JP4105005B2

JP4105005B2 - 二次元光情報再生装置

Info

Publication number: JP4105005B2
Application number: JP2003045822A
Authority: JP
Inventors: 勝博遠藤; 義昭黒川; 生剛八木; 隆也田辺
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2003-02-24
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-02-24
Also published as: JP2004258101A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層導波路ホログラムメモリに使用するに好適な二次元光情報再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シングルモード平面導波路に微小な凹凸を形成し、その微小凹凸によって導波光を回折させて任意の波面を導波路外に取り出す技術を導波路ホログラフィと呼び、目的の波面を作るように形成された該導波路平面内の微小な凹凸の集合を導波路ホログラムと呼ぶ。ホログラフィを体積ホログラフィと薄膜ホログラフィに分類すると、導波路ホログラフィは薄膜ホログラフィに分類される。
【０００３】
導波路ホログラムが作り込まれた導波路を積層化した積層導波路ホログラフィは、薄膜ホログラフィでありながら三次元領域を記録領域として使用できることから、大容量の光メモリ（例えば、特許文献１参照。）としての応用が可能である。
また、積層導波路ホログラムメモリにおいては、情報記録媒体の導波路面に平行におかれたＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等の二次元受光素子を用い、回折光を受光する。ＣＣＤやＣＭＯＳセンサのピクセル密度が、ホログラムの持つ情報密度に比べて桁外れに小さいことから、そのギャップを埋めるために、液晶マトリックスを用いた開口多重技術（例えば、特許文献２参照。）も提案されている。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３３２３１４６号公報
【特許文献２】
特願２０００-０１９１０８号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
積層導波路ホログラムメモリは、従来の光メモリであるＣＤやＤＶＤと異なり、回転機構を必要とせず、１〜２ｍｍのワーキングディスタンスを要する層選択機構唯一の機械駆動部分として再生ドライブを実現することが可能である。これは、静音、省エネルギー、小型化に適したメモリであることを意味する。
この場合、データ容量Ｂは、符号化効率ε、二次元受光素子のピクセル数Ｎ、開口多重の多重度Ｍ、及び積層数Ｌの積で与えられることになる。すなわち、
Ｂ＝ε×Ｍ×Ｎ×Ｌ（１）
となる。
【０００６】
情報記録媒体に記録できるデータ容量は、媒体サイズを光の波長の二乗（λ^２）で割った大きさのオーダーで決まるため、もしも、媒体サイズと受光面積が等しい場合、開口多重の多重度は無限に大きくできるわけではなく、受光素子の面積Ｓ_Ｃと使用波長λによって、
εＭＮ≦（Ｓ_Ｃ／λ^２）（２）
なる制限が課せられる。
【０００７】
したがって、この場合、式（１）から、
Ｂ＜（Ｓ_ＣＬ／λ^２）（３）
のように、容量の上限が定められる。受光素子はＣＣＤにせよＣＭＯＳセンサにせよ半導体製品であるから、面積が大きくなると、指数関数的に高価になる。したがって、受光面積を大きくすることは好ましくない。それゆえ、受光素子の面積よりも情報記録媒体の面積を大きくして、容量を大きくすることが望まれる。
【０００８】
この場合、原理的には情報記録媒体の面積Ｓ_Ｍによってデータ容量が制約され、
Ｂ＜（Ｓ_ＭＬ／λ^２）（４）
となり、Ｓ_Ｍ＞Ｓ_Ｃであるから、当然、データ容量の上限は大きくなる。
しかし、情報記録媒体の面積を受光素子よりも大きくしていくと、情報記録媒体からの回折角度が導波路面の法線に対して急角度となる。これは、使用レーザの波長ずれや、温度変化による情報記録媒体の熱膨張によって生ずる再生像の歪みを増大きせることにつながり、その結果、レーザの選別の波長マージンや、使用温度マージンの低下をもたらす。これらは、再生ドライブの価格を押し上げ、かつ、使用環境の制約を厳しくし、結果的にメモリとしての魅力を減衰させるという欠点となってしまう。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、二次元受光素子の移動機構を設けることなく、受光素子よりも大きな面積を有する情報記録媒体からの信号を受光することが可能な二次元光情報再生装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、ホログラムが形成された情報記録媒体に光を入射させ、該情報記録媒体からの回折光を、受光して前記情報記録媒体に記録された光情報を再生する二次元光情報再生装置において、前記情報記録媒体に光を入射する光源と、前記情報記録媒体に対向して配設され、前記回折光を受光する二次元受光素子と、前記情報記録媒体と前記二次元光受光素子との間に，情報記録媒体の導波路面とは平行でない傾斜面を複数有し、前記回折光を前記二次元受光素子に向けて屈折させる透明体からなる光学素子とを有することを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の二次元光情報再生装置において、前記光学素子は、個々の傾斜面が平面であり、かつ、情報記録媒体の位置合わせ精度の範囲と受光素子が情報記録媒体から一度に受光すべき回折光の範囲とを合わせた大きさより大きく、二次元受光素子の受光面の大きさを超えない大きさであることを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の二次元光情報再生装置において、前記光学素子は、個々の傾斜面が平面であり、互いに平行な法線ベクトルを持つ傾斜平面が、情報記録媒体の位置合わせ精度の範囲より大きく、二次元受光素子の受光面の大きさ未満の範囲に亘って隣接するように形成されていることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。本発明の実施形態に係る二次元光情報再生装置は、導波路面の法線に対する回折角の傾きが大きくなることに由来する像歪の影響を排除するために、情報記録媒体が大きくなっても、二次元受光素子サイズを大きくすることなく、回折角の傾きを小さくする手段として、情報記録媒体と二次元受光素子との間に傾斜光学系（光学素子）を配置するようにしている。
【００１４】
図１及び図２に本発明の実施形態に係る二次元光情報再生装置の構成を示す。同図において、本実施形態に係る二次元光情報再生装置は、ホログラムが形成された情報記録媒体１に光を入射させ、情報記録媒体１からの回折光を、受光して情報記録媒体１に記録された光情報を再生する二次元光情報再生装置であって、情報記録媒体１に光を入射する光源２０と、情報記録媒体１に対向して配設され、前記回折光を受光する二次元受光素子４と、情報記録媒体１と二次元光受光素子４との間に、情報記録媒体１の導波路面とは平行でない傾斜面を複数有し、前記回折光を二次元受光素子４に向けて屈折させる透明体からなる光学素子（傾斜光学系）３とを有している。
【００１５】
情報記録媒体１の直上に開口多重の液晶等で構成される開口マスク２が配設されており、傾斜光学系３を挟んで、二次元受光素子４が配置されている。
傾斜光学系３は、使用波長に対して透明な物質で作られ、情報記録媒体１側の面は導波面に平行な平面、二次元受光素子４側は、複数の平面によって構成されている。該平面の角度は傾斜光学系の内側から外側にいくに従って、大きく傾くように形成されている。
【００１６】
傾斜光学系の機能を説明するために、光の進行を追っていくと、光源２０より出射したレーザ光１１は、シリンドリカルレンズ６によって線状に集光され、積層導波路である情報記録媒体１の任意の層で導波光７を励起する。該導波光７は、導波路ホログラムによって回折され、情報記録媒体１外に回折光８が放出される。ここで、導波路ホログラムによる回折光８は、回折位置によらずほぼ導波路面に垂直になるように設定される。これは、回折角が導波路面の法線に対して大きく傾くと、波長ずれや熱膨張に対する耐性が無くなるからである。
【００１７】
さて、情報記録媒体１外に出てきた回折光は、開口マスク２によって、必要な回折光成分のみが選択される。引き続いて、回折光は傾斜光学系３に入って行くが、開口部５、１２が、二次元受光素子４を導波路面へ投影した領域の内側にある場合（図１）と、外側にある場合（図２）で傾斜光学系３の機能が異なる。
図１に示す場合には、元々回折光の導波路面の法線に対する傾きが小さいから、傾斜光学系３の平面９の傾きは小きくて良い。傾斜光学系３の平面９によって屈折させられた回折光１０は、二次元受光素子４上で必要な像を結像する。
【００１８】
一方、図２に示す場合には、回折光を二次元受光素子４に導くためには、傾斜光学系３の平面１３は大きく傾いていなければならない。この場合、回折光８は大きく屈折させられて回折光１４となり、二次元受光素子４で必要な像を結像することになる。
さて、図３において、傾斜光学系３を導波路面の法線ベクトルに沿って、導波路面に投影した位置座標（位置ベクトル３０）を、極座標を用いて表現し、
【数１】

とする。
【００１９】
ここで、二次元受光素子４の中心位置を導波路面に投影した位置をｚ座標軸原点３１とする。導波路に対して鉛直方向に回折された光を、二次元受光素子４の中心に向かって屈折させるためには、傾斜光学系３の屈折率ｎ_ｓと、平面の傾き角度（θ，φ）との関係は、傾斜光学系３の上端から二次元受光素子４までの距離Ｌを用いて、
【数２】

を満たす必要がある。
【００２０】
ここで、θは、傾斜面の法線と導波路面の法線のなす角度であり、傾斜光学系３の各平面の単位法線ベクトル３２を、
【数３】

、
導波路面の単位法線ベクトル３３を
【数４】

としたとき、
【数５】

を満足する。
【００２１】
次に、二次元受光素子と傾斜光学系の平面を媒体に投影した場合の導波路面で考えると、二次元受光素子の投影面４０と傾斜光学系の平面の投影面４１は図４のようになる。そのとき、ｚ座標軸原点は４２、位置ベクトル
【数６】

は４３となる。このとき、φは、傾斜面の法線ベクトルを導波路面に投影したベクトル４４の方向を角度表示したものである。
【００２２】
ここで、図５に示すように、図４における矢印４５を横軸にｚ軸を縦軸に図示すると、傾斜光学系の平面の単位法線ベクトル
【数７】

（３２、５１）をz軸に投影したベクトル５３は、
【数８】

となり、傾斜面の法線ベクトルを導波路面に投影したベクトル（４４、５４）は、
【数９】

となり、このベクトルは、位置ベクトル
【数１０】

（４３、５０）と平行であることが要求される。
【００２３】
すなわち、
【数１１】

を満たすものとする。なお、式（６）、（９）における“・”はベクトル同士のスカラー積を、式（９）における“×”はベクトル積を表すものである。
ただし、上記の関係式を全ての位置ベクトル
【数１２】

において成立するように要求すると、傾斜光学系は二次元受光素子の中心を焦点とする凸レンズとなる。
【００２４】
しかし、本発明においては、有限個の点
【数１３】

を代表点とし、各代表点では、式（５）、（６）、（９）を満たすものとし、各代表点の近傍では、代表点での傾き角度（θi,φi）をもつものとする。ここで、代表点近傍の傾き角度が、正確に代表点の傾き角度と一致すれば、各代表点近傍は平面を形成することになる。実際には工作精度の問題で、平面にすることは困難であるが、後に述べる理由でできるだけ平面とすることが望ましい。
【００２５】
代表点と近傍の選択法は様々であって、図６〜図８に代表的な選択法を例示する。図６は、「平面」が三角形である例であり、傾斜光学系の導波路面への投影において、各三角形の重心位置を代表点としている。図７は、「平面」が四角形である例であり、傾斜光学系の導波路面への投影において、各四角形の重心位置としている。図８は「平面」六角形である例であり、前記２例と同様に、傾斜光学系の導波路面への投影において、各六角形の重心の代表点としている。
【００２６】
図１及び図２で示した傾斜光学系３の断面図は、二次元受光素子４の中心を焦点とするフレネルレンズを想起させる。しかし、本発明においては、各傾斜平面が情報記録媒体の位置合わせ精度の範囲と受光素子が情報記録媒体から一度に受光すべき回折光の範囲を合わせた大きさより大きく、多角形によって形成されており、通常のフレネルレンズとは、凹凸周期に大きな違いがある。ここで、傾斜平面サイズを一般のフレネルレンズと比べて桁違いに大きくした意図は、情報記録媒体と再生光学系との相対位置ずれの許容値を大きくすることにある。
【００２７】
例えば、簡単のために傾斜平面の導波路面への投影が、一辺１ｍｍの正方形である場合を考える。情報記録媒体を再生ドライブに出し入れすることを考えると、何らの調整機構を持たず、機械精度でのみ位置が保証されている場合、その位置ずれは、±０.１ｍｍ程度は覚悟しなければならない。もしも、光が通る範囲を０.８ｍｍ四方の正方形内にしておけば、±０．１ｍｍの位置ずれに対し、必ず所望の傾斜平面を通る事が保証される。従って、ノイズの発生はない。
【００２８】
一方、例えば、０.３ｍｍ四方の正方形で傾斜平面ができている場合、±０．１ｍｍの位置ずれを許容するためには、０.１ｍｍ四方の正方形内に光を集中しなければならない。これは、１／９（＝１１％）の面積使用率となり、１ｍｍ四方の場合の６４％の約１／６となってしまい、非常に非効率な光学系となってしまう。従って、±０.１ｍｍの位置合わせ精度を条件とした場合に、原理的には０．２ｍｍの辺を持つ多角形以上であれば良いことになるが、実際には、位置ずれ許容誤差の観点からは、１ｍｍ以上に大きいことが望ましい。ただし、二次元受光素子の面積よりも大きくすることは有り得ない。
【００２９】
また、情報記録媒体から鉛直上方に回折される光を、二次元受光素子の中心に集光するようなバルク型レンズを用いた場合には、結像位置に得られる像に収差が現れる。この場合、収差は僅かな位置ずれに対しても発生し、閾値がない。これは、ディジタルメモリとしては不適当である。
以上説明したように、本発明によれば、二次元受光素子よりも大きな情報記録媒体からの回折光を、回折角度を導波路に対して鉛直上方から大きくずらすことなく、該二次元受光素子によって取り込むことが可能となる。これは、最も高価な部品である二次元受光素子の価格を上昇させることなく、簡単に再生ドライブあたりの情報量を大きくする上で有用である。
【００３０】
また、回折角が大きくないことから、使用レーザの波長誤差に対する耐性は震い。また、比較的大きな傾斜平面を用いることによって、情報記録媒体と再生ドライブの光学系との相対位置ずれに対する許容誤差も大きく保っている。
次に、他の実施形態に係る二次元光情報再生装置について説明する。傾斜光学系以外は図１及び図２に示した二次元光情報再生装置と同一構成であるので、傾斜光学系についてのみ説明する。
【００３１】
本実施形態は、図１、図２に示した傾斜光学系３における大きな傾斜平面を、細かな傾斜平面に分割している点のみが上記実施形態と異なる。図９に傾斜光学系の構成を概念的に示す。図９（ａ）は図１及び図２に示した実施形態による大きな傾斜平面からなる傾斜光学系を、図９（ｂ）は本実施形態による細かな平面からなる傾斜光学系を、それぞれ示している。傾斜平面９１は９４に、傾斜平面９２は９５に、傾斜平面９３は９６に対応する。個々のペアで、平面の法線ベクトルは同じである。
【００３２】
細かな平面に分割することで、傾斜光学系の高さを低くすることが可能となる。また、広い面積に亘って同じ法線ベクトルを有する平面が隣接していることから、位置ずれに対する耐性は、大きな平面からなる前記実施形態のもの（図１、図２）と同等である。
【００３３】
〈実施例〉
図１０及び図１１を用いて、本発明の実施例に係る二次元光情報再生装置について説明する。図１０は、二次元光情報再生装置の上面図であり、中央のハッチングした部分が二次元受光素子１００を示している。１０５で示された黒矢印で切断された断面図を図１１に示す。使用する二次元受光素子１００は、７.４８μｍピッチ正方ピクセル、６４０×６４０のＣＣＤとする。この場合、４.７９ｍｍ×４.７９ｍｍの受光面を有する。
【００３４】
一方、傾斜光学系１０１、開口多重用液晶マスク１０３、および情報記録媒体１０４は、１４.３７ｍｍ×１４.３７ｍｍの有効面積を持つものとする。むろん、これより大きいサイズを持っても良いが、本実施例では１４.３７ｍｍ四方の領域のみ使うことを想定し、その外側はデッドスペースと見なす。なお、ＣＣＤの受光面が必ずしも正方形である必要はない。
【００３５】
傾斜光学系１０１は、２.３９５ｍｍ×２.３９５ｍｍの正方形を導波面への投影像とする傾斜平面を有するものとする。この場合、３６枚の傾斜平面を有することになる。各傾斜平面の導波面への投影の重心を十字マーク１０２で示してしいるが、これが、各傾斜平面の代表点である。
【００３６】
ここで、二次元受光素子１００と傾斜光学系１０１の距離を１０ｍｍとし、傾斜光学系１０１は屈折率１.８のフリントガラスで作られているものとする。この場合、第ｉ行、第ｊ列の傾斜平面の傾き（θ_ij，φ_ij））は、単位を度として、
【表１】

に示すように与えられる。ここで、φは、図１０において、傾斜平面の法線ベクトルの導波路面への投影のベクトル成分を（ｘ，ｙ）としたとき、φ＝arctan（ｙ／ｘ）として定義している。
【００３７】
なお、個々の傾斜平面を、さらに１００×１００で分割し、２３.９５μｍ×２３.９５μｍの傾斜平面の集合にすると、図９を参照して説明した実施形態に係る傾斜光学系となる。
また、本実施例及び上記各実施形態では傾斜面として平面を仮定したが、曲面が小さければ曲面であって位置ずれ誤差許容度を大きく損なうものではない。
【００３８】
【発明の効果】
以上、本発明によれば、比較的安価な小型二次受光素子（ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等）を用い、二次受光素子の移動機構を設けることなく、受光素子よりも大きな面積を有する情報記録媒体からの信号を受光することが可能となり、結果的に、再生ドライブあたりの情報量を大きくすることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る二次元光情報再生装置の構成を示す説明図。
【図２】本発明の一実施形態に係る二次元光情報再生装置の構成を示す説明図。
【図３】図１又は図２における二次元光情報再生装置において二次元受光素子、傾斜光学系及び情報記録媒体の導波路面との位置関係を示す説明図。
【図４】二次元受光素子と傾斜光学系の平面を情報記録媒体の導波路面に投影した状態を示す説明図。
【図５】図４に示した矢印４５を横軸に、z座標軸を縦軸に取った場合における二次元受光素子と傾斜光学系の平面を情報記録媒体の導波路面に投影した状態を示す説明図。
【図６】傾斜光学系の構成の一例を示す説明図。
【図７】傾斜光学系の構成の他の例を示す説明図。
【図８】傾斜光学系の構成のさらに他の例を示す説明図。
【図９】本発明の他の実施形態に係る二次元光情報再生装置における傾斜光学系の構成を概念的に示す説明図。
【図１０】本発明の実施例に係る二次元光情報再生装置の上面図。
【図１１】図１０における矢印１０５により切断した断面図。
【符号の説明】
１…情報記録媒体
２…開口マスク
３…傾斜光学系
４…二次元受光素子
５、１２…開口部
６…シリンドリカルレンズ
７…導波光
８…回折光
２０…光源

Claims

ホログラムが形成された情報記録媒体に光を入射させ、該情報記録媒体からの回折光を、受光して前記情報記録媒体に記録された光情報を再生する二次元光情報再生装置において、
前記情報記録媒体に光を入射する光源と、
前記情報記録媒体に対向して配設され、前記回折光を受光する二次元受光素子と、
前記情報記録媒体と前記二次元光受光素子との間に，情報記録媒体の導波路面とは平行でない傾斜面を複数有し、前記回折光を前記二次元受光素子に向けて屈折させる透明体からなる光学素子と、
を有することを特徴とする二次元光情報再生装置。
前記光学素子は、個々の傾斜面が平面であり、かつ、情報記録媒体の位置合わせ精度の範囲と受光素子が情報記録媒体から一度に受光すべき回折光の範囲とを合わせた大きさより大きく、二次元受光素子の受光面の大きさを超えない大きさであることを特徴とする請求項１に記載の二次元光情報再生装置。
前記光学素子は、個々の傾斜面が平面であり、互いに平行な法線ベクトルを持つ傾斜平面が、情報記録媒体の位置合わせ精度の範囲より大きく、二次元受光素子の受光面の大きさ未満の範囲に亘って隣接するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の二次元光情報再生装置。