JP4606851B2

JP4606851B2 - ホログラム記録装置

Info

Publication number: JP4606851B2
Application number: JP2004333228A
Authority: JP
Inventors: 浩寧吉川; 耕一手塚; 和史宇野
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-11-17
Filing date: 2004-11-17
Publication date: 2011-01-05
Anticipated expiration: 2024-11-17
Also published as: JP2006145676A

Description

本願発明は、たとえばレーザビームを用いて記録媒体にホログラムを記録するためのホログラム記録装置に関する。

従来のホログラム記録装置としては、たとえば特許文献１に開示されたものがある。この種のホログラム記録装置は、基本的には図１０に示すような構成からなり、レーザ光源１００、コリメータレンズ２００、ビームエキスパンダ３００、第１および第２のビームスプリッタ４００Ａ，４００Ｂ、空間光変調器５００、２次元ディテクタ６００、記録光・再生光兼用の対物レンズ７００、および参照光用の対物レンズ８００を備えている。

図１０に示す従来のホログラム記録装置では、記録モードの場合、レーザ光源１００から出射したレーザビームがコリメータレンズ２００によって平行ビームに変換され、さらに平行ビームがビームエキスパンダ３００によって拡大される。その後、平行ビームは、第１のビームスプリッタ４００Ａによってホログラム記録用の記録光と参照光とに分離される。一方の記録光は、空間光変調器５００によって２次元的な情報を表す光（２次元情報光）に変調された後、第２のビームスプリッタ４００Ｂおよび記録光・再生光兼用の対物レンズ７００を経て記録媒体Ｂに照射される。他方の参照光は、第１のビームスプリッタ４００Ａから出射した後に参照光用の対物レンズ８００へと導かれ、記録媒体Ｂにおいて記録光と干渉するように照射される。その結果、記録媒体Ｂの記録層９２にホログラムが記録される。再生モードでは、レーザ光源１００から出射したレーザビームがコリメータレンズ２００およびビームエキスパンダ３００を経た後、さらに第１のビームスプリッタ４００Ａおよび参照光用の対物レンズ８００を経て参照光として記録媒体Ｂに照射される。このとき、記録媒体Ｂの記録層９２では、記録されたホログラムによる再生光が生じ、この再生光が記録光・再生光兼用の対物レンズ７００および第２のビームスプリッタ４００Ｂを経て２次元ディテクタ６００に受光される。これにより、２次元情報光によりホログラムとして記録された情報が再生される。

特開２００２−２１６３５９号公報

しかしながら、上記従来のホログラム記録装置では、図１１の（ａ）に示されるようにレーザビームがガウス分布状の光強度分布をもってレーザ光源から出射するにもかかわらず、このようなレーザビームをコリメータレンズやビームエキスパンダによって単調に屈折させているだけである。そのため、空間光変調器上の光強度分布もまたガウス分布状となり、当該空間光変調器における１画素当たりの光強度と画素数との関係については、極端な場合、図１１の（ｂ）に示されるような関係になってしまう。このような関係は、２次元ディテクタでも同様である。

上記光強度と画素数との関係に基づき、ホログラム記録におけるビットエラーレート（ＢＥＲ）を算出する式としては、一般に下記の式が用いられる。

このようなビットエラーレートの算出式から、図１１の（ｂ）に示されるように、黒い画素（ビット“０”）に対応する近似曲線Ｗ₀と白い画素（ビット“１”）に対応する近似曲線Ｗ₁とが重なり合う場合には、しきい値ｘ_cをどのように設定してもビットエラーレートが大きくなるという難点があった。

本願発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、ビットエラーレートを容易に小さくすることができるホログラム記録装置を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するため、本願発明では、次の技術的手段を講じている。

本願発明によって提供されるホログラム記録装置は、コヒーレント光源と、この光源から出射した光ビームを拡大するビーム拡大手段と、このビーム拡大手段を経た光ビームを２次元的な情報を表す光に変調する空間光変調手段とを備え、上記空間光変調手段を経た記録光に対して参照光をホログラム記録層で干渉させることにより、干渉パターンをホログラム記録層に記録するホログラム記録装置であって、上記空間光変調手段に入射する光ビームの光強度分布を均一化するための光強度分布変換手段が設けられていることを特徴としている。

好ましい実施の形態としては、上記ビーム拡大手段は、入射側レンズと出射側レンズとを組み合わせたレンズ系からなり、上記入射側レンズは、上記光源から出射して平行ビームに変換された光ビームを拡大するとともに、上記出射側レンズは、上記入射側レンズを経た光ビームを平行化するように構成されており、かつ、上記入射側レンズおよび出射側レンズの少なくとも一方は、非球面レンズとすることにより上記光強度分布変換手段として設けられている。

このような構成によれば、たとえばビーム拡大手段の入射側レンズおよび出射側レンズを非球面レンズとすることにより、これらのレンズによって光ビームの光強度分布をガウス分布状の状態から均一な状態となるようにすることができる。したがって、ビーム拡大手段として非球面レンズを採用するだけでビットエラーレートを容易に小さくすることができる。

他の好ましい実施の形態としては、上記光源から出射した光ビームを平行ビームに変換するとともに、この平行ビームを上記ビーム拡大手段に入射するビーム平行化手段と、上記ビーム拡大手段を経た光ビームを上記記録光と参照光とに分離し、一方の記録光を上記空間光変調手段に入射するビーム分離手段とを備え、上記光強度分布変換手段は、上記ビーム拡大手段と上記ビーム分離手段との間、または上記ビーム平行化手段と上記ビーム拡大手段との間に配置されている。

たとえば、上記光強度分布変換手段は、２個のシリンドリカルレンズを互いに直交するように組み合わせたレンズ系、または単一の非球面レンズにより構成されている。

他の例としては、上記光強度分布変換手段は、回折光学素子により構成されている。

このような構成によれば、たとえばビーム拡大手段とビーム分離手段との間に光強度分布変換手段としての非球面レンズを配置することにより、このレンズによって光ビームの光強度分布をガウス分布状の状態から均一な状態となるようにすることができる。光強度分布変換手段としては、２個のシリンドリカルレンズを互いに直交するように組み合わせたレンズ系、あるいは光の回折現象を利用する回折光学素子を用いてもよい。したがって、上記のような光強度分布変換手段をビーム拡大手段とビーム分離手段との間に配置するだけでビットエラーレートを容易に小さくすることができる。なお、光強度分布変換手段をビーム平行化手段とビーム拡大手段との間に配置した構成でも同様の効果が得られる。

本願発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

以下、本願発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。図１〜３は、本願発明に係るホログラム記録装置の第１実施形態を示している。なお、図１は、記録モードにおける動作状態を示し、図２は、再生モードにおける動作状態を示している。

図１および図２に示されているように、本実施形態のホログラム記録装置Ａ１は、コヒーレント光源１、コリメータレンズ２、ビームエキスパンダ３、第１および第２のビームスプリッタ４Ａ，４Ｂ、空間光変調器５、２次元ディテクタ６、記録光・再生光兼用の対物レンズ７、ならびに参照光用の対物レンズ８を備えて構成されている。記録媒体Ｂは、基板９０、反射膜９１、記録層９２、および保護膜９３を積層して構成されており、この記録層９２にホログラムが記録される。

コヒーレント光源１は、たとえば半導体レーザ素子からなり、記録モードあるいは再生モードにおいて比較的帯域が狭く干渉性の高いコヒーレント光としてのレーザビームを出射する。このコヒーレント光源１からは、レーザビームがガウス分布状の光強度分布をもって出射する（図１１の（ａ）参照）。なお、レーザビームの光強度は、光束密度に比例する。

コリメータレンズ２は、コヒーレント光源１から出射したレーザビームを平行ビームに変換する。このコリメータレンズ２から平行ビームとして出射するレーザビームもまた、ガウス分布状の光強度分布をもつ。

ビームエキスパンダ３は、図３によく示されているように、入射側レンズ３０と出射側レンズ３１とを光強度分布変換手段として組み合わせたレンズ系からなり、コリメータレンズ２から出射したレーザビームの径を拡大する。入射側レンズ３０は、平凹状の非球面レンズで構成されており、出射側レンズ３１は、平凸状の非球面レンズで構成されている。入射側レンズ３０は、レーザビームの中央部よりも周辺部の光束密度が密となるように入射したレーザビームを拡大する。出射側レンズ３１は、レーザビームの中央部から周辺部にわたって光束密度が均一で、かつ、平行ビームとなるようにレーザビームを出射する。これにより、ビームエキスパンダ３は、入射したレーザビームをガウス分布状から均一な光強度分布をもつレーザビームに整形し、このレーザビームを平行ビームとして出射する。

第１のビームスプリッタ４Ａは、ビームエキスパンダ３から出射したレーザビームを受け、このレーザビームを空間光変調器５に向かうホログラム記録用の記録光と、これとは別の光路を経て対物レンズ８へと向かう参照光とに分離する。第２のビームスプリッタ４Ｂは、空間光変調器５から対物レンズ７へと記録光を透過させる一方、記録媒体Ｂから対物レンズ７を通して戻ってくる再生光を受け、この再生光を２次元ディテクタ６へと導く。

空間光変調器５は、たとえば液晶表示装置あるいはＤＭＤ（Deformable Mirror Device）からなり、記録モード時にのみ使用される。この空間光変調器５は、ビームエキスパンダ３から第１のビームスプリッタ４Ａを経て導かれてくる光強度分布が均一な記録光を２次元的な情報を表す記録光（２次元情報光）に変調する。

２次元ディテクタ６は、たとえばＣＣＤエリアセンサあるいはＣＭＯＳエリアセンサからなり、主として再生モード時に使用される。この２次元ディテクタ６は、受光した再生光をデジタル信号に変換することにより、記録媒体Ｂの記録層９２にホログラムとして記録された２次元的な情報を取り出す。

記録光・再生光兼用の対物レンズ７および参照光用の対物レンズ８は、ヘッドユニット９に一体化されており、参照光用の対物レンズ８は、記録光・再生光兼用の対物レンズ７に対して所定角度をなすように配置されている。この参照光用の対物レンズ８には、第１のビームスプリッタ４Ａから反射ミラー８０およびプリズム８１を介して参照光が導かれてくる。ヘッドユニット９は、一方の対物レンズ７を通る記録光と他方の対物レンズ８を通る参照光とが記録媒体Ｂの記録層９２において互いに干渉するように、電磁コイルなどの駆動手段９ａによって記録媒体Ｂの厚み方向に変位させられる。記録媒体Ｂの記録層９２には、記録光と参照光とが互いに干渉するように照射されることでホログラムが記録される。再生モード時、図２に示されているように、第１のビームスプリッタ４Ａから対物レンズ８を経て参照光のみが記録媒体Ｂの記録層９２に照射される。記録層９２の照射部位では、記録光および参照光の干渉によって記録されたホログラムに基づく再生光が生じ、この再生光が記録光・再生光兼用の対物レンズ７および第２のビームスプリッタ４Ｂを通して２次元ディテクタ６に受光される。これにより、２次元情報光によりホログラムとして記録された情報が再生される。

次に、ホログラム記録装置Ａ１の作用について説明する。

図１に示す記録モードの場合、コヒーレント光源１から出射したレーザビームは、コリメータレンズ２、ビームエキスパンダ３、第１のビームスプリッタ４Ａ、空間光変調器５、第２のビームスプリッタ４Ｂ、対物レンズ７を順次経ることにより、記録光として記録媒体Ｂに照射される。また、コヒーレント光源１から出射したレーザビームは、コリメータレンズ２、ビームエキスパンダ３、第１のビームスプリッタ４Ａ、反射ミラー８０、プリズム８１、対物レンズ８を順次経ることにより、記録媒体Ｂの記録層９２で上記記録光と干渉するように参照光として照射される。記録層９２においては、空間光変調器５により２次元情報光として変調された記録光と参照光とが光学的に干渉する結果、２次元的な情報を含むホログラムが記録される。

このとき、図３によく示されているように、レーザビームは、ビームエキスパンダ３によって光強度分布がガウス分布状から均一な分布状態となるように整形される。これにより、空間光変調器５上の光強度分布もまた均一な分布状態となる。

このような空間光変調器５の画素全体を市松模様状にオンオフした状態とし、１画素当たりの光強度と画素数とを測定した場合には、図４に示されるような光強度と画素数との関係が測定結果として得られる。このような光強度と画素数との関係においては、黒い画素（ビット“０”）に対応する近似曲線Ｗ₀と白い画素（ビット“１”）に対応する近似曲線Ｗ₁とが重なり合うことがない。そのため、このような関係をビットエラーレート（ＢＥＲ）の算出式（前述した数式１）に当てはめた場合、しきい値ｘ_cを所定範囲内の値、たとえば図４では一例として画素値１００〜２００となる値を設定すれば、記録モード時におけるビットエラーレートが０になる。

一方、図２に示す再生モードの場合、コヒーレント光源１から出射したレーザビームは、コリメータレンズ２、ビームエキスパンダ３、第１のビームスプリッタ４Ａ、反射ミラー８０、プリズム８１、対物レンズ８を順次経ることにより、参照光として記録媒体Ｂに照射される。そして、記録媒体Ｂの記録層９２では、記録されたホログラムによる再生光が生じ、この再生光が対物レンズ８および第２のビームスプリッタ４Ｂを経て２次元ディテクタ６に受光される。これにより、２次元情報光によりホログラムとして記録された情報が再生される。

このような再生モードの場合でも、参照光として記録媒体Ｂに照射されるレーザビームの光強度分布がビームエキスパンダ３によってガウス分布状から均一な分布状態となるように整形されているため、２次元ディテクタ６で受光した再生光の光強度分布も概ね均一な分布状態となる。これにより、再生モード時におけるビットエラーレートもほとんど０になる。

したがって、本実施形態によれば、レーザビームの光強度分布を均一化するように設計されたビームエキスパンダ３を用いるだけで、ビットエラーレートを容易に小さくすることができる。

図５および図６は、本願発明に係るホログラム記録装置の第２実施形態を示している。なお、第１実施形態と同一あるいは類似の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のホログラム記録装置Ａ２においては、ビームエキスパンダ３Ａと第１のビームスプリッタ４Ａとの間に非球面レンズ３２（光強度分布変換手段）が配置されている。ビームエキスパンダ３Ａは、図６によく示されているように、入射側レンズ３０Ａと出射側レンズ３１Ａとを組み合わせたレンズ系からなる。これら入射側レンズ３０Ａおよび出射側レンズ３１Ａは、均等な屈折率が得られる球面レンズによって構成されている。そのため、ビームエキスパンダ３Ａは、入射したレーザビームの光強度分布をガウス分布状としたままこのレーザビームを平行ビームとして出射する。非球面レンズ３２は、ビームエキスパンダ３Ａから出射したレーザビームが透過する際、このレーザビームの中央部よりも周辺部の光束密度が密となるような光入射面３２ａおよび光出射面３２ｂを有している。すなわち、非球面レンズ３２は、入射したレーザビームを平行ビームとして保ちつつも、このレーザビームをガウス分布状から均一な光強度分布をもつレーザビームとして出射する。

本実施形態のように非球面レンズ３２を備えたホログラム記録装置Ａ２によっても、当該非球面レンズ３２によってレーザビームがガウス分布状の光強度分布から均一な分布状態となるように整形される。これにより、空間光変調器５や２次元ディテクタ６上の光強度分布もまた均一な分布状態となるため、第１実施形態と同様にビットエラーレートを容易に小さくすることができる。

図７は、本願発明に係るホログラム記録装置の第３実施形態を示している。なお、第１実施形態や第２実施形態と同一あるいは類似の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のホログラム記録装置においては、ビームエキスパンダ３Ａと第１のビームスプリッタ４Ａとの間に第１および第２のシリンドリカルレンズ３３Ａ，３３Ｂが交差するように配置されている。第１のシリンドリカルレンズ３３Ａは、レーザビームの光軸をｚ軸とした場合、このｚ軸と垂直に交わる例えばｘ軸方向（図７の紙面を貫通する方向）にのみレーザビームの中央部よりも周辺部の光束密度を密とするように配置されている。一方、第２のシリンドリカルレンズ３３Ｂは、ｚ軸およびｘ軸の双方に垂直に交わるｙ軸方向（図７の上下方向）にのみレーザビームの中央部よりも周辺部の光束密度を密とするように配置されている。すなわち、このような第１および第２のシリンドリカルレンズ３３Ａ，３３Ｂを組み合わせた屈折光学系（光強度分布変換手段）によっても、ビームエキスパンダ３Ａから出射したレーザビームを平行ビームとして保ちつつ、このレーザビームをガウス分布状から均一な光強度分布をもつレーザビームとして出射することができる。

したがって、本実施形態のように第１および第２のシリンドリカルレンズ３３Ａ，３３Ｂを組み合わせた屈折光学系によっても、当該屈折光学系によってレーザビームがガウス分布状の光強度分布から均一な分布状態となるように整形される。これにより、空間光変調器５や２次元ディテクタ６上の光強度分布もまた均一な分布状態となるため、第１あるいは第２実施形態と同様にビットエラーレートを容易に小さくすることができる。

図８および図９は、本願発明に係るホログラム記録装置の第４実施形態を示している。なお、第１ないし第３実施形態と同一あるいは類似の構成要素については、同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態のホログラム記録装置においては、ビームエキスパンダ３Ａと第１のビームスプリッタ４Ａとの間に回折光学素子３４（光強度分布変換手段）が配置されている。図９の（ａ）および（ｂ）によく示されているように、回折光学素子３４は、中央部から周辺部に向かって間隔が疎となる回折パターン３４ｃが形成された光入射面３４ａと、これとは逆に中央部から周辺部に向かって間隔が密となる回折パターン３４ｄが形成された光出射面３４ｂとを有している。ビームエキスパンダ３Ａから出射したレーザビームが回折光学素子３４を透過する際、上記回折パターン３４ｃ，３４ｄによってレーザビームの中央部よりも周辺部の光束密度が密となるようにレーザビームが回折する。すなわち、このような回折光学素子３４によっても、ビームエキスパンダ３Ａから出射したレーザビームを平行ビームとして保ちつつ、このレーザビームをガウス分布状から均一な光強度分布をもつレーザビームとして出射することができる。

したがって、本実施形態のように回折光学素子３４を備えた構成によっても、当該回折光学素子３４によってレーザビームがガウス分布状の光強度分布から均一な分布状態となるように整形される。これにより、空間光変調器５や２次元ディテクタ６上の光強度分布もまた均一な分布状態となるため、第１ないし第３実施形態と同様にビットエラーレートを容易に小さくすることができる。

なお、本願発明は、上記の各実施形態に限定されるものではない。

上記第１実施形態では、ビームエキスパンダの入射側レンズおよび出射側レンズの双方に非球面レンズが用いられるが、入射側レンズあるいは出射側レンズのいずれか一方のみを非球面レンズとしてもよい。

上記第２ないし第４実施形態では、ビームエキスパンダと第１のビームスプリッタとの間に光強度分布変換手段を配置しているが、たとえばコリメータレンズとビームエキスパンダとの間に光強度分布変換手段を配置するようにしてもよい。

本願発明に係るホログラム記録装置の第１実施形態を示す全体構成図である。図１に示すホログラム記録装置の再生モードにおける状態を示す全体構成図である。図１に示すホログラム記録装置の要部構成図である。図１に示すホログラム記録装置の作用を説明するための説明図である。本願発明に係るホログラム記録装置の第２実施形態を示す全体構成図である。図５に示すホログラム記録装置の要部構成図である。本願発明に係るホログラム記録装置の第３実施形態を示す要部構成図である。本願発明に係るホログラム記録装置の第４実施形態を示す要部構成図である。図８に示すホログラム記録装置の回折光学素子を示す平面図である。従来のホログラム記録装置の一例を示す全体構成図である。従来のホログラム記録装置の作用を説明するための説明図である。

符号の説明

Ａ１，Ａ２ホログラム記録装置
１コヒーレント光源
２コリメータレンズ（ビーム平行化手段）
３，３Ａビームエキスパンダ（ビーム拡大手段）
３０，３０Ａ入射側レンズ（光強度分布変換手段）
３１，３１Ａ出射側レンズ（光強度分布変換手段）
３２非球面レンズ（光強度分布変換手段）
３３Ａ第１のシリンドリカルレンズ（光強度分布変換手段）
３３Ｂ第２のシリンドリカルレンズ（光強度分布変換手段）
３４回折光学素子（光強度分布変換手段）
４Ａ第１のビームスプリッタ（ビーム分離手段）
４Ｂ第２のビームスプリッタ
５空間光変調器（空間光変調手段）

Claims

コヒーレント光源と、この光源から出射した光ビームを拡大するビーム拡大手段と、このビーム拡大手段を経た光ビームを２次元的な情報を表す光に変調する空間光変調手段とを備え、上記空間光変調手段を経た記録光に対して参照光をホログラム記録層で干渉させることにより、干渉パターンをホログラム記録層に記録するホログラム記録装置であって、
上記空間光変調手段に入射する光ビームの光強度分布を均一化するための光強度分布変換手段が設けられており、
上記ビーム拡大手段は、入射側レンズと出射側レンズとを組み合わせたレンズ系からなり、
上記入射側レンズは、上記光源から出射して平行ビームに変換された光ビームを拡大するとともに、上記出射側レンズは、上記入射側レンズを経た光ビームを平行化するように構成されており、かつ、
上記光強度分布変換手段は、上記ビーム拡大手段における上記入射側レンズおよび出射側レンズの少なくとも一方を非球面レンズとすることにより設けられていることを特徴とする、ホログラム記録装置。