JP5988054B2 - ホログラフィックメモリの記録方法および再生方法ならびにホログラフィックメモリの記録装置および再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホログラフィックメモリの記録方法および再生方法ならびにホログラフィックメモリの記録装置および再生装置に関する。

これまで、光メモリは、ＣＤやＤＶＤ、ブルーレイディスクなどの２次元記録方式の光ディスクを中心に発展してきた。しかし、２次元記録方式の光メモリはすでに回折限界に到達しており、これ以上の大容量化は困難である。そこで、近年、３次元記録方式の光メモリの開発が活発に行われている。３次元記録方式を採用すれば２次元記録方式よりも記録容量を１００〜１０００倍以上に大きくできる可能性がある。理論上は１００ＴＢ級の光ディスクメモリも実現可能である。

光メモリの大容量化に向けた技術としては、１）近接場光記録方式、２）２光子吸収メモリ、３）ホログラフィックメモリの３つが挙げられる。１）近接場光記録方式は、光の波長サイズ以下の光である「近接場光」を用いる記録方式である。近接場光記録方式は、基本的に２次元記録方式の技術であるが、近接場光を用いることで回折限界を超える高密度記録を実現できる可能性がある。また、２）２光子吸収メモリは、非線形効果の強度依存性を利用することで記録媒体に対して３次元的にアクセスを行うことができる３次元記録方式の光メモリである。これらの技術に対し、３）ホログラフィックメモリは、信号光と参照光との干渉により生成されるホログラムを多重記録することによって、記録媒体を多層化することなく３次元的に記録を行うことができる光メモリである。

上記１）〜３）の光メモリは、現時点においていずれも約５００ＧＢ〜１ＴＢ程度の記録容量を達成している。したがって、記録容量の観点からは、上記１）〜３）の光メモリの間に優劣の大きな差はない。しかしながら、データ転送速度の観点からは、上記１）〜３）の光メモリの中でも空間的に２次元の超並列型入出力機能を有するホログラフィックメモリに大きな優位性がある。最近では、マイクロ秒を超える高速応答の空間光変調器（Spatial Light Modulator；以下「ＳＬＭ」と略記することもある）も開発されている。このような高速応答のＳＬＭをホログラフィックメモリに適用することで、１００Ｇｂｐｓを超える転送速度を実現できる可能性がある。

ホログラフィックメモリは、高密度記録と高データ転送レートの両方を実現することができることから、次世代の光メモリとして実用化が期待されている。現在開発されているホログラフィックメモリの記録容量は、６００ＧＢ〜１ＴＢ／ディスク程度である（例えば、非特許文献１参照）。ＨＤＤ（３.５インチ、記憶容量２ＴＢ）の１枚のプラッタの片面の記録容量は３３３ＧＢであることから、ホログラフィックメモリは、実用化されている磁気記録媒体と比較すると記録容量の観点からは２〜３倍程度の優位性がある。また、ホログラフィックメモリは、理論的にはさらに１０〜１００倍まで記録容量を拡大できると考えられている。このような状況下において、ホログラフィックメモリの記録容量を増大させることを目的として、これまでの強度変調方式だけでなく、位相変調方式のホログラフィックメモリも検討されている。しかしながら、位相変調方式のホログラフィックメモリには、光検出器では位相変調信号を直接検出することができないため、何らかの方法で位相変調信号を強度信号に変換してから検出しなければならないという問題があった。

強度変調方式は最も一般的な変調方法であって、これまでに多くの事例が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。ホログラフィを用いて情報の記録が可能であると初めて示唆した文献（非特許文献２）から、製品化を視野に入れた最近の文献（非特許文献１，３）に至るまで、ホログラフィを利用した記録方式の多くは、２値（０および１）の強度変調を用いたものである。しかしながら、強度変調は簡易な光学系でシステムを構築できるという利点がある一方で、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうため、記録効率が悪いという問題を有している。この問題は、一般的なフーリエ変換ホログラムにおいて、フーリエ変換像の中央付近の強度がすべてのピクセルの振幅の和に比例するため、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が大きくなってしまうことが原因で起こる（例えば、非特許文献４参照）。

この強度変調方式の問題を緩和するための手法としては、２値情報をブロックと呼ばれる複数のピクセルに分散してコード化し、ブロック内の一部のピクセルのみを光らせることでデータを表現する変調コードを用いる方法がある。このように変調コードを用いることで、ピクセル間クロストークによるエラーを減らすことができる。また、変調コードを用いることで、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部との露光強度差を小さくして多重記録数を増大することで、効率的な記録も可能となる（例えば、非特許文献５，６参照）。しかしながら、変調コードを使うと、「（１ブロックあたりの記録ビット数）／（１ブロックあたりのピクセル数）」で定義されるコードレートが１を下回ってしまう。このことは、変調コードを用いた場合のブロックあたりの記録容量が、変調コードを用いない場合の記録容量を原理的に下回ることを意味している。

ホログラフィックメモリの記録容量を拡大するためには、１つのピクセルあたりに複数の情報を記録する、すなわちコードレートが１を超える手法が必要となる。１を超えるコードレートを実現するためには、０，１の２値を超える多値信号を用いることが必要となる。多値信号は光強度を数段階に分けることによって実現でき、それによってコードレートを飛躍的に向上させることができる。しかしながら、現状の直接検波方式においては、検出系の精度および雑音のため、多値数の増大により再生光の信号対雑音比が大きく劣化してしまう（例えば、非特許文献７参照）。

強度変調方式において、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうという問題は、位相変調方式によっても解決することができる。位相変調方式は、光波の位相を用いて変調を行う方式であり、近年注目を集めている。位相変調方式では、あるピクセルの光波の位相を０としたとき、別のピクセルの光波の位相をπとして情報を表現する。空間光変調器（ＳＬＭ)で生成される２次元のページデータに含まれるピクセルのうち、０とπのピクセルが同数である場合、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が生じず、記録媒体のダイナミックレンジの無駄な消費を抑えることができる。この点は、多重記録数の増大に大きく寄与する。しかしながら、ＣＣＤなどの光電変換デバイスは光の強度にのみ感度を有するため、位相情報を直接検出することはできない。したがって、位相情報を検出するためには、光検出を行う前に位相を強度に変換しなければならない。位相変調方式では、この点が大きな問題点となる。

位相変調型ホログラフィックメモリを実現するための位相検出手法はこれまでにいくつか提案されている（例えば、非特許文献４，８〜１０参照）。

非特許文献４では、ホログラフィックメモリに用いる位相検出手法として、エッジ検出（Edge-Detection）法が提案されている。また、非特許文献８では、複屈折媒質を用いた位相検出法が提案されている。しかしながら、これらの手法は、ホログラフィックメモリの大容量化に不可欠な要素である多値位相変調信号の検出に適していないという問題を有している。

非特許文献９では、一光束記録方式として注目されるコリニア光学系に特化した位相変調型ホログラフィックメモリとして、光フェーズロック方式コリニア・ホログラフィ法が提案されている。この方式は、ホログラフィックメモリの再生時に、記録されたホログラムに対して通常のコリニア参照光の他に、フェーズロック光と称される位相が既知の干渉光を同時に照射することで、記録した位相情報を強度情報として読み取る方式である。この方式では、記録されたホログラム内をフェーズロック光が透過するため、フェーズロック光の位相分布が位相回折格子を有するホログラム内の伝搬による影響を受ける。このことは、検出面において位相誤差が生ずる原因となりうる。また、この方式で記録されたホログラムは、フェーズロック光を発生させる機能を有する装置で再生しなければならない。フェーズロック光のビーム径は、参照光のビーム径と異なるため、この方式の再生装置は、強度変調型ホログラムメモリの再生装置と互換性がない。

非特許文献１０では、デュアルステージ方式ホログラフィ法が提案されている。この方式では、多値位相変調を含む空間直交振幅変調信号の記録を光学的に行い、再生時には光学的に記録されたホログラムを２段目のホログラムに転写してから再生する。この方式でも、２段目のホログラムを生成するために、１段目のホログラムの再生に用いる参照光とは別の参照光（１段目のホログラムの回折光と干渉する光）が必要である。しかしながら、光フェーズロック方式とは異なり、２段目のホログラムの生成に必要な参照光は、記録されたホログラム内を透過しないため、ホログラム内を伝搬することによる位相誤差の影響を受けない。一方で、光フェーズロック方式と同様に、２段目のホログラムの生成のために１段目のホログラム再生とは別の参照光が必要であるため、この方式の再生装置も、強度変調型ホログラムメモリの再生装置と互換性がない。

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以上のように、従来の強度変調型ホログラフィックメモリには、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうため、多重記録の効率が悪いという問題がある。変調コードを用いる方式では、上記問題を回避することができるが、ブロックあたりのコードレートが低くなるため、記録容量が小さくなってしまうという問題がある。コードレートを高めるためには多値強度信号を用いる必要があるが、検出系の精度や雑音により、大きな多値数を有する強度変調型ホログラフィックメモリは実現していない。

位相変調型ホログラフィックメモリは、これらの問題を解決することができる。しかしながら、位相変調型ホログラフィックメモリには、位相情報を検出するために、光検出を行う前に位相を強度に変換しなければならないという問題がある。また、変換後の強度信号を検出する際には、強度変調型ホログラフィックメモリと同様に検出系の精度や雑音の問題が存在する。結果として、大きな多値数を有する位相変調型ホログラフィックメモリは実現していない。

多値の位相変調信号を扱うことができるホログラフィックメモリとしては、光フェーズロック方式ホログラフィ法およびデュアルステージ方式ホログラフィ法が提案されている。しかしながら、前述の通り、この方式で記録されたホログラムは、干渉光（フェーズロック光または第二の参照光）を発生させる機能を有する装置で再生しなければならない。このため、これらの方式の再生装置は、強度変調型ホログラムメモリの再生装置と互換性がない。

本発明の目的は、１つの参照光を用いて、多値の位相情報を精密に再生することができる、ホログラフィックメモリの記録方法および再生方法ならびにホログラフィックメモリの記録装置および再生装置を提供することである。

本発明者は、ホログラフィックメモリの同一箇所に、信号光と参照光とにより生成されたホログラムＡに加えて、干渉光と参照光とにより生成されたホログラムＢも記録することで、上記課題を解決できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下のホログラフィックメモリの記録方法に関する。
［１］ホログラフィックメモリの特定箇所に、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と部分参照光Ａとを照射して、前記信号光と前記部分参照光Ａとにより生成されるホログラムＡを記録するステップと；前記ホログラフィックメモリの前記特定箇所に、干渉光と部分参照光Ｂとを照射して、前記干渉光と前記部分参照光Ｂとにより生成されるホログラムＢを記録するステップとを有する、ホログラフィックメモリの記録方法。
［２］前記部分参照光Ａは、レーザ光源から出射されたレーザ光の一部であり；前記部分参照光Ｂは、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の残部の一部である、［１］に記載のホログラフィックメモリの記録方法。
［３］前記ホログラムＡおよび前記ホログラムＢは、コリニア・ホログラフィ法で前記ホログラフィックメモリに記録される、［１］または［２］に記載のホログラフィックメモリの記録方法。

また、本発明は、以下のホログラフィックメモリの再生方法に関する。
［４］［１］〜［３］のいずれか一項に記載のホログラフィックメモリの記録方法により空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号が記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって：前記ホログラフィックメモリの特定箇所に、前記部分参照光Ａおよび前記部分参照光Ｂを同時に照射して、前記ホログラムＡの回折光と、前記ホログラムＡの回折光に干渉しうる前記ホログラムＢの回折光とを同時に生成するステップと；前記ホログラムＡの回折光および前記ホログラムＢの回折光を用いて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップとを有する、ホログラフィックメモリの再生方法。
［５］前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号は、２値の位相情報を含み；前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップは、前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とから、干渉縞を生成するステップと、前記干渉縞の強度分布を検出するステップとを含む、［４］に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
［６］前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号は、多値の位相情報を含み；前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップは、前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とから、ホログラムＣを生成するステップと、前記ホログラムＣの強度分布を検出するステップと、前記強度分布に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップとを含む、［４］に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
［７］前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とを同時に生成するステップでは、前記特定箇所に、前記部分参照光Ａまたは前記部分参照光Ｂの位相をシフトしながら前記部分参照光Ａおよび前記部分参照光Ｂを複数回同時に照射することで、前記ホログラムＡまたは前記ホログラムＢの回折光の位相が互いに異なる前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光との複数の組み合わせを生成し、前記ホログラムＣを生成するステップでは、前記複数の組み合わせから、互いに強度分布が異なる複数のホログラムＣを生成し、前記ホログラムＣの強度分布を検出するステップでは、前記複数のホログラムＣのそれぞれの強度分布を検出し、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップでは、前記複数の強度分布に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する、［６］に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
［８］前記干渉光は、前記信号光の１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、前記ホログラムＢの回折光は、前記ホログラムＡの回折光の１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、前記ホログラムＣは、互いに位相の異なる複数のホログラム情報を含み、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップでは、前記ホログラムＣに含まれる複数のホログラム情報に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する、［６］に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
［９］前記信号光は、１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、前記ホログラムＡの回折光は、１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、前記ホログラムＣは、互いに位相の異なる複数のホログラム情報を含み、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップでは、前記ホログラムＣに含まれる複数のホログラム情報に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する、［６］に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
［１０］前記部分参照光Ａは、レーザ光源から出射されたレーザ光の一部であり；前記部分参照光Ｂは、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の残部の一部である、［４］〜［９］のいずれか一項に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
［１１］前記ホログラムＡおよび前記ホログラムＢは、コリニア・ホログラフィ法で前記ホログラフィックメモリから再生される、［４］〜［１０］のいずれか一項に記載のホログラフィックメモリの再生方法。

また、本発明は、以下のホログラフィックメモリ記録装置に関する。
［１２］ホログラフィックメモリの特定箇所に、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と部分参照光Ａとを照射して、前記信号光と前記部分参照光Ａとにより生成されるホログラムＡを記録するホログラムＡ記録部と；前記ホログラフィックメモリの前記特定箇所に、干渉光と部分参照光Ｂとを照射して、前記干渉光と前記部分参照光Ｂとにより生成されるホログラムＢを記録するホログラムＢ記録部とを有する、ホログラフィックメモリ記録装置。

また、本発明は、以下のホログラフィックメモリ再生装置に関する。
［１３］［１２］に記載のホログラフィックメモリ記録装置により空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号が記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって：前記ホログラフィックメモリの特定箇所に、前記部分参照光Ａおよび前記部分参照光Ｂを同時に照射して、前記ホログラムＡの回折光と、前記ホログラムＡの回折光に干渉しうる前記ホログラムＢの回折光とを同時に生成するホログラム回折光生成部と；前記ホログラムＡの回折光および前記ホログラムＢの回折光を用いて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する復調部とを有する、ホログラフィックメモリ再生装置。

本発明によれば、１つの参照光を用いて、多値の位相情報を精密に再生することができる。したがって、本発明によれば、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を記録されたホログラフィックメモリを高精度に再生することができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、参照光の例を示す模式図である。 図２Ａおよび図２Ｂは、ホログラフィックメモリに位相変調信号を記録する様子を示す模式図である。 ホログラフィックメモリに記録されている位相変調信号を再生する様子を示す模式図である。 ホログラフィックメモリに記録されている位相変調信号を再生する様子を示す模式図である。 図５Ａおよび図５Ｂは、従来方式の再生方法を示す模式図であり、図５Ｃは、本発明の方式の再生方法を示す模式図である。 コリニア・ホログラフィ法で記録および再生をする様子を示す模式図。 図７Ａは、コリニア・ホログラフィ法で記録するときの空間光変調器のパターンを示す図であり、図７Ｂは、コリニア・ホログラフィ法で再生するときの空間光変調器のパターンを示す図である。 本発明の記録方法とコリニア・ホログラフィ法とを組み合わせる場合の空間光変調器のパターンを示す図である。 本発明の記録方法とコリニア・ホログラフィ法とを組み合わせてページデータを記録する様子を示す模式図である。 本発明の再生方法とコリニア・ホログラフィ法とを組み合わせてページデータを再生する様子を示す模式図である。 本発明の記録方法と２光束干渉法とを組み合わせてページデータを記録する様子を示す模式図である。 本発明の再生方法と２光束干渉法とを組み合わせてページデータを再生する様子を示す模式図である。 直接検出モードで位相変調信号を復調する様子を示す模式図である。 マルチショット・デュアルステージモードで位相変調信号を復調する様子を示す模式図である。 シングルショット・デュアルステージモードで位相変調信号を復調する様子を示す模式図である。 図１６Ａ，Ｂは、シングルショット・デュアルステージモードにおける信号光および干渉光の位相分布の一例を示す図である。 図１７Ａ，Ｂは、シングルショット・デュアルステージモードにおける信号光および干渉光の位相分布の一例を示す図である。 図１８Ａおよび図１８Ｂは、参照光の分割パターンの例を示す模式図である。 実施例１で使用した１６値空間直交振幅変調信号（１６−ＳＱＡＭ）のダイアグラムである。 図２０Ａは、オリジナルのページデータの位相情報を示す図であり、図２０Ｂは、オリジナルのページデータの振幅情報を示す図である。 図２１Ａは、部分参照光Ａの強度パターンを示す図であり、図２１Ｂは、部分参照光Ｂの強度パターンを示す図である。 図２２Ａ〜Ｄは、２段目のホログラム（デジタルホログラム）の信号強度分布を示す図である（マルチショット・デュアルステージモードによる再生）。 図２３Ａは、復調したページデータの位相情報を示す図であり、図２３Ｂは、復調したページデータの振幅情報を示す図である（マルチショット・デュアルステージモードによる再生）。 復調したページデータの信号点分布を示すグラフである（マルチショット・デュアルステージモードによる再生）。 ２段目のホログラム（デジタルホログラム）の信号強度分布を示す図である（シングルショット・デュアルステージモードによる再生）。 図２６Ａは、復調したページデータの位相情報を示す図であり、図２６Ｂは、復調したページデータの振幅情報を示す図である（シングルショット・デュアルステージモードによる再生）。 復調したページデータの信号点分布を示すグラフである（シングルショット・デュアルステージモードによる再生）。 図２８Ａは、オリジナルのページデータ＃１の位相情報を示す図であり、図２８Ｂは、オリジナルのページデータ＃２の位相情報を示す図であり、図２８Ｃは、オリジナルのページデータ＃３の位相情報を示す図である（マルチショット・デュアルステージモードによる多重記録信号の再生）。 図２９Ａは、復調したページデータ＃１の位相情報（アナログデータ）を示す図であり、図２９Ｂは、復調したページデータ＃２の位相情報（アナログデータ）を示す図であり、図２９Ｃは、復調したページデータ＃３の位相情報（アナログデータ）を示す図である（マルチショット・デュアルステージモードによる多重記録信号の再生）。 図３０Ａは、復調したページデータ＃１の位相情報（デジタルデータ）を示す図であり、図３０Ｂは、復調したページデータ＃２の位相情報（デジタルデータ）を示す図であり、図３０Ｃは、復調したページデータ＃３の位相情報（デジタルデータ）を示す図である（マルチショット・デュアルステージモードによる多重記録信号の再生）。 図３１Ａは、復調したページデータ＃１の信号点分布を示すグラフであり、図３１Ｂは、復調したページデータ＃２の信号点分布を示すグラフであり、図３１Ｃは、復調したページデータ＃３の信号点分布を示すグラフである（マルチショット・デュアルステージモードによる多重記録信号の再生）。 実施例３で使用したホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。 ホログラムＢを記録する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。 図３４Ａおよび図３４Ｂは、ホログラムＡを記録する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。 図３５Ａおよび図３５Ｂは、ホログラムＡおよびホログラムＢを再生する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。 図３６Ａおよび図３６Ｂは、検出された信号ページデータを示す画像である（直接検出モードによる再生）。 図３７Ａおよび図３７Ｂは、それぞれ図３６Ａおよび図３６Ｂに示される画像に閾値処理を行った結果を示す画像である（直接検出モードによる再生）。 図３８Ａは、オリジナルのページデータの位相情報を示す図であり、図３８Ｂは、干渉光の強度パターンを示す図であり、図３８Ｃ〜Ｅは、参照光の強度パターンを示す図であり、図３８Ｆは、２段目のホログラム（デジタルホログラム）の信号強度分布を示す図である（直接検出モードによる再生）。 図３９Ａおよび図３９Ｆは、オリジナルのページデータ＃１の振幅情報および位相情報を示し、図３９Ｂおよび図３９Ｇは、オリジナルのページデータ＃２の振幅情報および位相情報を示し、図３９Ｃおよび図３９Ｈは、オリジナルのページデータ＃３の振幅情報および位相情報を示し、図３９Ｄおよび図３９Ｉは、オリジナルのページデータ＃４の振幅情報および位相情報を示し、図３９Ｅおよび図３９Ｊは、オリジナルのページデータ＃５の振幅情報および位相情報を示している。 図４０Ａは、信号ページデータ＃１の位相情報であり、図４０Ｂは、信号光に加える位相分布であり、図４０Ｃは、信号ページデータ＃１の位相情報に位相分布を加えた後の信号ページデータ＃１の位相情報である。 図４１Ａは、干渉光の位相情報であり、図４１Ｂは、干渉光に加える位相分布である。 図４２Ａおよび図４２Ｂは、復調したページデータの信号点分布を示すグラフである。

本発明のホログラフィックメモリの記録方法（以下「本発明の記録方法」ともいう）は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号をホログラフィックメモリに記録する方法である。また、本発明のホログラフィックメモリの再生方法（以下「本発明の再生方法」ともいう）は、本発明の記録方法によりホログラフィックメモリに記録された空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を再生する方法である。ここで、「空間位相変調信号」とは、空間位相変調（ＳＰＭ）により変調された信号をいう。また、「空間直交振幅変調信号」とは、空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）により変調された信号をいう。

「位相変調（Phase Modulation；以下「ＰＭ」と略記する）」は、無線通信や光通信などの通信技術の分野で使用される、位相変調、位相シフト変調（Phase Shift Modulation；ＰＳＭ）または位相シフトキーイング（Phase Shift Keying；ＰＳＫ）による変調方式である。ＰＭは、搬送波の位相を変化させることで情報を伝達する。本発明のホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＰＭと同様に、位相を変化させた信号光を記録する。しかしながら、ホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、ページデータとしてこれを記録および再生する。そこで、本願明細書では、本発明で使用する位相変調による変調方式を、通信技術の分野で使用される「位相変調（ＰＭ）」と区別するために「空間位相変調（Spatial Phase Modulation；ＳＰＭ）」と呼ぶ。ＳＰＭは、光メモリ分野において用いられる位相変調および多値位相変調の概念を含む。

「直交振幅変調（Quadrature Amplitude Modulation；以下「ＱＡＭ」と略記する）」は、無線通信や光通信などの通信技術の分野で使用される、振幅変調（Amplitude Modulation；ＡＭ）と位相変調（Phase Modulation；ＰＭ）を組み合わせた変調方式である。ＱＡＭは、振幅および位相の両方の要素を変化させることで複数の情報を一度に伝達することができる。本発明のホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＱＡＭと同様に、振幅および位相の両方の要素を変化させた信号を記録する。しかしながら、ホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、ページデータとしてこれを記録および再生する。そこで、本願明細書では、本発明で使用する振幅変調と位相変調とを組み合わせた変調方式を、通信技術の分野で使用される「直交振幅変調（ＱＡＭ）」と区別するために「空間直交振幅変調（Spatial Quadrature Amplitude Modulation；ＳＱＡＭ）」と呼ぶ。

本発明の記録方法および再生方法は、部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂの２つの部分参照光を含む参照光を使用することを特徴とする。このため、本発明の記録方法および再生方法は、ダブルリファレンシャル・ホログラフィ（Double Referential Holography）とも称される。本発明の再生方法は、２つの部分参照光を使用して、信号光および干渉光を予め多重記録しておくことで、再生時に干渉光（例えば、フェーズロック光）を外部から照射することなく、空間位相変調信号および空間直交振幅変調信号を復調することができる。

図１Ａに示されるように、本発明の記録方法および再生方法では、１つの参照光１００を部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０の２つに分けて使用する。部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０の形状（参照光１００の光軸に直交する断面における形状）は、互いに重ならなければ特に限定されない。また、部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０における光の強度分布および光の位相分布も、特に限定されない。たとえば、図１Ｂに示されるように、部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０は、２値のランダムな強度分布を有していてもよい。

ホログラフィックメモリ（記録媒体）に位相変調信号（空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号）を記録する場合は、図２Ａに示されるように、ホログラフィックメモリ２００の特定箇所に位相変調信号１３０（ページデータ）を含む信号光１４０と部分参照光Ａ１１０とを照射する。これにより、ホログラフィックメモリ２００の特定箇所に、信号光１３０と部分参照光Ａ１１０との干渉により生成されるホログラムＡが記録される。

また、図２Ｂに示されるように、ホログラフィックメモリ２００の同一箇所に干渉光１５０と部分参照光Ｂ１２０とを照射する。これにより、ホログラフィックメモリ２００の同一箇所に、干渉光１５０と部分参照光Ｂ１２０との干渉により生成されるホログラムＢが記録される。干渉光１５０は、記録する情報を含んでいない。たとえば、干渉光１５０は、光の強度分布および位相分布が均一な光である。

ホログラムＡの記録およびホログラムＢの記録の順番は、特に限定されない。たとえば、ホログラムＡを記録した後にホログラムＢを記録してもよい。また、ホログラムＢを記録した後にホログラムＡを記録してもよい。

ホログラフィックメモリに記録されている位相変調信号１３０を再生する場合は、図３に示されるように、ホログラフィックメモリ２００の同一箇所に部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０を含む参照光１００を照射する。これにより、ホログラムＡの回折光１６０（信号光１４０）およびホログラムＢの回折光１７０（干渉光１５０）が同時に生成される。ホログラムＢの回折光１７０は、ホログラムＡの回折光１６０に干渉しうる光である必要がある。したがって、通常は、部分参照光Ａ１１０の光源および部分参照光Ｂ１２０の光源は、同一のレーザ光源である。

信号光１４０に含まれる位相変調信号１３０が２値位相変調信号である場合は、ホログラムＡの回折光１６０とホログラムＢの回折光１７０との干渉により、位相情報（例えば、０とπ）を含むホログラムＡの回折光１６０が、強度情報（例えば、０と１）を含む回折光１８０（干渉縞）に変換される（図３参照）。この場合は、光強度検出器２１０（ＣＣＤやＣＭＯＳなどの撮像素子）が回折光１８０（干渉縞）の強度分布を検出することで、位相変調信号１３０を復調することができる。

一方、信号光１４０に含まれる位相変調信号１３０が多値位相変調信号である場合は、図４に示されるように、ホログラムＡの回折光１６０が新たな信号光として機能し、ホログラムＢの回折光１７０が新たな参照光として機能することで、２段目のホログラム２２０（ホログラムＣ）が生成される。この場合は、光強度検出器が２段目のホログラム２２０（ホログラムＣ）の強度分布を検出した後に、電子的な信号処理（後述）を行うことにより、位相変調信号１３０を復調することができる。

ホログラムＢの回折光１７０は、位相情報を含むホログラムＡの回折光１６０を強度情報を含む回折光１８０（干渉縞）に変換する際に使用される干渉光、またはホログラムＡの回折光１６０から２段目のホログラム２２０（ホログラムＣ）を生成する際に使用される参照光として機能する。したがって、ホログラフィックメモリ２００にホログラムＢを記録するときには、これらの機能を実現できる強度分布および位相分布を有する干渉光１５０をホログラフィックメモリ２００に照射する。

図５Ａに示されるように、従来のデュアルステージ方式の再生方法（非特許文献１０参照）では、多値位相検出に必要な第２の参照光を外部から供給する。このように信号光と干渉させる参照光として、第２の参照光を別途外部から供給する場合、光学系が複雑になるため、振動や空気揺らぎに対して弱くなる可能性がある。

また、図５Ｂに示されるように、従来のフェーズロック方式の再生方法（非特許文献９参照）では、多値位相検出に必要なフェーズロック光を外部から供給し、ホログラフィックメモリ２００を透過させる。このように信号光と干渉させるフェーズロック光として、ホログラフィックメモリ２００を透過させた光を使用する場合、ホログラフィックメモリ２００を透過することによる位相歪が発生する可能性がある。

これに対し、本発明の再生方法では、図５Ｃに示されるように、多値位相検出に必要な２段目のホログラム（ホログラムＣ）を生成するための参照光を、ホログラフィックメモリ２００に記録されたホログラムＢの回折光として供給する。したがって、本発明の再生方法では、２段目のホログラム（ホログラムＣ）を生成するための参照光を外部から供給する必要がなく、光学系も単純にすることができる。また、参照光（ホログラムＢの回折光）に位相歪が発生することもないため、参照光の品質を高めることができる。

ホログラフィックメモリの再生において、従来のフェーズロック方式の再生方法（非特許文献９参照）および従来のデュアルステージ方式の再生方法（非特許文献１０参照）では、参照光および干渉光（フェーズロック光または第２の参照光）の２つの光ビームが必要である。また、これらの２つのビームは、互いに干渉するものでなければならないため、同一光源から出射されたものである必要がある。このため、強度変調型ホログラフィックメモリの再生装置は、１つの参照光によってホログラムを再生できるのに対し、位相変調型ホログラフィックメモリの再生装置は、再生用の光ビームの数が増加するため、構成が複雑になり、光学系の精密な調整も必要になる。このことは、従来の強度変調型ホログラフィックメモリの再生装置では、位相変調信号が記録されたホログラフィックメモリを再生できないことを意味している。

一方、本発明の再生方法では、１段目のホログラム（ホログラムＡおよびホログラムＢ）を再生するための参照光のみが必要である。本発明の再生方法では、ホログラフィックメモリ再生装置の構成が大幅に簡略化されるともに、再生時の光源および光学系は、従来の強度変調型ホログラフィックメモリの再生装置と高い互換性を有する。

また、記録媒体が光ディスクなどの可動式媒体である場合、従来のフェーズロック方式の再生方法および従来のデュアルステージ方式の再生方法では、記録媒体の移動または回転に伴い、記録媒体からの回折光（信号光）の波面成分が時間的に変化してしまう可能性がある。このため、信号光の波面と、干渉光（フェーズロック光または第２の参照光）の波面とを常に一致させることは非常に困難である。

一方、本発明の再生方法では、信号光および部分参照光Ａにより生成されるホログラムＡに加えて、干渉光および部分参照光Ｂにより生成されるホログラムＢも同一の記録媒体に記録し、これらを同時に再生することで得られる回折光同士の干渉によって位相検出を行う。したがって、本発明の再生方法では、信号光および干渉光が同一の記録媒体からの回折光として再生されるので、記録媒体が光ディスクなどの可動式媒体であっても、信号光と干渉光の相対的な位置関係は常に一定であり、安定かつ高精度な信号再生が可能になる。

本発明の記録方法および再生方法は、多値位相変調信号による記憶容量の増大だけではなく、多重記録による記憶容量の増大を実現することもできる。これまでの説明では、１つの干渉光に対して１つの信号光を記録する場合について説明してきたが、本発明の記録方法では、１つの干渉光に対して複数の信号光を多重記録することもできる。

たとえば、図１Ｂに示される部分参照光Ｂ１２０を用いて、干渉光１５０と部分参照光Ｂ１２０とにより生成されるホログラムＢをホログラフィックメモリ２００の特定箇所に記録する（図２Ｂ参照）。次いで、図１Ｂに示される第１の部分参照光Ａ１１０−１を用いて、１枚目の信号ページデータ１３０−１をホログラフィックメモリ２００の同一箇所に記録する（図２Ａ参照）。次いで、図１Ｂに示される部分参照光Ａのパターンを変えたものを第２の部分参照光Ａ１１０−２として用いて、２枚目の信号ページデータ１３０−２をホログラフィックメモリ２００の同一箇所に記録する（図２Ａ参照）。次いで、図１Ｂに示される部分参照光Ａのパターンをさらに変えたものを第３の部分参照光Ａ１１０−３として用いて、３枚目の信号ページデータ１３０−３をホログラフィックメモリ２００の同一箇所に記録する（図２Ａ参照）。

この時点で、ホログラフィックメモリ２００には、以下の４つのホログラムが記録されている。
ａ）干渉光１５０と部分参照光Ｂ１２０とにより生成されるホログラム（ホログラムＢ）
ｂ）１枚目の信号ページデータ１３０−１と第１の部分参照光Ａ１１０−１とにより生成されるホログラム（ホログラムＡ）
ｃ）２枚目の信号ページデータ１３０−２と第２の部分参照光Ａ１１０−２とにより生成されるホログラム（ホログラムＡ）
ｄ）３枚目の信号ページデータ１３０−３と第３の部分参照光Ａ１１０−３とにより生成されるホログラム（ホログラムＡ）

再生時には、第１の部分参照光Ａ１１０−１および部分参照光Ｂ１２０を含む参照光１００をホログラフィックメモリ２００に照射することで、１枚目の信号ページデータ１３０−１が復調される。同様に、第２の部分参照光Ａ１１０−２および部分参照光Ｂ１２０を含む参照光１００をホログラフィックメモリ２００に照射することで、２枚目の信号ページデータ１３０−２が復調される。第３の部分参照光Ａ１１０−３および部分参照光Ｂ１２０を含む参照光１００をホログラフィックメモリ２００に照射することで、３枚目の信号ページデータ１３０−３が復調される。

ホログラフィックメモリ２００の同一箇所に記録できる信号ページデータ１３０の数の上限は、部分参照光Ａ１１０が取りうるパターンの数に依存する。部分参照光Ａ１１０が取りうるパターンの数は、非常に大きな値とすることができる。このように、本発明の記録方法では、１つの干渉光に対して複数の信号ページデータ（信号光）を多重記録することが可能であり、上記ａ）〜ｄ）のホログラムを１つのホログラムユニットとして扱うことが可能である。このホログラムユニットを、従来の角度多重方式や、シフト多重方式、波長多重方式などと組み合わせることで、飛躍的に記憶容量を向上させることができる。

以上の説明では、ホログラフィックメモリの記録方式および再生方式について、特に限定せずに説明した。以下の説明では、コリニア・ホログラフィと高い互換性を確保しつつ、本発明の記録方法および再生方法を実現する場合の、ホログラフィックメモリの記録方法および再生方法について説明する。

ホログラムの記録方式としては、信号光と参照光とで異なる角度の光を用いる２光束干渉法が広く知られている。しかしながら、この方式は、光ディスク技術との整合性に問題がある。この問題を解消した方式としては、図６に示されるように、信号光と参照光とを同一光軸に配置して、空間光変調器（ＳＬＭ）の中心部をホログラム信号光の生成に用い、外周部を参照光パターンの生成に用いるコリニア・ホログラフィ法がある（Hideyoshi Horimai, Xiaodi Tan and Jun Li, "Collinear Holography", Appl. Opt., Vol.44, pp.2575-2579.）。図６に示されるように、記録時および再生時には、レーザ光３１０（信号光および／または参照光）は、ＳＬＭ３２０、ハーフミラー３３０および対物レンズ３４０を通り、記録媒体３５０（例えば、光ディスク）に照射される。再生時には、記録媒体３５０から取り出された回折光は、ハーフミラー３３０で反射され、撮像素子３６０に到達する。なお、図６には、反射型ホログラムの光学配置を示しているが、透過型ホログラムの光学配置であってもよい。

図７に、コリニア・ホログラフィ法で記録および再生をするときの空間光変調器（ＳＬＭ）のパターンの一例を示す。記録時には、図７Ａに示されるように、中心部と外周部に分離したページデータを用い、中心部を信号光の形成、外周部を参照光の形成に用いる。中心部から出射する光（信号光）および外周部から出射する光（参照光）を１つの対物レンズで記録媒体（例えば、光ディスク）に集光照射して、両者の干渉パターンを記録する。再生時には、図７Ｂに示されるように、外周部から出射する光（参照光）のみを記録媒体に集光照射して、記録媒体から記録データを回折光として取り出す。コリニア・ホログラフィ法では、光スポットの位置を空間的にわずかにずらすことで、多重記録を行うことができる（シフト多重）。

本発明の記録方法および再生方法では、図８に示されるように、コリニア・ホログラフィ法における参照光のリングを外側の領域と内側の領域に分けることで、コリニア・ホログラフィ法と高い互換性を持たせることができる。図８に示される例では、外周部外側の領域は、部分参照光Ａ１１０の形成に使用され、外周部内側の領域が、部分参照光Ｂ１２０の形成に使用される。また、中心部の領域は、信号光１４０または干渉光１５０の形成に使用される。

記録時には、図９に示されるように、まず、中心部の領域において、記録対象のページデータの情報を有する信号光１４０をＳＬＭ３２０で生成するとともに、外周部外側の領域において、部分参照光Ａ１１０をＳＬＭ３２０で生成する。そして、信号光１４０と部分参照光Ａ１１０とにより生成されるホログラムＡをホログラフィックメモリ２００（記録媒体３５０）に記録する。このとき、外周部内側の領域（部分参照光Ｂ１２０を生成する領域）については、ＳＬＭ３２０のピクセルをオフにすることで、レーザ光３１０が透過しない状態とする。

次いで、図９に示されるように、中心部の領域において、再生時に第２のホログラムを生成するために必要な参照光の情報を有する干渉光１５０をＳＬＭ３２０で生成するとともに、外周部内側の領域において、部分参照光Ｂ１２０をＳＬＭ３２０で生成する。そして、干渉光１５０と部分参照光Ｂ１２０とにより生成されるホログラムＢをホログラフィックメモリ２００（記録媒体３５０）に記録する。このとき、外周部外側の領域については、ＳＬＭ３２０のピクセルをオフにすることで、レーザ光３１０が透過しない状態とする。干渉光１５０の位相分布および強度分布は、後述する動作形態によって異なる。たとえば、全データピクセルについて同一位相かつ同一強度としたデータをＳＬＭ３２０に与え、出力された光を干渉光１５０として使用する。

なお、図８および図９において、部分参照光Ａ１１０の領域および部分参照光Ｂ１２０の領域には、パターンが描かれていないが、実際には、ピクセルごとに異なる位相または強度を有する参照光データをＳＬＭ３２０によって与える。ここで用いるＳＬＭ３２０は、光の位相もしくは強度またはその両方を空間的に変調できる素子である。

再生時には、図１０に示されるように、部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０の両方を含む参照光１００をホログラフィックメモリ２００に照射する。これにより、ホログラムＡの回折光およびホログラムＢの回折光が、同時に生成する。そして、ホログラムＡの回折光が新たな信号光として機能し、ホログラムＢの回折光が新たな参照光として機能することで、撮像素子３６０の面上に２段目のホログラム２２０が生成される。この後、電子的な信号処理によって、ページデータに含まれる位相変調信号を復調することができる。本発明の再生方法は、記録時に使用した参照光（部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０）を照射するのみでデータを再生できるため、強度変調型のコリニア・ホログラフィ法の再生装置と完全な互換性を有する。

なお、本発明の記録方法および再生方法は、コリニア・ホログラフィ法だけではなく、様々なホログラフィ法に適用することができる。たとえば、本発明の記録方法および再生方法は、２光束干渉法にも適用することができる。以下の説明では、２光束干渉法により本発明の記録方法および再生方法を実現する場合の、ホログラフィックメモリの記録方法および再生方法について説明する。

記録時には、図１１に示されるように、まず、第１のＳＬＭ３２０（ＳＬＭ１）で信号光１４０または干渉光１５０を生成するとともに、第２のＳＬＭ３２０（ＳＬＭ２）で、部分参照光Ａ１１０または部分参照光Ｂ１２０を生成する。そして、信号光１４０と部分参照光Ａ１１０とにより生成されるホログラムＡ、および干渉光１５０と部分参照光Ｂ１２０とにより生成されるホログラムＢをホログラフィックメモリ２００に記録する。

なお、図１１に示される例では、第２のＳＬＭ３２０（ＳＬＭ２）を部分参照光Ａ１１０の領域（左側半分）および部分参照光Ｂ１２０の領域（右側半分）に分けて使用している。第２のＳＬＭ３２０（ＳＬＭ２）において、黒い領域は、光を透過させないことを示しており、それ以外の領域（模様を付されている領域）は、位相パターンまたは強度パターンを付与しつつ光を透過させていることを示している。第２のＳＬＭ３２０（ＳＬＭ２）において、部分参照光Ａ１１０の領域および部分参照光Ｂ１２０の領域にはパターンが描かれていないが、実際には、ピクセルごとに異なる位相または強度を有する参照光データを第２のＳＬＭ３２０（ＳＬＭ２）によって与える。

再生時には、図１２に示されるように、部分参照光Ａ１１０および部分参照光Ｂ１２０の両方を含む参照光１００をホログラフィックメモリ２００に照射する。これにより、ホログラムＡの回折光およびホログラムＢの回折光が、同時に生成する。そして、ホログラムＡの回折光が新たな信号光として機能し、ホログラムＢの回折光が新たな参照光として機能することで、撮像素子３６０の面上に２段目のホログラム２２０が生成される。この後、電子的な信号処理によって、ページデータに含まれる位相変調信号を復調することができる。

本発明の再生方法において、位相変調信号を復調する３つの態様について説明する。

１）直接検出モード（図１３参照）
記録されているページデータが２値位相変調信号の場合、直接検出モードで位相変調信号を復調することができる。干渉光は、全データピクセルについて同一強度かつ同一位相とする。再生時には、ホログラムＡの回折光（２値位相変調信号）とホログラムＢの回折光（干渉光）とが干渉して、２値の強度情報を含む光（干渉縞）に変換される。撮像素子は、この干渉縞における強度分布を検出する。検出された強度分布（例えば、０と１）が、データページに記録された２値位相変調信号（例えば、０とπ）にそのまま対応しているため、２値位相変調信号の復調は完了する。

２）マルチショット・デュアルステージモード（図１４参照）
ホログラフィックメモリの容量を増大させるためには、多値位相変調信号または空間直交振幅変調信号を記録する必要がある。

多値位相変調信号または空間直交振幅変調信号をマルチショット・デュアルステージモードで復調する場合、ホログラムＢの回折光（干渉光）を新たな参照光とし、同時に生成されたホログラムＡの回折光を新たな信号光として、２段目のホログラム（デジタルホログラム）を生成する（Ichirou Yamaguchi and Tong Zhang, "Phase-shifting digital holography", Optics Letters, Vol.22, No.16, pp.1268-1270 (1997)）。このとき、部分参照光Ａまたは部分参照光Ｂの位相をシフトしながら１段目のホログラム（ホログラムＡおよびホログラムＢ）を再生して、位相の異なる複数（少なくとも３つ以上）のデジタルホログラムを生成する。これにより、ホログラムＡの回折光に含まれるページデータの情報を復調することができる。

図１４は、部分参照光Ｂの位相をシフトして、４枚のデジタルホログラムを生成する場合の概念図である。復調する際の信号処理は、ホログラフィックダイバシティ干渉法および位相シフト干渉法と同じ処理である（Atsushi Okamoto, Keisuke Kunori, Masanori Takabayashi, Akihisa Tomita and Kunihiro Sato, “Holographic diversity interferometry for optical storage", Optics Express, Vol.19, No.14, pp.13436-13444 (2011)；P. Hariharan, "Optical Holography", Cambridge University Press, pp.291-310 (1996)）。「ホログラフィックダイバシティ干渉法」は、デュアルステージ方式ホログラフィック法（非特許文献１０参照）における２段目のホログラムの生成と位相変調信号の復調に用いられる。

干渉光の位相変化をａ_ｎとして、２段目のホログラム（デジタルホログラム）で検出される信号強度の分布をＶ_ｎ（ｘ，ｙ）とすると、元信号の位相φ（ｘ，ｙ）および振幅Ａ（ｘ，ｙ）は、以下のように求められる。
これにより、元信号の位相φ（ｘ，ｙ）および振幅Ａ（ｘ，ｙ）を推定することができる。ここで、４枚のデジタルホログラムを生成する場合、ｎ＝１，２，３，４である。

３）シングルショット・デュアルステージモード（図１５参照）
マルチショット・デュアルステージモードでは、多値位相変調信号を検出するために、部分参照光Ｂの位相をシフトしながら、再生を複数回行う必要がある。この点を改善するため、図１５に示されるように、高精細なＳＬＭを使用してデータピクセルよりも細かい位相分布を与えた干渉光をホログラフィックメモリに記録する。これにより得られるホログラムＢの回折光（干渉光）を新たな参照光とし、同時に生成されたホログラムＡの回折光を新たな信号光として、２段目のホログラム（デジタルホログラム）を生成する。これにより、１回の参照光の照射（シングルショット）で、位相シフトした複数のデジタルホログラム情報を検出することができる。

たとえば、図１５に示されるように、信号光の１つのデータピクセルの中に干渉光のデータピクセル（サブピクセル）が４つ含まれるように変調する。干渉光の位相は、信号光の１つのデータピクセルの中で、０，π／２，π，３π／２の４つの値をとる。この場合、１回の検出で、位相シフトした４枚分のデジタルホログラム情報を検出することができる。復調のための信号処理は、マルチショットモードにおいて時系列に得られる４枚分のデジタルホログラム情報の代わりに、シングルショットモードでは同時に得られる４枚分のデジタルホログラム情報を使用すればよい（マルチショットモードと等価な処理）。

なお、シングルショット・デュアルステージモードでは、干渉光ではなく、信号光または信号光と干渉光の両方に位相分布を与えてもよい。図１６は、干渉光に位相分布を与える場合の信号光および干渉光の位相分布を示す図である（図１５と同じ内容）。図１６Ａは、信号光の１つのデータピクセルを示し、図１６Ｂは、干渉光の４つのサブピクセルの位相分布を示す図である。この態様では、信号光の１つのデータピクセルに対し、干渉光の４つのサブピクセルが対応しており、４つのサブピクセルの位相を互いに異なるものとしている。

図１７は、信号光のみ、または信号光と干渉光の両方に位相分布を与える場合の信号光および干渉光の位相分布を示す図である。図１７Ａは、信号光の１つのデータピクセルを示し、図１７Ｂは、干渉光の１つのデータピクセルの位相分布を示す図である。この態様では、信号光の１つのデータピクセルが４つのサブピクセルに分割されており、信号光の４つのサブピクセルのそれぞれに干渉光の４つのサブピクセルが対応している。

図１７に示される例において、信号光の４つのサブピクセルに加える位相値をそれぞれα１，α２，α３，α４とする。また、信号光の各サブピクセルに対応する干渉光のサブピクセルの位相値をβ１，β２，β３，β４とする。このとき、
β１−α１＝０ …（Ａ１）
β２−α２＝π／２（または−３π／２） …（Ａ２）
β３−α３＝π（または−π） …（Ａ３）
β４−α４＝３π／２（または−π／２） …（Ａ４）
を満たすように、α１〜α４およびβ１〜β４の値を選択することで、図１５に示される態様と同様に、１回の検出で、位相シフトした４枚分のデジタルホログラム情報を検出することができる。たとえば、干渉光の位相を一定にして、信号光の１つのデータピクセルを４つのサブピクセルに分割し、信号光の位相φに０，３π／２，π，π／２を加える場合、
β１＝β２＝β３＝β４＝０
α１＝０，α２＝３π／２，α３＝π，α４＝π／２
となる。また、信号光および干渉光の両方のサブピクセルに上記式（Ａ１）〜（Ａ４）を満たす位相分布を加え、かつ干渉光の各サブピクセルの位相の組み合わせを、信号光のデータピクセルごとに異なる値とすることで、干渉光のスペクトルが記録媒体の特定位置に集中することを避けることができ、結果として性能の向上を期待することができる（実施例５参照）。

以上のコリニア・ホログラフィ法に関する説明では、外周部外側の参照光パターンを信号光の記録に使用し（部分参照光Ａ）、外周部内側の参照光パターンを干渉光の記録に使用した（部分参照光Ｂ）が、参照光の分割パターンはこれに限定されない。たとえば、図１８Ａに示されるように、外周部外側の領域を部分参照光Ｂ１２０に使用し、外周部内側の領域を部分参照光Ａ１１０に使用してもよい。また、図１８Ｂに示されるように、外周部の領域を円周方向に分割してもよい。

本発明の記録方法では、信号光に加えて干渉光も記録するため、記録媒体のダイナミックレンジの消費が問題となる。しかしながら、この問題は、１つの干渉光に複数の信号光（ページデータ）を対応させることで容易に解決することができる。

たとえば、図９および図１１に示されるように、ｎ枚の信号ページデータと共に１つの干渉光を多重記録する。この場合、まず、ＳＬＭ３２０により干渉光（ｐｈａｎｔｏｍ）および部分参照光Ｂ（ｒｅｆ０）を生成し、記録媒体３５０にホログラムＢを記録する。次いで、ＳＬＭによりページデータ＃１を含む信号光（ｓｉｇ１）および第１の部分参照光Ａ（ｒｅｆ１）を生成して、記録媒体３５０に第１のホログラムＡを記録する。次いで、ＳＬＭによりページデータ＃２を含む信号光（ｓｉｇ２）および第２の部分参照光Ａ（ｒｅｆ２）を生成して、記録媒体３５０に第２のホログラムＡを記録する。ここで、第１の信号光（ｓｉｇ１）を記録する時に使用する部分参照光Ａ（ｒｅｆ１）と、第２の信号光（ｓｉｇ２）を記録する時に使用する部分参照光Ａ（ｒｅｆ２）とは、位相または強度分布の異なるパターンを用いる。これにより、第１の信号光（ｓｉｇ１）および第２の信号光（ｓｉｇ２）の多重記録を実現することができる。同様に、ページデータ＃３〜＃ｎを含む信号光（ｓｉｇ３〜ｓｉｇｎ）についても、部分参照光Ａのパターン（ｒｅｆ３〜ｒｅｆｎ）を変化させて記録媒体３５０に多重記録することができる。

再生時には、図１０および図１２に示されるように、ページデータ＃１を再生したい場合には、干渉光の記録に用いた部分参照光Ｂ（ｒｅｆ０）と、ページデータ＃１を含む信号光を記録したときに用いた第１の部分参照光Ａ（ｒｅｆ１）とを含む参照光１００をＳＬＭ３２０で生成して、記録媒体３５０に照射する。これにより、干渉光（ｐｈａｎｔｏｍ；ホログラムＢの回折光）および信号光（ｓｉｇ１；第１のホログラムＡの回折光）が同時に生成する。同様に、ページデータ＃２を再生したい場合には、部分参照光Ｂ（ｒｅｆ０）および第２の部分参照光Ａ（ｒｅｆ２）を含む参照光をＳＬＭ３２０で生成して、記録媒体３５０に照射する。これにより、干渉光（ｐｈａｎｔｏｍ；ホログラムＢの回折光）および信号光（ｓｉｇ２；第２のホログラムＡの回折光）が同時に生成する。

このように、１つの干渉光に対して、部分参照光Ａのパターンを変化させながら複数のページデータを多重記録することで、１つの干渉光によって複数のページデータを記録および再生することが可能となる。その結果、干渉光の記録および再生によるダイナミックレンジの消費の問題を大きく低減すると共に、記憶容量の大幅な増大が可能となる。

さらに、本発明の記録方法および再生方法では、１つの干渉光に対して複数の信号光（ページデータ）を対応させることで得られる複数のホログラムを１つのホログラムユニットとして扱うことが可能である。このホログラムユニットを、従来の角度多重方式やシフト多重方式、波長多重方式などの多重記録方法と組み合わせることで、飛躍的な記憶容量の向上を実現することができる。

なお、本発明の記録方法および再生方法は、ホログラフィックメモリ以外の光メモリにも適用可能である。たとえば、位相情報を含む信号光を光メモリＡに記録し、干渉光を光メモリＢに記録する。その後、光メモリＡおよび光メモリＢを同時に再生することで得られる２つの再生光を互いに干渉させる。このようにすることで、位相情報を強度情報に変換して、光メモリＡに記録された位相情報を強度検出器によって復調することができる。

本発明のホログラフィックメモリの記録装置は、本発明の記録方法により、ホログラフィックメモリに空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を記録する。本発明のホログラフィックメモリの記録装置は、ホログラムＡ記録部およびホログラムＢ記録部を有する。ホログラムＡ記録部は、ホログラフィックメモリの特定箇所に、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と部分参照光Ａとを照射して、信号光と部分参照光Ａとにより生成されるホログラムＡを記録する。ホログラムＢ記録部は、ホログラフィックメモリの同一箇所に、干渉光と部分参照光Ｂとを照射して、干渉光と部分参照光Ｂとにより生成されるホログラムＢを記録する。後述する実施例３に示されるように、ホログラムＡ記録部およびホログラムＢ記録部は、同一の光学系により実現されていてもよい。

本発明のホログラフィックメモリの再生装置は、本発明の再生方法により、ホログラフィックメモリに記録された空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を再生する。本発明のホログラフィックメモリの再生装置は、ホログラム回折光生成部および復調部を有する。ホログラム回折光生成部は、ホログラフィックメモリの特定箇所に、部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂを同時に照射して、ホログラムＡの回折光と、ホログラムＡの回折光に干渉しうるホログラムＢの回折光とを同時に生成する。復調部は、ホログラムＡの回折光およびホログラムＢの回折光を用いて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する。後述する実施例３に示されるように、ホログラム回折光生成部は、１つの光学系により実現されていてもよい。

以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。

［実施例１］
実施例１では、本発明のホログラフィックメモリの記録方法および再生方法を用いて、１６値空間直交振幅変調信号（１６−ＳＱＡＭ）の記録および再生のシミュレーションを行った結果を示す。

信号点を円上に並べるだけでは８つ程度の位相状態より多くを配列しようとすると互いの信号波形が類似してしまい、位相変調だけで多くの信号状態を詰め込むのは好ましくない。そこで、位相変調に振幅変調も加えることでより多くの信号状態を持たせた変調方式が空間直交振幅変調(ＳＱＡＭ)である。

変調する信号の同相成分をＩとし、直交成分をＱとしたとき、これらの信号はそれぞれ以下のように表すことができる。

ここで、光波の角周波数をωとし、時間をｔとし、波数をｋとし、空間変数をｒとすると、三角関数の加法定理より、
と表される。すなわち、信号の同相成分Ｉおよび直交成分Ｑを変調することは、光波の振幅Ａと位相φを変調することと等価である。以上より、空間直交振幅変調信号の記録および再生が可能であるということは、多値位相変調信号、多値振幅変調信号およびこれらを組み合わせた様々な変調信号を記録再生することが可能であることを意味する。

本実施例で用いた１６値空間直交振幅変調信号（１６−ＳＱＡＭ）のダイアグラムを図１９に示す。図の横軸は「実軸」または「Ｉ軸」と呼ばれ、縦軸は「虚軸」または「Ｑ軸」と呼ばれる。これらは、式（３）の変数ＩおよびＱに対応する。ダイアグラム上にプロットされている点は、「信号点」と呼ばれる。複数の信号点によって、１セットの変調符号が表される。また、このダイアグラムが表す複素平面は、両軸の「０」点を中心として信号の振幅および位相を示している。「０」点からの距離が振幅を表し、「０」点に対する角度が位相を表している。したがって、中心から等距離に位置するが、中心に対して異なる角度に位置する複数のシンボルは、信号波形の振幅は等しいが、位相は互いに異なっている。

本実施例では、本発明の記録方法および再生方法を用いて、１６値空間直交振幅変調信号（１６−ＳＱＡＭ）を記録および再生した場合のシミュレーションを行った。数値解析ツールは、ＦＦＴ−ＢＰＭ（高速フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた（Junya Tanaka, Atsushi Okamoto and Motoki Kitano, "Development of Image-Based Simulation for Holographic Data Storage System by Fast Fourier Transform Beam-Propagation Method", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.48, No.3 (Issue 2), pp.03A028(1-5).）。数値解析に用いたパラメータを表１に示す。

記録に用いた信号ページデータ（空間直交振幅変調信号）を図２０に示す。図２０に示されるように、信号ページデータの大きさは３２×３２ピクセルである。信号ページデータの各ピクセルは、図２０Ａに示される位相情報φ（ｘ，ｙ）および図２０Ｂに示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）の両方の値を有している。すなわち、図２０Ａに示される位相情報φ（ｘ，ｙ）および図２０Ｂに示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を合わせて１つの信号ページデータが表現される）。図２０Ａに示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。

また、記録および再生に用いた参照光の強度パターンを図２１に示す。図２１Ａは、部分参照光Ａの強度パターンであり、外周部外側に位置している。図２１Ｂは、部分参照光Ｂの強度パターンであり、外周部内側に位置している（図８参照）。

今回のシミュレーションでは、記録媒体として標準的なフォトポリマーを仮定し、信号ページデータ（信号光）および干渉光を多重記録した。記録されたホログラム（ホログラムＡおよびホログラムＢ）に、参照光（部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂ）を照射して、ホログラムＡの回折光およびホログラムＢの回折光を発生させた。

（マルチショット・デュアルステージモードによる復調）
マルチショット・デュアルステージモード（図１４参照）では、再生時に部分参照光Ｂの位相をＳＬＭによって０，π／２，π，３π／２と順次変化させて、ホログラムＢの回折光の位相を０，π／２，π，３π／２と順次変化させることで、４枚の２段目のホログラム（デジタルホログラム）が得られた。これら４枚のデジタルホログラムを光電変換して得られる信号強度分布を図２２に示す。図２２Ａは、部分参照光Ｂの位相が０のときのデジタルホログラムであり、図２２Ｂは、部分参照光Ｂの位相がπ／２のときのデジタルホログラムであり、図２２Ｃは、部分参照光Ｂの位相がπのときのデジタルホログラムであり、図２２Ｄは、部分参照光Ｂの位相が３π／２のときのデジタルホログラムである。

これらの４枚の信号強度分布から、上記式（１）および式（２）を用いて復調したページデータを図２３に示す。図２３Ａは、復調したページデータの位相情報であり、図２３Ｂは、復調したページデータの振幅情報である（図２０と比較参照）。

図２４は、復調したページデータの信号点分布を示すグラフである。このグラフから、１６値空間直交振幅変調信号（１６−ＳＱＡＭ）が明瞭に分離されていることがわかる。

今回のシミュレーションで生じたエラーの数は２個であった。ページデータのシンボル数は１０２４個（３２×３２）であることから、シンボルエラーレートは１.９５×１０^−３である。これは、現状のホログラフィックメモリにおけるエラー訂正能力（１×１０^−２）を考慮すると、実用上十分な性能といえる。

（シングルショット・デュアルステージモードによる復調）
シングルショット・デュアルステージモード（図１５参照）では、記録時に干渉光の位相をＳＬＭによって変化させることで、１つの信号データピクセルの中に４つの異なる位相（０，π／２，π，３π／２）を持った１枚の２段目のホログラム（デジタルホログラム）が得られた。このデジタルホログラムを光電変換して得られる信号強度分布を図２５に示す。図２５に示される信号領域（中央の四角い部分）は、図２２と比較すると縦横それぞれ２倍、すなわち４倍の細かさを有している。

この信号強度分布から、上記式（１）および式（２）を用いて復調したページデータを図２６に示す。図２６Ａは、復調したページデータの位相情報であり、図２６Ｂは、復調したページデータの振幅情報である（図２０と比較参照）。

図２７は、復調したページデータの信号点分布を示すグラフである。このグラフから、１６値空間直交振幅変調信号（１６−ＳＱＡＭ）が明瞭に分離されていることがわかる。

今回のシミュレーションで生じたエラーの数は３個であった。前述の通り、ページデータのシンボル数は１０２４個であることから、シンボルエラーレートは２.９３×１０^−３である。これは、現状のホログラフィックメモリにおけるエラー訂正能力（１×１０^−２）を考慮すると、実用上十分な性能といえる。

［実施例２］
実施例２では、本発明のホログラフィックメモリの記録方法および再生方法において、１つの干渉光に対して複数の信号ページデータを多重記録する場合の動作検証を行った。

本実施例では、４値空間位相変調信号（４−ＳＰＭ）を記録および再生した場合のシミュレーションを行った。数値解析ツールとしては、実施例１と同一のＦＦＴ−ＢＰＭ（高速フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた。数値解析に用いたパラメータは、実施例１と同様である（表１参照）。

記録に用いた３枚の信号ページデータ（４値位相変調信号）を図２８に示す。図２８Ａは、信号ページデータ＃１の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示し、図２８Ｂは、信号ページデータ＃２の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示し、図２８Ｃは、信号ページデータ＃３の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示している。各ピクセルの位相は、０，π／２，π，３π／２の４値のいずれかである。図２８に示されるように、信号ページデータの大きさは３２×３２ピクセルである。図２８に示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。

今回のシミュレーションでは、記録媒体として標準的なフォトポリマーを仮定し、１つの干渉光に対して３枚の信号ページデータを多重記録した。記録されたホログラム（ホログラムＡおよびホログラムＢ）に、参照光（部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂ）を照射して、ホログラムＡの回折光およびホログラムＢの回折光を発生させた。

（マルチショット・デュアルステージモードによる復調）
マルチショット・デュアルステージモード（図１４参照）を用いて得られる４枚の２段目のホログラムから、上記式（１）および式（２）を用いて復調したページデータ（アナログデータ）を図２９に示す。図２９Ａは、復調した信号ページデータ＃１の位相情報を示し、図２９Ｂは、復調した信号ページデータ＃２の位相情報を示し、図２９Ｃは、復調した信号ページデータ＃３の位相情報を示している。

図２９の信号ページデータは、演算直後のアナログ値であるため、閾値処理により位相４値のデジタルデータに変換した。変換されたページデータ（デジタルデータ）を図３０に示す。図３０Ａは、復調した信号ページデータ＃１の位相情報を示し、図３０Ｂは、復調した信号ページデータ＃２の位相情報を示し、図３０Ｃは、復調した信号ページデータ＃３の位相情報を示している（図２８と比較参照）。

図３１は、復調した各ページデータの信号点分布を示すグラフである。図３１Ａは、信号ページデータ＃１の信号点分布を示し、図３１Ｂは、信号ページデータ＃２の信号点分布を示し、図３１Ｃは、信号ページデータ＃３の信号点分布を示している。これらのグラフから、４値空間位相変調信号（４−ＳＰＭ）が明瞭に分離されていることがわかる。

今回のシミュレーションで生じたエラーの数は、３枚の信号ページデータの合計で１個であった。ページデータのシンボル数は３０７２個（３２×３２×３）であることから、シンボルエラーレートは３.２６×１０^−４である。これは、現状のホログラフィックメモリにおけるエラー訂正能力（１×１０^−２）を考慮すると、実用上十分な性能といえる。

［実施例３］
実施例３では、本発明のホログラフィックメモリの記録方法および再生方法を用いて、２値空間位相変調信号（２−ＳＰＭ）の記録および再生を実際に行った結果を示す。

図３２は、実験に用いたホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。このホログラフィックメモリ記録再生装置は、コリニア・ホログラフィ法によりホログラム（ホログラムＡおよびホログラムＢ）の記録および再生を行う。２値空間位相変調信号の検出は、直接検出モードで行った（図１３参照）。

図３２に示されるように、ホログラフィックメモリ記録再生装置は、レーザ光源（Ｌａｓｅｒ）、ビーム拡大光学系（ＢＥ）、半波長板（ＨＷＰ）、偏光子（Ｐｏｌ．）、ランダム位相板（ＲＰＭ）、強度変調空間光変調器（ＳＬＭ（Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ））、第１のレンズ（Ｌｅｎｓ １）、ミラー（Ｍｉｒｒｏｒ）、第２のレンズ（Ｌｅｎｓ ２）、ビームスプリッタ（ＢＳ）、位相変調空間光変調器（ＳＬＭ（Ｐｈａｓｅ））、第３のレンズ（Ｌｅｎｓ３）、第４のレンズ（Ｌｅｎｓ ４）、第５のレンズ（Ｌｅｎｓ ５）、第６のレンズ（Ｌｅｎｓ ６）、ＮＤフィルタ（ＮＤＦ）、第７のレンズ（Ｌｅｎｓ ７）およびＣＣＤカメラ（ＣＣＤ）を有する。このホログラフィックメモリ記録再生装置は、第５のレンズ（Ｌｅｎｓ ５）と第６のレンズ（Ｌｅｎｓ ６）との間に記録媒体（Ｍｅｄｉａ）を設置して、記録および再生を行う。記録媒体には、ホログラム記録に一般的に使用されているフォトポリマーを使用した。

図３２に示されるように、レーザ光源から射出された光は、ビーム拡大光学系（ＢＥ）で適切な大きさに拡大され、半波長板（ＨＷＰ）により偏光方向が調整される。ランダム位相板（ＲＰＭ）には、光にランダムな位相を付与することで、ホログラムの中心部に光強度が集中することを防ぐ効果がある。

強度変調ＳＬＭは、ＳＬＭ本体と、その両側に配置された２つの偏光子により構成される。強度変調ＳＬＭは、部分参照光Ａと部分参照光Ｂとの切り替え、および信号光の照射切り替えに使用される。すなわち、ホログラムＢを記録する時には、強度変調ＳＬＭは、部分参照光Ｂおよび干渉光（全領域において同一強度かつ同一位相の信号光）を透過させる。ホログラムＡを記録する時には、強度変調ＳＬＭは、部分参照光Ａおよび信号光を透過させる。一方、ホログラムＡおよびホログラムＢを再生する時には、強度変調ＳＬＭは、部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂを透過させるが、信号光は透過させない。強度変調ＳＬＭを透過した光は、位相変調ＳＬＭにおいて所定の位相変調が加えられる。

図３３は、ホログラムＢを記録する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。図３３に示されるように、部分参照光Ｂは外周部に位置し、干渉光は中央部に位置する。部分参照光Ｂおよび干渉光は、いずれも全領域に亘って同一の位相である。

図３４は、ホログラムＡを記録する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。本実験では、２枚の信号ページデータ（１６×１６）を多重記録した。図３４Ａは、信号ページデータ＃１を記録する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図であり、図３４Ｂは、信号ページデータ＃２を記録する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。図３４に示されるように、部分参照光Ａは外周部に位置し、信号光は中央部に位置する。部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂは、いずれも外周部に位置するが、互いに重なっていない（図３３と図３４を比較参照）。また、信号ページデータ＃１を記録する時の部分参照光Ａの位相パターンと、信号ページデータ＃２を記録する時の部分参照光Ａの位相パターンとは、互いに異なる（図３４Ａと図３４Ｂを比較参照）。図３４に示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。２値の位相は、白色＝０、黒色＝πである。

位相変調ＳＬＭで生成された干渉光および部分参照光Ｂ（図３３参照）をフォトポリマー（記録媒体）に照射してホログラムＢを記録した。次いで、位相変調ＳＬＭで生成された信号ページデータ＃１を含む信号光と信号ページデータ＃１を記録するための部分参照光Ａ（図３４Ａ参照）とをフォトポリマーに照射して、信号ページデータ＃１のホログラムＡを記録した。次いで、位相変調ＳＬＭで生成された信号ページデータ＃２を含む信号光と信号ページデータ＃２を記録するための部分参照光Ａ（図３４Ｂ参照）とをフォトポリマーに照射して、信号ページデータ＃２のホログラムＡを記録した。

図３５は、ホログラムＡおよびホログラムＢを再生する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。図３５Ａは、信号ページデータ＃１を再生する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図であり、図３５Ｂは、信号ページデータ＃２を再生する時の位相変調ＳＬＭのパターンを示す図である。図３５に示されるように、参照光は、部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂを含む。

位相変調ＳＬＭで生成された参照光（図３５参照）をフォトポリマーに照射してホログラムＡおよびホログラムＢを再生し、ＣＣＤカメラで信号ページデータの強度分布を検出した（直接検出モード）。

図３６は、ＣＣＤカメラで検出した信号強度分布を示す画像である。図３６Ａは、信号ページデータ＃１の信号強度分布を示す画像であり、図３６Ｂは、信号ページデータ＃２の信号強度分布を示す画像である。

図３７は、図３６に示される画像に対して２値の閾値処理を行って、２値のデジタルデータに変換した画像（再生ページデータ）である。図３７Ａは、信号ページデータ＃１の再生ページデータであり、図３６Ｂは、信号ページデータ＃２の再生ページデータである。

なお、図３６および図３７に示されるパターンは、図３４に示されるパターンの左右反転像である。これは、図３２に示されるように、位相変調空間光変調器（ＳＬＭ（Ｐｈａｓｅ））から出た信号パターンが、ビームスプリッタ（ＢＳ）によって反射された後に、ＣＣＤカメラ（ＣＣＤ）で検出されるためである。

今回の実験で生じたエラーの数は、２枚の信号ページデータの合計で２個であった。信号ページデータのシンボル数は５１２個（１６×１６×２）であることから、シンボルエラーレートは４×１０^−３である。これは、現状のホログラフィックメモリにおけるエラー訂正能力（１×１０^−２）を考慮すると、実用上十分な性能といえる。

［実施例４］
実施例４では、本発明の記録方法および再生方法を用いて、２値空間位相変調信号（２−ＳＰＭ）の記録および再生のシミュレーションを行った結果を示す。なお、本実施例では、コリニア・ホログラフィ法ではなく２光束干渉法により、２値空間位相変調信号（２−ＳＰＭ）の記録および再生を行った。数値解析ツールとしては、実施例１と同一のＦＦＴ−ＢＰＭ（高速フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた。数値解析に用いたパラメータは、実施例１と同様である（表１参照）。

記録に用いた信号ページデータ（２値空間位相変調信号）を図３８Ａに示し、干渉光の位相パターンを図３８Ｂに示す。図３８Ａおよび図３８Ｂに示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。図３８Ａに示されるように、信号ページデータの大きさは３２×３２ピクセルである。信号ページデータの各ピクセルは、０（黒色で示す）またはπ（白色で示す）の２値の位相情報φ（ｘ，ｙ）を有している。信号ページデータの各ピクセルの強度は、一定である。また、図３８Ｂに示されるように、干渉光は、３２×３２ピクセルの平面波（位相および強度が空間的に一定）である。

また、部分参照光Ａの強度パターンを図３８Ｃに示し、部分参照光Ｂの強度パターンを図３８Ｄに示し、参照光（部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂ）の強度パターンを図３８Ｅに示す。図３８Ｅに示されるように、部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂは、互いに重なっていない。部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂの強度分布は、flat cosine-squared window function（Shun-Der Wu and Elias N. Glytsis, "Finite-number-of-periods holographic gratings with finite-width incident beams: analysis using the finite-difference frequency-domain method", J. Opt. Soc. Am. A, Vol.19, No.10, pp.2018-2029 (2002)）により得られる。

今回のシミュレーションでは、記録媒体として標準的なフォトポリマーを仮定し、信号ページデータ（信号光）および干渉光を２光束干渉法で多重記録した（図１１参照）。記録されたホログラム（ホログラムＡおよびホログラムＢ）に、参照光（部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂ）を照射して、ホログラムＡの回折光およびホログラムＢの回折光を発生させ、これらの回折光により生成される干渉縞の強度分布を検出した（図１２参照）。本実施例では、記録されているページデータが２値位相変調信号であるため、直接検出モードで位相変調信号を復調することができる。図３８Ｆは、強度変調信号として再生されたページデータ（再生ページデータ）である。

これらの結果から、２光束干渉法を利用しても、本発明の記録方法および再生方法により、信号ページデータの記録および再生を行いうることがわかる。

［実施例５］
実施例５では、本発明の記録方法および再生方法を用いて、３８値空間直交振幅変調信号（３８−ＳＱＡＭ）の記録および再生のシミュレーションを行った結果を示す。なお、本実施例では、コリニア・ホログラフィ法により、３８値空間直交振幅変調信号（３８−ＳＱＡＭ）の記録および再生を行った。数値解析ツールとしては、実施例１と同一のＦＦＴ−ＢＰＭ（高速フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた。数値解析に用いたパラメータは、実施例１と同様である（表１参照）。

記録に用いた５枚の信号ページデータ（３８値空間直交振幅変調信号）を図３９に示す。図３９Ａは、信号ページデータ＃１の振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｂは、信号ページデータ＃２の振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｃは、信号ページデータ＃３の振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｄは、信号ページデータ＃４の振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｅは、信号ページデータ＃５の振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を示している。また、図３９Ｆは、信号ページデータ＃１の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｇは、信号ページデータ＃２の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｈは、信号ページデータ＃３の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｉは、信号ページデータ＃４の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示し、図３９Ｊは、信号ページデータ＃５の位相情報φ（ｘ，ｙ）を示している。これらの図において、中央部の正方形の領域が信号ページデータ（信号光）のパターンであり、周辺部の円環状の領域が部分参照光Ａのパターンである。信号ページデータの大きさは、３２×３２ピクセルである。図３９Ｆ〜Ｊに示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。

今回のシミュレーションでは、記録媒体として標準的なフォトポリマーを仮定し、１つの干渉光に対して５枚の信号ページデータを多重記録した。このとき、図１７に示されるように、信号光および干渉光について１つのデータピクセルを４つのサブピクセルに分割するとともに、信号光と干渉光の両方に位相分布を加えた。記録されたホログラム（ホログラムＡおよびホログラムＢ）に、参照光（部分参照光Ａおよび部分参照光Ｂ）を照射して、ホログラムＡの回折光およびホログラムＢの回折光を発生させ、シングルショット・デュアルステージモードにより位相変調信号を復調した。

図１７に示される例において、信号光の４つのサブピクセルに加える位相値をそれぞれα１，α２，α３，α４とする。また、干渉光の４つのサブピクセルの位相値をβ１，β２，β３，β４とする。このとき、
β１−α１＝０ …（Ａ１）
β２−α２＝π／２（または−３π／２） …（Ａ２）
β３−α３＝π（または−π） …（Ａ３）
β４−α４＝３π／２（または−π／２） …（Ａ４）
を満たすように、α１〜α４およびβ１〜β４の値を選択した。このとき、α１，α２，α３，α４は、互いに異なる位相値である。また、β１，β２，β３，β４も、互いに異なる位相値である。

図４０Ａは、信号ページデータ＃１の位相情報（３２×３２ピクセル）である（図３９Ｆと同じ）。図４０Ｂは、信号光に加える位相分布（６４×６４ピクセル）である。図４０Ｃは、図４０Ａに示される信号ページデータ＃１の位相情報に、図４０Ｂに示される位相分布を加えた後の、信号ページデータ＃１の位相情報（６４×６４ピクセル）である。これらの図に示されるように、オリジナルの信号ページデータ（図４０Ａ参照）に、上記式（Ａ１）〜（Ａ４）を満たす位相分布（図４０Ｂ参照）を加えることで得られる信号ページデータ（図４０Ｃ参照）をＳＬＭで生成して、記録媒体に記録した。

図４１Ａは、干渉光の位相情報（３２×３２ピクセル）である。図４１Ｂは、干渉光に加える位相分布（６４×６４ピクセル）である。図４１Ａにおいて、周辺部の円環状の領域は、部分参照光Ｂの位相分布を示している。これらの図に示されるように、干渉光（図４１Ａ参照）に、上記式（Ａ１）〜（Ａ４）を満たす位相分布（図４１Ｂ参照）を加えることで得られる干渉光をＳＬＭで生成して、記録媒体に記録した。このように、干渉光の各サブピクセルの位相の組み合わせを、信号光のデータピクセルごとに異なる値とすることで、信号光および干渉光のスペクトルが記録媒体の特定位置に集中することを避けることができ、結果としてエラーの低減を期待することができる。

図４２は、復調したページデータの信号点分布を示すグラフである。図４２Ａは、信号光に位相分布を加えずに干渉光のみに位相分布を加えて、シングルショット・デュアルステージモードにより位相変調信号を復調した結果である（上記式（Ａ１）〜（Ａ４）において、α１＝α２＝α３＝α４＝０、β１＝０，β２＝π／２，β３＝π，β４＝３π／２）。一方、図４２Ｂは、信号光および干渉光の両方に位相分布を加え、かつ干渉光の各サブピクセルの位相の組み合わせをデータピクセルごとに変えて、シングルショット・デュアルステージモードにより位相変調信号を復調した結果である（図４０および図４１に示される方法）。これらのグラフから、いずれの復調方法においても、３８値空間直交振幅変調信号（３８−ＳＱＡＭ）が明瞭に分離されていることがわかる。

干渉光のみに位相分布を加えてシングルショット・デュアルステージモードで復調した場合（図４２Ａ参照）、シンボルエラーレートは０.８％であった。一方、信号光および干渉光の両方に位相分布を加え、かつ干渉光の各サブピクセルの位相の組み合わせをデータピクセルごとに変えて、シングルショット・デュアルステージモードで復調した場合（図４２Ｂ参照）、シンボルエラーレートは０.５％であった。

これらの結果から、シングルショット・デュアルステージモードにより復調する際に、信号光および干渉光の両方に上記式（Ａ１）〜（Ａ４）を満たす位相分布を加え、かつ干渉光の各サブピクセルの取りうる位相の組み合わせをデータピクセルごとに変えることで、復調の精度を向上させうることがわかる。

本出願は、２０１１年７月１１日出願の特願２０１１−１５２６８５に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。

本発明のホログラフィックメモリは、コンシューマ向けのＡＶ用途のみならず、放送や医療分野におけるアーカイバル用途（データの長期保存が可能）や、データセンターなどの光ディスクシステム（消費電力がＨＤＤの１／６程度）などの様々な用途において有用である。

１００ 参照光
１１０ 部分参照光Ａ
１２０ 部分参照光Ｂ
１３０ 位相変調信号（信号ページデータ）
１４０ 信号光
１５０ 干渉光
１６０ ホログラムＡの回折光
１７０ ホログラムＢの回折光
１８０ 強度情報を含む回折光
２００ ホログラフィックメモリ（記録媒体）
２１０ 光強度検出器
２２０ ２段目のホログラム（ホログラムＣ）
３１０ レーザ光
３２０ 空間光変調器
３３０ ハーフミラー
３４０ 対物レンズ
３５０ 記録媒体
３６０ 撮像素子

Claims (15)

1. ホログラフィックメモリの特定箇所に、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と部分参照光Ａとを照射して、前記信号光と前記部分参照光Ａとにより生成されるホログラムＡを記録するステップと、
   前記ホログラフィックメモリの前記特定箇所に、前記信号光と干渉しうる干渉光と部分参照光Ｂとを照射して、前記干渉光と前記部分参照光Ｂとにより生成されるホログラムＢを記録するステップと、
   を有する、ホログラフィックメモリの記録方法。
2. 前記部分参照光Ａは、レーザ光源から出射されたレーザ光の一部であり、
   前記部分参照光Ｂは、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の残部の一部である、
   請求項１に記載のホログラフィックメモリの記録方法。
3. 前記ホログラムＡおよび前記ホログラムＢは、コリニア・ホログラフィ法で前記ホログラフィックメモリに記録される、請求項１に記載のホログラフィックメモリの記録方法。
4. 請求項１に記載のホログラフィックメモリの記録方法により空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号が記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって、
   前記ホログラフィックメモリの特定箇所に、前記部分参照光Ａおよび前記部分参照光Ｂを同時に照射して、前記ホログラムＡの回折光と、前記ホログラムＡの回折光に干渉しうる前記ホログラムＢの回折光とを同時に生成するステップと、
   前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とを干渉させて、前記ホログラムＡの回折光に含まれる前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
   を有する、ホログラフィックメモリの再生方法。
5. 前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号は、２値の位相情報を含み、
   前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップは、
   前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とから、干渉縞を生成するステップと、
   前記干渉縞の強度分布を検出するステップと、を含む、
   請求項４に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
6. 前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号は、多値の位相情報を含み、
   前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップは、
   前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とから、ホログラムＣを生成するステップと、
   前記ホログラムＣの強度分布を検出するステップと、
   前記強度分布に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、を含む、
   請求項４に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
7. 前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とを同時に生成するステップでは、前記特定箇所に、前記部分参照光Ａまたは前記部分参照光Ｂの位相をシフトしながら前記部分参照光Ａおよび前記部分参照光Ｂを複数回同時に照射することで、前記ホログラムＡまたは前記ホログラムＢの回折光の位相が互いに異なる前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光との複数の組み合わせを生成し、
   前記ホログラムＣを生成するステップでは、前記複数の組み合わせから、互いに強度分布が異なる複数のホログラムＣを生成し、
   前記ホログラムＣの強度分布を検出するステップでは、前記複数のホログラムＣのそれぞれの強度分布を検出し、
   前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップでは、前記複数の強度分布に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する、
   請求項６に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
8. 前記干渉光は、前記信号光の１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、
   前記ホログラムＢの回折光は、前記ホログラムＡの回折光の１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、
   前記ホログラムＣは、互いに位相の異なる複数のホログラム情報を含み、
   前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップでは、前記ホログラムＣに含まれる複数のホログラム情報に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する、
   請求項６に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
9. 前記信号光は、１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、
   前記ホログラムＡの回折光は、１つのデータピクセルについて、互いに位相の異なる複数のサブピクセルを含み、
   前記ホログラムＣは、互いに位相の異なる複数のホログラム情報を含み、
   前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップでは、前記ホログラムＣに含まれる複数のホログラム情報に基づいて、前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する、
   請求項６に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
10. 前記部分参照光Ａは、レーザ光源から出射されたレーザ光の一部であり、
    前記部分参照光Ｂは、前記レーザ光源から出射された前記レーザ光の残部の一部である、
    請求項４に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
11. 前記ホログラムＡおよび前記ホログラムＢは、コリニア・ホログラフィ法で前記ホログラフィックメモリから再生される、請求項４に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
12. ホログラフィックメモリの特定箇所に、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と部分参照光Ａとを照射して、前記信号光と前記部分参照光Ａとにより生成されるホログラムＡを記録するホログラムＡ記録部と、
    前記ホログラフィックメモリの前記特定箇所に、前記信号光と干渉しうる干渉光と部分参照光Ｂとを照射して、前記干渉光と前記部分参照光Ｂとにより生成されるホログラムＢを記録するホログラムＢ記録部と、
    を有する、ホログラフィックメモリ記録装置。
13. 請求項１２に記載のホログラフィックメモリ記録装置により空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号が記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって、
    前記ホログラフィックメモリの特定箇所に、前記部分参照光Ａおよび前記部分参照光Ｂを同時に照射して、前記ホログラムＡの回折光と、前記ホログラムＡの回折光に干渉しうる前記ホログラムＢの回折光とを同時に生成するホログラム回折光生成部と、
    前記ホログラムＡの回折光と前記ホログラムＢの回折光とを干渉させて、前記ホログラムＡの回折光に含まれる前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する復調部と、
    を有する、ホログラフィックメモリ再生装置。
14. 前記干渉光は、記録情報を含んでおらず、かつ位相が既知の光である、請求項１に記載のホログラフィックメモリの記録方法。
15. 前記干渉光は、記録情報を含んでおらず、かつ位相が既知の光である、請求項１２に記載のホログラフィックメモリ記録装置。