JP4130296B2 - ホログラフメモリーシステムで用いられる装置と、周期的位相構造を入力データ面にマッピングする方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学メモリーに関し、特にホログラムメモリーシステムの一つの面に周期的位相構造をマッピングさせるために、周期的構造体をレンズを用いずに画像化するタルボー効果（Talbot Effect）を用いたホログラムメモリーに関し、また光をレンズ列に伝搬させるシステムの入力データ面に関し、またホログラムメモリーシステムに入力データを与える空間光変調器への自己画像入射に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムメモリーシステムは、大量のデータを記憶できる。これはアーカイブのアプリケーション、または呼び出し専用のアプリケーション、あるいは活性メモリーシステム用に有益である。このホログラムメモリーシステムの基本原理は、データを四角形の画像であるページに配列して、これらのページをホログラムに記憶するものである。データを取り出す際には、適切なページをホログラムから再構成する。
【０００３】
パソコンを含む現在の処理システムは、様々な形態の光学データ記憶に依存している。例えば、ＣＤ−ＲＯＭデバイスは、ほとんど全ての新たなパソコンの標準装置となっている。ほとんど大部分のマルチメディアソフトウエア（ビデオゲーム、マップ、百科事典等を含む）は、ＣＤ−ＲＯＭの形態で販売されている。さらにまたコンパクトディスクは、音楽を記憶する最も便利な記憶媒体である。近年、デジタルビデオディスク（ＤＶＤ）技術が導入され、０．５ギガバイトから５ギガバイトに標準のＣＤ蓄積容量を拡張している。
【０００４】
ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤの大量の記憶容量と低コストにより、さらに大型で安い光学記憶媒体への需要をつくり出している。多くの大企業は、ジャンクボックススタイルのＣＤチェンジャーを用いて、数百枚のディスクのうちの特定の一つのディスクにアクセスしている。光学記憶フォーマットの形式で発売された動画は、複数のＣＤやＤＶＤ、あるいはレーザディスクを必要としている。さらにまた、ＣＤ−ＲＯＭやＤＶＤの技術の限界に近づいたようにも思える。光学記憶システムの容量と速度を上げるために、最近の研究はＣＤサイズの記憶媒体で、数百ギガバイトを記憶できるホログラフ記憶デバイスにますます向けられている。
【０００５】
一時にデータのページ全体を記憶し、読み出したりすることのできる多くのホログラムデータ記憶システムが開発されている。このようなシステムにおいては、記憶すべきデータをまず二次元の光学アレイ、例えば液晶ディスプレイ（liquid crystal display ;ＬＣＤ）スクリーン上に符号化する。このＬＣＤスクリーンは、空間光変調器（spatial light modulator ；ＳＬＭ）の一種である。別の種類のＳＬＭは、Texas Instrument社のデジタルミラーデバイス（Digital Mirror Device）であり、これは各ピクセルの反射率を変えることのできる反射性のデバイスである。ＳＬＭという用語は、光学密度位相反射率を変える固定マスクを含む。
【０００６】
第１レーザビームである面の波は、このＳＬＭを通して伝搬され、二次元に配列されたデータの四角と長方形のピクセルから強度及び／または位相パターンをピックアップしている。対象ビームと称するデータ符号化ビームは、光感受性材料（holographic memory cell ;ＨＭＣ）と称する光感受性材料に最終的に投影される。参照ビームと称する第２レーザビームもまた、holographic memory cell内に投影される。この対象ビームと参照ビームがＨＭＣの上で交差して、ＨＭＣの体積要素を通して干渉パターンを生成する。この独自の干渉パターンがホログラムを生成するＨＭＣ内に材料の変化を引き起こす。
【０００７】
ホログラムメモリーセル内にホログラムを形成することは、対象ビームと参照ビームとの間の振幅と偏光状態と位相差の関数である。これは、対象ビームと参照ビームがホログラムメモリーセル内に投影される入射角に依存している。ホログラムで記憶したあとデータビームは、ＨＭＣにホログラムを生成した参照ビームと同じ参照ビームを投影することにより、再構築される。ホログラムと参照ビームは相互作用をして、データ符号化された対象ビームを再生し、これを光感光性のディテクターの二次元のアレイ上に投影して、明るいピクセルと暗いピクセルのパターンを検出することにより、データを読み出している。
【０００８】
ホログラフメモリーシステムにおいては、入力振幅データ構造を位相符号化するのが好ましい。このような位相符号化は、振幅データ構造のフーリエ変換パターンをホログラフメモリーシステムに特に適した分布形式に再度分布させる。しかし、この位相符号化構造は、光学性能用の振幅符号化構造と光学的に一致しなければならない。このような一致は、位相構造を振幅構造に４−ｆ（four-f）画像化することにより行われる。このような一致を達成するために、完全な４−ｆ画像システムを追加することは、システムの大きさ、コスト、複雑性、重さの観点から欠点となる。
【０００９】
このような位相符号化構造の無限の選択のうちで、ある種のものがその特性上周期的である。ホログラムメモリーシステムにおいて、最も周期的な位相構造を用いるのが時には好ましくない（そうすることによりフーリエ面の再構成の利点がなくなる）こともあるが、ある場合には好ましいこともある。ホログラムメモリーシステム内の入力データセットの振幅パターンを位相変換するのに用いられるあるクラスの周期的位相構造は、レンズのアレイである（レンズ列）。このようなレンズの列を用いることは、次数の電子部分を局部的に分散させながら高次のフーリエエネルギーをゼロ次に崩壊（collapse）させるよう機能する。
【００１０】
米国特許第５，８５９，８０８号は、ホログラムメモリーセル内のデータ位置へのアクセスを得るために光学パスを方向付けるシステムと方法を開示している。このようなシステムの一つは、（１） 複素空間的に変調した入射ビーム光を受領する屈折性素子と、（２） フーリエ領域内に入射ビームを受光し反射させるよう位置調整が可能な第１と第２の反射性素子と、（３） 前記第１と第２の反射性素子に接続されて、この第１と第２の反射性素子を直列に移動させ、ＨＭＣに対し入射ビームを方向付ける反射素子制御メカニズムとを有し、これにより第１と第２の反射性素子の動きの関数であるＨＭＣ上の位置を入射ビームが照射するようにさせている。
【００１１】
米国特許４，８１３，７６２号は、複数のレーザからの光を受光する回折レンズ列を開示している。このレンズ列は、Ｚ＝ｎｄ^２／λの距離だけ部分反射ミラーから分離して配置されている。ここでｎは整数または整数の２分の１で、λはレーザの波長で、ｄはレンズ列のレンズ間のスペースである。前掲の特許の一実施例においては、この装置のレンズは基板の表面にエッチングで形成され、そして平行な表面は部分反射ミラーを形成するためにコーティングされているような単一のデザインである。これらのレンズは互いに当接して１に近い充填係数（fill factor）（光を含む列のパーセンテージ）を生成し、各レンズはマルチステップの回折レンズである。レーザからミラーへ、そして再びレーザへの周回距離に対し回折拡散により１個のレンズから隣接するレンズへのフィードバック光の結合を引き起こす。全てのレンズからの光は、レーザの導波路に結合して戻されるが、これはレンズの各面の前面にある波が平坦のときにのみ有効に行われる。すなわち、フィードバックの層がレンズに対し、均一の時に行われる。均一性はレンズ列とミラーとの間の距離がタルボー自己画像条件であるときに達成できる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、周期的構造体の繰り返し画像面のレンズのない近接場（near-field ）用にタルボー効果を用いることである。
【００１３】
本発明の別の目的は、タルボー効果を用いてホログラフメモリーシステム内のある面の周期的位相構造をこのホログラムメモリーシステム内の入力データ面にマッピングすることである。
【００１４】
本発明のさらに別の目的は、光がタルボー効果を介して伝搬するレンズ列を用いてホログラフメモリーシステムにその入力データを与える空間光変調器上への自己画像入射を行うことである。
【００１５】
さらに本発明の別の目的は、周期的位相構造がそのフレネル領域内に自己画像化され、余分の４−ｆ光学装置（four-f optics）を用いることなく、フレネル領域内を通って入力振幅データ構造内へ周期的構造体を自己画像化させるホログラフメモリーシステムを提供することである。
【００１６】
さらに本発明の目的は、タルボー効果を用いて周期的構造体のレンズのない画像化を行い、ホログラフメモリーシステム内のある面に周期的位相構造体を入力データ面にマッピングするが、これはホログラフメモリーシステムに入力データを与える空間光変調器上に自己画像入射するレンズ列を伝搬させることにより行う。
【００１７】
さらに本発明の別の目的は、ホログラフメモリーシステム内のある面における周期的位相構造体を入力データ面にマッピングするために、ホログラフメモリーシステムに入力データを与える空間光変調器上に入射する自己画像へレンズ列を伝搬させることにより、周期的構造体のレンズのない画像化を行う方法を提供する。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の装置は、請求項１に記載した特徴を有する。すなわち、ホログラフメモリーセルを有するホログラフメモリーシステムで用いられ、タルボー効果を用いてある面の周期的位相構造を入力データ面にマッピングする装置において光を受光する２Ｗの周期性を有する周期的位相構造体と、前記位相構造体から距離Ｔだけ離れて配置された振幅データ構造体とを有し、前記位相構造体は、前記位相構造体のフレネル領域内で、前記振幅データ構造に自己画像化され、前記周期的位相構造体は、光が回折する角度であるθ_ｍと波長λの光に照射されることを特徴とする。ただし、
Ｔ＝２ｍｗ／tanθ_m
θ_m＝sin^−１［（ｍ＋１／２）λ／ｗ］である。
【００１９】
さらに本発明の方法は、請求項５に記載した特徴を有する。すなわち、ホログラフメモリーセルを有するホログラフメモリーシステム内のある面の周期的位相構造を入力データ面にタルボー効果を用いてマッピングする方法において（ａ）光を受光する２Ｗの周期性を有する周期的位相構造体を用意するステップと、（ｂ）前記位相構造体から距離Ｔに振幅データ構造体を配置するステップとを有し、前記位相構造体は、前記位相構造体のフレネル領域内で、前記振幅データ構造に自己画像化され、（ｃ）前記周期的位相構造体は、光が回折する角度であるθ_mと波長λの光に照射されるステップを有することを特徴とする。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明は、周期的位相構造体面と振幅構造体面を一致させるために、新たな４−ｆ画像化システムの必要性を回避する方法を提供する。この本発明の方法は、タルボー効果、すなわち周期的構造体（位相振幅あるいはそれらの組み合わせ）を構造体のフレネル領域（近接場）内に自動的かつ連続的に再画像化させる干渉効果を用いる。このタルボー効果を用いて、好ましい周期的位相構造体（例えばレンズ列）がフレネル領域内のホログラフメモリーシステムの入力振幅データ構造体上に自己画像化され（self-imaged）されるが、これは新たな４−ｆ光学装置を必要とするものではない。この自己画像化距離は、数ミクロンから数メートルの間である。
【００２１】
図１は従来の４−ｆ画像化システム１０を示す。図１に示された４−ｆ画像化システム１０の構成は、「無限共役複素」と称する。この４−ｆ画像化システム１０は、空間光変調器１２と焦点距離がｆ_１の薄い凸レンズ１４と、焦点距離がｆ_２の薄い凸レンズ１６とを有する。ここで焦点距離ｆ_１と焦点距離ｆ_２は、等しくても、あるいは等しくなくてもよい。空間光変調器１２は例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）スクリーンで、その上にデータが透明なピクセルと不透明なピクセルの二次元列のパターンで符号化される。空間光変調器１２と凸レンズ１４と凸レンズ１６は光学パス１８に対し直交して配置され、光ビーム２０と一致する点線で示すように直交に配置される。コヒーレントなレーザ光の平面波対象ビームが空間光変調器１２に投射され、この空間光変調器１２が符号化データパターンを取り上げ、距離ｆ_１だけ伝搬させて凸レンズ１４に到達する。光ビーム２０，２２，２４で表される対象ビームは凸レンズ１４を通過し、距離ｆ_１だけ伝搬してフーリエ面１５に到達する。このフーリエ面１５において、全ての対象ビーム位置情報は角度情報に変換され、そして全ての対象物角度情報は位置情報に変換される。フーリエ面１５面に形成された画像は、凸レンズ１６への入力対象である。凸レンズ１４から対象ビームは距離ｆ_２だけ伝搬して、凸レンズ１６に到達する。凸レンズ１６を通過後、対象ビームは距離ｆ_２だけ伝搬して出力画像面２６に到達し、そこで空間光変調器１２上の入力データ画像が再構成される。出力画像面２６は凸レンズ１４のフーリエ面であると同時に、空間光変調器１２がある面に対する出力画像面でもある。かくして凸レンズ１６により出力画像面２６に形成された画像は、凸レンズ１４によりフーリエ面１５上に形成されたフーリエ画像である。
【００２２】
光ビーム２０−２４が示すように出力画像面２６に形成された入力データ画像は空間光変調器１２で現れるときには、反転されている。そのため、ホログラフメモリーセルは、出力画像面２６に配置されている場合には、空間光変調器１２の二次元列のパターンの反転された画像がホログラフメモリーセル内のデータのページとして記憶される。レーザ光の参照ビーム（図示せず）が、データ画像を記憶するために必要とされる。上記の光学システムの他の実施例においては、空間光変調器は最初のレンズと、そのあとのフーリエ面との間に配置してもよい。最初のレンズに入射する対象光は、この最初のレンズにより収束されるが、最初のレンズのあとＳＬＭからの符号化データをピックアップする。このような構成においては、フーリエオーダーのサイズ（位置）はＳＬＭと、そのあとのフーリエ面との間の距離に線形に変化する。さらにまた、このビームの入射角度は、ＳＬＭの位置に応じて変化する。レンズのない操作が望ましい場合には、フレネル領域操作を用いることができる。このフレネル領域は、レンズとそのあとのフーリエ焦点面（あるいは、そのレンズから焦点距離ｆだけ離れて配置された画像焦点面）との間の領域である。このフレネル領域操作においては、二つの可動ミラーが光学システムの複数のレンズの内の一つのレンズと、それに対応するフーリエ焦点面、あるいは画像焦点面との間に配置される。好ましくは、操作プロセスを完結させるために一対の可動ミラーの後ろには、さらなる光学装置（すなわちレンズ）は必要ではない。
【００２３】
タルボー効果は、振幅ルーリング（amplitude ruling）（等しい幅の不透明なラインと透明なラインの周期的な組で、周期性＝２Ｗ）の例を用いて説明できる。図２には、コヒーレント光の平面波で照射されたピッチ幅が２Ｗのルーリングを示す。光がこのルーリング内を伝搬すると、光はルーリングのフーリエ要素（０次，±１次，±２次等）に回折する（分散する）。各これらの回折したビームが伝搬するにつれて、様々な他の類似のビームと交差する。ビームの交差の組み合わせが観測されると、個々の面（タルボー面）が存在するように見える。そしてこの面に初期ルーリングの回折パターンが全ての領域（ただし外側を除く。そこではもとのルーリングの限られた開口が、それが存在しないために回折ビームを生成することができない）で正確に繰り返される。
【００２４】
連続的なタルボー面の間の距離Ｔは、角度θ_mを考慮することにより決定される。このθ_mでビームは照射中の周期的構造体から解析される。最も単純な距離的な近似においては、ルーリングから回折されたビームの幅Ｗ（周期２Ｗ）のラインを有するルーリングから回折され、波長λの光により照らされたビームの建設的な干渉は、次の角度でおこる。
θ_m＝sin^−１［（ｍ＋１／２）λ／ｗ］
（ここでｍは、回折の次数で０次はカウントせず、入射光と同一の方向に放射する。）図３に示すようにＴは、次のようにして解くことができる。
Ｔ＝２ｍＷ／tanθ_m
例えば、λ＝０．５μｍの見ることのできる可視光を用いて、そのルーリングのライン幅がＷ＝５μｍで、θ_１が８．６３°を用いるとＴは６５．９μｍになる。かくして６０μｍごとに、このルーリングの画像が繰り返される。
【００２５】
このタルボー効果は、一般的な周期的構造及び周期的振幅ルーリング構造に拡張できる。事実この効果は、レンズ列（例、周期的な二次元の直交位相構造体構造列）に対し研究がなされている。ホログラフメモリーシステムの本出願は、このようなレンズ列を対象ビームの光学パス内の振幅データ符号化デバイスの直前に配置して、振幅データ構造が周期的位相構造のタルボー面の一つに設定するようにしている。これにより、周期的位相構造の振幅データ構造への４−ｆ画像化の必要性をなくし、これによりコストと複雑さ、サイズ、重量を低減している。
【００２６】
従来の画像化のアプローチを図４ａに示し、タルボー画像化アプローチを図４ｂに示す。図４ａにおいては、このシステムは２個の４−ｆシステムを含む。コヒーレントな光の平面波が、一対の凸レンズ３０，３２に対し配置された位相マスク２８を通過する。そしてこの凸レンズ３０は位相マスク２８から焦点距離ｆ₁だけ、そして凸レンズ３２は焦点距離ｆ₂だけ離れて配置されている。この凸レンズ３０，３２は光学パス３４に直交して配置されている。フーリエ面３６に形成された画像は、切り替えられた位置情報と角度情報を有し、そして画像が凸レンズ３２を通過して距離ｆ₂だけ伝搬して、振幅マスク３８の出力画像面に到達する。振幅マスク３８上に入射した画像は、その後距離ｆ₁だけ伝搬して凸レンズ４０に到達する。フーリエ面４２に形成される画像は、ビームを方向付けるミラー４４のような反射媒体を通過する。方向が変えられた画像は別の凸レンズ４６を通過して、距離ｆ₂だけ伝搬してＨＭＣ４８の出力画像面に到達する。
【００２７】
図４ｂにおいて本発明によるタルボー画像化技術は、位相マスク２８を上記の式Ｔ＝２ｍｗ／ｔａｎθmに従って、位相マスク２８を振幅マスク３８に対し距離Ｔだけ離れて配置させる。この実施例において位相マスクは、図２に示した幅Ｗのルーリングラインを有するレンズ列である。角度θmは下式に示すものである。
θ_m＝sin^-1［（ｍ＋１／２）λ／ｗ］
この構成により、図４ａに示されたような別々の４−ｆ画像システムを必要としない。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の４−ｆ画像化システムのブロック図。
【図２】コヒーレント光の平面波により照射された振幅ルーリングのブロック図。
【図３】「Ｔ」を決定する式の解像度を示すブロック図。
【図４】ａ 従来の画像化技術のプロック図。
ｂ 本発明の画像化技術のブロック図。
【符号の説明】
１０ ４−ｆ画像化システム
１２ 空間光変調器
１４ 凸レンズ
１５ フーリエ面
１６ 凸レンズ
１８ 光学パス
２０−２４ 光ビーム
２６ 出力画像面
２８ 位相マスク
３０ 凸レンズ
３２ 凸レンズ
３４ 光学パス
３６ フーリエ面
３８ 振幅マスク
４０ 凸レンズ
４２ フーリエ面
４４ ミラー
４６ 凸レンズ
４８ ＨＭＣ

Claims (3)

1. ホログラフメモリーセルを有するホログラフメモリーシステムで用いられ、タルボー効果を用いてある面の周期的位相構造体を入力データ面にマッピングするホログラフメモリーシステムで用いられる装置であって、
   光を受光する２ｗの周期性を有する周期的位相構造体、及び
   振幅データ構造体であって、前記周期的位相構造体が該周期的位相構造体のフレネル領域内で前記振幅データ構造体上に自己画像化されるように、前記周期的位相構造体から距離Ｔだけ離れて配置された振幅データ構造体
   からなり、ここで、
   前記２ｗの周期性を有する周期的位相構造体が波長λの光で、かつ光が回折される角度であるθ_ｍで照射されるときに、
   Ｔ＝２ｍｗ／tanθ_m
   θ_m＝sin^−１［（ｍ＋１／２）λ／ｗ］
   であることを特徴とする装置。
2. 前記周期的位相構造体がレンズ列であることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. ホログラフメモリーセルを有するホログラフメモリーシステム内のある面の周期的位相構造体を入力データ面にタルボー効果を用いてマッピングする方法であって、
   （Ａ）光を受光する２ｗの周期性を有する周期的位相構造体を用意するステップ、
   （Ｂ）前記周期的位相構造体が該周期的位相構造体のフレネル領域内で振幅データ構造体上に自己画像化されるように、前記周期的位相構造体から距離Ｔに振幅データ構造体を配置するステップであって、
   Ｔ＝２ｍｗ／tanθ_m、
   θ_m＝sin^−１［（ｍ＋１／２）λ／ｗ］
   である、ステップ、及び
   （Ｃ）前記周期的位相構造体を、波長λの光で、かつ光が回折する角度であるθ_ｍで照射するステップ
   からなる方法。

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