JP2007333939A - ブロック変調方法、撮像方法及びホログラム記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホログラム記録メディアの位置ずれに対するロバスト性と記録密度の向上の両方を一度に達成することができるブロック変調方法を提供すること。
【解決手段】図１（Ｂ）は本発明の２/４変調を行ったときの空間変調器の表示パターン（ビットパターン）を示しており、単位となる四角は表示画素（ビット）を示している。一方、図１（Ａ）は図１（Ｂ）で示したブロック変調と同一の従来のブロック変調を行ったときの空間変調器の表示パターンを示している。両図を比較すると分かるとおり、本発明の方法は、表示ブロックの真ん中の画素の表示が従来のそれに対して反転している。即ち、従来の真ん中の画素が白表示の場合は黒表示に反転し、従来の真ん中の画素が黒表示の場合は白表示に反転してページデータを表示し、これにより、信号光をブロック変調する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラム記録再生装置に係り、特に記録時の信号光を空間変調する際のブロック変調方法及び再生時の再生光の撮像方法に関する。

近年、ホログラフィック技術は、次世代、次々世代光ディスクと競合する強力なストレージ候補として注目を集めているホログラフックメモリの実用化に向けて、急速に開発が進められており、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システムの開発が進行している。

ホログラム記録再生装置(ボリュームホログラムメモリ)は、コヒーレントな信号光と参照光の干渉縞をホログラム記録材料（フォトポリマーなど）６０に記録し、この記録材料に記録時と同一の参照光を照射して再生信号光を発生させ、この再生信号光をＣＣＤなどの撮像素子で光電変換することにより再生画像信号を得るものである。ホログラム記録においてはホログラム記録材料の体積全体を用いた記録が行われるため、２次元的な情報記録を行う従来の光ディスクメモリと比較して、飛躍的な記録密度及び記録容量の増大の可能性を秘めている。

このようなボリュームホログラムメモリでは、さらなる記録密度向上のために、ホログラム記録材料の同一箇所に多数の独立なページを記録する多重記録という手法が用いられている。この多重記録には各種の方式があり、角度多重記録、シフト多重記録、位相コード多重記録、スペックル多重方式などが代表的なものである。

図６は従来のホログラム記録再生光学系の構成を示したブロック図である（例えば特許
文献１参照）。ホログラム記録メディア６０にデータを記録する場合、シャッターユニット１１が開いている状態で、記録するデータページが反射型の空間変調器１３に表示されると共に、稼動ミラー９の角度が変化した後、シャッターユニット２が開いてホログラムがホログラム記録メディア６０に記録される。その際、制御装置１７が空間変調器１３の表示制御やホログラム記録メディア６０に対する駆動装置１８を介した回転制御を行い、更には、稼動ミラー９の駆動装置１９を介した回転制御を通して参照光２００のホログラム記録メディア６０に対する入射角を制御する。また、制御装置１７は、シャッターユニット２及びシャッターユニット１１の開閉を制御するが、記録時、シャッターユニット１１は常時開放しており、再生時、シャッターユニット１１は常時閉じている。

レーザー光源１から出射された干渉性を持つレーザー光はシャッターユニット２を通して固定ミラー３に入射される。固定ミラー３で進路を変更されたレーザー光は、ビームエキスパンダ４を形成するレンズ４１、４２に入り、これにより空間変調器１２の変調領域を完全にカバーできるビーム径に拡大される。その後、レーザー光はビームスプリッタ５に入射し、信号光１００と参照光２００に分割される。参照光２００は、絞り６により所定のビーム径に絞られた後、固定ミラー７、８ により進行方向を変えられ、稼動ミラー９に入射される。参照光２００は稼動ミラー９によりホログラム記録メディア６０に対する入射角度が変化され、参照光光学系１０を介してホログラム記録メディア６０に照射される。

一方、信号光１００はシャッターユニット１１を通してビームスプリッタ１２に入射し、その進路を直角に変更された後、データページが表示された空間変調器１３に入射されて反射される。こうして空間変調された信号光は、信号光光学系１４を通してホログラム記録メディア６０中で参照光２００と重なる様に照射される。ホログラム記録メディア６０中に照射された参照光２００と信号光１００は、メディア中で干渉し、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メディア中に記録される。その後、シャッターユニット２が閉じられる。ここで、信号光光学系はレンズ１４１、１４２、１４３とアパーチャ１４４で形成され、アパーチャ１４４は余分な高次光を除去するものである。

次に、空間変調器１３に次に記録するデータページが表示されると共に、可動ミラー９が僅かに回転してその角度が予め決められた角度変化する。この状態で、シャッターユニット２が開くと、ホログラム記録メディア６０に対する入射角度が僅かに異なる参照光２００と次に記録するデータページで空間変調された信号光１００との干渉縞が前回と同一記録領域（記録エリア）に多重記録される。この動作を繰り返し、ホログラム記録メディア６０上の一箇所に所望の枚数のデータページが多重記録される。その後、ホログラム記録メディア６０を回転させて信号光光学系１４、参照光光学系１０に対して相対移動させ、記録メディア６０上の新たな箇所に再びホログラムが多重記録される。

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ユニット１１を閉じた状態でシャッターユニット２を開くことにより、再生すべきデータページが記録されたホログラム記録メディア６０の位置に参照光２００が照射される。参照光２００の照射により生じたホログラム再生信号光３００は、再生信号光光学系１５を介してイメージャ１６上に結像する。その際、稼動ミラー９の角度を変化させることにより、ホログラム記録メディア６０の同一記録領域に多重記録されたページデータが各々分離されて連続再生される。ここで、再生信号光光学系１５はレンズ１５１、１５２、１５３およびアパーチャ１５４で形成され、アパーチャ１５４は多重記録間の再生時のクロストークを除去するものである。

上記のような従来のホログラム記録装置では、記録すべき記録情報に応じて変調を行うため、例えば液晶表示装置などで構成される空間光変調器１３に、信号光１００が照射される。ここで特に、空間光変調器１３は、マトリクス状にセルが平面配列されており、セル毎に光透過率を記録情報に応じて変えることで、信号光１００を変調する。更に、空間変調器１３は、変調された信号光１００を、微細ピッチを持つセルにおける回折現象によって０次光、１次光等の複数の回折光として異なる出射角度で出射する。この際の出射角度は変調単位であるセルのピッチにより規定される。そして、このように構成された空間光変調器１３により変調された信号光１００と空間光変調器を経ない参照光２００とが、ホログラム記録媒体６０上で干渉させられる。これにより、ホログラム記録媒体６０に記録情報が干渉縞として記録されるように構成されている。

記録時、空間光変調器１３にて変調された光は、通常０もしくは１ビットのビットパターンを得ていて、ある程度のビットのくくりをもって変調パターンと照らし合わせてビットから画像への変換、もしくは逆変換を行う。図７はブロック変調の代表例である２／４変調例を示した図である。通常のビットパターンでは、４個のビットの白、黒で信号を示すので、２＾４＝１６通りのパターンを示せるが、２：４変調の場合は、図示のように４個のブロックのうち、１個が必ず白になるようにすると、メディアの消費が押さえられ、かつ安定的に消費されるので、多重度が上げられて記録密度の向上につながり、縦２、横２ビットの４つのビットから２ビットの信号を生成することができる。このように、ブロックごとにまとめてビット変調をかけるのが体積ホログラムの記録方式としては一般的である。

他方で、一般的には空間変調器１３の各ビットとイメージャ１６の各ビットで全てのビットの記録位置と理論上の再生位置が合っていないと、信号として取り出すことができなくなる。また、空間変調器１３は一般的に開口率があまり高くない点と、先の再生位置が完全に合いづらい点から、空間変調器１３のビットの複数個を一つのビットとして取り扱い、イメージャ１６で再生光を取ることで、１ページあたりの情報量が低下するというデメリットがあるものの、イメージャ１６の複数個の再生光を受光画素で受け取ることで、メディアの位置ずれがあったり、光学的にずれが生じていても信号の受光の信頼性が低下することなく記録再生を行うことが可能である。これをオーバーサンプリングという。
特開２００５−２３４１７９号公報

ところで、上記のような従来のホログラム記録再生装置で、実用上十分なオーバーサンプリングが行われる場合は、１ページあたりのデータ量が低下してしまうために、今度は記録密度が上がらなくなる。そして、もう一つ記録密度を下げる大きな原因の一つとして、見かけ上ビットの大きさが増してしまうために、空間周波数が下がってしまうことにある。例えば図８のようなデータページの例を記録する場合、ホログラム記録媒体６０の記録面では図９に示すようなフーリエ変換像を記録する方法が一般的であるため、空間周波数が下がると、空間周波数の低い部分に信号光１００のエネルギー分布が偏ってしまい、そのため、フーリエ変換像は小さくなる。このフーリエ変換像が小さくなると言うことはその場所の光量が増えるので、スペクトル分布は狭く急峻になる。

体積ホログラム記録の場合はできる限り均一な光量をホログラム記録媒体６０に与えるほうが良いとされており、上記のように局所的に光が強い場合においては、一度作ったホログラムを破壊してしまう可能性もあるし、逆にその光に合わせて全体的な光量を下げると十分な回折効率が得られない可能性もあり、更なる記録密度の向上を図ることができない。

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、ホログラム記録メディアの位置ずれに対するロバスト性と記録密度の向上の両方を一度に達成することができるブロック変調方法及びそれを用いて記録したホログラムを再生する際の再生光の撮像方法及びこれら方法を用いた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、空間変調器を形成する複数の表示画素の集合であるブロック単位で光束を空間変調するブロック変調方法であって、前記単位ブロックを形成する表示画素の中の真ん中の画素の表示を本来の表示極性に対して反転表示して、前記光束を空間変調する。

このように本発明では、例えば光が通って白く表示される表示画素を黒く表示する。こうすると、空間周波数を全体的に押し上げることができるので、フーリエ変換像は大きくなり、光量も均一性が増す。ホログラム記録メディアに対して光量の均一性が増すと、たとえばフォトポリマーを用いた材料の場合、モノマーを均一に使うことができるため、記録材料のポテンシャルを最大限使うことが可能になる。 したがって、このような表示パターン（ビットパターン）を用いることで、１ページあたりの記録密度は落ちるが逆に多重度を上げることが可能になると共に、オーバーサンプリング受光を行っても信号光のエネルギー分布が偏ることを抑制でき、記録密度を向上させても良好なＳ/Ｎの再生信号を得ることができる。

本発明によれば、ブロック単位で光束を空間変調する際に、単位ブロックを形成する表示画素の中の真ん中の画素の表示を反転表示して前記光束を空間変調することにより、ホログラム記録メディアに対して信号光の光量の均一性を増加させることができる。これにより、記録材料のポテンシャルを最大限使うことができるようになり、それ故、オーバーサンプリング受光を行っても信号光のエネルギー分布が偏ることを抑制できるため、記録密度を上げても良好なＳ/Ｎの再生信号を得ることができる。即ち、ホログラム記録メディアの位置ずれに対するロバスト性と記録密度の向上の両方を一度に達成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係るホログラム記録装置で用いるブロック変調方法を説明するための図であり、ビットパターンを用いた２／４変調を説明する図である。図１（Ｂ）は本発明の２/４変調を行ったときの空間変調器２０の表示パターン（ビットパターン）を示しており、単位となる四角は表示画素（ビット）を示している。一方、図１（Ａ）は図１（Ｂ）で示したブロック変調と同一の変調を従来方法で行ったときの空間変調器２０の表示パターンを示している。両図を比較すると分かるとおり、本発明の方法は、表示ブロックを形成する複数の表示画素の真ん中の画素の表示が本来の極性（白か黒か）に対して反転表示されている。即ち、真ん中の画素が本来は白表示される場合は黒表示に反転され、真ん中の画素が本来は黒表示される場合は白表示に反転されて表示される。したがって、
図１（Ａ）と図１（Ｂ）では、真ん中の画素が反転している。

図２は、図１（Ａ）、図１（Ｂ）の３０で示した線上の表示パターンとそのフーリエ変換特性を示した概念図である。図２（Ａ）は表示パターンで、（１）は従来の、（２）は本発明の表示パターンを示している。図２（Ｂ）は図２（Ａ）の表示パターンのフーリエ変換特性（スペクトルパターン）で、（１）は従来の、（２）は本発明のフーリエ変換特性を示している。スペクトルパターンは従来方法より、本発明の方法を用いた場合の方が基本周波数が小さくなり、その分だけ高周波成分が増加していることが分かる。図２（Ｂ）の（２）に示す本発明のスペクトルパターンのように高周波成分が増えると、スペクトルは小さくなるため、結果としてホログラム記録メディアに投入される光量は減るようになり、安定した多重記録が可能になる。

図３は上記のような本発明のブロック変調を行って記録したホログラムをイメージャで再生する場合の空間変調周波数を従来方法で変調した場合のそれと比較した例を示した図である。図３（Ａ）は従来変調方法を用いた場合、図３（Ｂ）は本発明の変調方法を用いた場合を示している。ここで、３１は従来変調方法による空間変調器の表示パターンを、３２は従来変調時の空間周波数特性を、３３は従来変調方法により記録したホログラムを再生する場合のイメージャの受光パターンを示している。また、３４は本発明変調方法による空間変調器の表示パターンを、３５は本発明変調時の空間周波数特性を、３６は本発明変調方法により記録したホログラムを再生する場合のイメージャの受光パターンを示している。

再生時には従来の方法では、３１に示すように３個所が光るビットパターンだと、イメージャ上では、３００に示すように空間周波数特性はガウス分布に従う。この場合、３３に示すように、イメージャの受光パターンも３箇所に光が当たるパターンになっている。一方、本発明の方法では、３４に示すように両側が光り、真ん中は暗いビットパターンになるため、イメージャ上では、３０１で示すように空間周波数特性は真ん中が凹んだ特性になる。しかし、５０で示した閾値を持たせると、３６で示したイメージャの受光パターンは３箇所に光が当たるパターンになって、従来のそれと同じになり、白が並んでいるように認識することが可能である。したがって、これによって、３つのビット（２次元だと９つのビット）をまとめると、認識精度が増し、且つ位置ずれにも強くなる。

図４は図３で説明した特性を利用したイメージャの受光方法を示した図である。４１は
空間変調器のビットパターンで、４２はイメージャの受光パターンである。この場合、空間変調器の表示画素は３６個であるが、イメージャの受光画素は４個で済むため、イメージャ自体を大きくして信号を受け取ることが可能である。これによって、イメージャの画素を大きくできるため、低コスト化に貢献できる。

本実施形態によれば、信号光のブロック変調を行う際に、 本来は光が通る場所（白表示）の真ん中の表示画素（ビット）を光らせない（黒表示）ようする。但し、この場合は１ビットあたり３ドット以上を使用する必要があるため、単位ビットは３×３以上でなければならない。このようにビットを光らせないことで空間周波数を全体的に押し上げることができ、信号光のフーリエ変換像は大きくなり、光量も均一性が増す。ホログラム記録メディアに対しては光量の均一性が増すと、例えばフォトポリマーを用いた材料の場合、モノマーを均一に使うことができるために、記録材料のポテンシャルを最大限使うことが可能になる。 したがって、このようなビットパターンを用いることで、１ページあたりの記録密度は落ちるが、逆に多重度を上げることが可能になる。

また、図３（Ｂ）に示すように、オンビットの抜けた部分はイメージャ上ではある程度の光量が発生してしまうために、もしも位置ずれやフォーカスずれが発生しても、イメージャ上では今までどおり検出すればよく、この図面では３ビット分のオーバーサンプリングが可能となっている。これにより、ホログラム記録メディアの位置ずれに対するロバスト性を保証することができる。したがって、本実施形態のブロック変調方法を用いることによってホログラム記録メディアの位置ずれに対するロバスト性と記録密度向上の両方を一度に達成することができる。

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、本発明を２：４変調に適用するだけでなく、図５で示したような３：１６変調のように単位ブロック内の真ん中に表示画素があるものであれば、本発明を同様に適用して同様の効果を得ることができる。また、上記の実施形態で説明した本発明のブロック変調方法を適用したホログラム記録再生装置の構成（図示省略）は図６に示した従来のそれと同様で、空間変調器の表示制御を変えるだけで、本発明のブロック変調方法の効果を実現することができる。但し、本発明のブロック変調方法は多重方法に拘わらず、シフト多重など、どのように多重方法を採る装置でも、或いは多重を用いない装置にでも適用して同様の効果を得ることができる。

本発明の一実施形態に係るホログラム記録装置で用いるブロック変調方法を説明するための図である。 図１の３０の線上の表示パターンとそのフーリエ変換特性を示した概念図である。 図１で説明したブロック変調を行って記録したホログラムをイメージャで再生する場合の空間変調周波数の従来方法との比較を示した図である。 図３で説明した特性を利用したイメージャの受光方法を示した図である。 本発明を３：１６変調に適用した場合を示した図である。 従来のホログラム記録再生系の構成を示したブロック図である。 従来のブロック変調の代表例を示した図である。 従来の空間変調器に表示されるデータページ例を示した図である。 ホログラム記録メディア上の信号光のフーリエ変換像を示した図である。

符号の説明

２０……空間変調器。

Claims (9)

1. 空間変調器を形成する複数の表示画素の集合であるブロック単位で光束を空間変調するブロック変調方法であって、
   前記単位ブロックを形成する表示画素の中の真ん中の画素の表示を本来の表示極性に対反転表示して、前記光束を空間変調することを特徴とするブロック変調方法。
2. 前記ブロック変調は２：４変調であることを特徴とする請求項１記載のブロック変調方法。
3. 前記ブロック変調は３：１６変調であることを特徴とする請求項１記載のブロック変調方法。
4. 前記光束は信号光と参照光の干渉縞をホログラム記録メディアに記録する際の信号光であることを特徴とする請求項１記載のブロック変調方法。
5. ホログラム記録メディアから再生された再生光を撮像装置で光電変換して画像信号とする撮像方法であって、
   前記撮像装置により受光された信号を２値化する閾値を、周囲が白パターンで真ん中だけが黒パターンである再生光を受光した際に前記真ん中の黒パターンを白として２値化するレベルとすることを特徴とする撮像方法。
6. 前記撮像装置は前記再生光をオーバーサンプリング受光すること特徴とする請求項５記載の撮像方法。
7. 空間変調器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メディアに記録するホログラム記録装置であって、
   前記空間変調器を形成する複数の表示画素の集合であるブロック単位で前記信号光を空間変調する際に、前記単位ブロックを形成する表示画素の真ん中の画素の表示を本来の表示極性に対して反転表示して、前記信号光を空間変調することを特徴とするホログラム記録装置。
8. 平行参照光を記録材料に照射して得られる再生光を撮像装置で受光してホログラムを再生するホログラム再生装置であって、
   前記撮像装置により受光された信号を２値化する閾値を、周囲が白パターンで真ん中だけが黒パターンである再生光を受光した際に前記真ん中の黒パターンを白として２値化するレベルとすることを特徴とするホログラム再生装置。
9. 前記撮像装置は前記再生光をオーバーサンプリング受光すること特徴とする請求項８記載のホログラム再生装置。
   

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