JP2005121855A - Hologram recording and reproducing apparatus, hologram recording and reproducing method and phase modulation method for light beam - 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、特に位相変調パターンにより参照光を光位相変調する際の光ビームの位相変調方法に関する。 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 phase modulation method of a light beam when optical phase modulation of reference light is performed by a phase modulation pattern.
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9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. 9, 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することにより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の記録領域(スポット)に複数のデータを多重記録する方式であり、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ひと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 the optical components remain fixed, and reference light having various phases is generated by optical phase modulation of the reference light with a spatial light modulator. This is a method of recording multiple data in the same recording area (spot) of the hologram recording medium by interfering with the signal light. By using this light phase characteristic, the S / N ratio of the reproduction data is lowered. There is an advantage that the crosstalk, which is one of the causes, 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強度で且つ、後述するようにある法則にしたがって生成される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 system, the condition imposed on the actual optical system to realize multiplex recording without crosstalk is that the reference light has a uniform intensity and is generated in accordance with a certain law as described later. It is subject to phase modulation that accurately reproduces the modulation code. 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、光の位相を空間光変調器で変調させなければならないが、多重度を増して行くと、この空間光位相変調器のサイズを大きくして行く必要がある。それには、1次元空間光位相変調器を用いるよりも2次元空間光位相変調器を用いた方が、同一の多重度である場合は空間光位相変調器の横方向サイズを小さくできるため、参照光の均一照射を容易とし、光学的に有利となる。しかしながら、現在のところ2次元空間光位相変調器を用いて位相変調多重方式によるホログラム記録装置を実用的なレベルで実現した例はない。 As described above, in the phase modulation multiplexing method, the phase of the light must be modulated by the spatial light modulator. However, as the degree of multiplexing increases, the size of the spatial light phase modulator needs to be increased. . For that purpose, the two-dimensional spatial light phase modulator using the two-dimensional spatial light phase modulator can reduce the lateral size of the spatial light phase modulator when the multiplicity is the same. Uniform irradiation of light is facilitated and optically advantageous. However, at present, there is no example in which a hologram recording apparatus using a phase modulation multiplexing method is realized at a practical level using a two-dimensional spatial light phase modulator.
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、光学的な負担を大きくすることなく位相変調多重方式による記録多重度を効率的に増大させ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及び光ビームの位相変調方法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 provide a hologram recording capable of efficiently increasing the recording multiplicity by the phase modulation multiplexing method without increasing the optical burden. It is an object of the present invention to provide a reproducing apparatus, a hologram recording / reproducing method, and a light beam phase modulation method.
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、前記第2の光ビームを位相変調する2次元の位相変調手段を具備し、前記2次元の位相変調手段により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記録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. , Comprising a two-dimensional phase modulation means for phase-modulating the second light beam, the second light beam optically phase-modulated by the two-dimensional phase modulation means and the spatial light-modulated first light. The beam interference fringes are multiplexed and recorded in the same recording 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、第2の光ビーム(参照光)を2次元の位相変調手段により光位相変調するため、データを記録する際の多重度が増大した時に同一の分解能を確保するには、位相変調パターンを表示する位相変調器のサイズも大きくしなければならないが、2次元の位相変調手段は、1次元の位相変調手段に比べて、横寸法のサイズの増え方を極めて少なくすることができ、これを照射する第2の光ビームの広がりも少なくて済むため、その分、明るさが均一な第2の光ビームをレーザー光のロスを大きくすることなく生成できるため、光学的な負担を大きくすることなく位相変調多重方式による記録多重度を効率的に増大させることができる。 As described above, in the hologram recording apparatus of the present invention, since the second light beam (reference light) is optically phase-modulated by the two-dimensional phase modulation means, the same resolution can be obtained when the multiplicity when recording data is increased. In order to ensure, the size of the phase modulator that displays the phase modulation pattern must also be increased, but the two-dimensional phase modulation means increases the size of the lateral dimension compared to the one-dimensional phase modulation means. Since the second light beam that irradiates the light beam can be extremely reduced and the spread of the second light beam can be reduced, the second light beam with uniform brightness can be generated without increasing the loss of laser light. Thus, the recording multiplicity by the phase modulation multiplexing method can be increased efficiently without increasing the optical burden.
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、前記光ビームを光位相変調する2次元の位相変調手段と、前記2次元の位相変調手段により光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体の記録領域に照射することを特徴とする。 Further, the present invention is 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, by receiving the light with a light receiving element, Two-dimensional phase modulation means for optical phase modulation of the light beam, and a recording region of the hologram recording medium is irradiated with the light beam modulated by the two-dimensional phase modulation means.
このように本発明のホログラム再生装置では、光ビーム(再生光)を2次元の位相変調手段により光位相変調するが、参照光を光位相変調した時と同一サイズの2次元の位相変調手段を用いなければならないため、参照光の光位相変調の際と同様の理由で、多重度が増大した時の2次元の位相変調手段は、1次元の位相変調手段に比べて、横寸法のサイズの増え方を極めて少なくすることができ、これを照射する光ビームの広がりも少なくて済むため、その分、明るさが均一な光ビームをレーザー光のロスを大きくすることなく生成できるので、光学的な負担を大きくすることなく位相変調多重方式による記録多重度を効率的に増大させることができる。 As described above, in the hologram reproducing apparatus of the present invention, the light beam (reproduced light) is optically phase-modulated by the two-dimensional phase modulation means, but the two-dimensional phase modulation means having the same size as that when the reference light is optically phase-modulated. Therefore, for the same reason as the optical phase modulation of the reference light, the two-dimensional phase modulation means when the multiplicity is increased has a lateral size compared to the one-dimensional phase modulation means. The amount of increase can be extremely small, and the spread of the light beam that irradiates it can be reduced. Therefore, a light beam with uniform brightness can be generated without increasing the loss of laser light. It is possible to efficiently increase the recording multiplicity by the phase modulation multiplexing method without increasing the burden.
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、前記第2の光ビームを2次元の位相変調パターンにより光位相変調し、当該光位相変調された第2の光ビームを前記空間光変調された第1の光ビームと干渉させ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, The optical beam is optically phase-modulated with a two-dimensional phase modulation pattern, and the optical phase-modulated second optical beam is caused to interfere with the spatial light-modulated first optical beam.
このように本発明のホログラム記録方法では、第2の光ビーム(参照光)を2次元の位相変調パターンにより光位相変調するには2次元の位相変調パターンを表示する2次元の位相変調器が必要で、データを記録する際の多重度が増大した時に同一の分解能を確保するには、前記位相変調器のサイズも大きくしなければならなくなるが、2次元の位相変調器は、1次元の位相変調器に比べて、横寸法のサイズの増え方を極めて少なくすることができるため、これを照射する第2の光ビームの広がりも少なくて済み、その分、明るさが均一な第2の光ビームをレーザー光のロスを大きくすることなく生成できるので、光学的な負担を大きくすることなく位相変調多重方式による記録多重度を効率的に増大させることができる。 As described above, in the hologram recording method of the present invention, in order to optically modulate the second light beam (reference light) with the two-dimensional phase modulation pattern, a two-dimensional phase modulator that displays the two-dimensional phase modulation pattern is used. In order to ensure the same resolution when the multiplicity when recording data is increased, the size of the phase modulator must be increased, but a two-dimensional phase modulator is a one-dimensional Compared with the phase modulator, since the increase in the size of the lateral dimension can be extremely reduced, the spread of the second light beam that irradiates this can be reduced. Since the light beam can be generated without increasing the loss of the laser beam, the recording multiplicity by the phase modulation multiplexing method can be efficiently increased without increasing the optical burden.
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、前記光ビームを2次元の位相変調パターンにより光位相変調し、当該光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体の記録領域に照射することを特徴とする。 Further, the present invention is a hologram reproducing method for reproducing data by reading out the diffracted light generated by irradiating the hologram recording medium on which the interference fringes are recorded with a light receiving element, and reproducing the data, The optical beam is optically phase-modulated with a two-dimensional phase modulation pattern, and the recording region of the hologram recording medium is irradiated 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、光ビーム(再生光)を2次元の位相変調手段により光位相変調するが、参照光を光位相変調した時と同一サイズの2次元の位相変調パターンで光位相変調するには、この2次元の位相変調パターンを表示する2次元の位相変調器を用いなければならないため、参照光の光位相変調の際と同様の理由で、多重度が増大した時の2次元の位相変調器は、1次元の位相変調器に比べて、横寸法のサイズの増え方を極めて少なくすることができ、これを照射する光ビームの広がりも少なくて済むため、その分、明るさが均一な光ビームをレーザー光のロスを大きくすることなく生成できるので、光学的な負担を大きくすることなく位相変調多重方式による記録多重度を効率的に増大させることができる。 As described above, in the hologram reproducing method of the present invention, the light beam (reproduced light) is optically phase-modulated by the two-dimensional phase modulation means, but with a two-dimensional phase modulation pattern having the same size as that when the reference light is optically phase-modulated. Since optical phase modulation requires the use of a two-dimensional phase modulator that displays this two-dimensional phase modulation pattern, when the multiplicity increases for the same reason as the optical phase modulation of the reference light Compared with a one-dimensional phase modulator, the two-dimensional phase modulator can greatly increase the size of the lateral dimension, and the spread of the light beam that irradiates this can be reduced. Since a light beam with uniform brightness can be generated without increasing the loss of laser light, it is possible to efficiently increase the recording multiplicity by the phase modulation multiplexing method without increasing the optical burden.
また、本発明は、位相変調パターンを表示した位相変調手段により光ビームを光位相変調する際の光ビームの位相変調方法において、あらかじめ前記記録データに対応させた前記位相変調パターンを用意し、この位相変調パターンを前記位相変調手段に複数個表示することを特徴とする。 Further, the present invention provides a phase modulation pattern corresponding to the recording data in advance in a phase modulation method of a light beam when a light beam is optically phase modulated by a phase modulation means displaying a phase modulation pattern, A plurality of phase modulation patterns are displayed on the phase modulation means.
このように本発明の光ビームの位相変調方法では、光ビームが位相変調手段に敷き詰めるように表示された複数個の位相変調パターンにより光位相変調されるため、この位相変調手段を照射する光ビーム全面にわたって明るさが不均一であっても、複数表示される変調パターンのうちのひとつが占めるエリア内では光ビームの明るさの不均一性が緩和され、しかも、複数個の位相変調パターン全体により光ビームが変調されるため、恰も光ビームの明るさの全体的な不均一が減少してより均一な光ビームを位相変調手段に照射してこの光ビームが光位相変調した時とほぼ同様の効果を得ることができる。したがって、この光ビームを参照光とし、この参照光と別途生成される信号光との干渉縞をホログラム記録メディアに位相変調多重記録した場合の再生データのクロストークを少なくして、そのS/N比を向上させることができる。 As described above, in the light beam phase modulation method of the present invention, the light beam is optically phase-modulated by a plurality of phase modulation patterns displayed so as to spread over the phase modulation means. Even if the brightness is non-uniform over the entire surface, the non-uniformity of the brightness of the light beam is alleviated within the area occupied by one of the modulation patterns displayed, and the entire phase modulation pattern Since the light beam is modulated, the overall non-uniformity of the brightness of the light beam is reduced, and the light beam is almost the same as when the phase modulation means is irradiated with the light beam and the light beam is optically phase modulated. An effect can be obtained. Therefore, when this light beam is used as the reference light, and the interference fringe between the reference light and the separately generated signal light is phase-modulated and multiplexed on the hologram recording medium, the crosstalk of the reproduced data is reduced, and the S / N The ratio can be improved.
以上詳細に説明したように、本発明によれば、参照光及び再生光を2次元の位相変調手段により光位相変調して生成するため、位相変調多重方式による記録多重度を増大させた場合、2次元の位相変調手段は、1次元の位相変調手段に比べて、横寸法のサイズの増え方を極めて少なくすることができ、それ故、これを照射する参照光及び再生光の広がりを少なくて済ますことができるため、その分、明るさが均一な参照光及び再生光をレーザー光のロスを大きくすることなく生成できるので、光学的な負担を大きくすることなく位相変調多重方式による記録多重度を効率的に増大させることができる。
また、位相変調パターンを位相変調手段に敷き詰めるように表示し、これら複数個の位相変調パターンにより参照光及び再生光を光位相変調することによって、この位相変調手段を照射する参照光及び再生光の明るさが多少不均一であっても、前記複数表示される変調パターンのうちのひとつが占めるエリアでは参照光及び再生光の明るさの不均一性が緩和され、しかも、複数個の位相変調パターンの集合により参照光及び再生光が変調されるため、恰も参照光及び再生光の明るさの不均一が減少してより均一な光ビームを位相変調手段に照射して参照光及び再生光を変調した時とほぼ同様の効果を得ることができる。したがって、その分、参照光及び再生光を均一にする度合いを緩やかにすることができ、レーザー光のロスを少なくして生成できるので、光学的な負担をさらに小さくしてホログラム記録における位相変調多重度を効率的に増大させることができる。換言すれば、位相変調多重度を増大させて位相変調手段のサイズが大きくなっても、この位相変調手段を照射する参照光及び再生光の明るさの均一性は緩やかで済むため、光学的な負担をそれ程増大させることなく位相変調多重度を従来よりかなり大きくすることができる。
As described above in detail, according to the present invention, since the reference light and the reproduction light are generated by optical phase modulation by the two-dimensional phase modulation means, when the recording multiplicity by the phase modulation multiplexing method is increased, The two-dimensional phase modulation means can greatly reduce the increase in the size of the lateral dimension as compared with the one-dimensional phase modulation means, and therefore, the spread of the reference light and the reproduction light that irradiates this can be reduced. Therefore, it is possible to generate the reference light and reproduction light with uniform brightness without increasing the loss of laser light, so that the recording multiplicity by the phase modulation multiplexing method is increased without increasing the optical burden. Can be increased efficiently.
Further, the phase modulation pattern is displayed so as to be spread over the phase modulation means, and the reference light and the reproduction light irradiated to the phase modulation means are modulated by optical phase modulation of the reference light and the reproduction light by the plurality of phase modulation patterns. Even if the brightness is somewhat non-uniform, the non-uniformity of the brightness of the reference light and the reproduction light is alleviated in the area occupied by one of the plurality of displayed modulation patterns, and a plurality of phase modulation patterns Since the reference light and the reproduction light are modulated by the set of light beams, the non-uniform brightness of the reference light and the reproduction light is reduced, and the reference light and the reproduction light are modulated by irradiating the phase modulation means with a more uniform light beam. It is possible to obtain substantially the same effect as when Accordingly, the degree of uniformity of the reference light and the reproduction light can be moderated and the loss of laser light can be reduced, so that the optical burden can be further reduced to increase the phase modulation in hologram recording. The severity can be increased efficiently. In other words, even if the phase modulation multiplicity is increased and the size of the phase modulation means is increased, the uniformity of the brightness of the reference light and the reproduction light that irradiates the phase modulation means can be moderated. The phase modulation multiplicity can be made considerably larger than before without increasing the burden so much.
光学的な負担を増大させることなく多重度を効率的に増大させる目的を、参照光及び再生光を2次元の位相変調器により位相変調してホログラムの位相変調多重記録再生を行い、さらに必要に応じて、2次元の位相変調器に表示する位相変調パターンを縮小して複数個表示することによって実現した。 For the purpose of efficiently increasing the multiplicity without increasing the optical burden, phase modulation multiplex recording / reproduction of the hologram is performed by phase-modulating the reference light and the reproduction light with a two-dimensional phase modulator, and further required Accordingly, it is realized by reducing and displaying a plurality of phase modulation patterns to be displayed on the two-dimensional phase modulator.
図1は、本発明の第1の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、2次元の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 the first 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、入力信号はXGAレベルで、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。
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(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 (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、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。
A phase modulation pattern is created corresponding to the 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(図示せず)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
本実施の形態によれば、参照光200を位相変調するのに、2次元の位相変調器22を用いているため、1次元の位相変調器を用いる場合に比べて、同一の多重度であれば、位相変調器22の横方向の寸法を短くすることができるため、その分、参照光(再生光)200の広がりを抑えることができ、それ故、強度が均一な参照光(再生光)200をレーザー光源2の出力をそれ程大きくすることなく(レーザー光源2から射出されるレーザー光のロスを少なくして)生成できるため、光学系に負担を掛けることなく位相変調多重方式によるホログラム記録を行うことができる。
According to the present embodiment, since the two-
また、データの多重度を増大させていった場合、位相変調器22の表示面の分割数が増えるため、同一の解像度を保持するためには、位相変調器22のサイズを大きくしなければならないが、本実施の形態のように位相変調器として2次元の位相変調器22を用いれば、1次元の位相変調器を用いた場合に比べて、横方向の寸法の増加を極めて小さくすることができるため、強度が均一な参照光200を生成するためにレーザー光源2の出力をそれ程大きくする必要がなく、効率的に多重度を増大させることができる。
Further, when the data multiplicity is increased, the number of divisions of the display surface of the
ここで、実際の光学系では、参照光200が位相変調器22の全面を完全に均一な明るさで照射するのは困難である。スペーシャルフィルタを用いて参照光200を均一化したとしても、ビームの中心から周縁にかけて強度は小さくなる傾向が残る。位相アドレスコード(直交コード)を使用してクロストークのない多重記録を実現するのは、位相変調器22による変調が0かπの2値で行われる場合であるのに、位相変調器22に表示されている位相変調パターンを照射する参照光の明るさに斑があると、変調が0かπの2値で行われなくなって直交性が失われ、クロストークが増加してしまう。また、参照光を均一化するほどレーザー光のパワー効率が落ちてしまうという問題も残る。
Here, in an actual optical system, it is difficult for the reference light 200 to irradiate the entire surface of the
図5は、本発明の第2の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の位相変調器への位相変調パターンの表示の仕方を説明する説明図である。但し、本例の構成は上記した第1の実施の形態と同様であるため、以下同一の構成を持つ各部については、その構成動作の説明を省略し、以下、その動作の特徴部分を説明する。 FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining how to display the phase modulation pattern on the phase modulator of the hologram recording / reproducing apparatus according to the second embodiment of the present invention. However, since the configuration of this example is the same as that of the first embodiment described above, the description of the configuration operation of each unit having the same configuration is omitted, and the characteristic part of the operation is described below. .
本実施の形態のホログラム記録再生装置は、位相変調器22に表示する位相変調パターンの表示の仕方が図1に示し第1の実施の形態と異なるだけで、他の構成及び動作は同様である。図5は4多重するために第1の実施の形態と同様の方法により生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である。本実施の形態では、これら位相変調パターンを位相変調器22の表示面全部を用いて表示するのではなく、位相変調パターンを図6に示すように縦横に繰り返し表示する。
The hologram recording / reproducing apparatus of the present embodiment has the same configuration and operation except that the method of displaying the phase modulation pattern displayed on the
この図6の例では、位相変調パターンP1は位相変調器22の表示面に複数個繰り返し表示されており、位相変調パターンP1が完全な形で且つ、位相変調器22の表示面を全て埋め尽くすように表示され、所謂位相変調パターンがタイリングされた状態になっている。この図7の例では、位相変調パターンP2が位相変調器22の表示面に複数個繰り返し表示されている。但し、図6、図7中dは例えば位相変調器22を構成する画素の4から8ピクセルに亙る長さである。尚、位相変調パターンは制御部28により位相変調器22の表示面にタイリングされて表示される。
In the example of FIG. 6, a plurality of phase modulation patterns P1 are repeatedly displayed on the display surface of the
このように位相変調器22の表示面に複数の位相変調パターンを繰り返し表示した場合、ひとつの位相変調パターンが占める表示エリアは位相変調器22の表示面の一部分になるため、この位相変調器22の表示面全体に照射される参照光200の明るさが不均一であっても、ひとつの位相変調パターンが占める表示エリアを照射する参照光200の明るさの不均一性は緩和されるため、光位相変調時の直交性が保持されてクロストーク分を減らし、再生データのS/N比を向上させることができる。
When a plurality of phase modulation patterns are repeatedly displayed on the display surface of the
尚、参照光200と同一の再生光を生成する場合も同様のことが言える。 The same applies to the case where the same reproduction light as the reference light 200 is generated.
図8は、図6に示すように、位相変調パターンをタイリングして位相変調器22に表示して、多重記録(この例では50多重)したデータを再生した場合と、位相変調パターンをタイリングしないで第1の実施の形態のように表示して多重記録(この例では50多重)したデータを再生した場合の実験結果を比較した図である。但し、この例では位相変調パターンの生成元の位相アドレスコードは64×64のH行列から作成したものを使用している。
FIG. 8 shows a case in which the phase modulation pattern is tiled and displayed on the
図8(A)は位相変調パターンを位相変調器22にタイリングしないで表示した場合で、目的のデータは一番上のひとつの白のみを含むデータであるにも拘らず、その下に、クロストークによる他のデータの画像が表示されてしまい、S/N比は4.64(dB)である。しかし、図8(B)は位相変調パターンを位相変調器22にタイリングして表示した場合で、ひとつの白のみ含む目的のデータしか表示されておらず、クロストーク成分がなくなり、S/N比は10.77(dB)で、S/N比が向上しているのが分かる。
FIG. 8A shows a case where the phase modulation pattern is displayed without tiling on the
尚、位相変調パターンをタイリングして位相変調器22の表示面に表示する数は、参照光200の明るさの不均一度との関係で決まり、不均一度が大きくなればなるほど、表示面に表示する位相変調パターンの数を多くすることにより、再生画像のS/N比の悪化を阻止するできる傾向にある。但し、位相変調パターンを表示できる最大数は位相変調器22の性能で決まる。
Note that the number of the phase modulation patterns that are tiled and displayed on the display surface of the
本実施の形態によれば、参照光200の明るさが均一でなくとも、位相変調器22に表示する位相変調パターンを縮小して複数の縮小位相変調パターンを表示面に敷き詰めるように、即ち、位相変調パターンをタイリングして表示することにより、多重記録されたデータを再生した時のクロストークを減らして、S/N比を向上させることができる。
According to the present embodiment, even if the brightness of the reference light 200 is not uniform, the phase modulation pattern displayed on the
したがって、位相変調パターンを位相変調器22にタイリングして表示することにより、参照光200の明るさに多少の不均一性があっても、再生データのS/N比の悪化を防止することができるため、光学系の負担を軽減でき、レーザー光のパワー効率の良い多重化を行うことができる。また、位相変調多重度を増大させて位相変調器22のサイズが大きくなっても、この位相変調器22を照射する参照光及び再生光の明るさの均一性は緩やかで済むため、光学的な負担をそれ程増大させることなく位相変調多重度を従来より容易に大きくすることができる。
Therefore, the phase modulation pattern is tiled and displayed on the
尚、上記した効果は参照光200について述べたが、参照光200と同一の再生光についても同様であることは言うまでもない。 In addition, although the above-mentioned effect was described for the reference light 200, it is needless to say that the same is true for the reproduction light that is the same as the reference light 200.
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)
前記第2の光ビームを光位相変調する2次元の位相変調手段を具備し、
前記2次元の位相変調手段により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記録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,
Comprising two-dimensional phase modulation means for optical phase modulation of the second light beam;
The interference fringes of the second light beam optically phase-modulated by the two-dimensional phase modulation means and the first light beam spatially modulated are multiplexed and recorded in the same recording area of the hologram recording medium. Hologram recording device.
前記光ビームを光位相変調する2次元の位相変調手段と、
前記2次元の位相変調手段により光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体の記録領域に照射することを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,
Two-dimensional phase modulation means for optical phase modulation of the light beam;
A hologram reproducing apparatus for irradiating a recording region of the hologram recording medium with a light beam optically modulated by the two-dimensional phase modulation means.
前記第2の光ビームを2次元の位相変調パターンにより光位相変調し、当該光位相変調された第2の光ビームを前記空間光変調された第1の光ビームと干渉させ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,
The second light beam is optically phase-modulated by a two-dimensional phase modulation pattern, and the second light beam that has been optically phase modulated is caused to interfere with the first light beam that has been spatially modulated. Hologram recording method.
前記光ビームを2次元の位相変調パターンにより光位相変調し、当該光位相変調された光ビームを前記ホログラム記録媒体の記録領域に照射す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,
A hologram reproducing method, wherein the light beam is optically phase-modulated by a two-dimensional phase modulation pattern, and the recording region of the hologram recording medium is irradiated with the light phase-modulated light beam.
あらかじめ前記記録データに対応させた、前記位相変調パターンを用意し、この位相変調パターンを前記位相変調手段に複数個表示することを特徴とする光ビームの位相変調方法。 In the phase modulation method of the light beam when the light beam is optically phase modulated by the phase modulation means displaying the phase modulation pattern,
A phase modulation method for a light beam, characterized in that the phase modulation pattern corresponding to the recording data is prepared in advance, and a plurality of the phase modulation patterns are displayed on the phase modulation means.
12. The light beam phase modulation method according to claim 11, wherein the phase modulation means includes a phase modulator for displaying a two-dimensional phase modulation pattern.
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JPWO2016208047A1 (en) * | 2015-06-26 | 2017-10-05 | 株式会社日立製作所 | Optical phase control device, optical phase control method, optical information recording / reproducing device, and optical information recording / reproducing method |
-
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