JP4863516B2 - ホログラフィックシステム、ホログラフィックデータ記憶用のホログラフィックシステム - Google Patents

Description

本発明は、放射線の放出用の放射線源と、対物レンズと、信号評価手段と、検出器と、光データ記憶媒体とを含み、光データ記憶媒体が少なくとも１つのデータキャリア層と少なくとも１つのビーム反射層とを有する、ホログラフィックシステム、特にホログラフィックデータ記憶用のホログラフィックシステムに関する。

この種のシステムは、デジタル媒体に記憶された情報項目の記憶および読み出しにおいて通常使用されている。デジタル記憶媒体は、例えば、広く市販されているＣＤやＤＶＤであってもよい。大量の情報の利用可能性への常に高まる要求は、高速で確実な記憶および読み取り方法を必要とする。この記憶媒体に記憶可能な情報項目は、一般に、デジタルまたはアナログであろう。この場合、例えば、二次元または三次元ビットパターンとしてデジタルデータを書き込んで読み出すことができる。この場合、放射線源によって生成され、データ情報に従って変調されるビームを用いて、記憶すべきデータをデータキャリア層に書き込み、その場合、ビットと呼ばれる個々の情報を再度後で読み出すことができる。

さらにデータ記憶容量を増やすために、情報項目を光データ記憶媒体に三次元的に適用するホログラフィックデータ記憶を使用することもできる。

ホログラフィックデータは、完全なビットパターンを各々含むデータページの形態で記憶され、読み出される。そのようなビットパターンを、必要な時に何回でも、ホログラフ的に記憶し、後で読み出して取得することができる。さらに、いわゆる多重化の技術により、多数のデータページを１つの位置に重ね合わせることができる。情報項目の取得は、信号ビームに含まれる光情報項目を記録して読み出すことを含む。デジタルカメラやＣＣＤカメラを用いて、取得した情報項目を、電気信号に変換することができ、例えば、光学的追加処理にかけることができる。

生成すべきデータビットパターンを、ホログラフィックデータ記憶中に変調器によって信号ビームに刻印する。信号ビームと参照ビームとの間の干渉の結果、データを所定の角度で光データ記憶媒体にホログラフ的に書き込む。この場合に使用されるホログラフィック材料は、結晶であったり、単体を形成するのに混合された多数の部分結晶、または、例えば露光の結果、屈折率や吸収係数を変える感光性ポリマーなどの有機または無機光屈折性材料を含んだりしてもよい。

信号ビームと参照ビームの生成に関して、先行技術は、放射線を偏光子によって分離し、それに応じて重ね合わせのために再度コリメートする２つの個々の放射線源を含むビットシーケンスに記憶されるデジタル情報項目のホログラフィック記憶および読み出し用のシステムを示す。

文献「１テラバイト光ディスクの実現、幕張でのインターオプト（Ｉｎｔｅｒｏｐｔｏ）２００２年で入手したオプトウェア会社（ＯＰＴＷＡＲＥ Ｃｏ．）のパンフレット」に開示されているように、ほとんどの用途における放射線源は、記憶媒体でビームを干渉に導く前に互いに十分に離れているビーム経路を有するか、または記憶媒体で干渉のために後で交差されるために偏光フィルターによってビームを分離するレーザービーム源である。このように、必要な放射線源はレーザービーム源であってもよいが、特性放射線のコヒーレンスに関する記述は、光学的放射に対する制約であると理解すべきではない。

光記憶媒体に対して読み書きヘッドをその位置に制御するために、記憶媒体で反射したビームによって焦点およびトラック制御を検出器で行う位置調整システムを使用する。

光データ記憶媒体からのデジタル情報項目のホログラフィック記録再生用の既知の記録再生装置の場合、記録再生装置の光学的構成が非常に複雑なシステムを含むという問題が生じる。偏光フィルターなどのビームスプリッタも必要であり、複数のビームは通常、共通平行（ｃｏｍｍｏｎ ｃｏｌｌｉｍａｔｉｏｎ）の所まで、または干渉の所まで異なる光路上を伝わる。この複雑な光学的構成では、複数の光学部品を互いに正しい方向に配置必要があるので、組立ておよび位置合わせコストが高価となる。この種のシステムの場合に情報項目を記録再生するための必須の前提条件は、対応する２本のビームの高精度な方向出しおよび位置出しである。

また、偏光光学部品を使用すると、対応する偏光子による個々のビームの偏光面の分離（消光と呼ばれる。）には不鮮明になる場合があり、これによって信号鮮明度がさらに減少するような欠点もある。

本発明の目的は、小さくコンパクトで丈夫な装置を構成し、ホログラフィック記憶層中で信号ビームが参照ビームと１回だけ交差し、光ビームスプリッタを使用せず、位置合わせ費用が最小限ですむホログラフィックシステム、特にホログラフィックデータ記憶用のホログラフィックシステムを提供することにある。

本発明の目的は、請求項１のプリアンブルによるホログラフィックデータ記憶用のシステムと請求項１の特徴的構成要素とが合同して、達成される。本発明の有利な改良は、従属請求項に記載されている。

本発明は、対物レンズまたは対物レンズシステムが複数の区域を有し、平行に伝わる少なくとも２本のビームがそれぞれの区域で対物レンズを通過し、少なくとも２本のビームが光データ記憶媒体内の平面上のそれぞれ別々の位置で集束し、光データ記憶媒体で反射した少なくとも１本のビームがそれぞれさらなる区域で再度対物レンズを通過するという技術的教示を含む。

この解決策は、信号ビームが本発明に従って対物レンズを通って参照ビームと共に平行に伝わることができ、それによってビームの経路でビーム分割光学部品、特に偏光に基づく光学部品なしで済ますことができるという利点をもたらす。その結果、偏光面の非１００％分離のコントラストを記述する消光比がデジタル信号の不鮮明を常に引き起こすので、そのような原因による信号鮮明度の低下という欠点はもはや生じない。

２本のビームの平行経路により、１つのみの放射線源に加えて少数の追加光学部品で構成することができ、システムの構成が小さいコンパクトなシステムを実現することができる。

本発明を改良する更なる対策では、対物レンズまたは対物レンズシステムがちょうど４つの区域を含み、対物レンズを通過するちょうど２本のビームがちょうど１つのクロス・オーバー・ポイントで交差するように区域が形成されていることを提供する。これは、２本のビームがデータ層で１回だけ交差し、そこで明確に画定されたホログラム層を生成するという利点をもたらす。この場合、ビームの特殊なインターリーブ経路によって信号ビームと参照ビームとの間の交差を引き起こすように、対物レンズの個々の区域は互いに配置されている。

本発明のシステムの１つの成果によれば、対物レンズまたは対物レンズシステムの区域がいずれの場合にもハーフ・レンズとして形成され、対物レンズが水平左右対称または回転対称の形状を有し、ハーフ・レンズの湾曲部が外側に向いていることを提案する。対物レンズの個々の区域のハーフ・レンズ状輪郭を用いて、信号ビームおよび参照ビームは、ある角度で光データ記憶媒体を通過する。これは、２本のビームの１回だけの交差をもたらす。ハーフ・レンズ状輪郭の湾曲の結果、ビームは集束され、これは、ビームを集束させる別々の対物レンズを省略できることを意味する。従って、本発明による対物レンズの有利な実施形態は、ビーム偏向の機能と集束の機能を両方とも果たす。

放射線源により放出される平行ビームの変調および分割に関して、変調手段が放射線源と対物レンズとの間に配置され、変調手段が放射線源により放出される平行レーザービームからちょうど２本の平行ビームを生成し、１本のビームが信号ビームとしての機能を果たし、１本のビームが参照ビームとしての機能を果たすことが特に有利である。最も単純な形態では、変調手段により、レーザービームの半分は参照ビームとしてそのまま通過されると共に、レーザービームの他の半分は記憶されるべきデータに従って変調される。変調手段は、入射レーザービームの振幅および／または位相を変える。変調手段がビームスプリッタ光学部品を有することもできるということは言うまでもない。変調手段は、参照ビームを変調することにより、位相符号化多重化のためにさらに利用することができる。変調手段は、ビーム分割の機能に加えて、ホログラフィックデータ記憶用の位相符号化多重化を可能にするために、ビーム変調の機能も果たす。変調手段は、空間光変調器（ＳＬＭ）、例えば液晶装置またはマイクロミラーアレイであることが好ましい。

構造上の理由で、光データ記憶媒体の傾斜（ディスク傾斜）および焦点およびトラック位置を調整するために参照ビームを利用することができる場合、特に有利である。参照ビームは、対物レンズの下流の非点収差集束レンズを通過してから、調整用の補正信号を生成するために検出器により検出されることが好ましい。この場合、対物レンズは、補正信号に基づいて焦点、ディスク傾斜およびトラック制御を行うためにアクチュエータ手段により機械的に支持されている。検出器は、四象限ダイオードであり、例えば、焦点位置およびトラックの両方からの参照ビームのずれを検出するためのものである。この場合、非点収差集束レンズは、ビーム整形に役立ち、非回転対称レンズを含む。非点収差方法の代わりに、例えば、補正信号を生成するいわゆる「スポットサイズ検出」方法などの他の方法を使用することもできる。この解決策に関する利点は、対物レンズを再度通過した後にコリメートされ、自由ビームとして検出器に転送可能な参照信号を利用することができることである。対物レンズを光データ記憶媒体に対して動かすことができるアクチュエータ手段により、対物レンズに関する位置補正を行って、焦点位置、ディスク傾斜およびトラックを再調整することができる。この場合、アクチュエータ手段用の補正信号は、検出器により検出されて状態調整され、それによって、上記構成要素は閉制御ループを形成する。

本発明を改良する更なる手段としては、光データ記憶媒体のデータキャリア層におけるクロス・オーバー・ポイントでの相互に交差するビーム間の角度が９０度であることを提供することである。この手段の利点は、信号ビームと参照ビームとの間の９０度の角度を用いることで、位相符号化多重化が最適の機能を有する、即ち、非常に高い記憶密度を得ることができることである。しかし、この角度が他の値（好ましくは、８０度〜１００度の間）を取ることもできるということは言うまでもない。実際のシステムでは、この角度は、レンズ設計により少なくとも部分的に決定される。

信号ビームの評価に関して、信号ビームは、信号ビームに含まれる信号を取得するために対物レンズの下流に配置された信号評価手段に入る。データの取得後、電気信号に変換することにより、データが状態調整されて提示可能になる。この場合、信号評価手段は、ＣＣＤカメラまたはフォトアレイを含んでもよく、複数のデータの平行評価が可能である。更なる光学的用途にデータを利用できるようにするために、データの光学的追加処理も可能である。

本発明を改良する更なる手段は、図面を参照して本発明の好ましい典型的な実施形態の記載と共により詳しく以下に例示され、または従属請求項に明記されている。

添付図面は、略図であり、本発明を解明するのに役立つ。同一および類似の構成要素は、同一の参照符号で表す。特に指定の無い限り、方向の表示は図面の平面と関連がある。ビーム間の角度は、図面では９０度と明白に異なっている。これは、他の要素と比べてデータキャリアを拡大して図示したためである。

図１に例示されるホログラフィックシステム１の構成は、放射線３を放出する放射線源２を含む。この場合、放射線源２は、変調手段４に入射する平行レーザービームを放出するレーザービーム源であってもよい。平行レーザービームは、変調手段４において互いに平行に伝わる信号ビーム５と参照ビーム６とに分割される。信号ビーム５は、光データ記憶媒体８のデータキャリア層７に書き込まれるビットパターンに従って変調手段４により変調される。この場合、位相符号化多重化のために、参照ビーム６を変調手段４でさらに変調してもよい。変調器４は通常、レンズの焦点面に位置する。変調器の各画素は、データキャリアに平面波（レンズのフーリエ変換特性）を生成する。位相変調中に、個々の平面波の位相を変える、典型的には０またはＰｉだけ位相を移動させる。個々の位相の巧みな選択によって、同じ位置に複数のホログラムを記憶することができる。

平行に伝わる２本のビーム５、６は、対物レンズ９により光データ記憶媒体８に向けられ、その過程で光データ記憶媒体８に集束される。対物レンズ９は、放射線源２の方向に位置している上側にハーフ・レンズ状輪郭を各々有する４つの区域１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを有する。対物レンズ９の一方の側がハーフ・レンズ状輪郭を有し、他方の側が平面である、左右対称または回転対称として対物レンズを構成してもよい。その結果、各々の区域は、互いに配置された平凸レンズであり、いずれの場合にも４つの区域１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄのハーフ・レンズ状輪郭の湾曲部は、外側に凸になっている。この場合、対物レンズ９は、１つの部材に組み入れてもよく、または個別に製造された区域１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄから成ってもよい。対物レンズの撮像特性を向上させるために、ここで単に概略的に図示された平凸レンズを、両凸非球面レンズまたは均等なレンズシステムと当然交換することもできる。対物レンズ９における信号ビーム５および参照ビーム６の屈折の結果、２本のビームは、互いに９０度だけ異なる角度で光データ記憶媒体８に入る。光データ記憶媒体はデータキャリア層７の下にビーム反射層１１を有し、信号ビーム５および参照ビーム６は当該ビーム反射層１１で反射されるので、それらのビームは、入射角に対応する射出角で光データ記憶媒体８内を再度逆方向に戻る。

光データ記憶媒体８は、ビーム反射層１１と平行に位置する少なくとも１つのデータキャリア層７を有する。個々の区域１０ａ、１０ｂの表面の湾曲の結果、２本の平行ビーム５、６は、ビーム反射層１１で集束され、次いで、データキャリア層７におけるクロス・オーバー・ポイント１２で交差する。信号ビーム５が参照ビーム６と交差した結果、例えば感光性ポリマーから成るデータキャリア層７にホログラムが生成される。その情報は、この体積格子に記憶される。ホログラムの生成にも使用された参照ビームを用いてのみ、その情報を読み出すことができる。参照ビームの位相を変えることにより、同じ位置に複数のホログラムを記憶することができる（いわゆる位相多重化）。

いったん２本のビームが光データ記憶媒体８を通過してしまうと、それらのビームは、対物レンズ９の区域１０ｃ、１０ｄにより再度コリメートされ、対物レンズ９から離れる方向へ平行に放射される。この場合、信号ビームは信号評価手段１３に入射する。信号評価手段１３では、デジタルデータを取得し、さらに、そのデジタルデータを電気信号に変換する。この場合、信号評価手段１３は、ＣＣＤカメラまたはフォトアレイを含んでもよく、あるいは光学的な追加処理も可能なので、一例として信号を光ファイバーに転送することもできる。一方、参照ビーム６は、非点収差レンズまたは特殊なビームスプリッタ１４を介して検出器１５に導かれる。この場合、非点収差レンズ１４は非回転対称であり、それによって参照ビーム６を位置検出の評価に用いることができる。検出器１５は、参照ビーム６のその所望の位置からのずれを検出可能な四象限ダイオードを含んでもよく、それによって検出器１５は補正信号を出力する。対物レンズ９の位置が光データ記憶媒体８に対してずれている場合、２本のビームの焦点位置またはトラック位置が所望の位置からずれ、参照ビーム６も同じようにその所望の位置から移動し、さらに検出器１５により検出される。信号ビーム５および参照ビーム６は互いに平行に伝わるので、２本のビームの位置ずれ（ｅｒｒｏｎｅｏｕｓ ｐｏｓｉｔｉｏｎ）が同じように検出され、参照ビーム６の位置ずれを検出するだけで両方のビームの位置ずれを補正することができる。信号ビーム５および参照ビーム６の両方を信号評価手段１３と検出器１５とに導入するために、信号評価手段１３に対しておよび検出器１５に対して、信号ビーム５および参照ビーム６をさらに位置決めできるミラー１６を使用する。

検出器１５により供給される補正信号は、対物レンズ９の位置を続いて補正するために能動制御ループ内で機械的アクチュエータ手段に伝えられる。

図２も、ホログラフィックシステムの構成の略図を例示する。ただし、このシステムは、変形対物レンズ９を有し、検出器１５がない構成である。このシステムは、図１に記載のシステムと同様であるが、検出器１５によるビーム位置補正用の参照ビーム６の検出部分を取り除いてある。この場合、一例として追加のレーザービーム源を含む外部システムによって焦点検出およびトラック位置検出を行う。対物レンズ９の第４の区域１０ｄによる参照ビーム６の再コリメートはこの変形例の場合に必要ないので、この区域を取り除いている。それによって、対物レンズ９は３つの区域１０ａ、１０ｂ、１０ｃのみから構成される。

図３ａ）および図３ｂ）は、対物レンズ９の２つの可能な実施形態の平面図を概略的に示す。この場合、図３ａ）は対物レンズ９の左右対称の実施形態を示し、図３ｂ）は回転対称の実施形態を示す。この場合、ハッチング領域は信号ビーム用のレンズ部分を表し、ハッチング無し領域は参照ビーム用のレンズ部分を表す。

本発明の実施形態は、以上詳述した好ましい典型的な実施形態に限定されない。むしろ、基本的に異なる構成の実施形態の場合にも例示された解決策を使用する多数の変形例が考えられる。

検出器付きホログラフィックシステムの構成の略図を示す。 ホログラフィックシステム（ただし、変形対物レンズ付きで、検出器無し）の構成の略図を示す。 対物レンズの略平面図を示す。

符号の説明

１ ホログラフィックシステム
２ 放射線源
３ 放射線
４ 変調手段
５ 信号ビーム
６ 参照ビーム
７ データキャリア層
８ 光データ記憶媒体
９ 対物レンズ
１０ 区域
１１ ビーム反射層
１２ クロス・オーバー・ポイント
１３ 信号評価手段
１４ 非点収差レンズ
１５ 検出器
１６ ミラー

Claims (11)

1. 信号ビームと参照ビームとが互いに平行に配置され、前記信号ビームにビットパターンを印加する変調手段と、前記信号ビームおよび前記参照ビームをホログラフィック記憶媒体に集束させる対物レンズとを備える、ホログラフィック記憶媒体の記録再生装置であって、
   前記対物レンズは、空間的に離隔された複数の区域を有し、前記信号ビームを集束させるための第１の区域と、前記参照ビームを集束させるための第２の区域と、再生信号ビームをコリメートするための第３の区域とが設けられ、前記再生信号ビームは、前記ホログラフィック記憶媒体に記憶されたホログラムに前記参照ビームを照射することにより得られることを特徴とする、前記装置。
2. 前記対物レンズは、前記ホログラフィック記憶媒体上で反射された前記参照ビームをコリメートするための第４の区域を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 前記信号ビームは、前記ホログラフィック記憶媒体の中で前記参照ビームと交差することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
4. 前記対物レンズの前記区域がいずれの場合にもハーフ・レンズとして形成され、前記対物レンズが水平左右対称または回転対称の形状を有し、前記ハーフ・レンズの湾曲部が外側に向いていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 平行レーザービームを射出するレーザービーム源を備えることを特徴とする、請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の装置。
6. 前記放射線源と前記対物レンズとの間に変調手段が配置され、
   前記変調手段は、前記放射線源により放出される前記平行レーザービームから精確に２本の平行ビームを生成し、１本のビームが前記信号ビームとしての機能を果たし、１本のビームが前記参照ビームとしての機能を果たすことを特徴とする、請求項５に記載の装置。
7. 前記変調手段は、位相符号化多重化のために前記参照ビームを変調することを特徴とする、請求項６に記載の装置。
8. 前記参照ビームは、焦点、トラック位置、および／またはディスク傾斜を調整するために利用されることを特徴とする、請求項５または６に記載の装置。
9. 前記対物レンズは、焦点、ディスク傾斜、および／またはトラック制御を行うために補正信号により制御可能なアクチュエータ手段により機械的に支持されていることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
10. 前記ホログラフィック記憶媒体の前記データキャリア層における前記クロス・オーバー・ポイントでの前記信号ビームと前記参照ビームとの間の角度が８０度〜１００度であることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の装置。
11. 前記対物レンズの下流に信号評価手段が配置され、
    前記再生信号ビームに含まれる信号を取得するために前記再生信号ビームが前記信号評価手段に入射することを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の装置。

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