JP2004069920A

JP2004069920A - 空間光変調器

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Publication number: JP2004069920A
Application number: JP2002227535A
Authority: JP
Inventors: Satoru Tanaka; 田中　覚; Yoshinao Ito; 伊藤　善尚; Akihiro Tachibana; 橘　昭弘; Yoshihisa Kubota; 窪田　義久; Kazuo Kuroda; 黒田　和男; Satoshi Sugiura; 杉浦　聡
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2002-08-05
Filing date: 2002-08-05
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2022-08-05
Also published as: CN1675597A; JP3844460B2; CN100440077C; EP1528442A1; US20050275919A1; EP1528442A4; AU2003281799A1; WO2004013707A1; US7324255B2

Abstract

【目的】高感度の記録が可能で、信号歪みが小さい高性能な空間光変調器を提供する。
【解決手段】光変調素子が配された平面内の任意の方向における光変調素子の配列に対応する周期構造の周期が少なくとも２つ存在するように複数の光変調素子が配されている。
【選択図】　　図５

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム記録再生装置等に用いられる空間光変調器等に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムの原理を利用したデジタル情報記録システムとして、体積ホログラフィック記録システムが知られている。このシステムの特徴は、情報信号を記録媒体に屈折率の変化として記録することである。記録媒体には、ニオブ酸リチウム単結晶などのフォトリフラクティブ材料が使用される。
【０００３】
ホログラム記録再生法の１つにフーリエ変換を用いて記録及び再生する方法がある。
図１に示すように、従来のホログラム記録再生装置の一例を示す図である。この図において、レーザ光源１１から発せられたレーザ光１２は、ビームスプリッタ１３において信号光１２Ａと記録参照光１２Ｂとに分割される。信号光１２Ａは、ビームエキスパンダ１４でビーム径を拡大されて、平行光として、透過型のＴＦＴ液晶装置（ＬＣＤ）のパネルなどの空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）１５に照射される。空間光変調器（ＳＬＭ）１５は、エンコーダ２５で信号変換された記録データを電気信号として受け取って、平面上に明暗のドットパターンを形成する。信号光１２Ａは、空間光変調器（ＳＬＭ）１５を透過すると、光変調されて、データ信号成分を含む。ドットパターン信号成分を含んだ信号光１２Ａは、その焦点距離ｆだけ離しておいたフーリエ変換レンズ１６を通過し、当該ドットパターン信号成分はフーリエ変換されて、記録媒体５内に集光される。
【０００４】
一方、ビームスプリッタ１３において分割された記録参照光１２Ｂは、ミラー１８、ミラー１９によって記録媒体（体積ホログラフィックメモリ）５内に導かれて、信号光１２Ａの光路と記録媒体５の内部で交差して光干渉パターンを形成し、光干渉パターン全体を屈折率の変化として記録する。
このように、コヒーレントな平行光で照明された画像データからの回折光をフーリエ変換レンズで結像し、その焦点面すなわちフーリエ面上の分布に直してフーリエ変換の結果の分布をコヒーレントな参照光と干渉させてその干渉縞を焦点近傍の記録媒体に記録する。１データページ（以下、単にページという）目の記録が終了したら、ミラー１９を所定量回転し、かつ、その位置を所定量平行移動させ記録媒体５に対する記録参照光１２Ｂの入射角度を変化させ、２ページ目を同じ手順で記録する。このように逐次記録を行うことにより角度多重記録を行う。
【０００５】
一方で、再生時には逆フーリエ変換を行いドットパターン像を再生する。データ再生においては、図１に示すように、例えば、空間光変調器（ＳＬＭ）１５によって信号光１２Ａの光路を遮断して、参照光１２Ｂのみを記録媒体５へ照射する。再生時には、再生するページを記録した時の記録参照光と同じ入射角度になるように、ミラー１９の位置と角度をミラーの回動と直線移動を組み合わせで変化させ制御する。参照光１２Ｂの照射された記録媒体５の反対側には、記録された光干渉パターンを再現した再生光が現れる。この再生光を逆フーリエ変換レンズ１６Ａに導いて、逆フーリエ変換するとドットパターン信号を再現することができる。さらに、このドットパターン信号を焦点距離位置の電荷結合素子ＣＣＤなどの光検出器２０によって受光して、電気的なデジタルデータ信号に再変換した後、デコーダ２６に送ると、元のデータが再生される。
【０００６】
フーリエ変換ホログラム記録においてＬＣＤなどの空間光変調器１５でフーリエ変換された信号光は、空間光変調器１５の画素の繰り返しによる１次回折光が最高周波数成分となる。
図２は、従来の空間光変調器１５のパターンを示す平面図であり、一辺の長さがａ（μｍ）の正方形の画素がマトリクス状に配されている。すなわち、空間光変調器１５の画素ピッチはａ（μｍ）である。なお、参照符６は、信号光のビーム径を表している。
【０００７】
図３に示すように、信号光の光軸をｚ方向とし、信号光に垂直な面内における画素の行方向及び列方向をそれぞれｘ方向及びｙ方向とすると、信号光と参照光を干渉させ記録媒体５内で記録をおこなう際、フーリエ面に平行なｘｙ平面に信号光の光軸に対称な位置に空間周波数スペクトル分布光強度が生じる。
フーリエ変換ホログラムを用いるホログラム記録では、空間的に限られたスペースにホログラムを納めることができることと、情報をフーリエ変換して逆空間に情報を分散して記録すること、記録の冗長性を高めることができるという利点がある。記録面の空間周波数（ｆｓｐ）、光の波長（λ）、フーリエ変換レンズの焦点距離（Ｆ１）を用いて、フーリエ面での０次と１次フーリエスペクトルの間隔（ｄ１）は次のように対応づけることができる。
【０００８】
ｄ１＝ｆｓｐ・λ・Ｆ１
空間光変調器１５の画素ピッチが４２μｍ、波長５３２ｎｍ、焦点距離１６５ｍｍである場合、これに対応したフーリエスペクトル間隔（ｄ１）は上式によると２．１ｍｍとなる。したがって記録すべき情報は光軸上約±２．１ｍｍの範囲に存在することになる。すなわち、図３に示すように、この１次回折光と０次光とで構成される田の字型のｘｙ空間内（ｘ，ｙ≦±２ｄ１）に空間光変調器１５に現れた２次元データを分散させている。
【０００９】
従って、空間光変調器１５の透過／非透過の２次元格子パターンが極めてランダムである場合を除いて、フーリエ変換像には、当該２次元パターンのフーリエ成分に応じたピークが生じることになる。このようなフーリエ変換像にピークが生じると、当該ピーク位置において記録媒体のフォトリフラクティブ効果が飽和し、記録画像の非線形歪みが生じやすくなるという問題があった。
【００１０】
また、記録時におけるダイナミックレンジを確保するために、記録に必要な時間が長くなる、Ｓ／Ｎ比が低下する、あるいは高感度の記録媒体が必要とされる等の問題があった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、本発明が解決しようとする課題には、上記した問題が１例として挙げられる。すなわち、高感度の記録が可能で、信号歪みが小さい高性能な空間光変調器を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の空間光変調器は、複数の光変調素子が同一の平面内に配された空間光変調器であって、平面内の任意の方向における光変調素子の配列に対応する周期構造の周期が少なくとも２つ存在するように複数の光変調素子が配されていることを特徴としている。
【００１３】
本発明の空間光変調器は、複数の光変調素子が円形の光変調領域内に配された空間光変調器であって、光変調領域内の任意の方向における光変調素子の配列に対応する周期構造の周期が少なくとも２つ存在するように複数の光変調素子が配され、光変調素子の面積は、光変調領域の外周方向に沿って増大していることを特徴としている。
【００１４】
本発明の空間光変調器は、円形の光変調領域を有する空間光変調器であって、光変調領域を放射状に分割し更に同心円状に分割して得られた領域の各々に光変調素子が配されていることを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施例を図面を参照しつつ詳細に説明する。尚、以下に説明する図において、実質的に同等な部分には同一の参照符号を付している。
［第１の実施例］
図４は、本発明の第１の実施例である空間光変調器４０を用いたホログラム記録再生装置１０の構成を示すブロック図である。
【００１６】
このホログラム記録再生装置１０の光学系１０Ａにおいては、信号光１２Ａと記録参照光１２Ｂの光源として、例えば、波長５３２ｎｍの近赤外光を射出する半導体レーザが用いられる。レーザ光源１１は、レーザドライバ３１によって駆動される。レーザドライバ３１は、このホログラム記録再生装置１０の各回路ブロックに接続され、装置全体の制御を行うメインコントローラ　（ＣＰＵ）３０により制御される。すなわち、レーザドライバ３１には、書き込みタイミング信号等を含む各種制御信号がメインコントローラ３０から供給され、レーザドライバ３１は当該制御信号に基づいてレーザ光源１１を駆動する。
【００１７】
レーザ光源１１から発せられるレーザ光１２は、ビームスプリッタ１３によって信号光１２Ａと記録参照光１２Ｂとに分割される。レーザ光源１１から発せられたレーザ光１２は、ビームスプリッタ１３において信号光１２Ａと記録参照光１２Ｂとに分割される。信号光１２Ａは、ビームエキスパンダ１４でビーム径が拡大されて、平行光として、透過型のＴＦＴ液晶装置（ＬＣＤ）のパネルからなる空間光変調器（ＳＬＭ：Ｓｐａｔｉａｌ　Ｌｉｇｈｔ　Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）４０に入射される。
【００１８】
空間光変調器（ＳＬＭ）４０においては、平面内の任意の方向における光変調素子の配列に対応する周期構造の周期が少なくとも２つ存在するように複数の光変調素子が配されている。すなわち、光変調素子の配列に対応するフーリエ面上におけるフーリエ周波数のピーク成分が少なくとも２つ存在するように光変調素子が配されている。
【００１９】
本実施例において、空間光変調器（ＳＬＭ）４０は、図５の平面図に示すように、信号光のビーム径６に内接する程度の円形の光変調領域６Ａを有している。光変調領域６Ａは、円の中心を通る放射状の区画線によって所定の角度（θ）毎に分割されるとともに、半径がＲ_１，Ｒ_２，．．．，Ｒ_ｎ　の区画線によって同心円状に分割されている。分割された各領域は光変調素子（以下、画素ともいう。）４０Ａに対応し、これにより、空間光変調器４０には、画素Ａ_ｋ，１，Ａ_ｋ，２，．．．，Ａ_ｋ，ｎ　（ｋ＝１，２，．．．，ｍ）が構成されている。従って、空間光変調器４０は、ｎ×ｍ個の画素から構成されている。
【００２０】
例えば、ｋ＝１の場合について説明すると、図６の部分拡大図に示すように、Ａ_１，１，Ａ_１，２，．．．，Ａ_１，ｎ　の各画素は半径方向においてピッチが異なるように構成されている。なお、ピッチが同一であるような画素が無いように構成されるのが好ましい。また、ピッチの逆数が同程度の値となるように構成することによってフーリエスペクトルの間隔を均等に分散させることができる。このように空間光変調器４０を構成することにより、フーリエ面において、各画素に対応するフーリエスペクトルの間隔はそれぞれ異なることになり、フーリエ変換像の特定の位置にピークが生じることを回避することができる。
【００２１】
本実施例においては、さらに、レンズへの入射光量を有効に得るために、フーリエ周波数の高い画素、すなわち小さな画素を中心部に配し、フーリエ周波数の低い画素、すなわち大きな画素を周辺部に配するようにしている。つまり、Ａ_１，１，Ａ_１，２，．．．，Ａ_１，ｎ　の各画素の半径方向の長さＬ_１，ｊ　（ｊ＝１，２，．．．，ｎ）は、周辺部の画素ほど（ｊが大きいほど）長くなるようにしている。
【００２２】
さらに、Ａ_１，１，Ａ_１，２，．．．，Ａ_１，ｎ　の各画素の面積は信号光ビームのパワー密度に応じて定められている。すなわち、信号光ビームがガウス分布形状を有する場合には、ビーム中央部でパワー密度が高く、ビーム周辺部に向かうに従ってパワー密度は低下していく。従って、各画素に入射する光パワーが実質的に一定となるように各画素の面積は定められている。なお、各画素に入射する光パワーの比が所定範囲内に収まるように各画素の面積を定めてもよい。
【００２３】
空間光変調器（ＳＬＭ）４０は、記録すべきデータ信号に基づいて明暗のドットパターンを形成する。より詳細には、エンコーダ２５は、１次元のシリアルデジタル信号列からなる記録データ信号を受け取り、上記した空間光変調器（ＳＬＭ）４０の画素配列に応じた２次元データ配列に変換する。さらに、エンコーダ２５は当該２次元データ配列にエラー訂正符号を付加して、２次元データ信号（単位ページ系列データ信号）を生成する。また、エンコーダ２５内にはＳＬＭドライバ（図示しない）が設けられており、当該ＳＬＭドライバは２次元データ信号に基づいて駆動信号を生成して、空間光変調器（ＳＬＭ）４０を駆動する。これにより、空間光変調器（ＳＬＭ）４０には、２次元データ信号に応じた２次元のパターンが形成される。
【００２４】
信号光１２Ａは、空間光変調器（ＳＬＭ）４０を透過すると、当該パターンによって光変調される。すなわち、空間光変調器１５は、単位ページに対応する変調処理単位を有し、照射された波長５３２ｎｍの可干渉性のシグナルビームをエンコーダ２５からの単位ページ系列データに応じて、各画素毎に光をオン／オフして、変調された信号光ビームを生成する。より詳細には、空間光変調器１２は電気信号である単位ページ系列データの論理値“１”に応答してシグナルビームを通過させ、論理値“０”に応答してシグナルビームを遮断することにより、単位ページデータにおける各ビット内容に従った電気−光学変換が達成され、単位ページ系列の信号光としての変調された信号光ビーム（シグナルビーム）が生成される。
【００２５】
当該記録データ信号を含んだ信号光１２Ａは、その焦点距離ｆだけ離しておいたフーリエ変換レンズ１６を通過し、当該パターン信号成分はフーリエ変換されて、記録媒体５内に集光される。
一方、ビームスプリッタ１３において分割された記録参照光１２Ｂは、ミラー１８、ミラー１９によって記録媒体（体積ホログラフィックメモリ）５内に導かれて、信号光１２Ａの光路と記録媒体５の内部で交差して光干渉パターンを形成し、光干渉パターン全体を屈折率の変化として記録する。
【００２６】
このように、コヒーレントな平行光で照明された画像データからの回折光をフーリエ変換レンズで結像し、コヒーレントな参照光と干渉させてその干渉縞を焦点近傍の記録媒体に記録する。１データページ（以下、単にページという）目の記録が終了したら、記録媒体ドライバ３３により記録媒体５の位置を所定量平行移動させ、２ページ目を同じ手順で記録する。このように逐次記録を行うことにより記録を行う。
【００２７】
一方で、再生時には逆フーリエ変換を行いドットパターン像を再生する。データ再生においては、図４に示すように、例えば、シャッタ１７又は空間光変調器（ＳＬＭ）４０によって信号光１２Ａの光路を遮断して、参照光１２Ｂのみを記録媒体５へ入射させる。これにより、記録された光干渉パターンを再現した再生光が現れ、この再生光を逆フーリエ変換レンズ１６Ａに導いて、逆フーリエ変換するとパターン信号を再現することができる。さらに、このパターン信号を電荷結合素子ＣＣＤなどの光検出器２０によって受光して、電気的なデジタルデータ信号に再変換した後、デコーダ２６に送ると、記録されていたデータが再生される。
【００２８】
フーリエ変換像に生じるピークの強度及び位置などは、データ信号のビットパターンにも依存するが、本発明によれば、データ信号のビットパターンの如何にかかわらず、フーリエ変換像に生じるピークを回避でき、記録媒体のフォトリフラクティブ効果の飽和を招くことを防止できる。従って、非線形歪みが生じにくく、高感度のホログラム記録が可能で、高性能な空間光変調器を実現することができる。
［第２の実施例］
図７は、本発明の第２の実施例である空間光変調器４１の構成を示す模式的な平面図である。空間光変調器４０は、透過型のＴＦＴ液晶装置（ＬＣＤ）のパネルからなる。
【００２９】
図７の平面図に示すように、空間光変調器（ＳＬＭ）４１は、各々が円形状を有する複数の光変調素子（画素）４１Ａから構成されている。これらの複数の画素４１Ａは、空間光変調器４１の面内において以下のいずれかの条件を満たすように配列されている。
（１）　空間光変調器４１の面内における任意の線上の画素４１Ａによるフーリエ周波数が複数となるように配列されていること。又は、
（２）　当該複数の画素４１Ａは、ランダムな大きさを有していること。又は、
（３）　フーリエ周波数の高い画素、すなわち小さな画素を中心部に配し、フーリエ周波数の低い画素、すなわち大きな画素を周辺部に配するようにしていること。
【００３０】
なお、これらのうち複数の条件を満たすように配列してもよい。本実施例においては、上記のうち、（１）〜（３）の全てを満たすように配列されている。
また、各画素の面積は信号光ビームのパワー密度に応じて定めるのが好ましい。すなわち、信号光ビームがガウス分布形状を有する場合には、ビーム中央部でパワー密度が高く、ビーム周辺部に向かうに従ってパワー密度は低下していく。従って、各画素に入射する光パワーの比が所定範囲内に収まるように各画素の面積を定めてもよい。
【００３１】
図８は、本発明の空間光変調器４１の他の実施例を示す模式的な平面図である。各光変調素子（画素）４１Ａは円形状を有し、各画素の面積は、光変調領域６Ａの外周方向に沿って増大している。
あるいは、各画素は円形状である必要はない。図９に示すように、矩形の画素４２Ａからなる空間光変調器４２であってもよい。本実施例の場合、上記のうち、（１）〜（３）の全てを満たすように配列されている。
【００３２】
さらに、各画素が同一の形状からなる必要はない。すなわち、全ての画素が円形、又は矩形である必要はなく、ランダムな形状の画素を配列するようにしてもよい。
かかる構成によれば、フーリエ変換像に生じるピークを回避でき、記録媒体のフォトリフラクティブ効果の飽和を招くことを防止できる。従って、非線形歪みが生じにくく、高感度のホログラム記録が可能で、高性能な空間光変調器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のホログラム記録再生装置の一例を示す図である。
【図２】一辺の長さがａの正方形の画素がマトリクス状に配されている従来の空間光変調器のパターンを示す平面図である。
【図３】信号光と参照光の干渉によりフーリエ面に平行なｘｙ平面に生じる周波数スペクトル光強度を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施例である空間光変調器を用いたホログラム記録再生装置の構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第１の実施例である空間光変調器の光変調素子形状を示す模式的な平面図である。
【図６】図５に示す空間光変調器の部分拡大図である。
【図７】本発明の第２の実施例である空間光変調器の構成を示す模式的な平面図である。
【図８】本発明の他の実施例である、円形の光変調素子を有する空間光変調器の構成を示す模式的な平面図である。
【図９】本発明の他の実施例である、矩形の光変調素子を有する空間光変調器の構成を示す模式的な平面図である。
【主要部分の符号の説明】
５　記録媒体
１２Ａ　信号光
１２Ｂ　参照光
１５，４０，４１，４２　空間光変調器（ＳＬＭ）
２０　光検出器
２５　エンコーダ
２６　デコーダ
２７，２７Ａ，２７Ｂ
３３　記録媒体ドライバ
４０Ａ、４１Ａ、４２Ａ　光変調素子（画素）

Claims

複数の光変調素子が同一の平面内に配された空間光変調器であって、
前記平面内の任意の方向における光変調素子の配列に対応する周期構造の周期が少なくとも２つ存在するように前記複数の光変調素子が配されていることを特徴とする空間光変調器。
複数の光変調素子が円形の光変調領域内に配された空間光変調器であって、
前記光変調領域内の任意の方向における光変調素子の配列に対応する周期構造の周期が少なくとも２つ存在するように前記複数の光変調素子が配され、前記光変調素子の面積は、前記光変調領域の外周方向に沿って増大していることを特徴とする空間光変調器。
前記複数の光変調素子は、前記光変調領域の中心を最大点とするガウス分布形状に応じた面積比を有することを特徴とする請求項２に記載の空間光変調器。
円形の光変調領域を有する空間光変調器であって、
前記光変調領域を放射状に分割し更に同心円状に分割して得られた領域の各々に光変調素子が配されていることを特徴とする空間光変調器。
前記光変調領域の半径方向における光変調素子の配列に対応する周期構造の周期が少なくとも２つ存在するように前記光変調素子が配されていることを特徴とする請求項４に記載の空間光変調器。
前記光変調素子は、前記光変調領域の中心を最大点とするガウス分布形状に応じた面積比を有することを特徴とする請求項４に記載の空間光変調器。