JP2006301253A - ホログラム記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】各種の多重方式の記録再生に用いることができ、且つ、光学系を小形化すること。【解決手段】再生時、参照光を参照光光学系５００を通して記録時と同様にホログラム記録材料８０に照射し、このホログラム記録材料８０から発生する回折光（再生光）３００を、回折光反転光学系６００の反射ミラー２５により、反対方向に反射して元来た光路に戻してホログラム記録材料８０を透過させ、この透過光を信号光光学系兼再生用信号光光学系４００に入射させ、その後、偏光ビームスプリッタ１４により光路を分岐してイメージセンサ１９に導いてデータを再生する。
【選択図】図１

Description

本発明は、信号光と参照光の干渉縞を記録材料に記録するホログラム記録再生装置に係り、特に記録時と再生時に同一の光学系を兼用で用いる構成に関する。

近年、情報により空間変調された信号光と参照光の干渉縞をホログラム記録材料に体積記録するホログラム技術を利用して大容量データの記録再生を行うホログラフィックデータストレージ（ホログラム記録再生装置）が提案されている（例えば非特許文献１参照）。

従来のホログラム記録再生光学系は図７に示すようなものであり、記録用信号光光学系１と再生用信号光光学系２とから成る。入力レーザ光（信号光）１００は空間変調器（ＳＬＭ）１３により記録情報により空間変調された後、記録用信号光光学系１を通して、ホログラム記録材料８０に集光され、別途と照射される参照光（図示せず）との干渉縞がホログラム記録材料８０に記録される。また、再生時は図示されない照明参照光がホログラム記録材料８０に照射されると、記録されている干渉縞に応じた回折光（再生光）が発生し、この再生光が再生用信号光光学系２を通してイメージセンサ１９に結像されることによって、再生される。

ここで記録時高周波カット用アパーチャ６とは、記録時にＳＬＭ１３で発生する高次回折光などを遮断し、ホログラム記録材料８０に不要な光が当たらないようにするための光学部品である。また、再生時高周波カット用アパーチャ７とは、再生時にホログラムから発生する不要な散乱光や不要なホログラムからの再生光などを遮蔽するための光学部品である。このような記録用、再生用、合わせて２種類の高周波カット用アパーチャがあるために、ホログラム記録再生用信号光光学系はどうしても大きくなってしまう。このような問題点を多少改善する方法として、例えば図８のような方法も提案されている。

この図８の構成では、ホログラム記録材料８０をフーリエ面から多少後方にデフォーカスし、その前に記録時高周波カット用アパーチャ２１を入れる方法である。その場合でも、再生時高周波カット用アパーチャ７は必要で、依然光学系は大きくなる。

上述の問題点を回避するための方法として、共役光再生という方法が知られている。共役光再生の例として、図９に記録方法、図１０に再生方法を示す。図９において、記録時、レーザ光源９から出射したコヒーレントなレーザ光は半波長板１０を通った後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１により信号光１００と参照光２００に分岐される。信号光１００は、空間変調器（ＳＬＭ）１３に表示されたデータパターンにより変調された後、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４、更に記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系４００を通過してホログラム記録材料８０に集光される。一方、参照光２００は半波長板１５を通ってからビームエキスパンダ１６によりそのビーム径が広げられた後、回転ミラー１７によりホログラム記録材料８０に対する入射角が調整されてから参照光光学系５００を通してホログラム記録材料８０に照射される。これにより、信号光１００はこの参照光２００と干渉し、その干渉縞がホログラム記録材料８０にホログラム記録され、その際に、参照光２００の入射角が変化される毎に、データがホログラム記録材料８０の同一領域に多重記録される。尚、記録時は図９に示した参照光光学系５００を使用して、参照光がホログラム記録材料８０に照射される。

再生時は図１０に示すように、参照光２００をホログラム記録材料８０の背後に回し込み、その後、回転ミラー１８によりホログラム記録材料８０への入射角度を調整し、さらに再生参照光光学系４５０を通してホログラム記録材料８０の背後から照射する。これにより、ホログラム記録材料８０から位相共役再生信号光（回折光）が発生し、この再生光は記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系４００を通過して偏光ビームスプリッタ１４に入射され、ここでその進行方向を直角に変更されてイメージセンサ１９に結像される。位相共役再生信号光はこのイメージセンサ１９で光電変換された後、画像処理を施されてデータが再生される。

共役光再生において、再生時には記録時と逆向きの再生光を入射させる。この方法だと、記録と再生が同じ光路を通るので、記録時と再生時の高周波カットアパーチャーが兼用できる。但し、共役光再生は事実上、角度多重方式でしか使えない。これは平行光以外の球面波や、より複雑な波面をもった参照光の場合、共役光で同等の複雑な波面を作成することが困難なためである。そのため参照光が平行光を利用する角度多重方式でしか共役光再生は使えない。さらに共役光を発生するために、一般的には光路を引き回す必要があり、結果として光学系が大きくなってしまう。
IBM J.RES DEVELOP VOL 44 NO.3 MAY 2000 「Holographic data storage」

しかしながら、上記のような共役光再生方式を採った場合、再生時には記録時と逆向きの光を入射させて、記録時と再生時に同じ光路（記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系）を用いることができるため、記録時と再生時の高周波カットアパーチャーが兼用できるが、共役光を発生するために、一般的には再生参照光の光路を引き回す必要があり、結果として光学系が大きくなってしまう。また、従来の共役光再生は事実上、角度多重方式でしか使えなかった。その理由は、平行光以外の球面波や、より複雑な波面をもった参照光の場合、共役光で同等の複雑な波面を作成することが困難なためである。

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、各種の多重方式の記録再生に用いることができ、且つ、光学系を小形化することができる位相共役再生方式のホログラム記録再生装置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、空間変調された信号光を信号光光学系を通してホログラム記録材料に集光すると共に、別途記録時参照光を同ホログラム記録材料に照射することにより、この参照光と前記信号光の干渉縞をホログラム記録材料に記録し、再生時、照明参照光のみを前記記録時の参照光同様にホログラム記録材料に照射することにより発生する回折光を撮像素子に導いて再生データを得るホログラム記録再生装置であって、前記ホログラム記録材料の背後にあって前記発生した回折光の進行方向を反対向きにして元来た光路に戻し、さらにホログラム記録材料を背後から透過させて前記信号光光学系に入射させる回折光反転光学系と、前記信号光光学系に入射された前記回折光を前記撮像素子に導く分岐光学系とを具備することを特徴とする。

また、本発明の前記回折光反転光学系は、反射ミラーを備え、前記ホログラム記録材料から発生した回折光を前記反射ミラーに対して垂直に入射させてその進行方向を反対向きにすることを特徴とする。

このように本発明では、再生時も、照明参照光を記録時と同一の方向からホログラム記録材料に照射することにより、ホログラム記録材料から発生する回折光（再生光）を、再生像面に垂直に配置された反射ミラーによって入射方向と反対方向に反射して元来た光路に戻してホログラム記録材料を透過させ、この透過光を記録時の信号光をホログラム記録材料に集光させるために用いる信号光光学系に入射させ、その後例えばビームスプリッタなどの光学部品により光路を分岐して撮像素子に導いてデータを再生する。これにより、回折光を反射して元来た航路に戻す回折光反転光学系を後段レンズと反射ミラーなどの簡単な光学系で構成でき、また、信号光光学系の一部を用いて回折光を撮像素子に導くため、従来必要であった再生信号光光学系が兼用になり、さらに、再生時の照明参照光をホログラム記録材料の背後から照射するための光学系の引き回しを必要としないため、装置の光学系を大幅に小形化することができる。また、照明参照光を照射することによりホログラム記録材料から発生した回折光をそのまま用いて再生データを得るため、角度多重方式は勿論、それ以外の各種多重方式にも本発明は有効で上記の効果を得ることができる。

本発明によれば、再生時、照明参照光を記録時と同一の方向からホログラム記録材料に照射することにより、ホログラム記録材料から発生する回折光（再生光）を、再生像面に垂直に配置された反射ミラーによって入射方向と反対方向に反射して元来た光路に戻してホログラム記録材料を透過させ、この透過光を記録時の信号光をホログラム記録材料に集光させるために用いる信号光光学系に入射させ、その後例えばビームスプリッタなどの光学部品により光路を分岐して撮像素子に導いてデータの再生をすることにより、各種の多重方式の記録再生に用いることができ、且つ、光学系を小形化することができる。また、それにより光学系部品点数の削減が可能になり、装置の大幅な低価格化を図ることができる。

各種の多重方式の記録再生に用いることができ、且つ、光学系を小形化する目的を、再生時も、照明参照光を記録時と同一の方向からホログラム記録材料に照射することにより、ホログラム記録材料から発生する回折光（再生光）を、再生像面に垂直に配置された反射ミラーによって入射方向と反対方向に反射して元来た光路に戻してホログラム記録材料を透過させ、この透過光を記録時の信号光をホログラム記録材料に集光させるために用いる信号光光学系に入射させ、その後例えばビームスプリッタなどの光学部品により光路を分岐して撮像素子に導いてデータの再生をすることによって実現した。

図１は、本発明の第１の実施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。但し、従来例と同一の部分には同一符号を付して説明する。ホログラム記録再生装置は、レーザ光源９、半波長板１０、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１、シャッター２２、ビームエキスパンダ１２、空間変調器（ＳＬＭ）１３、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１４、半波長板１５、ビームエキスパンダ１６、回転ミラー１７、参照光光学系５００、イメージセンサ１９、組レンズ２０、アパーチャ２１、ホログラム記録材料８０、シャッター２３、後段レンズ２４、反射ミラー２５を有して構成され、ＰＢＳ１４、組レンズ２０、アパーチャ２１は記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系４００を、後段レンズ２４、反射ミラー２５は回折光反射光学系６００を構成している。

次に本実施形態の動作について説明する。記録時、レーザ光源９から出射したレーザ光は半波長板１０を通ってその偏光面が調整された後、ＰＢＳ１１により信号光１００と参照光２００に分岐される。この時、シャッター２２は開いており、信号光１００はビームエキスパンダ１２に入射して平行光になり、さらにＳＬＭ１３に表示された記録データで空間変調される。空間変調された信号光１００はＰＢＳ１４、組レンズ２０、アパーチャ２１を通ってホログラム記録材料８０に照射される。一方、参照光２００は半波長板１５を通ってビームエキスパンダ１６によりそのビーム径が拡大され、これが回転ミラー１７を介してから参照光光学系５００を通ってホログラム記録材料８０に照射される。これにより、信号光１００と参照光２００の干渉縞がホログラム記録材料８０に記録される。

図２は上記した記録時の動作を更に詳しく説明する図である。信号光１００は参照光２００とホログラム記録材料８０のところで干渉した後、ホログラム記録材料８０を透過してその背後に出射する。その時、回折光反射光学系６００の入り口にあるシャッター２３は閉じられていて、透過光はシャッター２３で遮断され回折光反射光学系６００へ入射されない。なお、参照光２００は半波長板１５によって信号光１００と同じ偏光方向に調整されている。

再生時、参照光（照明参照光）２００のみがホログラム記録材料８０に入射される。図３はこの再生時の動作を更に詳しく説明する図である。再生時はシャッター２２が閉じていて、信号光１００はホログラム記録材料８０に入射させず、記録時の参照光２００と同一の参照光２００のみがホログラム記録材料８０に入射する。入射した参照光２００は記録されたホログラムによって回折して回折光３００が発生する。この時、シャッター２３は開いていて、ホログラム記録材料８０から発生した回折光３００はシャッター２３を通って回折光反射光学系６００に入射する。この回折光２００はホログラム記録材料８０からｆ離れた位置にある焦点距離ｆをもつ後段レンズ２４により回折光が平行光となり、さらに距離ｆの位置にある反射ミラー２５上で結像される。図３から分かるようにホログラムにより回折された光は反射ミラー２５上で焦点を結ぶ。さらに図３に示すような配置にすると回折光３００は反射ミラー２５上に垂直に入射する。反射ミラー２５で反射された光は、後段レンズ２４を通過してもと来た光路を反対向きに進む。そして、ホログラム材料８０を透過して記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系４００に入射し、記録時の信号光１００と同じ光路を戻る。その際、反射ミラー２５の反射光は、アパーチャ２１を主光線が通るように戻る。

また、この時、参照光２００の光路上の半波長板１５（図１参照）を使用し、回折光３００の偏光方向を９０度回すことで、反射ミラー２５で反射した反射回折光はホログラム記録材料８０を通過した後、ＰＢＳ１４によってその進路を９０度変更され、イメージセンサ１９に入射され、このイメージセンサ１９により再生データを読み取ることが可能である。この光学系において、信号光１００のアパーチャ２１を回折光３００の高周波除去手段として兼用して使用できるため、光学系の小型化が可能である。なお、半波長板１５の代わりに回折光３００の光路上に四分の一波長板を置き、回折光３００の偏光を直線偏光から円偏光にすることで、反射ミラー２５で反射した後、再び四分の一波長板を透過させることで、回折光３００の偏光を９０度まわすことが可能である。

本実施形態によれば、後段レンズ２４と反射ミラー２５から成る簡単な構成の回折光反射光学系６００を用いて、回折光３００を記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系４００側に入射する構成により、高周波カット用アパーチャ２１を記録時と再生時で兼用させることができ、従来２個必要だったアパーチャが１個で済むため、アパーチャ及びそれに伴うレンズ系を共用した分、光学系を小型化することができる。また、再生時の参照光２００を記録時の参照光光学系５００を用いてホログラム記録材料８０に記録時と同方向から照射できるため、従来のように参照光をホログラム記録材料８０の背後から照射するための光学系の取り回し分を必要とせず、この分、光学系を小型化でき、装置全体での光学系を小型軽量化することができる。これにより、光学系部品点数の削減が可能になり、装置の大幅な価格低下を図ることができる。

図４は、本発明の第２の実施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。但し、図１に示した第１の実施形態と同様の部分には同一符号を付して説明する。本実施形態のホログラム記録再生装置の空間変調器（ＳＬＭ）３０は反射型である。それ故、信号光がビームエキスパンダ１２により平行光になって、直ぐにＰＢＳ１４に入射されることによって、その進路が９０度変更されてＳＬＭ３０に入射され、このＳＬＭ３０に表示されているデータにより空間変調されて反射される。こうして空間変調された信号光１００はＰＢＳ１４を真っ直ぐ通ってさらに組レンズ２０、アパーチャ２１を通ってホログラム記録材料８０に照射される。一方、参照光２００は第１の実施形態と同様の参照光光学系５００を通してホログラム記録材料８０に照射される。これにより、信号光１００と参照光２００の干渉縞がホログラム記録材料８０に記録される。

再生時は、参照光２００のみを記録時と同一の方向からホログラム記録材料８０に照射した際に、このホログラム記録材料８０から発生した回折光３００をシャッター２３を通して回折光反射光学系６００に入射し、回折光３００を反射ミラー２５で反射させて元来た光路を戻し、さらに、ホログラム記録材料８０を背面から透過して記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系４００に入射する。回折光３００はＰＢＳ１４によってその進路を９０度変更されてイメージセンサ１９に入射され、このイメージセンサ１９により再生データが読み取られた後、画像処理を施されて再生データとなる。

本実施形態によれば、反射型のＳＬＭ３０を用いても、第１の実施形態と同様の効果がある。

図５は、本発明の第３の実施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。本実施形態のホログラム記録再生装置では、ＳＬＭ１３の表示画素とイメージセンサ１９の受光画素のサイズが１対１対応でないような場合、倍率変換光学系３３をＰＢＳ１４とイメージセンサ１９との間に挿入して両画素の対応関係の調整を行っている。他の構成は第１の実施形態と同様で同様の効果を得ることができる。また、倍率変換光学系は図６に示すようにＳＬＭ１３とＰＢＳ１４の間に挿入しても同様の作用効果を得ることができる。

尚、本発明は上記実施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。例えば、上記した第３の実施形態についても、第２の実施形態の反射型ＳＬＭを用いた構成にすることも容易にできる。また、再生時、参照光のみを照射してホログラム記録材料から発生した回折光をそのまま用いて再生データを得るため、角度多重方式以外の各種多重方式にも本発明は有効で上記の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施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に示した装置の記録時の動作を更に詳しく説明する図である。 図１に示した装置の再生時の動作を更に詳しく説明する図である。 本発明の第２の実施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。 本発明の第３の実施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５に示した第３の実施形態の変形例を示したブロック図である。 従来のホログラム記録再生装置の記録再生光学系の構成例を示したブロック図である。 従来のホログラム記録再生装置の記録再生光学系の他の構成例を示したブロック図である。 従来の共役光再生方式のホログラム記録装置の構成例を示したブロック図である。 従来の共役光再生方式のホログラム再生装置の構成例を示したブロック図である。

符号の説明

９……レーザ光源、１０、１５……半波長板、１１、１４……偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、１２、１６……ビームエキスパンダ、１３、３０……空間変調器（ＳＬＭ）、１７……回転ミラー、１９……イメージセンサ、２０……組レンズ、２１……アパーチャ、２２、２３……シャッター、２４……後段レンズ、２５……反射ミラー、３３……倍率変換光学系、８０……ホログラム記録材料、４００……記録用信号光光学系兼再生用信号光光学系、５００……参照光光学系、６００……回折光反射光学系。

Claims (7)

1. 空間変調された信号光を信号光光学系を通してホログラム記録材料に集光すると共に、別途記録時参照光を同ホログラム記録材料に照射することにより、この参照光と前記信号光の干渉縞をホログラム記録材料に記録し、再生時、照明参照光のみを前記記録時の参照光同様にホログラム記録材料に照射することにより発生する回折光を撮像素子に導いて再生データを得るホログラム記録再生装置であって、
   前記ホログラム記録材料の背後にあって前記発生した回折光の進行方向を反対向きにして元来た光路に戻し、さらにホログラム記録材料を背後から透過させて前記信号光光学系に入射する回折光反転光学系と、
   前記信号光光学系に入射された前記回折光を前記撮像素子に導く分岐光学系と、
   を具備することを特徴とするホログラム記録再生装置。
2. 前記回折光反転光学系は、前記回折光の主光線が前記信号光光学系の不要光除去光学系を通過するように、前記回折光の進行方向を反対向きにして元来た光路に戻すことを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装置。
3. 前記回折光反転光学系は、反射ミラーを備え、前記ホログラム記録材料から発生した回折光を前記反射ミラーに対して垂直に入射させてその進行方向を反対向きにすることを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装置。
4. 前記回折光反転光学系は、前記ホログラム記録材料から焦点距離離れた位置に配置されたレンズと、さらにこのレンズから同焦点距離離れた位置に配置された反射ミラーを有することを特徴とする請求項３記載のホログラム記録再生装置。
5. 前記信号光を空間変調する空間変調器の表示画素と前記撮像素子の受光画素との対応関係を調整する倍率変換光学系を備えることを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装置。
6. 前記信号光を空間変調する空間変調器は透過型であることを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装置。
7. 前記信号光を空間変調する空間変調器は反射型であることを特徴とする請求項１記載のホログラム記録再生装置。
   

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