JP2006196044A - ホログラム記録再生装置およびその再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】１次元受光素子と１次元光変調素子との位置合せ精度の要求を緩和できるとともに、プリアンブルを用いず良好にクロックを再生することのできるホログラム記録再生装置を提供する。
【解決手段】受光素子数を光変調素子数より大としオーバーサンプリングする。読み取り信号のゼロクロスタイミングを抽出して、それらに良く合致するクロック信号を周波数解析により求める。そのタイミングで読み取り信号をサンプルする。プリアンブルとピクセルマッチングが不要になる。よって、１次元受光素子と１次元光変調素子との位置合せ精度の要求を緩和できるとともに、プリアンブルを用いず良好にクロックを再生することができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ホログラムを用いて記録および再生を行うホログラム記録再生装置およびその再生方法に関する。

ホログラム記録装置は、レーザ光源からのレーザ光を２つの光路に分割し、一方の分割レーザ光を記録情報に応じて光変調器によって変調して信号光とし、他方の分割レーザ光を参照光として、それぞれホログラム記録媒体で重ね合わせ、両レーザ光の干渉によってホログラム記録媒体に、屈折率変化による干渉縞を形成することによって情報を記録する。

このようなホログラム記録には、たとえば１０８８個の光変調画素（エレメント）が１次元的に配列された１次元光変調素子、たとえばＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）のようなＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：空間光変調器）が用いられる。ＧＬＶの各エレメントは、設定されたデータが"１"か"０"かによって反射率が変化する。このことを利用して、信号光を空間的に変調することができる。すなわち、設定した"１"，"０"のビット配列に対応して、光の明暗の配列を信号光に付与することができる。この信号光が、他方からやってくる参照光とともにホログラム記録媒体の略同一箇所に集光すると、両方の光が干渉して、ホログラム記録媒体に屈折率変化による干渉縞が形成されて情報が記録される。したがって、ＧＬＶに、記録したい情報に対応したデータを設定することで、それに応じた干渉縞が、ホログラム記録媒体上に記録される。
ホログラム記録媒体から情報を再生する時は、参照光のみをホログラム記録時と同じ入射角でホログラム記録媒体に照射する。これにより、ホログラム記録媒体に形成された干渉縞によって元の信号光に対応する回折光による再生光が得られ、これをたとえばＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）などの１次元受光素子で検出することでＧＬＶの明暗の配列が再現される。そして、この１次元受光素子の出力信号のレベルを基準レベルと比較して"１"か"０"かを判定することによって記録データが再構成される（たとえば特許文献１参照）。
特開２００４−２１９６７２号公報

しかしながら、上記のような構成を有するホログラム記録再生装置では、１次元受光素子の各画素と１次元光変調素子の各エレメントとをどのように対応させるかが問題である。最も一般的な方法として、１次元光変調素子のエレメントと同数の画素を有する１次元受光素子を用いて、１次元受光素子の画素と１次元光変調素子のエレメントとを１対１に対応させる方法（ピクセルマッチング）が考えられる。

しかし、この場合、１次元受光素子と１次元光変調素子との位置関係を精密に合致させるための調整機構が必要になり、さらに、このような調整機構は以下の種々の変動要因を吸収できる必要がある。
・他の装置で記録されたメディアと自装置で記録されたメディアとでは、再生像の位置・傾き方・サイズが異なることがある（メディア互換性）。
・自装置で記録されたメディアを再生する場合でも、温度変動によるメディアの収縮膨張により、再生像の位置・傾き方・サイズが変化する（メディアの温度特性）。
・光学系も含めてメカ機構が温度変動により伸縮し、再生像の位置・傾き方・サイズが変化する（装置の温度特性）。

このような変動要因を吸収可能な調整機構の実現は困難と言わざるを得ない。そこで、１次元受光素子として、１次元光変調素子のエレメントの数の数倍（必ずしも整数倍ではない。）の画素を有するものを用いる方法が検討されている。すなわち、１次元光変調素子のひとつのエレメントの光量を１次元受光素子の一連の画素配列の出力信号から補間処理により求めるという方法である。この方法によれば、１次元受光素子と１次元光変調素子との位置合せ精度の要求が、かなりの程度軽減されることが期待される。すなわち、再生像の横方向の位置・傾き・サイズの変動があっても、その変動分を信号処理で補うことが可能となるので、メカおよび光学系の調整機構を省略もしくは簡略化できる。

しかしながら、上記の変動分を補い得る信号処理の具体的な方法については、未だ確立化されるに到っていない。最大の問題は、１次元受光素子の出力信号の系列から、１次元光変調素子の個々のエレメントの信号がどのタイミングで出現しているかを決定することである。個々のエレメントの信号に対応する１次元受光素子の出力信号系列が分からなければ、当然ながら、１次元受光素子の出力信号系列からデータを再生できない。この問題は、換言すれば、１次元受光素子の出力信号系列から、１次元光変調素子の個々のエレメントの出現タイミングに同期したクロック信号をいかに抽出するかという問題である。

従来、受信された信号からシンボルタイミングに同期したクロック信号を再生する方法としてＰＬＬが用いられてきた。この場合、入力信号の前にプリアンブルを配置しておく必要がある。プリアンブルには、通常、周波数が高めでかつＳＮのよい単純な繰り返し信号が用いられる。なぜなら、ＰＬＬは、プリアンブルによって迅速に位相同期を"確立"させ、その後、本来の情報を担う信号との同期を"維持"させる、という動作を行うためである。ところが、プリアンブルには情報を載せることができないため、メディアごとの記録容量（または符号化効率）が低下するという問題がある。

また、通常のＰＬＬ回路は、時間軸について連続なタイミングパルス信号を入力し、このタイミングパルス信号とＶＣＯとの位相ずれをフィードバックして位相同期を達成するが、その変形として、固定クロックで入力信号をサンプルし、サンプルした標本値の系列から仮判定しつつ位相情報を算出してクロックを再生する、という方法がある。この方法では、本来サンプルしたいタイミングは固定クロックとほとんどいつも一致しないから、信号値は標本値の系列から補間によって求められる。この方法は、クロック発振器の機能や補間器をデジタル化することができ、ＡＤ変換は固定クロックで行われるので、デジタル化になじむ方法である（たとえば非特許文献２参照）。しかし、この方法でも、位相同期確立のためのプリアンブルがやはり必要である。
電子情報通信学会論文誌 Ｖｏｌ．Ｊ７５−Ｃ−ＩＩ Ｎｏ．１１ ｐｐ６４３−６５２ １９９２年１１月

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、１次元受光素子と１次元光変調素子との位置合せ精度の要求を緩和できるとともに、プリアンブルを用いず良好にクロックを再生することのできるホログラム記録再生装置およびその再生方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明に係るホログラム記録再生装置は、信号光を変調する１次元光変調素子と、記録時は１次元光変調素子で変調された信号光および参照光をホログラム記録媒体の略同一箇所に集光し、再生時は参照光をホログラム記録媒体に集光する光学系と、ホログラム記録媒体からの再生光を検出する１次元受光素子と、１次元受光素子からの出力信号の極性が変化する位置に対応するタイミングパルス信号を生成するタイミングパルス生成手段と、タイミングパルス生成手段により生成されたタイミングパルス信号に対して周波数解析を行い解析結果に基づいて１次元光変調素子に同期したクロック信号を抽出するクロック抽出手段と、クロック抽出手段により抽出されたクロック信号に基づいて１次元受光素子からの出力信号をサンプルするサンプル手段とを具備することを特徴とするものである。

この発明によれば、１次元受光素子と１次元光変調素子との位置合せ精度の要求を緩和できるとともに、プリアンブルを用いず良好にクロックを再生することができる。

また、本発明において、タイミングパルス生成手段は、より具体的には、１次元受光素子からの出力信号に対する全波整流によってタイミングパルス信号を生成するものであってよい。あるいは、１次元受光素子からの出力信号に対する二乗演算によってもタイミングパルス信号を生成することが可能である。

さらには、タイミングパルス生成手段は、１次元受光素子からの出力信号のサンプル値系列において、ポジティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列とネガティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列を残してその他を０とし、ポジティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列と、ネガティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列の極性を反転したものとを合成してタイミングパルス信号を生成するものであってもかまわない。

また、本発明において、クロック抽出手段の周波数解析には、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いることが可能である。あるいは、周波数範囲を限定したＤＦＴ（離散フーリエ変換）であってもよい。

また、本発明において、クロック抽出手段は、周波数解析結果から振幅強度が最大となる１つの周波数成分をクロック信号成分として抽出するものとしてもよい。あるいは、周波数解析結果から振幅強度が最大となる１つの周波数成分およびその両側の側波帯成分とをクロック信号成分として抽出するようにしてもよい。このように、複数の周波数成分を抽出し、これらを総合してクロック信号を再生することで、光学系に起因する像のひずみなどのジッタによる影響を緩和することができる。

さらに、本発明において、サンプル手段は、クロック抽出手段により抽出されたクロック信号の周波数と位相に基づいて、１次元受光素子の出力信号をサンプルするタイミングを求めるものとしてもよい。この構成は、上記のジッタの量が少ない場合に特に好適である。

また、サンプル手段は、クロック抽出手段により抽出された複数の周波数のクロック信号に対してＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）もしくはＩＤＦＴ（逆離散フーリエ変換）を行ってクロック信号波形を再構成する手段と、再構成されたクロック信号波形のポジティブもしくはネガティブのゼロクロスタイミングをサンプリングタイミングとして検出する手段とを有するものとしてもよい。

さらに、サンプル手段は、検出したサンプリングタイミングでの１次元受光素子の出力信号の値を補間により求めるようにしてもよい。これにより、特にサンプルレートが低い場合での高いサンプル精度が得られる。

以上のように、本発明によれば、１次元受光素子と１次元光変調素子との位置合せ精度の要求を緩和できるとともに、プリアンブルを用いず良好にクロックを再生することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の第１の実施形態にかかる角度多重方式のホログラム記録再生装置の構成を示す図である。

同図に示すように、この角度多重方式のホログラム記録再生装置は、ホログラム記録媒体２０への情報の記録、再生を行うものである。

このホログラム記録再生装置の光学ユニット１００は、記録再生用光源２１，コリメートレンズ２２，アイソレータ２３，半波長板２４，メカニカルシャッター２５，偏光ビームスプリッタ２６，半波長板２７，１／４波長板２７´，偏光ビームスプリッタ２８，１／２波長板２９，偏光ビームスプリッタ３０，１／４波長板３１，リレーレンズ３２，ピンホール３３，ダイクロイックミラー３４，対物レンズ３５，サーボ用駆動ユニット３６，参照光用の１／４波長板３７，参照光用のピンホール３８，ガルバノミラー３９，１次元光変調素子４０，倍率調整用レンズ４１，ＣＣＤなどの１次元受光素子４２，サーボ用光源４３，コリメートレンズ４４、グレーティング４５，ビームスプリッタ４６，集光用レンズ４７，シリンドリカルレンズ４８，サーボ用の受光素子４９を有する。

ホログラム記録媒体２０は、保護層５０，記録層５１，グルーブ５２，反射層５３を有し、信号光と参照光による干渉縞を記録する記録媒体である。ここで、保護層５０は、記録層５１を外界から保護するための層である。記録層５１は、干渉縞を屈折率（あるいは透過率）の変化として記録するものであり、光の強度に応じて屈折率（あるいは透過率）の変化が行われる材料であれば、有機材料、無機材料の別を問うことなく利用可能である。無機材料として、たとえば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のような電気光学効果によって露光量に応じ屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を用いることができる。有機材料として、たとえば、光重合型フォトポリマを用いることができる。光重合型フォトポリマは、その初期状態では、モノマがマトリクスポリマに均一に分散している。これに光が照射されると、露光部でモノマが重合する。なお、ポリマ化するにつれて周囲からモノマが移動してモノマの濃度が場所によって変化する。以上のように、記録層５１の屈折率（あるいは透過率）が露光量に応じて変化することで、参照光と信号光との干渉によって生じる干渉縞を屈折率（あるいは透過率）の変化としてホログラム記録媒体２０に記録できる。

ホログラム記録媒体２０は、図示しないスピンドルモータで回転される。ホログラム記録媒体２０が回転することから、ホログラム記録媒体２０上への記録・再生は移動方向に形成されたトラックに沿って行われる。

グルーブ５２は、ホログラム記録媒体２０へのトラッキング、フォーカス等のサーボ制御を行うために設けられる。即ち、ホログラム記録媒体２０のトラックに沿ってグルーブ５２が形成され、信号光の集光位置、集光深さをグルーブ５２と対応するように制御することで、トラッキングサーボ、およびフォーカスサーボが行われる。

次に、この角度多重方式のホログラム記録装置の基本的な動作を説明する。

光学ユニット１００において、記録再生用光源２１は、レーザ光源であり、たとえば、波長４０５［ｎｍ］のレーザダイオード（ＬＤ）を用いた外部共振器レーザーや波長５３２［ｎｍ］のＮｄ−ＹＡＧレーザーを用いることができる。

この記録再生用光源２１から照射された光線は、コリーメートレンズ２２によって平行光になり、戻り光を防ぐためにアイソレータ２３を通す。その後、半波長板２４によってｐ偏光とｓ偏光の割合が調節され、偏光ビームスプリッタ２６によってｐ波の信号光ライン６１とｓ波の参照光ライン６２とに分割される。

信号光は半波長板２７によって強度が調節され、偏光ビームスプリッタ２８を通じてｐ偏光成分のみが１次元光変調素子４０に入射される。１次元光変調素子４０は、信号光を空間的に（ここでは、１次元的に）変調して、データを重畳する光学素子である。１次元光変調素子４０は、たとえば、１０８８個の光変調画素（エレメント）を１次元的に配列して構成されたＧＬＶ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅ）などが用いられる。

１次元光変調素子４０によって変調された光は、１／４波長板２７´により偏光が９０°回転するために偏光ビームスプリッタ２８によって反射する。偏光ビームスプリッタ２８を反射した光は、１／２波長板２９によって再びｐ偏光に戻され、偏光ビームスプリッタ３０を透過し、１／４波長板３１によって円偏光となって、リレーレンズ３２を伝播される。このときピンホール３３により、液晶からの高次の回折光がカットされる。

続いて、信号光はダイクロイックミラー３４を通過する。ダイクロイックミラー３４は、記録再生用の光とサーボに用いる光とを同一の光路にするための光学素子である。ダイクロイックミラー３４の表面には、記録再生用光源２１とサーボ用光源４３とでレーザ光の波長が異なることに対応して、記録再生用光源２１からの光を透過し、サーボ用光源４３からの光を反射するような薄膜処理がなされている。

ダイクロイックミラー３４を通過した光は、対物レンズ３５によって集光されてホログラム記録媒体２０に入射する。

一方、偏光ビームスプリッタ２６によって分離された参照光は、１／４波長板３７によって円偏光に戻され、ピンホール３８によってビーム径を調節され、ガルバノミラー３９によって角度が変調されて、信号光と干渉するようにホログラム記録媒体２０の同一個所に入射される。その結果、ホログラム記録媒体２０上に干渉縞が形成される。この際、１次元光変調素子４０によって空間変調された情報がホログラム記録媒体２０上にホログラムとして記録される。

ここで、角度多重を行う場合には、ガルバノミラー３９の角度を変えることによってホログラム記録媒体２０への入射角度が変わり、入射平面角の制御と、角度多重記録を行うことが可能となる。

また、半波長板２４と偏光ビームスプリッタ２６との間には記録時のビームの開閉を行うメカニカルシャッター２５が配置されており、このメカニカルシャッター２５の開閉により記録時間が可変できる。

再生時には信号光を遮断し、参照光のみをホログラム記録媒体２０に入射させる。このとき、参照光の入射角度を記録時と同じにすることにより、同様の角度で参照光が入射されたときにホログラム記録媒体２０に記録された信号が再生される。

ホログラム記録媒体２０に参照光が入射すると、ホログラム記録媒体２０に記録されたホログラムから回折光（再生光）が発生する。再生光は信号光と逆の光路をたどり、対物レンズ３５を通り、ダイクロイックミラー３４を透過してリレーレンズ３２を通る。リレーレンズ３２を通る途中でピンホール３３によってノイズがカットされる。その後、再生光は１／４波長板３１によってｓ偏光になり、偏光ビームスプリッタ３０で反射されて、倍率調整用レンズ４１にて倍率が調整され、１次元受光素子４２で、１次元光変調素子４０での空間的な１次元データに対応する電気信号に変換される。１次元受光素子４２からの出力は、図示しない信号処理部によって２値化され、時系列２値化データに変換される。この際、信号処理部は、１次元受光素子４２の出力信号からクロック信号を生成し、このクロック信号を用いてデータを復号する。

また、サーボ用光源４３は、トラッキングサーボ、フォーカスサーボ等のサーボ制御を行うための光源であり、記録再生用光源２１とは波長の異なるレーザ光を出射する。サーボ用光源４３は、たとえば、レーザーダイオードであり、発振波長としてホログラム記録媒体２０に対して感度が小さい、たとえば、６５０ｎｍが使用される。

サーボ用光源４３より照射されたサーボ用の光は、コリメートレンズ４４によって平行光に変換され、グレーティング４５にて３つのビームに分割される。グレーティング４５から出射されたレーザ光は、ビームスプリッタ４６を透過してダイクロイックミラー３４に達し、ダイクロイックミラー３４にて記録再生用の光と同一の光路に乗せられ、対物レンズ３５によりホログラム記録媒体２０に入射される。

ホログラム記録媒体２０から反射したサーボ光は、対物レンズ３５を通してダイクロイックミラー３４に戻り、ここで反射されてビームスプリッタ４６に戻る。戻りサーボ光はビームスプリッタ４６で反射されて集光用レンズ４７に入射し、ここで集光された後、シリンドリカルレンズ４８にてビーム形状が円形から楕円形に変換されて受光素子４９にて受光される。受光素子４９からは、戻り光に対してトラッキングサーボ制御のためのトラッキングエラー信号、フォーカスサーボ制御のためのフォーカスエラー信号などが出力される。

サーボ駆動ユニット３６は、受光素子４９からのトラッキングエラー信号およびフォーカスエラー信号により対物レンズ３５を２軸方向に駆動することによって、トラッキング制御およびフォーカス制御を行うための駆動機構であり、各々の軸方向に対物レンズ３５を駆動するためのコイル３６Ａ，３６Ｂを有する。

次に、このホログラム記録再生装置の信号処理部について詳述する。

図２はこの処理処理部の構成を示す図である。

同図に示すように、信号処理部は、ＬＰＦ（Ｌｏｗ Ｐａｓｓ Ｆｉｌｔｅｒ）１、ＡＧＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｇａｉｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）部２、タイミングパルス生成部３、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）部４、クロック成分選択部５、ＩＦＦＴ（逆高速フーリエ変換）部６、符号反転部７、立ち上がりタイミング検出部８、補間によるサンプル部９、適応等化部１０、シンク検出・最尤復号／単純２値化・記録符号復号部１１、デインターリーブ部１２、エラー訂正部１３とを備えている。

この信号処理部では、１次元受光素子４２の出力信号からクロック信号を生成し、このクロック信号を用いてデータの復号が行われる。以下にその処理について説明する。

１次元受光素子４２は、１次元光変調素子４０の１０８８個のＧＬＶエレメントからの信号を受信して５０００ピクセル分の標本値を出力する。１次元受光素子４２の出力信号はＬＰＦ１により高域のノイズ成分が除去された後、ＡＧＣ部２によって振幅が一定に揃えられる。

次に、このＡＧＣ部２の出力波形に対して、タイミングパルス生成部３で以下のようなタイミングパルスのサンプル値系列の抽出が行われる。

図３にタイミングパルス・サンプル値系列の抽出の様子を示す。

ここで図３（Ａ）は１次元受光素子４２の出力であるＲＦ信号である。このＲＦ信号から、図３（Ｂ）に示すようなポジティブのゼロクロス・サンプル値と図３（Ｃ）に示すようなネガティブのゼロクロス・サンプル値をそれぞれ取り出し、ネガティブのゼロクロス・サンプル値を反転させて両者を足し合わせし、図３（Ｄ）に示すようなタイミングパルス・サンプル値系列を得る。

ゼロクロス部分の波形の抽出は次のように行われる。図４にポジティブのゼロクロス波形の選択処理の例を示す。

ＲＦ信号のエンベロープ波形の振幅値に基づいて以下の２つのしきい値（ＴｈＨ，ＴｈＬ）を求めておく。

ＴｈＨ＝（振幅ｐｐ）の正側２５％のレベル（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｈｉｇｈ）

ＴｈＬ＝（振幅ｐｐ）の負側２５％のレベル（Ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ Ｌｏｗ）

なお、ＲＦ信号にアシンメトリがあって、たとえばＬｏｗ側に寄っているときにはＴｈＨをやや低めに設定して良好なタイミングパルス・サンプル値系列を得るようにするなどしてもよい。

ＲＦ信号のエンベロープ波形から、連続する３点の標本値の並びが、ＴｈＬより小、ＴｈＬ以上かつＴｈＨ以下、ＴｈＨより大という条件をそれぞれ満足する部分をポジティブのゼロクロス波形として判定する。ネガティブのゼロクロス波形を選択する場合は逆に、連続する３点の標本値の並びが、ＴｈＨより大、ＴｈＬ以上かつＴｈＨ以下、ＴｈＬより小という条件をそれぞれ満足する部分とする。

また、図５に示すように、連続する２点の標本値を対象としてもよい。この場合、連続する２点の標本値の並びがＴｈＬより小、ＴｈＨより大という条件を満足する部分、およびはじめの点の標本値がＴｈＬ、終わりの点の標本値がＴｈＨである部分をポジティブのゼロクロス波形として判定する。ネガティブのゼロクロス波形を選択する場合は逆に、連続する２点の標本値の並びが、ＴｈＨより大、ＴｈＬより小という条件を満足する部分、およびはじめの点の標本値がＴｈＨ、終わりの点の標本値がＴｈＬである部分とする。

次に、ＦＦＴ部４にて、タイミングパルス・サンプル値系列に対してＦＦＴ（高速フーリエ変換、Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行うことでクロック信号を求める。図６は１次元受光素子４２より出力された４０９６ポイントの標本値による出力波形に対してＦＦＴを行った結果を示している。同図に示されるように、周波数＝１１２６に鋭いピークが立っており、これがクロック信号の成分であることが分かる。

次に、クロック成分選択部５にて、信号強度のピーク値を基準として一定の条件を満足する周波数を選択する。たとえば、ピークの立っている周波数の両側近傍で、強度がピーク値の２５％以上の周波数の一群を選択する。図７は図６のＦＦＴ結果の時間軸を拡大した図である。この例では、周波数が１１２４，１１２５，１１２６，１１２７，１１２８，１１２９，１１３０の周波数群が選択結果として得られる。

次に、ＩＦＦＴ部６にて、選択されたクロック信号の周波数成分に対してＩＦＦＴ（逆フーリエ変換、Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｆａｓｔ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を行う。これによりクロック信号成分が時間軸上に正弦波として再現される。さらに、再現された正弦波にＡＧＣをかけることで振幅変動を減少させ、再生クロックとする。

なお、符号に関して注意する必要がある。符号の調整を何もしない場合には、クロック信号の立下がりのタイミングが、理想的なサンプリングタイミングとなる。本実施形態では、ＩＦＦＴの後、符号反転部７にてクロック信号の符号を反転することにより、クロック信号の立ち上がりタイミングが理想的なサンプリングタイミングになるようにしている。

図８にＡＧＣ後の再生クロックを示す。ここで横軸の１Ｄｉｖ（１目盛り）が１次元受光素子４２の１データ出力タイミングである。サンプリングレートが低いため、クロック波形がギザギザであるが、補間してより高いレートでサンプリングすれば、図９に示すような正弦波となる。ここで、再生クロック信号の立ち上りタイミングが１次元光変調素子４０のエレメントの中心に一致している。

ところで、ＩＦＦＴ後の実際のクロック波形は、図１０に示すように、ＦＦＴ期間の先端部と後端部の振幅が減少する。そこで、このクロック信号に対してＡＧＣをかけることで振幅を一定にすることが行われる。

次に、再生されたクロックでＲＦ信号をサンプルする。この場合、まず立ち上がりタイミング検出部８にてクロック信号（正弦波）の立ち上がりのゼロクロスタイミングを求める。そして図１１に示すように、補間によるサンプル部９にて、ゼロクロスタイミングでのＲＦ信号を補間により求め、その結果をサンプリング値とする。

なお、図１１では、直線補間した曲線が描かれているが、実際は、１６倍オーバーサンプリングして、ゼロクロスタイミングを求め、ＲＦ信号も１６倍オーバーサンプリングして、補間された信号値を求める。

クロック信号の立ち上がりゼロクロスタイミングを求める方法には、次のようなものが考えられる。
（ａ）ゼロレベルを遷移する２点を直線と考え、ｙ＝０となるタイミングを計算する方法。
（ｂ）３点以上の数点を採り、オーバーサンプリングして、ゼロクロスタイミングをより正確に求める方法。
（ｂ）の方法の場合、すべてのオーバーサンプリングポイントで信号値を計算する方法はなく、２分法により逐次近似し、数回の繰り返しで十分な精度のゼロクロスタイミングを求めることができる。たとえば、４回の補間演算で、１分割区間を２^４＝１６分割した精度で求まる。また、１６分割に限定することにより、オーバーサンプリングするための補間フィルタの係数セットも１６種類に限定でき、あらかじめ計算しておくことができる。

また、ＲＦ信号の補間方法についても、いくつか考えられる。
（ア）最近傍の１次元受光素子４２の出力値を、求める信号値とする（０次補間）。
（イ）隣接する２点の１次元受光素子４２出力値を線形補間する（１次補間）。
（ウ）３点以上の数点を採り、オーバーサンプリングする。

（ウ）の方法の場合、前記（ｂ）の方法と組み合わせると都合がよい。すなわち、１分割区間を１６分割しておき、その精度で、立ち上りゼロクロスタイミングを求める（（ｂ）で２分法で逐次近似する方法）。そして、本来のＲＦ信号の信号値をオーバーサンプリングして求める。オーバーサンプリングフィルタの係数のセットは、１６種類に限定できるので、あらかじめ計算しておくことができる。

さらに、（ｂ）と（ウ）の方法を組み合わせることで、演算量においても精度においても実際的な条件を満足しつつ、ゼロクロスタイミングを求めて補間フィルタでオーバーサンプリングするという処理を行うことができる。

さらに、別の方法どうしを組み合わせてもよい。

以上より、１次元光変調素子４０のエレメントに対応する最適なタイミングでデータをサンプルすることができる。その結果を図１２に示す。このように、１０８８個のエレメントに書き込んだ信号が、それを非同期でオーバーサンプルした１次元受光素子４２の出力信号（４０９６ピクセル）から抽出できたことになる。

この後は、シンク検出、ビタビ復号もしくは単純２値化、エラー訂正、などの基本的な復号手順を実施して復号データが得られる。あるいは、より高度な信号処理も種々工夫して実施してもよい。

以上本実施形態によれば、１次元受光素子と１次元光変調素子との位置合せ精度の要求を緩和できるとともに、プリアンブルを用いず良好にクロックを再生することのできるホログラム記録再生装置を提供することができる。

また、クロック抽出を良好に行うことができ、低ＳＮＲにおいても、クロック再生ができ、エラーレートの悪化を少なくすることができる。さらに、プリアンブルが不要となることで、実効的な記録密度の向上、もしくは、記録容量の増大を図れる。

次に、他の実施形態を説明する。

（第２の実施形態）

タイミングパルス・サンプル値系列を抽出する方法には、上記の実施形態の方法に限らず、全波整流 （絶対値処理）、２乗演算などによる方法もある。

図１３に全波整流によるタイミングパルス生成の例を示す。１次元受光素子４２（ＣＣＤ）の出力に対して全波整流を行うことで、下向きにとがった部分がタイミング情報を担うタイミングパルス信号が得られる。２乗演算した場合も同様の波形となる。

（第３の実施形態）

上記の最初の実施形態では、周波数解析結果からクロック信号成分を抽出する方法として、ピークの立っている周波数とともにその両側近傍の成分の一群を選択するものとしたが、図１４に示すように、振幅強度が最大となる周波数成分１つをクロック信号成分として選択するようにしてもよい。

図１５は、この実施形態の信号処理部の構成を示す図である。

同図に示すように、この信号処理部は、ＬＰＦ１、ＡＧＣ部２、タイミングパルス生成部３、ＦＦＴ部４、１つのクロック成分選択部１４、周波数と位相からのサンプリングタイミング計算部１５、補間によるサンプル部９、適応等化部１０、シンク検出・最尤復号／単純２値化・記録符号復号部１１、デインターリーブ部１２、エラー訂正部１３とを備えている。

この場合には、クロック信号の立ち上り（もしくは立ち下り）のゼロクロスタイミングを求めるときに、ＩＦＦＴをしてクロック波形を再生する必要はない。その代わりに次のような演算によってサンプリングタイミングが求められる。

Ｔｎ＝ｎ＊Ｔｃｌｋ＋θ₀ ；ｎ＝０，１，２，…

ここで、Ｔｃｌｋはクロック信号として選択された単一の周波数の周期、θ₀は位相である。

これにより単純な計算のみで、一連のサンプリングタイミングを求めることができる。 この実施形態の方法においては、クロック信号として、複数の周波数成分の和ではなく単一の正弦波を抽出するので、ジッタのないクロック信号を抽出することになる。たとえば光学系に起因する像のひずみなどのジッタの量がわずかであれば、この方法が好適である。

（第４の実施形態）

最初の実施形態では、周波数解析として、ＦＦＴを用いる場合を説明したが、ＦＦＴに限らずＤＦＴ（離散フーリエ変換、Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）でもよい。

ＦＦＴは、ＤＦＴを高速に演算するための手法であり、演算量のオーダーは、次の通りである。

ＦＦＴ 〜 Ｎ＊ｌｏｇ₂ Ｎ

ＤＦＴ 〜 Ｎ²
ここで、Ｎは対象とするデータポイント数。

ところで、ＦＦＴを実行すると、周波数が０からＮまでのすべての周波数（Ｎ／２〜（Ｎ−１）は負の周波数を意味する。）について計算される。本発明においては、すべての周波数が必要なわけではなく、クロック周波数が存在するはずの狭い範囲についてのみ周波数解析できればよい。したがって、ＤＦＴを行ったとしても、上記の演算量は、システム設計の状況に依存するが、かなりの程度、軽減できる場合がある。

たとえば、Ｎ＝４０９６のとき、

ＦＦＴ 〜 Ｎ＊ｌｏｇ₂Ｎ＝４０９６＊１２
となる。

一方、ＤＦＴは、周波数１つについて、演算量はＮ必要である。したがって、システム設計上、想定されるクロック周波数の範囲が１２の範囲に入るのであれば、ＤＦＴを行っても、演算量においてデメリットはない。例として、設計値として、クロック周波数の中心値が１１２６であって、実動作時に±０．５％の変動が生じるようなシステムにおいては、ＤＦＴで行っても演算量は同じである。さらに変動が小であるならば、ＤＦＴを実行するほうが、演算量が減少して有利になる。

同様の考えで、複数のクロック周波数成分からＩＦＦＴして時間軸でのクロック信号を得る処理においても、ＩＦＦＴをする必要はなく、数個の周波数成分であればＩＤＦＴ（逆離散フーリエ変換、Ｉｎｖｅｒｓｅ Ｄｉｓｃｒｅｔｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）する方が、演算量が少ない場合があるから、そのときはＩＤＦＴを実施してもよい。

本発明の第１の実施形態にかかる角度多重方式のホログラム記録再生装置の構成を示す図である。 図１のホログラム記録再生装置の信号処理部の構成を示す図である。 タイミングパルス・サンプル値系列の抽出の様子を示す波形図である。 ポジティブのゼロクロス波形の選択処理の例を示す図である。 ポジティブのゼロクロス波形の別の選択処理の例を示す図である。 １次元受光素子の出力波形に対してＦＦＴを行った結果を示すグラブである。 図６のＦＦＴ結果の時間軸を拡大した図である。 ＡＧＣ後の再生クロックを示す波形図である。 図８の再生クロックの正弦波を示す図である。 ＩＦＦＴ後の実際のクロック波形とこれにＡＧＣをかけた結果を示す図である。 補間によるＲＦ信号のサンプル処理を示す図である。 クロック信号に基づくデータのサンプル結果を示す図である。 全波整流によるタイミングパルス生成の例を示す図である。 ＦＦＴ結果から単一周波数のクロック信号成分を選択する別の実施形態を示す図である。 図１４の実施形態の信号処理部の構成を示す図である。

符号の説明

１ ＬＰＦ
２ ＡＧＣ
３ タイミングパルス生成部
４ ＦＦＴ部
５ クロック成分選択部
６ ＩＦＦＴ部
７ 符号反転部
８ 立ち上がりタイミング検出部
９ 補間によるサンプル部
６１ 信号光
６２ 参照光
２０ ホログラム記録媒体
４０ １次元光変調素子
４２ １次元受光素子

Claims (22)

1. 信号光を変調する１次元光変調素子と、
   記録時は前記１次元光変調素子で変調された信号光および参照光をホログラム記録媒体の略同一箇所に集光し、再生時は前記参照光を前記ホログラム記録媒体に集光する光学系と、
   前記ホログラム記録媒体からの再生光を検出する１次元受光素子と、
   前記１次元受光素子からの出力信号の極性が変化する位置に対応するタイミングパルス信号を生成するタイミングパルス生成手段と、
   前記タイミングパルス生成手段により生成された前記タイミングパルス信号に対して周波数解析を行い解析結果に基づいて前記１次元光変調素子に同期したクロック信号を抽出するクロック抽出手段と、
   前記クロック抽出手段により抽出されたクロック信号に基づいて前記１次元受光素子からの出力信号をサンプルするサンプル手段と
   を具備することを特徴とするホログラム記録再生装置。
2. 前記タイミングパルス生成手段は、前記１次元受光素子からの出力信号に対する全波整流により前記タイミングパルス信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
3. 前記タイミングパルス生成手段は、前記１次元受光素子からの出力信号に対する二乗演算により前記タイミングパルス信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
4. 前記タイミングパルス生成手段は、前記１次元受光素子からの出力信号のサンプル値系列において、ポジティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列とネガティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列を残してその他を０とし、前記ポジティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列と、前記ネガティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列の極性を反転したものとを合成して前記タイミングパルス信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
5. 前記クロック抽出手段の周波数解析が、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）であることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
6. 前記クロック抽出手段の周波数解析が、周波数範囲を限定したＤＦＴ（離散フーリエ変換）であることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
7. 前記クロック抽出手段は、周波数解析結果から振幅強度が最大となる１つの周波数成分をクロック信号成分として抽出することを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
8. 前記クロック抽出手段は、周波数解析結果から振幅強度が最大となる１つの周波数成分およびその両側の側波帯成分とをクロック信号成分として抽出することを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
9. 前記サンプル手段は、前記クロック抽出手段により抽出されたクロック信号の周波数と位相に基づいて、前記１次元受光素子の出力信号をサンプルするタイミングを求めることを特徴とする請求項７に記載のホログラム記録再生装置。
10. 前記サンプル手段は、
    前記クロック抽出手段により抽出された複数の周波数のクロック信号に対してＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）もしくはＩＤＦＴ（逆離散フーリエ変換）を行ってクロック信号波形を再構成する手段と、
    前記再構成されたクロック信号波形のポジティブもしくはネガティブのゼロクロスタイミングをサンプリングタイミングとして検出する手段とを有することを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録再生装置。
11. 前記サンプル手段は、
    前記検出したサンプリングタイミングでの前記１次元受光素子の出力信号の値を補間により求めることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
12. 記録時に１次元光変調素子で変調された信号光および参照光をホログラム記録媒体の略同一箇所に照射し、再生時に前記参照光を前記ホログラム記録媒体に照射するホログラム記録再生装置の再生方法であって、
    前記ホログラム記録媒体からの再生光を検出する１次元受光素子の極性が変化する位置に対応するタイミングパルス信号を生成するステップと、
    前記生成されたタイミングパルス信号に対して周波数解析を行い解析結果に基づいて前記１次元光変調素子に同期したクロック信号を抽出するステップと、
    前記クロック信号に基づいて前記１次元受光素子からの出力信号をサンプルするステップと
    を具備することを特徴とするホログラム記録再生装置の再生方法。
13. 前記１次元受光素子からの出力信号に対する全波整流により前記タイミングパルス信号を生成することを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
14. 前記１次元受光素子からの出力信号に対する二乗演算により前記タイミングパルス信号を生成することを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
15. 前記１次元受光素子からの出力信号のサンプル値系列において、ポジティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列とネガティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列を残してその他を０とし、前記ポジティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列と、前記ネガティブのゼロクロス部近傍のサンプル値系列の極性を反転したものとを合成して前記タイミングパルス信号を生成することを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
16. 前記周波数解析が、ＦＦＴ（高速フーリエ変換）であることを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
17. 前記周波数解析が、周波数範囲を限定したＤＦＴ（離散フーリエ変換）であることを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
18. 前記周波数解析結果から振幅強度が最大となる１つの周波数成分をクロック信号成分として抽出することを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
19. 前記周波数解析結果から振幅強度が最大となる１つの周波数成分およびその両側の側波帯成分とをクロック信号成分として抽出することを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
20. 前記抽出されたクロック信号の周波数と位相に基づいて、前記１次元受光素子の出力信号をサンプルするタイミングを求めることを特徴とする請求項１８に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
21. 前記抽出された複数の周波数のクロック信号に対してＩＦＦＴ（逆フーリエ変換）もしくはＩＤＦＴ（逆離散フーリエ変換）を行ってクロック信号波形を再構成し、この再構成されたクロック信号波形のポジティブもしくはネガティブのゼロクロスタイミングをサンプリングタイミングとして検出することを特徴とする請求項１９に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。
22. 前記検出したサンプリングタイミングでの前記１次元受光素子の出力信号の値を補間により求めることを特徴とする請求項１２に記載のホログラム記録再生装置の再生方法。

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