(57)【要約】【課題】再生画像のＳＮＲを速やかに最大化することが可能なホログラム再生波面制御方法および装置を得る。【解決手段】画像データ３１の記録時に、所定の空間周波数を有するパターン信号３２Ａ〜３２Ｅを画像データ３１に重畳する。再生時には、ホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像を周波数解析して画像評価を行い、パターン信号３２Ａ〜３２Ｅの２次高調波成分の振幅値が最小となるように、または２次高調波成分の振幅値に対する基本波成分の振幅値の比の値が最大となるように、再生用参照光の波面を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析し、該周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に基づいて画像評価を行い、前記振幅値が最小となるように前記再生用参照光の波面を制御することを特徴とするホログラム再生波面制御方法。
【請求項２】
所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に基づいて画像評価を行い、前記振幅値が最小となるように前記再生用参照光の波面を制御する波面制御手段と、を備えてなることを特徴とするホログラム再生波面制御装置。
【請求項３】
所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析し、該周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に対する該パターン信号の基本波成分の振幅値の比の値に基づいて画像評価を行い、前記比の値が最大となるように前記再生用の参照光の波面を制御することを特徴とするホログラム再生波面制御方法。
【請求項４】
所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に対する該パターン信号の基本波成分の振幅値の比の値に基づいて画像評価を行い、前記比の値が最大となるように前記再生用の参照光の波面を制御する波面制御手段と、を備えてなることを特徴とするホログラム再生波面制御装置。
【請求項５】
前記パターン信号を前記画像データに重畳させて前記ホログラム記録媒体に記録する記録手段を備えてなることを特徴とする請求項２または４記載のホログラム再生波面制御装置。
【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ーシステムに関するものであり、特に、再生された画像から得られる情報に基づき、再生用の参照光の波面形状を制御するホログラム再生波面制御方法および装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルホログラムでは、一般に、画像データを液晶表示素子等の空間光変調素子で駆動して変調データとし、この変調データによってレーザ光を変調して物体光を生成する。この物体光を光学的にフーリエ変換するとともに記録用参照光と干渉せしめて干渉光を生成し、ホログラム記録媒体上に画像データを担持した干渉縞を記録する。再生時には再生用参照光を、該干渉縞が記録されているホログラム記録媒体上に照射し、干渉縞からの回折光をレンズで平行光に戻し、２次元受光素子（ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ）で受光することにより、再生された画像データを読み取るように構成されている。
【０００３】
ところで、媒体可換型（リムーバブル）を考慮に入れたホログラフィックメモリーシステムでは、ホログラム記録媒体の位置精度の不確定性に起因して、再生画像の大きさの不一致や画像の回転等が生じることがある。
【０００４】
従来、このような現象の対策として、記録時に、画像の位置や大きさ等の指標（マーカー）となる所定のシンクパターン（同期信号）を画像データに重畳しておき、再生時に、このシンクパターンを検出して、再生画像の回転や拡大縮小を行う技術が知られている（下記特許文献１，２、非特許文献１参照）。
【０００５】
また、フォトポリマ(光感光性樹脂)材料からなるホログラム記録媒体では、物体光および参照光が照射された際の光重合反応により記録媒体内部に生じる屈折率差によって、画像データを担持した干渉縞が記録されるが、その際に体積収縮が起こることがある。この体積収縮が起きた場合には、再生時にブラッグミスマッチ（ブラッグの回折条件を満たさない状態）が生じることによって、再生画像のＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が低下して画像の一部が暗くなったり、著しい場合には画像の再生自体が不可能となったりする。
【０００６】
このような、ホログラム記録媒体の体積収縮により生じる再生画像のＳＮＲの低下に対応した技術としては、例えば、下記特許文献３，４に記載されたものが知られている。また、本願出願人も下記特許文献５に記載の技術を考案し、特許庁に対し開示している。
【０００７】
【特許文献１】特許第３７３７２９２号公報
【特許文献２】特開２００８−１３９１２５号公報
【特許文献３】特開２００６−３４３７０２号公報
【特許文献４】特開２００８−９６７８３号公報
【特許文献５】特願２００７−２５５３２２号明細書
【非特許文献１】橋本道一他「ホログラムメモリーにおけるマーカ位置の高精度検出法」信学技法ＭＲ２００４−７０，ＣＰＭ２００４−１８３（２００５−０３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献３〜５に記載の技術は、再生された画像の状態を評価しながら、その画像評価に基づいて再生用参照光の照射角度や波面形状を制御することによって、ＳＮＲの最大化を図るようにしているが、画像評価を行う際の具体的な指標としては、例えば、再生画像のＳＮＲそのものが用いられている。
【０００９】
しかしながら、ホログラムによる再生画像のＳＮＲは、再生画像の画素毎の明るさを標本値とする統計的処理（標準偏差や平均値を使った処理）によって計算されるので、標本数（サンプリングする画素数）を多くしなければ正確な値を算出することができず、このため以下のような問題を抱えている。
【００１０】
すなわち、標本数を多くして正確なＳＮＲを算出すれば、正しい画像評価を行うことが可能となるが、標本数を多くするに従って、ＳＮＲの算出に多くの時間を要することとなるので、再生用参照光の波面制御を高速化して再生画像のＳＮＲを速やかに最大化することが難しいという問題がある。
【００１１】
また、再生画像の一部領域に対する画像評価を行いたいという要望もあるが、標本数を多くする必要がある上述の統計的処理を必要とする従来手法では、再生画像内の一部領域に対する画像評価を行うことが難しいという問題もある。
【００１２】
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、再生画像の全体領域や一部領域に対する画像評価を短時間で行うことができ、かつ該画像評価に基づいて再生用参照光の波面を制御することにより、再生画像のＳＮＲを速やかに最大化することが可能なホログラム再生波面制御方法および装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係るホログラム再生波面制御方法および装置は、画像データに重畳するパターン信号に、従来のシンクパターンとしての機能（回転、拡大縮小のマッチング機能）を持たせることに加えて、さらに画像評価の指標としての機能を持たせ、該パターン信号を、再生用参照光の波面制御を行うための指標として利用することを特徴とするものである。
【００１４】
すなわち、本発明に係る第１のホログラム再生波面制御方法は、所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析し、該周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に基づいて画像評価を行い、前記振幅値が最小となるように前記再生用参照光の波面を制御することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る第１のホログラム再生波面制御装置は、所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に基づいて画像評価を行い、前記振幅値が最小となるように前記再生用参照光の波面を制御する波面制御手段と、を備えてなることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る第２のホログラム再生波面制御方法は、所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析し、該周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に対する該パターン信号の基本波成分の振幅値の比の値に基づいて画像評価を行い、前記比の値が最大となるように前記再生用の参照光の波面を制御することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る第２のホログラム再生波面制御装置は、所定の空間周波数のパターン信号が重畳された画像データを記録したホログラム記録媒体に再生用参照光を照射して再生された再生画像の所定領域を周波数解析する周波数解析手段と、
前記周波数解析により得られる、前記パターン信号の２次高調波成分の振幅値に対する該パターン信号の基本波成分の振幅値の比の値に基づいて画像評価を行い、前記比の値が最大となるように前記再生用の参照光の波面を制御する波面制御手段と、を備えてなることを特徴とする。
【００１８】
前述の第１および第２のホログラム再生波面制御装置は、前記パターン信号を前記画像データに重畳させて前記ホログラム記録媒体に記録する記録手段を備えてなることが好ましい。
【００１９】
上記「所定領域」とは、再生画像内の任意の一部領域の他に、再生画像の全体領域を指す場合を含む。
【００２０】
上記「周波数解析」としては、フーリエ変換やウェーブレット変換等の各種の解析手法を用いることができるが、高速化が可能という点などからフーリエ変換を用いることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明に係るホログラム再生波面制御方法および装置によれば、周波数解析により得られる、パターン信号の２次高調波成分の振幅値、または該２次高調波成分の振幅値に対するパターン信号の基本波成分の振幅値の比の値を、画像評価の指標として用いることにより、再生画像の全体領域や一部領域に対する画像評価を短時間で行うことが可能となる。
【００２２】
また、上記２次高調波成分の振幅値が最小となるように、または上記比の値が最大となるように、再生用参照光の波面を制御することにより、再生画像のＳＮＲを速やかに最大化することが可能となり、これによって、ホログラム記録媒体を介した画像の記録再生を高精度に行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明で用いるパターン信号の配置例を示す図であり、図２は本発明の一実施形態に係るホログラム再生波面制御方法の概要を示す概念図である。
【００２４】
図２に示すように本実施形態方法では、まず、ホログラム記録媒体４３に記録する画像データ３１上に、図１に示すパターン信号３２Ａ〜３２Ｅを重畳する。この画像データ３１およびパターン信号３２Ａ〜３２Ｅは、空間光変調素子（ＳＬＭ）４１に照射された平行光が該空間光変調素子４１により変調されることにより形成される。
【００２５】
図１に示すように、画像データ３１の中央部に重畳されるパターン信号３２Ａは、所定単位のピクセルブロックを所定のピッチで繰り返して縦横十字状に配置したものであり、単一の空間周波数を有するように構成されている。一方、画像データ３１の四隅にそれぞれ重畳されるパターン信号３２Ｂ〜３２Ｅは、パターン信号３２Ａと同じピクセルブロックをパターン信号３２Ａと同じピッチで繰り返して縦横鉤状に配置したものであり、パターン信号３２Ａと同一の単一の空間周波数を有するように構成されている。
【００２６】
なお、パターン信号３２Ａ〜３２Ｅに替えて、図３の（Ａ），（Ｂ）に示すような他のパターン信号３２Ｆ，３２Ｇを用いることも可能であり、この他にも、単一の空間周波数を有するように構成された種々のパターン信号を用いることが可能である。また、上記パターン信号３２Ａ〜３２Ｇや後述するパターン信号３２Ｈにおけるピクセルブロックのピッチの設定は、予想される再生画像の画質に応じて適宜決定される。再生像画質が比較的良いと予想される場合には、細かいピッチ（例えば、数画素置きのピッチ）とすることができるが、再生像画質が悪いと予想される場合には、より粗いピッチ（例えば、数十画素置きのピッチ）で設定される。
【００２７】
次に、パターン信号３２Ａ〜３２Ｅが重畳された画像データ（以下「パターン付画像データ」と称する）を担持した物体光を、フーリエ変換レンズ（ＦＴＬ：Fourier Transform Lens）４２により光学的にフーリエ変換してホログラム記録媒体４３の所定位置に照射するとともに、ホログラム記録媒体４３の同じ位置に他の方向から記録用参照光を照射する。この物体光と記録用参照光との光干渉により、パターン付画像データのフーリエ変換像（フラウンホーファー回折像）の情報を担持した干渉縞が形成され、該干渉縞がホログラム記録媒体４３に記録される。
【００２８】
再生時には、シャッタ４７により物体光を遮光して、再生用参照光のみを記録媒体に照射する。照射された再生用参照光は、ホログラム記録媒体４３中に記録された干渉縞により回折され、この回折光がフーリエ変換レンズ４４により光学的に逆フーリエ変換されることによって、ＣＣＤやＣＭＯＳセンサ等からなる２次元撮像素子４５上に再生像が形成される。この再生像を２次元撮像素子により撮像してビットデータを復元することにより上記パターン付画像データの再生が可能となる。
【００２９】
ところで、一般的な従来手法では、再生用参照光は、記録用参照光と同じ波面形状のものが用いられるが、ホログラム記録媒体４３として、フォトポリマなどの光感光性樹脂を使用した場合には、以下のような問題が生じる。
【００３０】
すなわち、ホログラム記録媒体４３が、記録時の光重合反応による硬化に際して体積収縮を起こすことがある。この体積収縮が等方的な場合には、再生位置が全体的に、数度〜十分の数度ほど変化するものの、画像データ自体の再生は可能である。しかし、通常、この体積収縮は等方的ではなく、その場合には、再生画像データのＳＮＲが著しく低下し、極端な場合には、記録された画像データの一部または全部を再生し得ないこともある。
【００３１】
そこで、本実施形態方法では、再生画像の画像データを周波数解析して画像評価を行い、該画像評価に基づき再生用参照光の波面（具体的には、波面の形状や進行方向）を制御するようにしており、以下、その画像評価および波面制御において有効な２つの手法を説明する。
【００３２】
〈第１手法〉
この第１手法では、まず、再生画像の所定領域に対応した画像データを周波数解析する。所定領域は、画像の全領域とすることも可能であるが、上記パターン信号３２Ａ〜３２Ｅが重畳された一部の領域、例えば、パターン信号３２Ａを含んだ画像中央部の領域や、パターン信号３２Ｂを含んだ画像左上隅部の領域等を、所定領域として選択することも可能である。なお、周波数解析には、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を用いることが好ましい。
【００３３】
次に、この周波数解析により得られる、パターン信号（上記パターン信号３２Ａ〜３２Ｅの一部または全部。以下、同じ）の２次高調波成分の振幅値Ａ(ｆ２)（後述の図６参照）に基づいて上記所定領域の画像評価を行い、上記振幅値Ａ(ｆ２)が最小となるように（その逆数１／Ａ(ｆ２)が最大となるように）再生用参照光の波面をフィードバック制御する。なお、再生用参照光の波面の制御は、波面制御器４６を用いて行われる。
【００３４】
〈第２手法〉
この第２手法は、周波数解析に関しては上記第１手法と同じである。異なるのは、周波数解析により得られる、パターン信号の２次高調波成分の振幅値Ａ(ｆ２)に対する該パターン信号の基本波成分の振幅値Ａ(ｆ１)（後述の図６参照）の比の値Ａ(ｆ１)／Ａ(ｆ２)に基づいて上記所定領域の画像評価を行い、この比の値が最小となるように再生用参照光の波面をフィードバック制御する点にある。
【００３５】
図４に、本実施形態方法を適用する前の再生画像５１（同図（Ａ））と、適用後の再生画像５２（同図（Ｂ））の一例を示す。再生画像５１は、ホログラム記録媒体の体積収縮によるＳＮＲの低下により、画像全体が暗くなっているのに対し、再生画像５２は、ＳＮＲが改善されて画像全体が明るくなり、ビットが判別し易くなっている。この場合、ＳＮＲ算出用の計算式に当てはめてみると、1.2ｄＢのＳＮＲ改善効果があった。
【００３６】
なお、画像評価は、再生画像５１上に示す細長い矩形状の評価領域５３内の画像データに基づいて行った。この評価領域５３内には、図５に示すように、所定単位のピクセルブロックを所定のピッチで繰り返して横方向に一列に配置したパターン信号３２Ｈが重畳されている。
【００３７】
図６に、上記評価領域５３内の画像データを高速フーリエ変換して得られた周波数解析結果の一例を示す。図６に示すように、繰り返し周波数成分の中では、パターン信号３２Ｈの基本波成分が最大となり、２倍の周波数のところにその２次高調波成分が出ている。この時の基本波成分の信号振幅値を上述のＡ(ｆ１)、２次高調波成分の信号振幅値を上述のＡ(ｆ２)とする。
【００３８】
また、図７に、本実施形態方法のフィードバック制御によって変化する画像評価値（上述の１／Ａ(ｆ１)およびＡ(ｆ１)／Ａ(ｆ２)）と、再生画像のＳＮＲとの相関関係を示す（各々の最大値が略１となるように規格化している）。この図７に示すように、本実施形態方法において画像評価の指標とする１／Ａ(ｆ１)およびＡ(ｆ１)／Ａ(ｆ２)と再生画像のＳＮＲとは相関があり、ＳＮＲの代わりにこれらの指標を画像評価に用いることにより、再生用参照光の波面制御を有効に行うことが可能であることが分かる。
【００３９】
次に、本発明に係るホログラム再生波面制御装置の実施形態について説明する。図８は本発明の一実施形態に係るホログラム再生波面制御装置の概略構成図である。
【００４０】
図８に示すホログラム再生波面制御装置は、ホログラム記録媒体１１への画像データの記録および再生が可能なホログラム記録再生装置として構成されており、以下、本装置を情報記録機能と情報再生機能とに分けて説明する。
【００４１】
＜情報記録機能＞
図８に示すように、レーザ光源１から出射されたコヒーレントなレーザ光束は、発散レンズ２およびコリメートレンズ３からなるビームエキスパンダにより光束径を拡大され、半波長板４を透過し反射ミラー５により反射された後、偏光ビームスプリッタ６により２系の光束に分岐され、それぞれ信号光（物体光：実際には空間光変調素子８により信号光とされる）および参照光として機能せしめられる。
【００４２】
上記参照光は、波面制御器２６により反射され、光束を適宜通過／遮断するためのシャッタ２３を介してホログラム記録媒体１１上の所定の領域に照射される。一方、上記信号光は、偏光ビームスプリッタ７を介して空間光変調素子８に照射される。
【００４３】
空間光変調素子８としては、液晶表示パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：Digital Micromirror Device）等のライトバルブが用いられる。空間光変調素子８上の各ピクセルが画像データ（ページデータ）上の２値のデジタル情報に応じて光を通過（図８の例では反射）／遮断することで、空間的に光を変調する。この変調処理によりページデータ情報を担持した信号光が生成される。
【００４４】
また、本実施形態装置では、信号光を生成する際に、所定の空間周波数のパターン信号（上述のパターン信号３２Ａ〜３２Ｈ参照）を、ページデータの所定領域に重畳するように構成されている。
【００４５】
空間光変調素子８から出射された信号光は、入射した状態とは偏光方向が変化しており、偏光ビームスプリッタ７において反射され、シャッタ９を通過した後フーリエ変換レンズ１０によって光学的にフーリエ変換されてホログラム記録媒体１１へ照射される。このときホログラム記録媒体１１中の信号光が照射される領域へ、別角度から、上記参照光が同時に照射されるので、記録媒体１１内部の体積中に干渉縞が生じ、この縞分布を屈折率分布などの形態で記録媒体１１の記録領域に転写することによりホログラム記録が行われる。なお、参照光の光路中のシャッタ２３の前後にはレンズ２２、２４が配設されている。
【００４６】
また、異なるページデータを空間光変調素子８に表示させつつ、参照光のホログラム記録媒体１１への入射角度を少しずつ変化させることにより、互いに異なるページデータを記録媒体１１中の同一領域へ多重記録することが可能となり、より高密度な情報格納が可能となる。
【００４７】
＜情報再生機能＞
次に、情報再生時においては、シャッタ２３を通過した参照光は、情報記録時と同様の入射角度および位置において、ホログラム記録媒体１１の所定の領域に照射される。なお、シャッタ９は閉じた状態とされる。
【００４８】
すなわち、所望のページデータを再生する場合には、まず、この所望のページデータを記録した情報記録時と同一の参照光入射条件となるように設定して、参照光をホログラム記録媒体１１に入射せしめることにより、所望のページデータ情報を担持した再生光（回折光）がホログラム記録媒体１１から出力され、この再生光がフーリエ変換レンズ１２を介してＣＣＤ１３に入射し撮像される。
【００４９】
ＣＣＤ１３により撮像された再生画像データは計測制御装置２５（本実施形態装置において波面制御器２６と共に波面制御手段を構成する）に入力され、該計測制御装置２５において、再生画像データの周波数解析に基づく画像評価が行われ、該画像評価に基づき波面制御器２６が駆動されて、再生用参照光の波面形状や照射方向が制御される。なお、画像評価および波面制御の手法としては、上述の第１手法または第２手法が適用される。
【００５０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に態様が限定されるものではなく、種々の態様を採用することが可能である。
【００５１】
例えば、上述の実施形態では、ホログラム記録媒体に画像データを記録する機能および該画像データに所定の空間周波数のパターン信号を重畳する機能を有しているが、このような記録機能は有さない態様とすることも可能である。
【００５２】
また、装置の光学系を構成する部材の配置も、適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】パターン信号の配置例を示す図
【図２】一実施形態に係るホログラム再生波面制御方法の概念図
【図３】他のパターン信号（Ａ），（Ｂ）を示す図
【図４】その他のパターン信号を示す図
【図５】本発明適用前の再生画像（Ａ）と適用後の再生画像（Ｂ）を示す図
【図６】高速フーリエ変換による周波数解析結果を示すグラフ
【図７】フィードバック制御による画像評価値（１／Ａ(ｆ１)およびＡ(ｆ１)／Ａ(ｆ２)）と再生画像のＳＮＲとの相関関係を示すグラフ
【図８】一実施形態に係るホログラム再生波面制御装置の概略構成図
【符号の説明】
【００５４】
１            レーザ光源
２            発散レンズ
３            コリメートレンズ
４            半波長板
５            ミラー
６，７        偏光ビームスプリッタ
８，４１      空間光変調素子
９，２３，４７    シャッタ
１０，１２，２２，２４，４２，４４    レンズ
１１，４３    ホログラム記録媒体
１３          ＣＣＤ
２５          計測制御装置
２６，４６    波面制御器
３１          画像データ
３２Ａ〜３２Ｈ    パターン信号
４５          ２次元撮像素子
５１，５２    再生画像
５３          評価領域
【図３】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１】
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【図２】
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【図４】
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