WO2012053198A1 - ホログラフィックメモリ再生装置およびホログラフィックメモリの再生方法、復調装置および復調方法、ならびに観測装置および観測方法 - Google Patents

ホログラフィックメモリ再生装置およびホログラフィックメモリの再生方法、復調装置および復調方法、ならびに観測装置および観測方法 Download PDF

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hologram
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spatial
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岡本　淳
佳祐 九里
高林　正典
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国立大学法人北海道大学
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Definitions

  • the present invention relates to a reproducing device and a reproducing method for a holographic memory.
  • the present invention also relates to a demodulating apparatus and demodulating method for a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal.
  • the present invention also relates to an observation apparatus and an observation method for light intensity distribution and optical phase distribution.
  • optical memory has been developed mainly for optical disks of two-dimensional recording system such as CD, DVD and Blu-ray disc.
  • the optical memory of the two-dimensional recording system has already reached the diffraction limit, and it is difficult to increase the capacity beyond this.
  • development of an optical memory of a three-dimensional recording system has been actively conducted. If the three-dimensional recording method is adopted, there is a possibility that the recording capacity can be increased 100 to 1000 times or more than that of the two-dimensional recording method. Theoretically, a 100 TB class optical disk memory can be realized.
  • the near-field light recording method is a recording method using “near-field light” which is light having a wavelength equal to or smaller than the wavelength of light. Near-field optical recording is basically a two-dimensional recording technique, but there is a possibility that high-density recording exceeding the diffraction limit can be realized by using near-field light.
  • the two-photon absorption memory is a three-dimensional recording type optical memory that can access a recording medium three-dimensionally by utilizing the intensity dependency of the nonlinear effect.
  • 3) a holographic memory can perform three-dimensional recording without multi-layering a recording medium by multiplex recording a hologram generated by interference between signal light and reference light. It is an optical memory that can be used.
  • All of the optical memories 1) to 3) have achieved a recording capacity of about 500 GB to 1 TB at present. Therefore, from the viewpoint of recording capacity, there is no significant difference between the optical memories 1) to 3).
  • a holographic memory having a spatially two-dimensional massively parallel input / output function has a great advantage.
  • a spatial light modulator Spatial Light Modulator; hereinafter abbreviated as “SLM”
  • SLM Spatial Light Modulator
  • Holographic memory is expected to be put to practical use as a next-generation optical memory because it can realize both high-density recording and high data transfer rate.
  • the recording capacity of the currently developed holographic memory is about 600 GB to 1 TB / disk (for example, see Non-Patent Document 1). Since the recording capacity of one side of one platter of HDD (3.5 inch, storage capacity 2 TB) is 333 GB, the holographic memory is in terms of recording capacity compared to a magnetic recording medium in practical use. There is an advantage of about 2 to 3 times. The holographic memory is theoretically considered to be able to expand the recording capacity up to 10 to 100 times.
  • phase modulation type holographic memory cannot detect the phase modulation signal directly by the photodetector, and therefore has a problem that it must be detected after converting the phase modulation signal into an intensity signal by some method. there were.
  • the intensity modulation method is the most common modulation method, and many examples have been reported so far (see, for example, Non-Patent Documents 1 to 3).
  • Many of the recording methods used use binary (0 and 1) intensity modulation.
  • intensity modulation has the advantage that a system can be constructed with a simple optical system, the difference in exposure intensity between the central and peripheral areas of the laser light irradiation area increases, greatly consuming the dynamic range of the recording medium. Therefore, there is a problem that the recording efficiency is poor.
  • a modulation code that expresses data by dispersing binary information into a plurality of pixels called blocks and coding them, and illuminating only some of the pixels in the block.
  • the modulation code By using the modulation code in this way, errors due to inter-pixel crosstalk can be reduced.
  • efficient recording can be performed by reducing the exposure intensity difference between the center and the periphery of the laser light irradiation area and increasing the number of multiple recordings (for example, non-recording).
  • the code rate defined by “(number of recording bits per block) / (number of pixels per block)” is less than 1. This means that the recording capacity per block when the modulation code is used is in principle lower than the recording capacity when the modulation code is not used.
  • a method of recording a plurality of information per pixel that is, a code rate exceeding 1 is required.
  • a code rate exceeding 1 it is necessary to use a multilevel signal exceeding 0 and 1 binary values.
  • a multi-level signal can be realized by dividing the light intensity into several stages, and thereby the code rate can be dramatically improved.
  • the signal-to-noise ratio of the reproduction light greatly deteriorates due to an increase in the multi-value number (see, for example, Non-Patent Document 7).
  • the phase modulation method is a method of performing modulation using the phase of a light wave, and has recently attracted attention. For example, in the phase modulation method, when the phase of the light wave of a certain pixel is 0, the information is expressed with the phase of the light wave of another pixel being ⁇ .
  • phase modulation method When the number of 0 and ⁇ pixels is the same among the pixels included in the two-dimensional page data generated by the spatial light modulator (SLM), the difference in exposure intensity between the center and the periphery of the laser light irradiation area Therefore, useless consumption of the dynamic range of the recording medium can be suppressed. This point greatly contributes to an increase in the number of multiplexed recordings.
  • a photoelectric conversion device such as a CCD has sensitivity only to the intensity of light, phase information cannot be directly detected. Therefore, in order to detect the phase information, the phase must be converted into intensity before light detection is performed. This is a major problem with the phase modulation method.
  • Non-Patent Document 4 proposes an edge-detection method as a phase detection method used for a holographic memory.
  • the edge detection method is a technique that makes good use of the features of the phase modulation holographic memory.
  • the phase modulation type holographic memory since the intensity (DC component) at the center of the Fourier transform image is lost, reproduction is performed only with other AC components. This means that the intensity of the boundary portion between 0 and ⁇ pixels in the reproduced image (real space distribution) is enhanced. In other words, the phase of all the pixels can be determined by following a boundary where the intensity is emphasized with respect to a certain known pixel. While this method has the advantage of being able to implement a phase modulation holographic memory with an optical system that is no different from an intensity modulation holographic memory, it is not suitable for detecting a multilevel phase modulation signal. Have.
  • Non-Patent Document 8 proposes a phase detection method using a birefringent medium.
  • the reproduction light is circularly polarized using a ⁇ / 4 wavelength plate and then passed through a birefringent medium.
  • the slightly shifted reproduction lights interfere with each other, and an intensity pattern is obtained.
  • the phase information can be discarded from the obtained intensity pattern.
  • This method has been found to have a high resistance to misalignment by experiments in the literature, and is very attractive for phase detection that is sensitive to misalignment.
  • this method also has problems that it is difficult to detect a multilevel signal, and that a highly accurate design of the birefringent medium is required.
  • Non-Patent Document 9 proposes an optical phase-locked collinear hologram as a phase-modulation holographic memory specialized for a collinear optical system that is attracting attention as a one-beam recording method.
  • This method reads recorded phase information as intensity information by simultaneously irradiating the recorded hologram with phase-locked light with a known phase in addition to normal collinear reference light when reproducing the collinear hologram. It is.
  • the phase-locked light passes through the recording hologram, the phase distribution is affected by propagation in the hologram having a phase diffraction grating. This can cause a phase error on the detection surface.
  • the conventional intensity-modulated holographic memory has a large exposure intensity difference between the central portion and the peripheral portion of the laser light irradiation region, and consumes a large dynamic range of the recording medium.
  • the efficiency of multiple recording is poor.
  • the above problem can be avoided, but there is a problem that the recording capacity is reduced because the code rate per block is lowered.
  • phase modulation holographic memory can solve these problems.
  • the phase modulation type holographic memory has a problem that in order to detect phase information, it is necessary to convert the phase into intensity before performing light detection.
  • the intensity modulation type holographic memory has problems of accuracy and noise of the detection system as in the case of the intensity modulation type holographic memory.
  • a phase modulation holographic memory having a large multilevel number has not been realized.
  • An object of the present invention is to provide a reproducing device and a reproducing method for a holographic memory capable of accurately reproducing multi-level phase information without being affected by noise.
  • Another object of the present invention is to provide a demodulating device and a demodulating method for a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal capable of accurately demodulating multilevel phase information without being affected by noise. That is.
  • Another object of the present invention is to provide a light intensity distribution and light phase distribution observation apparatus and method that can observe light intensity distribution and light phase distribution in transmitted light or reflected light from an observation target in real time. Is to provide.
  • the inventor generates a second hologram from the diffracted light of the hologram (first hologram) recorded in the holographic memory and the reference light, thereby increasing the phase modulation signal recorded in the holographic memory.
  • the present inventors have found that it can be demodulated with high accuracy, and have further studied to complete the present invention.
  • a hologram diffracted light generator that irradiates the holographic memory to generate diffracted light of the first hologram; and changes the phase of the second reference light that can interfere with the diffracted light of the first hologram;
  • a hologram generation unit that generates a second hologram from the diffracted light of the first hologram and the second reference light whose phase has been changed; a detection unit that detects an intensity distribution of the second hologram;
  • a processing unit that demodulates the spatial phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal based on an intensity distribution.
  • the holographic memory reproducing device described in any one of the above.
  • the hologram generation unit includes a variable phase shifter that changes the phase of the second reference light, and the diffracted light of the first hologram is incident on the first surface, and the phase is shifted by the variable phase shifter.
  • the laser light source emits linearly polarized laser light;
  • the hologram generation unit includes a half-wave plate that rotates a polarization angle of the diffracted light of the first hologram by 45 degrees, and second reference light A ⁇ / 4 wavelength plate that converts the polarization state into circularly polarized light, and the diffracted light of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate is incident on the first surface thereof, and the ⁇ / 4 wavelength plate A beam splitter in which the second reference light whose polarization state has been changed by the incident light is incident on the second surface, a part of the diffracted light of the first hologram reflected by the beam splitter, and the beam splitter.
  • a first polarization beam splitter that receives a part of the transmitted second reference light, transmits one of a horizontal polarization component and a vertical polarization component of the incident light, and reflects the other; and The transmitted first A part of the diffracted light of the hologram and a part of the second reference light reflected by the beam splitter, and transmits one of the horizontal polarization component and the vertical polarization component of the incident light, and the other A holographic memory reproducing device according to [2].
  • the laser light source emits linearly polarized laser light;
  • the hologram generation unit includes a half-wave plate that rotates a polarization angle of diffracted light of the first hologram by 45 degrees, and second reference light A ⁇ / 4 wavelength plate that converts the polarization state into circularly polarized light, and the diffracted light of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate is incident on the first surface thereof, and the ⁇ / 4 wavelength plate A beam splitter in which the second reference light whose polarization state has been changed by the incident light is incident on the second surface, a part of the diffracted light of the first hologram reflected by the beam splitter, and the beam splitter.
  • a part of the transmitted second reference light is incident on the first surface, and a part of the diffracted light of the first hologram that is transmitted through the beam splitter and reflected by the beam splitter.
  • Part of the second reference beam A holographic memory reproduction according to [2], further comprising: a polarization beam splitter that makes light incident on the second surface thereof, transmits one of the horizontal polarization component and the vertical polarization component of the incident light, and reflects the other; apparatus.
  • the laser light source emits linearly polarized laser light;
  • the hologram generation unit includes a half-wave plate that rotates a polarization angle of diffracted light of the first hologram by 45 degrees, and second reference light A ⁇ / 4 wavelength plate that converts the polarization state into circularly polarized light, and the diffracted light of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate is incident on the first surface thereof, and the ⁇ / 4 wavelength plate
  • the second reference light whose polarization state has been changed by the first beam splitter incident on the second surface thereof, and a part of the diffracted light of the first hologram reflected by the first beam splitter.
  • a first polarization beam splitter that transmits one of a horizontal polarization component and a vertical polarization component of light and a part of the second reference light that has passed through the first beam splitter, and reflects the other; and 1 which has passed through the beam splitter 1 Transmits one part of the diffracted light of the first hologram and the part of the second reference light reflected by the first beam splitter, one of the horizontal polarization component and the vertical polarization component, and reflects the other
  • a second polarization beam splitter, a part of the diffracted light of the first hologram reflected by the first polarization beam splitter, a part of the light of the second reference light, and the first A part of the diffracted light of the first hologram and a part of the second reference light that have passed through the polarizing beam splitter are incident on the first surface and reflected by the second polarizing beam splitter.
  • Light and the second reference A second beam splitter a part of the light of the light is incident on the second surface, a; holographic memory reproducing apparatus as set forth in [2].
  • the laser light source emits linearly polarized laser light;
  • the hologram generation unit includes a half-wave plate that rotates a polarization angle of diffracted light of the first hologram by 45 degrees, and second reference light A ⁇ / 4 wavelength plate that converts the polarization state into circularly polarized light, and the diffracted light of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate is incident on the first surface thereof, and the ⁇ / 4 wavelength plate
  • the second reference light whose polarization state has been changed by the beam splitter incident on the second surface thereof, the diffracted light of the first hologram reflected by the beam splitter, and the second beam transmitted through the beam splitter
  • a polarization beam splitter that transmits one of the horizontal polarization component and the vertical polarization component of the incident light and reflects the other, and the holographic memory reproducing device according to [2].
  • a spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit that generates a signal light including a spatial quadrature amplitude modulation signal by spatial quadrature amplitude modulation of the laser light; a first hologram generated from the signal light and the reference light;
  • the holographic memory reproducing device according to any one of [1] to [7], further including: a recording unit that records in the holographic memory.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit includes: a beam splitter into which the laser light is incident; a reflective first spatial light modulator that modulates the amplitude of the laser light reflected by the beam splitter; A reflective second spatial light modulator that modulates the amplitude of the laser light transmitted through the beam splitter; and an optical path length L I between the beam splitter and the first spatial light modulator And the optical path length L Q between the beam splitter and the second spatial light modulator satisfies the following formula (1):
  • the holographic memory reproducing device according to [8]. (Where ⁇ is the wavelength of the laser beam.)
  • the present invention also relates to a method for reproducing the following holographic memory.
  • the present invention also relates to the following demodulation device.
  • An input unit that receives signal light including a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal; a laser light source that emits laser light that can interfere with the signal light; and a phase of the laser light;
  • a hologram generating unit that generates a hologram from the signal light and the laser light whose phase is changed; a detection unit that detects an intensity distribution of the hologram; and the spatial phase modulation signal or the spatial orthogonality based on the intensity distribution
  • a processor for demodulating the amplitude modulation signal; and a demodulator for a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal.
  • the present invention also relates to the following demodulation method.
  • receiving signal light including a spatial phase modulation signal or spatial quadrature amplitude modulation signal emitting laser light that can interfere with the signal light; changing the phase of the laser light, and Generating a hologram from light and laser light having the phase changed; detecting an intensity distribution of the hologram; and calculating the spatial phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal based on the intensity distribution
  • a method of demodulating a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal is a method of demodulating a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal.
  • the present invention also relates to the following observation apparatus.
  • An input unit that inputs transmitted light or reflected light from an observation target; a laser light source that emits laser light that can interfere with the transmitted light or reflected light; and changing the phase of the laser light,
  • a hologram generating unit that generates a hologram from the transmitted light or the reflected light and the laser light whose phase is changed; a detection unit that detects an intensity distribution of the hologram; and the transmitted light or the reflection based on the intensity distribution
  • a light intensity distribution and light phase distribution observation device comprising: a processing unit that calculates a light intensity distribution and a light phase distribution in light.
  • the present invention also relates to the following observation method.
  • the holographic memory reproducing apparatus and reproducing method of the present invention multi-level phase information can be accurately reproduced without being affected by noise. Therefore, according to the holographic memory reproducing apparatus and reproducing method of the present invention, the holographic memory in which the spatial phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal is recorded can be reproduced with high accuracy.
  • the demodulating device and the demodulating method of the present invention it is possible to demodulate the spatial phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal with high accuracy without being affected by noise.
  • the light intensity distribution and the optical phase distribution in the transmitted light or reflected light from the observation target can be observed in real time.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a holographic memory recording / reproducing apparatus according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows an example of a structure of a space quadrature amplitude modulation signal light generation part. It is a schematic diagram which shows another example of a structure of a space quadrature amplitude modulation signal light generation part.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a state in which a data page is recorded in the holographic memory using the holographic memory recording / reproducing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a state in which a data page is read from the holographic memory using the holographic memory recording / reproducing apparatus according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the configuration of a hologram generation unit and a detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to Embodiment 2.
  • FIG. 7 is an enlarged schematic diagram of a peripheral portion of the third beam splitter in FIG. 6.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a hologram generation unit and a detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to Embodiment 3.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a hologram generation unit and a detection unit of a holographic memory recording / reproduction device according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating another configuration of the hologram generation unit and the detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the fourth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating the configuration of a hologram generation unit and a detection unit of a holographic memory recording / reproduction device according to a fifth embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing another configuration of the hologram generation unit and the detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing still another configuration of the hologram generation unit and the detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the fifth embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic diagram illustrating the configuration of a hologram generation unit and a detection unit of a holographic memory recording / reproduction device according to a sixth embodiment.
  • FIG. 16 is a schematic diagram showing another configuration of the hologram generation unit and the detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the sixth embodiment.
  • the schematic diagram which shows a mode that it records and reproduces by a collinear holography method.
  • FIG. 17A is a diagram showing a pattern of the spatial light modulator when recording is performed by the collinear holography method
  • FIG. 17B is a diagram showing a pattern of the spatial light modulator when reproducing is performed by the collinear holography method.
  • It is a schematic diagram which shows the structure of the holographic memory recording / reproducing apparatus of this invention used for the simulation in Example 1,2.
  • 2 is a diagram of an 8-level spatial phase modulation signal (8-SPM) used in Example 1.
  • FIG. 20A is a diagram showing an original data page
  • FIG. 20B is a diagram showing a demodulated data page. It is a figure which shows signal intensity distribution of the 2nd hologram of data page # 1. It is a figure which shows signal intensity distribution of the 2nd hologram of data page # 2. It is a figure which shows signal intensity distribution of the 2nd hologram of data page # 3. It is a histogram which shows the phase information which data page # 1 after a demodulation has.
  • 10 is a diagram of an 8-level spatial quadrature amplitude modulation signal (8-SQAM) used in Example 2.
  • FIG. FIG. 26A is a diagram showing amplitude information of the original data page
  • FIG. 26B is a diagram showing phase information of the original data page.
  • FIG. 30 is a diagram showing data obtained by performing threshold processing on the data shown in FIG. 29. It is a schematic diagram which shows the structure of the holographic memory recording / reproducing apparatus of this invention used in Example 3.
  • FIG. 6 is a diagram of a 6-value spatial quadrature amplitude modulation signal (8-SQAM) used in Examples 3 and 4.
  • FIG. 33A is a diagram showing the logical value of the original data page, and FIG.
  • 33B is a diagram showing the physical value of the original data page. It is a figure which shows a collinear ring pattern. It is a figure which shows signal intensity distribution of a 2nd hologram. It is a figure which shows the data page demodulated from the signal strength distribution shown by FIG. It is a schematic diagram which shows the structure of the demodulation apparatus of this invention used in Example 4.
  • FIG. It is a figure which shows the logical value of an original data page. It is a figure which shows signal intensity distribution of a 2nd hologram.
  • 40A is a diagram showing data restored in units of CCD pixel points from the signal intensity distribution shown in FIG. 39
  • FIG. 40B is data obtained by averaging and thresholding the data shown in FIG. 39A.
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the structure of the observation apparatus of this invention used in Example 5.
  • FIG. It is a figure which shows signal intensity distribution of a 2nd hologram. It is a figure which shows the data decompress
  • FIG. It is a figure which shows signal intensity distribution of a 2nd hologram. It is a figure which shows the data decompress
  • FIG. It is a schematic diagram which shows the structure of the observation apparatus of this invention used in Example 6.
  • FIG. It is a figure which shows signal intensity distribution of a 2nd hologram. It is a figure which shows the data decompress
  • FIG. 53 is a diagram showing data restored in units of CCD pixel points from the four signal intensity distributions shown in FIG. 52.
  • FIG. 54 is a diagram showing data restored in CCD pixel point units from the two signal intensity distributions shown in FIG. 53.
  • the holographic memory reproducing device of the present invention is a holographic memory reproducing device in which a first hologram generated from signal light including a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal and reference light is recorded.
  • the “spatial phase modulation signal” refers to a signal modulated by spatial phase modulation (SPM).
  • SPM spatial phase modulation
  • a “spatial quadrature amplitude modulation signal” refers to a signal modulated by spatial quadrature amplitude modulation (SQAM).
  • Phase modulation (hereinafter abbreviated as“ PM ”)” is a phase modulation, phase shift modulation (PSM) or phase shift used in the field of communication technology such as wireless communication and optical communication. This is a modulation method by keying (Phase Shift Keying; PSK).
  • PSK Phase Shift Keying
  • the PM transmits information by changing the phase of the carrier wave.
  • signal light whose phase is changed is recorded in the same manner as PM used in the field of communication technology.
  • the signal is modulated in a two-dimensional spatial axis direction (x, y), and this is recorded and reproduced as a data page.
  • phase modulation used in the present invention
  • spatial phase modulation used in the field of communication technology
  • SPM spatial phase modulation
  • SPM includes the concept of phase modulation and multi-level phase modulation used in the optical memory field.
  • Quadrature Amplitude Modulation (hereinafter abbreviated as “QAM”) is used in the field of communication technologies such as wireless communication and optical communication, and is used for amplitude modulation (AM) and phase modulation (Phase Modulation). PM) in combination.
  • QAM can transmit a plurality of information at a time by changing both amplitude and phase elements.
  • a signal in which both amplitude and phase elements are changed is recorded, similarly to QAM used in the field of communication technology.
  • the signal is modulated in a two-dimensional spatial axis direction (x, y), and this is recorded and reproduced as a data page.
  • the holographic memory reproducing device of the present invention includes a laser light source, a hologram diffracted light generation unit, a hologram generation unit, a detection unit, and a processing unit.
  • the laser light source is a light source of reference light (first reference light and second reference light) used when reproducing a data page from the holographic memory.
  • the first reference light is reference light that is applied to the holographic memory in which the first hologram is recorded.
  • the first reference light may be any laser light that satisfies the Bragg condition for the first hologram.
  • the Bragg condition is satisfied if light having the same wavelength as that of the reference light used for recording the first hologram is irradiated from the same angle.
  • the wavelength and irradiation angle of the first reference light are not limited thereto.
  • the diffracted light of the first hologram is generated by irradiating the holographic memory with the first reference light in the hologram diffracted light generating unit.
  • the second reference beam is a laser beam that can interfere with the diffracted beam of the first hologram. That is, the second reference light is laser light having the same wavelength as that of the first reference light.
  • the second hologram is generated by mixing the diffracted light of the first hologram and the second reference light in the hologram generation unit.
  • the second reference light is not applied to the holographic memory. That is, the second reference light is mixed with the diffracted light of the first hologram without passing through the holographic memory.
  • the laser light source for the first reference light and the laser light source for the second reference light may be the same light source or different light sources.
  • a laser light separation unit is provided to convert the laser light emitted from the laser light source into the first reference light and the second reference light. What is necessary is just to isolate
  • the hologram diffracted light generation unit irradiates the holographic memory with the first reference light to generate diffracted light of the first hologram.
  • the hologram generation unit changes the phase of the second reference light. For example, the hologram generation unit changes the phase of the second reference light to 0, ⁇ / 2, ⁇ , 3 ⁇ / 4.
  • the hologram generation unit generates a second hologram from the diffracted light of the first hologram generated by the hologram diffracted light generation unit and the second reference light whose phase is changed. . For example, when the phase of the second reference light is changed four times, four second holograms are generated.
  • the number for changing the phase of the second reference light may be the same as the multi-level number of phase modulation, but need not be the same.
  • the spatial phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal is demodulated by changing the phase of the second reference light at least three times regardless of the multi-level number of phase modulation. be able to. By increasing the number of second holograms to be generated, measurement errors can be reduced.
  • the beam diameter of the second reference light is not particularly limited as long as it is equal to or larger than the beam diameter of the diffracted light of the first hologram.
  • the second reference light is preferably a plane wave.
  • the means by which the hologram generator changes the phase of the second reference light is not particularly limited.
  • the phase of the second reference light may be changed using a variable phase shifter (see Embodiment 1).
  • the phase of the second reference light may be changed by adjusting the interval between the beam splitters constituting the optical system of the hologram generation unit (see Embodiment 2).
  • the phase of the second reference light may be changed by using a combination of a half-wave plate, a ⁇ / 4 wavelength plate, and a polarization beam splitter (see Embodiments 3 to 5).
  • the detecting unit detects the intensity distribution of all the second holograms generated by the hologram generating unit.
  • the detection unit is an optical image detector (imaging device) such as a CCD or a CMOS.
  • imaging device such as a CCD or a CMOS.
  • the number of pixels that can be detected by the detection unit at a time needs to be equal to or greater than the number of pixels in the data page (two-dimensional data) recorded in the first hologram.
  • the processing unit demodulates the phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal based on the intensity distribution of the second hologram detected by the detection unit.
  • the processing unit is a computer connected to the detection unit.
  • the existing optical image detector (imaging device) can detect the intensity, but cannot detect the phase. Therefore, in the holographic memory reproducing device of the present invention, a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal is obtained from the intensity patterns (combinations) of a plurality of second holograms obtained by changing the phase of the second reference light. The phase information contained in is read.
  • the second reference light Assume that four second holograms are generated with phases of 0, ⁇ / 2, ⁇ , and 3 ⁇ / 2.
  • the second hologram is obtained from the diffracted light of the second first hologram and the second reference light in which information of phase ⁇ ′ (different from phase ⁇ ) is recorded.
  • phase information contained in the diffracted light of the first hologram can be read out.
  • a method of demodulating the spatial phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal from the intensity distribution of the second hologram will be described in detail in each embodiment described later.
  • the quaternary phase can be distinguished, but more phases can be obtained by changing the phase of the second reference light more finely or making the intensity detection step finer in the detection unit.
  • the value can be distinguished.
  • the holographic memory reproducing device of the present invention is a holographic memory recording device that further includes a spatial phase modulation signal light generation unit or a spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit, and a recording unit. It may be a playback device.
  • the spatial phase modulation signal light generation unit generates a signal light including a phase modulation signal by spatial phase modulation of the laser light.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit generates signal light including a spatial quadrature amplitude modulation signal by performing spatial quadrature amplitude modulation on the laser light.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit performs spatial quadrature amplitude modulation using a spatial light modulator that performs amplitude modulation and a spatial light modulator that performs phase modulation.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit can perform spatial quadrature amplitude modulation using only a spatial light modulator that performs amplitude modulation.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generator includes a beam splitter on which laser light is incident, a reflective first spatial light modulator that modulates the amplitude of the laser light reflected by the beam splitter, and a beam splitter.
  • a reflection-type second spatial light modulator that modulates the amplitude of the transmitted laser light, the optical path length L I between the beam splitter and the first spatial light modulator, and the beam splitter and the second optical path length L Q between the spatial light modulator is adjusted so as to satisfy a predetermined condition (see the first embodiment).
  • the recording unit records, in the holographic memory, the first hologram generated from the signal light generated by the spatial phase modulation signal light generation unit or the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit and the reference light.
  • the laser light source emits laser light.
  • the first laser light source emits the first reference light
  • the second laser light source emits the second reference light.
  • the laser light emitted from the laser light source is separated into the first reference light and the second reference light in the laser light separation unit.
  • the first reference light is applied to the holographic memory in the hologram diffracted light generation unit. Thereby, the diffracted light of the first hologram is generated from the holographic memory.
  • the steps up to here are the same as those of the conventional holographic memory reproducing method except that the second reference light is separated by the laser beam separation unit.
  • the diffracted light of the first hologram is mixed with the second reference light in the hologram generator.
  • the hologram generation unit changes the phase of the second reference light in accordance with the multilevel number of phase modulation.
  • the detection unit detects the intensity distribution of the second hologram and transmits it to the processing unit.
  • the processing unit demodulates the phase modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal based on the intensity distribution of the second hologram sent from the detection unit.
  • the second hologram is generated from the diffracted light of the hologram (first hologram) recorded in the holographic memory and the second reference light.
  • the phase modulation signal is demodulated using the intensity distribution of the second hologram.
  • the holographic memory reproducing apparatus of the present invention can demodulate a binary or multi-level amplitude modulation signal, a binary or multi-level phase modulation signal, or a spatial quadrature amplitude modulation signal combining amplitude modulation and phase modulation. .
  • the reproducing apparatus and reproducing method of the holographic memory of the present invention do not necessarily need to detect the intensity distribution of the second hologram immediately, and an optical hologram may be once formed as the second hologram.
  • the detection unit reproduces the second hologram, which is an optical hologram, and the intensity distribution of the hologram (same as the second hologram) generated from the obtained diffracted light and the second reference light. To detect.
  • a hologram recording method suitable for increasing the capacity is selected for the first hologram, and suitable for increasing the capacity for the second hologram. Even if it is not, a hologram recording method capable of highly accurate detection may be selected.
  • a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal can be demodulated. That is, an apparatus having a hologram generation unit, a detection unit, and a processing unit can be used as a demodulation device for a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal (see Example 4).
  • the demodulation device of the present invention includes an input unit that receives signal light including a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal, a laser light source that emits laser light that can interfere with the signal light, A hologram generating unit that changes a phase and generates a hologram from the signal light and the laser light whose phase is changed, a detection unit that detects an intensity distribution of the hologram, and the spatial phase based on the intensity distribution A processing unit that demodulates the modulation signal or the spatial quadrature amplitude modulation signal.
  • signal light including a spatial phase modulation signal or a spatial quadrature amplitude modulation signal
  • a laser light source that emits laser light that can interfere with the signal light
  • a hologram generating unit that changes a phase and generates a hologram from the signal light and the laser light whose phase is changed
  • a detection unit that detects an intensity distribution of the hologram
  • the spatial phase based on the intensity distribution
  • a processing unit
  • the demodulating device of the present invention can demodulate the spatial phase modulation signal and the spatial quadrature amplitude modulation signal by the same procedure as the holographic memory reproducing device of the present invention.
  • the hologram generation unit, the detection unit, and the processing unit are used, it is possible to observe a two-dimensional distribution of intensity and phase in transmitted light or reflected light from an observation target. That is, an apparatus having a hologram generation unit, a detection unit, and a processing unit can be used as an observation device for light intensity distribution and optical phase distribution in transmitted light or reflected light from an observation target (see Examples 5 and 6).
  • the kind of observation object is not specifically limited, For example, it is a biological sample.
  • the observation apparatus of the present invention includes an input unit that inputs transmitted light or reflected light from an observation target, a laser light source that emits laser light that can interfere with the transmitted light or reflected light, and the phase of the laser light. Based on the intensity distribution, a hologram generation unit that generates a hologram from the transmitted light or the reflected light and the laser light whose phase has been changed, a detection unit that detects the intensity distribution of the hologram, and And a processing unit that calculates a light intensity distribution and an optical phase distribution in the transmitted light or the reflected light.
  • the observation apparatus of the present invention inputs transmitted light or reflected light from the observation object instead of the diffracted light of the first hologram. That is, the observation apparatus of the present invention irradiates the observation target with light (corresponding to the first reference light) instead of the holographic memory, and transmits the transmitted light or the reflected light from the observation target as described in the above “spatial quadrature amplitude modulation signal”. To calculate the light intensity distribution and the light phase distribution in the transmitted light or the reflected light.
  • a data page (two-dimensional data) is recorded in a holographic memory using signal light (spatial quadrature amplitude modulation signal light) generated by using both amplitude modulation and phase modulation, and this holographic memory is recorded.
  • signal light spatial quadrature amplitude modulation signal light
  • a holographic memory recording / reproducing apparatus capable of reproducing a data page recorded from a graphic memory will be described.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the holographic memory recording / reproducing apparatus according to the first embodiment.
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus 100 of Embodiment 1 includes a laser light source 105, a first beam splitter 110, a spatial quadrature amplitude modulation signal light generator 115, a first lens 120, a first lens 120, and a first lens 120.
  • a laser light source 105 a laser light source 105
  • a first beam splitter 110
  • a spatial quadrature amplitude modulation signal light generator 115 a first lens 120, a first lens 120, and a first lens 120.
  • 1 mirror 125, second beam splitter 130, optical shutter 135, second lens 140, variable phase shifter 145, second mirror 150, third beam splitter 155, CCD 160, and processing unit (not shown).
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus 100 records a data page (first hologram) in a holographic memory (recording medium) 165 disposed between the first lens 120 and the second lens 140.
  • the data page is reproduced from the holographic memory 165.
  • the holographic memory 165 can be detached from the holographic memory recording / reproducing apparatus 100, and can be used as a removable memory such as a CD or a DVD.
  • the laser light source 105 is used for reproducing the data page from the signal light and the reference light (first reference light) used when recording the data page (first hologram) in the holographic memory, and from the holographic memory.
  • the reference light (first reference light and second reference light) is a light source.
  • the first beam splitter 110 separates the laser light emitted from the laser light source 105 into signal light and reference light (first reference light and second reference light).
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115 changes the amplitude (intensity) and phase of the signal light separated by the first beam splitter 110 when recording the data page in the holographic memory, and thereby the spatial quadrature amplitude.
  • a modulation signal is generated. That is, the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115 causes the signal light to carry a data page (two-dimensional data) by spatial quadrature amplitude modulation (SQAM).
  • SQAM spatial quadrature amplitude modulation
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115 includes a spatial light modulator (SLM1) that performs amplitude modulation and a spatial light modulator (SLM2) that performs phase modulation, as shown in FIG.
  • the spatial light modulator can electrically control the spatial distribution of the amplitude A (x, y) and phase exp ⁇ i ⁇ (x, y) ⁇ of a two-dimensional optical signal (image or the like).
  • the spatial light modulator include LCD (transmissive liquid crystal), LCOS (transmissive liquid crystal), DMD (digital mirror device), and the like. If only amplitude modulation or phase modulation is performed, a single spatial light modulator (SLM) may be used.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115 uses a Michelson interferometer to modulate the intensity of the I signal and the Q signal independently (in parallel) and then mix them. There may be.
  • the I signal and the Q signal are intensity signals represented by Expression (1).
  • the two spatial light modulators (SLM1 and SLM2) shown in FIG. 3 are both reflective spatial light modulators that perform amplitude modulation.
  • the I signal is amplitude-modulated by the first spatial light modulator (SLM1).
  • the Q signal is amplitude-modulated by the second spatial light modulator (SLM2).
  • SLM1 and SLM2 the two spatial light modulators
  • the first lens 120 performs Fourier transform on the signal light (spatial quadrature amplitude modulation signal light) modulated by the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115 and collects and irradiates a desired position in the holographic memory 165.
  • the lens performs Fourier transform on the signal light (spatial quadrature amplitude modulation signal light) modulated by the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115 and collects and irradiates a desired position in the holographic memory 165.
  • the first mirror 125 is a mirror for causing the reference light (first reference light and second reference light) separated by the first beam splitter 110 to enter the second beam splitter 130.
  • the second beam splitter 130 separates the reference light separated by the first beam splitter 110 into a first reference light and a second reference light. That is, the second beam splitter 130 functions as a “laser beam separator”.
  • the optical shutter 135 blocks the second reference light separated by the second beam splitter 130.
  • the second lens 140 is a lens equivalent to the first lens 120 and performs inverse Fourier transform on the diffracted light of the hologram (first hologram) recorded in the holographic memory 165.
  • variable phase shifter 145 changes the phase of the second reference light separated by the second beam splitter 110.
  • examples of the variable phase shifter 145 include a liquid crystal element and a piezoelectric element.
  • the second mirror 150 is a mirror for causing the second reference light whose phase is changed by the variable phase shifter 145 to enter the third beam splitter 155.
  • the third beam splitter 155 generates a second hologram from the diffracted light of the first hologram that has been inverse Fourier transformed by the second lens 140 and the second reference light whose phase has been changed by the variable phase shifter 145. Is generated.
  • the variable phase shifter 145, the second mirror 150, and the third beam splitter 155 function as a “hologram generation unit”.
  • the CCD 160 detects the intensity distribution of the second hologram.
  • the detected intensity distribution is photoelectrically converted and sent to the processing unit.
  • the CCD 160 functions as a “detection unit”.
  • a processing unit processes the intensity distribution information of the second hologram that has been photoelectrically converted, and demodulates the spatial quadrature amplitude modulation signal.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a state in which a data page (first hologram) is recorded in the holographic memory 165 using the holographic memory recording / reproducing apparatus 100.
  • the second reference light 230 is blocked by the optical shutter 135.
  • the signal light 210 spatial quadrature amplitude modulation signal light
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115 and the first reference light 220 separated by the second beam splitter 110 are holographically combined.
  • a predetermined position in the memory 165 is condensed and irradiated to record a hologram (first hologram).
  • the multiplex recording method includes angle multiplex recording in which multiplex recording is performed by changing the incident angle of the first reference light 220, phase code multiplex recording in which multiplex recording is performed by changing the phase of the first reference light 220, and the like. It is.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing how a data page is read from the holographic memory 165 using the holographic memory recording / reproducing apparatus 100.
  • the signal light 210 is blocked by the spatial light modulator (SLM) of the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 115.
  • SLM spatial light modulator
  • an optical shutter may be installed on the optical path of the signal light 210 to block the signal light 210.
  • the optical shutter 135 on the optical path of the second reference light 230 is opened.
  • the first reference light 220 is condensed and applied to a predetermined position of the holographic memory 165 to generate diffracted light 240 of the first hologram.
  • the second hologram 250 is generated by causing the diffracted light 240 of the first hologram and the second reference light 230 to interfere with each other.
  • the CCD 160 photoelectrically converts the intensity distribution I (x, y) of the second hologram 250 to restore the two-dimensional information.
  • the phase of the second reference light 230 is changed by the variable phase shifter 145 to generate a plurality of second holograms, and electrically process a plurality of two-dimensional signal data obtained by photoelectric conversion.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal recorded in the holographic memory can be demodulated with high accuracy.
  • the first method the phase phi 1 of the second reference beam 230, phi 2, by changing the ... phi N, a second hologram having different characteristics to produce N times.
  • the phase of the second reference light when the intensity of the reproduction light of the second hologram is the highest is the phase information recorded in the first hologram.
  • the optical shutter 135 shown in FIG. 5 is closed, the second hologram is not generated, and only the diffracted light 240 of the first hologram is observed by the CCD 160, so that the phase component is automatically converted by photoelectric conversion. Therefore, the amplitude information A (x, y) can be demodulated.
  • the multi-value number N in the modulation signal is equal to the number of times the second hologram necessary for demodulation is generated, and therefore, when the multi-value number N increases, it is necessary for demodulation of phase information.
  • the number of hologram generations also increases.
  • Second Method R is the complex amplitude of the first reference light 220 when recording the spatial quadrature amplitude modulation signal light A (x, y) exp ⁇ i ⁇ (x, y) ⁇ on the first hologram.
  • the intensity distribution generated on the first hologram surface is It becomes.
  • the intensity distribution of Equation (3) is optically recorded on the first hologram, the amplitude transmittance distribution is It is recorded in the form.
  • T 0 and t 1 are constants determined by the type of photosensitive material constituting the first hologram and the recording method.
  • the light wave obtained when the first hologram is reproduced by the first reference light 220 is obtained from the equations (3) and (4). It becomes.
  • the signal component of the diffracted light generated when the first hologram is reproduced is included in the fourth term on the right side.
  • Light of other components can be easily removed by a spatial filter or the like because the propagation direction is different. Therefore, the recording light S of the second hologram obtained by reproducing the first hologram is Is proportional to
  • ⁇ is the diffraction efficiency of the first hologram, and ⁇ t 1
  • a N is an unnecessary diffracted light component that could not be removed by the spatial filter and a noise component mixed in the recording light of the second hologram.
  • m is changed from 1 to M, that is, the phase of the second reference light 230 is changed, and M different second holograms are generated and simultaneously reproduced.
  • the intensity distribution of the m-th second hologram generated on the surface of the CCD 160 is It becomes.
  • a term proportional to A N that is a noise component does not contribute to the hologram distribution because it has no coherency with the second reference light 230.
  • I 0 ⁇ 2 A 2 + R 0 2 It becomes.
  • V m' actual measurement value of V m is V m is m ⁇ with. Therefore, (Where min. Represents a minimum value), unknown parameters a, b, and c may be determined using a computer or the like. Using parameters a, b, and c calculated in this way, from equation (11), And phase information of the spatial quadrature amplitude signal light can be demodulated. Similarly, from equation (11), The amplitude information of the spatial quadrature amplitude signal light can be demodulated, It becomes. If the intensity R 0 of the reference light is constant in all (M) second holograms It becomes.
  • the number of unknown parameters is three, a, b, and c, regardless of the multi-level number N of phase and amplitude, so the second hologram is generated at least three times.
  • M 3
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus uses the signal light (spatial quadrature amplitude modulation signal light) generated by using both phase modulation and amplitude modulation as a data page in the holographic memory. (Two-dimensional data) can be recorded and a data page can be reproduced from this holographic memory with high accuracy.
  • the phase of the second reference light is changed using the variable phase shifter when generating the M second holograms.
  • a holographic memory recording / reproducing apparatus that simultaneously generates M second holograms without using a variable phase shifter by using a special interferometer will be described.
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus is the same as the holographic memory recording / reproducing apparatus according to the first embodiment with respect to each component other than the hologram generation unit and the detection unit. Therefore, only the hologram generation unit and the detection unit will be described.
  • FIG. 6 shows the configuration of the hologram generation unit and the detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the second embodiment.
  • the hologram generation unit and the detection unit include the first beam splitter 305, the second beam splitter 310, the third beam splitter 315, the fourth beam splitter 320, the phase shifter 325, the first CCD 330, second CCD 335, third CCD 340, and fourth CCD 345.
  • the first beam splitter 305, the second beam splitter 310, the third beam splitter 315, the fourth beam splitter 320, and the phase shifter 325 function as a “hologram generation unit”.
  • the first CCD 330, the second CCD 335, the third CCD 340, and the fourth CCD 345 function as a “detection unit”.
  • a first reference beam 220 and a second reference beam 230 are laser beams that are coherent with each other and are generated from the same laser light source.
  • the first beam splitter 305, the second beam splitter 310, the third beam splitter 315, and the fourth beam splitter 320 respectively split the incident light beam into two light beams.
  • the first beam splitter 305, the second beam splitter 310, the third beam splitter 315, and the fourth beam splitter 320 are arranged in the positional relationship shown in FIG.
  • diffracted light 240 of the first hologram is incident on the first beam splitter 305.
  • a part of the diffracted light of the incident first hologram is transmitted and directed to the third beam splitter 315, and the remaining part is reflected and directed to the fourth beam splitter 320.
  • the second reference light 230 is incident on the second beam splitter 310.
  • a part of the incident second reference light 230 is reflected and directed to the third beam splitter 315, and the remaining part is transmitted and directed to the fourth beam splitter 320.
  • the first hologram diffracted light 240 that has passed through the first beam splitter 305 is incident on the first surface of the third beam splitter 315. A part of the incident diffracted light 240 of the first hologram is reflected and directed to the first CCD 330, and the remaining part is transmitted to the second CCD 335.
  • the second reference light 230 reflected by the second beam splitter 310 is incident on the second surface of the third beam splitter 315. A part of the incident second reference light 230 is transmitted and directed to the first CCD 330, and the remaining part is reflected and directed to the second CCD 335.
  • Diffracted light 240 of the first hologram reflected by the first beam splitter 305 is incident on the first surface of the fourth beam splitter 320.
  • a part of the incident diffracted light 240 of the first hologram is reflected and directed to the third CCD 340, and the remaining part is transmitted and directed to the fourth CCD 345.
  • the second reference light 230 transmitted through the second beam splitter 310 is incident on the second surface of the fourth beam splitter 320.
  • a part of the incident second reference light 230 is transmitted and directed to the third CCD 340, and the remaining part is reflected and directed to the fourth CCD 345.
  • the phase shifter 325 is disposed between the second beam splitter 310 and the fourth beam splitter 320 as shown in FIG.
  • the phase shifter 325 changes the phase of the second reference light separated by the second beam splitter 310.
  • the first CCD 330, the second CCD 335, the third CCD 340, and the fourth CCD 345 are arranged in the positional relationship shown in FIG.
  • the first CCD 330 has the intensity of the second hologram generated by the diffracted light 240 of the first hologram reflected by the third beam splitter 315 and the second reference light 230 transmitted through the third beam splitter 315.
  • the second CCD 335 has the intensity of the second hologram generated by the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the third beam splitter 315 and the second reference light 230 reflected by the third beam splitter 315. Detect distribution.
  • the third CCD 340 has an intensity of the second hologram generated by the diffracted light 240 of the first hologram reflected by the fourth beam splitter 320 and the second reference light 230 transmitted through the fourth beam splitter 320.
  • the fourth CCD 345 has the intensity of the second hologram generated by the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the fourth beam splitter 320 and the second reference light 230 reflected by the fourth beam splitter 320. Detect distribution.
  • the optical system shown in FIG. 6 includes an optical path length L 1 between the first beam splitter 305 and the third beam splitter 315, and an optical path between the second beam splitter 310 and the third beam splitter 315.
  • the length L 2 the optical path length L 3 between the first beam splitter 305 and the fourth beam splitter 320, the optical path length L 4 between the second beam splitter 310 and the fourth beam splitter 320 Is adjusted to satisfy the following expression (24).
  • a reference signal light is given instead of the hologram diffracted light 240, and the positions of the beam splitters 305 to 320 are adjusted so that the light intensity on the first CCD 330 at that time becomes maximum. do it.
  • FIG. 7 is an enlarged schematic view of the peripheral portion of the third beam splitter 315 of FIG.
  • the diffracted light Aexp (i ⁇ ) of the first hologram is incident on the third beam splitter 315 from the left side of the drawing.
  • the amplitude transmittance of the third beam splitter 315 for light from this direction is t (component toward the second CCD 335), and the amplitude reflectance is r (to the first CCD 330). Component).
  • the second reference light 230 represented by R 0 is incident on the third beam splitter 315 from the lower side of the drawing.
  • the amplitude transmittance of the third beam splitter 315 with respect to light from this direction is t ′ (component toward the first CCD 330), and the amplitude reflectance is r ′ (second phase). Component to the CCD 335).
  • t ′ component toward the first CCD 330
  • r ′ second phase
  • Component to the CCD 335 Component to the CCD 335.
  • the Stokes relation is generally And energy conservation law (The symbol * represents a complex conjugate).
  • the hologram amplitude generated on the first CCD 330 is approximately the same as the equation (8) using the equation (26). Can be written.
  • ⁇ is the phase angle of the product rt * of reflectance and transmittance. It is.
  • the hologram amplitude generated on the second CCD 335 is Can be written.
  • equation (28) is Can be written.
  • the values of the first term and the second term on the right side are different in the equation (27) and the equation (29).
  • the same value can be obtained by using a beam splitter (half mirror) having a standard light intensity branching ratio of 1: 1.
  • a signal light having a phase difference of ⁇ / 2 with respect to the reference signal light is given instead of the hologram diffracted light, and the phase shifter 325 is set so that the light intensity on the third CCD 340 at that time becomes maximum. adjust.
  • This adjustment is different from the operation in the variable phase shifter of the holographic memory reproducing device according to the first embodiment, and only needs to be performed once at the beginning.
  • the hologram amplitude generated on the third CCD 340 and the fourth CCD 345 is as follows. Can be written.
  • the diffracted light 240 spatial quadrature amplitude modulated signal light
  • the procedure for demodulating a signal from the four second holograms obtained simultaneously in this way by electronic processing is the same as that of the second method described in the first embodiment (formulas (18) to (18)). (See (22)).
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus uses a special interferometer to simultaneously generate M second holograms without using a variable phase shifter, and to perform spatial orthogonality.
  • the amplitude-modulated signal light can be demodulated.
  • Embodiment 3 In the second embodiment, it is necessary to adjust the optical path length between the beam splitters.
  • Embodiment 3 a holographic memory recording / reproducing apparatus that simultaneously generates M second holograms without adjusting the optical path length between the beam splitters will be described.
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus of the third embodiment is the same as the holographic memory recording / reproducing apparatus of the first embodiment with respect to each component other than the hologram generation unit and the detection unit. Therefore, only the hologram generation unit and the detection unit will be described.
  • FIG. 8 is a schematic diagram illustrating a configuration of a hologram generation unit and a detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the third embodiment.
  • the hologram generation unit and the detection unit include a half-wave plate 405, a variable phase shifter 410, a ⁇ / 4 wavelength plate 415, a beam splitter 420, a first polarization beam splitter 425, and a second polarization beam. It has a splitter 430, a first CCD 435, a second CCD 440, a third CCD 445, and a fourth CCD 450.
  • the half-wave plate 405, the variable phase shifter 410, the ⁇ / 4 wavelength plate 415, the beam splitter 420, the first polarization beam splitter 425, and the second polarization beam splitter 430 function as a “hologram generation unit”.
  • the first CCD 435, the second CCD 440, the third CCD 445, and the fourth CCD 450 function as a “detection unit”.
  • the first reference light 220 and the second reference light 230 are laser beams of linearly polarized light (horizontal polarized light; in-plane direction in the drawing) generated from the same laser light source.
  • the half-wave plate 405 is disposed on the optical path of the diffracted light 240 of the first hologram, and rotates the polarization angle of the diffracted light 240 of the first hologram by 45 degrees.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 415 is disposed on the optical path of the second reference light 230, and converts the polarization state of the second reference light 230 into circularly polarized light.
  • circularly polarized light means a polarization state in which the phase difference between the horizontally polarized light component and the vertically polarized light component is ⁇ / 2.
  • the beam splitter 420 is a beam splitter that does not have polarization dependency. Diffracted light 240 of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate 405 is incident on the first surface of the beam splitter 420. A part of the incident diffracted light 240 of the first hologram is reflected and directed to the first polarizing beam splitter 425, and the remaining part is transmitted and directed to the second polarizing beam splitter 430.
  • the second reference light 230 whose polarization state is changed by the ⁇ / 4 wavelength plate 415 is incident on the second surface of the beam splitter 420. A part of the incident second reference light 230 is transmitted and directed to the first polarization beam splitter 425, and the remaining part is reflected and directed to the second polarization beam splitter 430.
  • the first polarization beam splitter 425 and the second polarization beam splitter 430 are beam splitters having polarization dependency. That is, the first polarization beam splitter 425 and the second polarization beam splitter 430 transmit horizontally polarized light and reflect vertically polarized light.
  • the first polarizing beam splitter 425 and the second polarizing beam splitter 430 are arranged in the positional relationship shown in FIG.
  • the first hologram diffracted light 240 reflected by the beam splitter 420 and the second reference light 230 transmitted through the beam splitter 420 are incident on the first polarization beam splitter 425.
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 pass through the first polarization beam splitter 425 and travel toward the first CCD 435.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 are reflected by the first polarization beam splitter 425 and directed to the third CCD 445.
  • the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the beam splitter 420 and the second reference light 230 reflected by the beam splitter 420 are incident on the second polarizing beam splitter 430.
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 pass through the second polarization beam splitter 430 and travel toward the second CCD 440.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 are reflected by the second polarization beam splitter 430 and directed to the fourth CCD 450.
  • the first CCD 435, the second CCD 440, the third CCD 445, and the fourth CCD 450 detect different intensity distributions of the second hologram.
  • the first CCD 435, the second CCD 440, the third CCD 445, and the fourth CCD 450 are arranged in the positional relationship shown in FIG.
  • the first CCD 435 has an intensity of the second hologram generated by the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 transmitted through the first polarization beam splitter 425. Detect distribution.
  • the second CCD 440 has an intensity of the second hologram generated by the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 transmitted through the second polarization beam splitter 430. Detect distribution.
  • the third CCD 445 uses the intensity of the second hologram generated by the vertically polarized component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertically polarized component of the second reference light 230 reflected by the first polarizing beam splitter 425. Detect distribution.
  • the fourth CCD 450 is the intensity of the second hologram generated by the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram reflected by the second polarization beam splitter 430 and the vertical polarization component of the second reference light 230. Detect distribution.
  • the half-wave plate 405 rotates the polarization angle of the diffracted light 240 (spatial quadrature amplitude modulation signal light) of the first hologram generated by the first reference light 220 by 45 degrees. Accordingly, the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the half-wave plate 405 has a horizontal polarization component (in-plane direction of the drawing, indicated by an arrow in the drawing) and a vertical polarization component (indicated by an arrow in the drawing) at the position A in the drawing.
  • the vertical direction of the drawing is half.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 415 converts the polarization state of the second reference light 230 into circularly polarized light. Therefore, the second reference light 230 transmitted through the ⁇ / 4 wavelength plate 415 is circularly polarized at the position B in the figure (indicated by a circle in the figure). As described above, the circularly polarized light means a polarization state in which the phase difference between the horizontal polarization component and the vertical polarization component is ⁇ / 2.
  • a second hologram whose phase is shifted by ⁇ is generated between the light wave traveling in the direction C in the drawing and the light wave traveling in the direction D in the drawing.
  • the diffracted light 240 of the first hologram and the second reference light 230 are incident on the beam splitter 420, and then travel 2 from the beam splitter 420 in the direction of the first polarizing beam splitter 425 (direction C in the figure).
  • One light will be explained.
  • the diffracted light Aexp (i ⁇ ) of the first hologram is incident on the beam splitter 420 from the left side of the drawing.
  • the amplitude transmittance of the beam splitter 420 with respect to light from this direction is t (component toward the second CCD 440 and the fourth CCD 450), and the amplitude reflectance is r (the first reflectance). Component toward the CCD 435 and the third CCD 445).
  • the second reference light R 0 is incident on the beam splitter 405 from the lower side of the drawing.
  • the amplitude transmittance of the beam splitter 420 for light from this direction is t ′ (component toward the first CCD 435 and the third CCD 445), and the amplitude reflectance is r ′ (first). 2 components to the CCD 440 and the fourth CCD 450).
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 of circular polarization travel straight (transmit) through the first polarization beam splitter 425.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 of circular polarization are reflected by the first polarization beam splitter 425 and travel to the third CCD 445 side.
  • the diffracted light 240 of the first hologram and the second reference light 230 are incident on the beam splitter 420, the light travels from the beam splitter 420 to the second polarizing beam splitter 430 (direction D in the figure). Two lights will be described.
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 of circular polarization travel straight (transmit) through the second polarization beam splitter 430.
  • the second hologram when the phase of the second reference light 230 is ⁇ ⁇ is generated on the second CCD 440.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 of circular polarization are reflected by the second polarization beam splitter 430 and travel to the fourth CCD 450 side.
  • the second reference light 230 of circular polarization has a phase difference of ⁇ / 2 between the horizontal polarization component and the vertical polarization component, so that the hologram generated on the fourth CCD 450 is
  • the second hologram when the phase of the second reference light 230 is ⁇ 3 ⁇ / 2 is generated.
  • the procedure for demodulating a signal from the four second holograms obtained simultaneously in this way by electronic processing is the same as that of the second method described in the first embodiment (formulas (18) to (18)). (See (22)).
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus of the fourth embodiment is the same as the holographic memory recording / reproducing apparatus of the first embodiment with respect to each component other than the hologram generation unit and the detection unit. Therefore, only the hologram generation unit and the detection unit will be described.
  • FIG. 9 is a schematic diagram illustrating the configuration of the hologram generation unit and the detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the fourth embodiment.
  • the hologram generation unit and the detection unit include a half-wave plate 505, a variable phase shifter 510, a ⁇ / 4 wavelength plate 515, a beam splitter 520, a first mirror 525, a second mirror 530, and a polarization.
  • a beam splitter 535, a first CCD 540, and a second CCD 545 are included.
  • the half-wave plate 505, the variable phase shifter 510, the ⁇ / 4 wavelength plate 515, the beam splitter 520, the first mirror 525, the second mirror 530, and the polarization beam splitter 535 function as a “hologram generation unit”.
  • the first CCD 540 and the second CCD 545 function as a “detection unit”.
  • the first reference light 220 and the second reference light 230 are laser beams of linearly polarized light (horizontal polarized light; in-plane direction in the drawing) generated from the same laser light source.
  • the half-wave plate 505, the variable phase shifter 510, and the ⁇ / 4 wavelength plate 515 are the same as those in the third embodiment.
  • the beam splitter 520 is a beam splitter that does not have polarization dependency. Diffracted light 240 of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate 505 is incident on the first surface of the beam splitter 520. A part of the incident diffracted light 240 of the first hologram is reflected and directed to the first mirror 525, and the remaining part is transmitted and directed to the second mirror 530. Further, the second reference light 230 whose polarization state is changed by the ⁇ / 4 wavelength plate 515 is incident on the second surface of the beam splitter 520. A part of the incident second reference light 230 is transmitted to the first mirror 525, and the remaining part is reflected to the second mirror 530.
  • the first mirror 525 is a mirror for causing the diffracted light 240 of the first hologram reflected by the beam splitter 520 and the second reference light 230 transmitted through the beam splitter 520 to enter the first surface of the polarizing beam splitter 535. It is.
  • the second mirror 530 is a mirror for causing the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the beam splitter 520 and the second reference light 230 reflected by the beam splitter 520 to enter the second surface of the polarizing beam splitter 535. It is.
  • the polarization beam splitter 535 is a beam splitter having polarization dependency. That is, the polarization beam splitter 535 transmits horizontally polarized light and reflects vertically polarized light.
  • the polarization beam splitter 535 is arranged in the positional relationship shown in FIG.
  • the diffracted light 240 of the first hologram reflected by the beam splitter 520 and the second reference light 230 transmitted through the beam splitter 520 are incident on the first surface of the polarizing beam splitter 535.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 are reflected by the polarization beam splitter 535 and directed to the first CCD 540.
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 are transmitted through the polarization beam splitter 535 toward the second CCD 545.
  • the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the beam splitter 520 and the second reference light 230 reflected by the beam splitter 520 are incident on the second surface of the polarization beam splitter 535.
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 are transmitted through the polarization beam splitter 535 toward the first CCD 540.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 are reflected by the polarization beam splitter 535 and directed to the second CCD 545.
  • first mirror 525 side Light from the first mirror 525 side is incident on the first surface of the polarization beam splitter 535, and light from the second mirror 530 side is incident on the second surface. That is, light enters the front and back surfaces of the polarization beam splitter 535 simultaneously.
  • the first mirror 525 and the second mirror 530 are arranged so that the optical axis of the light from the first mirror 525 side is shifted from the optical axis of the light from the second mirror 530 side. (See FIG. 9).
  • the first CCD 540 and the second CCD 545 are arranged in the positional relationship shown in FIG.
  • Each of the first CCD 540 and the second CCD 545 generates two second holograms. That is, the first CCD 540 is generated by the light reflected by the first surface of the polarization beam splitter 535 (the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230).
  • the intensity distribution of the second hologram and the light transmitted through the second surface of the polarization beam splitter 535 (the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230) are generated.
  • the intensity distribution of the second hologram is detected.
  • the second CCD 545 is generated by the light transmitted through the first surface of the polarization beam splitter 535 (the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230).
  • the intensity distribution of the second hologram and the light reflected by the second surface of the polarization beam splitter 535 are generated.
  • the intensity distribution of the second hologram is detected.
  • the half-wave plate 505 rotates the polarization angle of the diffracted light 240 (spatial quadrature amplitude modulation signal light) of the first hologram generated by the first reference light 220 by 45 degrees. Therefore, the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the half-wave plate 505 has a horizontal polarization component (in-plane direction of the drawing, indicated by an arrow in the drawing) and a vertical polarization component (indicated by an arrow in the drawing) at the position A in the drawing.
  • the vertical direction of the drawing is half.
  • the ⁇ / 4 wavelength plate 515 converts the polarization state of the second reference light 230 into circularly polarized light. Therefore, the second reference light 230 transmitted through the ⁇ / 4 wavelength plate 515 is circularly polarized at the position B in the figure (indicated by a circle in the figure).
  • a second hologram whose phase is shifted by ⁇ is generated between the light wave traveling in the direction C in the drawing and the light wave traveling in the direction D in the drawing.
  • the two lights traveling from the beam splitter 520 in the direction of the first mirror 525 are The light enters the polarizing beam splitter 535 from the left side of the drawing.
  • two lights traveling from the beam splitter 520 in the direction of the second mirror 530 enter the polarization beam splitter 535 from the lower side of the drawing. That is, the light traveling in the direction C in the figure and the light traveling in the direction D in the figure enter the same polarization beam splitter 535 from different directions.
  • the position where the light incident from the first mirror 525 side enters the polarizing beam splitter 535 and the position where the light obtained from the second mirror 530 side enters the polarizing beam splitter 535 are slightly shifted.
  • one CCD imaging area is divided into two parts.
  • an image sensor having tens of millions of pixels can be easily obtained, and this is not a technical limitation. Rather, since the number of image sensors such as a CCD is small, there is a great advantage that an inexpensive system can be constructed.
  • FIG. 10 is a schematic diagram showing another configuration of the hologram generation unit and the detection unit.
  • the configuration shown in FIG. 10 is that a pair of polarizing beam splitters (second polarizing beam splitter 550 and third polarizing beam splitter 555) is arranged in front of the half-wave plate 505, and ⁇ / 4 wavelength.
  • 9 is different from the configuration shown in FIG. 9 in that a second beam splitter 560 and a third mirror 565 are disposed in front of the plate 515.
  • the second hologram for the vertical polarization component ( ⁇ component) of the diffracted light 240 spatial quadrature amplitude modulation signal light
  • the second hologram for the horizontal polarization component ( ⁇ component) Both of them can be generated simultaneously.
  • the diffracted light 240 (spatial quadrature amplitude modulated signal light) of the first hologram generated by the first reference light 220 is converted into a pair of polarizing beam splitters (second polarizing beam splitter 550). And the third polarization beam splitter 555). Further, the second reference light 230 is divided into two by the second beam splitter 560 and the third mirror 565.
  • Eight second holograms including two holograms and four second holograms for the horizontal polarization component ( ⁇ component) can be generated simultaneously.
  • the hologram recorded in the holographic memory 165 is a polarization type hologram in which both a vertical polarization component and a horizontal polarization component are generated, in particular, separate values (amplitude and amplitude) for each of the vertical polarization component and the horizontal polarization component.
  • the hologram generation unit and the detection unit shown in FIG. 10 can simultaneously demodulate the vertical polarization component and the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram.
  • the hologram generation unit and the detection unit shown in FIG. 10 are used as an observation device, the observation device can simultaneously observe a vertical polarization component and a horizontal polarization component generated from a sample having birefringence such as a crystal. it can.
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus of the fifth embodiment is the same as the holographic memory recording / reproducing apparatus of the first embodiment with respect to each component other than the hologram generation unit and the detection unit. Therefore, only the hologram generation unit and the detection unit will be described.
  • FIG. 11 is a schematic diagram illustrating a configuration of a hologram generation unit and a detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the fifth embodiment.
  • the hologram generation unit and the detection unit include a half-wave plate 605, a variable phase shifter 610, a ⁇ / 4 wavelength plate 615, a first beam splitter 620, a first mirror 625, and a second mirror. 630, a first polarizing beam splitter 635, a second polarizing beam splitter 640, a third polarizing beam splitter 645, a fourth polarizing beam splitter 650, a second beam splitter 655, and a CCD 660.
  • Half-wave plate 605, variable phase shifter 610, ⁇ / 4 wavelength plate 615, first beam splitter 620, first mirror 625, second mirror 630, first polarizing beam splitter 635, second polarizing beam splitter 640, the third polarization beam splitter 645, the fourth polarization beam splitter 650, and the second beam splitter 655 function as a “hologram generation unit”.
  • the CCD 660 functions as a “detection unit”.
  • a first reference beam 220 and a second reference beam 230 are laser beams of linearly polarized light (horizontal polarized light; in-plane direction in the drawing) generated from the same laser light source.
  • Half-wave plate 605 variable phase shifter 610, ⁇ / 4 wavelength plate 615, first beam splitter 620, first mirror 625, and second mirror 630 are the same as those in the fourth embodiment.
  • the first polarizing beam splitter 635, the second polarizing beam splitter 640, the third polarizing beam splitter 645, and the fourth polarizing beam splitter 650 are beam splitters having polarization dependency. That is, the first polarizing beam splitter 635, the second polarizing beam splitter 640, the third polarizing beam splitter 645, and the fourth polarizing beam splitter 650 transmit horizontally polarized light and reflect vertically polarized light. . As shown in FIG. 11, the first polarizing beam splitter 635 and the second polarizing beam splitter 640 are arranged in combination. Similarly, the third polarizing beam splitter 645 and the fourth polarizing beam splitter 650 are also arranged in combination.
  • the first polarizing beam splitter 635 includes the first hologram diffracted light 240 reflected by the first beam splitter 620 and the second reference light transmitted through the first beam splitter 620. 230 enters.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 are reflected by the first polarization beam splitter 635 and directed to the second polarization beam splitter 640.
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 are transmitted through the first polarization beam splitter 635 toward the second beam splitter 655.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram reflected by the first polarization beam splitter 635 and the vertical polarization component of the second reference light 230 are incident on the second polarization beam splitter 640.
  • the vertically polarized component of the diffracted light 240 of the incident first hologram and the vertically polarized component of the second reference light 230 are reflected by the second polarized beam splitter 640 and directed to the second beam splitter 655.
  • the diffracted light 240 of the first hologram transmitted through the first beam splitter 620 and the second reference light 230 reflected by the first beam splitter 620 are incident on the third polarizing beam splitter 645.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 are reflected by the third polarization beam splitter 645 and travel toward the fourth polarization beam splitter 650.
  • the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 pass through the third polarization beam splitter 645 and travel toward the second beam splitter 655.
  • the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230 reflected by the third polarization beam splitter 645 are incident on the fourth polarization beam splitter 650.
  • the vertically polarized component of the diffracted light 240 of the incident first hologram and the vertically polarized component of the second reference light 230 are reflected by the fourth polarizing beam splitter 640 and directed to the second beam splitter 655.
  • a trapezoidal polarizing prism may be used instead of the combination of the first polarizing beam splitter 635 and the second polarizing beam splitter 640.
  • a trapezoidal polarizing prism may be used instead of the combination of the third polarizing beam splitter 645 and the fourth polarizing beam splitter 650.
  • the second beam splitter 655 is a beam splitter that does not have polarization dependency. On the first surface of the second beam splitter 655, the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230 transmitted through the first polarization beam splitter 635, The horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram reflected by the second polarization beam splitter 640 and the vertical polarization component of the second reference light 230 are incident.
  • the first polarization beam splitter 635 and the second polarization beam splitter 640 are arranged so that the optical axes of the horizontal polarization component and the vertical polarization component are shifted from each other (see FIG. 11). These horizontal and vertical polarization components pass through the second beam splitter 655 and travel toward the CCD 660.
  • the third polarization beam splitter 645 and the fourth polarization beam splitter 650 are arranged so that the optical axes of the horizontal polarization component and the vertical polarization component are shifted from each other (see FIG. 11).
  • the horizontal polarization component and the vertical polarization component are reflected by the second beam splitter 655 and travel toward the CCD 660.
  • Light from the first polarization beam splitter 635 and the second polarization beam splitter 640 side is incident on the first surface of the second beam splitter 655, and the third polarization beam splitter is incident on the second surface.
  • Light from 645 and the fourth polarizing beam splitter 650 side enters. That is, light is simultaneously incident on the front and back surfaces of the second beam splitter 655.
  • the first polarization beam splitter 635, the second polarization beam splitter 640, the third polarization beam splitter 645, and the fourth polarization beam splitter 650 are arranged so that the optical axes of the light beams derived from the polarization beam splitter 650 are shifted from each other. Is arranged (see FIG. 11).
  • the CCD 660 detects the intensity distribution of the four second holograms. That is, the CCD 660 transmits the second hologram generated by the light transmitted through the first polarization beam splitter 635 (the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230).
  • the intensity distribution and the intensity of the second hologram generated by the light reflected by the second polarization beam splitter 640 (the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the vertical polarization component of the second reference light 230) Distribution and intensity distribution of the second hologram generated by the light transmitted through the third polarization beam splitter 645 (the horizontal polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the horizontal polarization component of the second reference light 230)
  • the fourth polarization beam splitter 650 the vertical polarization component of the diffracted light 240 of the first hologram and the second reference light 23. Detecting the second and the intensity distribution of the hologram generated by the vertical polarization component).
  • the two polarizing beam splitters are arranged in the horizontal direction with respect to the paper surface, but the two polarizing beam splitters may be arranged in the vertical direction with respect to the paper surface.
  • the four second holograms can be arranged in 2 stages ⁇ 2 rows on the detection surface of one CCD.
  • FIG. 12 is a schematic diagram showing another configuration of the hologram generation unit and the detection unit.
  • the configuration shown in FIG. 12 is the same as the configuration shown in FIG. 11 in that a pair of beam splitters (third beam splitter 665 and fourth beam splitter 670) are arranged in front of the half-wave plate 605. Different.
  • the diffracted light 240 (spatial quadrature amplitude modulated signal light) of the first hologram generated by the first reference light 220 is converted into a set of beam splitters (third beam splitter 665 and second beam splitter 665). 4 beam splitter 670).
  • a set of beam splitters third beam splitter 665 and second beam splitter 665. 4 beam splitter 670.
  • eight second holograms can be simultaneously generated in different areas of the detection surface of one CCD.
  • the intensity distributions of the eight second holograms are V 1 , V 2 ,..., V 8 , respectively, and the phase of the diffracted light 240 (spatial quadrature amplitude modulated signal light) of the first hologram is ⁇ (x, y).
  • ⁇ (x, y) is a phase difference by a pair of beam splitters (third beam splitter 665 and fourth beam splitter 670), Than, Is obtained.
  • phase ⁇ (x, y) of the diffracted light 240 (spatial quadrature amplitude modulated signal light) of the first hologram is Is calculated by
  • the number of second holograms that can be detected at one time can be increased by branching the diffracted light 240 (spatial quadrature amplitude modulated signal light) of the first hologram into two. If the number of branches of the diffracted light 240 of the first hologram is further increased, the number of second holograms that can be detected at one time can be further increased. For example, if the diffracted light 240 of the first hologram is branched into three, the intensity distribution of 12 second holograms can be measured at a time.
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus of the sixth embodiment is the same as the holographic memory recording / reproducing apparatus of the first embodiment with respect to each component other than the hologram generation unit and the detection unit. Therefore, only the hologram generation unit and the detection unit will be described.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a configuration of a hologram generation unit and a detection unit of the holographic memory recording / reproduction device according to the sixth embodiment.
  • the hologram generation unit and detection unit include a half-wave plate 705, a ⁇ / 4 wavelength plate 710, a beam splitter 715, a polarization beam splitter 720, a first CCD 725, and a second CCD 730.
  • the half-wave plate 705, the ⁇ / 4 wavelength plate 710, the beam splitter 715, and the polarization beam splitter 725 function as a “hologram generation unit”.
  • the first CCD 725 and the second CCD 730 function as a “detection unit”.
  • FIG. 14 the hologram generation unit and detection unit.
  • a first reference beam 220 and a second reference beam 230 are laser beams of linearly polarized light (horizontal polarized light; in-plane direction in the drawing) generated from the same laser light source. Further, the intensity R 0 2 of the second reference light 230 is assumed to be a known value.
  • the optical system shown in FIG. 14 removes components (second polarization beam splitter 430, second CCD 440, and fourth CCD 450) related to the light beam D from the optical system of the third embodiment shown in FIG.
  • the configuration is the same as that described above.
  • the beam splitter 715 may be removed, and the diffracted light 240 of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate 705 may be directly incident on the polarization beam splitter 720.
  • the diffracted light 240 of the first hologram whose polarization angle is changed by the half-wave plate 705 is incident on the first surface of the polarization beam splitter 720, and the second surface of the polarization beam splitter 720 is incident on the second surface.
  • the second reference light 230 whose polarization state has been changed by the ⁇ / 4 wavelength plate 710 is incident.
  • the optical complex amplitude A (x, y) exp ⁇ (x, y) ⁇ is obtained by one measurement by the simple optical system shown in FIG. It can be measured.
  • FIG. 15 is a schematic diagram showing another configuration of the hologram generation unit and the detection unit.
  • the configuration shown in FIG. 15 is different from the configuration shown in FIG. 14 in that two imaging regions are formed on one CCD 835.
  • the hologram generation unit and the detection unit include a half-wave plate 805, a ⁇ / 4 wavelength plate 810, a polarization beam splitter 815, a first mirror 820, a second mirror 825, a beam splitter 830, and a CCD 835.
  • the optical complex amplitude A (x, y) exp ⁇ (x, y) ⁇ can be measured by one measurement.
  • phase shift interferometry is roughly classified into a sequential method and a parallel phase shift method.
  • the sequential method the phase of the interference light is changed by a variable phase shifter, and multiple measurements are performed (IchirouchiYamaguchi and Tong Zhang, "Phase-shifting digital holography", Opt. Lett., Vol.22, pp.1268- 1270 (1997).).
  • the parallel phase shift method measurement is performed once using signal light that has passed through a spatial phase array (Yasuhiro Awatsuji, Atsushi Fujii, Toshihiro Kubota, and Osamu Matoba, "Parallel three-step phase-shifting digital holography, "Appl. Opt. Vol.45, pp.2995-3002 (2006).”
  • the phase is measured by giving a phase difference to signals at different times in order to perform multiple measurements. For this reason, the sequential method has a problem that a large measurement error occurs with respect to a temporal variation of an observation target (for example, movement of a microorganism that is an observation target).
  • an observation target for example, movement of a microorganism that is an observation target.
  • the parallel phase shift method three to four signals passing through a set of spatial phase arrays are signals generated from different positions to be observed.
  • an original signal is calculated based on a set of signals that have passed through the spatial phase array. For this reason, the parallel phase shift method has a problem that a large measurement error occurs when the spatial variation of the phase value of the observation target is large (for example, when the shape of the observation target is complicated).
  • the methods of Embodiments 3 to 6 have the following advantages. First, since a plurality of measurements required by the sequential method can be performed at one time, there is no time error, and the stability and high speed of the system are maintained. Further, since the original signal at the same position is observed by a plurality of CCDs without using a phase array necessary for the parallel phase shift method, no spatial error occurs. For example, the signals received by the pixels at the same position of four CCDs in FIG. 8 are generated by giving a signal generated from the same time and the same position while giving a phase difference between the half mirror (or beam splitter) and the polarization beam splitter. (The same applies to FIGS. 6 and 9 to 15). That is, the measurement methods of Embodiments 3 to 6 do not have the disadvantages of either the sequential method or the parallel phase shift method, and have the advantages of both the sequential method and the parallel phase shift method.
  • the measurement methods of Embodiments 3 to 6 do not require precise phase adjustment using a variable phase shifter.
  • 6 and 8 to 15 can also be used as an observation device for observing a two-dimensional distribution of intensity and phase in transmitted light or reflected light from an observation target (implementation). See Examples 5 and 6).
  • an observation target for example, a biological sample
  • a second hologram is generated using transmitted light or reflected light (spatial quadrature amplitude modulated signal light) from the observation object instead of the diffracted light 240 of the first hologram.
  • the hologram recording method is not limited to this.
  • FIG. 16 shows the optical arrangement of the reflection hologram, but it may be an optical arrangement of a transmission hologram as shown in the embodiment.
  • FIG. 17 shows an example of a spatial light modulator (SLM) pattern when recording and reproduction are performed by the collinear holography method.
  • SLM spatial light modulator
  • FIG. 17A page data separated into a central portion and an outer peripheral portion is used, and the central portion is used for forming signal light and the outer peripheral portion is used for forming reference light.
  • the light emitted from the central portion (signal light) and the light emitted from the outer peripheral portion (reference light) are condensed and irradiated onto a recording medium (for example, an optical disc) with one objective lens, and the interference pattern of both is recorded.
  • a recording medium for example, an optical disc
  • Example 1 shows the result of simulation of recording and reproduction of an 8-level spatial phase modulation signal (8-SPM) using the holographic memory recording / reproducing apparatus of the present invention.
  • FIG. 18 is a schematic diagram showing the configuration of the holographic memory recording / reproducing apparatus of the present invention used for the simulation.
  • This holographic memory recording / reproducing apparatus records and reproduces the first hologram by a collinear holography method.
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus 900 performs recording and reproduction by installing a recording medium (Photopolymer) between the third lens (L3) and the fourth lens (L4).
  • a recording medium Photopol
  • the light emitted from the laser light source is branched into two by the first beam splitter (BS1).
  • the light traveling downward in the drawing becomes signal light and first reference light for generating the first hologram.
  • the light traveling in the right direction in the drawing becomes the second reference light that generates the second hologram.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal generation unit 910 Light traveling downward from the first beam splitter (BS1) enters the spatial quadrature amplitude modulation signal generation unit 910.
  • the central portion of the light beam (data page region in FIG. 17A) is subjected to spatial phase modulation by the first spatial light modulator (SLM1) of the phase modulation type, and the intensity is increased.
  • Spatial amplitude modulation is applied by a modulation type second spatial light modulator (SLM2).
  • SLM2 modulation type second spatial light modulator
  • the outer peripheral portion of the light beam is used as reference light called a collinear ring pattern.
  • the intensity-modulated third spatial light modulator (SLM3) generates a collinear ring pattern corresponding to the first reference light on the outer peripheral portion of the light beam.
  • the second spatial light modulator (SLM2) uses only the central portion and the third spatial light modulator (SLM3) uses only the outer peripheral portion, these are combined to form one spatial light modulation. It may be replaced with a vessel.
  • the order of the first spatial light modulator (SLM1), the second spatial light modulator (SLM2), and the third spatial light modulator (SLM3) may be arbitrarily changed.
  • a reflective spatial light modulator is used as the first spatial light modulator (SLM1)
  • transmission is performed as the second spatial light modulator (SLM2) and the third spatial light modulator (SLM3).
  • the first spatial light modulator (SLM1), the second spatial light modulator (SLM2), and the third spatial light modulator (SLM3) are also for the optical device.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal and the first reference light generated in this way become one beam, and the first hologram is recorded on the recording medium (photopolymer).
  • the recording medium may be moved (for example, a disk-shaped recording medium is rotated).
  • the central portion (data page region) of the light beam is blocked by the second spatial light modulator (SLM2), and the light beam is blocked by the third spatial light modulator (SLM3).
  • a collinear ring pattern corresponding to the first reference light is generated on the outer periphery.
  • the light traveling from the first beam splitter (BS1) in the right direction of the drawing becomes the second reference light for generating the second hologram.
  • This light is incident on the hologram generation unit 720 after a necessary phase difference is added by a variable phase shifter (for example, a reflective piezo element).
  • a variable phase shifter for example, a reflective piezo element.
  • the second hologram is generated on the detection surface of the CCD camera by mixing the diffracted light of the first hologram and the second reference light in the third beam splitter (BS3).
  • FIG. 1 a diagram of an 8-level spatial phase modulation signal (8-SPM) is shown in FIG.
  • the horizontal axis in the figure is called “real axis” or “I axis”, and the vertical axis is called “imaginary axis” or “Q axis”. These correspond to the variables I and Q in equation (1).
  • the points plotted on the diagram are called “signal points”.
  • a set of modulation codes is represented by a plurality of signal points.
  • the complex plane represented by this diagram shows the amplitude and phase of the signal with the “0” point on both axes as the center.
  • the distance from the “0” point represents the amplitude
  • the angle with respect to the “0” point represents the phase. Therefore, a plurality of symbols located at the same distance from the center but located at different angles with respect to the center have the same signal waveform amplitude but different phases.
  • the three data pages (# 1, # 2, # 3) used for recording are shown in FIG. 20A.
  • the size of each data page is 32 ⁇ 32 pixels.
  • each pixel is modulated with 8 different phase information, but is drawn in gray scale for visualization.
  • a photopolymer was assumed as a recording medium, and these three data pages (# 1, # 2, # 3) were multiplexed and recorded at a shift pitch of 1.76 ⁇ m.
  • the recorded first hologram was irradiated with the first reference light to generate diffracted light of the first hologram.
  • 21 to 23 show signal intensity distributions obtained by photoelectrically converting the four second holograms for each data page (# 1, # 2, # 3).
  • 21 shows the signal intensity distribution of the second hologram of data page # 1
  • FIG. 22 shows the signal intensity distribution of the second hologram of data page # 2
  • FIG. 23 shows the signal intensity distribution of data page # 3.
  • 2 is a signal intensity distribution of the hologram 2;
  • FIG. 20B shows a data page demodulated from the signal intensity distribution of the second hologram using the equation (21).
  • FIG. 20A original data
  • FIG. 20B production data
  • FIG. 20A original data
  • FIG. 20B production data
  • FIG. 20A original data
  • FIG. 20B production data
  • FIG. 20C shows that the 8-level spatial phase modulation signal is clearly separated.
  • the symbol error rate when the detection accuracy of the photodetector is 12 bits is 1.3 ⁇ 10 ⁇ 2, which is practically sufficient considering the error correction capability in the current holographic memory. It can be said that performance.
  • Example 2 shows the results of simulation of recording and reproduction of an 8-level spatial quadrature amplitude modulation signal (8-SQAM) using the holographic memory recording / reproducing apparatus of the present invention.
  • a spatial quadrature amplitude modulation is a modulation system that gives more signal states by adding amplitude modulation to phase modulation.
  • FIG. 25 shows a diagram of the 8-level spatial quadrature amplitude modulation signal (8-SQAM) used in this example.
  • Each signal point can take either a binary amplitude value or a quadrature phase value, and a total of eight values can be represented by a single signal point.
  • Example 2 similarly to Example 1, a simulation was performed when an 8-level spatial quadrature amplitude modulation signal (8-SQAM) was recorded and reproduced using the holographic memory recording / reproducing apparatus shown in FIG. .
  • 8-SQAM 8-level spatial quadrature amplitude modulation signal
  • Table 2 shows the parameters used for the numerical analysis.
  • the data page (spatial quadrature amplitude modulation signal) used for recording is shown in FIG. As shown in FIG. 26, the size of the data page is 8 ⁇ 8 pixels. Each pixel of the data page has both values of amplitude information A (x, y) shown in FIG. 26A and phase information ⁇ (x, y) shown in FIG. 26B. That is, one data page is expressed by combining the amplitude information A (x, y) shown in FIG. 26A and the phase information ⁇ (x, y) shown in FIG. 26B.
  • the amplitude ratio of the bright part and the dark part in FIG. 26A is 2: 1, but the intensity ratio is 4: 1.
  • the actual recording light intensity is 1.37 mW in the bright part and 0.34 mW in the dark part.
  • the phase information shown in FIG. 26B is drawn in gray scale for visualization.
  • FIG. 27 is a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting the four second holograms.
  • detection was performed by 8 ⁇ 8 CCD pixels for one pixel (data pixel) in the data page. Therefore, the required number of CCD pixels is 64 ⁇ 64 pixels. However, this is not an essential condition, and it is also possible to perform detection with one CCD pixel for one pixel of the data page.
  • FIG. 28 shows the data restored at each CCD pixel point using the equations (21) and (22) from the signal intensity distribution of the second hologram.
  • FIG. 29 shows the result of the averaging process performed on each data pixel for the data shown in FIG. The result obtained by the processing so far is analog data. Therefore, finally, the data shown in FIG. 29 is subjected to threshold processing, and demodulated into digital data with two amplitudes and four phases, FIG. 30 shows.
  • Example 3 shows results of actually recording and reproducing a 6-value spatial quadrature amplitude modulation signal (6-SQAM) using the holographic memory recording / reproducing apparatus of the present invention (see Embodiment 1).
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus shown in FIG. 31 was used to record and reproduce the six-value spatial quadrature amplitude modulation signal (6-SQAM) having the binary intensity and the ternary phase shown in FIG. .
  • 6-SQAM six-value spatial quadrature amplitude modulation signal
  • FIG. 31 is a schematic diagram showing the configuration of the holographic memory recording / reproducing apparatus of the present invention used in the experiment.
  • This holographic memory recording / reproducing apparatus records and reproduces the first hologram by a collinear holography method.
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus 1000 includes a laser light source, a beam expander (BE), a first iris (Iris1), a first half-wave plate (HWP1), a polarizing beam splitter (PBS).
  • the holographic memory recording / reproducing apparatus 1000 performs recording and reproduction by installing a recording medium (Photopolymer) between the fifth lens (L5) and the sixth lens (L6).
  • the light (wavelength 532 nm) emitted from the laser light source is branched into two by the polarization beam splitter (PBS).
  • PBS polarization beam splitter
  • Light directed upward in the drawing (on the first beam splitter BS1 side) becomes signal light and first reference light for generating a first hologram.
  • the light which goes to the left direction (2nd beam splitter BS2 side) of drawing becomes the 2nd reference light which produces
  • a photopolymer was used for the recording medium, and the irradiation time of the laser beam was 1 minute.
  • the light traveling from the polarization beam splitter (PBS) in the upward direction of the drawing enters the spatial quadrature amplitude modulation signal generation unit 1010.
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal generation unit 1010 spatial phase modulation is applied to the central portion of the light beam by the phase modulation type first spatial light modulator (SLM 1), and the intensity modulation type second spatial light.
  • Spatial amplitude modulation is applied by the modulator (SLM2).
  • the logical value of the data page (spatial quadrature amplitude modulation signal) used for recording is shown in FIG. 33A, and the physical value is shown in FIG. 33B.
  • the size of the data page is 3 ⁇ 5 pixels.
  • Each pixel of the data page has both values of amplitude information A (x, y) shown on the left side of FIG. 33 and phase information ⁇ (x, y) shown on the right side of FIG. That is, one data page is expressed by combining the amplitude information A (x, y) shown on the left side of FIG. 33 and the phase information ⁇ (x, y) shown on the right side of FIG.
  • the intensity ratio between the bright part and the dark part is about 3: 1.
  • the phase information shown in FIG. 33 is drawn in gray scale for visualization.
  • the reason why the lower half of the diagram shown in FIG. 32 was not used is that the phase variable range of the first spatial light modulator (SLM1) used in the experiment was limited to 0 to ⁇ . .
  • the phase pattern signal pixels are set smaller than the intensity pattern signal pixels.
  • the periphery of the signal pixel of the phase pattern was a fine random pattern of 0 and ⁇ . There are two reasons for this. The first reason is to secure a margin for a deviation in matching when performing pixel matching of intensity and phase. The second reason is that a random phase pattern is placed around the signal pixel to broaden the spatial frequency distribution and improve the quality of the reproduction light.
  • the outer periphery of the light beam is used as reference light called a collinear ring pattern. Therefore, in the spatial quadrature amplitude modulation signal generation unit 1010, the intensity-modulation type second spatial light modulator (SLM2) generates a collinear ring pattern corresponding to the first reference light on the outer periphery of the light beam.
  • SLM2 intensity-modulation type second spatial light modulator
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal and the first reference light generated in this way become one beam, and the first hologram is recorded on the photopolymer (recording medium).
  • the second spatial light modulator blocks the central portion (data page area) of the light beam and corresponds to the first reference light at the outer peripheral portion of the light beam.
  • a collinear ring pattern is generated.
  • the light traveling from the polarizing beam splitter (PBS) toward the left side of the drawing becomes the second reference light for generating the second hologram.
  • This light is changed in phase by 0, ⁇ / 2, ⁇ , and 3 ⁇ / 2 by a variable phase shifter (reflection type piezo element), and then enters the hologram generation unit 820.
  • the second hologram is generated on the detection surface of the CCD by mixing the diffracted light of the first hologram and the second reference light in the third beam splitter (BS3). .
  • FIG. 35 is a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting the four second holograms. Further, the data at each CCD pixel point is restored from the signal intensity distribution of the second hologram using the equations (21) and (22), the averaging process and the threshold process are performed, and the binary amplitude and the phase 3
  • FIG. 36 shows a demodulated value digital data.
  • Example 4 shows a result of actually demodulating a 6-value space quadrature amplitude modulation signal (6-SQAM) using the demodulator of the present invention (see Embodiment 4).
  • the demodulating device shown in FIG. 37 was used to demodulate the binary binary intensity and phase ternary amplitude modulation signal (6-SQAM) shown in FIG.
  • 6-SQAM binary binary intensity and phase ternary amplitude modulation signal
  • the reason why the lower half of the diagram shown in FIG. 32 was not used is that the phase variable range of the second spatial light modulator (SLM2) used in the experiment was limited to 0 to ⁇ .
  • FIG. 37 is a schematic diagram showing the configuration of the demodulator of the present invention used in the experiment.
  • a spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 1110 generates a six-value spatial quadrature amplitude modulation signal (6-SQAM)
  • a hologram generation unit 1120 generates a six-value spatial quadrature amplitude modulation signal (6-SQAM). Demodulated.
  • the configuration of the hologram generation unit 1120 shown in FIG. 37 is the same as the configuration of the hologram generation unit and detection unit shown in FIG.
  • the demodulator 1100 includes a laser light source, a beam expander (BE), a first half-wave plate (HWP1), a first polarizing beam splitter (PBS1), a polarizer (Pol.), A first spatial light modulator (SLM1), an analyzer (Ana.), A first lens (L1), a first mirror (M1), a first iris (Iris1), a second lens (L2), First beam splitter (BS1), second spatial light modulator (SLM2), third lens (L3), second iris (Iris2), fourth lens (L4), aperture (Aperture), second 2 half wave plate (HWP2), ⁇ / 4 wave plate (QWP), second beam splitter (BS2), second mirror (M2), third mirror (M3), second polarizing beam splitter ( PBS2), fifth lens (L5) , A sixth lens (L6), a seventh lens (L7), an eighth lens (L8), a first CCD camera (CC
  • the light (wavelength 532 nm) emitted from the laser light source is branched into two by the first polarizing beam splitter (PBS1).
  • the light traveling in the left direction of the drawing (on the first spatial light modulator SLM1 side) becomes signal light.
  • the light traveling downward (second beam splitter BS2 side) in the drawing serves as reference light (second reference light) for generating a hologram (second hologram).
  • the central portion of the light beam is subjected to spatial amplitude modulation by the intensity-modulation type first spatial light modulator (SLM1), and the phase modulation type second spatial light. Spatial phase modulation is applied by the modulator (SLM2).
  • the logical value of the data page (spatial quadrature amplitude modulation signal) used for modulation is shown in FIG.
  • the size of the data page is 6 ⁇ 6 pixels.
  • Each pixel of the data page has both values of amplitude information A (x, y) shown on the left side of FIG. 38 and phase information ⁇ (x, y) shown on the right side of FIG. That is, one data page is expressed by combining the amplitude information A (x, y) shown on the left side of FIG. 38 and the phase information ⁇ (x, y) shown on the right side of FIG.
  • the intensity ratio between the bright part and the dark part is about 3: 1.
  • the phase information shown in FIG. 38 is drawn in gray scale for visualization.
  • the hologram generator 1120 causes the signal light and the reference light to interfere with each other.
  • the signal light generated by the spatial quadrature amplitude modulation signal light generation unit 1110 passes through the second half-wave plate (HWP2) and is adjusted to 45 ° linearly polarized light.
  • the reference light traveling from the first polarizing beam splitter (PBS1) downward in the drawing passes through the ⁇ / 4 wavelength plate (QWP) and is converted into circularly polarized light.
  • QWP wavelength plate
  • a six-value spatial quadrature amplitude modulation signal (6-SQAM) was demodulated from the signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting these four second holograms.
  • FIG. 39 is a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting the four second holograms.
  • FIG. 40A shows data obtained by restoring the data at each CCD pixel point from the signal intensity distribution of the second hologram using Expression (21) and Expression (22), and further performs averaging processing and threshold processing.
  • FIG. 40B shows a demodulated digital data having a binary amplitude and a binary phase.
  • the third lens (L3), the fourth lens (L4), the fifth lens (L5), the sixth lens (L6), the seventh lens (L7), and The eighth lens (L8) may be omitted.
  • intensity information and phase information included in the spatial quadrature amplitude modulation signal are affected by Fresnel diffraction.
  • the original intensity information and phase information included in the spatial quadrature amplitude modulation signal is obtained by subtracting the influence of Fresnel diffraction by numerical calculation. Can do.
  • Example 5 shows the result of living body observation using the observation apparatus of the present invention (see Embodiment 4).
  • the hind limbs of Daphnia pulex and Apis mellifera were observed using the observation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 41 is a schematic diagram showing the configuration of the observation apparatus of the present invention used in the experiment.
  • the configuration of the hologram generation unit 1210 shown in FIG. 41 is the same as the configuration of the hologram generation unit and detection unit shown in FIG.
  • the observation device 1200 includes a laser light source, a first lens (L1), a second lens (L2), a first half-wave plate (HWP1), a first polarizing beam splitter (PBS1). ), First mirror (M1), second mirror (M2), third lens (L3), fourth lens (L4), second half-wave plate (HWP2), ⁇ / 4 wavelength plate ( QWP), beam splitter (BS), third mirror (M3), fourth mirror (M4), second polarization beam splitter (PBS2), fifth lens (L5), sixth lens (L6) , A seventh lens (L7), an eighth lens (L8), a first CCD camera (CCD1), and a second CCD camera (CCD2).
  • the observation apparatus 1200 performs observation by installing a biological sample (Object) between the first mirror (M1) and the second mirror (M2).
  • the light (wavelength 532 nm) emitted from the laser light source is branched into two by the first polarization beam splitter (PBS1).
  • the light toward the left direction (first mirror M1 side) in the drawing becomes signal light (transmitted light or reflected light from the observation target).
  • the light traveling downward ( ⁇ / 4 wavelength plate QWP side) in the drawing becomes reference light (second reference light) for generating a hologram (second hologram).
  • a spatial quadrature amplitude modulation signal corresponding to the amplitude characteristic and phase characteristic of the biological sample (Object) is generated when light passes through the biological sample (Object) or when light reflects from the biological sample (Object).
  • the subsequent processes are the same as those described in the fourth embodiment and the fourth embodiment.
  • the intensity distribution and phase distribution included in the spatial quadrature amplitude modulation signal are demodulated. These correspond to the transmitted light intensity distribution and transmitted light phase distribution (or reflected light intensity distribution and reflected light phase distribution) of the biological sample (Object), respectively.
  • FIG. 42 and 43 show the observation results of daphnia.
  • FIG. 42 shows a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting the four second holograms.
  • FIG. 43 shows the result of calculating the transmitted light intensity and transmitted light phase at each CCD pixel point using the equations (21) and (22) from the signal intensity distribution of the second hologram shown in FIG. It is.
  • FIG. 44 and 45 show the observation results of the hind limbs of the honey bee.
  • FIG. 44 shows a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting four second holograms.
  • FIG. 45 shows the result of calculating the transmitted light intensity and transmitted light phase at each CCD pixel point using the equations (21) and (22) from the signal intensity distribution of the second hologram shown in FIG. It is.
  • the third lens (L3), the fourth lens (L4), the fifth lens (L5), the sixth lens (L6), the seventh lens (L7), and The eighth lens (L8) may be omitted.
  • intensity information and phase information included in a spatial quadrature amplitude modulation signal derived from a biological sample are affected by Fresnel diffraction.
  • the original intensity information and phase included in the spatial quadrature amplitude modulation signal derived from the biological sample are obtained by subtracting the influence of Fresnel diffraction by numerical calculation. You can ask for information.
  • Example 6 shows the result of polarization observation using the observation apparatus of the present invention (see Embodiment 4).
  • the thin piece of the crystalline limestone was observed using the observation apparatus shown in FIG.
  • FIG. 46 is a schematic diagram showing the configuration of the observation apparatus of the present invention used in the experiment.
  • the configuration of the hologram generation unit 1310 shown in FIG. 46 is the same as the configuration of the hologram generation unit and detection unit shown in FIG.
  • the observation apparatus 1300 includes a laser light source, a first lens (L1), a second lens (L2), a first half-wave plate (HWP1), a first polarization beam splitter (PBS1). ), Second half-wave plate (HWP2), first mirror (M1), polarizer (Pol.), Second mirror (M2), third lens (L3), and fourth lens (L4).
  • the observation apparatus 1300 performs observation by installing a sample (Object) between a first mirror (M1) and a polarizer (Pol.).
  • the light (wavelength 532 nm) emitted from the laser light source is branched into two by the first polarization beam splitter (PBS1).
  • the light traveling in the left direction (the second half-wave plate HWP2 side) in the drawing becomes signal light (observation light).
  • the light traveling downward ( ⁇ / 4 wavelength plate QWP side) in the drawing becomes reference light (second reference light) for generating a hologram (second hologram).
  • the light traveling from the first polarizing beam splitter (PBS1) toward the left side of the drawing (the second half-wave plate HWP2 side) is horizontally polarized light (polarized light parallel to the in-plane direction of the drawing).
  • the second half-wave plate (HWP2) rotates the polarization angle of the horizontally polarized light by 45 degrees.
  • the 45-degree linearly polarized light is incident on the sample (Object).
  • Light that has undergone amplitude modulation and phase modulation depending on the polarization characteristics of the sample (Object) due to light being transmitted through the sample (Object) or reflected from the sample (Object) is the spatial orthogonal amplitude. It is generated as a modulated signal (optical complex amplitude).
  • the spatial quadrature amplitude modulation signal is incident on a polarizer (Pol.). Depending on the angle of the polarizer (Pol.) At this time, it is possible to select which polarization component (horizontal polarization (P polarization) or vertical polarization (S polarization)) of the spatial quadrature amplitude modulation signal is observed. Arbitrary polarization components can be observed by adjusting the angle of the polarizer (Pol.).
  • the intensity distribution and phase distribution included in the spatial quadrature amplitude modulation signal for the selected polarization component are demodulated. These correspond to the transmitted light intensity distribution and transmitted light phase distribution (or reflected light intensity distribution and reflected light phase distribution) of the sample (Object) for the selected polarization component, respectively.
  • FIG. 47 and 48 show the observation results of the horizontally polarized light (P polarized light) component.
  • FIG. 47 is a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting four second holograms.
  • FIG. 48 shows the result of calculating the transmitted light intensity and transmitted light phase at each CCD pixel point using the equations (21) and (22) from the signal intensity distribution of the second hologram shown in FIG. It is.
  • FIG. 49 and 50 show the observation results of the vertically polarized (S-polarized) component.
  • FIG. 49 is a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting four second holograms.
  • FIG. 50 is a result of calculating the transmitted light intensity and the transmitted light phase at each CCD pixel point from the signal intensity distribution of the second hologram shown in FIG. 49 using Expression (21) and Expression (22). It is.
  • the third lens (L3), the fourth lens (L4), the fifth lens (L5), the sixth lens (L6), the seventh lens (L7), and The eighth lens (L8) may be omitted.
  • intensity information and phase information included in the spatial quadrature amplitude modulation signal derived from crystalline limestone are affected by Fresnel diffraction.
  • the original intensity information contained in the spatial quadrature amplitude modulation signal derived from crystalline limestone and Phase information can be obtained.
  • Example 7 shows the result of polarization observation using the observation apparatus of the present invention (see Embodiments 4 and 6).
  • a section of slugfish (Branchiostoma belcheri) was observed.
  • FIG. 51 is a signal intensity distribution obtained by photoelectrically converting four second holograms.
  • FIG. 52 shows the result of calculating the transmitted light intensity and transmitted light phase at each CCD pixel point using the equations (21) and (22) from the signal intensity distribution of the second hologram shown in FIG. It is.
  • FIG. 53 shows the result of calculating the transmitted light intensity and transmitted light phase at each CCD pixel point from the signal intensity distribution of the two second holograms.
  • the holographic memory of the present invention is not only used for consumer AV, but also for archival use in broadcasting and medical fields (data can be stored for a long period of time), optical disc systems such as data centers (power consumption is 1/6 that of HDDs) This is useful in various applications.

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Abstract

　本発明は、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に再生することができるホログラフィックメモリの再生装置に関する。本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するホログラム生成部と、前記第２のホログラムの強度分布を検出する検出部と、前記強度分布に基づいて前記位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、を有する。

Description

ホログラフィックメモリ再生装置およびホログラフィックメモリの再生方法、復調装置および復調方法、ならびに観測装置および観測方法
　本発明は、ホログラフィックメモリの再生装置および再生方法に関する。また、本発明は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置および復調方法に関する。また、本発明は、光強度分布および光位相分布の観測装置および観測方法に関する。
　これまで、光メモリは、ＣＤやＤＶＤ、ブルーレイディスクなどの２次元記録方式の光ディスクを中心に発展してきた。しかし、２次元記録方式の光メモリはすでに回折限界に到達しており、これ以上の大容量化は困難である。そこで、近年、３次元記録方式の光メモリの開発が活発に行われている。３次元記録方式を採用すれば２次元記録方式よりも記録容量を１００～１０００倍以上に大きくできる可能性がある。理論上は１００ＴＢ級の光ディスクメモリも実現可能である。
　光メモリの大容量化に向けた技術としては、１）近接場光記録方式、２）２光子吸収メモリ、３）ホログラフィックメモリの３つが挙げられる。１）近接場光記録方式は、光の波長サイズ以下の光である「近接場光」を用いる記録方式である。近接場光記録方式は、基本的に２次元記録方式の技術であるが、近接場光を用いることで回折限界を超える高密度記録を実現できる可能性がある。また、２）２光子吸収メモリは、非線形効果の強度依存性を利用することで記録媒体に対して３次元的にアクセスを行うことができる３次元記録方式の光メモリである。これらの技術に対し、３）ホログラフィックメモリは、信号光と参照光との干渉により生成されるホログラムを多重記録することによって、記録媒体を多層化することなく３次元的に記録を行うことができる光メモリである。
　上記１）～３）の光メモリは、現時点においていずれも約５００ＧＢ～１ＴＢ程度の記録容量を達成している。したがって、記録容量の観点からは、上記１）～３）の光メモリの間に優劣の大きな差はない。しかしながら、データ転送速度の観点からは、上記１）～３）の光メモリの中でも空間的に２次元の超並列型入出力機能を有するホログラフィックメモリに大きな優位性がある。最近では、マイクロ秒を超える高速応答の空間光変調器（Spatial Light Modulator；以下「ＳＬＭ」と略記することもある）なども開発されている。このような高速応答のＳＬＭをホログラフィックメモリに適用することで、１００Ｇｂｐｓを超える転送速度を実現できる可能性がある。
　ホログラフィックメモリは、高密度記録と高データ転送レートの両方を実現することができることから、次世代の光メモリとして実用化が期待されている。現在開発されているホログラフィックメモリの記録容量は、６００ＧＢ～１ＴＢ／ディスク程度である（例えば、非特許文献１参照）。ＨＤＤ（３.５インチ、記憶容量２ＴＢ）の１枚のプラッタの片面の記録容量は３３３ＧＢであることから、ホログラフィックメモリは、実用化されている磁気記録媒体と比較すると記録容量の観点からは２～３倍程度の優位性がある。また、ホログラフィックメモリは、理論的にはさらに１０～１００倍まで記録容量を拡大できると考えられている。このような状況下において、ホログラフィックメモリの記録容量を増大させることを目的として、これまでの強度変調方式だけでなく、位相変調方式のホログラフィックメモリも検討されている。しかしながら、位相変調方式のホログラフィックメモリには、光検出器では位相変調信号を直接検出することができないため、何らかの方法で位相変調信号を強度信号に変換してから検出しなければならないという問題があった。
　強度変調方式は最も一般的な変調方法であって、これまでに多くの事例が報告されている（例えば、非特許文献１～３参照）。ホログラフィを用いて情報の記録が可能であると初めて示唆された文献（非特許文献２）から、製品化を視野に入れた最近の文献（非特許文献１，３）に至るまで、ホログラフィを利用した記録方式の多くは、２値（０および１）の強度変調を用いたものである。しかしながら、強度変調は簡易な光学系でシステムを構築できるという利点がある一方で、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうため、記録効率が悪いという問題を有している。この問題は、一般的なフーリエ変換ホログラムにおいて、フーリエ変換像の中央付近の強度がすべてのピクセルの振幅の和に比例するため、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が大きくなってしまうことが原因で起こる（例えば、非特許文献４参照）。
　この強度変調方式の問題を緩和するための手法としては、２値情報をブロックと呼ばれる複数のピクセルに分散してコード化し、ブロック内の一部のピクセルのみを光らせることでデータを表現する変調コードを用いる方法がある。このように変調コードを用いることで、ピクセル間クロストークによるエラーを減らすことができる。また、変調コードを用いることで、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差を小さくして多重記録数を増大させることで、効率的な記録も可能となる（例えば、非特許文献５，６参照）。しかしながら、変調コードを使うと、「（１ブロックあたりの記録ビット数）／（１ブロックあたりのピクセル数）」で定義されるコードレートが１を下回ってしまう。このことは、変調コードを用いた場合のブロックあたりの記録容量が、変調コードを用いない場合の記録容量を原理的に下回ることを意味している。
　ホログラフィックメモリの記録容量を拡大するためには、１つのピクセルあたりに複数の情報を記録する、すなわちコードレートが１を超える手法が必要となる。１を超えるコードレートを実現するためには、０，１の２値を超える多値信号を用いることが必要となる。多値信号は光強度を数段階に分けることによって実現でき、それによってコードレートを飛躍的に向上させることができる。しかしながら、現状の直接検波方式においては、検出系の精度や雑音のため、多値数の増大により再生光の信号対雑音比が大きく劣化してしまう（例えば、非特許文献７参照）。
　強度変調方式において、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうという問題は、位相変調方式によっても解決することができる。位相変調方式は、光波の位相を用いて変調を行う方式であり、近年注目を集めている。たとえば、位相変調方式では、あるピクセルの光波の位相を０としたとき、別のピクセルの光波の位相をπとして情報を表現する。空間光変調器（ＳＬＭ)で生成される２次元のページデータに含まれるピクセルのうち、０とπのピクセルが同数である場合、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が生じず、記録媒体のダイナミックレンジの無駄な消費を抑えることができる。この点は、多重記録数の増大に大きく寄与する。しかしながら、ＣＣＤなどの光電変換デバイスは光の強度にのみ感度を有するため、位相情報を直接検出することはできない。したがって、位相情報を検出するためには、光検出を行う前に位相を強度に変換しなければならない。位相変調方式では、この点が大きな問題点となる。
　位相変調型ホログラフィックメモリを実現するための位相検出手法はこれまでにいくつか提案されている（例えば、非特許文献４，８，９参照）。
　非特許文献４では、ホログラフィックメモリに用いる位相検出手法として、エッジ検出（Edge-Detection）法が提案されている。エッジ検出法は、位相変調型ホログラフィックメモリの特長をうまく利用した手法である。位相変調型ホログラフィックメモリでは、フーリエ変換像の中央の強度（直流成分）が欠落するため、再生はその他の交流成分でのみ行われる。これは、再生像（実空間分布）における０とπのピクセルの境界部分の強度が強調されることを意味する。言い換えれば、ある既知のピクセルを基準として、強度が強調されている境界を辿っていけば全てのピクセルの位相を決定できるということである。この手法は、強度変調型ホログラフィックメモリと何ら変わらない光学系で位相変調型ホログラフィックメモリを実現可能であるという利点がある一方で、多値位相変調信号の検出には不向きであるという問題を有している。
　非特許文献８では、複屈折媒質を用いた位相検出法が提案されている。この手法は、再生光をπ／４波長板を用いて円偏光にし、その後複屈折媒質を通過させる。それによってわずかにずれた再生光同士が干渉し、強度パターンが得られる。予め設計した複屈折媒質によってずらすピクセル数を決定できるため、得られた強度パターンから位相情報を捨てて決定することができる。この手法は、文献内の実験により高い位置ずれ耐性を有するということが分かっており、ずれに敏感な位相検出にとって非常に魅力的な手法である。しかしながら、この手法も、多値信号の検出は難しく、さらに複屈折媒質の高精度な設計が求められるという問題を有している。
　非特許文献９では、一光束記録方式として注目されるコリニア光学系に特化した位相変調型ホログラフィックメモリとして、光フェーズロック方式コリニアホログラムが提案されている。この方式は、コリニアホログラムの再生時に、記録されたホログラムに対して通常のコリニア参照光の他に、位相が既知のフェーズロック光を同時に照射することで、記録した位相情報を強度情報として読み取る方式である。この方式では、フェーズロック光が記録ホログラムを透過するため、その位相分布が位相回折格子を有するホログラム内の伝搬による影響を受ける。このことは、検出面において位相誤差が生ずる原因となりうる。この手法も、高精度に位相情報を記録再生することは難しく、位相多値数も２～４値に留まっている。
Ken-ichi Shimada, Toshiki Ishii, Tatsuro Ide, Steve Hughes, Alan Hoskins, Kevin Curtis, "High density recording using Monocular architecture for 500GB consumer system", Optical Data Storage (ODS) Topical Meeting, TuC2 (2009). P. J. Van Heerden, "Theory of optical information storage in solids", Appl. Opt., Vol.2, No.4, pp.393-400 (1963). Kenji Tanaka, Masaaki Hara, Kazutatsu Tokuyama, Kazuyuki Hirooka, Koji lshioka, Atsushi Fukumoto and Kenjiro Watanabe, "Improved performance in coaxial holographic data recording, "Opt. Exp., Vol.15, No.24, pp.16196-16209 (2007). Joby Joseph and David A. Waldman, "Homogenized Fourier transform holographic data storage using phase spatial light modulators and methods for recovery of data from the phase image", Appl. Opt., Vol.45, pp.6374-6380 (2006). Geoffrey W. Burr, Jonathan Ashley, Hans Coufal, Robert K. Grygier, John A. Hoffnagle, C. Michael Jefferson and Brian Marcus, "Modulation coding for pixel-matched holographic data storage" Opt. Lett., Vol.22, pp.639-641 (1997).および Jinyoung Kim and Jaejin Lee, "Two-Dimensiona1 5:8 Modulation Code for Ho1ographic Data Storage", Jpn. J. of Appl. Phys., Vol.48, 03A031-1-03A031-4 (2009). Geoffrey W. Burr, Gabriele Barking, Hans Coufal, John A. Hoffnagle, C. Michael Jeffcrson and Mark A. Neifeld, "Gray-scale data pages for digital ho1ographic data storagc, "Opt. Lett., Vol.23, No.15, pp.1218-1220 (1998). Pal Koppa, "Phase-to-amplitude data page conversion for holographic storage and optical encryption,"Appl. Opt., Vol.46, pp.3561-3571 (2007). 井上光輝,"光フェーズロック方式コリニアホログラフィー（次世代コリニアホログラムメモリの実現を目指して）"，OPTRONICS，No.12，pp.76-80 (2008).
　以上のように、従来の強度変調型ホログラフィックメモリには、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうため、多重記録の効率が悪いという問題がある。変調コードを用いる方式では、上記問題を回避することができるが、ブロックあたりのコードレートが低くなるため、記録容量が小さくなってしまうという問題がある。コードレートを高めるためには多値強度信号を用いる必要があるが、検出系の精度や雑音により、大きな多値数を有する強度変調型ホログラフィックメモリは実現していない。
　位相変調型ホログラフィックメモリは、これらの問題を解決することができる。しかしながら、位相変調型ホログラフィックメモリには、位相情報を検出するために、光検出を行う前に位相を強度に変換しなければならないという問題がある。また、変換後の強度信号を検出する際には、強度変調型ホログラフィックメモリと同様に検出系の精度や雑音の問題が存在する。結果として、大きな多値数を有する位相変調型ホログラフィックメモリは実現していない。
　本発明の目的は、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に再生することができるホログラフィックメモリの再生装置および再生方法を提供することである。
　また、本発明の別の目的は、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に復調することができる空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置および復調方法を提供することである。
　また、本発明の別の目的は、観測対象からの透過光または反射光における光強度分布および光位相分布をリアルタイムに観測することができる、光強度分布および光位相分布の観測装置および観測方法を提供することである。
　本発明者は、ホログラフィックメモリに記録されたホログラム（第１のホログラム）の回折光と、参照光とから第２のホログラムを生成することで、ホログラフィックメモリに記録された位相変調信号を高精度に復調できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。
　すなわち、本発明は、以下のホログラフィックメモリ再生装置に関する。
　［１］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって：第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と；前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するホログラム生成部と；前記第２のホログラムの強度分布を検出する検出部と；前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と；を有するホログラフィックメモリ再生装置。
　［２］レーザ光を出射するレーザ光源と；前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するレーザ光分離部と；をさらに有する、［１］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
　［３］前記ホログラム生成部は、前記第２の参照光の位相を変化させる可変位相シフタと、前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記可変位相シフタにより位相を変えられた第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタとを有する、［１］または［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
　［４］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
　［５］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
　［６］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射する第１のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第１の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記第２の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射する第２のビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
　［７］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
　［８］レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する空間直交振幅変調信号光生成部と；前記信号光と参照光とから生成される第１のホログラムをホログラフィックメモリに記録する記録部と；をさらに有する、［１］～［７］のいずれか一項に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
　［９］前記空間直交振幅変調信号光生成部は、前記レーザ光が入射されるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第１の空間光変調器と、前記ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第２の空間光変調器とを有し；前記ビームスプリッタと前記第１の空間光変調器との間の光路長ＬＩ、および前記ビームスプリッタと前記第２の空間光変調器との間の光路長ＬＱは、以下の式（１）を満たす；［８］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
 　（ここで、λは前記レーザ光の波長である。）
　また、本発明は、以下のホログラフィックメモリの再生方法に関する。
　［１０］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって：第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するステップと；前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するステップと；前記第２のホログラムの強度分布を検出するステップと；前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと；を有するホログラフィックメモリの再生方法。
　［１１］レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するステップをさらに有する、［１０］に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
　また、本発明は、以下の復調装置に関する。
　［１２］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と；前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と；前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と；前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と；を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置。
　また、本発明は、以下の復調方法に関する。
　［１３］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信するステップと；前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと；前記のホログラムの強度分布を検出するステップと、前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと；を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調方法。
　また、本発明は、以下の観測装置に関する。
　［１４］観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と；前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と；前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と；前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部と；を有する、光強度分布および光位相分布の観測装置。
　また、本発明は、以下の観測方法に関する。
　［１５］観測対象からの透過光または反射光を入力するステップと；前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと；前記のホログラムの強度分布を検出するステップと；前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出するステップと；を有する、光強度分布および光位相分布の観測方法。
　本発明のホログラフィックメモリ再生装置および再生方法によれば、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に再生することができる。したがって、本発明のホログラフィックメモリ再生装置および再生方法によれば、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を記録されたホログラフィックメモリを高精度に再生することができる。
　また、本発明の復調装置および復調方法によれば、雑音の影響を受けることなく、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を高精度に復調することができる。
　また、本発明の観測装置および観測方法によれば、観測対象からの透過光または反射光における光強度分布および光位相分布をリアルタイムに観測することができる。
実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。 空間直交振幅変調信号光生成部の構成の一例を示す模式図である。 空間直交振幅変調信号光生成部の構成の別の例を示す模式図である。 実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いてホログラフィックメモリにデータページを記録する様子を示す模式図である。 実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いてホログラフィックメモリからデータページを読み出す様子を示す模式図である。 実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。 図６の第３のビームスプリッタの周辺部分の拡大模式図である。 実施の形態３のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。 実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。 実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。 実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。 実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。 実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部のさらに別の構成を示す模式図である。 実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。 実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。 コリニア・ホログラフィ法で記録および再生をする様子を示す模式図。 図１７Ａは、コリニア・ホログラフィ法で記録する際の空間光変調器のパターンを示す図であり、図１７Ｂは、コリニア・ホログラフィ法で再生する際の空間光変調器のパターンを示す図である。 実施例１，２においてシミュレーションに用いた本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。 実施例１で使用した８値空間位相変調信号（８－ＳＰＭ）のダイアグラムである。 図２０Ａは、オリジナルのデータページを示す図であり、図２０Ｂは、復調後のデータページを示す図である。 データページ＃１の第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 データページ＃２の第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 データページ＃３の第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 復調後のデータページ＃１が有する位相情報を示すヒストグラムである。 実施例２で使用した８値空間直交振幅変調信号（８－ＳＱＡＭ）のダイアグラムである。 図２６Ａは、オリジナルのデータページの振幅情報を示す図であり、図２６Ｂは、オリジナルのデータページの位相情報を示す図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図２７に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。 図２８に示されるデータを各データピクセル内で平均化処理して得られたデータを示す図である。 図２９に示されるデータを閾値処理して得られたデータを示す図である。 実施例３において使用した本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。 実施例３，４で使用した６値空間直交振幅変調信号（８－ＳＱＡＭ）のダイアグラムである。 図３３Ａは、オリジナルのデータページの論理値を示す図であり、図３３Ｂは、オリジナルのデータページの物理値を示す図である。 コリニアリングパターンを示す図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図３５に示される信号強度分布から復調したデータページを示す図である。 実施例４において使用した本発明の復調装置の構成を示す模式図である。 オリジナルのデータページの論理値を示す図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図４０Ａは、図３９に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図であり、図４０Ｂは、図３９Ａに示されるデータを平均化処理および閾値処理して得られたデータを示す図である。 実施例５において使用した本発明の観測装置の構成を示す模式図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図４３に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図４５に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。 実施例６において使用した本発明の観測装置の構成を示す模式図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図４８に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図５０に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。 第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。 図５２に示される４枚の信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。 図５３に示される２枚の信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
　本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置である。ここで、「空間位相変調信号」とは、空間位相変調（ＳＰＭ）により変調された信号をいう。また、「空間直交振幅変調信号」とは、空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）により変調された信号をいう。
　「位相変調（Phase Modulation；以下「ＰＭ」と略記する）」は、無線通信や光通信などの通信技術の分野で使用される、位相変調、位相シフト変調（Phase Shift Modulation；ＰＳＭ）または位相シフトキーイング（Phase Shift Keying；ＰＳＫ）による変調方式である。ＰＭは、搬送波の位相を変化させることで情報を伝達する。本発明のホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＰＭと同様に、位相を変化させた信号光を記録する。しかしながら、ホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、データページとしてこれを記録および再生する。そこで、本願明細書では、本発明で使用する位相変調による変調方式を、通信技術の分野で使用される「位相変調（ＰＭ）」と区別するために「空間位相変調（Spatial Phase Modulation；ＳＰＭ）」と呼ぶ。ＳＰＭは、光メモリ分野において用いられる位相変調および多値位相変調の概念を含む。
　「直交振幅変調（Quadrature Amplitude Modulation；以下「ＱＡＭ」と略記する）」は、無線通信や光通信などの通信技術の分野で使用される、振幅変調（Amplitude Modulation；ＡＭ）と位相変調（Phase Modulation；ＰＭ）を組み合わせた変調方式である。ＱＡＭは、振幅および位相の両方の要素を変化させることで複数の情報を一度に伝達することができる。本発明のホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＱＡＭと同様に、振幅および位相の両方の要素を変化させた信号を記録する。しかしながら、ホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、データページとしてこれを記録および再生する。そこで、本願明細書では、本発明で使用する振幅変調と位相変調とを組み合わせた変調方式を、通信技術の分野で使用される「直交振幅変調（ＱＡＭ）」と区別するために「空間直交振幅変調（Spatial Quadrature Amplitude Modulation；ＳＱＡＭ）」と呼ぶ。
　本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、レーザ光源、ホログラム回折光生成部、ホログラム生成部と、検出部および処理部を有する。
　レーザ光源は、ホログラフィックメモリからデータページを再生する際に用いられる参照光（第１の参照光および第２の参照光）の光源である。
　第１の参照光は、第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリに照射される参照光である。第１の参照光は、第１のホログラムに対してブラッグの条件を満たすレーザ光であればよい。たとえば、第１のホログラムを記録する際に用いた参照光と同一波長の光を同一角度から照射すればブラッグの条件は満たされる。ただし、ブラッグの条件を満たせば、第１の参照光の波長および照射角度はこれに限定されるものではない。後述するように、ホログラム回折光生成部において第１の参照光をホログラフィックメモリに照射することで、第１のホログラムの回折光が生成される。
　第２の参照光は、この第１のホログラムの回折光と干渉しうるレーザ光である。すなわち、第２の参照光は、第１の参照光と同一の波長のレーザ光である。後述するように、ホログラム生成部において第１のホログラムの回折光と第２の参照光とを混合することで、第２のホログラムが生成される。通常、第２の参照光は、ホログラフィックメモリに照射されない。すなわち、第２の参照光は、ホログラフィックメモリを透過することなく、第１のホログラムの回折光と混合される。
　第１の参照光のレーザ光源と第２の参照光のレーザ光源とは、同一の光源であってもよいし、異なる光源であってもよい。第１の参照光および第２の参照光のレーザ光源が同一の場合は、レーザ光分離部を設けて、レーザ光源から出射されたレーザ光を第１の参照光と第２の参照光とに分離すればよい（実施の形態１参照）。
　ホログラム回折光生成部は、第１の参照光をホログラフィックメモリに照射して第１のホログラムの回折光を生成する。
　ホログラム生成部は、第２の参照光の位相を変化させる。たとえば、ホログラム生成部は、第２の参照光の位相を０，π／２，π，３π／４に変化させる。また、ホログラム生成部は、ホログラム回折光生成部で生成された第１のホログラムの回折光と、位相を変化させた第２の参照光のぞれぞれとから、第２のホログラムを生成する。たとえば、第２の参照光の位相を４回変化させた場合は、４枚の第２のホログラムを生成する。
　第２の参照光の位相を変化させる数（第２のホログラムを生成する数）は、位相変調の多値数と同数であってもよいが、同数である必要はない。後述する実施の形態１に示すように、位相変調の多値数に関係なく、第２の参照光の位相を少なくとも３回変化させることで、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調することができる。第２のホログラムを生成する数を増やすことで、測定誤差を減らすことができる。
　第２の参照光のビーム径は、第１のホログラムの回折光のビーム径以上であれば特に限定されない。第２の参照光のビーム径が第１のホログラムの回折光のビーム径未満の場合、第１のホログラムの回折光の周辺部に含まれる信号を復調することができない。また、復調の精度を高める観点からは、第２の参照光は平面波であることが好ましい。
　ホログラム生成部が第２の参照光の位相を変化させる手段は、特に限定されない。たとえば、可変位相シフタを使用して、第２の参照光の位相を変化させてもよい（実施の形態１参照）。また、ホログラム生成部の光学系を構成するビームスプリッタ間の間隔を調整して、第２の参照光の位相を変化させてもよい（実施の形態２参照）。また、半波長板、λ／４波長板および偏光ビームスプリッタを組み合わせて使用して、第２の参照光の位相を変化させてもよい（実施の形態３～５参照）。
　検出部は、ホログラム生成部で生成されたすべての第２のホログラムの強度分布を検出する。検出部は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどの光画像検出器（撮像素子）である。検出部が一度に検出しうるピクセル数は、第１のホログラムに記録されているデータページ（２次元データ）のピクセル数以上であることが必要である。
　処理部は、検出部で検出された第２のホログラムの強度分布に基づいて、位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調する。たとえば、処理部は、検出部に接続されたコンピュータである。
　前述の通り、現存する光画像検出器（撮像素子）は、強度を検出することはできるが、位相を検出することはできない。そこで、本発明のホログラフィックメモリ再生装置では、第２の参照光の位相を変えることで得られる複数の第２のホログラムの強度のパターン（組み合わせ）から、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号に含まれる位相情報を読み出す。
　たとえば、データページ内のある特定のピクセルについて、位相φの情報を記録した第１のホログラムの回折光と第２の参照光とから第２のホログラムを生成する場合に、第２の参照光の位相を０，π／２，π，３π／２として、第２のホログラムを４枚生成したとする。得られた第２のホログラムの強度は、例えば１枚目＝大、２枚目＝中、３枚目＝小、４枚目＝中となる。同様に、データページ内のある特定のピクセルについて、位相φ’（位相φとは異なる）の情報を記録した別の第１のホログラムの回折光と第２の参照光とから第２のホログラムを生成する場合に、第２の参照光の位相を０，π／２，π，３π／２として、第２のホログラムを４枚生成したとする。得られた第２のホログラムの強度は、例えば１枚目＝中、２枚目＝小、３枚目＝中、４枚目＝大となる。このようなパターンの違いから、第１のホログラムの回折光に含まれる位相情報を読み出すことができる。第２のホログラムの強度分布から空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調する手法については、後述する各実施の形態において詳細に説明する。
　上記の例では、４値の位相しか区別することができないが、第２の参照光の位相をより細かく変えたり、検出部において強度の検出段階をより細かくしたりすることで、より多くの位相値を区別することができる。
　後述する実施の形態１に示されるように、本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、空間位相変調信号光生成部または空間直交振幅変調信号光生成部と、記録部とをさらに有するホログラフィックメモリ記録再生装置であってもよい。
　空間位相変調信号光生成部は、レーザ光を空間位相変調して位相変調信号を含む信号光を生成する。同様に、空間直交振幅変調信号光生成部は、レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する。たとえば、空間直交振幅変調信号光生成部は、振幅変調を行う空間光変調器および位相変調を行う空間光変調器を用いて空間直交振幅変調する。
　また、空間直交振幅変調信号光生成部は、振幅変調を行う空間光変調器のみを用いても空間直交振幅変調をすることができる。この場合、空間直交振幅変調信号光生成部は、レーザ光が入射されるビームスプリッタと、ビームスプリッタで反射したレーザ光の振幅を変調する反射型の第１の空間光変調器と、ビームスプリッタを透過したレーザ光の振幅を変調する反射型の第２の空間光変調器とを有し、ビームスプリッタと第１の空間光変調器との間の光路長ＬＩ、およびビームスプリッタと第２の空間光変調器との間の光路長ＬＱが所定の条件を満たすように調整される（実施の形態１参照）。
　記録部は、空間位相変調信号光生成部または空間直交振幅変調信号光生成部により生成された信号光と、参照光とから生成される第１のホログラムをホログラフィックメモリに記録する。
　次に、本発明のホログラフィックメモリ再生装置が、ホログラフィックメモリを再生する手順について説明する。
　まず、レーザ光源が、レーザ光を出射する。第１の参照光と第２の参照光の光源が異なる場合、第１のレーザ光源が第１の参照光を出射し、第２のレーザ光源が第２の参照光を出射する。一方、第１の参照光と第２の参照光の光源が同一の場合、レーザ光源から出射されたレーザ光は、レーザ光分離部において第１の参照光と第２の参照光に分離される。第１の参照光は、ホログラム回折光生成部において、ホログラフィックメモリに照射される。これにより、ホログラフィックメモリから、第１のホログラムの回折光が生成する。ここまでの工程は、レーザ光分離部において第２の参照光を分離する点を除いては、従来のホログラフィックメモリの再生方法と同じである。
　第１のホログラムの回折光は、ホログラム生成部において第２の参照光と混合される。このとき、ホログラム生成部は、位相変調の多値数に応じて第２の参照光の位相を変化させる。これにより、位相変調の多値数に応じた数の第２のホログラムが生成される。検出部は、第２のホログラムの強度分布を検出し、処理部へ送信する。
　処理部は、検出部から送られてきた第２のホログラムの強度分布に基づいて前記位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する。
　以上のように、本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、ホログラム生成部において、ホログラフィックメモリに記録されたホログラム（第１のホログラム）の回折光と、第２の参照光とから第２のホログラムを生成して、この第２のホログラムの強度分布を用いて位相変調信号を復調する。
　本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、２値または多値の振幅変調信号、２値または多値の位相変調信号、振幅変調と位相変調とを組み合わせた空間直交振幅変調信号を復調することができる。
　なお、上記の説明では、ホログラム生成部において生成された第２のホログラムの強度分布を検出部においてすぐに検出する態様について説明した。しかしながら、本発明のホログラフィックメモリの再生装置および再生方法は、必ずしも第２のホログラムの強度分布をすぐに検出する必要はなく、第２のホログラムとして光学的なホログラムを一旦形成してもよい。この場合、光学的なホログラムである第２のホログラムを再生し、得られた回折光と第２の参照光とから生成されるホログラム（第２のホログラムと同じもの）の強度分布を検出部が検出する。このように第２のホログラムとして光学的なホログラムを形成する場合、第１のホログラムには、大容量化に適切なホログラム記録方式を選択し、第２のホログラムには、大容量化には適さなくても、高精度な検出が可能なホログラム記録方式を選択すればよい。
　また、上記ホログラム生成部、検出部および処理部を用いれば、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調することができる。すなわち、ホログラム生成部、検出部および処理部を有する装置は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置として利用可能である（実施例４参照）。
　たとえば、本発明の復調装置は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と、前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部とを有する。
　本発明の復調装置は、上記本発明のホログラフィックメモリ再生装置と同様の手順により、空間位相変調信号および空間直交振幅変調信号を復調することができる。
　また、上記ホログラム生成部、検出部および処理部を用いれば、観測対象からの透過光または反射光における強度および位相の２次元分布を観測することができる。すなわち、ホログラム生成部、検出部および処理部を有する装置は、観測対象からの透過光または反射光における光強度分布および光位相分布の観測装置として利用可能である（実施例５，６参照）。観測対象の種類は、特に限定されず、例えば生体サンプルである。
　たとえば、本発明の観測装置は、観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と、前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部とを有する。
　本発明の観測装置は、第１のホログラムの回折光の代わりに観測対象からの透過光または反射光を入力する。すなわち、本発明の観測装置は、ホログラフィックメモリの代わりに観測対象に光（第一の参照光に相当）を照射し、観測対象からの透過光または反射光を前述の「空間直交振幅変調信号」として処理することにより、透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する。
　以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されない。
　（実施の形態１）
　実施の形態１では、振幅変調と位相変調とを併用して生成された信号光（空間直交振幅変調信号光）を用いてホログラフィックメモリにデータページ（２次元データ）を記録し、かつこのホログラフィックメモリから記録されたデータページを再生することができるホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
　図１は、実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。図１に示されるように、実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置１００は、レーザ光源１０５、第１のビームスプリッタ１１０、空間直交振幅変調信号光生成部１１５、第１のレンズ１２０、第１のミラー１２５、第２のビームスプリッタ１３０、光シャッタ１３５、第２のレンズ１４０、可変位相シフタ１４５、第２のミラー１５０、第３のビームスプリッタ１５５、ＣＣＤ１６０および処理部（図示せず）を有する。
　このホログラフィックメモリ記録再生装置１００は、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１４０との間に配置されたホログラフィックメモリ（記録媒体）１６５にデータページ（第１のホログラム）を記録し、このホログラフィックメモリ１６５からデータページを再生する。ホログラフィックメモリ１６５は、ホログラフィックメモリ記録再生装置１００から取り外すことが可能であり、ＣＤやＤＶＤなどのようにリムーバブルメモリとして使用されうる。
　レーザ光源１０５は、ホログラフィックメモリにデータページ（第１のホログラム）を記録する際に用いられる信号光および参照光（第１の参照光）と、ホログラフィックメモリからデータページを再生する際に用いられる参照光（第１の参照光および第２の参照光）の光源である。
　第１のビームスプリッタ１１０は、レーザ光源１０５から出射されたレーザ光を信号光と参照光（第１の参照光および第２の参照光）とに分離する。
　空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、ホログラフィックメモリにデータページを記録する際に、第１のビームスプリッタ１１０により分離された信号光の振幅（強度）および位相を変化させて、空間直交振幅変調信号を生成する。すなわち、空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）により信号光にデータページ（２次元データ）を担持させる。
　空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）では、変調する信号の同相成分をＩとし、直交成分をＱとするとき、これらの信号を以下のように表わすことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　ここで、光波の周波数をω、時間ｔ、波数ｋ、空間変数ｒとすると、三角関数の加法定理より
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 　と表わされる。すなわち、信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを変調することは、光波の振幅Ａと位相φを変調することと等価である。
　たとえば、空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、図２に示されるように振幅変調を行う空間光変調器（ＳＬＭ１）と位相変調を行う空間光変調器（ＳＬＭ２）とから構成される。空間光変調器は、２次元の光信号（画像など）の振幅Ａ（ｘ，ｙ）および位相ｅｘｐ｛ｉφ（ｘ，ｙ）}の空間分布を電気的に制御することができる。空間光変調器の例には、ＬＣＤ（透過型液晶）、ＬＣＯＳ（透過型液晶）、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などが含まれる。なお、振幅変調または位相変調のみを行う場合には、１台の空間光変調器（ＳＬＭ）を用いればよい。
　また、空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、図３に示されるようにマイケルソンの干渉計を利用して、Ｉ信号とＱ信号を独立（並列）に強度変調してから混合する構成であってもよい。Ｉ信号およびＱ信号は、式（１）で表わされる強度信号である。図３に示される２つの空間光変調器（ＳＬＭ１およびＳＬＭ２）は、いずれも振幅変調を行う反射型の空間光変調器である。Ｉ信号は、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）によって振幅変調される。Ｑ信号は、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）によって振幅変調される。図３に示される態様では、ＳＬＭ１とビームスプリッタ（ＢＳ）との間の光路長ＬＩおよびＳＬＭ２とＢＳとの間の光路長ＬＱを「ＬＩ－ＬＱ＝λ／４」となるように設定する（λ：光波の波長）。このようにすることで、直交振幅変調信号光の生成位置ＳにおけるＩ信号とＱ信号の位相差がπ／２となる。したがって、以下に示されるように、図２に示される態様と等価な信号を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　第１のレンズ１２０は、空間直交振幅変調信号光生成部１１５により変調された信号光（空間直交振幅変調信号光）をフーリエ変換するとともに、ホログラフィックメモリ１６５の所望の位置に集光照射するためのレンズである。
　第１のミラー１２５は、第１のビームスプリッタ１１０により分離された参照光（第１の参照光および第２の参照光）を第２のビームスプリッタ１３０に入射させるためのミラーである。
　第２のビームスプリッタ１３０は、第１のビームスプリッタ１１０により分離された参照光を第１の参照光と第２の参照光とに分離する。すなわち、第２のビームスプリッタ１３０は、「レーザ光分離部」として機能する。
　光シャッタ１３５は、第２のビームスプリッタ１３０により分離された第２の参照光を遮断する。
　第２のレンズ１４０は、第１のレンズ１２０と等価なレンズであり、ホログラフィックメモリ１６５に記録されたホログラム（第１のホログラム）の回折光を逆フーリエ変換する。
　可変位相シフタ１４５は、第２のビームスプリッタ１１０により分離された第２の参照光の位相を変化させる。可変位相シフタ１４５の例には、液晶素子やピエゾ素子などが含まれる。
　第２のミラー１５０は、可変位相シフタ１４５により位相を変化させられた第２の参照光を第３のビームスプリッタ１５５に入射させるためのミラーである。
　第３のビームスプリッタ１５５は、第２のレンズ１４０により逆フーリエ変換された第１のホログラムの回折光と、可変位相シフタ１４５により位相を変化させられた第２の参照光とから第２のホログラムを生成する。可変位相シフタ１４５、第２のミラー１５０および第３のビームスプリッタ１５５は、「ホログラム生成部」として機能する。
　ＣＣＤ１６０は、第２のホログラムの強度分布を検出する。検出された強度分布は、光電変換されて処理部に送られる。ＣＣＤ１６０は、「検出部」として機能する。
　処理部（図示せず）は、光電変換された第２のホログラムの強度分布の情報を処理して、空間直交振幅変調信号を復調する。
　次に、本実施の形態のホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５にデータページ（２次元データ）を記録する手順について説明する。
　図４は、ホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５にデータページ（第１のホログラム）を記録する様子を示す模式図である。
　図４に示されるように、ホログラフィックメモリ１６５にデータページを記録する際には、光シャッタ１３５により第２の参照光２３０を遮断する。この状態で、空間直交振幅変調信号光生成部１１５によって生成された信号光２１０（空間直交振幅変調信号光）と、第２のビームスプリッタ１１０により分離された第１の参照光２２０とをホログラフィックメモリ１６５の所定の位置に集光照射して、ホログラム（第１のホログラム）を記録する。このとき、ホログラフィックメモリ１６５の同一の位置に複数のホログラムまたはデータページを多重記録することももちろん可能である。多重記録の方法には、第１の参照光２２０の入射角度を変化させて多重記録する角度多重記録や、第１の参照光２２０の位相を変化させて多重記録する位相コード多重記録などが含まれる。
　次に、本実施の形態のホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５に記録された第１のホログラムからデータページを復元する手順について説明する。
　図５は、ホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５からデータページを読み出す様子を示す模式図である。
　図５に示されるように、ホログラフィックメモリ１６５からデータページを読み出す際には、空間直交振幅変調信号光生成部１１５の空間光変調器（ＳＬＭ）により信号光２１０を遮断する。空間光変調器の代わりに、光シャッタを信号光２１０の光路上に設置して信号光２１０を遮断してもよい。一方、第２の参照光２３０の光路上の光シャッタ１３５は、開放する。この状態で、第１の参照光２２０をホログラフィックメモリ１６５の所定の位置に集光照射して、第１のホログラムの回折光２４０を発生させる。そして、この第１のホログラムの回折光２４０と第２の参照光２３０とを干渉させることによって、第２のホログラム２５０を生成する。そして、ＣＣＤ１６０は、この第２のホログラム２５０の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を光電変換し、２次元情報を復元する。このとき、第２の参照光２３０の位相を可変位相シフタ１４５によって変化させて、複数の第２のホログラムを生成し、光電変換によって得られる複数の２次元信号データを電気的に処理することによって、ホログラフィックメモリに記録された空間直交振幅変調信号を高精度に復調することができる。
　ここで、ＣＣＤ１６０で検出された強度分布から、第１のホログラムに記録された空間直交振幅変調信号Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛ｉφ（ｘ，ｙ）}を復調する２つの方法（第１の方法および第２の方法）について説明する。ここでは、記録されたＮ値位相情報がφｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）のいずれかであると仮定する。
　１）第１の方法
　第１の方法では、第２の参照光２３０の位相をφ１，φ２，…φＮと変化させて、特性の異なる第２のホログラムをＮ回生成する。このとき、第２のホログラムの再生光の強度が最も高いときの第２の参照光の位相が第１のホログラムに記録された位相情報であるとする。振幅情報については、図５に示される光シャッタ１３５を閉じ、第２のホログラムを生成せず、第１のホログラムの回折光２４０のみをＣＣＤ１６０で観測することによって、光電変換によって位相成分が自動的に除去されるため振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を復調できる。
　この方法は、デジタル信号処理の負担は小さいものの、変調信号における多値数Ｎと復調に必要な第２のホログラムの生成回数が等しいため、多値数Ｎが大きくなると位相情報の復調に必要なホログラム生成回数も増加してしまう。
　２）第２の方法
　空間直交振幅変調信号光Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛ｉφ（ｘ，ｙ）}を第１のホログラムに記録する際の第１の参照光２２０の複素振幅をＲとすると、第１のホログラム面上に生ずる強度分布は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 　となる。式（３）の強度分布を第１のホログラムに光学的に記録すると、その振幅透過率分布は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 　という形で記録される。ここで、Ｔ０およびｔ１は、第１のホログラムを構成する感光材料の種類や記録方式によって決まる定数である。
　空間直交振幅変調信号の復調過程において、まず、第１のホログラムを第１の参照光２２０によって再生した時に得られる光波は、式（３）、（４）より
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 　となる。式（５）において、第１のホログラムの再生時に生ずる回折光の信号成分は、右辺第４項に含まれる。それ以外の成分の光は、伝搬方向が異なるため空間フィルタなどで容易に除去することが可能である。したがって、第１のホログラムを再生して得られる第２のホログラムの記録光Ｓは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 　に比例する。ここで、ηは第１のホログラムの回折効率であり、η＝ｔ１｜Ｒ｜２である。また、ＡＮは、空間フィルタで除去できなかった不要な回折光成分および第２のホログラムの記録光に混入する雑音成分である。
　式（６）の第２のホログラムの記録光２４０（第１のホログラムの回折光の信号成分）と第２の参照光２３０（複素振幅Ｒ’）によって、最初に第１のホログラムに記録された空間直交振幅変調信号がＣＣＤ上に生成される第２のホログラムに転写される。その際、第２の参照光２３０は、可変位相シフタ１４５によって以下の位相シフトを加えられるものとする。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 　ここで、Ｒ０は複素振幅Ｒ’の振幅であり、ｉｍΔΨは位相である。また、ｍは、整数（ｍ＝１，２，…，Ｍ）である。Ｍは、第２の参照光２３０の位相をシフトする回数であり、第２のホログラムの生成数に相当する。
　すなわち、ｍを１からＭまで、つまり第２の参照光２３０の位相を変化させてＭ個の異なる第２のホログラムを生成し、同時にその再生を行う。このとき、ＣＣＤ１６０の面上に生ずるｍ個目の第２のホログラムの強度分布は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 　となる。雑音成分であるＡＮに比例する項は、第２の参照光２３０と干渉性を有しないためホログラム分布に寄与しない。ただし、（ＡＮ）２の成分は雑音となり、ＩＮ＝（ＡＮ）２とすると、式（８）は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 　と書ける。ここで、Ｉ０＝η２Ａ２＋Ｒ０ ２とおくと
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
 　となる。ＣＣＤ１６０の光電変換効率が光強度に対してほぼ一定であり、その変換効率をｑとすると、ｍ個目のホログラム強度分布に対してＣＣＤ１６０から出力される電気信号強度Ｖｍ（ｘ，ｙ）＝ｑＩｍは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
 　となる。上式におけるＶＮは、光電変換において生ずる雑音成分である。ここで、３つのパラメータａ，ｂ，ｃを
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
 　とおくと、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
 　と表わされる。
　第２のホログラムの強度分布を検出する際に、Ｖｍの実際の測定値がＶｍ’になったとすると、測定者が知り得る情報は、Ｖｍ’とｍΔΨである。そこで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
 　となるように（ここでｍｉｎ．は最小値を表わす）、未知のパラメータａ，ｂ，ｃをコンピュータなどを用いて決定すればよい。このように算出されたパラメータａ，ｂ，ｃを用いると、式（１１）より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
 　が得られ、空間直交振幅信号光の位相情報を復調することができる。また、同じく式（１１）より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
 　が得られ、空間直交振幅信号光の振幅情報を復調することができ、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
 　となる。すべて（Ｍ個）の第２のホログラムにおいて参照光の強さＲ０が一定であれば
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
 　となる。
　以上のプロセスにおいて特徴的なことは、位相および振幅の多値数Ｎに関わらず、未知のパラメータの数はａ，ｂ，ｃの３つであることから、第２のホログラムを最低３回生成することで（Ｍ＝３）、直交振幅変調信号光を復調することができる。これは、大きな多値数Ｎを用いたホログラフィックメモリを再生する場合に、第２のホログラムの生成回数がＭ＝Ｎとなる第１の方法と比べて優位性がある。また、第２のホログラムの生成において第２の参照光２３０の強さを一定に保つことで、パラメータｂとｃによる信号の復調が可能であり、検出において生ずる雑音成分の影響（パラメータａに含まれる雑音成分ＩＮおよびＶＮ)を受けない利点がある。
　次に、パラメータａ，ｂ，ｃの算出手順を述べる。まず、式（１３）においてα＝ｍΔΨとおき、パラメータａ，ｂ，ｃの各々で偏微分して０とおくと、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
 　が得られる。ここで、第２の参照光２３０に与える位相シフトのステップをΔΨ＝２π／Ｍと設定すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
 　となるので、計算が大幅に容易となり、各パラメータは
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000023
 　と求まる。この結果を式（１４）および式（１７）に代入すると
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000024
 　となり、空間直交振幅変調信号の位相情報が求まる。振幅情報については
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000025
 　より求められる。
　以上のように、実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置は、位相変調と振幅変調とを併用して生成された信号光（空間直交振幅変調信号光）を用いてホログラフィックメモリにデータページ（２次元データ）を記録し、かつこのホログラフィックメモリからデータページを高精度に再生することができる。
　（実施の形態２）
　実施の形態１では、Ｍ個の第２のホログラムを生成する際に可変位相シフタを用いて第２の参照光の位相を変化させた。実施の形態２では、特別な干渉計を利用することで、可変位相シフタを用いずにＭ個の第２のホログラムを同時に生成するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
　実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。ここでは、一例として
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000026
 　としたときの、実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を図６に示す。
　図６に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５、第４のビームスプリッタ３２０、位相シフタ３２５、第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０、第４のＣＣＤ３４５を有する。第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５、第４のビームスプリッタ３２０および位相シフタ３２５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５は、「検出部」として機能する。図６において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた互いに干渉性のあるレーザ光である。
　第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５および第４のビームスプリッタ３２０は、それぞれ入射した光束を２つの光束に分割する。第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５および第４のビームスプリッタ３２０は、図６に示される位置関係で配置される。
　図６に示されるように、第１のビームスプリッタ３０５には、第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光の一部は透過して第３のビームスプリッタ３１５に向かい、残部は反射して第４のビームスプリッタ３２０に向かう。同様に、第２のビームスプリッタ３１０には、第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は反射して第３のビームスプリッタ３１５に向かい、残部は透過して第４のビームスプリッタ３２０に向かう。
　第３のビームスプリッタ３１５の第１の面には、第１のビームスプリッタ３０５を透過した第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第１のＣＣＤ３３０に向かい、残部は透過して第２のＣＣＤ３３５に向かう。一方、第３のビームスプリッタ３１５の第２の面には、第２のビームスプリッタ３１０で反射した第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第１のＣＣＤ３３０に向かい、残部は反射して第２のＣＣＤ３３５に向かう。
　第４のビームスプリッタ３２０の第１の面には、第１のビームスプリッタ３０５で反射した第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第３のＣＣＤ３４０に向かい、残部は透過して第４のＣＣＤ３４５に向かう。一方、第４のビームスプリッタ３２０の第２の面には、第２のビームスプリッタ３１０を透過した第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第３のＣＣＤ３４０に向かい、残部は反射して第４のＣＣＤ３４５に向かう。
　位相シフタ３２５は、図６に示されるように、第２のビームスプリッタ３１０と第４のビームスプリッタ３２０との間に配置される。位相シフタ３２５は、第２のビームスプリッタ３１０により分離された第２の参照光の位相を変化させる。
　第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５は、図６に示される位置関係で配置される。第１のＣＣＤ３３０は、第３のビームスプリッタ３１５で反射した第１のホログラムの回折光２４０と第３のビームスプリッタ３１５を透過した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第２のＣＣＤ３３５は、第３のビームスプリッタ３１５を透過した第１のホログラムの回折光２４０と第３のビームスプリッタ３１５で反射した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第３のＣＣＤ３４０は、第４のビームスプリッタ３２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０と第４のビームスプリッタ３２０を透過した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第４のＣＣＤ３４５は、第４のビームスプリッタ３２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０と第４のビームスプリッタ３２０で反射した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。
　図６に示される光学系は、第１のビームスプリッタ３０５と第３のビームスプリッタ３１５との間の光路長Ｌ１と、第２のビームスプリッタ３１０と第３のビームスプリッタ３１５との間の光路長Ｌ２と、第１のビームスプリッタ３０５と第４のビームスプリッタ３２０との間の光路長Ｌ３と、第２のビームスプリッタ３１０と第４のビームスプリッタ３２０との間の光路長Ｌ４とが、以下の式（２４）を満たすように調整される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000027
　光学系の調整は、基準となる信号光をホログラム回折光２４０の代わりに与え、そのときの第１のＣＣＤ３３０上での光強度が最大となるように、各ビームスプリッタ３０５～３２０の位置を調整すればよい。このようにすることで、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが第１のＣＣＤ３３０上に生成される。また、ストークス（Stokes）の関係式およびエネルギー保存則により、特定の信号位置（ｘ，ｙ）において第１のＣＣＤ上での光強度が最大となるとき、同じ信号位置（ｘ，ｙ）において第２のＣＣＤ３３５上での光強度は最小となる。したがって、第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが第２のＣＣＤ３３５上に生成される。
　図６に示される構成で第２のホログラムを同時に生成できる理由について、図７を用いて説明する。図７は、図６の第３のビームスプリッタ３１５の周辺部分の拡大模式図である。
　図７に示されるように、第１のホログラムの回折光Ａｅｘｐ（ｉφ）は、図面の左側から第３のビームスプリッタ３１５に入射している。この方向（図面の左側から右側に向かう方向）からの光に対する第３のビームスプリッタ３１５の振幅透過率をｔ（第２のＣＣＤ３３５へ向かう成分）とし、振幅反射率をｒ（第１のＣＣＤ３３０へ向かう成分）とする。また、Ｒ０で表わされる第２の参照光２３０は、図面の下側から第３のビームスプリッタ３１５に入射している。この方向（図面の下側から上側に向かう方向）からの光に対する第３のビームスプリッタ３１５の振幅透過率をｔ’（第１のＣＣＤ３３０へ向かう成分）、振幅反射率をｒ’（第２のＣＣＤ３３５へ向かう成分）とする。この場合、一般的にストークスの関係式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000028
 　および、エネルギー保存則
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000029
 　が成立する（記号＊は複素共役を表わす）。
　ここで、第１のＣＣＤ３３０上に生ずるホログラム振幅は、式（２６）を用いると、式（８）とほぼ同様の手順で
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000030
 　と書ける。ここで、γは、反射率と透過率の積ｒｔ＊の位相角であり
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000031
 　である。同様に、第２のＣＣＤ３３５上に生ずるホログラム振幅は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000032
 　と書ける。ここで、式（２５）を用いると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000033
 　であるから、式（２８）は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000034
 　と書ける。
　式（２７）において、基準となる信号光をホログラム回折光の代わりに与え、そのときの第１のＣＣＤ３３０上での光強度が最大となるように光学系を調整すれば（φ＋γ＝０においてＩＣＣＤ１が最大)、これは式（９）において、光強度の変化を表わすｃｏｓ（）関数の中が０となる場合に相当するから、ｍ＝０、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。また、式（２７）と式（２９）を比較すると、干渉縞の符号が反転、すなわち、右辺第３項における干渉縞の位相がπシフトしていることがわかる（光強度の変化を表わすｃｏｓ（）関数の中に－πが含まれる）。したがって、式（２９）は、式（９）において、ｍ＝２、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝πに相当する第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。ここで、式（２７）と式（２９）において右辺の第１項および第２項の値は異なるが、これらは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000035
 　となる標準的な光強度分岐比１：１のビームスプリッタ（ハーフミラー）を用いることで等しい値にすることができる。
　以上より、第１のＣＣＤ３３０上に第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成され、第２のＣＣＤ３３５上に第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが生成されることがわかる。
　次に、基準となる信号光との位相差がπ／２となる信号光をホログラム回折光の代わりに与え、その時の第３のＣＣＤ３４０上での光強度が最大となるように位相シフタ３２５を調整する。なお、この調整は、実施の形態１のホログラフィックメモリ再生装置の可変位相シフタにおける動作とは異なり、最初に一度だけ行えばよい。
　ここで、第４のビームスプリッタ３２０は、第３のビームスプリッタ３１５と振幅透過率と振幅反射率が同じであるとすると、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５上に生ずるホログラム振幅は
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000036
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000037
 　と書ける。式（３０）は、式（９）においてｍ＝１、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。また、式（３１）は、式（８）においてｍ＝３、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝３π／２であるときの第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。
　以上のように光学系を調整した後、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）と第２の参照光２３０とをこの光学系に導入すると、第２の参照光２３０の位相を変化させることなく、第２の参照光２３０の位相をα＝０，π／２，π，３π／２に変化させた場合に等しい第２のホログラムが第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５上で同時に生成される。このようにして同時に得られる４枚の第２のホログラムから、電子的な処理によって信号を復調する手順は、実施の形態１で説明した第２の方法と同様である（式（１８）～式（２２）参照）。
　以上のように、実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置は、特別な干渉計を利用することで、可変位相シフタを用いずにＭ個の第２のホログラムを同時に生成して、空間直交振幅変調信号光を復調することができる。
　（実施の形態３）
　実施の形態２では、各ビームスプリッタ間の光路長を調整する必要があった。実施の形態３では、各ビームスプリッタ間の光路長を調整せずにＭ個の第２のホログラムを同時に生成するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
　実施の形態３のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
　図８は、実施の形態３のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
　図８に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板４０５、可変位相シフタ４１０、λ／４波長板４１５、ビームスプリッタ４２０、第１の偏光ビームスプリッタ４２５、第２の偏光ビームスプリッタ４３０、第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５、第４のＣＣＤ４５０を有する。半波長板４０５、可変位相シフタ４１０、λ／４波長板４１５、ビームスプリッタ４２０、第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０は、「検出部」として機能する。図８において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。
　半波長板４０５は、第１のホログラムの回折光２４０の光路上に配置され、第１のホログラムの回折光２４０の偏光角を４５度回転する。
　可変位相シフタ４１０は、第２の参照光２３０の光路上に配置される。なお、可変位相シフタ４１０は、式（２３）で示されるＭ＝４、すなわち第２のホログラムの数が４またはそれ以下の場合には不要である。
　λ／４波長板４１５は、第２の参照光２３０の光路上に配置され、第２の参照光２３０の偏光状態を円偏光に変換する。ここで、円偏光とは、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２である偏光状態を意味する。
　ビームスプリッタ４２０は、偏光依存性を有さないビームスプリッタである。ビームスプリッタ４２０の第１の面には、半波長板４０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第１の偏光ビームスプリッタ４２５に向かい、残部は透過して第２の偏光ビームスプリッタ４３０に向かう。また、ビームスプリッタ４２０の第２の面には、λ／４波長板４１５により偏光状態を変えられた第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第１の偏光ビームスプリッタ４２５に向かい、残部は反射して第２の偏光ビームスプリッタ４３０に向かう。
　第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、偏光依存性を有するビームスプリッタである。すなわち、第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、水平偏光の光を透過させ、垂直偏光の光を反射させる。第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、図８に示される位置関係で配置される。
　図８に示されるように、第１の偏光ビームスプリッタ４２５には、ビームスプリッタ４２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ４２０を透過した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を透過して第１のＣＣＤ４３５に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５で反射して第３のＣＣＤ４４５に向かう。
　同様に、第２の偏光ビームスプリッタ４３０には、ビームスプリッタ４２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ４２０で反射した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を透過して第２のＣＣＤ４４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０で反射して第４のＣＣＤ４５０に向かう。
　第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０は、それぞれ異なる第２のホログラムの強度分布を検出する。第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０は、図８に示される位置関係で配置される。第１のＣＣＤ４３５は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分と第２の参照光２３０の水平偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第２のＣＣＤ４４０は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分と第２の参照光２３０の水平偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第３のＣＣＤ４４５は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分と第２の参照光２３０の垂直偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第４のＣＣＤ４５０は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分と第２の参照光２３０の垂直偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。
　図８に示される構成で第２のホログラムを同時に生成できる理由について、図８を用いて説明する。
　図８に示されるように、半波長板４０５は、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の偏光角を４５度回転させる。したがって、半波長板４０５を透過した第１のホログラムの回折光２４０は、図のＡの位置において互いに同位相の水平偏光成分（図面の面内方向、図中矢印で示す）と垂直偏光成分（図面の垂直方向、図中二重丸で示す）を半分ずつ有することになる。
　一方、λ／４波長板４１５は、第２の参照光２３０の偏光状態を円偏光に変換する。したがって、λ／４波長板４１５を透過した第２の参照光２３０は、図のＢの位置においては円偏光となっている（図中丸で示す）。前述の通り、円偏光とは、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２である偏光状態を意味する。
　このようにして得られた、４５度直線偏光の第１のホログラムの回折光２４０と円偏光の第２の参照光２３０は、ビームスプリッタ４２０に入射する。このビームスプリッタ４２０によって、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムと第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムを同時に生成可能であることは、実施の形態２で説明した通りである。したがって、図のＣ方向に進む光波と図のＤ方向に進む光波とでは、位相がπずれた第２のホログラムが生成される。
　まず、第１のホログラムの回折光２４０および第２の参照光２３０がビームスプリッタ４２０に入射した後、ビームスプリッタ４２０から第１の偏光ビームスプリッタ４２５の方向（図中Ｃの方向）に進行する２つの光について説明する。
　図８に示されるように、第１のホログラムの回折光Ａｅｘｐ（ｉφ）は、図面の左側からビームスプリッタ４２０に入射している。この方向（図面の左側から右側に向かう方向）からの光に対するビームスプリッタ４２０の振幅透過率をｔ（第２のＣＣＤ４４０および第４のＣＣＤ４５０へ向かう成分）とし、振幅反射率をｒ（第１のＣＣＤ４３５および第３のＣＣＤ４４５へ向かう成分）とする。また、第２の参照光Ｒ０は、図面の下側からビームスプリッタ４０５に入射している。この方向（図面の下側から上側に向かう方向）からの光に対するビームスプリッタ４２０の振幅透過率をｔ’（第１のＣＣＤ４３５および第３のＣＣＤ４４５へ向かう成分）、振幅反射率をｒ’（第２のＣＣＤ４４０および第４のＣＣＤ４５０へ向かう成分）とする。
　まず、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を直進（透過）する。式（２７）と同様の考察により、式（２５）および式（２６）を用いると
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000038
 　となり、第１のＣＣＤ４３５上に、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成される。
　同時に、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を反射し、第３のＣＣＤ４４５側に進行する。このとき、円偏光の第２の参照光２３０は、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２であるため、第３のＣＣＤ４４５上に生ずるホログラムは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000039
 　となり、第２の参照光２３０の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが生成される。
　次に、第１のホログラムの回折光２４０および第２の参照光２３０がビームスプリッタ４２０に入射した後、ビームスプリッタ４２０から第２の偏光ビームスプリッタ４３０の方向（図中Ｄの方向）に進行する２つの光について説明する。
　まず、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を直進（透過）する。式（２９）と同様の考察により、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000040
 　となり、第２のＣＣＤ４４０上に、第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが生成される。
　同時に、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を反射し、第４のＣＣＤ４５０側に進行する。このとき、円偏光の第２の参照光２３０は、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２であるため、第４のＣＣＤ４５０上に生ずるホログラムは、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000041
 　となり、第２の参照光２３０の位相がα＝３π／２であるときの第２のホログラムが生成される。
　このような動作原理により、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）と第２の参照光２３０を導入すると、光路長を調整することなく、第２の参照光２３０の位相をα＝０，π／２，π，３π／２に変化させた場合に等しい第２のホログラムが第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０上に同時に生成される。このようにして同時に得られる４枚の第２のホログラムから、電子的な処理によって信号を復調する手順は、実施の形態１で説明した第２の方法と同様である（式（１８）～式（２２）参照）。
　また、信号の復調精度を高めるためにＭ＝４より大きな数の第２のホログラムを生成する場合には、可変位相シフタ４１０を利用すればよい。まず、可変位相シフタ４１０の位相差を０にして、第２の参照光２３０の位相をα＝０，π／２，π，３π／２に変化させた場合と等価な４枚の第２のホログラムを生成する。その後、可変位相シフタ４１０によってπ／４の位相差を第２の参照光２３０に与えることによって、第２の参照光２３０の位相をα＝π／４，３π／４，５π／４，７π／４に変化させた場合と等価な４枚の第２のホログラムを生成する。このようにして生成された合計８枚の第２のホログラムから式（１８）～式（２２）を用いて空間直交振幅変調信号を精密に復調することが可能になる。
　（実施の形態４）
　実施の形態３の光学系では、第２のホログラムを一度に４枚検出するためには、４台のＣＣＤが必要であった。実施の形態４では、２台のＣＣＤで第２のホログラムを一度に４枚検出するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
　実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
　図９は、実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
　図９に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板５０５、可変位相シフタ５１０、λ／４波長板５１５、ビームスプリッタ５２０、第１のミラー５２５、第２のミラー５３０、偏光ビームスプリッタ５３５、第１のＣＣＤ５４０、第２のＣＣＤ５４５を有する。半波長板５０５、可変位相シフタ５１０、λ／４波長板５１５、ビームスプリッタ５２０、第１のミラー５２５、第２のミラー５３０および偏光ビームスプリッタ５３５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５は、「検出部」として機能する。図９において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。
　半波長板５０５、可変位相シフタ５１０およびλ／４波長板５１５は、実施の形態３のものと同じものである。
　ビームスプリッタ５２０は、偏光依存性を有さないビームスプリッタである。ビームスプリッタ５２０の第１の面には、半波長板５０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第１のミラー５２５に向かい、残部は透過して第２のミラー５３０に向かう。また、ビームスプリッタ５２０の第２の面には、λ／４波長板５１５により偏光状態を変えられた第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第１のミラー５２５に向かい、残部は反射して第２のミラー５３０に向かう。
　第１のミラー５２５は、ビームスプリッタ５２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０を透過した第２の参照光２３０を偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面に入射させるためのミラーである。
　第２のミラー５３０は、ビームスプリッタ５２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０で反射した第２の参照光２３０を偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面に入射させるためのミラーである。
　偏光ビームスプリッタ５３５は、偏光依存性を有するビームスプリッタである。すなわち、偏光ビームスプリッタ５３５は、水平偏光の光を透過させ、垂直偏光の光を反射させる。偏光ビームスプリッタ５３５は、図９に示される位置関係で配置される。
　図９に示されるように、偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面には、ビームスプリッタ５２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０を透過した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５で反射して第１のＣＣＤ５４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５を透過して第２のＣＣＤ５４５に向かう。
　偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面には、ビームスプリッタ５２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０で反射した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５を透過して第１のＣＣＤ５４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５で反射して第２のＣＣＤ５４５に向かう。
　偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面には、第１のミラー５２５側からの光が入射し、第２の面には、第２のミラー５３０側からの光が入射する。すなわち、偏光ビームスプリッタ５３５の表面および裏面に同時に光が入射する。このとき、第１のミラー５２５側からの光の光軸と、第２のミラー５３０側からの光の光軸がずれるように、第１のミラー５２５および第２のミラー５３０は配置されている（図９参照）。
　第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５は、図９に示される位置関係で配置される。第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５は、それぞれ、第２のホログラムが２枚ずつ生成される。すなわち、第１のＣＣＤ５４０は、偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布とを検出する。一方、第２のＣＣＤ５４５は、偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布とを検出する。
　図９に示される構成で第２のホログラムを同時に生成できる理由について、図９を用いて説明する。
　図９に示されるように、半波長板５０５は、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の偏光角を４５度回転する。したがって、半波長板５０５を透過した第１のホログラムの回折光２４０は、図のＡの位置において互いに同位相の水平偏光成分（図面の面内方向、図中矢印で示す）と垂直偏光成分（図面の垂直方向、図中二重丸で示す）を半分ずつ有することになる。
　一方、λ／４波長板５１５は、第２の参照光２３０の偏光状態を円偏光に変換する。したがって、λ／４波長板５１５を透過した第２の参照光２３０は、図のＢの位置においては円偏光となっている（図中丸で示す）。
　このようにして得られた、４５度直線偏光の第１のホログラムの回折光２４０と円偏光の第２の参照光２３０は、ビームスプリッタ５２０に入射する。このビームスプリッタ５２０によって、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムと第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムを同時に生成可能であることは、実施の形態２で説明した通りである。したがって、図のＣ方向に進む光波と図のＤ方向に進む光波とでは、位相がπずれた第２のホログラムが生成される。
　第１のホログラムの回折光２４０および第２の参照光２３０がビームスプリッタ５２０に入射した後、ビームスプリッタ５２０から第１のミラー５２５の方向（図中Ｃの方向）に進行する２つの光は、図面の左側から偏光ビームスプリッタ５３５に入射する。一方、ビームスプリッタ５２０から第２のミラー５３０の方向（図中Ｄの方向）に進行する２つの光は、図面の下側から偏光ビームスプリッタ５３５に入射する。すなわち、図のＣ方向に進む光と図のＤ方向に進む光は、異なる方向から同一の偏光ビームスプリッタ５３５に入射する。
　このとき、第１のミラー５２５側から入射する光が偏光ビームスプリッタ５３５に入射する位置と、第２のミラー５３０側から入手する光が偏光ビームスプリッタ５３５に入射する位置とをわずかにずらす。このようにすることによって、第１のＣＣＤ５４０の左半面において、第２の参照光の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが生成されると同時に、第１のＣＣＤ５４０の右半面において第２の参照光の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが生成される。また、第２のＣＣＤ５４５の下半面において、第２の参照光の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成されると同時に、第２のＣＣＤ５４５の上半面において、第２の参照光の位相がα＝３π／２であるときの第２のホログラムが生成される。
　本実施の形態のホログラフィックメモリ記録再生装置では、１つのＣＣＤの撮像領域を二つに分けて用いる。現在では、数千万画素を有する撮像素子を容易に入手できるため、この点は技術上の制約にはならない。むしろ、ＣＣＤなどの撮像素子の数が少なくて済むため、安価なシステムを構築できる利点が大きい。
　図１０は、ホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。図１０に示される構成は、半波長板５０５の前に一組の偏光ビームスプリッタ（第２の偏光ビームスプリッタ５５０および第３の偏光ビームスプリッタ５５５）が配置されている点、およびλ／４波長板５１５の前に第２のビームスプリッタ５６０および第３のミラー５６５が配置されている点で、図９に示される構成と異なる。このようにすることで、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の垂直偏光成分（α成分）に対する第２のホログラムと、水平偏光成分（β成分）に対する第２のホログラムの両方を同時に生成することが可能となる。
　図１０に示されるように、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）を、一組の偏光ビームスプリッタ（第２の偏光ビームスプリッタ５５０および第３の偏光ビームスプリッタ５５５）で２つに分ける。また、第２の参照光２３０を、第２のビームスプリッタ５６０および第３のミラー５６５で２つに分ける。これにより、第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５の検出面のそれぞれ異なる領域に、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の垂直偏光成分（α成分）に対する４枚の第２のホログラムと、水平偏光成分（β成分）に対する４枚の第２のホログラムとを含む、８枚の第２のホログラムを同時に生成することができる。
　ホログラフィックメモリ１６５に記録されているホログラムが、垂直偏光成分および水平偏光成分の両方が生成される偏光型ホログラムである場合、特に、垂直偏光成分および水平偏光成分のそれぞれに別々の値（振幅および位相）を記録する偏光型ホログラムである場合に、図１０に示されるホログラム生成部および検出部は、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および水平偏光成分について同時に復調することができる。また、図１０に示されるホログラム生成部および検出部を観測装置として用いる場合、この観測装置は、結晶などの複屈折性を有するサンプルから発生する垂直偏光成分および水平偏光成分を同時に観測することができる。
　（実施の形態５）
　実施の形態４の光学系では、第２のホログラムを一度に４枚検出するためには、２台のＣＣＤが必要であった。実施の形態５では、１台のＣＣＤで第２のホログラムを一度に４枚検出するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
　実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
　図１１は、実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
　図１１に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板６０５、可変位相シフタ６１０、λ／４波長板６１５、第１のビームスプリッタ６２０、第１のミラー６２５、第２のミラー６３０、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５、第４の偏光ビームスプリッタ６５０、第２のビームスプリッタ６５５、ＣＣＤ６６０を有する。半波長板６０５、可変位相シフタ６１０、λ／４波長板６１５、第１のビームスプリッタ６２０、第１のミラー６２５、第２のミラー６３０、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５、第４の偏光ビームスプリッタ６５０および第２のビームスプリッタ６５５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、ＣＣＤ６６０は、「検出部」として機能する。図１１において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。
　半波長板６０５、可変位相シフタ６１０、λ／４波長板６１５、第１のビームスプリッタ６２０、第１のミラー６２５および第２のミラー６３０は、実施の形態４のものと同じものである。
　第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は、偏光依存性を有するビームスプリッタである。すなわち、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は、水平偏光の光を透過させ、垂直偏光の光を反射させる。図１１に示されるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０は、組み合わせて配置される。同様に、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０も、組み合わせて配置される。
　図１１に示されるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５には、第１のビームスプリッタ６２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０および第１のビームスプリッタ６２０を透過した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ６３５で反射して第２の偏光ビームスプリッタ６４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ６３５を透過して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
　第２の偏光ビームスプリッタ６４０には、第１の偏光ビームスプリッタ６３５で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６４０で反射して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
　第３の偏光ビームスプリッタ６４５には、第１のビームスプリッタ６２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０および第１のビームスプリッタ６２０で反射した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ６４５で反射して第４の偏光ビームスプリッタ６５０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ６４５を透過して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
　第４の偏光ビームスプリッタ６５０には、第３の偏光ビームスプリッタ６４５で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第４の偏光ビームスプリッタ６４０で反射して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
　なお、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０の組み合わせの代わりに、台形型偏光プリズムを使用してもよい。同様に、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０の組み合わせの代わりに、台形型偏光プリズムを使用してもよい。
　第２のビームスプリッタ６５５は、偏光依存性を有さないビームスプリッタである。第２のビームスプリッタ６５５の第１の面には、第１の偏光ビームスプリッタ６３５を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分と、第２の偏光ビームスプリッタ６４０で反射した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分とが入射する。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分の光軸が互いにずれるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０は配置されている（図１１参照）。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分は、第２のビームスプリッタ６５５を透過してＣＣＤ６６０に向かう。
　第２のビームスプリッタ６５５の第２の面には、第３の偏光ビームスプリッタ６４５を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分と、第４の偏光ビームスプリッタ６５０で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分とが入射する。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分の光軸が互いにずれるように、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は配置されている（図１１参照）。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分は、第２のビームスプリッタ６５５で反射してＣＣＤ６６０に向かう。
　第２のビームスプリッタ６５５の第１の面には、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０側からの光が入射し、第２の面には、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０側からの光が入射する。すなわち、第２のビームスプリッタ６５５の表面および裏面に同時に光が入射する。このとき、第１の偏光ビームスプリッタ６３５由来の光の光軸と、第２の偏光ビームスプリッタ６４０由来の光の光軸と、第３の偏光ビームスプリッタ６４５由来の光の光軸と、第４の偏光ビームスプリッタ６５０由来の光の光軸とが互いにずれるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は配置されている（図１１参照）。
　ＣＣＤ６６０は、４枚の第２のホログラムの強度分布を検出する。すなわち、ＣＣＤ６６０は、第１の偏光ビームスプリッタ６３５を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、第２の偏光ビームスプリッタ６４０で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、第３の偏光ビームスプリッタ６４５を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、第４の偏光ビームスプリッタ６５０で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布とを検出する。
　図１１に示される構成のホログラム生成部および検出部は、図９に示される構成のホログラム生成部および検出部と同じ理由で、４枚の第２のホログラムを同時に生成することができる。なお、図１１に示される例では、２つの偏光ビームスプリッタを紙面に対して水平方向に配置しているが、２つの偏光ビームスプリッタを紙面に対して垂直方向に配置してもよい。このようにすることで、１つのＣＣＤの検出面上に、４枚の第２のホログラムを２段×２列に配置することができる。
　図１２は、ホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。図１２に示される構成は、半波長板６０５の前に一組のビームスプリッタ（第３のビームスプリッタ６６５および第４のビームスプリッタ６７０）が配置されている点で、図１１に示される構成と異なる。
　図１２に示されるように、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）を、一組のビームスプリッタ（第３のビームスプリッタ６６５および第４のビームスプリッタ６７０）で２つに分ける。これにより、１つのＣＣＤの検出面のそれぞれ異なる領域に、８枚の第２のホログラムを同時に生成することができる。
　８枚の第２のホログラムの強度分布をそれぞれＶ１、Ｖ２、…、Ｖ８とし、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の位相をφ（ｘ，ｙ）とし、一組のビームスプリッタ（第３のビームスプリッタ６６５および第４のビームスプリッタ６７０）による位相差をΨ（ｘ，ｙ）とすると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000042
 　より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000043
 　が得られる。このΨの値を用いることで、α１＝０、α２＝Ψ、α３＝π／２、α４＝π／２＋Ψ、α５＝π、α６＝π＋Ψ、α７＝３／２π、α８＝３／２π＋Ψの８つの異なる干渉強度を観測することができる。
　このとき、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の位相φ（ｘ，ｙ）は、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000044
 　により算出される。
　このように、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）を２つに分岐させることで、一度に検出できる第２のホログラムの数を増大させることができる。第１のホログラムの回折光２４０の分岐数をさらに増大させれば、一度に検出できる第２のホログラムの数もさらに増大させることができる。たとえば、第１のホログラムの回折光２４０を３つに分岐させれば、１２枚の第２のホログラムの強度分布を一度に測定することができる。
　また、図１３に示されるように、位相シフタ６７５によって、前述の位相差Ψを予め特定の値に設定することも可能である。たとえば、Ψ１＝π／４とすると、α１＝０、α２＝π／４、α３＝π／２、α４＝３π／４、α５＝π、α６＝５π／４、α７＝３／２π、α８＝７π／４の８つの異なる干渉強度を観測することができる。
　（実施の形態６）
　上記各実施の形態の光学系では、４つの撮像領域（α＝０、α＝π／４、α＝π／２、α＝３π／４）を設ける必要があった。実施の形態６では、２つの撮像領域（α＝０、α＝π／２）のみで空間直交振幅変調信号を復調することができるホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
　実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
　図１４は、実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
　図１４に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板７０５、λ／４波長板７１０、ビームスプリッタ７１５、偏光ビームスプリッタ７２０、第１のＣＣＤ７２５および第２のＣＣＤ７３０を有する。半波長板７０５、λ／４波長板７１０、ビームスプリッタ７１５および偏光ビームスプリッタ７２５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ７２５および第２のＣＣＤ７３０は、「検出部」として機能する。図１４において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。また、第２の参照光２３０の強度Ｒ０ ２は、既知の値であるとする。
　図１４に示される光学系は、図８に示される実施の形態３の光学系から光線Ｄに関連する構成部材（第２の偏光ビームスプリッタ４３０、第２のＣＣＤ４４０および第４のＣＣＤ４５０）を除去したものと同様の構成である。実施の形態３において説明したように、第１のＣＣＤ７２５上には、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成され、第２のＣＣＤ７３０上には、第２の参照光２３０の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが生成される。なお、図１４に示される光学系において、ビームスプリッタ７１５を除去し、半波長板７０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０を偏光ビームスプリッタ７２０に直接入射させてもよい。この場合、偏光ビームスプリッタ７２０の第１の面には、半波長板７０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０が入射し、偏光ビームスプリッタ７２０の第２の面には、λ／４波長板７１０により偏光状態を変えられた第２の参照光２３０が入射する。
　ここで、前述の式（９）
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000045
 　において、雑音成分ＩＮおよびＡＮが十分に小さいと仮定すると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000046
 　となる。計算を簡単にするためη＝ｑ＝１とおき、第１のＣＣＤ７２５および第２のＣＣＤ７３０で計測される光強度分布の測定値が、それぞれＶ０（ｘ，ｙ）およびＶπ／２（ｘ，ｙ）であったとする。このとき、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000047
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000048
 　と書ける。ここで、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000049
 　とおくと、式（４１）および式（４２）より、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000050
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000051
 　となる。三角関数の公式
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000052
 　を用いると、
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000053
 　を得られる。式（４７）をＩ０について解き、式（４３）～式（４５）を満たす解を求めると、（ｘ，ｙ）の各点において
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000054
 　が成立する。この結果を式（４４）および式（４５）に代入することによって、光複素振幅Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛φ（ｘ，ｙ）｝を以下の式（４９）から求めることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000055
　以上のように、検出系の雑音が小さい場合には、図１４に示される簡易な光学系によって、光複素振幅Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛φ（ｘ，ｙ）｝を１回の測定により計測することができる。
　図１５は、ホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。図１５に示される構成は、１つのＣＣＤ８３５上に２つの撮像領域を形成している点で、図１４に示される構成と異なる。
　図１５に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板８０５、λ／４波長板８１０、偏光ビームスプリッタ８１５、第１のミラー８２０、第２のミラー８２５、ビームスプリッタ８３０およびＣＣＤ８３５を有する。図１５に示される簡易な光学系によっても、光複素振幅Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛φ（ｘ，ｙ）｝を１回の測定により計測することができる。
　（実施の形態３～６の効果）
　信号光の空間的な位相の計測（光複素振幅の計測、空間直交振幅変調信号の計測を含む）には、信号光と別の光とを干渉させることによって位相を強度に変換する必要がある。観測対象の位相を精密に測定するためには、位相の異なる干渉光を用いる位相シフト干渉計測法が知られている。
　位相シフト干渉計測法は、シーケンシャル方式と並列位相シフト方式とに大別される。シーケンシャル方式では、可変位相シフタによって干渉光の位相を変化させて複数回の計測を行う（Ichirou Yamaguchi and Tong Zhang, "Phase-shifting digital holography", Opt. Lett., Vol.22, pp.1268-1270 (1997).）。一方、並列位相シフト方式では、空間位相アレイを通した信号光を用いて１度の計測を行う（Yasuhiro Awatsuji, Atsushi Fujii, Toshihiro Kubota, and Osamu Matoba, "Parallel three-step phase-shifting digital holography," Appl. Opt. Vol.45, pp.2995-3002 (2006).）。
　シーケンシャル方式では、複数回の計測を行うため、別々の時刻の信号に位相差を与えて位相を計測する。このため、シーケンシャル方式には、観測対象の時間的な変動（例えば、観測対象である微生物の運動など）に対して大きな計測誤差が生じてしまうという問題がある。一方、並列位相シフト方式では、一組の空間位相アレイを通過する３～４つの信号は、観測対象の異なる位置から生じた信号である。並列位相シフト方式では、この空間位相アレイを通過した一組の信号に基づいて元信号を計算する。このため、並列位相シフト方式には、観測対象の位相値の空間的な変動が大きい場合（例えば、観測対象の形状が複雑な場合)、大きな計測誤差が生じてしまうという問題がある。
　これに対し、実施の形態３～６の方式には、以下の利点がある。まず、シーケンシャル方式で必要な複数回の計測を１度に行うことができるため、時間的な誤差がなく、システムの安定性および高速性が保たれる。また、並列位相シフト方式で必要な位相アレイを用いることなく、同一位置の元信号を複数のＣＣＤで観測するため、空間的な誤差も生じない。たとえば、図８における４つのＣＣＤの同一位置のピクセルで受信される信号は、同一時刻かつ同一位置から生じた信号をハーフミラー（またはビームスプリッタ）および偏光ビームスプリッタで位相差を与えながら生成している（図６および図９～図１５でも同様）。すなわち、実施の形態３～６の計測方式は、シーケンシャル方式および並列位相シフト方式のいずれの欠点も有しておらず、かつシーケンシャル方式および並列位相シフト方式の両方の利点を有している。
　また、シーケンシャル方式では、可変位相シフタとしてピエゾ素子を用いるため、精度や安定性を確保するためには複雑な装置（光学系）が必要である。これに対し、実施の形態３～６の計測方式では、可変位相シフタによる精密な位相調整が不要である。また、実施の形態３～６の計測方式では、並列位相シフト方式で必要とされる高精度な新規のデバイス（例えば、微小空間位相アレイなど）の開発も不要である。すなわち、実施の形態３～６の計測方式は、従来からある安価な偏光素子およびＣＣＤカメラがあれば実現できるという、産業化、低価格化および普及に向けての大きな利点を有している。
　なお、図６および図８～図１５に示されるホログラム生成部および検出部は、観測対象からの透過光または反射光における強度および位相の２次元分布を観測する観測装置としても使用されうる（実施例５，６参照）。この場合は、ホログラフィックメモリ１６５の代わりに観測対象（例えば、生体サンプル）を設置する。また、第１のホログラムの回折光２４０の代わりに観測対象からの透過光または反射光（空間直交振幅変調信号光）を用いて第２のホログラムを生成する。
　なお、上記各実施の形態では、２光束干渉方式により記録を行う例について説明したが、ホログラムの記録方式はこれに限定されない。たとえば、コリニア方式により記録を行うようにしてもよい（実施例参照）。
　ホログラムの記録方式としては、信号光と参照光とで異なる角度の光を用いる２光束干渉方式が広く知られている。しかしながら、この方式は、光ディスク技術との整合性に問題がある。この問題を解消した方式としては、図１６に示すように、信号光と参照光とを同一光軸に配置して、空間光変調器（ＳＬＭ）の中心部をホログラム信号光の生成に用い、外周部を参照光パターンの生成に用いるコリニア・ホログラフィ法がある（Hideyoshi Horimai, Xiaodi Tan and Jun Li, "Collinear Holography", Appl. Opt., Vol.44, pp.2575-2579 (2005)）。なお、図１６には、反射型ホログラムの光学配置を示しているが、実施例に示すように、透過型ホログラムの光学配置であってもよい。
　図１７に、コリニア・ホログラフィ法で記録および再生をする際の空間光変調器（ＳＬＭ）のパターンの一例を示す。記録時には、図１７Ａに示されるように、中心部と外周部に分離したページデータを用い、中心部を信号光の形成、外周部を参照光の形成に用いている。中心部から出射する光（信号光）および外周部から出射する光（参照光）を１つの対物レンズで記録媒体（例えば、光ディスク）に集光照射して、両者の干渉パターンを記録する。再生時には、図１７Ｂに示されるように、外周部から出射する光（参照光）のみを記録媒体に集光照射して、記録媒体から記録データを回折光として取り出す。コリニア・ホログラフィ法では、光スポットの位置を空間的にわずかにずらすことで、多重記録を行うことができる（シフト多重）。
　以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。
　［実施例１］
　実施例１では、本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間位相変調信号（８－ＳＰＭ）の記録および再生のシミュレーションを行った結果を示す。
　図１８は、シミュレーションに用いた本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。このホログラフィックメモリ記録再生装置は、コリニア・ホログラフィ法により第１のホログラムの記録および再生を行う。
　図１８に示されるように、ホログラフィックメモリ記録再生装置９００は、レーザ光源（波長λ＝５３２.０ｎｍ）、第１のミラー（Ｍ１）、ビームエキスパンダ（ＢＥ）、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第１のレンズ（Ｌ１）、第１のアイリス（Ｉｒｉｓ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）、第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、可変位相シフタ（ピエゾ素子）、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）、第５のレンズ（Ｌ５）、第２のアイリス（Ｉｒｉｓ２）、第６のレンズ（Ｌ６）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のミラー（Ｍ３）およびＣＣＤカメラを有する。このホログラフィックメモリ記録再生装置９００は、第３のレンズ（Ｌ３）と第４のレンズ（Ｌ４）との間に記録媒体（Photopolymer）を設置して、記録および再生を行う。
　図１８に示されるように、レーザ光源から出射された光は、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の下方向に向かう光は、第１のホログラムを生成する信号光および第１の参照光となる。一方、図面の右方向に向かう光は、第２のホログラムを生成する第２の参照光となる。
　第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）から図面の下方向に向かう光は、空間直交振幅変調信号生成部９１０に入射する。空間直交振幅変調信号生成部９１０では、光ビームの中心部（図１７Ａにおけるデータページ領域）が、位相変調型の第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）により空間的な位相変調が加えられ、強度変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により空間的な振幅変調が加えられる。また、コリニア・ホログラフィ法では、図１７Ｂに示されるように、光ビームの外周部をコリニアリングパターンと呼ばれる参照光として用いる。そこで、空間直交振幅変調信号生成部９１０では、強度変調型の第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）が、光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。
　なお、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）は、中心部のみを使用し、第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）は外周部のみを使用することから、これらを合わせて１つの空間光変調器に置き換えてもよい。また、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）および第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）の順番は、任意に変えてもよい。また、図１８では、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）として反射型空間光変調器を使用し、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）および第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）として透過型空間光変調器を使用しているが、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）および第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）のいずれの空間光変調器についても、反射型および透過型の空間光変調器を使用してもよい。
　このようにして生成された空間直交振幅変調信号および第１の参照光は、１つのビームとなり、記録媒体（フォトポリマー）に第１のホログラムを記録する。記録媒体に複数の第１のホログラムを記録するためには、記録媒体を移動させればよい（例えば、ディスク状の記録媒体を回転させる）。
　記録されたデータを再生する際には、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により光ビームの中心部（データページ領域）を遮断し、第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）により光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。このようにして生成された第１の参照光を記録媒体内の第１のホログラムに照射すると、第１のホログラムの回折光が生じる。図１８に示されるように、記録媒体から生じた第１のホログラムの回折光は、ホログラム生成部９２０に入射する。
　一方、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）から図面の右方向に向かう光は、第２のホログラムを生成するための第２の参照光となる。この光は、可変位相シフタ（例えば、反射型ピエゾ素子）によって必要な位相差が加えられた後、ホログラム生成部７２０に入射する。ホログラム生成部９２０では、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）において第１のホログラムの回折光と第２の参照光とが混合されることにより、ＣＣＤカメラの検出面上に第２のホログラムが生成される。
　ここで、８値空間位相変調信号（８－ＳＰＭ）のダイアグラムを図１９に示す。図の横軸は「実軸」または「Ｉ軸」と呼ばれ、縦軸は「虚軸」または「Ｑ軸」と呼ばれる。これらは、式（１）の変数ＩおよびＱに対応する。ダイアグラム上にプロットされている点は、「信号点」と呼ばれる。複数の信号点によって、１セットの変調符号が表される。また、このダイアグラムが表す複素平面は、両軸の「０」点を中心として信号の振幅および位相を示している。「０」点からの距離が振幅を表し、「０」点に対する角度が位相を表している。したがって、中心から等距離に位置するが、中心に対して異なる角度に位置する複数のシンボルは、信号波形の振幅は等しいが、位相は互いに異なっている。
　本実施例では、図１８に示されるホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間位相変調信号（８－ＳＰＭ；図１９参照）を記録および再生した場合のシミュレーションを行った。数値解析ツールは、ＦＦＴ－ＢＰＭ（フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた（Junya Tanaka, Atsushi Okamoto and Motoki Kitano, "Development of Image-Based Stimulation for Holographic Data Storage System by Fast Fourier Transform Beam-Propagation Method", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.48, No.3 (Issue 2), pp.03A028(1-5) (2009).）。数値解析に用いたパラメータを表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　記録に用いた３枚のデータページ（＃１，＃２，＃３）を図２０Ａに示す。図２０Ａにおいて、各データページの大きさは３２×３２ピクセルである。また、各ピクセルは８つの異なる位相情報で変調されているが、可視化のためグレースケールで描かれている。
　今回のシミュレーションでは、記録媒体としてフォトポリマーを仮定し、これらの３枚のデータページ（＃１，＃２，＃３）をシフトピッチ１.７６μｍで多重記録した。記録された第１のホログラムに、第１の参照光を照射して、第１のホログラムの回折光を発生させた。この第１のホログラムの回折光と第２の参照光とを混合することで、α＝０，π／２，π，３π／２の４枚の第２のホログラムを生成した。
　各データページ（＃１，＃２，＃３）について、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布を図２１～２３に示す。図２１は、データページ＃１の第２のホログラムの信号強度分布であり、図２２は、データページ＃２の第２のホログラムの信号強度分布であり、図２３は、データページ＃３の第２のホログラムの信号強度分布である。
　また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）を用いて復調されたデータページを図２０Ｂに示す。図２０Ａ（オリジナルデータ）と図２０Ｂ（再生データ）を比較しても、結果の一致度が分かりにくいので、データページ＃１について、再生されたデータがどの位相情報を有するかについて、ヒストグラムにしたものを図２４に示す。図２４より、８値の空間位相変調信号が明瞭に分離されていることが分かる。図２４のデータにおいて、光検出器の検出精度を１２ビットとしたときのシンボルエラーレートは１.３×１０－２であり、現状のホログラフィックメモリにおけるエラー訂正能力を考慮すると、実用上十分な性能といえる。
　［実施例２］
　実施例２では、本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間直交振幅変調信号（８－ＳＱＡＭ）の記録および再生のシミュレーションを行った結果を示す。
　信号点を円上に並べるだけでは８つ程度の位相状態より多くを配列しようとすると互いの信号波形が類似してしまい、位相変調だけで余り多くの信号状態を詰め込むのは好ましくない。そこで、位相変調に振幅変調も加えることでより多くの信号状態を持たせた変調方式が空間直交振幅変調(ＳＱＡＭ)である。
　本実施例で用いた８値空間直交振幅変調信号（８－ＳＱＡＭ）のダイアグラムを図２５に示す。各信号点は、振幅２値および位相４値のいずれかの値を取ることができ、１つの信号点で合計８つの値を表現することができる。
　本実施例では、実施例１と同様に、図１８に示されるホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間直交振幅変調信号（８－ＳＱＡＭ）を記録および再生した場合のシミュレーションを行った。数値解析ツールとしては、実施例１と同一のＦＦＴ－ＢＰＭ（フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた。数値解析に用いたパラメータを表２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　記録に用いたデータページ（空間直交振幅変調信号）を図２６に示す。図２６に示されるように、データページの大きさは８×８ピクセルである。データページの各ピクセルは、図２６Ａに示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図２６Ｂに示される位相情報φ（ｘ，ｙ）の両方の値を有している。すなわち、図２６Ａに示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図２６Ｂに示される位相情報φ（ｘ，ｙ）を合わせて１つのデータページが表現される）。図２６Ａにおける明部と暗部の振幅比は２：１であるが、強度比では４：１となる。実際の記録光強度は、明部が１.３７ｍＷであり、暗部が０.３４ｍＷである。図２６Ｂに示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。４値の位相は、白色＝π、薄灰色＝π／２、濃灰色＝０、黒色＝－π／２（３π／２）である。
　今回のシミュレーションでは、記録媒体として標準的なフォトポリマーを仮定し、表２に示す条件で記録した。このようにして得られた第１のホログラムに、第１の参照光を照射して、第１のホログラムの回折光を発生させた。この第１のホログラムの回折光と第２の参照光とを混合することで、α＝０，π／２，π，３π／２の４枚の第２のホログラムを生成した。
　図２７は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。ＣＣＤによる検出では、データページ内の１つのピクセル（データピクセル）に対して、８×８のＣＣＤピクセルで検出した。したがって、必要なＣＣＤピクセル数は、６４×６４ピクセルとなる。ただし、これは必須の条件ではなく、データページの１つのピクセルに対して、１つのＣＣＤピクセルで検出を行うことも可能である。
　また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点でのデータを復元したものを図２８に示す。さらに、図２８に示されるデータについて、各データピクセル内で平均化処理を行った結果を図２９に示す。ここまでの処理で得られた結果は、アナログデータである。そこで、最後に、図２９に示されるデータについて、閾値処理を行って、振幅２値、位相４値のデジタルデータに復調したものを図３０に示す。
　図２６に示されるオリジナルデータと図３０に示される復調したデータを比較すると、位相面上に１カ所のデータエラーが発生しているが（図中「＊」で示す）、その他は振幅および位相共に完全に復調されており、良好な結果が得られた。
　［実施例３］
　実施例３では、本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置（実施の形態１参照）を用いて、６値空間直交振幅変調信号（６－ＳＱＡＭ）の記録および再生を実際に行った結果を示す。
　本実施例では、図３１に示されるホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、図３２に示される強度２値および位相３値の６値空間直交振幅変調信号（６－ＳＱＡＭ）を記録および再生した。
　図３１は、実験に用いた本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。このホログラフィックメモリ記録再生装置は、コリニア・ホログラフィ法により第１のホログラムの記録および再生を行う。
　図３１に示されるように、ホログラフィックメモリ記録再生装置１０００は、レーザ光源、ビームエキスパンダ（ＢＥ）、第１のアイリス（Ｉｒｉｓ１）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第１のレンズ（Ｌ１）、第２のアイリス（Ｉｒｉｓ２）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、第２のレンズ（Ｌ２）、偏光子（Ｐｏｌ．）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）、検光子（Ａｎａ．）、第３のレンズ（Ｌ３）、第３のアイリス（Ｉｒｉｓ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第３の半波長板（ＨＷＰ３）、第１のＮＤフィルタ（ＮＤＦ１）、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）、可変位相シフタ（ピエゾ素子）、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）、第４のアイリス（Ｉｒｉｓ４）、第７のレンズ（Ｌ７）、第２のＮＤフィルタ（ＮＤＦ２）およびＣＣＤカメラを有する。このホログラフィックメモリ記録再生装置１０００は、第５のレンズ（Ｌ５）と第６のレンズ（Ｌ６）との間に記録媒体（Photopolymer）を設置して、記録および再生を行う。
　図３１に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）によって２つに分岐する。図面の上方向（第１のビームスプリッタＢＳ１側）に向かう光は、第１のホログラムを生成する信号光および第１の参照光となる。一方、図面の左方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう光は、第２のホログラムを生成する第２の参照光となる。記録媒体にはフォトポリマーを使用し、レーザ光の照射時間は１分間とした。
　偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）から図面の上方向（第１のビームスプリッタＢＳ１側）に向かう光は、空間直交振幅変調信号生成部１０１０に入射する。空間直交振幅変調信号生成部１０１０では、光ビームの中心部が、位相変調型の第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）により空間的な位相変調が加えられ、強度変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により空間的な振幅変調が加えられる。
　記録に用いたデータページ（空間直交振幅変調信号）の論理値を図３３Ａに示し、物理値を図３３Ｂに示す。図３３に示されるように、データページの大きさは３×５ピクセルである。データページの各ピクセルは、図３３の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３３の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）の両方の値を有している。すなわち、図３３の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３３の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）を合わせて１つのデータページが表現される。図３３において明部と暗部の強度比は３：１程度とした。図３３に示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。３値の位相は、白色＝π、灰色＝π／２、黒色＝０である。本実施例において、図３２に示されるダイアグラムの下半面を用いなかったのは、実験で使用した第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）の位相可変範囲が０～πに制限されていたためである。
　図３３Ｂにおいて、位相パターンの信号ピクセルは、強度パターンの信号ピクセルよりも小さく設定されている。位相パターンの信号ピクセルの周辺部は、０とπの細かなランダムパターンとした。この理由は２つある。１つ目の理由は、強度と位相のピクセルマッチングを行う際にマッチングのずれに対するマージンを確保するためである。２つ目の理由は、信号ピクセルの周辺にランダム位相パターンを入れることによって、空間周波数分布を広げて、再生光の品質を向上させるためである。
　また、コリニア・ホログラフィ法では、図３４に示されるように、光ビームの外周部をコリニアリングパターンと呼ばれる参照光として用いる。そこで、空間直交振幅変調信号生成部１０１０では、強度変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）が、光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。
　このようにして生成された空間直交振幅変調信号および第１の参照光は、１つのビームとなり、フォトポリマー（記録媒体）に第１のホログラムを記録する。
　記録されたデータを再生する際には、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により光ビームの中心部（データページ領域）を遮断し、かつ光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。このようにして生成された第１の参照光を記録媒体内の第１のホログラムに照射すると、第１のホログラムの回折光が生じる。図３１に示されるように、記録媒体から生じた第１のホログラムの回折光は、ホログラム生成部１０２０に入射する。
　一方、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）から図面の左方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう光は、第２のホログラムを生成するための第２の参照光となる。この光は、可変位相シフタ（反射型ピエゾ素子）によって位相を０，π／２，π，３π／２と変化させられた後、ホログラム生成部８２０に入射する。ホログラム生成部８２０では、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）において第１のホログラムの回折光と第２の参照光とが混合されることにより、ＣＣＤの検出面上に第２のホログラムが生成される。
　図３５は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点でのデータを復元、平均化処理および閾値処理を行って、振幅２値、位相３値のデジタルデータに復調したものを図３６に示す。
　図３３Ａに示されるオリジナルデータと図３６に示される復調したデータを比較すると、振幅面上に２カ所のデータエラーが発生しているが（図中「＊」で示す）、その他は振幅および位相共に完全に復調されており、良好な結果が得られた。
　［実施例４］
　実施例４では、本発明の復調装置（実施の形態４参照）を用いて、６値空間直交振幅変調信号（６－ＳＱＡＭ）の復調を実際に行った結果を示す。
　本実施例では、図３７に示される復調装置を用いて、図３２に示される強度２値および位相３値の６値空間直交振幅変調信号（６－ＳＱＡＭ）を復調した。前述の通り、図３２に示されるダイアグラムの下半面を用いなかったのは、実験で使用した第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）の位相可変範囲が０～πに制限されていたためである。
　図３７は、実験に用いた本発明の復調装置の構成を示す模式図である。この復調装置１１００では、空間直交振幅変調信号光生成部１１１０で６値空間直交振幅変調信号（６－ＳＱＡＭ）を生成し、ホログラム生成部１１２０で６値空間直交振幅変調信号（６－ＳＱＡＭ）を復調した。図３７に示されるホログラム生成部１１２０の構成は、図９に示されるホログラム生成部および検出部の構成と同じである。
　図３７に示されるように、復調装置１１００は、レーザ光源、ビームエキスパンダ（ＢＥ）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、偏光子（Ｐｏｌ．）、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、検光子（Ａｎａ．）、第１のレンズ（Ｌ１）、第１のミラー（Ｍ１）、第１のアイリス（Ｉｒｉｓ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）、第３のレンズ（Ｌ３）、第２のアイリス（Ｉｒｉｓ２）、第４のレンズ（Ｌ４）、絞り（Aperture）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、λ／４波長板（ＱＷＰ）、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のミラー（Ｍ３）、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）、第８のレンズ（Ｌ８）、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）および第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）を有する。
　図３７に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の左方向（第１の空間光変調器ＳＬＭ１側）に向かう光は、信号光となる。一方、図面の下方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう光は、ホログラム（第２のホログラム）を生成するための参照光（第２の参照光）となる。
　第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の左方向（第１の空間光変調器ＳＬＭ１側）に向かう光は、空間直交振幅変調信号生成部１１１０に入射する。空間直交振幅変調信号生成部１１１０では、光ビームの中心部が、強度変調型の第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）により空間的な振幅変調が加えられ、位相変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により空間的な位相変調が加えられる。
　変調に用いたデータページ（空間直交振幅変調信号）の論理値を図３８に示す。図３８に示されるように、データページの大きさは６×６ピクセルである。データページの各ピクセルは、図３８の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３８の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）の両方の値を有している。すなわち、図３８の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３８の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）を合わせて１つのデータページが表現される。図３８において明部と暗部の強度比は３：１程度とした。図３８に示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。３値の位相は、白色＝π、灰色＝π／２、黒色＝０である。
　変調されたデータを復調する際には、ホログラム生成部１１２０において信号光と参照光とを干渉させる。空間直交振幅変調信号光生成部１１１０で生成された信号光は、第２の半波長板（ＨＷＰ２）を透過して４５°の直線偏光に調整される。一方、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の下方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう参照光は、λ／４波長板（ＱＷＰ）を透過して円偏光に変換される。これらの信号光および参照光を第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）に入射させることで、互いに位相がπずれた干渉縞が生成される。さらに、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）からの出射光を第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）に入射させることで、位相がπ／２ずれた干渉縞が生成される。
　以上のプロセスにより、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）の検出面のそれぞれ異なる領域に、α＝π／２およびα＝πの２枚の第２のホログラムが同時に生成される。また、第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）の検出面のそれぞれ異なる領域に、α＝３π／２およびα＝０の２枚の第２のホログラムが同時に生成される。これらの４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布から、６値空間直交振幅変調信号（６－ＳＱＡＭ）を復調した。
　図３９は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点でのデータを復元したものを図４０Ａに示し、さらに平均化処理および閾値処理を行って、振幅２値、位相３値のデジタルデータに復調したものを図４０Ｂに示す。
　図３８に示されるオリジナルデータと図４０Ｂに示される復調したデータを比較すると、振幅および位相共に完全に復調されており、良好な結果が得られた。
　なお、図３７に示される構成において、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）および第８のレンズ（Ｌ８）は、無くてもよい。これらのレンズが無い場合、空間直交振幅変調信号に含まれる強度情報および位相情報がフレネル回折の影響を受ける。この場合、第２のホログラムの信号強度分布を用いて信号を復調した後、フレネル回折の影響を数値計算によって差し引くことによって、空間直交振幅変調信号に含まれる元の強度情報および位相情報を求めることができる。
　［実施例５］
　実施例５では、本発明の観測装置（実施の形態４参照）を用いて、生体観測を行った結果を示す。本実施例では、図４１に示される観測装置を用いて、ミジンコ（Daphnia pulex）およびセイヨウミツバチ（Apis mellifera）の後肢を観測した。
　図４１は、実験に用いた本発明の観測装置の構成を示す模式図である。図４１に示されるホログラム生成部１２１０の構成は、図９に示されるホログラム生成部および検出部の構成と同じである。
　図４１に示されるように、観測装置１２００は、レーザ光源、第１のレンズ（Ｌ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、第１のミラー（Ｍ１）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、λ／４波長板（ＱＷＰ）、ビームスプリッタ（ＢＳ）、第３のミラー（Ｍ３）、第４のミラー（Ｍ４）、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）、第８のレンズ（Ｌ８）、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）および第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）を有する。この観測装置１２００は、第１のミラー（Ｍ１）と第２のミラー（Ｍ２）との間に生体サンプル（Object）を設置して、観測を行う。
　図４１に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の左方向（第１のミラーＭ１側）に向かう光は、信号光（観測対象からの透過光または反射光）となる。一方、図面の下方向（λ／４波長板ＱＷＰ側）に向かう光は、ホログラム（第２のホログラム）を生成するための参照光（第２の参照光）となる。
　第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の左方向（第１のミラーＭ１側）に向かう光は、生体サンプル（Object）に入射する。生体サンプル（Object）内を光が透過することで、または生体サンプル（Object）において光が反射することで、生体サンプル（Object）の振幅特性および位相特性に対応する空間直交振幅変調信号が生成される。以後のプロセスは、実施の形態４および実施例４で説明したプロセスと同一である。最終的に、空間直交振幅変調信号に含まれる強度分布および位相分布が復調される。これらは、それぞれ、生体サンプル（Object）の透過光強度分布および透過光位相分布（または反射光強度分布および反射光位相分布）に相当する。
　図４２および図４３は、ミジンコの観測結果を示す。図４２は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図４３は、図４２に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。
　図４４および図４５は、セイヨウミツバチの後肢の観測結果を示す。図４４は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図４５は、図４４に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。
　図４３および図４５の結果から、本発明の観測装置により、生体サンプルの透過光強度分布および透過光位相分布（または反射光強度分布および反射光位相分布）を観測できることがわかる。
　なお、図４１に示される構成において、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）および第８のレンズ（Ｌ８）は、無くてもよい。これらのレンズが無い場合、生体サンプル由来の空間直交振幅変調信号に含まれる強度情報および位相情報がフレネル回折の影響を受ける。この場合、第２のホログラムの信号強度分布を用いて信号を復調した後、フレネル回折の影響を数値計算によって差し引くことによって、生体サンプル由来の空間直交振幅変調信号に含まれる元の強度情報および位相情報を求めることができる。
　［実施例６］
　実施例６では、本発明の観測装置（実施の形態４参照）を用いて、偏光観測を行った結果を示す。本実施例では、図４６に示される観測装置を用いて、晶質石灰岩の薄片を観測した。
　図４６は、実験に用いた本発明の観測装置の構成を示す模式図である。図４６に示されるホログラム生成部１３１０の構成は、図９に示されるホログラム生成部および検出部の構成と同じである。
　図４６に示されるように、観測装置１３００は、レーザ光源、第１のレンズ（Ｌ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、第１のミラー（Ｍ１）、偏光子（Ｐｏｌ．）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第３の半波長板（ＨＷＰ３）、λ／４波長板（ＱＷＰ）、ビームスプリッタ（ＢＳ）、第３のミラー（Ｍ３）、第４のミラー（Ｍ４）、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）、第８のレンズ（Ｌ８）、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）および第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）を有する。この観測装置１３００は、第１のミラー（Ｍ１）と偏光子（Ｐｏｌ．）との間にサンプル（Object）を設置して、観測を行う。
　図４６に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の左方向（第２の半波長板ＨＷＰ２側）に向かう光は、信号光（観測光）となる。一方、図面の下方向（λ／４波長板ＱＷＰ側）に向かう光は、ホログラム（第２のホログラム）を生成するための参照光（第２の参照光）となる。
　第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の左方向（第２の半波長板ＨＷＰ２側）に向かう光は、水平偏光（図面の面内方向に平行な偏光）である。第２の半波長板（ＨＷＰ２）は、この水平偏光の光の偏光角を４５度回転する。４５度直線偏光の光は、サンプル（Object）に入射する。サンプル（Object）内を光が透過することで、またはサンプル（Object）において光が反射することで、サンプル（Object）の偏光特性に依存した振幅変調および位相変調を受けた光が、空間直交振幅変調信号（光複素振幅）として生成される。空間直交振幅変調信号は、偏光子（Ｐｏｌ．）に入射する。このときの偏光子（Ｐｏｌ．）の角度によって、空間直交振幅変調信号のどちらの偏光成分（水平偏光（Ｐ偏光）または垂直偏光（Ｓ偏光））について観測するかを選択することができる。偏光子（Ｐｏｌ．）の角度を調整することで、任意の偏光成分を観測することができる。
　以後のプロセスは、実施の形態４で説明したプロセスと同一である。最終的に、選択した偏光成分についての、空間直交振幅変調信号に含まれる強度分布および位相分布が復調される。これらは、それぞれ、選択した偏光成分についての、サンプル（Object）の透過光強度分布および透過光位相分布（または反射光強度分布および反射光位相分布）に相当する。
　図４７および図４８は、水平偏光（Ｐ偏光）成分の観測結果を示す。図４７は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図４８は、図４７に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。
　図４９および図５０は、垂直偏光（Ｓ偏光）成分の観測結果を示す。図４９は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図５０は、図４９に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。
　図４８および図５０の結果から、偏光子の角度を変えることで、光透過特性が変化することがわかる。このように、本発明の観測装置により、結晶の複屈折性を確認することができる。
　なお、図４６に示される構成において、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）および第８のレンズ（Ｌ８）は、無くてもよい。これらのレンズが無い場合、晶質石灰岩由来の空間直交振幅変調信号に含まれる強度情報および位相情報がフレネル回折の影響を受ける。この場合、第２のホログラムの信号強度分布を用いて信号を復調した後、フレネル回折の影響を数値計算によって差し引くことによって、晶質石灰岩由来の空間直交振幅変調信号に含まれる元の強度情報および位相情報を求めることができる。
　［実施例７］
　実施例７では、本発明の観測装置（実施の形態４，６参照）を用いて、偏光観測を行った結果を示す。本実施例では、図４１に示される観測装置を用いて、ナメクジウオ（Branchiostoma belcheri）の切片を観測した。
　図５１および図５２は、４枚の第２のホログラム（α＝０、α＝π／４、α＝π／２、α＝３π／４）を生成する実施の形態４の手順による観測結果を示す。図５１は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図５２は、図５１に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。
　図５３は、２枚の第２のホログラム（α＝０、α＝π／２）を生成する実施の形態６の手順による観測結果を示す。図５３は、２枚の第２のホログラムの信号強度分布から各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。
　図５２および図５３の結果から、簡易な装置を用いて光複素振幅を計測できることがわかる。
　本出願は、２０１０年１０月１９日出願の特願２０１０－２３４６４０に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
　本発明のホログラフィックメモリは、コンシューマ向けのＡＶ用途のみならず、放送や医療分野におけるアーカイバル用途（データの長期保存が可能）や、データセンターなどの光ディスクシステム（消費電力がＨＤＤの１／６程度）などの様々な用途において有用である。
　１００　ホログラフィックメモリ記録再生装置
　１０５　レーザ光源
　１１０　第１のビームスプリッタ
　１１５　空間直交振幅変調信号光生成部
　１２０　第１のレンズ
　１２５　第１のミラー
　１３０　第２のビームスプリッタ
　１３５　光シャッタ
　１４０　第２のレンズ
　１４５　可変位相シフタ
　１５０　第２のミラー
　１５５　第３のビームスプリッタ
　１６０　ＣＣＤ
　１６５　ホログラフィックメモリ
　２１０　空間直交振幅変調信号光
　２２０　第１の参照光
　２３０　第２の参照光
　２４０　第１のホログラムの回折光
　２５０　第２のホログラム
　３０５　第１のビームスプリッタ
　３１０　第２のビームスプリッタ
　３１５　第３のビームスプリッタ
　３２０　第４のビームスプリッタ
　３２５　位相シフタ
　３３０　第１のＣＣＤ
　３３５　第２のＣＣＤ
　３４０　第３のＣＣＤ
　３４５　第４のＣＣＤ
　４０５　半波長板
　４１０　可変位相シフタ
　４１５　λ／４波長板
　４２０　ビームスプリッタ
　４２５　第１の偏光ビームスプリッタ
　４３０　第２の偏光ビームスプリッタ
　４３５　第１のＣＣＤ
　４４０　第２のＣＣＤ
　４４５　第３のＣＣＤ
　４５０　第４のＣＣＤ
　５０５　半波長板
　５１０　可変位相シフタ
　５１５　λ／４波長板
　５２０　ビームスプリッタ
　５２５　第１のミラー
　５３０　第２のミラー
　５３５　偏光ビームスプリッタ
　５４０　第１のＣＣＤ
　５４５　第２のＣＣＤ
　５５０　第２の偏光ビームスプリッタ
　５５５　第３の偏光ビームスプリッタ
　５６０　第２のビームスプリッタ
　５６５　第３のミラー
　６０５　半波長板
　６１０　可変位相シフタ
　６１５　λ／４波長板
　６２０　第１のビームスプリッタ
　６２５　第１のミラー
　６３０　第２のミラー
　６３５　第１の偏光ビームスプリッタ
　６４０　第２の偏光ビームスプリッタ
　６４５　第３の偏光ビームスプリッタ
　６５０　第４の偏光ビームスプリッタ
　６５５　第２のビームスプリッタ
　６６０　ＣＣＤ
　６６５　第３のビームスプリッタ
　６７０　第４のビームスプリッタ
　６７５　位相シフタ
　７０５　半波長板
　７１０　λ／４波長板
　７１５　ビームスプリッタ
　７２０　偏光ビームスプリッタ
　７２５　第１のＣＣＤ
　７３０　第２のＣＣＤ
　８０５　半波長板
　８１０　λ／４波長板
　８１５　偏光ビームスプリッタ
　８２０　第１のミラー
　８２５　第２のミラー
　８３０　ビームスプリッタ
　８３５　ＣＣＤ
　９００，１０００　ホログラフィックメモリ記録再生装置
　９１０，１０１０，１１１０　空間直交振幅変調信号光生成部
　９２０，１０２０，１１２０，１２１０，１３１０　ホログラム生成部
　１１００　復調装置
　１２００，１３００　観測装置

Claims (15)

  1. 　空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって、
    　第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、
    　前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するホログラム生成部と、
    　前記第２のホログラムの強度分布を検出する検出部と、
    　前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
    　を有する、ホログラフィックメモリ再生装置。
  2. 　レーザ光を出射するレーザ光源と、
    　前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するレーザ光分離部と、
    　をさらに有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
  3. 　前記ホログラム生成部は、前記第２の参照光の位相を変化させる可変位相シフタと、前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記可変位相シフタにより位相を変えられた第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタとを有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
  4. 　前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
    　前記ホログラム生成部は、
    　　前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
    　　第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
    　　前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
    　　前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
    　　前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
    　を有する、
    　請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
  5. 　前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
    　前記ホログラム生成部は、
    　　前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
    　　第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
    　　前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
    　　前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
    　を有する、
    　請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
  6. 　前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
    　前記ホログラム生成部は、
    　　前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
    　　第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
    　　前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射する第１のビームスプリッタと、
    　　前記第１のビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
    　　前記第１のビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
    　　前記第１の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第１の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記第２の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射する第２のビームスプリッタと、
    　を有する、
    　請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
  7. 　前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
    　前記ホログラム生成部は、
    　　前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
    　　第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
    　　前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
    　　前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
    　を有する、
    　請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
  8. 　レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する空間直交振幅変調信号光生成部と、
    　前記信号光と参照光とから生成される第１のホログラムをホログラフィックメモリに記録する記録部と、
    　をさらに有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
  9. 　前記空間直交振幅変調信号光生成部は、前記レーザ光が入射されるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第１の空間光変調器と、前記ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第２の空間光変調器とを有し、
    　前記ビームスプリッタと前記第１の空間光変調器との間の光路長ＬＩ、および前記ビームスプリッタと前記第２の空間光変調器との間の光路長ＬＱは、以下の式（１）を満たす、
    　請求項８に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000056
     　（ここで、λは前記レーザ光の波長である。）
  10. 　空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって、
    　第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するステップと、
    　前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するステップと、
    　前記第２のホログラムの強度分布を検出するステップと、
    　前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
    　を有するホログラフィックメモリの再生方法。
  11. 　レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するステップをさらに有する、請求項１０に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
  12. 　空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と、
    　前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
    　前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、
    　前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、
    　前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
    　を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置。
  13. 　空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信するステップと、
    　前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
    　前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと、
    　前記のホログラムの強度分布を検出するステップと、
    　前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
    　を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調方法。
  14. 　観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と、
    　前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
    　前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、
    　前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、
    　前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部と、
    　を有する、光強度分布および光位相分布の観測装置。
  15. 　観測対象からの透過光または反射光を入力するステップと、
    　前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
    　前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと、
    　前記のホログラムの強度分布を検出するステップと、
    　前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出するステップと、
    　を有する、光強度分布および光位相分布の観測方法。
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