JP4631410B2 - ホログラム再生装置、ホログラム再生方法 - Google Patents

Description

本発明は、参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に多重記録するホログラム再生装置に係り、特に多重時の参照光の強度を変化させるホログラム再生する方法に関する。

従来よりホログラムデータストレージの記録時には、信号光と参照光の２光束が干渉する領域にホログラム記録材料を配置して、前記２光束の干渉縞をホログラム記録材料に記録するものである（例えば非特許文献１参照）。その際に、ホログラム記録媒体への記録密度を向上させるため、角度多重方式をはじめ、シフト多重方式、スペックル多重方式、および位相コード多重方式などの各種多重方式によるホログラムの多重記録が行われている。またホログラフィックデータストレージの再生時には、信号光路のシャッターを閉じ、再生参照光のみがホログラム記録媒体に照射されることにより、ホログラムの回折光がＣＣＤ、ＣＭＯＳ等の受光素子により取り込まれて再生信号が得られる。

いずれの多重方式においても、多重原理を決める参照光波面の種類が異なることを除いて、記録再生装置の基本構成はほぼ同じと見做せるので、それらの代表として角度多重方式によるホログラフィックストレージ記録再生装置がある。これは信号光と参照光の２光束をホログラム記録媒体に照射するが、信号光を空間変調器（ＳＬＭ）に表示されるデータページで空間変調（強度変調）する毎に、参照光のホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一記録領域にホログラムを多重記録するものである。ホログラム記録媒体に記録されるのは、ＳＬＭに表示される２次元ビットデータ画像（データページ）のフーリエ像である。また、再生信号は回折光を逆フーリエ変換して得られるデータページ画像で、ＣＣＤ等の撮像素子によって撮像され、ビットパターンとしてコンピュータに取り込まれる。

ここで、ホログラフィックストレージの記録容量を決めるパラメータのひとつにホログラムの多重度がある。多重度は、ホログラム記録材料の同一領域に記録されたデータページ数で定義される。ホログラムの多重度Ｍと材料のダイナミックレンジを表す指標であるＭ＃、および回折効率ηの関係は以下のように表される。

η（Ｍ）＝（Ｍ＃）²／Ｍ² …（１）

すなわち、限られたダイナミックレンジを持つ記録材料を用いて記録密度を上げるためには、多重されるホログラム１枚当りの回折効率を抑えなければならない。現状の記録材料では回折効率が１０^-4〜１０^-3のオーダーのホログラムが多重されている。

一般に、記録材料全領域に亙ってホログラムの回折効率が一定になるように多重の順序に応じて適正な露光時間を与える。このような記録方法はスケジューリング記録と呼ばれている。スケジューリング記録によって、全データページの回折効率はある程度範囲内に納めることができる。しかしながらホログラム再生装置には、低い回折効率の再生光を信号として検出するために高感度な撮像素子を用いる。よって回折効率のわずかな変動に対しても非常に敏感で再生信号のＢＥＲが変動する。

一方、再生信号のＢＥＲ（ビットエラーレート）は、一般に記録密度が高くなるに従いクロストークやスキャッタノイズの増大を伴って大きくなる。高感度な撮像素子は、僅かでも必要以上の光強度の参照光でホログラムを再生すると、得たい信号だけでなくノイズのレベルも上げてしまう。また、参照光の光強度が弱すぎても、再生信号を正確に検出できなくなってしまう。
IBM J.RES DEVELOP VOL 44 NO.3 MAY 2000 「Holographic data storage」

すなわち、従来のホログラム記録媒体再生装置では、ホログラム記録媒体に照射される参照光の光強度および回折効率に応じて、再生光の光強度が変化し、それに応じて撮像素子から得られる再生信号のＢＥＲは変化してしまう。ホログラム記録媒体に多重記録されたホログラムを再生する場合、スケジューリング記録されたものでも多重順序により回折効率がどうしても異なってしまうため、多重記録された全ホログラムを通じてＢＥＲを許容範囲内に納めるのは困難であった。この回折効率の違いは再生するホログラム記録媒体が異なる場合も生じ、同様の問題が生じる。そこで、ＢＥＲが悪化した再生信号を画像処理してある程度ノイズを除去することは可能であるが、画像処理の負担を増やすと、処理時間が長くなってしまうという問題があった。

また、従来のホログラム記録装置では、信号光と参照光を分岐するＰＢＳとその直前に配置される半波長板は固定されており、信号光と参照光強度比を一定に保ってホログラムの記録を行う。信号光と参照光の強度比は、ホログラムの回折効率やＳＮＲを左右する記録条件のパラメータの一つである。高記録密度を実現するホログラフィックデータストレージは、多重度を非常に大きくする必要があるため、弱い信号すなわち低回折効率のホログラムを記録・再生する必要がある。また、低回折効率でも高ＳＮＲの信号が得られるよう、常に所定の記録条件を精密に満たすことがホログラム記録装置に要求される。実際は、装置内の光源の特性や半波長板などの部品の配置などに、バラツキが存在してしまうため、信号光と参照光の強度比が本来満たすべき記録条件を逸脱してしまうことが問題となっていた。さらに、強度比が最適でないままホログラムを多重記録すると、必要な回折効率を得るために過露光することになり、記録材料のダイナミックレンジを浪費してしまう問題もあった。

その上、従来の角度多重方式によるホログラム記録装置では、記録媒体に対する参照光の入射角変化に伴い、参照光ビーム断面のパワー密度が変わってしまうという問題があった。すなわち、ホログラムを多重記録する際、信号光強度が一定のまま、参照光強度だけ変わってしまい、それにより多重記録する毎に、再生時の回折効率が異なるという問題があった。

本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、参照光を照射して多重記録されたホログラム記録媒体を再生する際に、ホログラム記録媒体から得られる再生光の光強度を最適化して再生信号のＢＥＲを常に許容範囲内に納めることができるホログラム再生装置及び方法、並びに、参照光と信号光を照射してホログラムを多重記録する際に、この多重記録データを再生した時の再生信号のＢＥＲを常に許容範囲内に容易に納めることができるホログラム記録装置及び方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、ホログラム記録媒体に参照光を照射して発生される再生光を光電変換して再生画像データを読み取るホログラム再生装置であって、前記再生画像データから得られる特徴量を抽出する抽出手段と、前記参照光の光強度を変化させる光強度可変手段と、前記抽出された特徴量に基づいて前記光強度可変手段を制御し、前記再生光の光強度を所定の範囲内とする制御を行う光強度制御手段とを具備することを特徴とする。

また、本発明の前記光強度制御手段は、前記ホログラム記録媒体に記録したデータを再生する際に得られる再生光が所定の範囲内に入るように、前記参照光の光強度を制御することを特徴とする。

このように本発明では、再生時、再生画像データから得られる特徴量、例えば輝度平均値などを用いて、再生光の光強度（光量）が適切になるように再生時の参照光の光強度をフィードバック制御することにより、多重記録順序により異なる回折効率のバラツキにより生じる再生光の光強度の変化を所定範囲とし、これにより再生信号のＢＥＲを常に許容範囲内に納めることができる。

また、記録時、記録した直後のデータを再生して得られる再生画像データの特徴量、例えば輝度平均値など多重記録データ毎に記憶し、この輝度平均値に基づいて再生時の再生光の光強度が適切になるように記録時の参照光の光強度をフィードバック制御することにより、記録データの回折効率が多重記録順序により異なる範囲を許容範囲内に納め、これにより、再生時のＢＥＲを常に許容範囲内に容易に納めることができる。

本発明によれば、再生時、再生画像データから得られる特徴量、例えば輝度平均値などを用いて、再生光の光強度が適切になるように再生時の参照光の光強度をフィードバック制御することにより、多重記録順序により異なる回折効率のバラツキにより生じる再生光の光強度変化を所定範囲内とし、これにより再生信号のＢＥＲを常に許容範囲内に納めることができる。
また、記録時、記録した直後のデータを再生して得られる再生画像データの特徴量、例えば輝度平均値など多重記録データ毎に記憶し、この輝度平均値に基づいて再生時の再生光の光強度が適切になるように記録時の参照光の光強度をフィードバック制御することにより、記録データの回折効率が多重記録順序により異なる範囲を許容範囲内に納め、これにより、再生時のＢＥＲを常に許容範囲内に容易に納めることができる。

参照光を照射して多重記録されたホログラム記録媒体を再生する際に、ホログラム記録媒体から得られる再生光の光強度を最適化して再生信号のＢＥＲを常に許容範囲内に納める目的を、再生時、再生画像データから得られる特徴量、例えば輝度平均値などを用いて、再生光の光強度が適切になるように再生時の参照光の光強度をフィードバック制御することにより、多重記録順序により異なる回折効率のバラツキにより生じる再生光の光強度の変化を所定範囲内とすることによって実現した。

また、参照光と信号光を照射してホログラムを多重記録した場合の再生時の回折効率を許容範囲内に納める目的を、記録時、記録した直後のデータを再生して得られる再生画像データの特徴量、例えば輝度平均値など多重記録データ毎に記憶し、この輝度平均値に基づいて再生時の再生光の光強度が適切になるように、記録時の参照光の光強度をフィードバック制御することにより、記録データの回折効率が多重記録順序により異なる範囲を許容範囲内に納めることによって実現した。

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したブロック図である。ホログラム記録再生装置は、レーザ光源１、シャッター２、半波長板３、偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）４、スペイシャルフィルタ５、コリメートレンズ６、ミラー７、角度回転ミラー８、シャッター９、ミラー１０、スペイシャルフィルタ１１、コリメートレンズ１２、ミラー１３、ＳＬＭ１４、信号光レンズ１５、再生光レンズ１６、ＣＣＤ或いはＣＭＯＳなどで構成される撮像装置１７を有して構成され、ホログラム記録媒体６０に対してホログラムを角度多重方式で記録再生する。

図２は図１に示した本実施形態のホログラム記録再生装置の制御系の構成を示したブロック図である。ホログラム記録再生装置は、制御装置１８によりシャッター２、９の開閉、空間変調器（ＳＬＭ）１４へのデータページの表示制御、撮像装置１７からの画像データの検出処理、角度回転ミラー８の回転制御、多重記録された全ホログラムを通じてＢＥＲを許容範囲に納めるための制御処理が行われる。

次に本実施形態の概略動作について説明する。ホログラム記録媒体６０にデータを記録する場合、シャッター２が閉まった状態で、記録するデータページが空間変調器（透過性の液晶表示装置）１４に表示されると共に、ホログラム記録媒体６０を回転させて記録場所（記録エリア）を決めた後、シャッター２が開らく。

これにより、レーザ光源１から出射された干渉性を持つレーザ光は、シャッター２を通して半波長板３により偏向方向が調整された後、偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）４に入射し、記録光１００と参照光２００に分割される。参照光２００は、スペイシャルフィルタ１１とコリメートレンズ１２によりビーム径に拡大された平行光になり、ミラー１３によりその進行方向が変更されて角度回転ミラー８に入射する。参照光２００は角度回転ミラー８によりホログラム記録媒体６０へ設定された入射角で照射される。但し、参照光２００のホログラム記録媒体６０への入射角は、制御装置１８からの制御指令で角度回転ミラー８の回転角が変化されて変更される。

一方、信号光１００はシャッター９を介してミラー１０に入射され、ここで進路を変更された後、スペイシャルフィルタ１１とコリメートレンズ１２により所定のビーム径に拡大された平行光になる。信号光１００はさらにミラー１３に入射してその進路を変更され、空間変調器１４に入射される。空間変調器１４には図５に示すようなデータページが表示され、ここを信号光が通ることにより空間変調される。空間変調された信号光１００は、信号光レンズ１５を介してホログラム記録媒体６０中で集光され、参照光２００と重なり、その結果発生した干渉縞の光強度分布がホログラムとしてホログラム記録媒体６０中に記録され、その後、シャッター２が閉じられる。ホログラム記録媒体６０中に照射された参照光２００と信号光１００は、ホログラム記録媒体６０中で干渉し、その結果発生した干渉縞の光強度分布がホログラムとして記録媒体中に記録される。

その後、空間変調器１４に次に記録するデータページが表示されると共に、角度回転ミラー８が僅かに回転して、参照光２００の入射角を変更した後、シャッター２が開くと、次に記録するデータページがホログラム記録媒体６０の同一記録領域に角度多重で記録される。これを繰り返して、所定の多重度になると、ホログラム記録媒体６０を移動させて次の記録領域に上記と同様の多重記録を行う。

上記のように記録されたホログラムを再生する時は信号光シャッター９を閉じた状態でシャッター２を開くことにより、当該ホログラムが記録された位置に参照光２００を照射する。参照光２００の照射により生じた再生光３００は、再生光レンズ１６を介して撮像装置１７上に結像させ、撮像装置１７より再生画像信号を得る。次に角度回転ミラー８を回転させて参照光２００のホログラム記録媒体６０への入射角度を変えて同一の記録領域から別のデータページに対応する再生光３００を発生させて、撮像装置１７より次の再生画像データを得る。再生画像データは図２に示した制御装置１８に送られる。

以下、本実施形態の特徴部分について図３を用いてその詳細を述べる。撮像装置１７から送られて来た再生画像データは、制御装置１８の再生画像処理部１８に入力される。再生画像処理部１８は再生画像データの全ピクセルの輝度値から図４に示すようなヒストグラムを生成する。ヒストグラムから特徴量を抽出し、撮像中のデータ画像の輝度分布がデコードに適した形を取っているか、あるいは全体的に暗いほう（明るいほう）に偏っており、輝度分布の修正が必要かを判定することができる。

図４は、適正な輝度分布を示すヒストグラムと、画像が全体的に暗く分布が適正でない場合のヒストグラムの例を示した図であり、横軸が輝度レベルで、縦軸がピクセル数である。図４（Ａ）は分布が適正なヒストグラムで、点灯している（ＯＮの）ピクセルと、ＯＦＦのピクセルのレベルのピークがはっきりと分離されており、良好なＳＮＲが得られていることが分かる。一方、図４（Ｂ）のヒストグラムは、ＯＮとＯＦＦのピクセルのレベルのピークが分離できず、全体的に画像が暗すぎることを示している。撮像画像がこのような状況下にあるとノイズと信号の区別がつきにくくなり、ＢＥＲの増大につながってしまう。このような場合では、参照光２００の光強度を強めてＯＮピクセルのレベルを上げる制御が制御装置１８により行なわれる。

一方、撮像されている画像の輝度が高すぎる場合も問題となる。ＯＮピクセルの光がその周囲に漏れこみノイズとなってしまうからである。また、ノイズを誤認識する可能性も増してしまう。このような場合は、輝度分布が適正範囲に納まるよう、参照光２００の光強度を弱める制御が制御装置１８により行なわれる。

次に制御装置１８による参照光２００の光強度制御について説明する。再生画像処理部１８１はヒストグラムを生成すると共に、このヒストグラムを解析して輝度平均値を求める。その後、輝度分布−半波長板角度対応テーブル１８２に用いて求まった輝度平均値に対する波長回転角を求め、これを半波長板制御部１８３に送る。半波長板制御部１８３は、入力される波長回転角に対応する制御信号を半波長板回転ステージコントローラ８１に送くって、半波長板回転ステージ８２により半波長板３を回転させ、レーザ光の偏向方向を変えることで、ＰＢＳ４により分割されて出てくる参照光２００の光強度を輝度分布が適正範囲に納まるように変更する。

本実施形態によれば、撮像装置１７から得られる再生画像データをヒスとグラム分析して輝度分布を求め、その結果に応じて半波長板３を回転して再生時の参照光の光強度を制御するフィードバックループにより、ホログラム記録媒体６０から発生する再生光の光強度を常に最適な範囲にして、撮像装置１７から得られる再生画像データのＢＥＲを常に許容範囲内に納めることができる。

なお、参照光２００の光強度調整は半波長板３の代わりに参照光２００の光強度を直接調整する光強度調整フィルタを用いても同様の効果を得ることができる。また、上記実施の形態では、各画像の再生参照光の最適光強度を決定するのに再生画像データのヒストグラムを用いる例を挙げたが、輝度平均値や分散、或いは輝度の最大値をフィードバックして半波長板３を制御しても同様の効果がある。

図６は、本発明の第２の実施の形態に係るホログラム再生装置の制御系の構成を示したブロック図である。但し、第１の実施形態と同様の部分には同一符号を付して説明する。本実施の形態では、再生光学系にビームスプリッター３１を配置して、ホログラム記録媒体６０から発生する再生光をビームスプリッター３１で分岐し、これを別途配置された受光素子３２で光強度を検知し、この検知信号を制御装置１８にフィードバックする構成を有している。

制御装置１８は、検知された再生光強度が常に所定範囲に納まるように光強度調整部３３を制御する。これにより、第１の実施形態と同様に撮像装置１７から再生信号のＢＥＲを常に許容範囲内に納めることができ、第１の実施形態と同様の効果がある。

図７は、本発明の第３の実施の形態に係るホログラム記録装置の制御系の動作を示したフローチャートである。但し、本例の構成は上記した第１の実施の形態と同様であるため、以下同一の構成を持つ各部については、その構成動作の説明を省略し、以下、その動作の特徴部分を説明する。

まず、ステップ１０１にて、最初はデフォルト値を用いてホログラムを多重記録する毎に半波長板３を回転制御して、記録時の参照光２００の光強度を制御しながら、１〜Ｎ枚のデータページをホログラム記録媒体６０の同一の記録領域に記録する。次にステップ１０２にて、シャッター９を閉じた状態で、先に記録した１〜Ｎ枚のデータページを再生し、ステップ１０３にて、再生画像データから輝度平均値などの特徴量を抽出し、この特徴量に基づいて記録時の参照光の多重順の光強度を求めて記憶する。

その後、次に記憶領域にホログラムを多重記録する際に、多重順序に従って半波長板３の回転を制御し、前記記憶された記録時の参照光２００と同一の光強度になるようにしてホログラムを多重記録する。上記ステップ１０２からステップ１０４までの処理を全てのデータが記録されるまで続け、ステップ１０５にて、全てのデータが記録されると、処理を終了する。

本実施形態によれば、ホログラムの多重記録時、再生時の再生光の光強度レベルが所定領域内になるように、記録時の参照光２００の光強度を制御しているため、再生時の回折効率を許容範囲内に納めることができ、それ故、再生時の再生信号のＢＥＲを容易に許容範囲内に納めることができる。

尚、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。例えば上記第３の実施の形態では、ひとつの記憶領域にホログラムを多重記録する毎に、それを再生して再生画像データの特徴量を抽出し、それに基づいて次の記憶領域の多重記録時の参照光の光強度を変化させるフィードバック制御を行っているが、これを毎回行うのではなく間欠的に行ってもよい。また、上記実施の形態では、角度多重方式に本発明を適用した例を示したが、シフト多重方式、スペックル多重方式、および位相コード多重方式などの各種多重方式に本発明を適用して同様の効果を得ることができる。

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したブロック図である。 図１に示した本実施形態のホログラム記録再生装置の制御系の構成を示したブロック図である。 図１に示した制御装置の再生参照光の光強度制御系の詳細例を示したブロック図である。 再生画像データのヒストグラム例を示した図である。 空間変調器に表示されるデータページ例を示した図である。 本発明の第２の実施の形態に係るホログラム再生装置の制御系の構成を示したブロック図である。 本発明の第３の実施の形態に係るホログラム記録装置の制御系の動作を示したフローチャートである。

符号の説明

１……レーザ光源、２、９……シャッター、３……半波長板、４……偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）、５、１１……スペイシャルフィルタ、６、１２……コリメートレンズ、７、１０、１３……ミラー、８……角度回転ミラー、１４……空間変調器（ＳＬＭ）、１５……信号光レンズ、１６……再生光レンズ、１７……撮像装置、１８……制御装置、３１……ビームスプリッター、３２……受光素子、３３……光強度調整部、８１……半波長板回転ステージコントローラ、８２……半波長板回転ステージ、１８１……再生画像処理部、１８３……半波長板制御部。

Claims (7)

1. ホログラム記録媒体に参照光を照射して発生される再生光を光電変換して再生画像データを読み取るホログラム再生装置であって、
   前記再生画像データから得られる特徴量として輝度平均値を抽出する抽出手段と、
   前記参照光の光強度を変化させる光強度可変手段と、
   前記抽出された特徴量に基づいて前記光強度可変手段を制御し、前記再生光の光強度を所定の範囲内とする制御を行う光強度制御手段と、
   を具備する
   ホログラム再生装置。
2. ホログラム記録媒体に参照光を照射して発生される再生光を光電変換して再生画像データを読み取るホログラム再生装置であって、
   前記再生光を検出するための受光素子から得られた受光信号より得られる特徴量として輝度平均値を抽出する抽出手段と、
   前記参照光の光強度を変化させる光強度可変手段と、
   前記抽出された特徴量に基づいて前記光強度可変手段を制御し、前記再生光の光強度を所定の範囲内とする制御を行う光強度制御手段と、
   を具備する
   ホログラム再生装置。
3. 前記ホログラム記録媒体に多重記録したデータを再生する場合、多重記録したデータを再生する毎に、前記光強度制御手段は前記再生画像データから抽出された特徴量に基づいて前記光強度可変手段を制御し、前記再生光の光強度を所定の範囲内とする制御を行う請求項１又は２記載のホログラム再生装置。
4. 前記光強度可変手段は、１本のレーザ光を偏光ビームスプリッターで参照光と信号光に分ける前段に挿入され、前記レーザ光の偏向方向を任意に変えられる回転半波長板である請求項１又は２記載のホログラム再生装置。
5. 前記光強度可変手段は、光強度調整フィルタである請求項１又は２記載のホログラム再生装置。
6. ホログラム記録媒体に参照光を照射して発生される再生光を光電変換して再生画像データを読み取るホログラム再生方法であって、
   前記再生画像データから得られる特徴量として輝度平均値を抽出し、抽出された特徴量に基づいて前記再生光の光強度を所定の範囲内とすべく、前記参照光の強度を制御するホログラム再生方法。
7. ホログラム記録媒体に参照光を照射して発生される再生光を光電変換して再生画像データを読み取るホログラム再生方法であって、
   前記再生光を検出するための受光素子から得られた受光信号より得られる特徴量として輝度平均値を抽出し、抽出された特徴量に基づいて前記再生光の光強度を所定の範囲内とすべく、前記参照光の強度を制御するホログラム再生方法。

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