JP4033208B2 - ホログラム記録方法及びホログラム記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホログラム記録方法及びホログラム記録装置に係り、特に、デジタルデータを光記録媒体にホログラムとして記録する方法及び装置に関する。

ホログラフィック・データ・ストレージでは、二値のデジタルデータ「０，１」が「明、暗」としてデジタル画像（信号光）化され、ホログラムとして記録され、再生される。信号光はレンズによりフーリエ変換され、フーリエ変換像が光記録媒体に照射される。フーリエ変換像は原理的にその焦点面で無限の広がりを有するため、記録領域が広がってしまう。このため、ホログラフィック・データ・ストレージでは、高密度記録を達成することができない、という問題がある。

この問題を解決するために、本出願人は、信号光のフーリエ変換像の特定成分を遮断する方法を提案している（特許文献１）。デジタル画像のフーリエ変換像は、フランフォーファ回折による規則的な回折格子であり、０次〜ｎ次の成分を有している。ここでいう次数とは、フーリエ変換面で０次（中心）からζ＝ｆλ／ｄの距離ごとに現れる輝点の順位のことであり、レンズの焦点距離ｆ、記録波長λ、空間光変調器の画素ピッチｄにより決まる値である。

特許文献１に記載された方法では、レンズと光記録媒体との間に遮光体を配置し、この遮光体に信号光の０次成分を遮断し且つ特定次数の成分だけを透過するようにアパーチャを形成して、信号光の画像エッジ部分をホログラムとして記録する。特許文献１には、具体的には信号光の１次成分から３次成分までを記録することが開示されている。この方法によれば、０次成分による無駄な露光を抑制すると共に各データページの記録領域を小さくすることができる。
特開２０００−６６５６６号公報

しかしながら、１次以上の各高次成分の中には信号光の直流成分が各々含まれている。信号光の直流成分はデジタル画像の画像エッジ部分の記録再生には不要な成分である。従って、特許文献１に記載された方法では、たとえ０次成分を遮断したとしても、各高次成分の直流成分による無駄な露光を防止することができず、Ｓ／Ｎ（シグナル−ノイズ比）が低下し、光記録媒体のダイナミックレンジを浪費する、という問題がある。

一般に、直流成分は高周波成分と比べると光強度が２桁以上高い。光記録媒体のポテンシャルとしては１テラバイト／ｄｉｓｃ以上の性能が実証されているが、デジタルデータをホログラムとして記録した場合には数十ギガバイト／ｄｉｓｃの実証レベルである。このギャップは、直流成分の露光により光記録媒体のダイナミックレンジのほとんどが浪費されていることに起因すると考えられる。

また、記録領域の更なる微小化も高密度記録には必須である。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、本発明の目的は、デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして高密度記録する方法及び装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明のホログラム記録方法は、以下の（１）〜（３）のいずれかであることを特徴とする。
（１）二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を除去し、前記直流成分が除去された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録方法。
（２）二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を遮断すると共に前記直流成分以外の成分を透過するフィルタを光記録媒体の信号光照射側に配置し、前記フィルタを透過した前記直流成分以外の成分と参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録方法。
（３）二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を遮断すると共に前記フーリエ変換像の隣接する輝点間に存在する空間周波数成分を抽出するフィルタを光記録媒体の信号光照射側に配置し、前記フィルタにより抽出された空間周波数成分と参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録方法。

デジタル画像のフーリエ変換像は規則的な回折格子であり、そのフーリエ変換スペクトルは輝点ごとに各次数の直流成分に応じたピークを有している。鋭意検討の結果、発明者等が得た知見によれば、デジタル画像のエッジ部分の記録再生に必要な情報（以下、「画像エッジ成分」という。）は、輝点と輝点との間にも高周波数で重畳されている。つまり、「画像エッジ成分」とは、デジタル画像のフーリエスペクトルの直流成分のみを除き、その他の残り全てのスペクトルをいう。

本発明では、フーリエ変換像から輝点と輝点との間にある特定の空間周波数成分を抽出して記録することで、デジタル画像を記録し再生することができると共に、直流成分による無駄な露光を防止してＳ／Ｎを向上させることができる。また、フーリエ変換像の一部を抽出して記録するので、記録領域の微小化して高密度記録を実現することができる。

以上説明したように本発明のホログラム記録方法及び装置によれば、デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして高密度記録することができる、という効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
（高Ｓ／Ｎ化の原理）
図１はデジタル画像（信号光）の一例を示す図である。この図では、二値のデジタルデータ「０，１」が「明、暗」としてデジタル画像化されている。ホログラフィック・データ・ストレージでは、信号光はレンズによりフランフォーファ回折（フーリエ変換）され、図２に示すフランフォーファ回折像が光記録媒体に記録される。デジタルデータのようにデータ画像の空間周波数が正規化された値をとる場合は、フランフォーファ回折像は信号光のフーリエ変換像そのものとなる。従って、以下では、フランフォーファ回折像をフーリエ変換像という。

図２に示すように、デジタル画像のフーリエ変換像は規則的な回折格子であり、０次〜ｎ次の成分を有している。なお、ここでいう次数とは、フーリエ変換面で０次（中心）からζ＝ｆλ／ｄの距離ごとに現れる輝点の順位のことであり、レンズの焦点距離ｆ、記録波長λ、空間光変調器の画素ピッチｄにより決まる値である。

図３（Ａ）はフーリエ変換スペクトルを示す図であり、図３（Ｂ）はその部分拡大図である。図３（Ａ）に示すように、フーリエ変換スペクトルは輝点ごとに各次数の直流成分に応じたピークを有している。鋭意検討の結果、発明者等が得た知見によれば、デジタル画像のエッジ部分の記録再生に必要な情報（以下、「画像エッジ成分」という。）は、図３（Ｂ）に示すように、輝点と輝点との間にも高周波数で重畳されている。

アナログ画像では、画像の記録再生に画像背景を構成する直流成分が必要である。これに対し、デジタル画像では、画像エッジ成分さえあればよく直流成分は不要である。従って、例えば、図３（Ｂ）に示す空間周波数成分を取り出すというように、フーリエ変換像から輝点と輝点との間にある特定の空間周波数成分を抽出して記録することで、デジタル画像を記録し再生することができると共に、直流成分による無駄な露光を防止してＳ／Ｎを向上させることができる。

図４は信号光のフーリエ変換像を模式的に示す図である。各輝点の大きさは輝度を反映させたものである。図４に示すフーリエ変換像のｘ軸方向の広がりは、図１に示したようなデータ画像のｘ軸方向の空間周波数ωｘに対応し、ｘ軸方向についてみると、フーリエ変換像は０次光（ωｘ＝０）を中心にプラス方向およびマイナス方向に対称に広がっている。ｙ軸方向についても同様である。

図５は図４に示すフーリエ変換像の特定の空間周波数成分（以下、「特定フーリエスペクトル」ともいう。）を抽出するフィルタの一例を示す図である。このフィルタ２０は、光記録媒体の上流側で且つ信号光のフーリエ変換面に配置される。図５に示すように、フィルタ２０は、フーリエ変換像のｘ軸上の０次と１次との間の位置に対向してピンホール２１が形成された遮光体である。このフィルタ２０をフーリエ変換面に配置することで、上述したとおり、輝点と輝点との間にある特定の空間周波数成分だけがフィルタ２０を透過し、直流成分を含む他の空間周波数成分は遮断される。即ち、フィルタ２０は、特定の空間周波数成分だけを透過するバンドパスフィルタとして機能する。その結果、直流成分による無駄な露光が防止されてＳ／Ｎが向上し、信号光の画像エッジ部分だけが効率よく記録される。

図６はフィルタの他の一例を示す図である。図６に示すように、フィルタ２０は、フーリエ変換像の各輝点に対向して遮光部１９が形成された光透過体である。光透過体は、信号光に対して透明な材料で形成されている。このような構成のフィルタをフーリエ変換面に配置することによっても、輝点と輝点との間にある特定の空間周波数成分だけがフィルタ２０を透過し、直流成分を含む他の空間周波数成分を遮断することができる。

（ホログラム記録装置）
図７はホログラム記録装置の構成の一例を示す図である。このホログラム記録装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源６が設けられている。光源６のレーザ光照射側には、レーザ光を信号光用の光と参照光用の光との２つの光に分離するビームスプリッタ１２が配置されている。

ビームスプリッタ１２の光透過側には、ビームスプリッタ１２を透過した信号光用の光を遮断するためのシャッター１５が、光路に対し挿入及び退避可能に配置されている。シャッター１５の光透過側には、コリメータレンズ１０ａ、１０ｂ、フーリエ変換レンズ７で構成されたレンズ系がこの順に配置されている。

コリメータレンズ１０ｂとフーリエ変換レンズ７との間には、液晶表示素子等で構成され、図示しないコンピュータから供給されたデジタルデータに応じて信号光用のレーザ光を変調し、各ページ毎のデジタル画像（信号光１）を生成する透過型の空間光変調器４が配置されている。フーリエ変換レンズ７の光透過側には、ピンホール２１が形成されたフィルタ２０が配置されている。

ビームスプリッタ１２の光反射側には、ビームスプリッタ１２で反射された参照光用のレーザ光を反射して光路を光記録媒体５の方向に変更するための反射ミラー１３、１４が配置されている。

次に上記のホログラム記録装置を用いたホログラム記録について説明する。まず、図示しない駆動装置によりシャッター１５を光路から退避させて、レーザ光が通過できるようにする。光源６から発振されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２により信号光用の光と参照光用の光の２つの光に分離される。ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光は、コリメータレンズ１０ａ、１０ｂにより大径のビームにコリメートされて、信号光用の光として空間光変調器４に照射される。

空間光変調器４には、図示しないコンピュータからデジタルデータが入力される。空間光変調器４では、供給されたデジタルデータに応じて信号光用のレーザ光が強度変調され、信号光１が生成される。生成された信号光１は、フーリエ変換レンズ７によりフーリエ変換される。フーリエ変換された信号光１は、フィルタ２０のピンホール２１を通過して、光記録媒体５に照射される。

同時に、ビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光は、反射ミラー１３、１４で反射され、フィルタ２０のピンホール２１を通過して、光記録媒体５に参照光２として照射される。参照光２はフーリエ変換後の信号光１が照射される領域に照射される。これによって、光記録媒体５中でフーリエ変換後の信号光１と参照光２とが干渉して、光記録媒体５中に信号光１の画像エッジ部分がホログラムとして記録される。

図８はフィルタ２０の遮光体に形成されるピンホール２１の位置を示す図である。上述した高Ｓ／Ｎ化の原理を検証するために、図７に示すホログラム記録装置を用いて、空間光変調器４によりデジタル画像を生成し、フーリエ変換レンズ７によってフーリエ変換を行った。フーリエ変換面にフィルタ２０を配置して、そのピンホール２１の位置を変えながらフーリエスペクトルを抽出し、その後、別のレンズ（図示せず）により逆フーリエ変換してＣＣＤカメラ（図示せず）で観察した。結果を図９に示す。なお、観察される画像はホログラム再生像ではなく、フィルタ２０を透過した特定フーリエスペクトルを逆フーリエ変換して得られた画像（以下、「フィルタリング像」という。）である。

図８（Ｂ）では、フーリエ変換像のｘ軸上の０次と１次との間の位置に対向してピンホール２１が形成されている。このフィルタ２０でフーリエスペクトルを抽出した場合には、図９（Ｂ）に示すように、高いＳ／Ｎが実現されていることが分かる。これに対し、図８（Ａ）に示すように、フーリエ変換像の０次（中心）を含む位置に対向してピンホール２１が形成されたフィルタ２０では、図９（Ａ）に示すように、画像の背景（直流成分）が０次に集まり、これがフィルタ２０を透過し画像を再構成し、この直流成分がデータドットのコントラストを落としている。

上記の結果から、アナログ画像を忠実に再現するには画像の直流成分は必須であるが、微小ドットで表されるデジタルのデータページでは直流成分は不要であることが分かる。従って、輝点と輝点との間にある特定の空間周波数成分だけをフィルタ２０で抽出し、直流成分を含む他の空間周波数成分を遮断することで、直流成分による無駄な露光が防止されてＳ／Ｎが向上し、信号光の画像エッジ部分だけが効率よく記録される。また、無駄な露光が防止されることで、光記録媒体のダイナミックレンジのロスが防止される。

（ピンホール径・位置）
図１０はフィルタ２０の遮光体に形成されるピンホール２１の大きさを示す図である。図１０に示すように、フーリエ変換像のｘ軸上の０次と１次との間の位置に対向して形成されるピンホールの直径を種々変更して、フィルタリング像を観察した。フィルタ２０は光記録媒体５に近接配置されるので、ピンホール２１の開口断面積とほぼ同じ大きさの微小領域にホログラムが記録される。各輝点間の距離はζ＝ｆλ／ｄで表され、レンズの焦点距離ｆ、記録波長λ、空間光変調器の画素ピッチｄにより決まる値である。この例では、ｆ＝３００ｍｍ、λ＝５３２ｎｍ、ｄ＝４１μｍという実験条件を設定したので、各輝点間の距離ζはちょうど４ｍｍとなる。

図１０に点線で示すように、ピンホール２１の直径を４ｍｍ、３ｍｍ、２ｍｍ、１．５ｍｍ、１ｍｍ、０．４ｍｍと徐々に小さくして、フィルタリングされた像を観察した。結果を図１１に示す。この例では、デジタル画像は、２画素ピッチ、５画素ピッチ、１０画素ピッチで各々配列された微小ドット列を含んでいる。なお、空間光変調器の最小ドットが１画素に相当する。

図１１（Ａ）に示すように、直径４ｍｍのピンホールでは０次光及び１次光に含まれる直流成分がフィルタ２０を透過し、フィルタリング像のＳ／Ｎが劣化した。これに対し、図１１（Ｂ）〜（Ｅ）に示すように、直径１ｍｍ〜３ｍｍのピンホールでは０次光及び１次光に含まれる直流成分がフィルタ２０で遮断され、フィルタリング像のＳ／Ｎが改善された。一方、図１１（Ｆ）に示すように、ピンホール２１の直径が０．４ｍｍ（ζ／１０）以下になると、空間光変調器の最小ドットが観察できなくなった。

以上の結果から、ピンホールの直径、即ち、空間光変調器の最小ドットで表現されるデジタルデータを欠落無く再構築するのに必要なフーリエスペクトルの帯域幅ｒ（ｍｍ）は、下記式（１）を満たす範囲とすることが好ましく、帯域幅ｒの範囲は下記式（２）を満たすことがより好ましい。

０＜ｒ＜ζ（＝ｆλ／ｄ） 式（１）
ζ／１０＜ｒ＜ζ 式（２）
図１２はフィルタ２０の遮光体に形成されるピンホール２１の位置を示す図である。図１２に示すように、直径２ｍｍのピンホールの位置を、フーリエ変換像の０次（中心）を含む位置から番号１乃至４で示す位置まで種々変更して、フィルタリング像を観察した。結果を図１３に示す。

図１３に示すように、いずれのフィルタリング像でもピンホールの位置に拘らず、空間光変調器の最小ドットが観察されている。このことは、抽出されるフーリエスペクトルの帯域幅ｒが上述の範囲内にあるならば、デジタルデータの１つのデータページに関して１つの微小領域（図中の番号１乃至４のいずれか１個の領域）に記録を行うことが可能であることを示す。

本発明では特定フーリエスペクトルを抽出して記録することで、例えば、図１２に示すように、０＜ｒ＜ζの範囲にある番号１乃至４で示す微小領域の各々に１枚のデータページを記録することができる。即ち、記録領域の微小化が可能となる。従来のホログラム記録では、０＜ｒ＜２ζの領域に１枚のデータページを記録していたとすると、０＜ｒ＜ζの範囲を４分割して記録するだけで、従来に比べて１６倍もの記録密度が達成できる。

ここで注目すべきことは、各分割された領域には１枚のデータページのホログラムしか記録されておらず、多重化されていないということである。従って、上述した記録領域の微小化に加えて各領域ごとに多重記録を実施することで、従来の記録方式に比べ少なくとも１桁以上高い記録密度を実現することができる。例えば、参照光のランダムパターンを変更して記録することで、相関の無い高周波成分を記録することができる。即ち、位相相関多重記録を行うことができる。

なお、上記ではフーリエ変換像のｘ軸上の０次と１次との間の位置に対向してピンホールを形成する例について説明したが、画像エッジ成分は、１次と２次、２次と３次といった他の隣接する輝点間にも高周波数で重畳されているので、他の隣接する輝点間の位置に対向してピンホールを形成することで、上記と同様に、直流成分による無駄な露光が防止されてＳ／Ｎが向上し、信号光の画像エッジ部分だけが効率よく記録される。

（ホログラム再生装置）
図１４はホログラム再生装置の構成の一例を示す図である。このホログラム再生装置は、図７に示すホログラム記録装置に、フーリエ変換レンズ８、およびＣＣＤやＣＭＯＳアレイ等のフォトディテクタアレイなどの２次元の光検出器９を付加したものである。光記録媒体５には、上述した方法によってデジタルデータが記録されている。

ホログラムの再生時には、図示しない駆動装置によりシャッター１５を光路に挿入して、信号光用の光を遮断する。これにより、参照光２だけがフィルタ２０のピンホール２１を通過して、光記録媒体５のホログラムが記録された領域に照射される。照射された参照光２は、ホログラムによって回折される。

光記録媒体５にはフーリエ変換像が記録されているので、回折光３をフーリエ変換レンズ８により逆フーリエ変換することによって、フーリエ変換レンズ８の焦点面で、信号光の画像エッジ部分が強調された再生像を観察することができる。この再生像を、光検出器９によって検出して、信号光の画像エッジ部分が有するデジタルデータを読み取ることができる。

（フィルタの変形例）
なお、上記の実施の形態では、ピンホールが形成された遮光体をフィルタとして用いる例について説明したが、このような遮光体の代わりに空間光変調器を用いることができる。フィルタとして空間光変調器を用いることで、プログラマブルにピンホールの位置を変化させることができる。例えば、図１７に示すように、プログラマブルフィルタ２０ａとして空間光変調器を用いた場合には、光透過部（ピンホール）の位置を２１ａ→２１ｂ→２１ｃと順次変化させることができ、光記録媒体５ａを移動させることなく、２３ａ→２３ｂ→２３ｃと光記録媒体５ａの異なる領域にデータページを順次記録することができる。

また、固定型の遮光体の代わりにターレット等の回転板を用いることができる。回転型のフィルタを用いることで、光記録媒体５ａの異なる領域にデータページを順次記録することができる。例えば、図１８に示すように、フィルタ２０ｂとしてピンホール２１ｄが形成されたターレットを用いた場合には、ターレットを所定方向（図では矢印Ａ方向）に回転させることができ、光記録媒体５ｂを移動させることなく、２３ｄ→２３ｅ→２３ｆと光記録媒体５ｂの異なる領域にデータページを順次記録することができる。

（同軸記録）
また、上記の実施の形態では、信号光と参照光とを異なる方向から照射する例について説明したが、信号光と参照光とを同軸で照射することができる。図１５に同軸構成のホログラム記録再生装置の一例を示す。

このこのホログラム記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源２２が設けられている。光源２２のレーザ光照射側には、コリメータレンズ２４、２６が配置されている。コリメータレンズ２４、２６の光透過側には、所定方向の偏光だけを透過する偏光ビームスプリッタ２８が配置されている。偏光ビームスプリッタ２８の光反射側には、図示しないコンピュータから供給されたデジタルデータに応じてレーザ光を変調し、各ページ毎のデジタル画像（信号光）と参照光とを生成する反射型の空間光変調器３０が配置されている。

光源２２から発振されたレーザ光は、コリメータレンズ２４、２６により大径のビームにコリメートされて、偏光ビームスプリッタ２８に入射し、空間光変調器３０の方向に反射される。空間光変調器３０には、図示しないコンピュータからデジタルデータが入力され、供給されたデジタルデータに応じてレーザ光が強度変調され、信号光及び参照光が生成される。

このとき、図１６に示すように、空間光変調器３０の左半分をデータ表示用に使用して、入射光４４中の空間光変調器３０の左半分に入射する部分の強度を変調して、左半分で反射された光を信号光１とし、一方、空間光変調器３０の右半分を参照光用のデータ（ランダムパターンなど）で強度変調又は位相変調して、右半分で反射された光を参照光２とする。空間光変調器３０で反射された信号光及び参照光は、偏光ビームスプリッタ２８に入射し、偏光ビームスプリッタ２８を透過する。

偏光ビームスプリッタ２８の光透過側には、フーリエ変換レンズ３２が配置されている。また、フーリエ変換レンズ３２の光透過側には、反射型の空間光変調器３４がプログラマブルフィルタとして配置されている。

偏光ビームスプリッタ２８を透過した信号光及び参照光は、フーリエ変換レンズ３２でフーリエ変換される。フーリエ変換された信号光及び参照光は、空間光変調器３４に照射される。プログラマブルフィルタとして配置された空間光変調器３４は、特定フーリエスペクトルだけをフィルタリング（抽出）し偏光変調して、フーリエ変換レンズ３２の方向に反射する。フィルタリング後の信号光及び参照光は、レンズ３２で逆フーリエ変換されて、偏光ビームスプリッタ２８に再度入射し、偏光ビームスプリッタ２８で反射される。

偏光ビームスプリッタ２８の光反射側には、高ＮＡの対物レンズ３６が配置されている。偏光ビームスプリッタ２８で反射された信号光及び参照光は、対物レンズ３６によりフーリエ変換され、光記録媒体３８に同時に且つ同軸で照射される。参照光はフーリエ変換後の信号光が照射される領域に照射される。これによって、光記録媒体３８中でフーリエ変換後の信号光と参照光とが干渉して、光記録媒体３８中に信号光の画像エッジ部分がホログラムとして記録される。

ここで注目すべきことは、参照光を信号光と同軸にすることで、参照光の０次成分（直流成分）もプログラマブルフィルタとして配置された空間光変調器３４で同時にカット（バンドパスフィルタリング）することができるということである。この場合には、参照光のランダムパターンを適切に選ぶことで、バンドパスフィルタリングされたフーリエスペクトルのパターンを劇的に変化させることができる。これは、常に共通になる参照光の直流成分（０次成分）を含まないことに起因する。このため、参照光として擬似ランダムパターンを選択することで、記録面で相互相関の無い複数の参照光を得ることができ、これを用いて同一領域に多重記録が行うことができる。

また、光記録媒体３８の再生光射出側には、高ＮＡの対物レンズ４０、ＣＭＯＳアレイ等の２次元の光検出器４２が配置されており、ホログラムの再生時には、参照光だけが光記録媒体３８のホログラムが記録された領域に照射される。照射された参照光は、ホログラムによって回折される。この回折光を対物レンズ４０により逆フーリエ変換することによって、対物レンズ４０の焦点面で、信号光の画像エッジ部分が強調された再生像を観察することができる。この再生像を、光検出器４２によって検出して、信号光の画像エッジ部分が有するデジタルデータを読み取ることができる。

以上説明したように、同軸記録の場合には、参照光と信号光が共通の光学系を通り、レンズにより同時にフーリエ変換され、バンドパスフィルタによりデータ記録に最低限必要なフーリエスペクトルを抽出し、これを媒体に照射することでホログラム記録する。参照光もバンドパスフィルタリングされた光であることから、参照光パターンの変化でフーリエスペクトルを変えて光記録媒体を移動させることなく同一領域に多重記録を行うことが可能である。

また、参照光および信号光の直流成分や高次成分など不要な成分は露光に使用されないため、Ｓ／Ｎが向上すると共に、ダイナミックレンジをロスすることがなく、体積記録の限界近くＶ／λ3ビット程度の記録容量を実現することができる。

（ピンホールの形状）
また、上記の実施の形態では、円形に開口したピンホールを形成する例について説明したが、ピンホールの開口形状は円形には制限されない。例えば、多角形状や矩形状に開口したピンホールを形成してもよい。

（データページの構成）
白黒比率が等しい二値のデジタル画像（信号光）の場合に直流成分を除去すると、再生時にＳ／Ｎが低下するという知見を得た。この知見に基づきデータページの構成を種々検討したところ、以下に示す２通りの手法でＳ／Ｎが向上することを見出した。
（１）デジタル画像の信号光成分を孤立させる。
（２）デジタル画像の各画素または各画素ブロックに対する信号光成分の比率を大きくする。

図１では各信号光成分が隙間なく配置された例について説明したが、各信号光成分の分解能を上げるためには、図１９に示すように、信号光成分の周囲にブラックマトリクス５４を設ける等して、画素５０_１〜５０_３の信号光成分５２_１〜５２_３を相互に離間させて配置することが好ましい。なお、以下では、画素５０_１〜５０_３を区別する必要がない場合は「画素５０」と称し、信号光成分５２_１〜５２_３を区別する必要がない場合は「信号光成分５２」と称する。

ここで、画素５０と信号光成分５２とは同心正方形状であり、画素５０の一辺の長さ（画素サイズ）をｄ、信号光成分（開口）５２の一辺の長さをａ、信号光成分５２の配置間隔をＮ×ａとすると、ａ／ｄで表される開口率は１／（Ｎ＋１）となる。なお、例えば３×３画素のように複数画素からなる画素ブロック毎に信号光成分を配置する場合には、画素ブロックの一辺の長さをｄとする。

種々実験を行った結果、信号光成分の配置間隔を信号光成分の一辺の長さａと等しくした場合（Ｎ＝１、ａ／ｄ＝０．５）には直流成分を除去すると信号光が再生されないことが分かった。また、信号光成分５２の配置間隔をａより大きくして（Ｎ＞１）各信号光成分を孤立させることで、この問題を回避できることが分かった。Ｎ＞１ではａ／ｄで表される開口率は０．５より小さくなる。Ｎの値が大きくなるほど、信号光（ポジ画像）のＳ／Ｎが向上する。

更に、ａ／ｄで表される開口率を０．５より大きくすることで、直流成分を除去しても信号光の反転画像（ネガ画像）が記録・再生され、開口率が１に近づくほどネガ画像のＳ／Ｎが向上することを見い出した。これによっても、上記の問題を回避することができる。なお、信号光のネガ画像が生成する機構は以下のように推定される。

即ち、直流成分を除去することは、信号光と全体強度が等しく且つ位相差πの平面波を信号光に干渉させることに等しい。例えば、信号光がすべて直流成分で構成される平面波の場合には、同じ強度で位相差πの平面波を干渉させると信号光は０になる。従って、デジタルデータで変調された信号光の直流成分を除去する場合には、同じトータル強度を持ち且つ位相差πの平面波を、元の信号光に干渉させた結果と等しい。この場合、明るかった部分は負の干渉により暗くなり、暗かった部分には光波が加わるのみなので結果として明るくなる。

また、実験結果から経験的に、直流成分を除去した後のＳ／Ｎの、直流成分を除去する前のＳ／Ｎに対する割合（Ｓ／Ｎの劣化度合い）が、下記式で定義されることを見出した。図２０はこのＳ／Ｎの劣化度合いを開口率に対してプロットしたグラフである。Ｓ／Ｎの劣化度合いの絶対値が小さい方がＳ／Ｎの劣化が顕著である。

Ｓ／Ｎの劣化度合いの絶対値が０．１より大きくなければ、元のデジタル画像（又はその反転画像）を目視で確認することができない。従って、図２０に示した結果から、信号光（ポジ画像）を記録、再生する場合には、ａ／ｄで表される開口率を下記の範囲とすることが好ましい。
０＜ａ／ｄ＜０．４５

一方、信号光の反転画像（ネガ画像）を記録、再生する場合には、ａ／ｄで表される開口率を下記の範囲とすることが好ましい。
０．５５＜ａ／ｄ＜１

上述したデータページは、図７に示すホログラム記録装置において、空間光変調器４の光射出側に近接してマスク５８を配置することで生成することができる。マスク５８は、図２１に示すように、空間光変調器４のｘ行ｙ列のマトリクス状に配列された画素５６_１１〜５６_ｘｙに対応して開口部６０_１１〜６０_ｘｙが設けられたブラックマトリクスマスクである。なお、以下では、画素５６_１１〜５６_ｘｙを区別する必要がない場合は「画素５６」と称し、開口部６０_１１〜６０_ｘｙを区別する必要がない場合は「開口部５６」と称する。また、空間光変調器４の各画素５６をブラックマトリクスを介して配置しても同様に上述したデータページを生成することができる。

デジタル画像（信号光）の一例を示す図である。 信号光のフランフォーファ回折像を示す図である。 （Ａ）はフーリエ変換スペクトルを示す図であり、（Ｂ）はその部分拡大図である。 信号光のフーリエ変換像を模式的に示す図である。 図４に示すフーリエ変換像の特定の空間周波数成分を抽出するフィルタの一例を示す図である。 フィルタの他の一例を示す図である。 ホログラム記録装置の構成の一例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はフィルタの遮光体に形成されるピンホールの位置を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）はピンホールの位置に応じたフィルタリング像を示す図である。 フィルタの遮光体に形成されるピンホールの大きさを示す図である。 （Ａ）〜（Ｆ）はピンホールの大きさに応じたフィルタリング像を示す図である。 フィルタの遮光体に形成されるピンホールの位置を示す図である。 （Ａ）〜（Ｅ）はピンホールの位置に応じたフィルタリング像を示す図である。 ホログラム再生装置の構成の一例を示す図である。 同軸構成のホログラム記録再生装置の一例を示す。 信号光と参照光とを同時に生成する空間光変調器の構成を示す図である。 空間光変調器をプログラマブルフィルタとして用いた例を示す図である。 ピンホールが形成されたターレットをフィルタとして用いた例を示す図である。 信号光成分が相互に離間させて配置された様子を示す図である。 Ｓ／Ｎの劣化度合いを開口率に対してプロットしたグラフである。 ブラックマトリクスマスクの一例を示す図である。

符号の説明

１ 信号光
２ 参照光
３ 回折光
４ 空間光変調器
５ 光記録媒体
６ 光源
７，８ フーリエ変換レンズ
９ 光検出器
１０ａ コリメータレンズ
１０ｂ コリメータレンズ
１２ ビームスプリッタ
１３ 反射ミラー
１５ シャッター
１９ 遮光部
２０，２０ｂ フィルタ
２０ａ プログラマブルフィルタ
２１ ピンホール
２２ 光源
２４ コリメータレンズ
２８ 偏光ビームスプリッタ
３０ 空間光変調器
３２ フーリエ変換レンズ
３２ レンズ
３４ 空間光変調器
３６ 対物レンズ
３８ 光記録媒体
４０ 対物レンズ
４２ 光検出器
４４ 入射光
５０ 画素
５２ 信号光成分
５４ ブラックマトリクス
５６ 画素
６０ 開口部
５８ マスク

Claims (26)

1. 二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を除去し、前記直流成分が除去された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録方法。
2. 二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を遮断すると共に前記直流成分以外の成分を透過するフィルタを光記録媒体の信号光照射側に配置し、前記フィルタを透過した前記直流成分以外の成分と参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録方法。
3. 二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を遮断すると共に前記フーリエ変換像の隣接する輝点間に存在する空間周波数成分を抽出するフィルタを光記録媒体の信号光照射側に配置し、前記フィルタにより抽出された空間周波数成分と参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録方法。
4. 前記フィルタは、前記明暗画像の画像エッジ部分の記録再生に必要な情報が重畳された特定の空間周波数成分を抽出する請求項３に記載のホログラム記録方法。
5. 前記フィルタとして、前記フーリエ変換像の隣接する輝点間に対向して光透過部が予め形成された遮光体、又は前記フーリエ変換像の輝点に対向して遮光部が予め形成された光透過体を用いた請求項３に記載のホログラム記録方法。
6. 前記フィルタとして、前記フーリエ変換像の隣接する輝点間に対向して光透過部が異なる位置に順次形成される可変フィルタを用いた請求項３に記載のホログラム記録方法。
7. 前記フーリエ変換像の０次の輝点と１次の輝点との間に対向して光透過部が形成された請求項５または６に記載のホログラム記録方法。
8. 前記光透過部の直径ｒが下記式（１）の範囲にある請求項５から７までのいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
   ０＜ｒ＜ζ 式（１）
   式中、ζはζ＝ｆλ／ｄで表される各輝点間の距離であり、前記信号光をフーリエ変換するレンズの焦点距離ｆ、記録波長λ、前記信号光を生成する空間光変調器の画素ピッチｄにより決まる値である。
9. 前記光透過部の直径ｒが下記式（２）の範囲にある請求項５から７までのいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
   ζ／１０＜ｒ＜ζ 式（２）
   式中、ζはζ＝ｆλ／ｄで表される各輝点間の距離であり、前記信号光をフーリエ変換するレンズの焦点距離ｆ、記録波長λ、前記信号光を生成する空間光変調器の画素ピッチｄにより決まる値である。
10. 前記可変フィルタを空間光変調素子で構成した請求項６に記載のホログラム記録方法。
11. 前記光記録媒体の信号光が照射される領域に、前記フィルタを通して前記参照光を照射する請求項２から１０までのいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
12. 前記信号光と前記参照光とを同軸で照射する請求項１から１１までのいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
13. 同一領域に複数のホログラムを多重記録する請求項１から１２までのいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
14. 前記参照光のランダムパターンを変更して複数のホログラムを位相相関多重記録する請求項１３に記載のホログラム記録方法。
15. コヒーレント光を照射する光源と、
    二値のデジタルデータに応じて前記光源から照射された光を強度変調して、デジタルデータを明暗画像で表す信号光を生成する空間光変調器と、
    前記信号光をフーリエ変換する結像光学系と、
    前記光源から照射された光から参照光を得る参照光光学系と、
    前記結像光学系と光記録媒体との間に配置され、前記信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）の輝点に対向して形成され且つ前記フーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を遮断する遮光部と、前記直流成分以外の成分を透過する光透過部とを有するフィルタと、
    を備え、
    前記フィルタを透過した前記直流成分以外の成分と前記参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録装置。
16. コヒーレント光を照射する光源と、
    二値のデジタルデータに応じて前記光源から照射された光を強度変調して、デジタルデータを明暗画像で表す信号光を生成する空間光変調器と、
    前記信号光をフーリエ変換する結像光学系と、
    前記光源から照射された光から参照光を得る参照光光学系と、
    前記結像光学系と光記録媒体との間に配置され、前記信号光のフーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）の輝点に対向して形成され且つ前記フーリエ変換像の０次〜ｎ次（ｎは１以上の整数）における直流成分を遮断する遮光部と、前記信号光のフーリエ変換像の隣接する輝点間に対向して形成され且つ前記輝点間に存在する空間周波数成分を透過する光透過部とを有するフィルタと、
    を備え、
    前記フィルタを透過した前記空間周波数成分と前記参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記明暗画像の画像エッジ部分を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録装置。
17. 前記フーリエ変換像の０次の輝点と１次の輝点との間に対向して光透過部が形成された請求項１６に記載のホログラム記録装置。
18. 前記光透過部の直径ｒが下記式（１）の範囲にある請求項１６または１７に記載のホログラム記録装置。
    ０＜ｒ＜ζ 式（１）
    式中、ζはζ＝ｆλ／ｄで表される各輝点間の距離であり、前記信号光をフーリエ変換するレンズの焦点距離ｆ、記録波長λ、前記信号光を生成する空間光変調器の画素ピッチｄにより決まる値である。
19. 前記光透過部の直径ｒが下記式（２）の範囲にある請求項１６または１７に記載のホログラム記録装置。
    ζ／１０＜ｒ＜ζ 式（２）
    式中、ζはζ＝ｆλ／ｄで表される各輝点間の距離であり、前記信号光をフーリエ変換するレンズの焦点距離ｆ、記録波長λ、前記信号光を生成する空間光変調器の画素ピッチｄにより決まる値である。
20. 前記信号光は、前記明暗画像の各画素又は各画素ブロック毎の信号光成分を相互に離間させて配置した請求項１から１４までのいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
21. 前記画素又は前記画素ブロックの形状及び前記信号光成分の形状を同心正方形とした請求項２０に記載のホログラム記録方法。
22. 前記信号光成分の配置間隔を前記信号光成分の一辺の長さより大きくして、前記明暗画像のポジ画像をホログラムとして記録する請求項２１に記載のホログラム記録方法。
23. 前記画素又は前記画素ブロックの一辺の長さをｄ、前記信号光成分の一辺の長さをａとした場合に、ａ／ｄで表される開口率を０．５未満とした請求項２２に記載のホログラム記録方法。
24. 前記開口率を下記の範囲とした請求項２３に記載のホログラム記録方法。
    ０＜ａ／ｄ＜０．４５
25. 前記画素又は前記画素ブロックの一辺の長さをｄ、前記信号光成分の一辺の長さをａとした場合に、ａ／ｄで表される開口率を０．５より大きくして、前記明暗画像のネガ画像をホログラムとして記録する請求項２１に記載のホログラム記録方法。
26. 前記開口率を下記の範囲とした請求項２５に記載のホログラム記録方法。
    ０．５５＜ａ／ｄ＜１