JP2010140594A - 改善されたビームオーバーラップを有するホログラフィック記憶システム - Google Patents

Abstract

【課題】物体光と１つ又は複数の参照光との改善されたオーバーラップで、ホログラフィック記憶媒体に対して読取り及び／又は書込みを行うための装置及び方法を提供する。
【解決手段】物体光２０と１つ又は複数の参照光２１との同軸配列又は再構成された物体光１５と１つ又は複数の参照光２１との同軸配列を用いて、ホログラフィック記憶媒体５に対して読取り及び／又は書込みを行うための装置及び方法を提案する。ホログラフィック記憶媒体５内の１つ又は複数の参照光２１の焦点が、光軸に沿って、物体光２０又は再構成された物体光１５の焦点に対して移動される。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラフィック記憶媒体に対して読取り及び／又は書込みを行うための装置及び方法に関し、より詳細には、ホログラフィック記憶媒体内の改善されたビームオーバーラップを実現する、物体光（ｏｂｊｅｃｔ ｂｅａｍ）と１つ又は複数の参照光（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍ）との同軸配置を用いる装置及び方法に関する。本発明は、さらに、そのような装置用に、又はそのような方法と共に使用するのに適当なホログラフィック記憶媒体に関する。

ホログラフィックデータ記憶では、２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生成された干渉パターンを記録することによってデジタルデータが保存され、１つのビーム（いわゆる「物体光」）が、空間光モジュレータによって変調され、記録されるべき情報を搬送する。第２のビームは参照光として働く。干渉パターンが、干渉パターンの局所的輝度に左右される、記憶材料の特定の特性の改変をもたらす。記録されたホログラムの読取りは、記録中の条件と同一の条件を用いて参照光でホログラムを照射することにより行われる。これは、記録された物体光の再構成をもたらす。

ホログラフィックデータ記憶の１つの利点に、データ容量の増加がある。従来型の光記憶媒体と対照的に、ホログラフィック記憶媒体のボリュームは、わずかな層だけでなく、情報の保存用に用いられる。ホログラフィックデータ記憶のさらなる利点の１つとして、例えば、２つのビーム間の角度を変化させることにより、あるいはシフト多重方式などを用いることによって、同一のボリュームに複数のデータを保存する可能性がある。その上、単一ビットを保存するのでなく、データがデータページとして保存される。通常、データページは、明暗パターンのマトリクス、すなわち、複数のビットを符号化する２次元の２進表現のアレイ（ａｒｒａｙ）又は濃淡値（ｇｒｅｙ ｖａｌｕｅ）のアレイから成る。これによって、記憶密度の増加に加えてデータ転送速度の向上を実現することが可能になる。データページは、空間光モジュレータ（ＳＬＭ；ｓｐａｔｉａｌ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）によって物体光上にインプリントされ、検出器のアレイで検出される。

特許文献１は、同軸配列（ｃｏａｘｉａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）を有するホログラフィック記憶システムを開示しており、この特許文献１においては、物体光のまわりに複数の参照光が配列されている。この解決策によれば、物体光と参照光とは、物体平面の内外及び像平面の内外で、それぞれ結合される。フーリエ対物レンズの開口が物体部分と参照部分に分割されるので、この配列は、いわゆる分割開口配列（ｓｐｌｉｔ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）である。この配列には、ホログラフィック材料が、データ密度が最高になるフーリエ面に近いという利点がある。また、フーリエの面の近くでは物体光と参照光との間のオーバーラップが優れている。しかし、フーリエ対物レンズの開口の半分が参照光用に用いられる。これは、分割開口システムの単一ホログラムの容量が共通開口配列（ｃｏｍｍｏｎ ａｐｅｒｔｕｒｅ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の容量の半分しかないことを意味する。さらに、物体光と参照光とのオーバーラップのすべてが、フーリエ面にのみ生じる。オーバーラップは、ホログラフィック記憶媒体において、部分的に、厚さ１００〜２００μｍの層の範囲内にしかない。この値は、ホログラムの直径及びフーリエ対物レンズの開口数次第である。フーリエ面から約２００〜４００μｍ離れて開始すると、全くオーバーラップしない。これは、ホログラフィック材料の最大の有効厚さを制限する。

特許文献２には、共焦にアレイされた３つのフーリエ面を有する１２ｆの反射型同軸ホログラフィック記憶配列が示されている。この配列では、物体光と参照光とは、第１フーリエ面の内外及び第３フーリエ面の内外で、それぞれ結合される。これらの面では、参照光は小さなスポットである。より正確には、参照光は、エアリーパターン（Ａｉｒｙ Ｐａｔｔｅｒｎ）に似た回折パターンを形成する。物体平面及び像平面で、物体光と参照光とが開口の同一の領域を満たすので、この配列は、いわゆる共通開口配列である。ビームは、対物レンズの開口全体を満たす。開示された配列によって、シフト多重化、参照スキャン多重化、位相符号多重化、又はこれらの多重化方式の組合せを適用することが可能になる。参照光は、一対（又は複数の対）の半円錐形ビームである。

特許文献３は、１つ又は複数の参照光と物体光との同軸配列あるいは１つ又は複数の参照光と再構成された物体光との同軸配列を有するホログラフィック記憶システムを開示している。１つ又は複数の参照光の焦点は、物体光又は再構成された物体光の焦点面内の物体光の焦点に対して移動される。

特許文献４は、ホログラフィック層及びミラー層を有するホログラフィック記憶媒体を開示している。一実施形態によれば、ミラー層は、１つ又は複数の参照光を反射するための１つ又は複数の反射領域を有し、ミラー層の残りの領域は透明又は吸光性である。

既知のホログラフィック記憶システムでは、物体光と参照光とは完全にはオーバーラップしない。より優れたオーバーラップを実現するために、ホログラフィック材料をフーリエ面から遠くに配置する（ｂｅ ｐｌａｃｅｄ）必要がある。結果として、ホログラフィック材料における単一のホログラムデータの密度は低い。

欧州特許出願公開第１６２４４５１明細書 国際公開第２００６／００３０７７号パンフレット 欧州特許出願公開第１９１２２１２号明細書 欧州特許第１８３７８７１明細書

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、物体光と１つ又は複数の参照光との改善されたオーバーラップで、ホログラフィック記憶媒体に対して読取り及び／又は書込みを行うための装置及び方法を提供することにある。

また、本発明のさらなる目的は、そのような装置用に、又はそのような方法と共に使用するのに適当なホログラフィック記憶媒体を提案することにある。

本発明によれば、１つ又は複数の参照光と物体光との同軸配列あるいは１つ又は複数の参照光と再構成された物体光との同軸配列を有するホログラフィック記憶媒体に対して読取り及び／又は書込みを行うための装置において、ホログラフィック記憶媒体内の１つ又は複数の参照光の焦点が、光軸に沿って、物体光又は再構成された物体光の焦点に対して移動される。

同様に、１つ又は複数の参照光と物体光との同軸配列あるいは１つ又は複数の参照光と再構成された物体光との同軸配列を用いるホログラフィック記憶媒体に対して読取り及び／又は書込みを行うための方法は、光軸に沿って物体光又は再構成された物体光の焦点に対して移動されるホログラフィック記憶媒体内の焦点へ、１つ又は複数の参照光を合焦するステップを有する。

物体光のフーリエ面内に１つ又は複数の参照光の焦点を配置する必要はないと判明している。フーリエ面及び１つ又は複数の参照光の焦点面が、光軸に沿って互いに対して移動すると、１つ又は複数の参照光と物体光とのフーリエ面の近くのオーバーラップが大幅に改善される。これは、減少した多重ホログラムの数で所望のデータ容量が実現されることを意味する。このことは、ホログラフィック材料の有限のダイナミックレンジが、減少した多重ホログラムの間で共有されるので、結果として単一ホログラムのより優れた回折効率をもたらす。有利には、１つ又は複数の参照光は、光軸上又は光軸の近くに配置された、１つの円錐形参照光又は２つの半円錐形参照光である。

有利には、１つ又は複数の参照光は、ホログラフィック記憶媒体の小さな反射領域上に合焦される。

この目的のために、ホログラフィック記憶媒体は、ホログラフィック層及びミラー層を有し、ミラー層は、１つ又は複数の参照光を反射するための１つ又は複数の小さな反射領域を有し、透明又はその他の形で吸光性である。小さな反射領域は、円形、楕円形、又は長方形の形状を有することが好ましい。

小さな反射領域は、１つ又は複数の参照光を反射するが、物体光は、それぞれの反射領域が非常に小さいために、実際にはミラー層によって反射されない。したがって、ホログラフィック層の位置には、前方へ伝搬する物体光だけが存在する。このビームは、前方へ伝搬する参照光及び後方へ伝搬する参照光の両方と干渉し、ホログラフィック材料にホログラムを記録する。

また、ホログラフィック記憶媒体は、ホログラフィック層とミラー層とを分離するためのスペーサ層をさらに有する。このスペーサ層によって、１つ又は複数の参照光の焦点と物体光の焦点との間の距離を規定することが可能になり、したがって、１つ又は複数の参照光と物体光との間のオーバーラップを最適化することが可能になる。

好ましくは、ホログラムの読出しのために、１つ又は複数の参照光は、ホログラムの記録のための１つ又は複数の参照光に対して位相共役である。

ホログラム読出しのために位相共役の参照光を用いることにより、位相共役の物体光が再構成される。この再構成された物体光は、元の物体光と同一の波面を有するが、反対方向へ伝搬する。この再構成された物体光が、元の物体光のように、全く同じか又は同一のレンズを通って後ろに伝搬すると、これらのレンズによってもたらされる波面収差は、再構成された物体光が反対方向へレンズを通り抜けるとき補正される。

好ましくは、ホログラフィック記憶媒体内へ物体光及び１つ又は複数の参照光を合焦するための対物レンズは、参照光のみに対して最適化される。物体光の波面収差が位相共役の読出しによって自動的に補正されるので、物体光に対してもレンズを最適化することは不要である。これによって、フーリエ面全体で対物レンズの回折を制限する必要がないので、すなわち光軸から離れたところでは対物レンズの波面歪みに関する要件が緩和されるので、対物レンズを、より軽く、より安くすることが可能になる。

次に、よりよい理解のために、本発明が、図を参照しながら以下でより詳細に説明される。本発明は、この例示的実施形態に限定されるものではなく、また、規定された特徴が、本発明の範囲から逸脱することなく、都合よく組合せ及び／又は変更され得ることが理解される。

本発明による同軸のホログラフィック記憶システムのセットアップを示す図である。 ホログラフィック記憶媒体の位置での参照光及び物体光を示す図である。 ホログラフィック記憶媒体のパターン付きミラー層を示す図である。 参照光に対するインカップリング方式を示す図である。 ホログラフィック記憶システムに関して、システムパラメータの第１の組に基づいたシミュレーションの結果を示す図である。 ホログラフィック記憶システムに関して、システムパラメータの第２の組に基づいたシミュレーションの結果を示す図である。

図１は、本発明による同軸のホログラフィック記憶システムのセットアップを示す図で、本発明による同軸のホログラフィック記憶システムが概略的に示されている。ホログラムを記録するために、振幅空間光モジュレータ（ＳＬＭ）１から来る物体光２０は、第１の長焦点距離のフーリエ対物レンズ９によってフーリエ変換される。この対物レンズは、４つの同一の長焦点距離のフーリエ対物レンズ９、１０、１１、１２のうちの１つである。像の、高い空間周波数成分を低減するために、フーリエ像を低域通過フィルタリングするための開口２が、第１の長焦点距離のフーリエ対物レンズ９のフーリエ面に配置される。開口２の面は、参照光２１が結合される、第２のフーリエ対物レンズ１０の焦点面３と一致しない。ビーム結合に関して、図３を参照しながら、以下でより詳細に示される。

図３は、ホログラフィック記憶媒体のパターン付きミラー層を示す図である。フーリエ面と参照光２１の焦点との間の距離が、ホログラフィック材料の位置で再現される。ビーム２０、２１は、どちらも第２の長焦点距離の対物レンズ１０及び高ＮＡの対物レンズ４を通過してホログラフィック記憶媒体５に到達する。

インカップリング面３では、参照光２１は、互いから小さな距離で配置された、１つの円錐形光ビーム又は２つの半円錐形光ビームから成る。したがって、以下では、用語「参照光」は、「１つ又は複数の参照光」として理解されるものとする。第２の対物レンズ１０は、参照光２１を、光軸とほぼ平行な１つ又は２つの半円形の平面波に変換する。

図２は、ホログラフィック記憶媒体の位置での参照光及び物体光を示す図である。高ＮＡ対物レンズ４は、図２に示されるように、これらの平面波を変換して半円錐形光ビームへ戻すために最適化される。これら１つ又は複数の半円錐形の先端は、パターン付きミラー層５１上に配置され、パターン付きミラー層５１は、それぞれの焦点位置に小さな反射領域５６を有するが、そうでなければ透明である。小さな反射領域５６の直径は、開口数、レーザ波長及び記憶システムのサーボ系の精度によって決定され、約１μｍである。図３にパターン付きミラー層５１が示されている。この図３では、反射領域５６は小さな円形の領域である。もちろん、これらの領域は、例えば、長方形又は楕円形である他の形状も有することができる。さらに、ミラー層５１も同様に、透明でなく吸光性であり得る。物体光２０は、高ＮＡ対物レンズ４とフーリエ面に類似したパターン付きミラー層５１との間に、ぼやけた焦点（ｂｌｕｒｒｅｄ ｆｏｃｕｓ）５４を有する。高ＮＡ対物レンズ４は、物体光２０向けではなく参照光２１向けに最適化される。ホログラフィック記憶媒体５のホログラフィック層５３は、この焦点のまわりに位置される（ｌｏｃａｔｅｄ）。ホログラフィック材料とパターン付きミラー層５１との間に所望の距離を確保するために、スペーサ層５２が設けられる。参照光２１の焦点と物体光２０の焦点との間の距離、ならびにスペーサ層５２の厚さは、参照光２１と物体光２０との最善のオーバーラップに達するように最適化される。ホログラフィック層５３、スペーサ層５２、及びパターン付きミラー層５１は、すべてホログラフィック記憶媒体５の一部である。高ＮＡ対物レンズ４とホログラフィック記憶媒体５との間に１／４波長板５５が配置されているが、その機能は後に説明される。

参照光２１の、１つ又は２つの半円錐形光ビームは、それらの反射された対と共に、１つ又は２つの完全な円錐形を形成する。物体光２０は、それぞれの反射領域が非常に小さいために、パターン付きミラー層５１から実際には反射されないので、ホログラフィック層５３の位置には前方へ伝搬する物体光２０だけが存在する。このビームは、前方へ伝搬する参照光２１及び後方へ伝搬する参照光２１の両方と干渉し、ホログラフィック材料にホログラムを記録する。

ホログラムの読取りに関して、読出し参照光は、半円錐形が反転されていることを除けば記録中の参照光２１に類似である。参照光２１の、前方へ伝搬する半円錐形は、反射された読出し参照光の半円錐形によって置換され、その逆も同様である。これは、記録中の参照光２１と読取り中の読出し参照光とが、互いに位相共役の対であることを意味する。

位相共役のビームを用いることの意味を明白にすると、ホログラムの記録のために用いられた参照光の位相共役バージョンである読出し参照光によって体積ホログラムを読み取ったとき、再構成された物体光は、元の物体光の位相共役である。この再構成された物体光は、元の物体光と同一の波面を有するが、反対方向へ伝搬する。この再構成された物体光が、元の物体光のように、全く同じか又は同一のレンズを通って後ろに伝搬すると、これらのレンズによってもたらされる波面収差は、再構成された物体光が反対方向へレンズを通り抜けるときに補正される。

図１に示された光学システムでは、再構成された物体光１５は、最初に高ＮＡ対物レンズ４を通過する。次いで、このビームは、偏光ビームスプリッタキューブ１４によって屈折する。第３の長焦点距離の対物レンズ１１を通過した後に、読出し参照光は、その焦点でオブスキュレーションプレート（ｏｂｓｃｕｒａｔｉｏｎ ｐｌａｔｅ）６によって停止される。フーリエ変換された物体は、面７で再構成され、ここで円形の開口によって切断される。最終的に、第４の長焦点距離の対物レンズ１２は、再構成された物体光１５の逆フーリエ変換を行って、再構成された像を検出器８上に結像する。

参照光２１のインカップリング及び物体光２０の光路と再構成された物体光１５との分離は、偏光を用いて実現される。これは図４に示されている。

図４は、参照光に対するインカップリング方式を示す図である。図２及び図４に示されるように、このシステムには３つの１／４波長板がある。第１の１／４波長板３２は、インカップリング面３と偏光ビームスプリッタキューブ１３との間に配置され、第２の１／４波長板３３は、物体光の経路において参照光２１のインカップリングの前に配置され、第３の１／４波長板５５は、対物レンズ４とホログラフィック記憶媒体５との間に位置される。これによって、物体光２０ならびに円錐形の参照光が、参照光２１のインカップリング面で、またホログラフィック記憶媒体５の内部でも円偏光される一方で、残りの光路に沿って直線偏光されることが確実になる。

図１に示した光学セットアップを使用して、パターン付きミラー層５１の次の反射領域へホログラフィック記憶媒体５を移動することにより、ホログラム多重化が行われる。この位置で、ホログラムが以前のホログラムとオーバーラップし、これによってデータ密度の増加が可能になる。

好都合には、振幅ＳＬＭ１の前にランダム位相マスクが配置されて、フーリエ面の中央の高輝度ピークを解消する。これは、フーリエ面がホログラフィック材料の内部にあるとき特に有効である。位相マスクは、各画素の位相を０又はπだけ変える。０位相シフトを有する白い画素の数とπ位相シフトを有する白い画素の数は、ほぼ同一のはずである。

以下に、提案されたホログラフィック記憶システムに関して、ビーム伝搬法を用いて得られたシミュレーション結果を示す。

図５は、ホログラフィック記憶システムに関して、システムパラメータの第１の組に基づいたシミュレーションの結果を示す図で、システムパラメータの以下の第１の組に基づく、検出器像のシミュレーション結果を示している。
−スペーサ層の厚さ：７００μｍ
−デフォーカス：７００μｍ
−活物質の厚さ：３００μｍ
−物体光と参照円錐軸との間の距離：１０μｍ
−参照光／物体光のエネルギー比：１０００／１
−ＳＬＭ：通常の振幅ＳＬＭ。画素サイズは１０μｍ
−参照光のインカップリング径（焦点で）：６μｍ
−参照光のアウトカップリング径：２０μｍ
−波長：４００ｎｍ
−材料の屈折率：１．５
−対物レンズの焦点距離：７ｍｍ
−フーリエ面の切断径：０．６×ＤＮｙｑｕｉｓｔ
これらのパラメータに関して、シンボル誤り率はゼロであり、誤差は生じなかった。

図６は、ホログラフィック記憶システムに関して、システムパラメータの第２の組に基づいたシミュレーションの結果を示す図で、システムパラメータの以下の第２の組を用いた、検出器像のシミュレーション結果を示している。
−スペーサ層の厚さ：５００μｍ
−デフォーカス：６００μｍ
−活物質の厚さ：３００μｍ
−物体光と参照円錐軸との間の距離：０μｍ（同軸）
−参照光／物体光のエネルギー比：２０／１
−ＳＬＭ：ランダム位相マスク。画素サイズは１０μｍ
−参照光のインカップリング径（焦点で）：６μｍ
−参照光のアウトカップリング径：２０μｍ
−波長：４００ｎｍ
−材料の屈折率：１．５
−対物レンズの焦点距離：７ｍｍ
−フーリエ面の切断径：０．６×ＤＮｙｑｕｉｓｔ
これらのパラメータに関して、シンボル誤り率は、ＳＥＲ＝０．０４％であり、４８００のブロック内に２つの誤差が生じた。

Claims (12)

1. １つ又は複数の参照光と物体光との同軸配列あるいは１つ又は複数の参照光と再構成された物体光との同軸配列を有するホログラフィック記憶媒体に対して読取り及び／又は書込みを行うための装置であって、
   前記ホログラフィック記憶媒体内の前記１つ又は複数の参照光の焦点は、光軸に沿って、前記物体光又は前記再構成された物体光の焦点に対して移動されることを特徴とする装置。
2. 前記１つ又は複数の参照光は、前記ホログラフィック記憶媒体の小さな反射領域上に合焦されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. ホログラムの読出しのために、前記１つ又は複数の参照光は、ホログラムの記録のための前記１つ又は複数の参照光に対して位相共役であることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記１つ又は複数の参照光は、１つの円錐形の参照光又は２つの半円錐形の参照光であることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の装置。
5. 前記ホログラフィック記憶媒体へ前記物体光及び前記１つ又は複数の参照光を合焦するための対物レンズは、前記参照光のみに対して最適化され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装置。
6. １つ又は複数の参照光と物体光との同軸配列あるいは１つ又は複数の参照光と再構成された物体光との同軸配列を用いるホログラフィック記憶媒体に対して読取り及び／又は書込みを行うための方法であって、
   光軸に沿って前記物体光又は前記再構成された物体光の焦点に対して移動される前記ホログラフィック記憶媒体内の焦点へ、前記１つ又は複数の参照光を合焦するステップを有することを特徴とする方法。
7. 前記１つ又は複数の参照光は、前記ホログラフィック記憶媒体の小さな反射領域上に合焦されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. ホログラムの読出しのために、前記１つ又は複数の参照光は、ホログラムの記録のための前記１つ又は複数の参照光に対して位相共役であることを特徴とする請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記１つ又は複数の参照光は、１つの円錐形の参照光又は２つの半円錐形の参照光であることを特徴とする請求項６，７又は８に記載の方法。
10. ホログラフィック層及びミラー層を有するホログラフィック記憶媒体であって、
    前記ミラー層は、１つ又は複数の参照光を反射するための１つ又は複数の反射領域を有して、透明又はその他の形で吸光性であり、前記反射領域は約１μｍのサイズを有することを特徴とするホログラフィック記憶媒体。
11. 前記ホログラフィック層と前記ミラー層とを分離するためのスペーサ層をさらに有することを特徴とする請求項１０に記載のホログラフィック記憶媒体。
12. 前記小さな反射領域は、円形、楕円形、又は長方形の形状を有することを特徴とする請求項１０又は１１に記載のホログラフィック記憶媒体。

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