JPWO2006082678A1 - 光情報記録装置(反射型ホログラフィックメモリ装置) - Google Patents
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Abstract
Description
このような状況下で、実用化されているものは透過型ホログラムのものがほとんどである(例えば、特許文献1)。
また、ホログラフィックメモリに関しては、本発明者らが世界に先駆けて発表した光暗号化技術、すなわち、ランダム位相変調技術に基づく原画像の暗号化を行い、記録データ保護機能を有する光メモリの研究成果を報告している(非特許文献1,非特許文献2)。
さらに、透過型ホログラムを構成する配置でランダム位相変調マスクを用いるものも知られている(例えば、特許文献2)。
そこで、本発明は、既存のDVD技術に代表される光ピックアップ系の動作機構の技術との整合性が良く、製品化のコストパフォーマンスを向上させることを第1の目的とする。また、本発明は、記録媒体の面内回折限界から計算される記録容量の10倍から1000倍程度の記録容量を実現することを第2の目的とし、さらに、積層化による記録容量の増大化を実現することを第3の目的とする。また、ハードウェアとしてのデータ保護機能を持たせることを第4の目的とする。
ここで、光ピックアップ系の動作機構とは、ディスク型記録媒体の回転とディスク型記録媒体の半径方向への移動の動作機構と定義する。
本発明の第1の観点からは、信号光および参照光をホログラフィックメモリ記録媒体に照射することにより2値画像データを光の干渉パターンとして記録するとともに、前記ホログラフィックメモリ記録媒体に参照光を照射することによって得られる再生像からデータを再生するホログラフィック記録再生システムであって、
(1)ホログラフィックメモリ記録媒体がディスク型記録媒体であり、
(2)光ピックアップ系の動作機構と、
(3)信号光と参照光を対向するように導波させて前記ディスク型記録媒体上で信号光と参照光の偏光面を揃える系と、
(4)信号光及び/又は参照光の導光路に設けたランダム位相変調多重記録手段と、
(5)前記光ピックアップ系の動作機構を用いた参照光の変位による空間シフト多重記録手段とを備え、
反射型ホログラムの記録容量を増大したことを特徴とする反射型ホログラフィックメモリ装置が提供される。
また、空間シフト多重記録方法とランダム位相変調多重記録方法を併用することで、ディスク型記録媒体を用いたホログラフィックメモリの記録容量を増大させることに成功した。さらに、反射型ホログラフィックメモリにおいて、ランダム位相マスクを用いることによって、記録容量の向上の効果および暗号化の効果が得られることを実証した。
信号光及び/又は参照光に空間光変調された光波を用いると空間的に重なりを持たせながら入力画像を記録することができるため、大容量記録が可能になる。この空間光変調を用いた空間シフト多重記録手段とランダム位相変調多重記録手段を組み合わせることにより、さらなる大記録容量を実現することが可能となるのである。
空間シフト多重記録を用いた反射型ホログラフィックメモリにおけるシフト選択距離は、集光レンズの開口数の略2乗に反比例する形で与えられることを、後述するシミュレーションを用いて検証したものである。シフト選択距離が集光レンズの開口数の略2乗に反比例する形で与えられるため、多重記録における記録間隔は、集光レンズの開口数に反比例する形よりも大きくする必要があり、かつ開口数の3乗に反比例する値よりも小さくするのである。ここで、シフト選択距離は、材料の位置の移動により回折効率が最大値の半分になる時の位置の移動量としている。
ここで、ランダム位相変調多重記録手段とは、ランダム位相変調手段を介して、多重記録を行うものである。ランダム位相変調手段としては、ランダム位相マスクや位相型空間光変調器などがあるが、ランダム位相マスクは、すりガラスのようなもので、光が通過するだけでランダムな位相変調をかけることができ、同時に高速・安価といった特徴を持つ。
本発明に係る反射型ホログラフィックメモリ装置を用いることで、厚さ方向に多層記録が可能となるため、積層型構造を用いた大容量記録が実現できるものである。すなわち、反射型ホログラムの微小記録領域を利用して積層型による記録容量の向上を図るものである。
反射型シフト多重ホログラフィックメモリ装置の記録容量は、信号光および参照光のレーザーの波長を小さくし、集光角を大きくすることで記録容量を向上させることができるのである。
本反射型ホログラフィックメモリシミュレータプログラムによる数値計算結果で得られたパラメータの値をもとに、光学システムの最適化を行い、記録容量の向上を行うことができるのである。
また、ランダム位相マスクにより変調を加える等のランダム位相変調多重記録手段と、ディスクの回転軸方向の回転,ピックアップ系の半径方向への移動による空間シフト多重記録手段を組み合わせることにより、2値画像データの記録密度の向上を図ることができる。例えば、5インチのディスクで、数百Gbyteから数Tbyteの記録容量が可能となるといった効果がある。
さらに、ランダム位相マスク等のランダム位相変調多重記録手段を用いて記録を行うことによって、信号の暗号化を行い、記録データの保護を図ることができる効果がある。
ここで、1/4波長板5および反射用のミラー6が積層構造、または一方の内部構造として含有させることも可能である。
実施例1では、本発明に係る反射型ホログラフィックメモリにおける空間シフト多重記録手段の有用性を示す。ここでは、図1、2の光学系を空間的に展開した図3のような反射型の光学系を構成して、参照光の位置ずれに対する回折効率の変化を測定し、参照光のビーム径と比較することによって、空間シフトブラッグ選択性の効果を確認し、空間シフト多重記録手段の有用性を示すこととする。
次に、実施例2では、実際に信号光に画像をのせて記録を行ったときに、実際に再生画像がシフトブラッグ選択性を示しているのかを確認するために、記録位置からの参照光のずれに対する再生画像を調べている。本実施例2における光学系の全体構成図と測定結果をそれぞれ図5と図6(a)〜(f)に示す。図5の構成では、信号光に画像データを変調するために、図3の光学系の構成に対して、信号光の導光路上に空間光変調手段を配設した構成となっている。図6において、画像サイズは130×130(Pixel)である。図6の再生画像より、ニオブ酸リチウムの移動位置(Offset)が‐20μmと20μmのときには、図4の測定結果と同様に、再生光がほとんど現れていなく、また0μmのときには元の信号が再生されている。このことから、信号光に画像をのせて記録を行ったとしても、再生画像にはシフトブラッグ選択性の効果が得られていることを理解することができる。
次に、実施例3では、本発明に係る反射型ホログラフィックメモリにおけるシフト多重記録手段による記録容量の向上についてデータを示しながら説明する。
本実施例3において、光学系は図3と同じの光学系を用い、記録間隔を28μm、26μm、24μm、22μmと変化させて、4つの信号に対して多重記録を行い、参照光のシフトに対する回折効率の変化を測定した。ここで、信号光は実施例1と同様にビットデータの変調をかけず、平面波として記録を行い、また多重記録はスケジューリング記録を行わず、全ての信号に対して記録時間を5秒として行った。
本実施例4では、実際に信号光に画像をのせて、本発明に係る反射型ホログラフィックメモリにおける空間シフト多重記録手段を用いて記録を行ったときに、個々のデータを独立に読み出すことができるのかを調べるために、再生画像の評価を行う。この実施例4において、光学系は図5の光学系を用い、記録間隔を24μm、記録時間を各信号に対して5秒として、4つの信号に対して多重記録を行い、各信号の記録位置に対する再生画像をCCDセンサーで取り込んでいる。
本実施例5では反射型ホログラフィックメモリにおいて、ランダム位相マスクを用いて再生画像の画質向上が図ることができることを示す。実施例5における光学系を図10に示す。
本実施例6では反射型ホログラフィックメモリにおいて、ランダム位相マスクによるシフトブラッグ選択性への影響を説明する。そのために、実際にランダム位相マスクを用いた記録を行い、記録位置からの参照光のずれに対する回折効率の測定を行っている。本実施例6の光学系としては、図10に示した光学系と同じである。ただし、信号光、参照光の集光レンズに対物レンズを用い、CCDをフォトディテクタに変更している。このランダム位相マスクを用いた記録測定結果と通常の記録(ランダム位相マスクを用いない記録)測定を行ったときの結果を図14に示す。図14において横軸は信号を記録した位置からの参照光のずれを表し、縦軸は規格化した回折効率を表す。
このことから、ランダム位相マスクを用いて記録を行うことによって、シフトブラッグ選択性を向上させることができることがわかる。これは、通常の記録では参照光のスポット付近の位相分布は緩やかな分布をしているために、参照光を少しずらしても、シフトブラッグ条件を満たす状態がある程度続くのに対して、ランダム位相マスクを用いる場合では、参照光のスポット付近の位相分布がランダムな位相分布となるため、参照光を少しずらしただけで、再生光内での光波の位相ずれが生じ、干渉により打ち消しあう効果が大きくなるためであると考えることができる。
図15(a)〜(f)の再生画像より、ランダム位相マスクを用いることによって、実用上でもシフトブラッグ選択性が向上していることを確認することができる。
本実施例7では、反射型ホログラフィックメモリにおいて、ランダム位相マスクを用いて多重記録を行い、記録間隔をどこまで狭めることができるかを調べることにする。まず比較のために、ランダム位相マスクを用いないで、6つの信号に対して多重記録を行い、参照光のシフトに対する回折効率の変化を測定した。ただし、多重記録は全ての信号に対して記録時間を5秒として行った。この結果を図16に示す。図16において、横軸の0は最後に記録を行った信号の位置に対応する。
本実施例8では、実際に信号光にビットデータをのせて、ランダム位相マスクを用いたスケジューリングによる多重記録を行ったときの、再生画像に対するビットエラーレートの評価を行う。記録間隔を4μm、記録時間を前章と同様に、最初に記録する信号から15秒、13秒、11秒、9秒、7秒、7秒として実験を行った。この実験における再生画像と認識画像を図20(1)〜(12)に示す。画像サイズは500×480 (Pixel)、データとして扱うビットの総数は18×17(Bit)、1つのビットのブロックサイズは17×22 (Pixel)である。
この実施例8における測定結果によって、信号光にビット画像をのせても、ランダム位相マスクを用いたスケジューリング記録を行うことで、4μm間隔で多重記録を行うことができることが実証されたことになる。
本実施例9では反射型ホログラフィックメモリにおいて、ランダム位相マスクを用いて暗号化を行うことができることを示す。暗号化としては、信号光を暗号化する方法と、参照光を暗号化する2通りの方法が存在するが、本実施例9では参照光の暗号化を行っている。実施例9における光学系は、実施例5における光学系の構成と同じである(図10参照)。
実施例7において、多重記録を行うことができる最小の記録間隔を決定することができたので、記録容量の簡単な評価を行う。まず記録媒体の形状を5インチディスクと仮定すると、ランダム位相マスクを用いたスケジューリングによる多重記録では、記録間隔が4μmのとき、隣接する信号の中心と中心の距離は4μmであるので、一つの信号のスポット半径を2μmとすると、5インチディスクに記録できる信号の数は、下記数1で表される数式で与えられる。
・Ar(アルゴンイオン)レーザー(Coherent製,型式:Innova300)
・CCDセンサー(Sony製,型式:XC-77)
・入力用空間光変調器(Holoeye製,型式:LC-2002)
・レンズ(アサヒ光学製、smc 50mm)
・対物レンズ(ミツトヨ製、M Plan Apo SL20)
反射型ホログラフィックメモリシミュレータプログラムは、信号光および参照光を空間伝播させるステップと、各々異なる角度を有する平面波に分割させるステップと、個々の平面波が作り出す屈折率分布に対して読み出し光の複素振幅分布をKogelnikの結合波理論により算出するステップと、同方向に伝播する回折光の複素振幅を加算するステップと、光ピックアップ系の動作機構により生じる各平面波成分に対する位相ずれを計算するステップとからなる。
シミュレータプログラムによると、ランダム位相マスクがある場合とない場合の回折効率の半値全幅は、それぞれ1.5μm、4.9μmであり、また回折効率は、8.0×10-3 、2.5×10-3であった。このときのパラメータは、最大屈折率変化量は3.35×10-4 、有効開口数は、0.05としている。一方、実験結果によると、ランダム位相マスクがある場合とない場合の回折効率の半値全幅は、それぞれ1.0μm、4.9μmであり、また回折効率は、8.0×10-3 、2.5×10-3であった。両者を比較すると、回折効率の半値全幅はほぼ同様の値を示し、また回折効率は実験結果と数値計算結果が同じである。
本シミュレーションは、信号光、参照光、読み出し光および記録材料が同じ条件の場合に、反射型ホログラフィックメモリシステムが透過型ホログラフィックメモリより高性能であることを示すものである。ホログラム多重記録方式として、球面参照波空間シフト多重記録を用いる。一般に、ホログラフィックメモリの性能評価では、信号光として空間変調パターンを用いる必要があり、データ再生の指標としてビットエラーレート(ビット認識誤り率)があるが、本シミュレーションでは、バイナリ信号列を用いて回折効率およびビットエラーレートを評価した数値計算結果を示し、さらに、反射型ホログラムにおける実信号を用いた解析を行っている。
以下に、回折効率およびビットエラーレートを評価した数値計算結果と、反射型ホログラムにおける実信号を用いた解析結果を説明する。
反射型ホログラムは角度ブラッグ選択性が弱いため、記録時と異なる入射角をもつ平面波の回折が大きくなる。このため、多光束干渉が容易に生じる。材料の移動により各平面波成分に入射角に依存した位相ずれが生じ、これが干渉において打ち消し合う方向に働くものと考えている。また、図37から参照光のビーム径より十分小さいシフト量で回折効率が減少することからシフト多重記録が可能であることも理解されよう。
従って、本シミュレーションによっても、ランダム位相変調による記録密度の向上が可能であることが検証されたことになる。この理由としては、ランダム位相変調によるフーリエスペクトルの拡散により大きな角度をもつ平面波が生成されるため、多光束干渉による打ち消し合いの効果が増強するためであると考えている。
2 入力画像データ
3 ランダム位相マスク
4 偏光ビームスプリッタ
5 1/4波長板
6 鏡(ミラー)
7 集光レンズ
8 イメージセンサー
9 信号光
10 参照光
ND : Neutral Density
HWP : Half Wave Plate
P : Polarizer
M1,M2,M3 :Mirror
SLM : Spatial Light Modulator
RPM : Random Phase Mask
LN : LiNbO3;Fe
MS : Movable Stage
PC : Personal Computer
CCD : Charge Coupled Device
Claims (10)
- 信号光および参照光をホログラフィックメモリ記録媒体に照射することにより2値画像データを光の干渉パターンとして記録するとともに、前記ホログラフィックメモリ記録媒体に参照光を照射することによって得られる再生像からデータを再生するホログラフィック記録再生システムであって、前記ホログラフィックメモリ記録媒体がディスク型記録媒体であり、光ピックアップ系の動作機構と、信号光と参照光を対向するように導波させて前記ディスク型記録媒体上で信号光と参照光の偏光面を揃える系と、信号光及び/又は参照光の導光路に設けたランダム位相変調多重記録手段と、前記光ピックアップ系の動作機構を用いた参照光の変位による空間シフト多重記録手段とを備え、反射型ホログラムの記録容量を増大したことを特徴とする反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 前記ディスク型記録媒体上で信号光と参照光の偏光面を揃える系が、直線偏光状態が90度異なる信号光と参照光を共軸で同方向に導波させ、集光レンズにより前記ディスク型記録媒体に収束して照射させ、参照光のみ前記ディスク型記録媒体を透過させた後、4分の1波長板および反射ミラーを用いて参照光の偏光状態を信号光と揃えさせ、信号光と参照光を対向させるものであることを特徴とする請求項1に記載の反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 前記空間シフト多重記録手段において、シフト選択距離が、集光レンズの開口数の略2乗に反比例するように選定されることを特徴とする請求項1又は2に記載の反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 前記ランダム位相変調多重記録手段が、ランダム位相マスクまたは疑似ランダム位相マスクを用いていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 前記ディスク型記録媒体に、4分の1波長板および反射ミラーが積層または内部構造として含有されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 前記信号光を前記ディスク型記録媒体に記録する時間を、個々の信号毎に調節するスケジューリング記録手段を設けたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の反射型ホログラフィックメモリ装置
- 前記ランダム位相変調多重記録手段を光暗号化手段および記録密度向上の手段として用いられることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 前記ディスク型記録媒体の厚さ方向に、信号光と参照光の干渉により生じる干渉稿の3次元分布を分離可能な状態として複数記録し、記録容量を増大したことを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載の反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 前記信号光が単色の青色レーザー光であり、かつ、前記集光レンズによる信号光の集光角が70〜90度であることを特徴とする請求項1乃至8のいずれかに記載の反射型ホログラフィックメモリ装置。
- 信号光と参照光とをディスク型記録媒体を挟んで対向させて記録させる反射型ホログラフィックメモリ装置において、集光レンズにより収束させられる信号光と、共軸で相対向して収束させられる参照光により得られる回折光を模擬するもので、信号光および参照光を空間伝播させるステップと、各々異なる角度を有する平面波に分割させるステップと、個々の平面波が作り出す屈折率分布に対して読み出し光の複素振幅分布をKogelnikの結合波理論により算出するステップと、同方向に伝播する回折光の複素振幅を加算するステップと、光ピックアップ系の動作機構により生じる各平面波成分に対する位相ずれを計算するステップとを備えていることを特徴とする反射型ホログラフィックメモリシミュレータプログラム。
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