JP4610976B2 - ホログラムメモリ媒体および記録装置、再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、情報を物体光と参照光とによる干渉縞として記録するホログラムメモリ媒体およびこのホログラムメモリ媒体に情報を記録する記録装置、記録された情報を再生する再生装置に関する。

ホログラフィーを利用してホログラムメモリ媒体に情報を記録するホログラム記録方式は、記録しようとする画像情報をもった光（以下、物体光という。）と参照光と呼ばれる光をホログラムメモリ媒体の中で重ね合わせ、その干渉縞をホログラムメモリ媒体の中に書き込むことよって行われる。

記録された情報を再生する場合、記録時に用いた参照光と同じ参照光をホログラムメモリ媒体に照射し、干渉縞からの回折によって、記録された画像情報を再生する。ホログラム記録方式は、ホログラムメモリ媒体の厚み方向も利用して３次元的に干渉縞を記録する方式であり、空間的に同一の箇所に２次元の画像情報を多重記録することが可能であることから、ＣＤやＤＶＤに代表される表面２次元型のメモリーに比べて飛躍的な記録容量の向上が見込まれている。

こうしたホログラム記録再生装置は物体光と参照光という２つの光の干渉を利用した干渉計に属するものであるが、干渉計では２つの光を安定した状態で重ね合わせることが非常に困難であり、これまでにも様々な工夫が行われてきた。中でも、微少段差測定などの装置においては共通光路型干渉計と呼ばれる光学系が用いられている。

このような光学系では、重ね合わせる２つの光が同じ光路を伝搬するため、振動などの外乱や空気のゆらぎによる光路変動の影響は２つの光に同じように作用し、それらの影響は互いにキャンセルされるため光路変動の影響を受けにくい安定した装置が実現されている。例えば、ノマルスキー干渉計あるいはノマルスキー顕微鏡と呼ばれている装置はこのような装置の代表として広く一般的に利用されているものである。加えて、共通光路型干渉計では２つの光が同一光路を伝搬することから、光学系の簡素化、小型化も容易であるという利点も持っている。

図１１は、このような共通光路の利点を生かしたホログラム記録再生装置における光学系の概略図である（例えば、特許文献１参照。）。図１１に示すように、光学系の中心付近には空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）が配置され、２次元のデジタル画像に変換された記録情報がＳＬＭに表示される。このＳＬＭで光強度変調を受けた光が情報をもった物体光となる。

この物体光の外側には参照光が配置されており、これら２つの光をホログラムメモリ媒体の中で重ね合わせることにより干渉縞を記録する。このとき、ホログラムメモリ媒体をわずかに回転させて位置をずらすことにより物体光からの情報をホログラムメモリ媒体に多重記録していく。再生時には、ＳＬＭから出射する光を完全に遮断し、参照光のみを記録された干渉縞に照射し、この干渉縞から再生された画像情報をＣＣＤなどの２次元画像センサーにより受光して、情報を再生する。

他方、大容量化を目指す場合には、当然のことながら、高密度で情報を記録する必要があるため、ホログラムメモリ媒体の位置決めには高い精度が要求される。ところが、図１１に示すような光学系の場合、ホログラムメモリ媒体は透明でなければならず、高密度記録には欠かせない高精度な位置決めを行うために必要なアドレスやサーボ情報を密に入れ込むことは困難である。

このような、ホログラム記録再生方式における高精度の位置決めに着目し、従来のＣＤに代表される光ディスクで用いられているサーボ技術と共通光路型の光学系を組み合わせた方式が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。図１２は、その一例である。図１１に示す光学系では、光学系の中心付近を物体光が占めており、その外側に参照光が配置されていて空間的に参照光が分離された、いわゆる空間分離により、参照光が画像センサーに入射しないようにされているが、図１２に示す光学系では旋光板という特別な光学素子を用い、参照光と物体光の偏光を直交させて参照光を分離する、いわゆる偏光分離が行なわれている。

また、ホログラムメモリ媒体の記録層と保護層との境界面には、半径方向に線状に延びる複数の位置決め領域としてのアドレス・サーボエリアが所定の角度間隔で設けられており、隣り合うアドレス・サーボエリア間の扇形の区間がデータエリアになっていて、このデータエリアに干渉縞が記録される。アドレス・サーボエリアには、サンプルドサーボ方式によってフォーカスサーボおよびトラッキングサーボを行うための情報とアドレス情報とが、予めエンボスピット等によって記録されている。また、フォーカスサーボは、反射膜の反射面を用いて行われる。
米国特許第６１０８１１０号明細書 特開平１０−１２４８７２号公報

上述のように、ホログラム記録では、ホログラムメモリ媒体上の同一箇所に多くの画像情報を多重記録することが可能であることから、ホログラムメモリ媒体の厚みを増やせば、原理的には、容量の上限はない。しかしながら、現実的には、様々な要因によりホログラムメモリ媒体の記録容量は制限され、中でも、レンズなどの光学素子やホログラムメモリ媒体から生じる散乱光が大きな問題になってくる。

一般的に、多重する画像の数（干渉縞の数）が増えると、個々の干渉縞から回折される再生光の回折効率が急激に低下してくる。その一方で、レンズなどの光学素子やホログラムメモリ媒体などに光が照射された場合、光学素子やホログラムメモリ媒体の表面荒さや材質の不均一性に起因して散乱光が発生する。こうした散乱光を皆無にすることは現実的には不可能であり、参照光から画像センサーの中に紛れ込んでくる散乱光が少なからず存在する。そして、このような光は光学的なノイズとして回折効率の小さい再生光の検出を妨げる。したがって、最終的に記録される容量の上限は再生光の光強度と散乱光の光強度との比（いわゆるＳ/Ｎ比）によって決定されることになる。

しかし、図１１に示す光学系おいても、参照光と物体光が同じ光学系を伝搬するため、記録再生装置としては安定であり、しかも装置の小型化が期待できるが、共通光路であるがゆえに、上記の散乱光が画像センサーの中に入り込みやすいという問題点がある。したがって、これまでに図１１に示すような共通光路型のホログラム記録再生光学系において記録情報の大容量化は達成されていない。

図９は、現行のＣＤと同じ記録面積をもつホログラムメモリ媒体を想定し、記録する情報の容量を０．２テラバイト、０．５テラバイト、１テラバイトとした場合について、対物レンズの開口数（ＮＡ）と多重するホログラム数の関係を計算したものである。一般的な対物レンズの開口数を０．５程度とすると、記録容量を０．２テラバイトとしたときのホログラム多重数は４００程度、０．５テラバイトでは１０００程度、１テラバイトでは２０００程度であると予想される。

一方で、回折効率ηは、記録材料の特性を示すＭナンバー（Ｍ＃）をホログラムの多重数Ｍで除したものの２乗に相当するが、例えば、図１０に示したように、ホログラム記録材料の一般的なＭナンバーをＭ＃＝５とすると、ホログラム多重数ＭがＭ＝１０００の場合、回折効率ηはη＝２．５×１０^−５程度、ホログラム多重数ＭがＭ＝２０００の場合、回折効率ηはη＝６．３×１０^−６程度と見積もられる。

図８は、図１１に示した従来のホログラムディスクストレージシステムにおいて測定された散乱光量とそれに対する回折効率ηの関係を示した図であるが、この図によれば、従来のシステムでは散乱光による制限により、最小の回折効率ηをη＝１×１０^−２程度までしか下げることができず、前述したようなテラバイト相当の記録容量で要求されるη＝１×１０^−５程度の小さい回折効率を検出することは不可能であった。

図１１に示した従来の方式では、光学系の中心付近を物体光が占め、その周りを囲むように参照光が配置されており、参照光と物体光の分離は空間的に行なわれていたが、散乱光は文字通りあらゆる方向に伝播する成分を含んでいるため、このような空間的な分離だけですべての散乱光を取り除くことは非常に困難である。

また、図１２に示す光学系においても、参照光と物体光が同じ光路を伝搬するようになっており、装置の小型化や安定化は期待されるが、光学素子の複屈折などを考慮すると、偏光分離だけでは前述のような散乱光ノイズの問題を完全に解消できない。さらに、ホログラムメモリ媒体にサーボ領域を入れたことにより、位置決め精度は大きく改善されるものの、ホログラムメモリ媒体をデータ領域とサーボ領域に分割しているため、記録可能なデータ領域の面積が少なくなるのに加え、サーボエリアとサーボエリアの間が離れているため、位置決めの制御が難しくなる可能性も高い。

そこで、本発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものであって、参照光と物体光が同一光路上を伝播する光学系において、空間的な分離に加えて偏光を用いて散乱光ノイズの影響を極力低減しつつ、大容量化を実現可能なホログラムメモリ媒体および記録再生装置を提供することを目的とする。
また、情報の記録領域を減らすことなく、ホログラムメモリ媒体に対する位置決めを高精度に行うことが可能なホログラムメモリ媒体および記録再生装置を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、物体光と参照光とを照射して、該物体光の情報を干渉縞として記録する記録層と、該記録層を記録面側および該記録面に対向する側から挟むように配置され、入射光の偏光状態を変化させる第１および第２の位相差膜と、該第２の位相差膜面に当接して設けられ、物体光および参照光の位置決めを行うための情報を形成した層と、該位置決め情報を形成した層に当接して設けられ、検出光を反射する反射膜と、を有することを特徴とするホログラムメモリ媒体を提案している。

この発明によれば、記録層を挟んで配置された第１および第２の位相差膜により物体光と参照光の偏光状態が変化する。したがって、ホログラムメモリ媒体に入射するまでの物体光および参照光を異なる偏光状態とし、第２の位相差膜を２回透過させることにより、物体光の反射光と参照光を同一の偏光状態にして干渉縞を形成することができる。また、第１および第２の位相差膜の下に物体光と参照光の位置決めを行う位置決め情報を形成し、この位置決め情報を検出する検出光をフィルター層を透過して照射する。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載されたホログラムメモリ媒体について、前記第２の位相差膜面と前記位置決め情報を形成した層との間に設けられ、前記物体光および前記参照光を反射する反射層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載されたホログラムメモリ媒体を提案している。
この発明によれば、反射層と第２の位相差膜との組み合わせにより、反射の前後で偏光を直交させることができるので、記録層以外では互いに偏光が直交している物体光と参照光を記録層の中では同一偏光にして干渉させることが可能となる。また、この反射層による反射を利用すれば、記録媒体の片面側に光学系を集約することができるので、光学系の小型化も容易である。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載されたホログラムメモリ媒体について、前記位置決め情報を形成した層と前記反射層との間に設けられ、前記反射層を透過した前記物体光および前記参照光を吸収するフィルター層をさらに有することを特徴とするホログラムメモリ媒体を提案している。
この発明によれば、フィルター層の作用により検出光のみが位置決め情報に照射されるので、例えば、余分な物体光や参照光が位置決め情報に照射されて不要な散乱光が発生することを防止できる。

請求項４に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載されたホログラムメモリ媒体について、形状がディスク状であることを特徴とするホログラムメモリ媒体を提案している。
この発明によれば、形状をディスク状としたことから、従来の光ディスクに用いられる記録再生装置と同様な機構により、ホログラムメモリ媒体への情報の記録再生を行うことができる。

請求項５に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載されたホログラムメモリ媒体について、形状がカード状であることを特徴とするホログラムメモリ媒体を提案している。
この発明によれば、形状をカード状としたことから、ホログラムメモリ媒体を様々な分野に応用することができる。

請求項６に係る発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載されたホログラムメモリ媒体について、形状がテープ状であることを特徴とするホログラムメモリ媒体を提案している。
この発明によれば、形状をテープ状としたことから、ホログラムメモリ媒体を様々な分野に応用することができる。

請求項７に係る発明は、前記請求項１から請求項６のいずれかに記載されたホログラムメモリ媒体に用いられる記録装置であって、前記物体光と参照光および該物体光および参照光の位置決め情報を検出する検出光が同一の光学系を伝搬するとともに、前記記録層の内部においてのみ、前記物体光と参照光の偏光状態が一致し、該記録層以外においては、前記物体光と参照光の偏光状態が直交していることを特徴とする記録装置を提案している。

請求項８に係る発明は、前記請求項１から請求項６に記載されたホログラムメモリ媒体に用いられる再生装置であって、前記参照光および再生光と該参照光の位置決め情報を検出する検出光とが同一の光学系を伝搬するとともに、前記記録層以外においては、前記再生光と参照光の偏光状態が直交していることを特徴とする再生装置を提案している。

これらの発明によれば、記録層以外の箇所では、物体光（あるいは再生光）と参照光との偏光が直交した状態であり、参照光から発生する散乱光は参照光と同じ偏光であるため、この散乱光を検光子などの偏光分離素子により容易に除去することが可能である。また、位置決め情報により、簡易な方法で高精度の位置決め制御が可能となる。

請求項９に係る発明は、物体光と参照光とを照射して、該物体光の情報を干渉縞として記録する記録層と、該記録層を記録面側および該記録面に対向する側から挟むように配置され、入射光の偏光状態を変化させる第１および第２の位相差膜と、該第２の位相差膜面に当接して設けられ、前記物体光および前記参照光を反射する半透明膜と、該半透明膜に当接して設けられ、該半透明膜を透過した前記物体光および前記参照光を吸収するフィルター層と、該フィルター層に当接して設けられ、入射光の偏光状態を変化させる第３の位相差膜と、該第３の位相差膜に当接して設けられ、物体光および参照光の位置決めを行うための情報を形成した層と、該位置決め情報を形成した層に当接して設けられ、検出光を反射する反射膜とを有するホログラムメモリ媒体に情報を記録する記録光学系を備えた記録装置であって、前記記録光学系の位置決めを行う位置決め光学系を備え、該位置決め光学系が、前記ホログラムメモリ媒体の位置決め情報を形成した層からの戻り光に対して、所定の偏光状態にある光のみを反射して光検出器に導く偏光ビームスプリッターを備えたことを特徴とする記録装置を提案している。

請求項１０に係る発明は、物体光と参照光とを照射して、該物体光の情報を干渉縞として記録する記録層と、該記録層を記録面側および該記録面に対向する側から挟むように配置され、入射光の偏光状態を変化させる第１および第２の位相差膜と、該第２の位相差膜面に当接して設けられ、前記物体光および前記参照光を反射する半透明膜と、該半透明膜に当接して設けられ、該半透明膜を透過した前記物体光および前記参照光を吸収するフィルター層と、該フィルター層に当接して設けられ、入射光の偏光状態を変化させる第３の位相差膜と、該第３の位相差膜に当接して設けられ、物体光および参照光の位置決めを行うための情報を形成した層と、該位置決め情報を形成した層に当接して設けられ、検出光を反射する反射膜とを有するホログラムメモリ媒体に記録された情報を再生する再生光学系を備えた再生装置であって、前記再生光学系の位置決めを行う位置決め光学系を備え、 該位置決め光学系が、前記ホログラムメモリ媒体の位置決め情報を形成した層からの戻り光に対して、所定の偏光状態にある光のみを反射して光検出器に導く偏光ビームスプリッターを備えたことを特徴とする再生装置を提案している。

これらの発明によれば、半透明膜および第３の位相差膜、偏光ビームスプリッターによって、反射膜で反射する位置決め検出光と、ピットやグルーブで反射する検出光とを分離することができる。

本発明によれば、参照光と物体光が同一光路上を伝播する共通光路型の光学系において、最も問題となりやすい散乱光ノイズの影響を、記録層以外の箇所では物体光と参照光との偏光を直交させ、また、余分な物体光や参照光を吸収する色フィルターを導入することにより極力低減することが可能となるという効果がある。
また、上記の構成とすることにより、光学系を簡素化しつつ、記録情報の大容量化を実現できるという効果がある。
さらに、情報の記録領域を減らすことなく、ホログラムメモリ媒体に対する位置決めを高精度に行うことができるという効果がある。

以下、本発明の実施例に係るホログラムメモリ媒体および記録再生装置について図１から図７および図１３を参照して詳細に説明する。

本発明の実施例に係るホログラムメモリ媒体は、図１に示すように、カバー基板１と、位相差膜Ａ（λ／４膜）２ａと、位相差膜Ｂ（λ／４膜）２ｂと、位相差膜Ｃ（λ／４膜）２ｃと、記録層３と、反射層５と、色フィルター６と、オーバーコート７と、基板８、反射膜９とから構成されている。

ここで、位相差膜Ａ（λ／４膜）２ａ、位相差膜Ｂ（λ／４膜）２ｂおよび位相差膜Ｃ（λ／４膜）２ｃは、例えば、左回り円偏光をＳ偏光に、右回り円偏光をＰ偏光に、Ｓ偏光を右回り円偏光に、Ｐ偏光を左回り円偏光に変換する。記録層３は、例えば、フォトポリマー等の感光材料により構成され、物体光と参照光とを同一箇所に照射することにより、物体光の情報を干渉縞として記録する。

色フィルター６は、例えば、長波長側の光は透過するが、短波長側の光は吸収する波長特性を有する光学素子であり、本実施例においては、記録再生用の光をすべて吸収する。反射膜９は基板８上に形成された凹部または凸部状の位置決め情報の表面に設けられ、凹部または凸部状の位置決め情報に照射された検出光を反射する。

また、カバー基板１は、ホログラムメモリ媒体内部を保護するための保護層であり、基板８はホログラムメモリ媒体のベースをなす部材である。さらに、基板８には、物体光と参照光の位置決めを行うための位置決め情報が、例えば、凹部または凸部状に形成されている。

本実施例においては、可視域の短波長側に感度があり、長波長側に感度のない、例えば、フォトポリマー等の記録材料により記録層３が形成されている。したがって、例えば、ホログラム記録再生用の光源を緑色から紫色の短波長で構成し、位置決め制御に必要な光源を赤外もしくは赤色の長波長域で発振するレーザー光で構成すれば、ホログラムメモリ媒体の位置決めに関しては、従来のＣＤやＤＶＤに代表される光ディスクにおいて用いられるサーボ技術をそのまま利用することができる。

本発明の実施例に係る記録再生装置は、図２に示すように、スピンドルモータ１０と、光ピックアップ１１と、フィードモータ１２と、信号処理ＩＣ１３と、ＣＰＵ（ＣＰＵ：Central Processing Unit）１４と、ドライバーＩＣ１５とから構成されている。

スピンドルモータ１０は、ホログラムメモリ媒体がディスク状である場合に、これを例えば、一定の間隔で回転させるための駆動装置であり、ドライバーＩＣ１５の出力によりコントロールされる。
光ピックアップ１１は、半導体レーザーによるレーザー光源や、コリメータレンズ、フォーカスアクチュエータあるいはトラッキングアクチュエータとによって駆動される対物レンズ、偏光ビームスプリッター等の光学部品、及び、受光素子である２次元光検出アレイ等を備えている。

フィードモータ１２は、光ピックアップ１１を例えば、ホログラムメモリ媒体の内周から外周に送るための機構であり、トラッキングアクチュエータのドライブ信号により、光ピックアップ１１の位置を制御する。

信号処理ＩＣ１３は、２次元光検出アレイに入射したホログラムメモリ媒体からの戻り光量に基づいて、再生信号を生成するとともに、光ピックアップ１１における照射レーザーの焦点ずれを検出するフォーカスエラー信号（ＦＥ）を例えば、光ピックアップ１１内の受光素子により得られる戻り光量に基づいて非点収差法等によって生成し、さらに光ピックアップ１１における照射レーザーのトラックずれを検出するトラッキングエラー信号（ＴＥ）を例えば、プッシュプル法等によって生成する。また、生成されたＦＥおよびＴＥに基づいて、フォーカス駆動信号（ＦＯＤＲＶ）、トラッキング駆動信号（ＴＲＤＲＶ）を生成する。

ＣＰＵ１４は、ＲＯＭ（ＲＯＭ：Read Only Memory）等に格納された制御プログラムに基づいて、装置全体の制御を行う。本発明においては、ホログラムメモリ媒体への情報の記録および再生の動作において、各種のサーボ動作を制御する。

ドライバーＩＣ１５は、信号処理ＩＣ１３において生成されたフォーカス駆動信号（ＦＯＤＲＶ）、トラッキング駆動信号（ＴＲＤＲＶ）、あるいは、スピンドル制御信号を入力し、これを所望の大きさに増幅した後、フォーカスアクチュエータ、トラッキングアクチュエータあるいはスピンドルモータ等に供給する。また、トラッキング駆動信号（ＴＲＤＲＶ）から生成されたフィードモータ駆動信号を所望の大きさに増幅した後、これをフィードモータに供給する。

次に、図３を用いて、本発明の実施例に係る記録再生装置の光学系について説明する。
本発明の実施例に係る記録再生装置の光学系は、図３に示すように、光源である半導体レーザー２１と、半導体レーザー２１から射出されたレーザー光のビーム径を拡大するビームエキスパンダー２２と、入射光を偏光するとともに、入射ビームを二つ、もしくはそれ以上の分離したビームに分割する偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２３と、入射光の偏光状態を変えるλ／４板２４ａ、２４ｂ、２４ｃと、物体光を生成する空間光変調器（ＳＬＭ）２５と、入射光を集光する集光レンズ２６と、集光レンズ２６の焦点位置に円形の孔部を有したアパーチャー２７と、アパーチャー２７を通過した光を反射するミラー２８と、入射光の偏光状態を変えるλ／２板２９と、入射光を二つ、もしくはそれ以上の分離したビームに分割するビームスプリッター３０と、再生光と直交した光成分を取り除く検光子３１と、再生光を受光する画像センサー３２と、入射光を集光し、ホログラムメモリ媒体の記録層３に像を形成する対物レンズ３３と、サーボ用レーザー光のみを反射するダイクロイックミラー３４と、サーボ用レーザー光源３５と、ＰＢＳ３６と、焦点位置補正用光学素子３７と、レーザー光を平行光に変換するコリメータレンズ３８と、集光レンズ３９と、光検出器４０と、検出回路４１と、信号処理ＩＣ１３とから構成されている。なお、光源は、記録材料に感度のある波長に合ったレーザーであれば、半導体レーザーでなくてもよい。

次に、図３から図７を用いて、ホログラムメモリ媒体に対する情報の記録、再生動作を説明する。
本実施例においては、ホログラムメモリ媒体への情報の記録、再生に用いられる半導体レーザー光２１は直線偏光（Ｓ偏光）になっているものとする。半導体レーザー２１から出射したレーザー光はビームエキスパンダー２２により、そのビーム径を拡大され、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２３で反射して、λ／４板２４ａにおいて右回り円偏光に変換されたのち、空間光変調器（ＳＬＭ）２５に入射する。

本実施例においては、図４に示すように、光学系の像面に物体光と参照光の両方が配置されている。なお、図４においては、一例として、物体光が光学系の中心を占め、その外側に参照光を配置しているが、例えば、物体光と参照光の位置関係が逆になっていても差し支えない。また、この図に示した物体光は長方形の内部を占めているが、例えば円形であってもなんら問題はない。

あらかじめ記録したい情報は決められた符号化の論理にしたがって２次元のデジタルデータに変換されており、この画像データがＳＬＭ２５上に表示される。シフト多重で大きな多重度を実現するためには、参照光はランダムな位相変調や強度変調を受けたスペックルビームになっている必要があるが、図４の例では、ＳＬＭ２５の外側に拡散板を置き、この拡散板から発生するスペックルビームを参照光としている。

このようなスペックルビームを発生させるには、他にも液晶を使った空間位相変調器や、ランダムフェーズプレートと呼ばれる特別に設計された光学素子を用いてもよい。また、物体光の表示に用いたＳＬＭ２５と同一のＳＬＭ２５を用い、物体光の外側にランダムなパターンを表示させて、この領域から発生するスペックルビームを参照光としてもよい。

このように一つのＳＬＭ２５上に物体光と参照光の両方を表示させ、かつ、ＳＬＭ２５として反射型の液晶ディスプレイを用いる場合には、ＳＬＭ２５自体にλ／４板としての機能が備わっているために、ＰＢＳ２３とＳＬＭ２５との間に配置されているλ／４板２４ａは不要である。なお、ＳＬＭとしてデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いる場合には、入射した光の偏光と直交させるために、このλ／４板が必要となる。

いずれの方法であっても、物体光と参照光の像面から反射した光は、入射した偏光と直交したＰ偏光となり、ＰＢＳ２３を透過する。この透過した光は、別のλ／４板２４ｂを透過し、集光レンズ２６で集光される。このレンズの焦点位置には円形のアパーチャー２７とミラー２８とが配置されている。この焦点位置は、ホログラムメモリ媒体中における対物レンズ３３の焦点位置と共役な位置関係になっている。なお、焦点位置におかれたアパーチャー２７は、ＳＬＭ２５から発生した高次の回折光や散乱光などの不要な光を取り除くものであり、ホログラムの横方向サイズが必要以上に大きくなるのを防ぐ役割も果たしている。

ミラーで反射した光はλ／４板２４ｂを往復することになるため、偏光がＰ偏光からＳ偏光に変換され、再びＰＢＳ２３において反射し、ＳＬＭ２５と共役な位置に再び像面を形成する。この像面位置には、図４に示す参照光と物体光の配置を一例とすると、図５に示したような波長板が置かれており、参照光と物体光の偏光が互いに直交する。なお、図５においては、一例として物体光の領域にλ／２板を配置し、参照光の部分は単なるガラス基板になっているが、これらの位置関係は逆になってもなんら問題はない。

この波長板を透過した参照光と物体光は、λ／４板２４ｃ、ビームスプリッター３０、ダイクロイックミラー３４を透過して、対物レンズ３３によりホログラムメモリ媒体中に集光される。

次に、図６に示したような偏光状態を例にとり、ホログラムメモリ媒体中に干渉縞を記録する様子を説明する。
ホログラムメモリ媒体に入射する物体光の偏光は左回り円偏光（Ｌ）になっており、最初に透過する位相差膜Ａ（λ／４膜）２ａによって、ホログラムメモリ媒体の記録層３ではＳ偏光となる。さらに、その下の位相差膜Ｂ（λ／４膜）２ｂを透過すると、右回り円偏光（Ｒ）に変換される。

右回り円偏光（Ｒ）の物体光は、反射層５で反射されて左回り円偏光（Ｌ）になり、再び位相差膜Ｂ２ｂを透過すると、今度は記録層３中で入射時とは直交したＰ偏光に変換される。一方、ホログラムメモリ媒体に入射する参照光は、物体光の偏光と直交した右回り円偏光（Ｒ）になっており、位相差膜Ａ２ａを透過するとホログラムメモリ媒体中では、Ｐ偏光になる。したがって、反射層５で反射してきた物体光の偏光と一致するために、両者の光は互いに干渉し、その干渉縞（Ｈｏｌｏ-Ｐ）が記録層３を構成する記録材料中に記録される。

位相差膜Ａ２ａおよび位相差膜Ｂ２ｂの両方を透過した参照光は左回り円偏光（Ｌ）に変換される。この左回り円偏光（Ｌ）の参照光は反射層５で反射されると右回り円偏光（Ｒ）に回転方向が逆転し、再び位相差膜Ｂ２ｂを透過すると記録層３の中ではＳ偏光に変換されている。この参照光は記録層３に入射する物体光の偏光と同じＳ偏光であり、両者は互いに干渉してホログラム（Holo-S）が記録される。色フィルター６は、反射層５が半透明膜であった場合に、一部透過した参照光や物体光をすべて吸収する。

次に、図７を用いて、再生時における偏光の様子について説明する。
再生時は、λ／４板２４ｃの結晶軸を光軸中心に４５度回転させて、結晶軸の向きがＳ偏光もしくはＰ偏光の偏光方向と平行になるように設定する。これにより、λ／４板２４ｃは波長板として機能しなくなり、λ／４板２４ｃに入射した光の偏光状態は変化しなくなる。この場合、図５に示した波長板を例にとると、記録媒体に入射する参照光の偏光はＰＢＳ２３で反射したＳ偏光のままになっている。再生時における参照光は偏光状態を除いて図４に示した波長板を例にとると、記録媒体に入射する参照光の偏光はＰＢＳ１３で反射したＳ偏光のままになっている。再生時における参照光は偏光状態を除いて記録時のものと全く同じであり、この光がホログラムメモリ媒体中に書き込まれた干渉縞に照射されると、この干渉縞から記録時に書き込まれた物体光が回折現象により再生される。

Ｓ偏光の参照光は位相差膜Ａ２ａを透過すると左回り円偏光（Ｌ）に変換され、ホログラム（Holo-P）に入射する。ホログラム（Holo-P）は、対向する物体光と参照光により書き込まれた反射型のホログラムであり、再生は参照光の一部が反射することによって行われる。したがって、左回り円偏光（Ｌ）の参照光から再生された再生光の偏光は反射によって回転方向が逆転して右回り円偏光（Ｒ）になっており、位相差膜Ａ２ａを透過した再生光は記録媒体の外で参照光の偏光とは直交したＰ偏光になっている。

ホログラム（Holo-P）を透過した参照光は位相差膜Ｂ２ｂを透過するとＰ偏光になり、反射層５で反射するが、直線偏光の光は鏡面反射によって偏光が変化しないので、再び位相差膜Ｂ２ｂを透過すると、記録層３内では再び左回り円偏光（Ｌ）に戻る。この参照光はホログラム（Holo-S）に入射するが、ホログラム（Holo-S）もやはり対向する物体光と参照光で記録された反射型のホログラムであり、左回り円偏光（Ｌ）の参照光により再生された再生光の偏光は回転方向が逆転した右回り円偏光（Ｒ）である。

ホログラム（Holo-S）から再生された右回り円偏光（Ｒ）の再生光は、位相差膜Ｂ２ｂを透過してＳ偏光になり、反射層５で反射するが、鏡面反射において直線偏光の偏光状態は変化しないので、再び位相差膜Ｂ２ｂを透過すると右回り円偏光（Ｒ）に戻っている。次に、位相差膜Ａ２ａを透過すると、結果としてホログラム（Holo-S）からの再生光は記録媒体の外でＰ偏光になる。すなわち、ホログラム（Holo-P）およびホログラム（Holo-S）からの再生光はいずれも記録媒体の外では参照光の偏光とは直交したＰ偏光になっている。

この再生光は、図３に示した光学系を入射時とは逆側に戻っていき、対物レンズ３３を透過した後、ビームスプリッター３０で反射して、この再生光の偏光成分のみを透過する検光子３１を通過してＣＣＤなどの画像センサー３２で受光される。

再生光に変換されなかった参照光は、偏光状態が再生光の偏光と直交しており、検光子３１を透過できずにカットされる。また、参照光から発生した記録媒体の表面反射成分も再生光の偏光と直交したままであり、この光も画像センサー３２の前に置かれた検光子３１により取り除かれる。

以上、本実施例によれば、参照光と物体光が同一光路上を伝播する共通光路型の光学系を採用しつつ、光学系に空間分離と偏光分離とを用い、さらに、不要な迷光を吸収する色フィルターを導入したことから、散乱光ノイズの影響を極力低減することができる。

一方、ホログラムメモリ媒体の位置決めに必要な検出光学系やサーボ技術、ピット、グルーブなどの基板構造は、現行のＣＤ、ＤＶＤに代表される光ディスクの技術をそのまま利用することが可能である。ただし、記録再生用の光と位置決め検出用の光とを同一方向から照射するので、本発明のホログラムメモリ媒体における反射層５は、入射光の一部を透過する半透明膜となっており、また、色フィルタ６とオーバーコート７との間に位相差膜Ｃ２ｃを備えている。さらに、本発明のサーボ用光学系は、図３に示すように、コリメータレンズ３８と焦点位置補正用光学素子３７との間にＰＢＳ３６を配置する構成となっている。これは、反射層として半透明膜を単に用いた場合には、反射膜で反射する位置決め検出光と、ピットやグルーブで反射する検出光とが光検出器４０に入射し、これらを区別することができないためである。

これに関して、図３および図１３を用いて具体的に説明すると、サーボ用レーザー光源３５から射出され、ホログラムメモリ媒体の反射層５において反射した光は、位相差膜（λ／４膜）を４回透過することになるため、もとのＰ偏光に戻りＰＢＳ３６に入射する。ここで、ＰＢＳ３６は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するため、この光は、ＰＢＳ３６を透過し、光検出器４０には、到達しない。一方で、反射層５を透過してピットやグルーブで反射してきた検出光は、位相差膜Ｃ２ｃをさらに一往復するため、Ｓ偏光になってＰＢＳ３６に入射する。そして、この光は、ＰＢＳ３６で反射されて光検出器４０に到達する。

なお、ピットやグルーブに当たって反射した光のうち、一部の光は反射層５で反射し、再びピットやグルーブに照射されて光学系に戻ってくるが、これらの光はＰ偏光であるために、ＰＢＳ３６を透過して光検出器４０に到達することはない。このように、反射層５とピットやグルーブの間で多重反射を繰り返す光については、対物レンズ３３の焦点位置からはずれている上に、ピットなどの凹凸で散乱された光であるために、光検出器４０上に集光されることもなく、単位面積当たりのパワーは非常に小さいものとなる。したがって、本発明の構成によれば、位置決め用の検出光は上記の偏光作用に加えて光強度上でも、効果的に分離することが可能となる。

なお、図３に示したように、ホログラム記録再生用の光は反射層５で反射させるのに対し、サーボ用の長波長レーザーはさらにその下層のサーボ用ピットに集光させる必要があるため、サーボ検出用の波長における対物レンズの焦点距離は、ホログラム記録再生用の波長における焦点距離に対してほんのわずかではあるが焦点位置を長くしておく必要性も考えられる。

この場合には、あらかじめ短波長側と長波長側で焦点距離が異なる対物レンズを設計しておくことも可能であるが、設計や製造上の問題が懸念された場合には、図３に示したように、サーボ用検出光学系の中に、焦点距離を補正する光学素子（例えば、補正レンズやホログラム素子など）を入れてやればよい。

また、ＣＤやＤＶＤのサーボ技術を活用するには、当然のことながらホログラムメモリ媒体の形状は円盤状でなければならないため、位相差膜の光学軸方向は常に円の接線方向に向いている必要がある。通常の位相差フィルムは、延伸法によって高分子フィルムの高分子鎖を配向させ、延伸方向の屈折率が大きくなるように作成されているが、この方法では円周状に配向させるのは非常に困難である。そこで、近年、液晶ディスプレイの製造で使われている液晶材料を原料とした位相差フィルムであれば、通常のラビングや光配向の手法により円周状に光学軸をそろえることは容易である。

以上、本実施例によれば、参照光と物体光が同一光路上を伝播する共通光路型の光学系を採用しつつ、光学系に空間分離と偏光分離とを用い、さらに、参照光を吸収する色フィルターを導入したことから、散乱光ノイズの影響を極力低減することができる。
また、情報の記録領域を減らすことなく、ホログラムメモリ媒体に対する位置決めを高精度に行うことがきる。

以上、図面を参照して本発明の実施例について詳述してきたが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

本実施例におけるホログラムメモリ媒体の構成図である。 本実施例における記録再生装置の構成図である。 本実施例における記録再生装置の光学系の構成図である。 本実施例における像面の構成図である。 本実施例におけるλ／２板の構成図である。 本実施例による記録再生装置における記録動作を示す図である。 本実施例による記録再生装置における再生動作を示す図である。 従来例における散乱光量と回折効率の関係を示す図である。 対物レンズの開口数とホログラム多重数との関係を示す図である。 回折効率とホログラム多重数との関係を示す図である。 従来例の光学系を示す図である。 従来例の光学系を示す図である。 本実施例による記録再生装置における位置決め検出光の偏光状態を示す図である。

符号の説明

１・・・カバー基板、２ａ・・・位相差膜Ａ（λ／４膜）、２ｂ・・・位相差膜Ｂ（λ／４膜）、２ｃ・・・位相差膜Ｃ（λ／４膜）、３・・・記録層、５・・・反射層、６・・・色フィルター、７・・・オーバーコート、８・・・基板、９・・・反射膜、１０・・・スピンドルモータ、１１・・・光ピックアップ、１２・・・フィードモータ、１３・・・信号処理ＩＣ、１４・・・ＣＰＵ、１５・・・ドライバーＩＣ、２１・・・半導体レーザー、２２・・・ビームエキスパンダー、２３、３６・・・偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ・・・λ／４板、２５・・・空間光変調器（ＳＬＭ）、２６、３９・・・集光レンズ、２７・・・アパーチャー、２８・・・ミラー、２９・・・λ／２板、３０・・・ビームスプリッター、３１・・・検光子、３２・・・画像センサー、３３・・・対物レンズ、３４・・・ダイクロイックミラー、３５・・・サーボ用レーザー光源、３７・・・焦点位置補正用光学素子、３８・・・コリメータレンズ、４０・・・光検出器、４１・・・検出回路、

Claims (9)

1. 物体光と参照光とを照射して、該物体光の情報を干渉縞として記録する記録層と、
   該記録層を挟んで互いに対向するように配置され、入射光の偏光状態を変化させる第１および第２の位相差膜と、
   該第２の位相差膜面に当接して設けられ、前記物体光および前記参照光の位置決めを行うための情報を形成した層と、
   該位置決め情報を形成した層に当接して設けられ、検出光を反射する反射膜と、
   前記第２の位相差膜面と前記位置決め情報を形成した層との間に設けられ、前記物体光および前記参照光を反射する反射層と、
   を有することを特徴とするホログラムメモリ媒体。
2. 前記位置決め情報を形成した層と前記反射層との間に設けられ、前記反射層を透過した前記物体光および前記参照光を吸収するフィルター層をさらに有することを特徴とする請求項１に記載されたホログラムメモリ媒体。
3. 形状がディスク状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたホログラムメモリ媒体。
4. 形状がカード状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたホログラムメモリ媒体。
5. 形状がテープ状であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載されたホログラムメモリ媒体。
6. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載されたホログラムメモリ媒体に用いられる記録装置であって、
   前記物体光と前記参照光を生成して、生成された前記物体光および前記参照光を出射する手段と、
   該物体光および参照光の位置決め情報を検出する検出光を生成して、生成された前記検出光を出射する手段と、
   前記物体光、前記参照光および前記検出光を前記ホログラムメモリ媒体に入射させる光学系と、
   を備え、
   前記記録層の内部においてのみ、前記物体光と前記参照光の偏光状態が一致し、
   該記録層以外においては、前記物体光と前記参照光の偏光の回転方向が互いに逆であることを特徴とする記録装置。
7. 請求項１から請求項５のいずれか一項に記載されたホログラムメモリ媒体に用いられる再生装置であって、
   前記参照光と再生光の前記物体光とを生成して、生成された前記再生光および前記参照光を出射する手段と、
   前記再生光および前記参照光の位置決め情報を検出する検出光を生成して、生成された前記検出光を出射する手段と、
   前記再生光、前記参照光および前記検出光を前記ホログラムメモリ媒体に入射させる光学系と、
   を備え、
   前記記録層以外においては、前記再生光と前記参照光との偏光状態が直交していることを特徴とする再生装置。
8. 物体光と参照光とを照射して、該物体光の情報を干渉縞として記録する記録層と、該記録層を挟んで互いに対向するように配置され、入射光の偏光状態を変化させる第１および第２の位相差膜と、該第２の位相差膜面に当接して設けられ、前記物体光および前記参照光を反射する半透明膜と、該半透明膜に当接して設けられ、該半透明膜を透過した前記物体光および前記参照光を吸収するフィルター層と、該フィルター層に当接して設けられ、入射光の偏光状態を変化させる第３の位相差膜と、該第３の位相差膜に当接して設けられ、前記物体光および前記参照光の位置決めを行うための情報を形成した層と、該位置決め情報を形成した層に当接して設けられ、検出光を反射する反射膜とを有するホログラムメモリ媒体に情報を記録する記録光学系を備えた記録装置であって、
   前記記録光学系の位置決めを行う位置決め光学系を備え、
   該位置決め光学系が、前記ホログラムメモリ媒体の位置決め情報を形成した層からの戻り光に対して、所定の偏光状態にある光のみを反射して光検出器に導く偏光ビームスプリ
   ッターを備えたことを特徴とする記録装置。
9. 物体光と参照光とを照射して、該物体光の情報を干渉縞として記録する記録層と、該記録層を挟んで互いに対向するように配置され、入射光の偏光状態を変化させる第１および第２の位相差膜と、該第２の位相差膜面に当接して設けられ、前記物体光および前記参照光を反射する半透明膜と、該半透明膜に当接して設けられ、該半透明膜を透過した前記物体光および前記参照光を吸収するフィルター層と、該フィルター層に当接して設けられ、入射光の偏光状態を変化させる第３の位相差膜と、該第３の位相差膜に当接して設けられ、前記物体光および前記参照光の位置決めを行うための情報を形成した層と、該位置決め情報を形成した層に当接して設けられ、検出光を反射する反射膜とを有するホログラムメモリ媒体に記録された情報を再生する再生光学系を備えた再生装置であって、
   前記再生光学系の位置決めを行う位置決め光学系を備え、
   該位置決め光学系が、前記ホログラムメモリ媒体の位置決め情報を形成した層からの戻り光に対して、所定の偏光状態にある光のみを反射して光検出器に導く偏光ビームスプリッターを備えたことを特徴とする再生装置。

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