JP2000089648A

JP2000089648A - ホログラム記録再生装置及びホログラム記録媒体

Info

Publication number: JP2000089648A
Application number: JP10256948A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Suganuma; 洋菅沼
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1998-09-10
Publication date: 2000-03-31

Abstract

(57)【要約】【課題】シフト多重記録を重ねても機械的な移動方向
に消去が起こらないようにし、最終的な多重後の再生時
に、１枚のホログラム再生像の強度を均一にすることを
可能にする。【解決手段】シフト多重方式を用いたホログラム記録
再生装置であり、参照光２を生成する光束２１の光路中
に複数のフィールドレンズ１００を配したフィールドレ
ンズアレイ１０１を設け、ホログラム記録媒体１の記録
領域を分割してホログラムの記録再生を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、いわゆるホログラ
ム記録媒体に情報をホログラムとして記録再生するホロ
グラム記録再生装置、及びそのホログラム記録媒体に関
する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光ディスクは、その量産性と取り
扱いの容易さ故に、例えば動画、音声、コンピュータ用
データなど広範な分野におけるデータ保存用のメディア
として広く用いられている。また、この光ディスクに対
しては、マルチメディア時代に向けた情報通信技術発展
の基盤の一つとして、さらなる高密度大容量化への要請
が急速に強まっている。

【０００３】しかし、従来の光ディスクの記録密度は、
光の波長と対物レンズの開口数に制限されており、どち
らの要素についても、限界に近づいてきている。

【０００４】このため、最近は、いわゆるホログラムを
用いた情報記録が再び注目を集めている。１９７０年代
には、ホログラフィックデータストレージについて各地
で活発な研究が行われたが、多くの実用的問題が解決で
きなかった。しかし、近年はその周辺技術の進歩もあ
り、再び注目が集まっている。

【０００５】ホログラフィックデータストレージの特徴
の一つは、一つのホログラム材料に多数のホログラムを
同一空間上に多重記録できることである。その方法には
幾つかあるが、最も広く用いられているのは、参照光の
入射角を変化させて、多数のホログラムを記録する多重
記録方式である。これによって数千枚のホログラムを誘
電体結晶中に記録したという実験が報告されている。

【０００６】ここで、ホログラフィックデータストレー
ジにおけるホログラム記録枚数を制限している大きな要
因の一つは、参照光の入射角制御手段である。すなわ
ち、高速で、且つ大きな範囲で高い分解能をもち、安定
で再現性に優れたビーム偏向器を使用することが、当該
多重記録方式には望ましい。しかし、この要求を十分に
満たすことは従来困難であった。

【０００７】この問題点を解決するための手法として、
角度多重方式の変形が提案されている。その一つは、シ
フトマルチプレクシングである（”Holographic storag
e using shift multiplexing,”D.Psaltis,Michael Lev
ene,Allen Pu,George Barbastathis,Kevin Curtis,Opti
cs Letter,Vol.20,No.7,pp782-784,1995,”shift multi
plexing with spherical reference waves,”George Ba
rbastathis,Michael Levene,D.Psaltis,Applied Optic
s,Vol.35,No.14,pp2403-2417,1996）。これは、参照光
（参照波）として球面波を用いて、記録媒体を移動させ
ながら記録するという方法である。これによって、従来
の光ディスクと同様のディスク形状を用いることが可能
となっている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ホログラム
を多重記録する場合、既に記録されているホログラムが
その後の記録時に消去されてしまうという問題がある。
このような消去が起きると、回折効率が低下して再生時
の信号対雑音比（Ｓ／Ｎ）が下がり、再生が困難になっ
てしまうため、結果として、ホログラムの多重度を制限
している。ホログラム記録媒体として、例えば鉄を添加
したニオブ酸リチウムを用いた場合、実用的には数千枚
程度の多重度が限界である。

【０００９】また、近年は、いわゆるシフト多重方式に
よるホログラムの多重記録が提案（USP 5671073 Psalti
s et al,D.Psaltis, Michael Levene, Allen Pu, Georg
e Barbastathis, Kevin Curtis, Optics Letter, Vol.2
0, No.7, pp782-784,1995, George Barbastathis, Mich
ael Levene, D.Psaltis, Applied Optics,Vol.35,No.1
4, pp2403-2411,1996）されている。

【００１０】しかし、この方式の場合、多重記録を重ね
ることで機械的な移動方向に消去が起こってしまい、そ
の結果として、最終的な多重後の再生時に、１枚のホロ
グラム再生像のなかで強度が不均一になってしまう、と
いう問題がある。

【００１１】そこで、本発明は上述の実情に鑑みて提案
されるものであり、シフト多重記録を重ねても機械的な
移動方向に消去が起こらないようにし、最終的な多重後
の再生時に、１枚のホログラム再生像の強度を均一にす
ることを可能にする、ホログラム記録再生装置及びその
ホログラム記録媒体を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明のホログラム記録
再生装置は、シフト多重方式を用いたホログラム記録再
生装置であり、参照光の光路中に複数のフィールドレン
ズを設け、ホログラム記録媒体の記録領域を分割してホ
ログラムの記録再生を行うことにより、上述した課題を
解決する。

【００１３】また、本発明のホログラム記録媒体は、シ
フト多重方式を用い、参照光の光路中に設けた複数のフ
ィールドレンズによって複数に分割された各記録領域に
ホログラムを記録してなることにより、上述した課題を
解決する。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した具体的な
実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明す
る。

【００１５】図１には、本発明のホログラム記録再生装
置の一実施の形態の基本構成を示す。なお、以下に述べ
る各図においてそれぞれ図１に対応する要素には同一の
指示符号を付している。

【００１６】この図１において、レーザ発振器５から出
射されたレーザ光は、コリメータレンズ６によって平行
光に変換され、さらにビームスプリッタ７で２方向に分
岐される。

【００１７】上記ビームスプリッタ７にて分岐された一
方の光束２１は、全反射ミラー９で進行方向が変えられ
た後、対物レンズ１０によって、ピンホールプレート２
０上に設けられているピンホール３上に集光される。但
し、本実施の形態のホログラム記録再生装置では、ピン
ホールプレート２０上にフィールドレンズ１００（フィ
ールドレンズアレイ１０１）が配置されており、したが
って対物レンズ１０からの光は当該フィールドレンズ１
００（フィールドレンズアレイ１０１）を通過してから
ピンホール３上に集光される。このフィールドレンズ１
００（フィールドレンズアレイ１０１）の詳細について
は後述する。

【００１８】ピンホール３を透過した光は、回析し球面
波となり、ホログラム記録媒体１中を伝播する。これを
ホログラムの参照光（参照波）２とする。

【００１９】また、上記ビームスプリッタ７にて分岐さ
れた他方の光束２２は、全反射ミラー８によって方向を
変えられた後、空間変調器１１を照明する。この空間変
調器１１によって変調された光束は、フーリエ変換レン
ズ１２により、ホログラム記録媒体１中でフーリエ変換
像を形成する。これを、物体光（物体波）４Ｒとする。

【００２０】上記ホログラム記録媒体１中では、上記参
照光２と物体光４Ｒとが干渉し、その干渉による光強度
分布（干渉縞）がホログラム記録媒体１中に記録される
ことになる。

【００２１】一方で、このように記録がなされたホログ
ラム記録媒体１の再生時には、参照光２のみを照射する
ことで、上記記録されたホログラムが再生される。すな
わち参照光２との光強度分布として取り出された再生物
体光４Ｐは、フーリエ変換レンズ１３によってフーリエ
変換され、これにより再生像が得られる。

【００２２】この再生像の光はＣＣＤ（固体撮像素子）
１４等の撮像デバイスによって電気信号に変換され、再
生信号として取り出される。

【００２３】この図１の構成において、ホログラム記録
時には、照明するピンホール３の位置を変えて上述した
記録のプロセスを繰り返すことで、複数のホログラムを
シフトマルチプレシングにより多重化記録することがで
き、また、再生時にも、照明されるピンホール３の位置
を変えて上述した再生のプロセスを繰り返すことで、上
記シフトマルチプレシングによって多重化記録されたホ
ログラムを再生することができる。

【００２４】上述のような記録時において照明するピン
ホール３の位置の移動、及び再生時において照明するピ
ンホール３の位置の移動を実現するための具体的手法と
しては、例えば複数のピンホール３をピンホールプレー
ト（ピンホールアレイ）２０上に設け、各異なる位置の
ピンホール３を、前記対物レンズ１０にて集光された光
束２１の光ビームスポットにてそれぞれ照明する方法が
ある。他の手法としては、ピンホール３を一つのみ設け
たピンホールプレート２０とホログラム記録媒体１とを
相対的に移動可能に構成し、固定した状態のピンホール
プレート２０上のピンホール３を照明し、ホログラム記
録媒体１側を移動させるような方法も考えられるが、本
発明実施の形態では、より現実的な手法である前者の方
法を採用している。

【００２５】また、上述のように、複数のピンホール３
を備えたピンホールプレート２０上の、各異なる位置の
ピンホール３を、前記光束２１の光ビームスポットにて
それぞれ照明するための手法としては、例えば、ピンホ
ールプレート２０と一体に構成されたホログラム記録媒
体１を固定した状態で、上記光束２１の光ビームスポッ
トをピンホールプレート２０上でスキャニングするよう
な方法や、光束２１の光ビームスポットのスキャニング
は行わずに固定した状態で、ピンホールプレート２０と
一体に構成されたホログラム記録媒体１の方を移動させ
るような方法がある。

【００２６】なお、本件出願人は、特願平１０−３４８
２号の明細書及び図面において、ここまでで説明したよ
うな、ホログラム記録媒体１にピンホール３を多数有す
るピンホールプレート２０を一体として固定し、そのピ
ンホール３を透過した光を参照光として多重記録するこ
とを特徴とするホログラム及びその記録再生装置につい
て提案している。このホログラム及びその記録再生装置
は、シフト多重方式に非常に有効である。

【００２７】ここで、例えば図２に示すように、ピンホ
ールプレート２０上にフィールドレンズを配していない
状態において、各ピンホール３に対して例えば図の下か
ら上に向かって順番に光束２１を集光させることで、ホ
ログラム記録媒体１内を図中の矢印Ａに示す方向に下か
ら上へと参照光２が移動するようにしてホログラムの多
重記録を行う場合を考える。

【００２８】この時、図２及び図３に示すように、１枚
目のホログラムの記録領域ｐ１は２枚目のホログラムの
記録領域ｐ１と一部重なり合うが、参照光２が移動した
ことによって、１枚目のホログラムの下側の領域ｅ１は
２枚目のホログラムの記録領域ｐ２と重ならない。した
がって、この部分（ｅ１）は、多重記録による消去を被
らないことになる。なお、図３は、図２のホログラム記
録媒体１の光入射端面の反対側の端面における照明領域
を拡大して示したものである。

【００２９】しかし、さらに参照光２を移動して、３枚
目，４枚目，・・・のホログラムを記録していくと、１
枚目のホログラムの記録領域ｐ１には、２枚目のホログ
ラムの記録領域ｐ２と重なり合う領域ｅ２、２枚目及び
３枚目のホログラムの記録領域ｐ２，ｐ３と重なり合う
領域ｅ３、２〜４枚目のホログラムの記録領域ｐ２〜ｐ
４と重なり合う領域ｅ４が発生し、当該１枚目のホログ
ラムの記録領域ｐ１の上側の領域ほど多重化による消去
を被ることになる。したがって、１枚のホログラムの中
でも、回折効率が分布を持ってしまうことになる。これ
は、再生時のＳ／Ｎや再生光の強度設定などを考える
と、均一化などの特別の工夫が必要になり、はなはだ不
便である。

【００３０】このようなことから、本実施の形態のホロ
グラム記録再生装置は、シフト多重記録を重ねるても機
械的な移動方向に消去が起こらないようにし、最終的な
多重後の再生時に、１枚のホログラム再生像の強度を均
一にすることを可能にするために、前記フィールドレン
ズ１００（フィールドレンズアレイ１０１）を設けるよ
うにしている。

【００３１】当該フィールドレンズの機能について、図
４を用いて簡単に説明する。なお、この図４の例では、
説明を簡略化するために、フィールドレンズ１００を薄
肉レンズで且つ単レンズとして考える。この図４におい
て、入射光（光束２１）は最大入射角θ（ラジアン）で
入射し、焦点距離ｆ、半径ａのフィールドレンズ１００
の瞳上に集光される。このとき、瞳上の集光点の位置に
よらず、像側焦点面の最大光線高ｈは、ｈ＝ｆθで与え
られる。これがよく知られたフィールドレンズの機能で
ある。

【００３２】本実施の形態では、このようなフィールド
レンズ１００をシフト多重記録方式に用いることで、シ
フト多重方式で問題となる記録時の消去の不均一性を改
善するようにしている。このフィールドレンズ１００
を、図１に示したピンホール３を用いたシフト多重を行
うホログラム記録再生装置に適用した場合について、図
５及び図６を用いて説明する。

【００３３】すなわち本実施の形態では、図５に示すよ
うに、厚みがＬ、屈折率ｎのホログラム記録媒体１の入
射面に、多数のピンホール３を備えたピンホールプレー
ト２０を配し、さらにこのピンホールプレート２０の上
（近傍）に、焦点距離がそれぞれ略々ｎＬの複数のフィ
ールドレンズ１００を備えたフィールドレンズアレイ１
０１を配置している。

【００３４】このような構成において、入射光（光束２
１）をピンホール３上に集光し、その透過光を参照光２
とすれば、ホログラム記録媒体１の光入射端面の反対側
の端面における照明領域は、図５及び図６中のＰ１〜Ｐ
４に示されるように、ピンホール３を覆っているフィー
ルドレンズ１００によって決定されることになる。すな
わち、同じ一つのフィールドレンズ１００を介してホロ
グラム記録媒体１内に入射した参照光２は、どのピンホ
ール３を通っても、ホログラム記録媒体１の光入射端面
の反対側の端面において一定の領域を照明することにな
る。一方で、異なるフィールドレンズ１００を透過した
参照光２同士は重ならない。

【００３５】本実施の形態によれば、一つのフィールド
レンズ１００を透過した参照光２は重なり合う領域が大
きいので、このような状態で物体光４Ｒを参照光２が重
なり合う領域に入射させてホログラムを記録すれば、不
均一な記録時の消去は生じない。また、多数のフィール
ドレンズ１００を並べることで、一体のホログラム記録
媒体１を分割して用いることができるという利点があ
る。ここで、一つのフィールドレンズ１００を透過する
参照光２の光量を、レコーディングスケジュールと呼ば
れる記録時の消去を考慮にいれた適切な露光量となるよ
うに制御し、その状態で物体光４Ｒを照射して順次ホロ
グラム記録を行うようにすれば、記録される全ホログラ
ムの再生時の回折効率を均一にすることができる。

【００３６】また、本実施の形態では、フィールドレン
ズアレイ１０１を用いることで、ホログラム記録媒体１
の記録領域を分割することができ、この各記録領域を用
いてそれぞれ多数枚のホログラム記録が可能となってい
る。こきで、ホログラム記録媒体１として例えば鉄を添
加したニオブ酸リチウムを用いた場合は、各分割領域に
おいて従来と同程度の数千枚程度の多重化が可能である
ため、全体として記録枚数を大幅に増やすことが可能と
なる。すなわち、図７に示すように、例えばＭ×Ｎ個の
フィールドレンズ１００からなるフィールドレンズアレ
イ１０１を用い、画フィールドレンズ１００による各分
割領域に対してそれぞれｋ枚のホログラムを記録すれ
ば、ｋ×Ｍ×Ｎ枚のホログラムを記録できる。より具体
的に、例えば、１０ｍｍ角のフォトリフラクティブ結晶
に３０ミクロン角のマイクロフィールドレンズ１００を
各辺に３３個並べたフィールドレンズアレイ１０１と、
例えば、１０００×１０００個のピンホールを備えたピ
ンホールプレートとを密着させて固定し、各フィールド
レンズ１００に対応する分割領域に、１０００枚のホロ
グラムを記録すれば、１０⁶枚のホログラムが記録でき
ることになる。

【００３７】ただし、ここでは参照光２の透過領域は分
割されているものの、物体光は他のフィールドレンズに
より照明される領域も通過する。この物体光による消去
をも回避するには、２波長によるゲーティング記録を行
えばよい。

【００３８】この２波長によるゲーティング記録につい
て、図８を用いて説明する。

【００３９】当該２波長を用いたゲーティング記録で
は、感度増幅用の照明光２４（波長λ₁）と、ホログラ
ム記録用の参照光２と物体光４Ｒ（λ₂）の全てで照明
されている領域のみにホログラムが記録される。この感
度増幅用の照明光２４を、参照光２の出射側から記録を
行う領域だけに照明してやれば、その領域だけに選択的
に記録することができる。

【００４０】ここで、参照光２は、光束２１がフィール
ドレンズ１００とピンホール３を透過して生じた球面波
であり、物体波４Ｒは、空間変調器１１を透過すると共
に、参照光２の中心付近をフーリエ面（焦点面）とする
フーリエ変換レンズ１２で集光されたものである。シフ
ト多重化ホログラムにおいては、物体光４Ｒの光軸と参
照光２の光軸とが直交するとき、ブラッグ反射の許容角
度幅が最小になるため、最も高い記録密度が得られるこ
とになり、したがって、図８に示したような直交配置と
することが最も望ましい。再生時には、同様の参照光２
を照明し、再生された物体光４Ｐを、フーリエ変換レン
ズ１３によってフーリエ変換し、これにより得られた再
生像をＣＣＤ１４等のディテクタアレイによって受光し
て電気信号に変換し、再生信号を得る。

【００４１】なお、再生時の露光によりフォトリフラク
ティブ結晶などに記録されたホログラムが破壊されるこ
とを避けるために、２波長を用いてホログラムを記録す
ることについては、既に各種の提案（USP 5665493 Bai
et al, Y.S.Bai and R.Kachru, Phys. Rev. Lett, 78,2
944,1997, D.Lande et al, 22,1722,1997、特開平１０
−４５４９７号公報、特開平１０−４５４９８号公報）
がなされ、その効果についても実証されている。

【００４２】上述したように、２波長ゲーティング記録
は、再生時におけるホログラムの破壊が無いので、この
点からも大変有望である。

【００４３】なお、２波長ゲーティング記録としては、
例えばプラシオジウム添加ニオブ酸リチウムのホログラ
ム記録媒体１と、４５０ｎｍのアルゴンレーザからの感
度増幅用の照明光２４と、８５０ｎｍのチタンサファイ
アレーザ（レーザ発振器５）からの参照光２及び物体光
４Ｒとで、２波長ゲーティング記録を行った例が報告さ
れているが、将来は、青色半導体レーザと赤外線半導体
レーザ（但し、波長幅が十分狭いことが必要なため、シ
ングルモード発振、分布帰還型、分布反射型など安定且
つ狭帯域化されたもの）を用いることができると思われ
る。半導体レーザは、小型で安価なため、実用上大きな
メリットがある。

【００４４】上述したように、本発明実施の形態によれ
ば、シフト多重化記録の問題点であった、再生光の不均
一性を改善できる。また、フィールドレンズによる領域
分割により、記録可能なホログラムの枚数を増やすこと
ができ、領域を分割することで、情報記録において使い
勝手を向上させることもできる。さらに、本実施の形態
によれば、２波長ゲーティング法を用いることで、記録
時に既に書き込まれたホログラムの破壊ばかりか再生時
の破壊も避けることができる。

【００４５】なお、本実施の形態では、ピンホールを用
いたシフト多重の場合について述べたが、ピンホールが
無くても原理的には同様なので、当該ピンホールを用い
ないシフト多重化ホログラム記録の場合にも本実施の形
態のフィールドレンズアレイを用いる手法を適用するこ
とができる。その場合は、シフト多重化ホログラムにお
いて、参照光の球面波面の中心にフィールドレンズを置
けばよい。また、物体光の光学系の配置は、フーリエホ
ログラムの場合について述べたが、これはフレネルホロ
グラムなど他の任意の配置であってもよい。また、本実
施の形態では、ホログラム記録媒体として、主にフォト
リフラクティブ誘電体結晶を考えているが、フォトポリ
マ、銀塩フィルム、ホールバーニング材料など、体積型
ホログラムを記録できる材料であってもよい。さらに、
ホログラムの多重方式としては、シフト多重方式だけで
なく、波長多重方式などの他の多重化方式を組み合わせ
てさらに記録密度を上げることも当然可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、参照光の光路中に複数のフィールドレンズを設
け、ホログラム記録媒体の記録領域を分割してホログラ
ムの記録再生を行うことにより、シフト多重記録を重ね
ても機械的な移動方向に消去が起こらないようにでき、
最終的な多重後の再生時に、１枚のホログラム再生像の
強度を均一にすることが可能である。また、本発明にお
いては、フィールドレンズによる領域分割により、記録
可能なホログラムの枚数を増やすことができ、領域を分
割することで、情報記録において使い勝手を向上させる
ことも可能である。

【００４７】さらに、本発明においては、２波長ゲーテ
ィング法を用いることで、記録時に既に書き込まれたホ
ログラムの破壊ばかりか再生時の破壊も避けることが可
能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のホログラム記録再生装置の一実施の形
態の基本的構成を示す図である。

【図２】フィールドレンズを用いない場合のシフト多重
におけるホログラム記録の問題点の説明に用いる図であ
る。

【図３】フィールドレンズを用いないシフト多重の場合
において、ホログラム記録媒体の光入射端面の反対側端
面での照明領域を拡大して示した図である。

【図４】フィールドレンズの原理説明に用いる図であ
る。

【図５】フィールドレンズを用いた場合のシフト多重に
おけるホログラム記録の様子の説明に用いる図である。

【図６】フィールドレンズを用いたシフト多重の場合に
おいて、ホログラム記録媒体の光入射端面の反対側端面
での照明領域を拡大して示した図である。

【図７】フィールドレンズアレイによる記録領域の分割
についての説明に用いる図である。

【図８】２波長によるゲーティング記録の説明、及びホ
ログラム記録再生装置の概略構成の説明に用いる図であ
る。

【符号の説明】

１ホログラム記録媒体、２参照光、３ピンホ
ール、４物体光、５レーザ発振器、６コリメ
ータレンズ、７ビームスプリッタ、８，９全反
射ミラー、１０対物レンズ、１１空間変調器、
１２，１３フーリエ変換レンズ、１４ＣＣＤ、
２０ピンホールプレート、２１，２２光束、２
４感度増幅用の照明光、１００フィールドレン
ズ、１０１フィールドレンズアレイ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シフト多重方式を用いたホログラム記録
再生装置において、参照光の光路中に複数のフィールドレンズを設け、ホログラム記録媒体の記録領域を分割してホログラムの
記録再生を行うことを特徴とするホログラム記録再生装
置。
【請求項２】２波長のゲーティング記録再生を用い
て、所望の記録領域のみ選択的にホログラムを記録する
ことを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装
置。
【請求項３】上記ホログラム記録媒体と複数のピンホ
ールを備えたピンホールアレイとを固定し、各ピンホー
ルを照明することによる機械的なスキャニングを行うこ
とを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装
置。
【請求項４】上記ホログラム記録媒体にプラシオジウ
ム添加ニオブ酸リチウムを用い、５５０ｎｍ以下の可視
光半導体レーザ若しくは発光ダイオードと、８００ｎｍ
以上１０００ｎｍ以下の半導体レーザを光源とすること
を特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装置。
【請求項５】ホログラム記録により所望の情報を記録
することを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再
生装置。
【請求項６】シフト多重方式を用い、参照光の光路中
に設けた複数のフィールドレンズによって複数に分割さ
れた各記録領域にホログラムを記録してなることを特徴
とするホログラム記録媒体。