JP4696890B2 - ホログラム記録方法及びホログラム記録装置 - Google Patents

ホログラム記録方法及びホログラム記録装置 Download PDF

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Description

本発明は、ホログラム記録方法及びホログラム記録装置に係り、特に、二値のデジタルデータを明暗画像で表す信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換像をホログラムとして記録するホログラム記録方法及びホログラム記録装置に関する。
ホログラフィック・データ・ストレージでは、二値のデジタルデータの「０，１」が「明、暗画像」としてデジタル画像（信号光）化され、信号光はレンズによりフーリエ変換されて光記録媒体に照射される。そして、光記録媒体にはフーリエ変換像がホログラムとして記録される。しかしながら、デジタルデータのフーリエ変換像は０次に極めて強いピーク強度を有しているので、ホログラフィック・データ・ストレージでは、この０次光成分（直流成分）により光記録媒体のダイナミックレンジが浪費され、Ｓ／Ｎ（シグナル−ノイズ比）が低下する、という問題がある。
この問題を解決するために、ランダム位相マスクを用いてフーリエ変換像のパワースペクトルを均一化する方法が提案されている（非特許文献１）。この方法では、透明基板にフォトリソグラフィー等を用いて微細な凹凸が形成されたランダム位相マスクを用いて、信号光の強度分布にランダムな位相分布を重畳させることにより、信号光の０次光成分を高周波側にシフトさせることができ、記録するフーリエ変換像の強度分布を均一化することができる。
Appl.Opt.,Vol.36,4853(1997)
しかしながら、信号光にランダムな位相分布を重畳させたのでは、再生画像に複雑なスペックルノイズが発生し、再生データのＳ／Ｎが低下する、という問題がある。また、信号光にランダムな位相分布を重畳させたのでは、焦点深度が低下し、再生時に受光素子に要求される位置精度が厳しくなる、という問題がある。更に、ランダム位相マスクを安価且つ大量に製造するのは困難であり、ランダム位相マスクを用いたのでは記録再生装置の作製コストが高くなる、という問題がある。
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして記録し再生することができるホログラム記録方法及びホログラム記録装置を提供することにある。また、本発明の他の目的は、安価で汎用性があるホログラム記録方法及びホログラム記録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に係る本発明のホログラム記録方法は、二値のデジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に前記デジタルデータの周期と異なる周期を有する周期的な強度分布を重畳して信号光を生成し、該信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射して、前記信号光をホログラムとして記録することを特徴としている。
また、請求項１５に係る本発明のホログラム記録方法は、二値のデジタルデータに周期的な強度分布又は位相分布を表すパターンデータを合成して、前記二値のデジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に前記デジタルデータの周期と異なる周期を有する周期的な強度分布又は位相分布を重畳して信号光を生成し、該信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射して、前記信号光をホログラムとして記録することを特徴としている。
本発明のホログラム記録方法では、周期的な強度分布又は位相分布が重畳された信号光をフーリエ変換するので、信号光の０次光成分を高周波側にシフトさせることができ、記録するフーリエ変換像の強度分布を均一化することができる。これにより、再生データのＳ／Ｎを向上させることができる。
また、信号光にランダムな位相分布を重畳させる場合と比べ、複雑なスペックルノイズを発生させることがなく、再生光学系のアライメントが容易になると共に、高価なランダム位相マスクを使用しないので装置コストも低減できる。即ち、本発明のホログラム記録方法は、安価で汎用性がある。
以上説明したように本発明によれば、デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして記録し再生することができる、という効果がある。また、本発明によれば、安価で汎用性があるホログラム記録方法及びホログラム記録装置を提供することができる。
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
（高Ｓ／Ｎ化の原理）
図１（Ａ）乃至（Ｃ）は高Ｓ／Ｎ化の原理を説明するための図である。
デジタルパターン（信号光）のフーリエ変換像は０次に極めて強いピーク強度を有しているので、図１（Ａ）に示すように、ホログラムの記録領域におけるフーリエ変換スペクトルは略単一ピークとなり、その強度分布は急峻である。一方、周期パターンは、図１（Ｂ）に示すように、パターンの周期構造に応じた離散的な強度分布を有しており、その包絡線は周期パターンの開口率の関数となる。
本発明では、信号光の強度分布に周期的な強度分布又は位相分布を重畳する。周期パターンが重畳されたデジタルパターンのフーリエ変換スペクトルは、図１（Ｃ）に示すように、デジタルパターンのフーリエ変換スペクトルと周期パターンのフーリエ変換スペクトルとの畳み込み積分で表され、強度ピークが分散している。この通りデジタルパターンに周期パターンを重畳することにより、記録するフーリエ変換像の強度分布を均一化することができ、再生データのＳ／Ｎが向上する。
上記の周期パターンとしては、デジタルパターンの最大周波数より低い周波数成分を有する周期パターンを用いる。デジタルデータを再生するために最低限必要となる記録領域の一辺（記録領域が略正方形である場合の一辺）の長さは、デジタルパターンを構成する画素の一辺の長さをｄ、記録波長をλ、フーリエ変換レンズの焦点距離をｆとしたとき、λｆ／ｄで表される。一方、周期パターンの離散的な強度ピークの間隔は、パターン周期をＴとしたとき、λｆ／Ｔで表される。
従って、最低限必要な記録領域に複数の強度ピークを形成するためには、周期パターンの周波数１／Ｔは、デジタルパターンの最大周波数１／２ｄより低くなる、すなわち、パターン周期ＴがＴ＞２ｄの条件を満たす必要がある。パターン周期ＴがＴ＞２ｄの条件を満たすことで、最低限必要な記録領域内に複数の強度ピークを有するフーリエ変換像を形成することができ、記録領域を微小化しても高いＳ／Ｎを実現することができる。
次に、フーリエ変換ソフト（ＦＦＴ）を用いたシミュレーション結果を示す。
図２（Ａ）はデジタルパターンの一例を示す図である。この例では、二値のデジタルデータ「０，１」が「明、暗」としてデジタル画像化されている。図２（Ｂ）に示すように、このデジタルパターンのフーリエ変換像はデジタルパターンの周波数分布に応じて広がるが、０次に極めて強いピーク強度（直流成分）を有している。図３（Ａ）は周期パターンの一例を示す図である。この周期パターンは、暗部である背景に対し円形の明部が周期的に配置されたパターンである。図３（Ｂ）に示すように、周期パターンのフーリエ変換像は、パターンの周期構造に応じた離散的な強度分布を有している。図４（Ａ）は周期パターンを重畳させたデジタルパターンの一例を示す図である。図２（Ａ）に示すデジタルパターンに、図３（Ａ）に示す周期パターンが重畳されている。このデジタルパターンのフーリエ変換像では、図４（Ｂ）に示すように、強度ピークが効果的に分散されている。
（第１の実施の形態）
図５は第１の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。
このホログラム記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源１０が設けられている。光源１０のレーザ光照射側には、レーザ光を信号光用の光と参照光用の光とに分離するビームスプリッタ１２が配置されている。ビームスプリッタ１２の光透過側には、ビームスプリッタ１２を透過した信号光用の光を遮断するためのシャッター１４が、光路に対し挿入及び退避可能に配置されている。シャッター１４の光透過側には、コリメータレンズ１６ａ、１６ｂ、及びフーリエ変換レンズ１８で構成されたレンズ系がこの順に配置されている。
コリメータレンズ１６ｂとフーリエ変換レンズ１８との間には、液晶表示素子等で構成され、パーソナルコンピュータ２０から供給されたデジタルデータに応じて信号光用のレーザ光を変調し、各ページ毎のデジタルパターン（信号光１）を生成する透過型の空間光変調器２２が配置されている。ビームスプリッタ１２の光反射側には、ビームスプリッタ１２で反射された参照光用のレーザ光（参照光２）を反射して光路を光記録媒体２４の方向に変更するための反射ミラー２６、２８が配置されている。
光記録媒体２４の再生光透過側には、フーリエ変換レンズ３０、及びＣＣＤやＣＭＯＳセンサアレイ等の撮像素子で構成され、受光した再生光（回折光３）を電気信号に変換して出力する光検出器３２が配置されている。光検出器３２は、パーソナルコンピュータ２０に接続されている。
パーソナルコンピュータ２０は、空間光変調器２２に表示されるパターンを発生するパターン発生器３４を介して、空間光変調器２２に接続されている。パターン発生器３４は、周期パターンを格納したパターン格納部３６と、デジタルデータに応じたパターンに周期パターンを重畳するパターン合成部３８と、が設けられている。また、パーソナルコンピュータ２０には、シャッター１４を光路中に挿入又は退避するように駆動する駆動装置４０が接続されている。
次に、上記の記録再生装置を用いたホログラム記録について説明する。
まず、駆動装置４０によりシャッター１４を光路から退避させて、レーザ光が通過できるようにする。光源１０から発振されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２により信号光用の光と参照光用の光とに分離される。ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光は、コリメータレンズ１６ａ、１６ｂにより大径のビームにコリメートされて、信号光用の光として空間光変調器２２に照射される。
パーソナルコンピュータ２０からパターン発生器３４にデジタルデータが入力される。パターン発生器３４では、供給されたデジタルデータに応じて、空間光変調器２２に表示されるパターンが生成される。本実施の形態では、パターン格納部３６から周期パターンが読み出され、パターン合成部３８では生成されたパターンに周期パターンが重畳されて、合成パターンが生成される。空間光変調器２２には、パターン発生器３４で発生させた合成パターンが表示され、表示された合成パターンに応じて信号光用のレーザ光が強度変調され、信号光１が生成される。
生成された信号光１は、フーリエ変換レンズ１８によりフーリエ変換され、光記録媒体２４に照射される。同時に、ビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光は、反射ミラー２６、２８で反射され、光記録媒体２４に参照光２として照射される。参照光２はフーリエ変換後の信号光１が照射される領域に照射される。これによって、光記録媒体２４中でフーリエ変換後の信号光１と参照光２とが干渉し、光記録媒体２４中に信号光１がホログラムとして記録される。
ホログラムの再生時には、駆動装置４０によりシャッター１４を光路に挿入して、信号光用の光を遮断する。これにより、参照光２だけが光記録媒体２４のホログラムが記録された領域に照射される。照射された参照光２は、ホログラムによって回折される。光記録媒体２４にはフーリエ変換像が記録されているので、回折光３をフーリエ変換レンズ３０により逆フーリエ変換することによって、フーリエ変換レンズ３０の焦点面で再生像を観察することができる。この再生像を光検出器３２によって検出して、信号光に保持されたデジタルデータを読み取ることができる。
従来のホログラム記録では、デジタルパターン（信号光）のフーリエ変換像は０次に極めて強いピーク強度を有しているので、ホログラムの記録領域におけるフーリエ変換スペクトルは略単一ピークとなり、その強度分布は急峻である。効率的にホログラムを記録するためには、この高いピーク強度に参照光強度を合わせる必要があり、一般に参照光の光強度を信号光の平均光強度の１０倍程度以上に高める必要があった。
本発明では、パターン格納部３６から周期パターンが読み出され、パターン合成部３８では生成されたパターンに周期パターンが重畳されて、合成パターンが生成される構成となっているため、図１（Ｃ）及び図４で示したように、信号光強度を均一化することができる。これにより、参照光の光強度を従来の値の１／１０程度まで低減することが可能となる。
このように、記録に必要な露光エネルギーを大幅に低減できるため、光記録媒体のダイナミックレンジを有効に活用でき、Ｓ／Ｎ（シグナル−ノイズ比）が高い記録再生が可能となる。ここで、光記録媒体の位置をフーリエ変換レンズの焦点位置からずらす（デフォーカス）することによって、さらに信号光強度を均一化することも可能である。
次に、種々の周期パターンを重畳した合成パターンを用いて、周期的な強度分布又は位相分布が重畳された信号光を生成し、この信号光をホログラムとして光記録媒体に記録し、再生データのビットエラーレート（ＢＥＲ）とＳ／Ｎとを評価した。
図１５は評価用ホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。評価には信号光と再生光とを同一レンズで集光する同軸光学系のホログラム記録再生装置を使用した。このホログラム記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を連続発振する光源５０が設けられている。光源５０のレーザ光照射側には、レーザ光を遮断するためのシャッター５２が、光路に対し挿入及び退避可能に配置されている。シャッター５２は、コンピュータ（図示せず）からの制御信号に基づいて駆動装置（図示せず）により駆動される。
シャッター５２の光透過側には、１／２波長板５４、偏光ビームスプリッタ５６、及び１／２波長板５８がこの順に配置されている。偏光ビームスプリッタ５６は所定方向の偏光だけを透過させるので、１／２波長板５４を回転させることによって、レーザ光強度を調整することができる。１／２波長板５８の光透過側には、レーザ光の光路を変更するためのミラー６０が配置されている。ミラー６０の光反射側には、入射されたビームを大径のビームにコリメートするためのビームエキスパンダー６２が配置されている。
ビームエキスパンダー６２の光透過側には、所定方向の偏光だけを透過する偏光ビームスプリッタ６４が配置されている。偏光ビームスプリッタ６４の光反射側には、パーソナルコンピュータ（図示せず）から供給されたデジタルデータに応じてレーザ光を変調し、各ページ毎のデジタルパターン（信号光）と参照光とを生成する反射型の空間光変調器７６が配置されている。
偏光ビームスプリッタ６４の信号光等透過側には、ステージ７０に保持された光記録媒体６８に信号光と参照光とを照射するフーリエ変換レンズ６６が配置されている。また、光記録媒体６８の再生光射出側には、フーリエ変換レンズ７２と、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサアレイ等の撮像素子で構成され、受光した再生光を電気信号に変換して出力する光検出器７４が配置されている。光検出器７４は、パーソナルコンピュータ（図示せず）に接続されている。
なお、偏光ビームスプリッタ６４とフーリエ変換レンズ６６との間に一対のリレーレンズを配置してもよい。また、フーリエ変換レンズ７２と光検出器７４との間に一対のリレーレンズを配置することもできる。
上記のホログラム記録再生装置では、ビームエキスパンダー６２でコリメートされたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ６４に入射し、空間光変調器７６の方向に反射される。空間光変調器７６では、信号光と参照光のパターンに応じてレーザ光の偏光方向（位相）が変調される。例えば、空間光変調器７６の中央部分をデータ表示用（信号光用）に使用すると共に、周辺部分を参照光用に使用することができる。
空間光変調器７６で偏光変調された信号光及び参照光は、偏光ビームスプリッタ６４を透過することで強度パターンとなり、レンズ６６によりフーリエ変換される。フーリエ変換された信号光及び参照光が光記録媒体６８に同時に且つ同軸で照射される。空間光変調器７６で参照光だけを生成することで、フーリエ変換された参照光が光記録媒体６８に照射される。
＜実施例１：チェッカーパターン＞
図１５に示すホログラム記録再生装置を用いて実験を行った。光源５０としては、コヒレント社製の連続発振グリーンレーザ「Ｖｅｒｄｉ」（波長：５３２ｎｍ）を用いた。反射型の空間光変調器７６としては、Ｈｏｌｏｅｙｅ Ｐｈｏｔｏｎｉｃｓ ＡＧ社製のＬＣＤ空間光変調器「ＬＣｏＳ」（ピクセル：１０２４（横）×７６８（縦）、ピクセルピッチ：１９μｍ、撮像面積：１９．６ｍｍ×１４．６ｍｍ）を用いた。光検出器７４としては、Ｌｕｍｅｎｅｒａ社製のＣＭＯＳセンサアレイ（ピクセル：１２８０（横）×１０２４（縦）、ピクセルピッチ：６．７μｍ、撮像面積：８．６ｍｍ×６．９ｍｍ）を用いた。フーリエ変換レンズ６６、７２としては、顕微鏡等に用いられる高ＮＡ（開口率）の対物レンズ（ＮＡ：０．６、焦点距離：１０ｍｍ）を用いた。
空間光変調器の３×３画素をデジタルデータを構成する１画素とし、その２画素で１ビットを表現する微分コード法で表現したパターンに、空間光変調器の２４×２４画素のチェッカーパターンを重畳した。チェッカーパターンが重畳された合成パターンを反射型の空間光変調器に表示し、この空間光変調器に波長５３２ｎｍのレーザ光を照射して、周期的な強度分布が重畳された信号光（デジタルパターン）を生成した。デジタルパターンを構成する画素の一辺の長さは５７μｍ（空間変調器３画素）である。この信号光と同じ波長の参照光とを、同じフーリエ変換レンズを介して光記録媒体に照射し、デジタルパターンのフーリエ変換像をホログラムとして記録した。
比較のために、チェッカーパターンが重畳される前のパターンを空間光変調器に表示してデジタルパターンを生成し、上記と同様にしてデジタルパターンのフーリエ変換像をホログラムとして記録した。ここで、ＦＦＴを用いたシミュレーションの結果を示す。チェッカーパターンが重畳される前のデジタルパターンのフーリエ変換像には、図６（Ａ）に示すように、強い直流成分（０次光成分）が存在するが、チェッカーパターンを重畳させた場合には、図７（Ａ）に示すように、チェッカーパターンに起因する強度ピークが形成され、信号光強度が均一化されている。
次に、記録したホログラムに波長５３２ｎｍのレーザ光で参照光パターンのみを照射し、再生された回折光をフーリエ変換レンズにより逆フーリエ変換して、フーリエ変換レンズの焦点面に結像された再生画像を光検出器で検出した。図６（Ａ）に示すフーリエ変換像を記録したホログラムからは図６（Ｂ）に示す画像が再生された。これに対し、チェッカーパターンを重畳させた場合には、図７（Ｂ）に示す画像が再生された。
図８（Ａ）及び（Ｂ）は、図６（Ｂ）及び図７（Ｂ）の各再生画像から複号された信号のヒストグラムを各々表す図である。各信号は、１ビットを表現する２画素のＣＭＯＳセンサアレイで検出した輝度レベルの差を示す。黒丸は記録したオリジナルデータが「０」である場合に、白丸は「１」である場合にそれぞれ対応する。両者の分布が分離しているほど、オリジナルデータが正しく複号されていることを意味する。図中の実線は、最小二乗法を用い、各分布を正規分布でフィッティングしたものである。それぞれデジタルデータの「０」，「１」に対応する分布の重なりから、ビットエラーレート（ＢＥＲ）を予測することができる。また、両分布の平均値と分散とから、次式を用いてＳ／Ｎを評価することができる。
ＳＮＲ＝（μone−μzero）／（σone ２+σzero ２）１／２
ここで、μoneとμzeroはそれぞれデジタルデータの「０」と「１」に対応する分布の平均値、σone２とσzero２はそれぞれデジタルデータの「０」と「１」に対応する分布の分散を示す。チェッカーパターンを重畳させない従来の方式では、図６（Ｂ）に示す再生画像から信号を復号した場合、ＢＥＲ＝２．４×１０−３、ＳＮＲ＝３．６であった。これに対し、チェッカーパターンを重畳させた本発明では、図７（Ｂ）に示す再生画像から信号を復号した場合、ＢＥＲ＝６．８×１０−４、ＳＮＲ＝４．４となり、再生データのＢＥＲが一桁改善されると共にＳ／Ｎも向上した。
＜実施例２：円配列パターン＞
実施例１と同じホログラム記録再生装置を用いて実験を行った。但し、光記録媒体への記録は行わず、光記録媒体の位置に光検出器を配置し、デジタルパターンのフーリエ変換像を観察した。実施例２では、デジタルデータを１画素（１２．６μｍ×１２．６μｍ）で１ビットを表現したパターンに、暗部である背景に対し円形の明部が周期的に配置された円配列パターンを重畳した。この円配列パターンでは、円形の明部が４０３μｍ周期の最密充填構造となるように配置されており、明部の比率（白率）が９０％と高い。
上記の円配列パターンが重畳された合成パターンを透過型の空間光変調器に表示し、この空間光変調器に波長５３２ｎｍのレーザ光を照射して、周期的な強度分布が重畳された信号光（デジタルパターン）を生成した（図１０（Ａ））。円配列パターンは白率が高いので、記録されるデジタルデータの容量を向上させることができる。比較のために、円配列パターンが重畳される前のパターンを空間光変調器に表示してデジタルパターン（図９（Ａ））を生成し、上記と同様にしてデジタルパターンのフーリエ変換像を観察した。
円配列パターンが重畳される前のデジタルパターンのフーリエ変換像には、図９（Ｂ）に示すように、強い直流成分（０次光成分）が存在するが、円配列パターンを重畳させると、図１０（Ｂ）に示すように、円配列パターンに起因する強度ピークが形成され、信号光強度が均一化された。また、チェッカーパターンとは異なり、デジタルデータの周期性とは異なる方向（斜め方向）に離散的な強度ピークを形成することが可能であり、信号光の強度ピークを効果的に分散させることができる。
以上説明した通り、本実施の形態では、周期的な強度分布又は位相分布が重畳された信号光をフーリエ変換するので、信号光の０次光成分を高周波側にシフトさせることができ、記録するフーリエ変換像の強度分布を均一化することができる。これにより、再生データのＳ／Ｎが向上する。
また、本実施の形態では、デジタルデータに応じて生成されたパターンに周期パターンを重畳させて合成パターンを生成し、この合成パターンを空間光変調器に表示することでレーザ光を強度変調して、周期的な強度分布又は位相分布が重畳された信号光を生成するので、高価なランダム位相マスクは不要であり、安価且つ簡便な方法でフーリエ変換像の強度分布を均一化することができる。
加えて、ランダム位相マスクを用いる場合と比較して、複雑なスペックルノイズが発生することがない、信号光を周期パターンにより適切に回折させることができるので十分な焦点深度を確保できる、という利点がある。
なお、本実施の形態では、合成パターンを空間光変調器に表示させる例について説明したが、例えば、デジタルパターンの最大周波数より低い周波数成分を発生させるブロックが予め形成されている等、デジタルパターンと独立した周期パターンを有する空間光変調器を用いても同様の効果を得ることができる。
また、本実施の形態では、信号光のみに周期パターンを重畳させる例について説明したが、参照光をフーリエ変換して光記録媒体に照射する構成では、参照光にも同様の周期パターンを重畳することができる。さらに、信号光の特定周波数領域に効率的に参照光を照射させるために、信号光に重畳した周期パターンと異なる周期パターンを参照光に重畳させることで、よりＳＮＲの高い記録を行うことが可能である。
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、デジタルデータに応じて生成されたパターンに周期パターンを重畳させて合成パターンを生成し、この合成パターンを空間光変調器に表示してレーザ光を強度変調し、信号光を生成する例について説明したが、第２の実施の形態では、空間光変調器と光記録媒体との間に周期マスクを配置して、この周期マスクにより信号光に周期的な強度分布を付与する。
図１１は第２の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。
この装置では、空間光変調器２２とフーリエ変換レンズ１８との間には、レンズ４２、４４、及び信号光の強度分布に周期的な強度分布を重畳する周期マスク４６がこの順に配置されている。これ以外の構成は、図５に示す装置と同様であるため、同じ部材には同じ符号を付して説明を省略する。
周期マスク４６は、暗部である背景に対し明部が周期的に配置された周期パターンを発生させるマスクであり、暗部に対応して遮光部が設けられると共に明部に対応して開口部が設けられている。例えば、図１２（Ａ）に示すように、暗部である背景に対し正六角形の明部が周期的に配置された六角配列パターンを発生させる周期マスクでは、遮光部材に正六角形の開口部が多数設けられ、これらの開口部が周期的に配列されている。
上記の周期マスク６４は、ガラス等の透明部材を基材として用い、フォトレジストなどでマスキングし、使用波長の光を反射もしくは吸収する材料を蒸着、スパッタなどで形成したのち、レジストを剥離することにより作製できる。
また、レンズ４２、４４の焦点距離をｆ１とすると、空間光変調器２２とレンズ４２、レンズ４４と周期マスク４６は、互いに距離ｆ１離間させて配置されている。フーリエ変換レンズ１８、３０の焦点距離をｆ２とすると、周期マスク４６、フーリエ変換レンズ１８、光記録媒体２４、フーリエ変換レンズ３０、及び光検出器３２は、隣接する部材同士を互いに距離ｆ２離間させて配置されている。即ち、周期マスク４６は、光検出器３２に信号光が結像されるように配置されている。
次に、上記の記録再生装置を用いたホログラム記録について説明する。
まず、駆動装置４０によりシャッター１４を光路から退避させて、レーザ光が通過できるようにする。光源１０から発振されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２により信号光用の光と参照光用の光とに分離される。ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光は、コリメータレンズ１６ａ、１６ｂにより大径のビームにコリメートされて、信号光用の光として空間光変調器２２に照射される。
パターン発生器３４には、パーソナルコンピュータ２０からデジタルデータが入力される。パターン発生器３４では、供給されたデジタルデータに応じて、空間光変調器２２に表示されるパターンが生成される。空間光変調器２２では、表示されたパターンに応じて信号光用のレーザ光が強度変調される。強度変調されたレーザ光は、レンズ４２、４４を経て、周期マスク４６を透過することにより強度分布が重畳されて、信号光１が生成される。
生成された信号光１はフーリエ変換レンズ１８によりフーリエ変換され、光記録媒体２４に照射される。同時に、ビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光は、反射ミラー２６、２８で反射され、光記録媒体２４に参照光２として照射される。参照光２はフーリエ変換後の信号光１が照射される領域に照射される。これによって、光記録媒体２４中でフーリエ変換後の信号光１と参照光２とが干渉し、光記録媒体２４中に信号光１がホログラムとして記録される。
ホログラムの再生時には、駆動装置４０によりシャッター１４を光路に挿入して、信号光用の光を遮断する。これにより、参照光２だけが光記録媒体２４のホログラムが記録された領域に照射される。照射された参照光２は、ホログラムによって回折される。光記録媒体２４にはフーリエ変換像が記録されているので、回折光３をフーリエ変換レンズ３０により逆フーリエ変換することによって、フーリエ変換レンズ３０の焦点面で再生像を観察することができる。この再生像を光検出器３２によって検出して、信号光に保持されたデジタルデータを読み取ることができる。
＜実施例３：六角配列パターン＞
図１１に示したホログラム記録再生装置を用いて実験を行った。光源１０としては、コヒレント社製の連続発振グリーンレーザ「Ｖｅｒｄｉ」（波長：５３２ｎｍ）を用いた。空間光変調器２２としては、ＳＯＮＹ社製のＬＣＤ空間光変調器「ＬＣＸ０３８」（ピクセル：１０２４（横）×７６８（縦）、ピクセルピッチ：１４μｍ）を用いた。レンズ４２としてニコン社製ズームレンズ（焦点距離：８０ｍｍ〜２００ｍｍ）、レンズ４４として焦点距離５０ｍｍのレンズを用いた。周期マスク４６は、周期パターンに応じてクロムを遮光部として蒸着したフォトマスク使用し、フーリエ変換レンズ１８，３０は、顕微鏡等に用いられる高ＮＡ（開口率）の対物レンズ（ＮＡ：０．２８、焦点距離：２０ｍｍ）を用いた。光検出器３２としては、Ｌｕｍｅｎｅｒａ社製のＣＭＯＳセンサアレイ（ピクセル：１２８０（横）×１０２４（縦）、ピクセルピッチ：６．７μｍ、撮像面積：８．６ｍｍ×６．９ｍｍ）を用いた。
図１２（Ａ）に示すように、暗部である背景に対し正六角形の明部が周期的に配置された六角配列パターンを発生させる周期マスクを用いて、デジタルデータを１画素（６．３μｍ×６．３μｍに縮小した。）で１ビットを表現する微分コード法で表現したパターンに、六角配列パターンを重畳した。この六角配列パターンでは、正六角形が１６μｍ周期の最密充填構造となるように配置されており、明部の比率（白率）が７５％と高い。
デジタルデータに応じたパターンを透過型の空間光変調器に表示し、この空間光変調器に波長５３２ｎｍのレーザ光を照射してレーザ光を強度変調した。強度変調されたレーザ光を周期マスクに照射して、周期的な強度分布が重畳された信号光（デジタルパターン）を生成し、この信号光をフーリエ変換レンズによりフーリエ変換した。そして、光記録媒体の位置に光検出器を配置して、光記録媒体への記録は行わず、デジタルパターンのフーリエ変換像を観察した。比較のために、周期マスクを退避させ、六角配列パターンが重畳される前の信号光のフーリエ変換像を観察した。
六角配列パターン重畳される前のデジタルパターンのフーリエ変換像には、図１２（Ｂ）に示すように、強い直流成分（０次光成分）が存在するが、六角配列パターンを重畳させると、図１２（Ｃ）に示すように、六角配列パターンに起因する強度ピークが形成され、信号光強度が均一化される。また、チェッカーパターンとは異なり、デジタルデータの周期性とは異なる方向（斜め方向）に離散的な強度ピークを形成することが可能であり、信号光の強度ピークを効果的に分散させることができる。
以上説明した通り、本実施の形態では、周期的な強度分布又は位相分布が重畳された信号光をフーリエ変換するので、信号光の０次光成分を高周波側にシフトさせることができ、記録するフーリエ変換像の強度分布を均一化することができ、再生データのＳ／Ｎが向上する。
また、本実施の形態では、周期マスクを透過させることでレーザ光を強度変調して、周期的な強度分布が重畳された信号光を生成するので、高価なランダム位相マスクは不要であり、安価且つ簡便な方法でフーリエ変換像の強度分布を均一化することができる。また、強度変調マスクであれば、低コストで高精度のマスクを大量生産することができる。
加えて、ランダム位相マスクを用いる場合と比較して、複雑なスペックルノイズが発生することがない、信号光を周期パターンにより適切に回折させることができるので十分な焦点深度を確保できる、という利点がある。
（第３の実施の形態）
第２の実施の形態では、光検出器に信号光が結像するように周期マスクを配置する例について説明したが、第３の実施の形態では、周期マスクをレンズの焦点位置からずらして配置（デフォーカス）する。
図１３は第３の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の部分構成図である。図１３に示すように、周期マスク４６は、フーリエ変換レンズ１８、レンズ４４の焦点位置（点線で示した結像面）からずらして配置されている。周期マスク４６を結像面からデフォーカスさせることで、周期パターンを光検出器に結像することなく、デジタルデータに応じたパターンのみを検出することができ、空間光変調器のデータ領域を犠牲にすることなく、フーリエ変換像の強度分布を均一化することができる。
図１４（Ａ）は結像面に周期マスクを配置した場合の再生画像であり、図１４（Ｂ）は非結像面に周期マスクを配置した場合の再生画像である。この結果から分かるように、周期マスクを結像面からデフォーカスさせることで、デジタルデータに応じたパターンのみを結像できることがわかる。このとき、重畳した周期パターンによる干渉パターン（スペックルノイズ）が現れるが、そのパターンは周期的であるため、再生画像に対して既知のフィルタリング処理を行うことで簡単に補正（除去）することができる。
なお、第２、第３の実施の形態では、空間光変調器２２とフーリエ変換レンズ１８との間に、レンズ４２、４４、及び周期マスク４６を配置する例について説明したが、図１６に示すように、レンズ４２、４４を省略して、空間光変調器２２の光路上流側に周期マスク４６を配置することもできる。この場合、空間光変調器２２は、フーリエ変換レンズ１８、３０の焦点位置に配置されることになるが、周期マスク４６は光検出器３２の結像位置からずらして配置されるので、同様に、周期パターンを光検出器３２に結像することなく、デジタルデータに応じたパターンのみを検出することができる。
また、第２、第３の実施の形態では、周期的な強度分布を重畳する周期マスク（強度マスク）を用いる例について説明したが、周期的な位相分布を重畳する周期マスク（位相マスク）を用いることもできる。例えば、強度周期パターンの明部と暗部に対応して膜厚が異なり（凹凸が形成され）、使用波長において透過率が高い位相マスクを用いることができる。
マスク基材としては、ガラスやプラスチックなどを用いることができる。例えば、ガラス基板にフォトレジストなどでマスキングし、エッチングや蒸着、スパッタなどで凹凸を形成することにより位相マスクを作製することができる。また、プラスチック基材では、金型を用いて、スタンパや射出成形などにより作製することができる。更に、データの最大周波数よりも低周波成分を有するマイクロレンズアレイを周期的な位相マスクとして用いることもできる。
また、第１乃至第３の実施の形態では、周期パターンとして、暗部と明部とが格子状に配置されたチェッカーパターン、暗部である背景に対し明部である円形が周期的に配置された円配列パターン、暗部である背景に対し明部である多角形が周期的に配置された六角配列パターン等を例示したが、最低限必要な記録領域内に複数の強度ピークを有するフーリエ変換像を形成することができる周期パターンであればよく、パターンは例示したものには限定されない。
明部である多角形として三角形、五角形等を用いることは勿論のこと、例えば、明部と暗部とが交互に配列されたストライプパターン、明部と暗部とが反転した反転パターンなどを用いてもよい。また、円形又は多角形を最密配置した周期パターンの外、図１７に示すように、暗部又は明部が互いに孤立した周期パターンも用いることができる。
明暗画像で表された周期パターンの場合には、明部の比率（白率）を高くすることがより好ましい。白率が高いほど記録されるデジタルデータの容量を向上させることができる。また、記録するデジタルデータの明暗画像がチェッカーパターンの場合には、チェッカーパターンとは異なる周期パターンを用いることが好ましい。図１８（Ａ）乃至（Ｄ）に、種々の周期パターンを重畳した場合のフーリエ変換像を示す。チェッカーパターンを重畳した場合（図１８（Ａ））に比べ、円配列パターン、三角配列パターン、六角配列パターンを重畳した場合（図１８（Ｂ）乃至（Ｄ））には、デジタルデータの周期性とは異なる方向（斜め方向）に離散的な強度ピークを形成することが可能であり、信号光の強度ピークを効果的に分散させることができる。
（Ａ）乃至（Ｃ）は高Ｓ／Ｎ化の原理を説明するための図である。 （Ａ）はデジタルパターンの一例を示す図であり、（Ｂ）はそのフーリエ変換像を示す図である。 （Ａ）は周期パターンの一例を示す図であり、（Ｂ）はそのフーリエ変換像を示す図である。 （Ａ）は周期パターンを重畳させたデジタルパターンの一例を示す図であり、（Ｂ）はそのフーリエ変換像を示す図である。 第１の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は実施例１の結果を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は実施例１の結果を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は再生画像から複号された信号のヒストグラムを表す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は実施例２の結果を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は実施例２の結果を示す図である。 第２の実施の形態に係るホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。 （Ａ）は周期マスクにより生成される周期パターンを示す図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）は実施例３の結果を示す図である。 周期マスクの配置位置を示す図である。 （Ａ）は結像面に周期マスクを配置した場合の再生画像であり、（Ｂ）は非結像面に周期マスクを配置した場合の再生画像である。 評価用のホログラム記録再生装置の概略構成を示す図である。 周期マスクの配置位置の他の例を示す図である。 暗部又は明部が互いに孤立した周期パターンの例を示す図である。 （Ａ）乃至（Ｄ）は、種々の周期パターンを重畳した場合のフーリエ変換像を示す図である。
符号の説明
１ 信号光
２ 参照光
３ 回折光
１０ 光源
１２ ビームスプリッタ
１４ シャッター
１６ａ コリメータレンズ
１６ｂ コリメータレンズ
１８ フーリエ変換レンズ
２０ パーソナルコンピュータ
２２ 空間光変調器
２４ 光記録媒体
２６ 反射ミラー
３０ フーリエ変換レンズ
３２ 光検出器
３４ パターン発生器
３６ パターン格納部
３８ パターン合成部
４０ 駆動装置
４２ レンズ
４４ レンズ
４６ 周期マスク
５０ 光源
５２ シャッター
５４ １／２波長板
５６ 偏光ビームスプリッタ
５８ １／２波長板
６０ ミラー
６２ ビームエキスパンダー
６４ 偏光ビームスプリッタ
６６ フーリエ変換レンズ
６６ レンズ
６８ 光記録媒体
７０ ステージ
７２ フーリエ変換レンズ
７４ 光検出器
７６ 空間光変調器

Claims (25)

  1. 二値のデジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に前記デジタルデータの周期と異なる周期を有する周期的な強度分布を重畳して信号光を生成し、該信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射して、前記信号光をホログラムとして記録するホログラム記録方法。
  2. 前記周期的な強度分布は、前記明暗画像の最大周波数より低い周波数成分を有する請求項１に記載のホログラム記録方法。
  3. 前記明暗画像の画素の一辺の長さをｄ、前記周期的な強度分布の周期をＴとしたとき、該周期ＴがＴ＞２ｄの条件を満たす請求項１又は２に記載のホログラム記録方法。
  4. 前記周期的な強度分布が、明暗画像で表された周期パターンである請求項１乃至３のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
  5. 前記明暗画像で表された周期パターンの明部の比率を高くした請求項４に記載のホログラム記録方法。
  6. 前記周期的な強度分布が、暗部と明部とが格子状に配置された周期パターンである請求項４又は５に記載のホログラム記録方法。
  7. 前記周期的な強度分布が、暗部である背景に対し明部である円形又は多角形が周期的に配置された周期パターンである請求項４又は５に記載のホログラム記録方法。
  8. 前記円形又は多角形を最密配置した請求項７に記載のホログラム記録方法。
  9. 前記デジタルデータに周期的な強度分布を表すパターンデータを合成して、前記デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に周期的な強度分布を重畳する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
  10. 前記デジタルデータを明暗画像で表す光を該光に周期的な強度分布を与えるマスクを通過させて、前記デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に周期的な強度分布を重畳する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
  11. 周期的な強度分布を与えるマスクを通過した光を強度変調して前記デジタルデータに応じた強度分布を与え、前記デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に周期的な強度分布を重畳する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
  12. 前記マスクを通過した光を空間光変調器で強度変調する請求項１１に記載のホログラム記録方法。
  13. 前記周期パターンが前記デジタルデータの明暗画像の結像位置で結像しないように、前記マスクを配置する請求項１０乃至１２のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
  14. 前記デジタルデータを明暗画像で表す光を構造上該光に周期的な強度分布を与える空間光変調器を通過させて、前記デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に周期的な強度分布を重畳する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
  15. 二値のデジタルデータに周期的な強度分布又は位相分布を表すパターンデータを合成して、前記二値のデジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に前記デジタルデータの周期と異なる周期を有する周期的な強度分布又は位相分布を重畳して信号光を生成し、該信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換された信号光と参照光とを光記録媒体に同時に照射して、前記信号光をホログラムとして記録するホログラム記録方法。
  16. 前記周期的な強度分布又は位相分布は、前記明暗画像の最大周波数より低い周波数成分を有する請求項１５に記載のホログラム記録方法。
  17. 前記明暗画像の画素の一辺の長さをｄ、前記周期的な強度分布又は位相分布の周期をＴとしたとき、該周期ＴがＴ＞２ｄの条件を満たす請求項１５又は１６に記載のホログラム記録方法。
  18. コヒーレント光を照射する光源と、
    二値のデジタルデータに周期的な強度分布又は位相分布を表すパターンデータを合成して合成データを発生させるパターン発生器と、
    パターン発生器で発生させた合成データに応じて前記光源から照射された光を強度変調して、前記デジタルデータの周期と異なる周期を有する周期的な強度分布又は位相分布が重畳された信号光を生成する空間光変調器と、
    前記信号光をフーリエ変換する結像光学系と、
    前記光源から照射された光から参照光を得る参照光光学系と、
    を備え、
    前記フーリエ変換後の信号光と前記参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記信号光をホログラムとして記録するホログラム記録装置。
  19. コヒーレント光を照射する光源と、
    二値のデジタルデータに応じて前記光源から照射された光を強度変調して、デジタルデータを明暗画像で表す光を生成する空間光変調器と、
    前記光源から照射された光から参照光を得る参照光光学系と、
    前記空間光変調器の光透過側に配置され、通過により前記空間光変調器で生成された光の強度分布に前記デジタルデータの周期と異なる周期を有する周期的な強度分布を重畳して信号光を生成するマスクと、
    前記信号光をフーリエ変換する結像光学系と、
    を備え、
    前記フーリエ変換後の信号光と前記参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記信号光を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録装置。
  20. コヒーレント光を照射する光源と、
    前記光源から照射された光から参照光を得る参照光光学系と、
    前記光源の光照射側に配置され、通過により前記光源から照射された光に周期的な強度分布を付与するマスクと、
    前記マスクの光透過側に配置され、マスクを通過することによりデジタルデータの周期と異なる周期を有する周期的な強度分布が付与された光を、二値のデジタルデータに応じて強度変調して信号光を生成する空間光変調器と、
    前記信号光をフーリエ変換する結像光学系と、
    を備え、
    前記フーリエ変換後の信号光と前記参照光とを前記光記録媒体に同時に照射して、前記信号光を前記光記録媒体にホログラムとして記録するホログラム記録装置。
  21. 前記マスクは光透過部と遮光部とが周期的に配置された強度マスクである請求項１９又は２０に記載のホログラム記録装置。
  22. 前記マスクの光透過部の比率を高くした請求項２１に記載のホログラム記録装置。
  23. 前記マスクには光透過部と遮光部とが格子状に配置されている請求項２１又は２２に記載のホログラム記録装置。
  24. 前記マスクには遮光部に対し円形又は多角形の光透過部が周期的に配置されている請求項２１又は２２に記載のホログラム記録装置。
  25. 前記円形又は多角形を最密配置した請求項２４に記載のホログラム記録装置。
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