JP6037311B2 - ホログラム再生方法、光位相強度変換方法、暗号化位相変調信号の復号方法、ホログラム記録再生装置、および、光位相強度変換器 - Google Patents

Description

本発明は、ホログラム記録方法、ホログラム再生方法およびホログラムを用いた光位相強度変換方法に関する。

ホログラフィは、光の強度情報のみを記録する写真技術とは異なり、光の強度情報と位相情報とを記録することができることから、三次元ディスプレイ分野や光ストレージ分野、光情報処理分野等への応用が期待されている（非特許文献１）。ホログラフィが強度情報と位相情報との両方を記録できるのは、ホログラムが光の干渉によって形成される干渉縞を記録しているからである。この干渉縞は、被記録情報を含む物体光と、該物体光に対してコヒーレントな参照光とを干渉させることによって形成される。こうして形成された干渉縞を光の透過率分布や屈折率分布として記録したものがホログラムである。ホログラフィでは、このホログラムに記録時に用いた参照光を照射することで、記録した物体光が回折光として現れる原理に基づいて再生が行われる。これまでに、フレネルホログラム、フラウンホーファホログラム、フーリエ変換ホログラム、イメージホログラムなど、多くのホログラムが提案されており、光学的なホログラムの実現方法は数多くある。しかしながら、これらのホログラム方式の相違は物体光の伝搬方式の相違であり、物体光と参照光との二光波を必要とする点では違いは無い。

ホログラム記録光学系の縮小化が強く求められる応用として、Blu-ray（登録商標）を凌ぐ記録容量のテラバイト光ストレージ技術であるホログラフィックメモリがある（非特許文献２）。現在盛んに研究されているホログラフィックメモリの多くは、二光束光学系（特許文献３）もしくはコアキシャル光学系（特許文献４）によってホログラムの記録が行われている。一般にホログラフィックメモリにおける物体光は、空間光変調器（ＳＬＭ:Spatial Light Modulator）によって二次元バーコード状に変調された光波を指し、変調には振幅、位相、偏光などの光の物理量を用いることができる。

ホログラフィックメモリに用いられる光学系のうち、二光束光学系は標準的なホログラム記録光学系であるといえる。図１８（ａ），（ｂ）に示す光学系はその典型的な配置構成を示すものである。ホログラム記録時には、ＳＬＭで変調された信号光（フーリエ変換イメージ）を記録媒体へ照射し、そのフーリエ変換イメージを参照光と干渉させて記録媒体へホログラムを記録する。二光束光学系では、信号光路と参照光路とが別々であるために、参照光の物理条件を変化させやすく、二光束光学系で使用できる多重記録方式がこれまでに多く提案されている（特許文献４）。

一方、図１９（ａ），（ｂ）に示すコアキシャル光学系は、ＳＬＭに信号光領域と参照光領域とを空間的に割り当てることによって、信号光と参照光との同軸配置を実現し、安定的なシステムの構築を可能としている。一軸の配置であるコアキシャル記録光学系は、従来の光ディスクに用いられているサーボ、トラッキング技術をそのまま利用できるといった利点を兼ね備えている。

上記に加えて、信号変調方式はホログラフィックメモリの記録密度や転送速度といった性能に大きく関わる要素である。これまで研究されてきたホログラフィックメモリは、強度変調方式を用いたものが多かった。強度変調方式では、記録するデジタル情報を光の輝度情報で表現し、記録を行う方式である（非特許文献６）。ホログラフィックメモリではフーリエ変換ホログラムを用いることが一般的であるが、強度変調方式ではフーリエ変換された信号の強度分布が直流成分に偏ったものとなる。これは記録媒体のダイナミックレンジの無駄な消費を招いてしまい、記録密度の向上を阻んでしまう。

この問題を信号変調によってのみ解消できるのが位相変調方式（非特許文献７）であり、光波の位相情報を用いてデジタル情報を表現するものである。位相変調方式を用いる利点は、記録媒質ダイナミックレンジを有効に利用できる点、レーザ光源からの光パワーをＳＬＭでカットされることなく有効に利用できる点、同一強度で多値信号が可能であることから多値信号の導入に有利である点などが挙げられる。こういった点から、ホログラフィックメモリの性能向上を考えた際には、位相変調方法は強度変調方式に比べて優位性が高いといえる。

しかしながら、位相変調信号はＣＣＤなどの撮像デバイスで位相値を直接検出することができない。そこで、位相変調型ホログラフィックメモリにおいては、位相情報を強度情報に変換する機構が必要となる。これまでに一様な位相を有するページとの干渉を利用する方法、逆位相を有する隣接ピクセル間の強度増強を利用した方法（非特許文献７）、複屈折媒質を用いて数ピクセル分ずらした再生光同士を干渉させる方法（非特許文献８）、Phase-Lock光を利用する方法（非特許文献９）、デュアルステージ法（非特許文献１０）など、様々な位相変調信号検出法が提案されている。

また、光位相分布を有する光信号を光強度分布を有する光信号に変換する光位相強度変換技術に関して言えば、光波の位相分布を計測することは、三次元物体の構造解析（非特許文献１１）や、光ストレージ等の分野（非特許文献５）で要求されている技術である。光の位相の違いは、人間の眼や、一般的な光強度検出器等で区別することはできず、光の位相分布を知るためには、光位相分布を光強度分布に変換した上で光強度として検出する必要がある。これまでに、こうした光位相強度変換器は数多く提案されているが（非特許文献１２）、基本的には位相情報を有した光波である信号光と、該信号光に対して干渉性を有する干渉光との干渉によって形成される干渉縞を計算機上で解析することによって、光位相強度変換を実現するものがほとんどである。

光波の位相を検出する最も簡単な方法は、図２０に示すような一様な位相分布を持つ他の光波との干渉による方法である（非特許文献７）。例えば、振幅がある値Ａを持つ光波があったとすると、その光波の位相値が０であるかπであるかによって、その光波の複素振幅がＡであるか−Ａであるかが決まる。この光波に複素振幅がＡで統一された光波、つまり位相が一様な光波を干渉させると、位相値が０であった点の複素振幅は２Ａ、πであった点の複素振幅は０となり、それぞれ４Ａ^２、０という強度で観測される。これは、光波の位相情報が強度情報に変換されたことに他ならない。光波の位相は、こうした単純な過程によって強度に変換することができる。

これまでに提案された光位相強度変換器の中には、位相情報を持った信号光と干渉光とがマイケルソン干渉計やマッハツェンダー干渉計等を介することなく干渉する種類のものもあり、その一例が複屈折媒質を用いた光位相強度変換器である（非特許文献８）。この変換器は、位相変調信号光を円偏光とし、その光波を複屈折媒質に入射することで位相変調信号同士の干渉を実現する。円偏光を持つ光波が複屈折媒質に入射すると、同じ分布を持つ光波が、垂直偏光成分と水平偏光成分とに分かれる。複屈折媒質によって分けられた二つの光波のうち片方の偏光を９０度回転させることにより、これらの光波が干渉するが、複屈折媒質の作用により、互いにわずかな空間的なずれを生じる。この互いにわずかにずれた二つの光波が干渉し、生成された光波の強度分布を計算機上で解析することにより、位相変調信号全体の位相分布を調べることができる。

辻内順平, "ホログラフィ", 裳華房, (1997) L. Hesselink, S. S. Orlov, and M. C. Bashaw, "Holographic Data Storage Systems", Proc. IEEE, Vol. 92, no. 8, pp.1231-1280 (2004). S. S. Orlov, W. Phillips, E. Bjornson, Y. Takashima, P. Sundaram, L. Hesselink, R. Okas, D. Kwan, and R. Snyder, "High-transfer-rate high-capacity holographic disk data-storage system", Appl. Opt., 43, no.25, pp. 4902-4914 (2004). H. Horimai, Xiaodi Tan, and Jun Li, "Collinear Holography", Appl. Opt. Vol. 44, pp. 2575-2579 (2005). 志村努監修, "ホログラフィックメモリーのシステムと材料", シーエムシー出版, (2006). S. S. Orlov, W. Phillips, E. Bjornson, Y. Takashima, P. Sundaram, L. Hesselink, R. Okas, D. Kwan, and R. Snyder, "High-transfer-rate high-capacity holographic disk data-storage system", Appl. Opt., 43, pp. 4902-4914 (2004). J. Joseph, D. A. Waldman, "Homogenized Fourier transform holographic data storage using phase spatial light modulators and methods for recovery of data from the phase image", Appl. Opt., Vol. 45, 6374-6380 (2006). P. Koppa, "Phase-to-amplitude data page conversion for holographic storage and optical encryption", Appl. Opt., Vol. 46, 3561-3571 (2007). 井上光輝, "光フェーズロック方式コリニアホログラフィー（次世代コリニアホログラムメモリの実現を目指して）", OPTRONICS (2008), No. 12, pp. 76-80 (2008). Atsushi Okamoto, Keisuke Kunori, and Masanori Takabayashi, "Dual-Stage Holographic Memory based on Optical Recording and Digital Readout Technique: Proposal and 8-Phase-Level Operation", Technical Digest of MOC 2010(Microoptics Conference 2010), WP62 (2010). Pierre Marquet, Benjamin Rappaz, and Pierre J. Magistretti, "Digital holographic microscopy: a noninvasive contrast imaging technique allowing quantitative visualization of living cells with subwavelength axial accuracy", Opt. Lett., Vol. 30, 468-470 (2005). 山口一郎, "総論 −光干渉計測とその関連技術−", OPTRONICS (2010), No.8, pp. 92-97 (2008).

ホログラムの記録再生には、物体光とは別に参照光を用意する必要があるため、装置における光学系の複雑化や大型化を招くといった問題がある。また、記録時に必要な参照光と物体光とに可干渉性が要求されることもホログラム技術全般における制約の一つである。

上述した二光束光学系では、信号光路と参照光路とを別々にすることで、光学系が大きくなりがちであり、また、振動や温度変化などの外乱を受けやすいといった問題である。これは、ホログラフィックメモリシステムの実用化に向けて、致命的な問題である。また、コアキシャル光学系においても、空間的に信号光領域と参照光量域とを分けているという点では二光束光学系と同じであり、レーザからのビーム断面積を参照光量域のために少なからず利用することで、一つのビーム光束において記録できるデータ量が減少し、転送速度の低下を招く。また、これらの問題点は、ホログラム記録において、物体光のほかに参照光も必要とすることに大きく起因するものである。

また、位相変調方式についても、位相信号を強度信号に変換するための位相強度変換器において、干渉計を構成する必要があり、光学系の拡大は避けられない。また、この位相強度変換器では、信号光と干渉光との二光波を必要とする。したがって、両者の位置ずれや振動や温度変化等の外部環境に対する耐性が非常に低くなってしまう。

様々な種類の光位相強度変換器の中でも、複屈折媒質を用いた光位相強度変換器は、外部の振動や位置ずれにも高い耐性を持っている上、従来必要であった干渉計が、複屈折媒質とわずかな偏光回転素子で実現できるようになる。しかしながら、複屈折媒質や偏光回転素子が必要であるという点では、従来のように干渉計を用いることと比べ、コストの面や光学系のサイズ等の面から大差はない上、干渉縞を基に位相分布を計算するための計算機の負担が大きくなってしまう。

このように、光位相強度変換は、干渉計を導入することによるシステムの大型化や不安定化、取得した干渉縞から観察したい位相分布を計算するための計算機の負担の増大、またそれに伴うソフトウェアの開発など、様々な問題を招く。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、簡易な光学系によってホログラムの記録再生や光位相強度変換を可能とする方法および装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のホログラム記録方法は、レーザ光源から照射される光に位相変調を行って位相分布信号を生成する工程と、対物レンズを介して上記位相分布信号をホログラム記録媒質に集光して、上記位相分布信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有することを特徴としている。あるいは、本発明のホログラム記録方法は、レーザ光源から照射される光に用いた位相変調を行って位相分布信号を生成する工程と、上記位相変調が施された上記位相分布信号を、上記位相分布信号のフレネル領域に配置されたホログラム記録媒質に照射して、上記位相分布信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、上記位相分布信号は、対物レンズを介してホログラム記録媒質に集光されることで、あるいは位相分布信号のフレネル領域に配置されたホログラム記録媒質に照射されることで、従来のホログラム記録において不可欠であった参照光を照射することなく、信号光のみでの相互干渉によってホログラム記録が可能となり、ホログラム記録に用いる光学系を著しく簡素化することが可能となる。また、本発明のホログラム記録方法で記録されたホログラムは、記録した位相変調信号と再生時に用いる読み出し光との間に存在する位相差分布において、ピクセル間の位相差に依存したエネルギー移動が生じ、ホログラム再生が可能となる。

また、上記の課題を解決するために、本発明のホログラム再生方法は、上記ホログラム記録方法によって二値の位相分布信号が記録されたホログラム記録媒質に、上記ホログラムの記録時と同一の光学系を用いて位相が空間的に一様な再生時読出光を照射する工程と、上記再生時読出光の照射によって発生する再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出す工程とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、ホログラム記録媒質に記録される位相分布信号と再生時読出光とは何れも位相変調信号である一方、再生光は強度分布信号として生成される。このため、ホログラム記録媒質のダイナミックレンジを有効に使え、かつ、従来のような計算機を用いた位相強度変換処理が必要なく、全光学的な処理によってホログラム再生が行えるため処理が高速となる。

また、上記の課題を解決するために、本発明の光位相強度変換方法は、上記ホログラム記録方法によって位相が空間的に一様な位相分布信号が記録されたホログラム記録媒質に、上記ホログラムの記録時と同一の光学系を用いて二値の位相分布を有する位相変調信号を照射する工程と、上記位相変調信号の照射によって発生する再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出す工程とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、ホログラム記録媒質に位相変調信号を照射すると、これに対応する強度変調信号に変換される。この位相強度変換処理は、従来のような計算機を用いた位相強度変換処理ではなく、全光学的な処理によるものであるため処理が高速となる。

また、本発明の暗号化位相変調信号の復号方法は、位相変調信号を位相マスクによって暗号化した暗号化位相変調信号が記録されたホログラム記録媒質から、上記暗号化位相変調信号を再生する工程と、上記暗号化位相変調信号を、上記位相マスクのホログラムを上記請求項１または２に記載のホログラム記録方法によって予め記録された復号化用ホログラム記録媒質に、上記復号化用ホログラム記録媒質の作成時と同一の光学系を用いて照射することで上記暗号化位相変調信号を復号する工程とを有することを特徴としている。

上記の構成によれば、位相変調信号を位相マスクによって暗号化した暗号化位相変調信号は、上記位相マスクのホログラムを上記ホログラム記録方法によって予め記録された復号化用ホログラム記録媒質に照射されることで復号化され、暗号化される前のデータである上記位相変調信号と一致する強度分布信号に戻る。この時、復号化に用いる鍵は複雑な構造をもつホログラムであるため簡単に複製することができない。また、暗号化に用いた鍵（位相マスク）を盗まれたとしても、複合化に用いた鍵を作成するときの記録条件（位置や回転角、焦点の位置など）が正しくなければ、復号に用いる鍵を作成することができない。また、復号用の鍵を盗まれたとしても、ホログラムの生成に用いた位相マスクとして多値位相マスクなどの二値でない位相マスクを用いれば、いかなる方法を使ってもホログラムに書かれている情報を読み出すことは出来ない。このため、非常に高速な光学的暗号化システムとして動作することができる。

また、本発明のホログラム記録再生装置は、レーザ光源と、レーザ光源から照射される光に位相変調を行って位相分布信号を生成する空間光変調器と、上記位相分布信号を集光して、ホログラム記録媒質に照射させる対物レンズと、二値の位相分布を有する位相分布信号が記録されている上記ホログラム記録媒質に、位相が空間的に一様な再生読出光を照射した場合に発生する再生光の光強度分布を読み出す撮像手段とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、上記ホログラム記録方法および上記ホログラム再生方法と同様に、ホログラム記録に用いる光学系を著しく簡素化することが可能となり、処理が高速なホログラム再生が行える。

また、本発明の光位相強度変換器は、レーザ光源と、レーザ光源から照射される光に位相変調を行って位相分布信号を生成する空間光変調器と、上記位相分布信号を集光して、ホログラム記録媒質に照射させる対物レンズと、位相が空間的に一様な位相分布信号が記録されたホログラム記録媒質と、位相分布信号が記録されている上記ホログラム記録媒質に、二値の位相分布を有する位相変調信号を照射した場合に発生する再生光の光強度分布を読み出す撮像手段とを備えていることを特徴としている。

上記の構成によれば、上記光位相強度変換方法と同様に、全光学的な処理による高速な光位相強度変換処理が行える。

本発明のホログラム記録方法は、従来のホログラム記録において不可欠であって参照光を照射することなく、信号光のみでの相互干渉によってホログラム記録が可能となり、ホログラム記録に用いる光学系を著しく簡素化することが可能となるといった効果を奏する。

また、本発明のホログラム再生方法は、ホログラム記録媒質のダイナミックレンジを有効に使え、かつ、従来のような計算機を用いた位相強度変換処理が必要なく、全光学的な処理によってホログラム再生が行えるため処理が高速となるといった効果を奏する。

また、本発明の光位相強度変換方法は、従来のような計算機を用いた位相強度変換処理ではなく、全光学的な処理によるものであるため処理が高速となるといった効果を奏する。

本発明の一実施形態を示すものであり、（ａ）に本実施の形態に係るホログラム記録光学系の概念図、（ｂ）はホログラム記録動作の記録時信号および再生時読出光における位相および強度分布を示す図、（ｃ）はホログラムに記録された信号の再生光強度分布を示す図である。 二つのピクセルからの光のみを考えたホログラム記録を示すものであり、（ａ）は概念図、（ｂ）は記録媒質内の光波の配置を示す図である。 ２ピクセルのみを想定した場合において、位相変調信号が強度変調信号に変換されて再生する仕組みを説明する図である。 多ピクセルを想定した場合において、位相変調信号が強度変調信号に変換されて再生する仕組みを説明する図である。 （ａ）は位相強度変換動作の記録時信号および再生時読出光における位相および強度分布を示す図、（ｂ）は位相強度変換された再生光強度分布を示す図である。 ２ピクセルのみを想定した場合において、位相変調信号が強度変調信号に変換される仕組みを説明する図である。 多ピクセルを想定した場合において、位相変調信号が強度変調信号に変換される仕組みを説明する図である。 全光学的光位相強度変換器を光学的暗号化システムに用いた場合の概略構成を示す図である。 シミュレーションモデルを示すものであり、（ａ）は光学系の全体図、（ｂ）はＳＬＭ面における座標およびメッシュの定義、（ｃ）記録媒質内部における座標およびメッシュの定義を示す図である。 シミュレーションで用いた信号光位相分布を示す図である。 位相強度変換動作のシミュレーション結果を示すものであり、（ａ）は変換後の信号光強度分布、（ｂ）は変換後の信号光のヒストグラムを示す図である。 ホログラフィックメモリ動作のシミュレーション結果を示すものであり、（ａ）は再生された信号光強度分布、（ｂ）は再生された信号光のヒストグラムを示す図である。 入力位相信号のピクセル割合に対する再生光品質の変化を示すグラフである。 光学的暗号化システムのシミュレーションで用いられた位相マスクの位相分布を示す図である。 光学的暗号化システムのシミュレーション結果としての復号された信号光強度分を示すものであり、（ａ）は正しいホログラム鍵を用いた場合、（ｂ）は記録時に用いた位相マスク以外で生成されたホログラム鍵を用いた場合の図である。 動作実験において用いた基本的な光学配置を示す図である。 上記動作実験の実験結果を示すものであり、（ａ）は入力信号位相分布、（ｂ）はホログラム記録再生動作による回折光強度分布、（ｃ）は位相強度変換動作による再生光強度分布を示す図である。 二光束光学系による従来のホログラム記録光学系を示すものであり、（ａ）は記録時の動作、（ｂ）は再生時の動作を示す図である。 コアキシャル光学系による従来のホログラム記録光学系を示すものであり、（ａ）は記録時の動作、（ｂ）は再生時の動作を示す図である。 従来の光位相変換動作を示すものであり、（ａ）は他光路との干渉による位相計測を示す図である、（ｂ）は位相変調信号から強度変調信号が得られる原理を示す図である。 強度変調と位相変調とを組み合わせた空間直交振幅変調を施した信号光を示すものであり、（ａ）は上記信号光の強度分布、（ｂ）は上記信号光の位相分布を示す図である。 空間直交振幅変調を施した信号光の再生動作を説明するものであり、（ａ）はピクセル間の位相差によって引き起こされるエネルギー移動、（ｂ）は読み出し光の強度の相対関係を示す図である。 空間直交振幅変調を施した信号光の再生動作の数値シミュレーション結果を示すものであり、（ａ）は再生された信号光の出力光強度分布、（ｂ）は再生された信号光のヒストグラムを示す図である。

〔ホログラム記録〕
従来、ホログラムの記録においては、物体光と該物体光に対して干渉性を有する参照光とを記録媒質に同時に入射させる必要があったが、本発明は、この参照光を全く不要にする新規のホログラム記録方式を提供するものである。図１（ａ）に本実施の形態に係るホログラム記録光学系の概念図を示す。この記録光学系は、レーザ光源１０、空間光変調器（以下、ＳＬＭと称する）１１、対物レンズ１２、ホログラム記録媒質１３にて構成される。また、レーザ光源１０と空間光変調器１１との間に、レーザ光径を拡大するための拡大光学系を配置しても良い。

ＳＬＭ１１は、レーザ光源１０から出射されるレーザ光に対して位相変調を行い、図１（ｂ）の上段に示すような位相分布（記録時信号分布）を有する光位相信号（位相分布信号）を生成する。すなわち、ＳＬＭ１１によって生成される光位相信号は、０およびφの二値の位相によって位相分布を有する信号となる。ＳＬＭ１１は位相のみを０〜２πの範囲で変調できることが望ましいが、後述するように、ホログラム記録媒質１３としてフォトポリマー媒質を用いる場合、０〜π／２の範囲で変調が可能であれば十分実現可能である。また、ホログラム記録媒質１３も、ディスク型やキューブ型などといった形状を特に問わない。ホログラム記録媒質１３の材料についても、本実施の形態では、現在最も広くホログラム記録媒質として用いられているフォトポリマー媒質を仮定しているが、位相ホログラム記録媒質であれば本発明で用いることができる。但し、ホログラム記録媒質としてフォトリフラクティブ媒質など、入射光波の干渉縞と形成されるホログラムとの間に空間的な位相シフトを伴う媒質を用いる場合には、空間位相シフト量に応じた入射位相変調信号の設計が必要となる点に注意が必要である。

また、図１（ａ）中において、物体光である信号光がホログラム記録媒質１３に入射する際、光波が対物レンズ１２によって集光され、フーリエ変換ホログラムを形成している。しかしながら、本発明では、対物レンズ１２を用いることが必須条件ではなく、ＳＬＭ１１で表示させたページデータに含まれるピクセル間で相互干渉作用が起きればよい。例えば、ＳＬＭ１１を通過する信号光のフレネル領域に記録媒質を配置するなどの構成でも参照光を用いずにホログラム記録が可能となる（ただし、異なるピクセル間で相互作用をしていることが最低条件となる）。このため、本発明においては、参照光のための、光学素子の選択、光学系の配置に対する制約はない。

ホログラムの記録は、ＳＬＭ１１において位相変調された信号光を対物レンズ１２によって集光し、ホログラム記録媒質１３内にホログラムを形成することで行われる。まず始めに、図２（ａ）に示すように、二つの入射ピクセルＡ，Ｂのみが存在するような簡単な場合について考える。それぞれのピクセルＡ，Ｂから出射される光波は、対物レンズ１２によって平面波Ｕ_１，Ｕ_２に変換されるとし、これらの平面波によって形成されるホログラムを式(1)のように定義付けする。式(1)によって示される記録媒質中の光波の配置は図２（ｂ）に示すものとなる。

このように、記録時には、記録したい位相変調信号光を対物レンズ１２等で集光することによって、ホログラム記録媒質１３中にホログラムが形成される。このホログラムは、対物レンズ１２によって光が集められ、その焦点面で光波が互いに干渉することによってホログラムが形成されるものである。あるいは、ホログラム記録媒質１３をＳＬＭ１１に近接させて、ＳＬＭ１１を通過する信号光のフレネル領域にホログラム記録媒質１３を配置しても、信号光の相互干渉作用が生じてホログラム記録が可能になる。

〔ホログラム再生〕
ホログラム記録媒質１３に記録された信号を再生する場合には、ある位相で統一された光波を照射する。ここでは、図１（ａ）に示すホログラム光学系において、ホログラム記録媒質１３を図１（ｂ）の上段に示す記録時信号分布を有する光位相信号にてホログラム記録を行ったものとする。そして、このホログラム記録媒質１３に、図１（ｂ）の下段に示すような、位相０の空間的に一様な位相分布（再生時読出光分布）を有する読出光を照射する。これにより、図１（ｃ）に示すような再生光が得られる。ここで注目すべきは、記録時および再生時にホログラム記録媒質１３に照射するのは位相変調された光位相信号であるのに対し、再生光は光強度で変調された光強度信号となる点である。こうして得られた再生光としての光強度信号は、図１（ａ）に示すように、レンズ１４を介して平行光とし、撮像素子（撮像手段）１５に入射することで検出が可能となる。

本発明のホログラム再生の原理を説明するために、二つのピクセルＡ，Ｂのみが存在するような簡単な場合について考える。記録に用いる二つのピクセルＡ，Ｂからの光波の位相差がφ（すなわち、一方の位相が０で他方の位相がφ）で、再生に用いる二つのピクセルからの光波の位相差が０（すなわち、両方の位相が０）である場合、再生光波は屈折率分布がφの空間位相ズレを有しているように感じる。この場合、再生時に照射される二つのピクセルからの光波のホログラム内部の伝搬は以下の式(2)および式(3)からなる結合波動方程式によって記述できる。

ここで、Ｕ_１，Ｕ_２はそれぞれ、図２中のピクセルＡ，Ｂから来る光波の複素振幅、ｉは虚数単位、λは光源の波長、θは光波間の角度である。この方程式を解くために、格子積分法（P. Yeh, “Introduction to Photorefractive Nonlinear Optics”, John Wiley & Sons,(1993).）を導入すると、式(2)，(3)は、下記の式(4)，(5)のように書き直すことができる。

ここで、

とし、式(4)，(5)を解くと下記の式(7)，(8)となる。

ｚ＝Ｌでの複素振幅Ｕ１(Ｌ)，Ｕ２(Ｌ)を光強度Ｉ１(Ｌ)，Ｉ２(Ｌ)に書き直すと、下記の式(9)，(10)のように表現される。

したがって、記録時において、ピクセルＡの位相が０、ピクセルＢの位相も０であった場合、ピクセルＡの強度は式(11)のようになる。また、ピクセルＡの位相が０、ピクセルＢの位相がπ／２であった場合、ピクセルＡの強度は式(12)のようになる。ここで、Ｕ_０＝Ｕ_１(０)＝Ｕ_２(０)とした。

一方で、ピクセルＡの位相がπ／２、ピクセルＢの位相が０であった場合、ピクセルＡの強度は、式(13)のようになる。また、ピクセルＡの位相もピクセルＢの位相もπ／２であった場合、ピクセルＡの強度は式(14)のようになる。

したがって、式(12)および式(13)において、ｓｉｎ２Ｇ＞０であれば、記録時に用いる位相が０またはπ／２の二値情報であった場合、記録時の位相が０であったピクセルは、記録時の位相がπ／２であった他のピクセルにエネルギーを奪われて強度が減少し、記録時の位相がπ／２であったピクセルは、記録時の位相が０であった他のピクセルからエネルギーを受け取り、強度が増加することが分かる。一方で、式(11)と式(14)とで示された光強度は同一の値を示し、同位相の関係にある二つのピクセルは互いに影響を及ぼさないことが分かる。

したがって、図３に示すように、二つのピクセルからの入射のみを考えた際、本発明の手法で識別できるビットパターンは３通りということになるが、これは一般的なｎピクセルの位相変調信号で表現できるビットパターン数の２^ｎ−１通りと一致する（ｎ＝２）。

次に、二つのピクセルだけではなく、多数のピクセルが存在している場合について考える。多数ある全てのピクセルが互いに相互作用を及ぼすと仮定し、それぞれ一対のピクセルの相互作用の重ね合わせが全体の振る舞いを記述できると仮定する。先に述べたエネルギー移動について、一つのピクセルからのエネルギー移動量の平均をΔとする。記録時にあるピクセルＡの位相状態が０で、その周囲に記録時の位相状態がπ／２であるピクセルがＮ_ｐ個存在する状況を想定すると、媒質照射前にＩ_Ａ(０)であったピクセルＡの強度は、周囲のピクセルとの相互作用を介し、式(15)のようになる。

一方で記録時に位相がπ／２だったピクセルについては、周囲に配置された位相状態０のＮ_０個のピクセルからエネルギーを受け取る側になるので、式(16)のようになる。

ここで、Ｉ_０(０)およびＩ_ｐ(０)は、ＳＬＭのある一点でのピクセルの強度であり、記録する信号光の強度が一定であれば、一般的にＩ_０(０)＝Ｉ_ｐ(０)を満たす。したがって、Δ≠０である条件下では、式(15)と式(16)とは異なる値を持つ。この様子を図４に示す。このように記録した位相の値によって異なる出力強度値を得ることは、本システムがメモリとして動作することを示している。ここで、Δはエネルギー移動量の平均値を示しており、式(12)および式(13)中に見られるｓｉｎ２Ｇの平均値と等価であるため、正負両方の値を取りうる。したがって、Δ＜０の時には、Ｉ_０(Ｌ)＞Ｉ_ｐ(Ｌ)となることに注意が必要である。

尚、記録媒質としてフォトリフラクティブ媒質等の、干渉縞と形成されるホログラムとの間に空間位相シフトを生じさせるような媒質を用いる場合には、空間位相シフト量ψに応じて、入力位相変調信号を０，π／２の二値ではなく、０，π／２＋ψといったように設計することで同様の動作が実現できる。

〔光位相強度変換〕
図１（ａ）に示すホログラム光学系において、ホログラム記録媒質１３を図１（ｂ）の上段に示す記録時信号分布を有する光位相信号にてホログラム記録を行ったものとし、図１（ｂ）の下段に示す空間的に一様な位相分布の再生時読出光を照射することで、ホログラム記録媒質１３に記録されたホログラムの再生を行えることを既に説明した。以下の説明では、この動作を光ストレージ的動作とも呼ぶ。

一方、ホログラム記録媒質１３を図５（ａ）の上段に示すような空間的に一様な位相分布を有する記録時信号にてホログラム記録を行ったものとし、これに図５（ａ）の下段に示す位相分布を有する再生時読出光を照射すれば、再生時読出光における光位相分布を図５（ｂ）に示すような光強度分布（再生光強度分布）に変換して取り出すことができる。以下の説明では、この動作を回折光学素子的動作とも呼ぶ。すなわち、この場合は、図１（ａ）に示すホログラム光学系図を光位相強度変換器として機能させることができる。

尚、図１（ｂ）および図５（ａ）では、一様な位相を有する光波の位相値が０となっているが、この位相値はどのような値に設定しても形成されるホログラムの形状が変わらないため、絶対的な位相値は問われない。同様に位相変調信号も二値の位相変調信号中にある二種類の位相差がφであればその絶対的の位相値に依らない。以下では、図１（ｂ）および図５（ａ）で設定した値、すなわち一様な位相を有した光波の位相値が０、位相変調信号の位相値を０またはφとするが、例えば、一様な位相を有した光波の位相値をψ、位相変調信号の位相値をαとα＋φの二値としても最終的な結果に差異は生じない。言い換えれば、ψ−αとψ−（α＋φ）がφの位相差を有するため、ψやφの値は結果に影響を与えない。

ここでも、本発明の光位相強度変換の原理を説明するために、図２に示すように、二つのピクセルＡ，Ｂのみが存在するような簡単な場合について考える。

光位相強度変換動作におけるホログラムの記録は、一様な位相を有した光波を対物レンズ１２によって集光し、ホログラム記録媒質１３内にホログラムを形成することで行われる。このような光位相強度変換動作におけるホログラム記録は、上述したホログラム記録と同じ原理によって記録が行われる。

次に、検出したい位相変調信号を強度変調信号として再生するためは、図５に示すような関係にある光波を照射する。記録に用いる二つのピクセルＡ，Ｂからの光波の位相差が０（すなわち、両方の位相が０）で、再生に用いる二つのピクセルＡ，Ｂからの光波の位相差がφ（すなわち、一方の位相が０で他方の位相がφ）である場合、再生光波は屈折率分布が−φの空間位相ずれを有しているように感じる。この場合、再生時に照射される二つのピクセルからの光波のホログラム内部の伝搬は以下の式(17)および式(18)からなる結合波動方程式によって記述できる。

ここで、Ｕ_１，Ｕ_２はそれぞれ、図２中のピクセルＡ，Ｂから来る光波の複素振幅、ｉは虚数単位、λは光源の波長、θは光波間の角度である。この方程式を解くために、格子積分法を導入すると、式(17)，(18)は、下記の式(19)，(20)のように書き直すことができる。

ここで、式(19)，(20)を解くと、下記の式(21)，(22)となる。

ｚ＝Ｌでの複素振幅Ｕ１(Ｌ)，Ｕ２(Ｌ)を光強度Ｉ１(Ｌ)，Ｉ２(Ｌ)に書き直すと、下記の式(23)，(24)のように表現される。

したがって、検出される位相変調信号のあるピクセルＡの位相が０、ピクセルＢの位相も０であった場合、ピクセルＡの強度は上述した式(25)のようになる。また、ピクセルＡの位相が０、ピクセルＢの位相がπ／２であった場合、ピクセルＡの強度は式(26)のようになる。ここで、Ｕ_０＝Ｕ_１(０)＝Ｕ_２(０)とした。

一方で、ピクセルＡの位相がπ／２、ピクセルＢの位相が０であった場合、ピクセルＡの強度は、式(27)のようになる。また、ピクセルＡの位相もピクセルＢの位相もπ／２であった場合、ピクセルＡの強度は式(28)のようになる。

したがって、式(26)および式(27)において、ｓｉｎ２Ｇ＞０であれば、再生時に照射される光波の位相が０またはπ／２の二値情報であった場合、検出時の位相が０であったピクセルは、検出時に与える信号の位相がπ／２であった他のピクセルからエネルギーを受け取り、強度が増加し、検出時に与える信号の位相がπ／２であったピクセルは、検出時に与える信号の位相が０であった他のピクセルにエネルギーを受け渡し、強度が減少することが分かる。一方で、式(25)と式(28)で示された光強度は同一の値を示し、同位相の関係にある二つのピクセルは互いに影響を及ぼさないことが分かる。したがって、図６に示すように、二つのピクセルからの入射のみを考えた際、本手法で識別できるビットパターンは３通りということになるが、これは一般的なｎピクセルの位相変調信号で表現できるビットパターン数の２^ｎ−１通りと一致する（ｎ＝２）。

ホログラム再生動作における式(12)，(13)と光位相強度変換動作における式(26)，(27)とを比較すると、ホログラム再生動作と光位相強度変換動作とでは、エネルギーの移動方向が逆転することが分かる。具体的には、ホログラム再生動作では、記録時の位相値が０であったピクセルがエネルギーを受け渡し、π／２であったピクセルがエネルギーを受け取る側だったのに対し、光位相強度変換動作においては、図６に示すように、再生時の位相値が０であったピクセルがエネルギーを受け取り、π／２であったピクセルがエネルギーを受け渡す側になる。

次に、二つのピクセルだけではなく、多数のピクセルが存在している場合について考える。多数ある全てのピクセルが互いに相互作用を及ぼすと仮定し、それぞれ一対のピクセルの相互作用の重ね合わせが全体の振る舞いを記述できると仮定する。先に述べたエネルギー移動について、一つのピクセルからのエネルギー移動量の平均をΔとする。記録に用いた光波の位相が０で統一されており、再生時にあるピクセルＡの位相状態が０で、その周囲に記録時の位相状態がπ／２であるピクセルがＮ_ｐ個存在する状況を想定すると、媒質照射前にＩ_Ａ（０）であったピクセルＡの強度は、周囲のピクセルとの相互作用を介し、式(29)のようになる。

一方で記録時に位相がπ／２だったピクセルについては、周囲に配置された位相状態０のＮ_０個のピクセルにエネルギーを受け渡し、式(30)のようになる。

ここで、Ｉ_０(０)およびＩ_ｐ(０)は、ＳＬＭのある一点の強度であり、ここではＩ_０(０)＝Ｉ_ｐ(０)を仮定する。この場合、Δ≠０である条件下では、式(29)と式(30)とは異なる値を持つ。この様子を図７に示す。このように被検出位相分布の位相値によって異なる出力強度値を得ることは、本システムが位相強度変換器として動作することを示している。

また、上記回折光学的動作において、記録時に空間的に一様な位相を有した光波でホログラムを記録することは必須条件ではない。例えば、記録時に用いる位相分布がφ（ｘ、ｙ）であり、検出したい信号光の位相分布がψ（ｘ、ｙ）であったとすると、検出時にホログラムに照射する光波の位相分布をφ（ｘ、ｙ）＋ψ（ｘ、ｙ）とすれば、信号光と検出光の位相差がψ（ｘ、ｙ）とすることが出来、先に説明した動作を実現することが出来る。さらにこのことは光ストレージ的動作においても同様であり、記録する位相変調信号の位相分布をφ（ｘ、ｙ）＋ψ（ｘ、ｙ）とし、再生時に用いる光波の位相分布をφ（ｘ、ｙ）とすれば、両者の光波の位相差がψ（ｘ、ｙ）となるため、ψ（ｘ、ｙ）の位相分布を持つ光波を記録することが出来る。このことは、本手法が光波の伝搬光路に存在する光学素子の汚れや傷などの位相歪み物体の影響を全く受けず動作することや、新たなアプリケーションを実現できることを示しており、情報セキュリティ分野への応用もその一つである。

次に、本実施の形態に係る位相強度変換器を情報セキュリティ分野へ応用するための光学系とその作用について述べる。本発明を用いた光暗号化技術の概念図を図８に示す。

暗号化されるデータである位相変調信号は、まず位相マスクなどによって実現される鍵Ａによって暗号化される。なお、鍵Ａとして用いる位相マスクは形態を問わず、二値位相マスクや多値位相マスク、生体情報等を用いることが出来る。被暗号化データが鍵Ａによって暗号化された時点で、被暗号化データの位相分布と鍵Ａの位相分布が互いに重なり合い、特別な処理なしに被暗号化データを解読することは不可能である。このように暗号化されたデータ（暗号化位相変調信号）を、二光束光学系を用いてホログラム記録媒質（情報記録部）内に保存する。こうすることによって、暗号化データを蓄積した光ディスクが完成する。

次にこの暗号化されたデータを復号する場合を考える。データを復号するに当たって、暗号化に用いた鍵Ａを、本発明で提供される単一光波によるホログラム記録光学系で予めホログラム（復号部：復号化用ホログラム記録媒質）として記録しておく。この形成されたホログラムは復号時において鍵Ｂとして作用する。復号時には、情報記録部であるホログラフィックメモリから再生された暗号化データを鍵Ｂに照射する。この時、鍵Ｂが鍵Ａによって作成されたものでないと正しく複号されない。これは、本発明における位相強度変換を引き起こすエネルギー移動の量が、ホログラムを記録する時に用いた光波の位相分布と再生に用いた光波の位相分布の位相差に依存するためである。すなわち、鍵Ｂを書き込むために使用した鍵Ａの位相分布と暗号化されたデータの位相分布との差が、被暗号化データの位相分布そのものであるため、鍵Ｂが正しい鍵であれば被暗号化データの位相分布が強度分布に変換されて出力される一方で、異なる鍵を用いた場合は正しく出力されない。

この光学的暗号化手法において、鍵Ｂは複雑な構造をもつホログラムであるため簡単に複製することができない。また、鍵Ａを盗まれたとしても、鍵Ｂを作成する記録条件（位置や回転角、焦点の位置など）が正しくなければ、復号に用いる鍵Ｂを作成することができない。このような手順によって、全光学的光位相強度変換器を用いた光学的暗号化手法が実現される。

なお、図８に示す例では、被暗号化データが鍵Ａによって暗号化されてホログラム記録媒質に一旦記録され、このホログラム記録媒質から再生された暗号化データが鍵Ｂに照射され、復号されているが、これに限定されるものではなく、次のようにすることも可能である。まず、被暗号化データが鍵Ａによって暗号化された暗号化データが電子化された電子化暗号化データとして何らかの記録媒体に記録しておく。そして、この暗号化データを再生する場合には、上記電子化暗号化データに基づいて空間光変調器によって位相分布信号を生成し、その光を鍵Ｂに照射する。これにより、被暗号化データを復号化することができる。

すなわち、暗号化されたデータ（φ＋Ψ）をいったん情報記録部のホログラムに記録することは必須ではなく、例えばデータ（φ＋Ψ）を電子化されたデータとして持ち運び、再生の場合には、その電子化されたデータから光位相（φ＋Ψ）を空間光変調器などによって生成し、その光を鍵Ｂに照射することによって、機密データφを解読することができる。

〔数値計算による動作確認〕
ここでは、先で述べた本発明の原理を実証するために、数値計算による動作確認を行う。特に、本発明により実現される、（１）位相強度変換器、（２）ホログラフィックメモリ、（３）光学的暗号化技術の三つの応用技術に関する動作の確認をする。これらの三つの応用分野の動作確認に際し、いくつか共通の条件を使用しているためそれを先に述べる。

計算は図９に示す解析モデルに従い、不均質媒質中の光波の伝搬計算には高速フーリエ変換ビーム伝搬法（Junya Tanaka, Atsushi Okamoto, and Motoki Kitano, “Development of Image-Based Simulation for Holographic Data Storage System by Fast Fourier Transform Beam-Propagation Method”, Jpn. J. Appl. Phys. Vol.48, (2009)）を用いた。また、三つの応用分野の動作確認計算で用いるパラメータは、表１に示す通りであり、互いに同一である。

また、検出や記録する信号分布も同一のものを用い、その分布を図１０に示した。図１０に示された位相変調信号の黒で塗られた領域は位相値０、白で塗られた領域は位相値π／２を示す。また、記録媒質はフォトポリマーを仮定し、対物レンズによって集光されて形成される干渉縞が以下の式(31)に従って屈折率分布に変換されるとした。

ここで、ｎ_ｍａｘは最大屈折率変調量、Ｉ(ｘ，ｙ，ｚ)は干渉縞の強度[Ｗ／ｃｍ^２]、Ｔは露光時間[ｓ]、Ｅ_ｓａｔは材料によって決まる定数[Ｊ／ｃｍ^２]である。このように形成されたホログラム中に再生光を照射し、ホログラム中の光波伝搬を計算することで、ホログラムの再生過程を計算する。

（１）全光学的光位相強度変換器としての動作の確認
全光学的光位相強度変換器のシミュレーションでは、まず同一の位相値で統一された光波を記録する。このホログラムに、図１０に示した位相変調信号を照射したところ、図１１（ａ）に示すような再生光強度分布が得られた。この結果と、図１１（ｂ）に示した再生光のヒストグラムから、入力位相分布が、エラーなく強度分布へと変換されていることが分かる。このことから、全光学的光位相強度変換器の動作が数値計算的に確認されたといえる。

（２）ホログラフィックメモリとしての動作の確認
上記（１）で解析した、全光学的光位相強度変換器の過程を逆に用いることによって、本発明は、記録時の参照光が不要で、かつ再生時の位相変調信号検出が不要なホログラフィックメモリを実現することが出来る。このことを確認するために、本シミュレーションにおいては、図１０に示す位相変調信号を記録した後、一様な位相値０で統一された光波を照射することによって再生をおこなった。なお、ホログラフィックメモリの特長の一つである多重記録については今回想定していない。再生光強度分布を図１２（ａ）に、再生光のヒストグラムを図１２（ｂ）に示す。この結果も、全光学的位相強度変換器の結果同様、エラーなく再生されていることが分かる。再生された強度分布が、（１）で行ったシミュレーションの結果と異なっているのは、原理説明の際に導出した式(12)，(13)および式(26)，(27)の関係と一致している。また、ホログラフィックメモリの再生光品質を評価する指標の一つに、信号対雑音強度比（ＳＮＲ：Signal to Noise Ratio）があり、１．０を超えるＳＮＲが正常な再生を表している。ＳＮＲを以下の式(32)のように定義づけしたとき、本シミュレーションによって得られた再生光のＳＮＲは、８．７２と正常な再生に十分な値であった。

次に、本手法における再生特性について、入射信号光の位相分布の偏りによるＳＮＲの変化について調べた。これは、入射信号光において、位相０を有したピクセルと位相π／２を有したピクセルとの数によって、どの程度再生品質に影響を及ぼすかという点に関する計算である。図１３に示した結果は、π／２の位相を有するピクセル出現率を変化させた時のＳＮＲの変化である。このＳＮＲは、異なる８種類の乱数を元に作製された入力信号光を用いた際の再生ＳＮＲの平均値である。この結果から、再生光のＳＮＲは、π／２のピクセル出現確率に殆ど依存しないことが分かる。したがって、本手法を用いる際、記録光の設計に求められる制約は移送値のみであり、それらの信号がどのように分布しているかには依らないことが分かる。

（３）光学的暗号化システムへの応用のための動作確認
光学的暗号化システムのシミュレーションでは、図１０で示される位相変調信号を図１４に示す位相マスクによって暗号化されたデータを復号する場合の動作を確認する。この動作では、図１４で示された光波によって記録されたホログラムをホログラム鍵として用いる場合では正常に再生されるが、それ以外の光波で記録されたホログラム鍵では正常に再生されないことを示す。なお、図１４で示した位相分布は、黒で示された領域の位相値が０、白で示された領域の位相値がπであり、図１０に示した位相分布の色の対応とは異なることに注意が必要である。正しい位相マスク、すなわち図１４に示した位相マスクで作製されたホログラムを、暗号化されたデータの焦点面に配置した場合の復号データを図１５（ａ）に、正しくない位相マスクで生成されたホログラムによって復号化されたデータを図１５（ｂ）に示す。この結果から、正しいホログラム鍵で復号を行った場合、被暗号化データが読み出されていることが確認される一方で、正しくないホログラム鍵を用いた場合、復号データが白色雑音化され暗号化データが取り出せないことが確認される。またここでは二値の位相マスクを暗号化に用いたが、多値の位相マスクを用いても同様の動作が行われる。

〔光学実験による動作確認〕
本発明により実現される光位相強度変換器とホログラフィックメモリの原理の理論的な実証のために、光学実験による評価を行った。基本的な光学配置はシミュレーションで想定したものと同様であり、それを図１６に示す。レーザ光源としては、波長５３２．０[ｎｍ]のＤＰＳＳ（Diode Pumped Solid State）レーザを用いた。ホログラムの記録では、ビームエキスパンダ（ＢＳ：Beam Expander）によって拡大されたビームを、対物レンズによって記録媒質中に集光する。ここで、用いた対物レンズの開口数（ＮＡ：Numerical Aperture）は０．６５、記録媒質はフォトポリマーである。なお、記録光強度は７２０μＷで、一つのデータピクセルのサイズが約１８０μｍであった。

再生時には、記録時と同一の光学系で、ＳＬＭで位相変調した入力信号を図１７（ａ）に示す信号とした。また、この信号光分布は０，π／２で変調した位相変調信号に一致するもので、黒で示された領域に対して、白で示された領域の位相がπ／２進んでいる。このような実験手順に従い、得られた再生光のうちＣＣＤカメラによって撮像された領域を図１７（ｂ）に示す。この時、記録した変調信号は４５×４５個のデータピクセルを有していたが、ＣＣＤカメラによって撮像されたのは、その一部分の８×８のデータピクセル領域であることに注意が必要である。この結果が示すように、被検出光波のうち０の位相を有しているピクセルとπ／２の位相を有しているピクセルの間でエネルギーの移動が起こっていることが分かる。

また、位相変調された光波を記録しておき、形成されたホログラムに一様な位相を持つ光波を照射することによって、記録した位相変調信号が強度変調信号として読み出されるホログラフィックメモリ的動作についても確かめた。記録時には図１７（ａ）で示す位相変調信号を入射し、再生時には一様な位相値を持つ光波を照射した。この結果、図１７（ｃ）のような光波が回折され、記録した位相変調信号が強度変調信号として再生されていることが分かる。

また、図１７（ｃ）に示した結果は、図１７（ｂ）に示した結果と比べ、エネルギーを受け取っているピクセルおよびエネルギーを受け渡しているピクセルが反転しているが、これは、先に導出した理論式(12)，(13)と(26)，(27)との関係に一致している。

本発明を用いた位相強度変換過程は、予め空間的に一様な位相情報を記録しておいたホログラムを用意しておき、位相変調信号をそのホログラムに照射することで強度変調方式として取り出す、全光学的なものである。こうした全光学的な位相強度変換は、予めホログラムを形成するために用いた空間的に一様な位相を有した光波と、被検物体である位相が未知である信号光との間に存在する位相差分布の各点の位相差が引き起こすエネルギー移動を伴う干渉によって実現されるものである。このエネルギー移動は、記録に用いた一様な位相をもった光波と被検出位相変調信号の間に生じる位相差の異なる位置間の位相差によって異なる符号を持つ。実際には、空間的に一様な光波を記録に用いた場合、この位相差分布は信号光の持つ位相分布と同じものになるので、エネルギー移動は検出時に照射される位相変調信号の各点の相対的な位相に依存し、その点が他の点からエネルギーを受け取る点であるのか、或いは受け渡す点であるのかが決定される。これは、ホログラムの形成に用いた光波と信号光の間の位相差分布が、ホログラムにおける回折とそれに伴うエネルギー移動によって、強度分布となって現れることを意味している。また、従来のホログラム記録には、記録したい信号光と、それとは別の参照光を必要としていたが、本発明においてホログラムを形成する過程においては、参照光は必要とされず、信号光をレンズ等によって記録媒質中に集光させるだけでよい。

本発明で提供される全光学的光位相強度検出器は、製品検査や生体計測、および、医療分野や顕微鏡分野等において用いられる位相計測をより簡易な光学系で高精度に実現するために非常に有益である。これらの分野において、本発明により、３次元の光位相情報を超高速に変換・計測することが可能になる。

また、本発明では、位相変調信号をホログラムとして記録し、一様な位相を持った光波でこれを照射すれば、記録された位相変調信号が強度変調信号として再生することが出来るため、参照光の不要なホログラフィックメモリを実現出来る。また、従来の位相変調型ホログラフィックメモリの発展の足かせとなっていた位相強度変換器が不要になる点も大きな利点である。ＣＤやＤＶＤといった従来の光ストレージに使われている光学系を用いて大容量ホログラムの記録再生が可能になる。

さらに本発明は、機密データを光学的に暗号化する、情報セキュリティ分野への応用が可能である。本発明を情報セキュリティ分野へ応用するには、ホログラムに記録した信号光と、再生時に照射する光波の間に存在する位相差によって回折特性が異なることを利用する。秘密情報と鍵情報の二つの位相状態の重ね合わせで表される光波（信号光）のうち秘密情報だけを取り出そうとしたとき、鍵情報を用いて書かれたホログラムが必ず必要になる。したがって、本手法は秘密情報を鍵情報によって暗号化し、鍵情報によって形成されたホログラム鍵によって秘密情報を解読する、非常に高速な光学的暗号化システムとして動作することになる。

本発明によって提供される光位相強度変換器は、医療分野や顕微鏡分野などで要求される位相計測器として用いることが出来るばかりか、記録時に参照光を不要とし、位相変調信号の再生時に特別な位相強度変換器が不要となる、小型かつ高性能なホログラフィックメモリが実現できる。さらに本発明は、複製が困難なホログラムを鍵として用いることによって、強固な情報セキュリティ技術を可能にする。

本発明で提供される光位相強度変換器は全光学的な処理に基づくため、本発明を位相計測器として用いると、干渉計を組む必要がなく、かつ干渉によって得られた干渉縞を基に位相分布を計算する必要がなくなる。したがって本発明によって、位相計測器そのものの小型化、さらには位相計算に用いる計算機の不要化が可能となり、省電力かつ省スペースな位相計測器を構築する事ができる。特に全光学的な処理による省電力化は、今後発展が期待されるグリーンＩＴ技術分野において重要な意味を持つと考えられる。

また本発明は、位相変調信号を対物レンズ等によって集光するだけで、ホログラムを記録し、一様な位相分布を持った光波を入射するだけで、記録した位相変調信号を強度変調信号として再生することが出来る。こういった特長は、一例として、ホログラフィックメモリの分野に大きな革新をもたらすものである。まずホログラムの作製に参照光が不要となることは、ホログラムの記録に用いる光学系が、従来のＣＤやＤＶＤの記録光学系とほとんど変わらない形で実現できることを示している。これによって、装置の小型化や低コスト化、従来の光メモリ技術との高い互換性によるホログラフィックメモリの早期実現が可能となる。次にホログラフィックメモリの高密度化、転送速度の高速化を実現するために、位相変調信号を用いることが多く検討されている中、本発明によるホログラフィックメモリは、位相変調型ホログラフィックメモリ発展の足かせとなっていた位相強度変換機能が再生過程に包括されているため、位相強度変換器に関わる光学系を要することなく、高性能なホログラフィックメモリシステムを構築できる。この効果によって、ホログラフィックメモリの高性能化および低コスト化が大いに期待される。

さらに本発明によって光学的暗号化システムを実現することも出来る。光位相強度変換器によって実現される光学的暗号化システムは、ある鍵で暗号化されたデータを、その鍵で作成されたホログラムを介さなければ復号できないというものである。このホログラムを作製するために、本発明で提供されるホログラムの一光束記録技術が用いられる。このホログラムを形成する位相分布を、多値位相変調信号光とすると、再生時に適切なエネルギー移動が引き起こされないため、強度情報として読み出すことが出来ない。さらにホログラムそのものの複製も不可能であるため、ホログラム鍵の複製は限りなく不可能であるといえる。特に被暗号化データを所有する情報管理者の生体情報等を、被暗号化データを暗号化するための暗号鍵とすれば、ホログラムを記録するための位相分布も本人以外用意できないため、ホログラム鍵を不正に複製することは不可能である。このように本発明による光学的暗号化システムは、例えば、ある一人の管理者が持つ情報を、他の特定の人々だけに公開したい場合に有益であると言える。例えば、映画や音楽の制作会社が有する位相情報を基に作製されたホログラムを、商品に添付して販売することで、ホログラム鍵なしには再生することができないので、海賊版等の蔓延を防止することが出来る。また、企業などにおいて、ある情報管理者が特定の部署や個人のみに情報を公開したい場合にも同様の効果が期待できる。

〔強度変調と位相変調を組み合わせた空間直交振幅変調信号の記録再生〕
上記説明においては、位相変調のみが行われ、強度変調が行われていない信号の記録再生について記載している。しかしながら、強度変調と位相変調とを組み合わせた空間直交振幅変調信号であれば、異なる位相値が含まれるので本発明を適用したホログラフィックメモリとして記録再生することが可能である。このような空間直交振幅変調信号の記録再生について以下に説明する。

ここでは、強度２値×位相２値の空間直交振幅変調信号の場合について、強度変調と位相変調とを組み合わせた空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）を施した信号光（図２１（ａ），（ｂ））を記録した場合にも、本発明による方法でホログラフィックメモリとして動作することを確認する。

初めに、２値の強度変調と２値の位相変調を組み合わせた（(２、２)−ＳＱＡＭ）信号において、この信号が取り得る４つの状態を以下のように表す。

強度が高レベルＩ_Ｈで位相が０のピクセル：Ｈ０
強度が高レベルＩ_Ｈで位相がπ／２のピクセル：Ｈｐ
強度が低レベルＩ_Ｌで位相が０のピクセル：Ｌ０
強度が低レベルＩ_Ｌで位相がπ／２のピクセル：Ｌｐ
ここで、本発明による方法でホログラフィックメモリの動作を可能とするためには、Ｉ_Ｈ＞Ｉ_Ｌ、かつ、Ｉ_Ｌ≠０が満たされる必要がある。さらに、本実施の形態においては、メモリの再生は一様な位相を有する読み出し光波によって行われるものとするが、これは必須の条件ではない。強度分布と位相分布とを有する空間直交振幅変調信号の再生を行う場合にも、位相分布のみを有する位相変調信号の再生時と同様に、記録する位相変調信号の位相分布をφ（ｘ、ｙ）＋ψ（ｘ、ｙ）とし、再生時に用いる読み出し光波の位相分布をφ（ｘ、ｙ）とすれば、両者の光波の位相差がψ（ｘ、ｙ）となるため、ψ（ｘ、ｙ）の位相分布を持つ光波を記録することができる。すなわち、信号記録の際に、φ（ｘ、ｙ）という位相を信号に加えて記録した場合には、読み出し光として、位相分布をφ（ｘ、ｙ）とすることで読み出しが可能になる。また、再生に用いる読み出し光波の強度分布は一様であることが望ましい。

ホログラムの再生時には、記録した位相変調信号分布と読み出し光の位相分布の位相差分布におけるピクセル間の位相差によって引き起こされるエネルギー移動によって、図２２（ａ）に示す４種類のエネルギー移動Δ１，Δ２，Δ３，Δ４が起こる。この時、各ピクセルの強度が異なっていたとしても位相が同じであればエネルギー移動は起こらないため、同位相のピクセル同士の相互作用は無視することができる。また、位相０のピクセルと位相π／２のピクセルとの間の相互作用に関して、０のピクセルはπ／２のピクセルにエネルギーを与え、逆にπ／２のピクセルは０のピクセルからエネルギーを受け取るとする。ここでは図２２を基に、各ピクセルのエネルギー移動量を示す。各ピクセルのエネルギー移動量は、Δ１，Δ２，Δ３，Δ４＞０としたとき、
Ｈ０：−（Δ１＋Δ４）
Ｈｐ：＋（Δ１＋Δ３）
Ｌ０：−（Δ２＋Δ３）
Ｌｐ：＋（Δ２＋Δ４）
と表わされる。したがって、再生される各ピクセルの出力光強度は、
Ｉ_Ｈ０：Ｉ_ｒｅａｄ−（Δ１＋Δ４）
Ｉ_Ｈｐ：Ｉ_ｒｅａｄ＋（Δ１＋Δ３）
Ｉ_Ｌ０：Ｉ_ｒｅａｄ−（Δ２＋Δ３）
Ｉ_Ｌｐ：Ｉ_ｒｅａｄ＋（Δ２＋Δ４）
となる。ここで、Ｉ_ｒｅａｄは読み出し光の強度である。この結果を図示したものが図２２（ｂ）であり、記録光の強度と位相との組み合わせによって、出力光強度が４値に分かれていることがわかる。また、高レベルの強度同士で書き込んだホログラム強度のほうが低レベルで書き込んだホログラム強度より高いので、一般的には、Δ１＞Δ２が成り立つ。出力光強度の４つの値が明確に分離されるように、記録する強度分布の強度比や記録時間を調整すればよい。

次に、ＦＦＴ−ＢＰＭ（Fast Fourier Transform Beam Propagation Method）を用いた空間直交振幅変調を施した信号光の再生動作の数値シミュレーション結果を示す。図２３（ａ）がシミュレーションによって得られた出力光強度分布である。なお、記録光は図２１（ａ），（ｂ）に示すものと同様のものを用い、強度比はＩ_Ｌ：Ｉ_Ｈ＝３：１０とした。図２３（ａ）の結果に対応するヒストグラムが図２３（ｂ）であり、出力光強度が４つの値に分かれて分布していることがわかる。以上の結果より、本発明の方法が、空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）信号に対しても正しく動作することが確認された。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、製品検査や生体計測および医療分野や顕微鏡分野等において用いられる位相計測、参照光の不要なホログラフィックメモリ、高速な光学的暗号化システムなどに利用することができる。

１０ レーザ光源
１１ 空間光変調器
１２ 対物レンズ
１３ ホログラム記録媒質
１５ 撮像素子（撮像手段）

Claims (8)

1. レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相分布信号を生成する工程と、上記位相分布信号を、参照光を用いずに対物レンズを介して上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるようにホログラム記録媒質に集光して、上記位相分布信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有するホログラム記録方法によって二値の位相分布信号が記録されたホログラム記録媒質に、上記ホログラムの記録時と同一の光学系を用いて位相が空間的に一様な再生時読出光を照射する工程と、
   上記再生時読出光の照射によって上記ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出す工程とを有することを特徴とするホログラム再生方法。
2. レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相分布信号を生成する工程と、参照光を用いずに、上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるように、上記位相変調が施された上記位相分布信号をフレネル領域に配置されたホログラム記録媒質に照射して、上記位相分布信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有するホログラム記録方法によって二値の位相分布信号が記録されたホログラム記録媒質に、上記ホログラムの記録時と同一の光学系を用いて位相が空間的に一様な再生時読出光を照射する工程と、
   上記再生時読出光の照射によって上記ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出す工程とを有することを特徴とするホログラム再生方法。
3. レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相分布信号を生成する工程と、上記位相分布信号を、参照光を用いずに対物レンズを介して上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるようにホログラム記録媒質に集光して、上記位相分布信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有するホログラム記録方法によって位相が空間的に一様な位相分布信号が記録されたホログラム記録媒質に、上記ホログラムの記録時と同一の光学系を用いて二値の位相分布を有する位相変調信号を照射する工程と、
   上記位相変調信号の照射によって上記ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出す工程とを有することを特徴とする光位相強度変換方法。
4. レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相分布信号を生成する工程と、参照光を用いずに、上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるように、上記位相変調が施された上記位相分布信号をフレネル領域に配置されたホログラム記録媒質に照射して、上記位相分布信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有するホログラム記録方法によって位相が空間的に一様な位相分布信号が記録されたホログラム記録媒質に、上記ホログラムの記録時と同一の光学系を用いて二値の位相分布を有する位相変調信号を照射する工程と、
   上記位相変調信号の照射によって上記ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出す工程とを有することを特徴とする光位相強度変換方法。
5. レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相分布信号を生成する工程と、上記位相分布信号を、複数のピクセルを含む位相分布を有する位相マスクによって暗号化した暗号化位相変調信号を生成する工程と、上記暗号化位相変調信号を、参照光を用いずに上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるようにホログラム記録媒質に照射して、上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有するホログラム記録方法によって記録されたホログラム記録媒質から、上記暗号化位相変調信号を再生する工程と、
   レーザ光源から照射される光を上記位相マスクによって位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相マスク信号を生成する工程と、上記位相マスク信号を、参照光を用いずに上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるようにホログラム記録媒質に照射して、上記位相マスク信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有する位相マスクホログラム記録方法によって予め記録された復号化用ホログラム記録媒質に、上記暗号化位相変調信号を照射する工程と、
   上記暗号化位相変調信号の照射によって上記復号化用ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出すことにより、上記暗号化位相変調信号を復号する工程とを有することを特徴とする、暗号化位相変調信号の復号方法。
6. レーザ光源から照射される光に位相変調を行って生成された複数のピクセルを含む位相分布信号が、複数のピクセルを含む位相分布を有する位相マスクによって暗号化された暗号化データが電子化された電子化暗号化データに基づいて、レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む暗号化位相変調信号を生成する工程と、
   レーザ光源から照射される光を、上記位相マスクによって位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相マスク信号を生成する工程と、上記位相マスク信号を、参照光を用いずに上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるようにホログラム記録媒質に照射して、上記位相マスク信号を上記ホログラム記録媒質に記録する工程とを有する位相マスクホログラム記録方法によって予め記録された復号化用ホログラム記録媒質に、上記暗号化位相変調信号を照射する工程と、
   上記暗号化位相変調信号の照射によって上記復号化用ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光を撮像素子に入射させて、上記再生光の強度分布を読み出すことにより、上記暗号化位相変調信号を復号する工程とを有することを特徴とする、暗号化位相変調信号の復号方法。
7. レーザ光源と、
   上記レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相分布信号を生成する空間光変調器と、
   上記位相分布信号を、参照光を用いずに上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるようにホログラム記録媒質に集光する対物レンズと、
   二値の位相分布を有する位相分布信号が記録されている上記ホログラム記録媒質に、上記位相分布信号の記録時と同一の光学系を用いて、位相が空間的に一様な再生時読出光を照射した場合に、上記ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光の光強度分布を読み出す撮像手段とを有することを特徴とするホログラム記録再生装置。
8. レーザ光源と、
   上記レーザ光源から照射される光に位相変調を行って、複数のピクセルを含む位相分布信号を生成する空間光変調器と、
   上記位相分布信号を、参照光を用いずに上記複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じるようにホログラム記録媒質に集光する対物レンズと、
   位相が空間的に一様な位相分布信号が記録された上記ホログラム記録媒質に、上記位相が空間的に一様な位相分布信号の記録時と同一の光学系を用いて二値の位相分布を有する位相変調信号を照射した場合に、上記ホログラム記録媒質から出射され、複数のピクセル間で回折光による相互干渉作用が生じている再生光の光強度分布を読み出す撮像手段とを備えていることを特徴とする光位相強度変換器。