JP4080195B2 - ホログラフィック光情報記録再生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム媒質を有する光学記録媒体を用いて高密度に情報の記録再生を行うホログラフィック光情報記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンパクトディスク（ＣＤ）は、波長７８０ｎｍの光源と開口数０．４５の対物レンズを用いて、音楽データ７４分の録音やデジタルデータ６４０ＭＢの記録を可能とした。また、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）は波長６５０ｎｍの光源と開口数０．６の対物レンズを用いて、２時間１５分のＭＰＥＧ２の動画やデジタルデータ４．７ＧＢの記録を可能とした。また近年では水平解像度１０００本以上の高精細動画が放送されるようになり、また、パーソナルコンピュータが高性能化され、さらに高密度、大容量の光ディスクに対する期待が高まっている。これに対して、波長４００ｎｍ前後の光源と開口数０．８５の対物レンズを組み合わせた光ディスクシステム等が提案され、片面２０ＧＢを超える容量が実現されようとしている。
【０００３】
このように光ディスク装置は、より短波長の光源とより開口数の大きい対物レンズを用いることで高密度化を実現してきた。しかしながら上記のような短波長化と高開口数のレンズによるアプローチには限界が近づいている。すなわち、波長４００ｎｍ以下の領域では、レンズに用いられるガラス材料の波長分散が大きくなるためにその収差を制御することが困難となる。また開口数をより大きくするために開発が進められている固体液浸レンズ技術を用いると、レンズ作動距離が極端に短くなり（５０ｎｍ程度）、ディスクの交換が容易でなくなるなどの問題が生じる。これらの課題を克服し、さらに高密度化を実現するために、ホログラフィック記録技術が大きな注目を集めている。
【０００４】
例えばＰｓａｌｔｉｓらによって提案されたシフト多重記録方式の光ディスク光学系の概略構成を図１４に示す。レーザ光源１からの光は，ビームエキスパンダ７でビーム径を拡大された後ハーフミラー８で分割される。分割された一方のビームは、ミラー１０により進行方向を変更された後空間光変調器２を通過し、フーリエ変換レンズ３によりホログラムディスク５上に集光され、信号光となる。他方のビームは、集光レンズ１２により集光されて参照光２２となって、ホログラムディスク５上の信号光と同一位置を照射する。ホログラムディスク５は、２枚のガラス基板間にフォトポリマーなどのホログラム媒質を封止した構成を有し、信号光と参照光の干渉縞が記録される。
【０００５】
空間光変調器２は２次元に配列された光スイッチ列からなり、記録される入力信号２３に対応してそれぞれの光スイッチが独立にオンオフされる。例えば１０２４セル×１０２４セルの空間光変調器２を用いた場合には、１Ｍビットの情報を同時に表示することができる。信号光が空間光変調器２を通過する際に、空間光変調器２に表示される１Ｍビットの情報は２次元の光ビーム列に変換され、ホログラムディスク５上に干渉縞として記録される。記録された信号を再生する際には、ホログラムディスク５に参照光２２のみを照射し、ホログラムからの回折光である再生信号光２１をフーリエ変換レンズ４を通した後、光検出器６によって受光して再生信号２４を検出する。
【０００６】
図１４に示した光記録システムの特徴は、ホログラム媒質の厚みが約１ｍｍ程度と厚く、干渉縞が厚いグレーティング、いわゆるブラッググレーティングとして記録されるため、角度多重記録が可能となり大容量の光記録システムが実現されることである。図１４のシステムでは参照光２２の入射角変化に変えて、球面波参照光の照射位置をシフトすることで角度多重を実現している。すなわちホログラムディスク５をわずかに回転させ記録位置をシフトした際に、媒体各部が感じる参照光入射角がわずかに変化することを利用する。ホログラム媒質の厚みが１ｍｍのときには、再生信号強度で規定される波長選択性は半値全幅０．０１４度となる。参照光ＮＡ０．５、ホログラムサイズ２ｍｍφのとき、約２０ミクロン間隔でホログラムを多重記録すると、このとき実現される記録密度は６００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ2であり、１２ｃｍディスク容量に換算して７３０ＧＢが実現される。
【０００７】
上記のような高密度光記録再生システムの実現には、小型、安定なレーザー光源がキー技術となる。特に、ブラッググレーティングは角度選択性とともに波長選択性を持つため、記録、再生時の光源波長の制御が必要であり通常の光ディスクに用いるような半導体レーザを用いることができない。また、記録密度の観点からはより短波長の光源を用いることが望ましいが、従来より比較的安価に高出力が得られるＡｒレーザの緑色光が実験用に多く用いられる。また近年では、全固体で実現できるＮｄドープＹＡＧレーザの２次高調波光源などを用いて小型化が実現されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように、ブラッググレーティングを用いたホログラム記録では光の入射方向や波長によって、記録される回折パターンが変化する。そのため、記録時の波長と再生時の波長が異なると、クロストーク信号の増加や信号光強度の低下を引き起こす。また、記録媒体の温度が変化することによって、最適再生波長が異なり、同様にクロストーク信号の増加や信号光強度の低下を引き起こす。
【０００９】
図１４の光ディスクでは、情報は記録された干渉縞からのブラッグ回折光として再生される。再生信号光が十分な光量で再生されるためには、ブラッグ条件を満たす必要がある。すなわち、媒質に対する参照光ビームの入射角度及び参照光ビームの波長がそれぞれ最適値に調整されなければならない。
【００１０】
例えば、ホログラム媒質の厚み１ｍｍ、光源波長５１５ｎｍ、干渉縞周期０．５μｍのシステムを仮定すると、回折効率が半減する波長の値で定義した参照光ビーム波長に対するブラッグ条件の許容幅は、５１５ｎｍ±０．２４ｎｍとなる。また、図１４の構成では、ホログラム媒質の熱膨張も考慮する必要がある。すなわち、ホログラム媒質の熱膨張によって記録された干渉縞の周期が変化し、ブラッグ条件を満たす最適再生波長が変化する問題である。
【００１１】
ホログラム媒質としてＤｕＰｏｎｔ製フォトポリマー、オムニデクス３５２原版を使った例について説明する。その熱線膨張率は７．１×１０-5と測定されており（植田他、特開平５−１６５３８８号公報）、２５℃の温度変化に対して最適波長の変化量は０．１８％であり、アルゴンレーザの発振波長に換算すると５１５＋０．９ｎｍとなる。これは前述のブラッグ条件の許容幅５１５±０．２４ｎｍの３倍以上の値であり、２５℃の温度変化に対して安定にホログラム再生を行うためには、再生中の温度変化に対応して再生光源の波長を最適に調整する必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記の課題を解決し、最適再生波長の異なる媒体から信号再生する場合や、記録媒体の温度変化によって最適再生波長が変化したときにも、十分な再生信号強度を維持し、クロストークの少ない安定な信号再生が可能なホログラフィック光情報記録再生装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のホログラフィック光情報記録再生装置は、記録媒体上に２つのコヒーレントビームの干渉縞の形態で記録されたデジタルデータを、記録媒体上にコヒーレントビームを照射し、記録媒体で回折された再生信号光を２次元光検出器アレイで受光することにより再生する。上記課題を解決するため、コヒーレントビームを出射する波長可変コヒーレント光源と、再生信号光の２次元光検出器アレイ上での位置情報を読みとり、その位置情報に基づいて波長可変コヒーレント光源の波長を制御する制御手段とを備える。
【００１４】
この構成において好ましくは、２次元光検出器アレイの受光セルの少なくとも一部が２以上の領域に分割されており、再生信号光の少なくとも一部のビームスポットをサーボ用ビームとして、例えば正常状態においてサーボ用ビームが分割された受光セル上の領域の分割線上に入射するように、光学系が配置される。さらに、制御手段は、分割された受光セルのそれぞれの領域からの信号の差動信号を検出し、その差動信号に基づいて波長可変コヒーレント光源の波長を制御する構成とする。
【００１５】
上記のいずれかの構成において、参照光ビームがアナモフィック光学系を透過するように光学系を構成し、前記制御手段が、２次元光検出器アレイにより検出される再生像の変化から、参照光ビームのフォーカス方向の位置ずれと、波長可変コヒーレント光源の波長ずれとを独立して検出するように構成することが好ましい。
【００１６】
上記のいずれかの構成において好ましくは、波長可変コヒーレント光源から出射されたコヒーレントビームを信号光及び参照光の２つのビームに分割する手段と、信号光を２次元的に強度変調する空間光変調素子と、空間光変調素子上の信号光に２次元的な位相分布を与える手段と、信号光と参照光を記録媒体上で交差させる光学系とを具備する。２次元的な位相分布を与える手段上の周辺部分には、中央部分よりもコヒーレント長が長い領域が設けられる。
【００１７】
この構成において好ましくは、２次元的な位相分布を与える手段の各セルは、２次元の直角格子状に形成され、各セルの位相変位量は０、π／２、π、３π／２のいずれかであり、互いに隣接するセルの位相差がπ／２或いは３π／２である。
【００１８】
上記のいずれかの構成において好ましくは、記録媒体からの回折光を２次元光検出器アレイ上に集光させるレンズ系を有し、記録媒体はレンズ系の焦点と異なる位置に配置される。
【００１９】
また、上記のいずれかの構成において好ましくは、再生信号光のサーボ用ビームが、常にオン状態になるように記録するか、あるいは、他のビームスポットに比べてより高い確率でオン状態になるように記録する構成とする。
【００２０】
また、上記のいずれかの構成において好ましくは、波長可変コヒーレント光源を、波長可変半導体レーザと２次高調波発生素子を用いたコヒーレント光源とする。
【００２１】
また、上記のいずれかの構成において好ましくは、前記分割された受光セルが、前記２次元光検出器アレイの四隅に位置する構成とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における光情報記録再生装置の要部を示す概略構成図であって、記録媒体であるホログラムディスク５からの回折光が２次元光検出器アレイ６Ａを照射する再生光学系を中心として示す。この光情報記録再生装置の全体の構成は、図２に示すとおりである。なお、図１４に示した従来の光情報記録再生装置と同様の構成要素については同一の符号を付して説明する。
【００２３】
図１には、ホログラムディスク５が、２枚のガラス基板５ｂと、それらの間に封止されたフォトポリマーなどのホログラム媒質５ａから構成されている様子が示される。球面波参照光２２は、集光レンズ１２によりホログラム媒質５ａを封止しているガラス基板５ｂの表面に集光され、ガラス基板５ｂ表面でのフレネル反射により、一部の光はフォーカス誤差検出光学系１４へと戻る。参照光２２を集光する集光レンズ１２は、フォーカス誤差検出光学系１４から出力されるフォーカス誤差信号によってその光軸方向位置が制御され、参照光２２は常にガラス基板５ｂ表面に集光される。
【００２４】
ホログラム媒質５ａには、空間光変調器２に表示される２次元のデータが光の干渉縞の状態で記録されている。すなわち、空間光変調器２によって記録されるべきデータに応じた２次元の明暗パターンを持った信号光と、参照光２２とが干渉し、ホログラム媒質５ａ内で波長オーダの微細な干渉パターン、すなわちホログラムとして、記録される。このホログラムは通常直径数ｍｍの円形をなし、一つのホログラムには空間光変調器２上に表示されたデータが一括して表現されている。ホログラム媒質の異なる位置に多数のホログラムを記録することによって、大容量の記録媒体が実現される。ホログラム媒体５ａは、ディスク状あるいは方形のカード状等の形態をなし、それぞれ、ディスク回転またはカードの平行移動によって異なるホログラムを選択することにより、記録・再生が行われる。
【００２５】
参照光２２がホログラム媒質５ａを照射すると、ホログラム媒質５ａ中に記録されたホログラムによって回折され、再生信号光２１を発生する。再生信号光２１にはホログラムが記録された際の信号光が持つ２次元の明暗パターンが再現されている。再生信号光２１はフーリエ変換レンズ４を通過した後、２次元光検出器アレイ６Ａによって受光されて再生信号が検出される。２次元光検出器アレイ６Ａは、再生信号光の２次元パターンに対応する２次元の受光セル列を有し、例えばＰＤアレイ、ＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子等で実現することができる。通常、２次元光検出器アレイ６Ａの受光セル配列は、空間光変調器２の２次元に配列された光スイッチ列に１対１に対応するが、この他に、空間光変調器２のセル１個に対して複数の受光セルが対応する構成としてもよい。後者の場合、２次元光検出器アレイ６Ａの出力信号を画像処理する必要が生じる反面、セル間のクロストークを抑制できる効果がある。
【００２６】
このとき発生する再生信号光２１が、記録時に空間光変調器２で変調された信号光と同じ経路をたどることが、ホログラム記録・再生の特徴である。ホログラム媒質５ａがフーリエ変換レンズ３のフーリエ面１６上に位置する場合には、空間光変調器２のあらゆるセルを通過した光がホログラム媒質５ａ上の同一の点を照射することになる。図１の構成の光情報記録再生装置の特徴は、ホログラム媒質５ａがフーリエ面１６から離れた位置に設置されることである。このとき、図のように空間光変調器２上の異なる点である、ａ点、ｂ点を通過した光は、ホログラム媒質５ａ上でも互いに異なる点（それぞれａ’点、ｂ’点）を通過する。参照光２２に球面波を用いているために、ホログラム媒質５ａ上の異なる点では参照光２２の入射する角度が異なり、再生時にはホログラム媒質５ａ上の異なる点での再生信号光２１は異なる回折角を与えられる。
【００２７】
図１では、最適波長の参照光２２で再生したときの再生信号光２１が実線で、また参照光ビーム２２が最適波長からずれて、最適波長より長い波長の光で再生したときの再生信号光２１が破線で示される。図のように、波長が長いときにはより回折角が大きくなり、再生信号光２１が２次元光検出器アレイ６Ａ上を照射する位置が変化する。ここで波長が長くなったときには、再生信号光２１は図の右上方向に全体的にシフトするとともに、より狭い領域を照射することになる。ビーム全体のシフトに対しては、ビームシフトに追従して２次元光検出器アレイ６Ａを光検出素子面内で平行移動して、その位置を制御する。
【００２８】
再生信号光２１を受光する２次元光検出器アレイ６Ａの平面概略図を図３に示す。２次元光検出器アレイ６Ａは、マトリクスに配列された受光セル６１の群により構成されている。受光セル群のうち、４隅に配置された分割された受光セル６２は、内側受光セル６２ｉと外側受光セル６２ｅに分割されている。各受光セル６１、６２毎に入射する信号光スポット２５が示されている。最適波長で再生した時の信号光スポット２５の照射位置は実線の円で、最適波長より長い波長の光で再生したときの信号光スポット２５の照射位置は破線の円で示されている。分割された受光セル６２に入射した破線の円の信号光スポット２５により、内側受光セル６２ｉと外側受光セル６２ｅから出力される信号は、（内側受光セル６２ｉの出力）＞（外側受光セル６２ｅの出力）となり、両者の差動信号から波長のずれを検出することができる。なお、最適波長より短い波長の光で再生したときは、受光セル６１の各々における信号光スポット２５の照射位置は、図３に実線の円で示す位置から、破線の円で示す位置とは反対方向へシフトする。
【００２９】
また、図３から分かるように光源波長のずれによる信号光スポット２５位置の変化は、２次元光検出器アレイ６Ａの周辺部で大きく中央部では小さくなる。このため、光源波長のずれを感度良く検出するには、２次元光検出器アレイ６Ａの周辺部のセルを分割してビーム位置を検出するのがよい。特に、図３に示すように、２次元光検出器アレイ６Ａの四隅のセルを分割セルとした構成が、検出感度が最大となる点において最も好ましい。
【００３０】
通常、データを記録するためのビームは、オン状態とオフ状態がホログラムごとに切り替わることになるが、ビーム位置検出をより高速、高精度に行うためには、２次元光検出器アレイ６Ａの周辺部のセルを照射する位置検出用の信号光スポット２５が、全てのホログラムにおいてオン状態になるように記録することが好ましい。ただし、位置検出用のセルを照射する信号光スポット２５が全てオン状態になるようにすると、当該信号光スポット２５は位置検出用のみに用いられることとなるので、データ記録用の実質的な情報量が減少する。従って、実質的な情報量を減少させたくない場合は、位置検出用のセルを照射する信号光スポット２５がよりオン状態になる確率が大きくなるような符号化方式を用いて、ホログラムにアドレス情報などを持たせることもできる。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態においては、図１４のレーザ光源１に代えて、波長可変コヒーレント光源１８を用いる。波長可変コヒーレント光源１８は、例えば半導体レーザーと、光導波路型波長変換デバイスとして、例えば擬似位相整合（以下、ＱＰＭと記す）方式の光導波路型２次高調波発生（以下ＳＨＧと略す）素子を用いることで容易に実現できる（山本他、Optics Letters Vol.16, No.15, 1156 (1991)）。図４に、光導波路型ＳＨＧ素子３３を用い、半導体レーザー３０とともにＳｉサブマウント３１上に搭載した波長可変コヒーレント光源１８の概略構成を示す。
【００３２】
半導体レーザ３０として、活性層領域と分布ブラッグ反射器（以下、ＤＢＲと記す）領域３２を有する波長可変ＤＢＲ半導体レーザを用いる。半導体レーザ３０は０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザである（V. N. Gulgazov, H. Zhao, D. Nam, J. S. Major Jr., and T. L. Koch: "Tunable high-power AlGaAs distributed Bragg reflector laser diodes", Electron. Lett., Vol.33, pp.58-59 (1997)参照）。ＤＢＲ領域３２への注入電流を変化させることにより、発振波長を可変とすることができる。
【００３３】
一方、波長変換デバイスである光導波路型ＳＨＧ素子３３は、Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3基板上に形成された光導波路３４と、周期的な分極反転領域３５より構成されている。光導波路３４は、ピロリン酸中でプロトン交換することにより形成される。また、周期的な分極反転領域３５は、櫛形の電極をｘ板上に形成し電界を印加することにより作製される。
【００３４】
１００ｍＷのレーザ出力に対して６０ｍＷのレーザ光が光導波路３４に結合する。波長可変ＤＢＲ半導体レーザ３０のＤＢＲ領域３２への注入電流量を制御し、発振波長を光導波路型ＳＨＧ素子３３の位相整合波長許容度内に固定する。波長４２５ｎｍの青色光が１０ｍＷ程度の出力で得られる。
【００３５】
ここで光導波路３４上には、０．０１ミクロンのＴａ膜を蒸着、パターニングしてヒータ電極３６が形成されている。ヒータ電極３６に電流を流して、光導波路３４の温度を変化させることにより、位相整合波長を制御した。光導波路型ＳＨＧ素子３３の位相整合波長の変化に合わせてＤＢＲ領域３２への電流注入量を制御し、波長チューニング中にも一定の青色光出力を得た。実験では導波路の温度変化３０度に対して２ｎｍの波長チューニングを実現でき、ホログラム媒質５ａの温度変化±２５度に対応できることを確認した。
【００３６】
本発明にかかる光情報記録再生装置では、光源波長が長波長側へずれたときは、前述のように図３に例示した光検出器アレイの受光セル６２のうち、受光セル６２ｉの出力から受光セル６２ｅの出力を差し引いて得られる差動信号が正となる。このとき、図１に示す波長制御回路１７によって波長可変コヒーレント光源１８の波長をより短波長側へ変化させる。具体的には、例えば図４に示す波長可変コヒーレント光源１８を用いた場合には、波長制御回路１７は、ＤＢＲ領域３２とヒータ電極３６への電流を制御する。上記差動信号が正の場合には、ＤＢＲ領域３２とヒータ電極３６への電流をともに減少させることにより、波長可変コヒーレント光源１８からの出力光の波長が短波長側へシフトされる。
【００３７】
このように、波長可変半導体レーザと波長変換デバイスを組み合わせたＱＰＭ−ＳＨＧデバイスは、メカ的な動作を伴わず電流注入のみによって容易に波長を変化させることができるため、本発明の光情報記録再生装置を小型、安価に実用化する上で特に有用である。またＱＰＭ−ＳＨＧデバイスは非点収差が少ない、相対雑音強度が小さい、可干渉性が高いなどの、ホログラム記録に有用な特長を併せ持つ。
【００３８】
なお、本発明の光情報記録再生装置では、記録容量や、記録媒体の安定性等の点から、可視光領域の波長可変コヒーレント光源を用いることが望ましい。その条件を満たす光源の例として、赤外ＤＢＲレーザを用いたＳＨＧデバイスを挙げたが、波長可変素子を用いないＤＢＲレーザ単体を光源として用いることも可能である。現状では、ＤＢＲレーザは赤外領域の波長でのみ開発されているが、将来、より短波長のＤＢＲレーザが実用化されれば、本発明にとって有効な光源となる。
【００３９】
なお、２次元光検出器アレイ６における受光セル６２の分割パターンは、図３に示した例に限定されず、例えば、図５または図６に示すような分割パターンであってもよい。図６に示す分割パターンを採用した場合、特に、デフォーカスによる再生パターンの拡大縮小の影響を受けにくいという利点がある。また、受光セル６２の分割数も２に限定されず、３または４以上であってもよい。
【００４０】
（実施の形態２）
図７（ａ）および（ｂ）に示す実施の形態２における光情報記録再生装置は、光源波長のずれの検出とともに、参照光のフォーカスずれをも同時に検出可能な構成を有する。図７（ｂ）は、再生信号光２１と参照光２２が含まれる平面、すなわち再生信号光２１が主に回折される方向（主回折方向）と平行な面での光学系の断面図を表す。また、図７（ａ）は、図７（ｂ）の左側から見た光学系の図、すなわち再生信号光２１と参照光２２が含まれる平面に垂直な面で一部を断面として示した図である。
【００４１】
図７の構成の特徴は、参照光２２を集光する集光レンズ１２の下に円柱レンズ１３が設置されていること、すなわち参照光がアナモフィック光学系を通過してホログラム媒質へ入射することである。円柱レンズ１３によって、参照光２２は、ホログラム媒質５ａに入射する際に、主回折方向に垂直な面では発散光として入射し（図７（ａ））、主回折方向に平行な面では収束光として入射する（図７（ｂ））。図７では、最適波長の参照光２２で再生される再生信号光２１を実線で、また最適波長よりわずかに長い波長の参照光２２で再生される再生信号光２１を破線で表している。参照光２２の波長が長い場合には最適波長での再生に比べて回折角が大きくなるため、図のように、主回折方向に垂直な方向では再生像はより小さくなり、主回折方向では再生像はより大きくなる。
【００４２】
この方式の特長は、集光レンズ１２やフーリエ変換レンズ４のフォーカスずれと波長ずれを独立に検出できることである。すなわち、集光レンズ１２やフーリエ変換レンズ４のフォーカス方向の位置ずれが生じた際には、検出光学系の倍率が変化して、２次元光検出器アレイ６Ｂ上の再生像の大きさが変化する。図１の構成ではこの倍率の変化と再生波長の変化を独立に分離検出できなかったが、図７の構成では、倍率の変化は像の大きさの変化で、波長による変化は受光パターンのｘ方向、ｙ方向の差によって互いに独立に検出することができる。図７の構成における２次元光検出器アレイ６Ｂ上の受光パターンを図８に示す。なお、２次元光検出器アレイ６Ｂとしては、ＰＤアレイやＣＣＤ素子等を用いることができる。
【００４３】
図８には、２次元光検出器アレイ６Ｂの４隅の４つの受光セル６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、及び６２ｄを分割した例を示している。分割された受光セル６２ａ等は、上下左右の４つの領域に分割されている。この４つの領域からの出力信号をもとに、例えば受光セル６２ａについては、図８において左側の二つのセルからの出力の和を６２ａｘ１、右側の二つのセルからの出力の和を６２ａｘ２、上側の二つのセルからの出力の和を６２ａｙ１、下側の二つのセルからの出力の和を６２ａｙ２と定義する。分割された受光セル６２ｂ、ｃ、ｄについても同様に出力信号を定義する。このとき波長ずれによる受光スポットのずれ分は、
なる演算で得られる信号により検出される。
【００４４】
また、検出系や参照光学系の倍率の変化は、
なる演算で得られる信号により検出される。
【００４５】
なお、波長ずれによる受光スポットのずれを、以下のような方法で検出することも可能である。すなわち、波長ずれによる受光スポットの移動方向は、分割された受光セルの対角線方向であるので、４つの領域に分割された受光セルのうちこの対角線方向における２つの対角領域からの出力信号をもとに差動信号を検出すれば、受光スポットのずれ分のうち、波長ずれに起因する成分のみを検出することができる。例えば、図８に示す分割された受光セル６２ａであれば、左上の領域からの出力から、右下の領域からの出力を差し引いて得られる信号により、波長ずれによる受光スポットのずれ分を検出できる。
【００４６】
また、図７ではアナモフィック光学系として円柱レンズ１３を用いる構成を例示したが、円柱レンズ１３の代わりに、図９に示すように、平行平板４１を、集光レンズ１２の下に、主回折方向に平行な方向に傾斜させるように配置した構成によっても同じ効果が得られる。また、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、集光レンズ１２の代わりに、球面レンズ４２と円柱レンズ４３との組み合わせによってアナモフィック光学系を構成することもできる。なお、図１０（ａ）は主回折方向に垂直な方向の断面図、図１０（ｂ）は主回折方向に平行な方向の断面図である。
【００４７】
（実施の形態３）
本発明のさらに他の実施形態について以下に説明する。
【００４８】
ホログラム再生における技術課題として、上記の実施の形態において解決しようとする波長制御に関する課題に加えて、スペックルノイズの抑圧が重要である。スペックルノイズは、主に媒体におけるほこり、きずなどの欠陥に起因する。図１の構成では、空間光変調器２を通過した光は、空間光変調器２上の光量分布がほぼ１対１にホログラム媒質５ａ上に投影される。そのため、ホログラム媒質５ａ上に欠陥等が存在するとき、２次元光検出器アレイ６Ａ上での回折光の受光パターンにも欠陥の像が投影され、顕著なノイズとなって観測され、正しい信号再生が行えない。これを回避する本実施の形態の構成が、図１１および図１２に示される。図１１および図１２に示すように、本実施形態にかかる光情報記録再生装置では、空間光変調器２に近接して拡散板１５が設置されている。なお、この拡散板１５は、空間光変調器２に密着するよう配置されることが好ましい。
【００４９】
拡散板１５は、例えばガラス基板に凹凸パターンをエッチングにより形成した構成を有し、通過する光に２次元的な位相分布を与える。拡散板１５にて位相分布を与えられた光は、フーリエ面１６上においても有限の広がりを持つ。従って、空間光変調器２上の１点を通過した光は、ホログラム媒質５ａ上において一定の広がりをもって記録される。この場合には、ホログラム媒質５ａ上に欠陥が生じても欠陥像が２次元光検出器アレイ６Ａ上に投影されず、像全体のＳ／Ｎを若干低下させるに過ぎない。以上のような拡散板によるスペックルノイズの抑圧は、文献（Y. Nakayama and M. Kato, "Diffuser with Pseeudorandom Phase Sequences", J. Opt. Soc. Am., vol.69, pp.1367-1372, October 1979）に詳述されているように、従来から提案されている技術である。本実施の形態が、従来の拡散板を用いた技術と異なる点は以下のとおりである。
【００５０】
空間光変調器２のすべてのセルに対して位相変位を同様に与えた場合には、すべてのセルからの光がホログラム媒質５ａの同じ場所を照射することになる。従って、実施の形態１或いは２に示したように特定のセルからの光がホログラム媒質の異なる場所で異なる回折角を与えられ、この回折角の変化から波長ずれを検出するという効果が失われる。これを回避するため、本実施の形態の光情報記録再生装置では、空間光変調器２の周辺部の一部のセルに対して、拡散板のセルの大きさを大きくする構成になっている。
【００５１】
拡散板１５の一例の平面図を図１３に示す。図１３は、拡散板のセルの分割の様子と、各セルで与えられる位相変位量を表している。データ用セル１５ａは２次元の直角格子状に配置され、それぞれのセルには０、π／２、π、３π／２の位相変移が与えられる。互いに隣接するセルの位相差は、π／２或いは３π／２となっている。各セルの１辺の長さは、空間光変調器２のセルと同等か、或いはその１／４から１／２程度がよい。セルの大きさをより小さくするとセルの大きさに反比例した回折角でビームが拡散され、よりノイズ抑圧の効果が大きくなるが、逆にホログラムのサイズが大きくなって記録密度の低減を引き起こす。波長ずれを検出するために位置検出を行うビームに対応するビーム位置検出用セル１５ｂは、データ用セル１５ａよりも大きなセルになっている。従って、ビームはより平面波に近くなり、拡散されずに直進する。このため大きなセルを通過した複数の位置検出用ビームは、ホログラム媒質５ａ上で大きく広がることなく互いに異なる位置を照射し、前述のような波長検出機能を実現することができる。このような新しい拡散板の構成を用いることで、スペックルノイズ抑圧と、ビーム位置検出の両方の機能を同時に実現することができる。
【００５２】
図１３では、隣接するセルの位相差を限定した位相パターンについて説明したが、それぞれのセルにランダムに位相変位を与えるランダム拡散板でも同様の効果を得ることができる。ただしその際には各セルを通過する光に強度分布が生じ、再生信号のＳ／Ｎが低下することになる。
【００５３】
なお、本実施形態では、空間光変調素子上の信号光に２次元的な位相分布を与える手段の具体例として、セル分割された拡散板を示したが、これ以外に、表面にランダムな凹凸を持つすりガラス状の拡散板等を用いることが可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の光情報記録再生装置の構成によれば、記録媒体ごとのばらつきや、記録媒体の温度変化によって生じる最適な光源波長の変化を検出して光源波長を最適に制御し、上記変化に対して信号強度を確保し、安定な信号再生を行うことができる。
【００５５】
また、アナモフィック光学系を参照光に用いた、本発明の光情報記録再生装置の他の構成によれば、再生光学系や参照光光学系の倍率の変化を、最適波長の変化とは独立に分離検出でき、両変化に対して信号強度を確保し、安定な信号再生を行うことができる。
【００５６】
拡散板を用いた、本発明の光情報記録再生装置の更に他の構成によれば、効果的に再生信号中のスペックルノイズを抑圧しつつ、最適波長の変化を検出して安定に再生することが可能となる。
【００５７】
ＱＰＭ−ＳＨＧ光源を用いた、本発明の光情報記録再生装置の更に他の構成によれば、簡単な構成で波長可変コヒーレント光源を構成して、小型、安価な光情報記録再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１におけるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成図
【図２】 本発明の実施の形態１におけるホログラフィック光情報記録再生装置の全体構成図
【図３】 本ホログラフィック光情報記録再生装置における２次元光検出器アレイの構成例を受光パターンと共に示す図
【図４】 光導波路型２次高調波発生レーザ光源の概略構成を示す斜視図
【図５】 本ホログラフィック光情報記録再生装置における２次元光検出器アレイの構成の他の例を示す図
【図６】 本ホログラフィック光情報記録再生装置における２次元光検出器アレイの構成のさらに他の例を示す図
【図７】 実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成を示し、（ａ）参照光の方向と主回折方向が含まれる平面に垂直な面における断面図、（ｂ）参照光の方向と主回折方向が含まれる平面における断面図
【図８】 図７の装置における２次元光検出器アレイ上での受光パターンを示す図
【図９】 実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置に適用できるアナモフィック光学系の他の例を示す図
【図１０】 実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置に適用できるアナモフィック光学系のさらに他の例を示し、（ａ）主回折方向に垂直な方向の断面図、（ｂ）主回折方向に平行な方向の断面図
【図１１】 実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成図
【図１２】 実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置の全体構成図
【図１３】 実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置における拡散板の概略平面図
【図１４】 従来のホログラムディスク記録再生装置の概略構成図
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ 空間光変調器
３、４ フーリエ変換レンズ
５ ホログラムディスク
５ａ ホログラム媒質
５ｂ ガラス基板
６、６Ａ、６Ｂ ２次元光検出器アレイ
７ ビームエキスパンダ
８ ハーフミラー
１０ ミラー
１２ 集光レンズ
１３ 円柱レンズ
１４ フォーカス誤差検出光学系
１５ 拡散板
１５ａ データ用セル
１５ｂ ビーム位置検出用セル
１６ フーリエ面
１７ 波長制御回路
１８ 波長可変コヒーレント光源
２１ 再生信号光（回折光）
２２ 参照光
２３ 入力信号
２４ 再生信号
２５ 信号光スポット
３０ 半導体レーザ
３１ Ｓｉサブマウント
３２ ＤＢＲ領域
３３ 光導波路型波長変換デバイス
３４ 光導波路
３５ 分極反転領域
４１ 平行平板
４２ 球面レンズ
４３ 円柱レンズ
６１ 受光セル
６２ 分割された受光セル
６２ｉ 内側受光セル
６２ｅ 外側受光セル
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ 分割された受光セル
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム媒質を有する光学記録媒体を用いて高密度に情報の記録再生を行うホログラフィック光情報記録再生装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コンパクトディスク（ＣＤ）は、波長７８０ｎｍの光源と開口数０．４５の対物レンズを用いて、音楽データ７４分の録音やデジタルデータ６４０ＭＢの記録を可能とした。また、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）は波長６５０ｎｍの光源と開口数０．６の対物レンズを用いて、２時間１５分のＭＰＥＧ２の動画やデジタルデータ４．７ＧＢの記録を可能とした。また近年では水平解像度１０００本以上の高精細動画が放送されるようになり、また、パーソナルコンピュータが高性能化され、さらに高密度、大容量の光ディスクに対する期待が高まっている。これに対して、波長４００ｎｍ前後の光源と開口数０．８５の対物レンズを組み合わせた光ディスクシステム等が提案され、片面２０ＧＢを超える容量が実現されようとしている。
【０００３】
このように光ディスク装置は、より短波長の光源とより開口数の大きい対物レンズを用いることで高密度化を実現してきた。しかしながら上記のような短波長化と高開口数のレンズによるアプローチには限界が近づいている。すなわち、波長４００ｎｍ以下の領域では、レンズに用いられるガラス材料の波長分散が大きくなるためにその収差を制御することが困難となる。また開口数をより大きくするために開発が進められている固体液浸レンズ技術を用いると、レンズ作動距離が極端に短くなり（５０ｎｍ程度）、ディスクの交換が容易でなくなるなどの問題が生じる。これらの課題を克服し、さらに高密度化を実現するために、ホログラフィック記録技術が大きな注目を集めている。
【０００４】
例えばＰｓａｌｔｉｓらによって提案されたシフト多重記録方式の光ディスク光学系の概略構成を図１４に示す。レーザ光源１からの光は，ビームエキスパンダ７でビーム径を拡大された後ハーフミラー８で分割される。分割された一方のビームは、ミラー１０により進行方向を変更された後空間光変調器２を通過し、フーリエ変換レンズ３によりホログラムディスク５上に集光され、信号光となる。他方のビームは、集光レンズ１２により集光されて参照光２２となって、ホログラムディスク５上の信号光と同一位置を照射する。ホログラムディスク５は、２枚のガラス基板間にフォトポリマーなどのホログラム媒質を封止した構成を有し、信号光と参照光の干渉縞が記録される。
【０００５】
空間光変調器２は２次元に配列された光スイッチ列からなり、記録される入力信号２３に対応してそれぞれの光スイッチが独立にオンオフされる。例えば１０２４セル×１０２４セルの空間光変調器２を用いた場合には、１Ｍビットの情報を同時に表示することができる。信号光が空間光変調器２を通過する際に、空間光変調器２に表示される１Ｍビットの情報は２次元の光ビーム列に変換され、ホログラムディスク５上に干渉縞として記録される。記録された信号を再生する際には、ホログラムディスク５に参照光２２のみを照射し、ホログラムからの回折光である再生信号光２１をフーリエ変換レンズ４を通した後、光検出器６によって受光して再生信号２４を検出する。
【０００６】
図１４に示した光記録システムの特徴は、ホログラム媒質の厚みが約１ｍｍ程度と厚く、干渉縞が厚いグレーティング、いわゆるブラッググレーティングとして記録されるため、角度多重記録が可能となり大容量の光記録システムが実現されることである。図１４のシステムでは参照光２２の入射角変化に変えて、球面波参照光の照射位置をシフトすることで角度多重を実現している。すなわちホログラムディスク５をわずかに回転させ記録位置をシフトした際に、媒体各部が感じる参照光入射角がわずかに変化することを利用する。ホログラム媒質の厚みが１ｍｍのときには、再生信号強度で規定される波長選択性は半値全幅０．０１４度となる。参照光ＮＡ０．５、ホログラムサイズ２ｍｍφのとき、約２０ミクロン間隔でホログラムを多重記録すると、このとき実現される記録密度は６００Ｇｂｉｔ／ｉｎｃｈ2であり、１２ｃｍディスク容量に換算して７３０ＧＢが実現される。
【０００７】
上記のような高密度光記録再生システムの実現には、小型、安定なレーザー光源がキー技術となる。特に、ブラッググレーティングは角度選択性とともに波長選択性を持つため、記録、再生時の光源波長の制御が必要であり通常の光ディスクに用いるような半導体レーザを用いることができない。また、記録密度の観点からはより短波長の光源を用いることが望ましいが、従来より比較的安価に高出力が得られるＡｒレーザの緑色光が実験用に多く用いられる。また近年では、全固体で実現できるＮｄドープＹＡＧレーザの２次高調波光源などを用いて小型化が実現されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
以上に説明したように、ブラッググレーティングを用いたホログラム記録では光の入射方向や波長によって、記録される回折パターンが変化する。そのため、記録時の波長と再生時の波長が異なると、クロストーク信号の増加や信号光強度の低下を引き起こす。また、記録媒体の温度が変化することによって、最適再生波長が異なり、同様にクロストーク信号の増加や信号光強度の低下を引き起こす。
【０００９】
図１４の光ディスクでは、情報は記録された干渉縞からのブラッグ回折光として再生される。再生信号光が十分な光量で再生されるためには、ブラッグ条件を満たす必要がある。すなわち、媒質に対する参照光ビームの入射角度及び参照光ビームの波長がそれぞれ最適値に調整されなければならない。
【００１０】
例えば、ホログラム媒質の厚み１ｍｍ、光源波長５１５ｎｍ、干渉縞周期０．５μｍのシステムを仮定すると、回折効率が半減する波長の値で定義した参照光ビーム波長に対するブラッグ条件の許容幅は、５１５ｎｍ±０．２４ｎｍとなる。また、図１４の構成では、ホログラム媒質の熱膨張も考慮する必要がある。すなわち、ホログラム媒質の熱膨張によって記録された干渉縞の周期が変化し、ブラッグ条件を満たす最適再生波長が変化する問題である。
【００１１】
ホログラム媒質としてＤｕＰｏｎｔ製フォトポリマー、オムニデクス３５２原版を使った例について説明する。その熱線膨張率は７．１×１０-5と測定されており（植田他、特開平５−１６５３８８号公報）、２５℃の温度変化に対して最適波長の変化量は０．１８％であり、アルゴンレーザの発振波長に換算すると５１５＋０．９ｎｍとなる。これは前述のブラッグ条件の許容幅５１５±０．２４ｎｍの３倍以上の値であり、２５℃の温度変化に対して安定にホログラム再生を行うためには、再生中の温度変化に対応して再生光源の波長を最適に調整する必要がある。
【００１２】
そこで、本発明は、上記の課題を解決し、最適再生波長の異なる媒体から信号再生する場合や、記録媒体の温度変化によって最適再生波長が変化したときにも、十分な再生信号強度を維持し、クロストークの少ない安定な信号再生が可能なホログラフィック光情報記録再生装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のホログラフィック光情報記録再生装置は、記録媒体上に２つのコヒーレントビームの干渉縞の形態で記録されたデジタルデータを、記録媒体上にコヒーレントビームを照射し、記録媒体で回折された再生信号光を２次元光検出器アレイで受光することにより再生する。上記課題を解決するため、コヒーレントビームを出射する波長可変コヒーレント光源と、再生信号光の２次元光検出器アレイ上での位置情報を読みとり、その位置情報に基づいて波長可変コヒーレント光源の波長を制御する制御手段とを備える。
【００１４】
この構成において好ましくは、２次元光検出器アレイの受光セルの少なくとも一部が２以上の領域に分割されており、再生信号光の少なくとも一部のビームスポットをサーボ用ビームとして、例えば正常状態においてサーボ用ビームが分割された受光セル上の領域の分割線上に入射するように、光学系が配置される。さらに、制御手段は、分割された受光セルのそれぞれの領域からの信号の差動信号を検出し、その差動信号に基づいて波長可変コヒーレント光源の波長を制御する構成とする。
【００１５】
上記のいずれかの構成において、参照光ビームがアナモフィック光学系を透過するように光学系を構成し、前記制御手段が、２次元光検出器アレイにより検出される再生像の変化から、参照光ビームのフォーカス方向の位置ずれと、波長可変コヒーレント光源の波長ずれとを独立して検出するように構成することが好ましい。
【００１６】
上記のいずれかの構成において好ましくは、波長可変コヒーレント光源から出射されたコヒーレントビームを信号光及び参照光の２つのビームに分割する手段と、信号光を２次元的に強度変調する空間光変調素子と、空間光変調素子上の信号光に２次元的な位相分布を与える手段と、信号光と参照光を記録媒体上で交差させる光学系とを具備する。２次元的な位相分布を与える手段上の周辺部分には、中央部分よりもコヒーレント長が長い領域が設けられる。
【００１７】
この構成において好ましくは、２次元的な位相分布を与える手段の各セルは、２次元の直角格子状に形成され、各セルの位相変位量は０、π／２、π、３π／２のいずれかであり、互いに隣接するセルの位相差がπ／２或いは３π／２である。
【００１８】
上記のいずれかの構成において好ましくは、記録媒体からの回折光を２次元光検出器アレイ上に集光させるレンズ系を有し、記録媒体はレンズ系の焦点と異なる位置に配置される。
【００１９】
また、上記のいずれかの構成において好ましくは、再生信号光のサーボ用ビームが、常にオン状態になるように記録するか、あるいは、他のビームスポットに比べてより高い確率でオン状態になるように記録する構成とする。
【００２０】
また、上記のいずれかの構成において好ましくは、波長可変コヒーレント光源を、波長可変半導体レーザと２次高調波発生素子を用いたコヒーレント光源とする。
【００２１】
また、上記のいずれかの構成において好ましくは、前記分割された受光セルが、前記２次元光検出器アレイの四隅に位置する構成とする。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における光情報記録再生装置の要部を示す概略構成図であって、記録媒体であるホログラムディスク５からの回折光が２次元光検出器アレイ６Ａを照射する再生光学系を中心として示す。この光情報記録再生装置の全体の構成は、図２に示すとおりである。なお、図１４に示した従来の光情報記録再生装置と同様の構成要素については同一の符号を付して説明する。
【００２３】
図１には、ホログラムディスク５が、２枚のガラス基板５ｂと、それらの間に封止されたフォトポリマーなどのホログラム媒質５ａから構成されている様子が示される。球面波参照光２２は、集光レンズ１２によりホログラム媒質５ａを封止しているガラス基板５ｂの表面に集光され、ガラス基板５ｂ表面でのフレネル反射により、一部の光はフォーカス誤差検出光学系１４へと戻る。参照光２２を集光する集光レンズ１２は、フォーカス誤差検出光学系１４から出力されるフォーカス誤差信号によってその光軸方向位置が制御され、参照光２２は常にガラス基板５ｂ表面に集光される。
【００２４】
ホログラム媒質５ａには、空間光変調器２に表示される２次元のデータが光の干渉縞の状態で記録されている。すなわち、空間光変調器２によって記録されるべきデータに応じた２次元の明暗パターンを持った信号光と、参照光２２とが干渉し、ホログラム媒質５ａ内で波長オーダの微細な干渉パターン、すなわちホログラムとして、記録される。このホログラムは通常直径数ｍｍの円形をなし、一つのホログラムには空間光変調器２上に表示されたデータが一括して表現されている。ホログラム媒質の異なる位置に多数のホログラムを記録することによって、大容量の記録媒体が実現される。ホログラム媒体５ａは、ディスク状あるいは方形のカード状等の形態をなし、それぞれ、ディスク回転またはカードの平行移動によって異なるホログラムを選択することにより、記録・再生が行われる。
【００２５】
参照光２２がホログラム媒質５ａを照射すると、ホログラム媒質５ａ中に記録されたホログラムによって回折され、再生信号光２１を発生する。再生信号光２１にはホログラムが記録された際の信号光が持つ２次元の明暗パターンが再現されている。再生信号光２１はフーリエ変換レンズ４を通過した後、２次元光検出器アレイ６Ａによって受光されて再生信号が検出される。２次元光検出器アレイ６Ａは、再生信号光の２次元パターンに対応する２次元の受光セル列を有し、例えばＰＤアレイ、ＣＣＤ素子、またはＣＭＯＳ素子等で実現することができる。通常、２次元光検出器アレイ６Ａの受光セル配列は、空間光変調器２の２次元に配列された光スイッチ列に１対１に対応するが、この他に、空間光変調器２のセル１個に対して複数の受光セルが対応する構成としてもよい。後者の場合、２次元光検出器アレイ６Ａの出力信号を画像処理する必要が生じる反面、セル間のクロストークを抑制できる効果がある。
【００２６】
このとき発生する再生信号光２１が、記録時に空間光変調器２で変調された信号光と同じ経路をたどることが、ホログラム記録・再生の特徴である。ホログラム媒質５ａがフーリエ変換レンズ３のフーリエ面１６上に位置する場合には、空間光変調器２のあらゆるセルを通過した光がホログラム媒質５ａ上の同一の点を照射することになる。図１の構成の光情報記録再生装置の特徴は、ホログラム媒質５ａがフーリエ面１６から離れた位置に設置されることである。このとき、図のように空間光変調器２上の異なる点である、ａ点、ｂ点を通過した光は、ホログラム媒質５ａ上でも互いに異なる点（それぞれａ’点、ｂ’点）を通過する。参照光２２に球面波を用いているために、ホログラム媒質５ａ上の異なる点では参照光２２の入射する角度が異なり、再生時にはホログラム媒質５ａ上の異なる点での再生信号光２１は異なる回折角を与えられる。
【００２７】
図１では、最適波長の参照光２２で再生したときの再生信号光２１が実線で、また参照光ビーム２２が最適波長からずれて、最適波長より長い波長の光で再生したときの再生信号光２１が破線で示される。図のように、波長が長いときにはより回折角が大きくなり、再生信号光２１が２次元光検出器アレイ６Ａ上を照射する位置が変化する。ここで波長が長くなったときには、再生信号光２１は図の右上方向に全体的にシフトするとともに、より狭い領域を照射することになる。ビーム全体のシフトに対しては、ビームシフトに追従して２次元光検出器アレイ６Ａを光検出素子面内で平行移動して、その位置を制御する。
【００２８】
再生信号光２１を受光する２次元光検出器アレイ６Ａの平面概略図を図３に示す。２次元光検出器アレイ６Ａは、マトリクスに配列された受光セル６１の群により構成されている。受光セル群のうち、４隅に配置された分割された受光セル６２は、内側受光セル６２ｉと外側受光セル６２ｅに分割されている。各受光セル６１、６２毎に入射する信号光スポット２５が示されている。最適波長で再生した時の信号光スポット２５の照射位置は実線の円で、最適波長より長い波長の光で再生したときの信号光スポット２５の照射位置は破線の円で示されている。分割された受光セル６２に入射した破線の円の信号光スポット２５により、内側受光セル６２ｉと外側受光セル６２ｅから出力される信号は、（内側受光セル６２ｉの出力）＞（外側受光セル６２ｅの出力）となり、両者の差動信号から波長のずれを検出することができる。なお、最適波長より短い波長の光で再生したときは、受光セル６１の各々における信号光スポット２５の照射位置は、図３に実線の円で示す位置から、破線の円で示す位置とは反対方向へシフトする。
【００２９】
また、図３から分かるように光源波長のずれによる信号光スポット２５位置の変化は、２次元光検出器アレイ６Ａの周辺部で大きく中央部では小さくなる。このため、光源波長のずれを感度良く検出するには、２次元光検出器アレイ６Ａの周辺部のセルを分割してビーム位置を検出するのがよい。特に、図３に示すように、２次元光検出器アレイ６Ａの四隅のセルを分割セルとした構成が、検出感度が最大となる点において最も好ましい。
【００３０】
通常、データを記録するためのビームは、オン状態とオフ状態がホログラムごとに切り替わることになるが、ビーム位置検出をより高速、高精度に行うためには、２次元光検出器アレイ６Ａの周辺部のセルを照射する位置検出用の信号光スポット２５が、全てのホログラムにおいてオン状態になるように記録することが好ましい。ただし、位置検出用のセルを照射する信号光スポット２５が全てオン状態になるようにすると、当該信号光スポット２５は位置検出用のみに用いられることとなるので、データ記録用の実質的な情報量が減少する。従って、実質的な情報量を減少させたくない場合は、位置検出用のセルを照射する信号光スポット２５がよりオン状態になる確率が大きくなるような符号化方式を用いて、ホログラムにアドレス情報などを持たせることもできる。
【００３１】
図１に示すように、本実施の形態においては、図１４のレーザ光源１に代えて、波長可変コヒーレント光源１８を用いる。波長可変コヒーレント光源１８は、例えば半導体レーザーと、光導波路型波長変換デバイスとして、例えば擬似位相整合（以下、ＱＰＭと記す）方式の光導波路型２次高調波発生（以下ＳＨＧと略す）素子を用いることで容易に実現できる（山本他、Optics Letters Vol.16, No.15, 1156 (1991)）。図４に、光導波路型ＳＨＧ素子３３を用い、半導体レーザー３０とともにＳｉサブマウント３１上に搭載した波長可変コヒーレント光源１８の概略構成を示す。
【００３２】
半導体レーザ３０として、活性層領域と分布ブラッグ反射器（以下、ＤＢＲと記す）領域３２を有する波長可変ＤＢＲ半導体レーザを用いる。半導体レーザ３０は０．８５μｍ帯の１００ｍＷ級ＡｌＧａＡｓ系波長可変ＤＢＲ半導体レーザである（V. N. Gulgazov, H. Zhao, D. Nam, J. S. Major Jr., and T. L. Koch: "Tunable high-power AlGaAs distributed Bragg reflector laser diodes", Electron. Lett., Vol.33, pp.58-59 (1997)参照）。ＤＢＲ領域３２への注入電流を変化させることにより、発振波長を可変とすることができる。
【００３３】
一方、波長変換デバイスである光導波路型ＳＨＧ素子３３は、Ｘ板ＭｇＯドープＬｉＮｂＯ3基板上に形成された光導波路３４と、周期的な分極反転領域３５より構成されている。光導波路３４は、ピロリン酸中でプロトン交換することにより形成される。また、周期的な分極反転領域３５は、櫛形の電極をｘ板上に形成し電界を印加することにより作製される。
【００３４】
１００ｍＷのレーザ出力に対して６０ｍＷのレーザ光が光導波路３４に結合する。波長可変ＤＢＲ半導体レーザ３０のＤＢＲ領域３２への注入電流量を制御し、発振波長を光導波路型ＳＨＧ素子３３の位相整合波長許容度内に固定する。波長４２５ｎｍの青色光が１０ｍＷ程度の出力で得られる。
【００３５】
ここで光導波路３４上には、０．０１ミクロンのＴａ膜を蒸着、パターニングしてヒータ電極３６が形成されている。ヒータ電極３６に電流を流して、光導波路３４の温度を変化させることにより、位相整合波長を制御した。光導波路型ＳＨＧ素子３３の位相整合波長の変化に合わせてＤＢＲ領域３２への電流注入量を制御し、波長チューニング中にも一定の青色光出力を得た。実験では導波路の温度変化３０度に対して２ｎｍの波長チューニングを実現でき、ホログラム媒質５ａの温度変化±２５度に対応できることを確認した。
【００３６】
本発明にかかる光情報記録再生装置では、光源波長が長波長側へずれたときは、前述のように図３に例示した光検出器アレイの受光セル６２のうち、受光セル６２ｉの出力から受光セル６２ｅの出力を差し引いて得られる差動信号が正となる。このとき、図１に示す波長制御回路１７によって波長可変コヒーレント光源１８の波長をより短波長側へ変化させる。具体的には、例えば図４に示す波長可変コヒーレント光源１８を用いた場合には、波長制御回路１７は、ＤＢＲ領域３２とヒータ電極３６への電流を制御する。上記差動信号が正の場合には、ＤＢＲ領域３２とヒータ電極３６への電流をともに減少させることにより、波長可変コヒーレント光源１８からの出力光の波長が短波長側へシフトされる。
【００３７】
このように、波長可変半導体レーザと波長変換デバイスを組み合わせたＱＰＭ−ＳＨＧデバイスは、メカ的な動作を伴わず電流注入のみによって容易に波長を変化させることができるため、本発明の光情報記録再生装置を小型、安価に実用化する上で特に有用である。またＱＰＭ−ＳＨＧデバイスは非点収差が少ない、相対雑音強度が小さい、可干渉性が高いなどの、ホログラム記録に有用な特長を併せ持つ。
【００３８】
なお、本発明の光情報記録再生装置では、記録容量や、記録媒体の安定性等の点から、可視光領域の波長可変コヒーレント光源を用いることが望ましい。その条件を満たす光源の例として、赤外ＤＢＲレーザを用いたＳＨＧデバイスを挙げたが、波長可変素子を用いないＤＢＲレーザ単体を光源として用いることも可能である。現状では、ＤＢＲレーザは赤外領域の波長でのみ開発されているが、将来、より短波長のＤＢＲレーザが実用化されれば、本発明にとって有効な光源となる。
【００３９】
なお、２次元光検出器アレイ６における受光セル６２の分割パターンは、図３に示した例に限定されず、例えば、図５または図６に示すような分割パターンであってもよい。図６に示す分割パターンを採用した場合、特に、デフォーカスによる再生パターンの拡大縮小の影響を受けにくいという利点がある。また、受光セル６２の分割数も２に限定されず、３または４以上であってもよい。
【００４０】
（実施の形態２）
図７（ａ）および（ｂ）に示す実施の形態２における光情報記録再生装置は、光源波長のずれの検出とともに、参照光のフォーカスずれをも同時に検出可能な構成を有する。図７（ｂ）は、再生信号光２１と参照光２２が含まれる平面、すなわち再生信号光２１が主に回折される方向（主回折方向）と平行な面での光学系の断面図を表す。また、図７（ａ）は、図７（ｂ）の左側から見た光学系の図、すなわち再生信号光２１と参照光２２が含まれる平面に垂直な面で一部を断面として示した図である。
【００４１】
図７の構成の特徴は、参照光２２を集光する集光レンズ１２の下に円柱レンズ１３が設置されていること、すなわち参照光がアナモフィック光学系を通過してホログラム媒質へ入射することである。円柱レンズ１３によって、参照光２２は、ホログラム媒質５ａに入射する際に、主回折方向に垂直な面では発散光として入射し（図７（ａ））、主回折方向に平行な面では収束光として入射する（図７（ｂ））。図７では、最適波長の参照光２２で再生される再生信号光２１を実線で、また最適波長よりわずかに長い波長の参照光２２で再生される再生信号光２１を破線で表している。参照光２２の波長が長い場合には最適波長での再生に比べて回折角が大きくなるため、図のように、主回折方向に垂直な方向では再生像はより小さくなり、主回折方向では再生像はより大きくなる。
【００４２】
この方式の特長は、集光レンズ１２やフーリエ変換レンズ４のフォーカスずれと波長ずれを独立に検出できることである。すなわち、集光レンズ１２やフーリエ変換レンズ４のフォーカス方向の位置ずれが生じた際には、検出光学系の倍率が変化して、２次元光検出器アレイ６Ｂ上の再生像の大きさが変化する。図１の構成ではこの倍率の変化と再生波長の変化を独立に分離検出できなかったが、図７の構成では、倍率の変化は像の大きさの変化で、波長による変化は受光パターンのｘ方向、ｙ方向の差によって互いに独立に検出することができる。図７の構成における２次元光検出器アレイ６Ｂ上の受光パターンを図８に示す。なお、２次元光検出器アレイ６Ｂとしては、ＰＤアレイやＣＣＤ素子等を用いることができる。
【００４３】
図８には、２次元光検出器アレイ６Ｂの４隅の４つの受光セル６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、及び６２ｄを分割した例を示している。分割された受光セル６２ａ等は、上下左右の４つの領域に分割されている。この４つの領域からの出力信号をもとに、例えば受光セル６２ａについては、図８において左側の二つのセルからの出力の和を６２ａｘ１、右側の二つのセルからの出力の和を６２ａｘ２、上側の二つのセルからの出力の和を６２ａｙ１、下側の二つのセルからの出力の和を６２ａｙ２と定義する。分割された受光セル６２ｂ、ｃ、ｄについても同様に出力信号を定義する。このとき波長ずれによる受光スポットのずれ分は、
【００４４】
また、検出系や参照光学系の倍率の変化は、
【００４５】
なお、波長ずれによる受光スポットのずれを、以下のような方法で検出することも可能である。すなわち、波長ずれによる受光スポットの移動方向は、分割された受光セルの対角線方向であるので、４つの領域に分割された受光セルのうちこの対角線方向における２つの対角領域からの出力信号をもとに差動信号を検出すれば、受光スポットのずれ分のうち、波長ずれに起因する成分のみを検出することができる。例えば、図８に示す分割された受光セル６２ａであれば、左上の領域からの出力から、右下の領域からの出力を差し引いて得られる信号により、波長ずれによる受光スポットのずれ分を検出できる。
【００４６】
また、図７ではアナモフィック光学系として円柱レンズ１３を用いる構成を例示したが、円柱レンズ１３の代わりに、図９に示すように、平行平板４１を、集光レンズ１２の下に、主回折方向に平行な方向に傾斜させるように配置した構成によっても同じ効果が得られる。また、図１０（ａ）および（ｂ）に示すように、集光レンズ１２の代わりに、球面レンズ４２と円柱レンズ４３との組み合わせによってアナモフィック光学系を構成することもできる。なお、図１０（ａ）は主回折方向に垂直な方向の断面図、図１０（ｂ）は主回折方向に平行な方向の断面図である。
【００４７】
（実施の形態３）
本発明のさらに他の実施形態について以下に説明する。
【００４８】
ホログラム再生における技術課題として、上記の実施の形態において解決しようとする波長制御に関する課題に加えて、スペックルノイズの抑圧が重要である。スペックルノイズは、主に媒体におけるほこり、きずなどの欠陥に起因する。図１の構成では、空間光変調器２を通過した光は、空間光変調器２上の光量分布がほぼ１対１にホログラム媒質５ａ上に投影される。そのため、ホログラム媒質５ａ上に欠陥等が存在するとき、２次元光検出器アレイ６Ａ上での回折光の受光パターンにも欠陥の像が投影され、顕著なノイズとなって観測され、正しい信号再生が行えない。これを回避する本実施の形態の構成が、図１１および図１２に示される。図１１および図１２に示すように、本実施形態にかかる光情報記録再生装置では、空間光変調器２に近接して拡散板１５が設置されている。なお、この拡散板１５は、空間光変調器２に密着するよう配置されることが好ましい。
【００４９】
拡散板１５は、例えばガラス基板に凹凸パターンをエッチングにより形成した構成を有し、通過する光に２次元的な位相分布を与える。拡散板１５にて位相分布を与えられた光は、フーリエ面１６上においても有限の広がりを持つ。従って、空間光変調器２上の１点を通過した光は、ホログラム媒質５ａ上において一定の広がりをもって記録される。この場合には、ホログラム媒質５ａ上に欠陥が生じても欠陥像が２次元光検出器アレイ６Ａ上に投影されず、像全体のＳ／Ｎを若干低下させるに過ぎない。以上のような拡散板によるスペックルノイズの抑圧は、文献（Y. Nakayama and M. Kato, "Diffuser with Pseeudorandom Phase Sequences", J. Opt. Soc. Am., vol.69, pp.1367-1372, October 1979）に詳述されているように、従来から提案されている技術である。本実施の形態が、従来の拡散板を用いた技術と異なる点は以下のとおりである。
【００５０】
空間光変調器２のすべてのセルに対して位相変位を同様に与えた場合には、すべてのセルからの光がホログラム媒質５ａの同じ場所を照射することになる。従って、実施の形態１或いは２に示したように特定のセルからの光がホログラム媒質の異なる場所で異なる回折角を与えられ、この回折角の変化から波長ずれを検出するという効果が失われる。これを回避するため、本実施の形態の光情報記録再生装置では、空間光変調器２の周辺部の一部のセルに対して、拡散板のセルの大きさを大きくする構成になっている。
【００５１】
拡散板１５の一例の平面図を図１３に示す。図１３は、拡散板のセルの分割の様子と、各セルで与えられる位相変位量を表している。データ用セル１５ａは２次元の直角格子状に配置され、それぞれのセルには０、π／２、π、３π／２の位相変移が与えられる。互いに隣接するセルの位相差は、π／２或いは３π／２となっている。各セルの１辺の長さは、空間光変調器２のセルと同等か、或いはその１／４から１／２程度がよい。セルの大きさをより小さくするとセルの大きさに反比例した回折角でビームが拡散され、よりノイズ抑圧の効果が大きくなるが、逆にホログラムのサイズが大きくなって記録密度の低減を引き起こす。波長ずれを検出するために位置検出を行うビームに対応するビーム位置検出用セル１５ｂは、データ用セル１５ａよりも大きなセルになっている。従って、ビームはより平面波に近くなり、拡散されずに直進する。このため大きなセルを通過した複数の位置検出用ビームは、ホログラム媒質５ａ上で大きく広がることなく互いに異なる位置を照射し、前述のような波長検出機能を実現することができる。このような新しい拡散板の構成を用いることで、スペックルノイズ抑圧と、ビーム位置検出の両方の機能を同時に実現することができる。
【００５２】
図１３では、隣接するセルの位相差を限定した位相パターンについて説明したが、それぞれのセルにランダムに位相変位を与えるランダム拡散板でも同様の効果を得ることができる。ただしその際には各セルを通過する光に強度分布が生じ、再生信号のＳ／Ｎが低下することになる。
【００５３】
なお、本実施形態では、空間光変調素子上の信号光に２次元的な位相分布を与える手段の具体例として、セル分割された拡散板を示したが、これ以外に、表面にランダムな凹凸を持つすりガラス状の拡散板等を用いることが可能である。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の光情報記録再生装置の構成によれば、記録媒体ごとのばらつきや、記録媒体の温度変化によって生じる最適な光源波長の変化を検出して光源波長を最適に制御し、上記変化に対して信号強度を確保し、安定な信号再生を行うことができる。
【００５５】
また、アナモフィック光学系を参照光に用いた、本発明の光情報記録再生装置の他の構成によれば、再生光学系や参照光光学系の倍率の変化を、最適波長の変化とは独立に分離検出でき、両変化に対して信号強度を確保し、安定な信号再生を行うことができる。
【００５６】
拡散板を用いた、本発明の光情報記録再生装置の更に他の構成によれば、効果的に再生信号中のスペックルノイズを抑圧しつつ、最適波長の変化を検出して安定に再生することが可能となる。
【００５７】
ＱＰＭ−ＳＨＧ光源を用いた、本発明の光情報記録再生装置の更に他の構成によれば、簡単な構成で波長可変コヒーレント光源を構成して、小型、安価な光情報記録再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施の形態１におけるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成図
【図２】 本発明の実施の形態１におけるホログラフィック光情報記録再生装置の全体構成図
【図３】 本ホログラフィック光情報記録再生装置における２次元光検出器アレイの構成例を受光パターンと共に示す図
【図４】 光導波路型２次高調波発生レーザ光源の概略構成を示す斜視図
【図５】 本ホログラフィック光情報記録再生装置における２次元光検出器アレイの構成の他の例を示す図
【図６】 本ホログラフィック光情報記録再生装置における２次元光検出器アレイの構成のさらに他の例を示す図
【図７】 実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成を示し、（ａ）参照光の方向と主回折方向が含まれる平面に垂直な面における断面図、（ｂ）参照光の方向と主回折方向が含まれる平面における断面図
【図８】 図７の装置における２次元光検出器アレイ上での受光パターンを示す図
【図９】 実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置に適用できるアナモフィック光学系の他の例を示す図
【図１０】 実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置に適用できるアナモフィック光学系のさらに他の例を示し、（ａ）主回折方向に垂直な方向の断面図、（ｂ）主回折方向に平行な方向の断面図
【図１１】 実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成図
【図１２】 実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置の全体構成図
【図１３】 実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置における拡散板の概略平面図
【図１４】 従来のホログラムディスク記録再生装置の概略構成図
【符号の説明】
１ レーザ光源
２ 空間光変調器
３、４ フーリエ変換レンズ
５ ホログラムディスク
５ａ ホログラム媒質
５ｂ ガラス基板
６、６Ａ、６Ｂ ２次元光検出器アレイ
７ ビームエキスパンダ
８ ハーフミラー
１０ ミラー
１２ 集光レンズ
１３ 円柱レンズ
１４ フォーカス誤差検出光学系
１５ 拡散板
１５ａ データ用セル
１５ｂ ビーム位置検出用セル
１６ フーリエ面
１７ 波長制御回路
１８ 波長可変コヒーレント光源
２１ 再生信号光（回折光）
２２ 参照光
２３ 入力信号
２４ 再生信号
２５ 信号光スポット
３０ 半導体レーザ
３１ Ｓｉサブマウント
３２ ＤＢＲ領域
３３ 光導波路型波長変換デバイス
３４ 光導波路
３５ 分極反転領域
４１ 平行平板
４２ 球面レンズ
４３ 円柱レンズ
６１ 受光セル
６２ 分割された受光セル
６２ｉ 内側受光セル
６２ｅ 外側受光セル
６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ 分割された受光セル
Claims (7)
- 記録媒体上に２つのコヒーレントビームの干渉縞の形態で記録されたデジタルデータを、前記記録媒体上にコヒーレントビームを照射し、前記記録媒体で回折された再生信号光を２次元光検出器アレイで受光することにより再生するホログラフィック光情報記録再生装置であって、
前記コヒーレントビームを出射する波長可変コヒーレント光源と、前記再生信号光の前記２次元光検出器アレイ上での位置情報を読みとり、前記位置情報に基づいて前記波長可変コヒーレント光源の波長を制御する制御手段とを備えたことを特徴とするホログラフィック光情報記録再生装置。 - 前記２次元光検出器アレイの受光セルの少なくとも一部が２以上の領域に分割されており、前記再生信号光の少なくとも一部をサーボ用ビームとして前記分割された受光セルへ入射させ、前記制御手段が、前記分割された受光セルのそれぞれの領域において前記サーボ用ビームから得られる信号の差動信号にもとづき前記位置情報を検出することを特徴とする請求項１記載のホログラフィック光情報記録再生装置。
- 前記分割された受光セルが、前記２次元光検出器アレイの四隅に位置することを特徴とする請求項２に記載のホログラフィック光情報記録再生装置。
- 前記コヒーレントビームがアナモフィック光学系を透過し、
前記制御手段が、２次元光検出器アレイにより検出される再生像の変化から、前記コヒーレントビームのフォーカス方向の位置ずれと、前記波長可変コヒーレント光源の波長ずれとを独立して検出することを特徴とする請求項１または２に記載のホログラフィック光情報記録再生装置。 - 前記波長可変コヒーレント光源から出射されたコヒーレントビームを信号光及び参照光の２つのビームに分割する手段と、前記信号光を２次元的に強度変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子上の前記信号光に２次元的な位相分布を与える手段と、前記信号光と前記参照光を記録媒体上で交差させる光学系とを具備し、前記２次元的な位相分布を与える手段は２次元の直角格子上に形成されたセルを有し、前記２次元的な位相分布を与える手段上の周辺部分には、中央部分よりも面積の大きいセルが設けられたことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のホログラフィック光情報記録再生装置。
- 前記２次元的な位相分布を与える手段上の各セルの位相変位量は０、π／２、π、３π／２のいずれかであり、互いに隣接するセルの位相差がπ／２或いは３π／２であることを特徴とする請求項５に記載のホログラフィック光情報記録再生装置。
- 前記波長可変コヒーレント光源が、波長可変半導体レーザと２次高調波発生素子を用いたコヒーレント光源であることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のホログラフィック光情報記録再生装置。
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