JP4581808B2 - ホログラム装置及びファラデーローテータ - Google Patents

Description

本発明は、ホログラム装置、特にコリニアホログラム方式を用いたホログラム記録装置及びこれに用いるファラデーローテータに関する。

ホログラフィを使ってデータを記録するホログラム装置の開発が進められている。

ホログラム装置では、光源の出射光を空間光変調器により変調して（データが重畳された）信号光および参照光の２つを生成し、これらを偏光フィルタに通過させることによって明暗をパターン化したのち、１／４波長板によって円偏光にし、ホログラム記録媒体の同一場所に照射する。その結果、ホログラム記録媒体上で信号光と参照光が干渉して照射点に回折格子（ホログラム）が形成され、ホログラム記録媒体にデータが記録される。

このようなホログラム装置において、信号光と参照光とを同一軸上に設け、一つの対物レンズで信号光と参照光とを記録再生するコリニアホログラム記録再生方式が検討されている（例えば特許文献１参照）。

このコリニアホログラム方式は、従来のホログラム方式と比較して、光学系の簡素化や現状の光記録装置で用いられている位置制御技術の応用が可能になる、といった様々な利点を持つ。
特開２００４−３１１００１号（図１）

従来、ホログラム記録媒体にデータを記録する際、円偏光の光を用いて行うため、直線偏光で記録する場合と比較して、多重できる回数が低くなり、書き込み量が少なくなるという問題があった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、直線偏光の光を用いたデータ記録が行える書き込み量の増大が図れるホログラム装置及びこれに用いるファラデーローテータを提供することにある。

かかる課題を解決するため、本発明に係るホログラム記録装置は、ホログラム記録媒体に対してホログラムを記録するホログラム記録装置であって、光を出射する光源と、前記光源から出射された光から信号光及び参照光を生成する空間光変調器と、前記空間光変調器により生成された信号光と参照光が入射される、遮蔽手段を有するファラデーローテータと、前記空間光変調器と前記ファラデーローテータとの間に設けられた前記空間光変調器により生成された信号光及び参照光を前記ファラデーローテータに集光する第１のレンズと、前記ファラデーローテータを通過した光を平行光にする第２のレンズと、前記第２のレンズを通過した光を前記ホログラム記録媒体に集光させる第３のレンズとを具備することを特徴とする。

本発明のこのような構成によれば、従来のホログラム記録装置に設けられている１／４波長板を除去し、ファラデーローテータを配置することによって、ホログラム記録媒体への直線偏光でのデータ記録が可能となる。従って、データの書き込み量が増大し、記録密度の向上を図ることができる。更に、ファラデーローテータに遮蔽手段を持たせることにより、空間光変調器に起因するノイズを除去することができる。またファラデーローテータに遮蔽手段を持たせることにより、遮蔽手段とファラデーローテータとを別々に配置する必要がないため、ホログラム記録装置全体の小型化を図ることができる。

また、前記遮蔽手段はピンホールが設けられた遮蔽板であり、前記ファラデーローテータは、前記遮蔽板と、該遮蔽板を挟みこむように設けられた結晶と、該結晶を挟み込むように設けられた磁石とを有することを特徴とする。

このように、遮蔽手段としてピンホールが設けられた遮蔽板を用い、この遮蔽板を挟み込むように結晶を設け、この結晶を挟み込むように磁石を設けてファラデーローテータを構成することができる。

また、前記結晶はＴｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２結晶であることを特徴とする。

このような構成によれば、ファラデーローテータの小型化を図ることができ、ホログラム規則装置全体の小型化を図ることができる。

また、前記ファラデーローテータの中心に前記第１のレンズにより集光される光の焦点が位置することを特徴とする。

このような構成によれば、ファラデーローテータの中心に、第１のレンズにより集光される光の焦点が位置するようにファラデーローテータを配置することにより、結晶によって生じる球面収差を打ち消すことができる。これにより、ホログラム記録媒体に照射される光の不良がなく、良好な記録を行うことができる。

本発明の他のホログラム記録装置は、ホログラム記録媒体に対してホログラムを記録するホログラム記録装置であって、光を出射する光源と、前記光源から出射された光から信号光及び参照光を生成する空間光変調器と、前記空間光変調器により生成された信号光と参照光が入射されるファラデーローテータと、前記ファラデーローテータを通過した光を前記ホログラム記録媒体に集光させるレンズとを具備することを特徴とする。

本発明のこのような構成によれば、従来のホログラム記録装置に設けられている１／４波長板を除去し、ファラデーローテータを配置することによって、ホログラム記録媒体への直線偏光でのデータ記録が可能となる。従って、データの書き込み量が増大し、記録密度の向上を図ることができる。

本発明のファラデーローテータは、ピンホールが設けられた遮蔽板と、前記遮蔽板を挟みこむように設けられたＴｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２結晶と、前記Ｔｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２結晶を挟み込むように設けられた磁石とを具備することを特徴とする。

本発明のこのような構成によれば、Ｔｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２結晶を用いることによりファラデーローテータの小型化を図ることができる。更に、遮蔽板を設けることにより、不要な光を遮蔽する遮蔽機能と偏光機能の双方を備えたファラデーローテータを得ることができる。

以上のように、本発明によれば、ファラデーローテータを用いることにより直線偏光でのデータ記録が行えるようになり、データの書き込み量の増大を図ることができる。

以下、本発明の一実施形態を図面に基づき説明する。

図１は本発明の一実施形態に係るホログラム記録再生装置における光学ユニットの模式図である。

図１に示すように、ホログラム記録再生装置は、ホログラム記録媒体１０１へのホログラム（情報）の記録、再生を行うものであり、光学ユニット１００を備える。

光学ユニット１００は、記録再生用光源１１１、空間光変調器１６０、光学素子としてのビームスプリッタ１１５、第１のレンズとしての第１フーリエ変換レンズ１２１、遮蔽手段としての遮蔽板２０３を有するファラデーローテータ２００、第２のレンズとしての第２フーリエ変換レンズ１２２、第３のレンズとしての対物レンズ１１７、受光素子としての撮像素子１２０を有する。

ホログラム記録媒体１０１は、基板１０１ａ上に、順に反射層１０１ｂ、ギャップ層１０１ｃ、情報記録層１０１ｄ、カバー層１０１ｅが配置されてなる。情報記録層１０１ｄは、信号光１３１と参照光１３２とによる干渉縞を屈折率（あるいは、透過率）の変化として記録する層である。反射層１０１ｂは、回折光（再生光）を反射させるための層である。

ホログラム記録媒体の情報記録層の構成材料として、光の強度に応じて屈折率（あるいは、透過率）の変化が行われる材料であれば、有機材料、無機材料の別を問うことなく利用可能である。無機材料として、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）のような電気光学効果によって露光量に応じ屈折率が変化するフォトリフラクティブ材料を用いることができる。有機材料として、例えば、光重合型フォトポリマー用いることができる。光重合型フォトポリマーは、その初期状態では、モノマーがマトリクスポリマー均一に分散している。これに光が照射されると、露光部でモノマーが重合し、屈折率が変化する。

以上のように、情報記録層の屈折率（あるいは透過率）が露光量に応じて変化することで、参照光と信号光との干渉によって生じる干渉縞を屈折率（あるいは透過率）の変化としてホログラム記録媒体１０１に記録できる。

ホログラム記録媒体１０１は、図示しない駆動手段でＸ−Ｙ方向またはθ方向に駆動され、空間光変調器１６０の像を多数のホログラムとして記録することができる。多重記録の手段としては、信号光や参照光にランダム位相またはある一定の位相パターンを持たせるための光学素子である例えば位相マスクを所定の位置例えばビームスプリッタ１１５の後段に配置すればよい。位相相関多重ばかりでなく、他の多重方法を用いても勿論構わない。

なお、光学ユニット１００を図示しない駆動手段でＸ−Ｙ方向またはθ方向に駆動するようにしてもよい。また、ホログラム記録媒体１０１はディスク状であってもよい。

ホログラム記録媒体１０１が移動することから、ホログラム記録媒体１０１上への記録・再生は移動方向に形成されたトラックに沿って行われる。

記録再生用光源１１１は、レーザ光を出射するレーザ光源であり、例えば波長４０８[ｎｍ]のレーザダイオード（ＬＤ）を備える。記録再生用光源１１１は、レーザ光を空間光変調器１６０に向けて反射するための光学素子である。

空間光変調器１６０は、信号光を空間的に（ここでは、２次元的に）変調して、データを重畳する光学素子である。空間光変調器１６０に入射された光は、一部は記録情報を反映した光強度変調パターンを有する信号光として、他の一部は光強度変調されない、または特定の光強度変調を受けた参照光として生成される。空間光変調器１６０に反射型の素子であるＤＭＤ(Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｉｃｒｏ ｍｉｒｒｏｒ)や反射型液晶、ＧＬＶ(Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｕｅ)素子を用いることが可能である。なお、透過型の素子である透過型液晶素子を用いた構成とすることもできる。本実施形態では、空間光変調器１１６により例えば円形の信号光の外周を囲むように参照光が形成されるようになっている。つまり、空間光変調器１１６上には円形の変調領域（信号光のための領域）を囲むように参照光のための領域が設けられている。これにより、記録再生用光源１１１から出射されたレーザ光から光路を共通にする信号光及び参照光を生成することができる。

ビームスプリッタ１１５は、記録再生用光源１１１からの光を空間光変調器１１６に導き、空間光変調器１１６によって生成された信号光及び参照光を、または参照光を、第１フーリエ変換レンズ１２１に導き、ホログラム記録媒体１０１からの反射光を撮像素子１２０に向けて反射する光学素子である。

第１フーリエ変換レンズ１２１は、ビームスプリッタ１１５から出射された光を後述するファラデーローテータ２００の遮蔽板２０３上に集光する光学素子である。

ファラデーローテータ２００は、空間光変調器１１６に起因する光のノイズを除去する遮蔽板を有するファラデーローテータである。ファラデーローテータ２００に入射された光は、その偏光が４５度回転する。本実施形態においては、ファラデーローテータ２００を用いることにより、ホログラム記録媒体１０１に対して円偏光の光ではなく直線偏光の光を照射することができる。これにより、ホログラム記録媒体１０１に書き込める情報量が増大する。ファラデーローテータ２００の詳細な説明については後述する。

第２フーリエ変換レンズ１２２は、ファラデーローテータ２００の遮蔽板２０３に設けられた後述するピンホールを通過した光を平行光にする光学素子である。

対物レンズ１１７は、信号光及び参照光の双方をホログラム記録媒体１０１に集光し、かつホログラム記録媒体１０１からの反射光を平行光にするための光学素子である。

撮像素子１２０は、再生光の画像を入力するための素子であり、例えば２次元のＣＣＤまたはＣＭＯＳにより構成される。

次に、ファラデーローテータ２００について図２〜図４を用いて説明する。

図２は、ファラデーローテータ２００の分解概略斜視図である。図３は、ファラデーローテータ２００の概略断面図であり、ホログラム記録装置の光学ユニット１００に組み込んだ状態のファラデーローテータ２００を通過する光の状態を示すものである。図４は、ファラデーローテータ２００を通過する光の偏光状態を示すものである。

ファラデーローテータ２００は遮蔽板付ファラデーローテータである。図２及び図３に示すように、ファラデーローテータ２００は、遮蔽手段としてのピンホール２０４が設けられた遮蔽板２０３と、遮蔽板２０３を挟みこむように設けられたＴｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２（ＴＡＧ）結晶２０２ａ及び２０２ｂと、Ｔｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２（ＴＡＧ）結晶２０２ａ及び２０２ｂを挟み込むように設けられた磁石２０１ａ及び２０１ｂと、これらを保持する保持体２０５を有する。

遮蔽板２０３は磁界を十分に通す材質からなり、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｃｕからなる。遮蔽板２０３は、空間光変調器１６０に起因するノイズを除去するものであり、ピンホール２０４は、ファラデーローテータ２００を通過する光のうち０次光、＋１次光、−１次光を通す円形状の穴であり、それ以外の高次光は遮蔽板２０３により遮蔽される。ピンホール２０４の径ｎは、
ｎ＝λ×ｆ／Ｄ（式中、λは光の波長、ｆはフーリエ変換レンズの焦点距離、Ｄは空間光変調器のピクセルサイズを示す）
により求めることができる。

ＴＡＧ結晶２０２ａ及び２０２ｂは、それぞれ円柱状の同じ大きさを有している。そして、２つのＴＡＧ結晶２０の長さの和を調整することで、ファラデーローテータ２００に入射した光の偏光方向をその進行方向に対して４５°回転させるように構成されている。本実施形態においては、結晶としてＴＡＧ結晶を用いることにより、ファラデーローテータ２００全体の小型化を実現している。

磁石２０１ａ及び２０１ｂは、それぞれリング状の同じ大きさを有している。

ファラデーローテータ２００は、遮蔽板２０３のピンホール２０４の中心に、第１フーリエ変換レンズ１２１により集光された光の焦点が位置するように配置される。このようにレンズの焦点をファラデーローテータ２００の中心に配置することにより、ＴＡＧ結晶２０２ａ及び２０２ｂによって生じる球面収差を打ち消すことができる。

ファラデーローテータ２００の偏光回転角は光の向きによらず、一定方向に４５°回転する。このため、図４（ａ）に示すように、ファラデーローテータ２００を通ってホログラム記録媒体１０１に向かって出射される光は、ファラデーローテータ２００に入射された直線偏光よりも４５°回転している。そして、ホログラム記録媒体１０１を反射した戻り光は、図４（ｂ）に示すように、ファラデーローテータ２００を通過することによって、更に４５°回転した直線偏光、すなわち、ホログラム記録媒体１００に向かってファラデーローテータ２００に入射された直線偏光から９０°回転した直線偏光となる。

次に、ホログラム記録再生装置の動作の概要について説明する。
Ａ．記録時

記録再生用レーザ光源１１１から出射された均一な強度を持つ直線偏光のレーザ光１０２が、ビームスプリッタ１１５を経て空間光変調器１６０に入射する。

空間光変調器１６０に入射された光は、空間光変調器１６０により、一部は記録情報を反映した光強度変調パターンを有する信号光として、他の一部は光強度変調されない、または特定の光強度変調を受けた参照光として生成される。信号光及び参照光は、直線偏光の光である。

次に、空間光変調器１６０から出射された光は、ビームスプリッタ１１５を経て、第１フーリエ変換レンズ１２１に入射され、第１フーリエ変換レンズ１２１によってファラデーローテータ２００の遮蔽板２０３上に集光する。

第１フーリエ変換レンズ１２１から出射された光は、ファラデーローテータ２００を通過することにより、その入射時の偏光角よりも４５°回転して、ファラデーローテータ２００から出射される。また、ファラデーローテータ２００の遮蔽板２０３により、入射された光のうち高次光の光が遮蔽され、空間光変調器１６０に起因するノイズが除去される。

ファラデーローテータ２００から出射された光は、第２フーリエ変換レンズ１２２により平行光となって対物レンズ１１７に入射される。

対物レンズ１１７に入射された直線偏光は、対物レンズ１１７を通って集光ビームとなってホログラム記録媒体１０１に照射される。そして、ホログラム記録媒体１０１内の情報記録層に干渉縞、すなわちホログラムを形成する。
Ｂ．再生時

記録再生用レーザ光源１１１から出射された均一な強度を持ち直線偏光のレーザ光１０２が、ビームスプリッタ１１５を経て空間光変調器１６０に入射する。

空間光変調器１６０に入射された光は、空間光変調器１６０により、信号光は遮蔽され参照光が生成される。この参照光は、直線偏光の光である。

次に、空間光変調器１６０から出射された光は、ビームスプリッタ１１５を経て、第１フーリエ変換レンズ１２１に入射され、第１フーリエ変換レンズ１２１によってファラデーローテータ２００の遮蔽板２０３上に集光する。

第１フーリエ変換レンズ１２１から出射された光は、ファラデーローテータ２００を通過することにより、その入射時の偏光角よりも４５°回転して、ファラデーローテータ２００から出射される。また、ファラデーローテータ２００の遮蔽板２０３により、入射された光のうち高次光の光が遮蔽され、空間光変調器１６０に起因するノイズが除去される。

ファラデーローテータ２００から出射された光は、第２フーリエ変換レンズ１２２により平行光となって対物レンズ１１７に入射される。

対物レンズ１１７に入射された直線偏光は、対物レンズ１１７を通って集光ビームとなってホログラム記録媒体１０１に照射される。そして、ホログラム記録媒体１０１に照射された参照光が記録されたホログラム（干渉縞）とで回折を起こすることにより再生光を得る。

再生光は、対物レンズ１１７、第２フーリエ変換レンズ１２２を経た後、ファラデーローテータ２００に入射される。ファラデーローテータ２００を通過した再生光は、ホログラム記録媒体１０１に向かってファラデーローテータ２００に入射された直線偏光に対して９０°回転した状態の直線偏光の光となる。

ファラデーローテータ２００から出射された光は、ビームスプリッタ１１５で反射し、撮像素子１２０上に再生信号として受光される。そして、再生信号の光強度空間分布を撮像素子１２０により検出することで、情報再生が行われる。ここで得られた再生信号は、ファラデーローテータ２００の遮蔽板２０３によって空間光変調器１６０に起因するノイズが除去されているので、ＳＮＲ（Ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ Ｒａｔｉｏ）が良く、再生特性が向上した。

ここで、従来のホログラム装置について図６を用いて説明する。尚、上述した本発明の一実施形態におけるホログラム記録再生装置と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。

図６は従来のホログラム記録再生装置における光学ユニットの模式図である。

図６に示すように、従来のホログラム記録再生装置は、光学ユニット１１００を備える。

光学ユニット１１００は、記録再生用光源１１１、空間光変調器１６０、光学素子としてのビームスプリッタ１１５、ピンホール１３２を有する遮蔽板１３０、第１のレンズとしての第１フーリエ変換レンズ１２１、１／４波長板１３１、第２のレンズとしての第２フーリエ変換レンズ１２２、第３のレンズとしての対物レンズ１１７、受光素子としての撮像素子１２０を有する。

従来のホログラム記録再生装置においては、ビームスプリッタ１２１を通過した光は、第１フーリエ変換レンズ１２１により集光され、遮蔽板１３０によって空間光変調器１６０に起因するノイズが除去される。遮蔽板１３０を通過した光は第２フーリエ変換レンズ１２２を経て１／４波長板１３１に入射される。１／４波長板１３１に入射される光は直線偏光であり、１／４波長板１３１を通過することによって、円偏光となる。その後、この円偏光の光は、対物レンズ１１７によってホログラム記録媒体１０１上に集光される。

このように、従来のホログラム記録再生装置においては、ホログラム記録媒体１０１へのデータの書き込みが円偏光の光を用いて行われていた。これに対して、本実施形態においては、直線偏光でホログラム記録媒体１０１へのデータの書き込みを行っているため、書き込まれるデータ量が増大し、記録密度を向上させることができる。

ここで、直線偏光で記録する場合と円偏光で記録する場合とを比較する。図５は、記録に用いる偏光の種類の違いによるＭ＃（回折効率の平方根の総和）の違いを示すものである。Ｍ＃の数値が高いほど記録密度が大きいことを示す。図５に示すように、直線偏光であるＰ偏光、Ｓ偏光のいずれを用いて記録しても、円偏光を用いて記録する場合よりも記録密度が向上することがわかる。

以上のように、本発明の一実施形態におけるホログラム記録再生装置の光学ユニット１００においては、従来のホログラム記録再生装置の光学ユニット１１００の１／４波長板を除去し、その代わりにファラデーローテータ２００を配置することによって、ホログラム記録媒体への直線偏光でのデータ記録が可能となる。これにより、データの書き込み量が増大し、記録密度の向上を図ることができる。更に、従来のホログラム記録再生装置の従来遮蔽板１３０が配される位置にこの遮蔽板１３０と同様の遮蔽機能を有するＴＡＧ結晶を用いたファラデーローテータ２００を配置することにより、遮蔽機能を有する遮蔽板と偏光機能を有するファラデーローテータとを別々に設ける場合と比較して、ホログラム記録再生装置を小型化することができる。

本発明の一実施形態に係るホログラム記録再生装置における光学ユニットの模式図。 ファラデーローテータの概略分解斜視図。 ファラデーローテータの概略断面図。 ファラデーローテータによる光の偏光状態を説明する。 円偏光による記録と直線偏光による記録とを比較する図。 従来のホログラム記録再生装置における光学ユニットの模式図。

符号の説明

１００ 光学ユニット
１０１ ホログラム記録媒体
１１１ 記録再生用光源
１１５ ビームスプリッタ
１１７ 対物レンズ
１２１ 第１フーリエ変換レンズ
１２２ 第２フーリエ変換レンズ
１６０ 空間光変調器
２００ ファラデーローテータ
２０１ａ、２０１ｂ 磁石
２０２ａ、２０２ｂ ＴＡＧ結晶
２０３ 遮蔽板
２０４ ピンホール

Claims (6)

1. ホログラム記録媒体に対してホログラムを記録するホログラム記録装置であって、
   光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光から信号光及び参照光を生成する空間光変調器と、
   前記空間光変調器により生成された信号光と参照光が入射される、遮蔽手段を有するファラデーローテータと、
   前記空間光変調器と前記ファラデーローテータとの間に設けられた前記空間光変調器により生成された信号光及び参照光を前記ファラデーローテータに集光する第１のレンズと、
   前記ファラデーローテータを通過した光を平行光にする第２のレンズと、
   前記第２のレンズを通過した光を前記ホログラム記録媒体に集光させる第３のレンズと
   を具備することを特徴とするホログラム記録装置。
2. 請求項１に記載のホログラム記録装置であって、
   前記遮蔽手段はピンホールが設けられた遮蔽板であり、前記ファラデーローテータは、前記遮蔽板と、該遮蔽板を挟みこむように設けられた結晶と、該結晶を挟み込むように設けられた磁石とを有することを特徴とするホログラム記録装置。
3. 請求項２に記載のホログラム記録装置であって、
   前記結晶はＴｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２結晶であることを特徴とするホログラム記録装置。
4. 請求項２に記載のホログラム記録装置であって、
   前記ファラデーローテータの中心に前記第１のレンズにより集光される光の焦点が位置することを特徴とするホログラム記録装置。
5. ホログラム記録媒体に対してホログラムを記録するホログラム記録装置であって、
   光を出射する光源と、
   前記光源から出射された光から信号光及び参照光を生成する空間光変調器と、
   前記空間光変調器により生成された信号光と参照光が入射されるファラデーローテータと、
   前記ファラデーローテータを通過した光を前記ホログラム記録媒体に集光させるレンズと
   を具備することを特徴とするホログラム記録装置。
6. ピンホールが設けられた遮蔽板と、
   前記遮蔽板を挟みこむように設けられたＴｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２結晶と、
   前記Ｔｂ_３Ａ_１５Ｏ_１２結晶を挟み込むように設けられた磁石と
   を具備することを特徴とするファラデーローテータ。

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