JP3608603B2 - 光記録方法および光記録装置 - Google Patents
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- G03H1/0465—Particular recording light; Beam shape or geometry
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する光記録方法および光記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代のコンピュータファイルメモリとして、３次元的記録領域に由来する大容量性と２次元一括記録再生方式に由来する高速性とを兼ね備えたホログラムメモリが注目されている。ホログラムメモリでは、同一体積内に多重させて複数のデータページを記録することができ、かつ各ページごとにデータを一括して読み出すことができる。アナログ画像ではなく、二値のデジタルデータ「０，１」を「明、暗」としてデジタル画像化し、ホログラムとして記録再生することによって、デジタルデータの記録再生も可能となる。最近では、このデジタルホログラムメモリシステムの具体的な光学系や、体積多重記録方式に基づくＳ／Ｎやビット誤り率の評価、または２次元符号化についての提案がなされ、光学系の収差の影響など、より光学的な観点からの研究も進展している。
【０００３】
図８に、文献「Ｄ．Ｐｓａｌｔｉｓ，Ｍ．Ｌｅｖｅｎｅ，Ａ．Ｐｕ，Ｇ．Ｂａｒｂａｓｔａｔｈｉｓ ａｎｄ Ｋ．Ｃｕｒｔｉｓ；ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．７（１９９５）ｐ７８２」に示された、体積多重記録方式の一例であるシフト多重記録方式を示す。
【０００４】
シフト多重記録方式では、信号光３１と同時にホログラム記録媒体３５に照射する参照光３２として球面波を用いるとともに、ホログラム記録媒体３５をディスク形状とし、ディスク３５の回転によって同じ領域に複数のホログラムを重ね書きする。例えば、ビーム径を１．５ｍｍφとすると、ディスク３５を数十μｍ移動させるだけで、ほぼ同じ領域に別のホログラムを、クロストークを生じることなく記録することができる。これは、参照光３２が球面波であるため、ディスク３５の移動によって参照光３２の角度が変化したのと等価になることを利用したものである。
【０００５】
この球面参照波シフト多重記録の移動距離、すなわち互いのホログラムを独立に分離できる距離δは、上記文献にも示されているように、
δｓｐｈｅｒｉｃａｌ ＝δＢｒａｇｇ ＋δＮＡ
≒（λｚｏ／Ｌｔａｎθｓ）＋λ／２（ＮＡ） …（１）
で表される。ここで、λは信号光の波長、ｚｏは球面参照波を形成する対物レンズと記録媒体との距離、Ｌは記録媒体の膜厚、θｓは信号光と球面参照波の交差角、ＮＡは上記対物レンズの開口数である。
【０００６】
この式（１）から、記録媒体の膜厚Ｌが大きいほど、シフト量δが小さくなって、多重度を増すことができ、記録容量を増大させることができる。さらに、シフト多重記録方式で、より効果的に記録容量の増大を図るには、記録領域を微小化すればよい。微小領域に多重記録することによって、より高密度の体積多重記録を実現することができる。
【０００７】
上記の目的のために、ホログラムメモリシステムでは、信号光をレンズによってフーリエ変換して記録媒体に照射する。これによって、信号光の画像が細かいピッチ（高い空間周波数）を有する場合、記録媒体面で信号光はフランフォーファ回折し、その回折像の広がりζは、
ζ＝ｋλｆωｘ …（２）
で表される。ここで、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は信号光の空間周波数である。
【０００８】
したがって、フーリエ変換用のレンズとして焦点距離ｆが小さいものを用いれば、記録領域の微小化が可能である。このことは、例えば、「ホログラフィ」（電子通信学会）第７章にも示されている。
【０００９】
さらに、記録媒体の前方にアパーチャーを配することによっても、記録領域の微小化が可能である。例えば、特開昭５５−４１４８０号には、図９に示すように、中心に向かうに従って光の透過率が緩やかに増加する円形アパーチャー３８を有するアパーチャーボード３９を、記録媒体の前方に配置することによって、信号光および参照光の無用な広がりを制限し、記録領域の微小化を図ることが示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特開昭５５−４１４８０号のように、単に円形アパーチャーによって信号光および参照光の無用な広がりを制限するだけでは、記録領域を十分に微小化することはできない。特に、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する場合に、記録容量の増大を図るには、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落を生じることなく、かつ再生時に読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを制限して、記録領域の微小化を行う必要がある。
【００１１】
そこで、この発明は、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する場合に、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを十分に制限することができ、記録領域を十分に微小化することができるようにしたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の光記録方法では、
二値の２次元デジタルデータ画像の信号光をレンズによってフーリエ変換した後の光と、参照光とを、光記録媒体の前方に配置した遮光体の一部に形成した、前記信号光のフーリエ変換像の０次から１次、２次または３次までの成分のみを透過させる形状および大きさの光透過部を透過させて、前記光記録媒体に照射して、前記光記録媒体中にホログラムを記録する。
【００１３】
【作用】
上記の方法による、この発明の光記録方法では、フーリエ変換後の信号光と参照光とが、信号光のフーリエ変換像の、０次および１次の、または０次から２次までの、または０次から３次までの成分のみを透過させる形状および大きさの光透過部を透過して、光記録媒体に照射される。したがって、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを十分に制限することができ、記録領域を十分に微小化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
ホログラムとして記録するデータページを、例えば、図１のような画像とする。図中の白い部分がデータ“１”を表し、黒い部分がデータ“０”を表すようにすることによって、二値の２次元デジタルデータをページごとに記録することができる。この場合、ｄ×ｄの一画素の大きさが、１ビットデータに対応する。
【００１５】
このようなデータ画像をホログラムとして記録する場合、記録密度を向上させるために、またはホログラムにシフトインバリアントな特性を持たせるために、レンズによってデータ画像のフランフォーファ回折像を記録する。これは、図１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２に、図１のデータ画像のフーリエ変換像を示す。これは、上記の式（２）から求めることができる。
【００１６】
デジタルデータを高密度に記録するには、図１に示したようなデータ画像の一画素の面積を小さくして、すなわちｄの値を小さくして、１ページ内に、より多くのビットデータを詰め込むことが要求される。これによって、高密度の記録に加えて、高速の記録再生を実現することができる。
【００１７】
しかし、一画素の面積を小さくすると、光記録媒体上で、信号光のデータ画像のフーリエ変換像が、式（２）に従って広がってしまう。これは、信号光のデータ画像が細かくなると、すなわちｄの値が小さくなると、１／ｄに比例する空間周波数ωｘが大きくなることによる。このフーリエ変換像の広がりは、高密度記録の妨げとなる。
【００１８】
これを回避する方法としては、信号光の波長λを小さくする方法、または焦点距離ｆの短いレンズを用いて信号光のフーリエ変換像を形成する方法などが考えられる。しかしながら、光源の波長λを短くし、またはレンズの焦点距離ｆを短くすることによって、フーリエ変換像を小さくしても、原理的にフーリエ変換像は、その焦点面で無限の広がりを有するため、記録領域の微小化には十分でない。
【００１９】
そこで、この発明では、図１に示したようなデータ画像をホログラムとして記録する場合に、図２に示したようなフーリエ変換像の、データ再生に必要最小限のフーリエ変換成分のみを、遮光体の一部に形成した光透過部によって取り出して記録する。
【００２０】
図２に示したフーリエ変換像のｘ軸方向の広がりは、図１に示したデータ画像のｘ軸方向の空間周波数ωｘに対応し、ｘ軸方向についてみると、フーリエ変換像は、０次光（ωｘ＝０）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、信号光のデータ画像を再生するには、いずれか一方の符号成分があればよい。したがって、例えば、０次光を含むプラス成分のみを光透過部によって取り出して記録することによって、記録領域を小さくすることができる。
【００２１】
さらに、信号光のフーリエ変換像は、信号光の画素ピッチに由来する空間周波数成分を多く含むことから、高調波成分をカットしても、信号光をエラー無く再生することができる。これについて説明すると、画像データの空間周波数が始めから適当に正規化された値をとれば、図２に示したフランフォーファ回折像は、信号光のフーリエ変換像そのものとなるため、式（２）のｋは１となって、フランフォーファ回折像の広がりζは、
ζ＝λｆωｘ …（３）
で表される。
【００２２】
具体的な数値例を代入して回折像の広がりζを試算すると、例えば、波長λが５００ｎｍ、焦点距離ｆが１０ｃｍ、空間周波数ωｘが２５本／ｍｍ（４０μｍ×４０μｍの画素に対応）の場合、回折像の広がりζは、１．２５ｍｍとなり、プラス成分とマイナス成分を合わせると、２．５ｍｍとなる。さらに、図２に示すように、回折像は、１．２５ｍｍの間隔で、不連続かつ周期的なパターンとなる。
【００２３】
以上から、この発明の光記録方法では、遮光体の光透過部は、信号光のフーリエ変換像の、０次光からの広がりがｎｆλ／ｄで規定されるフーリエ変換成分のみを透過させる形状および大きさとする。ただし、ｎは１，２または３である。
【００２４】
すなわち、この発明の光記録方法では、信号光のフーリエ変換像の、０次および１次の、または０次から２次までの、または０次から３次までの成分のみを、遮光体の光透過部によって取り出して記録する。より望ましくは、ｎ＝２として、フーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録する。
【００２５】
フーリエ変換像の０次の成分のみを記録すれば、記録領域を最も微小化することができるが、それでは、データの欠落を生じて、信号光のデータ画像を読み出すことができなくなる。データの欠落を生じないためには、フーリエ変換像の少なくとも０次および１次の成分を記録する必要がある。
【００２６】
逆に、フーリエ変換像の４次、５次というような高次の成分まで記録すれば、信号光のデータ画像を高いＳ／Ｎで読み出すことができるが、それでは、記録領域を十分に微小化することができず、記録容量を十分に増大させることができない。実際上、フーリエ変換像の１次の成分まで記録すれば、再生時、読み取りエラーをほとんど生じない。さらに、２次または３次の成分まで記録すれば、信号光のデータ画像を十分に高いＳ／Ｎで読み出すことができる。
【００２７】
したがって、信号光のフーリエ変換像の、０次および１次の、または０次から２次までの、または０次から３次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録することによって、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、記録領域を十分に微小化することができる。特に、フーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録することによって、記録領域の微小化と再生時の高Ｓ／Ｎ化の両方を満足させることができる。
【００２８】
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、この発明の光記録方法に用いる遮光体の一例を示す。同図（Ａ）は、遮光体２０の光透過部２１を、半径ａの円形とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、各軸方向につきプラス方向およびマイナス方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００２９】
同図（Ｂ）は、光透過部２１を、半径ａの半円形とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、ｙ軸方向についてはプラス方向およびマイナス方向の、その他の軸方向についてはプラス方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００３０】
同図（Ｃ）は、光透過部２１を、半径ａの扇形（四半円形）とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、ｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれにつきプラス方向、およびＸ軸プラス方向とＹ軸プラス方向との間の方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００３１】
同図（Ｄ）は、光透過部２１を、一辺の長さがａで、幅がａ／３以下のＬ形とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、ｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれにつきプラス方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００３２】
図４は、この発明の光記録方法および光記録装置の一実施形態を示す。上述した遮光体２０は、光記録媒体５の前方に配置する。光源６からのコヒーレント光を、ビームスプリッタ１２で２つの光に分け、記録時にはシャッタ１５を開けて、ビームスプリッタ１２を透過した光を、レンズ１０ａ，１０ｂによって口径の広い平行光にして、空間光変調器４に入射させる。
【００３３】
図では省略したコンピュータによって、空間光変調器４には、図１に示したような二値の２次元デジタルデータ画像を表示する。これによって、空間光変調器４を通過した光は、データ画像の各画素の二値データに応じて強度変調されて、図１に示したようなデータ画像の情報を有する信号光１となる。
【００３４】
この信号光１を、レンズ７によってフーリエ変換し、遮光体２０の上述した光透過部を透過させて、光記録媒体５に照射する。
【００３５】
同時に、ビームスプリッタ１２で反射した光を、参照光２として、ミラー１３および１４で反射させ、遮光体２０の光透過部を透過させて、光記録媒体５のフーリエ変換後の信号光１が照射される領域に照射する。これによって、光記録媒体５中でフーリエ変換後の信号光１と参照光２とが干渉して、光記録媒体５中にフーリエ変換ホログラムが記録される。
【００３６】
読み出し時には、シャッタ１５を閉じて信号光１を遮断し、記録時に用いた参照光２と同じ光を読み出し光として、遮光体２０の光透過部を透過させて、光記録媒体５のホログラムが記録されている領域に照射する。照射された読み出し光２は、ホログラムによって回折される。
【００３７】
その回折光３を、レンズ８によって逆フーリエ変換して、ＣＣＤなどの光検出器９上に結像させ、信号光１の画像データを読み取る。
【００３８】
〔実施例〕
上述した方法で、実際に記録再生を試みた。光記録媒体５としては、ホログラムを記録できるものであれば、どのようなものでもよいが、ここでは、図５に示す化学式で表される、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いた。この材料は、特願平１０−３２８３４号に詳細に記載されているように、側鎖のシアノアゾベンゼンの光異性化による光誘起異方性（光誘起複屈折性、光誘起２色性）によって、ホログラムの記録、再生、消去が可能である。
【００３９】
データ画像の記録には、図４に示した光記録装置を用いた。光源６には、光記録媒体５としての、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のあるアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを使用した。
【００４０】
空間光変調器４には、一画素の大きさが４０μｍ×４０μｍで６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネル１．３型を用いた。一画素を１ビットとして、図１に示したチェスボードパターンをコンピュータで作成して、空間光変調器４に入力した。したがって、信号光１のデータ画像は、ｄ＝４０μｍのピッチに対応する空間周波数成分を有することになる。
【００４１】
信号光１をフーリエ変換するレンズ７としては、焦点距離ｆが５５ｍｍと１００ｍｍの２種類のものを用いた。これによって、レンズ７の焦点距離ｆの違いによるフーリエ変換像の広がりを評価した。
【００４２】
遮光体２０の光透過部としては、図３（Ａ）に示した半径ａが０．６３ｍｍと１ｍｍの円形のもの、同図（Ｂ）に示した半径ａが０．７ｍｍと１．１ｍｍの半円形のもの、同図（Ｃ）に示した半径ａが０．７５ｍｍと１．２５ｍｍの扇形のもの、同図（Ｄ）に示した一辺ａが１．４ｍｍと２．６ｍｍのＬ形のもの、を用いた。
【００４３】
これらの光透過部によって、それぞれ、信号光１のフーリエ変換像の所定成分のみを取り出して、光記録媒体５中にフーリエ変換ホログラムを記録した。このとき、フーリエ変換像と光透過部とは、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すような位置関係とした。図２および図３とは逆に、フーリエ変換像の各成分を白塗りで示し、光透過部２１を黒塗りで示す。
【００４４】
図４に示した光読み取り装置によって、上記のように記録したホログラムからデータを読み出すことを試みた。光源６には、記録時と同じアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いた。シャッタ１５を閉じて信号光１を遮断し、参照光２と同じ光を読み出し光として光記録媒体５に照射した。
【００４５】
その結果、レンズ７として焦点距離１００ｍｍのものを用いた場合には、半径ａが１ｍｍの円形、半径ａが１．１ｍｍの半円形、半径ａが１．２５ｍｍの扇形、一辺ａが２．６ｍｍのＬ形の、それぞれの光透過部によって信号光１のフーリエ変換像の所定成分のみを取り出して、ホログラムを記録したときには、読み取り時、回折光３として、信号光１と同じチェスボードパターンが鮮明に再生された。
【００４６】
また、レンズ７として焦点距離５５ｍｍのものを用いた場合には、半径ａが０．６３ｍｍの円形、半径ａが０．７ｍｍの半円形、半径ａが０．７５ｍｍの扇形、一辺ａが１．４ｍｍのＬ形の、それぞれの光透過部によって信号光１のフーリエ変換像の所定成分のみを取り出して、ホログラムを記録したときには、読み取り時、回折光３として、信号光１と同じチェスボードパターンが鮮明に再生された。
【００４７】
これらの結果を図７に示す。同図の横軸は、レンズ７の焦点距離ｆを示し、縦軸は、光透過部の半径（一辺）ａを示す。図中の網かけ部分は、レンズ７の焦点距離ｆに対する、信号光１のフーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを透過させる光透過部の半径（一辺）ａの領域を示す。ただし、この場合、ｄ＝４０μｍである。
【００４８】
この結果から、信号光のフーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録することによって、データの欠落および再生時の読み取りエラーを生じることなく、記録領域を十分に微小化できることがわかる。
【００４９】
【発明の効果】
上述したように、この発明の光記録方法および光記録装置によれば、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する場合に、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを十分に制限することができ、記録領域を十分に微小化することができる。したがって、この発明の光記録方法を、シフト多重記録、角度多重記録、波長多重記録などのホログラム多重記録方式と組み合わせることによって、大容量のデジタルホログラムメモリシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明で記録する信号光の一例を示す図である。
【図２】図１の信号光のフーリエ変換像を示す図である。
【図３】この発明で用いる遮光体の光透過部の一例を示す図である。
【図４】この発明の光記録方法および光記録装置の一実施形態を示す図である。
【図５】この発明で用いる光記録媒体の材料の一例の化学式を示す図である。
【図６】実施例におけるフーリエ変換像と光透過部との位置関係を示す図である。
【図７】実施例におけるフーリエ変換用のレンズの焦点距離と光透過部の半径との関係を示す図である。
【図８】シフト多重記録方式を説明するための図である。
【図９】従来の光記録方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１…信号光
２…参照光（読み出し光）
３…回折光
４…空間光変調器
５…光記録媒体
６…光源
７…レンズ
９…光検出器
１２…ビームスプリッタ
１５…シュッタ
２０…遮光体
２１…光透過部
【発明の属する技術分野】
この発明は、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する光記録方法および光記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代のコンピュータファイルメモリとして、３次元的記録領域に由来する大容量性と２次元一括記録再生方式に由来する高速性とを兼ね備えたホログラムメモリが注目されている。ホログラムメモリでは、同一体積内に多重させて複数のデータページを記録することができ、かつ各ページごとにデータを一括して読み出すことができる。アナログ画像ではなく、二値のデジタルデータ「０，１」を「明、暗」としてデジタル画像化し、ホログラムとして記録再生することによって、デジタルデータの記録再生も可能となる。最近では、このデジタルホログラムメモリシステムの具体的な光学系や、体積多重記録方式に基づくＳ／Ｎやビット誤り率の評価、または２次元符号化についての提案がなされ、光学系の収差の影響など、より光学的な観点からの研究も進展している。
【０００３】
図８に、文献「Ｄ．Ｐｓａｌｔｉｓ，Ｍ．Ｌｅｖｅｎｅ，Ａ．Ｐｕ，Ｇ．Ｂａｒｂａｓｔａｔｈｉｓ ａｎｄ Ｋ．Ｃｕｒｔｉｓ；ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ Ｖｏｌ．２０，Ｎｏ．７（１９９５）ｐ７８２」に示された、体積多重記録方式の一例であるシフト多重記録方式を示す。
【０００４】
シフト多重記録方式では、信号光３１と同時にホログラム記録媒体３５に照射する参照光３２として球面波を用いるとともに、ホログラム記録媒体３５をディスク形状とし、ディスク３５の回転によって同じ領域に複数のホログラムを重ね書きする。例えば、ビーム径を１．５ｍｍφとすると、ディスク３５を数十μｍ移動させるだけで、ほぼ同じ領域に別のホログラムを、クロストークを生じることなく記録することができる。これは、参照光３２が球面波であるため、ディスク３５の移動によって参照光３２の角度が変化したのと等価になることを利用したものである。
【０００５】
この球面参照波シフト多重記録の移動距離、すなわち互いのホログラムを独立に分離できる距離δは、上記文献にも示されているように、
δｓｐｈｅｒｉｃａｌ ＝δＢｒａｇｇ ＋δＮＡ
≒（λｚｏ／Ｌｔａｎθｓ）＋λ／２（ＮＡ） …（１）
で表される。ここで、λは信号光の波長、ｚｏは球面参照波を形成する対物レンズと記録媒体との距離、Ｌは記録媒体の膜厚、θｓは信号光と球面参照波の交差角、ＮＡは上記対物レンズの開口数である。
【０００６】
この式（１）から、記録媒体の膜厚Ｌが大きいほど、シフト量δが小さくなって、多重度を増すことができ、記録容量を増大させることができる。さらに、シフト多重記録方式で、より効果的に記録容量の増大を図るには、記録領域を微小化すればよい。微小領域に多重記録することによって、より高密度の体積多重記録を実現することができる。
【０００７】
上記の目的のために、ホログラムメモリシステムでは、信号光をレンズによってフーリエ変換して記録媒体に照射する。これによって、信号光の画像が細かいピッチ（高い空間周波数）を有する場合、記録媒体面で信号光はフランフォーファ回折し、その回折像の広がりζは、
ζ＝ｋλｆωｘ …（２）
で表される。ここで、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は信号光の空間周波数である。
【０００８】
したがって、フーリエ変換用のレンズとして焦点距離ｆが小さいものを用いれば、記録領域の微小化が可能である。このことは、例えば、「ホログラフィ」（電子通信学会）第７章にも示されている。
【０００９】
さらに、記録媒体の前方にアパーチャーを配することによっても、記録領域の微小化が可能である。例えば、特開昭５５−４１４８０号には、図９に示すように、中心に向かうに従って光の透過率が緩やかに増加する円形アパーチャー３８を有するアパーチャーボード３９を、記録媒体の前方に配置することによって、信号光および参照光の無用な広がりを制限し、記録領域の微小化を図ることが示されている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特開昭５５−４１４８０号のように、単に円形アパーチャーによって信号光および参照光の無用な広がりを制限するだけでは、記録領域を十分に微小化することはできない。特に、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する場合に、記録容量の増大を図るには、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落を生じることなく、かつ再生時に読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを制限して、記録領域の微小化を行う必要がある。
【００１１】
そこで、この発明は、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する場合に、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを十分に制限することができ、記録領域を十分に微小化することができるようにしたものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の光記録方法では、
二値の２次元デジタルデータ画像の信号光をレンズによってフーリエ変換した後の光と、参照光とを、光記録媒体の前方に配置した遮光体の一部に形成した、前記信号光のフーリエ変換像の０次から１次、２次または３次までの成分のみを透過させる形状および大きさの光透過部を透過させて、前記光記録媒体に照射して、前記光記録媒体中にホログラムを記録する。
【００１３】
【作用】
上記の方法による、この発明の光記録方法では、フーリエ変換後の信号光と参照光とが、信号光のフーリエ変換像の、０次および１次の、または０次から２次までの、または０次から３次までの成分のみを透過させる形状および大きさの光透過部を透過して、光記録媒体に照射される。したがって、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを十分に制限することができ、記録領域を十分に微小化することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
ホログラムとして記録するデータページを、例えば、図１のような画像とする。図中の白い部分がデータ“１”を表し、黒い部分がデータ“０”を表すようにすることによって、二値の２次元デジタルデータをページごとに記録することができる。この場合、ｄ×ｄの一画素の大きさが、１ビットデータに対応する。
【００１５】
このようなデータ画像をホログラムとして記録する場合、記録密度を向上させるために、またはホログラムにシフトインバリアントな特性を持たせるために、レンズによってデータ画像のフランフォーファ回折像を記録する。これは、図１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２に、図１のデータ画像のフーリエ変換像を示す。これは、上記の式（２）から求めることができる。
【００１６】
デジタルデータを高密度に記録するには、図１に示したようなデータ画像の一画素の面積を小さくして、すなわちｄの値を小さくして、１ページ内に、より多くのビットデータを詰め込むことが要求される。これによって、高密度の記録に加えて、高速の記録再生を実現することができる。
【００１７】
しかし、一画素の面積を小さくすると、光記録媒体上で、信号光のデータ画像のフーリエ変換像が、式（２）に従って広がってしまう。これは、信号光のデータ画像が細かくなると、すなわちｄの値が小さくなると、１／ｄに比例する空間周波数ωｘが大きくなることによる。このフーリエ変換像の広がりは、高密度記録の妨げとなる。
【００１８】
これを回避する方法としては、信号光の波長λを小さくする方法、または焦点距離ｆの短いレンズを用いて信号光のフーリエ変換像を形成する方法などが考えられる。しかしながら、光源の波長λを短くし、またはレンズの焦点距離ｆを短くすることによって、フーリエ変換像を小さくしても、原理的にフーリエ変換像は、その焦点面で無限の広がりを有するため、記録領域の微小化には十分でない。
【００１９】
そこで、この発明では、図１に示したようなデータ画像をホログラムとして記録する場合に、図２に示したようなフーリエ変換像の、データ再生に必要最小限のフーリエ変換成分のみを、遮光体の一部に形成した光透過部によって取り出して記録する。
【００２０】
図２に示したフーリエ変換像のｘ軸方向の広がりは、図１に示したデータ画像のｘ軸方向の空間周波数ωｘに対応し、ｘ軸方向についてみると、フーリエ変換像は、０次光（ωｘ＝０）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、信号光のデータ画像を再生するには、いずれか一方の符号成分があればよい。したがって、例えば、０次光を含むプラス成分のみを光透過部によって取り出して記録することによって、記録領域を小さくすることができる。
【００２１】
さらに、信号光のフーリエ変換像は、信号光の画素ピッチに由来する空間周波数成分を多く含むことから、高調波成分をカットしても、信号光をエラー無く再生することができる。これについて説明すると、画像データの空間周波数が始めから適当に正規化された値をとれば、図２に示したフランフォーファ回折像は、信号光のフーリエ変換像そのものとなるため、式（２）のｋは１となって、フランフォーファ回折像の広がりζは、
ζ＝λｆωｘ …（３）
で表される。
【００２２】
具体的な数値例を代入して回折像の広がりζを試算すると、例えば、波長λが５００ｎｍ、焦点距離ｆが１０ｃｍ、空間周波数ωｘが２５本／ｍｍ（４０μｍ×４０μｍの画素に対応）の場合、回折像の広がりζは、１．２５ｍｍとなり、プラス成分とマイナス成分を合わせると、２．５ｍｍとなる。さらに、図２に示すように、回折像は、１．２５ｍｍの間隔で、不連続かつ周期的なパターンとなる。
【００２３】
以上から、この発明の光記録方法では、遮光体の光透過部は、信号光のフーリエ変換像の、０次光からの広がりがｎｆλ／ｄで規定されるフーリエ変換成分のみを透過させる形状および大きさとする。ただし、ｎは１，２または３である。
【００２４】
すなわち、この発明の光記録方法では、信号光のフーリエ変換像の、０次および１次の、または０次から２次までの、または０次から３次までの成分のみを、遮光体の光透過部によって取り出して記録する。より望ましくは、ｎ＝２として、フーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録する。
【００２５】
フーリエ変換像の０次の成分のみを記録すれば、記録領域を最も微小化することができるが、それでは、データの欠落を生じて、信号光のデータ画像を読み出すことができなくなる。データの欠落を生じないためには、フーリエ変換像の少なくとも０次および１次の成分を記録する必要がある。
【００２６】
逆に、フーリエ変換像の４次、５次というような高次の成分まで記録すれば、信号光のデータ画像を高いＳ／Ｎで読み出すことができるが、それでは、記録領域を十分に微小化することができず、記録容量を十分に増大させることができない。実際上、フーリエ変換像の１次の成分まで記録すれば、再生時、読み取りエラーをほとんど生じない。さらに、２次または３次の成分まで記録すれば、信号光のデータ画像を十分に高いＳ／Ｎで読み出すことができる。
【００２７】
したがって、信号光のフーリエ変換像の、０次および１次の、または０次から２次までの、または０次から３次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録することによって、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、記録領域を十分に微小化することができる。特に、フーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録することによって、記録領域の微小化と再生時の高Ｓ／Ｎ化の両方を満足させることができる。
【００２８】
図３（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ、この発明の光記録方法に用いる遮光体の一例を示す。同図（Ａ）は、遮光体２０の光透過部２１を、半径ａの円形とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、各軸方向につきプラス方向およびマイナス方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００２９】
同図（Ｂ）は、光透過部２１を、半径ａの半円形とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、ｙ軸方向についてはプラス方向およびマイナス方向の、その他の軸方向についてはプラス方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００３０】
同図（Ｃ）は、光透過部２１を、半径ａの扇形（四半円形）とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、ｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれにつきプラス方向、およびＸ軸プラス方向とＹ軸プラス方向との間の方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００３１】
同図（Ｄ）は、光透過部２１を、一辺の長さがａで、幅がａ／３以下のＬ形とし、信号光のフーリエ変換像の、０次の成分と、ｘ軸方向およびｙ軸方向のそれぞれにつきプラス方向の、１次および２次の成分とを、透過させるものとした場合である。
【００３２】
図４は、この発明の光記録方法および光記録装置の一実施形態を示す。上述した遮光体２０は、光記録媒体５の前方に配置する。光源６からのコヒーレント光を、ビームスプリッタ１２で２つの光に分け、記録時にはシャッタ１５を開けて、ビームスプリッタ１２を透過した光を、レンズ１０ａ，１０ｂによって口径の広い平行光にして、空間光変調器４に入射させる。
【００３３】
図では省略したコンピュータによって、空間光変調器４には、図１に示したような二値の２次元デジタルデータ画像を表示する。これによって、空間光変調器４を通過した光は、データ画像の各画素の二値データに応じて強度変調されて、図１に示したようなデータ画像の情報を有する信号光１となる。
【００３４】
この信号光１を、レンズ７によってフーリエ変換し、遮光体２０の上述した光透過部を透過させて、光記録媒体５に照射する。
【００３５】
同時に、ビームスプリッタ１２で反射した光を、参照光２として、ミラー１３および１４で反射させ、遮光体２０の光透過部を透過させて、光記録媒体５のフーリエ変換後の信号光１が照射される領域に照射する。これによって、光記録媒体５中でフーリエ変換後の信号光１と参照光２とが干渉して、光記録媒体５中にフーリエ変換ホログラムが記録される。
【００３６】
読み出し時には、シャッタ１５を閉じて信号光１を遮断し、記録時に用いた参照光２と同じ光を読み出し光として、遮光体２０の光透過部を透過させて、光記録媒体５のホログラムが記録されている領域に照射する。照射された読み出し光２は、ホログラムによって回折される。
【００３７】
その回折光３を、レンズ８によって逆フーリエ変換して、ＣＣＤなどの光検出器９上に結像させ、信号光１の画像データを読み取る。
【００３８】
〔実施例〕
上述した方法で、実際に記録再生を試みた。光記録媒体５としては、ホログラムを記録できるものであれば、どのようなものでもよいが、ここでは、図５に示す化学式で表される、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いた。この材料は、特願平１０−３２８３４号に詳細に記載されているように、側鎖のシアノアゾベンゼンの光異性化による光誘起異方性（光誘起複屈折性、光誘起２色性）によって、ホログラムの記録、再生、消去が可能である。
【００３９】
データ画像の記録には、図４に示した光記録装置を用いた。光源６には、光記録媒体５としての、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のあるアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを使用した。
【００４０】
空間光変調器４には、一画素の大きさが４０μｍ×４０μｍで６４０×４８０画素のプロジェクタ用液晶パネル１．３型を用いた。一画素を１ビットとして、図１に示したチェスボードパターンをコンピュータで作成して、空間光変調器４に入力した。したがって、信号光１のデータ画像は、ｄ＝４０μｍのピッチに対応する空間周波数成分を有することになる。
【００４１】
信号光１をフーリエ変換するレンズ７としては、焦点距離ｆが５５ｍｍと１００ｍｍの２種類のものを用いた。これによって、レンズ７の焦点距離ｆの違いによるフーリエ変換像の広がりを評価した。
【００４２】
遮光体２０の光透過部としては、図３（Ａ）に示した半径ａが０．６３ｍｍと１ｍｍの円形のもの、同図（Ｂ）に示した半径ａが０．７ｍｍと１．１ｍｍの半円形のもの、同図（Ｃ）に示した半径ａが０．７５ｍｍと１．２５ｍｍの扇形のもの、同図（Ｄ）に示した一辺ａが１．４ｍｍと２．６ｍｍのＬ形のもの、を用いた。
【００４３】
これらの光透過部によって、それぞれ、信号光１のフーリエ変換像の所定成分のみを取り出して、光記録媒体５中にフーリエ変換ホログラムを記録した。このとき、フーリエ変換像と光透過部とは、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すような位置関係とした。図２および図３とは逆に、フーリエ変換像の各成分を白塗りで示し、光透過部２１を黒塗りで示す。
【００４４】
図４に示した光読み取り装置によって、上記のように記録したホログラムからデータを読み出すことを試みた。光源６には、記録時と同じアルゴンイオンレーザの発振線５１５ｎｍを用いた。シャッタ１５を閉じて信号光１を遮断し、参照光２と同じ光を読み出し光として光記録媒体５に照射した。
【００４５】
その結果、レンズ７として焦点距離１００ｍｍのものを用いた場合には、半径ａが１ｍｍの円形、半径ａが１．１ｍｍの半円形、半径ａが１．２５ｍｍの扇形、一辺ａが２．６ｍｍのＬ形の、それぞれの光透過部によって信号光１のフーリエ変換像の所定成分のみを取り出して、ホログラムを記録したときには、読み取り時、回折光３として、信号光１と同じチェスボードパターンが鮮明に再生された。
【００４６】
また、レンズ７として焦点距離５５ｍｍのものを用いた場合には、半径ａが０．６３ｍｍの円形、半径ａが０．７ｍｍの半円形、半径ａが０．７５ｍｍの扇形、一辺ａが１．４ｍｍのＬ形の、それぞれの光透過部によって信号光１のフーリエ変換像の所定成分のみを取り出して、ホログラムを記録したときには、読み取り時、回折光３として、信号光１と同じチェスボードパターンが鮮明に再生された。
【００４７】
これらの結果を図７に示す。同図の横軸は、レンズ７の焦点距離ｆを示し、縦軸は、光透過部の半径（一辺）ａを示す。図中の網かけ部分は、レンズ７の焦点距離ｆに対する、信号光１のフーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを透過させる光透過部の半径（一辺）ａの領域を示す。ただし、この場合、ｄ＝４０μｍである。
【００４８】
この結果から、信号光のフーリエ変換像の０次から２次までの成分のみを、光透過部によって取り出して記録することによって、データの欠落および再生時の読み取りエラーを生じることなく、記録領域を十分に微小化できることがわかる。
【００４９】
【発明の効果】
上述したように、この発明の光記録方法および光記録装置によれば、二値の２次元デジタルデータを光記録媒体中にホログラムとして記録する場合に、２次元デジタルデータに対応して、データの欠落や再生時の読み取りエラーを生じることなく、信号光および参照光の広がりを十分に制限することができ、記録領域を十分に微小化することができる。したがって、この発明の光記録方法を、シフト多重記録、角度多重記録、波長多重記録などのホログラム多重記録方式と組み合わせることによって、大容量のデジタルホログラムメモリシステムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明で記録する信号光の一例を示す図である。
【図２】図１の信号光のフーリエ変換像を示す図である。
【図３】この発明で用いる遮光体の光透過部の一例を示す図である。
【図４】この発明の光記録方法および光記録装置の一実施形態を示す図である。
【図５】この発明で用いる光記録媒体の材料の一例の化学式を示す図である。
【図６】実施例におけるフーリエ変換像と光透過部との位置関係を示す図である。
【図７】実施例におけるフーリエ変換用のレンズの焦点距離と光透過部の半径との関係を示す図である。
【図８】シフト多重記録方式を説明するための図である。
【図９】従来の光記録方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１…信号光
２…参照光（読み出し光）
３…回折光
４…空間光変調器
５…光記録媒体
６…光源
７…レンズ
９…光検出器
１２…ビームスプリッタ
１５…シュッタ
２０…遮光体
２１…光透過部
Claims (10)
- 二値の２次元デジタルデータ画像の信号光をレンズによってフーリエ変換した後の光と、参照光とを、光記録媒体の前方に配置した遮光体の一部に形成した、前記信号光のフーリエ変換像の０次から１次、２次または３次までの成分のみを透過させる形状および大きさの光透過部を透過させて、前記光記録媒体に照射して、前記光記録媒体中にホログラムを記録する光記録方法。
- 請求項１の光記録方法において、
前記光透過部を円形とすることを特徴とする光記録方法。 - 請求項１の光記録方法において、
前記光透過部を半円形とすることを特徴とする光記録方法。 - 請求項１の光記録方法において、
前記光透過部を扇形とすることを特徴とする光記録方法。 - 請求項１の光記録方法において、
前記光透過部をＬ形とすることを特徴とする光記録方法。 - コヒーレント光を発する光源と、
二値の２次元デジタルデータに応じて前記光源からの光を変調して、その波面により２次元デジタルデータ画像を保持する信号光を得る空間光変調器と、
前記信号光をフーリエ変換するレンズと、
前記光源からの光から参照光を得る参照光光学系と、
一部に前記信号光のフーリエ変換像の０次から１次、２次または３次までの成分のみを透過させる形状および大きさの光透過部が形成されて光記録媒体の前方に配置され、その光透過部を透過させて前記フーリエ変換後の信号光および前記参照光を前記光記録媒体に照射させる遮光体と、
を備える光記録装置。 - 請求項６の光記録装置において、
前記光透過部が円形であることを特徴とする光記録装置。 - 請求項６の光記録装置において、
前記光透過部が半円形であることを特徴とする光記録装置。 - 請求項６の光記録装置において、
前記光透過部が扇形であることを特徴とする光記録装置。 - 請求項６の光記録装置において、
前記光透過部がＬ形であることを特徴とする光記録装置。
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