JP5122108B2 - ホログラフィック記憶媒体 - Google Patents

Description

本発明は、データが画素アレイ内に複数の画素を有するデータページとして記憶されるホログラフィック記憶媒体に関し、そのようなホログラフィック記憶媒体からの読み出し及び／又は該媒体への書き込みを行うデバイスに関する。

最初の光学記録媒体の開発以来ずっと、記録媒体内の記憶容量を増加させる、つまり、与えられた記録媒体に記憶できるデータ量を最大化する、又は与えられた情報量に合わせて記録媒体のサイズを最小化するということが重要な目的とされてきた。最近では、デジタルホログラフィックデータの記憶技術によって、最大容量が実現された。

デジタルホログラフィックデータの記憶では、情報は記録媒体の容積の中に干渉縞状に記録される。デジタルホログラフィックの記憶技術では、情報がバイナリデータページ状に配列され、それは通常、空間光変調器（ＳＬＭ）、つまり、光変調画素のアレイを使用するレーザービームの変調によって実現される。このレーザービームは、例えば、記録層を有する回転するホログラフィックディスク又は、ホログラフィック記憶カードのような、記録媒体の表面を規則正しくスキャンする。最大１００bits/μｍ^２までの記憶密度の増加は、三次元の使用によるもので、つまり、情報を運ぶために平面が使用されるだけでなく、記録層の中の容積も使用される。

前述したように、複数ビット、例えば１００ビット又はそれ以上を含むデータページの形でデータが配置される。回復したデータページは通常、ＳＬＭと同じ又はそれ以上の画素数を有するＣＣＤアレイを使用して分析される。データ読み出しの高度な並列処理によって、１０Gbits/s又はそれ以上の高速データ転送速度が実現可能となる。ホログラフィック記録システムにおける一つの問題は、近隣の記録されたホログラムからのクロストークである。異なるホログラム間のクロストークの抑制は、フィールドアングル（field
angle）によって決まる。大きなクロストークによって、信号対雑音比（ＳＮＲ）は低くなる。例えば、シフト多重ホログラフィックメモリシステムのシフト距離は、データページの対応する部分から過度なクロストークを避けるために、最小信号対参照光角に従って選択されなければならない。しかし、このことは非特許文献１で説明されるように、データページの他の部分でのデータ密度のロスにつながる。位置依存性のＳＮＲのもう一つの例は、非特許文献２である。

非特許文献３は、高速データ速度、大容量のデジタルホログラフィック記憶ディスクシステムの設計及び実装について説明している。ホログラム毎のデータ密度は、記憶位置エリアによって分割される記憶されたデータ画素の数の割合として説明される。データ記憶密度は、システムセットアップ及び記憶方法の異なるパラメータにより、影響を受ける。より小さな焦点配置がより短い波長で実現可能になるので、最も影響を与えるパラメータは、記憶媒体それ自体の材料、記憶媒体の材料の厚み及び光ビームの波長である。一般に、デジタルホログラフィック記憶システムの高データ密度では、画像の歪みや収差によるＳＬＭからＣＣＤでの画素の検出ミスの量が、例えば、０．２画素以下というような、とても狭い範囲内になければならない。高い開口数（ＮＡ）に加え、この検出精度によって、撮像光学系の質には厳しい要求がなされる。

例えば、高い開口数を有する対物レンズのシステムを用いて、大きなフィールドアングルでの撮像は、小さなフィールドアングルでの撮像程よくない。従って、イメージは光学収差に影響を受け、光学収差はフィールドアングルの増大と共に増大する。このことによりＳＮＲはフィールドアングルによって決まってしまうことになる。経済的観点からみると、従来の光学データ記憶システムで使用されているものと同じようなプラスチックコンポーネントを、ホログラフィック記憶システムでも使用することが望ましい。結果として、ＣＣＤの異なる近隣の画素間でのクロストークの抑制は、フィールドアングルによって決まる。画素サイズは、最大許容クロストークによって選択されなければならず、それは一般に大きいフィールドアングルを有する画素によって決定される。しかし、このことは、データページの他の部分におけるデータ密度のロスにつながる。従って、ホログラフィック記憶システムの記憶容量は、イメージ平面の最も低いＳＮＲによって制限されてしまう。
Steckmann et al., Appl. Opt. 40, 3387-3394 (2001) Curtis et al., J. Opt. Soc. Am. A 10 2547-2550 (1993) Orlov et al., Appl. Opt. 43, 4902-4914 (2004)

ホログラフィック記憶システムの記憶密度の制限は、特にデータページの境界エリアの画素サイズによって与えられる。対物レンズ内の光学素子の収差によって、光学フィールドにおけるひずみが起こり、外部エリアの光ビームのイメージでＳＮＲが減少する。こうして、データ記憶の実現可能な密度は、光学コンポーネントの品質によって制限される。このことによって、安価で低品質の光学コンポーネントが、高密度のデータアレイを読み出すためのピックアップシステムで使用されることには適さず、他方では、高価で高性能の光学コンポーネントが、通常、標準家庭用電化製品で採用されないという問題が起こる。従って、超高密度のデータアレイを有するホログラフィック記憶媒体は、前記標準家庭用電化製品で正確に読むことができない。

こうして、超高密度を実現し、同時に標準家庭用電化製品で正確に読むことのできるホログラフィック記憶媒体を提供することが、本発明の目的である。

この目的は、典型的な特徴と併せて請求項１によるホログラフィック記憶媒体によって実現される。本発明の好ましい実施形態は、従属請求項に記載されている。

本発明によると、記憶媒体のデータページは、少なくとも二つの異なるデータタイプを特徴とし、第一のタイプのデータがデータページの内部に記憶され、少なくとも第二のタイプのデータがデータページの外部に記憶され、その第二のタイプのデータは、第一のタイプのデータの画素サイズと同じか又はそれより小さい画素サイズで記憶される。

ホログラフィック記憶媒体にデータページとしてデータを記憶するための対応する方法は、
データページの内部に第一の画素サイズで第一のタイプのデータを記憶し、
データページの外部に第一の画素サイズと同じか又はそれより小さい第二の画素サイズで、少なくとも第二のタイプのデータを記憶する。

前記二つのデータタイプを識別することによって、記憶媒体は、高品質デバイスによって読み出し可能な記録媒体に更に多くの情報を記憶する可能性を特徴とするが、低い光学性能の低品質デバイスでも、限定されたコンテンツを有するデータの再生を可能にする。従って、マルチシステムのホログラフィック記録媒体が提案される。この媒体は少なくとも二つのタイプのデータを含むホログラムを備える。第一のタイプのデータは、内部の画素アレイから生成され、一方、第二のタイプのデータは、外部の画素アレイから生成される。第一のタイプのデータは、低品質光学コンポーネントを使用するデバイスと同様に、高品質光学コンポーネントを使用するデバイスでも、読み出し及び／又は書き込みが可能である。第二のタイプのデータは、更に高価な高品質デバイスでのみ、読み出し及び／又は書き込みが可能である。

高性能の光学デバイスは、高いＳＮＲを実現し、データページの外部と同様に内部に割り当てられたデータを読み出すことができる。これらのデバイスは、高価で、ハイグレードな再生電子機器又は専門的な機器に適用される電子機器に用いられる。低性能の光学デバイスは、より低いＳＮＲを実現し、小さいフィールドアングルに対応するデータページの内部からのみデータを読み出すことができる。このタイプのデータは、再生のための標準情報、制限された解像度の動画、又はより弱いエラー訂正などを運び得る。

更に、その画素アレイは、標準サイズの画素アレイと比べると、より大きなサイズであることを特徴とし、データページの外部エリアは、高性能の光学デバイスにより読み出し可能であるが、一方、データページの内部は、標準光学デバイスによって、少なくとも部分的に読み出し可能である。

より効果的には、本発明によるホログラフィック記憶媒体からの読み出し及び／又は該媒体への書き込みを行うデバイスは、データページの内部のみを読み出すため、又はもう一つの方法としてデータページの内部と外部を読み出すために、データページの記録品質を確認する手段を含む。第一のタイプのデータの可読性、又は第一及び第二のタイプのデータの可読性の確認を実行することによって、第一のタイプのデータのみ又は第一及び第二のタイプのデータが再生され得るかどうかをデバイスは評価する。この評価は、第二のタイプのデータ内に生成された特別な情報によって行われる。デバイスがその特別な情報を読み出せれば、そのデバイスは第一のタイプのデータに加え、第二のタイプのデータの再生を行い、そのデバイスが第二のタイプのデータに含まれる特別な情報を読み出せなければ、デバイスは第一のタイプのデータのみを再生する。

二つの異なるタイプのデータの識別によって、データページの外部にある第二のタイプのデータを読み出すために、デバイスが強いエラー訂正手段を含むことができる。こうして、高性能の光学コンポーネントを用いて再生するためだけのデータ記憶媒体は、エラー訂正手段によって識別され得る。弱いエラー訂正手段を含むシステムは、データページの外部に記憶されているデータの内容を読み出すことに適していない。低品質の光学手段を有するデバイスは、第一及び第二のタイプのデータの識別を行うが、第二のタイプのデータは検出されない。従って、「グレーエリア」として理解されている第二のタイプのデータは、これらのデバイスに現れない。

より効果的には、第二のタイプのデータが、異なるエラー訂正方法を使用してエンコードされる。低データ速度となってしまうが、このエラー訂正アルゴリズムは、より高いエラー率の訂正を可能にする。この場合、もしデバイスが両方のエラー訂正アルゴリズム用のデコーダを備えているならば、低品質の検出システムを備えるデバイスでさえ、第二のタイプのデータを再生することができる。更なる利点として、たとえ、シングルタイプのデータが、本発明による第一のタイプのデータに使用されるエリアよりも大きくても、第一及び第二のタイプのデータを介して提供される全部のデータ速度は、シングルタイプのデータエリアのみによって通常達成されるデータ速度より速いという点がある。

本発明の高度な実施形態において、たくさんの品質目盛りを提供するために、二つ以上のタイプのデータが記録されることが提案されている。多くの品質ステップに拡張するため、代わりに三つ、四つ又はそれ以上の品質目盛りが想定され、その品質ステップは、二つ以上の品質等級を有するデバイスによって読み出すことができる。

記憶媒体のデータページ内で少なくとも二つの異なる部分の識別は、二つの異なる動画の記憶に使用され得るが、第一のタイプのデータは第一の動画を含み、第二のタイプのデータは第二の動画を含む。更に、高品質デバイスは、高性能のユーザインターフェースのような付加価値をユーザに与えるために、アドオン品を再生することができる。動画データの代わりに、記憶されたデータはオーディオデータ又は他の異なる種類のデータを含んでもよい。

他の特徴が解像度の識別、例えば動画、において想定され、第一のタイプのデータは標準解像度を特徴とし、第二のタイプのデータは高密度解像度を特徴とする。こうして、動画は二つの異なる品質で読み出され、デバイスの性能が低い時、動画の内容は、低解像度であり、デバイスの性能が高い時、動画の内容は、高解像度である。このことは、解像度に関してより少ない容量が二番目のタイプのデータを記憶するために要求されるが、動画のノーマル及び高密度の部分が記録前に分けられることを要求し、さらに、ＨＤデータの再生デバイスが両方の部分を合成できることを要求する。

二つの異なるタイプのデータの他の識別は、最も重要なデータを含む第一のタイプのデータ及びあまり重要でないデータを含む第二のタイプのデータである。従って、高品質デバイスは最も高い品質で再生できる。低価格のデバイスは、第二のタイプの情報は、標準装置ではそれぞれ聴くことも見ることもできないため、失われているので、条件に合った品質で再生できる。

より効果的には、第一のタイプのデータは暗号化されたデータを含み、第二のタイプのデータは復号化されたデータを含む。この識別は、高品質のデバイスでのみ再生可能な記録媒体の製造を可能にする。両方の属性を併せ持つ場合、高品質デバイスによって、ユーザは暗号化された形で記憶されている追加の動画部分に関して利点を得る。

また、第一のタイプのデータは、弱いエラー訂正コーディングを特徴とし、第二のタイプのデータは、強いエラー訂正コーディングを特徴とする。低いＳＮＲによる検出アレイの外の部分でのエラー率の増加が、より強い訂正コーディングによって補償されるので、強い及び弱いエラー訂正コーディングを付加することによって、第二のタイプのデータの再生が低品質のデバイスでさえ可能となる。従って、記録媒体の使用可能な容量が増える。異なる訂正コーディングは、少なくとも二つのタイプのデータの上述の識別のいずれかの組み合わせに適用可能である。

前述及び他の実施例は、添付の図面と合わせて本発明の以下の詳細な説明により明らかになる。

ホログラフィックデータ記憶において、デジタルデータは、二つのコヒーレントレーザービームの重ねあわせによって生ずる干渉縞を記録することで記憶される。ホログラフィック記憶システム１０の概略図が図１に示される。コヒーレント光のソース１１、例えばレーザーダイオード、が光ビーム１２を放出し、コリメートレンズ１３によってコリメートされる。光ビーム１２は、別々の二本の光ビーム１６、１７に分けられる。実施例では、光ビーム３の分割は、ビームスプリッタ１４を使用して実現される。しかし、光ビームの分割は、他の光学コンポーネントを使用しても同様に可能である。空間光変調器（ＳＬＭ）１５は、二本のビームのうちの一本を変調し、「物体光」１６と呼ばれ、２次元のデータパターン、すなわち画素アレイを刻印する。物体光１６と「参照光」１７と呼ばれる更なるビームの両方が、ホログラフィック記録媒体１９、例えばホログラフィックディスクに対物レンズ１８によって収束される。物体光１６と参照光１７との交差点で、干渉縞が現れ、その干渉縞はホログラフィック記録媒体１９の感光性層に記録される。

記憶されたデータは、記録されたホログラムに参照光１７のみを照射することによって、ホログラフィック記録媒体１９から読み出される。参照光１７はホログラムの構造によって回折され、元の物体光１６のコピーである復元された物体光２０を作る。この復元された物体光２０は、対物レンズ１８によってコリメートされ、更なるビームスプリッタ２１によって２次元アレイ検出器２２、例えばＣＣＤアレイ上に方向付けられる。そのアレイ検出器２２は、記録されたデータを復元できる。

図２はデータページの画素アレイ１の簡略図であり、内部３とその内部３を取り囲む外部５とを特徴とする。この実施例では、画素アレイ１は四角い形をしている。外部５は読み出し及び／又は書き込みデバイスの高フィールドアングルに対応し、一方で画素アレイ１の内部は低フィールドアングルに対応する。ピックアップシステム全体の光軸は、センター６に入る。内部３の中に第一のタイプのデータ２が記憶され、外部５の中に第二のタイプのデータ４が記憶される。データページの内部３及び外部５は、データエリアの位置を図解するために四角いフィールドで示される。第一のタイプのデータ２及び第二のタイプのデータ４のための四角いフィールドは、異なるサイズであるように示されているが、本発明の特徴によって、高品質デバイスが内部３と比べて増大したサイズではない外部５へもアクセス可能になるように、同じサイズでもよい。ここでは、外部５のフィールドがもっと小さなサイズでさえも可能である。

図３は、図２の画素アレイ１の外部５を取り囲む追加部分８に位置する第三のタイプのデータ７を特徴とする画素アレイ１の簡略図である。

画素アレイ１は標準サイズの画素アレイ１と比べて、より大きいサイズである。データページの外側のエリアは、非常に高性能な光学デバイスでのみ読み出し可能で、一方、画素アレイ１の内部３及び図３の実施形態では中間部分としてみなされる外部５は、標準光学デバイスにより、少なくとも部分的に読み出し可能である。追加部分８は、第三のタイプのデータ７を読み出すために非常に高性能な光学デバイスを必要とする。

本発明は、上述の実施形態によって限定されるものではなく、実施形態は単なる実施例としてのみ示されており、付随の特許請求の範囲によって定義される保護の範囲内で様々な方法で変更され得る。従って、本発明はまた、異なるホログラフィックデータ記憶システムにも適用可能である。

ホログラフィック記憶システムの概略図である。 二つの異なるタイプのデータを含むデータページの画素アレイである。 三つの異なるタイプのデータを含むデータページの画素アレイである。

符号の説明

１ 画素アレイ
２ 第一のタイプのデータ
３ 内部
４ 第二のタイプのデータ
５ 外部
６ センター
７ 第三のタイプのデータ
８ 追加部分
１０ ホログラフィック記憶システム
１１ 光源
１２ 光ビーム
１３ コリメートレンズ
１４ ビームスプリッタ
１５ 空間光変調器（ＳＬＭ）
１６ 物体光
１７ 参照光
１８ 対物レンズ
１９ ホログラフィック記録媒体
２０ 復元された物体光
２１ ビームスプリッタ
２２ アレイ検出器

Claims (8)

1. データが画素アレイ内に複数の画素を有する一つ又はそれ以上のデータページとして記憶されるホログラフィック記憶システムにおけるホログラフィック記憶媒体であって、
   前記画素アレイは、四角形をなして内部と該内部を取り囲む外部とを有し、前記内部は、読み出し及び／又は書き込みデバイスの低フィールドアングルに対応し、前記外部は、前記デバイスの高フィールドアングルに対応し、
   前記データページが、少なくとも二つの異なるデータタイプを特徴とし、
   第一のタイプのデータが、前記データページの内部に記憶され、低品質光学デバイス及び高品質光学デバイスによって読み出し及び／又は書き込みが可能であり、標準品質の表現のため要求され、
   少なくとも第二のタイプのデータが、前記データページの外部に記憶され、前記高品質光学デバイスのみによって読み出し及び／書き込みが可能であり、高品質の表現のため前記第一のタイプのデータと組み合わせて要求され、
   前記第二のタイプのデータが、前記第一のタイプのデータの画素サイズと同じかそれより大きい画素サイズで記憶されることを特徴とするホログラフィック記憶媒体。
2. 前記第一のタイプのデータが第一の動画を含み、前記第二のタイプのデータが第二の動画を含むことを特徴とする請求項１に記載のホログラフィック記憶媒体。
3. 前記第一のタイプのデータが弱いエラー訂正コーディングでコーディングされ、前記第二のタイプのデータが強いエラー訂正コーディングでコーディングされることを特徴とする請求項１又は２に記載のホログラフィック記憶媒体。
4. 前記画素アレイの前記外部を取り囲む追加部分に位置する第三のタイプのデータを特徴とし、
   前記追加部分は、前記第三のタイプのデータを読み出すために高性能な光学デバイスを必要とすることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のホログラフィック記憶媒体。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載のホログラフィック記憶媒体からの読み出し及び／又は該媒体への書き込みを行うホログラフィック記憶システムであって、
   前記ホログラフィック記憶媒体から読み出し及び／又は該媒体への書き込みを行う少なくとも一つのピックアップを含み、
   前記ピックアップは、前記第二のタイプのデータが前記第一のタイプのデータの画素サイズと同じ又はそれより大きい画素サイズで記録されているデータページの内部の中の、標準品質の表現のため要求される第一のタイプのデータと該データページの外部の中の、高品質の表現のため前記第一のタイプのデータと組み合わせて要求される前記第二のタイプのデータとの両方から読み出し及び／又は書き込みができる高品質光学デバイスを備えることを特徴とするホログラフィック記憶システム。
6. 前記データページの外部の中の前記第二のタイプのデータを読み出すために、強いエラー訂正手段を有することを特徴とする請求項５に記載のホログラフィック記憶システム。
7. 前記データページの内部のみを読み出す又はもう一つの方法として前記データページの内部及び外部を読み出すために、前記データページの記録品質を確認するための手段を有することを特徴とする請求項５又は６に記載のホログラフィック記憶システム。
8. データが画素アレイ内に複数の画素を有する一つ又はそれ以上のデータページとして記憶されるホログラフィック記憶媒体にデータを記憶するホログラフィック記憶システムにおけるホログラフィック記憶方法であって、
   前記画素アレイは、四角形をなして内部と該内部を取り囲む外部とを有し、前記内部は、読み出し及び／又は書き込みデバイスの低フィールドアングルに対応し、前記外部は、前記デバイスの高フィールドアングルに対応し、
   前記データページが、少なくとも二つの異なるデータタイプを特徴とし、
   第一のタイプのデータが、前記データページの内部に記憶され、低品質光学デバイス及び高品質光学デバイスによって読み出し及び／又は書き込みが可能であり、第一の画素サイズで前記データページの内部に、標準品質の表現のため要求される第一タイプのデータを記憶するステップと、
   前記高品質光学デバイスのみによって読み出し及び／書き込みが可能であり、前記第一の画素サイズと同じ又はそれより大きい第二の画素サイズで前記データページの外部に少なくとも、高品質の表現のため前記第一のタイプのデータと組み合わせて要求される第二のタイプのデータを記憶するステップと
   を有することを特徴とするホログラフィック記憶方法。

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