JP4591447B2 - 高データ密度ボルメトリック・ホログラフィック・データ・ストレージの方法およびシステム - Google Patents

Description

本発明は、厚さ１から３ｍｍ、直径１２０ｍｍのディスクを使用して２００から８００ギガバイトの容量を達成できるデータ格納（データ・ストレージ）に使用するのに好適な新しい種類のホログラフィック・データ・ストレージ・システムを説明する。本明細書に提示されているシステムは、三次元多層ホログラフィック・データ・ストレージを使用することにより大容量を提供する。並列読み取りおよびディスク・フォーマットにより高速な読み取りが可能になる。システム内のさまざまな層のアドレス指定は、読み取られたがアドレス指定されていないホログラムを同時に除去する共焦点光学系の配置によって実行される。アドレス指定されたホログラムおよび空間フィルタは、共焦点光学系内に配置される。

現在利用可能な各種のデータ・ストレージを比較した場合、ＣＤおよびＤＶＤを使用するデータ・ストレージの分野では、実現可能な方法の１つは波長の引き下げであり、これはＵＶスペクトルに向かうトレンドを伴うといえる。しかし、この場合、照度、マッピング、および検出の可能性に関してさまざまな問題が生じる。他の有望な解決手段を提供するものとして、三次元空間データ・ストレージがある。

空間データ・ストレージにおいても、特許および論文は、さらに２つの可能性を取り扱っている。空間データ・ストレージの可能性の１つは、上述のビット指向のシステムを三次元に一般化することを含む。システムの重要な問題、すなわち、散乱によるノイズは、いわゆる共焦点フィルタを使用することにより抑制される。しかし、ノイズ抑制は、層の数に左右される。実際には、２層システムが普及している。実験室レベルでは、約１０層までのシステムがテストされている。ノイズが発生しうることに加えて、他の問題も考慮すべきであり、そのうち最も重要なものは、ビッド指向の多層ディスクの場合に、三次元サーボ・システムが開発されなければならないことである。

長い間調べられてきた空間光ストレージの他の解決方法は、厚いストレージ材料内に多重化ホログラムを定着させることである。多重化を使用するうえでの主要な問題点は、一定のサイズ、高精度のドライブ、および高価な光学素子とともに大きなＭ＃数のホログラフィ材料を必要とすることである。本明細書で説明されているシステムは、その有利性を大いに高め、問題を緩和する、本明細書で言及されている２つのシステム、つまり、デジタル多層システムおよび多重化された厚いホログラフィック・データ・ストレージ・システムを組み合わせる。この解決方法の本質は、データは、個別の、またはフーリエ・ホログラムの形で積層構造内に格納され、共焦点配置を使用することによりアドレス指定されることである。さらに、共焦点配置を使用することで、アドレス指定されていないが、同じ基準を使用して読み取られるホログラムを除去することができる。基本的に、これは、厳密に不変なサイズの材料を必要とせず、より単純なサーボ・システムを必要とする。

米国特許第５２８９４０７号では、感光性高分子内にデータ・ビットを書き込み、そこから読み出す、光データ・ストレージに使用されるのに好適な共焦点顕微鏡ベース三次元多層システムを説明している。基本的に、このシステムは、アドレス指定されたビットを読み出すために共焦点フィルタ処理の原理を使用する。われわれにより開発されたシステムの本質的な違いは、単一ビットをアドレス指定する代わりに、数十または数百のビットを含むマイクロホログラムをアドレス指定するという点にある。この種のシステムと比較した場合、同じデータ密度を仮定すると、多層薄ホログラムへの書き込みには、１桁劣ったサーボ・システムで済み、実際、ホログラムのサイズは、格納されているビットのサイズよりも１桁大きいことが明らかに言える。参照されている文献で説明されているシステムでは、サーボ・システムに±０．１μｍの精度要件を設定しているが、本明細書で説明されているシステムは、フーリエ型ホログラムのため、±１μｍの精度のサーボ・システムを必要とする。また、本明細書で提案されているシステムでは、書き込みおよび読み出しは、並列アクセスの結果、高速化されている。

米国特許第６２１２１４８号によれば、デジタル・データ・ビットのストレージは、事前形成反射ホログラムに組み入れられている。事前に書き込まれたホログラムは、非線形感光性材料内に埋め込まれる。データ・ビットの書き込み時には、事前書き込みホログラムの反射は、非線形材料の吸収の結果として、書き込みレーザー光線の焦点の微小範囲内で、縮小されたり中断されたりし、それによって書き込まれたビットを記憶する。読み取り時には、アドレス指定された範囲の反射の変化により、情報が伝達される。正確な読み取りの前提条件は、事前に書き込まれた厚いホログラムのグリッド・システムが、読み取り信号の波面によく適合されていること、つまり、ブラッグの条件式が読み取り時に高い精度で満たされていることである。多層マイクロホログラム型ストレージでは、同じ容量の場合に、サーボ・システムに設定される要件は緩和されると主張することもできる。書き込みと読み取りは、両方とも、米国特許第６２１２１４８号のシリアル・システムの書き込みおよび読み取りでもある。

米国特許出願公開第２００２／００１５３７６（Ａ１）号明細書では、マイクロホログラムの書き込みおよび読み取りに使用するのに好適なものとなるように現在のＣＤ技術を改良する解決方法を提示している。ディスクに応用され、ホログラフィック・ストレージに好適な材料は、ホログラフィ法で書き込まれるビットを格納するために使用される。それぞれのホログラムは、単一ビットを格納し、既存のＣＤ／ＤＶＤ技術で問題なく応用することが可能である。アドレス指定されたビットを読み取るときに現れる干渉を低減するために、この特許では、ホログラム・サイズの空間フィルタの適用について説明する。層間のアドレス指定は、レンズの適切なペアを移動することにより実行される。したがって、本質的に、この特許では、既存のビット指向データ・ストレージをホログラフィック基本グリッドで置き換え、これらはすべて、既存ＣＤ／ＤＶＤ技術に基づく。本発明と米国特許出願公開第２００２／００１５３７６（Ａ１）号明細書とを比較した場合、基本的に２つの本質的違いが存在する。一つには、本発明は、複数のビットを１つのホログラム内に書き込み、並列データ・フローを可能にし、必要なサーボ・システムを簡素化することを提案する。もう一つには、米国特許出願公開第２００２／００１５３７６（Ａ１）号明細書で使用される共焦点フィルタは、個々のホログラム間の干渉を低減するだけであり、それを除去するわけではなく、このため、同じ基準を使用することにより照射を受けるマイクロホログラムの最大数が制限される。本発明による解決方法によれば、幾何光学的意味で、個々のマイクロホログラムの間に干渉はない。

国際公開第０２／２１５３５号パンフレットでは、空間ホログラムを２次元に配置するホログラフィック・データ・ストレージ・システムを提示している。ホログラムの間の干渉は、適切に選択されたパラメータのガウス・ビームを使用することにより除去することができる。ホログラムのサイズは、ガウス・ビームの首(neck)のサイズを設定することにより調整することができる。ホログラムは、基準ビームにより決定される空間内に設置されるが、隣接ホログラムは、基準ビームに対して対象ビームの強度が低いため、かなりの程度、消去されることに失敗する。共焦点配置は、対象ビームと基準ビームの両方の焦点面が一致することを意味する。本特許では、基準ビームの波面および空間ホログラムを重視しており、共焦点配置が、読み取られたがアドレス指定されていないホログラムのアドレス指定されたものからの分離を目的としている薄い多層ストレージ層を使用するホログラフィック・システムとは対照的である。国際公開第０２／２１５３５号パンフレットでは、共焦点フィルタ処理の原理は使用されておらず、すなわち、システムは、読み取られたがアドレス指定されていないホログラムから出てくる光を透過しない適切に定義された開口を含むことができない。

「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｍｏｒｙ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １５，１９９９／Ｖｏｌ．２４．Ｎｏ．４）という表題の論文では、仮想多層構造を確立するために使用するのに適している、体積ホログラフィック・システムを説明している。ホログラフィック・システムは、基準ビーム内に配置されたディフューザを通じてアクセス可能な、空間基準ビームに依存している。データの格納に使用されるマイクロホログラムは、空間的に分離されて層を形成する。拡散基準は、同時により多くのホログラムに到達するが、そのうちの１つ、つまり、基準ビームの書き込みと読み取りとの間の高い相関を持つもののみが読み取られる。提示されている計算から、横方向および縦方向の選択性の両方が、ホログラムを３Ｄにするのに十分であることを実証していることがわかる。まとめると、使用される特別基準では、マイクロホログラムを仮想層に配列することができ、そのため、単純な方法でのアドレス指定の可能性、高いデータ密度および単純な読み取りが保証されるようになると言える。適切な相関を確実にするには、この場合であっても非常に正確なサーボ・システムを必要とする。

「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ３−Ｄ ｍｅｍｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｖｅｃｔｏｒｉａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ」（ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１８５３，１９９３）という表題の論文では、偏光ホログラフィに基づく多層ホログラフィック・システムを説明している。掲示されているホログラフィック層構造は、三重層内で周期的に繰り返されるＰｏｃｋｅｌｓセル、記憶媒体、および偏光器で形成される。個々の層のアドレス指定は、Ｐｏｃｋｅｌｓセルおよび偏光器を使用することにより取得することができる適切な偏光状態を設定することに基づく。上述のシステムの基盤となる偏光ホログラムでは、可能な最高の回折効率を保証し、したがって、高い信号対雑音比も保証する。メモリ層間の干渉が無視できるくらい小さいことは有利であり、実際、偏光状態により、ただ１つの単一層を選択できる。説明されているシステムは、フーリエ・ホログラムが備える利点を有し、実際、ホログラムのオフセット不変性によって、正確な焦点およびトラック・サーボを使用する必要はない。しかし、掲示されている解決方法では、比較的堅牢な層を拡大するときにデータ層の調整誤りにより生じる誤差およびサイズ増大により生じる問題の処理、および比較的複雑な層構造を製造する可能性に対処することができない。

米国特許第６０２０９８５号（「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｍｉｃｒｏｈｏｌｏｇｒａｍ ｓｔｏｒａｇｅ ｉｎ ｔａｐｅ ｍｅｄｉａ」）では、デジタル・データ・ビットが反射マイクロホログラムの形で格納される多層光データ・ストレージ・システムを説明している。サーボ・システムにより制御される反射ホログラムは、基準ビームが対象に当たったときに生成される。さまざまな厚さの層内に出現する球面収差は、特別な光学系のペアにより補正される。複数のトラックをまとめて読み取る相互インコヒーレント・レーザーにより高いデータ転送速度を達成できる。この解決方法は、さらに、サーボ・システムに対し厳しい要件を課す。

米国特許第５２８９４０７号で説明されているシステムでは、サーボ・システムに±０．１μｍの精度要件を設定している。米国特許出願公開第２００２／００１５３７６（Ａ１）号明細書で使用される共焦点フィルタは、個々のホログラム間の干渉を低減するだけであり、それを除去するわけではなく、このため、同じ基準を使用することにより照射を受けるマイクロホログラムの最大数が制限される。国際公開第０２／２１５３５号パンフレットでは、共焦点フィルタ処理の原理は使用されておらず、すなわち、システムは、読み取られたがアドレス指定されていないホログラムから出てくる光を透過しない適切に定義された開口を含むことができない。「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ｖｏｌｕｍｅ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｍｏｒｙ」（Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｆｅｂｒｕａｒｙ １５，１９９９／Ｖｏｌ．２４．Ｎｏ．４）という表題の論文においては、適切な相関を確実にするには、この場合であっても非常に正確なサーボ・システムを必要とする。「Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ ３−Ｄ ｍｅｍｏｒｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａ ｖｅｃｔｏｒｉａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｍｅｄｉｕｍ」（ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１８５３，１９９３）という表題の論文においては、比較的堅牢な層を拡大するときにデータ層の調整誤りにより生じる誤差およびサイズ増大により生じる問題の処理、および比較的複雑な層構造を製造する可能性に対処することができない。米国特許第６０２０９８５号においては、サーボ・システムに対し厳しい要件を課す。

データ・キャリアは、厚さ１から３ｍｍの積層または均質な感光ストレージ材料と適切な機械強度を保証するための厚さ０．０５から１ｍｍの支持および／または被覆層とからなる。データ・キャリアは、透明であるか、または反射する材質である。反射型データ・キャリアの場合、反射層は、ストレージ層と支持層との間の境界面に配列される。

積層ストレージ材料の場合、使用される層の数に応じて、１０から５００μｍの厚さのスペーサ層が１から１００μｍの厚さのストレージ層の間に配置される。均質ストレージ材料の場合、互いの下に書き込まれたホログラム（層）間の距離は、１０から５００μｍである。他の実施形態では、積層または均質感光ストレージ層が、データ・キャリアの両面に配列される。このような場合、支持層の両面は、反射設計である。０．５から１ｍｍの厚さの２つの感光層は、独立しており、光は反射層を通過しない。両面ディスクの容量は、片面ディスクの容量の２倍多い。データ・キャリアの形式は、ディスク、カード、またはテープがある。

光学系の中心素子は、書き込み／読み取りフーリエ対物レンズである。対象および基準ビームは、それぞれ、互いの下に置かれている層の読み書きの時に、書き込み対物レンズからデータ・キャリアまでおよびデータ・キャリアから読み取り対物レンズまでの間の距離が非常に異なるので、書き込み／読み取りフーリエ対物レンズは、アドレス指定された層の深さ、および／またはさまざまな光学的特性に応じたサイズおよび／または厚さの非対称補正プレートを備え、光経路の異なる長さを補正しなければならない。補正プレートは、書き込み／読み取りフーリエ対物レンズの前、および／またはデータ・キャリアと対物レンズとの間、またはさらには対物レンズ自体の中に配置される。層の深さに応じた特性（形状、厚さなど）の補正プレートを使用すると、層を互いに独立にアドレス指定することができる。

共焦点配置を使用することで、アドレス指定されていないが、同じ基準を使用して読み取られるホログラムを除去することができる。基本的に、これは、厳密に不変なサイズの材料を必要とせず、より単純なサーボ・システムを必要とする。また、本発明による解決方法によれば、幾何光学的意味で、個々のマイクロホログラムの間に干渉はない。

図１に示されている光学系は、４つの異なる対物レンズからなる、複合８ｆ光学系である。それぞれの対物レンズの要素は、便宜上同一のものとしてよい。第１のフーリエ対物レンズ１３は、対象（ＳＬＭ）のフーリエ変換を生成し、第２の構成要素は、対象を再変換する。対象の像が、第２のフーリエ対物レンズ６８の後焦点面内に形成される。第１の対物レンズの最初の焦点面に配置されるＳＬＭ２は、データを書き込むために使用される。第３のフーリエ対物レンズ６９の最初の焦点面は、第２のフーリエ対物レンズ６８の後焦点面と一致する。ＳＬＭの像は、この平面４内にある。この像は、第３のフーリエ対物レンズ６９により後焦点面へ変換される。第４のフーリエ対物レンズ９９は、ＳＬＭの像を再変換する。したがって、ＳＬＭの像が、第４のフーリエ対物レンズの後焦点面内に再び出現する。これは、検出器アレイ１０が配置される場所である。データ・キャリア８は、第１のフーリエ対物レンズ１３および第２のフーリエ対物レンズ６８の共通焦点面内にあるか、または近くにある。第１および第２のフーリエ対物レンズの共通焦点面の像は、第３および第４の対物レンズの共通焦点面内にある。これは、焦点面（フーリエ平面）は、互いの像であることを意味する。つまり、フーリエ平面は、共焦点配列になっているということである。ディスク表面に対して垂直なカラム内の積層ストレージ材料の積み重ねられた層では、それぞれのストレージ層内にホログラムがある。第３および第４の対物レンズの共通焦点面では、共焦点フィルタ（空間フィルタ）９５が配置され、アドレス指定されていないプログラムから来る光線を選別する。読み取りおよび書き込み時のそれぞれの層のアドレス指定は、データ・キャリア８および光学系の相互に関係付けられた変位により実行することができる。アドレス指定プロセスにおいては、光学系は、データ・キャリア８の平面の法線方向に剛体ユニットとして移動する。共焦点フィルタ９５は、従来の開口として、またはガウス・アポダイゼーションにより形成できる。後者の場合、層の間のクロストークはさらに低減できる。この実施形態では、基準ビーム２１は、対象ビームの方向と同じ方向に、対物レンズの共通光軸にそって進行する。基準ビームは、ＳＬＭ２の平面内のＳＬＭの中心にあるドット（ピクセル）であるが、共焦点配置のフーリエ平面内では、対物レンズの共通光軸と平行に進行するクリッピングされた（開口制限）平面波である。対象ビーム２２の中心では、適切なサイズの空隙が基準ビーム２１用に残される。フーリエ平面内では、これは、軸にそって「穴」を持つ円錐内で対象ビームが進行することを意味する。これは、進行できる対象ビームがない角度範囲−対象ビームにより生成される円錐内の内側円錐−があることを意味する。フーリエ平面（アドレス指定されたホログラム８７および共焦点フィルタ９５の場所）において、対象ビーム２２および基準ビーム２１が互いに交差する。第１のフーリエ対物レンズの焦点面には、書き込みプロセス時に、アドレス指定された感光層がある。これは、対象および基準ビームが当たる場所である、つまり、この層内で、アドレス指定されたホログラム８７である透過ホログラムが生成される。

図２は、ホログラムの共焦点フィルタ処理の動作条件を示す図である。これは、積み重ねられた（２００および２０１の）ホログラム間の読み出しの条件であり、結合は確立されない。すなわち、１つのホログラムから出る対象波の信号のみが検出器に届く。第３のフーリエ対物レンズの焦点面内に配置されている共焦点フィルタ９５はこれを補助する。アドレス指定された層内で読み出されるホログラムとアドレス指定されない層内のホログラムの共焦点分離のために、またアドレス指定されないホログラムの空間フィルタ処理のため、式ｄ／ｌ＝ｔｇαが満たされていなければならない。

ここで、
２０２ｄは、ホログラムの直径であり、
２０５ｌは、層間の距離であり、
２０６αは、対象ビームで満たされない内側円錐の半円錐角度である。

この場合、基準ビーム２１によりホログラムも読み出されるアドレス指定されたホログラム８７の下および上の層内に配置されている対象ビームは、空間フィルタ９５により第３のフーリエ対物レンズの焦点面内に通されない。したがって、図１によると、アドレス指定された層内に配置され、基準ビームによって読み出されたホログラムの対象ビームのみが検出器１０に到達する。

異なる実施形態では、対物レンズの共通光軸にそって進行する基準ビームおよび対象ビームは、互いに向かい合って進む。この場合、反射ホログラムがアドレス指定された層内に形成される。アドレス指定されていない層内のホログラムのアドレス指定、読み出し、および空間フィルタ処理は、上述の説明と同様に実行される。

図３に示されている光学的配列は、基本的に同じであるが、新しい機会を提供する。１２ｆシステムの利点は、空間フィルタ３０４が第１のフーリエ平面内に配置されるという点である。第２および第３のフーリエ平面は、これを中心に鮮明な像を形成する。ストレージ材料は、第２のフーリエ平面８内にあり、他の空間フィルタ９５は、第３のフーリエ平面９５内に配置される。空間フィルタは、いくつかの指定されたフーリエ成分しか通さないので（ローパス・フィルタであるので）、ホログラムのサイズは第１の空間フィルタ３０４により調整される。ホログラムのサイズを調整することにより、関連するホログラム内のデータ密度を調整する。もちろん、ホログラムのサイズを縮小することには限界がある、というのも、分解能はサイズ減少とともに低下し、その結果、検出器上で区別可能なピクセルの個数が減少するからである。これは、特別な符号化により釣り合いを取り、最適化することができる。

図３に示されている１２ｆ光学系の正確な動作について以下に説明する。１２ｆ光学系は、複合ユニットであり、一般的なケースとして異なる対物レンズの３つのペアからなる。その結果、この光学系は、一般に、６枚の対物レンズを備える。それぞれの対物レンズ・ペアの要素は、便宜上同一のものとしてよい。したがって、全体として２×３のフーリエ対物レンズがシステム内にある。対物レンズ・ペアの第１の構成要素は、常に、対象（ＳＬＭ）のフーリエ変換を形成し、第２の構成要素は、対象を再変換する。第２の構成要素の後焦点面では、光変調器２（ＳＬＭ）の像が常に形成される。ＳＬＭ２はデータの書き込みに使用され、これは第１の対物レンズ・ペア３２１の最初の焦点面内に配置され、その内側共通焦点面には、空間フィルタ開口３０４があり、ＳＬＭのフーリエ変換の高次成分をクリッピングし、０次の回折次数の部分のみを通す。したがって、第２のフーリエ対物レンズ３０５の後焦点面では、すでに空間フィルタ処理（ローパス・フィルタ）されているＳＬＭ像が出現する。このフーリエ・フィルタは、データ密度を高めるために使用される。第２の対物レンズ・ペア３２２の第１の構成要素（第３のフーリエ対物レンズ３０７）の最初の焦点面は、第１の対物レンズ・ペア３２１の第２の構成要素（第２のフーリエ対物レンズ３０５）の後焦点面と一致する。これは、ローパス・フィルタによりフィルタ処理されたＳＬＭ像が出現する平面である。この像は、第２の対物レンズ・ペア３２２の第１の構成要素（第３のフーリエ対物レンズ３０７）により第３の対物レンズ３０７および第４の対物レンズ３０９の共通焦点面にフーリエ変換される。第２の対物レンズ・ペア３２２の第２の構成要素（第４のフーリエ対物レンズ３０９）は、ＳＬＭ像を再変換する。したがって、第２の対物レンズ・ペア３２２の後焦点面では、すでにローパス・フィルタを通過しているＳＬＭ像が再び出現する。データ・キャリア８は、第２の対物レンズ・ペア３２２の共通内側焦点面内にあるか、または近くにある。データ・キャリア層８の前後の、第２の対物レンズ・ペア３２２の２つの対物レンズ（第３のフーリエ対物レンズ３０７と第４のフーリエ対物レンズ３０９）の間に、２つの可変厚さ平面平行プレート３１７および３１８がある。データ・キャリア８は、自平面内でそれら２つのプレート間で移動（回転）する。第３の対物レンズ・ペア３２３の最初の焦点面は、第２の対物レンズ・ペア３２２の後焦点面と一致する。ＳＬＭ３００の空間フィルタ処理された像は、この平面内にある。この像は、第３の対物レンズ・ペア３２３により、対物レンズ・ペア要素の共通焦点面内にフーリエ変換される。対物レンズ・ペアの第２の要素（第６のフーリエ対物レンズ３１４）は、対物レンズ・ペア３２３の後焦点面内のＳＬＭのフィルタ処理された像を再生成する。これは、検出器アレイ１０が配置される場所である。

第１の対物レンズ・ペア３２１の内側共通焦点面の空間フィルタ３０４の開口像は、第２の対物レンズ・ペア３２２の内側共通焦点面内にある。データ・キャリア８（マイクロホログラム）は、主に、空間フィルタ開口３０４の鮮明な像を記録する。第２の対物レンズ・ペア３２２の内側共通焦点面の像は、第２の空間フィルタ９５が配置されている、第３の対物レンズ・ペア３２３の内側共通焦点面内にある。すなわち、３つの内側焦点面（フーリエ平面）、したがって、空間フィルタ開口３０４および９５は、互いの鮮明な像である。つまり、フーリエ平面は、共焦点配列になっているということである。第３の対物レンズ・ペア３２３の共通焦点面では、第２の空間フィルタ３２３が配置される。前の説明によれば、これは、第１の空間フィルタ３０４の像と一致する。

ディスク表面のに垂直なカラム内の、図１による、積層ストレージ材料の積み重ねられた層では、それぞれのストレージ層内に、アドレス指定されたホログラム８７とアドレス指定されていないホログラム８６の２つのホログラムがある。それぞれの層のアドレス指定は、読み取りおよび書き込み時に、データ・キャリア８および読み取りおよび書き込み光学系１および９の相互に関係付けられた変位により実行することができる。アドレス指定においては、読み取りおよび書き込み光学系１および９は、データ・キャリア８の平面の法線方向に剛体ユニットとして移動する。空間フィルタ３０４および９５は、従来の開口として、またはガウス・アポダイゼーションにより形成できる。後者の場合、層の間のクロストークはさらに低減できる。

１２ｆ光学系については、偏光ビーム分離立方体の適用を介してであるが、システムが図４に示されている方法で畳まれる場合、対物レンズの数を６枚から４枚に減少させることを要し、光学系の直線サイズも、約１／２に低減可能となる。この場合、図３に示されている１２ｆ光学系の最初および最後の対物レンズ・ペア３２１および３２３は、フーリエ対物レンズ４０３および４１３からなり、後焦点面には、適切に規定された開口を持つ鏡４０４および４１４がある。したがって、光は、鏡４０４および４１４から反射して戻り、対物レンズ４０３および４１３を２度通過する。これは、この場合に、同じ対物レンズが、フーリエ変換および再変換を実行することを意味する。したがって、ＳＬＭ像のフーリエ変換は、鏡４０４および４１４上に出現する。畳まれた光学系では、規定された開口を持つ鏡は、そこに到達する光線をクリッピングする。λ／４プレート４０２および４１２の各々は、対物レンズ４０３および４１３とビーム分離キューブ４０１および４１１とのそれぞれの間に配置される。光の偏光方向は、プレートを２回横切った後、９０度回転する。したがって、光は、一方の場合に偏光ビーム分離層を横切り、他方では反射される。基準ビーム４１６は、対象ビーム４１７内に進行する。図１に示されている光学系と同様に、対象ビーム４１７は、軸にそって中間点に穴を持つ光円錐を表す。対象および基準ビームは、ビーム分離プリズム４０１により結合され、他方のビーム分離プリズム４１１により切り離される。

図５に示されている実施形態によれば、基準ビーム５０１は、フーリエ平面内の対物レンズの共通光軸との角度γを含む。対象ビーム５００は、フーリエ平面内の半円錐角度βの円錐内を進行し、対象ピクセルは像および対象空間内の半径Ｒの円内に配置される（ＳＬＭ２の平面および検出器アレイ１０の平面）。基準ビーム５０１は、ＳＬＭ平面内の半径Ｒの円の外側にある。読み出し時に、基準ビーム５０１は、この場合にも同時に、複数のホログラムを読み出す。したがって、同時に読み出されたホログラム５０２は、角度γだけシフトされ積み重ねられた層内に配置される。

図５は、傾斜した基準ビームの場合の、読み出されたがアドレス指定されていないホログラムのフィルタ処理を示している。ここで、基準ビーム５０１は、アドレス指定されたホログラム５０５に加えてアドレス指定されていないホログラム５０２を読み出す。アドレス指定されたホログラム５０５と共焦点的に配置され、第３のフーリエ対物レンズ６９の後焦点面内に配置されている空間フィルタ９５では、アドレス指定されたホログラム５０５から来た場合のみ、対象ビームが通る。アドレス指定されていないホログラム５０３は、空間フィルタ９５によりフィルタ処理される。したがって、基準ビームにより読み出され、アドレス指定されている層６００内に配置されているホログラムの対象ビームのみが検出器１０に到達する。

図６に示されている方法では、アドレス指定されていないホログラム６０６の空間フィルタ処理に加えて、アドレス指定されている層６００内で読み出されるホログラムおよびアドレス指定されていない層６０１内のホログラムの共焦点分離について、式ｄ／ｌ＝ｔｇγを満たさなければならない。

ここで、
６０２ｄは、ホログラムの直径であり、
６０５ｌは、さまざまな層の間の距離であり、
６０８γは、基準ビームの角度である。
他の実施形態では、対物レンズの共通光軸にそって進行する基準ビームおよび対象ビームは、互いに向かい合って進む。この場合、反射ホログラムがアドレス指定された層内に形成される。アドレス指定されていない層のホログラムのアドレス指定、読み出し、および空間フィルタ処理は、上述の説明と同様に実行される。

図１に示されている実施形態では、ホログラフィック・データ・ストレージではよく知られている手段である、波長に応じた多重化を実行することも可能である。例えば、それぞれのストレージ層の厚さが２０〜２５μｍに達する場合、Δλ≒８μｍの波長でずれる３つの光源または波長可変レーザー・ダイオードを適用することができる（３つの光源は、図１に示されていない）。したがって、マイクロホログラム内に格納できるデータ・ボリュームは、数桁大きくなる。このような光源は、例えば、波長可変青色レーザー・ダイオードがある。

図７に示されている実施形態では、二波長偏光ホログラフィを適用できる。この場合、基準ビーム７００に加えて、対象ビーム２２および基準ビーム７００の波長からずれている波長を持つ他の感光ビーム７０１も使用される。対象／基準コヒーレント光源としては、低価格で高出力の赤色レーザー・ダイオードλ＝６３５〜６７０ｎｍを使用するよう推奨する。感光光源としては、低価格の青色レーザー・ダイオードまたはＬＥＤを使用することができる。青色レーザー・ダイオードおよびＬＥＤの波長は、λ＝３９０ｎｍからλ＝４５０ｎｍの範囲にある。レーザー・ダイオードは図７に示されていない。

上述のそれぞれの実施形態の場合、読み出し書き込みヘッドを移動することによりさまざまな層が到達可能となる。さまざまな層のアドレス指定から生じる厚さを変えることで引き起こされる問題は、可変厚さ平面平行プレートを使用することにより補正することができる。このプレートは、フーリエ対物レンズとデータ・キャリア・プレートとの間にはめなければならない。平面平行プレートの厚さは、ストレージ層とデータ・キャリア表面との間の距離に応じてステップ毎に変更されなければならない。この方法で、データ・キャリアの厚さの変化により生じる球面収差を補正できる。これは、図４に示されている。第２の（媒体）対物レンズ・ペア３２２の２つの要素の間に配置されている平面平行プレートの接合部の厚さは、焦点面の前および後でのアドレス指定時に一定でなければならない。これは、焦点面４２０の前のデータ・キャリア・プレート８の範囲の厚さ全体＋データ・キャリア・プレート８の前の第１の補正プレート４０７の厚さ＋焦点面４２１の背後のデータ・キャリア・プレートの範囲およびデータ・キャリア・プレート８の後の第２の補正プレート４０９の厚さは一定でなければならないことを意味している。したがって、光学系の変位と同時に、ストレージ・プレートの前の補正プレート４０７およびストレージ・プレートの後の４０９の厚さも、変えなければならない。対象／像関係並びに要素４０４、４０８、および４１４（フーリエ平面）の相互に関係付けられている位置は、データ・キャリア・プレート面の法線方向に光学系を変位させ、適切な厚さの補正プレート４０７および４０９を取り付けても変化しない。

光学系を変位させ、補正プレートを挿入することにより、アドレス指定されるのは常に、ストレージ・プレートのちょうど１つの層である。したがって、読み出されたホログラム（図３の第２の対物レンズ・ペア３２２の内側共通焦点面内に配置されたホログラム）は、第３の対物レンズ３２３の内側共通焦点面内に配置された第２の空間フィルタ９５と共焦点の関係にある。読み出されたホログラムは、空間フィルタ９５を通じて変更なしで進行する。基準により読み出されアドレス指定されない層内に配置されている、ホログラムから来るビームは、第２の空間フィルタ９５によって通されない。

補正プレートの可能な一実施形態によれば、図８により、光学系内の平行ガラス板において厚さが徐々に変えられている。プレート８０７および８０９は、第１のフーリエ対物レンズ１３と第２のフーリエ対物レンズ６８との間に位置するように回転できる。読み取りおよび書き込みプロセスにおいて、それぞれの層のアドレス指定は、光学系を変位させ、適切な厚さの補正プレートを回転することにより実行される。図８／ａでは、補正プレート８０７および８０９は、同じ厚さである。したがって、真ん中のホログラフィック層８０３は、共焦点フィルタ９５と共焦点位置にある。図８／ｂは、補正プレート８０７がプレート８０９よりも薄い場合の位置を示している。この場合、外部ホログラフィック層８０９は、共焦点フィルタ９５と共焦点位置にある。図８／ｃおよび図８／ｄは、読み出しのプロセスを示している。基準ビーム２１は、すべての格納層を横切り、したがって、真ん中のホログラフィック層８０３および外部ホログラフィック層８０８を経由して通る。基準ビームは、アドレス指定されたホログラム８１０およびアドレス指定されていないホログラム８１１も、図面に示されていない層内で重ねて配置されている他のすべてのホログラムとともに、読み出す。この場合、補正プレート８０７および８０９は、同じ厚さである。書き込み光学系１および読み取り光学系９は、アドレス指定されたホログラム８０３およびフィルタ９５が共焦点位置にあるような方向に変位され、したがって、アドレス指定されたホログラム８１０から来る、読み出された対象ビーム８１２は、共焦点フィルタ９５を横切り、その後、検出器アレイ１０に到達する。アドレス指定されていないホログラム８１１から読み出された対象ビーム８１３は、共焦点フィルタ９５を通過できない。

図９は、畳まれた１２ｆ光学系の場合のアドレス指定プロセスを示す。この場合、第１の補正プレート８０７は、第２の補正プレート８０９よりも厚い。この場合、ストレージ・プレートの第１の部分にある第１のホログラフィック層９０１がアドレス指定される。次に、共焦点フィルタの役割が、適切に定められたサイズの開口を持つ共焦点鏡９０２により引き継がれる。つまり、アドレス指定されたホログラム８１０および鏡９０２は共焦点位置にあるということである。

図１０／ａおよび１０／ｂに示されている実施形態では、データ・キャリア・プレート８は、対物レンズ１００５の間に斜めに配置されている。データ・キャリア・プレート８と両面の対物レンズ１００５との間に、透明な光学的品質のくさびである、第１の補正くさび１００１、および後補正くさび１００２がある。くさび１００１および１００２の角度は、データ・キャリア・プレート８および対物レンズ１００５の光軸によって含まれる角度と同じである。くさび１００１および１００２は、プレートを収納するカートリッジ内にはめ込まれる。カートリッジは、図面に示されていない。対物レンズ１００５に対して、カートリッジは、くさびとともに静止しており、データ・キャリア・プレート８はカートリッジ内で回る。データ・キャリア・プレート８とくさび１００１および１００２との間に、薄い（厚さ１〜２μｍの）屈折率の等しい液膜がある。カートリッジは、この屈折率の等しい液体が漏れないようにメーカーによって密封されている。補正くさび１００１および１００２の厚さは、データ・キャリア・プレートの回転方向によって変化する。一方のくさびの厚さが増えると、他方のくさびの厚さは減る。データ・キャリア・プレート８に向かい合うくさび１００１および１００２の側面は、互いに平行であり、また光軸に対し垂直である。２つのくさび、およびそれらの間のデータ・キャリア・プレートは、共に、光学的観点から平面平行プレートを意味する。図１０／ａでは、光ヘッドは、２つのくさびの厚さがプレートの両側で同一になるように配置される。したがって、データ・キャリア・プレートの真ん中のホログラム１００１は、アドレス指定される。この場合、層のアドレス指定は、データ・キャリア・プレート８の回転方向に光ヘッド１００６全体を回すことにより実行することができる。光ヘッド１００６がデータ・キャリア・プレートの回転方向に回された場合、一方のエッジの厚さは減少し、他方のエッジの厚さは増大する。図１０／ｂでは、ヘッドは、データ・キャリア・プレート８の前の第１の補正くさび１００１が厚く、データ・キャリア・プレートの後の後補正くさび１００２が薄くなるような形で変位される。この場合、ＳＬＭに半分くらい近いデータ・キャリア・プレート内の一番外側のホログラム１００４がアドレス指定される。

図１１に示されている実施形態によれば、アドレス指定は、ＳＬＭを照らす平面波のわずかな歪みにより実装することができる。平面波の代わりに、種々の曲率半径（±１０〜±１０００ｍ）の球面波によりＳＬＭを照らす。波面の曲率半径を変えることにより、フーリエ平面内でビームの直径が大きくなる。最小のビーム断面は、ＳＬＭを照射する波面の曲線の符号に応じて、理論的フーリエ平面の前または後に生成される。球面波面により実行されるアドレス指定は、実施例を示すことにより説明される。図１１に示されている修正された１２ｆ光学系では、ＳＬＭは、図面に示されていない球面波により照らされる。元の１２ｆ光学系では、ＳＬＭは、平面波により照らされる。元の１２ｆ光学系では、理論的フーリエ平面１１１３および１１１５の距離は、一番最後のガラス面から８．０４ｍｍである。元の光学系では、空間フィルタはそれらの平面内に配置されている。図１１に示されている修正された光学系では、一番最後のガラス面からフィルタ１１１１までの距離は、７．４ｍｍに修正され、一番最後のガラス面から共焦点鏡９０２（第２の空間フィルタ）までの距離は、８．６ｍｍに修正される。ホログラムの場所（最低直径点）は、ストレージ材料内において、理論的フーリエ平面に対して０．１５ｍｍだけ変位されている。図に示されている数値例から、空間的光変調器が平面波により照らされていない場合、最小のビーム断面がフーリエ対物レンズの理論的フーリエ平面からずらされる。したがって、アドレス指定は、この場合、空間フィルタ１１１１および共焦点鏡９０２の適切な変位により実行することができる。この場合、プレートおよび読み書き光学系は、変位しなくてもよい。

実際には、対象および基準ビームが同じ方向に進行する、つまり、いわゆる共線光学系配列が使用されることが重要な要件である。同じ方向に進み、同じ光学素子を通過する対象および基準ビームは、環境からの影響、例えば、振動および気流に対する感度が低い。共線配列の場合、対象および基準ビームは、同様にしてマッピングされ、そのため、互いに自動的にオーバーラップするが、このオーバーラップを制御するために別のサーボ・システムを必要としない。対象および基準ビームのオーバーラップは、製造プロセスの厳格な許容誤差により保証される。

実際、ホログラフィック・データ・ストレージ・デバイスの場合、データ・キャリアが反射方向に動作することが不可欠となる。透過型ホログラフィック・データ・キャリアは、書き込みおよび読み取り光学系がデータ・キャリアの異なる面に配置されるという欠点を有する。このため、データ・キャリアに垂直な光学系の次元が増え、これにより、データ・キャリアの両面に配列されている光学素子を同軸位置に設定し、その同軸位置を、それぞれ、サーボメカニズムを使用して保存することが困難となる。本発明の一実施形態では、反射配列のデータ・キャリアおよび光学系について説明する。

図１２は、上記要件を満たす、多層ホログラフィック・データ・ストレージ要素を読み書きするために使用するのに好適な共線光学配列を持つ反射型光学系を示している。この光学系は、畳まれた書き込み中継対物レンズ１、畳まれた読み取り中継対物レンズ９、および１つまたは複数のレンズからなる書き込み／読み取りフーリエ対物レンズ６の３つの主要部からなる。中継対物レンズは、比較的大きな焦点距離の４ｆ対物レンズである。比較的大きな焦点距離を使用することは、ビームの結合および分離に必要な偏光分離プリズムおよびラムダ（lambda）／４プレートが、難なく、４ｆ光学系にはめ込み可能であるという要件から妥当なものとなっている。実用上の理由から、中継対物レンズは、単純な設計で安価なものであることが重要であり、実際、これは、比較的大きな焦点距離および小さな開口数を使用することによってのみ得ることができる。畳み込まれた光学系の使用は、システムの次元、したがって、必要なレンズの個数を減らせるという事実によって妥当なものとなっている。

書き込み中継対物レンズは、内側像平面４上に空間光変調器（これ以降、ＳＬＭ）２の実像および空間フィルタ処理像を生成するように設計されている。ＳＬＭ２は、レンズ１３の第１の焦点面内に配置され、ＳＬＭ２のフーリエ変換は、後焦点面１４内に生成される。平面１４内の空間フィルタは、高次のフーリエ成分をカットする。書き込みフーリエ・ホログラムは、空間フィルタ１４を通過したフーリエ成分の像である。空間フィルタの次元を最適化することにより、１つのホログラムに書き込めるデータ密度を高めることができ、また同じ層内で互いに近い位置で書き込まれたホログラム間の望ましくない干渉を制限することができる。図１３は、空間フィルタ１４は反射できない、つまり、高次のフーリエ成分１４１をカットすることを示している。

読み書きフーリエ対物レンズ６は、フーリエ空間内の短い焦点距離および大きな開口数の対物レンズからなる。基本的に、これは１つのホログラムに書き込めるデータのボリュームを決定するフーリエ空間内の対物レンズの開口数である。対物レンズは、ホログラムの書き込み時にアドレス指定された層内の内側像平面４内に形成された像のフーリエ変換を生成し、読み取り時にアドレス指定された層から内側像平面４内にデータ信号を再変換する作業を行う。層のアドレス指定は、補正プレート５および７により実行される。本発明による実施形態では、ホログラフィック読み取り／書き込みヘッドとデータ・キャリアとの間の距離は一定である。ヘッドとデータ・キャリアとの間の空間は、空気の層とアドレス指定された層の深さに応じてそれぞれ厚さが異なる平面平行補正プレートとで満たされる。厚さが可変である補正プレート７は、フーリエ対物レンズ６の後焦点面を幾何学的にずらす作業を行う。与えられた厚さの平面平行プレートの下に配置されている対象は、幾何学的距離よりも近いように見えることはよく知られている。そのため、より大きな深さのところに配置されている層の場合、フーリエ対物レンズ６の後焦点面はフーリエ対物レンズ６から幾何学的に遠ざかるが、厚さが可変である補正プレート７が実装されるため、見かけの距離は光学的な面でも変わらない。一番上の層を書き込んだ場合、補正プレート７は厚さ０である。アドレス指定される層の深さが増加すると、補正プレート７の厚さは大きくなり、空気の層の厚さは減少する。

図１２では、畳まれている書き込み中継対物レンズ１は、偏光ビーム分離プリズム３を通じて、内側像平面４上に空間光変調器２の本質的に歪みのない実像を生成する。ビームは、ラムダ／４プレート３１を通って進行する。これにより、本来、直線偏光であるものが円形偏光に変わる。可変形状または可変光学特性読み取り／書き込み補正プレート５は、光線の方向をわずかに修正する。可変形状または可変光学特性補正器５は、光軸上に光出力を持たない。可変形状または可変光学特性読み取り／書き込み補正プレート５の片面または両面の形状は、どの層がアドレス指定されているかによって決まる。可変形状または可変光学特性補正プレート５は、非球面レンズ、液体レンズ、液晶レンズ、または異なる可変光学特性素子とすることができる。１つまたは複数のセクションの球面または非球面レンズからなるフーリエ対物レンズ６は、反射型データ・キャリア８のアドレス指定された層内のＳＬＭ２の内側像平面４上に形成される実像のフーリエ変換を生成する。層のアドレス指定は、主に、読み取り／書き込みフーリエ対物レンズの後焦点距離のわずかな変化、したがって、そのように生じる収差の補正を必要とするが、可変形状または可変光学特性書き込み／読み取り補正プレート５および可変厚さ平面読み取り／書き込み平面平行補正プレート７により連携して実行される。

読み出し時に、読み出されたデータ信号は、反射型データ・キャリア８の反射面８１により反射され、可変厚さ読み取り／書き込み平面平行補正プレート７、読み取り／書き込みフーリエ対物レンズ６、および可変形状または改変光学特性読み取り／書き込み補正プレート５を通じて進行する。ＳＬＭ２の実像、つまり、読み出されたデータ信号は、内側像平面４上に、またはその付近に生成される。ラムダ／４プレート３１は、読み出されたビームを書き込みビームに垂直な直線偏光ビームに変換し、この偏光ビームは、偏光ビーム分離プリズム３を経由して、畳まれた読み取り中継対物レンズ９に到達する。読み出された像は、畳まれた中継対物レンズ９により検出器アレイ１０の表面上に形成される。

畳まれた書き込み中継対物レンズ１は、偏光ビーム分離プリズム１１、ラムダ／４プレート１２、レンズ１３、および反射空間フィルタ１４からなる。反射空間フィルタ１４の平面内で、レンズ１３は、ＳＬＭ２のフーリエ変換を生成する。反射空間フィルタ１４は、特定の開口を持つ所定のサイズおよび形状の鏡である。畳まれた読み取り中継対物レンズ９は、偏光ビーム分離プリズム９１、ラムダ／４プレート９２、レンズ９３、および反射空間フィルタ９４からなる。レンズ９３は、反射空間フィルタ９４の平面上に、内側像平面４上に形成された像のフーリエ変換を生成する。反射空間フィルタ９４は、特定の開口を持つ所定のサイズおよび形状の鏡であり、この鏡は、アドレス指定された層から読み出されたホログラムと共焦点的に配置される。ＳＬＭ２の平面内で、基準ビーム２１および対象ビーム２２は空間内で分離される。これにより、基準ビーム２１および対象ビーム２２の独立した変調が可能である。基準ビーム２１と対象ビーム２２との間に禁止（未使用）領域２３がある。対象ビームも基準ビームも、この禁止領域を通らない。検出器アレイ１０の平面内で、反射された基準ビーム２２および読み出された対象ビーム１０２は、空間点に分離されている。このため、基準ビーム２２と対象ビーム１０２を独立に検出することが可能であるとともに、基準ビームの抑制も可能である。

図１３は、共焦点配列およびその環境内の３つのフーリエ平面を含む、適用された１２ｆ光学系の拡大図であり、反射空間フィルタ１４の平面、アドレス指定された層８２に書き込まれたホログラム、および第２の反射フィルタ９４を示している。空間フィルタ１４は、高次のフーリエ成分１４１をクリッピングする。

図１４／ａ、１４／ｂ、および１４／ｃは、ホログラムを異なる深さの層に書き込むプロセスを示している。これらの図は、３層データ・キャリアを示している。図１４／ａでは、ホログラムは、中間層に書き込まれ、図１４／ｂでは最上位層に書き込まれ、図１４／ｃでは最下位層に書き込まれる。ＳＬＭの像は、内側像点４上にある。図１４／ａでは、ＳＬＭ像のフーリエ変換は、アドレス指定された平面８２／ａ内に形成される。ホログラムは、基準ビーム２１／ａおよび対象ビーム２２／ａが交差するアドレス指定された層８２／ａの環境内で生成される。図１４／ｂでは、ＳＬＭ像のフーリエ変換は、アドレス指定された平面８２／ｂ内に形成される。ホログラムは、基準ビーム２１／ｂおよび対象ビーム２２／ｂが交差するアドレス指定された平面８２／ｂの環境内で生成される。図１４／ｃでは、ＳＬＭ像のフーリエ変換は、アドレス指定された平面８２／ｃ内に生成される。ホログラムは、基準ビーム２１／ｃおよび対象ビーム２２／ｃが交差するアドレス指定された平面８２／ｃの環境内で形成される。７１／ａ、７１／ｂ、および７１／ｃは、可変厚さ補正プレートである。可変形状または可変光学特性書き込み補正プレート５１／ａ、５１／ｂ、および５１／ｃの１つの面は同じであるが、他の面は３つの層すべてについて異なる。可変形状または可変光学特性補正プレート５１／ａ、５１／ｂ、および５１／ｃの目的は、光線を通す方向を少し変えて、それぞれの層のアドレス指定で生じるさまざまな収差を補正することである。

図１５は、ＳＬＭ２の実像４およびアドレス指定された層８２の実像の概略図を示している（フーリエ平面）。それぞれの基準ビーム２１は、実像４の平面内にドットを形成する。フーリエ平面８２では、それぞれの基準ビームは、開口制限「平面波」に対応する。対象ビーム２２は、ＳＬＭ２の実像４のデータ範囲２２０から発せられる。どのような基準ビームまたは対象ビームも通過しない、禁止領域２３は、基準ビーム２１と対象ビーム２２との間に配置される。帯域２４は、基準ビームによって覆われる帯域２５の中心関係鏡像であるデータ範囲２２０のその部分である。読み取り時に、反射層から跳ね返った、読み出されたデータ・ビームは、読み取り基準ビームの方向に戻り、その結果、帯域２４は、データの書き込みに使用できない。

図１６は、データ・キャリア８の断面図を示している。２１０は、対象ビームに最も近い位置で進行する基準ビームである。２２１は、対象ビームの一番外側の基本ビームであり、基本ビームは、基準ビームに最も近い位置で進行する。基準ビーム２１０および基本対象ビーム２２１は、ちょうどΘｓｅｐ角度だけ隔てられる。ビーム２１０と２２１との交差する範囲は、基本ホログラム８２０であり、その中心線は、アドレス指定された層８２内のフーリエ平面である。

図１７は、読み取りプロセスを示す。読み出されたデータ・ビーム１０２は、アドレス指定された層８２内のフーリエ平面から、またはその近くで発せられる。ビーム１０２は、反射層８１から反射して戻り、データ・キャリア８の断面全体を横切り、さらに可変厚さ補正プレート７２を横断する。フーリエ対物レンズ６は、アドレス指定された平面８２内のフーリエ変換を内側像平面４に再変換する。可変形状または可変光学特性補正プレート５２の目的は、補正プレート７２により可変後焦点距離が生じることで発生する収差の補正である。

図１８は、可変形状または可変光学特性補正プレート５１および５２の概略図を示している。ホログラムを書き込む過程で、基準ビームは、アドレス指定された層に向かって範囲５１１を横切る。反射層８１から跳ね返った基準ビームは、範囲５１３を経由して検出器に到達する。読み取り基準ビームは、帯域５２１を横切り、範囲５２３により反射される。書き込みプロセスで、対象ビームは範囲５１２を横切って進む。読み出され、反射された対象ビームは、内側像平面に変換され、範囲５２２を横切る。

図１９は、可変厚さ補正プレート７２の概略図を示している。ホログラム書き込み時に、基準ビームは、アドレス指定された層に向かって範囲７１１を横切る。反射層８１から跳ね返った基準ビームは、範囲７１３を経由して検出器に到達する。読み取り基準ビームは、帯域７２１を横切り、範囲７２３により反射される。書き込みプロセスで、対象ビームは範囲７１２を横切って進む。読み出され、反射された対象ビームは、範囲７２２を経由して内側像平面に変換される。

図２０は、可動直線素子５９および７９を示す。可変形状書き込み補正プレート５１／ａ、５１／ｂ、および５１／ｃ、および可変形状読み取り補正プレート５２／ａ、５２／ｂ、および５２／ｃは可動直線構成要素５９上にある。可変厚さ書き込み補正プレート７１／ａ、７１／ｂ、および７１／ｃ、並びに可変形状読み取り補正プレート７２／ａ、７２／ｂ、および７２／ｃは可動直線構成要素７９上にある。

図２１は、対象および基準ビームの可能な配列を示す概略図を示す。図２１／ａにおいて、ホログラム書き込み時に、基準ビーム２１およびデータ・ビーム２２は直接ビームである。読み出されたデータ・ビーム１０２は、反射層８１から反射して戻ることにより進行する。

図２１／ｂでは、ホログラム書き込み時に、基準ビーム２１は、直接ビームであり、対象ビーム２２は、反射層８１から跳ね返ることによりアドレス指定された層に到達する。読み出されたデータ・ビーム１０２は、直接ビームであり、反射することなく、読み取りヘッドの方向に進行する。図２１／ｃでは、ホログラム書き込み時に、基準ビーム２１および対象ビーム２２は、反射層８１から跳ね返ることによりアドレス指定された層に到達する。読み出されたデータ・ビーム１０２は、直接ビームであり、読み取りヘッドに向かって反射することなく進行する。図２１／ｄでは、ホログラム書き込み時に、基準ビーム２１は、反射層８１から跳ね返ることによりアドレス指定された層に到達し、データ・ビーム２２は、直接ビームである。読み出されたデータ・ビームは、反射層８１から跳ね返ることにより読み取りヘッドの方へ進行する。

図１４／ａ、１４／ｂ、および１４／ｃは、さまざまな深さの層へのホログラム書き込みプロセスを示している。これらの図は、３層データ・キャリアの実施例を示しているが、本発明によるデータ・キャリアは含む層を増やしたり減らしたりすることができ、本発明による機器も、それぞれ、読み書きする層を増やしたり減らしたりすることができる。ホログラムの書き込みは、図１４／ａでは中間層に、図１４／ｂでは最上位層に、図１４／ｃでは最下位層に行われる。したがって、書き込み補正プレート７１／ｃは、最も厚いが、７１／ｂは最も薄い。書き込み補正プレート７１／ｂは、さらに厚さが０である場合もある。ＳＬＭの像は、内側像平面４に出現する。原理上、像は、幾何光学的意味で歪みがない。図４／ａでは、ＳＬＭ像のフーリエ変換は、アドレス指定された層８２／ａ内に形成される。ホログラムは、基準ビーム２１／ａおよび対象ビーム２２／ａが互いにオーバーラップするアドレス指定された層８２／ａの領域内で生成される。図１４／ｂでは、ＳＬＭ像のフーリエ変換は、アドレス指定された平面８２／ｂ内に形成される。ホログラムは、基準ビーム２１／ｂおよび対象ビーム２２／ｂが互いにオーバーラップするアドレス指定された層８２／ｂの領域内で生成される。図１４／ｃでは、ＳＬＭ像のフーリエ変換は、アドレス指定された平面８２／ｃ内に形成される。ホログラムは、基準ビーム２１／ｃおよび対象ビーム２２／ｃが互いにオーバーラップするアドレス指定された層８２／ｃの領域内で生成される。

可変後焦点距離および補正プレート厚さに対する可変空隙の比の結果として、フーリエ対物レンズ６の焦点面内のビームの挙動は、それぞれの層においてわずかに異なり、それらはそれぞれの層の中で異なる形で互いに交差し、波面は、それぞれの層においてわずかに異なる。すなわち、さまざまな層をアドレス指定したときに異なる収差が発生する。このため、焦点のサイズ（フーリエ平面）が増大し、そのため、同じ層内で互いに近いところに書き込まれたホログラムの間の干渉が増大し、これは、さらに、共焦点フィルタ９４を使用することにより同時にさまざまな層から読み取られるホログラムを分離することを困難にする。最後に、それぞれの影響により、ストレージ容量が低下する。発生しうる収差は、追加補正プレートを挿入することにより解消することができる。補正プレート５は、対物レンズの前に配置される。概して、補正プレート５は、内側像平面４内に配列された光学素子であり、これは、層をアドレス指定するときに発生しうる収差を解消するために必要な範囲で対物レンズ６に入る、また読み取りの場合には対物レンズ６から出てくる、光の波面を修正することができる。

図１４／ａ、１４／ｂ、および１４／ｃでは、可変形状または可変光学特性の書き込み補正プレート５１／ａ、５１／ｂ、および５１／ｃの第１の表面は、同じ形状であるが、その第２の表面は、３層のそれぞれについて異なる。その任務は、内側像平面４内に形成される像から発せられるビームの方向をわずかに修正することにより収差を補正することである。つまり、可変形状または可変光学特性の書き込み補正プレート５１／ａ、５１／ｂ、および５１／ｃは、内側像平面４内で、またはそれに非常に近い位置で波面を修正するように設計されており、そのため、フーリエ対物レンズ６に入るビームは、個々の層をアドレス指定するときに少し異なる形状をとる。この差は、個々の層をアドレス指定するときに発生しうる収差の補正に必要な範囲にちょうど等しい。可変形状または可変光学特性の補正プレート５１／ａ、５１／ｂ、および５１／ｃの厚さは、光軸にそって同じであり、アドレス指定された層の深さとは無関係である。光軸でのその屈折度は０である。

１つの例示的な実施形態によれば、可変形状または可変光学特性の補正プレート５は、非球面プレートからなり、その一方の側または両方の側の形状はアドレス指定された層の深さに依存する。そのような場合、補正プレート５は、層をアドレス指定するとき置き換えられる。

他の例示的な実施形態では、補正プレート５の一方の側は、非球面プレートを保持するが、他方の側は、可変液晶レンズを保持する。この実施形態では、非球面は、それぞれの層について一定であり、層をアドレス指定するときに、液晶レンズに印加される適切な電気的制御信号の影響の下で変化するのは、液晶レンズの屈折率の分布のみである。

最近の例示的な実施形態では、補正プレート５の一方の側は、非球面プレートを保持するが、他方の側は、可変形状液体レンズを保持する。この実施形態では、非球面は、それぞれの層について一定であり、層をアドレス指定するときに、液体レンズに印加される適切な電気的制御信号の影響の下で変化するのは、液体レンズの形状のみである。

補正プレート５は、さらに、２つの偏光板の間に置かれた単軸水晶でできているレンズとすることもできる。二重屈折レンズのよく知られている特徴は、発生しうる球面収差は、レンズの前後に配置された偏光板をセッティングすることにより補正することができることである。

図２は、畳まれた光学系１２ｆの一部の開放型の概略図を示している。開放型の光学系とは、元の反射素子がここでは透過型であることを意味する。すなわち、ビームは、ホログラムの前および後に分離される。開放型の透過型光学系では、反射しオーバーラップするビームはないため、本発明の本質的要素の１つである空間フィルタ処理の機能が、よく理解することができる。実際面では、畳まれた光学系がより好ましい。すなわち、含む素子が少なく、環境の影響に対しさほど敏感ではない。

１２ｆ光学系では、２つの内側像平面が形成される、つまり、一方はフーリエ対物レンズの前、他方はフーリエ対物レンズの後である。畳まれた光学系では、これら２つの内側像平面は一致する。対象および基準ビームは、空間光変調器２の平面内、中継対物レンズとフーリエ対物レンズとの間の内側像平面４内、さらに検出器平面内で分離される。これら３つの平面内で、対象および基準ビームは、互いに無関係に変調または検出することができ、また互いに妨害することなくこれらの平面内で結合または結合解除することができる。内側平面内の対象および基準ビームの配置は図１５に示されている。図１２および１３に示されている光学系では、対象および基準ビームの結合は、ＳＬＭ２の平面内で生じる。他の実施形態によれば、対象および基準ビームは、それぞれ、内側像平面内でも結合および結合解除できる。

共線光学系配列の場合に、多層ホログラフィック・データ・ストレージと、よく知られている角度または位相符号化基準多重化とを単純なやり方で組み合わせることができる。角度および位相符号化多重化の場合、ホログラムは、幾何光学的アプローチで開口制限平面波基準ビームを使用することにより照射される。内側像平面４内の書き込み／読み取りフーリエ対物レンズ６の前で、点源が幾何光学的アプローチでそれぞれの基準ビームに割り当てられる。（回折アプローチでは、回折点は開口制限平面波の代わりに開口のサイズおよび形状により決定されるが、点源の代わりの拡張光源が考慮される必要がある。）図１５は、ＳＬＭ２の実像４およびアドレス指定された層８２の実像（フーリエ平面）の概略図を示している。ＳＬＭは、極対称フーリエ対物レンズの円形対象領域と一致する円形形状である。上記によれば、基準ビーム２１は、幾何光学的意味で実像平面４内にそれぞれ１つの点を形成する。多重化が存在しない場合、基準ビームは１つあればよい。フーリエ平面８２では、フーリエ平面内のそれぞれの基準ビームに対し、開口制限「平面波」が割り当てられる。層の厚さに応じてブラッグの条件式により決定される「平面波」間にｄΘの角度差が存在する。対象ビーム２２は、ＳＬＭ２の実像４のデータ範囲２２０から発せられる。基準ビーム２１と対象ビーム２２との間に禁止領域２３がある。対象ビームも基準ビームも、この領域を通らない。禁止領域の最適なサイズおよび形状は、層間の距離および単一の場所に書き込まれる（多重化される）ホログラムの個数に依存する。アドレス指定された層８２（フーリエ平面）から見た禁止領域２３の視角はΘｓｅｐである。必要な、また最適な視角Θｓｅｐは、それぞれ、ストレージ層の間の距離、およびホログラムのサイズ（直径）、さらに、単一の場所に多重化されるホログラムの個数に依存する。ホログラムのサイズを大きくするには、層間の距離を大きくするか、または分離角度を大きくする必要がある。理論的な計算から、単一のホログラムに格納できるデータ・ボリューム（データ密度）は、円形ＳＬＭ２２０のデータ範囲がほぼ半円形の場合に最適値に達することがわかる。
る。

実用的観点から、本発明の最適な実施形態は、図１２および図１３に示されている、畳まれた１２ｆ光学系である。１２ｆ光学系では、３つのフーリエ平面が共焦点配列になっている。本発明の核心は、１２ｆ光学系の３つのフーリエ平面が正確な対象／像関係にあるということである。図１３は、フーリエ平面とその環境、つまり、反射空間フィルタ（フーリエ・フィルタ）１４の平面、アドレス指定された層８２に書き込まれるホログラム、および第２の反射空間フィルタ（共焦点フィルタ）９４の拡大図を示している。空間フィルタ１４は、高次のフーリエ成分１１４をカットする。高次のフーリエ成分をカットすると、ホログラムのサイズが縮小され、その結果、単一ホログラム内に格納されるデータ密度を高めることができる。ホログラムのサイズ、層間の距離、および層内で多重化できるホログラムの個数は、密接な相互関係を持つ。高次フーリエ成分１４１をカットすると、同じ層内で互いに近い位置に置かれているホログラム間の干渉が低減する。これは、反射空間フィルタ１４のサイズを適切に設定することにより、光学系のデータ・ストレージ容量を最適化することができることを意味している。反射空間フィルタ９４は、アドレス指定されていない層から読み取られたホログラムを除去するように設計されている。

図１７は、読み取りプロセスを示す。読み取るときに、アドレス指定された層８２から発せられた対象ビームは、データ・キャリアの反射面上で反射され、レンズ６からなる書き込み／読み取りフーリエ対物レンズに到達する。後焦点距離は、同じ層に書き込む際に使用される距離よりもさらに大きくなるが、これは、厚い補正プレート７２を使用することにより実行できる。つまり、読み取り補正プレート７２は、常に、同じ層に関連付けられている書き込み補正プレート７１よりも厚い。したがって、読み取り時に、層の厚さにより生じる収差を補正するために使用される可変形状５２の非球面プレートの形状も、同じ層を書き込むために使用される非球面補正プレート５１の形状とは異なる。

しかし、同じ層の書き込みおよび読み取りに使用される書き込み／読み取り補正プレートは、それぞれ、厚さおよび形状のみが異なるわけではない。ホログラムを書き込むときに、対象および基準ビームは、内側像平面４内で空間的に分離されている範囲から発し、また空間的に分離されているフーリエ対物レンズ６を通るという事実から著しい違いが生じる。しかし、読み取りの場合、読み出された対象ビーム１０２は、反射面８１上で反射され、フーリエ対物レンズ６の範囲を通るが、そこで、読み取りに使用される基準ビームはアドレス指定されたホログラムに向かって進行する。これは、読み取り時に、補正プレート５２および７２を通過する読み取り基準ビームおよび読み出された対象ビーム１０２は、反対向きであるが、互いにオーバーラップすることを意味する。したがって、範囲２４（図５を参照）は、対象ビームから除外される。図１８および１９は、補正プレート５２および７２上のオーバーラップ範囲５２１および７２１を示している。基準ビームは、ホログラムを書き込むために使用されるものと完全に同じなので、範囲５２１内の読み取り補正プレートの形状および光学的特性は、範囲５１１内の書き込み補正プレート５１の形状に対応する。範囲５１１および５２１の作業は、基準ビームを集束する場合に発生しうる収差を補正することである。範囲５１２および範囲５２２は、それぞれ、書き込みおよび読み取り時に対象ビーム内に発生する収差を補正する。範囲５１３および５２３は、反射された基準ビーム内に発生する収差を補正するように設計されている。反射された基準ビームは、補正プレートの正しい位置決めを検出するために使用できる。補正プレート７１および７２は、さらに、異なる厚さの２つの範囲からなる。基準ビームは、書き込み時には範囲７１１を通過し、読み取り時には範囲７２１を通過する。反射された基準ビームは、それぞれ、帯域７１３および７２３を通過して、検出器に向かう。帯域７１１および７２１の厚さは、範囲７１２の厚さと同じである。帯域７１３および７２３、さらに範囲７２２では、補正プレートは、反射されたビームを読み取るために必要なより大きな後焦点距離に応じて、大きな厚さを有する。その実施形態に関して、プレート５１、５２、および７１、７２は、成型プラスチック要素であり、低コストで大量生産できる。

上記のことから、書き込み補正プレート５１および読み取り補正プレート５２は、個々の層をアドレス指定するときに置き換えられるか、または、素子は、電気的信号により制御できる光学的特性（屈折度分布の形状および／または変化）を持つことが分かる。同様に、書き込み補正プレート７１および読み取り補正プレート７２も同様に置き換えられる。これは、フーリエ対物レンズ６からの一定の距離についてフーリエ対物レンズ６の前および後に移動するそれぞれの補正プレートに対する一次元駆動素子を使用して実行することができる。図２０に示されているように、層に関連付けられている書き込み補正プレート５１／ａ、５１／ｂ、および５１／ｃ、並びに読み取り補正プレート５２／ａ、５２／ｂ、および５２／ｃは直線素子５９上に取り付けられる。書き込み補正プレート７１／ａ、７１／ｂ、７１／ｃ、並びに読み取り補正プレート７２／ａ、７２／ｂ、および７２／ｃは直線素子７９上に取り付けられる。ここでもまた、３層データ・キャリアを前提としている。書き込みまたは読み取りの場合、直線素子５９および７９は、層をアドレス指定するため対物レンズ６に関係する適切な位置に移動される。補正要素５１、５２、７１および７２は、円形ディスク上に取り付けることもできる。この場合、ディスクは、層をアドレス指定するために回転させられる。

ホログラフィック・データ・ストレージ・システムの場合、基準ビームは、ホログラムを書き込むときと読み取るときとで同じであることが重要な要件である。交換可能な補正プレートでは、これは、可変形状のプレート５１および５２の位置決めが非常に重要であることを意味している。プレート７１および７２を元に戻すことは重要でないが、それは、厚さが可変のプレートは平面平行プレートだからである。これらは、平面に平行な状態で移動されるため、その位置決めは重要でない。反射面８１で反射された基準ビームは、ホログラムの書き込みと読み取りとの両方の場合に検出器１０に到達する。書き込み時に、アドレス指定された層に依存する帯域７１１、７１３の正確な厚さ、およびアドレス指定された層に依存する帯域５１１、５１３の正確な形状は、原理上、反射された基準ビームが検出器マトリクスに正しく到達することを保証する。同様に、読み取り時に、帯域７２２、７２３の正確な厚さおよび帯域５２１、５２３の正確な形状は、反射された基準ビームが検出器マトリクスに正しく到達することを保証する。層をアドレス指定するときに、補正プレート５１および５２が正確に配置されていない場合、反射された基準ビーム２２は、理論的に決定された位置と異なる場所で検出器１０の表面に到達する。この場合、プレート５１および５２の正確な設定に関するエラー信号が生成される。

補正プレート５１および５２の他の実施形態では、補正プレートの一方の表面は液晶レンズからなるが、他方の表面は、アドレス指定された層と無関係にそれぞれの層について同じである非球面である。液晶レンズが使用される場合、補正プレート５１および５２は、層をアドレス指定するときには交換されない。液晶レンズに印加される適切な電気的制御信号の影響の下で、レンズの屈折度分布は変化する。これにより、光線の方向が少し修正されるため、さまざまな層をアドレス指定するときに発生しうる収差の補正が実行される。同様に、補正プレート５１および５２は、プレートが液体レンズまたは二重屈折レンズの形で設計されている場合、移動しないことになる。

図１２に示されている１２ｆ光学系では、基準および対象ビームは、分離されているように見えながら、その経路にそっていっしょに進行する。基準および対象ビームは、さらに、内側像平面４内で空間的に分離されている。このため、この平面内であっても基準および対象ビームを結合することができる。この場合、基準ビームは、畳まれた書き込み中継対物レンズ１を通過しない。この解決方法は、環境の影響に対し敏感にはなるが、互いに無関係に基準および対象ビームを変調できる可能性が高く、またその自由度も高い。

図１２に示されている光学系では、基準ビームは右側を通過するが、対象ビームはＳＬＭの左側を通過する。原理上、対象および基準ビームがさらに図１２に示されているのと比較して同じ層内で平行に進行する場合に、その光学系の容量を倍にできる。すなわち、それぞれの層において２倍のホログラムが多重化されるということである。多重化されたホログラムの半分は、ＳＬＭの右側を通過する基準ビームと左側を通過する対象ビームを使用して書き込まれるが、ホログラムの残り半分は、ＳＬＭの左側を通過する基準ビームと右側を通過する対象ビームを使用して書き込まれる。２倍の多重化ホログラムの場合、ホログラムのサイズの間の基本関係、書き込まれた層間の距離、多重化されたホログラムの個数、および禁止領域の視角は、変化しないが、容量は倍になる。

図１２に示されている光学系では、対象ビームと基準ビームは、ホログラムの書き込み時には直接ビームである。これは、書き込む場合、ビームは、反射層８１に触れることなく、アドレス指定された層に到達することを意味する。他方、読み取られたデータ・ビームは、反射層上で反射され、読み取りヘッドに向かって進行する。読み取り時に、基準若しくはデータ・ビームまたはその両方が最初に反射面８１で反射され、その後、アドレス指定された層に到達する実施形態が考えられる。図２１／ａから２１／ｄは、対象および基準ビームの可能な配列を示す。書き込み時に、対象ビームが反射された場合、読み出されたデータ・ビーム１０２は、反射面８１に触れることなく、読み取りヘッドに到達する。図２１／ａから２１／ｄに示されている配列では、異なるホログラムが得られる。すなわち、異なるグリッド構造が得られる。提示されている配列を使用すると、ホログラムを同じ場所に書き込める、すなわち、多重化できる。原理上、これにより、光学系の容量が４倍になる。もちろん、図２１／ａから２１／ｄによる対象および基準ビームの配列の場合、補正プレート５および７は、図１８に示されているように書き込みプレート５１および読み取りプレート５２上の範囲５１１、５１２、５１３、５２１、５２２および５２３、並びに図９に示されているように書き込みプレート７１および読み取りプレート７２上の範囲７１１、７１２、７１３、７２１、７２２および７２３とともに、それに応じて修正される。

光学系は、情報の１ビットのみがマイクロホログラム内にそれぞれ格納される場合に、大幅に簡素化される。このような場合、書き込みには空間的光変調器は必要ないが、読み取りは、単純な光検出器を使用することにより実行される。しかし、データを並列に読み書きするホログラフィック・ストレージの利点は、失われる。ストレージ層の特性に応じて、マイクロホログラムの物理的記録方法は、強度ホログラム、偏光ホログラム、位相振幅ホログラムがある。上述のストレージ手段は、それぞれの場合に機能する。

上述の実施形態はそれぞれ、１つまたは複数のデータ・ストレージ層が、事前にプリントされて、コンピュータにより生成されたホログラムからなるように実施することができる。このため、ＣＤ／ＤＶＤディスクと同様に、連続生産で複製できるという重要な利点を持つ書き換え不可能な読み取り専用ストレージが得られる。ストレージ層の屈折度とスペーサ層の屈折度とは異なる。事前にプリントされたホログラムは、複雑な回折格子、空間光変調器のフーリエ変換の積、および基準ビームからなる。すなわち、基準ビームを偏位させるコンピュータ生成ホログラムである。事前にプリントされたホログラムは、薄い位相ホログラムである。

本発明による８ｆ光学系を示す図である。 ホログラムの共焦点フィルタ処理の動作条件を示す図である。 ３つの共焦点配列のフーリエ平面を持つ１２ｆ光学系を示す図である。 畳まれた１２ｆ光学系を示す図である。 光学系の他の実施形態を示す図である。 アドレス指定されていないホログラム６０６の空間フィルタ処理に加えて、アドレス指定されている層６００内で読み出されるホログラムおよびアドレス指定されていない層６０１内のホログラムの共焦点分離を示す図である。 二波長偏光ホログラフィを適用できる実施形態を示す図である。 異なる厚さの補正プレートを使用する層アドレス指定プロセスを示す図である。 畳まれた１２ｆ光学系の場合の層アドレス指定プロセスを示す図である。 データ・キャリア・プレート８が対物レンズ１００５の間に斜めに配置されている実施形態を示す図である。 修正された１２ｆ光学系を示す図である。 共線光学配置の反射型光学系を示す図である。 適用される１２ｆ光学系の各部の拡大図である。 ホログラムを異なる深さの層に書き込むプロセスを示す図である。 ＳＬＭ２の実像４およびアドレス指定された層８２の実像の概略図である。 データ・キャリア８の断面図である。２１０は、対象ビームに最も近い基準ビーム進行である。 読み取りプロセスを示す図である。 可変形状または可変光学特性補正プレート５１および５２の概略図である。 可変厚さ補正プレート７２の概略図である。 可動直線素子５９および７９を示す図である。 対象および基準ビームの可能な配列を示す概略図である。

符号の説明

１ 畳まれた書き込み中継対物レンズ
２ ＳＬＭ（光変調器、空間光変調器）
３、１１ 偏光ビーム分割プリズム
４ 内側像平面（実像）
５ 補正プレート（可変形状または可変光学特性読み取り／書き込み補正プレート）
６ 書き込み／読み取りフーリエ対物レンズ
７ 補正プレート（可変厚さ読み取り／書き込み平面平行補正プレート）
８ データ・キャリア、データ・キャリア・プレート、反射型データ・キャリア
９ 畳まれた読み取り中継対物レンズ
１０ 検出器アレイ
１２、３１、９２ ラムダ／４プレート
１３ 第１のフーリエ対物レンズ
１４ 後焦点面（空間フィルタ、反射空間フィルタ）
２１ 基準ビーム
２２、８１３ 対象ビーム
２３ 禁止（未使用）領域
２４、２５ 帯域
５１ 可変形状書き込み補正プレート
５２、７２ 可変形状読み取り補正プレート
５９、７９ 可動直線素子
６８ 第２のフーリエ対物レンズ
６９ 第３のフーリエ対物レンズ
７１ 可変厚さ書き込み補正プレート
８１ 反射面（反射層）
８２、６００ アドレス指定された層
８６、５０３、６０６ アドレス指定されていないホログラム
８７、５０５、８１０ アドレス指定されたホログラム
９１ 偏光ビーム分割プリズム
９３ レンズ
９４ 反射空間フィルタ
９５ 空間フィルタ（共焦点フィルタ）
９９ 第４のフーリエ対物レンズ
１０２ データ・ビーム（読み出された対象ビーム）
１１４ 高次のフーリエ成分
１４１ 高次のフーリエ成分
２０２ｄ、６０２ｄ ホログラムの直径
２０５ｌ 層間の距離
２０６α 対象ビームで満たされない内側円錐の半円錐角度
２１０ 基準ビーム
２２０ データ範囲
２２１ 基本対象ビーム
３００ ＳＬＭ
３０４ 空間フィルタ
３０５ 第２のフーリエ対物レンズ
３０７ 第３のフーリエ対物レンズ
３０９ 第４のフーリエ対物レンズ
３１４ 第６のフーリエ対物レンズ
３１７、３１８ 可変厚さ平面平衡プレート
３２１ 第１の対物レンズ・ペア
３２２ 第２の対物レンズ・ペア
３２３ 第３の対物レンズ・ペア
４０１ ビーム分割プリズム
４０２、４１２ λ／４プレート
４０３、４１３ フーリエ対物レンズ
４０４、４１４ 鏡
４０７、８０７ 第１の補正プレート
４０９、８０９ 第２の補正プレート
４１１ ビーム分割プリズム
４１６ 基準ビーム
４１７ 対象ビーム
４２０ 焦点面
４２１ 焦点面
５００ 対象ビーム
５０１ 基準ビーム
５０２ 同時に読み出されたホログラム（アドレス指定されていないホログラム）
５１１、５１２、５１３、５２２、５２３ 範囲
５２１ 帯域
６０１ アドレス指定されていない層
６０５ｌ さまざまな層の間の距離
６０８γ 基準ビームの角度
７００ 基準ビーム
７０１ 感光ビーム
７１１、７１２、７１３、７２２、７２３ 範囲
７２１ 帯域
８０３ アドレス指定されたホログラフィック層
８０８ 外部ホログラフィック層
８１１ アドレス指定されていないホログラム
８１２ 読み出し対象ビーム
８２０ 基本ホログラム
９０１ 第１のホログラフィック層
９０２ 共焦点鏡
１００１ 第１の補正くさび
１００２ 後補正くさび
１００４ 一番外側のホログラム
１００５ 対物レンズ
１００６ 光ヘッド
１１１１ 空間フィルタ
１１１３、１１１５ 理論的フーリエ平面

Claims (22)

1. ホログラムをデータ・キャリアから読み取るための少なくとも１つの基準ビームを発生させ、ボルメトリック・ストレージ材料内のホログラムを読み取る光学系であって、対物レンズの２つのペアからなる８ｆ光学系であり、対物レンズ・ペアの第１の構成要素が対象のフーリエ変換を生成し、対物レンズ・ペアの第２の構成要素が前記対象を再変換し、前記対象の像が、前記対物レンズ・ペアの第２の構成要素の後焦点面内に常に形成される光学系であって、アドレス指定されたホログラムが第１の対物レンズ・ペアの接合焦点面内に配置され、光学系の倍率によってサイズが決定される空間フィルタが、アドレス指定されていないホログラムを除去するために、前記第２の対物レンズ・ペアの接合焦点面内に配置されていることを特徴とする光学系。
2. ホログラムをデータ・キャリア上に記録するための少なくとも１つの対象ビーム及び少なくとも１つの基準ビーム、並びに前記データ・キャリアからホログラムを読み取るための少なくとも１つの基準ビームを発生させ、ボルメトリック・ストレージ材料内のホログラムを読み取って記録する光学系であって、対物レンズの３つのペアからなる１２ｆ光学系であり、対物レンズ・ペアの第１の構成要素が対象のフーリエ変換を生成し、対物レンズ・ペアの第２の構成要素が前記対象を再変換し、前記対象の像が、前記対物レンズ・ペアの第２の構成要素の後焦点面内に常に形成され、アドレス指定されたホログラムが前記第２の対物レンズ・ペアの接合焦点面内に配置され、光学系の倍率によってサイズが決定される空間フィルタが、前記第１の対物レンズ・ペア及び第３の対物レンズ・ペアのそれぞれの接合焦点面内に配置されていることを特徴とする光学系。
3. データを書き込むための空間光変調器が、前記第１の対物レンズ・ペアの第１の焦点面内に配置され、フィルタ開口が、前記第１の対物レンズ・ペアの接合焦点面内に配置され、前記フィルタ開口が、前記第１の対物レンズ・ペアの後焦点面内に空間光変調器の空間ローパス・フィルタ処理像が出現するように前記空間光変調器の前記フーリエ変換の高次成分をカットして０次回折次数の部分のみを透過させることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
4. 前記第２の対物レンズ・ペアの第１の構成要素の第１の焦点面が、前記第１の対物レンズ・ペアの前記後焦点面と一致し、それにより前記空間光変調器の前記空間ローパス・フィルタ処理像が、前記第２の対物レンズ・ペアの第１の構成要素によって少なくとも１つの基準ビームと交差する前記第２の対物レンズ・ペアの接合焦点面内にフーリエ変換され、前記データ・キャリアが、前記第２の対物レンズ・ペアの前記接合焦点面内に、又はその近くに配置されることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
5. 前記第３の対物レンズ・ペアの第１の焦点面が、前記第２の対物レンズ・ペアの前記後焦点面と一致し、空間フィルタ開口が、前記第３の対物レンズ・ペアの前記接合焦点面内に配置され、それにより前記空間光変調器のフィルタ処理像が、前記第３の対物レンズ・ペアの後焦点面内に出現し、検出器アレイが、前記第３の対物レンズ・ペアの前記後焦点面内に配置されることを特徴とする請求項４に記載の光学系。
6. ホログラムをデータ・キャリア上に記録するための少なくとも１つの対象ビーム及び少なくとも１つの基準ビーム、並びに前記データ・キャリアからホログラムを読み取るための少なくとも１つの基準ビームを発生させ、ボルメトリック・ストレージ材料内のホログラムを読み取って記録する光学系であって、対物レンズの３つのペアからなる１２ｆ光学系であり、対物レンズ・ペアの第１の構成要素が対象のフーリエ変換を生成し、対物レンズ・ペアの第２の構成要素が前記対象を再変換し、前記対象の像が、前記対物レンズ・ペアの第２の構成要素の後焦点面内に常に形成され、アドレス指定されたホログラムが前記第２の対物レンズ・ペアの接合焦点面内に配置され、光学系の倍率によってサイズが決定される空間フィルタが、前記第１の対物レンズ・ペア及び第３の対物レンズ・ペアのそれぞれの接合焦点面内に配置されており、前記第１の対物レンズ・ペア及び／又は前記第３の対物レンズ・ペアが、偏光分離立方体、λ／４プレート、フーリエ対物レンズ、及び鏡を有する畳まれた対物レンズであり、前記鏡が前記フーリエ対物レンズの焦点面内に配置されており適切に定められた開口を有することを特徴とする光学系。
7. 前記少なくとも１つの基準ビームが、前記少なくとも１つの対象ビームの方向と一致する方向に、前記対物レンズの共通光軸に沿って進行し、前記基準ビームが、空間光変調器の平面内の、又は前記対物レンズの共通光軸と平行にクリッピングされた共焦点位置のフーリエ平面内における空間光変調器の中心にある対応共役像平面内のドットをなすことを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の光学系。
8. 前記少なくとも１つの対象ビームの中心に、適切なサイズの空間が前記少なくとも１つの基準ビーム用に残されており、前記フーリエ平面の周囲において、前記少なくとも１つの対象ビームが、対象ビームが入らない内側円錐を有する円錐内を進行することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 前記データ・キャリアの複数の層の距離、前記ホログラムのサイズ、前記円錐の、前記少なくとも１つの対象ビーム内の前記内側円錐との円錐角度は、前記少なくとも１つの基準ビームによって同時に照射される前記ホログラムの中から、前記第３の対物レンズ・ペアの前記接合焦点面内にある前記空間フィルタが、アドレス指定された層から来る対象ビームを通すのみであってアドレス指定されていないホログラムから来る対象ビームはブロックされるように選択されていることを特徴とする請求項８に記載の光学系。
10. 前記対物レンズの前記共通光軸に沿って進行する前記少なくとも１つの基準ビーム及び前記少なくとも１つの対象ビームが、反対方向に進行し、反射ホログラムが、アドレス指定された層内に形成されることを特徴とする請求項７に記載の光学系。
11. 前記少なくとも１つの基準ビームが、前記フーリエ平面内の前記対物レンズの前記共通光軸との角度γを含み、前記少なくとも１つの対象ビームは、前記フーリエ空間内のある円錐内を進行するが、対象点が、空間光変調器の平面内であって検出器アレイの平面内の半径Ｒの円内に配置されることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の光学系。
12. ストレージ層の距離、前記ホログラムのサイズ、前記対象ビームの円錐角度、及び前記少なくとも１つの基準ビームと前記光軸との間に含まれる前記角度γは、前記少なくとも１つの基準ビームによって同時に照らされるホログラムの中から、前記第３の対物レンズ・ペアの前記接合焦点面内にある前記空間フィルタが、前記アドレス指定された層から来る対象ビームを通すだけであってアドレス指定されていないホログラムから来る対象ビームはブロックされるように選択されていることを特徴とする請求項１１に記載の光学系。
13. 空間光変調器が可変曲率半径の球面波によって照射され、書き込み及び読み取り時において、前記データ・キャリアの層のアドレス指定が、前記空間光変調器を照射する前記球面波の前記曲率半径を変更し、さらに前記空間フィルタの位置を適宜調整することによって実行されることを特徴とする請求項２から１２のいずれか１項に記載の光学系。
14. 書き込み及び読み取り時に、前記データ・キャリアの層の前記アドレス指定が、前記ストレージ材料と前記光学系との間の相互に関係する変位によって実行され、前記相互に関係する変位から生じる球面収差は、前記ストレージ材料の前後に配置された可変厚さ透明プレートによって補正されることを特徴とする請求項２から１２のいずれか１項に記載の光学系。
15. 前記可変厚さ透明プレートが、前記第２の対物レンズ・ペアの２つの対物レンズ間に配置された１段ずつ変化する厚さの平面平行プレートであることを特徴とする請求項１４に記載の光学系。
16. 前記ホログラムを運ぶ前記データ・キャリアが、前記第２の対物レンズ・ペアの対物レンズ間の傾斜位置に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の光学系。
17. 書き込み及び読み取り時に、前記データ・キャリアと前記第２の対物レンズ・ペアの対物レンズとの距離が一定であり、前記第２対物レンズ・ペアの可変後焦点距離が、前記第２の対物レンズ・ペアの前後の可変厚さ、可変形状、又は可変光学特性素子の寄与によって形成されることを特徴とする請求項２から１２のいずれか１項に記載の光学系。
18. 可変厚さ、可変形状、又は可変光学特性素子が、交換可能であるか、リニア・アクチュエータ上に取り付けられるか、又はロータリー・ディスク上に取り付けられることを特徴とする請求項１７に記載の光学系。
19. 前記データ・キャリアは反射型のデータ・キャリアであり、前記データ・キャリアに向かって進行するビーム及び前記データ・キャリアにより反射されるビームが、前記可変形状又は可変光学特性素子の領域内において異なる領域を通過することを特徴とする請求項１７または１８に記載の光学系。
20. 第１の可変厚さ、可変形状、又は可変光学特性素子が、非球面レンズであり、第２の可変厚さ、可変形状、又は可変光学特性素子が、液晶レンズ、制御可能液体レンズ、又は制御可能二重屈折レンズであることを特徴とする請求項１７または１８に記載の光学系。
21. 前記少なくとも１つの対象ビーム及び前記少なくとも１つの基準ビームが、前記空間光変調器の平面内、内側像平面内、及び検出器アレイの平面内において空間的に分離されることを特徴とする請求項２から２０のいずれか１項に記載の光学系。
22. 前記少なくとも１つの対象ビームが、空間光変調器の半分を横切って進行し、前記少なくとも１つの基準ビームが、前記空間光変調器の残り半分を横切って進行し、互いに軸対称に配置されている前記少なくとも１つの対象ビームおよび前記少なくとも１つの基準ビームによって生成されるホログラムは、同一の位置に多重化されることを特徴とする請求項２から２１にいずれか１項に記載の光学系。

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