JP3220054B2 - ホログラフィック記憶システムでデータを読み出す方法 - Google Patents

ホログラフィック記憶システムでデータを読み出す方法

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  • Holo Graphy (AREA)
  • Optical Recording Or Reproduction (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ホログラフィック
データ記憶システムに関する。
【0002】
【従来の技術】研究者の報告によれば、ホログラフィッ
ク記憶システムは、従来磁気ディスク記憶システムやコ
ンパクトディスク読み出し専用メモリ(CD−ROM)
に比べて大量のデータを比較的高速に検索することが可
能である。データは一般に感光性記憶媒体内に形成され
るホログラムとしてホログラフィックメモリに記憶され
る。ホログラムは、記憶媒体の屈折率、吸収率、偏光度
あるいは反射率の変化のパターンとしてデータを表現す
る。
【0003】ホログラムパターンは一般に、2つの光ビ
ーム(光線)を記憶媒体のある領域で交差させることに
よって形成される。これらの2つの光ビームは信号ビー
ム(信号光)および参照ビーム(参照光)と呼ばれる。
信号光は、液晶ディスプレイ(LCD(liquid crystal
display))スクリーンのような空間光変調器(SLM(s
patial light modulator))にレーザ光を透過させるこ
とによって形成されることが多い。LCDスクリーン
は、記憶させるべきディジタルデータの2次元描像に対
応する透明領域および不透明領域のパターンを含む。L
CDスクリーンから放射されるレーザ光信号は、レンズ
によって中継され、信号ビームを生成する。
【0004】ホログラムを記録する手段としてブラッグ
選択性を使用するシステムでは、参照ビームは、特定の
波長あるいは記憶媒体に対する入射角のような特定の特
性を有するコリメートされた光ビームである。このよう
なシステムでは、記録されるデータは、ホログラムパタ
ーンを記録するのに用いた参照ビームと同じ特性を有す
るコリメートされた光ビームで記憶媒体を照射すること
によって読み出す(再生する)ことができる。記憶媒体
は、再生参照ビームの屈折、吸収あるいは偏光を引き起
こすことにより、電荷結合素子(CCD(charged-coupl
ed device))のような光検出アレイ上に原データ表現の
投影像を生成する。
【0005】代表的なCCDアレイは、投影されたデー
タ像の明暗パターンを同時に検知することによって動作
する検知素子(センサ素子)のアレイを含む。ここで、
光の量はCCDアレイの各センサ素子によって同時に検
出されるが、検出されるそれぞれの光を表す電気信号は
行または列ごとに順次的にしか読み出すことができな
い。その後、これらの電気信号は、コンピュータシステ
ムのような処理システムによって使用される。ディジタ
ルホログラフィックメモリについて一般的には、D. Psa
ltis and F. Mok, "Holographic Memories", Scientifi
c American, pp.70-76(1995年11月)に記載され
ている。
【0006】ホログラフィック記憶媒体の共通の領域に
データの連続するページを記録することによって、ホロ
グラフィックメモリシステムにより比較的高い情報密度
が達成されている。このような相異なるページの記録
は、連続して記録されるページを区別するためにブラッ
グ選択性を使用することによって(例えば、参照ビーム
の入射角あるいは波長を変化させることによって)達成
することができる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】それにもかかわらず、
データの記憶と取り出しのためのホログラフィックメモ
リシステムの商用アプリケーションは現在のところ入手
可能ではない。記録されたデータページを記憶媒体から
読み出す際には、データページを記憶するために用いた
特定のシステム特性が、光検出器アレイ上にデータペー
ジ像を投影するためにほぼ正確に複製されなければなら
ない。複数のデータページを記録するためにブラッグ選
択性を用いるシステムでは、読み出しのための参照ビー
ムに要求される精度は、記憶媒体の厚さに依存する。媒
体が厚いほど高い精度が要求される。例えば、記憶媒体
の厚さが1cmで、参照ビームの角が0.001°すな
わち約2×10-5radだけずれた場合、投影されるデー
タページは実質的に消失してしまうこともある。
【0008】再生中に、熱膨張やその他の熱効果、およ
び、ホログラフィックシステム部品間の機械的関係の物
理的および光学的擾乱が、システム特性を、もともと記
録に使用されたものから変動させることがある。このよ
うな変動は、データページ間の読み出しの区別を妨害す
ることになる。従来のシステムは、このような変動に対
する有効な補償を設けていない。さらに、このような変
動は、記録システムから再生システムへというように、
ホログラフィックシステム間で記憶媒体を移動する際に
特に問題となる。
【0009】さらに、これまで報告されているシステム
は、光検出器アレイセンサ素子と、データページ像の投
影ピクセル像との間の不整合を補償する技術を提供して
いない。このような整合あるいはピクセル見当合わせが
なければ、データページの投影ピクセルは隣接するセン
サ素子と重なり合ってしまう。このような重なり合い
は、データの読み出しを非常に困難にする。
【0010】結果として、ホログラフィックシステムに
おいて、データページに高速かつ効率的にアクセスして
読み出す技術が必要とされている。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、ホログラフィ
ックメモリシステムにおける新規なフィードバックの使
用に基づいて、記憶されたデータページの情報へのアク
セスを容易にする。本発明のフィードバックは、データ
ページ像の投影を劣化させることになるシステム部品間
の関係における熱的、光学的あるいは機械的変動を補償
することができる。データページは、行列形式などに編
成される少なくとも1ビットのデータビットからなる1
次元あるいは2次元の符号化表現である。
【0012】本発明は、対応するデータページ内にある
いはデータページに近接して記憶媒体に格納されるペー
ジインジケータ(マーク)を使用する。ページインジケ
ータは、再生中に、投影されるページインジケータの画
質(例えば、強度あるいは鮮鋭度)が、検出器上の対応
する投影データページの画質を示すように格納される。
そして、再生中に、システムのパラメータが変動する一
方で、投影されるページインジケータの画質をモニタす
る。この変動するシステムパラメータは、記憶媒体にデ
ータページおよびページインジケータを記録し多重化す
るためにもともと使用されたパラメータである。例え
ば、ブラッグ選択性を用いてデータページおよびページ
インジケータを記録する場合、参照ビーム特性を制御す
るシステムパラメータ(例えば、入射角あるいは波長)
が変動する。その場合、投影されるページインジケータ
のモニタされる画質に基づいて、パラメータをさらに変
化させるか、あるいは、パラメータは変化させずに、検
出器に投影される対応するデータページからのデータを
読み出す。
【0013】ページインジケータおよびデータページの
像は、投影されるページインジケータの画質が対応する
投影されるデータページの画質を示すように記憶される
ため、投影されるページインジケータの画質の検出は、
データを読み出すのに十分な信号対ノイズ比でデータペ
ージ像が検出器に投影されるときを示すフィードバック
として使用することができる。さらに、このフィードバ
ックは投影像に基づいているため、検出器上のデータペ
ージの投影を劣化させることになるシステム部品や記憶
媒体の間の関係における熱的、光学的あるいは機械的変
動を効率的に補償することが可能となる。
【0014】投影されるページインジケータの十分な画
質を検出したことに基づいて、データページ像内にある
いはデータページに近接して投影されるページ番号のよ
うなページ識別情報を検出することができる。このよう
なページ識別情報は、記憶媒体が複数のデータページを
含むときに、投影されたデータページが所望のデータペ
ージかどうかを識別するためのフィードバックとなる。
投影されたページが所望のページではない場合、システ
ム特性をさらに変化させて、所望のデータページを投影
させる。
【0015】センサ素子とデータページ像におけるデー
タピクセルの間のピクセル見当合わせも、同様のフィー
ドバック技術を用いて達成される。例えば、少なくとも
1つの見当合わせキーパターンを、記憶媒体のデータペ
ージ内あるいはデータページに近接した既知の位置に記
録する。この見当合わせキーの検出は、ピクセル見当合
わせを達成するために必要な、投影されたデータページ
像に対するセンサ素子の回転および並進の移動量を決定
するために使用可能である。このような決定は、例え
ば、投影されるキーの位置および向きと、キーの投影の
予想される位置および向きの相対的な差に基づいて行う
ことができる。
【0016】ページ識別子をモニタし識別情報を読み出
す検出器と、データページを読み出すためのCCD形ア
レイセンサとに別々のものを使用することも可能である
が、これらのセンサに単一のCMOS能動ピクセルセン
サ(APS(active pixel sensor))を使用するのが有
用である。APSアレイは、低電力しか必要とせず、比
較的安価に製造でき、個別にあるいはグループ単位でセ
ンサを読み出すことが可能な個別アドレス可能センサ素
子を提供する。このようなアレイは、高価で個別にアド
レス可能でない従来のCCDアレイに比べて大幅な改良
を提供する。また、APSアレイは個別アドレス可能な
センサ素子を有するため、別々のセンサを使用せずに、
APSアレイの個別の領域が、ページインジケータ、ペ
ージ識別情報およびピクセル見当合わせキー像を検出す
るために使用可能である。このようなAPSによる検出
は、従来のCCDアレイの場合よりも一般に高速に実行
可能である。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明は、ホログラフィックメモ
リシステムにおける新規なフィードバックの使用に基づ
いて、記憶されたデータページの情報への高速なアクセ
スを容易にする。データページとは、行列形式などに編
成されるディジタルデータビットからなる1次元あるい
は2次元の符号化表現である。本発明のフィードバック
技術は、再生中に、検出器に投影されるデータページ像
の画質を低下させてビット誤り率(BER)を増大させ
ることになるシステム部品間の関係における熱的、光学
的あるいは機械的変動を補償する。
【0018】本発明は、対応するデータページ像内にあ
るいはデータページ像に近接してホログラフィック記憶
媒体に格納されるページインジケータ(マーク)を使用
する。ページインジケータは、再生中に、投影されるペ
ージインジケータの画質(例えば、強度あるいは鮮鋭
度)が、検出器上の対応する投影されるデータページの
画質を示すように格納される。そして、再生中に、投影
されるページインジケータの画質をモニタし、モニタさ
れた画質が、対応する投影データページが読み取りに十
分な信号対ノイズ比(SNR)で投影されていることを
示すときには、データページは検出器のセンサ素子によ
って読み取られる。
【0019】投影データページを読み取るのに要求され
る十分なSNRがあるかどうかの判定は、センサや記憶
媒体のタイプおよびその他のシステムの特性に依存し、
検出器、記憶媒体、光源あるいはその他のシステムの部
品のタイプごとのサンプル測定に基づく可能性がある。
さらに、投影データページに対して十分なSNRがある
ことを示す投影ページインジケータに対してモニタされ
る個々の画質もまた、センサ、記憶媒体のタイプおよび
その他のシステムの特性に基づく可能性があり、これに
は、例えば、投影像の強度あるいは輝度や鮮鋭度の尺度
が含まれる。このような画質尺度は、例えば、上記のサ
ンプル測定値やその他のサンプル測定値に基づく可能性
がある。また、投影像のSNRは、ホログラフィックメ
モリシステムの他の部品に対する記憶媒体の相対的整合
(アラインメント)と、多重化して像を記録するのに使
用されるシステム特性にも基づいている。
【0020】このように、本発明によれば再生中に、記
憶媒体にデータページおよびページインジケータを記録
(多重化)するのにもともと用いられたシステムパラメ
ータは変動し得る一方で、投影ページインジケータの画
質がモニタされる。対応するデータページが十分な画質
すなわちSNRで投影されていることを示す画質が検出
されるときには、対応するデータページ像は検出器によ
って読み取られ、対応する読み取りデータは処理のため
に他のシステム部品に提供される。このようにして、本
発明は、投影されるページインジケータの画質のモニタ
リングに基づいて、対応するデータページ像がそれに含
まれるデータを読み取るのに十分にセンサ素子に投影さ
れているときを示す。この技術は、投影されるデータペ
ージ像の画質を劣化させることになるシステム部品間に
おける熱的、光学的あるいは機械的変動を効率的に補償
する可能性を提供する。
【0021】本発明は、投影されるデータページ像に対
応するページインジケータ像の検出に基づいているた
め、データページを読み取るのにどのような方法を選択
するかということは本発明を実施するのに本質的ではな
い。以下、本発明を、図1のホログラフィックメモリシ
ステム1の実施例に関して説明する。このシステムは、
データページの記録および再生のために、参照ビーム波
長あるいは入射角を制御するパラメータのようなブラッ
グ選択性関連のパラメータを使用する。しかし、他のシ
ステムパラメータおよび他の記録技術も本発明に従って
使用可能である。例えば、ページ露光間で信号および参
照ビームに対して記録媒体をシフトさせるというような
他のブラッグ選択性技術を使用してデータページを記録
することも可能である。
【0022】また、データページおよびページインジケ
ータは、ページ露光間で信号および参照ビームに対して
記録媒体をシフトさせることによって生成されるホログ
ラムを部分的に重ね合わせる「シフトホログラフィ」と
呼ばれる同様の技術によって記録することも可能であ
る。シフトホログラフィは、"1995 OSA Conf. on Optic
al Computing", OSA Technical Digest Series, vol.1
0, pp.219-221 (1995)に詳細に記載されている。このよ
うなシステムでは、記録に用いられるシステムパラメー
タは、記憶媒体に入射する参照ビームの相対位置とする
ことが可能である。もう1つの記憶技術として、比較的
薄い(例えば、代表的には1mm以下)記録媒体の使用
を可能にし、シフトホログラフィより高いオーダーの記
憶密度を達成するものとして位相相関多重化ホログラフ
ィ(PCMH(Phase Correlation Multiplexing Hologr
aphy))があり、これは米国特許出願第08/435,
705号に記載されている。PCMHは、連続する記録
ページを区別するためのシステムパラメータとして、ブ
ラッグ角の代わりに、記憶媒体と光ビームの相対位置を
使用する。
【0023】システム1において、入力光ビーム5(一
般に、少なくとも部分的には平面波)は参照ビームとし
て使用される。この参照ビーム5は、鏡9で反射し、レ
ンズ10および25によりホログラフィック記憶媒体2
5上に4F結像する。記憶媒体は、例えば鉄をドープし
たLiNbO3などの、光情報記憶に適した材料組成と
することが可能である。レンズ10および20は4F配
置に置かれ、対応する参照ビーム像を媒体25上に生成
する。ビーム像の倍率はレンズ10および20の焦点距
離によって決定される。
【0024】第2の入力ビーム30は、空間光変調器
(SLM(spatial light modulator))35によって変
調される。SLM35は、記憶すべき情報のディジタル
データページ37を表す透明および不透明の領域の1次
元または2次元のパターンを含むLCDスクリーンとす
ることが可能である。さらに、SLM35は、本発明に
従って用いられるページインジケータ39(詳細は図2
および図3に関して後述)も含む。ページインジケータ
39の像はデータページ像37の外側に図示されている
が、容易に理解されるように、本発明によれば、ページ
インジケータ39は、データページ像37の内部に、あ
るいは、重なり合って配置されることも可能である。
【0025】SLM35から放出される光信号はレンズ
40、45および50によって中継され、媒体25に入
射する信号ビーム55を生成する。これに対応して、レ
ンズ60、65および70からなるレンズのセットは、
対応する投影75からのデータページ像を検出器80上
へ中継する。検出器80は、投影されるデータページ像
のデータを読み取る複数のセンサ素子81と、対応する
ページインジケータ像を検出するページインジケータセ
ンサ83を有する。さらに、センサ素子81は、図3に
示すようなアレイ状に配置されることが可能である。
【0026】記憶媒体25に相異なるデータページ像を
記録するために、そのような像を角度多重化により記録
することが可能である。このような記録技術によれば、
記憶媒体25に対して相異なる入射角の参照ビームを用
いてそれぞれのデータページ像を記録することができ
る。例えば、鏡9を回転させて、各ページ像に対して所
望の入射角を生成することができる。あるいは、音響光
学セルを用いて、所望の入射角の参照ビームを生成する
こともできる(詳細は後述)。
【0027】レンズ40、45および50からなるレン
ズセットおよびレンズ60、65および70からなるレ
ンズセットはいずれも4F配置に置かれる。このように
して、データページおよびページインジケータの像のフ
ーリエ変換がホログラムとして媒体25に記録されると
ともに、検出器80には再構成されて投影される。4F
配置は、特定の焦点距離間隔を必要とする。例えば、デ
ータパターンスクリーン(SLM)35とレンズ40の
間隔はレンズ40の焦点距離に等しく、レンズ70と検
出器80の間隔はレンズ70の焦点距離に等しく、対応
するレンズ対(45と50、および60と65)のレン
ズ間の間隔は、レンズ対の各レンズの焦点距離の和であ
る。
【0028】フーリエ変換の使用により、データページ
からの情報の読み取りにおける誤りの検出および訂正が
容易になる。しかし、そのような変換は本発明の実施に
とって本質的ではない。レンズセット40、45および
50から1個のレンズを省略することにより、媒体25
におけるフーリエ変換はSLM35によって生成される
2次元データページで置き換えられる。このような構成
において、レンズセット60、65および70から対応
する1個のレンズを省略することにより、検出器80に
おいてデータページが正しく再構成される。本発明によ
れば、データページ像は、所望のデータページフォーマ
ットが検出器80に投影される限り、媒体25における
1次元または2次元のデータアレイ、フーリエ変換像面
またはその他の全部もしくは一部が変換された像面とし
て記憶されることが可能である。
【0029】各ページを記録するのに少なくとも1つの
システムパラメータを変化させることによって、各媒体
に複数のデータページを記録することが可能である。ブ
ラッグ選択性の場合、各データページを記録するため
に、対応する相異なる参照ビーム波長または入射角を生
成する相異なるシステムパラメータ設定を使用すること
が可能である。例として、記憶媒体25が厚さ1cmの
オーダーであり参照ビーム波長が約500nmである場
合、例えば5個のsync-null間隔(位相整合間隔)をあ
けることにより記憶媒体25に複数のデータページを記
録することができる。この間隔は、記録されるデータペ
ージ間で約0.25nmだけ異なる参照ビーム波長、あ
るいは、記録データページ間で約10-4radだけ異なる
参照ビーム入射角を使用することに対応する。
【0030】記録のための入射角を変化させる技術の例
として、従来の音響光学セルを使用するものがある。こ
のようなセルは、一般に、約10μsのオーダーの時間
で約1°の角度シフトを達成することが可能である。し
かし、この角度は、約10°までの変化を提供するよう
に光学的に増倍され、その際そのような変化を達成する
ための追加の時間遅延がないようにすることが可能であ
る。さらに、PCMHの場合、位相マスクと記憶媒体2
5の相対位置として異なるものを使用することにより、
各ページを記録することが可能である。実施例のPCM
Hシステムでは、このような相対位置の差として、デー
タページ間で10μmのオーダーの距離を使用すること
によって各データページを記録することが可能である。
【0031】再生すなわち読み出し中に、参照ビーム5
は、検出器80にデータページ像を投影するために使用
可能である。こうして、本発明によれば、再生専用シス
テムは、図1のシステム1から、SLM35、レンズ4
0、45および50、ならびに入射ビーム30を省略す
ることによって製造することができる。再生中に、媒体
25から所望のデータページの像を生成するために、そ
のデータページを記録するために使用したシステムパラ
メータ設定を正確に再現しなければならない。例えば、
ブラッグ選択性を用いるシステムでは、参照ビーム波長
のようなブラッグ選択性パラメータを、一般に0.01
%あるいはそれ以下のオーダーの変動で再現しても、投
影されるデータページ像が消失することがある。さら
に、正確なシステムパラメータの再現は達成が困難であ
ることが多く、システム部品間の関係における熱的、光
学的あるいは機械的変動や、記憶媒体25における光学
的変動によって悪影響を受ける。
【0032】しかし、再生中に、システム1は、ページ
インジケータ39の投影の質を検出することによるフィ
ードバックに基づいて、対応するデータページの投影が
検出器80による読み取りに十分なSNRを有している
ときを示すことができる。このように、システム1はこ
のフィードバックに基づいているため、検出器80に投
影されるデータページのSNRの劣化(低下)を引き起
こすことの多い、システムにおける熱的、光学的あるい
は機械的変動を効率的に補償することができる。
【0033】本発明の一実施例によれば、記憶媒体にデ
ータページおよびページインジケータの像を記録するの
にもともと使用されたシステムパラメータを、それぞれ
のデータページを記憶するのに用いた範囲に一致する範
囲内で変化させる。こうして、複数のデータページが、
例えば10°の範囲にわたって記録された場合、同じ1
0°の範囲を再生中に使用する。再生中に、参照ビーム
入射角が、熱的、光学的あるいは機械的変動を含めて、
記録に用いられた角度と一致するときには、対応するペ
ージインジケータおよびデータページの像110および
120がそれぞれ図3(詳細は後述)に示すようにペー
ジインジケータセンサ83およびセンサアレイ81に投
影される。ページインジケータセンサ83は、投影され
たページインジケータ像110の質に基づく信号を生成
する。
【0034】例として、ページインジケータセンサ83
の正規化された出力信号200を図2に示す。信号20
0は、実施例の記憶媒体25に対する参照ビーム入射角
の変動中に生成されたものである。図2において、セン
サ83は、インジケータ像の強度(輝度)の質を検出し
ている。また、図2において、センサ83の相対的に明
るい照明は、信号200のピーク205付近で生じてい
る。これは、参照ビーム入射角22°、24°および2
6°に対応する。これらの角度は、図1の記憶媒体25
にそれぞれのデータページ像および対応するページイン
ジケータを記録するのに用いた参照ビーム入射角に対応
する。
【0035】システムが、角度22°、24°および2
6°のうちの1つから参照ビーム入射角を変化させる
と、ページインジケータセンサ83を照射するページイ
ンジケータ像の対応する強度が低下する。このような強
度の低下は、図2の領域210における信号に示される
ように、信号200の大きさの同様の低下を引き起こ
す。投影されるページインジケータ像の強度の低下は、
ページインジケータセンサ信号200の領域220によ
って示されるように投影されるデータページ像がほぼ消
失するまで参照ビーム入射角がさらに変動する間継続す
る。
【0036】ページインジケータの増強度がしきい値を
いつ超えるかを検出することによって、センサ素子81
による読み取りに十分なSNRでデータページ像が投影
されるときを識別することが可能である。例示的なしき
い値を図3では破線230で示す。こうして、データペ
ージ像を、以下のようにして図1のセンサ素子81に投
影することができる。 (1)参照ビーム入射角を所望のデータページに対する
特定の範囲内で変動させる。 (2)しきい値230より大きいページインジケータセ
ンサ出力信号200が生成されると、データをセンサ素
子81によって、対応する投影されたデータページ像か
ら読み出す。
【0037】ブラッグ選択性に基づく本発明による実施
例の再生システムでは、参照ビーム入射角は、記録に用
いた範囲(例えば10°のオーダー)にわたって、段階
的に、または、ほぼ連続的に変化させ、その間に、投影
されるページインジケータの強度を、約1000回/秒
のオーダーの頻度で検出する。段階的な角度変化を用い
るようなシステムでは、ステップサイズは例えば10-5
radとすることが可能であり、これは従来の音響光学セ
ルによって達成可能である。さらに、このようなシステ
ムでは、投影されるページインジケータ輝度は、各ステ
ップで、もしくは、一連の数ステップで、または、参照
ビーム角の変化中に間欠的にモニタすることが可能であ
る。
【0038】さらに、画質の信号ピークをモニタして、
データページ投影がセンサ素子81による読み取りに十
分なSNRを有しているときを判定することが可能であ
る。また、信号200を、再生システムパラメータを変
化させるための基礎として使用して、しきい値、ピーク
検出尺度などを超えるかどうかにかかわらず、非常に高
い画質のページインジケータがセンサ83に投影される
ようにすることが可能である。
【0039】図1のシステム1では、ページインジケー
タセンサ83およびセンサアレイ81に別々のセンサを
用いて組み合わせることが可能である。例えば、従来の
CCDセンサアレイをデータページインジケータセンサ
アレイ81に使用し、従来の光検出器をページインジケ
ータセンサ83に使用することが可能である。ページイ
ンジケータセンサ83は、ページインジケータ像の対応
する領域より大きい検出領域を有することも小さい検出
領域を有することも可能である。しかし、大検出領域を
有するセンサを用いて、投影と検出器80の間の不整合
を補償すると有利である。このような大きなセンサ83
は、データページ120を読み取るためにセンサ素子1
30に使用されるよりも低いSNRでページインジケー
タ像110の検出を実行するのにも有効である。
【0040】また、ページインジケータ像110は、デ
ータページ像120および対応するセンサ素子130に
おけるデータピクセルより大きくすると有効である。ペ
ージインジケータ像110は、10〜100倍のオーダ
で大きくすることが可能である。ページインジケータ像
110を大きくするほど、大量の光がセンサ83に投影
されることになるため、センサ83は、より高速に光を
検出して対応するフィードバックを提供することができ
る。
【0041】また、個別にアドレス可能な領域を有する
単一の大きいセンサアレイをページインジケータセンサ
83およびデータページセンサアレイ81に使用するこ
とも可能である。個別にアドレス可能なセンサ領域は、
CCDアレイで要求されるように素子のアレイ全体を読
み出すことを必要とせずに、個別に活性化されて出力信
号を提供することが可能である。この場合、少なくとも
1つの個別アドレス可能センサ素子からなる領域をペー
ジインジケータセンサ83に使用し、複数の個別アドレ
ス可能センサ素子を有する別の領域をデータページセン
サアレイ81に使用することができる。
【0042】別の実施例では、ページインジケータ像を
用いて、記憶媒体25の相対位置と、それに対応してシ
ステムに対するその整合を示すことができる。ページイ
ンジケータ像は、例えばデータページ像のフーリエ変換
上にほとんど重ね合わせて、記憶媒体25に記憶させる
ことができる。このようにして、4F配置の奇数個のレ
ンズを通る記憶媒体25のフーリエ変換の対応する投影
は復元されたデータページ像となり、一方、4F配置の
偶数個のレンズを通る像のほぼ同時の投影は、復元され
た整合ページインジケータの像となる。
【0043】これらのデータページおよび整合ページイ
ンジケータの像は、例えばビームスプリッタ(例えば半
透明鏡)を用いて光学的に互いに分離することができ
る。このようなビームスプリッタを奇数個のレンズの後
に配置して、投影される像のエネルギーの一部をビーム
スプリッタによってデータページ像を読み取るために検
出器80のセンサアレイへと反射するとともに、投影さ
れる像のエネルギーの残りの部分はビームスプリッタと
別の奇数個のレンズを透過させて記憶媒体整合検出のた
めにページインジケータセンサ83に送ることができ
る。
【0044】このようにページインジケータを整合のた
めに使用することにより、記憶媒体25の相対位置の直
接測定ができる。こうして、例えば、データページ像を
記録するために記憶媒体25と参照ビーム5の間の相対
シフトに対応する多重化システムパラメータを使用する
システムでは、上記の測定技術は、再生中に記憶媒体2
5の相対位置を検出し、相対シフトに基づいて所望のデ
ータページへのアクセスを実現することができる。さら
に、このような測定技術によれば、再生整合を改善し、
対応して、SNRを改善し、高い回折効率を達成するこ
とも可能である。
【0045】このようにして、ページインジケータを用
いて、記憶媒体25の相対位置を示すとともに、投影さ
れる像の強度のような他の品質の測定も行うことができ
る。容易に理解されるように、記憶媒体25の相対位置
の測定のためには、ページインジケータ像は、対応する
データページ像が記憶媒体25に記録される変換面で、
センサ83によって検出されなければならない。しか
し、投影強度のような他の品質の測定では、ページイン
ジケータを変換面内で、あるいは、検出器80による読
み取りが可能なデータページ像の面内で検出することが
可能である。
【0046】検出器80として使用するのに有利な大き
い単一のセンサアレイとしては、アクティブピクセルセ
ンサ(APS(active pixel sensor))アレイ(例えば
CMOS APSアレイ)がある。CMOS APSア
レイは、個別アドレス可能なセンサ素子あるいは領域を
有し、検出した光の強度に対応する電気信号を生成す
る。APSアレイは低コストで製造可能であり、一般
に、消費電力は低く(例えば、一般に、同等のCCDセ
ンサアレイによって消費される電力の1%)、室温でC
CDアレイよりも高い性能を発揮する。また、APSに
よって生成される電気信号を処理するCMOS回路はA
PSアレイと同じCMOSチップ上に配置することが可
能であるため、コンパクトな検出器を構成することがで
きる。さらに、APSアレイは個別アドレス可能なセン
サ領域あるいは素子を有するため、全データページを読
み出さなければならないCCDの場合よりもかなり高速
に投影データページの個々の部分を読み出すことができ
る。また、CMOS APSセンサの使用により、ペー
ジインジケータの検出を、例えば毎秒5000サンプル
という十分に高いレートで行うことが可能であるため、
従来の磁気記憶装置の場合のオーダーの時間でデータの
アクセスおよび取得が可能となる。
【0047】現在では、検出領域が5μm×5μmから
200μm×200μmまでのオーダーのセンサ素子を
有するCMOS APS検出器を製造することが可能で
ある。さらに、CMOS APS検出器は、例えば、約
1Mbitまでの情報を有するデータページを読み出す
のに十分な106個のオーダーのセンサ素子を有するこ
とが可能である。CMOS APS検出器は、A. Dicki
nson et al., "Standard CMOS Active Pixel Image Sen
sors for Multimedia Applications", Sixteenth Confe
rence on Advanced Research in VLSI, pp.214-224 (Ch
apel Hill, N.Carolina, March 27-29, 1995)に詳細に
記載されている。
【0048】実施例のCMOS APSアレイ検出器8
0の表面を図3に示す。これは、個別アドレス可能セン
サ素子130のアレイあるいはセンサ素子130の領域
を含む。図3において、少なくとも1つのセンサ素子1
30からなるセンサ素子群は図1のページインジケータ
センサ83として作用し、対応する破線輪郭内に示され
ている。同様に、別のセンサ素子130からなるセンサ
素子群は図1のデータページセンサアレイ81として作
用し、対応する破線輪郭内に含まれている。ページイン
ジケータ像110と、対応するデータページ像120は
それぞれのセンサ素子130群上に投影されるように示
されている。ページインジケータセンサ83には、対応
するページインジケータ像110より大きい領域を覆う
センサ素子130群または単一の比較的大きいセンサを
使用して、ピクセル見当合わせで可能性のある不整合を
補償することが望ましい。例えば、30×30のセンサ
素子130群を用いて、一般に20×20のセンサ素子
の領域を覆うページインジケータ像110を検出するこ
とができる。また、このような大きいセンサ83は、デ
ータページ120を読み取るためにセンサ素子130に
使用されるよりも低いSNRでページインジケータ像1
10の検出を実行することが可能である。
【0049】破線輪郭140内のオプションのセンサ群
は、対応する投影データページ120に関するページ識
別情報145(例えばページ番号)の像を検出する。こ
のページ識別情報は、対応するデータページおよびペー
ジインジケータ情報と同様に多重化されて記憶され、ペ
ージインジケータおよびデータページの像が投影される
ときに検出可能である。従って、例えば、しきい値レベ
ルより高い強度のページインジケータ110が検出され
るときに、ページ識別情報は、データページ120を読
み出す前に読み取り可能であり、投影されるデータペー
ジ像が所望のデータページでない場合には、それに従っ
て、多重化のためのシステムパラメータを、検出された
ページ識別情報145に基づいて変化させることができ
る。例えば、所望のデータページがページ番号4として
識別され、投影されたデータページがページ番号2であ
る場合、多重化のためのシステムパラメータに要求され
るおよその変化は、データページ4の像が投影されるよ
うに決定される。あるいは、第2のデータページから第
4のデータページまでの相対シフトに対応する信号ピー
クの間で、参照ビーム入射角を変化させることも可能で
ある。
【0050】例えば、データページ120またはセンサ
素子130の情報に用いられるより大きい符号シンボル
を用いてページ識別情報145を符号化することが可能
である。このようにして、データページ像120の投影
されたピクセルとセンサ素子81の間のピクセル見当合
わせの不整合が生じた場合にも、ページ識別情報145
は読み取り可能とすることにより、ピクセル見当合わせ
の補正を実行する前に、所望のページの投影を得ること
ができる。一般に、データページ110のデータビット
のサイズの例えば1〜5倍をページ識別情報145のデ
ータビットに使用することにより、ピクセル見当合わせ
の不整合にもかかわらずページ識別を読み取ることがで
きる。また、ページ識別情報145は、図3に示される
ようにデータページ120の付近に配置することも、デ
ータページ120内に配置することも可能である。ペー
ジインジケータ像を約5KHzのオーダーの頻度でモニ
タするときには、一般にページ識別情報を約1KHzの
オーダーの頻度で検出することが望ましい。
【0051】データページの投影データピクセルとセン
サ素子81とのピクセル見当合わせ(整合)は、本発明
によるもう1つのフィードバック技術によって達成され
る。図3において、センサ素子130の群170は、対
応するデータページおよびページインジケータの記録と
同じ記録システム特性を用いて記憶媒体に記憶されるピ
クセル見当合わせキー(マーク)を検出するためのピク
セル見当合わせセンサとして使用される。ピクセル見当
合わせキー160は対応するデータページおよびインジ
ケータと同様に記憶されるため、データページおよびペ
ージインジケータの像120および110が投影される
ときに、キーの像160はピクセル見当合わせセンサ1
70上に投影される。また、これらのピクセル見当合わ
せキー160は、対応する投影データページ120内の
データピクセルと既知の見当合わせ状態にある。これら
のピクセル見当合わせキーの像160は、センサアレイ
素子130と、データページ像内のデータピクセルとの
間の整合を実現し、それに含まれるデータの読み取りを
可能にする。
【0052】投影されるピクセル見当合わせキー像の検
出される位置および向きと、それらの像の期待される投
影位置との比較に基づいて、ピクセル見当合わせの不整
合の量を測定することが可能である。その結果、検出器
80やその他のシステム1の部品と結合した駆動機構を
用いて、投影されるデータページ120とセンサ素子1
30の間の相対的な回転あるいは並進の移動を行い、こ
の測定された不整合を補償することができる。駆動機構
は、1個のセンサ素子130の幅または高さの少なくと
も4分の1の移動分解能と、センサ素子130全体の幅
または高さの少なくとも2分の1の全移動範囲を有する
ことが望ましい。
【0053】ピクセル見当合わせ整合を実行する技術の
例について、図4に示したセンサ素子群170上のピク
セル見当合わせキー160の拡大図に関して説明する。
図4において、説明を簡単にするために、投影されたデ
ータ像120の対向する隅310に近い検出器80の拡
大部分のみを示す。輪郭320によって示されるセンサ
素子群は、既知のピクセル整合に対するピクセル見当合
わせキーパターン160の像の期待される投影位置に対
応する。
【0054】実施例のピクセル見当合わせ技術によれ
ば、センサ素子群170のセンサ素子は活性化され、検
出した照度に基づく信号を生成する。このような信号か
ら、投影されたキー160の位置を検出し、それらのキ
ーのそれぞれの中心の位置を推定する。すると、ドライ
バ(駆動機構)から要求される回転および並進の量は、
これらの推定された投影キー中心と、対応する期待され
る投影位置320の中心の間の距離から決定される。
【0055】図5は、投影されるピクセル見当合わせキ
ー160と、期待される投影位置320が対応する輪郭
で表されていることを除いては図4に対応する。これら
の輪郭の中心をそれぞれ参照符号330および340で
示す。2つの中心330と340を連結するベクトル3
50が示されており、これは、投影された像とセンサ素
子130のピクセル間の不整合を表す。また、これらの
ベクトル350は、ピクセルとセンサ素子130を整合
させるのに必要な回転および並進の移動量を与える。
【0056】回転移動量と、対応する回転中心点は、両
方のベクトル350に基づいて決定される。このような
移動により、投影されたピクセル見当合わせキー160
を、期待される投影位置320上に直接整合させること
が可能となる。しかし、センサ素子130の検出領域が
投影された像より大きい場合には、期待される投影位置
に対応しないような、結果として得られる投影ピクセル
見当合わせキー位置とのピクセル整合を達成する回転お
よび並進の移動を行うことも可能である。このような場
合、センサ素子130は、データページ120とともに
投影され、必ずしも期待されるデータページ投影の位置
ではない実質的に最も近いピクセルと整合することが可
能である。APSアレイは個別アドレス可能な領域ある
いはセンサ素子を有するため、投影されるデータページ
120からのデータは、データページ120がアレイ上
のどこに投影されるかとはほとんど独立に読み出すこと
ができる。
【0057】このようにして、ピクセル見当合わせは、
本発明によれば、投影されるキーの推定される中心に基
づいて、不整合を検出し補正することによって、単一の
プロセスで達成される。ピクセル見当合わせキー160
は、さまざまな異なる形状およびピクセルパターン配置
のピクセル群を含むことが可能である。これには、例え
ば、この整合技術では、無地のブロックが含まれる。し
かし、等しいまたは相異なる幅および間隔のバーを有す
るバーグループ、市松模様、あるいは、8個の暗ピクセ
ルによって囲まれた明ピクセルの繰り返しパターンを有
する疎らな市松模様のような明ピクセルおよび暗ピクセ
ルの配置を有するピクセル見当合わせキーパターンの使
用により、センサ素子の整合およびピクセル見当合わせ
を微調整することが可能な第2のプロセスの使用が容易
になる。
【0058】この第2の整合プロセスによれば、システ
ム1は、投影されたキー像の位置と、期待される位置の
差を、センサ素子130のサイズより小さい精度で推定
する。この差は、回転および並進の補正移動によって補
正されるピクセル不整合に対応する。例えば、明ピクセ
ルの背景でさまざまな幅および間隔の暗ピクセルのバー
を含むバーグループセットを用いたピクセル見当合わせ
キーをこのような技術で使用することができる。このピ
クセル見当合わせキーがセンサ素子130上に投影され
るときに、バーのエッジ付近の投影されるピクセルの検
出強度を、キー160の背景とともに、バーの中心にお
ける投影ピクセルの検出強度と比較する。このような比
較に基づく検出強度の差は、センサ素子130のサイズ
より小さい精度でのバーエッジの不整合を示す。その
後、このような不整合は、駆動機構を用いて補正するこ
とができる。
【0059】同様にして、8個の暗ピクセルによって囲
まれた明ピクセルの繰り返し系列の疎らな市松模様パタ
ーンを見当合わせキー160として使用することができ
る。このようなキーとのピクセル整合は、暗い中心と、
明るい周囲の環の間の投影されるコントラストに関係づ
けられる。この場合、整合は、このコントラストを増大
させ、あるいは、実質的に最大化するように調整するこ
とができる。
【0060】ピクセル見当合わせのための上記の2段階
プロセスは単なる例示であり、本発明を限定することを
意味するものではない。代わりに、いずれかのプロセス
を別個に使用することも、他の見当合わせ技術と組み合
わせて使用して、本発明によるピクセル整合を達成する
ことも可能である。さらに、データページ内であるいは
データページに隣接して、単一のピクセル見当合わせキ
ーを使用することも、複数の見当合わせキーを使用する
ことも可能である。上記以外のパターンを本発明ととも
に用いて、投影されるキーの位置と、期待される向きお
よび位置の差に基づいて不整合を測定することも可能で
ある。このような期待される向きおよび位置は、ピクセ
ル見当合わせキーの像の検出位置に基づいてシステム1
によって測定することができる。
【0061】ピクセル見当合わせキー160、ページ識
別情報145およびページインジケータ110は、所望
のデータページに含まれるデータを読み取るために検出
器80上で効率的な投影および整合に必要なフィードバ
ックを提供する。さらに、センサ83、140および1
70がCMOS APSアレイの領域としてそれぞれ実
装される場合、そのAPSアレイを含むのと同じ半導体
チップ(チップ群)にこれらのセンサからの信号を処理
するのに必要な回路を実装することが可能である。この
ようにして、単一の比較的低コストで低電力の集積回路
が、データページの読み取りを行うとともに、読み取る
べき所望のデータページの投影および整合を制御するこ
とが可能である。また、APSアレイの個別アドレス可
能領域あるいはセンサ素子は、上記の実質的に最も近い
ピクセルとの整合手続きを用いたピクセル見当合わせに
特に適している。
【0062】ページインジケータ110、ページ識別情
報145およびピクセル見当合わせキー170はそれぞ
れ別個の投影像として説明したが、本発明によれば、こ
れらの像のいくつかの機能を、より少ない個数のマーク
に結合することが可能である。また、機能が結合されて
いるかどうかにかかわらず、このようなマークを、記憶
媒体25からの投影像領域の約0.1%〜10%を構成
する領域で使用することが可能である。投影像領域の残
りの部分はデータページ情報を含むことが可能である。
【0063】本発明の実施例では、まず、図1、図2お
よび図3に関して説明したように、所望のデータページ
のデータを読み取るために、多重化したシステム特性を
変化させて、ページインジケータセンサによって提供さ
れるフィードバックに基づいてセンサ上にデータページ
を投影する。次に、図3に関して説明したように、ペー
ジ識別情報を読み取り、投影されたページが所望のペー
ジでない場合、多重化したシステム特性をさらにある相
対的な量だけ変化させて、所望のページを投影する。次
に、図4および図5に関して説明したように、投影され
たピクセル見当合わせキーと、ピクセル見当合わせキー
センサを用いて、ピクセル見当合わせを達成する。
【0064】以上説明した実施例以外にも、本発明のさ
まざまな変形例が可能である。例えば、ページを投影
し、ページ番号を識別し、ピクセル見当合わせを行うた
めのフィードバック技術を、単独で、あるいは、上記以
外の組合せで使用することが可能である。また、上記の
実施例は、図1の検出器80にCCDあるいはCMOS
APSセンサを用いているが、個別アドレス可能センサ
素子などを有するその他のタイプの検出器を本発明に従
って使用することも可能である。
【0065】
【発明の効果】以上述べたごとく、本発明によれば、ホ
ログラフィックシステムにおいて、データページに高速
かつ効率的にアクセスして読み出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に従って、データページと、対応するペ
ージインジケータを記録し読み出すホログラフィック記
憶システムの実施例の概略ブロック図である。
【図2】図1のページインジケータセンサの例示的な出
力信号の図である。
【図3】ホログラフィック記憶媒体から図1のシステム
の対応する検出器へのページインジケータおよびデータ
ページ像の例示的な投影の図である。
【図4】ピクセル整合を達成する際に用いられる、図2
のデータページ検出器上のデータページ像およびオプシ
ョンのピクセル見当合わせパターン像の例示的な投影の
図である。
【図5】図4の構成のパターン図の中心を示す図であ
る。
【符号の説明】
1 ホログラフィックメモリシステム 5 入力光ビーム(参照ビーム) 9 鏡 10 レンズ 20 レンズ 25 ホログラフィック記憶媒体 30 第2の入力ビーム 35 空間光変調器(SLM) 37 データページ像 39 ページインジケータ 40 レンズ 45 レンズ 50 レンズ 55 信号ビーム 60 レンズ 65 レンズ 70 レンズ 75 投影 80 検出器 81 データページセンサアレイ 83 ページインジケータセンサ 110 ページインジケータ像 120 データページ像 130 センサ素子 145 ページ識別情報 160 ピクセル見当合わせキー 200 正規化された出力信号 205 ピーク 230 しきい値
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (73)特許権者 596077259 600 Mountain Avenue, Murray Hill, New J ersey 07974−0636U.S.A. (72)発明者 ケヴィン リチャード カーティス アメリカ合衆国,07901 ニュージャー ジー,サミット,モーリス アヴェニュ ー 417,ナンバー8 (72)発明者 トーマス ジェイ.リチャードソン アメリカ合衆国,07079 ニュージャー ジー,サウス オレンジ,クラーク ス トリート 420 (56)参考文献 特開 昭50−151430(JP,A) 特開 昭53−24236(JP,A) 特開 昭53−32637(JP,A) 特開 平3−18801(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G11C 13/04 G03H 1/26

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 少なくとも1ページのデータの像を含む
    ホログラフィック記憶媒体に光ビームを向けて検出器上
    に像を投影するステップと、 投影される像の品質が前記検出器上の対応するデータペ
    ージ像の品質を示すように前記記憶媒体に記憶されたペ
    ージインジケータ像の投影の品質をモニタするステップ
    と、 前記記憶媒体に前記データページおよび前記ページイン
    ジケータを記憶させるのに用いたシステムのパラメータ
    を変化させるステップと、 前記モニタするステップでモニタされるページインジケ
    ータ像の投影の品質に基づいて、さらに前記パラメータ
    を変化させるか、または、前記パラメータを変化させず
    に前記検出器上に投影された前記データページからデー
    タを読み取るステップとからなることを特徴とする、ホ
    ログラフィック記憶システムでデータを読み出す方法。
  2. 【請求項2】 前記データを読み取るステップは、投影
    されたページインジケータ像のおよそのピークの検出に
    基づいて実行されることを特徴とする請求項1の方法。
  3. 【請求項3】 前記モニタするステップは、前記検出器
    のセンサアレイとは異なる少なくとも1つのセンサによ
    って実行されることを特徴とする請求項1の方法。
  4. 【請求項4】 少なくとも1ページのデータページ像
    と、該データページ像に対応する少なくとも1つのピク
    セル見当合わせキー像とを含むホログラフィック記憶媒
    体に光ビームを向けて検出器上に像を投影するステップ
    と、 投影された像のピクセル見当合わせキーを検出するステ
    ップと、 前記ピクセル見当合わせキーの検出された位置に基づい
    て、投影されたデータページ像のピクセルを前記検出器
    のセンサ素子とほぼ整合させるように前記検出器上に投
    影されたデータ像を相対的に移動させるように、投影さ
    れたデータページ像または検出器のうちの少なくとも一
    方を移動させるステップとを有することを特徴とする、
    ホログラフィック記憶システムでデータを読み出す際に
    使用する方法。
  5. 【請求項5】 前記移動させるステップは、前記データ
    ページの投影されたデータと、前記検出器の実質的に最
    も近いセンサ素子とをほぼ整合させるように、前記検出
    器上に投影されたデータ像を相対的に移動させることを
    特徴とする請求項の方法。
  6. 【請求項6】 検出されたピクセル見当合わせキー位置
    と、ピクセル見当合わせキー像の期待される位置の差を
    測定するステップをさらに有し、前記移動させるステッ
    プは、該測定するステップで測定される差に基づいて実
    行されることを特徴とする請求項の方法。
  7. 【請求項7】 検出されたピクセル見当合わせキー位置
    に基づいて、投影されたピクセル見当合わせキー位置の
    およその中心位置を判定するステップをさらに有し、前
    記移動させるステップは、該判定するステップで判定さ
    れたおよその中心位置と、期待されるピクセル見当合わ
    せキー中心位置の差に基づいて実行されることを特徴と
    する請求項の方法。
  8. 【請求項8】 検出器と、 少なくとも1ページのデータと、投影される像の品質が
    前記検出器上の対応するデータページ像の品質を示すよ
    うに前記記憶媒体に記憶されたページインジケータとを
    有するホログラフィック記憶媒体に向けて光ビームを放
    射する光源と、 前記ページインジケータの投影された像の品質を検出す
    るページインジケータセンサと、 前記ページインジケータセンサに接続され、前記センサ
    によって検出されるページインジケータ像の品質をモニ
    タし、そのモニタした品質に基づいて、システムのパラ
    メータを変化させるか、または、該パラメータを変化さ
    せずに前記検出器上に投影されたデータページからデー
    タを読み取るコントローラとからなることを特徴とする
    データ記憶装置。
  9. 【請求項9】 前記コントローラに接続され、投影され
    た像のピクセル見当合わせキーを検出する少なくとも1
    つのピクセル見当合わせセンサと、 前記検出器に接続された少なくとも1つのドライバとを
    さらに有し、 前記コントローラは、前記ピクセル見当合わせキーの検
    出された位置に基づいて、投影されたデータページ像の
    ピクセルを前記検出器の対応するセンサ素子とほぼ整合
    させるように、投影されたデータページ像に対して前記
    検出器を相対的に移動させることを特徴とする請求項
    の装置。
JP16889297A 1996-06-26 1997-06-25 ホログラフィック記憶システムでデータを読み出す方法 Expired - Fee Related JP3220054B2 (ja)

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