(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラフィ画像の検出信号対ノイズ比を、ホログラフィ記憶媒体のノイズ特性を補正することによって、大きくするための方法であって、
（ａ）第１の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に入力する段階と、
（ｂ）前記第１の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に記憶する段階と、
（ｃ）前記記憶された第１の入力画像を、第１の出力画像として前記ホログラフィ記憶媒体から読み出す段階と、
（ｄ）前記ホログラフィ記憶媒体のノイズ特性のために、前記第１の入力画像からずれている前記第１の出力画像を出力記録装置に記録する段階と、
（ｅ）前記第１の出力画像と前記第１の入力画像とを比較して、相対的位相シフトデータを導き出す段階と、
（ｆ）前記導き出された相対的位相シフトデータに応じ、前記第１の入力画像を変更することによって形成された第２の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に入力する段階と、
（ｇ）前記第２の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に記憶し、前記記憶された第２の入力画像を前記記憶された第１の入力画像と合成して記憶された合成画像を生成する段階と、
（ｈ）前記記憶された合成画像を第２の出力画像として前記ホログラフィ記憶媒体から読み出す段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記記憶された第２の入力画像が、前記ホログラフィ記憶媒体において、前記記憶された第１の入力画像と同位相で重ね合わされて、前記記憶された合成画像が生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の出力画像の強度レベルを決定し、かつ最終的な強度レベルの分数値である第１の強度レベルで、前記第１の入力画像が前記ホログラフィ記憶媒体に記憶され、また、前記記憶された合成画像が、前記第２の出力画像の強度レベルを決定する前記最終強度レベルと等しい強度レベルを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記最終強度レベルと等しい強度レベルで前記ホログラフィ記憶媒体に前記第１の入力画像を入力することによって形成されるテスト入力画像の読み込みによりもたらされるテスト出力画像の信号対ノイズ比よりも、前記第２の出力画像の信号対ノイズ比が大きいことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記第１の入力画像が、アレイの各入力画素における期待検出値ｆＩdに対応する強度を有し、また前記第１の出力画像が、出力画素アレイにより各対応する出力画素において記録値Ｖ1として記録され、さらに、前記相対的位相シフトデータａが、次の式によって算出されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
ａ＝（Ｖ1−ｆＩd）／２（√ｆＩd）
【請求項６】
検出信号対ノイズ比を、ホログラフィ記憶媒体の散乱ノイズ特性を補正することによって、大きくするためのホログラム書き込み方法であって、
（ａ）第１の入力データをＭ個の画素を有する前記入力装置に入力する段階であって、前記入力装置の各画素が第１の期待検出値に対応する第１のデータ値を含んでいる、前記入力する段階と、
（ｂ）前記第１の入力データを含む第１の物体光を前記入力装置から出力する段階と、
（ｃ）書き込み基準光と前記第１の物体光とを干渉させて、第１の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に書き込む段階と、
（ｄ）前記書き込み光の中心線に沿って伝播する読み出し基準光により、前記ホログラフィ記憶媒体を照射して、第１の出力画像を生成する段階と、
（ｅ）前記第１の出力画像を、少なくともＭ個の画素を有する前記検出器アレイに記録する段階であって、前記検出器アレイの各画素が、入力装置の画素に対応しているとともに、前記ホログラフィ記憶媒体から発生する散乱ノイズのために前記対応する第１の期待検出値からずれた記録値を含んでいる、前記記録する段階と、
（ｆ）各検出器アレイ画素に関連した散乱パラメータを、前記関連した検出器アレイ画素の前記記録値および対応する入力装置画素と関連した前記第１の期待検出値から算出する段階と、
（ｇ）前記関連した散乱パラメータに従って各入力装置画素の第１データ値の振幅を変更することによって形成される第２の入力データを前記入力装置に入力する段階と、
（ｈ）前記第２の入力データを含む第２の物体光を、前記入力装置から出力する段階と、
（ｉ）前記書き込み基準光と前記第２の物体光とを干渉させて、第２の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に書き込み、前記第２の入力画像を前記第１の入力画像と同位相で重ね合わせて合成画像を生成する段階であって、前記合成画像がＭ個の回折格子の集合から構成されており、前記Ｍ個の各回折格子が最終期待検出値を有しており、更に各前記第１の期待検出値は、対応する最終期待検出値の分数値に等しい、前記生成する段階と、
（ｊ）前記書き込み光の中心線に沿って伝播する前記読み出し基準光により、前記ホログラフィ記憶媒体を照射して、散乱ノイズが著しく低減された最終出力画像を生成する段階と、
（ｋ）前記最終出力画像を前記検出器アレイに記録する段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記散乱パラメータが、次の式によって算出され、
ａ＝（Ｖ1−ｆＩd）／２（√ｆＩd）
ここで、ａは、前記散乱パラメータであり、Ｖ1は、前記関連した検出器アレイ画素の前記記録値であり、また、ｆＩdは、前記対応する入力装置画素と関連した前記第１の期待検出器値であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記書き込み基準光の経路長と前記第１の物体光の経路長との差は、前記書き込み基準光の経路長と前記第２の物体光の経路長との差と同じであることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記入力装置が、空間光変調器から構成されていることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
検出信号対ノイズ比を増大するためのホログラフィ記憶システムであって、前記システムは、検出散乱ノイズを低減するために、２段階ホログラム書き込み動作を容易にし、前記システムは、
（ａ）第１および第２の入力データを受け取り、第１のホログラム書き込み動作の間、第１の入力データを含む第１の物体光を出力し、さらに、第２のホログラム書き込み動作の間、第２の入力データを含む第２の物体光を出力するための入力装置と、
（ｂ）読み出し基準光および書き込み基準光を出力するための放射光源であって、前記第１および第２の各ホログラム書き込み動作の間、前記書き込み基準光を出力して前記第１および第２の物体光と干渉させて、各々第１と第２の入力画像を生成するための前記放射光源と、
（ｃ）前記第１の入力画像と、前記第２の入力画像と、前記第１および前記第２の入力画像を同位相で重ね合わせることによって生成された合成出力画像とを記憶し、前記読み出し基準光を用いて、前記合成出力画像と前記第１の入力画像によって生成される第１の出力画像とを出力するためのホログラフィ記憶媒体と、
（ｄ）前記第１の出力画像および前記合成出力画像を記録するための検出器アレイと、
（ｅ）前記検出器アレイの各画素に対する散乱パラメータを算出するための演算回路とから構成され、前記散乱パラメータが、次の式によって算出され、
ａ＝（Ｖ1−ｆＩd）／２（√ｆＩd）
ここで、ａは、前記散乱パラメータであり、Ｖ1は、前記第１の出力画像についての前記関連した検出器アレイ画素の記録値であり、また、ｆＩdは、前記第１の入力画像についての対応する入力装置画素と関連した第１の期待検出値であることを特徴とするシステム。
【請求項１１】
前記演算回路は、高速信号処理回路から構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記検出器アレイは、電荷結合素子から構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記データ入力装置は、空間光変調器から構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【請求項１４】
前記放射光源は、レーザ光源から構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の分野
本発明は、一般に、ホログラフィ記憶システムの性能を改善するための方法および装置に関し、更に具体的には、ホログラフィ記憶媒体における光学的散乱に起因する検出ノイズの影響を低減させるための方法および装置に関する。
【０００２】
発明の背景
ホログラフィを用いて、大量のデジタルデータを光屈折性結晶等の小型の記憶ボリュームに記憶し、後で読み出すことができることは良く知られている。
ホログラフィ記憶システムの構造は、数多く存在するが、特に、記憶密度を最大化するために用いられる多重化技術に関する構造は、数多く存在する。通常用いられる構造を図１に示す。このシステムの主な構成要素は、入力装置、光屈折性結晶などのホログラフィ記憶媒体、および出力装置である。入力装置は、通常、空間光変調器（ＳＬＭ）によって構築されるが、振幅変調器アレイから成るものである。出力装置は、電荷結合素子（ＣＣＤ）などの検出器アレイであり、ホログラムの読み出し中に記憶媒体から出力放射を受け取る。
【０００３】
ホログラムの書き込み動作中は、データが、ＳＬＭの画素に対する振幅変調の形態でＳＬＭに入力される。レーザ光は、ＳＬＭを照射し、その結果ＳＬＭの画素から発せられる物体光は、記憶媒体において、書き込み基準光と干渉し、各ＳＬＭの画素毎に１つの、多数の回折格子を生成する。ホログラムの読み出し動作中は、読み出し基準光は、記憶媒体を照射し、その結果、各々、記憶された回折格子から放射光が反射する。各回折格子からの放射光は、ＣＣＤの画素によって検出される。一例としては、１０２４ｘ１０２４の画素を各々有するＳＬＭおよびＣＣＤの場合、単一のホログラム（ページ）は、ページごとに、１０２４ｘ１０２４＝１メガビットの２進数のデータを記憶する。２つを越える中間調レベルが使用される場合、ページ毎のデータは、ビットの数毎に増加する。従って、１６の中間調レベル（４ビット）の場合、記憶密度は４倍になり、上記の例においては、ページごとに４メガビットまで増加する。
【０００４】
ホログラフィ記憶システムにおけるノイズ発生源は、大多数が物理的原因によるものである。主な発生源としては、（１）記憶媒体からの光の散乱、（２）光学的構成要素からの光の散乱、（３）ページ内画素のクロストーク、（４）ページ間クロストーク、および（５）検出器のノイズ、が挙げられる。ページ内クロストークおよびページ間クロストークは、従来の設計技術で、記憶密度をある程度犠牲にすることによって、低減することができる。また、光学的構成要素からの光の散乱も、従来技術を用いて最低限に抑えることが可能である。しかしながら、散乱ノイズと呼ばれる記憶媒体から散乱する光の影響を低減することはより難しく、この光の散乱は、ホログラフィ記憶システムの性能に直接関係する重要なパラメータである検出信号対ノイズ比（ＳＮＲ）に重大な影響を及ぼす。
【０００５】
ホログラフィ記憶媒体が、読み出し基準光によって照射されると、検出器は、記憶されたデータおよび光学的散乱体の両方から電界を受ける。ホログラフィ記憶媒体の外部に位置する光学的構成要素から発生する散乱は、反射防止膜などの従来技術を用いて最小限に抑えることが可能である。しかしながら、記憶媒体自体からの散乱によって、この散乱がデータと同じ物理的ボリューム内で発生し、また、散乱のスペクトル特性がデータの電界特性と同じであるために、さらに難しい問題が発生する。
【０００６】
更に、鉄注入（ドープ）されたＬｉＮｂＯ3などの記憶媒体の中には、鉄注入（ドープ）レベルが大きくなるにつれて、散乱ノイズが大きくなるものがあることが分かっている。鉄分の濃度がより高くなるということは、これによってホログラムの消去時間などの他のシステムパラメータが改善されるため、望ましいことである。従って、散乱ノイズを低減することによって、他のシステムパラメータを最適化することができる。本発明を用いることによって、このような他の設計上の問題点から散乱ノイズの影響を切り離すことになり、これによって、全体的なシステム性能を改善することができる。
【０００７】
本発明は、データ情報をホログラフィ記憶媒体に書き込むための方法および装置を開示するものであり、これによって、ホログラフィ記憶媒体から生じる電界の検出される散乱ノイズの成分が、ほぼ低減される。特に、本発明によって、レーザスペックルの特性を有する散乱ノイズが低減される。散乱ノイズの強度は、有限の平均値を有するランダムな複素変数である。ホログラムの読み出し中にＣＣＤアレイの各画素によって記録される電圧は、入射データ信号およびノイズ電界によって、次の複素変数表記法によって表すことができる。
【０００８】
Ｖ∝｜Ｅd＋Ｅnｅiφ｜2                      （１）
または
Ｖ∝Ｅd2＋２ＥdＥnｃｏｓ（φ）＋Ｅn2       （２）
ここで、ＥdおよびＥnは、それぞれ、データおよび散乱ノイズ電界の大きさであり、φは、それらの相対的な位相シフトである。検出された電圧Ｖと式（２）の右辺の比例定数は、検出器の特性および他のシステムパラメータに依存する。この値は、重要ではないため、以下の全ての議論において、１に等しく設定してある。散乱ノイズが、ホログラフィ記憶媒体における多数の静的な場所に起因する場合、散乱ノイズは、レーザスペックルの特性を有する。この場合、Ｅ2nと等しい散乱ノイズの強度Ｉnは、指数確率分布を有するランダム変数であり、また、位相φは、〔−π、π〕の区間において、一様に分布する。散乱ノイズ強度Ｉnの確率密度関数は、次の式で表わされる。
【０００９】
ｐ（Ｉn）＝（１／＜Ｉn＞）ｅ(-In/<In>)      （３）
ここで、＜Ｉn＞は、Ｉnの平均値を表す。本発明は、散乱ノイズの電界が、スペックルの特性を有する場合について述べるが、本発明は、散乱場の統計とは無関係に、一般的に適用可能である。
【００１０】
式（２）によれば、散乱ノイズは、式（２）の右辺の第２と第３の項によって表されように、２通りの寄与の仕方を有する。実際のシステムでは、Ｅnは、Ｅdよりもかなり小さく、また、第２項は、散乱ノイズの式において支配的な役割を果たす。例としては、Ｅn2／  Ｅd2＝１０-2の場合、Ｖ∝１＋０．２＊ｃｏｓ（φ）＋０．０１である。φが０またはπ付近の値をとる場合、最大ノイズ電圧は、第２項が無いと、０．０１となり、また、第２項を含めると、約±０．２である。対応する電圧のＳＮＲは、最初の場合、１００であり、２番目の場合、わずかに５である。本発明は、式（２）の第２項を著しく小さくするための方法および装置を開示するものであり、これによって、検出信号対ノイズ比を、大きくするものである。
【００１１】
発明の要約
ホログラフィ画像の検出信号対ノイズ比を、ホログラフィ記憶媒体のノイズ特性を補正することによって、大きくするための方法および装置を開示する。この方法には、（ａ）第１の入力画像をホログラフィ記憶媒体に入力する段階と、（ｂ）前記第１の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に記憶する段階と、（ｃ）記憶された前記第１の入力画像を第１の出力画像として前記ホログラフィ記憶媒体から読み出す段階と、（ｄ）前記ホログラフィ記憶媒体のノイズ特性のために、前記第１の入力画像からずれている前記第１の出力画像を出力記録装置に記録する段階と、（ｅ）相対的位相シフトデータを導き出すために、前記第１の出力画像と前記第１の入力画像とを比較する段階と、（ｆ）前記導き出された相対的位相シフトデータに応じ、前記第１の入力画像を変更することによって形成された第２の入力画像を前記ホグラフィ記憶媒体に入力する段階と、（ｇ）前記記憶された第２の入力画像が、記憶された前記第１の入力画像と合成され、記憶された合成画像を生成するように、前記第２の入力画像を前記ホログラフィ記憶媒体に記憶する段階と、さらに（ｈ）記憶された合成画像を第２の出力画像として前記ホログラフィ記憶媒体から読み出す段階と、が含まれる。前記第２の出力画像は、散乱ノイズが無い場合に得られる所望の出力画像とほぼ同じである。
【００１２】
本発明の好適な実施例において、記憶された第２の入力画像は、ホログラフィ記憶媒体に記憶された第１の入力画像と重なり合い、位相が同じとなり、記憶された合成画像を生成する。
【００１３】
第１の入力画像は、第１の出力画像の強度レベルを決定する第１の強度レベルで、ホログラフィ記憶媒体に記憶される。第１の強度レベルは、記憶された合成画像の強度レベルである最終強度レベルの分数値になるように選択される。この最終強度レベルによって、第２の出力画像の強度レベルが決定される。
【００１４】
第２の出力画像の信号対ノイズ比は、第１の入力画像を最終強度レベルと等しい強度レベルでホログラフィ記憶媒体に入力することによって形成されるテスト入力画像の読み出しから得られるテスト出力画像の信号対ノイズ比よりもかなり大きい。
【００１５】
第１の入力画像には、入力画素アレイが含まれる。第１の出力画像には、出力画素アレイが含まれる。相対的位相シフトデータは、次の式によって算出される。
【００１６】
ａ＝（Ｖ1−ｆＩd）／２（√ｆＩd）        （４）
ここで、ａは、出力画素に関連する相対的位相シフトデータであり、対応する入力画素Ｖ1は、関連する出力画素の値であり、ｆＩdは、対応する入力画素の期待される検出値である。
【００１７】
本発明の装置には、画素アレイを提供するためのデータ入力装置と、２つのホログラム書き込み動作の各動作中に書き込み基準光を提供し、また、読み出し基準光を提供するための放射光源と、ホログラフィ記憶媒体と、ホログラム出力パターンを記録するための検出器アレイと、さらに各画素に対する散乱パラメータを算出し、また、各画素に対する最適値を算出するための演算回路と、が含まれる。
【００１８】
データ入力装置は、本発明の方法により信号対ノイズ比を容易に改善するために十分な分解能を有する空間光変調器であることが好ましい。放射光源は、レーザ光源であることが好ましい。検出器アレイは、電荷結合素子であることが好ましい。演算回路は、高速信号処理回路であることが好ましい。
【００１９】
本発明によって、式２の第２項を実質的に消去、もしくは、著しく小さくする方法が提供される。このことは、従来技術と同じように単一の段階で書き込む代わりに、二つの段階において、各データホログラムを書き込むことによって実現される。第１の段階で書き込まれた部分強度ホログラムから抽出された情報は、後続の読み出しにおいて、散乱ノイズの影響が著しく低減されるように、第２の書き込み段階のホログラム強度を最適化するために用いられる。２つのホログラムは、同位相で加算される。
【００２０】
本発明の基本概念を図２ａ、２ｂおよび２ｃに示してある。この図は、検出される電界の複素変数位相ベクトルを示している。光学的散乱以外のノイズ発生源は、全て無視し得るものと仮定している。この図は、ホログラフィ記憶媒体における個々のホログラフィ回折格子、即ち、図１において、空間光変調器が有する各画素の一つの回折格子に当てはまる。
【００２１】
図２ａは、散乱ノイズが無い場合に当てはまる。この場合、検出器の電圧は、データ強度、Ｖ−Ｉd＝Ｅ2dに比例する。検出器電圧と入射光強度の比例定数は、多数のシステムパラメータに依存する。この比例定数の値は、ここでの議論においては、重要でないため、１に等しいものとし、Ｖ＝Ｉdとする。
【００２２】
段階（ａ）において、第１の入力画像は、前記ホログラフィ記憶媒体を照射する第１の物体光に含まれる。段階（ｂ）において、前記第１の入力画像は、書き込み基準光を第１の物体光で干渉させることによって、ホログラフィ記憶媒体に書き込まれる。第１の入力画像は、記憶されるデータの強度の分数値となる強度ｆＩdで書き込まれる。ホログラムの強度は、後続のホログラムの読み出しで生成されるノイズ無しの検出器電圧として定義される。従って、入力画像のホログラムの強度によって、後続のホログラムの読み出しにおいて、対応する読み出し画像の強度レベルが決定される。段階（ｃ）において、この記憶された第１の入力画像は、読み出し基準光で記憶媒体を照射することによって読み出される。その結果得られる、検出器の画素に入射する電界は、図２ｂに示すように、２つの成分を持つ。大きさ
ｆ1/2Ｅdを有する第１の成分は、記憶されたデータによる電界である。第２の成分Ｅnは、散乱ノイズによる電界である。ランダム位相シフトφは、２つの成分の間に存在する。検出される電圧は、全電界の平方、Ｖ1＝Ｅ21に等しい。散乱ノイズによって、この電圧は、散乱ノイズが無い場合に得られる期待値ｆＩdとは異なる。この差異から、段階（ｅ）において、式（２）の散乱パラメータＥnｃｏｓ（φ）が算出される。
【００２３】
段階（ｆ）において、第２の入力画像が、段階（ｅ）において算出される散乱パラメータに基づき、第１の入力画像を変更することによって形成される。
段階（ｇ）において、前記第２の入力画像は、図２ｃに示すように、第１の入力画像に重ね合わされる。第２の入力画像は、記憶された合成画像を形成するために第１の入力画像と位相が同じである。この第２の画像の強度Ｉx＝Ｅx2は、記憶された合成画像の後続の読み出しにおいて、散乱ノイズがある場合の検出器電圧が、記憶されたデータＶ＝Ｉdに対応して期待されるノイズ無しの検出値と等しくなるように設定される。このことは、パラメータ（Ｅn、φ）によって特徴付けられる散乱ノイズ電界が、所定の相互作用の幾何学配置およびレーザ光パラメータに対して、一定であるという事実により可能となる。従って、散乱ノイズ電界は、段階２および後続のメモリ読み出しに対して同一となる。
【００２４】
本発明は、メモリ光学システムの安定性を前提とする。段階（ｂ）および（ｇ）において書き込まれたホログラムを最適に加算するために、書き込み基準光と第１の物体光間の経路長差は、書き込み基準光の波長の倍数内で、書き込み基準光と第２の物体光との経路長差と同じでなければならない。本発明によって、ホログラムの書き込みに必要な時間は増大されるが、これは、ホログラムの読み出しに必要な時間に影響を及ぼさない。最後に、本発明は、ホログラム書き込み後、散乱特性がほぼ一定であること、および、ホログラムの強度は、データが記憶媒体から読み出される間、それに対して第２のホログラム強度が最適化されるバイアス値から著しく変動しないことを前提とする。
【００２５】
本発明によって、検出信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が大きくなり、これによって、ビット誤り率（ＢＥＲ）が低減される。ＳＮＲの改善によって、ホログラム毎に記憶されたビット数を増加することができ、またこれによって、記憶密度が増大する。この手法は、散乱特性が、ホログラムの書き込み後、ほぼ一定であること、および、ホログラムの強度が、データが記憶媒体から読み出される間、あるバイアス値から著しく変動しないことを前提とする。
【００２６】
発明の詳細な説明
添付の図面に関連して以下に述べる詳細な説明は、本発明の現時点での好適な実施例の説明として意図されたものであり、本発明が構成または利用される唯一の形態を表すために意図されたものではない。この説明は、本発明を構成および動作するための機能および段階の手順を、例示の実施例と関連して述べてある。しかしながら、同一の、または、同等の機能が、本発明の精神および範囲に包含されることを意図した異なる実施例によっても、実現され得ることを理解されたい。
【００２７】
本発明は、図１に示してある通常用いられるホログラフィ記憶構造に関する。この構造の一般的な構成要素には、空間光変調器（ＳＬＭ）１２、ホログラフィ記憶媒体１８および電荷結合素子（ＣＣＤ）の検出器アレイ４０が含まれる。ホログラムの書き込み動作中は、データが、ＳＬＭアレイが有する画素の振幅変調の形態でＳＬＭに入力される。レーザ光１０は、ＳＬＭ１２を照射し、コリメータレンズ１４を透過し、記憶媒体１８において、書き込み基準光１６と干渉し、各ＳＬＭ画素ごとに１つの、多数の回折格子を生成する。従来のホログラムの読み出し動作中は、図１に示すように、通常、書き込み基準光１６と共に伝播する読み出し基準光２６は、記憶媒体１８を照射し、この結果、各記憶回折格子から放射光を反射させる。各画素の回折格子からの放射光は、集束レンズ２０を透過し、集束レンズの焦点面において、出力パターン２２を生成する。ＣＣＤ検出器アレイ４０によって、出力パターン２２の強度が記録される。前述の構造および動作は、充分に確立されたものであり、このように従来技術を構成している。
【００２８】
本発明は、データ情報をホログラフィ記憶媒体１８に書き込むための新しい方法を開示するものであり、これによって、その後に続くホログラム読み出し動作中にホログラフィ記憶媒体から生じる電界の散乱ノイズ成分を減少する。特に、本発明は、レーザスペックル特性を有する散乱ノイズの影響を低減するものである。
【００２９】
本発明の方法には、以下、段階１、段階２および段階３と称する３つの動作段階が含まれる。以下の説明において、仮定を単純化するが、これによって、当該方法の基本的な概念が影響を受けることはない。
【００３０】
ホログラムの強度は、ホログラムの読み出しにおいて生成されるノイズ無しの検出器の電圧として定義される。ホログラムの全強度は、記憶されるデータの強度に対応する。例えば、空間光変調器１２における１６の中間調レベルによって表現されるデータが、記憶媒体１８において全強度で記憶された場合、ＣＣＤ４０において検出されるホログラム出力パターン２２も、また、同じ１６の中間調レベルによって表現される。ＳＬＭの画素におけるデータが、記憶媒体１８に全強度で記憶される場合、対応するＣＣＤの画素におけるノイズ無しの検出電圧は、Ｉd＝Ｅ2dとなる。図２ａは、ノイズ無し電界Ｅd５１の位相ベクトルの表記方法を示す図である。
【００３１】
段階１において、従来のホログラムの書き込みと同じように、全強度Ｉd＝Ｅ2dのホログラムを書き込む代わりに、部分強度ｆＩdの第１のホログラムが、記憶媒体１８に書き込まれる。ここで、ｆは、少数値（０＜ｆ＜１）である。
【００３２】
段階２において、第１の部分強度ホログラムは、読み出し基準光２６で記憶媒体１８を照射することによって、読み取られる。式（２）によれば、Ｅn2の項は、無視し得ると仮定し、また比例定数を１に設定すると、ＣＣＤの画素における検出電圧は、次の式で表わされる。
【００３３】
Ｖ1＝ｆＩd＋２（√ｆＩd）Ｅnｃｏｓ（φ）      （５）
ここで、ｆＩdは、記憶されたデータに起因する部分ホログラム強度を表す。図２ｂは、検出電界Ｅ1５６となる電界ｆ1/2Ｅd５２とＥn５４に対応する位相ベクトルの加算を示す図である。検出器のノイズ、即ち、検出器４０のみに起因するノイズを無視し得るように、第１の部分ホログラム強度ｆＩd、即ち、検出されるデータ信号の電圧は、十分に高いものであると仮定している。散乱が無い場合に得られる測定電圧Ｖ1および期待電圧ｆＩdを比較することによって、散乱パラメータａ＝Ｅnｃｏｓ（φ）は、次のように算出される。
【００３４】
ａ＝（Ｖ1−ｆＩd）／２（√ｆＩd）        （６）
電圧ｆＩdは、既知のデータおよびホログラム回折効率から算出される。回折効率は、システムパラメータから算出もしくは測定することができる。本発明は、段階２およびその後続のメモリ読み出しにおいて、相互作用の幾何学的配置およびレーザ光のパラメータが同じである場合、散乱パラメータが一定であるという事実に基づくものである。換言すれば、散乱電界強度Ｅnおよび位相φがランダム変数であっても、相互作用の幾何学的配置およびレーザ光パラメータを同じ状態にすれば、特性（Ｅn、φ）は、読み出しパルス毎に、即ち、ホログラム読み出し動作毎に、繰り返しが可能であるという事実を、本発明は利用したものである。
【００３５】
段階３において、第２のホログラム書き込みが行われる。この第２のホログラムの強度は、段階１および段階３の合成ホログラムが読み取られた際、散乱ノイズの影響が、実際に除去もしくは大幅に低減されるように設定される。２つの書き込み動作間において、基準書き込み光と物体光の間の経路長差に変化αがある場合、合成ホログラムに対する検出器の電圧は、次の式で表わされる。
【００３６】
Ｖ＝｜√（ηｆＩd）  ＋  √（ηＩx）ｅjα  ＋  Ｅnｅjφ｜2    （７）
または、α＝０である最適条件の場合には、
Ｖ＝ηｆＩd＋ηｆＩx＋２√（ηｆＩd）√（ηＩx）＋２ａ（√（ηｆＩd）＋√（ηＩx））                                                  （８）
【００３７】
ここで、ηは、ホログラム効率減衰パラメータである。このパラメータは、ホログラムの書き込み時に１という値を有するが、それに続く書き込みおよび読み出し動作による光学的消失、並びに、非光学的過程（暗記憶減衰）によって、時間と共に小さくなる。Ｉxは、書き込み時における第２の回折格子の強度を表す。この最適値は、ホログラムの読み出しが、ホログラム減衰係数ηによって減じられるデータ強度Ｉdを回復するという要件により算出される。
【００３８】
Ｖ＝ηＩd                  （９）
式（８）および（９）は、Ｉｘについて解くことができる。結果は、以下の通りである。
Ｉｘ＝［−（√（ｆＩd）＋ａ／√η）＋√（Ｉｄ＋ａ2／η）］2  （１０）
【００３９】
散乱ノイズが無い場合（ａ＝０）、およびホログラム減衰がわずかでも起こる前、即ち、η＝１である場合、式１０は、次のようになる。
Ｉx＝Ｉd（１−√（ｆ））2          （１１）
式１１は、ｆ＝０．２５の場合、段階１のホログラム、および段階３のホログラムの検出される電圧は、同じであること、即ち、ｆＩd＝Ｉxであることを示している。これによって、ホログラムの強度が２倍になると、即ち、同じホログラムの強度で２度書き込むと、読み出し出力電界が２倍になり、従って、その強度は、４倍になるという事実が立証される。
【００４０】
数値例として、Ｉｄ＝１、ａ＝０．１、およびｆ＝０．２５の場合を検討する。減衰前のホログラムの読み出し、η＝１の場合、段階１および段階３のホログラムの強度は、次の式で表わされる。
【００４１】
ホログラム１：  ｆＩd＝０．２５          （１２）
および
ホログラム２：  Ｉx＝０．１６            （１３）
式１２および式１３を式８に代入すると、Ｖ＝１が得られる。このことは、読み出しによって、記憶されたデータが、散乱ノイズ無しで正確に復元されることを表している。
【００４２】
電界の対応する位相ベクトル加算を、図２ｃに示してあり、ここで、Ｅd５１と等しい全電界Ｅtot６４が、電界ｆ1/2Ｅd５２、Ｅx６２およびＥn５４を加算することによって得られる。このような理想的な演算は、この分析で仮定した単純化のために、実際に実現されるものではない。これらには、式（２）のＥn2項および検出器のノイズは、無視し得るという仮定が含まれている。実際には、検出器のノイズによって、第２のホログラム強度の最適値を算出する際に、誤りが生じる。
【００４３】
パラメータηによって特徴付けられる記憶されたホログラムの減衰時間は、記憶媒体および他のパラメータの関数である。記憶時間は、ホログラムが読込まれる全期間中、ηが１に等しくなるように、十分に長いことが理想的である。この場合、第２のホログラムの強度Ｉxは、η＝１を用いて算出される。
【００４４】
多くの記憶媒体の場合、その他のホログラムの書き込み、ホログラムの読み出し、また光学的放射が全く無い場合の暗記憶減衰のために、パラメータηは、時間経過と共に、著しく小さくなる。このような場合でも、本発明の手法は、メモリ読み出し中に、ηが、狭い所定の範囲内で変動する場合には、効率的に用いることができる。更に具体的には、式１０を用いて第２のホログラム強度の算出に用いられるηの値は、ホログラム読み出し時におけるηの投影値である。
【００４５】
例として、ＬｉＮｂＯ3などの光屈折性記憶媒体において、記憶されたホログラムの強度は、その他のホログラムが、同じボリュームに書き込まれるにつれて、予測可能な方法で低下する。所定の記憶ボリュームにある全てのホログラムが書き込まれた後、全てのホログラムが、同じような強度を有するように、露光スケジュールが立てられてきている。このことは、後続の書き込み動作によって部分消去された後、ホログラムが所定の強度に減衰するように、以前のホログラムをより大きい強度で書き込むことによって達成される。ホログラムの強度は、媒体の特性、読み出し手法、およびホログラムの処理（例えば、熱定着）に応じて、読み出し動作中、更に減衰することがある。図３および図４は、本発明によって改善され、パーセント表示された信号対ノイズ比（ＳＮＲ）が、どのようにしてバイアス点付近、即ち、規格化されたホログラムの強度が１に等しい付近で変動するかについて示している。両方の図において、ｆ＝０．２５およびａ＝０．１である。図３において、読み出しにおける初期（バイアス）ホログラム強度は、ホログラムの書き込み時におけるホログラム強度と等しく、即ち、η＝１である。図４において、読み出しにおけるバイアスホログラム強度は、書き込み時におけるバイアスホログラム強度の値の４０パーセント、即ち、η＝０．４である。式２におけるＥn2の項および検出器のノイズに関しては、この分析において立てられた単純化の仮定のために、実際には、バイアス点付近での非常に大きなＳＮＲの強化は、実現することができない。実際には、ゼロではない値を有する検出器のノイズによって、第２のホログラムの最適な強度の算出において誤りが生じる。
【００４６】
本発明の方法を用いて実現可能なＳＮＲの改善は、第２のホログラム強度Ｉxの精度に依存する。この精度は、検出器のノイズおよび空間光変調器の有限な分解能などのパラメータによって、制限を受ける。図５は、式１０によって与えられる最適な第２のホログラム強度において、即ち、規格化された第２のホログラム強度
Ｉx／Ｉx optimumが１に等しい場合、どのようにＳＮＲの改善が、その最大値から減少するかについて示す図である。
【００４７】
本明細書において説明し図面において示す例であるホログラフィ記憶システムは、本発明の好適な実施例を単に表すものであることを理解されたい。実際、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、かかる実施例に変更および追加を行うことが可能である。当業者は、種々の他の物理的または光学的構成が、同等であり、それ故に、同様に適するものであることを認識されよう。従って、これらのおよび他の変更および追加は、当業者にとって明白であり、また、これらのおよび他の変更および追加を実現し、本発明が様々な異なる用途において用いられるように本発明を適合することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ホログラフィ記憶システムを示す概略図である。
【図２】  図２（ａ），２（ｂ），２（ｃ）は本発明の２段階ホログラム書き込み方法を示した複素変数位相ベクトル図である。
【図３】  本発明によって改善することができた信号対ノイズ比（パーセント表示）のバイアス点付近における変動の状態を示す図である。即ち、このバイアス点においては、規格化ホログラム強度は、１に等しい。図３においては、
ｆ＝０．２５およびａ＝０．１である。このバイアス点においては、読み出し時の初期（バイアス）ホログラム強度は、書き込み時におけるホログラム強度の値と等しく、換言すれば、ηbias＝１である。
【図４】  本発明によって改善することができた信号対ノイズ比（パーセント表示）のバイアス点付近における変動の状態を示す図である。即ち、このバイアス点においては、異なるηの値に対して、規格化ホログラム強度は、１に等しい。図４において、ｆ＝０．２５およびａ＝０．１である。このバイアス点において、読み出し時の初期（バイアス）ホログラム強度は、書き込み時におけるホログラム強度の値の４０パーセントであり、換言すれば、ηbias＝０．４である。
【図５】  信号対ノイズ比（パーセント表示）の改善状況を、その最適値によって規格化された第２のホログラム強度の関数として示す図である。
【図１】
0004252211.tif 000002
【図２】
0004252211.tif 000003
【図３】
0004252211.tif 000004
【図４】
0004252211.tif 000005
【図５】
0004252211.tif 000006