JP4309365B2 - ホログラム記録再生方法、ホログラム記録媒体およびホログラム記録再生装置 - Google Patents

ホログラム記録再生方法、ホログラム記録媒体およびホログラム記録再生装置 Download PDF

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Description

本発明は、ホログラム記録再生方法、ホログラム記録媒体およびホログラム記録再生装置に関する。
ホログラフィックストレージは、従来の光磁気記録や相変化光記録などの面記録に比べてはるかに高密度な記録が可能であり、大容量・高速転送を実現できる光記録方法として提案され、開発が盛んに行われている（例えば、非特許文献１参照）。
ホログラフィックストレージは、ホログラフィを利用して記録媒体に情報を記録する手法であり、画像情報を持った情報光と参照光とを記録媒体の内部で重ね合わせ、そのときに生じる干渉縞を記録媒体に書き込む。記録された情報は、記録媒体に参照光を照射し、干渉縞による回折から画像情報を得ることにより読み出す。
ホログラフィックストレージでは、記録媒体の厚みを利用して３次元的に干渉縞を書き込むので光の波長および角度の選択性が高く、多重記録が可能となり、高い記録容量を実現できる。また、画像情報を一度に読み出すことができるので、再生信号の転送速度が速いという利点がある。
記録する画像情報は、デジタル情報を符号化したものが一般的である。再生時には、記録した画像情報を読み出し、復号化して情報として取り出す。
近年、従来の透過型のホログラフィックストレージよりも実用性を大きく高めた記録方式として、反射型コリニア方式のホログラフィックストレージが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方式においては、表面に記録層、裏面に反射層を有する記録媒体を用い、記録層に参照光と情報光を同軸の光路上に照射することにより記録する。このため、情報の入力および出力を媒体に対して同方向かつ同軸上で行うことができ、ピックアップの機械的な制御が容易である。また、記録媒体にプリフォーマットされた情報に基づいてトラッキングおよびサーボをかけてアドレス情報を読むので、ランダムアクセスが可能となる。さらに、レンズで集光した球面波を媒体に照射して記録・再生を行うので、媒体がディスクであればディスクがチルトしても再生できるという利点がある。
上記の透過方式、反射型コリニア方式またはアドバンストコリニア方式のホログラフィックストレージにおいてホログラムを記録・再生するための光源装置として、半導体レーザを用いることが想定されている。半導体レーザは小型、低消費電力であるため既にＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤなど様々な光記録媒体の記録再生装置に組み込まれており、ホログラムの記録再生においても有力である。しかし、ホログラムの記録再生に半導体レーザを用いるには解決しなくてはならない課題がある。
半導体レーザは、発振波長に個体差があることが知られている。個体差とは、レーザの発振波長が材料の組成や各層の膜厚などのわずかなばらつきのため、同じ波長で設計しても個体ごとに数ｎｍから十ｎｍ程度ばらつくことを指す。波長ばらつきなしに半導体レーザを製造しようとすると、製造条件を厳密に制御する必要があり、歩留りも悪くなるため、製造コストが高くなる。
ホログラムとして記録した情報を再生する際には、記録したときと同じ波長の再生光で読み出すことが必要になる。ところが、半導体レーザに波長ばらつきがあるという状況では、記録装置と別の再生装置でホログラムを再生しようとした場合にうまく再生できないことがあり得る。具体的には、再生光の回折効率が低下して再生光強度が減少したり、光の出射方向が異なったりして、ＳＮ比が低下する。
半導体レーザの発振波長は、稼動温度や注入電流などによっても変化し、経時変化によっても変化することがある。記録媒体の体積などが変化した場合、再生に適した波長が記録時とは異なることもある。このような状況では、記録時と同じ装置で再生しようとした場合にも、ＳＮ比が低下して再生が困難になることがある。
このような問題に対して、透過方式のホログラフィックストレージにおいては、再生信号の光検出器アレイ上での位置情報を読み取って、光源波長を制御することが提案されている（特許文献２）。しかし、反射型コリニア方式またはアドバンストコリニア方式のホログラフィックストレージでは、透過方式のホログラフィックストレージに比べて、波長変動をより厳密に制御しないと再生が著しく困難になる。このため、より容易に波長変動を判別できる方法が求められている。
H. J. Coufal, Holographic Data Storage (Springer, Berlin, 2000) p.3 特開２００２−１２３９４９号公報 特開２００２−２１６３５９号公報
本発明の目的は、光源の波長の変動を容易に判別して光源波長を制御することができ、高精度な再生が可能な、ホログラム記録再生方法、ホログラム記録媒体およびホログラム記録再生装置を提供することにある。
本発明の一態様に係るホログラム記録再生方法は、光ビームを空間的に変調して情報を載せた情報光と参照光とを同軸で記録光としてホログラム記録媒体に照射してホログラムとして情報を記録し、参照光を含む再生光をホログラム記録媒体に照射して情報を再生するホログラム記録再生方法であって、前記ホログラム記録媒体に、記録光の波長でホログラムとして記録され、再生光の波長で再生される像の大きさに基づいて記録光と再生光との間の波長変動を決定できる波長変動参照パターンを記録し、前記ホログラム記録媒体に記録光の波長でページデータパターンをホログラムとして記録し、前記波長変動参照パターンを再生光の波長で再生することにより得られる波長変動参照像の大きさに基づいて記録光と再生光との間の波長変動を検出し、検出された波長変動に基づいて前記再生光の波長を制御し、前記ページデータパターンを制御された波長の再生光で再生することを特徴とする。
本発明の他の態様に係るホログラム記録媒体は、サーボ面を有する基板と、前記基板上に形成されたホログラム記録層とを有し、前記ホログラム記録層は、その面内に、ページデータパターン記録領域と、波長変動参照パターン記録領域とを含むことを特徴とする。
本発明のさらに他の態様に係るホログラム記録再生装置は、ホログラム記録媒体にホログラムとして情報を記録するものであって、光源と、光源からの光ビームの強度および／または位相を空間的に変調して情報光と参照光と波長変動参照パターンに対応する輝点を生成させる空間光変調部と、前記参照光および波長変動参照パターンに対応する輝点を波長変動参照パターン記録光として、前記情報光および参照光を同軸で記録光として、前記参照光のみを再生光として、それぞれホログラム記録媒体に集光する光学系と、前記ホログラム記録媒体に対して前記光学系と同じ側に配置された受光器と、前記再生光を前記ホログラム記録媒体に記録された波長変動参照パターンに照射したときに前記受光器で得られる波長変動参照像の大きさに基づいて前記記録光に対する前記再生光の波長ずれを判別する判別部と、前記判別部による判別結果に基づいて前記光源の波長を制御する波長制御部とを有することを特徴とする。
本発明によれば、ホログラム記録媒体に波長変動を参照するだけのために特別な波長変動参照パターンを記録し、この波長変動参照パターンに再生光を照射したときに得られる波長変動参照像の大きさに基づいて記録光に対する再生光の波長ずれを容易に判別して、光源の波長を制御して高精度な再生が可能になる。
本明細書において使用しているいくつかの基本的な用語について説明する。
ホログラムとは、光の干渉によってできる光の強弱を記録媒体の中に記録したものであって、透過型格子、反射型格子、および両者の複合体を指す。
ホログラム記録媒体とは、光の干渉によってできる光の強弱をホログラムとして記録できる媒体を指す。ホログラム記録媒体は、ディスク状、カード状、キュービック状、卵状など様々な形態のものを含む。
波長変動参照パターンとは、記録光の波長でホログラムとして記録され、再生光の波長で再生される像（波長変動参照像）の大きさに基づいて記録光と再生光との間の波長変動を決定できるパターンを指す。
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明の一実施形態に係る１光波反射型コリニア方式によるホログラム記録再生装置およびこれを用いた記録再生方法を概略的に示す図である。
図１に示すように、ディスク状のホログラム記録媒体１は、スピンドルに取り付けられ、スピンドルモータ２００によって回転される。ホログラム記録媒体１の回転数を所定の値に保つように、スピンドルモータ２００はスピンドルサーボ回路によって制御される。
ホログラム記録媒体１の面内には、波長変動参照パターン記録領域２およびページデータパターン記録領域３が含まれる。これらの領域のほかにヘッダー領域を設けてもよい。ホログラム記録媒体１の断面構造は後に詳細に説明する。
ホログラム記録媒体１の上方にピックアップが配置される。ピックアップは、光源としてのレーザ１００、レーザ１００の波長制御部１２０、光学系１３０、入力部としての空間光変調器１５０、受光器（ＣＣＤまたはＣＭＯＳアレイ）１７０、波長変動判別部１９０などを含む。図２は本実施形態に係るホログラム記録再生装置のピックアップに含まれる光学系１３０をより詳細に示している。
ピックアップは、ホログラム記録媒体１に対して情報光と記録用参照光とを照射して情報を記録し、再生用参照光を照射し再生光を検出してホログラム記録媒体１に記録されている情報を再生する。ピックアップは駆動装置によってホログラム記録媒体１の半径方向に移動可能になっている。
ピックアップの出力信号から、検出回路によって、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号、波長エラー信号、および再生信号が検出される。検出回路によって検出されたフォーカスエラー信号に基づいて、フォーカスサーボ回路によって、ピックアップ内のアクチュエータを駆動して対物レンズをホログラム記録媒体の厚み方向に移動させてフォーカスサーボを行う。検出回路によって検出されたトラッキングエラー信号に基づいて、トラッキングサーボ回路によって、ピックアップ内のアクチュエータを駆動して対物レンズをホログラム記録媒体の半径方向に移動させてトラッキングサーボを行う。波長エラー信号に基づいて、波長制御回路によって、波長制御部１２０を駆動してレーザ１００の波長を制御する。
信号処理回路により、ピックアップ内の受光器１７０の出力データをデコードして、ホログラム記録媒体１のページデータ記録領域３に記録されたデータを再生したり、基本クロックを出力したり、アドレスを判別したりする。ホログラム記録再生装置の全体はコントローラにより制御され、このコントローラに対しては操作部から種々の指示が与えられる。コントローラは、信号処理回路より出力される基本クロックやアドレス情報を入力するとともに、ピックアップ、スピンドルサーボ回路、スライドサーボ回路などを制御する。スピンドルサーボ回路は、信号処理回路より出力される基本クロックを入力する。コントローラは、ＣＰＵ（中央処理装置）、ＲＯＭ（リード・オンリ・メモリ）およびＲＡＭ（ランダム・アクセス・メモリ）を有する。ＣＰＵは、ＲＡＭを作業領域として、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによって、コントローラの機能を実現する。
図３（ａ）は記録時のシーケンスを示すフローチャートである。図３（ｂ）は再生時のシーケンスを示すフローチャートである。
図３（ａ）に示すように、記録を開始し（Ｓ１）、波長変動参照パターンを記録し（Ｓ２）、ページデータパターンを記録する（Ｓ３）。その後、記録終了（Ｓ４）を判断する。
図３（ｂ）に示すように、再生を開始し（Ｓ１１）、波長変動参照パターンを再生し（Ｓ１２）、再生品質を判断し（Ｓ１３）、再生品質が不良であれば、波長を制御する（Ｓ１４）。波長変動参照パターンを再生し（Ｓ１２）、再生品質を判断し（Ｓ１３）、再生品質が良好であれば、ページデータパターンを再生する（Ｓ１５）。その後、再生終了（Ｓ１６）を判断する。このように本発明の実施形態では、波長変動参照パターンを再生し、必要に応じて再生波長を制御した後にページデータパターンを再生する。
図４は本発明の一実施形態に係るホログラム記録媒体のセクタ構造を示す平面図である。図５は本発明の一実施形態に係るホログラム記録媒体を示す断面図である。図６は本発明の一実施形態に係るホログラム記録媒体に対して照射される波長参照パターン記録光および記録光を説明する図である。
図４の平面図に示すように、このホログラム記録媒体には、トラックピッチＴＰを隔てて複数のトラックが含まれ、１つのトラックは複数のセクタで構成され、１つのセクタは波長変動参照パターン記録領域２およびページデータパターン記録領域３で構成されている。なお、波長変動参照パターン記録領域２は、複数のセクタに１つの割合で設けてもよいし、媒体の所定の位置たとえば中央部または周辺部に設けてもよい。
図５および図６を参照して、本実施形態に係るホログラム記録媒体の断面構造を説明する。厚さ０．６ｍｍ程度のポリカーボネートなどからなるディスク状の基板１１上に凹凸が設けられ、その上にたとえばアルミニウムからなる反射層１２が形成されている。基板１１の凹凸面には波長変動参照パターン記録領域２やページデータパターン記録領域３に関するアドレス情報などがエンボスピットなどによって記録されている。この凹凸面をサーボ面として用い、反射層１２にサーボ光を照射してフォーカスサーボを行う（図５参照）。トラッキングサーボを行うためには、たとえばウォブルピットを利用する。反射層１２上に、下部ギャップ層１３、波長選択層（ダイクロイックミラー層）１４、上部ギャップ層１５、ホログラム記録層１６、および保護基板１７が順次形成されている。
ギャップ層は、ホログラム記録層１６と屈折率が近く、記録光に対して透明な材料で形成されている。ギャップ層は、複屈折が少ない方が好ましい。
波長選択層（ダイクロイックミラー層）１４はサーボ光（たとえば波長６５０ｎｍ）を透過し、記録再生光（たとえば波長４０５ｎｍ）を反射する。
上部ギャップ層１５はホログラム記録層１６の記録特性を生かした記録を実現するために設けられる。図５および図６では、上部ギャップ層１５は、ページデータパターン記録領域３にのみ形成され、波長変動参照パターン記録領域２では除去されている。したがって、ページデータパターン記録領域３におけるホログラム記録層１６の厚さ（第１の厚さ）よりも、波長変動参照パターン記録領域２におけるホログラム記録層１６の厚さ（第２の厚さ）の方が厚い。
なお、波長変動参照パターン記録領域２にも、ページデータパターン記録領域３と同様に上部ギャップ層１５を設けてもよい。波長変動参照パターン記録領域２に上部ギャップ層１５を設けるか否かは、記録する波長変動参照パターンに依存する。
ホログラム記録層１６は、光が照射されたときに光の強度に応じて屈折率、誘電率、反射率、透過率などの光学特性が変化するホログラム記録材料、たとえばフォトポリマーなどで形成されている。ホログラム記録層１６はたとえば１００μｍ以上の適宜の厚みに設定される。このホログラム記録層１６にホログラフィを利用して情報が記録される。波長変動参照パターン記録領域２には波長変動参照パターンが、ページデータパターン記録領域３にはページデータパターンがそれぞれ記録される。なお、保護基板１７のホログラム記録層１６との界面をサーボ面とすることもできる。
次に、他の図面を参照しながら本発明の他の実施形態に係るホログラム記録媒体について説明する。これらの図面では、基板１１を単純化して図示しており、基板１１の表面に凹凸が設けられていること、およびその上に反射層、下部ギャップ層および波長選択層が形成されていることを示していない。
図７は本発明の他の実施形態に係るホログラム記録媒体の断面図である。図７のホログラム記録媒体において、ページデータパターン記録領域３では基板１１上に比較的厚い（第３の厚さの）ホログラム記録層１６のみが積層され、波長変動参照パターン記録領域２では基板１１上に比較的薄い（第４の厚さの）ホログラム記録層１６ａと段差補償層２１が積層されている。ページデータパターン記録領域３におけるホログラム記録層１６の厚さと、波長変動参照パターン記録領域２におけるホログラム記録層１６ａと段差補償層２１の合計厚さはほぼ同一に設定されている。さらに、これらの表面に保護基版１７が設けられている。
図８は図７の変形例に係るホログラム記録媒体の断面図である。図８のホログラム記録媒体では、波長変動参照パターン記録領域２における段差補償層２１とホログラム記録層１６ａの積層順序が、図７と逆になっている。
図９は図７の他の変形例に係るホログラム記録媒体の断面図である。図９のホログラム記録媒体でも、波長変動参照パターン記録領域２では基板上にホログラム記録層と段差補償層が積層されている。図９では波長変動参照パターン記録領域２が３つの領域に細分化され、ページデータパターン記録領域３から遠いほどホログラム記録層１６ａが薄く、ページデータパターン記録領域３へ近づくにつれてホログラム記録層１６ｂ、１６ｃの厚さが徐々に厚くなっている。これらのホログラム記録層１６ａ、１６ｂ、１６ｃの上に、厚さが徐々に薄くなるように段差補償層１７が形成されている。このようにして、ページデータパターン記録領域３におけるホログラム記録層１６の厚さと、波長変動参照パターン記録領域２の全領域におけるホログラム記録層と段差補償層２１の合計厚さはほぼ同一に設定されている。
図７〜図９では、波長変動参照パターン記録領域２のホログラム記録層の厚さ（第４の厚さ）が、ページデータパターン記録領域３のホログラム記録層の厚さ（第３の厚さ）よりも薄くなっている。一般に、ある波長の記録光で記録されたホログラムを、記録光と波長が異なる参照光を照射して再生しようとした場合、再生光の強度が低下し、記録媒体１からの出射角度もずれる。本発明の実施形態に係る方法では、これらの要因に基づく波長変動参照像の大きさの変化を検知して、波長の変動が短波長側なのか長波長側なのかを判断する。ただし、ホログラム記録層が厚い場合には、再生波長が記録波長からわずかにずれただけで再生光の光強度が著しく低下するため、受光器ではほとんど検知できず、波長変動のずれ方向もわからない。波長変動が生じても十分な光強度で検知できる範囲は、ホログラム記録層の厚さが薄いほど広いことがわかっている。したがって、上記のように波長変動参照パターン記録領域２のホログラム記録層の厚さをページデータパターン記録領域３のホログラム記録層の厚さよりも薄くすることにより、波長変動参照パターンから得られる波長変動参照像の大きさに基づいて検出できる波長変動の範囲を広げることができる。
図１０は本発明のさらに他の実施形態に係るホログラム記録媒体の断面図である。図１０のホログラム記録媒体において、ページデータパターン記録領域３では基板１１上に第１の屈折率を有する第１のホログラム記録層２２ａが形成され、波長変動参照パターン記録領域２は基板１１上に第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有する第２のホログラム記録層２２ｂが形成されている。ページデータパターン記録領域３における第１のホログラム記録層２２ａの厚さと、波長変動参照パターン記録領域２におけるホログラム記録層２２ｂの厚さはほぼ同一に設定されている。さらに、これらの表面に保護基版１７が設けられている。
図１１は図１０の変形例に係るホログラム記録媒体の断面図である。図１１のホログラム記録媒体では波長変動参照パターン記録領域２が３つの領域に細分化され、基板１１上に、ページデータパターン記録領域３から近い順に、第２のホログラム記録層２２ｂ、第３のホログラム記録層２２ｃ、第４のホログラム記録層２２ｄが形成されている。第１〜第４のホログラム記録層２２ａ〜２２ｄでは、屈折率が徐々に大きくなっている。ページデータパターン記録領域３における第１のホログラム記録層２２ａの厚さと、波長変動参照パターン記録領域２の全領域における第２〜第４のホログラム記録層２２ｂ〜２２ｄの厚さはほぼ同一に設定されている。
図１０および図１１では、波長変動参照パターン記録領域２のホログラム記録層の屈折率が、ページデータパターン記録領域３のホログラム記録層の屈折率よりも大きくなっている。波長変動が生じても十分な光強度で検知できる範囲は、ホログラム記録層の屈折率にも関係しており、屈折率が大きいほど広いことがわかっている。したがって、上記のように波長変動参照パターン記録領域２のホログラム記録層の屈折率をページデータパターン記録領域３のホログラム記録層の屈折率よりも小さくすることにより、波長変動参照パターンから得られる波長変動参照像の大きさに基づいて検出できる波長変動の範囲を広げることができる。
図１２に本発明の他の実施形態に係るホログラム記録媒体の平面図を示す。このホログラム記録媒体１の面内にも、波長変動参照パターン記録領域２およびページデータパターン記録領域３が含まれている。図１２のホログラム記録媒体では、個々のページデータパターン記録領域３に対して波長変動参照パターン記録領域２が所定の割合で存在するように配置されている。
次に、図１および図２ならびにその他の図面を参照して、本発明の一実施形態に係るホログラム記録再生装置およびこれを用いた記録再生方法をより詳細に説明する。
まず、記録について説明する。記録すべきデジタル入力データを符号化処理によって２次元の画像データであるページデータパターンに変換し、空間光変調器１５０に表示させる。空間光変調器１５０は２次元で格子状に配置された複数の画素を有し、画素ごとに反射光の方向を変えるかまたは画素ごとに反射光の偏光方向を変えることにより、２次元パターンとして情報光と参照光を同時に生成できる。空間光変調器１５０としては反射型液晶素子、デジタルミラーデバイス、磁気光学効果を用いた反射型変調素子などを用いることができる。
図１３に示すように、ページデータパターンは、中央部が情報光部３１、中央部を囲む周囲の環状部が参照光部３２となっている。図５および図６に示すように、情報光（Ｉ）と参照光（Ｒ）を含む記録光は、ページデータパターン記録領域３に照射される。本発明の実施形態においては、記録時にレーザの波長を補正する必要はない。
本発明の実施形態に係る方法では、ページデータパターンに加えて、記録光に対する再生光の波長変動を判別するための波長変動参照パターンを用いる。波長変動参照パターンを記録する際にも、ページデータパターンと同様に、空間光変調器１５０に表示させる。図１４に示すように、本実施形態における波長変動参照パターンは、参照光部３２の周辺に複数の輝点部３３を配置したものである。図５および図６に示すように、参照光（Ｒ）とその周辺の複数の輝点（λＲ）を含む波長変動参照パターン記録光は、波長変動参照パターン記録領域２に照射される。
図２に示すように、記録再生用の光源としてたとえば波長４０５ｎｍの半導体レーザ１０１を用い、サーボ用の光源としてたとえば波長６５０ｎｍの半導体レーザ１０２を用いる。これらの半導体レーザは、外部共振器を設けたり、ＤＦＢ（distributed feedback）構造を作りこんだりすることによって単色化したものでもよいし、高パワーを確保するためにこれらの手段を設けていないものでもよい。
記録再生用の半導体レーザ１０１から出射されるビームは、コリメートレンズ１０３によってコリメートされ、４０５ｎｍの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４を通過して空間光変調器１５０に達して空間的に変調される。空間光変調器１５０にページデータパターンを表示させたときには情報光と参照光を含む記録光が生成される。空間光変調器１５０に波長変動参照パターンを表示させたときには参照光の周辺に配置された複数の輝点を含む波長変動参照パターン記録光が生成される。この間に、Ｐ偏光のビームがＳ偏光のビームとなる。Ｓ偏光のビームはＰＢＳ１０４で反射され、４０５ｎｍの１／４波長板１０５を通過して円偏光になり、ダイクロイックプリズム１０６に達する。このダイクロイックプリズム１０６は、４０５ｎｍのビームを透過させ、６５０ｎｍのビームを反射する。ダイクロイックプリズム１０６を通過した円偏光は、レンズ１０７、１０８、１０９を通過して媒体１のページデータパターン記録領域３に照射される。その結果、情報光と参照光とが重なって生じる干渉縞がホログラム記録層１６に書き込まれる。図１６に、情報光（Ｉ）と参照光（Ｒ）を含む記録光が媒体１へ照射される様子を示す。
ページデータパターンは、たとえば図２０（Ａ）および（Ｂ）に示すように、シフト多重方式で記録される。これらの図では、シフト量をΔＬで表している。
同様にして、波長変動参照パターン記録光が媒体１の波長変動参照パターン記録領域２に照射され、干渉縞がホログラム記録層１６に記録される。図１７に、参照光（Ｒ）とその周辺の複数の輝点（λＲ）を含む波長変動参照パターン記録光が媒体１へ照射される様子を示す。
波長変動参照パターンは、ページデータパターンのようにシフト多重方式で記録する必要がない。そこで、図５および図６に示したように、媒体１の波長変動参照パターン記録領域２には、上部ギャップ層１５を設けなくてもよい。
なお、波長変動参照パターン記録領域２に対して波長変動参照パターン記録光を照射するとき（図２１（Ａ））と、ページデータパターン記録領域３に記録光を照射するとき（図２１（Ｂ））とで、ビームの入射角度などの条件は同一とする。
また、これらのパターンの記録順序は、先に波長変動参照パターンを記録し、後からページデータパターンを記録する順序でもよいし、その逆でもよい。
次に、再生について説明する。図１５に示すように、波長変動参照パターンの参照光部３２を反射型の空間光変調器１５０に表示させる。半導体レーザ１０１から出射されるビームを記録時と同様に媒体１の波長変動参照パターン記録領域２に照射する。ビームは記録されたホログラムにより回折され、レンズ１０９、１０８、１０７を戻り、ダイクロイックプリズム１０６および１／４波長板１０５を通過する。媒体１から戻ってくるビームは記録時とは反対方向に回転する円偏光なので、１／４波長板１０５を通過するとＰ偏光となる。このＰ偏光はＰＢＳ１０４を通過して受光器１７０に達する。
受光器１７０はＣＭＯＳやＣＣＤなどの光検出器を含み、多数の画素がマトリクス状に配置されている。図１８に波長変動参照パターンの輝点（λＲ）が再生される様子を示す。図１８に示すように、波長変動参照パターンは受光器１７０の周縁部で検出される。したがって、図２２に示すように、周縁部１７０Ｐの画素の大きさが、中央部１７０Ｃの画素の大きさよりも小さい受光器１７０を用いれば、波長変動参照パターンの輝点（λＲ）の検出に有利になる。
再生光の波長が記録光の波長から変動していると、受光器１７０上に投影される波長変動参照像の大きさと位置が変化する。後に詳細に説明するように、再生光が記録光と比較して短波長の場合には波長変動参照像は縮小しかつ中央部に近づき、再生光が記録光と比較して長波長の場合には波長変動参照像は拡大し中央部から遠ざかる。図１の波長変動判別部１９０において、再生光の波長変動を判別する。この判別結果に基づいて、波長制御部１２０に信号を送り、レーザ１００を制御し、再生光の波長を記録光の波長に近づける。
上述した一連の操作による光源の波長制御を繰り返すと、再生光の波長を記録光の波長により一層近づけることができる。
次に、制御された波長の再生光を用いて情報の再生を行う。図１５に示すように、ページデータパターンの参照光部３２を空間光変調器１５０に表示させる。半導体レーザ１０１から出射されるビームを記録時と同様に媒体１に照射する。ビームは記録されたホログラムにより回折され、レンズ１０９、１０８、１０７、ダイクロイックプリズム１０６、１／４波長板１０５、ＰＢＳ１０４を通過して受光器１７０に達する。この受光器１７０において、ページデータパターンの像が得られ、その結果として情報光（Ｉ）が再生される。図１９に情報光（Ｉ）が再生される様子を示す。得られた像に対して、エラーレートが少なくなるように画像処理した後、復号化処理を行い、出力データを得る。
記録時および再生時にアドレシング、トラッキング、フォーカシングなどのサーボを行うには、サーボ用の半導体レーザ１０２から出射される、記録再生光よりも長波長（たとえば波長６５０ｎｍ）のビームを用いる。サーボ用の半導体レーザ１０２から出射されるビームは、コリメートレンズ１１１によってコリメートされ、６５０ｎｍの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１２、６５０ｎｍの１／４波長板１１３を通過し、ダイクロイックプリズム１０６で反射され、レンズ１０７、１０８、１０９を通過して媒体１のサーボ面に照射される。サーボ面から反射されたビームは、レンズ１０９、１０８、１０７を戻り、ダイクロイックプリズム１０６で反射され、１／４波長板１１３を通過し、ＰＢＳ１１２で反射され、レンズ１１４、１１５を通過して分割フォトダイオード１１６に達する。この分割フォトダイオード１１６で検出されるサーボ光に基づいてサーボを行う。
なお、図２では、記録再生用の波長４０５ｎｍの半導体レーザ１０１とサーボ用の波長６５０ｎｍの半導体レーザ１０２を用いているが、波長４０５ｎｍおよび波長６５０ｎｍの光を出射することができる２波長半導体レーザを用いてもよい。２波長半導体レーザを用いれば、光学系の位置合わせ精度が向上するとともに、ピックアップの小型化と製造歩留り向上を実現できる。
次に、記録光に対する再生光の波長ずれを判別する判別部について説明する。本発明の実施形態に係るホログラム記録再生装置において、波長変動判別用の受光器は、再生用の受光器と別に設けてもよいし、再生用の受光器と兼用してもよい。また、波長変動判別用の受光器へ光を照射するための光学系は、ミラーでもよいし、反射型回折格子でもよい。なお、反射型回折格子に限らず、他の波長分散素子を用いることもできる。これらの光学系としては、再生光の波長変動を検知しやすいものを選択する。
図２３のホログラム記録再生装置は、再生用の受光器１７０と別に波長変動判別用の受光器１８０を有し、波長変動判別用の受光器１８０へ光を照射するための光学系としてミラー１３１を有する。
図２４のホログラム記録再生装置は、再生用の受光器１７０を波長変動判別用の受光器としても用い、受光器１７０へ光を照射するための光学系としてミラー１３１を有する。
図２５のホログラム記録再生装置は、再生用の受光器１７０と別に波長変動判別用の受光器１８０を有し、波長変動判別用の受光器１８０へ光を照射するための光学系として反射型回折格子１３２を有する。
図２６のホログラム記録再生装置は、再生用の受光器１７０を波長変動判別用の受光器としても用い、受光器１７０へ光を照射するための光学系として反射型回折格子１３２を有する。
上記のようなホログラム記録再生装置による波長変動の判別方法について説明する。
図２７（Ａ）は図２６に対応するホログラム記録再生装置を示しており、再生用の受光器１７０を波長変動判別用の受光器としても用い、受光器１７０へ光を照射するための光学系として反射型回折格子１３２を有する。
図２７（Ａ）のホログラム記録再生装置を用い、ホログラム記録媒体１の波長変動参照パターン記録領域３に再生光を照射する。再生光の波長は記録光の波長からΔλだけ変動しているものとする。ホログラム記録媒体１から出射される波長変動参照パターンの輝点の出射角度がΔλに応じてずれる。この場合、図２７（Ｂ）に示すように、Δλに依存して、受光器１７０に結像される波長変動参照像の大きさが変化する。Δλ＝０と表示したほぼ円形の輪郭を描く像が、再生光の波長が記録光の波長と一致している場合を表す。Δλ＜０（再生光が記録光と比較して短波長）の場合には波長変動参照像は縮小し、像の中心も一方向へずれる。Δλ＞０（再生光が記録光と比較して長波長）の場合には波長変動参照像は拡大し、像の中心もΔλ＜０の場合と逆方向へずれる。このように、光学系の一部として反射型回折格子１３２を用いると、波長によって回折角度が異なるために光路のずれが強調され、波長変動参照像の大きさの変化を検知しやすくなる。したがって、記録光の波長に対する再生光の波長の変動を判別しやすくなる。
図２８（Ａ）は図２４に対応するホログラム記録再生装置を示しており、再生用の受光器１７０を波長変動判別用の受光器としても用い、受光器１７０へ光を照射するための光学系としてミラー１３１を有する。また、受光器１７０は、ミラー１３１によって反射される光の光路に対して傾斜して設置されている。
図２８（Ａ）のホログラム記録再生装置を用い、ホログラム記録媒体１の波長変動参照パターン記録領域３に再生光を照射する。この場合、図２８（Ｂ）に示すように、Δλに依存して、受光器１７０に結像される波長変動参照像の大きさが変化する。Δλ＝０と表示した楕円の輪郭を描く像が、再生光の波長が記録光の波長と一致している場合を表す。Δλ＜０（再生光が記録光と比較して短波長）の場合には波長変動参照像は縮小した楕円となる。Δλ＞０（再生光が記録光と比較して長波長）の場合には波長変動参照像は拡大した楕円となる。このように、光学系の一部としてミラー１３１を用いた場合でも、受光器１７０の受光面を傾けることによって、波長変動参照像の大きさの変化を検知しやすくなる。したがって、記録光の波長に対する再生光の波長の変動を判別しやすくなる。
なお、ホログラム記録再生装置にレンズなどの拡大光学系を挿入して波長変動参照像を拡大するようにしてもよい。レンズは、円形レンズでもシリンドリカルレンズでもよい。この方式では、再生用の受光器と別に波長変動判別用の受光器を設ける。
さらに、受光器に結像した波長変動参照像から再生光の波長変動を判別し、その結果に基づいて光源の波長を制御する波長制御部について説明する。光源である半導体レーザの発振波長を制御するには、発振部の温度を変化させたり、外部共振器を用いたりすることができる。
この場合、再生光の波長だけを制御すればよいので、波長制御部を光源である半導体レーザと光学系との間に配置して再生光のみを通過させるように構成することにより、記録光のパワーを確保することが好ましい。
図２９のホログラム記録再生装置は、レーザ１０１と光学系１３０との間に光路切り替え部１２１および波長制御部１２０を有する。レーザ１０１から出射した記録光は、光路切り替え部１２１を通過した後、波長制御部１２０を通過することなく、光学系１３０を経由してホログラム記録媒体１に照射される。一方、レーザ１０１から出射した再生光は、光路切り替え部１２１を通過した後、波長制御部１２０を通過して波長制御を受け、光学系１３０を経由してホログラム記録媒体１に照射される。このように、記録光は波長制御部１２０を通過しないので記録光のパワーを確保することができる。
図３０のホログラム記録再生装置は、記録用レーザ１０１ａと再生用レーザ１０１ｂを有し、再生用レーザ１０１ｂと光学系１３０との間に波長制御部１２０を有する。記録用レーザ１０１ａから出射した記録光は、直接、光学系１３０を経由してホログラム記録媒体１に照射される。一方、再生用レーザ１０１ｂから出射した再生光は、波長制御部１２０を通過して波長制御を受け、光学系１３０を経由してホログラム記録媒体１に照射される。このように、記録光は波長制御部１２０を通過しないので記録光のパワーを確保することができる。
次いで、光源の波長を制御する波長制御部について、より具体的に説明する。以下の例では、光源として分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ＧａＮ系半導体レーザを用いる場合について説明する。ＤＢＲレーザは、通常の半導体レーザの後部に回折格子からなるブラッグ反射鏡を同一基板上で作りつけたものである。
図３１に示す光源は、波長λ１の第１の半導体レーザ１００１、波長λ２の第２の半導体レーザ１００２、波長λ３の第３の半導体レーザ１００３を含む。それぞれの半導体レーザ１００１、１００２、１００３は上下の電極から電流を流すことにより発振する。発振波長は回折格子の周期により決まるため波長λ１、λ２、λ３に合わせてそれぞれ回折格子の周期が異なるように設定しておく。また、それぞれの半導体レーザ１００１、１００２、１００３は、波長微調整用の電極１２０１、１２０２、１２０３に電流を流すことで波長を微調整することができる。これは電流注入により半導体中でプラズマ効果が生じ、屈折率が変化するためである。各半導体レーザ１００１、１００２、１００３は、合波器１１００に接続されている。合波器１１００としては、たとえば光スターカプラを用いることができる。合波器として、回折格子、プリズム、干渉フイルタなどをそれぞれ基本素子としたものを使用することもできる。いずれの合波器でも、複数の半導体レーザからの発振光を１つの光導波路内に導入して伝送することができる。波長制御部は波長判別部１９０に接続されたレーザ選択部１２００を有する。
図３２に示すように、再生を開始すると（Ｓ２１）、レーザ選択部１２００は再生開始時に各半導体レーザ１００１、１００２、１００３を順次発振させ、波長変動参照パターンを再生し（Ｓ２２）、波長変動参照像が得られるか否かを判断し（Ｓ２３）、波長変動参照像が得られる特定の半導体レーザを選択する（Ｓ２４）。選択した半導体レーザを発振させ、波長変動参照パターンを再生し（Ｓ２５）、再生品質を判断し（Ｓ２６）、再生品質が不良であれば、波長微調整用の電極を通して通電する電流量を変化させ、発振波長を微調整する（Ｓ２７）。波長変動参照パターンを再生し（Ｓ２５）、再生品質を判断し（Ｓ２６）、再生品質が良好であれば、ページデータパターンを再生する（Ｓ２８）。その後、再生終了（Ｓ２９）を判断する。
なお、波長可変レーザとして多電極分布帰還型（ＤＦＢ）レーザを用いることもできる。また、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）レーザに、位相調整領域や増幅領域を付加したＳＳＧ−ＤＢＲレーザを用いることもできる。
図３３に示す光源は、分布ブラッグ反射型（ＤＢＲ）ＧａＮ系半導体レーザ１０１のブラッグ反射鏡の近傍に温度制御部１２５を設けたものである。半導体レーザ１０１は上下の電極から電流を流すことにより発振する。温度制御部１２５は、半導体レーザをマウントした台座に形成されたペルチェ素子や薄膜マイクロヒーターからなる。温度制御部１２５に流す電流量により半導体レーザ１０１の温度を制御することによって、半導体の屈折率を大きく変化させて発振波長を大きく変えることができる。また、波長微調整用の電極１２６に電流を流すことで波長を微調整することができる。
図３４に示すように、再生を開始し（Ｓ３１）、半導体レーザ１０１を発振させて波長変動参照パターンを再生し（Ｓ３２）、波長変動参照像が得られるか否かを判断する（Ｓ３３）。波長変動参照像が得られない場合には、温度制御（Ｓ３４）により発振波長の粗調整を行う。ほぼ所望の発振波長に設定した後、波長変動参照パターンを再生し（Ｓ３５）、再生品質を判断し（Ｓ３６）、再生品質が不良であれば、波長微調整用の電極を通して通電する電流量を変化させ、発振波長を微調整する（Ｓ３７）。波長変動参照パターンを再生し（Ｓ３５）、再生品質を判断し（Ｓ３６）、再生品質が良好であれば、ページデータパターンを再生する（Ｓ３８）。その後、再生終了（Ｓ３９）を判断する。
以上のようにして、再生光の波長を制御し、記録光の波長に一致させることができるので、高精度な再生が可能になる。
本発明の一実施形態に係る１光波反射型コリニア方式によるホログラム記録再生装置およびこれを用いた記録再生方法を概略的に示す図。 本実施形態に係るホログラム記録再生装置のピックアップに含まれる光学系を示す図。 本発明の一実施形態における、記録時のシーケンスを示すフローチャート、および再生時のシーケンスを示すフローチャート。 本発明の一実施形態に係るホログラム記録媒体のセクタ構造を示す平面図。 本発明の一実施形態に係るホログラム記録媒体を示す断面図。 本発明の一実施形態に係るホログラム記録媒体に対して照射される波長参照パターン記録光および記録光を説明する図。 本発明の他の実施形態に係るホログラム記録媒体の断面図。 図７の変形例に係るホログラム記録媒体の断面図。 図７の他の変形例に係るホログラム記録媒体の断面図。 本発明のさらに他の実施形態に係るホログラム記録媒体の断面図。 図１０の変形例に係るホログラム記録媒体の断面図。 本発明の他の実施形態に係るホログラム記録媒体の平面図。 本発明の一実施形態に係るページデータパターンを示す平面図。 本発明の一実施形態に係る波長変動参照パターンを示す平面図。 本発明の一実施形態に係る参照光部を示す平面図。 情報光と参照光を含む記録光が媒体へ照射される様子を示す図。 参照光とその周辺の複数の輝点を含む波長変動参照パターン記録光が媒体へ照射される様子を示す図。 波長変動参照パターンの輝点が再生される様子を示す図。 情報光が再生される様子を示す図。 シフト多重方式による記録を説明する図。 波長変動参照パターン記録領域に対して波長変動参照パターン記録光を照射するときと、ページデータパターン記録領域に記録光を照射するときの条件を同一とすることを示す説明図。 受光器の画素の大きさを示す平面図。 変形例に係るホログラム記録再生装置を概略的に示す図。 変形例に係るホログラム記録再生装置を概略的に示す図。 変形例に係るホログラム記録再生装置を概略的に示す図。 変形例に係るホログラム記録再生装置を概略的に示す図。 本発明の一実施形態に係るホログラム記録再生装置による波長変動の判別方法を示す説明図。 本発明の他の実施形態に係るホログラム記録再生装置による波長変動の判別方法を示す説明図。 変形例に係るホログラム記録再生装置を概略的に示す図。 変形例に係るホログラム記録再生装置を概略的に示す図。 本発明の一実施形態に係るホログラム記録再生装置による波長制御部を示す説明図。 図３１のホログラム記録再生装置による再生時のシーケンスを示すフローチャート。 本発明の他の実施形態に係るホログラム記録再生装置による波長制御部を示す説明図。 図３３のホログラム記録再生装置による再生時のシーケンスを示すフローチャート。
符号の説明
１…ホログラム記録媒体、２…波長変動参照パターン記録領域、３…ページデータパターン記録領域、１１…基板、１２…反射層、１３…下部ギャップ層、１４…波長選択層（ダイクロイックミラー層）、１５…上部ギャップ層、１６…ホログラム記録層、１７…保護基板、２２…ホログラム記録層、３１…情報光部、３２…参照光部、３３…輝点、
１００…レーザ、１０１、１０２…半導体レーザ、１０３…コリメートレンズ、１０４…偏光ビームスプリッタ、１０５…１／４波長板、１０６…ダイクロイックプリズム、１０７、１０８、１０９…レンズ、１１１…コリメートレンズ、１１２…偏光ビームスプリッタ、１１３…１／４波長板、１１４、１１５…レンズ、１１６…分割フォトダイオード、１２０…波長制御部、１２５…温度制御部、１２６…波長微調整用の電極、１３０…光学系、１３１…ミラー、１３２…反射型回折格子、１５０…空間光変調器、１６０…レンズ、１７０…受光器、１８０…受光器、１９０…波長変動判別部、２００…スピンドルモータ、１１０１…第１の半導体レーザ、１００２…第２の半導体レーザ、１００３…第３の半導体レーザ、１２０１、１２０２、１２０３…波長微調整用の電極、１１００…合波器、１２００…レーザ選択部。

Claims (13)

  1. 光ビームを空間的に変調して情報を載せた情報光と参照光とを同軸で記録光としてホログラム記録媒体に照射してホログラムとして情報を記録し、参照光を含む再生光をホログラム記録媒体に照射して情報を再生するホログラム記録再生方法であって、
    前記ホログラム記録媒体に、記録光の波長でホログラムとして記録され、再生光の波長で再生される像の大きさに基づいて記録光と再生光との間の波長変動を決定できる波長変動参照パターンを記録し、
    前記ホログラム記録媒体に記録光の波長でページデータパターンをホログラムとして記録し、
    前記波長変動参照パターンを再生光の波長で再生することにより得られる波長変動参照像の大きさに基づいて記録光と再生光との間の波長変動を検出し、検出された波長変動に基づいて前記再生光の波長を制御し、
    前記ページデータパターンを制御された波長の再生光で再生する
    ことを特徴とするホログラム記録再生方法。
  2. 前記波長変動参照パターンおよび前記ページデータパターンを、それぞれ空間光変調器を用いて表示させ、ホログラム記録媒体にそれぞれホログラムとして記録する請求項１に記載のホログラム記録再生方法。
  3. 前記波長変動参照パターンを記録する際に前記空間光変調器を用いて参照光の周辺に配置された複数の輝点をホログラム記録媒体に照射することによりホログラムとして記録し、再生時に前記空間光変調器を用いて参照光のみをホログラム媒体に照射し、再生される波長変動参照像の大きさに基づいて記録光に対する再生光の波長変動を検出することを特徴とする請求項２に記載のホログラム記録再生方法。
  4. サーボ面を有する基板と、前記基板上に形成されたホログラム記録層とを有し、前記ホログラム記録層は、ページデータパターン記録領域と、波長変動参照パターン記録領域とを含むことを特徴とするホログラム記録媒体。
  5. 前記サーボ面を有する基板上に反射層、下部ギャップ層および光選択層が積層され、さらに、前記ページデータパターン記録領域では前記光選択層上に上部ギャップ層および第１の厚さを有するホログラム記録層が積層され、前記波長変動参照パターン記録領域では前記光選択層上に上部ギャップ層なしに前記第１の厚さより厚い第２の厚さを有するホログラム記録層が積層されていることを特徴とする請求項４に記載のホログラム記録媒体。
  6. 前記ページデータパターン記録領域は第３の厚さを有するホログラム記録層を含み、前記波長変動参照パターン記録領域は前記第３の厚さよりも薄い第４の厚さを有するホログラム記録層と段差補償層とを含むことを特徴とする請求項４に記載のホログラム記録媒体。
  7. 前記ページデータパターン記録領域は第１の屈折率を有する第１のホログラム記録層を含み、前記波長変動参照パターン記録領域は前記第１の屈折率よりも大きい第２の屈折率を有する第２のホログラム記録層を含むことを特徴とする請求項４に記載のホログラム記録媒体。
  8. ホログラム記録媒体にホログラムとして情報を記録するホログラム記録再生装置であって、
    光源と、
    光源からの光ビームの強度および／または位相を空間的に変調して情報光と参照光と波長変動参照パターンに対応する輝点を生成させる空間光変調部と、
    前記参照光および波長変動参照パターンに対応する輝点を波長変動参照パターン記録光として、前記情報光および参照光を同軸で記録光として、前記参照光のみを再生光として、それぞれホログラム記録媒体に集光する光学系と、
    前記ホログラム記録媒体に対して前記光学系と同じ側に配置された受光器と、
    前記再生光を前記ホログラム記録媒体に記録された波長変動参照パターンに照射したときに前記受光器で得られる波長変動参照像の大きさに基づいて前記記録光に対する前記再生光の波長ずれを判別する判別部と、
    前記判別部による判別結果に基づいて前記光源の波長を制御する波長制御部と
    を有することを特徴とするホログラム記録再生装置。
  9. 前記受光器はマトリクス状に配列された画素を有し、受光器の周縁部の画素の大きさが受光器の中央部の画素の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録再生装置。
  10. 前記波長制御部は前記光源と前記光学系との間に配置され、再生光のみを通過させるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録再生装置。
  11. 前記判別部は、前記ホログラム記録媒体から前記受光器までの光路に設けられた反射型回折格子を含むことを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録再生装置。
  12. 前記光源は発振波長が互いに異なるとともに、発振波長を微調整するために電極を有する、複数の半導体レーザを含み、前記波長制御部は前記複数の半導体レーザから特定の半導体レーザを選択し、かつ通電により発振波長の微調整を行うことを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録再生装置。
  13. 前記光源は温度制御部と発振波長を微調整するための電極とを有する半導体レーザを含み、前記波長制御部は温度制御により前記半導体レーザの発振波長を粗調整し、かつ通電により発振波長の微調整を行うことを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録再生装置。
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