JP2006308613A - ホログラム記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホログラム記録の多重数を増加することのできるコリニア式のホログラム記録再生装置を提供する。
【解決手段】参照光３２が複数の同心円の輪帯にそれぞれ配置され、かつ半径方向に信号光３１の領域と互いに違いに連続するように配置されたＳＬＭパターンを用いることによって、干渉ピクセル間の距離を縮めることができ、記録層１２においてホログラム記録に寄与する厚みを、中央に信号光のパターンを配置し、その周りを囲むような形で参照光用のパターンを配置した典型的なパターンを用いた場合に比べ増大させることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、ホログラムを用いて記録を行うホログラム記録再生装置に係り、特に参照光と信号光を同軸な一本の光束として扱うコリニア方式のホログラム記録再生装置に関する。

ホログラフィを使ってデータを記録するホログラム記録再生装置の開発が進められている。ホログラム記録再生装置では、変調された（データが重畳された）信号光、変調されない参照光の２つを１つのレーザ光から分割し、これらをホログラム記録媒体の同一場所に照射する。その結果、ホログラム記録媒体上で信号光と参照光が干渉して照射点に回折格子（ホログラム）が形成され、ホログラム記録媒体にデータが記録される。

記録済みのホログラム記録媒体に参照光を照射することで、記録時に形成された回折格子から回折光（再生光）が発生する。この再生光は記録時の信号光に重畳されたデータを含んでいるので、これを受光素子で受光して記録した信号を再生できる。

ホログラム記録媒体に多くの情報を記録するために、ホログラム記録媒体に多数のホログラムを形成する場合がある。この場合、ホログラム記録媒体上の異なる箇所にホログラムを形成するとは限らず、ホログラム記録媒体の同一箇所（または、互いに重なり合う領域）にホログラムを形成することも可能である。これが、いわゆる多重記録であり、角度多重方式、波長多重方式、回転多重方式、シフト多重方式など、種々の方式が提案されている。

これらの方式は、いずれも２本の光束を干渉させる方式であり、参照光と信号光を２つの異なる光軸で構成するので光学系が複雑化する。光学系の構成を簡素化できる方式として、参照光と信号光を同軸な一本の光束として扱うコリニア方式がある。

典型的なコリニア方式では、空間光変調器上の中央に二次元バーコード状の信号光のパターンが配置し、その周りを囲むような形で参照光用のパターンが配置される。記録時は信号光と参照光の両方を空間光変調器に表示させた状態で光を照射して、ホログラム記録媒体に干渉縞を記録する。再生時には参照光用のパターンのみを空間光変調器に表示させて光を照射する。ホログラム記録媒体の反射層から戻ってきた光には、記録した信号光のパターンが再現されているので、これをもとにデータが復元される。
特開２００４−３３５０４４号公報

参照光と物体光が同軸上にあるコリニア方式では、光の焦点では光の強度分布に大きな差が生じ、屈折率の変化を有効に記録することができないため、デフォーカスした位置にメディアの記録層が配置される。この記録層の領域で、信号光と参照光とが干渉することによって生じる干渉縞が屈折率の変化として記録される。

しかしながら、特許文献１などにも採用されるような、中央に信号光のパターンを配置し、その周りを囲むような形で参照光用のパターンを配置したパターンを用いた場合、干渉し合うピクセル間の空間光変調器上での距離の大きさに起因して、信号光と参照光との干渉がホログラム記録媒体における記録層の下部つまり焦点側の領域（フーリエ領域）のみで起こり、記録層の上部つまり対物レンズ側の領域（フレネル領域）はホログラム記録に寄与されていない。このことは、ホログラム記録の多重数の増加、光メモリの高密度化の妨げとなっていた。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、ホログラム記録の多重数を増加することのできるコリニア式のホログラム記録再生装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、この発明のホログラム記録再生装置は、信号光を空間的に変調して参照光とともに表示する空間光変調器と、空間光変調器からの出射光を信号光と参照光とが干渉するようにホログラム記録媒体に照射する光学系とを備えたホログラム記録再生装置において、空間光変調器上で、参照光は、複数の同心円の輪帯にそれぞれ配置され、かつ半径方向に信号光の領域と互いに違いに連続するように配置されていることを特徴とする。

これにより、空間光変調器の全体にわたり、干渉ピクセル間距離の値が小さくなり、記録層においてホログラム記録に寄与する厚みが増大し、ホログラム記録の多重数の増加を図れる。

また、本発明のホログラム記録再生装置において、参照光の空間周波数は、外側の輪帯の参照光ほど低く設定されていることを特徴とする。これにより、参照光は、外側の低周波成分がフーリエ領域で光軸近傍に集光し、内側の高周波成分がフーリエ領域で光軸の外側に集光することで、フーリエ領域にて信号光と効率的に干渉する。よって、ホログラム記録媒体に効率的に干渉縞を形成することができ、記録層の無駄な露光が低減されることで、多重数の増加を図ることができる。

さらに、本発明のホログラム記録再生装置において、個々の輪帯の参照光は、輪帯を円周上で所々切断することによってパターン化されている。これによって、輪帯の幅を選定することによって参照光の空間周波数を決めることができる。

本発明の別の観点に基づくホログラム記録再生装置は、信号光を空間的に変調して所定の参照光のパターンとともに表示する空間光変調器と、空間光変調器からの出射光を信号光と参照光とが干渉するようにホログラム記録媒体に照射する光学系と、ホログラム記録媒体からの再生光から高周波成分を除去する空間フィルタとを具備し、空間光変調器上で、参照光は格子状または同心円状に配置され、参照光のパターンは信号光のパターンよりも高い周波数で形成されていることを特徴とする。

これにより、再生光から参照光成分を取り除くことができ、再生信号のＳＮＲ劣化を抑えることができる。

以上のように、本発明のホログラム記録再生装置によれば、ホログラム記録の多重数を増加することができ、高密度化な光メモリを提供することができる。

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、本発明の一実施形態に係るコリニア方式のホログラム記録再生装置の光学ユニットの構成を示す図である。

このコリニア方式のホログラム記録再生装置は、光源系１、偏光ビームスプリッタ２、空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）３、フーリエ変換レンズ４、アイリス５、フーリエ逆変換レンズ６、１／４波長板７、対物レンズ８、受光素子９、およびホログラム記録媒体１０を有する。

光源系１は、たとえば波長４０５ｎｍのレーザダイオード（ＬＤ）や波長５３２ｎｍのＮｄ−ＹＡＧレーザなどのシングルモードレーザ、シングルモードレーザ１から照射されたレーザ光を平行光に変換するコリメートレンズ、戻り光を防ぐためのアイソレータ、レーザの開閉を行うメカニカルシャッター、ビーム形状を整形するアナモプリズム、レーザパワーを監視するパワーモニタなどを備えている。

偏光ビームスプリッタ２は、光源系１より入射した光のｐ偏光成分のみを空間光変調器３に入射し、空間光変調器３からの光を反射する光学素子である。

空間光変調器３は、信号を空間的に（ここでは２次元的に）変調して、信号光および参照光のパターンを表示する空間光変調器である。空間光変調器としては、反射型液晶、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏ Ｍｉｒｒｏｒ）、透過型の素子である透過型液晶素子を用いることも可能である。

フーリエ変換レンズ４は、偏光ビームスプリッタ２より入射した空間光変調器３からの光をフーリエ変換する光学素子である。

アイリス５は、フーリエ変換像から高周波数成分をカットするための光学素子である。

フーリエ逆変換レンズ６は、フーリエ変換像を逆変換する光学素子である。

１／４波長板７は、フーリエ逆変換レンズ６より入射した光を円偏光にするための光学素子である。

対物レンズ８は、信号光および参照光をホログラム記録媒体１０に集光するための光学素子である。

受光素子９は、再生光の画像を入力する素子であり、ＣＭＯＳセンサ、ＣＣＤなどが用いられる。

ホログラム記録媒体１０は、保護層１１、記録層１２、ギャップ層１３および反射層１４で構成される。保護層１１は、記録層１２を外界から保護するための層である。記録層１２は、信号光と参照光との干渉により生じる干渉縞を屈折率の変化として記録する層であり、例えば、光重合型フォトポリマーなどが用いられる。ギャップ層１３は記録層１２と反射層１４との間に所定のギャップを確保するための光透過材料からなる層である。反射層１４は光を反射させるための層である。

ホログラム記録媒体１０は、図示しないスピンドルモ−タで回転される。ホログラム記録媒体１０が移動することから、ホログラム記録媒体１０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。

次に、このホログラム記録再生装置の基本的な動作を説明する。

光源系１から出射した光は、偏光ビームスプリッタ２を反射して空間光変調器３に入射される。ここで、空間光変調器３には、信号光と参照光とが近接するＳＬＭパターンが投影される。このパターンについては後で説明する。

空間光変調器３によって変調された光は、偏光が９０°回転するために偏光ビームスプリッタ２を透過し、フーリエ変換レンズ４、アイリス５、フーリエ逆変換レンズ６にて不要な高周波数成分が除かれた後、１／４波長板７にて円偏光の光とされて、対物レンズ８によってホログラム記録媒体１０に照射される。その結果、ホログラム記録媒体１０の記録層１２に信号光と参照光との干渉による干渉縞がホログラムとして記録される。

再生時には、空間光変調器３上に参照光に相当するパタ−ンのみを表示させ、その参照光成分のみをホログラム記録媒体１０に入射する。これにより、ホログラム記録媒体１０に記録されたホログラムから回折光（再生光）が発生する。この再生光は、対物レンズ８、１／４波長板７、フーリエ逆変換レンズ６、アイリス５、フーリエ変換レンズ４、偏光ビームスプリッタ２を通して受光素子９に入射し、ここで空間的な２次元デ−タに対応する電気信号に変換される。受光素子９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−タに変換される。

図２は空間光変調器３からホログラム記録媒体１０への光の伝播を示す図である。

ここで、空間光変調器３上で光軸から距離ｂだけずれた位置のピクセルの光と、その位置からさらにａの距離だけ外側にあるピクセルの光とが干渉する範囲は、反射面から下記の式（１）で求められる距離ｚまでの範囲となる。

ｚ＝２λｆ／ｄａ ・・・（１）

ここで、λは光の波長、ｆは対物レンズ８の焦点距離、ｄはピクセルサイズ、ａは干渉ピクセル間距離である。

たとえば、光の波長λを０．４μｍ、ピクセルサイズｄを１５．６μｍ、対物レンズ８の焦点距離ｆを４ｍｍとすると、図３に示すように信号光２１を参照光２２で取り囲んだ典型的なＳＬＭパターンでは、参照光の一番内側の光軸側の距離ａを１．７５ｍｍとした場合、光軸中心のピクセルの信号光が参照光と干渉する距離ｚは５４７μｍとなる。すなわち、ホログラム記録媒体１０において反射面から記録層１２までの距離（ギャップ層１２の厚み）を１００μｍ、記録層１２の厚みを６００μｍとすると、記録層１２の厚みにおける対物レンズ８側の１５３μｍ（２５％）はホログラム記録に寄与しないことになる。

図４は、本発明の一実施形態に係るホログラム記録再生装置に採用されたＳＬＭパターンの例を示す図である。同図に示すように、この実施形態では、信号光３１と参照光３２とを近接して配置したＳＬＭパターンが採用されている。すなわち、参照光３２は、複数の同心円の輪帯にそれぞれ配置され、かつ半径方向に信号光３１の領域と互いに違いに連続するように配置されている。

このようなＳＬＭパターンを用いることによって、上記（１）式における干渉ピクセル間距離ａの値が小さくなり、記録層１２においてホログラム記録に寄与する厚みを、中央に信号光のパターンを配置し、その周りを囲むような形で参照光用のパターンを配置した典型的なパターンを用いた場合に比べ増大させることができる。

また、記録層１２における焦点側の領域であるフーリエ領域においては、ピクセルサイズに起因する回折光が集光しており、ピクセルサイズの空間周波数分布に応じた回折像が形成される。すなわち、ここでの光強度分布はＳＬＭパターンのフーリエ変換となり、光軸中心に空間周波数の低い成分が集光し、光軸の外側に空間周波数の高い成分が集光する。

そこで、図４に示したＳＬＭパターンでは、外側の輪帯の参照光３２は光軸の近傍に集光し、内側の輪帯の参照光３２は光軸の外側に集光するように、各輪帯の参照光３２の空間周波数がそれぞれ設定されている。すなわち、外側に位置する輪帯の参照光３２ほど低い空間周波数が与えられている。

個々の輪帯の参照光３２は、その輪帯を円周上で所々切断することによってパターン化されている。これにより、参照光３２の空間周波数は輪帯の帯幅によって選定される。

このようなＳＬＭパターンを用いることによって、参照光は、外側の低周波成分がフーリエ領域で光軸近傍に集光し、内側の高周波成分がフーリエ領域で光軸の外側に集光することで、フーリエ領域にて信号光と効率的に干渉する。よって、ホログラム記録媒体１０に効率的に干渉縞を形成することができ、記録層１２の無駄な露光が低減されることで、多重数の増加に寄与することができる。

また、回折効率の低いホログラムの再生を行う場合には参照光の光量を増やさなくてはならない。しかし、図４に示したＳＬＭパターンのように、信号光と参照光とを近接して配置した場合、参照光の光量を増やすと再生光に漏れ込む光も増えてしまい、再生信号のＳＮＲが劣化するおそれがある。

そこで、信号光と参照光とを近接して配置しつつ、再生光への参照光の漏れ込みによる影響を回避できる方式を次に説明する。

図５はこの方式に用いられるＳＬＭパターンの例である。このＳＬＭパターンにおいて、参照光４１は格子状に配置され、信号光４２は参照光４１の各格子の内側に配置されている。このようなＳＬＭパターンによっても、上記（１）式における干渉ピクセル間距離ａの値を小さくすることができるので、記録層１２においてホログラム記録に寄与する厚みを増大させることができる。

図６は図５のＳＬＭパターンの拡大図である。同図に示すように、信号光４２は縦横２×２ピクセルを画像表示のための最小の単位とし、参照光４１は縦横１×１ピクセルを画像表示のための最小の単位としている。すなわち、参照光４１のパターンは信号光４２のパターンよりも高い周波数で形成されている。

このように、参照光４１のパターンを信号光４２のパターンよりも高い周波数で形成したことによって、再生時に再生光が受光素子９に入る前に、空間フィルタによって高周波数成分をカットすることで、再生光から参照光成分を取り除くことができ、再生信号のＳＮＲ劣化を抑えることができる。

図７はこの空間フィルタを付加したホログラム記録再生装置の構成を示す図である。このホログラム記録再生装置は、図１に示したホログラム記録再生装置に空間フィルタ５４を追加した例である。

この空間フィルタ５４は、偏光ビームスプリッタ２と受光素子９との間に配置され、フーリエ変換レンズ５１、アイリス５２、フーリエ逆変換レンズ５３で構成される。アイリス５２は参照光の周波数以下の成分をカットできるように絞り値が調整されたものである。この空間フィルタ５４では、偏光ビームスプリッタ２より出射された再生光がフーリエ変換レンズ５１にてフーリエ変換される。このフーリエ変換像からアイリス５２にて参照光の周波数以下の成分がカットされ、フーリエ逆変換レンズ５３で元の再生像に戻されて受光素子９に入射される。これにより、再生光から参照光成分を取り除くことができ、再生信号のＳＮＲ劣化を抑えることができる。

なお、信号光と参照光とを近接して配置しつつ、再生光への参照光の漏れ込みによる影響を回避可能なＳＬＭパターンは、図５のように参照光４１を格子状に配置したものに限定されない。たとえば、図８に示すように、複数の参照光４１を同心円状に配置し、参照光４１と信号光４２を半径方向に互い違いに繰り返し配置したものであっても有効である。

本発明の一実施形態に係るコリニア方式のホログラム記録再生装置の光学ユニットの構成を示す図である。 空間光変調器からホログラム記録媒体への光の伝播を示す図である。 信号光を参照光で取り囲んだ典型的なＳＬＭパターンを示す図である。 本発明に係るＳＬＭパターンの例を示す図である。 本発明に係る他のＳＬＭパターンの例を示す図である。 図５のＳＬＭパターンの拡大図である。 空間フィルタを付加したホログラム記録再生装置の構成を示す図である。 本発明に係るさらに他のＳＬＭパターンの例を示す図である。

符号の説明

１ 光源系
２ 偏光ビームスプリッタ
３ 空間光変調器
４ フーリエ変換レンズ
５ アイリス
６ フーリエ逆変換レンズ
７ １／４波長板
８ 対物レンズ
９ 受光素子
１０ ホログラム記録媒体
１１ 保護層
１２ 記録層
１３ ギャップ層
１４ 反射層
３１ 信号光
３２ 参照光
４１ 参照光
４２ 信号光
５１ フーリエ変換レンズ
５２ アイリス
５３ フーリエ逆変換レンズ
５４ 空間フィルタ

Claims (4)

1. 信号光を空間的に変調して参照光とともに表示する空間光変調器と、
   前記空間光変調器からの出射光をホログラム記録媒体上で信号光と参照光とが干渉するように前記ホログラム記録媒体に照射する光学系とを備えたホログラム記録再生装置において、
   前記空間光変調器上で、前記参照光は、複数の同心円の輪帯にそれぞれ配置され、かつ半径方向に前記信号光の領域と互いに違いに連続するように配置されていることを特徴とするホログラム記録再生装置。
2. 前記参照光の空間周波数が、外側の前記輪帯の参照光ほど低く設定されてい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. 個々の前記輪帯の参照光は、該輪帯を円周上で所々切断することによってパターン化されていることを特徴とする請求項２に記載のホログラム記録再生装置。
4. 信号光を空間的に変調して所定の参照光のパターンとともに表示する空間光変調器と、前記空間光変調器からの出射光を信号光と参照光とが干渉するようにホログラム記録媒体に照射する光学系と、前記ホログラム記録媒体からの再生光から高周波成分を除去する空間フィルタとを具備し、
   前記空間光変調器上で、前記参照光は格子状または同心円状に配置され、前記参照光のパターンは前記信号光のパターンよりも高い周波数で形成されていることを特徴とするホログラム記録再生装置。
   

Images