JP2004334178A - ホログラフィック記録システム上にデジタルデータを記録するための装置及びその方法 - Google Patents

ホログラフィック記録システム上にデジタルデータを記録するための装置及びその方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 ホログラフィックデジタルデータ記録システムの小型化を可能にするようなホログラフィック媒体にデジタルデータを記録するための装置及びその方法を提供する。
【解決手段】 信号光を変調させて変調信号光を生成するマスクと、参照光を屈折させて屈折参照光を生成するための、円錐部及び底部を含むコニカルプリズムコニカルプリズムとを含み、底部が面したホログラフィック媒体内で屈折参照光と変調信号光とが干渉し、それによってホログラフィック媒体上にデータを記録するような装置を提供する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、ROMシステムなどのホログラフィックデジタルデータ記録システムに係り、より詳しくは、コニカルプリズムなどの、ホログラフィックデジタルデータ記録システムの小型化を可能にするようなホログラフィック媒体にデジタルデータを記録するための装置及びその方法に関するものである。
従来のホログラフィックデジタルデータ記録システムは、一般に、ページ単位の記録方式を採用する。SLM(空間光変調器)のような入力装置は、ページと呼ばれる二次元アレイの形態を有する記録データを与える。ページ単位に代えてビット単位で記録されるような他のアーキテクチャも提案されてきた。しかし、このようなシステムは全て、メモリの容量を満たすため、膨大な数の個々のホログラムの記録を必要とするという共通の欠点がある。メガビットサイズのアレイを使用する典型的なページ単位のシステムは、100GBまたはそれ以上の容量を満たすために、数十万個のホログラムページの記録を必要とすることになる。ホログラムの露出時間がミリセカンドオーダでも、100GBオーダのメモリを満たすのに必要な総記録時間は、数時間には及ばないとしても優に少なくとも数十分にはなり得る。それ故に、100GB程度の容量を有するディスクを製造するのにかかる時間を1分以下、ことによると数秒のオーダまで減少させ得るような、図1−Aのような他の形態の従来のホログラフィックROMシステムが開発された。
図1−Aに示すような従来のホログラフィック記録システム(Ernest Chuangらの米国特許出願第US2003/0161246A1号「ホログラフィックディスク記録システム」を参照)は、光源100と、HWP(1/2波長板)102、112と、光拡張器104と、PBS(偏光ビームスプリッタ)106と、偏光器108、114と、ミラー110、116、117と、マスク122と、ホログラフィック媒体120と、コニカルプリズム118とを含む。
光源100は、一定波長、例えば532nmの波長を有するようなレーザ光を放射する。1つの直線偏光型、例えばP偏光型またはS偏光型の何れか一方のレーザ光のみが、HWP102に与えられる。HWP102は、レーザ光の偏光を角度θ(好適には45°)回転させ、偏光回転されたレーザ光は、レーザ光を所与の大きさに拡大させるための光拡張器104に与えられる。その後、拡大されたレーザ光は、PBS106に与えられる。
PBS106は、異なる屈折率を有する2種以上の材料を繰り返し蒸着することにより製造される構造であって、1つの偏光型のレーザ光、例えばP偏光型のレーザ光を透過させ、他の偏光型のレーザ光、例えばS偏光型のレーザ光を反射させる役割をする。したがって、PBS106は、拡大されたレーザ光を、各々異なる偏光型を有するような、透過レーザ光(以下、「信号光」と呼ぶ)と、反射レーザ光(以下、「参照光」と呼ぶ)とに分ける。
信号光、例えばP偏光型の信号光は、偏光器108に伝達される。偏光器108は、信号光の不完全に偏光された要素を除去し、純粋にP偏光された信号光のみを透過させ得る。その後、完全な即ち純化された信号光は、ミラー110で反射される。反射された信号光は、マスク122を経てホログラフィック媒体120に照射される。マスク122は、記録用データパターンを与えるものであり、空間光変調器(SLM)などの入力装置として機能する。
一方、参照光はHWP112に提供される。HWP112は、参照光の偏光が信号光の偏光と同じになるように参照光の偏光を変える。その後、偏光を変えられた参照光は偏光器114に与えられ、偏光器114では参照光の偏光が更に純化される。その後、完全な偏光を有する参照光は、ミラー116に反射され、次にミラー117に順次反射される。その後、反射された参照光は、ホルダ(図示せず)により固定されたコニカルプリズム118(円錐と円形底部のなす底角が事前に定められているような、円形底部を有する円錐形状のもの)に照射される。反射された参照光は、コニカルプリズム118によりホログラフィック媒体120に向けて屈折させられる。ホログラフィック媒体120への参照光の入射角は、コニカルプリズム118の底角により決定される。
ホログラフィック媒体120は、好適には、データパターンを記録するためのディスク形状の物質である。マスク112は、ホログラフィック媒体120と類似の大きさのディスク形状を有し、ホログラフィック媒体120に記録されるデータパターンを与える。法線入射する平面波即ち信号光でマスク122を照射すること及び反対側から入射する参照光を用いることによって、回折パターンがホログラフィック媒体120に記録される。また、異なる底角を有するコニカルプリズム118を用いることによって、角度多重が行われ得る。
図1−Bは、図1−Aの従来のホログラフィック記録システムにおけるコニカルプリズム118からホログラフィック媒体120までの参照光の光路を示す。
コニカルプリズム118の円形底部は、好適にはホログラフィック媒体120に平行であり、ホログラフィック媒体120には面していない。即ち、コニカルプリズム118の頂点がホログラフィック媒体120に面している。ホログラフィック媒体120は、その中心に孔領域120bが設けられ、孔領域120bの周囲に環状の記録領域120aが設けられる。また、ホログラフィック媒体120の対称軸は、コニカルプリズム118の対称軸と一致し、コニカルプリズム118の頂点を通過する。
図1−Bに示すように、半径W1の参照光は、コニカルプリズム118の円形底部に衝当する。参照光は、ホログラフィック媒体120の法線方向即ち円形底部の法線方向(第1伝搬方向)に伝搬する。第1伝搬方向は円形底部に垂直であるので、参照光は円形底部で屈折しない。したがって、参照光はまた、コニカルプリズム118の円錐の表面に到達するまでコニカルプリズム118を媒体にして第1伝搬方向に伝搬する。参照光は円錐の表面で屈折し、スネルの法則に従いながら、図1−Bに示すように、ホログラフィック媒体120に向かって第2伝搬方向に空気を媒体にして伝搬するような屈折参照光を生成する。
図1−Bにおいて、円錐の表面は、第1ハーフ円錐表面118aと、第2ハーフ円錐表面118bとを含む。また、ホログラフィック媒体120は、第1ハーフ円錐表面118aと同じ側に位置する第1ハーフ記録領域120aaと、第2ハーフ円錐表面118bと同じ側に位置する第2ハーフ記録領域120abとを含む。第1ハーフ参照光は、円形底部を通過後に第1ハーフ円錐表面118aに伝達され、第2ハーフ記録領域120abに向かって屈折させられる。第2ハーフ参照光は、円形底部を通過後に第2ハーフ円錐表面118bに伝達され、第1ハーフ記録領域120aaに向かって屈折させられる。
したがって、図1−Bに示すように、ホログラフィック媒体120の付近では、屈折させられた第1ハーフ参照光及び屈折させられた第2ハーフ参照光は、中心部分が空であるような円錐シェルのビーム形状をなし、ホログラフィック媒体120に平行な平面でカットされた円錐シェルのビーム形状の断面は環状となり得る。
コニカルプリズム118の屈折率は1より大きいので、半径W1の参照光が円錐面118で屈折させられた後、参照光のサイズ(即ち参照光の環状断面の外径と内径の差の2分の1に相当するような参照光の幅)はW2まで小さくなる。
図1−Bに示すように、ホログラフィック媒体120の記録領域120aのサイズ(即ち記録領域120aの外径と内径との差の2分の1に相当する記録領域120aの幅)がW3である場合、記録領域にデータを一度に記録するために、屈折させられた参照光のサイズW2をW3と等しいかそれ以上にする必要がある。
しかし、このような従来技術にはつぎのような問題点がある。
W2のサイズを有する屈折させられた参照光全体が、W3のサイズを有する記録領域120a上に照射されるように、コニカルプリズム118の円形底部の半径は、参照光の半径W1より若干大きい(ほぼ等しい)のが好ましい。しかし、円形底部の半径はW2よりも大きく、W2はW3と等しいかそれより大きいので、コニカルプリズム118のサイズ即ち円形底部の半径は記録領域120aのサイズより大きくなければならない。したがって、コニカルプリズム118は大きくなり、従来のホログラフィックデジタルデータ記録システムは小型化ができない。
本発明は、前述したような従来の問題点を解決するためになされたものであり、コニカルプリズムなどの、ホログラフィックデジタルデータ記録システムの小型化を可能にするようなホログラフィック媒体にデジタルデータを記録するための装置及びその方法を提供することにその目的がある。
前記の目的を達成するために、本発明の一面によれば、信号光を変調して変調信号光を生成するためのマスクと、参照光を屈折させて屈折参照光を生成するための、円錐部及び底部を含むコニカルプリズムとを含むようなホログラフィック装置が提供される。ここで、屈折参照光は、ホログラフィック媒体内で変調信号光と干渉し、それによってホログラフィック媒体上にデータを記録する。底部は、ホログラフィック媒体に面している。
また、本発明の別の面によれば、レーザ光を放射する光源と、レーザ光を参照光と信号光に分けるビームスプリッタと、信号光を変調させて変調信号光を生成するマスクと、前記参照光を屈折させて屈折参照光を生成する屈折器とを含むようなホログラフィック装置が提供される。ここで、屈折参照光は、ホログラフィック媒体内で変調信号光と干渉し、それによってホログラフィック媒体上にデータを記録する。
また、本発明の更に別の面によれば、(a)レーザ光を発生させる過程と、(b)レーザ光を参照光と信号光に分ける過程と、(c)信号光を変調させて変調信号光を生成するとともに、参照光を屈折させて屈折参照光を生成する過程とを含むようなホログラフィーの方法が提供される。ここで、屈折参照光は、ホログラフィック媒体内で変調信号光と干渉し、それによってホログラフィック媒体上にデータを記録する。
以上のような本発明によるホログラフィック記録システムは、2回屈折する過程(two refraction procedure)により参照光のサイズが増大するので、コニカルプリズム及びコニカルプリズムに照射される参照光のサイズが従来技術のものと比べて小さくなる。したがって、本発明によると、ホログラフィック記録システムの小型化が可能である。
以下、本発明を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図2は本発明の好ましい実施例によるホログラフィック記録システム、例えばホログラフィックロムシステムを示す。同図に示すように、本発明のホログラフィック記録システムは、光源200と、HWP(1/2波長板)202、212と、光拡張器204と、PBS(偏光ビームスプリッタ)206と、偏光器208、214と、ミラー210、216、217と、マスク222と、ホログラフィック媒体220と、コニカルプリズム218とを含む。
本発明のホログラフィック記録システムは、図1−A及び図1−Bのコニカルプリズム118を代替するコニカルプリズム218を除き、図1−A及び図1−Bに示す従来のホログラフィック記録システムと概ね同じである。本発明のホログラフィック記録システムのコニカルプリズム218を除くその他の部分の機能は従来技術と基本的に同じであるので、これらに関する詳細な説明は省略する。
図2に示すように、信号光は、信号光の光路即ちSpathに沿って順に配置されている偏光器208、ミラー210、マスク222を経てホログラフィック媒体220に照射され、参照光は反対側から、参照光の光路即ちRpathに沿って順に配置されているHWP212、偏光器214、ミラー216、ミラー217、コニカルプリズム218を経てホログラフィック媒体220に照射される。
コニカルプリズム218は、円錐と円形底部のなす底角が事前に定められているような、円形底部を有する円錐形状のものである。ここで、円形底部は、ホログラフィック媒体220に面し、好適にはホログラフィック媒体220に平行である。ホログラフィック媒体220は、好適にはCDのようなディスク形状を有する。すなわち、ホログラフィック媒体220は、図3−Bに示すように、その中心に孔領域220bが設けられ、孔領域220bの周囲に環状の記録領域220aが設けられる。コニカルプリズム218の円形底部の直径は、光学的効率を最大にするために、孔領域220bの直径より小さくならないようにするのが好ましい。また、ホログラフィック媒体220の対称軸は、コニカルプリズム218の対称軸と一致し、コニカルプリズム218の頂点を通過する。
図3−Aは、本発明の好適実施例に基づくコニカルプリズム218を透過する参照光の光路を示す。
半径X1の参照光は、円形底部の法線方向(第1伝搬方向)に伝搬し、コニカルプリズム218の円錐の表面に衝当する。その後、参照光は円錐の表面で屈折させられて、屈折参照光は次式1のスネルの法則に従いながらコニカルプリズムを媒体にして第2伝搬方向に伝搬する。
sina = nsinb (式1)
ここで、コニカルプリズム218の媒質の屈折率を「n」と定義し、空気の屈折率を1とする。「a」は、鋭角即ち90°より小さい角度であるような底角を示す。「a」をコニカルプリズム218の底角と定義しているので、第1入射角、即ち参照光の第1伝搬方向と円錐の表面の法線(第1垂直方向)のなす角もまたaとなる(図3−Aを参照)。さらに、鋭角bは、第1屈折角、即ち屈折参照光の第2伝搬方向と円錐の表面の法線(第1垂直方向)のなす角を示す。
その後、屈折参照光は、コニカルプリズム218の円形底部に到達するまでコニカルプリズム218を媒体にして第2伝搬方向にまっすぐの伝搬する。屈折参照光は、円形底部でもう一度屈折し、それによって2回屈折(twice-refracted)参照光を生成する。2回屈折参照光は、次式2のスネルの法則に従いながら、図3−Bに示すように、第3伝搬方向に空気を介してホログラフィック媒体220に伝搬する。
nsinc = sind (式2)
ここで、コニカルプリズム218の媒質の屈折率と空気の屈折率は、前述したようにそれぞれ「n」と1である。鋭角「c」は、第2入射角、即ち屈折参照光の第2伝搬方向と円形底部の法線(第2垂直方向)のなす角であり、鋭角「d」は、第2屈折角、即ち2回屈折参照光の第3伝搬方向と円形底部の法線(第2垂直方向)のなす角である。
「a」、「b」、「c」は、図3−Aから分かるように、次式3の関係を有する。
b+c = a (式3)
式1及び式3より次式が得られる。
b = sin−1(sin a/n) (式4)
c = a−b = a−sin−1(sin a/n) (式5)
ここで、式4及び式5を式2に代入すると、次式6が得られる。
nsin{a−sin―1(sina/n)} = sin d
⇒ sin―1[nsin{a−sin―1(sina/n)}] = d (式6)
したがって、式6に示すように、第2屈折角「d」は、コニカルプリズム218の底角「a」を変化させることにより調節され得る。ホログラフィック媒体220への2回屈折参照光の入射角、即ち2回屈折参照光の第3伝搬方向とホログラフィック媒体220の表面の法線(第3垂直方向)のなす鋭角は、図3−Bに示すように、第2屈折角と同一であるので、ホログラフィック媒体220への2回屈折参照光の入射角も同様にコニカルプリズム218の底角「a」によって決定される。式6において、「a」は「sin―1(sina/n)」より影響力が大きい要素であるので、「a」の増加に伴い「d」も増加する。
図3−Bにおいて、半径X1の参照光がコニカルプリズム218の円錐の表面に照射される。円錐の表面は、第1ハーフ円錐表面218aと、第2ハーフ円錐表面218bとを含む。また、ホログラフィック媒体220は、第1ハーフ円錐表面218aと同じ側に位置する第1ハーフ記録領域220aaと、第2ハーフ円錐表面218bと同じ側に位置する第2ハーフ記録領域220abとを含む。第1ハーフ円錐表面218aで屈折させられた第1ハーフ参照光は、円形底部でもう一度屈折させられて第2ハーフ記録領域220abに与えられる。第2ハーフ円錐表面218bで屈折させられた第2ハーフ参照光は、円形底部でもう一度屈折させられて第1ハーフ記録領域220aaに与えられる。
説明を簡単にするために、図3−Bに示すように、第2ハーフ参照光のみを考える。「n」が1より大きいので、ホログラフィック媒体220に平行な平面でカットされた断面が半径X1の半円形であるような第2ハーフ参照光が第2ハーフ円錐表面218bで屈折させられた後、屈折させられた第2ハーフ参照光のサイズ(即ち幅)は、コニカルプリズム218の円形底部においてX2まで増大する。その後、X2のサイズの屈折させられた第2ハーフ参照光は、円形底部でもう一度屈折させられて、2回屈折させられた第2ハーフ参照光になる。2回屈折させられた第2ハーフ参照光は、ホログラフィック媒体220の第1ハーフ記録領域220a上に入射角「d」で照射される。
ホログラフィック媒体220の記録領域220aのサイズ(即ち記録領域220aの外径と内径の差の2分の1に相当する記録領域220aの幅)がX3である場合、記録領域220aに一度にデータを記録するために、2回屈折させられた第2ハーフ参照光のサイズX2をX3と等しいかそれ以上にする必要がある。このとき、X1、X2、X3の関係は次式で表される。
X2 = X1/cosd > X3
⇒ d < cos−1(X1/X3) (式7)
式7を式6に代入すると、次式8が得られる。
sin−1[nsin{a−sin―1(sina/n)}]
=d < cos−1(X1/X3) (式8)
2回屈折参照光が照射されるホログラフィック媒体220上の位置は、コニカルプリズム218の円形底部とホログラフィック媒体220の間の距離Yによって変わり得る。円形底部の円周部を透過する2回屈折参照光の一部がホログラフィック媒体220の記録領域220aと孔領域220bの間の境界上に照射されるようにするため、距離Yは次式で表すことができる。
Y = X2/tand (式9)
したがって、2回屈折参照光の入射角「d」も距離「Y」によって決定される。
参照光全体がX3のサイズを有する記録領域220a上に照射されるように、コニカルプリズム218の円形底部の半径は、参照光の半径X1より若干大きい(ほぼ等しい)のが好ましい。
しかし、円形底部の半径はX2より小さく、X2は記録領域220aのサイズより小さくないので、コニカルプリズム218のサイズ即ち円形底部の半径を記録領域220aのサイズより大きくする必要がない。したがって、コニカルプリズム218のサイズをX3より小さくすることができ、それによってホログラフィック記録システムの小型化が可能である。
本発明を図1−Bの従来技術と比較すると、従来技術では、参照光はコニカルプリズム118で1回だけ屈折した後でコニカルプリズム118からホログラフィック媒体120に照射されるが、本発明では、参照光はコニカルプリズム218で2回屈折する。従来技術によれば、参照光のサイズは1回だけ屈折する過程により減少するので、コニカルプリズム118及びコニカルプリズム118に照射される参照光のサイズは本発明のものと比べて大きくなければならない。しかし、本発明によると、2回屈折する過程により参照光のサイズが増大するので、コニカルプリズム218及び参照光のサイズは従来技術のものと比べて小さくなり得る。したがって、本発明によれば、ホログラフィック記録システムのサイズをかなり小型化することができる。
これまで、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明から当業者により具現できる多様な修正及び変形も本発明に属するものである。
従来の典型的なホログラフィック記録システムの概略構成図である。 図1−Aのシステムにおいて、コニカルプリズムからホログラフィック媒体までの参照光の光路を示す図である。 本発明の好ましい実施例によるホログラフィック記録システムの概略構成図である。 図2のシステムに設けられるコニカルプリズムを透過する参照光の光路を示す図である。 本発明の好適実施例によるコニカルプリズムからホログラフィック媒体までの参照光の光路を示す図である。
符号の説明
200 光源
202、212 HWP(1/2波長板)
204 光拡張器
206 ビームスプリッタ
208、214 偏光器
210、216、217 ミラー
218 コニカルプリズム
220 ホログラフィック媒体
222 マスク

Claims (10)

  1. ホログラフィック装置であって、
    信号光を変調して変調信号光を生成するためのマスクと、
    参照光を屈折させて屈折参照光を生成するための、円錐部及び底部を含むコニカルプリズムとを含み、
    前記屈折参照光が、前記底部が面したホログラフィック媒体内で前記変調信号光と干渉し、それによって前記ホログラフィック媒体上にデータを記録することを特徴とするホログラフィック装置。
  2. 前記屈折参照光の光路が、前記コニカルプリズムの屈折率に依存することを特徴とする請求項1に記載のホログラフィック装置。
  3. 前記コニカルプリズムが、多重化のため、異なる底角を有する別のプリズムに代替されることを特徴とする請求項1に記載のホログラフィック装置。
  4. 前記コニカルプリズムの媒質の屈折率をn、前記コニカルプリズムの底角をa、前記ホログラフィック媒体の入射角をdとしたとき、前記屈折参照光の光路が、
    sin―1[nsin{a−sin―1(sina/n)}] = d
    の関係を満たして制御されることを特徴とする請求項1に記載のホログラフィック装置。
  5. 前記コニカルプリズムに投影される前記参照光のフルサイズの2分の1をX1、前記コニカルプリズムの前記底部での前記屈折参照光のサイズをX2、前記ホログラフィック媒体の前記記録領域の外径と内径の差の2分の1をX3としたとき、前記ホログラフィック媒体の入射角dが、
    X2 = X1/cosd > X3
    の関係を満たすことを特徴とする請求項4に記載のホログラフィック装置。
  6. 前記コニカルプリズムと前記ホログラフィック媒体の間の距離が、多重化のために変えられることを特徴とする請求項1に記載のホログラフィック装置。
  7. 前記ホログラフィック媒体への入射角をd、前記コニカルプリズムの前記底部での前記屈折参照光のサイズをX2、前記コニカルプリズムと前記ホログラフィック媒体の間の前記距離をYとしたとき、前記距離が、
    tand= X2/Y
    の関係を満たすことを特徴とする請求項6に記載のホログラフィック装置。
  8. ホログラフィック装置であって、
    レーザ光を放射する光源と、
    前記レーザ光を参照光と信号光に分けるビームスプリッタと、
    前記信号光を変調させて変調信号光を生成するマスクと、
    前記参照光を屈折させて屈折参照光を生成する屈折器とを含み、
    前記屈折参照光が、ホログラフィック媒体内で前記変調信号光と干渉し、それによって前記ホログラフィック媒体上にデータを記録することを特徴とするホログラフィック装置。
  9. 前記屈折器が、前記屈折参照光が前記ホログラフィック媒体上に円錐状に拡散されるようなコニカルプリズムであることを特徴とする請求項8に記載のホログラフィック装置。
  10. ホログラフィーの方法であって、
    (a)レーザ光を発生させる過程と、
    (b)前記レーザ光を参照光と信号光に分ける過程と、
    (c)前記信号光を変調させて変調信号光を生成するとともに、前記参照光を屈折させて屈折参照光を生成する過程とを含み、
    前記屈折参照光が、ホログラフィック媒体内で前記変調信号光と干渉し、それによって前記ホログラフィック媒体上にデータを記録することを特徴とするホログラフィック方法。
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