JP2007179595A - ホログラム記録再生方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】信号光から０次成分が除去された状態でフーリエ変換ホログラムを記録し、記録されたホログラムから元の信号光を復元して再生することができるホログラム記録再生方法及び装置を提供する。
【解決手段】直流成分が除去された信号光を用いてホログラムを記録した場合は、記録されたホログラムに参照光を照射すると、直流成分が除去された信号光と同じ成分の回折光が再生される。ホログラムの再生時に、再生された回折光に除去された直流成分を補うことで、元の信号光を復元することができ、記録されたホログラムから元の信号光パターン（デジタルパターン）を再生することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は、ホログラム記録再生方法及び装置に関し、特に、信号光から０次成分が除去された状態でフーリエ変換ホログラムを記録し、記録されたホログラムから元の信号光を復元して再生するホログラム記録再生方法及び装置に関する。

ホログラフィック・データ・ストレージでは、二値のデジタルデータ「０，１」が「明、暗」としてデジタル画像（信号光）化され、信号光はレンズによりフーリエ変換されて光記録媒体に照射される。そして、光記録媒体にはフーリエ変換像がホログラムとして記録される。しかしながら、デジタルデータのフーリエ変換像は０次に極めて強いピーク強度を有しているので、ホログラフィック・データ・ストレージでは、この０次成分（直流成分）により光記録媒体のダイナミックレンジが浪費され、多重度（多重記録されるホログラムの数）を大きくしようとすると、再生像のＳ／Ｎ（シグナル−ノイズ比）が大きく低下してしまう。そのために多重度を大きくできない、という問題がある。

この問題を解決するために、信号光のフーリエ変換像の直流成分を遮断する方法が種々提案されている（特許文献１、２）。例えば、特許文献１に記載された方法では、レンズと光記録媒体との間に遮光体を配置し、この遮光体により信号光の０次成分を遮断する。そして、信号光の特定次数の成分だけが、遮光体に形成したアパーチャを通過するようにして、信号光の画像エッジ部分をホログラムとして記録する。この方法によれば、０次成分による無駄な露光を抑制することでダイナミックレンジの浪費を防止し、各データページの記録領域を小さくすることができる。
特開２０００−６６５６５号公報 特開２００４−１９８８１６号公報

しかしながら、信号光のフーリエ変換像から０次成分を除去すると、元のデジタル画像とは異なる強度パターンが再生像に現れ、二値のデジタルデータを正確に復号することができない、という問題がある。即ち、信号光のフーリエ変換像から０次成分を除去してホログラムの記録、再生を行うと、再生像の強度パターンは、記録時に空間光変調器で生成された強度パターンとは異なるパターンとなる。例えば、特許文献１に記載された方法では、画像エッジ部分だけが再生される。これでは、二値のデジタルデータを正確に復号することができない虞がある。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、本発明の目的は、信号光から直流成分が除去された状態でフーリエ変換ホログラムを記録した場合でも、記録されたホログラムから元の信号光を復元して再生することができるホログラム記録再生方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光から直流成分を除去し、直流成分が除去された信号光と参照光とをフーリエ変換して光記録媒体に同時に照射することにより、前記光記録媒体にホログラムを記録するステップと、前記光記録媒体に読み出し用の参照光を照射して記録されたホログラムによる回折光を生成するステップと、前記信号光のフーリエ変換像に含まれる直流成分を生成するステップと、前記回折光と前記直流成分とを合成して合成光を生成し、該合成光を逆フーリエ変換することにより前記信号光を復元するステップと、を備えたことを特徴としている。

本発明のホログラム再生方法では、信号光の直流成分が除去された状態でフーリエ変換ホログラムの記録が行われるが、記録されたホログラムによる回折光と直流成分とを合成して合成光を生成し、これを逆フーリエ変換することにより信号光を復元するので、記録されたホログラムから元の信号光パターンを再生することができる。これにより、信号光に保持されたデジタルデータを正確に復号することができる。

また、信号光の直流成分と共に参照光の直流成分を除去することもできる。

以上説明したように本発明によれば、信号光から直流成分が除去された状態でフーリエ変換ホログラムを記録した場合でも、記録されたホログラムから元の信号光を復元することができ、信号光に保持されたデジタルデータを正確に復号することができる、という効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

（信号光の再生原理）
信号光の再生原理を簡単に説明する。ここでは、二値のデジタルデータ「０，１」が「明、暗」としてデジタル画像化された信号光（デジタルパターン）をフーリエ変換し、信号光のフーリエ変換像から直流成分（０次成分）を除去し、直流成分が除去された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射して、干渉パターンをホログラムとして記録する場合について説明する。

直流成分が除去された信号光を用いてホログラムを記録した場合は、記録されたホログラムに参照光を照射すると、直流成分が除去された信号光と同じ成分の回折光が再生される。従って、ホログラムの再生時に、再生された回折光に除去された直流成分を補うことで信号光を復元し、記録されたホログラムから元の信号光パターン（デジタルパターン）を再生することができる。これにより、信号光に保持されたデジタルデータを正確に復号することができる。

元の信号光パターンの再生は、ホログラムからの回折光と補充した直流成分との干渉の結果として実現される。直流成分の役割は、０次以外の回折光がつくる合成光の振幅の値を、合成光の形状を変えずに増減することである。例えば、直流成分の位相が、回折光と同位相の場合には、合成光の正の振幅を増加させ、強度パターンである再生像は信号光パターンと同様のポジティブ画像となる。一方、直流成分の位相が、回折光と逆位相の場合には、合成光の正の振幅を減少させ、強度パターンである再生像は信号光パターンの明暗を反転させたネガティブ画像となる。従って、回折光と直流成分との位相差を適切に選択することによって、再生像を元の信号光パターンのポジティブ画像又はネガティブ画像とすることができる。

以下に、この位相差と再生像との関係と、適切な位相差条件について述べる。
ホログラムからの再生像は、光検出器により検出される。光検出器の結像面のある位置ｒにおいて回折光の振幅が極大となる、ある時刻ｔの位相をφとする。その時刻ｔ、位置ｒにおける直流成分の振幅、位相をそれぞれＡ、θとする。再生像としてポジティブ画像を得るには、合成光の振幅をプラスの方向に移動させればよい。そのためには、直流成分の振幅Ａがプラスになるように、即ち、下記式（１）を満たすようにθを設定する。

０≦｜θ−φ｜＜π／２ 式（１）

下記式（２）を満たすようにθを設定することがより望ましい。この条件下では、回折光の振幅の極大と直流成分の振幅の極大とが一致し、合成光の正の振幅が最大となる。

｜θ−φ｜＝０ 式（２）

一方、再生像にネガティブ画像を得るには、合成光の振幅をマイナスの方向に移動させればよい。そのためには、直流成分の振幅Ａがマイナスになるように、即ち、下記式（３）を満たすようにθを設定する。

π／２＜｜θ−φ｜≦π 式（３）

下記式（４）を満たすようにθを設定することがより望ましい。この条件下では、回折光の振幅の極大と直流成分の振幅の極小とが一致し、合成光の負の振幅が最大となる。

｜θ−φ｜＝π 式（４）

なお、上記のような直流成分の位相の設定は、空間光変調器の信号光用画素の輝度を適宜変更することにより行うことができる。空間光変調器は、入射光の偏光を変調して出射させる。その偏光変調は、入射光を位相変調することによりなされる。つまり、偏光変調することにより位相変調することが可能である。そして、偏光変調の大きさは、空間光変調器に表示する画像の輝度に依存する。従って、その画像の輝度を設定することにより、直流成分の位相を設定することができる。

次に、ホログラムからの回折光と直流成分との位相差を設定する方法について述べる。
記録されたホログラムからの回折光の位相は、再生時の参照光の位相からずれる。位相変化の度合いは、ホログラムの種類による。例えば、屈折率変調によるホログラムと吸収率変調によるホログラムでは、回折光の位相がそれぞれπ／２、πだけずれる。従って、上記の式（１）乃至（４）を満たす再生像を生成するためには、この位相シフトを考慮して空間光変調器に表示する画像の輝度を設定し、直流成分を生成・補充すればよい。それにより、所望の位相差（｜θ−φ｜）を実現できる。

例えば、屈折率変調によるホログラムの場合は、回折光の位相が再生時の参照光の位相からπ／２ずれる。一方、補充する直流成分は、ホログラムにより回折されないため、位相の変化はない。このため、補充する直流成分の位相を再生時の参照光の位相からπ／２ずらすことで、ホログラムからの回折光と補充した直流成分との位相差は０となる。従って、式（２）の関係を満たし、合成光の正の振幅を最大とするためには、この直流成分の位相が実現されるように、空間光変調器に表示する画像の輝度を設定する必要がある。具体的には、直流成分の位相変調量と表示画像の輝度との関係を予め記憶しておき、この関係に基づいて、所望の位相変調量が達成されるように表示画像の輝度を設定することができる。

（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。図示した通り、この記録再生装置では信号光と参照光とを同軸で光記録媒体に照射することができる。

このホログラム記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源１０が設けられている。光源１０のレーザ光照射側には、レンズ１２、１４からなるビームエキスパンダ１５が配置されている。ビームエキスパンダ１５の光透過側には、所定方向の偏光だけを透過すると共にそれ以外の偏光を反射する偏光ビームスプリッタ１６が配置されている。以下では、偏光ビームスプリッタ１６は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するものとして説明する。

偏光ビームスプリッタ１６の光反射側には、反射型の空間光変調器１８が配置されている。空間光変調器１８は、パターン発生器３２を介してパーソナルコンピュータ３０に接続されている。パターン発生器３２は、パーソナルコンピュータ３０から供給されたデジタルデータに応じて空間光変調器１８に表示するパターンを生成し、空間光変調器１８は、表示パターンに応じて入射したレーザ光を変調し、ページ毎のデジタル画像（信号光）と参照光とを生成する。生成された信号光と参照光とは、偏光ビームスプリッタ１６の方向に反射され、偏光ビームスプリッタ１６を透過する。

偏光ビームスプリッタ１６の信号光透過側には、１/４波長板２０、レンズ２２、２４、フーリエ変換レンズ２６が光路に沿ってこの順に配置されている。また、レンズ２２とレンズ２４との間には、信号光及び参照光のフーリエ変換像から直流成分を除去するマスク３８が光路に対し挿入及び退避可能に配置されている。また、マスク３８は、マスク３８を駆動する駆動装置３４を介してパーソナルコンピュータ３０に接続されている。

マスク３８としては、例えば、フーリエ変換像の直流成分だけを反射する微小ミラー等を用いることができる。以下では、マスク３８に微小ミラーを用いる場合について説明する。

ホログラム再生時、光記録媒体２８に参照光が照射されると、照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体２８の反射層２８ａでフーリエ変換レンズ２６の方向に反射される。反射された回折光は、偏光ビームスプリッタ１６に入射する。偏光ビームスプリッタ１６の回折光反射側には、ＣＣＤやＣＭＯＳアレイ等の撮像素子で構成され、受光した再生光（回折光）を電気信号に変換して出力する光検出器３６が配置されている。光検出器３６は、パーソナルコンピュータ３０に接続されている。

次に、パーソナルコンピュータ３０によって実行される記録再生処理の処理ルーチンについて説明する。図２は記録再生処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。まず、ユーザは入力装置（図示せず）を操作して、記録処理か再生処理かを選択する。デジタルデータをホログラムとして記録する場合には、記録するデジタルデータを予めパーソナルコンピュータに入力しておく。

ステップ１００で、記録処理が選択されたか、再生処理が選択されたかを判断し、記録処理が選択された場合には、ステップ１０２で、駆動装置３４を駆動してマスク３８を光路に挿入する。次のステップ１０４で、光源１０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ３０からデジタルデータを所定のタイミングで出力し、ホログラムの記録処理を実行して、ルーチンを終了する。

ここで、ホログラムの記録処理について説明する。
光源１０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１５により大径のビームにコリメートされて、偏光ビームスプリッタ１６に入射し、空間光変調器１８の方向に反射される。パーソナルコンピュータ３０からデジタルデータが入力されると、パターン発生器３２において、供給されたデジタルデータに応じて信号光パターンが生成され、参照光パターンと合成されて、空間光変調器１８に表示されるパターンが生成される。空間光変調器１８では、表示されたパターンに応じてレーザ光が偏光変調され、信号光と参照光とが生成される。

例えば、図３に示すように、空間光変調器１８の中央部分をデータ表示用（信号光用）に使用すると共に、空間光変調器１８の周辺部分を参照光用に使用する。空間光変調器１８の中央部分に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて偏光変調され、信号光が生成される。一方、空間光変調器１８の周辺部分に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて偏光変調され、参照光が生成される。

空間光変調器１８で偏光変調された信号光及び参照光は、偏光ビームスプリッタ１６に照射され、偏光ビームスプリッタ１６を透過して直線偏光（Ｐ偏光）の振幅分布に変換される。その後、１/４波長板２０で円偏光に変換され、レンズ２２によりフーリエ変換される。フーリエ変換された信号光及び参照光は、マスク３８に照射され、信号光及び参照光のフーリエ変換像から直流成分が除去される。

マスク３８で遮断されなかった信号光及び参照光は、レンズ２４で逆フーリエ変換され、レンズ２６により再びフーリエ変換されて、光記録媒体２８に同時に且つ同軸で照射される。これによって、光記録媒体２８中で信号光と参照光とが干渉して、干渉パターンがホログラムとして記録される。

ステップ１００で、再生処理が選択された場合には、ステップ１０６で、駆動装置３４を駆動してマスク３８を光路に挿入する。次のステップ１０８で、再生された回折光に直流成分を補うための表示画像の輝度値を演算し、ステップ１１０で、光源１０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ３０から演算した輝度値を所定のタイミングで出力し、ホログラムの再生処理を実行して、ルーチンを終了する。

上述した通り、元の信号光パターンの再生は、ホログラムからの回折光と補充した直流成分との干渉の結果として実現される。即ち、干渉波（合成光）の振幅が増加するように、回折光と直流成分との位相差を設定することで、元の信号光パターンが再生される。直流成分の位相の設定は、空間光変調器の信号光用画素の輝度を適宜変更することにより行うことができる。

図４に示すように、空間光変調器１８の中央部分に透過パターン（輝度が０以外の同一輝度の画素）を表示し、空間光変調器１８の周辺部分には記録時と同じ参照光パターンを表示する。これにより、空間光変調器１８の中央部分に入射したレーザ光が偏光ビームスプリッタ１６を透過し、信号光の直流成分が生成される。信号光の再生原理として説明した通り、生成した直流成分と回折光との干渉波の振幅が増加するように、透過パターンの各画素の輝度を設定することで、元の信号光パターンが復元される。一方、空間光変調器１８の周辺部分に入射したレーザ光は表示パターンに応じて偏光変調され、参照光が生成される。

透過パターンの輝度値の演算は、以下の手順で行う。
上述したように、ホログラムからの回折光の位相は、再生時の参照光の位相からずれ、そのずれ量は、ホログラムの種類による。使用する記録材料によってホログラムの種類は既知であるため、位相のずれ量は既知である。さらに、空間光変調器の画素の輝度と生成される位相変調量とも既知である。したがって、回折光の位相のずれ量と、補充する直流成分に付与する位相変調量との差が、上記式（２）を満たすように、透過パターンの輝度値を設定する。

しかしながら、空間光変調器の仕様によっては、直流成分に所望の位相変調量を付与できない場合がある。その場合には、上記式（４）を満たすように透過パターンの輝度値を設定する。この場合の再生像は、元の信号光パターンの明暗が反転した反転画像が得られる。また、上記式（４）の条件も満たせない場合には、上記式（１）又は上記式（３）を満たすように、透過パターンの輝度値を設定する。

ここで、ホログラムの再生処理について説明する。
光源１０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１５により大径のビームにコリメートされて、偏光ビームスプリッタ１６に入射し、空間光変調器１８の方向に反射される。パーソナルコンピュータ３０から演算した輝度値が入力されると、パターン発生器３２において、供給された輝度値に応じて透過パターンが生成され、参照光パターンと合成されて、空間光変調器１８に表示される表示パターンが生成される。空間光変調器１８では、透過パターンに応じてレーザ光が透過され、信号光の直流成分が生成されると共に、参照光パターンに応じてレーザ光が偏光変調され、参照光が生成される。

空間光変調器１８で生成された参照光は、偏光ビームスプリッタ１６に照射され、偏光ビームスプリッタ１６を透過して直線偏光（Ｐ偏光）の振幅分布に変換される。その後、１/４波長板２０で円偏光に変換され、レンズ２２によりフーリエ変換される。フーリエ変換された参照光は、マスク３８に照射される。マスク３８で遮断されなかった参照光は、レンズ２４で逆フーリエ変換され、レンズ２６により再びフーリエ変換されて、光記録媒体２８のホログラムが記録された領域に照射される。

照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体２８の反射層２８ａでレンズ２６の方向に反射される。反射された回折光は、レンズ２６より逆フーリエ変換され、レンズ２４、２２でリレーされ、１/４波長板２０でＳ偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ１６に入射し、光検出器３６の方向に反射される。

一方、空間光変調器１８で生成された信号光の直流成分は、偏光ビームスプリッタ１６に照射され、偏光ビームスプリッタ１６を透過して、１/４波長板２０で円偏光に変換され、レンズ２２によりフーリエ変換（集光）される。集光された直流成分は、微小ミラーであるマスク３８によりレンズ２２の方向に反射される。マスク３８で反射された直流成分は、レンズ２２でコリメートされ、１/４波長板２０でＳ偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ１６に入射し、光検出器３６の方向に反射される。

光検出器３６には、ホログラムによる回折光と信号光の直流成分とが入射する。レンズ２２の焦点面では再生像を観察することができる。本実施の形態では、ホログラムの記録時に除去された信号光の直流成分が回折光に補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。この再生像が光検出器３６によって検出される。検出されたアナログデータは光検出器３６によってＡ／Ｄ変換され、再生画像の画像データがパーソナルコンピュータ３０に入力される。

以上説明した通り、本実施の形態では、信号光のフーリエ変換像から直流成分が除去された状態でホログラムの記録が行われるので、ホログラムの記録時に信号光の直流成分による不要露光が防止され、ダイナミックレンジを有効に使用することができ、多重度が向上する。

また、本実施の形態では、ホログラムの再生時に、記録されたホログラムから得られた回折光に、記録時に除去された信号光の直流成分が補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。これにより、信号光に保持されたデジタルデータを正確に復号することができる。

なお、上記では微小ミラーであるマスク３８を移動可能に配置したが、マスクは固定配置されていてもよい。マスクを固定配置した場合には、マスクを駆動する駆動装置も不要となり、ホログラム記録再生装置の構成が簡単になる。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態では、第１の実施の形態と同じホログラム記録再生装置を用い、ホログラムの再生時に、空間光変調器で生成された信号光の直流成分を光記録媒体の反射層で反射して、光検出器に入射させる例について説明する。ホログラムの再生処理の方法が異なる以外は第１の実施の形態と同様であるため、ホログラムの記録処理については説明を省略する。

本実施の形態で用いるマスクとしては、フーリエ変換像の直流成分だけを遮断できれば何を用いてもよい。例えば、反射機能を有する微小ミラーや、光吸収型のフィルタを用いることができる。

図５は記録再生処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。
ステップ２００で、記録処理が選択されたか、再生処理が選択されたかを判断し、記録処理が選択された場合には、ステップ２０２で、駆動装置３４を駆動してマスク３８を光路に挿入する。次のステップ２０４で、光源１０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ３０からデジタルデータを所定のタイミングで出力し、ホログラムの記録処理を実行して、ルーチンを終了する。なお、ホログラムの記録処理の方法は、第１の実施の形態と同様であるため説明を省略する。

ステップ２００で、再生処理が選択された場合には、ステップ２０６で、駆動装置３４を駆動してマスク３８を光路から退避させる。次のステップ２０８で、再生された回折光に直流成分を補うための表示画像の輝度値を演算し、ステップ２１０で、光源１０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ３０から演算した輝度値を所定のタイミングで出力し、ホログラムの再生処理を実行して、ルーチンを終了する。

なお、直流成分の補充の方法（透過パターンの輝度値の演算方法）は、第１の実施の形態で説明したとおりであるため、説明を省略する。

ここで、ホログラムの再生処理について説明する。
光源１０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１５により大径のビームにコリメートされて、偏光ビームスプリッタ１６に入射し、空間光変調器１８の方向に反射される。パーソナルコンピュータ３０から演算した輝度値が入力されると、パターン発生器３２において、供給された輝度値に応じて透過パターンが生成され、参照光パターンと合成されて、空間光変調器１８に表示される表示パターンが生成される。

第１の実施の形態と同様に、空間光変調器１８の中央部分に透過パターン（輝度が０以外の同一輝度の画素）を表示し、空間光変調器１８の周辺部分には記録時と同じ参照光パターンを表示する（図４参照）。これにより、空間光変調器１８の中央部分に入射したレーザ光が偏光ビームスプリッタ１６を透過し、信号光の直流成分が生成される。一方、空間光変調器１８の周辺部分に入射したレーザ光は表示パターンに応じて偏光変調され、参照光が生成される。その後、偏光ビームスプリッタ１６を透過することにより直線偏光の振幅分布に変換される。

空間光変調器１８で生成された信号光の直流成分及び参照光は、偏光ビームスプリッタ１６に照射され、偏光ビームスプリッタ１６を透過して、１／４波長板２０で円偏光に変換され、レンズ２２によりフーリエ変換される。フーリエ変換された信号光の直流成分及び参照光は、レンズ２４で逆フーリエ変換され、レンズ２６により再びフーリエ変換されて、光記録媒体２８のホログラムが記録された領域に照射される。

光記録媒体２８に照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体２８の反射層２８ａでレンズ２６の方向に反射される。反射された回折光は、レンズ２６より逆フーリエ変換され、レンズ２４、２２でリレーされ、１/４波長板２０でＳ偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ１６に入射し、光検出器３６の方向に反射される。

一方、光記録媒体２８に照射された信号光の直流成分は、光記録媒体２８の反射層２８ａでレンズ２６の方向に反射される。反射された信号光の直流成分は、レンズ２６によりコリメートされ、レンズ２４、２２でリレーされ、１/４波長板２０でＳ偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ１６に入射し、光検出器３６の方向に反射される。

光検出器３６には、ホログラムによる回折光と信号光の直流成分とが入射する。レンズ２２の焦点面では再生像を観察することができる。本実施の形態では、ホログラムの記録時に除去された信号光の直流成分が回折光に補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。この再生像が光検出器３６によって検出される。検出されたアナログデータは光検出器３６によってＡ／Ｄ変換され、再生画像の画像データがパーソナルコンピュータ３０に入力される。

以上説明した通り、本実施の形態では、信号光のフーリエ変換像から直流成分が除去された状態でホログラムの記録が行われるので、ホログラムの記録時に信号光の直流成分による不要露光が防止され、ダイナミックレンジを有効に使用することができ、多重度が向上する。

また、本実施の形態では、ホログラムの再生時に、記録されたホログラムから得られた回折光に、記録時に除去された信号光の直流成分が補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。これにより、信号光に保持されたデジタルデータを正確に復号することができる。

加えて、本実施の形態の再生方法では、第１の実施の形態と同様に、補充される直流成分はホログラムからの回折光と高精度で同軸に伝播する必要がある。図１を参照して説明すると、第１の実施の形態では、それを実現させるために、反射機能を有するマスク３８と光記録媒体２８の両方の位置合わせをする必要がある。即ち、直流成分はマスク３８で反射され、回折光は光記録媒体２８の反射層２８ａで反射される。一方、本実施の形態では、補充する直流成分も回折光も同一の反射層２８ａで反射されるため、光記録媒体２８のみの位置合わせを実施すればよいという長所がある。

（第３の実施の形態）
第１の実施の形態では、反射型の空間光変調器と反射型の光記録媒体とを用いる記録再生装置について説明したが、第３の実施の形態では、透過型の空間光変調器と透過型の光記録媒体とを用いる記録再生装置について説明する。なお、信号光と参照光とを同軸で光記録媒体に照射することができる点は、第１の実施の形態と同様である。

図６は、第３の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。
このホログラム記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源５０が設けられている。光源５０のレーザ光照射側には、レンズ５２、５４からなるビームエキスパンダー５５が配置されている。ビームエキスパンダ５５の光透過側には、透過型の空間光変調器５８が配置されている。空間光変調器５８は、パターン発生器６０を介してパーソナルコンピュータ５６に接続されている。

パターン発生器６０は、パーソナルコンピュータ５６から供給されたデジタルデータに応じて空間光変調器５８に表示するパターンを生成し、空間光変調器５８は、表示パターンに応じて入射したレーザ光を変調し、ページ毎のデジタル画像（信号光）と参照光とを生成する。

空間光変調器５８の光透過側には、図示しない偏光板、レンズ６２、６４、光記録媒体７２に信号光及び参照光を照射するフーリエ変換レンズ６６が光路に沿ってこの順に配置されている。また、レンズ６２とレンズ６４との間には、信号光及び参照光のフーリエ変換像から直流成分を除去するマスク６８が、光路に対し挿入及び退避可能に配置されている。また、マスク６８は、マスク６８を駆動する駆動装置７０を介してパーソナルコンピュータ５６に接続されている。

マスク６８としては、例えば、フーリエ変換像の直流成分だけを反射する微小ミラー等を用いることができる。また、フーリエ変換像の直流成分だけを吸収するフィルタ等も使用することができる。

ホログラム再生時、光記録媒体７２に参照光が照射されると、照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体７２を透過する。光記録媒体７２の回折光出射側には、フーリエ変換レンズ７４と、ＣＣＤやＣＭＯＳアレイ等の撮像素子で構成され、受光した再生光（回折光）を電気信号に変換して出力する光検出器７６とが配置されている。光検出器７６は、パーソナルコンピュータ５６に接続されている。

第３の実施の形態に係るホログラム記録再生装置は、第２の実施の形態に係る装置とは構成が異なり、ホログラムの記録方法、再生方法は異なるが、パーソナルコンピュータ５６によって実行される記録再生処理の処理ルーチンは、図５に示したルーチンと同様である。

まず、ステップ２００で、記録処理が選択されたか、再生処理が選択されたかを判断し、記録処理が選択された場合には、ステップ２０２で、駆動装置７０を駆動してマスク６８を光路に挿入する。次のステップ２０４で、光源５０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ５６からデジタルデータを所定のタイミングで出力し、ホログラムの記録処理を実行して、ルーチンを終了する。

一方、ステップ２００で、再生処理が選択された場合には、ステップ２０６で、駆動装置７０を駆動してマスク６８を光路から退避させる。次のステップ２０８で、再生された回折光に直流成分を補うための表示画像の輝度値を演算し、ステップ２１０で、光源５０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ５６から演算した輝度値を所定のタイミングで出力し、ホログラムの再生処理を実行して、ルーチンを終了する。

なお、直流成分の補充の方法（透過パターンの輝度値の演算方法）は、第１の実施の形態で説明したとおりであるため、説明を省略する。

ここで、ホログラムの記録処理について説明する。
光源５０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ５５により大径のビームにコリメートされて、空間光変調器５８に照射される。パーソナルコンピュータ５６からデジタルデータが入力されると、パターン発生器６０において、供給されたデジタルデータに応じて信号光パターンが生成され、参照光パターンと合成されて、空間光変調器５８に表示されるパターンが生成される。空間光変調器５８では、表示されたパターンに応じてレーザ光が強度変調され、信号光と参照光とが生成される。

第１の実施の形態と同様に、空間光変調器５８の中央部分をデータ表示用（信号光用）に使用すると共に、空間光変調器５８の周辺部分を参照光用に使用する（図３参照）。空間光変調器５８の中央部分に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて偏光変調され、信号光が生成される。一方、空間光変調器５８の周辺部分に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて偏光変調され、参照光が生成される。その後、信号光と参照光は、図示しない偏光板を透過して、振幅分布に変換される。

空間光変調器５８で生成された信号光及び参照光は、レンズ６２によりフーリエ変換される。フーリエ変換された信号光及び参照光は、マスク６８に照射され、信号光及び参照光のフーリエ変換像から直流成分が除去される。マスク６８で遮断されなかった信号光及び参照光は、レンズ６４で逆フーリエ変換され、レンズ６６により再びフーリエ変換されて、光記録媒体７２に同時に且つ同軸で照射される。これによって、光記録媒体７２中で信号光と参照光とが干渉して、干渉パターンがホログラムとして記録される。

次に、ホログラムの再生処理について説明する。
光源５０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ５５により大径のビームにコリメートされて、空間光変調器５８に入射される。パーソナルコンピュータ５６から演算した輝度値が入力されると、パターン発生器６０において、供給された輝度値に応じて透過パターンが生成され、参照光パターンと合成されて、空間光変調器５８に表示される表示パターンが生成される。

第１の実施の形態と同様に、空間光変調器５８の中央部分に透過パターン（輝度が０以外の同一輝度の画素）を表示し、空間光変調器５８の周辺部分には記録時と同じ参照光パターンを表示する（図４参照）。これにより、空間光変調器５８の中央部分に入射したレーザ光が透過され、信号光の直流成分が生成される。一方、空間光変調器５８の周辺部分に入射したレーザ光は表示パターンに応じて偏光変調され、参照光が生成される。その後、直流成分と参照光は、図示しない偏光板を透過して、振幅分布に変換される。

空間光変調器５８で生成された信号光の直流成分及び参照光は、レンズ６２によりフーリエ変換される。フーリエ変換された信号光の直流成分及び参照光は、レンズ６４で逆フーリエ変換され、レンズ６６により再びフーリエ変換されて、光記録媒体７２のホログラムが記録された領域に照射される。

光記録媒体７２に照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体７２を透過して射出される。また、照射された信号光の直流成分は光記録媒体７２を透過して射出される。光記録媒体７２を透過した回折光と信号光の直流成分とは、レンズ７４により逆フーリエ変換され、光検出器７６に入射する。レンズ７４の焦点面では再生像を観察することができる。

本実施の形態では、ホログラムの記録時に除去された信号光の直流成分が回折光に補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。この再生像が光検出器７６によって検出される。検出されたアナログデータは光検出器７６によってＡ／Ｄ変換され、再生画像の画像データがパーソナルコンピュータ５６に入力される。

上記のホログラム記録再生装置と同じ構成の装置を用い実験を行った。空間光変調器５８には、図８（Ａ）に示すパターンを表示した。また、空間光変調器５８の中央部分には、図８（Ｂ）に示す信号光パターンを表示してホログラムを記録した。信号光パターンは、図７に示すように、３×３画素で表される画素ブロックの中央の画素だけを信号光成分として用い、二値のデジタルデータ「０，１」を「明（白画素）、暗（黒画素）」として生成したデジタルパターンであり、信号光成分の８近傍の画素は白画素となるので、このデジタルパターンは白画素の比率が非常に高くなる。

ホログラムの記録時には、マスク６８により、信号光及び参照光の直流成分が除去され、光記録媒体７２に照射される。このとき、光記録媒体７２に照射される信号光パターンは、空間光変調器５８に表示したパターンの反転画像となる。なぜなら、空間光変調器５８に表示した信号光パターンは、白画素の比率が高いため、その全フーリエ成分における直流成分の占める割合が非常に大きい（０．９以上）からである。

その大きな直流成分は、本来「白画素」である信号の振幅を増加させ、本来「黒画素」である信号の振幅を小さくするが、その直流成分がマスク６８で除去されたために、本来「白画素」である信号の振幅が小さくなり、本来「黒画素」である信号の振幅が大きくなる。その結果、強度分布では、「明」と「暗」が反転した画像となるのである。つまり、光記録媒体７２に照射される信号光パターンは、空間光変調器５８に表示したパターンの反転画像となる。

記録したホログラムを、（１）参照光のみ照射する方法と、（２）上述した参照光及び信号光の直流成分を照射する方法、とで再生し、再生像を観察した。白画素の比率が高いデジタルパターンを用いると、（１）の方法では、記録時の信号光パターン（空間光変調器５８に表示したデジタルパターンの反転画像（ネガ画像））が再生されたが（図９（Ａ）参照）、（２）の方法では、記録時の信号光パターンの反転画像（空間光変調器５８に表示したデジタルパターンと同じポジ画像）が再生された（図９（Ｂ）参照）。

以上説明した通り、本実施の形態では、信号光のフーリエ変換像から直流成分が除去された状態でホログラムの記録が行われるので、ホログラムの記録時に信号光の直流成分による不要露光が防止され、ダイナミックレンジを有効に使用することができ、多重度が向上する。

また、本実施の形態では、ホログラムの再生時に、記録されたホログラムから得られた回折光に、記録時に除去された信号光の直流成分が補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。これにより、信号光に保持されたデジタルデータを正確に復号することができる。

記録条件の最適化のために、信号光と参照光とが重なる領域に記録媒体を移動させるデフォーカスを実施することが好ましい。第１及び第２の実施の形態では、レンズの焦点位置と光記録媒体の反射層の位置とが一致している必要があるが、光記録媒体が反射層と一体化しているため、光記録媒体のデフォーカスの自由度が小さい。これに対し、本実施の形態では、透過型の光記録媒体を用いるため、デフォーカスの自由度が大きく、記録条件を設計しやすいという長所がある。

（第４の実施の形態）
第１乃至第３の実施の形態では、直流成分を反射する反射ミラー、直流成分を吸収する吸収フィルタ等をマスクとして用いて、信号光のフーリエ変換像から直流成分を除去する例について説明したが、第４の実施の形態では、直流成分を回折させる回折素子を用いて信号光のフーリエ変換像から直流成分を除去する例について説明する。なお、信号光と参照光とを同軸で光記録媒体に照射することができる点は、第１乃至第３の実施の形態と同様である。

図１０は、第４の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。第３の実施の形態に係る装置と同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。このホログラム記録再生装置では、空間光変調器５８の光透過側に、図示しない偏光板があり、その光透過側に、直流成分を所定方向に回折することで信号光のフーリエ変換像から直流成分を除去する体積ホログラム素子８０と、光記録媒体７２に信号光及び参照光を照射するフーリエ変換レンズ６６と、がこの順に配置されている。また、体積ホログラム素子８０は、駆動装置８２を介してパーソナルコンピュータ５６に接続され、駆動装置８２により光路に対し挿入及び光路から退避するように駆動される。

体積ホログラム素子８０としては、空間光変調器５８で生成された信号光の直流成分（０次成分）にブラッグ（Bragg）条件が一致する素子を使用する。この体積ホログラム素子８０によれば、空間光変調器５８で生成された信号光の直流成分だけが所定方向に回折される。一方、信号光の直流成分以外の成分は、ブラッグ条件が一致しないため、体積ホログラム素子８０で回折されずに、体積ホログラム素子８０を透過する。これにより、信号光のフーリエ変換像から直流成分が除去される。

第４の実施の形態に係るホログラム記録再生装置は、第２の実施の形態に係る装置とは構成が異なり、ホログラムの記録方法、再生方法は異なるが、パーソナルコンピュータ５６によって実行される記録再生処理の処理ルーチンは、図５に示したルーチンと同様である。但し、第４の実施の形態では、マスク６８に代えて体積ホログラム素子８０が、駆動装置８２により光路に挿入又は光路から退避される。

まず、ステップ２００で、記録処理が選択されたか、再生処理が選択されたかを判断し、記録処理が選択された場合には、ステップ２０２で、駆動装置８２を駆動して体積ホログラム素子８０を光路に挿入する。次のステップ２０４で、光源５０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ５６からデジタルデータを所定のタイミングで出力し、ホログラムの記録処理を実行して、ルーチンを終了する。

ステップ２００で、再生処理が選択された場合には、ステップ２０６で、駆動装置８２を駆動して体積ホログラム素子８０を光路から退避させる。次のステップ２０８で、再生された回折光に直流成分を補うための表示画像の輝度値を演算し、ステップ２１０で、光源５０からレーザ光を照射すると共にパーソナルコンピュータ５６から演算した輝度値を所定のタイミングで出力し、ホログラムの再生処理を実行して、ルーチンを終了する。

なお、直流成分の補充の方法（透過パターンの輝度値の演算方法）は、第１の実施の形態で説明したとおりであるため、説明を省略する。

ここで、ホログラムの記録処理について説明する。
光源５０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ５５により大径のビームにコリメートされて、空間光変調器５８に照射される。パーソナルコンピュータ５６からデジタルデータが入力されると、パターン発生器６０において、供給されたデジタルデータに応じて信号光パターンが生成され、参照光パターンと合成されて、空間光変調器５８に表示されるパターンが生成される。空間光変調器５８では、表示されたパターンに応じてレーザ光が偏光変調され、信号光と参照光とが生成される。その後、信号光と参照光は、図示しない偏光板を透過して、振幅分布に変換される。

第１の実施の形態と同様に、空間光変調器５８の中央部分をデータ表示用（信号光用）に使用すると共に、空間光変調器５８の周辺部分を参照光用に使用する（図３参照）。空間光変調器５８の中央部分に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて偏光変調され、信号光が生成される。一方、空間光変調器５８の周辺部分に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて偏光変調され、参照光が生成される。その後、偏光板を透過することによって、直線偏光の振幅分布に変換される。

空間光変調器５８で生成された信号光及び参照光は、体積ホログラム素子８０に照射され、信号光及び参照光のフーリエ変換像から直流成分が除去される。体積ホログラム素子８０を透過した信号光及び参照光は、レンズ６６によりフーリエ変換されて、光記録媒体７２に同時に且つ同軸で照射される。これによって、光記録媒体７２中で信号光と参照光とが干渉して、干渉パターンがホログラムとして記録される。

次に、ホログラムの再生処理について説明する。
光源５０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ５５により大径のビームにコリメートされて、空間光変調器５８に入射される。パーソナルコンピュータ５６から演算した輝度値が入力されると、パターン発生器６０において、供給された輝度値に応じて透過パターンが生成され、参照光パターンと合成されて、空間光変調器５８に表示される表示パターンが生成される。

第１の実施の形態と同様に、空間光変調器５８の中央部分に透過パターン（輝度が０以外の同一輝度の画素）を表示し、空間光変調器５８の周辺部分には記録時と同じ参照光パターンを表示する（図４参照）。これにより、空間光変調器５８の中央部分に入射したレーザ光が透過され、信号光の直流成分が生成される。一方、空間光変調器５８の周辺部分に入射したレーザ光は表示パターンに応じて偏光変調され、参照光が生成される。その後、直流成分と参照光は、図示しない偏光板を透過して、振幅分布に変換される。

空間光変調器５８で生成された信号光の直流成分及び参照光は、レンズ６６によりフーリエ変換されて、光記録媒体７２のホログラムが記録された領域に照射される。

光記録媒体７２に照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体７２を透過して射出される。また、照射された信号光の直流成分は光記録媒体７２を透過して射出される。光記録媒体７２を透過した回折光と信号光の直流成分とは、レンズ７４により逆フーリエ変換され、光検出器７６に入射する。レンズ７４の焦点面では再生像を観察することができる。

本実施の形態では、ホログラムの記録時に除去された信号光の直流成分が回折光に補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。この再生像が光検出器７６によって検出される。検出されたアナログデータは光検出器７６によってＡ／Ｄ変換され、再生画像の画像データがパーソナルコンピュータ５６に入力される。

以上説明した通り、本実施の形態では、信号光のフーリエ変換像から直流成分が除去された状態でホログラムの記録が行われるので、ホログラムの記録時に信号光の直流成分による不要露光が防止され、ダイナミックレンジを有効に使用することができ、多重度が向上する。

また、本実施の形態では、ホログラムの再生時に、記録されたホログラムから得られた回折光に、記録時に除去された信号光の直流成分が補充されるので、元の信号光と同じ成分の回折光が復元され、元の信号光パターン（明暗画像）が再生される。これにより、信号光に保持されたデジタルデータを正確に復号することができる。

第１乃至第３の実施の形態では、直流成分を除去するマスクを設置するために、２つのレンズを使用していた（図１のレンズ２２と２４、図６のレンズ６２と６４）。そのため、光学系が大きくなり、また、部品数が多くなってしまう。一方、本実施の形態では、２つのレンズとマスクの役割を体積ホログラム素子１つで行えるため、光学系の小型化、部品数の減少を実現できるという長所がある。

なお、上記の第１乃至第４の実施の形態では、信号光と参照光とを光記録媒体に同軸で照射する例について説明したが、信号光と参照光とを異なる方向から照射してホログラムを記録してもよい。この場合は、信号光の光路上にマスクや体積ホログラム素子を配置して、信号光のフーリエ変換像から直流成分を除去する。

第１の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。 第１の実施の形態の記録再生処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 記録処理時の空間光変調器の表示画像を示す図である。 再生処理時の空間光変調器の表示画像を示す図である。 第２の実施の形態の記録再生処理の処理ルーチンを示すフローチャートである。 第３の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。 白画素比率の高い信号光の画素ブロックの構成を示す図である。 （Ａ）は第３の実施の形態で空間光変調器に表示されるパターンであり、（Ｂ）は（Ａ）のパターンの中央に表示される信号光パターンである。 （Ａ）は０次成分を付与しない場合の再生像を表す図であり、（Ｂ）は０次成分を付与した場合の再生像を表す図である。 第４の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。

符号の説明

１０ 光源
１２、１４ レンズ
１５ ビームエキスパンダー
１６ 偏光ビームスプリッタ
１８ 空間光変調器
２０ １／４波長板
２２ レンズ
２４ レンズ
２６ フーリエ変換レンズ
２８ 光記録媒体
２８ａ 反射層
３０ パーソナルコンピュータ
３２ パターン発生器
３４ 駆動装置
３６ 光検出器
３８ マスク
５０ 光源
５２、５４ レンズ
５５ ビームエキスパンダー
５６ パーソナルコンピュータ
５８ 空間光変調器
６０ パターン発生器
６２ レンズ
６４ レンズ
６６ フーリエ変換レンズ
６６ レンズ
６８ マスク
７０ 駆動装置
７２ 光記録媒体
７４ フーリエ変換レンズ
７４ レンズ
７６ 光検出器
８０ 体積ホログラム素子
８２ 駆動装置

Claims (17)

1. 二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光から直流成分を除去し、直流成分が除去された信号光と参照光とをフーリエ変換して光記録媒体に同時に照射することにより、前記光記録媒体にホログラムを記録するステップと、
   前記光記録媒体に読み出し用の参照光を照射して記録されたホログラムによる回折光を生成するステップと、
   前記信号光のフーリエ変換像に含まれる直流成分を生成するステップと、
   前記回折光と前記直流成分とを合成して合成光を生成し、該合成光を逆フーリエ変換することにより前記信号光を復元するステップと、
   を備えたホログラム記録再生方法。
2. 前記参照光の直流成分を除去し、直流成分が除去された信号光と直流成分が除去された参照光とをフーリエ変換して光記録媒体に同時に照射することにより、前記光記録媒体にホログラムを記録する請求項１に記載のホログラム記録再生方法。
3. 信号光のフーリエ変換像から除去した直流成分の全部又は一部を合成する請求項１又は２に記載のホログラム記録再生方法。
4. 合成光の強度のコントラストが増加するように前記回折光と前記直流成分とを合成する請求項１乃至３のいずれか１項に記載のホログラム記録再生方法。
5. 合成光の正の振幅が増加するように前記回折光と前記直流成分とを合成する請求項４に記載のホログラム記録再生方法。
6. 前記直流成分の位相θと前記回折光の位相φとが下記式（１）を満たすように、前記回折光と前記直流成分とを合成する請求項５に記載のホログラム記録再生方法。
   ０≦｜θ−φ｜＜π／２ 式（１）
7. 前記直流成分の位相θと前記回折光の位相φとが下記式（２）を満たすように、前記回折光と前記直流成分とを合成する請求項６に記載のホログラム記録再生方法。
   ｜θ−φ｜＝０ 式（２）
8. 合成光の負の振幅が増加するように前記回折光と前記直流成分とを合成する請求項４に記載のホログラム記録再生方法。
9. 前記直流成分の位相θと前記回折光の位相φとが下記式（３）を満たすように、前記回折光と前記直流成分とを合成する請求項８に記載のホログラム記録再生方法。
   π／２＜｜θ−φ｜≦π 式（３）
10. 前記直流成分の位相θと前記回折光の位相φとが下記式（４）を満たすように、前記回折光と前記直流成分とを合成する請求項９に記載のホログラム記録再生方法。
    ｜θ−φ｜＝π 式（４）
11. コリメート光を空間光変調器により位相変調して、所定位相の前記直流成分を生成する請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のホログラム記録再生方法。
12. 前記空間光変調器に表示される画素の輝度を変更することにより、コリメート光を位相変調する請求項１１のいずれか１項に記載のホログラム記録再生方法。
13. 二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光のフーリエ変換像から直流成分を除去する除去手段と、
    直流成分が除去された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射することにより、前記光記録媒体にホログラムを記録する記録手段と、
    ホログラムが記録された前記光記録媒体に読み出し用の参照光を照射する照射手段と、
    前記信号光のフーリエ変換像に含まれる直流成分を生成する生成手段と、
    前記光記録媒体に参照光を照射して得られた回折光と前記直流成分との合成光を逆フーリエ変換する光学系と、
    を備えたホログラム記録再生装置。
14. 前記生成手段は、コリメート光を透過又は反射する際に該コリメート光を位相変調して、所定位相の前記直流成分を生成する空間光変調器である請求項１３に記載のホログラム記録再生装置。
15. 前記除去手段は、前記直流成分を選択的に反射する反射ミラーである請求項１３又は１４に記載のホログラム記録再生装置。
16. 前記除去手段は、前記直流成分を選択的に吸収する吸収フィルタである請求項１３又は１４に記載のホログラム記録再生装置。
17. 前記除去手段は、前記直流成分を選択的に回折する回折素子である請求項１３又は１４に記載のホログラム記録再生装置。