JP2006023430A - ホログラム再生装置及びホログラム再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式でホログラムを記録再生した記録材料が変形した場合に、照明参照光を補正して明るい再生信号光を得ること。
【解決手段】ホログラム記録時と同一の参照光２００を、記録ホログラムに対してブラッグの条件を満足させる状態に最も近くなるように位置移動して再生照明光２００´とし、これをホログラム記録後に体積変化した記録材料１に照射して、再生信号光を発生させる。これにより、球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式でホログラムを記録した記録材料１の体積変化を補正でき、再生信号光が明るく、劣化のない画像を得ることができる。
【選択図】図９

Description

本発明は、ホログラム記録材料（ホログラム記録媒体）に体積記録したホログラムを再生するホログラム再生装置に係り、特にホログラム記録時の記録材料の収縮を補正して再生するホログラム再生方法に関する。

近年、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なうホログラム記録再生システムが提案されている。このホログラム記録再生システムは、例えば液晶素子等の空間光変調手段によって生成される記録データを含む信号光と、この信号光に対応して設定される参照光とを所定の角度でホログラム記録材料（以降単に記録材料と称することもある）に照射することにより、信号光と参照光によって生じる干渉縞を記録材料に記録する記録系と、このホログラム記録材料に再生照明光を照射することによって記録された干渉縞に対応する回折光（再生信号光）を生成し、これをＣＣＤイメージセンサー等の受光素子によって受光してその解析を行って、データを再生する再生系とを有する構成となっている。なお、このようにして記録された空間光変調手段１つあたりのホログラムをページと呼ぶ。

また、ホログラム記録再生システムにおいては、記録密度向上のために多重記録と言う手法を用いる。これは、従来の光ディスクにおける記録と異なり、１箇所に多数の独立なページを記録するというものである。このような多重記録方式の代表的なものとしては、角度多重記録、シフト多重記録、位相コード多重記録などが公知で、その他多くの多重方式が知られている。

角度多重方式は、参照光の角度を変えることで１箇所に多数の独立なページを記録、再生するものである。シフト多重は記録位置を少しずつずらすことで、多重記録を行うものである。位相コード多重はひとつのページを記録する際に、色々な方向から参照光を同時に当てて記録する。しかし、その際に、各方向からの参照光に位相の変化を与えておく。この位相の変化を色々と組み合わせることで、１箇所に多数枚の独立なページを記録再生するものである。

また、上記の３種類以外にも多くの多重方式が考えられる。例えば、本稿と関係のあるものとして、スペックル多重（若しくはコリレーション多重）と呼ばれているものがあるが、これについて次に詳しく説明する。

これは、例えば、参照光の光路中に拡散体を入れ、その拡散された参照光と信号光を記録材料内で干渉させる方法である。一般に、ランダムな拡散を受けたレーザー光は、ランダムな干渉を起こした結果、スペックルパターンと呼ばれるランダムな強度分布を持つようになる。すなわち、スペックル多重方式ではスペックルパターンと信号光が干渉することになる。このようにして記録されたホログラムはスペックルサイズと同等な距離だけ変位すると像が再生されなくなるという特徴がある。この特徴を利用した多重方法がスペックル多重（もしくはコリレーション多重）であり、球面波を使ったシフト多重よりも密に記録できる（すなわち、シフト選択性が良い）長所がある。

ところで、ホログラム用記録材料、特にフォトポリマー材料は光感光材料の化学反応によって、記録中、若しくは記録後に体積変化がおこる。その結果として、再生像の劣化が起きることが知られている（例えば非特許文献１参照）。この記録後の体積変化例をとして、２本の平行ビームが作るホログラムの記録再生について図１１、図１２を用いて説明する。

図１１は体積変化がない場合を説明する図である。図１１（Ａ）に示すように、信号光１００と参照光２００の干渉縞３０が記録材料１３に平行光になって体積記録される。体積変化がない場合は図１１（Ｂ）に示すように干渉縞３０に変化はなく、記録時の参照光２００と同じ角度で再生照明光２００´を入射すれば、所望の方向に再生信号光３００を得ることが可能である。

しかし、図１２のように体積変化があった場合、図１２（Ａ）に示すように記録材料１３に記録した干渉縞３０は、記録材料１３がシュリンク（縮小）して図１２（Ｂ）に示すように変化する。このように変化した記録材料１３に、記録時の参照光２００と同じ角度で再生照明光２００´を入射すると、記録材料１３に記録されている干渉縞とのブラッグ条件が満足されず、再生信号光３００は暗くなり、場合によっては再生されなくなる。このような場合、記録材料１３の体積変化を補正して明るい再生信号光３００を得るためには、再生照明光２００´の角度を変える必要がある。
（例えば非特許文献：Holographic Data Storage;H.J.Coufal,D.Psaltis,G.T.Sincerbox ED;Springer; p.185 Photopolymer System）

上記のように平行光を用いる角度多重方式においては、記録と再生時の参照光の入射角度を変えることで記録材料の体積変化の補正が行える。しかしながら、参照光に球面波を用いるシフト多重方式や、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式においては角度多重方式の時のように、単純な角度補正でよいかどうかは分かっていないのが現状である。

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、球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式でホログラムを記録した記録材料が体積変化した場合に、この記録材料の体積変化を補正して明るい再生信号光を得ることができるホログラム再生方法及びホログラム再生装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生方法であって、前記ホログラム記録材料にホログラムを記録した時に使用した参照光を回転させて前記再生照明光とするステップを具備することを特徴とする。

また、本発明は、再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生方法であって、前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録した時に使用した参照光を移動させて前記再生照明光とするステップを具備することを特徴とする。

また、本発明は、再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生方法であって、前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録した時に使用した参照光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して得られる再生信号光の再生像の強度を検出するステップと、前記検出される再生像の強度が最大になるように前記参照光の位置を移動させて前記照明参照光とするステップとを具備することを特徴とする。

また、本発明は、再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生装置であって、前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録した時に使用した参照光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して得られる再生信号光の再生像の強度を検出する強度検出手段を具備し、前記強度検出手段により検出される再生像の強度が最大になるように前記参照光の位置を移動させて前記照明参照光とすることを特徴とする。

このように本発明では、球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式でホログラムをホログラム記録媒体に記録後に、ホログラム記録媒体が体積変化して例えばシュリンクした場合、記録時と同一の参照光を記録ホログラムに対してブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるように回転させるか或いは、位置移動することによって再生照明光とし、この再生照明光を前記ホログラム記録媒体に照射すれば、ホログラム記録媒体の体積変化を補正でき、劣化のない再生信号光を得ることができる。なお、上記した参照光を位置移動するに際して、この参照光により再生される再生信号の画像強度が最大のところに位置移動すれば、自ずと上記したブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなり、ホログラム記録媒体の体積変化を補正でき、明るい再生信号光を得ることができる。それにより、劣化の少ない画像を再生することができる。

本発明によれば、記録ホログラムに対してブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるように記録時と同一の参照光を回転させるか或いは、位置移動することによって再生照明光とし、この再生照明光を前記ホログラム記録媒体に照射することにより、球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式でホログラムを記録した記録材料が体積変化した場合に、ホログラム記録材料の体積変化を補正することができ、それによって、明るい再生信号光を得ることができて、劣化のない画像を得ることができる。
また、上記した参照光を位置移動するに際して、この参照光により再生される再生信号の画像強度が最大のところに位置移動することにより、ホログラム記録媒体の体積変化を補正でき、明るい再生信号光を得ることができる。
また、記録時の参照光を回転させたり或いは、位置移動することによって、上記記録材料の体積変化の補正と共に、記録材料の屈折率変化及び記録時と再生時の参照光の波長変化も補正でき、明るい再生信号光を得ることができる。

球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式でホログラムを記録再生した記録材料が体積変化した場合に、ホログラム記録媒体の体積変化を補正して明るい再生信号光を得る目的を、記録時と同一の参照光を記録ホログラムに対してブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるように回転させるか或いは、位置移動することによって実現した。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るホログラム再生方法を説明する図である。まず、シフト多重光学系を用いて、記録材料１にデータページで空間光変調された信号光１００と波面が球面波の参照光２００が照射し、両信号光の干渉縞を記録材料１に記録する。干渉縞を図示のような配置で記録した後、記録材料１が体積変化を起こしたとする。このような場合、参照光２００内の光線３０に注目した場合、ブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるように再生するには、背景技術で説明した「角度多重方式により記録した後、記録材料に体積変化があった際に照明参照光の入射角度を変化させる」ことにより補正することができた事から分かるように、本実施の形態も、再生時に参照光２００の記録材料１への入射角度を変えれば補正可能である。

そこで、図２に示すように、波面が球面波の参照光２００を図中矢印の方向に回転させて再生照明光２００´とし、この再生照明光２００´を記録後シュリンクした記録材料１に照射すると、明るい再生信号が得られ、劣化のない画像を再生できる実験結果を得た。なお、参照光２００の回転角度は、参照光のビームウェストの位置や、信号光１００と参照光２００のなす角、体積変化量、材料屈折率、波長などの関数である。

本実施の形態によれば、波面が球面波の参照光２００を用いるシフト多重方式で記録材料１にホログラムを記録した後、記録材料１がシュリンクした場合、記録時の参照光２００を回転させてブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるようにすることができる再生照明光２００´を生成して用いることにより、記録材料１のシュリンクを補正することができ、明るい再生信号３００を得ることができ、それ故、劣化のない画像を再生することができる。

上記のような回転による補正は、一見すると、上述の球面波参照光を用いたシフト多重のみに有効のように思えるが、筆者等は実験的に、本方式がスペックル多重方式および位相コード多重方式についても有効であることを見出した。

図３は、本発明の第２の実施の形態に係るホログラム再生方法を説明する図である。スペックル多重方式の光学系を用い、参照光２００は拡散板２によりその波面がスペックル波状になり、レンズ３により記録材料１上に照射され、それと同時にデータページで光空間変調された信号光１００が記録材料１上に照射され、両光の干渉縞が記録材料１に記録される。その後、記録材料１がシュリンクした場合、第１の実施の形態と同様に記録時の参照光２００を回転させてブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなる再生照明光を生成し、これをシュリンクした記録材料１に照射することにより明るい再生信号を得られることが実験的に確かめられた。

図４はスペックル多重方式の他の光学系を示した図である。本実施例では、参照光２００は、拡散板２によりその波面がスペックル波状になった後、４ｆ系を構成するレンズ４、５を経て記録材料１に照射される。このような光学系を用いて記録した後に、記録材料１がシュリンクした場合、第１の実施の形態と同様に記録時の参照光２００を回転させて再生照明光を生成し、これをシュリンクした記録材料１に照射することにより明るい再生信号を得られることが実験的に確かめられた。

図３や図４のような参照光光学系を持つスペックル多重方式で記録した場合、記録材料１の体積変化を、図１と同様な回転によって補正できるということは、スペックル多重方式の参照光波面が非常にランダムであることを考えると、意外に思える。しかし、筆者等は実験的にこの方式が有効であることを確認した。また、同時にスペックル多重方式において、参照光２００の強度分布のシミュレーションを行った。この結果を図５に示す。

図５は上方からスペックル多重時の参照光２００が入射した場合の強度分布であるが、強度分布が光の進行方向とそれに垂直な方向では大きく異なることがわかる。この状況は理論的にも、光線方向のスペックルサイズとそれに垂直方向のスペックルサイズから求めることができる。このようにスペックルパターンの強度分布が光の進行方向に細長いことが、スペックル多重方式においても記録材料の体積変化の補正を、角度多重方式と同様に参照光２００の入射角度の補正で行える理由である。

本実施の形態によれば、スペックル多重方式でホログラムを記録した記録材料１がシュ
リンクした場合でも、記録時の参照光２００を回転させて生成する再生照明光（ブラッグ条件を満足させる状態に最も近くすることができる再生照明光）を用いることにより、記録材料１のシュリンクを補正することができ、劣化のない再生信号を得ることができる。

なお、位相コード多重においても同様に、参照光強度分布は図５のように進行方向に細長い分布を持ち、したがってスペックル多重と同様に体積変化の補正を参照光２００を回転させることによる入射角度の補正で行えることがわかるが、このことは実験的にも確かめられている。

図６は、本発明の第３の実施の形態に係るホログラム再生方法を説明する図である。例えば、図７に示すように、参照光２００を記録材料１に照射してシフト多重方式でホログラムを記録した後、記録材料１がシュリンクした場合、上記の実施の形態では、図８に示すように記録時の参照光２００を回転させて再生照明光２００´を生成し、この再生照明光２００´をシュリンクした記録材料１に照射して補正を行っている。

図７に示すような参照光２００によって記録されたホログラムを図８に示すように角度補正して照明参照光２００´とした場合、厳密には再生照明光は１点で交わらないが、通常、記録材料１の体積変化は１％以下程度であり、近似的には１点で交わるとして扱っても問題がなく、図９に示すように、参照光の回転を位置移動で近似的に置き換えることが出来る。

図９は参照光２００の回転と位置移動の関係を説明する図である。記録時に、参照光角度θで記録材料１に記録し、記録材料１のシュリンクなどの影響で、参照光２００を回転させ再生照明光角度がθ＋δθになったとする。この状況を位置補正δｘで近似すると、δｘは（１）式で表される。

δｘ＝（ｈ／ｔａｎθ）−ｈ／ｔａｎ（θ＋δθ）＝ｈδθ／ｓｉｎ2 θ …（１）

すなわち、記録時の参照光２００を（１）式で表されるδｘ位置移動すれば、入射角度θ＋δθの再生照明光を記録材料１に照射した場合とほぼ同じ効果が得られ、これにより、記録材料１のシュリンクによる補正を行うことができる。

本実施の形態によれば、シュリンクした記録材料１の補正を記録時の参照光２００を位置移動することにより生成した照明参照光２００´を用いて補正することができ、しかも、この位置移動による補正はシフト多重方式のみでなく、スペックル多重方式、位相コード多重方式においても有効なことが、実験的にも確かめられている。

尚、図９に示した位置による補正は、厳密に言うと高さ方向の補正も必要であるが、前述のように記録材料の変化量が極めて小さいので、高さ方向の補正は事実上無視できることが、実験的に確認されている。

図１０は本発明の第４の実施の形態に係るホログラム再生装置を示したブロック図である。ホログラム再生装置は、再生照明光２００´をディスク型ホログラム記録材料２０に照射する図示されない照明光学系と、再生光学系のレンズ８、ビームサンプラー９、イメージセンサー１０、レンズ１１及びフォトディテクタ１２を有して構成される。

次に本実施の形態の動作について説明する。ディスク型のホログラム記録材料２０に、再生照明光２００´を照射すると、再生信号光３００が発生し、これがビームサンプラー９を通ってイメージセンサー１０に入射すると共に、再生信号光３００の一部がビームサンプラー９によりその光路が変更され、レンズ１１によりフォトディテクタ１２に集光される。

ところで、ディスク型のホログラム記録材料２０のシュリンクなどによる再生画像の変化は記録時の参照光を位置移動して再生照明光２００´とすることによって補正することができる。そのため、上記実施例では、参照光２００を位置移動してフォトディテクタ１２で再生画像の強度が最大（言い換えると回折効率が最大）になるところをまず捜す。この再生画像の強度が最大のところ（ブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるところ）が再生照明光２００´の最適読み出し位置となるため、以降、この位置より再生照明光２００´がディスク型のホログラム記録材料２０上に照射される。この時のイメージセンサー１０の画像を再生画像として取り込む。

本実施の形態によれば、ホログラム記録材料２０のシュリンクを補正するのに再生照明光２００´の位置移動により行うことができ、どの程度移動させるかは予め計算などにより求めることができるが、本例のように再生画像の強度が最大の移動位置を求めることにより劣化のない最適読み出し位置を求めることができ、ホログラム記録材料２０のシュリンクなどによる再生画像の劣化を補正することができる。

尚、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。例えば、上記実施の形態では、記録材料の体積変化の補正についてのみ言及したが、ブラッグ条件からのずれを生じさせる、例えば記録時と再生時の参照光の波長の違いや記録材料の屈折率変化に対しても上記実施の形態の方法は有効で、ブラッグ条件からのずれを生じさせる複数の要因を一括して補正することができ、明るい再生信号光を得ることができる。

本発明の第１の実施の形態に係るホログラム再生方法を説明する図である。 参照光を回転させて再生照明光を生成する方法を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係るホログラム再生方法を説明する図である。 スペックル多重方式の他の光学系を示した図である。 スペックル多重方式における参照光の強度分布のシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第３の実施の形態に係るホログラム再生方法を説明する図である。 記録時に使用する参照光を示した図である。 記録時に使用する参照光を角度補正して照明参照光とする方法を示した図である。 参照光の回転と位置移動の関係を説明する図である。 本発明の第４の実施の形態に係るホログラム再生装置の構成を示したブロック図である。 ホログラム記録時に記録材料の体積変化がない場合を説明する図である。 ホログラム記録時に記録材料の体積変化があった場合を説明する図である。

符号の説明

１、２０……ホログラム記録材料、２……拡散板、３、４、５、８、１１……レンズ、９……ビームサンプラー、１０……イメージセンサー、１２……フォトディテクタ。

Claims (11)

1. 再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生方法であって、
   前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録した時に使用した参照光を回転させて前記再生照明光とするステップを具備する、
   ことを特徴とするホログラム再生方法。
2. 前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録する際には、球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式のいずれかひとつの方式を用いて多重記録することを特徴とする請求項１記載のホログラム再生方法。
3. 前記参照光が前記ホログラム記録領域の少なくとも一部のホログラムに対してブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるように当該参照光を回転させることを特徴とする請求項１記載のホログラム再生方法。
4. 前記参照光は、当該参照光と記録時に使用する信号光とにより形成される面内で回転させ、その回転中心を前記ホログラム記録領域の略中心とすることを特徴とする請求項１記載のホログラム再生方法。
5. 再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生方法であって、
   前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録した時に使用した参照光を移動させて前記再生照明光とするステップを具備する、
   ことを特徴とするホログラム再生方法。
6. 前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録する際には、球面波を用いるシフト多重方式、ランダムな波面を持つスペックル多重方式若しくは、位相コード多重方式のいずれかひとつの方式を用いて多重記録することを特徴とする請求項５記載のホログラム再生方法。
7. 前記参照光が前記ホログラム記録領域の少なくとも一部のホログラムに対してブラッグ条件を満足させる状態に最も近くなるように当該参照光を移動させることを特徴とする請求項５記載のホログラム再生方法。
8. 前記参照光は、当該参照光と記録時に使用する信号光とにより形成される面内で前記ホログラム記録媒体の記録面に平行に移動することを特徴とする請求項５記載のホログラム再生方法。
9. 前記ホログラム記録媒体はホログラムを記録すると、体積変化を起こす特性を有することを特徴とする請求項５記載のホログラム再生方法。
10. 再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生方法であって、
    前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録した時に使用した参照光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して得られる再生信号光の再生像の強度を検出するステップと、
    前記検出される再生像の強度が最大になるように前記参照光の位置を移動させて前記再生照明光とするステップと、
    を具備することを特徴とするホログラム再生方法。
11. 再生照明光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して再生信号光を得るホログラム再生装置であって、
    前記ホログラム記録媒体にホログラムを記録した時に使用した参照光をホログラム記録媒体のホログラム記録領域に照射して得られる再生信号光の再生像の強度を検出する強度検出手段を具備し、
    前記強度検出手段により検出される再生像の強度が最大になるように前記参照光の位置を移動させて前記再生照明光とすることを特徴とするホログラム再生装置。
    

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