JP4458175B2 - 光再生装置及び光再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、光再生装置及び光再生方法に関する。

ホログラフィック・データ・ストレージでは、二値のデジタルデータ「０，１」が「明、暗」としてデジタル画像（信号光）化され、信号光はレンズによりフーリエ変換されて光記録媒体に照射される。そして、光記録媒体にはフーリエ変換像がホログラムとして記録される。高記録密度を実現するためには、多重度を大きく、１ページ当たりのデータ量（ページデータ量）を多くする必要がある。

しかしながら、多重度やページデータ量が増加すると、クロストークノイズや散乱などの影響が大きくなり、ホログラム再生像の信号対雑音比（ＳＮＲ）が大きく低下してしまう、という問題がある。

この問題を解決するために、本出願人は、２回の再生動作を行うことで、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから直流成分の有無によって２枚の再生像を撮像し、それらを比較することによって両者に共通のノイズを低減する方法を提案している（特許文献１）。

特開２００７−１７９５９７号公報

本発明は、上記発明の改良に関するものであり、本発明の目的は、１回の再生動作で、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、直流成分が含まれる画像と直流成分が含まれない画像の２枚の再生像を得ることができる、光再生装置及び光再生方法を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１に記載の光再生装置は、コヒーレント光を射出する光源と、２次元状に配列された複数の画素部で構成され且つ光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調して出力する空間光変調器と、空間光変調器で変調された光を光記録媒体に導く導光手段と、を含み、光記録媒体に対し信号光と参照光とを用いて記録されたフーリエ変換ホログラムに、空間光変調器で生成された参照光を読出し光として照射して、光記録媒体から信号光を再生する再生手段と、前記再生手段の信号光射出側に配置され、前記光記録媒体側から入射した信号光を二光波に分岐する分岐手段と、前記分岐手段で分岐された一方の分岐光の射出側に配置され、前記一方の分岐光を検出して、第１再生像を取得する第１画像取得手段と、前記分岐手段で分岐された他方の分岐光の射出側に配置され、前記他方の分岐光から直流成分を除去した光を検出して、第２再生像を取得する第２画像取得手段と、前記第１再生像と前記第２再生像とを用いて前記信号光に重畳されたデータを復号する復号手段と、を備えたことを特徴とする。

請求項２に記載の光再生装置は、請求項１に記載の光再生装置において、前記信号光の白率が０．５以上であることを特徴とする。

請求項３に記載の光再生装置は、請求項１又は２に記載の発明において、前記第２画像取得手段は、入射した光をフーリエ変換する第１レンズと、フーリエ変換像から直流成分を除去する除去手段と、入射した光を逆フーリエ変換する第２レンズと、を備え、前記第１レンズに入射した前記他方の分岐光をフーリエ変換してフーリエ変換像を生成し、前記除去手段により前記フーリエ変換像から直流成分を除去し、前記第２レンズに入射した光を逆フーリエ変換して、前記直流成分が除去された光を生成する、ことを特徴とする。

請求項４に記載の光再生装置は、請求項１〜３の何れか１項に記載の光再生装置において、前記再生手段において前記光源と前記空間光変調器との間に位相変調素子を更に配置すると共に、前記分岐手段の信号光入射側に前記位相変調素子と同じ位相変調素子を更に配置したことを特徴とする。

請求項５に記載の光再生装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載の発明において、前記フーリエ変換ホログラムが、信号光と参照光とを異なる方向から同時に光記録媒体に照射してホログラムを記録する二光束方式で記録された、ことを特徴とする。

請求項６に記載の光再生方法は、信号光と参照光とを用いて記録されたフーリエ変換ホログラムに、参照光を読出し光として照射して、光記録媒体から前記信号光を再生するステップと、前記光記録媒体から再生した信号光を二光波に分岐するステップと、分岐された一方の分岐光を検出して、第１再生像を取得するステップと、分岐された他方の分岐光から直流成分を除去した光を検出して、第２再生像を取得するステップと、を備えたことを特徴とする。

請求項７に記載の光再生方法は、請求項６に記載の光再生方法において、前記信号光の白率が０．５以上であることを特徴とする。

本発明の各請求項に係る発明は、各々以下の効果を有する。

請求項１に記載の発明によれば、１回だけの再生動作で、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、直流成分が含まれる画像と直流成分が含まれない画像の２枚の再生像を効率よく得ることができる、という効果がある。

請求項２に記載の発明によれば、２枚の画像の差分を取ったときに、ノイズカットだけではなく、オン画素とオフ画素の平均強度の差を大きくすることができる、即ち、コントラスト比が大きくなりＳＮＲが向上する、という効果がある。

請求項３に記載の発明によれば、再生された信号光に含まれる直流成分を簡単な装置で除去することができる、という効果がある。

請求項４に記載の発明によれば、記録時に位相変調素子により信号光に付加された波面の歪みが、同じ位相変調素子で相殺される、という効果がある。

請求項５に記載の発明によれば、同軸記録方式ではなく二光束方式で記録された１枚のフーリエ変換ホログラムからも、直流成分が含まれる画像と直流成分が含まれない画像の２枚の再生像を効率よく得ることができる、という効果がある。

請求項６に記載の発明によれば、１回だけの再生動作で、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、直流成分が含まれる画像と直流成分が含まれない画像の２枚の再生像を効率よく得ることができる、という効果がある。

請求項７に記載の発明によれば、２枚の画像の差分を取ったときに、ノイズカットだけではなく、オン画素とオフ画素の平均強度の差を大きくすることができる、即ち、コントラスト比が大きくなりＳＮＲが向上する、という効果がある。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

＜第１の実施の形態＞
（ホログラム記録再生装置）
図１は本発明の第１の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。このホログラム記録再生装置は、光軸を共通とする信号光と参照光とを、同じ方向から１光束の記録光として光記録媒体に照射する「同軸記録方式（コリニア方式）」のホログラム記録再生装置である。本実施の形態では、透過型の空間光変調器（ＳＬＭ：spatial light modulator）と透過型の光記録媒体とを用いる「同軸透過型」のホログラム記録再生装置について説明する。

ホログラム記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源１０が設けられている。光源１０としては、例えば、発振波長が５３２ｎｍの緑色レーザ光を発振するレーザ光源が用いられる。光源１０の光出射側には、光路に対し挿入又は退避（開閉）が可能なシャッター１２、直交する直線偏光成分間に１／２波長の光路差を与える１／２波長板１４、所定の偏光方向の光を通過させる偏光板１６、拡大・コリメート光学系であるビームエキスパンダ１８、及び反射ミラー２０が、光源１０の側から光路に沿ってこの順に配置されている。シャッター１２は、パーソナルコンピュータ等の制御装置（図示せず）に接続された駆動装置（図示せず）により駆動されて開閉する。

反射ミラー２０の光反射側には、画素毎に入射光を偏光変調する透過型の空間光変調器２２が配置されている。空間光変調器２２により偏光変調された入射光は、空間光変調器２２の出射側にある偏光素子（図示せず）により直線偏光（振幅分布）に変換されて出射される。透過型の空間光変調器２２としては、液晶等の電気光学変換材料の両面に透明電極を形成した液晶型の空間光変調器等を用いることができる。空間光変調器２２は、パターン発生器（図示せず）を介して制御装置（図示せず）に接続されている。

パターン発生器は、制御装置から供給されたデジタルデータを明暗画像で表して、空間光変調器２２に表示する信号光パターンを生成する。信号光パターンは、例えば、二値のデジタルデータ「０，１」が「暗（黒画素）、明（白画素）」で表現されたデジタルパターン等である。本実施の形態では、白率が０．５よりも大きな信号光パターンを用いる。「白率」とは、全体を１としたとき、デジタルパターンにおける白画素の比率である。本実施の形態では、「白率」は、信号光の直流成分比率である「ＤＣ率」と同義となる。白率が０．５で白画素と黒画素の比率が等しくなる。

空間光変調器２２には、信号光パターンの外に、参照光パターンも表示される。参照光パターンは、例えば、ランダムパターン等である。空間光変調器２２は、表示された信号光パターンや参照光パターンに応じて入射したレーザ光を変調して、信号光や参照光を生成する。空間光変調器２２は、生成した信号光や参照光を、後述するレンズ２４側に射出する。

図２（Ａ）は記録時に空間光変調器２２に表示する記録用パターンの一例を示す図である。図２（Ａ）に示すように、記録用パターン４８は、信号光を生成する信号光パターン４８Ｓと、参照光を生成するリング状の参照光パターン４８Ｒと、を含んで構成されている。信号光パターン４８Ｓは、空間光変調器２２の中央部分に表示される。参照光パターン４８Ｒは、この信号光パターン４８Ｓを取り囲むように、空間光変調器２２の周辺部分に表示される。

図２（Ｂ）は再生時に空間光変調器２２に表示する再生用パターンの一例を示す図である。図２（Ｂ）に示すように、再生用パターン５０は、記録用パターン４８に含まれていた、参照光を生成するリング状の参照光パターン４８Ｒで構成されている。即ち、再生時には、空間光変調器２２の表示面には参照光パターン４８Ｒだけが表示され、表示された参照光パターンに応じて入射したレーザ光が変調されて、参照光だけが生成される。

反射ミラー２０側から見て、空間光変調器２２の光透過側には、一対のレンズ２４、２８、及び入射した光をフーリエ変換して光記録媒体３２に集光するフーリエ変換レンズ３０が、空間光変調器２２側から光路に沿ってこの順に配置されている。レンズ２４とレンズ２８との間には、ビームウエスト近傍に、開口部（アパーチャ）２６Ａを備えた遮光板２６が配置されている。なお、遮光板２６は必須ではなく、適宜省略することができる。

フーリエ変換レンズ３０の光出射側には、光記録媒体３２を保持する保持ステージ（図示せず）が設けられている。保持ステージは、制御装置（図示せず）に接続された駆動装置（図示せず）により駆動されて、光軸方向又は光軸と垂直な面方向に移動する。光記録媒体３２は、光照射による屈折率変化によりホログラムを記録可能な光記録媒体である。このような光記録媒体３２としては、例えば、フォトポリマー材料、フォトリフラクティブ材料、銀塩感光材料等の記録材料を用いた光記録媒体が挙げられる。

光記録媒体３２の光透過側には、フーリエ変換レンズ３４、及び半分の光を透過させ且つ半分の光を反射するハーフミラー３６が、光記録媒体３２側から光路に沿ってこの順に配置されている。ハーフミラー３６が、レーザ光を分岐する「分岐手段」として機能する。なお、本実施の形態では、透過光強度と反射光強度とは等しいものとする。

フーリエ変換レンズ３４側から見て、ハーフミラー３６の光透過側には、センサアレイ３８が配置されている。一方、ハーフミラー３６の光反射側には、フーリエ変換レンズ４０、４４、及びセンサアレイ４６が、ハーフミラー３６側から光路に沿ってこの順に配置されている。センサアレイ４６は、フーリエ変換レンズ４４の焦平面（焦点面）に配置されている。

また、フーリエ変換レンズ４０と４４との間には、ビームウエスト近傍に、再生信号光のフーリエ変換像の直流成分を除去する除去部材４２が配置されている。除去部材４２としては、直流成分を選択的に反射する反射ミラー、直流成分を選択的に吸収する吸収部材等が用いられる。或いは、除去部材４２として、例えば、直流成分を選択的に減衰させるＮＤフィルタ等を用いることもできる。

センサアレイ３８、４６は、ＣＣＤやＣＭＯＳアレイ等の撮像素子で構成され、受光した再生光（回折光）を電気信号に変換して出力する。また、センサアレイ３８、４６は、制御装置（図示せず）に接続されている。センサアレイ３８、４６は、受光面に結像された再生像を撮像し、得られた画像データを制御装置（図示せず）に出力する。制御装置（図示せず）は、センサアレイ３８から得られた画像データと、センサアレイ４６から得られた画像データとに基づいて、信号光に重畳されたデジタルデータを復号する。

なお、図示はしないが、制御装置は、通常通り、制御及び各種演算を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、各種プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）、プログラムの実行時にワークエリアとして使用されるＲＡＭ（Random Access Memory）、各種データや各種プログラムを記憶するメモリ、マウスやキーボード等の入力装置、ディスプレイ等の出力装置、及び外部から各種情報を取得するための通信インタフェースなどを備えている。これら各部は互いにデータや信号の授受が行なえるようにバスにより接続されている。ＣＰＵは、各種プログラムをＲＯＭ又はメモリから読み出してＲＡＭにロードし、ＲＡＭをワークエリアとして使用して、入力装置及び出力装置を用いてユーザと対話をしながら、後述する復号処理など、各種の処理を実行する。

（ホログラムの記録動作）
次に、図１に示すホログラム記録再生装置の記録動作について簡単に説明する。
ホログラムを記録する場合には、シャッター１２を開いて、光源１０からレーザ光を照射する。同時に、制御装置からデジタルデータを所定のタイミングで出力して、空間光変調器２２に記録用パターン（図２（Ａ）参照）を表示する。本実施の形態では、白率が０．５よりも大きな信号光パターンを表示する。光源１０から発振されたレーザ光は、シャッター１２を通過し、１／２波長板１４と偏光板１６とにより光強度や偏光方向が調整される。偏光板１６を通過した光は、ビームエキスパンダ１８により大径の平行光に変換され、反射ミラー２０に照射される。

反射ミラー２０で反射された光は、空間光変調器２２に入射する。空間光変調器２２では、表示されたパターンに応じてレーザ光が偏光変調され、信号光と参照光とが生成される。空間光変調器２２で偏光変調され、偏光素子（図示せず）により直線偏光に変換された記録光は、レンズ２４で集光され、アパーチャ２６Ａを備えた遮光板２６に照射される。レンズ２４で集光された記録光は、不要な周波数成分が遮光板２６でカットされ、残部がアパーチャ２６Ａを通過する。アパーチャ２６Ａを通過した記録光は、レンズ２８により平行光に変換される。

レンズ２８により平行光に変換された記録光、即ち、信号光と参照光とは、フーリエ変換レンズ３０によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体３２に同時に且つ同軸で照射される。信号光と参照光とが集光される位置において、信号光と参照光とが干渉して形成された干渉縞が、光記録媒体３２にフーリエ変換ホログラムとして記録される。

（ホログラムの再生動作）
次に、図１に示すホログラム記録再生装置の再生動作について説明する。本実施の形態では、白率が０．５よりも大きな信号光パターンを用いて記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像の２枚の再生像を検出する。まず、光記録媒体３２に記録されたホログラムから信号光を再生する場合には、シャッター１２を開いて、光源１０からレーザ光を照射する。同時に、制御装置（図示せず）からデジタルデータを所定のタイミングで出力して、参照光だけが光記録媒体３２に照射されるように、空間光変調器２２に再生用パターン（図２（Ｂ）参照）を表示する。

光源１０から発振されたレーザ光は、記録の場合と同様にして、空間光変調器２２に入射する。空間光変調器２２では、表示されたパターンに応じてレーザ光が偏光変調され、参照光が生成される。空間光変調器２２で偏光変調され、偏光素子（図示せず）により直線偏光に変換されて生成された参照光は、レンズ２４で集光され、アパーチャ２６Ａを通過して、レンズ２８により平行光に変換される。レンズ２８により平行光に変換された参照光は、フーリエ変換レンズ３０によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体３２に照射される。即ち、光記録媒体３２には、参照光だけが読出し光として照射される。

光記録媒体３２に照射された参照光は、光記録媒体３２を透過するときに、ホログラムによって回折され、透過回折光（再生信号光）がレンズ３４側に射出される。光記録媒体３２から射出された再生信号光は、レンズ３４により逆フーリエ変換されて平行光とされ、ハーフミラー３６に入射する。ハーフミラー３６により、再生信号光の光路は２つに分岐される。

ハーフミラー３６を透過した再生信号光は、センサアレイ３８の表面に結像される。センサアレイ３８には、記録時に空間光変調器２２に表示した元の信号光パターン、即ち、元の信号光パターンのポジティブ画像（以下、「ポジ画像」という。）が結像される。センサアレイ３８が、この再生信号光を検出して、第１再生像（ポジ画像）が取得される。即ち、センサアレイ３８は、第１画像取得手段として機能する。

ハーフミラー３６で反射された再生信号光は、フーリエ変換レンズ４０によりフーリエ変換されて集光され、除去部材４２によりフーリエ変換像から直流成分が選択的に除去される。直流成分が除去された再生信号光は、フーリエ変換レンズ４４により逆フーリエ変換されて集光され、センサアレイ４６の表面に結像される。センサアレイ４６には、記録時に空間光変調器２２に表示した元の信号光パターンの反転パターン、即ち、元の信号光パターンのネガティブ画像（以下、「ネガ画像」という。）が結像される。センサアレイ４６が、この再生信号光を検出して、第２再生像（ネガ画像）が取得される。即ち、センサアレイ４６は、第２画像取得手段として機能する。

以上の通り、本実施の形態では、１回の再生動作で、１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジ画像とネガ画像の２枚の再生像が同時に検出される。以下で復号処理について説明するが、ポジ画像とネガ画像を一度に取得できるので、再生動作の開始からポジ画像とネガ画像とを用いてデジタルデータを復号するまでに要する時間が短くなる。即ち、再生時の転送速度が向上する。

なお、センサアレイ３８、４６は、検出した再生信号光を電気信号に変換して制御装置（図示せず）に出力する。即ち、センサアレイ３８は、検出されたアナログデータをＡ／Ｄ変換して、第１再生像の画像データを制御装置に出力する。センサアレイ４６は、検出されたアナログデータをＡ／Ｄ変換して、第２再生像の画像データを制御装置に出力する。第１再生像の画像データ、第２再生像の画像データは、制御装置のＲＡＭやメモリ等の記憶部に保持される。なお、センサアレイ３８、４６では、信号光データの１画素を複数の受光素子により受光する、オーバーサンプリングを実施することが好ましい。例えば、１ビットのデータを４個（２×２）の受光素子により受光する。

（ネガ画像生成の原理）
ここで、白率（ＤＣ率）が０．５よりも大きな信号光パターンを用いて記録されたフーリエ変換ホログラムからネガ画像が得られる理由を説明する。図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、再生信号光から直流成分を除去することは、再生された信号光に含まれる直流成分と同じ振幅の大きさ（絶対値）で位相がπだけ異なる直流成分（平面波）を干渉させた結果に等しい。このとき、直流成分は負の干渉によりなくなる。その結果、再生信号光の残された成分（高次成分）は、除去された直流成分の大きさだけ、振幅の大きさが変化することになる（図３では、縦軸方向にスライドする）。よって、元の明部は振幅の大きさが減少して暗くなり、元の暗部は振幅の大きさが増加するので結果として明るくなる。

図３（Ａ）に示すように、信号光の白率が０．５の場合には、再生された信号光（再生光）の直流成分を除去すると、直流成分で構成される平面波と同じ強度で位相差πの平面波とを干渉させた場合と同様に、干渉波のコントラストは０になる。これに対し、図３（Ｂ）に示すように、信号光の白率が０．５より大きく且つ１より小さい場合には、高次成分の暗部の振幅が明部の振幅より絶対値が大きくなる。干渉波の強度は、高次成分の振幅を二乗して得られる。従って、信号光の白率が０．５より大きく且つ１より小さい場合には、再生された信号光（再生光）の直流成分を除去すると、信号光の暗部が明部に反転した反転画像（ネガ画像）が得られる。

以上説明したネガ画像生成の原理から分かるように、信号光の白率が大きい方が、反転画像（ネガ画像）のＳＮＲが大きくなる。従って、白率は０．５以上が好ましく、白率は０．５より大きい方がより好ましく、白率は０．６以上が更に好ましい。一方、白率が１に近づき過ぎると、低周波成分が多くなり、レンズの収差などがあると、除去部材４２で直流成分のみを適切に除去することが困難になる可能性があるので、白率の上限は０．９とするのが好ましい。

（データの復号処理）
次に、第１再生像、第２再生像の画像データから、再生信号光に重畳されたデジタルデータを復号する「復号処理」について説明する。この処理は、図示しない制御装置によって実行される。上述した通り、制御装置には、第１再生像の画像データと第２再生像の画像データとが入力されて、保持されている。これら２つの画像データを用いて、信号光パターンの各画素について輝度の差分を演算する。差分を演算することで、両画像データに共通するノイズが相殺される。演算された差分値（正負）により、各画素の符号が正確に判定され、元のデジタルデータが高いＳＮＲで復号される。また、元のデジタルデータが高いＳＮＲで復号されると、ビットエラーレート（ＢＥＲ）は低下する。

例えば、二値のデジタルデータ「１、０」が「明、暗」で表現された信号光パターンである場合に、第１再生像（ポジ画像）の画像データから第２再生像（ネガ画像）の画像データを減算処理して、信号光パターン（明暗画像）の各画素について輝度の差分を演算する。第２再生像（ネガ画像）は、元の明暗画像の反転画像であり、元の明暗画像の明部は暗く、暗部は明るくなっている。従って、第１再生像（ポジ画像）の輝度から第２再生像（ネガ画像）の輝度を減じたときの差分値は、元の明暗画像の明部では正となり、元の明暗画像の暗部では負となる。演算された差分値の符号「正、負」を「１、０」として復号すると、元のデジタルデータを高いＳＮＲで復号することができる。

また、第１再生像（ポジ画像）の画像データから第２再生像（ネガ画像）の画像データを減算処理して第３再生像（ポジ画像）を生成し、この第３再生像を用いて復号処理を行うこともできる。演算された差分値の符号「正、負」を「明、暗」として、第３再生像（ポジ画像）を生成すると、減算処理して得られた第３再生像では、第１再生像、第２再生像の各々よりもコントラストが強調されることになる。この第３再生像（ポジ画像）を用いれば、元のデジタルデータを高いＳＮＲで復号することができる。

また、上記の例では、第１再生像（ポジ画像）の画像データから第２再生像（ネガ画像）の画像データを減算処理する例について説明したが、それとは逆に、第２再生像（ネガ画像）の画像データから第１再生像（ポジ画像）の画像データを減算処理して、輝度の差分値を演算することもできる。輝度の差分値は、元の明暗画像の明部では負となり、元の明暗画像の暗部では正となる。演算された差分値の符号「正、負」を「０、１」として復号すると、元のデジタルデータを高いＳＮＲで復号することができる。或いは、演算された差分値の符号「正、負」を「暗、明」として第３再生像（ポジ画像）を生成し、第３再生像を用いて、元のデジタルデータを高いＳＮＲで復号することができる。

また、上述したオーバーサンプリングを実施している場合には、信号光用データの１つの画素がセンサアレイの複数画素（複数の受光素子）に対応しているので、信号光用データの１画素毎に輝度の差分値を演算する。即ち、対応するセンサアレイの複数画素について、輝度の差分値の平均値を演算する。

＜第２の実施の形態＞
図４は本発明の第２の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。このホログラム記録再生装置は、２つの位相変調素子と複数のレンズが追加されている以外は、第１の実施の形態に係るホログラム記録再生装置と同じ構成であるため、同じ構成部分には同じ符号を付して説明を省略する。

このホログラム記録再生装置では、反射ミラー２０と空間光変調器２２との間に、ランダム位相を付与する位相マスク等の位相変調素子５４、レンズ５６、及びレンズ５８が、反射ミラー２０側から光路に沿ってこの順に配置されている。また、フーリエ変換レンズ３４とハーフミラー３６との間には、位相変調素子５４と同じ構成の位相変調素子６０、レンズ６２、及びレンズ６４が、フーリエ変換レンズ３４側から光路に沿ってこの順に配置されている。

ホログラムの記録時には、反射ミラー２０で反射された光は、位相変調素子５４を通過して位相変調され、レンズ５６、５８でリレーされて、空間光変調器２２に入射する。空間光変調器２２では、表示されたパターンに応じてレーザ光が偏光変調され、信号光と参照光とが生成される。位相変調素子５４による位相変調によって、信号光と参照光との重なりを改善すると共に、記録光の光強度分布が均一化されるため、光記録媒体のダイナミックレンジを有効に使用することができる。

ホログラムの再生時には、光記録媒体３２から射出された再生信号光は、レンズ３４により逆フーリエ変換されて平行光とされ、位相変調素子６０に入射する。位相変調素子６０は、位相変調素子５４と同じ構成であり、記録時に位相変調素子５４により信号光に付加されたランダム性（波面の歪み）が、同じ構成の位相変調素子６０により相殺される。位相変調素子６０を通過した再生信号光は、レンズ６２、６４でリレーされて、ハーフミラー３６に入射する。ハーフミラー３６を透過した再生信号光は、センサアレイ３８で検出されて、第１再生像（ポジ画像）が取得される。

また、ハーフミラー３６で反射された再生信号光は、フーリエ変換レンズ４０によりフーリエ変換されて集光され、除去部材４２によりフーリエ変換像から直流成分が選択的に除去される。直流成分が除去された再生信号光は、フーリエ変換レンズ４４により逆フーリエ変換されて集光される。集光された再生信号光は、センサアレイ４６で検出されて、第２再生像（ネガ画像）が取得される。

図示しない制御装置には、センサアレイ３８から第１再生像の画像データが入力されると共に、センサアレイ４６から第２再生像の画像データが入力される。図示しない制御装置では、第１の実施の形態と同様にして、第１再生像の画像データと第２再生像の画像データの２つの画像データを用いて、信号光パターンの各画素について輝度の差分が演算される。差分を演算することで、両画像データに共通するノイズが相殺される。演算された差分値（正負）により、各画素の符号が正確に判定され、元のデジタルデータが高いＳＮＲで復号される。

＜第３の実施の形態＞
（ホログラム記録再生装置）
図５は本発明の第３の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。このホログラム記録再生装置は、信号光と参照光とを異なる方向から２光束の記録光として光記録媒体に照射する「二光束記録方式（off-axis系）」のホログラム記録再生装置である。off-axis系であれば、任意の多重方式を利用できる。例えば、角度多重、シフト多重、波長多重、Peristrophic多重、位相コード多重などを利用することができる。本実施の形態では、透過型の空間光変調器（ＳＬＭ：spatial light modulator）と透過型の光記録媒体とを用いる「二光束記録方式」のホログラム記録再生装置について説明する。

ホログラム記録再生装置には、レーザ光を発振する光源７０が設けられている。光源７０の光出射側には、１／２波長板７２、偏光板７４、及び偏光ビームスプリッタ７６が、光源７０の側から光路に沿ってこの順に配置されている。偏光ビームスプリッタ７６の光透過側には、開閉が可能なシャッター７８、ビームエキスパンダ８０、透過型の空間光変調器８２、レンズ８４、アパーチャ８６Ａを備えた遮光板８６、レンズ８８、及びフーリエ変換レンズ９０が、偏光ビームスプリッタ７６の側から光路に沿ってこの順に配置されている。フーリエ変換レンズ９０は、入射された光をフーリエ変換して、光記録媒体９２に集光する。

シャッター７８は、制御装置（図示せず）に接続された駆動装置（図示せず）により駆動されて開閉する。透過型の空間光変調器８２としては、液晶型の空間光変調器等を用いることができる。空間光変調器８２は、パターン発生器（図示せず）を介して制御装置（図示せず）に接続されている。パターン発生器は、制御装置から供給されたデジタルデータを明暗画像で表して、空間光変調器８２に表示する信号光パターンを生成する。本実施の形態では、第１の実施の形態と同様に、白率が０．５よりも大きな信号光パターンを用いる。

図６は記録時に空間光変調器８２に表示する記録用パターンの一例を示す図である。図６に示すように、記録用パターン１１４は、信号光を生成する信号光パターンのみから構成されている。即ち、記録時には、空間光変調器８２の表示面には信号光パターン１１４だけが表示され、表示されたパターンに応じて入射したレーザ光が変調されて、信号光だけが生成される。

偏光ビームスプリッタ７６の光反射側には、反射ミラー９４が配置されている。反射ミラー９４の光反射側には、ビームエキスパンダ９６、及び入射された光を光記録媒体９２側に反射する反射ミラー９８が、反射ミラー９４側から光路に沿ってこの順に配置されている。

フーリエ変換レンズ９０の光出射側には、光記録媒体９２を保持する保持ステージ（図示せず）が設けられている。保持ステージは、制御装置（図示せず）に接続された駆動装置（図示せず）により駆動されている。光記録媒体９２は、光照射による屈折率変化によりホログラムを記録可能な光記録媒体である。例えば、フォトポリマー材料を用いた光記録媒体が挙げられる。

光記録媒体９２の光透過側には、フーリエ変換レンズ１００、及び半分の光を透過させ且つ半分の光を反射するハーフミラー１０２が、光記録媒体９２側から光路に沿ってこの順に配置されている。ハーフミラー１０２が、レーザ光を分岐する「分岐手段」として機能する。なお、本実施の形態では、透過光強度と反射光強度とは等しいものとする。

フーリエ変換レンズ１００側から見て、ハーフミラー１０２の光透過側には、センサアレイ１０４が配置されている。また、センサアレイ１０４は、制御装置（図示せず）に接続されている。センサアレイ１０４は、受光面に結像された再生像を撮像し、得られた画像データを制御装置（図示せず）に出力する。

一方、ハーフミラー１０２の光反射側には、フーリエ変換レンズ１０６、１１０、及びセンサアレイ１１２が、ハーフミラー１０２側から、光路に沿ってこの順に配置されている。センサアレイ１１２は、フーリエ変換レンズ１１０の焦平面（焦点面）に配置されている。また、フーリエ変換レンズ１０６と１１０との間には、ビームウエスト近傍に、再生信号光のフーリエ変換像の直流成分を除去する除去部材１０８が配置されている。

（ホログラムの記録動作）
次に、図５に示すホログラム記録再生装置の記録動作について簡単に説明する。
ホログラムを記録する場合には、シャッター７８を開いて、光源７０からレーザ光を照射する。同時に、制御装置からデジタルデータを所定のタイミングで出力して、空間光変調器８２に記録用パターン（図６参照）を表示する。本実施の形態では、白率が０．５よりも大きな信号光パターンを表示する。光源７０から発振されたレーザ光は、１／２波長板７２と偏光板７４とにより光強度や偏光方向が調整されて、偏光ビームスプリッタ７６に入射する。

偏光ビームスプリッタ７６を透過した光は、シャッター７８を通過し、ビームエキスパンダ８０により大径の平行光に変換され、空間光変調器８２に照射される。空間光変調器８２では、表示されたパターンに応じてレーザ光が偏光変調され、信号光が生成される。空間光変調器８２で偏光変調された信号光は、レンズ８４で集光され、アパーチャ８６Ａを備えた遮光板８６に照射される。レンズ８４で集光された記録光は、不要な周波数成分が遮光板８６でカットされ、残部がアパーチャ８６Ａを通過する。アパーチャ８６Ａを通過した信号光は、レンズ８８により平行光に変換される。レンズ８８により平行光に変換された信号光は、フーリエ変換レンズ９０によりフーリエ変換されて集光され、光記録媒体９２に照射される。

偏光ビームスプリッタ７６で反射された光は、反射ミラー９４に照射される。反射ミラー９４に照射された光は、反射ミラー９４で反射されて、光路が９０°折り曲げられる。光路が折り曲げられた光は、ビームエキスパンダ９６に入射して、大径の平行光に変換され、反射ミラー９８に照射される。反射ミラー９８に照射された光は、反射ミラー９８により光記録媒体９２の方向に反射されて、光記録媒体９２の信号光が照射される位置に、参照光として照射される。信号光と参照光とが照射される位置において、信号光と参照光とが干渉して形成された干渉縞が、光記録媒体９２にフーリエ変換ホログラムとして記録される。

（ホログラムの再生動作）
次に、図５に示すホログラム記録再生装置の再生動作について説明する。本実施の形態では、白率が０．５よりも大きな信号光パターンを用いて記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、ポジティブ画像とネガティブ画像の２枚の再生像を検出する。まず、光記録媒体９２に記録されたホログラムから信号光を再生する場合には、参照光だけが光記録媒体９２に照射されるように、シャッター７８を閉じて、光源７０からレーザ光を照射する。

光源７０から発振されたレーザ光は、記録の場合と同様にして、１／２波長板７２と偏光板７４とにより光強度や偏光方向が調整されて、偏光ビームスプリッタ７６に入射する。偏光ビームスプリッタ７６を透過した光は、シャッター７８で遮断される。一方、偏光ビームスプリッタ７６で反射された光は、反射ミラー９４で反射され、ビームエキスパンダ９６で大径の平行光に変換され、反射ミラー９８で光記録媒体９２の方向に反射されて、光記録媒体９２のホログラムが記録された領域に、読出し用の参照光として照射される。即ち、光記録媒体９２には、参照光だけが読出し光として照射される。

光記録媒体９２に照射された参照光は、光記録媒体９２を透過するときに、ホログラムによって回折され、透過回折光（再生信号光）がレンズ１００側に射出される。光記録媒体９２から射出された再生信号光は、レンズ１００により平行光とされ、ハーフミラー１０２に入射する。ハーフミラー１０２を透過した再生信号光は、センサアレイ１０４により検出されて、第１再生像（ポジ画像）が取得される。

ハーフミラー１０２で反射された再生信号光は、フーリエ変換レンズ１０６によりフーリエ変換されて集光され、除去部材１０８によりフーリエ変換像から直流成分が選択的に除去される。直流成分が除去された再生信号光は、フーリエ変換レンズ１１０により逆フーリエ変換されて集光され、センサアレイ１１２により検出されて、第２再生像（ネガ画像）が取得される。

図示しない制御装置には、センサアレイ１０４から第１再生像の画像データが入力されると共に、センサアレイ１１２から第２再生像の画像データが入力される。図示しない制御装置では、第１の実施の形態と同様にして、第１再生像の画像データと第２再生像の画像データの２つの画像データを用いて、信号光パターンの各画素について輝度の差分が演算される。差分を演算することで、両画像データに共通するノイズが相殺される。演算された差分値（正負）により、各画素の符号が正確に判定され、元のデジタルデータが高いＳＮＲで復号される。

なお、上記の実施の形態では、信号光パターンの白率が０．５より大きい場合について説明したが、信号光パターンの白率（ＤＣ率）の値に拘らず、記録された１枚のフーリエ変換ホログラムから、直流成分が含まれる画像と直流成分が含まれない画像の２枚の再生像を得ることができる。また、図７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、白率＝０．５の場合、１＞白率＞０．５の場合、０．５＞白率＞０の場合にも、減算処理や差分演算により、それらを比較することで両者に共通のノイズを低減して、元のデジタルデータを復号することができる。なお、差分演算ではマイナスの符号も考慮して復号処理を実施するが、減算処理の場合はプラスの値のみを使用して復号処理を実施する。

ここで「ＳＮＲ」は、ＳＮＲ＝（オン画素とオフ画素の平均強度の差）／（オン画素やオフ画素の強度分布の広がり、ばらつき）と定義される。図７（Ａ）〜（Ｃ）を比較すると分かるように、白率が０．５より大きい場合には、上述のように直流成分を付与したときにネガ画像が得られ、ポジ画像との差分をとることで、ノイズカットだけではなく、オン画素とオフ画素の平均強度の差を大きくすることができる、即ち、コントラスト比が大きくなりＳＮＲが向上する。従って、ＳＮＲ向上の観点からは、白率が０．５以上の信号光パターンを用いることが好ましく、白率が０．５より大きい信号光パターンを用いることがより好ましい。

本発明の第１の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。 （Ａ）は記録時に空間光変調器に表示する記録用パターンの一例を示す図である。（Ｂ）は再生時に空間光変調器に表示する再生用パターンの一例を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は白率が高い信号光パターンを用いて記録されたフーリエ変換ホログラムからネガ画像が得られる理由を説明する図である。 本発明の第２の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。 記録時に空間光変調器に表示する記録用パターンの一例を示す図である。 信号光パターンの白率の値に拘らず２枚の再生像から元のデジタルデータが復号される理由を説明する図である。

符号の説明

１０ 光源
１２ シャッター
１４ １／２波長板
１６ 偏光板
１８ ビームエキスパンダ
２０ 反射ミラー
２２ 空間光変調器
２４ レンズ
２６ 遮光板
２６Ａ アパーチャ
２８ レンズ
３０ フーリエ変換レンズ
３２ 光記録媒体
３４ フーリエ変換レンズ
３６ ハーフミラー
３８ センサアレイ
４０ フーリエ変換レンズ
４２ 除去部材
４４ フーリエ変換レンズ
４６ センサアレイ
４８ 記録用パターン
４８Ｒ 参照光パターン
４８Ｓ 信号光パターン
５０ 再生用パターン
５４ 位相変調素子
５６ レンズ
５８ レンズ
６０ 位相変調素子
６２ レンズ
６４ レンズ
７０ 光源
７２ １／２波長板
７４ 偏光板
７６ 偏光ビームスプリッタ
７８ シャッター
８０ ビームエキスパンダ
８２ 空間光変調器
８４ レンズ
８６ 遮光板
８６Ａ アパーチャ
８８ レンズ
９０ フーリエ変換レンズ
９２ 光記録媒体
９４ 反射ミラー
９６ ビームエキスパンダ
９８ 反射ミラー
１００ フーリエ変換レンズ
１０２ ハーフミラー
１０４ センサアレイ
１０６ フーリエ変換レンズ
１０８ 除去部材
１１０ フーリエ変換レンズ
１１２ センサアレイ
１１４ 記録用パターン（信号光パターン）

Claims (6)

1. コヒーレント光を射出する光源と、２次元状に配列された複数の画素部で構成され且つ光源から入射した光を表示パターンに応じて画素毎に変調して出力する空間光変調器と、空間光変調器で変調された光を光記録媒体に導く導光手段と、を含み、光記録媒体に対し信号光と参照光とを用いて記録されたフーリエ変換ホログラムに、空間光変調器で生成された参照光を読出し光として照射して、光記録媒体から信号光を再生する再生手段と、
   前記再生手段の信号光射出側に配置され、前記光記録媒体側から入射した信号光を二光波に分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段で分岐された一方の分岐光の射出側に配置され、前記一方の分岐光を検出して、第１再生像を取得する第１画像取得手段と、
   前記分岐手段で分岐された他方の分岐光の射出側に配置され、前記他方の分岐光から直流成分を除去した光を検出して、第２再生像を取得する第２画像取得手段と、
   前記第１再生像と前記第２再生像とを用いて前記信号光に重畳されたデータを復号する復号手段と、
   を備えたことを特徴とする光再生装置。
2. 前記信号光の白率が０．５以上であることを特徴とする請求項１に記載の光再生装置。
3. 前記第２画像取得手段は、入射した光をフーリエ変換する第１レンズと、フーリエ変換像から直流成分を除去する除去手段と、入射した光を逆フーリエ変換する第２レンズと、を備え、
   前記第１レンズに入射した前記他方の分岐光をフーリエ変換してフーリエ変換像を生成し、前記除去手段により前記フーリエ変換像から直流成分を除去し、前記第２レンズに入射した光を逆フーリエ変換して、前記直流成分が除去された光を生成する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光再生装置。
4. 前記再生手段において前記光源と前記空間光変調器との間に位相変調素子を更に配置すると共に、前記分岐手段の信号光入射側に前記位相変調素子と同じ位相変調素子を更に配置したことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光再生装置。
5. 前記フーリエ変換ホログラムが、信号光と参照光とを異なる方向から同時に光記録媒体に照射してホログラムを記録する二光束方式で記録された、ことを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の光再生装置。
6. 信号光と参照光とを用いて記録されたフーリエ変換ホログラムに、参照光を読出し光として照射して、光記録媒体から前記信号光を再生するステップと、
   前記光記録媒体から再生した信号光を二光波に分岐するステップと、
   分岐された一方の分岐光を検出して、第１再生像を取得するステップと、
   分岐された他方の分岐光から直流成分を除去した光を検出して、第２再生像を取得するステップと、
   を備えたことを特徴とする光再生方法。

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