JP2005222591A - ホログラフィック記録媒体、ホログラム読出システム、及びホログラフィック記録媒体からのデータ読出方法 - Google Patents

ホログラフィック記録媒体、ホログラム読出システム、及びホログラフィック記録媒体からのデータ読出方法 Download PDF

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Abstract

【課題】ホログラフィック・ディスク記録媒体の高速レプリケーションを可能にし、データ転送速度を向上させる。
【解決手段】円錐形のビーム形状を有する記録用参照波ビームを使用して、ホログラフィック・ディスク記録媒体の全面に亘ってホログラムを記録するようにしており、更に、ホログラムの記録像１１０には、複数のデータ・ページの記録像１３０、１４０が含まれており、それら複数のデータ・ページの記録像の各々が、略々矩形のアレイを成すように配列された複数のピクセルを含んでいるようにした。また、小さな曲率の略々円筒形の波面形状を有するコヒーレント光から成る読出用参照波ビームを使用することで、読出用参照波ビームと記録用参照波ビームの波面形状の不一致が軽減されるようにした。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラフィック・データ記録媒体に関し、より詳しくは、ホログラフィック・データの記録及び読出のためのシステム及び方法に関する。
ホログラフィック・データ記録方式としてこれまでに様々な方式が提案されているが、それらに共通しているのは、ホログラフィック記録媒体内の１つまたは複数の記録位置に多数のデータ・ページを記録するようにしていることである。複数のデータ・ページを多重化して１つの記録位置に記録するには、記録する際に使用する記録用参照波ビームの特性を各データ・ページごとに異ならせるようにすればよく、具体的には、記録用参照波ビームの照射角や波長を異ならせるようにしている。また、記録しようとするデータを信号波ビームに乗せるための手段としては、通常、液晶ディスプレイ・パネルなどで構成した空間光変調器（spatial light modulator:SLM）が使用されている。ホログラフィック記録媒体に記録されているホログラムを読出すには、読出そうとする特定のホログラムを記録するときに使用した記録用参照波ビームと同一特性の読出用参照波ビームを使用して当該ホログラムを再生し、そして、そのホログラムの再生像によって表されているデータ・ページを、２次元デテクタ・アレイを用いて読取るようにする。また、２次元デテクタ・アレイとしては、例えばＣＣＤ（電荷結合デバイス）や、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）などが使用されている。
以上に概説したホログラフィック・データ記録方式には、次のような制約が付随している。先ず、データ・ページの記録密度は、使用するＳＬＭ及びデテクタ・アレイが、どれほどまで小さなピクセル・サイズ及びピクセル・ピッチに対応可能かによって、その密度の上限が決まってしまう。従って、ホログラフィック記録媒体の記録密度を高めるためには、記録媒体内の各記録位置に、数百枚から数千枚ものホログラムを多重化して記録しなければならない。また、記録媒体の全体のうちの、１つのホログラムによって占有される体積部分の形状と、記録媒体の同一記録位置に多重化して記録可能なホログラムの有効枚数とは、使用する多重化方法と、その記録媒体内における隣り合う記録位置どうしの間の空間的なオーバーラップ量とに左右される。これら２つのファクタ次第では、１つの記録媒体に記録されている複数のホログラムどうしの間でも、また、１つのホログラムに含まれている複数のピクセルどうしの間でも、再生強度にバラツキが生じるおそれがある。再生強度のバラツキは、データ読出エラーの原因となるため、複雑な補償方法を用いてデータ読出エラー率の低減を図らなければならない。また、記録媒体内の記録位置どうしの間に空間的なオーバーラップ部分が存在しなければ、離散した記録位置どうしの間の部分では記録媒体の材料が利用されないため、その分、利用可能なダイナミック・レンジが狭まることになる。
更に、以上に概説したホログラフィック・データ記録方式を用いてホログラムを記録したホログラフィック・メモリは、そのレプリケーション（複製製造）を高速で実行するための適当な方法が現時点では存在していない。即ち、この種のホログラフィック・メモリのレプリケーションを行うには、ホログラフィック記録媒体内の各記録位置に、多重化される各データ・ページに対応した各ホログラムを、１つずつ順次記録して行かねばならない。また、複数のホログラムどうしの間で再生強度を揃えるためには、各記録位置にホログラムを記録するたびに、複雑な露光工程を反復して実行しなければならない。
以上に列挙した問題の多くを回避することができ、また、レプリケーションも高速で実行できるホログラフィック・データ記録／読出方式として、本発明者は先に、ディスク形状のホログラフィック記録媒体に、ディスクの像を丸ごとホログラムとして記録するようにした、フル・ディスク・ホログラム方式を提案した。また、それを発展させて、円錐形光学素子を使用して、ディスク形状のホログラフィック記録媒体上の全ての位置を同一の径方向入射角で照射する円錐形の記録用参照波ビームを発生させるようにしたホログラフィック・ディスク記録システムを提案しており、更に、その円錐形の記録用参照波ビームに替えて球面形の記録用参照波ビームを使用するようにしたホログラフィック・ディスク記録システムも提案した（例えば特許文献１、特許文献２、特許文献３参照、特願２００２−２５４９９８）。
特開２００１−２３１６９号公報 特開２００２−２０７４１２号公報 特開２００３−２３３９０８号公報
図７及び図８は夫々、既に提案したフル・ディスク・ホログラム方式のホログラフィック・ディスク記録システムの具体例と、同じくホログラフィック・ディスク再生システムの具体例とを示した図である。図７は、ホログラフィック・ディスク記録媒体にデータ・マスクのパターンを記録するプロセスを図示しており、データ・マスクを交換してこの記録プロセスを反復実行することによって、１枚のホログラフィック・ディスク記録媒体に、複数枚のデータ・マスクの夫々のパターンのコピーを多重化して記録することができる。この記録プロセスにおいては、ホログラフィック・ディスク記録媒体に近接させて透過型データ・マスクを配置し、図中上方から平面波ビームをデータ・マスクに垂直に照射するとともに、ディスク記録媒体の反対側（図中下方）から円錐形のビーム形状を有右する記録用参照波ビームを照射し、それによって発生する回折パターンがディスク記録媒体に記録されることにより、反射型ホログラムの記録がなされる。記録用参照波ビームを円錐形としているのは、ディスク記録媒体上の全ての位置へ、同一の径方向入射角で、近似的に平面波と見なせる参照波ビームを入射させるようにするためである。ホログラムの再生時には、図８に示したように、ディスク記録媒体を回転させながら、ビーム径の小さな平面波の読出用参照波ビームを、一定の径方向入射角でディスク記録媒体上の目標位置へ局所的に照射すれば、ホログラムの全体のうちのその照射点の部分を局所的に読出すことができる。即ち、記録用参照波ビームの光線の伝播方向とは逆方向に光線が伝播する読出用参照波ビームを照射することによって、読出点（照射点）の近傍に、記録したデータ・マスクのパターンの実像を再生することができる。更に、従来の光ディスクの読出方式と同様に、結像用光学系を用いて、その再生実像の実像をデテクタ上に結像させる。データ・マスクのパターンを形成しているトラックからのデータ読出は、一度に１本のトラックだけから読出すようにしてもよく、また、データ・マスクのフォーマットを並列読出が可能なマルチ・トラック・フォーマットにしておけば、一度に２本以上のトラックから並列的に読出すようにすることもできる。複数枚のデータ・マスクを多重化して記録することによってデータ層を多重化する方法としては、１つのホログラムを記録するごとに円錐形ミラーを交換して記録用参照波ビームの入射角を変化させる入射角多重方式と、波長可変レーザを使用して記録用参照波ビームの波長を変化させる波長多重方式との、２通りの方法を利用することができる。
以上に説明した既に提案済のフル・ディスク・ホログラム方式のシステムでは、ホログラフィック記録媒体に記録するデータのパターンを、スパイラル・トラック上にピクセルを一列に並べた形状にしている。このようにしたのは、読出用参照波ビームを連続的に照射することによって、ＣＤ（コンパクト・ディスク）やＤＶＤ（デジタル・バーサタイル・ディスク）などの従来の光ディスクからピットを読出すのと同様の方式で、ピクセルをシリアルに読出せるようにしたかったからである。しかしながら、この読出方式では、ホログラムを利用することで本来得られるはずの１つの重要な利点が失われてしまう。それは、並列読出を行うことによって大きな転送速度が得られるという利点である。更に、ピクセルを連続してシリアルに読出すようにした読出方式では、ＣＣＤやＣＭＯＳで構成したデテクタを利用することができない。ＣＣＤやＣＭＯＳから成るデテクタは、微小な時間ながらも光子を蓄積するようにしているため、従来の光ディスクからピットを読出すためのシリアル検出システムに使用されているフォトダイオードと比べて、より高い信号雑音比（ＳＮＲ）を達成することができる。更に、ホログラムには、ホログラム再生像の明領域と暗領域のいずれにおいても再生強度のバラツキを生じやすいという問題があり、そのため、ホログラムの再生像からシリアル読出方式によって読出した信号においては、明瞭域から暗領域への遷移、並びに暗領域から明瞭域への遷移に付随するジッタが大きなものとなる。これに対して、ＣＣＤやＣＭＯＳから成るデテクタでは、多少の再生強度のバラツキは問題にならない。なぜならば、ＣＣＤやＣＭＯＳから成るデテクタでは、個々のピクセル領域内で平均化作用が働くためにノイズが低減され、また、明領域とピクセルに対応した暗領域とを判別するためのスレショルド値を、適宜設定できるからである。ＣＣＤまたはＣＭＯＳから成るデテクタを使用して並列読出を行うことは、ホログラフィック・データ記録技術の分野では慣用手段であるが、しかしながら、これまで、ＣＣＤまたはＣＭＯＳから成るデテクタの使用は、ディスク面の一部領域に局所的に記録された小さなホログラムを読出すようにしたシステムだけに限られており（即ち、フル・ディスク・ホログラム方式のシステムには採用されていない）、そのようなシステムは、高速レプリケーションには不適当なものである。
更に、これまでのフル・ディスク・ホログラム方式のホログラフィック・ディスク再生システムでは、読出用参照波ビームとして、ビーム径の小さな平面波ビームを主として使用していた。このようなビームを使用していたのは、読出用参照波ビームがホログラフィック記録媒体の表面を照射するスポット領域が小さければ、それが平面波ビームであっても、円錐形の記録用参照波ビームの波面形状を良好に近似できるからである。しかしながら、そのスポット領域を広くする必要がある場合には、平面波ビームから成る読出用参照波ビームの波面形状と、円錐形ビームである記録用参照波ビームの波面形状との不一致が大きな問題となる。スポット領域を広くする必要があるのは、例えば、記録されているデータの空間周波数が非常に高い場合、ホログラム記録時のデータ・マスク・パターンとホログラフィック記録媒体との間の回折距離が比較的大きい場合、ホログラフィック記録媒体の厚さが大きい場合、それに、記録されているホログラムのより大きな部分を再生してその再生像からデータを読出したい場合などである。
従って本発明の目的としては、次のようなものがある。
（ａ）データを表すピクセルを、ホログラム記録像に含まれるデータ・ページ内にアレイを成すように配列することによって、高速レプリケーションが可能であるというフル・ディスク・ホログラム方式の利点を維持しつつ、フル・ディスク・ホログラム方式におけるデータ読出転送速度を大幅に向上させる。
（ｂ）ホログラムを記録する際に使用するデータ・マスクを、在来のディスク・マスタリング技法を用いて製作可能なものとする。
（ｃ）ホログラム再生像における、再生強度のバラツキ及びノイズに起因するデータ読出エラー率を低減する。
（ｄ）ホログラムからデータを読出すためのデテクタとして、高感度で低ノイズのデテクタを使用できるようにすることで、ホログラムの再生に必要とされるレーザ出力を低減する。
（ｅ）使用する読出用参照波ビームのビーム径が大きい場合でも、その読出用参照波ビームの波面形状を、記録用参照ビームの波面形状を良好に近似した形状にすることで、データを読出すホログラム再生像の品質を向上させる。
本発明は以上の目的に鑑みて成されたものであり、本発明に係るホログラフィック記録媒体は、少なくとも１つのホログラムが記録された実質的にディスク形状のホログラフィック記録媒体であって、このホログラフィック記録媒体において、前記ホログラムは、該ホログラフィック記録媒体の実質的に全面に亘って記録されており、実質的に円錐形のビーム形状を有する所定波長のコヒーレント光から成る円錐形参照波ビームを、該ホログラフィック記録媒体に実質的に円対称形に照射することによって、前記ホログラムの実質的に全体を再生できるようにしてあり、前記ホログラムの記録像には、複数のデータ・ページの記録像が含まれており、それら複数のデータ・ページの記録像の各々が、略々矩形のアレイを成すように配列された複数のピクセルを含んでいることを特徴とする。
また、以上の目的に鑑み、本発明に係るホログラム読出システムは、（ａ）小さな曲率の略々円筒形の波面形状を有するコヒーレント光から成る読出用参照波ビームを発生させる読出用参照波ビーム発生手段と、（ｂ）少なくとも１つのデテクタ・アレイと、（ｃ）少なくとも１つのホログラムが記録された実質的にディスク形状のホログラフィック記録媒体であって、前記ホログラムは、該ホログラフィック記録媒体の実質的に全面に亘って記録されており、実質的に円錐形のビーム形状を有する所定波長のコヒーレント光から成る円錐形参照波ビームを、該ホログラフィック記録媒体に実質的に円対称形に照射することによって、前記ホログラムの実質的に全体を再生できるようにしてあるホログラフィック記録媒体と、（ｄ）前記ホログラムの再生像の一部分の像を前記デテクタ・アレイ上に結像させる手段と、（ｅ）前記ホログラフィック記録媒体を回転させる手段と、（ｆ）前記読出用参照波ビームを前記ホログラフィック記録媒体の径方向に移動させる手段とを備えたことを特徴とする。
また、以上の目的に鑑み、本発明に係るホログラフィック記録媒体からのデータ読出方法は、実質的にディスク形状のホログラフィック記録媒体からデータを読出す方法において、（ａ）小さな曲率の略々円筒形の波面形状を有するコヒーレント光から成る読出用参照波ビームを発生させ、（ｂ）前記読出用参照波ビームの周方向に収束する焦点が略々前記ホログラフィック記録媒体の軸心位置にくるようにし、且つ、前記読出用参照波ビームの前記ホログラフィック記録媒体上における形状が径方向に延在する略々平面形状であるようにして、前記読出用参照波ビームを前記ホログラフィック記録媒体へ所定の径方向入射角で入射させることによって、データ・ページを表すホログラムが再生されるようにし、（ｃ）光を結像させる結像手段を用いて前記ホログラムの再生像の実像をデテクタ・アレイ上に結像させ、その際に前記データ・ページの再生像の実像と前記デテクタ・アレイとが適切に位置合せされるようにすることで、前記ホログラムに含まれているデータを読出せるようにし、（ｄ）前記読出用参照波ビームの前記所定の径方向入射角を一定に維持したままで、前記ホログラフィック記録媒体を前記読出用参照波ビームに対して相対的に移動させることで、前記ホログラムの再生像に含まれている異なったデータ・ページを読出せるようにすることを特徴とする。
本発明に係るホログラフィック記録媒体、ホログラム読出システム、及びホログラフィック記録媒体からのデータ読出方法は、記録用参照波ビームとして円筒対称形に発散ないし収束する光線から成るビームを使用することにより、また好ましくは、円錐形のビーム形状を有する記録用参照波ビームを使用することにより、ディスク形状のホログラフィック記録媒体にデータ容量の大きなホログラムを記録できるようにしたものである。この方式によれば、ワン・ステップ・プロセスによって、ホログラムをディスク記録媒体の全面に亘って記録することができる。また、システムの全体が円対称性を備えているため、読出用参照波ビームを一定の径方向入射角でディスク記録媒体に照射しつつ、そのディスク記録媒体を回転させることによって、ホログラムを局所的に読出すことができる。ホログラムの多重化も可能であり、その際の多重方式としては、入射角多重方式や波長多重方式などを採用することができる。比較的少ない数のホログラムを記録するだけで、大きなデータ容量が得られるため、ディスク記録媒体の高速レプリケーションが可能である。ディスク記録媒体に記録するホログラムの記録像に、複数のデータ・ページの記録像が含まれているようにし、それら複数のデータ・ページの記録像の各々が、アレイを成すように配列された複数のピクセルを含んでいるようにすることで、デテクタ・アレイを使用してデータ・ページからデータを並列読出することができるようにしている。また、円筒光学素子を使用して読出用参照波ビームを整形することで、読出用参照波ビームの形状を、円錐形の記録用参照波ビームの形状をよりよく近似した形状にすることができるようにしている。
以下に本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１はホログラフィック・ディスク記録像のデータ・ページ内のピクセル配列に関する２通りの好適な配列形態として矩形配列と扇形配列とを示した図、図２はホログラフィック・ディスク記録像のデータ・ページ配列に関する１つの好適な配列形態であって、同心円トラックに沿った配列形態を示した図、図３はホログラフィック・ディスク記録像のデータ・ページ配列に関する別の好適な配列形態であって、スパイラル・トラックに沿った配列形態を示した図、図４はホログラフィック・ディスク記録媒体からデータ・ページを読出すための好適な構成例を示した図、図５は比較的大きな読出スポットを形成する読出用参照波ビーム照射光学系の好適な構成例を示した図、図６は比較的小さな読出スポットを形成する読出用参照波ビーム照射光学系の好適な構成例を示した図である。
図１に、ホログラフィック・ディスク記録像１１０のデータ・ページ内のピクセル配列に関する２通りの好適な配列形態を示した。ＣＣＤやＣＭＯＳなどで構成したデテクタ・アレイは、一般的に、検出感度を有するアクティブ領域が、矩形行列を成すように配列されている。図１に点線で示したターゲット・グリッド１２０は、デテクタ・アレイの個々のアクティブ領域に対応した、ホログラム再生像上の架空の格子を表しており、従って、図示したターゲット・グリッド１２０の寸法は、データ読出に使用するデテクタ・アレイの寸法と、同じくデータ読出に使用する結像用光学系の倍率とに応じて決まるものである。データ・ページ内のピクセルは、このターゲット・グリッド１２０に対して適切に位置合せされるように配列することが望ましい。図１にＡで示したように、データ・ページ１３０を矩形とし、このデータ・ページ１３０内に配列するピクセルのピッチ（間隔）をターゲット・グリッド１２０のピッチと等しくすることによって、データ・ページ内の個々のピクセルと、デテクタ・アレイの個々のアクティブ領域との一致状態を最善のものとすることができる。尚、図１に示した２通りのピクセル・アレイは、いずれも３×３ピクセルの小規模アレイであるが、これは、図を見易くするために小規模アレイで示したものである。ピクセル・アレイの規模は任意に定めることができ、また、直線状アレイとすることが望ましい場合には、そのようにしても構わない。ホログラフィック・データ記録に使用されている典型的なデテクタ・アレイの規模は、１０００×１０００ピクセル程度の大きさである。また、図１では、図を見易くするためにピクセル・アレイの寸法を実際よりはるかに大きく描いてある。高いデータ記録密度を得るためには、ホログラム再生像中のピクセルの差し渡し寸法を１μｍ程度として、そのピクセルサイズを１μｍ２以下にするのがよく、そうした場合には、１０００×１０００ピクセルの規模のピクセル・アレイ領域の大きさは約１×１ｍｍになる。
ディスク形状のホログラフィック記録媒体にホログラムを記録するのに使用するデータ・マスクを製作するプロセスとしては、コンパクト・ディスク（ＣＤ）やデジタル・バーサタイル・ディスク（ＤＶＤ）などの光ディスクのスタンパを製作するプロセスと同様のディスク・マスタリング・プロセスが採用されることが多い。そのようなディスク・マスタリング・プロセスを用いてデータ・マスクを製作する場合には、データ・ページの形状を、図１にＢで示した、ディスクの円弧に合わせた扇形データ・ページ１４０とする方が製作が容易である。ターゲット・グリッド１２０のピクセルが矩形配列であっても、このターゲット・グリッド１２０のピクセルとデータ・ページ１４０のピクセルとの間に１対１の対応が維持される程度に扇形の曲率が小さければ、扇形データ・ページ１４０を採用することができる。実際のピクセル・アレイは非常に小さい（約１×１ｍｍ）ため、データ・ページの形状をディスクの円弧に合わせた扇形としても、それによって生じる影響は無視し得る程度のものでしかない。
図２は、ホログラフィック・ディスク記録像１１０におけるデータ・ページ１６０の配列に関する１つの好適な配列形態を示したものである。この配列形態においては、複数のデータ・ページ１６０が複数の同心円トラック１７０に沿って配列されている。尚、図２に示したデータ・ページ１６０は矩形データ・ページであるが、扇形データ・ページをこの図２の配列形態に従って配列するようにしてもよい。図３は、ホログラフィック・ディスク記録像１１０におけるデータ・ページ１６０の配列に関する別の好適な配列形態を示したものである。この配列形態においては、複数のデータ・ページ１６０がスパイラル・トラック１８０に沿って配列されている。尚、扇形データ・ページをこの図３の配列形態に従って配列する場合には、隣り合うデータ・ページの縁部どうしを完全に一致させるようにすることも可能であるが、そうした場合には、隣り合うデータ・ページ間の境界が見た目には分からなくなる。
図１、図２、及び図３は、ホログラフィック・ディスク記録像１１０として記録されるソース像（源像）形状と、そのソース像におけるピクセル配列とを示した図である。それら形状及びピクセル配列は、ホログラムを記録する際に使用したデータ・マスクの形状及びそのデータ・マスク上のピクセル配列と同等のものであり、また更に、そのホログラムを記録する際に使用した記録用参照波ビームと共役な読出用参照波ビームを、そのホログラムを記録したホログラフィック・ディスク記録媒体の全面に照射して再生した、ホログラフィック・ディスク再生像の形状及びそのディスク再生像上のピクセル配列と同等のものである。また、図１、図２、及び図３は、必ずしもホログラフィック・ディスク記録媒体それ自体のパターンを示したものではなく、なぜならば、ホログラムは常時目に見えているものではなく、また更に、フル・ディスク・ホログラム方式においては、一般的に、ホログラムが正確に元のデータ・マスクの像平面に記録されることはないからである。それゆえ、ホログラフィック・ディスク記録媒体に実際に記録されるのは、図１、図２、及び図３に示したディスク形状及びピクセル配列の回折パターンである。ホログラフィック・ディスク記録媒体にホログラムを記録するには、例えば図７に示したホログラフィック・ディスク記録システムのような、従来の記録システムを使用すればよく、その記録の際のホログラムの多重方式としては、入射角多重方式と波長多重方式とのいずれとすることも可能である。
図４は、上述したようにして１つまたは複数のホログラフィック・ディスク記録像を記録したホログラフィック・ディスク記録媒体２１０からデータを読出すための好適な構成例を示した図である。ホログラフィック・ディスク記録媒体２１０のディスク面の上方に読出ヘッド２３０が装備されている。ホログラフィック・ディスク記録媒体２１０は、モータ駆動式回転スピンドル２２０に装着されており、これによって、ホログラフィック・ディスク記録媒体２１０上の全ての周方向位置に読出ヘッド２３０がアクセスできるようにしている。読出ヘッド２３０は、例えば摺動機構や回転アーム機構などで構成される径方向移動機構２４０に取付けられており、これによって、ホログラフィック・ディスク記録媒体２１０上の異なった径方向位置へ読出ヘッド２３０を移動できるようにしている。読出ヘッド２３０は、読出用参照波ビーム照射光学系２５０、対物レンズ等の結像用光学素子２７０、それにデテクタ・アレイ２６０を備えており、それらは、ホログラフィック・ディスク記録媒体２１０上のホログラフィック・データを再生するとともに、それによって再生されたデータ・ページの再生像の実像をデテクタ・アレイ２６０上に結像させることができるような、適切な相対位置関係で配設されている。そして、ホログラフィック・ディスク記録媒体２１０を回転させ、読出ヘッド２３０を径方向に移動させることによって、ホログラフィック・ディスク記録媒体上のあらゆる記録位置に読出ヘッドがアクセスできるようになっている。
図５は、読出用参照波ビーム照射光学系２５０の好適な構成例を示した図である。コヒーレント光源であるレーザ光源３１０から射出されたコヒーレント光ビームは、ビーム径拡大用光学素子３２０及びコリメーション用光学素子３３０により整形されて、そのビーム径が拡大された平行光ビームとなる。この平行光ビームが更に、例えば円筒レンズなどの円筒光学素子３４０により、円筒形の波面形状を有するビームに整形される。こうして得られた円筒形の波面形状を有する読出用参照波ビームが、ミラー３５０で反射されて、ホログラムを読出すのに適した入射角でホログラフィック・ディスク記録媒体へ照射される。ここで、ホログラムを読出そうとしているホログラフィック・ディスク記録媒体は、図７に示したように、円錐形ミラーを用いてホログラムを記録したホログラフィック・ディスク記録媒体であり、円筒光学素子３４０の向き及び位置は、円筒形の波面形状を有する読出用参照波ビームの焦点がディスク軸心３６０上に位置するような、向き及び位置に設定されている。以上によって、読出用参照波ビームの波面形状は、ホログラフィック・ディスク記録媒体にホログラムを記録する際に使用された円錐形ビームから成る記録用参照波ビームの波面形状に、非常によく近似した形状となる。
ところで、ホログラフィック・ディスク記録媒体上の読出スポットのスポット・サイズを非常に小さなものとしてもよい場合には、光強度分布がガウス分布をなしているビームの焦点部分を利用することによって、読出用参照波ビームの波面形状を略々平面波の形状にすることができる。図６は、このように、ホログラフィック・ディスク記録媒体上のスポット・サイズを非常に小さくしても読出に不都合を生じない場合の、読出用参照波ビーム照射光学系２５０の好適な構成例を示した図である。この図６の構成例は、図５の構成例と略々同一構成であり、相違している点は、円筒光学素子３４０の替わりに、夫々の軸心が互いに直交する方向に延在するように配設された２つの円筒光学素子を装備したことだけである。それら２つの円筒光学素子は、周方向収束用円筒光学素子３４２と、厚さ方向収束用円筒光学素子３４４とであり、それらを装備したことによって、読出用参照波ビームの周方向収束焦点（ホログラフィック・ディスク記録媒体の周方向に収束する焦点）の位置と、厚さ方向収束焦点（ホログラフィック・ディスク記録媒体の厚さ方向に収束する焦点）の位置とを、個別に制御することが可能となっている。図６の構成例における周方向収束用円筒光学素子３４２は、図５の構成例における円筒光学素子３４０と同じ機能を果たしており、その機能とは、読出用参照波ビームの略々円筒形の波面の曲率を、ホログラフィック・ディスク記録媒体にホログラムを記録する際に使用された円錐形ビームから成る記録用参照波ビームの波面の曲率と実質的に一致させるとともに、その読出用参照波ビームの周方向収束焦点が、ディスク軸心３６０上に位置するようにすることである。一方、厚さ方向収束用円筒光学素子３４４は、読出用参照波ビームをホログラフィック・ディスク記録媒体の厚さ方向に収束させて、その厚さ方向収束焦点が、ホログラフィック・ディスク記録媒体上に位置するようにしている。
入射角多重方式で記録したホログラムを読出すためには、ミラー３５０の位置及び角度を調節可能にしておけばよい。一方、波長多重方式で記録したホログラムを読出すためには、コヒーレント光源であるレーザ光源３１０の波長を調節可能にしておけばよい。
以上の説明により明らかなように、本発明に係るホログラフィック・メモリ・システムは、従来のホログラフィック・データ格納方式において採用されていたページ・アレイ型のデータ構造と、フル・ディスク・ホログラム方式のホログラフィック記録システムとを組合わせることによって、高速レプリケーションが容易に行え、しかも、並列度の高い並列読出が可能で大きなデータ転送速度が得られるホログラフィック・ディスク記録媒体を製作することのできる、簡明な方法を提供するものである。ＣＤやＤＶＤなどの従来の光ディスクと同様の、ピクセルを一列に並べたトラックの形に配列したデータ・パターンを有するホログラフィック・ディスク記録媒体の場合には、大きなデータ転送速度を得るためにはそのディスク記録媒体を高速で回転させなければならないが、本発明に係るホログラフィック・ディスク記録媒体は並列度の高い並列読出が可能であることから、ディスク記録媒体を高速で回転させなくても、大きなデータ転送速度を達成することができるのである。また、本発明に係るホログラフィック・ディスク記録媒体は、必ずしも連続回転させる必要はなく、ステップ回転させるようにしてもよい。ディスク記録媒体をステップ回転させるようにすれば、個々のデータ・ページを読出す際のデテクタ・アレイの光子蓄積時間を延長することができるため、レーザ出力、ホログラム再生強度、それにデテクタ感度に関する条件が、いずれも緩和される。更に、ディスク記録媒体の回転速度を低速とすることができるため、例えばウォブルなどの機械的フラクチュエーションも低減され、また、トラッキングやフォーカシングのためのサーボの応答速度も、高速であることを要求されずに済む。
また、以上に説明した本発明のホログラム読出方法は、読出用参照波ビームの波面形状と、記録用参照波ビームの波面形状をよりよく近似した形状とすることによって、それら２つの参照波ビームの波面形状の不一致を解消ないし軽減できるようにしており、このことが、本発明者が先に提案した従来のホログラム読出方法と比較したときの大きな利点となっている。即ち、本発明者が先に提案した従来のホログラム読出方法においては、読出用参照波ビームとして、小さなスポット・サイズのスポット領域内でのみ、円錐形ビームから成る記録用参照波ビ−ムの波面形状を近似することのできる、ビーム径の小さな平面波ビームを使用していた。これに対して、本発明では、小さな曲率の略々円筒形の波面形状を有する読出用参照波ビームを使用しているため、読出用参照波ビームが照射されるスポット領域のスポット・サイズがかなり大きい場合でも、その大きなスポット領域の全域に亘って、読出用参照波ビームの波面の曲率を記録用参照波ビームの波面の曲率に良好に一致させることができるのである。このことは、データ記録密度の高いホログラフィック・ディスク記録媒体ほど重要であり、なぜならば、データ記録密度を高くしようとすると必然的に記録媒体の厚さが増大し、そのため、その記録媒体のうちの特定のホログラムが記録されるホログラム記録領域におけるピクセルの回折量が増大し、その結果として拡大したそのホログラムの記録領域の全域をカバーするために、より大きなスポット・サイズが必要になるからである。
本発明によれば、更に次のような利点も得られる。
（１）本発明に係るシステムは、簡単な光学素子を用いて構成することができる。
（２）本発明を実施するために必要なデータ・マスクは、従来の光ディスクを製作するために使用されているディスク・マスタリング技術を用いて製作することができる。
（３）必要なデータ・マスクを製作するディスク・マスタリング・プロセスにおいて、データ・ページ内のピクセルのピクセル・サイズ及びピクセル・ピッチを調節することができる。
以上の本発明の説明においては、複数の構成例に即してかなり具体的に説明したが、それら構成例は本発明の範囲を限定するものではなく、単に、本発明の好適な実施の形態を例示したにすぎない。本発明は以上に例示したものに限られず、その他の様々な形態でも実施することができる。例えば、図示した構成例は、円錐形に発散する方向に光線が伝播する円錐形ビームから成る記録用参照波ビームを用いて記録したホログラムを、それとは逆方向の収束する方向に光線が伝播する、円筒形の波面形状を有する読出用参照波ビームを用いて読出すようにしたものであったが、本発明の実施の形態としては、円錐形に収束する方向に光線が伝播する円錐形ビームから成る記録用参照波ビームを用いて記録したホログラムを、それと同一方向または逆方向に光線が伝播する、円筒形の波面形状を有する読出用参照波ビームを用いて読出すような実施の形態とすることも可能である。そして、読出用参照波ビームを、ディスクの径方向内方から径方向外方へ光線が伝播する円筒形の波面形状を有するものとする場合にも、その読出用参照波ビームの焦点がディスク軸心上に位置するようにするが、ただしその場合には、光線がディスク軸心から離れる方向へ伝播するため、その焦点は虚焦点となる場合もある。
更に、図１に例示したデータ・ページ内のピクセル配列は、Ｎ×Ｎピクセルの正方形配列であったが、データ・ページ内のピクセル配列はこれに限られず、任意の配列とすることができ、例えば、Ｍ×Ｎピクセルの長方形配列としてもよく、また、Ｎ×１ピクセルの直線状配列としてもよい。データ・ページ内のピクセルのピクセル・サイズは、必ずしもターゲット・グリッド１２０内のピクセルのピクセル・サイズと同一にする必要はなく、それより大きくしても、小さくしてもよい。また、データ・ページの充填係数は１００％である必要はない（即ち、各ピクセルの周囲に余白があっても構わない）。本発明を実施する上では、データ・ページ内のピクセルと、デテクタのターゲット・グリッド内のピクセルとが適切に一致して、エラーが発生しなければそれでよい。
本発明に係るホログラフィック・ディスク読出システムを用いてホログラムを再生する際には、モータ駆動式回転スピンドル２２０を回転させるが、その回転は、ステップ回転としてもよく、また、連続回転としてもよい。コヒーレント光源であるレーザ光源３１０は、連続波（ＣＷ）レーザとしてもよく、パルス波レーザとしてもよく、また、波長可変レーザとしてもよい。図５及び図６に例示した読出用参照波ビーム照射光学系は、ビーム径拡大用光学素子、コリメーション用光学素子、及び円筒光学素子を、夫々別体の光学素子として形成し、光路中のビーム径拡大用光学素子及びコリメーション用光学素子の後方に円筒光学素子を配設したものであったが、このような構成を例示したのは、読出用参照波ビーム照射光学系の特性を、容易に且つ明瞭に理解できるようにするためである。それらのうちの幾つかの光学素子の機能を、１つの光学素子に集約するようにしてもよく、そうすることによって、使用する光学素子の個数を減少させることができる。更に、本来的に発散する性質を有するレーザ光を出力するレーザ源を使用する場合には、ビーム径拡大用光学素子を省略することも可能である。本発明においては、略々円筒形の波面形状を有する読出用参照波ビームを使用し、その読出用参照波ビームの波面の曲率を記録用参照波ビームの波面の曲率に揃えることで、ホログラム再生像の歪みが低減されるようにしている。このような波面形状を有する読出用参照波ビームは、適当な光学系ないし光学素子を適宜組合せることによって発生させることができる。
従って本発明の範囲は、以上に例示した実施の形態によって規定されるものではなく、特許請求の範囲の記載によって規定されるものである。
ホログラフィック・ディスク記録像のデータ・ページ内のピクセル配列に関する２通りの好適な配列形態として矩形配列と扇形配列とを示した図である。 ホログラフィック・ディスク記録像のデータ・ページ配列に関する１つの好適な配列形態であって、同心円トラックに沿った配列形態を示した図である。 ホログラフィック・ディスク記録像のデータ・ページ配列に関する別の好適な配列形態であって、スパイラル・トラックに沿った配列形態を示した図である。 ホログラフィック・ディスク記録媒体からデータ・ページを読出すための好適な構成例を示した図である。 比較的大きな読出スポットを形成する読出用参照波ビーム照射光学系の好適な構成例を示した図である。 比較的小さな読出スポットを形成する読出用参照波ビーム照射光学系の好適な構成例を示した図である。 従来のフル・ディスク・ホログラム方式のホログラフィック・ディスク記録システムの具体例を示した図である。 従来のフル・ディスク・ホログラム方式のホログラフィック・ディスク再生システムの具体例を示した図である。
符号の説明
１１０……ホログラフィック・ディスク記録像、１２０……ターゲット・グリッド、１３０……矩形データ・ページ、１４０……扇形データ・ページ、１６０……データ・ページ、１７０……同心円トラック、１８０……スパイラル・トラック、２１０……ホログラフィック・ディスク記録媒体、２２０……モータ駆動式回転スピンドル、２３０……読出ヘッド、２４０……径方向移動機構、２５０……読出用参照波ビーム照射光学系、２６０……デテクタ・アレイ、２７０……結像用光学素子、３１０……レーザ光源、３２０……ビーム径拡大用光学素子、３３０……コリメーション用光学素子、３４０……円筒光学素子、３４２……周方向収束用円筒光学素子、３４４……厚さ方向収束用円筒光学素子、３５０……ミラー、３６０……ディスク軸心。

Claims (25)

  1. 少なくとも１つのホログラムが記録された実質的にディスク形状のホログラフィック記録媒体において、
    前記ホログラムは、該ホログラフィック記録媒体の実質的に全面に亘って記録されており、実質的に円錐形のビーム形状を有する所定波長のコヒーレント光から成る円錐形参照波ビームを、該ホログラフィック記録媒体に実質的に円対称形に照射することによって、前記ホログラムの実質的に全体を再生できるようにしてあり、
    前記ホログラムの記録像には、複数のデータ・ページの記録像が含まれており、それら複数のデータ・ページの記録像の各々が、略々矩形のアレイを成すように配列された複数のピクセルを含んでいる、
    ことを特徴とするホログラフィック記録媒体。
  2. 前記略々矩形のアレイが、実質的に扇形のアレイであることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック記録媒体。
  3. 前記複数のデータ・ページの記録像が、前記ホログラムの記録像の中の複数の同心円トラックに沿って配列されていることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック記録媒体。
  4. 前記複数のデータ・ページの記録像が、前記ホログラムの記録像の中の少なくとも１本のスパイラル・トラックに沿って配列されていることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック記録媒体。
  5. 前記ホログラムの再生像中のピクセルサイズが１μｍ２以下であることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック記録媒体。
  6. 前記円錐形参照波ビームの光線が前記ホログラフィック記録媒体へ入射する入射角を変化させることで異なったホログラムが生成されるようにしてあることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック記録媒体。
  7. 前記円錐形参照波ビームの波長を変化させることで異なったホログラムが再生されるようにしてあることを特徴とする請求項１記載のホログラフィック記録媒体。
  8. ホログラム読出システムにおいて、
    （ａ）小さな曲率の略々円筒形の波面形状を有するコヒーレント光から成る読出用参照波ビームを発生させる読出用参照波ビーム発生手段と、
    （ｂ）少なくとも１つのデテクタ・アレイと、
    （ｃ）少なくとも１つのホログラムが記録された実質的にディスク形状のホログラフィック記録媒体であって、前記ホログラムは、該ホログラフィック記録媒体の実質的に全面に亘って記録されており、実質的に円錐形のビーム形状を有する所定波長のコヒーレント光から成る円錐形参照波ビームを、該ホログラフィック記録媒体に実質的に円対称形に照射することによって、前記ホログラムの実質的に全体を再生できるようにしてあるホログラフィック記録媒体と、
    （ｄ）前記ホログラムの再生像の一部分の像を前記デテクタ・アレイ上に結像させる手段と、
    （ｅ）前記ホログラフィック記録媒体を回転させる手段と、
    （ｆ）前記読出用参照波ビームを前記ホログラフィック記録媒体の径方向に移動させる手段と、
    を備えたことを特徴とするホログラム読出システム。
  9. 前記ホログラムの記録像には、複数のデータ・ページの記録像が含まれており、それら複数のデータ・ページの記録像の各々が、略々矩形のアレイを成すように配列された複数のピクセルを含んでいることを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  10. 前記略々矩形のアレイが、実質的に扇形のアレイであることを特徴とする請求項９記載のホログラム読出システム。
  11. 前記複数のデータ・ページの記録像が、前記ホログラムの記録像の中の複数の同心円トラックに沿って配列されていることを特徴とする請求項９記載のホログラム読出システム。
  12. 前記複数のデータ・ページの記録像が、前記ホログラムの記録像の中の少なくとも１本のスパイラル・トラックに沿って配列されていることを特徴とする請求項９記載のホログラム読出システム。
  13. 前記ホログラムの再生像中のピクセルサイズが１μｍ２以下であることを特徴とする請求項９記載のホログラム読出システム。
  14. 前記円錐形参照波ビームの光線が前記ホログラフィック記録媒体へ入射する入射角を変化させることで異なったホログラムが再生されるようにしてあることを特徴とする請求項９記載のホログラム読出システム。
  15. 前記円錐形参照波ビームの波長を変化させることで異なったホログラムが再生されるようにしてあることを特徴とする請求項９記載のホログラム読出システム。
  16. 前記読出用参照波ビーム発生手段が、波長可変であることを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  17. 前記読出用参照波ビーム発生手段が、パルス波レーザを含むことを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  18. 前記読出用参照波ビームが前記ホログラフィック記録媒体へ入射する入射角を変化させる手段を備えたことを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  19. 前記読出用参照波ビーム発生手段が、少なくとも１つの円筒光学素子を含むことを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  20. 略々円筒形の波面形状を有する前記読出用参照波ビームが、ディスク形状の前記ホログラフィック記録媒体の周方向に収束する焦点を有し、該焦点が略々該ホログラフィック記録媒体の軸心位置にあることを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  21. 前記読出用参照波ビーム発生手段が、夫々の円筒軸心が互いに直交する方向に延在するように配設された少なくとも２つの円筒光学素子を含むことを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  22. 略々円筒形の波面形状を有する前記読出用参照波ビームが、ディスク形状の前記ホログラフィック記録媒体の周方向に収束する焦点と、該ホログラフィック記録媒体の厚さ方向に収束する焦点とを有し、該読出用参照波ビームの前記周方向収束焦点が略々該ホログラフィック記録媒体の軸心位置にあり、且つ、該読出用参照波ビームの前記厚さ方向収束焦点が略々該ホログラフィック記録媒体の表面位置にあることを特徴とする請求項８記載のホログラム読出システム。
  23. 実質的にディスク形状のホログラフィック記録媒体からデータを読出す方法において、
    （ａ）小さな曲率の略々円筒形の波面形状を有するコヒーレント光から成る読出用参照波ビームを発生させ、
    （ｂ）前記読出用参照波ビームの周方向に収束する焦点が略々前記ホログラフィック記録媒体の軸心位置にくるようにし、且つ、前記読出用参照波ビームの前記ホログラフィック記録媒体上における形状が径方向に延在する略々平面形状であるようにして、前記読出用参照波ビームを前記ホログラフィック記録媒体へ所定の径方向入射角で入射させることによって、データ・ページを表すホログラムが再生されるようにし、
    （ｃ）光を結像させる結像手段を用いて前記ホログラムの再生像の実像をデテクタ・アレイ上に結像させ、その際に前記データ・ページの再生像の実像と前記デテクタ・アレイとが適切に位置合せされるようにすることで、前記ホログラムに含まれているデータを読出せるようにし、
    （ｄ）前記読出用参照波ビームの前記所定の径方向入射角を一定に維持したままで、前記ホログラフィック記録媒体を前記読出用参照波ビームに対して相対的に移動させることで、前記ホログラムの再生像に含まれている異なったデータ・ページを読出せるようにする、
    ことを特徴とするホログラフィック記録媒体からのデータ読出方法。
  24. 前記読出用参照波ビームの前記径方向入射角を変化させることで異なったホログラムが再生されるようにすることを特徴とする請求項２３記載のホログラフィック記録媒体からのデータ読出方法。
  25. 前記読出用参照波ビームの波長を変化させることで異なったホログラムが再生されるようにすることを特徴とする請求項２３記載のホログラフィック記録媒体からのデータ読出方法。
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