JP2006078686A - ホログラム記録方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位相マスクを用いることなく簡便な方法でフーリエスペクトルの分布を抑え、ＳＮ比の劣化を防止し、かつ高い回折効率を得ることができるようにする。
【解決手段】各画素が濃度に応じた諧調値で表された画像データに、諧調値が異なる複数種類の画素を所定方向及び該所定方向と交差する方向に２次元状に交互に多数個配列したパターンを表すパターンデータを重畳したデータによって信号光を生成し、生成した信号光をレンズによってフーリエ変換した変換光と参照光とを光記録媒体に照射してホログラムを記録する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、ホログラム記録方法及び装置にかかり、特に、フーリエスペクトルの分布を抑え、ＳＮ比の劣化を防止し、かつ高い回折効率を得ることができるホログラム記録方法及び装置に関する。

ホログラムによって記録媒体にデータを記録するホログラフィックストレージでは、物体光（信号光）をレンズによってフーリエ変換して記録している。このホログラフィックストレージは、高密度でデータを記録することができると共に、記録媒体及び光学系の欠陥やアライメントのずれに強いというメリットを有している。

一方、物体光のフーリエ変換像の強度分布は、高周波成分よりもＤＣ（直流）成分、すなわち０次成分の方が強いことが多く、ＤＣ成分が記録媒体のダイナミックレンジを越えることから画質の良い画像を記録することが困難であった。特に、顔画像等のアナログ画像では、頬や額に代表される画像部分に低周波成分であるＤＣ成分を多く含み、ＤＣ成分と高周波成分との比は４桁以上になる場合が多い。このため、全てのフーリエスペクトルの領域で線形にホログラムを記録することが困難になり、結果としてＳＮ比の劣化や回折効率の低下が生じる。

このような問題を解決するためには、物体光のＤＣ成分を抑制することが有効であり、デジタルホログラフィックストレージでは、信号光のデフォーカス位置で記録すること、ランダム位相マスクや擬似ランダム位相マスクを用いて均一なフーリエ変換像を得ることが行なわれている（非特許文献１、特許文献１）。
Ｈｏｌｏｇｒａｆｉｃ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｐｒｉｎｇｅｒ ２５９〜２６９頁 特開２００４−１９８８１６号公報

しかしながら、信号光のデフォーカス位置で記録する方法では充分にＤＣ成分を抑制することができず、位相マスクを用いる方法では位相マスクのアライメント精度が要求される、という問題がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、位相マスクを用いることなく簡便な方法でフーリエスペクトルの分布を抑え、ＳＮ比の劣化を防止し、かつ高い回折効率を得ることができるホログラム記録方法及び装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明のホログラム記録方法は、各画素が濃度に応じた諧調値で表された画像データに、諧調値が異なる複数種類の画素を所定方向及び該所定方向と交差する方向に２次元状に交互に多数個配列したパターンを表すパターンデータを重畳したデータによって信号光を生成し、生成した信号光をレンズによってフーリエ変換した変換光と参照光とを光記録媒体に照射してホログラムを記録するようにしたものである。

本発明によれば、画像データに上記のパターンデータを重畳したデータによって信号光を生成しているため、画像データに対してパターンデータによって周期的な振幅変調が行なわれ、画像データより得られる画像光に高周波キャリア光を重畳させた信号光が生成される。画像光に高周波キャリア光が重畳されることから、画像データから得られるアナログ画像のＤＣ成分を多く含む領域に高周波キャリア光によって高周波成分が重畳され、ＤＣ成分が抑制される。これによって、簡便な方法でフーリエスペクトルの分布を抑え、ＳＮ比の劣化を防止し、かつ高い回折効率を得ることができる。

本発明では、前記画像データの諧調値の最小値及び最大値を各々諧調値とする２種類の画素によって前記パターンを表し、前記画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値から該各画素に対応する前記パターンの各画素の諧調値を減算し、得られた差の最小値が前記画像データの諧調値の最小値に対応し、かつ該差の最大値が前記画像データの諧調値の最大値に対応するように該差を変換し、変換された差を表すデータによって前記信号光を生成することにより、ＤＣ成分を抑制することができる。

また、０及び１を各々諧調値とする２種類の画素によって前記パターンを表し、前記画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値に該各画素に対応する前記パターンの各画素の諧調値を乗算し、得られた積によって前記信号光を生成することにより、ＤＣ成分を抑制するようにしてもよい。

本発明では、パターンの画素の大きさを、画像データで表されるアナログ画像の画素の大きさ以上でかつアナログ画像の画素の４倍以下の大きさとするのが好ましい。パターンの画素の大きさをアナログ画像の画素の大きさ未満とすると再生像の焦点深度が浅くなり、アナログ画像の画素の４倍以上の大きさとすると元画像であるアナログ画像が劣化するので好ましくない。パターンの画素の大きさをアナログ画像の画素の大きさと等しくすると、高い回折効率が得られ、画像の劣化も無く、充分な焦点深度が得られるので最も好ましい。

本発明では、前記変換光の１次以上の高次の回折光及び直流成分領域に参照光を照射してホログラムを記録するようにしてもよい。これにより、ＳＮ比が劣化し易い部分の回折効率を集中的に高くすることができる。

本発明では、前記信号光を前記記録媒体に対してデフォーカスした状態でホログラムを記録するのが好ましい。デフォーカスする場合には、パターンの画素のピッチΛが以下の式を満足するようにするのが好ましい。

Λ＜４ｆλ（ｆ−ｄ）／Ｌｄ
ただし、ｆはフーリエ変換用レンズの焦点距離、λは信号光の波長、ｄは信号光の前記記録媒体に対しするデフォーカス量、Ｌは前記画像データにより得られるアナログ画像の一辺の長さである。

パターンの画素のピッチΛを４ｆλ（ｆ−ｄ）／Ｌｄ以上の大きさとすると元画像であるアナログ画像が劣化するので好ましくない。また、パターンの画素のピッチΛを小さくしすぎると再生像の焦点深度が浅くなるので、パターンの画素のピッチΛの下限値は、画像データにより得られるアナログ画像の画素ピッチと等しくするのが好ましい。

本発明のホログラム記録方法は、フーリエ変換像をホログラム記録媒体上に結像させるフーリエ変換用のレンズと、照射された光を入力されたデータに応じて空間変調する前記レンズの前側焦点面に配置された空間変調素子と、レーザ光を照射するレーザ光照射手段より照射されたレーザ光を信号光用の光と参照光用の光とに分離し、該信号光用の光を前記空間変調素子に照射すると共に、該参照光用の光をホログラム記録媒体に参照光として照射する分離照射手段と、各画素が濃度に応じた諧調値で表された画像データに、諧調値が異なる複数種類の画素を所定方向及び該所定方向と交差する方向に２次元状に交互に多数個配列したパターンを表すパターンデータを重畳したデータを前記空間変調素子に入力する入力手段と、とを含むホログラム記録装置で実施することができる。

なお、上記では、画像データにパターンデータを重畳する例について説明したが、各画素が濃度に応じた諧調値で表された画像データに基づいて空間変調素子を変調して得られた画像光を、複数の光透過部及び複数の光遮光部を備え該光透過部と該光遮光部とが所定方向及び該所定方向に交差する方向に２次元状に交互に多数個配列したパターンを透過させて信号光を生成するようにしてもよい。

以上説明したように本発明のホログラム記録方法及び装置によれば、位相マスクを用いることなく簡便な方法でフーリエスペクトルの分布を抑え、ＳＮ比の劣化を防止し、かつ高い回折効率を得ることができる、という効果が得られる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態のホログラム記録方法を実施するためのホログラム記録装置について詳細に説明する。

図１に示すように、本実施の形態のホログラム記録装置には、例えばＮｄ:ＹＶＯ₄結晶を用いたレーザ発振器１０が設けられている。レーザ発振器１０からは、コヒーレント光である波長５３２ｎｍのレーザ光が発振され、照射される。

レーザ発振器１０のレーザ光照射側には、Ｐ偏光を透過しかつＳ偏光を反射することにより、レーザ光を参照光用の光と信号光用の光との２つの光に分離する偏光ビームスプリッタ１６が配置されている。

偏光ビームスプリッタ１６の光反射側には、入射された参照光用のレーザ光を反射して光路をホログラム記録媒体方向に変更する反射ミラー１８、及び参照光用のレーザ光を集光して球面参照波からなる参照光を生成する対物レンズ２０が順に配置されている。対物レンズ２０は、ホログラム記録媒体２４に球面参照波であるＳ偏光を参照光として照射する。

偏光ビームスプリッタ１６の光透過側には、信号光用のレーザ光を４５°の反射角で反射して光路をホログラム記録媒体方向に変更する反射ミラー２８、レンズ３０、３２、３４で構成されたレンズ系が順に配置されている。フーリエ変換用レンズ３４の前側焦点面には、液晶表示素子等で構成され、記録信号に応じて信号光用のレーザ光を変調し、ホログラムを記録するための信号光を生成する透過型の空間変調素子３６が配置されている。フーリエ変換用レンズ３４の後側焦点面にはホログラム記録媒体２４が配置されている。

上記では、透過型の空間変調素子を使用する例について説明したが、ＤＭＤディスプレイやＧＬＶディスプレイ等の反射型の空間変調素子を使用するようにしてもよい。

レンズ３０、３２は、レーザ光を大径のビームにコリメートして並行光を空間変調素子３６に照射し、フーリエ変換用レンズ３４は前側焦点面に位置する空間変調素子３６で変調されて透過したＰ偏光を信号光としてホログラム記録媒体２４上にデフォーカスした状態でフーリエ変換像を結像させる。

このとき、図３に示すように、参照光の集光スポットが信号光によるフーリエ変換像の１次以上の高次の回折光の照射領域及び直流成分領域（図３のホログラム記録媒体の丸印で示す部分）に照射されるように結像され、信号光と参照光とが同時にホログラム記録媒体２４に照射される。また、Ｐ偏光を信号光としＳ偏光を参照光としているため、ホログラムを記録する際の信号光の偏光方向と参照光の偏光方向とは直交している。なお、Ｓ偏光を信号光としＰ偏光を参照光としてもよく、偏光面が平行な信号光と参照光とを用いてもよく、異なる方向に回転する円偏光を各々信号光と参照光として用いてもよい。

空間変調素子３６には、パーソナルコンピュータ４２が接続されている。パーソナルコンピュータ４２は、アナログ画像データにパターンデータを重畳させたデータを生成し、空間変調素子３６に入力する。

ホログラム記録媒体２４は、例えば１０μｍ厚以上の厚膜状に成型された光記録層で構成することができる。光記録層担体では強度が不十分の場合は、片面あるいは両面に石英やプラスチック等の板状の透明な媒質で構成された基板を設ける。

光記録層、すなわち光感応層は、光誘起屈折率変化あるいは光誘起二色性を示し、光誘起屈折率変化あるいは光誘起二色性が常温で保持されるフォトリフラクティブ材料や偏光感応材料であればどのような材料も使用することができるが、側鎖に光異性化する基を有する高分子、例えば、ポリエステル群から選ばれた少なくとも一種の重合体であって、その側鎖に光異性化する基、例えば、アゾベンゼン骨格を有する材料が好適である。

また、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステル（特開平１０−３４０４７９号公報参照）は、ホログラムを記録する材料として好適である。このポリエステルは、側鎖のシアノアゾベンゼンの光異性化による光誘起異方性に起因して、信号光の偏光方向をホログラムとして記録することができ、室温でホログラム記録可能であり、記録されたホログラムは半永久的に保持される。

次に、パーソナルコンピュータ４２によって実行される記録処理について説明する。

パーソナルコンピュータ４２のメモリには、図２に示すアナログ画像５０を表す画像データ、及び０及び１を各々諧調値とする２種類の画素を縦方向及び横方向に２次元状に交互に多数個配列したパターン（チェスボードパターン）５２を表すパターンデータが記憶されている。このアナログ画像は、例えば顔画像であるため、頬や額に代表される画像部分に低周波成分であるＤＣ成分が多く含まれている。

また、パターン５２の各画素の大きさは、アナログ画像５０の画素の大きさ（１×１画素）と等しくなるように定められている。これによって、パターン５２の画素ピッチは、アナログ画像５０の画素ピッチと等しくなっている。

アナログ画像は、濃度を表す８ビットのデータにより２５６階調で表されている。したがって、アナログ画像の画素を表す諧調値（輝度値）の最小値は０（最大濃度の黒画素）、最大値は２５５（最小濃度の白画素）である。このアナログ画像を表す画像データを空間変調素子３６に入力すると、空間変調素子３６にアナログ画像５０が表示され、レンズ３２透過した信号光用の光が空間変調素子３６を透過するため、このアナログ画像５０に対応した物体光（信号光）が得られ、ホログラム記録媒体上にフーリエ変換スペクトルを有するフーリエ変換像５６が結像される。

また、パターン５２の各画素の諧調値は、０または１であるので、アナログ画像を表す画素の諧調値に０（黒画素）を乗算することにより、諧調値を０、すなわちアナログ画像の画素を黒画素に変換することができる。したがって、この乗算は、パターンの諧調値が０の画素によってアナログ画像のパターンの画素に対応する画素の光を遮光することに相当する。また、アナログ画像データを表す画素の諧調値に１（白画素）を乗算しても、諧調値は変化しないので、この乗算はパターンの諧調値が１の画素に対応するアナログ画像の画素の光をそのまま透過させることに相当する。

パーソナルコンピュータでは、画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値に各画素に対応するパターンの各画素の諧調値を乗算し、乗算により得られたデータを空間変調素子に供給する。これにより、図２に示すように、パターンの諧調値が０の画素に対応するアナログ画像の画素が黒画素に変換された変換画像５４を表す変換画像データが得られる。この変換によりアナログ画像の頬や額に代表される画像部分の画素が１画素毎に最低輝度値の画素に変換されるため、ＤＣ成分が多く含まれている領域のＤＣ成分が抑制される。

この変換画像データを空間変調素子３６に入力すると、空間変調素子３６に変換画像５４が表示され、レンズ３２を透過した信号光用の光が空間変調素子３６を透過するため、この変換画像５４に対応した物体光（信号光）が生成される。すなわち、画像データより得られる画像光に高周波キャリア光を重畳させた信号光が生成される。画像光に高周波キャリア光が重畳されることから信号光のＤＣ成分は抑制され、ホログラム記録媒体上にＤＣ成分が抑制されたフーリエ変換スペクトルを有するフーリエ変換像５８が結像される。

本実施の形態では、通常のホログラフィックストレージと同様に、信号光をレンズ３４によりフーリエ変換して記録メディアであるホログラム記録媒体に照射する。レンズ３４を用いることにより、比較的強い光強度をホログラム記録媒体面で得ることができる。このとき、フーリエ変換レンズ３４とホログラム記録媒体との距離とレンズの焦点距離とを等しくすると、フーリエ変換ホログラムが記録されが、本実施の形態では、記録面上で信号光の０次回折光の強度を抑える目的でレンズのフォーカス位置から記録メディアを若干ずらして、すなわちデフォーカスしてホログラム記録を行っている。

なお、上記では諧調値が０，１の画素からなるパターンを用いる例について説明したが、画像データの諧調値の最小値０及び最大値２５５を各々諧調値とする２種類の画素によってパターンを表し、画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値からこの各画素に対応するパターンの各画素の諧調値を減算し、得られた差の最小値が画像データの諧調値の最小値に対応し、かつ該差の最大値が画像データの諧調値の最大値に対応するように差を変換し、変換された差を表すデータを空間変調素子に入力して信号光を生成するようにしてもよい。

また、０．２５、０．７５等の１以下の大きさが異なる２種類パラメータを交互に配列した行列からなるパターンデータを画像データに乗算し、得られた積を表すデータを空間変調素子に入力してによって信号光を生成するようにしてもよい。

次に、チェカーパターンの画素の大きさを変化させたときのフーリエパターン中央部の相対光強度を比較した結果を図４に示す。パターンの画素の大きさは、１×１画素（アナログ画像の画素と同じ大きさ）、２×２画素（アナログ画像の画素の４倍の大きさ）４×４画素（アナログ画像の画素の１６倍の大きさ）とすると共に、パターンを用いない場合のフーリエパターン中央部の相対光強度も比較のために示した。図から理解されるように、パターンの画素の大きさが大きくなるにしたがってフーリエパターン中央部の相対光強度が高くなっている。

また、図５及び図６に信号光の強度に対する参照光の強度比と回折効率との関係を示す。図から理解されるようにパターンデータを重畳する方が回折効率が高くなっており、パターンの画素の大きさが大きくなるにしたがって回折効率が低下している。

したがって、パターンの画素の大きさは、アナログ画像の画素の大きさ以上でかつアナログ画像の画素の１６倍以下の大きさ、好ましくはアナログ画像の画素の大きさ以上でかつアナログ画像の画素の４倍以下の大きさとするのが好ましい。

また、デフォーカスする場合には、パターンの画素のピッチΛが以下の式を満足する大きさとするのがよい。

Λ＜４ｆλ（ｆ−ｄ）／Ｌｄ
ただし、ｆはレンズの焦点距離、λは信号光の波長、ｄは信号光の記録媒体に対するデフォーカス量、Ｌは画像データにより得られるアナログ画像の一辺の長さである。定数４は、信号光をフォーカスさせて記録媒体上フーリエ変換像を結像させたときの好ましい画素ピッチの最大値に相当する。

図６のデータは、ｆ＝50ｍｍ、λ＝532nm、ｄ＝8ｍｍ、L＝15ｍｍ、空間光変調器（空間変調素子）の画素ピッチが19μmを用いたときの実験値である。このとき、1×1画素チェスボードパターンを重畳した場合の画素ピッチはΛ＝19μｍ、2×2画素ではΛ＝38μｍ、4×4画素ではΛ＝76μｍとなる。図６の参照光と信号光の比が4のときの回折効率を比較すると、1×1画素チェスボードを重畳した画像が、チェスボードパターンを重畳しなかった場合や、他の大きなチェスボードを用いた場合と比べて、最も回折効率が高いことがわかる。次に、デフォーカス量ｄを半分の4mmとした場合には、2×2画素チェスボード、1×1画素チェスボードで高い回折効率を得ることができた。同様に、デフォーカス量ｄを2ｍｍとした場合には、4×4、2×2、1×1画素チェスボードで高い回折効率を得ることができた。このことから、デフォーカス量dとピッチΛの関係が上式を満たす範囲で、非常に高い回折効率が得られることが確かめられた。

なお、上記ではデフォーカス状態で記録する例について説明したが、デフォーカスさせることなくフォーカス状態で記録するようにしてもよい。また、上記では、図３に示すように、参照光をフーリエ変換像の一部分（丸印の部分）に照射する例について説明したが、参照光の集光スポットをフーリエ変換像より大きくしてフーリエ変換像全体に参照光を照射するようにしてもよい。

本実施の形態に使用可能なホログラム記録装置を示す概略図である。 アナログ画像、パターン、物体光、及びフーリエ変換スペクトルを示す概略図である。 本実施の形態の信号光と参照光との照射状態を示す概略図である チェカーパターンの画素の大きさを変化させたときのフーリエパターン中央部の相対光強度を比較して示す図である。 信号光の強度に対する参照光の強度比と回折効率との関係を示す図である。 信号光の強度に対する参照光の強度比と回折効率との関係を示す図である。

符号の説明

１０ レーザ発振器
３４ フーリエ変換用レンズ
３６ 空間変調素子

Claims (14)

1. 各画素が濃度に応じた諧調値で表された画像データに、諧調値が異なる複数種類の画素を所定方向及び該所定方向と交差する方向に２次元状に交互に多数個配列したパターンを表すパターンデータを重畳したデータによって信号光を生成し、
   生成した信号光をレンズによってフーリエ変換した変換光と参照光とを光記録媒体に照射してホログラムを記録するホログラム記録方法。
2. 前記画像データの諧調値の最小値及び最大値を各々諧調値とする２種類の画素によって前記パターンを表し、前記画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値から該各画素に対応する前記パターンの各画素の諧調値を減算し、得られた差の最小値が前記画像データの諧調値の最小値に対応し、かつ該差の最大値が前記画像データの諧調値の最大値に対応するように該差を変換し、変換された差を表すデータによって前記信号光を生成する請求項１記載のホログラム記録方法。
3. ０及び１を各々諧調値とする２種類の画素によって前記パターンを表し、前記画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値に該各画素に対応する前記パターンの各画素の諧調値を乗算し、得られた積を表すデータによって前記信号光を生成する請求項１記載のホログラム記録方法。
4. 前記パターンの画素の大きさを、前記画像データで表されるアナログ画像の画素の大きさ以上でかつ前記アナログ画像の画素の１６倍以下の大きさとした請求項１〜請求項３のいずれか１項記載のホログラム記録方法。
5. 前記変換光の１次以上の高次の回折光の照射領域及び直流成分領域に参照光を照射してホログラムを記録する請求項１〜請求項４のいずれか１項記載のホログラム記録方法。
6. 前記信号光を前記記録媒体に対してデフォーカスした状態でホログラムを記録する請求項１〜請求項５のいずれか１項記載のホログラム記録方法。
7. 前記パターンの画素のピッチΛが以下の式を満足するようにした請求項１〜請求項６のいずれか１項記載のホログラム記録方法。
   Λ＜４ｆλ（ｆ−ｄ）／Ｌｄ
   ただし、ｆは前記レンズの焦点距離、λは前記信号光の波長、ｄは前記信号光の前記記録媒体に対するデフォーカス量、Ｌは前記画像データにより得られるアナログ画像の一辺の長さである。
8. フーリエ変換像をホログラム記録媒体上に結像させるフーリエ変換用のレンズと、
   照射された光を入力されたデータに応じて空間変調する前記レンズの前側焦点面に配置された空間変調素子と、
   レーザ光を照射するレーザ光照射手段より照射されたレーザ光を信号光用の光と参照光用の光とに分離し、該信号光用の光を前記空間変調素子に照射すると共に、該参照光用の光をホログラム記録媒体に参照光として照射する分離照射手段と、
   各画素が濃度に応じた諧調値で表された画像データに、諧調値が異なる複数種類の画素を所定方向及び該所定方向と交差する方向に２次元状に交互に多数個配列したパターンを表すパターンデータを重畳したデータを前記空間変調素子に入力する入力手段と、
   を含むホログラム記録装置。
9. 前記入力手段は、前記画像データの諧調値の最小値及び最大値を各々諧調値とする２種類の画素によって前記パターンを表し、前記画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値から該各画素に対応する前記パターンの各画素の諧調値を減算し、得られた差の最小値が前記画像データの諧調値の最小値に対応し、かつ該差の最大値が前記画像データの諧調値の最大値に対応するように該差を変換し、変換された差を表すデータを前記空間変調素子に入力する請求項８記載のホログラム記録装置。
10. 前記入力手段は、０及び１を各々諧調値とする２種類の画素によって前記パターンを表し、前記画像データで表されるアナログ画像の各画素の諧調値に該各画素に対応する前記パターンの各画素の諧調値を乗算し、得られた積を表すデータを前記空間変調素子に入力する請求項８記載のホログラム記録装置。
11. 前記パターンの画素の大きさを、前記画像データで表されるアナログ画像の画素の大きさ以上でかつ前記アナログ画像の画素の１６倍以下の大きさとした請求項８〜請求項１０のいずれか１項記載のホログラム記録装置。
12. 前記変換光の１次以上の高次の回折光の照射領域及び直流成分領域に参照光を照射してホログラムを記録する請求項８〜請求項１１のいずれか１項記載のホログラム記録装置。
13. 前記信号光を前記記録媒体に対してデフォーカスした状態でホログラムを記録する請求項８〜請求項１２のいずれか１項記載のホログラム記録装置。
14. 前記パターンの画素のピッチΛが以下の式を満足するようにした請求項８〜請求項１３のいずれか１項記載のホログラム記録装置。
    Λ＜４ｆλ（ｆ−ｄ）／Ｌｄ
    ただし、ｆは前記レンズの焦点距離、λは前記信号光の波長、ｄは前記信号光の前記記録媒体に対するデフォーカス量、Ｌは前記画像データにより得られるアナログ画像の一辺の長さである。