JP2008033021A - ホログラム記録方法及びホログラム記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡便な方法により同軸で照射される信号光と参照光との重なりを大きくして、回折効率を向上させることができるホログラム記録方法及び装置を提供する。
【解決手段】少なくとも１つの画素を含み且つ輝度を表す単位ブロックが複数配列されたパターンであって、信号光の領域と参照光の領域とに区分されると共に、前記参照光の領域が画素数の異なる複数の単位ブロックを含むように生成されたパターンの光を生成し、前記生成された光を共通の光学系で集光して光記録媒体に照射し、前記信号光が表すデータをホログラムとして記録する。
【選択図】図８

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関する。

信号光と参照光とを光記録媒体に同軸で照射してホログラムを記録する同軸記録方法が種々提案されている（特許文献１、２）。この記録方法では、空間光変調器により信号光と参照光とを含むビームが生成され、生成されたビームが共通の光学系で集光され光記録媒体に照射される。信号光と参照光とはフーリエ変換されて光記録媒体内で重なり合い、ホログラムが記録される。空間光変調器により生成されるビームでは、信号光が光軸の近くに配置され、その外側に参照光が配置される。

特許文献１に記載された記録方法では、信号光と参照光との重なりを大きくするために、レンズを追加して参照光と信号光の収束位置を変えている。また、特許文献２に記載された記録方法では、参照光と信号光の収束位置を変えるために、周辺部での屈折率が高くなるように加工された特殊な対物レンズを用いている。

また、従来の同軸記録方法では、光記録媒体に１テラバイト以上の記録容量でホログラムを記録するためには、光記録媒体を厚膜化して体積記録を行うこと、記録ビームを集光する対物レンズは短焦点化して記録スポットを小さくすること等が必要とされる。これまでの検討では、光記録媒体の厚さを１ｍｍ以上とし、対物レンズの焦点距離を４ｍｍ以下とすることで、１テラバイト以上の記録容量が実現できるとされている。
特開平１０−３０２２９３号公報 特開２００５−１２２８６７号公報

本発明は、特殊な部品を用いることなく、簡便な方法により光記録媒体中での信号光と参照光との重なりを大きくして、回折効率とブラッグ条件とを向上させ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を目的とする。

上記目的を達成するために請求項１に記載の発明は、少なくとも１つの画素を含み且つ輝度を表す単位ブロックが複数配列されたパターンであって、信号光の領域と参照光の領域とに区分されると共に、前記参照光の領域が画素数の異なる複数の単位ブロックを含むように生成されたパターンの光を生成し、前記生成された光を共通の光学系で集光して光記録媒体に照射し、前記信号光が表すデータをホログラムとして記録する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記参照光の領域のパターンを、光軸を中心として外側に配置される単位ブロックの画素数が、内側に配置される単位ブロックの画素数よりも大きいものにした。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、前記参照光の領域のパターンを、異なる輝度の単位ブロックがランダムに配置されたランダムパターンとしたものである。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載の発明において、前記参照光の領域のパターンを、前記信号光の単位ブロックと等しい画素数の単位ブロックを含むようにしたものである。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の発明において、前記参照光の領域が、前記信号光の領域の周囲に環状に配置されたものである。

請求項６に記載の発明は、コヒーレント光を照射する照射光源と、前記照射光源から照射された前記コヒーレント光を透過又は反射する画素を複数配列して構成され、前記コヒーレント光を透過又は反射することにより画素毎に変調する空間光変調器と、少なくとも１つの画素を含み且つ輝度を表す単位ブロックが複数配列されたパターンの信号光及び参照光を生成するための信号に応じて、前記空間光変調器の信号光領域により信号光が生成されると共に、前記空間光変調器の参照光領域により画素数の異なる複数の単位ブロックを含むパターンの参照光が生成されるように、前記空間光変調器の画素を制御する制御手段と、前記空間光変調器で生成された光を集光して光記録媒体に照射する光学系と、を備えている。

請求項１記載の発明によれば、簡便な方法により光記録媒体中での信号光と参照光との重なりを大きくして、回折効率を向上させることができる、という効果が得られる。

請求項２記載の発明によれば、光記録媒体中での信号光と参照光との重なりがより大きくなる、という効果が得られる。

請求項３記載の発明によれば、信号光のパターンに拘わらずフーリエ変換面での信号光と参照光との重なりが大きくなる、という効果が得られる。

請求項４記載の発明によれば、フーリエ変換面で信号光と参照光との重なりを良好に保ちつつ、光記録媒体のフーリエ変換面以外の部分でも重なりが大きくなる、という効果が得られる。

請求項５記載の発明によれば、アライメントが容易になる、という効果が得られる。

請求項６記載の発明によれば、簡便な方法により光記録媒体中での信号光と参照光との重なりを大きくして、回折効率を向上させることができる、という効果が得られる。

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。
（同軸記録方法）
図１は本実施の形態で使用するホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。このホログラム記録再生装置では、信号光と参照光とを同軸で光記録媒体に照射することができる。

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、レンズ１２、１４とで構成されたビームエキスパンダ１６が配置されている。ビームエキスパンダ１６の光透過側には、透過型の空間光変調器１８が配置されている。空間光変調器１８の光透過側には、光記録媒体２６に信号光及び参照光を照射するフーリエ変換レンズ２４が、光路に沿ってこの順に配置されている。なお、空間光変調器１８とフーリエ変換レンズ２４との間に他のレンズを配置して、空間光変調器１８を透過したビームのビーム径を調整することもできる。

空間光変調器１８は、後述するパターン発生器３４を介してパーソナルコンピュータ３２に接続されている。なお、図示はしないが、パーソナルコンピュータ３２は、通常通り、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、メモリ、入力装置、及び出力装置を備えている。パターン発生器３４は、パーソナルコンピュータ３２から供給されたデジタルデータに応じて空間光変調器１８に表示するパターンを生成し、空間光変調器１８は、表示パターンに応じて入射したレーザ光を変調し、ページ毎のデジタル画像（信号光）と参照光とを生成する。

ホログラム再生時、光記録媒体２６に参照光が照射されると、照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体２６を透過して射出される。従って、光記録媒体２６の回折光出射側には、フーリエ変換レンズ２８と、ＣＣＤやＣＭＯＳアレイ等の撮像素子で構成され、受光した再生光（回折光）を電気信号に変換して出力する光検出器３０とが配置されている。光検出器３０は、パーソナルコンピュータ３２に接続されている。

次に、上記のホログラム記録再生装置の動作を説明する。

ホログラムを記録する場合は、光源１０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１６により大径のビームにコリメートされて、空間光変調器１８に照射される。パーソナルコンピュータ３２からデジタルデータが入力されると、パターン発生器３４において、供給されたデジタルデータに応じて信号光パターンが生成され、参照光パターンと共に空間光変調器１８に表示される。空間光変調器１８では、表示されたパターンに応じてレーザ光が変調され、信号光と参照光とが生成される。

空間光変調器１８で生成された信号光及び参照光は、レンズ２４によりフーリエ変換されて、光記録媒体２６に同軸で照射される。これによって、光記録媒体２６中で信号光と参照光とが干渉して、干渉パターンがホログラムとして記録される。光記録媒体２６としては、例えば、フォトポリマーやアゾポリマー等、ホログラムを記録可能な材料で構成された光記録媒体を用いることができる。

ホログラムを再生する場合は、光源１０から発振されたレーザ光は、ビームエキスパンダ１６により大径のビームにコリメートされて、空間光変調器１８に照射される。空間光変調器１８には参照光パターンが表示される。空間光変調器１８では、表示されたパターンに応じてレーザ光が変調され、参照光が生成される。生成された参照光は、レンズ２４を介して、光記録媒体２６のホログラムが記録された領域に照射される。照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体２６から射出される。

光記録媒体２６から射出した回折光は、レンズ２８により逆フーリエ変換され、光検出器３０に入射する。これにより、レンズ２８の焦点面で再生像を観察することができる。この再生像が光検出器３０によって検出される。検出されたアナログデータは光検出器３０によってＡ／Ｄ変換され、再生像の画像データがパーソナルコンピュータ３２に入力される。
（記録光パターン）
図２は記録光が生成される様子を示す図である。上述した通り、パターン発生器３４で表示パターンが生成されると、空間光変調器１８はその表示領域１８Ａに生成されたパターンを表示する。この表示パターンに応じてレーザ光が変調され、表示パターンに応じた輝度分布を有する信号光と参照光とが生成される。

図３は空間光変調器に表示されるパターン（記録光パターン）を示す平面図である。このパターンを表示することで、空間光変調器１８の光軸４０を含む領域３６がデータ表示用（信号光用）に使用されると共に、領域３６の周囲に配置された環状の領域３８が参照光用に使用される。空間光変調器１８の領域３６に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて変調され、信号光が生成される。一方、空間光変調器１８の領域３８に入射したレーザ光は、表示パターンに応じて変調され、参照光が生成される。

本実施の形態では、環状の領域３８に表示する参照光パターンとして、複数のサイズの単位ブロックで表現されたパターンを用いている。ここで単位ブロックとは、輝度を表示するための単位であり、空間光変調器１８の表示画素の個数で表示される。例えば、図５（Ａ）に示すように、輝度を表示するための単位が１個の表示画素で表される場合には、ブロック４８が単位ブロックとなる。また、図５（Ｂ）に示すように、単位が４個の表示画素で表される場合には、２×２のブロック５０が単位ブロックとなる。また、図５（Ｃ）に示すように、単位が１６個の表示画素で表される場合には、４×４のブロック５２が単位ブロックとなる。

参照光パターンが複数のサイズの単位ブロックで表現されることで、参照光が光記録媒体中を伝搬するときの拡がりが大きくなる。これは、大きなブロックはフーリエ変換像の低周波成分を増加させて伝搬光が光軸側に寄り、小さなブロックはフーリエ変換像の高周波成分を増加させて伝搬光が光軸から離れていくためであると考えられる。

次に、参照光パターンの構造を詳細に説明する。図４は図３に示す表示パターンの領域Ａを拡大して示した図である。参照光パターンは、図５（Ａ）に示す単位ブロックを環状に配列した第１パターン４２、図５（Ｂ）に示す単位ブロックを環状に配列した第２パターン４４、及び図５（Ｃ）に示す単位ブロックを環状に配列した第３パターン４６の３種類のパターンで表現されている。

また、第１パターン４２、第２パターン４４、及び第３パターン４６は、光軸４０から外側に向かってこの順序で配置されている。即ち、光軸に対し外側に行くほど単位ブロックの画素数が増加する。光軸に対し外側に行くほど単位ブロックの画素数が増加することで、外側の伝搬光が光軸側に寄り、参照光が光記録媒体中を伝搬するときの拡がりが更に大きくなる。

第１パターン４２、第２パターン４４、及び第３パターン４６の各々は、いずれも、輝度の異なる単位ブロックをランダムに配置したランダムパターンである。また、第１パターン４２、第２パターン４４、及び第３パターン４６の少なくとも１つが、信号光パターンの単位ブロックと等しい単位ブロックを有することが好ましい。

以上説明した通り、本実施の形態では、特殊な部品を用いることなく、簡便な方法により、光記録媒体中での信号光と参照光との重なりを大きくして、回折効率とブラッグ条件とを向上させることができる。

特に、光記録媒体の厚さが１００μｍを超える厚膜の光記録媒体と、焦点距離が２０ｍｍより短い対物レンズとを用いて同軸記録を行う場合には、上記の方法により回折効率とブラッグ条件とが向上する。光記録媒体の厚さが５００μｍ〜１ｍｍの範囲では、とりわけ顕著な効果を得ることができる。

なお、上記の実施の形態では、３種類の単位ブロックで表現された参照光パターンを用いる例について説明したが、単位ブロックの種類は２種類以上であれば何種類であってもよい。参照光パターンの単位ブロックの大きさは、光記録媒体中で十分重なるようにするために、信号光パターンの単位ブロックの０．１２５倍〜８倍の範囲が好ましく、０．５倍〜２倍の範囲がより好ましい。例えば、信号光パターンの単位ブロックを４画素（２×２）とすると、１画素（０．５倍）〜４×４画素（２倍）の範囲がより好ましい。

また、上記の実施の形態では、光軸を含むように信号光パターンを配置し且つその周囲に環状の参照光パターンを配置する例について説明したが、各々矩形状の信号光パターンと参照光パターンとを並べて配置してもよい。この場合でも、参照光パターンが複数の単位ブロックで表現されることで、参照光が光記録媒体中を伝搬するときの拡がりが大きくなる。また、光軸に対し外側に行くほど単位ブロックの画素数が増加するようにすることで、参照光が光記録媒体中を伝搬するときの拡がりが更に大きくなる。

また、上記の実施の形態では、信号光及び参照光を生成する手段として、透過型の空間光変調器を用いる例について説明したが、反射型の空間光変調器を用いてもよい。

（検証実験）
図１に示した装置を用い、空間光変調器に種々のパターンを表示して伝搬光の様子を観察した。

図６（Ａ）乃至（Ｃ）は信号光の伝搬の様子を表す図である。図６（Ａ）は空間光変調器に表示された信号光パターンの一例である。この信号光がレンズで光記録媒体中に集光される様子を示したのが図６（Ｂ）である。図において下側がフーリエ変換面であり、信号の空間周波数に対応して回折している様子がわかる。図６（Ｃ）はフーリエ変換面での信号光の回折の様子を示している。

図７（Ａ）乃至（Ｃ）は従来の参照光の伝搬の様子を表す図である。図７（Ａ）は空間光変調器に表示された参照光パターンの一例である。この参照光パターンでは、信号光の単位ブロック（２×２）と等しい大きさの単位ブロック（２×２）で表現されたリング状のランダムパターンを採用している。このパターンがレンズで光記録媒体中に集光される様子を示したのが図７（Ｂ）である。下側がフーリエ変換面であり、参照光のランダムパターンに対応して回折により拡散している様子がわかる。図７（Ｃ）はフーリエ変換面での参照光の回折の様子を示している。

図８（Ａ）乃至（Ｃ）は本発明における一実施例であり、本実施例での参照光の伝搬の様子を表す図である。図８（Ａ）空間光変調器に表示された参照光パターンの一例である。この参照光パターンは、図３及び図４に示したように３種類のパターンからなり、光軸を中心として、信号光の単位ブロック（２×２）より小さい単位ブロック（１×１）で表現されたリング状のランダムパターンを内側に、信号光の単位ブロックと等しい大きさの単位ブロック（２×２）で表現されたリング状のランダムパターンを真中に、信号光の単位ブロック（２×２）より大きい単位ブロック（４×４）で表現されたリング状のランダムパターンを外側に配置した。この参照光がレンズで光記録媒体中に集光される様子を示したのが図８（Ｂ）である。従来の参照光とは伝搬が異なる様子がわかる。図８（Ｃ）はフーリエ変換面での参照光の回折の様子を示している。

図６（Ｃ）と図７（Ｃ）とを比較すれば分かるように、従来の参照光パターンでは、フーリエ変換面で参照光と信号光がよく重なっている。一方、図６（Ｂ）と図７（Ｂ）とを比較すれば分かるように、光記録媒体中で信号光と参照光が伝搬する過程では信号光と参照光との重なりが小さい。

これに対し、図６（Ｂ）と図８（Ｂ）とを比較すれば分かるように、本実施例における参照光パターンでは、伝搬光が光軸側に寄って点線で囲った部分で伝搬光が増加し、光記録媒体中で信号光と参照光が伝搬する過程で、従来の参照光よりも信号光と参照光との重なりが大きくなっている。従来の参照光パターンと比較すると、本実施例における参照光パターンを用いた場合は従来の参照光を用いた場合よりも、信号光と参照光との重なりは十パーセント以上改善した。これにより、回折効率も同程度向上した。さらに、光記録媒体の厚さ方向へのホログラム記録も増強されるため、ブラッグ条件も数十パーセント向上した。

本実施の形態で使用するホログラム記録再生装置の構成を示す図である。 記録光が生成される様子を示す図である。 記録光パターン（輝度分布）を示す平面図である。 参照光領域の構造を示す部分拡大図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は参照光領域に含まれる複数のパターンを示す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は信号光の伝搬の様子を表す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は従来の参照光の伝搬の様子を表す図である。 （Ａ）乃至（Ｃ）は本発明での参照光の伝搬の様子を表す図である。

符号の説明

１０ 光源
１２ レンズ
１４ レンズ
１６ ビームエキスパンダ
１８ 空間光変調器
１８Ａ 表示領域
１８ 平成
２４ フーリエ変換レンズ
２６ 光記録媒体
２８ レンズ
３０ 光検出器
３２ パーソナルコンピュータ
３４ パターン発生器
３６ 領域
３８ 領域
４０ 光軸
４２ 第１のパターン
４４ 第２のパターン
４６ 第３のパターン
４８ 単位ブロック
５０ 単位ブロック
５２ 単位ブロック

Claims (6)

1. 少なくとも１つの画素を含み且つ輝度を表す単位ブロックが複数配列されたパターンであって、信号光の領域と参照光の領域とに区分されると共に、前記参照光の領域が画素数の異なる複数の単位ブロックを含むように生成されたパターンの光を生成し、
   前記生成された光を共通の光学系で集光して光記録媒体に照射し、
   前記信号光が表すデータをホログラムとして記録するホログラム記録方法。
2. 前記参照光の領域のパターンは、光軸を中心として外側に配置される単位ブロックの画素数が、内側に配置される単位ブロックの画素数よりも大きい請求項１に記載のホログラム記録方法。
3. 前記参照光の領域のパターンは、異なる輝度の単位ブロックがランダムに配置されたランダムパターンである請求項１又は２に記載のホログラム記録方法。
4. 前記参照光の領域のパターンは、前記信号光の単位ブロックと等しい画素数の単位ブロックを含む請求項１乃至３の何れか１項に記載のホログラム記録方法。
5. 前記参照光の領域は、前記信号光の領域の周囲に環状に配置された請求項１乃至４の何れか１項に記載のホログラム記録方法。
6. コヒーレント光を照射する照射光源と、
   前記照射光源から照射された前記コヒーレント光を透過又は反射する画素を複数配列して構成され、前記コヒーレント光を透過又は反射することにより画素毎に変調する空間光変調器と、
   少なくとも１つの画素を含み且つ輝度を表す単位ブロックが複数配列されたパターンの信号光及び参照光を生成するための信号に応じて、前記空間光変調器の信号光領域により信号光が生成されると共に、前記空間光変調器の参照光領域により画素数の異なる複数の単位ブロックを含むパターンの参照光が生成されるように、前記空間光変調器の画素を制御する制御手段と、
   前記空間光変調器で生成された光を集光して光記録媒体に照射する光学系と、
   を備えたホログラム記録装置。