JP2007149263A - 光情報記録再生装置及びそれに用いる素子 - Google Patents

Abstract

【課題】ホログラムメモリシステムにおいて、高速動作と、設置面積の縮小、低コスト化、高信頼化を実現する。
【解決手段】複数の変調素子を有し光源から出射された光束の少なくとも一部を空間的に変調し情報光とするための空間光変調素子と、記録媒体から取り出された情報光を読み取る受光素子とを同一基板上に一体的に形成する。空間光変調素子は、例えば、光源からの光を反射する反射電極５７と、反射電極５７より光源側に空間を介して配置され、光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜５８とを有し、反射電極５７と半透過膜５８との間隔を制御することによって光源からの光の反射率が変化する反射型光干渉変調素子である。反射電極５７としても一部の光を透過するものを使用し、反射電極５７の下方に受光素子としてのフォトダイオード５２を配置する。
【選択図】図５

Description

本発明は、光の干渉縞を記録媒体に記録することにより高密度・大容量の情報の記録と再生が可能な、ホログラムを用いる光情報記録再生装置と、このような光情報記録再生装置で用いられる変調／受光素子とに関する。

今日、世の中はマルチメディア時代に入り、記録媒体に対して記録を行う記録装置や記録媒体に対して記録及び再生を行う記録再生装置の必要性は重要度を増しており、その記録密度も年々上昇している。光情報記録媒体においても、ＣＤ（コンパクトディスク）から、ＤＶＤ(Digital versatile disc)、そしてＢｌｕｅＲａｙ（ブルー・レイ）ディスクといった進歩が見られる。光情報記録媒体における進歩に対応して、ディスクを用いた光情報記録装置及び光情報記録再生装置においても使用する光の波長の短波長化により記録密度を上昇させてきている。近年では、ホログラフィックメモリという新しい記録方式が提案されている。ホログラフィックメモリは、記録すべき情報に応じたホログラムを記録媒体中に形成することにより、情報の記録を行うものである。ホログラムを使用することの特徴から、多重記録が可能であって、隣接するホログラムが相互に重なり合う部分を有していてもこれらのホログラムから独立して情報を再生できる。したがって、ホログラフィックメモリでは、従来の光情報記録媒体では得られないような高記録密度を達成することができる。

ホログラフィックメモリについては、例えば非特許文献１において解説がなされている。図１５は、ホログラフィックメモリによる従来の記録再生装置であって、コリニア方式と呼ばれる同軸タイプのホログラフィックメモリシステム（光情報記録再生装置）の光学系を説明している。

この光情報記録再生装置は、例えばディスク状であるホログラム記録媒体２１６に対して情報の記録及び再生を行うものである。具体的には、情報によって変調された信号光と情報によっては変調されていない参照光とを同時に記録媒体２１６に照射して干渉させることによって、記録媒体２１６内に体積ホログラムを形成し、情報を記録する。また、弱い参照光を記録媒体２１６に照射することによって、体積ホログラムの再生像を取得し、情報を再生する。なお、体積ホログラムとは、記録媒体の体積ホログラムとは、記録媒体の厚み方向も積極的に利用し、３次元的に干渉縞を書き込む方式であり、厚みを増やすことで、回折効率を高め、多重記録を用いて記録容量を増大する方式である。デジタル体積ホログラムとは、体積ホログラムと同様の記録方式を用いつつも、記録する画像情報は２値化したデジタルパターンに限定したホログラム記録方式である。

図示された光学系は、情報の記録及び再生に用いるレーザ光を発生する第１の光源２０１と、信号光を変調するための空間光変調素子（spacial light modulator；以下、ＳＬＭと略記する）２０４と、再生光を検出するための２次元の受光素子２１９を備えている。

［記録］
まず、上記光学系を用いて、ディスク状の記録媒体２１６に対して記録を行う場合について説明する。

緑色レーザ等からなる第１の光源２０１から出射された光束は、コリメータ２０２によって平行光束とされ、ミラー２０３を経由し、空間光変調素子２０４を照明する。図１５に示したものでは、ＳＬＭ２０４として、ＤＭＤ(Deformable Mirror Device)が使用されている。このようなＳＬＭ２０４は、２次元に配置された多数の光変調素子（画素）を有し、各画素ごとに「０」、「１」を表わすことができるようになっている。ＳＬＭ２０４において、「１」の情報を表わす画素で反射された光は、記録媒体２１６の方向へ反射され、「０」の情報を表わす画素で反射された光は記録媒体２１６の方向へ反射されない。コリニア方式のホログラフィックメモリシステムで用いられるＳＬＭ２０４では、その中央部分が、情報光２０６を変調する部分とされており、それを環状に取り巻く部分は、参照光２０５を変調する部分となっている。

ＳＬＭ２０４において「１」の情報を表わす画素で反射された情報光２０６及び参照光２０５は、いずれも、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと略記する）２０７をＰ偏光で透過する。そして、第１のリレーレンズ２０８、ミラー２０９、第２のリレーレンズ２１０、ダイクロイックビームスプリッタ（以下、ＤＢＳと略記する）２１１を経由して記録媒体２１６に向けられる。ＤＢＳ２１１の通過後、１／４波長板（以下、ＱＷＰと略記する）２１２を透過して円偏光（例えば、右回りの円偏光）に変換された参照光２０５と情報光２０６は、ミラー２１３で反射されて、焦点距離Ｆの対物レンズ２１４に入射する。ＳＬＭ２０４上に表示されたパターンは、第１及び第２のリレーレンズ２０８、２１０により、対物レンズ２１４からＦだけ手前に中間像を形成する。これにより、ＳＬＭ２０４上のパターン像（図示せず）、対物レンズ２１４、記録媒体２１６がいずれもＦの距離だけ離れて配置される、４Ｆ光学系が構成される。

ディスク状の記録媒体２１６は、スピンドルモータ２１５上に回転可能に保持されている。対物レンズ２１４によって、参照光２０５と情報光２０６は記録媒体２１６に集光され、干渉して干渉縞を形成する。記録媒体２１６中の高分子材料には、この記録時の干渉縞パターンが屈折率分布として記録され、その結果、デジタル体積ホログラムが形成される。ＳＬＭ２０４により、記録すべき情報に応じて情報光２０６を変調すれば、記録媒体２１６に、その情報に応じたデジタル体積ホログラムが形成される。特に、ＳＬＭ２０４の情報光領域において、記録すべき情報に応じて画素ごとに変調を行えば、記録媒体２１６に、そのような画素数に応じた情報量を有するデジタル体積ホログラムが形成されることとなる。なお、記録媒体２１６中には、反射膜が設けられている。

光情報記録再生装置には、ホログラム化された光情報の記録再生を行う第１の光源２０１以外に、記録媒体２１６に対する感光性のない赤色レーザ等からなる第２の光源２２０が設けられている。この第２の光源２２０を用いて、記録媒体２１６の反射膜を基準面として、記録媒体２１６の変位を高精度に検出することが可能である。これより、記録媒体２１６に面ブレや偏心が発生しても、光サーボ技術を用いてダイナミックに記録スポットを記録媒体面に追従させることが可能となり、高精度に干渉縞パターンを記録することができる。以下、このようなトラッキングについて、簡単に説明する。

赤色レーザ等からなる第２の光源２２０から出射された直線偏光光束は、ビームスプリッタ（以下、ＢＳと略記する）２２１を透過し、レンズ２２２で平行光束とされ、ミラー２２３とＤＢＳ２１１で反射されて、記録媒体２１６に向けられる。ＱＷＰ２１２を透過し、円偏光（例えば、右回りの円偏光）に変換された光束は、ミラー２１３で反射されて対物レンズ２１４に入射して、記録媒体２１６の反射膜に微小な光スポットとして集光される。反射された光束は逆回りの円偏光（例えば、左回りの円偏光）となり、対物レンズ２１４に再入射して平行光束とされ、ミラー２１３で反射されてＱＷＰ２１２を透過して、往路での偏光とは垂直な直線偏光光束に変換される。ＤＢＳ２１１で反射された光束は、往路と同様にミラー２２３、レンズ２２２を経由し、ＢＳ２２１で反射されて、光検出器２２４に導かれる。光検出器２２４は、複数の受光面を有していて、反射面の位置情報を検知する、この検知結果に基づいて対物レンズ２１４のフォーカスとトラッキングを行うことができる。このようなフォーカス及びトラッキングは、ＣＤやＤＶＤなどを用いる従来からよく知られた光情報記録再生装置において行われるものと同様のものである。

［再生］
次に、上記光学系を用いて、記録媒体２１６に記録されている情報の再生を行う場合について説明する。第１の光源２０１から出射された光束は、記録時と同様にＳＬＭ２０４を照明する。再生時は、ＳＬＭ２０４の参照光２０５を変調する部分のみが「１」の情報を表示し、情報光２０６を変調する部分はすべて「０」の情報を表示する。したがって、参照光２０５の部分の画素で反射された光だけが、記録媒体２１６の方向へ反射され、情報光２０６は記録媒体２１６の方向へ反射されない。

記録時と同様に参照光２０５は、円偏光（例えば、右回りの円偏光）となって記録媒体２１６に集光され、記録されている干渉縞（デジタル体積ホログラム）から情報光を再生する。記録媒体２１６中の反射膜で反射された情報光は、逆回りの円偏光（例えば、左回りの円偏光）となり、対物レンズ２１４に再入射して平行光束とされ、ミラー２１３で反射されてＱＷＰ２１２を透過して、往路での偏光とは垂直な直線偏光光束（Ｓ偏光）に変換される。この時、対物レンズ２１４からＦの距離に再生されたＳＬＭ２０４の表示パターンの中間像が形成される。

ＤＢＳ２１１を透過した光束は、第２のリレーレンズ２１０、ミラー２０９、第１のリレーレンズ２０８を経由してＰＢＳ２０７に向けられる。ＰＢＳ２０７で反射された光束は、ＳＬＭ２０４と共役の位置に、ＳＬＭ２０４の表示パターンの中間像として再結像される。この位置には開口２１７が予め置かれていて、情報光の周辺部にある不要な参照光が遮蔽される。そして、レンズ２１８により、再結像された中間像は、ＣＭＯＳセンサ等の受光素子２１９上に、情報光の部分のみのＳＬＭ２０４の表示パターンを形成する。これにより、不要な参照光２０５が受光素子２１９に入射しないので、Ｓ／Ｎ（信号対ノイズ比）の良い再生信号が得られる。

結局、この光情報記録再生装置では、記録すべき情報を２次元デジタルパターン情報に展開し、この２次元デジタルパターン情報によって情報光が変調される。この処理により、記録情報が２次元空間の光強度分布画像情報となった情報光が生成される。そして情報光と参照光とを干渉させることによって、その干渉縞が記録媒体に記録される。再生時には、参照光を照射する事で再生される光強度分布画像情報から２次元デジタルパターン情報を抽出し、デコードする。このデジタル処理により、Ｓ／Ｎ比の劣化による再生誤り率の低下を抑えることが可能となり、また、２値化データをコード化してエラー訂正を行うことで、極めて忠実に、記録情報を再現することが可能となる。

上述したコリニア方式のホログラフィックメモリシステムでは、情報光と参照光とが角度を持たない同軸上の光学配置を有するので、１つの対物レンズを用いて記録再生を行うことができる。そのため、情報光と参照光とを別々の光路から記録媒体に照射させる２軸２光束干渉方式と比較して、光学系が簡単になるという利点を有する。また、反射膜を有する記録媒体の構造により、ディスク状の記録媒体の片面側に光学系を配置することができる利点を有する。
堀米 秀嘉ほか、「離陸間近のホログラフィック媒体 ２００６年に２００Ｇバイトを実現」、日経エレクトロニクス第８９１号、第１０５〜１１４頁、２００５年１月１７日

しかしながら、上述した従来のホログラフィックメモリシステムにおいては、２次元の空間光変調素子（ＳＬＭ）とＣＭＯＳセンサなどからなる受光素子との間のシフト（位置ずれ）、チルト（傾き角）およびローテーション（回転角）を高精度に制御して両者を位置あわせ必要があるので、コスト低下が困難である。

本発明の目的は、ホログラフィックメモリシステムに代表される光情報記録再生装置において、空間光変調素子と受光素子との位置合わせ作業を不要とし、また、光学系のコストダウンとコンパクト化を可能とすることにある。

本発明の別の目的は、そのような光情報記録再生装置において情報光の変調と受光とに用いられる素子を提供することにある。

本発明の光情報記録再生装置は、情報光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を記録媒体に形成することにより情報を記録媒体に記録するともに、干渉縞が形成された記録媒体に参照光を照射して情報の再生を行う光情報記録再生装置において、複数の変調素子を有し、光源から出射された光束の少なくとも一部を空間的に変調し情報光とするための空間光変調素子と、参照光と情報光を記録媒体の所定の深さで干渉させるための光学系と、光源から参照光を記録媒体の所定の深さに当てて、干渉縞から情報光を再生して再生された情報光を取り出す光学系と、受光素子と、取り出された情報光を受光素子へ導入する光学系と、を有し、空間光変調素子と受光素子とが同一基板上に一体的に形成されていることを特徴とする。

本発明の素子は、光源からの光を変調するとともに外部から入射する光を受光する素子において、複数の変調素子を有し、光源から出射された光束の少なくとも一部を空間的に変調し情報光とするための空間光変調素子と、外部から入射する光を受光する受光素子と、を有し、空間光変調素子と受光素子とが同一基板上に一体的に形成されていることを特徴とする。

本発明において、空間光変調素子と受光素子との位置関係としては、基板上に空間光変調素子と受光素子とを縦方向に配置するものと、横方向に配置するものとがある。縦方向に配置する場合には、空間光変調素子が光源側に配置されるように空間光変調素子と受光素子が積層され、空間光変調素子における画素ピッチと受光素子における画素ピッチとが一致して空間光変調素子における画素と受光素子における対応する画素とが光源から入射する光の光軸に沿って配置され、空間光変調素子に入射した光の少なくとも一部が受光素子に向けて透過するようにする。この場合、空間光変調素子は、各画素において受光素子に対して一定の透過率を有するように変調の設定が可能であることが好ましい。これに対して横方向に配置する場合には、空間光変調素子と受光素子は、空間光変調素子における画素と受光素子における対応する画素とが、光源から入射する光の光軸に沿って重ならないように、相互に隣接して配置するようにする。

上述した本発明の光情報記録再生装置及びそれに用いられる素子において、変調素子としては、変調信号に応じて反射光の強度が変化する素子を用いることが好ましい。そのような変調素子は、例えば、光源からの光を反射する反射電極と、反射電極より光源側に空間を介して配置され、光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、反射電極と半透過膜との間隔を制御することによって光源からの光の反射率が変化する素子である。あるいは変調素子は、反射型液晶素子である。

本発明において、基板としてはシリコン半導体基板を用いることが好ましい。

本発明によれば、従来は、空間光変調素子と受光素子とをシリコンプロセスによるチップとして別々に設けていたのに対し、そのようなシリコン半導体チップを２個から１個へ半減させることができる。空間光変調素子とＣＭＯＳセンサなどの受光素子とは、それらを製造するための半導体プロセスの各工程が、ほとんど同じであるので、工程数の増加を伴うことなく、これらの素子の機能を一度に作りこむことが可能である。その結果、光情報記録再生装置として、光学系をより簡単なものとすることが可能となって、設置面積を小さくすることができるようになる。また、記録媒体への書き込みと記録媒体からの読み出しとをほぼ同じ軸上で行うことができることから、書き込み用の光学系と読み出し用の光学系との間の位置ずれが本質的になくなり、両者間の光学系のずれの調整が不要になる。本発明によれば、このような特徴を有して低コストで製造できる光情報記録再生装置を提供できるようになるとともに、そのような光情報記録再生装置において好適に用いられる変調／受光素子を提供できる。

次に、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態の光情報記録再生装置について説明する。この光情報記録再生装置は、コリニア方式のホログラフィックメモリシステムとして構成されたものであり、空間光変調素子と、再生光を検出するためのＣＭＯＳイメージセンサなどの受光素子とを同一の半導体チップ上に形成したものである。図１〜図３は、本実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図である。図１は、記録時における光源から空間光変調素子までの光学系を示し、図２は、記録時における空間光変調素子からホログラムディスク（記録媒体）までの光学系を示し、図３は、再生時の光学系を示している。

本実施形態の光情報記録再生装置は、例えばディスク状であるホログラム記録媒体１８６に対して、体積ホログラムの書き込みによって情報の記録を行い、体積ホログラムの再生像を取得することによって情報の再生を行うものである。図示された光学系は、情報の記録及び再生に用いるレーザ光を発生する第１の光源１０１と、信号光を変調するための空間光変調素子（ＳＬＭ）と再生光を検出するための２次元の受光素子とを一体的に設けた変調／受光素子（ＳＬＭ／ＣＭＯＳ）１０８とを備えている。

本実施形態では、後述するように，変調／受光素子１０８における空間光変調素子部分としては、反射型光干渉変調素子を有する空間光変調素子を用い、受光素子としてはＣＭＯＳセンサを用いている。これら空間光変調素子とＣＭＯＳセンサとをシリコン半導体基板上で縦方向に積層して設けることにより、変調／受光素子１０８を構成している。この構成を用いることにより、空間光変調素子による光変調と受光素子による受光とを同軸で行うことができるようになっている。

まず、図１及び２を用いて、ホログラムディスクである記録媒体１１８に記録を行う場合について説明する。図１において、緑色レーザ等からなる第１の光源１０１から出射された光束は、コリメータ１０２で平行光束とされ、マスク素子１０３に入射する。マスク素子１０３は、光束の中心部の情報光に相当する部分をマスクする働きを有する。マスク素子１０３としては、例えば液晶素子を用いることができる。光束の中心部を遮蔽するマスクを光路に挿入してもよい。情報の記録時には、このマスク素子１０３は機能せず、すべての光束を透過させている。マスク素子１０３を透過した光は、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳと略記する）１０４に入射する。

Ｐ偏光でＰＢＳ１０４を透過した光束は、必要に応じて設けられた１／４波長板（以下、ＱＷＰと略記する）１０５を透過し、第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズ１０７を経由し、空間光変調素子（ＳＬＭ）とＣＭＯＳセンサが１チップに搭載された変調／受光素子１０８に照射される。ＳＬＭとして偏光状態を変化させない構成の光干渉変調素子（ｉＭＯＤ）素子が用いられる場合には、ＱＷＰ１０５を予め設ければよい。また、ＳＬＭとして偏光状態を９０°変化させる構成の反射型液晶（ＬＣＯＳ；liquid crystal on silicon）素子の場合は、ＱＷＰ１０５は不要である。ここで光干渉変調素子（ｉＭＯＤ）とは、反射電極と反射電極の前方に配置された半透過膜とを有する素子であり、半透過膜は、入射光をある割合で透過させ、残りは反射する機能を有する。この光干渉変調素子は、半透過膜側から光が入射した際の半透過膜表面からの反射光と、半透過膜を透過して反射電極によって反射された反射光との干渉を用いることによって、光変調を行う。反射電極も光を反射する性質を有し、ここで半透過膜と反射電極との間の空間の距離（エアギャップ）を変化させることによって、入射光の全体としての反射率を制御することができ、反射光の強度を変調することができる。エアギャップの距離は、半透過膜と反射電極との間に信号電圧を印加し、その信号電圧によって生じる電界によるクーロン力によって半透過膜を変位させることにより、制御することができる。半透過膜としてはＴｉ（チタン）の薄膜を好ましく使用できる。

以下、変調／受光素子１０８として、ｉＭＯＤとＣＭＯＳとの組み合わせからなる素子を用いる場合（ｉＭＯＤ／ＣＭＯＳ）と、ＬＣＯＳとＣＭＯＳとの組み合わせからなる素子を用いる場合（ＬＣＯＳ／ＣＭＯＳ）とに分けて、記録動作を説明する。

ｉＭＯＤ／ＣＭＯＳの場合：
ＱＷＰ１０５を透過した光束は、円偏光（例えば、右回りの円偏光）に変換され、第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズ１０７を経由し、変調／受光素子１０８を照明する。変調／受光素子１０８のＳＬＭで「１（白）」の情報を表わす画素によって反射された光は、高い反射率で記録媒体１１８の方向へ反射され、ＳＬＭの「０（黒）」の情報を表わす画素で反射された光は、干渉により記録媒体１１８の方向へはわずかしか反射されない。従来例と同様に、コリニア方式のＳＬＭには、情報光１１０を変調する部分とそれを環状に取り巻く参照光１０９を変調する部分が設けられている。

以下、図２によって説明すると、変調／受光素子１０８のＳＬＭによって反射された光束は、逆回りの円偏光（例えば、左回りの円偏光）とされる。第２のリレーレンズ１０７及び第１のリレーレンズ１０６を経由した光束は、ＱＷＰ１０５を透過してＳ偏光に変換され、ＰＢＳ１０４で反射されて記録媒体１１８の方向に向けられる。

ＬＣＯＳ／ＣＭＯＳの場合：
一方、変調／受光素子１０８としてＬＣＯＳ／ＣＯＭＳが用いられる場合、ＰＢＳ１０４を通過した光束は、第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズＢ１０７を経由し、変調／受光素子１０８を照明する。ＳＬＭ上で「１（白）」の情報を表わす画素で反射された光はＳ偏光に変換され、「０（黒）」の情報を表わす画素で反射された光はＰ偏光の状態を保持する。従来例と同様に、コリニア方式のＳＬＭ上には、情報光１１０を変調する部分とそれを環状に取り巻く参照光１０９を変調する部分が設けられている。

以下、図２によって説明すると、変調／受光素子１０８で反射された光束のうち、Ｓ偏光はＰＢＳ１０４で反射されてホログラムディスク１１８の方向に差し向けられ、Ｐ偏光はＰＢＳ１０４を透過してホログラムディスク１１８の方向に向かわない。

ｉＭＯＤ／ＣＭＯＳを用いる場合も、ＬＣＯＳ／ＣＭＯＳを用いる場合も、変調／受光素子１０８のＳＬＭにおいて「１（白）」の情報を表わす画素によって反射された参照光１０９と情報光１１０は、ＰＢＳ１０４で反射され、第３のリレーレンズ１１１、ミラー１１２、第４のリレーレンズ１１３、ダイクロイックビームスプリッタ（以下、ＤＢＳと略記する）１１４を経由して記録媒体１１８に向けられ、ミラー１１５で反射されて焦点距離Ｆの対物レンズ１１６に入射する。変調／受光素子１０８のＳＬＭに表示されたパターンは、第３及び第４のリレーレンズ１１１、１１２により、対物レンズ１１６からＦだけ手前に中間像を形成する。これにより、変調／検出素子１０８のＳＬＭ上のパターン像（不図示）、対物レンズ１１６、記録媒体１１８とがいずれもＦの距離だけ離れて配置されている、４Ｆ光学系が構成されたことになる。

ディスク状の記録媒体１１８は、スピンドルモータ１１７上に回転可能に保持されている。対物レンズ１１６によって、参照光１０９と情報光１１０は記録媒体１１８に集光され、干渉して干渉縞を形成する。記録媒体１１８中の高分子材料には、この記録時の干渉縞パターンが屈折率分布として記録され、デジタル体積ホログラムが形成される。特に、記録すべき情報に応じて情報光１１０を変調すれば、記録媒体１１８に、その情報に応じたデジタル体積ホログラムが形成されることになる。なお、記録媒体１１８中には反射膜が設けられている。

この光情報記録再生装置では、従来例のものと同様に、ホログラム化された光情報の記録再生を行う第１の光源１０１以外に、記録媒体１１８に対する感光性のない赤色レーザ等からなる第２の光源１１９が設けられている。この第２の光源１１９を用いて、記録媒体１１８の反射膜を基準面とし、記録媒体１１８の変位を高精度に検出することが可能である。これより、記録媒体１１８に面ブレや偏心が発生しても、光サーボ技術を用いてダイナミックに記録スポットを記録媒体面に追従させることが可能となり、高精度に干渉縞パターン（デジタル体積ホログラム）を記録することができる。以下に簡単に説明する。

第２の光源１１９から出射された光束は、ビームスプリッタ（以下、ＢＳと略記する）１２０を透過し、レンズ１２１で平行光束とされ、ミラー１２２とＤＢＳ１１４で反射されて、記録媒体１１８に向けられる。その後、ミラー１１５で反射されて対物レンズ１１６に入射して記録媒体１１８の反射膜に微小な光スポットとして集光される。反射された光束は、対物レンズ１１６に再入射して平行光束とされ、ミラー１１５、ＤＢＳ１１４で順次反射され、往路と同様にミラー１２２、レンズ１２１を経由し、ビームスプリッタＢＳ１２０で一部の光束を反射されて、光検出器１２３に導かれる。光検出器１２３は、複数の受光面を有していて、公知の方法で反射面の位置情報を検知し、それに基づいて対物レンズ１１６のフォーカスとトラッキングを行うことができる。

次に、図３を用いて、記録媒体１１８にデジタル体積ホログラムとして記録されている情報を再生する場合の動作を説明する。第１の光源１０１から出射された光束は、記録時と同様に、変調／受光素子１０８に照射される。この際、第１の光源１０１からの光の強さは、記録媒体１１８に記録されている情報を破壊しないように、記録時に用いられた強度よりも小さいものとされる。再生時において、マスク素子１０３は、光束の中心部の情報光に相当する部分をマスクする。本実施形態では、マスク素子１０３を構成する液晶素子は、光束の中心部のみ偏光方向を９０°回転させてＳ偏光とし、後続のＰＢＳ１０４で反射させて変調／受光素子１０８に到達しないようにしている。また、中心部を遮蔽するマスクを光路に挿入してもよい。

第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズ１０７は、マスク素子１０３の像を変調／受光素子１０８のＳＬＭに結像させる役目を有する。これにより、参照光の部分の素子のみが照明され、情報光の部分はマスク素子１０３の像によりきちんと遮光がなされることになる。変調／受光素子１０８のＳＬＭにおいては、参照光１０９を変調する部分のみが「１（白）」の情報を表示し、情報光１１０を変調する部分は、すべて「０（黒）」の情報を表示する。したがって、参照光１０９を変調する部分の画素で反射された光だけが、記録媒体１１８の方向へ反射される。情報光１１０を反射する部分の画素の光束は、記録媒体１１８の方向へ反射されないばかりかもともと照明すらされないので、従来例と比較して、一段とＳ／Ｎの良い情報光の再生が可能となる。

記録時と同様に参照光１０９は、ＰＢＳ１０４で反射され、記録媒体１１８に集光され、記録された干渉縞から情報光を再生する。記録媒体１１８中の反射膜で反射された情報光（すなわち再生光）は、対物レンズ１１６に再入射して平行光束とされ、ミラー１１５で反射される。この時、対物レンズ１１６からＦの距離に再生されたＳＬＭの表示パターンの中間像が形成される。

ＤＢＳ１１４を透過した光束は、第４のリレーレンズ１１３、ミラー１１２、第３のリレーレンズ１１１を経由してＰＢＳ１０４に向けられ、第４のリレーレンズ１１３と第３のリレーレンズ１１１とにより、マスク素子１０３と共役の位置にＳＬＭの表示パターンの中間像として再結像される（図示せず）。そして、この再結像された中間像は、ＰＢＳ１０４で反射され、第１のリレーレンズ１０６及び第２のリレーレンズ１０７により、変調／受光素子１０８上に結像される。なお、本実施形態では、受光素子として、画素ごとに、フォトダイオードとフォトダイオードで検出した受光信号を増幅するＭＯＳトランジスタとを有する、ＣＭＯＳセンサを用いている。しかも本実施形態では、変調／受光素子１０８として、空間光変調素子（ＳＬＭ）とＣＭＯＳセンサなどの受光素子とを同一のチップ上に配したものを使用しているので、両者を位置合わせするためのの複雑な機構が不要となる。また、光学系のコストダウンとコンパクト化を図ることができる。

次に、本実施形態の光情報記録再生装置における、記録・再生の回路動作を説明する。図４は、本実施形態において用いられた、反射型光干渉変調素子を用いたＳＬＭとＣＭＯＳセンサからなる受光素子とを一体型とした変調／受光素子を説明するための等価回路図である。図４において、符号１〜１０までは、空間光変調素子に係る構成要素に付与され、符号２１〜３３は、ＣＭＯＳイメージセンサとして構成されている受光素子に係る構成要素の付与されている。

列方向（図示垂直方向）に延びる複数の垂直信号線１，１ａ，…と、行方向（図示水平方向）に延びる複数の駆動線（走査線）２，２ａ，…とが設けられてこれらはマトリクス配線を構成しており、垂直信号線と駆動線との交点がそれぞれ画素に対応する。したがって、画素はマトリクス状に配置されていることになり、画素配列の列ごとに垂直信号線が設けられ、行ごとに駆動線が設けられていることになる。垂直信号線１，１ａ，…は空間光変調素子のためのものであり、これと同様に、列ごとに、受光素子のための垂直信号線２６，２６ａ，…が設けられている。さらに、行ごとに、受光素子のための水平読出し線２７，２７ａ，…、水平リセット線２８，２８ａ，…、水平選択線２９，２９ａ，…が設けられている。

各画素には、空間光変調素子のために、スイッチングトランジスタからなる画素スイッチ３，３ａ，…と、干渉構造部４，４ａ，…と、保持容量５，５ａ，…が設けられている。また、各画素には、受光素子のために、フォトダイオード２１，２１ａ，…と、トランジスタからなる転送スイッチ２２，２２ａ，…と、トランジスタからなるリセットスイッチ２３，２３ａ，…と、増幅トランジスタ２４，２４ａ，…と、トランジスタからなる選択スイッチ２５，２５ａ，…とが設けられている。

各画素の空間光変調素子の部分では、画素スイッチ３，３ａ，…のゲートは対応する駆動線２，２ａ，…に接続し、ドレインは対応する垂直信号線１，１ａ，…に接続する。保持容量５，５ａ，…は、画素スイッチのソースと定電位点（例えば接地電位点）との間に設けられている。さらに、干渉構造部４，４ａ，…も画素スイッチのソースに接続している。各干渉構造部は、各画素に共通な共通対向電極６も備えている。垂直信号線１，１ａ，…の一端は、それぞれサンプリングスイッチ９，９ａ，…を介して空間光変調素子のための水平信号線１０に接続し、サンプリングスイッチ９，９ａ，…のゲートは、区間光変調素子の水平シフトレジスタ８に接続する。また駆動線２，２ａ，…の一端は垂直シフトレジスタ７に接続する。

ここで干渉構造部は、上述した反射電極と半透過膜とを備えるものであり、半透過膜は共通対向電極６として各画素に共通に設けられている。一方、反射電極は、画素ごとに画素スイッチのソースに接続されている。

各画素の受光素子の部分では、フォトダイオード２１，２１ａ，…のアノードは接地され、カソードはそれぞれ転送スイッチ２２，２２ａ，…の一端に接続している。転送スイッチ２２，２２ａ，…のゲートは対応する水平読出し線に接続し、他端はリセットスイッチの一端に接続している。リセットスイッチ２３，２３ａ，…は、フォトダイオード及びそれに対して電気的に接続するフローティングディフュージョン（ＦＤ）領域を所定電位までリセットするためのものであって、他端には所定の電位が印加されるとともに、ゲートは水平リセット線に接続している。さらに、転送スイッチ２２，２２ａ，…の他端は、フォトダイオード２１，２１ａ，…による信号電荷を増幅するための増幅トランジスタ２４，２４ａ，…のゲートにも接続している。増幅トランジスタ２４，２４ａ，…の一端には所定電位が印加され、他端は、選択スイッチ２５，２５ａ，…を介して、受光素子の対応する垂直信号線に接続する。選択スイッチのゲートは、対応する水平選択線に接続する。受光素子の垂直信号線２６，２６ａ，…の一端は、サンプリングスイッチ３２，３２ａ，…を介して、受光素子の水平信号線３３に接続する。サンプリングスイッチ３２，３２ａ，…のゲートは、受光素子の水平シフトレジスタ３１に接続する。受光素子のための水平読出し線２７，２７ａ，…、水平リセット線２８，２８ａ，…、水平選択線２９，２９ａの各一端は、いずれも、受光素子の垂直シフトレジスタ３０に接続している。

図４では、２行２列で画素が配置しているが、当然のことながら、本実施形態の光情報記録再生装置における変調／受光素子１０８の回路は、例えば１０００行１０００列のような多画素のマトリクス構成とすることもできる。

本実施形態の変調／受光素子１０８の回路動作について説明する。まず、書き込みモードについて説明する。書き込み時の動作は、一般の表示装置などにおけるアクティブマトリクス動作と同様の動作である。

まず垂直シフトレジスタ７から駆動線２にオン信号が入力され、画素スイッチ３，３ａがオン状態になる。この状態で、水平シフトレジスタ８が順次動作し、水平信号線１０から垂直信号線１に信号を伝達する。すなわち、まずサンプリングスイッチ９がオンになって、垂直信号線１に水平信号線１０の信号が書き込まれ、画素スイッチ３を通して保持容量５に信号に応じた電荷が蓄積される。ＳＬＭとして反射型光干渉変調素子を用いる場合、干渉構造部４の反射電極（不図示）と共通対向電極６との間の電位差が印加され、この間に電界が生じる。この電界により、干渉構造部４を変化させ、具体的には反射電極と共通対向電極６との距離が変化し、入射光に対する反射率を所望の値に変調させることができる。ここで、ＳＬＭとしてＬＣＯＳが用いられるのであれば、液晶画素の一方の電極を画素スイッチに接続し他方を共通対向電極６とすればよい。ＬＣＯＳを用いる場合であれば、液晶部に電界が生じ、この電界により液晶の配向が変化して、入射光の偏光特性を変化させる。偏光板・波長板等の組み合わせにより反射率を所望の値に変調させる。ホログラフィックメモリシステムにおけるＳＬＭとしては白と黒の２階調があればよいので、反射率としては最大反射率あるいは最小反射率が得られる電圧を干渉構造部４または液晶部に与えることになる。

次いでサンプリングスイッチ９をオフにした後にサンプリングスイッチ９ａをオンにして、今度は、水平信号線１０の信号を垂直信号線１ａに書き込み、この信号を、画素スイッチ３ａを介して保持容量５ａに書き込む。このようなシーケンスで、水平方向（行方向）に順次信号を画素に書き込んでいく。

１行全て書き込んだ後に、駆動線２がオフにされ、今度は駆動線２ａに、画素スイッチ３ｂ、３ｃをオン状態にするべく信号が入力される。後は前述同様に、水平方向に順次画素に信号を書き込んでいく。すべての行に電圧を書きこんだ後に、再びこの動作を第一行から繰り返し、各画素の電圧を書き換えていく。このようにして全画素に信号を書き込んだ後、第１の光源１０１からの光を変調／受光素子１０８に入射させれば、それぞれの画素において変調された光として反射し、その反射光は、参照光１０９と干渉して記録媒体１１８に記録される。

変調／受光素子１０８において、参照光１０９を変調する画素、すなわち参照光領域にある画素は、一定の反射率になるように設定される。例えば、情報光が当たる画素と同じ構造にして、最大反射率が得られるような電圧を与える。また例えば、反射型光干渉変調素子を用いる場合には、干渉構造は形成せずに、単純にミラー構造としてもよい。

次に、読出しモードについて説明する。

記録媒体１１８に記録された情報が参照光１０９により再生され、受光画素に「１」（白）あるいは「０」（黒）に相当する光強度が入射され、それに応じた量の電荷がフォトダイオード２１，２１ａ…に蓄積される。垂直シフトレジスタ３０から水平読出し線２７にオン信号を出力し、転送スイッチ２２をオン状態にすることで、フォトダイオードに貯められた電荷が増幅トランジスタ２４のゲートの電位を変化させ、その結果、フォトダイオードに蓄えれた信号に応じた電圧が増幅トランジスタ２４のドレインに出力される。垂直シフトレジスタ３０から水平選択線２９によって選択スイッチ２５をオン状態にすると、増幅トランジスタ２４の出力が垂直信号線２６に伝達する。水平シフトレジスタ３１を順次動作させて、サンプリングスイッチ３２をオンにすることにより、垂直信号線２６から水平信号線３３へ情報が送られる。サンプリングスイッチ３２をオフにした後、次列のサンプリングスイッチ３２ａがオンとなって、同様に信号が送られる。１行すべての信号が送られた後は、垂直シフトレジスタ３０により、次の行に移行し、同様にして、順次、信号が読み出される。あとは読み出された信号に基づいて、記録媒体１１８に記録されている信号を再生すればよい。

なお、反射型光干渉光変調素子を用いたＳＬＭと受光素子であるＣＭＯＳセンサとをシリコン基板上に積層して一体化した場合、受光素子も干渉構造部の上述した半透過膜の下側に位置することになる。したがって、読出しモードを行う直前に、情報を受光するすべての画素のＳＬＭのトランジスタ３、３ａ、３ｂ、…を一度オン状態にして、干渉構造部４，４ａ，４ｂ，…が同程度の透過率を示す状態に保持しておく必要がある。

なお、図４に示す回路図は、空間光変調素子と受光素子とを縦方向に積層して一体型にした場合だけでなく、画素ごとに光変調素子と受光素子とを重ねることなく隣接させた場合にも、共通して適用できるものである。

次に、本実施形態における反射型光干渉光変調素子を用いたＳＬＭと受光素子であるＣＭＯＳセンサとを縦に一体化にした、すなわち積層した変調／受光素子の構造について説明する。図５はそのような変調／受光素子の要部の断面構造を示している。ここでは、２画素分の領域が示されている。受光素子として高速読み出しが可能なＣＭＯＳセンサを用いる例を説明しているが、受光素子の種類は特に限定されるものではなく、ＣＣＤやその他の光センサでもよい。なお再生時には情報光の領域でのみ光学的な像パターンを検出すればよいので、受光素子は、ＳＬＭにおける情報光領域にのみ形成されるようにしてもよい。

単結晶シリコン（Ｓｉ）基板５１の表面にフォトダイオード５２が形成され、また、ＣＭＯＳセンサの転送スイッチのゲート電極５３が設けられている。これらの全面を覆うように層間絶縁膜６０が設けられ、層間絶縁膜６０内には、ＣＭＯＳセンサの配線５４、ＳＬＭの配線５５及び遮光膜５６が設けられている。遮光膜５６は、入射光が下部トランジスタ領域に届かないようにするためのものである。そして層間絶縁膜６０の最表面近くには、反射電極５７が設けられている。配線５４は、コンタクトホールを介して転送スイッチのソース／ドレイン電極と接続し、配線５５はコンタクトホールを介して反射電極５７に接続する。層間絶縁膜６０の表面であって、反射電極５７の周縁部にあたる位置には、支柱状の絶縁膜６１が設けられており、この絶縁膜６１に保持されるようにして、半透過膜５８が設けられている。半透過膜５８と反射電極５７との間には、空間（エアギャップ）６２が形成されている。半透過膜５８の表面のうち、空間６２に面しない方の表面の全面に保護膜５９が形成されている。この図では、素子間絶縁するためのＬＯＣＯＳ酸化膜等や、ＣＭＯＳセンサの他のトランジスタ、配線、ＳＬＭの画素スイッチや配線は省略してある。

この変調／受光素子では、入射光に対して反射電極（第１の干渉ミラー）５７と半透過膜（第２の干渉ミラー）５８との間で干渉を生じさせ、その間の空間（例えば空気）６２の距離（エアギャップ）を変化させることで、反射率及び透過率を変化させている。この構成では、反射型光干渉光変調素子を用いたＳＬＭと受光素子であるＣＭＯＳセンサを縦に一体化した構成となっている。そのため、受光素子であるＣＭＯＳセンサに入射する光を読み取る際に透過モードも使用するため、両方の干渉ミラー（すなわち半透過膜６８及び反射電極５７）とも半透明である必要がある。しかしながら、横配置の場合には、干渉構造部４では透過モードを使用する必要が無いので、反射電極５７は半透明である必要はない。反射電極５７が半透明でない場合には、反射電極５７として、反射率の高い材料を用いることが好ましく、例えば、Ａｌ，ＡｌＳｉ，ＡｌＣｕ，Ｔｉ，Ｔａ，Ｗ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｒｕ，Ｎｉ，Ａｕ，ＴｉＮ等の金属膜、あるいはこれら金属の化合物膜を用いることができる。ただし、反射電極の材質はここに示したものに限定されるものではない。反射電極５７と半透過膜５８との間に配置された支柱状の絶縁膜６１は、例えばシリコン窒化膜で形成され、半透過膜５８の保護膜５９は、例えばシリコン酸化膜で形成される。なお、支柱状の絶縁膜６１、層間絶縁膜６０、保護膜５９としては、電気的な絶縁材料であれば特に限定されることなく使用することができ、またこれらを異なる材料で構成しても同じ材料で構成してもよい。

次に、この変調／受光素子の干渉構造部としての動作について説明する。まずＴｉからなる半透過膜５８には、例えば０Ｖのグランド電位を与える。前述したアクティブマトリクス動作により、反射電極５７には、信号に応じた電圧が与えられ、反射電極５７と半透過膜５８との間に電位差が生じ、それによって発生するクーロン力によりエアギャップが変化する。図示上側から光が入射したとすると、その入射光のある割合の部分は半透過膜５８の表面で反射され、残りの部分は半透過膜５８を透過して反射電極５７で反射され、半透過膜５８を透過して外部に出射する。このとき、半透過膜５８の表面で反射された成分と反射電極５７で反射された成分とが干渉し、両者の位相差に応じて全体としての反射光の強度が変化する。位相差は光路差で決まり、光路差はエアギャップの大きさの２倍であるから、信号電圧に応じてエアギャップが変化させることにより、干渉構造部としての反射光（全体としての反射光）の強度を制御することができる。

図６は、このように干渉構造部を構成した場合に、エアギャップが１７０ｎｍの時と１０ｎｍの時での反射率の波長変化を表わしたグラフである。ここでは、保護膜５９として厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂を用い、半透過膜５８としては、厚さ５ｎｍのＴｉと厚さ２０ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄と厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂と厚さ２０ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄をこの順で積層したものを用い、反射電極５７としては、表面に厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂膜を有する厚さ１５ｎｍのＴｉを用いた。図６に示すように、波長５５０ｎｍの光において、エアギャップが１７０ｎｍの時の反射率は５２．５％であり、１０ｎｍの時の反射率は、１．２％である。反射電極５７に与える信号の電圧により、エアギャップを１０ｎｍから１７０ｎｍへと変化させると、それに伴い反射率が大きく変化することが分かる。この干渉作用は、波長や半透過膜材料、エアギャップによりそれぞれ設計可能であり、したがって、物理的な強度やコントラスト比等の特性を鑑みて、干渉構造部として必要な構成をとることが重要である。

読出しモードの場合には、少なくとも情報光が入射する画素では、光干渉の状態は同じ状態にして透過率を一定にしておく必要がある。そこでこの変調／受光素子においてエアギャップを１０ｎｍにした場合の透過率に波長変化を図７に示す。この場合、透過率は２３．０％と比較的低いが、一定であることが重要であって透過率の絶対値はそれほど重要ではない。透過率を一定に保つことにより、再生光の強度をＣＭＯＳセンサで判別し、白画素なのか黒画素なのかを識別することが可能になる。

次に、このような反射型光干渉変調素子からなる空間光変調素子（ＳＬＭ）とＣＭＯＳセンサである受光素子とを一体化させた変調／受光素子の作成方法について説明する。

シリコン（Ｓｉ）半導体基板を用い、この半導体基板上に、周知の方法によって、ＣＭＯＳセンサを形成する。具体的な形成方法としては、任意のものを用いることができる。同時に、ｎＭＯＳトランジスタによって、ＳＬＭの書き込み用のトランジスタ（図４における画素スイッチ３，３ａ，…）を形成する。その後、層間絶縁膜を形成し、各配線を形成し、さらに、反射型光干渉変調素子を形成する。具体的な作成手順の一例は以下のようなものである。

ｎ型単結晶シリコン半導体基板を部分熱酸化し、ＬＯＣＯＳ(Local Oxdation of silicon)酸化膜を形成する。ついでＬＯＣＯＳ酸化膜をマスクとして、ボロン（Ｂ）をドーズ量１０¹¹ ｃｍ^-2程度でイオン注入し、ｐ型不純物領域であるｐ型ウエルを形成する。この基板を再度熱酸化し、厚さ６０ｎｍのゲート酸化膜を形成する。

次に、リン（Ｐ）を１０²⁰ ｃｍ^-3程度ドープしたｎ形型ポリシリコンからなるゲート電極５３を形成した後、基板全面にリンをドーズ量１０¹³ ｃｍ^-2程度でイオン注入し、不純物濃度１０¹⁸ ｃｍ^-3程度のｎ形不純物領域であるｎ型低濃度ドレインを形成する。引き続き、パターニングされたフォトレジストをマスクとして、リンをドーズ量１０¹⁵ ｃｍ^-2程度でイオン注入し、不純物濃度１０²⁰ ｃｍ^-3程度のソース・ドレイン領域を形成し、ｎＭＯＳトランジスタを形成する。同様にｐＭＯＳトランジスタを形成する。

ＣＭＯＳセンサは、公知の手法で作成される。ＣＭＯＳセンサを構成するトランジスタは、上記のトランジスタの形成工程と同時に形成可能であり、さらに、フォトダイオードの工程を付加するのみでよい。

その後、基板全面に層間絶縁膜６０を形成する。層間絶縁膜には、ＰＳＧ(Phospho-silicate Glass)膜やＮＳＧ(Nondope Silicate Glass)／ＢＰＳＧ(Boro-Phospho-Silicate Glass)膜、あるいは、ＴＥＯＳ（テトラエトキシシラン）によるＣＶＤ（化学気相成長）膜等を用いることが可能であり、特に限定されるものではない。

次に、ソース・ドレイン領域の直上にコンタクトホールをパターニングし、スパッタリング等によりアルミニウム（Ａｌ）層を蒸着した後パターニングし、下地の配線５４を形成する。この下地配線層３３４と、ソース・ドレイン領域とのオーミックコンタクト特性を向上させるために、Ｔｉ／ＴｉＮ等のバリアメタルを配線５４とソース・ドレイン領域との間に形成することが望ましい。その後、層間絶縁膜を形成し、さらに金属膜によって遮光膜５６を形成する。遮光膜５６には、例えばＴｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ａｇ等の金属膜もしくはそれらの積層膜を用いることができ、特に限定されるものではない。遮光膜５６をパターニングした後、さらに層間絶縁膜６０を形成し、配線５５上の所定の位置にコンタクトホールを設けてプラグを形成する。次いで、プラグにタングステンを堆積した後にＣＭＰ（化学機械研磨）法により平坦化する。

その後、Ｔｉをスパッタ法などによりおよそ厚さ１５ｎｍ堆積し、パターニングして反射電極５７を形成する。次いで、ＣＶＤ法により、反射電極５７の保護膜として厚さ１５ｎｍのシリコン酸化膜を設ける。

次に、シリコン窒化膜をプラズマＣＶＤ法により形成し、パターニング後のエッチングにより、支柱状の絶縁膜６１を形成する。その後、レジストを塗布し平坦化した後に、およそ高さ１８０ｎｍの支柱状の絶縁層６１が均一に残るように平坦化する。次に、低温のスパッタ法により、Ｓｉ₃Ｎ₄：厚さ２０ｎｍ、ＳｉＯ₂：厚さ１０ｎｍ、Ｓｉ₃Ｎ₄：厚さ２０ｎｍ、Ｔｉ：厚さ５ｎｍを順次形成し、さらに、保護膜５９となるシリコン酸化膜を厚さ１０ｎｍ堆積させた。パターニングした後にドライもしくはウエットエッチングでシリコン窒化膜、シリコン酸化膜及びＴｉ層をエッチングし、その後レジストをウエットエッチングにより除去する。この工程により、半透過膜５８と保護層５９が形成される。その後、ワイアボンディングで電極を取り出して、反射型光干渉変調素子が完成する。

（第２の実施形態）
上述した第１の実施形態では、シリコン半導体基板の表面において空間光変調素子（ＳＬＭ）と受光素子（ＣＭＯＳセンサ）とを縦方向に積層していたが、本発明はこれに限定されるものではない。変調／受光素子１０８において、画素ごとに、空間光変調素子と受光素子とを横置きに配置してもよい。図８は、このようにＳＬＭと受光素子とが横置きに配置された変調／受光素子１０８を示している。

図８に示す変調／受光素子１０８は、画素ごとに、反射型光干渉変調素子からなるＳＬＭを有するＳＬＭ素子領域６４と、ＣＭＯＳ受光素子を有するＣＭＯＳセンサ領域６５と、を備えている。画素ごとのＳＬＭ素子領域６４とＣＭＯＳセンサ領域６５は、同一のシリコン基板５１に設けられて相互に隣接して配置している。

図８に示すような変調／受光素子の製造プロセスは、基本的には、第１の実施形態で示した縦配置の変調／受光素子の製造プロセスと同様のものである。すなわち、ＳＬＭ素子領域６４には、フォトダイオードは設けられないが、反射電極５７と半透過膜５８とからなる干渉構造が形成される。一方、ＣＭＯＳセンサ領域６５では、干渉構造は形成されないが、フォトダイオード５２は形成される。図示していないが、この構造においては、ＣＭＯＳセンサ領域６５上にマイクロレンズを配置すると、実効的な開口率が増加する。

このような横配置の変調／受光素子の場合、ＳＬＭを構成する反射型光干渉変調素子において、受光素子に光を導くための透過モードは必要としないので、反射電極５７として、アルミニウム（Ａｌ）などからなる比較的厚い膜を使用することができる。

図９は、このように干渉構造部を構成した場合に、エアギャップが１８０ｎｍの時と１０ｎｍの時での反射率の波長変化を表わしたグラフである。ここでは、保護膜５９として厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂を用い、半透過膜５８としては、厚さ５ｎｍのＴｉと厚さ２０ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄と厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂と厚さ２０ｎｍのＳｉ₃Ｎ₄をこの順で積層したものを用い、反射電極５７としては、表面に厚さ１０ｎｍのＳｉＯ₂膜を有する厚さ１５ｎｍのＡｌＳｉを用いた。図６に示すように、波長５５０ｎｍの光において、エアギャップが１８０ｎｍの時の反射率は９３．０％であり、１０ｎｍの時の反射率は、０．６％である。反射電極５７に与える信号の電圧により、エアギャップを１０ｎｍから１８０ｎｍへと変化させると、それに伴い反射率が大きく変化することが分かる。この干渉作用は、波長や半透過膜材料、エアギャップによりそれぞれ設計可能であり、したがって、物理的な強度やコントラスト比等の特性を鑑みて、干渉構造部として必要な構成をとることが重要である。

（第３の実施形態）
本発明において、空間光変調素子として用いられるものは、上述した反射型光干渉変調素子に限られるものではない。図１０に示すものは、空間光変調素子として反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）を用い、変調／受光素子において反射型液晶素子とＣＭＯＳ（センサ）とを縦方向に配列したものである。

シリコン基板５１の表面にフォトダイオード５２や転送スイッチのゲート電極５３が設けられるともに、その上に層間絶縁膜６０が設けられ、層間絶縁膜６０中に配線５４，５５や遮光膜５６が設けられることは、図５に示した変調／受光素子と同様である。図１０に示した変調／受光素子では、層間絶縁膜６０の表面の近傍に、画素ごとの画素電極６５が設けられている。層間絶縁膜６０に対向してガラス板７０が配置しており、層間絶縁膜６０とガラス板７０との間に、液晶６８が封入されている。ガラス板７０の液晶６８側の表面には、共通電極となるＩＴＯ（酸化インジウム・スズ）膜６９が形成され、ＩＴＯ膜６９の表面及び層間絶縁膜６０の表面には、配向膜６７が設けられている。ここで液晶６８としては垂直液晶が用いられ、配向膜６７としては、斜方蒸着ＳｉＯ₂膜が用いられる。画素電極６６は、例えば５０％の反射率を有する、半透明膜として設けられている。なお、この変調／受光素子では、入射光（波長：λ）が液晶６８を通過し画素電極６６で反射され再び液晶６８を通過した際にλ／２の位相のずれが生じるように、液晶６８の組成と厚さとが設計されている。

このような変調／受光素子において、「１」表示では、画素電極６６と共通電極６９との間に電圧が印加され、液晶６８に電界が加わり液晶分子が倒れる。一方、「０」表示では、電界が加わらず、液晶分子はほぼ垂直に立っている。このような反射型液晶素子を空間光変調素子として用いることとすると、図１及び図２に示したような光学系において、光入射前にＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）１０４によってＳ偏光の直線偏光とされた光を変調／受光素子１０８に入射させると、「０」表示では、偏光方向が変わらずに画素電極で５０％の強度で反射される。この場合、反射光が再度、ＰＢＳ１０４に入るが、偏光が変化してないので、ＰＢＳ１０４で反射されることとなり、その光は記録媒体（ホログラム）１１８へは到達しない。一方「１」表示の時は、画素電極６６での反射率は５０％であるが、上述したように液晶の組成と厚さが設定されているので、反射光は、偏光面が９０°回転した直線偏光になる。したがってこの反射光は、ＰＢＳ１０４にはＰ偏光で入って透過し、記録媒体１１８に向けられることになる。光の強度は「１」の場合でも５０％になるが、「１」、「０」の判別のためには十分な強度である。

記録媒体１１８に記録されている情報の情報の読み出しの際は、情報光領域においては液晶６８は単に再生光を透過させればよいので、液晶６８の偏光状態はどのようであってもよく、液晶６８はどのような状態であっても構わない。

（第４の実施形態）
反射型光干渉変調素子の場合と同様に、空間光変調素子として反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）を用いる場合においても、画素ごとの空間光変調素子と受光素子とをシリコン基板上において横置きの配置とすることができる。図１１は、そのような横置きの配置とした変調／受光素子を示している。

図１１に示す変調／受光素子は、画素ごとに、反射型液晶素子からなるＳＬＭを有するＳＬＭ素子領域６４と、ＣＭＯＳ受光素子を有するＣＭＯＳセンサ領域６５と、を備えている。画素ごとのＳＬＭ素子領域６４とＣＭＯＳセンサ領域６５は、同一のシリコン基板５１に設けられて相互に隣接して配置している。この変調／受光素子の空間光変調素子としての動作は、情報の記録を行う場合も、情報の再生を行う場合も、上述した縦配置の場合と同じである。

（第５の実施形態）
上述した第２及び第４の実施形態では、変調／受光素子において、画素ごとに空間光変調素子（ＳＬＭ）と受光素子（ＣＭＯＳ）とをシリコン基板上において横置きの配置としている。以下、空間光変調素子と受光素子との平面配置関係の例について説明する。

図１２に示したものは、ＳＬＭ素子領域とＣＭＯＳセンサ領域とがいずれも同じ面積の正方形の平面形状を有する場合における、ＳＬＭ素子領域とＣＭＯＳセンサ領域との平面配置を示している。ここでは、ＳＬＭ素子領域とＣＭＯＳセンサ領域とが、市松模様に配置している。これに対し、図１３及び図１４は、いずれも、ＣＭＯＳセンサ領域の面積をＳＬＭ素子領域の面積よりも大きくして受光感度を向上させる例を示している。図１３では、ＳＬＭ素子領域とＣＭＯＳセンサ領域との面積比が１：３程度となっており、図１４では、４：９程度となっている。ここでは図示していないが、ＳＬＭ素子領域をＣＭＯＳセンサ領域よりも大面積で設けるようにしてもよい。ＳＬＭ素子領域とＣＭＯＳセンサ領域との面積比は、記録する際に必要な情報光の強度、再生時に必要な再生光の強度、途中の光路での減衰量等に基づいて、最適な値となるように設定すればよい。

以上説明した本発明の各実施形態では、空間光変調素子と受光素子とを同一の半導体基板上に設けているので、空間光変調素子と受光素子とを別々のチップに設ける場合に比べ、シリコン半導体プロセスによって製造すべきチップの数を２個から１個へ半減させることができる。空間光変調素子の製造プロセスと受光素子の製造プロセスとは共通の工程を多く有するので、結局、工程数の増加を伴うことなく、空間光変調素子の機能と受光素子の機能とを一度に作りこむことが可能になり、トータルとしての工程数の削減が可能になる。また、これらの実施形態によれば、ホログラフィックメモリシステムとしての光学系の規模を小さくすることができ、ホログラフィックメモリシステムの設置面積を小さくすることができる。また、空間光変調素子と受光素子とを同軸、あるいはほぼ同軸に配置することができることから、これらの素子を位置合わせするための複雑な機構が不要になるとともに、両者間の光学系のずれの調整が不要になる。

本発明の第１の実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図であって、記録時における光源から変調／受光素子までを示す図である。 第１の実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図であって、記録時における変調／受光素子から記録媒体までを示す図である。 第１の実施形態の光情報記録再生装置の光学系を説明する図であって、再生時を示す図である。 駆動回路部分を含めた変調／受光素子の等価回路図である。 第１の実施形態における変調／受光素子の構成を示す断面図である。 変調／受光素子の波長−反射率特性を示すグラフである。 変調／受光素子の波長−透過率特性を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態における変調／受光素子の構成を示す断面図である。 変調／受光素子の波長−反射率特性を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態における変調／受光素子の構成を示す断面図である。 本発明の第４の実施形態における変調／受光素子の構成を示す断面図である。 変調／受光素子でのＳＶＭ素子部分とＣＭＯＳセル部分との平面配置の一例を示す図である。 変調／受光素子でのＳＶＭ素子部分とＣＭＯＳセル部分との平面配置の別の例を示す図である。 変調／受光素子でのＳＶＭ素子部分とＣＭＯＳセル部分との平面配置のさらに別の例を示す図である。 ホログラフィックメモリを用いる従来の光情報記録装置装置の概略を示す図である。

符号の説明

１，２６ 垂直信号線
２ 駆動線（走査線）
３ スイッチングトランジスタ
４ 干渉構造部
５ 保持容量
６ 共通対向電極
７，３０ 垂直シフトレジスタ
８，３１ 水平シフトレジスタ
９，３２ サンプリングスイッチ
１０，３３ 水平信号線
２１，５２ フォトダイオード
２２ 転送スイッチ
２３ リセットスイッチ
２４ 増幅トランジスタ
２５ 選択スイッチ
２７ 水平読出し線
２８ 水平リセット線
２９ 水平選択線
５１ Ｓｉ基板
５２ フォトダイオード
５３，６３ ゲート電極
５４，５５ 配線
５６ 遮光膜
５７ 反射電極
５８ 半透過膜
５９ 保護膜
６０ 層間絶縁膜
６１ 絶縁膜
６２ 空間
６４ ＳＬＭ素子領域
６５ ＣＭＯＳセンサ領域
６６ 画素電極
６７ 配向膜
６８ 液晶
６９ ＩＴＯ膜
７０ ガラス板
１０１，２０１ 第１の光源（緑色レーザ）
１０２，２０２ コリメータ
１０３ マスク素子
１０４，２０７ 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
１０５，２１２ １／４波長板（ＱＷＰ）
１０６，１０７，１１１，１１３，２０８，２１０ リレーレンズ
１０８ 変調／受光素子
１０９，２０５ 参照光
１１０，２０６ 情報光
１１２，１１５，１２２，２０３，２０９，２１３，２２３ ミラー
１１４，２１１ ダイクロイックビームスプリッタ（ＤＢＳ）
１１６，２１４ 対物レンズ
１１７，２１５ スピンドルモータ
１１８，２１６ 記録媒体
１１９，２２０ 第２の光源（赤色レーザ）
１２０，２２１ ビームスプリッタ（ＢＳ）
１２１，２１８，２２２ レンズ
１２３，２２４ 光検出器
２０４ 空間光変調素子（ＳＬＭ）
２１７ 開口
２１９ 受光素子

Claims (16)

1. 情報光と参照光との干渉によって生じる干渉縞を記録媒体に形成することにより情報を前記記録媒体に記録するともに、干渉縞が形成された記録媒体に前記参照光を照射して情報の再生を行う光情報記録再生装置において、
   複数の変調素子を有し、前記光源から出射された光束の少なくとも一部を空間的に変調し前記情報光とするための空間光変調素子と、
   前記参照光と前記情報光を前記記録媒体の所定の深さで干渉させるための光学系と、
   前記光源から前記参照光を前記記録媒体の所定の深さに当てて、前記干渉縞から前記情報光を再生して再生された情報光を取り出す光学系と、
   受光素子と、
   前記取り出された情報光を前記受光素子へ導入する光学系と、
   を有し、前記空間光変調素子と前記受光素子とが同一基板上に一体的に形成されていることを特徴とする光情報記録再生装置。
2. 前記空間光変調素子が前記光源側に配置されるように前記空間光変調素子と前記受光素子が積層され、前記空間光変調素子における画素ピッチと前記受光素子における画素ピッチとが一致して前記空間光変調素子における画素と前記受光素子における対応する画素とが前記光源から入射する光の光軸に沿って配置され、前記空間光変調素子に入射した光の少なくとも一部が前記受光素子に向けて透過することを特徴とする、請求項１に記載の光情報記録再生装置。
3. 前記空間光変調素子は、各画素において前記受光素子に対して一定の透過率を有するように変調の設定が可能である特徴とする請求項２に記載の光情報記録再生装置。
4. 前記空間光変調素子と前記受光素子は、前記空間光変調素子における画素と前記受光素子における対応する画素とが、前記光源から入射する光の光軸に沿って重ならないように、相互に隣接して配置していることを特徴とする、請求項１に記載の光情報記録再生装置。
5. 前記各変調素子は、変調信号に応じて反射光の強度が変化する素子であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光情報記録再生装置。
6. 前記各変調素子は、前記光源からの光を反射する反射電極と、前記反射電極より前記光源側に空間を介して配置され、前記光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、前記反射電極と前記半透過膜との間隔を制御することによって前記光源からの光の反射率が変化する素子であることを特徴とする、請求項５に記載の光情報記録再生装置。
7. 前記各変調素子は、反射型液晶素子であることを特徴とする請求項５に記載の光情報記録再生装置。
8. 前記基板はシリコン半導体基板であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光情報記録再生装置。
9. 光源からの光を変調するとともに外部から入射する光を受光する素子において、
   複数の変調素子を有し、前記光源から出射された光束の少なくとも一部を空間的に変調し前記情報光とするための空間光変調素子と、
   前記外部から入射する光を受光する受光素子と、
   を有し、前記空間光変調素子と前記受光素子とが同一基板上に一体的に形成されていることを特徴とする素子。
10. 前記空間光変調素子が前記光源側に配置されるように前記空間光変調素子と前記受光素子が積層され、前記空間光変調素子における画素ピッチと前記受光素子における画素ピッチとが一致して前記空間光変調素子における画素と前記受光素子における対応する画素とが前記光源から入射する光の光軸に沿って配置され、前記空間光変調素子に入射した光の少なくとも一部が前記受光素子に向けて透過することを特徴とする、請求項９に記載の素子。
11. 前記空間光変調素子は、各画素において前記受光素子に対して一定の透過率を有するように変調の設定が可能である特徴とする請求項１０に記載の素子。
12. 前記空間光変調素子と前記受光素子は、前記空間光変調素子における画素と前記受光素子における対応する画素とが、前記光源から入射する光の光軸に沿って重ならないように、相互に隣接して配置していることを特徴とする、請求項９に記載の素子。
13. 前記各変調素子は、変調信号に応じて反射光の強度が変化する素子であることを特徴とする、請求項９乃至１２のいずれか１項に記載の素子。
14. 前記各変調素子は、前記光源からの光を反射する反射電極と、前記反射電極より前記光源側に空間を介して配置され、前記光源からの光に対して半透過性を示す半透過膜とを有し、前記反射電極と前記半透過膜との間隔を制御することによって前記光源からの光の反射率が変化する素子であることを特徴とする、請求項１３に記載の素子。
15. 前記各変調素子は、反射型液晶素子であることを特徴とする請求項１３に記載の素子。
16. 前記基板はシリコン半導体基板であることを特徴とする、請求項９乃至１５のいずれか１項に記載の素子。

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