波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置
【課題】再生時参照光の波面を最適化するのに要する時間の短縮化と波面精度の向上を達成し得る波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置を得る。
【解決方法】信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、再生時参照光の波面を最適化するために必要な波面制御器２１の薄膜ミラー５１の動作量の最大値を予測し、該最大値を、波面を最適化する過程における薄膜ミラー５１の動作範囲を制限するための動作制限値に設定する。
【解決方法】信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、再生時参照光の波面を最適化するために必要な波面制御器２１の薄膜ミラー５１の動作量の最大値を予測し、該最大値を、波面を最適化する過程における薄膜ミラー５１の動作範囲を制限するための動作制限値に設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラムを利用して画像情報の記録再生を行うホログラム記録再生システムにおいて、再生時参照光の波面を最適化するために配置された波面制御器の動作量を制御する方法に関し、特に、ホログラム記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償する場合に好適な波面制御器の動作量制御方法およびこれを利用したホログラム再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速で大容量の記録再生を目指した次世代光情報記録再生方式として、ホログラム記録再生方式の研究・開発が活発に行われている。
【０００３】
従来のホログラム記録再生装置は、例えば図１１に示すように構成されており、ここで、その概略を説明する。レーザ光源２０１から出射されたコヒーレントなレーザ光束は、発散レンズ２０２およびコリメートレンズ２０３からなるビームエキスパンダにより光束径を拡大され、半波長板２０４を透過し、ミラー２０５で偏向された後、偏光ビームスプリッタ２０６により２系の光束に分岐される。
【０００４】
偏光ビームスプリッタ２０６から図中下方に向かう光束は、開状態のシャッタ２０７および偏光ビームスプリッタ２０８を通過して空間光変調素子２０９に照射され、該空間光変調素子２０９により空間的に変調されて、ページデータと称される、白、黒２値の画素を２次元配列したデジタル画像情報を担持した信号光とされる。空間光変調素子２０９から出射された信号光は、入射した状態とは偏光方向が変化しており、偏光ビームスプリッタ２０８において図中左方に反射され、レンズ２１０によって光学的にフーリエ変換されてホログラム記録媒体（以下、単に「記録媒体」と称することがある）２１１へ照射される。
【０００５】
一方、偏光ビームスプリッタ２０６から図中左方に向かう光束は、参照光（記録時参照光）とされ、ミラー２２２および開状態のシャッタ２２４を通過して、記録媒体２１１中の信号光が通過する場所へ、信号光とは別角度で照射される。
【０００６】
信号光および参照光を同時に照射すると記録媒体２１１内部の体積中に干渉縞が生じ、この縞分布を屈折率分布などの形態で記録媒体２１１の記録領域に転写することによりホログラム記録が行われる。なお、角度多重記録方式の場合には、異なるページデータを空間光変調素子２０９に表示させつつ、信号光および参照光に対する記録媒体２１１の角度（回転角度）を少しずつ変化させることにより、互いに異なるページデータを記録媒体２１１中の同一領域へ多重記録することが可能となり、高密度な情報格納が可能となる。
【０００７】
ホログラム記録媒体２１１に記録されたページデータを再生する場合には、シャッタ２０７を閉状態として、記録時と同一角度で参照光（再生時参照光）のみを記録媒体２１１に照射せしめることにより、同一の記録領域に複数のページデータが多重記録されていても、所望するページデータのみを選択的に取り出し、レンズ２１２を介してＣＣＤ（撮像素子）２１３にて撮像することができる。
【０００８】
ホログラム記録媒体として用いられることが多い光感光性樹脂材料（フォトポリマー）の場合、記録媒体内部に屈折率差を生じさせてホログラム（干渉縞）を記録する。このとき光重合により媒体収縮が生じる。また、信号記録時と信号再生時との間で温度差が生じた場合には、温度差の影響により記録媒体が収縮したり膨張したりすることがある。記録媒体が収縮あるいは膨張すると、媒体中に記録された干渉縞が歪んだ状態となる、いわゆる干渉縞歪みが生じる。歪んだ干渉縞に記録時と同様の参照光を入射しても、記録されたビットデータを誤りなく再生することが難しくなるため、再生データのＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が低下してしまう。
【０００９】
最近、このような記録媒体の収縮（膨張を含む）が引き起こす干渉縞歪みにより生じる再生データの劣化（ＳＮＲの低下）を改善するために、干渉縞歪みを光学的に補償する方法が研究されている。光学的な補償方法の一つである適応光学を用いた補償方法では、参照光の光路中に波面制御器を設け、干渉縞歪みを光学的に補償するために最適な参照光波面を作るようにしている(下記特許文献１および非特許文献１参照)。これにより干渉縞歪みが補償でき、再生データの劣化を改善することができる。
【００１０】
上述の波面制御器としては、金属薄膜等で形成された反射鏡面を備えたデフォーマルブルミラー（Deformable Mirror；可変形鏡）が提案されている(下記特許文献１および非特許文献１参照)。反射鏡面は、基板からの突出量が可変に構成された複数のピン部材により裏面側から支持されており、ピン部材毎の突出量が調整されることにより、各々のピン部材により支持された鏡面の各領域がそれぞれ動作せしめられ、全体の形状が変化するように構成されている。
【００１１】
このような反射鏡面の動作量（各ピン部材の突出量）は、該反射鏡面により形成された波面によって再生されたページデータを撮像し、その画像を輝度やＳＮＲ等に基づき評価し、その評価に応じて、より適切な波面が得られるように動作量を変えるという手順を繰り返しながら、最適な波面が得られるように高速で制御される。
【００１２】
その際の制御方式として、下記特許文献１および非特許文献１に記載の技術においては、再生時参照光の入力に対する再生ページデータの出力の応答が非線形となることを考慮して、遺伝的アルゴリズム（Generic Algorithm）を用いた制御方式を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特願２００９−０９３９８９号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】T. Muroi, et. al., “Optical Compensation of Distorted Data Image byInterference Fringe Distortion in Holographic Data Storage”, Appl. Opt., Vol.48, Iss. 19, pp. 3681-3690, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ホログラム記録再生システムの実用化に向けて、参照光波面を最適化するための所用時間の短縮化が課題となっている。このような課題解決のため、本願発明者は、波面制御器における反射鏡面の動作範囲（動作可能な範囲）に着目した。
【００１６】
すなわち、動作範囲が必要以上に広く設定された場合、最適な参照光波面を得るための波面の計算や検索において、不必要な領域まで計算、検索することになるため、参照波面の最適解を求めるまでの時間が長くなってしまう、あるいは、波面の計算や検索を一定時間で強制的に終了するようにすれば、求められた波面の精度が低くなってしまう虞がある。
【００１７】
一方、動作範囲が狭すぎる場合、最適な参照光波面を得るための波面の計算や検索において、必要不可欠な領域における計算、検索を行うことができなくなって、参照光波面の最適解を求めることができなくなったり、求められた場合でも波面精度が大きく低下したりする虞がある。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ホログラム記録媒体の収縮（膨張を含む）により生じる干渉縞歪みを補償するための波面制御器における反射鏡面の動作範囲を適切に設定し、再生時参照光の波面を最適化するのに要する時間の短縮化と波面精度の向上を達成し得る波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明に係る波面制御器の動作量制御方法は、集束する信号光が記録時参照光とともに照射されることにより干渉縞が記録されたホログラム記録媒体と、該ホログラム記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償するために再生時参照光の光路中に配置される波面制御器と、を備えたホログラム再生装置において、前記再生時参照光の波面を最適化する際に前記波面制御器の反射鏡面の動作量を制御する動作量制御方法であって、
前記信号光、前記記録時参照光および前記ホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、前記再生時参照光の波面を最適化するために必要な前記反射鏡面の動作量の最大値を予測し、該最大値を、該波面を最適化する過程における該反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る波面制御器の動作量制御方法において、前記相対位置関係に基づき、前記信号光を構成する光線のうち前記記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最小となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ１の角度θＫ１と、該信号光を構成する光線のうち該記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最大となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ２の角度θＫ２と、を求める記録時干渉縞角度算出ステップと、
前記ブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率と、前記記録時干渉縞角度算出ステップにおいて求められた前記干渉縞の角度θＫ１およびθＫ２とに基づき、該ホログラム記録媒体の収縮により歪んだ場合の前記干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２を求める再生時参照光角度算出ステップと、
求められた前記角度φＲ１およびφＲ２とこれらを相加平均した中間角度φＲとのそれぞれの角度差Δφ１（＝φＲ１−φＲ）およびΔφ２（＝φＲ２−φＲ）を求める角度差算出ステップと、
求められた前記角度差Δφ１を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ１と、前記角度差Δφ２を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ２とを算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とする動作制限値設定ステップと、を手順として含むことができる。
【００２１】
また、前記ホログラム記録媒体が角度多重記録方式により複数の干渉縞が記録されたものである場合において、
前記ホログラム記録媒体の回転角度が最大となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における前記反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ１と、該回転角度が最小となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における該反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ２とを、上述の波面制御器の動作制御方法によりそれぞれ算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とすることができる。
【００２２】
また、本発明に係るホログラム再生装置は、本発明に係る波面制御器の動作量制御方法により前記動作制限値が設定された波面制御器を備えてなることを特徴とする。
【００２３】
本発明のホログラム再生装置における「再生」とは、ホログラムの再生機能を有することを示すものであり、ホログラムの記録機能は備えていないということを意味するものではない。すなわち、ホログラムの記録機能と再生機能の両方を備えている装置も本発明のホログラム再生装置の概念に含まれる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置によれば、信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、再生時参照光の波面を最適化するために必要な前記反射鏡面の動作量の最大値を予測し、該最大値を、波面を最適化する過程における反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定することにより、反射鏡面の動作範囲が必要以上に広くなったり狭すぎたりすることなく、該動作範囲を適切に設定することが可能となり、再生時参照光の波面を最適化するのに要する時間（補償時間）を短縮化しつつ波面精度を向上させることができる。
【００２５】
また、補償時間の短縮化（補償速度の向上）と波面精度の向上により、再生データのＳＮＲの向上が図れ、これにより、ホログラム記録媒体に高密度に多重記録されたデータの良好な再生が可能となるので、従来のものよりも大容量での記録再生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一実施形態に係るホログラム再生装置の構成を示す概略図である。
【図２】波面制御器の概略構成を示す断面図である。
【図３】信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、記録される干渉縞の角度とを示す概念図（信号光が平行光の場合）である。
【図４】ホログラム記録媒体の収縮率と干渉縞歪みとの関係を示す概念図である。
【図５】媒体収縮時における再生時参照光の照射角度を示す概念図（信号光が平行光の場合）である。
【図６】媒体収縮時におけるブラッグ条件を満たす媒体中の光路を示す概念図である。
【図７】信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、記録される干渉縞の角度とを示す概念図（信号光が集束光の場合）である。
【図８】媒体収縮時における再生時参照光の照射角度を示す概念図（信号光が集束光の場合）である。
【図９】ホログラム記録媒体への信号光の入射角度と薄膜ミラーの最大の動作量との関係を示す図である。
【図１０】記録時と同じ波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ａ）と、本発明を適用して補償した波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ｂ）とを示す図である。
【図１１】従来のホログラム再生装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置の実施形態について、上記図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
まず、図１を用いて本発明の一実施形態に係るホログラム再生装置について説明する。このホログラム再生装置は、ホログラムの記録機能と再生機能とを備えた記録再生装置として構成されており、また、ホログラム記録媒体（以下、単に「記録媒体」と称することがある）１１は光感光性樹脂材料（フォトポリマー）で構成され、角度多重記録方式が採用されている。以下、その仕組み（記録再生操作の流れ）について説明する。
【００２９】
レーザ光源１から出射されたコヒーレントなレーザ光束は、発散レンズ２およびコリメートレンズ３からなるビームエキスパンダにより光束径を拡大され、半波長板４を透過し、ミラー５で偏向された後、偏光ビームスプリッタ６により２系の光束に分岐される。
【００３０】
偏光ビームスプリッタ６から図中下方に向かう光束は、開状態のシャッタ７および偏光ビームスプリッタ８を通過して空間光変調素子９に照射され、該空間光変調素子９により空間的に変調されて、白、黒２値の画素が２次元配列されたデジタル画像からなるページデータを担持した信号光とされる。空間光変調素子９から出射された信号光は、入射した状態とは偏光方向が変化しており、偏光ビームスプリッタ８において図中左方に反射され、レンズ１０によって光学的にフーリエ変換されてホログラム記録媒体１１へ照射される。
【００３１】
一方、偏光ビームスプリッタ６から図中左方に向かう光束は、参照光（記録時参照光）とされ、波面制御器２１および開状態のシャッタ２４を通過して、記録媒体１１中の信号光が通過する場所へ、信号光とは別角度で照射され、これにより、記録媒体１１中に干渉縞が記録される。
【００３２】
記録媒体１１は、図示されない回転ステージ上に取り付けられ、参照光および信号光に対し所定の角度だけ回転し得るようになっている。角度を少しずつ変化させることにより、記録媒体１１の同一領域に互いに異なる複数のページデータを記録する角度多重記録が可能となっている。
【００３３】
ホログラム記録媒体１１に記録されたページデータを再生する場合には、シャッタ７を閉状態として、参照光（再生時参照光）のみを記録媒体１１に照射せしめることにより、同一の記録領域に多重記録された複数のページデータから、所望するページデータのみを選択的に再生し、レンズ１２を介してＣＣＤ（撮像素子）１３にて撮像する。
【００３４】
上記波面制御器２１は、ホログラム記録媒体の収縮（膨張を含む）により生じる干渉縞歪みを補償するために配置されたものであり、図２に示すように、反射鏡面としての薄膜ミラー５１が、図中上下方向に進退可能な複数のピン部材（図２では中心軸Ｃ１から最も離れた２本のピン部材Ｐ１，Ｐ２のみを図示）により裏面側から支持されてなるデフォーマブルミラーであり、ピン部材毎の基板５２からの突出量が調整されることにより、各々のピン部材により支持された薄膜ミラー５１の各領域がそれぞれ上下方向に動作せしめられ、薄膜ミラー５１全体の形状が変化するように構成されている。
【００３５】
この薄膜ミラー５１の動作量（各ピン部材の突出量）は、図１に示す計測制御装置４０において、遺伝的アルゴリズムを用いた制御方式により制御される。すなわち、計測制御装置４０においては、ＣＣＤ１３にて撮像された再生データを評価し、その評価結果に応じた制御信号を波面制御器２１に出力して薄膜ミラー５１の動作量を変更する処理を、遺伝的アルゴリズムにより繰り返し行い、再生時参照光の波面を最適化する。
【００３６】
遺伝的アルゴリズムでは、複数の個体からなる集団（個体群）が想定されるとともに、各個体の形質を規定する要素としての遺伝子が定義され、遺伝子の複製、交叉、突然変異等が繰り返し実行される。そして、適応度に基づいて環境に最も適合する個体が次世代を形成していく。具体的には、薄膜ミラー５１の状態が個体、各ピン部材の突出量（基板５２に対する突出位置）が遺伝子とされる。適応度としては、再生データの輝度やＳＮＲ等が用いられる。
【００３７】
また、薄膜ミラー５１の動作量の制御においては、本発明の一実施形態に係る波面制御器の動作量制御方法が適用されており、薄膜ミラー５１の動作範囲が適正なものに設定されている。
【００３８】
以下、本発明の一実施形態に係る波面制御器の動作量制御方法について説明する。ここでは、理解を容易とするために、信号光が平行光とされた場合を先に説明し、この説明に基づいて信号光が集束光である実施形態の場合について述べることとする。なお、図３〜図８は本発明方法の原理を説明するものであり、図示された信号光、記録時参照光、記録媒体、再生時参照光および干渉縞の相対位置関係等は、図１に示すものとは必ずしも一致しない。
【００３９】
図３に示すように、記録時（収縮前）の記録媒体の厚さをｄとする。また、信号光と参照光はともに平行光であり、図中の軸Ａ１（任意に設定可能）に対する、信号光、記録時参照光、媒体中に記録された干渉縞および記録媒体の各角度を、それぞれθＳ、θＲ、θＫおよびθＭとする。
【００４０】
信号光と参照光の角度から、干渉縞角度は下式（1）により算出される。
【００４１】
【数１】
【００４２】
図４に示すように、記録媒体が収縮すると（収縮率をαとする）、記録媒体の厚さｄが（１−α）ｄに縮み、これにより干渉縞の角度が変化する。このときの角度をφＫとすると、下式（2）の関係が成立し、これから角度φＫを、下式（3）により算出することができる。なお、記録媒体の収縮率は、記録媒体のメーカーが測定値を公表している場合は、その公表値を用いることができる。また、共に平行光からなる信号光および参照光を用いて角度多重記録方式により複数（３０頁程度）のページデータを記録し、それらを再生したときの各データの状態から、収縮率を求めることも可能である。収縮率は記録媒体の材料に依存するので、一度測定をしておけば、同じ材料からなる他の記録媒体の収縮率も同じとして用いることが可能となる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
図５に示すように、歪んだ干渉縞から再生するときには、歪んだ干渉縞の角度φＫに合うように参照光を角度φＲで照射する必要がある。この角度φＲは、信号光、記録時参照光および記録媒体の相対位置関係に基づくブラッグ条件により求めることができる。
【００４５】
すなわち、図６に示すように、ブラッグ条件を満たすためには、記録媒体中での信号光と記録時参照光の光路長の和が波長の整数倍になる必要がある。したがって、媒体収縮前は、下式（4）の関係が成立することが必要となり、媒体収縮後は下式（5）の関係が成立することが必要となる。
【００４６】
【数３】
【００４７】
上式(4)および(5)から、下式(6）の関係が導かれる。
【００４８】
【数４】
【００４９】
上式(6)に上式(3)を代入して整理すると、歪んだ干渉縞がブラッグ条件を満たすための参照光角度φＲは、下式(7)により求めることができる。
【００５０】
【数５】
【００５１】
したがって、記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償するために必要となる、再生時参照光の補償角度（記録時参照光の角度と再生時参照光の角度との差）Δθは、下式(8)により求めることができる。
【００５２】
【数６】
【００５３】
次に、信号光が集束光とされた、図１に示す実施形態に対応した場合の波面制御器の動作量制御方法（以下「本実施形態方法」と称する）について説明する。
【００５４】
本実施形態方法は、信号光、記録時参照光および記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、記録媒体の収縮率とに基づき、再生時参照光の波面を最適化するために必要な反射鏡面（薄膜ミラー５１）の動作量の最大値を予測し、該最大値を、参照光波面を最適化する過程における反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定するものであり、具体的には、以下の手順で行われる。
【００５５】
〈１〉図７に示すように、信号光、記録時参照光および記録媒体の相対位置関係が設定されている場合において、この相対位置関係に基づき、信号光を構成する光線のうち記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最小となる光線ＬＳ１と記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ１の角度θＫ１と、該信号光を構成する光線のうち記録時参照光の軸ＡＲとのなす角の大きさが最大となる光線ＬＳ２と、記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ２の角度θＫ２と（図７中の各角度は、信号光の軸ＡＳを始線として図中時計回りの角度を正、反時計回りの角度を負として表示している）を求める（記録時干渉縞角度算出ステップ）。
【００５６】
図７に示すように信号光が集束している場合、信号光の入射角度は位置により異なる。信号光の軸ＡＳに対する上述の光線ＬＳ１および光線ＬＳ２の角度をθＳ１、θＳ２とし、これらの光線ＬＳ１および光線ＬＳ２と参照光（軸ＡＳに対する角度をθＲとする）によって形成される上記干渉縞Ｋ１およびＫ２の各角度θＫ１およびθＫ２は、上式(1)から、下式(9)、(10）により求めることができる。
【００５７】
【数７】
【００５８】
〈２〉上記相対位置関係に基づくブラッグ条件と、記録媒体の収縮率と、記録時干渉縞角度算出ステップにおいて求められた上記干渉縞の角度θＫ１およびθＫ２とに基づき、記録媒体の収縮により歪んだ場合の上記干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２を求める（再生時参照光角度算出ステップ）。
【００５９】
図８に示すように、信号光が集束光の場合、信号光の入射角度が位置により異なることから、干渉縞の歪み方が場所により異なり、このため、歪んだ干渉縞を補償するための再生時参照光の角度も位置により異なることになる。記録媒体の収縮により歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２は、上式(7)から、それぞれ下式(11)、（12）により求めることができる。
【００６０】
【数８】
【００６１】
〈３〉再生時参照光角度算出ステップにおいて求められた角度φＲ１およびφＲ２と、これらを相加平均した中間角度φＲとのそれぞれの角度差Δφ１（＝φＲ１−φＲ）およびΔφ２（＝φＲ２−φＲ）を求める（角度差算出ステップ）。
【００６２】
ここで、中間角度φＲは、下式（13）により求められ、角度差Δφ１およびΔφ２は、下式（14）および（15）によりそれぞれ求められる。
【００６３】
【数９】
【００６４】
〈４〉角度差算出ステップにおいて求められた上記角度差Δφ１を補償するために必要となる反射鏡面の動作量ＤＤＭ１と、同じく上記角度差Δφ２を補償するために必要となる反射鏡面の動作量ＤＤＭ２とを算出し、これらを比較して大なる方を反射鏡面の動作範囲を制限する動作制限値とする（動作制限値設定ステップ）。この意義は以下のとおりである。
【００６５】
すなわち、場所により歪み方が異なる干渉縞からホログラムを再生するときには、図８に示すように、初めに上記中間角度φＲに再生時参照光の軸ＡＲ´が位置するように、反射面鏡と記録媒体との相対角度を調整する。しかし、この相対角度を調整しただけでは、反射面鏡から反射される再生時参照光は、軸ＡＲ´に沿って進行する平行光となるため、記録媒体の収縮により歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２の位置に入射する再生時参照光の角度も中間角度φＲと同じとなる。この中間角度φＲと、歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２との間には、上述の如く角度差Δφ１およびΔφ２が生じている。したがって、歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２を良好に再生するには、この角度差Δφ１，Δφ２を補償する必要がある。
【００６６】
この角度差Δφ１，Δφ２は、遺伝的アルゴリズムを用いた制御により反射鏡面（薄膜ミラー５１）が動作せしめられることによって最終的に補償されるものであるが、反射鏡面の動作範囲が必要以上に大きく設定されていると、制御過程において反射鏡面が、最終的に必要となる動作量を超えて動作せしめられ、これが要因となって補償に要する時間が長大化する虞がある。
【００６７】
そこで、上述の角度差Δφ１およびΔφ２を補償するために必要となる反射鏡面の動作量ＤＤＭ１およびＤＤＭ２を予め算出し、これらを比較して大なる方を動作制限値とするものである。本実施形態方法では、図９に示すように、波面制御器２１のピン部材Ｐ１，Ｐ２が、上記角度差Δφ１，Δφ２を補償するためにそれぞれ動作するピン部材であるとして、その動作量ＤＤＭ１，ＤＤＭ２を算出する。薄膜ミラー５１の中心軸Ｃ１からピン部材Ｐ１，Ｐ２までの距離（互いに等しい）をＰＤＭとし、ピン部材Ｐ１，Ｐ２の各動作量ＤＤＭ１，ＤＤＭ２によりピン部材Ｐ１，Ｐ２の各位置における薄膜ミラー５１の角度（中心軸Ｃ１と垂直な基板５２に対する角度）が上記角度差Δφ１，Δφ２に等しくなるとすると、ＤＤＭ１およびＤＤＭ２は、下式(16)および（17）によりそれぞれ算出される。
【００６８】
【数１０】
【００６９】
算出されたＤＤＭ１およびＤＤＭ２の大きさを比較し、ＤＤＭ１＞ＤＤＭ２の場合には、ＤＤＭ１を薄膜ミラー５１の動作範囲の制限値とし、ＤＤＭ１＜ＤＤＭ２の場合には、ＤＤＭ２を薄膜ミラー５１の動作範囲の制限値とする。すなわち、薄膜ミラー５１の動作範囲ＤＤは、ＤＤＭ１＞ＤＤＭ２の場合には、下式(18)で表され、ＤＤＭ１＜ＤＤＭ２の場合には、下式（19）で表されることとなる。
【００７０】
【数１１】
【００７１】
角度多重記録方式を採用する場合には、上述した手順における記録媒体の角度θMは、多重記録される複数のページデータ毎に変化することとなる。そこで、記録媒体の回転角度が最大となる時点で記録されたページデータを再生する場合における薄膜ミラー５１の動作量の最大値ＤＤＭＭ１と、回転角度が最小となる時点で記録されたページデータを再生する場合における薄膜ミラー５１の動作量の最大値ＤＤＭＭ２とを、上述の手順に従ってそれぞれ算出し、これらを比較して大なる方を、薄膜ミラー５１の動作制限値とする。すなわち、薄膜ミラー５１の動作範囲ＤＤは、ＤＤＭＭ１＞ＤＤＭＭ２の場合には、下式(20)で表され、ＤＤＭＭ１＜ＤＤＭＭ２の場合には、下式（21）で表されることとなる。
【００７２】
【数１２】
【００７３】
このように薄膜ミラー５１の動作範囲を限定することにより、余計な計算や検索が低減できるため、補償時間の短縮や補償精度の向上が可能になる。
【００７４】
以下、本発明を適用した場合の効果を検証した結果について説明する。効果の検証は、図１に示す態様のホログラム再生装置を用い、角度多重記録方式を採用した場合について行った。
【００７５】
記録再生するときの記録媒体１１の角度（上記角度θＭ）は90°から100°に設定した。また、レンズ１０の焦点距離を50mm、記録時の像の大きさを7.7mmとした。このとき、信号光の両端の角度（上記角度θＳ１およびθＳ２）は8.75°および-8.75°となった。また、記録時参照光の角度（上記角度θＲ）は40°とした。
【００７６】
図９は、記録媒体１１の角度が90°,95°および100°の各場合における、信号光の入射角度と、干渉縞歪みを補償するのに必要となる反射鏡面５１の最大の動作量との関係を示している。記録媒体の角度が90°のときに、薄膜ミラー５１の動作量が最大となり、このときの動作量は2μmであると求められた。
【００７７】
これにより、薄膜ミラー５１の動作範囲を0から2μmとし、この動作範囲において、前掲の特許文献１、非特許文献１に開示した遺伝的アルゴリズムを用いて、再生時参照光の波面の最適化を行った。
【００７８】
図１０に示すように、記録時と同じ波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ａ）と、薄膜ミラー５１の動作範囲を0から2μmに制限し、遺伝的アルゴリズムを用いて補償した波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ｂ）とを比較すると、（ａ）においては再生像が暗く再生データが得られない領域からも、（ｂ）においては再生データが得られた。このことから、本発明を適用して、波面制御器の動作範囲を制限した場合においても光学的に干渉縞歪みを補償することができ、再生データの劣化を改善できることが確かめられた。
【００７９】
また、薄膜ミラー５１の動作範囲を制限せずに、同様の遺伝的アルゴリズムを用いて再生時参照光の波面の最適化を行った場合についても検証したところ、本発明を適用した場合では、制御ステップ数が64であったのに対し、動作制限値を設定しない場合には、制御ステップ数が192に達した。このことから、本発明を適用して、波面制御器の動作範囲を制限した場合には、制御ステップ数を大幅に減縮することが可能となり、光学的に干渉縞歪みを補償するのに要する時間を短縮化できることが確かめられた。
【００８０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に態様が限定されるものではない。
【００８１】
例えば、波面制御器はデフォーマブルミラーに限られるものではなく、液晶パネルや、特定のゼルニケ係数を補正する液晶レンズ、あるいは音響光学変調素子、電気光学変調素子など複数の素子を組み合わせた光学系などでも構成することが可能である。
【００８２】
また、波面制御器の制御方式としては、遺伝的アルゴリズムを用いたものに限られず、フィードバック制御やフィードフォワード制御などの他の方式を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１，２０１ レーザ光源
２，２０２ 発散レンズ
３，２０３ コリメートレンズ
４，２０４ 半波長板
５，２０５，２２２ ミラー
６，８，２０６，２０８ 偏光ビームスプリッタ
７，２４，２０７，２２４ シャッタ
９，２０９ 空間光変調素子
１０，１２，２１０，２１２ レンズ
１１，２１１ ホログラム記録媒体
１３，２１３ ＣＣＤ
２１ 波面制御器
４０ 計測制御装置
５１ 薄膜ミラー
５２ 基板
Ｐ１，Ｐ２ ピン部材
Ｋ１，Ｋ２ 干渉縞
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホログラムを利用して画像情報の記録再生を行うホログラム記録再生システムにおいて、再生時参照光の波面を最適化するために配置された波面制御器の動作量を制御する方法に関し、特に、ホログラム記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償する場合に好適な波面制御器の動作量制御方法およびこれを利用したホログラム再生装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、高速で大容量の記録再生を目指した次世代光情報記録再生方式として、ホログラム記録再生方式の研究・開発が活発に行われている。
【０００３】
従来のホログラム記録再生装置は、例えば図１１に示すように構成されており、ここで、その概略を説明する。レーザ光源２０１から出射されたコヒーレントなレーザ光束は、発散レンズ２０２およびコリメートレンズ２０３からなるビームエキスパンダにより光束径を拡大され、半波長板２０４を透過し、ミラー２０５で偏向された後、偏光ビームスプリッタ２０６により２系の光束に分岐される。
【０００４】
偏光ビームスプリッタ２０６から図中下方に向かう光束は、開状態のシャッタ２０７および偏光ビームスプリッタ２０８を通過して空間光変調素子２０９に照射され、該空間光変調素子２０９により空間的に変調されて、ページデータと称される、白、黒２値の画素を２次元配列したデジタル画像情報を担持した信号光とされる。空間光変調素子２０９から出射された信号光は、入射した状態とは偏光方向が変化しており、偏光ビームスプリッタ２０８において図中左方に反射され、レンズ２１０によって光学的にフーリエ変換されてホログラム記録媒体（以下、単に「記録媒体」と称することがある）２１１へ照射される。
【０００５】
一方、偏光ビームスプリッタ２０６から図中左方に向かう光束は、参照光（記録時参照光）とされ、ミラー２２２および開状態のシャッタ２２４を通過して、記録媒体２１１中の信号光が通過する場所へ、信号光とは別角度で照射される。
【０００６】
信号光および参照光を同時に照射すると記録媒体２１１内部の体積中に干渉縞が生じ、この縞分布を屈折率分布などの形態で記録媒体２１１の記録領域に転写することによりホログラム記録が行われる。なお、角度多重記録方式の場合には、異なるページデータを空間光変調素子２０９に表示させつつ、信号光および参照光に対する記録媒体２１１の角度（回転角度）を少しずつ変化させることにより、互いに異なるページデータを記録媒体２１１中の同一領域へ多重記録することが可能となり、高密度な情報格納が可能となる。
【０００７】
ホログラム記録媒体２１１に記録されたページデータを再生する場合には、シャッタ２０７を閉状態として、記録時と同一角度で参照光（再生時参照光）のみを記録媒体２１１に照射せしめることにより、同一の記録領域に複数のページデータが多重記録されていても、所望するページデータのみを選択的に取り出し、レンズ２１２を介してＣＣＤ（撮像素子）２１３にて撮像することができる。
【０００８】
ホログラム記録媒体として用いられることが多い光感光性樹脂材料（フォトポリマー）の場合、記録媒体内部に屈折率差を生じさせてホログラム（干渉縞）を記録する。このとき光重合により媒体収縮が生じる。また、信号記録時と信号再生時との間で温度差が生じた場合には、温度差の影響により記録媒体が収縮したり膨張したりすることがある。記録媒体が収縮あるいは膨張すると、媒体中に記録された干渉縞が歪んだ状態となる、いわゆる干渉縞歪みが生じる。歪んだ干渉縞に記録時と同様の参照光を入射しても、記録されたビットデータを誤りなく再生することが難しくなるため、再生データのＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が低下してしまう。
【０００９】
最近、このような記録媒体の収縮（膨張を含む）が引き起こす干渉縞歪みにより生じる再生データの劣化（ＳＮＲの低下）を改善するために、干渉縞歪みを光学的に補償する方法が研究されている。光学的な補償方法の一つである適応光学を用いた補償方法では、参照光の光路中に波面制御器を設け、干渉縞歪みを光学的に補償するために最適な参照光波面を作るようにしている(下記特許文献１および非特許文献１参照)。これにより干渉縞歪みが補償でき、再生データの劣化を改善することができる。
【００１０】
上述の波面制御器としては、金属薄膜等で形成された反射鏡面を備えたデフォーマルブルミラー（Deformable Mirror；可変形鏡）が提案されている(下記特許文献１および非特許文献１参照)。反射鏡面は、基板からの突出量が可変に構成された複数のピン部材により裏面側から支持されており、ピン部材毎の突出量が調整されることにより、各々のピン部材により支持された鏡面の各領域がそれぞれ動作せしめられ、全体の形状が変化するように構成されている。
【００１１】
このような反射鏡面の動作量（各ピン部材の突出量）は、該反射鏡面により形成された波面によって再生されたページデータを撮像し、その画像を輝度やＳＮＲ等に基づき評価し、その評価に応じて、より適切な波面が得られるように動作量を変えるという手順を繰り返しながら、最適な波面が得られるように高速で制御される。
【００１２】
その際の制御方式として、下記特許文献１および非特許文献１に記載の技術においては、再生時参照光の入力に対する再生ページデータの出力の応答が非線形となることを考慮して、遺伝的アルゴリズム（Generic Algorithm）を用いた制御方式を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特願２００９−０９３９８９号明細書
【非特許文献】
【００１４】
【非特許文献１】T. Muroi, et. al., “Optical Compensation of Distorted Data Image byInterference Fringe Distortion in Holographic Data Storage”, Appl. Opt., Vol.48, Iss. 19, pp. 3681-3690, 2009
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ホログラム記録再生システムの実用化に向けて、参照光波面を最適化するための所用時間の短縮化が課題となっている。このような課題解決のため、本願発明者は、波面制御器における反射鏡面の動作範囲（動作可能な範囲）に着目した。
【００１６】
すなわち、動作範囲が必要以上に広く設定された場合、最適な参照光波面を得るための波面の計算や検索において、不必要な領域まで計算、検索することになるため、参照波面の最適解を求めるまでの時間が長くなってしまう、あるいは、波面の計算や検索を一定時間で強制的に終了するようにすれば、求められた波面の精度が低くなってしまう虞がある。
【００１７】
一方、動作範囲が狭すぎる場合、最適な参照光波面を得るための波面の計算や検索において、必要不可欠な領域における計算、検索を行うことができなくなって、参照光波面の最適解を求めることができなくなったり、求められた場合でも波面精度が大きく低下したりする虞がある。
【００１８】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、ホログラム記録媒体の収縮（膨張を含む）により生じる干渉縞歪みを補償するための波面制御器における反射鏡面の動作範囲を適切に設定し、再生時参照光の波面を最適化するのに要する時間の短縮化と波面精度の向上を達成し得る波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記目的を達成するため、本発明に係る波面制御器の動作量制御方法は、集束する信号光が記録時参照光とともに照射されることにより干渉縞が記録されたホログラム記録媒体と、該ホログラム記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償するために再生時参照光の光路中に配置される波面制御器と、を備えたホログラム再生装置において、前記再生時参照光の波面を最適化する際に前記波面制御器の反射鏡面の動作量を制御する動作量制御方法であって、
前記信号光、前記記録時参照光および前記ホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、前記再生時参照光の波面を最適化するために必要な前記反射鏡面の動作量の最大値を予測し、該最大値を、該波面を最適化する過程における該反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定することを特徴とする。
【００２０】
本発明に係る波面制御器の動作量制御方法において、前記相対位置関係に基づき、前記信号光を構成する光線のうち前記記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最小となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ１の角度θＫ１と、該信号光を構成する光線のうち該記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最大となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ２の角度θＫ２と、を求める記録時干渉縞角度算出ステップと、
前記ブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率と、前記記録時干渉縞角度算出ステップにおいて求められた前記干渉縞の角度θＫ１およびθＫ２とに基づき、該ホログラム記録媒体の収縮により歪んだ場合の前記干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２を求める再生時参照光角度算出ステップと、
求められた前記角度φＲ１およびφＲ２とこれらを相加平均した中間角度φＲとのそれぞれの角度差Δφ１（＝φＲ１−φＲ）およびΔφ２（＝φＲ２−φＲ）を求める角度差算出ステップと、
求められた前記角度差Δφ１を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ１と、前記角度差Δφ２を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ２とを算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とする動作制限値設定ステップと、を手順として含むことができる。
【００２１】
また、前記ホログラム記録媒体が角度多重記録方式により複数の干渉縞が記録されたものである場合において、
前記ホログラム記録媒体の回転角度が最大となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における前記反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ１と、該回転角度が最小となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における該反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ２とを、上述の波面制御器の動作制御方法によりそれぞれ算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とすることができる。
【００２２】
また、本発明に係るホログラム再生装置は、本発明に係る波面制御器の動作量制御方法により前記動作制限値が設定された波面制御器を備えてなることを特徴とする。
【００２３】
本発明のホログラム再生装置における「再生」とは、ホログラムの再生機能を有することを示すものであり、ホログラムの記録機能は備えていないということを意味するものではない。すなわち、ホログラムの記録機能と再生機能の両方を備えている装置も本発明のホログラム再生装置の概念に含まれる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明に係る波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置によれば、信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、再生時参照光の波面を最適化するために必要な前記反射鏡面の動作量の最大値を予測し、該最大値を、波面を最適化する過程における反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定することにより、反射鏡面の動作範囲が必要以上に広くなったり狭すぎたりすることなく、該動作範囲を適切に設定することが可能となり、再生時参照光の波面を最適化するのに要する時間（補償時間）を短縮化しつつ波面精度を向上させることができる。
【００２５】
また、補償時間の短縮化（補償速度の向上）と波面精度の向上により、再生データのＳＮＲの向上が図れ、これにより、ホログラム記録媒体に高密度に多重記録されたデータの良好な再生が可能となるので、従来のものよりも大容量での記録再生が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】一実施形態に係るホログラム再生装置の構成を示す概略図である。
【図２】波面制御器の概略構成を示す断面図である。
【図３】信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、記録される干渉縞の角度とを示す概念図（信号光が平行光の場合）である。
【図４】ホログラム記録媒体の収縮率と干渉縞歪みとの関係を示す概念図である。
【図５】媒体収縮時における再生時参照光の照射角度を示す概念図（信号光が平行光の場合）である。
【図６】媒体収縮時におけるブラッグ条件を満たす媒体中の光路を示す概念図である。
【図７】信号光、記録時参照光およびホログラム記録媒体の相対位置関係と、記録される干渉縞の角度とを示す概念図（信号光が集束光の場合）である。
【図８】媒体収縮時における再生時参照光の照射角度を示す概念図（信号光が集束光の場合）である。
【図９】ホログラム記録媒体への信号光の入射角度と薄膜ミラーの最大の動作量との関係を示す図である。
【図１０】記録時と同じ波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ａ）と、本発明を適用して補償した波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ｂ）とを示す図である。
【図１１】従来のホログラム再生装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明に係る波面制御器の動作量制御方法およびホログラム再生装置の実施形態について、上記図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２８】
まず、図１を用いて本発明の一実施形態に係るホログラム再生装置について説明する。このホログラム再生装置は、ホログラムの記録機能と再生機能とを備えた記録再生装置として構成されており、また、ホログラム記録媒体（以下、単に「記録媒体」と称することがある）１１は光感光性樹脂材料（フォトポリマー）で構成され、角度多重記録方式が採用されている。以下、その仕組み（記録再生操作の流れ）について説明する。
【００２９】
レーザ光源１から出射されたコヒーレントなレーザ光束は、発散レンズ２およびコリメートレンズ３からなるビームエキスパンダにより光束径を拡大され、半波長板４を透過し、ミラー５で偏向された後、偏光ビームスプリッタ６により２系の光束に分岐される。
【００３０】
偏光ビームスプリッタ６から図中下方に向かう光束は、開状態のシャッタ７および偏光ビームスプリッタ８を通過して空間光変調素子９に照射され、該空間光変調素子９により空間的に変調されて、白、黒２値の画素が２次元配列されたデジタル画像からなるページデータを担持した信号光とされる。空間光変調素子９から出射された信号光は、入射した状態とは偏光方向が変化しており、偏光ビームスプリッタ８において図中左方に反射され、レンズ１０によって光学的にフーリエ変換されてホログラム記録媒体１１へ照射される。
【００３１】
一方、偏光ビームスプリッタ６から図中左方に向かう光束は、参照光（記録時参照光）とされ、波面制御器２１および開状態のシャッタ２４を通過して、記録媒体１１中の信号光が通過する場所へ、信号光とは別角度で照射され、これにより、記録媒体１１中に干渉縞が記録される。
【００３２】
記録媒体１１は、図示されない回転ステージ上に取り付けられ、参照光および信号光に対し所定の角度だけ回転し得るようになっている。角度を少しずつ変化させることにより、記録媒体１１の同一領域に互いに異なる複数のページデータを記録する角度多重記録が可能となっている。
【００３３】
ホログラム記録媒体１１に記録されたページデータを再生する場合には、シャッタ７を閉状態として、参照光（再生時参照光）のみを記録媒体１１に照射せしめることにより、同一の記録領域に多重記録された複数のページデータから、所望するページデータのみを選択的に再生し、レンズ１２を介してＣＣＤ（撮像素子）１３にて撮像する。
【００３４】
上記波面制御器２１は、ホログラム記録媒体の収縮（膨張を含む）により生じる干渉縞歪みを補償するために配置されたものであり、図２に示すように、反射鏡面としての薄膜ミラー５１が、図中上下方向に進退可能な複数のピン部材（図２では中心軸Ｃ１から最も離れた２本のピン部材Ｐ１，Ｐ２のみを図示）により裏面側から支持されてなるデフォーマブルミラーであり、ピン部材毎の基板５２からの突出量が調整されることにより、各々のピン部材により支持された薄膜ミラー５１の各領域がそれぞれ上下方向に動作せしめられ、薄膜ミラー５１全体の形状が変化するように構成されている。
【００３５】
この薄膜ミラー５１の動作量（各ピン部材の突出量）は、図１に示す計測制御装置４０において、遺伝的アルゴリズムを用いた制御方式により制御される。すなわち、計測制御装置４０においては、ＣＣＤ１３にて撮像された再生データを評価し、その評価結果に応じた制御信号を波面制御器２１に出力して薄膜ミラー５１の動作量を変更する処理を、遺伝的アルゴリズムにより繰り返し行い、再生時参照光の波面を最適化する。
【００３６】
遺伝的アルゴリズムでは、複数の個体からなる集団（個体群）が想定されるとともに、各個体の形質を規定する要素としての遺伝子が定義され、遺伝子の複製、交叉、突然変異等が繰り返し実行される。そして、適応度に基づいて環境に最も適合する個体が次世代を形成していく。具体的には、薄膜ミラー５１の状態が個体、各ピン部材の突出量（基板５２に対する突出位置）が遺伝子とされる。適応度としては、再生データの輝度やＳＮＲ等が用いられる。
【００３７】
また、薄膜ミラー５１の動作量の制御においては、本発明の一実施形態に係る波面制御器の動作量制御方法が適用されており、薄膜ミラー５１の動作範囲が適正なものに設定されている。
【００３８】
以下、本発明の一実施形態に係る波面制御器の動作量制御方法について説明する。ここでは、理解を容易とするために、信号光が平行光とされた場合を先に説明し、この説明に基づいて信号光が集束光である実施形態の場合について述べることとする。なお、図３〜図８は本発明方法の原理を説明するものであり、図示された信号光、記録時参照光、記録媒体、再生時参照光および干渉縞の相対位置関係等は、図１に示すものとは必ずしも一致しない。
【００３９】
図３に示すように、記録時（収縮前）の記録媒体の厚さをｄとする。また、信号光と参照光はともに平行光であり、図中の軸Ａ１（任意に設定可能）に対する、信号光、記録時参照光、媒体中に記録された干渉縞および記録媒体の各角度を、それぞれθＳ、θＲ、θＫおよびθＭとする。
【００４０】
信号光と参照光の角度から、干渉縞角度は下式（1）により算出される。
【００４１】
【数１】
【００４２】
図４に示すように、記録媒体が収縮すると（収縮率をαとする）、記録媒体の厚さｄが（１−α）ｄに縮み、これにより干渉縞の角度が変化する。このときの角度をφＫとすると、下式（2）の関係が成立し、これから角度φＫを、下式（3）により算出することができる。なお、記録媒体の収縮率は、記録媒体のメーカーが測定値を公表している場合は、その公表値を用いることができる。また、共に平行光からなる信号光および参照光を用いて角度多重記録方式により複数（３０頁程度）のページデータを記録し、それらを再生したときの各データの状態から、収縮率を求めることも可能である。収縮率は記録媒体の材料に依存するので、一度測定をしておけば、同じ材料からなる他の記録媒体の収縮率も同じとして用いることが可能となる。
【００４３】
【数２】
【００４４】
図５に示すように、歪んだ干渉縞から再生するときには、歪んだ干渉縞の角度φＫに合うように参照光を角度φＲで照射する必要がある。この角度φＲは、信号光、記録時参照光および記録媒体の相対位置関係に基づくブラッグ条件により求めることができる。
【００４５】
すなわち、図６に示すように、ブラッグ条件を満たすためには、記録媒体中での信号光と記録時参照光の光路長の和が波長の整数倍になる必要がある。したがって、媒体収縮前は、下式（4）の関係が成立することが必要となり、媒体収縮後は下式（5）の関係が成立することが必要となる。
【００４６】
【数３】
【００４７】
上式(4)および(5)から、下式(6）の関係が導かれる。
【００４８】
【数４】
【００４９】
上式(6)に上式(3)を代入して整理すると、歪んだ干渉縞がブラッグ条件を満たすための参照光角度φＲは、下式(7)により求めることができる。
【００５０】
【数５】
【００５１】
したがって、記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償するために必要となる、再生時参照光の補償角度（記録時参照光の角度と再生時参照光の角度との差）Δθは、下式(8)により求めることができる。
【００５２】
【数６】
【００５３】
次に、信号光が集束光とされた、図１に示す実施形態に対応した場合の波面制御器の動作量制御方法（以下「本実施形態方法」と称する）について説明する。
【００５４】
本実施形態方法は、信号光、記録時参照光および記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、記録媒体の収縮率とに基づき、再生時参照光の波面を最適化するために必要な反射鏡面（薄膜ミラー５１）の動作量の最大値を予測し、該最大値を、参照光波面を最適化する過程における反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定するものであり、具体的には、以下の手順で行われる。
【００５５】
〈１〉図７に示すように、信号光、記録時参照光および記録媒体の相対位置関係が設定されている場合において、この相対位置関係に基づき、信号光を構成する光線のうち記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最小となる光線ＬＳ１と記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ１の角度θＫ１と、該信号光を構成する光線のうち記録時参照光の軸ＡＲとのなす角の大きさが最大となる光線ＬＳ２と、記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ２の角度θＫ２と（図７中の各角度は、信号光の軸ＡＳを始線として図中時計回りの角度を正、反時計回りの角度を負として表示している）を求める（記録時干渉縞角度算出ステップ）。
【００５６】
図７に示すように信号光が集束している場合、信号光の入射角度は位置により異なる。信号光の軸ＡＳに対する上述の光線ＬＳ１および光線ＬＳ２の角度をθＳ１、θＳ２とし、これらの光線ＬＳ１および光線ＬＳ２と参照光（軸ＡＳに対する角度をθＲとする）によって形成される上記干渉縞Ｋ１およびＫ２の各角度θＫ１およびθＫ２は、上式(1)から、下式(9)、(10）により求めることができる。
【００５７】
【数７】
【００５８】
〈２〉上記相対位置関係に基づくブラッグ条件と、記録媒体の収縮率と、記録時干渉縞角度算出ステップにおいて求められた上記干渉縞の角度θＫ１およびθＫ２とに基づき、記録媒体の収縮により歪んだ場合の上記干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２を求める（再生時参照光角度算出ステップ）。
【００５９】
図８に示すように、信号光が集束光の場合、信号光の入射角度が位置により異なることから、干渉縞の歪み方が場所により異なり、このため、歪んだ干渉縞を補償するための再生時参照光の角度も位置により異なることになる。記録媒体の収縮により歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２は、上式(7)から、それぞれ下式(11)、（12）により求めることができる。
【００６０】
【数８】
【００６１】
〈３〉再生時参照光角度算出ステップにおいて求められた角度φＲ１およびφＲ２と、これらを相加平均した中間角度φＲとのそれぞれの角度差Δφ１（＝φＲ１−φＲ）およびΔφ２（＝φＲ２−φＲ）を求める（角度差算出ステップ）。
【００６２】
ここで、中間角度φＲは、下式（13）により求められ、角度差Δφ１およびΔφ２は、下式（14）および（15）によりそれぞれ求められる。
【００６３】
【数９】
【００６４】
〈４〉角度差算出ステップにおいて求められた上記角度差Δφ１を補償するために必要となる反射鏡面の動作量ＤＤＭ１と、同じく上記角度差Δφ２を補償するために必要となる反射鏡面の動作量ＤＤＭ２とを算出し、これらを比較して大なる方を反射鏡面の動作範囲を制限する動作制限値とする（動作制限値設定ステップ）。この意義は以下のとおりである。
【００６５】
すなわち、場所により歪み方が異なる干渉縞からホログラムを再生するときには、図８に示すように、初めに上記中間角度φＲに再生時参照光の軸ＡＲ´が位置するように、反射面鏡と記録媒体との相対角度を調整する。しかし、この相対角度を調整しただけでは、反射面鏡から反射される再生時参照光は、軸ＡＲ´に沿って進行する平行光となるため、記録媒体の収縮により歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２の位置に入射する再生時参照光の角度も中間角度φＲと同じとなる。この中間角度φＲと、歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２との間には、上述の如く角度差Δφ１およびΔφ２が生じている。したがって、歪んだ場合の干渉縞Ｋ１およびＫ２を良好に再生するには、この角度差Δφ１，Δφ２を補償する必要がある。
【００６６】
この角度差Δφ１，Δφ２は、遺伝的アルゴリズムを用いた制御により反射鏡面（薄膜ミラー５１）が動作せしめられることによって最終的に補償されるものであるが、反射鏡面の動作範囲が必要以上に大きく設定されていると、制御過程において反射鏡面が、最終的に必要となる動作量を超えて動作せしめられ、これが要因となって補償に要する時間が長大化する虞がある。
【００６７】
そこで、上述の角度差Δφ１およびΔφ２を補償するために必要となる反射鏡面の動作量ＤＤＭ１およびＤＤＭ２を予め算出し、これらを比較して大なる方を動作制限値とするものである。本実施形態方法では、図９に示すように、波面制御器２１のピン部材Ｐ１，Ｐ２が、上記角度差Δφ１，Δφ２を補償するためにそれぞれ動作するピン部材であるとして、その動作量ＤＤＭ１，ＤＤＭ２を算出する。薄膜ミラー５１の中心軸Ｃ１からピン部材Ｐ１，Ｐ２までの距離（互いに等しい）をＰＤＭとし、ピン部材Ｐ１，Ｐ２の各動作量ＤＤＭ１，ＤＤＭ２によりピン部材Ｐ１，Ｐ２の各位置における薄膜ミラー５１の角度（中心軸Ｃ１と垂直な基板５２に対する角度）が上記角度差Δφ１，Δφ２に等しくなるとすると、ＤＤＭ１およびＤＤＭ２は、下式(16)および（17）によりそれぞれ算出される。
【００６８】
【数１０】
【００６９】
算出されたＤＤＭ１およびＤＤＭ２の大きさを比較し、ＤＤＭ１＞ＤＤＭ２の場合には、ＤＤＭ１を薄膜ミラー５１の動作範囲の制限値とし、ＤＤＭ１＜ＤＤＭ２の場合には、ＤＤＭ２を薄膜ミラー５１の動作範囲の制限値とする。すなわち、薄膜ミラー５１の動作範囲ＤＤは、ＤＤＭ１＞ＤＤＭ２の場合には、下式(18)で表され、ＤＤＭ１＜ＤＤＭ２の場合には、下式（19）で表されることとなる。
【００７０】
【数１１】
【００７１】
角度多重記録方式を採用する場合には、上述した手順における記録媒体の角度θMは、多重記録される複数のページデータ毎に変化することとなる。そこで、記録媒体の回転角度が最大となる時点で記録されたページデータを再生する場合における薄膜ミラー５１の動作量の最大値ＤＤＭＭ１と、回転角度が最小となる時点で記録されたページデータを再生する場合における薄膜ミラー５１の動作量の最大値ＤＤＭＭ２とを、上述の手順に従ってそれぞれ算出し、これらを比較して大なる方を、薄膜ミラー５１の動作制限値とする。すなわち、薄膜ミラー５１の動作範囲ＤＤは、ＤＤＭＭ１＞ＤＤＭＭ２の場合には、下式(20)で表され、ＤＤＭＭ１＜ＤＤＭＭ２の場合には、下式（21）で表されることとなる。
【００７２】
【数１２】
【００７３】
このように薄膜ミラー５１の動作範囲を限定することにより、余計な計算や検索が低減できるため、補償時間の短縮や補償精度の向上が可能になる。
【００７４】
以下、本発明を適用した場合の効果を検証した結果について説明する。効果の検証は、図１に示す態様のホログラム再生装置を用い、角度多重記録方式を採用した場合について行った。
【００７５】
記録再生するときの記録媒体１１の角度（上記角度θＭ）は90°から100°に設定した。また、レンズ１０の焦点距離を50mm、記録時の像の大きさを7.7mmとした。このとき、信号光の両端の角度（上記角度θＳ１およびθＳ２）は8.75°および-8.75°となった。また、記録時参照光の角度（上記角度θＲ）は40°とした。
【００７６】
図９は、記録媒体１１の角度が90°,95°および100°の各場合における、信号光の入射角度と、干渉縞歪みを補償するのに必要となる反射鏡面５１の最大の動作量との関係を示している。記録媒体の角度が90°のときに、薄膜ミラー５１の動作量が最大となり、このときの動作量は2μmであると求められた。
【００７７】
これにより、薄膜ミラー５１の動作範囲を0から2μmとし、この動作範囲において、前掲の特許文献１、非特許文献１に開示した遺伝的アルゴリズムを用いて、再生時参照光の波面の最適化を行った。
【００７８】
図１０に示すように、記録時と同じ波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ａ）と、薄膜ミラー５１の動作範囲を0から2μmに制限し、遺伝的アルゴリズムを用いて補償した波面の参照光を用いて再生されたページデータ像（ｂ）とを比較すると、（ａ）においては再生像が暗く再生データが得られない領域からも、（ｂ）においては再生データが得られた。このことから、本発明を適用して、波面制御器の動作範囲を制限した場合においても光学的に干渉縞歪みを補償することができ、再生データの劣化を改善できることが確かめられた。
【００７９】
また、薄膜ミラー５１の動作範囲を制限せずに、同様の遺伝的アルゴリズムを用いて再生時参照光の波面の最適化を行った場合についても検証したところ、本発明を適用した場合では、制御ステップ数が64であったのに対し、動作制限値を設定しない場合には、制御ステップ数が192に達した。このことから、本発明を適用して、波面制御器の動作範囲を制限した場合には、制御ステップ数を大幅に減縮することが可能となり、光学的に干渉縞歪みを補償するのに要する時間を短縮化できることが確かめられた。
【００８０】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に態様が限定されるものではない。
【００８１】
例えば、波面制御器はデフォーマブルミラーに限られるものではなく、液晶パネルや、特定のゼルニケ係数を補正する液晶レンズ、あるいは音響光学変調素子、電気光学変調素子など複数の素子を組み合わせた光学系などでも構成することが可能である。
【００８２】
また、波面制御器の制御方式としては、遺伝的アルゴリズムを用いたものに限られず、フィードバック制御やフィードフォワード制御などの他の方式を用いることも可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１，２０１ レーザ光源
２，２０２ 発散レンズ
３，２０３ コリメートレンズ
４，２０４ 半波長板
５，２０５，２２２ ミラー
６，８，２０６，２０８ 偏光ビームスプリッタ
７，２４，２０７，２２４ シャッタ
９，２０９ 空間光変調素子
１０，１２，２１０，２１２ レンズ
１１，２１１ ホログラム記録媒体
１３，２１３ ＣＣＤ
２１ 波面制御器
４０ 計測制御装置
５１ 薄膜ミラー
５２ 基板
Ｐ１，Ｐ２ ピン部材
Ｋ１，Ｋ２ 干渉縞
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集束する信号光が記録時参照光とともに照射されることにより干渉縞が記録されたホログラム記録媒体と、該ホログラム記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償するために再生時参照光の光路中に配置される波面制御器と、を備えたホログラム再生装置において、前記再生時参照光の波面を最適化する際に前記波面制御器の反射鏡面の動作量を制御する動作量制御方法であって、
前記信号光、前記記録時参照光および前記ホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、前記再生時参照光の波面を最適化するために必要な前記反射鏡面の動作量の最大値を予測し、該最大値を、該波面を最適化する過程における該反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定することを特徴とする波面制御器の動作量制御方法。
【請求項２】
前記相対位置関係に基づき、前記信号光を構成する光線のうち前記記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最小となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ１の角度θＫ１と、該信号光を構成する光線のうち該記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最大となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ２の角度θＫ２と、を求める記録時干渉縞角度算出ステップと、
前記ブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率と、前記記録時干渉縞角度算出ステップにおいて求められた前記干渉縞の角度θＫ１およびθＫ２とに基づき、該ホログラム記録媒体の収縮により歪んだ場合の前記干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２を求める再生時参照光角度算出ステップと、
求められた前記角度φＲ１およびφＲ２とこれらを相加平均した中間角度φＲとのそれぞれの角度差Δφ１（＝φＲ１−φＲ）およびΔφ２（＝φＲ２−φＲ）を求める角度差算出ステップと、
求められた前記角度差Δφ１を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ１と、前記角度差Δφ２を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ２とを算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とする動作制限値設定ステップと、を手順として含んでなることを特徴とする請求項１記載の波面制御器の動作量制御方法。
【請求項３】
前記ホログラム記録媒体が角度多重記録方式により複数の干渉縞が記録されたものである場合において、
前記ホログラム記録媒体の回転角度が最大となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における前記反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ１と、該回転角度が最小となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における該反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ２とを、請求項１または２記載の波面制御器の動作制御方法によりそれぞれ算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とすることを特徴とする波面制御器の動作量制御方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項記載の波面制御器の動作量制御方法により前記動作制限値が設定された波面制御器を備えてなることを特徴とするホログラム再生装置。
【請求項１】
集束する信号光が記録時参照光とともに照射されることにより干渉縞が記録されたホログラム記録媒体と、該ホログラム記録媒体の収縮により生じる干渉縞歪みを補償するために再生時参照光の光路中に配置される波面制御器と、を備えたホログラム再生装置において、前記再生時参照光の波面を最適化する際に前記波面制御器の反射鏡面の動作量を制御する動作量制御方法であって、
前記信号光、前記記録時参照光および前記ホログラム記録媒体の相対位置関係と、該相対位置関係に基づくブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率とに基づき、前記再生時参照光の波面を最適化するために必要な前記反射鏡面の動作量の最大値を予測し、該最大値を、該波面を最適化する過程における該反射鏡面の動作範囲を制限するための動作制限値に設定することを特徴とする波面制御器の動作量制御方法。
【請求項２】
前記相対位置関係に基づき、前記信号光を構成する光線のうち前記記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最小となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ１の角度θＫ１と、該信号光を構成する光線のうち該記録時参照光の軸とのなす角の大きさが最大となる光線と該記録時参照光とにより形成される干渉縞Ｋ２の角度θＫ２と、を求める記録時干渉縞角度算出ステップと、
前記ブラッグ条件と、前記ホログラム記録媒体の収縮率と、前記記録時干渉縞角度算出ステップにおいて求められた前記干渉縞の角度θＫ１およびθＫ２とに基づき、該ホログラム記録媒体の収縮により歪んだ場合の前記干渉縞Ｋ１およびＫ２をそれぞれ再生するのに最適な再生時参照光の角度φＲ１およびφＲ２を求める再生時参照光角度算出ステップと、
求められた前記角度φＲ１およびφＲ２とこれらを相加平均した中間角度φＲとのそれぞれの角度差Δφ１（＝φＲ１−φＲ）およびΔφ２（＝φＲ２−φＲ）を求める角度差算出ステップと、
求められた前記角度差Δφ１を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ１と、前記角度差Δφ２を補償するために必要となる前記反射鏡面の動作量ＤＤＭ２とを算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とする動作制限値設定ステップと、を手順として含んでなることを特徴とする請求項１記載の波面制御器の動作量制御方法。
【請求項３】
前記ホログラム記録媒体が角度多重記録方式により複数の干渉縞が記録されたものである場合において、
前記ホログラム記録媒体の回転角度が最大となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における前記反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ１と、該回転角度が最小となる時点で記録された干渉縞を再生する場合における該反射鏡面の動作量の最大値ＤＤＭＭ２とを、請求項１または２記載の波面制御器の動作制御方法によりそれぞれ算出し、これらを比較して大なる方を前記動作制限値とすることを特徴とする波面制御器の動作量制御方法。
【請求項４】
請求項１〜３のうちいずれか１項記載の波面制御器の動作量制御方法により前記動作制限値が設定された波面制御器を備えてなることを特徴とするホログラム再生装置。
【図１】
【図２】
【図４】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図２】
【図４】
【図６】
【図９】
【図１１】
【図３】
【図５】
【図７】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１５８８２５（Ｐ２０１１−１５８８２５Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２１９０（Ｐ２０１０−２２１９０）
【出願日】平成２２年２月３日（２０１０．２．３）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月３日（２０１０．２．３）
【出願人】（０００００４３５２）日本放送協会 (2,206)
【Ｆターム（参考）】
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