JP2009093785A - ホログラフィック記憶システム用のレンズ系 - Google Patents

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Abstract

【課題】ホログラフィック記憶媒体12に対して読み出し及び/又は書き込みを行うための装置1用のレンズ系11、より具体的には、物体ビーム及び参照ビームの同軸共通開口配列を有する装置に対して最適化されたレンズ系11を提供すること。
【解決手段】物体ビームをフーリエ変換し、参照ビームをホログラフィック記憶媒体12のホログラム層へ集束させ、サーボビーム17をホログラム層のサーボ領域に集束させるレンズ系11は、物体ビーム、参照ビーム、及びサーボビーム17に作用する可動部101,102,103と、サーボビーム17のみに作用する固定部104とを備えている。
【選択図】図6

Description

本発明は、ホログラフィック記憶システム用のレンズ系に関し、より詳細には、ホログラフィック記憶媒体に対して読み出し及び/又は書き込みを行う同軸共通開口ホログラフィック記憶システム用のレンズ系、物体ビーム及び参照ビームの同軸共通開口配置を有する共通開口ホログラフィック記憶システム装置用に最適化されたレンズ系に関する。さらに、そのようなレンズ系を使用してホログラフィック記憶媒体に対する読み出し及び/又は書き込みを行うホログラフィック記憶システムに関する。
ホログラフィックデータ記憶では、2本のコヒーレントなレーザービームを重畳することによって生成される干渉パターンを記録することによりデジタルデータを記憶する。この場合、一方のビーム、いわゆる「物体ビーム」は、空間光変調器によって変調され、記録する情報を運ぶ。第2のビームは、参照ビームとして働く。干渉パターンにより、記憶材料の特定の性質が干渉パターンの局所強度に応じて変化する。記録されたホログラムの読み出しは、記録中と同じ状態を使用して、参照ビームをホログラムに照射することによって行われる。これより、記録された物体ビームが復元される。
ホログラフィックデータ記憶の1つの長所は、データ容量が増加することである。従来の光記憶媒体とは異なり、単なる単一又はいくつかの2次元的な層ではなく、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もう1つの長所は、例えば、2本のビーム間の角度を変えること、又はシフト多重化などを用いることによって、複数のデータを同じ体積に記憶できることである。さらに、単一ビットを記憶する代わりに、データがデータページとして記憶される。一般に、データページは明暗パターンのマトリックス、すなわち、複数のビットを符号化する2次元的な2値配列又は濃淡値の配列から構成される。これにより、記録密度の向上に加え、データレートの向上が達成される。データページは、空間光変調器(SLM)によって物体ビーム上へ写し込まれ(imprinted)、検出器アレイによって検出される。
同軸ホログラフィックデータ記憶(coaxial holographicdata storage)では、物体ビーム及び1つ又は複数の参照ビームが共通の光軸に沿って進む。例えば、特許文献1は、反射型ホログラフィック記録媒体用の同軸光ヘッドを有するフーリエホログラフィック記憶システム(Fourier holographic storage system)を開示している。この光ヘッドは、同軸構成の球面参照ビームを用いる多重化法を使用する。これには、物体ビームのフーリエ平面において、参照ビームとして高品質の球面ビームが必要である。その結果、高品質の球面ビームを実現すること及び良好なフーリエ変換を得ることの両方のために、同一のフーリエ対物レンズを最適化しなければならない。これらは、2つの相反する必要条件である。
フーリエ対物レンズの対象物は画素アレイで構成される。このアレイは、対物レンズから有限の距離に位置する。この記憶システムでは、対応するビームは情報ビームであり、データチャネル全体が情報チャネルである。参照チャネルでは、集束レンズの対象物は単一点であり、この点はフーリエ対物レンズから無限の距離にある。参照チャネルでは、フーリエ対物レンズは単純な集束対物レンズとして機能し、この場合、参照ビームの集束点は光軸からシフトされる。
フーリエ平面では、画素アレイのフーリエ変換である物体ビームは、「開口が制限された」平面波の集合である。参照ビームは、この平面における軸方向にシフトされた球面ビームである。参照ビーム円錐のシフトされた軸は、フーリエ平面に対して直角である。したがって、参照ビーム及び情報ビームの挙動は、両方の平面、すなわち物体平面及びフーリエ平面で異なる。
また、特許文献2では、ホログラフィック記憶用のサーボ系が提案されている。このサーボ系は、CD又はDVDシステムのために使用される周知のサーボ系と類似している。このサーボ系は、情報ビームの波長とは異なる波長によって作動する。通常、このサーボ系は赤色光を使用するが、情報ビームは青色又は緑色である。したがって、フーリエ対物レンズは、2つの波長に対して設計する必要がある。白色光又はさまざまなレーザー波長に使用する対物レンズの色収差を補正する周知の方法は、アッベ数の異なる接合ダブレットを適用するというものである。他の解決法は、アッベ数の異なる一連のシングレットを使用するというものである。しかし、素子の数が比較的多いため、どちらの解決法の場合も、得られる色補正されたフーリエ対物レンズの質量が大きくなる。これは、機械的に堅固なサーボが必要であることを意味する。
国際公開第2006/003077号パンフレット 欧州特許第1324322号明細書 G. Erdei et al.: "Telecentric/inverse-telecentric objective for optical data storage purposes", Proc. SPIE Vol. 3573 (1998), p. 380-383
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ホログラフィック記憶媒体に対して読み出し及び/又は書き込みを行う同軸共通開口ホログラフィック記憶システム用のレンズ系を提供することにある。
本発明によれば、この目的は、物体ビームをフーリエ変換し、参照ビームをホログラフィック記憶媒体のホログラム層へ集束させ、サーボビームをホログラム層のサーボ領域に集束させるレンズ系であって、物体ビームをフーリエ変換し、参照ビーム及びサーボビームを集束させる可動部と、サーボビームのみを前集束(pre−focus)させる固定部とを含む、同軸ホログラフィック記憶システム用のレンズ系によって達成される。このレンズ系は、3チャネルフーリエ対物レンズである。3つのチャネルは、それぞれ情報チャネル、参照チャネル、及びサーボチャネルである。フーリエ対物レンズを最適化するために、3つの構成、すなわち情報チャネルの構成、参照チャネルの構成、及びサーボチャネルの構成が使用される。この3つの構成は、それぞれ異なる物体距離及び像距離と、開始ビームパラメータ(starting beam parameter)と、重み付けされた最適化基準とを有する。レンズ系の可動部は、3枚のレンズを有することが好ましい。3枚のレンズを用いることにより、3つの構成を同時に最適化することが可能となる。異なる構成の最適化基準は、多少矛盾している。
3枚のレンズのうちの少なくとも2枚は非球面レンズであり、第3のレンズは球面レンズであるか、同様に非球面レンズであるかのいずれかであることが好ましい。形状が最適化された非球面ガラス素子を使用することにより、矛盾した必要条件間のトレードオフを得ることができる。
有利には、レンズ系の固定部は、サーボビームにのみ作用しているレンズである。このレンズは、長焦点距離を有する集束レンズであることが好ましい。サーボビームならびに参照ビーム及び物体ビームの異なる波長用の3枚のレンズの材料は屈折率がわずかに異なるため、色収差の補正なしでは、レンズ系の焦点距離は、通常、参照及び物体ビームよりもサーボビームの方が長い。この収差を補正するために、サーボビームは、レンズ系の3枚のレンズに入射する前に、わずかに集束される。
サーボチャネルは2つの部分に分かれる。一方の部分はサーボ系と共に移動し、他方の部分は固定されている。サーボチャネルの可動部は、情報チャネル及び参照チャネルと共通である。3チャネル対物レンズの可動部の質量は比較的小さい。固定部は、長焦点距離レンズで構成される。長焦点距離レンズは、わずかにサーボチャネルの光ビームを集束させる。3チャネル対物レンズによって解消される1つの重要な問題は、異なるレーザー波長に対するフーリエ対物レンズの焦点距離の違いである。異なる波長に起因する収差は、フーリエ対物レンズに入射する前に前集束レンズを使用してサーボ光ビームをわずかに集束させることによって補正される。この場合、2つのレーザー波長は、適切に選択されたアッベ数の異なる材料から作製された3枚又は4枚のレンズによって同じ場所に集束される。前集束により、焦点サーボ系の移動範囲は、±0.1mmから±0.2mmに限定される。
固定部は、波長選択的なビームスプリッタ、例えば、ダイクロイックプリズムをさらに有することが好ましい。波長選択的なビームスプリッタは、ホログラフィック記憶に使用される光ビームの経路内外にサーボ光ビームを結合するため、すなわち、サーボチャネルと情報/参照チャネルとの複合と分離のために使用される。
より良好な理解のために、以下の記載において図面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形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく、特定の各特徴事項の適切な組合せ及び/又は変更が可能であることが理解される。
図1は、一般的な12f反射型ホログラフィック記憶システムを概略図である。レーザーダイオード2は光ビーム3を放射し、光ビーム3はコリメーティングレンズ4によってコリメートされる。空間光変調器5は光ビーム3にデータパターンを写し込み、次いで、光ビーム3は、第1のフーリエ対物レンズ対30、いわゆる書き込み用長焦点距離リレー対物レンズ30によって中間像平面10に投影される。説明を簡単にするために、この図1には参照ビームは示さない。
第1のフーリエ対物レンズ対30は、フーリエ対物レンズ6と、逆フーリエ対物レンズ9と、第1のフーリエ対物レンズ対30のフーリエ平面に配置されたフーリエフィルタ7とを備えている。高NAフーリエ対物レンズ11は、ホログラフィック記憶媒体12に光ビーム3を投影する。ホログラフィック記憶媒体12の反射層(図示せず)と組み合わさって、高NAフーリエ対物レンズ11は、第2の折返しフーリエ対物レンズ対31を構成する。読み出しのためには、第3のフーリエ対物レンズ対32、いわゆる読み出し用長焦点距離リレー対物レンズ32が使用される。
第3のフーリエ対物レンズ対32は、逆フーリエ対物レンズ9と、フーリエ対物レンズ14と、第3のフーリエ対物レンズ対32のフーリエ平面に配置されたフーリエフィルタ13とを備えている。1/4波長板20は、偏光感受性ビームスプリッタ8と組み合わせて、書き込みビームと読み出しビームを分離するために使用される。アレイ検出器15は、読み出しビームに含まれるデータを検出する。
さらに、必要なサーボ信号を得るためのCD/DVD型集束追従サーボ光学系33も設けられる。サーボ光源16はサーボビーム17を生成し、サーボビーム17はコリメーティングレンズ18によってコリメートされ、波長選択性のビームスプリッタ19、本実施形態ではダイクロイックプリズムによって光ビーム3の経路に結合される。他の偏光感受性ビームスプリッタ21は、ホログラフィック記憶媒体12から反射したサーボビームを、集束レンズ22介して検出器23上へと向ける。
上述した光学配置は12f系であり、12f系は3つの4fフーリエ変換/再変換サブシステム30、31、32から構成される。この系には、中間対物像平面10が配置される。系の大きさを縮小し、サーボ系を単純化するために、図1の光学配置は、反射型の系である。これは、光学系全体がホログラフィック記憶媒体12の一方の側に配置されることを意味する。無論、この系を透過型の系として実現することも同様に可能である。
以下では、第2の4fフーリエ変換サブシステム31の本発明による2つの実施形態について説明する。両実施形態では、対物レンズ11が3枚のレンズを有する。
図2乃至図6は、本発明の第1の実施形態を示す図で、対物レンズ11は、2枚の非球面レンズ101、103の間に配置された1枚の球面レンズ102を備えている。
図2は、本発明の第1の実施形態による3チャネル対物レンズの情報チャネルを表す図である。図3は、図2における破線の四角によって示した領域の拡大図である。情報チャネルは、3枚のレンズ101,102,103をそれぞれ備えた2つの同一の3チャネル対物レンズ11から構成されている。第1の対物レンズ11は、対物レンズ11の後焦点面への物体のフーリエ変換を実行する。第2の対物レンズ11は、第2の対物レンズの焦点面へ像を再変換する。反射型の系の場合、3チャネル対物レンズ11は2度使用され、第1の対物レンズ及び第2の対物レンズとして機能する。3チャネル対物レンズ11は、第1の対物レンズ11として機能する際、ホログラフィック記憶媒体12のミラー面上へ物体を変換する。ミラーが光を反射し、3チャネル対物レンズ11が第2の対物レンズ11として機能して像を変換し戻す。情報チャネルの物体平面は、12f系の中間物体平面10である。これは、第1の対物レンズ11の第1の焦点面である。
フーリエ対物レンズ11の対象物は、画素アレイ又は画素アレイの像である。フーリエ平面は、2つの同一の対物レンズ11の中間にある共通の焦点面である。ホログラフィック記憶媒体12の記憶材料は、このフーリエ平面の近くに配置される。フーリエ平面では、画素アレイのフーリエ変換である物体ビームは、開口が制限された平面波の集合である。このことは、図3に示す情報チャネルの拡大図においてより明瞭に見ることができる。像平面は、12f系の中間像平面10である。情報チャネルは、有限共役系(finite conjugate system)である。情報チャネルは、物体平面10及び像平面10の両方でテレセントリックである。これは、入射瞳及び射出瞳が無限遠にあることを意味する。例えば、非特許文献1参照。
図4は、第1の実施形態による3チャネル対物レンズの参照チャネルを表す図である。図5は、図4における破線の四角によって示した領域の拡大図である。参照チャネルは、無限共役系(infinite conjugate system)である。参照チャネルは、3枚のレンズ101,102,103を備えた1つの対物レンズ11のみから構成されている。この対物レンズの対象物は、単一点であり、フーリエ対物レンズ11から無限の距離にある。参照ビームは、対物レンズ11の前では開口が制限された平面波である。説明を簡単にするために、単一の参照ビームのみが示されており、この参照ビームの伝搬方向は、参照ビームチャネルと物体ビームチャネルとを分離するために、対物レンズ11の光軸に対してわずかに偏位(incline)している。フーリエ対物レンズ11は、このチャネルにおいては単純な集束対物レンズとしての働きをする。したがって、参照ビームは、後焦点面付近では球面ビームであり、後焦点面では単一点、より正確にはエアリーディスクである。このことは、図5に示す参照チャネルの拡大図においてより明瞭に見ることができる。
図6は、第1の実施形態による3チャネル対物レンズのサーボチャネルを表す図である。説明を簡単にするために、この図6ではサーボチャネルが曲げられていない。理論的には、CD/DVDのようなサーボ系の場合、サーボビーム17は対物レンズ11の前では平面波であり、集束対物レンズ11の後ろの焦点面の近くでは球面ビームである。物体距離は無限である。図1に示したシステムでは、異なる波長を有する2本のビーム、すなわち、参照ビーム及びサーボビーム17は、同じ平面に集束される。異なる波長に対してわずかに材料の屈折率が異なっているため、色収差の補正なしでは、対物レンズ11の焦点距離は、通常、参照ビームよりもサーボビーム17の方が長い。この収差を補正するために、サーボビーム17は、追加のレンズ104によって、集束対物レンズ11に入射する前にわずかに集束される。この場合、サーボビーム17及び参照ビームを、2枚又は3枚のレンズを使用して同じ平面に集束でき、これらのレンズは、適切に選択されたアッベ数の異なる材料から作製される。図では、3枚のレンズを使用する解決法のみが示されている。しかし、異なるアッベ数及び屈折率のためには少なくとも2枚のレンズがあればよいので、3枚のレンズ101,102,103の代わりに2枚のレンズのみを使用する解決法も同様に実施可能である。
3チャネル対物レンズ11の移動質量を減らすために、この対物レンズ11は、固定部及び可動部に有利には分けられる。可動部は3つのチャネルすべてに共通であるが、固定部はサーボチャネルだけに帰属する。固定部は長焦点距離レンズ104から構成され、長焦点距離レンズ104は、サーボチャネルのサーボビーム17を対物レンズ11への入射前にわずかに集束させる。焦点サーボ系の移動範囲が限定されている場合、この前集束によっていかなる問題も生じなくなる。本例では、情報チャネルの被写界深度によって焦点サーボ系の移動範囲が限定される。というのは、この被写界深度が有限物体距離に対して最適化されるからである。情報チャネルの被写界深度は、約0.05mmから0.2mmである。サーボチャネルの前集束されたサーボビーム17は、同じ範囲内で作用する必要がある。図6には固定部と可動部との間に追加のダイクロイックプリズム19が示されており、このダイクロイックプリズム19は、サーボビーム17をホログラフィックチャネル(参照チャネル及び情報チャネル)の内外へ結合する。図1に示した状態とは異なり、説明を簡単にするために、図6ではサーボチャネルが曲げられていない点に留意されたい。
図7乃至図9は、本発明の第2の実施形態を示す図で、透過型ホログラフィック記憶システムの場合の対物レンズを示している。
図7は、第2の実施形態による3チャネル対物レンズの情報チャネルを表す図で、図8は、第2の実施形態による3チャネル対物レンズの参照チャネルを表す図で、図9は、第2の実施形態による3チャネル対物レンズのサーボチャネルを示す図である。
この実施形態では、対物レンズ11が3枚の非球面レンズ101,102,103と、これらと左右対称的に設けられた3枚の非球面レンズ105,106,107を備えている。なお、108は中間像平面である。図7は情報チャネルを示しており、図8及び図9は参照チャネル及びサーボチャネルをそれぞれ図示している。情報チャネルは、物体平面と像平面との間で最適化されるが、参照チャネル及びサーボチャネルは、フーリエ平面までしか最適化されないので、図8及び図9にはフーリエ平面までの光学配置のみを示す。
対物レンズ11の最適化のために、3つの構成、すなわち、情報チャネルの構成、参照チャネルの構成、及びサーボチャネルの構成が使用される。3つの構成すべては、物像間距離と、開始ビームパラメータとが異なり、それら独自の重み付けされた最適化基準を有する。これら3つの構成は、同時に最適化される。得られるレンズは、3つの個別の最適化基準すべてを同時に満たす必要がある。表1には、3つの構成の異なる主要な最適化パラメータをまとめてある。
Figure 2009093785
この表1からは、異なる構成の最適化基準が多少矛盾していることが分かる。形状が最適化された非球面素子を使用することにより、矛盾した必要条件間のトレードオフが得られる。
3チャネル対物レンズ11の第1の実施形態の例示的なレンズ規定(lens prescription)を表2に列挙する。
Figure 2009093785
回転対称の多項式非球面は、球面(すなわち、円錐曲線によって描かれた非球面)の表面からの偏差の多項式展開によって記述される。偶数次非球面表面モデル(even asphere surface model)は、動径座標(radial coordinate)の偶数乗(even power)のみを用いて非球面性を記述する。このモデルは、ベース曲率半径R及び円錐定数kを用いる。表面サグは、
Figure 2009093785
によって与えられ、式中c=1/Rである。
表2のレンズ規定のための非球面係数を表3にまとめてある。
Figure 2009093785
3チャネル対物レンズ11の第2の実施形態の例示的なレンズ規定を表4に列挙する。
Figure 2009093785
表4のレンズ規定のための非球面係数を表5にまとめてある。
Figure 2009093785
上記の表2及び表4において、第1列の(面)は、最適化のために考慮される面数を示している。#0(OBJ)は物体面、#27(IMA)及び#18(IMA)は、それぞれ表2及び表3の像面である。(STO)は停止面を示している。第2列は、面のタイプ、すなわちスタンダード(球面又は平面)、非球面、又はコーディネートブレークを示している。第3列は、所与の面の曲率半径を含む。第4列においては、線(n)及び(n+1)の2つの表面間の厚さ(距離)がmm単位で示されている。第5列は、レンズの材料名を含んでいる。対象にしている面のmm単位の直径が、第6列に列挙されている。無論、この直径は必要最小限の直径のみを表している。最後に、第7列は、非球面の円錐定数を示している。
12f反射型ホログラフィック記憶システムの概略図である。 本発明の第1の実施形態による3チャネル対物レンズの情報チャネルを表す図である。 図2における破線の四角によって示した領域の拡大図である。 第1の実施形態による3チャネル対物レンズの参照チャネルを表す図である。 図4における破線の四角によって示した領域の拡大図である。 第1の実施形態による3チャネル対物レンズのサーボチャネルを表す図である。 本発明の第2の実施形態による3チャネル対物レンズの情報チャネルを表す図である。 第2の実施形態による3チャネル対物レンズの参照チャネルを表す図である。 第2の実施形態による3チャネル対物レンズのサーボチャネルを示す図である。
符号の説明
1 同軸共通開口ホログラフィック記憶システム
2 レーザーダイオード
3 光ビーム
4 コリメーティングレンズ
5 空間光変調器
6 フーリエ対物レンズ
7 フーリエフィルタ
8 偏光感受性ビームスプリッタ
9 逆フーリエ対物レンズ
10,108 中間像平面
11 高NAフーリエ対物レンズ
12 ホログラフィック記憶媒体
13 フーリエフィルタ
14 フーリエ対物レンズ
15 アレイ検出器
16 サーボ光源
17 サーボビーム
18 コリメーティングレンズ
19 ビームスプリッタ
20 1/4波長板
21 偏光感受性ビームスプリッタ
22 集束レンズ
23 検出器
30 第1のフーリエ対物レンズ対
31 第2の折返しフーリエ対物レンズ対
32 第3のフーリエ対物レンズ対
33 CD/DVD型集束追従サーボ光学系
101,102,103,105,106,107 可動部
104 固定部

Claims (11)

  1. ホログラフィック記憶システム用のレンズ系において、
    物体ビームをフーリエ変換し、参照ビームをホログラフィック記憶媒体のホログラム層へ集束させ、サーボビームを前記ホログラム層のサーボ領域に集束させるレンズ系であって、前記物体ビームをフーリエ変換し、前記参照ビーム及び前記サーボビームを集束させる可動部と、前記サーボビームのみを前集束させる固定部とを備えたことを特徴とするレンズ系。
  2. 前記可動部は、3枚のレンズを有することを特徴とする請求項1に記載のレンズ系。
  3. 前記可動部の前記3枚のレンズのうちの2枚は、非球面レンズであり、1枚のレンズは、球面レンズであることを特徴とする請求項2に記載のレンズ系。
  4. 前記可動部の前記3枚のレンズは、非球面レンズであることを特徴とする請求項2に記載のレンズ系。
  5. 前記サーボビームのみを前集束させる前記固定部は、集束レンズであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のレンズ系。
  6. 前記物体ビーム及び/又は前記参照ビームのビーム経路に前記サーボビームを結合するための波長選択的なビームスプリッタをさらに有することを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のレンズ系。
  7. 前記同軸共通開口ホログラフィック記憶システムは、4f系であり、前記ホログラフィック記憶媒体の前記ホログラム層は、前記4f系のフーリエ平面内にあることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のレンズ系。
  8. 前記4f系の前記情報チャネル、前記参照チャネル、及び前記サーボチャネルに対して同時に、前記3チャネルの波面品質が0.02RMSλ以上となるように最適化されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のレンズ系。
  9. 前記情報チャネルは、有限共役であり、前記参照チャネル及び前記サーボチャネルは、無限共役であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載のレンズ系。
  10. 前記情報チャネルは、前記4f系の物体平面及び像平面に対してテレセントリック/逆テレセントリックモードにあることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載のレンズ系。
  11. 請求項1乃至10のいずれかに記載のレンズ系を備えたことを特徴とするホログラフィック記憶システム。
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