JP3761760B2 - Data multiplexing hologram memory and data multiplexing hologram memory reproducing apparatus - Google Patents

Description

【００２３】
なる条件を満たすことである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明のデータ多重型ホログラムメモリの一実施形態を示した側面図である。任意の導波路層に結合された導波光からの回折か、異なる複数の焦点面において異なる画像を結像する様子を図示している。１．１はレーザー光、１．２はシリンドリカルレンズ、１．３は集光ビーム、１．４は45゜反射ミラー、１．５は光結合位置、１．６は導波光、１．７は第一焦点面で結像する回折光、１．８は第一焦点面、１．９は第Ｎ焦点面で結像する回折光、１．１０は第Ｎ焦点面、１．１１は複数の焦点面に結像する回折光である。データ多重型ホログラムメモリは、ホログラムデータが作り込まれた導波路層１．１２とその端部に設けられた４５゜反射ミラー１．４から成っている。
【００２５】
ここで、従来の技術で説明した拡大率の増大に伴う再生像の周縁部のボケを防ぐために、拡大率を小さくする若しくは、拡大を行わない必要がある。但し、入力先の平行光からのずれ、波長誤差、熱膨張など、様々な要因により再生像の微小な拡大・縮小・伸張・収縮が発生するが、それらによる読みとり誤差をディテクタや光学部品の位置制御でキャンセルできるようにするために、多少の拡大若しくは縮小を行った方がよい。その上で、光の情報量がＣＣＤサイズによって欠落されるのを防ぐために、各種の手段を用いるが、これら手段は本実施形態を含めて以降の実施形態にて順次説明する。
【００２６】
上記した図１は第一の手段を示したもので、この図に示されるように、一つの導波路層１．１２から回折される再生光が、複数の焦点面（第１〜第Ｎ焦点面）に、異なる像を結像させるという多重化を行う。ここで、各焦点面に結像される像は、上記したスポットの集合体でなければならない。
【００２７】
図１にて、レーザー光１．１は、シリンドリカルレンズ１．２によって集光（１．３）され、４５゜反射ミラー１．４によって目的とする導波路層１．１２の端１．５で反射され、導波光１．６となって進行する。このーつの導波光が凹凸によって散乱され、第一焦点面１．８から第Ｎ焦点面１．１０のうちのどこかで集光される回折が起きる。これにより、１．１１に示すように、高さのみ異なる位置にスポットを作ることも、同様に、１．７、１．９に示すように高さ以外の位置も異なる場所にスポットを作ることも可能である。
【００２８】
上記の様に、異なる高さに異なる画像を結像させることは可能であるが、各画像をＣＣＤのような二次元ディテクタによって再生するためには、二次元ディテクタの受光部の大きさ、及び各スポットの大きさがスポットの間隔に比べて十分小さいという条件が課せられる。
【００２９】
次に図２を用いて、焦点面の異なるスポットの影響を説明する。図２は第１の実施形態の有効性を示す図であり、異なる焦点面への集光スポットが他の層へ及ぼす影響を説明する。２．１は再生したい焦点面、２．２は再生したい焦点面から距離Ｄ離れた焦点面、２．３は再生したい焦点面から距離２Ｄ離れた焦点面、２．４は再生したい焦点面に集光する回折光、２．５は再生したい焦点面から距離Ｄ離れた焦点面に集光する回折光、２．６は再生したい焦点面から距離２Ｄ離れた焦点面に集光する回折光、２．７は再生したい焦点面に配置された直径１μｍの光受光ピクセル、２．８は再生したい焦点面に配置され２．７から距離Ｌ離れた集光スポットを示している。但し、簡単の為に、各焦点面への集光する光のＮＡ（開口数）を等しいとし、例としてＮＡ＝０．３，λ＝６８０ｎｍとすると、集光スポットは、エアリーディスクの直径にして約２．７μｍ（＝１．２λ／ＮＡ）である。
【００３０】
直径１μｍの円盤２．７が受光部だとして、この中にスポットの総エネルギーの約４３％が含まれる。一方、距離Ｄ離れた焦点面に集光するスポット直径は、０．６３Ｄ（ ２Ｄｔａｎｓｉｎ^-1ＮＡ〜２Ｄ×ＮＡ）であるから、Ｄ＝５０μｍとして３１μｍとなり、エネルギー密度は、０．００７５倍となる。
【００３１】
同じ１μｍ径の円盤内には、０．３％のエネルギーが入る。より一般的には、ｍ×Ｄ離れた焦点面の同一軸上のスポットからの寄与は、同一焦点面内の隣接スポット２．８との距離をＬとして、ｍ×Ｄ離れた焦点面へは、ピクセルの明暗の比率を１：１として、おおよそπ（ＮＡ×ｍ×Ｄ）² ／２Ｌ² 個のスポットからの光が到達する。
【００３２】
一方、各スホットからの光の寄与は、π（０．６λ／ＮＡ）² ／｛π（Ｄ×ｍ×ＮＡ）² ｝に比例するので、Ｍ＋１個の結像面があるとすると、自分自身を除く、Μ個の結像面からの寄与は、１．７Ｍλ² ／（ＮＡ×Ｌ）² のクロストークノイズ（ＮＣＴ）が発生することがわかる。この場合、例えばλ＝６８０ｎｍ、Ｌ＝５μｍ、ＮＡ＝０．３とすると、Ｍ＝２で、ＮＣＴ＝０．７となり、ノイズは信号より小さいから、少なくとも３多重できることがわかる。しかし、この方法では、ＮＡを大きくして、例えばＮＡ＝０．５としても、８多重程度までしかできない。
【００３３】
そこで、上記問題を解決するための第二の手段を図３を用いて説明する。図３は第１の実施形態に関する図であって、第二の方法に関わるものであり、同一焦点面内の隣り合うスポットの光の位相を互いに180 ゜異なるように配置した様子を示した図である。図３（ａ）は焦点面における様子で点の大きさが集光スポットの大きさを、色( 白／黒) は位相の違いを示している。図３（ｂ）は焦点面からずれた面における光の様子を示した図で、色( 白／黒) は位相の違いを、円の大きさはスポットの大きさを模式的に示している。
【００３４】
この図３に示すように、隣り合うスポットの位相を互いに180 °変える（図３（ａ））ことで、クロストークノイズを低減し、可能な多重度を増大する。焦点面以外では、各スポットの位相は一様ではなく、同心円上に等位相線が分布する（図３（ｂ））が、そのような異なる焦点面で絞られる十分な大きな数のスポットからの寄与がある場合、統計的には相異なる位相を持つスポットの数はほぼ等しくなり、従って、波の重ね合わせによって光強度は０に近くなる。但し、あくまで統計的、確率的な現象であるから、全スポット数をＱとすると、Ｑの平方根の数の不一致が期待される。
【００３５】
従って、上記と同様にピクセルの明暗の比率を１：１として、ｍ×Ｄ離れた焦点面からのクロストークへの寄与（ＮＣＴ，ｍ）は、
【００３６】
【数２】

【００３７】
であたえられ、異なるｍを与える焦点面からの寄与を合計した総クロストーク（ＮＣＴ）は
【００３８】
【数３】

【００３９】
となる。Ｄ＝３０μｍ、λ＝６８０ｎｍ、Ｌ＝５μｍ、ＮＡ＝０．３として、ＮＣＴ＝０．０５Σｍ≠０｜ｍ｜^-1であるから、３０多重してもＮＣＴ〜０．３４であり、十分判読可能なレベルとなり、記録容量が飛躍的に増大できることがわかる。
【００４０】
次に上記したデータ多重型ホログラムメモリの実施例について説明する。データ多重型ホログラムメモリ（再生専用積層導波路ホログラムメモリ）の使用光源として、波長が６８０ｎｍの半導体レーザーを用いる。ホログラムサイズを３×３ｍｍ^２ 、再生像サイズを６．７×６．７ｍｍ^２ とし、再生像は、１０２４×１０２４個の正方ピクセルからなるＣＣＤパネルで受光する。焦点距離は、３．２ｍｍから４．８ｍｍまで、０．２ｍｍ毎に９水準設定する。ＣＣＤパネル上に再生するべきデータは、９種類用意し、ｐ番目の像の（ｉ，ｊ）位置のピクセル位置での光の振幅を、ａｐｉｊ （−１）^ｉ＋ｊの様に与える。ここで、ａｐｉｊ は、０または１のどちらかの値をとる。位相は、（−１）^ｉ＋ｊによって、隣り合うピクセルで１８０゜異なるように設定されている。各パターンを作る導波路層上の波面を、
【００４１】
【数４】

【００４２】
【数５】

【００４３】
で求める。但し、Ｒｐｉｊ は（３．２ｍｍ〜４．８ｍｍ）の各焦点距離でのＣＣＤピクセルの位置ベクトル、（１８）式の積分領域（σ）は導波路層のホログラムの領域（３×３ｍｍ² ）である。
【００４４】
この実施形態での記録密度は、ホログラムを書き込んである領域だけだと、一層あたり０．６７６Ｇｂｉｔ／ｉｎ^２となる。ただし、１００層の積層で、厚みが１ｍｍとして、ミラー部の幅が１ｍｍ必要であるから、記録媒体全体としての記録密度は、４５Ｇｂｉｔ／ｉｎ^２となる。尚、図１に示したホログラムメモリの導波路に光を導波させるための光源及び光学系と、垂直方向に複数配置された、又は垂直方向に移動可能なＣＣＤ等の光検出器を付加すれば、前記ホログラムメモリからデータを再生するデータ多重型ホログラムメモリ再生装置を構成することができる。
【００４５】
図４は、本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第１の実施形態を示した側面図及び上面図である。４．１はＣＣＤ（パネル）、４．２はマスク、４．３は回折光、４．４は開口部から透過した回折光、４．５はマスクに開けられた開口部、４．６は導波光、４．７はシリンドリカルレンズ、４．８は４５°反射ミラー、４．９は線分状の集光線、４．１０はホログラム、４．１１はホログラムの大きさ、４．１２はレーザ光を示している。データ多重型ホログラムメモリは、ホログラムデータが作り込まれた導波路層４．１３とその端部に設けられた４５゜反射ミラー４．８から成っている。
【００４６】
本例は第三の手段として、独立の異なる再生像を回折するホログラムが互いに重なり合う領域をもつ多重方法を採っており、以下これについて説明する。図４において、レーザ光４．１２はシリンドリカルレンズ４．７によって線分状に集光（４．９）され、４５°反射ミラー４．８によって反射され、導波路層４．１３に結合して導波光４．６となる。導波光４．６は、導波路層４．１３内に設けられたホログラムによって回折されるが、その殆どは、記録媒体上に配置されたマスク４．２によって遮蔽される。
【００４７】
ＣＣＤ４．１上に結像されるべき再生像は、マスク４．２に開けられた開口部４．５により選択されるが、ここで、再生像はマスク４．２の開口部よりも大きい。但し、その開口部４．５の波面を作り出すホログラム４．１０は、斜線で示される部位４．１１の大きさを持ち、これは開口部４．５よりも大きい。この様な構成を採用することにより、４５°反射ミラー４．８は、各ホログラム毎に用意する必要はなく、記録媒体の少なくとも１辺に作ればよいことになり、情報を記録した部位の面積を大きくすることができる。また、この構成では、光の導入部は必ずしも４５°反射ミラーである必要はなく、作製の容易な垂直端面であっても良い。
【００４８】
次に、図４に示したデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の構成を可能にするためのホログラムの作成方法を説明する。まず、一つの導波路層内から回折してＣＣＤ上に結像したいパターンを欲しい数（Ｐ）だけ用意する。これらを、Ｆp （i,j ）（１≦ｐ≦Ｐ，1 ≦ｉ≦Ｃm ，１≦ｊ≦Ｃn ）と呼ぶ。ここで、ＣＣＤ上のパターンはＣm ×Ｃn ピクセルのドットマトリックスで構成されているものとする。また、これらのピクセルの中心位置を、Ｒijで表すものとする。まず全てのＦp について、マスクの開口部（４．５）における必要な波面Ｗp 分布を
【００４９】
【数６】

【００５０】
に従って計算する。ここでｋは使用光源の空気中での波数、ξは開口部平面内の各点を表す位置ベクトル、Ｎijは規格化パラメーターで、
【００５１】
【数７】

【００５２】
で与えられる。積分領域（σ）は、開口部平面内である。こうして求められたＷp を用いて、導波路面内に誘起されるべき波面Ｇp （ｒ）は、
【００５３】
【数８】

【００５４】
で与えられる。ここで、Ｍ（ξ）は、
【００５５】
【数９】

【００５６】
で与えられる規格化定数であり積分範囲（Ｈp ）は、Ｆp を回折する導波路内のホログラムが描かれている領域であり、かつ、波面（Ｇp （ｒ））の定義域であり、開口部（σ）より大きな面積を持つよう設計される。なお、再生像（Ｆp ）、開口部（σ）、及びホログラム（Ｈp ）は互いに平行であり、それぞれの中心を通る法線は一致する。
【００５７】
以上の様にして求められた各ｐに対する波面（Ｇp （ｒ））、対応する開口部が互いに重なることの無いよう、導波路面内で平行移動し、全てのｐについて和を取る。例えば、Ｐ個のパターンを、Ｐx ×Ｐy ≧Ｐなる条件を満たすＰx 行Ｐy 列にて配列し、Ｐをふたつの整数q1とq2を用いて、ｐ＝q1×（Ｐx −１）＋q2の様に表したとすると、開口部（σ）が、α×βの矩形である場合、一つの導波路層全体の波面（Ｇ（ｒ））は、
【００５８】
【数１０】

【００５９】
とすればよい。ここで、Ｇp （ｒ）の引数ｒが定義域外の時は、Ｇp （ｒ）＝０とする。ｘは導波光伝搬方向の単位ベクトル、ｙは導波面内にありｘに垂直な単位ベクトルを表す。α' ，β' は、マスクの単位移動量に相当し、再生像を独立にＣＣＤで受けるためには、それぞれα' ＞α、β' ＞βという条件を満たす必要がある。ホログラムの大きさ、即ち、Ｇp （ｒ）の定義域（Ｈp ）を全てのｐに対して共通に、縦ｈx ×横ｈy の矩形であるとすると、ｈx ＞α' 、あるいは、ｈy ＞β' の時、ホログラムは重なりを生じる。導波路ホログラムメモリ媒体の導波面のサイズが、Ｔx ×Ｔy の時、全てのホログラムを導波面内に納めるためには、
【００６０】
【数１１】

【００６１】
【数１２】

【００６２】
なる条件が満たされなければならない。
【００６３】
以上の条件を満たすＧ（ｒ）が求まれば、ホログラムの形成は、従来法と同様の凹凸をクラッドとコアの界面に作り込むという方法で実現可能である。但し、この方法では、45°反射ミラー作製による面積のロスは解消されるが、画像の中央と周辺部での像のボケ具合が不均一であるという欠点は捕えない。しかし、単なる拡大光学系に比べ、Hpがオーバーラップしているために、導波路層のある１点から見ると、シャープなスポットを作る鉛直上方の再生像と、ぼやけたスポットしか作れない斜め上の再生像をつくる作用を同時に有しており、導波路層全体で見ると場所による情報量喪失の不均一性は小さくなる。つまり、同一の凹凸加工精度なら、本方式を用いる方が単純拡大光学系より有利であることが分かる。
【００６４】
次に、図４に示したデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の実施例について説明する。データ多重型ホログラムメモリ（再生専用積層導波路ホログラムメモリ）の用光源として、波長が６３２ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いる。再生像は、１０２４×１０２４個の正方ピクセルから成るＣＣＤ（パネル）４１で受光する。ＣＣＤ４１の有効受光面は、６．７×６．７ｍｍ^２である。ホログラムサイズはＣＣＤサイズと同じ、６．７×６．７ｍｍ^２とする。１ｍｍ×１ｍｍの正方形の開口部をもつマスクを、導波路表面から３．５ｍｍの高さに配置する。遮蔽部を含めたマスクの大きさは、ＣＣＤへの迷光を防ぐ程度、例えば、１ｃｍ×１ｃｍの大きさがあればよく、黒塗り処理された穴あきアルマイト板をマスクとして用いれば良い。厚みは、０．２ｍｍ程度の薄いもので良い。ＣＣＤ４．１はマスクの位置から、さらに３．５ｍｍ上方に配置する。つまり、ホログラムとＣＣＤ４．１の距離は７ｍｍとなる。
【００６５】
マスクの移動単位を縦横１．１ｍｍとし、記録媒体の大きさを５ｃｍ×８ｃｍ、ミラー部の幅を１ｍｍ×８ｃｍとすると、一層当たり３９×６７個のホログラムを重畳できる４８．５ｍｍ×７９．３ｍｍの有効面積を確保できる。この場合、層数を１００層として、３４．２ギガバイトのデータ容量が得られる。
【００６６】
図５は、本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第２の実施形態を示した側面図及び上面図である。５．１はレーザー光、５．２はシリンドリカルレンズ、５．３は４５゜反射ミラー、５．４は線分状に集光された集光線、５．５は導波光、５．６は回折光、５．７は位相マスク、５．８はＣＣＤ（パネル）、５．９はホログラムクラスターである。データ多重型ホログラムメモリはホログラムデータが作り込まれた導波路層５．１０とその端部に設けられた４５゜反射ミラー５．３から成っている。
【００６７】
本例では、第四の手段として、位相マスクを用いて、互いに独立な再生像を、同じ導波路層の同じ位置に設けられたホログラムから、分離して再生する方法について説明する。図５に示すように、レーザー光５．１はシリンドリカルレンズで線分状に集光され（５．４）、積層導波路ホログラムメモリの１辺に設けられた45°反射ミラー５．３で反射されて、導波路層５．１０に結合し、導波光５．５となる。導波路層５．１０にはホログラムが形成されているが、その大きさの単位は斜線でハッチングされている領域５．９で示される。この領域５．９を、ここではホログラムクラスターと呼ぶことにする。ホログラムクラスター５．９は、一つの導波路層５．１０内に複数個作られているが、お互いに重ならないように配置されている。
【００６８】
さて、導波光が導波路層内を伝搬するにつれ、複数のホログラムクラスターによって回折５．６を受ける。ここで、ホログラムクラスターからの回折光がＣＣＤ５．８面でつくる再生像が、ホログラムクラスターサイズと同じか、若しくは小さいと、各々干渉されることなく分離することが可能である。さらに、着目するホログラムクラスターからの回折光を位相板５．７、若しくは、位相変調透過型液晶パネルを通過させる。この位相板か、液晶パネルの位相パターンを変えることで、独立な複数の再生像を得ることが出来る。
【００６９】
以下、位相パターンの変更で、同一のホログラムクラスターの回折光から、複数の独立な再生像を得る方法とその原理を説明する。
【００７０】
まず、ひとつのホログラムクラスターからＣＣＤ（パネル）５．８面で再生させたい、Ｐ個の再生像パターン（Ｆp （Ｒij））を用意する（１≦ｐ≦Ｐ）。ここで、パターンは、Ｂm ×Ｂn ピクセルのドットマトリックスで構成されているものとし、Ｒijは、ｉ行ｊ列目（１≦ｉ≦Ｂm 、１≦ｊ≦Ｂn ）のピクセルの中心を示す位置ベクトルとする。
【００７１】
次に、Ｆp （Ｒij）を作り出す位相板（若しくは液晶）５．７のパネル通過直後の光の波面分布（Ｗp （ξ））を（４）、（５）式に従って求める。但し、ここで、Ｗp （ξ）の定義域は、位相板（若しくは液晶パネル）５．７の出射面である。尚、以降、位相板と液晶パネルを総称して、単に“位相パネル”と呼ぶことにする。
【００７２】
位相パネルは、Ｍθ ×Ｎθ ≧Ｐなる条件を満たす、Ｍθ ×Ｎθ 個の面積の等しい小領域からなり、各小領域が独立に光の位相を変化させられるものとする。これは、液晶パネルであれば、各ピクセルヘの印加電圧を変えることに対応し、位相板５．７なら各小領域の厚みが異なる複数の位相板を用意することに対応する。次に、各Fpに対して、対応する位相パネルのパターン（Θp ）を決定する。Θpに課せられる条件は、互いに直交する、即ち、Θp の各小領域の位相をθ［ｐ,α, β] とすると、p1≠p2の時、
【００７３】
【数１３】

【００７４】
である。互いに直交する位相パターンは、Ｍθ ×Ｎθ 種類ある。もし、Ｍθ ＝Ｎθ 、かつ、Ｍθ が２の整数乗ならば、全てのθ［ｐ, α, β] は、０若しくはπの２種類のみで与えられ、位相板の製造や、液晶パネルの製造と制御上、有利である。
【００７５】
図６は本実施形態に関する図であって、第四の方法に関わるものであり、位相マスクの位相パターンの具体例を説明している。図６（ａ）はホログラムクラスターから４種類の再生像を得るときの位相板５．７の例を示し、各位相パターンの上の数字はパターン番号を示し、２×２即ち４多重の場合の位相パターンの直積で、４×４即ち16多重の位相パターンが得られる。図６（ｂ）はホログラムクラスターから16種類の再生像を得るときの位相板５．７の例を示し、図６（ａ）の上の数字は、積の選択を示す。
【００７６】
図６に示すように、白四角の位相を０、斜線でハッチングされた四角の位相をπとして、２×２の位相パネルの場合に図６（ａ）で示すような４種類のΘp（１≦ｐ≦４）が存在する。同様に、４×４の場合の16種類の位相パターンを図６（ｂ）に示す。一般に、２^m ×２^m の位相パネルの場合、その位相パターンの各成分（θ）のexp （ｉθ）をとった（即ち、０を１に、πを−１に置き換えた）マトリックス（m Θp1；１≦p1≦２^2m）は、２^m-1 ×２^m-1 の位相パターンに対応する同様のマトリックス（m-1 Θp2；１≦p2≦２^2(m-1)）と２×２対応のマトリックス（0 Θp3；１≦p3≦４）との直積
【００７７】
【数１４】

【００７８】
で与えられる。
【００７９】
さて、以上のように求めたΘp に対し、上で説明した（即ち各成分を、exp（iφαβ）で置き換えた）マトリックス（Θp ）の複素共役（Θp ）を求める。ホログラムクラスター位置（ｒ）の波面（Ｇ（r ））を
【００８０】
【数１５】

【００８１】
とする。
【００８２】
ここで、Ｍ（ξ）は積分領域（Ｈp ）をホログラムクラスターのある領域とした（７）式で与えられ、σは位相パネルの全領域を示す。なお、Θp も（各小領域では一定値をもつ）ξの関数である。Ｇ（r ）が求められれば、ホログラムクラスターは、従来のホログラムの凹凸を作る技法を用いて作製できる。
【００８３】
さて、この様にして得られたホログラムクラスター位置における光の波面は、進行してＣＣＤパネル５．８に到達する前に、位相パネルを通過しなければならない。位相パネルのパターンをΘq とすると、位相パネル通過直後の波面（Ω（ξ）は、
【００８４】
【数１６】

【００８５】
であるから、ＣＣＤパネル５．８上の各ピクセルの中心位置（Ｒij）での波面（Γ（Ｒij））
【００８６】
【数１７】

【００８７】
を用い、（15）式に、（4 ）、（14）を代入し、位相パネルの直交性を用いることにより、
【００８８】
【数１８】

【００８９】
が得られる。つまり、ｑ番目の位相パターン（Θq ）を用いることにより、ｑ番目の再生像が得られることが分かる。
【００９０】
次に、図５に示したデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の実施例について説明する。データ多重型ホログラムメモリ（再生専用積層導波路ホログラムメモリ）の使用光源として、波長が532nm のLD励起YAG:SHG レーザーを用いる。再生像は、1024×1024個の正方ピクセルからなるＣＣＤ（パネル）５．８で受光する。ＣＣＤ５．８の有効受光面は、6.7 ×6.7mm^２である。ホログラムクラスターサイズはＣＣＤサイズより少し大きな、7 ×7mm^２とする。位相パネルとして、一辺1cm の正方形の石英ガラスのうち、中央の１辺７mmの正方形部分が位相板５．７として機能し、その周囲（1.5mm 幅の縁部）はタンタル薄膜で覆われ光を遮蔽する構造をもつ。石英ガラスは、厚み0.5mm の光学研磨され、１辺７mmの正方形部分の位相板５．７は、0.875mm の正方形の小領域64個（＝８×８）からなる。各小領域は、ドライエッチングによって、0.19μm の深さ削られるか、あるいは、全く削られないかが選択されている。64個の小領域からなる位相板であるから、位相の直交する64種類を用意する。
【００９１】
位相パターンの決定方法は、エッチングされる部分をπ、エッチングされない部分を０に対応させて、後は、（12）式に従って決定される。位相板５．７は、導波路層の鉛直上方１mmに配置し、ＣＣＤ（パネル）５．８は位相板のさらに上方４mmの位置に配置する。つまり、ＣＣＤ（パネル）５．８と導波路層５．１０の距離は５mmである。ホログラムクラスターの作成方法は、（4 ）、（5 ）、（13）式に従って求める。この様なホログラムクラスターを７×11個並べると、49mm×77mmの領域を必要とするが、１mm×５mmのミラー部を一辺に配しても、５cm×８cmの記録媒体サイズに収まる。積層を100 層として、64.5ギガバイトのデータ容量が得られる。
【００９２】
図７は、本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第３の実施形態を示した側面図及び上面図である。７．１はレーザー光、７．２はシリンドリカルレンズ、７．３は４５°反射ミラー、７．４は線分状集光線、７．５は導波光、７．６は回折光、７．７は振幅マスク、７．８はＣＣＤ（パネル）、７．９はホログラムバンチ、７．１０は導波路層を示している。
【００９３】
本例では、第五の手段として、振幅マスク７．７を用いて、互いに独立な再生像を、同じ導波路層の同じ位置に設けられたホログラムから、分離して再生する方法について説明する。図７に示すように、レーザー光７．１はシリンドリカルレンズ７．２で線分状に集光（７．４）され、積層導波路ホログラムメモリの１辺に設けられた45°反射ミラー７．３で反射されて、導波路層７．１０に結含し、導波光７．５となる。導波路層７．１０にはホログラムが形成されているが、その大きさの単位は斜線でハッチングされている領域（７．９）で示される。この領域（７．９）を、ここではホログラムバンチと呼ぶことにする。ホログラムバンチ７．９は、一つの導波路内に複数個作られているが、お互いに重ならないように配置されている。
【００９４】
さて、導波光が導波路層７．１０内を伝搬するにつれ、複数のホログラムバンチ７．９によって回折（７．６）を受ける。ここで、ホログラムバンチ７．９からの回折光がＣＣＤ７．８面でつくる再生像が、ホログラムバンチサイズと同じか、若しくは小さいと、各々干渉されることなく分離することが可能である。さらに、着目するホログラムバンチ７．９からの回折光を振幅マスク７．７、若しくは、透過率変調型液晶パネルを通過させる。この振幅マスク７．７か液晶パネルの透過パターンを変えることで、独立な複数の再生像を得ることが出来る。
【００９５】
即ち、ＣＣＤ（パネル）７．８上に再生したい像をＰ種類とすると、お互いに開口部を具有しないマスクをＰ個用意すればよい。液晶パネルを用いるならば、お互いに共通の透過ピクセルを持たないＰ個のパターンを生じさせればよい。ただし、全ての透過パターンにおいて、透過部は、（ホログラムバンチの鉛直上方で）極力、空間的に拡がっている必要がある。これは、ＣＣＤ７．８上でスポットを結像する際、そのスポットサイズを決定するのは、スポットに集光する光の拡がり角度であり、その角度が大きいほど小さなスポットが形成できる、即ち、再生像の精細度が高くなるからである。
【００９６】
図８は本実施形態に関する図であって、第五の手段、即ち、４多重を行うときの振幅マスクの開口部の配置を説明する図である。図８（ａ）は開口部が空間的に散らばるように配置された４多重用の４パターン、図８（ｂ）は開口部が１ヶ所に纏まる様設定した４多重用の４パターンを示している。
【００９７】
図８（ａ）は開口部が空間的に散らばるように設定した好ましい例、逆に、図８（ｂ）は悪い例である。図８（ａ）の例では、ホログラムバンチ全体から１種類の再生像しか再生させない、即ち、振幅マスク７．７を用いない場合にくらべて、集光スポットは8/7 倍（〜1.14倍）程度にしか拡がらないが、図８（ｂ）の例では、集光スポットは、２倍に拡がってしまう。但し、あまり各開口部を小さくするのは、高い位置合わせの精度を必要とするので好ましくない。
【００９８】
次に、図７に示したデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の実施例について説明する。データ多重型ホログラムメモリ（再生専用積層導波路ホログラムメモリ）の使用光源として、波長が650nm の半導体レーザーを用いる。再生像は、1024×1024個の正方ピクセルから成るＣＣＤ（パネル）７．８で受光する。ＣＣＤ７．８の有効受光面は、6.7 ×6.7mm ^２ である。ホログラムバンチ７．９のサイズはＣＣＤサイズと同じ、6.7 ×6.7mm^２ とする。振幅マスク７．７として、67μｍ角の正方ピクセル100×100 個からなる、一辺6.7mm の正方形の透過型振幅変調液晶パネルを用いる。液晶パネルは、ホログラムバンチ７．９の直上0.5mm の位置に配置し、ＣＣＤ（パネル）７．８はさらに上方4mm の位置に配置する。つまり、導波路層７．１０とＣＣＤ（パネル）７．８との距離は4.5mm である。
【００９９】
この配置で、ホログラムバンチ当たり100 多重を行うには、ＣＣＤ（パネル）７．８のピクセルの100 ピクセルが透過、他の9900ピクセルは遮蔽という状態を実現する必要がある。これは、第ｐ再生像を得るとき、整数演算p/100 の商をi 、剰余をj として、液晶パネルの透過パターンとして、（i+10m+1 ）行（j ＋10n＋１）列のピクセルのみ透過、それ以外は遮蔽、という例で実行可能である。ここで、m,n は、０〜９の全ての整数である。なお、ホログラムバンチ７．９を作るときの透過パターンも全く同じでなければならない。この様なホログラムバンチ７．９を0.3mm の隙間を開けながら7 ×11個並べ、5cm ×8cm の記録媒体に収めると、積層を100 層として、100 ギガバイトのデータ容量が得られる。
【０１００】
前述の手段のうち、液晶パネルではなく振幅マスクを用いる場合、マスクを一次元的に、しかも最小限の移動量動かすだけで異なるパターンにするためには、マスクの行か列、若しくはその両方で微小領域内（図８では、灰色の線で囲まれた部分）の開口部の位置が相異なるようにすればよい。
【０１０１】
図９は振幅マスク７．７の開口部の配置を説明する図であり、図９（ａ）は行若しくは列が、互いに同じ相対開ロ部を持たない例を示し、図９（ｂ）は行、列ともに同じ相対開口部を持たない例を示している。図９では、４多重の例を示す。灰色の線で囲まれた部分が、ここでいう微小領域である。
【０１０２】
図１０は16多重を行う場合の、振幅マスクの開口部の配置を説明する図である。ホログラムバンチの大きさは、４×４個の小領域に等しく、各小領域の1/16の大きさが開口部である振幅マスク７．７を用意する。開口部の位置は図に示す通りであるが、図示したのは最短の長さのマスクであり、左端から16列のパターンを順次繰り返して、より長い振幅マスクを作っても良い。マスクの移動方向とは垂直方向に導波光は進行する。
【０１０３】
なお、振幅マスク７．７とは別に、着目するホログラムバンチの大きさの開口部を持つ振幅マスクを同時に用い、該開口部と、パターンをもつ振幅マスクの共通開口部からのみ光が透過するようにすれば、導波光の伝搬方向は振幅マスク７．７の移動方向と共通でよい。図10で示す振幅マスク７．７を、小領域の１辺の長さ分移動すれば、移動するたびに新しい再生像が、計16種類得られる。
【０１０４】
なお、図６に示した位相マスクと、図８、図９、図１０に示した振幅マスクを組み合わせることも可能である。また、“受光素子とマスクを一体化できる”と、“ホログラムの情報密度を下げずに信号検出ができる”と言う二つの利点を活かした方法も可能である 。
【０１０５】
これは、図４に示したデータ多重型ホログラムメモリ再生装置では、ひとつの再生像に対してひとつのみ割り当てた開口部を小さく分割し、広い面積に分散させることで可能となる。例えば、再生像の大きさをｍＲ×ｍＣ（ｍは１より大きい整数、Ｒ、Ｃは長さの次元をもつ量）の面積をもつ長方形（含正方形）、ホログラムを書き込む導波路層の面積を再生像より大きいＭｍＲ×ＮｍＣ（Ｎ，Ｍは１より大きい整数）とする。
【０１０６】
次に再生像の大きさより十分大きな光遮蔽板を用意し、再生像の長方形の大きさと同じ面積内に、それぞれＲ×Ｃの矩形と同等か、それ以下の大きさの光透過部を、極力、位置が分散するようにｍ個配置する。この時、光遮蔽板のｍＲ×ｍＣの面積をｍ×ｍの微小な矩形に分割し、（縦、横）の順にそれぞれ（ｉ，ｊ）番地と呼ぶとすると、光透過部を持つ異なる番地は、縦横それぞれに同じ番地を共有してはならない。即ち、光透過部をもつ任意の二つの番地（i1,j1 ），（i2,j2)に対し、常にi1≠i2、j1≠j2を同時に満たさねばならない。この様な複数の微小開口を持つ光遮蔽板を光ディテクタに固定し、その組をホログラムメモりに対して、導波路層面に平行な面内で、距離Ｒ若しくは、それに垂直な方向に距離Ｃのどちらか一方を選択し、移動すると、次々、新たな再生像が得られることになる。
【０１０７】
ここで、任意の再生像をもたらすホログラムからの回折光は、該再生像に対応する微小開を経由するように設計されている必要がある。その為には、（１) 開口部からの伝搬光が受光面に欲する画像を結像する様に、開口部での光の位相と振幅分布を求める。(2) 該開口部に該振幅分布を与えるような回折光の導波路面での光の振幅と位相分布を求める。(3) すべての画像とそれに対応する開口に対して同じ操作を繰り返し、得られた光の波面( 振幅と位相) を重ね合わせる。という一連の作業を行う必要がある。
【０１０８】
図１１は本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第４の実施形態を示した側面図及び上面図である。１１．１はホログラムバンチサイズ、１１．２はホログラムバンチ、１１．３は回折光、１１．４は1.625mm 角の正方形の小領域、１１．５は406 μm 角の開口、１１．６は透過光、１１．７は画像選択用振幅マスク、１１．８はＣＣＤパネル（CMOSディテクタ）、１１．９は6.5 ×6.5mm^２の開口を持つ大開口振幅マスク、１１．１０は画像選択用振幅マスク移動方向、１１．１１は大開口振幅マスク移動方向を示している。データ多重型ホログラムメモリ再生装置は、ホログラムデータが作り込まれた導波路層１１．１２とその端部に設けられた４５゜反射ミラー１１．３、ホログラムバンチ選択用の振幅マスク１１．７、１１．９、光電変換素子であるCMOSパネル１１．８から成っている。
【０１０９】
データ多重型ホログラムメモリ（再生専用積層導波路ホログラムメモリ）の使用光源として、波長が680nm の半導体レーザーを用いる。再生像は、2048×2048個の正方ピクセルからなるCMOSパネル１１．８で受光する。CMOSパネル１１．８の有効受光面は、3 ×3mm ² である。ホログラムバンチサイズ１１．１はCMOSパネル１１．８のサイズより大きな、6.5 ×6.5mm ² とする。振幅マスクとして、6.5 ×6.5mm ² の開口を持つもの（１１．９）と、1.625mm 角の正方形の小領域１１．４に406 μｍ角の開口１１．５がひとつずつあいた、画像選択用の振幅マスク１１．７の二つを同時に用いる。振幅マスク１１．７は、共に、開口部以外を黒く塗られた、光学品質のＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィルムを用いる。着目するホログラムバンチ以外からの回折光１１．３は、ホログラムバンチ選択用の大開口振幅マスク１１．９で遮蔽され、ホログラムバンチからの再生像選択は、画像選択用の振幅マスク１１．７で行われる。両方の振幅マスク１１．７、１１．９はほぼ同じ高さ（導波路層から0.5mm ）に、密着して配置され、振幅マスクからの透過光１１．６は、マスクから4mm 上方のCMOSディテクタ１１．８上で再生像を結像する。振幅マスク１１．７、１１．９は共にＰＥＴフィルム製であるから、ローラーに巻かれ、その張力で平面を保ち、ローラーの回転によって移動する（１１．１０、１１．１１）。
【０１１０】
画像選択用の振幅マスク１１．７の開口パターンは図10にて与えられているものと同じで、最初の16列を８回繰り返した構造である。この設定では、ひとつのホログラムバンチあたり16種類の再生像が得られる。この様なホログラムバンチを0.2mm 及び0.5mm の隙間を開けながら7 ×12個並べて５cm×８cmの記録媒体に収めると、積層を100 層として、70ギガバイトのデータ容量が得られる。
【０１１１】
図１２は本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第５の実施形態を示した側面図及び上面図である。１２．１はレーザー光、１２．２はシリンドリカルレンズ、１２．３は４５°反射ミラー、１２．４は線分状集光線、１２．５は導波光、１２．６は回折光、１２．７は分散開口振幅マスク、１２．８はＣＣＤパネル（CMOSディテクタ）、１２．９は分散開口マスクの拡大図、１２．１０は導波光が一度に導波する領域、１２．１１は開口部を透過した回折光を示している。データ多重型ホログラムメモリ再生装置は、ホログラムデータが作り込まれた導波路層１２．１１とその端部に設けられた４５゜反射ミラー１２．３、ホログラムバンチ選択用の振幅マスク１２．７、光電変換素子であるCMOSディテクタ１２．８から成っている。
【０１１２】
再生専用積層導波路ホログラムメモリの使用光源として、波長が680nm の半導体レーザーを用いる。再生像は、l500×1500個の2 μｍピッチ正方ピクセルからなるCOMSディテクタ１２．８で受光する。CMOSディテクタ１２．８の有効受光面は、3 ×3mm ² である。ホログラムバンチサイズ１２．９はCMOSディテクタサイズと同等の、3 ×3mm ² とする。分散開口振幅マスク１２．７はCMOSディテクタ１２．８に固定されている。レーザー光１２．１は、シリンドリカルレンズ１２．２によって線分状１２．４に集光されるが、その線分の長さはホログラムバンチサイズ１２．９の幅と等しいか少し長い程度にする必要があるが、ここでは3.2mm になるよう設定する。１２．１０は導波光１２．５が一度に導波している領域(3.2×77mm² ) であるが、そのうち3.0 ×75mm² の領域から結像の為の光が回折（１２．６）される。この3.0 ×75mm² の領域をホログラムストライプと呼ぶことにする。ホログラムストライプから回折された回折光１２．６の中から、分散開口マスク１２．７によって、特定の光のみが選択（１２．１１) され、CMOSディテクタ１２．８上に像を結像する。
【０１１３】
図１３は図１２における分散開口マスク１２．７とホログラムの配列方法を説明する図である。１３．１は分散開口マスク、１３．２は分散開口マスクの移動方向、１３．３は分散開口マスクを含む平面内での回折光が含む再生像の番号を示している。
【０１１４】
１３．１は、分散開口マスク１２．７の拡大図であるが、マスク全体は４×４mm² の面積を持つ正方形であり、その中央部に縦横８×８に分割される3 ×3mm²の領域が設定され、この領域に微小開口が分散して配置される。各微小開口の大きさは、375 μm ×375 μm の面積を持つ正方形であって、１３．１に示されるように開口部が配置されている。
【０１１５】
これは、８多重を行う開口の配置であって、( 縦、横) の番地で表現すると、（1,1)(2,7)(3,3)（4,5)（5.4)(6,6）(7,2）(8,8) の位置に開口部がある。線分状の集光位置で導波路層１２．１１に結合した導波光１２．５は3.2mm の幅で77mm導波するが、メモリカード直上0.5mm の位置で（13.3mm) に示されるような位置にＮ番目の画像情報をもつ回折光を分配するように設計される。
【０１１６】
従って、メモリカード直上0.5mm に分散開口マスクを配置し、それを移動（１３．２）すれば、導波光１２．５の結合位置を変えることなく、１，２，３，，，１９２の順に次々CNOSディテクタ１２．８上に異なる画像番号をもつ画像が現れることになる。この様なホログラムストライプは、5cm ×8cm の記録媒体内に16本収めることが可能であるから、積層を100 層として、100(層) ×16( 本) ×192(画像) ×1500² （ピクセル）÷8 ＝86ギガバイトのデータ容量が得られる。
【０１１７】
また、図１３の１３．３において、画像再生用に用いない部分（Ｓと標記してある）には、サーボ信号やレイヤー番号、ストライブ番号など、管理情報などを記録しておくことができる。
【０１１８】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明によれば、導波路層により回折される光の結像を多重化することにより、再生装置に光の波長より十分に大きなピクセルサイズを持つ二次元ディテクタを用いても、ホログラムの持つ情報密度を余り落とすことなく、情報を取り出すことができてメモリ容量を増大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明のデータ多重型ホログラムメモリの一実施形態を示した側面図である。
【図２】 異なる焦点面への集光スポットが他の層へ及ぼす影響を説明する図である。
【図３】 同一焦点面内の隣り合うスポットの光の位相を互いに１８０°異なるように配置した様子を示した図である。
【図４】 本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第１の実施形態を示した側面図及び上面図である。
【図５】 本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第２の実施形態を示した側面図及び上面図である。
【図６】 位相マスクの位相パターンの具体例を説明した図である。
【図７】 本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第３の実施形態を示した側面図及び上面図である。
【図８】 ４多重行う時の振幅マスクの開口部の配置を説明する図である。
【図９】 振幅マスクの開口部の配置を説明する図である。
【図１０】 16多重を行う場合の振幅マスクの開口部の配置を説明する図である。
【図１１】 本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第４の実施形態を示した側面図及び上面図である。
【図１２】 本発明のデータ多重型ホログラムメモリ再生装置の第５の実施形態を示した側面図及び上面図である。
【図１３】 図１２における分散開口マスクとホログラムの配列方法を説明する図である。
【符号の説明】
１．２、４．７、５．２、７．２、１２．２ シリンドリカルレンズ
１．４、４．８、５．３、７．３、１１．３、１２．３ ４５゜反射ミラー
１．１２、４．１３、５．１０、７．１０、１１．１２ 導波路層
４．１、５．８、７．８、１１．８、１２．８ ＣＣＤ（CMOSディテクタ）
７．９、１１．２ ホログラムバンチ
１１．４ 小領域
１１．５ 開口
１１．７、１２．７ 振幅マスク
１１．９ 大口径マスク[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a data multiplexed hologram memory composed of a slab type single mode waveguide in which a plurality of independent holograms are written, and a data multiplexed hologram memory reproducing apparatus for reading data from the hologram memory.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, in a read-only laminated waveguide hologram memory with a structure in which a number of slab-type single mode waveguides in which a plurality of independent holograms are written are stacked, the diffracted light from each waveguide is placed at a location several millimeters away A desired image is formed on a two-dimensional detector such as a CCD. Therefore, the image data resolution at the time of reproduction cannot exceed the resolution of the two-dimensional detector.
[0003]
The hologram is uneven information for diffracting an image in the holographic technique. In the present invention, the hologram is formed in each waveguide layer. An image diffracted by the hologram is called a reproduced image.
[0004]
For example, if the pixel period of the CCD is 5 μm, even if there is image data with a higher definition than 5 μm, it cannot be reproduced while maintaining a high definition, and the amount of information is lost. As the pixel period of the CCD becomes smaller, the resolution becomes higher. However, in the CCD, there is a limit in reducing the pixel period because the electric wire having a finite thickness is in the light receiving surface, and it is difficult to make it 3 μm or less.
[0005]
On the other hand, the unevenness of the reproduction-only laminated waveguide hologram memory can be made with higher accuracy than the wavelength of visible light, so the information density per layer using visible light is λ where the wavelength of light is λ.^-2Can have a high density. However, as described above, since the pixel size of the two-dimensional light receiving element is large, when the hologram size and the reproduced image size are 1: 1, the amount of information is greatly lost. For example, if λ = 680 nm and the CCD pixel period is 5 μm, the amount of information is 1/54 (= 0.68).² / 5² )Become.
[0006]
The simplest method for preventing such loss of information is a method of making a reproduced image size larger than a hologram size, a method of giving a gradation to a reproduced image, and a method of combining both. For example, if the hologram size is 1 mm square, the reproduced image size is 5 mm square, and 4 gradations (2 bits) are used, the information density is 50 (= 5² Since it is multiplied by × 2), the amount of information is simply reduced to 0.86 (= 50/54) times.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional reproduction-dedicated laminated waveguide hologram memory as described above, the enlargement ratio (= reproduction image size / hologram size) is large when the method of enlarging the reproduction image size rather than the hologram size in order to prevent loss of information. As a result, the spot is small and difficult to narrow down near the edge of the reproduced image, but a smaller spot can be reproduced near the center, resulting in a non-uniform amount of information.
[0008]
In addition, increasing the accuracy of gradation and increasing the amount of information requires higher accuracy of CCDs and memory media, which increases costs, and no matter how high-precision media can be made, Therefore, it is not very good to recover the information amount by increasing the accuracy of gradation.
[0009]
In order to couple light to each waveguide, a 45 ° mirror is used as a light introducing portion. However, at least a width equal to the thickness of the recording medium is required to form the mirror portion. Since information cannot be recorded, when the area of the hologram is small, a portion on which the information is not written becomes large as a whole recording medium, and it is difficult to increase the amount of information. For example, when considering a storage medium having a thickness of 1 mm, the width of the mirror portion needs to be at least 1 mm. On the other hand, the storage density of the hologram is approximately 1 / λ.² Therefore, when the information of one reproduced image is reproduced by a 2 million pixel CCD and 2 megabit information is obtained, the area of the hologram is 1 mm.² Is enough. If the hologram is drawn in an area of 1 mm × 1 mm, only half the area of the recording medium can be used, which causes a problem of capacity loss.
[0010]
The present invention has been made in order to solve the above-described conventional problems. The purpose of the present invention is to provide information on the hologram even when a two-dimensional detector having a pixel size sufficiently larger than the wavelength of light is used for the reproducing apparatus. It is an object of the present invention to provide a data multiplexed hologram memory capable of extracting information and increasing the memory capacity without reducing the density, and a data multiplexed hologram memory reproducing device for reading data from the hologram memory.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, claim 1 is provided.In the data multiplexed hologram memory reproducing apparatus for reproducing data from a data multiplexed hologram memory composed of a slab single mode waveguide in which a plurality of independent hologram data is written, A light source and an optical system for guiding light to the slab type single mode waveguide, and a mask having an opening having a smaller area than the hologram data region, arranged at a predetermined distance from the waveguide in the vertical direction And light passing through the opening of the mask among the light diffracted from the slab type single-mode waveguide in a direction perpendicular to the waveguide. An image formed from only the light is detected by the photodetector.
[0012]
  Claim 2In the data multiplexed hologram memory reproducing apparatus for reproducing data from a data multiplexed hologram memory composed of a slab single mode waveguide in which a plurality of independent hologram data is written, A light source and an optical system for guiding light to the slab type single mode waveguide, and a mask having an opening having a smaller area than the hologram data region, arranged at a predetermined distance from the waveguide in the vertical direction And light passing through the opening of the mask among the light diffracted from the slab type single-mode waveguide in a direction perpendicular to the waveguide. An image formed from only the light is detected by the photodetector.
[0013]
  Claim 3According to the invention described in item 1, the light having a transparent portion that allows light to pass through one small M × N horizontal region between the one hologram and a position where the light diffracted by the hologram forms an image. A shielding plate is arranged, and the above-mentioned vertical M × N horizontal regions are called R [m, n], and m and n are integers from 1 to M and 1 to N, respectively. When n is changed from 1 to N, the relative positions of the transparent portions provided in R [m, n] are all different, or any value of n is selected and m is set to 1 To M, the relative positions of the transparent portions provided in R [m, n] are all different, or both the conditions are satisfied, so that the movement direction of the light shielding plate is 1 It is characterized by being able to perform in a dimensional manner.
[0014]
  Claim 4According to the invention described in the above, a light shielding plate having a plurality of light transmitting portions is disposed between the slab type single mode waveguide and the light sensitive portion of the photodetector, and the light shielding plate and the photodetector are arranged. On the other hand, the relative positional relationship between the light shielding plate and the waveguide is shifted while keeping the relative positional relationship unchanged.
[0015]
  Claim 5The invention described in 1 is characterized in that the slab type single mode waveguide has a laminated structure and includes a mechanism for entering light into each waveguide.
[0022]
[Expression 1]

[0023]
To satisfy the following condition.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view showing an embodiment of a data multiplexing hologram memory of the present invention. The figure shows a state in which different images are formed on a plurality of different focal planes by diffraction from guided light coupled to an arbitrary waveguide layer. 1.1 is a laser beam, 1.2 is a cylindrical lens, 1.3 is a focused beam, 1.4 is a 45 ° reflection mirror, 1.5 is an optical coupling position, 1.6 is a guided light, 1.7 is Diffracted light imaged on the first focal plane, 1.8 is the first focal plane, 1.9 is diffracted light imaged on the Nth focal plane, 1.10 is the Nth focal plane, and 1.11 is a plurality of It is diffracted light that forms an image on the focal plane. The data multiplex hologram memory is composed of a waveguide layer 1.12 in which hologram data is formed and a 45 ° reflection mirror 1.4 provided at the end thereof.
[0025]
Here, in order to prevent the blurring of the peripheral portion of the reproduced image accompanying the increase in the enlargement ratio described in the related art, it is necessary to reduce the enlargement ratio or not perform the enlargement. However, microscopic enlargement / reduction / expansion / shrinkage of the reproduced image may occur due to various factors such as deviation from parallel light at the input destination, wavelength error, and thermal expansion. In order to be able to cancel by control, it is better to perform some enlargement or reduction. In addition, various means are used in order to prevent the amount of light information from being lost due to the CCD size. These means will be sequentially described in the following embodiments including this embodiment.
[0026]
  FIG. 1 described above shows the first means. As shown in FIG. 1, the reproduction light diffracted from one waveguide layer 1.12 has a plurality of focal planes (first to Nth focal points). Multiplexing to form different images on the surface)Yeah.Here, the image formed on each focal plane must be an aggregate of the spots described above.
[0027]
In FIG. 1, a laser beam 1.1 is condensed (1.3) by a cylindrical lens 1.2, and at the end 1.5 of a target waveguide layer 1.12 by a 45 ° reflection mirror 1.4. Reflected and travels as guided light 1.6. The guided light is scattered by the unevenness, and diffraction that is collected somewhere in the first focal plane 1.8 to the Nth focal plane 1.10 occurs. As a result, as shown in 1.11, spots can be created at positions that differ only in height, and similarly, spots can be created at places other than height as shown in 1.7 and 1.9. Is also possible.
[0028]
As described above, it is possible to form different images at different heights. However, in order to reproduce each image by a two-dimensional detector such as a CCD, the size of the light receiving portion of the two-dimensional detector, and A condition is imposed that the size of each spot is sufficiently smaller than the interval between spots.
[0029]
Next, the influence of spots having different focal planes will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram showing the effectiveness of the first embodiment, and the influence of a focused spot on a different focal plane on other layers will be described. 2.1 is a focal plane to be reproduced, 2.2 is a focal plane at a distance D from the focal plane to be reproduced, 2.3 is a focal plane at a distance 2D from the focal plane to be reproduced, and 2.4 is a focal plane to be reproduced. Diffracted light to be collected, 2.5 is diffracted light focused on a focal plane at a distance D from the focal plane to be reproduced, 2.6 is diffracted light condensed at a focal plane 2D away from the focal plane to be reproduced, Reference numeral 2.7 denotes a light-receiving pixel having a diameter of 1 μm arranged on the focal plane to be reproduced, and 2.8 denotes a condensed spot which is arranged on the focal plane to be reproduced and is separated by a distance L from 2.7. However, for the sake of simplicity, assuming that the NA (numerical aperture) of the light focused on each focal plane is equal, for example, NA = 0.3 and λ = 680 nm, the focused spot is the diameter of the Airy disk. About 2.7 μm (= 1.2λ / NA).
[0030]
Assuming that the disk 2.7 having a diameter of 1 μm is the light receiving portion, this includes about 43% of the total energy of the spot. On the other hand, the spot diameter condensed on the focal plane at a distance D is 0.63D (2Dtansin).^-1NA to 2D × NA), D = 50 μm and 31 μm, and the energy density is 0.0075 times.
[0031]
The same 1 μm diameter disk contains 0.3% energy. More generally, the contribution from a spot on the same axis of a focal plane that is mxD away is that the distance from an adjacent spot 2.8 in the same focal plane is L, and that the focal plane is mxD away. Approximate π (NA × m × D) with a pixel light / dark ratio of 1: 1² / 2L² Light from the spots arrives.
[0032]
On the other hand, the contribution of light from each shot is π (0.6λ / NA)² / {Π (D × m × NA)² }, If there are M + 1 imaging planes, the contribution from the other imaging planes, excluding itself, is 1.7 Mλ.² / (NA × L)² It can be seen that crosstalk noise (NCT) occurs. In this case, for example, if λ = 680 nm, L = 5 μm, and NA = 0.3, M = 2, NCT = 0.7, and the noise is smaller than the signal, so it can be seen that at least three multiplexing can be performed. However, with this method, even if the NA is increased and, for example, NA = 0.5, only about 8 multiplexing is possible.
[0033]
  Therefore, a second means for solving the above problem will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram related to the first embodiment, and the second one.To the lawFIG. 5 is a diagram showing a state in which light phases of adjacent spots in the same focal plane are arranged so as to be different from each other by 180 °. FIG. 3A shows the state of the focal plane, the size of the point indicates the size of the focused spot, and the color (white / black) indicates the phase difference. FIG. 3B is a diagram showing the state of light on a plane deviated from the focal plane. The color (white / black) schematically shows the phase difference, and the size of the circle schematically shows the size of the spot. .
[0034]
  As shown in FIG. 3, by changing the phase of adjacent spots by 180 ° (FIG. 3A), crosstalk noise is reduced and possible multiplicity is increased.TheOther than the focal plane, the phase of each spot is not uniform and equiphase lines are distributed on concentric circles (FIG. 3 (b)), but from a sufficiently large number of spots confined at such different focal planes. If there is a contribution, statistically the number of spots with different phases will be approximately equal, so the light intensity will be close to zero due to wave superposition. However, since this is a statistical and probabilistic phenomenon, if the total number of spots is Q, it is expected that the number of square roots of Q will not match.
[0035]
Therefore, as in the above case, assuming that the pixel brightness ratio is 1: 1, the contribution (NCT, m) to the crosstalk from the focal plane separated by m × D is
[0036]
[Expression 2]

[0037]
And the total crosstalk (NCT) summed up from the focal plane giving different m is
[0038]
[Equation 3]

[0039]
It becomes. DCT = 30 μm, λ = 680 nm, L = 5 μm, NA = 0.3, NCT = 0.05Σm ≠ 0 | m |^-1Therefore, even if 30 times are multiplexed, it is NCT to 0.34, which is a sufficiently readable level, and it can be seen that the recording capacity can be dramatically increased.
[0040]
  Then aboveExample of data multiplexed hologram memoryWill be described. A semiconductor laser having a wavelength of 680 nm is used as a light source used for the data multiplex hologram memory (reproduction-only laminated waveguide hologram memory). Hologram size 3 × 3mm² , Reconstructed image size 6.7 × 6.7mm² The reproduced image is received by a CCD panel composed of 1024 × 1024 square pixels. The focal length is set to 9 levels every 0.2 mm from 3.2 mm to 4.8 mm. Nine types of data to be reproduced on the CCD panel are prepared, and the amplitude of light at the pixel position of the (i, j) position of the p-th image is expressed as apij (−1).^{i + j}Give like. Here, apij takes a value of either 0 or 1. The phase is (-1)^{i + j}Therefore, the adjacent pixels are set to differ by 180 °. The wavefront on the waveguide layer that creates each pattern,
[0041]
[Expression 4]

[0042]
[Equation 5]

[0043]
Ask for. Where Rpij is the position vector of the CCD pixel at each focal length of (3.2 mm to 4.8 mm), and the integration region (σ) in equation (18) is the hologram region (3 × 3 mm) of the waveguide layer.² ).
[0044]
  The recording density in this embodiment is 0.676 Gbit / in per layer if only the area where the hologram is written.²It becomes. However, since 100 layers are stacked and the thickness is 1 mm and the width of the mirror portion is 1 mm, the recording density of the entire recording medium is 45 Gbit / in.²It becomes. It should be noted that a light source and an optical system for guiding light to the waveguide of the hologram memory shown in FIG. 1 and a photodetector such as a CCD arranged in the vertical direction or movable in the vertical direction are added. For example, a data multiplexing type hologram memory reproducing apparatus for reproducing data from the hologram memory can be configured.The
[0045]
FIG. 4 is a side view and a top view showing the first embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention. 4.1 is a CCD (panel), 4.2 is a mask, 4.3 is diffracted light, 4.4 is diffracted light transmitted from the opening, 4.5 is an opening opened in the mask, 4.6 is Guided light, 4.7 is a cylindrical lens, 4.8 is a 45 ° reflection mirror, 4.9 is a segmented condensing line, 4.10 is a hologram, 4.11 is the size of the hologram, and 4.12 is a laser Showing light. The data multiplex hologram memory is composed of a waveguide layer 4.13 in which hologram data is formed and a 45 ° reflection mirror 4.8 provided at the end thereof.
[0046]
  In this example, as a third means, a multiplexing method is employed in which holograms that diffract independent independent reproduction images have regions overlapping each other, which will be described below.TheIn FIG. 4, laser light 4.12 is condensed (4.9) into a line segment by a cylindrical lens 4.7, reflected by a 45 ° reflection mirror 4.8, and coupled to a waveguide layer 4.13. The guided light becomes 4.6. The guided light 4.6 is diffracted by the hologram provided in the waveguide layer 4.13, but most of it is shielded by the mask 4.2 arranged on the recording medium.
[0047]
The reproduced image to be imaged on the CCD 4.1 is selected by the opening 4.5 opened in the mask 4.2, where the reproduced image is larger than the opening of the mask 4.2. However, the hologram 4.10 that creates the wavefront of the opening 4.5 has a size of a portion 4.11 indicated by oblique lines, which is larger than the opening 4.5. By adopting such a configuration, it is not necessary to prepare the 45 ° reflection mirror 4.8 for each hologram, and it is sufficient to make it on at least one side of the recording medium. Can be increased. In this configuration, the light introduction portion does not necessarily need to be a 45 ° reflection mirror, and may be a vertical end face that is easy to manufacture.
[0048]
  next,Data multiplexing type hologram memory reproducing apparatus shown in FIG.A method of creating a hologram for enabling the configuration will be described. First, a desired number (P) of patterns to be diffracted from one waveguide layer and imaged on the CCD are prepared. These are called Fp (i, j) (1≤p≤P, 1≤i≤Cm, 1≤j≤Cn). Here, it is assumed that the pattern on the CCD is composed of a dot matrix of Cm × Cn pixels. The center position of these pixels is represented by Rij. First, for all Fp, the required wavefront Wp distribution at the mask opening (4.5) is shown.
[0049]
[Formula 6]

[0050]
Calculate according to Here, k is the wave number in the air of the light source used, ξ is a position vector representing each point in the aperture plane, Nij is a normalization parameter,
[0051]
[Expression 7]

[0052]
Given in. The integration region (σ) is in the opening plane. Using the Wp thus obtained, the wavefront Gp (r) to be induced in the waveguide plane is
[0053]
[Equation 8]

[0054]
Given in. Where M (ξ) is
[0055]
[Equation 9]

[0056]
The integration range (Hp) is a region in which a hologram in the waveguide that diffracts Fp is drawn, and is a domain of the wavefront (Gp (r)), and has an opening portion. Designed to have a larger area than (σ). Note that the reproduced image (Fp), the aperture (σ), and the hologram (Hp) are parallel to each other, and the normals passing through the respective centers coincide with each other.
[0057]
The wave front (Gp (r)) for each p obtained as described above is translated in the waveguide plane so that the corresponding openings do not overlap each other, and the sum is obtained for all p. For example, P patterns are arranged in Px rows and Py columns satisfying the condition of Px × Py ≧ P, and P is represented by two integers q1 and q2, and p = q1 × (Px−1) + q2. If the opening (σ) is an α × β rectangle, the wavefront (G (r)) of one entire waveguide layer is
[0058]
[Expression 10]

[0059]
And it is sufficient. Here, when the argument r of Gp (r) is out of the definition range, Gp (r) = 0. x is a unit vector in the guided light propagation direction, and y is a unit vector in the waveguide plane and perpendicular to x. α ′ and β ′ correspond to the unit movement amount of the mask, and in order to receive the reproduced image independently by the CCD, the conditions of α ′> α and β ′> β must be satisfied, respectively. If the size of the hologram, that is, the domain (Hp) of Gp (r) is common to all p and is a rectangle of length hx × width hy, hx> α ′ or hy> β ′ At this time, the holograms overlap. When the size of the waveguide surface of the waveguide hologram memory medium is Tx × Ty, in order to fit all the holograms in the waveguide surface,
[0060]
## EQU11 ##

[0061]
[Expression 12]

[0062]
The condition must be met.
[0063]
  If G (r) satisfying the above conditions is obtained, the formation of the hologram can be realized by a method of forming irregularities in the interface between the clad and the core as in the conventional method. However, this method eliminates the area loss due to the production of the 45 ° reflection mirror, but does not capture the disadvantage that the blurring of the image at the center and the periphery of the image is uneven. However, compared to a simple magnifying optical system, Hp overlaps, so when viewed from one point on the waveguide layer, a vertically reconstructed image that creates a sharp spot and an oblique top that produces only a blurred spot In addition, the non-uniformity of loss of information depending on the location is reduced when viewed in the entire waveguide layer. In other words, if the same uneven processing accuracy,The expressionIt can be seen that the use is more advantageous than the simple magnification optical system.
[0064]
  next,Embodiment of the data multiplex hologram memory reproducing apparatus shown in FIG.Will be described. A He—Ne laser having a wavelength of 632 nm is used as a light source for a data multiplexing hologram memory (reproduction-only laminated waveguide hologram memory). The reproduced image is received by a CCD (panel) 41 composed of 1024 × 1024 square pixels. The effective light receiving surface of the CCD 41 is 6.7 × 6.7 mm.²It is. The hologram size is the same as the CCD size, 6.7 x 6.7 mm²And A mask having a 1 mm × 1 mm square opening is placed at a height of 3.5 mm from the waveguide surface. The size of the mask including the shielding portion is sufficient to prevent stray light from entering the CCD, for example, a size of 1 cm × 1 cm, and a black anodized anodized plate may be used as the mask. The thickness may be as thin as about 0.2 mm. CCD 4.1 is further arranged 3.5 mm above the mask position. That is, the distance between the hologram and the CCD 4.1 is 7 mm.
[0065]
If the moving unit of the mask is 1.1 mm in length and width, the size of the recording medium is 5 cm × 8 cm, and the width of the mirror portion is 1 mm × 8 cm, 39 × 67 holograms per layer can be superimposed 48.5 mm × 79.3 mm. The effective area can be secured. In this case, assuming that the number of layers is 100, a data capacity of 34.2 gigabytes can be obtained.
[0066]
FIGS. 5A and 5B are a side view and a top view showing a second embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention. 5.1 is a laser beam, 5.2 is a cylindrical lens, 5.3 is a 45 ° reflection mirror, 5.4 is a condensing line condensed in a line segment, 5.5 is a guided light, 5.6 is diffracted Light, 5.7 is a phase mask, 5.8 is a CCD (panel), and 5.9 is a hologram cluster. The data multiplex hologram memory is composed of a waveguide layer 5.10 in which hologram data is formed and a 45 ° reflection mirror 5.3 provided at the end thereof.
[0067]
  In this example, as a fourth means, a method for reproducing separately reproduced images from holograms provided at the same position of the same waveguide layer using a phase mask will be described.TheAs shown in FIG. 5, the laser beam 5.1 is condensed into a line segment by a cylindrical lens (5.4), and reflected by a 45 ° reflection mirror 5.3 provided on one side of the laminated waveguide hologram memory. As a result, the light is coupled to the waveguide layer 5.10 to be guided light 5.5. A hologram is formed on the waveguide layer 5.10, and the unit of the size is indicated by a hatched area 5.9. This region 5.9 is referred to herein as a hologram cluster. A plurality of hologram clusters 5.9 are formed in one waveguide layer 5.10, but are arranged so as not to overlap each other.
[0068]
Now, as the guided light propagates through the waveguide layer, it undergoes diffraction 5.6 by the plurality of hologram clusters. Here, if the reconstructed image produced by the diffracted light from the hologram cluster on the surface of the CCD 5.8 is the same as or smaller than the hologram cluster size, it can be separated without interference. Further, the diffracted light from the focused hologram cluster is passed through the phase plate 5.7 or the phase modulation transmission type liquid crystal panel. By changing the phase pattern of the phase plate or the liquid crystal panel, a plurality of independent reproduced images can be obtained.
[0069]
Hereinafter, a method and principle of obtaining a plurality of independent reproduced images from diffracted light of the same hologram cluster by changing the phase pattern will be described.
[0070]
First, P reproduction image patterns (Fp (Rij)) to be reproduced on a CCD (panel) 5.8 surface from one hologram cluster are prepared (1 ≦ p ≦ P). Here, it is assumed that the pattern is composed of a dot matrix of Bm × Bn pixels, and Rij is a position vector indicating the center of the pixel in the i-th row and j-th column (1 ≦ i ≦ Bm, 1 ≦ j ≦ Bn). And
[0071]
Next, the wavefront distribution (Wp (ξ)) of the light immediately after passing through the panel of the phase plate (or liquid crystal) 5.7 for generating Fp (Rij) is obtained according to equations (4) and (5). Here, the domain of Wp (ξ) is the exit surface of the phase plate (or liquid crystal panel) 5.7. Hereinafter, the phase plate and the liquid crystal panel are collectively referred to as “phase panel”.
[0072]
The phase panel is composed of Mθ × Nθ small areas with the same area, which satisfy the condition of Mθ × Nθ ≧ P, and each small region can change the phase of light independently. This corresponds to changing the voltage applied to each pixel in the case of a liquid crystal panel, and corresponds to preparing a plurality of phase plates in which the thickness of each small region is different in the case of the phase plate 5.7. Next, for each Fp, the corresponding phase panel pattern (Θp) is determined. The condition imposed on Θp is orthogonal to each other, that is, when the phase of each small region of Θp is θ [p, α, β], when p1 ≠ p2,
[0073]
[Formula 13]

[0074]
It is. There are Mθ × Nθ types of phase patterns orthogonal to each other. If Mθ = Nθ and Mθ is an integer power of 2, all θ [p, α, β] are given by only two types of 0 or π, and the manufacture of the phase plate and the liquid crystal panel It is advantageous in terms of control.
[0075]
  FIG. 6 is a diagram related to the present embodiment.To the lawA specific example of the phase pattern of the phase mask is described. FIG. 6 (a) shows an example of a phase plate 5.7 when four types of reproduced images are obtained from a hologram cluster. The numbers above each phase pattern indicate the pattern number, and in the case of 2 × 2, that is, four multiplexes. As a direct product of the phase patterns, 4 × 4, that is, 16 multiplexed phase patterns are obtained. FIG. 6B shows an example of the phase plate 5.7 when 16 types of reproduced images are obtained from the hologram cluster, and the numbers in FIG. 6A indicate product selection.
[0076]
As shown in FIG. 6, assuming that the phase of the white square is 0 and the phase of the square hatched with diagonal lines is π, in the case of a 2 × 2 phase panel, four types of Θp (1) as shown in FIG. ≦ p ≦ 4) exists. Similarly, 16 types of phase patterns in the case of 4 × 4 are shown in FIG. Generally 2^m × 2^m In the case of the phase panel, a matrix (m Θp1; 1 ≦ p1 ≦ 2) in which exp (iθ) of each component (θ) of the phase pattern is taken (that is, 0 is replaced with 1 and π is replaced with −1).^2m) Is 2^m-1 × 2^m-1 A similar matrix (m-1 Θp2; 1 ≦ p2 ≦ 2) corresponding to the phase pattern of^{2 (m-1)}) And 2 × 2 matrix (0 Θp3; 1 ≦ p3 ≦ 4)
[0077]
[Expression 14]

[0078]
Given in.
[0079]
Now, the complex conjugate (Θp) of the matrix (Θp) described above (that is, each component is replaced by exp (iφαβ)) is obtained with respect to Θp obtained as described above. Wavefront (G (r)) of hologram cluster position (r)
[0080]
[Expression 15]

[0081]
And
[0082]
Here, M (ξ) is given by equation (7) in which the integration region (Hp) is a region having a hologram cluster, and σ represents the entire region of the phase panel. Note that Θp is also a function of ξ (having a constant value in each small region). If G (r 1) is required, a hologram cluster can be produced using a conventional technique for making irregularities on a hologram.
[0083]
Now, the wavefront of the light at the hologram cluster position obtained in this way must pass through the phase panel before it travels and reaches the CCD panel 5.8. Assuming that the phase panel pattern is Θq, the wavefront (Ω (ξ) immediately after passing through the phase panel is
[0084]
[Expression 16]

[0085]
Therefore, the wavefront (Γ (Rij)) at the center position (Rij) of each pixel on the CCD panel 5.8
[0086]
[Expression 17]

[0087]
By substituting (4) and (14) into equation (15) and using the orthogonality of the phase panel,
[0088]
[Formula 18]

[0089]
Is obtained. That is, it can be seen that the qth reproduced image can be obtained by using the qth phase pattern (Θq).
[0090]
  next,Embodiment of the data multiplex hologram memory reproducing apparatus shown in FIG.Will be described. An LD-pumped YAG: SHG laser with a wavelength of 532 nm is used as the light source for the data multiplex hologram memory (reproduction-only laminated waveguide hologram memory). The reproduced image is received by a CCD (panel) 5.8 composed of 1024 × 1024 square pixels. The effective light receiving surface of CCD 5.8 is 6.7 x 6.7 mm²It is. Hologram cluster size is slightly larger than CCD size, 7 x 7mm²And As a phase panel, a square part with a side of 7 mm in a square quartz glass with a side of 1 cm functions as a phase plate 5.7, and its periphery (1.5 mm wide edge) is covered with a tantalum thin film to transmit light. Has a shielding structure. Quartz glass is optically polished to a thickness of 0.5 mm, and a phase plate 5.7 having a square portion of 7 mm on one side is composed of 64 small square regions (= 8 × 8) of 0.875 mm. Each small area is selected by dry etching to a depth of 0.19 μm or not at all. Since the phase plate is made up of 64 small regions, 64 types of orthogonal phase are prepared.
[0091]
The method of determining the phase pattern is determined according to equation (12), with the portion to be etched corresponding to π and the portion not etched to 0. The phase plate 5.7 is arranged 1 mm vertically above the waveguide layer, and the CCD (panel) 5.8 is arranged 4 mm above the phase plate. That is, the distance between the CCD (panel) 5.8 and the waveguide layer 5.10 is 5 mm. The method for creating the hologram cluster is obtained according to equations (4), (5), and (13). If such 7 × 11 hologram clusters are arranged, an area of 49 mm × 77 mm is required, but even if a 1 mm × 5 mm mirror portion is arranged on one side, it can fit in a recording medium size of 5 cm × 8 cm. A data capacity of 64.5 gigabytes is obtained with 100 layers.
[0092]
FIG. 7 is a side view and a top view showing a third embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention. 7.1 is a laser beam, 7.2 is a cylindrical lens, 7.3 is a 45 ° reflection mirror, 7.4 is a line-shaped condensing line, 7.5 is a guided beam, 7.6 is a diffracted beam, 7.7 Is an amplitude mask, 7.8 is a CCD (panel), 7.9 is a hologram bunch, and 7.10 is a waveguide layer.
[0093]
  In this example, as a fifth means, a method for reproducing separately reproduced images from holograms provided at the same position of the same waveguide layer using an amplitude mask 7.7 will be described.TheAs shown in FIG. 7, the laser beam 7.1 is condensed (7.4) into a line segment by a cylindrical lens 7.2, and a 45 ° reflection mirror 7. 1 provided on one side of the laminated waveguide hologram memory. 3 is included in the waveguide layer 7.10 to become guided light 7.5. A hologram is formed on the waveguide layer 7.10. The unit of the size is indicated by a hatched area (7.9). This region (7.9) will be referred to herein as a hologram bunch. A plurality of hologram bunches 7.9 are formed in one waveguide, but are arranged so as not to overlap each other.
[0094]
Now, as the guided light propagates through the waveguide layer 7.10, it is diffracted (7.6) by the plurality of hologram bunches 7.9. Here, if the reproduced image produced by the diffracted light from the hologram bunch 7.9 on the surface of the CCD 7.8 is the same as or smaller than the hologram bunch size, it can be separated without interference. Further, the diffracted light from the focused hologram bunch 7.9 is passed through the amplitude mask 7.7 or the transmittance modulation type liquid crystal panel. A plurality of independent reproduced images can be obtained by changing the transmission pattern of the amplitude mask 7.7 or the liquid crystal panel.
[0095]
In other words, if there are P types of images to be reproduced on the CCD (panel) 7.8, P masks having no openings may be prepared. If a liquid crystal panel is used, P patterns that do not have a transmissive pixel common to each other may be generated. However, in all the transmission patterns, the transmission part needs to be spatially expanded as much as possible (above the hologram bunch vertically). This is because, when a spot is imaged on the CCD 7.8, the spot size is determined by the spread angle of the light focused on the spot, and a smaller spot can be formed as the angle increases. This is because the definition of the image increases.
[0096]
FIG. 8 is a diagram relating to the present embodiment, and is a diagram for explaining the fifth means, that is, the arrangement of the openings of the amplitude mask when performing four multiplexing. FIG. 8A shows four patterns for four multiplexing arranged so that the openings are spatially dispersed, and FIG. 8B shows four patterns for four multiplexing set so that the openings are gathered in one place. Yes.
[0097]
FIG. 8A is a preferable example in which the openings are spatially scattered, and conversely, FIG. 8B is a bad example. In the example of FIG. 8A, only one type of reproduced image is reproduced from the entire hologram bunch, that is, the focused spot is 8/7 times (up to 1.14 times) compared to the case where the amplitude mask 7.7 is not used. Although it expands only to the extent, in the example of FIG. 8B, the focused spot expands twice. However, it is not preferable to make each opening too small because high alignment accuracy is required.
[0098]
  next,FIG. 7 shows an embodiment of the data multiplexing type hologram memory reproducing apparatus.Will be described. A semiconductor laser having a wavelength of 650 nm is used as a light source for the data multiplex hologram memory (reproduction-only laminated waveguide hologram memory). The reproduced image is received by a CCD (panel) 7.8 composed of 1024 × 1024 square pixels. The effective light receiving surface of CCD 7.8 is 6.7 x 6.7mm² It is. The size of the hologram bunch 7.9 is the same as the CCD size, 6.7 x 6.7mm² And As the amplitude mask 7.7, a 6.7 mm square transmission type amplitude modulation liquid crystal panel composed of 100 × 100 square pixels of 67 μm square is used. The liquid crystal panel is arranged at a position 0.5 mm directly above the hologram bunch 7.9, and the CCD (panel) 7.8 is further arranged at a position 4 mm above. That is, the distance between the waveguide layer 7.10 and the CCD (panel) 7.8 is 4.5 mm.
[0099]
In this arrangement, in order to perform 100 multiplexing per hologram bunch, it is necessary to realize a state in which 100 pixels of CCD (panel) 7.8 pixels are transmitted and the other 9900 pixels are shielded. This is because when the p-th reconstructed image is obtained, the quotient of the integer operation p / 100 is i, the remainder is j, and the transmission pattern of the liquid crystal panel is transparent only for pixels in (i + 10m + 1) rows (j + 10n + 1) columns. It is feasible in the example of shielding other than that. Here, m and n are all integers from 0 to 9. It should be noted that the transmission pattern when making the hologram bunch 7.9 must be exactly the same. If 7 × 11 hologram bunches 7.9 like this are arranged with a gap of 0.3 mm and placed in a 5 cm × 8 cm recording medium, a data capacity of 100 gigabytes can be obtained with 100 layers.
[0100]
  Among the above-mentioned means, when an amplitude mask is used instead of a liquid crystal panel, in order to make a different pattern by moving the mask one-dimensionally and only by moving a minimum amount of movement, it is necessary to finely adjust the mask in rows and / or columns. The positions of the openings in the region (the portion surrounded by the gray line in FIG. 8) should be different.Yes.
[0101]
  FIG.ShakeFIG. 9A is a diagram for explaining the arrangement of the openings of the width mask 7.7. FIG. 9A shows an example in which the rows or columns do not have the same relative opening, and FIG. 9B shows the rows and columns. Both show examples that do not have the same relative opening. FIG. 9 shows an example of four multiplexing. A portion surrounded by a gray line is a minute region referred to here.
[0102]
  Figure 10 shows the case of 16 multiplexing., ShakeIt is a figure explaining arrangement | positioning of the opening part of a width mask. The size of the hologram bunch is equal to 4 × 4 small areas, and an amplitude mask 7.7 is prepared in which 1/16 of each small area is an opening. The position of the opening is as shown in the figure, but the mask shown in the figure is the shortest length, and a longer amplitude mask may be created by sequentially repeating the pattern of 16 columns from the left end. The guided light travels in a direction perpendicular to the moving direction of the mask.
[0103]
In addition, apart from the amplitude mask 7.7, an amplitude mask having an opening of the size of the hologram bunch of interest is used at the same time so that light is transmitted only through the opening and a common opening of the amplitude mask having a pattern. In this case, the propagation direction of the guided light may be the same as the moving direction of the amplitude mask 7.7. If the amplitude mask 7.7 shown in FIG. 10 is moved by the length of one side of the small area, a total of 16 new reproduced images are obtained each time the mask is moved.
[0104]
  In addition,As shown in FIG.A phase mask;As shown in FIG. 8, FIG. 9, and FIG.It is also possible to combine amplitude masks. Also, ““The photo detector and the mask can be integrated.”, “A method that takes advantage of the two advantages of "signal detection without reducing the information density of the hologram" is also possible.Ru .
[0105]
  this is,In the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus shown in FIG.This is made possible by dividing the aperture assigned to one reproduced image into small parts and dispersing them over a wide area. For example, the size of a reproduced image is a rectangle (including a square) having an area of mR × mC (m is an integer greater than 1 and R and C are quantities having a length dimension), and the area of a waveguide layer in which a hologram is written It is assumed that MmR × NmC larger than the reproduced image (N and M are integers larger than 1).
[0106]
Next, a light shielding plate that is sufficiently larger than the size of the reproduced image is prepared, and within the same area as the rectangular size of the reproduced image, a light transmitting portion that is equal to or smaller than the R × C rectangle is provided as much as possible. , M are arranged so that the positions are dispersed. At this time, if the area of mR × mC of the light shielding plate is divided into small rectangles of m × m and called (i, j) addresses in the order of (vertical, horizontal), different addresses having light transmitting portions Must not share the same address both vertically and horizontally. That is, for any two addresses (i1, j1) and (i2, j2) having a light transmitting portion, i1 ≠ i2 and j1 ≠ j2 must be satisfied at the same time. Such a light shielding plate having a plurality of minute apertures is fixed to an optical detector, and the set is a distance R in the plane parallel to the waveguide layer surface or a distance C in a direction perpendicular to the hologram memory. If one of these is selected and moved, new reproduced images will be obtained one after another.
[0107]
Here, the diffracted light from the hologram that gives an arbitrary reproduced image needs to be designed so as to pass through a minute opening corresponding to the reproduced image. For this purpose, (1) the phase and amplitude distribution of the light at the opening are obtained so that the light propagated from the opening forms an image desired on the light receiving surface. (2) Obtain the amplitude and phase distribution of light on the waveguide surface of the diffracted light that gives the amplitude distribution to the opening. (3) Repeat the same operation for all images and the corresponding apertures, and superimpose the wavefronts (amplitude and phase) of the obtained light. It is necessary to perform a series of operations.
[0108]
  FIG. 11 is a side view and a top view showing a fourth embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention.The11.1 is a hologram bunch size, 11.2 is a hologram bunch, 11.3 is diffracted light, 11.4 is a square area of 1.625 mm square, 11.5 is a 406 μm square aperture, and 11.6 is transmitted Light, 11.7 is an amplitude mask for image selection, 11.8 is a CCD panel (CMOS detector), 11.9 is 6.5 x 6.5 mm²A large aperture amplitude mask having a plurality of apertures, 11.10 indicates an image selection amplitude mask moving direction, and 11.11 indicates a large aperture amplitude mask moving direction. The data multiplexing type hologram memory reproducing apparatus has a waveguide layer 11.12 in which hologram data is formed, a 45 ° reflection mirror 11.3 provided at the end thereof, and an amplitude mask 11.7, 11 for selecting a hologram bunch. .9, comprising a CMOS panel 11.8 which is a photoelectric conversion element.
[0109]
A semiconductor laser having a wavelength of 680 nm is used as a light source for the data multiplex hologram memory (reproduction-only laminated waveguide hologram memory). The reproduced image is received by a CMOS panel 11.8 composed of 2048 × 2048 square pixels. The effective light receiving surface of CMOS panel 11.8 is 3 x 3mm² It is. Hologram bunch size 11.1 is larger than the size of CMOS panel 11.8, 6.5 x 6.5mm² And As an amplitude mask, 6.5 x 6.5mm² Two aperture masks for image selection (11.9) and an amplitude mask for image selection 11.7, each of which has a 406 μm square opening 11.5 in a small square area 11.4 of 1.625 mm square. Use at the same time. Both of the amplitude masks 11.7 use optical quality PET (polyethylene terephthalate) films coated in black except for the openings. Diffracted light 11.3 from other than the target hologram bunch is shielded by a large aperture amplitude mask 11.9 for selecting a hologram bunch, and a reproduced image from the hologram bunch is selected by an image selection amplitude mask 11.7. Is called. Both amplitude masks 11.7 and 11.9 are arranged in close contact with each other at substantially the same height (0.5 mm from the waveguide layer), and the transmitted light 11.6 from the amplitude mask is 4 mm above the mask. A reconstructed image is formed on 11.8. Since the amplitude masks 11.7 and 11.9 are both made of PET film, they are wound around a roller, kept flat by the tension, and moved by the rotation of the roller (11.10, 11.11).
[0110]
The opening pattern of the amplitude mask for image selection 11.7 is the same as that given in FIG. 10, and the first 16 columns are repeated eight times. With this setting, 16 types of reconstructed images can be obtained per hologram bunch. If 7 × 12 hologram bunches of this type are arranged side by side with a gap of 0.2 mm and 0.5 mm and placed on a 5 cm × 8 cm recording medium, a data capacity of 70 gigabytes can be obtained with 100 layers.
[0111]
  FIG. 12 is a side view and a top view showing a fifth embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention.The12.1 is a laser beam, 12.2 is a cylindrical lens, 12.3 is a 45 ° reflection mirror, 12.4 is a line-shaped condensing line, 12.5 is a guided beam, 12.6 is a diffracted beam, 12.7 Is a dispersion aperture amplitude mask, 12.8 is a CCD panel (CMOS detector), 12.9 is an enlarged view of a dispersion aperture mask, 12.10 is a region where guided light is guided at once, 12.11 is transmitted through the opening The diffracted light is shown. The data multiplex hologram memory reproducing apparatus includes a waveguide layer 12.11 in which hologram data is created, a 45 ° reflection mirror 12.3 provided at an end thereof, an amplitude mask 12.7 for selecting a hologram bunch, photoelectric It consists of a CMOS detector 12.8 which is a conversion element.
[0112]
A semiconductor laser having a wavelength of 680 nm is used as a light source for the reproduction-only laminated waveguide hologram memory. The reproduced image is received by a COMS detector 12.8 made up of l500 × 1500 square pixels of 2 μm pitch. The effective light receiving surface of CMOS detector 12.8 is 3 x 3mm² It is. Hologram bunch size 12.9 is equivalent to CMOS detector size, 3 x 3mm² And The distributed aperture amplitude mask 12.7 is fixed to the CMOS detector 12.8. The laser beam 12.1 is condensed into a line segment 12.4 by the cylindrical lens 12.2, but the length of the segment should be equal to or slightly longer than the width of the hologram bunch size 12.9. Here, it is set to 3.2mm. 12.10 is a region where guided light 12.5 is guided at a time (3.2 × 77 mm).² ) Of which 3.0 x 75mm² The light for image formation is diffracted (12.6) from this area. This 3.0 x 75mm² This area is called a hologram stripe. Of the diffracted light 12.6 diffracted from the hologram stripe, only specific light is selected (12.11) by the dispersion aperture mask 12.7, and an image is formed on the CMOS detector 12.8.
[0113]
  FIG.Is a figure12 is a diagram for explaining a method of arranging a dispersed aperture mask 12.7 and a hologram in FIG. 13.1 is a dispersion aperture mask, 13.2 is the moving direction of the dispersion aperture mask, and 13.3 is the number of the reproduced image included in the diffracted light in the plane including the dispersion aperture mask.
[0114]
13.1 is an enlarged view of the dispersion aperture mask 12.7, but the entire mask is 4 × 4 mm.² 3 × 3mm divided into 8 × 8 in the center of the square.²This area is set, and minute openings are dispersed and arranged in this area. The size of each minute opening is a square having an area of 375 μm × 375 μm, and the opening is arranged as shown in 13.1.
[0115]
This is an arrangement of apertures that perform 8 multiplexing, and expressed as (vertical, horizontal) addresses (1,1) (2,7) (3,3) (4,5) (5.4) (6 , 6) (7,2) (8,8) There is an opening. The guided light 12.5 coupled to the waveguide layer 12.11 at the line-shaped condensing position is guided by 77 mm with a width of 3.2 mm, but as shown at (13.3 mm) at a position 0.5 mm directly above the memory card. It is designed to distribute the diffracted light having the Nth image information at various positions.
[0116]
Therefore, if a dispersive aperture mask is placed 0.5 mm directly above the memory card and moved (13.2), the coupling position of the guided light 12.5 is not changed, and in the order 1, 2, 3,. One after another, images having different image numbers appear on the CNOS detector 12.8. Since 16 such hologram stripes can be accommodated in a 5 cm x 8 cm recording medium, the stack is 100 layers, 100 (layers) x 16 (lines) x 192 (images) x 1500² (Pixels) ÷ 8 = 86 gigabytes of data capacity is obtained.
[0117]
Further, in 13.3 of FIG. 13, management information such as a servo signal, a layer number, and a stripe number can be recorded in a portion not used for image reproduction (denoted as S). .
[0118]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, a two-dimensional detector having a pixel size sufficiently larger than the wavelength of light is provided in the reproducing device by multiplexing the imaging of light diffracted by the waveguide layer. Even if it is used, information can be taken out and the memory capacity can be increased without significantly reducing the information density of the hologram.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view showing an embodiment of a data multiplexing hologram memory of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the influence of a condensed spot on a different focal plane on other layers.
FIG. 3 is a diagram showing a state in which light phases of adjacent spots in the same focal plane are arranged so as to be different from each other by 180 °.
FIGS. 4A and 4B are a side view and a top view showing a first embodiment of a data multiplexing hologram memory reproducing apparatus according to the present invention. FIGS.
FIGS. 5A and 5B are a side view and a top view showing a second embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention. FIGS.
FIG. 6 is a diagram illustrating a specific example of a phase pattern of a phase mask.
FIGS. 7A and 7B are a side view and a top view showing a third embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention. FIGS.
FIG. 8 is a diagram for explaining an arrangement of openings of an amplitude mask when performing four multiplexing.
FIG. 9 is a diagram for explaining the arrangement of openings of an amplitude mask.
FIG. 10 is a diagram for explaining an arrangement of openings of an amplitude mask when 16 multiplexing is performed.
FIGS. 11A and 11B are a side view and a top view showing a fourth embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention. FIGS.
FIGS. 12A and 12B are a side view and a top view showing a fifth embodiment of the data multiplexing hologram memory reproducing apparatus of the present invention. FIGS.
13 is a diagram for explaining a method of arranging the dispersed aperture mask and the hologram in FIG. 12;
[Explanation of symbols]
1.2, 4.7, 5.2, 7.2, 12.2 Cylindrical lens
1.4, 4.8, 5.3, 7.3, 11.3, 12.3 45 ° reflection mirror
1.12, 4.13, 5.10, 7.10, 11.12 Waveguide layer
4.1, 5.8, 7.8, 11.8, 12.8 CCD (CMOS detector)
7.9, 11.2 Hologram bunch
11.4 Small area
11.5 Opening
11.7, 12.7 Amplitude mask
11.9 Large aperture mask

Claims (5)

In a data multiplexing hologram memory reproducing apparatus for reproducing data from a data multiplexing hologram memory composed of a slab type single mode waveguide in which a plurality of independent hologram data is written,
A light source and an optical system for guiding light to the slab type single mode waveguide;
A mask arranged at a predetermined distance from the waveguide in a vertical direction and having an opening having an area smaller than that of the hologram data region;
  Having a photodetector disposed outside the mask in a direction perpendicular to the waveguide;
A data multiplex hologram memory characterized in that an image formed only from light passing through the opening of the mask among light diffracted from the slab type single mode waveguide is detected by the photodetector. Playback device. Transparent that consists of small areas of vertical M × horizontal N between the one hologram and the position where the light diffracted by the hologram joins the image, and allows light to pass through one or several of the small areas A light shielding plate having a portion or a transmittance modulation type liquid crystal panel,
  A plurality of independent reproduced images can be obtained by moving the light shielding plate or changing the relative position of the transparent part through which the light passes by changing the transmission pattern of the liquid crystal panel. The data multiplexing type hologram memory reproducing apparatus according to claim 1. Between the one hologram and the position where the light diffracted by the hologram joins an image, a light shielding plate having a transparent portion that allows light to pass through one small area of M vertical by N horizontal,
  Each of the vertical M × N horizontal regions is called R [m, n], and when m and n are integers from 1 to M and 1 to N, an arbitrary value of m is selected. When n is changed from 1 to N, the relative positions of the transparent portions provided in R [m, n] are all different, or an arbitrary value of n is selected, and m is changed from 1 to M. When the relative positions of the transparent portions provided in R [m, n] are all different, or both of the conditions are satisfied, the movement direction of the light shielding plate can be performed one-dimensionally. 2. The data multiplexing type hologram memory reproducing apparatus according to claim 1, wherein: Between the slab type single mode waveguide and the light sensitive part of the photodetector, a light shielding plate having a plurality of light transmitting parts is disposed,
2. The data multiplexing according to claim 1, wherein the relative positional relationship between the light shielding plate and the photodetector is kept unchanged, while the relative positional relationship between the light shielding plate and the waveguide is shifted. Type hologram memory reproducing device. 5. The data multiplexing type hologram memory reproducing apparatus according to claim 1, wherein the slab type single mode waveguide has a laminated structure and includes a mechanism for entering light into each waveguide.

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