JP2010518420A - ホログラフィック記憶媒体に記憶されたホログラムを読み取るためのホログラフィック記憶装置、およびこれを実現する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ホログラフィック記憶媒体（６）上に記録されたホログラフ（７）を読み出すためのホログラフィック記憶システム（１）、およびその方法に関する。このシステムは、基準ビーム（３）の光路に沿って配置されたホログラフィック記憶媒体保持手段と、前記光路に沿って配置された、コードパターン（１５）を用いて基準ビーム（３）を符号化する空間光変調器（ＳＬＭ）（４）と、再構築されたホログラフ（７）の画像を検出する検出器（５）と、検出された画像に対する基準ビーム（３）およびホログラフィック記憶媒体（６）の位置ずれを特定し、空間光変調器（４）を作動させて前記コードパターン（１５）をシフト移動させるサーボ制御ユニット（１４）とを備える。

Description

本発明は、ホログラムの改良に関し、とりわけホログラフィック記憶媒体に記憶されたホログラムを読み取るためのホログラフィック記憶装置、およびこれを実現する方法に関する。

ホログラフィックデータ記憶は、データを担持するデータ符号化された信号ビーム（オブジェクトビームともいう）と、ホログラフィック記憶媒体における基準ビームとの干渉パターンを記憶するという着想に基づくものである。一般に、オブジェクトビームを形成するために、空間光変調器（Spatial Light Modulator: ＳＬＭ）が用いられ、たとえばホログラフィック記憶媒体は、たとえば感光性ポリマもしくは光屈折性結晶、またはオブジェクトビームおよび基準ビームの相対振幅ならびに位相差を記録するのに適当な任意の他の材料であってもよい。記憶媒体にホログラムを作成した後、基準ビームを記憶媒体に投影することにより、元のデータ符号化されたオブジェクトビームと相互作用し、これを再構築し、ＣＣＤアレイカメラなどの権出器を用いて検出することができる。再構築されたデータ符号化されたオブジェクトビームは、再構築ホログラムと一般に呼ばれている。この用語によれば、ホログラムの再構築とは、元のデータ符号化されたオブジェクトビームを再構築することを意味し、ホログラムの読み込みとは、再構築ホログラム、特に再構築されたホログラムを検出することを意味する。本願明細書においてはこの用語を採用する。

ホログラムの書き込みは、オブジェクトビームおよび基準ビームの空間的重なりによって大きく影響され、ホログラムの読み込みは、再構築する基準ビームおよび記憶媒体に記憶されるホログラムの相対的位置に相当に依存する。基準ビームおよびオブジェクトビームの両方が記憶媒体の表面上の比較的に大きいスポットをカバーするものである場合、ホログラフィック記憶媒体の読み込みは、比較的に容易に実現することができる。ホログラムの中心と基準ビームの中心との間の位置に関する公差は、ビーム径の寸法の約１０％であり、通常、これは従来式システムの機械的限界内である。しかし、ホログラムの大きさが小さくなると、媒体から読み込むとき、基準ビームとホログラムの間の位置合わせ精度に対する要請はより厳格なものとなる。同様に、たとえば記憶されたホログラフィックデータの多重化および／またはセキュリティ暗号化に際して、高精度位置合わせが必要となる。ホログラムの多重化および／または暗号化に関する数多くの手法がある。こうした手法には、実平面および／またはフーリエ面におけるオブジェクトビームおよび／または基準ビームの位相符号化が含まれる。基準ビームを位相符号化することにより、位相符号多重化および暗号化する方法及びデバイスは、国際特許出願公開第０２／０５２７０号に記載されている。位相符号多重化または暗号化技術を用いたとき、ホログラム再構築の際に要求される基準ビームとホログラムの中心間の位置ずれに関する公差は、ビーム径の１％まで小さくなる。ビームとホログラムの間の位置ずれは、一般に、システムの光学部品の位置ずれに関連し、光学部品の位置ずれは機械的衝撃や温度変化などに起因する場合がある。しかし、これは、ホログラフィックＩＤカードなどの着脱可能な記憶媒体を受容するように設計されたシステムにおいて特に問題となる。

米国特許第７，１１６，６２６号明細書には、上述の位置合わせの問題を解消するための微小位置合わせ方法（micro-positioning method）が教示されている。この方法の目的は、光源、レンズ、検出器および記憶媒体などのさまざまなデバイスを含むＳＬＭなどのシステムのさまざまな構成部品の正確に位置合わせを確実なものとすることにより、ホログラフィック記憶システムの性能、すなわち変調された画像の品質を向上させるためのものである。位置合わせ技術は、オブジェクトビームおよび記憶されたホログラフィック画像をデータ符号化するに用いられる固有のＳＬＭのピクセルを位置合わせする「ピクセルマッチング」に焦点を当て、ＳＬＭの各ピクセルが検出器のただ１つのピクセルに投影され、より良好なデータ復元機能が得られるようにするものである。この方法は、システムの構成部品のすべてまたはいくつかを互いに対して物理的に移動させるステップを有する。構成部品移動させる手段は、マイクロアクチュエータを含むものであってもよい。こうした物理的移動手段は、微小デバイスに採用するには高くつくし、煩雑である。

国際特許出願公開第０２／０５２７０号パンフレット 米国特許第７，１１６，６２６号明細書

本発明の目的は、ホログラフィック記憶媒体に対する基準ビームの正確な非機械的位置合わせを可能にするシステムおよび方法を提供することにより、上記問題点を解消することである。

上記目的は、請求項１に係るホログラフィック記憶システム、および請求項１５に係るホログラム読み取り方法を提供することにより実現される。

本発明に係る例示的な実施形態による反射型ホログラフィック記憶システムの概略図である。 本発明に係る例示的な別の実施形態による透過型ホログラフィック記憶システムの概略図である。 本発明に係る例示的な実施形態による透過型ホログラフィック記憶媒体書き込み・読み込みシステムの概略図である。 空間光変調器により形成される例示的な基準ビームコードパターンを示す。 １つのＳＬＭピクセルによる基準ビームコードパターンのシフト移動を示す。 空間光変調器により形成される別の例示的な基準ビームコードパターンを示す。

添付図面および例示的な実施形態を参照することにより、本発明の詳細がより明白となる。

図１ａは、本発明に係る第１の例示的な実施形態によるホログラフィック記憶システム１の概略図である。このシステム１は、基準ビーム３を出力する光源２を有する。この光源２は、通常、レーザおよびビーム拡大器（ビームエキスパンダ）とからなる。光源２の後に、基準ビーム３を符号化する空間光変調器（ＳＬＭ）４が設けられている。このシステム１は、検出器５と、基準ビームの光路に沿って配置された、読み取るべきホログラム７を担持するホログラフィック記憶媒体６を固定する手段（図示せず）とをさらに有する。記憶媒体固定手段は、たとえばＣＤトレイやＤＶＤトレイ、ホログラフィックＩＤカードスロット、記憶媒体６をホログラフィック記憶システム１内の適正位置に保持するのに適した任意の手段など、任意の従来式の媒体支持部品であってもよい。検出器５はＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳ、フォトダイオード・マトリックス、またはピクセルアレイに配置されたセンサ部品を有する他の既知の検出器であってもよい。記憶媒体の表面欠陥に対する感度がフーリエ・ホログラムの方が像平面ホログラムより小さいので、ホログラム７としてはフーリエ・ホログラムを用いることが好ましい。フーリエ・ホログラムを用いた場合、ホログラム７を形成する際、基準ビーム３を位相符号化するために用いられる、空間光変調器４で表示される位相符号パターンは、フーリエ変換されたオブジェクトビームに写像される。その回折効率が良好で、かつ波長選択性が小さいので、薄い偏向ホログラムを用いてもよい。好適なホログラフィック記憶媒体は、たとえばアゾベンゼンタイプの光異方性ポリマである。

図１ａに示す実施形態は、ホログラフィック記憶媒体６を反射モードで読み取るように設計されている。すなわち基準ビーム３は媒体６の後方にある鏡８で反射し、再構築されたオブジェクトビーム９が検出器５の像平面上で像形成して、再構築されたホログラム７の画像が取り込まれる。反射ビーム９および基準ビーム３は、ビームスプリッタ１０により分離されるが、このビームスプリッタは、中立ビームスプリッタあるいは偏向ホログラムの場合は偏向ビームスプリッタであってもよく、または欧州特許出願公開第１４９２０９５号で開示されたような中央層不連続性を有するビームスプリッタ・キューブなどの他のビーム分離部品であってもよい。

符号化基準ビームの場合、空間光変調器４は、画像形成システムを用いてホログラム７の平面に画像形成する。この画像形成システムは、好適には、従来技術で知られたようにビームスプリッタ１０の前後に配置された第１および第２のフーリエレンズ１１，１２を有する。さらに、ビーム径を制限し、以下詳述するように空間光変調器４の明確性を規制（restricting the definition）する利点を得るために、第１のフーリエレンズ１１とビームスプリッタ１０の間に絞り１３を配置してもよい。

基準ビームは、振幅符号化や他の任意の既知の光変調符号化技術（偏向符号化または波長符号化）を同様に用いて符号化することができるが、振幅符号化に際して生じる情報損失を回避するために、位相符号化を用いて符号化することが好ましい。位相符号化は、たとえば暗号化されたホログラム７を読み出すためのセキュリティキー、または多重化されたホログラム７を読み出すためのキーとすることができる。しかしながら本発明は、暗号化または多重化以外の用途にも関連するものである。挿入された記憶媒体６の位置に関してある程度の不確実性をもたらすような機械的クリアランスを排除できないすべての事例において同様に適用可能であり、とりわけ記憶媒体６を頻繁に取り外し、システム１を用いて複数の記憶媒体６読み出す場合、基準ビーム３および記憶媒体６は互いに対する位置を反復的に再配置する必要がある。

基準ビームの位相符号化に加え、円形の基準ビーム３を容易に配置するための絞りとして、空間光変調器４を用いることができる。これは、複数のホログラム７が互いに記憶媒体内で近接して書き込まれている場合、ホログラムを再構築するときにホログラム内クロストークを抑制する上で有用である。

記憶媒体６のホログラム７を読み出すとき、基準ビーム３を記憶媒体６に対して位置合わせして配置する必要がある。本発明によれば、基準ビーム３の位置合わせは、空間光変調器４上の異なる位置に基準ビーム３を符号化する基準ビーム符号化パターンを表示することにより実現される。これは、以下詳述するように、検出器５により検出された画像の分析およびサーボ信号の計算を行うための、検出器５に接続されたサーボ制御ユニット１４により実施される。空間光変調器４により表示された符号化パターンの位置を制御するために、サーボ信号が用いられる。サーボ制御ユニット１４は、たとえばコンピュータ、マイクロコントローラ、または空間光変調器４を制御するために必要なソフトウェアを含む用途固有の他の任意の電気回路部であってもよい。

図１ｂは、別の好適な実施形態によるホログラフィック記憶システム１を示し、このときホログラフィック記憶媒体６は透過モードで読み出され、すなわち再構築されたオブジェクトビーム９は記憶媒体６を透過する。したがって、検出器５は記憶媒体６とは反対側にあり、第３のフーリエレンズ１１１を検出器５と記憶媒体６の間に配置して、再構築されたオブジェクトビーム９の画像を検出器５の画像平面上に形成することができる。

図１ｃは、別の好適な実施形態によるホログラフィック記憶システム１を示し、これはホログラフィック記憶媒体６の書き込み・読み出しの両方のために採用されるものである。ホログラフィック記憶媒体６は、図１ｂの実施形態と同様に透過モードで書き込まれる。この場合、システム１を用いて記憶媒体６上のホログラム７を記録するとき、ビームスプリッタ１０を用いて、基準ビーム３と空間光変調器４’からのオブジェクトビーム３’を統合するためにビームスプリッタ１０を用いる。オブジェクトビーム３’は、独立した光源（図示せず）を有するか、または既知の技術を用いて、基準ビーム３の光源を用いて基準ビーム３とオブジェクトビーム３’を供給してもよい。

図２は、空間光変調器４上に表示される基準ビーム位相コードパターン１５を示すものである。図示の実施形態によれば、各基準ビームコードピクセル１６は、５行×５列のＳＬＭピクセル１７で構成されている。単一のコードピクセル１６を表示するために用いられるＳＬＭピクセル１７の数は用途に応じて変化する。２つ以上のＳＬＭピクセル１７からなるコードピクセル１６を用いると、より簡便な手法によりコードパターン１５をシフト移動させることができる。たとえば、１つのＳＬＭピクセル１７を用いて、コードパターン１５を右隣のコードピクセル１６にシフト移動するために、図３に示すようにＳＬＭピクセル１７を１列ずらすことにより実現することができる。新しいコードピクセル１６ｂは、新しいブロックの５行×５列のＳＬＭピクセル１７として表示され、元のコードピクセル１６ａと重なる（同じ）５行×４列のＳＬＭピクセル１７と、元のコードピクセル１６ａの右隣にある１行×４列のＳＬＭピクセル１７とからなる。コードパターン１５は、この考え方に基づいて、ＳＬＭピクセル１７の行または列に平行でない方向を含む任意の方向にシフト移動させることができる。

特定の基準ビーム位相コードパターン１５を記録したホログラム７は、ホログラム７を記録するために用いられたものと同一または極めて類似の基準ビーム位相コードパターン１５により符号化された基準ビームを用いて再構築することができ、その結果、基準ビーム３を符号化することによりセキュリティ暗号化または複合化が可能となる。基準ビーム位相コードパターン１５は、たとえば２１００通りのコードの組み合わせが可能となるよう１０行×１０列のピクセルサイズを有していてもよい。ただし、ホログラム７のセキュリティ暗号化または複合化のためには、ホログラム７を記録するために用いられるもの以外の基準ビーム位相コードパターン１５を用いて判読可能であってはならない。したがって、可能性のある全体のコードパターン１５の中から、十分な差異を有する一連のコードパターン１５のみを用いることができる。この一連のコードパターンは、実際上、極めて大きい数であり、たとえば約２２５通りのコードの組み合わせを用いることができる。異なるコードパターン１５を形成する方法が国際特許出願公開第０２／０５２７０号に記載されている。

絞り１３を用いると、コードピクセル１６を認知可能とする一方、個々のＳＬＭピクセル１７が検出器５により検出される画像上で区別できなくなるように、空間光変調器４の明確性を規制するという追加的な利点が得られる。形成画像がぼやけるのを防ぐため、空間光変調器４の端部付近のビネット効果を回避すべく、空間光変調器４のフーリエ平面に（またはこれに隣接して）絞り１３を配設し、フーリエ空間内の高周波成分をフィルタ除去する。

位相変調の他、当業者により知られているように、任意の他の特性（位相、振幅、波長あるいは偏向）またはこれらの組み合わせを変調させることにより、コードパターン１５を形成することができる。

空間光変調器４が円形ビームを配置しやすくするために絞りを用いた事例において、基準ビーム位相コードパターン１５は、図４に示すように、内側円形１８で透過し、透過しない外側境界領域１９を有する単純光であってもよい。これは、たとえば振幅変調モードの空間光変調器４を用いて、境界領域１９の振幅を抑制するとともに、内側円形１８内の光の振幅を維持して円形の基準ビーム３を簡便に形成することにより実現することができる。個々のＳＬＭピクセル１７の変調振幅を変化させて、空間光変調器４の部値の位置で光を透過させる内側円形１８を形成することにより、円形基準ビーム３を容易に形成することができる。振幅変調モードを実現する既知の方法は、空間光変調器４の前に偏向板を配置するとともに、空間光変調器４の後に分析器を配置することである。内側円形１８に照射する基準ビーム３の偏向については、空間光変調器４を用いて変化させることなく維持する一方、外側境界領域１９に照射する基準ビーム３の偏向については、９０°だけ回転させることができる。偏向を維持した部分のみが分析器を透過し、こうして簡便に円形基準ビーム３を形成することができる。

基準ビーム３の光路に沿って配置された、同一または類似のさらなる基準ビーム符号化空間光変調器４を用いて、位相符号化により同様に円形基準ビーム３を容易に形成することができる。位相変調および振幅変調を同時に行うために、すなわち特定の空間光変調器における３重変調モードを同時に行うために同一の空間光変調器を用いることができる。独立した位相変調および振幅変調のために２つの空間光変調器を用いると、２つの空間光変調器を互いに対して画像形成するための追加的な光学部品が必要となる。

位相符号化された基準ビーム３に対して、単一のＳＬＭピクセル１７を１つのコードピクセル１６と考えることは容易であるが、基準ビーム３と記憶媒体６の間の位置ずれを計算するために、位相パターンをコードピクセル１６より細かいステップでシフト移動可能とすることは有用である。

空間光変調器４上のコードパターン１５をシフト移動させることが可能である限り、他の任意の手法を用いてコードパターン１５を形成することができる。

ホログラム７の検出された記憶画像に対する、基準ビーム３および記憶媒体の位置ずれを特定するためのさまざまな既知の手法が存在する。たとえば検出画像に関連する性能指数を特定することができる。この性能指数は、一般に、平均的なピクセル強度または信号ノイズ比などのピクセル位置ずれを示すスカラ量である。性能指数を用いる具体例が（チャンネル測定基準（channel metric）と称す。）米国特許第７，１１６，６２６号に記載されている。

位置ずれが検出されると、空間光変調器上のコードパターン１５をシフト移動させることにより、基準ビーム３を再配置する（位置を設定し直す）ことができる。性能指数は、位置ずれの大きさまたは度合いを示唆するためにのみ好適であり、位置ずれの方向を示すためには適していない。したがって、位置ずれを示すために性能指数を用いる場合、数多くの異なる基準ビーム位置で再計算しなければならない場合がある。

性能指数を計算する好適な手法は、本願出願人と同一の出願人による「ホログラフィック記憶媒体およびホログラフィック記憶システムに記録されたフーリエホログラムを読み出す方法」と題する２００７年２月２日付けで出願されたハンガリ特許出願に記載されている。

上述の実施形態は、具体例を示すためだけのものであり、本発明を限定するものと解釈すべきではない。当業者にとっては、添付されたクレームにより特定される保護範囲から逸脱することのないさまざまな変形例が明らかである。

１：ホログラフィック記憶システム、２：光源、３：基準ビーム、４：空間光変調器（ＳＬＭ）、５：検出器５、６：ホログラフィック記憶媒体、７：ホログラム、８：鏡、９：オブジェクトビーム、１０：ビームスプリッタ、１１，１２：第１および第２のフーリエレンズ、１３：絞り、１４：サーボ制御ユニット、１５：基準ビーム位相コードパターン、１６：基準ビームコードピクセル、１７：ＳＬＭピクセル、１８：内側円形、１９：外側境界領域。

Claims (19)

1. ホログラフィック記憶媒体（６）上に記録されたホログラフ（７）を読み出すためのホログラフィック記憶システム（１）であって、
   基準ビーム（３）の光路に沿って配置されたホログラフィック記憶媒体保持手段と、
   前記光路に沿って配置された、コードパターン（１５）を用いて基準ビーム（３）を符号化する空間光変調器（ＳＬＭ）（４）と、
   再構築されたホログラフ（７）の画像を検出する検出器（５）と、
   検出された画像に対する基準ビーム（３）およびホログラフィック記憶媒体（６）の位置ずれを特定し、空間光変調器（４）を作動させて前記コードパターン（１５）をシフト移動させるサーボ制御ユニット（１４）とを備えることを特徴とするシステム。
2. 請求項１に記載のシステムであって、
   空間光変調器（４）はピクセルアレイタイプの光変調器であって、好適にはマイクロディスプレイ、液晶ディスプレイ、またはシリコンティスプレイ上の液晶であることを特徴とするシステム。
3. 請求項１または２に記載のシステムであって、
   コードパターン（１５）は、境界領域（１９）により包囲される円形内部領域（１８）を有し、
   ２つの領域（１８，１９）は、基準ビーム（３）の少なくとも１つの光特性を異なる手法で変調することを特徴とするシステム。
4. 請求項３に記載のシステムであって、
   円形内部領域（１８）は光を透過させ、境界領域（１９）は光を透過させないことを特徴とするシステム。
5. 請求項３に記載のシステムであって、
   円形内部領域（１８）による光の偏向角と、境界領域（１９）による光の偏向角とは互いに対して所定の角度をなし、
   偏光器が基準ビーム（３）の光路に沿って空間光変調器（４）の前に配置され、
   分析器が基準ビーム（３）の光路に沿って空間光変調器（４）の後に配置されたことを特徴とするシステム。
6. 請求項２に記載のシステムであって、
   コードパターン（１５）は複数のコードピクセル（１６）を有し、
   コードピクセルは空間光変調器（４）のｎ行×ｍ列のピクセルからなることを特徴とするシステム。
7. 請求項６に記載のシステムであって、
   コードパターン（１５）のシフト移動は、コードピクセル（１６）を空間光変調器（４）の異なるｎ行×ｍ列のピクセルを用いて表示することにより実施されることを特徴とするシステム。
8. 請求項６または７に記載のシステムであって、
   コードパターン（１５）は位相符号化パターンであることを特徴とするシステム。
9. 請求項１〜８のいずれか１に記載のシステムであって、
   ホログラフ（７）は、フーリエ変換ホログラフであることを特徴とするシステム。
10. 請求項９に記載のシステムであって、
    第１および第２のフーリエ変換レンズ（１１，１２）が、前記光路に沿って、空間光変調器（４）とホログラフィック記憶媒体（６）の間に配設されることを特徴とするシステム。
11. 請求項１０に記載のシステムであって、
    絞り（１３）が第１および第２のフーリエ変換レンズ（１１，１２）の間に配置され、好適には、実質的に空間光変調器（４）のフーリエ平面内に配置されることを特徴とするシステム。
12. 請求項１〜１１のいずれか１に記載のシステムであって、
    データ符号化されたオブジェクトビームを形成するためのオブジェクトビーム変調用空間光変調器（４’）と、
    符号化されたオブジェクトビーム（３）および符号化されたオブジェクトビーム（３’）を統合して、ホログラフ（７）に書き込む手段とを有することを特徴とするシステム。
13. 請求項１に記載のシステムであって、
    基準ビームコードパターン（１５）は、空間光変調器（４）により形成された位相変調パターン、振幅変調パターン、波長変調パターン、および／または偏向変調パターンであることを特徴とするシステム。
14. 請求項１〜１３のいずれか１に記載のシステムであって、
    検出器（５）は、ピクセルアレイ状に配列されたセンサ部品を有する検出器であり、好適には、ＣＣＤカメラ、ＣＭＯＳ、またはフォトであることを特徴とするシステム。
15. ホログラフィック記憶媒体上に記録されたホログラフを読み出すための方法であって、
    ａ）空間光変調器（ＳＬＭ）を用いて形成されたコードパターンを用いて基準ビームを符号化するステップと、
    ｂ）再構築されたホログラフの画像を検出するステップと、
    ｃ）検出された画像に対する基準ビームおよびホログラフィック記憶媒体の位置ずれを特定するステップと、
    ｄ）少なくとも部分的に前記位置ずれに基づいて、空間光変調器（４）上の前記コードパターン（１５）をシフト移動させるステップとを有することを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、
    空間光変調器（ＳＬＭ）はピクセルアレイタイプの光変調器であって、好適にはマイクロディスプレイ、液晶ディスプレイ、またはシリコンティスプレイ上の液晶であり、
    前記コードパターンをシフト移動させるステップは、コードパターンを形成するために異なるＳＬＭピクセルを用いることにより行われることを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    コードパターンは複数のコードピクセルを有し、
    コードピクセルは空間光変調器のｎ行×ｍ列のピクセルからなることを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載のシステムであって、
    コードパターンを形成するための異なるＳＬＭピクセルを用いるステップは、異なる空間光変調器のｎ行×ｍ列のピクセルを用いてコードパターンを形成するステップを有することを特徴とする方法。
19. 請求項１８に記載のシステムであって、
    位置ずれを特定するステップは、性能指数を計算するステップを有することを特徴とする方法。

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