JP4885214B2 - ホログラム記録装置およびホログラム記録方法 - Google Patents

Description

本発明は、記録光と参照光との干渉によってホログラムを記録するホログラム記録装置およびホログラム記録方法に関する。

従来のホログラム記録方法としては、特許文献１に開示されたものがある。同文献に開示されたものは、ホログラム記録媒体に対し、所定の方向に傾けた状態で入射角が３５deg となるように参照光（基準ビーム）を照射するとともに、この参照光とは反対方向に傾けた状態で略９０deg の交差角をなすように記録光（オブジェクトビーム）を照射するものである。参照光については、たとえばＮＤ（Neutral Density）フィルタによって強度を変調している。すなわち、従来のホログラム記録方法では、ホログラム記録媒体に対して記録光を傾けた状態で照射するために、参照光としてのガウシアンビームのフーリエ面における強度分布をアポダイゼーションによって均一化しており、これによりＳＮ比を向上させている。

特開２００３−４３９０４号公報

しかしながら、アポダイゼーションにより強度分布を均一化する手法では、光の透過率を部分的に低減させるために光量の損失が大きく、光の利用効率としてはアポダイゼーションを利用しない場合に比べて劣るという難点があった。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものである。本発明は、光の利用効率を低下させずにホログラムを記録することができるホログラム記録装置およびホログラム記録方法を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるホログラム記録装置は、ホログラム記録媒体に対し、所定の方向に傾けた状態で所定の入射角をなすように空間光変調器を介して記録光を照射するとともに、この記録光とは反対方向に傾けた状態で所定の交差角をなすように参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記ホログラム記録媒体にホログラムを記録するホログラム記録装置であって、ガウス分布状の強度分布をもつガウシアンビームを均一となる傾向の強度分布をもった平行光に変換し、この平行光を上記記録光として上記空間光変調器へと進行させるビーム変調手段を備え、上記ビーム変調手段の光軸に対し、上記ガウシアンビームの中心軸は偏心しており、その偏心方向は、上記ホログラム記録媒体に対して上記記録光を傾けた方向と同方向、またはその反対方向の成分を含んでいることを特徴としている。

好ましくは、上記ガウシアンビームの偏心量は、上記ホログラム記録媒体に対する上記記録光の照度余弦則に応じて設定されている。

好ましくは、上記ガウシアンビームの偏心量は、上記ホログラム記録媒体に対する上記記録光の偏光方向を付加的な要因として設定されている。

好ましくは、上記ガウシアンビームの偏心量は、上記ホログラム記録媒体における上記記録光および参照光の回折効率を付加的な要因として設定されている。

本発明の第２の側面により提供されるホログラム記録方法は、ホログラム記録媒体に対し、所定の方向に傾けた状態で所定の入射角をなすようにビーム変調手段および空間光変調器を介して記録光を照射するとともに、この記録光とは反対方向に傾けた状態で所定の交差角をなすように参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記ホログラム記録媒体にホログラムを記録するホログラム記録方法であって、ガウス分布状の強度分布をもつガウシアンビームを均一となる傾向の強度分布をもった平行光に変換し、この平行光を上記記録光として上記ビーム変調手段から上記空間光変調器へと進行させるのに伴い、上記ビーム変調手段の光軸に対して上記ガウシアンビームの中心軸を、上記ホログラム記録媒体に対して上記記録光を傾けた方向と同方向、またはその反対方向の成分を含んだ方向に偏心させることを特徴としている。

本発明が適用されたホログラム記録装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示すホログラム記録装置の幾何光学特性を模式的に説明するための説明図である。 図１に示すホログラム記録装置の光学的作用を説明するための説明図である。 図１に示すホログラム記録装置の光学的作用を説明するための説明図である。 図１に示すホログラム記録装置の光学的作用を説明するための説明図である。 光学系のシミュレーション結果として光量分布パターンを示す図である。 光学系のシミュレーション結果として偏心量と光量との関係を示す図である。 光学系のシミュレーション結果として光量分布パターンを示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示すように、本実施形態のホログラム記録装置Ａは、ディスク状のホログラム記録媒体Ｂに対し、所定の方向に傾けた状態で記録光Ｓを照射するとともに、この記録光Ｓとは反対方向に傾けた状態で参照光Ｒを照射し、これら記録光Ｓと参照光Ｒとの干渉によってホログラム記録媒体Ｂにホログラムを記録するものである。このホログラム記録装置Ａは、参照光Ｒの入射角を可変制御して角度多重方式によりホログラムを多重記録するように構成されている。

ホログラム記録装置Ａは、ホログラム記録媒体Ｂの記録部位に対して一定の入射角θ（図２参照）で記録光Ｓを照射するための記録光用の光学系と、上記記録部位に対して斜めに入射角を可変制御しながら参照光Ｒを照射するための参照光用の光学系とを備えている。図外には、レーザビームを発する光源や、レーザビームを記録光Ｓと参照光Ｒとに分離するためのビームスプリッタ、さらにはレーザビームを平行光に変換するコリメータレンズなどが設けられている。記録光用の光学系は、ビームホモジナイザ（ビーム変調手段）１、空間光変調器２、ズームレンズ３、ビームスプリッタ４、および記録光用の対物レンズ５で構成される。参照光用の光学系は、記録用のミラー１０および再生用のミラー１１、Ｕ字型のアーム部材２０、ならびに駆動モータ３０によって構成されている。記録用のミラー１０および再生用のミラー１１は、アーム部材２０の先端に固定されており、このアーム部材２０が駆動モータ３０によってホログラム記録媒体Ｂの径方向に沿う回転軸周りに揺動させられる。これら記録光用の光学系および参照光用の光学系は、ホログラム記録媒体Ｂの径方向に往復移動可能な移動ヘッド（図示略）に搭載されている。

図２に示すように、ホログラム記録媒体Ｂは、たとえばフォトポリマーの記録層９０を中間層として有し、この記録層９０の両側に透光性のカバー層９１，９２を積層した構造からなる。本実施形態では、たとえば記録層９０の厚みが１ｍｍ程度、カバー層９１，９２の厚みが０．５ｍｍ程度である。記録時には、ホログラム記録媒体Ｂの上方側から記録光Ｓおよび参照光Ｒが照射される。再生時には、ホログラム記録媒体Ｂの下方側から参照光Ｒのみが照射される。

図外の光源から出射したレーザビームは、ガウス分布状の強度分布をもつガウシアンビームとなり、このガウシアンビームが図示しないコリメータレンズで平行光に変換された後、ビームスプリッタを介して記録光Ｓと参照光Ｒに分離される。記録光Ｓは、ガウシアンビームとしてビームホモジナイザ１に入射する一方、参照光Ｒは、記録用のミラー１０あるいは再生用のミラー１１へと導かれる。なお、光源から出射したレーザビーム（ガウシアンビーム）は、コリメータレンズやビームホモジナイザなどを経た後、ビームスプリッタで記録光と参照光に分離されるようにしてもよい。

ビームホモジナイザ１は、非球面レンズからなり、入射したガウシアンビームを均一となる傾向の強度分布をもった平行光に変換し、この平行光を記録光Ｓとして空間光変調器２に導く。ビームホモジナイザ１の光軸１Ａに対し、入射するガウシアンビームの中心軸Ｇｓは、ホログラム記録媒体Ｂに対して記録光Ｓを傾けた方向と反対方向に所定の偏心量ｍだけ偏心させられている。このビームホモジナイザ１によれば、ほとんど光量の損失を招くことなくガウシアンビームを均一な強度分布の光に変換することができる。なお、本実施形態におけるビームホモジナイザ１は、入射した光を光軸周りに反転させることなくそのまま出射する非反転型のものであるが、入射した光を光軸周りに反転させる反転型のビームホモジナイザを採用してもよい。

空間光変調器２は、たとえば透過型の液晶デバイスからなり、入射した記録光Ｓを記録すべき情報に応じて２次元画素パターンの光に変調する。空間光変調器２から出射した記録光Ｓは、ズームレンズ３を介してビームスプリッタ４へと導かれ、最終的に記録光用の対物レンズ５を介して所定の入射角θでホログラム記録媒体Ｂに照射される。このとき、ズームレンズ３は、記録光Ｓを光軸周りに１８０度反転させている。そのため、上記したように、ビームホモジナイザ１の光軸１Ａに対するガウシアンビームの偏心方向は、ホログラム記録媒体Ｂに対して記録光Ｓを傾けた方向と反対方向になっている。なお、記録光を反転させることなくホログラム記録媒体まで導くように光学系が構成されている場合には、ビームホモジナイザの光軸に対するガウシアンビームの偏心方向は、ホログラム記録媒体に対して記録光を傾けた方向と同方向となる。このようなケースに該当する光学系としては、たとえば反転型のビームホモジナイザとズームレンズとを組み合わせた光学系が考えられる。

記録用のミラー１０および再生用のミラー１１は、たとえばガルバノミラーからなる。記録用のミラー１０は、ホログラム記録媒体Ｂの上方側で揺動可能なアーム部材２０の先端部に固定されている。この記録用のミラー１０は、記録時に上方から進入してきた参照光Ｒをホログラム記録媒体Ｂの記録部位に向けて斜め下向きに反射する。再生用のミラー１１は、ホログラム記録媒体Ｂの下方側で揺動可能なアーム部材２０の先端部に固定されている。この再生用のミラー１１は、再生時に側方から進入してきた参照光Ｒをホログラム記録媒体Ｂの記録部位に向けて斜め上向きに反射する（図示略）。ガルバノミラーからなる記録用および再生用のミラー１０，１１によれば、記録部位における参照光Ｒの入射角を微調整することができる。

図２に示すように、たとえば記録時に参照光Ｒの入射角は、アーム部材２０が揺動するのに伴い軸Ｒｃを中心として変化する。この軸Ｒｃは、記録光Ｓの中心軸Ｓｃとのなす角（交差角）が略９０deg となるように設定されている。記録光Ｓは、対物レンズ５によって収束され、記録部位において参照光Ｒと重なるように照射される。対物レンズ５は、記録光Ｓが所定の方向に傾いた状態で照射されるようにホログラム記録媒体Ｂに対して斜めに配置されている。そのため、参照光Ｒについては、対物レンズ５にけられることなく入射角を大きく振ることができる。これにより、参照光Ｒの入射角は、より細かく多元的に可変制御され、ホログラムの多重度を高めやすくなっている。特に図示しないが、記録光Ｓおよび参照光Ｒの偏光方向は、いずれも紙面に対して垂直な方向となっている。ホログラム記録媒体Ｂの記録層９０には、記録光Ｓと参照光Ｒとの干渉によってホログラムが記録され、参照光Ｒの入射角が変化するのに応じて異なる干渉パターンのホログラムが多重記録される。

次に、ホログラム記録装置Ａの光学的作用について説明する。

まず、ガウシアンビームの偏心量ｍに関し、仮にこの偏心量ｍを０とした場合、すなわちガウシアンビームの中心軸Ｇｓをビームホモジナイザ１の光軸１Ａに一致させた場合、記録部位のホログラムには、コントラストに偏りが生じる。これは、以下に説明する３つの要因が関係している。

すなわち、第１の要因としては、記録層９０に対して記録光Ｓが斜めに入射するために記録光ＳのＡ光束とＢ光束とで照射面積が大きく異なり、いわゆる照度余弦則が適用されることにある。図２に示すように、Ａ光束では、記録光Ｓが傾いた方向で中心軸Ｓｃよりも入射角が＋αだけ大きくなり、Ｂ光束では、記録光Ｓが傾いた方向にあるものの中心軸Ｓｃよりも入射角が−αだけ小さくなる。そのため、Ａ光束の照射面積は、Ｂ光束の照射面積に比べて大きくなる。図２の右上に模式的に示すように、Ａ光束およびＢ光束を結ぶ方向（ＡＢ方向）に対して直交する方向（ＣＤ方向）には、記録光ＳのＣ光束とＤ光束とが存在する。これらＣ光束やＤ光束についても、照度余弦則によって照射面積がＢ光束よりも若干大きくなる。照射面積が大きくなると、光の強度が低下することとなる。

たとえば、記録光Ｓの中心軸Ｓｃの入射角θを３５deg 、αを２３．３deg とした場合、Ａ〜Ｄ光束については、図３に示すような幾何光学特性が求められる。

図３に示すＡＢ方向入射角は、ホログラム記録媒体Ｂの法線ＨからＡＢ方向に形成される入射角であり、ＣＤ方向入射角は、ホログラム記録媒体Ｂの法線ＨからＣＤ方向に形成される入射角である。表面入射角θｓは、ホログラム記録媒体Ｂの表面に対する実質的な入射角であり、層内入射角θｉは、記録層９０の内部における実質的な入射角である。層内入射角θｉは、ホログラム記録媒体Ｂの外部の媒質（通常は空気）の屈折率をｎ₀（空気の場合、ｎ₀＝１）、記録層９０およびカバー層９１，９２の屈折率をｎ₁（本実施形態では、ｎ₁＝１．４８６）とした場合、スネルの法則（ｎ₀sinθｓ＝ｎ₁sinθｉ）により求まる。

図３に示す照射面積割合は、Ｂ光束の照射面積を１とした場合の割合である。Ａ〜Ｄ光束についてホログラム記録媒体Ｂに入射する前の断面積を全て同じ１とした場合、ホログラム記録媒体Ｂの表面に照射されるＡ〜Ｄ光束の実質的な照射面積は、表面入射角θｓを用いて１／cosθｓとなる。これにより、Ａ〜Ｄ光束の実質的な照射面積を求めた後、Ｂ光束の照射面積を１として他の光束の照射面積割合を求めると、図３に示すような比率値が求められる。したがって、第１の要因を考慮した場合の記録光Ｓの強度分布としては、Ａ〜Ｄ光束の照射面積割合である、Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝１．８６４：１：１．３０２：１．３０２に対応させるのが望ましく、そうすることで均一な強度分布となる。なお、照度余弦則による第１の要因は、均一な強度分布とするための主要因であり、ほとんどこの照度余弦則に基づいて強度分布を決定すれば記録光Ｓの強度分布が概ね均一になる。次の第２および第３の要因は、記録光Ｓの強度分布を均一化するための追加的な要因にすぎない。

第２の要因としては、記録光Ｓおよび参照光Ｒの偏光方向が相対的にずれることにある。図２を参照して説明すると、Ａ光束の偏光方向とＢ光束の偏光方向とは、紙面に対して垂直な方向にあり、参照光Ｒの偏光方向も紙面に対して垂直な方向にあるため、これらの偏光方向にずれはなく、干渉作用が弱まることはない。一方、Ｃ光束やＤ光束の偏光方向は、ＣＤ方向入射角がつくことによってＣＤ方向に傾いた状態となる。そのため、Ｃ光束やＤ光束の偏光方向と参照光Ｒの偏光方向との間にはずれがある。

具体的には、記録層９０の内部における偏光方向を考えた場合、図４に示すようなベクトルで偏光方向を表すことができる。図４において、ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、それぞれＡＢ方向、ＣＤ方向、ホログラム記録媒体Ｂに垂直な方向を表している。参照光Ｒは、軸Ｒｃに沿って進行するものとし、参照光Ｒの偏光方向Ｒｐは、この軸Ｒｃに対して垂直な方向に存在する。一方、たとえばＣ光束は、軸Ｒｃから角度φだけずれた方向の傾斜軸Ｌに沿って進行する。そのため、Ｃ光束の偏光方向Ｓｐは、参照光Ｒの偏光方向Ｒｐに対して角度φだけずれている。

たとえば、φ＝１５．２９degの場合、参照光Ｒとの干渉に寄与するＣ光束の電界振幅は、cosφ＝０．９６４６倍となる。Ｄ光束の電界振幅についても同様である。すなわち、偏光方向に着目した場合、Ｃ光束やＤ光束の電界振幅としては、cosφの逆数となる割合（１．０３６７）だけ大きくする必要があり、Ｃ光束やＤ光束の強度分布としては、電界振幅を２乗した割合（１．０７４７）だけ大きくすることで均一化される。したがって、第２の要因を考慮した場合の記録光Ｓの強度分布としては、Ａ光束およびＢ光束の強度を１とした場合、Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝１：１：１．０７４７：１．０７４７とするのが望ましく、そうすることで均一な強度分布となる。

第３の要因としては、記録光Ｓおよび参照光Ｒの回折効率を考慮しなければならない。参照光Ｒの表面入射角をθｒ、記録光Ｓの表面入射角をθｓ、記録層９０の厚みをｄ、記録光Ｓおよび参照光Ｒの波長をλ、１ページ当たりの屈折率変調をΔｎとすると、回折効率ηは、次の式で与えられる。

Ｃ光束およびＤ光束の回折効率ηを略１とした場合、Ａ光束およびＢ光束の回折効率の割合としては、図５に示すような値となる。すなわち、Ｃ光束やＤ光束の回折効率に比べてＡ光束の回折効率は、１．１２５倍となり、Ｂ光束の回折効率は、０，９３１倍となる。屈折率変調Δｎは、記録光Ｓと参照光Ｒとの電界振幅を乗算して得られるものの指標となるため、記録光Ｓだけに着目すれば、Ａ光束やＢ光束の電界振幅としては、上記で求めた回折効率の割合の逆数について平方根をとった割合（Ａ光束：０．９４２９、Ｂ光束：１．０３６４）だけ大きくする必要がある。したがって、第３の要因を考慮した場合の記録光Ｓの強度分布としては、電界振幅の割合を２乗してＢ光束の強度を１とした場合、Ａ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝０．８２８：１：０．９３０８：０．９３０８とするのが望ましく、そうすることで均一な強度分布となる。

結論としては、上記した第１ないし第３の要因を総合的に考慮し、Ａ〜Ｄ光束についての比率を全て掛け合わせることにより、記録光Ｓの強度分布は、理想的にはＡ：Ｂ：Ｃ：Ｄ＝１．５４：１：１．３：１．３とした場合が最適となる。

上記のような観点に基づき、ガウシアンビームの偏心量ｍを変化させることで記録光Ｓの強度分布がどのように変化するかについてシミュレーションを行った。図６の（ａ）〜（ｃ）は、そのシミュレーション結果を示している。同図の（ｂ）に示すように、ガウシアンビームの偏心量ｍを０．１２ｍｍとした場合、理想とする記録光Ｓの強度分布の割合に最も近い値が得られた。これにより、ホログラム記録装置Ａにおいては、ガウシアンビームの偏心量ｍが０．１２ｍｍ程度に設定されている。

参考として、図７は、ガウシアンビームの偏心量ｍを変化させた場合、全光束光量に対するＡ光束を含む左半分の光束光量についての割合を求めたシミュレーション結果を示している。図８は、ガウシアンビームに関し、ビームホモジナイザ１によって垂直方向のみ半値幅を１５％程度狭め、かつ、偏心量ｍを０．１２ｍｍとした場合のシミュレーション結果を示している。図７および図８に示すように、ガウシアンビームのビームサイズを調整することによっても、理想とする記録光Ｓの強度分布の割合に概ね近い強度分布とすることができる。

したがって、本実施形態のホログラム記録装置Ａによれば、ビームホモジナイザ１に対して入射するガウシアンビームを適当な方向に適切な偏心量ｍをもって偏心させるだけでよいので、光の利用効率をほとんど低下させることなく記録光Ｓをホログラム記録媒体Ｂに対して均一な強度分布で照射することができ、これにより、ホログラムを一様な干渉パターンとして記録することができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態における記録光Ｓの入射角θ（３５deg）やガウシアンビームの偏心量ｍ（０．１２ｍｍ）などは、あくまでも一例としての値に過ぎず、これらの値は、仕様に応じて適宜設計変更されるものである。

ガウシアンビームの偏心方向としては、ホログラム記録媒体に対して記録光を傾けた方向と同方向、あるいはその反対方向にできる限り合致させることが望ましいが、これらの所望とする方向に対してある程度は方向ずれのある状態でもよい。

Claims (3)

1. ホログラム記録媒体に対し、所定の方向に傾けた状態で所定の入射角をなすように空間光変調器を介して記録光を照射するとともに、この記録光とは反対方向に傾けた状態で所定の交差角をなすように参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記ホログラム記録媒体にホログラムを記録するホログラム記録装置であって、
   ガウス分布状の強度分布をもつガウシアンビームを均一となる傾向の強度分布をもった平行光に変換し、この平行光を上記記録光として上記空間光変調器へと進行させるビーム変調手段を備え、
   上記ビーム変調手段の光軸に対し、上記ガウシアンビームの中心軸は偏心しており、その偏心方向は、上記ホログラム記録媒体に対して上記記録光を傾けた方向と同方向、またはその反対方向の成分を含んでいることを特徴とする、ホログラム記録装置。
2. 上記ガウシアンビームの偏心量は、上記ホログラム記録媒体に対する上記記録光の照度余弦則に応じて設定されている、請求項１に記載のホログラム記録装置。
3. ホログラム記録媒体に対し、所定の方向に傾けた状態で所定の入射角をなすようにビーム変調手段および空間光変調器を介して記録光を照射するとともに、この記録光とは反対方向に傾けた状態で所定の交差角をなすように参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記ホログラム記録媒体にホログラムを記録するホログラム記録方法であって、
   ガウス分布状の強度分布をもつガウシアンビームを均一となる傾向の強度分布をもった平行光に変換し、この平行光を上記記録光として上記ビーム変調手段から上記空間光変調器へと進行させるのに伴い、上記ビーム変調手段の光軸に対して上記ガウシアンビームの中心軸を、上記ホログラム記録媒体に対して上記記録光を傾けた方向と同方向、またはその反対方向の成分を含んだ方向に偏心させることを特徴とする、ホログラム記録方法。