JP2007101704A - ホログラフィック記録媒体及びホログラフィック記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録装置の小型・軽量化・低コスト化が容易なホログラフィック記録媒体及びホログラフィック記録装置を提供する。
【解決手段】 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、ＳＬＭ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、ホログラム記録媒体４の表面に一体に形成された回折格子３に照射される。これにより回折格子がＳＬＭにより変調された光から複数の次数の回折光を発生させ、複数の次数の回折光により干渉縞を形成してホログラム記録媒体に情報を記録する。
【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媒体及びホログラフィック記録装置に関する。

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ピットなどが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、すなわち、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１bit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、従来の方式では、一度に１bitしかデータ転送ができないのに対し、ホログラムを使用した方式では、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記録媒体に記録される。干渉縞を記録情報とするため、記録中は信号光と、参照光と記録媒体の位置関係は、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、信号光と参照光を同軸に配置することによって、振動に対して位置関係がずれないように工夫した方式が提案されている。この技術を使った記録系の例を図５に示す。図５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から発生した光は、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。この内、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。

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、ホログラム媒体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ホログラム媒体Ｈに照射される。このときホログラム媒体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、参照光によってホログラム媒体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マージンが小さくなる。

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。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。

そこで、このような問題点を解決するため、下記の特許文献１には、図６に示すように光源１の光を空間光変調器（ＳＬＭ）２により記録信号に応じて変調し、この変調された光から、回折格子３により次数が異なる複数の回折光を発生させて１つの次数の回折光を信号光として、他の次数の回折光を参照光として作用させ、ホログラム記録媒体４に記録する方法が提案されている。また、回折格子３はホログラム記録媒体４との位置決めのために不図示の浮上ブロックに形成され、浮上ブロックは不図示の浮上スライダによりホログラム記録媒体４に対して位置決めされる。
特開２００５−１２８４７３号（要約書、図３、段落００１９）

しかしながら、上記従来例では、回折格子３を浮上スライダに設けているため、適度な浮上量を持つ浮上スライダの製作が困難である。また、ホログラム記録媒体４の表面と、浮上スライダとの浮上量を一定に保つ必要があるため、ホログラム記録媒体４の表面のディフェクト、突起などの管理を厳密にしなければならない。また、ホログラム記録媒体４と浮上スライダの吸着の問題にも注意を喚起しなければならず、記録装置の小型・軽量化・低コスト化が困難となるといった欠点がある。

本発明は上記従来例の問題点に鑑み、記録装置の小型・軽量化・低コスト化が容易なホログラフィック記録媒体及びホログラフィック記録装置を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、光源から出射される光を空間光変調器により記録信号に応じて変調し、前記空間光変調器により変調された光による干渉縞をホログラフィック記録するホログラフィック記録媒体であって、
前記ホログラフィック記録媒体の表面に一体に形成されており、前記空間光変調器により変調された光から複数の次数の回折光を発生させ、前記複数の次数の回折光により前記干渉縞を形成して前記ホログラフィック記録媒体に記録する回折格子を備えたことを特徴とする。

また、本発明は上記目的を達成するために、ホログラフィック記録媒体の表面に一体に形成された回折格子により入射光から複数の次数の回折光を発生させ、前記複数の次数の回折光により干渉縞を形成して前記ホログラフィック記録媒体に情報を記録するホログラフィック記録装置であって、
光源と、
前記光源から出射される光を記録信号で変調して、前記ホログラフィック記録媒体の表面に形成された回折格子に出射する空間光変調器とを備えたことを特徴とする。

この構成により、ホログラフィック記録媒体の表面に一体に形成された回折格子により、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部分にのみ複数の次数の回折光が照射されて干渉縞として記録される。

本発明によれば、記録光軸に対して、回折格子が特定の角度を持たないと参照光が発生しないので、参照光によってホログラフィック記録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設計マージンを大きく取れる。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のように回折格子を記録媒体と別個に配置しなくてもよく、また、再生時にこの回折格子を再生光内より取り除かなくてもよい。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設計マージンを大きく取れる。
（５）浮上スライダを設計製作しなくてよいので、装置を小型・軽量・低コスト化できる。
（６）記録媒体表面形状の管理に多大な工数を割かなくてもよい。
（７）浮上スライダと記録媒体の間にあるギャップがなくなるため、干渉縞の領域が大きくなり、記録感度が向上する。

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１０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場合の模式図である。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、ホログラム記録媒体４の表面に一体に形成された回折格子３に照射される。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上に回折格子３を一体に形成する方法としては、例えばインジェクションによる方法、プレスによる方法、切削工具による方法などがある。

回折格子３は光が入力されると、異なる次数の複数の回折光を発生させるもので、大別して、周期的にスリットが設けられた振幅型と、透明材料を鋸歯状に加工した位相型（ブレーズ型）とがあり、本装置にはどちらも使用可能である。ただし、振幅型の回折格子を用いると、所望の回折光以外の回折光が同時に発生して迷光ノイズの原因となる。これに対して、ブレーズ型の回折格子を用いると、０次回折光と＋１次回折光とを効率良く取り出せて、本装置には特に有効である。

ブレーズ型回折格子を用いた例として、ホログラフィック記録における記録部の詳細な記録過程、再生過程をそれぞれ図３（ａ）、図３（ｂ）に示す。ホログラム記録媒体４への干渉縞の形成は、図３（ａ）に示すように、記録光束の「明」の部分にのみ、回折格子３を通って得られる０次回折光と＋１次回折光との間で得られる。「暗」の部分は光は遮断されているのでホログラム記録媒体４が感光することはない。

以上が本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。コリメータ（図２では凸レンズＬｌ）を、光源１とＳＬＭ２との間に挿入する。また必要に応じて、集光器（図２では凸レンズＬ２）をＳＬＭ２と回折格子３との間に挿入する。集光器Ｌ２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Ｌ２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。この状況を、図４を用いて示すと、
ａ＞ｆ・λ／ｄ …（１）
の関係を満たすようなａの位置に、ホログラム記録媒体４の記録層の厚み方向に対してそ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・ｆ／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。ａは、焦点から集光器Ｌ２側と集光器Ｌ２の反対側の２ヶ所に存在するが、どちらであってもよい。

集光器Ｌ２はまた、多重記録を行う場合にも重要な役割を果たす。すなわち集光器Ｌ２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。すなわち、あるページデータを記録した後、スポット径以下の範囲内でホログラム記録媒体４の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。

また装置内の光路を調整する目的で、適宜レンズ、ミラー類を挿入し、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、以上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、干渉縞として記録されうる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、図３（ａ）に基づいて説明する。
過程１：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。
過程２：ＳＬＭ２に記録すべき１ページ分の電気信号を入力する。なお、過程１と過程２は同時、あるいは順序が逆であっても構わない。

過程３：ＬＤ１ａから出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、回折格子３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。本過程３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、回折格子３を通して、ホログラム記録媒体４に達する。そして、ホログラム記録媒体４の内部には、図３（ａ）の記録過程に示すように、「１」の部分にのみ、２つの異なる次数（例えば０次と＋１次）の回折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、記録容量を増大させることができる。

以上、過程１から過程３を繰り返して、ホログラム記録媒体４に記録していく。このとき集光器Ｌ２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、過程１において次の記録位置に移動する場合、段落００２５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説明する。
過程１１：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、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。
過程１２：ＬＤ１ａから出射した散乱光を、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、図３（ａ）に示す記録過程で使用したＳＬＭ２は使用しない。このとき、照射させる光のパワーは、再生に都合がよい値を選ぶことができる。図３（ｂ）に示す再生過程に示すとおり、ホログラム記録媒体４には既に、記録光に応じた干渉縞が形成されているので、本過程１２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。すなわちここで得られた回折光は、図３（ａ）に示す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、過程１１、１２を繰り返して、記録された信号を順次再生していく。

本発明に係るホログラフィック記録装置の基本構成を示す図である。 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を示す構成図である。 図１、図２の回折格子を用いた記録過程、再生過程を示す説明図である。 図２における集光器とホログラム記録媒体との位置関係の説明図である。 従来のホログラフィック記録装置を示す構成図である。 他の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
２ 空間光変調器（ＳＬＭ）
３ 回折格子
４ ホログラム記録媒体
１０ ホログラフィック記録装置
Ｌ１ 凸レンズ（コリメータ）
Ｌ２ 凸レンズ（集光器）

Claims (2)

1. 光源から出射される光を空間光変調器により記録信号に応じて変調し、前記空間光変調器により変調された光による干渉縞をホログラフィック記録するホログラフィック記録媒体であって、
   前記ホログラフィック記録媒体の表面に一体に形成されており、前記空間光変調器により変調された光から複数の次数の回折光を発生させ、前記複数の次数の回折光により前記干渉縞を形成して前記ホログラフィック記録媒体に記録する回折格子を備えたホログラフィック記録媒体。
2. ホログラフィック記録媒体の表面に一体に形成された回折格子により入射光から複数の次数の回折光を発生させ、前記複数の次数の回折光により干渉縞を形成して前記ホログラフィック記録媒体に情報を記録するホログラフィック記録装置であって、
   光源と、
   前記光源から出射される光を記録信号で変調して、前記ホログラフィック記録媒体の表面に形成された回折格子に出射する空間光変調器とを、
   備えたホログラフィック記録装置。
   

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