JP4349167B2 - ホログラム記録装置、ホログラム再生装置、ホログラム記録方法、およびホログラム再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、ホログラム記録装置、ホログラム再生装置、ホログラム記録方法、およびホログラム再生方法に関する。

ホログラフィを使ってデータを記録するホログラム記録装置の開発が進められている。

ホログラム記録装置では、１本のレーザ光から透過型液晶表示素子等の変調器で変調された（データが重畳された）信号光、変調しない参照光の２つを生成し、これらをホログラム記録媒体の同一場所に照射する。その結果、ホログラム記録媒体上で信号光と参照光が干渉して照射点に回折格子（ホログラム）が形成されることで、ホログラム記録媒体にデータが記録される。

記録済みのホログラム記録媒体に参照光を照射することで、記録時に形成された回折格子から回折光（再生光）が発生する。この再生光は記録時の信号光に重畳されたデータを含んでいるので、これを受光素子で受光することで記録した信号を再生できる。

ホログラム記録媒体に多くの情報を記録するためには、ホログラム記録媒体に多数のホログラムを形成する場合がある。この場合、ホログラム記録媒体上の異なる箇所にホログラムを形成するとは限らず、ホログラム記録媒体上の同一箇所に参照光の入射角度を変化させてホログラムを形成することも可能である。これは、いわゆる多重記録（角度多重）であり、再生時に記録時と同様の参照光を用いることで、同一箇所に形成された複数のホログラムそれぞれに対応する再生光、ひいてはデータを得ることが可能である。

なお、多重記録の一種である位相相関多重を用いて記憶容量の増大を図ったホログラム記録装置の開発が進められている（例えば、特許文献１参照。） 。
特開平１１−２４２４２４号公報

ホログラム記録媒体に多数のホログラムを正確に記録するには、ホログラム記録媒体に対して光学系が静止した状態で、記録することが求められる。これを実現するには、記録時に、ホログラム記録媒体に対して光学系の移動、停止を断続的に繰り返し、停止時に記録を行う必要がある。

しかしながら、このような断続操作は駆動機構の複雑化を招き、しかも高速な記録、再生が行い難くなる。これに対して、光ディスクや磁気ディスクはメディアを回転させたままでの記録、再生が可能であり、ディスクの駆動機構が比較的単純で、かつ高速での記録、再生が可能となる。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、断続的な移動、停止を行わずにホログラム記録媒体への記録、再生を行えるホログラム記録装置、ホログラム再生装置、ホログラム記録方法、およびホログラム再生方法を提供することにある。

Ａ．本発明に係るホログラム記録装置は、参照光および変調器で変調された信号光をホログラム記録媒体上の略同一の照射位置に照射する光学系と、前記参照光の光路中に配置され、かつ位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタと、前記ホログラム記録媒体に対して、前記照射位置を相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構により前記ホログラム記録媒体に対して前記照射位置を相対的に移動させながら、前記信号光および参照光による前記ホログラム記録媒体への情報の書き込みを制御する書込制御部と、を具備し、前記変調器は、前記サブフィルタに対応する部分変調要素に区分されており、前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である。なお、ここでいう「ランダム」とは、位相相関多重を可能とするランダム特性を有するという意味である。互換性を有するホログラム記録装置間では、同様の特性を有する位相フィルタを用いる必要がある。

移動機構によりホログラム記録媒体に対して照射位置を相対的に移動させながら、信号光および参照光によりホログラム記録媒体への情報の書き込みを行う。この結果、ホログラム記録媒体上に動的にホログラムを生成することができる。

例えば、変調器が所定の方向に変調要素が配列された一次元変調器の場合、この所定の方向と異なる方向（垂直方向が好ましい）に、相対的な移動を行うことで、生成されるホログラムを互いに分離して再生することが可能となる。

一方、変調器が２方向に変調要素が配列された二次元変調器の場合には、一次元変調器の場合と異なり、相対移動の方向で異なる変調要素の重なりが生じることを回避することが困難である。

このような場合に、複数のサブフィルタが配置された位相フィルタを用い、かつ変調器の部分変調要素をサブフィルタと対応させることで、移動によってホログラム記録媒体上に重なって記録された部分変調要素を互いに分離して再生することができる。

即ち、変調器の部分変調要素とサブフィルタとが対応することから、再生したい部分変調要素と対応するサブフィルタを通した参照光を用いて記録したホログラム記録媒体を再生することで、所望の部分変調要素を再生することが可能となる。

（１）ここで、ホログラム記録装置が、少なくとも前記照射位置の相対的な移動方向に対して前記変調器の実像を形成する結像手段をさらに具備してもよい。

変調器の実像のホログラムを記録することで、ホログラム間の分離がより容易となる。但し、この実像は二次元双方で実像とすることは必ずしも必要ではなく、相対移動方向で実像であればこれと直交する方向ではフーリエ変換像でもよい。

（２）前記書込制御部が、前記相対的な移動中に、前記変調器での変調状態を変化させ、前記ホログラム記録装置が、前記書込制御部による前記変調器の変調状態の変化時に、前記信号光および前記参照光を遮断する光遮断手段をさらに具備してもよい。

変調状態の変化時に信号光および参照光を遮蔽することで、ホログラムを明確に分離し、再生を容易に行うことができる。

Ｂ．本発明に係るホログラム再生装置は、参照光をホログラム記録媒体上の照射位置に照射する光学系と、前記参照光の光路中に配置され、かつ位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタと、前記ホログラム記録媒体に対して前記照射位置を相対的に移動させる移動機構と、前記移動機構により前記ホログラム記録媒体に対して前記照射位置を相対的に移動させながら、前記参照光による前記ホログラム記録媒体からの情報の読み出しを制御する読出制御部と、を具備し、前記サブフィルタは、前記ホログラム記録媒体に前記情報の書き込みをするときに用いられる変調器の区分された部分変調要素に対応しており、前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である。

移動機構により前記ホログラム記録媒体に対して照射位置を相対的に移動させながら、参照光による前記ホログラム記録媒体への情報の読み出しを行う。この結果、ホログラム記録媒体上から動的にホログラムを再生することができる。

また、再生したい部分変調要素と対応するサブフィルタを通した参照光を用いて記録したホログラム記録媒体を再生することで、所望の部分変調要素を再生することが可能となる。

Ｃ．本発明に係るホログラム記録方法は、ホログラム記録媒体に対して照射位置を相対的に移動させながら、変調器で変調された信号光および位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタで位相分布が付与された参照光を前記ホログラム記録媒体上の略同一の照射位置に照射する書込ステップを具備し、前記変調器が前記サブフィルタに対応する部分変調要素に区分されており、前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である。

ホログラム記録媒体に対して略同一の照射位置を相対的に移動させながら、信号光および参照光による前記ホログラム記録媒体への情報の書き込みを行う。この結果、ホログラム記録媒体上に動的にホログラムを生成することができる。

また、複数のサブフィルタが配置された位相フィルタを用い、かつ変調器の部分変調要素をサブフィルタと対応させることで、移動によってホログラム記録媒体上に重なって記録された部分変調要素を分離して再生することができる。

（１）ここで、ホログラム記録方法が、少なくとも前記照射位置の相対的な移動方向に対して前記変調器の実像を形成する結像ステップをさらに具備してもよい。

変調器の実像のホログラムを記録することで、ホログラム間の分離がより容易となる。但し、この実像は二次元双方で実像とすることは必ずしも必要ではなく、相対移動方向で実像であればこれと直交する方向ではフーリエ変換像としてもよい。

（２）ホログラム記録方法が、前記信号光および前記参照光を遮断しながら、前記変調器の変調状態を変化させる光遮断ステップをさらに具備してもよい。

変調状態の変化時に信号光および参照光を遮蔽することで、ホログラムを明確に分離し、再生を容易に行うことができる。

Ｄ．本発明に係るホログラム再生方法は、ホログラム記録媒体に対して照射位置を相対的に移動させながら、位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタで位相分布が付与された参照光を前記ホログラム記録媒体上に照射するホログラム記録媒体からの情報の読み出しステップを具備し、前記サブフィルタは、前記ホログラム記録媒体に前記情報の書き込みをするときに用いられる変調器の区分された部分変調要素に対応しており、前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である。

ホログラム記録媒体に対して照射位置を相対的に移動させながら、参照光によるホログラム記録媒体からの情報の読み出しを行う。この結果、ホログラム記録媒体上から動的にホログラムを再生することができる。また、複数のサブフィルタが配置された位相フィルタを用い、かつサブフィルタを変調器の部分変調要素と対応させることで、移動によってホログラム記録媒体上に重なって記録された部分変調要素を分離して再生することができる。

以上のように、本発明によれば、断続的な移動、停止を行わずにホログラム記録媒体への記録、再生を行えるホログラム記録装置、ホログラム再生装置、ホログラム記録方法、ホログラム再生方法、およびホログラム記録媒体を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
（第１の実施形態）

図１は本発明の第１の実施形態に係るホログラム記録装置１００を表す模式図である。また、図２は図１のＺ軸方向からホログラム記録装置１００の一部を見た状態を表す模式図である。

図１，２に示すように、ホログラム記録装置１００は、レーザ光源１０、ビームエキスパンダ２０，ビームスプリッタ３０，液晶表示素子４０，１／２波長板５０、ミラー６１，６２，円筒レンズ７１，７２，凸レンズ７３〜７５，位相フィルタ８０，受光素子９０から構成され、ホログラム記録媒体Ｍへの情報の記録および再生を行う。

レーザ光源１０は、レーザ光を出射する光源である。なお、このレーザ光は通常直線偏光である。

ビームエキスパンダ２０は、入射した光のビーム径を２次元方向（ＸＹ方向）に拡大する光学素子である。この変換は、液晶表示素子４０の画素面全体に光ビームを照射するために行われる。

ビームスプリッタ３０は、入射したレーザ光を２つの光（信号光、参照光）に分岐する光学素子である。

液晶表示素子４０は変調器の一種であり、信号光を空間的に（ここでは、２次元的に）変調して、データを重畳する。液晶表示素子４０は２次元方向に配列された画素（変調要素）４１を有し、これらの画素のＯＮ／ＯＦＦに対応して、入射光の透過／非透過が制御される（図５参照）。即ち、記録するデータに応じて、各画素の明暗が変化され、ホログラム記録媒体Ｍへのデータの記録が可能となる。液晶表示素子４０は位相フィルタ８０の構成要素（サブフィルタ）と対応する一次元変調部分（部分変調要素）４２（ｉ）に区分して考えることができる。なお、この詳細は後述する。

１／２波長板５０は、入射した信号光の偏光面を９０°回転させる光学素子である。直線偏光が、液晶表示素子４０の透過状態（明状態）の画素４１を通過すると、その偏光面が９０°回転する。このため、１／２波長板５０によって、回転した偏光面に逆方向の回転を与えて、偏光面の方向を液晶表示素子４０に入射する以前の状態に戻す。従い、液晶表示素子４０に換えて、入射光の偏光状態に影響を与えない素子を用いれば、１／２波長板５０を除外することができる。

なお、１／２波長板５０は、その結晶軸の方向を変えることによって偏光面方向を自在に変えることができる。

ミラー６１は、信号光を反射してその進行方向を変換する光学素子である。

円筒レンズ７１、７２は、入射光をＸ方向には収束状態を変化させ、Ｙ方向には収束状態を変化させない光学素子である。図１，２に示されるように、平行光である信号光は円筒レンズ７１によってＸ方向にのみ収束され、円筒レンズ７２によって再び平行光に戻される。この結果、円筒レンズ７１、７２を通過した信号光はＸ方向でのみ液晶表示素子４０の実像が形成され、この実像が凸レンズ７３で縮小されてホログラム記録媒体Ｍ上に投影される。

このように円筒レンズ７１、７２によってＸ方向への実像が形成されるのは、ホログラム記録媒体Ｍが回転することで、ホログラム記録媒体Ｍとホログラム形成箇所（信号光と参照光の集光箇所）とがＸ方向に相対的に移動することと対応している。即ち、相対的な移動方向と実像の形成方向を一致させている。これは移動するＸ方向でホログラムの分離が容易に行われるようにするためである。もし、Ｘ方向に実像ではなく、フーリエ変換像を形成した場合にはこの変換像はＸ方向の広範囲に形成され、移動しながら複数のホログラムを形成した（液晶表示素子４０で複数の変調状態を実現した）場合に、これらのホログラムが重なり合う範囲が広くなり、データの分離が困難となる。

図３は、液晶表示素子４０に明暗の市松模様を表示させて、Ｘ，Ｙ両方向のフーリエ変換像として、ホログラム記録媒体Ｍに投影したときの投影像を表す図である。この投影像が参照光との干渉による回折格子としてホログラム記録媒体Ｍに記録される。この図は、ホログラム記録媒体Ｍを静止させた場合に記録される投影像を表す。

図４は、ホログラム記録媒体Ｍを回転させたときにホログラム記録媒体Ｍに記録される投影像を表す図である。記録される投影像が流れた状態となり、記録したい投影像（図３）とは異なってくることが判る。このような状態で記録された投影像は、再生時のホログラム記録媒体Ｍの静止、回転の如何に依らず、再生光から記録時の液晶表示素子４０の表示状態（データ）を再生することが困難となる。

Ｘ方向に実像を形成することで、Ｘ方向での投影像を縮小して、Ｘ方向での移動による投影像の混入を低減できる。

ここで、本実施形態ではＹ方向をフーリエ像としているが、これに換えて、実像とすることが可能である。ここでは、ホログラム記録媒体Ｍに何らかの欠陥がある場合に、欠陥の影響を低減可能であることから、Ｙ方向をフーリエ像とした。

フーリエ像は元のデータ情報が拡散して存在することから、ホログラム記録媒体Ｍの欠陥の影響を受けにくい。

凸レンズ７３は、円筒レンズ７１、７２で形成された液晶表示素子４０の像（Ｘ方向で実像、Ｙ方向でフーリエ像）をホログラム記録媒体Ｍ上に縮小して形成するための光学素子である。

位相フィルタ８０は、Ｙ方向に細長い形状のサブフィルタ８１（ｉ）をＸ方向に、例えば６４０個並列して構成される（図５参照）。

サブフィルタ８１（ｉ）は、そのフィルタ内でＸ方向に一様で、かつＹ方向には位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成されており、一種の位相マスクといって差し支えない。サブフィルタ８１（ｉ）は互いに異なるパターンが形成されていることから、特定のサブフィルタ８１（ｉ）で記録したホログラム（回折格子）を他のサブフィルタ８１（ｊ）を通った参照光で再生することはできない。

なお、ここでいう「ランダム」とは、位相相関多重を可能とするランダム特性を有するという意味である。互換性を有するホログラム記録装置１００間では、同様の特性を有する位相フィルタ８０を用いる必要がある。位相フィルタ８０の特性が異なるホログラム記録装置１００間では、あるホログラム記録装置１００で記録したホログラム記録媒体Ｍを他のホログラム記録装置１００で再生することは困難である。

図５は、ホログラム記録媒体Ｍ上の投影像Ｆについてのサブフィルタ８１と一次元変調部分４２との対応関係を表す図である。一次元変調部分４２（ｉ）の投影像がサブフィルタ８１（ｉ）の投影像に対応して配置される。一次元変調部分４２（ｉ）とサブフィルタ８１（ｉ）とが対応することから、相対的な移動により一次元変調部分４２（ｉ）が互いに重なり合うホログラムとして記録された場合でも、それぞれの一次元変調部分４２（ｉ）と対応するサブフィルタ８１（ｉ）からの参照光を用いることで、それぞれの一次元変調部分４２（ｉ）での表示状態を分離して再生することができる。

図６、７は、ホログラム記録媒体Ｍ上の投影像Ｆの詳細を表す模式図である。図６、７はそれぞれ、ＸＹ平面上およびＹＺ平面内での投影像Ｆを表す。この投影像Ｆは、一次元変調部分４２（ｉ）に対応する部分投影像Ｆ（ｉ）に区分される。液晶表示素子４０（２次元空間変調器）の画素が640X480(Ｘ方向に640本)とすると、一次元変調部分４２（１次元空間変調器）がＸ方向に640個並んでいるのと同様である（ｎ＝６４０）。なお、Ｓはホログラム記録媒体Ｍの表面を表す。

信号光および参照光がＹＺ平面内から入射することから、図６に示すように、ホログラム記録媒体Ｍ中に形成されたホログラム（回折格子）の面はＸ軸に平行となる。言い換えると、図７に示されるように、回折格子を形成する面の法線がＹＺ平面内に配置される。

このとき、ホログラム記録媒体Ｍ（ディスク）が回転（相対的に移動）されたとする。このときの移動方向がＸ方向であり、回折格子面がＹＺ平面内であることから（移動方向と面方向が一致）、ホログラム（回折格子）が記録時の移動によって破壊されることはない。

図８は、液晶表示素子４０の像がホログラム記録媒体Ｍに重なり合うように、複数回の記録を行った状態を表す図である。

ホログラム記録媒体Ｍを回転しながら、液晶表示素子４０で信号光を３つの異なる変調状態として、ホログラム記録媒体Ｍに記録を行った場合を表す。ホログラム記録媒体Ｍ上に１回〜３回の液晶表示素子４０の記録像（投影像）Ｆ１〜Ｆ３が形成される。

これらの記録像Ｆ１〜Ｆ３には、部分投影像Ｆ１（ｉ）〜Ｆ３（ｉ）を有する。既述のように、これらの部分投影像Ｆ１（ｉ）〜Ｆ３（ｉ）は、一次元変調部分４２に対応する。

ここでは、ホログラム記録媒体Ｍを回転（移動）させ、記録像Ｆ１〜Ｆ３を一次元変調部分４２（ｉ）に対応する量だけずらして記録している。この結果、異なる一次元変調部分４２に対応する部分像Ｆ１（ｉ）〜Ｆ３（ｉ）が重なって記録される。例えば、部分投影像Ｆ１（ｉ）、Ｆ２（ｉ-1）、Ｆ３（ｉ-2）が重なっている。

しかしながら、再生時に、一次元変調部分４２（ｉ）と対応したサブフィルタ８１（ｉ）を通過した参照光をホログラム記録媒体Ｍに照射することで、部分投影像Ｆ１（ｉ）、Ｆ２（ｉ-1）、Ｆ３（ｉ-2）それぞれから別個に再生光を得ることができる。その結果、液晶表示素子４０全体として３つの異なる変調状態を再生することが可能となる。

なお、図８では判りやすさのため、１回〜３回の記録が一次元変調部分４２に対応する量（画素４１の１本分）だけＸ方向にずれ、Ｙ方向にもシフトした状態を表しているが、このＸ，Ｙ方向でのシフト量は本質的なことではない。

凸レンズ７４は、位相フィルタ８０の像をホログラム記録媒体Ｍ上に縮小して形成するための光学素子であり、凸レンズ７３で形成された液晶表示素子４０の像と略同一箇所Ｐに位相フィルタ８０の像を形成する。

凸レンズ７５は、再生時のホログラム記録媒体Ｍ上の液晶表示素子４０の像を拡大して受光素子９０に投影するための光学素子である。

受光素子９０は、ＣＣＤ等の２次元受光素子であり、ホログラム記録媒体Ｍ上の液晶表示素子４０の像を明暗の画像として入力するための画像入力装置である。受光素子９０で入力された液晶表示素子４０の像は、ＡＤ変換等の処理が施されて、液晶表示素子４０の表示データに対応する信号に変換される。

ホログラム記録媒体Ｍは、信号光と参照光による干渉縞を屈折率（あるいは、透過率）の変化として記録する記録媒体である。ホログラム記録媒体Ｍの構成材料として、光の強度に応じて屈折率（あるいは、透過率）の変化が行われる材料であれば、有機材料、無機材料の別を問うことなく利用可能である。

無機材料として、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のような電気光学効果によって露光量に応じ屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を用いることができる。

有機材料として、例えば、光重合型フォトポリマを用いることができる。光重合型フォトポリマは、その初期状態では、モノマがマトリクスポリマに均一に分散している。これに光が照射されると、露光部でモノマが重合する。

以上のように、ホログラム記録媒体Ｍの屈折率（あるいは透過率）が露光量に応じて変化することで、参照光と信号光との干渉によって生じる干渉縞を屈折率（あるいは透過率）の変化としてホログラム記録媒体Ｍに記録できる。

ホログラム記録媒体Ｍは、図示しない駆動手段で回転され、液晶表示素子４０の像を多数のホログラムとして記録することができる。
（ホログラム記録装置１００の動作）
Ａ．ホログラム記録媒体Ｍへのデータの記録（図１、２参照）

レーザ光源１０から出射したレーザ光はビームエキスパンダ２０によってビーム径が拡大された後に、ビームスプリッタ３０によって２つの光（参照光、信号光）に区分される。

信号光は、液晶表示素子４０で例えば、６４０×４８０の画素の明暗として空間変調される。その後、信号光が、１／２波長板５０を通過することで、液晶表示素子４０で回転した偏光面が元の状態に戻される。

１／２波長板５０を通過した信号光は、ミラー６１でその方向が換えられ、円筒レンズ７１，７２を通過することで、Ｘ軸方向に液晶表示素子４０の実像が形成される。凸レンズ７３によって、この像がホログラム記録媒体Ｍ上に集光される。

ビームスプリッタ３０から出射した参照光は、ミラー６２でその方向が換えられ、位相フィルタ８０によって、位相相関多重特性が付与され、凸レンズ７４でホログラム記録媒体Ｍ上に集光される。

ホログラム記録媒体Ｍ上で信号光と参照光が干渉することで、ホログラム記録媒体Ｍに液晶表示素子４０の像が記録される。即ち、参照光と信号光がホログラム記録媒体Ｍの略同一箇所に集光されることから、ホログラム記録媒体Ｍに干渉縞が形成され、干渉縞に対応してホログラム記録媒体Ｍの屈折率が変化する。

このとき、液晶表示素子４０を構成する一次元変調部分４２（ｉ）と位相フィルタ８０のサブフィルタ８１（ｉ）とがホログラム記録媒体Ｍ上で対応するように投影される（図５参照）。

ここで、ホログラム記録媒体Ｍが回転され、かつ液晶表示素子４０の表示内容が切り替わることで、ホログラム記録媒体Ｍ上に複数の投影像が形成される。このとき、液晶表示素子４０での投影像が重なってホログラム記録媒体Ｍ上に記録されることが許容される。また、液晶表示素子４０での表示内容の切換に対応してレーザ光源１０からの出射光を停止あるいは遮蔽することで、液晶表示素子４０での投影像の切れ目を明確化することができる。
Ｂ．ホログラム記録媒体Ｍからのデータの再生

ホログラム記録媒体Ｍからデータの再生を行うには、レーザ光源１０から出射され、ビームスプリッタ３０によって区分された２つの光（参照光、信号光）の内、遮蔽板等によって信号光を遮断し、参照光のみを位相フィルタ８０および凸レンズ７４を通過してホログラム記録媒体Ｍに集光する。

ホログラム記録媒体Ｍに入射した参照光はホログラム記録媒体Ｍ内の屈折率分布によって回折され、信号光（再生光）が発生する。発生した再生光を凸レンズ７５で収束して受光素子９０に入射させる。このため、受光素子９０それぞれの受光素子が受光した光の強度として、ホログラム記録媒体Ｍ内に記録されたデータを再生することができる。

このとき、参照光が位相フィルタ８０を通過することで、参照光がサブフィルタ８１に対応する位相分布を有する。この結果、ホログラム記録媒体Ｍに複数の一次元変調部分４２（ｉ）が重ねて記録されている場合でも、サブフィルタ８１（ｉ）に対応する一次元変調部分４２（ｉ）の投影像のみが選択的に再生される。

以上のように、ホログラム記録媒体Ｍが回転（相対移動）することで、ホログラム記録媒体Ｍ上に液晶表示素子４０の像が重ねて記録されていたとしても、位相フィルタ８０によってそれぞれの像を分離して再生することができる。

このようにすると、ホログラム記録媒体Ｍが回転することで、ホログラム記録媒体Ｍ上の１カ所に多重記録が行える。ここで、位置をずらしながら多重記録することを、原理がなんであれ"位置の多重"と呼ぶことにすると、本実施形態の方式はこの位置の多重に対応する。

この位置の多重の際に信号光や参照光の入射角を変えること(角度多重)等は必要でない。図８に示したように本実施形態では１カ所に複数回の記録が行われるものの、それぞれが異なるランダムパターンを有する別のサブフィルタ８１（ｉ）を通過した参照光によって記録されたものであり、同じサブフィルタ８１（ｉ）を通った参照光でしか再生されないからである。
（第２の実施形態）

図９は本発明の第２の実施形態に係るホログラム記録装置２００を表す模式図である。

図９に示すように、ホログラム記録装置２００は、レーザ光源１０、ビームエキスパンダ２０，ミラー２１１〜２１４，遮蔽板２２１，液晶表示素子４０，偏光ビームスプリッタ２３１，受光素子９０、ファラデー素子２４１，１／２波長板５０、円筒レンズ７１，７２，凸レンズ２７１，位相フィルタ８０から構成され、ホログラム記録媒体Ｍ１への情報の記録および再生を行う。

ミラー２１１は、ビームエキスパンダ２０から出射されたレーザ光の一部を信号光として反射する。ミラー２１１で反射されなかったレーザ光は参照光として用いられる。

遮蔽板２２１は、ミラー２１１で反射されなかったレーザ光の一部を遮蔽する。なお、ミラー２１１で反射されなかったレーザ光を遮蔽板２２１で遮蔽せずに、その全てについて位相フィルタ８０を通過させ参照光として利用してもよい。

偏光ビームスプリッタ２３１は、p波（偏光軸がＸ方向の偏光）を透過し、s波（偏光軸がＺ方向の偏光）を反射する。この結果、偏光ビームスプリッタ２３１はミラー２１１で反射された信号光、およびこの信号光がホログラム記録媒体Ｍ１で反射されて戻った戻り光を透過し、ホログラム記録媒体Ｍ１でデータの再生時に発生した再生光を受光素子９０へと反射する。

ファラデー素子２４１は偏光面を回転させる光学素子であり、本実施形態では偏光面を４５°回転させる。信号光がファラデー素子２４１を往復して通るとその偏光面の方向が2倍変化する。

本実施形態において、１／２波長板５０は、偏光面を４５°回転するように設置される。信号光が１／２波長板５０を往復して通るとその偏光面が元に戻る。

ホログラム記録媒体Ｍ１は、再生時に再生光が受光素子９０に到達するように、その下面に反射膜を有する。この結果、本実施形態では、記録時の信号光と再生時の再生光とが同一の光路上を逆方向に進行する。

この他の点では、本実施形態は第１の実施形態と本質的に相違するものではないので、詳細な説明を省略する。
（ホログラム記録装置２００の動作）
Ａ．ホログラム記録媒体Ｍ１へのデータの記録（図９参照）

レーザ光源１０から出射したレーザ光（ｓ波）はビームエキスパンダ２０によってビーム径が拡大された後に、ミラー２１１によって２つの光（参照光、信号光）に区分される。ミラー２１１で反射されたレーザ光が信号光となり、ミラー２１１で反射されず、かつ遮蔽板２２１で遮蔽されなかったレーザ光が参照光となる。

信号光は、液晶表示素子４０で例えば、６４０×４８０の画素の明暗として空間変調され、偏光ビームスプリッタ２３１を通過する。信号光は液晶表示素子４０を通過することで偏光面が回転され、Ｓ波からＰ波に変換されることから、偏光ビームスプリッタ２３１を通過する。

その後、信号光が、ファラデー素子２４１，および１／２波長板５０を通過することで、液晶表示素子４０で回転した偏光面が元の状態に戻され、Ｓ波となる。

１／２波長板５０を通過した信号光は、ミラー２１２，２１３でその方向が換えられ、円筒レンズ７１，７２を通過することで、Ｘ軸方向に液晶表示素子４０の実像が形成される。凸レンズ２７１によって、この像がホログラム記録媒体Ｍ１上に集光される。

ミラー２１１で反射されなかった参照光は、位相フィルタ８０によって、位相相関多重特性が付与され、凸レンズ２７１でホログラム記録媒体Ｍ上に集光される。

ホログラム記録媒体Ｍ上で信号光と参照光が干渉することで、ホログラム記録媒体Ｍ１に液晶表示素子４０の像が記録される。即ち、参照光と信号光がホログラム記録媒体Ｍの略同一箇所に集光されることから、ホログラム記録媒体Ｍに干渉縞が形成され、干渉縞に対応してホログラム記録媒体Ｍの屈折率が変化する。

このとき、液晶表示素子４０を構成する一次元変調部分４２（ｉ）と位相フィルタ８０のサブフィルタ８１（ｉ）とがホログラム記録媒体Ｍ上で対応するように投影される（図５参照）。

ここで、ホログラム記録媒体Ｍ１が回転され、かつ液晶表示素子４０の表示内容が切り替わることで、ホログラム記録媒体Ｍ上に複数の投影像が形成される。このとき、液晶表示素子４０での投影像が重なってホログラム記録媒体Ｍ１上に記録されることが許容される。また、液晶表示素子４０での表示内容の切換に対応してレーザ光源１０からの出射光を停止あるいは遮蔽することで、液晶表示素子４０での投影像の切れ目を明確化することができる。
Ｂ．ホログラム記録媒体Ｍ１からのデータの再生

ホログラム記録媒体Ｍ１からデータの再生を行うには、レーザ光源１０から出射され、区分された２つの光（参照光、信号光）の内、遮蔽板等によって信号光を遮断し、参照光のみを位相フィルタ８０および凸レンズ２７１を通過してホログラム記録媒体Ｍ１に集光する。

ホログラム記録媒体Ｍ１に入射した参照光はホログラム記録媒体Ｍ内の屈折率分布によって回折され、信号光（再生光）が発生する。発生した再生光はホログラム記録媒体Ｍ１の下面の反射膜で反射され、凸レンズ２７１で平行光に変換され、ミラー２１４で反射されて方向が換えられる。

ミラー２１４で反射された再生光は円筒レンズ７２，７１，ミラー２１３，２１２，１／２波長板５０、ファラデー素子２４１を順に通過し、偏光ビームスプリッタ２３１で反射されて受光素子９０に入射される。

この結果、受光素子９０それぞれの受光素子が受光した光の強度として、ホログラム記録媒体Ｍ１内に記録されたデータを再生することができる。
（その他の実施形態）

上記の実施形態は、種々に変形することが可能であり、このような変形例も本発明の技術的範囲に属する。

（１）ホログラム記録媒体Ｍ上でＸ方向に液晶表示素子４０のフーリエ像が形成される場合であっても、位相フィルタ８０を用いて参照光に位相分布を付与することで、ホログラム記録媒体Ｍを回転させながら記録再生を行うことが可能である。

但し、この場合は、Ｘ方向が実像である場合に比べると、ホログラム記録媒体Ｍの回転速度が比較的低いことが好ましい。ホログラム記録媒体Ｍの回転速度が上がるにつれて回転方向(Ｘ方向)での像の分離が困難となる傾向がある。

（２）上記実施形態では信号光および参照光をＹ方向から入射している。即ち、ホログラム記録媒体Ｍの相対的な移動方向と光の入射方向が直交している。これは回折格子面の法線をＹＺ平面内に揃えることで、Ｘ方向での移動の影響を軽減できるからである。

これに換えて、図１０に示すように、信号光および参照光をＸ方向から入射することもできる。また、これらの中間的な方向から信号光と参照光を入射させることも可能である。

これは次のように説明することができる。即ち、位相フィルタ８０がランダム性を有することから、信号光の進行方向を様々に乱すため、ホログラムの面（回折格子面）も微視的には様々な方向を向きうる。そのうち面がＸ方向に沿うもの以外は、ホログラム記録媒体Ｍが回転することによって均一化されることから、形成される回折格子面はＸ方向に沿うもののみとなる。このため、光の入射方向を必ずしもホログラム記録媒体Ｍの移動方向と直交させなくても差し支えない。

（３）上記実施形態の液晶表示素子は２次元変調器であったが、これに換えて一次元変調器を用いることができる。この一次元変調器として、液晶表示素子、Silicon Light Machine社製のＧＬＶ（Grating Light Valve）を利用可能である。

この場合でも、信号光は１次元空間変調器を通った後、円筒レンズによって、Ｘ方向には実像だが、Ｙ方向にはフーリエ変換してホログラム記録媒体Ｍに照射される。また、受光素子９０に換えて１次元ディテクタを用いることが可能となる。

（４）上記実施形態では、液晶表示素子を明暗で変調を行う変調器として用いているが、これに換えて位相変調型の変調器を用いることができる。

空間変調器での変調方式には明暗型と位相変調型の２つがある。明暗型の空間変調器では、光の透過量、あるいは反射量を制御することで変調を行うものであり、例えば液晶表示素子を利用できる。

一方、位相変調型の空間変調器では、光の位相を部分的に変化させ、干渉を起こすことにより光の強弱分布を生成するものであり、ＧＬＶを利用できる。位相変調型では、例えば、空間変調器から０次回折光のみが発生する状態と、０次回折光は発生せず、±１次の回折光のみが発生する状態とをそれぞれ"１"と"０"に対応させて、ホログラム記録媒体にディジタルデータを記録できる。

（５）上記実施形態では、ホログラム記録媒体Ｍをディスク形状として回転させたが、これに換えてホログラム記録媒体Ｍをカード形状として、平行移動させても差し支えない。さらに信号光と参照光がホログラム記録媒体Ｍの下面から入射させてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るホログラム記録装置を表す模式図である。 図１のＺ軸方向からホログラム記録装置の一部を見た状態を表す模式図である。 液晶表示素子に明暗の市松模様を表示させて、Ｘ，Ｙ両方向のフーリエ変換像として、ホログラム記録媒体に投影したときの投影像を表す図である。 ホログラム記録媒体Ｍを回転させたときにホログラム記録媒体Ｍに記録される投影像を表す図である。 ホログラム記録媒体上の投影像についてのサブフィルタと一次元変調部分との対応関係を表す図である。 ホログラム記録媒体上のＸＹ平面上での投影像の詳細を表す模式図である。 ホログラム記録媒体上のＹＺ平面上での投影像の詳細を表す模式図である。 液晶表示素子の像がホログラム記録媒体Ｍに重なり合うように、複数回の記録を行った状態を表す図である。 本発明の第２の実施形態に係るホログラム記録装置を表す模式図である。 信号光および参照光を移動方向から入射したときのホログラム記録媒体上の投影像についてのサブフィルタと一次元変調部分との対応関係を表す図である

符号の説明

１００ ホログラム記録装置
１０ レーザ光源
２０ ビームエキスパンダ
３０ ビームスプリッタ
４０ 液晶表示素子
４１ 画素
４２ 一次元変調部分
５０ １／２波長板
６１，６２ ミラー
７１，７２ 円筒レンズ
７３〜７５ 凸レンズ
８０ 位相フィルタ
８１ サブフィルタ
９０ 受光素子
Ｍ ホログラム記録媒体

Claims (8)

1. 参照光および変調器で変調された信号光をホログラム記録媒体上の略同一の照射位置に照射する光学系と、
   前記参照光の光路中に配置され、かつ位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタと、
   前記ホログラム記録媒体に対して、前記照射位置を相対的に移動させる移動機構と、
   前記移動機構により前記ホログラム記録媒体に対して前記照射位置を相対的に移動させながら、前記信号光および参照光による前記ホログラム記録媒体への情報の書き込みを制御する書込制御部と、
   を具備し、
   前記変調器は、前記サブフィルタに対応する部分変調要素に区分されており、
   前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である
   ホログラム記録装置。
2. 少なくとも前記照射位置の相対的な移動方向に対して前記変調器の実像を形成する結像手段
   をさらに具備する請求項１記載のホログラム記録装置。
3. 前記書込制御部が、前記相対的な移動中に、前記変調器での変調状態を変化させ、
   前記ホログラム記録装置が、前記書込制御部による前記変調器の変調状態の変化時に、前記信号光および前記参照光を遮断する光遮断手段
   をさらに具備する請求項１記載のホログラム記録装置。
4. 参照光をホログラム記録媒体上の照射位置に照射する光学系と、
   前記参照光の光路中に配置され、かつ位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタと、
   前記ホログラム記録媒体に対して前記照射位置を相対的に移動させる移動機構と、
   前記移動機構により前記ホログラム記録媒体に対して前記照射位置を相対的に移動させながら、前記参照光による前記ホログラム記録媒体からの情報の読み出しを制御する読出制御部と、
   を具備し、
   前記サブフィルタは、前記ホログラム記録媒体に前記情報の書き込みをするときに用いられる変調器の区分された部分変調要素に対応しており、
   前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である
   ホログラム再生装置。
5. ホログラム記録媒体に対して照射位置を相対的に移動させながら、変調器で変調された信号光および位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタで位相分布が付与された参照光を前記ホログラム記録媒体上の略同一の照射位置に照射する書込ステップ
   を具備し、
   前記変調器が前記サブフィルタに対応する部分変調要素に区分されており、
   前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である
   ホログラム記録方法。
6. 少なくとも前記照射位置の相対的な移動方向に対して前記変調器の実像を形成する結像ステップ
   をさらに具備する請求項５記載のホログラム記録方法。
7. 前記信号光および前記参照光を遮断しながら、前記変調器の変調状態を変化させる光遮断ステップ
   をさらに具備する請求項５記載のホログラム記録方法。
8. ホログラム記録媒体に対して照射位置を相対的に移動させながら、位相相関多重に必要なランダム性を有する透過パターンが形成された複数のサブフィルタが並列された位相フィルタで位相分布が付与された参照光を前記ホログラム記録媒体上に照射するホログラム記録媒体からの情報の読み出しステップ
   を具備し、
   前記サブフィルタは、前記ホログラム記録媒体に前記情報の書き込みをするときに用いられる変調器の区分された部分変調要素に対応しており、
   前記位相フィルタにおいて前記複数のサブフィルタの並列方向は前記照射位置の相対的な移動方向と同一である
   ホログラム再生方法。

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