JP3298827B2 - 複合入射ビームの制御システム - Google Patents
複合入射ビームの制御システムInfo
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- Holo Graphy (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
- Optical Recording Or Reproduction (AREA)
Description
セル(holographic memory cell (HMC))に関し、
特にこのようなホログラフメモリセル内のデータロケー
ションにアクセスするための光学システムに関する。
のものがある。これらは同日に出願する予定である。9
80120(本出願)、980124,980125,
980126,980127,980133。
理システムは、様々な種類の光学データ記憶に依存して
いる。例えばCD−ROMデバイスは、殆どのPCに搭
載される標準機器である。大部分のマルティメディアソ
フトウェア(ビデオゲーム,地図,百科事典等)はCD
−ROMの形態で販売されている。コンパクトディスク
は、音楽用に最も普及した記録媒体である。さらに近年
デジタルビデオディスク(DVD)が導入され、標準の
CD技術の記憶容量を0.5ギガバイトから5ギガバイ
トまで増加させている。
低価格化が、さらに大容量で安い光学記憶媒体の大きな
需要を生み出している。数多くの大きなビジネス機器
が、数百枚のディスクのうちから1枚のディスクにアク
セスするためのジュークボックススタイルのCDチェン
ジャーを利用している。映画も沢山のCD,DVDある
いは大型のレーザディスクを依然として必要としてい
る。しかしCD−ROM技術やDVD技術も今や限界に
近付きつつある。光学記憶システムの容量と速度を改善
し続けるために、研究機関はCDサイズの記憶媒体中に
数百ギガバイトを記憶できるホログラフ記憶デバイスに
向けられている。
ことのできるホログラフデータ記憶システムが開発され
ている。これらのシステムにおいては、記憶すべきデー
タは、例えば液晶ディスプレイ(LCD)スクリーン上
に二次元(2D)の光学アレイとしてまず符号化され
る。この光学アレイは空間光変調器(spatial light mo
dulator(SLM))の一種である。別の種類のSLM
は、Texas Instruments'社製のデジタルミラーデバイス
であり、これは各ピクセルの反射率を変化させるような
反射デバイスである。ここで「SLM」とは、光学密
度,光学位相,光学反射率を変化させるような固定マス
クを含む。
内を伝播しこの二次元(2D)アレイ内のデータスクエ
ア(即ちデータ正方形あるいはデータ長方形(ピクセ
ル))からの強度パターンおよび/または位相パターン
をピックアップする。このデータ符号ビーム(物体光と
称する)は、感光性材料(ホログラフメモリセル(holo
graphic memory cell (HMC))中に投影される。第
2レーザビーム(参照光と称する)もまたこのホログラ
フメモリセル上およびその中に投射される。物体光と参
照光はその後HMCで交差してこのHMCの体積要素内
に干渉パターンを生成する。この干渉パターンがHMC
の材料を変化を引き起こし、ホログラムを生成させる。
成は、物体光と参照光との間の振幅と偏光状態と位相差
の関数である。中でもホログラフメモリセルに投射され
る物体光と参照光の入射角に依存する。ホログラムが記
憶された後、HMC内にホログラムを生成した参照光と
同一の再生用参照光を投射することにより、その後この
ホログラムと再生用参照光が相互作用して、データが符
号化された物体光を再生し、そしてこの物体光が感光性
検知器の二次元列に投射され、明るいピクセルと暗いピ
クセルのパターンを検知することによりデータが読み出
される。
高い空間−バンド幅の積(space-bandwidth product
(SBP))を有する。このビームのSBPは、ビーム
が含む解像可能なピクセルの数に等しい。例えば、SV
GAコンピュータモニタにより生成された800×60
0のピクセル画像は480,000のSBPを有する。
高いSBPビームがホログラフメモリセルに投射される
場合には、ビームが横切る光学パス長を一定に維持する
ことが重要である。そうしないと高いSBP画像の焦点
がぼけデータが失われることがあるからである。
ために、光学パス長を一定に維持すると、今度は物体光
をホログラフメモリセルの表面の様々な領域に向けるこ
とが困難となる。その理由は、このような方向変更は光
学パス長を変化させることになるからである。しかし、
多くのホログラフメモリシステムは、そのSBP=1の
参照光を組み込んでいる。
なホログラフデータ記憶システムは、その参照光を音響
光学セルを介して投影し、そしてこのセルが固定光学パ
ス長を有する光学システム(4−f画像システム)内を
通る参照光を回折させる。音響波の周波数を変えること
は、参照光が回折される角度を変化させ、その結果ホロ
グラフメモリセルの表面への入射角を変化させる。
た方向制御システムは、角度多重化(angle multiplexi
ng)システムとして公知のものであり、ホログラフメモ
リセルの表面上の同一ロケーションに、異なるデータ・
ページを異なる参照光入射角で投射することができるた
め優れたものである。その後このデータは、再生用(in
terrogating) 参照光を異なる入射角に設定することに
より取り出すことができる。
ば、通常の物体光のような高いSBPビームをホログラ
フメモリセルの異なる場所に向けるには不十分である。
その理由は、それら固有の空間−バンド幅積(space-ba
ndwidth prduct)のスループットには、固有の限界が存
在するからである。さらにまたこれらの従来システム
は、ホログラフメモリセルの所望の位置に高いSBP対
称ビームあるいは参照光を正確に向けるには限度があ
る。
的は、高い空間バンド幅積のビームを、その焦点がぼけ
ることなく、ホログラフメモリセルの表面の別々の領域
に向けることのできる光学システムを提供することであ
る。さらにまた本発明は、2次元以上の座標系におい
て、高い空間−バンド幅積のビームを走査できる光学シ
ステムを提供することである。
は、HMC内のデータロケーションにアクセスするため
にコヒーレント光の空間変調された複素入射ビームを走
査するものである。本発明のシステムは請求項1に記載
した特徴を有する。本発明はHMCの異なったロケーシ
ョンにデータを書き込みあるいは読み出すためにミラー
のような反射素子をプリセスさせる(precess:移動
(前進)させる)概念を含む。本発明の一実施例によれ
ば、本発明は請求項2に記載した特徴を有する。別法と
して第1焦点面は、イメージ面でもよい。
項3に記載した特徴を有する。別法として第2焦点面
は、フーリエ面でもよい。本発明の一実施例によれば本
発明は請求項6に記載した特徴を有する。別法として反
射素子は、凹レンズである。但し、ビームの焦点を合わ
せるために他の反射装置を含むことが条件である。本発
明の一実施例によれば、HMCはほぼ平面状態である。
しかし本発明はアプリケーションによっては、非平面上
のHMCも採用することができる。
テム10を表す。この単一レンズシステムは公知である
が、本発明をより理解し易くするために、この従来の単
一レンズシステム10の構成を詳述する。単一レンズシ
ステム10は空間光変調器(SLM)12と薄い凸レン
ズ16とを有する。この凸レンズ16は2個の焦点を有
する。焦点Xは、凸レンズ16から焦点距離fだけ離れ
た面14上にある(点線)。凸レンズ16の反対側には
焦点Yが凸レンズ16から焦点距離fだけ離れた面18
上にある(点線で示す)。
CD)スクリーンを有し、このスクリーン上にデータが
透明なピクセルと不透明なピクセルの二次元(2D)の
パターンで符号化される。空間光変調器12と凸レンズ
16は、光学パス22に直交するよう配置されている。
焦点距離fを有する薄いレンズは、入力対象物から距離
sの場所に配置されると、このレンズは次式のレンズの
公式に従ってレンズの反対側の距離dの所に出力像を形
成する。 1/f=1/s+1/d
調器12は凸レンズ16から距離sの場所に配置されて
おり、その結果空間光変調器12の出力像は凸レンズ1
6から距離d離れた面20に形成される。以下に述べる
ような実施例においては、s,d,fはs=d=2fと
なるように選択すると、空間光変調器12と出力像との
間の全距離s+dは4fとなる。
換システム100を示す。入力対象物のフーリエ変換は
公知であるが、本発明の理解を容易にするために従来技
術にかかる単一レンズフーリエ変換システム100をま
ず詳述する。コヒーレントのレーザビームの物体光が空
間光変調器102を通過して投射され、符号化されたデ
ータパターンをピックアップし、距離f1 だけ伝播して
凸レンズ104に到達する。物体光は凸レンズ104を
通過し、距離f1 だけ伝播し再びフーリエ面106に到
達する。フーリエ面においては、全ての物体光の位置情
報は角度情報となり、この物体光の全ての角度情報は位
置情報となる。
から出た光ビーム111,113および空間光変調器1
02上のB点から出た光ビーム112,114を参照す
ることにより理解できる。空間光変調器102上の二次
元アレイのパターン内の小ピクセルは小開口を形成し、
空間光変調器102を物体光が通過する際に物体光の回
析を引き起こす。かくして光は、A点とB点から幅広い
方向に亘って外側に出射する。
り、空間光変調器102の面に直交する方向に伝播して
いる。光ビーム113と114もまた互いに平行であ
り、空間光変調器102から斜角で(非放線方向に)出
射する。光ビーム111と112は平行であるため、凸
レンズ104への入射角は同一である。同様に光ビーム
113と114も平行であるため凸レンズ104への入
射角は同一である。
は、レンズを通過する平行な光ビームは、フーリエ面の
同一点に集光(集束)することである。かくして平行な
2本の光ビーム111と112は空間光変調器102の
異なった別々の点から出射してもフーリエ面106のD
点に集束する。同様に平行な2本の光ビーム113と1
14は、空間光変調器102の別々の点から出射しても
フーリエ面106のC点に集束する。
レンズの特徴は、入力物体(空間光変調器102)の同
一点から異なる角度で(即ち、非平行で)出射した複数
の光ビームは、この薄いレンズを通った後は平行光ビー
ムとなることである。かくして空間光変調器102の点
Aから異なる角度(即ち、非平行の)で出た光ビーム1
11,113は、凸レンズ104を通過した後は互いに
平行となり、それ故フーリエ面106のC点,D点では
同一の入射角となる。同様に空間光変調器102のB点
から異なる角度で(即ち、非平行に)出た光ビーム11
2,114は、凸レンズ104を通過した後は互いに平
行となり、そのためフーリエ面106のC点,D点で同
一の入射角を有するようになる。
面106へ入射する位置は、光ビームが空間光変調器1
02を出た角度(位置ではない)により決定されること
が分かる。同様に光ビームがフーリエ面106に入射す
る角度は、空間光変調器102を出た位置(角度ではな
い)により決定される。したがってフーリエ面において
は、全ての物体光の位置情報は角度情報となり、全ての
物体光の角度情報は位置情報となる。
表す図である。図に示した4−f画像システム200の
構成は無限共役(infinite conjugate)と称する。この
4−f画像システムは、公知であるが、本発明の理解を
容易にするためにこの4−f画像システム200を詳述
する。4−f画像システム200は、空間光変調器20
2と、焦点距離f1 を有する薄い凸レンズ204と、焦
点距離f2 を有する薄い凸レンズ208とからなる、こ
こで焦点距離f1 とf2 は等しくても等しくなくてもか
まわない。
明なピクセルおよび不透明なピクセルからなる二次元ア
レイパターンで符号化される液晶ディスプレイ(LC
D)スクリーンを含む。空間光変調器202と凸レンズ
204と208とは光学パス215に直交して配置され
が、この点線で示される光学パス215は実線222と
一致している。
ve)物体光は、空間光変調器202から放射され符号化
したデータパターンをピックアップして、距離f1 伝播
して凸レンズ204に到達する。光ビーム221−22
3で表される物体光は凸レンズ204を通過して距離f
1 だけ伝播して再びフーリエ面206に到達する。図1
Bで説明したように、フーリエ面206においては、全
ての物体光の位置情報は角度情報となり、そして全ての
物体光の角度情報は位置情報となる。
ンズ208の入力物体である。フーリエ面206から物
体光は距離f2 だけ伝播して凸レンズ208に到達す
る。凸レンズ208を通過後この物体光は距離f2 だけ
伝播して出力像面210に到達する。そこで空間光変調
器202の入力データ像が再構成される。出力像面21
0はフーリエ面206用のフーリエ面であり、かつまた
空間光変調器202がある面の出力像面でもある。かく
して出力像面210上に凸レンズ208により形成され
る像は、フーリエ面206上に凸レンズ204により形
成されるフーリエ面のフーリエ面である。
力像面210上に形成された入力データ像は、空間光変
調器202上に現れる像に対し反転している。そのため
ホログラフメモリセルが出力像面210の場所に配置さ
れている場合には、空間光変調器202上の二次元アレ
イのパターンの反転像がホログラフメモリセル内のデー
タのページとして記憶される。レーザ光(レーザ光の別
の参照光)(図示せず)が、データ像を記憶するために
必要である。
ては、空間光変調器が最初のレンズとその後のフーリエ
面との間に配置される。最初のレンズに入射した物体光
は最初のレンズにより集束するが、最初のレンズの前で
はなく最初のレンズの後でSLMからの符号化データを
ピックアップする。この構成においては、フーリエ次数
のサイズ(位置)は、SLMとその後のフーリエ面との
間の距離により線形に変化する。さらにまたビームの入
射角は、SLMの位置によって変化する。
ステム300を示す。この移動画像システム300によ
りホログラフメモリセル(HMC)310に集束される
像が、極座標系でホログラフメモリセル310上に変換
される。この局座標系は、ミラー305の傾斜(tilt)
により生成された半径Rと、ミラー305の移動(前進
運動:precession)位置により生成された角度ωにより
表される。
ームのような平面波物体光を空間光変調器302の方向
に向けて放射する。この空間光変調器302は、例えば
液晶ディスプレイ(LCD)スクリーンを有し、透明な
ピクセルと不透明なピクセルの二次元(2D)パターン
の形態でそのスクリーン上にデータが符号化されてい
る。データが符号化された物体光は、画像システム30
4内を通過する。この画像システム304は、図1Aの
単一レンズ画像システムあるいは図2の4−f画像シス
テムである。
終レンズを表し、そのレンズ303を物体光が通過す
る、これは図1Aの凸レンズ16あるいは図2の凸レン
ズ208と等価なものである。ミラー305は、レンズ
303から焦点距離fだけ離れた位置に配置される。そ
のためミラー305は、元のSLM像のフーリエ焦点面
あるいは出力像焦点面のいずれかの位置に配置されてい
る。いずれの場合にも、回転可能なミラー305は角度
θだけ回転し、入力対象物のフーリエ焦点面像あるいは
像焦点面像をレンズ306を介してホログラフメモリセ
ル310の方向に反射させる。
離fだけ離れた位置に配置され、ホログラフメモリセル
310はレンズ306から更に焦点距離fだけ離れた位
置に配置される。ミラー305上に形成される像は、レ
ンズ306への入力像であり、このレンズ306はホロ
グラフメモリセル310にそのフーリエ変換を生成す
る。入力物体面における位置情報は、フーリエ変換面に
おける角度情報となり、入力物体面における角度情報は
フーリエ変換面における位置情報となることは前述した
通りである。
射された像の角度変位θは、ホログラフメモリセル31
0においてミラー305により反射された像の位置変位
ΔRを生成する。かくして第1位置即ち元の位置(実線
で示す)から第2位置即ち回転した位置(点線で示す)
へのミラー305の回転は、ホログラフメモリセル31
0における像の位置変位ΔRを生成する。ここでΔR=
f(tanθ)である。かくしてθの値は極座標系にお
ける半径の値を決定することになる。
るミラー305の表面の中心に対し直交する法線であ
る。点線Bで示される軸Bは、回転した位置におけるミ
ラー305の表面の中心に対し直交する法線である。ミ
ラー305は、三角錐を形成するように、軸Aの回りに
軸Bを回転させることにより移動される。この移動角ω
は、極座標系における角度の値である。
フメモリセル310の表面上の環状パス312をなぞる
ことになる。ミラー305が角度θだけまず回転する
と、法線は移動角ω1 で軸Bにあり、そしてホログラフ
メモリセル310上の像はΔRをポイントω1 に変換さ
れる。軸Bが軸Aの周りに移動角ω2 に移動すると、ホ
ログラフメモリセル310上の像はポイントω2 に変換
されるが、その位置は環状パス312の中心からΔRだ
け離れた場所である。
移動させる方向制御システム400を示す。この方向制
御システム400は、移動制御装置405とチルト制御
装置410とチルトアーム415とロッド420とミラ
ー305とからなる。ミラー305の元の回転していな
い位置を点線で示す。この元の位置においては、ロッド
420は点線で示すように軸Aの上にある。ミラー30
5の回転した後の位置は実線で示す。その回転した後の
位置においては、ロッド420は点線で示すように軸B
の上にある。
傾斜角θに回転するために、チルトアーム415を左右
に延ばしたり縮めたりする。チルトアーム415は、ロ
ッド420が常にミラー305の表面上の中心点Xに対
し直角となるよう、かつ中心点Xの位置が入射物体光に
対し常に(ミラー305の表面の方向が傾斜角θと移動
角ωに従って変化するにもかかわらず)一定となるよう
湾曲している。チルト制御装置410がミラー305を
傾斜角θまで回転させると、移動制御装置405は移動
角ωまで回転し、これによりチルト制御装置410とチ
ルトアーム415が回転してロッド420が軸Bの上に
あり、軸Aを中心に移動するようになる。
の単なる一実施例である。ミラー305は、適当な公知
の機械的手段により回転および/または移動してもよ
い。このような移動制御装置の種類および詳細は公知で
ある。いずれにしてもミラー305を回転および/また
は移動するのに用いられる移動/回転手段は、移動画像
システム300または方向制御システム400が組み込
まれるシステムの要件にある程度依存する。
向制御システムはホログラフメモリセル全体に亘って物
体光の方向を粗く制御するために用いられるが、細かい
制御走査は画像化する前にSLMを物理的に並行移動す
る(translate)ことにより達成できる。SLMをRだ
け並行移動することにより、4f画像システム内で−R
(f2/f1)だけ出力像の並行移動が達成される。ここ
でf1 は、物体光が入る第1レンズの焦点距離であり、
f2 は物体光が入る第2レンズの焦点距離である。SL
MをRだけ並行移動することにより単一レンズ画像シス
テムにおいて−R(d/s)だけ出力像を並行移動する
ことができる。
は、整理番号980124の同時出願の明細書に詳述さ
れている。
ホログラフメモリセルの反対側に配置したミラーとレン
ズの対称(mirror image)配置を用いてさらに改善する
ことができる。この配置においては、データはHMCの
両側に同時に向けられる。次に図5を用いて説明するよ
うに、空間光変調器が感光性ディテクタの二次元配列で
置換されている場合には、HMCの反対側の対称光学配
置を用いてHMCからデータを取り出すことができる。
グラフメモリシステム500を示す。ミラー505とレ
ンズ510は、物体光520(点線)をホログラフメモ
リセル(HMC)515上に向けるビーム方向制御シス
テムを含む。物体光520は、4f画像システムあるい
は単一レンズ画像システムのいずれかから受光する。
物体光(点線)520は相互作用をして所定の位置にホ
ログラフ像を生成する。この位置はミラー505の傾斜
角θ1 と移動角ω1 により決定される。このホログラム
は、物体光520と参照光525の相対振幅と極性状態
とそれらの間の位相差および物体光520と参照光52
5がホログラフメモリセル515に投影される角度の関
数である。
いて取り出され、そしてこのデータはレンズ510とミ
ラー505のミラーイメージを含む。物体光520は、
参照光525をホログラフメモリセル515にホログラ
ムを生成するのに用いられたのと同一の角度と位置に投
影することにより再構成される。このホログラムと参照
光525は、相互作用して再構成された物体光545
(実線で示す)を再生する。
ログラムが生成された時のミラー505の傾斜角と移動
角になるように傾斜角θと移動角ω2 (即ち、θ1=θ
2,ω1=ω2)だけ傾斜させて移動することにより選択
される。その後再構成された物体光545は、感光性デ
ィテクタ540に投影され、明るいピクセルと暗いピク
セルのパターンを検出することによりデータを読み出
す。レンズ530とミラー535は、再構成された物体
光545を感光性ディテクタ540上に脱方向制御(de
-steer)するだけでなく、ミラー505とレンズ510
によるオフアクシス歪の影響を修正することができる。
制御システムを用いて物体光をホログラフメモリセルの
所定の位置に向けることができる。さらにまたこのシス
テムは、参照光もまた所定の方向に向けることができ
る。
表す図
ステアリングシステムを表す図
ステムを表す図
Claims (9)
- 【請求項1】 ホログラフメモリセル(HMC:31
0)内のデータロケーションにアクセスするために、コ
ヒーレント光の空間変調複合入射ビームを制御する複合
入射ビームの制御システムにおいて、 (A) 前記入射ビームが焦点を結ぶ第1焦点面近傍に
配置された反射素子(305)と、 (B) 前記反射素子に結合され、前記入射ビームを所
望の方向に向けるために、前記反射素子を所望の傾斜角
とプレセッション角に従って方向付ける極制御機構と、 (C) 前記反射素子から反射された前記ビームを屈折
透過する、第2焦点面を有する屈折透過素子(306)
とからなり、 前記所望の方向の関数であるロケーションで前記ビーム
を受光するために、前記ホログラフメモリセル(HM
C:310)は、前記第2焦点面近傍に配置されている
ことを特徴とする空間変調された複合入射ビームの制御
システム。 - 【請求項2】 前記第1焦点面は、フーリエ面であるこ
とを特徴とする請求項1記載のシステム。 - 【請求項3】 前記第2焦点面は、イメージ面であるこ
とを特徴とする請求項1記載のシステム。 - 【請求項4】 (D) 100以上の空間バンド幅積
(space bandwidth product (SBP))を有するコヒ
ーレント光の入射ビームをさらに有することを特徴とす
る請求項1記載のシステム。 - 【請求項5】 前記反射素子(305)は、ミラー
(鏡)であることを特徴とする請求項1記載のシステ
ム。 - 【請求項6】 前記屈折透過素子(306)は、凸レン
ズであることを特徴とする請求項1記載のシステム。 - 【請求項7】 前記ホログラフメモリセル(HMC:3
10)は、ほぼ平面状であることを特徴とする請求項1
記載のシステム。 - 【請求項8】 ホログラフメモリセル(HMC:31
0)内のデータロケーションにアクセスするために、コ
ヒーレント光の空間変調複合入射ビームを制御する複合
入射ビームの制御方法において、 (A) 前記入射ビームを所望の方向に向けるために、
前記入射ビームが焦点を結ぶ第1焦点面近傍に配置され
た反射素子(305)を所望の傾斜角とプレセッション
角に従って方向付けるステップと、 (B) 前記入射ビームが焦点を結ぶ第2焦点面を生成
するよう、前記反射素子から反射された前記ビームを屈
折透過するステップとからなり、 前記所望の方向の関数であるロケーションで前記ビーム
を受光するために、前記ホログラフメモリセル(HM
C:310)は、前記第2焦点面近傍に配置されている
ことを特徴とする空間変調された複合入射ビームの制御
方法。 - 【請求項9】 データを記録するシステムにおいて、 (A) 光源(301)と、 (B) 前記光源から受光したコヒーレント光の空間変
調複合ビームを変調するために配置された空間光変調器
(302)と、 (C) 前記入射ビームが焦点を結ぶ第1焦点面近傍に
配置された反射素子(305)と、 (D) 前記反射素子に結合され、前記入射ビームを所
望の方向に向けるために、前記反射素子を所望の傾斜角
とプレセッション角に従って方向付ける極制御機構と、 (E) 前記反射素子から反射された前記ビームを屈折
透過して、前記入射ビームが焦点を結ぶ第2焦点面を生
成する屈折透過素子(306)と、 (F) 前記所望の方向の関数であるロケーションで前
記ビームを受光するために、前記第2焦点面近傍に配置
されたほぼ平面状のホログラフメモリセル(HMC:3
10)とからなることを特徴とするデータ記録システ
ム。
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