(57)【要約】【課題】ホログラフィを用いた位相多値記録において、記録するデータ量を減少させずに、ＬＯ光の位相ずれを精度良く補正すること。【解決手段】光情報記録再生装置１０は、記録媒体１に空間光変調器２１２にて変調された信号光と前記参照光を照射して情報を記録するとともに、記録媒体に参照光を照射して記録媒体に記録した情報の再生光を光検出部２２５にて検出する光学系１１と、記録する情報を２次元の位相信号に変換し、位相信号を空間的に差動符号化（１２００）して空間光変調器に供給する記録信号処理部８６と、光検出器によって検出された再生光と局部発振光（以下、ＬＯ光）との干渉画像から位相信号を求めて再生情報に変換する再生信号処理部８５と、を備える。【選択図】図９Ａ
2018206453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光と参照光によりホログラムを形成して記録媒体に情報の記録・再生を行う光情報記録再生装置であって、
前記記録媒体に空間光変調器にて変調された前記信号光と前記参照光を照射して情報を記録するとともに、前記記録媒体に前記参照光を照射して前記記録媒体に記録した情報の再生光を光検出部にて検出する光学系と、
記録する情報を２次元の位相信号に変換し、前記位相信号を空間的に差動符号化して前記空間光変調器に供給する記録信号処理部と、
前記光検出器によって検出された再生光と局部発振光（以下、ＬＯ光）との干渉画像から位相信号を求めて再生情報に変換する再生信号処理部と、
を備えることを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光情報記録再生装置であって、
前記再生信号処理部は、空間的に差動符号化された前記位相信号の再生時に、前記ＬＯ光と前記信号光の位相ずれを累乗法により除去処理を行うことを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項３】
請求項２に記載の光情報記録再生装置であって、
前記再生信号処理部は、前記累乗法によるＬＯ光位相ずれの除去処理において、空間的な平滑化処理を行うことを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項４】
請求項１に記載の光情報記録再生装置であって、
前記記録信号処理部は、前記した空間的な差動符号化として、空間差動四相位相偏移変調（ＳＤ−ＱＰＳＫ）を用いることを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光情報記録再生装置であって、
前記再生信号処理部は、前記した空間的に差動符号化された位相信号の再生時に、リサンプリング処理を行うことを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光情報記録再生装置であって、
前記記録信号処理部は、前記した空間的に差動符号化した位相信号に既知の位相パターン（以下、ＰＲＢ）を付加して前記空間光変調器に供給し、
前記再生信号処理部は、前記ＰＲＢを検出することで前記リサンプリング処理を行うことを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光情報記録再生装置であって、
前記ＰＲＢは、複数のピクセルのかたまりで１つの位相情報を表す低周波領域を含み、少なくとも２値以上の異なる位相信号が低周数領域の各ブロックに付与されていることを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光情報記録再生装置であって、
前記再生信号処理部は、前記ＰＲＢを検出するときに得られるＰＲＢ部分の位相値を用いて、再生信号の補正を行うことを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項９】
請求項７に記載の光情報記録再生装置であって、
前記再生信号処理部は、前記ＰＲＢを用いて得られるｓｈｏｔ間の位相差δを用いて、位相信号φを数式２により算出することを特徴とする光情報記録再生装置。
【数２】
2018206453.tif 000010
【請求項１０】
請求項６に記載の光情報記録再生装置であって、
前記再生信号処理部は、前記ＰＲＢを検出する際に用いる参照画像として、ＰＲＢの干渉強度パターンを少なくとも２枚以上用いることを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項１１】
請求項６に記載の光情報記録再生装置であって、
前記再生信号処理部は、前記ＰＲＢを検出する際に用いる参照画像として、ＰＲＢの位相パターンを用いることを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項１２】
信号光と参照光によりホログラムを形成して記録媒体に情報の記録・再生を行う光情報記録再生方法であって、
前記記録媒体に空間光変調器にて変調された前記信号光と前記参照光を照射して情報を記録する記録ステップと、
前記記録媒体に前記参照光を照射して前記記録媒体に記録した情報の再生光を光検出部にて検出する再生ステップと、
記録する情報を２次元の位相信号に変換し、前記位相信号を空間的に差動符号化して前記空間光変調器に供給する記録信号処理ステップと、
前記光検出器によって検出された再生光と局部発振光（以下、ＬＯ光）との干渉画像から位相信号を求めて再生情報に変換する再生信号処理ステップと、
を備えることを特徴とする光情報記録再生方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載の光情報記録再生方法であって、
前記再生信号処理ステップでは、空間的に差動符号化された前記位相信号の再生時に、前記ＬＯ光と前記信号光の位相ずれを累乗法により除去処理を行うことを特徴とする光情報記録再生方法。
【請求項１４】
請求項１２に記載の光情報記録再生方法であって、
前記記録信号処理ステップでは、前記した空間的な差動符号化として、空間差動四相位相偏移変調（ＳＤ−ＱＰＳＫ）を用いることを特徴とする光情報記録再生方法。
【請求項１５】
請求項１２に記載の光情報記録再生方法であって、
前記再生信号処理ステップでは、前記した空間的に差動符号化された位相信号の再生時に、リサンプリング処理を行うことを特徴とする光情報記録再生方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の光情報記録再生方法であって、
前記記録信号処理ステップでは、前記した空間的に差動符号化した位相信号に既知の位相パターン（以下、ＰＲＢ）を付加して前記空間光変調器に供給し、
前記再生信号処理ステップでは、前記ＰＲＢを検出することで前記リサンプリング処理を行うことを特徴とする光情報記録再生方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラフィを用いた光情報記録再生装置及び光情報記録再生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィを用いた光情報記録再生装置（ホログラフィックメモリ装置）は、記録媒体の厚み方向にも情報を記録することができるため、高密度な記録が可能な次世代の光ディスクとして開発が進められている。ホログラフィックメモリ装置では通常、強度２値信号用いている。ホログラフィックメモリ装置の更なる記録密度向上方法として、位相多値記録が知られている。位相多値記録では、光の位相情報を記録することで記録密度の向上を実現する。但し一般に、光の位相情報の再生を行うためには、ホモダイン検出による位相検出が必要となる。ホモダイン検出では、局部発振光（ＬＯ光：Local Oscillator）と再生信号光との干渉強度情報を光検出器によって検出して位相情報を求めることができ、これにより記録の高密度化を実現することができる。例えば特許文献１には、位相多値記録における、ＬＯ光と再生信号光との位相ずれ補正について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／０００４２２１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ホログラフィックメモリ装置では、信号光に位相多値情報を付加することで高密度記録を実現できる。信号光に付加された位相多値情報を再生する際は、再生信号光とＬＯ光との干渉画像を光検出器によって検出し、この干渉画像から位相多値情報を再生している。ここで、理想的には、再生信号光の基準となる位相値とＬＯ光との位相差が全面にわたり０であることが望ましいが、実際には位相ずれが発生する。この位相ずれは、位相多値信号再生の際、エラーを引き起こす要因となる。よって、再生信号光とＬＯ光の位相ずれを補正する必要がある。
【０００５】
これに関し特許文献１では、信号光に予め既知の位相情報を埋め込み、この情報を用いて位相ずれ量を推定し、位相ずれを補正している（段落［０１８９］〜［０２１８］参照）。この方法では、既知の位相情報を埋め込んだ部分の位相ずれ量から、その他の部分の位相ずれ量を推定している。そのため、位相ずれ量の推定精度を向上させるためには、既知の位相情報を密に配置する必要があり、記録できるデータ量が減少してしまう課題がある。また、補間処理を用いるために、位相ずれの分布が緩やかでない場合は補間の誤差が大きくなり、エラーが大きくなる課題がある。
【０００６】
本発明は、ホログラフィを用いた位相多値記録において、記録するデータ量を減少させずに、ＬＯ光の位相ずれを精度良く補正できる光情報記録再生装置及び光情報記録再生方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光情報記録再生装置は、記録媒体に空間光変調器にて変調された信号光と前記参照光を照射して情報を記録するとともに、記録媒体に参照光を照射して記録媒体に記録した情報の再生光を光検出部にて検出する光学系と、記録する情報を２次元の位相信号に変換し、位相信号を空間的に差動符号化して空間光変調器に供給する記録信号処理部と、光検出器によって検出された再生光と局部発振光（以下、ＬＯ光）との干渉画像から位相信号を求めて再生情報に変換する再生信号処理部と、を備える。
【０００８】
また本発明の光情報記録再生方法は、記録媒体に空間光変調器にて変調された信号光と参照光を照射して情報を記録する記録ステップと、記録媒体に参照光を照射して記録媒体に記録した情報の再生光を光検出部にて検出する再生ステップと、記録する情報を２次元の位相信号に変換し、位相信号を空間的に差動符号化して空間光変調器に供給する記録信号処理ステップと、光検出器によって検出された再生光と局部発振光（以下、ＬＯ光）との干渉画像から位相信号を求めて再生情報に変換する再生信号処理ステップと、を備える。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、ＬＯ光の位相ずれを精度良く補正できるので、ホログラフィを用いた光情報記録再生装置の再生時の信号対雑音比（ＳＮＲ）を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】光情報記録再生装置の構成例を示すブロック図（実施例１）。
【図２】光学系の記録時の構成例を示す図。
【図３】光学系の再生時の構成例を示す図。
【図４Ａ】記録または再生の準備動作のフロー。
【図４Ｂ】記録時の基本動作フロー。
【図４Ｃ】再生時の基本動作フロー。
【図５】記録信号処理手段８６の構成を示すブロック図。
【図６】再生信号処理手段８５の構成を示すブロック図。
【図７】記録データの信号処理を示すフローチャート。
【図８】再生データの信号処理を示すフローチャート。
【図９Ａ】記録時の符号化方法を示す図。
【図９Ｂ】空間光変調器（ＳＬＭ）内の信号光画像を示す図。
【図９Ｃ】再生時の復号化方法を示す図。
【図１０Ａ】位相リザーブドブロック（ＰＲＢ）の付加を説明する図。
【図１０Ｂ】ＰＲＢの一例を示す拡大図。
【図１０Ｃ】パターンマッチングに用いる参照画像１の例を示す図。
【図１０Ｄ】パターンマッチングに用いる参照画像２の例を示す図。
【図１１】再生時のリサンプリング処理を示すフローチャート。
【図１２Ａ】ＬＯ光位相ずれ除去を示すフローチャート。
【図１２Ｂ】累乗法の概略を示す図。
【図１３Ａ】位相ずれに対するＳＮＲのシミュレーション結果（従来法）。
【図１３Ｂ】位相ずれに対するＳＮＲのシミュレーション結果。
【図１３Ｃ】位相ずれに対するＳＮＲのシミュレーション結果。
【図１３Ｄ】位相ずれに対するＳＮＲのシミュレーション結果。
【図１４Ａ】位相ずれ分布のシミュレーション結果。
【図１４Ｂ】位相ずれ分布のシミュレーション結果。
【図１４Ｃ】位相ずれ分布のシミュレーション結果。
【図１４Ｄ】シミュレーションのパラメータを示す図。
【図１５】実施例２におけるリサンプリング処理のフローチャート。
【図１６Ａ】信号光に付加するＰＲＢのパターンの例を示す図。
【図１６Ｂ】検出されたＰＲＢのパターンを示す図。
【図１６Ｃ】位相相関計算に用いる参照位相パターンを示す図。
【図１７Ａ】ＰＲＢ検出のシミュレーション結果。
【図１７Ｂ】ＰＲＢ検出のシミュレーション結果。
【図１７Ｃ】ＰＲＢ検出のシミュレーション結果。
【図１７Ｄ】ＰＲＢ検出のシミュレーション結果。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。以下の実施例では、ホログラムとして光情報記録媒体にデジタル情報を記録／再生する光情報記録再生装置（ホログラフィックメモリ装置）について説明する。
【実施例１】
【００１２】
［光情報記録再生装置の全体構成］
図１は、本発明に係る光情報記録再生装置（ホログラフィックメモリ装置）の構成例を示すブロック図である。光情報記録再生装置１０は、入出力制御手段９０を介して外部制御装置９１と接続されている。記録する場合には、光情報記録再生装置１０は外部制御装置９１から記録する信号を入出力制御手段９０により受信する。再生する場合には、光情報記録再生装置１０は再生した信号を入出力制御手段９０により外部制御装置９１に送信する。
【００１３】
光情報記録再生装置１０は、光学系１１、再生用光学系１２、ディスクキュア光学系１３、ディスク回転角度検出用光学系１４、及び回転モータ５０を備えており、光情報記録媒体（光ディスク）１は回転モータ５０によって回転可能な構成となっている。  
光学系１１は、参照光と信号光を光情報記録媒体１に照射し、ホログラムとしてデジタル情報を記録媒体に記録する役割を果たす。この際、記録する信号はコントローラ８９によって記録信号処理手段８６を介して光学系１１内の後述する空間光変調器に送り込まれ、信号光は空間光変調器によって変調される。
【００１４】
光情報記録媒体１に記録した情報を再生する場合は、アクセス制御手段８１に接続された再生用光学系１２によって、光学系１１から出射された参照光を、記録時とは逆の向きに光情報記録媒体１に入射させるよう変換する。この再生用参照光によって再生される再生光を、光学系１１内の後述する局部発振光（ＬＯ光）と干渉させた後に、後述する光検出器によって検出し、検出した画像から再生信号処理手段８５によって後述する処理により信号を再生する。
【００１５】
光情報記録媒体１に照射する参照光と信号光の照射時間は、光学系１１内のシャッタの開閉時間をコントローラ８９によってシャッタ制御手段８７を介して制御することで調整できる。  
ディスクキュア光学系１３は、光情報記録媒体１のプリキュアおよびポストキュアに用いる光を生成する役割を果たす。プリキュアとは、光情報記録媒体１内の所望の位置に情報を記録する際、所望位置に参照光と信号光を照射する前に予め所定の光を照射する前工程である。ポストキュアとは、光情報記録媒体１内の所望の位置に情報を記録した後、該所望の位置に追記不可能とするために所定の光を照射する後工程である。
【００１６】
ディスク回転角度検出用光学系１４は、光情報記録媒体１の回転角度を検出するために用いられる。光情報記録媒体１を所定の回転角度に設定する場合は、ディスク回転角度検出用光学系１４によって回転角度に応じた信号を検出し、検出された信号を用いてコントローラ８９によってディスク回転モータ制御／アクセス制御手段８８を介して光情報記録媒体１の回転角度を制御することができる。
回転モータ５０は、光情報記録媒体１の半径方向に位置をスライドできる機構が設けられており、ディスク回転モータ／アクセス制御手段８８を介して位置制御がおこなわれる。  
光源駆動手段８２からは所定の光源駆動電流が光学系１１、キュア光学系１３、ディスク回転角度検出用光学系１４内の光源に供給され、各々の光源からは所定の強度で光ビームを発光することができる。
【００１７】
ところで、ホログラムの角度多重の原理を利用した記録技術は、参照光角度のずれに対する許容誤差が極めて小さくなる傾向がある。従って、光学系１１内に、参照光角度のずれ量を検出する機構を設けて、サーボ信号生成手段８３にてサーボ制御用の信号を生成し、サーボ制御手段８４を介して該ずれ量を補正するためのサーボ機構を光情報記録再生装置１０内に備える。  
なお、光学系１１、ディスクキュア光学系１３、ディスク回転角度検出用光学系１４は、いくつかの光学系構成または全ての光学系構成をひとつに纏めて簡素化しても構わない。
【００１８】
次に、光情報記録再生装置１０内の光学系１１、再生信号処理手段８５、記録信号処理手段８６について詳細に説明する。
【００１９】
［光学系の構成］
図２は、光情報記録再生装置１０内の光学系１１の記録時の構成例を示す図である。光源２０１を出射した光ビームはコリメートレンズ２０２を透過し、シャッタ２０３に入射する。シャッタ２０３が開いている時は、光ビームはシャッタ２０３を通過した後、例えば２分の１波長板などで構成される偏光方向変換素子２０４によってｐ偏光とｓ偏光の強度比が所望の比になるように偏光方向が制御される。その後、光ビームを信号光２０６と参照光２０７に分離する光学素子である偏光ビームスプリッタ２０５に入射する。
【００２０】
偏光ビームスプリッタ２０５を透過した光ビームは、信号光２０６として働き、ビームエキスパンダ２０８によって光ビーム径が拡大された後、偏光方向変換素子２０９、リレーレンズ２１０と偏光ビームスプリッタ２１１をそれぞれ透過して空間光変調器（Spatial Light Modulator：ＳＬＭ）２１２に入射する。空間光変調器２１２は、空間的に光の振幅または位相、もしくは振幅と位相の両方を変調するデバイスであり、これを用いて信号光に２次元のデジタル情報を付加する。本実施例では、各ピクセルに４値の位相情報を後述する空間差動四相位相偏移変調（Spatial Differential Quadrature Phase Shift Keying：ＳＤ−ＱＰＳＫ）によって変調して表示している。本位相情報の詳細は後述する。
【００２１】
空間光変調器２１２によって情報が付加された信号光は、偏光ビームスプリッタ２１１を反射し、リレーレンズ２１３ならびに空間フィルタ２１４を透過する。空間フィルタ２１４は、ホログラムサイズを規定する役割がある。信号光はその後、対物レンズ２１５によって光情報記録媒体１に照射され集光する。
【００２２】
一方、偏光ビームスプリッタ２０５を反射した光ビームは参照光２０７として働き、偏光方向変換素子２１６によって記録時または再生時に応じた所定の偏光方向に設定された後、ミラー２１７、バリアブルリターダー２５１、参照光の光ビームの形状を規定するアイリス２２６、およびミラー２１８を経由してガルバノミラー２１９に入射する。ガルバノミラー２１９はアクチュエータ２２０によって角度を設定可能なため、スキャナーレンズ２２７を通過した後に光情報記録媒体１に入射する参照光の入射角度を、所望の角度に設定することができる。
【００２３】
信号光２０６と参照光２０７を光情報記録媒体１内で、互いに重なり合うように入射させることで、光情報記録媒体１内には干渉縞パターンが形成され、このパターンを光情報記録媒体１に書き込むことで情報を記録する。また、ガルバノミラー２１９によって光情報記録媒体１に入射する参照光２０７の入射角度を変化させることができるため、角度多重による記録が可能である。
以降、同じ領域に参照光角度を変えて記録されたホログラムのうち、１つ１つの参照光角度に対応したホログラムをページと呼び、同領域に角度多重されたページの集合をブックと呼ぶ。
【００２４】
図３は、光情報記録再生装置１０内の光学系１１の再生時の構成例を示す図である。記録した情報を再生する場合は、偏光方向変換素子２０４を調整して光ビームの一部を参照光とし、さらに偏光方向変換素子２１６を用いて所望の偏光方向に調整する。この参照光は、ミラー２１７、アイリス２２６、およびミラー２１８を経由してガルバノミラー２１９に入射し、所望の参照光角度に設定した後、光情報記録媒体１に入射する。光情報記録媒体１を透過した光ビームは、角度設定可能なガルバノミラー２２４によって反射され再生用参照光となる。この再生用参照光によって再生された再生信号光２２８は、対物レンズ２１５、リレーレンズ２１３ならびに空間フィルタ２１４を透過する。その後、再生光は偏光ビームスプリッタ２１１を透過して、偏光板２５０を透過後、光検出器２２５に入射する。
【００２５】
また、偏光ビームスプリッタ２０５を透過した光ビームはＬＯ光２２９として働き、偏光方向変換素子２０９を調整することで、偏光ビームスプリッタ２１１により反射させて、偏光板２５０を透過後、光検出器２２５に入射する。
【００２６】
光検出器２２５としては、例えばＣＭＯＳイメージセンサーやＣＣＤイメージセンサーなどの撮像素子を用いることができる。光検出器２２５は、偏光板２５０透過後の再生信号光２２８とＬＯ光２２９が重なり合い干渉した光の強度分布を検出する。本実施例では、この強度分布から信号を再生している。
【００２７】
［記録・再生基本動作］
図４Ａ〜図４Ｃは、光情報記録再生装置１０の記録、再生の基本動作を示すフローチャートである。図４Ａは、光情報記録再生装置１０に光情報記録媒体１を挿入した後、記録または再生の準備が完了するまでの動作フローを示す。図４Ｂは、準備完了状態から光情報記録媒体１に情報を記録する動作フローを示す。図４ｃは、準備完了状態から光情報記録媒体１に記録した情報を再生する動作フローを示す。
【００２８】
図４Ａに示すように光情報記録媒体１を挿入すると（Ｓ４０１）、光情報記録再生装置１０は、対応する光情報記録媒体の形式であるかどうか媒体判別を行う（Ｓ４０２）。
媒体判別の結果、対応可能な光情報記録媒体であると判断されると、光情報記録再生装置１０は光情報記録媒体１に設けられたコントロールデータを読み出し（Ｓ４０３）、例えば光情報記録媒体１に関する情報や、例えば記録や再生時における各種設定条件に関する情報を取得する。
【００２９】
コントロールデータに応じた各種調整や光学系１１に関わる学習処理（Ｓ４０４）を行い、光情報記録再生装置１０は、記録または再生の準備を完了する（Ｓ４０５）。
【００３０】
図４Ｂは、準備完了状態後の記録動作で、まず記録するデータを受信して（Ｓ４１１）、該データに応じた情報を光学系１１内の空間光変調器２１２に送る。光情報記録媒体１に高品質の情報を記録できるように、必要に応じて例えば光源２０１のパワーやコヒーレンスの最適化、シャッタ２０３による露光時間の最適化等の各種記録用学習処理を事前に行う（Ｓ４１２）。
【００３１】
シーク動作（Ｓ４１３）ではアクセス制御手段８１を制御して、光学系１１ならびにキュア光学系１３の位置を光情報記録媒体の所定の位置に位置付けする。光情報記録媒体１がアドレス情報を持つ場合には、アドレス情報を再生し、目的の位置に位置付けされているか確認し、されていなければ、所定の位置とのずれ量を算出し、再度位置付けする動作を繰り返す。
【００３２】
その後、キュア光学系１３から出射する光ビームを用いて所定の領域をプリキュアし（Ｓ４１４）、ピックアップ１１から出射する参照光と信号光を用いてデータを記録する（Ｓ４１５）。データを記録した後は、キュア光学系１３から出射する光ビームを用いてポストキュアを行う（Ｓ４１６）。必要に応じてデータをベリファイする。
【００３３】
図４Ｃは準備完了後の再生動作で、まずシーク動作（Ｓ４２１）では、アクセス制御手段８１を制御して、光学系１１ならびに再生用参照光光学系１２の位置を光情報記録媒体の所定の位置に位置付けする。光情報記録媒体１がアドレス情報を持つ場合には、アドレス情報を再生し、目的の位置に位置づけされているか確認し、されていなければ所定の位置とのずれ量を算出し、再度位置付けする動作を繰り返す。
【００３４】
その後、光学系１１から参照光を出射し、光情報記録媒体に記録された情報を読み出し（Ｓ４２２）、再生データを送信する（Ｓ４２３）。
次に、データ記録動作（Ｓ４１４）およびデータ再生動作（Ｓ４２２）について詳細に説明する。
【００３５】
［記録信号処理手段の構成］
図５は、光情報記録再生装置１０内の記録信号処理手段８６の構成を示すブロック図である。入出力制御手段９０にユーザデータの入力が開始されると、入出力制御手段９０はコントローラ８９にユーザデータの入力が開始されたことを通知する。コントローラ８９は入出力手段９０からの通知を受け、記録信号処理手段８６に入出力制御手段９０から入力されるデータを記録処理するよう命ずる。コントローラ８９からの処理命令は制御線５１１を経由し、記録信号処理手段８６内のサブコントローラ５０１に通知される。本通知を受けサブコントローラ５０１は、各信号処理手段を並列に動作させるよう制御線５１１を介して各信号処理手段の制御を行う。
【００３６】
先ずメモリ制御手段５０３に、制御線５１０を介して入出力制御手段９０から入力される２値のユーザデータをメモリ５０２に格納するよう制御する。格納されたユーザデータがある一定量に達すると、ＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check）演算手段５０４でユーザデータをＣＲＣ化する制御を行う。次にＣＲＣ化したデータに、スクランブル手段５０５で擬似乱数データ列を加えるスクランブル化を施し、誤り訂正符号化手段５０６で誤り訂正符号化の制御を行う。
【００３７】
ここで、誤り訂正符号化後のデータは記録する信号の多値数に応じたものとして扱い、本実施例では４値の信号を想定する。例えば２値の信号「１,０,１,１,０,０,１,１」を４値で扱う場合には２ｂｉｔを１つの信号として、「２,３,０,３」と表現することができる。また、この信号を位相情報として表現する場合には、「０、１、２、３」の４値の信号をそれぞれ位相値に対応させて「０、π／２、π、３π／２」と扱えばよい。
【００３８】
その後、差動符号化手段５０７で、差動符号演算を行う。この際、４値の信号を４値の位相情報とした後、ページデータフォーマットに従って、２次元画像化する。そして、２次元画像の上から１行ずつを取り出して元信号列とし、本元信号列からＳＬＭ表示信号列に変換する。変換方法の詳細は後述するが、隣り合う画素での差分が元信号列となるように、ＳＬＭ表示信号列を計算することで、差動符号化信号を得る。さらに、位相リザーブドブロック（ＰＲＢ）付加手段５０８により位相リザーブドブロック（ＰＲＢ）を付加する。ＰＲＢは再生時に位相情報の基準となる既知パターンにて構成されマーカーである。
最後に、光学系インターフェース手段５０９は、２次元の差動符号化された位相信号データを光学系１１内の空間光変調器２１２に転送する。
【００３９】
［再生信号処理手段の構成］
図６は、光情報記録再生装置１０内の再生信号処理手段８５の構成を示すブロック図である。コントローラ８９は、光学系１１内の光検出器２２５が画像データを検出すると、再生信号処理手段８５に光学系１１から入力されるデータを再生処理するよう命ずる。コントローラ８９からの処理命令は制御線６１１を経由し、再生信号処理手段８５内のサブコントローラ６０１に通知される。本通知を受けサブコントローラ６０１は、各信号処理手段を並列に動作させるよう制御６１１を介して各信号処理手段の制御を行う。先ず、メモリ制御手段６０３に、制御線６１２を介して、光学系１１から光学系インターフェース手段６１４を経由して入力される画像データをメモリ６０２に格納するよう制御する。
【００４０】
メモリ６０２に格納されたデータがある一定量に達すると、信号検出手段６１３によって、記録したデータページに対応する情報を検出する。続いて、リサンプリング手段６１０でメモリ６０２に格納された画像データのリサンプリング処理を行い、画像データをＳＬＭに表示した２次元データのサイズに変換する。次に、ＬＯ光位相ずれΔφ除去手段６０９で、ＬＯ光と再生信号光の位相ずれΔφの除去を行い、位相情報を求める。この位相情報をｓｉｎ画像／ｃｏｓ画像生成手段６０８において、ｓｉｎ画像／ｃｏｓ画像と呼ばれる２値信号の画像に分離する。ｓｉｎ画像／ｃｏｓ画像は、Ｉ（In−phase）画像／Ｑ（Quadrature）画像、または同位相画像／直交位相画像とも呼ばれる。
【００４１】
なお、ここでは４値の位相信号を２値にすることが目的であるため、上記の方法以外に、例えば、０〜πの値はそのまま、π〜２πまでの値を実軸に対して折り返すなどの操作を行うことで２値信号化してもよい。
【００４２】
その後、等化手段６０７によってデータの等化を行い、誤り訂正手段６０６で各データ列に含まれる誤りを訂正する。スクランブル解除手段６０５で擬似乱数データ列を加えるスクランブルを解除した後、ＣＲＣ演算手段６０４でメモリ６０２上のユーザデータ内に誤りが含まれない確認を行う。その後、入出力制御手段９０にメモリ６０２からユーザデータを転送する。
【００４３】
［記録再生時の信号処理の流れ］
上記した記録信号処理手段８６と再生信号処理手段８５による記録再生データの信号処理の流れについて説明する。
【００４４】
図７は、記録データの信号処理を示すフローチャートである。記録するユーザデータが受信されたら（Ｓ７０１）このデータにＣＲＣ付加（Ｓ７０２）、スクランブルデータ化（Ｓ７０３）、誤り訂正符号化（Ｓ７０４）、データ２次元化（Ｓ７０５）を順次施す。その後、後述するＳＤ−ＱＰＳＫに基づく差動符号化（Ｓ７０６）を実施する。さらに、再生時に基準となる既知パターンのマーカー、位相リザーブドブロック（Phase Reserved Block：ＰＲＢ）を付加して（Ｓ７０７）、空間光変調器（ＳＬＭ）２１２にパターンの転送を行う（Ｓ７０８）。
【００４５】
図８は、再生データの信号処理を示すフローチャートである。再生ブックおよびページのシークを行い、所望のページを再生可能な状態に調整を行う（Ｓ８０１）。光検出器２２５により、再生ページの画像を取得する（Ｓ８０２）。ここで得られた画像を「０位相干渉画像」と呼ぶ。続いて、バリアブルリターダー２５１を用いて参照光とＬＯ光の位相差を変調する（Ｓ８０３）。バリアブルリターダー２５１は、参照光路中でなく、ＬＯ光路中に入れてもよい。バリアブルリターダー２５１により、π／２の位相差を与えて、再度光検出器２２５により画像を取得する（Ｓ８０４）。ここで得られた画像を「π／２位相干渉画像」と呼ぶ。
【００４６】
上記で得られた２枚の画像から、位相情報を検出する。まず、２枚の画像のリサンプリング処理を行う（Ｓ８０５）。リサンプリング処理の詳細については後述するが、本処理により、光検出器で得られた画像の回転や歪み、位置ずれを取り除き、ＳＬＭと同様の画素数の画像に変換する。続いて、ＬＯ光位相ずれΔφ除去（Ｓ８０６）を行う。本処理についても詳細は後述するが、これによりＳＬＭの各ピクセルに表示した記録位相情報を高いＳＮＲで検出することができる。
【００４７】
その後、上記で得られた位相情報から、復号処理を行うため位相情報にπ／４を加算した後に、ｓｉｎ画像とｃｏｓ画像を生成する（Ｓ８０７）。これらの画像は、強度情報となっており、ＱＰＳＫの場合２値信号となっている。よって、この２値信号を有する画像を等化処理（Ｓ８０８）、誤り訂正・復号処理（Ｓ８０９）することで、強度２値ホログラフィックメモリと同様の方法によって、情報を復号することができる。最後に得られたデータを転送する（Ｓ８１０）。
【００４８】
次に、本実施例の特徴である差動符号化（Ｓ７０６）、位相リザーブドブロック付加（Ｓ７０７）、リサンプリング処理（Ｓ８０５）およびＬＯ光位相ずれΔφ除去処理（Ｓ８０６）について詳細に説明する。
【００４９】
［差動符号化］
図９Ａ〜図９Ｃは、記録再生時の符号化と復号化方法を説明する図である。
図９Ａは、記録時の符号化方法を示し、図７の差動符号化（Ｓ７０６）に対応する。記録前の元データ列をＡｉ（ｉ＝１，２，３，・・・Ｎ）とする。このデータ列は、記録データ列の中から連続的なＮ個のデータを取り出したものであり、４値の信号となっている。Ｎは、ＳＬＭの信号表示部１００１における当該行の横方向のピクセル数である。
【００５０】
本データ列から、ＳＬＭ表示信号を生成するために、まず、初期値φ０＝０と決める。続いて、φ１＝φ０＋Ａ1、φ２＝φ１＋Ａ２、・・・のように順次ＳＬＭ表示信号を決定していく。この方法は、φｉ＝φｉ−１＋Ａｉ（ｉ＝１，２，３，・・・Ｎ）と書くことができる。その後、生成されたＳＬＭ表示信号φｉ（ｉ＝１，２，３，・・・Ｎ）（符号１２００）をＳＬＭに転送する。
【００５１】
図９Ｂは、ＳＬＭ内の信号光画像１０００を示す。ＳＬＭの信号表示部１００１の当該行の部分には、図９Ａで生成されたＳＬＭ表示信号１２００のデータが表示される。なお、符号１００２は後述するＰＲＢを示す。
【００５２】
ここで、ＳＬＭの横方向のピクセル数Ｎは、ＳＬＭ上の信号表示部１００１が円形の場合、ＳＬＭの行によって変化する。ここで扱う信号は「０、π／２、π、３π／２」の４値の位相信号となっており、差動符号化後の位相信号もやはり「０、π／２、π、３π／２」の４値の位相信号となっている。差動計算は、図９Ａのように左から右に計算するだけでなく、右から左、縦方向、斜め方向の演算や、それらの組合せを用いても良い。
【００５３】
図９Ｃは、再生時の差動符号の復号化方法を示し、再生時のリサンプリング後の位相画像φが入力する。位相信号φは、リサンプリング後の強度画像から、数式１により計算することができる。
【００５４】
【数１】
2018206453.tif 000003
【００５５】
ここでＩｃａｍ＿Ｆｉｌｔｅｒ（θ）は、光検出器により検出した画像の平均値、または予め取得しておいたＬＯ光の強度分布を減算することにより得られた画像であり、θは信号光とＬＯの位相差である。また、ａｔａｎ２（ｙ，ｘ）は、４象限逆正接関数であり、−π〜＋πの値を返す。ｓｈｏｔ間位相差δが０でない既知の値である場合には、数式１を用いることでより高いＳＮＲで位相検出ができる。
【００５６】
上記の方法で得られた位相画像は、リサンプリング後の位相信号φｉ（ｉ＝１，２，３，・・・Ｎ）であり、これらの信号から元の信号Ａｉを、Ａｉ＝φｉ−φｉ−１（ｉ＝１，２，３，・・・Ｎ）により復元することができる。ここで、初期値φ０＝０である。
【００５７】
以上の符号化・復号化方法は、光通信で用いられる差動四相位相偏移変調（Differential Quadrature Phase Shift Keying：ＤＱＰＳＫ）と区別して、空間差動四相位相偏移変調（Spatial Differential Quadrature Phase Shift Keying：ＳＤ−ＱＰＳＫ）と呼ぶ。
【００５８】
ＳＤ−ＱＰＳＫでは、隣り合うピクセルでの位相の差分を信号として取り扱う。本手法の特徴は、ＬＯ光の位相ずれΔφがＳＬＭのピクセルピッチに対して大きなうねりで変化するとき、つまり隣り合うピクセルでΔφの値がほとんど変化しないとき、ＳＤ−ＱＰＳＫによって、Δφの影響を相殺しキャンセルすることができる点である。Δφは、光学系の収差や空気の揺らぎ、再生ホログラムの位置ずれなどによって発生するため、ＳＬＭのサンプリング周波数に対して比較的低周波数であるため、本手法によりΔφを効果的に除去することが可能である。
【００５９】
上記の方法によりΔφをある程度除去することができる。しかし、除去し切れなかった残存するΔφが存在するため、さらに累乗法を用いることで、Δφの影響をさらに低減し、ＳＮＲを向上させる。これについては後述する。
【００６０】
［ＰＲＢ付加］
図１０Ａと図１０Ｂは、位相リザーブドブロック（ＰＲＢ）の付加を説明する図である。図７のＰＲＢ付加（Ｓ７０７）に対応する。ＰＲＢのパターンで必要な条件は、以下の３つである。
【００６１】
（１）０、π／２、π、３π／２の４値の位相が存在している。４つの既知位相ブロックを用いることで、２つの画像を用いたパターンマッチングが可能となり、更にフリンジスキャン法によりＰＲＢ部分のＬＯ光位相ずれΔφを求めることができる。
（２）１ピクセル単位で異なる位相となっている領域（高周波領域）が存在する。高周波領域が存在することにより、パターンマッチングを行う際に、相関ピークが鋭利になる。
（３）２ピクセル以上まとまって同じ位相となっているブロック（低周波領域）が存在する。低周波領域が存在することにより、フリンジスキャンに用いる位相ブロックの符号間干渉耐性が強くなる。
【００６２】
図１０Ａは、ＳＬＭにおける信号光画像１０００の例であり、本画像内の信号表示部１００１内に、複数のＰＲＢ１００２が埋め込まれている。
図１０Ｂは、上記の条件（１）〜（３）を満たすＰＲＢ１００２の一例で、ＰＲＢ部分だけを拡大して示す。このＰＲＢ１００２は、低周波領域１００３および高周波領域１００４を有しており、低周波領域１００３は４つの異なる位相を持っている。ＰＲＢのパターンは、本図のパターン以外にも上記３つの条件を満たすようにして、ヘッダー情報などの情報を持たせることもできる。
【００６３】
［リサンプリング処理］
図１１は、リサンプリング処理のフローチャートを示し、図８のリサンプリング処理（Ｓ８０５）に対応する。リサンプリング処理では、まず信号に埋め込まれた既知の位相パターン（位相リザーブドブロック：ＰＲＢ）を検出する。ＰＲＢの位置検出は、パターンマッチングを用いて行う。但し、通常のパターンマッチングと異なる点は、相互相関計算に用いる参照画像が２種類あり、この２つの画像での相互相関結果を用いてＰＲＢの位置を検出する点である。
【００６４】
詳細な処理フローとしては、まず相関計算１（Ｓ９０１）および相関計算２（Ｓ９０２）を行い、ピーク検出処理（Ｓ９０３）を行う。次に、得られたピーク位置から、ＰＲＢの位置ずれ量を２次元のベクトル量として求める（Ｓ９０４）。ここで、相関計算時に、参照画像の回転も考慮した検出を行うことで、画像の回転量を検出してもよく、また、疎調整、微調整の２ステップに分けて、画像の回転、歪み、位置ずれ量を検出することで検出精度を高めてもよい。
【００６５】
続いて、ＰＲＢに含まれる既知情報を用いて、ＰＲＢ部分のＬＯ光と信号光の位相ずれΔφを検出する（Ｓ９０５）。そして、ＰＲＢの位置ずれ量を用いて、リサンプリングを行う。ＳＬＭの画素数より光検出器の画素数を大きくすることで、ＳＮＲの高い再生が行えるため、本リサンプリング処理は、ダウンサンプリング処理となる（Ｓ９０６）。ダウンサンプリングは、通常の画像処理で行われている各種リサンプリングアルゴリズムを用いることで実施する。これにより、画像の回転や歪み、位置ずれ量を補正することができる。
【００６６】
また、本手法では、１枚の画像でＰＲＢ部分のＬＯ光との位相ずれΔφを求めることができるため、０位相干渉画像とπ／２位相干渉画像の同一位置おけるΔφを比較することで、ＬＯ光の位相差のπ／２からのずれを検出することができる。この２ｓｈｏｔの位相差のπ／２からのずれ量をｓｈｏｔ間位相差δとよぶ。δの値が許容値以上の値である場合は、再度再生処理をやり直す、もしくは、δを補正した位相検出計算を行う。このとき、数式２によって、補正された位相信号φを得ることができる。
【００６７】
【数２】
2018206453.tif 000004
【００６８】
ここでＩｃａｍ＿Ｆｉｌｔｅｒ（θ）は、光検出器により検出した画像の平均値、または予め取得しておいたＬＯ光の強度分布を減算することにより得られた画像であり、θは信号光とＬＯの位相差である。ここで、予めＬＯ光の２つの偏光成分（信号光と平行な成分および直交する成分）の強度分布を測定しておき、最適な強度分布の減算を行ってもよい。また、ａｔａｎ２（ｙ，ｘ）は、４象限逆正接関数であり、−π〜＋πの値を返す。数式２により、高いＳＮＲでの位相検出が可能となる。
【００６９】
次に、ＰＲＢの検出方法について詳細に説明する。光検出器によって取得された画像内のＰＲＢは、ＬＯ光との干渉によりＬＯ光との位相差に応じた強度分布のパターンとなっている。このＰＲＢパターンの位置を、干渉画像中から検出するためにパターンマッチングを行う。パターンマッチングは数式３に示す２次元の相互相関計算により行う。
【００７０】
【数３】
2018206453.tif 000005
【００７１】
ここでｍ，ｎは横方向、縦方向の画素番号、ｆ（ｍ，ｎ）は相互相関結果の画像、ｈ（ｍ，ｎ）は信号光画像、ｇ（ｍ，ｎ）は参照画像である。
【００７２】
図１０Ｃと図１０Ｄは、パターンマッチングに用いる２つの参照画像の例を示す。図１０Ｃの参照画像１（符号１００５）は、ＰＲＢに対して位相差０のＬＯ光を干渉させたときの強度パターンをベースに、平均値が０となるように作成する。また、図１０Ｄの参照画像２（符号１００６）は、ＰＲＢに対して位相差π／２のＬＯ光を干渉させたときの強度パターンをベースに作成する。これら２枚の参照画像を用いることにより、あらゆるＬＯ光との位相ずれに対して耐性のあるパターンマッチングが可能である。
【００７３】
また、参照画像は２枚以上のより多くのパターンとしてもよく、例えば４枚の参照画像として、上記２枚に追加して、π／４および３π／４の位相差を持つＬＯ光を干渉させたときの強度パターンをベースに２枚の参照画像を作成することで、より高精度なＰＲＢ検出が可能となる。さらに、信号光に埋め込まれた複数のＰＲＢを検出の際に、各ＰＲＢの存在する付近の小領域に区切って画像の強度値を規格化することで、高精度にＰＲＢ検出が可能となる。
【００７４】
続いて、パターンマッチングの具体的な方法について説明する。パターンマッチングは、画像の相互相関を計算することで実現する。参照画像１、２に対して、それぞれ干渉画像との相互相関を計算すると、相関画像１、２が生成される。これら２つの相関画像の絶対値の和を計算する。これにより、ＬＯ光の位相ずれが０〜２πまで発生したあらゆる画像に対して、必ずピークを持つ相関画像を生成することができる。その理由を以下に述べる。
【００７５】
ＬＯ光との位相ずれをΔφと書くと、Δφ＝０では、ＰＲＢ部分の強度分布は参照画像１と一致し、Δφ＝π／２では、参照画像２と一致する。また、Δφ＝πでは、参照画像１の反転と一致し、Δφ＝３π／２では、参照画像２の反転と一致する。そのため、これら４種類のΔφに対しては、参照画像１，２によって、それぞれ＋か−のピークが得られるので、２つの相関画像の絶対値の和を計算することで必ず＋のピークが得られる。また、Δφが上記以外の場合でも必ず＋のピークが得られる。２枚以上の参照画像を用いた場合も同様に絶対値の和を計算することで、ピークを得ることができる。
【００７６】
ピーク検出処理（Ｓ９０３）は、相関画像の最大値がある閾値を超えていればピークであるとして検出する。ここで、相関画像の最大値が閾値を下回る場合には、ピーク検出異常と判断し、周囲の別のＰＲＢから得られる情報などにより補間処理を行う。閾値は相関画像の平均値や標準偏差の１以上の定数倍とすることで、高精度なピーク検出が可能である。ピーク検出は、ピーク位置周囲の情報を用いて補間することで、サブピクセル精度で位置ずれを求めても良い。これにより、より高精度なリサンプリングが可能となる。
【００７７】
［ＬＯ光位相ずれ除去］
図１２Ａは、ＬＯ光位相ずれ除去のフローチャートであり、図８のＬＯ光位相ずれΔφ除去処理（Ｓ８０６）に対応する。また、図１２Ｂは、図１２Ａのフローに含まれる累乗法の概略を示す図である。
【００７８】
リサンプリング処理後のデータは、ＳＬＭに表示した記録画像と同じサイズの画像データとなっている。この画像データは、ＳＤ−ＱＰＳＫによって符号化されたデータであるため、図９Ｃで述べたように、隣り合うピクセルの差を取る空間差動計算を行うことで、元のデータを復元する（Ｓ１１００）。
【００７９】
次に、図１２Ｂに示す累乗法を行う。空間差動計算によって得られた位相信号Ａｉを、ｅｘｐ（ｊＡｉ）として振幅１の複素数信号に変換する。ここでｊは虚数単位を表している。その後、この複素数信号をＭ乗する（Ｓ１１０１）。Ｍは位相多値数であり、ＳＤ−ＱＰＳＫの信号では、０、π／２、π、３π／２の４つの位相を用いるため、Ｍ＝４となる。複素数信号の４乗は、（ｅｘｐ（ｊＡｉ））＾４＝ｅｘｐ（ｊ４Ａｉ）となり、位相が４倍される。すると、０、π／２、π、３π／２の位相はそれぞれ、０、２π、４π、６πとなり、元の複素数信号はすべて１となる。つまり、位相が０になる。ここで、実際には、位相信号φｉにはＬＯ光の位相ずれΔφが付加されているので、複素数信号はｅｘｐ（ｊφｉ＋ｊΔφｉ）となり、４乗すると、ｅｘｐ（４ｊφｉ＋４ｊΔφｉ）＝ｅｘｐ（ｊ４Δφｉ）となる。
【００８０】
次にこの複素数信号を１／Ｍ乗する。つまり本実施例の場合１／４乗する（Ｓ１１０３）ことにより、ＬＯ光の位相ずれΔφのみの情報を得ることができる。よって、この複素数信号から位相のみを取得することにより、Δφの推定値を計算することができる（Ｓ１１０４）。これにより得られたΔφｉを元の位相信号から減算することにより、正しい位相情報φｉを求めることができる（Ｓ１１０６）。
【００８１】
ただし、符号間干渉などの影響により、ピクセル毎にノイズが乗っている。そのため、ｅｘｐ（ｊ４Δφｉ）が得られた段階で、空間的な平滑化フィルタを用いて、ピクセル毎に乗っているノイズの影響を低減する（Ｓ１１０２）。平滑化フィルタは２次元のフィルタであって、空間的に４乗後の複素数信号ｅｘｐ（ｊ４Δφｉ）を平滑化する。複素数信号の平滑化計算は、実部と虚部に分けてそれぞれ平滑化することによって得られる。これにより、高精度にＬＯ光の位相ずれΔφを求めることができる。
【００８２】
また、累乗法は、Δφがπ／２以上の場合には正しく値が求まらない。差動符号化を用いているためΔφは小さくなっており、π／２以上となることはまれであるが、Δφの変化が大きい部分ではπ／２以上となり、位相のとびが発生する。Δφは通常連続的であるが、π／２以上となった部分では、Δφの値が大きく変化し位相とびとなる。よって、この位相とびを検出することで、正しくΔφを得られているかを確認することができる（Ｓ１１０５）。位相とびが検出された場合は、±π／２の計算をして位相接続処理を行う。
【００８３】
ここで、位相８値、１６値などのＭ値の位相多値記録（位相は等間隔で、位相の信号間距離は２π／Ｍ）または、振幅位相多値記録（振幅も２値以上）の場合もＭ＝８、１６としてＭ乗することで同様の効果が得られる。
【００８４】
［シミュレーション結果］
図１３Ａ〜Ｄと図１４Ａ〜Ｄは、上記の処理によって位相ずれΔφの除去を行ったシミュレーション結果を示している。本シミュレーションは、図１４Ｄに示すパラメータにより行った。図１３Ａ〜Ｄは、ＬＯ光位相ずれΔφとしてデフォーカス収差を用いた場合のＳＮＲの変化を示している。ここでＳＮＲは、再生位相のヒストグラムのある信号におけるばらつき（標準偏差）σを用いて、数式４で定義した。
【００８５】
【数４】
2018206453.tif 000006
【００８６】
図１３Ａは、従来法（ＱＰＳＫ）の結果である。従来法では、ＬＯ光位相ずれΔφの補正を行わないために、Δφ（デフォーカス収差）が大きくなるに従って（任意単位で０から０．５）、ＳＮＲが劣化していることが分かる。本グラフにおいて、αは空間フィルタ２１４の一辺の長さのナイキスト比であり、本シミュレーションでは、α＝２．５とα＝√１．３で計算を行った。αが小さいほど符号間干渉の影響によりＳＮＲが劣化することも分かる。
【００８７】
図１３Ｂは、本実施例の差動符号化（ＳＤ−ＱＰＳＫ）を用いた結果である。差動符号化により、低周波な位相揺らぎ成分を除去できるため、Δφ（デフォーカス収差）が上記の範囲（０から０．５までの間）では、ＳＮＲの劣化はないことが分かる。よって、ＳＤ−ＱＰＳＫにより、ＬＯ光の位相ずれΔφの影響を除去できることが確認できた。
【００８８】
続いて図１３Ｃは、差動符号化（ＳＤ−ＱＰＳＫ）を用いた結果であるが、横軸のデフォーカス収差を２０倍広いレンジ（０から１０までの間）でプロットしたものである。本結果から、ＳＤ−ＱＰＳＫを用いても、Δφ（デフォーカス収差）が２を超えると、ＳＮＲが劣化することが分かる。
【００８９】
図１３Ｄは、図１３ＣのＳＤ−ＱＰＳＫでも除去しきれなかったΔφの影響を、累乗法を用いて除去した結果を示す。Δφ（デフォーカス収差）を０から１０まで変化させても、ＳＮＲの劣化はほとんどないことが確認できる。よって、ＳＤ−ＱＰＳＫと累乗法を用いることにより、ＬＯ光の位相ずれΔφによるＳＮＲの劣化を抑制し、高ＳＮＲの信号再生を実現可能であることが確認できた。
【００９０】
また、図１４Ａ〜Ｃは、α＝√１．３、Δφ（デフォーカス収差）＝１０のときのΔφの位相分布画像を示している。図１４Ａは、Δφ（デフォーカス収差）であり、−π〜＋πラジアンの大きな位相揺らぎが確認できる。図１４Ｂは差動符号化（ＳＤ−ＱＰＳＫ）によりΔφを除去した後の位相分布画像である。−１．０〜＋１．０ラジアンの位相揺らぎが残留していることが確認できる。図１４Ｃは、累乗法により推定したΔφの位相分布画像であり、図１４Ｂとほぼ同様の位相分布画像が得られていることが分かる。よって、図１４Ｃのように推定されたΔφを用いて、図１４Ｂで残留したΔφを除去することにより、信号全面に渡りΔφをほぼ０にすることができる。従って、本実施例の方法により高ＳＮＲの信号再生を実現できることが判明した。
【実施例２】
【００９１】
実施例２では、装置構成と全体の処理フローは実施例１の図８までに示した内容と同一であるが、リサンプリング処理（Ｓ８０５）の方法が異なっている。実施例１では、光検出器で得られた強度画像をリサンプリングしたが、実施例２では位相画像をリサンプリングする。
【００９２】
図１５は、本実施例のリサンプリング処理（Ｓ８０５’）のフローチャートである。まず、光検出器によって得られた「０位相干渉画像」と「π／２位相干渉画像」の２枚の画像から、数式１または数式２によって位相信号を求める（Ｓ１５００）。その後、位相信号の画像の中からＰＲＢの位置を検出する（Ｓ１５０１〜Ｓ１５０３）。ただし、位相信号画像でのＰＲＢの検出は、相互相関を用いたパターンマッチングを用いることができない。その理由を説明する。
【００９３】
図１６Ａ，Ｂは、位相信号画像のＰＲＢの例を示す図である。図１６Ａは、信号光に付加するＰＲＢ１００２のパターンを示す。これに対し図１６Ｂは、検出された位相信号画像のＰＲＢ１６００のパターンを示し、それぞれの位相信号にＬＯ光の位相ずれΔφが付加される。Δφ＝０のときは、通常の相互相関計算（数式３）によってパターンマッチングを行うことができるが、Δφ≠０のときは、通常の相関計算によってパターンマッチングを行うことができない。例えば、Δφ＝πのときは、「０、π／２、π、３π／２」の信号がそれぞれ「π、３π／２、０、π／２」となり、位相の２πで０にもどる巡廻性により異なるパターンとなる。
【００９４】
よって本実施例では、Δφ≠０のときのＰＲＢの検出を、数式５と数式６に示す位相相関計算によって行う（Ｓ１５０１）。その際、図１６Ｃに示す参照位相パターン１６０１を用いる。
【００９５】
【数５】
2018206453.tif 000007
【００９６】
【数６】
2018206453.tif 000008
【００９７】
ここでｍ，ｎは横方向、縦方向の画素番号、ｆ（ｍ，ｎ）は相互相関結果の画像、ｈ（ｍ，ｎ）は信号位相パターン、ｇ（ｍ，ｎ）は図１６Ｃに示す参照位相パターン１６０１である。ｔ（ｍ，ｎ，ｋ，ｌ）は、信号位相パターンと参照位相パターンのピクセル毎の位相差であり、このｔは２つのパターンが一致するとき、すべてのｋ，ｌで、ｔ（ｍ，ｎ，ｋ，ｌ）＝ｔ（ｍ，ｎ，ｋ−１，ｌ）＝Δφとなるため、ｔ（ｍ，ｎ，ｋ，ｌ）−ｔ（ｍ，ｎ，ｋ−１，ｌ）＝０、つまり、ｆ（ｍ，ｎ）＝０となる。よって、ｆ（ｍ，ｎ）の最小値部分が相関ピークとなり、この相関ピークを検出することで、ＰＲＢの位置を検出することができる。
【００９８】
ピーク検出処理（Ｓ１５０２）は、画像ｆの最小値がある閾値を下回っていればピークであるとして検出する。ここで、画像ｆの最小値が閾値を越える場合には、ピーク検出異常と判断し、周囲の別のＰＲＢから得られる情報などにより補間処理を行う。閾値は画像ｆの平均値や標準偏差の１以下の定数倍とすることで、高精度なピーク検出が可能である。ピーク検出は、ピーク位置周囲の情報を用いて補間することで、サブピクセル精度で位置ずれを求めても良い。また、位相を扱う計算は、２πで０に戻る巡廻性を考慮して、適宜−π〜＋πの範囲に値が存在するかをチェックし、存在しなければ±πの計算により−π〜＋πの範囲に存在するようにする必要がある。これにより、より高精度なリサンプリングが可能となる。
【００９９】
本手法では、実施例１と異なり、相関計算の際の参照画像は１枚でよく、一度の位相相関計算により、ＰＲＢ位置を求めることができる特徴がある。また、ＬＯ光の位相ずれΔφに対するロバスト性にも優れている。
【０１００】
以上の方法によって位相相関ピークを検出したのち、ピークの位置からＰＲＢの位置ずれ量を求める（Ｓ１５０３）。そして、ＰＲＢ部分のΔφを検出する（Ｓ１５０４）。ＰＲＢ部分のΔφはピーク位置の座標を（ｍＰ，ｎｐ）とすると、数式７により求めることができる。
【０１０１】
【数７】
2018206453.tif 000009
【０１０２】
ここでＫ，Ｌは、ｋ，ｌの総数である。本結果を用いて実施例１と同様に、ｓｈｏｔ間位相差δを求めることができる。δの値が許容値以上の値である場合は、再度再生処理をやり直す、もしくは数式２を用いて、δを補正した位相検出計算を行う。
【０１０３】
次に、ダウンサンプリング処理（Ｓ１５０５）を行う。本実施例では、位相信号画像をダウンサンプリングするために、一度位相信号φに対してｓｉｎφ、ｃｏｓφの画像を生成して、各画像のダウンサンプリングを行う。これにより、通常の画像処理で行われている各種のリサンプリングアルゴリズムを用いることができる。
【０１０４】
また、０位相干渉画像およびπ／２位相干渉画像を、上記で求めたＰＲＢの位置ずれ量を用いてリサンプリングを行ってもよい。以上の方法で、リサンプリング処理を完了した後、実施例１と同様にＳＤ−ＱＰＳＫ信号の計算および累乗法を行うことで、記録された位相情報を高ＳＮＲで検出し、データを再生することができる。
【０１０５】
図１７Ａ〜Ｄは、ＬＯ光位相ずれがあった場合のＰＲＢ検出のシミュレーション結果を示している。図１７Ａは、本シミュレーションで用いた位相ずれΔφの位相分布画像である。また、図１７Ｂは、０位相干渉画像とπ／２位相干渉画像の２枚の画像を用いて計算した位相信号画像である（Ｓ１５００）。画像には、ＰＲＢが縦４×横４の合計１６個が等間隔に埋め込まれている。図１７Ｃは、上記の位相相関を計算した結果の画像である（Ｓ１５０１）。１６の領域で相関計算を行い、各領域の中央に相関ピークが得られる。図１７Ｄは、図１７Ｃの相関結果の１つの領域を拡大したものであり、中央に最小値のピーク１７００が得られていることが分かる（Ｓ１５０２）。よって、図１７Ａで示すＬＯ光位相ずれが存在した場合でも、本手法によりＰＲＢを正しく検出できることが確認できた。
【０１０６】
よって、上記のＰＲＢ検出方法は、ＬＯ光位相ずれの影響を受けにくい手法であることが確認できた。また、本手法は、１枚の参照位相パターンによって１度の相関演算を行うことにより実現できるため、計算量の観点でも、強度画像による検出よりも効率的である。
【０１０７】
以上述べたように実施例１，２によれば、ホログラフィを用いた位相多値記録における課題であるＬＯ光と再生信号光の位相ずれΔφの影響を、空間的な差動符号化を用いた空間差動四相位相偏移変調（ＳＤ−ＱＰＳＫ）および累乗法を用いることで効果的に除去することができる。その際、記録するデータ量を減少させることはない。また、既知の位相パターン（ＰＲＢ）を検出する際に、位相画像での相関演算を用いることにより、少ない計算量で高精度なＰＲＢ検出が可能になる。また、ｓｈｏｔ間位相差δをＰＲＢを用いて計測することで、再生信号の補正を行い、高ＳＮＲ化を実現できる。
【０１０８】
上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【０１０９】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積手段で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。また、制御線、情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての、制御線などの制御線、情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【０１１０】
１：光情報記録媒体、１０：光情報記録再生装置（ホログラフィックメモリ装置）、１１：光学系、８５：再生信号処理手段、８６：記録信号処理手段、８９：コントローラ、２１２：空間光変調器（ＳＬＭ）、２２５：光検出器、２２９：局部発振（ＬＯ）光、２５１：バリアブルリターダー、５０７：差動符号化手段、５０８：位相リザーブドブロック（ＰＲＢ）付加手段、６０９：ＬＯ光位相ずれΔφ除去手段、６１０：リサンプリング手段、６０８：ｓｉｎ画像／ｃｏｓ画像生成手段、１０００：信号光画像、１００１：信号表示部、１００２：位相リザーブドブロック(ＰＲＢ)、１００３：ＰＲＢ低周波領域、１００４：ＰＲＢ高周波領域、１００５：参照画像１、１００６：参照画像２、１２００：ＳＬＭ表示信号、１６００：検出された位相画像のＰＲＢ、１６０１：参照位相パターン、１７００：相関ピーク。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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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９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１５】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１７Ｃ】
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【図１７Ｄ】
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