JP2006099885A - ホログラフィック記録装置及びホログラフィック記録方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成のホログラフィック記録装置及び方法を提供する。
【解決手段】 空間光変調器２により光源１の光を記録信号に応じて明暗パターンの記録光束に変調してホログラム記録媒体４に照射し、ホログラム記録媒体の背面に配置された反射板３によりホログラム記録媒体を透過した光をホログラム記録媒体側に反射してホログラム記録媒体内で入射光と反射光が干渉を起こし、これによりホログラム記録媒体内に干渉縞が記録される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ホログラフィー技術を利用したホログラフィック記録装置及びホログラフィック記録方法に関する。

ＣＤやＤＶＤに代表される現行の光記録では、１bit（ビット）ごとに記録媒体に対して平面的に記録される。この方式による記録密度は、光の回折限界、つまり、光をどれだけ小さく絞れるかによって制限を受ける。これに対しホログラフィー技術を用いた光記録では、複数ビットから成るページデータを立体的な体積ホログラム層に記録する。しかもそれぞれのページデータは、重なり合いながら存在することが可能なため、多重記録が可能である。このため、ホログラムを使用した光記録では、従来の１ビットごとの記録方式に対して、飛躍的に高密度、大容量な記録が可能である。また、従来方式では、一度に１ビットしかデータ転送ができないのに対し、ホログラム方式では、一度に複数ビットから成る１ページ分のデータを読み書きできるため、データ転送速度も大幅に向上する。このため、ホログラムを使用した光記録技術は各所で実用化に向けた研究開発が精力的に行われている。

ホログラフィック記録では、ページデータを有する信号光と、同じ波長を有する参照光とを記録媒体に照射し、両光から形成される干渉縞が信号情報として媒体に記録される。干渉縞を記録情報とするため、記録中は信号光、参照光、媒体の位置関係は、振動などの原因によって光の波長のオーダーでずれることは許されず、この不便さがホログラフィック光記録の実用化を阻害する大きな要因の１つになっていた。

振動に対する弱さを克服することを目的として、下記の特許文献１で示される方法が提案されている。これは、信号光と参照光とを光学系の同軸に配置することによって、振動に対しても位置関係がずれないように工夫した方式である。この技術を使った記録系の例を図６に示す。図中、ＬＤは光源としての半導体レーザ、Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３は凸レンズ、Ｍ１、Ｍ２はミラー、ＰＢＳ１、ＰＢＳ２は偏光ビームスプリッタ、ＳＬＭは空間光変調器、Ｇは旋光板、Ｈはホログラム媒体である。

このシステムを用いた場合の記録の方法について説明する。半導体レーザＬＤから発生された光は、凸レンズＬ１を通って平行光となり、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１によって２方向に分けられる。このうち、一方の光は空間光変調器ＳＬＭを通る。このとき空間光変調器ＳＬＭには、記録されるべき１ページ分のディジタル情報が電気信号として入力されており、空間光変調器ＳＬＭを通過した光は、入力信号に応じた２次元の明暗パターンから成る信号光として変換される。そしてミラーＭ１で反射された後、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２を通過する。

一方、偏光ビームスプリッタＰＢＳｌによって分けられた他方の光は、参照光として作用させるもので、ミラーＭ２で反射されて凸レンズＬ２を通過した後、偏光ビームスプリッタＰＢＳ２で反射され、信号光と合成される。凸レンズＬ２は信号光と参照光の焦点位置を光の進行方向に対してずらす目的で挿入する。このとき、合成された信号光と参照光とは、偏光ビームスプリッタＰＢＳ１、ＰＢＳ２の作用によって偏光面が９０゜ずれているので互いに干渉しあうことはない。合成された光は、旋光板Ｇ及び凸レンズＬ３を通過してホログラム媒体Ｈに達し、ホログラム媒体Ｈの背面に設けられた反射層で反射する。このとき旋光板Ｇは、例えば上半分と下半分に分割されていて、上半分を通過した光は右４５°、下半分を通過した光は左４５°に偏光面が回転するようになっている。こうすることによってホログラム媒体Ｈの内部では、入射した参照光と、ホログラムＨの背面で反射した信号光とが選択的に干渉を起こし、ホログラフィック記録がなされるようになっている。

次に、ホログラム媒体Ｈに記録した信号を再生する方法について説明する。再生するには、記録したときに用いた参照光のみを記録したときと同じ条件でホログラム媒体Ｈに照射する。ホログラム媒体Ｈには記録信号に応じた干渉縞が記録されているので、参照光を照射することによって記録光と同じ回折光が得られる。これを、記録するときと同様の方法で旋光板Ｇを作用させ、参照光と得られた回折光とが干渉し合わないように干渉光を検出器に導く。検出器は図には示していないが、ＣＣＤアレイや撮像素子などを用い、電気信号に変換することで、記録信号と同じ信号が再現される。
特開平１１−３１１９３８号公報（要約書）

ところで、ディジタルホログラフィック記録においては、「１」と「０」から成るページデータは、空間光変調素子（ＳＬＭ）などによって、「１」と「０」に応じて光の通る部分と通らない部分とから成る信号光として変換され、媒体Ｈに照射される。一方、参照光の方は、信号に応じた分布を持たない均一な光として媒体Ｈに照射される。このとき媒体Ｈ内には、信号光の光の通った部分のみに干渉縞が形成され、それ以外の部分には参照光のみが照射され、参照光によって媒体Ｈが感光してしまう危険性があり、再生時におけるＳ／Ｎを劣化させる原因になる。これを防ぐためには、参照光だけでは感光しないような媒体特性及び記録再生光学系が要求され、システム設計における冗長性が乏しくなる。この事情は、特許文献１における方式においても同じである。

また従来のディジタルホログラフィック記録においては、同一光源から発射した光を、ビームスプリッタやミラーなどの光学部品を配置して信号光用と参照光用とに分離する必要がある。このため、記録のための有効な光量の損失が大きい。特に特許文献１に示される方式では、旋光板Ｇといった新たな光学部品が必要で、更に光量の損失が大きくなる。またこのような多数の光学部品を導入することは、記録再生光学系を複雑化、大型化することにつながる。

本発明は上記従来例の問題点に鑑み、簡単な構成のホログラフィック記録装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明のホログラフィック記録装置は、上記目的を達成するために、
光源と、
前記光源から出射される光を記録信号に応じて明暗パターンの記録光束に変調して光透過性のホログラム記録媒体に照射する空間光変調器と、
前記ホログラム記録媒体の背面側に配置され、前記ホログラム記録媒体を透過した前記記録光束の明るい部分を前記ホログラム記録媒体側に反射させて前記ホログラム記録媒体内で前記記録光束の入射光と前記反射による反射光との干渉縞を発生させて前記ホログラム記録媒体に記録する反射部材とを、
有する。

また、本発明のホログラフィック記録方法は、上記目的を達成するために、
光透過性のホログラム記録媒体と記録光束との相対位置を記録すべき所定の位置に移動する第１のステップと、
前記ホログラム記録媒体に記録すべき１ページ分の電気信号を空間光変調器に入力して前記空間光変調器により光源光を前記電気信号に応じて明暗パターンの記録光束に変調してホログラム記録媒体に照射するとともに、前記ホログラム記録媒体の背面側に配置された反射部材により前記ホログラム記録媒体を透過した前記記録光束の明るい部分を前記ホログラム記録媒体側に反射させて前記ホログラム記録媒体内で前記記録光束の入射光と前記反射による反射光との干渉縞を発生させて前記ホログラム記録媒体に記録する第２のステップと、
前記第１及び第２のステップを前記ホログラム記録媒体に記録すべきページごとに繰り返す第３のステップとを、
有する。

この構成により、光透過性のホログラム記録媒体には、記録信号に応じた光が到達した領域のみにおいて入射光と反射光とが干渉を起こして干渉縞が記録されるので、入射光と反射光の一方が信号光、他方が参照光として作用する。

本発明によれば、記録光が照射しない部分には参照光も照射しないので、参照光によって媒体が感光してしまう危険性がなくなり、再生時におけるＳ／Ｎを高くすることができる。言い方を変えれば、従来のホログラフィック記録と同等のＳ／Ｎを得ようとした場合、従来のホログラフイック記録に対して単純計算で約２倍の記録多重化ができることになり、記録容量も約２倍にすることができる。また、参照光だけでは感光しないような媒体特性及び記録再生光学系が要求されることがなく、記録再生システム設計、特に記録パワー、多重度、記録時間といった記録におけるスケジューリングの冗長性が大きくなる。
さらに、従来のホログラフィック記録のように、同一光源から発射した光を、ビームスプリッタやミラーなどの光学部品を配置して信号光用と参照光用とに分離する必要がなくなるので、記録のための光量の損失が少なく、効率がよい。また特許文献１に示されている旋光板といった新たな光学部品の必要もない。
このように、従来必要であった多数の光学部品が不要となることによって、記録再生装置を簡素化、単純化、小型化できることになる。

すなわち、
（１）光学系がシンプルで、装置を構成する部品点数を大幅に削減できる。
（２）光源から発生する光の損失が少ない。
（３）記録再生時の振動に対して強い。
（４）記録再生システム設計、特に記録におけるスケジューリングの冗長性が大きくなる。
（５） 装置を小型・軽量にできる。
（６） 低コスト化できる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係るホログラフィック記録装置の基本構成を示したものであり、図２は、これを用いて実際に記録を行う一実施の形態の模式図である。以下に、各部の詳細について説明する。

図１に示す光源１は記録再生に必要な光を発生させるもので、特定の波長の光を発生させることのできるレーザ光源であることが好ましい。レーザの種類としては半導体レーザ（ＬＤ：レーザダイオード）、ガスレーザ、若しくはＹＡＧレーザやＴｉサファイア・レーザに代表されるパルス発振レーザを用いることもできるが、装置の小型化の観点から、図２に示すようにＬＤ１ａを用いるのが望ましい。

空間光変調器（ＳＬＭ）２は、電気信号として入力された記録信号で光を変調するために用いる。ＳＬＭ２に記録されるべき１ページ分のディジタル情報が電気信号として入力されると、ＳＬＭ２を通過（又は反射）した光は、入力信号に応じた２次元の明暗パターンから成る信号光として変換され、光透過性のホログラム記録媒体４に照射される。ここで、図２においては、わかり易さのため、１次元方向のみ示されている。なおＳＬＭ２は大別して液晶素子などを用いた透過型と、マイクロミラーなどを用いた反射型（ＤＭＤ）とがあるが、本装置にはどちらも使用可能である。

ホログラム記録媒体４の背面には反射板３が配置され、ホログラム記録媒体４を透過した光が反射板３によりホログラム記録媒体４側に反射されてホログラム記録媒体４内で入射光と反射光が干渉を起こし、ホログラム記録媒体４内に干渉縞が記録される。反射板３の材質としては、記録光を反射するものであればよく、例えばＡｌ合金やＡｇ合金の薄膜を施したものや、誘電体を積層した、いわゆる誘電体ミラーを用いることができる。また、反射板３の配置位置として、ホログラム記録媒体４を透過した光の反射光がホログラム記録媒体４においてＳＬＭ２で変調された入射光が通過する領域の少なくとも一部分を再び通過することが必要であり、これによってホログラム記録媒体４内で入射光と反射光が干渉を起こし、ホログラム記録媒体４内に干渉縞が記録される。

以上が本発明のホログラフィック記録装置を構成するための必要最小限のパーツであるが、必要に応じて光源１の光をコリメートする。この場合、コリメータ（図２では凸レンズＬ１）をＬＤ１ａとＳＬＭ２との間に挿入する。また必要に応じて、集光器（図３では凸レンズＬ２）をＳＬＭ２と反射板３として用いられる回折格子との間に挿入する。集光器は、記録光束がホログラム記録媒体４の位置で所望のビーム径になるように集光させる機能を有するものであればよく、凸レンズ、フレネルレンズ、ホログラムレンズ、あるいは反射型の凹面鏡などを用いることができる。ただし、集光するビーム径が、集光前の明暗部分が分布した状態をホログラム記録媒体４の位置で保てる大きさになるように集光器を配置することが必要である。ビーム径を小さくし過ぎると、記録光束はフーリエ変換されてしまい、元の明暗の状態がくずれてしまうので好ましくない。

ビーム径をどこまで小さくできるかは、集光器Ｌ２に入射する直前の記録光における明暗パターンの最小幅ｄと、集光器Ｌ２の焦点位置からホログラム記録媒体４の記録層の一部までの距離ａとの関係で決まる。この関係を図３を用いて示すと、
ａ＞ｆ ・λ／ｄ …（１）
の関係を満たすような位置ａに、ホログラム記録媒体４の記録層の厚み方向に対してビームの一部がかかるように配置すればよい。ここで、ｆは集光器Ｌ２から焦点までの距離、λは記録光の波長である。
式（１）を書き直すと、
ｄ＞λ・／ａ …（２）
となり、これは記録光が回折される影響を少なくする条件も含んでいる。例えばｆ＝１００ｍｍ、λ＝５００ｎｍ、ｄ＝１０μｍとした場合、ａ＞５ｍｍとすればよい。なお、ａは焦点から集光器Ｌ２側と集光器Ｌ２の反対側の２ヶ所が存在するが、これはどちらであってもよい。

集光器はまた、多重記録を行う場合にも重要な役割を果たす。つまり集光器を用いることによって、ホログラム記録媒体４の位置での記録光束が非平行光となり、記録の多重化が可能となる。これが平行光であると多重記録が行えない。つまり、あるページデータを記録した後、スポット径以下の範囲で媒体位置をずらして次のページデータを記録する場合、平行光だと前ページと重なりあった部分が同じ干渉条件となってしまい、再生時にページの分離ができなくなる。これが非平行光であると重なりあった部分の干渉条件が異なるため、それぞれ個別の干渉縞が形成され、再生時に分離が可能になる。さらに、ホログラム記録媒体４の面と入射光の軸との角度を、図２に示すように斜めに配置すると、再生時に入射光と反射光を分離し易くなり都合がよい。

またホログラフィック記録装置内の光路を調整する目的で適宜、レンズ、ミラー類を、また、光をオン、オフする目的でシャッタを挿入してもよい。また、上述した内容は記録に必要な構成を示してあるが、再生するための必要な要素、例えばＣＣＤアレイやＣ−ＭＯＳセンサといったイメージセンサを備えた記録、再生両方の機能を備えたものでもよい。

また本発明のホログラフィック記録装置を使った記録再生に用いられるホログラム記録媒体４は、同一波長の光を２方向から照射して干渉させると、干渉縞として記録可能な材料が少なくとも設けられたものである。具体的な材料として、フォトポリマー系、フォトリフラクティブ結晶系、カルコゲナイトガラス系などの材料がある。干渉縞の種類として、明暗の分布から成る振幅変調型、屈折率の変化から成る位相変調型がある。

次に、本装置を用いてホログラム記録媒体４に記録する手順の例を、図２及び図４に基づいて説明する。
ステップＳ１：ホログラム記録媒体４と記録光のビームとの相対位置を記録すべき所定の位置に移動させる。移動させる手段は、ホログラム記録媒体４をＸＹステージ上に装着して所定の（ｘ，ｙ）座標に移動させる方法や、ホログラム記録媒体４をモータと同軸の回転部分に装着して回転させる方法や、記録光のビームをホログラム記録媒体４の所定の場所に移動させる方法、及びこれらを組み合わせて移動させる方法を用いる。
ステップＳ２：ＳＬＭ２に記録すべき１ページ分の電気信号を入力する。なお、ステッブＳ１とステップＳ２は同時、あるいは順序が逆であっても構わない。

ステップＳ３：ＬＤ１ａから発射した散乱光を凸レンズＬ１に入射させてコリメートし、ＳＬＭ２に入射させ、凸レンズＬ２を通して、ホログラム記録媒体４に照射させる。照射させる時間は、ホログラム記録媒体４の感度、ダイナミックレンジ、記録光のパワー、記録の多重度を考慮して定める。ステップＳ３によって、ＳＬＭ２からの出力光は、記録信号に応じて明るい部分と暗い部分とが分布した（例えば明るい部分が“１”、暗い部分が“０”）記録光束に変換され、凸レンズＬ２を通して、ホログラム記録媒体４に達する。

ホログラム記録媒体４を透過した記録光が反射板３により反射され、再びホログラム記録媒体４に達する。そして図４に示すように、ホログラム記録媒体４の内部には、“１”の部分にのみ、入射光と反射光による干渉光が照射され、干渉縞としてホログラム記録媒体４に記録される。ここで、図４では分かり易くするために、１方向の明暗（“１”と“０”）しか示されていないが、実際には２次元の明暗パターンである。このとき、“０”の部分には全く光が照射されないので、従来のホログラフィック記録のように参照光によって媒体が感光してしまう危険性がなく、前述したように再生時におけるＳ／Ｎを高く、また記録多重度も多くすることができ、記録容量を増大することができる。

以上、ステップＳ１からＳ３をページごとに繰り返してホログラム記録媒体４に記録していく。このとき集光器の作用によってホログラム記録媒体４の位置での記録光束が非平行光であれば、ステップＳ１において次の記録位置に移動する場合、段落（００２１）で述べた理由によって記録スポットをオーバーラップさせることが可能である。これによって多重記録が可能となる。

次に、上記の手順で記録した信号を再生する手順の例を図５を参照して説明する。
ステップＳ１１：ホログラム記録媒体４と再生光のビームとの相対位置を、記録したときと同じ位置に移動させる。移動させる手段は、ホログラム記録媒体４をＸＹステージ上に装着し、所定の（ｘ，ｙ）座標に移動させる方法や、ホログラム記録媒体４をモータと同軸の回転部分に装着して回転させる方法や、記録光のビームをホログラム記録媒体４の所定の場所に移動させる方法、及びこれらを組み合わせて移動させる方法を用いる。

ステップＳ１２：ＬＤ１ａから発射した散乱光を、記録したときと同じ条件でホログラム記録媒体４に照射させる。ただしこのとき、記録過程で使用したＳＬＭ２は使用せず、挿入しない。また明瞭な再生パターンを得るために反射板３も取り去った方が好ましい。照射させる光のパワーは、再生に都合がよい値に設定することができる。図５に示すようにホログラム記録媒体４にはすでに、記録光に応じた干渉縞が形成されているので、本ステップＳ１２によってホログラム記録媒体４を通過した光は、干渉縞が形成された部分でのみ回折光が発生する。つまりここで得られた回折光は、記録過程における記録光と同じパターンとして再生された光である。これをＣＣＤやＣ−ＭＯＳセンサといったイメージセンサで検出することによって、記録信号と同じ電気信号として再生される。
以上、ステップＳ１１、Ｓ１２をページごとに繰り返して、記録された信号を再生していく。

本発明に係るホログラフィック記録装置の基本構成図である。 本発明に係るホログラフィック記録装置の一実施の形態の模式図である。 図２における集光器とホログラム記録媒体の位置関係を示す説明図である。 本発明に係るホログラム記録媒体の記録過程を示す説明図である。 本発明に係るホログラム記録媒体の再生過程を示す説明図である。 従来のホログラフィック記録装置を示す構成図である。

符号の説明

１ 光源
１ａ ＬＤ（レーザダイオード）
２ 空間光変調器（ＳＬＭ）
３ 反射板
４ ホログラム記録媒体
Ｌ１ 凸レンズ（コリメータ）
Ｌ２ 凸レンズ（集光器）

Claims (2)

1. 光源と、
   前記光源から出射される光を記録信号に応じて明暗パターンの記録光束に変調して光透過性のホログラム記録媒体に照射する空間光変調器と、
   前記ホログラム記録媒体の背面側に配置され、前記ホログラム記録媒体を透過した前記記録光束の明るい部分を前記ホログラム記録媒体側に反射させて前記ホログラム記録媒体内で前記記録光束の入射光と前記反射による反射光との干渉縞を発生させて前記ホログラム記録媒体に記録する反射部材とを、
   有するホログラフィック記録装置。
2. 光透過性のホログラム記録媒体と記録光束との相対位置を記録すべき所定の位置に移動する第１のステップと、
   前記ホログラム記録媒体に記録すべき１ページ分の電気信号を空間光変調器に入力して前記空間光変調器により光源光を前記電気信号に応じて明暗パターンの記録光束に変調してホログラム記録媒体に照射するとともに、前記ホログラム記録媒体の背面側に配置された反射部材により前記ホログラム記録媒体を透過した前記記録光束の明るい部分を前記ホログラム記録媒体側に反射させて前記ホログラム記録媒体内で前記記録光束の入射光と前記反射による反射光との干渉縞を発生させて前記ホログラム記録媒体に記録する第２のステップと、
   前記第１及び第２のステップを前記ホログラム記録媒体に記録すべきページごとに繰り返す第３のステップとを、
   有するホログラフィック記録方法。
   

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