JP5517912B2

JP5517912B2 - 光情報記録再生方法、及び光情報記録再生装置

Info

Publication number: JP5517912B2
Application number: JP2010289124A
Authority: JP
Inventors: 拓星沢
Original assignee: Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Current assignee: Hitachi Consumer Electronics Co Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012138149A

Description

本発明は、光情報記録媒体を記録、光情報記録媒体から情報を再生する光情報記録再生方法や装置、特にホログラフィックメモリ装置に関する。

現在、青紫色半導体レーザを用いたＢｌｕ−ｒａｙＤｉｓｃ（ＢＤ）規格などにより、５０ＧＢ程度の記録容量を持つ光ディスクが商品化されている。光ストレージ分野では今後、ＨＤＤ（ＨａｒｄＤｉｓｃＤｒｉｖｅ）と同程度の１００ＧＢ〜１ＴＢ程度の記録容量を持つ大容量の光ディスクへの期待が高まっている。

しかしながら、このような大容量を光ディスクで実現するためには、今までの様な短波長化と対物レンズ高ＮＡ化による従来の高密度技術のトレンドとは異なった新しいストレージ技術が必要となる。

次世代の光ストレージ技術に関する研究が行われる中、ホログラフィを利用してデジタル情報を記録するホログラム記録技術が注目を集めている。

ホログラム記録技術とは、空間光変調器により２次元的に変調されたページデータの情報を有する信号光と、参照光とを記録媒体の内部で重ね合わせ、その時に生じる干渉縞パターンによって記録媒体内に屈折率変調を生じさせることで情報を記録する技術である。

また情報の再生時には、記録時に用いた参照光を同じ配置で記録媒体に照射すると、記録媒体中に記録されているホログラムが回折格子のように作用して回折光を生じる。この回折光が記録した信号光と位相情報を含めて同一の光として再生される。

再生された信号光は、ＣＭＯＳやＣＣＤなどの光検出器を用いて２次元的に高速に検出される。このようにホログラム記録では、１つのホログラムで２次元的な情報を同時に記録／再生され、また同じ場所に複数のページデータを重ね書きすることができるため、大容量かつ高速な情報の記録再生に有効である。

ホログラム記録技術として、例えば特開２００４−２７２２６８号公報（特許文献１）がある。本公報には、信号光束をレンズで光情報記録媒体に集光すると同時に、平行光束の参照光を照射して干渉させてホログラムの記録を行い、さらに参照光の光記録媒体への入射角度を変えながら異なるページデータを空間光変調器に表示して多重記録を行う、いわゆる角度多重記録方式が記載されている。

またホログラム記録技術の大容量化の手段として、例えば信号光の各画素に多値の位相情報を付加する方法が提案されている（非特許文献１）。

特開２００４−２７２２６８号公報

H.Noichi, H.Horimai, P.B.Lim, K.Watanabe and M.Inoue, "Collinear phase-lock holography for memories of the next generation" IWHM 2008 Digests, 42-43 (2008).

ところで、非特許文献１には、各画素に多値の位相情報を付加したページデータを記録、および該ページデータの各画素に付加された位相情報を検出する検出手段を有するホログラフィックメモリ装置の具体的な構成および信号処理方法に関しては、開示されていない。また、本文献には、位相情報を２次元のページデータに配置することで起こる画素境界における干渉による弱めあいが起因する位相検出誤差を抑えるための方法についても開示されていない。

そこで、本発明の目的は、２次元のページデータの画素境界における位相検出誤差を抑え、良好な品質で位相情報を検出可能なホログラフィックメモリ装置を提供することである。

本発明は上記課題を鑑みたものであり、その一例として、特許請求の範囲記載の構成により解決される。

本発明によれば、２次元のページデータの画素境界における位相検出誤差を抑え、良好な信号品質で位相情報を検出可能なホログラフィックメモリ装置を提供することができる。

光ピックアップ装置の記録時の状態を示す概略図光ピックアップ装置の再生時の状態を示す概略図カメラ上の画素と回折光およびオシレーター光の位置関係を示す概略図ホログラフィックメモリ装置の概略図オシレーター光の位相状態を示す概略図ページデータの位相分布を示す概略図光の位相差と強度の関係を示すグラフ位相情報を持つページデータの光の強度を示す概略図位相情報を持つページデータの各画素に付加する位相オフセットの量を示す概略図

本発明は、位相情報を付加したページデータを記録、および該ページデータの各画素に付加された位相情報を検出し情報を再生できる位相多値記録／再生対応のホログラフィックメモリ装置に関するものである。以下、本発明の実施例について説明する。

図１は本実施例における光ピックアップ装置６０を示した概略図であり、記録時の様子を示したものである。光源２０１を出射した光ビームはコリメートレンズ２０２を透過し、シャッタ２０３に入射する。シャッタ２０３が開いている時は、光ビームはシャッタ２０３を通過した後、例えば２分の１波長板などで構成される偏光方向変換素子２０４によってＰ偏光とＳ偏光の光量比が所望の比になるように偏光方向を制御された後、偏光ビームスプリッタ２０５に入射する。

偏光ビームスプリッタ２０５を透過した光ビームは、ビームエキスパンダ２３０によって光ビーム径を拡大された後、偏光方向変換素子２０９、偏光ビームスプリッタ２１０、および偏光ビームスプリッタ２１１を経由して空間光変調器２１２に入射し、空間光変調器２１２によって例えば図６に示すように画素毎に位相情報が付加されたページデータとなる。ここでページデータ内の位相分布は、例えば光情報記録媒体１のフーリエ面上の光強度分布においてＤＣ強度（いわゆるホットスポット）を除去するような位相分布にする。一例としては、０°、９０°、１８０°と２７０°の４種の位相情報を用いる場合には各画素に付加した位相の平均値がπとなるような位相分布とする。別の例として０°と１８０°の２種の位相情報を用いる場合には、各画素に付加した位相の平均値が０．５πまたは１．５πとなるような位相分布とする。また別の例としては、１つのページ内において位相＝０を基準に位相をランダマイズした画素数と位相πを基準に位相をランダマイズした画素数が等しくなるようにする。この様にすることで、従来、ＤＣ強度を低減するために用いられていた位相マスクを削除する事ができる。

なお空間光変調器２１２は位相変調の機能のみを有する空間光変調器に限定されるものではない。空間光変調器２１２に振幅変調の機能を持たせることで、空間的に振幅の変調も可能となる。

空間光変調器２１２によってページデータとなった信号光２０６は偏光ビームスプリッタ２１１を反射し、リレーレンズ２１３ならびに空間フィルタ２１４を伝播する。その後、信号光２０６は無偏光ビームスプリッタ２２９を透過後、対物レンズ２１５によって光情報記録媒体１に集光する。

一方、偏光ビームスプリッタ２０５を反射した光ビームは参照光２０７として働き、偏光方向変換素子２１６によって記録時または再生時に応じて所定の偏光方向に設定された後、ミラー２１７ならびにミラー２１８を経由して、ミラー２１９に入射する。なおミラー２１９はアクチュエータ２２０によって角度を調整可能であり、レンズ２２１とレンズ２２２を通過した後に光情報記録媒体１に入射する。

このように信号光２０６と参照光２０７を光情報記録媒体１において、互いに重ね合うように入射させることで、記録媒体内には干渉縞パターンが形成され、このパターンを記録媒体に書き込むことで情報を記録する。またミラー２１９によって光情報記録媒体１に入射する参照光２０７の入射角度を変化させることができるため、角度多重による記録が可能である。

図２は本実施例において再生時の様子を示したものである。記録時と同様の光路をたどって、参照光２０７が光情報記録媒体１に入射する。本実施例では位相共役光による再生の方法をとっており、アクチュエータ２２３によって駆動されるミラー２２４を反射して再度、光情報記録媒体１に入射する参照光２０７を用いて情報を再生する。光情報記録媒体１から回折された回折光２３１は対物レンズ２１５、無偏光ビームスプリッタ２２９、リレーレンズ２１３、空間フィルタ２１４、偏光ビームスプリッタ２１１を介して、カメラ２２５に入射する。

また、カメラ２２５において回折光２３１と干渉させるオシレーター光２０８を生成するため、偏光方向変換素子２０４によって偏光方向が制御され、所望の光量が偏光ビームスプリッタ２０５を透過する。偏光ビームスプリッタ２０５を透過したオシレーター光２０８は、ビームエキスパンダ２３０を透過した後、偏光方向変換素子２０９によって偏光方向が制御され、偏光ビームスプリッタ２１０を反射する。その後、オシレーター光２０８は、２分の１波長板２２６によって偏光方向が９０度回転し、ミラー２２７を反射した後、空間光変調器２２８に入射する。空間光変調器２２８では、所定の基準位相に加えて、該基準位相に対して９０度、１８０度、２７０度異なる少なくとも４つの位相をオシレーター光２０８に付加する。無偏光ビームスプリッタ２２９を反射したオシレーター光２０８は、リレーレンズ２１３、空間フィルタ２１４、偏光ビームスプリッタ２１１を介してカメラ２２５に入射し、前述した回折光２３１と重ね合わさって干渉する。

図３は、カメラ２２５における画素の配置、回折光２３１およびオシレーター光２０８
の位置関係を示した概略図である。なお図３は、位相変調に加えて振幅変調を行ったページデータを示しているが、振幅変調を行わないホワイトページデータであっても構わない。カメラ上の画素は、ページデータの各画素に対して少なくとも４つの画素でオーバーサンプリングする様に画素が配置されており、前述した４つの位相（基準位相（本実施例では便宜上、０°とする）、基準位相＋９０°、基準位相＋１８０°、基準位相＋２７０°）を付加された前記オシレーター光２０８が、オーバーサンプリングを行う前記４つの画素の各々の画素に入射する構成となっている。ここで図中において用いたI₁とI₂は、基準位相を付加したオシレーター光２０８が入射する画素からの出力値から基準位相＋１８０°を付加したオシレーター光２０８が入射する画素からの出力値を引いた値をI₁、基準位相＋２７０°を付加したオシレーター光２０８が入射する画素からの出力値から基準位相＋９０°を付加したオシレーター光２０８が入射する画素からの出力値を引いた値をI₂としている。

なお便宜上、図３はカメラ２２５の一部の画素に対する回折光２３１およびオシレーター光２０８の位置関係を描写しているが、基本的に本発明ではオーバーサンプリングに用いる４つの画素の全ての組み合わせに対して、同様の位置関係が成り立つものとする。

なおオーバーサンプリングに用いる少なくとも４つの画素に入射するオシレーター光２０８の位相状態は、前述した４つの位相状態（便宜上、４つの位相状態をａ，ｂ，ｃ，ｄと置く。）が図５（ａ）の様な位置関係でも良いし、または図５（ｂ）の様な位置関係でも良い。図５（ｂ）の構成とすることで、隣り合う４つの画素で同じ位相状態とする事ができ、合理化できる。

この様な構成とすることで、干渉計などで一般的に用いられているフリンジスキャン法の原理を用いて、各画素に入射する回折光２３１とオシレーター光２０８に付加した基準位相との位相差Δφを図３で定義したI₁とI₂を用いて（数１）によって算出することが出来るので、ページデータの各画素に付加された位相情報を検出する事ができる。

図７は光の位相差と強度の関係を示した図である。同じ振幅幅を持つ2つの光が逆相（位相差が 180°又はπ）である場合、干渉による弱めあいが発生し波は互いに打ち消しあうため、干渉後の光の振幅は０となる。そのため空間光変調器２１２やカメラ２２５上で隣接する２つの画素の位相関係が逆相である場合、図８の（ａ）が示すように画素境界において、干渉による弱めあいが発生してしまう。各画素の位相検出は図３で示したようにオーバーサンプリングした画素の強度からフリンジスキャン法で行うため、位相検出誤差を抑えるためには、各画素間の干渉による強度変化を最小にする、又は均等にすることが望ましい。そこで画素間の干渉による強度変化を均等化するための方法を、図９を用いて説明する。

図９は空間光変調器２１２でページデータに加える位相のオフセット量を表している。本図において、０°はオフセットなしを示し、φは画素間の最小位相差の１／２の量のオフセットを与えることを示している。例えば、０°と１８０°を用いて２値状態を示す場合、画素間の位相差は１８０°となるため、φは９０°となる。また０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの位相を用いる場合、最小位相差は９０°になるため、φは４５°となる。

図９が示すように、縦横に並ぶ画素で交互に異なる位相オフセットをページデータに加えることで画素間の干渉による強度変化を均等化できる。一例として、図８を用いて説明すると、（ａ）のように０°と１８０°の２値を記録したページデータの場合、０°と１８０°の位相を持つ画素が隣接する画素境界で干渉による弱めあいが発生する。また一方、同位相の０°同士や１８０°同士の位相を持つ画素が隣接する画素境界では干渉の発生は起こらない。そのため真ん中の位相０°の画素を図３のフリンジスキャン法で求めると、I₁とI₂がそれぞれ理論値からずれるため基準位相との位相差Δφを（数１）によって算出すると誤差を含んだ位相情報が検出される。

そこで、図９の位相オフセットを用いて、真ん中の画素を含む一部の画素に９０°位相オフセットを加える。すると（ｂ）が示すように全画素間の位相差は９０°となり、全画素境界で均一の干渉による弱めあいを発生させることができる。結果、I₁とI₂の理論値からのずれ量は同じになり、基準位相との位相差Δφを（数１）によって算出すると理論値同様の位相情報が検出できる。

また０°、９０°、１８０°、２７０°の４つの位相を用いる場合、画素間の位相差の幅は０°から１８０°であったのに対し、φが４５°の図９の位相オフセットを加えることで画素間の位相差の幅を４５°または１３５°に狭めることが可能となる。

なお、本発明はこれに限定されず、注目する画素とその隣接する画素との位相差がπとならないように、位相オフセットをページデータに加えればよい。

図４はホログラフィを利用してデジタル情報を記録および／または再生するホログラフィックメモリ装置の全体的な構成を示したものである。ホログラフィックメモリ装置は、例えば図１や図４に示すような構成の光ピックアップ装置６０、ディスクＣｕｒｅ光学系８０、ディスク回転角度検出用光学系９０ならびに回転モータ７０を備えており、光情報記録媒体１は回転モータ７０によって回転可能な構成となっている。

光ピックアップ装置６０は、参照光と信号光を光情報記録媒体１に出射してホログラフィを利用してデジタル情報を記録する役割を果たす。
この際、記録する情報信号はコントローラ８９によって信号生成回路８６を介して光ピックアップ装置６０内の空間光変調器２１２に送り込まれ、信号光はこの空間光変調器２１２によって変調される。

光情報記録媒体１に記録した情報を再生する場合は、参照光の位相共役光を用いて再生する。ここで位相共役光とは、入力光と同一の波面を保ちながら逆方向に進む光波のことである。該位相共役光によって再生される再生光を光ピックアップ装置６０内のカメラ２２５によって検出し、信号処理回路８５によって信号を再生する。

光情報記録媒体１に照射する参照光と信号光の照射時間は、光ピックアップ装置６０内のシャッタ２０３の開閉時間をコントローラ８９によってシャッタ制御回路８７を介して制御することで調整できる。

ディスクＣｕｒｅ光学系８０は、光情報記録媒体１のプリキュアおよびポストキュアに用いる光ビームを生成する役割を果たす。ここでプリキュアとは、光情報記録媒体１内の所望の位置に情報を記録する際、該所望位置に参照光と信号光を照射する前に予め所定の光ビームを照射する前工程の事である。またポストキュアとは、光情報記録媒体１内の所望の位置に情報を記録した後、該所望の位置に追記不可能とするために所定の光ビームを照射する後工程の事である。

ディスク回転角度検出用光学系９０は、光情報記録媒体１の回転角度を検出するために用いられる。光情報記録媒体１を所定の回転角度に調整する場合は、ディスク回転角度検出用光学系９０によって回転角度に応じた信号を検出し、検出された信号を用いてコントローラ８９によってディスク回転モータ制御回路８８を介して光情報記録媒体１の回転角度を制御する事が出来る。

光源駆動回路８２からは所定の光源駆動電流が光ピックアップ装置６０、ディスクＣｕｒｅ光学系８０、ディスク回転角度検出用光学系９０内の光源に供給され、各々の光源からは所定の光量で光ビームを発光することができる。
また、光ピックアップ装置６０、ディスクＣｕｒｅ光学系８０は、光情報記録媒体１の半径方向に位置をスライドできる機構が設けられており、アクセス制御回路８１を介して位置制御がおこなわれる。
ところでホログラフィを利用した記録技術は、超高密度な情報を記録可能な技術であるがゆえに、例えば光情報記録媒体１の傾きや位置ずれに対する許容誤差が極めて小さくなる傾向がある。それゆえ光ピックアップ装置６０内に、例えば光情報記録媒体１の傾きや位置ずれ等、許容誤差が小さいずれ要因のずれ量を検出する機構を設けて、サーボ信号生成回路８３にてサーボ制御用の信号を生成し、サーボ制御回路８４を介して該ずれ量を補正するためのサーボ機構をホログラフィクメモリ装置内に備えても良い。また光ピックアップ装置６０、ディスクＣｕｒｅ光学系８０、ディスク回転角度検出用光学系９０は、いくつかの光学系構成または全ての光学系構成をひとつに纏めて簡素化しても構わない。

なお、本発明は、角度多重方式には限定されず、例えばシフト多重方式にも適用することができる。

以上のように、２次元のページデータの画素境界における位相検出誤差を抑え、良好な信号品質で位相情報を検出可能なホログラフィックメモリ装置を提供することでができる。

1・・・光情報記録媒体、60・・・光ピックアップ装置、70・・・回転モータ、
80・・・ディスクキュア光学系、81・・・アクセス制御回路、
82・・・光源駆動回路、83・・・サーボ信号生成回路、
84・・・サーボ制御回路、85・・・信号処理回路、86・・・信号生成回路、
87・・・シャッタ制御回路、88・・・ディスク回転モータ制御回路、
89・・・コントローラ、90・・・ディスク回転角度検出用光学系、
201・・・光源、202・・・コリメートレンズ、
203・・・シャッタ、204・・・偏光方向変換素子、205・・・偏光ビームスプリッタ、
206・・・信号光、207・・・参照光、208・・・オシレーター光、209・・・偏光方向変換素子、
210・・・偏光ビームスプリッタ、211・・・偏光ビームスプリッタ、212・・・空間光変調器、
213・・・リレーレンズ、214・・・空間フィルタ、215・・・対物レンズ、
216・・・偏光方向変換素子、217・・・ミラー、218・・・ミラー、219・・・ミラー、
220・・・アクチュエータ、221・・・レンズ、222・・・レンズ、223・・・アクチュエータ、
224・・・ミラー、225・・・カメラ、226・・・1／2波長板、227・・・ミラー
228・・・空間光変調器、229・・・無偏光性ビームスプリッタ、230・・・ビームエキスパンダ、
231・・・回折光、250・・・光学素子、251・・・光学素子

Claims

２次元のページデータを記録媒体に記録、および該記録したページデータを再生する光情報記録再生方法において、
情報を記録するとき、信号光の画素にＮ種（Ｎ：２以上の整数）の位相情報を付加してページデータを生成し、
情報を再生するとき、前記記録媒体からの回折光と重ね合わせて干渉させるオシレーター光を生成し、
前記オシレーター光と前記光記録媒体からの回折光との間に所定の位相差を付加し、
前記オシレーター光と前記光記録媒体からの回折光とが重ね合わさった干渉光を検出し、
信号光の画素にＮ種の位相情報を付加する際、任意の画素とその隣接に位置する画素との位相差がπ以外の（２×ｎ×π）／Ｎ＋α（ｎ：０からＮ−１の整数、α：０又はπ／Ｎ）となる位相情報を付加し、
前記信号光の画素に付加された位相情報を検出することを特徴とする光情報記録再生方法。
請求項１に記載の光情報記録再生方法において、
フリンジスキャン法の原理を用いて、前記信号光の画素に付加された位相情報を検出することを特徴とする光情報記録再生方法。
請求項２に記載の光情報記録再生方法において、
前記オシレーター光には、所定の基準位相に加えて、該基準位相に対して少なくとも３つの異なる位相が付加されることを特徴とする光情報記録再生方法。
請求項３に記載の光情報記録再生方法において、
信号光に付加される位相情報の一部には、元の位相情報間で取りえる同位相を除く最小位相差の１／２の位相が加えられることを特徴とする光情報記録再生方法。
２次元のページデータを記録媒体に記録、および該記録したページデータを再生する光情報記録再生装置において、
情報を記録するとき、信号光の画素にＮ種（Ｎ：２以上の整数）の位相情報を付加してページデータを生成するための第1の位相変調部と、
情報を再生するとき、前記光記録媒体からの回折光と重ね合わせて干渉させるオシレーター光を生成するためのオシレーター光生成部と、
前記オシレーター光と前記光記録媒体からの回折光との間に所定の位相差を付加するための第２の位相変調部と、
前記オシレーター光と前記光記録媒体からの回折光とが重ね合わさった干渉光を検出する光検出部と、を設け、
前記第１の位相変調部は、任意の画素とその隣接に位置する画素との位相差がπ以外の（２×ｎ×π）／Ｎ＋α（ｎ：０からＮ−１の整数、α：０又はπ／Ｎ）となる位相情報を付加し、
前記光検出部は、前記ページデータの各画素に対して少なくとも４つの画素でオーバーサンプリングする様に画素が配置されており、
前記信号光の各画素に付加された位相情報を検出することを特徴とする光情報記録再生装置。
請求項５に記載の光情報記録再生装置において、
フリンジスキャン法の原理を用いて、前記信号光の画素に付加された位相情報を検出することを特徴とする光情報記録再生装置。
請求項６に記載の光情報記録再生装置において、
前記第２の位相変調部は、所定の基準位相に加えて、該基準位相に対して少なくとも３つの異なる位相を前記オシレーター光に付加し、
前記光検出部は、前記ページデータの各画素に対して少なくとも４つの画素でオーバーサンプリングする様に画素が配置されていることを特徴とする光情報記録再生装置。
請求項６に記載の光情報記録再生装置において、
前記第１の位相変調部で付加される位相情報の一部には、元の位相情報間で取りえる同位相を除く最小位相差の１／２の位相が加えられることを特徴とする光情報記録再生装置。