JPH0628672A - Object for storing optical data and recorder for it and device for recording and reproducing it - Google Patents
Object for storing optical data and recorder for it and device for recording and reproducing itInfo
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- JPH0628672A JPH0628672A JP4153311A JP15331192A JPH0628672A JP H0628672 A JPH0628672 A JP H0628672A JP 4153311 A JP4153311 A JP 4153311A JP 15331192 A JP15331192 A JP 15331192A JP H0628672 A JPH0628672 A JP H0628672A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、データを光学的に書き
込みおよび読み出しのできる記憶方法および記憶装置に
関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a storage method and storage device capable of optically writing and reading data.
【０００２】[0002]
【従来の技術、およびその問題点】近年のコンピュータ
ーの高機能化や情報の多次元化に伴い、大容量のメモリ
ーが必要となってきている。この需要に応えるため、大
きな容量をもつメモリーの開発が進められている。コン
パクトディスク、光磁気ディスクなどの光学的記憶装置
で、大容量のメモリーが実現されているが、これらの光
学的記憶装置ではこれ以上の記録容量を大きくすること
は困難である。つまり、データの書き込みと読み出しに
光を使うかぎり、単位面積あたりの記録密度は使用する
波長の回折限界で決まるスポット径で制限される。した
がって、より大きな容量の光学的記憶装置を実現するに
は、記録媒体（ディスク）の面積を大きくしなければな
らないからである。2. Description of the Related Art As computers have become more sophisticated and information has become multidimensional in recent years, a large-capacity memory has become necessary. In order to meet this demand, a memory having a large capacity is being developed. Optical storage devices such as compact discs and magneto-optical discs have realized large-capacity memories, but it is difficult to increase the recording capacity with these optical storage devices. That is, as long as light is used for writing and reading data, the recording density per unit area is limited by the spot diameter determined by the diffraction limit of the wavelength used. Therefore, in order to realize an optical storage device having a larger capacity, it is necessary to increase the area of the recording medium (disk).
【０００３】光学的記憶装置の記録媒体（ディスク）の
面積を大きくすることなく、より大きな記録容量を実現
するには、データを２次元平面内だけでなく、奥行き方
向（光軸方向）にも記録し、３次元構造を持つ光学的記
憶装置を実現すればよい。In order to realize a larger recording capacity without increasing the area of the recording medium (disk) of the optical storage device, the data is stored not only in the two-dimensional plane but also in the depth direction (optical axis direction). It is sufficient to record and realize an optical storage device having a three-dimensional structure.
【０００４】３次元光学的記憶装置としてホログラフィ
ー技術を応用したものが、いくつか提案されている(L.
d'Auria, J. P. Huignard, C. Slezak, and E. Spitz:
Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974; P. J. van Heer
den: Appl. Opt. Vol. 2, 393-400, 1963; Di Chen and
J. D. Zook: Proc. IEEE Vol. 63, 1207-1230, 197
5)。これらの方法は、２次元データ（画像）を厚みのあ
る感光材料に、ホログラムとして記録するものである。
多数枚の２次元データを参照光の照明方向を変えて、同
一ホログラム材料に多重記録する。Several three-dimensional optical storage devices to which the holographic technique is applied have been proposed (L.
d'Auria, JP Huignard, C. Slezak, and E. Spitz:
Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974; PJ van Heer
den: Appl. Opt. Vol. 2, 393-400, 1963; Di Chen and
JD Zook: Proc. IEEE Vol. 63, 1207-1230, 197
Five). These methods record two-dimensional data (images) as holograms on a thick photosensitive material.
Multiple pieces of two-dimensional data are recorded in the same hologram material by changing the illumination direction of the reference light.
【０００５】ホログラフィーを用いてデータを記録する
方法では、以下のような問題点がある。多重記録した複
数の２次元データのうち、クロストークなしで１枚ずつ
２次元データを読みだすためには、多重記録する際に参
照光の照明方向を大きく変化させて記録しなければなら
ない(L. d'Auria, J. P. Huignard, C. Slezak, andE.
Spitz: Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974)。そのた
め、多重記録の多重度を高くすることはできず、記録容
量を大きくすることはできない。また、ホログラフィー
の記録と再生には、コヒーレント光源が必要である。そ
のためホログラムからの再生像には、光学部品に付着し
たほこりなどに起因するスペックル像およびリング状の
干渉縞などのコヒーレント雑音が重畳する。これらコヒ
ーレント雑音は、再生データ像ののSN 比を低下させ、
データ読み出しの信頼性を著しく低下させる。The method of recording data using holography has the following problems. In order to read the two-dimensional data one by one from the multiple-recorded two-dimensional data without crosstalk, it is necessary to change the illumination direction of the reference light greatly when performing the multiple recording (L .d'Auria, JP Huignard, C. Slezak, and E.
Spitz: Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974). Therefore, it is not possible to increase the multiplicity of the multiplex recording and increase the recording capacity. Moreover, a coherent light source is required for holographic recording and reproduction. Therefore, the reproduced image from the hologram is superposed with a speckle image and coherent noise such as ring-shaped interference fringes caused by dust adhering to the optical component. These coherent noises reduce the SN ratio of the reproduced data image,
The reliability of data reading is significantly reduced.
【０００６】記録媒体に一点ずつデータを書き込む３次
元光学的記憶装置もいくつか提案されている(D. A. Par
thenopoulos and P. M. Rentzepis: Science Vol. 245,
843-844, 1989; S. Hunteer, F. Kiamilev, S. Esene
r, D. A. Parthenopoulos, and P. M. Rentzepis: App
l. Opt. Vol. 29, 2058-2066, 1990; J. H. Stricklera
nd W. W. Webb: Opt. Lett. Vol. 16, 1780-1782, 199
1)。Several three-dimensional optical storage devices for writing data one by one on a recording medium have been proposed (DA Par.
thenopoulos and PM Rentzepis: Science Vol. 245,
843-844, 1989; S. Hunteer, F. Kiamilev, S. Esene
r, DA Parthenopoulos, and PM Rentzepis: App
l. Opt.Vol. 29, 2058-2066, 1990; JH Stricklera
nd WW Webb: Opt. Lett. Vol. 16, 1780-1782, 199
1).
【０００７】これらは、二光子吸収が光強度の２乗に比
例して生じることを利用して、フォトポリマー中にデー
タを書き込むものである。まず、フォトポリマーにレー
ザー光を集光する。二光子吸収は光強度の２乗に比例し
て生じるので、レーザー光強度の大きな焦点付近でのみ
二光子吸収が生じ、ポリマーの結合状態が変化する。よ
って、レーザーの集光点付近のみでポリマーの構造が変
化し、その点で屈折率が変化する。ポリマーを３次元的
に走査して、データを３次元的に一点ずつ記録する。デ
ータの読み出しには、微分干渉顕微鏡を用いている。各
点での屈折率変化を検出し、データを読みだす。These write data in a photopolymer by utilizing the fact that two-photon absorption occurs in proportion to the square of the light intensity. First, laser light is focused on the photopolymer. Since the two-photon absorption occurs in proportion to the square of the light intensity, the two-photon absorption occurs only in the vicinity of the focal point where the laser light intensity is large, and the bonding state of the polymer changes. Therefore, the structure of the polymer changes only near the focal point of the laser, and the refractive index changes at that point. The polymer is scanned in three dimensions and the data is recorded point by point in three dimensions. A differential interference microscope is used to read the data. The change in refractive index at each point is detected and the data is read.
【０００８】二光子吸収を用いた光学的記憶装置では、
データの書き込み時に高出力のパルスレーザーが必要で
ある。またデータの読み出しには干渉顕微鏡を用いてい
るため、光軸方向（奥行き方向）のデータの読み出し分
解能は顕微鏡の焦点深度によって決まる。通常の顕微鏡
の焦点深度は大きく、光軸方向のデータの読み出し分解
能は低い。また、焦点位置にある屈折率変化のデータに
焦点位置から外れた位置に存在する屈折率変化のぼけた
像が重なるので、データの読み出し精度は低下する。し
たがって、光軸方向の記録密度を上げることは困難であ
り、容量を大きくすることも困難である。In an optical storage device using two-photon absorption,
A high-power pulse laser is required when writing data. Since an interference microscope is used for reading data, the data reading resolution in the optical axis direction (depth direction) is determined by the depth of focus of the microscope. An ordinary microscope has a large depth of focus and a low data reading resolution in the optical axis direction. Further, the data of the refractive index change at the focal position is overlapped with the blurred image of the refractive index change existing at the position deviated from the focal position, so that the data reading accuracy is lowered. Therefore, it is difficult to increase the recording density in the optical axis direction, and it is also difficult to increase the capacity.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】本発明は、高記録密
度、大容量の３次元構造を持つ光学的記録装置または記
憶方法を実現することを課題とする。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to realize an optical recording device or a storage method having a high recording density and a large capacity three-dimensional structure.
【００１０】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明は、データの書き
込みと読み出しを、記録材料の面内および深さ方向の３
次元方向に行なう３次元構造を持つ光学的記録装置にお
いて、入射光強度によって屈折率変化を生じる記録材料
と、記録材料内の微小領域にレーザービームを集光する
光学系と、記録材料内の屈折率変化領域を検出する共焦
点光学系と、記録材料内の３次元走査を行なう手段を持
つ事を特徴とする。According to the present invention, writing and reading of data can be performed in the in-plane and depth directions of a recording material.
In an optical recording device having a three-dimensional structure that is arranged in a three-dimensional direction, a recording material that causes a change in refractive index depending on the intensity of incident light, an optical system that focuses a laser beam on a minute region in the recording material, and a refraction in the recording material. It is characterized by having a confocal optical system for detecting a rate change region and means for performing three-dimensional scanning in the recording material.
【００１１】[0011]
【作用】本発明では、厚みのある記録材料に３次元的に
データを一点一点記録し、それらのデータを共焦点光学
系を用いて読みだす。In the present invention, data is recorded one by one on a recording material having a thickness three-dimensionally, and the data is read out by using a confocal optical system.
【００１２】データの記録材料には、フォトリフラクテ
ィブ結晶、フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、銀塩
フィルムなど、光強度に応じて屈折率が変化する感光材
料を用いる。このような記録材料中にレーザー光を集光
すると、集光位置で屈折率が大きく変化する。集光点以
外の部分では、集光位置に比べ光強度が小さいので、屈
折率変化は小さく、無視できる。レーザービームを走査
するかまたは記録材料を３次元的に走査して、一点一点
記録材料中にデータを３次元的に記録する。As a data recording material, a photo-sensitive material such as a photorefractive crystal, a photopolymer, a dichromated gelatin, a silver salt film or the like whose refractive index changes according to the light intensity is used. When a laser beam is focused on such a recording material, the refractive index greatly changes at the focusing position. Since the light intensity is smaller in the portion other than the condensing point as compared with the condensing position, the change in refractive index is small and can be ignored. Data is three-dimensionally recorded in the point-by-point recording material by scanning a laser beam or scanning the recording material three-dimensionally.
【００１３】本発明の光学的記憶方法では、例えば500
nm のレーザー光を用いてデータの書き込みを行ない、
屈折率変化が集光スポットの周辺1mm3 の範囲で生じた
とすると、1x1012 bit/cm3 の記録密度が得られる。よ
り短い波長のレーザー光を用いることや高い開口数の対
物レンズを使用すること、レーザー光強度に対して非線
形に感光する記録材料を用いて屈折率変化が生じる領域
を小さくすることなどにより、さらに高い記録密度が得
られる。In the optical storage method of the present invention, for example, 500
Write data using nm laser light,
Assuming that the change in the refractive index occurs within a range of 1 mm3 around the focused spot, a recording density of 1x1012 bit / cm3 can be obtained. By using a laser beam with a shorter wavelength, using an objective lens with a higher numerical aperture, and using a recording material that is non-linearly sensitive to the laser beam intensity to reduce the region where the refractive index changes, High recording density can be obtained.
【００１４】記録材料としてLiNbO3, BaTiO3, SBN, Bi1
2SiO20 などの書き換え可能なフォトリフラクティブ結
晶を用いた場合には、ランダムアクセスメモリ(RAM)お
よびリードオンリーメモリー(ROM) としての作用を持た
せることができる。フォトポリマー、重クロム酸ゼラチ
ンなど、書き換えができない材料を記録材料に用いた場
合には、リードオンリーメモリー(ROM) としてのみ利用
する。LiNbO3, BaTiO3, SBN, Bi1 as recording materials
When a rewritable photorefractive crystal such as 2SiO20 is used, it can function as a random access memory (RAM) and a read only memory (ROM). When a non-rewritable material such as photopolymer or dichromated gelatin is used as the recording material, it is used only as a read-only memory (ROM).
【００１５】３次元光学的記憶装置に書き込まれたデー
タを読みだすには、反射型の共焦点光学系を用いる。反
射型の共焦点光学系は、面内には回折限界で決まる分解
能をもち、奥行き方向（光軸方向）にも高い分解能を持
つ。A reflective confocal optical system is used to read the data written in the three-dimensional optical storage device. The reflection-type confocal optical system has a resolution that is determined by the diffraction limit within the plane and has a high resolution in the depth direction (optical axis direction).
【００１６】本発明の読み出し光学系では、検出器に点
検出器を用い、光源と点検出器をともに記対物レンズの
結像（焦点）位置に設け、反射型の共焦点光学系を構成
する。点光源から射出した光を、対物レンズによって焦
点面上におかれた記録材料上に集光する。材料内の屈折
率変化が生じている領域で反射された光は、再び対物レ
ンズを通り、検出器上に点像を結ぶ。点光源と点検出器
が共に対物レンズの焦点位置に配置されているので、記
録材料内に３次元的に記録されたデータのうち、対物レ
ンズの焦点位置に存在する屈折率変化で反射した光は点
検出器に達する。しかし、光源と検出器の焦点位置から
外れた位置に存在する屈折率変化の生じている領域で反
射した光は、検出器位置に結像せず、そこでは円形状に
ぼけた強度分布を与える。点検出器はこのぼけた点像の
一点の光量しか検出しないので、焦点面から外れた位置
にある屈折率変化の像のコントラストは非常に低くな
る。つまり、ディフォーカス像はぼけるのではなく、消
える。したがって、反射型の共焦点光学系を用いれば、
材料内に３次元的に記録されたデータ（屈折率変化）を
他のデータからの干渉なしに読みだすことができる。別
のデータを読みだすには、記録材料、あるいはレーザー
ビームを相対的に走査する。In the readout optical system of the present invention, a point detector is used as the detector, and both the light source and the point detector are provided at the image forming (focus) position of the objective lens to form a reflection type confocal optical system. . The light emitted from the point light source is condensed on the recording material placed on the focal plane by the objective lens. The light reflected by the region in the material where the refractive index change occurs passes through the objective lens again and forms a point image on the detector. Since the point light source and the point detector are both arranged at the focal position of the objective lens, the light reflected by the change in the refractive index existing at the focal position of the objective lens in the data three-dimensionally recorded in the recording material. Reaches the point detector. However, the light reflected from the region where the refractive index change exists outside the focal point of the light source and the detector does not form an image at the detector position, and gives a circular intensity distribution in the circle. . Since the point detector detects only the light amount of one point of this blurred point image, the contrast of the image of the change in the refractive index at the position off the focal plane becomes very low. In other words, the defocus image disappears instead of blurring. Therefore, using a reflective confocal optical system,
Data (three-dimensional change) recorded three-dimensionally in the material can be read out without interference from other data. To read other data, the recording material or the laser beam is relatively scanned.
【００１７】共焦点光学系のデータ読み出しでは、空間
分解を持たない点検出器を用いる。そのため、焦点位置
近くの記録材料の構造やダストに依存するリング上の干
渉縞、材料面の不均質さまたはレンズなどの光学部品に
付着しているほこりにより生じるスペックルパターンな
ど、空間コヒーレンスの高い光源を用いた時に問題とな
るコヒーレント雑音が全て除去される。つまり、コヒー
レント雑音の影響を受けることなく、SN比の高いデータ
の読み出しができる。In reading data from the confocal optical system, a point detector having no spatial decomposition is used. Therefore, the spatial coherence is high, such as the structure of the recording material near the focus position, the interference fringes on the ring depending on dust, the inhomogeneity of the material surface, or the speckle pattern generated by dust adhering to optical components such as lenses. All coherent noises that are problematic when using a light source are removed. That is, data with a high SN ratio can be read without being affected by coherent noise.
【００１８】[0018]
【実施例】本発明のデータ書き込みの実施例を第１図に
示す。この光学系は、レーザー１、対物レンズ３、デー
タを記録するための感光材料５、３軸方向に移動可能な
ステージ４、およびシャッター１３で構成される。FIG. 1 shows an embodiment of data writing of the present invention. This optical system includes a laser 1, an objective lens 3, a photosensitive material 5 for recording data, a stage 4 movable in the three axial directions, and a shutter 13.
【００１９】光源にはレーザー１を用いる。レーザー１
からの光を対物レンズ３によって記録材料５中に集光す
る。実施例では、感光材料５として、フォトリフラクテ
ィブ結晶を用いる場合を考える。ここでは、フォトリフ
ラクティブ結晶としてLiNbO3結晶５を用いる。LiNbO3結
晶５では、フォトリフラクティブ効果によって、光の強
度分布の微分値に比例して結晶内の屈折率が変化する。
よって、LiNbO3結晶５に収束光を入射すると、光軸上の
光強度は焦点位置からの距離の２分の１乗に比例するの
で、結晶の屈折率変化は距離の３分の１乗に比例する。
つまり、屈折率変化はレーザーの集光点付近のみで生じ
る。この屈折率変化によってデータを結晶内に記録する
ことができる。LiNbO3 結晶５を、３軸方向に移動可能
なステージ４に上にのせ、３次元走査を行ないながら、
一点一点データを記録する。二値データ（０または１）
を記録するには、シャッター１３を開閉して、LiNbO3
結晶５に照射するレーザー光を制御し、結晶内での屈折
率変化の有無によってデータを記録する。レーザー光の
制御には、本実施例で用いた機械的な駆動によるシャッ
ター１３以外にも、液晶や電気光学効果を利用したシャ
ッターなども用いることができる。感光材料５として、
フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、銀塩フィルムな
どを用いた場合もフォトリフラクティブ結晶と同様にデ
ータの記録を行なう。A laser 1 is used as a light source. Laser 1
The light from is focused on the recording material 5 by the objective lens 3. In the embodiment, the case where a photorefractive crystal is used as the photosensitive material 5 will be considered. Here, LiNbO3 crystal 5 is used as a photorefractive crystal. In the LiNbO3 crystal 5, the refractive index in the crystal changes in proportion to the differential value of the light intensity distribution due to the photorefractive effect.
Therefore, when the convergent light is incident on the LiNbO3 crystal 5, the light intensity on the optical axis is proportional to the 1/2 power of the distance from the focus position, and the change in the refractive index of the crystal is proportional to the 1/3 power of the distance. To do.
That is, the change in the refractive index occurs only near the focal point of the laser. Data can be recorded in the crystal by this change in the refractive index. While placing the LiNbO3 crystal 5 on the stage 4 which can move in three-axis directions, and performing three-dimensional scanning,
Record each data point by point. Binary data (0 or 1)
To record, open and close the shutter 13 to remove LiNbO3
The laser light with which the crystal 5 is irradiated is controlled, and data is recorded depending on whether or not there is a change in the refractive index within the crystal. In addition to the mechanically driven shutter 13 used in this embodiment, a liquid crystal or a shutter utilizing an electro-optical effect can be used for controlling the laser light. As the photosensitive material 5,
When photopolymer, dichromated gelatin, silver salt film, etc. are used, data is recorded in the same way as the photorefractive crystal.
【００２０】第２図にデータの書き込みの他の実施例を
示す。本実施例では、ビーム走査により、高速にデータ
の記録を行なう。この光学系は、レーザー光源１、ポリ
ゴンミラー８、ガルバノミラー９、対物レンズ３、LiNb
O3 結晶５、z 軸方向に走査可能なステージ１０、複数
のリレーレンズ１１、シャッター１３によって構成され
る。レーザー１の集光スポットは、ポリゴンミラー８と
ガルバノミラー９とによって、焦点面内（x-y 面内）を
走査される。本走査は、ガルバノミラー９とポリゴンミ
ミラー８を対物レンズ３の瞳面に配置し、両ミラー８，
９によってビームを振ることにより行なう。光軸方向の
走査は、z 軸方向に移動可能なステージ１０上にLiNbO3
結晶５をのせ、このステージ１０を走査して行なう。
ポリゴンミラー８とガルバノミラー９によってビーム走
査を行なうことにより、データの記録が高速に実現でき
る。ビームの走査は、ガルバノミラーとガルバノミラー
との組み合わせや、二つのポリゴンミラーを用いる方
法、ガルバノミラーもしくはポリゴンミラーと音響光学
素子を組み合わせる方法など、いずれの方法を用いても
よい。FIG. 2 shows another embodiment of writing data. In this embodiment, data recording is performed at high speed by beam scanning. This optical system includes a laser light source 1, a polygon mirror 8, a galvanometer mirror 9, an objective lens 3, and LiNb.
It is composed of an O3 crystal 5, a stage 10 capable of scanning in the z-axis direction, a plurality of relay lenses 11, and a shutter 13. The focal spot of the laser 1 is scanned within the focal plane (in the xy plane) by the polygon mirror 8 and the galvano mirror 9. In the main scanning, the galvano mirror 9 and the polygon mirror 8 are arranged on the pupil plane of the objective lens 3, and the two mirrors 8,
This is done by shaking the beam with 9. Scanning in the optical axis direction is performed by using LiNbO3 on the stage 10 which is movable in the z axis direction.
The crystal 5 is placed and the stage 10 is scanned to perform the operation.
By performing beam scanning with the polygon mirror 8 and the galvano mirror 9, data can be recorded at high speed. The beam may be scanned by any method such as a combination of a galvano mirror and a galvano mirror, a method of using two polygon mirrors, a method of combining a galvano mirror or a polygon mirror and an acousto-optic element.
【００２１】第３図に、本発明の読み出し光学系の実施
例を示す。この光学系は、レーザー２、ビームスプリッ
ター６、対物レンズ３、データの記録されたLiNbO3結晶
５、点検出器７、３次元走査可能なステージ５によって
構成される。この光学系は、反射型の共焦点顕微鏡と同
等のものであり、光検出には点検出器を用いるかもしく
はピンホールを配置してその後ろ側でピンホールを通過
した光を面検出器によって検出するものを用いる。光源
（レーザー）２と検出器７は共に、対物レンズ３の焦点
位置に配置する。FIG. 3 shows an embodiment of the readout optical system of the present invention. This optical system is composed of a laser 2, a beam splitter 6, an objective lens 3, a LiNbO3 crystal 5 on which data is recorded, a point detector 7, and a stage 5 capable of three-dimensional scanning. This optical system is equivalent to a reflection-type confocal microscope, and a point detector is used for light detection, or a pinhole is arranged and the light passing through the pinhole behind it is detected by a surface detector. Use what is detected. Both the light source (laser) 2 and the detector 7 are arranged at the focal position of the objective lens 3.
【００２２】読み出し用の光源には、記録データを破壊
しないように、LiNbO3 結晶５のフォトリフラクティブ
効果が生じない波長のレーザーを用いる。もし、データ
の書き込みと同波長のレーザーを用いる場合には、記録
データを破壊しないように、レーザー光強度を十分小さ
くする。フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、銀塩フ
ィルムなど記録材料では、書き込み後定着処理を行なう
ので、読み出し時には再感光が起こらない。そのため、
読み出し時に書き込み時と同一波長のレーザーを用いて
も問題は生じない。As a light source for reading, a laser having a wavelength that does not cause the photorefractive effect of the LiNbO3 crystal 5 is used so as not to destroy the recorded data. If a laser having the same wavelength as that used for writing data is used, the laser light intensity is made sufficiently small so as not to destroy recorded data. With recording materials such as photopolymers, dichromated gelatin, and silver salt films, since fixing processing is performed after writing, re-exposure does not occur during reading. for that reason,
There is no problem even if a laser having the same wavelength as that used for writing is used during reading.
【００２３】レーザー２からの光を屈折率変化が生じて
いる部分に集光し、そこからの反射光を点検出器７で検
出する。光源２と点検出器７が対物レンズ３の焦点位置
に配置されているので、結晶５内に書き込まれたデータ
のうち対物レンズ３の焦点位置に存在する屈折率変化か
ら反射した光のみが点検出器７に達する。焦点位置から
外れた屈折率変化が生じている領域で反射した光は、検
出器７の位置に結像せず、検出されない。したがって３
次元的に記録されたある一点のデータ（屈折率変化）を
他のデータとの相互干渉することなしに読みだすことが
できる。The light from the laser 2 is focused on the portion where the refractive index changes, and the reflected light from the portion is detected by the point detector 7. Since the light source 2 and the point detector 7 are arranged at the focal position of the objective lens 3, only the light reflected from the change in the refractive index existing at the focal position of the objective lens 3 in the data written in the crystal 5 is inspected. Reach Depth 7. The light reflected by the region where the refractive index change deviates from the focus position does not form an image at the position of the detector 7 and is not detected. Therefore 3
One-dimensionally recorded data (refractive index change) at one point can be read out without mutual interference with other data.
【００２４】第４図に本発明のデータ読み出しの他の実
施例を示す。本実施例では、ビーム走査により、高速に
データの読み出しを行なう。この光学系は、レーザー
２、ポリゴンミラー８、ガルバノミラー９、対物レンズ
３、データの記録されたLiNbO3結晶５、z 軸方向に移動
可能なステージ１０、ビームスプリッター６、点検出器
７、多数のリレーレンズ １１、結像レンズ１２によっ
て構成される。前記第２図の実施例と同様に、レーザー
の集光点の焦点面内（x-y 面内）の走査は、ポリゴンミ
ラー８とガルバノミラー９により行ない、光軸方向の走
査は、z 軸方向に走査可能なステージ１０上にLiNbO3
結晶５をのせて、ステージを走査して行なう。ビーム走
査を行なうことにより、高速にデータの読み出しを行な
うことができる。ビームの走査は、ガルバノミラーとガ
ルバノミラーとの組み合わせや、二つのポリゴンミラー
を用いる方法、ガルバノミラーもしくはポリゴンミラー
と音響光学素子を組み合わせる方法など、いずれの方法
を用いてもよい。FIG. 4 shows another embodiment of data reading of the present invention. In this embodiment, the data is read at high speed by beam scanning. This optical system includes a laser 2, a polygon mirror 8, a galvano mirror 9, an objective lens 3, a LiNbO3 crystal 5 on which data is recorded, a stage 10 movable in the z-axis direction, a beam splitter 6, a point detector 7, and many other elements. It is composed of a relay lens 11 and an imaging lens 12. As in the embodiment shown in FIG. 2, scanning in the focal plane (in the xy plane) of the focal point of the laser is performed by the polygon mirror 8 and the galvano mirror 9, and scanning in the optical axis direction is performed in the z axis direction. LiNbO3 on the scannable stage 10
The crystal 5 is placed and the stage is scanned. By performing beam scanning, data can be read at high speed. The beam may be scanned by any method such as a combination of a galvano mirror and a galvano mirror, a method of using two polygon mirrors, a method of combining a galvano mirror or a polygon mirror and an acousto-optic element.
【００２５】[0025]
【発明の効果】３次元的にデータを書き込み・読み出し
のできる光学的記憶装置を実現することによって、大容
量のメモリーを実現することができる。また、ビームを
走査することにより高速のデータ書き込み・読み出しを
実現することができる。As described above, a large-capacity memory can be realized by realizing an optical storage device capable of three-dimensionally writing / reading data. Further, high-speed data writing / reading can be realized by scanning the beam.
【図１】本発明におけるデータ書き込みの実施例を示す
説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing an embodiment of data writing in the present invention.
【図２】共焦点光学系を用いた本発明におけるデータ書
き込みの他の実施例を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing another embodiment of data writing in the present invention using a confocal optical system.
【図３】本発明におけるデータ読み出しの実施例を示す
説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of data reading according to the present invention.
【図４】共焦点光学系を用いた本発明におけるデータ読
み出しの他の実施例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing another embodiment of data reading in the present invention using a confocal optical system.
１ 書き込み用レーザー ２ 読み出し用レーザー ３ 対物レンズ ４ ３軸ステージ ５ 感光材料 ６ ビームスプリッター ７ 点検出器 ８ ポリゴンミラー ９ ガルバノミラー １０ ｚ軸ステージ １１ リレーレンズ １２ 結像レンズ １３ シャッター 1 Laser for writing 2 Laser for reading 3 Objective lens 4 3-axis stage 5 Photosensitive material 6 Beam splitter 7 Point detector 8 Polygon mirror 9 Galvano mirror 10 z-axis stage 11 Relay lens 12 Imaging lens 13 Shutter
─────────────────────────────────────────────────────
─────────────────────────────────────────────────── ───
【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成５年８月２９日[Submission date] August 29, 1993
【手続補正２】[Procedure Amendment 2]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction content]
【書類名】 明細書[Document name] Statement
【発明の名称】 光学的データ記憶体並びにこの記録装
置及び記録再生装置Title: Optical data storage body, recording device and recording / reproducing device
【特許請求の範囲】[Claims]
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、光学的データ記憶体並
びに光学的データ記憶媒体の記録装置及び光学的記録体
の記録再生装置に関し、光強度に対して非線形性をもっ
て感光する感光材料の体積中にデータを一点一点３次元
に記録しこれを読み出しデータを再生できる光学的デー
タ記録体並びにこれの記録及び／又は再生装置に関する
ものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical data storage medium, a recording device for an optical data storage medium, and a recording / reproducing device for the optical recording medium, and relates to a volume of a photosensitive material sensitive to light intensity with non-linearity. The present invention relates to an optical data recording body capable of recording data one by one in a three-dimensional manner and reading the data and reproducing the data, and a recording and / or reproducing apparatus thereof.
【０００２】[0002]
【従来の技術、およびその問題点】近年のコンピュータ
ーの高機能化や情報の多次元化に伴い、大容量のメモリ
ーが必要となってきている。この需要に応えるため、大
きな容量をもつメモリーの開発が進められている。コン
パクトディスク、光磁気ディスクなどの光学的記憶装置
で、大容量のメモリーが実現されているが、これらの光
学的記憶装置ではこれ以上の記録容量を大きくすること
は困難である。つまり、データの書き込みと読み出しに
光を使うかぎり、単位面積あたりの記録密度は使用する
波長の回折限界で決まるスポット径で制限される。した
がって、より大きな容量の光学的記憶装置を実現するに
は、記録媒体（ディスク）の面積を大きくしなければな
らないからである。2. Description of the Related Art As computers have become more sophisticated and information has become multidimensional in recent years, a large-capacity memory has become necessary. In order to meet this demand, a memory having a large capacity is being developed. Optical storage devices such as compact discs and magneto-optical discs have realized large-capacity memories, but it is difficult to increase the recording capacity with these optical storage devices. That is, as long as light is used for writing and reading data, the recording density per unit area is limited by the spot diameter determined by the diffraction limit of the wavelength used. Therefore, in order to realize an optical storage device having a larger capacity, it is necessary to increase the area of the recording medium (disk).
【０００３】光学的記憶装置の記録媒体（ディスク）の
面積を大きくすることなく、より大きな記録容量を実現
するには、データを２次元平面内だけでなく、奥行き方
向（光軸方向）にも記録し、３次元構造を持つ光学的記
憶装置を実現すればよい。In order to realize a larger recording capacity without increasing the area of the recording medium (disk) of the optical storage device, the data is stored not only in the two-dimensional plane but also in the depth direction (optical axis direction). It is sufficient to record and realize an optical storage device having a three-dimensional structure.
【０００４】３次元光学的記憶装置としてホログラフィ
ー技術を応用したものが、いくつか提案されている(L.
d'Auria, J. P. Huignard, C. Slezak, and E. Spitz:
Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974; P. J. van Heer
den: Appl. Opt. Vol. 2, 393-400, 1963; Di Chen and
J. D. Zook: Proc. IEEE Vol. 63, 1207-1230, 197
5)。これらの方法は、２次元データ（画像）を厚みのあ
る感光材料に、ホログラムとして記録するものである。
多数枚の２次元データを参照光の照明方向を変えて、同
一ホログラム材料に多重記録する。Several three-dimensional optical storage devices to which the holographic technique is applied have been proposed (L.
d'Auria, JP Huignard, C. Slezak, and E. Spitz:
Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974; PJ van Heer
den: Appl. Opt. Vol. 2, 393-400, 1963; Di Chen and
JD Zook: Proc. IEEE Vol. 63, 1207-1230, 197
Five). These methods record two-dimensional data (images) as holograms on a thick photosensitive material.
Multiple pieces of two-dimensional data are recorded in the same hologram material by changing the illumination direction of the reference light.
【０００５】ホログラフィーを用いてデータを記録する
方法では、以下のような問題点がある。多重記録した複
数の２次元データのうち、クロストークなしで１枚ずつ
２次元データを読みだすためには、多重記録する際に参
照光の照明方向を大きく変化させて記録しなければなら
ない(L. d'Auria, J. P. Huignard, C. Slezak, andE.
Spitz: Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974)。そのた
め、多重記録の多重度を高くすることはできず、記録容
量を大きくすることはできない。また、ホログラフィー
の記録と再生には、コヒーレント光源が必要である。そ
のためホログラムからの再生像には、光学部品に付着し
たほこりなどに起因するスペックル像およびリング状の
干渉縞などのコヒーレント雑音が重畳する。これらコヒ
ーレント雑音は、再生データ像のSN比を低下させ、デー
タ読み出しの信頼性を著しく低下させる。The method of recording data using holography has the following problems. In order to read the two-dimensional data one by one from the multiple-recorded two-dimensional data without crosstalk, it is necessary to change the illumination direction of the reference light greatly when performing the multiple recording (L .d'Auria, JP Huignard, C. Slezak, and E.
Spitz: Appl. Opt. Vol. 13, 808-818, 1974). Therefore, it is not possible to increase the multiplicity of the multiplex recording and increase the recording capacity. Moreover, a coherent light source is required for holographic recording and reproduction. Therefore, the reproduced image from the hologram is superposed with a speckle image and coherent noise such as ring-shaped interference fringes caused by dust adhering to the optical component. These coherent noises reduce the signal-to-noise ratio of the reproduced data image and significantly reduce the reliability of data reading.
【０００６】記録媒体に一点ずつデータを書き込む３次
元光学的記憶装置もいくつか提案されている(D. A. Par
thenopoulos and P. M. Rentzepis: Science Vol. 245,
843-844, 1989; S. Hunteer, F. Kiamilev, S. Esene
r, D. A. Parthenopoulos, and P. M. Rentzepis: App
l. Opt. Vol. 29, 2058-2066, 1990; J. H. Stricklera
nd W. W. Webb: Opt. Lett. Vol. 16, 1780-1782, 199
1)。Several three-dimensional optical storage devices for writing data one by one on a recording medium have been proposed (DA Par.
thenopoulos and PM Rentzepis: Science Vol. 245,
843-844, 1989; S. Hunteer, F. Kiamilev, S. Esene
r, DA Parthenopoulos, and PM Rentzepis: App
l. Opt.Vol. 29, 2058-2066, 1990; JH Stricklera
nd WW Webb: Opt. Lett. Vol. 16, 1780-1782, 199
1).
【０００７】これらは、二光子吸収が光強度の２乗に比
例して生じることを利用して、フォトポリマー中にデー
タを書き込むものである。まず、フォトポリマーにレー
ザー光を集光する。二光子吸収は光強度の２乗に比例し
て生じるので、レーザー光強度の大きな焦点付近でのみ
二光子吸収が生じ、ポリマーの結合状態が変化する。よ
って、レーザーの集光点付近のみでポリマーの構造が変
化し、その点で屈折率が変化する。ポリマーを３次元的
に走査して、データを３次元的に一点ずつ記録する。デ
ータの読み出しには、微分干渉顕微鏡を用いている。各
点での屈折率変化を検出し、データを読みだす。These write data in a photopolymer by utilizing the fact that two-photon absorption occurs in proportion to the square of the light intensity. First, laser light is focused on the photopolymer. Since the two-photon absorption occurs in proportion to the square of the light intensity, the two-photon absorption occurs only in the vicinity of the focal point where the laser light intensity is large, and the bonding state of the polymer changes. Therefore, the structure of the polymer changes only near the focal point of the laser, and the refractive index changes at that point. The polymer is scanned in three dimensions and the data is recorded point by point in three dimensions. A differential interference microscope is used to read the data. The change in refractive index at each point is detected and the data is read.
【０００８】二光子吸収を用いた光学的記憶装置では、
データの書き込み時に高出力のパルスレーザーが必要で
ある。またデータの読み出しには微分干渉顕微鏡を用い
ているため、光軸方向（奥行き方向）のデータの読み出
し分解能は顕微鏡の焦点深度によって決まる。通常の顕
微鏡の焦点深度は大きく、光軸方向のデータの読み出し
分解能は低い。また、焦点位置にある屈折率変化のデー
タに焦点位置から外れた位置に存在する屈折率変化のぼ
けた像が重なるので、データの読み出し精度は低下す
る。したがって、光軸方向の記録密度を上げることは困
難であり、容量を大きくすることも困難である。なお、
上記の二光子吸収(two-photon absorption)とは、ある
特定の物質が２個の光子を同時に吸収する現象をいい、
この現象においては、２個の光子は同一の周波数の場合
も異なる周波数の場合もあって、後者では波長の異なる
例えばレーザービームをそれぞれ用いて感光材料中の任
意の微小領域で両ビームの集光点を交差させて屈折率変
化を記録することができるが、前者は、特定波長の単一
のレーザービームを用いてその集光点の光強度に感応す
る非線形性を利用して屈折率変化を記録するものであ
る。この前者の二光子吸収の原理を利用した３次元的デ
ータの記録手法には、上記で言及した問題点のほかに以
下の問題も指摘される。すなわち、データの書き込み
には、極めて高出力のパルスレーザーが必要とされ、例
えば、上掲のJ.H.Stricker and W.W.Webbの論文におい
ては、大型のアルゴンイオンレーザー装置とこのレーザ
ーからのビームをパルス化するColliding-Pulse Mode-l
ocked Dye Laserという大型の装置が使用されている。
しかしながら、このような高出力パルスレーザーは、実
証試験や研究のために、研究室や実験室レベルでは装備
可能であるが、民生レベルの実用化のためにはコストが
かかり過ぎ、さらには極めて大型化した装置システムの
形態をとらざるを得ず、問題が多い。つまり、現在普及
している書き換え可能型の光磁気ディスク装置などのよ
うに、小型コンパクト化されなおかつ比較的コスト低廉
で提供され民生用に広く普及するには難点が多いという
ことである。次に、二光子吸収の性質を示現する物
質、感光材料は、その種類がきわめて限定され、現状で
はある特定のフォトポリマーだけが利用可能であるとい
う、二光子吸収を示す感光材料そのものに係わる問題で
ある。現状では、単一のレーザービームを使用する場
合、高エネルギーを集中化することによってのみ屈折率
変化を記録でき、低エネルギーのレーザーで記録でき
る、あるいは特有の波長依存性を呈して低エネルギーで
記録できるような感光材料は見いだされていない。ま
た、現在用いられている感光材料はフォトポリマーで
あって、その常温での性状は液体であり、記録時やデー
タの再生において、あるいは記録体の長期保存という見
地から難点が認められる。すなわち、記録時には、例え
ば紫外線を用いてある程度のゲル化が必須であり、記録
した後も収縮や変形を防止するために特別の処理を施さ
ざるを得ないという問題である。３次元的にデータを記
憶させたとはいっても、データ担体そのものが収縮や変
形によって、データアクセスが不可能化する可能性があ
るとすれば、そのようなデータ担体は、たとえきわめて
大容量のものとしても、利用・適用の可能性は乏しく例
えば民生用にコンパクトディスクのように広く普及する
などということは考え難い。更に、二光子吸収の原理
を用いた屈折率変化の形成は固定したものであり、たと
え大容量化が図られたとしても、それはＲＯＭとしての
利用に限られてしまい、書き換えの可能性を全く挫くと
いう難点がある。In an optical storage device using two-photon absorption,
A high-power pulse laser is required when writing data. Since a differential interference microscope is used for reading data, the data reading resolution in the optical axis direction (depth direction) is determined by the depth of focus of the microscope. An ordinary microscope has a large depth of focus and a low data reading resolution in the optical axis direction. Further, the data of the refractive index change at the focal position is overlapped with the blurred image of the refractive index change existing at the position deviated from the focal position, so that the data reading accuracy is lowered. Therefore, it is difficult to increase the recording density in the optical axis direction, and it is also difficult to increase the capacity. In addition,
The above-mentioned two-photon absorption is a phenomenon in which a specific substance absorbs two photons at the same time.
In this phenomenon, two photons may have the same frequency or different frequencies. In the latter case, for example, laser beams having different wavelengths are used to focus both beams on an arbitrary minute region in the photosensitive material. The refractive index change can be recorded by intersecting the points, but the former uses a single laser beam of a specific wavelength to utilize the nonlinearity that is sensitive to the light intensity at that focal point to change the refractive index change. To record. In the former method of recording three-dimensional data using the principle of two-photon absorption, the following problems are pointed out in addition to the problems mentioned above. That is, an extremely high-power pulsed laser is required for writing data. For example, in the above-mentioned JHStricker and WWWebb paper, a large argon ion laser device and a colliding-pulse for pulsing a beam from this laser are used. Pulse Mode-l
A large device called ocked Dye Laser is used.
However, such a high-power pulsed laser can be equipped at the laboratory or laboratory level for demonstrative tests and research, but it is too costly for commercialization at the consumer level, and is extremely large. There are many problems because it is inevitable to take the form of an optimized device system. In other words, it is difficult to spread widely for consumer use because it is provided at a relatively small size and at a relatively low cost, as in the rewritable magneto-optical disk device that is currently popular. Next, the type of materials and photosensitive materials that exhibit the property of two-photon absorption are extremely limited, and at present, only certain photopolymers can be used, which is a problem related to the photosensitive material itself that exhibits two-photon absorption. Is. At present, when a single laser beam is used, the refractive index change can be recorded only by concentrating high energy, and it can be recorded by a low energy laser, or it records at a low energy due to its unique wavelength dependence. No photosensitive material has been found that can be used. Further, the light-sensitive material currently used is a photopolymer, and its property at room temperature is a liquid, and it is recognized that there are drawbacks in recording, reproducing data, or from the viewpoint of long-term storage of a recording medium. That is, at the time of recording, gelling to some extent is necessary by using, for example, ultraviolet rays, and there is no choice but to perform a special treatment after recording to prevent shrinkage or deformation. Even if the data is stored three-dimensionally, if the data carrier itself may become inaccessible due to contraction or deformation, such a data carrier has a very large capacity. Even so, it is unlikely to be used or applied, and it is unlikely that it will be widely used like a compact disc for consumer use. Furthermore, the formation of the refractive index change using the principle of two-photon absorption is fixed, and even if the capacity is increased, it is limited to the use as a ROM, and there is no possibility of rewriting. It has the drawback of being crushed.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明は、特
殊な装置の利用や特別な処理を施すことなくデータの記
録が容易で高記録密度、大容量の記憶が可能な光学的デ
ータ記憶体並びにこの記録装置及び記録再生装置を提供
することを基本的な目的とし、その他に、書き換え可能
な大容量光学的データ記憶体を提供することも目的の一
つとする。SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, the present invention is an optical data storage body capable of easily recording data without using a special device or performing a special process and capable of storing a high recording density and a large capacity. Moreover, it is a basic object to provide the recording device and the recording / reproducing device, and also to provide a rewritable large-capacity optical data storage body.
【００１０】[0010]
【課題を達成するための手段、発明の構成】本発明に係
る光学的データ記憶体は、光強度に対し大きな非線形性
を示す感光材料の体積中に、比較的低出力のレーザーに
より、記録すべき２値データに対応する離散的な屈折率
変化の分布を層状に形成したデータ記憶体であることを
基本的な特徴とする。また、上記のデータ記憶体を得る
ためにこの記録媒体にデータを記録する本発明に係る記
録装置は、光源としてのレーザと、前記レーザからの光
を集光する集光レンズと、入射光強度によって屈折率変
化を生じる所定厚さの感光材料の体積中に前記集光レン
ズの集光点が位置するように配備される感光材料の載置
台と、前記感光材料の体積中を前記集光点により３次元
に走査可能にする感光材料の走査手段と、前記感光材料
中の任意の微小領域における集光点の有無を記録すべき
２値データに応じて切り換える切換手段とを備えたこと
を基本的な特徴とする。そして、上記データ記憶体の本
発明に係る記録再生装置は、光源としてのレーザと、前
記レーザからの光を集光する集光レンズと、入射光強度
によって屈折率変化を生じる所定厚さの感光材料の体積
中に前記集光レンズの集光点が位置するように配備され
る感光材料の載置台と、前記感光材料の体積中を前記集
光点により３次元に走査可能にする感光材料の走査手段
と、前記感光材料中の任意の微小領域における集光点の
有無を記録すべき２値データに応じて切り換える切換手
段とを備えたことを特徴とする。光源としてのレーザ
と、前記レーザからの光を集光する集光レンズと、入射
光強度によって屈折率変化を生じる所定厚さの感光材料
の体積中に前記集光レンズの集光点が位置するように配
備される感光材料の載置台と、前記感光材料の体積中を
前記集光点により３次元に走査可能にする感光材料の走
査手段と、前記感光材料中の任意の微小領域における集
光点の有無を記録すべき２値データに応じて切り換える
切換手段と、前記感光材料中に記録された屈折率変化の
分布を検出するために用いられるデータ再生用のレーザ
と、このレーザ照射光の反射光を受ける対物レンズと、
前記対物レンズの実質的な焦点位置に設けられる点状の
光電検出器とを備えたことを基本的な特徴としている。The optical data storage medium according to the present invention is recorded by a laser having a relatively low output in a volume of a light-sensitive material exhibiting a large non-linearity with respect to light intensity. The basic feature is that the data storage body has a layered distribution of discrete refractive index changes corresponding to power binary data. The recording apparatus according to the present invention for recording data on this recording medium to obtain the above-mentioned data storage body includes a laser as a light source, a condenser lens for condensing light from the laser, and an incident light intensity. A mount of the photosensitive material arranged so that the condensing point of the condensing lens is located in the volume of the photosensitive material having a predetermined thickness that causes a change in the refractive index, and the condensing point in the volume of the photosensitive material. It is basically provided with a scanning means of a photosensitive material capable of three-dimensional scanning by means of a scanning means and a switching means for switching the presence or absence of a focal point in an arbitrary minute area in the photosensitive material according to binary data to be recorded. Characteristic. The recording / reproducing apparatus according to the present invention for the above data storage body includes a laser as a light source, a condenser lens for condensing light from the laser, and a photosensitive layer having a predetermined thickness that causes a change in refractive index depending on the intensity of incident light. A mounting base of a photosensitive material arranged such that the condensing point of the condensing lens is located in the volume of the material, and a photosensitive material that enables the volume of the photosensitive material to be three-dimensionally scanned by the condensing point. The present invention is characterized by comprising scanning means and switching means for switching the presence / absence of a focal point in an arbitrary minute area in the photosensitive material according to binary data to be recorded. A laser as a light source, a condenser lens for condensing light from the laser, and a condensing point of the condenser lens is located in a volume of a photosensitive material having a predetermined thickness that causes a change in refractive index depending on the intensity of incident light. Mounting table for the photosensitive material, scanning means for the photosensitive material capable of three-dimensionally scanning the volume of the photosensitive material by the condensing point, and condensing in an arbitrary minute area in the photosensitive material. Switching means for switching the presence / absence of dots according to binary data to be recorded, a laser for data reproduction used for detecting the distribution of the change in the refractive index recorded in the photosensitive material, and the laser irradiation light. An objective lens that receives the reflected light,
The basic feature is that it is provided with a dot-shaped photoelectric detector provided at a substantial focal position of the objective lens.
【００１１】[0011]
【作用】本発明では、厚みのある光強度に対し大きな非
線形性を示す記録材料に比較的低出力のレーザーにより
３次元的にデータを屈折率変化として一点一点記録す
る。そして、記録されたデータを再生するときは、屈折
率変化の有無を反射光の有無をもってこれを反射型の共
焦点光学系を用いて読み出す。In the present invention, data is recorded one by one as a change in the refractive index three-dimensionally by a laser having a relatively low output on a recording material having a large non-linearity with respect to a thick light intensity. Then, when the recorded data is reproduced, the presence or absence of the change in the refractive index is read out by using the presence or absence of the reflected light by using the reflective confocal optical system.
【００１２】データの記録材料には、フォトリフラクテ
ィブ結晶、フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、銀塩
フィルムなど、光強度に応じて屈折率が変化する感光材
料を用いる。このような記録材料中にレーザー光を集光
すると、集光位置で屈折率が大きく変化する。集光点以
外の部分では、集光位置に比べ光強度が小さいので、屈
折率変化は小さく、無視できる。レーザービームを走査
するかまたは記録材料を３次元的に走査して、一点一点
記録材料中にデータを３次元的に記録する。As a data recording material, a photo-sensitive material such as a photorefractive crystal, a photopolymer, a dichromated gelatin, a silver salt film or the like whose refractive index changes according to the light intensity is used. When a laser beam is focused on such a recording material, the refractive index greatly changes at the focusing position. Since the light intensity is smaller in the portion other than the condensing point as compared with the condensing position, the change in refractive index is small and can be ignored. Data is three-dimensionally recorded in the point-by-point recording material by scanning a laser beam or scanning the recording material three-dimensionally.
【００１３】本発明の光学的記録手法では、例えば出力
が数mW■十数mWで波長が500 nm のレーザー光を用いて
データの書き込みを行ない、屈折率変化が集光スポット
の周辺1μm3 の範囲で生じたとすると、1x1012 bit/cm3
の記録密度が得られる。より短い波長のレーザー光を
用いることや高い開口数の対物レンズを使用すること、
レーザー光強度に対してより大きく非線形に感光する記
録材料を用いて屈折率変化が生じる領域を小さくするこ
となどにより、さらに高い記録密度が得られる。In the optical recording method of the present invention, for example, data is written by using a laser beam having an output of several mW and a dozen mW and a wavelength of 500 nm, and the change in the refractive index is 1 μm 3 around the focused spot. If it occurs in the range, 1x10 12 bit / cm 3
The recording density of is obtained. Using laser light with shorter wavelengths or using high numerical aperture objectives,
A higher recording density can be obtained by using a recording material that is more sensitive to the laser light intensity and non-linearly to reduce the area where the refractive index changes.
【００１４】記録材料としてLiNbO3, BaTiO3, SBN, Bi
12SiO20 などの一様な光を照射することにより先に記録
した屈折率変化が消失するフォトリフラクティブ結晶を
用いた場合には、データの書き換え可能でランダムアク
セスメモリ(RAM)およびリードオンリーメモリー(ROM)
としての作用を持たせることができる。フォトポリマ
ー、重クロム酸ゼラチンなど、書き換えができない材料
を記録材料に用いた場合には、リードオンリーメモリー
(ROM) としてのみ利用できる。なお、フォトリフラクテ
ィブ結晶を用いるときは、この結晶はすべからく固体で
あるから記録時等、取り扱いがきわめて容易で利便であ
る。また、比較的低出力のレーザー例えば、出力が５０
mW以下の半導体レーザーでも記録可能であるので、記録
ないし記録再生装置の小型、コンパクト化が充分可能で
ある。As a recording material, LiNbO 3 , BaTiO 3 , SBN, Bi
12 When using a photorefractive crystal in which the change in the refractive index previously recorded by irradiating uniform light such as SiO 20 is used, the data can be rewritten and the random access memory (RAM) and the read-only memory ( ROM)
Can have the action of. When a non-rewritable material such as photopolymer or dichromated gelatin is used as the recording material, read-only memory
Only available as (ROM). When a photorefractive crystal is used, the crystal is a solid so that it is very easy and convenient to handle during recording. In addition, a laser having a relatively low output, for example, an output of 50
Since recording is possible even with a semiconductor laser of mW or less, the recording or recording / reproducing apparatus can be made sufficiently small and compact.
【００１５】３次元光学的記憶体に書き込まれたデータ
を読みだすには、反射型の共焦点光学系を用いる。反射
型の共焦点光学系は、面内には回折限界で決まる分解能
をもち、奥行き方向（光軸方向）にも高い分解能を持
つ。A reflective confocal optical system is used to read the data written in the three-dimensional optical storage medium. The reflection-type confocal optical system has a resolution that is determined by the diffraction limit within the plane and has a high resolution in the depth direction (optical axis direction).
【００１６】本発明の上記読み出し光学系では、検出器
に点状をなす検出器を用い、光源と点検出器をともに前
記対物レンズの実質的な結像（焦点）位置に設け、反射
型の共焦点光学系を構成する。点光源から射出した光
を、対物レンズによって焦点面上におかれた記録材料中
に集光する。材料内の屈折率変化が生じている領域で反
射された光は、再び対物レンズを通り、検出器上に点像
を結ぶ。点光源と点検出器が共に対物レンズの焦点位置
に配置されているので、記録材料内に３次元的に記録さ
れたデータのうち、対物レンズの焦点位置に存在する屈
折率変化で反射した光は点検出器に達する。しかし、光
源と検出器の焦点位置から外れた位置に存在する屈折率
変化の生じている領域で反射した光は、検出器位置に結
像せず、そこでは円形状にぼけた強度分布を与える。点
検出器はこのぼけた点像の一点の光量しか検出しないの
で、焦点面から外れた位置にある屈折率変化の像のコン
トラストは非常に低くなる。つまり、ディフォーカス像
はぼけるのではなく、消える。したがって、反射型の共
焦点光学系を用いることにより、材料内に３次元的に記
録されたデータ（屈折率変化）を他のデータからの干渉
なしに読みだすことができる。別のデータを読みだすに
は、記録材料、あるいはレーザービームを相対的に走査
する。In the above-mentioned readout optical system of the present invention, a point-like detector is used as the detector, and both the light source and the point detector are provided at the substantial image forming (focus) position of the objective lens, and the reflection type is used. Configure a confocal optical system. The light emitted from the point light source is focused on the recording material placed on the focal plane by the objective lens. The light reflected by the region in the material where the refractive index change occurs passes through the objective lens again and forms a point image on the detector. Since the point light source and the point detector are both arranged at the focal position of the objective lens, the light reflected by the change in the refractive index existing at the focal position of the objective lens in the data three-dimensionally recorded in the recording material. Reaches the point detector. However, the light reflected from the region where the refractive index change exists outside the focal point of the light source and the detector does not form an image at the detector position, and gives a circular intensity distribution in the circle. . Since the point detector detects only the light amount of one point of this blurred point image, the contrast of the image of the change in the refractive index at the position off the focal plane becomes very low. In other words, the defocus image disappears instead of blurring. Therefore, by using the reflective confocal optical system, the data (refractive index change) three-dimensionally recorded in the material can be read out without interference from other data. To read other data, the recording material or the laser beam is relatively scanned.
【００１７】共焦点光学系のデータ読み出しでは、空間
分解を持たない点状をなす検出器を用いる。そのため、
焦点位置近くの記録材料の構造やダストに依存するリン
グ上の干渉縞、材料面の不均質さまたはレンズなどの光
学部品に付着しているほこりにより生じるスペックルパ
ターンなど、空間コヒーレンスの高い光源を用いた時に
問題となるコヒーレント雑音が全て除去される。つま
り、コヒーレント雑音の影響を受けることなく、SN比の
高いデータの読み出しができる。なお、前述の二光子吸
収を用いたフォトポリマー材料における記録により生じ
る屈折率変化は10-3〜10-1で、例えば本発明で用いられ
る一般的なフォトリフラクティブ結晶での屈折率変化は
10-5〜10-3でほぼ100倍の差があるが、読出し光学系に
共焦点光学系を用いることによりこの差は充分に補償さ
れる。In reading data from the confocal optical system, a point-like detector having no spatial resolution is used. for that reason,
A light source with high spatial coherence, such as interference fringes on the ring that depends on the structure of the recording material near the focal position and dust, inhomogeneities on the material surface, or speckle patterns caused by dust adhering to optical components such as lenses, is used. All coherent noise, which is a problem when used, is removed. That is, data with a high SN ratio can be read without being affected by coherent noise. The refractive index change caused by recording in the photopolymer material using the two-photon absorption described above is 10 -3 to 10 -1 , for example, the refractive index change in a general photorefractive crystal used in the present invention is
There is almost a 100-fold difference between 10 -5 and 10 -3 , but this difference is sufficiently compensated by using a confocal optical system as the reading optical system.
【００１８】[0018]
【実施例】本発明のデータ書き込みの実施例を第１図に
示す。この光学系は、レーザー１、対物レンズ３、デー
タを記録するための感光材料５、３軸方向に移動可能な
ステージ４、およびシャッター１３で構成される。な
お、参照符号１で示したレーザーには内部にビームエク
スパンダー及びコリメートレンズを含み点状の光源とし
て作用する。FIG. 1 shows an embodiment of data writing of the present invention. This optical system includes a laser 1, an objective lens 3, a photosensitive material 5 for recording data, a stage 4 movable in the three axial directions, and a shutter 13. The laser indicated by reference numeral 1 includes a beam expander and a collimator lens inside and acts as a point light source.
【００１９】光源にはレーザー１を用いる。レーザー１
からの光を対物レンズ３によって記録材料５中に集光す
る。実施例では、感光材料５として、フォトリフラクテ
ィブ結晶を用いる場合を考える。ここでは、フォトリフ
ラクティブ結晶としてLiNbO3結晶５を用いる。LiNbO3結
晶５では、フォトリフラクティブ効果によって、光の強
度分布の微分値に比例して結晶内の屈折率が変化する。
よって、LiNbO3結晶５に収束光を入射すると、光軸上の
光強度は焦点位置からの距離の２分の１乗に比例するの
で、結晶の屈折率変化は距離の３分の１乗に比例する。
つまり、屈折率変化はレーザーの集光点付近のみで生じ
る。この屈折率変化によってデータを結晶内に記録する
ことができる。LiNbO3 結晶５を、３軸方向に移動可能
なステージ４の上にのせ、３次元走査を行ないながら、
一点一点データを記録する。二値データ（０または１）
を記録するには、シャッター１３を開閉して、LiNbO3
結晶５に照射するレーザー光を制御し、結晶内での屈折
率変化の有無によってデータを記録する。レーザー光の
制御には、本実施例で用いた機械的な駆動によるシャッ
ター１３以外にも、液晶や電気光学効果を利用したシャ
ッターなども用いることができる。感光材料５として、
フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、銀塩フィルムな
どを用いた場合もフォトリフラクティブ結晶と同様にデ
ータの記録を行なう。なお、上記にいうフォトリフラク
ティブ効果については、１９６０年代後半にＡｓｈｋｉ
ｎらにより特定の結晶による第２高調波の発生や光変調
の研究の副産物として発見され、当初は光損傷と命名さ
れた。このフォトリフラクティブ効果による屈折率変化
は、数ｍＷの低出力のレーザー光で惹起させることがで
き、また、反応速度が数ｍｓｅｃから数ｓｅｃであるこ
とから反応はリアルタイムで進行し、強度パターンが変
化するとその屈折率分布も変化する性質をもつことが知
られている。これらの性質を利用して、従来より、実時
間ホログラムやホログラフィク光メモリとしての応用
や、位相共役鏡としての応用が盛んに研究されている。
しかしながら、上記実施例のように、フォトリフラクテ
ィブ効果を用いてこの結晶に一点一点収束光を入射して
ビット形式の記録を行う試みは寡聞にしてない。フォト
リフラクティブ結晶には、ＬiＮbＯ3（λ=633nm）、Ｌi
ＴaＯ3（λ=488nm）、ＫＮbＯ3（λ=488nm）、ＢaＴiＯ
3（λ=546nm）、Ｂa0.75Ｓr0.25Ｎb2Ｏ6（λ=488nm)、
Ｂa0.39Ｓr0.41Ｎb2Ｏ6（λ=620nm）、Ｂi12ＳiＯ
20（λ=510nm）、Ｂi12ＧeＯ20（λ=488nm）、ＧaＡs
（λ=488nm）、ＣdＴe（λ=488nm）がよく知られている
が(尚、括弧内は感度の中心波長を示す)、フォトリフラ
クティブ効果による屈折率変化の大きさは、総じておよ
そ１０-5〜１０-3である。フォトリフラクティブ結晶
は、電気光学結晶であり屈折率変化の大きさは電気光学
定数及び内部に形成される電界の大きさに比例する。電
気光学定数は結晶の種類、結晶構造に依存し、内部電界
の大きさは、結晶内に含まれる不純物の濃度に依存す
る。大きな屈折率変化を有する結晶としてＢaＴiＯ3、
ＳＢＮ、ＬiＮbＯ3が知られている。これらの結晶の屈
折率変化の大きさは１０-3程度であり、透過型体積ホロ
グラムとして用いたときの回折効率は８０％に達する。
ＢaＴiＯ3及びＳＮＢ結晶は、電気光学定数が非常に大
きいために屈折率変化が大きくなるのに対し、ＬiＮbＯ
3結晶は電気光学定数は小さいが、光起電力効果が大き
く、内部電界を大きくすることができるので、屈折率が
大きくなる。また、ＳＮＢ結晶やＬiＮbＯ3は不純物を
ドープすると屈折率変化を大きくすることができ、ＳＮ
Ｂ結晶にはＣeをＬiＮbＯ3結晶には、Ｆe，Ｍn，Ｒhを
ドープすると屈折率変化が大きくなることが知られてい
る。また、上記したフォトポリマー、重クロム酸ゼラチ
ン、銀塩フィルムは、記録された屈折率変化は固定され
てしまい書き換えることができないが、フォトリフラク
ティブ結晶で記録したデータは、前回の記録パターンと
は異なる強度分布をもつ光あるいは一様な自然光を照射
することで容易に書き換えることができる。すなわち、
フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、銀塩フィルム
は、ＲＯＭ(Ｒead Ｏnly Ｍemory)としてのみ用いるこ
とができる一方、フォトリフラクティブ結晶はＲＡＭ
(Ｒead/Ｗrite memory)として用いることができる。更
に、フォトポリマーと、重クロム酸ゼラチン，銀塩フィ
ルムとを比較すると、後者は低ノイズで高回折効率とい
う特徴をもつが、現像に手間がかかることや記録材料の
安定性が悪いということがあり、一般的に取り扱いが難
しいということは否めない。他方、前者のフォトポリマ
ーは、自己現像型で、露光後、自然光を一様に照射する
だけで、記録した屈折率変化の分布を簡単に固定するこ
とができるという利点をもつ。A laser 1 is used as a light source. Laser 1
The light from is focused on the recording material 5 by the objective lens 3. In the embodiment, the case where a photorefractive crystal is used as the photosensitive material 5 will be considered. Here, LiNbO 3 crystal 5 is used as a photorefractive crystal. In the LiNbO 3 crystal 5, the refractive index in the crystal changes in proportion to the differential value of the light intensity distribution due to the photorefractive effect.
Therefore, when the convergent light is incident on the LiNbO 3 crystal 5, the light intensity on the optical axis is proportional to the half power of the distance from the focus position, so the change in the refractive index of the crystal is one third power of the distance. Proportional.
That is, the change in the refractive index occurs only near the focal point of the laser. Data can be recorded in the crystal by this change in the refractive index. Place the LiNbO 3 crystal 5 on the stage 4 that can move in the three-axis directions, while performing three-dimensional scanning,
Record each data point by point. Binary data (0 or 1)
To record, open and close the shutter 13 to remove LiNbO 3
The laser light with which the crystal 5 is irradiated is controlled, and data is recorded depending on whether or not there is a change in the refractive index within the crystal. In addition to the mechanically driven shutter 13 used in this embodiment, a liquid crystal or a shutter utilizing an electro-optical effect can be used for controlling the laser light. As the photosensitive material 5,
When photopolymer, dichromated gelatin, silver salt film, etc. are used, data is recorded in the same way as the photorefractive crystal. Regarding the photorefractive effect mentioned above, Ashki was introduced in the latter half of the 1960s.
It was discovered by N. et al. as a by-product of the study of the generation of second harmonics by a particular crystal and optical modulation, and was initially named optical damage. The change in refractive index due to this photorefractive effect can be induced by a low-power laser beam of several mW, and since the reaction speed is from several msec to several sec, the reaction proceeds in real time and the intensity pattern changes. Then, it is known that the refractive index distribution also changes. Utilizing these properties, the application as a real-time hologram or a holographic optical memory and the application as a phase conjugate mirror have been actively studied.
However, unlike the above-mentioned embodiment, no attempt has been made to record bit-type recording by injecting convergent light point by point into this crystal using the photorefractive effect. For photorefractive crystals, LiNbO 3 (λ = 633 nm), Li
TaO 3 (λ = 488 nm), KNbO 3 (λ = 488 nm), BaTiO
3 (λ = 546 nm), Ba 0.75 Sr 0.25 Nb 2 O 6 (λ = 488 nm),
Ba 0.39 Sr 0.41 Nb 2 O 6 (λ = 620 nm), Bi 12 SiO
20 (λ = 510 nm), Bi 12 GeO 20 (λ = 488 nm), GaAs
(Λ = 488 nm) and CdTe (λ = 488 nm) are well known (note that the center wavelength of sensitivity is shown in parentheses), but the magnitude of the change in refractive index due to the photorefractive effect is about 10 −5 in total. 10 -3 . The photorefractive crystal is an electro-optic crystal, and the magnitude of the change in the refractive index is proportional to the electro-optic constant and the magnitude of the electric field formed inside. The electro-optic constant depends on the crystal type and crystal structure, and the magnitude of the internal electric field depends on the concentration of impurities contained in the crystal. BaTiO 3 as a crystal having a large refractive index change,
SBN and LiNbO 3 are known. The magnitude of the change in the refractive index of these crystals is about 10 −3 , and the diffraction efficiency when used as a transmission volume hologram reaches 80%.
In the case of BaTiO 3 and SNB crystals, the refractive index change is large because the electro-optic constant is very large, whereas LiNbO
Although the 3 crystal has a small electro-optic constant, it has a large photovoltaic effect and can increase the internal electric field, and thus has a high refractive index. In addition, the SNB crystal and LiNbO 3 can increase the change in refractive index when doped with impurities.
It is known that when the B crystal is doped with Ce and the LiNbO 3 crystal is doped with Fe, Mn, and Rh, the refractive index change becomes large. The photopolymer, dichromated gelatin, and silver salt film described above cannot be rewritten because the recorded refractive index change is fixed, but the data recorded by the photorefractive crystal is different from the previous recording pattern. It can be easily rewritten by irradiating light having an intensity distribution or uniform natural light. That is,
Photopolymer, dichromated gelatin, and silver salt film can be used only as ROM (Read Only Memory), while photorefractive crystal is RAM.
It can be used as (Read / Write memory). Furthermore, comparing the photopolymer with the dichromated gelatin and silver salt film, the latter is characterized by low noise and high diffraction efficiency, but it takes time to develop and the stability of the recording material is poor. Yes, and in general, it is difficult to handle. On the other hand, the former photopolymer is a self-developing type and has an advantage that the distribution of the recorded refractive index change can be easily fixed only by uniformly irradiating natural light after exposure.
【００２０】第２図にデータの書き込みの他の実施例を
示す。本実施例では、ビーム走査により、高速にデータ
の記録を行なう。この光学系は、レーザー光源１、ポリ
ゴンミラー８、ガルバノミラー９、対物レンズ３、LiNb
O3 結晶５、z 軸方向に走査可能なステージ１０、複数
のリレーレンズ１１、シャッター１３によって構成され
る。レーザー１の集光スポットは、ポリゴンミラー８と
ガルバノミラー９とによって、焦点面内（x-y 面内）を
走査される。本走査は、ガルバノミラー９とポリゴンミ
ミラー８を対物レンズ３の瞳面に配置し、両ミラー８，
９によってビームを振ることにより行なう。光軸方向の
走査は、z 軸方向に移動可能なステージ１０上にLiNbO3
結晶５をのせ、このステージ１０を走査して行なう。
ポリゴンミラー８とガルバノミラー９によってビーム走
査を行なうことにより、データの記録が高速に実現でき
る。ビームの走査は、ガルバノミラーとガルバノミラー
との組み合わせや、二つのポリゴンミラーを用いる方
法、ガルバノミラーもしくはポリゴンミラーと音響光学
素子を組み合わせる方法など、いずれの方法を用いても
よい。なお、上記実施例では、フォトリフラクティブ結
晶としてＬiＮbＯ3結晶を用いている。これは、この結
晶がデータ記録及びデータ読出しの双方で他の結晶より
も有利であるという特性に基づいている。すなわち、フ
ォトリフラクティブ結晶における屈折率変化の大きさは
およそ１０-5〜１０-3程度と小さい。この範囲の屈折率
変化では、再生するとき上の層に記録されたデータによ
り光の波面が大きく乱されることはないが、屈折率が変
化したところで光を反射させて再生するためには、その
屈折率変化は大きい方が反射率が高い。そのため、屈折
率変化の大きい材料を選択する必要があり、一般に高い
屈折率変化を示す結晶としてＢaＴiＯ3、ＬiＮbＯ3及び
ＳＮＢ結晶が知られている。そこで、ＢaＴiＯ3、ＬiＮ
bＯ3及びＳＮＢ結晶についてメモリとしてもちいるのに
好適な書き込み光と読み出し光の光軸に対する最適な結
晶軸の方向と読出し光の偏光方向とを検討した。 Ｂa
ＴiＯ3，ＳＮＢ，ＬiＮbＯ3結晶は異方性結晶であり、
光が結晶に入射すると常光線と異常光線とに分かれる。
それぞれの偏光方向に対する屈折率だ円体の変形の大き
さを求めてみると、異常光線の方が常光線より著しく大
きいことが分かった。したがって、データの記録された
屈折率変化の生じた微小領域からの反射光を大きくする
には、読出し光の偏光方向を異常光線の偏光方向と一致
させるのがよい。偏光方向をこのように決定すると、屈
折率変化の大きさは、書き込み光及び読出し光の光軸が
結晶軸となす角度だけで表わすことができる。ＢaＴiＯ
3，ＳＮＢ，ＬiＮbＯ3のそれぞれの結晶について、書き
込み光及び読出し光の光軸と結晶軸とのなす角度θを変
化させたとき、異常光線に対する結晶内の屈折率変化を
調べてみると、ＢaＴiＯ3，ＳＮＢ結晶では、書き込み
光及び読出し光の光軸に対して結晶軸のが約６０度また
は１２５度のときに、最も大きな屈折率変化が生じるこ
とが解った。従って、メモリにＢaＴiＯ3とＳＮＢ結晶
を用いる場合には、光の入射面の法線方向に対して、結
晶軸が６０度または１２５度傾いているものがよい。し
かしながら、結晶のドメインの向きを制御した状態で、
結晶軸に対して結晶を斜めに切り出すような加工は、困
難である。また、通常よく用いられる結晶の角度である
０度(光の入射面の法線方向に対して結晶軸が平行)及び
９０度(入射面の法線方向に対して結晶軸が垂直)では、
屈折率分布はほとんど生じないことも判明している。そ
のため、これらの結晶は、メモリの記録体としては一応
不適当であるとの結果を得ている。他方、ＬiＮbＯ3結
晶では、書き込み光および読出し光の光軸にたいして結
晶軸が、０度、６０度、１２０度、１８０度のときに大
きな屈折率変化が生じる。光軸に対して、結晶軸のなす
角度が０度と１８０度にするには、ｚ軸カットのＬiＮb
Ｏ3結晶を用いればよい。また、ＬiＮbＯ3結晶の場合に
は、比較的容易に結晶軸に対して斜めに結晶を切り出す
ことができるので、６０度と１２０度の場合のものも簡
単に実現することができる。これらの解析結果に基づい
てフォトリフラクティブ結晶を用いた３次元光メモリ記
録体にはＬiＮbＯ3結晶を用いるのが最適である。FIG. 2 shows another embodiment of writing data. In this embodiment, data recording is performed at high speed by beam scanning. This optical system includes a laser light source 1, a polygon mirror 8, a galvanometer mirror 9, an objective lens 3, and LiNb.
It is composed of an O 3 crystal 5, a stage 10 capable of scanning in the z-axis direction, a plurality of relay lenses 11, and a shutter 13. The focal spot of the laser 1 is scanned within the focal plane (in the xy plane) by the polygon mirror 8 and the galvano mirror 9. In the main scanning, the galvano mirror 9 and the polygon mirror 8 are arranged on the pupil plane of the objective lens 3, and the two mirrors 8,
This is done by shaking the beam with 9. Scanning in the optical axis direction is performed by using LiNbO 3 on the stage 10 which is movable in the z axis direction.
The crystal 5 is placed and the stage 10 is scanned to perform the operation.
By performing beam scanning with the polygon mirror 8 and the galvano mirror 9, data can be recorded at high speed. The beam may be scanned by any method such as a combination of a galvano mirror and a galvano mirror, a method of using two polygon mirrors, a method of combining a galvano mirror or a polygon mirror and an acousto-optic element. In the above embodiment, LiNbO 3 crystal is used as the photorefractive crystal. This is based on the property that this crystal is advantageous over other crystals in both data recording and data reading. That is, the magnitude of the change in the refractive index of the photorefractive crystal is as small as about 10 -5 to 10 -3 . When the refractive index changes in this range, the wavefront of light is not significantly disturbed by the data recorded in the upper layer at the time of reproduction, but in order to reflect and reproduce the light when the refractive index changes, The larger the change in the refractive index, the higher the reflectance. Therefore, it is necessary to select a material having a large change in refractive index, and BaTiO 3 , LiNbO 3 and SNB crystals are generally known as crystals showing a high change in refractive index. Therefore, BaTiO 3 , LiN
The optimum crystal axis directions with respect to the optical axes of the writing light and the reading light and the polarization direction of the reading light, which are suitable for use as a memory for bO 3 and SNB crystals, were examined. Ba
The TiO 3 , SNB, and LiNbO 3 crystals are anisotropic crystals,
When light enters the crystal, it is divided into ordinary rays and extraordinary rays.
When the size of the deformation of the ellipsoid of refractive index for each polarization direction was calculated, it was found that the extraordinary ray was significantly larger than the ordinary ray. Therefore, in order to increase the reflected light from the minute region where the change in the refractive index in which the data is recorded is generated, it is preferable that the polarization direction of the reading light is matched with the polarization direction of the extraordinary ray. When the polarization direction is determined in this way, the magnitude of the change in the refractive index can be expressed only by the angle formed by the optical axes of the writing light and the reading light with the crystal axis. BaTiO
For each crystal of 3 , SNB, and LiNbO 3 , when the angle θ between the optical axis of the writing light and the reading light and the crystal axis is changed, the change in the refractive index in the crystal with respect to the extraordinary ray is examined. 3. In the SNB crystal, it was found that the largest change in refractive index occurs when the crystal axis is about 60 degrees or 125 degrees with respect to the optical axis of the writing light and the reading light. Therefore, when using BaTiO 3 and SNB crystal for the memory, it is preferable that the crystal axis is inclined by 60 degrees or 125 degrees with respect to the normal direction of the light incident surface. However, with the orientation of the crystal domains controlled,
It is difficult to cut the crystal obliquely with respect to the crystal axis. Further, at 0 degrees (the crystal axis is parallel to the normal direction of the incident surface of light) and 90 degrees (the crystal axis is perpendicular to the normal direction of the incident surface), which are the angles of crystals that are often used,
It has also been found that almost no refractive index distribution occurs. Therefore, these crystals have been found to be unsuitable as a memory recording medium. On the other hand, in the LiNbO 3 crystal, a large change in the refractive index occurs when the crystal axes of the writing light and the reading light are 0 °, 60 °, 120 °, and 180 °. To make the angle between the crystal axis and the optical axis 0 and 180 degrees, z-axis cut LiNb
O 3 crystals may be used. Further, in the case of the LiNbO 3 crystal, the crystal can be cut relatively obliquely with respect to the crystal axis, so that the crystal of 60 ° and 120 ° can be easily realized. Based on these analysis results, it is optimal to use LiNbO 3 crystal for a three-dimensional optical memory recording body using a photorefractive crystal.
【００２１】第３図に、本発明の読み出し光学系の実施
例を示す。この光学系は、レーザー２、ビームスプリッ
ター６、対物レンズ３、データの記録されたLiNbO3結晶
５、点検出器７、３次元走査可能なステージ５によって
構成される。この光学系は、反射型の共焦点顕微鏡と同
等のものであり、光検出には点検出器を用いるかもしく
はピンホールを配置してその後ろ側でピンホールを通過
した光を面検出器によって検出するものを用いる。光源
（レーザー）２と検出器７は共に、対物レンズ３の焦点
位置に配置する。なお、共焦点光学系については、中村
収・河田聡・南茂夫著”コンフォーカル・レーザー走査
顕微鏡の三次元結像特性”と題する「応用物理」誌、Vo
l.57,No.5(1988),pp.128-135.に詳しい。FIG. 3 shows an embodiment of the readout optical system of the present invention. This optical system is composed of a laser 2, a beam splitter 6, an objective lens 3, a LiNbO 3 crystal 5 on which data is recorded, a point detector 7, and a stage 5 capable of three- dimensional scanning. This optical system is equivalent to a reflection-type confocal microscope, and a point detector is used for light detection, or a pinhole is arranged and the light passing through the pinhole behind it is detected by a surface detector. Use what is detected. Both the light source (laser) 2 and the detector 7 are arranged at the focal position of the objective lens 3. Regarding the confocal optical system, Osamu Nakamura, Satoshi Kawada and Shigeo Minami, "3D Imaging Characteristics of Confocal Laser Scanning Microscope", "Applied Physics" magazine, Vo
For details, see l.57, No.5 (1988), pp.128-135.
【００２２】読み出し用の光源には、記録データを破壊
しないように、LiNbO3 結晶５のフォトリフラクティブ
効果が生じない波長のレーザーを用いる。もし、データ
の書き込みと同波長のレーザーを用いる場合には、記録
データを破壊しないように、レーザー光強度を十分小さ
くする。フォトポリマー、重クロム酸ゼラチン、銀塩フ
ィルムなど記録材料では、書き込み後定着処理を行なう
ので、読み出し時には再感光が起こらない。そのため、
読み出し時に書き込み時と同一波長のレーザーを用いて
も問題は生じない。As a light source for reading, a laser having a wavelength which does not cause the photorefractive effect of the LiNbO 3 crystal 5 is used so as not to destroy the recorded data. If a laser having the same wavelength as that used for writing data is used, the laser light intensity is made sufficiently small so as not to destroy recorded data. With recording materials such as photopolymers, dichromated gelatin, and silver salt films, since fixing processing is performed after writing, re-exposure does not occur during reading. for that reason,
There is no problem even if a laser having the same wavelength as that used for writing is used during reading.
【００２３】レーザー２からの光を屈折率変化が生じて
いる部分に集光し、そこからの反射光を点検出器７で検
出する。光源２と点検出器７が対物レンズ３の焦点位置
に配置されているので、結晶５内に書き込まれたデータ
のうち対物レンズ３の焦点位置に存在する屈折率変化か
ら反射した光のみが点検出器７に達する。焦点位置から
外れた屈折率変化が生じている領域で反射した光は、検
出器７の位置に結像せず、検出されない。したがって３
次元的に記録されたある一点のデータ（屈折率変化）を
他のデータとの相互干渉することなしに読みだすことが
できる。The light from the laser 2 is focused on the portion where the refractive index changes, and the reflected light from the portion is detected by the point detector 7. Since the light source 2 and the point detector 7 are arranged at the focal position of the objective lens 3, only the light reflected from the change in the refractive index existing at the focal position of the objective lens 3 in the data written in the crystal 5 is inspected. Reach Depth 7. The light reflected by the region where the refractive index change deviates from the focus position does not form an image at the position of the detector 7 and is not detected. Therefore 3
One-dimensionally recorded data (refractive index change) at one point can be read out without mutual interference with other data.
【００２４】第４図に本発明のデータ読み出しの他の実
施例を示す。本実施例では、ビーム走査により、高速に
データの読み出しを行なう。この光学系は、レーザー
２、ポリゴンミラー８、ガルバノミラー９、対物レンズ
３、データの記録されたLiNbO3結晶５、z 軸方向に移動
可能なステージ１０、ビームスプリッター６、点検出器
７、多数のリレーレンズ １１、結像レンズ１２によっ
て構成される。前記第２図の実施例と同様に、レーザー
の集光点の焦点面内（x-y 面内）の走査は、ポリゴンミ
ラー８とガルバノミラー９により行ない、光軸方向の走
査は、z 軸方向に走査可能なステージ１０上にLiNbO3
結晶５をのせて、ステージを走査して行なう。ビーム走
査を行なうことにより、高速にデータの読み出しを行な
うことができる。ビームの走査は、ガルバノミラーとガ
ルバノミラーとの組み合わせや、二つのポリゴンミラー
を用いる方法、ガルバノミラーもしくはポリゴンミラー
と音響光学素子を組み合わせる方法など、いずれの方法
を用いてもよい。FIG. 4 shows another embodiment of data reading of the present invention. In this embodiment, the data is read at high speed by beam scanning. This optical system includes a laser 2, a polygon mirror 8, a galvano mirror 9, an objective lens 3, a LiNbO3 crystal 5 on which data is recorded, a stage 10 movable in the z-axis direction, a beam splitter 6, a point detector 7, and many other elements. It is composed of a relay lens 11 and an imaging lens 12. As in the embodiment shown in FIG. 2, scanning in the focal plane (in the xy plane) of the focal point of the laser is performed by the polygon mirror 8 and the galvano mirror 9, and scanning in the optical axis direction is performed in the z axis direction. LiNbO 3 on the scannable stage 10
The crystal 5 is placed and the stage is scanned. By performing beam scanning, data can be read at high speed. The beam may be scanned by any method such as a combination of a galvano mirror and a galvano mirror, a method of using two polygon mirrors, a method of combining a galvano mirror or a polygon mirror and an acousto-optic element.
【００２５】[0025]
【発明の効果】３次元に２値データを書き込み・読み出
しのできる光学的記憶装置を実現することによって、き
わめて大容量のメモリーを現実化することができる。ま
た、高密度，大容量であるにもかかわらず、ビームを走
査することにより高速のデータ書き込み・読み出しを実
現することができる。さらに、半導体レーザーを用いる
ことができるので、装置の小型・コンパクト化が達成で
きる。By implementing an optical storage device capable of writing and reading binary data in three dimensions, an extremely large capacity memory can be realized. In addition, high-speed data writing / reading can be realized by scanning the beam despite the high density and large capacity. Furthermore, since a semiconductor laser can be used, the device can be made compact and compact.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】本発明におけるデータ書き込みの実施例を示す
説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing an embodiment of data writing in the present invention.
【図２】共焦点光学系を用いた本発明におけるデータ書
き込みの他の実施例を示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing another embodiment of data writing in the present invention using a confocal optical system.
【図３】本発明におけるデータ読み出しの実施例を示す
説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram showing an example of data reading according to the present invention.
【図４】共焦点光学系を用いた本発明におけるデータ読
み出しの他の実施例を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing another embodiment of data reading in the present invention using a confocal optical system.
【符号の説明】 １ 書き込み用レーザー ２ 読み出し用レーザー ３ 対物レンズ ４ ３軸ステージ ５ 感光材料 ６ ビームスプリッター ７ 点検出器 ８ ポリゴンミラー ９ ガルバノミラー １０ ｚ軸ステージ １１ リレーレンズ １２ 結像レンズ １３ シャッター[Explanation of Codes] 1 laser for writing 2 laser for reading 3 objective lens 4 3 axis stage 5 photosensitive material 6 beam splitter 7 point detector 8 polygon mirror 9 galvano mirror 10 z axis stage 11 relay lens 12 imaging lens 13 shutter
Claims (2)
料の面内および深さ方向の３次元方向に行なう光学的記
録装置において、 入射光強度によって屈折率変化を生じる記録材料と、 前記記録材料内の微小領域にレーザービームを集光す
る、少なくとも１個の対物レンズを備えた光学系と、 前記記録材料内の屈折率変化領域を検出する、少なくと
も点光源と点検出器またはピンホールと検出器と対物レ
ンズとを備えた共焦点光学系と、 前記記録材料の３軸方向の走査手段とを持つ事を特徴と
する光学的記憶方法及び記憶装置。1. An optical recording device for performing writing and reading of data in a three-dimensional direction in a plane and a depth direction of a recording material, the recording material causing a refractive index change depending on an incident light intensity, and the inside of the recording material. Optical system having at least one objective lens for condensing a laser beam in a minute area of the above, and at least a point light source and a point detector or a pinhole and a detector for detecting a refractive index change area in the recording material. An optical storage method and a storage device, comprising: a confocal optical system comprising: an objective lens; and a scanning means for scanning the recording material in three axial directions.
または共焦点光学系は、光学的ビーム走査手段を備え、 前記走査手段は、少なくとも深さ方向に走査する手段で
ある、請求項１に記載の光学的記憶方法及び記憶装置。2. The optical system for condensing the laser beam or the confocal optical system comprises an optical beam scanning means, and the scanning means is means for scanning at least in the depth direction. The optical storage method and storage device described.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4153311A JPH0628672A (en) | 1992-06-12 | 1992-06-12 | Object for storing optical data and recorder for it and device for recording and reproducing it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4153311A JPH0628672A (en) | 1992-06-12 | 1992-06-12 | Object for storing optical data and recorder for it and device for recording and reproducing it |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0628672A true JPH0628672A (en) | 1994-02-04 |
Family
ID=15559717
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4153311A Pending JPH0628672A (en) | 1992-06-12 | 1992-06-12 | Object for storing optical data and recorder for it and device for recording and reproducing it |
Country Status (1)
| Country | Link |
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- 1992-06-12 JP JP4153311A patent/JPH0628672A/en active Pending
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