JP2008096783A - ホログラム再生方法及びホログラム再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】再生時にホログラム記録媒体が膨張、収縮し、特にブラッグ選択角に対してホログラム再生像の動きが無視できない記録再生条件においても再生画像の動きに対する像変形の影響を抑制して、高品質の画像を再生できるようにすること。
【解決手段】目標の画像を再生する際に、再生時の参照光を記録時の参照光２００の入射角を含むある範囲の角度に連続的に変化させてホログラム記録材料５０に照射し、その時に得られる再生信号光３００の画像をイメージセンサ２２で連続撮像し、画像処理部２３３により得られた複数枚の画像にそれぞれ重み付けをして１枚の再生画像に合成することにより、ブラッグ選択角に対してホログラム再生像の動きが無視できない記録再生条件においても、記録メディアの収縮・膨張に起因する画像劣化を画像処理により効果的に補正することが実現可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号光と参照光の干渉縞をホログラム記録材料に記録再生するホログラムストレージに係り、特にホログラム記録材料から記録情報を再生するホログラム再生方法及び装置に関する。

近年、ホログラフィック技術は、次世代、次々世代光ディスクと競合する強力なストレージの候補として注目を集めているホログラフィックメモリの実用化に向けて、急速に開発が進められており、ホログラム技術を利用して大容量デ−タの記録再生を行うホログラムストレージが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
IBM J.RES DEVELOP VOL 44 NO.3 MAY 2000「Holographic data strage 」

角度多重方式とは、ホログラム記録方式の一方式である。この方式は、空間変調器に表示される記録ページごとに参照光の角度を変えることによって多重記録を実現している。通常の角度多重方式においては、原理的には、図７に示すように記録の時と同じ角度から参照光を入射させることによって対応するデータページのみが図８に示すように再生される。しかし、実際は、記録メディアの収縮もしくは熱膨張により記録時と同じ角度の参照光を用いても対応するデータページの再生が完全に行われないことがある。例えば、記録メディアに対して温度変化を与えた場合、メディアの熱膨張または収縮によりメディアが大きく変化する。このような状況下においては、図９に示すように画像の一部分しか再生されず、また、再生された画像には隣接するデータページとのクロストークも発生し、デコードが事実上不可能となる。

従来のホログラムストレージでは、レーザの安定性、材料の膨張、収縮などに起因するホログラム再生画像の輝度ムラ、画像カケは、データデコード時のビットエラーレート（ｂＥＲ）を悪化させる原因となり、最悪の場合、データページ自体の再生が不能となる恐れがある。従来は、記録された参照光位置と同一の位置から再生参照光を照射することによりホログラムの再生を行っていたため、これらの影響を受けやすい再生方法となっており、本現象を、光学系、ホログラム記録材料の改良等で完全に解消することは難しく、実用化に向けた一つの大きな障害となっていた。

本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、光学系やホログラム記録材料の特性や安定性が通常レベルのものであっても、輝度ムラ、画像カケなどが無く、特にブラッグ選択角に対してホログラム再生像の動きが無視できない記録再生条件においても再生画像の動きに対する像変形の影響を抑制して高品質のホログラム画像を再生することができるホログラム再生方法及び装置を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、参照光をホログラム記録材料に照射して再生信号光を発生させ、この再生信号光を撮像して再生画像を得るホログラム再生方法であって、記録時の参照光と同一及びまたは同一でない複数の参照光を前記ホログラム記録材料に照射することにより複数の再生画像を得、これら複数の再生画像のそれぞれに重み付けを行った後、これら再生画像を合成して１枚の再生画像を得るようにする。

このように本発明では、記録時の参照光と同一及びまたは同一でない複数の参照光を前記ホログラム記録材料に照射する、即ち、例えば角度多重方式で記録した画像を再生する場合は、目標の画像を再生する際に、記録時の参照光の入射角を含むある範囲の角度に変化した複数の参照光を用い、その時に得られる複数の再生信号光を連続撮像し、得られた複数枚の画像データのそれぞれに重み付けを行った後、これら再生画像を合成して１枚の再生画像を得るようにすることによって、特にブラッグ選択角に対してホログラム再生像の動きが無視できない記録再生条件においても再生画像の動きに対する像変形の影響を抑制し、このような場合でも、レーザ光源の不安定性、ホログラム記録材料の収縮、光学系の変動などが存在する通常レベルの光学系やホログラム記録材料を用いても、輝度ムラ、画像カケなどが無い高品質のホログラム画像を再生することができる。

本発明によれば、記録時の参照光と同一及びまたは同一でない複数の参照光を前記ホログラム記録材料に照射することにより複数の再生画像を得、これら複数の再生画像のそれぞれに重み付けを行った後、これら再生画像を合成して１枚の再生画像を得ることより、特にブラッグ選択角に対してホログラム再生像の動きが無視できない記録再生条件においても再生画像の動きに対する像変形の影響を抑制し、このような場合でも、レーザ光源の不安定性、ホログラム記録材料の収縮、光学系の変動などが存在する通常レベルの光学系やホログラム記録材料を用いても、輝度ムラ、画像カケなどが無い高品質のホログラム画像を再生することができる。

（実施例１）
図１は、本発明の一実施形態に係るホログラム再生装置（記録装置も含む）の構成を示したブロック図である。本実施形態のホログラム（記録）再生装置は、角度多重方式で画像データを多重記録再生する構成を有し、レーザ光源１、シャッター２、半波長板３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）４、シャッター５、ミラー６、スペイシャルフィルター７、１３、ミラー８、１４、空間変調器（ＳＬＭ）９、レンズ１０、１１、１２、１６、１７、１９、回転ミラー１５、アパーチャ２０、２１、イメージセンサ２２及び制御装置２３を有し、ホログラム記録材料５０に対してホログラムを記録再生する。尚、レンズ１０、１１と、レンズ１２、１６と、レンズ１７、１９はそれぞれ４Ｆ系を構成している。また、制御装置２３は機構制御部２３１、撮像制御部２３２、画像処理部２３３を有し、機構制御部２３１は回転ミラー１５を回転させてホログラム記録材料５０への参照光２００の入射角度を変化させ、撮像制御部２３２は参照光２００の入射角度の変化に同期してイメージセンサ２２を制御することより再生信号光の撮像を行い、画像処理部２３３は撮像画像の画像処理（後述）を行う。

次に本実施形態のホログラム記録再生装置の動作について概略説明する。まず、記録時、シャッター２、５が開放されている。レーザ光源１から出射されたレーザ光はシャッター２、半波長板３を通してＰＢＳ４に入射され、ここで信号光１００と参照光２００に分岐される。信号光１００はシャッター５、ミラー６、スペイシャルフィルター７、ミラー８を通ってＳＬＭ９を通ることによりデータページにより空間変調される。空間変調された信号光１００はレンズ１０、１１、１２を通って、ホログラム記録材料５０に集光される。一方、参照光２００はスペイシャルフィルター１３、ミラー１４、回転ミラー１５を通してホログラム記録材料５０に照射される。これにより、信号光１００と参照光２００の干渉縞がホログラム記録材料５０に記録される。この際、信号光１００を変調するデータページを変更する毎に回転ミラー１５を回転させて参照光２００のホログラム記録材料５０への入射角度を変えることにより、ホログラム記録材料５０の同一記録領域に角度多重による多重記録がなされる。

再生時、シャッター２が開放され、シャッター５は閉じている。そのため、参照光２００のみが回転ミラー１５を通してホログラム記録材料５０へ照射され、発生した再生信号光３００がレンズ１６、１７、１９を通してイメージセンサ２２に入射され、ここで再生画像データが得られる。この際、回転ミラー１５を回転させて参照光２００のホログラム記録材料５０への照射角度を変えることにより、多重記録された画像データが順次再生される。

次に上記したホログラム記録再生装置における再生動作について更に詳しく説明する。本実施形態の再生動作では、回転ミラー１５を連続的に回転させて、記録参照光近傍の複数の再生参照光を用いてホログラム記録材料５０に記録された画像データを再生している。しかし、従来の角度多重による記録データの再生では、記録のときに用いた参照光角度と一致するよう回転ミラー１５を制御し、一致した段階でイメージセンサ２２によりホログラム再生画像の撮像をイメージセンサ２２で行っていた。シフト多重の場合も同様で、メディア（ホログラム記録材料）を移動させながら参照光２００と記録スポットとの位置関係を記録時と一致させるようにメディア移動の制御を行い、一致した段階でホログラム再生画像の撮像を行っていた。

このように従来の多重再生時に、光学系や、メディアなどが極めて理想的な状態にあって、安定したホログラム再生画像が撮像できる場合においては、従来の再生方法でも問題がないが、実際には、レーザの不安定性、メディアの収縮、光学系の変動などがあり、必ずしも記録した位置において安定したホログラム再生画像が撮像できるとは限らない。

そこで、本実施形態では、角度多重光学系の場合、回転ミラー１５を連続して動かすか、記録時の角度ピッチよりも微小なピッチで動かし、図２に示すように、記録したデータページに対応する参照光の近傍で、記録に用いた参照光角度ピッチよりも小さいピッチで画像の再生を行う。すなわち、再生時に参照光のオーバーサンプリングを行い、一つのデータページに対して複数のホログラム再生像を得ることになる。これら複数のホログラム再生像を用いて該当するデータページを画像処理によって生成し、ホログラム再生像の補正を実現する。それには、ホログラムが記録されているホログラム記録材料５０の記録スポットにおいて、回転ミラー１５を回転させて参照光２００のホログラム記録材料５０への入射角度（再生光角度）を連続的に変化させる。

図２に記録位置近傍におけるホログラム再生画像列の一例を示す。この画像は、ホログラム記録時と再生時において記録メディアの温度に変化を与えたとき（記録メディアに熱膨張を生じたとき）に得られたホログラム再生像である。このような状況下では、該当するデータページに隣接するページのクロストーク成分が含まれており、データページ3ページ分の情報が混在している。これらの画像を用いて画像処理により、ホログラム再生像の補正を行うわけだが、該当するデータページの情報のみを抽出する必要がある。また、複数の再生像を得るために再生参照光の角度を変化させるのだが、このときにブラッグ選択角に対して再生参照光の角度ピッチが充分小さくないと、参照光の移動方向にホログラム再生像も移動する。図３に示す例では、画像の横方向に微小ではあるが画素単位での顕著な画像の移動が存在する。

ここで、上記のように参照光の移動方向に画像が微小に移動する場合、再生信号光を連続的に撮像して複数の連続する再生画像列を得る画像処理を画像中の一部の領域の輝度の総和の時間的変化により求める方法で行うと、画像の移動方向にデータコードが変形することになり、符号間干渉の要因ともなり得る。そのため、本実施形態では、クロストーク成分の排除およびコードの変形を抑えるべく、図４に示すようなガウス関数を用いてホログラム再生像に対して重み付けを行う方法を採用する。

図４に示した重み関数は、画像補正に用いるホログラム再生像個々に対して定義されている（用いる再生画像枚数が多い場合においては、必ずしも画像ごとに関数を変える必要はないことは言うまでもない）。たとえば、本例では、画像補正に33枚のホログラム再生像を用いており、その個々の画像ごとに33個の重み関数が用意されている。それぞれの関数はガウス関数となっており、位相のみが異なり、また、これらの関数が適用される画像群の開始フレームと終了フレームの画像上の一番端の列で重み値が１になるガウス関数である。参照光の角度を変化させながらホログラム画像の再生を行い、このときに画像の左端、右端の領域の輝度値の変化をモニタリングすることにより、画像補正に用いるホログラム画像フレームの開始、終了位置が明らかになる。

ホログラム再生像上で該当するデータページからの部分再生像は、画像の右側から左側へ連続的に移動する（参照光の角度の移動方向により像の動きは異なる）。よって、重み関数についても、重みが最大となる位置を画像の右側から左側にかけて位相を変化させることによって移動させる（図中、33関数のうち、10関数を表示）。ガウス関数の分散は、該当する部分再生像が含まれる領域（再生画像のずれが無い中心領域）を切り出せる範囲で、できるだけ小さくとる方が再生像の動きに対する像変形の影響を抑制することが可能であるが、不規則な画像カケに対応させるために隣接するフレームの重み関数どうしの重なりをもたせる必要がある。像変形による隣接シンボル間の符号間干渉が生じない範囲で分散値の調整を行う。なお、各ガウス関数は、等間隔（位相変化が等間隔）とする。

図５に実際の画像切り出しの様子を示す。ここでは、33枚の画像のうち5枚の画像を示している。図中、左側に示す5枚のホログラム再生像に対して個別に用意された重み関数を適用する。適用後の画像は、同図中の右側に重み付け画像として示した。同図に示すようにクロストーク成分は排除し、該当データページからの再生像のみを部分的に抽出することに成功している。

このように重み付けされた画像列を用いて画像合成により該当するデータページからのホログラム再生像の復元を行う。画像合成は、画像中の画素ごとにフレーム方向に画素値を積分することにより実現される。画素値の積分は画素あたりに必要充分なビット数でその演算を行い、必要に応じて最終的に要求されるビット数で正規化される。図６は上記の方法で画像合成されたデータページ例である。

本実施形態によれば、ブラッグ選択角に対してホログラム再生像の動きが無視できない記録再生条件においても、記録メディアの収縮・膨張に起因する画像劣化を画像処理により効果的に補正することが実現可能となった。また、本実施形態では、角度多重方式を例にとって説明したが、同じく参照光の角度変化によって多重記録を行うポリトピック多重方式にも本手法は有効である。さらに参照光の状態を微小に変化させることによって該当する再生像が部分的に再生され、個々の画像は該当データページの一部しか含まない状況であっても複数の画像にデータページ全体の情報が含まれるようなホログラム再生を実現できる多重記録方式であれば、本手法が適用可能である。従来より、ホログラムデータストレージは、記録メディアの温度変化に脆弱なものと言われてきたが、本手法により温度トレランスを広げることが可能であり、ホログラムストレージの実用化に際して、その効果は大きい。

尚、本発明は上記実施形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。例えば上記実施形態では、本発明を角度多重方式のホログラム再生装置に適用したが、シフト多重方式のホログラム再生装置に適用しても同様の効果を得ることができる。この場合、制御装置はホログラム記録材料を少しずつ移動させながら参照光を照射し、その時にイメージセンサで再生信号光を連続撮像して複数の再生画像を得る。これら複数の再生画像を制御装置により本実施形態と同様の方法で画像処理し、１枚の高品質の再生画像を得る。

本発明の一実施形態に係るホログラム再生装置の構成を示したブロック図である。 角度多重による記録位置近傍で再生参照光を微小変化させて複数の再生画像を得る方法を説明する図である。 記録位置近傍でのホログラム再生画像列の一例を示した図である。 画像処理時に用いる重み関数例を示した図である。 ホログラム画像列への重み付けを説明する図である。 本実施形態による方法で得られる補正画像例を示した図である。 角度多重方式による従来のホログラム再生方法を説明する図である。 記録時と同一温度でのホログラム再生画像を示した図である。 記録時に対して温度変化を与えたときのホログラム再生画像を示した図である。

符号の説明

１……レーザ光源、２、５……シャッター、３……半波長板、４……偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、６、８、１４……ミラー、７、１３……スペイシャルフィルター、９……空間変調器（ＳＬＭ）、１０、１１、１２、１６、１７、１９……レンズ、１５……回転ミラー、２０、２１……アパーチャ、２２……イメージセンサ、２３……制御装置、５０……ホログラム記録材料、２３１……機構制御部、２３２……撮像制御部、２３３……画像処理部。

Claims (9)

1. 参照光をホログラム記録材料に照射して再生信号光を発生させ、この再生信号光を撮像して再生画像を得るホログラム再生方法であって、
   記録時の参照光と同一及びまたは同一でない複数の参照光を前記ホログラム記録材料に照射することにより複数の再生画像を得、これら複数の再生画像のそれぞれに重み付けを行った後、これら再生画像を合成して１枚の再生画像を得ることを特徴とするホログラム再生方法。
2. 前記参照光の前記ホログラム記録材料への入射角のピッチを記録時のピッチよりも微小として前記複数の再生画像を得ることを特徴とする請求項１記載のホログラム再生方法。
3. 前記個々の再生画像に適用する重み関数は、個々の画像ごとにその位相を変化させることを特徴とする請求項１または２記載のホログラム再生方法。
4. 前記個々の再生画像の重み付けにガウス関数を用いることを特徴とした請求項１記載のホログラム再生方法。
5. 参照光をホログラム記録材料に照射して再生信号光を発生させ、この再生信号光を撮像して再生画像を得るホログラム再生装置であって、
   記録時の参照光と同一及びまたは同一でない複数の参照光を前記ホログラム記録材料に照射することにより複数の再生画像を得る再生手段と、
   前記得られた複数の再生画像のそれぞれに重み付けを行った後、これら再生画像を合成して１枚の再生画像を得る画像処理手段と、
   を具備することを特徴とするホログラム再生装置。
6. 前記参照光の前記ホログラム記録材料への入射角のピッチを記録時のピッチよりも微小として前記複数の再生画像を得ることを特徴とする請求項５記載のホログラム再生装置。
7. 前記個々の再生画像に適用する重み関数は、個々の画像ごとにその位相を変化させることを特徴とする請求項５または６記載のホログラム再生装置。
8. 前記個々の再生画像の重み付けにガウス関数を用いることを特徴とした請求項５記載のホログラム再生装置。
9. 前記ホログラム記録材料にはデータが多重記録されていることを特徴とする請求項５記載のホログラム再生装置。

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