(57)【要約】【課題】ホログラム記録において、信号光の情報を欠落させることなく、高密度記録を実現する。【解決手段】信号光の記録媒体上での強度分布に対応した領域に参照光を照射してホログラムを記録する。例えば、信号光の強度分布と略同じ強度分布を有する参照光を生成し、実質的な信号光の照射領域（信号光デフォーカス領域）と略同じ領域にのみ参照光を照射する。こうすることで、必要な領域だけを露光することができ、余計な領域を露光することが無くなる。従って、信号光の情報を欠落させることなくホログラムを記録することができ、高密度記録を実現することができる。【選択図】図１
2005037453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号光と、該信号光の光記録媒体上での強度分布に対応して前記光記録媒体上で所定の形状及び強度を有する参照光と、を前記光記録媒体に照射してホログラムを記録するホログラム記録方法。
【請求項２】
前記参照光の前記光記録媒体上での強度分布が、前記信号光の強度分布と略同じである請求項１に記載のホログラム記録方法。
【請求項３】
前記参照光は、計算機ホログラムを用いて生成された波面を有する請求項１又は２に記載のホログラム記録方法。
【請求項４】
前記計算機ホログラムが、物体光の位相だけを記録するキノフォームである請求項３に記載のホログラム記録方法。
【請求項５】
前記キノフォームが、ランダムな位相の参照光を生成するように設計された請求項４に記載のホログラム記録方法。
【請求項６】
前記信号光は、レンズによりフーリエ変換された後に前記光記録媒体に照射される請求項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２次元デジタルデータ画像を保持する場合に、前記信号光のフーリエ変換像の０次光からの広がりζが下記式で規定されるフーリエ変換成分のみを用いてホログラムを記録する請求項６に記載のホログラム記録方法。
【数１】
2005037453.tif 000011
ここで、ｆは信号光を光記録媒体に照射するためのレンズの焦点距離、λは信号光の波長、ｄは信号光の１ビットデータの一辺の長さである。
【請求項８】
コヒーレント光を出力する光源と、
データに応じて前記光源からの光を変調して、信号光を生成する空間光変調器と、
前記光源から出力されたコヒーレント光から前記信号光の光記録媒体上での強度分布に対応して前記光記録媒体上で所定の形状及び強度を有する参照光を生成するホログラム光学素子と、
を備え、
前記信号光と前記参照光とを前記光記録媒体に照射してホログラムを記録するホログラム記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラム記録方法及びホログラム記録装置に係り、特に、高密度でホログラム記録するホログラム記録方法及びホログラム記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代のコンピュータファイルメモリとして、３次元的記録領域に由来する大容量性と２次元一括記録再生方式に由来する高速性を兼ね備えたホログラムメモリが注目されている。ホログラムメモリでは、同一体積内に多重させて複数のデータページを記録することができ、かつページ毎にデータを一括して読み出すことができる。アナログ画像ではなく、二値のデジタルデータ「０，１」を「明、暗」としてデジタル化し、ホログラムとして記録・再生することによって、デジタルデータの記録・再生も可能となる。最近では、このデジタルホログラムメモリシステムの具体的な光学系や体積多重記録方式に基づくＳ／Ｎやビット誤り率評価、または２次元符号化についての提案がなされ、光学系の収差の影響など、より光学的な観点からの研究も進展している。
【０００３】
図１２を参照して、体積多重記録方式の一例であるシフト多重記録方式について説明する（非特許文献１参照）。シフト多重記録方式では、信号光１３１と同時にホログラム記録媒体１３５に照射する参照光１３２として球面波を用いるとともに、ホログラム記録媒体１３５をディスク形状とし、ディスク１３５の回転によって同じ領域に複数のホログラムを重ね書きする。例えば、ビーム径を１．５ｍｍφとすると、ディスク１３５を数十μｍ移動させるだけで、略同じ領域に別のホログラムをクロストークを生じることなく記録することができる。これは、参照光１３２が球面波であるため、ディスク１３５の移動によって参照光１３２の角度が変化したのと等価になることを利用したものである。
【０００４】
この球面参照波シフト多重記録の移動距離、すなわち互いのホログラムを独立に分離できる距離δは、上記文献にも示されているように、下記式（１）で与えられる。
【０００５】
【数２】
2005037453.tif 000003
【０００６】
ここで、λは信号光の波長、ｚｏは球面参照波を形成する対物レンズと記録媒体との距離、Ｌは記録媒体の膜厚、θｓは信号光と球面参照波の交差角、ＮＡは上記対物レンズの開口数である。この式（１）から分かるように、記録媒体の膜厚Ｌが大きいほど、シフト量δが小さくなって、多重度を増すことができ、記録容量を増大させることができる。
【０００７】
また、シフト多重記録方式で、より効果的に記録容量の増大を図るには、記録領域を微小化すればよい。微小領域に多重記録することによって、より高密度の体積多重記録を実現することができる。この目的のために、ホログラムメモリシステムでは、信号光をレンズによってフーリエ変換して記録媒体に照射する。これによって、信号光の画像が細かいピッチ（高い空間周波数）を有する場合、記録媒体面で信号光はフランフォーファ回折し、その回折像の広がりζは下記式（２）で表される。
【０００８】
【数３】
2005037453.tif 000004
【０００９】
ここで、ｋは比例定数、λは信号光の波長、ｆはフーリエ変換用のレンズの焦点距離、ωｘは信号光の空間周波数である。
【００１０】
従って、フーリエ変換用のレンズとして焦点距離ｆが小さいものを用いれば、記録領域の微小化が可能である。このことは、例えば、「ホログラフィ」（電子通信学会）第７章にも示されている。また、フーリエ変換像のうち、データ再生に最低限必要なフーリエ変換成分のみを記録することにより、記録領域を小さくする技術が本出願人により提案されている（特許文献１）。
【００１１】
更に、ランダム位相マスクを参照光の光路に配置することで、シフト多重記録を行うＰｈａｓｅ  ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ  ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ（位相相関多重）方法が知られている（特許文献２）。この方法では、記録されたホログラムのブラッグ条件は関係なく、参照光の波面の複雑さを利用する。波面の自己相関関数が極端に小さいような参照光を利用することで、記録媒体を微小量シフト（〜１０μｍ）させて異なるホログラムを多重記録することができる。即ち、記録容量の増大を図ることができる。また、この位相相関多重で使用するランダム位相の参照光を、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）により生成する技術（特許文献３）や、スキップソートな多重化方法（特許文献４）も提案されている。
【００１２】
【非特許文献１】
Ｄ．Ｐｓａｌｔｉｓ，  Ｍ．Ｌｅｖｅｎｅ，  Ａ．Ｐｕ，  Ｇ．Ｂａｒｂａｓｔａｔｈｉｓ  ａｎｄ  Ｋ．Ｃｕｒｔｉｓ；  Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．  ２０  （１９９５）  ｐ７８２
【特許文献１】
特開２０００−６６５６５号公報
【特許文献２】
米国特許第５，７１９，６９１号明細書
【特許文献３】
特開２００１−０６０３９４号公報
【特許文献４】
特開２００２−０４０９０８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１に示すように、フーリエ変換像はその焦点面で無限の広がりを有している。このため、信号光の情報をホログラムとして記録する場合には、情報を欠落させないように、参照光を信号光が照射される領域よりも広く照射するのが通常であった。例えば、シフト多重記録を行うために、参照光として球面波を用いて記録媒体に照射する場合には、信号光による露光領域よりひとまわり大きい円形の領域に参照光を照射する。位相相関多重方法においても、信号光に対し同様な広がりを有する参照光を照射する。
【００１４】
この場合、ホログラムを記録する領域以外、即ち、信号光が照射される領域以外でも記録媒体を感光させてしまう。この余計に露光された部分には新たなホログラムを記録することができず、結果として記録容量が減少するという問題が生じる。
【００１５】
更に、球面参照波を利用したシフト多重記録方法では、以下に示す問題もある。この多重記録方法では、開口数（ＮＡ）の大きな対物レンズを用いて急峻な曲率の波面を備えた参照光を生成する。そして、この参照光を記録に用いることで多重度を増大し、結果として高密度記録を実現する。高ＮＡの対物レンズは広角にビームを広げるため、参照光の照射面積を小さくしようとすると、対物レンズを記録媒体に接近させなくてはならない。上記式（１）からも明らかなように、多重度を増すには、対物レンズのＮＡと、対物レンズと記録媒体との距離Ｌとを小さくする必要がある。しかしながら、対物レンズを記録媒体に接近させると、対物レンズは信号光の光路と干渉し、信号光の情報を欠落させるという問題がある。
【００１６】
本発明は上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであり、本発明の目的は、ホログラム記録において、信号光の情報を欠落させることなく、高密度記録を実現することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明のホログラム記録方法は、信号光と、該信号光の光記録媒体上での強度分布に対応して前記光記録媒体上で所定の形状及び強度を有する参照光と、を前記光記録媒体に照射してホログラムを記録することを特徴としている。
【００１８】
本発明のホログラム記録方法では、参照光は信号光の光記録媒体上での強度分布に対応して光記録媒体上で所定の形状及び強度を有するので、必要な領域だけを露光することができ、余計な領域を露光することがない。従って、信号光の情報を欠落させることなくホログラムを記録することができ、高密度記録を実現することができる。例えば、参照光の光記録媒体上での強度分布が、信号光の強度分布と略同じである場合には、無駄の無い露光が可能である。
【００１９】
上記の参照光は、計算機ホログラムを用いて生成された波面を有していてもよい。計算機ホログラムは、ホログラムの作製プロセスを計算技術によりシミュレートするもので、必ずしも記録波面が実在する必要が無く、コンピュータにより設計された任意の波面を再生することができる。計算機ホログラムとしては、物体光の位相だけを記録するキノフォームを用いることができる。キノフォームは光の損失が無く、参照光生成に好適である。また、キノフォームは、ランダムな位相の参照光を生成するように設計されていることが好ましい。ランダムな位相の参照光を用いることで、位相相関多重によるシフト多重記録が可能になる。
【００２０】
また、信号光は、レンズによりフーリエ変換された後に光記録媒体に照射されることが好ましい。フーリエ変換像をホログラムとして記録することにより、記録密度を向上させることができる。特に、信号光が２次元デジタルデータ画像を保持する場合は、信号光のフーリエ変換像の０次光からの広がりζが下記式で規定されるフーリエ変換成分のみを用いてホログラムを記録することが好ましい。
【００２１】
【数４】
2005037453.tif 000005
【００２２】
ここで、ｆは信号光を光記録媒体に照射するためのレンズの焦点距離、λは信号光の波長、ｄは信号光の１ビットデータの一辺の長さである。
【００２３】
この通り、データ再生に必要最小限のフーリエ変換成分のみを用いてホログラムを記録することで、記録領域をより小さくすることができる。
【００２４】
上記目的を達成するために本発明のホログラム記録装置は、コヒーレント光を出力する光源と、データに応じて前記光源からの光を変調して、信号光を生成する空間光変調器と、前記光源から出力されたコヒーレント光から前記信号光の光記録媒体上での強度分布に対応して前記光記録媒体上で所定の形状及び強度を有する参照光を生成するホログラム光学素子と、を備え、前記信号光と前記参照光とを前記光記録媒体に照射してホログラムを記録することを特徴としている。
【００２５】
本発明のホログラム記録装置では、光源から出力されたコヒーレント光は、空間光変調器によりデータに応じて変調され、信号光が生成される。この信号光は光記録媒体に照射される。一方、光源から出力されたコヒーレント光からは、信号光の光記録媒体上での強度分布に対応して光記録媒体上で所定の形状及び強度を有する参照光も生成される。参照光は、ホログラム光学素子により生成され、信号光と共に光記録媒体に照射される。
【００２６】
以上の通り、本発明のホログラム記録装置では、ホログラム光学素子により生成される参照光は、信号光の光記録媒体上での強度分布に対応して光記録媒体上で所定の形状及び強度を有しているので、必要な領域だけを露光することができ、余計な領域を露光することがない。従って、信号光の情報を欠落させることなくホログラムを記録することができ、高密度記録を実現することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（記録領域の微小化）
ホログラムとして記録するデータページを、例えば、図２のような画像とする。図中の白い部分がデータ“１”を表し、黒い部分がデータ“０”を表す。これにより二値のデジタルデータをページ毎に記録することができる。この場合、ｄ×ｄの１画素の大きさが１ビットデータに対応する。このようなデータ画像をホログラムとして記録する場合、記録密度を向上させるために、レンズによりデータ画像のフランフォーファ回折像を記録する。これはデータ画像の振幅分布のフーリエ変換に比例することから、フーリエ変換ホログラムと呼ばれている。図３に図２のデータ画像のフーリエ変換像を示す。
【００２８】
デジタルデータを高密度に記録するためには、図２に示したデータ画像の１画素の面積を小さくして、即ち、ｄの値を小さくして、１ページ内により多くのビットデータを詰め込めばよい。これにより、高密度の記録に加えて高速での記録再生を実現することができる。しかしながら、１画素の面積を小さくすると、記録媒体上で、データ画像（信号光）のフーリエ変換像が上記式（２）に従って広がってしまう。これは、信号光のデータ画像が細かくなると、即ち、ｄが小さくなると、空間周波数ωｘ（∝１／ｄ）が大きくなることに起因する。このフーリエ変換像の広がりは高密度記録の妨げとなる。
【００２９】
これを回避する方法としては、波長λを小さくする方法、焦点距離ｆの短いレンズを用いて信号光のフーリエ変換像を形成する方法などがある。しかしながら、光源の波長やレンズの焦点距離を短くすることによってフーリエ変換像を小さくしても、原理的には、フーリエ変換像はその焦点面で無限の広がりを有している。そこで、図３に示すフーリエ変換像のうち、データ再生に最低限必要なフーリエ変換成分のみを記録する。これにより、記録領域の微小化を図ることができる。
【００３０】
図３に示したフーリエ変換像のｘ軸方向の広がりは、図２に示したデータ画像のｘ軸方向の空間周波数ωｘ（∝１／ｄ）に対応し、ｘ軸方向について見ると、フーリエ変換像は０次光（ωｘ＝０）を中心にプラス方向及びマイナス方向に対称に広がっている。ｙ軸方向についても同様である。このように空間周波数はプラスとマイナスの値を有する。
【００３１】
信号光のフーリエ変換像は、信号光の画素ピッチに由来する空間周波数成分を多く含むことから、高調波成分をカットしても、信号光をエラー無く再生することができる。これについて説明すると、画像データの空間周波数が始めから適当に正規化された値をとれば、図３に示したフランフォーファ回折像は、信号光のフーリエ変換像そのものとなるため、式（２）のｋは１となって、フランフォーファ回折像の広がりζは、下記式（３）で表される。
【００３２】
【数５】
2005037453.tif 000006
【００３３】
具体的な数値例を代入して回折像の広がりζを試算すると、例えば、波長λが５３２ｎｍ、焦点距離ｆが５０ｍｍ、空間周波数ωｘが７１本／ｍｍ（１４μｍ×１４μｍの画素に対応）の場合、回折像の広がりζは、約２ｍｍとなり、プラス成分とマイナス成分とを合わせると４ｍｍとなる。
【００３４】
本発明者らの実験結果によれば、フーリエ変換像のプラス方向及びマイナス方向の０次から２次までの成分のみを記録することによって、記録領域の微小化と再生時の高Ｓ／Ｎ化の両方を満足させることができる。即ち、信号光のフーリエ変換像の０次光からの広がりζが下記式（４）で規定されるフーリエ変換成分を参照光によってホログラム記録することで、データを欠落することなく記録領域の微小化を達成することができる。
【００３５】
【数６】
2005037453.tif 000007
【００３６】
フーリエ変換像の０次の成分のみを記録すれば、記録領域を最も微小化することができるが、それでは、データの欠落を生じて、信号光のデータ画像を読み出すことができなくなる。データの欠落を生じないためには、フーリエ変換像の少なくとも０次および１次の成分を記録する必要がある。一方、フーリエ変換像の４次、５次というような高次の成分まで記録すれば、信号光のデータ画像を高いＳ／Ｎで読み出すことができるが、それでは、記録領域を十分に微小化することができず、記録容量を十分に増大させることができない。実際上、フーリエ変換像の１次の成分まで記録すれば、再生時、読み取りエラーをほとんど生じない。さらに、２次または３次の成分まで記録すれば、信号光のデータ画像を十分に高いＳ／Ｎで読み出すことができる。
【００３７】
（本発明のホログラム記録方法）
ホログラム記録では、信号光と参照光との干渉により光強度分布を生じさせる。記録媒体には、この光強度分布が、屈折率又は吸収率の変化によってホログラムとして記録される。フーリエ変換ホログラムを記録する場合、一般的には、記録面上で信号光の０次回折光の強度を抑える目的で、レンズのフォーカス位置から記録媒体を若干ずらしてデフォーカス位置でホログラム記録を行う。信号光はレンズによってある程度集光され、記録媒体に照射される。また、記録面上には、データ画像のパターン（周期性）に対応した回折パターンが現れる。この回折パターンの広がりは、データ画像がランダムパターンのときに最も大きくなる。
【００３８】
従来は、信号光が照射される領域を総てカバーするように、参照光を比較的広い領域に照射していた。例えば、シフト多重記録を行う場合には、参照光として球面波を用いて、図１に示すように、信号光の照射領域よりひとまわり大きい円形の領域に参照光を照射する。この場合、ホログラムを記録する領域以外、即ち、信号光が照射される領域以外でも記録媒体を感光させてしまう。この余計に感光された部分には新たなホログラムを記録することができず、結果として記録容量が減少するという問題が生じる。
【００３９】
本発明の記録方法では、信号光の記録媒体上での強度分布に対応して参照光を照射してホログラムを記録する。例えば、信号光の強度分布と略同じ強度分布を有する参照光を生成し、図１に示す実質的な信号光の照射領域（信号光デフォーカス領域）と略同じ領域にのみ参照光を照射する。こうすることで、必要な領域だけを露光することができ、余計な領域を露光することが無くなる。従って、信号光の情報を欠落させることなくホログラムを記録することができ、高密度記録を実現することができる。
【００４０】
また、図１に示すように、フーリエ変換像はその焦点面で無限の広がり（信号光フーリエ領域）を有しているが、上述した通り、フーリエ変換像のうち、データ再生に最低限必要なフーリエ変換成分のみを記録すれば十分である。従って、データ再生に最低限必要なフーリエ変換成分に対応する領域にのみ信号光及び参照光を照射するようにしてもよい。
【００４１】
（参照光の生成方法）
任意の波面を備えた参照光の生成には、計算機ホログラムを利用することができる。計算機ホログラムは、仮想物体による物体光の振幅と位相の分布をコンピュータで計算し、適当な方法で記録媒体中に記録したものであり、記録波面が実在する必要が無く、数式で表示した任意の波面を再生することができる。
【００４２】
キノフォームは、物体光の振幅と位相のうち、位相だけを記録して像を再生する計算機ホログラムの１種である。ホログラフィ技術においては、再生時にホログラムから同時に０次、＋１次、−１次の回折光を生じるが、このうち再生像として利用されるのは１次回折光の何れか一方であって、他の２つの回折光は不必要なものとして利用されない。このため、再生段階での光の利用効率が低い。これに対し、キノフォームでは、再生像に寄与する回折光のみが得られ、他の不必要な回折光を生じないので、光の吸収や回折による損失がほとんど無く、非常に明るい再生像を得ることができる。従って、参照光生成に好適である。
【００４３】
キノフォームを作製するには、まず、拡散光で照明された透過性の物体を想定し、キノフォームを記録する平面上で、回折光の振幅を一定として位相分布を計算で求める。位相分布は、２πの整数倍を加減して、０〜２πの範囲に収まるようにする。次に、計算で求めた位相分布を適当な方法で記録媒体中に記録する。
【００４４】
例えば、拡散照明された物体からキノフォームを記録する面まで到達する回折光Σの振幅分布及び位相分布を計算し、下記式（５）で表す結果を得たとする。
【００４５】
【数７】
2005037453.tif 000008
【００４６】
ここで、（ｘ，ｙ）は記録面の中心を原点とする直交座標、Ａ０（ｘ，ｙ）は振幅分布、φ０（ｘ，ｙ）は位相分布である。
【００４７】
物体は拡散照明されているので、回折光の振幅分布Ａ０（ｘ，ｙ）を一定と近似し、その位相分布φ０（ｘ，ｙ）を記録面の標本点に対し量子化する。量子化された位相分布を、直接にキノフォームの位相変化として与えることは難しいので、例えば、以下に示す方法で位相分布を記録する。
【００４８】
回折光の位相分布φ０（ｘ，ｙ）を、マスクや空間光変調器などによりハーフトーンの階調画像に変換して、フォトリソ材料などに縮尺露光する。現像プロセスを経て、階調画像に対応した凹凸を形成する。この凹凸により所望の位相変化が実現される。また、所望の位相変化が得られるように、直接、空間光変調器で位相のみを変調してもよい。
【００４９】
信号光のプロファイルに応じた形状及び強度の参照光を得るためには、キノフォームを予め設計しておく必要がある。キノフォームの設計方法は種々提案されているが、ここでは、比較的計算が容易でその収束性の良いＧｅｒｃｈｂｅｒｇ−Ｓａｘｔｏｎ（ＧＳ）法について説明する。ＧＳ法では、図４に示すように、入力面での拘束条件を強度分布一定とし、出力面での拘束条件を目標の強度分布（画像）及びランダム位相分布として、入力面で必要な位相分布をフーリエ反復アルゴリズムにより求める。なお、図４では、強度分布を点線で表し、位相分布を実線で表している。
【００５０】
このように設計されたキノフォームが記録されたホログラム光学素子を、参照光の光路に配置することで、記録媒体に入射した光は、素子中を伝播することによりフーリエ変換されて、目標の強度分布とランダムな位相分布とを備えた参照光となり、記録媒体に照射される。これにより、記録面上で所望の光強度分布を得ることができる。
また、ＧＳ法で設計されたキノフォームを用いると、出力面での位相分布がランダムになる。即ち、参照光の位相はランダムである。従って、位相相関多重と同様に微小シフトで多重記録を行なえるという効果を得ることができる。
【００５１】
図５は、微分コード法を用いて表した２次元デジタルデータ画像の一例である。微分コード法とは、デジタルデータ画像のデータ“０”を空間光変調器の２画素を用いて「明暗」で表し、データ“１”を「暗明」で表す方法である。この方法は、光強度の微分値で信号を読み取るためにノイズに強いという特徴を有している。
【００５２】
図６は、図５の２次元デジタルデータ画像を保持した信号光のフーリエ変換像である。微分コード化されたパターンに対応して、フーリエ面では縦縞が現れていることがわかる。この図６に示す信号光のフーリエ変換像と同じ強度分布を持つようにＧＳ法でキノフォーム設計した。このキノフォームの出力面での位相分布を図７に示す。
【００５３】
設計したキノフォームが記録されたホログラム光学素子を、参照光の光路に配置すると、図８に示す回折パターンが得られた。図８から明らかなように、記録面において、図６に示す信号光の強度分布と、ホログラム光学素子によって生成される参照光の強度分布とは略一致している。
【００５４】
（ホログラム記録再生装置）
次に、図９を参照して、本発明のホログラム記録方法を適用してホログラムを記録すると共に、記録したホログラムを再生するホログラム記録再生装置について説明する。
【００５５】
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レーザ発振器１０が設けられている。レーザ発振器１０のレーザ光照射側には、Ｐ偏光を透過しかつＳ偏光を反射することにより、レーザ光を参照光用の光と信号光用の光との２つの光に分離する偏光ビームスプリッタ１６が配置されている。
【００５６】
偏光ビームスプリッタ１６の光反射側には、参照光用のレーザ光を反射して光路をホログラム記録媒体方向に変更する反射ミラー１８、及び参照光を集光するレンズ２０が順に配置されている。レンズ２０は、光路中に挿入及び光路から退避可能に配置されている。参照光は、レンズ２０を退避させて記録面にそのまま照射してもよく、レンズ２０を挿入してレンズ２０により適切な大きさに変換した後に照射してもよい。
【００５７】
偏光ビームスプリッタ１６と反射ミラー１８との間には、キノフォームが記録されたホログラム光学素子１００が配置されている。このキノフォームは、位相がランダムで且つ信号光のプロファイルに応じた形状及び強度の参照光を生成するように設計されている。
【００５８】
レンズ２０のレーザ光集光側には、ｚ面内でディスク状に形成されたホログラム記録媒体２４を回転させるステッピングモータを備えたｘ−ｚステージ２２が設けられている。レンズ２０は、ホログラム記録媒体２４にＳ偏光を参照光として照射する。
【００５９】
偏光ビームスプリッタ１６の光透過側には、偏光ビームスプリッタ１６を透過したＰ偏光を遮断するためのシャッター１２が、光路中に挿入及び光路から退避可能に配置されている。シャッター１２の光透過側には、信号光用のレーザ光を４５°の反射角で反射して光路をホログラム記録媒体方向に変更する反射ミラー２８、レンズ３０、３２、３４で構成されたレンズ系が順に配置されている。レンズ３２とレンズ３４との間には、液晶表示素子等で構成され、供給された各ページ毎の記録信号に応じて信号光用のレーザ光を変調し、ホログラムの各ページを記録するための信号光を生成する透過型の空間光変調素子３６が配置されている。
【００６０】
レンズ３０、３２は、レーザ光を大径のビームにコリメートして空間光変調素子３６に照射し、レンズ３４は空間光変調素子３６で変調されて透過したＰ偏光を信号光としてホログラム記録媒体２４上に集光させる。ホログラム記録時には、信号光と参照光とが同時にホログラム記録媒体２４に照射される。また、Ｐ偏光を信号光としＳ偏光を参照光としているため、ホログラムの各ページを記録する際の信号光の偏光方向と参照光の偏光方向とは直交している。なお、Ｓ偏光を信号光としＰ偏光を参照光としてもよく、偏光面が平行な信号光と参照光とを用いてもよい。また、異なる方向に回転する円偏光を各々信号光と参照光として用いてもよい。
【００６１】
ホログラム記録媒体２４の再生光透過側には、レンズ３８、再生光から所定偏光方向の光（例えば、０°偏光成分、４５°偏光成分、または９０°偏光成分）を選択して透過させる検光子４４、及びＣＣＤ等の撮像素子で構成され、受光した再生光を電気信号に変換して出力する検出器４０が配置されている。検出器４０は、パーソナルコンピュータ４２に接続されている。検光子４４は、再生時に参照光に起因する散乱ノイズを除去するために配置するものであり、散乱が少ない場合は省略することができる。
【００６２】
パーソナルコンピュータ４２は、パーソナルコンピュータから所定のタイミングで供給された記録信号に応じてパターンを発生するパターン発生器４６を介して空間光変調素子３６に接続されている。また、パーソナルコンピュータ４２には、シャッター１２を光路中に挿入するように駆動すると共に、光路中に挿入されているシャッター１２を光路から退避させる駆動装置４８が接続されている。また、パーソナルコンピュータ４２には、ｘ−ｚステージ２２を駆動する駆動装置５０が接続されている。
【００６３】
次に、上記のホログラム記録再生装置を用いたホログラムの記録処理及び再生処理について説明する。まず、ホログラム記録時には、パーソナルコンピュータ４２により駆動装置４８を駆動して、シャッター１２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と共に、駆動装置５０によりｘ−ｚステージ２２のステッピングモータを駆動して、ホログラム記録媒体を所定の回転速度で回転させる。
【００６４】
レーザ発振器１０から発振されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ１６により２つの光に分離される。偏光ビームスプリッタ１６を透過したレーザ光は、反射ミラー２８で反射され、レンズ３０、３２でコリメートされて、信号光用のレーザ光として空間光変調素子３６に照射される。
【００６５】
パターン発生器４６は、パーソナルコンピュータ４２から供給された記録信号に応じてパターンを発生し、空間光変調素子３６に入力する。パーソナルコンピュータ４２は、ホログラム記録媒体２４を回転させた状態で、ホログラムの各ページが記録開始位置からシフト量δの間隔で記録されるように、予め定められたタイミングで各ページの記録信号を供給する。
【００６６】
空間光変調素子３６では、生成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、信号光が生成される。生成された信号光は、レンズ３４によりフーリエ変換され、ホログラム記録媒体２４に照射される。
【００６７】
同時に、偏光ビームスプリッタ１６で反射されたレーザ光は、参照光用のレーザ光としてホログラム光学素子１００に照射される。ホログラム光学素子１００では、参照光用のレーザ光から、位相がランダムで且つ信号光のプロファイルに応じた形状及び強度を備えた参照光が生成される。
【００６８】
生成された参照光は、レンズ２０により集光されて、ホログラム記録媒体２４のフーリエ変換後の信号光が照射される領域に照射される。これによって、ホログラム記録媒体２４中で信号光と参照光とが干渉し、ホログラム記録媒体２４中にフーリエ変換ホログラムが記録される。また、ディスク状のホログラム記録媒体２４を回転させながら記録を行うことにより、同じ領域に複数ページのホログラムを重ねて記録することができる。
【００６９】
レーザ光の波長や記録媒体の膜厚、対物レンズのＮＡなどを適切に設定すると、記録位置が所定のシフト量δ移動するようにディスクを回転するだけで、ディスクの略同じ領域に次のページのホログラムを既に記録されているページとクロストーク無く記録し、再生することができる。参照光がランダム位相を有する場合、シフト量δを１００μｍ以下とすることにより、既に記録されているホログラムの各ページの記録位置とは異なる記録位置に新たなホログラムを記録することができる。
【００７０】
図１１は、本発明の参照光を用いてホログラムを記録し、その後、ホログラムの位置をずらしながら回折光パワーを調べた様子を示す。図より、シフト量δが１０μｍ以下で回折光が消失している様子が分かる。この回折光が無くなるシフト量δで新たなホログラムを多重記録することができる。
【００７１】
次に、ホログラムの再生処理について説明する。ホログラム再生時には、パーソナルコンピュータ４２により駆動装置４８を駆動して、シャッタ１２を光路中に挿入する。これにより、偏光ビームスプリッタ１６を透過したレーザ光がシャッタ１２で遮光されるため、参照光のみがホログラムを記録したホログラム記録媒体２４に照射される。ホログラム記録媒体２４で回折した再生光は、レンズ３８により逆フーリエ変換され、検光子４４により所定偏光成分の再生光のみが選択して透過され、検出器４０に結像される。検出器４０で受光された再生光が検出器４０により電気信号に変換される。得られた電気信号は、パーソナルコンピュータ４２に入力され、パーソナルコンピュータ４２に設けられている図示しないディスプレイに再生されたデータ画像が表示される。
【００７２】
【実施例】
上述した方法で、実際にホログラムの記録・再生を試みた。
【００７３】
ホログラム記録媒体としては、ホログラムを記録できるものであれば、どのような材料で構成されていてもよいが、ここでは、下記の化学式で表される、側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルを用いた。この材料は、特願平１０−３２８３４号に詳細に記載されているように、側鎖のシアノアゾベンゼンの光異性化による光誘起異方性（光誘起複屈折性、光誘起２色性）によって、ホログラムの記録、再生、消去が可能である。
【００７４】
【化１】
2005037453.tif 000009
【００７５】
ホログラムの記録及び再生には、図９に示したホログラム記録再生装置を用いた。レーザ発振器１０には、ホログラム記録媒体２４を構成する側鎖にシアノアゾベンゼンを有するポリエステルに感度のある波長５３２ｎｍのレーザ光を発振するＹＡＧ：ＹＶＯ４レーザを用いた。
【００７６】
空間光変調素子３６には、１画素の大きさが１４μｍ×１４μｍで１０２４×７６８画素のプロジェクタ用液晶パネルを用いた。１画素を１ビットとして、図２に示したチェスボードパターンを作成して、空間光変調素子３６に入力した。これにより、信号光が保持するデータ画像は、ｄ＝１４μｍのピッチに対応する空間周波数成分を有することになる。
【００７７】
信号光をフーリエ変換するためのレンズ３８としては、焦点距離ｆが５０ｍｍのものを用いた。この場合、データ再生に最低限必要なフーリエ変換成分に対応する領域Ａは下記式（６）の範囲となる。
【００７８】
【数８】
2005037453.tif 000010
【００７９】
ここでは、フーリエスペクトルのプラスとマイナス両方の成分を含むように領域Ａを設定した。波長λが５３２ｎｍ、焦点距離ｆが５０ｍｍ、信号光の１ビットデータの一辺の長さｄが１４μｍとすると、領域Ａは８ｍｍ×８ｍｍの正方形となる。
【００８０】
ホログラム光学素子１００は、式（６）で表される正方形の領域Ａだけにランダム位相の参照光が照射されるようにキノフォームを設計し、このキノフォームを描画して作製した。このホログラム光学素子１００を参照光の光路に配置し、信号光と参照光を同時にホログラム記録媒体２４上の領域Ａに照射して、フーリエ変換ホログラムを記録した。
【００８１】
その後、記録に用いた参照光と同じ光を読み出し光としてホログラム記録媒体２４上に照射して、記録したホログラムからデータ再生を試みた。ディスプレイに再生されたデータ画像を図１０に示す。図１０のデータ画像では、信号光と同じチェスボードパターンが鮮明に再生されている。この結果から分かるように、参照光の照射領域を信号光の照射領域と略等しくしても、信号光の情報を欠落させることなく、ホログラムを記録し、再生することができる。従って、参照光で無駄に露光される領域が発生せず、記録密度が向上する。
【００８２】
次に、ホログラム記録媒体２４をわずかに移動させながら、記録されたホログラムからの回折光強度を求めた。結果を図１１に示す。図１１から、ホログラム記録媒体２４のシフト量δが１０μｍ程度で回折光が消失することが分かる。従って、１０μｍずつシフトさせながらホログラムを多重記録できる。１０μｍ程度という微小シフト量δで回折光が消失するのは、参照光がランダム位相を備えているためである。このようにシフト量δが微小化することで、多重度が増大し、記録密度が飛躍的に向上する。例えば、８ｍｍ×８ｍｍの正方形の記録領域に１０μｍずつシフトさせて記録する場合には、同じ体積中に８００多重の記録が可能である。
【００８３】
なお、上記の実施の形態では、ホログラム記録媒体を回転させてシフト多重記録する例について説明したが、ホログラム記録媒体を直線状に移動させてシフト多重記録するようにしてもよく、ホログラム記録媒体を回転または直線状に移動する代わりに、信号光及び参照光をホログラム記録媒体上に走査するようにしてもよい。
【００８４】
【発明の効果】
本発明によれば、ホログラム記録において、信号光の情報を欠落させることなく、高密度記録を実現することができる、という効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】信号光照射領域と参照光照射領域との関係を示す概略図である。
【図２】記録するデータ画像の１例を示す図である。
【図３】図２のデータ画像を保持した信号光のフーリエ変換像を示す図である。
【図４】キノフォームの設計方法（ＧＳ法）を説明するための図である。
【図５】微分コード法を用いて表した２次元デジタルデータ画像の一例である。
【図６】図５のデータ画像を保持した信号光のフーリエ変換像を示す図である。
【図７】図６のフーリエ変換像と同じ強度分布を持つように設計されたキノフォームの出力面での位相分布を示す図である。
【図８】設計したキノフォームが記録されたホログラム光学素子によって生成される参照光の強度分布を示す図である。
【図９】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１０】実施例で記録したホログラムから再生されたデータ画像である。
【図１１】実施例で記録したホログラムによる回折強度のメディアシフト量依存性を示すグラフである。
【図１２】シフト多重記録方式を説明するための図である。
【符号の説明】
１０  レーザ発振器
１２  シャッター
１６  偏光ビームスプリッタ
１８  反射ミラー
２０  レンズ
２２  ｘ−ｚステージ
２４  ホログラム記録媒体
３０、３２、３４、３８  レンズ
３６空間光変調素子
４０  検出器
４２  パーソナルコンピュータ
４４  検光子
４６  パターン発生器
４８、５０  駆動装置
１００  ホログラム光学素子
【図１】
2005037453.tif 000012
【図２】
2005037453.tif 000013
【図３】
2005037453.tif 000014
【図４】
2005037453.tif 000015
【図５】
2005037453.tif 000016
【図６】
2005037453.tif 000017
【図７】
2005037453.tif 000018
【図８】
2005037453.tif 000019
【図９】
2005037453.tif 000020
【図１０】
2005037453.tif 000021
【図１１】
2005037453.tif 000022
【図１２】
2005037453.tif 000023