JP5026331B2 - ホログラフィック記憶媒体からの読出しおよび／またはホログラフィック記憶媒体への書込みを行うための装置 - Google Patents

Description

本発明はホログラフィック記憶媒体からの読出しおよび／またはホログラフィック記憶媒体への書込みを行うための装置に関する。より詳細には、簡易化された共通開口セットアップを使用してホログラフィック記憶媒体からの読出しおよび／またはホログラフィック記憶媒体への書込みを行うための装置に関する。

ホログラフィックデータ記憶においては、２つのコヒーレント（coherent）レーザビームの重畳（superposition）によって生成された干渉パターンを記録することによってデジタルデータが記憶される。第１のビーム、いわゆる「物体ビーム（object beam）」が空間光変調器によって変調され、記録されるべき情報を運ぶ。第２のビームは参照ビーム（reference beam）として働く。干渉パターンは記憶材料の特定の性質の変更をもたらし、その変更は、干渉パターンの局部的強度に依存する。記録されたホログラムの読出しは、記録中と同じ条件を使用して参照ビームでホログラムを照射することによって行われる。これにより、記録された物体ビームが復元される。

ホログラフィックデータ記憶の１つの利点はデータ容量の増加である。従来の光記憶媒体と違って、わずか数層ではなくホログラフィック記憶媒体の体積が情報の記憶のために使用される。ホログラフィックデータ記憶のさらなる利点は、例えば、２つのビーム間の角度の変更、またはシフト多重化の使用などによって同一の体積に多様なデータを記憶できる可能性があることである。さらに、単一ビットを記憶する代わりに、データがデータページとして記憶される。一般に、データページは、複数ビットをコード化する明暗パターンのマトリクス、すなわち２次元２値アレイまたはグレイ値のアレイからなる。これにより、記録密度の増加に加えてデータ転送速度の向上を達成することができる。データページは、空間光変調器（ＳＬＭ：spatial light modulator）によって物体ビームに印加され（書き込まれ、imprinted）、検出器アレイで検出される。

現在、主として、ホログラフィック記憶システムに対して３つの解決策が説明されている。例えば、特許文献１に開示されているようなコリニアシステムでは、対物レンズ開口の別個の部分がそれぞれ物体ビームおよび参照ビームに使用される。この構成配置はいわゆる共軸（coaxial）システムであり、すなわち物体ビームおよび参照ビームが同じ軸に沿って進む。このシステムは多重化法として一種のシフト多重化を使用する。

例えば、特許文献２に開示されているようなオフアクシス（off-axis）記録システムでは、物体ビームおよび参照ビームは同じ光路を共有しない。このシステムでは、角度およびポリトピック（polytopic）の多重化が使用される。

例えば、特許文献３に記載されている共通開口記録システムの基本概念は、物体ビームおよび参照ビームが対物レンズの全開口を占めることである。したがって、共通開口システムは、特殊なタイプの共軸システムである。読出しでは、ビームは、焦点面、すなわち復元されたホログラム画像のフーリエ面にて分離される。これは、物体ビームおよび参照ビームが開口の別個の部分しか占めず、結果として、物体ビームおよび参照ビームがホログラムの像平面で分離される共線（collinear）の概念と異なる。共通開口システムにより、データ容量をより大きくすることができるが、物体ビームおよび参照ビームを分離し、形成し、結合させなければならないので、セットアップは複雑で不安定である。

欧州特許第１６２４４５１号明細書 米国特許第６７２１０７６号明細書 国際公開第２００６／００３０７７号パンフレット

本発明の目的は、簡易化された共通開口セットアップを用いてホログラフィック記憶媒体からの読出しおよび／またはホログラフィック記憶媒体への書込みを行うための装置を提案することである。

本発明によれば、この目的は、１つまたは複数の参照ビームと、物体ビームまたは復元された物体ビームとの共軸配置（coaxial arrangement）を用いて、ホログラフィック記憶媒体からのデータページの読出しおよび／またはホログラフィック記憶媒体へのデータページの書込みを行う装置であって、データページの空間周波数よりも高い空間周波数を有する変調パターンで光ビームを変調することによって１つまたは複数の参照ビームを生成する１つまたは複数の空間光変調器を有する装置によって達成される。

本発明の概念は、１つまたは複数の空間光変調器で共通開口記録システム用の物体ビームおよび参照ビームを生成することである。これは特別な画素パターンを使用することよって達成され、２値データをコード化するデータパターンは、データパターンの最大空間周波数よりも高い空間周波数の参照ビームパターンで変調される。したがって、物体ビームおよび参照ビームはフーリエドメインで分離することができる。これが共通開口システムの基本原理である。本発明により、物体ビームおよび参照ビームを光学手段によって分離および結合する必要なしに共通開口システムを実現することができる。両方のビームは同じ光路を使用する。したがって、セットアップは非常に簡易化され、システムは衝撃および振動に関してより安定になる。さらに、物体ビームおよび参照ビームの光路長が自動的にほぼ同じになるので、レーザのコヒーレンス長の要求を低くすることができる。

本発明のさらなる態様によれば、上記の利点は、１つまたは複数の参照ビームおよび物体ビームの共軸配置を使用してホログラフィック記憶媒体にデータページを書き込む方法によって同じように達成される。この方法は、データページの空間周波数よりも高い空間周波数を有する変調パターンで光ビームを変調することによって１つまたは複数の参照ビームを生成するステップを有する方法である。

同様に、さらに、上記の利点は、１つまたは複数の参照ビームおよび復元された物体ビームの共軸配置を使用してホログラフィック記憶媒体からデータページを読み出す方法であって、データページの空間周波数よりも高い空間周波数を有する変調パターンで光ビームを変調することによって１つまたは複数の参照ビームを生成するステップを有する方法によって達成される。

好ましくは、データページと変調パターンとの重畳を用いて光ビームを変調するための単一の空間光変調器が設けられる。これは、１つの空間光変調器しか必要としないので光学セットアップのコストが低減される利点を有する。

あるいは、データページおよび変調パターンを用いて直列に光ビームを変調するための２つの空間光変調器が設けられる。理想的には、両方の空間光変調器は物体平面で互いに近接して並列に配置される。変調パターンまたはデータページのどちらが最初に光ビームに印加されるは重要でない。この解決策は、例えば、異なる画素サイズまたは異なるスイッチング時間を有する異なるタイプの空間光変調器を使用することができる利点を有する。さらに、変調パターンを印加するための空間光変調器は静的とすることもでき、すなわちそれは固定変調パターンを有することができる。この場合、簡単な位相マスクまたは振幅マスクを使用することが好ましい。

選択的に、データページのデータ画素は、１つまたは複数の空間光変調器の画素の群（グループ）によって形成される。これにより、変調パターンおよびデータページの両方を光ビームに印加するために同一の空間光変調器または少なくとも同じタイプの空間光変調器を使用することができる。

有利なことに、復元された物体ビームは空間フィルタによって１つまたは複数の参照ビームから分離される。この空間フィルタはフーリエ面に配置される。物体ビームおよび１つまたは複数の参照ビームは異なる空間周波数を有するので、それらはフーリエ面でまたはそれの近くで空間的に分離される。したがって、開口などの空間フィルタにより、安価で効率的な方法でビームを分離することができる。

理解を深めるために、次に、本発明を図を参照しながら以下の記述でより詳細に説明する。本発明はこの例示的な実施形態に限定されず、明記された特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、適切に組合せおよび／または変更を行うこともできることを理解されたい。

以下の説明では、２つの参照ビームをもつ透過型ホログラフィック記憶システムが参照される。当然、この概念は反射型ホログラフィック記憶システムにも適用でき、データはホログラフィック記憶媒体の１つの側だけへの記録および読出しが行われる。さらに、単一の参照ビームだけまたは３以上の参照ビームを使用することができる。

ホログラフィック記憶媒体からの読取りおよびホログラフィック記憶媒体への書込みを行う既知の共通開口装置の例示的なセットアップを図１に示す。簡単のために、光ビームの主光線だけが示される。コヒーレント光の光源、例えばレーザダイオード１は光ビーム２を放出し、それはビームエキスパンダ（ビーム拡大器）とフィルタとの構成物３によって視準（コリメート）、拡大、およびフィルタ処理が行われる。次に、光ビーム２はビームスプリッタ４によって２つの別個の光ビーム５、６に分割される。第１の光ビーム５、いわゆる「物体ビーム」はビームシャッタ７を通過し、２つのミラー８、９によって空間光変調器（ＳＬＭ）１０の方に導かれる。ＳＬＭ１０は、２次元データパターンを印加するために光ビーム５を変調する。物体ビーム５は、１対のフーリエレンズ１１、１３、および物体ビーム５の高周波成分をフィルタ除去する空間フィルタ１２によってフィルタ処理される。次に、物体ビーム５は、対物レンズ１４によってホログラフィック記憶媒体１５、例えばホログラフィックディスクまたはカードに収束される。第２の光ビーム６、すなわち参照ビームもビームシャッタ１６を通過し、その後、部分ビーム生成要素１７、例えば複プリズムまたは回折要素に打ち当たる。部分ビーム生成要素１７は、参照ビーム６から２つ以上の部分参照ビーム６ａ、６ｂを生成する。部分ビーム生成要素１７は、２つの部分参照ビーム６ａ、６ｂの焦点が物体ビーム５の焦点区域を外れるように設計される。部分参照ビーム６ａ、６ｂは、ビーム結合要素１８、例えばビームスプリッタによって物体ビーム５の光路に結合され、対物レンズ１４によってホログラフィック記憶媒体１５に収束される。物体ビーム５と部分参照ビーム６ａ、６ｂとの交差部で、干渉パターンが現れ、その干渉パターンがホログラフィック記憶媒体１５の感光性層に記録される。

図２に示されるように、記録されたホログラムを部分参照ビーム６ａ、６ｂで照射するだけで、記憶されたデータがホログラフィック記憶媒体１５から抽出される。この目的のために、物体ビーム５はビームシャッタ７によって阻止される（ブロックされる）。部分参照ビーム６ａ、６ｂはホログラム構造体によって回折され、オリジナルの物体ビーム５のコピー、すなわち復元された物体ビーム１９を生成する。この復元された物体ビーム１９は、対物レンズ２０によってコリメートされ、２次元アレイ検出器２４、例えばＣＣＤアレイ上に導かれる。さらなる対のフーリエレンズ２１、２３およびさらなる空間フィルタ２２が部分参照ビーム６ａ、６ｂを阻止する。空間フィルタ２２は、復元された物体ビーム１９の高周波成分をフィルタ除去するためにも有利に使用される。アレイ検出器２４は記録されたデータの復元を可能にする。

参照ビーム６ａ、６ｂの生成、ならびに参照ビーム６ａ、６ｂおよび復元された物体ビーム１９の分離を容易にするために、本発明の主要概念は物体ビーム５および参照ビーム６ａ、６ｂをＳＬＭ１０で生成することである。ＳＬＭ１０は位相ＳＬＭまたは振幅ＳＬＭとすることができる。２以上のＳＬＭ１０を直列に適用することも可能である。対応する共通開口セットアップを図３に示す。このセットアップは本質的に図１のセットアップと同じである。しかし、参照ビーム経路が省かれ、それが光学セットアップを簡易化している。代わりに、参照ビーム６ａ、６ｂは、主としてデータパターンより高い空間周波数からなる付加パターンでデータパターンを変調することによって生成される。これは、データページを光ビーム２に印加するために使用されるのと同じＳＬＭ１０によって、または付加的ＳＬＭ１０ａ（破線の長方形で示される）によって行われる。当然、後者の場合、変調パターンを印加するためにＳＬＭ１０を同じように使用することもできるが、これに対して、付加的ＳＬＭ１０ａがデータページを書き込む。高周波変調パターンは共通開口ホログラフィ用の参照ビーム６ａ、６ｂの役割をする。結果として、空間フィルタ１２は、変調パターンの空間周波数をフィルタ除去しない、すなわち開口の直径が大きくなるように変更される。当然、１つの参照ビーム６ａ、６ｂだけを通過させるように空間フィルタ１２を変更することも可能である。図において、物体ビーム５および参照ビーム６ａ、６ｂの空間的分離は単に例示目的のためである。

以下の特定の実施形態では、データパターンの１次元変調は、単一のＳＬＭ１０のいくつかの画素によって１つのデータ画素を生成することで実現される。データパターンの例が図４に示される。この場合、１つのデータ画素３０は３×３ ＳＬＭ画素３１によって形成される。チャネルビット「１」は３×３の明るい画素に対応し、チャネルビット「０」は３×３の暗い画素に対応する。

１次元振幅変調パターン３２の例を図５に示す。変調パターン３２は、１つの画素の幅をもち、２つの暗い画素によって分離された明るい画素のラインからなる。結果として、変調パターン３２の空間周波数はデータパターンの空間周波数よりも高い。当然、変調パターン３２の他のタイプが、データパターンの空間周波数と比較して高い空間周波数の大部分を示す限り、それを同様に使用することができる。例えば、変調パターン３２は、２次元グレーティング（回折格子、grating）、または可変ライン距離をもつグレーティングなどの確率構造体もしくは擬確率構造体（stochastic or pseudo-stochastic structure）とすることができる。振幅変調パターン３２とは別に、位相変調パターン、例えば正弦波位相変調をもつグレーティングを使用することもできる。後者は、理想的には０次が生成されず、それによりフーリエ面における光ビーム５、６ａ、６ｂの分離が簡易化されるという利点を有する。

データパターンと変調パターン３２との重畳から生じた最終的データページ３３を図６に示す。このパターン３３は、ＳＬＭ１０によって、光源１により放出された光ビーム２に適用される。図から明らかなように、ＳＬＭ１０の画素数を減らすために、画素は変調パターンに適合されることが好ましい。特定の例では、垂直に隣接した３つの正方形画素に対応するサイズをもつ長方形画素を使用することができる。

図６の最終的データページ３３から生じた第１のフーリエレンズ１１の焦点面における強度分布を、任意単位の対数目盛で図７に示す。より高い強度の３つの領域を識別することができる。中央領域は、信号の低周波数内容、すなわち主としてデータパターンによって生成される。中央領域の側方の領域は、高周波数内容、すなわち主として変調パターン３２から生じる。データパターンと変調パターン３２とのこの分離は、第３のフーリエレンズ２１の焦点面でも見いだされ、それにより復元された物体ビーム１９および参照ビーム６ａ、６ｂをこの面で分離することが可能になる。

読出しでは、図５の変調パターン３２だけがＳＬＭ１０によって光ビーム２に適用される。次に、オリジナルデータパターンがホログラフィック記憶媒体１５に記憶されたホログラムによって復元される。参照ビーム６ａ、６ｂをフィルタ除去するために、ホログラフィック記憶媒体１５とアレイ検出器２４との間にある空間フィルタ２２の開口は、第３のフーリエレンズ２１の焦点面で参照ビーム６ａ、６ｂから生じる強度ピークが阻止されるように選択される。図８は、任意単位の対数目盛で、空間フィルタ２２の開口の後ろのこの焦点面における残った強度分布の強度プロットを示す。

アレイ検出器２４上の像平面における得られた信号の強度分布が図９に示される。分かるように、参照ビームの高周波数内容は完全にフィルタ除去されている。したがって、データ信号は、参照ビーム６ａ、６ｂの信号によって妨害されることなく回復することができる。この特定の実施形態では、これは、３×３ ＳＬＭ画素３１からなる各データ画素３０が１つの検出器画素に位置するように選択および調節されたアレイ検出器２４で信号を検出することによって行われる。アレイ検出器２４によって得られたその結果の画像が図１０に示される。図４の最初のデータパターンによってコード化された２値データが簡単なスライシング（slicing）によって回復される。この目的のために、強度レベル、すなわちスライスレベルを決定しなければならない。スライスレベルは、ピクセル値が明るい画素または暗い画素、すなわちチャンネルコードの「１」また「０」として検出されるかどうかを決定する。例えば、スライスレベルは図１１に示される検出器値のヒストグラムから決定することができる。明るい画素および暗い画素がよく分離されており、スライスレベルを容易に決定することができることが分かる。スライシングの後、最初に記憶された２値データが抽出される。これが図１２に示される。

書込み動作中の、ホログラフィック記憶媒体からの読取りおよびホログラフィック記憶媒体への書込みを行う既知の透過型装置を示す図である。 読取り動作中の図１の装置を示す図である。 本発明における、ホログラフィック記憶媒体からの読取りおよび／またはホログラフィック記憶媒体への書込みを行う共通開口装置を示す図である。 各データ画素が３×３ＳＬＭ画素によって形成される、データパターンの例を示す図である。 参照ビームを生成するための変調パターンを示す図である。 データパターンと変調パターンとの重畳から生じたデータページを示す図である。 第１のフーリエレンズの焦点面における、図６のデータページから生じた強度分布を示す図である。 空間フィルタリングの後の、第３のフーリエレンズの焦点面における復元された物体ビームの強度分布を示す図である。 アレイ検出器上の像平面における復元された物体ビームの強度分布を示す図である。 アレイ検出器によって得られた画像を示す図である。 図１０の検出器値のヒストグラムを示す図である。 スライシング（slicing）により最初に記憶された２値データを抽出することを示す図である。

符号の説明

１ レーザダイオード
２ 光ビーム
３ ビームエキスパンダおよびフィルタ
４ ビームスプリッタ
５ 物体ビーム
６ 参照ビーム
６ａ、６ｂ 部分参照ビーム
７、１６ ビームシャッタ
８、９ ミラー
１０ 空間変調器（ＳＬＭ）
１１、１３ フーリエレンズ
１２ 空間フィルタ
１４、２０ 対物レンズ
１５ ホログラフィック記憶媒体
１７ 部分ビーム生成要素１７
１８ ビーム結合要素
１９ 復元された物体ビーム
２１、２３ フーリエレンズ
２２ 空間フィルタ
２４ ２次元アレイ検出器
３０ データ画素
３１ ＳＬＭ画素
３２ 変調パターン
３３ 最終的データページ

Claims (10)

1. データページをデータパターンでホログラフィック記憶媒体に書き込む装置であって、
   光ビームを生成する光源と、
   前記光ビームに前記データページを前記データパターンで印加して物体ビームを生成し、かつ、前記データページの空間周波数よりも高い空間周波数を有する変調パターンで前記データページの前記データパターンを変調することによって１つまたは複数の参照ビームを生成する１つまたは複数の空間光変調器と、
   前記１つまたは複数の参照ビームと前記データページを前記ホログラフィック記憶媒体に搬送する前記物体ビームとを照射する対物レンズであって、前記１つまたは複数の参照ビームおよび前記物体ビームは前記対物レンズによって規定される開口内で重なる、対物レンズと、
   を備える、前記装置。
2. 前記データページと前記変調パターンとの重畳によって前記光ビームを変調する単一の空間光変調器、または、前記データページおよび前記変調パターンを用いて前記光ビームを直列に変調するための２つの空間光変調器を備える、請求項１に記載の装置。
3. データページをデータパターンでホログラフィック記憶媒体から読み出す装置であって、
   光ビームを生成する光源と、
   前記データページの前記データパターンの空間周波数よりも高い空間周波数を有する変調パターンで前記光ビームの内部領域を変調することにより１つまたは複数の参照ビームを生成する空間光変調器であって、前記内部領域は、前記光ビームの光軸を備える、空間光変調器と、
   前記データページを搬送する復元された物体ビームを生成するため、前記ホログラフィック記憶媒体に前記１つまたは複数の参照ビームを照射する対物レンズと、
   前記復元された物体ビームと該復元された物体ビームに沿って進む前記１つまたは複数の参照ビームの部分とをコリメートするコリメートレンズであって、前記復元された物体ビームと該復元された物体ビームに沿って進む前記１つまたは複数の参照ビームの前記部分とは、該コリメートレンズによって規定された開口内で重なる、コリメートレンズと、
   前記復元された物体ビームから前記データページを抽出する検出器と、
   を備える、前記装置。
4. 前記復元された物体ブームに沿って進む１つまたは複数の参照ビームの前記部分から、前記復元された物体ビームを分離する、フーリエ面に空間フィルタをさらに備える、請求項３に記載の装置。
5. 前記変調パターンは、固定変調パターンである、請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記データページのデータ画素は、前記１つまたは複数の空間光変調器の画素の群によって形成される、請求項１から５のいずれかに記載の装置。
7. データパターンでホログラフィック記憶媒体にデータページを書き込む方法であって、
   光ビームを生成するステップと、
   物体ビームを生成するために前記光ビームに前記データページを前記データパターンで印加するステップと、
   前記データページの空間周波数よりも高い空間周波数を有する変調パターンで前記データページの前記データパターンを変調することによって１つまたは複数の参照ビームを生成するステップと、
   前記１つまたは複数の参照ビームと前記物体ビームとを対物レンズを用いて前記ホログラフィック記憶媒体に照射するステップであって、前記１つまたは複数の参照ビームおよび前記物体ビームは前記対物レンズによって規定される開口内で重なる、ステップと、
   を有する、前記方法。
8. 前記光ビームは、前記データページと前記変調パターンとの重畳を用いて変調され、または、または、前記データページおよび前記変調パターンを用いて直列に変調される、請求項７に記載の方法。
9. ホログラフィック記憶媒体からデータページをデータパターンで読み出す方法であって、
   光ビームを生成するステップと、
   前記データページの前記データパターンの空間周波数よりも高い空間周波数を有する変調パターンで前記光ビームの内部領域を変調することによって１つまたは複数の参照ビームを生成するステップと、
   前記データページを搬送する復元された物体ビームを生成するため、対物レンズを用いて前記ホログラフィック記憶媒体に前記１つまたは複数の参照ビームを照射するステップと、
   前記復元された物体ビームと該復元された物体ビームに沿って進む前記１つまたは複数の参照ビームの部分とをコリメートレンズを用いてコリメートするステップであって、前記復元された物体ビームと該復元された物体ビームに沿って進む前記１つまたは複数の参照ビームの前記部分とは、該コリメートレンズによって規定された開口内で重なる、ステップと、
   検出器を用いて前記復元された物体ビームから前記データページを抽出するステップと、
   を有する、前記方法。
10. 空間フィルタリングによって、前記復元された物体ビームに沿って進む前記１つまたは複数の参照ビームの前記部分から前記復元された物体ビームを分離するステップをさらに有する、請求項９に記載の方法。