JP4045390B2

JP4045390B2 - 光記録方法、光記録装置および光再生方法

Info

Publication number: JP4045390B2
Application number: JP8764499A
Authority: JP
Inventors: 岳洋新津; 克典河野
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1999-03-30
Filing date: 1999-03-30
Publication date: 2008-02-13
Anticipated expiration: 2019-03-30
Also published as: JP2000284672A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、データ情報をホログラムとして記録する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代のコンピュータファイルメモリとして、３次元的記録領域に由来する大容量性と２次元一括記録再生方式に由来する高速性とを兼ね備えたホログラムメモリが注目されている。
【０００３】
ホログラムメモリでは、同一体積内に多重させて複数のデータページを記録することができ、かつ各ページごとにデータを一括して読み出すことができる。アナログ画像ではなく、二値のデジタルデータ「０，１」を「明、暗」としてデジタル画像化し、ホログラムとして記録再生することによって、デジタルデータの記録再生も可能となる。最近では、このデジタルホログラムメモリシステムの具体的な光学系や、体積多重記録方式に基づくＳＮ比やビット誤り率の評価、または２次元符号化についての提案がなされ、光学系の収差の影響など、より光学的な観点からの研究も進展している。
【０００４】
図７に、文献「Ｄ．Ｐｓａｌｔｉｓ，Ｍ．Ｌｅｖｅｎｅ，Ａ．Ｐｕ，Ｇ．ＢａｒｂａｓｔａｔｈｉｓａｎｄＫ．Ｃｕｒｔｉｓ；Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．２０（１９９５）７８２」に示された、体積多重記録方式の一例であるシフト多重記録方式を示す。
【０００５】
この文献に示されたシフト多重記録方式では、ホログラム記録媒体９１をディスク形状とし、空間光変調器９２を介して得られた物体光９３を、レンズ９４によってフーリエ変換して、ホログラム記録媒体９１に照射すると同時に、対物レンズ９５を介して得られた球面波の参照光９６を、ホログラム記録媒体９１に照射して、ホログラム記録媒体９１の回転によって同じ領域に複数のホログラムを重ね書きする。例えば、ビーム径を１．５ｍｍφとすると、ホログラム記録媒体９１を数十μｍ移動させるだけで、ほぼ同じ領域に別のホログラムを、クロストークを生じることなく記録することができる。これは、参照光９６が球面波であるため、ホログラム記録媒体９１の移動によって参照光９６の角度が変化したのと等価になることを利用したものである。
【０００６】
この球面参照波シフト多重記録の移動距離、すなわち互いのホログラムを独立に分離できる距離δは、上記文献にも示されているように、
δspherical ＝δBragg ＋δNA
≒（λｚｏ／（Ｌｔａｎθｓ））＋λ／（２ＮＡ）…（１）
で表される。ここで、λは物体光の波長、ｚｏは球面参照波を形成する対物レンズと記録媒体との距離、Ｌは記録媒体の膜厚、θｓは物体光と球面参照波の交差角、ＮＡは上記対物レンズの開口数である。
【０００７】
この式（１）から、記録媒体の膜厚Ｌが大きいほど、シフト量δが小さくなって、多重度を増すことができ、記録容量を増大させることができる。さらに、シフト多重記録で、より効果的に記録容量の増大を図るには、記録領域を微小化すればよい。微小領域に多重記録することによって、より高密度の体積多重記録を実現することができる。
【０００８】
そのため、ホログラムメモリシステムでは、物体光をレンズによってフーリエ変換して記録媒体に照射する。物体光の画像が細かいピッチ（高い空間周波数）を有する場合、このとき、記録媒体面での物体光の広がりζは、
ζ＝ｋλｆωｘ …（２）
で表される。ｋは比例定数、λは物体光の波長、ｆはフーリエ変換用のレンズの焦点距離、ωｘは物体光の空間周波数である。したがって、フーリエ変換用のレンズとして焦点距離ｆが小さいものを用いれば、記録領域の微小化が可能である。
【０００９】
さらに、記録媒体の前方にアパーチャーを配して、フーリエ変換後の物体光の必要な空間周波数成分のみを取り出して記録することによって、記録領域を微小化することも考えられている。
【００１０】
ホログラムとして記録するデータ画像を、例えば、図１のような画像とする。図中の白い部分がデータ“１”を表し、黒い部分がデータ“０”を表すようにすることによって、二値の２次元デジタルデータをページごとに記録することができる。ｄ×ｄの一画素の大きさが、１ビットデータに対応する。
【００１１】
このような画像の物体光を、レンズによってフーリエ変換すると、変換後のフーリエ変換像は、図２に示すように、０次光Ｆ０（ωｘ＝０，ωｙ＝０）を中心に、ｘ軸方向とｙ軸方向のそれぞれにつき、１次光Ｆ１、２次光Ｆ２、３次光Ｆ３…が、プラス方向およびマイナス方向に対称に広がったものになるとともに、その光強度は、図２で強度の強い成分ほど大きな点として示し、かつ図３の曲線Ｐ１で示すように、０次光Ｆ０が著しく強く、高次になるほど弱くなる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ホログラムは、記録媒体中で物体光と参照光を干渉させることによって形成するもので、物体光と参照光の強度が等しいほど、干渉効果が大きく、再生時の回折効率が高くなる。逆に、物体光と参照光の強度が極端に異なるときには、干渉効果が小さいため、再生時の回折効率が低くなる。
【００１３】
そのため、図２および図３に示したように各次の成分の強度が異なるフーリエ変換像をホログラムとして記録する場合には、各次の成分につき、均一で十分な干渉効果が得られず、均一で十分な回折効率にならない。
【００１４】
例えば、参照光を０次光Ｆ０と同じ強度にした場合には、１次以降の成分、特に２次光Ｆ２、３次光Ｆ３というような高次成分についての干渉効果が小さくなり、高次成分については回折効率が低下して、フーリエ変換像は高次成分に輪郭情報を多く含んでいることから、再生画像は、高次成分の再生が不十分な、輪郭がぼやけた画像になってしまう。
【００１５】
逆に、例えば、参照光を３次光Ｆ３と同じ強度にした場合には、０次光Ｆ０、１次光Ｆ１というような低次成分についての干渉効果が小さくなり、低次成分については回折効率が低下して、フーリエ変換像は低次成分に光量情報を多く含んでいることから、再生画像は、低次成分の再生が不十分な、光量が不足した画像になってしまう。
【００１６】
そのため、一般には、図３の直線Ｐ２で示すように、参照光を０次光Ｆ０と高次光との間の中間的な強度にする。しかし、このようにしても、各次の成分につき、均一で十分な干渉効果は得られず、均一で十分な回折効率にならない。
【００１７】
そこで、この発明は、データ情報を保持する物体光のフーリエ変換像をホログラムとして記録する場合に、フーリエ変換像の各次成分につき均一で十分な干渉効果が得られて、物体光のデータ画像を良好に再生することができるようにしたものである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明の光記録方法では、
データ情報に応じてコヒーレント光を変調して、その波面により前記データ情報を保持する物体光を得、その物体光をフーリエ変換して、フーリエ変換像を得るとともに、
コヒーレント光から、前記フーリエ変換像の強度の強いところでは強度が強く、強度の弱いところでは強度が弱い空間強度分布を有する参照光を得、
前記フーリエ変換像と前記参照光とを、同時に光記録媒体に照射して、前記フーリエ変換像をホログラムとして前記光記録媒体に記録する。
【００１９】
【作用】
上記の方法の、この発明の光記録方法では、フーリエ変換像の強度の強い低次成分と干渉する参照光成分は強度が強く、フーリエ変換像の強度の弱い高次成分と干渉する参照光成分は強度が弱いので、フーリエ変換像と参照光のいずれか一方の強度が弱い方が、他方の強度が強い方に埋もれてしまうようなことがなく、フーリエ変換像の各次成分につき均一で十分な干渉効果が得られて、物体光のデータ画像が良好に再生される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
〔光記録方法の一例〕
データを高密度に記録するには、図１のようなデータ画像の一画素の面積を小さくして、すなわちｄの値を小さくして、１ページ内に、より多くのビットデータを詰め込むことが望ましい。これによって、高密度の記録に加えて、高速の記録再生を実現することができる。
【００２１】
しかし、データ画像のｘ，ｙ軸方向の空間周波数ωｘ，ωｙは、１／ｄに比例するので、このように一画素の面積を小さくすると、空間周波数ωｘ，ωｙが大きくなって、光記録媒体上で、物体光としてのデータ画像のフーリエ変換像が、式（２）に従って広がってしまう。
【００２２】
そこで、一部に光透過部を形成した遮光体を光記録媒体の前方に配置し、データ画像のフーリエ変換像を、その光透過部を透過させて光記録媒体に照射することによって、光記録媒体上の記録領域を微小化することが望ましい。
【００２３】
記録する画像（物体光）は、アナログ画像ではなく、二値のデータ画像であるので、フーリエ変換像として、空間周波数ωｘ，ωｙが無限大の成分まで記録する必要はなく、３〜５次程度の高次成分まで記録すれば十分である。
【００２４】
そこで、以下に示す、この発明の光記録方法の一例では、フーリエ変換像の０次光から５次光までの成分のみを、ホログラムとして光記録媒体に記録する。
【００２５】
図４は、この発明の光記録方法の一例を示す。この方法では、同図（Ａ）に示すような光透過部２１を形成した遮光体２０を光記録媒体の前方に配置し、図２に示したようなフーリエ変換像の０次光から５次光までの成分を、光透過部２１を透過させて光記録媒体に照射する。光透過部２１は、その全域で光透過率を一定とする。
【００２６】
一方、同図（Ｂ）に示すような、光透過部２１に相当する円内において、中心部で透過率が最大で、周辺にいくに従って透過率が小さくなる空間透過率分布を有する強度変調フィルタ１７を、空間的に一定強度の平行光の光路上に配置し、その一定強度の平行光を、強度変調フィルタ１７を透過させて、その透過した光を、参照光として、光記録媒体の、フーリエ変換像の０次光から５次光までの成分が照射される領域に照射する。
【００２７】
この場合、強度変調フィルタ１７を透過した参照光は、フーリエ変換像と同様に遮光体２０の光透過部２１を透過させて光記録媒体に照射し、または光透過部２１を介することなく直接、光記録媒体に照射する。ただし、いずれの場合にも、光記録媒体上において、参照光の強度が最大の中心部がフーリエ変換像の強度が最大の０次光と重なり合うようにする。
【００２８】
これによれば、光記録媒体に照射される参照光は、図４（Ｃ）の破線Ｐ３で示すように、実線Ｐ１で示すフーリエ変換像の空間強度分布と同様の空間強度分布を有するものとなり、すなわち、フーリエ変換像の強度の強い成分に対しては強度が強く、フーリエ変換像の強度の弱い成分に対しては強度が弱いものとなる。
【００２９】
したがって、フーリエ変換像と参照光のいずれか一方の強度が弱い方が、他方の強度が強い方に埋もれてしまうようなことがなく、フーリエ変換像の各次成分につき均一で十分な干渉効果が得られて、物体光のデータ画像を良好に再生することができる。
【００３０】
〔光記録装置の一例〕
図５は、この発明の光記録装置の一例を示し、光再生装置を兼ねる場合である。
【００３１】
光源６からのコヒーレント光を、ビームスプリッタ１２で２つの光に分け、記録時にはシャッタ１５を開けて、ビームスプリッタ１２を透過した光を、レンズ１０ａ，１０ｂで口径の広い平行光にして、空間光変調器４に入射させる。
【００３２】
図では省略したコンピュータによって、空間光変調器４には、図１に示したような二値の２次元デジタルデータ画像を表示する。これによって、空間光変調器４を通過した光は、デジタルデータ画像の各画素の値に応じて強度変調されて、デジタルデータ画像の情報を有する物体光１となる。
【００３３】
この物体光１を、レンズ７によってフーリエ変換し、その変換後の図２に示したようなフーリエ変換像１ｆの０次光から５次光までの成分を、図４（Ａ）に示した遮光体２０の光透過部２１を透過させて、光記録媒体５に照射する。
【００３４】
同時に、ビームスプリッタ１２で反射した光を、ミラー１３および１４で反射させた後、図４（Ｂ）に示した強度変調フィルタ１７を透過させて、上述したようにフーリエ変換像１ｆの空間強度分布に対応する空間強度分布を有する参照光２を得、その参照光２を、遮光体２０の光透過部２１を透過させて、光記録媒体５のフーリエ変換像１ｆの０次光から５次光までの成分が照射される領域に照射する。
【００３５】
これによって、光記録媒体５中で、フーリエ変換像１ｆの０次光から５次光までの成分と、その空間強度分布に対応する空間強度分布を有する参照光２とが干渉して、光記録媒体５中にフーリエ変換ホログラムが記録される。この場合、駆動手段４０によって光記録媒体５を所定のシフト方向に移動させて、ホログラムをシフト多重記録する。
【００３６】
再生時には、シャッタ１５を閉じて物体光１を遮断し、強度変調フィルタ１７を透過させた、記録時の参照光２と同じ光を読み出し光として、遮光体２０の光透過部２１を透過させて、光記録媒体５のホログラムが記録されている領域に照射する。照射された読み出し光２は、ホログラムによって回折される。
【００３７】
その回折光３を、レンズ８によって逆フーリエ変換して、ＣＣＤなどの光検出器９上に結像させ、データ情報を読み取る。
【００３８】
〔実験による検証〕
上述した方法および装置で、実際にデータ情報の記録再生を試みた。光記録媒体５としては、ホログラムを記録できるものであれば、どのようなものでもよいが、ここでは、図６に示す化学式で表される、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いた。この材料は、特願平１０−３２８３４号に詳細に記載されているように、側鎖のシアノアゾベンゼンの光異性化による光誘起異方性によって、ホログラムの記録、再生および消去が可能である。
【００３９】
光源６には、光記録媒体５としての、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のあるアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを使用した。
【００４０】
空間光変調器４には、一画素の大きさが４２μｍ×４２μｍで６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネル１．３型を用いた。一画素を１ビットとして、図１のように二値化されたパターンをコンピュータで作成して、空間光変調器４に入力した。したがって、物体光１のデータ画像は、ｄ＝４２μｍのピッチに対応する空間周波数成分を有することになる。物体光１をフーリエ変換するレンズ７としては、焦点距離ｆが５５ｍｍのものを用いた。
【００４１】
強度変調フィルタ１７としても、空間光変調器４と同じ液晶パネルを用いた。あらかじめ、ＣＣＤカメラで光記録媒体５上の位置でのフーリエ変換像の空間強度分布を測定して、空間強度分布データを得た。
【００４２】
まず、比較のために、従来の方法でホログラムを記録した。上記のあらかじめ得た空間強度分布データから、０次光、２次光および５次光の強度を検出し、これらと同じ強度の参照光によってホログラムを記録した。
【００４３】
最初に、０次光と同じ強度の参照光を照射してホログラムを記録した後、物体光を遮断して参照光と同じ読み出し光を照射し、得られた回折光からデータ画像を再生したところ、明度は高いが、輪郭がぼやけた再生画像が得られた。次に、５次光と同じ強度の参照光を照射してホログラムを記録した後、物体光を遮断して参照光と同じ読み出し光を照射し、得られた回折光からデータ画像を再生したところ、輪郭ははっきりしているが、明度の低い再生画像が得られた。これらの結果から、参照光が０次光と同じ強度の場合には、高次成分が十分に再生されず、逆に参照光が５次光と同じ強度の場合には、低次成分が十分に再生されないことが確認された。
【００４４】
さらに、２次光と同じ強度の参照光を照射してホログラムを記録した後、物体光を遮断して参照光と同じ読み出し光を照射し、得られた回折光からデータ画像を再生したところ、明度は落ちるものの、輪郭のぼやけが少し改善された。従来の方法は、このように再生画像を確認しながら参照光の強度を変えて、最も好ましい再生画像が得られる参照光の強度を選択するものである。
【００４５】
次に、この発明の方法でホログラムを記録した。まず、上記のあらかじめ得た空間強度分布データをもとにコンピュータで強度変調データを作成して、強度変調フィルタ１７を形成する液晶パネルに表示した。
【００４６】
次に、再び光記録媒体５上の位置にＣＣＤカメラを配置して、強度変調フィルタ１７を透過した参照光の空間強度分布を測定し、参照光の空間強度分布がフーリエ変換像の空間強度分布と同じになるように強度変調データを調整した。調整後、強度変調フィルタ１７を透過した参照光によってホログラムを記録した。その後、物体光を遮断して参照光と同じ読み出し光を照射し、得られた回折光からデータ画像を再生したところ、明度が高く、かつ輪郭がはっきりした再生画像が得られ、この発明の方法の効果が確認された。
【００４８】
【発明の効果】
上述したように、この発明によれば、フーリエ変換像の各次成分につき均一で十分な干渉効果が得られて、物体光のデータ画像を良好に再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】物体光の一例を示す図である。
【図２】フーリエ変換像の一例を示す図である。
【図３】フーリエ変換像の光強度分布を示す図である。
【図４】この発明の光記録方法の一例を示す図である。
【図５】この発明の光記録装置の一例を示す図である。
【図６】光記録媒体の材料の一例の化学式を示す図である。
【図７】シフト多重記録方式を説明するための図である。
【符号の説明】
１…物体光
１ｆ…フーリエ変換像
２…参照光（読み出し光）
３…回折光
４…空間光変調器
５…光記録媒体
６…光源
７…フーリエ変換用レンズ
８…逆フーリエ変換用レンズ
９…光検出器
１２…ビームスプリッタ
１５…シャッタ
１７…強度変調フィルタ
２０…遮光体
２１…光透過部
４０…駆動手段

Claims

データ情報に応じてコヒーレント光を変調して、その波面により前記データ情報を保持する物体光を得、その物体光をフーリエ変換して、フーリエ変換像を得るとともに、
コヒーレント光から、前記フーリエ変換像の強度の強いところでは強度が強く、強度の弱いところでは強度が弱い空間強度分布を有する参照光を得、
前記フーリエ変換像と前記参照光とを、同時に光記録媒体に照射して、前記フーリエ変換像をホログラムとして前記光記録媒体に記録する光記録方法。
請求項１の光記録方法において、
前記参照光は、空間的に一定強度の平行光を、前記フーリエ変換像の空間強度分布に応じた空間透過率分布を有する強度変調フィルタを透過させることによって得ることを特徴とする光記録方法。
請求項１または２の光記録方法において、
前記物体光は、前記データ情報に応じて強度が二値化された画像とすることを特徴とする光記録方法。
請求項１〜３のいずれかの光記録方法において、
前記光記録媒体の前方に、一部に光透過部を形成した遮光体を配置し、前記フーリエ変換像の０次から所定次までの成分を、前記光透過部を透過させて前記光記録媒体に照射することを特徴とする光記録方法。
コヒーレント光を発する光源と、
データ情報に応じて前記光源からの光を変調して、その波面により前記データ情報を保持する物体光を得る空間光変調器と、
前記物体光をフーリエ変換して、そのフーリエ変換像を光記録媒体に照射する結像光学系と、
前記光源からの光から参照光を得て、前記光記録媒体に照射する参照光光学系と、
前記参照光を、前記フーリエ変換像の強度の強いところでは強度が強く、強度の弱いところでは強度が弱い空間強度分布を有するものとする強度変調フィルタと、
を備える光記録装置。
請求項５の光記録装置において、
前記空間光変調器は、前記物体光として、前記データ情報に応じて強度が二値化された画像を生成することを特徴とする光記録装置。
データ情報を保持する物体光のフーリエ変換像と、このフーリエ変換像の強度の強いところでは強度が強く、強度の弱いところでは強度が弱い空間強度分布を有する参照光とが、同時に照射されて、前記フーリエ変換像がホログラムとして記録された光記録媒体に、前記参照光と同じ波面を有する読み出し光を照射して、前記ホログラムを回折光として再生する光再生方法。
請求項７の光再生方法において、
前記回折光を逆フーリエ変換して、前記データ情報を読み取ることを特徴とする光再生方法。