(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ホログラムの出力パターンにおける雑音低減方法であって、前記雑音低減方法は、ホログラフ記憶媒体（１８）から前記ホログラムを読出す際に、前記出力パターンにおける散乱雑音を緩和し、前記ホログラムは、書込参照光線（１６）が物体光線（５０）と干渉させられることによって前記ホログラフ記憶媒体（１８）に書込まれ、前記雑音低減方法は、
ａ：第１読出参照光線（２６）によって前記ホログラフ記憶媒体（１８）を照射する第１照射工程であって、前記第１読出参照光線（２６）は前記書込参照光線（１６）の中心線（１７）に沿って伝播することと；
ｂ：前記ホログラフ記憶媒体（１８）から第１ホログラム出力パターン（２２）を生成する第１生成工程であって、前記第１ホログラム出力パターン（２２）は第１データ信号パターンと第１雑音パターンを含むことと；
ｃ：前記第１ホログラム出力パターン（２２）を検出器アレイ（４０）に記憶する第１記憶工程であって、前記検出器アレイ（４０）は画素の列としての画素列をＭ本有し、記憶後の前記第１ホログラム出力パターン（２２）は第１信号対雑音比を示すことと；
ｄ：画素のＭ本の列それぞれの開始列における画素の電荷を、Ｍ本の後工程の列の対応する画素に転送する電荷転送工程であって、前記開始列と前記後工程の列との間の距離は、前記第１データ信号パターンと後続データ信号パターンとの間の並進距離に等しいことと；
ｅ：後続読出参照光線（２８）によって前記ホログラフ記憶媒体（１８）を照射する後続照射工程であって、前記後続読出参照光線（２８）は前記第１読出参照光線（２６）に対して一定の分離角度（３２）をなすことと；
ｆ：前記ホログラフ記憶媒体（１８）から後続ホログラム出力パターン（２４）を生成する後続生成工程であって、前記後続ホログラム出力パターン（２４）は後続データ信号パターンと後続雑音パターンを含み、前記後続データ信号パターンは、前記分離角度（３２）に関連する並進距離だけシフトされた前記第１データ信号パターンに対応し、前記後続雑音パターンは前記第１雑音パターンには相関しないことと；
ｇ：前記検出器アレイ（４０）上に前記後続ホログラム出力パターン（２４）を記憶する後続記憶工程であって、前記後続ホログラム出力パターン（２４）に関連する電荷は、前記検出器アレイ（４０）内の画素に予め存在する電荷に加え合わされ、記憶後の前記後
続ホログラム出力パターン（２４）は後続信号対雑音比を示し、前記後続信号対雑音比は前記第１信号対雑音比よりも大幅に大きいことと
を含むことを特徴とする、雑音低減方法。
【請求項２】
前記書込参照光線（１６）の中心線（１７）と、前記物体光線（５０）の中心線とによって書込平面が定義され、
前記後続読出参照光線（２８）は、前記書込参照光線（１６）と、前記書込平面の法線とによって定義される平面内に存在する、請求項１記載の雑音低減方法。
【請求項３】
前記第１読出参照光線（２６）と前記後続読出参照光線（２８）は、前記書込参照光線（１６）と同じ方向に伝播する、請求項１記載の雑音低減方法。
【請求項４】
前記第１読出参照光線（２６）と前記後続読出参照光線（２８）は、前記書込参照光線（１６）とは逆方向に伝播する、請求項１記載の雑音低減方法。
【請求項５】
読出したホログラムの雑音低減方法であって、前記雑音低減方法は、ホログラフ記憶媒体（１８）から前記ホログラムを読出す際にリアルタイムで検出信号対雑音比を大きくさせ、前記ホログラムは、書込参照光線（１６）が物体光線（５０）と干渉させられることによって前記ホログラフ記憶媒体（１８）に書込まれ、前記雑音低減方法は、
ａ：第１読出参照光線（２６）によって前記ホログラフ記憶媒体（１８）を照射する第１照射工程であって、前記第１読出参照光線（２６）は前記書込参照光線（１６）の中心線（１７）に沿って伝播することと；
ｂ：前記ホログラフ記憶媒体（１８）から第１ホログラム出力パターン（２２）を生成する第１生成工程であって、前記第１ホログラム出力パターン（２２）は第１データ信号パターンと第１雑音パターンを含むことと；
ｃ：検出器アレイ（４０）上に前記第１ホログラム出力パターン（２２）を記憶する第１記憶工程であって、前記検出器アレイ（４０）はＭ本の画素の列を有し、前記Ｍ本の画素列の連続する列同士は、列間画素ピッチだけ互いに分離され、記憶後の前記第１ホログラム出力パターン（２２）は第１信号対雑音比を示すことと；
ｄ：画素のＭ本の列それぞれの開始列における画素の電荷を、Ｍ本の後工程の列の対応する画素に転送する電荷転送工程であって、前記開始列と前記後工程の列との間の距離は、前記列間画素ピッチの整数倍であることと；
ｅ：後続読出参照光線（２８）によって前記前記ホログラフ記憶媒体（１８）を照射する後続照射工程であって、前記後続読出参照光線（２８）は、前記第１読出参照光線（２６）に対して一定の分離角度（３２）をなし、前記後続読出参照光線（２８）は前記書込参照光線（１６）と書込平面の法線とによって定義される平面上に存在し、前記書込平面は前記書込参照光線（１６）の中心線（１７）と前記物体光線（５０）の中心線とによって定義されることと；
ｆ：前記前記ホログラフ記憶媒体（１８）から後続ホログラム出力パターン（２４）を生成する後続生成工程であって、前記後続ホログラム出力パターン（２４）は後続データ信号パターンと後続雑音パターンとを含み、前記後続データ信号パターンは、前記分離角度（３２）に関連する並進距離だけシフトされた前記第１データ信号パターンに対応し、前記並進距離は前記列間画素ピッチの前記整数倍に等しく、前記後続雑音パターンは前記第１雑音パターンには相関しないことと；
ｇ：前記検出器アレイ（４０）上に前記後続ホログラム出力パターン（２４）を記憶する後続記憶工程であって、前記後続ホログラム出力パターン（２４）に関連する電荷は、前記検出器アレイ（４０）内の画素に予め存在する電荷に加え合わされ、記憶後の前記後続ホログラム出力パターン（２４）は後続信号対雑音比を示し、前記後続信号対雑音比は前記第１信号対雑音比よりも大幅に大きいことと
を含む、雑音低減方法。
【請求項６】
前記工程ｄ乃至前記工程ｇがＮ−２回にわたって順番に繰返されることによって、最終ホログラム出力パターンが生成され、
前記Ｎは２よりも大きくかつ前記検出器アレイ（４０）の列数よりも大幅に小さい整数であり、
各回において前記分離角度（３２）は異なる値であり、
前記最終ホログラム出力パターンは、前記第１信号対雑音比よりもＮ倍大きい最終信号対雑音比を示す、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項７】
前記第１読出参照光線（２６）と前記後続読出参照光線（２８）は、前記書込参照光線（１６）と同じ方向に伝播する、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項８】
前記第１読出参照光線（２６）と前記後続読出参照光線（２８）は、前記書込参照光線（１６）とは逆方向に伝播する、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項９】
前記分離角度（３２）は、前記第１読出参照光線（２６）の回折限界角度に等しく、
前記回折限界角度は前記第１読出参照光線（２６）の波長と幅の関数である、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項１０】
前記列間画素ピッチは前記分離角度（３２）に比例する、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項１１】
前記後続読出参照光線（２８）は、前記第１読出参照光線（２６）を電気機械的光線偏向要素（２９）によって所望の方向に偏向させることによって生成される、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項１２】
前記後続読出参照光線（２８）は、前記第１読出参照光線（２６）を音響光学的光線偏向要素（２９）によって所望の方向に偏向させることによって生成される、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項１３】
前記検出器アレイ（４０）は、電荷結合素子である、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項１４】
前記電荷転送工程は、電気機械的位置決め要素（４１）によって前記並進距離だけ前記検出器アレイ（４０）を物理的にシフトさせる工程を含む、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項１５】
前記電荷転送工程は、電子的に行なわれる、請求項５記載の雑音低減方法。
【請求項１６】
ホログラムの出力パターンに対する雑音低減システムであって、前記雑音低減システムは、ホログラフ記憶媒体（１８）から前記ホログラムを読出す際に前記出力パターンの散乱雑音を緩和し、前記ホログラムは、書込参照光線（１６）が物体光線（５０）と干渉させられることによって前記ホログラフ記憶媒体（１８）に書込まれ、
前記雑音低減システムは放射源、検出器アレイ（４０）、シフト要素、および光線偏向要素（２９）を備え、
ａ：前記放射源は第１読出参照光線（２６）を発生させ、前記第１読出参照光線（２６）は前記前記書込参照光線（１６）の中心線（１７）に沿って伝播し、前記第１読出参照光線（２６）が前記前記ホログラフ記憶媒体（１８）に照射されることによって第１ホログラム出力パターン（２２）が生成され、前記第１ホログラム出力パターン（２２）は第１データ信号パターンと第１雑音パターンを含み、
ｂ：前記検出器アレイ（４０）は前記第１ホログラム出力パターン（２２）を記憶し、
前記検出器アレイ（４０）はＭ本の画素の列を有し、前記Ｍ本の画素の列の連続する列同士は、列間画素ピッチだけ互いに分離され、記憶後の前記第１ホログラム出力パターン（２２）は第１信号対雑音比を示し、前記検出器アレイ（４０）はリアルタイムで連続的にホログラム出力パターンの累加的記憶が可能であり、前記累加的記憶によって最終ホログラム出力パターンが生じ、前記最終ホログラム出力パターンは最終信号対雑音比を示し、前記最終信号対雑音比は前記第１信号対雑音比よりも大幅に大きく、
ｃ：前記シフト要素は、画素のＭ本の列それぞれの開始列における画素の電荷を、Ｍ本の後工程の列の対応する画素に転送し、前記開始列と前記後工程の列との間の距離は、前記列間画素ピッチの整数倍であり、
ｄ：前記光線偏向要素（２９）は、前記第１読出参照光線（２６）を所望の方向に偏向させることによって後続読出参照光線（２８）を発生させ、前記後続読出参照光線（２８）は前記第１読出参照光線（２６）に対して一定の分離角度（３２）をなし、前記後続読出参照光線（２８）は前記書込参照光線（１６）と書込平面の法線とによって定義される平面内に存在し、前記書込平面は前記書込参照光線（１６）の中心線（１７）と前記物体光線（５０）の中心線とによって定義され、前記後続読出参照光線（２８）が前記ホログラフ記憶媒体（１８）に照射されることによって後続ホログラム出力パターン（２４）が出力され、前記後続ホログラム出力パターン（２４）は後続データ信号パターンと後続雑音パターンを含み、前記後続データ信号パターンは、前記分離角度（３２）に関連する並進距離だけ並進させられた前記第１データ信号パターンに対応し、前記並進距離は前記列間画素ピッチの整数倍に等しく、前記後続雑音パターンは前記第１雑音パターンには相関しないことを特徴とする、雑音低減システム。
【請求項１７】
読出したホログラムに対する雑音低減システムであって、前記雑音低減システムは、ホログラフ記憶媒体（１８）から前記ホログラムを読出す際に検出信号対雑音比を大きくし、前記ホログラムは、書込参照光線（１６）が物体光線（５０）と干渉させられることによって前記ホログラフ記憶媒体（１８）に書込まれ、
前記雑音低減システムは放射源、検出器アレイ（４０）、シフト要素、および光線偏向要素（２９）を備え、
ａ：前記放射源は第１読出参照光線（２６）を発生し、前記第１読出参照光線（２６）が前記ホログラフ記憶媒体（１８）に照射されることによって第１ホログラム出力パターン（２２）は生成され、前記第１読出参照光線（２６）は前記書込参照光線（１６）の中心線（１７）に沿って伝播し、
ｂ：前記検出器アレイ（４０）は前記第１ホログラム出力パターン（２２）を記憶し、前記検出器アレイ（４０）はＭ本の画素の列を有し、前記Ｍ本の画素の列の連続する列同士は、列間画素ピッチだけ互いに分離され、記憶後の前記第１ホログラム出力パターン（２２）は第１信号対雑音比を示し、前記検出器アレイ（４０）はリアルタイムで連続的にホログラム出力パターンの累加的記憶が可能であり、前記累加的記憶によって最終ホログラム出力パターンが生じ、前記最終ホログラム出力パターンは最終信号対雑音比を示し、前記最終信号対雑音比は前記第１信号対雑音比よりも大幅に大きく、
ｃ：前記シフト要素は、画素のＭ本の列それぞれの開始列における画素の電荷を、Ｍ本の後工程の列の対応する画素に転送し、前記開始列と前記後工程の列との間の距離は、前記列間画素ピッチの整数倍であり、
ｄ：前記光線偏向要素（２９）は、前記第１読出参照光線（２６）を所望の方向に偏向させることによって後続読出参照光線（２８）を発生させ、前記後続読出参照光線（２８）は前記第１読出参照光線（２６）に対して一定の分離角度（３２）をなし、前記後続読出参照光線（２８）は、前記書込参照光線（１６）と書込平面の法線とによって定義される平面内に存在し、前記書込平面は書込参照光線（１６）の中心線（１７）と物体光線（５０）の中心線とによって定義され、前記後続読出参照光線（２８）が前記ホログラフ記憶媒体（１８）に照射されることによって後続ホログラム出力パターン（２４）が出力され、前記後続ホログラム出力パターン（２４）は、前記分離角度（３２）に関連する並進距離だけ並進させられた前記第１ホログラム出力パターン（２２）に対応し、前記並進距離は前記列間画素ピッチの整数倍に等しいことを特徴とする、雑音低減システム。
【請求項１８】
前記放射源は、レーザ光源を含む、請求項１７記載の雑音低減システム。
【請求項１９】
前記検出器アレイ（４０）は、電荷結合素子を含む、請求項１７記載の雑音低減システム。
【請求項２０】
前記シフト要素は電気機械的位置決め要素（４１）を含み、
前記電気機械的位置決め要素（４１）は、前記検出器アレイ（４０）を、前記列間画素ピッチの整数倍に等しい距離だけ物理的に並進させる、請求項１７記載の雑音低減システム。
【請求項２１】
前記シフト要素は、電荷の転送を電子的に行なうための電気回路を含む、請求項１７記載の雑音低減システム。
【請求項２２】
前記光線偏向要素（２９）は、電気機械的光線偏向要素（２９）を含む、請求項１７記載の雑音低減システム。
【請求項２３】
前記光線偏向要素（２９）は、音響光学的光線偏向要素（２９）を含む、請求項１７記載の雑音低減システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、ホログラフ記憶システムの性能を向上させるための方法及び装置に一般的に関し、より詳細には、ホログラフ記憶システムにおける光学散乱による検出雑音の効果を低減するための方法及び装置に関する。
【０００２】
（発明の背景）
ホログラフィを使用して光屈折性結晶などの小さい記憶容量に大量のデジタルデータを、後の読み出しのために記憶させることが可能であることはよく知られている。
【０００３】
ホログラフ記憶システムには、特に記憶密度を最大化するために使用される多重化技術において多くの異なる構成が存在する。一般的に使用されている構成の１つが図１に示されている。このシステムの主たる構成要素は、入力装置、光屈折性結晶などのホログラフ記憶媒体、及び出力装置である。通常、空間光変調器（ＳＬＭ）として実施される入力装置は、振幅変調器のアレイにて構成される。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の際に記憶媒体からの出力放射を受光する。
【０００４】
ホログラムの書き込み動作においては、ＳＬＭの画素の振幅変調の形でＳＬＭにデータが入力される。レーザ光線をこのＳＬＭに照射すると、ＳＬＭ画素から放射される物体光線は記憶媒体内で書き込み参照光線と干渉し、各ＳＬＭ画素に対し１つづつの多数の回折格子を形成する。ホログラムの読み出し動作においては、記憶媒体に読み出し参照光線を照射することにより、記憶された回折格子のそれぞれから反射放射光が生ずる。この各回折格子からの放射光がＣＣＤ画素によって検出される。例として、それぞれ１０２４×１０２４画素のＳＬＭ及びＣＣＤでは、１個のホログラム（ページ）に１ページ当り１０２４×１０２４＝１Ｍビットのバイナリーデータが記憶される。２よりも多いグレーレベルが使用される場合、１ページ当りのデータはビットの数だけ増大する。すなわち、１６グレーレベル（４ビット）では、記憶密度は、上記の例において１ページ当り４Ｍビットと４倍に大きくなる。
【０００５】
ホログラフ記憶システムにおける雑音源は多くの物理的原因に由来する。主たる発生源は、（１）記憶媒体から散乱する光、（２）光学要素から散乱する光、（３）ページ内での画素クロストーク、（４）ページ間でのクロストーク、及び（５）検出器雑音である。
【０００６】
記憶媒体から散乱する光は、散乱雑音と呼ばれ、ホログラフ記憶システムの性能に直結する重要なパラメータである検出信号対雑音比（ＳＮＲ）に深刻な影響を及ぼす。
【０００７】
ホログラフ記憶媒体を読み出し参照光線により照射すると、検出器は記憶されたデータ及び光学散乱要素の両方からの電場を受ける。ホログラフ記憶媒体の外部における光学要素からの散乱は、反射防止コーティングなどの従来の技術により低減することが可能である。しかし、記憶媒体自体からの散乱は、散乱がデータと同じ物理的要素内において生じ、そのスペクトル特性はデータの電場のスペクトル特性と同じであるため、非常に解決困難な問題である。
【０００８】
更に、鉄をドープしたＬｉＮｂＯ3などのある種の記憶媒体では、鉄のドープ量が増大するにつれて散乱雑音が増大することが観察されている。鉄の濃度が高いことは、ホログラム消去時間などの他のシステムパラメータが向上するために望ましいことである。すなわち、散乱雑音を低減することにより他のシステムパラメータを最適化することが可能となる。
【０００９】
本発明は、ホログラフ記憶媒体から出る電場の、検出される散乱雑音成分が低減されるように、ホログラフ記憶媒体に記憶された情報を読み出すための方法及び装置を開示するものである。具体的には、本発明は、レーザスペックルの特性を有する散乱雑音を低減するものである。散乱雑音の強度は有限平均を有するランダムな複素変数である。ホログラム読み出しの際にＣＣＤアレイの各画素によって記録される電圧は、入射するデータ信号と雑音電場に基づき、複素変数を用いて次式のように表される。
【００１０】
【数１】
0004388697.tif 000002
または、
【数２】
0004388697.tif 000003
ただし、ＥS及びＥnはそれぞれ、データ及び散乱雑音電場の大きさであり、φはこれらの相対的な位相のずれである。散乱が、ホログラフ記憶媒体内の多数の固定部位によるものであるとすると、これはレーザスペックルの性質を有する。その場合、Ｅn2に等しい強度Ｉnは指数確率分布を有するランダムな変数であり、位相φは区間[ −π，π] において均一に分布する。散乱雑音強度Ｉnの確率密度関数は次式にて表される。
【００１１】
【数３】
0004388697.tif 000004
ただし、< Ｉn> はＩnの平均値を表す。本発明は散乱雑音電場がスペックルの性質を有する場合について述べられるが、散乱場の統計とは無関係に一般的な応用が可能である。
【００１２】
（２）式によれば、散乱雑音は（２）式の右辺の第２項及び第３項にて表される２つの寄与を有する。実際のシステムにおいては、ＥnはＥSよりも大幅に小さく、第２項がこの散乱雑音の表現において支配的となる。例として、Ｅn2／ＥS2＝１０-2である場合、Ｖ〜１＋０．２ｃｏｓ（φ）＋０．０１である。φが０またはπに近い場合、最大雑音電圧は第２項を考慮しなければ０．０１であり、第２項を考慮すれば約±０．２である。対応する電圧ＳＮＲは前者の場合１００であり、後者の場合はわずか５である。本発明は、（２）式の第２項を大幅に減少させ、これにより検出信号対雑音比を大きくするための方法及び装置を開示するものである。
【００１３】
（発明の概要）
ホログラフ記憶媒体からホログラムを読み出す際にホログラムの出力パターンにおける散乱雑音を緩和するための方法及び装置が開示される。ホログラムは書き込み参照光線と物体光線とを干渉させることによって書き込まれる。この方法は以下の工程を含む。すなわち、（ａ）書き込み参照光線の中心線に沿って伝播する第１の読み込み参照光線にてホログラフ記憶媒体を照射すること、（ｂ）ホログラフ記憶媒体から、第１のデータ信号パターンと第１の雑音パターンとを含む第１のホログラム出力パターンを生成すること、（ｃ）ホログラフ記憶媒体を、第１の読み出し参照光線に対して所定の分離角度をなす後続の読み出し参照光線にて照射すること、及び、（ｄ）後続のデータ信号パターンと後続の雑音パターンとを含む後続のホログラム出力パターンを、ホログラフ記憶媒体から生成し、該後続のデータ信号パターンは、分離角度に関連する所定の距離だけ並進させられた第１のデータ信号パターンにほぼ対応し、その際、後続の雑音パターンは第１の雑音パターンに相関しないことである。
【００１４】
本発明の好ましい実施形態においては、後続の読み出し参照光線は書き込み参照光線と書き込み平面によって定義される平面内にある。書き込み平面は書き込み参照光線の中心線と物体光線の中心線とによって定義される。
【００１５】
第１及び後続の参照光線は書き込み参照光線の方向に伝播するか、または書き込み参照光線と逆方向に伝播する。逆方向の伝播の場合には出力電場は物体電場の複素共役である。本発明はいずれの構成にも適用される。
【００１６】
好ましい実施形態において本発明の方法は、（１）Ｍ本の画素の列を有する検出器アレイ上に第１のホログラム出力パターンを記録する工程であって、記録された第１のホログラム出力パターンは第１の信号対雑音比を有する工程と、画素のＭ本の列のそれぞれの開始列における画素の電荷を、後工程の列の対応する画素に転送する工程であって、前記後工程の列は前記開始列に対して、第１データ信号パターンと後続データ信号パターンとの間の並進距離に等しい距離をおいて配置されることと、（３）後続のホログラム出力パターンに関連する電荷が検出器アレイの画素に予め存在する電荷に加え合わされるように検出器アレイ上に後続のホログラム出力パターンを記録することにより、第１の信号対雑音比よりも大幅に大きい信号対雑音比を有する、記録された後続のホログラム出力パターンを得る工程とを更に含む。
【００１７】
好ましい実施形態において、連続するデータ信号出力パターン間の並進距離は、列間画素ピッチの整数倍に等しく、前記列間画素ピッチは、検出器アレイの連続した列同士の間の距離である。
【００１８】
この開示される方法はＮ−２回にわたって順番に繰返すことが可能である。ただしＮは２よりも大きくかつ検出器アレイの列数よりも大幅に小さい整数であり、各回において分離角度は異なる値であり、１回のホログラム読み出し動作で得られる第１の信号対雑音比よりも約Ｎ倍大きい最終的な出力信号対雑音比を有する最終的な記録ホログラム出力パターンが生成される。
【００１９】
本発明の好ましい実施形態においては、連続する読み出し参照光線は、回折展開角とも呼ばれる同じ回折限界角度を有し、２本の連続した読み出し参照光線の間の分離角度はこの回折限界角度に等しい。更に、検出器アレイの列間画素ピッチは、２本の連続した読み出し参照光線の間の分離角度に比例している。
【００２０】
第１の読み出し参照光線は好ましくはレーザ光源によって生成される。後続の読み出し参照光線は好ましくは第１の読み出し光線を光線偏向要素を用いて所望の方向に偏向することにより与えられる。光線偏向要素は電気機械的光線偏向要素または音響光学的光線偏向要素を用いることが可能である。
【００２１】
検出器アレイは好ましくは電荷結合素子（ＣＣＤ）である。読み出し時間の長いシステムでは、従来のＣＣＤを、読み出し動作の間にＣＣＤを物理的に並進させるための電気機械的位置決め要素と組み合わせて使用することが可能である。読み出し時間の短いシステムでは、好ましい実施形態においてはＣＣＤカメラを使用し、部品を動かすことなく読み出しパルス間において電荷を電子的にシフトさせる。各ＣＣＤ画素において、複数の読み出しパルスによる電荷はＣＣＤによって電子的に積分される。
【００２２】
（発明の詳細な説明）
付属の図面に関連して以下に述べられる詳細な説明は、本発明の好ましい実施形態の説明を目的としたものであり、本発明が構成及び使用され得る唯一の形態を示すものではない。説明文では、図に示された実施例に基づき発明を構成及び動作させるための一連の工程及び機能について述べる。しかしながら、本発明の精神及び範囲に包含されるものとやはりみなされる異なる実施形態によって同様または均等な機能を実現することが可能である点は理解される必要がある。
【００２３】
本発明は図１に示される一般的に使用されるホログラフ記憶システムに関するものである。このシステムの典型的な構成要素には、空間光変調器（ＳＬＭ）１２，ホログラフ記憶媒体１８、及び電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器アレイ４０が含まれる。ホログラム書き込み動作時には、ＳＬＭのアレイの画素の振幅変調の形でＳＬＭ１２にデータが入力される。レーザ光線１０がＳＬＭ１２に照射され、平行化レンズ１４を通過し、記憶媒体１８内で書き込み参照光線１６と干渉して、各ＳＬＭ画素について１つづつの多数の回折格子を形成する。従来のホログラム読み出し動作では、図１に示されるように書き込み参照光線１６と同じ方向に一般に進む読み出し参照光線２６が記憶媒体１８に照射され、記憶回折格子のそれぞれから反射放射光を生ずる。全ての記憶媒体回折格子からの放射光は集束レンズ２０を通過して集束レンズの焦点面に出力パターン２２を形成する。ＣＣＤ検出器アレイ４０が出力パターン２２の強度を記録する。読み出し参照光線２６は書き込み参照光線１６と、共伝播、すなわち、図１に示されるように書き込み参照光線と同じ方向に伝播するか、もしくは、逆伝播２６’、すなわち書き込み参照光線１６と逆の方向に伝播することが可能である。逆伝播の場合、出力場は物体電場の複素共役である。本発明はいずれの構成にも適用可能である。上記の構成及び動作はよく確立されたものであり、従来技術をなすものである。
【００２４】
本発明は、ホログラフ保存媒体から発生する電場の検出される散乱雑音成分が低減されるようにホログラフ記憶媒体１８に記憶された情報を読み出すための方法及び装置を開示するものである。詳細には、本発明によりレーザスペックルの性質を有する散乱雑音が低減する。本発明は散乱雑音電場がスペックルの性質を有する場合について述べられるが、散乱場の統計とは関係なく一般的に応用可能である。
【００２５】
図２の好ましい実施形態では、ホログラフ記憶媒体１８を、少なくとも回折限界角Δθd〜λ／ｗ１つ分だけ角度が離れている一連の読み出し参照光線３０にて照射する。ただし、λは光源において測定した読み出し参照光線３０のそれぞれの波長であり、ｗは光源において測定した読み出し参照光線３０のそれぞれの幅である。図１を参照すると、書き込み参照光線１６の中心線１７と書き込み物体光線５０の中心線とにより「書き込み」平面が定義される。この書き込み面に直交し、書き込み参照光線１６を含む平面を以後、読み出し平面と呼ぶ。図２を参照すると、連続した読み出し参照光線３０は読み出し平面内にある。図３を参照すると、ｘ−ｙ平面は書き込み平面を表し、ｘ−ｚ平面は読み出し平面を表す。図１〜図３を参照すると、ｘ軸３６と書き込み参照光線１６の中心線１７とは一致している。読み出し平面内において、ｎ番目の読み出し参照光線２８は、図１の書き込み参照光線１６の中央線１７であるｘ軸３６に対し角度θn３２をなす。連続する読み出し参照光線３０間の分離角度が回折限界角Δθdであるとすると、ｎ番目の読み出し参照光線２８は書き込み参照光線１６の中心線１７に対して所定の角度θn＝（ｎ−１）Δθdをなす。図２に示されるように、複数の読み出し参照光線２６，２７，２８は、ほぼ同じデータ信号パターンを有するが空間的にずれている複数のホログラム出力パターン２２，２３，２４をそれぞれ生ずる。
【００２６】
この好ましい実施形態においては、主として集束レンズ２０とＣＣＤ検出器アレイ４０とからなる光学収集系は、連続する読み出し参照光線３０間の角度の分離が、ＣＣＤ検出器アレイ上において列間画素ピッチと呼ばれる、連続する列同士の画素の間隔に等しいずれに対応するように構成される。読み出し動作の間において、ＣＣＤ検出アレイ４０の画素が、イメージ光線３４の変位量に等しい量だけ変位する場合、アレイによって検出されるデータ信号パターンは各読み出し動作について同じであり、全体の検出データ信号は複数の後続の読み出し参照光線３０のエネルギーの総和に等しいエネルギーを有する単一の参照読み出し光線によって得られるものと同じである。しかし、複数の読み出し参照光線３０のそれぞれについてほぼ同じであるデータ信号電場と異なり、複数の読み出し参照光線によって発生する散乱雑音電場は異なっている。散乱雑音がスペックルの性質を有する場合、少なくとも読み出し参照光線の回折限界角度１つ分だけ互いに分離した複数の読み出し参照光線３０によって生じる散乱雑音電場パターンは空間的に相関していない。これらの空間的に相関していない電場パターンを加え合わせることにより得られる累加的散乱雑音は、複数の読み出し参照光線のエネルギーの総和に等しいエネルギーを有する単一の読み出し参照光線から生ずる散乱雑音よりも統計学的な分散は小さい。統計的分散の減少倍率は読み出し参照光線の数にほぼ等しい。例として、全読み出しエネルギーが１６本の光線に等分される場合、累加的散乱雑音の分散は、全体の読み出しエネルギーが同じである単一の読み出し参照光線から生ずる散乱雑音の分散よりも約１６倍小さく、出力信号対雑音比は約１６倍増大する。すなわち、Ｎ回のホログラム読み出し動作では、最終出力信号対雑音比は１回の従来のホログラム読み出し動作により得られる信号対雑音比よりも約Ｎ倍大きい。
【００２７】
散乱雑音が空間的によりゆっくりと変化する場合、連続する読み出し参照光線間の角度の分離をこれに応じて大きくし、検出器アレイ上での出力パターンの並進量が散乱雑音の空間的相関距離を上回るようにしなければならない。
【００２８】
Ｘ軸３６に対する角度θnが増大するのにしたがって、Ｘ軸に沿って伝播する第１の読み出し参照光線から生ずる出力データ信号パターンと比較して、出力データ信号パターンに少量の歪みが生じる。すなわち、回折限界角度だけ互いに分離される読み出し参照光線の最大数は許容可能な歪みの量に依存する。この読み出し参照光線の最大数は、与えられたホログラフ記憶システムに依存する。この数の典型的な値は１６〜６４の範囲である。
【００２９】
読み出し参照光線３０はホログラム書き込み動作において書き込み参照光線を生成するために使用されるものと同じレーザによって発生させることも可能である。このレーザは短いパルスの波連を発生する固体レーザを使用することが可能である。読み出し参照光線２６の方向制御は電気機械的光線偏光器２９または音響光学的光線偏光器によって行うことが可能である。
【００３０】
ＣＣＤ検出器アレイ４０の内容は、検出器アレイを位置決め要素４１によって物理的に並進させることにより機械的に、または、各列の画素からの電荷を後工程の列の対応する画素に転送することにより電気的に、シフトさせることが可能である。後工程の列は、好ましくは隣接する列である。互いに回折限界角度だけ分離したＮ本の読み出し参照光線が使用される場合、ＣＣＤ検出器アレイ４０はホログラム読み出しサイクルの開始点においてＮ本の空の列を有さなければならない。ＣＣＤ検出器アレイ４０の内容のシフトの方向は、出力光線３４のシフトを決定する、後続の読み出し参照光線の方向に依存する。図２に示されるように複数の読み出し参照光線２６，２７，２８により複数のホログラム出力パターン２２，２３，２４がそれぞれ生じる。
【００３１】
本発明の実施するうえで必要とされる主たる要素は、（１）複数の読み出し参照光線を発生するレーザ光源、（２）この複数の読み出し参照光線を所望の方向に偏向する光線偏向要素、及び、（３）読み出し動作の間において列の内容をシフトさせるための手段を有する検出器アレイである。
【００３２】
これらの要素の特徴は、ホログラム読み出し動作の時間的長さによって示される。ホログラム記憶媒体が高速で動く（並進運動または回転運動を行う際に）システムでは、一般に短い読み出し時間が用いられるのに対し、記憶媒体が静止しているか低速で動くシステムでは、長い読み出し時間が用いられる。長時間読み出し型のシステムでは、数ミリ秒〜数秒のオーダーの比較的長いパルス時間を有する低ピーク出力レーザが一般に用いられ、短時間読み出し型では、数ナノ秒〜数マイクロ秒のオーダーのより短い高ピーク出力レーザパルスが一般に用いられる。
【００３３】
長い読み出し時間の場合、電流を制御することによってパルスがオン／オフされる半導体レーザを使用することが可能である。高速で動くホログラム記憶媒体では、レーザ光源は一般的に、必要なパルス波連の波形を発生する高速電気音響変調器などの特別な手段を備えた固体レーザである。
【００３４】
所望の方向に読み出し参照光線を偏向するための光線偏向器すなわち光線偏向要素の特徴もシステムの構成にやはり依存する。すなわち、低速システムの必要条件は電気機械的光線偏光器で満たすことが可能であるのに対し、高速システムでは、１００ナノ秒程度の短い時間でレーザ光線の方向を回折限界角度だけ変化させることが可能な音響光学光線偏光器などの技術を必要とする。
【００３５】
検出器アレイ技術も同様にシステムの構成に依存する。長い読み出し時間では、従来のＣＣＤを、読み出し動作の間においてＣＣＤを物理的に並進させるための電気機械的位置決め要素と組み合わせて使用することが可能である。短時間読み出し型のシステムでは、好ましい実施形態において、部品を動かすことなく、読み出しパルスの間において電荷を電子的にシフトするＣＣＤ型のカメラを使用する。各ＣＣＤ画素において、複数の読み出しパルスによる電荷はＣＣＤによって電子的に積分される。１００ナノ秒程度の短いシフト時間を有するこうしたＣＣＤは当該技術分野の現在の水準の範囲である。
【００３６】
本発明の高速実施形態では、各読み出し動作は１００ナノ秒の時間的長さを有する。このシステムでは、それぞれが一般に１０ナノ秒の長さであり、パルス間隔が１００ナノ秒である短いパルスの波連を発生する固体レーザを使用することが可能である。光線の偏向は、１００ナノ秒よりも短い開口推移時間を有する音響光学光線偏光器によって行うことが可能である。ホログラムの検出は上述のようなＣＣＤ型カメラを用いて行うことが可能であり、各列は１００ナノ秒毎に隣りの列にシフトされる。３．２マイクロ秒の全読み出しバースト時間において３２個の読み出しパルスのバーストを用いるこうしたシステムでは信号対雑音比を約３２倍に向上させることが可能である。
【００３７】
ここに述べられ図に示された例示的ホログラフ記憶システムはあくまで本発明の好適な実施形態を示すものに過ぎない点は理解されるべきである。実際、発明の精神及び範囲を逸脱することなくこうした実施形態に各種の改変及び付加を行うことが可能である。例として、読み出し参照光線は図に示されるように互いに対して均等に分離されている必要はない。当業者であれば各種の他の物理的または光学的構成は均等物であり、したがって同様に好適である点は認識されるであろう。すなわち、これら及び他の改変及び付加は当業者にとって自明であり、本発明を様々な異なる応用における使用に適合させるうえで実施することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホログラフ記憶システムを示す概略図。
【図２】本発明のスペックル雑音平均化の概念を示す図。図中、３本の読み出し参照光線が異なる角度にてホログラフ媒体に入射し、同じデータ信号を有するとともに相関していない雑音を有する３個の空間的にずれた出力イメージパターンを生ずる様子が示されている。検出器アレイを読み出しパルス間で列間画素ピッチに等しい量だけ上方（連続的な読み出し参照光線の方向によっては下方）に並進させることにより、連続する読み出しのそれぞれにおいて、前の出力イメージパターンと一致した出力イメージパターンを生成することが可能である。したがってデータ信号パターンは加え合わされるが、スペックル雑音は相関していない雑音パターンが加え合わされるために低減される。
【図３】複数の読み出し参照光線の内の１本の形態を示す図。図中、ＣＣＤ及びＮ番目の読み出しのための読み出し参照光線及び出力イメージ光線が示されている。Ｘ軸は書き込み参照光線の中心線と一致している。複数の参照光線は全て（ｘ，ｚ）平面内にあり、Ｘ軸に対して異なる角度θnをとっている。隣り合う参照光線間の角度の分離は読み出し参照光線で共通の回折限界角Δθ〜λ／ｗである。式中、λはレーザの波長であり、ｗはレーザ光源の開口にて測定したレーザ光線径である。
【図１】
0004388697.tif 000005
【図２】
0004388697.tif 000006
【図３】
0004388697.tif 000007