于生成第二全息图的第二参考光。该光由可变移相器(例如反射型压电元件)添加了所需的相位差后，射入全息图生成单元720。对于全息图生成单元920，在第三分束器(BS3)中混合第一全息图的衍射光与第二参考光，由此，在CCD照相机的检测面上生成第二全息图。

此处，将八值空间相位调制信号(8-SPM)的图解表示在图19中。图中的横轴被称为“实轴”或“I轴”，纵轴被称为“虚轴”或“Q轴”。这些轴对应于式(1)的变量I及Q。图解上绘出的点被称为“信号点”。由多个信号点表示一组调制符号。另外，该图解所表示的复平面以两轴的“0”点为中心来表示信号的振幅及相位。距“0”点的距离表示振幅，相对于“0”点的角度表示相位。因此，对于位于与中心相距相同距离且相对于中心的角度不同的位置的多个符号而言，信号波形的振幅相等，但相位互不相同。

在本实施例中，使用图18所示的全息存储器记录再现装置，进行记录及再现八值空间相位调制信号(8-SPM；参照图19)的情况的模拟。数值解析方法使用了FFT-BPM(傅立叶变换光束传播法)(JunyaTanaka,AtsushiOkamotoandMotokiKitano,"DevelopmentofImage-BasedStimulationforHolographicDataStorageSystembyFastFourierTransformBeam-PropagationMethod",JapaneseJournalofAppliedPhysics,Vol.48,No.3(Issue2),pp.03A028(1-5)(2009).)。将用于数值解析的参数表示在表1中。

[表1]

将用于记录的三张数据页(＃1、＃2、＃3)表示在图20A中。在图20A中，各数据页的大小为32像素×32像素。另外，各像素根据八个不同的相位信息而被调制，但为了实现可视化，其由灰度等级描绘。

在本次的模拟中，假设光聚合物为记录介质，并以1.76μm的移动间距对上述三张数据页(＃1、＃2、＃3)进行多重记录。将第一参考光照射至所记录的第一全息图，产生第一全息图的衍射光。通过混合该第一全息图的衍射光与第二参考光，生成α＝0、π/2、π、3π/2这四张第二全息图。

将关于各数据页(＃1、＃2、＃3)，对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布表示在图21～图23中。图21是数据页＃1的第二全息图的信号强度分布，图22是数据页＃2的第二全息图的信号强度分布，图23是数据页＃3的第二全息图的信号强度分布。

另外，将根据第二全息图的信号强度分布并使用式(21)解调出的数据页表示在图20B中。即使对图20A(原始数据)与图20B(再现数据)进行比较，也难以知道结果的一致度，因此，在图24中表示与数据页＃1相关的柱状图，该柱状图是关于再现出的数据具有怎样的相位信息的柱状图。根据图24可知：八值的空间相位调制信号已被清晰地分离。对于图24的数据，将光检测器的检测精度设为12比特时的符号错误率为1.3×10－2，考虑到目前的全息存储器的纠错能力，可以说在实用上已实现充分的性能。

[实施例2]

实施例2中表示使用本发明的全息存储器记录再现装置进行八值空间正交振幅调制信号(8-SQAM)的记录及再现的模拟后的结果。

若仅将信号点排列在圆上，则当想要排列比八个左右的相位状态更多的相位状态时会导致彼此的信号波形类似，若仅利用相位调制，则会装入过多的信号状态，此种情况不佳。因此，空间正交振幅调制(SQAM)是通过在相位调制中添加振幅调制而具有更多的信号状态的调制方式。

将本实施例中所使用的八值空间正交振幅调制信号(8-SQAM)的图解表示在图25中。各信号点能够取得二值振幅及四值相位中的任一个值，且能够由一个信号点表现合计八个值。

在本实施例中，与实施例1同样地，使用图18所示的全息存储器记录再现装置，进行记录及再现八值空间正交振幅调制信号(8-SQAM)的情况的模拟。将与实施例1相同的FFT-BPM(傅立叶变换光束传播法)用作数值解析方法。将用于数值解析的参数表示在表2中。

[表2]

将用于记录的数据页(空间正交振幅调制信号)表示在图26中。如图26所示，数据页的大小为8像素×8像素。数据页的各像素具有图26A所示的振幅信息A(x，y)及图26B所示的相位信息这两个值。即，合并图26A所示的振幅信息A(x，y)及图26B所示的相位信息来表现一个数据页。图26A中的亮部与暗部的振幅比为2：1，但强度比为4：1。亮部的实际记录光强度为1.37mW，暗部的实际记录光强度为0.34mW。为了实现可视化，由灰度等级描绘图26B所示的相位信息。四值相位为白色＝π，淡灰色＝π/2，浓灰色＝0，黑色＝-π/2(3π/2)。

在本次的模拟中，假设标准的光聚合物为记录介质，在表2所示的条件下进行记录。将第一参考光照射至以上述方式获得的第一全息图，产生第一全息图的衍射光。通过混合该第一全息图的衍射光与第二参考光，生成α＝0、π/2、π、3π/2这四张第二全息图。

图27是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。在利用CCD进行的检测中，以8×8的CCD像素对数据页内的一个像素(数据像素)进行检测。因此，所需的CCD像素数为64×64像素。然而，此并非为必要条件，也能够以一个CCD像素对数据页的一个像素进行检测。

另外，将根据第二全息图的信号强度分布并使用式(21)及式(22)恢复各CCD像素点的数据所得的结果表示在图28中。而且，将针对图28所示的数据，在各数据像素内进行平均化处理所得的结果表示在图29中。由至此为止的处理获得的结果为模拟数据。因此，最后对图29所示的数据进行阈值处理，将解调成二值振幅、四值相位的数字数据所得的结果表示在图30中。

对图26所示的原始数据与图30所示的解调后的数据进行比较后，在相位面上产生了一处数据错误(由图中的“*”表示)，但除此以外，振幅及相位均完全被解调，获得了良好的结果。

[实施例3]

实施例3中表示使用本发明的全息存储器记录再现装置(参照实施方式1)，实际地记录及再现六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)后的结果。

在本实施例中，使用图31所示的全息存储器记录再现装置，记录及再现图32所示的二值强度及三值相位的六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)。

图31是表示用于实验的本发明的全息存储器记录再现装置的结构的示意图。该全息存储器记录再现装置通过共线全息法对第一全息图进行记录及再现。

如图31所示，全息存储器记录再现装置1000包括：激光光源、扩束器(BE)、第一光阑(Iris1)、第一半波片(HWP1)、偏振分束器(PBS)、第一分束器(BS1)、第一空间光调制器(SLM1)、第一透镜(L1)、第二光阑(Iris2)、第二半波片(HWP2)、第二透镜(L2)、偏振镜(Pol.)、第二空间光调制器(SLM2)、检光元件(Ana.)、第三透镜(L3)、第三光阑(Iris3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第三半波片(HWP3)、第一ND滤波器(NDF1)、第二分束器(BS2)、可变移相器(压电元件)、第三分束器(BS3)、第四光阑(Iris4)、第七透镜(L7)、第二ND滤波器(NDF2)及CCD照相机。该全息存储器记录再现装置1000将记录介质(光聚合物)设置在第五透镜(L5)与第六透镜(L6)之间进行记录及再现。

如图31所示，从激光光源射出的光(波长为532nm)由偏振分束器(PBS)一分为二。射向图面的上方向(第一分束器BS1侧)的光成为生成第一全息图的信号光及第一参考光。另一方面，射向图面的左方向(第二分束器BS2侧)的光成为生成第二全息图的第二参考光。将光聚合物用作记录介质，并将激光的照射时间设为一分钟。

从偏振分束器(PBS)射向图面的上方向(第一分束器BS1侧)的光射入空间正交振幅调制信号生成单元1010。在空间正交振幅调制信号生成单元1010中，光束的中心部由相位调制型的第一空间光调制器(SLM1)施加空间相位调制，并由强度调制型的第二空间光调制器(SLM2)施加空间振幅调制。

将用于记录的数据页(空间正交振幅调制信号)的逻辑值表示在图33A中，将物理值表示在图33B中。如图33所示，数据页的大小为3像素×5像素。数据页的各像素具有图33左侧所示的振幅信息A(x，y)及图33右侧所示的相位信息这两个值。即，合并图33左侧所示的振幅信息A(x，y)及图33右侧所示的相位信息来表现一个数据页。在图33中，亮部与暗部的强度比为3：1左右。为了实现可视化，由灰度等级描绘图33所示的相位信息。关于三值相位，白色＝π，灰色＝π/2，黑色＝0。在本实施例中，未使用图32所示的图解的下半面的原因在于：实验中所使用的第一空间光调制器(SLM1)的相位可变范围被限制为0～π。

在图33B中，相位图案的信号像素被设定得小于强度图案的信号像素。相位图案的信号像素的周边部采用0与π的细的随机图案。其理由有两个。第一个理由是在进行强度与相位的像素匹配时，确保相对于匹配偏差的余量。第二个理由是使随机相位图案处于信号像素的周边，由此，扩大空间频率分布，从而提高再现光的质量。

另外，对于共线全息法，如图34所示，将光束的外周部用作被称为共线环图案的参考光。因此，在空间正交振幅调制信号生成单元1010中，强度调制型的第二空间光调制器(SLM2)在光束的外周部生成相当于第一参考光的共线环图案。

以上述方式生成的空间正交振幅调制信号及第一参考光成为一条光束，将第一全息图记录至光聚合物(记录介质)。

在再现所记录的数据时，由第二空间光调制器(SLM2)遮断光束的中心部(数据页区域)，且在光束的外周部生成相当于第一参考光的共线环图案。若将以上述方式生成的第一参考光照射至记录介质内的第一全息图，则会产生第一全息图的衍射光。如图31所示，从记录介质产生的第一全息图的衍射光射入全息图生成单元1020。

另一方面，从偏振分束器(PBS)射向图面的左方向(第二分束器BS2侧)的光成为用于生成第二全息图的第二参考光。该光通过可变移相器(反射型压电元件)使相位变化为0、π/2、π、3π/2后，射入全息图生成单元820。对于全息图生成单元820，在第三分束器(BS3)中混合第一全息图的衍射光与第二参考光，由此，在CCD的检测面上生成第二全息图。

图35是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。另外，根据第二全息图的信号强度分布并使用式(21)及式(22)，恢复各CCD像素点的数据，进行平均化处理及阈值处理，将解调成二值振幅、三值相位的数字数据所得的结果表示在图36中。

对图33A所示的原始数据与图36所示的解调后的数据进行比较后，在振幅面上产生了两处数据错误(图中由“*”表示)，但除此以外，振幅及相位均完全被解调，获得了良好的结果。

[实施例4]

实施例4中表示使用本发明的解调装置(参照实施方式4)，实际地对六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)进行解调后的结果。

在本实施例中，使用图37所示的解调装置，对图32所示的二值强度及三值相位的六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)进行解调。如上所述，未使用图32所示的图解的下半面的原因在于：实验中所使用的第二空间光调制器(SLM2)的相位可变范围被限制为0～π。

图37是表示用于实验的本发明的解调装置的结构的示意图。在该解调装置1100中，利用空间正交振幅调制信号光生成单元1110生成六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)，并利用全息图生成单元1120对六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)进行解调。图37所示的全息图生成单元1120的结构与图9所示的全息图生成单元及检测单元的结构相同。

如图37所示，解调装置1100包括：激光光源、扩束器(BE)、第一半波片(HWP1)、第一偏振分束器(PBS1)、偏振镜(Pol.)、第一空间光调制器(SLM1)、检光元件(Ana.)、第一透镜(L1)、第一反射镜(M1)、第一光阑(Iris1)、第二透镜(L2)、第一分束器(BS1)、第二空间光调制器(SLM2)、第三透镜(L3)、第二光阑(Iris2)、第四透镜(L4)、光圈(Aperture)、第二半波片(HWP2)、λ/4波片(QWP)、第二分束器(BS2)、第二反射镜(M2)、第三反射镜(M3)、第二偏振分束器(PBS2)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第一CCD照相机(CCD1)及第二CCD照相机(CCD2)。

如图37所示，从激光光源射出的光(波长为532nm)由第一偏振分束器(PBS1)一分为二。射向图面的左方向(第一空间光调制器SLM1侧)的光成为信号光。另一方面，射向图面的下方向(第二分束器BS2侧)的光成为用于生成全息图(第二全息图)的参考光(第二参考光)。

从第一偏振分束器(PBS1)射向图面的左方向(第一空间光调制器SLM1侧)的光射入空间正交振幅调制信号生成单元1110。在空间正交振幅调制信号生成单元1110中，光束的中心部由强度调制型的第一空间光调制器(SLM1)施加空间振幅调制，并由相位调制型的第二空间光调制器(SLM2)施加空间相位调制。

将用于调制的数据页(空间正交振幅调制信号)的逻辑值表示在图38中。如图38所示，数据页的大小为6像素×6像素。数据页的各像素具有图38左侧所示的振幅信息A(x，y)及图38右侧所示的相位信息这两个值。即，合并图38左侧所示的振幅信息A(x，y)及图38右侧所示的相位信息来表现一个数据页。在图38中，亮部与暗部的强度比为3：1左右。为了实现可视化，由灰度等级描绘图38所示的相位信息。关于三值相位，白色＝π，灰色＝π/2，黑色＝0。

在对经调制的数据进行解调时，在全息图生成单元1120中使信号光与参考光干涉。由空间正交振幅调制信号光生成单元1110生成的信号光透射过第二半波片(HWP2)，从而被调整为45°的直线偏振光。另一方面，从第一偏振分束器(PBS1)射向图面的下方向(第二分束器BS2侧)的参考光透射过λ/4波片(QWP)，从而被转换成圆偏振光。使上述信号光及参考光射入第二分束器(BS2)，由此，生成相位彼此偏差了π的干涉条纹。而且，使来自第二分束器(BS2)的出射光射入第二偏振分束器(PBS2)，由此，生成相位偏差了π/2的干涉条纹。

通过以上的过程，在第一CCD照相机(CCD1)的检测面的各个不同区域，同时生成α＝π/2及α＝π的两张第二全息图。另外，在第二CCD照相机(CCD2)的检测面的各个不同区域，同时生成α＝3π/2及α＝0的两张第二全息图。根据对上述四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布，对六值空间正交振幅调制信号(6-SQAM)进行解调。

图39是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。另外，将根据第二全息图的信号强度分布并使用式(21)及式(22)恢复各CCD像素点的数据所得的结果表示在图40A中，进一步进行平均化处理及阈值处理，将解调成二值振幅、三值相位的数字数据所得的结果表示在图40B中。

对图38所示的原始数据与图40B所示的解调后的数据进行比较后，振幅及相位均完全被解调，获得了良好的结果。

此外，在图37所示的结构中，也可以无第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)及第八透镜(L8)。在无这些透镜的情况下，空间正交振幅调制信号中所含的强度信息及相位信息会受到菲涅耳衍射的影响。在此情况下，使用第二全息图的信号强度分布对信号进行解调后，通过数值计算抵消菲涅耳衍射的影响，由此，能够求出空间正交振幅调制信号中所含的原来的强度信息及相位信息。

[实施例5]

在实施例5中表示使用本发明的观测装置(参照实施方式4)进行生体观测后的结果。在本实施例中，使用图41所示的观测装置，观测蚤状蚤(Daphniapulex)及西方蜜蜂(Apismellifera)的后肢。

图41是表示用于实验的本发明的观测装置的结构的示意图。图41所示的全息图生成单元1210的结构与图9所示的全息图生成单元及检测单元的结构相同。

如图41所示，观测装置1200包括：激光光源、第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第一半波片(HWP1)、第一偏振分束器(PBS1)、第一反射镜(M1)、第二反射镜(M2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第二半波片(HWP2)、λ/4波片(QWP)、分束器(BS)、第三反射镜(M3)、第四反射镜(M4)、第二偏振分束器(PBS2)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第一CCD照相机(CCD1)及第二CCD照相机(CCD2)。该观测装置1200将生物样本(Object)设置在第一反射镜(M1)与第二反射镜(M2)之间进行观测。

如图41所示，从激光光源射出的光(波长为532nm)由第一偏振分束器(PBS1)一分为二。射向图面的左方向(第一反射镜M1侧)的光成为信号光(来自观测对象的透射光或反射光)。另一方面，射向图面的下方向(λ/4波片QWP侧)的光成为用于生成全息图(第二全息图)的参考光(第二参考光)。

从第一偏振分束器(PBS1)射向图面的左方向(第一反射镜M1侧)的光射入生物样本(Object)。光透射过生物样本(Object)内或光被生物样本(Object)反射，由此，生成与生物样本(Object)的振幅特性及相位特性对应的空间正交振幅调制信号。以后的过程与实施方式4及实施例4中说明的过程相同。最后，对空间正交振幅调制信号中所含的强度分布及相位分布进行解调。上述强度分布及相位分布分别相当于生物样本(Object)的透射光强度分布及透射光相位分布(或反射光强度分布及反射光相位分布)。

图42及图43表示蚤状蚤的观测结果。图42是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。另外，图43是根据图42所示的第二全息图的信号强度分布，使用式(21)及式(22)对各CCD像素点的透射光强度及透射光相位进行计算后的结果。

图44及图45表示西方蜜蜂后肢的观测结果。图44是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。另外，图45是根据图44所示的第二全息图的信号强度分布，使用式(21)及式(22)对各CCD像素点的透射光强度及透射光相位进行计算后的结果。

根据图43及图45的结果可知：能够通过本发明的观测装置观测生物样本的透射光强度分布及透射光相位分布(或反射光强度分布及反射光相位分布)。

此外，在图41所示的结构中，也可以无第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)及第八透镜(L8)。在无这些透镜的情况下，源于生物样本的空间正交振幅调制信号中所含的强度信息及相位信息会受到菲涅耳衍射的影响。在此情况下，使用第二全息图的信号强度分布对信号进行解调后，通过数值计算抵消菲涅耳衍射的影响，由此，能够求出源于生物样本的空间正交振幅调制信号中所含的原来的强度信息及相位信息。

[实施例6]

在实施例6中表示使用本发明的观测装置(参照实施方式4)进行偏振观测后的结果。在本实施例中，使用图46所示的观测装置观测晶质石灰岩的薄片。

图46是表示用于实验的本发明的观测装置的结构的示意图。图46所示的全息图生成单元1310的结构与图9所示的全息图生成单元及检测单元的结构相同。

如图46所示，观测装置1300包括：激光光源、第一透镜(L1)、第二透镜(L2)、第一半波片(HWP1)、第一偏振分束器(PBS1)、第二半波片(HWP2)、第一反射镜(M1)、偏振镜(Pol.)、第二反射镜(M2)、第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第三半波片(HWP3)、λ/4波片(QWP)、分束器(BS)、第三反射镜(M3)、第四反射镜(M4)、第二偏振分束器(PBS2)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)、第八透镜(L8)、第一CCD照相机(CCD1)及第二CCD照相机(CCD2)。该观测装置1300将样本(Object)设置在第一反射镜(M1)与偏振镜(Pol.)之间进行观测。

如图46所示，从激光光源射出的光(波长为532nm)由第一偏振分束器(PBS1)一分为二。射向图面的左方向(第二半波片HWP2侧)的光成为信号光(观测光)。另一方面，射向图面的下方向(λ/4波片QWP侧)的光成为用于生成全息图(第二全息图)的参考光(第二参考光)。

从第一偏振分束器(PBS1)射向图面的左方向(第二半波片HWP2侧)的光为水平偏振光(与图面的面内方向平行的偏振光)。第二半波片(HWP2)使该水平偏振光的偏振角旋转45度。45度直线偏振光射入样本(Object)。光透射过样本(Object)内或光被样本(Object)反射，由此，生成受到依赖于样本(Object)偏振特性的振幅调制及相位调制的光作为空间正交振幅调制信号(光复振幅)。空间正交振幅调制信号射入偏振镜(Pol.)。能够根据此时的偏振镜(Pol.)的角度，选择观测空间正交振幅调制信号的哪一个偏振成分(水平偏振光(P偏振光)或垂直偏振光(S偏振光))。通过调整偏振镜(Pol.)的角度，能够观测任意的偏振成分。

以后的过程与实施方式4中所说明的过程相同。最后，对与所选择的偏振成分相关的空间正交振幅调制信号中所含的强度分布及相位分布进行解调。上述强度分布及相位分布分别相当于与所选择的偏振成分相关的样本(Object)的透射光强度分布及透射光相位分布(或反射光强度分布及反射光相位分布)。

图47及图48表示水平偏振(P偏振光)成分的观测结果。图47是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。另外，图48是根据图47所示的第二全息图的信号强度分布，使用式(21)及式(22)对各CCD像素点的透射光强度及透射光相位进行计算后的结果。

图49及图50表示垂直偏振(S偏振光)成分的观测结果。图49是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。另外，图50是根据图49所示的第二全息图的信号强度分布，使用式(21)及式(22)对各CCD像素点的透射光强度及透射光相位进行计算后的结果。

根据图48及图50的结果可知：通过改变偏振镜的角度，光透射特性会发生变化。这样，能够通过本发明的观测装置确认晶体的双折射性。

此外，在图46所示的结构中，也可以无第三透镜(L3)、第四透镜(L4)、第五透镜(L5)、第六透镜(L6)、第七透镜(L7)及第八透镜(L8)。在无这些透镜的情况下，源于晶质石灰岩的空间正交振幅调制信号中所含的强度信息及相位信息会受到菲涅耳衍射的影响。在此情况下，使用第二全息图的信号强度分布对信号进行解调后，通过数值计算抵消菲涅耳衍射的影响，由此，能够求出源于晶质石灰岩的空间正交振幅调制信号中所含的原来的强度信息及相位信息。

[实施例7]

在实施例7中表示使用本发明的观测装置(参照实施方式4、实施方式6)进行偏振观测后的结果。在本实施例中，使用图41所示的观测装置，观测文昌鱼(Branchiostomabelcheri)的切片。

图51及图52表示生成四张第二全息图(α＝0、α＝π/4、α＝π/2、α＝3π/4)的实施方式4的过程的观测结果。图51是对四张第二全息图进行光电转换而获得的信号强度分布。另外，图52是根据图51所示的第二全息图的信号强度分布，使用式(21)及式(22)对各CCD像素点的透射光强度及透射光相位进行计算后的结果。

图53表示生成两张第二全息图(α＝0、α＝π/2)的实施方式6的过程的观测结果。图53是根据两张第二全息图的信号强度分布对各CCD像素点的透射光强度及透射光相位进行计算后的结果。

根据图52及图53的结果可知：能够使用简单的装置计量光复振幅。

本申请主张基于2010年10月19日提交的日本特愿2010-234640号的优先权。该申请的说明书及附图所记载的内容全部被引用于本申请说明书中。

工业实用性

本发明的全息存储器不仅对于面向消费者的AV用途有用，而且对于广播或医疗领域中的档案用途(能够长期保存数据)、或数据中心等光盘系统(消耗功率为HDD的1/6左右)的用途等各种用途有用。

Claims (15)

1.全息存储器再现装置，该全息存储器记录有第一全息图，该第一全息图基于包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光与参考光而生成，该全息存储器再现装置包括：

全息图衍射光生成单元，其将第一参考光照射至所述全息存储器，生成所述第一全息图的衍射光；

全息图生成单元，其使能与所述第一全息图的衍射光产生干涉的第二参考光的相位发生变化，并且基于所述第一全息图的衍射光与所述相位发生了变化的第二参考光同时生成多个第二全息图；

检测单元，其检测所述多个第二全息图各自的强度分布；以及

处理单元，其根据所述多个强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

2.如权利要求1所述的全息存储器再现装置，还包括：

激光光源，其射出激光；以及

激光分离单元，其将从所述激光光源射出的激光分离成所述第一参考光与所述第二参考光。

3.如权利要求1所述的全息存储器再现装置，

所述全息图生成单元包括：可变移相器，其使所述第二参考光的相位发生变化；以及分束器，其第一面被射入所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入相位通过所述可变移相器而发生了变化的第二参考光。

4.如权利要求2所述的全息存储器再现装置，

所述激光光源射出直线偏振激光，

所述全息图生成单元包括：

半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；

λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；

分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光；

第一偏振分束器，其被射入由所述分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及透射过所述分束器的所述第二参考光的一部分的光，并使射入的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射且反射另一个偏振成分；以及

第二偏振分束器，其被射入透射过所述分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及由所述分束器反射后的所述第二参考光的一部分的光，并使射入的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射且反射另一个偏振成分。

5.如权利要求2所述的全息存储器再现装置，

所述激光光源射出直线偏振激光，

所述全息图生成单元包括：

半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；

λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；

分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光；以及

偏振分束器，其第一面被射入由所述分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及透射过所述分束器的所述第二参考光的一部分的光，并且其第二面被射入透射过所述分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及由所述分束器反射后的所述第二参考光的一部分的光，该偏振分束器使射入的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射且反射另一个偏振成分。

6.如权利要求2所述的全息存储器再现装置，

所述激光光源射出直线偏振激光，

所述全息图生成单元包括：

半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；

λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；

第一分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光；

第一偏振分束器，其使由所述第一分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及透射过所述第一分束器的所述第二参考光的一部分的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射，并反射另一个偏振成分；

第二偏振分束器，其使透射过所述第一分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光、以及由所述第一分束器反射后的所述第二参考光的一部分的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射，并反射另一个偏振成分；以及

第二分束器，其第一面被射入由所述第一偏振分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光、以及透射过所述第一偏振分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光，其第二面被射入由所述第二偏振分束器反射后的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光、以及透射过所述第二偏振分束器的所述第一全息图的衍射光的一部分的光及所述第二参考光的一部分的光。

7.如权利要求2所述的全息存储器再现装置，

所述激光光源射出直线偏振激光，

所述全息图生成单元包括：

半波片，其使所述第一全息图的衍射光的偏振角旋转45度；

λ/4波片，其将第二参考光的偏振状态转换成圆偏振；

分束器，其第一面被射入偏振角通过所述半波片而发生了变化的所述第一全息图的衍射光，其第二面被射入偏振状态通过所述λ/4波片而发生了变化的所述第二参考光；以及

偏振分束器，其被射入由所述分束器反射后的所述第一全息图的衍射光及透射过所述分束器的所述第二参考光，该偏振分束器使射入的光的水平偏振成分及垂直偏振成分中的一个偏振成分透射，并反射另一个偏振成分。

8.如权利要求1所述的全息存储器再现装置，还包括：

空间正交振幅调制信号光生成单元，其对激光进行空间正交振幅调制，生成包含空间正交振幅调制信号的信号光；以及

记录单元，其将基于所述信号光与参考光生成的第一全息图记录至全息存储器。

9.如权利要求8所述的全息存储器再现装置，

所述空间正交振幅调制信号光生成单元包括：分束器，其被射入所述激光；反射型的第一空间光调制器，其对由所述分束器反射后的所述激光的振幅进行调制；以及反射型的第二空间光调制器，其对透射过所述分束器的所述激光的振幅进行调制，

所述分束器与所述第一空间光调制器之间的光路长度L_I、以及所述分束器与所述第二空间光调制器之间的光路长度L_Q满足下式：

$L_I-L_Q=\frac{\mathrm{\λ}}{4},$

其中，λ是所述激光的波长。

10.全息存储器的再现方法，该全息存储器记录有第一全息图，该第一全息图基于包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光与参考光而生成，该全息存储器的再现方法包括以下的步骤：

将第一参考光照射至所述全息存储器，生成所述第一全息图的衍射光；

使能与所述第一全息图的衍射光产生干涉的第二参考光的相位发生变化，并且基于所述第一全息图的衍射光与所述相位发生了变化的第二参考光同时生成多个第二全息图；

检测所述多个第二全息图各自的强度分布；以及

根据所述多个强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

11.如权利要求10所述的全息存储器的再现方法，还包括将从激光光源射出的激光分离成所述第一参考光与所述第二参考光的步骤。

12.空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的解调装置，包括：

输入单元，其接收包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光；

激光光源，其射出能与所述信号光产生干涉的激光；

全息图生成单元，其使所述激光的相位发生变化，并且基于所述信号光与所述相位发生了变化的激光而同时生成多个全息图；

检测单元，其检测所述多个全息图各自的强度分布；以及

处理单元，其根据所述多个强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

13.空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的解调方法，包括以下的步骤：

接收包含空间相位调制信号或空间正交振幅调制信号的信号光；

射出能与所述信号光进行干涉的激光；

使所述激光的相位发生变化，并且基于所述信号光与所述相位发生了变化的激光而同时生成多个全息图；

检测所述多个全息图各自的强度分布；以及

根据所述多个强度分布对所述空间相位调制信号或所述空间正交振幅调制信号进行解调。

14.光强度分布及光相位分布的观测装置，包括：

输入单元，其被输入来自观测对象的透射光或反射光；

激光光源，其射出能与所述透射光或所述反射光产生干涉的激光；

全息图生成单元，其使所述激光的相位发生变化，并且基于所述透射光或所述反射光与所述相位发生了变化的激光而同时生成多个全息图；

检测单元，其检测所述多个全息图各自的强度分布；以及

处理单元，其根据所述多个强度分布计算出所述透射光或所述反射光的光强度分布及光相位分布。

15.光强度分布及光相位分布的观测方法，包括以下的步骤：

输入来自观测对象的透射光或反射光；

射出能与所述透射光或所述反射光产生干涉的激光；

使所述激光的相位发生变化，并且基于所述透射光或所述反射光与所述相位发生了变化的激光而同时生成多个全息图；

检测所述多个全息图各自的强度分布；以及

根据所述多个强度分布计算出所述透射光或所述反射光的光强度分布及光相位分布。