JP4251289B2 - ホログラム記録再生装置及び方法 - Google Patents
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Description
このホログラム記録再生システムは、角度多重方式によるシステムの例であり、図示しないレーザ光源、ビームスプリッタ10、LCD11、記録媒体12、CCD13、レンズ14、15、及びミラー16、17等によって構成されている。
そして、記録時には、レーザ光源からのレーザビームの一部は、ビームスプリッタ10を通過してLCD11に照射され、このLCD11よって構成されるSLM(空間光変調器)に表示されたビットパターンに変調されて記録媒体12を照射する。
一方、ビームスプリッタ10で分けられたレーザビームの片方は参照光と呼ばれ、ミラー16、17によって記録媒体12を横から照射する。これにより、記録媒体12内で2つのレーザビームが干渉し、その干渉強度が屈折率変化として記録される。
そして、この角度多重方式によるシステムでは、ミラー17の回転制御によって参照光の角度を変えてSLM上の異なるビットパターンを多重記録する。
しかし、この方式は、記録時に用いた角度と同じ角度の参照光を照射することで、対応するビットパターンをCCD13上に再生するものであり、記録媒体の位置が固定されているため、大容量の記録再生が難しいという欠点がある。
そして、記録時には、レーザ光源からのレーザビームの一部は、ビームスプリッタ20を通過してミラー27を反射してLCD21に照射され、このLCD21よって構成されるSLM(空間光変調器)に表示されたビットパターンに変調されてレンズ24を通して記録媒体22を照射する。
一方、ビームスプリッタ20で分けられたレーザビームによる参照光は、レンズ25を通して別の角度から記録媒体22を照射する。これにより、記録媒体22内で2つのレーザビームが干渉し、その干渉強度が屈折率変化として記録される。
また、記録媒体22はディスク状に形成され、図示しない回転駆動機構によって回転移動され、記録位置が変位する。すなわち、このシステムでは、レンズによる球面波を参照光として用い、記録媒体を移動させて異なるビットパターンを記録再生することにより、大容量の記録を実現している。
しかし、この方式では、ディスクの回転方向には狭い間隔で異なるビットパターンをクロストークなしに記録再生できるが、半径方向のシフトに対してはクロストークを無くすために大きな間隔をあける必要があり、情報の記録密度が制限されるという問題がある(例えば非特許文献1参照)。
図9はこのようなホログラム記録再生システムで、デフューザ31を通して位相をランダムにした参照光32を記録媒体33に照射している様子を示している。
"Shiftmultiplexing with spherical reference waves,"Appl.Opt.,Vol.35,(1996)p2403 "Multilayer holographic data multiplexing with randomencoded reference beam,"SPIE Vol.3864,p100
そこで本発明は、デフューザを用いたシステムで目標とする信号対ノイズ比を達成するための多重数を容易かつ適正に決定でき、所望の特性を実現できるホログラム記録再生装置及び方法を提供することを目的とする。
そして、特に、記録媒体を照射する参照光の角度スペクトルが、その位相を4次の多項式でフィッティングしたときにRMSエラーが媒体中の波長0.18倍である位相相関多重記録、あるいはスペックル多重記録を行うものであり、記録媒体の屈折率をn、記録再生に用いる光の真空中波長をλ、媒体の厚みをL、参照光の空気中における角度スペクトルの範囲を±NAR、再生光検出器に照射される再生光の空気中における角度スペクトルの範囲を±NAS、一回の記録領域の媒体表面への投影面積をS、一回に記録するビット数をN、目標となる信号対ノイズ比SNRをZ=3としたとき、S中に多重記録される複数の記録領域の数Mが次の式(1´)を満たすようになされている。
すなわち、0.5mmの中に√261枚の記録が可能となり、1方向に関して 0.5/sqrt(261)=30μmの間隔で記録再生することになる。
このシステムは、図示しないレーザ光源、ビームスプリッタ100、デフューザ110、LCD120、記録媒体130、CCD(固体撮像素子)140、レンズ151、152、153、及びミラー160等によって構成されている。
そして、記録時には、レーザ光源からのレーザビームの一部は、ビームスプリッタ100を通過してミラー160を反射してLCD120に照射され、このLCD120よって構成されるSLM(空間光変調器)に表示されたビットパターンに変調されてレンズ151を通して記録媒体130を照射する。
一方、ビームスプリッタ100で分けられたレーザビームによる参照光は、デフューザ110を透過した後、レンズ152を介して記録媒体130を照射する。この時、2つのビームの干渉パターンが記録媒体130中の屈折率変化となって記録される。
また、記録媒体130はディスク状に形成され、図示しない駆動機構によって回転移動され、また、光学系が記録媒体130の半径方向に移動され、記録位置を変位させながら、SLMに表示された異なるビットパターンを記録する。
また、再生時には、参照光のみが記録媒体130に照射される。この時、参照光の照射されている記録媒体130上の位置に記録されたビットパターンがCCD140に撮像され、記録情報が再生される。
まず、光学系のパラメータを定義する。図2は参照光が透過するデフューザ110とレンズ152、及び記録媒体130の配置を示す模式図である。
デフューザ110はレンズ152から、その焦点距離だけ離れた位置に配置されている。レーザビームがデフューザ110を透過直後、互いにコヒーレント(干渉する状態)であるが、位置の異なる点光源がデフューザ面に並んでいると考えることができる。
デフューザ110の半径rRをレンズの焦点距離fRで割った値を±NARとすると、記録媒体130を照射する参照光は角度(sin関数、以下、角度のsinを単に角度というものとする)スペクトル±NARの平面波の集合である。
図3は記録媒体へのビットパターン照射光学系と記録媒体からのビットパターンをCCDに投影する光学系を示す模式図である。
記録媒体130の内部の1つのホログラムを記録媒体130の表面に投影した時の半径をrSとする。1つのホログラムの媒体表面への投影面積は、次の式(2)で表される。
記録媒体130は理想的なものとして、記録時の記録媒体中の光強度に比例した屈折率分布ができるものとする。そして、記録媒体中の記録参照光をW〜(x,y,z)、情報光をS〜(x,y,z)とすると、干渉強度は、次の式(4−1)のようになり、記録媒体中で情報の記録再生に寄与する屈折率分布を次の式(4−2)とする。なお、数式中のアルファベットの上に〜を付した記号は文章中では上付き文字の〜で表すものとする。
ここで、Kは感度であり、|S〜|2はここでは考えない。また、再生参照光R〜(x,y,z)が入射した時に各点で発生する再生光A〜(x,y,z)を次の式(4−3)で表すものとする(なお、ここでは共役再生光は無視する)。
また、CCD上の点はその点を照射する平面波の角度で表す。すなわち、次のような式(5−1)、(5−2)となる。
この式で、次の式(5−4)で近似すると、次の式(6)になる。
一方、記録媒体を照射する参照光にデフューザを用いず、図7に示した平面波や図8に示した球面波を用いる場合には、波面収差のうち4次までの多項式で表されるデフォーカス、球面収差、コマ収差などを取り除いた場合でマーシャルのクライテリオンと呼ばれる通常0.07λ(rms)以内程度の位相分布を持つ光ビームが用いられる。
従って、本発明では参照光がランダムであるという定義に、4次までの多項式でフィッティングした位相分布のエラーのRMS値が0.07と0.288の中間の0.18λ以上という条件を設定する。
まず、CCD上の検出位置を固定して、記録媒体を動かしたとき(移動量ε、Δ=0)の再生光の振幅を求めると、次のような式(7)になる。なお、Δ=0なので、W*(p3)R(p3)は位相=0の分布である。また、振幅は一様とする。
まず、上述した式(6)を計算機シュミレーションすることで、クロストークを計算する。1つのホログラムの投影面積の中にM個のホログラムが多重記録されているが、再生参照光は1つのホログラムサイズと同じであるとすれば、クロストークの原因となるホログラム数はMであるので、式(1´)は次の式(10)のように書ける。
この時、1断片における再生信号は、ビット0の場合には式(17−1)で表され、ビット1の場合には式(17−2)で表わすことができる。
ところで、CCD上の1ピクセルで積分したs0の平均、分散は、それぞれ次の式(19−1)、式(19−2)であり、s1の平均、分散は、それぞれ次の式(20−1)、式(20−2)となるので、これらから次の式(21)が導かれる。
そこで次に、この一般式(1)を導く場合について説明する。
まず、信号対ノイズ比SNRをZとした場合、上述した式(22)は次の式(24)のように表される。
Claims (6)
- 同一の光源から発する複数の光を記録媒体中で干渉させたときの光の干渉強度を屈折率変化として記録する記録手段と、
複数に分けられた光の一部である参照光を記録媒体に照射したときの再生光を光検出器によって検出して前記記録媒体に記録された情報を読み取る再生手段と、
前記記録媒体への記録時及び再生時に複数の干渉パターンの記録及び再生を行うために、前記記録媒体を移動する媒体制御手段とを有し、
前記記録媒体を照射する参照光の角度スペクトルは、その位相を4次の多項式でフィッティングしたときのRMSエラーが波長の0.18以上であり、
前記記録媒体の屈折率をn、記録及び再生に用いる光の真空中波長をλ、記録媒体の厚みをL、参照光の空気中における角度スペクトルの範囲を±NAR、光検出器に照射される再生光の空気中における角度スペクトルの範囲を±NAS、1回に記録する記録領域の記録媒体表面への投影面積をS、1回に記録するビット数をN、目標となる信号対ノイズ比をZとしたときに、投影面積S中に多重記録される複数の記録領域の数Mが次の式(1)を満たしている、
- 前記信号対ノイズ比のZをリニアレベルで3としたことを特徴とする請求項1記載のホログラム記録再生装置。
- 前記媒体制御手段は平板状の記録媒体を平行移動する手段であることを特徴とする請求項1記載のホログラム記録再生装置。
- 前記媒体制御手段はディスク状の記録媒体を回転移動する手段であることを特徴とする請求項3記載のホログラム記録再生装置。
- 同一の光源から発する複数の光を記録媒体中で干渉させたときの光の干渉強度を屈折率変化として記録する記録手段と、
複数に分けられた光の一部である参照光を記録媒体に照射したときの再生光を光検出器によって検出して前記記録媒体に記録された情報を読み取る再生手段と、
前記記録媒体への記録時及び再生時に複数の干渉パターンの記録及び再生を行うために、前記記録媒体を移動する媒体制御手段とを用いて記録媒体に対する情報の記録再生を行うホログラム記録再生方法であって、
前記記録媒体を照射する参照光の角度スペクトルは、その位相を4次の多項式でフィッティングしたときのRMSエラーが波長の0.18以上であり、
前記記録媒体の屈折率をn、記録及び再生に用いる光の真空中波長をλ、記録媒体の厚みをL、参照光の空気中における角度スペクトルの範囲を±NAR、光検出器に照射される再生光の空気中における角度スペクトルの範囲を±NAS、1回に記録する記録領域の記録媒体表面への投影面積をS、1回に記録するビット数をN、目標となる信号対ノイズ比をtとしたときに、投影面積S中に多重記録される複数の記録領域の数Mが次の式(1)を満たしている、
- 前記信号対ノイズ比のZをリニアレベルで3としたことを特徴とする請求項5記載のホログラム記録再生方法。
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