JPWO2008001434A1 - ホログラム記録装置およびホログラム記録方法 - Google Patents

Abstract

ホログラム記録媒体（Ｂ）に対して記録光（Ｓ）を照射するとともに、ホログラム記録媒体（Ｂ）に対する入射角を可変制御しながら記録光（Ｓ）の照射部位（ｐ）に参照光（Ｒ）を照射し、これら記録光（Ｓ）と参照光（Ｒ）との干渉によって照射部位（ｐ）にホログラムを多重記録するホログラム記録装置であって、参照光（Ｒ）の入射角を所定の角度範囲で可変制御する入射角可変制御手段を備え、ホログラム記録媒体（Ｂ）は、入射光量が増大するにつれて記録感度が低下する特性をもち、かつ、入射角可変制御手段は、参照光（Ｒ）の入射角を大きい角度から小さい角度へと変化させるように構成されている。

Description

本発明は、いわゆる角度多重記録方式によってホログラムを多重記録するホログラム記録装置およびホログラム記録方法に関する。

従来のホログラム記録方法としては、特許文献１に開示されたものがある。同文献に開示されたものは、ホログラム記録媒体に対して垂直に記録光を照射するとともに、この記録光の照射部位に対し、多重ミラーの傾きを制御することで入射角を変化させながら参照光を照射するものである。これによれば、入射角が変化させられる参照光と一定入射角の記録光とが照射部位で干渉することにより、角度変化に応じた種々のホログラムが多重記録される。なお、多重記録されたホログラムは、光学的に交錯した状態で照射部位に存在するが、模式的には、照射部位が冊子に喩えられ、この照射部位においてページ単位にホログラムが記録されているものとみなされる。すなわち、各ページは、参照光の入射角に対応したものとなる。

特開２００５−２３４１４５号公報

しかしながら、上記従来のホログラム記録方法では、参照光の入射角をどのような推移で変化させるのか特に決められていないため、以下に説明するような問題がある。

図８に示すように、一般的なホログラム記録媒体は、入射光量が増大するにつれて記録感度が反比例的に低下する特性をもつ。たとえば、記録開始ページの平均記録感度は、６．５０程度であり、記録終了ページの記録感度は、回折効率ηなどの条件から１．１６７程度となる。各ページに記録する際の光強度を一定とし、この光強度を時間積分して求められる入射光量が記録感度に相応するレベルに達することで記録がなされるとした場合、記録開始ページの照射時間に対して記録終了ページの照射時間が略６．５倍となる。

ところが、各ページにホログラムを記録する際には、角度多重記録方式によって参照光の入射角が変化させられ、この入射角が大きくなるほど照度余弦則に基づいて光強度が低下する。そのため、たとえば参照光の入射角を小さい角度から大きい角度へと変化させた場合には、記録感度とともに光強度が低下し、この光強度の低下も考慮した上で照射時間を徐々に延長しなければならない。すなわち、参照光の入射角が次第に大きくなるように変化させた場合には、記録ページが増えるにつれて照射時間が著しく長くなるので、記録速度についてそれほど高速化が期待できないという問題があった。

本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものである。本発明は、多重記録する際の記録速度をできる限り高速化することができるホログラム記録装置およびホログラム記録方法を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。

本発明の第１の側面により提供されるホログラム記録装置は、入射光量が増大するにつれて記録感度が低下する特性をもつホログラム記録媒体を用い、このホログラム記録媒体に対して記録光を照射するとともに、上記ホログラム記録媒体に対する入射角を可変制御しながら上記記録光の照射部位に参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記照射部位にホログラムを多重記録するホログラム記録装置であって、上記参照光の入射角を所定の角度範囲で可変制御する入射角可変制御手段を備え、この入射角可変制御手段は、上記参照光の入射角を大きい角度から小さい角度へと変化させるように構成されていることを特徴としている。

好ましくは、上記参照光の入射角が変化させられるごとに上記記録光および参照光の照射時間を制御する照射時間制御手段を備え、この照射時間制御手段は、上記参照光の入射角に応じて変化する光強度に基づき、この光強度を時間積分した入射光量が上記記録感度に相応するレベルとなるように照射時間を制御している。

本発明の第２の側面により提供されるホログラム記録方法は、入射光量が増大するにつれて記録感度が低下する特性をもつホログラム記録媒体を用い、このホログラム記録媒体に対して記録光を照射するとともに、上記ホログラム記録媒体に対する入射角を可変制御しながら上記記録光の照射部位に参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記照射部位にホログラムを多重記録するホログラム記録方法であって、上記照射部位にホログラムを多重記録する際には、上記参照光の入射角を所定の角度範囲で大きい角度から小さい角度へと変化させるように可変制御することを特徴としている。

本発明が適用されたホログラム記録装置の一実施形態を示す斜視図である。 図１に示すホログラム記録装置の要部断面図である。 図１に示すホログラム記録装置の光学的作用を説明するための説明図である。 図１に示すホログラム記録装置の光学的作用を説明するための説明図である。 図１に示すホログラム記録装置の光学的作用を説明するための説明図である。 比較例により光学的作用を説明するための説明図である。 図１に示すホログラム記録装置と比較例の光学的作用を説明するための説明図である。 従来におけるホログラム記録媒体の記録特性を説明するための説明図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。

図１に示すように、本実施形態のホログラム記録装置Ａは、ディスク状のホログラム記録媒体Ｂに対し、所定の方向に傾けた状態で主光線が一定の入射角θｓ（図２参照）となるように記録光Ｓを照射するとともに、この記録光Ｓとは反対方向において入射角を所定の角度範囲で可変制御しながら記録光Ｓの照射部位ｐに参照光Ｒを照射し、これら記録光Ｓと参照光Ｒとの干渉によってホログラムを角度多重記録方式により多重記録するものである。

ホログラム記録装置Ａは、照射時間を制御するための光学シャッタ（照射時間制御手段）１、記録光Ｓと参照光Ｒに分離するためのビームスプリッタ２、ホログラム記録媒体Ｂに対して記録光Ｓを照射するための記録光用の光学系、およびホログラム記録媒体Ｂに対して入射角を可変制御しながら参照光Ｒを照射するための参照光用の光学系を備えている。図外には、レーザビームを発する光源やレーザビームを平行光に変換するコリメータレンズが設けられている。記録光用の光学系は、空間光変調器３、ズームレンズ４、ハーフミラー５、および記録光用の対物レンズ６で構成されている。参照光用の光学系は、固定ミラー１０，１１、記録用および再生用ミラー１２，１３、ならびに、参照光Ｒの入射角を可変制御するように記録用および再生用ミラー１２，１３を一体的に揺動させる入射角可変制御手段２０で構成されている。入射角可変制御手段２０は、Ｕ字型のアーム部材２１および駆動モータ２２によって構成されている。記録用ミラー１２は、ホログラム記録媒体Ｂの上面側に配置されたアーム部材２１の一端に固定されている。再生用ミラー１３は、ホログラム記録媒体Ｂの下面側に配置されたアーム部材２１の他端に固定されている。これらの光学シャッタ１やビームスプリッタ２、記録光用および参照光用の光学系は、ホログラム記録媒体Ｂの径方向に往復移動可能な移動ヘッド（図示略）に搭載されている。

図２に示すように、ホログラム記録媒体Ｂは、たとえばフォトポリマーの記録層９０を中間層として有し、この記録層９０の両側に透光性のカバー層９１，９２を積層した構造からなる。記録層９０は、従来と同様に入射光量が増大するにつれて記録感度が反比例的に低下する特性をもつ。本実施形態では、たとえば記録層９０の厚みが１ｍｍ程度、カバー層９１，９２の厚みが０．５ｍｍ程度である。記録時には、ホログラム記録媒体Ｂの上面側から記録光Ｓおよび参照光Ｒが照射される。再生時には、ホログラム記録媒体Ｂの下面側から参照光Ｒのみが照射される。

図外の光源から出射したレーザビームは、図示しないコリメータレンズで平行光に変換された後、光学シャッタ１を通ってビームスプリッタ２に入射する。光学シャッタ１は、オンオフ制御によって光を透過／遮断する。この光学シャッタ１によれば、光を透過した状態で記録光Ｓおよび参照光Ｒをホログラム記録媒体Ｂに対して照射する時間が制御される。ビームスプリッタ２に入射したレーザビームは、記録光Ｓと参照光Ｒに分離される。たとえば記録時において、記録光Ｓは、空間光変調器３へと導かれる一方、参照光Ｒは、固定ミラー１０，１１を介して記録用ミラー１２へと導かれる。

空間光変調器３は、たとえば透過型の液晶デバイスからなり、入射した記録光Ｓを記録すべき情報に応じて２次元画素パターンの光に変調する。空間光変調器３から出射した記録光Ｓは、ズームレンズ４を介してハーフミラー５へと導かれ、最終的に記録光用の対物レンズ６によって画素ごとに平行光に変換された後、ホログラム記録媒体Ｂに照射される。図２に示すように、対物レンズ６は、その光軸がホログラム記録媒体Ｂに対して一定の入射角θｓをなすように配置されている。なお、空間光変調器３から出射した各画素に対応する光は、対物レンズ６を介してそれぞれ異なる入射角をなしながらホログラム記録媒体Ｂに照射されるが、ここでは、対物レンズ６の光軸と一致する主光線をもつ画素が存在するとし、ホログラム記録媒体Ｂに対して一定の入射角θｓをなすものとし、この光軸と一致する主光線を記録光Ｓの主光線と呼称する。本実施形態では、一例として記録光Ｓの入射角θｓが３５degに設定されている。記録光Ｓの照射部位ｐは、ある画素に対する光に着目すれば、図２に示すように断面からみると、記録層９０において平行四辺形状の感光領域をなすように形成される。図２には、平行四辺形状の感光領域が最大幅となるものを示す。

図２に示すように、記録用および再生用ミラー１２，１３は、アーム部材２１と一体になって所定の軸ｘ周りに揺動させられる。記録用ミラー１２は、記録光用の対物レンズ６に近接して照射部位ｐの斜め上方に配置されており、固定ミラー１１からホログラム記録媒体Ｂに対して概ね垂直に進行してきた参照光Ｒを照射部位ｐに向けて斜め下向きに反射させる。再生用ミラー１３は、ホログラム記録媒体Ｂを挟んで記録光用の対物レンズ６とは反対側となる照射部位ｐの斜め下方に配置されており、ホログラム記録媒体Ｂに対して概ね平行に進行してきた参照光Ｒを照射部位ｐに向けて斜め上向きに反射させる。なお、記録用および再生用ミラーとしては、ガルバノミラーを採用してもよい。対物レンズ６によって各画素に対応する光が平行光に変換される必要はなく、収束光となってもよい。収束光となった場合、ホログラム記録媒体Ｂ内において平行光になることはなく、対物レンズ６によって収束角度が比較的小さい収束光に変換される。

図２には、参照光Ｒの入射角が最大になる状態での記録用および再生用ミラー１２，１３が実線で示されている。このときの参照光Ｒの入射角は、たとえば７５degである。特に記録時において、記録用ミラー１２は、所定の角度範囲で所定の角度ずつ反時計回りの方向に揺動させられる。記録用ミラー１２は、所望とする角度ごとに一時的に停止した状態とされ、光学シャッタ１は、その度オン状態となってレーザビームを透過させる。これにより、照射部位ｐには、記録光Ｓおよび参照光Ｒが同時に照射され、参照光Ｒの入射角に応じたホログラムがページ単位に記録される。このような光学シャッタ１は、オン状態となる時間がページ単位に制御されている。その結果、記録光Ｓおよび参照光Ｒは、ページ単位に照射時間が異なるように制御される。次の停止位置まで記録用ミラー１２が回転移動する際には、光学シャッタ１がオフ状態となって記録光Ｓおよび参照光Ｒが照射されない。すなわち、記録用ミラー１２は、実線で示す位置から仮想線で示す位置まで逐次的に回転移動し、参照光Ｒの入射角は、たとえば７５degから５０degまで所定の角度刻みに減少させられる。１つの照射部位ｐについて多重記録を終えると、光学シャッタ１がオフ状態となって記録光Ｓおよび参照光Ｒが照射されない状態となり、その間、記録用ミラー１２は、参照光Ｒの入射角が最大となる元の位置（仮想線で示す位置）まで戻される。

次に、ホログラム記録装置Ａの光学的作用について説明する。

図２に示すように、記録光Ｓは、照射部位ｐに対して主光線の入射角θｓが３５degとなって照射される。その一方、対物レンズ６の周辺近傍を通る記録光Ｓの一部に着目すると、主光線の入射角θｓとは異なり、たとえば入射角が１１．７degや５８．３degとなる光束が存在する。このような記録光Ｓの入射角１１．７deg、３５deg、５８．３degに対して参照光Ｒの入射角が５０degから８０degまで変化した場合、回折効率は、図３に示すような傾向で推移する。たとえば、参照光Ｒの入射角が５０degの場合の回折効率に対して７５degの場合における回折効率は、記録光Ｓの入射角に関係なく大凡１３％程度大きくなる。このような回折効率の増大は、記録時間の短縮に寄与すると考えられる。

参照光Ｒは、入射角が７５degから５０degへと次第に減少するように変化させられる。このとき、記録光Ｓについては、フーリエ像をぼかすように照射部位ｐに対して照射される。また、参照光Ｒの入射角が５０degの場合、照射部位ｐに対する参照光Ｒおよび記録光Ｓの光強度（単位面積当たりの光束）をＩｒ、Ｉｓとすると、常にＩｒ：Ｉｓ＝３：１となるようにビームスプリッタ２や空間光変調器３によって参照光Ｒと記録光Ｓの分離や強度調整がなされる。このように光強度の比をＩｒ：Ｉｓとした場合、照射部位ｐには、コントラストが良好な状態でホログラムが記録される。

一方、照射部位ｐ付近における参照光Ｒの照射幅に着目すると、たとえば入射角が５０degの場合（破線で示す状態）に対して７５degの場合（細線で示す状態）には、照度余弦則により照射幅が２．４８４倍程度に拡大する。照射幅が拡大すると、光強度は、低下することとなる。すなわち、記録用ミラー１２に入射する前の参照光Ｒの光強度Ｉｒを常に一定とし、参照光Ｒの入射角が７５degから５０degへと小さくなるように変化させた場合には、照射幅の縮小に応じて参照光Ｒの光強度Ｉｒが次第に大きくなる。

照射部位ｐにおける参照光Ｒの透過率Ｔは、図４に示すように、入射角が大きくなるのにしたがって低下する。入射角５０degにおける透過率Ｔを１、参照光Ｒおよび記録光Ｓの光強度Ｉｒ，ＩｓをそれぞれＰ、１−Ｐとした場合、参照光Ｒの入射角が５０degにおける参照光Ｒおよび記録光Ｓの光強度については、Ｉｒ：Ｉｓ＝３：１となることから、参照光Ｒの光強度が０．７５、記録光Ｓの光強度が０．２５となる。

一方、入射角５０degの場合の参照光Ｒを基準に考えると、入射角７５degでの透過率Ｔは、０．７５程度となる。また、入射角７５degでは、入射角５０degの場合に比べて参照光Ｒの光強度Ｉｒが１／２．４８４倍になる。これにより、参照光Ｒの入射角が７５degにおける参照光Ｒおよび記録光Ｓの光強度については、Ｉｒ：Ｉｓ＝Ｔ・Ｐ／２．４８４：１−Ｐ＝３：１となることから、参照光Ｒの光強度が０．２７５、記録光Ｓの光強度が０．０９２となる。

ホログラム記録媒体Ｂの記録開始時における記録感度を６．５０、記録終了時における記録感度を１．１６７とし、上記した記録光Ｓの光強度Ｉｓ、入射角５０degにおける回折効率を１として回折効率の比をパラメータとして用いた場合、参照光Ｒの入射角を７５degから５０degへと変化させた場合のページ単位の記録時間は、次のようになる。ただし、ページ単位の記録時間は、光強度Ｉｓ、記録感度、および回折効率の比に反比例するものとし、ページ単位の記録時間＝１÷Ｉｓ÷記録感度÷回折効率の比で定義されるものとする。このような記録時間と光強度とを積算したものが入射光量であり、この入射光量が記録感度に相応するレベルに達することで記録がなされると考えられる。

（記録開始時、参照光Ｒの入射角７５degの場合）
記録開始ページの記録時間＝１．４８０
（記録終了時、参照光Ｒの入射角５０degの場合）
記録終了ページの記録時間＝３．４２８

本実施形態のように、参照光Ｒの入射角を７５degから５０degへと小さくなるように変化させた場合、ページ記録時間および記録感度については、図５に示すような推移で変動することとなる。入射角７５degから５０degへと変化させた場合の全ページ分の総記録時間は、ページ記録時間を示す曲線（プロットした曲線）を入射角で積分することにより求められる。図面上では、全ページ分の総記録時間は、ページ記録時間を示す曲線と横軸との間で囲まれた部分の面積に相当する。

比較例として、上記とは逆に参照光Ｒの入射角を５０degから７５degへと変化させた場合のページ単位の記録時間は、次のようになる。

（記録開始時、参照光Ｒの入射角５０degの場合）
記録開始ページの記録時間＝０．６１５
（記録終了時、参照光Ｒの入射角７５degの場合）
記録終了ページの記録時間＝８．２４３

参照光Ｒの入射角を５０degから７５degへと大きくなるように変化させた場合、ページ記録時間および記録感度については、図６に示すような推移で変動することとなる。このような図５と図６を比較した場合、全ページ分の総記録時間は、比較例よりも本実施形態の方が明らかに短くなる。具体的に積分して全ページ分の総記録時間を求めた場合、比較例に対して本実施形態によるものでは、０．７７程度の割合で時間が短縮される。

したがって、本実施形態のホログラム記録装置Ａによれば、参照光Ｒの入射角を大きい角度から小さい角度へと漸次変化させることにより、記録感度が低下するものの光強度が次第に増大するので、ページ単位の記録時間をそれほど大幅に長くする必要はなく、全ページ分の総記録時間をできる限り短くし、記録速度をできる限り高速化することができる。

次に、照射部位ｐの周辺に生じる不要露光について考察する。

照射部位ｐの周辺には、参照光Ｒのみによる不要露光領域が生じる。この不要露光領域は、照度余弦則により参照光Ｒの入射角が大きくなるほど大きくなる。

ここで、入射角５０degの場合における参照光Ｒの照射面積を１．１、記録光Ｓの照射面積を１と仮定する。すなわち、入射角５０degの場合には、１０％の不要露光領域が生じるとする。このような仮定に基づき、不要露光領域については、次のような不要露光係数なる概念を導入する。

不要露光係数は、参照光の光強度Ｉｒ、参照光Ｒの照射面積に対する不要露光領域の割合、ページ単位の記録時間をパラメータとし、不要露光係数＝Ｉｒ×不要露光領域の割合×ページ単位の記録時間によって定義されるものとする。入射角７５degから５０degへと変化させた場合の不要露光係数は、次のようになる。

（記録開始時、参照光Ｒの入射角７５degの場合）
参照光の光強度Ｉｒ＝０．２７５
ページ単位の記録時間＝１．４８０
不要露光領域の割合＝１５８％
不要露光係数＝０．６４３
（記録終了時、参照光Ｒの入射角５０degの場合）
参照光の光強度Ｉｒ＝０．７５
ページ単位の記録時間＝３．４２８
不要露光領域の割合＝１０％
不要露光係数＝０．２５７

比較例として、入射角５０degから７５degへと変化させた場合の不要露光係数は、次のようになる。

（記録開始時、参照光Ｒの入射角５０degの場合）
参照光の光強度Ｉｒ＝０．７５
ページ単位の記録時間＝０．６１５
不要露光領域の割合＝１０％
不要露光係数＝０．０４６１
（記録終了時、参照光Ｒの入射角７５degの場合）
参照光の光強度Ｉｒ＝０．２７５
ページ単位の記録時間＝８．２４３
不要露光領域の割合＝１５８％
不要露光係数＝３．５８２

図７には、入射角７５degから５０degへと小さくなるように変化させた場合の不要露光係数の推移と、その逆に入射角５０degから７５degへと大きくなるように変化させた場合の不要露光係数の推移とを示す。不要露光係数は、ページ単位の記録容量に関係するものとなり、不要露光係数が大きくなると、記録容量が小さくなると考えられる。同図を参照し、入射角７５degから５０degへと変化させた場合と入射角５０degから７５degへと変化させた場合とで不要露光係数を比較した場合、入射角で積分して求められる全ページ分の不要露光係数は、入射角５０degから７５degへと変化させた場合の方が入射角７５degから５０degへと変化させた場合の１．９２倍程度となる。

したがって、本実施形態のホログラム記録装置Ａによれば、参照光Ｒの入射角を大きい角度から小さい角度へと漸次変化させることにより、記録容量の点においても有利であり、できる限り記録容量を大きくすることができる。

なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態で示した数値などは、あくまでも一例とした値にすぎず、仕様に応じて適宜設計変更することが可能である。

Claims (3)

1. 入射光量が増大するにつれて記録感度が低下する特性をもつホログラム記録媒体を用い、このホログラム記録媒体に対して記録光を照射するとともに、上記ホログラム記録媒体に対する入射角を可変制御しながら上記記録光の照射部位に参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記照射部位にホログラムを多重記録するホログラム記録装置であって、
   上記参照光の入射角を所定の角度範囲で可変制御する入射角可変制御手段を備え、この入射角可変制御手段は、上記参照光の入射角を大きい角度から小さい角度へと変化させるように構成されていることを特徴とする、ホログラム記録装置。
2. 上記参照光の入射角が変化させられるごとに上記記録光および参照光の照射時間を制御する照射時間制御手段を備え、この照射時間制御手段は、上記参照光の入射角に応じて変化する光強度に基づき、この光強度を時間積分した入射光量が上記記録感度に相応するレベルとなるように照射時間を制御している、請求項１に記載のホログラム記録装置。
3. 入射光量が増大するにつれて記録感度が低下する特性をもつホログラム記録媒体を用い、このホログラム記録媒体に対して記録光を照射するとともに、上記ホログラム記録媒体に対する入射角を可変制御しながら上記記録光の照射部位に参照光を照射し、これら記録光と参照光との干渉によって上記照射部位にホログラムを多重記録するホログラム記録方法であって、
   上記照射部位にホログラムを多重記録する際には、上記参照光の入射角を所定の角度範囲で大きい角度から小さい角度へと変化させるように可変制御することを特徴とする、ホログラム記録方法。

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