JP5391480B2 - 複数波長光による画像記録再生装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数波長光を用いたホログラム多重記録装置であって、例えば光波面を乱雑化するフィバー束を移動して乱雑化の多様性を用いることでカラー画像の記録を多重化し、多重に記録された画像から選択的に再生する複数波長光による画像記録再生装置に関している。

ホログラムを用いることにより、画像や、デジタルデータの多重記録が可能となり、記録媒体に２次元状に記録する場合に比べて、１０００倍以上の情報量を蓄積できる事が知られている。ホログラムを用いて記録再生を行なうホログラム記憶装置では、レーザ光を分岐して、物体を照射する物体光と、参照光とを生成し、記録や再生が行われてきた。

よく知られているように、ホログラム記憶装置では、レーザ光源から出射されたレーザ光を、半透過性の分岐鏡で物体光と参照光とに分岐する。物体光については、空間変調器を用いて記録すべき情報で変調し、記録盤を照射するようにする。また、分岐された他方の参照光の方向を調整して、物体光が記録盤を照射する場所と同一地点を照射するようにする。このように物体光と参照光とを記録盤に同時に照射することによって、ホログラムによって情報を記録することができる。また。読み出しにおいては、空間変調器で物体光を遮断し、参照光のみで記録盤を照射する。この記録盤のホログラムで回折された光を光検出器で検出することにより、記録された情報を読み取ることができる。

また、ホログラムを多重に記録し読み出す記憶装置として、特許文献１（特開２００６−７８９４４号公報）には、画像毎にランダムな波面を生成することにより、多重蓄積や読出しが可能となり、従来例の様に波長を変えることなくホログラムの多重記録を行うホログラム多重記録装置が開示されている。この装置では、レーザ光を物体光と参照光とに分岐し、物体光を変調し、参照光から波面の乱雑な参照光を生成し、その変調された物体光と波面の乱雑な参照光とを記録媒体上で干渉させ、その干渉パタンを記録する。記録媒体の同一部分に記録するには、記憶情報ごとに乱雑パタンを変えた参照光を用いる。波面の乱雑な参照光は、波面の揃った参照光を、マルチモード光ファイバーに通して、あるいは、長さの異なる複数の光ファイバーの束からなるファイバー束に通して、生成する。また、記録盤までの光路長や、記録盤への入射角度を変えて、さらなる多重化を図る。

また、特許文献２（特開２００６−８４４８５号公報）には、画像毎にランダムな波面を生成することにより、多重蓄積や読出しが可能となり、従来例の様に波長を変えることなくホログラムの多重記録を行うホログラム多重記録装置が開示されている。これは、上記のホログラム多重記録装置で、特に、記録情報ごとに乱雑パタンを変える方法に特徴があり、分岐された参照光が通過することによってその波面が乱雑になる波面乱雑化素子を用いるが、これは、予め決められた軸の周りに回転することにより乱雑パタンを変えることで多重化を図るものである。
特開２００６−７８９４４号公報 特開２００６−８４４８５号公報

特許文献１に開示されたホログラム多重記録装置を用いて３原色カラー画像を記録する装置は、単に３原色の光源を用いたりそれぞれの原色用の空間光変調器を用いたりするのみでは実現できず、複雑な装置となることは容易に想像できる。しかし、本発明は、上記のホログラム多重記録装置を僅かに複雑な構成とするだけで、多原色カラー画像についても記録再生が可能な複数波長光による画像記録再生装置を提案するものである。

本発明によって、比較的簡単な構成のカラー化したホログラム多重記録装置を容易に実現できる。つまり、乱雑化様態による多重化に加えて用いる光の波長による多重化を図った画像記録再生装置を、簡単な構成で実現できる。

本発明は、概略、レーザ光を物体光と参照光とに分岐し物体光を変調して、上記の分岐された参照光から生成された波面の乱雑な参照光と上記の変調された物体光とを記録媒体上で干渉させ、その干渉パタンを記録するホログラム記録装置に関するものであり、記録媒体の同一部分に記憶情報ごとに乱雑パタンを変えた干渉光を用いるものであるが、光の波長による多重化を図ったものである。光の波長による多重化については、記録は時分割で記録するが、再生は一括で再生できるので、カラー画像を直接観察したり撮像したりすることができる。

より詳細には、本発明は波長多重と波面乱雑化多重を行うホログラム多重記録装置であって、
複数波長光による画像記録再生装置で、異なるスペクトルの複数のコヒーレント光源を備え、そのコヒーレント光源から出射される光を分岐して、参照光と物体光とを発生する光源部と、上記物体光を変調する空間光変調器と、上記参照光波面を乱雑化し、乱雑化のための予め決められた複数の異なる設定の任意の設定にすることができる波面乱雑化手段と、上記空間光変調器で変調された物体光と上記波面乱雑化手段で乱雑化された参照光とをそれぞれを記録媒体上で互いに交わる方向から照射する光学系とを用いる。
ホログラムの作成において、波面乱雑化多重は上記波面乱雑化手段の乱雑化のための予め決められた複数の異なる設定からの選択を変えることで行い、波長多重は、上記波面乱雑化手段の選択された設定のもとで行うもので、上記光源部から上記複数のコヒーレント光源からのコヒーレント光を個別に順次出力し、それぞれのコヒーレント光から分岐された物体光を上記空間光変調器で時分割で変調し、それぞれの上記コヒーレント光によるホログラムを上記記録媒体に順次作成する。
上記ホログラムからの画像再生においては、上記波面乱雑化手段の設定をホログラムの作成における選択された設定と同じ設定にして、複数のコヒーレント光を用いて再生する。つまり、上記の全てのコヒーレント光のうちの少なくとも２つを含む光による参照光を、ホログラムの作成時と同じ設定の上記波面乱雑化手段によって乱雑化した後、上記記録媒体に照射し、その透過光あるいは散乱光を、２次元あるいは３次元検出器で検出するか、または観察者が観察する。
この様にして、例えば赤緑青の３原色のカラー画像を、上記波面乱雑化手段の設定を変えることによって多重記録できるようになる。

上記空間光変調器は、複数の画素で構成され、上記画素のそれぞれの光透過率を制御するものを用いることができる。

また、上記空間光変調器には、複数の画素で構成され、上記画素のそれぞれにおける透過光の偏光方向を制御するものを用いることができる。

また、上記空間光変調器には、複数の画素で構成され、上記画素のそれぞれにおける反射方向を制御するものを用いることができる。

上記光源部は、波長の異なる複数のパルス光源と、ビーム拡大器と、光分岐器とを備え、上記パルス光源からの光束の径を上記ビーム拡大器で拡大し、前記ビーム拡大器からの光を上記光分岐器で分岐し、上記空間光変調器に入射する光の強度を、光減衰器で調整するようにする。これによって、物体光と参照光との強度比を最適化することができる。

上記光源部は、ビーム拡大器と、レーザ光源と、半波長板と、偏光分岐器とを備え、上記半波長板を回転して上記偏光分岐器から出力される光の強度比を調整するようにしてもよい。物体光と参照光との強度比は、偏光分岐器へ入射する光の偏光面を半波長板で回転することによって調整する。

上記波面乱雑化手段としては、特許文献２の図２から図５に開示された光ファイバーを束ねたファイバー束を用いることができる。このファイバー束を回転軸の周りに回転することで波面に与える乱雑性を変えることができる。この場合の乱雑性を設定する指標は、ファイバー束の回転角である。

また、上記波面乱雑化手段としては、上記参照光の光束の断面のサイズ以下の凹凸構造をその表面に備え、特許文献１の図２（ｃ）に記載されたものと類似の光透過板に通して波面の乱雑な参照光とするもの反射面や透過面を用いることができる。但し、この凹凸面の構造を変えて波面に与える乱雑性を変えるものである。この場合、凹凸構造は、振動面の直交モードと同様な、直交化された面モードに付された番号がその乱雑性を設定する指標となる。

上記波面乱雑化手段は、特許文献１の図３（ｂ）に記載されたものと類似の曹灰硼石に通して波面の乱雑な参照光とするものである。この場合は、曹灰硼石に印加する電圧が乱雑性を設定する指標となる。

また、上記波面乱雑化手段と上記記録媒体との間に、光束の偏光方向を揃えるための偏光フィルタを備えるものである。この偏光フィルタは、上記波面乱雑化手段によって偏光面の純度が低下するため、改めて偏光面を揃えるものである。また、この偏光フィルタは、参照光の強度を調整するためにも用いることができる。

よく知られているように、ホログラムは、コヒーレント光を分岐した物体光と参照光の干渉により結晶に書込まれ、これと同じ参照光により記録された物体光が再生される。しかし、書込み時と読出し時に用いた参照光が異なる場合、ホログラムは読出されない。そこで上記の様に、これを積極的に利用すると、画像毎にランダムな波面を生成することにより、多重蓄積や読出しが可能となる。

また、コヒーレント光の波長を変えることによって、波長多重が可能であることはよく知られている。

本発明は、波長多重とランダムな波面による多重とを用いることで、例えば、赤緑青の３原色からなるカラー画像の多重記録再生を行なうものである。但し、画像 記録においては、空間光変調器を３個用いるのではなく、１個の空間光変調器を時分割で用いることで簡略化を図るものである。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図１に本発明の複数波長光による画像記録再生装置の実施例を示す。
ホログラムを作成する場合は、光源５０からの物体光１７と参照光１８を用いる。この物体光１７と参照光１８は、多色光束光源４０からのコヒーレント光を、回転することができる波長板３と偏光プリズム４からなる光分岐器で分岐して生成する。光量の分岐比は、波長板３を回転することで調整する。この場合、多色光束光源４０は、それぞれ異なる波長のコヒーレント光を順次発生する。上記物体光１７は、反射鏡９で光路方向を変えた後、空間光変調器１０で、ホログラムとして記録する情報が重畳され、記録媒体に照射される。また、参照光１８は、反射鏡９で光路方向を変えた後、波面乱雑化手段６である回転ファイバ束を通過した後、偏光フィルタで不必要な偏光が除去され、記録媒体１１に照射される。この記録媒体１１では、空間光変調器１０で重畳された情報が、ホログラムとして記録される。ここで、上記波面乱雑化手段６のあらかじめ決められた同一の設定のもとで、複数の波長のコヒーレント光を順次用いて、それぞれの波長のコヒーレント光によるホログラムを順次、記録媒体１１上に作成する。

図１の構成では、物体光１７と参照光１８の偏光方向は直交しているので、ホログラムを作成するには、記録媒体１１で干渉稿が生ずるようにするために、偏光方向を揃える必要がある。また、偏光方向を位置ごとに調整して、画像情報を重畳することができる。この現象を利用するため、ここで用いる空間光変調器１０は、例えば、図６に示すような画素ごとに位相遅延を制御できる液晶リターダである。

ここで、多色光束光源４０は、図５（ａ）に示す複数波長コヒーレント光源１とビーム拡大器２とを含む。複数波長コヒーレント光源１では、コントローラ１３で制御されたパルスレーザ（例えば、赤、緑、青）からのレーザ光を、例えば液晶プロジェクターで既によく知られた色合成光学系を用いて同一の光路上に載せて出力し、ビーム拡大器２で参照光１８あるいは物体光１７として用いることができる程度にその光束の径を拡大して、出力するものである。

また、多色光束光源４０は、図５（ｂ）に示す様に、複数波長コヒーレント光源１の連続波レーザからの光をシャッタで断続するようにしても良い。特に連続波レーザとして半導体レーザが使用できる場合は、印加電流を断続してもよい。この構成による利点は、比較的長い露光時間を設定できる点にある。

記光源部から、上記複数のコヒーレント光源からの光を個別に順次出力し、それぞれのコヒーレント光による物体光１７を、それぞれの波長ごとに上記空間光変調器１０でそれぞれ変調し、上記コヒーレント光のそれぞれによるホログラムを上記記録媒体に順次作成する。

上記ホログラムからの画像再生においては、上記波面乱雑化手段６の設定をホログラムの作成における設定と同じ設定にして、複数のコヒーレント光を同時に用いて再生する。つまり、上記の全てのコヒーレント光から少なくとも２つを含む光による参照光１８のみを、ホログラムの作成時と同じ設定の上記波面乱雑化手段６によって乱雑化した後、上記記録媒体１１に照射し、その透過光あるいは散乱光を、２次元（例えば通常のカメラ）あるいは３次元光（例えばステレオカメラ）の光検出器５１で検出するか、または観察者が観察する。ここで、記録媒体１１を複数の参照光１８で照射する場合の同時性とは、観察者が観察する場合は、波面乱雑化手段６の設定を変えないことを前提に、観察者の感じる残像が色合成に有効な時間であって、概ね５０ミリ秒以下であることを言う。つまり、５０ミリ秒以内に、上記の異なる波長のコヒーレント光からなる参照光１８を生成する場合は、同時であると見做す。また、上記の２次元あるいは３次元光検出器で検出する場合は、それぞれの波長による再生画像を記憶装置で容易に記憶再生することができるので、波面乱雑化手段６の設定を変更するまでは、同時であると見做すことができる。

また、参照光１８のみを上記記録媒体１１に照射するには、物体光１７が空間光変調器１０を透過しない様に、その変調条件を設定すればよい。シャッタを別に設けて物体光１７自体を遮断するようにしてもよい。

上記の様にホログラムを作成し、また、上記ホログラムからの画像再生は、コントローラ１３からの制御で行なう。まず、波長板１３の主軸方向を光路方向の軸の周りに回転し、波面乱雑化手段である回転ファイバー束の回転位置を決める。次に、ホログラムを作成時には、多色光束光源４０が複数波長のコヒーレント光を順次出力するようにする。この出力時期に合わせて、空間光変調器１０での変調内容を順次設定する。ホログラムからの画像再生時には複数波長のコヒーレント光を同時に出力するようにする。

ここで、波面乱雑化手段６は、できるだけ微細な乱雑パタンを与えるものであることが望ましい。上記の様に、空間変調器で記録すべき情報が物体光１７に与えられるが、緻密な乱雑パタンでない場合は、情報間にクロストークが発生する。このようなクロストークを避けるために必要な緻密さは、記録に用いる符号に依って決まる。従って、乱雑性を設定するためには、記録に用いる符号の特徴と、実現する多重度を考慮する必要があることは明らかである。

例えば波面乱雑化手段６は、マルチモード光ファイバーを用いたものである。よく知られているように、マルチモード光ファイバーでは、入射した光は、その入射部位の僅かな差のために、光ファイバー壁面での反射の繰り返しが異なってしまい、その波面が乱雑になる。この場合は、レンズを用いて、入射位置を積極的に広がるようにすることが望ましい。

また、波面乱雑化手段６は、種々の長さの光ファイバーを束ねたものである。４本程度の光ファイバーを束ねたものでも用いることができるが、さらに多数の、しかも種々の乱雑な長さの光ファイバーを束ねて光ファイバー束（ファイバーバンドル）として用いることが望ましい。光ファイバーの長さが異なることから、光の伝搬距離が異なることになり、当然のこととして、その波面が乱雑になる。入力側と出力側の光ファイバーの位置関係は、いかなる対称性も持つ必要はない。

また、波面乱雑化手段６は、表面に乱雑な凹凸パタンが刻まれ回転可能な光透過板を用いたものでもよい。あるいはまた、波面乱雑化手段６は、反射鏡を兼ねて表面に乱雑な凹凸パタンが刻まれ回転可能な光反射板を用いてもよい。

また、曹灰硼石（Ulexite）を通った光の波面が乱れることは、既によく知られている。また、曹灰硼石に電極を設け、それに印加する電界を制御することで、この乱れを制御することができることも知られている。このため、電界制御の曹灰硼石を波面乱雑化手段６に用いることで、電圧制御の容易な波面乱雑化手段６を実現することができる。

図２の構成は、多色光束光源４０にはその出力光は可干渉光であるものを用い、偏光プリズム４の代わりに、部分反射鏡１６を用い、さらに物体光１７の光強度を調整するための減衰器１４を設けたものである。図２の構成に於いては、部分反射鏡１６による分岐比は、物体光１７より参照光１８の比率が高くなるように設定することが望ましい。また、ここで使用できる空間光変調器１０としては、図６に示すような画素ごとに位相遅延を制御できる液晶リターダの他に、光の透過率を画素ごとに調整できる液晶減衰器や、図７に示すような過飽和吸収体にレーザ光を照射して部分的に光の透過率を調整する表示板を用いることができる。

図３に、多色光束光源４０からのコヒーレント光を波長板３に通して偏光方向を設定し、部分反射鏡１６で物体光１７と参照光１８とに分岐する。物体光１７は偏光フィルタ１４によって、偏光成分が抽出される。この構成では、物体光１７の偏光方向を偏光フィルタ１４で設定することによって、参照光１８の偏光方向に対する物体光１７の偏光方向を自由に設定することができる。また、多色光束光源４０の出力光の偏光方向と波長板３の回転角と偏光フィルタ１４の回転角によって、物体光１７の偏光方向と光量を調整することができる。つまり、図３の構成は、図１と図２それぞれの任意性を備えたものである。

図４の構成は、多色光束光源４０にはその出力光が可干渉光であるものを用い、図１の偏光プリズム４の代わりに、部分反射鏡１６を用い、さらに物体光１７の光強度を調整するための減衰器１４を設け、反射鏡９と空間光変調器１０の代わりに複数の画素で構成され上記画素のそれぞれにおける反射方向を制御する微小反射鏡アレイ１５を設けたものである。部分反射鏡１６の分岐比が適切であるならば、減衰器１４を省略することができる。この構成の特徴は、構成部品数を少なくできる点にある。

上記の説明では、赤緑青の光の３原色を用いることを説明したが、異なる複数の波長としては、例えば赤領域から選択した波長の光でもよい。本発明で用いる際には、互いに干渉しない程度に波長の異なるコヒーレント光であれば用いることができる。

また、上記では、画像情報を記録することを念頭において説明したが、本発明は、デジタル情報を多重記録する際にも用いることができる。

波面乱雑化手段６は、記録媒体の記録に固有の鍵の働きをするので、この組み合わせを暗号化手段として用いることができる。特に、本発明をコンピュータでエミュレートすることによって得られるホログラムには、ダミー情報を従来のものに比べて多数記録することができるので、第三者による解読をさらに困難にすることは容易である。

本発明の第１の実施例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施例を示すブロック図である。 本発明の第３の実施例を示すブロック図である。 本発明の第４の実施例を示すブロック図である。 多色光束光源の構成例を示すブロック図である。 画素ごとに位相遅延を制御できる液晶リターダを空間光変調器に用いた例を示す図である。 画素ごとに透過率できる過飽和吸収体を空間光変調器に用いた例を示す図である。 微小反射鏡アレイを空間光変調器に用いた例を示す図である。

符号の説明

１ 複数波長コヒーレント光源
２ ビーム拡大器
３ 波長板
４ 偏光プリズム
５ 反射鏡
６ 波面乱雑化手段
７ 偏光フィルタ
９ 反射鏡
１０ 空間光変調器
１１ 記録媒体
１２ 参照光
１３ コントローラ
１４ 減衰器
１５ 微小反射鏡アレイ
１６ 部分反射鏡
１７ 物体光
１８ 参照光
４０ 多色光束光源
５０ 光源
５１ 光検出器

Claims (11)

1. 波長多重と波面乱雑化多重を行うホログラム多重記録装置であって、
   異なるスペクトルの複数のコヒーレント光源を備え、そのコヒーレント光源から出射される光を分岐して、参照光と物体光とを発生する光源部と、
   上記物体光を変調する空間光変調器と、
   上記参照光波面を乱雑化し、乱雑化のための予め決められた複数の異なる設定の任意の設定にすることができる波面乱雑化手段と、
   上記空間光変調器で変調された物体光と上記波面乱雑化手段で乱雑化された参照光とを、それぞれを記憶媒体上で互いに交わる方向から照射する光学系と、
   を備え、
   ホログラムの作成において、波面乱雑化多重は上記波面乱雑化手段の乱雑化のための予め
   決められた複数の異なる設定からの選択を変えることで行い、波長多重は上記波面乱雑化手段の選択された設定のもとで行うもので、上記光源部から上記複数のコヒーレント光源からのコヒーレント光を順次出力し、それぞれのコヒーレント光から分岐された物体光を上記空間光変調器で時分割で変調し、それぞれの上記コヒーレント光によるホログラムを上記記憶媒体に順次作成し、
   上記ホログラムからの画像再生においては、上記波面乱雑化手段の上記選択された設定のもとで、上記の全てのコヒーレント光のうちの少なくとも２つを含む光による参照光を、上記波面乱雑化手段によって乱雑化した後、上記記憶媒体に照射し、その透過光あるいは散乱光を検出あるいは観察するものであることを特徴とする、複数波長光による画像記録再生装置。
2. 上記空間光変調器は、複数の画素で構成され、上記画素のそれぞれの光透過率を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の複数波長光による画像記録再生装置。
3. 上記空間光変調器は、複数の画素で構成され、上記画素のそれぞれにおける透過光の偏光方向を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の複数波長光による画像記録再生装置。
4. 上記空間光変調器は、複数の画素で構成され、上記画素のそれぞれにおける反射方向を制御するものであることを特徴とする請求項１に記載の複数波長光による画像記録再生装置。
5. 上記光源部は、波長の異なる複数のパルス光源と、ビーム拡大器と、光分岐器とを備え、
   上記パルス光源からの光束の径を上記ビーム拡大器で拡大し、前記ビーム拡大器からの光を上記光分岐器で分岐し、
   上記空間光変調器に入射する光の強度を、光減衰器で調整することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の複数波長光による画像記録再生装置。
6. 上記光源部は、ビーム拡大器と、レーザ光源と、半波長板と、偏光分岐器とを備え、
   上記半波長板を回転して上記偏光分岐器から出力される光の強度比を調整するものであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の複数波長光による画像記録再生装置。
7. 上記波面乱雑化手段は、ファイバー束を含み、該ファイバー束はその回転軸の周りに回転するものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の複数波長光による画像記録再生装置。
8. 上記波面乱雑化手段は、上記光源部からの参照光を、該参照光の光束の断面のサイズ以下の凹凸構造をその表面に備える光透過板に通して波面の乱雑な参照光とするものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の複数波長光による画像記録再生装置。
9. 上記波面乱雑化手段は、上記光源部からの参照光を、該参照光の光束の断面のサイズ以下の凹凸構造をその表面に備える光反射板に反射させて波面の乱雑な参照光とするものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の複数波長光による画像記録再生装置。
10. 上記波面乱雑化手段は、上記光源部からの参照光を曹灰硼石に通して波面の乱雑な参照光とするものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の複数波長光による画像記録再生装置。
11. 上記波面乱雑化手段と上記記憶媒体との間に、光束の偏光方向を揃えるための偏光フィルタを備えることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の複数波長光による画像記録再生装置。

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