(57)【要約】【課題】  光の微小な干渉縞を記録するマイクロホログラム方式において、さらなる大容量記録を実現する。【解決手段】  ビームパターンを空間位相変調手段110を用いて複数種類に変調し、それぞれの光束で多重記録を行う。再生時には参照光のビームパターンを変化させるか、もしくは信号光の空間領域を分割して干渉させ、多重記録されたデータから選択的にデータを取得する。【選択図】  図１
2013182653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から出射される光束を第一の分岐光束と第二の分岐光束とに分割する光分割手段と、
前記第一の分岐光束と第二の分岐光束とを記録媒体のほぼ同一箇所に対向方向から集光する集光手段と、
前記第一の分岐光束と第二の分岐光束の少なくとも一つのビームパターンを変調する空間光位相変調手段とを有し、
前記空間光位相変調手段の変調の種類を複数に設定し、記録媒体のほぼ同一箇所に多重記録することを特徴とする光情報記録装置
【請求項２】
請求項１に記載の光情報記録装置において、
前記空間光位相変調手段の変調として、変調を行わないものと、入射光束のラジアル方向の位置の左右で位相が１８０度異なる変調と、を行うことを特徴とする光情報記録装置。
【請求項３】
請求項１に記載の光情報記録装置において、
前記空間光位相変調手段の変調として、入射光束の中心のまわりに４等分された領域のそれぞれにおいて位相０または１８０度の変調を行い、このうち位相変調が０である領域の数が偶数であることを特徴とする光情報記録装置。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の光情報記録装置において、
前記光位相変調手段は領域が２分割または４分割された位相板であって、
前記位相板の位置を可変とする可動部を備え、
変調の種類に応じて前記位相板の位置を変位させることを特徴とする光情報記録装置。
【請求項５】
請求項１に記載の光情報記録装置において、
前記第一の分岐光束または第二の分岐光束のラジアル方向の位置を変位させる可動部を有し、前記集光手段の中心と、前記集光手段に入射する光束の中心がほぼ一致するよう前記可動部が制御されることを特徴とする光情報記録装置。
【請求項６】
請求項１に記載の光情報記録装置において、
前記光源と前記光分割手段との間に、更に複数の光束に分岐する第２の光分岐手段が設けられ、
前記第２の光分岐手段で分岐させた複数の光束それぞれを変調する複数の強度信号変調器とを有し、複数のビームパターンによる記録媒体への記録動作を同時に行うことを特徴とする光情報記録装置。
【請求項７】
請求項１に記載の光情報記録装置において、
前記光源は、複数の同一波長の光源であって、
前記複数の光源からの光束を合波する合波手段と、
前記複数の光源からの光束をそれぞれ異なるビームパターンに変調するための空間光位相変調器と、を有することを特徴とする光情報記録装置。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の光情報記録装置において、
前記複数の強度信号変調器もしくは複数の光源の変調が同期して行われることを特徴とする光情報記録装置。
【請求項９】
光源と、
前記光源から出射される光束を再生光束と参照光束とに分岐する光分岐手段と、
前記再生光束を記録媒体の所定の記録箇所に集光する集光手段と、
前記記録媒体からの反射光である信号光を前記参照光と合波し、３つ以上の干渉光束を生成して検出する干渉光学系と、
前記信号光、再成光、参照光の少なくともひとつのビームパターンを変調する空間光位相変調手段と、を有し、
前記空間光位相変調手段の変調の種類ごとに再生信号を取得することを特徴とする光情報再生装置。
【請求項１０】
請求項９に記載の光情報再生装置において、
前記参照光束と前記信号光束のそれぞれの光路中に回折格子を有し、前記回折格子のうち少なくとも一方の回折光はビームパターンを変調する作用を有し、
前記それぞれの回折格子からの回折光が合波され、前記干渉光学系で検出されることを特徴とする光情報再生装置。
【請求項１１】
光源と、
前記再生光束を記録媒体の所定の記録箇所に集光する集光手段と、
前記記録媒体からの反射光である信号光の光束を空間的に分割し、前記分割された光束を干渉させる空間干渉光学系と、前記空間干渉光学系によって生成される干渉光を検出する検出器とを有することを特徴とする光情報再生装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光情報再生装置において、
前記空間干渉光学系はキューブ状のハーフビームスプリッタであることを特徴とする光情報再生装置。
【請求項１３】
請求項１１に記載の光情報再生装置において、
前記空間干渉光学系は、λ／２板と、キューブ状の偏光ビームスプリッタと、偏光子とからなることを特徴とする光情報再生装置。
【請求項１４】
光源と、
前記光源から出射される光束を記録再生光束と参照光束とに分岐する第一光分割手段と、
前記記録再生光束を第一の分岐光束と第二の分岐光束とに分割する第二光分割手段と、
前記第一の分岐光束と第二の分岐光束とを記録媒体のほぼ同一箇所に対向方向から集光する集光手段と、
前記記録媒体からの反射光である信号光を前記参照光と合波し、３つ以上の干渉光束を生成して検出する干渉光学系と、
前記光源と前記第一光分割手段の間に前記光源からの光束のビームパターンを変調する空間光位相変調手段を有し、
前記第一の分岐光束と第二の分岐光束が記録媒体の同一箇所に集光されるまでに反射される回数のパリティが異なり、
前記参照光束と、前記記録再生光束のうち記録媒体から反射されて信号光となる光束とが、前記干渉光学系において合波されるまでに反射される回数のパリティが異なり、
データ記録時には、前記空間光位相変調手段の変調の種類を複数に設定し、記録媒体のほぼ同一箇所に多重記録し、
データ再生時には、前記空間光位相変調手段の変調の種類ごとに再生信号を取得することを特徴とする光情報記録再生装置。
【請求項１５】
光源と、
前記光源から出射される光束を第一の分岐光束と第二の分岐光束とに分割する光分割手段と、
前記第一の分岐光束と第二の分岐光束とを記録媒体のほぼ同一箇所に対向方向から集光する集光手段と、
前記第一の分岐光束と第二の分岐光束の少なくとも一つのビームパターンを変調する空間光位相変調手段とを有する光情報記録装置を用いた光情報記録方法であって、
記録媒体に設けられた所定の間隔の同期領域を用いて、クロック信号を生成し、前記クロック信号に基づきデータ記録のタイミングを調整し、
前記空間光位相変調手段の変調の種類を複数に設定し、
記録媒体のほぼ同一箇所に多重記録することを特徴とする光情報記録方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ディスク装置の小型化、再生信号の大容量化、高速化に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ディスクは、青色半導体レーザと、高NA対物レンズを用いるブルーレイディスクの製品化に至って、光学系の分解能としてはほぼ限界に達している。更なる大容量化を実現する方法としては、記録層を多層化する多層方式が有力であり、すでに3層ディスクまでが製品化されている。さらなる大容量化に向け、記録層数の増大を実現する方法として、記録媒体に記録層構造を必要としないマイクロホログラム方式が知られている（たとえば特許文献１、非特許文献１、非特許文献２参照）。本方式の原理を、図２を用いて説明する。本方法において、データ記録時には記録媒体中の特定の箇所に2つの光を対向方向から集光し、これらの光束の干渉縞を記録媒体の屈折率変化として記録する。ここで一方の光束の強度を変調することにより、記録される干渉縞の強度が変調され、これらの情報が保存される。そして再生時には従来の光ディスク装置と同様に、記録された干渉縞に一方から光束を照射し、反射光を検出することにより、強度の情報を再生する。本方式では記録時に２つの光束が集光される位置に記録層が形成されることになるため、記録媒体に事前に記録層構造を設ける必要がないため記録媒体の製作が容易であり、多層記録に適している。
【０００３】
マイクロホログラム方式はホログラム記録の一方式とみなせるため、さらなる大容量化を実現するための多重記録方式が知られている。非特許文献１では、波長多重方式について述べられている。本方式において記録時には、複数の波長の光源を用意し、同一箇所に記録を行う。再生時には、記録に用いた光源のうちどれかひとつを発光させて記録箇所に集光・照射する。すると同一の波長で記録された干渉縞のみが反射光を生じ、多重に記録されたデータを分離して再生することが可能である。本方式では、波長の数だけ多重度を高め、記録容量を高めることが可能である。特許文献２では、偏光多重方式について述べられている。この場合、記録時に2種類の直交する偏光状態（たとえば右円偏光と左円偏光）でそれぞれ記録媒体の同一箇所に記録する。再生時には特定偏光の光束を記録箇所に照射し、反射光の2つの偏光成分が記録時の各偏光状態で記録したデータに対応する。本方式では偏光の自由度が2次元であることから、２多重の記録を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２２０２０６号公報（対応ＥＰ1986187Ａ）
【特許文献２】特開2011-210293号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】H.J. Eichler et al., “High-Density Disk Storage by Multiplexed Microholograms,”IEEE J. Sel. Top. Quantum Elec., Vol. 4, No.5, 1998, pp.840
【非特許文献２】R.R. Mcleod et al., “Microholographic multilayer optical disk data storage,”  Appl, Opt., Vol. 44, 2005, pp.3197
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
非特許文献１に述べられる方式において、多重に記録されたデータを分離して再生信号を取得するためには、記録・再生に用いる波長を所定量だけ離す必要がある。これは、用いる波長が近接していると、再生時に別の波長の信号が発生してクロストークが生じるためである。必要な波長間隔としては、非特許文献１によれば数nmから10nm以上程度であるが、記録密度を高める目的で記録媒体に光束を集光する際の開口数を高めると、さらに波長間隔を大きくする必要が生じる。現実にこの程度の波長間隔で光源を用意することは容易でなく、また光学部品にも高帯域な性能が要求されることから、実現が難しいという課題がある。
【０００７】
これに対し特許文献２に述べられる方法は、光源に対する上記のごとき制約がないため実現が容易である。但し記録媒体としては、記録に用いる光の偏光状態によって記録状態の物理的特性（たとえば光学異方性の軸方向）が異なる、すなわち偏光感受性の媒体である必要があり、適用可能な記録媒体の種類が限定される。
【０００８】
上記の課題に鑑み、本発明の目的は、多重化が容易で大容量記録を達成することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的を達成するために以下の手段を用いた。
【００１０】
（１）半導体レーザなどの光源と、前記光源から出射される光束を第一の分岐光束と第二の分岐光束とに分割する偏光ビームスプリッタなどの光分割手段と、前記第一の分岐光束と第二の分岐光束とを記録媒体のほぼ同一箇所に対向方向から集光する対物レンズなどの集光手段と、前記第一の分岐光束と第二の分岐光束のすくなくとも一つのビームパターンを変調する空間光位相変調器や位相板などの空間光位相変調手段とを有し、前記空間光位相変調手段の変調の種類を複数に設定し、記録媒体の同一箇所に多重記録することとした。
【００１１】
これにより、光源や記録媒体に対する制約無しに多重記録を実現することができ、大容量化を実現することが可能である。
【００１２】
(２)(１)において、前記空間光位相変調手段の変調として、変調を行わないものと、入射光束のラジアル方向の位置の左右で位相が１８０度異なる変調と、を行うこととした。
【００１３】
これにより、簡易にビームパターンの変調を行うことが可能となり、容易に多重記録を実現することが可能となる。
【００１４】
（３）（１）において、前記空間光位相変調手段の変調として、入射光束の中心のまわりに４等分された領域のそれぞれにおいて位相０または１８０度の変調を行い、このうち空間光位相変調が０である領域の数が偶数であることとした。
これにより、簡素な変調パターンを用いて容易に多重度を増やすことが可能となり、さらなる大容量記録が容易に実現可能となる。
【００１５】
（４）（２）もしくは（３）において、前記空間光位相変調手段は領域が２分割または４分割された位相板であって、前記位相板の位置を可変とするステッピングモータなどの可動部を備え、変調の種類に応じて前記位相板の位置を変位させることとした。
【００１６】
これにより、簡素、安価な素子のみを用いて空間光変調を実現することが可能となり、容易に大容量記録を実現可能である。
【００１７】
（５）記録媒体のデータ記録されていない領域にデータ記録を行う際に、所定の間隔で同期領域を設け、前記記録媒体のデータ記録された領域に多重データ記録を行う際に、前記同期領域において再生信号を取得し、これに基づきクロック信号を生成し、前記クロック信号に基づきデータ記録のタイミングを調整することとした。
【００１８】
これにより、多重記録を行う際のタンジェンシャル方向の記録位置を正確に一致させることが可能となり、多重記録されたデータを精度良く識別することが可能となる。
【００１９】
（６）（１）において、前記第一の分岐光束または第二の分岐光束のラジアル方向の位置を変位させる電磁アクチュエータなどの可動部を有し、前記集光手段の中心と、前記集光手段に入射する光束の中心がほぼ一致するよう前記可動部が制御されることとした。
【００２０】
これにより、対物レンズなどの集光手段がトラックサーボ動作等の理由によりラジアル方向にシフトする場合も、ビームパターンの対称性を精度良く保つことができるため、高精度でのデータの記録が可能となる。
【００２１】
（７）（１）において、前記光源からの出射光束を複数の光束に分岐するハーフビームスプリッタや無偏光ビームスプリッタ等の光多分岐手段と、それぞれの分岐光束を変調する複数の電気光学変調器等の強度信号変調器を有することとした。
【００２２】
これにより、空間光位相変調器が駆動機構を必要としないパッシブな部品で構成することができ、装置の簡素化に寄与する。また、複数のビームパターンに対応する記録動作を同時に行うことができ、高速な記録動作が実現できる。
【００２３】
（８）（１）において、複数の同一波長の半導体レーザなどの光源と、前記複数の光源からの光束を合波するハーフビームスプリッタ、偏光ビームスプリッタなどの合波手段と、前記複数の光源からの光束をそれぞれ異なるビームパターンに変調するための空間光位相変調器とを有することとした。
【００２４】
これにより、空間光位相変調器が駆動機構を必要としないパッシブな部品で構成でき、また強度信号変調器が不要のため、装置の簡素化に寄与する。また、複数のビームパターンに対応する記録動作を同時に行うことができ、高速な記録動作が実現できる。
【００２５】
（９）（７）または（8）において、前記複数の強度信号変調器もしくは複数の光源の変調が同期して行われることとした。
【００２６】
これにより、多重記録する際の定在波のタンジェンシャル方向の位置を容易に一致させることが可能となり、高精度なデータ記録が可能となる。
【００２７】
（１０）半導体レーザなどの光源と、前記光源から出射される光束を再生光束と参照光束とに分岐する偏光ビームスプリッタなどの光分岐手段と、前記再生光束を記録媒体の所定の記録箇所に集光する対物レンズなどの集光手段と、前記記録媒体からの反射光である信号光を前記参照光と合波し、３つ以上の干渉光束を生成して検出する無偏光ビームスプリッタ、波長板、ウォラストンプリズム等からなる干渉光学系と、前記信号光、再成光、参照光の少なくともひとつのビームパターンを変調する空間光位相変調器や位相板などの空間光位相変調手段とを有し、前記空間光位相変調手段の変調の種類ごとに再生信号を取得することとした。
【００２８】
これにより、ビームパターンにより多重記録された記録媒体から選択的にデータを再生することが可能となり、大容量記録されたデータの再生が可能となる。
【００２９】
（１１）半導体レーザなどの光源と、前記再生光束を記録媒体の所定の記録箇所に集光する対物レンズなどの集光手段と、前記記録媒体からの反射光である信号光の光束を空間的に分割し、分割された光束を干渉させる空間干渉光学系と、前記空間干渉光学系によって生成される干渉光を検出する検出器とを有することとした。空間干渉光学系は、信号光自身の所定の空間領域と別の空間領域とを干渉させる光学系であり、(1０)に述べられている、信号光と別の光である参照光とを干渉させる干渉光学系とは異なる。
【００３０】
これにより、簡素な構成でビームパターンにより多重記録された記録媒体から選択的にデータを再生することが可能となり、容易に多重記録されたデータの再生が可能となる。
【００３１】
（１２）（１１）において、前記空間干渉光学系はキューブ状のハーフビームスプリッタであることとした。
【００３２】
これにより、少ない部品点数と簡素な構成により多重記録されたデータの再生が可能となり、装置の小型、低コスト化に寄与する。
【００３３】
（１３）（１１）において、前記空間干渉光学系は、λ／２板と、キューブ状の偏光ビームスプリッタと、偏光子とからなることとした。
【００３４】
これにより、高精度に空間的に分割された光束の干渉光を生成することが可能となり、高い再生信号品質で多重化されたデータから再生信号を取得することが可能となる。
【００３５】
（１４）（１０）において、前記参照光束と前記信号光束のそれぞれの光路中に回折格子を有し、前記回折格子のうち少なくとも一方の回折光はビームパターンを変調する作用を有し、前記それぞれの回折格子からの回折光が合波され、前記干渉光学系で検出されることとした。
【００３６】
これにより、多重記録されたデータのそれぞれを同時に取得することが可能となり、高速な再生動作が実現可能である。
【００３７】
（１５）（１０）において、前記空間光位相変調手段の変調として、変調を行わないものと、入射光束のラジアル方向の位置の左右で位相が１８０度異なる変調と、を行うこととした。
【００３８】
これにより簡易にビームパターンの変調を行うことが可能となり、容易かつ高精度に多重記録されたデータを再生することが可能となる。
【００３９】
（１６）（１０）において、前記空間光位相変調手段の変調として、入射光束の中心のまわりに４等分された領域のそれぞれにおいて位相０または１８０度の変調を行い、このうち空間光位相変調が０である領域の数が偶数であることとした。
【００４０】
これにより、容易に多重度の高い多重記録がなされた記録媒体から再生信号を取得することが可能となる。
【００４１】
（１７）（１５）しくは（１６）において、前記空間光位相変調手段は領域が２分割または４分割された位相板であって、前記位相板の位置を可変とする可動部を備え、変調の種類に応じて前記位相板の位置を変位させることとした。
【００４２】
これにより、簡素、安価な素子のみを用いて空間光変調を実現することが可能となり、容易に多重記録されたデータの再生が可能となる。
【００４３】
（１８）（１０）において、前記再生光束または参照光束のラジアル方向の位置を変位させる可動部を有し、前記集光手段の中心と、前記集光手段に入射する光束の中心がほぼ一致するよう前記可動部が制御されることとした。
【００４４】
これにより、対物レンズなどの集光手段がトラックサーボ動作等の理由によりラジアル方向にシフトする場合も、ビームパターンの対称性を精度良く保つことができるため、高精度で多重記録されたデータの再生が可能となる。
【００４５】
（１９）半導体レーザなどの光源と、前記光源から出射される光束を記録再生光束と参照光束とに分岐する偏光ビームスプリッタなどの第一光分割手段と、前記記録再生光束を第一の分岐光束と第二の分岐光束とに分割する偏光ビームスプリッタなどの第二光分割手段と、前記第一の分岐光束と第二の分岐光束とを記録媒体のほぼ同一箇所に対向方向から集光する対物レンズなどの集光手段と、前記記録媒体からの反射光である信号光を前記参照光と合波し、３つ以上の干渉光束を生成して検出する干渉光学系と、を有し、前記光源と前記第一光分割手段の間に前記光源からの光束のビームパターンを変調する空間光位相変調器などの空間光位相変調手段を有し、前記第一の分岐光束と第二の分岐光束が記録媒体のほぼ同一箇所に集光されるまでに反射される回数のパリティが異なり、前記参照光束と、前記記録再生光束のうち記録媒体から反射されて信号光となる光束とが、前記干渉光学系において合波されるまでに反射される回数のパリティが異なり、データ記録時には、前記空間光位相変調手段の変調の種類を複数に設定し、記録媒体のほぼ同一箇所に多重記録し、データ再生時には、前記空間光位相変調手段の変調の種類ごとに再生信号を取得することを特徴とすることとした。
【００４６】
これにより、記録、再生動作に用いる空間光位相変調手段を共通とすることが可能となり、装置の低コスト化、小型化に寄与する。
【発明の効果】
【００４７】
多様な記録媒体が適用可能で、多重記録が容易で、大容量を実現可能な、光情報記録装置または光情報再生装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の基本的な実施形態の構成図
【図２】対向する２つの光束により定在波が生成されることを説明する図
【図３】空間光位相変調器の説明図
【図４】空間光位相変調器の変調パターンの説明図
【図５】空間光位相変調器の透過光のビームパターン
【図６】定在波の強度分布
【図７】位相信号変調記録の説明図
【図８】3つの干渉光から再生信号を取得する場合の検出光学系の構成図
【図９】第一記録光束、第二記録光束、サーボ光の記録媒体中の状態を示す図
【図１０】記録密度の見積もりの計算の説明図
【図１１】位相信号変調を行う場合の構成図
【図１２】回折格子により空間光位相変調を行う場合の説明図
【図１３】分割位相板により空間光位相変調を行う場合の説明図
【図１４】ハーフビームスプリッタを用いて信号光の左右の光束を干渉させて検出する実施形態の構成図
【図１５】λ／２板、偏光ビームスプリッタ、偏光板を用いて信号光の検出を行う場合の構成図
【図１６】信号光の左右の光束を分離して合波する別の構成図。
【図１７】多重記録された信号を同時に取得する別の実施形態の構成図
【図１８】多重記録された信号を同時に取得する別の実施形態において信号光と参照光の合波を説明する図
【図１９】多重記録された信号を同時に取得する別の実施形態における検出器の構成図
【図２０】多重記録された信号を同時に取得する別の実施形態における干渉光学系の別の形態の例の構成図。
【図２１】多重記録された信号を同時に取得する別の実施形態における干渉光学系の別の形態の例における受光部の配置図
【図２２】記録・再生で同一の空間光位相変調器を用いる実施形態の構成図
【図２３】記録・再生で同一の空間光位相変調器を用いる実施形態における空間光位相変調器の変調パターンの説明図
【図２４】記録・再生で同一の空間光位相変調器を用いる実施形態における第一の記録光束と第二の記録光束の位相関係を説明する図
【図２５】４重の多重記録を行う実施形態における、空間光位相変調器の変調パターンの説明図
【図２６】４重の多重記録を行う実施形態における、透過光のビームパターン
【図２７】４重の多重記録を行う実施形態における、同期領域を設ける記録フォーマットの説明図
【図２８】ラゲールガウシアンビームを用いる実施形態における、空間光位相変調器の変調パターンの説明図
【図２９】ラゲールガウシアンビームを用いる実施形態における、空間光位相変調器の透過光のビームパターン
【図３０】ラゲールガウシアンビームを用いる実施形態における、空間光位相変調器の透過光の波面の説明図
【図３１】複数のビームパターンによる記録を同時に行う実施形態の構成図
【図３２】複数のビームパターンによる記録を同時に行う実施形態の別の構成図
【図３３】複数のビームパターンによる記録を同時に行う実施形態の別の構成図
【図３４】別々の光源からの光束を用いて複数のビームパターンによる記録を行う実施形態の構成図
【図３５】空間光位相変調器の配置例
【図３６】第一の記録光束中に空間光位相変調器が挿入される場合の構成図
【図３７】第一の記録光束と第二の記録光束の双方に空間光位相変調器が挿入される場合の構成図
【図３８】分割位相板により4多重の空間光位相変調を行う場合の説明図
【図３９】電磁アクチュエータの詳細図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００４９】
以下、図1を用いて本発明の実施形態を説明する。
（記録動作）
図１は本発明の基本的な実施形態である。まず記録時の動作について説明する。記録データはマイクロプロセッサ101からの指示により、エンコーダ102によりデジタル変調信号IMに変換される。この変調信号に基づき、ドライバ103を通して半導体レーザ104の発光強度が変調される。この半導体レーザから出力された光束はコリメートレンズ105により平行光とされる。半導体レーザ104からの光束の偏光状態はp偏光となっており、λ／２板（軸方位：水平偏光に対して0度）106を通過してp偏光状態のまま偏光ビームスプリッタ107に入射し、全光量が透過する。この光束はλ／２板（軸方位：水平偏光に対して22.5度）108を通過して45度直線偏光となったのち、偏光ビームスプリッタ109により透過光であるp偏光成分と反射光であるs偏光成分とに分岐される。この反射光、透過光をそれぞれ第１の記録光束、第２の記録光束と呼ぶ。第１の記録光束はλ／4板（軸方位：水平偏光に対して45度）113を通過して右円偏光となった後、リレーレンズ114、電磁アクチュエータ117に搭載されたミラー115,116、ダイクロイックミラー118を透過してアクチュエータに搭載された対物レンズ119により記録媒体120中の特定の場所に集光される。この集光された光束はアクチュエータに搭載された対物レンズ121に平行光束とされた後、ビームサンプラ125により一部が反射され、4分割検出器126により検出され、後で説明するように検出信号に基づき対物レンズ121とガルバノミラー122の変位が閉ループ制御される。一方、第二記録光束は、まず空間光位相変調器110を通過し、本変調器の設定により所定の空間モードに変換されたのち、λ／4板（軸方位：水平偏光に対して45度）124を通過して右円偏光となった後、リレーレンズ123を通過、ガルバノミラー122を反射した後に対物レンズ121によって第１の記録光束とほぼ同一箇所に集光される。すると、図2に示すように光の進行方向が正反対である2光束の干渉により光強度分布において定在波（干渉縞）が発生する。第１の記録光束、第２の記録光束は集光点付近においてパワー密度が急激に高くなるため、図2に示すように定在波が実質的に集光点の近傍に局在するような状態となる。記録媒体120はこの定在波の各位置における強度の大小に応じて屈折率変化を生じ、干渉縞のパターンが記録媒体の屈折率変化として記録される。
【００５０】
上記のごとく記録を行ったのち、空間光位相変調器110の設定を切り替え、再度上記と同様の記録動作を行う。ここで記録媒体における記録箇所は空間光位相変調器110の設定が異なる状態で記録された場所に重ねて記録される。さらに空間光位相変調器110の設定を切り替え、同様の記録動作を繰り返す。これによりデータを多重に記録する。
（再生時の動作）
次に、再生時の動作について説明する。再生時は半導体レーザ104がDC発光する。λ／2板106は再生時には軸方向が0度と異なる値に設定され、半導体レーザ104からの光束が偏光ビームスプリッタ107によってｓ偏光成分である反射光とｐ偏光成分である透過光に分岐される。このうち反射光を参照光、透過光を再生光と呼ぶ。λ／2板108は再生時には軸方向が45度に設定されており、再生光はｓ偏光となって偏光ビームスプリッタ109を全反射し、記録時と同様に半導体レーザ119の光束によってサーボ制御された対物レンズ119によって記録媒体120中の記録箇所に集光される。ここでリレーレンズ120を適切に設定することで、所定の記録層上に集光させる。
【００５１】
ここで、記録時に定在波が記録媒体120の屈折率変化として記録された場所に参照光が照射されると、周期的な屈折率変化によって反射光が生成される。この反射光を以後、信号光と呼ぶ。信号光は、再生光と逆方向に進み、λ／４板113によってｐ偏光となるために偏光ビームスプリッタ109、偏光ビームスプリッタ127を透過する。一方、参照光は空間光位相変調器111の設定によって所定の空間モードに変換されたのち、偏光ビームスプリッタ127を反射し、信号光と同軸になる。従って、信号光と参照光は、互いに偏光が直交した状態で検出光学系128に入射する。この入射した光束は無偏光ハーフビームスプリッタ130によって透過光、反射光に2分割される。透過光は光学軸が水平方向に対して２２．５度に設定されたλ／２板131を通過して偏光が45度回転し、ウォラストンプリズム132によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離される。分離された光束は差動検出器133の２つのフォトダイオード134,135にそれぞれ入射し、強度の差に比例した電気信号が差動検出器133から出力される。同様に、無偏光ハーフビームスプリッタ130を反射した光束は、光学軸が水平方向に対して４５度に設定されたλ／４板136を通過した後にウォラストンプリズム137によって分離され、差動検出器138で検出される。後で述べるように、ウォラストンプリズム137で分離された後の光束はいずれも信号光と参照光とが干渉した干渉光であり、差動検出器133,138の出力は干渉成分を抽出したものになっている。
【００５２】
差動検出器133,138の出力はデジタル信号処理回路141に送られ、後で説明するプロセスにより再生信号が得られる。得られた再生信号は複号回路142に送られてユーザデータに変換され、マイクロプロセッサ101を通して上位装置143に送られる。その後、空間光位相変調器110の設定を切り替え、再度上記と同様の再生動作を行う。
（記録の原理）
ここで、本発明のデータ記録・再生の原理について詳細に述べる。空間光位相変調器110は図３に示すような透過型の光学素子であり、入射された光束に対して、光束の面内の位置（ピクセル）ごとに異なる位相を付与することが可能な素子である。これにより当該変調器を透過したビームの空間ビームパターン（面内の複素電場分布）を任意に変化させることが可能である。本実施例では、空間光位相変調器における変調パターンとして、位相を付与しない無変調パターン（第一パターンと呼ぶ）と、入射光束の右半分と左半分とで１８０度の位相差を生じるパターン（第二パターンと呼ぶ）の2種類を用いた。ここで、図４に示すように、空間光位相変調器110における横方向は、記録媒体におけるラジアル方向（記録トラックに垂直な方向）に対応している。空間光位相変調器110への入射光束は半導体レーザ104からの出力でありガウシアンビームとなっており、中心対称な強度分布（平行光のため位相は面内で一定）となっている。これに対し、第一パターンを用いた場合の透過光分布は入射光束と同一であり、対物レンズ121で集光した後も図５（a）に示すような、同一のビーム形状が保たれる。一方、第二パターンを用いた場合は図５(b)に示すような、左右対称な強度パターンとなる。そして重要な点として、この透過光は左右で位相が180度異なり、これら強度・位相パターンは対物レンズ121で集光された後も保持される。（実際には対物レンズの開口制限により強度分布が若干変化する。）ここで記録媒体中の集光位置における、第一の記録光束と第二の記録光束の干渉光強度パターンを図６に示す。図6で縦軸は光軸方向、横軸は水平方向（ラジアル方向）である。第一パターンを用いた場合は一定周期の定在波が生じており、その周期は記録媒体内の波長の半分である。これに対し、第二パターンを用いた場合は定在波が左右に分裂しており、左右で定在波のピーク位置が半周期分だけずれている。すなわち、ビームパターンを反映した干渉縞が記録されることになる。
【００５３】
再生時には上記のごとく記録された定在波にガウシアンビームである信号光が一方から照射される。ここで第一の記録パターンで記録された場合、波長の半分の周期で周期的に変化する定在波が回折格子としてはたらき、ブラッグ回折光である反射光が生じ、ガウシアンビームのごとく強度分布が中心対称で位相が一様な信号光が生じる。これに対し、第二の記録パターンで記録された場合を考える。この場合も、左右に周期構造である定在波が存在するためにそれぞれから回折光である反射光が生じるが、左右で半周期分ピークがずれていることを反映し、左右からの反射光はそれぞれ位相が180度異なる。したがって、反射光のビームパターンは、記録時の第二パターンで生じた記録光束と同様に、左右で位相が180度異なるビームパターンとなる。このパターン形状は対物レンズ119を通過後も保たれる。結果として、記録時の第二の記録光束の空間モードが再生時に再現される。実際は前述のごとく多重記録されているため、信号光は上記２つのビームパターンの重ね合わせ状態となっている。
（再生の原理）
次に上記のごとく2つのビームパターンの重ね合わせである信号光から、特定の空間モードに対応した信号を取得する原理について詳細に述べる。再生時に用いる空間光位相変調器111は記録時に用いた空間光位相変調器110と同等のものであり、変調パターンとしても上記第一変調パターン（無変調）と第二変調パターン（左右で位相が180度異なる）とを切り換える。まず第一変調パターンを用いた時の動作を考える。検出光学系128において信号光と参照光は干渉し、干渉の大きさに比例した出力D1、D2を生成する。ここで、干渉の大きさは、ビーム面内の各点における2光束の電場の大きさの積に、相対位相を重み付けした平均に比例する。このため、例えば参照光が第一変調パターンで変調されている場合、信号光のうち第一パターンに対応する成分は面内で相対位相が一定のために出力信号を生成するが、第二パターンに対応する成分は、参照光に対してビームの左右で相対位相が180度異なる、すなわち逆の符合が重みづけされるため、強度分布が信号光も参照光も左右対称であることから、上記の重みづけ平均の結果は左右の成分が相殺してゼロとなる。すなわち、信号光のうち第一パターンに対応する成分のみが検出光学系の出力に寄与する。一方、参照光が第二パターンで空間変調された場合を考える。この場合は上記と逆に、信号光のうち第一パターンに対応する成分は、参照光に対してビームの左右で相対位相が180度異なり、上記のごとく干渉信号の出力を生じない。これに対して信号光のうち第二パターンに対応する成分に関しては、信号光も参照光も左右で位相が180度異なることから、結果的に相対位相は面内で一様となり、干渉信号が出力される。従って、参照光の空間モードの切り替えにより、多重記録されたデータのうち特定の成分を選択的に抽出することが可能となる。
【００５４】
ここで、検出光学系128で干渉光が生成され、選択的に再生信号を取得する過程をについて詳細に述べる。検出光学系128に入射する光束は、ｐ偏光成分として信号光を、ｓ偏光成分として参照光を含んでいるため、この偏光状態をジョーンズベクトルで表すと
【００５５】
【数１】
2013182653.tif 000003
【００５６】
となる。ここでEsは再生光の電場、Erは再生用参照光の電場である。実際はビームパターンに応じてそれぞれ空間依存性を持つ。また、このベクトルの第一成分はｐ偏光を、第二成分はｓ偏光を表す。この光束が無偏光ビームスプリッタ130透過し、λ/2板131を通過した後のジョーンズベクトルは
【００５７】
【数２】
2013182653.tif 000004
【００５８】
となる。次にウォラストンプリズム132によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ
【００５９】
【数３】
2013182653.tif 000005
【００６０】
【数４】
2013182653.tif 000006
【００６１】
となり、信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。一方、無偏光ビームスプリッタ130を反射したが光λ/4板136を通過した後のジョーンズベクトルは
【００６２】
【数５】
2013182653.tif 000007
【００６３】
となる。次にウォラストンプリズム137によってｐ偏光成分とｓ偏光成分に分離されるため、分離された光束の電場はそれぞれ
【００６４】
【数６】
2013182653.tif 000008
【００６５】
【数７】
2013182653.tif 000009
【００６６】
となり、やはり信号光と参照光の重ね合わせ、すなわち干渉光となっている。従って4つの分岐光145,146,147,148の強度はそれぞれ、
【００６７】
【数８】
2013182653.tif 000010
【００６８】
【数９】
2013182653.tif 000011
【００６９】
【数１０】
2013182653.tif 000012
【００７０】
【数１１】
2013182653.tif 000013
【００７１】
となり（C.C.は第二項の複素共役）、それぞれ右辺第１項が信号光と参照光の強度成分の和を表し、第２項と第３項が信号光と参照光の干渉を表す項である。φは参照光の位相を基準とした信号項の位相である。差動検出器133,138の出力はこれらの分岐光の強度の差分に比例するため、それぞれ
【００７２】
【数１２】
2013182653.tif 000014
【００７３】
【数１３】
2013182653.tif 000015
【００７４】
と表される。ここで信号光を記録時の第一パターンに対応する成分Es1と第二パターンに対応する成分Es2の和として表すと、Es１、Es2はそれぞれ偶関数、奇関数となり、出力信号は
【００７５】
【数１４】
2013182653.tif 000016
【００７６】
【数１５】
2013182653.tif 000017
【００７７】
と表される（C.C.は全体の複素共役）。ここで参照光電場が第一パターンで変調される場合、Erは偶関数となるため、数１４、数１５の最右辺第2項の被積分関数は奇関数のためｘについての積分を実行することでゼロとなり、出力信号D1,D2は
【００７８】
【数１６】
2013182653.tif 000018
【００７９】
【数１７】
2013182653.tif 000019
【００８０】
となる。これに対し、D１とD2の二乗の演算により信号光強度に対応する再生信号が以下のように得られる。
【００８１】
【数１８】
2013182653.tif 000020
【００８２】
これは、信号光のうち第一パターンに対応する成分のみが再生信号となっていることを表している。一方、参照光電場が第二パターンで変調される場合は、数１４、数１５の最右辺第１項がゼロとなり、上記と同様にして数１８のEs1をEs2で置き換えた再生信号を得る。この場合は信号光のうち第二パターンに対応する成分のみが再生信号となっていることを表している。
【００８３】
なお、本実施例では４つの干渉光の強度から位相値を推定したが、干渉光強度を決めるパラメータは(1)信号光強度,(2)参照光強度,(3)信号光と参照光の位相差、の３つであるため、原理的には３つの異なる位相の干渉光強度を検出することにより、位相値が推定可能である（加えて信号光強度も推定可能）。たとえば図８に示すように、検出光学系128において、入射光束を無偏光ビームスプリッタ130,801によって3つに分割し、そのうち１つの光束はｓ偏光がｐ偏光に対して120度の位相差を生じる位相板802を, 別の光束にはｓ偏光がｐ偏光に対して240度の位相差を生じる位相板803を通過させ、３つの光束のいずれも45度偏光のみを透過する偏光子804,805,806を透過し、検出器807,808,809によって検出する。これらの検出器の出力は
【００８４】
【数１９】
2013182653.tif 000021
【００８５】
【数２０】
2013182653.tif 000022
【００８６】
【数２１】
2013182653.tif 000023
【００８７】
と表される。これらの出力から、演算
【００８８】
【数２２】
2013182653.tif 000024
【００８９】
を行い、これらに基づき数１８に相当する出力が得られ、上に述べた干渉光が４つの場合と全く同様に再生信号を取得することが可能である。（参照光のモードを選択することによって第一パターン、第二パターンそれぞれに対応する信号が取得できることは言うまでもない。）
上記は、３つの異なる位相の干渉光強度を検出する例を説明したが、このように、位相、偏光を調整するようにして、４つ、５つなどの、３つ以上の複数の位相の干渉光強度を検出することができる。
【００９０】
なお、本実施例は記録・再生装置に関するものであるが、本実施例で述べた記録、再生にかかわる部分をそれぞれ省略して再生装置、記録装置として使用できることは言うまでもない。
【００９１】
また、本実施例では第２の記録光束中に空間光位相変調器110が挿入されていたが、上記の原理より、図36のごとく第一の記録光束中にのみ空間光位相変調器3601を挿入しても全く同様の動作が可能である。また、図37のごとく、第一の記録光束と第二の記録光束の両方の光路中にそれぞれ空間光位相変調器3601,110を挿入しても同様の動作が可能である。この場合は空間光位相変調器3601,110のいずれか一方を使用すればよい。
（サーボ機構の説明）
さて、図１に戻り、安定して記録動作を行うためのサーボ機構について説明する。半導体レーザ150は半導体レーザ104と異なる波長で発振する半導体レーザであり、マイクロプロセッサ101からの制御信号ldで制御されるドライバ151によって駆動され、ｐ偏光の光束を出射する。（以後、この光束をサーボ光と呼ぶ。）本実施例では半導体レーザ104の発振波長を405nm、半導体レーザ150の発振波長を650nmとした。この光束はコリメータ152を通過して平行光となった後、偏光ビームスプリッタ153とλ／４板154を通過し、右円偏光となってダイクロイックミラーに118入射する。ダイクロイックミラー123は波長405nmの光を透過し、650nmの光を反射する性質があり、これにより第１の記録光束とサーボ光とが同軸とされる。サーボ光は、対物レンズ119によって記録媒体中120に形成されているサーボ面に集光される。（図9を参照のこと。）サーボ面は記録型のCD,DVDなどと同じようにグルーブ（溝）が形成されており、サーボ面からの反射光を4分割ディテクタ155によって検出し、検出信号をサーボ回路156に入力して生成されるサーボ信号を対物レンズ119が搭載されたアクチュエータにフィードバックすることで、フォーカスサーボ、トラックサーボを行うことができる。本実施例ではフォーカスサーボとして非点収差法を、トラックサーボとしてプッシュプル法を採用した。このとき、第一の記録光束はサーボ光と同軸になっているため、記録媒体上での集光点の相対位置が保たれる。従って、マイクロプロセッサからの制御信号rｌ１、ｒｌ２に基づきリレーレンズ114,123を適切に設定し、サーボ面に対して一定の距離の平面内に干渉縞を記録することができる。また、リレーレンズを構成する一方のレンズを光軸方向に動かすことにより、第一の記録光束、第二の記録光束の集光点の、光軸方向の位置が変わる。これにより、一様な(物理的な記録層構造を持たない)記録媒体中に多層記録を行うことができる。なお、リレーレンズ114,123は各設定において記録媒体で発生する球面収差をキャンセルし、回折限界の集光が行えるように設計されている。
【００９２】
また、電磁アクチュエータ117はサーボ回路１５６からのフォーカスエラー信号に基づき、入射光軸方向に駆動される。駆動量は、記録時には対物レンズ119のフォーカス方向の駆動量と同一量、再生時にはその半分となるよう調整されている。これにより第一の記録光束の光路長を調整し、記録媒体120に面ぶれが生じた場合にも、記録時には集光箇所での第一の記録光束と第二の記録光束の間の光路長差がほぼ等しくなり、再生時には信号光と参照光の光路長差がほぼ等しくなる。半導体レーザ104のコヒーレンス長が記録媒体の面ぶれの大きさよりも十分大きい場合は本動作は省略可能である。また、電磁アクチュエータ117はサーボ回路１５６からのトラックエラー信号に基づき、水平方向（記録媒体のおけるラジアル方向と同一方向）に駆動される。駆動量は記録・再生時いずれの場合も対物レンズ119のトラック方向（ラジアル方向）の駆動量の半分である。本動作により、対物レンズ119がトラッククサーボの動作の過程でラジアル方向に位置シフトを生じる場合にも、対物レンズ119,121の面内中心と２つの記録光束の面内中心、参照光の面内中心を常に一致させることが可能である。但し、上記位置シフト量が小さい場合には省略可能な動作である。電磁アクチュエータ117の詳細図を図３９に示す。電磁アクチュエータ117はミラー115,116が搭載された搭載部3901、電磁石3902、永久磁石3901とからなり、電磁石に流す電流により搭載部3901の位置が変位する構成となっている。電磁石は複数設けられており、これらに流す電流の組み合わせにより、光軸方向と水平方向への変位が可能である。  なお、本実施例では半導体レーザ104とは別個にサーボ光生成のための光源150を用いたが、これは本発明において必須の構成ではなく、例えば半導体レーザ104の光束をビームスプリッタ等で一部取り出してサーボ光としてもよい。
【００９３】
一方、第一の記録光束、第二の記録光束は記録媒体120中でほぼ同一箇所に集光される必要がある。このため、記録媒体120を透過した第一の記録光束を用いてサーボ駆動を行う。具体的には、記録媒体120を通過した第一の記録光束を4分割ディテクタ126によって検出した信号をサーボ回路157に送り、非点収差法によって対物レンズ121の光軸方向位置を制御し、ラジアル方向のプッシュプル法によって対物レンズ121のラジアル方向位置を制御し、タンジェンシャル方向のプッシュプル法によってガルバノミラー122のタンジェンシャル方向の角度を制御する。これにより、第一の記録光束と第二の記録光束を完全に一致（進行方向のみ逆）させることができ、これらの記録光束の集光点を正確に一致させることで効果的に定在波を発生させる。
【００９４】
なお、本実施例ではサーボ面を使用したサーボ動作が行われているが、サーボ機構の構成はこの限りではない。たとえば既にデータ記録された記録マーク（定在波）用いてをサーボ面の代わりに用いてもよい。また、再生時には市販の光ディスク装置と同様に、読み出しを行う記録マーク（定在波）を用いて直接トラックサーボ、フォーカスサーボの駆動を行ってもよい。
(面記録密度の見積もり)
ところで、本実施例において空間光位相変調器110の第二パターンによって生成される光束は、図５(a)(b)を見れば明らかなようにラジアル方向において通常のガウシアンビームよりも空間的に広がっている。すなわち、記録媒体中に集光する際のラジアル方向のスポットサイズが通常のガウシアンビームよりも大きくなるため、従来よりも隣接トラックからの信号の漏れ込みが大きくなることが予想される。このことは、面記録密度が従来よりも小さくなる虞があることを意味している。このことを確かめるために以下に述べるシミュレーションを行った。具体的には図10(a)に示すように、所定のパターンで記録されたマークの中心に対する、再生光スポットの中心のラジアル方向の変位量を変数とし、所定のパターンの参照光を用いて再生した時の再生信号振幅を計算した。記録時の第二の記録光束のパターンと再生時の参照光のパターンの組み合わせが図10(b)のごとく4通りあるため、それぞれについて計算を行った。結果は図10(c)に示すとおりである。隣接トラックからの信号の漏れ込みの大きさの許容値を-15dB(3%程度)とすると、上記許容値を満足するための変位量は組み合わせ(4)の場合が最も大きく、組み合わせ(1)（従来の方法に対応）の場合の0.7倍程度である。このことは、隣接するトラックとの間隔（トラックピッチ）を従来の1/0.7倍程度にする必要があることを意味している。一方でタンジェンシャル方向の空間的広がりはいずれの場合も同一のため、タンジェンシャル方向の記録密度は従来と同一とすることができる。以上をまとめると、本実施例における物理的な面記録密度は従来の0.7倍程度となり、多重記録により実質的な記録密度が2倍になることと合わせると、記録層1面あたりの記録容量は従来の2×0.7=1.4倍程度となる。すなわち、本発明の方法により、記録するビームの広がりを考慮しても面記録密度は従来の1.4倍程度と、実質的に向上させることが可能である。なお、組み合わせ(2)(3)の場合において変位０のときの信号振幅が０となっていることは、上に説明した、選択的に特定の変調パターンに対応する信号を抽出できることを表している。図10(c)からもわかるように、変位が０でない場合は組み合わせ(2)(3)の場合であっても信号出力が生じるため、第一パターンでの記録と第二パターンでの記録におけるラジアル方向位置は一致させておく必要がある。本実施例では上に述べたトラックサーボ制御によりこれが実現されている。
（位相信号変調の適用）
本実施例は変調手段として強度信号変調を用いたが、特許文献3に示すような、位相信号変調、もしくは強度信号変調と位相信号変調を併用するような変調方式を適用することも可能である。この場合、構成としては図11に示すように、第二記録光束中（第一記録光束中であってもよい）に位相信号変調器1101が挿入される。位相信号変調器1101はドライバ1102によりデータに対応した位相変調信号が駆動され、これによって記録される定在波の光軸方向の位置が図７のごとく変調される。再生時にはデジタル信号処理回路141において以下の演算を行うことで位相信号の再生が可能となる。
【００９５】
【数２３】
2013182653.tif 000025
【００９６】
【特許文献３】特開2011-76695号公報（対応US2011/0080815）（空間モードの変調方法）  本実施例では、空間光位相変調器110,111において無変調パターンと、左右で位相差が１８０度となるパターンを用いて第二の記録光束、参照光のビームパターンの変調を行ったが、変調方法はこの限りではない。たとえば図12に示すような、周期的に位相が０、πで繰り返す回折格子のパターンを生成し、一様に本格子を生成する場合と、左右で格子のパターンが半周期分異なる場合とを用いることで同様の変調を行うことが可能である。この場合、透過光として発生する１次回折光を用いればよい。また、動的に制御が可能な空間光位相変調器のみならず、図13に示すような可動部に取り付けられた分割位相板401を用いても同様の機能が実現可能である。分割位相板401は光学素子透過型の素子であり、左右で透過光の位相が１８０度異なるようになっている。また、ステッピングモータ402などの可動部に取り付けられている。本実施例の第一パターン（無変調）を実現する場合、図13(a)のごとく分割位相板401の左もしくは右の領域のみに入射光が照射されるように配置する。本実施例の第二のパターンを実現する場合、ステッピングモータ402を用いて図13(b)のごとく分割位相板401の境界線が入射光の中心とほぼ一致するよう、ラジアル方向に変位させる。また、上記のごとく透過型の光学素子だけでなく、反射型の空間光位相変調器等を適用できることは言うまでもない。
【００９７】
なお、本実施例では半導体レーザの出力としてガウシアンビームを扱ったが、ビームパターンはこれに限らず、中心対称性を有するものであればよい。
【実施例２】
【００９８】
本実施例は、参照光を用いずに実施例１における第一のパターンと第二のパターンに対応する信号を分離して再生する別の実施形態である。本実施例の構成を図14に示す。実施例１の構成と異なる点は、参照光を用いないことと、検出光学系の代わりにハーフビームスプリッタ1401が配備されているこのハーフビームスプリッタ1401は、エッジが信号光の中心とほぼ一致するよう配置されており、信号光ビームの左右がそれぞれ、対象な方向に屈折され、キューブ状のハーフビームスプリッタ1401の半透面に互いに逆方向に入射し、合波された２光束が生じる。これらの光束はそれぞれ集光され、検出器1401,1402で検出される。ここで、合波された２光束のうち一方（第一合波光束と呼ぶ）において、上記信号光ビームの右側の成分と左側の成分の位相が0となるよう調整する、すると、もう一方の合波光束（第二合波光束と呼ぶ）においては必然的に信号光ビームの右側の成分と左側の成分の位相が１８０度となる。ここで、信号光のうち第一パターンに対応する成分は、ビームの左右で等しい位相を有するため、第一合波光束において等位相で強め合った光となる。第二合波光束においては、位相差が１８０度発生するために弱め合い、光強度としてはゼロとなる。一方、信号光のうち第二パターンに対応する成分は、ビームの左右で１８０度の位相差を有するため、第一合波光束においては弱め合い、光強度としてはゼロとなる。第二合波光束においては、合波における１８０度の位相差が付与されるために位相差がゼロとなり、強め合った光が生成される。従って、第一合波光束は第一パターンに対応した信号出力となり、第二合波光束は第二パターンに対応した信号出力となって、多重に記録された信号を分離して同時に再生することが可能となる。
【００９９】
本実施例において、ハーフビームスプリッタ1401の分岐比は正確に１：１である必要がある。この分岐比の精度を十分に得ることが難しい場合は、図１５のごとく、ハーフビームスプリッタ１４０１をλ／２板（軸方位：水平偏光に対して22.5度）1501、キューブ状の偏光ビームスプリッタ1502、偏光板(軸方位：水平方向に対して45度)1503を用いて同等の機能が実現される。信号光はまずλ／２板1501によって４５度直線偏光とされ、偏光ビームスプリッタ1502によりビーム右側のｐ偏光成分とビーム左側のｓ偏光成分が合波された第一合波光束と、ビーム右側のｓ偏光成分とビーム左側のｐ偏光成分が合波された第二合波光束とが生成される。ここで第一パターンに相当する信号光成分においては、第一合波光束におけるｐ偏光とｓ偏光の位相差が０度のため、合波光束としては４５度直線偏光となって偏光板1503を通過するが、第二合波光束においてはｐ偏光とｓ偏光の位相差が180度のため、合波光束としては-４５度直線偏光となって偏光板1503を透過しない。第二パターンに相当する信号光成分では逆に、第一合波光束においては偏光板1503を透過せず、第二合波光束においては偏光板1503を透過する。従って図１４の構成と同一の再生信号が取得可能である。この場合はλ／２板1501の軸方向の角度を微調整することによって偏光ビームスプリッタ1502における分岐比を微調整できるため、精度良く１：１の分岐が可能である。
【０１００】
本実施例のごとき信号光ビームを左右に分割して合波する構成は上記の限りではなく、例えば図16のごとく、プリズム型ミラー1601を用いてビームの左右の成分を反対方向に反射させ、それぞれを別のミラー1602、1603で反射させてハーフビームスプリッタ1604により合波してもよい。
【実施例３】
【０１０１】
本実施例は、実施例１における第一のパターンと第二のパターンに対応する信号を同時に再生する別の実施形態である。本実施例の構成図を図１７に示す。実施例１と異なる点は、参照光と信号光のそれぞれの光束中の偏光ビームスプリッタ127で合波される直前回折格子1701,1702が挿入されている点、また検出器1703,1704がそれぞれ４つの受光部を有している点である。詳細を、図１８を用いて説明する。信号光路中に挿入されている回折格子1701は通常の回折格子であり、信号光を０次光と＋１次光に、ビーム形状を保ったまま強度比１：１で垂直方向に分岐する。参照光路中に挿入されている回折格子1702は、実施例１において説明したものと同じく、図12(b)のごとく左右で半周期のずれを有する回折格子であり、参照光は左右の境界線上に入射し、回折格子1701と同じ回折角で垂直方向に＋１次光と０次回折光とを生成する。ここで、参照光はガウシアンビームとなっており、すでに説明したように＋１次回折光は左右で位相が１８０度異なるビームパターンとなる。一方０次光は回折格子の効果を受けないため、ガウシアンビームのまま直進する光束となる。これらの回折光は図18に示すごとく、偏光ビームスプリッタ127に入射し、信号光と参照光の＋１次光同士と０次光同士がそれぞれ合波される。０次光の合波光束は、参照光がガウシアンビームであることから、実施例１における第一パターンによる再生の際に偏光ビームスプリッタ127によって生じる合波光束と同一である。同様に１次光の合波光束は、実施例１における第二パターンによる再生の際に偏光ビームスプリッタ127によって生じる合波光束と同一である。これらの合波光束は実施例１の検出光学系128と同じ光路を辿り、検出器1703,1704で検出される。ここで検出器1703,1704は図19のごとく格子状に４つの受光部1901,1902,1903,1904が配備されたものであり、下側の２つの光束が０次光の合波光束から生成される干渉光を、上側の２つの光束が＋１次光の合波光束かから生成される干渉光を、それぞれ検出する。これらの検出信号は実施例１と同様にデジタル信号処理回路141で信号処理される。このようにして、多重記録されたデータが同時に再生される。ここでは一方の回折格子でビームパターンを変調したが、２つの回折格子共にビームパターンを変調するものであっても良い。
【０１０２】
本実施例において、検出光学系128の光学素子の配置は実施例１と同一であったが、実際はこの限りではない。たとえば図２０に示す構成を用いてもよい。これは非特許文献３に述べられているものと同一である。この場合、本実施例のごとく偏光ビームスプリッタ127により合波された信号光と参照光の０次光束、＋１次光束は、無偏光回折格子2001により0次光と+1次光に水平方向に分岐され、この分岐光における信号光と参照光の位相差が位相板2002を通過することにより９０度付与され、λ／２板（軸方位：水平偏光に対して22.5度）2003で偏光が45度回転されたのちにウォラストンプリズム2004で水平成分と垂直成分に水平方向に分岐され、合計８つの干渉光束が検出器2006により検出される。検出器の構成は図２１のようになっており、下側の4つの検出器が第一パターンに対応する干渉光束を、上側の4つの検出器が第二パターンに対応する干渉光束を、それぞれ検出し、第一パターンに対応する出力信号D11,D12と、第二パターンに対応する出力信号D21,D22を同時に出力する。
【０１０３】
また、回折格子1701,1702の回折の方向は本実施例では垂直方向としたが、信号光の回折光と参照光の回折光が無偏光ビームスプリッタにおいて合波される限りにおいては回折方向は任意に設定可能である。
【０１０４】
【非特許文献３】H. Mikami et al., “Ultra-Compact Optical Module of Homodyne Detection,”Tech. Digest of ISOM/ODS 2011 OMC3.
【実施例４】
【０１０５】
本実施例は、空間モードを変換する光学素子の点数を少なくした実施形態である。本実施例の構成図を図２２に示す。実施例１においては空間光位相変調器が２つ配備されていたのに対し、本実施例では半導体レーザ104の出射直後に１つの空間光位相変調器2201が配備されている。空間光位相変調器2201は記録、再生時にそれぞれ、実施例１で述べた第一のパターンと、図23に示すような第3のパターンとを切り替える。第3のパターンは入射ビームの左右に90度異なる位相を付与するパターンである。もう1つの重要な点として、記録時の第一の記録光束と第二の記録光束のビームパターンが、記録媒体中の集光箇所において、それぞれの光束の進行方向から見たときに左右逆転していることが必要である。このために第一の記録光束と第二の記録光束が記録媒体中の集光箇所に到達するまでに反射する回数のパリティ（偶数または奇数）が異なることが必要である（但し偏光ビームスプリッタ109において第一の記録光束が生成される際の反射も数える）。本実施例でミラー2202,2203,2204が第二の記録光束中に挿入されているのはこのパリティを異ならしめるためである。ミラーの代わりにダブプリズムやペンタプリズム等を用いてもよい。本実施例では前者が4回、後者が5回であり本条件を満たす。本条件のもとで空間光位相変調器2201が第三パターンの変調を行うとき、図２４に模式的に示すように、第一記録光束と第二記録光束の位相差が左右で180度異なり、実施例１において第二パターンで記録を行う場合と同等の記録がなされる。第一パターンの変調を行う場合についても明らかに実施例１と同等の記録がなされる。従って実施例１と同様の多重記録が可能である。なお、仮に上に述べたパリティが同一であるとすると、第三パターンの変調を行っても、記録媒体中の集光箇所における第一記録光束と第二記録光束の位相差が左右で等しくなるため、第一パターンの変調と区別することができず、データの再生が不可能となる。
【０１０６】
再生時においても第一パターンと第三パターンの変調を切り替える。ここで、偏光ビームスプリッタ107で生成された再生光が記録媒体において反射して信号光となり、偏光ビームスプリッタ127で参照光と合波されるまでの反射回数と、偏光ビームスプリッタ107で生成された参照光が偏光ビームスプリッタ127で信号光と合波されるまでの反射回数とが、互いに異なるパリティであることが必要である。本実施例では前者が８回、後者が３回であり条件を満たす。本条件のもとで第三パターンの変調により再生を行う場合、信号光の成分のうち第三パターンで記録された、左右で180異なる位相差を付与する定在波からの反射成分のみが、参照光に対して左右で一様な位相差を有し、実施例１の第二パターンでの再生と全く同様に再生信号が取得される。第一パターンでの再生では実施例１と全く同様に、信号光のうち第一パターンで記録されたデータが選択的に再生される。ここでも仮に反射回数のパリティが等しい場合、第三パターンの変調を行っても第一パターンに対応する信号成分が再生されてしまい、多重記録されたデータの一部が再生できなくなってしまう。
【０１０７】
以上のごとく、反射回数のパリティを考慮することで、空間モードの変調を単一の素子で置き換えることが可能である。
【０１０８】
本実施例の考え方に基づけば、空間光位相変調器の配置の自由度を高めることが可能である。たとえば図３５のごとく、空間光位相変調器2201を偏光ビームスプリッタ107,109の間に配備し、参照光束に別の空間光位相変調器3501を配備してもよい。この場合、空間光位相変調器2201と前述のとおりの変調を行い、空間光位相変調器3501は実施例１と同一の変調を行えばよい。
【実施例５】
【０１０９】
本実施例は、多重度を高めた場合の実施形態である。基本的な構成、動作は図１と同一である。但し空間光位相変調器110,111の変調パターンが、図２５に示すような4種類となっており、4回の多重記録、再生を行う。第一パターン、第二パターンは実施例１と同一である。第三パターンは上下方向に2分割されており、上下で位相差が180度異なる。上下方向は記録媒体のタンジェンシャル方向（トラックに沿った方向）に対応する。第四パターンは格子状に四分割されており、互いに隣同士の領域で位相差が180度異なる。第三パターン、第四パターンの変調を行った場合の透過光のビームパターンは図２６に示すとおりである。このような4種類の変調を行う場合、これまで述べてきたラジアル方向の位相差の有無による多重記録再生の原理を、直接タンジェンシャル方向にも適用することができ、結果的にラジアル方向に2重、タンジェンシャル方向に2重の計2×2＝４重の多重記録が可能となる。
【０１１０】
タンジェンシャル方向の自由度を用いて多重記録を行う際は、重ねて記録される定在波の中心が、既に記録されている定在波の中心と正確に一致している必要がある。このため、本実施例では以下のような記録フォーマットを行った。まず最初にデータを記録する際、図２７に示すように、トラック内の記録領域に、一定間隔でクロックを取得する領域（同期領域）を挿入する。同期領域では所定のパターンで定在波が記録される。次に多重記録を行う際、同期領域においては記録動作を実行せず、再生信号を取得し、この再生信号からPLL（Phase  Locked  Loop）動作によって記録状態に同期したクロックを取得する。このクロックに基づき記録領域において記録動作を行い、再び同期領域にアクセスする際にPLL動作を行う。３回目の多重記録、４回目の多重記録についても同様の動作を行う。このようにすることで、タンジェンシャル方向の定在波の位置を正確に一致させることが可能となる。なお、ラジアル方向の位置については実施例１で述べたようにトラックサーボ制御によって正確に一致するよう制御されている。
【０１１１】
本実施例における空間光位相変調器110,111の位相変調パターンは、入射光束の中心のまわりに４等分された領域のそれぞれにおいて位相０または１８０度の変調を行い、このうち空間光位相変調が０である領域の数が偶数となっている。また、実施例１における位相変調パターンも本実施例の位相変調パターンの一部を用いており、上記位相変調パターンの定義に当てはまる。空間光位相変調のパターンは無数に存在するが、上記定義に基づく位相変調パターンはきわめて簡素であり、多重記録を容易に実現するのに適していると言える。
【０１１２】
本実施例においても、実施例１で述べた場合と同様に、空間光位相変調器110,111の代わりに図３８のように可動部に取り付けられた分割位相板3801を用いて同様の機能が実現可能である。分割位相板3801は領域が上下左右に4分割された光学素子透過型の素子であり、隣接する領域で透過光の位相が１８０度異なるようになっている。また、2軸ステッピングモータ3802などの可動部に取り付けられている。本実施例の第一パターン（無変調）を実現する場合、図38(a)のごとく分割位相板3801の１つの領域のみに入射光が照射されるように配置する。本実施例の第二のパターンを実現する場合、ステッピングモータ3802等を用いて図38(b)のごとく分割位相板3801の垂直方向の境界線が入射光の中心と一致するよう、ラジアル方向に変位させる。本実施例の第３のパターンを実現する場合、ステッピングモータ3802等を用いて図38(c)のごとく分割位相板3801の水平方向の境界線が入射光の中心と一致するよう、タンジェンシャル方向に変位させる。本実施例の第４のパターンを実現する場合、ステッピングモータ3802等を用いて図38(d)のごとく分割位相板3801の中心、すなわち水平方向の境界線と垂直方向の境界線の交点が、入射光の中心と一致するよう、ラジアル方向とタンジェンシャル方向に変位させる。
【実施例６】
【０１１３】
本実施例は、別の空間モードの組み合わせを用いてデータ記録を行う実施形態である。基本的な構成、動作は図１と同一である。但し空間光位相変調器110,111の変調パターンが、図２８に示すような３種類となっており、３回の多重記録、再生を行う。第一パターンは実施例１と同一である。第二パターンは、ビーム中心を原点としたときのビーム各点の極座標の偏角成分がその点の付与される位相となっており、原点のまわりの１周で位相が３６０度変化するようなパターンとなっている。第三パターンは第二パターンの位相の符号を反転したものである。第二パターン、第三パターンにより変調された光束は、図２９に示すような強度分布がドーナツ状のビームとなる。このようなビームは、ラゲールガウシアン(Laguerre-Gaussian)ビームとしてよく知られている（例えば非特許文献４を参照のこと）。偏角に等しい位相差が付与されているため、等位相面は図３０に示すようにらせん状となる。このようなパターンで記録動作を行う際、定在波はらせん状となって記録されるため、再生時の信号光も同様にらせん状の位相差を持ったビームとなる。ここで、たとえば第一のパターンで再生動作を行う際、第二のパターンに対応する信号光成分は、偏角一周で位相が０から３６０度に変化するため、空間平均では強度ゼロとなる。同様の理由により、記録時のパターンと再生時のパターンが異なる組み合わせでは位相差が原点のまわりの一周で３６０度もしくは７２０度変化するため、信号出力が生成されず、記録時のパターンと再生時のパターンが等しい場合にのみ、面内で位相差が一定になるために信号が得られる。従って実施例１と同様の多重記録・再生動作を実現可能である。
【０１１４】
本実施例は３重の記録・再生について述べたが、より多重度を高めることも可能である。このためにはビーム各点の偏角の整数倍の位相差を付与するパターンを追加すればよい。（これは高次のラゲールガウシアンビームを生成することに対応する。）このように多重度を高めることによってさらに記録密度を向上させることも可能である。
【０１１５】
なお、本実施例の空間変調パターンにおいても、タンジェンシャル方向の定在波の位置制御が必要のため、実施例５に示した、同期領域を設ける記録フォーマットを採用する。
【０１１６】
【非特許文献４】A.E.Siegman、“LASERS”、University Science Books,p.647.
【実施例７】
【０１１７】
本実施例は、複数のビームパターンによる多重記録を同時に行う実施形態である。本実施例の構成図を図３１に示す。本構成において半導体レーザ104はDC発光する。記録時において、偏光ビームスプリッタ107からの透過光は、λ／２板3101により４５度直線偏光とされたのち、偏光ビームスプリッタ3102により２分岐され、それぞれ強度信号変調器3013,3014を通過して強度信号変調がなされたのち実施例１と同様に偏光ビームスプリッタ109により２分岐される。これらのうち、偏光ビームスプリッタ109を反射した光束同士がハーフビームスプリッタ3016で合波され、偏光ビームスプリッタ109を透過した光束同士がハーフビームスプリッタ3017で合波される。ここで、強度信号変調器3104を透過して偏光ビームスプリッタ109を透過した光束のみ、空間光位相変調器110を通過し、実施例１の第二パターンの変調がなされる。ハーフビームスプリッタ3016、３０１７のそれぞれで合波された光束は実施例１と同様に記録媒体の同一箇所に集光される。ここで、強度信号変調器3013により変調された光束の対は記録媒体の集光箇所上で光路長が等しく（すなわち光源のコヒーレンス長より十分小さく）され、同様に、強度信号変調器3014により変調された光束の対も記録媒体の集光箇所上で光路長が等しくされる。これにより、各光束対により別々のビームパターンによる記録が同時になされ、高速な記録動作を実現している。
【０１１８】
なお、強度信号変調器としては電気光学変調器を用いた。以後の実施例も同一である。
【０１１９】
再生時にはλ／２板3101を回転させ、無偏光ビームスプリッタにおいて全透過とした。ここで生成される信号光と参照光の光路長はやはりコヒーレンス長以内となるよう調整した。
【０１２０】
ここで強度信号変調器3103,3014の変調は同期させた。これにより、上記の各光束対により記録される定在波のタンジェンシャル方向の位置を正確に一致させることができる。
【０１２１】
また、上記２つの光束対の間の光路長差は光源のコヒーレンス長より十分大きく取った。これにより２つの光束対の間の干渉を生じなくし、独立にデータ記録を行うようにしている。
【０１２２】
このように複数のビームパターンでの記録を同時に行う構成はこの限りではない、たとえば図３２のように、強度信号変調器3103,3104のそれぞれで変調された光束は、偏光が直交した状態で無偏光ビームスプリッタ3202によって2分岐される。以後の動作は実施例１と同一である。この場合、記録にかかわる２つの光束対は互いに偏光が直交しているために干渉が生じず、このため光路長差について制限されない。このほかの例としては図３３のような構成でもよい。この場合、第一の分岐光束、第二の分岐光束がそれぞれ4分岐され、再び合波されている、ここで第二分岐光束が4分岐された際に、それぞれ空間光位相変調器3301による別々のビームパターンの変調と、強度信号変調器3302による（独立な）強度信号変調がなされる。ビームパターンの変調の組み合わせは実施例５と同一である。また、光路長差については定在波を記録する光束対同士の光路長差がたがいに等しくならないように設計されている。これにより4多重の記録が同時に達成される。
【０１２３】
また、同時に記録するビームパターンは本実施例に述べた限りではなく、例えば実施例６に述べたラゲールガウスビームを用いても構わない。
【実施例８】
【０１２４】
本実施例は、多重記録する際にビームパターン毎に別々の光源を用いる実施形態である本実施形態の構成図を図３４に示す。この場合、２つの（同一波長の）半導体レーザ104,3402が同一のクロックに基づき強度信号変調され、同一の偏光状態でハーフビームスプリッタ3404により合波される。その後の動作は実施例１と同一である。また、記録時のビームパターンの変調としては、半導体レーザ3402からの光束にのみ、空間光位相変調器110により、実施例４と同一の、図２３に示すビームパターンの変調を行った。半導体レーザ3402からの光束と半導体レーザ104からの光束は記録媒体中の集光位置において光路長がほぼ等しく、偏光状態も同一であるが、別々の光源からの光束であるためにコヒーレンスがなく、干渉することなく多重記録される。
【０１２５】
本実施例も実施例７と同じく、複数のビームパターンによる記録を同時に行うことが可能のため、高速な記録動作が実現できる。さらに、例えば実施例５に示されるような、タンジェンシャル方向のビームパターンが変調される場合であっても、変調のクロックを同期させることによって常に記録される定在波の位置を正確に一致させることができ、実施例５に示されるような同期領域を設ける記録フォーマットも不要である。
【０１２６】
また、本実施例においても同時に記録するビームパターンは本実施例に述べた限りではなく、例えば実施例６に述べたラゲールガウスビームを用いても構わない。
【産業上の利用可能性】
【０１２７】
本発明により、大容量と高い転送速度を両立し、かつ小型で簡素な光情報記録再生装置の提供が可能となり、大容量ビデオレコーダや、ハードディスクデータバックアップ装置、保存情報アーカイブ装置など、幅広い産業応用が期待できる。
【符号の説明】
【０１２８】
101：マイクロプロセッサ、102：エンコーダ、103：ドライバ、104：ドライバ、104：半導体レーザ、105：コリメートレンズ、106、108：λ／２板、107,109：偏光ビームスプリッタ、110,111：空間光位相変調器、113：λ／４板、114：リレーレンズ、115：ミラー、116：ミラー、117：電磁アクチュエータ、118：ダイクロイックミラー、119：対物レンズ、120：記録媒体、121：対物レンズ、122：ガルバノミラー、123：リレーレンズ、124：λ／４板、125：ビームサンプラ、126：４分割ディテクタ、127：偏光ビームスプリッタ、128：検出光学系、129：集光レンズ、130：無偏光ビームスプリッタ、131：λ／２板、132：ウォラストンプリズム、133,138：差動検出器、134,135：受光部、136：λ／４板、137：ウォラストンプリズム、141：デジタル信号処理回路、142：復号回路、143：上位装置、145：分岐光、146：分岐光、147：分岐光、148：分岐光、150：半導体レーザ、152：コリメータ、153：偏光ビームスプリッタ、154：λ／４板、155：４分割ディテクタ、156、157：サーボ回路、401、分割位相板、402：ステッピングモータ、801：無偏光ビームスプリッタ、802：位相板、803：位相板、804：偏光子、805：偏光子、806：偏光子、807：検出器、808：検出器、809：検出器、1101：位相信号変調器、1102：ドライバ、1401：ハーフビームスプリッタ、1401,1402：検出器、1501：λ／2板、1502：偏光ビームスプリッタ、1503：偏光板、1601：プリズム型ミラー、1602,1603：ミラー、1604：ハーフビームスプリッタ、1701、1702：回折格子、1703、1704：検出器、1901,1902,1903,1904：受光部、2001：無偏光回折格子、2002：位相板、2003：λ／2板、2004：ウォラストンプリズム、2006：検出器、2201：空間光位相変調器、2202,2203,2204：ミラー、3101：λ／2板、3102：偏光ビームスプリッタ、3103,3104：強度信号変調器、3106,3107：ハーフビームスプリッタ、3201：偏光ビームスプリッタ、3202：無偏光ビームスプリッタ、3301：空間光位相変調器、3302：強度信号変調器、3401：ドライバ、3402：半導体レーザ、3403：コリメートレンズ、3404：ハーフビームスプリッタ、3501：空間光位相変調器、3601：空間光位相変調器、3801：分割位相板、3802：ステッピングモータ、3901：搭載部、3902：電磁石、3903：永久磁石
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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