JP4813475B2 - 反射型ホログラフィック記憶装置 - Google Patents

Description

本発明は、約０．５〜２ｍｍの厚さおよび１２０ｍｍの直径のホログラフィック・ディスクを使用して、２００〜８００Ｇバイトの容量を得ることができる反射型ホログラフィック・ディスクのための、新しい種類のコリニア（collinear）光ヘッドを説明する。ここで提示される光ヘッドは、シフト及び／又は位相コード化参照ビーム、及び／又は走査参照ビーム、及び／又は角度及び／又は共焦点アドレス指定技法に基づくホログラフィック多重化方法を組み合わせることによって、高容量を可能にする。並列読み出し方法およびディスク形式が、高速データ転送を確実にする。組み合わせられた組合せ型多重化は、アドレス指定されていないホログラムから意図せずに再構築された対象ビームをフィルタ処理することにより、隣接するホログラム間のクロストークを低減する共焦点光学構成によるシステムによって実現される。提案された共焦点構成を使用することにより、ブラッグ選択性によって制限されるものよりも高密度のホログラム・パッキングが達成される。

ホログラフィック・データ記憶装置システムには、システム構成に応じて３つまたは４つの独立した光チャネル、すなわち、記録及び／又は読み出し参照ビームと、空間光変調器（ＳＬＭ）および検出器による記録及び／又は読み出し対象ビームとが存在する。簡単な実験室システムにおいては、これらの光チャネルは、様々な光路を使用して互いに空間的に分離されており、オーバーラップは、記憶材料においてのみ生じる。これは、多くの結像対物レンズ、ミラー、プリズムを必要とし、寸法が大きくなり、光チャネルを独立に調節し制御することが必要になる。独立した経路は、環境の振動に影響されやすい。システム・サイズ、すなわち光学要素の数が低減されなければならない場合、独立した光チャネル用の光路は部分的に共通に使用されなければならない。これを達成するために、特別に設計された光学要素が、レーザの後の独立したチャネルにカップリング・イン（coupling-in）するために、及び検出器の前の独立したチャネルをカップリング・アウト（coupling-out）するために必要である。一緒に結合されたビームは、同じ光路を通過し、同じ対物レンズを使用することができ、いわゆるコリニア構成がもたらされる。この構成は、振動、空気擾乱、温度変化などのような環境の影響を受けにくい。従って、実際に適用されるホログラフィック・データ記憶装置システムでは、コリニア光学構成が好ましい。本質的に平行な参照ビームおよび対象ビームのカップリング・インおよびカップリング・アウトは、どちらも、偏光に基づいて、又は様々なビーム集束角（開口数、ＮＡ）を利用することによって、空間的な解決をなすことが可能である。

実際の適用性から見て、全ての光学要素がホログラフィック・ディスクの同じ側に配置される反射型ホログラフィック媒体を使用することが望ましい。透過型ホログラフィック媒体を使用する場合、光学システムの部品は、ホログラフィック・ディスクの両側に配置される。この場合、この両側の光学系として、２つのサーボシステムが、及び／又はホログラフィック・ディスクの表面に対して及びホログラフィック・ディスクの両側のトラックに対して正確な位置に光学要素を維持するための大きくて重い機械要素が、必要とされる。一方、反射型ホログラフィック媒体を使用することによって、はるかに単純で小さいサーボおよび機械要素が採用可能となる。

特許文献１では、偏光カップリング・インおよびカップリング・アウトを有するコリニア・ホログラフィック構成が、ＣＤ／ＤＶＤにおけるようなサーボシステムと組み合わせて使用されている。開示された解決策によれば、ある程度平行な対象ビームおよび参照ビームが、各々２つの直交偏光半円錐に分割される。直交偏光半円錐の参照ビームおよび対象ビームは、偏光に基づいて、特別な偏光回転要素および偏光感受性ビームスプリッタを使用してカップル・インおよびカップル・アウトされる。光学構成および材料感度に応じて、直交偏光ビームは少なくとも２つ以上のミクロホログラムを形成する。幾何学的観点から、これらのミクロホログラムは互いにそばに配置される。

欧州特許第１０６５６５８号明細書

しかしながら、特許文献１では、対象ビームおよび参照ビームの回折を考慮に入れると、マイクロホログラムは互いにオーバーラップし、反対に偏光した参照ビームもオーバーラップする。読み出しプロセス中に、このオーバーラップは、不要なゴースト像を生成し、読み出し像の信号対雑音比（ＳＮＲ）を低減させる。したがって、特許文献１に提示された偏光コリニア・ホログラフィック光学セットアップを使用すると、不要なゴースト像をフィルタ処理することが課題となる。本発明による解決策では、直接および反射参照ビームによって生成されるゴースト像が回避される。

ホログラフィック媒体用に、よく知られたＣＤ／ＤＶＤにおけるようなサーボを使用することは、費用対効果の高い提案である。これらのデジタル光記憶装置システムでは、自由度が３つのみであるサーボを使用して、ディスク表面の「単一ポイント」に書き込みまたは読み出しが行われる。ホログラフィック記憶装置では、情報が、６つの自由度を有するサーボを必要とする３次元体積内に記憶される。これは、記録および読み出しのために、参照ビームは、ホログラムに対して６つの自由度をもって調節されなければならないことを意味する。ホログラフィック記憶装置では、よく知られている追従集束サーボを使用することができない。光学システムに応じて、参照ビームおよび／または対象ビームの大きなＮＡのために、追加のサーボが、ホログラフィック・ディスクまたは参照ビームの傾き補正のために導入されなければならない。特許文献１には、傾き誤差を補正するための解決策が何も説明されていない。

ホログラフィックシステムでは、ＳＬＭと検出器アレイとの間に対象−像関係があり、それらの間の「距離」は有限である。ＣＤ／ＤＶＤ／ＨＤ−ＤＶＤ／ブルーレイシステムでは、集束対物レンズが、「平面波」によって照明され、したがって、対象および像が互いに本質的に無限の距離にあり、無限共役像化と呼ばれる。この場合、焦点誤差補正中の対物レンズの共軸移動により、像化された焦点スポットのぼけは起きない。ホログラフィックシステムでは、単純なＣＤにおけるような焦点サーボは、対象と像との間が有限の距離のためにぼけを引き起こす。特許文献１には、集束中に対物レンズの移動によって引き起こされたぼけの補正のための解決策がない。本発明は、ホログラフィック記憶システムの結像対物レンズの移動を補正するための技術的に実行可能な解決策を提案する。

本発明は、体積記憶材料をもつ反射型ホログラフィック媒体上へのホログラムの記録およびそれからの読み出しを行うためのコリニア光学構成に本質がある。記録／読み出しヘッドは、記録のためにホログラフィック媒体上で相互作用する対象ビームおよび参照ビームを生成し、読み出しのためにホログラムを再構築するための参照ビームを生成してホログラフィック媒体から情報を取り出す光学システムを含む。光学システムは、３対の異なる対物レンズで構成される１２ｆ反射型システムである。対物レンズ対の各々の中の第１の対物レンズは、対象ＳＬＭのフーリエ変換を生成し、それぞれの第２の対物レンズによって逆変換される。したがって、対象の像は、常に、各対物レンズ対の第２の対物レンズの後焦点面に生成される。全１２ｆシステム全体は、対象ＳＬＭのフーリエ変換が形成される共焦点構成において３つの専用平面を有する。ホログラムは中央の専用平面の近くに記録される。この中央の専用平面には、反射型動作モードを実現するためにホログラフィック媒体の反射層が位置している。反射型１２ｆシステムの光軸は、ホログラフィック媒体の反射層に直角である。２つの外側専用平面には、特別な形状およびサイズをもつ空間フィルタがある。参照ビームは、これら２つの外側共焦点専用平面で対象ビームにカップル・イン及び／又はそれからカップル・アウトされる。１２ｆ反射型コリニア光学システムは、組合せ型多重化方法、すなわち、シフト及び／又は位相コード化参照ビーム、走査参照ビーム、角度及び／又は共焦点多重化技法の使用を可能にする。組合せ型多重化は、アドレス指定されていないホログラムから意図せずに再構築された対象ビームをフィルタ処理することにより、隣接するホログラム間のクロストークを低減する共焦点光学構成によるシステムによって実現される。提案された共焦点構成を使用して、ブラッグ選択性によって本質的に制限されるものよりも高密度のホログラム・パッキングを達成することができる。アドレス指定されていないホログラムから生じる再構築された対象ビームは、フーリエ平面（外側専用平面のうちの１つ）で、アドレス指定されたホログラムから生じる対象ビームから空間に分離される。アドレス指定されたホログラムおよび空間フィルタは、共焦点光学システム内に配置される（それらは互いに対象および像となる）。記憶材料の各位置では、いくつかのホログラムが同じく良好なブラッグ選択性で多重化される。読み出し処理中に、ホログラム・アドレス指定は、ブラッグ選択および共焦点フィルタリングを並行して使用して達成される。

よりよい理解のために、本発明が、図を参照しながら以下の記述によって詳細に説明される。本発明は、この例示的な実施形態に制限されないこと、さらに、特定された特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく適切に組み合わせられ、及び／又は変更されることが可能であることが理解されよう。

図１は、レーザから検出器までの１２ｆ反射型光学システム用の対象ビームの光学レイアウトを示す。図１では参照ビームは示されていない。入力データは、透過型ＳＬＭを用いて書き込まれる。反射型ＳＬＭを使用することも同様に可能である。両方の場合において、振幅または位相ＳＬＭを使用することができる。

図１の主要要素は、以下の通りである。すなわち、第１のフーリエ対物レンズ対１：記録用長焦点距離リレー対物レンズ、空間光変調器（ＳＬＭ）２、中間像平面４（これは、高ＮＡフーリエ対物レンズ６とともに移動する）、（サーボ光ビームをカップリング・インまたはカップリング・アウトするための）波長選択ビームスプリッタ５、第２のフーリエ対物レンズ対６：折返し対物レンズ対、高ＮＡフーリエ対物レンズ、ホログラフィック記憶媒体８、第３のフーリエ対物レンズ対９：読み出し用長焦点距離リレー対物レンズ、検出器アレイ１０、記録用リレー対物レンズ１３、第１のフーリエ平面（記録用フーリエフィルタ１４を有する）、可変焦点距離逆フーリエ対物レンズ１５、液晶（ＬＣ）レンズ１６、１／４波長板１７、レーザダイオード２１、レーザダイオード・コリメータ２２、偏光感受性ビームスプリッタ３１（記録ビームおよび読み出しビームの分離のためのカップリング・インおよびカップリング・アウト用のプリズム）、ＣＤ／ＤＶＤ型集束追従サーボ光学系５０、読み出し用リレー対物レンズ９３、第３のフーリエ平面（読み出し用フーリエフィルタ９４（共焦点フィルタ）を有する）、読み出し用対象ビーム９５、及びサーボ光ビーム用光学系５０が、主要要素である。

ＬＣレンズ１６をもつ可変焦点距離逆フーリエ対物レンズ１５は、記録用長焦点距離リレー対物レンズ１および読み出し用長焦点距離リレー対物レンズ９の両方の共通部分である。コリニア１２ｆ光学システムには、データを書き込むためのＳＬＭ２があり、第１の対物レンズ対１の第１の焦点面に位置する。第１の対物レンズ対１の共通焦点面（第１のフーリエ平面）には、特別な形状にされた空間フィルタ開口１４がある。この開口１４は、ＳＬＭ２のフーリエ変換の高次成分を切り取る。開口１４の特別な形状は、対象ビームおよび参照ビームのカップリング・インおよびカップリング・アウトを可能にする。第１の対物レンズ対１の後焦点面に、（既に空間的にローパス・フィルタされた）ＳＬＭの像が現われる。フィルタリングによりデータ密度が増加する。

第２の対物レンズ対６の第１の部材の第１の焦点面は、第１の対物レンズ対１の第２の部材の最後の焦点面と一致し、その平面にＳＬＭ２のローパス・フィルタされた像が位置する。これは中間像平面４である。この中間像４は、第２の対物レンズ対６の第１の部材によって、２つの対物レンズの共通焦点面にフーリエ変換される。これが第２のフーリエ平面である。第２の対物レンズ対６は、折返し対物レンズである。第２の折返し対物レンズ対の内側フーリエ平面に（第２のフーリエ平面に）、ホログラフィック媒体８の反射層８１が位置する。ホログラフィック媒体８は、第２の対物レンズ対６の共通焦点面またはその近くにあり、対象ビームは１つまたは複数の参照ビームと交差する。第３の対物レンズ対９の第１の焦点面は、第２の対物レンズ対６の後焦点面と一致し、その平面にＳＬＭ２の空間的にフィルタされた再構築像が位置する。この像は、第３の対物レンズ対９によって、第２の特別な形状にされた空間フィルタ９４が位置する対物レンズ対要素の共通内部焦点面にさらにフーリエ変換される。第３の対物レンズ対９の第２の部材９３は、ＳＬＭ２のフィルタされた像を、検出器アレイ１０が位置する完全系の後焦点面に再び生成する。第１のフーリエ平面（第１の対物レンズ対１の内側共通焦点面）は、第２の対物レンズ対６の内側共通焦点面に像化され、そこから第３の対物レンズ対９の内側共通焦点面に再像化される。したがって、３つの内側焦点面（フーリエ平面）は、互いの全ての像である、すなわち、フーリエ平面は共焦点構成である。

サーボ信号は、システム内で、対象ビームおよび参照ビームと非常に異なる光の波長を有するサーボ光ビームを使用して生成される。これにより、これらの光ビーム間の信頼性のある分離が確実になる。通常、長波長がサーボ光ビームに使用される。以下、簡単のために、サーボ光ビームはサーボビームと呼ばれ、一方、対象ビームおよび参照ビームはホログラフィックビームと呼ばれる。１２ｆ光学システムには、第２の対物レンズ対６の直前に、サーボビームをカップリング・インおよびカップリング・アウトするための追加の波長選択ビームスプリッタ５がある。標準のＣＤ／ＤＶＤにおけるようなサーボ光学系５０から生じるサーボビームは、波長選択ビームスプリッタ５の分割面によって反射され、一方、ホログラフィックビームは、それを通過する。サーボビームを使用して、集束追従誤差を、ＣＤ／ＤＶＤにおけるようなディスクの場合と全く同じように決定することができる。集束誤差補正により、高ＮＡフーリエ対物レンズ６とともに中間像平面４のシフトが生じる。これにより、検出器アレイ１０上で焦点がずれることになる。これを除くために、可変焦点距離フーリエ対物レンズ１５は、中間像平面４のシフトを補正する。可変焦点距離フーリエ対物レンズ１５の、電気的に制御可能な構成要素は、ＬＣレンズ１６である。ＬＣレンズ１６は、例えば、集束サーボシステムのボイスコイル（図示せず）の電流から制御信号を受け取る。可変焦点距離フーリエ対物レンズ１５を用いて、ＳＬＭ２の鮮明な像が、シフトする中間像平面４に実現される。したがって、検出器アレイ１０の表面上に鮮明な像が生成される。

ＳＬＭ２は、振幅または位相のみの変調ＳＬＭのいずれかにすることができる。提案された１２ｆ光学システムは、位相差法を使用するデータ記憶装置に適している。この方法では、記録中に、対象ビームが、０またはπの位相シフトをもつ位相のみの２進ピクセルで変調されるが、しかしながらそれは容易に検知することができない。これに対して、情報の読み出し中に、対象ビームのフーリエスペクトルの０次成分にπの位相シフトを重畳する位相シフト要素を、第３のフーリエ平面に置く必要がある。このようにして、対象ビームの位相情報は、位相差顕微鏡法からよく知られているように、検出器アレイ１０の表面上で既に検知可能な強度分布に変換することができる。

図２は、どのように参照ビーム３２が対象ビームの第１のフーリエ平面で対象ビームにカップル・インされるか、およびどのようにそれが第３のフーリエ平面においてカップル・アウトされるかを示す。レーザ（図示せず）から到着する１つまたは複数の参照ビーム３２は、ビーム形成光学系３７および偏光感受性ビームスプリッタ３１を通過する。図２では、ビーム形成光学系３７は単に概略的に描かれ、詳細は図８に示される。偏光感受性ビームスプリッタ３１は、１つまたは複数の参照ビーム３３を、記録用フーリエフィルタ１４の背面１４１の方に反射する。このフィルタは２つの目的を有する。第１に、不透明なマスクによって、記録中の対象ビームがローパス・フィルタされる。第２に、背面１４１が、特別な形状にされた反射区域を有していて、１／４波長板３４によって覆われている。１つまたは複数の参照ビーム３５は、記録用フーリエフィルタ１４のこのミラー表面によって反射される。１つまたは複数の参照ビーム３５は、記録用フーリエフィルタ１４からホログラフィック媒体８に進み、対象ビームと同じ光学要素を通って読み出し用フーリエフィルタ９４の方に進む。対象および参照ビーム３５は、この経路に沿って共線的な（collinear）方法で進む。読み出し用フーリエフィルタ９４は、反射された１つまたは複数の参照ビーム３６を阻止する。読み出し用フーリエフィルタ９４の背後に、反射された参照ビーム３６の位置を測定するための特別の検出器アレイ９６及び／又はシャックハートマン（Shack-Hartman）センサがある。この位置情報から、傾き補正のための必要条件であるホログラフィック媒体８の傾きの量を決定することができる。

適用される多重化方法に応じて、参照ビーム３２は、球面波または平面波とすることができる。シフト多重化では、球面参照ビームを使用して良好なブラッグ選択性が達成される。位相共役ホログラム再構築に起因するゴースト像を避けるために、半円錐形球面参照ビーム３２１および３２２を使用するのが好都合である（図１０参照）。１つまたは複数の球面参照ビームの焦点は、ホログラフィック媒体８のミラー表面８１上にある。入射半円錐ビーム３２１および反射半円錐ビーム３２２は、普通なら記憶データの読み出しを乱す位相共役再構築を実現せずに、一緒に完全な円錐を構成する。他のタイプの多重化では、球面参照ビームまたは平面参照ビームのどちらでも使用することができる。

図３は、１２ｆ反射型光学システム用の光学レイアウトの他の実施形態を示す。ＳＬＭ２４から検出器１０までの対象ビームのビーム経路が示される。図１および図３の実施形態の間の主な違いは、以下の通りである。図３では、反射型ＳＬＭ２４は、偏光ビームスプリッタ２６および１／４波長板２５を通してデータを対象ビームに書き込む。第１のフーリエ対物レンズ対１（記録用長焦点距離リレー対物レンズ）および第３のフーリエ対物レンズ対９（読み出し用長焦点距離リレー対物レンズ）の全ての要素は、図３の実施形態と同じである。図１では、記録および読み出し用長焦点距離対物レンズの一部しか共通ではなく、すなわち、対象ビームと参照ビームとの共通の経路は、図１よりも図３の方がより長い。対象ビームと参照ビームとは、偏光ビームスプリッタ３８でカップル・インおよびカップル・アウトされ、記録対象ビームは、さらなる偏光ビームスプリッタ３９で読み出し対象ビームから分離される。図３の構成は、外乱、空気擾乱などにそれほど敏感でない。しかし、図１に示された構成では、ＳＬＭ２と検出器１０との間で異なる倍率を実現することができる。

図４は、ＳＬＭ２から検出器アレイ１０までの折返し１２ｆ反射型光学システムの対象ビーム用の光学レイアウトを示す。入力データは、透過型または反射型ＳＬＭ２のいずれを用いても書き込める。適用されるＳＬＭ２のタイプに応じて、照明ビーム２７／Ａまたは２７／Ｂは、偏光ビームスプリッタ１１および１／４波長板２８を通過するか、または直接ＳＬＭ２を照明するかのいずれかである。図４は１つまたは複数の参照ビームを示していない。偏光ビームスプリッタ・プリズム１１によって、折返し記録用リレー対物レンズ１は、中間像平面４にＳＬＭ２の本質的に無歪の実像を生成する。１つまたは複数の球面または非球面レンズで構成されたフーリエ対物レンズ６は、ホログラフィック媒体８の反射層上にＳＬＭ２のこの実像のフーリエ変換を生成する。ホログラム再構築中に、読み出し対象ビームは、データ担体８の反射層８１によって反射され、次に、読み出し／記録用フーリエ対物レンズ６を通って伝搬する。ＳＬＭ２の実像、すなわち再構築されたデータは、中間像平面４上に生成される。１／４波長板５１は、読み出し対象ビームを、記録ビームの偏光状態に垂直な直線偏光をもつビームに変換し、その結果、それが偏光ビーム・スプリッティングプリズム３を介して折返し読み出し用リレー対物レンズ９に達することができる。次に、読み出された像は、折返し読み出し用リレー対物レンズ９によって、検出器アレイ１０の表面に生成される。

折返し記録用リレー対物レンズ１は、偏光ビームスプリッタ・プリズム１１、１／４波長板１２、レンズ１３、および反射空間フィルタ１４から構成される。反射空間フィルタ１４の平面において、レンズ１３は、ＳＬＭ２のフーリエ変換を生成する。反射空間フィルタ１４は、所与のサイズおよび形状の開口をもつミラーである。折返し読み出し用リレー対物レンズ９は、偏光ビームスプリッタ・プリズム９１、１／４波長板９２、レンズ９３、および反射空間フィルタ９４から構成される。レンズ９３は、反射空間フィルタ９４の平面に、内側像平面４のフーリエ変換を生成する。反射空間フィルタ９４は、所与のサイズおよび形状の開口をもち、現在アドレス指定されている（読み出されている）ホログラムと共焦点に配置されるミラーである。

図５は、折返し反射型１２ｆ光学構成の参照ビーム経路用の光学レイアウトを示す。参照ビームは、対象ビームの第１のフーリエ平面においてカップル・インされ、第３のフーリエ平面においてカップル・アウトされる。

図６は、ホログラフィック媒体８の反射層８１における対象ビーム１００および参照ビーム１０１を示す。この図は、対象ビーム１００および参照ビーム１０１がフーリエ平面で完全に分離されることを示す。これにより、対象ビーム１００と参照ビーム１０１との間の部分的なオーバーラップが可能になり、それらのいずれにも大きな擾乱を引き起こさない。

図７は第１のフーリエ平面１４内の空間フィルタを示す。ここで、参照ビーム１０１は、記録用フーリエ・ミラー１４１によって対象ビーム１００と結合される。このミラーは特別の形状を有する。ミラー開口の両側に、参照ビーム１０１をカップリング・インするための２つの非反射透明の矩形区域１４２および１４３がある。円形形状の記録用フーリエ・ミラー１４１は、特定のフーリエ成分を遮断することによって対象ビーム１００をローパス・フィルタする。参照ビーム１０１は非反射区域１４２、１４３を通過し、対象ビーム１００は記録用フーリエ・ミラー１４１で反射される。フーリエ・ミラー１４１のサイズ、矩形領域１４２、１４３のサイズ、および参照ビーム１０１のスポットによって形成されるラインの長さを適切に選択すると、全システム記憶容量を最適化することができる。第２および第３のフーリエ平面のビーム１００、１０１の構成は、第１のフーリエ平面について図７で示されたものと同様である。

図８は、高ＮＡ半円錐参照ビーム１０１の１次元アレイのための参照ビーム発生器の好ましい実施形態を示す。６ｆレンズ系は、３つのテレセントリックリレーレンズ３７２、３７３、３７４を含む。専用ツイン回折ビーム発生器３７１の２つの部分３７１／Ａおよび３７１／Ｂは、半円形ビームを形成する。専用回折ビーム発生器３７１の上部分３７１／Ａは、光ビームの正の回折次数だけを回折し、一方、ゼロ次および負の次数を抑制する。下部分３７１／Ｂは、光ビームの負の次数だけを回折し、ゼロ次および正の次数を抑制する。回折された半円形ビームから、レンズ３７２は半円錐形集束化ビームを形成する。リレーレンズ３７２の焦点面には、位相変調ＳＬＭ３７５がある。位相ＳＬＭ３７５のピクセル３７６は、０またはπラジアンを有する参照半円錐の位相を遅らせる。これは位相コーディングと言われている。レンズ３７３および３７４は、第１のフーリエ平面に位相ＳＬＭ３７５の鮮明な像を形成する。この参照ビーム発生器を用いて、適切な位相コードをもつ参照ビーム１０１のアレイが実現される。第１のフーリエ平面における半円錐ビームの焦点スポットの間の距離は、レンズ３７３および３７４の焦点距離を適切に選択して調節することができる。

走査参照ビーム多重化用に、液晶ビームデフレクタを専用ツイン回折ビーム発生器３７１の代わりに使用することができる。専用ツイン回折ビーム発生器３７１は、さらなる光学系とともに、高ＮＡ半円錐参照ビームのアレイを生成し、一方、液晶デフレクタおよびリレーレンズ３７２、３７３、３７４は、様々な位置に単一の高ＮＡ半円錐参照ビームを生成する。液晶デフレクタを用いることにより、半円錐の先端は、参照ビーム１０１のラインに沿って移動する。

組合せ型位相コーディング・シフト多重化方法、および組合せ型走査参照ビーム・シフト多重化方法ではともに、ホログラムがホログラフィック媒体８の表面の横方向にステップする適切な方策を開発することが必要となる。このステップの方策では、再構築された対象ビームがブラッグ回折によって十分に抑制されない隣接するホログラムにおけるオーバーラップを避ける必要がある。読み出しプロセス中に付加的な共焦点フィルタリングを適用すると、同じ場所に多重化されるホログラムの数をさらに増加させることができる。この場合、オーバーラップのない再構築された対象ビームが共焦点フィルタで抑制されると、非直交参照ビームでさえも使用可能となる。

図９は、組合せ型多重化方法の基本概念を概略的に示す。太線は、対象ビーム１００のフーリエ平面の断面を示す。点は、フーリエ平面における参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂの焦点スポットを表わす。実際には、これらの５組の線は同じ反射層８１上にある、すなわち、それらの間で深さに違いはない。同図においては、５組が、図面の見易さのためだけに様々な深さで描かれている。フーリエ平面におけるビーム径はｄ_ｈｏｌである。

同図では、ホログラムの横方向のステップ長Ｌ_ｓｔｅｐは、フーリエ平面において対象ビーム１００の直径ｄ_ｈｏｌの３分の１であると仮定されている。これは、３回シフト・オーバーラップであり、言いかえれば３回シフト多重化であることを意味する。参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂは、フーリエ平面において対象ビーム１００の２つの側部にある。Ｌ_ｒｅｆは、参照ビーム焦点スポットの列の長さである。これはステップ長Ｌ_ｓｔｅｐに等しいかまたはそれ未満である。この長さにわたって存在可能な参照ビームの数は、ブラッグ選択性の程度に依存する。２つの隣接する参照スポットの間の距離は、ブラッグ距離Ｌ_Ｂｒａｇに等しい。参照ビームの数は、位相コード多重化ホログラムの数と同じであり、Ｎ_ＰＨＣ＝２（Ｌ_ｒｅｆ／Ｌ_Ｂｒａｇ）である。

参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂの構成について、２つの変更態様がある。第１の解決策によれば、参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂは、同時に、並行して使用される。これがいわゆるツイン参照ビームモードである。ツイン参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂの役割は、対象ビーム１００と参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂとの間のオーバーラップを改善することである。対象ビーム１００の両側のツイン参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂは、対象ビーム１００と良好なオーバーラップを有する。第２の解決策によれば、参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂは、独立して使用される。任意の所与の時点において、参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂのうちの１つだけが使用される。独立した参照ビーム１０１／Ａおよび１０１／Ｂを用いることにより、可能な多重化の数を、読み出し中に共焦点フィルタリングを使用して２倍にすることが可能となる。

一般に、組合せ型多重化方法では、次の式、すなわち、Ｎ_ＳＨＴをシフト多重化の数として、Ｌ_ｓｔｅｐ＝Ｌ_ｒｅｆ＝ｄ_ｈｏｌ／Ｎ_ＳＨＴが、満たさなければならない。図９から、最初の３つのホログラムの参照ビームは、互いに無関係に書き込むことができることは明らかである。しかしながら、最初のホログラムの右側の参照ビームは、４番目のホログラムの左側の参照ビームとオーバーラップする。これは、最初のホログラムの読み出し中において、右側の参照ビームが、部分的に４番目のホログラムをも再構築することを意味する。付加的な共焦点フィルタを用いて、アドレス指定されていないホログラムから、再構築された光をフィルタすることができる。

位相コード化参照ビーム多重化方法とは別に、走査参照ビーム多重化方法を使用することが可能である。この場合、１つの参照スポット１０１は、記録用フーリエ・ミラー１４１上の第１のフーリエ平面の参照ラインを通り、第２のフーリエ平面の反射層８１を走査する。位相コード化参照ビーム多重化と走査参照ビーム多重化との間の主な違いは、参照ビームスポット１０１が同時に存在するか、または順次存在するかである。走査参照ビーム多重化の場合、１つの参照ビーム１０１だけが、所与の時間にホログラムに照射される。参照ビーム１０１が、全参照ラインを通って走査したとき、ホログラフィック媒体８は、１ステップ前進させられる。したがって、走査参照ビーム多重化方法は、シフト多重化方法とも組み合わせることができる。それからの類推として、位相コード化参照ビーム方法をシフト多重化と組み合わせて使用する場合、アドレス指定されていないのに再構築されたホログラムは、共焦点的にフィルタ処理される必要がある。参照ビーム１０１のラインおよび対象ビーム１００の位置は、図９に示されたものと同様である。また、光学レイアウト、干渉縞配置、生成されたサブホログラムなどは、組合せ型走査位相コード化参照ビーム多重化に由来するものと同様である。

図１１は、シフトもしくは位相コード化参照ビーム多重化、または走査参照ビーム多重化を使用するコリニア光学システムの対象平面および像平面における対象ピクセル１０３の位置を、球面参照ビーム１０１とともに示す。効率的なブラッグ選択性のために、禁止区域１０４が、対象空間１０２の中央に存在する。図のクロスハッチングは、右側および左側の有効な対象ピクセル１０３の区域を示す。記憶容量は、フーリエ対物レンズの最大角α_ｍａｘによって制限される。効率的なブラッグ選択性のためには、参照半円錐軸と対象ビームとの間に大きな角度を保つことが必要となる。最小角は、α_{ｏｂｊｍｉｎ}である。最適な記憶容量のためには、α_{ｏｂｊｍｉｎ}の値が最適化されなければならない。

図５〜９では、球面参照ビームが仮定された。球面参照ビームは、シフト多重化用に最適であるが、走査参照ビームおよび位相コード化参照ビーム多重化用、またはそれらの組合せ用にも使用することができる。

３つの共焦点のフーリエ平面をもつ１２ｆ光学システムは、平面波参照ビーム１０１を用いてホログラムを記録するのにも適している。平面参照ビーム１０１は、第１のフーリエ平面および／または第３のフーリエ平面の両方で、コリニア光学構成にカップル・インおよびそれからカップル・アウトすることができる。この目的のために、参照ビーム１０１の交差の平面は、フーリエ平面において、対象ビーム１００の主フーリエ成分の焦点スポットからわずかにシフトされなければならない。ビーム１００と１０１との間のシフトが十分に大きく、参照ビーム１０１の交差の平面と対象ビーム１００のフーリエ成分との間にオーバーラップがない場合、ビーム１０１は、大きな擾乱なしにカップル・インおよびカップル・アウトすることができる。図１２は、シフトされた平面参照ビーム１０１を持つフーリエ対物レンズとシフトされた対象ビーム１００とを示す。図１３は、シフトされたビーム１００、１０１をもつフーリエ平面の拡大部分である。対象ビーム１００の正確なフーリエ平面は、反射層８１上にある。ホログラフィック媒体８の記憶層８３と反射層８１との間にスペーサ層８２がある。ホログラムは、記憶層８３内の対象ビーム１００および参照ビーム１０１のオーバーラップ領域８５に形成される。３つの専用フーリエ平面は正確な対象−像関係にあるので、３つのフーリエ平面において、ビームは図１２および１３に示されたものと同様の空間配置を有し、したがって、ビーム・シフトは、第１および第３のフーリエ平面において同様となる。

１２ｆ反射型光学システムの対象ビーム用の光学レイアウトを示す図である。 対象ビームの第１のフーリエ平面における、参照ビームのカップリング・インおよび第３のフーリエ平面におけるカップリング・アウトを示す図である。 １２ｆ反射型光学システムの対象ビーム用の光学レイアウトの他の実施形態を示す図である。 折返し１２ｆ反射型光学システムの対象ビーム用の光学レイアウトを示す図である。 折返し１２ｆ反射型光学システムの参照ビーム経路用の光学レイアウトを示す図である。 １２ｆ光学システムのフーリエ平面における、参照ビーム半円錐の先端部および対象ビームフーリエ変換の配置を示す図である。 対象ビームの第１および第３のフーリエ平面で適用される空間フィルタ（または共焦点フィルタ）の設計を示す図である。 高ＮＡ半円錐参照ビームの１次元アレイのための参照ビーム発生器の好ましい実施形態を示す図である。 組合せ型シフトおよび位相コード化参照ビーム多重化を使用する対象ビームおよび参照ビームの概略構成を示す図である。 参照ビーム円錐を示す図である。 シフト多重化を使用するコリニア光学システムの対象平面および像平面における、有効な対象ビームＳＬＭピクセルを示す図である。 共焦点フィルタリングと組み合わされた、位相コード化参照ビーム及び／又は走査参照ビーム多重化の場合の対象平面波および参照平面波用の構成を示す図である。 組合せ型多重化用の対象平面波および参照平面波の拡大図である。

符号の説明

１、６、９ フーリエ対物レンズ対
２ 空間変調器（ＳＬＭ）
４ 中間像平面
５ 波長選択ビームスプリッタ
８ 媒体
１０ 検出器アレイ
１１ 偏光ビームスプリッタ・プリズム
１２ １／４波長板
１３ 記録用リレー対物レンズ
１４ 記録用フーリエフィルタ
１５ 可変焦点距離逆フーリエ対物レンズ
１６ 液晶（ＬＣ）レンズ
１７ １／４波長板
２１ レーザダイオード
２２ レーザダイオード・コリメータ
３１ 偏光感受性ビームスプリッタ
３２ 参照ビーム
３７ ビーム形成光学系
３８ 偏光ビームスプリッタ
５０ ＣＤ／ＤＶＤ型集束追従サーボ光学系
８１ 反射層
９３ 読み出し用リレー対物レンズ
９４ 空間フィルタ
９５ 読み出し用対象ビーム
１００ 対象ビーム
１０１ 参照ビーム
１０２ 対象空間
１０３ 対象ピクセル
１４１ 記録用フーリエ・ミラー
１４２、１４３ 矩形区域
３２１、３２２ 半円錐形球面参照ビーム
３７２、３７３、３７４ テレセントリックリレーレンズ
３７５ 位相変調ＳＬＭ

Claims (9)

1. ホログラムの記録及び／又は書き込みを行うための光学システムを備えており、１つまたはそれ以上の参照ビームと、対象ビーム又は再構成された対象ビームとのコリニア構成を有する、ホログラフィック記憶媒体に対する読み出し及び／又は書き込みを行うための装置であって、
   前記光学システムが、３対の対物レンズを有する１２ｆ−システムであり、対物レンズの各対の第１の部材が、対象のフーリエ変換を生成し、第２の部材が前記対象を再変換し、前記光学システムが、共焦点構成における３つの専用平面を有していて、前記３つの専用平面が、中央専用平面と、第１の外部専用平面と、第２の外部専用平面であり、ホログラムが、前記中央専用平面の近くに位置しており、
   前記１つまたはそれ以上の参照ビームは、前記第１の外部専用平面において、前記対象ビームの光路にカップル・インされ、
   前記１つまたはそれ以上の参照ビームは、前記第２の外部専用平面において、前記再構成された対象ビームの光路からカップル・アウトされる
   ことを特徴とする装置。
2. 前記対象ビーム上にデータページを印すためのＳＬＭが、前記対物レンズの第１の対の第１の焦点面に位置し、前記ＳＬＭのフーリエ変換の高次成分を遮断する開口をもつ空間フィルタが、前記対物レンズの第１の対の共通の焦点面である前記第１の外部専用平面に位置することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記対物レンズの第２の対が折り返し対物レンズであり、前記対物レンズの第２の対の第１の焦点面が前記対物レンズの第１の対の後焦点面に一致し、ホログラフィック媒体の反射層が前記対物レンズの第２の対の共通の焦点面である前記中央専用平面に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記対物レンズの第３の対の第１の焦点面が、前記ＳＬＭの空間的にフィルタされた読出し像が位置する、前記対物レンズの第２の対の後焦点面に一致し、前記ＳＬＭの前記像のフーリエ変換の高次成分を遮断する開口をもつ空間フィルタが、前記対物レンズの第３の対の共通の焦点面である前記第２の外部専用平面に位置し、検出器アレイが、前記対物レンズの第３の対の後焦点面に位置することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記対物レンズの第１の対が、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、フーリエ対物レンズ、及びミラーを含む折返し対物レンズであることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記対物レンズの第３の対が、偏光ビームスプリッタ、１／４波長板、フーリエ対物レンズ、及びミラーを含む折返し対物レンズであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 前記ＳＬＭが、透過または反射型位相変調ＳＬＭであり、対象ビームの０次回折を抑制するための位相シフトマスクが、前記対物レンズの第３の対の共通の焦点面である前記第２の外部専用平面に配置されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の装置。
8. 専用ツイン回折要素を備えた参照ビーム発生器と、半円錐参照ビームの１次元アレイを生成するためのリレー光学系とを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。
9. ツイン液晶ビームデフレクタを備えた参照ビーム発生器と、走査半円錐参照ビームを生成するためのリレー光学系とを含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の装置。

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