JPH09101735A - ホログラム記録媒体、ホログラム記録方法、ホログラム再生方法及びホログラム記録再生装置 - Google Patents

ホログラム記録媒体、ホログラム記録方法、ホログラム再生方法及びホログラム記録再生装置

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JPH09101735A
JPH09101735A JP7257592A JP25759295A JPH09101735A JP H09101735 A JPH09101735 A JP H09101735A JP 7257592 A JP7257592 A JP 7257592A JP 25759295 A JP25759295 A JP 25759295A JP H09101735 A JPH09101735 A JP H09101735A
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JP
Japan
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light
hologram
optical waveguide
optical
waveguide layer
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Application number
JP7257592A
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English (en)
Inventor
Shinichi Mizuno
真一 水野
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Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
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Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
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Publication of JPH09101735A publication Critical patent/JPH09101735A/ja
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H1/00—Holographic processes or apparatus using light, infrared or ultraviolet waves for obtaining holograms or for obtaining an image from them; Details peculiar thereto
    • G03H1/04—Processes or apparatus for producing holograms
    • G03H1/0402—Recording geometries or arrangements
    • G03H1/0408—Total internal reflection [TIR] holograms, e.g. edge lit or substrate mode holograms
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03H—HOLOGRAPHIC PROCESSES OR APPARATUS
    • G03H2222/00—Light sources or light beam properties
    • G03H2222/40—Particular irradiation beam not otherwise provided for
    • G03H2222/47—Evanescent wave

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複数の立体画像に対応する複数の異なる形状
の波面が低クロストーク且つ高効率に記録再生でき、各
波面を独立的に消去できる光アドレス型多重記録ホログ
ラムを提供する。 【解決手段】 一部または全部が光学記録材料となされ
た光導波路を積層状として多層にして配設した多重記録
ホログラフ２７を用いる。参照光及び照明光は、光源２
３より発しレンズ２４を経てガルバノミラー２５により
偏向操作され、シリンドリカルレンズ２６により、多重
記録ホログラム２７の光導波路のうちの一の端面に選択
的に入射される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の立体画像を
記録できる多重記録ホログラムを構成することができる
ホログラム記録媒体、ホログラム記録方法、ホログラム
再生方法及びホログラム記録再生装置に関する技術分野
に属する。
【０００２】
【従来の技術】従来、図１１に示すように、物体により
反射された物体光と参照光との干渉縞を記録することに
より該物体の立体像の記録を行うホログラムが提案され
ている。また、従来、複数の立体画像を記録できる多重
記録ホログラムとして、体積ホログラムが提案されてい
る。
【０００３】この体積ホログラムは、物体光（信号光）
と参照光との干渉縞の３次元分布を、屈折率の３次元分
布として記録するものである。そのため、再生に際して
は、照明光の角度に非常に敏感となり、ブラッグ条件を
満足する角度でのみ再生が可能になるので、参照光の角
度や位相分布変えて記録することで多重記録が可能であ
る（参考文献：Fai H.Mok,「OPTICS LETTERS.Vol.18,No.
11,p.915」(1993).C.Denz,G.Pauliat,G.Roosen,「Opt.Com
mun.85,171」(1991).）。
【０００４】この体積ホログラムにおいて、記録材料と
しては、フォトリフラクティブ効果を示すＢａＴｉＯ3
（ＢＴＯ），Ｂａ12ＳｉＯ20（ＢＳＯ），ＬｉＮｂＯ3
（ＬＮ）等の強誘電体結晶やフォトポリマーが使用され
る。フォトリフラクティブ効果とは、光強度に比例して
屈折率が変化する効果である。フォトポリマーも光強度
に比例した屈折率変化が記録される。
【０００５】一方、光導波路ホログラムについての提案
もなされている（参考文献：栖原敏明，西原浩，小山次
郎，「電子通信学会論文誌」77/4 Vol.J60-C,No.4,p.19
7(昭52-185[c-34]).）。
【０００６】この光導波路ホログラムは、図１２乃至図
１４に示すように、基板（ｎs）上に設けられた導波層
（ｎf）と、この導波層に重ねられて設けられた光学記
録材料層と、クラッド層（ｎc）とを有し、該導波層の
端面より参照光を入射させ、該導波層の界面より物体光
を入射させ、これら参照光と物体光とが形成する干渉縞
を該光学記録材料により記録する。
【０００７】この光導波路ホログラムにおいて、上記導
波層の端面より照明光を入射させる再生動作において
は、直接波又は共役波のいずれか一方しか空間伝搬モー
ドとならないので、従来のいわゆる「ｏｆｆ−ａｘｉ
ｓ」ホログラムのように、不要な波面によって再生波面
が乱されることがない。したがって、この光導波路ホロ
グラムによれば、原理的に広視野の波面再生が可能であ
る。また、光導波路を集積化させることにより、装置の
小型化や安全性、信頼性を向上させることが可能とな
る。
【０００８】並列情報処理に使用し得る並列入出力メモ
リとしては、体積ホログラムの他にバクテリアのタンパ
ク質であるバクテリオロドプシン（ＢＲ）（参考文献：
Dieter Oesterhelt,Christoph Brauche and Norbert Ha
mpp,「Quarterly Review of Biophysics」 24,425 (199
1)）のキューブを用いた３次元メモリ（参考文献：Robe
rt R.Birge,日経サイエンス1995年5月号,p.58）がある。
【０００９】これは、光照射により誘起されるバクテリ
オロドプシンのフォトクロミズムを利用するものであ
る。その一つの方法としては、連続的な１光子過程を利
用するものであり、青色光でメモリの消去を行い、緑色
光でＢＲ（バクテリオロドプシン）キューブ中の書き込
み又は読み出し領域を励起し、赤色光で書き込み又は読
み出しを行うメモリである。
【００１０】別の方法としては、２光子過程を利用する
もの（参考文献：Robert R.Birge,American 「Scientis
t,82,348(1994)」.）であり、２方向からの記録用光束の
ＢＲキューブ中の交点にデータを書き込み、２方向から
の再生用光束の交点のデータを電気信号として読み出す
メモリである。
【００１１】他に、光学記録には、光磁気記録がある。
光磁気記録は、光ディスク上の磁性薄膜にレーザ光で書
き込み、磁場で消去する２次元メモリである。
【００１２】この他、現在多く用いられる光並列処理シ
ステムの入力装置と出力装置としては、液晶空間光変調
器やテレビジョン装置等のディスプレイ装置とＣＣＤ撮
像素子等のテレビカメラがある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な体積ホログラムの光学記録材料として使用される強誘
電体結晶ＢＴＯは、露光による屈折率変化が、１０-2オ
ーダーであり、形状が１０3ｍｍ3以上であるため、多数
枚の画像を記録する場合でも、高い回折効率が得られ
る。
【００１４】しかし、このような体積ホログラムにおい
ては、いわゆるビームファーニングと呼ばれる不要な干
渉縞の発生による光の回折が生じるため、安定に動作さ
せることが困難である。又、応答時間が極めて遅く、１
Ｗ／ｃｍ2のとき０．１秒乃至１秒程度なので、高速処
理には適さない。
【００１５】ＢＳＯ、ＬＮ等では、露光による屈折率変
化が、１０-5オーダーなので、形状はＢＴＯと同様に１
０3ｍｍ3程度であるが、多数枚の画像を記録する場合
に、十分な回折効率が得られない。
【００１６】実際に、２．０×１．５×１．０（ｃ
ｍ3）のＬＮ結晶に、参照光の角度を変えて５０００枚
の画像を記録した実験の報告（参考文献：Fai H.Mok,「O
PTICS LETTERS.Vol.18,No.11,p.915」(1993).）による
と、回折効率は、４×１０-6である。フォトポリマー
は、露光による屈折率変化が、１０-2オーダーである
が、通常１０μｍ程度のシート状で使用される。シート
状のフォトポリマーを複数枚重ねて使用することによっ
て、記録枚数を増大したした報告（参考文献：Gregory
P.Nordin and Armand R.Tanguay,Jr.,「Opt.Lett.17,170
9」(1992).）はあるが、多数枚の画像を記録することは
やはり困難である。また、フォトポリマーは、写真フィ
ルムと同様で書換ができないことが欠点である。
【００１７】この様に、体積ホログラムは、多重記録ホ
ログラムとして実用的に使用できるものにはなっていな
い。また、コンピュータ用のメモリとしては、記録デー
タを部分的に書き換えられる機能が重要であるが、体積
ホログラムでは、記録されている画像の中から一部分の
画像のみを書き換えることができず、書き換える場合に
は、記録されている全画像を一旦消去しなければならな
い。
【００１８】バクテリオロドプシンの３次元キューブを
用いるメモリは、正確に記録再生を行うためには、十分
に均一なメモリキューブが必要である。しかし、このよ
うな均一性を有するバクテリオロドプシンの３次元キュ
ーブは製作できない。また、バクテリオロドプシンの３
次元キューブを用いるメモリにおいては、該キューブ中
を自由に伝搬する光束をアドレス或いは読み出しに使用
するので、光束が回折により拡がってしまい、記録密度
が制限される。
【００１９】導波路ホログラムは、多重記録ホログラム
に関する報告がなく、通常のホログラムと同様に１枚の
２次元又は３次元画像を記録するものとして提案されて
いる。
【００２０】いわゆる液晶テレビやテレビカメラ等で入
出力を行う場合には、いずれも電子式走査機構を利用し
た時系列処理であるため、動作速度が遅く、光並列処理
システムの高速性を生かすことができない。
【００２１】以上のように、光並列処理システムの高速
性のメリットを生かせるほどに高速に大量の２次元デー
タを記録再生でき、且つ安定に動作するるメモリは完成
されていない。
【００２２】本発明は、上述のような実情に鑑みてなさ
れたものであって、体積ホログラムに代わる実用的な性
能の多重記録ホログラムを構成できるホログラムの記録
媒体、記録方法、再生方法及び記録再生装置の提供とい
う課題を解決しようとするものであり、かつ、データの
部分的な書き換えが可能となされコンピュータ装置用の
メモリ装置としての使用に適する多重記録ホログラフィ
ックメモリを構成できるホログラムの記録媒体、記録方
法、再生方法及び記録再生装置の提供という課題を解決
しようとするものである。
【００２３】
【課題を解決するための手段】上述の課題を解決するた
め、本発明に係るホログラム記録媒体は、基板及び導波
層、あるいは、さらにクラッド層を有するスラブ型又は
チャネル型の光導波路を備え、この光導波路の一部分ま
たは全体を光学記録材料により構成する。そして、この
ホログラム記録媒体は、上記光導波路を多重に積層さ
せ、各導波路における導波光を参照光とし該導波路表面
に入射する光波を物体光とする光導波路ホログラムが多
重に積層された多重記録ホログラムを構成できるもので
ある。
【００２４】このような構造を有する多重記録ホログラ
ムであることによって、多数の２次元データの並列記
録、及び、１枚の導波路ホログラムと同程度に高い回折
効率で、画像間のクロストークの少ない並列再生が可能
となる。
【００２５】また、本発明は、上記ホログラム記録媒体
において、上記各光導波路ホログラムの光学記録材料
を、連続的な１光子機構を有するフォトクロミック材料
とし、各光導波路は、記録再生に使用する全ての状態に
おいてフォトクロミック材料を変化させるのに必要な全
ての波長の光を導波できる構造であることとしたもので
ある。
【００２６】この構造を有する多重記録ホログラムであ
ることによって、各導波路ホログラム毎に独立にデータ
の消去及び書き換えが可能となる。
【００２７】さらに、本発明は、上記ホログラム記録媒
体において、記録後のフォトクロミック材料による吸収
が充分に小さく且つ屈折率変化が充分に大きな波長の光
源を用いて導波路ホログラムを照明することによって、
位相ホログラムとしての再生動作を行うことを可能とし
たものである。
【００２８】この構造を有する多重記録ホログラムであ
ることによって、非破壊のホログラムの再生が可能とな
る。
【００２９】そして、本発明は、上記ホログラム記録媒
体において、上記基板と上記クラッド層との屈折率を等
しくしたものである。この構造を有する多重記録ホログ
ラムであることによって、積層された導波路の界面での
光の反射を無くすことができるので、光ロスの少ない再
生が可能となる。
【００３０】さらに、本発明は、上記ホログラム記録媒
体において、積層構造の中に存在する各層の界面間の間
隔ｈi（ｉ＝０，１，２・・・）が、 ｎiｈicosθi＋δi≠（２ｍ＋１）λ／４ を満足することとしたものである（ただし、ｎiは導波
層の屈折率、θiは導波層の界面の法線に対する物体光
（又は再生光）の角度、ｍは正整数、λは物体光（又は
再生光）の真空中の光波長である。δiは、光学記録材
料の露光による屈折率変化で生じる反射光の位相変化を
表わし、屈折率変化が小さいときにはδi＝０であ
る。）。
【００３１】この構造を有する多重記録ホログラムであ
ることによって、多重記録ホログラム中を再生光が透過
する時に生じる反射を小さくすることができ、光ロスの
少ない再生が可能となる。
【００３２】また、本発明に係るホログラム記録方法
は、上述のようなホログラム記録媒体を用いて、上記各
光導波路に対して選択的に、上記光導波層の端面より参
照光を入射させ、該光導波層の界面より物体光を入射さ
せて、記録動作を行うものであり、該各光導波層路に対
して、選択的、かつ、独立的な記録を行うことができ
る。
【００３３】また、本発明に係るホログラム再生方法
は、上述のようなホログラム記録媒体を用いて、上記各
光導波路に対して選択的に、上記光導波層の端面より照
明光を入射させ、該光導波層の界面より再生光を出射さ
せて、再生動作を行うものであり、該各光導波層路よ
り、選択的、かつ、独立的な再生を行うことができる。
【００３４】そして、本発明に係るホログラム記録再生
装置は、上記のようなホログラム記録媒体の上記各光導
波路に対して選択的に上記光導波層の端面より参照光を
入射させる参照光供給手段及び該各光導波路に対して選
択的に該光導波層の端面より照明光を入射させる照明光
供給手段を備えるものであり、該各光導波路に対して選
択的に上記光導波層の端面より上記参照光を入射させ該
光導波層の界面より物体光を入射させて記録動作を行う
とともに、該各光導波路に対して選択的に該光導波層の
端面より照明光を入射させ該光導波層の界面より再生光
を出射させて再生動作を行うので、該各光導波層路に対
して、選択的、かつ、独立的な記録及び再生を行うこと
ができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。
【００３６】本発明に係るホログラム記録媒体は、複数
の立体画像を記録できる多重記録ホログラムとして構成
できるものであり、特に、特徴抽出や連想、認識機能を
持つロボット用視覚センサー、両眼立体視センサー、聴
覚センサー、音声認識センサー、触覚センサー等の知能
化センシングシステムに於ける光情報処理等の並列情報
処理のための２次元又は３次元のデータを並列に記録再
生する高速かつ大容量な光アドレス型ホログラフィック
メモリ、あるいは、光インターコネクションを行うため
のホログラム、光インターコネクションの制御のための
多重記録ホログラフィックメモリ、立体動画像システム
のディスプレイ用ホログラム及び立体動画像の並列情報
処理のための多重記録ホログラフィックメモリ、断層撮
影装置（ＣＴやＭＲＩ等）の画像再構成処理のための多
重記録ホログラフィックメモリ、コンピュータ用の高速
かつ大容量なメモリ等として使用する多重記録ホログラ
ムとして構成して好適なものである。
【００３７】〔実施の形態１〕この実施の形態における
本発明に係るホログラム記録媒体の要部となる導波路ホ
ログラムの構造は、図１に示すように、屈折率ｎ3の基
板４の上に形成された屈折率ｎ2の導波層３、屈折率ｎ1
のクラッド層１、該導波層３の上に形成されたクラッド
層１と同じ屈折率の光学記録材料よりなるホログラム記
録材料層２からなるシングルモードスラブ型導波路であ
る。
【００３８】すなわち、この導波路ホログラムは、上記
光導波路の表面に生じるエバネッセント波を参照光と
し、光導波路表面に入射する光波を物体光５とするホロ
グラムである。
【００３９】光学記録材料としては、フォトポリマーな
どの感光性材料を使用する。導波層厚はｔ、光学記録材
料厚はｄ、ホログラムの長さは２Ｌである。
【００４０】この導波路ホログラムに対する記録動作
は、図５に示すように、所定の光学系を用いて行う。参
照光である導波光は、半導体レーザ（ＬＤ）１５から発
せられたレーザ光であって、レンズ１６、ビームスプリ
ッタ（ＢＳ）２１及びシリンドリカルレンズ１７を経て
スリット状に集光されることによって、光導波路ホログ
ラム１８の端面から入射される。
【００４１】上記光導波路における導波モードはＴＥモ
ードである。このエバネッセント波の電場ｙ−成分Ｅｒ
を
【００４２】
【数１】
【００４３】
【数２】
【００４４】
【数３】
【００４５】
【数４】
【００４６】とする。物体光１９は、半導体レーザ（Ｌ
Ｄ）１５から発せられたレーザ光であり、上記ビームス
プリッタ（ＢＳ）２１で分割され、ミラー５１，５２を
経て、空間光変調器２２で変調されて、上記光導波路ホ
ログラム１８に入射する。この物体光１９の電場を
【００４７】
【数５】
【００４８】
【数６】
【００４９】
【数７】
【００５０】
【数８】
【００５１】とする。ここで、λは真空中の光波長であ
る。
【００５２】物体光１９と参照光との干渉縞の光強度分
布は、次のようになる。
【００５３】
【数９】
【００５４】記録材料の感度を
【００５５】
【数１０】
【００５６】とする。ここで、上記ホログラム記録材料
層２を構成する光学記録材料内の屈折率変化が小さく、
これにより導波路の伝搬モードは乱されないものとし、
かつ、｜Ｅs｜2，｜Ｅr｜2の変化が緩やかであって無視
できるものとすると、屈折率変化は
【００５７】
【数１１】
【００５８】
【数１２】
【００５９】となる。
【００６０】上記〔数１〕及び〔数５〕から、ホログラ
ムとして記録される屈折率分布は、
【００６１】
【数１３】
【００６２】となる。
【００６３】光導波路ホログラムに順方向から照明光７
を入射させる場合には、図２に示すように、物体光（再
生光８及び再生光（鏡像）９）が再生される。照明光６
０を逆方向から入射させる場合には、図３に示すよう
に、物体光の共役光（共役再生光６１及び共役再生光
（鏡像）６２）が再生される。光導波路ホログラムに露
光時と同じ物体光１０が入射された場合には、図４に示
すように、導波光１１が励起される。
【００６４】１枚のみのホログラムの再生は、図５に示
す光学系により、照明光である導波光を伝幡させること
で行う。この導波光を、
【００６５】
【数１４】
【００６６】とし、導波光Ｅiが屈折率変化δｎ2の影響
を受けないものとし、かつβi≒βr、｜ｕ｜＜＜１即ち
【００６７】
【数１５】
【００６８】とすると、波動方程式を解くことによっ
て、再生波Ｅd pは、
【００６９】
【数１６】
【００７０】
【数１７】
【００７１】となる。但し、κpは定数である。
【００７２】多重記録ホログラムは、図６に示すよう
に、基板とクラッド層の屈折率が等しい導波路ホログラ
ムが、Ｎ枚積層された構造である。すなわち、一の光導
波路についての基板４８は、下段の光導波路に対して
は、クラッド層４８となっている。この積層型導波路ホ
ログラムは、図７に示すように、光学系で照明すること
により、任意のホログラムを選択して再生できる。
【００７３】この光学系においては、半導体レーザ２３
からのレーザ光は、レンズ２４でコリメートされ、ガル
バノミラー２５で偏向され、シリンドリカルレンズ２６
で導波路端面に集光される。導波路端面に集光された光
は、積層型導波路ホログラム２７に入射し、ホログラム
で回折され、再生光２８となる。シリンドリカルレンズ
２６にフーリエ変換作用があるため、ガルバノミラー２
５の角度を調整することによって、再生すべきホログラ
ムが選択できる。
【００７４】ここで、上記〔数５〕で表わされる物体光
で作られた導波路ホログラムに、別の導波路ホログラム
から次の再生光が入射する場合を考える。
【００７５】
【数１８】
【００７６】このとき、ホログラムで回折されて光導波
路に入射する導波光は、αを定数として、
【００７７】
【数１９】
【００７８】となる。
【００７９】ホログラムの面に入射する光のパワーフロ
ーの期待値は、
【００８０】
【数２０】
【００８１】である。但し、±Δは、ｆ，ｇが局在する
範囲である。
【００８２】
【数２１】
【００８３】ホログラムで回折されて光導波路に入射
し、光導波路端面から射出する導波光のパワーフローの
期待値は、
【００８４】
【数２２】
【００８５】
【数２３】
【００８６】である。
【００８７】ここで考えている２枚の導波路ホログラム
が同じである場合、すなわち、図１６に示すように、記
録されている波面と同じ波面が入射し、 ｇ（ｕ）＝γｆ（ｕ） のとき、ホログラムに入射する光のパワーフローは〔数
２０〕から
【００８８】
【数２４】
【００８９】ここで、ωは光の角周波数、μは透磁率で
ある。
【００９０】導波路端面から射出する導波光のパワーフ
ローは、〔数２２〕から、次のようになる。
【００９１】
【数２５】
【００９２】よって、回折効率は、
【００９３】
【数２６】
【００９４】となる。但し、ηは相反定理から再生時の
回折効率に等しい。
【００９５】２枚の光導波路ホログラムが異なる場合、
すなわち、図１５に示すように、記録されている波面と
異なる波面が入射し、 ｇ（ｕ）≠ｆ（ｕ） のとき、導波路端面から射出する導波光のパワーフロー
の期待値は、〔数２２〕で、ｇ（ｕ），ｆ*（ｕ）がラ
ンダムであるとすると、中心極限定理からガウス分布複
素振幅和の２次モーメントとして求まり、次のようにな
る。
【００９６】
【数２７】
【００９７】ホログラムに入射する光のパワーフローは
〔数２０〕で与えられるので、回折効率は、
【００９８】
【数２８】
【００９９】である。ただし、ｆ，ｇが直交する場合に
は、 ￣Ｓ0′＝ ０ なので、 η′＝ ０ である。
【０１００】ここで、導波路ホログラムに記録されてい
る画像のｚ方向の画素数をＮとすると、
【０１０１】
【数２９】
【０１０２】なので、
【０１０３】
【数３０】
【０１０４】となる。
【０１０５】よって、記録されている波面と異なる波面
が入射するとき、同じ波面のときと比較して、導波路に
入射する光の割合は、画素数の２乗に反比例して小さく
なる。したがって、画素数が十分に多いとき、導波路ホ
ログラム２７の再生光は、その周囲の導波路ホログラム
での回折による減衰なしに積層ホログラム２７の外側に
射出される。
【０１０６】以上のように、本発明の多重記録ホログラ
ムによれば、極めて小さなクロストークで、多数の画像
を再生できる。
【０１０７】回折効率ηは、ｎ1＝ｎ3＝１．５、ｎ2＝
１．５１、｜δｎ｜＝０．０１、ｔ＝２．５（μｍ）、
λ＝８６０ｎｍで、ｄが十分に厚いとき、 η＝０．０９（／ｍｍ） である。
【０１０８】上記図６に示したような多重ホログラム
は、基板（クラッド層、感光層）と導波層のそれぞれの
厚さｈiが、次の条件式 〔数３１〕 ｎiｈicosθi＋δi≠（２ｍ＋１）λ／４ を満足する。これにより、再生光が多重ホログラム中を
透過して射出する際の透過率の減少を小さくできる。こ
こで、ｎiは屈折率、θiは再生光が界面の法線となす
角、ｍは正整数である。もしも次の条件式 〔数３２〕 ｎiｈicosθi＋δi＝（２ｍ＋１）λ／４ が満足されるものとすると、再生光が多重ホログラム中
を透過する際の透過率は、最小となる。そのエネルギー
反射率Ｒとエネルギー透過率Ｔは、θi＝０で、Ｎ枚の
導波路ホログラムを透過する場合、 〔数３３〕 Ｒ≒１−４ｎ1 2(N+1)／ｎ2 2N 〔数３４〕 Ｔ≒４ｎ1 2(N+1)／ｎ2 2N である。ここで、ｎ1は基板（クラッド層、感光層）の
屈折率、ｎ2は導波層の屈折率である。例えば、ｎ1＝
１．５、ｎ2＝１．５１、導波路ホログラムの枚数が４
００枚のとき、〔数３３〕、〔数３４〕から、 Ｒ＝０．９５６ Ｔ＝０．０４４ となり、再生光は、４００枚の導波路ホログラムを殆ど
透過しない。しかし、〔数３２〕が満足されないなら
ば、反射率は急激に減少し、無視できるようになる。よ
って、多重ホログラムは、基板（クラッド層、感光層）
と導波層のそれぞれの厚さが〔数３２〕を満足しないよ
うに、すなわち、〔数３１〕を満足するように製作され
る必要があることが分かる。
【０１０９】〔実施の形態２〕この実施の形態２は、上
述した実施の形態１の光学記録材料をバクテリオロドプ
シン（ＢＲ）に置換えたものであり、書換可能な多重記
録ホログラムの例である。
【０１１０】バクテリオロドプシンは、バクテリアのタ
ンパク質であり、光に応答してその構造、性質が、図１
０に示すように、変化する。図１０に示す光サイクル
は、１フォトンプロセスによる連続的な変化の１例であ
る。
【０１１１】これらの状態の中で、ｂＲ状態とＱ状態
は、ほぼ永久的に安定であるため、この２状態をホログ
ラムの記録に利用する。いずれの状態も青色光の照射に
よってｂＲ状態に戻すことができるので、青色光がホロ
グラムの消去に用いられる。
【０１１２】ｂＲ状態のバクテリオロドプシンに緑色光
を照射すると、このバクテリオロドプシンは、Ｋ中間状
態へと移行し、さらにＭ中間状態、Ｏ中間状態、初期状
態であるｂＲ状態に緩和していく。このとき、Ｏ中間状
態で赤色光を照射すると、バクテリオロドプシンは、分
岐反応を生じ、Ｐ中間状態へと移行する。この連続する
１光子過程によって生成されたＰ中間状態は、Ｑ中間状
態へと緩和していき、安定となる。
【０１１３】したがって、これらのｂＲ状態とＱ中間状
態の分布としてホログラムが記録できる。この記録の全
過程は１サイクル当たり約１０ｍsec以内である。
【０１１４】このようなバクテリオロドプシンを光学記
録材料として用いた多重記録ホログラム４０の記録と再
生に同一波長の光を用いる場合には、図８に示すよう
に、光源となる第１乃至第３の半導体レーザ（ＬＤ１）
３０，（ＬＤ２）３２，（ＬＤ３）３４を有する記録再
生装置を用いることができる。これら第１乃至第３の半
導体レーザ３０，３２，３４は、参照光供給手段及び照
明光供給手段となる。
【０１１５】第１の半導体レーザ３０は、青色のレーザ
である。第２の半導体レーザ３２は、緑色のレーザであ
る。そして、第３の半導体レーザ３４は、赤色のレーザ
である。これら各半導体レーザ３０，３２，３４よりの
レーザ光はは、各々コリメータレンズ３１，３３，３５
でコリメートされ、ダイクロイックビームスプリッタ
（ＤＢＳ）３６，３７で同一光路上に重ね合せられる。
これらのレーザ光は、ガルバノミラー３８で反射され、
シリンドリカルレンズ３９により、導波路端面に集光さ
れ光導波路に入射する。
【０１１６】ホログラムの消去は、青色の第１の半導体
レーザ３０からのレーザ光を目標のホログラムの光導波
路に入射させることで行われる。
【０１１７】記録及び再生状態への励起は、緑色の第２
の半導体レーザ３２からのレーザ光を目標のホログラム
の光導波路に入射させることで行われる。
【０１１８】記録時の露光及び再生時の照明は、赤色の
第３の半導体レーザ３４からのレーザ光を目標のホログ
ラムの光導波路に入射させることで行われる。
【０１１９】記録時の物体光４１は、赤色の第３の半導
体レーザ３４よりのレーザ光をビームスプリッター（Ｂ
Ｓ）４３により分岐させ、空間光変調器４４で波面を変
調することによって生成し、上記多重記録ホログラム４
０に入射させる。
【０１２０】露光の際に吸収率変化スペクトルのピーク
形状が対称ならば、ピーク付近の波長で屈折率変化が０
になることが、クラマースークローニッヒの関係により
予想される。この付近の波長の光を用いてホログラムを
露光するならば、露光による導波光の伝搬定数の変化が
小さいので、参照光の位相分布の変化が小さくなる。し
たがって、コントラストの高いホログラムが作製でき
る。
【０１２１】このホログラムの再生は、上記多重記録ホ
ログラムの光導波路に再び緑色の第２の半導体レーザ３
２よりのレーザ光を導波して、ｂＲ状態のバクテリオロ
ドプシンをＯ中間状態へ変化させ、赤色の第３の半導体
レーザよりのレーザ光を照射することによって行う（こ
れを破壊再生という）。この場合、記録時と同じ波長で
再生されるので、再生像に像歪は生じない。
【０１２２】ホログラムの消去とバクテリオロドプシン
の中間状態への励起に用いられる青色及び緑色の第１及
び第２の半導体レーザ３０，３２よりの照明光は、ホロ
グラムにより回折され他のホログラムに入射し、そのホ
ログラムを消去したり、または、そのバクテリオロドプ
シンを中間状態へ励起したりする恐れがある。
【０１２３】しかし、光導波路の光閉じ込め効果のため
に導波光の強度は非常に強いので、照明光の光量は小さ
くてよい。このため、回折光の強度は非常に小さくなる
ので、照明されていないホログラムを消去したりするこ
とは少ない。
【０１２４】また、記録と再生に異なる波長の光を用い
る場合には、図９に示すように、第１乃至第４の半導体
レーザ（ＬＤ１）３０，（ＬＤ２）３２，（ＬＤ３）３
４，（ＬＤ４）４５を有する記録再生装置を使用するこ
とができる。これら第１乃至第４の半導体レーザ３０，
３２，３４，４５は、参照光供給手段及び照明光供給手
段となる。
【０１２５】この記録再生装置においては、ｂＲ状態と
Ｑ中間状態のバクテリオロドプシンで光の吸収が充分に
少なく、かつ、２状態の間の屈折率差が充分に大きい波
長のレーザ光を発する再生用レーザである第４の半導体
レーザ４５と、コリメータレンズ４６、ダイクロイック
ビームスプリッタ（ＤＢＳ３）４７が、上記図８に示し
た記録再生装置に追加されており、この第４の半導体レ
ーザ４５よりのレーザ光（赤色乃至近赤外光）が他のレ
ーザ光と重ね合わされる。
【０１２６】上記第４の半導体レーザ４５よりのレーザ
光を、上記光導波路ホログラムに入射させることによっ
て、位相ホログラムとしての再生動作が行われる。この
場合には、再生波長が記録波長と異なるため、再生像に
像歪を生じるが、再生に要する時間はバクテリオロドプ
シンの状態変化を伴わない（すなわち、被破壊再生であ
る）ので極めて短くなる特徴がある。
【０１２７】回折効率ηは、バクテリオロドプシンの屈
折率変化δｎが、 ｜δｎ｜≒０．００１ であるから、ｎ1＝ｎ3＝１．５、ｎ2＝１．５０５、ｔ
＝２．７（μｍ）、λ＝６５０ｎｍで、ｄが十分に厚い
とき、η≒０．０２（／ｃｍ）である。
【０１２８】
【発明の効果】上述のように、本発明に係るホログラム
記録媒体は、基板及び導波層、あるいは、さらにクラッ
ド層を有するスラブ型又はチャネル型の光導波路を備
え、この光導波路の一部分または全体が光学記録材料に
より構成されている。そして、このホログラム記録媒体
は、上記光導波路を多重に積層させ、各導波路における
導波光を参照光とし該導波路表面に入射する光波を物体
光とする光導波路ホログラムが多重に積層された多重記
録ホログラムを構成できるものである。
【０１２９】このような構造を有する多重記録ホログラ
ムであることによって、多数の２次元データの並列記
録、及び、１枚の導波路ホログラムと同程度に高い回折
効率で、画像間のクロストークの少ない並列再生が可能
となる。
【０１３０】また、本発明は、上記ホログラム記録媒体
において、上記各光導波路ホログラムの光学記録材料
を、連続的な１光子機構を有するフォトクロミック材料
とし、各光導波路は、記録再生に使用する全ての状態に
おいてフォトクロミック材料を変化させるのに必要な全
ての波長の光を導波できる構造であることとしたもので
ある。
【０１３１】この構造を有する多重記録ホログラムであ
ることによって、各導波路ホログラム毎に独立にデータ
の消去及び書き換えが可能となる。
【０１３２】さらに、本発明は、上記ホログラム記録媒
体において、記録後のフォトクロミック材料による吸収
が充分に小さく且つ屈折率変化が充分に大きな波長の光
源を用いて導波路ホログラムを照明することによって、
位相ホログラムとしての再生動作を行うことを可能とし
たものである。
【０１３３】この構造を有する多重記録ホログラムであ
ることによって、非破壊のホログラムの再生が可能とな
る。
【０１３４】そして、本発明は、上記ホログラム記録媒
体において、上記基板と上記クラッド層との屈折率を等
しくしたものである。この構造を有する多重記録ホログ
ラムであることによって、積層された導波路の界面での
光の反射を無くすことができるので、光ロスの少ない再
生が可能となる。
【０１３５】さらに、本発明は、上記ホログラム記録媒
体において、積層構造の中に存在する各層の界面間の間
隔ｈi（ｉ＝０，１，２・・・）が、 ｎiｈicosθi＋δi≠（２ｍ＋１）λ／４ を満足することとしたものである。（ただし、ｎiは導
波層の屈折率、θiは導波層の界面の法線に対する物体
光（又は再生光）の角度、ｍは正整数、λは物体光（又
は再生光）の真空中の光波長である。δiは、光学記録
材料の露光による屈折率変化で生じる反射光の位相変化
を表わし、屈折率変化が小さいときにはδi＝０であ
る。） この構造を有する多重記録ホログラムであることによっ
て、多重記録ホログラム中を再生光が透過する時に生じ
る反射を小さくすることができ、光ロスの少ない再生が
可能となる。
【０１３６】また、本発明に係るホログラム記録方法
は、上述のようなホログラム記録媒体を用いて、上記各
光導波路に対して選択的に、上記光導波層の端面より参
照光を入射させ、該光導波層の界面より物体光を入射さ
せて、記録動作を行うものであり、該各光導波層路に対
して、選択的、かつ、独立的な記録を行うことができ
る。
【０１３７】また、本発明に係るホログラム再生方法
は、上述のようなホログラム記録媒体を用いて、上記各
光導波路に対して選択的に、上記光導波層の端面より照
明光を入射させ、該光導波層の界面より再生光を出射さ
せて、再生動作を行うものであり、該各光導波層路よ
り、選択的、かつ、独立的な再生を行うことができる。
【０１３８】そして、本発明に係るホログラム記録再生
装置は、上記のようなホログラム記録媒体の上記各光導
波路に対して選択的に上記光導波層の端面より参照光を
入射させる参照光供給手段及び該各光導波路に対して選
択的に該光導波層の端面より照明光を入射させる照明光
供給手段を備えるものであり、該各光導波路に対して選
択的に上記光導波層の端面より上記参照光を入射させ該
光導波層の界面より物体光を入射させて記録動作を行う
とともに、該各光導波路に対して選択的に該光導波層の
端面より照明光を入射させ該光導波層の界面より再生光
を出射させて再生動作を行うので、該各光導波層路に対
して、選択的、かつ、独立的な記録及び再生を行うこと
ができる。
【０１３９】すなわち、本発明は、体積ホログラムに代
わる実用的な性能の多重記録ホログラムを構成できるホ
ログラムの記録媒体、記録方法、再生方法及び記録再生
装置の提供という課題を解決しようとするものであり、
かつ、データの部分的な書き換えが可能となされコンピ
ュータ装置用のメモリ装置としての使用に適する多重記
録ホログラフィックメモリを構成できるホログラムの記
録媒体、記録方法、再生方法及び記録再生装置を提供す
ることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るホログラム記録媒体の要部の記録
状態における構成を示す縦断面図である。
【図２】上記ホログラム記録媒体の要部の再生状態にお
ける構成を示す縦断面図である。
【図３】上記ホログラム記録媒体の要部の共役再生状態
における構成を示す縦断面図である。
【図４】上記ホログラム記録媒体の要部の光が透過して
いる状態における構成を示す縦断面図である。
【図５】上記ホログラム記録媒体に記録再生を行う光学
系の構成を示す側面図である。
【図６】上記ホログラム記録媒体の構成を示す縦断面図
である。
【図７】上記ホログラム記録媒体の各光導波路に対して
選択的に記録再生を行う光学系の構成を示す側面図であ
る。
【図８】上記光学系の構成の他の例を示す側面図であ
る。
【図９】上記光学系の構成のさらに他の例を示す側面図
である。
【図１０】フォトクロミック材料であるバクテリオロド
プシンの照射光による変化の状態を示す模式図である。
【図１１】従来の平面型のホログラム記録媒体の構成を
示す側面図である。
【図１２】光導波路の構成を示す斜視図である。
【図１３】光導波路の構成を示す側面図である。
【図１４】従来の光導波路ホログラム記録媒体の構成を
示す側面図である。
【図１５】ホログラムにおける再生光のエネルギーを示
すグラフである。
【図１６】ホログラムにおける再生光のエネルギーを示
すグラフである。
【符号の説明】
１，４８ クラッド層 ２，５０ ホログラム記録材料層 ３，４９ 導波層 ４，４８ 基板 ５ 物体光 ６ 参照光 ７ 照明光 ８ 再生光
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｇ１１Ｂ 7/00 Ｇ０２Ｂ 6/12 Ｍ

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 基板及び光導波層を有し一部または全部
    が光学記録材料から構成された光導波路が、多重に積層
    されて構成されたホログラム記録媒体。
  2. 【請求項２】 各光導波路は、連続的な１光子機構を有
    する光学記録材料であるフォトクロミック材料により構
    成され、記録再生に使用する全ての状態において該フォ
    トクロミック材料を変化させるのに必要な全ての波長の
    光を導波できることとなされている請求項１記載のホロ
    グラム記録媒体。
  3. 【請求項３】 記録後のフォトクロミック材料による吸
    収が充分に小さく且つ屈折率変化が充分に大きな波長の
    光により各導波路を選択的に照明することによって、位
    相ホログラムとしての再生動作が行えることとなされた
    請求項２記載のホログラム記録媒体。
  4. 【請求項４】 フォトクロミック材料は、バクテリオロ
    ドプシンであることとなされた請求項３記載のホログラ
    ム記録媒体。
  5. 【請求項５】 導波層を基板と共働して挟み込むクラッ
    ド層を有し、 上記基板と上記クラッド層とは、屈折率が互いに等しく
    なされている請求項１記載のホログラム記録媒体。
  6. 【請求項６】 光導波層の屈折率をｎi、この光導波層
    の界面の法線に対する物体光または再生光の角度を
    θi、該物体光または再生光の真空中の波長をλ、光学
    記録材料の露光による屈折率変化で生じる反射光の位相
    変化をδiとし、ｍを正整数としたとき、各光導波路の
    界面間の間隔ｈi（ｉ＝０，１，２・・・）は、 ｎiｈ
    icosθi＋δi≠（２ｍ＋１）λ／４を満足することとな
    された請求項１記載のホログラム記録媒体。
  7. 【請求項７】 基板及び光導波層を有し一部または全部
    が光学記録材料から構成された光導波路が多重に積層さ
    れて構成されたホログラム記録媒体を用いて、該各光導
    波路に対して選択的に、該光導波層の端面より参照光を
    入射させ、該光導波層の界面より物体光を入射させて、
    記録動作を行うホログラム記録方法。
  8. 【請求項８】 基板及び光導波層を有し一部または全部
    が光学記録材料から構成された光導波路が多重に積層さ
    れて構成されたホログラム記録媒体を用いて、該各光導
    波路に対して選択的に、該光導波層の端面より照明光を
    入射させ、該光導波層の界面より再生光を出射させて、
    再生動作を行うホログラム再生方法。
  9. 【請求項９】 基板及び光導波層を有し一部または全部
    が光学記録材料から構成された光導波路が多重に積層さ
    れて構成されたホログラム記録媒体を用い、 上記各光導波路に対して選択的に上記光導波層の端面よ
    り参照光を入射させる参照光供給手段及び該各光導波路
    に対して選択的に該光導波層の端面より照明光を入射さ
    せる照明光供給手段を備え、 上記各光導波路に対して選択的に上記光導波層の端面よ
    り上記参照光を入射させ、該光導波層の界面より物体光
    を入射させて、記録動作を行うとともに、該各光導波路
    に対して選択的に該光導波層の端面より照明光を入射さ
    せ、該光導波層の界面より再生光を出射させて、再生動
    作を行うこととなされたホログラム記録再生装置。
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