JP5236321B2 - ホログラム記録再生装置 - Google Patents

Description

本発明は、計算機の外部記憶装置や、映像音響情報記憶装置などに用いられ、ホログラフィを利用してホログラム媒体にホログラムを記録及び／又は再生するホログラム記録再生装置に関するものである。

コンパクトディスク（ＣＤ）は、波長７８０ｎｍの光源と、開口数０．４５の対物レンズを有する光学系とを用いて、音楽データの場合に７４分の録音やデジタルデータの場合に６５０ＭＢの記録を行うことを可能にしたものである。また、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）は、波長６５０ｎｍの光源と、開口数０．６の対物レンズを有する光学系とを用いて、ＭＰＥＧ２方式の動画の場合に２時間１５分の録画やデジタルデータの場合に４．７ＧＢの記録を行うことを可能にしたものである。

また、近年では、水平解像度１０００本以上の高精細動画が放送されていることや、パーソナルコンピュータが高性能化されているなどの要因により、高密度及び大容量の光ディスクに対する期待がさらに高まっている。これに対して、波長４００ｎｍ前後の光源と、開口数０．８５の対物レンズを有する光学系とを用いた光ディスク装置等が提案され、片面２０ＧＢを超える記録容量が実現されている。このように、光ディスク装置は、より短波長の光源と、より開口数の大きい対物レンズとを用いることで、ディスク上でのデータ記録密度の高密度化を実現してきた。

しかしながら、上記のような光源の短波長化と対物レンズの高開口数化とによる高密度記録へのアプローチは、限界が近づいている。すなわち、波長４００ｎｍ以下の領域では、レンズに用いられるガラス材料の波長分散が大きくなるため、その収差を制御することが困難となる。また、開口数をより大きくするために開発が進められている固体液浸レンズ技術を用いる場合、レンズ作動距離、つまりレンズとディスクとの距離が極端に短くなるため（５０ｎｍ程度）、ディスクの交換が容易でなくなるなどの問題が生じる。

そこで、これらの課題を克服し、さらにディスク上でのデータ記録密度の高密度化を実現するために、ホログラフィック記録技術が大きな注目を集めている。図９は、例えば、堀米らによって提案された方式を用いたホログラム記録再生装置を説明する図であり、該ホログラム記録再生装置の光学系の概略構成を示している（例えば、特許文献１参照）。

図９に示すホログラム記録再生装置は、レーザ光源２０１、アイソレータ２０９、コリメート光学系２０７、偏光ビームスプリッタ２０８、空間光変調器２０２、フーリエ変換レンズ２０３、４分の１波長板２０４、及び２次元受光素子アレイ２０６を有している。レーザ光源２０１を出射した光は、コリメート光学系２０７でコリメートされた後、偏光ビームスプリッタ２０８で反射され、空間光変調素子２０２に入射する。

空間光変調素子２０２は、図９の上部にその平面構成を示したように、幅ｄの画素に分割されており、入力電気信号によって各画素を照射する光の偏光方向を画素ごとに回転するとともに反射する。このような空間光変調素子２０２は、例えば、反射型ＬＣＯＳデバイスと呼ばれる液晶素子によって実現される。また、空間光変調素子２０２は、外側の参照光領域２２１と内側の信号光領域２２２とに同心円状に分割されており、内側の信号光領域２２２では、記録すべき信号に応じて各画素の反射光の偏光方向が変調される。

偏光方向が回転された画素で反射された光は、再び偏光ビームスプリッタ２０８を直進して４分の１波長板２０４を通過した後、フーリエ変換レンズ２０３でホログラムディスク２０５に集光されて信号光となる。偏光方向が回転されなかった画素で反射された光は、偏光ビームスプリッタ２０８で再び反射されてレーザ光源２０１側に戻り、アイソレータ２０９で吸収される。

一方、参照光領域２２１では、特定のパターンに従って各画素からの反射光の偏光方向が回転され、偏光ビームスプリッタ２０８を通過した光は、ホログラムディスク２０５に導かれて参照光となる。

ホログラムディスク２０５は、ホログラム記録材料２５１を透明基板でサンドイッチした構成になっており、交差した参照光と信号光とにより生じる干渉縞がホログラム記録材料２５１中にホログラムとして記録される。ホログラム記録材料２５１としては、例えば、光硬化性のフォトポリマーが用いられる。このフォトポリマーの屈折率が、干渉縞の微細な強度分布に応じて変化して固定され、ホログラムが記録される。また、ホログラムを記録する度に、ホログラムディスク２０５を回転移動させ、順次ホログラム列を記録する。

信号再生時には、空間光変調素子２０２の信号光領域２２２の光を遮断し、参照光領域２２１で変調された光のみをホログラムディスク２０５に照射し、生じた回折光を２次元受光素子アレイ２０６で検出する。

この方式の特徴は、記録時及び再生時に、ホログラムディスク２０５内で参照光が微細なスペックルパターンを形成するため、ホログラムディスク２０５上でわずかに位置を変えて多数のホログラムが記録できることである。ホログラム面（フーリエ変換レンズ２０３の焦点面）では、参照光は、空間光変調素子２０２の面上での光の分布パターンをフーリエ変換した光強度分布をもつ。空間光変調素子２０２上でランダムなパターンで光が変調されているため、ホログラム面でもランダムなスペックルパターンを形成する。信号再生の際には、記録時の参照光のスペックルパターンと、再生時の参照光のスペックルパターンとが一致して、はじめて再生光が生じる。

このとき、記録されたホログラムと再生時の参照光の位置ずれ量がスペックルサイズ以上になると、顕著に再生信号光量が低下する。実際のスペックルサイズは、フーリエ変換レンズ２０３の開口数ＮＡと、光の波長λとを用いて、λ／２ＮＡとなる。例えば、フーリエ変換レンズ２０３の開口数を０．６、レーザ光源２０１の波長を４００ｎｍとすると、スペックルサイズは０．３３ミクロンとなり、ミクロンオーダの位置間隔で異なるホログラムを記録することができる。

前述した急峻なホログラムの選択再生が可能になるための別の条件は、ホログラムディスク２０５が十分な厚みを持つことである。先に述べたように、記録時及び再生時の参照光の位置ずれによって、信号光量が低下するのは、ホログラムディスク２０５の厚み方向に異なる部分からの回折光が干渉によって互いに打ち消し合うことで生じる。このため、ホログラムディスク２０５の厚みが十分でない時には、隣接するホログラムをより大きな間隔で記録する必要があり、記録容量を大きくできない。
特許第３６５２３４０号公報

図９に示した従来のホログラム記録光学系では、厚い記録媒体を用いた場合にも、干渉縞が媒体の厚み方向の一部にしか記録されないため、記録容量を大きくできないことが大きな課題である。図９の光学系でのホログラムディスク２０５中の記録ビームの概略構成を図１０に示す。

図１０に示すように、信号光領域２２２及び参照光領域２２１の画素からの光は、画素開口による回折現象によって広がり、ホログラム記録材料２５１中では有限の広さを持つ平行ビームとなって干渉する。干渉縞を生じる領域は、図中に斜線で示した横幅０．４ｍｍ、厚み方向高さ０．４７ｍｍの三角形の領域である。これらの数値は、レーザ光源２０１の波長が４００ｎｍ、フーリエ変換レンズ２０３の焦点距離が１０ｍｍ、空間光変調素子２０２の画素の幅ｄが１０ミクロンの場合の数値である。

図９及び図１０から分かるように、図９の構成の光学系では、厚いホログラム媒体（ホログラム記録材料２５１）を用いた場合でも、干渉縞は、フーリエ変換レンズ２０３の焦点面付近に限定され、実効的なホログラム媒体の厚みが確保できず、十分な位置選択性が得られない。ひいては記録容量が大きくできないという課題がある。

本発明の目的は、再生信号の品質が向上するとともに、多数のホログラムが記録でき、記録容量を増大させることができるホログラム記録再生装置を提供することである。

本発明に係るホログラム記録再生装置は、コヒーレント光源と、前記コヒーレント光源からの光を空間的に変調する空間光変調素子と、前記空間光変調素子で変調された光をホログラム媒体に集光するフーリエ変換レンズと、前記ホログラム媒体からの光を受光する２次元受光素子アレイとを備え、前記空間光変調素子は、参照光領域と信号光領域とに分割され、前記参照光領域から出射される参照光の発散角は、前記信号光領域から出射される信号光の発散角より大きい。

このホログラム記録再生装置においては、参照光領域から出射される参照光の発散角が、信号光領域から出射される信号光の発散角より大きいので、参照光の干渉領域の体積を増加することができ、参照光の位置のわずかなずれによって信号光の光量が大きく低減され、より近接して多数のホログラムを記録及び／又は再生できる。この結果、再生信号の品質が向上するとともに、多数のホログラムが記録できるので、ホログラム媒体の記録容量を増大させることができる。

前記参照光領域及び前記信号光領域は、複数の画素に分割されており、前記参照光領域の画素の開口は、前記信号光領域の画素の開口より小さいことが好ましい。

この場合、参照光領域の画素の開口が信号光領域の画素の開口より小さいので、簡略な構成で、参照光領域から出射される参照光の発散角を、信号光領域から出射される信号光の発散角より大きくすることができる。

前記参照光領域の画素は、前記信号光領域の画素より小さいことが好ましい。

この場合、参照光領域の画素が信号光領域の画素より小さいので、参照光領域での光利用効率を維持しながら、参照光領域から出射される参照光の発散角を、信号光領域から出射される信号光の発散角より大きくすることができる。

前記参照光領域の画素の一片の長さは、前記信号光領域の画素の一片の長さの整数分の１であることが好ましい。

この場合、参照光領域の画素の一片の長さが信号光領域の画素の一片の長さの整数分の１になるので、参照光領域の画素及び信号光領域の画素を容易に作成することができるとともに、参照光領域から出射される参照光の発散角を、信号光領域から出射される信号光の発散角より大きくすることができる。

上記ホログラム記録再生装置は、前記空間光変調素子に近接して配置される拡散板をさらに備え、前記参照光領域に対向する前記拡散板の拡散角は、前記信号光領域に対向する前記拡散板の拡散角より大きいことが好ましい。

この場合、参照光領域に対向する拡散板の拡散角が信号光領域に対向する拡散板の拡散角より大きいので、簡略な構成で、参照光領域から出射される参照光の発散角を、信号光領域から出射される信号光の発散角より大きくすることができる。

前記拡散板は、通過する光に異なる位相変位を与える複数の画素領域に分割されており、前記信号光領域において、前記空間光変調素子の画素と前記拡散板の画素領域とが１対１に対応しており、前記参照光領域において、前記空間光変調素子の各画素に前記拡散板の複数の画素領域が対応していることが好ましい。

この場合、信号光領域において、空間光変調素子の画素と拡散板の画素領域とが１対１に対応しており、参照光領域において、空間光変調素子の各画素に拡散板の複数の画素領域が対応しているので、参照光領域の拡散角が信号光領域の拡散角より大きい拡散板を容易に作成することができる。

前記空間光変調素子は、液晶層を封止する少なくとも一つの透明基板を含み、前記透明基板は、前記拡散板として機能する凹凸面を有し、前記参照光領域に対向する前記凹凸面の拡散角は、前記信号光領域に対向する前記凹凸面の拡散角より大きいことが好ましい。

この場合、透明基板を拡散板としても機能させることができるので、別の拡散板を用いる必要がなくなり、装置の構成を簡略化することができる。

前記凹凸面は、矩形形状の凹凸面を含み、前記参照光領域に対向する前記凹凸面の凹凸の幅及び／又は高さは、前記信号光領域に対向する前記凹凸面の凹凸の幅及び／又は高さより小さいことが好ましい。

この場合、拡散板としても機能する透明基板を容易に作成することができる。

前記凹凸面は、滑らかな凹凸面を含み、前記参照光領域に対向する前記凹凸面の粒状性は、前記信号光領域に対向する前記凹凸面の粒状性より細かいことが好ましい。

この場合、位相変位の不連続点がないため、大きな角度で拡散される成分が低減され、光利用効率を向上することができる。

前記参照光領域及び前記信号光領域は、複数の画素に分割されており、上記ホログラム記録再生装置は、前記複数の画素に対応して設けられた複数の要素レンズを有し、前記空間光変調素子に近接して配置されるマイクロレンズアレイをさらに備え、前記参照光領域に対向する前記マイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離は、前記信号光領域に対向する前記マイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離より短いことが好ましい。

この場合、参照光領域に対向するマイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離が信号光領域に対向するマイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離より短いので、参照光領域から出射される参照光の発散角を、信号光領域から出射される信号光の発散角より大きくすることができるとともに、空間光変調素子の各画素間で遮断される光が低減され、光の利用効率を向上することができる。

前記空間光変調素子は、液晶層を封止する少なくとも一つの透明基板を含み、前記透明基板は、前記マイクロレンズアレイの要素レンズとして機能する凸状曲面部分を有し、前記参照光領域に対向する前記凸状曲面部分の焦点距離は、前記信号光領域に対向する前記凸状曲面部分の焦点距離より短いことが好ましい。

この場合、透明基板をマイクロレンズアレイとしても機能させることができるので、別のマイクロレンズアレイを用いる必要がなくなり、装置の構成を簡略化することができる。

前記空間光変調素子は、光の強度を変調する第１の液晶層と、光の位相を変調する第２の液晶層とを含み、前記第２の液晶層は、前記参照光領域に位置する参照光領域側液晶層と、前記信号光領域に位置する信号光領域側液晶層とに分割され、前記参照光領域側液晶層における光の位相変化量は、前記信号光領域側液晶層における光の位相変化量より大きいことが好ましい。

この場合、第２の液晶層の参照光領域側液晶層における光の位相変化量が信号光領域側液晶層における光の位相変化量より大きいので、参照光領域から出射される参照光の発散角を、信号光領域から出射される信号光の発散角より大きくすることができる。また、印加電圧によって位相変調量を調整できるため、環境温度の変化等に対しても、適切な位相変化量を得ることができ、Ｓ／Ｎ比の高い安定な信号再生が可能となる。

前記空間光変調素子は、前記参照光領域において固定変調パターンを保持していることが好ましい。

この場合、固定変調パターンで照射される参照光を用いて、多数のホログラムを安定的に記録及び／又は再生することができる。

本発明のホログラム記録再生装置によれば、再生信号の品質が向上するとともに、多数のホログラムが記録できるので、記録容量を増大させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるホログラム記録再生装置であるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成図である。本実施の形態において、ホログラムの記録再生の動作原理は、従来の技術の項で述べたと同様で下記の如くである。

本実施の形態のホログラフィック光情報記録再生装置は、レーザ光源１、アイソレータ９、コリメート光学系７、偏光ビームスプリッタ８、空間光変調素子２、フーリエ変換レンズ３、ホログラムディスク５、４分の１波長板４、及び２次元受光素子アレイ６を有している。レーザ光源１は、コヒーレント光としてレーザ光を出力するコヒーレント光源である。レーザ光源１を出射した光は、アイソレータ９を透過し、コリメート光学系７でコリメートされた後、偏光ビームスプリッタ８で反射され、空間光変調素子２に入射する。

空間光変調素子２は、図１の上部にその平面構成を示したように、幅（縦方向の長さ及び横方向の長さ）ｄ１の画素に分割されている参照光領域２１と、幅（縦方向の長さ及び横方向の長さ）ｄ２の画素に分割されている信号光領域２２とを有し、信号光領域２２において、入力電気信号によって各画素を照射する光の偏光方向を画素ごとに回転するとともに反射し、参照光領域２１において、固定変調パターンを保持している。このような空間光変調素子２は、例えば、反射型ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ−Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）デバイスと呼ばれる液晶素子によって実現され、コヒーレント光源からの光を空間的に変調することができる。なお、空間光変調素子は、シリコン基板を用いたＬＣＯＳ素子に限るものではなく、透過型液晶素子の場合にはシリコン基板を用いない。

上記のように、空間光変調素子２は、外側の参照光領域２１と内側の信号光領域２２とに同心円状に分割されており、内側の信号光領域２２では、記録すべき信号に応じて各画素の反射光の偏光方向が変調される。偏光方向が回転された画素で反射された光は、再び偏光ビームスプリッタ８を直進して４分の１波長板４を通過した後、フーリエ変換レンズ３でホログラムディスク５に集光されて信号光となる。偏光方向が回転されなかった画素で反射された光は、偏光ビームスプリッタ８で再び反射されてレーザ光源１側に戻り、アイソレータ９で吸収される。

一方、参照光領域２１では、特定のパターンに従って各画素からの反射光の偏光方向が回転され、偏光ビームスプリッタ８を通過した光は、４分の１波長板２０４及びフーリエ変換レンズ３を通過した後、ホログラムディスク５に導かれて参照光となる。

ホログラムディスク５は、ディスク形状を有するホログラム媒体であり、ホログラム記録材料５１を透明基板でサンドイッチした構成になっており、交差した参照光と信号光とにより生じる干渉縞がホログラム記録材料５１中にホログラムとして記録される。ホログラム記録材料５１は、例えば、光硬化性のフォトポリマーが用いられる。このフォトポリマーの屈折率が、干渉縞の微細な強度分布に応じて変化して固定され、ホログラムが記録される。また、本実施の形態では、ホログラムを記録する度に、ホログラムディスク５を回転移動させ、順次ホログラム列を記録する。

信号再生時には、空間光変調素子２の信号光領域２２の光を遮断し、参照光領域２１で変調された光のみをホログラムディスク５に照射し、生じた回折光を２次元受光素子アレイ６で検出する。

本実施の形態のホログラフィック光情報記録再生装置の特徴は、空間光変調素子２の参照光領域２１内の画素の大きさが信号光領域２２内の画素の大きさより小さくなっていることである。すなわち、参照光領域２１の各画素の幅ｄ１が、信号光領域２２の各画素の幅ｄ２より小さくなっている。

図１に示したホログラフィック光情報記録再生装置でホログラム記録する際の、ホログラム媒体（ホログラムディスク５）内での光ビーム伝搬の様子を図２の概略断面図に示す。空間光変調素子２から出射された光は、空間光変調素子２の画素の幅ｄ１、ｄ２に応じた発散角を以て出射される。このときの発散角は、空間光変調素子２の画素の幅Ｄ（ｄ１又はｄ２）、レーザ光源１の波長をλとすると、２λ／Ｄで表され、空間光変調素子２の画素の幅に反比例する。

本実施の形態のホログラフィック光情報記録再生装置では、参照光領域２１の画素の幅ｄ１が信号光領域２２の画素の幅ｄ２より小さくなっており、参照光領域２１から出射される参照光の発散角が、信号光領域２２から出射される信号光の発散角より大きくなる。これによってホログラム記録材料５１中でのビームサイズが大きくなる。図２中斜線で示した部分は、参照光同士が干渉し、スペックルパターンが生成される領域であり、従来例の図１０に示したホログラム記録再生装置での同様の部分に比べて厚み方向にも幅方向にも大きくなっている。具体的には、干渉縞を生じる領域は、図中に斜線で示した横幅０．８ｍｍ、厚み方向高さ１．０ｍｍの三角形の領域である。図２中に数字で示した干渉領域の大きさを表す数値は、図１０と同様、光源波長４００ｎｍ、フーリエ変換レンズ３の開口数０．６の時の値を示している。

このように、本実施の形態のホログラフィック光情報記録再生装置では、参照光の干渉領域の体積が大きくとれるために、参照光の位置のわずかなずれによって信号光の光量が大きく低減され、より近接して多数のホログラムを記録及び／又は再生でき、ホログラムディスク５の記録容量を増大することができる。

ここで、空間光変調素子２の画素サイズを小さくする方法は、図３のように、画素の画素ピッチも併せて小さくする構成であっても、図４のように各画素の開口サイズのみを小さくする構成であってもよい。なお、図３及び図４では、図示を容易にするために参照光領域２１と信号光領域２２との境界を直線的に図示しているが、信号光領域２２が円形であり、参照光領域２１が円環形である場合は、参照光領域２１と信号光領域２２との境界は円形となり、この円形を近似する階段状の境界により参照光領域２１と信号光領域２２とが区分される。また、参照光領域２１と信号光領域２２との境界部分に光を遮断するブラックストライプ（黒い帯状領域）を適宜配置するようにしてもよい。

図３に示す空間光変調素子２では、参照光領域２１の画素ピッチＰ１は、信号光領域２２の画素ピッチＰ２の２分の１に設定され、参照光領域２１の画素７１は、信号光領域２２の画素７２より小さくなり、参照光領域２１の画素７１の開口８１の幅（縦方向の長さ及び横方向の長さ）は、信号光領域２２の画素７２の開口８２の幅（縦方向の長さ及び横方向の長さ）の２分の１に設定されている。

このように、図３の画素の画素ピッチも併せて小さくする構成では、参照光領域２１での光利用効率（平均的な光透過率）が低下しないという利点がある。なお、信号光領域２２の画素ピッチＰ２に対する参照光領域２１の画素ピッチＰ１の比は、上記の２分の１に特に限定されず、画素ピッチＰ１が画素ピッチＰ２より小さければ、他の値を用いてもよい。例えば、参照光領域２１の画素の一片の長さは、信号光領域２２の画素の一片の長さの整数分の１であることが好ましく、この場合、参照光領域２１及び信号光領域２２の各画素を高精度に製造することができる。

また、図４に示す空間光変調素子２ａでは、参照光領域２１ａの画素ピッチＰ１は、信号光領域２２の画素ピッチＰ２と同一であり、参照光領域２１ａの画素サイズは、信号光領域２２の画素サイズと同一であるが、参照光領域２１ａの画素７１ａの開口８１ａのサイズ（開口幅Ａ１×開口幅Ａ１（縦方向の長さ×横方向の長さ）は、信号光領域２２の画素７２の開口８２のサイズ（開口幅Ａ２×開口幅Ａ２（縦方向の長さ及び横方向の長さ）の２分の１に設定されている。

このように、図４のように各画素の開口サイズのみを小さくする構成では、空間光変調素子２ａの構成がより簡単になり、コストアップにならないという利点がある。なお、信号光領域２２の画素の開口サイズに対する参照光領域２１の画素の開口サイズの比は、上記の２分の１に特に限定されず、参照光領域２１の開口サイズが信号光領域２２の開口サイズより小さければ、他の値を用いてもよい。

また、図３及び図４では、開口形状が矩形（正方形）の例を示したが、開口サイズや画素ピッチが上記の関係を満たしていれば、開口の形状は矩形に限定されるものではない。例えば、円形の開口、四角形以外の多角形の開口、曲線形状からなる開口等であってもよい。

（実施の形態２）
本発明の実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置は、図５に概略断面図を示すような空間光変調素子２ｂを用いており、その他の点は、図１に示すホログラフィック記録再生装置と同様であるので、図示及び説明を省略する。

図５は、実施の形態２のホログラフィック光情報記録再生装置に用いられる空間光変調素子２ｂのうち、信号光領域２２と参照光領域２１とに跨った一部分の断面構造を表す図である。図５に示す空間光変調素子２ｂには、実施の形態１と同様に、レーザ光源１からの入射ビームＩＢが入射される。空間光変調素子２ｂでは、シリコン基板７８とガラス基板７３とに液晶層７４がサンドイッチされ、シリコン基板７８とガラス基板７３とは、液晶層７４を封止している。シリコン基板７８上の液晶層７４と接する部分には、光反射膜と、液晶駆動回路とが集積されているが、簡単のため、図５では省略している。ガラス基板７３の、液晶層７４と反対の面には、液晶の画素に対応して矩形形状の凹凸面９１、９２が形成されており、その凹凸面９１、９２にさらに透明樹脂層７６が装加されている。

ここで、空間光変調素子２ｂの参照光領域２１及び信号光領域２２の画素ピッチＰ１は同一であり、空間光変調素子２ｂの信号光領域２２の画素と、信号光領域２２の凹凸面９２の画素領域（凹凸パターンの単位領域）とが１対１に対応するように、信号光領域２２の凹凸面９２に凹凸パターンが形成されている。また、空間光変調素子２ｂの参照光領域２１の各画素と、参照光領域２１の凹凸面９１の複数の画素領域（凹凸パターンの単位領域）とが対応するように、参照光領域２１の凹凸面９１に凹凸パターンが形成されている。

また、参照光領域２１の凹凸面９１の凹凸パターン（凹凸の幅及び／又は高さ）は、信号光領域２２の凹凸面９２の凹凸パターン（凹凸の幅及び／又は高さ）より小さなパターンになるように、参照光領域２１の凹凸面９１及び信号光領域２２の凹凸面９２が形成されている。具体的には、参照光領域２１の凹凸面９１の凹凸の幅は、参照光領域２１の画素ピッチＰ１の２分の１、すなわち、信号光領域２２の凹凸面９２の凹凸の幅の２分の１に設定されている。

このとき、ガラス基板７３と透明樹脂層７６との屈折率が異なるために、凹凸面９１、９２の高さの異なる部分を経る光は、異なる位相変位を与えられる。その結果、ガラス基板７３と透明樹脂層７６との境界面（凹凸面９１、９２）を通過した光の位相波面が乱されるために、ガラス基板７３及び透明樹脂層７６は、拡散素子として働く。

この拡散機能を利用して、本実施の形態では、参照光領域２１の凹凸パターンをより小さなパターンにする、すなわち、参照光領域２１の凹凸面９１の凹凸パターン（凹凸の幅及び／又は高さ）を信号光領域２２の凹凸面９２の凹凸パターン（凹凸の幅及び／又は高さ）より小さなパターンにすることにより、参照光領域２１の凹凸面９１を通過する光ＥＢ１が信号光領域２２の凹凸面９２を通過する光ＥＢ２より大きく拡散される。

この結果、本実施の形態でも、参照光領域２１から出射される参照光ＥＢ１の発散角が、信号光領域２２から出射される信号光ＥＢ２の発散角より大きくなり、実施の形態１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。

なお、図５では、液晶層７４を封止するガラス基板７３を拡散素子として機能する拡散板としても用いたが、ガラス基板７３に平面基板を用い、この平板基板で液晶層７４を封止し、別の拡散板を空間光変調素子２ｂに近接して配置し、参照光領域２１に対向する拡散板の拡散角が、信号光領域２２に対向する拡散板の拡散角より大きくなるように拡散板に上記と同様の凹凸パターンを形成するようにしてもよい。また、ガラス基板７３と透明樹脂層７６との屈折率差を利用した例を示したが、屈折率の異なる透明材料であれば特定の材料に限定されるものではない。また、図５では、２種の基板（ガラス基板７３及び透明樹脂層７６）の境界面に凹凸形状を形成した例を示したが、透明樹脂層７６を省略し、ガラス基板７３と空気との屈折率差を利用する構成でもよい。また、拡散板は、ガラス基板に限るものではなく、一般に用いられる透明基板でもよい。これらの点は、後述する空間光変調素子でも同様である。

また、図５では、拡散板として機能するガラス基板７３及び透明樹脂層７６の凹凸面９１、９２が画素分割されており、それぞれの画素に対して異なる段差を持つ構造の拡散板を示したが、同様の効果は、図６に示すような、滑らかな表面形状を有する拡散板でも実現される。

図６は、実施の形態２のホログラフィック光情報記録再生装置に用いられる他の空間光変調素子２ｃのうち、信号光領域２２と参照光領域２１とに跨った一部分の断面構造を表す図である。図６に示す空間光変調素子２ｃでは、シリコン基板７８とガラス基板７３ａとに液晶層７４がサンドイッチされている。シリコン基板７８上の液晶層７４と接する部分には、光反射膜と、液晶駆動回路とが集積されているが、簡単のため、図６でも省略している。ガラス基板７３ａの、液晶層７４と反対の面には、連続曲線からなる滑らかな表面形状を有する凹凸面９１ａ、９２ａが形成されており、その凹凸面９１ａ、９２ａにさらに透明樹脂層７６ａが装加されている。

ここで、空間光変調素子２ｃの参照光領域２１及び信号光領域２２の画素ピッチＰ１は同一であるが、参照光領域２１の凹凸面９１ａの粒状性が信号光領域２２の凹凸面９２ａの粒状性より細かくなるように、すなわち、参照光領域２１の凹凸面９１ａの滑らかな凹凸パターン（波形の凹凸の周期及び／又は振幅）は、信号光領域２２の凹凸面９２ａの滑らかな凹凸パターン（波形の凹凸の周期及び／又は振幅）より小さなパターンになるように、参照光領域２１の凹凸面９１ａ及び信号光領域２２の凹凸面９２ａが形成されている。具体的には、参照光領域２１の凹凸面９１ａの凹凸の基本周期は、信号光領域２２の凹凸面９２ａの基本周期の２分の１に設定されている。

このとき、ガラス基板７３ａと透明樹脂層７６ａとの屈折率が異なるために、凹凸面９１ａ、９２ａの高さの異なる部分を経る光は、異なる位相変位を与えられる。その結果、ガラス基板７３ａと透明樹脂層７６ａとの境界面（凹凸面９１ａ、９２ａ）を通過した光の位相波面が乱されるために、ガラス基板７３ａ及び透明樹脂層７６ａは、拡散素子として働く。

この拡散機能を利用して、本実施の形態では、図６に示すように、参照光領域２１と信号光領域２２とで滑らかな凹凸形状の粒状性が異なり、参照光領域２１の凹凸面９１ａの滑らかな凹凸形状の粒状性が、信号光領域２２の凹凸面９２ａの滑らかな凹凸形状の粒状性より細かく設定されている。この場合、参照光領域２１の凹凸面９１ａでは、面内方向により微細な凹凸形状をなしており、大きな広がり角で光が拡散される。

すなわち、参照光領域２１の凹凸面９１ａの滑らかな凹凸パターン（波形の凹凸の周期及び／又は振幅）を信号光領域２２の凹凸面９２ａの滑らかな凹凸パターン（波形の凹凸の周期及び／又は振幅）より微細なパターン（より傾斜が急になるパターン）にすることにより、参照光領域２１の凹凸面９１ａを通過する光ＥＢ１が信号光領域２２の凹凸面９２ａを通過する光ＥＢ２より大きく拡散される。

この結果、図６に示す空間光変調素子２ｃでも、参照光領域２１から出射される参照光ＥＢ１の発散角が、信号光領域２２から出射される信号光ＥＢ２の発散角より大きくなり、実施の形態１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。また、図６に示す空間光変調素子２ｃでは、位相変位の不連続点がないために、大きな角度で拡散される成分が低減され、光利用効率が向上する利点がある。

また、拡散板の構成は、上記の例に特に限定されず、面内方向に同等の粒状性を持つ凹凸形状で且つ参照光領域２１においてより深い凹凸形状を有する拡散板を用いてもよい。この場合にも、表面の凹凸形状の各部の傾斜がより大きくなり、参照光領域２１において、上記と同様に信号光領域２２よりも大きな広がり角で光が拡散される。

また、図６に示す空間光変調素子２ｃの拡散板として機能するガラス基板７３ａ及び透明樹脂層７６ａでは、同一の表面形状をもつ多数の拡散板を精度よく製造するために、複雑な表面形状の計測及び製造工程の管理が必要になるのに対して、図５に示す空間光変調素子２ｂのような画素分割された拡散板として機能するガラス基板７３及び透明樹脂層７６では、各段差の高さを管理すれば、同一の表面形状を持つ拡散板を精度よく量産できる利点がある。

（実施の形態３）
本発明の実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置は、図７に概略断面図を示すような空間光変調素子２ｄを用いており、その他の点は、図１に示すホログラフィック光情報記録再生装置と同様であるので、図示及び説明を省略する。

図７は、実施の形態３のホログラフィック光情報記録再生装置に用いられる空間光変調素子２ｄのうち、信号光領域２２と参照光領域２１とに跨った一部分の断面構造を表す図である。図７に示す空間光変調素子２ｄでは、シリコン基板７８とガラス基板７３ｂとに液晶層７４がサンドイッチされている。シリコン基板７８上の液晶層７４と接する部分には、光反射膜と、液晶駆動回路とが集積されているが、簡単のため、図７では省略している。ガラス基板７３ｂの、液晶層７４と反対の面には、液晶の画素に１対１に対応して表面形状がレンズ形状になっている凸状曲面部分がレンズ面９１ｂ、９２ｂに形成されており、そのレンズ面９１ｂ、９２ｂにさらに透明樹脂層７６ｂが装加されている。

ここで、ガラス基板７３ｂと透明樹脂層７６ｂとの屈折率が異なるために、ガラス基板７３ｂ及び透明樹脂層７６ｂのレンズ面９１ｂ、９２ｂは、それぞれの画素に入射する光を集光するようなマイクロレンズアレイとして働き、レンズ面９１ｂ、９２ｂの各凸状曲面部分は、マイクロレンズアレイの要素レンズとして機能する。空間光変調素子２ｄの参照光領域２１及び信号光領域２２の画素ピッチＰ１は同一であるが、参照光領域２１のレンズ面９１ｂにより形成される各要素レンズの焦点距離は、信号光領域２２のレンズ面９２ｂにより形成される各要素レンズの焦点距離より短くなるように、参照光領域２１のレンズ面９１ｂ及び信号光領域２２のレンズ面９２ｂに凸状曲面部分が形成されている。具体的には、参照光領域２１のレンズ面９１ｂの凸状曲面部分の焦点距離は、信号光領域２２のレンズ面９２ｂの凸状曲面部分の焦点距離の２分の１に設定されている。

このように、本実施の形態では、参照光領域２１のレンズ面９１ｂにより形成される各要素レンズの焦点距離を信号光領域２２のレンズ面９２ｂにより形成される各要素レンズの焦点距離より短くすることにより、参照光領域２１のレンズ面９１ｂを通過する光ＥＢ１が信号光領域２２のレンズ面９２ｂを通過する光ＥＢ２より大きく拡散される。

この結果、本実施の形態でも、参照光領域２１から出射される参照光ＥＢ１の発散角が、信号光領域２２から出射される信号光ＥＢ２の発散角より大きくなり、実施の形態１で説明した効果と同様の効果を得ることができる。また、図７に示す空間光変調素子２ｄを用いた場合には、空間光変調素子２ｄの各画素間で遮断される光が低減され、光の利用効率が向上するという利点がある。

なお、図７では、液晶層７４を封止するガラス基板７３ｂをマイクロレンズアレイとしても機能させたが、ガラス基板７３ｂに平面基板を用い、この平板基板で液晶層を封止し、別のマイクロレンズアレイを近接して配置し、参照光領域２１に対向するマイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離が、信号光領域２２に対向するマイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離より短くなるようにしてもよい。また、ガラス基板７３ｂと透明樹脂層７６ｂとの屈折率差を利用した例を示したが、屈折率の異なる透明材料であれば、特定の材料に限定されるものではない。また、図７では、２種の基板（ガラス基板７３ｂ及び透明樹脂層７６ｂ）の境界面にレンズ形状を持たせた例を示したが、透明樹脂層７６ｂを省略し、ガラス基板７３ｂと空気との屈折率差を利用する構成でもよい。

（実施の形態４）
本発明の実施の形態４におけるホログラフィック光情報記録再生装置は、図８に概略断面図を示すような空間光変調素子２ｅを用いており、その他の点は、図１に示すホログラフィック光情報記録再生装置と同様であるので、図示及び説明を省略する。

図８は、実施の形態４のホログラフィック光情報記録再生装置に用いられる空間光変調素子２ｅのうち、信号光領域２２と参照光領域２１とに跨った一部分の断面構造を表す図である。図８に示す空間光変調素子２ｅでは、シリコン基板７８と平板状のガラス基板７３ｃとに第１の液晶層７４ａがサンドイッチされ、シリコン基板７８とガラス基板７３ｃとは、液晶層７４ａを封止している。また、ガラス基板７３ｃと平板状のガラス基板７３ｄとに第２の液晶層７４ｂがサンドイッチされ、ガラス基板７３ｃとガラス基板７３ｄとは、液晶層７４ｂを封止している。

図５に示す空間光変調素子２ｂは、液晶層７４により光の強度を変調し、凹凸を設けたガラス基板７３と透明樹脂層７６との境界面で光の位相を変調する構成を有していたが、本実施の形態の空間光変調素子２ｅでは、第１の液晶層７４ａは、図５に示す液晶層７４と同じく光の強度を変調し、第２の液晶層７４ｂは、液晶層の上面と下面とが平行な方向に配向された、いわゆるホモジニアス配向と呼ばれる構成を有しており、図示しない制御回路から印加される電圧に応じて光の位相のみを変調する。

ここで、空間光変調素子２ｅの第１の液晶層７４ａにおける参照光領域２１及び信号光領域２２の画素ピッチＰ１は同一であるが、第２の液晶層７４ｂは、参照光領域２１に位置する参照光領域側液晶層１０１と、信号光領域２２に位置する信号光領域側液晶層１０２とに分割されている。第２の液晶層７４ｂは、参照光領域側液晶層１０１による参照光の位相変化量が信号光領域側液晶層１０２による信号光の位相変化量より大きくなるように、印加される電圧に応じて光の位相のみを変調し、参照光領域側液晶層１０１を通過する光ＥＢ１が信号光領域側液晶層１０２を通過する光ＥＢ２より大きく拡散される。

この結果、本実施の形態でも、参照光領域２１から出射される参照光ＥＢ１の発散角が、信号光領域２２から出射される信号光ＥＢ２の発散角より大きくなり、図５に示す拡散板を用いた構成と同様の効果を得ることができる。

また、図８に示す空間光変調素子２ｅの構成と図５に示す空間光変調素子２ｂの構成の違いは、以下の如くである。すなわち、図５に示す空間光変調素子２ｂの構成では、ガラス基板７３の凹凸の深さ（高さ）には、基板作成時の製造誤差や、環境温度の変化による位相変調深さの誤差が発生する場合があり、これらの誤差が再生信号のＳ／Ｎ比の劣化の原因となる。それに対して、図８に示す空間光変調素子２ｅの構成では、印加電圧によって位相変調量を調整できるため、環境温度の変化等に対して印加電圧を適切な値に調整し、上記の誤差を補償することができる。この結果、本実施の形態では、常に最適な位相変化量を得ることができ、ひいてはＳ／Ｎ比の高い安定な信号再生が可能となる。

以上のすべての実施の形態では、反射型の空間光変調素子を用いた構成で説明したが、透明基板で液晶層をサンドイッチした構成の透過型空間光変調素子を用いた構成にも、本発明のホログラム記録再生装置は適用可能である。

また、以上のすべての実施の形態では、空間光変調素子の内側に信号光領域があり、その周辺部に参照光領域がある構成で説明したが、例えば、左右に領域を２分割してそれぞれ信号光領域と参照光領域とする構成など、領域分割の形状によらず、本発明のホログラム記録再生装置は有効である。また、参照光領域と信号光領域とが同一の空間光変調素子上に配置される構成で説明したが、信号光と参照光とで別個の空間光変調素子を用いる構成でも、本発明のホログラム記録再生装置は有効である。

さらに、以上のすべての実施の形態では、参照光領域が空間光変調素子上に設けられる構成で説明したが、参照光のビームパターンは、各ホログラムに対して変化させる必要がないため、参照光領域として、例えば、フォトマスクのような固定パターンの空間光変調素子を用いてもよい。

本発明に係るホログラム記録再生装置は、再生信号の品質が向上するとともに、多数のホログラムが記録でき、記録容量が拡大されるという特徴を有し、計算機の外部記憶装置や、映像音響情報記憶装置等として有用である。

本発明の実施の形態１におけるホログラフィック光情報記録再生装置の概略構成図である。 本発明の実施の形態１におけるホログラフィック光情報記録再生装置でのホログラム媒体内での光ビームの様子を表す図である。 本発明の実施の形態１に用いられる空間光変調素子の一例の平面概略構成を表す図である。 本発明の実施の形態１に用いられる空間光変調素子の他の例の平面概略構成を表す図である。 本発明の実施の形態２におけるホログラフィック光情報記録再生装置に用いられる空間光変調素子の一例の断面概略構成を表す図である。 本発明の実施の形態２に用いられる空間光変調素子の他の例の断面概略構成を表す図である。 本発明の実施の形態３におけるホログラフィック光情報記録再生装置に用いられる空間光変調素子の一例の断面概略構成を表す図である。 本発明の実施の形態４におけるホログラフィック光情報記録再生装置に用いられる空間光変調素子の一例の断面概略構成を表す図である。 従来のホログラム記録再生装置の概略構成図である。 従来のホログラム記録再生装置でのホログラムディスク内での光ビームの様子を表す図である。

符号の説明

１ レーザ光源
２、２ａ〜２ｅ 空間光変調素子
３ フーリエ変換レンズ
４ ４分の１波長板
５ ホログラムディスク
６ ２次元受光素子アレイ
７ コリメート光学系
８ 偏光ビームスプリッタ
９ アイソレータ
２１、２１ａ 参照光領域
２２ 信号光領域
５１ ホログラム記録材料
７１、７１ａ、７２ 画素
８１、８１ａ、８２ 画素開口
７３、７３ａ〜７３ｄ ガラス基板
７４、７４ａ、７４ｂ 液晶層
７６、７６ａ、７６ｂ 透明樹脂層
７８ シリコン基板

Claims (8)

1. コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源からの光を空間的に変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子で変調された光をホログラム媒体に集光するフーリエ変換レンズと
   前記空間光変調素子に近接して配置される拡散板と
   を備え、
   前記空間光変調素子は、参照光領域と信号光領域とに分割され、
   前記参照光領域から出射される参照光の発散角は、前記信号光領域から出射される信号光の発散角より大きく、
   前記参照光領域に対向する前記拡散板の拡散角は、前記信号光領域に対向する前記拡散板の拡散角より大きく、
   前記拡散板は、通過する光に異なる位相変位を与える複数の画素領域に分割されており、
   前記信号光領域において、前記空間光変調素子の画素と前記拡散板の画素領域とが１対１に対応しており、前記参照光領域において、前記空間光変調素子の各画素に前記拡散板の複数の画素領域が対応していることを特徴とするホログラム記録装置。
2. 前記参照光領域及び前記信号光領域は、複数の画素に分割されており、
   前記参照光領域の画素の開口は、前記信号光領域の画素の開口より小さいことを特徴とする請求項１記載のホログラム記録装置。
3. 前記参照光領域の画素は、前記信号光領域の画素より小さいことを特徴とする請求項２記載のホログラム記録装置。
4. 前記参照光領域の画素の一片の長さは、前記信号光領域の画素の一片の長さの整数分の１であることを特徴とする請求項３記載のホログラム記録装置。
5. コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源からの光を空間的に変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子で変調された光をホログラム媒体に集光するフーリエ変換レンズと
   前記空間光変調素子に近接して配置される拡散板と
   を備え、
   前記空間光変調素子は、参照光領域と信号光領域とに分割され、
   前記参照光領域から出射される参照光の発散角は、前記信号光領域から出射される信号光の発散角より大きく、
   前記参照光領域に対向する前記拡散板の拡散角は、前記信号光領域に対向する前記拡散板の拡散角より大きく、
   前記空間光変調素子は、液晶層を封止する少なくとも一つの透明基板を含み、
   前記透明基板は、前記拡散板として機能する凹凸面を有し、
   前記参照光領域に対向する前記凹凸面の拡散角は、前記信号光領域に対向する前記凹凸面の拡散角より大きく、
   前記凹凸面は、矩形形状の凹凸面を含み、
   前記参照光領域に対向する前記凹凸面の凹凸の幅及び／又は高さは、前記信号光領域に対向する前記凹凸面の凹凸の幅及び／又は高さより小さいことを特徴とするホログラム記録装置。
6. コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源からの光を空間的に変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子で変調された光をホログラム媒体に集光するフーリエ変換レンズと
   を備え、
   前記空間光変調素子は、参照光領域と信号光領域とに分割され、
   前記参照光領域から出射される参照光の発散角は、前記信号光領域から出射される信号光の発散角より大きく、
   前記参照光領域及び前記信号光領域は、複数の画素に分割されており、
   前記複数の画素に対応して設けられた複数の要素レンズを有し、前記空間光変調素子に近接して配置されるマイクロレンズアレイをさらに備え、
   前記参照光領域に対向する前記マイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離は、前記信号光領域に対向する前記マイクロレンズアレイの要素レンズの焦点距離より短いことを特徴とするホログラム記録装置。
7. 前記空間光変調素子は、液晶層を封止する少なくとも一つの透明基板を含み、
   前記透明基板は、前記マイクロレンズアレイの要素レンズとして機能する凸状曲面部分を有し、
   前記参照光領域に対向する前記凸状曲面部分の焦点距離は、前記信号光領域に対向する前記凸状曲面部分の焦点距離より短いことを特徴とする請求項６記載のホログラム記録装置。
8. コヒーレント光源と、
   前記コヒーレント光源からの光を空間的に変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子で変調された光をホログラム媒体に集光するフーリエ変換レンズと
   を備え、
   前記空間光変調素子は、参照光領域と信号光領域とに分割され、
   前記参照光領域から出射される参照光の発散角は、前記信号光領域から出射される信号光の発散角より大きく、
   前記空間光変調素子は、光の強度を変調する第１の液晶層と、光の位相を変調する第２の液晶層とを含み、
   前記第２の液晶層は、前記参照光領域に位置する参照光領域側液晶層と、前記信号光領域に位置する信号光領域側液晶層とに分割され、
   前記参照光領域側液晶層における光の位相変化量は、前記信号光領域側液晶層における光の位相変化量より大きいことを特徴とするホログラム記録装置。

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