JP2019114316A - ホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光に応答しにくいホログラフィ感光材料を用いた場合でも任意の偏光状態を記録することが可能になるとともに、ホログラフィックメモリの記憶容量を大幅に拡大させることが可能なホログラフィック記録、読み出し装置を提供すること。【解決手段】レーザ光を発生する光源部と、レーザ光を２分岐させ、一方のレーザ光を所定の偏光状態を有する参照光とするとともに、他方のレーザ光を記録媒体に記録すべき偏光状態を有する物体光とする光学系と、物体光を、各々ポアンカレ球上の３軸の成分であり成分により偏光状態を表示する３つのストークスパラメータから予め選択された複数の選択ストークスパラメータの各々の成分を抽出するための複数の偏光状態を有する複数の記録光に変換する光学素子と、複数の記録光の各々と参照光とを記録媒体の異なる複数の領域で干渉させ、記録すべき偏光状態を記録媒体に記録する記録手段と、を含む【選択図】図２

Description

本発明は、ホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法に関する。

大容量、高速データ転送率、ショートアクセス時間を可能にするＨＤＳ（Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｄａｔａ Ｓｔｏｒａｇｅ）の技術が進展している。１つの記録層面内の情報量がＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）で約４．５ＧＢ（Ｇｉｇａ Ｂｙｔｅ）、ＢＤ（Ｂｌｕｅ−ｒａｙ Ｄｉｓｃ）で約３０ＧＢであるのに対して、ＨＤＳでは１ディスクあたりの情報量が１−１０ＴＢ（Ｔｅｒａ Ｂｙｔｅ）と予測され、ＨＤＳの実現が期待されている。また、実証実験も報告されつつある。ＨＤＳのようなホログラフィックメモリでは、記録すべき情報を保持した物体光と参照光とを干渉させた干渉縞により情報を記録し、該干渉縞に読み出し光を照射して情報を読み出す。

ホログラフィを用いた情報の記録、再生装置として、例えば特許文献１に開示された情報記録および／または再生装置が知られている。特許文献１に係る情報記録および／または再生装置では、情報記録媒体として、読み取り光が記録部に照射され、記録部で反射される反射光が検知されることにより、記録部に記録された多値情報が読み取られる情報記録媒体であって、記録部には、所定の領域を有する所定の傾斜角の傾斜反射面が、多値情報に対応して複数種類の方位角を成すように形成されている情報記録媒体を用いる。そして、特許文献１に係る情報記録および／または再生装置は、この情報記録媒体の記録部に、既知の偏光状態である読み取り光を照射する、光源を含む読み取り光照射手段と、記録部で反射される反射光の偏光状態を検知する反射光検知手段と、を有し、反射光検知手段の検知結果に基づいて、所定の傾斜角及び／又は所定の方位角を特定することにより、記録部に記録された多値情報を読み取る。

また、ホログラフィを用いた情報の記録、再生装置として、特許文献２に開示された光情報記録再生装置も知られている。特許文献２に係る光情報記録再生装置は、任意の偏光基底において位相差を有する２つの直交する偏光成分をもつ偏光状態の記録光を生成する記録光生成装置と、任意の偏光基底において１つの偏光成分のみをもつ偏光状態の再生光を生成する再生光生成装置と、記録光が有する光情報を記録するとともに、再生光によって記録された光情報を再生する記録媒体と、記録媒体に再生光が照射された後に発生した情報光を抽出して光情報として検出する光情報検出装置と、を有している。

特開２００９−９９１９２号公報 特開２０１０−２０８８３号公報

ところで、ＨＤＳに任意の光の偏光情報という新たな自由度を記録することができれば、ホログラフィックメモリの記憶容量を飛躍的に拡大することができる。しかしながら、通常ＨＤＳでは回折効率を最大にするために、干渉縞の強度分布が最大になるように物体光と参照光の偏光状態は一致させる。偏光が直交している物体光と参照光では干渉がおきないので、一般に偏光情報を記録することはできない。近年は偏光情報も記録できる偏光ホログラフィも研究されているが、ホログラフィ感光材料を限定するため実用には至ってはいない。従って、例えば一般的なホログラフィ感光材料であるフォトリフラクティブ結晶へ、任意の偏光状態を記録することが可能なホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法が求められている。

この点、特許文献１に係る情報記録および／または再生装置では、ポリカーボネイト等の情報記録媒体に傾斜反射面を形成して情報を記録し、該傾斜反射面に入射された読み取り光の偏光状態が傾斜の状態によって変化するという特性を用い、予め定められた偏光状態の光を照射し、反射光の偏光状態を検知して記録された情報を特定している。従って、特許文献１でも偏光を用いているが、偏光の状態を記録しているわけではない。

また、特許文献２に係る光情報記録再生装置では、直交する２つの偏光成分に記録情報としての位相差を与え、該位相差を記録媒体に記録している。より具体的には、記録用レーザから発したレーザ光を偏光変調して２つの直交偏光成分を生成し、これら２つの直交偏光成分に位相差を与えて記録光としている。２つの偏光成分のうち位相の基準となる偏光成分を参照光成分、該参照光成分に相対位相を与えた偏光成分を信号光成分としている。一方、再生する場合は参照光と同じ偏光成分のみを有する偏光状態の再生光を記録媒体の記録領域に照射する。記録媒体に照射された後の情報光は記録媒体の有する複屈折によって偏光状態が変化することにより追加的な偏光成分が発生し、この追加的な偏光成分と、参照光と同じ偏光成分とにより記録した位相情報を抽出する。つまり、特許文献２に係る光情報記録再生装置は、情報の記録、再生に偏光を用いているが、記録される情報は位相情報であり、偏光状態でない。

本発明は、上記の事実を考慮してなされたもので、偏光に応答しにくいホログラフィ感光材料を用いた場合でも任意の偏光状態を記録することが可能になるとともに、ホログラフィックメモリの記憶容量を大幅に拡大させることが可能なホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係るホログラフィック記録装置は、レーザ光を発生する光源部と、前記レーザ光を２分岐させ、一方のレーザ光を所定の偏光状態を有する参照光とするとともに、他方のレーザ光を記録媒体に記録すべき偏光状態を有する物体光とする光学系と、前記物体光を、各々ポアンカレ球上の３軸の成分であり前記成分により偏光状態を表示する３つのストークスパラメータから予め選択された複数の選択ストークスパラメータの各々の成分を抽出するための複数の偏光状態を有する複数の記録光に変換する光学素子と、前記複数の記録光の各々と前記参照光とを前記記録媒体の異なる複数の領域で干渉させ、前記記録すべき偏光状態を前記記録媒体に記録する記録手段と、を含むものである。

上記目的を達成するために、本発明に係るホログラフィック読み出し装置は、上記ホログラフィック記録装置によって前記記録媒体に記録された偏光状態を読み出す読み出し装置であって、レーザ光を発生する光源部と、前記レーザ光を前記所定の偏光状態を有する読み出し光とする光学系と、光の強度を測定する光強度測定部と、前記読み出し光を前記複数の領域の各々に照射して発生させた回折光の強度を前記光強度測定部で測定して複数の回折光強度を取得し、前記複数の回折光強度と前記回折光強度の最大値との比である複数の回折効率を算出し、前記複数の回折効率の各々を前記複数の選択ストークスパラメータに変換することにより前記記録媒体に記録された偏光状態を特定して読み出す読み出し手段と、を含むものである。

上記目的を達成するために、本発明に係るホログラフィック記録方法は、レーザ光を発生する光源部と、前記レーザ光を２分岐させ、一方のレーザ光を所定の偏光状態を有する参照光とするとともに、他方のレーザ光を記録媒体に記録すべき偏光状態を有する物体光とする光学系と、前記物体光を、各々ポアンカレ球上の３軸の成分であり前記成分により偏光状態を表示する３つのストークスパラメータから予め選択された複数の選択ストークスパラメータの各々の成分を抽出するための複数の偏光状態を有する複数の記録光に変換する光学素子と、を含むホログラフィック記録装置によるホログラフィック記録方法であって、前記複数の記録光の各々と前記参照光とを前記記録媒体の異なる複数の領域で干渉させ、前記記録すべき偏光状態を前記記録媒体に記録するものである。

上記目的を達成するために、本発明に係るホログラフィック読み出し方法は、上記ホログラフィック記録方法によって前記記録媒体に記録された偏光状態を読み出すホログラフィック読み出し方法であって、レーザ光を発生する光源部と、前記レーザ光を前記所定の偏光状態を有する読み出し光とする光学系と、光の強度を測定する光強度測定部と、を含むホログラフィック読み出し装置によって、前記読み出し光を前記複数の領域の各々に照射して発生させた回折光の強度を前記光強度測定部で測定して複数の回折光強度を取得し、前記複数の回折光強度と前記回折光強度の最大値との比である複数の回折効率を算出し、前記複数の回折効率の各々を前記複数の選択ストークスパラメータに変換することにより前記記録媒体に記録された偏光状態を特定して読み出すものである。

本発明によれば、偏光に応答しにくいホログラフィ感光材料を用いた場合でも任意の偏光状態を記録することが可能になるとともに、ホログラフィックメモリの記憶容量を大幅に拡大させることが可能なホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法を提供することができる、という効果を奏する。

実施形態に係るホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置の構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態に係るホログラフィック記録方法の手順を示す図である。 本実施の形態に係るホログラフィック記録、ホログラフィック読み出しの実施例の結果を示す図である。 （ａ）はポアンカレ球におけるストークスパラメータと基底偏光との関係を示す図、（ｂ）は基底偏光とジョーンズベクトルとの関係を示す図である。 実施の形態に係る、記録すべき偏光状態が保持された空間光変調器を示す概念図である。 回折効率のホログラフィック記録時間に対する変化を示すグラフである。

以下、図１から図６を参照して本発明の実施の形態に係るホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法について詳細に説明する。なお、以下の説明では、作用および機能が同じ働きを担う構成要素には、全図面を通して同じ符号を付与し、重複する説明を適宜省略する場合がある。

図１は、本実施の形態に係るホログラフィック記録装置とホログラフィック読み出し装置とが対とされたホログラフィック記録読み出し装置１０を示している。図１に示すように、ホログラフィック記録読み出し装置１０は、ホログラフィック記録装置１２、ホログラフィック読み出し装置１４を含んで構成されている。ホログラフィック記録装置１２は、光源部５０および記録部５２を備え、ホログラフィック読み出し装置１４は、光源部５０および読み出し部５４を備えている。すなわち、本実施の形態に係るホログラフィック記録装置１２とホログラフィック読み出し装置１４とは、共通の構成の光源部５０を含んで構成されている。

図１に示すように、光源部５０は、レーザ光源１６（図１では、「ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ） Ｌａｓｅｒ」と表記されている）、ＳＦＳ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｆｉｌｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ）３０、偏光子３２（図１では、「ＰＯＬ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ）」と表記されている）、１／２波長板（図１では、「ＨＷＰ（Ｈａｌｆ Ｗａｖｅ Ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ Ｐｌａｔｅ）０」と表記されている）３４、ミラー３６、３８、４０、４２を含んで構成されている。

レーザ光源１６は後述する物体光Ｌｏｂ、参照光Ｌｒｆ、読み出し光Ｌｒｄを生成するための光源である。レーザ光源１６から出射したレーザ光Ｌは、ＳＦＳ３０によって、光束の空間的形状が調整される。ＳＦＳ３０を通過したレーザ光Ｌは偏光子３２によって偏光方向が設定され、１／２波長板３４によって偏光状態を調整される。また、図１中符号「ｉｒ」で示された素子はアイリス（ｉｒｉｓ）フィルター（絞り）であり、光量を調整する機能を有している。従って、絞りｉｒの配置は図１に示す配置に限られず、必要に応じて適宜な個所に配置すればよい。ミラー３６、３８、４０、４２はレーザ光Ｌの光路を設定するための鏡である。

図１に示すように、記録部５２は、ＰＢＳ（Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）２６、１／２波長板２０（図１では、「ＨＷＰ１」と表記されている）、１／４波長板２２（図１では、「ＱＷＰ（Ｑｕａｒｔｅｒ Ｗａｖｅ Ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ Ｐｌａｔｅ）１」と表記されている）、記録波長板２４（図１では、「ＨＷＰ２ ｏｒ ＱＷＰ２」と表記されている）、ミラー２８、３０を含んで構成されている。１／２波長板２０および１／４波長板２２によって、偏光情報設定部５６が構成されている。
記録媒体１８（図１では、「ｃｒｙｓｔａｌ」と表記されている）は、本実施の形態に係るホログラフィック記録装置１２により情報（偏光状態）を記録する素子である。本実施に形態では記録媒体１８の一例として、電気光学結晶であるニオブ酸リチウムを用いている。しかしながら、記録媒体１８に用いられる材料はこれに限られず、フォトリフラクティブ効果を示す他の結晶、例えばタンタル酸リチウムや、他の偏光状態が記録可能な材料を適宜用いることができる。また、ミラー２８、３０は各々物体光Ｌｏｂ、参照光Ｌｒｆの光路を設定するための鏡である。

図１に示すように、記録部５２においては、光源部５０から入射されたレーザ光ＬがＰＢＳ２６によって物体光（信号光）Ｌｏｂと参照光Ｌｒｆに分割される。物体光Ｌｏｂと参照光Ｌｒｆは、記録媒体１８において互いに重畳するように位置決めされる。図１中の符号αは、物体光Ｌｏｂと参照光Ｌｒｆとの交差角を示している。物体光Ｌｏｂと参照光Ｌｒｆの分割比は、一例として１：１とすることができるが、これに限られず、物体光Ｌｏｂ、参照光Ｌｒｆに必要な光強度等に応じて、適宜な分割比としてよい。物体光Ｌｏｂは記録すべき情報（本実施の形態では偏光状態）を保持したレーザ光であり、記録媒体１８において参照光Ｌｒｆと干渉させることによって記録媒体１８に該情報が記録される。

偏光情報設定部５６は、ホログラフィック記録装置１２によって記録すべき情報としての偏光状態（以下、「偏光情報」）を設定する部位であり、１／２波長板２０および１／４波長板２２によって偏光情報の偏光状態を設定する。一方、記録波長板２４は、後述のホログラフィック記録方法において、偏光情報のストークスパラメータにおける成分を抽出するために物体光Ｌｏｂに挿入される波長板である。本実施の形態では、記録波長板２４として、１／２波長板６０および１／４波長板６２を差し替えて用いている。

図１に示すように、読み出し部５４は、ＰＢＳ２６、デテクタ４６、遮光部４４（図１では、「ＢＤ」と表記されている）、ミラー３０を含んで構成されている。読み出し部５４では物体光Ｌｏｂを用いないので、記録部５２の構成における物体光Ｌｏｂの光路を遮光部４４で遮光する。むろん物体光Ｌｏｂに関係する素子を用いない場合には、遮光部４４を省略することができる。また、読み出し部５４では、参照光Ｌｒｆの代わりに読み出し光Ｌｒｄが記録媒体１８に照射されるように構成されている。読み出し光Ｌｒｄは、例えば参照光Ｌｒｆと同じ特性のレーザ光を用いることができる。デテクタ４６は、読み出し光Ｌｒｄが記録媒体１８の記録領域に照射されて生成された回折光Ｌｄｆを受光する素子である。回折光Ｌｄｆの詳細については後述する。

ここで、本実施の形態に係るホログラフィック記録、読み出し方法についてより詳細に説明する。本実施の形態に係るホログラフィック記録、読み出し方法は、一般的なホログラフィ感光材料である記録媒体としてのフォトリフラクティブ結晶へ、任意の偏光状態を記録することが可能な記録、読み出し方法である。本記録、読み出し方法は、所定の条件下でホログラフィック記録時における記録媒体中での物体光と参照光による干渉強度が、ホログラフィック読み出し時における参照光の回折効率と比例関係をもつという特性を用いている。なお、本実施の形態における回折効率ηは、読み出し光Ｌｒｄの光強度をＩｒｄ、回折光Ｌｄｆの光強度をＩｄｆとした場合に、η＝Ｉｄｆ／Ｉｒｄで与えられる。

より具体的には、ホログラフィック記録時には、任意の偏光状態を表現する３つのストークスパラメータを、記録媒体における３箇所の回折効率として記録する。一方、ホログラフィック読み出し時には、該３箇所からの読み出し光の回折効率の比率から、記録した物体光の偏光状態を特定し、読み出す。

まず、図４を参照して偏光状態の数学的記述方法について説明する。偏光を数学的に記述する方法といては、従来ジョーンズべクトルによる方法と、ストークスパラメータによる方法が知られている。図４（ａ）はポアンカレ球におけるストークスパラメータと基底偏光との関係を示す図、図４（ｂ）は基底偏光とジョーンズベクトルとの関係を示す図である。ポアンカレ球とはストークスパラメータから導かれる球であり、ストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を座標軸とする。そして、任意の偏光状態が、図４（ａ）中の角度θ、φで特定される球上の点で表わされる。本実施の形態において、「基底偏光」とは基本となる偏光状態の組をいい、具体的には、図４（ｂ）に示すＨ偏光（水平偏光）、Ｖ偏光（垂直偏光）、Ｄ偏光（＋４５度偏光）、Ａ偏光（−４５度偏光）、Ｒ偏光（右回り円偏光）、Ｌ偏光（左回り円偏光）の６つの偏光状態をさす。図４（ａ）における符号｜Ｈ＞等は、各々この６つの偏光状態のジョーンズベクトルを意味し、各々の偏光状態はＳ_１軸、Ｓ_２軸、Ｓ_３軸の図４（ａ）に示す位置に配置される。すなわち、例えば偏光｜Ｈ＞、偏光｜Ｖ＞を例にとると、図４（ａ）に示すように、｜Ｈ＞はＳ_３軸の正側、偏光｜Ｖ＞はＳ_３軸の負側のように配置される。

より具体的には、ジョーンズベクトルによる方法では、任意の完全偏光状態が２次元の複素ベクトルで記述される。すなわち、任意の偏光状態のジョーンズベクトルは以下の式（１）で表現される。

ここで、

は任意の偏光状態を表し、θ、φは図４（ａ）に示された角度、ｉは虚数を表している。

ここで、図４（ｂ）に示す偏光状態の基底を表す水平偏光と垂直偏光のジョーンズベクトルは、

と表すことができる。また、角度θはポアンカレ球において、偏光の水平成分と垂直成分の比を表すパラメータとなり、角度φは偏光の水平成分と垂直成分の相対位相を表すパラメータとなっている。

図４（ｂ）は、各基底偏光の角度θ、φの値、および上記｜Ｈ＞、｜Ｖ＞を用いたジョーンズベクトルを示している。すなわち、Ｄ偏光、Ａ偏光、Ｒ偏光、Ｌ偏光の各々のジョーンズベクトル｜Ｄ＞、｜Ａ＞、｜Ｒ＞、｜Ｌ＞は、ジョーンズべクトル｜Ｈ＞、｜Ｖ＞を用いて表すことができる。

次に、ストークスパラメータについてより詳細に説明する。一般に任意の光の偏光状態は、４つのストークスパラメータＳ_０、Ｓ_１、Ｓ_３、Ｓ_４を用いて表現することができる。
特に光強度が常に一定である場合、Ｓ_０の値は基準の光強度の大きさとして定まる。この値を１とおくことで任意の偏光状態は、残り３つのストークスパラメータで表現できる。
この３つのストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は、上述したようにポアンカレ球上の３軸における方向成分を表すので、その３軸と位相関係より、θとφを用いて以下の式（２）〜（４）で表される。

次に、密度行列と信頼度（Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）について説明する。任意の偏光状態のジョーンズベクトルが式（１）で表されるとき、その偏光状態の理論的な密度行列ρ_ｔｈは、以下に示す式（５）で求めることができる。

式（５）の表記は、式（２）〜（４）のストークスパラメータによる関係式を用いて、以下に示す式（６）のように書き換えることができる。この式（６）の値が実験的に求めることができる密度行列ρ_ｅｘｐである。

さらに、本実施の形態では、任意の偏光状態の理論値と実験値の偏光状態とがどの程度類似しているかを示す指標の１つとして信頼度（Ｆｉｄｅｌｉｔｙ）Ｆを用いている。信頼度Ｆとは、

で定義され、最小値０、最大値１の範囲の値をとる。理論値と実験値とが完全に一致している場合にＦ＝１となり、偏光状態が完全に直交する場合にＦ＝０となる。

式（１）および式（６）を上記信頼度Ｆの定義式に当てはめると、以下に示す式（７）が得られる。この式（７）により、記録時に設定したポアンカレ球上のパラメータおよび、読み出し時に測定したストークスパラメータから信頼度Ｆを求めることができる。

次に、図２を参照して、本実施の形態に係る、干渉強度を用いたホログラムへの偏光状態の記録方法について説明する。本実施の形態に係るホログラフィック記録では、まず記録したい任意の偏光状態の光を準備し、図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示す３つの記録を行う。なお、本実施の形態では、参照光Ｌｒｆを常に水平偏光｜Ｈ＞としている。また、

は、物体光Ｌｏｂの偏光状態、すなわち偏光情報設定部５６で設定された記録すべき任意の偏光状態を表している。

図２（ａ）に示すように、まず物体光Ｌｏｂに記録波長板２４を挿入しない状態で、物体光Ｌｏｂと参照光Ｌｒｆとを記録媒体１８の第１の記録領域（図示省略）で干渉させ、記録する。本記録により、ストークスパラメータＳ_３の成分が記録される。

次に、図２（ｂ）に示すように、記録波長板２４として１／２波長板６０を選択して物体光Ｌｏｂの光路に配置し、物体光Ｌｏｂと参照光Ｌｒｆとを記録媒体１８の第２の記録領域（図示省略）で干渉させ、記録する。本記録により、ストークスパラメータＳ_１の成分が記録される。図２（ｂ）に示す

は、１／２波長板６０を通過した後の物体光Ｌｏｂの偏光状態を示している。

次に、図２（ｃ）に示すように、記録波長板２４として１／４波長板６２を選択して物体光Ｌｏｂの光路に配置し、物体光Ｌｏｂと参照光Ｌｒｆとを記録媒体１８の第３の記録領域（図示省略）で干渉させ、記録する。本記録により、ストークスパラメータＳ_２の成分が記録される。図２（ｃ）に示す

は、１／４波長板６２を通過した後の物体光Ｌｏｂの偏光状態を示している。

ここで、上記記録方法の原理について説明する。記録媒体１８（表面または内部）における干渉強度Ｉは、

に比例するので、その比例定数をＣとして、

と表記することができる。最大の干渉強度が得られるのは、両者の偏光状態が一致したときであるから、物体光の偏光状態が参照光と同じ水平偏光状態のときである。この最大の干渉強度の大きさを、

と表記する。

以上から、水平偏光状態の参照光Ｌｒｆと、任意の偏光状態

の物体光Ｌｏｂを干渉させて記録したときの記録媒体１８内での干渉強度は以下に示す式（８）で表される。本記録が、上記第１の記録領域における記録である。

次に、図２（ｂ）に示すように、任意の偏光状態の物体光Ｌｏｂに対して１／２波長板６０を挿入し、偏光状態の基底を、｜Ｈ＞から（｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞）／２、｜Ｖ＞から
（｜Ｈ＞−｜Ｖ＞）／２のように変換する。すると、任意の偏光状態

は以下の式（９）に示す偏光状態に変換される。

よって、参照光Ｌｒｆと物体光

とを干渉させて記録したときの記録媒体１８での干渉強度は、以下に示す式（１０）で表される。本記録が、上記第２の記録領域における記録である。

同様に任意の偏光状態

に対して、図２（ｃ）に示すように１／４波長板６２を挿入し、偏光状態の基底を｜Ｈ＞から（｜Ｈ＞＋ｉ｜Ｖ＞）／２、｜Ｖ＞から（ｉ｜Ｈ＞＋｜Ｖ＞）／２のように変換する。このとき、任意の偏光状態は以下に示す式（１１）で表される状態に変換される。

よって参照光｜Ｈ＞と物体光

とを干渉させて記録したときの記録媒体１８内での干渉強度は、以下に示す式（１２）で表わされる。本記録が上記第３の記録領域における記録である。

以上の手順によって、記録媒体１８の図示を省略する第１の記録領域に干渉強度Ｉで記録され、第２の記録領域に干渉強度Ｉ_ＨＷＰで記録され、第３の記録領域に干渉強度Ｉ_ＱＷＰで記録される。以下、「第１の記録領域」、「第２の記録領域」、「第３の記録領域」を総称する場合は単に「記録領域」という。

上記記録により形成されたホログラムによる最大の回折効率の値η_ｍａｘは、後述するようにホログラフィック記録時の最大の干渉強度Ｉ_ｍａｘと比例関係をもつので、η_ｍａｘ∝Ｉ_ｍａｘが成り立っている。この場合、３箇所の記録領域の各々における読み出し時の回折効率η、η_ＨＷＰ、η_ＱＷＰは以下に示す式（１３）〜（１５）で表される。

式（１３）〜（１５）と式（２）〜（４）を組み合わせると以下に示す式（１６）〜（１８）が得られる。

以上の検討から、予め最大の回折効率η_ｍａｘを測定しておき、ホログラフィック記録時において記録媒体１８上の任意の３箇所に、ストークスパラメータを表す３つの回折効率η、η_ＨＷＰ、η_ＱＷＰを記録する。一方、ホログラフィック読み出し時には、記録された回折効率の比率からストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３の値を求めることにより、記録された任意の物体光Ｌｏｂの偏光状態を特定することができる。

次に、ストークスパラメータの規格化について説明する。式（２）〜（４）より、ストークスパラメータの理論値Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３は、一般に条件式

を満たす。式（７）で示される信頼度Ｆは、この条件式を前提として定義されており、従って最大値１を超えることはない。

一方、実験的に測定した回折効率の比率の値を、式（１６）〜（１８）に代入して求めた実験的なストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３の値は、回折に寄与しないホログラム表面での反射などの影響から、この条件式を満たさない場合も想定される。その場合は、信頼度Ｆの値を正確に計算することができない。そこで、反射などの影響からはストークスパラメータの比率そのものはほとんど影響を受けないという点を勘案し、測定したストークスパラメータの値Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を以下に示す式（１９）の条件式で規格化する。



以下の説明では、この規格化されたストークスパラメータＳ_１ ^ｎｏｒｍ、Ｓ_２ ^ｎｏｒｍ、Ｓ_３ ^ｎｏｒｍを式（７）に代入して信頼度Ｆの値を計算する。なお、本実施の形態に係る信頼度Ｆは、本実施の形態に係るホログラフィック記録、読み出しの精度を確認するための指標であり、必要に応じ算出すればよいものである。

［実施例］
次に、本実施の形態に係るホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法の実施例について説明する。本実施例では、図１に示すホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置を用いて、情報信号である特定の偏光状態を実際に書込み、読み出した結果について説明する。

まず、図１を参照して、ホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置の設定条件について説明する。
＜装置設定＞
（１）レーザ光源１６
レーザ光源１６として、波長５３２ｎｍのＬＤ（Ｌａｓｅｒ Ｄｉｏｄｅ）励起の個体ＣＷレーザを用いた。
（２）ＳＦＳ３０
レーザ光源１６から出力されたレーザ光Ｌの光ビームを、空間的に均一なガウシアンビームにするようにＳＦＳ３０を設定した。
（３）偏光子３２、１／２波長板３４
１／２波長板３４の前の絞りｉｒでビーム径を設定した。
ＰＢＳ２６から出射される反射光と透過光の強度が等しくなるように、偏光子３２および１／２波長板３４でレーザ光Ｌの光ビームの強度と偏光状態を調整した。
（４）参照光Ｌｒｆ、物体光Ｌｏｂ
ＰＢＳ２６からの透過光をホログラフィック記録における参照光Ｌｒｆ、反射光をホログラフィック記録における物体光Ｌｏｂとした。
参照光Ｌｒｆ、物体光Ｌｏｂのレーザ強度は各々３０ｍＷ、ビーム径は各々４ｍｍとした。また、参照光Ｌｒｆと物体光Ｌｏｂの交差角αは２０度とした。
（５）記録媒体１８（ホログラム用結晶）
記録媒体１８として、縦１０ｍｍ、横１０ｍｍ、高さ１５ｍｍの微量の鉄をドープしたニオブ酸リチウムを用いた。

ホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置による記録、読み出しは以下のように行った。
＜記録＞
（１）参照光Ｌｒｆの偏光状態は常に水平偏光状態｜Ｈ＞になるように設定した。物体光Ｌｏｂの偏光状態は、偏光情報設定部５６（１／２波長板２０、１／４波長板２２）によって設定した。この物体光Ｌｏｂの偏光状態が、記録すべき情報としての偏光状態である。本実施例では、一例として、図４（ｂ）に示す６つの基底偏光と、所定の偏光状態の楕円偏光の記録を行った。記録する楕円偏光は、一例として図４（ａ）に示す角度θが１１８度、角度φが４２度となる楕円偏光に相当する偏光状態とした。
（２）図２に示すように、記録媒体１８の上部から５ｍｍ間隔で３箇所の記録領域に、干渉強度Ｉ（式（８）参照）、Ｉ_ＨＷＰ（式（１０）参照）、Ｉ_ＱＷＰ（式（１２）参照）の記録を行った。
（３）参照光Ｌｒｆ、物体光Ｌｏｂの記録媒体１８対する入射角は各々１０度で等しくなるように調整した。
（４）物体光Ｌｏｂの光路になにも挿入しない状態で、記録媒体１８の第１の記録領域に図２（ａ）に示す記録を行い、１／２波長板６０を挿入した状態で、記録媒体１８の第２の記録領域に図２（ｂ）に示す記録を行い、１／４波長板６２を挿入した状態で、記録媒体１８の第３の記録領域に図２（ｃ）に示す記録を行った。
＜読み出し＞
（１）物体光Ｌｏｂを遮光部４４で遮光し、記録媒体１８に入射しないようにした。
（２）読み出し光Ｌｒｄの偏光状態は参照光Ｌｒｆと同じ水平偏光状態｜Ｈ＞とし、参照光Ｌｒｆの入射方向と同じ方向から記録媒体１８に入射させた。
（３）読み出し光Ｌｒｄの光パワーは、ＮＤフィルタを用いて１ｍＷに調整した。
（４）読み出しは、読み出し光Ｌｒｄが記録領域に照射されることによって発生した回折光Ｌｄｆを、デテクタ４６で受光して行う。各偏光状態の記録に対し、読み出し時に回折効率ηの測定を１０回ずつ行い、各偏光状態における回折効率ηの平均値およびエラー（誤差）を求めた。
（５）この回折効率ηの平均値およびエラーより、ストークスパラメータＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３と信頼度Ｆの平均値およびエラー（誤差）を求めた。

＜読み出し結果＞
上記のように記録した７つの偏光状態についての読み出し結果を図３に示す。図３に示す「Ｅｌｌｉｐｓｅ」は、記録した偏光状態のうちの楕円偏光の読み出し結果を示している。図３における（Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３）^Ｔは、各々の記録偏光状態に対して行った図２に示す３つの記録の回折効率を、式（１６）〜（１８）に代入して求めている。また、算出したストークスパラメータを式（１９）により規格化した後式（７）に代入して、図３に示す信頼度Ｆを計算した。

図３に示すように、記録した各偏光状態を読み出した結果は理論値とよく一致している。例えば、Ｈ偏光のストークスパラメータの理論値は、図４（ｂ）と式（２）〜（４）から（０、０、１）^Ｔであるが、これに対し読み出し値のエラーを除いた値は（−０．１７９、−０．１２２、０．９７６）^Ｔとなっており、両者は極めて近い値となっている。その他の記録偏光状態についても同様である。また、各偏光状態のストークスパラメータの読み出し値に対する信頼度Ｆもきわめて１に近く、各読み出し値の信頼度が高いこともわかる。

ここで、図５を参照し、記録すべき偏光状態の設定方法の他の形態について説明する。
上記実施の形態では、１／２波長板２０および１／４波長板２２を含む偏光情報設定部５６により記録すべき偏光状態を逐一設定する形態を例示して説明した。しかしながら、これに限られず他の偏光状態設定部、例えばＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ：空間光変調器）を用いた形態としてもよい。ＳＬＭは画素ごとに偏光状態を設定することができる液晶デバイスである。図５には、４×４＝１６の画素の各々について異なる偏光状態が設定されたＳＬＭ４８の例を示している。むろん、画素の数は１６に限られず、記録すべき偏光状態に応じてさらに多くの画素数としてよい。このＳＬＭ４８を、図１に示す偏光情報設定部５６と差し替えて配置することにより、より多くの偏光状態をより短時間で記録することができる。

次に、図６を参照して、回折効率比ｋ_ηについて説明する。図６は、参照光Ｌｒｆの偏光状態を水平偏光Ｈとし、記録した偏光状態の読み出し時の回折効率ηの、記録時の記録（照射）時間に対する依存性を示している。図６において、η_Ｈは水平偏光Ｈに対する時間依存、η_Ｄは＋４５度偏光Ｄに対する時間依存、η_Ｒは右回り円偏光Ｒに対する時間依存を各々示している。η_Ｈ、η_Ｄ、η_Ｒの各々は、図２における物体光Ｌｏｂの偏光状態を各々Ｈ偏光、Ｄ偏光、Ｒ偏光として記録した場合の回折効率ηに相当する。図６に示すように、各偏光に対する回折効率ηは時間に対して漸増する傾向を示す。

ここで、上述したように、本実施の形態では、記録媒体１８において干渉強度Ｉと回折効率ηに比例関係があり、η_ｍａｘ∝Ｉ_ｍａｘという関係が成立しているという条件のもとで式（１３）〜（１５）を導出した。まずこの点について述べる。式（１３）〜（１５）では、回折効率η_ＨＷＰ、η_ＱＷＰの各々の最大値は、以下で説明するように、回折効率ηの最大値の１／２であるとしている。この１／２を、本実施の形態では回折効率比ｋ_ηという。

すなわち、比例関係η_ｍａｘ∝Ｉ_ｍａｘが成立する場合、式（１３）〜（１５）にθ＝０代入すると、各々の予想される回折効率ηは以下に示す式（２０）〜（２２）にように表される。

ここで、図６に実線、および破線で示すフィッティング曲線は、回折効率の時間変化を表す式が、τを時定数として以下に示す式（２３）で表されることを用いている。

図６に示すフィッティング曲線から記録時間が２０秒における回折効率比ｋ_ηを求めた結果、η_Ｄ／η_Ｈ＝０．４６±０．２８、η_Ｒ／η_Ｈ＝０．４９±０．１６となった。この値は、式（２０）〜（２２）から予想されるη_Ｄ／η_Ｈ＝η_Ｒ／η_Ｈ＝１／２という値を、エラーの範囲内で満たしている。以上から、ニオブ酸リチウム結晶（記録媒体）に対して、参照光、物体光のレーザ強度が３０ｍＷ、記録時間（照射時間）が２０秒という条件のもとでホログラフィック記録をおこなうと、η_ｍａｘ∝Ｉ_ｍａｘという関係が成立しているとみなすことができる。

換言すると、図６のように回折効率ηの時間変化を予め求めておけば、設定する記録時間に応じて回折効率比ｋ_ηを算出し、式（２０）〜（２２）に反映させればよい。あるいは、１／２とした回折効率比ｋ_ηに対して記録時間に応じた係数をさらに乗じて、式（２０）〜（２２）に反映させてもよい。さらに、所与のレーザ強度等の条件のもとで予め図６に相当する特性を測定しておけば、本実施の形態とは異なる条件でも一般的に比例関係η_ｍａｘ∝Ｉ_ｍａｘが成立するものとして取り扱うことができる。

以上詳述したように、本実施の形態に係るホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法によれば、偏光に応答しにくいホログラフィ感光材料を用いた場合でも任意の偏光状態を記録することが可能になるとともに、ホログラフィックメモリの記憶容量を大幅に拡大させることが可能になる。すなわち、ＨＤＳにおいて一般的なホログラム材料であるフォトリフラクティブ結晶においても干渉強度とホログラムの回折効率の関係を利用することで、任意の偏光情報の記録が可能となっている。任意の偏光状態という新たな自由度が一般的なホログラフィ感光材料へ記録できるようになったことで、ＨＤＳの記憶容量が飛躍的に拡大される。さらに、本実施の形態に係るホログラフィック記録装置、ホログラフィック読み出し装置、ホログラフィック記録方法、およびホログラフィック読み出し方法は、原理的に記録光の波長や記録強度、ホログラム材料の種類に依存しない汎用的な装置、方法となっている。

なお、上記実施の形態では、ニオブ酸リチウム結晶の３つの記録領域に対する記録を行った形態を例示して説明したが、これに限られず、体積ホログラムの角度における多重性を利用し、交差角αを一定の値のままにしてホログラム媒体を回転させ、角度多重の記録を行ってもよい。あるいは、参照光と物体光の交差角αを変えて角度多重の記録を行ってもよい。角度多重の記録行うことでさらに記憶容量を拡大することが可能である。

また、上記実施の形態では、理解を容易にするために、η_ｍａｘ∝Ｉ_ｍａｘという関係の成立を前提とした形態を例示して説明したが、これに限られず、ホログラムの回折効率と、参照光、物体光の干渉強度との比率を予め求めておけば、該条件の成立いかんにかかわらず、任意の偏光状態を記録することが可能である。

また、上記実施の形態では、記録すべき偏光状態を示すストークスパラメータとしてＳ_１、Ｓ_２、Ｓ_３を用いる形態を例示して説明したが、これに限られない。例えば、ポアンカレ球上における記録すべき偏光状態が限定されている場合（例えば、直線偏光のみとする場合、すなわちφ＝０の場合）は、Ｓ_１、Ｓ_３の２つのストークスパラメータを用いる形態としてもよい。

また、上記実施の形態では、ホログラフィの記録時や読み出し時の光強度をほぼ一定とみなして、すなわち、ストークスパラメータＳ_０についてＳ_０＝１とみなして記録、読み出しを行う形態を例示して説明したが、これに限られず、光強度変化を考慮しストークスパラメータＳ_０を含めた合計４箇所の記録領域で偏光状態の記録を行う形態としてもよい。このことにより、偏光記録の信頼度がさらに向上する。

なお、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施の形態に多様な変更または改良を加えることができ、当該変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれる。

１０ ホログラフィック記録読み出し装置
１２ ホログラフィック記録装置
１４ ホログラフィック読み出し装置
１６ レーザ光源
１８ 記録媒体
２０ １／２波長板
２２ １／４波長板
２４ 記録波長板
２６ ＰＢＳ
２８、３０ ミラー
３０ ＳＦＳ
３２ 偏光子
３４ １／２波長板
３６、３８、４０、４２ ミラー
４４ 遮光部
４６ デテクタ
４８ ＳＬＭ
５０ 光源部
５２ 記録部
５４ 読み出し部
５６ 偏光情報設定部
６０ １／２波長板
６２ １／４波長板
Ｌ レーザ光
Ｌｄｆ 回折光
Ｌｏｂ 物体光
Ｌｒｆ 参照光
Ｌｒｄ 読み出し光
ｉｒ 絞り
α 交差角

Claims (11)

1. レーザ光を発生する光源部と、
   前記レーザ光を２分岐させ、一方のレーザ光を所定の偏光状態を有する参照光とするとともに、他方のレーザ光を記録媒体に記録すべき偏光状態を有する物体光とする光学系と、
   前記物体光を、各々ポアンカレ球上の３軸の成分であり前記成分により偏光状態を表示する３つのストークスパラメータから予め選択された複数の選択ストークスパラメータの各々の成分を抽出するための複数の偏光状態を有する複数の記録光に変換する光学素子と、
   前記複数の記録光の各々と前記参照光とを前記記録媒体の異なる複数の領域で干渉させ、前記記録すべき偏光状態を前記記録媒体に記録する記録手段と、を含む
   ホログラフィック記録装置。
2. 前記選択ストークスパラメータの数が２であり、
   前記記録すべき偏光状態が直線偏光である
   請求項１に記載のホログラフィック記録装置。
3. 前記選択ストークスパラメータの数が３であり、
   前記光学素子が１／２波長板および１／４波長板であり、
   前記記録手段は、前記参照光と前記物体光である第１の記録光とを前記記録媒体の第１の領域において干渉させ、前記参照光と前記１／２波長板を介した前記物体光である第２の記録光とを前記記録媒体の第２の領域において干渉させ、前記参照光と前記１／４波長板を介した前記物体光である第３の記録光とを前記記録媒体の第３の領域において干渉させ、前記記録すべき偏光状態を前記記録媒体に記録する
   請求項１に記載のホログラフィック記録装置。
4. 前記記録すべき偏光状態が基底偏光である
   請求項３に記載のホログラフィック記録装置。
5. 前記光学素子は、前記ポアンカレ球上において前記物体光の光強度を示すストークスパラメータをさらに書込光に変換し、
   前記記録手段は、前記光強度を示すストークスパラメータに対応する書込光と前記参照光とを前記複数の領域と異なる領域でさらに干渉させ、前記記録すべき偏光状態を前記記録媒体に記録する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のホログラフィック記録装置。
6. 前記記録媒体が電気光学結晶であり、フォトリフラクティブ効果によって前記記録すべき偏光状態を前記記録媒体に記録する
   請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のホログラフィック記録装置。
7. 前記所定の偏光状態が予め定められた方向に平行な水平偏光、または前記水平偏光と直交する垂直偏光である
   請求項１から請求項６いずれか１項に記載のホログラフィック記録装置。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のホログラフィック記録装置によって前記記録媒体に記録された偏光状態を読み出す読み出し装置であって、
   レーザ光を発生する光源部と、
   前記レーザ光を前記所定の偏光状態を有する読み出し光とする光学系と、
   光の強度を測定する光強度測定部と、
   前記読み出し光を前記複数の領域の各々に照射して発生させた回折光の強度を前記光強度測定部で測定して複数の回折光強度を取得し、前記複数の回折光強度と前記回折光強度の最大値との比である複数の回折効率を算出し、前記複数の回折効率の各々を前記複数の選択ストークスパラメータに変換することにより前記記録媒体に記録された偏光状態を特定して読み出す読み出し手段と、を含む
   ホログラフィック読み出し装置。
9. 前記読み出し手段は、前記複数の回折光強度と前記回折光強度の最大値との比に予め定められた係数を乗じて前記複数の回折効率を算出する
   請求項８に記載のホログラフィック読み出し装置。
10. レーザ光を発生する光源部と、前記レーザ光を２分岐させ、一方のレーザ光を所定の偏光状態を有する参照光とするとともに、他方のレーザ光を記録媒体に記録すべき偏光状態を有する物体光とする光学系と、前記物体光を、各々ポアンカレ球上の３軸の成分であり前記成分により偏光状態を表示する３つのストークスパラメータから予め選択された複数の選択ストークスパラメータの各々の成分を抽出するための複数の偏光状態を有する複数の記録光に変換する光学素子と、を含むホログラフィック記録装置によるホログラフィック記録方法であって、
    前記複数の記録光の各々と前記参照光とを前記記録媒体の異なる複数の領域で干渉させ、前記記録すべき偏光状態を前記記録媒体に記録する
    ホログラフィック記録方法。
11. 請求項１０に記載のホログラフィック記録方法によって前記記録媒体に記録された偏光状態を読み出すホログラフィック読み出し方法であって、
    レーザ光を発生する光源部と、前記レーザ光を前記所定の偏光状態を有する読み出し光とする光学系と、光の強度を測定する光強度測定部と、を含むホログラフィック読み出し装置によって、
    前記読み出し光を前記複数の領域の各々に照射して発生させた回折光の強度を前記光強度測定部で測定して複数の回折光強度を取得し、前記複数の回折光強度と前記回折光強度の最大値との比である複数の回折効率を算出し、前記複数の回折効率の各々を前記複数の選択ストークスパラメータに変換することにより前記記録媒体に記録された偏光状態を特定して読み出す
    ホログラフィック読み出し方法。