JP2009054232A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光記録媒体の厚さ方向でホログラムの多重記録及びその再生を行うための、簡易な構造の光学装置を提供する。
【解決手段】光記録媒体２２に照射されてホログラムを記録するための記録光またはホログラムを再生するための参照光を集光するフーリエ変換レンズ１８と光記録媒体２２との間に集光位置移動版２０を配置する。集光位置移動版２０は、光記録媒体２２の移動速度に応じて移動しつつ記録光または参照光を屈折させ、光記録媒体２２への記録光または参照光の集光位置を、光記録媒体２２の厚さ方向に所定距離移動させる。
【選択図】図３

Description

本発明は、光学装置に関する。

ホログラム記録・再生装置は、二値のデジタルデータ「０，１」等を例えば「明，暗」としてデジタル画像化した信号光をホログラムとして記録再生することによりデジタルデータの記録再生を行うものである。フーリエ変換ホログラムの場合、信号光はレンズによりフーリエ変換され、信号光と干渉して干渉縞を生成する参照光とともに光記録媒体に照射され、生じた干渉縞がホログラムとして光記録媒体に記録される。また、データを再生する際には、参照光を光記録媒体に照射し、回折光を光検出器で受光してデジタル画像を再生し、デジタルデータを取得する。

上記光記録媒体の記録容量を向上させるために、光記録媒体の厚さ方向にホログラムを多重記録する方法が従来より提案されている。この場合、光記録媒体の厚さ方向で信号光と参照光の集光位置を高速且つ正確に移動する必要がある。

例えば、下記特許文献１には、対物レンズ（フーリエ変換レンズ）を光記録媒体の厚さ方向にアクチュエータにより移動させる技術が開示されている。
特開２００３−１７８４５８号公報

本発明の目的は、光記録媒体の厚さ方向でホログラムの多重記録及びその再生を行うための、簡易な構造の光学装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１記載の光学装置の発明は、光記録媒体に照射されてホログラムを記録するための記録光またはホログラムを再生するための参照光を集光する集光レンズと、前記光記録媒体の移動速度に応じて移動しつつ前記記録光または参照光を屈折させ、前記光記録媒体への前記記録光または参照光の集光位置を前記光記録媒体の厚さ方向に所定距離移動させる集光位置移動手段と、を備えることを特徴とする。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記集光位置移動手段が、前記集光位置を前記光記録媒体の厚さ方向に周期的に移動させることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２記載の発明において、前記集光位置移動手段が、前記記録光または参照光の光軸に対して直交する平面を有し、前記平面は、光軸方向の厚さが周期的に異なる領域に分割されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項記載の発明が、さらに前記集光位置移動手段の移動速度に応じて移動し、前記記録光または参照光の光路長を補償する光路長補償手段を備えることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、本構成を有していない場合に比べて、光記録媒体の厚さ方向でホログラムの多重記録及びその再生を行うための、光集光位置の制御が簡易な光学装置を提供することができる。

請求項２及び請求項３の発明によれば、本構成を有していない場合に比べて、光記録媒体における集光位置を高速で切り替えることができる。

請求項４の発明によれば、本構成を有していない場合に比べて、光検出器が検出する像がぼやけることを回避できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。

図１には、本発明にかかる光学装置を備えたホログラム記録・再生装置の一実施形態の構成例が示される。図１において、信号光をホログラムとして記録する際には、光源１０からのコヒーレント光をレンズ１２，１４によって口径の広い平行光にし、空間光変調器１６に入射させる。

上記空間光変調器１６は、例えば液晶パネルにより構成され、図示しないコンピュータによって２値のデジタルデータ「０，１」を「明，暗」としたデジタル画像（２値画像、ただしこれには限定されない）を表示する。これによって、空間光変調器１６を通過した光は、２値画像の各画素の値に応じて強度変調されて信号光Ｓとなる。信号光Ｓは、フーリエ変換レンズ１８によってフーリエ変換（集光）され集光位置移動板２０を介して光記録媒体２２に照射される。

また、参照光Ｒは、上記信号光Ｓと光軸を共通にして、その外側から光記録媒体２２に照射される。この参照光Ｒは、光源１０からのコヒーレント光をレンズ１２，１４によって平行光にし、空間光変調器１６の外周領域に入射させる。空間光変調器１６の外周領域を通過した参照光Ｒは、信号光Ｓと同様に、フーリエ変換レンズ１８及び集光位置移動板２０を介して光記録媒体２２に照射される。

以上の工程により、光記録媒体２２中でフーリエ変換後の信号光Ｓと参照光Ｒとが干渉して、光記録媒体２２に信号光Ｓがホログラムとして記録される。

なお、上記空間光変調器１６は透過型として記載されているが、反射型とすることもできる。また、参照光Ｒは、空間光変調器１６の外周領域を通過する構成に限定されない。例えば、適宜なビームスプリッタ及び適宜な反射鏡等により信号光Ｓとは別の光路を通過させ、フーリエ変換レンズ１８に入射する段階で信号光Ｓと光軸を共通にさせる構成としてもよい。

ここで、集光位置移動板２０は、光記録媒体２２へ照射される記録光（記録時の信号光Ｓ及び参照光Ｒ）及び参照光Ｒ（再生時）の集光位置を、光記録媒体２２の厚さ方向に所定距離移動させる構成となっている。集光位置移動板２０については後述する。

次に、図１において、ホログラムの回折光から情報を再生する際には、光源１０からのコヒーレント光をレンズ１２，１４によって口径の広い平行光にし、空間光変調器１６により参照光Ｒのみとしてフーリエ変換レンズ１８に入射させ、その集光位置を集光位置移動板２０で調節しながら光記録媒体２２に照射する。これにより発生するホログラムからの回折光は、光路長補償板２４を介して逆フーリエ変換レンズ２６で平行光とし、適宜な光検出器２８により受光してホログラムに含まれていた情報を取得する。

ここで、集光位置移動板２０により集光位置が移動した長さだけ再生時の結像位置がずれるので、光検出器２８が検出する像がぼやけることになる。そこで、光路長補償板２４により光路長を補償し、上記像のぼやけを回避している。光路長補償板２４については後述する。

図２（ａ），（ｂ）には、上記集光位置移動板２０及び光路長補償板２４の構成例が示される。集光位置移動板２０及び光路長補償板２４は、例えば硝子、透明樹脂等の光透過性材料で形成されている。なお、図２（ａ）では、集光位置移動板２０及び光路長補償板２４の間に存在する光記録媒体２２を省略している。また、図２（ｂ）は、集光位置移動板２０及び光路長補償板２４の平面図である。

図２（ａ）において、集光位置移動板２０及び光路長補償板２４は、円盤状に形成されている。また、それぞれの周縁上には、記録光または参照光の光軸に対して直交する平面が形成されており、その平面は、光軸方向の厚さが周期的に異なる領域に分割されている。なお、図２（ａ）の例では、上記厚さが２種類であって、円盤の周縁に凸平面αと凹平面βが形成されているが、これに限定されない。光記録媒体２２の厚さ方向の多重記録方式に応じて３種類以上の異なる厚さの領域を形成してもよい。

図２（ａ）の例では、集光位置移動板２０及び光路長補償板２４において、上記凸平面αがそれぞれ同じ厚さとなっており、また凹平面βもそれぞれ同じ厚さとなっている。また、図２（ｂ）に示されるように、集光位置移動板２０及び光路長補償板２４に形成された凸平面αは同じ平面形状となっており、凹平面βも同じ平面形状となっている。また、凸平面αと凹平面βとは、同じ大きさの平面となっている。さらに、集光位置移動板２０と光路長補償板２４とは、図２（ａ）の破線で示されるように、集光位置移動板２０の凸平面αを通過した光が、その光路の下流で、光路長補償板２４の凹平面βを通過し、集光位置移動板２０の凹平面βを通過した光が、その光路の下流で、光路長補償板２４の凸平面αを通過するように配置されている。この状態で、集光位置移動板２０と光路長補償板２４とが同方向に同じ速度で回転する。この結果、集光位置移動板２０と光路長補償板２４とを通過した光は、硝子等の光透過性材料中を常に同じ距離進行することになる。これにより、光検出器２８が検出する像がぼやけることを回避できる。

また、凸平面αと凹平面βとの厚さの差は、必要な焦点距離の変動量により決定され、その値は後で述べる計算式により得られる。一定となる集光位置移動板２０と光路長補償板２４の厚さの和により発生する収差の影響を小さくするようにフーリエ変換レンズ１８および逆フーリエ変換レンズ２６を設計することが望ましい。

図３（ａ），（ｂ）には、上記集光位置移動板２０の集光位置移動機能の説明図が示される。図３（ａ），（ｂ）において、集光位置移動板２０は、その周縁部に上述した凸平面αと凹平面βとを有している。また、集光位置移動板２０は、光記録媒体２２の移動速度に応じて記録光もしくは参照光が透過する凸平面αと凹平面βが変化するように所定の速度で矢印Ａ方向に回転している。なお、集光位置移動板２０の回転速度は、光記録媒体２２の移動速度、多重記録を行う情報の光記録媒体２２における面密度、凸平面αと凹平面βの矢印Ａ方向の長さ（ピッチ）等により決定される。また、記録光及び参照光が集光位置移動板２０と光路長補償板２４の段差にかかる状態で光が照射されるのは望ましくなく、光路が凸平面αと凹平面βの平坦部分を通過する時だけレーザが点灯しているように制御することが望ましい。上記理由から段差面のビームスポットがなるべく小さいことが望ましく、集光位置移動板２０と光路長補償板２４の段差面はお互い光記録媒体２２を向いて、且つ光記録媒体２２から等距離で配置されることが望ましい。

図３（ａ），（ｂ）に示されるように、フーリエ変換レンズ１８の出射光が集光位置移動板２０の凸平面αまたは凹平面βに入射すると、光の屈折により集光位置が光記録媒体２２の厚さ方向で変化する。例えば、光が凸平面αを通過した場合には、集光位置が光記録媒体２２の奥側すなわち光記録媒体２２の入射面から遠い位置となり、凹平面βを通過した場合には、集光位置が光記録媒体２２前側すなわち光記録媒体２２の入射面に近い位置となる。

図４には、上記集光位置の移動原理の説明図が示される。図４では、フーリエ変換レンズ１８の出射光が集光位置移動板２０を通過して光記録媒体２２の所定位置に集光されている。集光位置移動板２０を光が通過する際には、集光位置移動板２０が無い場合の集光位置（破線で示されている）よりも、光の屈折により、光記録媒体２２の奥側に集光位置が移動する。このため、集光位置移動板２０の厚さを適宜調整することにより、図３（ａ），（ｂ）に示されるように、光記録媒体２２の厚さ方向で複数の位置（図３（ａ），（ｂ）では２つの位置）に集光位置を制御することができる。

図５（ａ），（ｂ），（ｃ）には、集光位置が移動する距離の計算例が示される。図５（ａ）において、集光位置移動板２０が無い場合には、フーリエ変換レンズ１８の出射光が光記録媒体２２に入射角Θ１で入射し、光記録媒体２２中を屈折角（入射面に立てた法線に対する角度）Θ２で伝播して、上記入射面から距離ｆ１の位置に集光される。このとき、入射位置と集光位置との入射面方向のずれをａ１とする。また、空気の屈折率をｎ１（＝１）、光記録媒体２２の屈折率をｎ２とする。

次に、図５（ｂ）において、厚さｄの集光位置移動板２０をフーリエ変換レンズ１８と光記録媒体２２との間に配置した場合を考える。ただし、計算の便宜上、集光位置移動板２０と光記録媒体２２とは密着して配置されており、また集光位置移動板２０及び光記録媒体２２の屈折率は同じ値（ｎ２）とする。この場合には、図５（ｃ）に示されるように、フーリエ変換レンズ１８の出射光は集光位置移動板２０の入射面で屈折し、屈折角Θ２で集光位置移動板２０及び光記録媒体２２を伝播する。

ここで、集光位置移動板２０が無い場合の光記録媒体２２の入射面への入射位置と、集光位置移動板２０への入射位置との入射面方向のずれをａ２とすると、厚さｄの集光位置移動板２０を配置した場合には、入射位置が集光位置に対して入射面方向にａ１＋ａ２だけずれることになる。また、集光位置移動板２０の入射面で屈折しないと仮定すると、入射位置から入射面方向にａ２ずれた位置で光が集光位置移動板２０の出射面に到達する。

図５（ｃ）における各角度と長さとの関係を整理すると、
ａ１＝ｆ１×ｔａｎΘ２
ａ２＝ｄ×ｔａｎΘ１

また、集光位置移動板２０の出射面と集光位置との距離をｆ２とすると、
ｆ２＝ａ２／ｔａｎΘ２＝ｄ×（ｔａｎΘ１／ｔａｎΘ２）
Δｆ＝ｆ２−ｄ＝ｄ×（ｔａｎΘ１／ｔａｎΘ２）−ｄ
＝ｄ×｛（ｔａｎΘ１− ｔａｎΘ２ ）／ ｔａｎΘ２｝

ここで、フーリエ変換レンズ１８の開口数をＮＡとすると、
Θ１＝ａｒｃｓｉｎＮＡ， Θ２＝ａｒｃｓｉｎＮＡ／ｎ２

よって、
Δｆ＝ｄ×｛ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎＮＡ）−ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎＮＡ／ｎ２）｝／｛ｔａｎ（ａｒｃｓｉｎＮＡ／ｎ１）｝
となる。

なお、本発明は記載の範囲を脱しない範囲で応用が可能である。たとえば、本文中では凸平面αと凹平面βの２つの面により集光位置の深さを２箇所で変更したが、適宜この数は調整可能である。また、凸平面αと凹平面βを円盤状に配し、記録光または参照光の光軸に対して垂直な方向に回転させる形態を示したが、これに限らず、光記録媒体２２の移動速度に応じて移動できる形態であればよい。

本発明にかかる光学装置を備えたホログラム記録・再生装置の一実施形態の構成例を示す図である。 集光位置移動板及び光路長補償板の構成例を示す図である。 集光位置移動板の集光位置移動機能の説明図である。 集光位置の移動原理の説明図である。 集光位置の移動距離の計算例を示す図である。

符号の説明

１０ 光源、１２、１４ レンズ、１６ 空間光変調器、１８ フーリエ変換レンズ、２０ 集光位置移動板、２２ 光記録媒体、２４ 光路長補償板、２６ 逆フーリエ変換レンズ、２８ 光検出器。

Claims (4)

1. 光記録媒体に照射されてホログラムを記録するための記録光またはホログラムを再生するための参照光を集光する集光レンズと、
   前記光記録媒体の移動速度に応じて移動しつつ前記記録光または参照光を屈折させ、前記光記録媒体への前記記録光または参照光の集光位置を前記光記録媒体の厚さ方向に所定距離移動させる集光位置移動手段と、
   を備えることを特徴とする光学装置。
2. 請求項１記載の光学装置において、前記集光位置移動手段は、前記集光位置を前記光記録媒体の厚さ方向に周期的に移動させることを特徴とする光学装置。
3. 請求項１または請求項２記載の光学装置において、前記集光位置移動手段は、前記記録光または参照光の光軸に対して直交する平面を有し、前記平面は、光軸方向の厚さが周期的に異なる領域に分割されていることを特徴とする光学装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか一項記載の光学装置が、さらに前記集光位置移動手段の移動速度に応じて移動し、前記記録光または参照光の光路長を補償する光路長補償手段を備えることを特徴とする光学装置。

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