JP5078008B2 - ピクセル検出のために弱め合い干渉を使用するホログラフィック記憶システム - Google Patents

Description

本発明は、ホログラフィック記憶システムに関し、より詳細には、同軸ホログラフィック記憶システムにおけるピクセル検出のための方法に関する。

ホログラフィック・データ記憶では、２つのコヒーレントなレーザ・ビームの重ね合わせによって生成される干渉パターンを記録することによって、ディジタル・データが記憶され、一方のビーム、いわゆる「物体光（ｏｂｊｅｃｔ ｂｅａｍ）」が、空間光変調器によって変調され、記録される情報を運ぶ。第２のビームは、参照光（ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍ）として機能する。干渉パターンは、干渉パターンの局所強度に応じた、記憶材料の特定の特性の変化をもたらす。記録されたホログラムの読み出しは、記録時と同じ条件を使用して、ホログラムを参照光で照射することによって実行される。これは、記録された物体光の再生をもたらす。

ホログラフィック・データ記憶の１つの利点は、データ容量の増大である。従来の光記憶媒体とは反対に、僅か数レイヤだけでなく、ホログラフィック記憶媒体の体積が、情報を記憶するために使用される。ホログラフィック・データ記憶のさらなる１つの利点は、例えば、２つのビームの角度を変更すること、またはシフト多重化を使用することなどによって、同一体積に複数のデータを記憶する可能性である。さらに、単一ビットを記憶する代わりに、データは、データ・ページとして記憶される。一般に、データ・ページは、複数のビットを符号化した明暗パターンのマトリックス、即ち、グレー値の配列または２次元バイナリ配列から成る。これは、記憶密度の増大に加えて、データ・レートの増大を達成することも可能にする。データ・ページは、空間光変調器（ＳＬＭ）によって物体光にインプリントされ、検出器アレイを用いて検出される。ＳＬＭの分かりやすい一例は、値「０」を有するピクセルが光を遮断し、値「１」を有するピクセルが光を透過または反射する、振幅ＳＬＭである。

同軸または共線ホログラフィック記憶システムでは、参照光と物体光は、同軸方式で配列される。これは、両ビームが単一の対物レンズを使用することができ、そのことが光学的設定を簡単にするという利点を有する。しかし、書き込み時に、参照光と物体光が共に軸上（ｏｎ−ａｘｉｓ）で対物レンズを通過した場合、読み出し時にも、再生物体光は、参照光と共に軸上にある。再生物体光は何倍も明るい参照光と重ね合わされるので、このことは、再生物体光から情報を抽出することを難しくする。従って、参照光からの再生物体光の分離が必要であるがこの分離はいくぶん困難を伴う。これは通常、像平面におけるビームの空間分離によって、または中間焦点平面で遮断フィルタと組み合わされる微少傾斜ビームを用いて実現される。

例えば、国際公開第２００４／１０２５４２号パンフレットにおいて、同軸ホログラフィック記憶システムが説明されており、物体光は、像平面において参照光から空間的に分離される。この目的のため、物体光は、環状の参照光によって取り巻かれる。しかし、これは、物体光の一部だけがデータ記憶用に使用できるに過ぎないことを意味する。
国際公開第２００４／１０２５４２号パンフレット

本発明の目的は、同軸の物体光および参照光を用いるホログラフィック記憶システムにおいてデータ・ページを検出するための新規な解決手段を提案することである。

本発明によれば、物体光と参照光を同軸に配列する、ホログラフィック記憶システムであって、物体光内の明るいピクセルが、参照光に対して本質的にπの位相シフトを有し、再生物体光内に含まれるデータ・ページの読み出しのため、参照光と再生物体光の間の干渉によって生成される干渉パターンを検出する検出器を備えるホログラフィック記憶システムによって上記目的が達成される。

同様に、参照光と再生物体光を同軸に配列する、ホログラフィック記憶媒体から読み出しを行うための装置は、再生物体光内に含まれるデータ・ページの読み出しのため、参照光と再生物体光との間の干渉によって生成される干渉パターンを検出する検出器を有する。

さらに、参照光と物体光を同軸に配列する、ホログラフィック記憶媒体に書き込みを行うための装置では、物体光内の明るいピクセルが、参照光に対して本質的にπの位相シフトを有する。

本発明の別の態様によれば、上記の目的は、物体光と参照光を同軸に配列する、ホログラフィック・データ記憶用の方法であって、
−参照光と再生物体光の間の干渉によって干渉パターンを生成するステップと、
−再生物体光内に含まれるデータ・ページの読み出しのため、干渉パターンを検出するステップと、を有する方法によって達成される。

本発明は、参照光と物体光が検出器上で弱め合い干渉を起こすように、参照光と物体光を配列することを提案する。これは、ピクセル位置での参照光の少なくとも部分的な打ち消しを生じさせる。データは参照光の明るい像から反転パターンの形式で抽出され得るので、ビームの分離は必要としない。従って、この方法は、同軸設定におけるデータ検出の困難を克服する。弱め合い干渉を達成するため、再生物体光内の明るいピクセルは、参照光に対して本質的にπの位相シフトを有することが好ましい。この位相シフトは、データ・ページの記録時に、物体光および参照光の相対経路長を設定することによって、または位相シフト素子や位相スイッチ素子によって生成されるので有利である。

本発明の一改良によれば、正確な位相関係が、検出器上で像を検査することによって、書き込み時に監視される。相対位相シフトがπである場合、物体光は、少なくとも部分的に、参照光を打ち消す。これは、検出器上で反転データ・ページ像を生じさせる。言い換えると、再生物体光は元の物体光と同じ特性を理論的には有するので、打ち消しが書き込み時に分かるのであるならば、それは読み出し時にも分かる。実際には、ビーム品質低下効果が、不完全な打ち消しを引き起こすことがある。しかし、この不完全な打ち消しであっても、信頼性のあるデータ検出にとって十分である。相対位相シフトを調整するため、有利には、物体光または参照光どちらかの経路長が、例えば、ピエゾ素子またはその他の位相シフト調整素子によって調整可能にされる。

より良い理解のため、今から本発明が、以下の説明において図面を参照しながらより詳細に説明される。本発明がこの例示的な実施形態に限定されないこと、また本発明の範囲から逸脱することなく、特定の特徴が適切に組み合わされ、且つ／または変更され得ることも理解されよう。

図１は、本発明に係る同軸ホログラフィック記憶システム１の書き込み時の概略構成図である。参照光２は、ビーム・スプリッタ４によって、同軸で物体光３に重ね合わされる。参照光２および物体光３は、例えば、コリメータ・レンズ２１と、ビーム・スプリッタ２２と、２つのステアリング・ミラー２３、２４によって、単一の光源２０から生成されることが好ましい。参照光２および物体光３は、共通対物レンズ５を通過し、ホログラフィック記憶媒体６の中または近くに焦点を結ぶようにされる。図１では、データ・ページを書き込むために空間光変調器９の単一ピクセル８から来る光７は、強調されている。ピクセル８から来る波面は、参照光２に対してπの位相シフトを有する。実際には、正確にπである位相シフトは、実現するのが難しい。しかし、位相シフトがπに近ければ十分である。物体光と参照光の波面が正確に平行である同軸設定では、位相シフトは、すべてのピクセルについて自動的に同じになる。正確な位相シフトは、物体光３と参照光２の相対経路長を調整することによって、またはビーム経路の一方に位相シフト素子もしくは位相スイッチ素子１３を設けることによって得られる。位相シフト素子１３または位相スイッチ素子１３の例は、それぞれ、液晶素子またはスイッチ可能ミラーである。もちろん、位相シフトを生成するためのその他の方法も同様に使用できる。位相シフト調整素子１４が、位相シフトを能動的に調整できるので有利である。物体光３と参照光２の重ね合わせから生じる干渉パターンは、通常通りにホログラフィック記憶媒体６に記憶される。

参照光２は、読み出し時、書き込み時と同様に、ホログラフィック記憶媒体６の中または近くに焦点を結ぶようにされる。図２では、ホログラフィック記憶媒体６は、透過タイプの記憶媒体である。もちろん、本発明は、反射タイプの記憶媒体にも同様に適用可能である。ホログラフィック記憶媒体６内に記憶されたホログラムは、再生物体光１０が位相を含む物体光３のすべての特性を有するように光を回折する。物体光３の位相は参照光２に対してπだけシフトされるように調整されたので、参照光２に対する再生物体光１０の位相シフトもπである。弱め合い干渉によって、再生物体光１０は、少なくとも部分的に、参照光２の光を打ち消す。さらなる対物レンズ１２によって得られる検出器１１上の参照光２の像は、書き込み時にオンにスイッチされたＳＬＭピクセル８に対応する位置で、暗い領域を示す。

干渉の物理的特性が、参照光２の像内の暗いピクセルの検出を簡単にする。弱め合い干渉による光の打ち消しＣは、次式によって計算される。

ここで、Ｉ_ｏｂｊおよびＩ_ｒｅｆは、それぞれ、再生物体光１０および参照光２の強度である。従って、ホログラムの回折効率によって決定される再生物体光１０の弱い光は、非常に大量の参照光２を打ち消すことができる。例えば、参照光２の６％の強度を有する再生物体光１０は、参照光２の光の４７％を打ち消す。１％の再生物体光１０は、約２０％を打ち消す。

本発明の方法および特に光の打ち消しの量を明確に示すため、単一の明るいピクセルを有するホログラムの読み出しのシミュレーションを定量的に行った。その結果が、図３から図６に示されている。参照光２の６％の強度を有する相対的に弱い再生物体光１０の光は、参照光２の光を部分的に打ち消す。図３は、検出器１１上における参照光２の像を示している。図４は、図３の拡大された一部を示している。干渉から生じた暗いピクセルが、明瞭に見て取れる。図５のプロットは、シミュレーションによって得られた再生物体光１０の強度分布であり、ある一方向に沿った強度分布である。強度および座標は、任意単位で与えられている。ピークの高さは、Ｉ＝１．９ｅ^-7である。図６のプロットは、検出器１１上における、再生物体光１０が重ね合わされた参照光２の像のシミュレーションによって得られた強度分布である。やはり、強度は、任意単位で与えられている。平坦域の高さは、Ｉ＝３．１ｅ^-6である。理解され得るように、参照光２の強度の６％の強度を有する再生物体光１０は、ピクセル位置において、参照光２の約４７％を打ち消す。

図７には、本発明によって提案されたように書き込みおよび読み出しが行われた、ＳＬＭデータ・ページ全体の検出器像の数値シミュレーションが示されている。ホログラムの書き込みおよび読み出しの全プロセスのシミュレーションを行うために、ビーム伝播技法を使用した。シミュレーションでは、上で説明した完全な設定が実施された。物体光３および参照光２の波長は、λ＝４０５ｎｍであり、対物レンズ５の焦点距離および開口率は、それぞれ、ｆ_{ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ}＝４．５ｍｍおよびＮＡ＝０．６であった。データ・ページは、１２８×１２８のピクセルと、均一に分布する同期用マークとを有する典型的なデータ・ページであった。理解され得るように、本発明の方法は、データ・ページ全体で良好に機能する。書き込み時にオンにスイッチされたすべてのピクセルは、読み出し時に参照光を部分的に打ち消す。従って、データ・ページは、検出器１１上に反転像の形式で出現する。

本発明に係る同軸ホログラフィック記憶システム１の書き込み時の概略構成図である。 同軸ホログラフィック記憶システムの読み出しパスを概略的に示す図である。 単一ピクセルで再生物体光と干渉を起こした参照光の検出器像を示す図である。 図３の拡大された一部を示す図である。 再生物体光のシミュレート強度分布の断面を示す図である。 再生物体光と干渉を起こした参照光の検出器像のシミュレート強度分布の断面を示す図である。 本発明に従って書き込みおよび読み取りが行われたＳＬＭデータ・ページ全体の検出器像の数値シミュレーションを示す図である。

符号の説明

１ ホログラフィック記憶システム
２ 参照光
３ 物体光
４ ビーム・スプリッタ
５ 対物レンズ
６ ホログラフィック記憶媒体
７ ピクセルから来る光
８ ピクセル
９ 空間光変調器
１０ 再生物体光
１１ 検出器
１２ 対物レンズ
１３ 位相シフト要素
１４ 位相シフト調整要素
２０ 光源
２１ コリメータ・レンズ
２２ ビーム・スプリッタ
２３ ステアリング・ミラー
２４ ステアリング・ミラー

Claims (7)

1. 参照光と物体光を同軸に配列する、ホログラフィック記憶媒体からの読み出し、およびホログラフィック記憶媒体への書き込みを行う装置であって、
   ホログラムを記録するために、前記参照光および前記物体光が、前記ホログラフィック記憶媒体に集光され、暗いおよび明るいピクセルのデータ・ページを前記物体光にインプリントする振幅空間光変調器と、前記参照光を前記ホログラフィック記憶媒体に記録されたホログラムに当てることにより得られた再生物体光に含まれる暗いおよび明るいピクセルのデータ・ページを読み出すための検出器と、を備え、
   前記参照光と前記物体光が、軸上で重ね合わされ、前記物体光に含まれる前記データ・ページ内の明るいピクセルが、前記参照光に対して本質的にπの位相シフトを有し、前記再生物体光に含まれる前記データ・ページの読み出しのため、前記検出器が、前記参照光と前記再生物体光との間の干渉によって生成された干渉パターンを検出する、前記装置。
2. 前記位相シフトが、前記物体光と前記参照光との相対経路長を調整することによって、または位相シフト素子もしくは位相スイッチ素子を前記物体光の光経路または前記参照光の光経路に配設することによって得られる、請求項１に記載の装置。
3. 前記位相シフトを調整する位相シフト調整素子を備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記位相シフト調整素子が、前記物体光の前記経路長または前記参照光の前記経路長を調整するピエゾ素子である、請求項３に記載の装置。
5. 参照光と、振幅空間光変調器により前記物体光にインプリントされた暗いおよび明るいピクセルのデータ・ページを含む物体光とを同軸に配列し、ホログラフィック記憶媒体に書き込みを行う方法であって、
   前記参照光と前記物体光を軸上で重ね合わせるステップと、
   前記物体光に含まれるデータ・ページ内の明るいピクセルの位相を前記参照光に対して本質的にπだけシフトさせるステップと、
   前記ホログラフィック記憶媒体に前記参照光および前記物体光の重ね合わせによる干渉パターンを記憶するステップと、を含む前記方法。
6. 前記位相をシフトさせるステップが、前記物体光もしくは前記参照光の相対経路長を設定することによって、または位相シフト素子もしくは位相スイッチ素子によって実行される、請求項５に記載の方法。
7. 前記物体光と前記参照光の間の位相関係を監視するステップと、
   前記監視される位相関係に応じて位相を調整するステップと、をさらに含む、請求項６に記載の方法。