(57)【要約】  本発明は、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に再生することができるホログラフィックメモリの再生装置に関する。本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するホログラム生成部と、前記第２のホログラムの強度分布を検出する検出部と、前記強度分布に基づいて前記位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、を有する。
2012053198.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって、
第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、
前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するホログラム生成部と、
前記第２のホログラムの強度分布を検出する検出部と、
前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
を有する、ホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項２】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するレーザ光分離部と、
をさらに有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項３】
前記ホログラム生成部は、前記第２の参照光の位相を変化させる可変位相シフタと、前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記可変位相シフタにより位相を変えられた第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタとを有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項４】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項５】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項６】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第１の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記第２の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射する第２のビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項７】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項８】
レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する空間直交振幅変調信号光生成部と、
前記信号光と参照光とから生成される第１のホログラムをホログラフィックメモリに記録する記録部と、
をさらに有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項９】
前記空間直交振幅変調信号光生成部は、前記レーザ光が入射されるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第１の空間光変調器と、前記ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第２の空間光変調器とを有し、
前記ビームスプリッタと前記第１の空間光変調器との間の光路長ＬＩ、および前記ビームスプリッタと前記第２の空間光変調器との間の光路長ＬＱは、以下の式（１）を満たす、
請求項８に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【数１】
2012053198.tif 000060
（ここで、λは前記レーザ光の波長である。）
【請求項１０】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって、
第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するステップと、
前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するステップと、
前記第２のホログラムの強度分布を検出するステップと、
前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
を有するホログラフィックメモリの再生方法。
【請求項１１】
レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するステップをさらに有する、請求項１０に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
【請求項１２】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と、
前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、
前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、
前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置。
【請求項１３】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信するステップと、
前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと、
前記のホログラムの強度分布を検出するステップと、
前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調方法。
【請求項１４】
観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と、
前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、
前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、
前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部と、
を有する、光強度分布および光位相分布の観測装置。
【請求項１５】
観測対象からの透過光または反射光を入力するステップと、
前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと、
前記のホログラムの強度分布を検出するステップと、
前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出するステップと、
を有する、光強度分布および光位相分布の観測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラフィックメモリの再生装置および再生方法に関する。また、本発明は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置および復調方法に関する。また、本発明は、光強度分布および光位相分布の観測装置および観測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
これまで、光メモリは、ＣＤやＤＶＤ、ブルーレイディスクなどの２次元記録方式の光ディスクを中心に発展してきた。しかし、２次元記録方式の光メモリはすでに回折限界に到達しており、これ以上の大容量化は困難である。そこで、近年、３次元記録方式の光メモリの開発が活発に行われている。３次元記録方式を採用すれば２次元記録方式よりも記録容量を１００〜１０００倍以上に大きくできる可能性がある。理論上は１００ＴＢ級の光ディスクメモリも実現可能である。【０００３】
光メモリの大容量化に向けた技術としては、１）近接場光記録方式、２）２光子吸収メモリ、３）ホログラフィックメモリの３つが挙げられる。１）近接場光記録方式は、光の波長サイズ以下の光である「近接場光」を用いる記録方式である。近接場光記録方式は、基本的に２次元記録方式の技術であるが、近接場光を用いることで回折限界を超える高密度記録を実現できる可能性がある。また、２）２光子吸収メモリは、非線形効果の強度依存性を利用することで記録媒体に対して３次元的にアクセスを行うことができる３次元記録方式の光メモリである。これらの技術に対し、３）ホログラフィックメモリは、信号光と参照光との干渉により生成されるホログラムを多重記録することによって、記録媒体を多層化することなく３次元的に記録を行うことができる光メモリである。【０００４】
上記１）〜３）の光メモリは、現時点においていずれも約５００ＧＢ〜１ＴＢ程度の記録容量を達成している。したがって、記録容量の観点からは、上記１）〜３）の光メモリの間に優劣の大きな差はない。しかしながら、データ転送速度の観点からは、上記１）〜３）の光メモリの中でも空間的に２次元の超並列型入出力機能を有するホログラフィックメモリに大きな優位性がある。最近では、マイクロ秒を超える高速応答の空間光変調器（Spatial Light Modulator；以下「ＳＬＭ」と略記することもある）なども開発されている。このような高速応答のＳＬＭをホログラフィックメモリに適用することで、１００Ｇｂｐｓを超える転送速度を実現できる可能性がある。【０００５】
ホログラフィックメモリは、高密度記録と高データ転送レートの両方を実現することができることから、次世代の光メモリとして実用化が期待されている。現在開発されているホログラフィックメモリの記録容量は、６００ＧＢ〜１ＴＢ／ディスク程度である（例えば、非特許文献１参照）。ＨＤＤ（３.５インチ、記憶容量２ＴＢ）の１枚のプラッタの片面の記録容量は３３３ＧＢであることから、ホログラフィックメモリは、実用化されている磁気記録媒体と比較すると記録容量の観点からは２〜３倍程度の優位性がある。また、ホログラフィックメモリは、理論的にはさらに１０〜１００倍まで記録容量を拡大できると考えられている。このような状況下において、ホログラフィックメモリの記録容量を増大させることを目的として、これまでの強度変調方式だけでなく、位相変調方式のホログラフィックメモリも検討されている。しかしながら、位相変調方式のホログラフィックメモリには、光検出器では位相変調信号を直接検出することができないため、何らかの方法で位相変調信号を強度信号に変換してから検出しなければならないという問題があった。【０００６】
強度変調方式は最も一般的な変調方法であって、これまでに多くの事例が報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。ホログラフィを用いて情報の記録が可能であると初めて示唆された文献（非特許文献２）から、製品化を視野に入れた最近の文献（非特許文献１，３）に至るまで、ホログラフィを利用した記録方式の多くは、２値（０および１）の強度変調を用いたものである。しかしながら、強度変調は簡易な光学系でシステムを構築できるという利点がある一方で、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうため、記録効率が悪いという問題を有している。この問題は、一般的なフーリエ変換ホログラムにおいて、フーリエ変換像の中央付近の強度がすべてのピクセルの振幅の和に比例するため、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が大きくなってしまうことが原因で起こる（例えば、非特許文献４参照）。【０００７】
この強度変調方式の問題を緩和するための手法としては、２値情報をブロックと呼ばれる複数のピクセルに分散してコード化し、ブロック内の一部のピクセルのみを光らせることでデータを表現する変調コードを用いる方法がある。このように変調コードを用いることで、ピクセル間クロストークによるエラーを減らすことができる。また、変調コードを用いることで、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差を小さくして多重記録数を増大させることで、効率的な記録も可能となる（例えば、非特許文献５，６参照）。しかしながら、変調コードを使うと、「（１ブロックあたりの記録ビット数）／（１ブロックあたりのピクセル数）」で定義されるコードレートが１を下回ってしまう。このことは、変調コードを用いた場合のブロックあたりの記録容量が、変調コードを用いない場合の記録容量を原理的に下回ることを意味している。【０００８】
ホログラフィックメモリの記録容量を拡大するためには、１つのピクセルあたりに複数の情報を記録する、すなわちコードレートが１を超える手法が必要となる。１を超えるコードレートを実現するためには、０，１の２値を超える多値信号を用いることが必要となる。多値信号は光強度を数段階に分けることによって実現でき、それによってコードレートを飛躍的に向上させることができる。しかしながら、現状の直接検波方式においては、検出系の精度や雑音のため、多値数の増大により再生光の信号対雑音比が大きく劣化してしまう（例えば、非特許文献７参照）。【０００９】
強度変調方式において、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうという問題は、位相変調方式によっても解決することができる。位相変調方式は、光波の位相を用いて変調を行う方式であり、近年注目を集めている。たとえば、位相変調方式では、あるピクセルの光波の位相を０としたとき、別のピクセルの光波の位相をπとして情報を表現する。空間光変調器（ＳＬＭ)で生成される２次元のページデータに含まれるピクセルのうち、０とπのピクセルが同数である場合、レーザ光の照射領域の中央付近と周辺部での露光強度差が生じず、記録媒体のダイナミックレンジの無駄な消費を抑えることができる。この点は、多重記録数の増大に大きく寄与する。しかしながら、ＣＣＤなどの光電変換デバイスは光の強度にのみ感度を有するため、位相情報を直接検出することはできない。したがって、位相情報を検出するためには、光検出を行う前に位相を強度に変換しなければならない。位相変調方式では、この点が大きな問題点となる。【００１０】
位相変調型ホログラフィックメモリを実現するための位相検出手法はこれまでにいくつか提案されている（例えば、非特許文献４，８，９参照）。【００１１】
非特許文献４では、ホログラフィックメモリに用いる位相検出手法として、エッジ検出（Edge-Detection）法が提案されている。エッジ検出法は、位相変調型ホログラフィックメモリの特長をうまく利用した手法である。位相変調型ホログラフィックメモリでは、フーリエ変換像の中央の強度（直流成分）が欠落するため、再生はその他の交流成分でのみ行われる。これは、再生像（実空間分布）における０とπのピクセルの境界部分の強度が強調されることを意味する。言い換えれば、ある既知のピクセルを基準として、強度が強調されている境界を辿っていけば全てのピクセルの位相を決定できるということである。この手法は、強度変調型ホログラフィックメモリと何ら変わらない光学系で位相変調型ホログラフィックメモリを実現可能であるという利点がある一方で、多値位相変調信号の検出には不向きであるという問題を有している。【００１２】
非特許文献８では、複屈折媒質を用いた位相検出法が提案されている。この手法は、再生光をπ／４波長板を用いて円偏光にし、その後複屈折媒質を通過させる。それによってわずかにずれた再生光同士が干渉し、強度パターンが得られる。予め設計した複屈折媒質によってずらすピクセル数を決定できるため、得られた強度パターンから位相情報を捨てて決定することができる。この手法は、文献内の実験により高い位置ずれ耐性を有するということが分かっており、ずれに敏感な位相検出にとって非常に魅力的な手法である。しかしながら、この手法も、多値信号の検出は難しく、さらに複屈折媒質の高精度な設計が求められるという問題を有している。【００１３】
非特許文献９では、一光束記録方式として注目されるコリニア光学系に特化した位相変調型ホログラフィックメモリとして、光フェーズロック方式コリニアホログラムが提案されている。この方式は、コリニアホログラムの再生時に、記録されたホログラムに対して通常のコリニア参照光の他に、位相が既知のフェーズロック光を同時に照射することで、記録した位相情報を強度情報として読み取る方式である。この方式では、フェーズロック光が記録ホログラムを透過するため、その位相分布が位相回折格子を有するホログラム内の伝搬による影響を受ける。このことは、検出面において位相誤差が生ずる原因となりうる。この手法も、高精度に位相情報を記録再生することは難しく、位相多値数も２〜４値に留まっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】Ken-ichi Shimada, Toshiki Ishii, Tatsuro Ide, Steve Hughes, Alan Hoskins, Kevin Curtis, "High density recording using Monocular architecture for 500GB consumer system", Optical Data Storage (ODS) Topical Meeting, TuC2 (2009).
【非特許文献２】P. J. Van Heerden, "Theory of optical information storage in solids", Appl. Opt., Vol.2, No.4, pp.393-400 (1963).
【非特許文献３】Kenji Tanaka, Masaaki Hara, Kazutatsu Tokuyama, Kazuyuki Hirooka, Koji lshioka, Atsushi Fukumoto and Kenjiro Watanabe, "Improved performance in coaxial holographic data recording, "Opt. Exp., Vol.15, No.24, pp.16196-16209 (2007).
【非特許文献４】Joby Joseph and David A. Waldman, "Homogenized Fourier transform holographic data storage using phase spatial light modulators and methods for recovery of data from the phase image", Appl. Opt., Vol.45, pp.6374-6380 (2006).
【非特許文献５】Geoffrey W. Burr, Jonathan Ashley, Hans Coufal, Robert K. Grygier, John A. Hoffnagle, C. Michael Jefferson and Brian Marcus, "Modulation coding for pixel-matched holographic data storage" Opt. Lett., Vol.22, pp.639-641 (1997).および
【非特許文献６】Jinyoung Kim and Jaejin Lee, "Two-Dimensiona1 5:8 Modulation Code for Ho1ographic Data Storage", Jpn. J. of Appl. Phys., Vol.48, 03A031-1-03A031-4 (2009).
【非特許文献７】Geoffrey W. Burr, Gabriele Barking, Hans Coufal, John A. Hoffnagle, C. Michael Jeffcrson and Mark A. Neifeld, "Gray-scale data pages for digital ho1ographic data storagc, "Opt. Lett., Vol.23, No.15, pp.1218-1220 (1998).
【非特許文献８】Pal Koppa, "Phase-to-amplitude data page conversion for holographic storage and optical encryption,"Appl. Opt., Vol.46, pp.3561-3571 (2007).
【非特許文献９】井上光輝,“光フェーズロック方式コリニアホログラフィー（次世代コリニアホログラムメモリの実現を目指して）”，OPTRONICS，No.12，pp.76-80 (2008).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以上のように、従来の強度変調型ホログラフィックメモリには、レーザ光の照射領域の中央部と周辺部との露光強度差が大きくなり、記録媒体のダイナミックレンジを大幅に消費してしまうため、多重記録の効率が悪いという問題がある。変調コードを用いる方式では、上記問題を回避することができるが、ブロックあたりのコードレートが低くなるため、記録容量が小さくなってしまうという問題がある。コードレートを高めるためには多値強度信号を用いる必要があるが、検出系の精度や雑音により、大きな多値数を有する強度変調型ホログラフィックメモリは実現していない。【００１６】
位相変調型ホログラフィックメモリは、これらの問題を解決することができる。しかしながら、位相変調型ホログラフィックメモリには、位相情報を検出するために、光検出を行う前に位相を強度に変換しなければならないという問題がある。また、変換後の強度信号を検出する際には、強度変調型ホログラフィックメモリと同様に検出系の精度や雑音の問題が存在する。結果として、大きな多値数を有する位相変調型ホログラフィックメモリは実現していない。【００１７】
本発明の目的は、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に再生することができるホログラフィックメモリの再生装置および再生方法を提供することである。【００１８】
また、本発明の別の目的は、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に復調することができる空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置および復調方法を提供することである。【００１９】
また、本発明の別の目的は、観測対象からの透過光または反射光における光強度分布および光位相分布をリアルタイムに観測することができる、光強度分布および光位相分布の観測装置および観測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明者は、ホログラフィックメモリに記録されたホログラム（第１のホログラム）の回折光と、参照光とから第２のホログラムを生成することで、ホログラフィックメモリに記録された位相変調信号を高精度に復調できることを見出し、さらに検討を加えて本発明を完成させた。【００２１】
すなわち、本発明は、以下のホログラフィックメモリ再生装置に関する。
［１］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって：第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と；前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するホログラム生成部と；前記第２のホログラムの強度分布を検出する検出部と；前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と；を有するホログラフィックメモリ再生装置。
［２］レーザ光を出射するレーザ光源と；前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するレーザ光分離部と；をさらに有する、［１］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
［３］前記ホログラム生成部は、前記第２の参照光の位相を変化させる可変位相シフタと、前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記可変位相シフタにより位相を変えられた第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタとを有する、［１］または［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
［４］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
［５］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
［６］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射する第１のビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、前記第１のビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、前記第１の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第１の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記第２の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射する第２のビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
［７］前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し；前記ホログラム生成部は、前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、を有する；［２］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
［８］レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する空間直交振幅変調信号光生成部と；前記信号光と参照光とから生成される第１のホログラムをホログラフィックメモリに記録する記録部と；をさらに有する、［１］〜［７］のいずれか一項に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
［９］前記空間直交振幅変調信号光生成部は、前記レーザ光が入射されるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第１の空間光変調器と、前記ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第２の空間光変調器とを有し；前記ビームスプリッタと前記第１の空間光変調器との間の光路長ＬＩ、および前記ビームスプリッタと前記第２の空間光変調器との間の光路長ＬＱは、以下の式（１）を満たす；［８］に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【数１】
2012053198.tif 000003
（ここで、λは前記レーザ光の波長である。）【００２２】
また、本発明は、以下のホログラフィックメモリの再生方法に関する。
［１０］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって：第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するステップと；前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから第２のホログラムを生成するステップと；前記第２のホログラムの強度分布を検出するステップと；前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと；を有するホログラフィックメモリの再生方法。
［１１］レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するステップをさらに有する、［１０］に記載のホログラフィックメモリの再生方法。【００２３】
また、本発明は、以下の復調装置に関する。
［１２］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と；前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と；前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と；前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と；を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置。【００２４】
また、本発明は、以下の復調方法に関する。
［１３］空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信するステップと；前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと；前記のホログラムの強度分布を検出するステップと、前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと；を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調方法。【００２５】
また、本発明は、以下の観測装置に関する。
［１４］観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と；前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と；前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と；前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部と；を有する、光強度分布および光位相分布の観測装置。【００２６】
また、本発明は、以下の観測方法に関する。
［１５］観測対象からの透過光または反射光を入力するステップと；前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと；前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するステップと；前記のホログラムの強度分布を検出するステップと；前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出するステップと；を有する、光強度分布および光位相分布の観測方法。
【発明の効果】
【００２７】
本発明のホログラフィックメモリ再生装置および再生方法によれば、雑音の影響を受けることなく、多値の位相情報を精密に再生することができる。したがって、本発明のホログラフィックメモリ再生装置および再生方法によれば、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を記録されたホログラフィックメモリを高精度に再生することができる。【００２８】
また、本発明の復調装置および復調方法によれば、雑音の影響を受けることなく、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を高精度に復調することができる。【００２９】
また、本発明の観測装置および観測方法によれば、観測対象からの透過光または反射光における光強度分布および光位相分布をリアルタイムに観測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。
【図２】空間直交振幅変調信号光生成部の構成の一例を示す模式図である。
【図３】空間直交振幅変調信号光生成部の構成の別の例を示す模式図である。
【図４】実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いてホログラフィックメモリにデータページを記録する様子を示す模式図である。
【図５】実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いてホログラフィックメモリからデータページを読み出す様子を示す模式図である。
【図６】実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【図７】図６の第３のビームスプリッタの周辺部分の拡大模式図である。
【図８】実施の形態３のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【図９】実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【図１０】実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。
【図１１】実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【図１２】実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。
【図１３】実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部のさらに別の構成を示す模式図である。
【図１４】実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【図１５】実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。
【図１６】コリニア・ホログラフィ法で記録および再生をする様子を示す模式図。
【図１７】図１７Ａは、コリニア・ホログラフィ法で記録する際の空間光変調器のパターンを示す図であり、図１７Ｂは、コリニア・ホログラフィ法で再生する際の空間光変調器のパターンを示す図である。
【図１８】実施例１，２においてシミュレーションに用いた本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。
【図１９】実施例１で使用した８値空間位相変調信号（８−ＳＰＭ）のダイアグラムである。
【図２０】図２０Ａは、オリジナルのデータページを示す図であり、図２０Ｂは、復調後のデータページを示す図である。
【図２１】データページ＃１の第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図２２】データページ＃２の第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図２３】データページ＃３の第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図２４】復調後のデータページ＃１が有する位相情報を示すヒストグラムである。
【図２５】実施例２で使用した８値空間直交振幅変調信号（８−ＳＱＡＭ）のダイアグラムである。
【図２６】図２６Ａは、オリジナルのデータページの振幅情報を示す図であり、図２６Ｂは、オリジナルのデータページの位相情報を示す図である。
【図２７】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図２８】図２７に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
【図２９】図２８に示されるデータを各データピクセル内で平均化処理して得られたデータを示す図である。
【図３０】図２９に示されるデータを閾値処理して得られたデータを示す図である。
【図３１】実施例３において使用した本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。
【図３２】実施例３，４で使用した６値空間直交振幅変調信号（８−ＳＱＡＭ）のダイアグラムである。
【図３３】図３３Ａは、オリジナルのデータページの論理値を示す図であり、図３３Ｂは、オリジナルのデータページの物理値を示す図である。
【図３４】コリニアリングパターンを示す図である。
【図３５】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図３６】図３５に示される信号強度分布から復調したデータページを示す図である。
【図３７】実施例４において使用した本発明の復調装置の構成を示す模式図である。
【図３８】オリジナルのデータページの論理値を示す図である。
【図３９】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図４０】図４０Ａは、図３９に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図であり、図４０Ｂは、図３９Ａに示されるデータを平均化処理および閾値処理して得られたデータを示す図である。
【図４１】実施例５において使用した本発明の観測装置の構成を示す模式図である。
【図４２】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図４３】図４３に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
【図４４】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図４５】図４５に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
【図４６】実施例６において使用した本発明の観測装置の構成を示す模式図である。
【図４７】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図４８】図４８に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
【図４９】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図５０】図５０に示される信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
【図５１】第２のホログラムの信号強度分布を示す図である。
【図５２】図５２に示される４枚の信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
【図５３】図５３に示される２枚の信号強度分布からＣＣＤピクセル点単位で復元したデータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置である。ここで、「空間位相変調信号」とは、空間位相変調（ＳＰＭ）により変調された信号をいう。また、「空間直交振幅変調信号」とは、空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）により変調された信号をいう。
【００３２】
「位相変調（Phase Modulation；以下「ＰＭ」と略記する）」は、無線通信や光通信などの通信技術の分野で使用される、位相変調、位相シフト変調（Phase Shift Modulation；ＰＳＭ）または位相シフトキーイング（Phase Shift Keying；ＰＳＫ）による変調方式である。ＰＭは、搬送波の位相を変化させることで情報を伝達する。本発明のホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＰＭと同様に、位相を変化させた信号光を記録する。しかしながら、ホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、データページとしてこれを記録および再生する。そこで、本願明細書では、本発明で使用する位相変調による変調方式を、通信技術の分野で使用される「位相変調（ＰＭ）」と区別するために「空間位相変調（Spatial Phase Modulation；ＳＰＭ）」と呼ぶ。ＳＰＭは、光メモリ分野において用いられる位相変調および多値位相変調の概念を含む。
【００３３】
「直交振幅変調（Quadrature Amplitude Modulation；以下「ＱＡＭ」と略記する）」は、無線通信や光通信などの通信技術の分野で使用される、振幅変調（Amplitude Modulation；ＡＭ）と位相変調（Phase Modulation；ＰＭ）を組み合わせた変調方式である。ＱＡＭは、振幅および位相の両方の要素を変化させることで複数の情報を一度に伝達することができる。本発明のホログラフィックメモリでは、通信技術の分野で使用されるＱＡＭと同様に、振幅および位相の両方の要素を変化させた信号を記録する。しかしながら、ホログラフィックメモリでは、時間軸方向に信号を変調する通信とは異なり、２次元の空間軸方向（ｘ，ｙ）に信号を変調し、データページとしてこれを記録および再生する。そこで、本願明細書では、本発明で使用する振幅変調と位相変調とを組み合わせた変調方式を、通信技術の分野で使用される「直交振幅変調（ＱＡＭ）」と区別するために「空間直交振幅変調（Spatial Quadrature Amplitude Modulation；ＳＱＡＭ）」と呼ぶ。
【００３４】
本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、レーザ光源、ホログラム回折光生成部、ホログラム生成部と、検出部および処理部を有する。
【００３５】
レーザ光源は、ホログラフィックメモリからデータページを再生する際に用いられる参照光（第１の参照光および第２の参照光）の光源である。
【００３６】
第１の参照光は、第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリに照射される参照光である。第１の参照光は、第１のホログラムに対してブラッグの条件を満たすレーザ光であればよい。たとえば、第１のホログラムを記録する際に用いた参照光と同一波長の光を同一角度から照射すればブラッグの条件は満たされる。ただし、ブラッグの条件を満たせば、第１の参照光の波長および照射角度はこれに限定されるものではない。後述するように、ホログラム回折光生成部において第１の参照光をホログラフィックメモリに照射することで、第１のホログラムの回折光が生成される。
【００３７】
第２の参照光は、この第１のホログラムの回折光と干渉しうるレーザ光である。すなわち、第２の参照光は、第１の参照光と同一の波長のレーザ光である。後述するように、ホログラム生成部において第１のホログラムの回折光と第２の参照光とを混合することで、第２のホログラムが生成される。通常、第２の参照光は、ホログラフィックメモリに照射されない。すなわち、第２の参照光は、ホログラフィックメモリを透過することなく、第１のホログラムの回折光と混合される。
【００３８】
第１の参照光のレーザ光源と第２の参照光のレーザ光源とは、同一の光源であってもよいし、異なる光源であってもよい。第１の参照光および第２の参照光のレーザ光源が同一の場合は、レーザ光分離部を設けて、レーザ光源から出射されたレーザ光を第１の参照光と第２の参照光とに分離すればよい（実施の形態１参照）。
【００３９】
ホログラム回折光生成部は、第１の参照光をホログラフィックメモリに照射して第１のホログラムの回折光を生成する。
【００４０】
ホログラム生成部は、第２の参照光の位相を変化させる。たとえば、ホログラム生成部は、第２の参照光の位相を０，π／２，π，３π／４に変化させる。また、ホログラム生成部は、ホログラム回折光生成部で生成された第１のホログラムの回折光と、位相を変化させた第２の参照光のぞれぞれとから、第２のホログラムを生成する。たとえば、第２の参照光の位相を４回変化させた場合は、４枚の第２のホログラムを生成する。
【００４１】
第２の参照光の位相を変化させる数（第２のホログラムを生成する数）は、位相変調の多値数と同数であってもよいが、同数である必要はない。後述する実施の形態１に示すように、位相変調の多値数に関係なく、第２の参照光の位相を少なくとも３回変化させることで、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調することができる。第２のホログラムを生成する数を増やすことで、測定誤差を減らすことができる。
【００４２】
第２の参照光のビーム径は、第１のホログラムの回折光のビーム径以上であれば特に限定されない。第２の参照光のビーム径が第１のホログラムの回折光のビーム径未満の場合、第１のホログラムの回折光の周辺部に含まれる信号を復調することができない。また、復調の精度を高める観点からは、第２の参照光は平面波であることが好ましい。
【００４３】
ホログラム生成部が第２の参照光の位相を変化させる手段は、特に限定されない。たとえば、可変位相シフタを使用して、第２の参照光の位相を変化させてもよい（実施の形態１参照）。また、ホログラム生成部の光学系を構成するビームスプリッタ間の間隔を調整して、第２の参照光の位相を変化させてもよい（実施の形態２参照）。また、半波長板、λ／４波長板および偏光ビームスプリッタを組み合わせて使用して、第２の参照光の位相を変化させてもよい（実施の形態３〜５参照）。
【００４４】
検出部は、ホログラム生成部で生成されたすべての第２のホログラムの強度分布を検出する。検出部は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳなどの光画像検出器（撮像素子）である。検出部が一度に検出しうるピクセル数は、第１のホログラムに記録されているデータページ（２次元データ）のピクセル数以上であることが必要である。
【００４５】
処理部は、検出部で検出された第２のホログラムの強度分布に基づいて、位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調する。たとえば、処理部は、検出部に接続されたコンピュータである。
【００４６】
前述の通り、現存する光画像検出器（撮像素子）は、強度を検出することはできるが、位相を検出することはできない。そこで、本発明のホログラフィックメモリ再生装置では、第２の参照光の位相を変えることで得られる複数の第２のホログラムの強度のパターン（組み合わせ）から、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号に含まれる位相情報を読み出す。
【００４７】
たとえば、データページ内のある特定のピクセルについて、位相φの情報を記録した第１のホログラムの回折光と第２の参照光とから第２のホログラムを生成する場合に、第２の参照光の位相を０，π／２，π，３π／２として、第２のホログラムを４枚生成したとする。得られた第２のホログラムの強度は、例えば１枚目＝大、２枚目＝中、３枚目＝小、４枚目＝中となる。同様に、データページ内のある特定のピクセルについて、位相φ’（位相φとは異なる）の情報を記録した別の第１のホログラムの回折光と第２の参照光とから第２のホログラムを生成する場合に、第２の参照光の位相を０，π／２，π，３π／２として、第２のホログラムを４枚生成したとする。得られた第２のホログラムの強度は、例えば１枚目＝中、２枚目＝小、３枚目＝中、４枚目＝大となる。このようなパターンの違いから、第１のホログラムの回折光に含まれる位相情報を読み出すことができる。第２のホログラムの強度分布から空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調する手法については、後述する各実施の形態において詳細に説明する。
【００４８】
上記の例では、４値の位相しか区別することができないが、第２の参照光の位相をより細かく変えたり、検出部において強度の検出段階をより細かくしたりすることで、より多くの位相値を区別することができる。
【００４９】
後述する実施の形態１に示されるように、本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、空間位相変調信号光生成部または空間直交振幅変調信号光生成部と、記録部とをさらに有するホログラフィックメモリ記録再生装置であってもよい。
【００５０】
空間位相変調信号光生成部は、レーザ光を空間位相変調して位相変調信号を含む信号光を生成する。同様に、空間直交振幅変調信号光生成部は、レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する。たとえば、空間直交振幅変調信号光生成部は、振幅変調を行う空間光変調器および位相変調を行う空間光変調器を用いて空間直交振幅変調する。
【００５１】
また、空間直交振幅変調信号光生成部は、振幅変調を行う空間光変調器のみを用いても空間直交振幅変調をすることができる。この場合、空間直交振幅変調信号光生成部は、レーザ光が入射されるビームスプリッタと、ビームスプリッタで反射したレーザ光の振幅を変調する反射型の第１の空間光変調器と、ビームスプリッタを透過したレーザ光の振幅を変調する反射型の第２の空間光変調器とを有し、ビームスプリッタと第１の空間光変調器との間の光路長ＬＩ、およびビームスプリッタと第２の空間光変調器との間の光路長ＬＱが所定の条件を満たすように調整される（実施の形態１参照）。
【００５２】
記録部は、空間位相変調信号光生成部または空間直交振幅変調信号光生成部により生成された信号光と、参照光とから生成される第１のホログラムをホログラフィックメモリに記録する。
【００５３】
次に、本発明のホログラフィックメモリ再生装置が、ホログラフィックメモリを再生する手順について説明する。
【００５４】
まず、レーザ光源が、レーザ光を出射する。第１の参照光と第２の参照光の光源が異なる場合、第１のレーザ光源が第１の参照光を出射し、第２のレーザ光源が第２の参照光を出射する。一方、第１の参照光と第２の参照光の光源が同一の場合、レーザ光源から出射されたレーザ光は、レーザ光分離部において第１の参照光と第２の参照光に分離される。第１の参照光は、ホログラム回折光生成部において、ホログラフィックメモリに照射される。これにより、ホログラフィックメモリから、第１のホログラムの回折光が生成する。ここまでの工程は、レーザ光分離部において第２の参照光を分離する点を除いては、従来のホログラフィックメモリの再生方法と同じである。
【００５５】
第１のホログラムの回折光は、ホログラム生成部において第２の参照光と混合される。このとき、ホログラム生成部は、位相変調の多値数に応じて第２の参照光の位相を変化させる。これにより、位相変調の多値数に応じた数の第２のホログラムが生成される。検出部は、第２のホログラムの強度分布を検出し、処理部へ送信する。
【００５６】
処理部は、検出部から送られてきた第２のホログラムの強度分布に基づいて前記位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する。
【００５７】
以上のように、本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、ホログラム生成部において、ホログラフィックメモリに記録されたホログラム（第１のホログラム）の回折光と、第２の参照光とから第２のホログラムを生成して、この第２のホログラムの強度分布を用いて位相変調信号を復調する。
【００５８】
本発明のホログラフィックメモリ再生装置は、２値または多値の振幅変調信号、２値または多値の位相変調信号、振幅変調と位相変調とを組み合わせた空間直交振幅変調信号を復調することができる。
【００５９】
なお、上記の説明では、ホログラム生成部において生成された第２のホログラムの強度分布を検出部においてすぐに検出する態様について説明した。しかしながら、本発明のホログラフィックメモリの再生装置および再生方法は、必ずしも第２のホログラムの強度分布をすぐに検出する必要はなく、第２のホログラムとして光学的なホログラムを一旦形成してもよい。この場合、光学的なホログラムである第２のホログラムを再生し、得られた回折光と第２の参照光とから生成されるホログラム（第２のホログラムと同じもの）の強度分布を検出部が検出する。このように第２のホログラムとして光学的なホログラムを形成する場合、第１のホログラムには、大容量化に適切なホログラム記録方式を選択し、第２のホログラムには、大容量化には適さなくても、高精度な検出が可能なホログラム記録方式を選択すればよい。
【００６０】
また、上記ホログラム生成部、検出部および処理部を用いれば、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を復調することができる。すなわち、ホログラム生成部、検出部および処理部を有する装置は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置として利用可能である（実施例４参照）。
【００６１】
たとえば、本発明の復調装置は、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と、前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、前記強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部とを有する。
【００６２】
本発明の復調装置は、上記本発明のホログラフィックメモリ再生装置と同様の手順により、空間位相変調信号および空間直交振幅変調信号を復調することができる。
【００６３】
また、上記ホログラム生成部、検出部および処理部を用いれば、観測対象からの透過光または反射光における強度および位相の２次元分布を観測することができる。すなわち、ホログラム生成部、検出部および処理部を有する装置は、観測対象からの透過光または反射光における光強度分布および光位相分布の観測装置として利用可能である（実施例５，６参照）。観測対象の種類は、特に限定されず、例えば生体サンプルである。
【００６４】
たとえば、本発明の観測装置は、観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と、前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とからホログラムを生成するホログラム生成部と、前記ホログラムの強度分布を検出する検出部と、前記強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部とを有する。
【００６５】
本発明の観測装置は、第１のホログラムの回折光の代わりに観測対象からの透過光または反射光を入力する。すなわち、本発明の観測装置は、ホログラフィックメモリの代わりに観測対象に光（第一の参照光に相当）を照射し、観測対象からの透過光または反射光を前述の「空間直交振幅変調信号」として処理することにより、透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する。
【００６６】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明の範囲はこれらに限定されない。
【００６７】
（実施の形態１）
実施の形態１では、振幅変調と位相変調とを併用して生成された信号光（空間直交振幅変調信号光）を用いてホログラフィックメモリにデータページ（２次元データ）を記録し、かつこのホログラフィックメモリから記録されたデータページを再生することができるホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
【００６８】
図１は、実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。図１に示されるように、実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置１００は、レーザ光源１０５、第１のビームスプリッタ１１０、空間直交振幅変調信号光生成部１１５、第１のレンズ１２０、第１のミラー１２５、第２のビームスプリッタ１３０、光シャッタ１３５、第２のレンズ１４０、可変位相シフタ１４５、第２のミラー１５０、第３のビームスプリッタ１５５、ＣＣＤ１６０および処理部（図示せず）を有する。
【００６９】
このホログラフィックメモリ記録再生装置１００は、第１のレンズ１２０と第２のレンズ１４０との間に配置されたホログラフィックメモリ（記録媒体）１６５にデータページ（第１のホログラム）を記録し、このホログラフィックメモリ１６５からデータページを再生する。ホログラフィックメモリ１６５は、ホログラフィックメモリ記録再生装置１００から取り外すことが可能であり、ＣＤやＤＶＤなどのようにリムーバブルメモリとして使用されうる。
【００７０】
レーザ光源１０５は、ホログラフィックメモリにデータページ（第１のホログラム）を記録する際に用いられる信号光および参照光（第１の参照光）と、ホログラフィックメモリからデータページを再生する際に用いられる参照光（第１の参照光および第２の参照光）の光源である。
【００７１】
第１のビームスプリッタ１１０は、レーザ光源１０５から出射されたレーザ光を信号光と参照光（第１の参照光および第２の参照光）とに分離する。
【００７２】
空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、ホログラフィックメモリにデータページを記録する際に、第１のビームスプリッタ１１０により分離された信号光の振幅（強度）および位相を変化させて、空間直交振幅変調信号を生成する。すなわち、空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）により信号光にデータページ（２次元データ）を担持させる。
【００７３】
空間直交振幅変調（ＳＱＡＭ）では、変調する信号の同相成分をＩとし、直交成分をＱとするとき、これらの信号を以下のように表わすことができる。
【数２】
2012053198.tif 000004
【００７４】
ここで、光波の周波数をω、時間ｔ、波数ｋ、空間変数ｒとすると、三角関数の加法定理より
【数３】
2012053198.tif 000005
と表わされる。すなわち、信号の同相成分Ｉと直交成分Ｑを変調することは、光波の振幅Ａと位相φを変調することと等価である。
【００７５】
たとえば、空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、図２に示されるように振幅変調を行う空間光変調器（ＳＬＭ１）と位相変調を行う空間光変調器（ＳＬＭ２）とから構成される。空間光変調器は、２次元の光信号（画像など）の振幅Ａ（ｘ，ｙ）および位相ｅｘｐ｛ｉφ（ｘ，ｙ）}の空間分布を電気的に制御することができる。空間光変調器の例には、ＬＣＤ（透過型液晶）、ＬＣＯＳ（透過型液晶）、ＤＭＤ（デジタルミラーデバイス）などが含まれる。なお、振幅変調または位相変調のみを行う場合には、１台の空間光変調器（ＳＬＭ）を用いればよい。
【００７６】
また、空間直交振幅変調信号光生成部１１５は、図３に示されるようにマイケルソンの干渉計を利用して、Ｉ信号とＱ信号を独立（並列）に強度変調してから混合する構成であってもよい。Ｉ信号およびＱ信号は、式（１）で表わされる強度信号である。図３に示される２つの空間光変調器（ＳＬＭ１およびＳＬＭ２）は、いずれも振幅変調を行う反射型の空間光変調器である。Ｉ信号は、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）によって振幅変調される。Ｑ信号は、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）によって振幅変調される。図３に示される態様では、ＳＬＭ１とビームスプリッタ（ＢＳ）との間の光路長ＬＩおよびＳＬＭ２とＢＳとの間の光路長ＬＱを「ＬＩ−ＬＱ＝λ／４」となるように設定する（λ：光波の波長）。このようにすることで、直交振幅変調信号光の生成位置ＳにおけるＩ信号とＱ信号の位相差がπ／２となる。したがって、以下に示されるように、図２に示される態様と等価な信号を得ることができる。
【数４】
2012053198.tif 000006
【００７７】
第１のレンズ１２０は、空間直交振幅変調信号光生成部１１５により変調された信号光（空間直交振幅変調信号光）をフーリエ変換するとともに、ホログラフィックメモリ１６５の所望の位置に集光照射するためのレンズである。
【００７８】
第１のミラー１２５は、第１のビームスプリッタ１１０により分離された参照光（第１の参照光および第２の参照光）を第２のビームスプリッタ１３０に入射させるためのミラーである。
【００７９】
第２のビームスプリッタ１３０は、第１のビームスプリッタ１１０により分離された参照光を第１の参照光と第２の参照光とに分離する。すなわち、第２のビームスプリッタ１３０は、「レーザ光分離部」として機能する。
【００８０】
光シャッタ１３５は、第２のビームスプリッタ１３０により分離された第２の参照光を遮断する。
【００８１】
第２のレンズ１４０は、第１のレンズ１２０と等価なレンズであり、ホログラフィックメモリ１６５に記録されたホログラム（第１のホログラム）の回折光を逆フーリエ変換する。
【００８２】
可変位相シフタ１４５は、第２のビームスプリッタ１１０により分離された第２の参照光の位相を変化させる。可変位相シフタ１４５の例には、液晶素子やピエゾ素子などが含まれる。
【００８３】
第２のミラー１５０は、可変位相シフタ１４５により位相を変化させられた第２の参照光を第３のビームスプリッタ１５５に入射させるためのミラーである。
【００８４】
第３のビームスプリッタ１５５は、第２のレンズ１４０により逆フーリエ変換された第１のホログラムの回折光と、可変位相シフタ１４５により位相を変化させられた第２の参照光とから第２のホログラムを生成する。可変位相シフタ１４５、第２のミラー１５０および第３のビームスプリッタ１５５は、「ホログラム生成部」として機能する。
【００８５】
ＣＣＤ１６０は、第２のホログラムの強度分布を検出する。検出された強度分布は、光電変換されて処理部に送られる。ＣＣＤ１６０は、「検出部」として機能する。
【００８６】
処理部（図示せず）は、光電変換された第２のホログラムの強度分布の情報を処理して、空間直交振幅変調信号を復調する。
【００８７】
次に、本実施の形態のホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５にデータページ（２次元データ）を記録する手順について説明する。
【００８８】
図４は、ホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５にデータページ（第１のホログラム）を記録する様子を示す模式図である。
【００８９】
図４に示されるように、ホログラフィックメモリ１６５にデータページを記録する際には、光シャッタ１３５により第２の参照光２３０を遮断する。この状態で、空間直交振幅変調信号光生成部１１５によって生成された信号光２１０（空間直交振幅変調信号光）と、第２のビームスプリッタ１１０により分離された第１の参照光２２０とをホログラフィックメモリ１６５の所定の位置に集光照射して、ホログラム（第１のホログラム）を記録する。このとき、ホログラフィックメモリ１６５の同一の位置に複数のホログラムまたはデータページを多重記録することももちろん可能である。多重記録の方法には、第１の参照光２２０の入射角度を変化させて多重記録する角度多重記録や、第１の参照光２２０の位相を変化させて多重記録する位相コード多重記録などが含まれる。
【００９０】
次に、本実施の形態のホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５に記録された第１のホログラムからデータページを復元する手順について説明する。
【００９１】
図５は、ホログラフィックメモリ記録再生装置１００を用いてホログラフィックメモリ１６５からデータページを読み出す様子を示す模式図である。
【００９２】
図５に示されるように、ホログラフィックメモリ１６５からデータページを読み出す際には、空間直交振幅変調信号光生成部１１５の空間光変調器（ＳＬＭ）により信号光２１０を遮断する。空間光変調器の代わりに、光シャッタを信号光２１０の光路上に設置して信号光２１０を遮断してもよい。一方、第２の参照光２３０の光路上の光シャッタ１３５は、開放する。この状態で、第１の参照光２２０をホログラフィックメモリ１６５の所定の位置に集光照射して、第１のホログラムの回折光２４０を発生させる。そして、この第１のホログラムの回折光２４０と第２の参照光２３０とを干渉させることによって、第２のホログラム２５０を生成する。そして、ＣＣＤ１６０は、この第２のホログラム２５０の強度分布Ｉ（ｘ，ｙ）を光電変換し、２次元情報を復元する。このとき、第２の参照光２３０の位相を可変位相シフタ１４５によって変化させて、複数の第２のホログラムを生成し、光電変換によって得られる複数の２次元信号データを電気的に処理することによって、ホログラフィックメモリに記録された空間直交振幅変調信号を高精度に復調することができる。
【００９３】
ここで、ＣＣＤ１６０で検出された強度分布から、第１のホログラムに記録された空間直交振幅変調信号Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛ｉφ（ｘ，ｙ）}を復調する２つの方法（第１の方法および第２の方法）について説明する。ここでは、記録されたＮ値位相情報がφｎ（ｎ＝１，２，…，Ｎ）のいずれかであると仮定する。
【００９４】
１）第１の方法
第１の方法では、第２の参照光２３０の位相をφ１，φ２，…φＮと変化させて、特性の異なる第２のホログラムをＮ回生成する。このとき、第２のホログラムの再生光の強度が最も高いときの第２の参照光の位相が第１のホログラムに記録された位相情報であるとする。振幅情報については、図５に示される光シャッタ１３５を閉じ、第２のホログラムを生成せず、第１のホログラムの回折光２４０のみをＣＣＤ１６０で観測することによって、光電変換によって位相成分が自動的に除去されるため振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）を復調できる。
【００９５】
この方法は、デジタル信号処理の負担は小さいものの、変調信号における多値数Ｎと復調に必要な第２のホログラムの生成回数が等しいため、多値数Ｎが大きくなると位相情報の復調に必要なホログラム生成回数も増加してしまう。
【００９６】
２）第２の方法
空間直交振幅変調信号光Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛ｉφ（ｘ，ｙ）}を第１のホログラムに記録する際の第１の参照光２２０の複素振幅をＲとすると、第１のホログラム面上に生ずる強度分布は、
【数５】
2012053198.tif 000007
となる。式（３）の強度分布を第１のホログラムに光学的に記録すると、その振幅透過率分布は
【数６】
2012053198.tif 000008
という形で記録される。ここで、Ｔ０およびｔ１は、第１のホログラムを構成する感光材料の種類や記録方式によって決まる定数である。
【００９７】
空間直交振幅変調信号の復調過程において、まず、第１のホログラムを第１の参照光２２０によって再生した時に得られる光波は、式（３）、（４）より
【数７】
2012053198.tif 000009
となる。式（５）において、第１のホログラムの再生時に生ずる回折光の信号成分は、右辺第４項に含まれる。それ以外の成分の光は、伝搬方向が異なるため空間フィルタなどで容易に除去することが可能である。したがって、第１のホログラムを再生して得られる第２のホログラムの記録光Ｓは、
【数８】
2012053198.tif 000010
に比例する。ここで、ηは第１のホログラムの回折効率であり、η＝ｔ１｜Ｒ｜２である。また、ＡＮは、空間フィルタで除去できなかった不要な回折光成分および第２のホログラムの記録光に混入する雑音成分である。
【００９８】
式（６）の第２のホログラムの記録光２４０（第１のホログラムの回折光の信号成分）と第２の参照光２３０（複素振幅Ｒ’）によって、最初に第１のホログラムに記録された空間直交振幅変調信号がＣＣＤ上に生成される第２のホログラムに転写される。その際、第２の参照光２３０は、可変位相シフタ１４５によって以下の位相シフトを加えられるものとする。
【数９】
2012053198.tif 000011
ここで、Ｒ０は複素振幅Ｒ’の振幅であり、ｉｍΔΨは位相である。また、ｍは、整数（ｍ＝１，２，…，Ｍ）である。Ｍは、第２の参照光２３０の位相をシフトする回数であり、第２のホログラムの生成数に相当する。
【００９９】
すなわち、ｍを１からＭまで、つまり第２の参照光２３０の位相を変化させてＭ個の異なる第２のホログラムを生成し、同時にその再生を行う。このとき、ＣＣＤ１６０の面上に生ずるｍ個目の第２のホログラムの強度分布は、
【数１０】
2012053198.tif 000012
となる。雑音成分であるＡＮに比例する項は、第２の参照光２３０と干渉性を有しないためホログラム分布に寄与しない。ただし、（ＡＮ）２の成分は雑音となり、ＩＮ＝（ＡＮ）２とすると、式（８）は
【数１１】
2012053198.tif 000013
と書ける。ここで、Ｉ０＝η２Ａ２＋Ｒ０２とおくと
【数１２】
2012053198.tif 000014
となる。ＣＣＤ１６０の光電変換効率が光強度に対してほぼ一定であり、その変換効率をｑとすると、ｍ個目のホログラム強度分布に対してＣＣＤ１６０から出力される電気信号強度Ｖｍ（ｘ，ｙ）＝ｑＩｍは
【数１３】
2012053198.tif 000015
となる。上式におけるＶＮは、光電変換において生ずる雑音成分である。ここで、３つのパラメータａ，ｂ，ｃを
【数１４】
2012053198.tif 000016
とおくと、
【数１５】
2012053198.tif 000017
と表わされる。
【０１００】
第２のホログラムの強度分布を検出する際に、Ｖｍの実際の測定値がＶｍ’になったとすると、測定者が知り得る情報は、Ｖｍ’とｍΔΨである。そこで、
【数１６】
2012053198.tif 000018
となるように（ここでｍｉｎ．は最小値を表わす）、未知のパラメータａ，ｂ，ｃをコンピュータなどを用いて決定すればよい。このように算出されたパラメータａ，ｂ，ｃを用いると、式（１１）より、
【数１７】
2012053198.tif 000019
が得られ、空間直交振幅信号光の位相情報を復調することができる。また、同じく式（１１）より、
【数１８】
2012053198.tif 000020
が得られ、空間直交振幅信号光の振幅情報を復調することができ、
【数１９】
2012053198.tif 000021
となる。すべて（Ｍ個）の第２のホログラムにおいて参照光の強さＲ０が一定であれば
【数２０】
2012053198.tif 000022
となる。
【０１０１】
以上のプロセスにおいて特徴的なことは、位相および振幅の多値数Ｎに関わらず、未知のパラメータの数はａ，ｂ，ｃの３つであることから、第２のホログラムを最低３回生成することで（Ｍ＝３）、直交振幅変調信号光を復調することができる。これは、大きな多値数Ｎを用いたホログラフィックメモリを再生する場合に、第２のホログラムの生成回数がＭ＝Ｎとなる第１の方法と比べて優位性がある。また、第２のホログラムの生成において第２の参照光２３０の強さを一定に保つことで、パラメータｂとｃによる信号の復調が可能であり、検出において生ずる雑音成分の影響（パラメータａに含まれる雑音成分ＩＮおよびＶＮ)を受けない利点がある。
【０１０２】
次に、パラメータａ，ｂ，ｃの算出手順を述べる。まず、式（１３）においてα＝ｍΔΨとおき、パラメータａ，ｂ，ｃの各々で偏微分して０とおくと、
【数２１】
2012053198.tif 000023
が得られる。ここで、第２の参照光２３０に与える位相シフトのステップをΔΨ＝２π／Ｍと設定すると、
【数２２】
2012053198.tif 000024
となるので、計算が大幅に容易となり、各パラメータは
【数２３】
2012053198.tif 000025
と求まる。この結果を式（１４）および式（１７）に代入すると
【数２４】
2012053198.tif 000026
となり、空間直交振幅変調信号の位相情報が求まる。振幅情報については
【数２５】
2012053198.tif 000027
より求められる。
【０１０３】
以上のように、実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置は、位相変調と振幅変調とを併用して生成された信号光（空間直交振幅変調信号光）を用いてホログラフィックメモリにデータページ（２次元データ）を記録し、かつこのホログラフィックメモリからデータページを高精度に再生することができる。
【０１０４】
（実施の形態２）
実施の形態１では、Ｍ個の第２のホログラムを生成する際に可変位相シフタを用いて第２の参照光の位相を変化させた。実施の形態２では、特別な干渉計を利用することで、可変位相シフタを用いずにＭ個の第２のホログラムを同時に生成するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
【０１０５】
実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。ここでは、一例として
【数２６】
2012053198.tif 000028
としたときの、実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を図６に示す。
【０１０６】
図６に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５、第４のビームスプリッタ３２０、位相シフタ３２５、第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０、第４のＣＣＤ３４５を有する。第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５、第４のビームスプリッタ３２０および位相シフタ３２５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５は、「検出部」として機能する。図６において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた互いに干渉性のあるレーザ光である。
【０１０７】
第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５および第４のビームスプリッタ３２０は、それぞれ入射した光束を２つの光束に分割する。第１のビームスプリッタ３０５、第２のビームスプリッタ３１０、第３のビームスプリッタ３１５および第４のビームスプリッタ３２０は、図６に示される位置関係で配置される。
【０１０８】
図６に示されるように、第１のビームスプリッタ３０５には、第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光の一部は透過して第３のビームスプリッタ３１５に向かい、残部は反射して第４のビームスプリッタ３２０に向かう。同様に、第２のビームスプリッタ３１０には、第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は反射して第３のビームスプリッタ３１５に向かい、残部は透過して第４のビームスプリッタ３２０に向かう。
【０１０９】
第３のビームスプリッタ３１５の第１の面には、第１のビームスプリッタ３０５を透過した第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第１のＣＣＤ３３０に向かい、残部は透過して第２のＣＣＤ３３５に向かう。一方、第３のビームスプリッタ３１５の第２の面には、第２のビームスプリッタ３１０で反射した第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第１のＣＣＤ３３０に向かい、残部は反射して第２のＣＣＤ３３５に向かう。
【０１１０】
第４のビームスプリッタ３２０の第１の面には、第１のビームスプリッタ３０５で反射した第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第３のＣＣＤ３４０に向かい、残部は透過して第４のＣＣＤ３４５に向かう。一方、第４のビームスプリッタ３２０の第２の面には、第２のビームスプリッタ３１０を透過した第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第３のＣＣＤ３４０に向かい、残部は反射して第４のＣＣＤ３４５に向かう。
【０１１１】
位相シフタ３２５は、図６に示されるように、第２のビームスプリッタ３１０と第４のビームスプリッタ３２０との間に配置される。位相シフタ３２５は、第２のビームスプリッタ３１０により分離された第２の参照光の位相を変化させる。
【０１１２】
第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５は、図６に示される位置関係で配置される。第１のＣＣＤ３３０は、第３のビームスプリッタ３１５で反射した第１のホログラムの回折光２４０と第３のビームスプリッタ３１５を透過した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第２のＣＣＤ３３５は、第３のビームスプリッタ３１５を透過した第１のホログラムの回折光２４０と第３のビームスプリッタ３１５で反射した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第３のＣＣＤ３４０は、第４のビームスプリッタ３２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０と第４のビームスプリッタ３２０を透過した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第４のＣＣＤ３４５は、第４のビームスプリッタ３２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０と第４のビームスプリッタ３２０で反射した第２の参照光２３０とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。
【０１１３】
図６に示される光学系は、第１のビームスプリッタ３０５と第３のビームスプリッタ３１５との間の光路長Ｌ１と、第２のビームスプリッタ３１０と第３のビームスプリッタ３１５との間の光路長Ｌ２と、第１のビームスプリッタ３０５と第４のビームスプリッタ３２０との間の光路長Ｌ３と、第２のビームスプリッタ３１０と第４のビームスプリッタ３２０との間の光路長Ｌ４とが、以下の式（２４）を満たすように調整される。
【数２７】
2012053198.tif 000029
【０１１４】
光学系の調整は、基準となる信号光をホログラム回折光２４０の代わりに与え、そのときの第１のＣＣＤ３３０上での光強度が最大となるように、各ビームスプリッタ３０５〜３２０の位置を調整すればよい。このようにすることで、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが第１のＣＣＤ３３０上に生成される。また、ストークス（Stokes）の関係式およびエネルギー保存則により、特定の信号位置（ｘ，ｙ）において第１のＣＣＤ上での光強度が最大となるとき、同じ信号位置（ｘ，ｙ）において第２のＣＣＤ３３５上での光強度は最小となる。したがって、第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが第２のＣＣＤ３３５上に生成される。
【０１１５】
図６に示される構成で第２のホログラムを同時に生成できる理由について、図７を用いて説明する。図７は、図６の第３のビームスプリッタ３１５の周辺部分の拡大模式図である。
【０１１６】
図７に示されるように、第１のホログラムの回折光Ａｅｘｐ（ｉφ）は、図面の左側から第３のビームスプリッタ３１５に入射している。この方向（図面の左側から右側に向かう方向）からの光に対する第３のビームスプリッタ３１５の振幅透過率をｔ（第２のＣＣＤ３３５へ向かう成分）とし、振幅反射率をｒ（第１のＣＣＤ３３０へ向かう成分）とする。また、Ｒ０で表わされる第２の参照光２３０は、図面の下側から第３のビームスプリッタ３１５に入射している。この方向（図面の下側から上側に向かう方向）からの光に対する第３のビームスプリッタ３１５の振幅透過率をｔ’（第１のＣＣＤ３３０へ向かう成分）、振幅反射率をｒ’（第２のＣＣＤ３３５へ向かう成分）とする。この場合、一般的にストークスの関係式
【数２８】
2012053198.tif 000030
および、エネルギー保存則
【数２９】
2012053198.tif 000031
が成立する（記号＊は複素共役を表わす）。
【０１１７】
ここで、第１のＣＣＤ３３０上に生ずるホログラム振幅は、式（２６）を用いると、式（８）とほぼ同様の手順で
【数３０】
2012053198.tif 000032
と書ける。ここで、γは、反射率と透過率の積ｒｔ＊の位相角であり
【数３１】
2012053198.tif 000033
である。同様に、第２のＣＣＤ３３５上に生ずるホログラム振幅は、
【数３２】
2012053198.tif 000034
と書ける。ここで、式（２５）を用いると、
【数３３】
2012053198.tif 000035
であるから、式（２８）は
【数３４】
2012053198.tif 000036
と書ける。
【０１１８】
式（２７）において、基準となる信号光をホログラム回折光の代わりに与え、そのときの第１のＣＣＤ３３０上での光強度が最大となるように光学系を調整すれば（φ＋γ＝０においてＩＣＣＤ１が最大)、これは式（９）において、光強度の変化を表わすｃｏｓ（）関数の中が０となる場合に相当するから、ｍ＝０、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。また、式（２７）と式（２９）を比較すると、干渉縞の符号が反転、すなわち、右辺第３項における干渉縞の位相がπシフトしていることがわかる（光強度の変化を表わすｃｏｓ（）関数の中に−πが含まれる）。したがって、式（２９）は、式（９）において、ｍ＝２、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝πに相当する第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。ここで、式（２７）と式（２９）において右辺の第１項および第２項の値は異なるが、これらは、
【数３５】
2012053198.tif 000037
となる標準的な光強度分岐比１：１のビームスプリッタ（ハーフミラー）を用いることで等しい値にすることができる。
【０１１９】
以上より、第１のＣＣＤ３３０上に第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成され、第２のＣＣＤ３３５上に第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが生成されることがわかる。
【０１２０】
次に、基準となる信号光との位相差がπ／２となる信号光をホログラム回折光の代わりに与え、その時の第３のＣＣＤ３４０上での光強度が最大となるように位相シフタ３２５を調整する。なお、この調整は、実施の形態１のホログラフィックメモリ再生装置の可変位相シフタにおける動作とは異なり、最初に一度だけ行えばよい。
【０１２１】
ここで、第４のビームスプリッタ３２０は、第３のビームスプリッタ３１５と振幅透過率と振幅反射率が同じであるとすると、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５上に生ずるホログラム振幅は
【数３６】
2012053198.tif 000038
【数３７】
2012053198.tif 000039
と書ける。式（３０）は、式（９）においてｍ＝１、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。また、式（３１）は、式（８）においてｍ＝３、すなわち第２の参照光２３０の位相がα＝３π／２であるときの第２のホログラムが得られる光学条件と等しい。
【０１２２】
以上のように光学系を調整した後、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）と第２の参照光２３０とをこの光学系に導入すると、第２の参照光２３０の位相を変化させることなく、第２の参照光２３０の位相をα＝０，π／２，π，３π／２に変化させた場合に等しい第２のホログラムが第１のＣＣＤ３３０、第２のＣＣＤ３３５、第３のＣＣＤ３４０および第４のＣＣＤ３４５上で同時に生成される。このようにして同時に得られる４枚の第２のホログラムから、電子的な処理によって信号を復調する手順は、実施の形態１で説明した第２の方法と同様である（式（１８）〜式（２２）参照）。
【０１２３】
以上のように、実施の形態２のホログラフィックメモリ記録再生装置は、特別な干渉計を利用することで、可変位相シフタを用いずにＭ個の第２のホログラムを同時に生成して、空間直交振幅変調信号光を復調することができる。
【０１２４】
（実施の形態３）
実施の形態２では、各ビームスプリッタ間の光路長を調整する必要があった。実施の形態３では、各ビームスプリッタ間の光路長を調整せずにＭ個の第２のホログラムを同時に生成するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
【０１２５】
実施の形態３のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
【０１２６】
図８は、実施の形態３のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【０１２７】
図８に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板４０５、可変位相シフタ４１０、λ／４波長板４１５、ビームスプリッタ４２０、第１の偏光ビームスプリッタ４２５、第２の偏光ビームスプリッタ４３０、第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５、第４のＣＣＤ４５０を有する。半波長板４０５、可変位相シフタ４１０、λ／４波長板４１５、ビームスプリッタ４２０、第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０は、「検出部」として機能する。図８において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。
【０１２８】
半波長板４０５は、第１のホログラムの回折光２４０の光路上に配置され、第１のホログラムの回折光２４０の偏光角を４５度回転する。
【０１２９】
可変位相シフタ４１０は、第２の参照光２３０の光路上に配置される。なお、可変位相シフタ４１０は、式（２３）で示されるＭ＝４、すなわち第２のホログラムの数が４またはそれ以下の場合には不要である。
【０１３０】
λ／４波長板４１５は、第２の参照光２３０の光路上に配置され、第２の参照光２３０の偏光状態を円偏光に変換する。ここで、円偏光とは、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２である偏光状態を意味する。
【０１３１】
ビームスプリッタ４２０は、偏光依存性を有さないビームスプリッタである。ビームスプリッタ４２０の第１の面には、半波長板４０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第１の偏光ビームスプリッタ４２５に向かい、残部は透過して第２の偏光ビームスプリッタ４３０に向かう。また、ビームスプリッタ４２０の第２の面には、λ／４波長板４１５により偏光状態を変えられた第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第１の偏光ビームスプリッタ４２５に向かい、残部は反射して第２の偏光ビームスプリッタ４３０に向かう。
【０１３２】
第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、偏光依存性を有するビームスプリッタである。すなわち、第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、水平偏光の光を透過させ、垂直偏光の光を反射させる。第１の偏光ビームスプリッタ４２５および第２の偏光ビームスプリッタ４３０は、図８に示される位置関係で配置される。
【０１３３】
図８に示されるように、第１の偏光ビームスプリッタ４２５には、ビームスプリッタ４２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ４２０を透過した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を透過して第１のＣＣＤ４３５に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５で反射して第３のＣＣＤ４４５に向かう。
【０１３４】
同様に、第２の偏光ビームスプリッタ４３０には、ビームスプリッタ４２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ４２０で反射した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を透過して第２のＣＣＤ４４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０で反射して第４のＣＣＤ４５０に向かう。
【０１３５】
第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０は、それぞれ異なる第２のホログラムの強度分布を検出する。第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０は、図８に示される位置関係で配置される。第１のＣＣＤ４３５は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分と第２の参照光２３０の水平偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第２のＣＣＤ４４０は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分と第２の参照光２３０の水平偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第３のＣＣＤ４４５は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分と第２の参照光２３０の垂直偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。第４のＣＣＤ４５０は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分と第２の参照光２３０の垂直偏光成分とにより生成された第２のホログラムの強度分布を検出する。
【０１３６】
図８に示される構成で第２のホログラムを同時に生成できる理由について、図８を用いて説明する。
【０１３７】
図８に示されるように、半波長板４０５は、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の偏光角を４５度回転させる。したがって、半波長板４０５を透過した第１のホログラムの回折光２４０は、図のＡの位置において互いに同位相の水平偏光成分（図面の面内方向、図中矢印で示す）と垂直偏光成分（図面の垂直方向、図中二重丸で示す）を半分ずつ有することになる。
【０１３８】
一方、λ／４波長板４１５は、第２の参照光２３０の偏光状態を円偏光に変換する。したがって、λ／４波長板４１５を透過した第２の参照光２３０は、図のＢの位置においては円偏光となっている（図中丸で示す）。前述の通り、円偏光とは、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２である偏光状態を意味する。
【０１３９】
このようにして得られた、４５度直線偏光の第１のホログラムの回折光２４０と円偏光の第２の参照光２３０は、ビームスプリッタ４２０に入射する。このビームスプリッタ４２０によって、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムと第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムを同時に生成可能であることは、実施の形態２で説明した通りである。したがって、図のＣ方向に進む光波と図のＤ方向に進む光波とでは、位相がπずれた第２のホログラムが生成される。
【０１４０】
まず、第１のホログラムの回折光２４０および第２の参照光２３０がビームスプリッタ４２０に入射した後、ビームスプリッタ４２０から第１の偏光ビームスプリッタ４２５の方向（図中Ｃの方向）に進行する２つの光について説明する。
【０１４１】
図８に示されるように、第１のホログラムの回折光Ａｅｘｐ（ｉφ）は、図面の左側からビームスプリッタ４２０に入射している。この方向（図面の左側から右側に向かう方向）からの光に対するビームスプリッタ４２０の振幅透過率をｔ（第２のＣＣＤ４４０および第４のＣＣＤ４５０へ向かう成分）とし、振幅反射率をｒ（第１のＣＣＤ４３５および第３のＣＣＤ４４５へ向かう成分）とする。また、第２の参照光Ｒ０は、図面の下側からビームスプリッタ４０５に入射している。この方向（図面の下側から上側に向かう方向）からの光に対するビームスプリッタ４２０の振幅透過率をｔ’（第１のＣＣＤ４３５および第３のＣＣＤ４４５へ向かう成分）、振幅反射率をｒ’（第２のＣＣＤ４４０および第４のＣＣＤ４５０へ向かう成分）とする。
【０１４２】
まず、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を直進（透過）する。式（２７）と同様の考察により、式（２５）および式（２６）を用いると
【数３８】
2012053198.tif 000040
となり、第１のＣＣＤ４３５上に、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成される。
【０１４３】
同時に、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ４２５を反射し、第３のＣＣＤ４４５側に進行する。このとき、円偏光の第２の参照光２３０は、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２であるため、第３のＣＣＤ４４５上に生ずるホログラムは、
【数３９】
2012053198.tif 000041
となり、第２の参照光２３０の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが生成される。
【０１４４】
次に、第１のホログラムの回折光２４０および第２の参照光２３０がビームスプリッタ４２０に入射した後、ビームスプリッタ４２０から第２の偏光ビームスプリッタ４３０の方向（図中Ｄの方向）に進行する２つの光について説明する。
【０１４５】
まず、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を直進（透過）する。式（２９）と同様の考察により、
【数４０】
2012053198.tif 000042
となり、第２のＣＣＤ４４０上に、第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが生成される。
【０１４６】
同時に、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および円偏光の第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ４３０を反射し、第４のＣＣＤ４５０側に進行する。このとき、円偏光の第２の参照光２３０は、水平偏光成分と垂直偏光成分の位相差がπ／２であるため、第４のＣＣＤ４５０上に生ずるホログラムは、
【数４１】
2012053198.tif 000043
となり、第２の参照光２３０の位相がα＝３π／２であるときの第２のホログラムが生成される。
【０１４７】
このような動作原理により、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）と第２の参照光２３０を導入すると、光路長を調整することなく、第２の参照光２３０の位相をα＝０，π／２，π，３π／２に変化させた場合に等しい第２のホログラムが第１のＣＣＤ４３５、第２のＣＣＤ４４０、第３のＣＣＤ４４５および第４のＣＣＤ４５０上に同時に生成される。このようにして同時に得られる４枚の第２のホログラムから、電子的な処理によって信号を復調する手順は、実施の形態１で説明した第２の方法と同様である（式（１８）〜式（２２）参照）。
【０１４８】
また、信号の復調精度を高めるためにＭ＝４より大きな数の第２のホログラムを生成する場合には、可変位相シフタ４１０を利用すればよい。まず、可変位相シフタ４１０の位相差を０にして、第２の参照光２３０の位相をα＝０，π／２，π，３π／２に変化させた場合と等価な４枚の第２のホログラムを生成する。その後、可変位相シフタ４１０によってπ／４の位相差を第２の参照光２３０に与えることによって、第２の参照光２３０の位相をα＝π／４，３π／４，５π／４，７π／４に変化させた場合と等価な４枚の第２のホログラムを生成する。このようにして生成された合計８枚の第２のホログラムから式（１８）〜式（２２）を用いて空間直交振幅変調信号を精密に復調することが可能になる。
【０１４９】
（実施の形態４）
実施の形態３の光学系では、第２のホログラムを一度に４枚検出するためには、４台のＣＣＤが必要であった。実施の形態４では、２台のＣＣＤで第２のホログラムを一度に４枚検出するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
【０１５０】
実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
【０１５１】
図９は、実施の形態４のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【０１５２】
図９に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板５０５、可変位相シフタ５１０、λ／４波長板５１５、ビームスプリッタ５２０、第１のミラー５２５、第２のミラー５３０、偏光ビームスプリッタ５３５、第１のＣＣＤ５４０、第２のＣＣＤ５４５を有する。半波長板５０５、可変位相シフタ５１０、λ／４波長板５１５、ビームスプリッタ５２０、第１のミラー５２５、第２のミラー５３０および偏光ビームスプリッタ５３５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５は、「検出部」として機能する。図９において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。
【０１５３】
半波長板５０５、可変位相シフタ５１０およびλ／４波長板５１５は、実施の形態３のものと同じものである。
【０１５４】
ビームスプリッタ５２０は、偏光依存性を有さないビームスプリッタである。ビームスプリッタ５２０の第１の面には、半波長板５０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の一部は反射して第１のミラー５２５に向かい、残部は透過して第２のミラー５３０に向かう。また、ビームスプリッタ５２０の第２の面には、λ／４波長板５１５により偏光状態を変えられた第２の参照光２３０が入射する。入射した第２の参照光２３０の一部は透過して第１のミラー５２５に向かい、残部は反射して第２のミラー５３０に向かう。
【０１５５】
第１のミラー５２５は、ビームスプリッタ５２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０を透過した第２の参照光２３０を偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面に入射させるためのミラーである。
【０１５６】
第２のミラー５３０は、ビームスプリッタ５２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０で反射した第２の参照光２３０を偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面に入射させるためのミラーである。
【０１５７】
偏光ビームスプリッタ５３５は、偏光依存性を有するビームスプリッタである。すなわち、偏光ビームスプリッタ５３５は、水平偏光の光を透過させ、垂直偏光の光を反射させる。偏光ビームスプリッタ５３５は、図９に示される位置関係で配置される。
【０１５８】
図９に示されるように、偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面には、ビームスプリッタ５２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０を透過した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５で反射して第１のＣＣＤ５４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５を透過して第２のＣＣＤ５４５に向かう。
【０１５９】
偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面には、ビームスプリッタ５２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０およびビームスプリッタ５２０で反射した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５を透過して第１のＣＣＤ５４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、偏光ビームスプリッタ５３５で反射して第２のＣＣＤ５４５に向かう。
【０１６０】
偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面には、第１のミラー５２５側からの光が入射し、第２の面には、第２のミラー５３０側からの光が入射する。すなわち、偏光ビームスプリッタ５３５の表面および裏面に同時に光が入射する。このとき、第１のミラー５２５側からの光の光軸と、第２のミラー５３０側からの光の光軸がずれるように、第１のミラー５２５および第２のミラー５３０は配置されている（図９参照）。
【０１６１】
第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５は、図９に示される位置関係で配置される。第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５は、それぞれ、第２のホログラムが２枚ずつ生成される。すなわち、第１のＣＣＤ５４０は、偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布とを検出する。一方、第２のＣＣＤ５４５は、偏光ビームスプリッタ５３５の第１の面を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、偏光ビームスプリッタ５３５の第２の面で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布とを検出する。
【０１６２】
図９に示される構成で第２のホログラムを同時に生成できる理由について、図９を用いて説明する。
【０１６３】
図９に示されるように、半波長板５０５は、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の偏光角を４５度回転する。したがって、半波長板５０５を透過した第１のホログラムの回折光２４０は、図のＡの位置において互いに同位相の水平偏光成分（図面の面内方向、図中矢印で示す）と垂直偏光成分（図面の垂直方向、図中二重丸で示す）を半分ずつ有することになる。
【０１６４】
一方、λ／４波長板５１５は、第２の参照光２３０の偏光状態を円偏光に変換する。したがって、λ／４波長板５１５を透過した第２の参照光２３０は、図のＢの位置においては円偏光となっている（図中丸で示す）。
【０１６５】
このようにして得られた、４５度直線偏光の第１のホログラムの回折光２４０と円偏光の第２の参照光２３０は、ビームスプリッタ５２０に入射する。このビームスプリッタ５２０によって、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムと第２の参照光２３０の位相がα＝πであるときの第２のホログラムを同時に生成可能であることは、実施の形態２で説明した通りである。したがって、図のＣ方向に進む光波と図のＤ方向に進む光波とでは、位相がπずれた第２のホログラムが生成される。
【０１６６】
第１のホログラムの回折光２４０および第２の参照光２３０がビームスプリッタ５２０に入射した後、ビームスプリッタ５２０から第１のミラー５２５の方向（図中Ｃの方向）に進行する２つの光は、図面の左側から偏光ビームスプリッタ５３５に入射する。一方、ビームスプリッタ５２０から第２のミラー５３０の方向（図中Ｄの方向）に進行する２つの光は、図面の下側から偏光ビームスプリッタ５３５に入射する。すなわち、図のＣ方向に進む光と図のＤ方向に進む光は、異なる方向から同一の偏光ビームスプリッタ５３５に入射する。
【０１６７】
このとき、第１のミラー５２５側から入射する光が偏光ビームスプリッタ５３５に入射する位置と、第２のミラー５３０側から入手する光が偏光ビームスプリッタ５３５に入射する位置とをわずかにずらす。このようにすることによって、第１のＣＣＤ５４０の左半面において、第２の参照光の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが生成されると同時に、第１のＣＣＤ５４０の右半面において第２の参照光の位相がα＝πであるときの第２のホログラムが生成される。また、第２のＣＣＤ５４５の下半面において、第２の参照光の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成されると同時に、第２のＣＣＤ５４５の上半面において、第２の参照光の位相がα＝３π／２であるときの第２のホログラムが生成される。
【０１６８】
本実施の形態のホログラフィックメモリ記録再生装置では、１つのＣＣＤの撮像領域を二つに分けて用いる。現在では、数千万画素を有する撮像素子を容易に入手できるため、この点は技術上の制約にはならない。むしろ、ＣＣＤなどの撮像素子の数が少なくて済むため、安価なシステムを構築できる利点が大きい。
【０１６９】
図１０は、ホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。図１０に示される構成は、半波長板５０５の前に一組の偏光ビームスプリッタ（第２の偏光ビームスプリッタ５５０および第３の偏光ビームスプリッタ５５５）が配置されている点、およびλ／４波長板５１５の前に第２のビームスプリッタ５６０および第３のミラー５６５が配置されている点で、図９に示される構成と異なる。このようにすることで、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の垂直偏光成分（α成分）に対する第２のホログラムと、水平偏光成分（β成分）に対する第２のホログラムの両方を同時に生成することが可能となる。
【０１７０】
図１０に示されるように、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）を、一組の偏光ビームスプリッタ（第２の偏光ビームスプリッタ５５０および第３の偏光ビームスプリッタ５５５）で２つに分ける。また、第２の参照光２３０を、第２のビームスプリッタ５６０および第３のミラー５６５で２つに分ける。これにより、第１のＣＣＤ５４０および第２のＣＣＤ５４５の検出面のそれぞれ異なる領域に、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の垂直偏光成分（α成分）に対する４枚の第２のホログラムと、水平偏光成分（β成分）に対する４枚の第２のホログラムとを含む、８枚の第２のホログラムを同時に生成することができる。
【０１７１】
ホログラフィックメモリ１６５に記録されているホログラムが、垂直偏光成分および水平偏光成分の両方が生成される偏光型ホログラムである場合、特に、垂直偏光成分および水平偏光成分のそれぞれに別々の値（振幅および位相）を記録する偏光型ホログラムである場合に、図１０に示されるホログラム生成部および検出部は、第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および水平偏光成分について同時に復調することができる。また、図１０に示されるホログラム生成部および検出部を観測装置として用いる場合、この観測装置は、結晶などの複屈折性を有するサンプルから発生する垂直偏光成分および水平偏光成分を同時に観測することができる。
【０１７２】
（実施の形態５）
実施の形態４の光学系では、第２のホログラムを一度に４枚検出するためには、２台のＣＣＤが必要であった。実施の形態５では、１台のＣＣＤで第２のホログラムを一度に４枚検出するホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
【０１７３】
実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
【０１７４】
図１１は、実施の形態５のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【０１７５】
図１１に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板６０５、可変位相シフタ６１０、λ／４波長板６１５、第１のビームスプリッタ６２０、第１のミラー６２５、第２のミラー６３０、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５、第４の偏光ビームスプリッタ６５０、第２のビームスプリッタ６５５、ＣＣＤ６６０を有する。半波長板６０５、可変位相シフタ６１０、λ／４波長板６１５、第１のビームスプリッタ６２０、第１のミラー６２５、第２のミラー６３０、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５、第４の偏光ビームスプリッタ６５０および第２のビームスプリッタ６５５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、ＣＣＤ６６０は、「検出部」として機能する。図１１において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。
【０１７６】
半波長板６０５、可変位相シフタ６１０、λ／４波長板６１５、第１のビームスプリッタ６２０、第１のミラー６２５および第２のミラー６３０は、実施の形態４のものと同じものである。
【０１７７】
第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は、偏光依存性を有するビームスプリッタである。すなわち、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は、水平偏光の光を透過させ、垂直偏光の光を反射させる。図１１に示されるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０は、組み合わせて配置される。同様に、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０も、組み合わせて配置される。
【０１７８】
図１１に示されるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５には、第１のビームスプリッタ６２０で反射した第１のホログラムの回折光２４０および第１のビームスプリッタ６２０を透過した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ６３５で反射して第２の偏光ビームスプリッタ６４０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッタ６３５を透過して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
【０１７９】
第２の偏光ビームスプリッタ６４０には、第１の偏光ビームスプリッタ６３５で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッタ６４０で反射して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
【０１８０】
第３の偏光ビームスプリッタ６４５には、第１のビームスプリッタ６２０を透過した第１のホログラムの回折光２４０および第１のビームスプリッタ６２０で反射した第２の参照光２３０が入射する。第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ６４５で反射して第４の偏光ビームスプリッタ６５０に向かう。一方、第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分は、第３の偏光ビームスプリッタ６４５を透過して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
【０１８１】
第４の偏光ビームスプリッタ６５０には、第３の偏光ビームスプリッタ６４５で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分が入射する。入射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分は、第４の偏光ビームスプリッタ６４０で反射して第２のビームスプリッタ６５５に向かう。
【０１８２】
なお、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０の組み合わせの代わりに、台形型偏光プリズムを使用してもよい。同様に、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０の組み合わせの代わりに、台形型偏光プリズムを使用してもよい。
【０１８３】
第２のビームスプリッタ６５５は、偏光依存性を有さないビームスプリッタである。第２のビームスプリッタ６５５の第１の面には、第１の偏光ビームスプリッタ６３５を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分と、第２の偏光ビームスプリッタ６４０で反射した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分とが入射する。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分の光軸が互いにずれるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０は配置されている（図１１参照）。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分は、第２のビームスプリッタ６５５を透過してＣＣＤ６６０に向かう。
【０１８４】
第２のビームスプリッタ６５５の第２の面には、第３の偏光ビームスプリッタ６４５を透過した第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分と、第４の偏光ビームスプリッタ６５０で反射した第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分とが入射する。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分の光軸が互いにずれるように、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は配置されている（図１１参照）。これらの水平偏光成分および垂直偏光成分は、第２のビームスプリッタ６５５で反射してＣＣＤ６６０に向かう。
【０１８５】
第２のビームスプリッタ６５５の第１の面には、第１の偏光ビームスプリッタ６３５および第２の偏光ビームスプリッタ６４０側からの光が入射し、第２の面には、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０側からの光が入射する。すなわち、第２のビームスプリッタ６５５の表面および裏面に同時に光が入射する。このとき、第１の偏光ビームスプリッタ６３５由来の光の光軸と、第２の偏光ビームスプリッタ６４０由来の光の光軸と、第３の偏光ビームスプリッタ６４５由来の光の光軸と、第４の偏光ビームスプリッタ６５０由来の光の光軸とが互いにずれるように、第１の偏光ビームスプリッタ６３５、第２の偏光ビームスプリッタ６４０、第３の偏光ビームスプリッタ６４５および第４の偏光ビームスプリッタ６５０は配置されている（図１１参照）。
【０１８６】
ＣＣＤ６６０は、４枚の第２のホログラムの強度分布を検出する。すなわち、ＣＣＤ６６０は、第１の偏光ビームスプリッタ６３５を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、第２の偏光ビームスプリッタ６４０で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、第３の偏光ビームスプリッタ６４５を透過した光（第１のホログラムの回折光２４０の水平偏光成分および第２の参照光２３０の水平偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布と、第４の偏光ビームスプリッタ６５０で反射した光（第１のホログラムの回折光２４０の垂直偏光成分および第２の参照光２３０の垂直偏光成分）により生成された第２のホログラムの強度分布とを検出する。
【０１８７】
図１１に示される構成のホログラム生成部および検出部は、図９に示される構成のホログラム生成部および検出部と同じ理由で、４枚の第２のホログラムを同時に生成することができる。なお、図１１に示される例では、２つの偏光ビームスプリッタを紙面に対して水平方向に配置しているが、２つの偏光ビームスプリッタを紙面に対して垂直方向に配置してもよい。このようにすることで、１つのＣＣＤの検出面上に、４枚の第２のホログラムを２段×２列に配置することができる。
【０１８８】
図１２は、ホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。図１２に示される構成は、半波長板６０５の前に一組のビームスプリッタ（第３のビームスプリッタ６６５および第４のビームスプリッタ６７０）が配置されている点で、図１１に示される構成と異なる。
【０１８９】
図１２に示されるように、第１の参照光２２０によって生成される第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）を、一組のビームスプリッタ（第３のビームスプリッタ６６５および第４のビームスプリッタ６７０）で２つに分ける。これにより、１つのＣＣＤの検出面のそれぞれ異なる領域に、８枚の第２のホログラムを同時に生成することができる。
【０１９０】
８枚の第２のホログラムの強度分布をそれぞれＶ１、Ｖ２、…、Ｖ８とし、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の位相をφ（ｘ，ｙ）とし、一組のビームスプリッタ（第３のビームスプリッタ６６５および第４のビームスプリッタ６７０）による位相差をΨ（ｘ，ｙ）とすると、
【数４２】
2012053198.tif 000044
より、
【数４３】
2012053198.tif 000045
が得られる。このΨの値を用いることで、α１＝０、α２＝Ψ、α３＝π／２、α４＝π／２＋Ψ、α５＝π、α６＝π＋Ψ、α７＝３／２π、α８＝３／２π＋Ψの８つの異なる干渉強度を観測することができる。
【０１９１】
このとき、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）の位相φ（ｘ，ｙ）は、
【数４４】
2012053198.tif 000046
により算出される。
【０１９２】
このように、第１のホログラムの回折光２４０（空間直交振幅変調信号光）を２つに分岐させることで、一度に検出できる第２のホログラムの数を増大させることができる。第１のホログラムの回折光２４０の分岐数をさらに増大させれば、一度に検出できる第２のホログラムの数もさらに増大させることができる。たとえば、第１のホログラムの回折光２４０を３つに分岐させれば、１２枚の第２のホログラムの強度分布を一度に測定することができる。
【０１９３】
また、図１３に示されるように、位相シフタ６７５によって、前述の位相差Ψを予め特定の値に設定することも可能である。たとえば、Ψ１＝π／４とすると、α１＝０、α２＝π／４、α３＝π／２、α４＝３π／４、α５＝π、α６＝５π／４、α７＝３／２π、α８＝７π／４の８つの異なる干渉強度を観測することができる。
【０１９４】
（実施の形態６）
上記各実施の形態の光学系では、４つの撮像領域（α＝０、α＝π／４、α＝π／２、α＝３π／４）を設ける必要があった。実施の形態６では、２つの撮像領域（α＝０、α＝π／２）のみで空間直交振幅変調信号を復調することができるホログラフィックメモリ記録再生装置について説明する。
【０１９５】
実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置は、ホログラム生成部および検出部以外の各構成要素については実施の形態１のホログラフィックメモリ記録再生装置と同じである。そこで、ホログラム生成部および検出部についてのみ説明する。
【０１９６】
図１４は、実施の形態６のホログラフィックメモリ記録再生装置のホログラム生成部および検出部の構成を示す模式図である。
【０１９７】
図１４に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板７０５、λ／４波長板７１０、ビームスプリッタ７１５、偏光ビームスプリッタ７２０、第１のＣＣＤ７２５および第２のＣＣＤ７３０を有する。半波長板７０５、λ／４波長板７１０、ビームスプリッタ７１５および偏光ビームスプリッタ７２５は、「ホログラム生成部」として機能する。また、第１のＣＣＤ７２５および第２のＣＣＤ７３０は、「検出部」として機能する。図１４において、第１の参照光２２０および第２の参照光２３０は、同一のレーザ光源から生じた直線偏光（水平偏光；図面の面内方向）のレーザ光である。また、第２の参照光２３０の強度Ｒ０２は、既知の値であるとする。
【０１９８】
図１４に示される光学系は、図８に示される実施の形態３の光学系から光線Ｄに関連する構成部材（第２の偏光ビームスプリッタ４３０、第２のＣＣＤ４４０および第４のＣＣＤ４５０）を除去したものと同様の構成である。実施の形態３において説明したように、第１のＣＣＤ７２５上には、第２の参照光２３０の位相がα＝０であるときの第２のホログラムが生成され、第２のＣＣＤ７３０上には、第２の参照光２３０の位相がα＝π／２であるときの第２のホログラムが生成される。なお、図１４に示される光学系において、ビームスプリッタ７１５を除去し、半波長板７０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０を偏光ビームスプリッタ７２０に直接入射させてもよい。この場合、偏光ビームスプリッタ７２０の第１の面には、半波長板７０５により偏光角を変えられた第１のホログラムの回折光２４０が入射し、偏光ビームスプリッタ７２０の第２の面には、λ／４波長板７１０により偏光状態を変えられた第２の参照光２３０が入射する。
【０１９９】
ここで、前述の式（９）
【数４５】
2012053198.tif 000047
において、雑音成分ＩＮおよびＡＮが十分に小さいと仮定すると、
【数４６】
2012053198.tif 000048
となる。計算を簡単にするためη＝ｑ＝１とおき、第１のＣＣＤ７２５および第２のＣＣＤ７３０で計測される光強度分布の測定値が、それぞれＶ０（ｘ，ｙ）およびＶπ／２（ｘ，ｙ）であったとする。このとき、
【数４７】
2012053198.tif 000049
【数４８】
2012053198.tif 000050
と書ける。ここで、
【数４９】
2012053198.tif 000051
とおくと、式（４１）および式（４２）より、
【数５０】
2012053198.tif 000052
【数５１】
2012053198.tif 000053
となる。三角関数の公式
【数５２】
2012053198.tif 000054
を用いると、
【数５３】
2012053198.tif 000055
を得られる。式（４７）をＩ０について解き、式（４３）〜式（４５）を満たす解を求めると、（ｘ，ｙ）の各点において
【数５４】
2012053198.tif 000056
が成立する。この結果を式（４４）および式（４５）に代入することによって、光複素振幅Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛φ（ｘ，ｙ）｝を以下の式（４９）から求めることができる。
【数５５】
2012053198.tif 000057
【０２００】
以上のように、検出系の雑音が小さい場合には、図１４に示される簡易な光学系によって、光複素振幅Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛φ（ｘ，ｙ）｝を１回の測定により計測することができる。
【０２０１】
図１５は、ホログラム生成部および検出部の別の構成を示す模式図である。図１５に示される構成は、１つのＣＣＤ８３５上に２つの撮像領域を形成している点で、図１４に示される構成と異なる。
【０２０２】
図１５に示されるように、ホログラム生成部および検出部は、半波長板８０５、λ／４波長板８１０、偏光ビームスプリッタ８１５、第１のミラー８２０、第２のミラー８２５、ビームスプリッタ８３０およびＣＣＤ８３５を有する。図１５に示される簡易な光学系によっても、光複素振幅Ａ（ｘ，ｙ）ｅｘｐ｛φ（ｘ，ｙ）｝を１回の測定により計測することができる。
【０２０３】
（実施の形態３〜６の効果）
信号光の空間的な位相の計測（光複素振幅の計測、空間直交振幅変調信号の計測を含む）には、信号光と別の光とを干渉させることによって位相を強度に変換する必要がある。観測対象の位相を精密に測定するためには、位相の異なる干渉光を用いる位相シフト干渉計測法が知られている。
【０２０４】
位相シフト干渉計測法は、シーケンシャル方式と並列位相シフト方式とに大別される。シーケンシャル方式では、可変位相シフタによって干渉光の位相を変化させて複数回の計測を行う（Ichirou Yamaguchi and Tong Zhang, "Phase-shifting digital holography", Opt. Lett., Vol.22, pp.1268-1270 (1997).）。一方、並列位相シフト方式では、空間位相アレイを通した信号光を用いて１度の計測を行う（Yasuhiro Awatsuji, Atsushi Fujii, Toshihiro Kubota, and Osamu Matoba, "Parallel three-step phase-shifting digital holography," Appl. Opt. Vol.45, pp.2995-3002 (2006).）。
【０２０５】
シーケンシャル方式では、複数回の計測を行うため、別々の時刻の信号に位相差を与えて位相を計測する。このため、シーケンシャル方式には、観測対象の時間的な変動（例えば、観測対象である微生物の運動など）に対して大きな計測誤差が生じてしまうという問題がある。一方、並列位相シフト方式では、一組の空間位相アレイを通過する３〜４つの信号は、観測対象の異なる位置から生じた信号である。並列位相シフト方式では、この空間位相アレイを通過した一組の信号に基づいて元信号を計算する。このため、並列位相シフト方式には、観測対象の位相値の空間的な変動が大きい場合（例えば、観測対象の形状が複雑な場合)、大きな計測誤差が生じてしまうという問題がある。
【０２０６】
これに対し、実施の形態３〜６の方式には、以下の利点がある。まず、シーケンシャル方式で必要な複数回の計測を１度に行うことができるため、時間的な誤差がなく、システムの安定性および高速性が保たれる。また、並列位相シフト方式で必要な位相アレイを用いることなく、同一位置の元信号を複数のＣＣＤで観測するため、空間的な誤差も生じない。たとえば、図８における４つのＣＣＤの同一位置のピクセルで受信される信号は、同一時刻かつ同一位置から生じた信号をハーフミラー（またはビームスプリッタ）および偏光ビームスプリッタで位相差を与えながら生成している（図６および図９〜図１５でも同様）。すなわち、実施の形態３〜６の計測方式は、シーケンシャル方式および並列位相シフト方式のいずれの欠点も有しておらず、かつシーケンシャル方式および並列位相シフト方式の両方の利点を有している。
【０２０７】
また、シーケンシャル方式では、可変位相シフタとしてピエゾ素子を用いるため、精度や安定性を確保するためには複雑な装置（光学系）が必要である。これに対し、実施の形態３〜６の計測方式では、可変位相シフタによる精密な位相調整が不要である。また、実施の形態３〜６の計測方式では、並列位相シフト方式で必要とされる高精度な新規のデバイス（例えば、微小空間位相アレイなど）の開発も不要である。すなわち、実施の形態３〜６の計測方式は、従来からある安価な偏光素子およびＣＣＤカメラがあれば実現できるという、産業化、低価格化および普及に向けての大きな利点を有している。
【０２０８】
なお、図６および図８〜図１５に示されるホログラム生成部および検出部は、観測対象からの透過光または反射光における強度および位相の２次元分布を観測する観測装置としても使用されうる（実施例５，６参照）。この場合は、ホログラフィックメモリ１６５の代わりに観測対象（例えば、生体サンプル）を設置する。また、第１のホログラムの回折光２４０の代わりに観測対象からの透過光または反射光（空間直交振幅変調信号光）を用いて第２のホログラムを生成する。
【０２０９】
なお、上記各実施の形態では、２光束干渉方式により記録を行う例について説明したが、ホログラムの記録方式はこれに限定されない。たとえば、コリニア方式により記録を行うようにしてもよい（実施例参照）。
【０２１０】
ホログラムの記録方式としては、信号光と参照光とで異なる角度の光を用いる２光束干渉方式が広く知られている。しかしながら、この方式は、光ディスク技術との整合性に問題がある。この問題を解消した方式としては、図１６に示すように、信号光と参照光とを同一光軸に配置して、空間光変調器（ＳＬＭ）の中心部をホログラム信号光の生成に用い、外周部を参照光パターンの生成に用いるコリニア・ホログラフィ法がある（Hideyoshi Horimai, Xiaodi Tan and Jun Li, "Collinear Holography", Appl. Opt., Vol.44, pp.2575-2579 (2005)）。なお、図１６には、反射型ホログラムの光学配置を示しているが、実施例に示すように、透過型ホログラムの光学配置であってもよい。
【０２１１】
図１７に、コリニア・ホログラフィ法で記録および再生をする際の空間光変調器（ＳＬＭ）のパターンの一例を示す。記録時には、図１７Ａに示されるように、中心部と外周部に分離したページデータを用い、中心部を信号光の形成、外周部を参照光の形成に用いている。中心部から出射する光（信号光）および外周部から出射する光（参照光）を１つの対物レンズで記録媒体（例えば、光ディスク）に集光照射して、両者の干渉パターンを記録する。再生時には、図１７Ｂに示されるように、外周部から出射する光（参照光）のみを記録媒体に集光照射して、記録媒体から記録データを回折光として取り出す。コリニア・ホログラフィ法では、光スポットの位置を空間的にわずかにずらすことで、多重記録を行うことができる（シフト多重）。
【０２１２】
以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。
【実施例】
【０２１３】
［実施例１］
実施例１では、本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間位相変調信号（８−ＳＰＭ）の記録および再生のシミュレーションを行った結果を示す。【０２１４】
図１８は、シミュレーションに用いた本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。このホログラフィックメモリ記録再生装置は、コリニア・ホログラフィ法により第１のホログラムの記録および再生を行う。【０２１５】
図１８に示されるように、ホログラフィックメモリ記録再生装置９００は、レーザ光源（波長λ＝５３２.０ｎｍ）、第１のミラー（Ｍ１）、ビームエキスパンダ（ＢＥ）、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第１のレンズ（Ｌ１）、第１のアイリス（Ｉｒｉｓ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）、第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、可変位相シフタ（ピエゾ素子）、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）、第５のレンズ（Ｌ５）、第２のアイリス（Ｉｒｉｓ２）、第６のレンズ（Ｌ６）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のミラー（Ｍ３）およびＣＣＤカメラを有する。このホログラフィックメモリ記録再生装置９００は、第３のレンズ（Ｌ３）と第４のレンズ（Ｌ４）との間に記録媒体（Photopolymer）を設置して、記録および再生を行う。【０２１６】
図１８に示されるように、レーザ光源から出射された光は、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の下方向に向かう光は、第１のホログラムを生成する信号光および第１の参照光となる。一方、図面の右方向に向かう光は、第２のホログラムを生成する第２の参照光となる。【０２１７】
第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）から図面の下方向に向かう光は、空間直交振幅変調信号生成部９１０に入射する。空間直交振幅変調信号生成部９１０では、光ビームの中心部（図１７Ａにおけるデータページ領域）が、位相変調型の第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）により空間的な位相変調が加えられ、強度変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により空間的な振幅変調が加えられる。また、コリニア・ホログラフィ法では、図１７Ｂに示されるように、光ビームの外周部をコリニアリングパターンと呼ばれる参照光として用いる。そこで、空間直交振幅変調信号生成部９１０では、強度変調型の第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）が、光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。【０２１８】
なお、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）は、中心部のみを使用し、第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）は外周部のみを使用することから、これらを合わせて１つの空間光変調器に置き換えてもよい。また、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）および第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）の順番は、任意に変えてもよい。また、図１８では、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）として反射型空間光変調器を使用し、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）および第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）として透過型空間光変調器を使用しているが、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）および第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）のいずれの空間光変調器についても、反射型および透過型の空間光変調器を使用してもよい。【０２１９】
このようにして生成された空間直交振幅変調信号および第１の参照光は、１つのビームとなり、記録媒体（フォトポリマー）に第１のホログラムを記録する。記録媒体に複数の第１のホログラムを記録するためには、記録媒体を移動させればよい（例えば、ディスク状の記録媒体を回転させる）。【０２２０】
記録されたデータを再生する際には、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により光ビームの中心部（データページ領域）を遮断し、第３の空間光変調器（ＳＬＭ３）により光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。このようにして生成された第１の参照光を記録媒体内の第１のホログラムに照射すると、第１のホログラムの回折光が生じる。図１８に示されるように、記録媒体から生じた第１のホログラムの回折光は、ホログラム生成部９２０に入射する。【０２２１】
一方、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）から図面の右方向に向かう光は、第２のホログラムを生成するための第２の参照光となる。この光は、可変位相シフタ（例えば、反射型ピエゾ素子）によって必要な位相差が加えられた後、ホログラム生成部７２０に入射する。ホログラム生成部９２０では、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）において第１のホログラムの回折光と第２の参照光とが混合されることにより、ＣＣＤカメラの検出面上に第２のホログラムが生成される。【０２２２】
ここで、８値空間位相変調信号（８−ＳＰＭ）のダイアグラムを図１９に示す。図の横軸は「実軸」または「Ｉ軸」と呼ばれ、縦軸は「虚軸」または「Ｑ軸」と呼ばれる。これらは、式（１）の変数ＩおよびＱに対応する。ダイアグラム上にプロットされている点は、「信号点」と呼ばれる。複数の信号点によって、１セットの変調符号が表される。また、このダイアグラムが表す複素平面は、両軸の「０」点を中心として信号の振幅および位相を示している。「０」点からの距離が振幅を表し、「０」点に対する角度が位相を表している。したがって、中心から等距離に位置するが、中心に対して異なる角度に位置する複数のシンボルは、信号波形の振幅は等しいが、位相は互いに異なっている。【０２２３】
本実施例では、図１８に示されるホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間位相変調信号（８−ＳＰＭ；図１９参照）を記録および再生した場合のシミュレーションを行った。数値解析ツールは、ＦＦＴ−ＢＰＭ（フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた（Junya Tanaka, Atsushi Okamoto and Motoki Kitano, "Development of Image-Based Stimulation for Holographic Data Storage System by Fast Fourier Transform Beam-Propagation Method", Japanese Journal of Applied Physics, Vol.48, No.3 (Issue 2), pp.03A028(1-5) (2009).）。数値解析に用いたパラメータを表１に示す。
【表１】
2012053198.tif 000058
【０２２４】
記録に用いた３枚のデータページ（＃１，＃２，＃３）を図２０Ａに示す。図２０Ａにおいて、各データページの大きさは３２×３２ピクセルである。また、各ピクセルは８つの異なる位相情報で変調されているが、可視化のためグレースケールで描かれている。【０２２５】
今回のシミュレーションでは、記録媒体としてフォトポリマーを仮定し、これらの３枚のデータページ（＃１，＃２，＃３）をシフトピッチ１.７６μｍで多重記録した。記録された第１のホログラムに、第１の参照光を照射して、第１のホログラムの回折光を発生させた。この第１のホログラムの回折光と第２の参照光とを混合することで、α＝０，π／２，π，３π／２の４枚の第２のホログラムを生成した。【０２２６】
各データページ（＃１，＃２，＃３）について、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布を図２１〜２３に示す。図２１は、データページ＃１の第２のホログラムの信号強度分布であり、図２２は、データページ＃２の第２のホログラムの信号強度分布であり、図２３は、データページ＃３の第２のホログラムの信号強度分布である。【０２２７】
また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）を用いて復調されたデータページを図２０Ｂに示す。図２０Ａ（オリジナルデータ）と図２０Ｂ（再生データ）を比較しても、結果の一致度が分かりにくいので、データページ＃１について、再生されたデータがどの位相情報を有するかについて、ヒストグラムにしたものを図２４に示す。図２４より、８値の空間位相変調信号が明瞭に分離されていることが分かる。図２４のデータにおいて、光検出器の検出精度を１２ビットとしたときのシンボルエラーレートは１.３×１０−２であり、現状のホログラフィックメモリにおけるエラー訂正能力を考慮すると、実用上十分な性能といえる。【０２２８】
［実施例２］
実施例２では、本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間直交振幅変調信号（８−ＳＱＡＭ）の記録および再生のシミュレーションを行った結果を示す。【０２２９】
信号点を円上に並べるだけでは８つ程度の位相状態より多くを配列しようとすると互いの信号波形が類似してしまい、位相変調だけで余り多くの信号状態を詰め込むのは好ましくない。そこで、位相変調に振幅変調も加えることでより多くの信号状態を持たせた変調方式が空間直交振幅変調(ＳＱＡＭ)である。【０２３０】
本実施例で用いた８値空間直交振幅変調信号（８−ＳＱＡＭ）のダイアグラムを図２５に示す。各信号点は、振幅２値および位相４値のいずれかの値を取ることができ、１つの信号点で合計８つの値を表現することができる。【０２３１】
本実施例では、実施例１と同様に、図１８に示されるホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、８値空間直交振幅変調信号（８−ＳＱＡＭ）を記録および再生した場合のシミュレーションを行った。数値解析ツールとしては、実施例１と同一のＦＦＴ−ＢＰＭ（フーリエ変換ビーム伝搬法）を用いた。数値解析に用いたパラメータを表２に示す。
【表２】
2012053198.tif 000059
【０２３２】
記録に用いたデータページ（空間直交振幅変調信号）を図２６に示す。図２６に示されるように、データページの大きさは８×８ピクセルである。データページの各ピクセルは、図２６Ａに示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図２６Ｂに示される位相情報φ（ｘ，ｙ）の両方の値を有している。すなわち、図２６Ａに示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図２６Ｂに示される位相情報φ（ｘ，ｙ）を合わせて１つのデータページが表現される）。図２６Ａにおける明部と暗部の振幅比は２：１であるが、強度比では４：１となる。実際の記録光強度は、明部が１.３７ｍＷであり、暗部が０.３４ｍＷである。図２６Ｂに示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。４値の位相は、白色＝π、薄灰色＝π／２、濃灰色＝０、黒色＝−π／２（３π／２）である。【０２３３】
今回のシミュレーションでは、記録媒体として標準的なフォトポリマーを仮定し、表２に示す条件で記録した。このようにして得られた第１のホログラムに、第１の参照光を照射して、第１のホログラムの回折光を発生させた。この第１のホログラムの回折光と第２の参照光とを混合することで、α＝０，π／２，π，３π／２の４枚の第２のホログラムを生成した。【０２３４】
図２７は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。ＣＣＤによる検出では、データページ内の１つのピクセル（データピクセル）に対して、８×８のＣＣＤピクセルで検出した。したがって、必要なＣＣＤピクセル数は、６４×６４ピクセルとなる。ただし、これは必須の条件ではなく、データページの１つのピクセルに対して、１つのＣＣＤピクセルで検出を行うことも可能である。【０２３５】
また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点でのデータを復元したものを図２８に示す。さらに、図２８に示されるデータについて、各データピクセル内で平均化処理を行った結果を図２９に示す。ここまでの処理で得られた結果は、アナログデータである。そこで、最後に、図２９に示されるデータについて、閾値処理を行って、振幅２値、位相４値のデジタルデータに復調したものを図３０に示す。【０２３６】
図２６に示されるオリジナルデータと図３０に示される復調したデータを比較すると、位相面上に１カ所のデータエラーが発生しているが（図中「＊」で示す）、その他は振幅および位相共に完全に復調されており、良好な結果が得られた。【０２３７】
［実施例３］
実施例３では、本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置（実施の形態１参照）を用いて、６値空間直交振幅変調信号（６−ＳＱＡＭ）の記録および再生を実際に行った結果を示す。【０２３８】
本実施例では、図３１に示されるホログラフィックメモリ記録再生装置を用いて、図３２に示される強度２値および位相３値の６値空間直交振幅変調信号（６−ＳＱＡＭ）を記録および再生した。【０２３９】
図３１は、実験に用いた本発明のホログラフィックメモリ記録再生装置の構成を示す模式図である。このホログラフィックメモリ記録再生装置は、コリニア・ホログラフィ法により第１のホログラムの記録および再生を行う。【０２４０】
図３１に示されるように、ホログラフィックメモリ記録再生装置１０００は、レーザ光源、ビームエキスパンダ（ＢＥ）、第１のアイリス（Ｉｒｉｓ１）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、第１のレンズ（Ｌ１）、第２のアイリス（Ｉｒｉｓ２）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、第２のレンズ（Ｌ２）、偏光子（Ｐｏｌ．）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）、検光子（Ａｎａ．）、第３のレンズ（Ｌ３）、第３のアイリス（Ｉｒｉｓ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第３の半波長板（ＨＷＰ３）、第１のＮＤフィルタ（ＮＤＦ１）、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）、可変位相シフタ（ピエゾ素子）、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）、第４のアイリス（Ｉｒｉｓ４）、第７のレンズ（Ｌ７）、第２のＮＤフィルタ（ＮＤＦ２）およびＣＣＤカメラを有する。このホログラフィックメモリ記録再生装置１０００は、第５のレンズ（Ｌ５）と第６のレンズ（Ｌ６）との間に記録媒体（Photopolymer）を設置して、記録および再生を行う。【０２４１】
図３１に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）によって２つに分岐する。図面の上方向（第１のビームスプリッタＢＳ１側）に向かう光は、第１のホログラムを生成する信号光および第１の参照光となる。一方、図面の左方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう光は、第２のホログラムを生成する第２の参照光となる。記録媒体にはフォトポリマーを使用し、レーザ光の照射時間は１分間とした。【０２４２】
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）から図面の上方向（第１のビームスプリッタＢＳ１側）に向かう光は、空間直交振幅変調信号生成部１０１０に入射する。空間直交振幅変調信号生成部１０１０では、光ビームの中心部が、位相変調型の第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）により空間的な位相変調が加えられ、強度変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により空間的な振幅変調が加えられる。【０２４３】
記録に用いたデータページ（空間直交振幅変調信号）の論理値を図３３Ａに示し、物理値を図３３Ｂに示す。図３３に示されるように、データページの大きさは３×５ピクセルである。データページの各ピクセルは、図３３の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３３の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）の両方の値を有している。すなわち、図３３の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３３の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）を合わせて１つのデータページが表現される。図３３において明部と暗部の強度比は３：１程度とした。図３３に示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。３値の位相は、白色＝π、灰色＝π／２、黒色＝０である。本実施例において、図３２に示されるダイアグラムの下半面を用いなかったのは、実験で使用した第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）の位相可変範囲が０〜πに制限されていたためである。【０２４４】
図３３Ｂにおいて、位相パターンの信号ピクセルは、強度パターンの信号ピクセルよりも小さく設定されている。位相パターンの信号ピクセルの周辺部は、０とπの細かなランダムパターンとした。この理由は２つある。１つ目の理由は、強度と位相のピクセルマッチングを行う際にマッチングのずれに対するマージンを確保するためである。２つ目の理由は、信号ピクセルの周辺にランダム位相パターンを入れることによって、空間周波数分布を広げて、再生光の品質を向上させるためである。【０２４５】
また、コリニア・ホログラフィ法では、図３４に示されるように、光ビームの外周部をコリニアリングパターンと呼ばれる参照光として用いる。そこで、空間直交振幅変調信号生成部１０１０では、強度変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）が、光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。【０２４６】
このようにして生成された空間直交振幅変調信号および第１の参照光は、１つのビームとなり、フォトポリマー（記録媒体）に第１のホログラムを記録する。【０２４７】
記録されたデータを再生する際には、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により光ビームの中心部（データページ領域）を遮断し、かつ光ビームの外周部に第１の参照光に相当するコリニアリングパターンを生成する。このようにして生成された第１の参照光を記録媒体内の第１のホログラムに照射すると、第１のホログラムの回折光が生じる。図３１に示されるように、記録媒体から生じた第１のホログラムの回折光は、ホログラム生成部１０２０に入射する。【０２４８】
一方、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）から図面の左方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう光は、第２のホログラムを生成するための第２の参照光となる。この光は、可変位相シフタ（反射型ピエゾ素子）によって位相を０，π／２，π，３π／２と変化させられた後、ホログラム生成部８２０に入射する。ホログラム生成部８２０では、第３のビームスプリッタ（ＢＳ３）において第１のホログラムの回折光と第２の参照光とが混合されることにより、ＣＣＤの検出面上に第２のホログラムが生成される。【０２４９】
図３５は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点でのデータを復元、平均化処理および閾値処理を行って、振幅２値、位相３値のデジタルデータに復調したものを図３６に示す。【０２５０】
図３３Ａに示されるオリジナルデータと図３６に示される復調したデータを比較すると、振幅面上に２カ所のデータエラーが発生しているが（図中「＊」で示す）、その他は振幅および位相共に完全に復調されており、良好な結果が得られた。【０２５１】
［実施例４］
実施例４では、本発明の復調装置（実施の形態４参照）を用いて、６値空間直交振幅変調信号（６−ＳＱＡＭ）の復調を実際に行った結果を示す。【０２５２】
本実施例では、図３７に示される復調装置を用いて、図３２に示される強度２値および位相３値の６値空間直交振幅変調信号（６−ＳＱＡＭ）を復調した。前述の通り、図３２に示されるダイアグラムの下半面を用いなかったのは、実験で使用した第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）の位相可変範囲が０〜πに制限されていたためである。【０２５３】
図３７は、実験に用いた本発明の復調装置の構成を示す模式図である。この復調装置１１００では、空間直交振幅変調信号光生成部１１１０で６値空間直交振幅変調信号（６−ＳＱＡＭ）を生成し、ホログラム生成部１１２０で６値空間直交振幅変調信号（６−ＳＱＡＭ）を復調した。図３７に示されるホログラム生成部１１２０の構成は、図９に示されるホログラム生成部および検出部の構成と同じである。【０２５４】
図３７に示されるように、復調装置１１００は、レーザ光源、ビームエキスパンダ（ＢＥ）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、偏光子（Ｐｏｌ．）、第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）、検光子（Ａｎａ．）、第１のレンズ（Ｌ１）、第１のミラー（Ｍ１）、第１のアイリス（Ｉｒｉｓ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第１のビームスプリッタ（ＢＳ１）、第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）、第３のレンズ（Ｌ３）、第２のアイリス（Ｉｒｉｓ２）、第４のレンズ（Ｌ４）、絞り（Aperture）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、λ／４波長板（ＱＷＰ）、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のミラー（Ｍ３）、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）、第８のレンズ（Ｌ８）、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）および第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）を有する。【０２５５】
図３７に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の左方向（第１の空間光変調器ＳＬＭ１側）に向かう光は、信号光となる。一方、図面の下方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう光は、ホログラム（第２のホログラム）を生成するための参照光（第２の参照光）となる。【０２５６】
第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の左方向（第１の空間光変調器ＳＬＭ１側）に向かう光は、空間直交振幅変調信号生成部１１１０に入射する。空間直交振幅変調信号生成部１１１０では、光ビームの中心部が、強度変調型の第１の空間光変調器（ＳＬＭ１）により空間的な振幅変調が加えられ、位相変調型の第２の空間光変調器（ＳＬＭ２）により空間的な位相変調が加えられる。【０２５７】
変調に用いたデータページ（空間直交振幅変調信号）の論理値を図３８に示す。図３８に示されるように、データページの大きさは６×６ピクセルである。データページの各ピクセルは、図３８の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３８の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）の両方の値を有している。すなわち、図３８の左側に示される振幅情報Ａ（ｘ，ｙ）および図３８の右側に示される位相情報φ（ｘ，ｙ）を合わせて１つのデータページが表現される。図３８において明部と暗部の強度比は３：１程度とした。図３８に示される位相情報は、可視化のためグレースケールで描かれている。３値の位相は、白色＝π、灰色＝π／２、黒色＝０である。【０２５８】
変調されたデータを復調する際には、ホログラム生成部１１２０において信号光と参照光とを干渉させる。空間直交振幅変調信号光生成部１１１０で生成された信号光は、第２の半波長板（ＨＷＰ２）を透過して４５°の直線偏光に調整される。一方、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の下方向（第２のビームスプリッタＢＳ２側）に向かう参照光は、λ／４波長板（ＱＷＰ）を透過して円偏光に変換される。これらの信号光および参照光を第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）に入射させることで、互いに位相がπずれた干渉縞が生成される。さらに、第２のビームスプリッタ（ＢＳ２）からの出射光を第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）に入射させることで、位相がπ／２ずれた干渉縞が生成される。【０２５９】
以上のプロセスにより、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）の検出面のそれぞれ異なる領域に、α＝π／２およびα＝πの２枚の第２のホログラムが同時に生成される。また、第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）の検出面のそれぞれ異なる領域に、α＝３π／２およびα＝０の２枚の第２のホログラムが同時に生成される。これらの４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布から、６値空間直交振幅変調信号（６−ＳＱＡＭ）を復調した。【０２６０】
図３９は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点でのデータを復元したものを図４０Ａに示し、さらに平均化処理および閾値処理を行って、振幅２値、位相３値のデジタルデータに復調したものを図４０Ｂに示す。【０２６１】
図３８に示されるオリジナルデータと図４０Ｂに示される復調したデータを比較すると、振幅および位相共に完全に復調されており、良好な結果が得られた。【０２６２】
なお、図３７に示される構成において、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）および第８のレンズ（Ｌ８）は、無くてもよい。これらのレンズが無い場合、空間直交振幅変調信号に含まれる強度情報および位相情報がフレネル回折の影響を受ける。この場合、第２のホログラムの信号強度分布を用いて信号を復調した後、フレネル回折の影響を数値計算によって差し引くことによって、空間直交振幅変調信号に含まれる元の強度情報および位相情報を求めることができる。【０２６３】
［実施例５］
実施例５では、本発明の観測装置（実施の形態４参照）を用いて、生体観測を行った結果を示す。本実施例では、図４１に示される観測装置を用いて、ミジンコ（Daphnia pulex）およびセイヨウミツバチ（Apis mellifera）の後肢を観測した。【０２６４】
図４１は、実験に用いた本発明の観測装置の構成を示す模式図である。図４１に示されるホログラム生成部１２１０の構成は、図９に示されるホログラム生成部および検出部の構成と同じである。【０２６５】
図４１に示されるように、観測装置１２００は、レーザ光源、第１のレンズ（Ｌ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、第１のミラー（Ｍ１）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、λ／４波長板（ＱＷＰ）、ビームスプリッタ（ＢＳ）、第３のミラー（Ｍ３）、第４のミラー（Ｍ４）、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）、第８のレンズ（Ｌ８）、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）および第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）を有する。この観測装置１２００は、第１のミラー（Ｍ１）と第２のミラー（Ｍ２）との間に生体サンプル（Object）を設置して、観測を行う。【０２６６】
図４１に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の左方向（第１のミラーＭ１側）に向かう光は、信号光（観測対象からの透過光または反射光）となる。一方、図面の下方向（λ／４波長板ＱＷＰ側）に向かう光は、ホログラム（第２のホログラム）を生成するための参照光（第２の参照光）となる。【０２６７】
第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の左方向（第１のミラーＭ１側）に向かう光は、生体サンプル（Object）に入射する。生体サンプル（Object）内を光が透過することで、または生体サンプル（Object）において光が反射することで、生体サンプル（Object）の振幅特性および位相特性に対応する空間直交振幅変調信号が生成される。以後のプロセスは、実施の形態４および実施例４で説明したプロセスと同一である。最終的に、空間直交振幅変調信号に含まれる強度分布および位相分布が復調される。これらは、それぞれ、生体サンプル（Object）の透過光強度分布および透過光位相分布（または反射光強度分布および反射光位相分布）に相当する。【０２６８】
図４２および図４３は、ミジンコの観測結果を示す。図４２は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図４３は、図４２に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。【０２６９】
図４４および図４５は、セイヨウミツバチの後肢の観測結果を示す。図４４は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図４５は、図４４に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。【０２７０】
図４３および図４５の結果から、本発明の観測装置により、生体サンプルの透過光強度分布および透過光位相分布（または反射光強度分布および反射光位相分布）を観測できることがわかる。【０２７１】
なお、図４１に示される構成において、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）および第８のレンズ（Ｌ８）は、無くてもよい。これらのレンズが無い場合、生体サンプル由来の空間直交振幅変調信号に含まれる強度情報および位相情報がフレネル回折の影響を受ける。この場合、第２のホログラムの信号強度分布を用いて信号を復調した後、フレネル回折の影響を数値計算によって差し引くことによって、生体サンプル由来の空間直交振幅変調信号に含まれる元の強度情報および位相情報を求めることができる。【０２７２】
［実施例６］
実施例６では、本発明の観測装置（実施の形態４参照）を用いて、偏光観測を行った結果を示す。本実施例では、図４６に示される観測装置を用いて、晶質石灰岩の薄片を観測した。【０２７３】
図４６は、実験に用いた本発明の観測装置の構成を示す模式図である。図４６に示されるホログラム生成部１３１０の構成は、図９に示されるホログラム生成部および検出部の構成と同じである。【０２７４】
図４６に示されるように、観測装置１３００は、レーザ光源、第１のレンズ（Ｌ１）、第２のレンズ（Ｌ２）、第１の半波長板（ＨＷＰ１）、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）、第２の半波長板（ＨＷＰ２）、第１のミラー（Ｍ１）、偏光子（Ｐｏｌ．）、第２のミラー（Ｍ２）、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第３の半波長板（ＨＷＰ３）、λ／４波長板（ＱＷＰ）、ビームスプリッタ（ＢＳ）、第３のミラー（Ｍ３）、第４のミラー（Ｍ４）、第２の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ２）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）、第８のレンズ（Ｌ８）、第１のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ１）および第２のＣＣＤカメラ（ＣＣＤ２）を有する。この観測装置１３００は、第１のミラー（Ｍ１）と偏光子（Ｐｏｌ．）との間にサンプル（Object）を設置して、観測を行う。【０２７５】
図４６に示されるように、レーザ光源から出射された光（波長５３２ｎｍ）は、第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）によって２つに分岐する。図面の左方向（第２の半波長板ＨＷＰ２側）に向かう光は、信号光（観測光）となる。一方、図面の下方向（λ／４波長板ＱＷＰ側）に向かう光は、ホログラム（第２のホログラム）を生成するための参照光（第２の参照光）となる。【０２７６】
第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ１）から図面の左方向（第２の半波長板ＨＷＰ２側）に向かう光は、水平偏光（図面の面内方向に平行な偏光）である。第２の半波長板（ＨＷＰ２）は、この水平偏光の光の偏光角を４５度回転する。４５度直線偏光の光は、サンプル（Object）に入射する。サンプル（Object）内を光が透過することで、またはサンプル（Object）において光が反射することで、サンプル（Object）の偏光特性に依存した振幅変調および位相変調を受けた光が、空間直交振幅変調信号（光複素振幅）として生成される。空間直交振幅変調信号は、偏光子（Ｐｏｌ．）に入射する。このときの偏光子（Ｐｏｌ．）の角度によって、空間直交振幅変調信号のどちらの偏光成分（水平偏光（Ｐ偏光）または垂直偏光（Ｓ偏光））について観測するかを選択することができる。偏光子（Ｐｏｌ．）の角度を調整することで、任意の偏光成分を観測することができる。【０２７７】
以後のプロセスは、実施の形態４で説明したプロセスと同一である。最終的に、選択した偏光成分についての、空間直交振幅変調信号に含まれる強度分布および位相分布が復調される。これらは、それぞれ、選択した偏光成分についての、サンプル（Object）の透過光強度分布および透過光位相分布（または反射光強度分布および反射光位相分布）に相当する。【０２７８】
図４７および図４８は、水平偏光（Ｐ偏光）成分の観測結果を示す。図４７は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図４８は、図４７に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。【０２７９】
図４９および図５０は、垂直偏光（Ｓ偏光）成分の観測結果を示す。図４９は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図５０は、図４９に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。【０２８０】
図４８および図５０の結果から、偏光子の角度を変えることで、光透過特性が変化することがわかる。このように、本発明の観測装置により、結晶の複屈折性を確認することができる。【０２８１】
なお、図４６に示される構成において、第３のレンズ（Ｌ３）、第４のレンズ（Ｌ４）、第５のレンズ（Ｌ５）、第６のレンズ（Ｌ６）、第７のレンズ（Ｌ７）および第８のレンズ（Ｌ８）は、無くてもよい。これらのレンズが無い場合、晶質石灰岩由来の空間直交振幅変調信号に含まれる強度情報および位相情報がフレネル回折の影響を受ける。この場合、第２のホログラムの信号強度分布を用いて信号を復調した後、フレネル回折の影響を数値計算によって差し引くことによって、晶質石灰岩由来の空間直交振幅変調信号に含まれる元の強度情報および位相情報を求めることができる。【０２８２】
［実施例７］
実施例７では、本発明の観測装置（実施の形態４，６参照）を用いて、偏光観測を行った結果を示す。本実施例では、図４１に示される観測装置を用いて、ナメクジウオ（Branchiostoma belcheri）の切片を観測した。【０２８３】
図５１および図５２は、４枚の第２のホログラム（α＝０、α＝π／４、α＝π／２、α＝３π／４）を生成する実施の形態４の手順による観測結果を示す。図５１は、４枚の第２のホログラムを光電変換して得られた信号強度分布である。また、図５２は、図５１に示される第２のホログラムの信号強度分布から式（２１）および式（２２）を用いて、各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。【０２８４】
図５３は、２枚の第２のホログラム（α＝０、α＝π／２）を生成する実施の形態６の手順による観測結果を示す。図５３は、２枚の第２のホログラムの信号強度分布から各ＣＣＤピクセル点での透過光強度および透過光位相を計算した結果である。【０２８５】
図５２および図５３の結果から、簡易な装置を用いて光複素振幅を計測できることがわかる。【０２８６】
本出願は、２０１０年１０月１９日出願の特願２０１０−２３４６４０に基づく優先権を主張する。当該出願明細書および図面に記載された内容は、すべて本願明細書に援用される。
【産業上の利用可能性】
【０２８７】
本発明のホログラフィックメモリは、コンシューマ向けのＡＶ用途のみならず、放送や医療分野におけるアーカイバル用途（データの長期保存が可能）や、データセンターなどの光ディスクシステム（消費電力がＨＤＤの１／６程度）などの様々な用途において有用である。
【符号の説明】
【０２８８】
１００  ホログラフィックメモリ記録再生装置
１０５  レーザ光源
１１０  第１のビームスプリッタ
１１５  空間直交振幅変調信号光生成部
１２０  第１のレンズ
１２５  第１のミラー
１３０  第２のビームスプリッタ
１３５  光シャッタ
１４０  第２のレンズ
１４５  可変位相シフタ
１５０  第２のミラー
１５５  第３のビームスプリッタ
１６０  ＣＣＤ
１６５  ホログラフィックメモリ
２１０  空間直交振幅変調信号光
２２０  第１の参照光
２３０  第２の参照光
２４０  第１のホログラムの回折光
２５０  第２のホログラム
３０５  第１のビームスプリッタ
３１０  第２のビームスプリッタ
３１５  第３のビームスプリッタ
３２０  第４のビームスプリッタ
３２５  位相シフタ
３３０  第１のＣＣＤ
３３５  第２のＣＣＤ
３４０  第３のＣＣＤ
３４５  第４のＣＣＤ
４０５  半波長板
４１０  可変位相シフタ
４１５  λ／４波長板
４２０  ビームスプリッタ
４２５  第１の偏光ビームスプリッタ
４３０  第２の偏光ビームスプリッタ
４３５  第１のＣＣＤ
４４０  第２のＣＣＤ
４４５  第３のＣＣＤ
４５０  第４のＣＣＤ
５０５  半波長板
５１０  可変位相シフタ
５１５  λ／４波長板
５２０  ビームスプリッタ
５２５  第１のミラー
５３０  第２のミラー
５３５  偏光ビームスプリッタ
５４０  第１のＣＣＤ
５４５  第２のＣＣＤ
５５０  第２の偏光ビームスプリッタ
５５５  第３の偏光ビームスプリッタ
５６０  第２のビームスプリッタ
５６５  第３のミラー
６０５  半波長板
６１０  可変位相シフタ
６１５  λ／４波長板
６２０  第１のビームスプリッタ
６２５  第１のミラー
６３０  第２のミラー
６３５  第１の偏光ビームスプリッタ
６４０  第２の偏光ビームスプリッタ
６４５  第３の偏光ビームスプリッタ
６５０  第４の偏光ビームスプリッタ
６５５  第２のビームスプリッタ
６６０  ＣＣＤ
６６５  第３のビームスプリッタ
６７０  第４のビームスプリッタ
６７５  位相シフタ
７０５  半波長板
７１０  λ／４波長板
７１５  ビームスプリッタ
７２０  偏光ビームスプリッタ
７２５  第１のＣＣＤ
７３０  第２のＣＣＤ
８０５  半波長板
８１０  λ／４波長板
８１５  偏光ビームスプリッタ
８２０  第１のミラー
８２５  第２のミラー
８３０  ビームスプリッタ
８３５  ＣＣＤ
９００，１０００  ホログラフィックメモリ記録再生装置
９１０，１０１０，１１１０  空間直交振幅変調信号光生成部
９２０，１０２０，１１２０，１２１０，１３１０  ホログラム生成部
１１００  復調装置
１２００，１３００  観測装置
【図１】
2012053198.tif 000061
【図２】
2012053198.tif 000062
【図３】
2012053198.tif 000063
【図４】
2012053198.tif 000064
【図５】
2012053198.tif 000065
【図６】
2012053198.tif 000066
【図７】
2012053198.tif 000067
【図８】
2012053198.tif 000068
【図９】
2012053198.tif 000069
【図１０】
2012053198.tif 000070
【図１１】
2012053198.tif 000071
【図１２】
2012053198.tif 000072
【図１３】
2012053198.tif 000073
【図１４】
2012053198.tif 000074
【図１５】
2012053198.tif 000075
【図１６】
2012053198.tif 000076
【図１７】
2012053198.tif 000077
【図１８】
2012053198.tif 000078
【図１９】
2012053198.tif 000079
【図２５】
2012053198.tif 000080
【図３１】
2012053198.tif 000081
【図３２】
2012053198.tif 000082
【図３７】
2012053198.tif 000083
【図４１】
2012053198.tif 000084
【図４６】
2012053198.tif 000085
【図２０】
2012053198.tif 000086
【図２１】
2012053198.tif 000087
【図２２】
2012053198.tif 000088
【図２３】
2012053198.tif 000089
【図２４】
2012053198.tif 000090
【図２６】
2012053198.tif 000091
【図２７】
2012053198.tif 000092
【図２８】
2012053198.tif 000093
【図２９】
2012053198.tif 000094
【図３０】
2012053198.tif 000095
【図３３】
2012053198.tif 000096
【図３４】
2012053198.tif 000097
【図３５】
2012053198.tif 000098
【図３６】
2012053198.tif 000099
【図３８】
2012053198.tif 000100
【図３９】
2012053198.tif 000101
【図４０】
2012053198.tif 000102
【図４２】
2012053198.tif 000103
【図４３】
2012053198.tif 000104
【図４４】
2012053198.tif 000105
【図４５】
2012053198.tif 000106
【図４７】
2012053198.tif 000107
【図４８】
2012053198.tif 000108
【図４９】
2012053198.tif 000109
【図５０】
2012053198.tif 000110
【図５１】
2012053198.tif 000111
【図５２】
2012053198.tif 000112
【図５３】
2012053198.tif 000113
【手続補正書】
【提出日】平成24年8月6日(2012.8.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生装置であって、
第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するホログラム回折光生成部と、
前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから複数の第２のホログラムを同時に生成するホログラム生成部と、
前記複数の第２のホログラムのそれぞれの強度分布を検出する検出部と、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
を有する、ホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項２】
レーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するレーザ光分離部と、
をさらに有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項３】
前記ホログラム生成部は、前記第２の参照光の位相を変化させる可変位相シフタと、前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記可変位相シフタにより位相を変えられた第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタとを有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項４】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項５】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記ビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項６】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射する第１のビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタを透過した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記第１のビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第１のビームスプリッタで反射した前記第２の参照光の一部の光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第１の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第１の面に入射し、前記第２の偏光ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光、ならびに前記第２の偏光ビームスプリッタを透過した前記第１のホログラムの回折光の一部の光および前記第２の参照光の一部の光がその第２の面に入射する第２のビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項７】
前記レーザ光源は、直線偏光のレーザ光を出射し、
前記ホログラム生成部は、
前記第１のホログラムの回折光の偏光角を４５度回転する半波長板と、
第２の参照光の偏光状態を円偏光に変換するλ／４波長板と、
前記半波長板により偏光角を変えられた前記第１のホログラムの回折光がその第１の面に入射し、前記λ／４波長板により偏光状態を変えられた前記第２の参照光がその第２の面に入射するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタで反射した前記第１のホログラムの回折光および前記ビームスプリッタを透過した前記第２の参照光が入射し、入射した光の水平偏光成分および垂直偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する偏光ビームスプリッタと、
を有する、
請求項２に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項８】
レーザ光を空間直交振幅変調して空間直交振幅変調信号を含む信号光を生成する空間直交振幅変調信号光生成部と、
前記信号光と参照光とから生成される第１のホログラムをホログラフィックメモリに記録する記録部と、
をさらに有する、請求項１に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【請求項９】
前記空間直交振幅変調信号光生成部は、前記レーザ光が入射されるビームスプリッタと、前記ビームスプリッタで反射した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第１の空間光変調器と、前記ビームスプリッタを透過した前記レーザ光の振幅を変調する反射型の第２の空間光変調器とを有し、
前記ビームスプリッタと前記第１の空間光変調器との間の光路長ＬＩ、および前記ビームスプリッタと前記第２の空間光変調器との間の光路長ＬＱは、以下の式（１）を満たす、
請求項８に記載のホログラフィックメモリ再生装置。
【数１】
2012053198.tif 000114
（ここで、λは前記レーザ光の波長である。）
【請求項１０】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光と参照光とから生成される第１のホログラムが記録されたホログラフィックメモリの再生方法であって、
第１の参照光を前記ホログラフィックメモリに照射して、前記第１のホログラムの回折光を生成するステップと、
前記第１のホログラムの回折光と干渉しうる第２の参照光の位相を変化させるとともに、前記第１のホログラムの回折光と前記位相を変化させた第２の参照光とから複数の第２のホログラムを同時に生成するステップと、
前記複数の第２のホログラムのそれぞれの強度分布を検出するステップと、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
を有するホログラフィックメモリの再生方法。
【請求項１１】
レーザ光源から出射されたレーザ光を前記第１の参照光と前記第２の参照光に分離するステップをさらに有する、請求項１０に記載のホログラフィックメモリの再生方法。
【請求項１２】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信する入力部と、
前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するホログラム生成部と、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布を検出する検出部と、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調する処理部と、
を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調装置。
【請求項１３】
空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号を含む信号光を受信するステップと、
前記信号光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記信号光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するステップと、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布の強度分布を検出するステップと、
前記複数の強度分布に基づいて前記空間位相変調信号または前記空間直交振幅変調信号を復調するステップと、
を有する、空間位相変調信号または空間直交振幅変調信号の復調方法。
【請求項１４】
観測対象からの透過光または反射光を入力する入力部と、
前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するレーザ光源と、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するホログラム生成部と、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布を検出する検出部と、
前記複数の強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出する処理部と、
を有する、光強度分布および光位相分布の観測装置。
【請求項１５】
観測対象からの透過光または反射光を入力するステップと、
前記透過光または前記反射光と干渉しうるレーザ光を出射するステップと、
前記レーザ光の位相を変化させるとともに、前記透過光または前記反射光と前記位相を変化させたレーザ光とから複数のホログラムを同時に生成するステップと、
前記複数のホログラムのそれぞれの強度分布を検出するステップと、
前記複数の強度分布に基づいて前記透過光または前記反射光における光強度分布および光位相分布を算出するステップと、
を有する、光強度分布および光位相分布の観測方法。
【国際調査報告】
2012053198.tif 000115
2012053198.tif 000116
2012053198.tif 000117