JPWO2009057210A1 - ホログラム記録装置 - Google Patents

Abstract

記録光（Ｓ）および参照光（Ｒ）を同一の対物レンズ（１３）を通して記録媒体（Ｂ）に照射することによりホログラムを記録するホログラム記録装置（Ａ１）であって、光源（１）からの光を記録光（Ｓ）と参照光（Ｒ）に分割する光分割手段（３）と、光分割手段（３）にて分割した記録光（Ｓ）および参照光（Ｒ）を同心状の光となるように複合させ、これらの光を対物レンズ（１３）へと進行させる光複合手段（１１）と、光分割手段（３）と光複合手段（１１）との間で記録光（Ｓ）および参照光（Ｒ）の光路上に位置する第１および第２のレンズ（５，９）と、第１のレンズ（５）を透過した記録光（Ｓ）を絞る第１のアパーチャ（６）と、第２のレンズ（９）を透過した参照光（Ｒ）を絞る第２のアパーチャ（１０）とを備え、第１および第２のレンズ（５，９）は、光学倍率が異なる。

Description

本発明は、いわゆるコアキシャル方式によってホログラムを記録するホログラム記録装置に関する。

従来のホログラム記録装置としては、たとえば特許文献１に開示されたものがある。同文献に開示されたホログラム記録装置は、コアキシャル方式によって記録媒体にホログラムを記録するように構成されている。このようなホログラム記録装置では、光源からの光がコリメータレンズで平行光に変換された後、空間光変調器で記録光（信号光）と参照光に分割され、さらにこれら記録光および参照光が同一の対物レンズを通ってホログラム記録媒体に照射される。空間光変調器は、画素領域の中心部が記録光を生成する領域からなり、画素領域の周縁部が参照光を生成する領域となっている。このようなコアキシャル方式のホログラム記録装置では、記録光の光路と参照光の光路が常に一致している。

一方、他の方式によるホログラム記録装置としては、たとえば特許文献２に開示されているように、光源からの光がビームスプリッタで記録光と参照光に分割され、これらの光が記録媒体において再び重なるように構成されたものがある。このような光分割方式のホログラム記録装置では、記録光の光路上にフーリエスペクトルの分布を抑えるフーリエ変換レンズを配置している。フーリエスペクトルは、特定の周波数成分で光強度が強まるような分布となり、いわゆるＤＣ成分の光強度が特に顕著な輝点となって現れるものである。このようなフーリエスペクトルは、ホログラムを記録する際に明暗のムラが生じる基になるため、記録光だけでなく参照光についてもフーリエスペクトルの分布を適当に抑えるのが望ましい。

特開２００６−１１３２９６号公報 特開２００６−７８６８６号公報

しかしながら、上記従来のコアキシャル方式のホログラム記録装置では、記録光と参照光が同一の光路を辿るため、それぞれの光について個別かつ適切にフーリエスペクトルの分布を抑えることができず、そのため、ホログラムを良好に記録できないという難点があった。

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、記録光および参照光を個別かつ適切に調整し、ホログラムを良好に記録することができるコアキシャル方式のホログラム記録装置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。

本発明により提供されるホログラム記録装置は、記録光および参照光を同一の対物レンズを通して記録媒体に照射することによりホログラムを記録するホログラム記録装置であって、光源からの光を上記記録光と上記参照光に分割する光分割手段と、上記光分割手段にて分割した上記記録光および参照光を同心状の光となるように複合させ、これらの光を上記対物レンズへと進行させる光複合手段と、上記光分割手段と上記光複合手段との間で上記記録光の光路上に位置する第１のレンズと、上記光分割手段と上記光複合手段との間で上記参照光の光路上に位置する第２のレンズと、上記第１のレンズを透過した上記記録光を絞る第１のアパーチャと、上記第２のレンズを透過した上記参照光を絞る第２のアパーチャと、を備え、上記第１および第２のレンズは、光学倍率が異なるように設定されていることを要件としている。

好ましくは、上記第２のレンズは、上記第１のレンズよりも光学倍率が大きい。

好ましくは、上記第２のアパーチャは、上記第１のアパーチャよりもフーリエスペクトルの分布を制限するように設定されている。

好ましくは、上記光分割手段と上記第１のレンズとの間には、記録すべき情報に応じた上記記録光を生成するための第１の空間光変調器が配置されており、上記光分割手段と上記第２のレンズとの間には、上記参照光に所定の位相パターンを付与するための第２の空間光変調器が配置されている。

好ましくは、上記光源と上記光分割手段との間には、画素領域の中心部で記録すべき情報に応じた上記記録光を生成するとともに、上記画素領域の周縁部で所定の位相パターンをもつ上記参照光を生成するための空間光変調器が配置されている。

好ましくは、上記光分割手段は、上記空間光変調器からの上記記録光を上記第１のレンズへと直接通す中心開口と、その中心開口の周縁外方で上記参照光を反射させて上記第２のレンズへと向かわせる周縁反射面とをもつ第１の開口反射部材からなる。

好ましくは、上記光複合手段は、上記第１のアパーチャを通ってきた上記記録光を上記対物レンズへと直接通す中心開口と、その中心開口の周縁外方で上記第２のアパーチャを通ってきた上記参照光を上記記録光の進行方向と同方向に反射させる周縁反射面とをもつ第２の開口反射部材からなる。

本発明の一実施形態に係るホログラム記録装置の構成図である。 図１のホログラム記録装置に含まれる第２の空間光変調器の模式図である。 図１のホログラム記録装置の光学特性を説明するための説明図である。 本発明の他の実施形態に係るホログラム記録装置の構成図である。 本発明の他の実施形態に係るホログラム記録装置の構成図である。 本発明の他の実施形態に係る空間光変調器の模式図である。

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１〜３は、本発明に係るホログラム記録装置の一実施形態を示している。図１に示すように、ホログラム記録装置Ａ１は、いわゆるコアキシャル方式で記録媒体Ｂにホログラムを記録するように構成されたものである。このホログラム記録装置Ａは、光源１、コリメータレンズ２、光分割手段としての第１のビームスプリッタ３、第１の空間光変調器４、第１のレンズ５、第１のアパーチャ６、固定ミラー７、第２の空間光変調器８、第２のレンズ９、第２のアパーチャ１０、光複合手段としての第２のビームスプリッタ１１、出射レンズ１２、記録用の対物レンズ１３、再生用の対物レンズ１４、光学フィルタ１５、入射レンズ１６、再生用のアパーチャ１７、集光レンズ１８、および撮像素子１９を備えている。

記録光Ｓは、光源１からコリメータレンズ２を介して第１のビームスプリッタ３に入り、この第１のビームスプリッタ３を透過する。その後、記録光Ｓは、第１の空間光変調器４、第１のレンズ５、第１のアパーチャ６を順に経て第２のビームスプリッタ１１に入り、この第２のビームスプリッタ１１を透過した後、出射レンズ１２および対物レンズ１３を介して記録媒体Ｂに照射される。参照光Ｒは、光源１からコリメータレンズ２を介して第１のビームスプリッタ３に入り、この第１のビームスプリッタ３で記録光Ｓとは異なる方向に反射させられる。その後、参照光Ｒは、固定ミラー７、第２の空間光変調器８、第２のレンズ９、第２のアパーチャ１０を順に経て第２のビームスプリッタ１１に入り、この第２のビームスプリッタ１１で反射して記録光Ｓと同じ方向に進行させられた後、出射レンズ１２および対物レンズ１３により記録光Ｓと同一の光路を辿って記録媒体Ｂに照射される。

記録媒体Ｂは、たとえばフォトポリマーの記録層を有し、この記録層において記録光Ｓと参照光Ｒが干渉することでホログラムが記録される。再生時には、記録層に対して参照光Ｒが照射され、記録済みのホログラムに応じた回折光が再生光Ｐとして生じ、この再生光Ｐを撮像素子６で受光することによりホログラムとして記録された情報が取り出される。

光源１は、たとえば半導体レーザ素子からなる。この光源１は、記録時や再生時に比較的帯域の狭いコヒーレントなレーザ光を出射する。

コリメータレンズ２は、光源１から出射したレーザ光を平行光に変換する。平行光となったレーザ光は、第１のビームスプリッタ３に入射する。

第１のビームスプリッタ３は、たとえばウォラストンプリズムの偏光ビームスプリッタからなり、入射したレーザ光を所定の光量比で記録光Ｓと参照光Ｒに分割する。

第１の空間光変調器４は、たとえば透過型の液晶パネルからなり、画素ごとにオンオフ制御される画素領域を有する。この画素領域においては、記録すべき情報に応じて画素パターンが形成され、この画素パターンによって記録光Ｓが光変調される。再生時には、参照光Ｒのみを記録媒体Ｂに照射するため、全ての画素がオフ状態となって記録光Ｓを遮断する。

第１のレンズ５は、出射レンズ１２と対をなしてリレーレンズを構成し、記録光Ｓの光束径を縮小させながらこの記録光Ｓを出射レンズ１２へと導く。第１のレンズ５の焦点距離をｆｓ、出射レンズ１２の焦点距離をｆｏとした場合、第１のレンズ５を含むリレーレンズの光学倍率は、ｆｏ／ｆｓとなる。

第１のアパーチャ６は、第１のレンズ５と出射レンズ１２との間で第２のビームスプリッタ１１の入射面側となる第１のレンズ５の焦点面に配置されており、第１のレンズ５によって形成される光学像に空間的な変化を与える。具体的には、図３（ａ）に示すように、第１のアパーチャ６が配置された第１のレンズ５の焦点面には、複数の輝点（図中に黒い丸で示した部分）からなるフーリエスペクトルの像が現れる。このフーリエスペクトルの像においては、特定の周波数成分としてＤＣ成分の光強度が顕著に強調され、強調して見える部分が輝点となる。同図に示すように、第１のアパーチャ６は、最も大きいＤＣ成分の輝点を含むような開口６ａをもち、この開口６ａによって記録光Ｓを絞るように構成されている。

第２の空間光変調器８は、参照光Ｒに所定の位相パターンを付与する位相変調器として構成されたものであり、たとえば図２に示すように、画素Ｇごとに光の反射方向を選択可能なデフォーマブルミラーデバイスからなる。各画素Ｇは、対角線に沿う軸周りに回転駆動させられる可動反射素子８０からなる。可動反射素子８０は、同図に示すように固定ミラー７からの参照光Ｒを第２のレンズ９に向けて進行させるオン状態の場合、基準面８１に対して所定の傾き角φをなす。一方、第２のレンズ９に向けて参照光Ｒを進行させないオフ状態の可動反射素子８０については、図２に示す姿勢から反転した姿勢をとる（図示略）。本実施形態では、図１に示すように画素領域の中心部８２に入射した光が除去され、画素領域の周縁部８３に入射した光が第２のレンズ９へと導かれる。

具体的には、図２に示すように、可動反射素子８０の傾き角をφとし、隣り合う画素Ｇの間隔（画素ピッチ）をｄ、基準面８１に対する参照光Ｒの入射角および出射角をθi，θo、参照光Ｒの波長をλとした場合、隣り合う画素Ｇの光路差ΔＬは、画素Ｇ間で位相差πを生じるように下記の数式１を満たしている。

入射角θi、出射角θoと傾き角φについては、θi＋θo＝２φの関係式を満たしている。この式と上記数式１に基づき、波長λを４０５ｎｍ、傾き角φを１２°とした場合、画素ピッチｄは、１３．７μｍとなる。

このような第２の空間光変調器８においては、画素領域の周縁部８３で０位相の画素Ｇとπ位相ずれた画素Ｇが形成される。これら０位相の画素Ｇとπ位相の画素Ｇとをオンオフ制御することにより、参照光Ｒには、０位相およびπ位相の多様な位相パターンが付与される。すなわち、本実施形態のホログラム記録装置Ａ１は、いわゆる位相シフト方式によってホログラムを多重記録するものである。

第２のレンズ９は、出射レンズ１２と対をなしてリレーレンズを構成し、参照光Ｒの光束径を拡大させながらこの参照光Ｒを出射レンズ１２へと導く。第２のレンズ９の焦点距離をｆｒ、出射レンズ１２の焦点距離をｆｏとした場合、第２のレンズ９を含むリレーレンズの光学倍率は、ｆｏ／ｆｒとなる。先述した第１のレンズ５を含むリレーレンズは、縮小系のレンズとして光学倍率がｆｏ／ｆｓである。これにより、ｆｏ／ｆｓ＞ｆｏ／ｆｒになっている。すなわち、第２のレンズ９は、第１のレンズ５よりも光学倍率が大きくなっている。

第２のアパーチャ１０は、第２のレンズ９と出射レンズ１２との間で第２のビームスプリッタ１１の入射面側となる第２のレンズ９の焦点面に配置されており、第２のレンズ９によって形成される光学像に空間的な変化を与える。具体的には、図３（ｂ）に示すように、第２のアパーチャ１０が配置された第２のレンズ９の焦点面にも、複数の輝点（図中に黒い丸で示した部分）からなるフーリエスペクトルの像が現れる。同図に示すように、第２のアパーチャ９は、最も大きいＤＣ成分の輝点をほとんど通さない程度の開口９ａをもち、この開口９ａによって参照光Ｒを絞るように構成されている。このような第２のアパーチャ１０によれば、第１のアパーチャ６よりもフーリエスペクトルが制限される。

第２のビームスプリッタ１１は、たとえばウォラストンプリズムの偏光ビームスプリッタからなる。この第２のビームスプリッタ１１においては、出射レンズ１２に向けて真っ直ぐ記録光Ｓが透過させられる一方、この記録光Ｓの進行方向と同方向に参照光Ｒが反射させられる。これにより、出射レンズ１２には、記録光Ｓおよび参照光Ｒが同心状に複合された状態で入射する。

記録用の対物レンズ１３は、出射レンズ１２を経た記録光Ｓおよび参照光Ｒを記録媒体Ｂの記録層に集光させる。

再生用の対物レンズ１４は、基本的に記録用の対物レンズ１３と同じ光学特性をもち、再生時に生じた再生光Ｐを撮像素子１９へと導く。

光学フィルタ１５は、再生光Ｐから参照光Ｒによるノイズを除去し、再生に寄与する再生光Ｐのみを入射レンズ１６へと導く。

入射レンズ１６および再生用のアパーチャ１７は、基本的に出射レンズ１２および第１のアパーチャ６と同じ光学特性をもち、これらの光学部品と光学的に共役な関係をなすように配置されている。

集光レンズ１８は、再生用のアパーチャ１７で絞られた再生光Ｐを撮像素子１９に集光させる。

撮像素子１９は、再生光Ｐを受光し、この再生光Ｐによる像をホログラム像として出力する。ホログラム像は、さらに光復調回路（図示略）などに入力される。これにより、記録媒体Ｂにホログラムとして記録された情報が再生される。

次に、ホログラム記録装置Ａ１の光学的な作用について説明する。

記録時、光源１からのレーザ光は、コリメータレンズ２を通って第１のビームスプリッタ３で記録光Ｓと参照光Ｒに分割される。

記録光Ｓは、第１の空間光変調器４によって変調された後、第１のレンズ５および第１のアパーチャ６を通って第２のビームスプリッタ１１に入射する。このとき、図３（ａ）に示すように、第１のアパーチャ６が配置された第１のレンズ５の焦点面には、フーリエスペクトルの像が現れる。この記録光Ｓのフーリエスペクトルは、記録すべき情報に基づく画素パターンがフーリエ変換された結果生じるものであるため、ある程度の輝点を通して光学的に情報が欠けないように記録光Ｓが進行させられる。

一方、参照光Ｒは、第２の空間光変調器８によって位相変調された後、第２のレンズ９および第２のアパーチャ１０を通って第２のビームスプリッタ１１に入射する。このとき、図３（ｂ）に示すように、第２のアパーチャ１０が配置された第２のレンズ９の焦点面にも、フーリエスペクトルの像が現れる。この参照光Ｒのフーリエスペクトルは、位相変調による位相パターンがフーリエ変換された結果生じるものである。ホログラムの良好な記録を図るには、参照光Ｒが記録光Ｓに対して一様な光強度分布で重なるのが望ましい。そのため、参照光Ｒは、第２のレンズ９によって光束径が拡大され、かつ第２のアパーチャ１０によって輝点が通らない程度に絞られた状態で進行させられる。

記録光Ｓおよび参照光Ｒは、第２のビームスプリッタ１１によって一束の光となるように複合され、さらに出射レンズ１２および対物レンズ１３を経て記録媒体Ｂに照射される。これにより、記録光Ｓおよび参照光Ｒが重なった状態で照射された部位には、ホログラムが記録される。このとき、参照光Ｒからは、フーリエスペクトルによるＤＣ成分のノイズが除去されているため、良好な状態でホログラムが記録される。

したがって、本実施形態のホログラム記録装置Ａ１によれば、記録光Ｓおよび参照光Ｒを個別かつ適切に調整することができ、特に参照光Ｒについては、フーリエスペクトルによるノイズを効率よく除去することができるため、記録媒体Ｂに対してホログラムを良好に記録することができる。

図４〜６は、他の実施形態による構成を示している。なお、先述した実施形態と同一または類似の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

図４に示すホログラム記録装置Ａ２では、第１のレンズ５と対をなす出射レンズ１２Ａと、第２のレンズ９と対をなす出射レンズ１２Ｂとが設けられている。一方の出射レンズ１２Ａは、記録光Ｓの光路上において第１のアパーチャ６と第２のビームスプリッタ１１との間に配置されており、他方の出射レンズ１２Ｂは、参照光Ｒの光路上において第２のアパーチャ１０と第２のビームスプリッタ１１との間に配置されている。

このような構成によれば、第２のビームスプリッタ１１に入射する前に記録光Ｓおよび参照光Ｒをより適切に調整することができるので、記録媒体Ｂに対してホログラムを極めて良好に記録することができる。

図５のホログラム記録装置Ａ３は、先述した実施形態と同様の構成要素を備えるほか、固定ミラー７Ａ〜７Ｃ、１つの空間光変調器２０、光分割手段としての第１の開口反射部材３０、および光複合手段としての第２の開口反射部材４０を備えている。空間光変調器２０は、先述した第２の空間光変調器８と同様のデフォーマブルミラーデバイスからなり、画素領域の中心部２０Ａが記録光Ｓを生成する領域とされ、画素領域の周縁部２０Ｂが位相変調によって参照光Ｒを生成する領域となっている。第１の開口反射部材３０は、記録Ｓを第１のレンズ５へと直接通す中心開口３０Ａと、この中心開口３０Ａの周縁外方で参照光Ｒを反射させて第２のレンズ９へと向かわせる周縁反射面３０Ｂを有する。第２の開口反射部材４０も、上記第１の開口反射部材３０と同様の構成からなり、記録光Ｓを対物レンズ１３へと直接通す中心開口４０Ａと、この中心開口４０Ａの周縁外方で参照光Ｒを記録光Ｓの進行方向と同方向に反射させる周縁反射面４０Ｂを有する。なお、同図においては、撮像素子などといった再生光を受光するための光学部品を図示省略している。

光源１からのレーザ光は、コリメータレンズ２および固定ミラー７Ａを介して空間光変調器２０に入り、この空間光変調器２０の中心部２０Ａで変調された光が記録光Ｓとなる。記録光Ｓは、開口反射部材３０の中心開口３０Ａを抜け、第１のレンズ５、第１のアパーチャ６、出射レンズ１２Ａを順に通り、さらに開口反射部材４０の中心開口４０Ａを抜けた後、対物レンズ１３によって記録媒体Ｂに照射される。一方、空間光変調器２０の周縁部２０Ｂで位相変調された光が参照光Ｒとなり、この参照光Ｒは、開口反射部材３０の周縁反射面３０Ｂで反射させられることで記録光Ｓと分離される。その後、参照光Ｒは、固定ミラー７Ｂ、第２のレンズ９、第２のアパーチャ１０、出射レンズ１２Ｂ、固定ミラー７Ｃを順に通り、さらに開口反射部材４０の周縁反射面４０Ｂで反射させられることにより、記録光Ｓと再び同心状をなすように複合される。これにより参照光Ｒは、記録光Ｓと合一の光となって対物レンズ１３を経て記録媒体Ｂに照射される。

このような構成によれば、ビームスプリッタといった高価な光学部品を用いることなくレーザ光を記録光Ｓと参照光Ｒに分割し、さらにはこれらの光を再び複合することができ、廉価な装置構成とすることができる。また、空間光変調器２０は、記録光Ｓおよび参照光Ｒをまとめて変調することができるので、先述した実施形態のように空間光変調器を２つ設ける必要はなく、これによっても廉価な装置構成とすることができ、部品点数の削減を図ることができる。

図６は、他の実施形態として、空間光変調器５０を反射型の液晶パネルによって構成したものである。この空間光変調器５０は、シリコン基板５１、液晶駆動回路５２、画素電極５３、下面側の配向膜５４、たとえば強誘電性の液晶分子が充填された液晶層５５、上面側の配向膜５６、透明電極５７、および透明基板５８を有して構成される。このような反射型の液晶パネルで構成される空間光変調器５０によれば、液晶を駆動することによって画素ごとに入力光の位相を変化させることができ、位相変調器として利用することができる。

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。

位相シフト方式によってホログラムを多重記録するものではなく、記録光および参照光の照射部位ごとに１つの干渉縞パターンからなるホログラムを記録する構成の場合には、参照光を位相変調することなく記録光と干渉させるようにしてもよい。

参照光を位相変調する第２の空間光変調器としては、画素領域の中心部と周縁部とを区別することなく画素領域全体で参照光を位相変調するようにしてもよい。

Claims (7)

1. 記録光および参照光を同一の対物レンズを通して記録媒体に照射することによりホログラムを記録するホログラム記録装置であって、
   光源からの光を上記記録光と上記参照光に分割する光分割手段と、
   上記光分割手段にて分割した上記記録光および参照光を同心状の光となるように複合させ、これらの光を上記対物レンズへと進行させる光複合手段と、
   上記光分割手段と上記光複合手段との間で上記記録光の光路上に位置する第１のレンズと、
   上記光分割手段と上記光複合手段との間で上記参照光の光路上に位置する第２のレンズと、
   上記第１のレンズを透過した上記記録光を絞る第１のアパーチャと、
   上記第２のレンズを透過した上記参照光を絞る第２のアパーチャと、
   を備え、
   上記第１および第２のレンズは、光学倍率が異なるように設定されていることを特徴とする、ホログラム記録装置。
2. 上記第２のレンズは、上記第１のレンズよりも光学倍率が大きい、請求項１に記載のホログラム記録装置。
3. 上記第２のアパーチャは、上記第１のアパーチャよりもフーリエスペクトルの分布を制限するように設定されている、請求項１または２に記載のホログラム記録装置。
4. 上記光分割手段と上記第１のレンズとの間には、記録すべき情報に応じた上記記録光を生成するための第１の空間光変調器が配置されており、上記光分割手段と上記第２のレンズとの間には、上記参照光に所定の位相パターンを付与するための第２の空間光変調器が配置されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のホログラム記録装置。
5. 上記光源と上記光分割手段との間には、画素領域の中心部で記録すべき情報に応じた上記記録光を生成するとともに、上記画素領域の周縁部で所定の位相パターンをもつ上記参照光を生成するための空間光変調器が配置されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のホログラム記録装置。
6. 上記光分割手段は、上記空間光変調器からの上記記録光を上記第１のレンズへと直接通す中心開口と、その中心開口の周縁外方で上記参照光を反射させて上記第２のレンズへと向かわせる周縁反射面とをもつ第１の開口反射部材からなる、請求項５に記載のホログラム記録装置。
7. 上記光複合手段は、上記第１のアパーチャを通ってきた上記記録光を上記対物レンズへと直接通す中心開口と、その中心開口の周縁外方で上記第２のアパーチャを通ってきた上記参照光を上記記録光の進行方向と同方向に反射させる周縁反射面とをもつ第２の開口反射部材からなる、請求項６に記載のホログラム記録装置。

Images