(57)【要約】  記録光（Ｓ）と参照光（Ｒ）との干渉によってホログラムを記録するホログラム記録装置（Ａ）であって、対物レンズ（７）は、所定の収差をもつように構成されており、ビームスプリッタ（３）に入射するレーザ光の光強度を１、ビームスプリッタ（３）によって分離される記録光（Ｓ）および参照光（Ｒ）の光強度をそれぞれＰ、１−Ｐ、記録光（Ｓ）がビームスプリッタ（３）から対物レンズ（７）に達するまでの間における光学倍率をａ、空間光変調器（５）において記録光（Ｓ）の変調に供せられる画素数をＮとし、記録光（Ｓ）の振幅が参照光（Ｒ）の振幅の１／ｋ倍となり、かつ、記録光（Ｓ）の振幅が収差０の場合のＸ倍になるとした場合、所定の収差は、下記式の条件を満たすように設定されている。【数１】2008018124.tif 000024
2008018124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からのレーザ光を記録光と参照光に分離するビームスプリッタと、記録すべき情報に応じて上記記録光を変調する空間光変調器と、変調された上記記録光をホログラム記録媒体の所定部位に集光させる対物レンズと、上記所定部位において上記記録光と重なるように上記参照光を照射させる参照光学系とを備え、上記記録光と参照光との干渉によって上記所定部位にホログラムを記録するホログラム記録装置であって、
上記対物レンズは、所定の収差をもつように構成されており、
上記ビームスプリッタに入射する上記レーザ光の光強度を１、上記ビームスプリッタによって分離される上記記録光および参照光の光強度をそれぞれＰ、１−Ｐ、上記記録光が上記ビームスプリッタから上記対物レンズに達するまでの間における光学倍率をａ、上記空間光変調器において上記記録光の変調に供せられる画素数をＮとし、上記所定部位における上記記録光の振幅が上記参照光の振幅の１／ｋ倍となり、かつ、上記記録光の振幅が収差０の場合のＸ倍になるとした場合、上記所定の収差は、下記式の条件を満たすように設定されていることを特徴とする、ホログラム記録装置。
【数１】
2008018124.tif 000022
【請求項２】
上記所定の収差は、０．２５＜ｋ＜４となる条件により、好ましくは下記式の条件を満たすように設定されている、請求項１に記載のホログラム記録装置。
【数２】
2008018124.tif 000023
【請求項３】
上記対物レンズは、球面レンズと非球面レンズとを組み合わせた複合レンズからなる、請求項１または２に記載のホログラム記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、記録光と参照光との干渉によってホログラムを記録するホログラム記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のホログラム記録装置としては、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ものは、ホログラム記録媒体に対し、空間光変調素子によって変調された記録光を垂直に照射するとともに、この記録光と重なるように参照光を斜めに照射し、これら記録光と参照光との干渉によってホログラムを記録するように構成されたものである。記録光および参照光は、光源から出射したレーザ光をビームスプリッタにより分離することで生成される。空間光変調素子とホログラム記録媒体との間には、テレセントリック系の対物レンズが配置されている。このようなテレセントリック系の対物レンズは、一般的に収差ができる限り小さくなるよう設計されており、たとえば最良像面における波面収差は、０．５λｒｍｓ以下に抑えられている。【０００３】
【特許文献１】特開平７−３１９３７２号公報
【０００４】
しかしながら、上記従来のホログラム記録装置では、対物レンズの収差が極めて小さいため、以下に説明するような問題がある。【０００５】
記録光の最良像面がホログラム記録媒体の内部に形成されるとし、この記録光の最良像面における照射面積をＭ、この最良像面における参照光の照射面積をＦとした場合、図５や図６に示すように、Ｆ／Ｍとなる照射面積比が０．６程度より小さくなると、ホログラムを再生する際にエラーが頻出する。これは、撮像信号により得られるＳＮ比の傾向からも明らかである。【０００６】
このような再生エラーは、対物レンズの結像性能が大きく関係していると考えられる。たとえば、対物レンズの収差をできる限り０とした上で、記録光の最良像面において０次像の干渉縞を強調するように記録光および参照光の振幅や光強度などを光学操作すると、他の１次像や２次像などでは干渉縞がはっきりと形成されず、ホログラムの像全体としてはコントラストが良好にならない。当然、最良像面に一致しない部位においても、コントラストが良好な状態でホログラムが記録されない。再生時には、最良像面以外の部位にも参照光が照射されることで再生光が生じ、この再生光を撮像素子により受光することでホログラムの再生像が得られる。つまり、記録されたホログラムには、コントラストが良好なものとそうでないものとが含まれるため、全体としては不鮮明な再生像しか得られず、対物レンズの収差をあまりに小さくすると、再生エラーが多くなるという難点があった。
【発明の開示】
【０００７】
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、再生エラーが生じないようにホログラムを記録することができるホログラム記録装置を提供することをその課題としている。
【０００８】
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。
【０００９】
本発明により提供されるホログラム記録装置は、光源からのレーザ光を記録光と参照光に分離するビームスプリッタと、記録すべき情報に応じて上記記録光を変調する空間光変調器と、変調された上記記録光をホログラム記録媒体の所定部位に集光させる対物レンズと、上記所定部位において上記記録光と重なるように上記参照光を照射させる参照光学系とを備え、上記記録光と参照光との干渉によって上記所定部位にホログラムを記録するホログラム記録装置であって、上記対物レンズは、所定の収差をもつように構成されており、上記ビームスプリッタに入射する上記レーザ光の光強度を１、上記ビームスプリッタによって分離される上記記録光および参照光の光強度をそれぞれＰ、１−Ｐ、上記記録光が上記ビームスプリッタから上記対物レンズに達するまでの間における光学倍率をａ、上記空間光変調器において上記記録光の変調に供せられる画素数をＮとし、上記所定部位における上記記録光の振幅が上記参照光の振幅の１／ｋ倍となり、かつ、上記記録光の振幅が収差０の場合のＸ倍になるとした場合、上記所定の収差は、下記式の条件を満たすように設定されていることを特徴としている。
【００１０】
【数１】
2008018124.tif 000003
【００１１】
上記所定の収差は、０．２５＜ｋ＜４となる条件により、好ましくは下記式の条件を満たすように設定されている。
【００１２】
【数２】
2008018124.tif 000004
【００１３】
好ましくは、上記対物レンズは、球面レンズと非球面レンズとを組み合わせた複合レンズからなる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明が適用されたホログラム記録装置の一実施形態を示す全体構成図である。
【図２】図１に示すホログラム記録装置の要部構成図である。
【図３】ホログラム記録媒体の光学的特性を説明するための説明図である。
【図４】図１に示すホログラム記録装置の再生特性を説明するための説明図である。
【図５】従来におけるホログラム記録装置の再生特性を説明するための説明図である。
【図６】従来におけるホログラム記録装置の再生特性を説明するための説明図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
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１〜４は、本発明に係るホログラム記録装置の一実施形態を示している。【００１６】
図１に示すように、ホログラム記録装置Ａは、ホログラム記録媒体Ｂに対して角度多重記録方式によりホログラムを記録するものであり、記録されたホログラムを再生可能にも構成されたものである。このホログラム記録装置Ａは、光源１、コリメータレンズ２、ビームスプリッタ３、記録光用のズームレンズ４、空間光変調器５、第１のハーフミラー６、対物レンズ７、第１の反射部材８、参照光用のズームレンズ９、第２の反射部材１０、第２のハーフミラー２０、再生用の撮像素子２１、サーボ用の集光レンズ２２、およびサーボ用の受光センサ２３を有して構成されている。【００１７】
ホログラム記録媒体Ｂは、支持基板層１００、反射層１０１、記録層１０２、および透明基板層１０３をその順に積層した構造をもち、ディスク状に形成されたものである。記録層１０２には、記録光と参照光とが重なるように照射されることで干渉縞からなるホログラムが記録される。反射層１０１には、エンボスピットが形成されており（図示略）、このエンボスピットによる反射光の変化をサーボ用の受光センサ２３が検知することにより、トラック制御やフォーカス制御、さらにはチルト制御といったサーボ制御が行われる。【００１８】
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、記録光用のズームレンズ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、第１の反射部材８、参照光用のズームレンズ９、および第２の反射部材１０を順に経てホログラム記録媒体Ｂに照射される。第２の反射部材１０は、たとえばガルバノミラーで構成されている。これにより、参照光Ｒは、ホログラム記録媒体Ｂに対して入射角を変化させながら照射される。【００１９】
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は、第１のハーフミラー６を透過し、その後、対物レンズ７を介してホログラム記録媒体Ｂの所定部位に照射される。再生時には、照射部位となるホログラム記録層１０２において参照光がホログラムと干渉することで再生光が生じ、この再生光が対物レンズ７、第１のハーフミラー６、および第２のハーフミラー２０を通って再生用の撮像素子２１に受光される。対物レンズ７は、図２に示すように、両面非球面の凸レンズ７０と両面球面の凹レンズ７１とを組み合わせた複合レンズからなる。凸レンズ７０は、記録光Ｓの入射側に配置されており、凹レンズ７１は、記録光Ｓの出射側に配置されている。このような対物レンズ７には、所定の波面収差が付与されており、空間光変調器５側（入射側）のみテレセントリックを保つようになっている。【００２０】
次に、ホログラム記録装置Ａの光学的作用について説明する。【００２１】
記録光Ｓの最良像面は、ホログラム記録媒体Ｂの記録層１０２に形成される。この記録光Ｓの最良像面における照射面積をＭ、この最良像面における参照光の照射面積をＦとした場合、これらの照射面積Ｍ，Ｆは、背景技術の欄で説明した理由から次の関係が成立している。【００２２】
【数３】
2008018124.tif 000005
【００２３】
ビームスプリッタ３に入射するレーザ光の光強度を１、その際の入射面積を１、このビームスプリッタ３によって分離される記録光Ｓおよび参照光Ｒの光強度をそれぞれＰ、１−Ｐ、記録光Ｓがビームスプリッタ３から対物レンズ７に達するまでの間における光学倍率（ズームレンズ４の光学倍率）をａ、空間光変調器５において記録光Ｓの変調に用いられる画素数をＮとした場合、光強度は照射面積に反比例し、光の振幅を二乗したものが光強度となるので、仮に対物レンズ７の波面収差が０であるならば、最良像面における記録光Ｓの振幅ｆｓは、次のようになる。【００２４】
【数４】
2008018124.tif 000006
【００２５】
本実施形態では、対物レンズ７が所定の波面収差をもつため、記録光Ｓの振幅ｆｓは、次式に示すように波面収差０の場合のＸ倍になる。【００２６】
【数５】
2008018124.tif 000007
【００２７】
一方、参照光Ｒの振幅ｆｒは、ホログラム記録媒体Ｂに達するまでの光学倍率（ズームレンズ９の光学倍率）をｂとした場合、次のようになる。【００２８】
【数６】
2008018124.tif 000008
【００２９】
上記記録光Ｓについては、その最良像面における振幅ｆｓが参照光Ｒの振幅ｆｒの１／ｋ倍となっていると考え、次式の関係が成立しているものとする。【００３０】
【数７】
2008018124.tif 000009
【００３１】
ここで、参照光Ｒの光束がけられることなくホログラム記録媒体Ｂに達したとき、この参照光Ｒの照射面積Ｆは、ビームスプリッタ３に対するレーザ光の入射面積を１とした場合のｂ倍になるため、Ｆ＝ｂとなる。この照射面積Ｆ（＝ｂ）は、式３で示した条件より０．６Ｍよりも大きくなることから、次式が成立している。【００３２】
【数８】
2008018124.tif 000010
【００３３】
上記式８をＸで整理すると、次のようになる。【００３４】
【数９】
2008018124.tif 000011
【００３５】
すなわち、対物レンズ７の波面収差は、記録光Ｓの振幅ｆｓが波面収差０の場合のＸ倍となり、かつ、Ｘが上記式９を満たすように設計されている。本実施形態では、空間光変調器５による収差が一例として２８０ｍλｒｍｓ程度であり、これを含めて対物レンズ７の波面収差が１．９λｒｍｓ程度となっている。対物レンズ７の光軸をホログラム記録媒体Ｂに対して２８°程度傾けた場合、対物レンズ７の波面収差は、２．５λｒｍｓ程度となる。【００３６】
さらに、記録光Ｓの振幅ｆｓと参照光Ｒの振幅ｆｒとの振幅比となるｋに関し、このｋと回折効率ηの変化との関係については、図３のような傾向となる。同図の縦軸に示される回折効率ηの変化分は、ＳＮ比における撮像信号の低下分に相当する。記録光Ｓと参照光Ｒとの回折に要する光強度Ｉは、これらの振幅ｆｓ，ｆｒを用いて次式で表される。【００３７】
【数１０】
2008018124.tif 000012
【００３８】
光源１から発せられたレーザ光は、単位時間当たりの光強度が一定のため、記録光Ｓおよび参照光Ｒの光強度に関しては、次式が成立する。【００３９】
【数１１】
2008018124.tif 000013
【００４０】
記録光Ｓと参照光Ｒとの回折に要する光強度Ｉについては、上記式１０，１１から次式のように変形することができる。【００４１】
【数１２】
2008018124.tif 000014
【００４２】
ホログラム記録媒体Ｂの光学特性としては、付与された光強度Ｉと回折効率ηとの間に理想的には次のような関係が成立する。【００４３】
【数１３】
2008018124.tif 000015
【００４４】
たとえば、ホログラム記録媒体Ｂの材料にフォトポリマーを用いた場合、実際には次のような関係となる。【００４５】
【数１４】
2008018124.tif 000016
【００４６】
図３に示すように、回折効率ηは、振幅比ｋが４倍程度まで大きくなると、半分以下に低下する。【００４７】
次に、再生用の撮像素子２１の性能に着目する。図４に示すように、撮像素子２１におけるアナログデジタルコンバータのビット幅は、エラーレートとの関係から７ビット以上が必要である。このとき、検知誤差が１ビット以下であれば、アナログデジタルコンバータの実質的なビット幅は、６ビット以上となる。これは、１２８階調に対して２階調分の誤差のみが許されることを意味しており、すなわち、ＳＮ比が３６ｄＢ以上になる必要がある。【００４８】
たとえば、データ転送速度が５００Ｍｂｐｓ、２倍オーバサンプリングによる実効画素数を２５％、全体の画素数を２０４８×２０４８、いわゆる２／４符号化法の適用により実効転送速度を５０％、機械的な駆動に要する時間と撮像に要する露光時間とを５０％ずつとし、露光周期を２０００／secとした場合、次式から露光時間Ｔは、０．５msec程度となる。【００４９】
【数１５】
2008018124.tif 000017
【００５０】
光源１のレーザ出力は、４０５ｎｍの波長域で最大１００ｍＷであり、ホログラム記録媒体Ｂに記録光Ｓが達するまでの光学的な損失を考慮した場合、最良でも４０％以下となり、ホログラム記録媒体Ｂからの再生光が撮像素子２１へと進行する場合には、５０％以下となる。また、ホログラム記録媒体Ｂの材料としてフォトポリマーを用いる場合、回折効率ηは１Ｅ−３以下、フィルファクタは０．５以下となる。このような条件から各画素に付与される光強度Ｉｐは、次のようになる。【００５１】
【数１６】
2008018124.tif 000018
【００５２】
１secを基準とし、光電変換効率を４２％とすると、４０５ｎｍの波長域におけるフォトンエネルギ５Ｅ−１９Ｊからフォトン密度Ｐは、次のようになる。【００５３】
【数１７】
2008018124.tif 000019
【００５４】
このとき、露光時間が０．５msecなので、フォトン数は、最大４０００個となる。一方、撮像素子２１においては、暗時におけるフォトン数が５０個以上になり、ＳＮ比の最大値が３８ｄＢ程度となる。つまり、撮像素子２１に入力するフォトン数が半分になると、ＳＮ比が３２ｄＢとなって３６ｄＢを下回るため、撮像素子２１において十分な光強度の再生光を得るように、振幅比ｋが次の条件を満たすように設定されている。【００５５】
【数１８】
2008018124.tif 000020
【００５６】
この式１８の条件から、式９は、実質的には次のようになっている。【００５７】
【数１９】
2008018124.tif 000021
【００５８】
以上説明した光学条件に基づき、本実施形態においては、空間光変調器５の画素を１０２４×７６８とし、全画素数の２５％で光を透過させる２／４符号化法を採用し、記録光Ｓおよび参照光Ｒの光強度が５０％ずつとなるようにビームスプリッタ３でレーザ光を分離し、ズームレンズ４の光学倍率ａを６倍に設定している。これにより、対物レンズ７の波面収差は、０＜Ｘ＜４．０２Ｅ−６となるように設計されている。【００５９】
したがって、本実施形態のホログラム記録装置Ａによれば、対物レンズ７に適切なレベルの波面収差が与えられているため、再生エラーが生じないようにホログラムを記録することができる。また、再生エラーを防止するための複雑な仕組みを設ける必要なく、単純に対物レンズ７に収差を付与するだけで簡単に構成することができ、信頼性および装置間のばらつきなどを良好とすることができる。【００６０】
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。【００６１】
上記実施形態で示した数値などは、あくまでも一例とした値にすぎず、仕様に応じて適宜設計変更することが可能である。
【図１】
2008018124.tif 000025
【図２】
2008018124.tif 000026
【図３】
2008018124.tif 000027
【図４】
2008018124.tif 000028
【図５】
2008018124.tif 000029
【図６】
2008018124.tif 000030
【国際調査報告】
2008018124.tif 000031
2008018124.tif 000032
2008018124.tif 000033
2008018124.tif 000034