(57)【要約】  ホログラム記録媒体に対して記録光を集光させるとともに、ホログラム記録媒体からの再生光を記録光とは逆向きに透過させるホログラム記録再生用の光学素子（７）であって、この光学素子（７）は、記録光を平行光線束として入射させた場合、この平行光線束に含まれる軸上光線束（Ｓ１）および軸外光線束（Ｓ２）のそれぞれを異なる像点（Ｓ２’）に収束させるとともに、これらの像点（Ｓ２’）に至るまでの光軸上所定位置に、軸上光線束（Ｓ１）および軸外光線束（Ｓ２）による所定径（ｄ）の集光スポット（Ｃ）を形成させ、かつ、光軸上所定位置において、軸上光線束（Ｓ１）および軸外光線束（Ｓ２）の少なくともいずれかが集光スポット（Ｃ）の所定径（ｄ）よりも小さな径をなすように構成されている。
2008053523.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラム記録媒体に対して記録光を集光させるとともに、上記ホログラム記録媒体からの再生光を上記記録光とは逆向きに透過させるホログラム記録再生用の光学素子であって、
上記記録光を平行光線束として入射させた場合、この平行光線束に含まれる軸上光線束および軸外光線束のそれぞれを異なる像点に収束させるとともに、これらの像点に至るまでの光軸上所定位置に、上記軸上光線束および軸外光線束による所定径の集光スポットを形成させ、かつ、上記光軸上所定位置において、上記軸上光線束および軸外光線束の少なくともいずれかが上記集光スポットの所定径よりも小さな径をなすように構成されていることを特徴とする、ホログラム記録再生用の光学素子。
【請求項２】
上記光軸上所定位置において、上記軸上光線束の径よりも上記軸外光線束のいずれかによる径の方が小さくなっている、請求項１に記載のホログラム記録再生用の光学素子。
【請求項３】
上記光軸上所定位置において、上記軸上光線束の光束密度よりも上記軸外光線束のいずれかによる光束密度の方が高くなっている、請求項１に記載のホログラム記録再生用の光学素子。
【請求項４】
上記像点の集合となる像面は、断面湾曲状あるいは断面波状に歪んでいる、請求項１ないし３のいずれかに記載のホログラム記録再生用の光学素子。
【請求項５】
ホログラム記録媒体に対して記録光を集光させるとともに、上記ホログラム記録媒体からの再生光を上記記録光とは逆向きに透過させるホログラム記録再生用の光学素子を備えたホログラム記録再生装置であって、
上記光学素子は、請求項１ないし４のいずれかに記載のホログラム記録再生用の光学素子であり、
上記ホログラム記録媒体に上記光学素子を介して記録光を集光させる場合、この記録光の集光スポットに記録参照光を干渉させるように照射する一方、上記ホログラム記録媒体から上記光学素子を介して再生光を受光する場合、上記記録参照光に対する位相共役光としての再生参照光を上記ホログラム記録媒体に照射するように構成されていることを特徴とする、ホログラム記録再生装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラム記録媒体の対物レンズとして用いられるホログラム記録再生用の光学素子、およびこの光学素子を備えたホログラム記録再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のホログラム記録再生装置としては、特許文献１に開示されたものがある。同文献に開示されたホログラム記録再生装置は、いわゆるコリニアホログラム方式によりホログラム記録媒体に対してホログラムを記録／再生するものである。このホログラム記録再生装置は、記録時にホログラム記録媒体に対して参照光および記録光（信号光）を同一の対物レンズを通して照射するように構成されており、再生時には、対物レンズの反対側に配置された集光レンズを通して再生光を受光するように構成されている。【０００３】
図９に示すように、対物レンズ７００は、一般にテレセントリック系をなすように構成されている。テレセントリック系とは、入射瞳もしくは射出瞳のいずれかが無限遠に位置する光学系である。図示しない集光レンズも、対物レンズ７００と同様にテレセントリック系をなす。たとえば、射出瞳の位置に空間光変調器５００を配置し、対物レンズ７００の入射面における軸上光線束Ｓ１や軸外光線束Ｓ２の入射径をＤとし、ホログラム記録媒体（図示略）上に形成される軸上光線束Ｓ１および軸外光線束Ｓ２の集光スポットＣの径をｄとした場合、テレセントリック系においては、入射径Ｄ＝集光スポットＣの径ｄとなる。この集光スポットＣの径ｄ（軸上光線束や軸外光線束の入射径Ｄ）は、対物レンズ７００の物体側開口数をＮＡ、焦点距離をＦとすると、ｄ＝２Ｆ・ＮＡとなる。このような集光スポットＣの径ｄは、ホログラムが記録される単位区画の大きさに対応したものであり、物体側開口数ＮＡは、空間光変調器５００の画素の大きさに応じて一義的に決まる。これにより、集光スポットＣの径ｄを小さくして記録密度を高めるには、焦点距離Ｆをできる限り小さくしなければならない。【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１１３２９６号公報
【０００５】
しかしながら、上記従来のホログラム記録再生装置に備えられた対物レンズ７００や集光レンズでは、焦点距離Ｆをある程度まで小さくすると、ホログラム記録媒体との間に必要最小限の間隔距離（ワーキングディスタンス）を確保できなくなるため、集光スポットＣの径ｄをそれほど小さくできない。また、ワーキングディスタンスを確保しつつ焦点距離Ｆを小さくするには、多数のレンズを組み合わせなければならないので、光学系の構成が複雑になるという難点があった。
【発明の開示】
【０００６】
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものである。本発明は、光学系の構成を簡素としながらホログラムの高記録密度化を容易に図ることができるホログラム記録再生用の光学素子、およびこの光学素子を備えたホログラム記録再生装置を提供することをその課題としている。
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００８】
本発明の第１の側面により提供されるホログラム記録再生用の光学素子は、ホログラム記録媒体に対して記録光を集光させるとともに、上記ホログラム記録媒体からの再生光を上記記録光とは逆向きに透過させるホログラム記録再生用の光学素子であって、上記記録光を平行光線束として入射させた場合、この平行光線束に含まれる軸上光線束および軸外光線束のそれぞれを異なる像点に収束させるとともに、これらの像点に至るまでの光軸上所定位置に、上記軸上光線束および軸外光線束による所定径の集光スポットを形成させ、かつ、上記光軸上所定位置において、上記軸上光線束および軸外光線束の少なくともいずれかが上記集光スポットの所定径よりも小さな径をなすように構成されていることを特徴としている。
【０００９】
好ましくは、上記光軸上所定位置において、上記軸上光線束の径よりも上記軸外光線束のいずれかによる径の方が小さくなっている。
【００１０】
好ましくは、上記光軸上所定位置において、上記軸上光線束の光束密度よりも上記軸外光線束のいずれかによる光束密度の方が高くなっている。
【００１１】
好ましくは、上記像点の集合となる像面は、断面湾曲状あるいは断面波状に歪んでいる。
【００１２】
本発明の第２の側面により提供されるホログラム記録再生装置は、ホログラム記録媒体に対して記録光を集光させるとともに、上記ホログラム記録媒体からの再生光を上記記録光とは逆向きに透過させるホログラム記録再生用の光学素子を備えたホログラム記録再生装置であって、上記光学素子は、本発明の第１の側面により提供されるホログラム記録再生用の光学素子であり、上記ホログラム記録媒体に上記光学素子を介して記録光を集光させる場合、この記録光の集光スポットに記録参照光を干渉させるように照射する一方、上記ホログラム記録媒体から上記光学素子を介して再生光を受光する場合、上記記録参照光に対する位相共役光としての再生参照光を上記ホログラム記録媒体に照射するように構成されていることを特徴としている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明が適用されたホログラム記録再生装置の一実施形態を示す全体構成図である。
【図２】図１のホログラム記録再生装置に備えられた光学素子の光路図である。
【図３】本発明に対応しない光学素子のシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明に対応した光学素子のシミュレーション結果を示す図である。
【図５】本発明に対応した光学系と対応しない光学系との特性を比較説明するための説明図である。
【図６】本発明が適用された光学素子の他の実施形態を示す光路図である。
【図７】本発明が適用された光学素子の他の実施形態を示す光路図である。
【図８】本発明が適用された光学素子の他の実施形態を示す光路図である。
【図９】従来のホログラム記録再生装置に備えられた光学素子の光路図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。図１および図２は、本発明が適用されたホログラム記録再生装置および光学素子の一実施形態を示している。【００１５】
図１に示すように、ホログラム記録再生装置Ａは、ホログラム記録媒体Ｂに対して記録光Ｓを集光させながら記録参照光Ｒｓを照射し、これにより単位記録区画Ｘにホログラムを記録するとともに、再生時には記録参照光Ｒｓに対する位相共役光としての再生参照光Ｒｐをホログラム記録媒体Ｂに照射し、これにより単位記録区画Ｘに生じた再生光Ｐを受光してホログラムを再生するものである。【００１６】
ホログラム記録再生装置Ａは、光源１、コリメータレンズ２、ビームスプリッタ３、記録ズームレンズ４、空間光変調器５、ハーフミラー６、本発明が適用された対物レンズとしての光学素子７、第１の反射部材８、参照ズームレンズ９、記録用のガルバノミラー１０、第２の反射部材１１、再生用のガルバノミラー１２、および再生用の撮像素子２０を有して構成されている。このホログラム記録再生装置Ａに用いられるホログラム記録媒体Ｂは、光透過性を有する２つの保護層９０の間に記録層９１をもち、この記録層９１に対して両側から光を照射することができるように構成されている。単位記録区画Ｘの記録層９１には、記録光Ｓと記録参照光Ｒｓとが干渉することでホログラムが記録される。再生時には、破線で示すように単位記録区画Ｘに対して記録時とは反対側から再生参照光Ｒｐが照射され、この再生参照光Ｒｐと干渉するホログラムによって生じた光が再生光Ｐとして光学素子７へと進行する。【００１７】
光源１は、たとえば半導体レーザ素子からなり、比較的帯域が狭く干渉性の高いレーザ光を出射する。コリメータレンズ２は、光源１から出射したレーザ光を平行光に変換する。コリメータレンズ２から出射した平行光は、ビームスプリッタ３によって記録光Ｓと参照光Ｒに分離される。記録光Ｓは、記録ズームレンズ４によってビーム径が拡大された後、空間光変調器５に入射する。参照光Ｒは、記録時に記録参照光Ｒｓとして、第１の反射部材８、参照ズームレンズ９、および記録用のガルバノミラー１０を順に経てホログラム記録媒体Ｂに照射される。また、参照光Ｒは、再生時に再生参照光Ｒｐとして、第１の反射部材８、参照ズームレンズ９、第２の反射部材１１、および再生用のガルバノミラー１２を順に経てホログラム記録媒体Ｂに照射される。記録参照光Ｒｓと再生参照光Ｒｐとは、互いに位相共役な関係にあり、それぞれが対応するガルバノミラー１０，１２によってホログラム記録媒体Ｂに対する入射角が変化させられる。これにより、単位記録区画Ｘには、記録参照光Ｒｓの入射角に応じた複数のホログラムが多重記録され、再生時には、単位記録区画Ｘから再生参照光Ｒｐの入射角に応じて複数のホログラムが読み出される。【００１８】
空間光変調器５は、たとえば透過型の液晶デバイスからなる。この空間光変調器５では、入射した記録光Ｓが記録すべき情報に応じた画素パターンの光に変調される。空間光変調器５から出射した記録光Ｓは、光学素子７を介してホログラム記録媒体Ｂの単位記録区画Ｘで記録参照光Ｒｓと干渉するように照射される。再生時には、単位記録区画Ｘに記録済みのホログラムと再生参照光Ｒｐとが干渉することで再生光Ｐが生じ、この再生光Ｐが記録光Ｓとは逆向きに光学素子７を通ってハーフミラー６で反射させられることにより、再生用の撮像素子２０で受光される。これにより、単位記録区画Ｘに記録されたホログラムが読み出される。【００１９】
光学素子７は、図２に一例として示すように１つの両凸レンズからなり、この光学素子７には、空間光変調器５から出射した記録光Ｓが平行光線束として入射する。空間光変調器５と光学素子７との距離は、光学素子７の前側焦点距離に相当する。記録光Ｓの平行光線束には、光学素子７の光軸に主光線が一致する軸上光線束Ｓ１と、その光軸から所定距離離れた位置を通る軸外光線束Ｓ２とが含まれる。軸上光線束Ｓ１は、光学素子７によって図外の像点に収束させられる一方、軸外光線束Ｓ２は、光学素子７によって図内の像点Ｓ２’に収束させられる。これらの像点の集合となる像面は、断面から見て歪んだ非平面となる。像点に至るまでの光軸上所定位置には、光学素子７によって軸上光線束Ｓ１および軸外光線束Ｓ２による集光スポットＣが形成される。【００２０】
この光学素子７は、その入射面における軸上光線束Ｓ１の入射径をＤとし、集光スポットＣの径をｄとした場合、入射径Ｄより集光スポットＣの径ｄが小となり、集光スポットＣの径ｄが概ね軸上光線束Ｓ１の径となるように構成されている。また、光学素子７は、集光スポットＣの形成位置において、光軸からの距離が最大となる軸外光線束Ｓ２の径が集光スポットＣの径ｄよりも小さくなるように構成されている。すなわち、光学素子７としては、軸上光線束Ｓ１よりも軸外光線束Ｓ２をより強く収束させることで像面歪曲が大きい特性をもち、物体側テレセントリック系をなすように構成されている。なお、光学素子７と集光スポットＣの形成位置との距離は、後側焦点距離に相当し、この集光スポットＣの形成位置にホログラム記録媒体Ｂが配置される。【００２１】
次に、光学素子７の特性について説明する。【００２２】
図２に示すように、本実施形態の光学素子７によれば、従来と同程度の後側焦点距離としつつも集光スポットＣの径ｄをできる限り小さくすることができる。この集光スポットＣの径ｄは、単位記録区画Ｘの大きさを決定付けるものである。これにより、できる限り小さい集光スポットＣで形成された単位記録区画Ｘにホログラムを多重記録することができる。たとえば、集光スポットＣの径ｄを軸上光線束Ｓ１の入射径Ｄの１／２とした場合、理論的には、Ｄ＝ｄの場合（従来の構成による場合）に比べて記録密度が４倍になる。【００２３】
また、光学素子７によれば、軸上光線束Ｓ１よりも軸外光線束Ｓ２の方が強く収束させられるため、集光スポットＣの形成位置においては、軸上光線束Ｓ１に比べて軸外光線束Ｓ２の光束密度が高くなっている。これにより、集光スポットＣによって形成される単位記録区画Ｘには、全体として均一な光強度でホログラムが記録され、再生時には、単位記録区画Ｘの中心部から外周部にかけて十分な光強度の再生光が得られる。【００２４】
図３（ａ）には、本発明に対応しない光学素子７”についてのシミュレーションによる光路追跡図を示し、図３（ｂ）には、そのシミュレーション結果としてのスポットダイヤグラムを示す。同図に示す光学素子７”は、像面Ｓ”が平面となるものであり、この光学素子７”についてのシミュレーションでは、像面Ｓ”上の点から光学素子７”に光を入射させている。このような光学素子７”によれば、図３（ｂ）のスポットダイヤグラムから明らかなように、物体側（シミュレーションでは像側）の焦点面Ｃ１における収差が大きく、片側テレセントリック特性が著しく劣ることが理解できる。これにより、収差を小さくするには、多数のレンズを組み合わせて光学素子を構成しなければならない。【００２５】
図４（ａ）には、本発明に対応した光学素子７’についてのシミュレーションによる光路追跡図を示し、図４（ｂ）には、そのシミュレーション結果としてのスポットダイヤグラムを示す。同図に示す光学素子７’は、像面Ｓ’が歪んだ非平面となるものであり、この光学素子７’についてのシミュレーションでは、像面Ｓ’上の点から光学素子７’に光を入射させている。このような本発明に対応した構成の光学素子７’によれば、図４（ｂ）のスポットダイヤグラムから明らかなように、物体側（シミュレーションでは像側）の焦点面Ｃ２における収差が比較的小さく、片側テレセントリック特性が良好であることが理解できる。これにより、本発明に対応して像面を歪んだ非平面とする光学素子７’は、単に一つのレンズとしても、片側テレセントリック系の光学特性を良好に発揮することができる。【００２６】
図５には、本発明に対応した光学系と対応しない光学系との特性を比較説明するための図である。本発明に対応しない光学系は、像面歪曲を有する光学素子を用いつつも、空間光変調器の出射面に拡散板を配置した構成とする。本発明に対応した光学系では、拡散板を用いない。拡散板は、光学素子の焦点面（ホログラム記録媒体上の記録面）における光強度分布を均一化させるためのものである。同図に示すグラフの横軸には、光学素子に入射する物体光の入射径をとり、縦軸には、焦点面における入射光の正規化ピーク強度をとる。正規化ピーク強度とは、光の強度分布についての尺度であり、この正規化ピーク強度が大きいと焦点付近で急峻なピーク強度をもつ強度分布となり、正規化ピーク強度が小さいと緩やかな強度分布となることを意味する。図５のグラフから明らかなように、物体光の入射径がある程度大きくなれば、拡散板を用いない本発明に対応した光学系でも、焦点付近における入射光のピーク強度をある程度まで低減することができる。つまり、本発明の光学素子によれば、拡散板などといったオプションを用いずに簡易な光学系を構成することができる。【００２７】
したがって、本実施形態の光学素子７によれば、焦点距離とは無関係に集光スポットＣの径ｄを小さくすることができるので、多数のレンズを組み合わせたり拡散板を用いたりすることなく光学系を簡素な構成とすることができ、しかも、ホログラム記録媒体Ｂとの間に必要最小限の間隔距離（ワーキングディスタンス）を確保しつつも、ホログラムの高記録密度化を容易に図ることができる。【００２８】
図６〜８は、本発明が適用された光学素子の他の実施形態を示している。【００２９】
図６に示す光学素子７は、２つの凸メニスカスレンズ７０，７１を組み合わせた構成からなる。この光学素子７に入射した軸上光線束Ｓ１と、光軸からの距離が最大となる軸外光線束Ｓ３とは、２つの凸メニスカスレンズ７０，７１によってそれぞれ異なる像点Ｓ１’，Ｓ３’に収束させられる。一方、光学素子７において軸上光線束Ｓ１と軸外光線束Ｓ３との中間位置に入射した軸外光線束Ｓ４は、２つの凸メニスカスレンズ７０，７１によって上記の像点Ｓ１’，Ｓ３’よりも遠い位置の像点Ｓ４’に収束させられる。これらの像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’の集合となる像面Ｐ１は、断面から見て波状に歪んだ面となる。【００３０】
図６に示すように、像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’に至るまでの光軸上所定位置（ホログラム記録媒体Ｂの配置位置）には、軸上光線束Ｓ１および軸外光線束Ｓ３，Ｓ４による集光スポットＣが形成される。この集光スポットＣの形成位置における軸上光線束Ｓ１および軸外光線束Ｓ３，Ｓ４のそれぞれの径は、集光スポットＣの径よりも小さくなっている。すなわち、光学素子７としては、光軸からの距離が最大となる軸外光線束Ｓ３や軸上光線束Ｓ１をより強く収束させる特性をもつように構成されている。【００３１】
このような図６の光学素子７によっても、焦点距離とは無関係に集光スポットＣの径を小さくすることができ、光学系を簡素な構成としつつもホログラムの高記録密度化を容易に図ることができる。【００３２】
図７に示す光学素子７は、凸メニスカスレンズ７２と両凸レンズ７３とを組み合わせた構成からなる。この光学素子７に入射した軸上光線束Ｓ１と軸外光線束Ｓ３，Ｓ４とは、凸メニスカスレンズ７２および両凸レンズ７３によってそれぞれ異なる像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’に収束させられる。これらの像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’の集合となる像面Ｐ２は、断面から見て湾曲状に歪んだ面となる。【００３３】
図７に示すように、像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’に至るまでの光軸上所定位置（ホログラム記録媒体Ｂの配置位置）には、軸上光線束Ｓ１および軸外光線束Ｓ３，Ｓ４による集光スポットＣが形成される。集光スポットＣの径は、軸外光線束Ｓ３，Ｓ４の径と概ね等しく、この集光スポットＣの形成位置における軸上光線束Ｓ１の径は、集光スポットＣの径よりも小さくなっている。【００３４】
このような図７の光学素子７によっても、焦点距離とは無関係に集光スポットＣの径を小さくすることができ、光学系を簡素な構成としつつもホログラムの高記録密度化を容易に図ることができる。【００３５】
図８に示す光学素子７は、両凸レンズ７４と平凸レンズ７５とを組み合わせた構成からなる。この光学素子７に入射した軸上光線束Ｓ１と軸外光線束Ｓ３，Ｓ４とは、両凸レンズ７４および平凸レンズ７５によってそれぞれ異なる像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’に収束させられる。これらの像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’の集合となる像面Ｐ３は、断面から見て波状に歪んだ面となる。【００３６】
図８に示すように、像点Ｓ１’，Ｓ３’，Ｓ４’に至るまでの光軸上所定位置（ホログラム記録媒体Ｂの配置位置）には、軸上光線束Ｓ１および軸外光線束Ｓ３，Ｓ４による集光スポットＣが形成される。集光スポットＣの径は、軸外光線束Ｓ３，Ｓ４の径と概ね等しく、この集光スポットＣの形成位置における軸上光線束Ｓ１の径は、集光スポットＣの径よりも小さくなっている。【００３７】
このような図８の光学素子７によっても、焦点距離とは無関係に集光スポットＣの径を小さくすることができ、光学系を簡素な構成としつつもホログラムの高記録密度化を容易に図ることができる。【００３８】
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではない。【００３９】
上記実施形態で示した構成は、あくまでも一例にすぎず、仕様に応じて適宜設計変更することが可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2008053523.tif 000009
【図８】
2008053523.tif 000010
【図９】
2008053523.tif 000011
【国際調査報告】
2008053523.tif 000012
2008053523.tif 000013