JP2007286621A5 - - Google Patents

Description

ホログラフィック記憶システムの波長の不整合を補償する方法

本発明は、ホログラフィック記憶システムの読み出し参照光と記録参照光との間の波長の不整合を補償する方法に関する。さらに本発明は、その方法を実施するホログラフィック記憶システムに関する。

光学記憶媒体の容量を増加させるための一つの考え方は、ホログラフィックデータ記憶を使用することである。この場合、ホログラフィック記憶媒体の表面又は全体積が情報を記憶するために使用され、従来の光学記憶媒体のように、いくつかの層だけが使用されるわけではない。さらに、単一ビットを記憶する代わりに、データページとしてデータが記憶される。一般的に、データページは明暗パターンのマトリックスからなり、マトリックスは複数ビットをコード化する。このことにより、記憶密度の増加に加え、データ速度の向上も実現可能である。ホログラフィックデータ記憶の更なる利点の一つは、例えば、二つのビームの間で角度を変えたり、シフト又は波長マルチプレクサなどを使用したりすることによって、同一の体積に複数のデータを記憶する可能性である。

ホログラフィックデータ記憶では、二つのコヒーレントなレーザビームの重ね合わせによって形成された干渉縞を記録することによって、デジタルデータが記憶される。二つのレーザ光のうちの一つのビーム、いわるゆ「物体光」は、空間光変調器により変調され、データページの形で記録されるべき情報を運ぶ。第二のビームは、参照光としての機能を果たす。干渉縞は、記憶材料の特性変化の原因となり、その変更は干渉縞の局部的な強度に依存する。記録されたホログラムの読み出しは、記録時と同じ条件を使用して参照光をホログラムに照射することにより実行される。これにより、記録された物体光が再生される。一つのホログラフィック記憶アプローチによると、再生された物体光が、透過により読み出される（透過タイプのホログラフィック記憶媒体）。このアプローチでは、光学システムがホログラフィック記憶媒体の両面に必要である。異なるアプローチでは、再生された物体光を反射で読み出す（反射タイプのホログラフィック記憶媒体）。この場合、単一の光学システムだけが必要である。この目的のため、ホログラフィック記憶媒体の後側は、ミラー層でコートされている。再生された物体光は、このミラー層により反射され、記録の際と同じ側から読み出される。

波長の多重化の可能性が既に示しているように、ホログラフィック記憶システムは、波長のシフトに対して非常に敏感である。最適な読み出し性能のために、参照光は、記録時に使用された波長と同じ波長を読み出し時にも有する。しかし、ホログラフィック記憶媒体が、記録に使用されたシステムとは異なる記憶システムで読み出されるとき、波長の不整合が起こりやすくなる。さらに、同じホログラフィックシステムでさえも、エージング効果、気温の変化等によって、波長の変化が起こる。

特許文献１（国際公開第２００５／０３６５３８号パンフレット）は、波長アドレスホログラムを記録するホログラフィック記憶媒体を開示する。波長アドレスホログラムは、記録に使用された波長の情報を含む。波長アドレスホログラムは、記録参照光と読み出し参照光との間の波長の不整合を決定するために使用され得る。しかし、その不整合をどのように補償するかという情報は与えない。

上述の問題を解決するために、特許文献２（国際公開第９７／０２５６３号パンフレット）は、記録に使用された波長と異なる波長でホログラムを読み出すことのできるホログラフィック記憶システムを開示する。これは、ホログラフィック記憶媒体に対する読み出し参照光の入射角度を調整することにより実行される。
国際公開第２００５／０３６５３８号パンフレット 国際公開第９７／０２５６３号パンフレット

本発明の目的は、光学ホログラフィック記憶システムでレーザ光源の波長のシフトを少なくとも部分的に補償する更なる方法を提案することである。本発明の更なる目的は、この補償方法が実行されるホログラフィック記憶システムを提案することである。

本発明によると、この目的は、ホログラフィック記憶システムで、読み出し参照光と記録参照光との間の波長の不整合を補償する方法によって実現され、この方法は、
波長の不整合を決定するステップと、
決定された波長の不整合に基づいて、読み出し参照光をデフォーカスすること、又は対物レンズの焦点距離を調節することによって、ホログラフィック記憶媒体に対して少なくとも一部の読み出し参照光の方向を調整するステップを有する。

前記補償方法を実行するホログラフィック記憶システムは、読み出し参照光を生成する光源と、ホログラフィック記憶媒体に読み出し参照光の焦点を合わせる対物レンズと、波長不整合決定ユニットと、決定された波長の不整合に基づいて、読み出し参照光をデフォーカスすること、又は対物レンズの焦点距離を調節することによって、ホログラフィック記憶媒体に対して少なくとも一部の読み出し参照光の方向を調整する波長不整合補正素子とを有する。

この解決には、レーザ光源の波長安定性に関する要求が緩和されるという利点がある。ホログラフィック記憶媒体が異なるホログラフィック記憶システムで使用される場合、これは特に有利である。この方法は、同一線上の光学機構に関して特に興味深い。というのは、この場合、検出器上の読み出しデータページのひずみも軽減されるからである。波長の不整合は、好ましくは、読み出しを開始する前に一度だけ静的にか、または読み出し中に動的に測定される。好ましくは、記録に使用された波長に関する情報が、そのホログラフィック記憶媒体に記憶される。

好ましくは、対物レンズの焦点距離は、読み出し参照光のビームパスに配置された可変焦点距離の追加のレンズ、望遠鏡又は回折光学素子によって調整される。このようにして、最低限の追加光学素子だけが必要とされる。

対物レンズの焦点距離を調整するために追加の光学素子を使用する代わりに、可変焦点距離の対物レンズを使用することも同様に可能である。この場合、ビームパス上に追加の光学素子は必要なく、費用を削減し、光学機構を最小にすることができる。

好ましくは、ホログラフィック記憶媒体と対物レンズとの距離は、対物レンズの焦点距離の変化に基づいて調整される。このことは、再生された物体光のための検出器の画像収差が最小化されることを確実にする。

より良く理解するため、本発明は図面を参照にして、以下の説明でより詳細に説明される。本発明は、この典型的な実施形態に限定されず、また、特定の特徴が本発明の請求の範囲を逸脱しない範囲で、適切に組み合わされる及び／又は改良され得る。

ホログラフィックデータ記憶では、二つのコヒーレントなレーザビームの重ね合わせにより生成された干渉縞を記録することにより、デジタルデータが記憶される。ホログラフィック記憶システムで使用されるホログラフィックピックアップ１の典型的な構成を図１は示す。コヒーレント光の光源、例えばレーザダイオード２は、光ビーム３を発し、光ビームはコリメートレンズ４によりコリメートされる。光ビーム３は、その後二つの別個の光ビーム７、８に分けられる。実施形態では、第一のビームスプリッタ５を使用して、光ビーム３の分割が実現される。しかし、この目的のために、他の光学コンポーネントを使用することも同様に可能である。空間光変調器（ＳＬＭ）６は、二つのビームのうちの一つ、いわゆる「物体光」７を変調し、二次元のデータパターンをインプリントする。物体光７と更なるビーム、いわゆる「記録参照光」８との両方が、対物レンズ９によって、ホログラフィック記憶媒体１０、例えばホログラフィックディスク又はカードに焦点が合わせられる。物体光７と記録参照光８との交差部で、干渉縞が現れ、干渉縞はホログラフィック記憶媒体１０の感光性の層に記録される。

記憶されたデータは、読み出し参照光８’のみを、記録されたホログラムに照射することにより、ホログラフィック記憶媒体１０から読み出される。読み出し参照光８’はホログラム構造により回折され、元の物体光７のコピーである再生された物体光１１を作り出す。この再生された物体光１１は、対物レンズ９によりコリメートされ、第二のビームスプリッタ１２により２次元アレイ検出器１３、例えば、ＣＣＤアレイ上へ向けられる。アレイ検出器１３は、記録されたデータの再生を可能にする。記録参照光８と比較して、読み出し参照光８’の波長偏移を補償するために、ホログラフィックデータ記憶システム１は、波長不整合補償素子１４及び波長不整合決定ユニット１８とを含む。好ましくは、波長不整合決定ユニット１８は、読み出し参照光８’の波長を決定し、この波長をホログラフィック記憶媒体１０に記録された記録参照光８の波長に関する情報と比較する。もちろん、波長不整合決定ユニット１８は、波長の不整合を測るために他の方法を用いても良い。

図２は、対物レンズ９を用いて、ホログラフィック記憶媒体１０に記録参照光８及び物体光７の焦点を合わせることに関する典型的なホログラフィック記憶システムのより詳細な図を示す。二つの光７，８は、ホログラフィック記憶媒体１０の記憶層１６内で、対物レンズ９のフーリエ面内又はその近傍で干渉する。記憶されたデータの読み出し中に、媒体１０は、読み出し参照光８’のみで照射される。再生された物体光１１は、バッファ層（図示無し）を通過し、ミラー層１７によって反射され、バッファ層、記憶層１６及びカバー層１５を通過し、対物レンズ９によりコリメートされる。補正素子１４が対物レンズ９の近くに選択的に配置される。さらに、対物レンズ９は補正素子１４の一部又は補正素子１４であることも可能である。好ましくは、補正素子１４は可変焦点距離のレンズ、望遠鏡、回折光学素子又は対物レンズ９そのものである。

図３は、（記録又は読み出し）参照光８、８’及び物体光７の対物レンズ９上の位置を示す。図３ａは、図１及び図２の典型的なホログラフィック記憶システム１の場合を示し、図３ｂは参照光８、８’が対物レンズ９の円領域の中央に位置し、物体光７が対物レンズ９の周辺のリング型の領域に位置する場合を示す。

記録時に使用された波長と異なる波長でホログラムが読み出されるとき、体積ホログラムの回折効率は低下する。同時に、物体光の品質は、光学収差に関して低下する。この状況は、波長の不整合として知られる。

図４ａから図４ｃは、波長λ_１で記録するとき（図４ａ）、より長い波長λ_２で補正なく読み出すとき（図４ｂ）、及びより長い波長λ_２で補正して読み出すとき（図４ｃ）の状態のｋ−球体の表示を示す。図において、ｋ−球体はユニットｋ−球体に標準化されている。物体光７及び参照光８は、平面波と考えられる。記録中、波動ベクトルＲ_１（参照光）及びＳ_１（物体光）は、格子ベクトルＧ_１を生成する。図４ｂで見られるように、格子構造を異なる波長（この実施形態の場合、より長い波長）を有する波動ベクトルＲ_２で読み出すことは、再生された物体光Ｓ_２のブラッグ不整合Ｂをもたらす。本発明によると、波動ベクトルＲ_２の方向は、結果として生じる再生された物体光Ｓ_２＝Ｒ_２＋Ｇ_１がブラッグの式を満足して、ブラッグ不整合がゼロになるように修正される。この場合、再生された物体光Ｓ_２の方向もまた修正される。

本発明の第一の実施形態によると、波動ベクトルＲ_２の方向の修正は、以下の式に従って、対物レンズ９の焦点距離を変更することにより実行される。

この式では、ｆ_ｉは補正素子１４及び対物レンズ９の組み合わせによる実効焦点距離である。下付き文字１及び２は、元の波長λ_１及びシフトされた波長λ_２を示す。焦点距離の変更は、可変焦点距離の追加のレンズ、望遠鏡又は回折光学素子によって、選択的に実現される。対物レンズ９として、可変焦点距離のレンズを使用することも可能である。

焦点距離が修正されるとき、好ましくはホログラフィック記憶媒体１０と対物レンズ９との間の距離もまた、焦点面がホログラフィック記憶媒体１０の反射層１７に位置するように、修正される。このことは、焦点距離ｆ_１がｆ_２に修正されれば、対物レンズ９と反射層１７との間の距離もまた、ｆ_１からｆ_２へ修正されることを意味する。

図４で示されるｋ−球体の表示から、波長選択性が、簡単に導き出され得る。波長選択性は、回折効率が最初のゼロに達するときの、読み出し波長と記憶波長との差異と定義される。理論上、これは、

の場合である。ここでΔλ＝λ_２−λ_１、θ_ｓは（再生された）物体光の角度、θ_ｆは参照光の角度及びＬはホログラムの厚みである。ホログラムの厚みＬ＝２００μｍ及び１０°の角度θ_ｓ及びθ_ｆに対して、これは、４００ｎｍの記録波長に対してΔλ＝１３ｎｍの選択性という結果になる。

図５は、シフト多重化の実施例として使用される球面記録参照光８の場合のｋ−球体の図を示す。球面記録参照光８は、異なる角度を有する平面波の合計として理解される。図５ａの図は、平面波のこの合計の三つの典型的な平面波Ｒ_１，ｉを示す。結果として生じる格子ベクトルは、短い波線Ｇ_１，ｉで示される。

同じ波長でホログラムを読み出すとき、各平面波、例えば、「中央」の格子ベクトルを記録した平面波は、全ての記憶された格子ベクトルを同時に読み出す。しかし、他の全ての格子のブラッグ不整合により、「中央」の格子だけが、図５ｂに示すように、高い回折効率で読み出される。

異なる波長で読み出す場合の状態を図６に示す。図６ａは、より長い波長λ_２の場合を示し、図６ｂは、より短い波長λ_２の場合を示す。読み出し参照光８’は異なる平面波からなるので、格子のうちの一つに対してブラッグ条件を満たす一つの平面波が常にある。しかし、正しい波長λ_２＝λ_１で読み出す場合とは対照的に、再生された物体光１１はいくつかの問題を示す。
１．再生された物体光１１の角度は、元の物体光７の角度と異なる。
２．格子ベクトルＧ_１，ｉがｋ−球体の同じポイントで合流しないので、再生された物体光１１は、単一平面波だけでなく、異なる角度を有する平面波の組からなる。これにより、再生された物体光１１の収差が起こる。この点に関するより詳細な説明は、下記の通りである。
３．すべての必要な参照光の角度が利用可能なわけではないので、すべての格子Ｇ _１，ｉ 、を異なる波長で読み出せない。図６では、第二の波長（実線）の参照光Ｒ_２，ｉ及び第一の波長の参照光Ｒ_１，ｉの扇形は、完全に重なり合わない。従って、全体の回折効率が低下する。

図７は、球面記録参照光及び読み出し参照光を備えたセットアップのビーム伝搬シミュレーションから得られる回折効率η（再生された信号光の強さ）の波長依存状態を示す。パラメータは次の通りである。
λ_１＝４０５ｎｍ
ｎ＝１．５、Δｎ＝０．００００２
ホログラムの厚さ：ｄ＝２００μｍ
ホログラムの中心から球面波の基点までの距離：ｚ＝５００μｍ
読み出し参照光の開口数：ＮＡ＝０．３０， ０．４
物体光の角度（ホログラフィック記憶媒体の外側において）：θ＝１０°

このように、開口数が大きいと、より高い波長選択性が得られる。

回折効率ηは別として、回折された光の収差を研究することもまた興味深い。上述したように、波長の不整合があれば、再生されたビームは、平面波と異なる。従って、検出器にイメージされた単一のＳＬＭ画素の信号ビームを示すピークは、波長の不整合がある場合、ゆがめられてしまう。これは、検出器にイメージされたＳＬＭの近隣の画素間でのクロストークを増加させる負の影響をもたらす。

図８は、Δλ＝−５０ｎｍ（図８ａ）、Δλ＝−２５ｎｍ（図８ｂ）、Δλ＝０ｎｍ（図８ｃ）、及びΔλ＝＋２０ｎｍ（図８ｄ）である四つの異なる波長の不整合の回折ピークの領域を示す。シミュレーションは、図７のＮＡ＝０．３であるパラメータに基づいている。予想通り、波長の差異が大きい場合、ピークは大きな歪みを示す。ピークの不鮮明さによって、既に比較的小さな波長の不整合が生じているので、ビームの歪みは、ホログラムを読み出すことにおいて、回折効率が低いことよりも重大なこととなる。

図６のｋ−球体の図を参考にして説明されるように、波長の不整合は、再生された平面波の「扇形」の原因となる。本発明の更なる実施形態によると、読み出し参照光８’は、波長の不整合から起こる収差を補償するために、焦点がデフォーカスされる。図９では、異なるデフォーカス値、つまり、球面参照波の基点が異なる距離ｚ_ｒｅａｄに対して、Δλ＝−２５ｎｍの波長の不整合で読み出されるホログラムの回折ピークが示される。例示の距離ｚ_ｒｅａｄはｚ_ｒｅａｄ＝４８０μｍ（図９ａ）、ｚ_ｒｅａｄ＝５００μｍ（図９ｂ）、ｚ_ｒｅａｄ＝５２０μｍ（図９ｃ）、及びｚ_ｒｅａｄ＝５４０μｍ（図９ｄ）である。それぞれ−２０μｍ、０μｍ、＋２０μｍ、及び＋４０μｍの公称位置からのオフセットに対応している。ホログラムが、ｚ_ｒｅａｄ＝５００μｍで記録されたとき、正しい焦点の代わりに、焦点がｚ_ｒｅａｄ＝５２０μｍに調節されると、回折ピークは、シャープになる。

このことは、球面読み出し参照光８’を生成するレンズ９をｚ方向に偏移させることにより、波長の不整合が補正され得ることを意味する。言い換えれば、波長の不整合により起こるビームの歪みは、読み出し参照光８’をデフォーカスすることにより補正される。このことは、焦点サーボ自体を用いて、選択的に行われる。最適なピークの形を実現するためにレンズ９の偏移が、自動的に調整できるように、好ましくは、追加エラー信号が、検出器イメージから生成される。もちろん、追加光学素子が、デフォーカスのために使用されてもよい。

図１０は、ｚ方向のシフトΔｚ_ｒｅａｄに依存する回折効率ηを示す。波長の不整合が読み出し参照光８’のｚシフトにより補償されると、回折効率ηの合計も、増加することが分かる。

図１１では、本発明による補償方法が、概略的に示される。第一のステップ２０では、波長の不整合Δλが決定される。次のステップ２１では、決定された波長の不整合Δλに必要な補償が決定される。波長の不整合Δλは、読み出し参照光８’をデフォーカスすること（ステップ２２）によって、又は対物レンズ９の焦点距離を調整すること（ステップ２３）によって補償される。

ホログラフィック記憶システムで使用されるホログラフィックピックアップを概略的に示した図である。 ホログラフィック記憶媒体に影響を与える光ビームの概略的な図を示す。 対物レンズ上の参照光と物体光の位置を示す。 波長の不整合が補正されていないものと、波長の不整合が補正されたものとを有する記録及び読み出しのｋ−球体の概略図である。 角度多重化記録及び読み出しのｋ−球体の図である。 波長の不整合を有する角度多重化読み出しのｋ−球体の図である。 回折効率の波長依存を示す。 四つの異なる波長の不整合に対する回折ピークの領域を示す。 異なるデフォーカス値に対する波長の不整合で読み出されたホログラムの回折ピークを示す。 ｚ方向のレンズシフトに依存する回折効率を示す。 本発明による補償方法を概略的に示す。

符号の説明

１ ホログラフィック記憶システム
２ レーザダイオード
３ 光ビーム
４ コリメートレンズ
５ 第一のビームスプリッタ
６ 空間光変調器
７ 物体光
８ 記録参照光
８’ 読み出し参照光
９ 対物レンズ
１０ ホログラフィック記憶媒体
１１ 再生された物体光
１２ 第二のビームスプリッタ
１３ ２次元アレイ検出器
１４ 波長不整合補正素子
１５ カバー層
１６ 記憶層
１７ ミラー層
１８ 波長不整合決定ユニット