JP2010160326A - 光再生方法及び光再生装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像の各々を精度良く得ることができる、光再生方法及び光再生装置を提供する。
【解決手段】デジタルデータを明暗画像で表す信号光と参照光とを光記録媒体に同時に集光して前記信号光と前記参照光との干渉により光記録媒体に記録されたホログラムに、読み出し光として前記参照光を照射して回折光を生成し、回折光と同位相の直流成分を回折光に付与して第１合成光を生成し、回折光と逆位相の直流成分を回折光に付与して第２合成光を生成し、第１合成光及び第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減し、バックグラウンド成分が除去又は低減された第１合成光に基づいて第１再生像を再生すると共に、バックグラウンド成分が除去又は低減された第２合成光に基づいて第２再生像を再生する。
【選択図】なし

Description

本発明は、光再生方法及び光再生装置に関する。
ホログラフィック・データ・ストレージでは、１ページ当たりのデジタルデータを明暗画像で表した信号光パターンを空間光変調器に表示して、画素毎に変調された信号光を生成し、この信号光をレンズによりフーリエ変換して参照光と共に光記録媒体に照射する。信号光と参照光との干渉により、光記録媒体にはデータページのフーリエ変換ホログラムが記録される。例えば、参照光の入射角度を変化させる角度多重方式など、種々の多重方式で複数ページのホログラムを多重記録することができる。
本出願人は、同一のホログラムからポジティブ画像とネガティブ画像の２枚の再生像を撮像し、それらを比較することによって両者に共通のノイズを相殺して、再生像、即ち、元のデジタルデータのＳＮＲ（信号対雑音比）を向上させる「ホログラム再生方法」を提案している（特許文献１、２）。再生像のＳＮＲが向上することで、多重度を増加させ、１ページ当たりのデータ量を増加させて、高記録密度を実現することができる。また、この再生方法は、直流成分を除去して記録されたホログラムの再生、及び直流成分を除去せずに記録されたホログラムの再生の何れにも適用することができる。
これらの「ホログラム再生方法」では、記録光の干渉縞の強度分布とそれによって形成される屈折率分布とが同位相であるフォトポリマーをホログラムの記録媒体として用いており、読み出し用の参照光を照射してホログラムから得られる回折光に、回折光と同位相の直流成分を付与してポジティブ画像を再生している。また、ホログラムから得られる回折光に、回折光とは逆位相の直流成分を付与してネガティブ画像を再生している。回折光の位相が、読み出し用の参照光の位相からπ／２ずれるとすると、付与する直流成分の位相を参照光に対してπ／２ずらせば、回折光と付与する直流成分とは同位相又は逆位相となる。
また、上記の「ホログラム再生方法」では、再生時に付与する直流成分が大きくなるほど、検出される信号成分が大きくなり、再生像のＳＮＲが向上する。その一方、再生時に付与する直流成分が大きくなると、ポジティブ画像とネガティブ画像の２枚の再生像の各々において、バックグラウンド成分に起因するノイズが増加する。バックグラウンド成分は、情報を含まない無駄な光である。この無駄な光により、光検出器である画像センサー等のダイナミックレンジが浪費される。本明細書で用いるバックグラウンド成分とは、直流成分に起因するオフセットを意味する。
ダイナミックレンジの浪費は、ポジティブ画像とネガティブ画像の検出精度の低下を招き、ひいては再生エラーの発生に繋がる。再生エラーの発生を抑制するために、各ホログラムの回折効率を大きくしたのでは、光記録媒体のダイナミックレンジが浪費されてしまう。光記録媒体のダイナミックレンジの浪費は、多重度増加の妨げとなる。
特開２００７−１７９５９７号公報 特開２００７−３３５０５６号公報
本発明は、上記発明の改良に関するものであり、本発明の目的は、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像の各々を精度良く得ることができる、光再生方法及び光再生装置を提供することにある。
上記目的を達成するために各請求項に記載の発明は、下記構成を備えたことを特徴とする。
請求項１の発明は、デジタルデータを明暗画像で表す信号光と参照光とを光記録媒体に同時に集光して前記信号光と前記参照光との干渉により光記録媒体に記録されたホログラムに、読み出し光として前記参照光を照射して回折光を生成し、前記回折光と同位相の直流成分を前記回折光に付与して第１合成光を生成し、前記回折光と逆位相の直流成分を前記回折光に付与して第２合成光を生成し、前記第１合成光及び前記第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減し、バックグラウンド成分が除去又は低減された第１合成光に基づいて第１再生像を再生すると共に、バックグラウンド成分が除去又は低減された第２合成光に基づいて第２再生像を再生する、光再生方法である。
請求項２の発明は、同じ除去低減手段により、前記第１合成光及び前記第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分のうち前記第１合成光及び前記第２合成光に共通するバックグラウンド成分を除去又は低減する請求項１に記載の光再生方法である。
請求項３の発明は、デジタルデータを明暗画像で表す信号光と参照光とを光記録媒体に同時に集光して前記信号光と前記参照光との干渉により光記録媒体に記録されたホログラムに、読み出し光として前記参照光を照射して、第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成し、前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を、前記回折光に付与して合成光を生成し、前記回折光と前記付与した直流成分とが合成された合成光を、前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに分離し、分離された前記第５の偏光成分及び前記第６の偏光成分の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減し、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第５の偏光成分から第１再生像を再生すると共に、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第６の偏光成分から第２再生像を再生する、光再生方法である。
請求項４の発明は、デジタルデータを明暗画像で表す信号光と参照光とを光記録媒体に同時に集光して前記信号光と前記参照光との干渉により光記録媒体に記録されたホログラムに、読み出し光として前記参照光を照射して、第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成し、前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を、前記回折光に付与して合成光を生成し、前記回折光と前記付与した直流成分とが合成された合成光から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分のうち前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに共通するバックグラウンド成分を除去又は低減し、バックグラウンド成分が除去又は低減された合成光を、前記第５の偏光成分と前記第６の偏光成分とに分離し、分離された前記第５の偏光成分から第１再生像を再生すると共に、分離された前記第６の偏光成分から第２再生像を再生する、光再生方法である。
請求項５の発明は、コヒーレント光を射出する光源と、２次元状に配列された複数の画素部で構成され、信号光又は付与する直流成分を生成する信号光領域と、前記信号光領域を取り囲むように配置され且つ前記信号光と同軸の参照光を生成する参照光領域とを含み、前記空間光変調器の信号光領域に輝度の均一な透過パターンを表示すると共に前記空間光変調器の参照光領域に参照光パターンを表示して、前記光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調し、参照光と付与する直流成分とを生成する空間光変調器と、前記空間光変調器により生成された参照光と付与する直流成分を前記光記録媒体の記録領域に集光し、前記記録領域に記録されたホログラムから回折光を生成すると共に、前記回折光と同位相の直流成分を前記回折光に合波して第１合成光を生成し、前記回折光と逆位相の直流成分を前記回折光に合波して第２合成光を生成する合波光学系と、入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記第１合成光及び前記第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する除去低減手段と、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第１合成光から第１再生像を検出し、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第２合成光から第２再生像を検出する光検出手段と、を備えた光再生装置である。
請求項６の発明は、コヒーレント光を射出する光源と、２次元状に配列された複数の画素部で構成され、信号光又は付与する直流成分を生成する信号光領域と、前記信号光領域を取り囲むように配置され且つ前記信号光と同軸の参照光を生成する参照光領域とを含み、前記空間光変調器の信号光領域に輝度の均一な透過パターンを表示すると共に前記空間光変調器の参照光領域に参照光パターンを表示して、前記光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調し、参照光と付与する直流成分とを生成する空間光変調器と、前記空間光変調器により生成された参照光と付与する直流成分を前記光記録媒体の記録領域に集光し、前記記録領域に記録されたホログラムから第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成すると共に、前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を生成し、前記偏光光で構成された直流成分を前記回折光に合波して合成光を生成する合波光学系と、前記合波光学系で生成された合成光を、前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに分離する偏光ビームスプリッタと、入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記第５の偏光成分から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する第１除去低減手段と、入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記第６の偏光成分から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する第２除去低減手段と、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第５の偏光成分から第１再生像を検出する第１光検出器と、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第６の偏光成分から第２再生像を検出する第２光検出器と、を備えた光再生装置である。
請求項７の発明は、コヒーレント光を射出する光源と、２次元状に配列された複数の画素部で構成され、信号光又は付与する直流成分を生成する信号光領域と、前記信号光領域を取り囲むように配置され且つ前記信号光と同軸の参照光を生成する参照光領域とを含み、前記空間光変調器の信号光領域に輝度の均一な透過パターンを表示すると共に前記空間光変調器の参照光領域に参照光パターンを表示して、前記光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調し、参照光と付与する直流成分とを生成する空間光変調器と、前記空間光変調器により生成された参照光と付与する直流成分を前記光記録媒体の記録領域に集光し、前記記録領域に記録されたホログラムから第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成すると共に、前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を生成し、前記偏光光で構成された直流成分を前記回折光に合波して合成光を生成する合波光学系と、入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記合波光学系で生成された合成光から、前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに共通するバックグラウンド成分を除去又は低減する除去低減手段と、バックグラウンド成分が除去又は低減された合成光を、前記第５の偏光成分と前記第６の偏光成分とに分離する偏光ビームスプリッタと、分離された前記第５の偏光成分から第１再生像を検出する第１光検出器と、分離された前記第６の偏光成分から第２再生像を検出する第２光検出器と、を備えた光再生装置である。
なお、請求項３、請求項４、請求項６及び請求項７における偏光成分の一覧を下記の表１に示す。
請求項１に係る発明によれば、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像の各々を精度良く（高ＳＮＲで）得ることができる、という効果がある。
請求項２に係る発明によれば、ポジティブ画像とネガティブ画像の各々に対応する２つの合成光から、一度にバックグラウンド成分を除去又は低減することができる、という効果がある。
請求項３に係る発明によれば、１回の再生動作で、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像を同時に且つ精度よく（高ＳＮＲで）得ることができ、２回の再生動作を行う場合と比べて再生処理速度が向上する、という効果がある。
請求項４に係る発明によれば、１回の再生動作で、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像を同時に且つ精度よく（高ＳＮＲで）得ることができ、２回の再生動作を行う場合と比べて再生処理速度が向上すると共に、ポジティブ画像とネガティブ画像の各々に対応する２つの合成光から同時にバックグラウンド成分を除去又は低減することができる、という効果がある。
請求項５に係る発明によれば、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像の各々を精度良く（高ＳＮＲで）得ることができる、という効果がある。
請求項６に係る発明によれば、１回の再生動作で、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像を同時に且つ精度よく（高ＳＮＲで）得ることができ、２回の再生動作を行う場合と比べて再生処理速度が向上する、という効果がある。
請求項７に係る発明によれば、１回の再生動作で、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像に対応する２枚の再生像を同時に且つ精度よく（高ＳＮＲで）得ることができ、２回の再生動作を行う場合と比べて再生処理速度が向上すると共に、ポジティブ画像とネガティブ画像の各々に対応する２つの合成光から一度にバックグラウンド成分を除去又は低減することができる、という効果がある。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
＜第１の実施の形態＞
第１の実施の形態では、記録時には直流成分を除去してホログラムを記録し、再生時には直流成分を付与してホログラムを再生する場合について説明する。より詳しくは、記録時には、信号光及び参照光の直流成分を除去して、直流成分が除去された信号光と参照光との干渉によりホログラムを記録する。
また、再生時には、読み出し用の参照光をホログラムに照射し、ホログラムから回折された回折光に直流成分を付与する。直流成分が付与された回折光を、互いに直交する２つの偏光成分に分離する。２つの偏光成分の各々から直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減した後に、一方の偏光成分から元の信号光の明暗画像（ポジティブ画像）を再生し、他方の偏光成分から元の信号光の反転画像（ネガティブ画像）を再生する。なお、後述する白率により必ずしも反転画像が得られない場合もあるが、本明細書では２つの再生像を「ポジティブ画像」と「ネガティブ画像」と呼ぶ。
２つの偏光成分から、元の信号光の白率γ（明暗画像の全体における明画素の割合）やホログラムの回折効率に応じたバックグラウンド成分を各々除去又は低減することで、ポジティブ画像とネガティブ画像を検出するセンサアレイのダイナミックレンジが浪費されず、ポジティブ画像とネガティブ画像の各々が精度良く再生される。また、これら２つの再生像の差分を取ることで、再生光学系に起因するノイズを除去することができる。なお、白率により必ずしも反転画像が得られない場合でも、２つの再生像の差分を取ることで再生光学系に起因するノイズを除去することができる。
本発明の光再生方法は、回折光が直線偏光であっても円偏光であっても実施が可能であるが、以下の実施の形態では、直線偏光の信号光及び直線偏光の参照光を用いて、ホログラムの記録及び再生を行う場合について説明する。
（光記録再生装置の概略構成）
図１は本発明の実施の形態に係る光記録再生装置の構成を示す概略図である。この光記録再生装置は、光軸を共通とする信号光と参照光とを、同じ方向から１光束の記録光として光記録媒体に照射する「同軸記録方式（コリニア方式）」の光記録再生装置である。本実施の形態では、反射型の空間光変調器（ＳＬＭ：spatial light modulator）と透過型の光記録媒体とを用いる「同軸透過型」の光記録再生装置について説明する。
光記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源１０が設けられている。光源１０としては、例えば、発振波長が５３２ｎｍの緑色レーザ光を発振するレーザ光源が用いられる。光源１０の光出射側には、光路に対し挿入又は退避（開閉）が可能なシャッター１２、直交する直線偏光成分間に１／２波長の光路差を与える１／２波長板１４、所定の偏光方向の光を通過させる偏光板１６、拡大・コリメート光学系であるビームエキスパンダ１８、及び反射ミラー２０が、光源１０の側から光路に沿ってこの順に配置されている。
なお、シャッター１２、１／２波長板１４、偏光板１６は省略することも可能である。また、本実施の形態では、図１に併記した通り、後述する偏光ビームスプリッタ４０を透過する偏光面（第１偏光面：本実施形態では、図１の紙面に対して平行方向）を有する光を「Ｐ偏光」とし、偏光ビームスプリッタ４０によって反射される偏光面（第２偏光面：本実施形態では、図１の紙面に対して垂直方向）の光を「Ｓ偏光」として説明する。
光源１０は、駆動装置４８を介して制御装置４６に接続されている。制御装置４６は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、外部記憶装置、入力装置、及び出力装置を備えたパーソナルコンピュータ等で構成されている。制御装置４６から駆動装置４８に入力される制御信号に応じて、光源１０が駆動装置４８により駆動される。また、シャッター１２は、駆動装置５０を介して制御装置４６に接続されている。制御装置４６から駆動装置５０に入力される制御信号に応じて、シャッター１２が駆動装置５０により駆動されて開閉する。
反射ミラー２０の光反射側には、画素毎に入射光を偏光変調する透過型の空間光変調器２２が配置されている。透過型の空間光変調器２２としては、液晶シャッターアレイ等の液晶型の空間光変調素子を用いることができる。空間光変調器２２は、パターン発生器５２を介して制御装置４６に接続されている。空間光変調器２２の各画素部は、この制御装置４６により駆動制御される。
パターン発生器５２は、制御装置４６から供給されたデジタルデータを明暗画像で表して、空間光変調器２２に表示する信号光パターンを生成する。信号光パターンは、例えば、二値のデジタルデータ「０，１」が「暗（黒画素）、明（白画素）」で表現されたデジタルパターン等である。空間光変調器２２には、信号光パターンの外に、参照光パターンも表示される。参照光パターンは、例えば、ランダムパターン等である。空間光変調器２２は、表示された信号光パターンや参照光パターンに応じて入射したレーザ光を変調して、信号光や参照光を生成する。空間光変調器２２は、生成した信号光や参照光を、後述するレンズ２４側に射出する。
図２（Ａ）は空間光変調器２２の表示面２２Ａに設定された表示領域と該領域に表示される記録用パターンの一例を示す平面図である。空間光変調器２２の表示面２２Ａには、表示面２２Ａの大きさ等に応じて、信号光領域２２Ｓと参照光領域２２Ｒとが予め設定されている。信号光領域２２Ｓ及び参照光領域２２Ｒの形状及び大きさは、適宜変更することができる。
図２（Ａ）に示すように、本実施の形態では、空間光変調器２２の表示面２２Ａには、矩形状の信号光領域２２Ｓと、この信号光領域２２Ｓを取り囲むリング状の参照光領域２２Ｒと、が各々配置されている。記録時、信号光領域２２Ｓには、信号光を生成するための信号光パターンが表示される。また、記録時、参照光領域２２Ｒには、参照光を生成するための参照光パターンが表示される。
図２（Ｂ）は空間光変調器２２の表示面２２Ａに表示される再生用パターンの一例を示す平面図である。再生時、参照光領域２２Ｒには、参照光を生成するための参照光パターンが表示される。また、再生時、信号光領域２２Ｓには、付与する直流成分を生成するための透過パターンが表示される。透過パターンは、輝度が０以外の同一輝度の画素群から構成されている。この透過パターンにより、信号光領域２２Ｓに入射したレーザ光の振幅及び位相が均一に変調され、付与する直流成分が生成される。
既述したとおり、ポジティブ画像とネガティブ画像２枚の再生像を得るホログラム再生方法では、ホログラムから得られる回折光に、回折光と同位相の直流成分を付与してポジティブ画像を再生している。また、ホログラムから得られる回折光に、回折光とは逆位相の直流成分を付与してネガティブ画像を再生している。記録光の干渉縞の強度分布とそれによって形成される屈折率分布とが同位相（位相のずれ量＝０）であるフォトポリマーをホログラムの記録媒体として用いた場合には、回折光の位相が読み出し用の参照光の位相からπ／２ずれる。この場合には、付与する直流成分の位相を参照光に対してπ／２ずらせば、回折光と付与する直流成分とは同位相又は逆位相となる。
記録光の干渉縞の強度分布とそれによって形成される屈折率分布との位相のずれ量をθとすると、ずれ量θの値はホログラム記録材料に応じて異なる。このように読み出し用参照光と回折光との位相差が異なる記録媒体の例としては、フォトリフラクティブ結晶（ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）やチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３など）があり、θ＝π／２である。また、アゾポリマーの場合は、θ＝πである。また、銀塩材料のような光吸収率分布のみで形成されるホログラムの場合は、θ＝πとなる。
これらの場合には、読み出し用の参照光とホログラムからの回折光との位相差は、π／２＋θとなる。この場合も、上記と同様に、この回折光と同位相又は逆位相となるように、付与する直流成分の位相を決めれば、ポジティブ画像又はネガティブ画像が得られる。以下では、簡単のため、記録媒体としてフォトポリマーを用いる場合を例にとって説明する。つまり、θ＝０の場合である。しかしながら、後述する通り、本発明の記録媒体はフォトポリマーに限られるものではなく、任意の記録媒体を用いることができる。
本実施の形態では、上述した通り、記録媒体としてフォトポリマーを用い、再生時に、回折光の位相が読み出し用の参照光の位相からπ／２ずれると想定して、付与する直流成分の位相が参照光の位相に対してπ／２だけずれるように、空間光変調器２２で入射したレーザ光の振幅及び位相を変調する。また、空間光変調器２２により入射したレーザ光の偏光方向を制御する。なお、空間光変調器２２による偏光変調ついては後述する。
空間光変調器２２の光透過側には、レンズ２４、光路に対し挿入又は退避が可能な直流成分除去素子２６、レンズ２８、光路に対し挿入又は退避が可能な直流成分変調素子３０、及びレンズ３２が、空間光変調器２２側から光路に沿ってこの順に配置されている。レンズ２４、レンズ２８、及びレンズ３２は、フーリエ変換レンズである。レンズ２４は、入射光をフーリエ変換して集光し、直流成分除去素子２６に照射する。レンズ２８は、入射光を逆フーリエ変換して平行光化し、レンズ３２にリレーする。また、レンズ３２は、入射光をフーリエ変換して集光し、後述する光記録媒体３６に照射する。
直流成分除去素子２６は、レンズ２４のフーリエ変換面、即ち、レンズ２４とレンズ２８との間にある焦点面に配置されている。直流成分除去素子２６は、記録時に光路に挿入され、直流成分（０次の回折光成分）を除去する。直流成分除去素子２６は、駆動装置５４を介して制御装置４６に接続されている。制御装置４６から駆動装置５４に入力される制御信号に応じて、直流成分除去素子２６が駆動装置５４により駆動されて移動する。
直流成分除去素子２６としては、例えば、直流成分の光路上（光軸付近）に黒色顔料を塗布した透明基板、光軸付近に配置されたＮＤフィルタ等、直流成分だけを吸収する光吸収フィルタや、光軸付近に反射膜を塗布した透明基板等、直流成分だけを反射する部分反射ミラーを用いることができる。
直流成分変調素子３０は、レンズ２８とレンズ３２との間に配置されている。再生時に付与する直流成分は、空間光変調器２２の信号光領域２２Ｓで生成されるため、信号光と同様に信号光光路を通過する。従って、直流成分変調素子３０は、付与する直流成分の光路上、即ち、信号光光路上に配置される。直流成分変調素子３０は、再生時に光路に挿入され、付与する直流成分の偏光面を回転させる。直流成分変調素子３０は、駆動装置５６を介して制御装置４６に接続されている。制御装置４６から駆動装置５６に入力される制御信号に応じて、直流成分変調素子３０が駆動装置５６により駆動されて移動する。
直流成分変調素子３０としては、例えば、１／２波長板を用いることができる。直流成分変調素子３０として１／２波長板を用いた場合には、再生時に、付与する直流成分の偏光面が９０°回転する。なお、直流成分変調素子３０の配置方法については後述する。
レンズ３２の光出射側には、光記録媒体３６を保持する保持ステージ３４が設けられている。保持ステージ３４は、駆動装置５８を介して制御装置４６に接続されている。制御装置４６から駆動装置５８に入力される制御信号に応じて、保持ステージ３４が駆動されて、光軸方向又は光軸と垂直な面方向に移動する。保持ステージ３４は、例えば、光記録媒体３６の膜厚方向の中心位置がレンズ３２の焦点位置となる基準位置で、光記録媒体３６を保持する。
光記録媒体３６は、光照射による屈折率変化によりホログラムを記録可能な光記録媒体である。このような光記録媒体３６としては、例えば、フォトポリマー材料、フォトリフラクティブ材料、銀塩感光材料等の記録材料を用いた光記録媒体が挙げられる。なお、本実施の形態では、上述した通り、フォトポリマー材料を用いた光記録媒体を用いる場合について説明する。
光記録媒体３６の光透過側には、レンズ３８及び所定の偏光方向の光を反射し且つこれと直交する偏光方向の光を透過する偏光ビームスプリッタ４０が配置されている。ここでは、偏光ビームスプリッタ４０は、Ｓ偏光成分を反射し且つこれと直交するＰ偏光成分を透過する。偏光ビームスプリッタ４０の光反射側には、センサアレイ４２が配置されている。センサアレイ４２は、Ｓ偏光成分を受光する。また、偏光ビームスプリッタ４０の光透過側には、センサアレイ４４が配置されている。センサアレイ４４は、Ｐ偏光成分を受光する。
偏光ビームスプリッタ４０とセンサアレイ４２との間には、バックグラウンド成分を除去又は低減する除去低減手段として第１光吸収素子６０が配置されている。第１光吸収素子６０は、偏光ビームスプリッタ４０の反射光（Ｓ偏光成分）から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する。一方、偏光ビームスプリッタ４０とセンサアレイ４４との間には、バックグラウンド成分を除去又は低減する除去低減手段として第２光吸収素子６２が配置されている。第２光吸収素子６２は、偏光ビームスプリッタ４０の透過光（Ｐ偏光成分）から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する。
第１光吸収素子６０及び第２光吸収素子６２は、ＮＤフィルタ等、光吸収により入射光の強度を減衰させる光減衰器で構成することができる。第１光吸収素子６０及び第２光吸収素子６２の光透過率は、元の信号光の白率γの値やホログラムの回折効率に応じて各々定めることができる。光透過率の設定方法については後述する。なお、本実施の形態では、バックグラウンド成分を除去又は低減する除去低減手段として、ＮＤフィルタ（光吸収素子）等、光吸収により入射光の強度を減衰させる光減衰器を用いる例について説明するが、偏光板、偏光子等、所定の偏光方向の光を選択的に透過することにより入射光の強度を減衰させる光減衰器を用いることもできる。
また、図１に示すように、第１光吸収素子６０及び第２光吸収素子６２は、独立した光学素子である必要はない。図９に示すように、偏光ビームスプリッタ４０の反射光出射面に光吸収膜６０Ａを形成すると共に、偏光ビームスプリッタ４０の透過光出射面に光吸収膜６２Ａを形成することができる。光吸収膜６０Ａ及び光吸収膜６２Ａは、偏光ビームスプリッタ４０の光出射面に、色素等の吸収材料をコーティングして形成することが可能である。
センサアレイ４２、４４は、ＣＣＤやＣＭＯＳアレイ等の２次元撮像素子で構成され、受光した光を電気信号に変換して出力する。センサアレイ４２、４４の各々は、制御装置４６に接続されている。センサアレイ４２、４４の各々は、再生時に、受光面に結像された再生像を撮像して画像データに変換し、制御装置４６に出力する。
制御装置４６は、センサアレイ４２で撮像された第１再生像と、センサアレイ４４で撮像された第２再生像とを比較して、画素毎に輝度の差分値を求め、得られた差分値から第３再生像を生成する。制御装置４６では、この第３再生像に基づいて、信号光に重畳されたデジタルデータを復号する。
（空間光変調器の出射光の偏光方向）
図１に示す光記録再生装置は、空間光変調器２２から出射される直線偏光の偏光面が、偏光ビームスプリッタ４０から出射される何れの偏光成分（Ｓ偏光成分、Ｐ偏光成分）の偏光面に対しても、垂直又は平行とはならないように設計される。即ち、空間光変調器２２から出射される偏光光には、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の両方が含まれている。
詳細は後述するが、ホログラムからの回折光と付与した直流成分とが偏光ビームスプリッタ４０に入射し、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離されて射出される。これらがポジティブ再生像やネガティブ再生像を形成する。これらの再生像を高いコントラストで生成するためには、付与した直流成分と回折光である高次成分とを位相整合（同位相又は逆位相）させることが望ましい。そのためには、空間光変調器２２からの出射光の偏光面は、偏光ビームスプリッタ４０からの出射光の偏光面に対して、相対的に約４５°の角度を成すように設計することが好ましい。
（光記録再生装置の記録動作）
次に、図１に示す光記録再生装置の記録動作について説明する。
ホログラムを記録する場合には、まず、シャッター１２を開いて、直流成分除去素子２６を挿入し、直流成分変調素子３０を退避させて、光源１０からレーザ光を照射する。同時に、空間光変調器２２に記録用パターンを表示する（図２（Ａ）参照）。直流成分変調素子３０を退避させる代わりに、１／２波長板１４等を用いて無変調の状態にしてもよい。光源１０から発振されたレーザ光は、シャッター１２を通過し、必要に応じて１／２波長板１４と偏光板１６とにより偏光方向が調整される。直流成分変調素子３０の光学軸を回転させて、入射光の偏光方向と平行にすることによっても、無変調の状態にすることが可能である。
偏光板１６を通過した光は、ビームエキスパンダ１８により大径の平行光に変換され、反射ミラー２０で反射されて、空間光変調器２２に照射される。空間光変調器２２では、表示された記録用パターンに応じてレーザ光が変調され、信号光と参照光とが生成される。再生動作の説明で詳しく述べるが、上述した通り、空間光変調器２２から生成される信号光と参照光とは、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の両方を含んでいる。空間光変調器２２からの出射光の偏光面がＰ偏光とＳ偏光の両方に対して相対的に４５°回転された面である場合には、その出射光に含まれるＳ偏光成分とＰ偏光成分の振幅は同じであり、同位相である。
本実施の形態では、図２（Ａ）に示すように、空間光変調器２２には信号光領域２２Ｓ及び参照光領域２２Ｒが設定されている。信号光領域２２Ｓに入射したレーザ光は、表示された信号光パターンに応じて変調され、信号光が生成される。また、参照光領域２２Ｒに入射したレーザ光は、表示された参照光パターンに応じて変調され、参照光が生成される。
空間光変調器２２で生成された記録光（信号光と参照光）は、レンズ２４で集光され、直流成分除去素子２６に照射される。レンズ２４で集光された記録光は、不要な周波数成分が直流成分除去素子２６でカットされ、残部が直流成分除去素子２６を通過する。即ち、直流成分除去素子２６では、０次の回折成分が遮断され（直流成分が除去され）、１次以上の回折成分が透過される。直流成分除去素子２６で除去されずに通過した記録光は、レンズ２８により平行光に変換される。
レンズ２８により平行光に変換された記録光、即ち、直流成分が除去された信号光と参照光とは、レンズ３２によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体３６に同時に且つ同軸で照射される。信号光と参照光とが集光される位置において、信号光と参照光とが干渉して形成された干渉縞が、光記録媒体３６にホログラムとして記録される。
（光記録再生装置の再生動作）
次に、図１に示す光記録再生装置の再生動作について説明する。
光記録媒体３６に記録されたデータを読み出す場合（再生時）には、シャッター１２を開いて、直流成分除去素子２６を退避させ、直流成分変調素子３０を挿入して、光源１０からレーザ光を照射する。同時に、空間光変調器２２に再生用パターンを表示する（図２（Ｂ）参照）。光源１０から発振されたレーザ光は、記録の場合と同様にして、シャッター１２を通過し、１／２波長板１４と偏光板１６とにより光強度や偏光方向が調整され、ビームエキスパンダ１８により大径の平行光に変換されて、反射ミラー２０で反射され、空間光変調器２２に照射される。空間光変調器２２では、表示された再生用パターンに応じてレーザ光が変調され、参照光と付与する直流成分とが生成される。
本実施の形態では、図２（Ｂ）に示すように、空間光変調器２２には信号光領域２２Ｓ及び参照光領域２２Ｒが設定されている。参照光領域２２Ｒに入射したレーザ光は、表示された参照光パターンに応じて変調され、読み出し用の参照光が生成される。また、信号光領域２２Ｓに入射したレーザ光は、表示された透過パターンに応じて変調され、参照光との位相差がπ／２の直流成分が生成される。
空間光変調器２２で生成された参照光と直流成分とは、レンズ２４、２８でリレーされ、レンズ２８により平行光とされる。レンズ２８で平行光化された直流成分は、信号光光路を通過し、信号光光路上に配置された直流成分変調素子３０により偏光面が９０°回転されてレンズ３２に入射する。偏光面が９０°回転されるとき、Ｓ偏光成分のＰ偏光成分に対する位相差はπになる。レンズ２８で平行光化された参照光は、参照光光路を通過してレンズ３２に入射する。レンズ３２に入射された参照光と直流成分とは、レンズ３２によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体３６のホログラムが記録された領域に照射される。
即ち、光記録媒体３６には、参照光が読出し光として照射されると共に、参照光とは位相がπ／２だけずれ且つ参照光とは偏光方向が直交する直流成分が照射される。照射された参照光は、光記録媒体３６を透過するときにホログラムによって回折され、参照光とは位相がπ／２だけずれた透過回折光がレンズ３８側に射出される。また、付与する直流成分は回折されずに光記録媒体３６を透過する。その結果、参照光とは位相がπ／２だけずれた直流成分が、レンズ３８側に射出される。
図３（Ａ）及び（Ｂ）は、参照光と付与する直流成分の偏光状態について説明する図である。図３（Ａ）に示すように、空間光変調器２２で生成された参照光と直流成分とは、空間光変調器２２とレンズ２４との間に在る「空間Ａ」では、電界及び磁界の振動方向が一定の「直線偏光１」である。「直線偏光１」は、空間光変調器２２の光軸に対する回転角に応じて、その振動方向が図１の紙面の垂直方向に対して４５°傾いている。即ち、Ｐ偏光およびＳ偏光の偏光面のいずれに対しても４５°傾いた偏光面を有している。
また、レンズ２８とレンズ３２との間に在る空間から、直流成分変調素子３０の下流側の空間を除いた「空間Ｂ」では、参照光と直流成分とは「直線偏光１」である。これに対し、直流成分変調素子３０の下流側に在る「空間Ｃ」では、付与する直流成分は、直流成分変調素子３０により偏光面が９０°回転されて、「直線偏光１」と偏光方向が直交する「直線偏光２」に変換される。なお、図３（Ａ）では「直線偏光１」を実線で示し、「直線偏光２」を点線で示す。
図３（Ｂ）に示すように、光記録媒体３６から射出された回折光と付与する直流成分とは、光記録媒体３６の下流側に在る「空間Ｄ」では、回折光の高次成分は「直線偏光１」と同じ偏光方向の直線偏光となり、付与する直流成分は「直線偏光２」と同じ偏光方向の直線偏光となる。即ち、回折光の高次成分と付与する直流成分とは、偏光方向が互いに直交する直線偏光となる。なお、直線偏光は、図１の紙面に垂直なＳ偏光成分と、図１の紙面に平行なＰ偏光成分と、に分離することができる。
光記録媒体３６から射出された回折光と付与する直流成分とは、レンズ３８により逆フーリエ変換されて平行光化され、偏光ビームスプリッタ４０に入射する。回折光と付与する直流成分のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０で反射され、第１光吸収素子６０によりバックグラウンド成分が除去又は低減されて、センサアレイ４２に入射する。センサアレイ４２の受光面には、Ｓ偏光成分による第１再生像が結像される。回折光と付与する直流成分のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０を透過し、第２光吸収素子６２によりバックグラウンド成分が除去又は低減されて、センサアレイ４４に入射する。センサアレイ４４の受光面には、Ｐ偏光成分による第２再生像が結像される。
直流成分が除去された信号光と参照光との干渉によりホログラムを記録した場合には、読み出し用の参照光をホログラムに照射すると、直流成分が除去された信号光が回折光として再生される。この回折光に同位相の直流成分を付与することで、元の信号光が復元され、元の信号光の明暗画像（ポジティブ画像）が再生される。一方、回折光に逆位相の直流成分を付与することで、元の信号光の明暗画像の反転画像（ネガティブ画像）が再生される。
回折光の位相が参照光の位相からπ／２だけずれると共に、直流成分の位相が参照光の位相からπ／２だけずれた結果として、回折光の高次成分の位相と付与する直流成分の位相とが同位相となる場合と、回折光の高次成分の位相と付与する直流成分の位相とが逆位相となる場合と、が発生し得る。同位相となる場合には、回折光（高次成分）と直流成分との干渉により、正の振幅が増加しポジティブ画像が再生される。逆位相となる場合には、回折光と直流成分との干渉により、負の振幅が増加しネガティブ画像が再生される。
本実施の形態では、回折光の高次成分のＳ偏光成分と、付与する直流成分のＳ偏光成分とが同位相となる。従って、回折光の高次成分のＳ偏光成分と、これと同位相の直流成分のＳ偏光成分とが合成されて、第１再生像としてポジティブ画像が再生される。また、回折光の高次成分のＰ偏光成分と、付与する直流成分のＰ偏光成分とが逆位相となる。従って、回折光の高次成分のＰ偏光成分と、これと逆位相の直流成分のＰ偏光成分とが合成されて、第２再生像としてネガティブ画像が再生される。
これを回折光と付与する直流成分の偏光状態から説明する。図４（Ａ）は空間Ｄにおける回折光の高次成分の偏光状態を表す図であり、図４（Ｂ）は空間Ｄにおける付与する直流成分の偏光状態を表す図である。図４（Ａ）に示すように、空間Ｄにおける回折光の高次成分は、光の進行方向（光軸方向）に対し垂直方向（図１の紙面に対して垂直方向）に振動するＳ偏光成分（ＳＨ）と、光軸方向に対し水平方向（図１の紙面に対して水平方向）に振動するＰ偏光成分（ＰＨ）と、に分離することができる。同様に、図４（Ｂ）に示すように、空間Ｄにおける付与する直流成分は、光軸方向に対し垂直方向（図１の紙面に対して垂直方向）に振動するＳ偏光成分（ＳＤＣ）と、光軸方向に対し水平方向（図１の紙面に対して水平方向）に振動するＰ偏光成分（ＰＤＣ）と、に分離することができる。
図４（Ａ）及び（Ｂ）から分かるように、回折光の高次成分のＳ偏光成分（ＳＨ）と、付与する直流成分のＳ偏光成分（ＳＤＣ）とは同位相であり、両者が合成されて第１合成光が生成する。この第１合成光から第１再生像としてポジティブ画像が再生される。回折光の高次成分のＰ偏光成分（ＰＨ）と、付与する直流成分のＰ偏光成分（ＰＤＣ）とは逆位相であり、両者が合成されて第２合成光が生成する。この第２合成光から第２再生像としてネガティブ画像が再生される。
本実施の形態では、第１再生像及び第２再生像を得る前に、第１合成光及び第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する。図５（Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分が除去又は低減される前の第１再生像及び第２再生像の強度分布を表すグラフである。一方、図６（Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分が除去された後の第１再生像及び第２再生像の強度分布を表すグラフである。縦軸は光強度を表し、横軸は受光面の一方向に沿った距離を表す。光強度の大きい部分は「白画素」を表し、光強度の小さい部分は「黒画素」を表す。これらのグラフは、バックグラウンド成分が除去又は低減される前後での強度分布の変化を説明するための概略図である。
本実施の形態では、Ｓ偏光成分である第１合成光から第１再生像（ポジティブ画像）が再生され、Ｐ偏光成分である第２合成光から第２再生像（ネガティブ画像）が再生される。元の信号光の白率γ（明暗画像の全体における明画素の割合）の値により、ポジティブ画像を生成するＳ偏光成分のバックグラウンド成分ｈｐと、ネガティブ画像を生成するＰ偏光成分のバックグラウンド成分ｈｎとの比率は変化する。
０＜γ＜０．５では、バックグラウンド成分はネガティブ画像よりポジティブ画像の方が大きく、ｈｎ＜ｈｐである。γ＝０．５では、バックグラウンド成分はネガティブ画像とポジティブ画像とで等しく、ｈｎ＝ｈｐである。０．５＜γ＜１では、バックグラウンド成分はポジティブ画像よりネガティブ画像の方が大きく、ｈｐ＜ｈｎである。バックグラウンド成分の強度値が大きいほど、除去手段の光透過率を低下させて、バックグラウンド成分をゼロに近づける必要がある。
図５に示す通り、本実施の形態では、元の信号光の白率γは０＜γ＜０．５の条件を満たし、ポジティブ画像のバックグラウンド成分ｈｐは、ネガティブ画像のバックグラウンド成分ｈｎより大きい。従って、第１光吸収素子６０の光透過率を、第２光吸収素子６２の光透過率より低く設定する。具体的には、第１光吸収素子６０の光透過率を、第１再生像の強度がバックグラウンド成分ｈｐ分だけ減衰するように設定する。また、第２光吸収素子６２の光透過率を、第２再生像の強度がバックグラウンド成分ｈｎ分だけ減衰するように設定する。
上記の通り、第１光吸収素子６０及び第２光吸収素子６２の光透過率を、第１再生像及び第２再生像の各々に応じて設定することで、図６（Ａ）に示すように、第１光吸収素子６０によりバックグラウンド成分ｈｐが除去されて、ポジティブ画像の黒画素の強度が略ゼロになると共に、図６（Ｂ）に示すように、第２光吸収素子６２によりバックグラウンド成分ｈｎが除去されて、ネガティブ画像の黒画素の強度が略ゼロになる。バックグラウンド成分が除去された合成光から再生像を得ることで、センサアレイのダイナミックレンジが有効に活用されて、ポジティブ画像とネガティブ画像の各々が精度良く再生される。これによりホログラム再生時の露光エネルギーを増加させることが可能となり、多重度の増加にも寄与する。
センサアレイ４２、４４の各々は、再生時に、受光面に結像された再生像を撮像して画像データに変換し、画像データを制御装置４６に出力する。なお、センサアレイ４２、４４では、信号光データの１画素を複数の受光素子により受光する、オーバーサンプリングを実施することが好ましい。例えば、１ビットのデータを４個（２×２）の受光素子により受光する。
制御装置４６は、第１再生像の画像データから第２再生像の画像データを減算処理して、信号光を表す明暗画像の各画素について輝度の差分を演算する。第１再生像（ポジティブ画像）の輝度から第２再生像（ネガティブ画像）の輝度を減じたときの差分は、元の明暗画像の明部では正となり、元の明暗画像の暗部では負となる。第２再生像が第１再生像の反転画像となるため、減算処理後の画像（第３再生像）では、第１再生像、第２再生像よりもコントラストが強調されることになる。
また、第３再生像では、第１再生像及び第２再生像に共通のノイズが相殺されているため、第３再生像は第１再生像又は第２再生像の各々よりもＳＮＲが高い。また、第１再生像に固有のバックグラウンド成分が除去されると共に、第２再生像に固有のバックグラウンド成分が除去されるので、相殺後にバックグラウンド成分に起因するノイズが発生せず、第３再生像のＳＮＲは更に高くなる。制御装置４６では、この第３再生像に基づいて、信号光に重畳されたデジタルデータを復号する。即ち、第３再生像はＳＮＲが改善されているので、二値のデジタルデータが精度よく復号される。
＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態では、直流成分が付与された回折光を互いに直交する２つの偏光成分に分離する前に、直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する。これ以外は、第１の実施の形態と同様にして、ホログラムの記録及び再生を行う。
即ち、記録時には、信号光及び参照光の直流成分を除去して、直流成分が除去された信号光と参照光との干渉によりホログラムを記録する。また、再生時には、読み出し用の参照光をホログラムに照射し、ホログラムから回折された回折光に直流成分を付与する。直流成分が付与された回折光（合成光）から、直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する。バックグラウンド成分が除去又は低減された合成光を互いに直交する２つの偏光成分に分離し、一方の偏光成分から元の信号光の明暗画像（ポジティブ画像）を再生し、他方の偏光成分から元の信号光の反転画像（ネガティブ画像）を再生する。
（光記録再生装置の概略構成）
図７は本発明の第２の実施の形態に係る光記録再生装置の構成を示す概略図である。
この光記録再生装置は、第１光吸収素子６０及び第２光吸収素子６２を取り除いて、代わりに、レンズ３８と偏光ビームスプリッタ４０との間に、光吸収素子６４を挿入した以外は、図１に示す第１の実施の形態に係る光記録再生装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。なお、保持ステージ３４とレンズ３８との間に光吸収素子６４を挿入してもよい。この位置でも同様に、２つの偏光成分に分離する前に、直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減することが可能である。
光吸収素子６４は、ＮＤフィルタ等、光吸収により入射光の強度を減衰させる光減衰器で構成することができる。光吸収素子６４の光透過率は、元の信号光の白率γの値に応じて各々定めることができる。光透過率の設定方法については後述する。また、ＮＤフィルタ（光吸収素子）等に代えて、偏光板、偏光子等、所定の偏光方向の光を選択的に透過することにより入射光の強度を減衰させる光減衰器を用いることもできる。
また、図７に示すように、光吸収素子６４は独立した光学素子である必要はない。図１０（Ａ）に示すように、レンズ３８の光出射面に光吸収膜６４Ａを形成することができる。或いは、図１０（Ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッタ４０の光入射面に光吸収膜６４Ｂを形成することができる。光吸収膜６４Ａ及び光吸収膜６４Ｂは、各光学部品の表面に、色素等の吸収材料をコーティングして形成することが可能である。
（光記録再生装置の再生動作）
次に、図７に示す光記録再生装置の再生動作について説明する。
光記録媒体３６に記録されたデータを読み出す場合（再生時）には、第１の実施の形態と同様にして、空間光変調器２２に表示された再生用パターンに応じてレーザ光が変調され、読み出し用の参照光と、参照光との位相差がπ／２の直流成分とが生成される。
空間光変調器２２で生成された参照光と直流成分とは、レンズ２４、２８でリレーされ、レンズ２８により平行光とされる。レンズ２８で平行光化された直流成分は、信号光光路を通過し、信号光光路上に配置された直流成分変調素子３０により偏光面が９０°回転されてレンズ３２に入射する。偏光面が９０°回転されるとき、Ｓ偏光成分のＰ偏光成分に対する位相差はπになる。レンズ２８で平行光化された参照光は、参照光光路を通過してレンズ３２に入射する。レンズ３２に入射された参照光と直流成分とは、レンズ３２によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体３６のホログラムが記録された領域に照射される。
即ち、光記録媒体３６には、参照光が読出し光として照射されると共に、参照光とは位相がπ／２だけずれ且つ参照光とは偏光方向が直交する直流成分が照射される。照射された参照光は、光記録媒体３６を透過するときにホログラムによって回折され、参照光とは位相がπ／２だけずれた透過回折光がレンズ３８側に射出される。また、付与する直流成分は回折されずに光記録媒体３６を透過する。その結果、参照光とは位相がπ／２だけずれた直流成分が、レンズ３８側に射出される。ここで、回折光の高次成分と付与する直流成分とは、偏光方向が互いに直交する直線偏光となる。なお、直線偏光はＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離することができる。
光記録媒体３６から射出された回折光と付与する直流成分とは、レンズ３８により逆フーリエ変換されて平行光化され、光吸収素子６４を透過して、バックグラウンド成分が除去又は低減される。バックグラウンド成分が除去又は低減された回折光と直流成分との合成光は、偏光ビームスプリッタ４０に入射する。回折光と付与する直流成分のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０で反射されて、センサアレイ４２に入射する。センサアレイ４２の受光面には、Ｓ偏光成分による第１再生像が結像される。回折光と付与する直流成分のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０を透過して、センサアレイ４４に入射する。センサアレイ４４の受光面には、Ｐ偏光成分による第２再生像が結像される。
第１の実施の形態と同様に、本実施の形態では、回折光の高次成分のＳ偏光成分と、付与する直流成分のＳ偏光成分とが同位相となる。従って、回折光の高次成分のＳ偏光成分と、これと同位相の直流成分のＳ偏光成分とが合成されて、第１再生像としてポジティブ画像が再生される。また、回折光の高次成分のＰ偏光成分と、付与する直流成分のＰ偏光成分とが逆位相となる。従って、回折光の高次成分のＰ偏光成分と、これと逆位相の直流成分のＰ偏光成分とが合成されて、第２再生像としてネガティブ画像が再生される。
本実施の形態では、直流成分が付与された回折光を互いに直交する２つの偏光成分に分離する前に、直流成分が付与された回折光から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を一度に除去する。従って、光路上に光吸収素子６４を１つだけ配置すればよい。図５（Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分が除去される前の第１再生像及び第２再生像の強度分布を表すグラフである。一方、図８（Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分が除去又は低減された後の第１再生像及び第２再生像の強度分布を表すグラフである。
第１の実施の形態で説明した通り、元の信号光の白率γの値により、ポジティブ画像を生成するＳ偏光成分のバックグラウンド成分ｈｐと、ネガティブ画像を生成するＰ偏光成分のバックグラウンド成分ｈｎとの比率は変化する。図５に示す通り、本実施の形態では、元の信号光の白率γは０＜γ＜０．５の条件を満たし、ポジティブ画像のバックグラウンド成分ｈｐは、ネガティブ画像のバックグラウンド成分ｈｎより大きい。
従って、光吸収素子６４の光透過率を、ネガティブ画像のバックグラウンド成分ｈｎに応じて設定する。即ち、必要な信号成分が除去されないように、小さい方のバックグラウンド成分に応じて、光吸収素子６４の光透過率を設定する。具体的には、光吸収素子６４の光透過率を、第１再生像の強度及び第２再生像の強度が、各々、ネガティブ画像のバックグラウンド成分ｈｎ分だけ減衰するように設定する。光吸収素子６４の光透過率の設定方法は、元の信号光の白率γの値が変化しても同様である。例えば、０．５＜γ＜１では、ポジティブ画像のバックグラウンド成分ｈｐは、ネガティブ画像のバックグラウンド成分ｈｎより小さい。この場合は、光吸収素子６４の光透過率を、ポジティブ画像のバックグラウンド成分ｈｐに応じて設定する。
上記の通り、光吸収素子６４の光透過率を、ネガティブ画像のバックグラウンド成分ｈｎに応じて設定することで、共通のバックグラウンド成分が除去又は低減される。即ち、図８（Ａ）に示すように、光吸収素子６４によりバックグラウンド成分ｈｎが除去されて、ポジティブ画像の黒画素の強度が低下すると共に、図８（Ｂ）に示すように、光吸収素子６４によりバックグラウンド成分ｈｎが除去されて、ネガティブ画像の黒画素の強度が略ゼロになる。バックグラウンド成分が低減された合成光から再生像を得ることで、センサアレイのダイナミックレンジが有効に活用されて、ポジティブ画像とネガティブ画像の各々が精度良く再生される。これによりホログラム記録時の露光エネルギーを増加させることが可能となり、多重度の増加にも寄与する。
センサアレイ４２、４４の各々は、再生時に、受光面に結像された再生像を撮像して画像データに変換し、画像データを制御装置４６に出力する。なお、センサアレイ４２、４４では、信号光データの１画素を複数の受光素子により受光する、オーバーサンプリングを実施することが好ましい。例えば、１ビットのデータを４個（２×２）の受光素子により受光する。
制御装置４６は、第１再生像の画像データから第２再生像の画像データを減算処理して、信号光を表す明暗画像の各画素について輝度の差分を演算する。第１再生像（ポジティブ画像）の輝度から第２再生像（ネガティブ画像）の輝度を減じたときの差分は、元の明暗画像の明部では正となり、元の明暗画像の暗部では負となる。第２再生像が第１再生像の反転画像となるため、減算処理後の画像（第３再生像）では、第１再生像、第２再生像よりもコントラストが強調されることになる。
また、第３再生像では、第１再生像及び第２再生像に共通のノイズが相殺されているため、第３再生像は第１再生像又は第２再生像の各々よりもＳＮＲが高い。制御装置４６では、この第３再生像に基づいて、信号光に重畳されたデジタルデータを復号する。即ち、第３再生像はＳＮＲが改善されているので、二値のデジタルデータが精度よく復号される。
＜変形例＞
なお、上記第１及び第２の実施の形態では、再生時に、直流成分が付与された回折光を、互いに直交する２つの偏光成分に分離して、一方の偏光成分から元の信号光のポジティブ画像を再生すると同時に、他方の偏光成分から元の信号光のネガティブ画像を再生する例について説明したが、ポジティブ画像とネガティブ画像とを順次再生する再生方法にも、本発明を適用することができる。
例えば、回折光に同位相の直流成分が付与された第１合成光からポジティブ画像が再生され、回折光に逆位相の直流成分が付与された第２合成光からネガティブ画像が再生される場合には、光検出側に光吸収素子とセンサアレイとを１個ずつ配置し、光吸収素子により第１合成光からバックグラウンド成分を除去し、ポジティブ画像をセンサアレイで検出した後に、同じ光吸収素子により第２合成光からバックグラウンド成分を除去し、ネガティブ画像を同じセンサアレイで検出することができる。
また、上記第１及び第２の実施の形態では、直線偏光の信号光及び直線偏光の参照光を用いて、ホログラムの記録及び再生を行う場合について説明したが、円偏光の信号光及び参照光を用いて、ホログラムの記録及び再生を行うこともできる。例えば、この場合には、図１に示す光記録再生装置において、空間光変調器２２とレンズ２４との間に、直線偏光を円偏光に変換するために、複数のリレーレンズ及び１／４波長板を追加する。
１／４波長板を追加したことで、記録時には、空間光変調器２２で生成された直線偏光の記録光は、複数のレンズでリレーされ、１／４波長板で円偏光に変換される。１／４波長板で円偏光に変換される際に、記録光のＳ偏光成分とＰ偏光成分との間には、１／４波長の光路差（π／２の位相差）が付与される。１／４波長板で円偏光に変換された記録光は、レンズ２４で集光され、直流成分除去素子２６に照射される。レンズ２４で集光された記録光は、不要な周波数成分が直流成分除去素子２６でカットされ、残部が直流成分除去素子２６を通過する。即ち、直流成分除去素子２６では、０次の回折成分が遮断され（直流成分が除去され）、１次以上の回折成分が透過される。直流成分除去素子２６を通過した記録光は、レンズ２８により平行光に変換される。
レンズ２８により平行光に変換された記録光、即ち、直流成分が除去された信号光と参照光とは、円偏光のままでレンズ３２によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体３６に同時に且つ同軸で照射される。信号光と参照光とが集光される位置において、信号光と参照光とが干渉して形成された干渉縞が、光記録媒体３６にホログラムとして記録される。
一方、再生時には、空間光変調器２２では、表示された再生用パターンに応じてレーザ光が変調され、参照光と付与する直流成分とが生成される。付与する直流成分としては、参照光との位相差がπ／２の直流成分が生成される。空間光変調器２２で生成される信号光と直流成分とは、入射面に対し光軸周りに偏光面が所定角度（例えば、４５°）だけ回転した直線偏光である。空間光変調器２２で生成された直線偏光の参照光と直流成分は、複数のレンズでリレーされ、１／４波長板で円偏光に変換される。１／４波長板で円偏光に変換される際に、参照光及び直流成分のＳ偏光成分とＰ偏光成分との間には、１／４波長の光路差（π／２の位相差）が付与される。１／４波長板で円偏光に変換された記録光は、レンズ２４、２８でリレーされ、レンズ２８により平行光とされる。
レンズ２８で平行光化された直流成分は、信号光光路を通過し、信号光光路上に配置された直流成分変調素子３０により逆回りの円偏光に変換されてレンズ３２に入射する。レンズ２８で平行光化された参照光は、参照光光路を通過してレンズ３２に入射する。レンズ３２に入射された参照光と直流成分とは、円偏光のままでレンズ３２によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体３６のホログラムが記録された領域に照射される。
即ち、光記録媒体３６には、参照光が読出し光として照射されると共に、参照光とは位相がπ／２だけずれ且つ参照光とは偏光方向が直交する（回転方向が逆周りの）直流成分が照射される。照射された参照光は、光記録媒体３６を透過するときにホログラムによって回折され、参照光とは位相がπ／２だけずれた透過回折光がレンズ３８側に射出される。また、付与する直流成分は回折されずに光記録媒体３６を透過する。その結果、参照光とは位相がπ／２だけずれた直流成分が、レンズ３８側に射出される。即ち、回折光の高次成分と付与する直流成分とは、回転方向が互いに逆周りの円偏光となる。
円偏光は、直線偏光と同様に、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とに分離することができる。光記録媒体３６から射出された回折光と付与する直流成分とは、レンズ３８により逆フーリエ変換されて平行光化され、円偏光のままで偏光ビームスプリッタ４０に入射する。回折光と付与する直流成分のＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０で反射され、第１光吸収素子６０によりバックグラウンド成分が除去又は低減されて、センサアレイ４２に入射する。センサアレイ４２の受光面には、Ｓ偏光成分による第１再生像が結像される。回折光と付与する直流成分のＰ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４０を透過し、第２光吸収素子６２によりバックグラウンド成分が除去又は低減されて、センサアレイ４４に入射する。センサアレイ４４の受光面には、Ｐ偏光成分による第２再生像が結像される。
また、上記第１及び第２の実施の形態では、透過型の光記録媒体を用いる「同軸透過型」の光記録再生装置及び方法について説明したが、本発明は、光記録材料からなる記録層と反射層とを備えた反射型の光記録媒体を用いる「同軸反射型」の光記録再生装置及び方法にも適用することができる。
また、上記第１及び第２の実施の形態では、記録時には直流成分を除去してホログラムを記録し、再生時には直流成分を付与してホログラムを再生する場合について説明したが、記録時には直流成分を除去せずにホログラムを記録し、再生時にだけ直流成分を付与してホログラムを再生することもできる。この場合にも、読み出し用の参照光をホログラムに照射すると、信号光が回折光として再生される。この回折光に同位相の直流成分を付与することで、元の信号光の明暗画像（ポジティブ画像）が再生される。一方、回折光に逆位相の直流成分を付与することで、元の信号光の明暗画像の反転画像（ネガティブ画像）が再生される。
また、上記第１及び第２の実施の形態では、再生時に、付与する直流成分の偏光を変調する（偏光面を回転させる）例について説明した。しかしながら、付与する直流成分の代わりに、読み出し用の参照光の偏光を変調することもできる。例えば、図１に示す光記録再生装置において、直流成分変調素子３０の代わりに、参照光のみの偏光を９０°回転する波長板（高次成分変調素子）を配置する。高次成分変調素子により、参照光光路を通過する光のみが変調される。これにより、読み出し用の参照光の偏光を変調して、再生像としてネガティブ画像とポジティブ画像を同時に取得することができる。なお、再生像の形成原理は、図４を参照して説明した通りである。
本発明の実施の形態に係る光記録再生装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）は空間光変調器の表示面に設定された表示領域と該領域に表示される記録用パターンの一例を示す平面図であり、（Ｂ）は空間光変調器の表示面に表示される再生用パターンの一例を示す平面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、参照光と付与する直流成分の偏光状態について説明する図である。 （Ａ）は空間Ｄにおける回折光の高次成分の偏光状態を表す図であり、（Ｂ）は空間Ｄにおける付与する直流成分の偏光状態を表す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分が除去される前の第１再生像及び第２再生像の強度分布を表すグラフである。 （Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分が除去された後の第１再生像及び第２再生像の強度分布を表すグラフである。 本発明の第２の実施の形態に係る光記録再生装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分が除去又は低減された後の第１再生像及び第２再生像の強度分布を表すグラフである。 バックグラウンド成分の除去低減手段を光吸収膜とした変形例を示す部分構成図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はバックグラウンド成分の除去低減手段を光吸収膜とした変形例を示す部分構成図である。
１０ 光源
１２ シャッター
１４ １／２波長板
１６ 偏光板
１８ ビームエキスパンダ
２０ 反射ミラー
２２ 空間光変調器
２２Ｒ 参照光領域
２２Ｓ 信号光領域
２２Ａ 表示面
２４ レンズ
２６ 直流成分除去素子
２８ レンズ
３０ 直流成分変調素子
３２ レンズ
３４ 保持ステージ
３６ 光記録媒体
３８ レンズ
４０ 偏光ビームスプリッタ
４２ センサアレイ
４４ センサアレイ
４６ 制御装置
４８ 駆動装置
５０ 駆動装置
５２ パターン発生器
５４ 駆動装置
５６ 駆動装置
５８ 駆動装置
６０ 第１光吸収素子
６２ 第２光吸収素子
６４ 光吸収素子

Claims (7)

  1. デジタルデータを明暗画像で表す信号光と参照光とを光記録媒体に同時に集光して前記信号光と前記参照光との干渉により光記録媒体に記録されたホログラムに、読み出し光として前記参照光を照射して回折光を生成し、
    前記回折光と同位相の直流成分を前記回折光に付与して第１合成光を生成し、
    前記回折光と逆位相の直流成分を前記回折光に付与して第２合成光を生成し、
    前記第１合成光及び前記第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減し、
    バックグラウンド成分が除去又は低減された第１合成光に基づいて第１再生像を再生すると共に、バックグラウンド成分が除去又は低減された第２合成光に基づいて第２再生像を再生する、
    光再生方法。
  2. 同じ除去低減手段により、前記第１合成光及び前記第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分のうち前記第１合成光及び前記第２合成光に共通するバックグラウンド成分を除去又は低減する請求項１に記載の光再生方法。
  3. デジタルデータを明暗画像で表す信号光と参照光とを光記録媒体に同時に集光して前記信号光と前記参照光との干渉により光記録媒体に記録されたホログラムに、読み出し光として前記参照光を照射して、第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成し、
    前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を、前記回折光に付与して合成光を生成し、
    前記回折光と前記付与した直流成分とが合成された合成光を、前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに分離し、
    分離された前記第５の偏光成分及び前記第６の偏光成分の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減し、
    バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第５の偏光成分から第１再生像を再生すると共に、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第６の偏光成分から第２再生像を再生する、
    光再生方法。
  4. デジタルデータを明暗画像で表す信号光と参照光とを光記録媒体に同時に集光して前記信号光と前記参照光との干渉により光記録媒体に記録されたホログラムに、読み出し光として前記参照光を照射して、第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成し、
    前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を、前記回折光に付与して合成光を生成し、
    前記回折光と前記付与した直流成分とが合成された合成光から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分のうち前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに共通するバックグラウンド成分を除去又は低減し、
    バックグラウンド成分が除去又は低減された合成光を、前記第５の偏光成分と前記第６の偏光成分とに分離し、
    分離された前記第５の偏光成分から第１再生像を再生すると共に、分離された前記第６の偏光成分から第２再生像を再生する、
    光再生方法。
  5. コヒーレント光を射出する光源と、
    ２次元状に配列された複数の画素部で構成され、信号光又は付与する直流成分を生成する信号光領域と、前記信号光領域を取り囲むように配置され且つ前記信号光と同軸の参照光を生成する参照光領域とを含み、前記空間光変調器の信号光領域に輝度の均一な透過パターンを表示すると共に前記空間光変調器の参照光領域に参照光パターンを表示して、前記光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調し、参照光と付与する直流成分とを生成する空間光変調器と、
    前記空間光変調器により生成された参照光と付与する直流成分を前記光記録媒体の記録領域に集光し、前記記録領域に記録されたホログラムから回折光を生成すると共に、前記回折光と同位相の直流成分を前記回折光に合波して第１合成光を生成し、前記回折光と逆位相の直流成分を前記回折光に合波して第２合成光を生成する合波光学系と、
    入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記第１合成光及び前記第２合成光の各々から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する除去低減手段と、
    バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第１合成光から第１再生像を検出し、バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第２合成光から第２再生像を検出する光検出手段と、
    を備えた光再生装置。
  6. コヒーレント光を射出する光源と、
    ２次元状に配列された複数の画素部で構成され、信号光又は付与する直流成分を生成する信号光領域と、前記信号光領域を取り囲むように配置され且つ前記信号光と同軸の参照光を生成する参照光領域とを含み、前記空間光変調器の信号光領域に輝度の均一な透過パターンを表示すると共に前記空間光変調器の参照光領域に参照光パターンを表示して、前記光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調し、参照光と付与する直流成分とを生成する空間光変調器と、
    前記空間光変調器により生成された参照光と付与する直流成分を前記光記録媒体の記録領域に集光し、前記記録領域に記録されたホログラムから第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成すると共に、前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を生成し、前記偏光光で構成された直流成分を前記回折光に合波して合成光を生成する合波光学系と、
    前記合波光学系で生成された合成光を、前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに分離する偏光ビームスプリッタと、
    入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記第５の偏光成分から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する第１除去低減手段と、
    入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記第６の偏光成分から、付与された直流成分に起因するバックグラウンド成分を除去又は低減する第２除去低減手段と、
    バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第５の偏光成分から第１再生像を検出する第１光検出器と、
    バックグラウンド成分が除去又は低減された前記第６の偏光成分から第２再生像を検出する第２光検出器と、
    を備えた光再生装置。
  7. コヒーレント光を射出する光源と、
    ２次元状に配列された複数の画素部で構成され、信号光又は付与する直流成分を生成する信号光領域と、前記信号光領域を取り囲むように配置され且つ前記信号光と同軸の参照光を生成する参照光領域とを含み、前記空間光変調器の信号光領域に輝度の均一な透過パターンを表示すると共に前記空間光変調器の参照光領域に参照光パターンを表示して、前記光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調し、参照光と付与する直流成分とを生成する空間光変調器と、
    前記空間光変調器により生成された参照光と付与する直流成分を前記光記録媒体の記録領域に集光し、前記記録領域に記録されたホログラムから第１偏光面を有する第１の偏光成分と該第１偏光面と直交する第２偏光面を有する第２の偏光成分とを各々有する偏光光である回折光を生成すると共に、前記回折光とは偏光方向が直交し且つ前記回折光と同位相の前記第１偏光面を有する第３の偏光成分と前記回折光と逆位相の前記第２偏光面を有する第４の偏光成分とを各々有する偏光光で構成された直流成分を生成し、前記偏光光で構成された直流成分を前記回折光に合波して合成光を生成する合波光学系と、
    入射光を吸収又は選択的に透過することにより、前記合波光学系で生成された合成光から、前記第１の偏光成分及び前記第３の偏光成分からなる第５の偏光成分と、前記第２の偏光成分及び前記第４の偏光成分からなる第６の偏光成分とに共通するバックグラウンド成分を除去又は低減する除去低減手段と、
    バックグラウンド成分が除去又は低減された合成光を、前記第５の偏光成分と前記第６の偏光成分とに分離する偏光ビームスプリッタと、
    分離された前記第５の偏光成分から第１再生像を検出する第１光検出器と、
    分離された前記第６の偏光成分から第２再生像を検出する第２光検出器と、
    を備えた光再生装置。
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