JP7492037B2 - 光メモリ、光回折素子、及び、記録方法 - Google Patents

光メモリ、光回折素子、及び、記録方法 Download PDF

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Description

本発明は、光メモリ、光回折素子、及び、記録方法に関する。
ディスク型であり、記録材料の形状がバルク＆プレーン型である光メモリ（ＤＶＤやＢｌｕ－Ｒａｙ（登録商標）ディスクなど）が特許文献１に記載されている。このような光メモリは、光ディスクとも呼ばれる。光ディスクには、再生専用のものと、一度だけ書き込み可能なものと、複数回に亘って書き換え可能なものとがある。
これらのうち、書き換え可能な光ディスクは、記録材料として、Ｇｅ－Ｓｂ－Ｔｅ系に代表される化合物を用いている。これらの化合物は、カルコゲナイドガラスとも呼ばれる。また、その一例としては、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５が挙げられる。以下において、Ｇｅ－Ｓｂ－Ｔｅ系の化合物のことを単にＧＳＴと記載する。
ＧＳＴは、アモルファス相と結晶相とを利用する相変化型の記録材料である。アモルファス相は、融点以上の温度に加熱したＧＳＴを急冷することによって得られる。また、結晶層は、アモルファス相をガラス転移点以上融点以下の温度においてアニールすることによって得られる。光ディスクにおいては、記録材料の各区画に対して書き込み用のレーザ光を照射する。光ディスクにおいては、このレーザ光照射を用いて記録材料の各区画を所定の温度領域まで加熱することによって、相変化を実現している。
なお、アモルファス相と結晶相とでは、光の屈折率、吸収率、および、反射率などの光学的な物性が異なる。そのため、光ディスクにおいては、読み出し用のレーザ光を用いて、記録材料の各区画がアモルファス相及び結晶相の何れであるのか読み出すことができる。
日本国公開特許公報「特開２００１－３２５７４５号」
ところで、書き換え可能な光ディスクにおいて、記録材料であるＧＳＴは、ディスク状の樹脂である基板の上に、当該基板の有効領域の全面を一様に覆うように設けられている。このように、書き換え可能な光ディスクは、プレーン型か、または、溝状のグルーブやランドと呼ばれる凹凸構造を有する記録材料を採用している。これらの書き換え可能な光ディスクのいずれにおいても、記録材料の層は、バルクサイズの連続体として形成されている。そのため、記録材料を構成するＧＳＴの体積が記録材料の各区画の体積と比較して著しく大きくなる。バルクサイズの連続体自身の相転移に要するエネルギーが高いこと、および、レーザ光を吸収することによって生じた熱が熱伝導によって照射スポットよりも外側に広がり失われやすいことから、各区画を相変化させるために高い光のパワー及び／又はエネルギーを要し、エネルギー効率が低い。
本発明の一態様は、上述した課題に鑑みなされたものであり、その目的は、光メモリにおいて、各区画を相変化させるときのエネルギー効率を高めることである。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光メモリは、支持体と、光の照射により結晶相と非晶質相との間で相変化する相変化材料により構成された複数のナノ粒子であって、前記支持体により支持されている複数のナノ粒子と、を備えている。本光メモリにおいて、各ナノ粒子は、特定の面の面内方向および前記特定の面の法線方向の少なくとも何れかにおいて互いに離間している。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る光回折素子は、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のセルと、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係る光メモリであって、前記複数のセルに積層された光メモリと、を備えている。本光回折素子において、前記特定の面に各セルの底面を投影することにより得られる領域の各々を前記光メモリの区画として、各区画には、前記複数のナノ粒子の一部である１又は複数のナノ粒子が配置されている。
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る記録方法は、光の照射により結晶相と非晶質相との間で相変化する相変化材料により構成された複数のナノ粒子であって、特定の面内方向において互いに離間している複数のナノ粒子を備えている光メモリを用いた記録方法である。本記録方法は、空間強度分布が特定の情報を表す複数の信号光であって、各々が時間差を有する複数の信号光が光メモリに入射する第１の工程と、各信号光を書き込み用の光として、各信号光を光メモリに記録する第２の工程と、を含んでいる。
本発明の一態様によれば、光メモリにおいて、各区画を相変化させるときのエネルギー効率を高めることができる。
本発明の第１の実施形態に係る光メモリの一部を拡大した斜視図である。 図１に示した光メモリの断面図である。 図１に示した光メモリの一変形例である光メモリの断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る光回折素子の斜視図である。 図４に示した光回折素子の一部を拡大した斜視図である。 図４に示した光回折素子の一部を拡大した平面図である。 本発明の第３の実施形態に係る記録システムの斜視図である。 図７に示した記録システムが実行する記録方法のフローチャートである。 図８に示した記録方法により記録された情報を例示する模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る記録システムの一変形例である記録システムを構成する光演算装置及び光メモリの斜視図である。
〔第１の実施形態〕
＜光メモリの構成＞
本発明の第１の実施形態に係る光メモリ１０について、図１及び図２を参照して説明する。図１は、光メモリ１０の一部を拡大した斜視図である。図２は、光メモリ１０の一部を拡大した断面図であって、図１に図示したＡ－Ａ線に沿った断面の断面図である。図１に示すように、光メモリ１０は、支持体１１と、複数のナノ粒子１２とを備えている。
（支持体）
図１に示すように、支持体１１は、２次元的に延在している層状部材である。図１においては、支持体１１の一対の主面である主面１１１，１１２がｘｙ平面と平行になるように、すなわち、主面１１１，１１２の法線方向がｚ軸方向と平行になるように、直交座標系を定めている。主面１１１は、特定の面の一例であり、主面１１１の面内方向は、特定の面内方向の一例である。また、ｚ軸方向と平行な方向は、特定の面の法線方向の一例である。以下においては、特定の面の法線方向のことを厚み方向と称する。なお、支持体１１の厚みは、限定されるものではなく、適宜定めることができる。
なお、図１において、支持体１１は、他の部材（例えば基板など）に支えられることなく独立した状態で図示されている。このように、支持体１１は、他の部材から独立していてもよいし、基板などの他の部材により支持されていてもよい。例えば、基板の一方の主面の上に支持体１１を形成することによって、基板を用いて支持体１１を支持することができる。
支持体１１は、透光性を有する材料により構成されていることが好ましい。本実施形態においては、支持体１１を構成する材料として、メタアクリル系樹脂を採用している。ただし、透光性を有する材料は、メタアクリル系樹脂に限定されず、一般的なビニル系樹脂やポリイミド類、ポリエーテル類、ポリエステル類、ポリオール類、エポキシ類、オレフィン類、及び脂環式オレフィン類などであってもよい。また、透光性を有する材料は、石英ガラスに代表されるガラスであってもよい。また、基板を用いて支持体１１を支持する場合、支持体１１を構成する材料も、同様に、透光性を有することが好ましい。
また、本実施形態において、支持体１１は、主面１１１，１１２がｘｙ平面と平行になるように、平面に沿って配置されている。ただし、支持体１１は、曲面に沿って配置されていてもよい。
（ナノ粒子）
複数のナノ粒子１２の各々は、光メモリ１０において材料を不揮発的に記録する記録材料として機能する。各ナノ粒子１２は、光の照射により結晶相と非晶質相との間で相変化する相変化材料により構成されている。本実施形態においては、各ナノ粒子１２を構成する材料として、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５を用いている。Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５は、カルコゲナイドガラスとも呼ばれるＧｅ－Ｓｂ－Ｔｅ系の化合物の一例である。以下において、Ｇｅ－Ｓｂ－Ｔｅ系の化合物のことを単にＧＳＴと記載し、Ｇｅ２Ｓｂ２Ｔｅ５のことをＧＳＴ２２５と記載する。ＧＳＴ２２５は、透光性を有する。
なお、各ナノ粒子１２を構成する材料は、ＧＳＴ２２５に限定されない。各ナノ粒子１２を構成する材料は、光及び／又は熱のエネルギーにより２つの相間において相変化する相変化材料のなかから適宜選択することができ、ＧＳＴのような擬二次元系の化合物の他にも、たとえば、Ｓｂ－Ｔｅのような二元系の化合物、および、これに少量のＧｅ、Ａｇ、Ｉｎなどを添加した多元系の化合物なども好適に用いることが出来る。多元系の化合物としては、Ａｇ－Ｉｎ―Ｓｂ－Ｔｅ（ＡＩＳＴ）やＧｅ－Ｓｂ－Ｓｅ－Ｔｅ（ＧＳＳＴ）などが好適に用いられる。このように、相変化材料は、書き換え可能なＤＶＤやＢｌｕ－Ｒａｙ（登録商標）ディスクなどの記録材料として採用されている材料から適宜選択することができる。
ＧＳＴ２２５は、晒された温度履歴に応じて、アモルファス相と結晶相とをとり得る。ＧＳＴ２２５を融点Ｔｍ以上に加熱することにより得られる液相を急冷した場合、アモルファス相が得られる。また、アモルファス相をガラス転移点Ｔｇ以上融点Ｔｍ以下の温度においてアニールすることによって、結晶層が得られる。光メモリ１０においては、光ディスクの場合と同様に、各ナノ粒子１２に対して書き込み用の光を照射する。以下において、書き込み用の光のことを信号光とも呼ぶ。光メモリ１０においては、この信号光を用いて各ナノ粒子１２を所定の温度領域まで加熱することによって、相変化を実現している。
なお、アモルファス相と結晶相とでは、光の屈折率、吸収率、および、反射率などの光学的な物性が異なる。そのため、光メモリ１０においては、読み出し用の光を用いて、各ナノ粒子１２がアモルファス相及び結晶相の何れであるのか読み出すことができる。
本実施形態では、各ナノ粒子１２の特定の面内方向における粒径である直径Ｄとして１００ｎｍを用いている。ただし、相変化させるときのエネルギー効率を高めるという観点では、直径Ｄは、小さい方が好ましく、例えば、５０ｎｍ以下であることが好ましい。ただし、直径Ｄは、これらの例に限定されず、ナノメートルのオーダーに含まれる範囲内において、すなわち、１ｎｍ以上１０００ｎｍ未満の範囲内において適宜選択することができる。なお、各ナノ粒子１２の特定の面内方向における形状が円形ではない場合には、各ナノ粒子１２の外接円の直径を直径Ｄとして用いることができる。
また、本実施形態では、各ナノ粒子１２の厚みｔとして、直径Ｄよりも小さな６０ｎｍを用いている。ただし、厚みｔは、これに限定されず、直径Ｄと略等しくてもよいし、直径Ｄを上回ってもよい。
本実施形態において、各ナノ粒子１２は、その一部が支持体１１に埋設されている（図２参照）。これにより、各ナノ粒子１２は、支持体１１により支持されている。ただし、各ナノ粒子１２は、その全部が支持体１１に埋設されていてもよい。例えば、図３を参照して後述する光メモリ１０Ａにおいて、各第ｉのナノ粒子１２ｉは、その全部が支持体１１Ａに埋設されている。
各ナノ粒子１２は、主面１１１の面内方向において互いに離間した状態で配置されている。各ナノ粒子１２は、主面１１１の面内において層状に（２次元的に）散在しているとも言える。本実施形態においては、各ナノ粒子１２の特定の面内方向における配置パターンとして正方格子を採用している。ただし、各ナノ粒子１２の特定の面内方向における配置パターンは、これに限定されるものではなく、適宜設定することができる。ただし、この配置パターンは、周期的な配置パターンであることが好ましく、各ナノ粒子１２は、周期的に配置されていることが好ましい。正方格子以外の配置パターンの例としては、六方格子が挙げられる。
＜変形例＞
光メモリ１０の一変形例である光メモリ１０Ａについて、図３を参照して説明する。図３は、光メモリ１０Ａの一部を拡大した断面図である。図３は、図２に示した光メモリ１０のＡ－Ａ断面図に対応する断面図である。なお、光メモリ１０Ａにおける支持体１１Ａ、主面１１Ａ１，１１Ａ２、及びナノ粒子１２Ａの各々は、それぞれ、光メモリ１０における支持体１１、主面１１１，１１２、及びナノ粒子１２に対応する。
光メモリ１０において、複数のナノ粒子１２は、その一部が支持体１１に埋設されており、主面１１１の面内において層状に（２次元的に）散在している。
一方、光メモリ１０Ａにおいて、複数のナノ粒子１２Ａは、第１のナノ粒子１２１、第２のナノ粒子１２２、第３のナノ粒子１２３、第４のナノ粒子１２４、及び第５のナノ粒子１２５により構成されている。以下において、第１～第５のナノ粒子１２１～１２５を区別しない場合には、第ｉのナノ粒子１２ｉ（ｉは、１以上５以下の整数）とも称する。
各第ｉのナノ粒子１２ｉは、光メモリ１０のナノ粒子１２と同様に、層状に散在している。ただし、各第ｉのナノ粒子１２ｉは、ナノ粒子１２と比較して、散在している深さ（厚み方向における主面１１Ａ１からの距離）がそれぞれ異なる。第１のナノ粒子１２１は、支持体１１Ａの内部のうち、主面１１Ａ１の近傍に設けられている。第２のナノ粒子１２２は、第１のナノ粒子１２１の下側（ｚ軸負方向側）であって、距離Ｄ１２だけ離間した位置に設けられている。第３のナノ粒子１２３は、第２のナノ粒子１２２の下側（ｚ軸負方向側）であって、距離Ｄ２３だけ離間した位置に設けられている。第４のナノ粒子１２４は、第３のナノ粒子１２３の下側（ｚ軸負方向側）であって、距離Ｄ３４だけ離間した位置に設けられている。第５のナノ粒子１２５は、第４のナノ粒子１２４の下側（ｚ軸負方向側）であって、距離Ｄ３４だけ離間した位置に設けられている。このように、各第ｉのナノ粒子１２ｉは、支持体１１Ａの内部に積層されている。
そのうえで、各第ｉのナノ粒子１２ｉは、厚み方向に沿って一軸上に配列されている（図３参照）。
このように、光メモリ１０Ａは、厚み方向に沿って一軸上に配列されている第１のナノ粒子１２１～第５のナノ粒子１２５を１つのナノ粒子群とした場合に、複数のナノ粒子群を備えている。各ナノ粒子群は、主面１１Ａ１をその法線方向から平面視した場合に、互いに離間している。したがって、光メモリ１０Ａは、複数のナノ粒子１２Ａのうち一部が厚み方向に沿って配列している光メモリの一例である。ただし、光メモリ１０Ａの一変形例においては、１つのナノ粒子群のみを備えている構成を採用することもできる。この光メモリ１０Ａの一変形例は、複数のナノ粒子１２Ａのうち全部が厚み方向に沿って配列している光メモリの一例である。
＜光メモリの製造方法＞
図１及び図２に示した光メモリ１０、及び、図３に示した光メモリ１０Ａは、スパッタリングや真空蒸着などに代表される成膜技術と、フォトリソグラフィ及び電子線リソグラフィに代表される微細加工技術と、を組み合わせることによって製造することができる。また、ＦＩＢ（Focused Ion Beam）などによる選択的エッチングや選択的デポジションができる各種手法や、原子１層分ずつを選択的に付加成膜できるＡＬＤ（Atomic Layer Deposition）と呼ばれる技術なども好適に利用することができる。
また、ナノ粒子１２、１２Ａを製造するためには、例えば、量子ドットを製造するために用いられているホットインジェクション技術、マイクロリアクターを用いたナノ粒子製造技術、シリカや酸化チタンなどを形成するのに使用されるゾルゲル法などを転用することができる。ただし、ナノ粒子１２、１２Ａを製造するための技術は、これに限られない。上述のように、所望の相変化材料層をスパッタリングや真空蒸着などの手法で平膜成形し、その上からリソグラフィなどの手法によってナノ粒子状にエッチング加工する方法でもよい。
また、光メモリ１０，１０Ａおよびナノ粒子１２、１２Ａを製造するためには、ブロックコポリマーを用いたセルフアッセンブリー型のナノ構造形成技術を用いることができる。特に、ナノ粒子１２の直径Ｄが４００ｎｍ以下となる場合には、この技術を好適に用いることができる。たとえば、従来のフォトリソグラフィ技術とブロックコポリマーを用いたセルフアッセンブリー技術とを組み合わせることによるSubtractiveな成形方法を利用することもできるし、ＡＬＤなどとセルフアッセンブリー技術とを組み合わせることによってadditiveな加工を施すこともできる。Subtractiveな形成方法においては、ブロックコポリマーによって自己形成された微細パターンをマスクとして、エッチング加工により不要な部分を削り取って所望のパターンを形成できる。また、Additiveな形成方法においては、ＡＬＤなどを用いて、ブロックコポリマーの片方のポリマー鎖成分にのみ選択的に原子を吸着させていくことで所望の形状を形成することが出来る。これらの手法によって周期的且つ微細な（例えば１００ｎｍ以下の）パターンを形成することができる。
〔第２の実施形態〕
＜光回折素子の構成＞
本発明の第２の実施形態に係る光回折素子１ついて、図４～図６を参照して説明する。図４は、光回折素子１の斜視図である。図５は、光回折素子１の一部（９セル分）を拡大した斜視図である。図６は、光回折素子１の一部（９セル分）を拡大した平面図であって、光回折素子１を、支持体１１の主面（図１に示した主面１１１，１１２）の法線と精巧な方向（ｚ軸方向）から平面視した場合に得られる平面図である。なお、図５及び図６においては、光回折素子１を構成する基板Ｓの図示を省略している。
図４に示すように、光回折素子１は、平板状の光回折素子であり、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のマイクロセルＡと、ベースＢと、第１の実施形態において説明した光メモリ１０と、基板Ｓとにより構成されている。
（マイクロセル）
各マイクロセルＡは、セルの一例であり、透光性を有する樹脂製である。光回折素子１に信号光が入射すると、各マイクロセルＡを透過した信号光が相互に干渉することによって、予め定められた光演算が行われる。光回折素子１から出力される信号光の強度分布は、その光信号の結果を表す。
ここで、「マイクロセル」とは、例えば、セルサイズが１０μｍ未満のセルのことを指す。また、「セルサイズ」とは、セルの面積の平方根のことを指す。例えば、マイクロセルの平面視形状が正方形である場合、セルサイズとは、セルの一辺の長さである。セルサイズの下限は、特に限定されないが、例えば１ｎｍである。
図４に例示した光回折素子１は、マトリックス状に配置された２０００×２０００個のマイクロセルＡにより構成されている。各マイクロセルＡの平面視形状は、例えば、１μｍ×１μｍの正方形であり、光回折素子１の平面視形状は、例えば、２ｍｍ×２ｍｍの正方形である。
なお、セルサイズ、各マイクロセルＡの平面視形状、及び光回折素子１の平面視形状は、上述した例に限定されず、適宜定めることができる。
（１）マイクロセルＡの厚みをセル毎に独立に設定することによって、又は、（２）マイクロセルＡの屈折率をセル毎に独立に選択することによって、マイクロセルＡを透過する光の位相変化量をセル毎に独立に設定することができる。本実施形態において、各マイクロセルＡは、図４に示すように、各辺の長さがセルサイズと等しい正方形の底面を有する四角柱状のピラーにより構成される。この場合、マイクロセルＡを透過する光の位相変化量は、このピラーの高さに応じて決まる。すなわち、高さの高いピラーにより構成されるマイクロセルＡを透過する光の位相変化量は大きくなり、高さの低いピラーにより構成されるマイクロセルＡを透過する光の位相変化量は小さくなる。
（ベース）
ベースＢは、各マイクロセルＡと同じ樹脂により構成されている。ベースＢの厚さは、例えば１００μｍであるが、これに限定されない。なお、図４においては、光回折素子１の構成を分かりやすくするために、光回折素子１においてベースＢと各マイクロセルＡとを分解して図示しているに過ぎない。ベースＢと各マイクロセルＡとは、同じ樹脂により一体化された光回折素子１として製造されるものである。したがって、図５においては、ベースＢと各マイクロセルＡとの間の境界を、隣接するマイクロセルＡ同士の境界と同様に、仮想線（２点鎖線）で図示している。
（光メモリ）
図４に示した光メモリ１０は、第１の実施形態にて図１，２を参照して説明した光メモリ１０と同一に構成されている。したがって、本実施形態では、光メモリ１０と、光メモリ１０を構成する各部材とについては、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施形態において、光メモリ１０は、後述する基板Ｓと、光回折素子１のベースＢとの間に介在している。
本実施形態においては、複数のナノ粒子１２の一部である９個のナノ粒子１２であって、支持体１１の主面の面内方向においてひとかたまりである９個のナノ粒子１２が光メモリ１０における１区画を構成している（図６参照）。そのうえで、各マイクロセルＡには、９個のナノ粒子１２からなる各区画のうち何れか１つの区画が割り当てられている。
光回折素子１は、空間強度分布を有する光（すなわち信号光）が入射した場合に、各マイクロセルＡの厚み又は屈折率に応じて、入射した光の空間強度分布を別の空間強度分布に変換したうえで出力する。光回折素子１によれば、各マイクロセルＡと各区画とが１対１の関係で対応しているので、空間強度分布を有する信号光を書き込み用の光として用い、光回折素子１が変換したあとの空間強度分布を記録することができる。
なお、光回折素子１においては、空間強度分布を有する信号光を書き込み用の光として用いる代わりに、当該信号光とは異なる書き込み用の光を用いて、光メモリ１０の各マイクロセルＡになんらかの書き込みを行っておいてもよい。光メモリ１０の各マイクロセルＡになんらかの書き込みを行うことによって、各マイクロセルＡを透過する光の位相変化量を変化させることができる。したがって、光回折素子１において、光メモリ１０は、各マイクロセルＡを透過する光の位相変化量を事後的に調整する位相変化量可変機構として機能する。
（基板）
基板Ｓは、透光性を有する材料により構成された板状部材である。本実施形態においては、透光性を有する材料として石英ガラスを用いている。ただし、透光性を有する材料は、石英ガラスに限定されず、適宜選択することができる。光メモリ１０、ベースＢ、及び複数のマイクロセルＡは、この順番で、基板Ｓの一方の主面の上に積層されている。なお、光回折素子１は、透過型の構成を採用している。ただし、本発明の一態様に係る光回折素子は、透過型に限定されず、反射型であってもよい。反射型の光回折素子においては、透光性を有する材料により構成された基板Ｓの代わりに、主面が鏡面からなる基板を用いることができる。また、基板Ｓの一対の主面のうち、光メモリ１０が形成されていない側の主面に、主面が鏡面からなる基板を重ねる構成を採用してもよい。
＜光メモリの変形例＞
光回折素子１においては、図１及び図２に示した光メモリ１０の代わりに、図３に示した光メモリ１０Ａを用いることもできる。光メモリ１０の代わりに光メモリ１０Ａを用いることによって、光回折素子１が変換したあとの空間強度分布をマルチレベルで記録することができる。
また、光メモリ１０の代わりに光メモリ１０Ａを用いる場合においても、光メモリ１０を位相変化量可変機構として用いいてもよい。光メモリ１０Ａにおいては、５層の第ｉのナノ粒子１２ｉが支持体１１Ａの厚み方向に沿って配列されている。したがって、光メモリ１０Ａは、光メモリ１０と比較して、各マイクロセルＡを透過する光の位相変化量を変化させる場合の調整幅を広げることができる。したがって、この構成によれば、各マイクロセルＡにおける位相変化量の調整幅がより広い光回折素子１を提供することができる。
＜複数段の光回折素子＞
本実施形態においては、図４及び図５に示すように、１つの光回折素子１が光メモリ１０を備えているものとして説明した。ただし、図７を参照して後述するように、光回折素子１と同様に構成された複数段の光回折素子（例えば光回折素子２２１～２２５）が積層されており、光メモリ１０（図７においては光メモリ１０Ｂ）は、最後段の光回折素子（例えば光回折素子２２５）の更に後段に配置されていてもよい。空間強度分布を有する信号光に対して光回折素子２２１～２２５の各々が順番に作用することによって、複数段の光回折素子は、光演算装置として機能する。この場合に、光メモリ１０は、光回折素子２２５の後段に設けられているので、光回折素子２２１～２２５による光演算結果を記録することができる。なお、これら複数段の光回折素子は、図７に示すように透過型であってもよいし、反射型であってもよい。
また、図４及び図５に示すように、１つの光回折素子１が光メモリ１０を備えており、このような光回折素子１を複数段積層することによって光演算装置を構成することもできる。この場合、各光回折素子２２１～２２５における各マイクロセルＡを透過する光の位相変化量を事後的に調整することができるので、演算内容を事後的に調整可能な光演算装置を提供することができる。この場合においても、光メモリ１０の代わりに光メモリ１０Ａを用いることによって、各光回折素子２２１～２２５における調整幅をより広げることができる。
〔第３の実施形態〕
＜記録システムの構成＞
本発明の第３の実施形態に係る記録システム２０について、図７～図１０を参照して説明する。図７は、記録システム２０の斜視図である。図８は、記録システム２０が実行する記録方法Ｍ１０のフローチャートである。図９は、記録方法Ｍ１０により記録された情報を例示する模式図である。図１０は、記録システム２０の一変形例である記録システム２０Ｃを構成する光演算装置２２～２４及び光メモリ１０Ｃの斜視図である。
図７に示すように、記録システム２０は、ビームスプリッタ２１と、４つの光演算装置２２～２５と、光メモリ１０Ｂとを備えている。
（ビームスプリッタ２１）
ビームスプリッタ２１は、入射面２１１及び出射面２１２を有するトンネル型ビームスプリッタである。なお、出射面２１２には、それぞれに撮影タイミングが異なる静止画像が結像される第１の領域２１２１、第２の領域２１２２、第３の領域２１２３、及び第４の領域２１２４が設けられている。
ビームスプリッタ２１は、図７には図示していないものの、分割投影部と、遅延生成部とを備えている。分割投影部は、入射面２１１に入射された動画像を複数（本実施形態においては４つ）のサブ動画像に分割投影する。この時点において、分割投影された４つのサブ動画像は、同じ動画像である。ビームスプリッタ２１は、たとえば、普通のビームスプリッタの後に回転式の光チョッパーのように時間差をつけることができる機構を設けたようなものであってもよい。また、高速カメラに用いられるような両方の機能を併せ持つような特殊な構造のものも好適に用いられる。
遅延生成部は、４つのサブ動画像の各々から、それぞれ、撮影タイミングを異ならせながら静止画像を１フレームずつ生成する。以下において、４つのサブ動画像の各々から生成された各静止画像を、撮影タイミングが早いほうから順番で、第１の静止画像、第２の静止画像、第３の静止画像、及び第４の静止画像と称する。遅延生成部は、第１～第４の静止画像の各々を、それぞれ、第１～第４の領域２１２１～２１２４に結像させる。
第１～第４の静止画像のうち時間的に隣接する静止画像同士における撮影タイミングの差は、何れも等しい。したがって、第１の静止画像と第２の静止画像との間、第２の静止画像と第３の静止画像との間、及び第３の静止画像と第４の静止画像との間に存在する遅延時間は、何れも等しい。この遅延時間は、観測対象に応じて適宜設定することができるが、本実施形態においては、例えば１０ｎ秒以上２ｍ秒以下の範囲内において適宜設定する。遅延時間をこの範囲内において設定することによって、市場に出回っている典型的なハイスピードカメラよりも高速に各静止画像を撮影することができる。
（光演算蔵置）
光演算装置２２～２５の各々は、同一に構成されている。したがって、ここでは、光演算装置２２を用いて説明する。
光演算装置２２は、５枚の光回折素子２２１～２２５により構成されている（図７参照）。光回折素子２２１の入射面をビームスプリッタ２１の側から平面視した場合、各光回折素子２２１～２２５の有効領域であるマイクロセルＡが形成されている領域がぴったりと重なるように、光回折素子２２１～２２５は、この順番で積層されている。このように積層された光回折素子２２１～２２５は、空間強度分布を有する信号光に対して順番に作用することによって、光演算装置として機能する。
したがって、光演算装置２２は、第１の領域２１２１に結像された第１の静止画像を信号光として、この信号光に光回折素子２２１～２２５が順番に作用した結果である演算結果を後段に出力する。
同様に、光演算装置２３～２５の各々は、それぞれ、第２～第４の領域２１２２～２１２４に結像された第２～第４の静止画像の各々を信号光として、各信号光に５段の光回折素子が順番に作用した結果である演算結果を後段に出力する。
（光メモリ）
光メモリ１０Ｂは、図１及び図２に示した光メモリ１０と同様に構成された光メモリである。光メモリ１０Ｂは、受光面が第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４に分割されている。
第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４の各々は、それぞれ、光演算装置２２～２５の５段目の光回折素子と対向するように配置されている。この構成によれば、第１の領域Ｒ１は、第１の静止画像に対して光演算装置２２が光演算を行った結果を記録する。同様に、第２の領域Ｒ２は、第２の静止画像に対して光演算装置２３が演算を行った結果を記録し、第３の領域Ｒ３は、第３の静止画像に対して光演算装置２４が演算を行った結果を記録し、第４の領域Ｒ４は、第４の静止画像に対して光演算装置２５が演算を行った結果を記録する。したがって、光メモリ１０Ｂは、第１～第４の静止画像に対して各光演算装置２２～２５が光演算を行った結果を、異なる第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４に記録する。
以上のように、記録システム２０においては、ビームスプリッタ２１の遅延生成部によりわずかに時間差が付けられた複数の静止画像に対して、各光演算装置２２～２５が光演算を行ったうえで、その光演算結果を記録することができる。
（記録方法）
記録システム２０が実施する記録方法Ｍ１０は、図８に示すように、第１の工程Ｓ１１と、第２の工程Ｓ１２とを含んでいる。
第１の工程Ｓ１１は、ビームスプリッタ２１の遅延生成部により時間差が付けられた第１～第４の静止画の各々が、それぞれ、光メモリ１０Ｂの第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４に入射する工程である。第１～第４の静止画の各々は、それぞれ、空間強度分布が特定の情報を表す複数の信号光の一例である。
第２の工程Ｓ１２は、第１～第４の静止画の各々を書き込み用の光として、第１～第４の静止画を光メモリ１０Ｂに書き込む工程である。
なお、第２の工程Ｓ１２においては、上述したように、第１～第４の静止画の各々を、光メモリ１０Ｂの異なる領域である第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４に記録してもよいし、図１０に示す光メモリ１０Ｃのように、同じ領域に記録してもよい。
（記録された情報の読み出し）
記録システム２０は、図７に図示されていないものの、光メモリ１０Ｂに記録された情報を読み出すために、読み出し用の光を出射する光源と、読み出し用の光を光メモリ１０Ｂの全面に照射するように構成された光学系と、光メモリ１０Ｂを透過したあとの光を検出する光検出部と、を備えている。
読み出し用の光は、書き込み用の信号光である第１～第４の静止画とは異なる光である。読み出し用の光は、光演算装置２２～２５と、光メモリ１０Ｂとの間に設けられた空隙から、光学系を用いて光メモリ１０Ｂの全面に照射される。
一方、光検出部は、光メモリ１０Ｂを構成する各ナノ粒子１２を透過した光を検出できるように、複数の光センサがマトリクス状に配置された光センサアレイである。
各ナノ粒子１２のうち、結晶相であるナノ粒子１２と、アモルファス相であるナノ粒子１２とは、光の屈折率及び吸収率が異なっている。したがって、記録システム２０の制御部は、光検出部の光センサアレイが出力した光強度信号に応じて、光の空間強度分布を取得することができる。したがって、制御部は、光メモリ１０Ｂに書き込まれている情報を、光の空間強度分布として読み出すことができる。
図９は、記録方法Ｍ１０により記録された情報の一例である。図９に示すように、光検出部の光センサアレイが出力した光強度信号は、光メモリ１０Ｂの第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４に対応付けられている。本実施形態においては、図９に示した状態において、第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４の各々における左下の点を原点と定めている。
制御部は、第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４の各々に、なんらかのオブジェクトＯＢが含まれているか否かを判定する。第１～第４の領域Ｒ１～Ｒ４の各々に、なんらかのオブジェクトＯＢが含まれている場合、制御部は、オブジェクトＯＢの重心である点Ｐ１～Ｐ４の座標を算出する。制御部は、点Ｐ１～Ｐ４の座標を用いてオブジェクトＯＢの軌跡を推測することができる。
このように構成された記録システム２０は、高速で移動している物体（例えば飛翔体）の存在を検知したうえで、その物体の動きを予測することができる。例えば、記録システム２０を移動体（例えばドローン）に搭載した場合、その移動体は、高速で移動しており、且つ、障害となったり衝突したりする可能性がある物体の存在を検知したうえで、その物体の動きを予測し、その予測結果に基づき自身の動きを制御することができる。したがって、この移動体は、物体との衝突などを避けることができる。
〔まとめ〕
本発明の第１の態様に係る光メモリは、支持体と、光の照射により結晶相と非晶質相との間で相変化する相変化材料により構成された複数のナノ粒子であって、前記支持体により支持されている複数のナノ粒子と、を備えている。本光メモリにおいて、各ナノ粒子は、特定の面の面内方向および前記特定の面の法線方向の少なくとも何れかにおいて互いに離間している。
本光メモリにおいて、特定の面の面内方向および前記特定の面の法線方向の少なくとも何れかにおいて互いに離間している各ナノ粒子は、記憶材料として機能する。粒径がナノオーダーであるナノ粒子により記憶材料が構成されていることによって、各ナノ粒子において相変化を実現するために要する光のパワー及び／又はエネルギーを、バルク＆プレーン型の光メモリの場合よりも抑制することができる。したがって、本光メモリは、各区画を相変化させるときのエネルギー効率を高めることができる。
また、本発明の第２の態様に係る光メモリにおいては、上述した第１の態様に係る光メモリの構成に加えて、前記各ナノ粒子は、少なくとも一部が前記支持体に埋設されており、前記支持体を構成する材料の熱伝導率は、前記各ナノ粒子を構成する材料の熱伝導率よりも低い、構成が採用されている。
上記の構成によれば、各ナノ粒子を確実に支持することができる。そのうえで、ナノ粒子の周囲に熱伝導率が低い材料により構成された支持体が介在するので、ナノ粒子からの熱伝導によるエネルギーの散逸を抑制することができる。したがって、各ナノ粒子が書き込み用のレーザ光を吸収することによって生じた熱が、周囲に存在する支持体や他のナノ粒子に逃げにくくなるので、エネルギー効率を更に高めることができる。
また、本発明の第３の態様に係る光メモリにおいては、上述した第１の態様又は第２の態様に係る光メモリの構成に加えて、前記複数のナノ粒子のうちの一部又は全部のナノ粒子は、前記特定の面の法線方向に沿って配列している、構成が採用されている。
上記の構成によれば、書き込み用のレーザ光を照射した場合に、そのレーザ光のパワー及び／又はエネルギーに応じて、相変化するナノ粒子の数を制御することができる。相変化したナノ粒子（例えばアモルファス相のナノ粒子）は、相変化する前のナノ粒子（例えば結晶層のナノ粒子）と比較して、光の屈折率及び吸収率が異なるので、再生用のレーザ光を用いて相変化したナノ粒子の数を検知することができる。したがって、本光メモリによれば、マルチレベルの光メモリを実現することができる。
また、本発明の第４の態様に係る光メモリにおいては、上述した第１の態様～第３の態様の何れか一態様に係る光メモリの構成に加えて、前記各ナノ粒子は、前記面内方向において、周期的に配置されている、構成が採用されている。
上記の構成によれば、光メモリの内部に各区画が周期的に配置されたメモリアレイを設けることができる。したがって、書き込み用のレーザ光が空間強度分布を有する場合に、本光メモリは、その空間強度分布を記録することができる。
また、本発明の第５の態様に係る光メモリにおいては、上述した第１の態様～第４の態様の何れか一態様に係る光メモリの構成に加えて、前記各ナノ粒子及び支持体は、透光性を有する材料により構成されている、構成が採用されている。
上記の構成によれば、光メモリに入射した書き込み用の光が、光メモリの後段に向けて出射される。したがって、本光メモリを他の光学素子（例えば光回折素子）の前段に配置することができる。また、この構成によれば、複数のナノ粒子が特定の面の法線方向に沿って配列されたマルチレベルの光メモリである場合に、最後段に設けられたナノ粒子にも書き込むことができる。
本発明の第６の態様に係る光回折素子は、厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のセルと、上述した第１の態様～第５の態様の何れか一態様に係る光メモリであって、前記複数のセルに積層された光メモリと、を備えている。本光回折素子において、前記特定の面に各セルの底面を投影することにより得られる領域の各々を前記光メモリの区画として、各区画には、前記複数のナノ粒子の一部である１又は複数のナノ粒子が配置されている。
光回折素子は、空間強度分布を有する光が入射した場合に、各セルの厚み又は屈折率に応じて、入射した光の空間強度分布を別の空間強度分布に変換したうえで出力する。上記の構成によれば、各セルと各区画とが１対１の関係で対応しているので、光回折素子が変換したあとの空間強度分布を記録することができる。また、本光回折素子が備えている光メモリは、第１の態様に係る光メモリと同様に、各区画を相変化させるときのエネルギー効率を高めることができる。したがって、本光回折素子は、光回折素子が変換したあとの空間強度分布を記録する場合におけるエネルギー効率を高めることができる。
本発明の第７の態様に係る記録方法は、光の照射により結晶相と非晶質相との間で相変化する相変化材料により構成された複数のナノ粒子であって、特定の面内方向において互いに離間している複数のナノ粒子を備えている光メモリを用いた記録方法である。本記録方法は、空間強度分布が特定の情報を表す複数の信号光であって、各々が時間差を有する複数の信号光が光メモリに入射する第１の工程と、各信号光を書き込み用の光として、各信号光を光メモリに記録する第２の工程と、を含んでいる。
上記の構成によれば、各信号光が書き込まれた光メモリを読み出すことによって、各信号光が表す特定の情報の差分を取得することができる。これらの差分は、各信号光の間に生じている時間差に応じたものなので、本記録方法によれば、特定の情報における時間差に応じた変化を検出することができる。なお、この記録方法は、特定の情報における時間差がごく小さい場合（すなわち、ごく短時間の変化を検出する場合）であっても好適に用いることができる。
また、本発明の第８の態様に係る記録方法においては、上述した第７の態様に係る記録方法の構成に加えて、前記第２の工程において、前記各信号光を前記光メモリの異なる領域に記録する、構成が採用されている。
上記の構成によれば、各信号光が光メモリの異なる領域に記録されるので、各信号光が光メモリの同じ領域に記録される場合と比較して、各信号光が表す特定の情報を容易に読み出すことができる。
〔付記事項〕
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。
１ 光回折素子
Ａ マイクロセル
Ｂ ベース
Ｓ 基板
１０，１０Ａ，１０Ｂ 光メモリ
Ｒ１～Ｒ４ 第１～第４の領域
１１，１１Ａ 支持体
１１１，１１Ａ１ 主面（特定の面）
１１２，１１Ａ２ 主面
１２，１２Ａ ナノ粒子
１２１～１２５ 第１～第５のナノ粒子
２０ 記録システム

Claims (3)

  1. 厚み又は屈折率が互いに独立に設定された複数のセルと、前記複数のセルに積層された光メモリと、を備えている光回折素子であって、
    前記光メモリは、支持体と、光の照射により結晶相と非晶質相との間で相変化する相変化材料により構成された複数のナノ粒子であって、前記支持体により支持されている複数のナノ粒子と、を備え、
    各ナノ粒子は、特定の面の面内方向および前記特定の面の法線方向の少なくとも何れかにおいて互いに離間しており、
    前記特定の面に各セルの底面を投影することにより得られる領域の各々を前記光メモリの区画として、各区画には、前記複数のナノ粒子の一部である１又は複数のナノ粒子が配置されている、
    ことを特徴とする光回折素子。
  2. 光の照射により結晶相と非晶質相との間で相変化する相変化材料により構成された複数のナノ粒子であって、特定の面内方向において互いに離間している複数のナノ粒子を備えている光メモリを用いた記録方法であって、
    空間強度分布が特定の情報を表す複数の信号光であって、各々が時間差を有する複数の信号光が光メモリに入射する第１の工程と、
    各信号光を書き込み用の光として、各信号光を光メモリに記録する第２の工程と、を含んでいる、
    ことを特徴とする記録方法。
  3. 前記第２の工程において、前記各信号光を前記光メモリの異なる領域に記録する、
    ことを特徴とする請求項２に記録方法。
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