JP2008123665A - 光記憶システムのためのビームシフト素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い周波数でビームシフト補正の実現を可能にする、ビームシフト素子のための解決策を提案すること。
【解決手段】 本発明は、ビームシフト素子（９）、およびそのようなビームシフト素子（９）を使用して光記憶媒体（１１）から読み出しおよび／または同媒体へ書き込むための装置に関する。本発明によれば、ビームシフト素子（９）は、入射光ビーム（７、８）を第１の角度（＋Ａ）だけ屈折させるための少なくとも第１の光学素子（９１”）、および前記第１の光学素子（９１”）から入射する光ビーム（７、８）を第２の角度（−Ａ）だけ第１の角度（＋Ａ）に対向して屈折させるための第２の光学素子（９２”）を有し、第１の光学素子（９１”）および第２の光学素子（９２”）は、調整可能な偏向角（Ａ、−Ａ）を有する光学素子（９１”、９２”）である。
【選択図】 図８

Description

本発明は、ホログラフィック記憶媒体などの光記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体へ書き込みをするための装置に関し、より詳細にはそのような装置で使用するためのビームシフト素子（beam shifting element）に関する。

ホログラフィによるデータ記憶では、ディジタル・データは、２つのコヒーレントなレーザービームを重ね合わせることによって生成される干渉縞を記録することによって記憶され、「信号ビーム」と呼ばれる一つのビームが、空間光変調器によって変調され、記録しようとする情報を運ぶ。第２のビームは、参照ビームとして働く。干渉縞は、干渉縞の局部的な強さに応じた、記憶材料の固有の属性の改変をもたらす。記録されているホログラムを読み出すには、記録中と同じ条件を使用して参照ビームでホログラムを照射することによって実行される。これは、記録されている信号ビームの復元をもたらす。

ホログラフィによるデータ記憶の１つの利点はデータ容量の増加である。従来式の光記憶媒体とは違って、情報を記憶するのに１つだけまたはわずかな２次元の層だけでなく、ホログラフィック記憶媒体の体積が利用される。ホログラフィックによるデータ記憶のさらなる１つの利点は、例えば２つのビームの間の角度を変えることによって、またはシフト多重（shift multiplexing）、その他を使用することによって、多数のデータを同じ体積内に記憶することができる。さらに、シングル・ビットを記憶する代わりにデータは複数のデータ・ページとして記憶される。一つのデータ・ページは一般的に明−暗模様のマトリックス、つまりマルチ・ビットを符号化している２次元のバイナリ・アレイまたはグレイ・アレイから成っている。これが、記憶密度の増加に加えてデータ転送速度の増加の実現を可能にしている。このデータ・ページは、空間光変調器（ＳＬＭ）によって信号ビーム上にインプリントされ、検出アレイによって検出される。

ディスク・タイプのホログラフィック記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体へ書き込みをするための装置では、対物レンズはアクチュエータに装着される。したがって対物レンズは、例えば追随するために、または記録中に回転するディスク表面に対して対物レンズを一定の位置に保持するために、残りの光学部品に関してシフトをする。対物レンズのシフトは、残りのオプティカル・システムが動かないので、記録中、ホログラムに強い歪みをもたらし、かつ検出アレイ上でピクセルのシフトをももたらす。したがって、対物レンズの移動の負の影響を最小限に小さくしなくてはならない。同様の問題が、その他のタイプの光記憶媒体、特に高密度光記憶媒体に対して発生する。

特許文献１が、平行プレートを傾けることによってビームのシフトを実現しているビームシフト素子（beam shifting element）を開示している。しかしホログラフィック記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体へ書き込むための装置に対して、必要とする約１００ｐｍの横方向のシフトを達成するために、厚いガラスのプレートを必要とする。これはその必要とする力が比較的大きいので、高い周波数で補正を実現するのを難しくしている。したがって、この平行プレートを傾けることは主に準静的なシステム（quasistatic system）に対する解決策である。

米国特許第５，８２８，４８２号明細書 Chao et al.: "Compact Holographic Data Storage System", Proceedings of the Eighteenth IEEE Symposium on Mass Storage Systems and Technologies Vol. 00 (2001), pp. 237-247. Fang et al.: "Shape-Optimized Electrooptic Beam Scanner: Experiment", IEEE Phot. Tech. Lett. Vol. 11 (1999), pp. 66-68

本発明の一目的は、高い周波数でビームシフト補正（beam shift compensation）の実現を可能にする、ビームシフト素子の代替解決策を提案することである。

本発明によれば、この目的は、少なくとも、入射光ビームを第１の角度だけ屈折させる第１の光学素子、および第１の光学素子から入射する光ビームを、第１の角度と反対の第２の角度だけ屈折させる第２の光学素子を有し、第１の光学素子と第２の光学素子の間の光ビームの経路長（path length）が調整可能であるビームシフト素子によって実現される。第１の光学素子による偏向（deflection）後の光ビームの第２の光学素子上の位置は、２つの光学素子の間の経路長に依存する。したがって経路長を調整することによって光ビームの第２の光学素子上の位置は制御される。次いで第２の光学素子は、光ビームを、それが第１の光学素子による偏向前の光ビームと平行になるように屈折させる。

光ビームの経路長は、都合良く、第１の角度および第２の角度の調整を通して調整が可能である。光学素子間のある与えられた距離に対して、経路長は偏向角（deflection angle）に依存する。したがって偏向角の調整は、経路長調整を可能にし、それゆえに光ビームのシフト量の調整を可能にする。この解決策は可動部品が不要であるという利点を有する。さらに、第１の光学素子および第２の光学素子の偏向角を独立に制御することによって、光ビームのシフト量はさておき光ビームの方向も調整可能である。調整可能な偏向角を有する光学素子の一例は、切替え可能な格子間隔（switchable grating period）をもつ格子（grating）である。このような格子は、例えば非特許文献１で説明されている。調整可能な偏向角を有する光学素子のさらなる一例は、調整可能な屈折率を有する電気光学式のビーム・スキャナである。このようなビーム・スキャナは、例えば非特許文献２に示されている。

或いは、光ビームの経路長は、第１の光学素子と第２の光学素子の間の距離を調整することを通して調整可能である。距離は、１つまたは複数の光学素子をシフトさせて調整するのが好ましい。光学素子は、例えばプリズム、回折格子、またはホログラフィック素子とすることができる。２つの光学素子の間の距離が変えられると、入射光ビームは横方向にシフトされる。第１および第２の光学素子は、反対の角度で光ビームを屈折させるので、シフトされた光ビームは入射光と平行である。本発明によるビームシフト素子は、比較的薄い光学素子だけをシフトする必要があるという利点を有する。これは、その発生する力を小さくし、ビームシフト素子を高い周波数で作動させることを可能にする。

このビームシフト素子が、第２の光学素子から入射した光ビームを第２の角度だけ屈折させる第３の光学素子、および第３の光学素子から入射した光ビームを第１の角度だけ屈折させる第４の光学素子をさらに有することが好ましい。この第３の光学素子と第４の光学素子の間の距離も調整可能であることが必要となる。第２および第３の光学素子の組合せでは、光ビームを第２の角度の２倍だけ屈折させる。これは、第１および第４の光学素子の偏向角によって補正され、それによってこの場合もシフトされた光ビームは入射光と平行になる。さらに、光学素子を４つ使用することによってこのビームシフト素子は、光ビームがシフトしていない状態にすることができる。これは、ビームシフト素子を使用する光学システムの設計を簡素化することを可能にする。この第３および第４の光学素子は、光ビームを第１および第２の光学素子とは異なる角度だけ屈折させることが同じように可能であることに注目されたい。さらに、この第３および第４の光学素子は、第１および第２の光学素子とは別の分散（dispersion）を有することもできる。これは、光ビームの波長のビームシフトへの影響を最小にすることを可能にし、それは多数の波長が現れる適用例、例えばカメラ、に対して有利である。

この第１の光学素子および第４の光学素子は固定されており、一方第２の光学素子および第３の光学素子は可動であることが好ましい。両方の光学素子が一緒に動かされる場合、光軸に沿った比較的僅かな動きが光ビームの比較的大きなシフトにつながる。或いは、両方の素子が独立して動かされる場合、光学素子の１つが光ビームの粗いシフト（coarse shift）を行い、他方の光学素子が微細なシフト（fine shift）を行う。

第２の光学素子および第３の光学素子は、ユニットを形成することが好ましい。これは、１つの光学素子の調整を省略することができるのでビームシフト素子の製作が簡素化される。さらに、この第２の光学素子と第３の光学素子の動きは自動的に同期される。

光記憶媒体、例えばホログラフィック記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体へ書き込むための装置は、光ビームを第１の方向にシフトさせるための本発明によるビームシフト素子を有するのが好ましい。対物レンズは、追随をするために、または記録中に回転するディスク表面に対して一定の位置を保持するためにシフトされるが、ビームシフト素子は、光ビームを対物レンズの光軸上に保持するのに有用である。この方法では、光ビームの歪みが最小にされる。光ビームを第２の方向にシフトする必要がある場合には、本発明によるさらなるビームシフト素子が提供されることが何にもまして好ましい。勿論、本発明によるビームシフト素子は、光ビームのシフトが必要であるその他のあらゆる光学機構で同じように使用することができる。

この装置は、ビームシフト素子に起因する光ビームのシフトを調整するための制御素子を有することが好ましい。この制御素子は、所望の位置からの光ビームの偏向を指し示す位置信号に応じて光ビームのシフトを調整する。或いは、この制御素子は、対物レンズのアクチュエータの制御信号から引き出された信号に応じて、光ビームのシフトを調整する。この方法において、光ビームが、自動的に対物レンズの光軸上に留まることが確実になる。このアクチュエータの制御信号は、ビームシフトのあまりにも高い周波数による調整を避けるために、制御素子用の信号を引き出す前に、ローパス・フィルタでフィルタリングすることもできる。

より良い理解のために、図面を参考にしながら、本発明を下記記述でより詳細に説明する。本発明は、この例示的なこの実施形態に制限されるものでなく、指定された特徴が、本発明の範囲から逸脱することなく便宜的に組み合わされかつ／または改変することもできることを理解されたい。

ホログラフィによるデータ記憶では、ディジタル・データは、２つのコヒーレントなレーザービームを重ね合わせることによって生成される干渉縞を記録することによって記憶される。図１は、ホログラフィック記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体に書き込むための装置１の例示的な機構を示す図である。コヒーレントな光の光源、例えばレーザーダイオード２は、光ビーム３を照射し、その光は、コリメータ・レンズ４によって平行にされる。光ビーム３は次いで２つの別個な光ビーム７、８に分割される。この例では、光ビーム３の分割は、第１のビーム・スプリッタ５を使用して実現される。しかし、この目的のためにその他の光学部品を使用することも同じように可能である。空間光変調器（ＳＬＭ）６は、「オブジェクト・ビーム（object beam）」７と呼ばれる、２つのビームのうちの１つを変調し、２次元のデータ・パターンを刻む（imprint）。オブジェクト・ビーム７、および「参照ビーム」８と呼ばれる、さらなるビームは両方とも対物レンズ１０によってホログラフィック記憶媒体１１、例えばホログラフィック・ディスク、に像を結ぶ。オブジェクト・ビーム７と参照ビーム８の交点には干渉縞が現れ、その干渉縞がホログラフィック記憶媒体１１の感光層に記録される。ビームシフト素子９は、対物レンズ１０のシフトに起因するオブジェクト・ビーム７および参照ビーム８の歪みを補正する。

記憶されたデータは、記録されたホログラムに参照ビーム８だけを照射することによってホログラフィック記憶装置１１から取り出される。参照ビーム８は、ホログラム構造によって回折され（diffracted）、元のオブジェクト・ビーム７のコピー、つまり再現されたオブジェクト・ビーム１２を生成する。この再現されたオブジェクト・ビーム１２は、対物レンズ１０によって平行にされ、第２のビーム・スプリッタ１３によって２次元アレイ検出器１４、例えばＣＣＤアレイに導かれる。アレイ検出器１４は記録されたデータの再現を可能にする。

図２は、本発明によるビームシフト素子９の第１の例を示す図である。ビームシフト素子９は、光ビーム７、８の伝播方向を変更させるために２つの光学部品９１、９２を有している。図では、これら光学部品は第１のプリズム９１および第２のプリズム９２である。第１のプリズム９１は、固定されているが、第２のプリズム９２は、アクチュエータ９５により光軸に沿ってＺ方向に移動することができる。勿論、第１のプリズム９１を動かす一方で第２のプリズム９２を固定したままにすること、または両方のプリズム９１、９２を動かすことは、同じように可能である。プリズム９１、９２のうちの少なくとも１つをＺ方向に動かすことによって透過ビーム７、８はＸ方向で横に動かされる。可動プリズムは、光ピックアップまたはラウド・スピーカにおいて使用されるものに類似するアクチュエータ９５に装着されることが好ましい。第１のプリズム９１は、入射ビーム７、８を＋Ａの角度だけ屈折させ、一方第２のプリズム９２は、ビームを−Ａの角度だけ屈折させる。第１のプリズム９１および第２のプリズム９２は、高い屈折率をもつガラスで作られることが何にもまして好ましい。これは、プリズム９１および９２の重量を最小に保ちながら高い屈折角を実現することを可能にする。第１のプリズム９１および第２のプリズム９２の代わりに、第１および第２の回折格子を、好ましくは高い効率を目指してブレーズ型回折格子（blazed diffraction gratings）を使用することが、同じように可能である。さらなる代替案はホログラフィック素子を使用することである。Ｘ方向のシフト量は２つの光学部品９１、９２の間のＺ方向の距離に直線的に比例する。２つの光学部品９１、９２のうちの１つが固定される場合、Ｘ方向のシフト量は可動光学部品のＺ位置に直線的に比例する。この比例定数は、角度Ａに依存し、プリズムの設計および材料または格子間隔をそれぞれ変化させることによって、状況に合わせることができる。

図３は、本発明によるビームシフト素子９の第２の例を示す図である。簡単のために、アクチュエータ９５はこの図および後続の図から省略されている。このビームシフト素子９は、４つの光学素子９１、９２、９３、９４の組合せから成っている。図２の場合と同様に、光学素子はプリズムである。図３から分かるように、ビームシフト素子９は、基本的に図２のビームシフト素子９を２つ組み合わせたものに相当し、ビームシフト素子の１つが反転している。第１のプリズム９１および第４のプリズム９４は、固定されていることが好ましく、一方第２のプリズム９２および第３のプリズム９３は、光軸に沿ってＺ方向にシフトすることができる。第２のプリズム９２および第３のプリズム９３は、単一の素子に有利に組み合わされている。この場合、単一の素子だけが動かされなければならない。図３から図５のビームシフト素子は、ゼロ位置が存在するという利点、つまり組み合わされた第２のプリズム９２および第３のプリズム９３が、第１のプリズム９１と第４のプリズム９４の中間に位置するときＸ方向のシフト量はゼロであるという利点を有する。これが光学機構のレイアウト全体を簡単にしている。組み合わされた第２のプリズム９２および第３のプリズム９３の第１のプリズム９１方向へのシフトは、光ビーム７、８の右方向へのシフトをもたらす。これに対して、組み合わされた第２のプリズム９２および第３のプリズム９３の第４のプリズム９４方向へのシフトは、光ビーム７、８の左方向へのシフトをもたらす。この様子はそれぞれ図４および図５に描写されている。

本発明によるビームシフト素子９の第３の例が図６に図示されている。ビームシフト素子９は図３の補正器（compensator）９に相当し、プリズム９１、９２、９３、９４は回折格子９１’、９２’、９３’、９４’に置き換えられている。第２および第３の回折格子９２’、９３’は、例えば適切な格子間隔を伴う異なる回折格子を使用することによって単体の素子に組み合わされており有利である。この場合、薄い軽量の光学部品だけがシフトされなければならない。したがってビームシフト補正は高周波で可能である。

次ぎに、図６のビームシフト素子９に対する数値例が与えられる。４つの回折格子９１’、９２’、９３’、９４’の格子間隔は全て１０μｍである。このような格子は非常に容易に製造することができる。＋１次の回折次数が第１の格子９１’および第４の格子９４’に使用される。第２の格子９２’および第３の格子９３’には−１次の回折次数が使用される。第１の格子９１’と第４の格子９４’の間の距離は固定されており２ｍｍである。ＺＥＭＡＸソフトウェアでシミュレーションが実行された。第２の格子９２’および第３の格子９３’のＺ方向での１ｍｍのシフトは、Ｘ方向に４０５ｎｍの波長で１１０μｍの横のシフトをもたらす。システムが生ぜしめる光学収差（optical aberration）は、ホログラフィック記憶システムで一般的に使用される開口数ＮＡ（numerical aperture）＝０．０１５をもつオブジェクト・ビーム７に対しては無視できる。

図７にビームシフト素子９の第４の例が示されている。ビームシフト素子９はプリズムで図示されている。勿論、その他のタイプの光学素子で同じようにこれを実現することができる。この例では、第２のプリズム９２および第３のプリズム９３は独立してシフト可能である。さらに、第１のプリズム９１および第２のプリズム９２の偏向角（deflection angle）＋Ａ、−Ａは、第３のプリズム９３および第４のプリズム９４の偏向角＋Ｂ、−Ｂとは異なっている。第２のプリズム９２のシフトは光ビーム７、８の粗いシフトをもたらし、一方第３のプリズム９３のシフトは光ビーム７、８の微細なシフトを可能にする。

本発明によるビームシフト素子９の第５の例が、図８に描写されている。この実施形態では光ビーム７、８のシフトは、偏向角が調整可能な２つの光学素子９１”、９２”によって実現される。勿論、偏向角が調整可能な４つの光学素子も使用することができる。２つの光学素子９１”、９２”の偏向角は、制御装置９６によってセットされる。図には、３つの異なる偏向角に対するビーム経路が示されている。偏向角が調整可能な光学素子９１”、９２”の例は、調整可能な屈折率をもつ電気光学スキャナ、または調整可能な格子間隔をもつ格子、例えば液晶格子である。後者の場合、格子間隔は連続して調整可能であるか、または複数の不連続な値の間で切替え可能であるかのいずれかである。前の実施形態に反して、この実施形態のビームシフト素子９はどのような可動部品をも必要としない。さらに、光学素子９１”、９２”の偏向角を独立して制御することによって光ビーム７、８のシフトとは別に光ビーム７、８の方向も制御することができる。

ホログラフィック記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体へ書き込むための装置の例示的機構を示す図である。 本発明によるビームシフト素子の第１の例を概略的に描写する図である。 本発明によるビームシフト素子の第２の例を描写する図である。 第１の補正状態にある図３のビームシフト素子を示す図である。 第２の補正状態にある図３のビームシフト素子を示す図である。 本発明によるビームシフト素子の第３の例を図示する図である。 本発明によるビームシフト素子の第４の例を示す図である。 本発明によるビームシフト素子の第５の例を描写する図である。

符号の説明

１ ホログラフィック記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体に書き込むための装置
２ レーザーダイオード
３ 光ビーム
４ コリメータ・レンズ
５ 第１のビーム・スプリッタ
６ 空間光変調器（ＳＬＭ）
７ 光ビーム（オブジェクト・ビーム）
８ 光ビーム（参照ビーム）
９ ビームシフト素子
１０ 対物レンズ
１１ ホログラフィック記憶媒体
１２ 再現されたオブジェクト・ビーム
１３ 第２のビーム・スプリッタ
１４ アレイ検出器
９１ 第１のプリズム
９２ 第２のプリズム
９３ 第３のプリズム
９４ 第４のプリズム
９５ アクチュエータ
９１’ 第１の解析格子
９２’ 第２の解析格子
９３’ 第３の解析格子
９４’ 第４の解析格子
９１”、９２” 偏向角が調整可能な２つの光学素子

Claims (8)

1. 少なくとも、
   入射光ビームを第１の角度（＋Ａ）だけ屈折させる第１の光学素子、および
   前記第１の光学素子から入射する前記光ビームを前記第１の角度（＋Ａ）と反対の第２の角度（−Ａ）だけ屈折させる第２の光学素子
   を有し、
   前記第１の光学素子および前記第２の光学素子は、調整可能な偏向角（Ａ、−Ａ）を有する光学素子であることを特徴とするビームシフト素子。
2. 前記第２の光学素子から入射する前記光ビームを第３の角度（−Ｂ）だけ屈折させる第３の光学素子および前記第３の光学素子から来る前記光ビームを前記第３の角度（−Ｂ）と反対の第４の角度（＋Ｂ）だけ屈折させる第４の光学素子をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のビームシフト素子。
3. 前記光学素子は、調整可能な格子間隔をもつ格子または調整可能な屈折率をもつ屈折素子であることを特徴とする請求項１または２に記載のビームシフト素子。
4. 前記第２の光学素子および前記第３の光学素子はユニットを形成することを特徴とする請求項２または３に記載のビームシフト素子。
5. 光ビームを第１の方向にシフトさせるための、請求項１から４の１項によるビームシフト素子（９）を有することを特徴とする、光記憶媒体から読み出しおよび／または同媒体へ書き込むための装置。
6. 前記ビームシフト素子によって引き起こされた前記光ビームの前記シフトシフトを調整するために制御素子をさらに有することを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記光ビームを第２の方向にシフトシフトさせるビームシフト素子を、さらに有することを特徴とする請求項５または６に記載の装置。
8. 光ビームを第１の方向にシフトシフトさせるための、請求項１から４のいずれかに記載のビームシフト素子を有することを特徴とする光学機構。

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