JP4108571B2 - ホログラフィックｒｏｍシステム - Google Patents

Description

本発明は、ホログラフィックＲＯＭ（read-only memory）システムに関し、特に、システム構成を単純化して書き込み及び読み出しの効率が向上できるホログラフィックＲＯＭシステムに関する。

従来のホログラフィックメモリシステムは、一般にページ単位の記録方式を用いる。ＳＬＭ（空間光変調器：Spatial light modulator）のような入力装置は、ページと呼ばれる２次元アレイの形態のデータを提供し、ＣＣＤカメラのような検出器（detector array）により、書き込まれたデータ（ページ）を読み出す。他の技術としては、ページ単位の記録方式の代わりにビット単位で記録する記録方式がある。しかし、このような全てのシステムは、メモリを満たすために多数の別個のホログラムに記録しなければならないとの短所がある。メガビットの大きさのアレイを用いる典型的なページ単位のシステムは、１００ＧＢ以上の容量を満たすために、数百万個のページを記録しなければならない。ミリセカンド程度にホログラムに対して露出する場合にも、１つの１００ＧＢメモリを満たす時にかかる総記録時間は、１時間まではかからなくても少なくとも４０〜５０分程度はかかる。従って、図１のような他の従来のホログラフィックＲＯＭシステムが開発され、１００ＧＢ程度の容量を有するディスクの生成にかかる時間が１分以下に減少され、数秒に減少する可能性もある。

図１の従来のホログラフィックＲＯＭシステムは、光源１００、１／２波長板（Half Wave Plate）１０２、１１２、ビーム拡大器（expanding unit）１０４、偏光ビームスプリッタ（Polarizer Beam Splitter）１０６、偏光器１０８、１１４、ミラー１１０、１１６、マスク１２２、ホログラフィック媒体１２０及び円錐ミラー（conical mirror）１１８を含む。

光源１００は一定波長、例えば５３２ｎｍの波長を有するレーザー源として、ホログラフィックに求められるレーザー光を発生させる。レーザー光は１つのタイプの線形偏光、例えばＰ偏光またはＳ偏光であり、これは１／２波長板１０２に提供される。１／２波長板１０２はレーザー光の偏光をθ（好ましくは４５°）だけ回転させ、その後、θだけ回転された偏光を有しているレーザー光は、定められた大きさにレーザー光の大きさを拡大させるビーム拡大器１０４に提供される。その後、拡大されたレーザー光は偏光ビームスプリッタ１０６に提供される。

偏光ビームスプリッタ１０６は、屈折率が互いに異なる２種類以上の物質を繰返して蒸着した構造であり、１つのタイプの偏光、例えばＰ型を有しているレーザー光を通過させ、他のタイプの偏光、例えばＳ型を有しているレーザー光を反射させる役割をする。従って、偏光ビームスプリッタ１０６は拡大されたレーザー光を、通過したレーザー光（以下、信号光と呼ぶ）及び反射されたレーザー光（以下、参照光と呼ぶ）に分ける。信号光及び参照光の偏光はそれぞれ異なる。

信号光、例えばＰ型の信号光は、偏光器１０８に伝達されるが、偏光器１０８は不完全に偏光された要素を除去して純粋にＰ型のみに偏光された信号光をミラー１１０に提供する役割をする。その後、信号光はミラー１１０に反射され、反射された信号光はマスク１２２を介してホログラフィック媒体１２０に投影される。マスク１２２は記録のためにデータパターンを提供することにより、入力装置、即ち、空間光変調器（ＳＬＭ）として機能する。

一方、参照光は１／２波長板１１２に提供される。１／２波長板１１２は、参照光の偏光を信号光の偏光と同様になるように偏光を変える。そして、変更された偏光を有している参照光が偏光器１１４に提供され、偏光器１１４では参照光の偏光がより純化される。そして、純化された偏光を有している参照光がミラー１１６により反射される。その後、前記反射された参照光が円錐ミラー１１８に投影される。ここで、円錐ミラー１１８は円錐型であり、円形の底面を有しており、円錐面と円形底面との間の角度、即ち定められた底角を有している。また、前記円錐ミラー１１８はホルダー（図示せず）により固定されている。反射された参照光は、円錐ミラー１１８によりホログラフィック媒体１２０に投影されるように再び反射される。ホログラフィック媒体１２０に入射される参照光の入射角は、円錐ミラー１１８の底角により定められる。

円錐ミラー１１８を固定させるホルダーは、参照光がホルダーにより妨げられることを防ぐために、円錐ミラー１１８の底面に設けなければならない。ホルダーは円錐ミラー１１８の底面に設けられるので、一般にホログラフィック媒体１２０の中心開口（center opening）１２４を通して設けられる。

ホログラフィック媒体１２０は、データパターンを記録するためのディスク状の物質である。ディスクの大きさのマスク１２２は、そこに記録されているデータパターンを提供する。マスク１２２を垂直に入射する平面波、即ち、信号光で照らし、反対側から入射される参照光を用いれば、干渉パターンがホログラフィック媒体１２０に記録される。円錐ビームの形状がディスクの全ての面で一定のラジアル（radial）角度を有するように選択され、再生時にディスクが回転する間、ホログラフィック媒体は一定の角度を有している狭い平面波により局部的に読み取ることができる。また、角多重化（angular multiplexing）は、異なる底角を有している円錐ミラー１１８を用いることにより実現できる（「Holographic ROM system for high-speed replication」、2002年、IEEE、Ernest Chuang 他、参照）。

前述の技術を用いて、１００ＧＢ程度の容量を有するディスクを記録するためにかかる時間は、一分未満に減少され、数秒に減少される可能性もある。しかし、このような従来技術には、次のような問題点がある。

第一に、図１に示された従来のホログラフィックＲＯＭシステムは、複雑な構造を有している。即ち、ホログラフィックＲＯＭシステムは、１／２波長板（Half Wave Plate）１０２、１１２、偏光ビームスプリッタ（Polarizer Beam Splitter）１０６、偏光器１０８、１１４、及びミラー１１０、１１６を含む多数の構成要素が必要であり、これにより製造費用が増加するようになる。

第二に、角多重化のために円錐ミラー１１８を取り替えなければならないが、これには非常に手間がかかる。ホルダーがホログラフィック媒体１２０、円錐ミラー１１８及びマスク１１２の間のコンパクト空間に詰め込まれているので、角多重化のために円錐ミラー１１８を取り替える度に、ホログラフィック媒体１２０とマスク１１２との間の位置関係が乱れやすいため、円錐ミラー１１８の取り替えに非常に手間がかかるようになる。

従って、本発明は、前述の問題を解決するために案出されたものであり、角多重化のために円錐ミラーを容易に取り替えられる、単純化された構造を有するホログラフィックＲＯＭシステムの提供にその目的がある。

上記目的を達成するために、本発明は、ホログラフィックＲＯＭシステムであって、ホログラフィックに求められるレーザー光を発生させる光源と、前記レーザー光を拡大するビーム拡大器と、前記拡大されたレーザー光の一部を変調させてホログラフィック媒体に投影される信号光を生成し、前記拡大されたレーザー光の残り部分を通過させて参照光を生成し、前記ホログラフィック媒体に向くように参照光を反射させる円錐ミラーに参照光を提供するマスクとを備え、ホログラフィック媒体は前記参照光と前記信号光が全て投影される記録領域及び前記マスクを通過した前記参照光を通過させた後、前記参照光を前記円錐ミラーに提供する透明領域を含む構成とした。

本発明によるホログラフィックＲＯＭシステムによれば、円錐ミラーの分離が容易であるので、多重化の具現が容易となる。また、信号光及び参照光の光経路がマスクを通過する時まで一致する独特な構造により、ホログラフィックＲＯＭシステムの構造を簡単にすることができる。

図２は、本発明によるホログラフィックＲＯＭシステムの構成図であり、光源２００、ビーム拡大器２０４、マスク２０６、ホログラフィック媒体２０８及び円錐ミラー２１０を含み、これらは順次に直線光学軸であるＯＰａｘｉｓに配列されている。

ホログラフィック媒体２０８は、好ましくはＣＤのようなディスク状であり、図３のようにホログラフィック媒体２０８の中央には透明領域（transparent region）２０８ａが存在し、この透明領域２０８ａを通じて参照光が通過して円錐ミラー２１０に向くようにし、その透明領域２０８ａを円形に囲む領域には記録領域（recording region）２０８ｂが存在する。

マスク２０６は、記録のためのデータパターンを生成する役割を果たすという点では、図１に示す従来のマスク１２２と同様であるが、マスク２０６は、図４に示すように、光通過領域（beam passing region）２０６ａとデータパターン領域（data pattern region）２０６ｂとからなるという点が従来のマスク１２２とは異なる。光通過領域２０６ａは、マスク２０６の中央部分に円状に形成されている。光通過領域２０６ａを通過した参照光は、ホログラフィック媒体２０８の透明領域２０８ａを経由して、円錐ミラー２１０に至る（この詳細については後述する）。データパターン領域２０６ｂは、光通過領域２０６ａを取り囲むように環状に形成されている。光通過領域２０６ａは、単純な開放孔、透光体、或いはこれらの組合せである。

マスク２０６は、特定の形態のホログラフィック媒体２０８にのみ用いられるように定められた大きさの領域２０６ａ、２０６ｂを有している形態で形成されることもでき、多数の形態のホログラフィック媒体２０８に対応するように多様な大きさで形成されることもできる。いずれにしても、好ましくは透明領域２０８ａ及び記録領域２０８ｂの大きさは、光通過領域２０６ａ及びデータパターン領域２０６ｂの大きさと同じである。即ち、記録領域の内径及び外経は、データパターンの内径及び外径と同じである。

図２に示すように、光源２００は一定サイズ及び一定波長、例えば５３２ｎｍのレーザー光を発生させる。レーザー光はビーム拡大器２０４に提供され、ビーム拡大器２０４は平面波の平行ビームを提供するためにレーザー光の幅を拡大する。拡大されたレーザー光は、好ましくは光通過領域２０６ａ及びデータパターン領域２０６ｂの全領域を覆い、即ち、その直径が記録領域２０８ｂの外径に近くし、光学効率及び記録効率を高めるために均一な強度（intensity）を有するようにする。

図５に示すように、拡大されたレーザー光の全体は、マスク２０６に入射された後、２つの光経路を経てホログラフィック媒体２０８に提供される。第１経路は、拡大されたレーザー光の外側の部分がマスク２０６のデータパターン領域２０６ｂに提供された後、ホログラフィック媒体２０８におけるマスク２０６に面する方の第１表面を経てホログラフィック媒体に投影される。そして、第２経路は、拡大されたレーザー光の内側の部分がマスク２０６の光通過領域２０６ａを経由してホログラフィック媒体２０８の透明領域２０８ａを通過し、その後、円錐ミラー２１０により反射され、マスク２０６と反対側である第２表面を経てホログラフィック媒体２０８に投影される。光通過領域２０６ａを通過するレーザー光は参照光として機能し、マスク２０６のデータパターン領域２０６ｂを通過するレーザー光は信号光として機能する。

マスク２０６のデータパターン領域２０６ｂは、ホログラフィック媒体２０８にデータを記録するためのデータパターンを供給する。マスク２０６に垂直に入射される平面波、即ち信号光を照射し、反射配置にホログラムを記録するための参照光を用いることにより、信号光及び参照光の干渉パターンがホログラフィック媒体２０８に記録される。

円錐ビームの形状は、ホログラフィック媒体２０８の記録領域２０８ｂの全位置で、一定のラジアル（radial）角度を有する平面波参照光と近似するように選択される。データは、ホログラフィック媒体２０８を回転させずに、レーザー光で一度照射することで、記録領域２０８ｂ全体に記録することができる。従って、記録されたホログラムは、再生時にホログラフィック媒体２０８が回転する間、参照光のみを用いて局部的に読み取ることができ、このような参照光は記録時に用いられた参照光と同じであり、一定角度の幅の狭い平面波を用いる。即ち、図２に示すものは、記録動作時にのみ用いられる。

円錐ミラー２１０は、ホログラフィック媒体２０８に面する円錐状の反射面２１０ａを有し、ホルダー２１２により着脱可能に固定される。ホルダー２１２は参照光の光経路を遮らないように、円錐ミラー２１０におけるホログラフィック媒体２０８と反対側の面（円錐の底面）に設けられる必要があり、これにより円錐ミラー２１０を一定の位置に固定させる。

また、レーザー光の主光学軸ＯＰａｘｉｓは、円錐形の反射面２１０ａの対称軸、即ち、円錐の頂点を通過する軸と一致する。そして、光学的効率を極大化するために、円錐状の反射面２１０ａのベース直径は、好ましくは透明領域２０８ａの直径以上である必要がある。円錐ミラー２１０の取り替え作業は、マスク２０６とホログラフィック媒体２０８の間の位置関係に影響を与えずに個別に実行されるので、円錐ミラー２１０は多重化のために異なる底角を有する他の円錐ミラーに取り替えることが容易になる。

参照光は、円錐ミラー２１０に達する前まで、信号光と光学軸（ＯＰａｘｉｓ）を共有しているので、本発明は光源２００、ビーム拡大器２０４、マスク２０６、ホログラフィック媒体２０８、円錐ミラー２１０のみを用いて実行され、図１に示された従来技術の１／２波長板１０２、１１２、偏光ビームスプリッタ１０６、偏光器１０８、１１４、ミラー１１０、１１６は有していない。従って、本発明のホログラフィックＲＯＭシステムの構造は非常に簡単であり、その結果、製造費用が大幅な削減を図ることができる。

図６は、本発明による円錐ミラー２１０とホログラフィック媒体２０８との間の参照光の経路を示す。若し、参照光の入射方向とホログラフィック媒体２０８の表面との間の入射角が∠２ａであり、円錐形の反射面２１０ａの底角、即ち∠ＤＢＣの角度が∠ｂである場合、∠ＯＤＡ及び∠ＤＡＯはそれぞれ∠２ｂ、∠２ａである。従って、

になる。

Ｘ１の半径を有している参照光が円錐ミラー２１０により反射され、ホログラフィック媒体２０８に投影される場合、ホログラフィック媒体２０８上に円錐ビーム状の反射された参照光のサイズ（即ち、幅）Ｘ２は次のように定義される。

ホログラフィック媒体２０８の記録領域２０８ｂのサイズ（即ち、記録領域２０８ｂにおける外径と内径の差異の半分と同じ幅）がＸ３である場合、一度で記録領域２０８ｂにデータを記録するために、Ｘ２はＸ３以上になる必要がある。すると、Ｘ１とＸ３の間の関係は次のようになる。

従って、角∠ａはＸ１及びＸ３により次のように定義される。

従って、若し、∠２ａが数式４により定められると、反射面２１０ａの適切な底角∠ｂが求められる。

入射参照光が投影されるホログラフィック媒体２０８上の位置は、円錐ミラー２１０とホログラフィック媒体２０８との間の距離によって可変的である。ホログラフィック媒体２０８上で大きさがＸ２である反射された光を記録領域２０８ｂのサイズと一致させるために、または参照光の中央光を記録領域２０８ｂの内部境界を通過させるために、円錐反射面２１０ａの頂点とホログラフィック媒体２０８との間の距離Ｙは、次のように定義される。

上記において、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明の請求範囲を逸脱することなく、当業者は種々の改変をなし得るであろう。

従来の典型的なホログラフィックＲＯＭシステムの構成図。 本発明の好適な実施形態によるホログラフィックＲＯＭシステムの構成図。 図２のホログラフィックＲＯＭシステムに含まれているホログラフィック媒体の平面図。 図２のホログラフィックＲＯＭシステムに含まれているマスクの平面図。 本発明の好適な実施形態による記録メカニズムを示す図。 本発明の好適な実施形態による円錐ミラーとホログラフィック媒体との間の参照光の経路を説明するための図。

符号の説明

２００：光源
２０４：ビーム拡大器
２０６：マスク
２０８：ホログラフィック媒体
２１０：円錐ミラー

Claims (7)

1. ホログラフィックＲＯＭシステムであって、
   レーザー光を発生させる光源と、
   前記レーザー光を拡大するビーム拡大器と、
   その中央部分に円状に形成された、前記ビーム拡大器で拡大されたレーザー光の内側部分を通過させて参照光を生成する光通過領域と、前記光通過領域を取り囲むように環状に形成された、前記拡大されたレーザー光の外側部分を変調させて信号光を生成するデータパターン領域とを含むマスクと、
   その中央部分に円状に形成された、前記マスクで生成された前記参照光を通過させる透明領域と、前記透明領域を取り囲むように環状に形成された、前記マスクで生成された前記信号光が入射される記録領域とを含むホログラフィック媒体と、
   前記ホログラフィック媒体を挟んで前記マスクの反対側に配置された、前記ホログラフィック媒体の前記透明領域を透過した前記参照光を反射して前記ホログラフィック媒体の前記記録領域に入射させる円錐ミラーとを含むホログラフィックＲＯＭシステム。
2. 前記光通過領域の大きさ及び形状は、前記ホログラフィック媒体の前記透明領域と同じである請求項１に記載のホログラフィックＲＯＭシステム。
3. 前記円錐ミラーはホルダーにより固定されており、前記ホルダーは前記円錐ミラーにおける前記ホログラフィック媒体と反対側の面に取り付けられている請求項１に記載のホログラフィックＲＯＭシステム。
4. 前記円錐ミラーは、多重化のために、反射面の底角が異なる他の円錐ミラーに取り替えられる請求項１に記載のホログラフィックＲＯＭシステム。
5. 前記円錐ミラーの反射面の適切な底角が∠ｂであり、
   前記円錐ミラーによって前記ホログラフィック媒体の前記記録領域に向けて反射された前記参照光の光路と、前記記録領域の表面との間の角度が∠２ａであり、
   前記円錐ミラーに入射された前記参照光の半径がＸ１であり、
   前記ホログラフィック媒体の前記記録領域の幅がＸ３であり、
   前記角度∠２ａが、∠２ａ＜Ｓｉｎ^−１（Ｘ１／Ｘ３）の式により定められると、
   ∠ａ＋∠ｂ＝４５°の式から∠ｂが求められることを特徴とする請求項４に記載のホログラフィックＲＯＭシステム。
   
6. 前記円錐ミラーと前記ホログラフィック媒体との間の距離が多重化のために調節される請求項１に記載のホログラフィックＲＯＭシステム。
7. 前記円錐ミラーと前記ホログラフィック媒体との間の距離がＹであり
   前記円錐ミラーに入射された前記参照光の半径がＸ１であり、
   前記円錐ミラーによって前記ホログラフィック媒体の前記記録領域に反射された前記参照光の光路と、前記記録領域の表面との間の角度が∠２ａであるとき、
   前記Ｙは、Ｙ＝Ｘ１・ｔａｎ２ａの式から求められることを特徴とする請求項６に記載のホログラフィックＲＯＭシステム。

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