JP4863913B2 - ホログラム再生装置およびホログラム記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、高密度多重記録が可能なホログラム再生装置およびホログラム記録再生装置に関し、特に、離散的なデジタルデータ（例えば大容量の保存用アーカイブデータ）のホログラフィックメモリからの信号再生を行う装置に関するものである。

近年、情報記録において光ディスクなどの光情報記録媒体が普及しつつある。また、より高速・大容量を目指した次世代光情報記録媒体の研究・開発が活発に行われている。
その中でも、記録容量を大幅に高めることができるという観点から、ホログラム記録再生方式を利用した種々の多重記録再生装置が提案されている（例えば、下記特許文献１）。

以下、従来のホログラム記録再生装置を図７を用いて説明する。
レーザ光源３０１から出射されたコヒーレントなレーザ光束は、発散レンズ３０２およびコリメートレンズ３０３からなるビームエキスパンダにより光束径を拡大され、偏光ビームスプリッタ３０５等よりなるビームスプリッタにより２系の光束に分岐され、それぞれ信号光（物体光：実際には空間光変調素子３０９により信号光とされる）および参照光として機能せしめられる。
偏光ビームスプリッタ３０５により分岐された信号光は、偏光ビームスプリッタ３０８を介して空間光変調素子３０９に照射される。

記録すべきデジタル情報はページデータと称される２次元配列に整列され、空間光変調素子３０９に順次表示され、これにより通過する（反射する）光を空間的に変調する。空間光変調素子３０９から出射された信号光は、入射した状態とは偏光方向が変化しており、偏光ビームスプリッタ３０８において反射され、フーリエ変換レンズ３１１によって光学的にフーリエ変換されてホログラム記録媒体３１２へ照射される。このときホログラム記録媒体３１２中の信号光が通過する場所へ、別角度から、偏光ビームスプリッタ３０５で分岐した参照光を同時に照射すると記録媒体３１２内部の体積中に干渉縞が生じ、この縞分布を屈折率分布などの形態で記録媒体３１２の記録領域に転写することによりホログラム記録を行う。そして、異なるページデータを空間光変調素子３０９に表示させつつ、参照光のホログラム記録媒体３１２への入射角度を少しずつ変化させることにより、互いに異なるページデータを記録媒体３１２中の同一領域へ多重記録することが可能となり、高密度な情報格納が可能となる。

なお、上記光路中には、光束を偏向するための反射ミラー３０４、３０６および光束を適宜通過／遮断するためのシャッタ３０７、３１０が配設されている。

一方、ホログラム記録媒体３１２に記録されたページデータを再生する場合には、上記の如くして記録した際の入射角度と同一角度で参照光を記録媒体３１２に照射せしめることにより、同一の記録領域に複数のページデータが多重記録されていても、所望するページデータのみを選択的に取り出し、フーリエ変換レンズ（結像レンズ）３１３を介してＣＣＤ（撮像素子）３１４にて撮像することができる。

特開２００４−２７２２６８号公報 特開平５−１９１８７号公報

ところで、レーザ光は可干渉性が極めて高いため、光路中のミラーやレンズの表面での反射による干渉によってモアレ干渉縞（以下、単にモアレと称する）が発生しやすい。また、受光素子内部でも反射によって干渉が起こり、モアレが発生しやすいことが知られている。このようなモアレが発生すると、モアレパターンが重畳したページデータの再生像が撮像されることになり、再生像が極めて劣化してしまう。

図２は、全画面を白色表示した場合に撮像された再生像を示すものであるが、画面全体にモアレパターンが重畳されている。

図３は、モアレパターンが重畳した、信号が符号化されてなるページデータの再生像を示すものである。モアレパターンが重畳されたことにより、再生画像が極めて劣化している。このように、モアレパターンは再生したページデータの信号対雑音比（SNR：Signal to Noise Ratio）を低下させてしまう。そのためホログラム記録再生技術において、記録情報の高密度化および大記録容量化を達成するためには、モアレパターンを低減することが重要な課題となる。

光路中に配された反射ミラーやレンズ、さらには撮像素子内部の保護ガラス等にARコート（Anti Reflection Coating：反射防止コート、無反射コート）をコーティングすることにより、レーザ光の反射を低減することができ、これによりモアレの発生をある程度抑制することができるが、レーザ光の反射を完全に防止することはできないため、やはりある程度のモアレは生じてしまう。

また、上記特許文献２に記載されている如く、撮像素子の直前にすりガラスを挿入しレーザ光を拡散させて干渉が起こらないようにすることが考えられるが、すりガラスの拡散効果により再生像がぼやけてしまう。

さらに、撮像した再生像を信号処理してモアレ成分を取り除くことが考えられるが、モアレパターンがさまざまな周波数成分を含んでいるため、現実には困難である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、ページデータの再生像に重畳されるモアレパターンを低減して、該再生像の信号対雑音比を大幅に改善し得るホログラム再生装置およびホログラム記録再生装置を提供することを目的とするものである。

本発明のホログラム再生装置は、データ情報を担持した信号光と、参照光とを干渉させて得られた干渉縞がページデータ情報としてホログラフィック記録されたホログラム記録媒体から、該ページデータ情報を再生するホログラム再生装置において、
前記ページデータ情報の再生を行う際に、モアレが重畳された、信号が符号化されてなる任意の該ページデータの再生像である第１再生像と、該第１再生像に重畳されたモアレと同一のモアレが重畳された、全画素白色のページデータの再生像である第２再生像とを取得する再生像取得手段、および該第１再生像を該第２再生像により除算する再生像除算手段を、備えたことを特徴とするものである。

また、前記再生像除算手段は、前記第２再生像を格納しておくメモリ部と、前記第１再生像が入力され、該入力された第１再生像を、逐次、該メモリ部に格納されている第２再生像によって除算する信号処理部を備えるように構成することが可能である。

また、前記再生像除算手段は、複数の前記第１再生像を加算するデータ加算部と、該データ加算部により加算された結果を前記第２再生像として格納しておくメモリ部と、前記第１再生像が入力され、該入力された第１再生像を、逐次、該メモリ部に格納されている第２再生像によって除算する信号処理部を備えるように構成することが可能である。

さらに、本発明のホログラム記録再生装置は、データ情報を担持した信号光と、参照光とを干渉させてホログラム記録媒体に干渉光による干渉縞をページデータとしてホログラフィック記録し、記録された該ページデータ情報を再生するホログラム記録再生装置において、
前記ページデータ情報の再生を行う際に、モアレが重畳された、信号が符号化されてなる任意の該ページデータの再生像である第１再生像と、該第１再生像に重畳されたモアレと同一のモアレが重畳された、全画素白色のページデータの再生像である第２再生像とを取得する再生像取得手段、および該第１再生像を該第２再生像により除算する再生像除算手段を、備えたことを特徴とするものである。

本発明のホログラム再生装置およびホログラム記録再生装置では、モアレが重畳された、信号が符号化されてなる任意の該ページデータの再生像である第１再生像と、該モアレと同一のモアレが重畳された、全画素白色のページデータの再生像である第２再生像とを取得し、該第１再生像を該第２再生像により除算するようにしており、モアレ部分は１（もしくは定数）に均一化される一方、その他の部分は、信号が符号化されたページデータの情報が、均一化されずに維持された状態とされるので、信号が符号化されたページデータの情報を維持したまま、モアレを低減することができる。これにより、記録情報の高密度化および大記録容量化を達成することができる。

以下、本発明の実施形態に係るホログラム記録再生装置を図面を参照しつつ、情報記録機能と情報再生機能に分けて説明する。なお、本発明の実施形態に係るホログラム再生装置は、以下の実施形態に係るホログラム記録再生装置の情報再生機能部分によって表されるものであり、ホログラム再生装置と称する場合は、この情報再生機能部分が情報記録機能部分と別体とされ情報再生機能部分のみを有するものを含むものとする。

図１は、本発明の実施形態に係るホログラム記録再生装置の主要光学系を示す概略図である。なお、図１において、光学系等制御のための部材は一部図示を省略されている。

＜情報記録機能＞
図１に示すように、レーザ光源１から出射されたコヒーレントなレーザ光束は、発散レンズ２およびコリメートレンズ３からなるビームエキスパンダにより光束径を拡大され、反射ミラー４により反射された後、偏光ビームスプリッタ５等よりなるビームスプリッタにより２系の光束に分岐され、それぞれ信号光（物体光：実際には空間光変調素子により信号光とされる）および参照光として機能せしめられる。
上記参照光（本実施例では縦の直線偏光：以下同じ）は、反射ミラー６により反射され、シャッタ７を介してホログラム記録媒体１２上の所定の領域に照射される。

一方、上記信号光（本実施例では横の直線偏光：以下同じ）は、偏光ビームスプリッタ８を介して空間光変調素子９に照射される。
空間光変調素子９としては、液晶表示パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：Digital Micromirror Device）等のライトバルブが用いられる。空間光変調素子９上の各ピクセルがページデータ上の２値のデジタル情報に応じて光を通過（図１の例では反射）／遮断することで、空間的に光を変調する。この変調処理によりページデータ情報を担持した信号光が生成される。

空間光変調素子９から出射された信号光は、入射した状態とは偏光方向が変化しており（横の直線偏光→縦の直線偏光）、偏光ビームスプリッタ８において反射され、シャッタ７を通過した後フーリエ変換レンズ（ＦＴＬ：Fourier Transform Lens）１１によって光学的にフーリエ変換されてホログラム記録媒体１２へ照射される。このときホログラム記録媒体１２中の信号光が通過する場所へ、別角度から、上記参照光が同時に照射されるので、記録媒体１２内部の体積中に干渉縞が生じ、この縞分布を屈折率分布などの形態で記録媒体１２の記録領域に転写することによりホログラム記録が行われる。そして、異なるページデータを空間光変調素子９に表示させつつ、参照光のホログラム記録媒体１２への入射角度を少しずつ変化させることにより、互いに異なるページデータを記録媒体１２中の同一領域へ多重記録することが可能となり、高密度な情報格納が可能となる。

ところで、本実施形態のものにおいては、ホログラム記録媒体１２に、従来技術と同様、信号が符号化されたページデータが記録されるが、その前に、まず空間光変調素子９に表示した全画素白色のページデータが記録されることになる。

この場合、全画素白色のページデータをホログラム記録媒体１２にホログラム記録する替わりに、空間光変調素子９を全画素白色表示し、その光を直接ＣＣＤ１４で撮像して、後述する再生像除算手段２１の白色表示ページデータ記憶領域１０２（図５参照）に格納するようにしてもよい。

＜情報再生機能＞
また、情報再生時において、シャッタ７を通過した参照光は、情報記録時と同様の入射角度および位置において、ホログラム記録媒体１２の所定の領域に照射される。なお、シャッタ１０は閉じた状態とされる。

すなわち、所望のページデータを再生する場合には、この所望のページデータを記録した情報記録時と同一の参照光入射条件となるように設定することにより、所望のページデータ情報を担持した回折光がホログラム記録媒体１２から出力され、この回折光がフーリエ変換レンズ１３を介してＣＣＤ１４からなる撮像素子に入射し撮像される。

ところで、レーザ光は可干渉性が極めて高いため、光路中のミラーやレンズの反射により、さらには、撮像素子内部における反射によってモアレが発生しやすい。このようなモアレが発生すると、モアレパターンが重畳したページデータの再生像が撮像されることになり、再生像が極めて劣化したものとなる。そこで、本実施形態においては、ページデータ情報の再生を行う際に、信号が符号化されてなる任意の該ページデータの第１再生像と、この第１再生像に重畳されたモアレと同一のモアレが重畳された、全画素白色のページデータの第２再生像とを取得する再生像取得手段２０、および第１再生像を第２再生像により除算する再生像除算手段２１とを備えている。

すなわち、ページデータ情報の再生を行う際に、任意のページデータの第１再生像と、このモアレと同一のモアレが重畳された全画素白色のページデータの第２再生像とを取得し、第１再生像を第２再生像により除算し、モアレ部分は１（もしくは定数）に均一化される一方、その他の部分は、信号が符号化されたページデータの情報が維持された状態とされるので、信号が符号化されたページデータの情報を維持したまま、モアレを低減することができる。

なお、フーリエ変換レンズ（結像レンズ）１３とＣＣＤ１４により再生像取得手段２０が構成される。

以下、図５を用いて、上記再生像除算手段２１について説明する。
図１に示す如く、再生像取得手段２０（ＣＣＤ１４）で撮像したページデータの再生像は、まず再生像除算手段２１のページデータ評価器１０１に順次入力される。
ところで、本実施形態においては、前述したように、ホログラム記録媒体１２に、信号が符号化されたページデータが記録されているが、同時に、全画素白色のページデータも記録されている。

そして、ホログラム記録媒体１２に記録されたデータを再生するときは、まず全画素白色のページデータの再生画像を読み出すようにし、ページデータ評価器１０１において白色表示ページデータの再生像であるか否かが判断される。ページデータ評価器１０１において白色表示ページデータであると判断されたページデータは、白色表示ページデータ記憶領域１０２に格納される。

次に、信号が符号化されたページデータの再生画像を読み出すようにし、ページデータ評価器１０１において信号が符号化されたページデータの再生像であるか否かが判断される。ページデータ評価器１０１において信号が符号化されたページデータであると判断されたページデータは、除算演算器１０３に順次入力される。

この除算演算器１０３においては、信号が符号化されたページデータの画像の各画素を、その画素と位置的に対応する、白色表示ページデータ記憶領域１０２に格納されているページデータの画像の各画素により、各々除算し、各画素毎にモアレの軽減が図られるようになっている。
この後、復号器１０４により、ＬＤＰＣ法等の従来より周知の方法を用いてページデータを復号する。

なお、ＬＤＰＣ法の内容については、「萩原春生,"ターボ符号とLDPC符号"，電子情報通信学会 信学技報CS2004-33,pp.25-32」 等に詳細に記載されている。

図３は、モアレが重畳された、信号が符号化されてなるページデータの第１再生像を示すものである。モアレパターンが重畳されたことにより、本来白になる部分の再生画像が極めて劣化したものとなっている。

一方、図４は、図３に示す如き、モアレパターンが重畳されたページデータの第１再生像を、図２に示す如き、第１再生像と同一のモアレパターンが重畳された全画素白色のページデータの第２再生像により除算して得られた再生画像を示すものである。上記除算処理により、両再生画像において互いに同一のモアレパターンは１（もしくは定数）となって均一化された状態となるので、図４においては、本来白となるべき画素は白、黒となるべき画素は黒となっており、所望とする再生画像を得ることができる。これにより、ページデータの再生画像の信号対雑音比（ＳＮ比）を大幅に向上させることができる。

本発明のホログラム再生装置およびホログラム記録再生装置としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、上記実施形態のものでは、再生像除算手段として、図５に示す如き構成を有するものを用いているが、再生像除算手段としては、図５に示す如き構成に限られるものではなく、その他種々の構成のものを採用しうる。例えば、図６に示す再生像除算手段２１Ａの如き構成としても良い。すなわち、この変更態様においては、ホログラム記録媒体１２には、信号が符号化されたページデータが記録されていればよく、上記実施形態の如く全画素白色のページデータを記録しておく必要はない。

そして、ホログラム記録媒体１２から、信号が符号化されたページデータを再生し、再生像除算手段２１Ａの加算演算器２０１に順次入力せしめる。ページデータの白色の配列はランダムであるため、多くのページデータを重ね合わせるようにして加算することにより、モアレが重畳した全画素白色のページデータの画像を得ることができる。すなわち、加算演算器２０１において全画素白色のページデータの再生像を得ることができ、これを白色表示ページデータ記憶領域２０２に格納する。
次に、再度、ホログラム記録媒体１２から、信号が符号化されたページデータを再生し、再生像除算手段２１Ａの除算演算器２０３に順次入力せしめる。

そして、この除算演算器２０３においては、上述した実施形態のものと同様に、信号が符号化されたページデータの画像の各画素を、その画素と位置的に対応する、白色表示ページデータ記憶領域２０２に格納されているページデータの画像の各画素により、各々除算し、各画素毎にモアレの軽減を図ることができるようになっている。
この後、復号器２０４により、ＬＤＰＣ法等の従来より周知の方法を用いてページデータを復号することも、上述した実施形態のものと同様である。

なお、上述した再生像除算手段２１、２１Ａの各構成部としては、通常ＣＰＵとＲＯＭ等のメモリに記憶されたプログラムによって構成されるが、ハードのみによって構成することも可能である。

本発明の実施形態に係るホログラム記録再生装置の主要光学系を示す概略図 全画素白色（全画面を白色表示した場合）のモアレパターンが重畳された状態で撮像された第２再生像の一例を示す図 図２に示すモアレパターンが重畳された、信号符号化ページデータの第１再生像を示す図 図３に示す第１再生像を図２に示す第２再生像により除算した状態の画像を示す図 本発明の実施形態に係る再生像除算手段の構成を示すブロック図 図５に示す再生像除算手段の変更態様の構成を示すブロック図 従来技術に係るホログラム記録再生装置の主要光学系を示す概略図

符号の説明

１、３０１ レーザ光源
２、３０２ 発散レンズ
３、３０３ コリメートレンズ
４、６、３０４、３０６ 反射ミラー
５、８、３０５、３０８ 偏光ビームスプリッタ
７、１０、３０７、３１０ シャッタ
９、３０９ 空間光変調素子
１１、１３、３１１、３１３ レンズ
１２、３１２ ホログラム記録媒体
１４、３１４ ＣＣＤ
２０ 再生像取得手段
２１、２１Ａ 再生像除算手段
１０１ ページデータ評価器
１０２、２０２ 白色表示ページデータ記憶領域
１０３、２０３ 除算演算器
１０４、２０４ 復号器
２０１ 加算演算器

Claims (4)

1. データ情報を担持した信号光と、参照光とを干渉させて得られた干渉縞がページデータ情報としてホログラフィック記録されたホログラム記録媒体から、該ページデータ情報を再生するホログラム再生装置において、
   前記ページデータ情報の再生を行う際に、モアレが重畳された、信号が符号化されてなる任意の該ページデータの再生像である第１再生像と、該第１再生像に重畳されたモアレと同一のモアレが重畳された、全画素白色のページデータの再生像である第２再生像とを取得する再生像取得手段、および該第１再生像を該第２再生像により除算する再生像除算手段を、備えたことを特徴とするホログラム再生装置。
2. 前記再生像除算手段は、前記第２再生像を格納しておくメモリ部と、前記第１再生像が入力され、該入力された第１再生像を、逐次、該メモリ部に格納されている第２再生像によって除算する信号処理部を備えたことを特徴とする請求項１記載のホログラム再生装置。
3. 前記再生像除算手段は、複数の前記第１再生像を加算するデータ加算部と、該データ加算部により加算された結果を前記第２再生像として格納しておくメモリ部と、前記第１再生像が入力され、該入力された第１再生像を、逐次、該メモリ部に格納されている第２再生像によって除算する信号処理部を備えたことを特徴とする請求項１記載のホログラム再生装置。
4. データ情報を担持した信号光と、参照光とを干渉させてホログラム記録媒体に干渉光による干渉縞をページデータとしてホログラフィック記録し、記録された該ページデータ情報を再生するホログラム記録再生装置において、
   前記ページデータ情報の再生を行う際に、モアレが重畳された、信号が符号化されてなる任意の該ページデータの再生像である第１再生像と、該第１再生像に重畳されたモアレと同一のモアレが重畳された、全画素白色のページデータの再生像である第２再生像とを取得する再生像取得手段、および該第１再生像を該第２再生像により除算する再生像除算手段を、備えたことを特徴とするホログラム記録再生装置。