JP2006084680A - ホログラム記録方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シフト選択性を低下させることなくホログラム記録メディアのダイナミックレンジを無駄なく使用し、ホログラム記録密度を向上させること。
【解決手段】２光子吸収特性を利用してホログラム記録メディア６０に、信号光１００と参照光２００の干渉により発生する干渉縞部分のみを記録し、その他の部分（参照光２００のみが照射している部分を含む）が感光しないようにすることにより、無駄に露光される部分を無くして記録メディア６０のダイナミックレンジを確保して記録密度を向上させることができると共に、参照光路にランダム位相物体１０を挿入して参照光２００の波面をランダムに変調してスペックル多重を行うことにより、シフト選択性を低下させることなく記録メディア６０のダイナミックレンジを無駄なく使用し、ホログラム記録密度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号光と参照光の干渉縞をホログラム記録メディアに記録するホログラムストレージに係り、特に２光子吸収特性を利用してホログラムを記録するホログラム記録方法に関する。

近年、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ホログラムストレージシステムがある。このシステムでは、参照光と信号光を、それらの光の波長と比較して十分に厚いホログラム記録メディア中で干渉させ、その結果生じた干渉縞の光強度分布を屈折率分布として記録するボリュームホログラム記録を行うもので、体積記録に起因する潜在的記録容量の大きさと、複数データビットの一括読み書きに起因するデータ転送レートの高さに注目が集まっており、研究開発に力が入れられている（例えば非特許文献１参照）。

ボリュームホログラム記録用メディアとしては、ＬｉＮｂＯ３等のフォトリフラクティブ結晶や、フォトポリマーが使用されることが多い。前者は書き換え可能である点にメリットがあり、後者はライトワンス型が主流ではあるが、非常に低廉なメディアを供給できる可能性が高い。

ところで、ボリュームホログラム記録において、ホログラム記録メディアに入射する信号光を効率良く記録して高いＳ／Ｎ比を得るためには、ホログラム記録メディア中で信号光を参照光によって完全に覆い尽くす必要がある。図６は、ホログラム記録メディア中での信号光と参照光の照射範囲を説明する図である。

図６にて、信号光１００は信号光レンズ２１を通し、参照光２００は参照光レンズ２２を通してホログラム記録メディア２３に照射されている。信号光１００と参照光２００が交わる部分で生じる干渉縞がホログラム記録メディア２３のホログラム部分ａに記録されるが、干渉縞が記録されない不要露光部分ｂが図のように生じる。

この不要露光部分ｂが生じる理由は、ホログラム記録メディア２３中で信号光１００を参照光２００によって完全に覆い尽くすようにするためであるが、このようにすると記録スポット中に参照光２００のみからなる部位が生じてしまう（図６の不要露光部分ｂ）。これは、一般に参照光２００と信号光１００が互いに有限の角度をもってホログラム記録メディア２３に入射し、且つメディア２３の厚みも有限値であることに起因する。

この参照光２００のみが照射される部分はホログラムの記録に寄与せず、ホログラム記録メディア２３のダイナミックレンジを無駄に消費するのみであり、記録可能なホログラム数を減じる作用があり、記録密度向上の観点からは極めて有害であるという問題があった。

そこで上記問題点を回避するために、２光子吸収特性を示すホログラム記録メディアを用いればよく（例えば特許文献１参照）、この場合、上記のようにメディア中で参照光のみが照射される部分においては、光強度が２光子吸収に必要な値に達しないために記録の履歴が残らず、メディアのダイナミックレンジを無駄に消費する問題を回避することが出来る。
Holographic Data Storage+H.J.Coufal,Psaltis,G.T.Sincerbox ED;Springer;p.185Photopolymer Sysrem） 特表２０００−５１２４２２号公報 （第１６−１７頁、第１図）

この２光子吸収を用いる方法では、信号光の焦点はホログラム記録メディア中に位置するように光学系を調整するが、ホログラムは十分に光強度の高い信号光の焦点近傍にのみ形成され、実効的なホログラム厚は１００μｍ以下と成り得る。ここで十分に鋭いブラッグ（Ｂｒａｇｇ）選択性を確保し、ホログラムをメディアの同一箇所に数百枚以上記録し、それらを互いに干渉することなく読み出す（多重記録）ためには、少なくとも数百μｍ以上のホログラム厚が必要である。しかしながら、実効的なホログラム厚がそれより薄くなる２光子吸収記録においては、ブラッグ選択性が大幅に低下してしまい、ホログラムの多重記録による記録密度向上が困難になってしまうという問題があった。

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、シフト選択性を低下させることなく、ホログラム記録メディアのダイナミックレンジを無駄なく使用し、ホログラム記録密度を向上させることができるホログラム記録方法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、記録信号により空間変調された信号光と波面がランダムに変調された参照光を２光子吸収特性を有するホログラム記録メディアに照射して両光の干渉縞をホログラム記録メディアに記録するホログラム記録方法であって、前記ホログラム記録メディア中の前記信号光と前記参照光の干渉縞が、前記ホログラム記録メディアを感光させる閾値を越える強度になるように前記信号光と参照光の強度を設定することを特徴とする。

このように本発明では、２光子吸収特性を利用してホログラム記録メディアにホログラムを記録することにより、信号光と参照光の干渉により発生する干渉縞部分のみをホログラム記録メディアに記録させ、その他の部分（参照光のみが照射している部分を含む）が感光しないようにすることにより、無駄に露光される部分を無くしてホログラム記録メディアのダイナミックレンジを確保して記録密度を向上させることができる。しかし、２光子吸収特性を利用してホログラム記録した場合、ホログラムの実効的な厚みが薄いため、通常の多重方式ではシフト選択性が低下して記録密度の向上が望めないが、参照光の波面をランダムに変調してホログラム記録メディアに照射するスペックル多重方式を用いることで、ホログラムの実効的な厚みが薄くてもその記録密度を向上させることができ、これら両効果により、シフト選択性を低下させることなく、ホログラム記録メディアのダイナミックレンジを無駄なく使用し、ホログラム記録密度を向上させることができる。

本発明によれば、２光子吸収特性を利用してホログラム記録メディアにホログラムを記録すると共にスペックル多重方式を用いることにより、シフト選択性を低下させることなく、ホログラム記録メディアのダイナミックレンジを無駄なく使用し、ホログラム記録密度を向上させることができる。
また、ホログラム記録メディア内のホログラム記録層をメディアの厚み方向に複数層形成することにより、更に一層の記録密度の向上を図ることができる。

シフト選択性を低下させることなく、ホログラム記録メディアのダイナミックレンジを無駄なく使用し、ホログラム記録密度を向上させる目的を、２光子吸収特性を利用してホログラム記録メディアにホログラムを記録すると共にスペックル多重方式を用いることによって容易に実現した。

図１は、本発明の一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概略図である。ホログラム記録再生装置は、レーザ光源１、シャッター２、ビームエキスパンダ３、ビームスプリッタ４、シャッター５、ミラー６、空間変調器７、信号光レンズ８、ディスク状のホログラム記録メディア６０、ミラー９、参照光２００を拡散して波面をスペックル状にするランダム位相物体１０、参照光レンズ１１、再生光レンズ１２、ディテクタ１３、スピンドルモータ１４を有している。

ここで、レーザ光源１としては、ガスレーザ、固体レーザ、半導体レーザ等、信号光１００と参照光２００の干渉性が保証されるものであれば、どのようなレーザでも使用可能である。このレーザ光源１から出射されるレーザの波長としては、一般的にホログラム記録メディアが感度を有する４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視域が選択される。また、ランダム位相物体１０は、例えば擦りガラスのような表面に無数の不規則な起伏を有するガラスが好適である。このランダムな起伏の形状としては、ガラス表面内方向に数μｍ〜数十μｍ程度の大きさを有し、ガラス厚み方向には、使用するレーザ波長程度のばらつきを有するものが望ましい。このようなランダム位相物体１０は、リソグラフィーとエッチングを組み合わせたガラス表面のパターニングにより作成可能で、且つ同方法により同一品を多数作成することが出来る。ランダム位相物体１０により参照光波面をランダムに変調する目的は後述するようにシフト選択性を良好にし、ホログラム記録密度を向上させることにある。

また、レーザビームの分岐前の光路中にはシャッター２が、レーザビーム分岐後の信号光路中にはシャッター５が挿入され、信号光１００と参照光２００の照射を独立に制御可能となっている。更に、信号光路中には、信号光振幅を空間的に変調する空間変調器７が挿入されている。空間変調器７は、例えば液晶ディスプレーを用いて多数の画素の透過率を独立に変化させることにより、図２に示すような空間変調パターンを作り出す。

次に本実施の形態の動作について説明する。図１にて、ホログラム記録メディア６０にデータを記録する場合、シャッター２、５が閉まった状態で、記録するデータページが空間変調器（透過性の液晶表示装置）７に表示されると共に、スピンドルモータ１４を回転させてホログラム記録メディア６０の記録場所（記録エリア）を決めた後、シャッター２、５を開ける。

これにより、レーザ光源１から出射された干渉性を持つレーザ光はシャッター２を通してビームエキスパンダ３に入射されて空間変調器７の変調領域を完全にカバー出来るビーム径に拡大される。ビームエキスパンダ３により拡大されたレーザビームは、ビームスプリッタ４により信号光１００と参照光２００とに分岐される。信号光１００はミラー６を介して空間変調器７に入射される。信号光１００はデータページが表示された空間変調器７を通ることで、空間変調（強度変調）される。変調された信号光は信号光レンズ８によりホログラム記録メディア６０の記録エリアに集光される。

一方、ビームスプリッタ４を出射した後の参照光２００は、ミラー９により進行方向を変えられ、ランダム位相物体１０により波面をランダムに変調された後、参照光レンズ１１を介してホログラム記録メディア６０に照射される。その結果、ホログラム記録メディア６０内において、この信号光１００と参照光２００の集光点で両光線が重ね合わされて、その結果形成される干渉縞の光強度分布が２光子吸収を生じるために十分な値を有する場合、ホログラムとしてホログラム記録メディア６０中に記録される。

その後、空間変調器７に次に記録するデータページが表示されると共に、スピンドルモータ１４を僅かに回転させて、ホログラム記録メディア６０をδだけシフトすると、信号光１００と参照光２００が集光される部分が相対的にδ動くことになる。この状態で、シャッター５が開かれると、次に記録するデータページがホログラム記録メディア６０の信号光１００と参照光２００の集光領域（記録エリア）にスペックル多重記録される。

次に記録されたホログラムを再生する時はシャッター２を開けてシャッター５を閉じ、当該ホログラムが記録された位置に参照光２００を照射する。参照光２００の照射により生じたホログラム再生光は、再生光レンズ１２を介してディテクタ１３上に結像する。ディテクタ１３には、一般に多数の画素が２次元的に配列されたＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサが用いられ、その各画素に入射する光強度を解析することにより、図２のような変調パターンのデコードが行われる。

前述の通り、ホログラム記録メディア６０としては２光子吸収特性を示す物質を使用するが、２光子吸収の発生確率は光強度の２乗に比例することが広く知られている。従って、図３に示すように、ホログラム記録メディア６０中に信号光１００の焦点が位置するように光学調整をした場合、焦点近傍の光強度が極めて高い部分のみにホログラムが形成され、その他の光強度が弱い部分（参照光２００のみが照射される部分を含む）には露光の履歴を殆ど残さないようにすることが可能である。即ち、ホログラム記録の過程で、ホログラム記録メディア６０のダイナミックレンジを無駄に消費することが無く、結果としてより多くのホログラムを記録することが可能となる。

ところで、ホログラム記録メディア６０の厚みが光波長と比較して十分に厚い場合でも、ホログラム記録メディア６０の形成される領域は光強度の高い信号光焦点近傍に限られる為、実効的なホログラム厚はメディア厚と比較して非常に薄く成り得る。しかしこれでは、ブラッグ選択性（シフト選択性に同じ）が低下する恐れがあり、参照光路にランダム位相物体１０を挿入すること無しにホログラムを多重記録する場合、隣接ホログラム間距離を非常に大きく取る必要が生じ、結果として記録密度の低下を招く。

しかしながら、本実施の形態では、これを回避すべく、参照光路にランダム位相物体１０を導入し、参照光波面をランダムに変調している。この場合、シフト選択性はブラッグ選択性ではなく、ホログラム記録メディア６０中に生じる参照光スペックルパターンの自己相関長で決定される。ここでシフト選択性とは、ホログラムを１枚記録した後、光学系とホログラム記録メディア６０を相対的にどの程度移動した時に再生像の回折効率が無視可能な程低下するかを表す指標である。

従ってシフト選択性は、ホログラムを多重記録する場合に各ホログラム間をどの程度空間的に隔離して記録する必要があるかの指標となる。参照光波面がランダムに変調されている場合、ホログラム厚が十分でなくても、非常に鋭いシフト選択性（メディア面内方向数μm 程度、メディア垂直方向数十μm 程度）を確保することが可能で、高い記録密度を実現することが可能である。

２光子吸収特性を示すホログラム記録メディア６０としては、特表２０００−５１２４２２に記載されているような、希土類元素を添加した強誘電性物質を利用することが可能である。ここで希土類元素とは、プラセオジウム、ネオジウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム等である。また強誘電性物質とは、ＢａＴｉＯ３やＫｎｂＯ３といったペロブスカイト、ＬｉＮｂＯ３といった酸化物等である。

次に２光子吸収特性を示すホログラム記録メディア６０にホログラムを記録再生する動作について説明する。図４に示すように、ホログラム記録メディア６０に空間変調器７により空間変調された信号光１００と、ランダム位相物体１０によりランダムに拡散された参照光２００を入射し、干渉縞の光強度の高い信号光１００の焦点付近にホログラムを形成する。その後、図５に示すように、参照光光学系、及び信号光光学系とホログラム記録メディア６０をメディア面内と平行方向にδだけ移動する。ここで、δは少なくともホログラム記録メディア６０中で生じる参照光スペックルパターンの自己相関長より長い距離であり、隣接するホログラムからの再生クロストークが生じない距離である。以上を繰り返して、ディスク形状のホログラム記録メディア６０の全面にスパイラル状にホログラムを記録する。

ところで、ホログラム記録メディア６０中の厚み方向のホログラムサイズは、２光子吸収を利用しているためにホログラム記録メディア６０のメディア厚と比較して薄いため、以上のホログラム記録が終了した後には、ホログラム記録メディア６０中に図４に示すようなホログラム層５１が出来ている。このホログラム層５１をホログラム記録メディア６０の全面に渡って形成した後は、図５に示すように信号光１００の焦点位置を変更し、ホログラム記録メディア６０の異なる深さに新たなホログラム層５２を形成することで、ホログラム記録メディア６０中の厚み方向にホログラム層５１、５２、…、というように複数層形成することができ、記録密度を更に上昇させることができる。この場合、各ホログラム層は空間的に重ならないように配置する必要がある。各ホログラム層を空間的に重ねて配置すると、ホログラム記録メディア６０の記録密度が大き過ぎて、再生画像の品質が悪く実用にならないためである。

以上を繰り返して、ホログラム記録メディア６０中の異なる深さにそれぞれホログラム層を記録して行く。勿論ホログラムを記録する度に、信号光焦点位置を移動すること繰り返し、まずホログラム記録メディア６０の深さ方向にホログラムを記録し、その後、光学系とホログラム記録メディア６０をメディア面内と平行方向にδだけ移動して、更にメディアの深さ方向にホログラムを記録することを繰り返す方法でホログラムを記録しても良い。

本実施の形態によれば、２光子吸収特性を示すホログラム記録メディア６０を用いているので、ホログラムが形成される領域は信号光１００の焦点近傍の光強度が極めて高い部分のみにホログラムが形成され、その他の光強度が弱い部分、即ち、参照光２００のみが照射される部分においては、２光子吸収が発生するに十分な光強度が得られず、露光の履歴が残ることを回避することができる。従って、ホログラム記録メディア６０のダイナミックレンジを無駄に消費することが無く、結果的により多くのホログラムを記録可能とし、記録密度の向上を図ることができる。また、２光子吸収を用いたホログラム記録では実効的なホログラム厚が薄く（１００μｍ以下）このままではブラッグ選択性が低下して記録密度が低下してしまうが、本実施の形態ではスペックル多重を用いてシフト選択性の低下を防止して記録密度の向上を図っているため、両効果により実用的なレベルでの記録密度の向上を図ることができる。

更に、本実施の形態では２光子吸収による実効的なホログラム厚が薄いことを利用してホログラム記録メディア６０の厚み方向に複数の記録層を形成することができるため、ホログラム記録メディア６０の記録密度を著しく向上させることができる。

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。上記実施の形態では、記録時に一波長のレーザのみを使用する場合について説明した。ここで、ホログラム記録の過程において、ホログラム記録メディア中でレーザ光強度が十分に高い部分では、電子が価電子帯から伝導帯へ励起される。上記のように記録に一波長のみを使用する場合、２光子吸収を発生させる為には、光子一個のエネルギーは電子を直接励起する為に十分な値であってはならならず、且つ光子２個のエネルギーの和は励起に十分な値である必要がある。この一波長のみのレーザを使用する場合、ホログラム読み取り時のレーザ光強度を、ホログラム記録時のレーザ光強度と比較して低下させることにより、読み取り時のホログラム消去の効果を大幅に低減することが出来る。その理由は、２光子吸収メディアにおいて、ホログラム消去の速度は読み取りレーザ光強度の２乗に比例するからである。

この一波長のレーザのみを使用する方法に対して、更に一般に行われるように、第二波長目のレーザを導入し、これをホログラム記録時に記録エリアに照射してゲートビームとして使用しても良い。この場合、第一波長目のレーザは参照光と信号光に分割され、第２波長目のレーザは、電子を励起する目的の為だけに使用される。その際、第一波長目と第二波長目のレーザそれぞれ単独の光子では、ホログラム記録メディア中において、電子を価電子帯から伝導帯へ励起するのに十分なエネルギーを有していない。しかしながら、第一波長目と第二波長目のレーザの光子エネルギーの和は、励起を達成するのに十分である。このような二波長構成にすると、システムが複雑になる反面、一波長構成よりもホログラム読み取り時の消去効果が少なく、より安定した記録再生が可能となる利点があり、しかも、上記実施の形態と同様に、ホログラム記録メディアのダイナミックレンジを無駄なく使用し、ホログラム記録密度を向上させることが可能となる。尚、２波長目の光束はレーザである必要はなく、ハロゲンランプ等の光束でもよい。

本発明の一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概略図である。 図１に示した空間変調器に表示される空間変調パターン例を示した図である。 図１に示したホログラム記録メディア内での信号光と参照光の照射範囲を示した図である。 図１に示したホログラム記録メディア内に形成されるホログラム層の形成過程を説明する図である。 図１に示したホログラム記録メディア内に形成される複数のホログラム層の形成過程を説明する図である。 ホログラム記録メディア中での信号光と参照光の照射範囲を説明する図である。

符号の説明

１……レーザ光源、２、５……シャッター、３……ビームエキスパンダ、４……ビームスプリッタ、６、９……ミラー、７……空間変調器、８……信号光レンズ、１０……ランダム位相物体、１１……参照光レンズ、１２……再生光レンズ、１３……ディテクタ、１４……スピンドルモータ、６０……ホログラム記録メディア。

Claims (6)

1. 記録信号により空間変調された信号光と波面がランダムに変調された参照光を２光子吸収特性を有するホログラム記録メディアに照射して両光の干渉縞をホログラム記録メディアに記録するホログラム記録方法であって、
   前記ホログラム記録メディア中の前記信号光と前記参照光の干渉縞が、前記ホログラム記録メディアを感光させる閾値を越える強度になるように前記信号光と前記参照光の強度を設定することを特徴とするホログラム記録方法。
2. 前記参照光のみが前記ホログラム記録メディアに照射される部分は感光しないように前記参照光の強度を設定することを特徴とする請求項１記載のホログラム記録方法。
3. 記録信号により空間変調された信号光と波面がランダムに変調された参照光を２光子吸収特性を有するホログラム記録メディアに照射して両光の干渉縞をホログラム記録メディアに記録するホログラム記録方法であって、
   前記信号光及び前記参照光にオーバーラップして前記信号光及び前記参照光とは異なる波長の第３の光束を前記ホログラム記録メディアに照射し且つ、前記第３の光束と、前記ホログラム記録メディア中の前記信号光と前記参照光の干渉縞が、前記ホログラム記録メディアを感光させる閾値を越える強度になるように、前記第３の光束、及び前記信号光と前記参照光の強度を設定することを特徴とするホログラム記録方法。
4. 前記参照光と前記第３の光束のみが前記ホログラム記録メディアに照射される部分が感光しないように前記参照光と前記第３の光束の強度を設定することを特徴とする請求項３記載のホログラム記録方法。
5. 前記信号光と前記参照光の干渉縞を前記ホログラム記録メディアの厚み方向と垂直方向に伸びる方向に記録したホログラム層を、前記ホログラム記録メディアの厚み方向に複数層形成することを特徴とする請求項１又は３記載のホログラム記録方法。
6. 前記複数のホログラム層はホログラム記録メディアの厚み方向に空間的に重ならないように形成することを特徴とする請求項５記載のホログラム記録方法。

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