JP4159758B2 - ホログラフシステムとホログラフを用いた記憶方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ページ単位の記憶システムに関し、特にホログラフ記憶システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報記憶装置とその方法の開発業者は、記憶容量の増加を常に探索している。このような開発の一部としてページ単位の記憶システム、特にホログラフシステムが、従来のメモリデバイスに対する代替装置として提案されている。ホログラフシステムは、情報を表すパターンの列から成っているページ全体を記憶しかつ読み出す。一般的にホログラフシステムは、３次元でページのホログラフ表示を記憶媒体に入れられる屈折率及び／または吸収率の変化のパターンとして記憶している。ホログラフシステムは、D．Psaltis et al．著の「Holographic Memories」Scientific American,November 1995で議論されている。
【０００３】
ホログラフシステムの特徴は、高密度記憶と高速読み出しの両方である。実際情報は、ページ単位で操作、即ち記憶され読み出されたりするために記憶速度と読み出し速度は、従来の磁気ディスクあるいはコンパクトディスク等の記憶システムに対しては有利である。しかしホログラフシステムの重要な特徴は大きな記憶容量である。各ページは数千更には数百万の画素を含むホログラフ像として記憶することが可能である。理論的には現在のところ最大１０¹⁴ビットの情報がホログラフ記憶媒体の１．０ｃｍ³内にでは記憶することが出来るとされている。
【０００４】
図１はホログラフシステム１０の基本的構成要素を表す。ホログラフシステム１０は、空間光変調器１２と光記憶媒体１４とセンサー１６とを有する。空間光変調器１２は２次元のデータを光学的に表示できる如何なるデバイスでもよい。空間光変調器１２は符号化装置に取り付けられ、データを変調器上で符号化する。符号化結果に従って空間光変調器１２はそこを通過するビームの一部を通過したり阻止したりし、あるいはビームを反射する。斯くして信号ビーム２０はデータ像で符号化される。データ像は、信号ビーム２０と参照（基準）ビーム２２を干渉させて光記憶媒体１４の上或いはその中に記憶される。この干渉により屈折率を変化させたパターンとして光記憶媒体１４内に確保した干渉パターン（即ち、ホログラム）を生成する。複数のホログラフ像を１つの場所に記憶することが可能である。或いは例えば基準ビーム２２の角度と波長と位相を変えることにより（通常これはそれぞれ角度、波長と位相の相関多重化と称する）重ね合った場所にホログラムを記憶することが可能である。信号ビーム２０は基準ビーム２２と光記憶媒体１４で交差する前にレンズ３０を通過する。基準ビーム２２も同じく交差する前にレンズ３２を通過してもよい。
【０００５】
データが光記憶媒体１４内に記憶されると、基準ビーム２２と光記憶媒体１４を同一場所で交差させることによりデータを取り出すことが出来る。その際の角度と波長と位相はデータを記憶する際に基準ビーム２２を放射した角度、波長、位相と同一である。再構成されたデータはレンズ３４を通過してセンサー１６で検出される。センサー１６は例えばＣＣＤ（charged coupled device）或いは活性ピクセルセンサーである。センサー１６は通常データを復号化する装置に取り付けられている。
【０００６】
ホログラフシステムにおいてページ単位の記憶と読み出しは、潜在的に高速性と高容量性の両方の特徴を提供するが、ホログラフシステムがページ単位であるために問題点も抱えている。例えば、空間光変調器１２により生成された各ピクセルは、センサー１６上にそれぞれ対応する目標とするピクセルがある。即ち、システムは、信号ビームを空間光変調器１２を介して放射することにより媒体中に記憶した各ピクセルは、読み出し時にはセンサー上の特定の対応するピクセルに向けられるよう設計されている。システム内の如何なるポイントにおいても情報のページが１つでもピクセルがずれるか、或いは又像がにじんだり歪んだりした場合には記憶されていた情報は読み出し不能となる。非画像処理要素をシステム内に導入すると、例えば記憶媒体を導入すると、中継された像内に収差（aberration）を導入することになる。こが問題の一因である。特に媒体を信号ビームに対しある角度で配置することは、感光性樹脂製媒体にとって、或いは多重化形態にとっては通常好ましいことであるが、このような構成は更に大きな収差を導入していしまう傾向がある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、収差がホログラフシステムに導入されるのを減らすこと及び阻止すること、特に記憶媒体のような非画像処理構成要素により導入される収差を低減したシステムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明により記憶媒体、特に感光性樹脂製媒体により導入された収差を大幅に低減できるホログラフ処理及び装置を提供できる。具体的に説明すると、図３において、書き込み時に導入される収縮の影響を低減するために、感光性樹脂製媒体５６がホログラフシステム内で光学パス６４に対しある角度で傾斜して配置される。しかしこのように感光性樹脂製媒体５６を傾斜して配置することは、収差をシステム内の像に導入してしまう。例えば、収差（非点収差（astigmatic aberration）即ち焦点面６２の傾斜）をシステムの中継像の中に導入してしまう。この傾斜によりデータのページはセンサー６０の面に対し適切にマッチングせず、このため読み出しの精度に悪影響を及ぼす。
【０００９】
しかし図４に示すように、空間光変調器７０を光学パスに直交して傾斜させることにより、収差の少なくとも一部を補償（相殺）できることが見出された。空間光変調器７０を光学パス８４に直交する軸７２を中心に回転させることにより、媒体により傾斜した面に直交する面に類似の収差を作り出し、これによりデータページ全体によりシャープな焦点がくるようになる。この影響によりセンサー８２上では像８０がより平坦で、より焦点が合って、且つ歪みが少なくなり、これにより目標のピクセルに各符号化ピクセルを更にマッチングさせることが出来る。
【００１０】
本発明のホログラフシステムは、請求項１に記載した通りである。即ち、システムの光学パス内に配置された記憶媒体（記憶媒体は記憶媒体の表面が光学パスと非直交関係となるよう第１軸である水平軸の周囲で回転し）と、光学パス内に配置された空間光変調器とを有し、空間光変調器は、前記第１軸に直交する第２軸を中心に回転し、空間光変調器の表面は、光学パスと非直交関係となることを特徴とする。光学パスは空間光変調器から媒体を介してセンサーに至るパスを表し、従来技術では中心レイ（central ray）と称する。本発明は特に４Ｆ画像システムに有効である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図２は一般的な４Ｆホログラフ記憶システムを示す。このシステムは空間光変調器４０と焦点距離Ｆの第１レンズ４２と感光性樹脂製媒体４４と同一の焦点距離Ｆの第２レンズ４６とセンサー４８を有する。感光性樹脂製媒体４４は第１レンズ４２，第２レンズ４６のそれぞれから１焦点距離（Ｆ）離れた位置に配置されている。従って第１レンズ４２と第２レンズ４６は２Ｆだけ離れている。同様に空間光変調器４０は第１レンズ４２から焦点距離１Ｆだけ離れており、且つセンサー４８は第２レンズ４６から焦点距離１Ｆだけ離れている。ある場合には、記憶媒体はシステムのフーリエ変換面から数ｍｍ離れた位置に配置することも可能である。同時に又空間光変調器４０は非平面波ビーム、即ち収集したり分散したりするビームで照射され、これは第１レンズ４２，第２レンズ４６の中央部から光学フーリエ変換面を移動させる傾向がある。
【００１２】
前述したように、ビームを空間光変調器４０に通過させたり或いは通過させないようにして、これにより信号ビームをデータで符号化し、この符号化された信号を感光性樹脂製媒体４４内で基準ビート交差させ、これによりホログラムを形成する。これによりデータが記憶される。読み出しは、記憶する際に用いられたのと同じ条件で基準ビームを記憶したホログラムに放射してビームをセンサー４８に向けてそこでデータを復号化して行われる。
【００１３】
４Ｆシステムがデータを記憶したり読み出したりすることのできる精度は、所謂ストレートスルー実験（straight-through experiment）を行うことにより測定される。図３の４Ｆシステムで示す実験装置において、記憶ビーム５０は、光学パス６４に沿ってＳＬＭ５２と第１レンズ５４と感光性樹脂製媒体５６と第２レンズを通過して、センサー６０上に向けられる。ＳＬＭ５２上に表れるデータとセンサー６０に表れるデータとの間のピクセル毎の対応性、例えば列ビットエラーレート（raw bit error rate;BER）を測定してシステムに表れる収差を決定する。図３に示すように、感光性樹脂製媒体５６により空間光変調器（ＳＬＭ）５２からのデータの焦点面６２は傾斜している。その為データの焦点面６２は、センサー６０の面とは十分にマッチしていないために読み出しの精度は悪影響を受ける。例えばＢＥＲが増加する。
【００１４】
図４の４Ｆシステムにおける実施例において、空間光変調器７０は、記憶媒体７４が回転する（図面に直交する）第１（水平）軸７６に直交する第２軸７２を中心に回転する。例えば図４のシステムにおいては記憶媒体である感光性樹脂製媒体７４は第１（水平）軸７６を中心に回転し、空間光変調器７０は第２軸７２を中心に回転する。空間光変調器７０が傾斜することにより、傾斜した記憶媒体である感光性樹脂製媒体７４により導入されるのと同じ収差が導入されるが、しかし互いに直交する面に於いてである。光学パスに沿ってビーム７８を照射するとデータページはページ全体にわたってよりシャープな焦点にはいる。これにより、センサー８２上における像８０は、より平坦でより焦点が合い、且つ歪みの少ない像となり、これはセンサー８２が配置される面を変化させることなく得られる。
【００１５】
本発明を一般的に述べると、本発明は光学パスに配置された記憶媒体が第１軸、例えば図４の第１（水平）軸７６を中心に回転するシステムである。この回転は記憶媒体の表面が光学パスに関し直交しないように行われる。例えば直交は通常、感光性樹脂製媒体に必要とされる。本発明は更に光学パス内に配置された空間光変調器を有する。この変調器は第１軸に直交する第２軸を中心に回転し、変調器の表面は光学パスと直交しない。これ等のパラメータが合うシステムは、本発明の利点、例えばセンサーの像の改善が期待できる。
【００１６】
空間光変調器（ＳＬＭ）の回転（光学パスに直交する位置からの）は、０．１°以上で１０°以下で、更には１°から５°の間である。回転角は、特に４Ｆ画像システムの記憶媒体の回転角と、記憶媒体の屈折率と厚さ、使用されるレーザの波長、ピクセルのサイズ、４Ｆ画像のレンズの焦点長さに依存する。例えば、記憶媒体を光学パスに直交する位置から更に回転させると、空間光変調器（ＳＬＭ）をより多く回転させる必要があり、記憶媒体の厚さと屈折率を大きくすると、空間光変調器を多く回転させる必要がある。波長が小さくなると空間光変調器をより多く回転する必要があり、ピクセルのサイズが小さくなり且つ焦点長さが長くなると、全体のシステムの感度が向上し、これにより空間光変調器の許容可能な回転範囲が小さくなる。センサーの面にマッチングする像を提供する空間光変調器の実際の回転角は実験で決定できる。
【００１７】
様々なホログラフ記憶法、例えば角度、波長、ペリストロフィック（peristrophic）、開口、シフト、或いは位相多重化を本発明の技術と装置に用いることも可能である。米国特許第５，８９２，６０１号は開口多重化について、そして米国特許第５，７１９，６９１号は位相相関多重化について議論している。
【００１８】
本発明は適宜の記憶媒体で用いることができる。前記したように本発明は特に感光性樹脂製媒体に適用可能であり、このような媒体は当業者に公知である。例えば米国特許第５，８７４，１８７号、米国特許出願第０８／６９８５１１号、第０９／０４６８２２号を参照のこと。
【００１９】
本発明は以下の実験例でさらに詳しく説明する。これは単なる実施例である。
【００２０】
実験例
実験に用いた４Ｆホログラフシステムは、エプソン社製の８００×６００のピクセルの空間光変調器と、焦点距離が４５ｍｍの２個のレンズと、感光性樹脂製媒体と、２４μｍのピクセルのサイズのＣＣＤ検出器とを具備している。記憶媒体は、０．７５ｍｍの感光性樹脂を挟んだ約１ｍｍ厚さの２枚のガラスプレートから形成し、このガラスと感光性樹脂の両方の屈折率は１．５であった。システムの倍率は、第３（ｚ１，ｚ２）の画像レンズを用いたのと同程度に良好である。記憶媒体は、中心光、即ち光学パスが媒体の法線から３５°ずれるようにスピンドル上で回転させた。レーザは波長が５３２ｎｍの光を放射する周波数二重化ＹＡＧレーザであった。
【００２１】
このシステムを空間光変調器を傾斜せずに最初にまず整合した。即ち空間光変調器の面は図３に示すように光学パスに直交させた。ビームは空間光変調器とレンズと媒体を通過して検出器上に入射した。ピクセル４８０，０００個のうち数百個のエラーが見出された。
【００２２】
次に空間光変調器を記憶媒体が回転する軸に平行な軸を中心に１°から５°の範囲の角度で回転させた。ピクセル４８０，０００個のうちエラーの数は３，０００から４，０００個であった。
【００２３】
次に図４に示すように空間光変調器を媒体が回転する軸に直交する軸を中心に１°から５°の範囲の角度で回転させた（そして、空間光変調器の表面は光学パスと非直交関係にある）。ピクセル４８０，０００個のうちのエラーの数は０個から最大５個で、これは１０^-6以下の列ビットエラーである。
【００２４】
特許請求の範囲の括弧内の参照番号は、本発明の一実施例の態様関係を示すもので本発明の範囲を限定するものと解釈してはならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホログラフシステムの基本的構成部品を表す図。
【図２】一般的な４Ｆホログラフシステムを表す図。
【図３】記憶媒体を傾斜して配置したことにより導入される収差（aberration）を表す図。
【図４】本発明の一実施例により記憶媒体を傾斜して配置したことにより導入される収差を補償する構成を表す図。
【符号の説明】
１０ ホログラフシステム
１２ 空間光変調器
１４ 光記憶媒体
１６ センサー
２０ 信号ビーム
２２ 基準ビーム
３０ レンズ
３２ レンズ
３４ レンズ
４０ 空間光変調器
４２ 第１レンズ
Ｆ 焦点長さ
４４ 感光性樹脂製媒体
４６ 第２レンズ
４８ センサー
５０ 記憶ビーム
５２ ＳＬＭ
５４ 第１レンズ
５６ 感光性樹脂製媒体
５８ 第２レンズ
６０ センサー
６２ 焦点面
６４ 光学パス
７０ 空間光変調器
７２ 第２軸
７４ 記憶媒体
７６ 第１軸
７８ ビーム
８０ 像
８２ センサー
８４ 光学パス

Claims (4)

1. 光学パス（８４）に沿って方向付けられた出力ビームを有するレーザと、
   前記光学パス内に配置された空間光変調器とを含み、前記レーザの前記出力ビームは前記空間光変調器を通過して前記空間光変調器の出力を生成するものであり、さらに、
   光学パス内に配置された記憶媒体を含み、前記空間光変調器の前記出力が前記記憶媒体を通過するものであり、さらに、
   センサを含み、前記記憶媒体の出力が前記センサに方向付けられている、ホログラムシステムであって、
   前記空間光変調器は、前記空間光変調器の表面が前記光学パスと非直交関係となるように、第１軸（Ｇ）を中心に回転し、そして、
   前記記憶媒体は、前記第１軸に実質的に直交する第２軸を中心に回転しており、前記記憶媒体の表面は前記光学パスと非直交関係であることを特徴とするホログラフシステム。
2. 前記空間光変調器は、光学パスに直交する位置から０．１°以上回転することを特徴とする請求項１記載のホログラフシステム。
3. 前記回転は約１°から約５°の範囲であることを特徴とする請求項２記載のホログラフシステム。
4. （Ａ）出力ビームを有するレーザと、空間光変調器と、記憶媒体と、センサとを有するホログラフシステムを用意するステップを含み、前記レーザと、前記空間光変調器と、前記記憶媒体と、前記センサとは前記システムの光学パス内に連続して配置されている、ホログラフを処理する方法であって、前記方法は、
   （Ｂ）前記記憶媒体を、前記記憶媒体の表面が前記光学パスと非直交関係となるように、第１軸の周囲に回転させるステップと、
   （Ｃ）前記空間光変調器を、前記空間光変調器の表面が光学パスと非直交関係となるように、前記第１軸に実質的に直交する第２軸を中心に回転させるステップと、
   （Ｄ）前記空間光変調器にレーザの出力を向けるステップと、
   を有することを特徴とする方法。

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