JP2008033260A - ホログラム記録装置、ホログラム再生装置、ホログラム記録方法およびホログラム再生方法 - Google Patents

Abstract

【課題】位相マスクの位置合わせを要することなく、かつ集光スポットにおいて参照光が広がらないように情報を記録するホログラム記録方法およびホログラム記録装置と、そのようにして記録された情報を再生するホログラム再生方法およびホログラム再生装置を提供する。
【解決手段】空間光変調器２０２は、レーザ光２０１を空間的に変調して、記録すべき情報を表わし、かつ所定の周波数成分を有する物体光２０３を出力するとともに、レーザ光２０１を空間的に変調して、所定の周波数成分と同一の周波数成分を有する記録用参照光２０４を出力する。対物レンズ２０５は、物体光２０３および記録用参照光２０４を同時に記録媒体２００に集光する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラム記録装置、ホログラム再生装置、ホログラム記録方法およびホログラム再生方法に関し、特に記録用参照光および再生用参照光の変調方法に関する。
に関する。

近年、ホログラム技術は、次世代、次々世代光ディスクと競合する強力なストレージの候補として注目を集めている。ホログラムメモリの実用化へ向けて、ホログラム技術を利用して大容量データの記録再生を行うホログラム記録再生システムが提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。このようなホログラム記録再生装置では、記録データに基づき変調された物体光と参照光を干渉させて生じる干渉縞がホログラム記録メディアに記録される。

物体光を、たとえば、図１９のような画像とする。デジタルホログラムメモリでは、記録密度を向上させるために、レンズによってデータ画像のフーリエ変換像を記録する。これは、図１９に示したようなデータ画像の振幅分布のフーリエ変換に比例することから、フーリエ変換ホログラムと呼ばれる。

図２０は、データ画像のフーリエ変換像を示す。フーリエ変換像のｘ軸方向の広がりζは、式（１）で求めることができる。

ζ＝ｋ×λ×ｆ×ωｘ …（１）
ここで、ζはデータ画像（信号光）のフーリエ変換像の広がり、ｋは比例定数、λは信号光の波長、ｆはフーリエ変換用のレンズの焦点距離、ωｘは信号光のｘ軸方向の空間周波数を表わす。

図２０に示したフーリエ変換像のｘ軸方向の広がりは、図１９に示したようなデータ画像のｘ軸方向の空間周波数ωｘに対応する。ｘ軸方向についてみると、フーリエ変換像は、ωｘ＝０、ωy＝０の位置にある０次光（低周波成分）を中心にプラス方向およびマイナス方向に対称に広がっている。ｙ軸方向についても、同様である。このように空間周波数はプラスとマイナスの値を有するが、物体光のデータ画像を記録再生するには、いずれか一方の符号成分があればよい。

さらに、物体光の画像エッジ部分のみを記録再生する場合には、空間周波数の直流成分、すなわち０次光（ωｘ＝０）も遮断することができる。したがって、０次成分を含まない、たとえばプラス成分（∞＞ωｘ＞０）のみを取り出して記録することによって、物体光の画像エッジ部分を記録再生することができる。

さらに、記録する画像（物体光）は、アナログデータ画像ではなく、二値のデジタルデータ画像であるので、空間周波数ωｘが無限大の成分まで取り出して記録する必要はなく、デジタルデータ画像の一画素程度を周期とする空間周波数の成分が記録されれば十分である。

したがって、ホログラムにより情報の記録を行う際には、物体光のフーリエ変換像のうち、どの程度の空間周波数成分まで再生光との干渉に関与させ、干渉縞の形成に寄与させるかによって再生画像の画質が異なってくる。そのため、記録再生に用いる参照光をスペックル状に変化させるための位相マスクが参照光の光路中に挿入されることがある（特許文献１参照）。

特許文献１には、図２１に示すような空間光変調器（液晶パネル）８１の周りに位相マスク８２を配置して瞳分割して行う方式が記載されている。すなわち、図示されないレーザー光源から出射されビームエキスパンダなどで平行光にされたレーザー光８５が、空間光変調器８１とその空間光変調器８１の上方と下方に配置された位相マスク８２に入射する。空間光変調器８１は入射されたレーザー光を表示されているデータページパターンにより強度変調して物体光８６とし、この物体光８６がフーリエ変換レンズ８３によりホログラム記録媒体（フォトポリマーなど）８４の記録スポット（なお、ここで言うスポットとは３次元的な範囲を示すものとする）８８に集光される。これと同時に、レーザー光８５は位相マスク８２に入力されてスペックル状の記録用参照光８７となり、この記録用参照光８７がフーリエ変換レンズ８３によりホログラム記録媒体８４のスポット８９に集光される。これにより、物体光８６と記録用参照光８７の干渉により生じる干渉縞がホログラム記録媒体８４の記録スポット８８に記録されるが、その際、スポット８９を照射する記録用参照光８７はスペックル状で、ある程度の広がりを持った光束になっている。
特開２００５−２４１７７３号公報 IBM J. RES. DEVELOP. VOL, 44 No. 3, MAY 2000. "Holographic data storage."

しかしながら、特許文献１に記載されているような位相マスクを用いたホログラム記録再生装置では、位相マスクの位置ずれにより、記録再生に用いる参照光の波面がずれてしまうことがある。そのため、参照光の光束に対する位相マスクの位置合わせが困難となるという問題がある。

また、記録媒体に光が照射されたとき、光に反応することのできる総量（以下、ダイナミックレンジ）は、一般的に限られており、限られたダイナミックレンジを可能な限り有効に活用することが望ましい。具体的には、記録媒体に情報を記録するために必要な１回分の露光量（１回の物体光および参照光の光照射光景）をなるべく小さく抑えることが要求される。しかしながら、特許文献１に記載されているように参照光に位相マスクを挿入した場合には、集光スポットにおいて参照光が広がってしまい、記録媒体に対し不要な屈折率変調を与え、結果として余計なダイナミックレンジを消費してしまうという問題がある。

それゆえに、本発明の目的は、位相マスクの位置合わせを要することなく、かつ集光スポットにおいて参照光が広がらないように情報を記録するホログラム記録方法およびホログラム記録装置と、そのようにして記録された情報を再生するホログラム再生方法およびホログラム再生装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、情報を表わす物体光と記録用参照光とを記録媒体に照射して物体光と記録用参照光によって生じる干渉縞を記録媒体に記録することで情報を記録するホログラム記録装置であって、光束を空間的に変調する空間光変調器と、変調された光束を記録媒体に集光するレンズとを備え、空間光変調器は、光束を空間的に変調して、記録すべき情報を表わし、かつ所定の周波数成分を有する物体光を出力する第１の空間光変調部と、光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、所定の周波数成分と同一の周波数成分を有する記録用参照光を出力する第２の空間光変調部とを含み、レンズは、物体光および記録用参照光を同時に記録媒体に集光する。

好ましくは、第１の空間光変調部および第２の空間光変調部は、入力された光束を振幅変調する。

好ましくは、物体光および記録用参照光は、同じ変調方式によって空間的に変調されている。

好ましくは、物体光および記録用参照光は、異なる変調方式によって空間的に変調されており、物体光と記録用参照光に与えられている変調において、隣接する輝点の最大数は等しい。

好ましくは、物体光および記録用参照光のフーリエ面における強度分布のうち、低周波成分を除く領域の包絡線のピーク位置が一致する。

また、本発明は、情報を表わす物体光と記録用参照光との干渉縞が記録された記録媒体から情報を読出すホログラム再生装置であって、光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、物体光が有する周波数成分と同一の周波数成分を有する再生用参照光を出力する空間光変調器と、再生用参照光を記録媒体に集光するレンズとを備える。

好ましくは、空間光変調器は、入力された光束を振幅変調する。
好ましくは、再生用参照光は、物体光と同じ変調方式によって空間的に変調されている。

好ましくは、再生用参照光は、物体光と異なる変調方式によって空間的に変調されており、物体光と再生用参照光に与えられている変調において、隣接する輝点の最大数は等しい。

好ましくは、再生用参照光のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域の包絡線におけるピーク位置が、物体光のフーリエ面における強度分布の包絡線のピーク位置と一致する。

また、本発明は、情報を表わす物体光と記録用参照光とを記録媒体に照射して物体光と記録用参照光によって生じる干渉縞を記録媒体に記録することで情報を記録するホログラム記録方法であって、光束を空間的に変調するステップと、変調された光束を記録媒体に集光するステップと、変調するステップにおいて、光束を空間的に変調して、記録すべき情報を表わし、かつ所定の周波数成分を有する物体光を出力し、さらに、光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、物体光の周波数成分と同一の周波数成分を有する記録用参照光を出力し、集光するステップにおいて、物体光および記録用参照光を同時に記録媒体に集光する。

好ましくは、変調するステップにおいて、入力された光束を振幅変調する。
好ましくは、変調するステップにおいて、物体光と記録用参照光を同じ変調方式によって空間的に変調する。

好ましくは、変調するステップにおいて、物体光と記録用参照光を異なる変調方式によって空間的に変調し、物体光と記録用参照光に与える変調において、隣接する輝点の最大数を同じにする。

好ましくは、変調するステップにおいて、物体光および記録用参照光のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域における包絡線のピーク位置が一致する強度分布を有する物体光および記録用参照光を出力する。

また、本発明は、情報を表わす物体光と記録用参照光との干渉縞が記録された記録媒体から情報を読出すホログラム再生方法であって、光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、物体光が有する周波数成分と同一の周波数成分を有する再生用参照光を出力するステップと、再生用参照光を記録媒体に集光するステップとを含む。

好ましくは、変調するステップにおいて、入力された光束を振幅変調する。
好ましくは、変調するステップにおいて、再生用参照光を物体光と同じ変調方式によって空間的に変調する。

好ましくは、変調するステップにおいて、再生用参照光を、物体光と異なる変調方式によって空間的に変調し、物体光と再生用参照光に与える変調において、隣接する輝点の最大数を同じにする。

好ましくは、前記変調するステップにおいて、再生用参照光のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域における包絡線のピーク位置が、物体光のフーリエ面における強度分布の包絡線のピーク位置と一致する強度分布を有する再生用参照光を出力する。

本発明によれば、位相マスクの位置合わせを要することなく、かつ集光スポットにおいて参照光が広がらないようにして情報を記録することができ、またそのように記録された情報を再生することができる。

以下、本発明に係る実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施形態］
（ホログラム記録装置）
図１は、第１の実施形態のホログラム記録装置および記録媒体を表わす図である。

図１を参照して、このホログラム記録装置は、空間光変調器２０２と、対物レンズ２０５とを備える。

図示しない光源は、レーザー光２０１を出力する。
空間光変調器２０２は、レーザー光２０１を受けて、２次元的に空間変調された光を出力する。空間変調器２０２は、たとえば液晶表示装置、ＤＭＤ(Digital Mirror Device)で実現される。空間光変調器２０２は、記録すべき情報を表わす物体光２０３を出力する第１の空間光変調部２５１と、記録用参照光２０４を出力する第２の空間光変調部２５２とを含む。

対物レンズ２０５は、空間光変調器２０２から出力された物体光２０３および記録用参照光２０４を記録媒体２００に集光する。

記録媒体２００は、感光性材料２０７と基板２０６とで構成されている。対物レンズ２０５を通過した物体光２０４および記録用参照光２０４は、記録媒体２００内で干渉してホログラム２０８として記録媒体２００に記録される。

図２は、空間光変調器２０２の表示領域を表わす図である。
図２を参照して、空間光変調器２０２の表示領域は、第１の空間光変調部２５１における物体光表示領域２１１と、第２の空間光変調部２５２における記録用参照光表示領域２１２とを含む。

第１の空間光変調部２５１における物体光表示領域２１１には、記録される情報（画像データ）が２：４差分符号化された二次元のページデータが表示される。この二次元のページデータは、図示しない制御部から送られてくる。

次に、２：４差分符号化について説明する。２：４差分符号化とは４×４画素を用いて８ビットを表現する変調方法である。２：４差分符号化においては、たとえば、図３（a）に示すような規則により２×２画素からなるユニットを用いて情報（２ビット）を表現する。図３においては、たとえば、液晶素子では、白抜きピクセルを“透過”、黒抜きピクセルを“非透過”としている。２×２画素からなるユニットは、そのうちただ一つの画素のみ光を透過し、他の３つの画素は光を遮蔽する。どの画素が光を透過するかの場合分けは４通りあり、すなわち、１つのユニットは２ビットに相当する。ここで、個々の画素は必ずしも空間光変調器の一つの画素である必要はなく、複数の画素の集合であっても良い。

図３（ｃ）は図３（ｂ）のビット列（＝８ビット）を２：４差分符号化した結果を表わす図である。すなわち、図３（ｂ）のビット列が初めから２ビットごとに区切られ、区切られた各２ビットに対応するユニットが図３（a）の規則にしたがって特定され、特定されたユニットが図３（ｃ）の左上、右上、左下、右下の部分に順に配置される。

このように、２：４差分符号の最小パターンは、２×２画素からなるユニットが４個集まることによって構成される。また、２：４差分符号化では、８ビットの列が１６画素のうち４個の輝点を用いて表現される。このため、２：４差分符号化では、８ビットを表現する最小パターンに対して、２５６通りの符号化パターンが存在する。

上述のように、第１の空間変調部２５１における物体光表示領域２１１に表示される二次元のページデータは、２：４差分符号化されているので、情報（画像データ）の内容に係わらず、最小のパターンは２ビットであるため、常に所定の周波数成分を有する。したがって、入射したレーザー光２０１は、この物体光表示領域２１１で振幅変調されて、上記所定の周波数成分を有する物体光２０３が生成される。

第２の空間光変調部２５２における記録用参照光表示領域２１２のそれぞれには、オンとオフがランダムに並ぶ画像データが２：４差分符号化された二次元のページデータが表示される。この二次元のページデータは、図示しない制御部から送られてくる。この二次元のページデータは、２：４差分符号化されているので、記録用参照光表示領域２１２に表示されるニ次元のページデータと、物体光表示領域２１１に表示されるニ次元のページデータとは、同一の周波数成分を有する。入射したレーザー光２０１は、この記録用参照光表示領域２１２の各々で振幅変調されて、物体光２０３と同一の周波数成分を有する記録用参照光２０４がそれぞれ生成される。

また、第１の実施形態においては、記録用参照光表示領域２１２において、２：４差分符号化により生成される２５６通りの最小パターンがランダムに並ぶように配置することで、記録用参照光２０４に変調を与えている。これは、同様のパターンが繰り返し隣接する場合、あるいは、数種類のみのパターンが周期的に配置されるような場合には、フーリエ面における強度分布が特定の領域に集中するためである。

空間光変調器２０２において、物体光表示領域２１１および記録用参照光表示領域２１２以外の表示領域は光を遮断するようになっている。なお、第１の実施形態では、記録用参照光表示領域２１２は４つ存在するが、本発明はこれに限定するわけでなく、複数個、もしくは単一の表示パターンであっても構わず、この限りではない。また、各表示領域の形状に関しても、この限りではない。

（フーリエ面の強度分布）
次に、第１の実施形態で用いた物体光および参照光の変調パターン、並びに、対物レンズ２０５の焦点近傍、すなわちフーリエ面２０９での強度分布について図４から図６を用いて説明する。

図４（ａ）は、第１の実施形態における、物体光２０３に与えた変調のパターンを示す図である。図中の白い点は、光が存在しており、黒い点は光が遮断されている。

図４（ｂ）は、第１の実施形態において、物体光２０３のみが対物レンズ２０５によって集光された際のフーリエ面での強度分布を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸がフーリエ面での強度を表わす。

図４（ｂ）を参照して、中心部近に見られる強度分布は、物体光２０３の低周波成分（０次光）の強度分布１３１であり、それ以外のピークとして、物体光２０３の高周波成分の強度分布１３２が存在する。

図５（ａ）は、第１の実施形態における、記録用参照光２０４に与えた変調のパターンを示す図である。図中の白い点は、光が存在しており、黒い点は光が遮断されている。なお、記録用参照光２０４を生成する際に、空間光変調期２０２において、記録用参照光表示領域２１２に表示した２次元のページデータは、物体光２０３を生成するために用いた変調方式と同様の変調方式（２：４差分符号化）を用いてランダムなデータを変調したものである。

図５（ｂ）は、第１の実施形態において、記録用参照光２０４のみが対物レンズ２０５によって集光された際のフーリエ面での強度分布を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸がフーリエ面での強度を表わす。

図５（ｂ）を参照して、中心部近に見られる強度分布は、記録用参照光２０４の低周波成分（０次光）の強度分布１４１であり、それ以外のピークとして、記録用参照光２０４の高周波成分の強度分布１４２が存在する。

図６（ａ）は第１の実施形態における、空間変調器２０２に表示された記録時における変調のパターンを示す図である。図中の白い点は、光が存在しており、黒い点は光が遮断されている。図６（ａ）の変調のパターンは、図４（ａ）の物体光２０３の変調のパターンと、図５（ａ）の記録用参照光２０４の変調のパターンとが合成されたものである。

図６（ｂ）は、第１の実施形態の空間変調器２０２によって出力された物体光２０３と記録用参照光２０４が合わさった光束のフーリエ面での強度分布を示すグラフである。このグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸がフーリエ面での強度を表わす。

図６（ｂ）を参照して、中心部近に見られる強度分布は、低周波成分の強度分布１５１であり、それ以外の強度分布として、高周波成分の強度分布１５２が存在する。記録媒体２００にはこれらの強度分布により屈折率変調が与えられホログラムが形成される。

空間変調器２０２から出力された物体光２０３および記録用参照光２０４は、その空間周波数成分は等しいので、図４（ｂ）および図５（ｂ）に示した包絡線１３３および包絡線１４３のピーク位置が低周波成分領域および高周波成分領域において一致する。

図６（ｂ）では、物体光２０３の低周波成分の強度分布１３１が現われる位置と、記録用参照光２０４の低周波成分の強度分布１４１が現われる位置とが一致し、その結果位置が一致する強度分布１３１と強度分布１４１とが重畳された強度分布１５１が表わされている。また、物体光２０３の高周波成分の強度分布１３２が現われる位置と、記録用参照光２０４の高周波成分の強度分布１４２が現われる位置とが一致し、その結果位置が一致する強度分布１３２と強度分布１４２とが重畳された強度分布１５２が表わされている。これにより、記録媒体のダイナミックレンジを不要に消費することがなくホログラムを形成することができる。

次に、記録用参照光２０４に与えられている変調の空間周波数が、物体光２０３に与えられている変調の空間周波数と異なる場合の影響について説明する。

図７（ａ）および図８（ａ）は物体光２０３に与えられている変調の空間周波数と異なる空間周波数を有する、記録用参照光に与えた変調のパターンである。図７（ｂ）および図８（ｂ）はそのフーリエ面での強度分布を示している。このグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸がフーリエ面での強度を表わす。なお、図７（ａ）および図８（ａ）は、ともに２：４差分符号化されている。

図７（ｂ）および図８（ｂ）は、図４（ｂ）に示した物体光２０３のフーリエ面での強度分布と大きく異なっている。そのため、図７（ｂ）および図８（ｂ）に示した記録用参照光の変調のパターンを用いて記録を行った場合には、結果として記録媒体に対して無駄な露光を行う。すなわち、記録用参照光に、物体光２０３と異なる空間周波数を有する変調を与えた場合には、記録媒体のダイナミックレンジを浪費する。

（情報の記録動作）
次に、ホログラム記録装置の記録時の動作について説明する。

図示しない光源から出力されたレーザー光２０１は、空間光振幅変調器２０２に導かれる。

空間光変調器２０２の第１の空間光変調部２５１は、レーザー光２０１を２：４差分符号化で空間的に変調して、記録すべき情報を表わし、かつ所定の周波数成分を有する物体光２０３を出力する。空間光変調器２０２の第２の空間光変調部２５２は、レーザー光２０１を２：４差分符号化で空間的に変調して、上記所定の周波数成分と同一の周波数成分を有する記録用参照光２０４を出力する。

次に、対物レンズ２０５が、空間光変調器２０２から出力された物体光２０３および記録用参照光２０４を記録媒体２００に集光する。物体光２０３および記録用参照光２０４は、記録媒体２００内で干渉してホログラム２０８として記録媒体２００に記録される。

（ホログラム再生装置）
図９は、第１の実施形態のホログラム再生装置および記録媒体を表わす図である。

図９において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明は繰返さない。
空間光変調器３０２は、レーザー光２０１を受けて、２次元的に空間変調された光を出力する。空間光変調器３０２は、再生用参照光３０４を出力する第２の空間光変調部３５２を含む。

図１０は、空間光変調器３０２の表示領域を表わす図である。
図１０を参照して、空間光変調器３０２の第２の空間光変調部３５２における再生用参照光表示領域３１２は、図２の記録用参照光表示領域２１２と同様である。すなわち、第２の空間光変調部３５２における再生用参照光表示領域３１２の各々には、オンとオフがランダムに並ぶ画像データが２：４差分符号化された二次元のページデータが表示される。この二次元のページデータは、図示しない制御部から送られてくる。この二次元のページデータは、２：４差分符号化されているので、再生用参照光表示領域３１２に表示されるニ次元のページデータは、物体光表示領域２１１に表示されるニ次元のページデータおよび記録用参照光表示領域２１２に表示されるニ次元のページデータと同一の周波数成分を有する。また、空間光変調器３０２から出力された再生用参照光３０４と、ホログラム記録装置の空間変調器２０２から出力された物体光２０３の空間周波数成分は等しいので、フーリエ面において、これらの包絡線のピーク位置が低周波成分領域および高周波成分領域において一致する。

入射したレーザー光２０１は、この再生用参照光表示領域３１２の各々で振幅変調されて、記録用参照光２０４と同一の周波数成分を有する再生用参照光３０４がそれぞれ生成される。

（情報の再生動作）
次に、ホログラム再生装置の再生時の動作について説明する。

図示しない光源から出力されたレーザー光２０１は、空間光振幅変調器３０２に導かれる。

空間光変調器３０２の第２の空間光変調部３５２は、レーザー光２０１を２：４差分符号化で空間的に変調して、記録用参照光２０４および物体光２０３の周波数成分と同一の周波数成分を有する再生用参照光３０４を出力する。

次に、対物レンズ２０５が、空間光変調器３０２から出力された再生用参照光３０４を記録媒体２００に集光する。再生用参照光３０４は、ホログラム２０８に照射されて、ホログラム２０８の回折により、物体光２０３が再生される。

以上のように、第１の実施形態のホログラム記録装置およびホログラム再生装置によれば、物体光２０３、記録用参照光２０４および再生用参照光３０４の空間周波数成分が等しくなるようにすることで、位相マスクの位置合わせを要することがなく、かつ集光スポットにおいて参照光が広がらないようにして情報を記録することができ、またそのように記録された情報を再生することができる。

［第２の実施形態］
（ホログラム記録装置）
図１１は、第２の実施形態のホログラム記録装置および記録媒体を表わす図である。

図１１において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明は繰返さない。
空間光変調器４０２は、レーザー光２０１を受けて、２次元的に空間変調された光を出力する。空間変調器４０２は、たとえば液晶表示装置、ＤＭＤ(Digital Mirror Device)で実現される。空間光変調器４０２は、記録すべき情報を表わす物体光４０３を出力する第１の空間光変調部４５１と、記録用参照光４０４を出力する第２の空間光変調部４５２とを含む。

図１２は、空間光変調器４０２の表示領域を表わす図である。
図１２を参照して、空間光変調器４０２には、第１の空間光変調部４５１における物体光表示領域４１１と、第２の空間光変調部４５２における記録用参照光表示領域４１２とを含む。

第１の空間光変調部４５１における物体光表示領域４１１には、記録される情報（画像データ）が３−１６符号化された二次元のページデータが表示される。この二次元のページデータは、図示しない制御部から送られてくる。

次に、３−１６符号化について説明する。３−１６符号化とは４×４画素を用いて８ビットを表現する変調方法である。３−１６符号化においては、２：４差分符号化と異なり、図１３（a）のように、４×４画素のうち、３画素を用いて８ビットが表現される。

３−１６符号化では２：４差分符号化と同様に、図１３（ｂ）に示すように２×２画素からなる２ビットの情報を有するユニットを用いる。ただし、図１３（ｂ）に示すユニットを用いるのは３個までであり、残りの２×２画素は光が遮断されている。４×４画素中でこの遮断されている２×２画素が、右上、右下、左上、左下のいずれの位置に納まるかで、たとえば８ビット列の最初の２ビットが表わされる。４×４画素中で遮断されている２×２画素が左上、右上、左下、右下にある場合に、８ビット列の最初の２ビットが、たとえば、“００”、“０１”、“１０”、“１１”であるとする。

たとえば、図１３（ｃ）に示したパターンでは、光が遮断されている２×２画素が左上にあるため、８ビット列の最初の２ビットは“００”になる。残りの画素に関しては、図１３（ｂ）の規則によって、右上が“１１”、左下が“１０”、右下が“０１”となる。したがって、図１３（ｃ）に示したパターンは“００１１１００１”のビット列を表現することになる。

３−１６符号化においても、８ビットを表現する最小パターンに対して、２５６通りの符号化パターンが存在する。３−１６符号化においては隣接する透過画素の最大個数は２個であるため、３−１６符号化された物体光のフーリエ面での低周波成分以外の強度分布の位置は、２：４差分符号化された記録用参照光の低周波成分以外の強度分布の位置と一致する。

これに対して、たとえば、物体光が３−１６符号化により変調され、記録用参照光が、図１４（a）に示すように２画素で１ビットを表現するような１：２差分符号化（差分コーディング）によって変調された場合について説明する。図１４（ｂ）は、１：２差分符号化された記録用参照光のパターンの例を表わす。

このような場合、３−１６符号化によって変調されている物体光では連続する輝点の最大数が２個であるのに対し、１：２差分符号化によって変調されている記録用参照光は、連続する輝点の最大数が２個以上となってしまう。つまり、物体光と記録用参照光の隣接する透過画素の最大個数が異なる。このような場合では、フーリエ面において、記録用参照光の低周波成分の光強度が強くなり、ホログラムを形成する際、低周波成分の干渉が支配的となる。低周波成分の干渉が支配的となった際、再生時に得られる画像は、高周波成分からの寄与が相対的に少ないため、各画素のエッジがぼやけた再生像となり、結果的にビットエラーが増大する。また、低周波成分の光強度が高くなるために、記録媒体のダイナミックレンジを浪費する。

上記のような問題を回避するため、第２の実施形態においては、物体光に３−１６符号化による変調を与え、記録用参照光に２：４差分符号化による変調を与えることによって、各光束において、隣接する輝点の最大数を２個としている。

図１５（a）は３−１６符号化により変調された物体光の表示パターンであり、図１５（ｂ）は図１５（a）の表示パターンにより生成された物体光のフーリエ面での強度分布である。このグラフにおいて、横軸が周波数、縦軸がフーリエ面での強度を表わす。図１５（ｂ）を参照して、中心部近に見られる強度分布は、物体光の低周波成分（０次光）の強度分布１７１であり、それ以外の強度分布として、物体光の高周波成分の強度分布１７２が存在する。図１５（ｂ）および図５（ｂ）を参照して、フーリエ面において、３−１６符号化により変調された物体光の高周波成分の強度分布１７２と、２：４差分符号化により変調された記録用参照光の高周波成分の強度分布１４２の位置が一致する。つまり、低周波成分を除く領域において、３−１６符号化により変調された物体光と、２：４差分符号化により変調された記録用参照光とは、同一の周波数成分を有する。また、低周波成分を除く領域において、図１５（ｂ）および図５（ｂ）に示した包絡線１７４および包絡線１４３のピーク位置が一致する。

第２の空間光変調部４５２における記録用参照光表示領域４１２の各々における、パターンは、第１の実施の形態と同様に、２：４差分符号化により生成される２５６通りの最小パターンのうち、同じ最小パターンが隣接しないように配置されている。このように設定された記録用参照光表示領域４１２のページデータは、図示しない制御部から送られる。

図１６は、第２の実施形態における、空間変調器４０２に表示される記録時における変調のパターンを示す図である。図中の白い点は、光が存在しており、黒い点は光が遮断されている。図１６の変調のパターンは、３−１６符号化により変調された物体光４０３の変調のパターンと、２：４差分符号化により変調された記録用参照光４０４の変調のパターンとが合成されたものである。

入射したレーザー光２０１は、この記録用参照光表示領域４１２の各々で振幅変調されて、そのフーリエ面において、低周波成分以外の領域において、物体光４０３と同一の周波数成分を有する記録用参照光４０４がそれぞれ生成される。

空間光変調器４０２において、物体光表示領域４１１および記録用参照光表示領域４１２以外の表示領域は光を遮断するようになっている。なお、第２の実施形態では、記録用参照光表示領域４１２は４つ存在するが、本発明はこれに限定するわけでなく、複数個、もしくは単一の表示パターンであっても構わず、この限りではない。また、各表示領域の形状に関しても、この限りではない。

（情報の記録動作）
次に、ホログラム記録装置の記録時の動作について説明する。

図示しない光源から出力されたレーザー光２０１は、空間光振幅変調器４０２に導かれる。

空間光変調器４０２の第１の空間光変調部４５１は、レーザー光２０１を３−１６符号化で空間的に変調して、記録すべき情報を表わし、かつフーリエ面において所定の強度分布を有する物体光４０３を出力し、第２の空間光変調部４５２は、レーザー光２０１を２：４差分符号化で空間的に変調して、低周波成分を除く領域において、上記所定の周波数成分と同一の周波数成分を有する記録用参照光４０４を出力する。

次に、対物レンズ２０５が、空間光変調器４０２から出力された物体光４０３および記録用参照光４０４を記録媒体２００に集光する。物体光４０３および記録用参照光４０４は、記録媒体２００内で干渉してホログラム２０８として記録媒体２００に記録される。

（ホログラム再生装置）
図１７は、第２の実施形態のホログラム再生装置および記録媒体を表わす図である。

図１７において、図１と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明は繰返さない。
空間光変調器５０２は、レーザー光２０１を受けて、２次元的に空間変調された光を出力する。空間光変調器５０２は、再生用参照光５０４を出力する第２の空間光変調部５５２を含む。

図１８は、空間光変調器５０２の表示領域を表わす図である。
図１８を参照して、空間光変調器５０２の第２の空間光変調部５５２における再生用参照光表示領域５１２は、図１２の記録用参照光表示領域４１２と同様である。

入射したレーザー光２０１は、この再生用参照光表示領域５１２の各々で振幅変調されて、低周波成分以外の領域において、物体光４０３と同一の周波数成分を有する再生用参照光５０４がそれぞれ生成される。より具体的には、第２の空間光変調部５５２は、再生用参照光５０４のフーリエ面の強度分布のうち、低周波成分を除く領域における包絡線のピーク位置が、物体光４０３のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域における包絡線のピーク位置と一致するような強度分布を有する再生用参照光５０４を出力する。

（情報の再生動作）
次に、ホログラム再生装置の再生時の動作について説明する。

図示しない光源から出力されたレーザー光２０１は、空間光振幅変調器５０２に導かれる。

空間光変調器５０２の第２の空間光変調部５５２は、レーザー光２０１を２：４差分符号化で空間的に変調して、低周波成分を除く領域において、物体光４０３の周波数成分と同一の周波数成分を有する再生用参照光５０４を出力する。

次に、対物レンズ２０５が、空間光変調器５０２から出力された再生用参照光５０４を記録媒体２００に集光する。再生用参照光５０４は、ホログラム２０８に照射されて、ホログラム２０８の回折により、物体光４０３が再生される。

以上のように、第２の実施形態のホログラム記録装置およびホログラム再生装置によれば、物体光４０３、記録用参照光４０４および再生用参照光５０４のフーリエ面の強度分布が、低周波成分以外の強度分布の位置を合わせることで、位相マスクの位置合わせを要することがなく、かつ集光スポットにおいて参照光が広がらないようにして情報を記録することができ、またそのように記録された情報を再生することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

第１の実施形態のホログラム記録装置および記録媒体を表わす図である。 第1の実施形態のホログラム記録装置の空間光変調器の表示領域を表わす図である。 ２：４差分符号化を説明するための模式図である。 第１の実施形態における、物体光の変調のパターンおよびフーリエ面での強度分布を示す図である。 第１の実施形態における、記録用参照光の変調のパターンおよびフーリエ面での強度分布を示す図である。 第１の実施形態のホログラム記録装置の空間変調器に表示された変調のパターンおよび物体光と記録用参照光が合わさった光束のフーリエ面での強度分布を示す図である。 物体光に与えられている変調と異なる空間周波数を有する、記録用参照光に与えた変調のパターンおよびそのフーリエ面での強度分布を示す図である。 物体光に与えられている変調と異なる空間周波数を有する、記録用参照光に与えた変調のパターンおよびそのフーリエ面での強度分布を示す図である。 第１の実施形態のホログラム再生装置および記録媒体を表わす図である。 第１の実施形態のホログラム再生装置の空間光変調器の表示領域を表わす図である。 第２の実施形態のホログラム記録装置および記録媒体を表わす図である。 第２の実施形態のホログラム記録装置の空間光変調器の表示領域を表わす図である。 ３−１６符号化を説明する模式図である。 １：２差分符号化およびその変調方式により生成された記録用参照光の変調のパターンを示す図である。 第２の実施形態において、３−１６変調により物体光に与えた変調のパターンおよびフーリエ面での強度分布を示す図である。 第２の実施形態のホログラム記録装置の空間変調器によって与えられる変調のパターンを表わす図である。 第２の実施形態のホログラム再生装置および記録媒体を表わす図である。 第２の実施形態のホログラム再生装置の空間光変調器の表示領域を表わす図である。 ホログラムによる情報の記録を行なう際の物体光の一例を表わす図である。 物体光のフーリエ面での強度分布を表わす図である。 特許文献１に記載されているホログラム記録再生装置を表わす図である。

符号の説明

８２ 位相マスク、８３ フーリエ変換レンズ、８４，２００ 記録媒体、８５，２０１ レーザー光、８１，２０２，３０２，４０２，５０２ 空間光変調器、８６，２０３，４０３ 物体光、８８ 物体光スポット、８９ 参照光スポット、８７，２０４，４０４，５０４ 記録用参照光、３０４ 再生用参照光、２０５ 対物レンズ、２０６ 基板、２０７ 感光性材料、２０８ ホログラム、２０９ フーリエ面、２５１，４５１ 第１の空間光変調部、２５２，３５２，４５２，５５２ 第２の空間光変調部、２１１，４１１ 物体光表示領域、２１２，４１２ 記録用参照光表示領域、３１２，５１２ 再生用参照光表示領域、１３１，１７１ 物体光の低周波成分の強度分布、１３２，１７２ 物体光の高周波成分の強度分布、１４１ 記録用参照光の低周波成分の強度分布、１４２ 記録用参照光の高周波成分の強度分布、１５１ 物体光と記録用参照光が合わさった光束の低周波成分の強度分布、１５２ 物体光と記録用参照光が合わさった光束の高周波成分の強度分布。

Claims (20)

1. 情報を表わす物体光と記録用参照光とを記録媒体に照射して前記物体光と前記記録用参照光によって生じる干渉縞を前記記録媒体に記録することで情報を記録するホログラム記録装置であって、
   光束を空間的に変調する空間光変調器と、
   前記変調された光束を前記記録媒体に集光するレンズとを備え、
   前記空間光変調器は、
   前記光束を空間的に変調して、記録すべき情報を表わし、かつ所定の周波数成分を有する物体光を出力する第１の空間光変調部と、
   前記光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、前記所定の周波数成分と同一の周波数成分を有する記録用参照光を出力する第２の空間光変調部とを含み、
   前記レンズは、前記物体光および前記記録用参照光を同時に前記記録媒体に集光する、ホログラム記録装置。
2. 前記第１の空間光変調部および前記第２の空間光変調部は、前記入力された光束を振幅変調する、請求項１記載のホログラム記録装置。
3. 前記物体光および前記記録用参照光は、同じ変調方式によって空間的に変調されている、請求項１記載のホログラム記録装置。
4. 前記物体光と前記記録用参照光は、異なる変調方式によって空間的に変調されており、前記物体光と前記記録用参照光に与えられている変調において、隣接する輝点の最大数は等しい、請求項１記載のホログラム記録装置。
5. 前記物体光および前記記録用参照光のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域の包絡線のピーク位置が一致する、請求項３および請求項４記載のホログラム記録装置。
6. 情報を表わす物体光と記録用参照光との干渉縞が記録された記録媒体から情報を読出すホログラム再生装置であって、
   光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、前記物体光が有する周波数成分と同一の周波数成分を有する再生用参照光を出力する空間光変調器と、
   前記再生用参照光を前記記録媒体に集光するレンズとを備えた、ホログラム再生装置。
7. 前記空間光変調器は、前記入力された光束を振幅変調する、請求項６記載のホログラム再生装置。
8. 前記再生用参照光は、前記物体光と同じ変調方式によって空間的に変調されている、請求項６記載のホログラム再生装置。
9. 前記再生用参照光は、前記物体光と異なる変調方式によって空間的に変調されており、前記物体光と前記再生用参照光に与えられている変調において、隣接する輝点の最大数は等しい、請求項６記載のホログラム再生装置。
10. 前記再生用参照光のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域における包絡線のピーク位置が、前記物体光のフーリエ面における強度分布の包絡線のピーク位置と一致する請求項８および請求項９記載のホログラム再生装置。
11. 情報を表わす物体光と記録用参照光とを記録媒体に照射して前記物体光と前記記録用参照光によって生じる干渉縞を前記記録媒体に記録することで情報を記録するホログラム記録方法であって、
    光束を空間的に変調するステップと、
    前記変調された光束を前記記録媒体に集光するステップと、
    前記変調するステップにおいて、前記光束を空間的に変調して、記録すべき情報を表わし、かつ所定の周波数成分を有する物体光を出力し、さらに前記光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、前記物体光の周波数成分と同一の周波数成分を有する記録用参照光を出力し、
    前記集光するステップにおいて、前記物体光および前記記録用参照光を同時に前記記録媒体に集光する、ホログラム記録方法。
12. 前記変調するステップにおいて、前記入力された光束を振幅変調する、請求項１１記載のホログラム記録方法。
13. 前記変調するステップにおいて、前記物体光および前記記録用参照光を同じ変調方式によって空間的に変調する、請求項１１記載のホログラム記録方法。
14. 前記変調するステップにおいて、前記物体光と前記記録用参照光を異なる変調方式によって空間的に変調し、前記物体光と前記記録用参照光に与える変調において、隣接する輝点の最大数を同じにする請求項１１記載のホログラム記録方法。
15. 前記変調するステップにおいて、前記物体光および前記記録用参照光のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域における包絡線のピーク位置が一致する強度分布を有する物体光および記録用参照光を出力する、請求項１３および請求項１４記載のホログラム記録方法。
16. 情報を表わす物体光と記録用参照光との干渉縞が記録された記録媒体から情報を読出すホログラム再生方法であって、
    光束を空間的に変調して、少なくとも、低周波成分を除く領域において、前記物体光が有する周波数成分と同一の周波数成分を有する再生用参照光を出力するステップと、
    前記再生用参照光を前記記録媒体に集光するステップとを含む、ホログラム再生方法。
17. 前記変調するステップにおいて、前記入力された光束を振幅変調する、請求項１６記載のホログラム再生方法。
18. 前記変調するステップにおいて、前記再生用参照光を、前記物体光と同じ変調方式によって空間的に変調する、請求項１６記載のホログラム再生方法。
19. 前記変調するステップにおいて、前記再生用参照光を、前記物体光と異なる変調方式によって空間的に変調し、前記物体光と前記再生用参照光に与える変調において、隣接する輝点の最大数を同じにする請求項１６記載のホログラム再生方法。
20. 前記変調するステップにおいて、前記再生用参照光のフーリエ面での強度分布のうち、低周波成分を除く領域における包絡線のピーク位置が、前記物体光のフーリエ面における強度分布の包絡線のピーク位置と一致する強度分布を有する再生用参照光を出力する、請求項１８および請求項１９記載のホログラム再生方法。

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