(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラフィックメモリでの信号ページデータの情報を、ブロック符号化により複数段の異なるデータとして捉え、各々のデータを１枚の信号ページデータに重畳させたホログラフィックメモリの情報符号化方法であって、
上記の異なるデータは少なくとも光の振幅データと位相データが含まれ、
前記振幅データは、ブロック符号化により領域が分割され、
前記位相データは、分割された領域に奇数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相とした、ことを特徴とするホログラフィックメモリの情報符号化方法。
【請求項２】
前記位相データは、前記ブロック符号化が３：９符号化または３：１６符号化で、分割された領域にＯＮビットが３個存在し、データ信号値０に対してはｓ番目の位相情報として、２πｓ／ｎの位相を付与し、データ信号値１に対しては同位相とした、請求項１に記載のホログラフィックメモリの情報符号化方法。
【請求項３】
ホログラフィックメモリでの信号ページデータの情報をブロック符号化により複数段の異なるデータとして捉え、各々のデータを１枚の信号ページデータに重畳させたホログラフィックメモリの情報符号化方法であって、
上記の異なるデータは少なくとも光の振幅データと位相データが含まれ、
前記振幅データは、ブロック符号化により領域が分割され、
前記位相データは、分割された領域に偶数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、πｓの位相もしくは２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相とした、ことを特徴とするホログラフィックメモリの情報符号化方法。
【請求項４】
前記位相データは、前記ブロック符号化が２：４符号化または４：９符号化で、分割された領域にＯＮビットが２個存在し、データ信号値０に対してはｓ番目の位相情報として、πｓの位相もしくは２πｓ／ｎの位相を付与し、データ信号値1に対しては同位相とした、請求項３に記載のホログラフィックメモリの情報符号化方法。
【請求項５】
信号光および参照光をディスク型記録媒体に照射することにより画像データを光の干渉パターンとして記録するとともに、前記ディスク型記録媒体に参照光を照射することによって得られる再生像からデータを再生するホログラフィックメモリ装置であって、
光ピックアップ系の動作機構と、信号光と参照光を導波させて前記ディスク型記録媒体上で信号光と参照光の偏光面を揃える系と、信号光の導光路に設けた振幅変調手段と位相変調手段と、前記光ピックアップ系の動作機構を用いた参照光の変位による空間シフト多重記録手段と、を備え
前記位相変調手段は、ホログラフィックの振幅データがブロック符号化により分割された領域に奇数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相を付与するものである、ことを特徴とするホログラフィックメモリ装置。
【請求項６】
信号光および参照光をディスク型記録媒体に照射することにより画像データを光の干渉パターンとして記録するとともに、前記ディスク型記録媒体に参照光を照射することによって得られる再生像からデータを再生するホログラフィックメモリ装置であって、
光ピックアップ系の動作機構と、信号光と参照光を導波させて前記ディスク型記録媒体上で信号光と参照光の偏光面を揃える系と、信号光の導光路に設けた振幅変調手段と位相変調手段と、前記光ピックアップ系の動作機構を用いた参照光の変位による空間シフト多重記録手段と、を備え
前記位相変調手段は、ホログラフィックの振幅データがブロック符号化により分割された領域に偶数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、πｓの位相もしくは２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相を付与するものである、ことを特徴とするホログラフィックメモリ装置。
【請求項７】
共焦点光学系を更に備え、
上記の共焦点光学系を用いて記録時に高周波成分を除去し、再生時に信号成分のみを通過させクロストークノイズを低減することにより多重数を増加させたことを特徴とする請求項５又は６のホログラフィックメモリ装置。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれかに記載のホログラフィックメモリの情報符号化方法を用いて、ページデータ１枚の情報量を増加させ、
空間シフト多重記録を行い、
共焦点光学系を用いて記録時に高周波成分を除去し、再生時に信号成分のみを通過させクロストークノイズを低減することにより多重数を増加させたことを特徴とするホログラフィックメモリの記録方法。
【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情報符号化技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、光通信技術、コンピュータ、映像機器の急速な進展により、インターネットやハイビジョンテレビ放送などから非常に多くの情報を得ることができる。これらの膨大な情報を記録し保存するために、磁気情報記録によるハードディスクに加えて、テラバイトクラスの外部記録メディアの有用性が高くなっている。また、光源の短波長化による光メモリ技術の限界が見え始め、光メモリの研究は多層化・３次元化へと進展している。こうした状況下、画像データとして並列読み出し可能なホログラフィックメモリは、メディアの３次元空間を利用した１テラバイト超の記録容量と、データ転送速度も１０ギガ毎秒の高速読み出し転送が可能な次世代の記録メディアとして国内外で研究されている。【０００３】
ホログラフィックメモリは、信号光（或いは物体光）及び参照光によって形成される干渉パターンを屈折率の空間分布として記録するものである。ここで、ホログラフィックメモリの記録装置は、データを二次元的に符号化し、符号化データを光変調器によって信号光に付与し、ページ単位に記録媒体に記録する。光変調器は、多数のピクセルが行および列状に配列されており、個々のピクセルが独立して光を透過・遮断でき、任意のＯＮ／ＯＦＦのビットパターンを二次元的に表現する。【０００４】
信号光は、光変調器を透過する際、光変調器の二次元的パターンに応じて光の強度が空間的に変調される。ホログラフィックメモリの記録媒体上における信号光の入射角度や入射位置をシフトすることによって、媒体の同一部分に重畳して多重記録が可能であり、それによって大容量のデータ記録を行う。【０００５】
このように、ホログラフィックメモリの記録密度は、１ページあたりのデータ量と単位面積あたりの多重記録数で与えられる。５インチディスクサイズで１ＴＢの記録容量を実現するために、多重記録数の増加が必須である。ここで、多重記録数を向上させるためには、ビット誤り率を抑えつつ、ディスクの記録層厚み方向の記録間隔を小さくする必要がある。ビット誤り率を抑える方法としてブロック符号化が用いられる。
ブロック符号化とは、１ページを小領域で分割し、その中で０か１の信号の再構成を行う方法である。ホログラフィックメモリでは、４×４（ピクセル）の領域に３ピクセルだけ光らせる３：１６符号化などが良く用いられる（例えば、特許文献１を参照。）。【０００６】
例えば、２×２（ピクセル）中の２ピクセルを光らせる２：４符号化では、符号パターンとして取りうる組合せの数は、４Ｃ２＝６パターンとなる。２２ビット＝４でかつ２３ビット＝８であるので、４＜６＜８から、２ビットの信号データに対して、２×２＝４ピクセル（１ピクセルを１ビットとすると、すなわち４ビット）の符号を構成することになる。この場合、符号化率は、２／４＝０．５となる。
また、例えば、３×３（ピクセル）中の２ピクセルを光らせる２：９符号化では、符号パターンとして取りうる組合せの数は、９Ｃ２＝３６パターンとなる。２５ビット＝３２でかつ２６ビット＝６４であるので、３２＜３６＜６４から、５ビットの信号データに対して、３×３＝９ピクセル（すなわち９ビット）の符号を構成することになる。この場合、符号化率は、５／９＝０．５５５６となる。
また、例えば、４×４（ピクセル）中の３ピクセルを光らせる符号化では、符号パターンとして取りうる組合せの数は、１６Ｃ３＝５６０パターンとなる。２９ビット＝５１２でかつ２１０ビット＝１０２４であるので、５１２＜５６０＜１０２４から、９ビットの信号データに対して、４×４＝１６ピクセル（すなわち１６ビット）の符号を構成することになる。この場合、符号化率は、９／１６＝０．５６２５となる。【０００７】
すなわち、ホログラフィックメモリにおいて用いられているブロック符号化では、１ページあたりの情報量が約１／２となる。上述の如く、ホログラフィックメモリの記録密度は、１ページあたりのデータ量と単位面積あたりの多重記録数で与えられることから、記録容量を増大すべく、１ページあたりの情報量を向上させ、かつ、ビット誤り率を低減して多重化数の増加を図ることが必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−７５４６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上記状況に鑑みて、本発明は、ホログラフィックメモリの記録容量を増大すべく、１ページあたりの情報量を向上させ、かつ、ビット誤り率を低減して多重化数の増加を図る情報符号化方法、ホログラフィックメモリの記録方法およびホログラフィックメモリ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】
【００１０】
本発明者は、１ページあたりの情報量を向上させるために、１ページあたりのデータを、ブロック符号化により複数段の異なる解像度のデータ情報として捉え、各々のデータ情報を１枚の信号ページデータに重畳させることを発案した。
すなわち、上記目的を達成すべく、本発明に係る第１の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法は、ホログラフィックメモリでの信号ページデータの情報を、ブロック符号化により複数段の異なるデータとして捉え、各々のデータを１枚の信号ページデータに重畳させたホログラフィックメモリの情報符号化方法であって、上記の異なるデータは少なくとも光の振幅データと位相データが含まれ、前記振幅データは、ブロック符号化により領域が分割され、前記位相データは、分割された領域に奇数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相としたことを特徴とする。【００１１】
第１の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法によれば、ブロック符号化において奇数個のＯＮビットがある場合に最適な位相分布を提供できる。すなわち、第１の観点の情報符号化方法によって付与された位相分布情報では、１ページあたりの情報量を１０％程度増大でき、また多重記録における性能が向上し、多重化数を増加させることが可能になる。【００１２】
具体的には、位相データは、ブロック符号化が３：９符号化または３：１６符号化で、分割された領域にＯＮビットが３個存在し、データ信号値０に対してはｓ番目の位相情報として、２πｓ／ｎの位相を付与し、データ信号値１に対しては同位相を付与する。【００１３】
ここで、分割された領域に存在するＯＮビットとは、ホログラフィックメモリの信号光が光変調器によってＯＮ／ＯＦＦのビットパターンが付加されたもので、ＯＮビットは光変調器の行列状に配置された多数のピクセルの内、光を透過する状態にあるものである。反対に、ＯＦＦビットは光変調器の行列状に配置された多数のピクセルの内、光を遮断する状態にあるものである。
信号光が、光変調器を透過する際、光変調器上のＯＮ／ＯＦＦの二次元パターンに応じて光の強度が空間的に変調される。変調された信号光は振幅データが情報として付加されたことになる。【００１４】
そして、本発明では、ホログラフィックメモリの信号光に対して、この振幅データに加えて更に位相データを加える。振幅データが情報として付加された信号光に、位相変調の変調器を透過させるようにする。１つの変調器で位相と振幅を同時に変調できるものでもよい。また、偏光状態の制御により位相遅延を実現させることも可能である。その場合、振幅を変調させた後に位相を変調させる。ここで、位相を変調する際は、位相情報としての２値データの一方（例えば、データ値０）に対してはｓ番目の位相情報として、２πｓ／ｎの位相を付与し、２値データの他方（例えば、データ値１）に対しては同位相を付与する。【００１５】
振幅データが情報として付加された信号光のブロック内の各ＯＮビットに対して位相情報を与えることにより、ブロック内での干渉信号を得る作用をさせるのである。すなわち、ブロック内で強め合う干渉の場合には強い干渉強度が得られるのに対して、弱め合う干渉の場合には弱い干渉強度が得られる。得られた干渉強度を閾値処理により強度信号として捉え、２値データの信号値（０又は１）を判別する。ブロック内の奇数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、各ＯＮビットに対して、それぞれ異なる２πｓ／ｎの位相（ｎ，ｓは自然数）を付与すると、当該ブロックでは弱め合う干渉が生じて弱い干渉強度となる。強度信号として捉えると、例えば、データ信号値０の情報にすることができる。反対に、各ＯＮビットに対して同位相を付与すると、強め合う干渉が生じて強い干渉強度となる。強度信号として捉えると、例えば、データ信号値１の情報にすることができる。これを実現するために、ブロック内での信号の０次成分を抽出する低周波透過フィルタが必要である。【００１６】
この方法では、従来の振幅変調に対しては、同じ解像度で検出するため位相が重畳されたことによる影響はあまり考えられない。一方、位相情報によるブロック内での干渉強度を得ることによって、従来の振幅による２次元符号に加えて、位相による２次元符号を付加することができることから、ページあたりの情報量が増大することになる。【００１７】
例えば、３：１６符号化のように、４×４＝１６ピクセルの領域に３個のＯＮビットが存在する場合、位相情報としてのデータ信号値０に対しては、３個のＯＮビットのそれぞれ割り当てられたｓ番目（ｓは１，２，３）の位相情報として、２π／３、４π／３、２πの位相を各ＯＮビットに付与することになる。一方、位相情報としてのデータ信号値１に対しては、３個全てのＯＮビットに同位相（例えばπや２πの位相）を付与する。【００１８】
従来のブロック符号化では、０と１の振幅情報のみであるが、本発明の情報符号化方法では、振幅情報による２次元符号に加えて、位相情報による新たな２次元符号を付加できる。
また、ブロック内の奇数個のＯＮビットがｎ個存在する場合に、各ＯＮビットに対して、それぞれ異なる２πｓ／ｎの位相を与えることで、信号値０と１のＳＮ比がｎ２対０となり最大値を与えることができる。比較として、例えば、０かπの変調の場合は、ＳＮ比はｎ２対１となる。【００１９】
従来技術では、ブロック符号化を行うのみであるため、前述したように１ページあたりの情報量が約半分になる。本発明の情報符号化によれば、ブロック毎に位相情報による２次元符号（０又は１）を付加させることができるので、ブロック毎に１ビットの情報を更に付加できることになる。
例えば、３：１６符号化の場合、前述したように、ブロック内での符号パターンとして取りうる組合せの数は１６Ｃ３＝５６０パターンとなり、２９ビット＝５１２であるので、９ビットの信号データを振幅情報として２次元符号化できる。本発明の情報符号化により、これに加えて、位相情報としてブロック毎に１ビットの情報を更に付加でき、振幅情報９ビットに位相情報１ビットを加え、トータル１０ビットの信号データを付加できることになる。従って、符号化率は、１０／１６＝０．６２５に改善されることになり、１ページあたりの情報量が向上し記録容量の向上に繋がる。【００２０】
また、ブロック内の奇数個のＯＮビットがｎ個存在する場合に、各ＯＮビットに対して、それぞれ異なる２πｓ／ｎの位相を与えることで、位相情報を付加しない場合や位相情報として０かπの変調を加える場合に比べて、ブロック内の個々のピクセル強度やブロック毎のセル強度が増大し、ピクセル強度やセル強度のビット誤り率が改善されることになる。ここで、セル強度とは、ブロック内の個々のピクセルの複素振幅の総和を２乗したものをいう。
位相情報の付加により、ピクセル強度やセル強度のビット誤り率が改善されることから、多重化数が増加できることになる。後述する実施例に示すように、シミュレーションでは、２０％以上の記録容量の増加を達成している。【００２１】
次に、本発明に係る第２の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法について説明する。本発明に係る第２の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法は、ホログラフィックメモリでの信号ページデータの情報をブロック符号化により複数段の異なるデータとして捉え、各々のデータを１枚の信号ページデータに重畳させたホログラフィックメモリの情報符号化方法であって、上記の異なるデータは少なくとも光の振幅データと位相データが含まれ、前記振幅データは、ブロック符号化により領域が分割され、前記位相データは、分割された領域に偶数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、πｓの位相もしくは２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相としたことを特徴とする。【００２２】
第２の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法によれば、ブロック符号化において偶数個のＯＮビットがある場合に最適な位相分布を提供できる。すなわち、第２の観点の情報符号化方法によって付与された位相分布情報では、１ページあたりの情報量を１０％程度増大でき、また多重記録における性能が向上し、多重化数を増加させることが可能になる。【００２３】
具体的には、位相データは、ブロック符号化が２：４符号化または４：９符号化で、分割された領域にＯＮビットが２個存在し、データ信号値０に対してはｓ番目の位相情報として、πｓの位相もしくは２πｓ／ｎの位相を付与し、データ信号値1に対しては同位相を付与する。【００２４】
分割された領域に存在するＯＮビットについては、第１の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法と同様である。
本発明では、ホログラフィックメモリの信号光に対して、この振幅データに加えて更に位相データを加える。振幅データが情報として付加された信号光に、位相変調の変調器を透過させるようにする。１つの変調器で位相と振幅を同時に変調できるものでもよい。その場合、振幅を変調させた後に位相を変調させる。ここで、位相を変調する際は、位相情報としての２値データの一方（例えば、データ値０）に対してはｓ番目の位相情報として、πｓの位相もしくは２πｓ／ｎの位相を付与し、２値データの他方（例えば、データ値１）に対しては同位相を付与する。【００２５】
第１の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法と同様に、振幅データが情報として付加された信号光のブロック内の各ＯＮビットに対して位相情報を与えることにより、ブロック内での干渉信号を得る作用をさせる。これにより、従来の振幅による２次元符号に加えて、位相による２次元符号を付加することができ、ページあたりの情報量が増大することになる。【００２６】
例えば、２：４符号化のように、２×２＝４ピクセルの領域に２個のＯＮビットが存在する場合、位相情報としてのデータ信号値０に対しては、２個のＯＮビットのそれぞれ割り当てられたｓ番目（ｓは１，２）の位相情報として、πｓの位相を各ＯＮビットに付与することになる。一方、位相情報としてのデータ信号値１に対しては、２個全てのＯＮビットに同位相（例えばπや２πの位相）を付与する。
なお、第２の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法は、第１の観点のホログラフィックメモリの情報符号化方法と比べて、位相情報としての信号値０と１のＳＮ比はｎ２対１となるため、位相情報のＳＮ比が若干劣化することになる。【００２７】
しかしながら、例えば、２：４符号化の場合、前述したように、ブロック内での符号パターンとして取りうる組合せの数は４Ｃ２＝６パターンとなり、２２ビット＝４であるので、２ビットの信号データを振幅情報として２次元符号化できる。本発明の情報符号化により、これに加えて、位相情報としてブロック毎に１ビットの情報を更に付加でき、振幅情報２ビットに位相情報１ビットを加え、トータル３ビットの信号データを付加できることになる。従って、符号化率は、３／４＝０．７５に大幅に改善されることになり、１ページあたりの情報量が格段に向上する。【００２８】
次に、本発明のホログラフィックメモリ装置について説明する。
本発明のホログラフィックメモリ装置は、信号光および参照光をディスク型記録媒体に照射することにより画像データを光の干渉パターンとして記録するとともに、前記ディスク型記録媒体に参照光を照射することによって得られる再生像からデータを再生するホログラフィックメモリ装置であって、下記１）〜５）を備える。
１）光ピックアップ系の動作機構
２）信号光と参照光を導波させて、ディスク型記録媒体上で信号光と参照光の偏光面を揃える系
３）信号光の導光路に設けた振幅変調手段
４）信号光の導光路に設けた位相変調手段
５）光ピックアップ系の動作機構を用いた参照光の変位による空間シフト多重記録手段
そして、上記４）の位相変調手段は、ホログラフィックの振幅データがブロック符号化により分割された領域に奇数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相を付与する。
また、光ピックアップ系の動作機構とは、ディスク型記録媒体の回転機構およびディスク型記録媒体の半径方向への移動機構をいう。このディスクの回転と光ピックアップ系のシフトを利用して多重化を行うために、スペックル参照光の変位によって多重化を行うスペックルシフト多重記録手段を用いる。スペックルシフト多重記録手段とは、信号光と参照光を空間的にずらして記録することで、参照光として用いるスペックル光によるシフトブラッグ選択性を利用して多重化するものであり、読み出し時は、参照光のスポットの位置をわずかに変化させることによって、シフトブラッグ選択性が一致するデータのみが回折光となり、独立な読み出しを行うことができるものをいう。【００２９】
本発明のホログラフィックメモリ装置は上記４）の位相変調手段を備えることにより、振幅情報による２次元符号に加えて、位相情報による新たな２次元符号を付加できる。従来の振幅による２次元符号に加えて、ブロック毎に位相による干渉強度情報として１ビット情報を付加することができることから、ページあたりの情報量が増大することになる。また、位相情報の付加により、ピクセル強度やセル強度のビット誤り率が改善されることから、多重化数が増加できることになる。従って、本発明のホログラフィックメモリ装置では、従来装置よりもホログラフィックメモリの記録容量を増大できる。【００３０】
また、本発明の他の観点のホログラフィックメモリ装置では、上記４）の位相変調手段は、ホログラフィックの振幅データがブロック符号化により分割された領域に偶数個のＯＮビットがｎ個存在する場合、２値データの一方に対してｓ番目の位相情報として、πｓの位相もしくは２πｓ／ｎの位相を付与し（ここでｎ，ｓは自然数）、２値データの他方に対して同位相を付与する。【００３１】
他の観点のホログラフィックメモリ装置の場合も同様に、上記４）の位相変調手段を備えることにより、振幅情報による２次元符号に加えて、位相情報による新たな２次元符号を付加でき、ページあたりの情報量が増大できる。また、位相情報の付加により、ピクセル強度やセル強度のビット誤り率が改善され、多重化数が増加できる。但し、この場合は、位相情報としての信号値０と１のＳＮ比はｎ２対１となるため、位相情報のＳＮ比が若干劣化する。【００３２】
上記の本発明のホログラフィックメモリ装置において、共焦点光学系を更に備え、共焦点光学系を用いて記録時に高周波成分を除去し、再生時に信号成分のみを通過させクロストークノイズを低減することにより多重数を増加させたことが好ましい。
共焦点光学系を用いることにより、記録時に高周波成分をアパーチャで除去し、再生時に隣接データをアパーチャで除去し、クロストークノイズを低減できる。その結果、多重数を増加させることができる。
すなわち、振幅情報による２次元符号に加え位相情報による２次元符号を付加して、１ページあたりの情報量を増大させて、更に、共焦点光学系を用いて多重数を増加させることで、ホログラフィックメモリの記録容量の増加を図れる。【００３３】
本発明のホログラフィックメモリの記録方法は、上述の本発明のホログラフィックメモリの情報符号化方法を用いて、ページデータ１枚の情報量を増加させ、空間シフト多重記録を行い、共焦点光学系を用いて記録時に高周波成分を除去し、再生時に信号成分のみを通過させクロストークノイズを低減することにより多重数を増加させ、ホログラフィックメモリの記録容量を増大させたことを特徴とする。
ここで、空間シフト多重記録とは、ページデータの記録毎に記録媒体を微少量移動させ、記録媒体と参照光との相対的な位置ずれを利用する記録法である。また、シフト多重記録において、参照光にランダムな位相変調をかけたものがスペックルシフト多重記録である。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、ホログラフィックメモリの１ページあたりの情報量を向上させ、かつ、ビット誤り率を低減して多重化数の増加を図ることができるといった効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】２：４符号化のブロックに重畳させる位相情報の説明図
【図２】３：１６符号化のブロックに重畳させる位相情報の説明図
【図３】本発明の情報符号化方式の説明図（３：１６符号化の場合）
【図４】ピクセル強度ＳＮＲの比較グラフ
【図５】セル強度ＳＮＲの比較グラフ
【図６】ピクセル強度ＢＥＲの比較グラフ
【図７】セル強度のＢＥＲの比較グラフ
【図８】本発明のホログラフィックメモリ装置の模式図
【図９】シミュレーション結果におけるピクセル強度の再生精度比較グラフ
【図１０】シミュレーション結果におけるセル強度の再生精度比較グラフ（１）
【図１１】シミュレーション結果におけるセル強度の再生精度比較グラフ（２）
【図１２】シフト多重記録の説明図
【図１３】共焦点光学系の構成図（展開図）
【図１４】アパーチャ通過前と通過後の回折光強度のグラフ
【図１５】アパーチャによって再生時にクロストークノイズが低減する様子の説明図
【図１６】多重数に対するビット誤り率のグラフ（アパーチャの有無による比較グラフ）
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
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していく。なお、本発明の範囲は、以下の実施例や図示例に限定されるものではなく、幾多の変更及び変形が可能である。
【実施例１】
【００３７】
実施例１のホログラフィックメモリの情報符号化方法は、１ページあたりの情報量を向上させるために、１ページあたりのデータを、ブロック符号化により２段の異なる解像度のデータ情報として捉える。２段階のデータ情報は、振幅データ情報と位相データ情報である。振幅データ情報と位相データ情報のデータ情報では、用いられるピクセル数は異なり、異なる解像度のデータである。これら振幅データ情報と位相データ情報は、１枚の信号ページデータに重畳させることができる。
ホログラフィックメモリの信号光は、振幅変調器を通過した後は、振幅データが付与される。ホログラフィックメモリの信号光はブロック符号化により領域が分割され、分割されたブロックのＯＮビットに位相データが付与される。【００３８】
下記の表１に、ブロック符号化（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｃｏｄｅ）の種類に応じた符号化率（Ｃｏｄｉｎｇ
ｒａｔｅ）の相違を示す。ブロック符号化は、２：４符号化、２：９符号化、３：９符号化、４：９符号化、３：１６符号化の５種を示している。それぞれのブロック符号化における１ブロック内の振幅データが符号パターンとして取りうる組合せ数は、６，３６，８４，１２６，５６０となる。しかし、位相データが符号パターンとして取りうる組合せ数は、干渉により弱め合うか強め合うかを閾値で判別する場合は、０か１かの２通りとなる。従って、ブロック符号化における１ブロックが符号パターンとして取りうる組合せ数は、振幅データによる組合せ数と位相データの組合せ数を乗算したものとなり、それぞれ１２、７２、１６８、２５２、１１２０となる。【００３９】
ブロック符号化における１ブロックで表現できるビット数は、下記の（ａ）〜（ｅ）のようになる。
（ａ）２：４符号化の場合、２３ビット＝８でかつ２４ビット＝１６であるので、８＜１２＜１６から、表現できる信号データのビット数は３ビットとなる。
（ｂ）２：９符号化の場合、２６ビット＝６４でかつ２７ビット＝１２８であるので、６４＜７２＜１２８から、表現できる信号データのビット数は６ビットとなる。
（ｃ）３：９符号化の場合、２７ビット＝１２８でかつ２８ビット＝２５６であるので、１２８＜１６８＜２５６から、表現できる信号データのビット数は７ビットとなる。
（ｄ）４：９符号化の場合、２７ビット＝１２８でかつ２８ビット＝２５６であるので、１２８＜２５２＜２５６から、表現できる信号データのビット数は７ビットとなる。
（ｅ）３：１６符号化の場合、２１０ビット＝１０２４でかつ２１１ビット＝２０４８であるので、１０２４＜１１２０＜２０４８から、表現できる信号データのビット数は１０ビットとなる。【００４０】
従って、それぞれのブロック符号化による符号化率は、下記の（Ａ）〜（Ｅ）のようになる。
（Ａ）２：４符号化の場合、３ビットの信号データに対して、２×２＝４ピクセル（１ピクセルを１ビットとすると、すなわち４ビット）の符号を構成することになることから、符号化率は、３／４＝０．７５となる。
（Ｂ）２：９符号化の場合、６ビットの信号データに対して、３×３＝９ピクセル（すなわち９ビット）の符号を構成することになることから、符号化率は、６／９＝０．６７となる。
（Ｃ）３：９符号化の場合、７ビットの信号データに対して、３×３＝９ピクセル（すなわち９ビット）の符号を構成することになることから、符号化率は、７／９＝０．７８となる。
（Ｄ）４：９符号化の場合、７ビットの信号データに対して、３×３＝９ピクセル（すなわち９ビット）の符号を構成することになることから、符号化率は、７／９＝０．７５となる。
（Ｅ）３：１６符号化の場合、１０ビットの信号データに対して、４×４＝１６ピクセル（すなわち１６ビット）の符号を構成することになることから、符号化率は、１０／１６＝０．６２５となる。【００４１】
【表１】
0005896362.tif 000002
【００４２】
２：４符号化のブロックに重畳させる位相情報について、図１を参照して説明する。
ブロック符号化が２：４符号化の場合、ブロック内にＯＮビットが２個存在することになる。この２個のＯＮビットに対して、位相情報としてデータ信号値０を付与させる場合、１方のＯＮビット（１番目）にはπ×１＝πの位相もしくは２π×１／２＝πの位相を付与する。また他方のＯＮビット（２番目）にはπ×２＝２πの位相もしくは２π×２／２＝２πの位相を付与する。これにより、ブロック内のＯＮビットの信号は弱め合う干渉が生じ、弱い干渉強度が得られることになる。従って、当該ブロックから得られた干渉強度を閾値処理により強度信号として捉えた場合、２値データの信号値０となる。
一方、２個のＯＮビットに対して、位相情報としてデータ信号値１を付与させる場合、ブロック内の２個のＯＮビットには、それぞれ同じ位相を付与する。これにより、ブロック内のＯＮビットの信号は強め合う干渉が生じ、強い干渉強度が得られることになる。従って、当該ブロックから得られた干渉強度を閾値処理により強度信号として捉えた場合、２値データの信号値１となる。【００４３】
図１は、２：４符号化が用いて振幅情報と位相情報が重畳された１ブロック（２×２ピクセルの画像データ）が縦２横２に並ぶ４×４ピクセルの画像データに対し、再生データから振幅情報と位相情報を取り出し、それぞれ復元信号を生成する様子を示している。【００４４】
次に、３：１６符号化のブロックに重畳させる位相情報について、図２を参照して説明する。
ブロック符号化が３：１６符号化の場合、ブロック内にＯＮビットが３個存在することになる。この３個のＯＮビットに対して、位相情報としてデータ信号値０を付与させる場合、いずれかのＯＮビット（１番目）には２π×１／３＝２π／３の位相を付与する。また、他方のいずれかのＯＮビット（２番目）には２π×２／３＝４π／３の位相を付与する。また、残りのＯＮビット（３番目）には２π×３／３＝２πの位相を付与する。これにより、ブロック内の３つのＯＮビットの信号は弱め合う干渉が生じ、弱い干渉強度が得られることになる。従って、当該ブロックから得られた干渉強度を閾値処理により強度信号として捉えた場合、２値データの信号値０となる。
一方、３個のＯＮビットに対して、位相情報としてデータ信号値１を付与させる場合、ブロック内の３個のＯＮビットには、それぞれ同じ位相を付与する。これにより、ブロック内のＯＮビットの信号は強め合う干渉が生じ、強い干渉強度が得られることになる。従って、当該ブロックから得られた干渉強度を閾値処理により強度信号として捉えた場合、２値データの信号値１となる。【００４５】
図２は、３：１６符号化が用いて振幅情報と位相情報が重畳された１ブロック（４×４ピクセルの画像データ）に対し、再生データから振幅情報と位相情報を取り出し、それぞれ復元信号を生成する様子を示している。【００４６】
図３は、本発明の情報符号化方式の説明図（３：１６符号化の場合）である。図３では、８×８ピクセル＝６４ピクセルの信号光を、３：１６符号化を用いて２次元符号化する場合に、振幅情報に加えて位相情報を重畳させる様子を示している。３：１６符号化の場合、４×４ピクセルのブロック内にはＯＮビットが３個存在する。３個のＯＮビットに対して、位相情報としてデータ信号値０を付与させる場合、各ＯＮビットには２π／３，４π／３，２πの位相を付与する。これにより、ブロック内の３つのＯＮビットの信号は弱め合う干渉が生じ、弱い干渉強度が得られ、閾値処理により強度信号として捉えるとデータ信号値０になる。３個のＯＮビットに対して、位相情報としてデータ信号値１を付与させる場合、ブロック内の３個のＯＮビットには、πや２πなど同じ位相を付与する。これにより、ブロック内のＯＮビットの信号は強め合う干渉が生じ、強い干渉強度が得られ、閾値処理により強度信号として捉えるとデータ信号値１となる。【００４７】
次に、低解像度データのビット誤り率や信号対雑音比について、図４〜７を参照して説明する。図４はピクセル強度ＳＮＲ（ｓｉｇｎａｌ ｔｏ Ｎｏｉｓｅ ｒａｔｉｏ）の比較グラフであり、図５はセル強度のＳＮＲの比較グラフである。また、図６はピクセル強度ＢＥＲ（Ｂｉｔ
Ｅｒｒｏｒ Ｒａｔｅ）の比較グラフであり、図７はセル強度ＢＥＲの比較グラフである。なお、図４〜７のグラフの全てにおいて、横軸は１０〜１００の多重化数となっている。また、各グラフには、振幅情報のみで位相情報がない２：４符号化、振幅情報に加えて位相情報がある３：１６符号化（付与する位相が０，πの場合）、振幅情報に加えて位相情報がある３：１６符号化（付与する位相が２π／３，４π／３，２πの場合）のデータを示している。【００４８】
図４から、ピクセル強度ＳＮＲは、振幅情報のみで位相情報がない２：４符号化に比べて、振幅情報に加えて位相情報がある３：１６符号化の方が、ＳＮが改善されていることがわかる。また、各ＯＮビットに対してそれぞれ異なる２πｓ／ｎの位相を与えた３：１６符号化の場合、０かπの変調の場合と比べて、ＳＮが改善されていることがわかる。これは、各ＯＮビットに対して、それぞれ異なる２πｓ／ｎの位相を与えることで、信号値０と１のＳＮ比がｎ２対０となるのに対して、０かπの変調の場合は、ＳＮ比はｎ２対１となるからである。【００４９】
また、図５から、セル強度ＳＮＲは、振幅情報のみで位相情報がない２：４符号化に比べて、振幅情報に加えて位相情報がある３：１６符号化の方が、ＳＮが改善されていることがわかる。ここで、セル強度は、ブロック内の個々のピクセルの複素振幅の総和を２乗したものである。３：１６符号化の場合は、４×４ピクセル内の複素振幅の総和を２乗したものであり、２：４符号化の場合は、２×２ピクセル内の複素振幅の総和を２乗したものである。複素振幅は、ａ×ｅｘｐ（ｉ×ｂ） の形で表される。ここで、ａは振幅であり、ｂは位相である。【００５０】
また、図６から、ピクセル強度ＢＥＲは、振幅情報のみで位相情報がない２：４符号化が悪く、振幅情報に加えて位相情報がある３：１６符号化は、付与する位相に関係なく、良好である。【００５１】
また、図７から、セル強度ＢＥＲは、３：１６符号化（付与する位相が０，πの場合）が最も悪く、振幅情報のみで位相情報がない２：４符号化と３：１６符号化（付与する位相が２π／３，４π／３，２πの場合）が良好である。３：１６符号化（付与する位相が２π／３，４π／３，２πの場合）が最も良好な値を示している。【００５２】
図４〜７に示す解析結果から、３：１６符号化（付与する位相が２π／３，４π／３，２πの場合）がピクセル強度、セル強度の両方ともＳＮが最も良好であり、ビット誤り率も良好であることがわかる。従って、３：１６符号化の場合、ブロック内に存在する３つのＯＮビットに対しては、２π／３，４π／３，２πの異なる位相を付与する方が、０とπの位相を付与するよりも、ＳＮやビット誤り率で優れていることになる。【００５３】
次に、データサイズが５１２×５１２ピクセルの信号光に３：１６符号化を行うものに対して、下記の表２に示す条件下で計算機シミュレーションにより、スペックルシフト多重記録の解析を行った結果を説明する。【００５４】
【表２】
0005896362.tif 000003
【００５５】
図９は、シミュレーション結果におけるピクセル強度の再構成データの比較グラフを示している。図９はピクセル強度のＳＮＲを示している。また、図１０と１１は、シミュレーション結果におけるセル強度の再構成データの比較グラフを示している。図１０はセル強度のＳＮＲを示しており、図１１はセル強度のＢＥＲを示している。
図９に示すピクセル強度ＳＮＲのグラフから、残留回折効率の影響により位相変調導入でＳＮＲが改善されることがわかる。
図１０に示すセル強度ＳＮＲのグラフから、多重化数を４００にしてもＳＮＲは２．０以上を保持できることがわかる。また、図１０に示すセル強度ＢＥＲのグラフから、許容ＢＥＲを１０％とすると、多重化数を４００にしても許容内であることがわかる。【００５６】
以上から、計算機シミュレーションによる解析結果は以下となる。
信号光のデータサイズは５１２×５１２ピクセルであり、３：１６符号化によって１２８個のブロックが形成される。３：１６符号化では１ブロックあたり振幅情報のみでは９ビットの情報量を付与できる。このため、１ページあたりの情報量は、振幅情報のみの場合は、１１５２（Ｂｙｔｅ）であるが、振幅情報に位相情報が付加された場合は１２８０（Ｂｙｔｅ）に増加する。１ページあたりの情報量は、振幅情報のみの場合は、（１２８×１２８／８）（Ｂｙｔｅ）×（９／１６）＝１１５２  （Ｂｙｔｅ）であるが、振幅情報に位相情報が付加された場合は（１２８×１２８／８）（Ｂｙｔｅ）×（１０／１６）＝１２８０（Ｂｙｔｅ）に増加する。
従って、１ページの情報量の比較から、１０％以上の記録容量向上に繋がることがわかる。【００５７】
図８は、本発明のホログラフィックメモリ装置の模式図を示している。本発明のホログラフィックメモリ装置は、信号光１と参照光２を導波させて、記録媒体６上で信号光１と参照光２の偏光面を揃える系と、信号光１の導光路に設けた振幅光変調器４と、信号光１の導光路に設けた位相光変調器５が必要である。
記録媒体６に信号光１を記録させる過程では、集光レンズ７ａによるフーリエ変換を行う。また、記録媒体６から再生光３を再生する家庭においても、集光レンズ７ｂによるフーリエ変換を行う。
なお、図８に示す記録媒体６は、数値解析を行う上で、ホログラムの体積効果を表現するために薄い層に分割しているが、層状に分割する必要は特にない。
【実施例２】
【００５８】
実施例２では、共焦点光学系を導入することにより、ホログラフィックメモリの記録密度が向上できることを説明する。
ホログラフィックメモリにおける共焦点光学系の利点は、記録時に高周波成分をアパーチャで除去できる点と、再生時に隣接データをアパーチャで除去して信号成分のみを通過させクロストークノイズを低減できる点である。
ホログラフィックメモリは結晶やフォトポリマーの中に高密度の情報を記録するものである。記録時において表示素子である空間光変調素子は周期構造を持つため、高周波成分が発生する。この高周波成分をアパーチャで取り除くことにより、フォトポリマーの余分な消費を解消することができる。【００５９】
図１２は、ホログラフィックメモリの単記録（図１２（１）を参照）と、シフト多重記録（図１２（２）を参照）を示している。シフト多重記録は、単記録と異なり、Null点（回折光強度の極小点）までの距離を記録間隔として、記録メディアであるフォトポリマーの中に、複数の信号ページデータを空間的に重ねて記録する。図１２において、１は信号光、２は参照光、３は再生光、５は位相光変調器であるランダム位相マスク、６は記録媒体、８は入力信号ページデータである。
シフト多重記録では、参照光にランダムな位相変調をかけ、再生時の位相整合条件をより厳密なものにしたスペックルシフト多重記録を用いる。ランダムな位相変調は位相変調器、拡散板、あるいは多モードファイバなどで構成する。【００６０】
図１３は、共焦点光学系の構成図（展開図）を示している。図に示すように、アパーチャを記録側、再生側の両側に配置したものが共焦点光学系である。記録側が高周波成分のカット、再生側がクロストークノイズの低減の役割を担っている。図１３の共焦点光学系において、７は集光レンズであり、１１ａ，１１ｂはそれぞれ記録側のアパーチャと再生側のアパーチャである。入力信号ページデータ８からの信号光１は、集光レンズ７とアパーチャ１１ａを通過し、記録媒体６に記録される。また、再生光３は、集光レンズ７とアパーチャ１１ｂを通過し、クロストークノイズが低減された再生信号ページデータ９を再生する。反射型の構成とするときには、アパーチャは１つで構成することが可能になる。【００６１】
図１４は、アパーチャ通過前と通過後の回折光強度のグラフを示している。図１４（２）から、アパーチャ通過後は、信号成分（図中の符号１）のみを通過させクロストークノイズ（図中の符号２，３）が低減されていることがわかる。
図１５は、アパーチャ１１ｂを用いることによって再生時に再生光３からクロストークノイズ１２が低減する様子を示している。【００６２】
図１６は、多重数に対するビット誤り率のグラフ（アパーチャの有無による比較グラフ）である。シミュレーションの解析条件パラメータを下表３に示す。【００６３】
【表３】
0005896362.tif 000004
【００６４】
図１６のグラフから、記録媒体に１０１ 多重記録を行った場合、アパーチャの有無により、３倍ほどビット誤り率が変化していることがわかる。また図１６のグラフから、仮に許容エラー率が１％の場合、多重可能数は４５多重から７１多重に増加させることができることがわかる。
１ページあたりのデータ量は、８１９２（ｂｙｔｅ）であるので、５インチディスクの記録容量に換算すれば１２５．５（ＧＢｙｔｅ）から１９７．９（ＧＢｙｔｅ）に向上することができたことになる。このことから、共焦点光学系は有効であることが理解できる。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
本発明は、ホログラフィックメモリの情報符号化に有用である。現在のところ、ホログラフィックメモリは５インチディスクで１テラバイトの記録容量の実現を目指している。そのため、容量の上限値を１０テラバイト程度にする必要がある。それに向けて、本発明は、従来法に比べて記録容量を向上させることができるため有用である。
【符号の説明】
【００６６】
１  信号光
２  参照光
３  再生光
４  振幅光変調器
５  位相光変調器
６  記録媒体
７，７ａ，７ｂ  集光レンズ
８  入力信号ページデータ
９  再生信号ページデータ
１１ａ，１１ｂ  アパーチャ
１２  クロストークノイズ
【図１】
0005896362.tif 000005
【図２】
0005896362.tif 000006
【図３】
0005896362.tif 000007
【図４】
0005896362.tif 000008
【図５】
0005896362.tif 000009
【図６】
0005896362.tif 000010
【図７】
0005896362.tif 000011
【図８】
0005896362.tif 000012
【図９】
0005896362.tif 000013
【図１０】
0005896362.tif 000014
【図１１】
0005896362.tif 000015
【図１２】
0005896362.tif 000016
【図１３】
0005896362.tif 000017
【図１４】
0005896362.tif 000018
【図１５】
0005896362.tif 000019
【図１６】
0005896362.tif 000020