(57)【要約】      （修正有）【課題】デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして記録し且つ再生することができるホログラム記録装置及びホログラム記録方法を提供する。【解決手段】デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に対し前記明暗画像の複数画素の明暗を反転させた反転領域が複数配置された信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換された信号光と参照光とを光記録媒体に照射して、前記信号光をホログラムとして記録する。【選択図】図１
2008065967.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に対し前記明暗画像の複数画素の明暗を反転させた反転領域が複数配置された信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換された信号光と参照光とを光記録媒体に照射して、前記信号光をホログラムとして記録するホログラム記録方法。
【請求項２】
前記信号光は、前記反転領域が周期的に配列された信号光であることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録方法。
【請求項３】
前記信号光は、前記反転領域がランダムに配置された信号光であることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録方法。
【請求項４】
前記反転領域の周期は、前記明暗画像の画素の一辺の長さをｄとした場合に、Ｔ＞ｄの条件を満たす周期Ｔであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
【請求項５】
前記反転領域の周期は、前記明暗画像の画素の一辺の長さをｄとした場合に、Ｔ＞２ｄの条件を満たす周期Ｔであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
【請求項６】
前記反転領域は、反転させる画素数の異なる複数種類の反転領域を含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
【請求項７】
前記信号光は、光軸を中心に略円形に拡がる前記光の強度分布に対して、前記反転領域を前記光軸から所定距離内に配置させた信号光であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
【請求項８】
デジタルデータを複数の暗画素中に明画素又は暗画素を配置した単位ユニットで二次元符号化したことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のホログラム記録方法。
【請求項９】
前記反転領域を、前記二次元符号化の単位ユニット又は複数の単位ユニットからなる単位ブロックとしたことを特徴とする請求項８に記載のホログラム記録方法。
【請求項１０】
可干渉性の光を照射する照射光源と、
前記照射光源から照射された前記可干渉性の光を透過又は反射する画素を複数配列して構成され、前記可干渉性の光を透過又は反射することにより画素毎に変調する空間光変調器と、
デジタルデータが入力される入力部、入力されたデジタルデータを二次元符号化して明暗パターンを生成する符号化部、前記明暗パターンに対し前記明暗パターンの複数画素の明暗を反転させた反転領域を複数形成する反転処理部、及び反転処理された明暗パターンを前記空間光変調器に表示するための信号を出力する出力部を備えたパターン生成装置と、
前記空間光変調器により信号光が生成されるように、前記パターン生成装置の出力信号に応じて前記空間光変調器の各画素を制御する制御手段と、
前記空間光変調器で生成された信号光をフーリエ変換する光学系と、
フーリエ変換された前記信号光と参照光とを前記光記録媒体に照射する照射手段と、
を備えたホログラム記録装置。
【請求項１１】
前記反転処理部は、前記二次元符号化の単位ユニット又は複数の単位ユニットからなる単位ブロックに対応させたマスク部が周期的に配列されたマスク画像又は前記マスク部がランダムに配置されたマスク画像を生成するマスク生成部と、前記明暗パターンの各画素の明暗を前記マスク画像の前記マスク部に応じて反転させるマスク処理部とを備えたことを特徴とする請求項１０に記載のホログラム記録装置。
【請求項１２】
デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に対し前記明暗画像の複数画素の明暗を反転させた反転領域が複数配置された信号光のフーリエ変換像をホログラムとして記録した光記録媒体。
【請求項１３】
前記信号光は、前記反転領域が周期的に配列された信号光であることを特徴とする請求項１２に記載の光記録媒体。
【請求項１４】
前記信号光は、前記反転領域がランダムに配置された信号光であることを特徴とする請求項１２に記載の光記録媒体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラム記録装置、ホログラム記録方法、及び光記録媒体に係り、特に、デジタルデータを明暗画像で表す信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換像をホログラムとして記録するホログラム記録装置、ホログラム記録方法、及び光記録媒体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ホログラフィック・データ・ストレージでは、二値のデジタルデータの「０，１」が「明画素、暗画素」としてデジタル画像（信号光）化され、信号光はレンズによりフーリエ変換されて光記録媒体に照射される。そして、光記録媒体にはフーリエ変換像がホログラムとして記録される。しかしながら、デジタルデータのフーリエ変換像は０次に極めて強いピーク強度を有しているので、ホログラフィック・データ・ストレージでは、この０次光成分（直流成分）により光記録媒体のダイナミックレンジが浪費され、Ｓ／Ｎ（シグナル−ノイズ比）が低下する、という問題がある。
【０００３】
この問題を解決するために、ランダム位相マスクを用いてフーリエ変換像のパワースペクトルを均一化する方法が提案されている（非特許文献１）。この方法では、透明基板にフォトリソグラフィー等を用いて微細な凹凸が形成されたランダム位相マスクを用いて、信号光の強度分布にランダムな位相分布を重畳させることにより、信号光の０次光成分を高周波側にシフトさせ、記録するフーリエ変換像の強度分布を均一化している。
【０００４】
【非特許文献１】Appl.Opt.,Vol.36,4853(1997)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、信号光にランダムな位相分布を重畳させたのでは、再生画像に複雑なスペックルノイズが発生し、再生データのＳ／Ｎが低下する、という問題がある。また、信号光にランダムな位相分布を重畳させたのでは、焦点深度が低下し、再生時に受光素子に要求される位置精度が厳しくなる、という問題がある。更に、ランダム位相マスクを安価且つ大量に製造するのは困難であり、ランダム位相マスクを用いたのでは記録再生装置の作製コストが高くなる、という問題がある。
【０００６】
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、本発明の目的は、デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして記録し且つ再生することができるホログラム記録装置、及びホログラム記録方法を提供することにある。本発明の他の目的は、デジタルデータを高Ｓ／Ｎで再生することができる光記録媒体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために請求項１に記載のホログラム記録方法は、デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に対し前記明暗画像の複数画素の明暗を反転させた反転領域が複数配置された信号光をフーリエ変換し、フーリエ変換された信号光と参照光とを光記録媒体に照射して、前記信号光をホログラムとして記録することを特徴としている。
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記信号光が、前記反転領域が周期的に配列された信号光であることを特徴としている。
請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記信号光が、前記反転領域がランダムに配置された信号光であることを特徴としている。
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記反転領域の周期は、前記明暗画像の画素の一辺の長さをｄとした場合に、Ｔ＞ｄの条件を満たす周期Ｔであることを特徴としている。
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記反転領域の周期は、前記明暗画像の画素の一辺の長さをｄとした場合に、Ｔ＞２ｄの条件を満たす周期Ｔであることを特徴としている。
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の発明において、前記反転領域は、反転させる画素数の異なる複数種類の反転領域を含むことを特徴としている。
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の発明において、前記信号光は、光軸を中心に略円形に拡がる前記光の強度分布に対して、前記反転領域を前記光軸から所定距離内に配置させた信号光であることを特徴としている。
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の発明において、デジタルデータを複数の暗画素中に明画素又は暗画素を配置した単位ユニットで二次元符号化したことを特徴としている。
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の発明において、前記反転領域を、前記二次元符号化の単位ユニット又は複数の単位ユニットからなる単位ブロックとしたことを特徴としている。
上記目的を達成するために請求項１０に記載のホログラム記録装置は、可干渉性の光を照射する照射光源と、前記照射光源から照射された前記可干渉性の光を透過又は反射する画素を複数配列して構成され、前記可干渉性の光を透過又は反射することにより画素毎に変調する空間光変調器と、デジタルデータが入力される入力部、入力されたデジタルデータを二次元符号化して明暗パターンを生成する符号化部、前記明暗パターンに対し前記明暗パターンの複数画素の明暗を反転させた反転領域を複数形成する反転処理部、及び反転処理された明暗パターンを前記空間光変調器に表示するための信号を出力する出力部を備えたパターン生成装置と、前記空間光変調器により信号光が生成されるように、前記パターン生成装置の出力信号に応じて前記空間光変調器の各画素を制御する制御手段と、前記空間光変調器で生成された信号光をフーリエ変換する光学系と、フーリエ変換された前記信号光と参照光とを前記光記録媒体に照射する照射手段と、を備えたことを特徴としている。
請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の発明において、前記反転処理部が、前記二次元符号化の単位ユニット又は複数の単位ユニットからなる単位ブロックに対応させたマスク部が周期的に配列されたマスク画像又は前記マスク部がランダムに配置されたマスク画像を生成するマスク生成部と、前記明暗パターンの各画素の明暗を前記マスク画像の前記マスク部に応じて反転させるマスク処理部とを備えたことを特徴としている。
上記目的を達成するために請求項１２に記載の光記録媒体は、デジタルデータを明暗画像で表す光の強度分布に対し前記明暗画像の複数画素の明暗を反転させた反転領域が複数配置された信号光のフーリエ変換像をホログラムとして記録したことを特徴としている。
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記信号光が、前記反転領域が周期的に配列された信号光であることを特徴としている。
請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載の発明において、前記信号光が、前記反転領域がランダムに配置された信号光であることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
請求項１に記載の発明によれば、フーリエ変換像の強度分布を均一化することができ、デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして記録し且つ再生することができる、という効果がある。
請求項２に記載の発明によれば、ランダムに反転させる場合に比べて、反転パターンの生成が容易になる。
請求項３に記載の発明によれば、周期的に反転させる場合に比べて、フーリエ変換像の強度分布をより一層均一化することができる。
請求項４、請求項５に記載の発明によれば、最低限必要な記録領域（ナイキスト領域）内に複数の強度ピークを有するフーリエ変換像を形成することができ、記録領域を微小化しても記録スポット内の光強度分布を均一化することが可能となるため、高いＳ／Ｎを実現することができる。
請求項６、請求項７に記載の発明によれば、フーリエ変換像の強度ピークがブロード化すると共に、フーリエ変換パターンの強度ピークの数が増加し、フーリエ変換像の強度分布を更に均一化することができる。
請求項８に記載の発明によれば、０次光成分を直接低減することができ、フーリエ変換像の強度分布をより均一化することができる。また、多重記録の場合にも高いＳ／Ｎを得ることができる。
請求項９に記載の発明によれば、反転周期と二次元符号化の単位ユニットとの関係が明確であるため、符号化及び復号が容易になる。
請求項１０、１１に記載の発明によれば、フーリエ変換像の強度分布を均一化することができ、デジタルデータを高Ｓ／Ｎでホログラムとして記録し且つ再生することができる、という効果がある。また、信号光にランダムな位相分布を重畳させる場合と比べ、複雑なスペックルノイズを発生させることがなく、再生光学系のアライメントが容易になると共に、高価なランダム位相マスクを使用しないので装置コストも低減できる。即ち、本発明のホログラム記録装置は、安価で汎用性がある。
請求項１２に記載の発明によれば、デジタルデータを高Ｓ／Ｎで再生することができる。
請求項１３に記載の発明によれば、ランダムに反転させる場合に比べて、記録時に反転パターンの生成が容易になる。
請求項１４に記載の発明によれば、周期的に反転させる場合に比べて、フーリエ変換像の強度分布をより一層均一化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。
【００１０】
（ホログラム記録再生装置）
図１は本実施の形態で使用するホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。
このホログラム記録再生装置には、コヒーレント光であるレーザ光を発振する光源１０が設けられている。光源１０のレーザ光照射側には、レーザ光を信号光用の光と参照光用の光とに分離するビームスプリッタ１２が配置されている。ビームスプリッタ１２の光透過側には、ビームスプリッタ１２を透過した信号光用の光を遮断するためのシャッター１４が、光路に対し挿入及び退避可能に配置されている。シャッター１４の光透過側には、コリメータレンズ１６ａ、１６ｂ、及びフーリエ変換レンズ１８で構成されたレンズ系がこの順に配置されている。
【００１１】
コリメータレンズ１６ｂとフーリエ変換レンズ１８との間には、液晶表示素子等で構成され、コンピュータ２０から供給されたデジタルデータに応じて信号光用のレーザ光を変調し、各ページ毎のデジタルパターン（信号光１）を生成する透過型の空間光変調器２２が配置されている。ビームスプリッタ１２の光反射側には、ビームスプリッタ１２で反射された参照光用のレーザ光（参照光２）を反射して光路を光記録媒体２４の方向に変更するための反射ミラー２６、２８が配置されている。
【００１２】
ホログラム再生時、光記録媒体２４に参照光が照射されると、照射された参照光は、ホログラムによって回折され、回折光は光記録媒体２４から射出される。従って、光記録媒体２４の再生光射出側には、フーリエ変換レンズ３０、及びＣＣＤやＣＭＯＳセンサアレイ等の撮像素子で構成され、受光した再生光（回折光３）を電気信号に変換して出力する光検出器３２が配置されている。
【００１３】
光検出器３２は、コンピュータ２０に接続されている。また、コンピュータ２０は、空間光変調器２２に表示されるパターンを発生するパターン発生器３４を介して、空間光変調器２２に接続されている。また、コンピュータ２０には、シャッター１４を光路中に挿入又は退避するように駆動する駆動装置３６が接続されている。
【００１４】
次に、上記の記録再生装置の動作について説明する。
ホログラムを記録する場合は、まず、駆動装置３６によりシャッター１４を光路から退避させて、レーザ光が通過できるようにする。光源１０から発振されたレーザ光は、ビームスプリッタ１２により信号光用の光と参照光用の光とに分離される。ビームスプリッタ１２を透過したレーザ光は、コリメータレンズ１６ａ、１６ｂにより大径のビームにコリメートされて、信号光用の光として空間光変調器２２に照射される。
【００１５】
コンピュータ２０からパターン発生器３４にデジタルデータが入力される。パターン発生器３４では、供給されたデジタルデータに応じて、空間光変調器２２に表示されるパターンが生成される。空間光変調器２２には、パターン発生器３４で発生させた合成パターンが表示され、表示されたパターンに応じて信号光用のレーザ光が強度変調され、信号光１が生成される。これにより、信号光１の強度分布（以下、「デジタルパターン」という。）は、空間光変調器２２に表示される明暗パターンに対応したものとなる。    
【００１６】
生成された信号光１は、フーリエ変換レンズ１８によりフーリエ変換され、光記録媒体２４に照射される。同時に、ビームスプリッタ１２で反射されたレーザ光は、反射ミラー２６、２８で反射され、光記録媒体２４に参照光２として照射される。参照光２はフーリエ変換後の信号光１が照射される領域に照射される。これによって、光記録媒体２４中でフーリエ変換後の信号光１と参照光２とが干渉し、光記録媒体２４中に信号光１がホログラムとして記録される。
【００１７】
ホログラムを再生する場合は、駆動装置３６によりシャッター１４を光路に挿入して、信号光用の光を遮断する。これにより、参照光２だけが光記録媒体２４のホログラムが記録された領域に照射される。照射された参照光２は、ホログラムによって回折される。光記録媒体２４にはフーリエ変換像が記録されているので、回折光３をフーリエ変換レンズ３０により逆フーリエ変換することによって、フーリエ変換レンズ３０の焦点面で再生像を観察することができる。この再生像を光検出器３２によって検出して、信号光１に保持されたデジタルデータを読み取ることができる。
【００１８】
（パターン発生器）
次に、上記の記録再生装置に設けられたパターン発生器３４の構成について詳しく説明する。図２に示すように、パターン発生器３４は、コンピュータ２０からデジタルデータが入力されるデータ入力部４０、入力されたデータに応じて符号化パターンを生成する符号化パターン生成部４２、マスクパターンを構成する各種パターンを格納したパターン格納部４４、マスクパターンを生成するマスクパターン生成部４６、生成されたマスクパターンを参照してマスク処理を行うマスク処理部４８、及びマスク処理されたパターンを空間光変調器２２に出力する表示パターン出力部５０から構成されている。
【００１９】
符号化パターン生成部４２は、入力されたデジタルデータを、数ビットのビット列毎に、複数の明暗画素が二次元状に配置された明暗パターン（以下、「二次元変調コード」という。）で符号化し、符号化パターンを生成する。例えば、図３（Ａ）に示すように、３×３画素を１ユニット（ユニット５２）とし、合計９画素のうち３画素を「明画素」とする場合には、その組み合わせ（明暗パターン）は９Ｃ３＝８４通りある。そのうちの６４（＝２６）通りの明暗パターンを用いることで、６ビットのデジタルデータを表現することができる。
【００２０】
デジタルデータが数ビット毎に二次元変調コードで符号化され、ユニット５２毎に明暗パターンが表示される。明暗パターンが表示された複数のユニット５２は、図３（Ｂ）に示すように、縦方向及び横方向に所定の順序で配列される（単位ブロック５６）。この例では、１６個のユニットが４×４のマトリクス状に配列され、１２×１２画素の領域が符号化されている。こうして入力されたデジタルデータが、符号化パターンに変換される。
【００２１】
パターン格納部４４には、マスクパターンを構成する各種の明暗パターンが格納されている。明暗パターンには、明部と暗部とが周期的に配置された「周期パターン」と、明部と暗部とがランダムに配置された「ランダムパターン」とがある。周期パターンとしては、図４（Ａ）に示すように、明部と暗部とが格子状に配置されたチェッカーパターンを用いることができる。また、図４（Ｂ）に示すように、明部である背景に対し暗部である円形が周期的に配置された円配列パターンを用いることができる。
【００２２】
また、図４（Ｃ）に示すように、明部である背景に対し暗部である多角形が周期的に配置された多角形配列パターンを用いることができる。ここでは、多角形が正方形の場合を図示したが、三角形、長方形等の他の四角形、五角形、六角形等でもよい。また、図４（Ｄ）に示すように、明部と暗部とが交互に配列されたストライプパターンを用いることができる。なお、周期パターンの明部又は暗部が配列される「周期」については後述する。なお、図４（Ｂ）と図４（Ｃ）では、明部である背景に暗部のパターンを用いた例を示したが、当然暗部である背景に明部のパターンでも可能である。
【００２３】
マスクパターン生成部４６は、予め設定された条件に応じてパターン格納部４４から１以上の周期パターン又はランダムパターンを選択し、符号化パターンと同じ大きさのマスクパターンを生成する。或いは、符号化パターンを複数の領域に分割し、分割された領域毎に異なる周期パターン又はランダムパターンを選択してもよい。マスク処理部４８は、生成されたマスクパターン（周期パターン又はランダムパターン）を参照して符号化パターンの明暗を反転させ、表示パターンを生成する。
【００２４】
例えば、符号化パターンとマスクパターンの各々の暗部を０、明部を１と表現したとき、符号化パターンの画素値とマスクパターンの画素値の排他的論理和（ＸＯＲ）を出力することによって、マスクパターンの明部に対応して符号化パターンの明暗を容易に反転させることができる。ＸＯＲ演算の真理値表を以下に示す。
【００２５】
【表１】
2008065967.tif 000003
【００２６】
例えば、図５に示す符号化パターン５４を、図６に示すマスクパターン５８を用いてマスク処理する場合について説明する。符号化パターン５４は、図３（Ｂ）に示す１２×１２画素の領域を単位ブロック５６とし、複数の単位ブロック５６を配列したものである。この例では、９個の単位ブロック５６11〜５６33が、３×３のマトリクス状に配列されている。単位ブロック５６mnは、マトリクスのｍ行ｎ列に配置された単位ブロックを表す。
【００２７】
マスクパターン５８は、１２×１２画素の領域毎に、明部６０Ｗと暗部６０Ｂとを交互に反転させたチェッカーパターンである。この例では、４個の明部６０Ｗ12、６０Ｗ21、６０Ｗ23、６０Ｗ32と、５個の暗部６０Ｂ11、６０Ｂ13、６０Ｂ22、６０Ｂ31、６０Ｂ33とが、３×３のマトリクス状に配列されている。明部６０Ｗmn又は暗部６０Ｂmnは、マトリクスのｍ行ｎ列に配置された部分を表す。
【００２８】
マスク処理部４８では、符号化パターン５４の画素値とマスクパターン５８の画素値のＸＯＲ演算を実施することで、例えば、図７に示すように、マスクパターン５８の明部６０Ｗに対応する単位ブロック５６の各画素の明暗を反転させて、表示パターン６２を生成する。表示パターン６２には、９個の単位ブロック５６11〜５６33の各々に対応する単位ブロック６４11〜６４33が、３×３のマトリクス状に配列されている。単位ブロック６４mnは、マトリクスのｍ行ｎ列に配置された単位ブロックを表す。
【００２９】
例えば、符号化パターン５４の単位ブロック５６12は、明部６０Ｗ12に応じて明暗が反転され、表示パターン６２の単位ブロック６４12となる。同様に、単位ブロック５６21は、明部６０Ｗ21に応じて明暗が反転され、単位ブロック６４21となる。単位ブロック５６23は、明部６０Ｗ23に応じて明暗が反転され、単位ブロック６４23となる。単位ブロック５６32は、明部６０Ｗ32に応じて明暗が反転され、単位ブロック６４32となる。一方、５個の暗部６０Ｂ11、６０Ｂ13、６０Ｂ22、６０Ｂ31、６０Ｂ33の各々に対応する部分では、明暗は反転しない。
【００３０】
符号化パターン５４の明暗を、マスクパターン５８を参照して周期的に反転させることで、符号化パターン５４に周期パターンが重畳される。空間光変調器２２に周期パターンが重畳された表示パターン６２が表示され、信号光１が生成される。生成された信号光１はフーリエ変換レンズ１８によりフーリエ変換され、光記録媒体２４に照射される。表示パターン６２から生成された信号光１のフーリエ変換像では、反転パターンによる回折効果によって０次光強度が分散され、フーリエ変換像の強度分布が均一化される。
【００３１】
なお、図５及び図７では、個々の単位ブロックを区別するために、隣接する単位ブロックを離間させた図としたが、符号化パターン５４及び表示パターン６２に含まれる全画素は、所定の間隔で配置されている。また、符号化パターン５４の画素値とマスクパターン５８の画素値のＸＯＲ演算を実施することで表示パターン６２を生成した場合には、再生時には、得られた再生パターンの画素値とマスクパターン５８の画素値のＸＯＲ演算により、元の符号化パターン５４に戻すことができる。
【００３２】
（高Ｓ／Ｎ化の原理）
ここで、図８（Ａ）乃至（Ｃ）を参照して、高Ｓ／Ｎ化の原理を更に詳細に説明する。デジタルパターン（信号光）のフーリエ変換像は、０次に極めて強いピーク強度を有している。このため、図８（Ａ）に示すように、ホログラムの記録領域におけるフーリエ変換スペクトルは略単一ピークとなり、その強度分布は急峻である。一方、周期パターンは、図８（Ｂ）に示すように、パターンの周期構造に応じた離散的な強度分布を有しており、その包絡線は周期パターンの開口率の関数となる。また、ランダムパターンでは、強度分布が更に分散される。
【００３３】
デジタルパターンの明暗を、マスクパターン（マスク部が周期的に配列された周期パターン又はマスク部がランダムに配列されたランダムパターン）に応じて反転させることで、デジタルパターンにマスクパターンが重畳される。マスクパターンが重畳されたデジタルパターンのフーリエ変換スペクトルは、図８（Ｃ）に示すように、デジタルパターンのフーリエ変換スペクトルと、マスクパターンのフーリエ変換スペクトルとの畳み込み積分で表され、強度ピークが分散している。この通り、デジタルパターンにマスクパターンを重畳することにより、記録するフーリエ変換像の強度分布を均一化することができる。
【００３４】
上記のマスクパターンとしては、デジタルパターンの最大周波数より低い周波数成分を有する周期パターン又はランダムパターンを用いる。デジタルデータを再生するために最低限必要となる記録領域の一辺（記録領域が略正方形である場合の一辺）の長さは、デジタルパターンを構成する画素の一辺の長さをｄ、記録波長をλ、フーリエ変換レンズの焦点距離をｆとしたとき、λｆ／ｄで表される。一方、周期パターンの離散的な強度ピークの間隔は、パターン周期をＴとしたとき、λｆ／Ｔで表される。
【００３５】
例えば、デジタルパターンを空間光変調器で生成する場合には、空間光変調器の表示画素の一辺の長さがｄである。また、図４（Ｃ）に示すように、暗部である正方形がマスク部として周期的に配列された周期パターンでは、互いに隣接する２個の正方形の中心点間の距離がパターン周期Ｔである。
【００３６】
最低限必要な記録領域（以下、「ナイキスト領域」という。）に複数の強度ピークを形成するためには、周期パターンの周波数１／Ｔは、デジタルパターンの最大周波数１／２ｄより低くなる、すなわち、パターン周期ＴがＴ＞２ｄの条件を満たす必要がある。パターン周期ＴがＴ＞２ｄの条件を満たすことで、ナイキスト領域内に複数の強度ピークを有するフーリエ変換像を形成することができ、記録領域を微小化しても高いＳ／Ｎを実現することができる。
【００３７】
以上説明した通り、本実施の形態では、符号化パターンにマスクパターン（マスク部が周期的に配列された周期パターン又はマスク部がランダムに配列されたランダムパターン）を重畳し、マスクパターンが重畳されたデジタルパターンから信号光を生成してフーリエ変換するので、フーリエ変換像では０次光強度が分散され、フーリエ変換像の強度分布が均一化されて、デジタルデータを高Ｓ／Ｎで記録し且つ再生することができる。
【００３８】
従来のホログラム記録では、デジタルパターン（信号光）のフーリエ変換像は０次に極めて強いピーク強度を有しているので、ホログラムの記録領域におけるフーリエ変換スペクトルは略単一ピークとなり、その強度分布は急峻である。効率的にホログラムを記録するためには、この高いピーク強度に参照光強度を合わせる必要があり、一般に参照光の光強度を信号光の平均光強度の１０倍程度以上に高める必要があった。
【００３９】
本実施の形態では、フーリエ変換像の強度分布を均一化することで、参照光の光強度を従来の値の１／１０程度まで低減することが可能となる。このように、記録に必要な露光エネルギーを大幅に低減できるため、光記録媒体のダイナミックレンジを有効に活用でき、Ｓ／Ｎ（シグナル−ノイズ比）が高い記録・再生が可能となるのである。       
【００４０】
また、信号光にランダムな位相分布を重畳させる場合と比べ、複雑なスペックルノイズを発生させることがなく、再生光学系のアライメントが容易になると共に、高価なランダム位相マスクを使用しないので装置コストも低減できる。即ち、本発明のホログラム記録方法は、安価で汎用性がある。
【００４１】
なお、上記の実施の形態では、デジタルデータを符号化して得られた符号化パターンは周期的に反転されて記録されているので、ホログラムを再生すると、デジタルパターンが部分的に反転された再生パターンが得られる。再生パターンの明暗と画素（データ位置）との対応づけを行い、二値化処理をした後、得られた再生パターンの画素値とマスクパターンの画素値のＸＯＲ演算を行う。これにより、元の符号化パターンを再生することができ、再生された符号化パターンから元のデジタルデータを復号することができる。
【００４２】
また、上記の実施の形態では、信号光と参照光とを異なる方向から光記録媒体に照射してホログラムを記録する例について説明したが、信号光と参照光とを同一のレンズでフーリエ変換して光記録媒体に照射するいわゆる同軸記録の場合にも、本発明を適用することができる。
【００４３】
また、上記の実施の形態では、予め記憶しておいた周期パターン又はランダムパターンからマスクパターンを生成し、このマスクパターンに応じて表示パターンを生成する例について説明したが、符号化パターンをマスクパターンに応じて反転させるように制御できれば特に制限はなく、表示パターンの生成方法はこれには限定されない。他の表示パターン生成方法としては次の方法がある。
【００４４】
デジタルデータを二次元変調コードに変換する際、一般に、ビット列と二次元変調コードを対応づけるルックアップテーブルを使用する。本方法では反転用のルックアップテーブルも用意する。入力されるビット列（ユニット単位）を、その順番（符号化パターン内での位置情報）をもとに反転するか否か判断し、反転させる場合には反転用のルックアップテーブルを用いてコード化する。これにより、符号化パターンをマスクパターンに応じて反転させることができる。
【００４５】
また、復号の際も再生されたユニットパターン（二次元変調コード）を、その位置情報からどちらのテーブルを使用するかを判断してパターンマッチングを実施し、対応するルックアップテーブルを用いてビット列に変換する。本方法の場合は、図３に示したユニット５２が反転可能な最小単位となる。反転周期をユニット単位もしくは複数のユニットからなるブロック単位とすることで、効率的に表示パターンを生成させることが可能となる。
【実施例】
【００４６】
以下、本発明を実施例により更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４７】
＜符号化パターン＞
以下に示す３種類の二次元変調コードを用いて符号化パターンを構成した。
【００４８】
（１）６：９コード
空間光変調器の３×３画素を１ユニットとし、合計９画素のうち３画素を「明画素」とした場合には、その組み合わせ（明暗パターン）は９Ｃ３＝８４通りある。そのうちの６４（＝２６）通りの明暗パターンを用いて６ビットのデジタルデータを表現した。この二次元変調コードを「６：９コード」という。
【００４９】
（２）５：９コード
空間光変調器の３×３画素を１ユニットとし、合計９画素のうち２画素を「明画素」とした場合には、その組み合わせ（明暗パターン）は９Ｃ２＝３６通りある。そのうちの３２（＝２５）通りの明暗パターンを用いて５ビットのデジタルデータを表現した。この二次元変調コードを「５：９コード」という。
【００５０】
（３）孤立コード
上記６：９コードあるいは５：９コードなどの一画素を空間光変調器の２×２画素で構成し、２×２画素のうち特定の一画素のみを明部としたパターンを「孤立コード」という。記録多重度を増すと、「明」領域に囲まれた「暗」画素がつぶれるなど、相対的に弱い光で記録される高周波成分が劣化する場合があるが、このように「明」画素を孤立させることで、高いＳ／Ｎで記録・再生を行うことが可能となる。開口率の小さな空間光変調器を用いたり、画素に対応して開口率を下げるような強度マスクを用いたりしても、同様の効果が得られる。
【００５１】
＜ＦＦＴシミュレーション＞
上記の二次元変調コードを用いて表示パターンを構成し、フーリエ変換ソフト（ＦＦＴ）により、種々の条件でフーリエ変換パターンを計算した。
【００５２】
（比較例１）
【００５３】
「６：９コード」により符号化したデジタルデータ（符号化パターン）を、空間光変調器の表示領域に表示した。この例では、６ビットの単位ユニットを６４個（８×８）配列したサブページを６８個用いて、２６１１２ビット（＝３２６４バイト）のデジタルデータを符号化している。表示パターンを図９に示す。図９に示すように、空間光変調器の表示領域６６には、光軸６８を中心点とする略円形の領域に符号化パターンが表示され、信号光が生成されるものとした。表示領域６６を四分割し、四分の一の領域６６Ａだけを図示したものが図１０（Ａ）である。以下では、表示パターンとして四分の一の領域だけを図示するが、ＦＦＴシミュレーションでは、表示領域全体に表示したパターンからフーリエ変換パターンを計算した。なお、図中の「＋」印は、位置合わせのためのマークである。
【００５４】
図１０（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図１０（Ｂ）に示す。図１０（Ｂ）から分かるように、フーリエ変換パターンは符号化パターンの周波数分布に応じた拡がりを有しているが、０次に極めて強いピーク強度（直流成分）を有している。このため、記録材料のダイナミックレンジ不足により、再生データのＳ／Ｎの劣化を招くことは明らかである。
【００５５】
（比較例２）
「５：９コード」により符号化したデジタルデータ（符号化パターン）を、空間光変調器の表示領域に表示した。この例では、５ビットの単位ユニットを６４個（８×８）配列したサブページを６８個用いて、２１７６０ビット（＝２７２０４バイト）のデジタルデータを符号化している。表示パターンを図１１（Ａ）に示す。図１１（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図１１（Ｂ）に示す。比較例１と同様に、フーリエ変換パターンには強い直流成分が存在するため、再生データのＳ／Ｎの劣化を招くことは明らかである。
【００５６】
（実施例１）
符号化パターンと同じ大きさで、１２×１２画素（４×４ユニット）毎に明暗を反転させたチェッカーパターンを周期パターンとして用いた。この周期パターンを参照し、周期パターンの暗部に対応させて「６：９コード」により符号化された符号化パターンの各画素の明暗を反転させて表示パターンを生成し、生成したパターンを空間光変調器の表示領域に表示した。
【００５７】
表示パターンを図１２（Ａ）に示す。図１２（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図１２（Ｂ）に示す。図１２（Ｂ）から、フーリエ変換パターンには反転周期に対応した強度ピークが出現し、０次光強度を分散させていることが分かる。
【００５８】
同様に、６×６画素（２×２ユニット）毎に明暗を反転させたチェッカーパターンを周期パターンとして用いた場合には、図１３（Ａ）に示す表示パターンと、図１３（Ｂ）に示すフーリエ変換パターンとが得られた。また、３×３画素（１ユニット）毎に明暗を反転させたチェッカーパターンを周期パターンとして用いた場合には、図１４（Ａ）に示す表示パターンと、図１４（Ｂ）に示すフーリエ変換パターンとが得られた。
【００５９】
図１２及び図１３からわかるように、周期パターンによるピークはパターンの周期Ｔが短いほど外側に出現する。パターン周期ＴがＴ＞２ｄの条件を満たすことで、ナイキスト領域内に複数の強度ピークを有するフーリエ変換像を形成することができ、記録領域を微小化しても高いＳ／Ｎを実現することができる。
【００６０】
（実施例２）
符号化パターンと同じ大きさで、明部である背景に対し１２×１２画素（４×４ユニット）の暗部を２４画素に相当する周期で配置したパターンを周期パターンとして用いた。この周期パターンを参照し、周期パターンの暗部に対応させて「６：９コード」により符号化された符号化パターンの各画素の明暗を反転させて表示パターンを生成し、生成したパターンを空間光変調器の表示領域に表示した。
【００６１】
表示パターンを図１５（Ａ）に示す。図１５（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図１５（Ｂ）に示す。図１５（Ｂ）から、実施例１と同様に、フーリエ変換パターンでは周期パターンに起因するサブピークが出現し、０次光強度を分散させていることが分かる。
【００６２】
同様に、６×６画素（２×２ユニット）の暗部を２４画素に相当する周期で配置したパターンを周期パターンとして用いた場合には、図１６（Ａ）に示す表示パターンと、図１６（Ｂ）に示すフーリエ変換パターンとが得られた。図１５（Ｂ）と図１６（Ｂ）との比較から分かるように、周期パターンで用いた明部の大きさによってもサブピークの位置や数を変化させることが可能である。
【００６３】
（実施例３）
６×６画素（２×２ユニット）毎に明暗を反転させたチェッカーパターンを、光軸に対し同心円状に配置したパターンを周期パターンとして用いた。この周期パターンは、図９に示す符号化パターンの周縁部にのみ配置されている。この周期パターンを参照し、周期パターンの暗部に対応させて「５：９コード」により符号化された符号化パターンの各画素の明暗を反転させて表示パターンを生成し、生成したパターンを空間光変調器の表示領域に表示した。
【００６４】
表示パターンを図１７（Ａ）に示す。図１７（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図１７（Ｂ）に示す。実施例１の図１３（Ｂ）と比較すると、６×６画素（２×２ユニット）毎の周期性に起因するサブピークが生成されるとともに、同心円状に配置された周期パターンによる回折のため、各強度ピークのスポットが大きくなっている（拡がっている）のが分かる。即ち、チェッカーパターンが周期的に（本実施例では略同心円状に）配置されることで、チェッカーパターンとは異なる周期性が付与され、強度分布がより均一化されていることが分かる。
【００６５】
（実施例４）
２種類のチェッカーパターンを光軸に対し同心円状に配置したパターンを周期パターンとして用いた。この周期パターンでは、６×６画素（２×２ユニット）毎に明暗を反転させたチェッカーパターンが符号化パターンの周縁部に配置され、その内側に３×３画素（１ユニット）毎に明暗を反転させたチェッカーパターンが配置されている。光軸の周囲にはチェッカーパターンは配置されていない。この周期パターンを参照し、周期パターンの暗部に対応させて「５：９コード」により符号化された符号化パターンの各画素の明暗を反転させて表示パターンを生成し、生成したパターンを空間光変調器の表示領域に表示した。
【００６６】
表示パターンを図１８（Ａ）に示す。図１８（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図１８（Ｂ）に示す。図１８（Ｂ）から、実施例３と同様に、同心円状に配置された周期パターンによる回折のため、フーリエ変換パターンの強度ピークがブロード化していることが分かる。また、実施例３の図１７（Ｂ）と比較すると、周期パターンに複数の周期性を混在させることにより、フーリエ変換パターンの強度ピークの数が一層増加し、強度分布が更に均一化されていることが分かる。
【００６７】
（実施例５）
実施例１と同じ表示パターン（図１４）を「孤立コード」により表現した。このときの表示パターンを図１９（Ａ）に示す。図１９（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図１９（Ｂ）に示す。図１９（Ｂ）から、基本となる画素を隣接する画素から孤立させた「孤立コード」で表現した場合にも、フーリエ変換パターンには反転周期に対応した強度ピークが出現し、０次光強度を分散させていることが分かる。また、「孤立コード」で表現したことにより、表示パターンの白率を下げることが可能であり、フーリエ変換パターンの０次光強度自体を低減することができる。
【００６８】
同様に、実施例４と同じ表示パターン（図１８）を「孤立コード」により表現した。このときの表示パターンを図２０（Ａ）に示す。図２０（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを図２０（Ｂ）に示す。図２０（Ｂ）から、０次光強度が分散されていることが分かる。また、０次光強度自体を低減させることが可能である。
【００６９】
（比較例３）
ＦＦＴを用いて計算した。５：９コードの一画素を空間光変調器の２×２画素で構成し、２×２画素のうち特定の一画素のみを明部としたパターンを「孤立コード」を用いた。この例では、５ビットの単位ユニットを６４個（８×８）配列したサブページを６８個用いて、２１７６０ビット（＝２７２０４バイト）のデジタルデータを符号化している。表示パターン（即ち、強度分布）を図２１（Ａ）に示す。図９と同様に、空間光変調器の表示領域には、光軸を中心点とする略円形の領域に符号化パターンが表示され、信号光が生成されるものとした。なお、図中の「＋」印は、位置合わせのためのマークである。
【００７０】
図２１（Ａ）に示すパターンの信号光は、レンズによりフーリエ変換され、フーリエ変換面で焦点を結ぶ。ここでは、焦点距離１０ｍｍのレンズを用いている。レンズを透過後の信号光が、焦点位置まで伝播する様子を図２１（Ｂ）に示す。図２１（Ｃ）はフーリエ変換面での強度分布である。横軸は焦点面での光軸に垂直な位置を表し、縦軸は光強度（フーリエスペクトル）を表す。焦点位置では、光軸の近傍に強い直流成分があり、その周辺にデジタルデータ（符号化パターン）に依存する高周波成分が存在するのが分かる。このように、０次に強い直流成分を有しているため、記録材料のダイナミックレンジ不足により、再生データのＳ／Ｎの劣化を招くことは明らかである。
【００７１】
（実施例６）
比較例３の符号化パターンと同じ大きさで、８×８画素毎に明暗を反転させたランダムパターンをマスクパターンとして用いた。このランダムパターンを図２２（Ａ）に示す。図２２（Ａ）に示すパターン光は、信号光と同様に、レンズによりフーリエ変換され、フーリエ変換面で焦点を結ぶ。レンズを透過後のパターン光が、焦点位置まで伝播する様子を図２２（Ｂ）に示す。図２２（Ｃ）はフーリエ変換面での強度分布である。図２１（Ａ）に示す符号化パターンの場合と比べると、図２２（Ａ）に示すマスクパターンの場合には、フーリエスペクトルの低周波付近が分散していることが分かる。これは、８×８画素で作られる大きな単位ブロックがランダムに配置されていることに起因する。
【００７２】
図２２（Ａ）に示すマスクパターンを参照し、ランダムパターンの暗部に対応させて符号化パターンの各画素の明暗を反転させて表示パターンを生成し、生成したパターンを空間光変調器の表示領域に表示した。符号化パターンとマスクパターンの各々の暗部を０、明部を１と表現したとき、符号化パターンの画素値とマスクパターンの画素値の排他的論理和（ＸＯＲ）を出力することによって、マスクパターンの明部に対応して符号化パターンの明暗を反転させている。表示パターンを図２３（Ａ）に示す。
【００７３】
図２３（Ａ）に示すパターン光は、信号光と同様に、レンズによりフーリエ変換され、フーリエ変換面で焦点を結ぶ。レンズを透過後のパターン光が、焦点位置まで伝播する様子を図２３（Ｂ）に示す。図２３（Ｃ）はフーリエ変換面での強度分布である。図２１（Ａ）に示す符号化パターンの場合と比べると、図２３（Ａ）に示す重畳パターンの場合には、マスクパターンの利用で、直流成分が分散されて抑制され、一方、データ部分の高周波成分が均一化されていることが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本実施の形態で使用するホログラム記録再生装置の構成を示す概略図である。
【図２】パターン発生器の構成を示すブロック図である。
【図３】（Ａ）は二次元符号化の単位ユニットを示す図であり、（Ｂ）は単位ユニットをマトリクス状に配列した単位ブロックを示す図である。
【図４】（Ａ）乃至（Ｄ）は周期パターンを表す図である。
【図５】符号化パターンの一例を示す図である。
【図６】マスクパターンの一例を示す図である。
【図７】表示パターンの一例を示す図である。
【図８】（Ａ）乃至（Ｃ）は高Ｓ／Ｎ化の原理を説明する図である。
【図９】空間光変調器の表示領域に表示されるパターンの全体像を示す図である。
【図１０】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１１】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１２】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１３】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１４】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１５】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１６】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１７】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１８】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１９】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図２０】（Ａ）は空間光変調器に表示されるパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【図２１】（Ａ）は空間光変調器に表示される符号化パターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すパターン光が伝搬する様子を示す図であり、（Ｃ）はフーリエ変換面での強度分布を示す図である。
【図２２】（Ａ）は空間光変調器に表示されるマスクパターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示すパターン光が伝搬する様子を示す図であり、（Ｃ）はフーリエ変換面での強度分布を示す図である。
【図２３】（Ａ）は空間光変調器に表示される重畳パターンを示す図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示す表示パターンからＦＦＴにより計算されたフーリエ変換パターンを示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０ 光源
１２ ビームスプリッタ
１４ シャッター
１６ａ コリメータレンズ
１６ｂ コリメータレンズ
１６ａ コリメータレンズ
１８ フーリエ変換レンズ
２０ コンピュータ
２２ 空間光変調器
２４ 光記録媒体
２６ 反射ミラー
３０ フーリエ変換レンズ
３２ 光検出器
３４ パターン発生器
３６ 駆動装置
４０ データ入力部
４２ 符号化パターン生成部
４４ パターン格納部
４６ マスクパターン生成部
４８ マスク処理部
５０ 表示パターン出力部
５２ ユニット
５４ 符号化パターン
５６ 単位ブロック
５６mn 単位ブロック
５８ マスクパターン
６０Ｂ 暗部
６０Ｗ 明部
６２ 表示パターン
６４mn 単位ブロック
６６ 表示領域
６６Ａ 領域
６８ 光軸
【図１】
2008065967.tif 000004
【図２】
2008065967.tif 000005
【図３】
2008065967.tif 000006
【図４】
2008065967.tif 000007
【図５】
2008065967.tif 000008
【図６】
2008065967.tif 000009
【図７】
2008065967.tif 000010
【図８】
2008065967.tif 000011
【図９】
2008065967.tif 000012
【図１０】
2008065967.tif 000013
【図１１】
2008065967.tif 000014
【図１２】
2008065967.tif 000015
【図１３】
2008065967.tif 000016
【図１４】
2008065967.tif 000017
【図１５】
2008065967.tif 000018
【図１６】
2008065967.tif 000019
【図１７】
2008065967.tif 000020
【図１８】
2008065967.tif 000021
【図１９】
2008065967.tif 000022
【図２０】
2008065967.tif 000023
【図２１】
2008065967.tif 000024
【図２２】
2008065967.tif 000025
【図２３】
2008065967.tif 000026