JP3209493B2

JP3209493B2 - ホログラム記録用二次元符号化方法

Info

Publication number: JP3209493B2
Application number: JP00918196A
Authority: JP
Inventors: 生剛八木; 欽之今井; 裕基山崎
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1996-01-23
Filing date: 1996-01-23
Publication date: 2001-09-17
Anticipated expiration: 2016-01-23
Also published as: JPH09197947A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、可干渉な二つ以上
の光波を干渉させて記録するホログラフィ技術におけ
る、光の干渉縞を記録媒体中に記録する実時間ホログラ
フィー技術に関し、特に、記録する情報として二次元空
間光変調器の透過率変調パターンを記録する際に、効率
よくデジタルデータを画像に変換し記録する方法で、記
録媒体としてフォトリフラクティブ結晶を用いた体積多
重ホログラフィ技術に適用して有効な技術に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】レーザー等の光源を用い、物体による散
乱光（物体光、或いは信号光）と同じ光源からの非散乱
光（参照光、或いはポンプ光）とを干渉させ、その干渉
稿を光記録可能な写真乾板等の記憶媒体に記録し、ま
た、再生時には、記録された干渉稿に参照光のみを照射
し、物体による散乱光を再現する技術をホログラフィー
と称する。ここで、記憶媒体の奥行きが記録光の波長に
比べて十分長い時、同一媒体内に複数のホログラムを記
録することが可能である。この技術を体積多重ホログラ
フィーと称する。フォトリフラクティブ材料と呼ばれ
る、ある種の誘電体は、光を照射することで屈折率を変
化させるので、体積多重ホログラフィ用の記録媒体とし
て用いられている。

【０００３】一方、デジタル情報の記録においては、物
体光を液晶パネル等の二次元空間光変調器を通過させる
ことによって、物体光に強度分布もしくは位相分布を持
たせることによって行われる。二次元空間光変調器通過
後の物体光は、レンズを用いて集光され、記録媒体によ
って照射される。

【０００４】この時、二次元空間光変調器、レンズ、及
び記録媒体の配置によって大きく実像記録タイプとフー
リエ像記録タイプとに分けられるが、フーリエ像記録タ
イプは、記録媒体内の傷や光照射の位置ずれに対する許
容度が高く、メモリシステムに適していると考えられて
いる。

【０００５】実像記録タイプにせよフーリエ像記録タイ
プにせよ、情報の再生には参照光を記録媒体に照射し、
その回折光がＣＣＤ（電荷結合素子）等の二次元光検出
器に入るようにしなければならず、光検出器上で、記録
時の二次元空間光変調器のパターンの実像が結像され
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、前記従来
の技術を検討した結果、以下の問題点を見いだした。

【０００７】記録媒体や光学系の欠陥により、回折像内
での回折強度ムラ（ページ内ムラ）や、多重ホログラム
記録時の各ホログラム間での回折効率ムラ（ページ間ム
ラ）が存在することがある。即ち、ある回折光強度レベ
ルにスライスレベルを設定し、それよりも回折光強度が
強いか否かで“０”，“１”を決定すると、ページ内ム
ラ、ページ間ムラにより信号を誤読するという問題があ
った。

【０００８】一方、実際のメモリシステムに常に完璧を
望むのは非現実的であるから、前記のムラがあっても信
号を誤読しないように、差分コーディングという方法が
提唱されている（John F.Heanue,Matthew C.Bashaw,Lam
bertus Hesselink:SCIENCE Vol.265 p.746(1994)）。こ
れは、隣り合うピクセルの回折光強度を引き算し、結果
がマイナスであれば“０”、プラスであれば“１”、に
対応付けるもので、２ピクセルで１ビットを表現する方
法である。当然、記録時の二次元空間光変調器のパター
ンは（透過，非透過）か、（非透過，透過）の組の組み
合わせとなり、例えば、図６に示すようなパターンとな
る。

【０００９】図６の（ａ）はビットの最小単位を示し、
白抜きピクセルを“透過”、黒抜きピクセル（図６の斜
線を施した部分）を“非透過”とする。上下にならんだ
ピクセルで上が“非透過”、下が“透過”の時を“０”
とし、逆の並びのときに“１”とする。実際に、ＣＣＤ
（電荷結合素子）等の受光器で画像を処理するときに、
二次元空間光変調器の各ピクセルに対応する位置のＣＣ
Ｄ上のピクセルの受光量を、上下のピクセル間で引き算
し、その正負で“０”，“１”を決定するので差分コー
ドと称する。（ｃ）はこれらの上下対のピクセルを並べ
て、（ｂ）で示したビット列を符号化したもので、左上
方から右に進んで行って、右端に達した時点で左端に移
動し、一段（２ピクセル）下がって、再び右に進む方式
で構成している。

【００１０】そして、記録したホログラムが忠実に再生
されるためには、記録時の参照光の強度は、空間分布を
持つ物体光強度に等しいか、それ以上でなければならな
い。また、体積多重ホログラムでは、第Ｎページを記録
するのにそれ以前に記録した第１から第（Ｎ−１）ペー
ジを少しづつ消してしまうので、できるだけ光量を少な
くする必要がある。従って、フリーエ像記録タイプのホ
ログラフィでは、通常、二次元空間光変調器のパターン
のＤＣ成分（フーリエ像の中心部分）が最も光強度が強
いので、参照光強度を物体光のフーリエ像の中心部分の
強さに合わせておく必要がある。

【００１１】本発明の目的は、前述したページ内ムラ、
ページ間ムラが存在する体積多重ホログラムにおいて、
ムラによる信号読み取りエラーを除去し、かつ、多重記
録時の既記録ページの消去を最小限に抑えることが可能
な技術を提供することにある。

【００１２】本発明の前記ならびにその他の目的と新規
な特徴は、本明細書の記述及び添付図面によって明らか
にする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本願において開示される
発明のうち代表的なものの概要を簡単に説明すると、以
下のとおりである。

【００１４】最低一つの光波を二次元空間光変調器を通
過させることによって記録する情報を決定するホログラ
ム記録用二次元符号化方法において、二次元空間光変調
器の隣接する４個もしくは４の倍数のピクセルを一組と
し、各組を構成するピクセル数の４分の１が光を透過
し、その４分の３は光を遮るようにしたものである。

【００１５】本発明による二次元空間光変調器のピクセ
ルの最小パターンは、図１の（ａ）に示すように、４つ
の部分からなり、そのうちただ一つの部分のみ光を透過
し、他の３つの部分は光を遮蔽する。どの部分が光を透
過するかの場合分けは４通りあり、即ち、最小パターン
は２ビットに相当する。個々の部分は必ずしも空間光変
調器の一つのピクセルである必要はなく、複数のピクセ
ルの集合であっても良い。どの部分が光を透過するかに
よって２ビットを表現するが、図１中のビット列は一列
であり、他の２ビット表現も可能である。図１におい
て、白抜きピクセルを“透過”、黒抜きピクセル（図１
の斜線を施した部分）を“非透過”としている。

【００１６】図１の（ｂ）のようなビット列を記録した
い場合、二次元空間光変調器上では、例えば図１の
（ｃ）のような配置をとる。左上方から右に読み進み、
右端に達した時点で左端に移動し、一段（２ピクセル）
下がって、再び右に読み進む。二次元空間光変調器を透
過した光は、レンズで集光され、参照光と共に、記録媒
体中で干渉縞をつくり、それが記録される。

【００１７】前記手段によれば、ページ内ムラがピクセ
ルの最小パターンよりも大まか（空間周波数が小さい）
であるとき、４つの部分の中で最大の回折光強度を見出
すことにページ内ムラが障害とはならず、ページ内ムラ
とページ間ムラによる信号読み取りエラーを除去するこ
とができる。これは、差分コード法と同じである。ま
た、４つの部分で２ビットの容量という情報密度も差分
コード法（２つの部分で１ビット）と同じである。

【００１８】一方、透過する光量が差分コード法の半分
であることから、二次元空間変調器のパターンのＤＣ成
分の強度が差分コード法の半分となり、従って、参照光
強度が半分に抑えられ、多重記録時の既記録ページの消
去を差分コード法の半分に抑えることができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明について、その実施
形態（実施例）とともに図面を参照して詳細に説明す
る。

【００２０】図２は本発明のホログラム記録用二次元符
号化方法を実施する装置の実施形態（実施例）の概略構
成を示す模式図である。図２において、１は光であり、
例えば、アルゴンイオンレーザの５１４．５ｎｍの波長
の光を用いる。２，５はシャッター、３，１３は半波長
板、４は偏光ビームスプリッタ、６，１５，１６はミラ
ー、７はビームエキスパンダ、８は液晶パネル、９は焦
点距離ｆのレンズ、１０は記録媒体、１１は焦点距離
ｆ’のレンズ、１２はＣＣＤ、１４，１９は偏光子、１
７は参照光、１８は物体光、２０は移動ステージ、２１
は回転ステージである。

【００２１】本実施形態（実施例）のホログラム記録用
二次元符号化方法の実施装置は、図１に示すように、記
録媒体１０としてフォトリフラクティブ材料であるスト
ロンチウムバリウムニオブ酸を用い、アルゴンイオンレ
ーザの５１４．５ｎｍの波長の光１を用いて、参照光１
７の入射方向を変えながら角度多重記録を行う。

【００２２】物体光１８は、１ピクセルの大きさが３１
２μｍ×３１２μｍの液晶パネル８を通過後、焦点距離
３００ｍｍの凸レンズ９によって記録媒体１０に集光さ
れる。ここで、液晶パネル８と凸レンズ９との距離は３
００ｍｍ、凸レンズ９と記録媒体１０との距離も３００
ｍｍとする。記録媒体１０と通過した光は、焦点距離３
０ｍｍのレンズ１１によって、ＣＣＤ１２上に液晶パネ
ルのパターンの実像となって結像される。また、記録媒
体１０と凸レンズ１１との距離は３０ｍｍ、凸レンズ１
１とＣＣＤ１２との距離も３０ｍｍとする。

【００２３】前記ＣＣＤ１２上の結像パターンは、実際
の液晶パネル８のパターンの１／１０の大きさになって
いる。なお、液晶パネル８による光の偏光面の回転を補
正するために、物体光の光路に偏光子１９を挿入し、光
の電場の振動方向は図２において紙面内に揃えられてい
る。

【００２４】一方、参照光１７は、偏光子１４によって
その光の電場の振動方向が紙面内に揃えられているが、
半波長板１３によって、強度を調整できるような構成を
とっている。また、移動ステージ２０と回転ステージ２
１の組み合わせによって、二つのミラー１５，１６で反
射させた後は、記録媒体１０へ入射位置は変えず、入射
角度のみ変更できるような構成をとっている。

【００２５】なお、半波長板３，１３は、物体光と参照
光の強度比を変更させるために用いたもので、半波長板
３と偏光ビームスプリッタ４及び半波長板１３と偏光子
１４の組み合わせと併せて、参照光の強度変更の余裕を
大きくとっている。参照光のビーム直径は約１.５ｍｍ
である。

【００２６】ビームエキスパンダ７は、直径１００ｍｍ
の平行ビームを生成し、液晶パネル８に物体光を導く。
照射された領域内で、約６２.４ｍｍ四方の正方形内の
２００×２００ピクセルを用いて二次元符号化を行う。
２００×２００ピクセルを２×２ピクセルからなる最小
単位にして１００×１００に分割し、全部で２００００
ビットに対応させる。液晶パネル８の各ピクセルは、
“透過”状態で約１％、“非透過”状態で約０.１％で
あり、また、約８０％が偏光子１９を透過する。

【００２７】結局、ビームエキスパンダ７からの光の
０.２％が記録媒体１０に照射される。この物体光の全
光量が１０μＷの時、参照光強度は約５０μＷで、記録
時間１秒にて、記録ホログラムが忠実に再生される。計
算上は、焦点位置においては２Ｗ／ｍｍ²の参照光強度
（３.５Ｗに相当）が必要なことになるが、記録媒体１
０が奥行きを持っているために、必ずしも焦点位置の強
度分布の最大値に参照光強度をあわせる必要はないこと
がわかる。ただし、同様の記録を差分コードで行うため
には、物体光の全光量が１０μＷ、参照光５０μＷにて
記録時間２秒が必要であり、本発明により全光照射量が
半減されたことが分かる。

【００２８】図３は本実施形態（実施例）の符号化方法
による記録・再生処理を示す流れ図であり、図４及び図
５は二種類の従来方式の符号化方法による記録・再生処
理を示す流れ図である。図３乃至図５において、（ａ）
は記録処理の場合であり、（ｂ）は再生処理の場合であ
る。全て、情報ビット列（Ｉ_h，｛Ｉ_h＝０ｏｒ１｝）を
記録する方法である。

【００２９】図４はピクセルの“明”，“暗”をビット
の“１”，“０”に対応させる方法であり、再生時に
は、あるスライスレベル（Ｖ）よりも回折光量が多いか
少ないかでビットの“１”，“０”を判断する。図５は
隣り合ったピクセルの比較をして、“明暗”，“暗明”
をビットの“１”，“０”に対応させる方法である。

【００３０】本実施形態（実施例）の符号化方法による
記録・再生処理は、図３に示すように、二次元空間光変
調器において、第ｉ行第ｊ列に存在するピクセルの状態
をＳ_ijと表現し、光を透過する状態をＳ_ij＝１光を透過
しない状態をＳ_ij＝０とする。レンズや記録媒体を透過
後、物体光もしくは回折光はＣＣＤ１２上に結像され
る。ＣＣＤ１２上で結像された二次元空間光変調器のピ
クセルは、必ずしもＣＣＤ１２のピクセルと同サイズで
ある必要はなく、ＣＣＤ１２のピクセルの整数倍が二次
元空間光変調器のピクセルサイズであればよい。

【００３１】再生の際には、二次元空間光変調器のピク
セル（Ｓ_ij）に対応するＣＣＤ１２のピクセルの組を一
単位（Ｃ_ij）として演算を行う。ここで、ＣＣＤ１２の
ピクセルijk番地｛１≦ｋ≦ｍ：ｋ，ｍは整数｝に二次
元空間光変調器のピクセル（Ｓ_ij）の実像が結像される
として、ijk番地のピクセルが受光する光の強度をＣ_i _jk
とするとき、

【００３２】

【数１】

【００３３】と定義する。二次元空間変調器は、Ｍ×Ｎ
ピクセルからなり、Ｍ，Ｎ共に偶数であるとする。

【００３４】なお、フローチャート中の“：＝”は、右
辺を左辺に代入することを示し、ｍａｘ（ａ₁，ａ₂，ａ
₃，ａ₄）は、変数｛ａ₁，ａ₂，ａ₃，ａ₄｝の中で最大の
値を持つ変数のアドレスを返す関数であるとする。

【００３５】図４に示した符号化方法では、ビットの
“０”“１”の判断が“Ｃ_ij＞Ｖ？”で行われ、回折効
率のページ間ムラやページ内ムラに対し脆弱である。図
５に示した差分コード法では“Ｃ_ij＞Ｃ_i+1,j？”で判
断しており、上記回折効率ムラに対して耐性がある。本
発明の方法図３では、“ｍａｘ（Ｃ_ij，Ｃ_i+1,f，Ｃ_i,j
₊₁，Ｃ_i+1,j+1）”が判断基準となり、図５の差分コー
ド法と同程度、回折効率ムラに対して耐性がある。さら
に本発明の場合、記録時の記録媒体への光入射量が図５
の半分ですむため、ノイズや多重記録時の回折効率減少
に関して差分コード法に対して優位にある。

【００３６】以上、本発明者によってなされた発明を、
前記実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は、
前記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸
脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論で
ある。

【００３７】

【発明の効果】本願において開示される発明のうち代表
的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば、以
下のとおりである。

【００３８】（１）４つの部分のうち一つの部分のみが
光を透過するという二次元符号化を用いることにより、
差分コード法に比べて、ページ間ムラ、ページ内ムラに
対する耐性を損なうことなく、記録に要する光量を半分
に抑えることができる。

【００３９】（２）多重記録時の既記録ページの消去効
果を半分に抑えることができ、回折効率がホログラムの
多重度の制限要因である場合には、多重度を増大させる
ことが可能になる。

【００４０】（３）物体光はコヒーレントであるため、
記録媒体内にミクロな歪や傷等の散乱要因が有る場合、
散乱光と非散乱光が干渉し、それが、記録画像にノイズ
として重畳されるが、ノイズ強度は物体光の全光量に比
例するのにたいし、信号は各部分の回折光強度であり、
差分コード法と同じであるから、信号対ノイズ比も二倍
に改善されることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による二次元空間光変調器のピクセルの
最小パターンを示す図である。

【図２】本発明のホログラム記録用二次元符号化方法を
実施する装置の実施形態（実施例）の概略構成を示す模
式図である。

【図３】本実施形態（実施例）の符号化方法を示す流れ
図である。

【図４】従来の符号化方法の一例を示す流れ図である。

【図５】従来の符号化方法の他の例を示す流れ図であ
る。

【図６】従来の差分コード法を説明するための図であ
る。

【符号の説明】

１…光、２，５…シャッター、３，１３…半波長板、４
…偏光ビームスプリッタ、６，１５，１６…ミラー、７
…ビームエキスパンダ、８…液晶パネル、９…焦点距離
ｆのレンズ、１０…記録媒体、１１…焦点距離ｆ’のレ
ンズ、１２…ＣＣＤ、１４，１９…偏光子、１７…参照
光、１８…物体光、２０…移動ステージ、２１…回転ス
テージ。

フロントページの続き (56)参考文献ＪｏｕｒｎａｌｏｆＯｐｔｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙｏｆＡｍｅｒｉｃａＡＶｏ．12 Ｎｏ．11（1995) ｐ．2432−ｐ．2439 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03H 1/00 - 1/34 G02B 5/32 G02F 1/03 G02F 1/35 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ) ＷＥＢＯＦＳＣＩＥＮＣＥ（丸善)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】最低一つの光波を二次元空間光変調器を
通過させることによって記録する情報を決定するホログ
ラム記録用二次元符号化方法において、二次元空間光変
調器の隣接する４個もしくは４の倍数のピクセルを一組
とし、各組を構成するピクセル数の４分の１が光を透過
し、その４分の３は光を遮るようにすることを特徴とす
るホログラム記録用二次元符号化方法。