JP2009025817A

JP2009025817A - 光学記憶システム用のビーム整形器

Info

Publication number: JP2009025817A
Application number: JP2008171286A
Authority: JP
Inventors: Joachim Knittel; ニツテル，ヨヒム
Original assignee: Thomson Licensing SAS
Current assignee: Thomson Licensing SAS
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2008-06-30
Publication date: 2009-02-05
Also published as: EP2012313B1; EP2012313A1; US20090010136A1; US8351316B2; KR20090004551A; EP2012311A1; CN101339298A

Abstract

【課題】光学記憶システム用のビーム整形器を提供する。
【解決手段】本発明は、ビーム整形器９と、そのようなビーム整形器９を使用して光学記憶媒体１１に対して読取りおよび／または書込みを行う装置とに関する。本発明によれば、入射してくる光ビーム３から第１の整形光ビーム７を生成するビーム整形器９は、入射してくる光ビーム３のプロファイルにわたって空間的に変化する光学特性を備えたビーム整形素子２２，３０を有する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ホログラフィック記憶媒体などの光学記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行う装置に関し、より詳細には、そのような装置で使用するビーム整形器（ｂｅａｍｓｈａｐｅｒ）に関する。

ホログラフィック・データ記憶では、ディジタル・データは、２つの干渉性レーザ・ビームの重ね合わせによって生み出される干渉パターンを記録することによって記憶される。その２つのレーザ・ビームのうちの、いわゆる「物体波」である第１のビームは、空間光変調器によって変調され、記録すべき情報を搬送する。第２のビームは、参照波として機能する。干渉パターンによって記憶材料の特定の特性が変更されるが、これらの変更は干渉パターンの局所的な強度に依存する。記録済みホログラムの読取りは、記録中と同じ条件を用いてホログラムに参照波を照射することによって行われる。この結果、記録された物体波が再生される。

ホログラフィック・データ記憶の利点の１つは、データ容量の増加である。従来の光学記憶媒体とは違って、単一または少数の２次元層だけでなく、ホログラフィック記憶媒体の体積が、情報を記憶するのに使用される。ホログラフィック・データ記憶のさらにもう１つの利点は、同一の体積に複数のデータを記憶できることであり、これは例えば、２つのビーム間の角度を変更することによって、またはシフト多重化などを用いることによって行われる。さらに、シングル・ビットを記憶するのではなく、データはデータ・ページとして記憶される。通常、データ・ページは、明暗パターンの行列、すなわち、２次元の２進アレイまたは多ビットを符号化する濃淡値のアレイからなる。これにより、記憶密度の増加に加えて、データ・レートの増加を実現することができる。データ・ページは、空間光変調器（ＳＬＭ）によって物体波上に印加され、検出器アレイで検出される。

典型的なレーザ・ダイオードは、ガウス強度分布を備えた楕円ビームを発する。このことにより、ホログラフィック記憶システム中でデータ・ページを生成する空間光変調器上におけるパワー分布が不均一になる。データ・ページの信号対雑音比を改善し、それによって容量を改善するためには、強度分布が均一であることが好ましい。楕円分布は、例えばプリズム対を使用することによって容易に除去することができる。ガウス分布は、非球面を備えた特別な光学部品によって低減することができる。しかし、ビーム整形用の光学部品は、高価であり、かつ位置ずれの影響を極めて受けやすい。

例えば、特許文献１には、ガウス・ビームなどの実質的に一様ではない光学入力ビームを、実質的に一様な出力ビームに変換するシステムが記載されている。この目的で、このシステムは、ケプラー構成またはガリレイ構成に配置された、非球面を備えた２つの光学素子を有する。
米国特許第６６５４１８３号明細書

本発明の目的は、光学記憶媒体に対する読取りおよび／または書込みを行う装置に使用されるビーム整形器の簡素な解決策を提案することである。

本発明によれば、この目的は、入射してくる光ビームから第１の整形光ビームを生成するビーム整形器によって達成され、このビーム整形器は、入射してくる光ビームのプロファイルにわたって空間的に変化する光学特性を備えたビーム整形素子を有する。空間的に変化する光学特性により、入射してくる強度分布を所望の強度分布に、例えばガウス分布をフラット・トップに近い分布に容易に変換することができる。同時に、このビーム整形器は、わずかな位置ずれの影響を比較的受けにくい。

ビーム整形素子は、空間的に変化する反射率を有することが有利である。例えば、ビーム整形素子の反射率は、ビーム整形素子の中心からビーム整形素子の端部に向かって減少してもよい。このようにすると、入射してくる光ビームの中心強度ピークは、ビーム整形素子を透過した光ビーム中において平坦になる。

あるいは、ビーム整形素子は、入射してくる光ビームの偏光に対する空間的に変化する影響を有してもよい。例えば、ビーム整形素子は、入射してくる光ビームの偏光方向に対して空間的に変化する配向性を備えた、半波長板などの局所的な波長板を有していてもよい。これにより、透過ビームの局所的な偏光を変更することができる。得られた光ビームを、偏光ビーム・スプリッタまたは偏光依存ビーム・ブロックを通して送ることによって、または偏光依存ミラー上に送ることによって、透過ビームの強度分布を望むように変更することができる。

上記の解決策は、楕円強度分布を軸対称な強度分布に変換することにも適する。光学特性の空間変化を特定の強度分布に適合させることは差し支えない。しかしこの場合、ビーム整形器は、位置ずれの影響をより受けやすくなる。

本発明の別の態様によれば、入射してくる光ビームから第１の整形光ビームを生成する方法は、入射してくる光ビームのプロファイルにわたって空間的に変化する光学特性を有するビーム整形素子によって、入射してくる光ビームのビーム・プロファイルを変更するステップを有する。例えば、ビーム・プロファイルは、強度または偏光を局所的に変えることによって変更される。

入射してくる光ビームから第２の整形光ビームを生成するビーム・スプリッタが設けられることが有利である。このビーム・スプリッタは、入射してくる光ビームのうちの第１の整形光ビームに使用されない部分を、第１の整形光ビームの光路外に向けることが好ましい。空間的に変化する反射率を有するビーム整形素子の場合、ビーム整形素子によって反射された光ビームが、第２の整形光ビームを都合よく構成する。

ビーム・スプリッタは、偏光ビーム・スプリッタであることが好ましい。このことは、ビーム整形素子が、入射してくる光ビームの偏光に対して空間的に変化する影響を有する場合に、特に有利である。この場合、偏光ビーム・スプリッタは、第１の整形光ビームと第２の整形光ビームとを、単にそれらの偏光方向に沿って分離する。しかし、偏光ビーム・スプリッタは、空間的に変化する反射率を有するビーム整形素子と併用しても有用である。この場合、ビーム整形素子によって反射された光ビームの偏光方向を回転させる四分の一波長板を設けることが好都合である。

本発明によるビーム整形器は、光学記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行う装置において使用されることが好ましい。当然のことながら、このビーム整形器は、入射してくる光ビームから整形光ビームが生成されるべき他のどのような光学装置でも有利である。これは、整形光ビームの所望の強度分布が非常に単純な方法で得られるという利点を有する。さらに、このビーム整形器はわずかな位置ずれの影響を比較的受けにくいので、光学装置の全体的な調整が容易になる。

第２の整形光ビームが、入射してくる光ビームからビーム・スプリッタによって生成されることが有利である。例えば、ホログラフィック記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行う装置において、第１の整形ビームおよび第２の整形ビームは、それぞれ物体波および参照波として使用される。このようにして、物体波および参照波は、エネルギー効率のよい方法で生成される。ホログラフィック・データ記憶では、データ・レートは現在、利用可能なレーザ・パワーによって制限されているので、これにより、実現可能なデータ・レートが増加することとなる。さらに、入射してくるガウス強度分布がフラット・トップに近い分布に変換された場合、信号対雑音比も著しく増加する。

光学記憶媒体、例えばホログラフィック記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行う装置は、光ビームを整形する本発明によるビーム整形器を有することが好ましい。

次に、より良い理解のために、以下の記載において図を参照して本発明をより詳細に説明する。本発明は、この例示的な実施例に限定されず、また特定の特徴が適宜、本発明の範囲を逸脱することなく組み合わせることおよび／または変更することができることを理解されたい。

以下では、ホログラフィック記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行う装置に関して本発明を説明する。当然のことながら、本発明はそのような用途に限定されない。

ホログラフィック・データ記憶では、ディジタル・データは、２つの干渉性レーザ・ビームの重ね合わせによって生成される干渉パターンを記録することによって記憶される。図１に、ホログラフィック記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行う装置１の例示的な構成を示す。干渉性の光の光源、例えばレーザ・ダイオード２が、光ビーム３を発し、光ビーム３はコリメータ・レンズ４によって平行にされる。次いで、光ビーム３は２つの別々の光ビーム７，８に分離される。この例では、光ビーム３の分離は、第１のビーム・スプリッタ５を使用して実現される。しかし、他の光学コンポーネントをこの目的に使用することも可能である。２次元データ・パターンを印加するために、空間光変調器（ＳＬＭ）６が、２つのビームのうちの一方の、いわゆる「物体波」７を変調する。物体波７と、いわゆる「参照波」８である他方のビームとの両方が、対物レンズ１０によってホログラフィック記憶媒体１１、例えばホログラフィック・ディスク内に合焦される。物体波７と参照波８との交点に干渉パターンが現れ、これがホログラフィック記憶媒体１１の感光層に記録される。レーザ・ダイオード２によって発せられた光ビーム３のガウス強度分布を、フラット・トップに近い強度分布に変換するために、ビーム整形器９が設けられている。

記憶されたデータは、記録済みホログラムに参照波８のみを照射することによって、ホログラフィック記憶媒体１１から取り出される。参照波８は、ホログラム構造によって回折され、元の物体波７の複製、すなわち再生された物体波１２を生成する。この再生された物体波１２は、対物レンズ１０によって平行にされ、第２のビーム・スプリッタ１３によって２次元アレイ検出器１４、例えばＣＣＤアレイ上に向けられる。アレイ検出器１４は、記録されたデータの再生を可能にする。

図２に、本発明によるビーム整形器９の第１の実施例を示す。この実施例では、ビーム整形器９は、物体波７および参照波８をそれぞれ第１の整形光ビームおよび第２の整形光ビームとして生成するのに使用される。円形ガウス強度分布を備えた直線偏光レーザ・ビーム３が、偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）２０および四分の一波長板２１を通って、部分反射ミラー２２上に送られる。部分反射ミラー２２の反射率分布は、中心２３では反射率が高く（好ましくは５０％より高く）、端部に行くにつれて反射率が低い値（好ましくは０％近く）に減少するように選択される。これにより、入射してくるレーザ・ビーム３の中心強度ピークが減衰し、従って強度分布が平坦になる。このような反射率分布を備えた部分反射ミラー２２は、反射層に対して制御されたスパッタリングを行うことによって容易に作製することができる。透過されたビームは、物体波７として機能する。反射光は、偏光を９０度回転させるために再び四分の一波長板２１を通して送られ、偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）２０によって反射される。このビームは、ホログラフィック記憶システム１用の参照波８として使用される。

図２では、偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）２０および四分の一波長板２１を使用して、物体波７に加えて参照波８が生成される。当然のことながら、参照波は別の方法で、例えば入射してくる光ビーム３の一部をビーム整形前にビーム・スプリッタで偏向させることによって、生成されてもよい。この場合、部分反射ミラー２２によって反射された光は使用されない。あるいは、部分反射ミラー２２を、入射してくる光ビーム３に対してわずかに傾斜させてもよい。このようにすると、反射光は入射してくる光ビーム３の経路外に向けられ、従って、参照波８を生成するミラーを設ければこと足りる。

図３に、部分反射ミラー２２の反射率分布の一例を示す。図４および図５に、物体波７および参照波８の結果として得られる強度分布（１次元）をそれぞれ示す。それらのビームは円形であることに留意されたい。従って、等しいパワーを得るために参照波８と物体波７の面積が等しくある必要はない。

入射してくるビーム３は、Ｅｘｐ（−ｒ^２）で表される強度分布を有している。入射してくるビーム３は半径ｒ＝１．２６８までしか使用されず、従って総パワーの８０％が使用される。部分反射ミラー２２は、ｒ≦１．１６ではＲ（ｒ）＝１−０．２６Ｅｘｐ（ｒ^２）であり、ｒ＞１．１６ではＲ（ｒ）＝０である反射率分布を有している。この反射率分布により、図４および図５に示す強度分布が物体波７および参照波８について得られる。物体波７および参照波８のパワーは等しく、この結果、記録されるホログラムのコントラストが高くなる。さらに、物体波７は、完全に利用可能なエネルギーの８０％が使用されるとはいえ、フラット・トップに近い強度分布を有する。

図６に、ビーム整形器９の第２の実施例を示す。この実施例では、偏光サブ波長構造３１を備えた回折光学素子（ＤＯＥ）３０を使用して、フラット・トップな物体波７を生成する。この場合、入射してくるレーザ・ビーム３を偏光させなければならない（直線または円）。最近では、波長板、例えば半波長板を、サブ波長構造で実現できることが示されている。例えば、Ｊ．Ｊ．Ｗａｎｇ他、「Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅｎａｎｏ−ｏｐｔｉｃａｌｄｅｖｉｃｅｓ，ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎａｎｄｎａｎｏ−ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ」、ＳＰＩＥ会報、Ｖｏｌ．５６２３（２００５）、２５９頁を参照されたい。偏光サブ波長構造３１は、安価な量産プロセスで反復して作製することができる。このような構造３１をガラス基板３２上に配置して局所的に回転させることにより、透過されるビームの局所的な偏光が変更される。これを図７に概略的に示す。得られた光ビームを、偏光ビーム・スプリッタ２０を通して送ることにより、透過されたビーム７，８の強度分布を意のままに変更することができる。構造３１を偏光ビーム・スプリッタ２０上に直接配置して、システムをより一層小型化することもできる。

図７に、回折光学素子（ＤＯＥ）３０の特性を概略的に示す。矢印は、局所半波長板構造３１の方向を表す。回転角度は、内側から外側に変化する。従って、偏光ビーム・スプリッタ２０によって透過される光の量は、ビームの直径にわたって変化し、強度分布が変更される。

上記の各実施例では、円形ガウス強度分布が前提とされている。当然ながら、本発明は、他のタイプの強度分布、例えば楕円ガウス分布や非ガウス分布にも適用可能である。変化する特性、例えば反射率や、偏光への影響を、特定の強度分布に適合させることは差し支えない。同様に、出力プロファイルは、フラット・トップに近いプロファイルに限定されない。他のプロファイルを生成することもできる。

図８に、入射してくる光ビーム３から第１の整形光ビーム７を生成する本発明による方法を概略的に示す。最初のステップ４０で、入射してくる光ビーム３がビーム整形器９内に照射される。次いで、入射してくる光ビーム３のプロファイルにわたって空間的に変化する光学特性を備えたビーム整形素子２２，３０が、例えば、入射してくる光ビーム３の強度または偏光を局所的に変更することによって、入射してくる光ビーム３のビーム・プロファイルを変更する（ステップ４１）。続いて、例えば、変更されたビーム・プロファイルを透過させることによって、または変更されたビーム・プロファイルの一部を偏光ビーム・スプリッタ２０で反射することによって、第１の整形光ビーム７が生成される（ステップ４２）。任意選択で、破線の長方形で示すように、例えば、第１の整形光ビーム７に使用されていない、入射してくる光ビーム３の残りを使用して、第２の整形光ビーム８が生成される（ステップ４３）。

ホログラフィック記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行う装置の例示的な構成を示す図である。部分反射ミラーを使用した、本発明によるビーム整形器の第１の実施例を概略的に示す図である。図２の部分反射ミラーの反射率を示す図である。第１の整形光ビームの結果として得られる強度分布を示す図である。第２の整形光ビームの結果として得られる強度分布を示す図である。回折光学素子を使用した、本発明によるビーム整形器の第２の実施例を示す図である。図５の回折光学素子の特性を概略的に示す図である。入射してくる光ビームから第１の整形光ビームを生成する本発明による方法を示す図である。

符号の説明

１装置
２レーザ・ダイオード
３光ビーム
４コリメータ・レンズ
５第１のビーム・スプリッタ
６空間光変調器（ＳＬＭ）
７第１の整形光ビーム、物体波
８第２の整形光ビーム、参照波
９ビーム整形器
１０対物レンズ
１１光学記憶媒体、ホログラフィック記憶媒体
１２再生された物体波
１３第２のビーム・スプリッタ
１４２次元アレイ検出器
２０偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）
２１四分の一波長板
２２ビーム整形素子、部分反射ミラー
３０ビーム整形素子、回折光学素子（ＤＯＥ）
３１波長板、偏光サブ波長構造
３２ガラス基板

Claims

入射してくる光ビーム（３）から第１の整形光ビーム（７）を生成するビーム整形器（９）であって、前記入射してくる光ビーム（３）のプロファイルにわたって空間的に変化する光学特性を備えたビーム整形素子（２２，３０）を有し、空間的に変化する前記光学特性は、空間的に変化する反射率と、前記入射してくる光ビーム（３）の偏光に対する空間的に変化する影響とのうちの一方である、前記ビーム整形器（９）。
前記ビーム整形素子（２２）の反射率は、前記ビーム整形素子（２２）の中心から前記ビーム整形素子（２２）の端部に向かって減少する、請求項１に記載のビーム整形器。
前記ビーム整形素子（３０）は、前記入射してくる光ビーム（３）の偏光方向に対して空間的に変化する配向性を備えた局所波長板（３１）を有する、請求項１に記載のビーム整形器。
前記局所波長板（３１）は半波長板である、請求項３に記載のビーム整形器。
前記入射してくる光ビーム（３）から第２の整形光ビーム（８）を生成するビーム・スプリッタ（２０）をさらに有する、請求項１から４のうちのいずれか１項に記載のビーム整形器。
前記ビーム・スプリッタ（２０）は偏光ビーム・スプリッタである、請求項５に記載のビーム整形器。
前記ビーム整形素子（２２，３０）から来る光ビームの偏光方向を回転させる四分の一波長板（２１）をさらに有する、請求項６に記載のビーム整形器。
光学記憶媒体（１１）に対して読取りおよび／または書込みを行う装置であって、入射してくる光ビーム（３）から第１の整形光ビーム（７）を生成する請求項１から４のいずれか１項に記載のビーム整形器（９）を有する前記装置。
前記入射してくる光ビーム（３）から第２の整形光ビーム（８）を生成するビーム・スプリッタ（２０）をさらに有する、請求項８に記載の装置。
ホログラフィック記憶媒体に対して読取りおよび／または書込みを行うように構成される、請求項８または９に記載の装置。
前記第１の整形光ビーム（７）および前記第２の整形光ビーム（８）は物体波および参照波である、請求項１０に記載の装置。
入射してくる光ビーム（３）から第１の整形光ビーム（７）または第１および第２の整形光ビーム（７，８）を生成する請求項１から７のいずれか１項に記載のビーム整形器（９）を有する光学装置。
入射してくる光ビーム（３）から第１の整形光ビーム（７）を生成する方法であって、前記入射してくる光ビーム（３）のプロファイルにわたって空間的に変化する光学特性を有するビーム整形素子（２２，３０）によって前記入射してくる光ビーム（３）のビーム・プロファイルを変更するステップ（４１）を有し、空間的に変化する前記光学特性は、空間的に変化する反射率と、前記入射してくる光ビーム（３）の偏光に対する空間的に変化する影響とのうちの一方である前記方法。