JP5085467B2 - ホログラフィデータ記憶用の位相マスク - Google Patents

Description

本発明は、ホログラフィックデータ記憶用の位相マスクに関し、そのような位相マスクを使用してホログラフィック記憶媒体から読み取る、かつ／またはホログラフィック記憶媒体に書き込むための方法および装置に関する。

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、デジタルデータが記憶され、一方のビーム、いわゆる「オブジェクトビーム」が、空間光変調器（ＳＬＭ）によって変調され、記録しようとする情報を伝達する。第２のビームは、参照ビームとして働く。干渉パターンにより、干渉パターンの局部強度に応じて、記憶材料の固有の特性の変化をもたらす。記録されているホログラムの読取りは、記録中と同じ条件を使用してホログラムを参照ビームで照明することによって実施される。これにより、記録されているオブジェクトビームが再構築される。

ホログラフィックデータ記憶の１つの利点は、データ容量の増大である。従来の光記憶媒体に対して、わずか数層だけではなく、ホログラフィック記憶媒体のその体積（ボリューム）が、情報を記憶するために使用される。ホログラフィック記憶の１つの他の利点は、たとえば２つのビーム間の角度を変更することによって、あるいはシフト多重化を使用することによってなどによって、複数のデータを同じ体積内に記憶する可能性である。さらに、１ビットずつ記憶するのではなく、データがデータページとして記憶される。典型的には、データページは、複数のビットを符号化する明暗パターン（ｌｉｇｈｔ−ｄａｒｋ−ｐａｔｔｅｒｎｓ）のマトリクス、すなわち２次元２値アレイ、または濃淡値のアレイからなる。これは、記憶密度の増大に加えて、データ転送速度の増大を達成することを可能にする。データページは、空間光変調器によってオブジェクトビームにインプリント（刷り込み）され、アレイ検出器で検出される。

上述のように、ページ志向のホログラフィックデータ記憶では、画素化した空間光変調器が、オブジェクトビームの強度を情報によって変調するために使用される。この強度分布は、通常、対物レンズによってフーリエ変換される。このフーリエ変換、すなわち画素化されたデータパターンのスペクトルは、以下でＤＣピークと呼ばれる高い中心強度ピークを有する。実際の情報は、このピークの周りで、はるかに低いレベル、典型的には−６０ｄＢで分布する。オブジェクトビームのＤＣピークは、感光性媒体の望ましくない飽和状態を引き起こすおそれがある。周囲の強度分布の包路線は、通常、画素の方形のような形状に起因するもので、２次元のｓｉｎｃ関数（ｓｉｎ（ｘ）／ｘ）によって表現することができる。ＳＬＭ画素パターンに関する完全な情報は、ｓｉｎｃ関数の最初のゼロまでの距離の２分の１にある、いわゆるナイキスト限界よりも下方に位置する。

ＤＣピークを抑圧するために、強度変調に加えて、位相変調を適用することが提案されている。たとえば、非特許文献１では、様々なタイプの画素化および非画素化位相マスクについて論じられている。しかし、一般にこの目的に対しては２値位相マスク（バイナリ位相マスク）が使用され、このマスクは、レーザ波長に対して０またはπの位相シフトを持ち込む。位相セル、すなわち一定の位相を有するエリアは、ＳＬＭの１つまたは複数の画素の大きさを有する。０のセルおよびπのセルの空間分布はランダムまたは擬似ランダムであり、０のセルおよびπのセルの総数は、本質的に同じである。

M.J.O’Callaghan "Sorting through the lore of phase mask options - performance measures and practical commercial designs" Proc. SPIE Vol.5362(2004)、pp.150-159

ＳＬＭ画素１つのセルサイズを有する位相マスクは、ＤＣピークを非常に良好に抑圧する。しかし、大部分の強度が、依然としてナイキスト限界よりも上方に位置する。この部分は冗長であり、必要なデータ情報を含まない。さらに、ｓｉｎｃのような包路線のため、強度分布が、フーリエ面の中央領域内で、またはホログラフィック媒体内でそれぞれ平坦でない。

この欠点は、ＳＬＭよりも低い空間分解能を有する位相変調を行う位相マスクによって克服される。そのような位相マスクにより、フーリエ面内の強度分布が狭くなることとなる。したがって、そのような位相マスクは、ナイキスト限界よりも上方の不要な強度を低減し、一方、ナイキスト限界よりも下方の重要な強度は増大される。

本発明の目的は、ホログラフィック記憶システムのフーリエ面内の光ビームの強度分布をさらに改善した、ホログラフィックデータ記憶用の位相マスクを提案することにある。

本発明によれば、この目的は、複数の位相セルを有し、これら位相セルがサブセルスケールの位相バリエーション（位相変化）を有している、ホログラフィックデータ記憶用の位相マスクによって達成される。

本発明は、各位相セル内で特別の位相分布を適用することを提案する。セルサイズがＳＬＭ画素サイズと同じである場合には、これはサブ画素スケールの位相バリエーションを意味する。サブセルスケールの特別な位相分布は、フーリエ面内の強度分布の包路線が平坦となるように強度分布に影響を及ぼす。その結果、ホログラフィック記憶媒体の照明がより平衡にされ、起こり得る飽和が回避される。これにより、以前よりも優れている信号対雑音比（ＳＮＲ）を有する以前よりも強いホログラム、または以前よりも多数の多重化ホログラム、すなわち容量の増大を達成することができる。

好ましくは、位相セルのサイズは、ＳＬＭの画素のサイズの整数倍に等しい。上述のように、位相セルサイズがＳＬＭ画素のサイズに等しいとき、フーリエ面内の強度分布の包路線は、より平坦になる。位相セルのサイズがＳＬＭ画素サイズの整数倍に増大された場合、たとえば１つの位相セルが４つのＳＬＭ画素に関連付けられる場合、ナイキスト限界よりも上方の強度が低減される一方、ナイキスト限界よりも下方の強度が増大される。これにより、ホログラフィック記憶媒体の照明がさらに改善される。位相セルのサイズは、位相マスクの平面内の直角となる方向で同一であることが好ましく、たとえば、各位相セルが、２×２、３×３などのＳＬＭ画素に関連付けられる。当然ながら、両方向で異なるサイズ、たとえば１×２、２×３などのＳＬＭ画素を使用することも、同様に可能である。

有利には、位相バリエーションの空間パターンは、円形、矩形、環状、多角形状のパターン、または画素化されたパターンのうちの少なくとも１つ、あるいはこれらのパターンの組合せである。そのようなパターンは、比較的に容易に製造することができるという利点をもたらす。当然ながら、様様な位相セルが様様な位相バリエーション、すなわち様様なパターンを有することができる。

好ましくは、位相バリエーションは、位相セルの個数の２分の１の逆数である。この解決策により、πおよび０の位相シフトが平衡して発生することが自動的に保証される。同様に、反転パターンは、通常のパターンと異なるようにすることも実現可能である。

有利には、位相マスクは、２値位相シフトまたは多値位相シフトを導入する。別法として、位相マスクは、ランダム分布の位相シフト、たとえばガウス分布の位相シフトを導入する。０のセルおよびπのセルの空間分布は、ランダムまたは擬似ランダムである。同様に、色々なパターンを有する位相セルの空間分布もまた、ランダムまたは擬似ランダムである。

優先的には、位相マスクは、さまざまな表面高さ、またはさまざまな屈折率を有する透明な光学要素である。これは、必要な位相シフトを非常に容易に生成することを可能にする。別法として、位相マスクは、さまざまな表面高さを有する反射光学要素である。これは、反射要素がとにかく光路内で必要とされるとき特に有用である。

本発明の他の改良によれば、位相マスクは、切替え可能な位相分布または切替え可能な位相シフトを有する。このようにして、位相マスクは、様々なタイプのホログラフィック記憶媒体に、または様々な動作条件に適合させることができる。

有利には、ホログラフィック記憶媒体から読み取る、かつ／またはホログラフィック記憶媒体に書き込むための装置は、本発明による位相マスクをオブジェクトビームの光路内に組み込む。そのような装置は、ホログラフィック記憶媒体に書き込むときオブジェクトビームの位相分布を修正する。これにより、ホログラフィック記憶媒体の照明が改善され、より均一になる。これにより、より良い信号対雑音比（ＳＮＲ）を有するより強いホログラム、またはより多数の多重化ホログラム、すなわち容量の増大を達成することができる。

好ましくは、他の位相マスクが、参照ビームの光路内に含まれる。これは、ホログラフィック記憶媒体内でのオブジェクトビームおよび参照ビームの良好な重なり合いが確保されるという利点を有する。他の位相マスクは、オブジェクトビームの光路内に含まれる位相マスクと同じ位相バリエーションを有することも、それと異なる位相バリエーションを有することもできる。

有利には、位相マスクは、ＳＬＭの不可分の一部である。このようにして、ＳＬＭは、データページと修正済み位相分布を共に生成し、その結果、追加の構成要素を必要としない。

より良く理解するために、次に本発明について、以下の説明において、添付図面を参照してより詳細に述べる。本発明はこの典型的な実施形態に限定されないこと、また指定されている特徴は、本発明の範囲から逸脱することなしに、便宜上組み合わせる、かつ／または修正することもできることを理解されたい。

図１は、複数の画素２からなるデータパターンを有するＳＬＭ１を示す。この図では、「オフ画素」が黒い画素によって表され、一方、「オン画素」が白い画素によって表される。ページ志向のデータ記憶については、通常、２次元変調方式が適用される。通例の手法は、各データページ１を、たとえば４×４または５×５の画素２からなる１組のサブページまたはブロックに分割することである。変調中に、ユーザデータは、１組のブロックに変換される。公知の変調は、各４×４ＳＬＭブロック内で３つのオン画素を使用する（４×４−３変調）。４×４ＳＬＭ画素ブロック内の３つのオン画素の組合せの数は、１６個から３つを選択することに等しい。すなわち、組合せの数は、５６０に等しい。これは、画素ブロック当たり約９．１ビットのユーザデータの容量に対応する。

図２は、図１のデータページ１の画素２の分布から得られるフーリエ面内の強度分布を示す。対数目盛で２次元分布を貫くカット（一切片）が示されている。図に示すように、このフーリエ変換は、高い中心強度ピークを有する。オブジェクトビームのこのＤＣピークは、感光性媒体の望ましくない飽和を引き起こす可能性が高い。

各画素２について０またはπの位相シフトを導入する複数の位相セル４を有する位相マスク３が、図３に示されている。０またはπの位相シフトの空間分布は、ランダムである。位相マスク３の位相セル４のサイズは、ＳＬＭ１の画素２のサイズと同じである。当然ながら、位相マスク３の位置での画素２のサイズが、たとえばイメージング（結像）により、ＳＬＭ１の位置での画素２のサイズと異なる場合、位相セル４のサイズは、それに応じて適合される。換言すれば、単一の位相セル４が、各画素２に割り当てられる。

図４は、図３の位相マスク３を用いて変調された図１のデータページ１の画素２の分布から得られる、フーリエ面内の強度分布を示す。２次元分布を貫いた一カットが均等目盛で示されている。ＳＬＭ画素１つのセルサイズを有する位相マスクは、ＤＣピークを非常に良好に抑圧する。しかし、大部分の強度が、依然としてナイキスト限界よりも上方に位置する。さらに、フーリエ面の中央領域内の強度分布が平坦でない。

図５は、ＳＬＭ画素サイズの２倍のセルサイズを有する位相マスク３を示す。これは、単一の位相セル４が、ＳＬＭ１の４つの画素２に割り当てられることを意味する。この場合も、位相セル４は、各画素について０またはπの位相シフトを導入する。０またはπの位相シフトの空間分布は、ランダムである。

図６は、図５の位相マスク３を用いて変調された図１のデータページ１の画素２の分布から得られた、フーリエ面内の強度分布を示す。２次元分布を貫いた一カットが均等目盛で示されている。位相マスク３は、ナイキスト限界よりも上方の強度、すなわち間隔［−１，１］の外側を低減し、一方、ナイキスト限界よりも下方の強度が増大される。

本発明による位相マスク３の第１の実施形態が、図７に示されている。各位相セルは、０またはπの位相シフトを引き起こす。すなわち、位相マスク３は２値である。しかし、位相シフトは、各位相セル４内で変わる。各位相セル４の円形エリア内では、位相シフトが周囲のエリア内の位相シフトと異なる。円形エリア内の位相シフトがπである場合、周囲のエリア内の位相シフトは０であり、逆も同様である。位相マスク３は、依然として２値である。当然ながら、本発明は、同様に多値位相マスクを用いて実現することができる。

図８は、図７の位相マスク３を用いて変調された図１のデータページ１の画素２の分布から得られる、フーリエ面内の強度分布を示す。２次元分布を貫いた一カットが均等目盛で示されている。図に示すように、得られる強度分布は、より平坦な包路線を有する。

本発明による位相マスク３の第２の実施形態が、図９に示されている。ここでは、図７の円形パターンではなく、方形パターンが使用される。

図９の位相マスク３を用いて変調された図１のデータページ１の画素２の分布から得られる、フーリエ面内の強度分布が、図１０に示されている。２次元分布を貫いた一カットが均等目盛で示されている。得られる強度分布は、さらに平坦な包路線を有する。

本発明による位相マスク３の第３の実施形態が、図１１に示されている。ここでは、円形パターンを使用する図７のサブセル位相バリエーションが、図５に示されている低解像度位相マスク３と組み合わせられる。

図１１の位相マスク３を用いて変調された図１のデータページ１の画素２の分布から得られる、フーリエ面内の強度分布が、図１２に示されている。２次元分布を貫いた一カットが均等目盛で示されている。強度分布は、ナイキスト限界よりも下方に集中し、同時に平坦な包路線を有する。

比較のために、図１３は、サブセル位相バリエーションのない、フーリエ面内の対応する強度分布を示す。強度分布は、依然としてナイキスト限界よりも下方に集中するが、包路線はもはや平坦でない。

図１４は、本発明による位相マスク３の第４の実施形態を示す。この実施形態では、方形パターンを使用する図９のサブセル位相バリエーションが、図５に示されている低解像度位相マスク３と組み合わせられる。

図１４の位相マスク３を用いて変調された図１のデータページ１の画素２の分布から得られる、フーリエ面内の強度分布が、図１５に示されている。２次元分布を貫いた一カットが均等目盛で示されている。この場合も、強度分布は、ナイキスト限界よりも下方に集中する。同時に、包路線がさらに平坦である。

図１６では、ホログラフィック記憶媒体１６から読み取る、かつ／またはホログラフィック記憶媒体１６に書き込むための装置７が、概略的に示されている。コヒーレントな光の光源、たとえばレーザダイオード８が光ビーム９を放ち、光ビーム９は、コリメートレンズ１０によってコリメート（平行に）される。次いで、光ビーム９は、２つの別個の光ビーム１３、１４、すなわちオブジェクトビーム１３および参照ビーム１４に分割される。この例では、光ビーム９の分割は、第１のビームスプリッタ１１を使用して達成される。しかし、この分割のために他の光学要素を使用することも、同様に可能である。空間光変調器（ＳＬＭ）１は、２次元データパターンをインプリント（押印）するようにオブジェクトビーム１３を変調する。ＳＬＭ１の背後にあるのは、データパターンのデータ画素にサブセルスケールの位相バリエーションを加える位相マスク３である。他の、同質の、または異なる位相マスク（図示せず）を、同様に参照ビーム経路内に含ませることができる。オブジェクトビーム１３および参照ビーム１４は共に、対物レンズ１５によってホログラフィック記憶媒体１６、たとえばホログラフィックディスクまたはカード内に集束される。オブジェクトビーム１３と参照ビーム１４の交差点では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１６の感光層内で記録される。

記憶データは、記録されているホログラムを参照ビーム１４だけで照明することにより、ホログラフィック記憶媒体１６から取り出される。参照ビーム１４は、ホログラム構造によって回折され、元のオブジェクトビーム１３のコピーである、再構築後のオブジェクトビーム１７を生成する。この再構築後のオブジェクトビーム１７は、対物レンズ１５によってコリメート（平行に）され、第２のビームスプリッタ１８によって、２次元アレイ検出器１９、たとえばＣＣＤアレイ上に向けて送られる。アレイ検出器１９は、記録データの再構築を可能にする。

データパターンを有するＳＬＭ（空間光変調器）の図である。 フーリエ面内に現れる強度分布を示す図である。 各画素について０またはπの位相シフトを導入する、ＳＬＭ画素サイズに等しいセルサイズを有する位相マスクを示す図である。 フーリエ面内に現れる強度分布を示す図である。 各画素について０またはπの位相シフトを導入する、ＳＬＭ画素サイズの２倍のセルサイズを有する位相マスクを示す図である。 フーリエ面内に現れる強度分布を示す図である。 本発明による２値位相マスクの第１の実施形態を示す図である。 フーリエ面内に現れる強度分布を示す図である。 本発明による２値位相マスクの第２の実施形態を示す図である。 フーリエ面内に現れる強度分布を示す図である。 本発明による２値位相マスクの第３の実施形態を示す図である。 フーリエ面内の、対応する強度分布を示す図である。 比較のための、サブセル位相バリエーションのないフーリエ面内での強度分布を示す図である。 本発明による２値位相マスクの第４の実施形態を示す図である。 フーリエ面内の、対応する強度分布を示す図である。 本発明による位相マスクを使用する、ホログラフィック記憶媒体から読み取る、かつ／または、ホログラフィック記憶媒体に書き込むための装置を示す配置構成図である。

符号の説明

１ 空間光変調器（ＳＬＭ）
２ 画素
３ 位相マスク
４ 位相セル
７ 装置
８ レーザダイオード
９ 光ビーム
１０ コリメータレンズ
１１ 第１のビームスプリッタ
１３ オブジェクトビーム
１４ 参照ビーム
１５ 対物レンズ
１６ ホログラフィック記憶媒体
１７ 再構築後のオブジェクトビーム
１８ 第２のビームスプリッタ
１９ ２次元アレイ検出器

Claims (6)

1. 空間光変調器と複数の矩形の位相セルを備えた位相マスクとを用いて、ホログラフィック記憶媒体から読み取り、かつ／またはホログラフィック記憶媒体に書き込むための装置であって、
   隣接する前記矩形の位相セル間の境界が前記空間光変調器の隣接する画素間の境界と一致するように、各前記矩形の位相セルが前記空間光変調器のｎ×ｍ 画素（ピクセル）に関連付けられ、ｎとｍは整数であり、各前記矩形の位相セルはサブセルスケール上で２値あるいは多値レベルの位相バリエーションを有し、
   前記サブセルスケール位相バリエーションが、円形、環状、あるいは多角形状のパターンの１つ、あるいはこれらのパターンの組み合わせの１つであり、かつ
   本質的に前記位相セルの個数の半分が同一の第１のサブセル位相バリエーションを有し、その残りの位相セルが同一の第２のサブセル位相バリエーションを有していて、それは前記第１のサブセル位相バリエーションを反転したものであることを特徴とする装置。
2. 前記位相マスクが、変動する表面高さ、もしくは変動する屈折率、または切替え可能な位相分布もしくは切替え可能な位相シフトを有する透明な光学要素であり、あるいは、前記位相マスクが、変動する表面高さを有する反射光学要素であることを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記位相マスクが、オブジェクトビームの光路内に配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記位相マスクが、参照ビームの光路内配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
5. 前記位相マスクが、前記空間光変調器の一体部分であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. ホログラフィック記憶媒体に書き込むための方法であって、
   オブジェクトビームの位相分布を、複数の矩形の位相セルを用いて修正するステップであって、隣接する前記矩形の位相セル間の境界が前記空間光変調器の隣接する画素間の境界と一致するように、前記オブジェクトビームに対する各前記矩形の位相セルが前記空間光変調器のｎ×ｍ 画素（ピクセル）に関連付けられ、ｎとｍは整数である、修正するステップと、
   前記オブジェクトビームの位相分布を、前記矩形の位相セルの２値あるいは多値レベルのサブセルスケールの位相バリエーションを用いてさらに修正するステップとを有し、
   前記サブセルスケール位相バリエーションが、円形、環状、あるいは多角形状のパターンの１つ、あるいはこれらのパターンの組み合わせの１つであり、かつ
   本質的に前記位相セルの個数の半分が同一の第１のサブセル位相バリエーションを有し、その残りの位相セルが同一の第２のサブセル位相バリエーションを有していて、それは前記第１のサブセル位相バリエーションを反転したものであることを特徴とする方法。

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