JP2006154163A - ホログラム記録装置、ホログラム再生装置、ホログラム記録方法及びホログラム再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】参照光の入射角を変化させる反射ミラーの限られた可動範囲の中で、角度多重方式によるホログラムの多重度をクロストークの悪化なく従来よりも上げることができる或いは、ホログラムの多重度を上げない場合は反射ミラーの可動範囲を従来よりも狭くする。【解決手段】参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に記録する際に、参照光の前記ホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一の記録領域にホログラムを多重記録する際に、参照光の入射角の角度ピッチをΔθ_１、Δθ_２、…、Δθ_ｍ−１のように、参照光の入射角に応じて変化させ、クロストークが悪化しない範囲の最小値とする。これにより、参照光可動角度が同じ場合には多重度を増加させ、多重度が同じ場合には参照光可動角度を狭くすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に角度多重方式により多重記録するホログラム記録再生装置及び方法に係り、特に参照光のホログラム記録媒体への入射角の角度ピッチの設定に関する。

従来よりホログラムデータストレージの記録時には、信号光と参照光の２光束が干渉する領域にホログラム記録媒体を配置して、前記２光束の干渉縞をホログラム記録媒体に記録するものである（例えば非特許文献１参照）。その際に、ホログラム記録媒体への記録密度を向上させるため、角度多重方式をはじめ、シフト多重方式、スペックル多重方式、および位相コード多重方式などの各種多重方式によるホログラムの多重記録が行われている。

いずれの多重方式においても、多重原理を決める参照光波面の種類が異なることを除いて、ホログラム記録再生装置の基本構成はほぼ同じと見做せるので、それらの代表として角度多重方式によるホログラフィックストレージ記録再生装置がある。これは信号光と参照光の２光束をホログラム記録媒体に照射するが、信号光を空間変調器（ＳＬＭ）に表示されるデータページで空間変調（強度変調）する毎に、参照光のホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一記録領域にホログラムを多重記録するものである。ホログラム記録媒体に記録されるのは、ＳＬＭに表示される２次元ビットデータ画像（データページ）のフーリエ像である。また、再生信号は回折光を逆フーリエ変換して得られるデータページ画像で、ＣＣＤ等の撮像素子によって撮像され、ビットパターンとしてコンピュータに取り込まれる。

この角度多重方式による多重記録の特徴は、平面波である参照光ビームを回転ミラー（あるいはガルバノミラー）で反射させ、記録媒体への入射角を変化させることによって、同じ領域に何枚ものホログラムを多重できることにある。このようなことを可能にするのは、体積ホログラムの特徴として角度選択性があるためである。

ここで、角度選択性とは、ある一枚のホログラムを再生する際、回折効率が再生参照光の記録参照光角度からのずれ量を変数とするSinc関数にしたがった振舞いを見せることである。すなわち、ホログラムの記録波長がλ、記録媒体（記録材料）の厚みがＴ、信号光と参照光の入射角がそれぞれθo ＝θr ＝θとすると、回折効率ηは再生参照光の角度変化量Δθに対して以下の式に従う。

η（比例） ｓｉｎｃ² （２Ｔ（Δθ)sinθ／λ） …（１）

例えば、記録波長が５３２ｎｍ、記録媒体の厚みが１ｍｍ、信号光と参照光の入射角が２０度で記録したホログラムの回折効率と再生参照光の入射角変化量の関係は図７にプロットされて描かれた特性曲線のような振舞いとなる。

また、再生参照光の角度ずれ量をゼロから徐々に大きくしていき、最初に回折効率がゼロになるときの角度変化量は、記録に用いる光源の波長λ、記録媒体（記録材料）の厚みＴ、信号光の入射角θo 、参照光の入射角θr で決まり、
Δθ＝（Δθ)_B＝λ／Ｔ（ｓｉｎθｒ＋ｓｉｎθo ・ｃｏｓθｒ／ｃｏｓθｏ）…（２）で表される。但し、ここまで示された角度はすべて記録材料内での値である。

ホログラムの多重記録の際、参照光の入射角度が変化する場合を考える。例えばフォトポリマーの屈折率が１．５、空気中での信号光の入射角が１５度、参照光の入射角が３５度から６５度まで変化する場合、Δθは式２から求めることができ、図８に示すような特性を有し、入射角が大きくなるに従って、Δθは小さくなる。

図９の表はひとつの記録領域に複数のデータページを角度多重で記録する時の、参照光入射角度の変化を示したものである。参照光入射角の変化はΔθで一定である。そのため、参照光の可動域は、θtotal ＝（M−1）×Δθ…（３）と表される。
IBM J.RES DEVELOP VOL 44 NO.3 MAY 2000 「Holographic data storage」

上記のように、従来の角度多重方式による多重記録では、角度選択性を確保する最小の参照光の角度変化量（角度ピッチ）Δθは、図８に示すように参照光の入射角度毎に異なるにも拘らず、一定としているため、多重されたホログラム全ての間でクロストークを最小にするΔθを選択せざるをえず、最も悪い（大きい）値が角度ピッチとして採用されている。したがって、参照光反射ミラーの可動範囲が限られている場合、多重できるホログラム数が少なくなってしまうという問題があった。

本発明は前記事情に鑑み案出されたものであって、本発明の目的は、参照光の入射角を変化させる反射ミラーの限られた可動範囲の中で、角度多重方式によるホログラムの多重度をクロストークの悪化なく従来よりも上げることができる或いは、ホログラムの多重度を上げない場合は反射ミラーの可動範囲を従来よりも狭くすることができるホログラム記録再生装置及び方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に記録する際に、前記参照光の前記ホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一の記録領域にデータを多重記録するホログラム記録装置であって、前記多重記録時の前記参照光の入射角の角度ピッチを変化させる参照光入射角制御手段を具備することを特徴とする。

また、本発明の前記参照光入射角制御手段は、前記参照光の入射角の角度ピッチを、当該参照光の入射角に応じて変化させることを特徴とする。

また、本発明は、再生参照光のホログラム記録媒体への入射角を変化させて当該ホログラム記録媒体の同一領域に照射することにより多重記録データを再生するホログラム再生装置であって、前記再生参照光の前記入射角が記録時の参照光の入射角と同一になるように、その角度ピッチを変化させる再生参照光入射角制御手段を具備することを特徴とする。

このように本発明では、角度多重方式によるホログラム記録装置において、従来一定であった多重記録時の参照光の入射角の角度ピッチを当該入射角に応じて変化させ、クロストークが生じない範囲の最適値、例えば角度選択性を確保する最小の参照光の角度ピッチとすることにより、角度ピッチを一律に決める場合に比べて、参照光可動角度が同じ場合には多重度を増加させることができ、多重度が同じ場合には参照光可動角度を小さくすることができる。

本発明によれば、参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に記録する際に、前記参照光の前記ホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一の記録領域にホログラムを多重記録する際に、多重記録時の前記参照光の入射角の角度ピッチを当該入射角に応じた最適値（例えば角度選択性を確保する最小の参照光の角度ピッチ）として変化させることにより、限られた参照光反射ミラー可動範囲の中では、ホログラム多重度をクロストークを悪化させることなく効率的に上げることができる。
また、ホログラム多重度を上げない場合は、参照光反射ミラー可動範囲を小さくできるため、参照光学系の光学部品、特にミラー等の可動部品を小型化できる。
また、参照光の入射角変化量が小さくなるので、参照光のパワー密度の変化も小さくなり、従って記録・再生条件の変化そのものも小さくなるので装置を簡素化することができる。
さらに、再生時にも、再生参照光の入射角の角度ピッチを当該入射角に応じた最適値として変化させる角度スケジューリングを行うため、ホログラム記録媒体が収縮しても各データページの再生に適した角度補正ができ、Ｓ／Ｎのよいデータ再生が可能となる。

参照光の入射角を変化させる反射ミラーの限られた可動範囲の中で、角度多重方式によるホログラムの多重度をクロストークの悪化なく従来よりも上げることができる或いは、ホログラムの多重度を上げない場合は反射ミラーの可動範囲を従来よりも狭くする目的を、参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に記録する際に、前記参照光の前記ホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一の記録領域にホログラムを多重記録する際に、多重記録時の前記参照光の入射角の角度ピッチを当該入射角に応じたクロストークが生じない最適値として変化させることによって実現した。

図１は、本発明の一実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示したブロック図である。ホログラム記録再生装置は、レーザ光源１、シャッター２、半波長板３、偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）４、スペイシャルフィルタ５、コリメートレンズ６、ミラー７、角度回転ミラー８、シャッター９、ミラー１０、スペイシャルフィルタ１１、コリメートレンズ１２、ミラー１３、ＳＬＭ１４、信号光レンズ１５、再生光レンズ１６、ＣＣＤ或いはＣＭＯＳなどで構成される撮像装置１７を有して構成され、ホログラム記録媒体６０に対してホログラムを角度多重方式で記録再生する。

図２は図１に示した本実施形態のホログラム記録再生装置の制御系の構成を示したブロック図である。ホログラム記録再生装置の制御装置１８は、シャッター２、９の開閉、空間変調器（ＳＬＭ）１４へのデータページの表示制御、角度回転ミラー８の回転制御などの個別制御及び装置全体の制御を行う。

次に本実施形態の動作について説明する。ホログラム記録媒体６０にデータを記録する場合、シャッター２が閉まった状態で（シャッター９は開いたまま）、記録するデータページが空間変調器（透過性の液晶表示装置）１４に表示されると共に、ホログラム記録媒体６０を回転させて記録場所（記録エリア）を決めた後、シャッター２が開らく。

これにより、レーザ光源１から出射された干渉性を持つレーザ光は、シャッター２を通して半波長板３により偏向方向が調整された後、偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）４に入射し、記録光１００と参照光２００に分割される。参照光２００は、スペイシャルフィルタ１１とコリメートレンズ１２によりビーム径を拡大された平行光になり、ミラー７によりその進行方向が変更されて角度回転ミラー８に入射する。参照光２００は角度回転ミラー８によりホログラム記録媒体６０へ設定された入射角で照射される。但し、参照光２００のホログラム記録媒体６０への入射角は、制御装置１８からの制御指令で角度回転ミラー８の回転角が変化されて変更される。その際、参照光２００の入射角変化に応じて参照光２００の角度ピッチはスケジューリングされ、このスケジューリングに応じて角度回転ミラー８の回転角が変化される。

一方、信号光１００はシャッター９を介してミラー１０に入射され、ここで進路を変更された後、スペイシャルフィルタ１１とコリメートレンズ１２により所定のビーム径に拡大された平行光になる。信号光１００はさらにミラー１３に入射してその進路を変更され、空間変調器１４に入射される。空間変調器１４にはデータページが表示され、ここを信号光１００が通ることにより空間変調される。空間変調された信号光１００は信号光レンズ１５を介してホログラム記録媒体６０中で集光され、参照光２００と重なり、その結果発生した干渉縞の光強度分布がホログラムとしてホログラム記録媒体６０中に記録され、その後、シャッター２が閉じられる。ホログラム記録媒体６０中に照射された参照光２００と信号光１００は、ホログラム記録媒体６０中で干渉し、その結果発生した干渉縞の光強度分布がホログラムとして記録媒体中に記録される。

その後、空間変調器１４に次に記録するデータページが表示されると共に、角度回転ミラー８が僅かに回転して、参照光２００の入射角を変更した後、シャッター２が開くと、次に記録するデータページがホログラム記録媒体６０の同一記録領域に角度多重で記録される。これを繰り返して、所定の多重度になると、ホログラム記録媒体６０を移動させ、次の記録領域に上記と同様の多重記録が行なわれる。

上記のように記録されたホログラムを再生する時は信号光シャッター９を閉じた状態でシャッター２を開くことにより、当該ホログラムが記録された位置に再生参照光２００が照射される。再生参照光２００の照射により生じた再生光３００は、再生光レンズ１６を介して撮像装置１７上に結像させ、撮像装置１７より再生画像信号を得る。次に角度回転ミラー８を回転させて参照光２００のホログラム記録媒体６０への入射角度を変えて同一の記録領域から別のデータページに対応する再生光３００を発生させて、撮像装置１７より次の再生画像データを得る。尚、再生参照光２００の入射角変化に応じて再生参照光２００の角度ピッチはスケジューリングされ、このスケジューリングに応じて角度回転ミラー８の回転角が変化されるのは、記録時と同様である。

次に上記した参照光２００の角度ピッチをスケジューリングして、参照光２００の入射角度毎に角度ピッチを変更する制御について説明する。本例の記録装置の制御装置１８は、ひとつの記録領域にｍ枚のデータページを記録する時、参照光２００の角度ピッチが多重記録順で異なるように図３の表に示すようにスケジューリングする。尚、図３の表に示された参照光入射角度系列に従って角度コントロールすることを角度スケジューリングと呼ぶことにする。この場合、角度多重システムの参照光反射ミラーの可動域θtotalは以下の通りである。

θtotal ＝Δθ₁ ＋Δθ₂ ＋・・・＋Δθ_m-1 （４）

即ち、本実施形態の角度ピッチは、従来のように一定ではなく、図４に示すように定めてあり、参照光２００の入射角度に応じて変化している。参照光２００の入射角度毎に、角度選択性を確保する最小の参照光の角度ピッチに設定される。これは、クロストークが悪化しない範囲の最小の角度ピッチであるとも言える。ここで、式２に従い参照光２００の入射角変化に応じて求められるΔθｍを角度ピッチとすると、以下に示すような関係がある。

Δθ＝Δθ₁ ＞Δθ₂ ＞Δθ₃ ＞……＞Δθ_m-1 ＞Δθ_m （５）

以上の議論より、ミラーの可動域を従来の方式と本実施形態の方式で比べると、θtotal(従来) ＞ θtotal(本発明) の関係があり、同じデータページ数を多重する場合、従来
の方式よりも本発明による角度多重方式のほうがミラーの可動域が狭くて済む。逆に、同じミラー可動域では本実施形態の方式のほうが多重度を増やすことができ、ひいては記録密度を向上させることができる。尚、角度スケジューリングの際、データページ１からデータページｍまでの記録に対応した参照光の入射角系列は｛ θ₁,θ₂,…, θ_m｝という順序でも｛ θ_m,θ_m-1,…, θ₁｝という順序でも構わない。

（スネルの法則）
記録材料内のブラッグ（Bragg ）の角度選択性は、式２においてθ_o ＝θ_r ＝θ_insideとすると、以下のように表される。

Δθ_inside＝λ/(２Ｔｓｉｎθ_inside) …（６）

角度多重記録装置において、参照光は記録材料に入射する際スネルの法則により屈折する。

図５に示すように、記録材料中の屈折率をｎ（空気中では１）、記録材料内の光の入射角をθ_inside、空気中の入射角をθ_outside とすると、以下のように表される。

ｎｓｉｎθ_inside ＝ｓｉｎθ_outside …（７）

参照光の入射角変化は装置内（空気中）に配置されたミラーの回転により得られるため、角度ピッチは空気中での角度選択性Δθoutside に従ってスケジューリングされる必要がある。

Δθ_outside ＝ｄθ_outside ／ｄθ_insideΔθ_inside…（８）

すなわち、多重記録の各ステップにおける参照光入射角θに基づいて、式７、式８を計算して得られるΔθ_outside の系列を、角度スケジューリングとして用いればよい。

上記のようにしたホログラム記録媒体６０に角度多重で記録してデータヘージを再生する場合について説明する。再生時の再生参照光２００は、記録時の参照光と同一の入射角度でなければならないため、記録時と同様にその角度ピッチが参照光の入射角に応じて変化し、図３と同様なスケジューリングとなる。

しかし、再生時にはホログラム記録媒体６０の収縮を考慮に入れなければならない場合がある。一般に、フォトポリマーは材料内のモノマーがポリマー化して重合することによって収縮を起こす。この収縮を角度補正するために、記録時の参照光の角度からδθずらして再生する必要がある場合、再生参照光の角度スケジューリングは図６の表に示した如くなる。尚、なお、収縮は記録中から開始されるため、データページによって収縮補正量δθが異なる場合もある。その際には、その異なるδθに基づいて角度スケジューリングを行えばよい。

本実施形態によれば、角度多重方式による記録時の参照光入射角に応じて参照光入射角の角度ピッチを最適値、例えば角度選択性を確保する最小の参照光の角度ピッチに設定し、参照光入射角毎に角度ピッチを変化させて多重記録することにより、多重度が従来と同じであれば、クロストークを悪化させることなく、従来の方式よりミラーの可動域を狭くすることができ、参照光光学系の光学部品を小形化できると共に、角度回転ミラー８を小形化できる。また、参照光２００の入射角変化量が小さくなるので、参照光２００のパワー密度の変化も小さくなり、従って記録・再生条件の変化そのものも小さくなるので装置の簡素化を図ることができる。また、角度スケジューリングを行うと、記録材料が収縮しても各データページの再生に適した角度補正ができるので、よりＳ／Ｎのよいデータ再生が可能となる。逆に、従来と同じミラー可動域であれば、クロストークを悪化させることなく、従来よりも多重度を増やすことができ、ひいては記録密度を向上させることができる。

尚、本実施形態によれば、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、その要旨を逸脱しない範囲において、具体的な構成、機能、作用、効果において、他の種々の形態によっても実施することができる。

本発明の一実施の形態に係るホログラム記録再生装置の構成を示したブロック図である。 図１に示した本実施形態のホログラム記録再生装置の制御系の構成を示したブロック図である。 多重記録するデータページの記録順番と参照光入射角度の関係を示した図である。 参照光の入射角度と角度ピッチの関係を示した特性図である。 スネルの法則を説明する図である。 多重記録されたデータページの再生順番と参照光入射角度の関係を示した図である。 回折効率と再生参照光の入射角変化量の関係を示した特性図である。 参照光の入射角度と角度ピッチの関係を示した特性図である。 従来の多重記録するデータページの記録順番と参照光入射角度の関係を示した図である。

符号の説明

１……レーザ光源、２、９……シャッター、３……半波長板、４……偏向ビームスプリッター（ＰＢＳ）、５、１１……スペイシャルフィルタ、６、１２……コリメートレンズ、７、１０、１３……ミラー、８……角度回転ミラー、１４……空間変調器（ＳＬＭ）、１５……信号光レンズ、１６……再生光レンズ、１７……撮像装置、１８……制御装置、６０……ホログラム記録媒体。

Claims (9)

1. 参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に記録する際に、前記参照光の前記ホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一の記録領域にデータを多重記録するホログラム記録装置であって、
   前記多重記録時の前記参照光の入射角の角度ピッチを変化させる参照光入射角制御手段を具備する、
   ことを特徴とするホログラム記録装置。
2. 前記参照光入射角制御手段は、前記参照光の入射角の角度ピッチを、当該参照光の入射角に応じて変化させることを特徴とする請求項１記載のホログラム記録装置。
3. 前記参照光の入射角の角度ピッチを当該参照光の前記入射角に応じて設定する際に、前記参照光が進行する空気中と前記ホログラム記録媒体の屈折率及び前記入射角に基づいて前記角度ピッチを補正することを特徴とする請求項１記載のホログラム記録装置。
4. 再生参照光のホログラム記録媒体への入射角を変化させて当該ホログラム記録媒体の同一領域に照射することにより多重記録データを再生するホログラム再生装置であって、
   前記再生参照光の前記入射角が記録時の参照光の入射角と同一になるように、その角度ピッチを変化させる再生参照光入射角制御手段を具備する、
   ことを特徴とするホログラム再生装置。
5. 前記再生参照光のホログラム記録媒体への入射角を設定する際に、前記入射角を前記ホログラム記録媒体の体積変化に応じて補正することを特徴とする請求項４記載のホログラム再生装置。
6. 参照光と信号光の干渉縞をホログラム記録媒体に記録する際に、前記参照光の前記ホログラム記録媒体への入射角を変化させて同一の記録領域にデータを多重記録するホログラム記録方法であって、
   前記多重記録時の前記参照光の入射角の角度ピッチを変化させることを特徴とするホログラム記録方法。
7. 前記参照光の入射角の角度ピッチを、当該参照光の入射角に応じて変化させることを特徴とする請求項６記載のホログラム記録方法。
8. 再生参照光のホログラム記録媒体への入射角を変化させて当該ホログラム記録媒体の同一領域に照射することにより多重記録データを再生するホログラム再生方法であって、
   前記再生参照光の前記入射角が記録時の参照光の入射角と同一になるように、その角度ピッチを変化させることを特徴とするホログラム再生方法。
9. 前記再生参照光のホログラム記録媒体への入射角を設定する際に、前記入射角を前記ホログラム記録媒体の体積変化に応じて補正することを特徴とする請求項８記載のホログラム再生方法。

Images