高密度、広帯域幅の多重ホログラフィックメモリ
【課題】高密度、広帯域幅の多重ホログラフィックメモリの提供。
【解決手段】ホログラフィックメモリシステムと装置、多ビットホログラムをフォトリフラクティブ結晶に格納する能力を提供する方法。シングルレーザダイオードは、平行レーザ光を放出しフォトリフラクティブ結晶に多ビットデータページを書き、フォトリフラクティブ結晶から多ビットデータページを読むよう構成される。多重空間光変調器（ＤＭＤＳＬＭ）は、多ビットデータページを平行レーザ光から分割される入力光上に符号化するよう構成される。第１画像化リレーレンズ対は、多重空間光変調器とフォトリフラクティブ結晶との間に配置され、多ビット空間光変調器画像をフォトリフラクティブ結晶の裏面で画像化する。１以上のミラーは、平行レーザ光から分割される参照光を高速でフォトリフラクティブ結晶に誘導し多ビットデータページを読み書きするよう設定される。
【解決手段】ホログラフィックメモリシステムと装置、多ビットホログラムをフォトリフラクティブ結晶に格納する能力を提供する方法。シングルレーザダイオードは、平行レーザ光を放出しフォトリフラクティブ結晶に多ビットデータページを書き、フォトリフラクティブ結晶から多ビットデータページを読むよう構成される。多重空間光変調器（ＤＭＤＳＬＭ）は、多ビットデータページを平行レーザ光から分割される入力光上に符号化するよう構成される。第１画像化リレーレンズ対は、多重空間光変調器とフォトリフラクティブ結晶との間に配置され、多ビット空間光変調器画像をフォトリフラクティブ結晶の裏面で画像化する。１以上のミラーは、平行レーザ光から分割される参照光を高速でフォトリフラクティブ結晶に誘導し多ビットデータページを読み書きするよう設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、次の同時係属かつ同一人に譲渡された米国仮特許出願の米国特許法１１９条（ｅ）項の利益を主張するものであり、この出願は本明細書に参考のために援用される：
２００５年１１月１５日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏによって出願された米国仮特許出願第６０／７３５，６５５号（代理人管理番号第１７６．３２−ＵＳ−Ｐ１／ＣＩＴ−４５２４Ｐ号）。
【０００２】
本願は、次の米国特許出願に関連し、これらの出願は本明細書に参考のために援用される：
２００６年８月４日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｊａｙ Ｃ．Ｈａｎａｎ、Ｇｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓ、およびＨａｎｙｉｎｇ Ｚｈｏｕによって出願された、題名「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＭＥＭＯＲＹ ＵＳＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＴＥＥＲＩＮＧ」の米国実用出願第１１／４６２，４９５号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｄ１／ＣＩＴ−３８７５Ｄ号）であり、この出願は２００４年４月１５日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｊａｙ Ｃ．Ｈａｎａｎ、Ｇｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓ、およびＨａｎｙｉｎｇ Ｚｈｏｕによって出願された、題名「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＭＥＭＯＲＹ ＵＳＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＴＥＥＲＩＮＧ」の米国実用出願第１０／８２４，７２２号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｕ１／ＣＩＴ−３８７５号）の米国特許法１２０条の利益を主張し、さらに後者の出願は次の同時係属かつ同一人に譲渡された米国仮特許出願の米国特許法１１９条（ｅ）項の利益を主張するものであり、これらの出願は本明細書に参考のために援用される：
２００３年４月１８日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｈａｎｙｉｎｇ Ｚｈｏｕ、およびＧｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓによって出願された、題名「ＣＯＭＰＡＣＴ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＤＡＴＡ ＳＴＯＲＡＧＥ ＳＹＳＴＥＭ」の米国仮特許出願第６０／４６３，８２１号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｐ１（ＣＩＴ−３８７５−Ｐ）号）、および
２００４年１月９日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｊａｙ Ｃ．Ｈａｎａｎ、およびＧｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓによって出願された、題名「ＨＩＧＨ ＤＥＮＳＩＴＹ ＨＩＧＨ ＲＡＴＥ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＭＥＭＯＲＹ ＵＳＩＮＧ Ａ ＭＥＭＳ ＭＩＲＲＯＲ ＢＥＡＭ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」の米国仮特許出願第６０／５３５，２０５号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｐ２（ＣＩＴ−３８７５−Ｐ２）号）。
【０００３】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発についての声明）
本願発明は、ＮＡＳＡ契約に基づいた研究の実施において成され、契約者が所有権を保持すると定められた、一般法９６−５１７（米国特許法２０２条）の規定に従うことを条件としている。
【０００４】
（発明の分野）
本発明は、概してホログラフィに関し、具体的には超高密度・超広帯域幅ホログラフィックメモリに関する。
【背景技術】
【０００５】
（関連技術の記載）
多くの装置（例えば、コンパクトディスクやデジタルビデオディスク）は、光を利用して、データの格納、読み出しを行なう。しかし、先行技術の光学式記憶方法では転送能力および容量が限定されている。この先行技術の不利な点を克服するために、ホログラフィックメモリが利用できる。ホログラフィックメモリは、記録媒体の表面下に情報を格納し、その記録媒体の体積を記憶に使用する。しかし、ホログラフィックメモリは、データの記録および／または記憶媒体からのデータの読み出しに関して、速度限界を有する場合がある。さらに、ホログラフィックメモリ密度も制限されている場合がある。これらの問題は、メモリと先行技術のホログラフィックメモリシステムのさらなる必要性を記載することにより、より理解され得る。
【０００６】
パーソナルコンピュータおよび市販電子機器市場により推進される現在の技術は、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、およびフラッシュメモリを具体化した様々なものを開発することに焦点を当てている。ＤＲＡＭおよびＳＲＡＭは、ともに揮発性である。これらの密度は、ダイ当たり２５６Ｍビットに近い。最新の３Ｄマルチチップモジュール（ＭＣＭ）実装技術は、最大１００Ｇｂの記憶容量を有するソリッドステートレコーダ（ＳＳＲ）を作成するために使用されてきた。不揮発性であるフラッシュメモリは、急速に人気を得てきている。先行技術では、ダイ当たり２５６Ｍビットのフラッシュメモリ密度が存在する。高密度ＳＳＲも、３Ｄ ＭＣＭ技術を用いて作成できる。しかし、フラッシュメモリは、克服できない２つの限界に直面している。１つは、耐久性の限界（読み出し／書き込みサイクルを繰り返した後の破損）、もう１つは放射線耐性の低さ（超高密度実装用の電源回路の簡易化による）である。
【０００７】
ＮＡＳＡの将来の任務は、地球科学任務に対応するために、大容量の高速搭載データ記憶を必要とする可能性がある。地球科学観測に関しては、１９９９年のジェット推進研究所とゴダード宇宙飛行センター（ＧＦＳＣ）との共同研究（「高速データ転送機器研究」）は、ダウンリンク間に格納される搭載科学データ（ハイパースペクトルおよび合成アパーチャレーダーなどの高速データ転送機器によって収集されたデータ）は、２００３年には最大４０テラバイト（Ｔｂ）となると指摘していた。しかし、２００３年の搭載記憶能力は、わずか４Ｔｂと推定され、これは要求のわずか１０％に過ぎない。記憶能力ははるかに遅れを取っており、現在、搭載記憶要求のわずか１％にしか対応しないと考えられる。
【０００８】
その結果、先行技術の電子メモリは、ＮＡＳＡ任務の需要を満たすことができない。したがって、必要とされるものは、不揮発性、耐放射線性、長期耐久性を満足し、同時に全てのＮＡＳＡ任務に要求される高密度、高転送速度、低電力、質量、および体積を満たす新しいメモリ技術である。
【０００９】
体積ホログラフィは、主に高密度データ記憶技術とみなされてきた。体積ホログラフィでは、（コンパクトディスク［ＣＤ］および／またはデジタルビデオディスク［ＤＶＤ］などでのように）表面領域を使用するだけであることに代えて、記録媒体の体積を記憶用に使用する。従来、レーザを発射する場合、光分割器を用いて２つの光を生成する。１つの光は、物体または信号光／波面と称され、生バイナリデータのページをクリアおよびダークボックスとして表示する空間光変調器（ＳＬＭ）を通って進行する。バイナリコードのページからの情報は、信号光によって感光性ニオブ酸リチウム結晶（または、結晶の代わりにフォトポリマなどのその他のホログラフィック材料）に伝送される。第２の光は（光分割器により生成）、参照光と称され、結晶への別の経路を通って前進する。２つの光が出会うと、生成された干渉縞が、信号光によって伝送されたデータをホログラム（ホログラフィック格子とも称される）として結晶中の特定の領域に格納する。
【００１０】
データを格納するために使用される参照光の角度によって、種々のデータのページを結晶の同じ領域に格納することができる。結晶に格納されたデータを取得するために、参照光は、そのデータのページを格納するために入射した時と全く同じ角度で、結晶内に投影される。参照光が、全く同じ角度で投影されないと、そのページ取得は失敗となる。光は、結晶によって回折されるので、特定の位置に格納されたページの再生成が可能になる。再生成されたページは、次に電荷結合装置（例えば、ＣＣＤカメラ）上に投影することができるが、これはデータを解釈し、コンピュータに転送することができる。
【００１１】
したがって、上述のように、データが符号化された複雑な信号波面は、選択的かつコヒーレントな参照光への干渉によって、精巧なホログラフィック格子として媒体内部に記録される。信号波面は、同じ対応する参照光を用いて読み出すことによって、後に回復される。
【００１２】
ブラッグの法則は、回折光強度は、回折光が空間的にコヒーレントであり、構造的に同相である場合にのみ有意であると定めている。ブラッグの法則を用いて、しばしば結晶によって分散された光の干渉縞が説明される。結晶の高い空間性と、波長のブラッグ選択性により、多数のホログラムを同じ体積の中に選択的に格納し、読み出すことができる。これにより、１波長当たり１ビットの立方体データ記憶の体積密度、およびホログラム当たり最大メガバイト台に至るデータの固有パラメータが可能となる。
【００１３】
さらに、先行技術のホログラフィックメモリ密度は、バイナリホログラム（ピクセル値は、０か１のいずれか）を使用することによって、１テラバイトに到達し得る。そのようなシステムにより、最大１Ｇビット／秒の転送速度が達成できる。しかし、そのようなシステムは、現在の多くの記憶が必要とするよりも依然として少なくとも１桁小さい。
【００１４】
そのようなシステムに使用される、先行技術のバイナリ値によるホログラムを用いた記憶密度と転送速度は、システムの体積および電力消費を著しく増加させずに、１桁上げることはできない。したがって、新規のホログラフィックメモリアーキテクチャは、密度／帯域幅の必要性を満たすと同時に、多くの用途（例えば、ＮＡＳＡや国防総省での用途）における体積／質量／電力消費制約に対応するために必要であろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
それ故に、先行技術は、上述のように、十分なメモリ能力を提供することができない。先行技術のホログラフィックメモリシステムは、そのような能力を提供することを目的として発展してきた。しかし、先行技術のホログラフィックメモリシステムは、記憶容量／密度、効率性、速度、耐放射線性などをさらに一層向上できるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
数値的に記録し、光波面全体を再構成するための手法として、デジタルホログラフィは、計測学、ディスプレイ、データ記憶、および認証などの分野で非常に関心が高い。高い光スループットと良好な回折効率を示す高速空間光変調器は、デジタルホログラムの適切な光再構成を提供するために必要である。
【００１７】
本発明の１つ以上の実施形態は、ホログラフィック媒体の記憶密度を著しく増加させる多重ホログラム記録および読み出しシステムを使用する。このことから、デジタルマイクロミラーデバイスＳＬＭ（あるいは可変ミラーデバイスＳＬＭ）（ＤＭＤＳＬＭと称される）は、ミラーの物理的移動が原因で見られる悪影響を伴わずに、透過型ＬＣＤと比較して、優れた光スループット、回折効率、コントラスト、およびグレースケール範囲を提供するために用いられる。そのようなＤＭＤＳＬＭは、本発明の大きな利益を提供するために、バイナリあるいはパルス幅変調（ＰＷＭ）のいずれかのモードで使用することができる。
【００１８】
さらに、本発明は、入力光にＤＭＤＳＬＭを使用する能力と、参照光の高速光ステアリングとを組み合わせる。
【００１９】
以上の点を考慮して、本発明のホログラフィックメモリシステムは、多ビットホログラム（ｍｕｌｔｉｂｉｔ ｈｏｌｏｇｒａｍ）を格納するように構成されたフォトリフラクティブ結晶を使用する。シングルレーザダイオード（ｓｉｎｇｌｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）は、平行レーザ光を放出して、フォトリフラクティブ結晶に多ビットデータのページを書き込み、かつフォトリフラクティブ結晶から多ビットデータのページを読み出すように構成される。多重空間光変調器は、多ビットデータのページを平行レーザ光から分割される入力光上に符号化するために使用される。第１の画像化リレーレンズの対は、多重空間光変調器とフォトリフラクティブ結晶との間に位置付けられ、フォトリフラクティブ結晶の裏側の平面で、多ビット空間光変調器画像を画像化する。次に、ミラーを使用して、平行レーザ光から分割された参照光をフォトリフラクティブ結晶に高速で誘導し、多ビットデータのページを読み出す、あるいは書き込む。そのような高速光ステアリング装置は、液晶相アレイまたは微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーのいずれかを備えてもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
（ａ）多ビットホログラムを格納するように構成されたフォトリフラクティブ結晶と、
（ｂ）平行レーザ光を放出して、該フォトリフラクティブ結晶に多ビットデータのページを書き込み、かつ該フォトリフラクティブ結晶から多ビットデータのページを読み出すように構成されたシングルレーザダイオードと、
（ｃ）該多ビットデータのページを、該平行レーザ光から分割される入力光上に符号化するための多重空間光変調器と、
（ｄ） 多ビット空間光変調器画像を該フォトリフラクティブ結晶の裏側の平面上で画像化するための、該多重空間光変調器と該フォトリフラクティブ結晶との間に配置された第１の画像化リレーレンズの対と、
（ｅ） 該平行レーザ光から分割される参照光を該フォトリフラクティブ結晶に高速で誘導して、多ビットデータのページを読み出す、または書き込むように構成された１つ以上のミラーと
を備える、ホログラフィックメモリシステム。
（項目２）
上記平行レーザ光から取得した上記参照光および上記入力光は、上記フォトリフラクティブ結晶に干渉縞を生成し、上記多ビットホログラムを記録する、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記多重空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備える、項目１に記載のシステム。
（項目４）
上記１つ以上のミラーは、液晶相アレイを備える、項目１に記載のシステム。
（項目５）
上記１つ以上のミラーは、高速の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備える、項目１に記載のシステム。
（項目６）
平行レーザ光を放出して、フォトリフラクティブ結晶に多ビットデータのページを書き込み、かつフォトリフラクティブ結晶から該多ビットデータのページを読み出すシングルレーザダイオードと、
該平行レーザ光を参照光と入力光とに分割することと、
該入力光を多重空間光変調器に通過させ、該入力光内にデータのページを符号化することと、
該入力光を第１の画像化リレーレンズの対に通過させ、多ビット空間光変調器画像を該フォトリフラクティブ結晶の裏側の平面上で画像化することと、
該参照光を該フォトリフラクティブ結晶に高速で誘導する１つ以上のミラーと、
該多ビットデータのページを、該誘導された参照光および該入力光によって生成された干渉縞の形で、該フォトリフラクティブ結晶に格納することと
を含む、データをホログラフィックメモリに格納する方法。
（項目７）
上記多重空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備える、項目６に記載の方法。
（項目８）
上記１つ以上のミラーは、液晶相アレイを備える、項目６に記載の方法。
（項目９）
上記１つ以上のミラーは、高速微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備える、項目６に記載の方法。
（項目１０）
多ビットデータの１つ以上のページを格納する手段と、
平行レーザ光を放出して、該格納する手段に書き込み、かつ該格納する手段から読み出す手段と、
該多ビットデータのページを、平行レーザ光から分割される入力光上に符号化する多重空間光変調器手段と、
多ビット空間光変調器画像を該格納する手段の裏側の平面上で画像化する手段と、
該平行レーザ光から分割される参照光を、該格納する手段に高速で誘導し、多ビットデータのページを読み出す、または書き込むように構成された１つ以上のミラーと
を備える、データをホログラフィックメモリに格納するための装置。
（項目１１）
上記平行レーザ光から取得した上記参照光および上記入力光は、上記格納する手段に干渉縞を生成し、多ビットホログラムを記録する、項目１０に記載の装置。
（項目１２）
上記多重空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備える、項目１０に記載の装置。
（項目１３）
上記１つ以上のミラーは、液晶相アレイを備える、項目１０に記載の装置。
（項目１４）
上記１つ以上のミラーは、高速微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備える、項目１０に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の１つ以上の実施形態による、液晶ＢＳＳＬＭを使用する概略アーキテクチャを示している。
【図２】図２は、本発明の１つ以上の実施形態による、電気光学的光ステアリングを示している。
【図３】図３は、本発明の１つ以上の実施形態による、リアルタイム光学的パターン認識のために、ホログラフィックに格納され、取得されたフィルタデータを使用する光相関器のシステムアーキテクチャを示している。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の１つ以上の実施形態による、光ステアリングのためのＭＥＭＳミラーを使用する、ホログラフィックメモリシステムアーキテクチャを示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態による、ＤＭＤＳＬＭを使用する、ホログラフィックメモリシステムアーキテクチャを示している。
【図５】図５は、本発明の１つ以上の実施形態による、デュアルチャネル・多重ホログラムメモリシステムを示している。
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって使用できる、ＤＭＤＳＬＭの写真を示している。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって使用できる、ＤＭＤＳＬＭの写真を示している。
【図７】図７は、本発明の１つ以上の実施形態による、デジタルビットの機能として、最大フレームレートを示している。
【図８】図８は、先行技術の高精細度テレビおよび投影型ディスプレイ（ＤＬＰシステム）に使用される、ＤＭＤ素子を示している。
【図９】図９は、本発明の１つ以上の実施形態による、ホログラフィックメモリに使用できるＤＭＤＳＬＭの詳細アーキテクチャを示している。
【図１０】図１０は、本発明の１つ以上の実施形態による、多ビットデータをホログラフィックメモリに格納するための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面を参照すると、同じ参照番号は、全体を通して一致する部分を表している。
【００２２】
以下の記載において、その一部を成す添付の図面を照会するが、これは例として、本発明のいくつかの実施形態において示されている。本発明の範囲から逸脱することなく、その他の実施形態を使用してもよく、構造を変更してもよいことを理解すべきである。
【００２３】
（概要）
本発明の１つ以上の実施形態は、超高密度（テラバイト）と超広帯域幅（ギガビット／秒）ホログラフィックメモリのための、新しい概念とシステムアーキテクチャを提供する。多重ホログラム記録および読み出しシステムは、先行技術のバイナリホログラムの代わりに使用される。例えば、先行技術のホログラフィックメモリ密度は、バイナリホログラム（例えば、１ピクセル値は、０あるいは１のいずれか）を使用することによって、１テラバイトに到達できる。多重ホログラムを使用することによって、３ビット（８値）ホログラムを用いて、記憶密度を最大８テラバイトに増加させることができる。８ビットホログラムは、先行技術のシステムの体積、質量、および電力消費を著しく増加させることなく、記憶密度を２５６テラバイトに増加させることができる。
【００２４】
（ホログラフィックデータ記憶）
上述のように、ホログラフィックデータ記憶は、フォトリフラクティブ結晶内の多数のホログラムに、データを格納する事ができる。ホログラムは、ページデータ（画像またはバイナリビット）を伝送するデータ光と参照レーザ光によって生じる光干渉縞を（立方体形フォトリフラクティブ結晶に）記録することによって形成される。これらの画像は、フーリエ領域に格納され、ホログラム内に３次元の膨大な冗長性が構築されるため、格納されたホログラムは、媒体内の欠陥あるいは点欠陥を起こすことがないであろう。
【００２５】
ＬｉＮｂＯ３フォトリフラクティブ結晶は、その均一性、高い電気光学係数、高い光感受性、および商業的入手性から、最も完成したホログラフィックメモリ用記録材料である。ホログラフィックデータ記憶を使用することの１つの独自の利点は、その耐放射線性である。フォトリフラクティブ結晶に格納されたホログラムは、放射線耐性であると実験的に実証されている。例えば、ニオブ酸リチウムホログラフィックメモリを空間に流入すると、取得された結晶は表面損傷を受けただけで、そのホログラム記録のための光感受性は保持された。
【００２６】
（光ステアリング使用小型ホログラフィックメモリ）
ホログラフィックメモリシステムにおいて高速データ転送速度を達成するために必要な１つの重要な側面は、レーザ光ステアリング法である。種々の方法／システムを用いて、光ステアリング使用での速度を向上させることができる。
【００２７】
（液晶光ステアリング素子）
本発明の１つ以上の実施形態による、液晶光ステアリング空間光変調器（ＢＳＳＬＭ）は、高速光ステアリングに使用される。図１は、本発明の１つ以上の実施形態による、液晶ＢＳＳＬＭを使用した概略アーキテクチャを示している。アーキテクチャ１００は、多重ホログラム記録のための書き込みモジュール１０２と、ホログラム読み出しのための読み出しモジュール１０４から成る。
【００２８】
書き込みモジュール１０２は、コヒーレント光源としてのレーザダイオード１０６Ａ、角度多重光ステアリングのための１対の縦続接続したＢＳＳＬＭ１０８（各対において、１つは透過型１０８Ａ、１つは反射型１０８Ｂ）、記憶のデータ入力のためのデータＳＬＭ１１０、光形成のための２つの立方体形分割器１０７Ａと１０７Ｂ、およびホログラム記録のためのフォトリフラクティブ結晶１１２を含む。
【００２９】
読み出しモジュール１０４もフォトリフラクティブ結晶１１２を共有する。読み出しモジュールは、書き込みレーザダイオード１０６Ａと同じ波長を有するレーザダイオード１０６Ｂ、位相共役読み出し光（読み出し光は、書き込み光と反対に向けられる）を生成するための１対の縦続接続したＢＳＳＬＭ１１３Ａと１１３Ｂ、共有フォトリフラクティブ結晶１１２、立方体形光分割器、読み出しホログラムを記録するための光検出器アレイ１１４を含む。システムは、多重ホログラムを格納するための角度多重化方式と、各ホログラムを読み出すための位相共役光とを使用する。
【００３０】
ホログラムの書き込みでは、平行レーザ光１０６Ａが、第１の立方体形光分割器１０７Ａで２つの部分に分割する。水平に偏向した光は、第２の立方体形光分割器１０７Ｂを横切って進行し、データＳＬＭ１１０に衝突した後、入力データを読み出す。データ伝送光１０９は、次にデータ書き込み光と同様にＰＲ結晶１１２内に反射する。
【００３１】
レーザ光１１１の残りの部分は、垂直に進行し、ＢＳＳＬＭ１０８Ａを通過してから、第２の反射型ＢＳＳＬＭ１０８Ｂに反射する。両ＢＳＳＬＭ１０８は、格子周期によって決定される角度偏向を伴う光ステアリングが可能な１次元ブレーズド位相格子である。２つのＢＳＳＬＭ１０８を直交に縦続接続することにより、２次元光ステアリングが達成できる。あるいは、単一の２Ｄ光ステアリングＳＬＭを使用することもできる。偏向したレーザ光１１１は、ＰＲ結晶１１２に向けられ、干渉格子（ホログラム）を形成する。個々のホログラムは、それぞれ固有の参照角で書き込まれ、この角度（あるいはその共役角）でしか読み出されない。順次記録における参照光角度１１１を変えることにより、記録媒体に非常に多数のホログラムを記録することができる。
【００３２】
ホログラムの読み出しについては、革新的な位相共役アーキテクチャが図１に示される。位相共役方式は、最低限の歪み（低いビット誤り率）で、レンズを使用しないホログラム読み出しを可能にする。図１に示されるように、透過型１１３Ａおよび反射型１１３Ｂ ＢＳＳＬＭの第２の対は、位相共役読み出し光（書き込み参照光に対して）を提供するために用いられる。光がＰＲ結晶１１２に衝突した後、記録されたホログラムから回折した光は、位相共役特性により、ＰＲ結晶１１２から出て入力データ光経路を引き返す。その後この光は、光学部品の焦点を合わせ、対応するデータページを再構成する必要なく、ＰＲ結晶１１２に記録および格納されたように、光検出器アレイ１１４に直接衝突する。
【００３３】
（電気光学的光ステアリング）
本発明の代替実施形態では、図２に示されるような電気光学的光ステアリングを使用できる。平行レーザ光２０２は、まず偏光光分割器２０４Ａに入射し、２つの光に分割される。入力光は、データＳＬＭ２０６、レンズ２０８Ａ、ミラー２１０Ａ、ミラー２１０Ｂ、ミラー２１０Ｃ、レンズ２０８Ｂを順次通過し、それからＰＲＣ２１４（Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３フォトリフラクティブ結晶）に入射する。
【００３４】
レンズの対２０８Ａと２０８Ｂは、データＳＬＭ２０６のスループット画像をＰＲＣ２１４に中継するであろう。ミラーの組２１０Ａ〜２１０Ｃは、光路長を折り畳み、長くし、参照光の長さと等しくする。
【００３５】
参照光は、光分割器２０４Ａを出射した後、光分割器２０４Ｂ、ＢＳＳＬＭ２１２Ａ、光分割器２０４Ｂ（再度）、レンズ２０８Ｃ、光分割器２０４Ｃ、ＢＳＳＬＭ２１２Ｂ、光分割器２０４Ｃ（再度）、レンズ２０８Ｄを通過し、ＰＲＣ２１４に到達する。
【００３６】
データ光と参照光は、ＰＲＣ２１４の体積内で交差し、９０°の記録配列を形成する。両光は、入射面（参照および信号光によって形成される面）と直角の方向に偏光する。レンズの対２０８Ｃと２０８Ｄは、ＢＳＳＬＭ２１２ＡをＰＲＣ２１４表面に中継する。ＢＳＳＬＭ２１２Ａは、Ｃ軸と平行に、水平面（またはｘ軸）に沿って参照光を走査する。ＢＳＳＬＭ２１２Ｂは、参照光を垂直面（ｙ軸、またはフラクタル面）に誘導する。ホログラフィックデータ記録において、入力データの各ページにより形成される干渉縞は、ＰＲ結晶２１４に記録される。参照光の角度（および位置）は、入力データのページごとに変更される。読み出しでは、データ光を中断し、参照光を作用させてＰＲ結晶２１４を照射する。
【００３７】
ホログラフィック波面再構成の原理によって、特定の参照光角度に対応する、格納されたページデータを読み出すことができる。読み出しデータ光は、ＰＲＣ２１４から出射して、ミラー２１０Ｄとレンズ２０８Ｅを通過し、光検出器（ＰＤ）アレイ２１６に到達する。レンズの組２０８Ａ、２０８Ｂ、および２０８Ｅは、入力ＳＬＭ２０６をＰＤアレイ２１６に中継することに留意されたい。レンズの組によって生じる拡大率は、データＳＬＭ２０６とＰＤアレイ２１６のアスペクト比によって決定される。
【００３８】
図２に図示されるように、直交配置に縦続接続した２つの１次元ＢＳＳＬＭ２１２Ａおよび２１２Ｂを用いることにより、ホログラフィックデータの高密度記録および取得を可能にするブレッドボード構成で、２次元角度フラクタル多重化方式が形成される。
【００３９】
実験では、ホログラムは、まずｘ方向（面内）の角度変更により多重化され、ｙ方向の角度は変更されなかった。１列のホログラムの記録が終了した後、ｙ方向（入射面と直角）の角度が変更され、ｘ方向の角度変更とともにホログラムの次の列が記録された。ｘおよびｙの両角度変更は、完全にコンピュータ制御され、ランダムにアクセスできる。それにより、高品質ホログラムの長いビデオクリップの記録と取得を行なうことができる。
【００４０】
電気光学的光ステアリング方式を使用することの利点には、機械的動作を伴わないこと、高い転送速度（１Ｇｂ／秒）、ランダムアクセスデータアドレス指定、低体積、および低電力がありうる。
【００４１】
（光ステアリング空間光変調器）
上述のＢＳＳＬＭは、セラミックＰＧＡ（ピン・グリッド・アレイ）キャリアのＶＬＳＩ裏面上に実装された素子で実現できる。ネマチックツイスト液晶（ＮＴＬＣ）を充填した４０９６画素の１次元アレイは、ＳＬＭ（空間光変調器）表面上に展開されている。素子の開口サイズは７．４μｍ×７．４μｍであり、各画素の寸法は１．１８μｍ×７．４μｍである。そのような実施形態の応答時間は、２００フレーム／秒に到達し得る。
【００４２】
さらに、上記の実施形態におけるＮＴＬＣは、強誘電性液晶（ＦＬＣ）と置き換えてもよい。ＦＬＣを使用すると、速度を１桁上げることができる（すなわち、＞２０００フレーム／秒）。
【００４３】
上述のように、ホログラフィックデータ記憶の角度多重化のために、そのような電気光学的光ステアリング装置を使用することのいくつかの利点には、機械的に動作する部分がないこと、ランダムアクセスが可能な光ステアリング、低電圧／電力消費、大開口操作、ＡＯベースの装置のように嵩張る周波数補償用光学部品が必要ないことが含まれる。
【００４４】
上記に加え、カスタム位相−アレイプロファイルドライバを、ＢＳＳＬＭへの駆動プロファイルのダウンロードのためのＬａｂＶｉｅｗ（商標）ベースのシステムＨＷ／ＳＷ制御装置と共に使用してもよい。
【００４５】
（ホログラフィックメモリの記憶容量および転送速度）
本発明の実施形態にしたがって、多様なサイズおよびタイプの素子を使用することができる。
【００４６】
例えば、最大１６０，０００ページ（すなわち、１６０Ｇｂのメモリ）のホログラムを、それぞれの参照光に対して角度多重化を行なうための走査ミラーを用いて、体積１ｃｍ３のＬｉＮｂＯ３ ＰＲ結晶に格納できることが実証されている。しかし、機械的に制御される動作部を必要とする走査ミラー方式は、宇宙飛行には適さない。したがって、本発明の１つ以上の実施形態は、高速かつ高解像度の全電気光学制御の角度多重化方式を提供することができる。この点から、上述のように、本発明は全位相光ステアリング装置ＢＳＳＬＭを使用することができる。
【００４７】
透過型および反射型の両ＢＳＳＬＭを、高度ホログラフィックメモリ（ＡＨＭ）システムに使用することができる。透過型ＢＳＳＬＭ装置の例としては、約６４の解像可能な点を有する１×１０２４アレイがある。反射型ＢＳＳＬＭ装置の例としては、シリコンベースの１Ｄ回折光ステアリング装置がある。そのような反射型ＢＳＳＬＭ装置は、およそ１２８の解像可能な点を有する１×４０９６アレイであってもよい。本発明の実施形態にしたがって、解像可能な点の数がより大きい（約１８０）装置を提供することもできる。したがって、縦続接続したＢＳＳＬＭの解像可能な点の合計は、約１１，５２０であってもよい。光ステアリングのために２つの縦続接続したＢＳＳＬＭを使用することによって、合計１０，０００ページを超えるホログラムを、１立方センチメートルのＰＲ結晶に保存し、読み出すことができる。各ページが約１０００×１０００画素のデータ（１Ｍバイト）を格納できることから、総記憶容量は、１０ギガバイトに到達し得る。
【００４８】
別の例では、開口サイズ７．４ｍｍ×７．４ｍｍで、１×４０９６アレイを使用してもよい。あるいは、アレイサイズを２．５ｍｍ×２．５ｍｍ（１ｉｎ２）に拡大してもよく、対応するアレイ密度は１×１２０００となる。したがって、解像可能な角度の数は、２６６６にまで増加する。
【００４９】
上記の情報から、本発明のホログラフィックメモリ構成で使用される液晶ＢＳＳＬＭは、高密度ホログラフィック記憶にとって適切であり得ることがわかる場合がある。ＢＳＳＬＭの性能をさらにアップグレードすることにより、ホログラフィックメモリブレッドボードに記録できるホログラムの総数は、容易に２０，０００を超え得る。そのようなホログラフィックブレッドボードは、２０００ホログラムをｘ次元（角度方向）の各列とｙ次元（フラクタル方向）の１０列に記録することによって構成できる。
【００５０】
そのようなホログラフィックメモリシステムの記憶容量は、アップグレードした電気光学的ＢＳＳＬＭを使用すると、１０００画素×１０００画素の入力ページの場合、２０Ｇｂを上回る。これは５０００画素×５０００画素の入力ページを使用すると、５００Ｇｂにまで増加する。さらに小型化すると、ホログラフィックメモリを５ｃｍ×５ｃｍ×１ｃｍの立方体にまで縮小することが可能となる。そのようなホログラフィックメモリの立方体をメモリカード上に複数積み重ねることにより（例えば、１枚のカードに１０×１０の立方体）、カード１枚当たり２〜５０Ｔｂの記憶容量が達成できる。そのようなホログラフィックメモリシステムの転送速度は、２００Ｍｂ／秒（１Ｍの画素ページで２００ページ／秒）から５Ｇｂ／秒（２５Ｍの画素ページで２００ページ／秒）の範囲となり得る。
【００５１】
（光学的パターンによる巨大記憶の必要性に対応するための高度ホログラフィックメモリ（ＡＨＭ）技術の適用）
ＡＨＭ技術は、光学的パターン認識システムによる巨大データ記憶の必要性に対応することができる。この関連で、グレースケール光相関器が、大規模に開発され、パターン認識に適用されてきた。本発明は、リアルタイム自動標的認識（ＡＴＲ）のための小型グレースケール光相関器（ＧＯＣ）３０２を提供する。図３に示されるように、そのような光相関器３０２は、入力された画像のインコヒーレント−コヒーレント変換に対し８ビットグレースケール解像度を有する液晶空間光変調器（ＬＣ ＳＬＭ）３０４を採用してもよい。図３は、ホログラフィックに格納され、取得されたフィルタデータを用いて、リアルタイム光学的パターン認識を行なう、光相関器３０２のシステムアーキテクチャを示している。高密度ホログラフィックメモリ３０６からのグレースケールＭＡＣＨ（最大平均相関高）フィルタデータを含む読み出しデータは、ＧＯＣ３０２のフィルタＳＬＭドライバ３０８に直接送り込み、リアルタイムＡＴＲを可能にする。
【００５２】
フーリエ変換面において、両極振幅（実数）ＳＬＭを用いて、相関フィルタを符号化することができる。能力を符号化する実数相関フィルタは、歪み不変相関計算のための非常に強力な最適フィルタ計算アルゴリズムである最大平均相関高（ＭＡＣＨ）の使用を可能にしてきた。
【００５３】
ＧＯＣ３０２を用いる、より多用途のＡＴＲの主な限界のうちの１つは、電子メモリの厳しいサイズ制限である。そのようなＧＯＣ３０２は、１０００フレーム／秒の速度で相関フィルタを更新することができる。各フィルタは、５１２画素×５１２画素から成り、８ビットグレースケール解像度を有する。したがって、相関器３０２を全速で作動させるために、フィルタのデータスループットは、２ギガビット／秒となるであろう。転送速度は、磁気ハードディスクをはるかに上回る。ＳＤＲＡＭのみが、適切なデータ転送速度で使用できる。しかし、適当な数である１０００フィルタを搭載するには、２ギガビットのＳＤＲＡＭメモリを必要とするであろう。メモリボードのサイズと電力消費は、空および宇宙を運ばれるシステムにとっては過剰であり、対応できない。したがって、本発明は、ＧＯＣ３０２を使用するリアルタイムパターン認識のための代替的なメモリソリューションとして、ホログラフィックメモリ３０６を使用する。
【００５４】
更新可能な光相関器用にホログラフィックメモリシステムを使用することの固有の利点には、高い記憶密度、ランダムアクセス、高いデータ転送速度、およびグレースケール画像記憶能力がある。これら３つの特徴は全て、ＧＯＣ３０２のメモリ要件を十分に満たす。
【００５５】
（ホログラフィックメモリを備える光相関器を用いた光学的パターン認識の実験的検証）
本発明の１つ以上の実施形態は、光学的に実装されたＭＡＣＨ（最大平均相関高）相関フィルタを備えるポータブルＧＯＣを用いる。
【００５６】
実験的検証により、リアルタイム光学的パターン認識が説明されている。そのような実験的試験において、カムコーダサイズのＧＯＣを使用して、リアルタイムパターン認識を行なうことができるＣＨＤＳ（小型ホログラフィックデータ記憶）ブレッドボードを使用して、ＭＡＣＨ相関フィルタの格納、読み出しを行なうことができる。この実験ステップは、以下のように説明できる。まず、ＭＡＣＨ相関フィルタを作成するために、１組のトレーニング画像を選択することができる。次に、これらのＭＡＣＨフィルタをＣＨＤＳブレッドボード内に記録し、続いてＧＯＣのフィルタドライバ内に読み出し、ダウンロードしてよい。取得されたホログラフィックフィルタ画像のダイナミックレンジは、次に、慎重に保存することで、８ビット解像度を保持することができる。
【００５７】
リアルタイム光学的パターン認識走操作では、図３に示されるように、大きなＭＡＣＨ相関フィルタデータバンクが、まず音響に基づくホログラフィックメモリ３０６に格納されるであろう。読み出しホログラフィックデータは、次にＧＯＣ３０２のフィルタＳＬＭドライバ３０８に直接送り込まれ、高速フィルタ更新の必要に対応する。
【００５８】
ホログラフィックに取得されたＭＡＣＨフィルタ画像が、ＧＯＣ３０２のフィルタＳＬＭ３０８内にダウンロードされた後、以前の飛行試験で記録された入力場面のビデオを入力ＳＬＭ３０４送り込むことができる。入力された標的に関連する、種々の回転、スケール、視点での鋭利な相関ピークを、相関出力から得ることができる。
【００５９】
（１Ｄおよび２Ｄ電気光学的光ステアリングを備えるホログラフィックメモリブレッドボード）
本発明の１つ以上の実施形態は、ブックサイズの１Ｄホログラフィックメモリブレッドボードに実装してもよい。そのような実装は、光ステアリングにＢＳＳＬＭ装置を使用して、ホログラフィックデータの記録および取得における多重化の必要性を満たすことの実行可能性を実証できる。さらに、そのようなシステムは、単一のＢＳＳＬＭを使用してもよく、角度多重化のための１Ｄ光ステアリングを実証することができる。上記に加え、典型的なそのようなシステムは３０ｃｍ×２０ｃｍ×５ｃｍでよく、これは電話帳のサイズである。
【００６０】
あるいは、実施形態は、２Ｄ電気光学的な角度−フラクタル光ステアリングを備えるＣＤサイズの小型ホログラフィックメモリブレッドボードに実装してもよい。そのようなＣＤサイズのホログラフィックメモリブレッドボードは、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１ｃｍの非常に小型のホログラフィックメモリモジュールとすることができる。コンパクトサイズのＶＬＳＩベースのＢＳＳＬＭは、光学部品の高度な設計を伴って、システムの体積をブックサイズからＣＤサイズへと大幅に縮小できる。そのようなブレッドボードは、１０ＧＢのホログラフィックデータを記録することができる。さらに、このシステム設計は、アップグレードバージョンが利用可能な場合に、キーデバイスの容易な置換を可能にする。そのようなキーデバイスには、空間光変調器、ＢＳＳＬＭ、およびＰＤ（光検出器）アレイが含まれる。さらに、システム記憶容量は、高解像度ＢＳＳＬＭの使用により、２桁増加することができる。
【００６１】
ＣＤサイズのホログラフィックメモリブレッドボードは、包括的なＬａｂＶｉｅｗベースのシステム制御装置を備えて作成することができる。したがって、システムを完全統合した上で自律的なデータ記録および取得が可能である。
【００６２】
したがって、上述のように、高度ホログラフィックメモリ技術を使用して、データ記録および読み出し時にランダムアクセスできる、高密度・高速ホログラフィックデータ記憶を可能にできる。液晶光ステアリング装置を使用することによって達成される革新的なＥ−Ｏ（電気光学的）光ステアリング方式が、これまで示されてきた。さらに、ＣＤサイズのホログラフィックメモリブレッドボードを統合して使用し、ホログラフィックデータを記録および取得することもできる。そのようなブレッドボードは小型であり、入力ページのサイズに応じて、１０Ｇｂ〜２５０Ｇｂの範囲の記憶容量を有する。
【００６３】
（高速光ステアリング用ＭＥＭＳミラー）
液晶（ＬＣ）ＢＳＳＬＭ位相アレイは、小型ホログラフィックメモリブレッドボードにおける高速光ステアリングのための使用には成功してきたが、光スループットの効率性を改善することは有益であろう。ＬＣ ＢＳＳＬＭにおける位相アレイによるスループット光の光回折によって、多数の回折次数（回折したレーザ光の第１次数以外）が存在するが、これらはホログラム記録に使用される。１次で１００％回折効率を達成することは非常に困難なため、相当の量のレーザ光エネルギーが、ゼロ次および高次の回線に拡散する。高次光はスプリアス干渉を引き起こし、しばしば記録されたホログラムの信号対雑音比を低下させる。
【００６４】
したがって、本発明の１つ以上の実施形態は、光ステアリング装置として、回折の代わりに光偏向を使用する高速走査ミラーを提供する。先行技術は、レーザ光ステアリング目的でのガルバノメータ制御ミラーの使用を説明している。しかし、ガルバノメータミラーは相当な質量を有するため、その走査速度が厳しく制限される可能性がある（例えば、ビデオ速度程度）。先行技術の限界を考慮して、本発明は、小型ホログラフィックメモリシステムにおける高速光ステアリングのために、新たなＭＥＭＳ（微小電子機械システム）ミラー技術の使用を提供する。
【００６５】
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）は、微細加工技術によって、機械構成部品、センサ、アクチュエータ、および電子装置を一般的なシリコン基板上で統合したものである。電子装置は、集積回路（ＩＣ）処理シーケンス（例えば、ＣＭＯＳ、バイポーラ、またはＢＩＣＭＯＳ処理）を用いて加工されるが、微小機械構成部品は、互換性のある「マイクロマシニング」プロセスを用いて加工される。このプロセスでは、シリコンウエハーの一部を選択的にエッチングで取り除く、あるいは新しい構造層を追加して、機械および電気機械素子を形成する。
【００６６】
ＭＥＭＳマイクロミラーは、微視的世界にまで「縮小」されたミラーである。そのようなＭＥＭＳマイクロミラーは、光ファイバの分野での適用を含め、種々の使途が可能である。あるいは、ＭＥＭＳマイクロミラーは、ホログラフィックメモリシステムにおける光ステアリングに使用することもできる。
【００６７】
これらのマイクロミラーの加工方法は、片持ち梁構造の加工方法と類似している（あるいは同一である）が、プロセスが完了した後、アルミニウムなどの反射層を梁の上に置いてもよい点が異なる。
【００６８】
ＭＥＭＳマイクロミラーは、ミラーの誘導に静電アクチュエーションを使用する。正電荷と負電荷は互いを誘引する（また、同じ電荷は反発する）ため、片持ち梁を形成して、その上に交互の正−負電荷を付与している間に正電荷を維持できれば、静電気によって、片持ち梁が上下に共振する。
【００６９】
上記を考慮すると、ＭＥＭＳミラーは、ホログラフィックメモリシステムにおける光ステアリング装置として、魅力的となりうる。光ステアリング装置としてＭＥＭＳミラーを使用することの利点には、高い光スループットの効率性（＞９９％反射力）、優れた光質（ミラーから反射した光は、回折光ステアリング装置のように、スプリアス回折を生成しない）、低質量、および高速が挙げられる。
【００７０】
光ステアリングにＭＥＭＳミラーを使用するホログラフィックメモリシステムアーキテクチャが、図４Ａに示されている。システム配置の詳細は、平行レーザ光４００がまず偏光光分割器４０２に入射し、出射する際に２つの光に分割されることを示している。入力光は、データＳＬＭ（空間光変調器）４０４、および画像リレーレンズの対４０６Ａ〜４０６Ｂ（それぞれ焦点距離ｆ１およびｆ２を有するレンズＬ１およびＬ２とも称される）を順次通過し、それから鉄ドープニオブ酸リチウム（Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３）のフォトリフラクティブ結晶（ＰＲＣ）４０８に衝突する。画像化リレーレンズの対４０６Ａ〜４０６Ｂを使用して、入力ＳＬＭ４０４の画像サイズを測定し、ＰＲＣ４０８の入力瞳のサイズと一致させる。画像化リレーレンズの対４０６Ａ〜４０６Ｂは、ＰＲＣ４０８の裏側に設置されたＣＣＤ４１０の記録面上で、入力ＳＬＭ４０４画像を鮮明に画像化することもできる。
【００７１】
ＰＲＣ４０８は、大容量の書換可能なホログラフィックメモリ記録が可能なホログラフィック記録装置である。他方の光（参照光）は、まず画像化リレーレンズの対４０６Ｃ〜４０６Ｄ（それぞれレンズＬ３およびＬ４とも称される）を通過してから、ＭＥＭＳミラー４１２に衝突する。レーザ光は、次にＭＥＭＳミラー４１２によって、既定の増分角度だけ偏向される。偏向された参照光は、継続して第３の画像化リレーレンズの対４０６Ｅ〜４０６Ｆ（それぞれレンズＬ５およびＬ６とも称される）を通過し、ＰＲＣ４０８に到達する。参照光とデータ光は、ＰＲＣ４０８の体積内で交差し、９０°の記録配列を形成する。レンズの対４０６Ｃ〜４０６Ｄの焦点長さ／距離（例えばｆ３＋ｆ４）および開口サイズは、入力ＳＬＭ４０４の開口とＭＥＭＳミラー４１２の開口とのスケール差を補正するように選択する。同様に、レンズの対４０６Ｅ〜４０６Ｆは、ＭＥＭＳミラー４１２とＰＲＣ４０８入射瞳とのスケール差に一致するように選択した寸法（例えば、焦点距離ｆ５およびｆ６）を有する。
【００７２】
ＭＥＭＳミラー４１２は、Ｃ軸と平行に、水平面（ｘ軸）に沿って参照光を走査する。ホログラフィックデータを記録するとき、ＭＥＭＳミラー４１２から偏向された角度は、それぞれの新しいデータページに対して、わずかな増分だけ変更される。したがって、各ページの入力データ光と特異的に配向された参照光との間に形成された干渉縞は、角度多重化方式でＰＲ結晶４０８に記録される。
【００７３】
読み出しにおいては、データ光は中断され、参照光を作用させてＰＲ結晶４０８を照射する。ホログラフィック波面再構成の原理によって、特定の参照光角度に対応する、格納されたページデータが読み出される。読み出しデータ光は、ＣＣＤ４１０記録面上で鮮明に画像化される。
【００７４】
（多重空間光変調器）
本発明の１つ以上の実施形態は、多重（複数相）空間光変調器を使用する。そのようなＳＬＭの例には可変ミラーデバイスがあるが、これはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤＳＬＭ）とも称され、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入手可能である。ここで使用するＤＭＤＳＬＭという用語は、全ての形式の複数相空間光変調器を指し、これには可変ミラーデバイスまたはデジタルマイクロミラーデバイスも含まれる。
【００７５】
本発明のホログラフィックメモリシステムアーキテクチャは、最大１２ビットの高速データ入力変換のためのＤＭＤＳＬＭ、データ読み出しと転送のための適合するＣＭＯＳ光検出器アレイ、さらに光ステアリングのための動作部分を伴わない光ステアリング装置（上述のような液晶相アレイまたは高速ＭＥＭＳミラー）、ホログラフィックデータ記録のためのフォトリフラクティブ結晶、および関連する画像／光形成用光学部品を使用する。先行技術のバイナリ（２層）ＳＬＭの代わりに、時間多重化および多重ＤＭＤＳＬＭを使用することにより、多ビットホログラムを記録し、システムの体積を増加させずに、記憶密度を増加させることができる（３ビットホログラムでは８倍増加、８ビットホログラムでは２５６倍増加）。ＤＭＤＳＬＭは、優れた転送速度（７．６Ｇビット／秒以上）に関する能力も提供する。したがって、その結果得られるホログラムメモリシステムは、高密度、広帯域幅、および少ない体積を同時に実現する。
【００７６】
図４Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態による、多重ホログラフィックメモリシステムを示している。図示されているように、青色レーザアセンブリは、レーザを放出し、これはコリメータを通過して、平行光を生成する。平行光は、ミラーＭ５およびＭ６で反射して、光分割器に到達する。参照光は、画像リレーレンズの対ｆ５とｆ６、およびミラーｆ１を通過して高速光ステアリングミラーに到達する。その後、光は画像化リレーレンズの対ｆ３およびｆ４を通過し、ＰＲＣに到達する。データ／入力光は、光分割器からＤＭＤＳＬＭ（例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（商標）による）、ミラーＭ４、画像リレーレンズの対ｆ１ａｎおよびｆ１ｂへと通過する。このデータ／入力光は、ミラーＭ２によって反射され、ＰＲＣに到達し、ここで干渉縞の形で多ビット／多重ホログラムを記録することができる。焦点長さの違いが、適宜図面に示されている。図示されているように、画像化リレーレンズの対ｆ１ａ／ｆ１ｂは、多重空間光変調器とフォトリフラクティブ結晶との間に位置付けられ、多ビット空間光変調器画像をフォトリフラクティブ結晶の裏側の平面上で画像化する。
【００７７】
データを読み出すためには、入力光（ＰＲＣの格納された多ビットデータを含む）は、ＰＲＣから反射され、画像リレーレンズの対ｆ２Ａ／ｆ２Ｂを通過し、ミラーＭ３へ、そしてＢａｓｌｅｒ ＣＭＯＳセンサ上へと到達する。
【００７８】
図５は、本発明の１つ以上の実施形態による、デュアルチャネル・多重ホログラムメモリシステムを示している。システム５００中に示されるように、入力データは、青色ダイオードレーザ光５０２（データ光）と参照光５０４とに分割される。データ光５０２は、ＤＭＤＳＬＭの対（ＤＭＤＳＬＭ＃１およびＤＭＤＳＬＭ＃２）を通過して、多重／多ビット光を生成する。この多重／多ビット光は、画像化リレーレンズの対５０６として図示される光学部品を経由して、ブロック型フォトリフラクティブ結晶（ＰＲＣ５０８）上で集束される。参照光５０４は、走査ミラー５１０を経由して、ＰＲＣ５０８に向けられ、そこで複数層／ビットで干渉縞が記録される。
【００７９】
データを読み出すためには、参照光５０４を用いてＰＲＣ５０８を照射し、その出力がＣＭＯＳセンサ５０６上に記録される。
【００８０】
上記を考慮して、ＤＭＤＳＬＭは、ホログラフィックメモリシステム／立方体５００への入力装置として使用される。そのようなＤＭＤの使用により、７．６Ｇｂ／秒の転送速度が提供されるが、これは先行技術の強誘電性液晶ＳＬＭの約８倍の速度である。さらに、ＤＭＤＳＬＭは、２０００：１のハイコントラストで、８〜１０ビットグレースケール解像度を処理できるため、ＰＲＣ５０８内での多重デジタルホログラムを可能にする。そのような多重ホログラムは、３ビット解像度を維持する。したがって、データ記憶密度は、１ビット／画素から８ビット／画素（１バイト／画素）へと増加し、その結果、先行技術では７７５ＧＢであったのに対し、６．２テラバイトの記録を可能とする。
【００８１】
図６Ａおよび６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって使用できるＤＭＤＳＬＭの写真を示している。そのようなＤＭＤＳＬＭは、先行技術のデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）に使用されてきた。ＤＬＰ技術は、ハイコントラストを備え、明るく、シームレスで、かつデジタル制御のみが達成できるカラーおよびグレースケールの精度を有する、デジタル・高解像度・カラー投影型ディスプレイを可能にする。ＤＬＰシステムでは、ＤＭＤのそれぞれのミラーが画素を表す。ＤＭＤの合計サイズを用いると、１６平方μｍ（１６μｍ×１６μｍ）の各ミラーが１．６４ｃｍ×１．２３ｃｍの開口サイズを実現することにより、１０２４画素×７６８画素の解像度が実現できる。さらに、ＤＬＰシステムにおいて、８または１０ビット解像度と、７．６Ｇｂ／秒（または最大９．７Ｇｂ／秒）のデータ転送／スループット速度とを利用することができる。そのようなスループットは、バイナリデータでは９，７００ｆｐｓ、３ビットデータでは１，２２０ｆｐｓ、８ビットデータでは３８ｆｐｓを提供する。さらに、高精細度（１９２０×１０８０解像度）では、２０．１Ｇｂ／秒のスループット速度が可能である。図７は、本発明の１つ以上の実施形態による、デジタルビットの機能としての最大フレームレートを示している。図示されているように、ビット／フレーム数が増加すると、最大フレームレートは減少する。
【００８２】
また図８は、先行技術の高精細度テレビおよび投影型ディスプレイ（ＤＬＰシステム）で使用されるＤＭＤ装置を図解している。さらに、図８は、バイナリ・パルス幅変調方式の例である。この簡単な例では、ＤＭＤアレイは、一定強度の光（図示せず）で照射され、４ビットワードのみがアレイに入力され、１６の可能なグレーレベルを表している。投影レンズは、各画素から反射した光を遠隔にある投影画面上で集束、増幅させる。明確にするために、中央列のみがアドレス指定されている。その他は暗状態（００００）にアドレス指定されたと仮定される。各ライトスイッチのメモリ要素に、電気的ワードを各ワードの最上位のビット（ＭＳＢ）から始めて、１ビットずつ入力する。
【００８３】
アレイ全体のライトスイッチがＭＳＢでアドレス指定ができると、個々の画素が有効になり（リセットされ）、それらのＭＳＢ状態（１または０）に対応して応答することができる。各ビット時間中に、次のビットがメモリアレイに読み出される。各ビット時間の終了時に、画素はリセットされ、次のアドレスビットに対応して応答する。このプロセスは、全てのアドレスビットがメモリに読み出されるまで繰り返される。
【００８４】
入射光はライトスイッチから反射し、電気的ワードの各ビットに表される継続時間を有する光束に切り替え、あるいは変調される。観察者にとっては、この光束は、４ビットの入力ワードの値に表される一定強度を有する光を身体で感じる目の積分時間と比較して、非常に短い時間に発生する。
【００８５】
上記を考慮して、図９に図示されるような、本発明のホログラフィックメモリに使用できるＤＭＤＳＬＭの詳細アーキテクチャを検討することができる。各画素のアドレス回路と電気機械的上部構造は、１６平方μｍのアルミニウムマイクロミラーの＋１０°からｐ；１０°までの高速かつ正確な回転という、１つの単純な機能に対応している。図８には、２つの画素のアーキテクチャが図解されているが、ここでは下部の構造が見えるよう、ミラーは半透明で示されている。ＤＭＤ画素は、ＣＭＯＳ ＳＲＡＭセル／基板上に加工された、モノリシックに集積したＭＥＭＳ上部構造セルである。犠牲層のプラズマエッチングにより、上部構造の金属層間に空隙が形成される。この空隙により、構造は、２つの弾性トーションヒンジを中心に自由に回転できる。ミラーは下部のヨークに接続されるが、これらは、２つの薄いトーションヒンジによって浮き上がり、ポストを支持している。ヨークは、下部のヨークアドレス電極に静電気により付着される。ミラーは、ミラーアドレス電極に静電気により付着される。ミラーとヨークは、ヨークが、ヨークと同電位の機械的ストッパに当って停止するまで回転する。機械的ストッパの位置は、ミラーの回転角度を＋１０°または−１０°に制限する。
【００８６】
下記の表１は、本発明の１つ以上の実施形態による、多重デジタルホログラム用いたデータ転送速度を示している。表１に記載の装置には、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製のＤＭＤＳＬＭ、Ｒｅｄ Ｌａｋｅ（商標）製のＣＭＯＳセンサ、Ｃｈｒｏｍｕｘ（商標）製のＭＥＭＳミラーが含まれる。
【００８７】
【表１】
表２は、本発明の１つ以上の実施形態による、多重デジタルホログラムを用いた記憶密度を示している。
【００８８】
【表２】
（論理フロー）
図１０は、多ビットデータをホログラフィックメモリに格納するための方法を示すフローチャートである。ステップ１０００では、シングルレーザダイオードが、フォトリフラクティブ結晶に多ビットホログラムを書き込み、かつフォトリフラクティブ結晶から多ビットホログラムを読み出すために、平行レーザ光を放出する。ステップ１００２では、平行レーザ光が、参照光と入力光に分割される。
【００８９】
ステップ１００４では、多重空間光変調器（ＤＭＤＳＬＭ）が、多ビットデータのページを平行レーザ光から分割される入力光上に符号化する。ステップ１００６では、多重空間光変調器とＰＲＣとの間に設置された第１の画像化リレーレンズの対が、ＰＲＣの裏側の平面に、入力光（符号化されたデータを有する）（多ビット空間光変調器画像とも称される）を誘導／集束させる。上述のように、ＤＭＤＳＬＭは、デジタルマイクロミラーデバイスであってもよい（例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入手可能）。
【００９０】
ステップ１００８では、１つ以上のミラーを用いて、平行レーザ光から分割された参照光を高速でＰＲＣに誘導し、多ビットデータのページを読み出す、あるいは書き込む。そのようなミラーは、液晶相アレイまたは高速微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーであってもよい。結果として、ステップ１０１０では、多ビットホログラムがＰＲＣに格納される（参照光と入力光による干渉縞に基づく）。
【００９１】
（結論）
ここで本発明の好ましい実施形態の説明を終了する。本発明の実施形態にしたがって、多重ホログラムによる高度ホログラフィックメモリ技術を用いて、データの記録および読み出し中のランダムアクセスが可能な、高密度・高速ホログラフィックデータ記憶を実現することができる。
【００９２】
本発明の好ましい実施形態についての上記の説明は、例証と説明の目的で提示してきた。これは包括的なものではなく、本発明を開示される正確な形式に限定するものではない。上記の教示を踏まえ、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によっても、また添付の特許請求の範囲によっても制限されるものではない。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、次の同時係属かつ同一人に譲渡された米国仮特許出願の米国特許法１１９条（ｅ）項の利益を主張するものであり、この出願は本明細書に参考のために援用される：
２００５年１１月１５日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏによって出願された米国仮特許出願第６０／７３５，６５５号（代理人管理番号第１７６．３２−ＵＳ−Ｐ１／ＣＩＴ−４５２４Ｐ号）。
【０００２】
本願は、次の米国特許出願に関連し、これらの出願は本明細書に参考のために援用される：
２００６年８月４日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｊａｙ Ｃ．Ｈａｎａｎ、Ｇｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓ、およびＨａｎｙｉｎｇ Ｚｈｏｕによって出願された、題名「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＭＥＭＯＲＹ ＵＳＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＴＥＥＲＩＮＧ」の米国実用出願第１１／４６２，４９５号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｄ１／ＣＩＴ−３８７５Ｄ号）であり、この出願は２００４年４月１５日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｊａｙ Ｃ．Ｈａｎａｎ、Ｇｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓ、およびＨａｎｙｉｎｇ Ｚｈｏｕによって出願された、題名「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＭＥＭＯＲＹ ＵＳＩＮＧ ＢＥＡＭ ＳＴＥＥＲＩＮＧ」の米国実用出願第１０／８２４，７２２号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｕ１／ＣＩＴ−３８７５号）の米国特許法１２０条の利益を主張し、さらに後者の出願は次の同時係属かつ同一人に譲渡された米国仮特許出願の米国特許法１１９条（ｅ）項の利益を主張するものであり、これらの出願は本明細書に参考のために援用される：
２００３年４月１８日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｈａｎｙｉｎｇ Ｚｈｏｕ、およびＧｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓによって出願された、題名「ＣＯＭＰＡＣＴ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＤＡＴＡ ＳＴＯＲＡＧＥ ＳＹＳＴＥＭ」の米国仮特許出願第６０／４６３，８２１号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｐ１（ＣＩＴ−３８７５−Ｐ）号）、および
２００４年１月９日にＴｉｅｎ−Ｈｓｉｎ Ｃｈａｏ、Ｊａｙ Ｃ．Ｈａｎａｎ、およびＧｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｒｅｙｅｓによって出願された、題名「ＨＩＧＨ ＤＥＮＳＩＴＹ ＨＩＧＨ ＲＡＴＥ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＭＥＭＯＲＹ ＵＳＩＮＧ Ａ ＭＥＭＳ ＭＩＲＲＯＲ ＢＥＡＭ ＳＴＥＥＲＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」の米国仮特許出願第６０／５３５，２０５号（代理人管理番号第１７６．１８−ＵＳ−Ｐ２（ＣＩＴ−３８７５−Ｐ２）号）。
【０００３】
（連邦政府による資金提供を受けた研究開発についての声明）
本願発明は、ＮＡＳＡ契約に基づいた研究の実施において成され、契約者が所有権を保持すると定められた、一般法９６−５１７（米国特許法２０２条）の規定に従うことを条件としている。
【０００４】
（発明の分野）
本発明は、概してホログラフィに関し、具体的には超高密度・超広帯域幅ホログラフィックメモリに関する。
【背景技術】
【０００５】
（関連技術の記載）
多くの装置（例えば、コンパクトディスクやデジタルビデオディスク）は、光を利用して、データの格納、読み出しを行なう。しかし、先行技術の光学式記憶方法では転送能力および容量が限定されている。この先行技術の不利な点を克服するために、ホログラフィックメモリが利用できる。ホログラフィックメモリは、記録媒体の表面下に情報を格納し、その記録媒体の体積を記憶に使用する。しかし、ホログラフィックメモリは、データの記録および／または記憶媒体からのデータの読み出しに関して、速度限界を有する場合がある。さらに、ホログラフィックメモリ密度も制限されている場合がある。これらの問題は、メモリと先行技術のホログラフィックメモリシステムのさらなる必要性を記載することにより、より理解され得る。
【０００６】
パーソナルコンピュータおよび市販電子機器市場により推進される現在の技術は、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）、ダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）、およびフラッシュメモリを具体化した様々なものを開発することに焦点を当てている。ＤＲＡＭおよびＳＲＡＭは、ともに揮発性である。これらの密度は、ダイ当たり２５６Ｍビットに近い。最新の３Ｄマルチチップモジュール（ＭＣＭ）実装技術は、最大１００Ｇｂの記憶容量を有するソリッドステートレコーダ（ＳＳＲ）を作成するために使用されてきた。不揮発性であるフラッシュメモリは、急速に人気を得てきている。先行技術では、ダイ当たり２５６Ｍビットのフラッシュメモリ密度が存在する。高密度ＳＳＲも、３Ｄ ＭＣＭ技術を用いて作成できる。しかし、フラッシュメモリは、克服できない２つの限界に直面している。１つは、耐久性の限界（読み出し／書き込みサイクルを繰り返した後の破損）、もう１つは放射線耐性の低さ（超高密度実装用の電源回路の簡易化による）である。
【０００７】
ＮＡＳＡの将来の任務は、地球科学任務に対応するために、大容量の高速搭載データ記憶を必要とする可能性がある。地球科学観測に関しては、１９９９年のジェット推進研究所とゴダード宇宙飛行センター（ＧＦＳＣ）との共同研究（「高速データ転送機器研究」）は、ダウンリンク間に格納される搭載科学データ（ハイパースペクトルおよび合成アパーチャレーダーなどの高速データ転送機器によって収集されたデータ）は、２００３年には最大４０テラバイト（Ｔｂ）となると指摘していた。しかし、２００３年の搭載記憶能力は、わずか４Ｔｂと推定され、これは要求のわずか１０％に過ぎない。記憶能力ははるかに遅れを取っており、現在、搭載記憶要求のわずか１％にしか対応しないと考えられる。
【０００８】
その結果、先行技術の電子メモリは、ＮＡＳＡ任務の需要を満たすことができない。したがって、必要とされるものは、不揮発性、耐放射線性、長期耐久性を満足し、同時に全てのＮＡＳＡ任務に要求される高密度、高転送速度、低電力、質量、および体積を満たす新しいメモリ技術である。
【０００９】
体積ホログラフィは、主に高密度データ記憶技術とみなされてきた。体積ホログラフィでは、（コンパクトディスク［ＣＤ］および／またはデジタルビデオディスク［ＤＶＤ］などでのように）表面領域を使用するだけであることに代えて、記録媒体の体積を記憶用に使用する。従来、レーザを発射する場合、光分割器を用いて２つの光を生成する。１つの光は、物体または信号光／波面と称され、生バイナリデータのページをクリアおよびダークボックスとして表示する空間光変調器（ＳＬＭ）を通って進行する。バイナリコードのページからの情報は、信号光によって感光性ニオブ酸リチウム結晶（または、結晶の代わりにフォトポリマなどのその他のホログラフィック材料）に伝送される。第２の光は（光分割器により生成）、参照光と称され、結晶への別の経路を通って前進する。２つの光が出会うと、生成された干渉縞が、信号光によって伝送されたデータをホログラム（ホログラフィック格子とも称される）として結晶中の特定の領域に格納する。
【００１０】
データを格納するために使用される参照光の角度によって、種々のデータのページを結晶の同じ領域に格納することができる。結晶に格納されたデータを取得するために、参照光は、そのデータのページを格納するために入射した時と全く同じ角度で、結晶内に投影される。参照光が、全く同じ角度で投影されないと、そのページ取得は失敗となる。光は、結晶によって回折されるので、特定の位置に格納されたページの再生成が可能になる。再生成されたページは、次に電荷結合装置（例えば、ＣＣＤカメラ）上に投影することができるが、これはデータを解釈し、コンピュータに転送することができる。
【００１１】
したがって、上述のように、データが符号化された複雑な信号波面は、選択的かつコヒーレントな参照光への干渉によって、精巧なホログラフィック格子として媒体内部に記録される。信号波面は、同じ対応する参照光を用いて読み出すことによって、後に回復される。
【００１２】
ブラッグの法則は、回折光強度は、回折光が空間的にコヒーレントであり、構造的に同相である場合にのみ有意であると定めている。ブラッグの法則を用いて、しばしば結晶によって分散された光の干渉縞が説明される。結晶の高い空間性と、波長のブラッグ選択性により、多数のホログラムを同じ体積の中に選択的に格納し、読み出すことができる。これにより、１波長当たり１ビットの立方体データ記憶の体積密度、およびホログラム当たり最大メガバイト台に至るデータの固有パラメータが可能となる。
【００１３】
さらに、先行技術のホログラフィックメモリ密度は、バイナリホログラム（ピクセル値は、０か１のいずれか）を使用することによって、１テラバイトに到達し得る。そのようなシステムにより、最大１Ｇビット／秒の転送速度が達成できる。しかし、そのようなシステムは、現在の多くの記憶が必要とするよりも依然として少なくとも１桁小さい。
【００１４】
そのようなシステムに使用される、先行技術のバイナリ値によるホログラムを用いた記憶密度と転送速度は、システムの体積および電力消費を著しく増加させずに、１桁上げることはできない。したがって、新規のホログラフィックメモリアーキテクチャは、密度／帯域幅の必要性を満たすと同時に、多くの用途（例えば、ＮＡＳＡや国防総省での用途）における体積／質量／電力消費制約に対応するために必要であろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
それ故に、先行技術は、上述のように、十分なメモリ能力を提供することができない。先行技術のホログラフィックメモリシステムは、そのような能力を提供することを目的として発展してきた。しかし、先行技術のホログラフィックメモリシステムは、記憶容量／密度、効率性、速度、耐放射線性などをさらに一層向上できるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
数値的に記録し、光波面全体を再構成するための手法として、デジタルホログラフィは、計測学、ディスプレイ、データ記憶、および認証などの分野で非常に関心が高い。高い光スループットと良好な回折効率を示す高速空間光変調器は、デジタルホログラムの適切な光再構成を提供するために必要である。
【００１７】
本発明の１つ以上の実施形態は、ホログラフィック媒体の記憶密度を著しく増加させる多重ホログラム記録および読み出しシステムを使用する。このことから、デジタルマイクロミラーデバイスＳＬＭ（あるいは可変ミラーデバイスＳＬＭ）（ＤＭＤＳＬＭと称される）は、ミラーの物理的移動が原因で見られる悪影響を伴わずに、透過型ＬＣＤと比較して、優れた光スループット、回折効率、コントラスト、およびグレースケール範囲を提供するために用いられる。そのようなＤＭＤＳＬＭは、本発明の大きな利益を提供するために、バイナリあるいはパルス幅変調（ＰＷＭ）のいずれかのモードで使用することができる。
【００１８】
さらに、本発明は、入力光にＤＭＤＳＬＭを使用する能力と、参照光の高速光ステアリングとを組み合わせる。
【００１９】
以上の点を考慮して、本発明のホログラフィックメモリシステムは、多ビットホログラム（ｍｕｌｔｉｂｉｔ ｈｏｌｏｇｒａｍ）を格納するように構成されたフォトリフラクティブ結晶を使用する。シングルレーザダイオード（ｓｉｎｇｌｅ ｌａｓｅｒ ｄｉｏｄｅ）は、平行レーザ光を放出して、フォトリフラクティブ結晶に多ビットデータのページを書き込み、かつフォトリフラクティブ結晶から多ビットデータのページを読み出すように構成される。多重空間光変調器は、多ビットデータのページを平行レーザ光から分割される入力光上に符号化するために使用される。第１の画像化リレーレンズの対は、多重空間光変調器とフォトリフラクティブ結晶との間に位置付けられ、フォトリフラクティブ結晶の裏側の平面で、多ビット空間光変調器画像を画像化する。次に、ミラーを使用して、平行レーザ光から分割された参照光をフォトリフラクティブ結晶に高速で誘導し、多ビットデータのページを読み出す、あるいは書き込む。そのような高速光ステアリング装置は、液晶相アレイまたは微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーのいずれかを備えてもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
（ａ）多ビットホログラムを格納するように構成されたフォトリフラクティブ結晶と、
（ｂ）平行レーザ光を放出して、該フォトリフラクティブ結晶に多ビットデータのページを書き込み、かつ該フォトリフラクティブ結晶から多ビットデータのページを読み出すように構成されたシングルレーザダイオードと、
（ｃ）該多ビットデータのページを、該平行レーザ光から分割される入力光上に符号化するための多重空間光変調器と、
（ｄ） 多ビット空間光変調器画像を該フォトリフラクティブ結晶の裏側の平面上で画像化するための、該多重空間光変調器と該フォトリフラクティブ結晶との間に配置された第１の画像化リレーレンズの対と、
（ｅ） 該平行レーザ光から分割される参照光を該フォトリフラクティブ結晶に高速で誘導して、多ビットデータのページを読み出す、または書き込むように構成された１つ以上のミラーと
を備える、ホログラフィックメモリシステム。
（項目２）
上記平行レーザ光から取得した上記参照光および上記入力光は、上記フォトリフラクティブ結晶に干渉縞を生成し、上記多ビットホログラムを記録する、項目１に記載のシステム。
（項目３）
上記多重空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備える、項目１に記載のシステム。
（項目４）
上記１つ以上のミラーは、液晶相アレイを備える、項目１に記載のシステム。
（項目５）
上記１つ以上のミラーは、高速の微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備える、項目１に記載のシステム。
（項目６）
平行レーザ光を放出して、フォトリフラクティブ結晶に多ビットデータのページを書き込み、かつフォトリフラクティブ結晶から該多ビットデータのページを読み出すシングルレーザダイオードと、
該平行レーザ光を参照光と入力光とに分割することと、
該入力光を多重空間光変調器に通過させ、該入力光内にデータのページを符号化することと、
該入力光を第１の画像化リレーレンズの対に通過させ、多ビット空間光変調器画像を該フォトリフラクティブ結晶の裏側の平面上で画像化することと、
該参照光を該フォトリフラクティブ結晶に高速で誘導する１つ以上のミラーと、
該多ビットデータのページを、該誘導された参照光および該入力光によって生成された干渉縞の形で、該フォトリフラクティブ結晶に格納することと
を含む、データをホログラフィックメモリに格納する方法。
（項目７）
上記多重空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備える、項目６に記載の方法。
（項目８）
上記１つ以上のミラーは、液晶相アレイを備える、項目６に記載の方法。
（項目９）
上記１つ以上のミラーは、高速微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備える、項目６に記載の方法。
（項目１０）
多ビットデータの１つ以上のページを格納する手段と、
平行レーザ光を放出して、該格納する手段に書き込み、かつ該格納する手段から読み出す手段と、
該多ビットデータのページを、平行レーザ光から分割される入力光上に符号化する多重空間光変調器手段と、
多ビット空間光変調器画像を該格納する手段の裏側の平面上で画像化する手段と、
該平行レーザ光から分割される参照光を、該格納する手段に高速で誘導し、多ビットデータのページを読み出す、または書き込むように構成された１つ以上のミラーと
を備える、データをホログラフィックメモリに格納するための装置。
（項目１１）
上記平行レーザ光から取得した上記参照光および上記入力光は、上記格納する手段に干渉縞を生成し、多ビットホログラムを記録する、項目１０に記載の装置。
（項目１２）
上記多重空間光変調器は、デジタルマイクロミラーデバイスを備える、項目１０に記載の装置。
（項目１３）
上記１つ以上のミラーは、液晶相アレイを備える、項目１０に記載の装置。
（項目１４）
上記１つ以上のミラーは、高速微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを備える、項目１０に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、本発明の１つ以上の実施形態による、液晶ＢＳＳＬＭを使用する概略アーキテクチャを示している。
【図２】図２は、本発明の１つ以上の実施形態による、電気光学的光ステアリングを示している。
【図３】図３は、本発明の１つ以上の実施形態による、リアルタイム光学的パターン認識のために、ホログラフィックに格納され、取得されたフィルタデータを使用する光相関器のシステムアーキテクチャを示している。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の１つ以上の実施形態による、光ステアリングのためのＭＥＭＳミラーを使用する、ホログラフィックメモリシステムアーキテクチャを示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態による、ＤＭＤＳＬＭを使用する、ホログラフィックメモリシステムアーキテクチャを示している。
【図５】図５は、本発明の１つ以上の実施形態による、デュアルチャネル・多重ホログラムメモリシステムを示している。
【図６Ａ】図６Ａおよび６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって使用できる、ＤＭＤＳＬＭの写真を示している。
【図６Ｂ】図６Ａおよび６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって使用できる、ＤＭＤＳＬＭの写真を示している。
【図７】図７は、本発明の１つ以上の実施形態による、デジタルビットの機能として、最大フレームレートを示している。
【図８】図８は、先行技術の高精細度テレビおよび投影型ディスプレイ（ＤＬＰシステム）に使用される、ＤＭＤ素子を示している。
【図９】図９は、本発明の１つ以上の実施形態による、ホログラフィックメモリに使用できるＤＭＤＳＬＭの詳細アーキテクチャを示している。
【図１０】図１０は、本発明の１つ以上の実施形態による、多ビットデータをホログラフィックメモリに格納するための方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図面を参照すると、同じ参照番号は、全体を通して一致する部分を表している。
【００２２】
以下の記載において、その一部を成す添付の図面を照会するが、これは例として、本発明のいくつかの実施形態において示されている。本発明の範囲から逸脱することなく、その他の実施形態を使用してもよく、構造を変更してもよいことを理解すべきである。
【００２３】
（概要）
本発明の１つ以上の実施形態は、超高密度（テラバイト）と超広帯域幅（ギガビット／秒）ホログラフィックメモリのための、新しい概念とシステムアーキテクチャを提供する。多重ホログラム記録および読み出しシステムは、先行技術のバイナリホログラムの代わりに使用される。例えば、先行技術のホログラフィックメモリ密度は、バイナリホログラム（例えば、１ピクセル値は、０あるいは１のいずれか）を使用することによって、１テラバイトに到達できる。多重ホログラムを使用することによって、３ビット（８値）ホログラムを用いて、記憶密度を最大８テラバイトに増加させることができる。８ビットホログラムは、先行技術のシステムの体積、質量、および電力消費を著しく増加させることなく、記憶密度を２５６テラバイトに増加させることができる。
【００２４】
（ホログラフィックデータ記憶）
上述のように、ホログラフィックデータ記憶は、フォトリフラクティブ結晶内の多数のホログラムに、データを格納する事ができる。ホログラムは、ページデータ（画像またはバイナリビット）を伝送するデータ光と参照レーザ光によって生じる光干渉縞を（立方体形フォトリフラクティブ結晶に）記録することによって形成される。これらの画像は、フーリエ領域に格納され、ホログラム内に３次元の膨大な冗長性が構築されるため、格納されたホログラムは、媒体内の欠陥あるいは点欠陥を起こすことがないであろう。
【００２５】
ＬｉＮｂＯ３フォトリフラクティブ結晶は、その均一性、高い電気光学係数、高い光感受性、および商業的入手性から、最も完成したホログラフィックメモリ用記録材料である。ホログラフィックデータ記憶を使用することの１つの独自の利点は、その耐放射線性である。フォトリフラクティブ結晶に格納されたホログラムは、放射線耐性であると実験的に実証されている。例えば、ニオブ酸リチウムホログラフィックメモリを空間に流入すると、取得された結晶は表面損傷を受けただけで、そのホログラム記録のための光感受性は保持された。
【００２６】
（光ステアリング使用小型ホログラフィックメモリ）
ホログラフィックメモリシステムにおいて高速データ転送速度を達成するために必要な１つの重要な側面は、レーザ光ステアリング法である。種々の方法／システムを用いて、光ステアリング使用での速度を向上させることができる。
【００２７】
（液晶光ステアリング素子）
本発明の１つ以上の実施形態による、液晶光ステアリング空間光変調器（ＢＳＳＬＭ）は、高速光ステアリングに使用される。図１は、本発明の１つ以上の実施形態による、液晶ＢＳＳＬＭを使用した概略アーキテクチャを示している。アーキテクチャ１００は、多重ホログラム記録のための書き込みモジュール１０２と、ホログラム読み出しのための読み出しモジュール１０４から成る。
【００２８】
書き込みモジュール１０２は、コヒーレント光源としてのレーザダイオード１０６Ａ、角度多重光ステアリングのための１対の縦続接続したＢＳＳＬＭ１０８（各対において、１つは透過型１０８Ａ、１つは反射型１０８Ｂ）、記憶のデータ入力のためのデータＳＬＭ１１０、光形成のための２つの立方体形分割器１０７Ａと１０７Ｂ、およびホログラム記録のためのフォトリフラクティブ結晶１１２を含む。
【００２９】
読み出しモジュール１０４もフォトリフラクティブ結晶１１２を共有する。読み出しモジュールは、書き込みレーザダイオード１０６Ａと同じ波長を有するレーザダイオード１０６Ｂ、位相共役読み出し光（読み出し光は、書き込み光と反対に向けられる）を生成するための１対の縦続接続したＢＳＳＬＭ１１３Ａと１１３Ｂ、共有フォトリフラクティブ結晶１１２、立方体形光分割器、読み出しホログラムを記録するための光検出器アレイ１１４を含む。システムは、多重ホログラムを格納するための角度多重化方式と、各ホログラムを読み出すための位相共役光とを使用する。
【００３０】
ホログラムの書き込みでは、平行レーザ光１０６Ａが、第１の立方体形光分割器１０７Ａで２つの部分に分割する。水平に偏向した光は、第２の立方体形光分割器１０７Ｂを横切って進行し、データＳＬＭ１１０に衝突した後、入力データを読み出す。データ伝送光１０９は、次にデータ書き込み光と同様にＰＲ結晶１１２内に反射する。
【００３１】
レーザ光１１１の残りの部分は、垂直に進行し、ＢＳＳＬＭ１０８Ａを通過してから、第２の反射型ＢＳＳＬＭ１０８Ｂに反射する。両ＢＳＳＬＭ１０８は、格子周期によって決定される角度偏向を伴う光ステアリングが可能な１次元ブレーズド位相格子である。２つのＢＳＳＬＭ１０８を直交に縦続接続することにより、２次元光ステアリングが達成できる。あるいは、単一の２Ｄ光ステアリングＳＬＭを使用することもできる。偏向したレーザ光１１１は、ＰＲ結晶１１２に向けられ、干渉格子（ホログラム）を形成する。個々のホログラムは、それぞれ固有の参照角で書き込まれ、この角度（あるいはその共役角）でしか読み出されない。順次記録における参照光角度１１１を変えることにより、記録媒体に非常に多数のホログラムを記録することができる。
【００３２】
ホログラムの読み出しについては、革新的な位相共役アーキテクチャが図１に示される。位相共役方式は、最低限の歪み（低いビット誤り率）で、レンズを使用しないホログラム読み出しを可能にする。図１に示されるように、透過型１１３Ａおよび反射型１１３Ｂ ＢＳＳＬＭの第２の対は、位相共役読み出し光（書き込み参照光に対して）を提供するために用いられる。光がＰＲ結晶１１２に衝突した後、記録されたホログラムから回折した光は、位相共役特性により、ＰＲ結晶１１２から出て入力データ光経路を引き返す。その後この光は、光学部品の焦点を合わせ、対応するデータページを再構成する必要なく、ＰＲ結晶１１２に記録および格納されたように、光検出器アレイ１１４に直接衝突する。
【００３３】
（電気光学的光ステアリング）
本発明の代替実施形態では、図２に示されるような電気光学的光ステアリングを使用できる。平行レーザ光２０２は、まず偏光光分割器２０４Ａに入射し、２つの光に分割される。入力光は、データＳＬＭ２０６、レンズ２０８Ａ、ミラー２１０Ａ、ミラー２１０Ｂ、ミラー２１０Ｃ、レンズ２０８Ｂを順次通過し、それからＰＲＣ２１４（Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３フォトリフラクティブ結晶）に入射する。
【００３４】
レンズの対２０８Ａと２０８Ｂは、データＳＬＭ２０６のスループット画像をＰＲＣ２１４に中継するであろう。ミラーの組２１０Ａ〜２１０Ｃは、光路長を折り畳み、長くし、参照光の長さと等しくする。
【００３５】
参照光は、光分割器２０４Ａを出射した後、光分割器２０４Ｂ、ＢＳＳＬＭ２１２Ａ、光分割器２０４Ｂ（再度）、レンズ２０８Ｃ、光分割器２０４Ｃ、ＢＳＳＬＭ２１２Ｂ、光分割器２０４Ｃ（再度）、レンズ２０８Ｄを通過し、ＰＲＣ２１４に到達する。
【００３６】
データ光と参照光は、ＰＲＣ２１４の体積内で交差し、９０°の記録配列を形成する。両光は、入射面（参照および信号光によって形成される面）と直角の方向に偏光する。レンズの対２０８Ｃと２０８Ｄは、ＢＳＳＬＭ２１２ＡをＰＲＣ２１４表面に中継する。ＢＳＳＬＭ２１２Ａは、Ｃ軸と平行に、水平面（またはｘ軸）に沿って参照光を走査する。ＢＳＳＬＭ２１２Ｂは、参照光を垂直面（ｙ軸、またはフラクタル面）に誘導する。ホログラフィックデータ記録において、入力データの各ページにより形成される干渉縞は、ＰＲ結晶２１４に記録される。参照光の角度（および位置）は、入力データのページごとに変更される。読み出しでは、データ光を中断し、参照光を作用させてＰＲ結晶２１４を照射する。
【００３７】
ホログラフィック波面再構成の原理によって、特定の参照光角度に対応する、格納されたページデータを読み出すことができる。読み出しデータ光は、ＰＲＣ２１４から出射して、ミラー２１０Ｄとレンズ２０８Ｅを通過し、光検出器（ＰＤ）アレイ２１６に到達する。レンズの組２０８Ａ、２０８Ｂ、および２０８Ｅは、入力ＳＬＭ２０６をＰＤアレイ２１６に中継することに留意されたい。レンズの組によって生じる拡大率は、データＳＬＭ２０６とＰＤアレイ２１６のアスペクト比によって決定される。
【００３８】
図２に図示されるように、直交配置に縦続接続した２つの１次元ＢＳＳＬＭ２１２Ａおよび２１２Ｂを用いることにより、ホログラフィックデータの高密度記録および取得を可能にするブレッドボード構成で、２次元角度フラクタル多重化方式が形成される。
【００３９】
実験では、ホログラムは、まずｘ方向（面内）の角度変更により多重化され、ｙ方向の角度は変更されなかった。１列のホログラムの記録が終了した後、ｙ方向（入射面と直角）の角度が変更され、ｘ方向の角度変更とともにホログラムの次の列が記録された。ｘおよびｙの両角度変更は、完全にコンピュータ制御され、ランダムにアクセスできる。それにより、高品質ホログラムの長いビデオクリップの記録と取得を行なうことができる。
【００４０】
電気光学的光ステアリング方式を使用することの利点には、機械的動作を伴わないこと、高い転送速度（１Ｇｂ／秒）、ランダムアクセスデータアドレス指定、低体積、および低電力がありうる。
【００４１】
（光ステアリング空間光変調器）
上述のＢＳＳＬＭは、セラミックＰＧＡ（ピン・グリッド・アレイ）キャリアのＶＬＳＩ裏面上に実装された素子で実現できる。ネマチックツイスト液晶（ＮＴＬＣ）を充填した４０９６画素の１次元アレイは、ＳＬＭ（空間光変調器）表面上に展開されている。素子の開口サイズは７．４μｍ×７．４μｍであり、各画素の寸法は１．１８μｍ×７．４μｍである。そのような実施形態の応答時間は、２００フレーム／秒に到達し得る。
【００４２】
さらに、上記の実施形態におけるＮＴＬＣは、強誘電性液晶（ＦＬＣ）と置き換えてもよい。ＦＬＣを使用すると、速度を１桁上げることができる（すなわち、＞２０００フレーム／秒）。
【００４３】
上述のように、ホログラフィックデータ記憶の角度多重化のために、そのような電気光学的光ステアリング装置を使用することのいくつかの利点には、機械的に動作する部分がないこと、ランダムアクセスが可能な光ステアリング、低電圧／電力消費、大開口操作、ＡＯベースの装置のように嵩張る周波数補償用光学部品が必要ないことが含まれる。
【００４４】
上記に加え、カスタム位相−アレイプロファイルドライバを、ＢＳＳＬＭへの駆動プロファイルのダウンロードのためのＬａｂＶｉｅｗ（商標）ベースのシステムＨＷ／ＳＷ制御装置と共に使用してもよい。
【００４５】
（ホログラフィックメモリの記憶容量および転送速度）
本発明の実施形態にしたがって、多様なサイズおよびタイプの素子を使用することができる。
【００４６】
例えば、最大１６０，０００ページ（すなわち、１６０Ｇｂのメモリ）のホログラムを、それぞれの参照光に対して角度多重化を行なうための走査ミラーを用いて、体積１ｃｍ３のＬｉＮｂＯ３ ＰＲ結晶に格納できることが実証されている。しかし、機械的に制御される動作部を必要とする走査ミラー方式は、宇宙飛行には適さない。したがって、本発明の１つ以上の実施形態は、高速かつ高解像度の全電気光学制御の角度多重化方式を提供することができる。この点から、上述のように、本発明は全位相光ステアリング装置ＢＳＳＬＭを使用することができる。
【００４７】
透過型および反射型の両ＢＳＳＬＭを、高度ホログラフィックメモリ（ＡＨＭ）システムに使用することができる。透過型ＢＳＳＬＭ装置の例としては、約６４の解像可能な点を有する１×１０２４アレイがある。反射型ＢＳＳＬＭ装置の例としては、シリコンベースの１Ｄ回折光ステアリング装置がある。そのような反射型ＢＳＳＬＭ装置は、およそ１２８の解像可能な点を有する１×４０９６アレイであってもよい。本発明の実施形態にしたがって、解像可能な点の数がより大きい（約１８０）装置を提供することもできる。したがって、縦続接続したＢＳＳＬＭの解像可能な点の合計は、約１１，５２０であってもよい。光ステアリングのために２つの縦続接続したＢＳＳＬＭを使用することによって、合計１０，０００ページを超えるホログラムを、１立方センチメートルのＰＲ結晶に保存し、読み出すことができる。各ページが約１０００×１０００画素のデータ（１Ｍバイト）を格納できることから、総記憶容量は、１０ギガバイトに到達し得る。
【００４８】
別の例では、開口サイズ７．４ｍｍ×７．４ｍｍで、１×４０９６アレイを使用してもよい。あるいは、アレイサイズを２．５ｍｍ×２．５ｍｍ（１ｉｎ２）に拡大してもよく、対応するアレイ密度は１×１２０００となる。したがって、解像可能な角度の数は、２６６６にまで増加する。
【００４９】
上記の情報から、本発明のホログラフィックメモリ構成で使用される液晶ＢＳＳＬＭは、高密度ホログラフィック記憶にとって適切であり得ることがわかる場合がある。ＢＳＳＬＭの性能をさらにアップグレードすることにより、ホログラフィックメモリブレッドボードに記録できるホログラムの総数は、容易に２０，０００を超え得る。そのようなホログラフィックブレッドボードは、２０００ホログラムをｘ次元（角度方向）の各列とｙ次元（フラクタル方向）の１０列に記録することによって構成できる。
【００５０】
そのようなホログラフィックメモリシステムの記憶容量は、アップグレードした電気光学的ＢＳＳＬＭを使用すると、１０００画素×１０００画素の入力ページの場合、２０Ｇｂを上回る。これは５０００画素×５０００画素の入力ページを使用すると、５００Ｇｂにまで増加する。さらに小型化すると、ホログラフィックメモリを５ｃｍ×５ｃｍ×１ｃｍの立方体にまで縮小することが可能となる。そのようなホログラフィックメモリの立方体をメモリカード上に複数積み重ねることにより（例えば、１枚のカードに１０×１０の立方体）、カード１枚当たり２〜５０Ｔｂの記憶容量が達成できる。そのようなホログラフィックメモリシステムの転送速度は、２００Ｍｂ／秒（１Ｍの画素ページで２００ページ／秒）から５Ｇｂ／秒（２５Ｍの画素ページで２００ページ／秒）の範囲となり得る。
【００５１】
（光学的パターンによる巨大記憶の必要性に対応するための高度ホログラフィックメモリ（ＡＨＭ）技術の適用）
ＡＨＭ技術は、光学的パターン認識システムによる巨大データ記憶の必要性に対応することができる。この関連で、グレースケール光相関器が、大規模に開発され、パターン認識に適用されてきた。本発明は、リアルタイム自動標的認識（ＡＴＲ）のための小型グレースケール光相関器（ＧＯＣ）３０２を提供する。図３に示されるように、そのような光相関器３０２は、入力された画像のインコヒーレント−コヒーレント変換に対し８ビットグレースケール解像度を有する液晶空間光変調器（ＬＣ ＳＬＭ）３０４を採用してもよい。図３は、ホログラフィックに格納され、取得されたフィルタデータを用いて、リアルタイム光学的パターン認識を行なう、光相関器３０２のシステムアーキテクチャを示している。高密度ホログラフィックメモリ３０６からのグレースケールＭＡＣＨ（最大平均相関高）フィルタデータを含む読み出しデータは、ＧＯＣ３０２のフィルタＳＬＭドライバ３０８に直接送り込み、リアルタイムＡＴＲを可能にする。
【００５２】
フーリエ変換面において、両極振幅（実数）ＳＬＭを用いて、相関フィルタを符号化することができる。能力を符号化する実数相関フィルタは、歪み不変相関計算のための非常に強力な最適フィルタ計算アルゴリズムである最大平均相関高（ＭＡＣＨ）の使用を可能にしてきた。
【００５３】
ＧＯＣ３０２を用いる、より多用途のＡＴＲの主な限界のうちの１つは、電子メモリの厳しいサイズ制限である。そのようなＧＯＣ３０２は、１０００フレーム／秒の速度で相関フィルタを更新することができる。各フィルタは、５１２画素×５１２画素から成り、８ビットグレースケール解像度を有する。したがって、相関器３０２を全速で作動させるために、フィルタのデータスループットは、２ギガビット／秒となるであろう。転送速度は、磁気ハードディスクをはるかに上回る。ＳＤＲＡＭのみが、適切なデータ転送速度で使用できる。しかし、適当な数である１０００フィルタを搭載するには、２ギガビットのＳＤＲＡＭメモリを必要とするであろう。メモリボードのサイズと電力消費は、空および宇宙を運ばれるシステムにとっては過剰であり、対応できない。したがって、本発明は、ＧＯＣ３０２を使用するリアルタイムパターン認識のための代替的なメモリソリューションとして、ホログラフィックメモリ３０６を使用する。
【００５４】
更新可能な光相関器用にホログラフィックメモリシステムを使用することの固有の利点には、高い記憶密度、ランダムアクセス、高いデータ転送速度、およびグレースケール画像記憶能力がある。これら３つの特徴は全て、ＧＯＣ３０２のメモリ要件を十分に満たす。
【００５５】
（ホログラフィックメモリを備える光相関器を用いた光学的パターン認識の実験的検証）
本発明の１つ以上の実施形態は、光学的に実装されたＭＡＣＨ（最大平均相関高）相関フィルタを備えるポータブルＧＯＣを用いる。
【００５６】
実験的検証により、リアルタイム光学的パターン認識が説明されている。そのような実験的試験において、カムコーダサイズのＧＯＣを使用して、リアルタイムパターン認識を行なうことができるＣＨＤＳ（小型ホログラフィックデータ記憶）ブレッドボードを使用して、ＭＡＣＨ相関フィルタの格納、読み出しを行なうことができる。この実験ステップは、以下のように説明できる。まず、ＭＡＣＨ相関フィルタを作成するために、１組のトレーニング画像を選択することができる。次に、これらのＭＡＣＨフィルタをＣＨＤＳブレッドボード内に記録し、続いてＧＯＣのフィルタドライバ内に読み出し、ダウンロードしてよい。取得されたホログラフィックフィルタ画像のダイナミックレンジは、次に、慎重に保存することで、８ビット解像度を保持することができる。
【００５７】
リアルタイム光学的パターン認識走操作では、図３に示されるように、大きなＭＡＣＨ相関フィルタデータバンクが、まず音響に基づくホログラフィックメモリ３０６に格納されるであろう。読み出しホログラフィックデータは、次にＧＯＣ３０２のフィルタＳＬＭドライバ３０８に直接送り込まれ、高速フィルタ更新の必要に対応する。
【００５８】
ホログラフィックに取得されたＭＡＣＨフィルタ画像が、ＧＯＣ３０２のフィルタＳＬＭ３０８内にダウンロードされた後、以前の飛行試験で記録された入力場面のビデオを入力ＳＬＭ３０４送り込むことができる。入力された標的に関連する、種々の回転、スケール、視点での鋭利な相関ピークを、相関出力から得ることができる。
【００５９】
（１Ｄおよび２Ｄ電気光学的光ステアリングを備えるホログラフィックメモリブレッドボード）
本発明の１つ以上の実施形態は、ブックサイズの１Ｄホログラフィックメモリブレッドボードに実装してもよい。そのような実装は、光ステアリングにＢＳＳＬＭ装置を使用して、ホログラフィックデータの記録および取得における多重化の必要性を満たすことの実行可能性を実証できる。さらに、そのようなシステムは、単一のＢＳＳＬＭを使用してもよく、角度多重化のための１Ｄ光ステアリングを実証することができる。上記に加え、典型的なそのようなシステムは３０ｃｍ×２０ｃｍ×５ｃｍでよく、これは電話帳のサイズである。
【００６０】
あるいは、実施形態は、２Ｄ電気光学的な角度−フラクタル光ステアリングを備えるＣＤサイズの小型ホログラフィックメモリブレッドボードに実装してもよい。そのようなＣＤサイズのホログラフィックメモリブレッドボードは、１０ｃｍ×１０ｃｍ×１ｃｍの非常に小型のホログラフィックメモリモジュールとすることができる。コンパクトサイズのＶＬＳＩベースのＢＳＳＬＭは、光学部品の高度な設計を伴って、システムの体積をブックサイズからＣＤサイズへと大幅に縮小できる。そのようなブレッドボードは、１０ＧＢのホログラフィックデータを記録することができる。さらに、このシステム設計は、アップグレードバージョンが利用可能な場合に、キーデバイスの容易な置換を可能にする。そのようなキーデバイスには、空間光変調器、ＢＳＳＬＭ、およびＰＤ（光検出器）アレイが含まれる。さらに、システム記憶容量は、高解像度ＢＳＳＬＭの使用により、２桁増加することができる。
【００６１】
ＣＤサイズのホログラフィックメモリブレッドボードは、包括的なＬａｂＶｉｅｗベースのシステム制御装置を備えて作成することができる。したがって、システムを完全統合した上で自律的なデータ記録および取得が可能である。
【００６２】
したがって、上述のように、高度ホログラフィックメモリ技術を使用して、データ記録および読み出し時にランダムアクセスできる、高密度・高速ホログラフィックデータ記憶を可能にできる。液晶光ステアリング装置を使用することによって達成される革新的なＥ−Ｏ（電気光学的）光ステアリング方式が、これまで示されてきた。さらに、ＣＤサイズのホログラフィックメモリブレッドボードを統合して使用し、ホログラフィックデータを記録および取得することもできる。そのようなブレッドボードは小型であり、入力ページのサイズに応じて、１０Ｇｂ〜２５０Ｇｂの範囲の記憶容量を有する。
【００６３】
（高速光ステアリング用ＭＥＭＳミラー）
液晶（ＬＣ）ＢＳＳＬＭ位相アレイは、小型ホログラフィックメモリブレッドボードにおける高速光ステアリングのための使用には成功してきたが、光スループットの効率性を改善することは有益であろう。ＬＣ ＢＳＳＬＭにおける位相アレイによるスループット光の光回折によって、多数の回折次数（回折したレーザ光の第１次数以外）が存在するが、これらはホログラム記録に使用される。１次で１００％回折効率を達成することは非常に困難なため、相当の量のレーザ光エネルギーが、ゼロ次および高次の回線に拡散する。高次光はスプリアス干渉を引き起こし、しばしば記録されたホログラムの信号対雑音比を低下させる。
【００６４】
したがって、本発明の１つ以上の実施形態は、光ステアリング装置として、回折の代わりに光偏向を使用する高速走査ミラーを提供する。先行技術は、レーザ光ステアリング目的でのガルバノメータ制御ミラーの使用を説明している。しかし、ガルバノメータミラーは相当な質量を有するため、その走査速度が厳しく制限される可能性がある（例えば、ビデオ速度程度）。先行技術の限界を考慮して、本発明は、小型ホログラフィックメモリシステムにおける高速光ステアリングのために、新たなＭＥＭＳ（微小電子機械システム）ミラー技術の使用を提供する。
【００６５】
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）は、微細加工技術によって、機械構成部品、センサ、アクチュエータ、および電子装置を一般的なシリコン基板上で統合したものである。電子装置は、集積回路（ＩＣ）処理シーケンス（例えば、ＣＭＯＳ、バイポーラ、またはＢＩＣＭＯＳ処理）を用いて加工されるが、微小機械構成部品は、互換性のある「マイクロマシニング」プロセスを用いて加工される。このプロセスでは、シリコンウエハーの一部を選択的にエッチングで取り除く、あるいは新しい構造層を追加して、機械および電気機械素子を形成する。
【００６６】
ＭＥＭＳマイクロミラーは、微視的世界にまで「縮小」されたミラーである。そのようなＭＥＭＳマイクロミラーは、光ファイバの分野での適用を含め、種々の使途が可能である。あるいは、ＭＥＭＳマイクロミラーは、ホログラフィックメモリシステムにおける光ステアリングに使用することもできる。
【００６７】
これらのマイクロミラーの加工方法は、片持ち梁構造の加工方法と類似している（あるいは同一である）が、プロセスが完了した後、アルミニウムなどの反射層を梁の上に置いてもよい点が異なる。
【００６８】
ＭＥＭＳマイクロミラーは、ミラーの誘導に静電アクチュエーションを使用する。正電荷と負電荷は互いを誘引する（また、同じ電荷は反発する）ため、片持ち梁を形成して、その上に交互の正−負電荷を付与している間に正電荷を維持できれば、静電気によって、片持ち梁が上下に共振する。
【００６９】
上記を考慮すると、ＭＥＭＳミラーは、ホログラフィックメモリシステムにおける光ステアリング装置として、魅力的となりうる。光ステアリング装置としてＭＥＭＳミラーを使用することの利点には、高い光スループットの効率性（＞９９％反射力）、優れた光質（ミラーから反射した光は、回折光ステアリング装置のように、スプリアス回折を生成しない）、低質量、および高速が挙げられる。
【００７０】
光ステアリングにＭＥＭＳミラーを使用するホログラフィックメモリシステムアーキテクチャが、図４Ａに示されている。システム配置の詳細は、平行レーザ光４００がまず偏光光分割器４０２に入射し、出射する際に２つの光に分割されることを示している。入力光は、データＳＬＭ（空間光変調器）４０４、および画像リレーレンズの対４０６Ａ〜４０６Ｂ（それぞれ焦点距離ｆ１およびｆ２を有するレンズＬ１およびＬ２とも称される）を順次通過し、それから鉄ドープニオブ酸リチウム（Ｆｅ：ＬｉＮｂＯ３）のフォトリフラクティブ結晶（ＰＲＣ）４０８に衝突する。画像化リレーレンズの対４０６Ａ〜４０６Ｂを使用して、入力ＳＬＭ４０４の画像サイズを測定し、ＰＲＣ４０８の入力瞳のサイズと一致させる。画像化リレーレンズの対４０６Ａ〜４０６Ｂは、ＰＲＣ４０８の裏側に設置されたＣＣＤ４１０の記録面上で、入力ＳＬＭ４０４画像を鮮明に画像化することもできる。
【００７１】
ＰＲＣ４０８は、大容量の書換可能なホログラフィックメモリ記録が可能なホログラフィック記録装置である。他方の光（参照光）は、まず画像化リレーレンズの対４０６Ｃ〜４０６Ｄ（それぞれレンズＬ３およびＬ４とも称される）を通過してから、ＭＥＭＳミラー４１２に衝突する。レーザ光は、次にＭＥＭＳミラー４１２によって、既定の増分角度だけ偏向される。偏向された参照光は、継続して第３の画像化リレーレンズの対４０６Ｅ〜４０６Ｆ（それぞれレンズＬ５およびＬ６とも称される）を通過し、ＰＲＣ４０８に到達する。参照光とデータ光は、ＰＲＣ４０８の体積内で交差し、９０°の記録配列を形成する。レンズの対４０６Ｃ〜４０６Ｄの焦点長さ／距離（例えばｆ３＋ｆ４）および開口サイズは、入力ＳＬＭ４０４の開口とＭＥＭＳミラー４１２の開口とのスケール差を補正するように選択する。同様に、レンズの対４０６Ｅ〜４０６Ｆは、ＭＥＭＳミラー４１２とＰＲＣ４０８入射瞳とのスケール差に一致するように選択した寸法（例えば、焦点距離ｆ５およびｆ６）を有する。
【００７２】
ＭＥＭＳミラー４１２は、Ｃ軸と平行に、水平面（ｘ軸）に沿って参照光を走査する。ホログラフィックデータを記録するとき、ＭＥＭＳミラー４１２から偏向された角度は、それぞれの新しいデータページに対して、わずかな増分だけ変更される。したがって、各ページの入力データ光と特異的に配向された参照光との間に形成された干渉縞は、角度多重化方式でＰＲ結晶４０８に記録される。
【００７３】
読み出しにおいては、データ光は中断され、参照光を作用させてＰＲ結晶４０８を照射する。ホログラフィック波面再構成の原理によって、特定の参照光角度に対応する、格納されたページデータが読み出される。読み出しデータ光は、ＣＣＤ４１０記録面上で鮮明に画像化される。
【００７４】
（多重空間光変調器）
本発明の１つ以上の実施形態は、多重（複数相）空間光変調器を使用する。そのようなＳＬＭの例には可変ミラーデバイスがあるが、これはデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤＳＬＭ）とも称され、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入手可能である。ここで使用するＤＭＤＳＬＭという用語は、全ての形式の複数相空間光変調器を指し、これには可変ミラーデバイスまたはデジタルマイクロミラーデバイスも含まれる。
【００７５】
本発明のホログラフィックメモリシステムアーキテクチャは、最大１２ビットの高速データ入力変換のためのＤＭＤＳＬＭ、データ読み出しと転送のための適合するＣＭＯＳ光検出器アレイ、さらに光ステアリングのための動作部分を伴わない光ステアリング装置（上述のような液晶相アレイまたは高速ＭＥＭＳミラー）、ホログラフィックデータ記録のためのフォトリフラクティブ結晶、および関連する画像／光形成用光学部品を使用する。先行技術のバイナリ（２層）ＳＬＭの代わりに、時間多重化および多重ＤＭＤＳＬＭを使用することにより、多ビットホログラムを記録し、システムの体積を増加させずに、記憶密度を増加させることができる（３ビットホログラムでは８倍増加、８ビットホログラムでは２５６倍増加）。ＤＭＤＳＬＭは、優れた転送速度（７．６Ｇビット／秒以上）に関する能力も提供する。したがって、その結果得られるホログラムメモリシステムは、高密度、広帯域幅、および少ない体積を同時に実現する。
【００７６】
図４Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態による、多重ホログラフィックメモリシステムを示している。図示されているように、青色レーザアセンブリは、レーザを放出し、これはコリメータを通過して、平行光を生成する。平行光は、ミラーＭ５およびＭ６で反射して、光分割器に到達する。参照光は、画像リレーレンズの対ｆ５とｆ６、およびミラーｆ１を通過して高速光ステアリングミラーに到達する。その後、光は画像化リレーレンズの対ｆ３およびｆ４を通過し、ＰＲＣに到達する。データ／入力光は、光分割器からＤＭＤＳＬＭ（例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（商標）による）、ミラーＭ４、画像リレーレンズの対ｆ１ａｎおよびｆ１ｂへと通過する。このデータ／入力光は、ミラーＭ２によって反射され、ＰＲＣに到達し、ここで干渉縞の形で多ビット／多重ホログラムを記録することができる。焦点長さの違いが、適宜図面に示されている。図示されているように、画像化リレーレンズの対ｆ１ａ／ｆ１ｂは、多重空間光変調器とフォトリフラクティブ結晶との間に位置付けられ、多ビット空間光変調器画像をフォトリフラクティブ結晶の裏側の平面上で画像化する。
【００７７】
データを読み出すためには、入力光（ＰＲＣの格納された多ビットデータを含む）は、ＰＲＣから反射され、画像リレーレンズの対ｆ２Ａ／ｆ２Ｂを通過し、ミラーＭ３へ、そしてＢａｓｌｅｒ ＣＭＯＳセンサ上へと到達する。
【００７８】
図５は、本発明の１つ以上の実施形態による、デュアルチャネル・多重ホログラムメモリシステムを示している。システム５００中に示されるように、入力データは、青色ダイオードレーザ光５０２（データ光）と参照光５０４とに分割される。データ光５０２は、ＤＭＤＳＬＭの対（ＤＭＤＳＬＭ＃１およびＤＭＤＳＬＭ＃２）を通過して、多重／多ビット光を生成する。この多重／多ビット光は、画像化リレーレンズの対５０６として図示される光学部品を経由して、ブロック型フォトリフラクティブ結晶（ＰＲＣ５０８）上で集束される。参照光５０４は、走査ミラー５１０を経由して、ＰＲＣ５０８に向けられ、そこで複数層／ビットで干渉縞が記録される。
【００７９】
データを読み出すためには、参照光５０４を用いてＰＲＣ５０８を照射し、その出力がＣＭＯＳセンサ５０６上に記録される。
【００８０】
上記を考慮して、ＤＭＤＳＬＭは、ホログラフィックメモリシステム／立方体５００への入力装置として使用される。そのようなＤＭＤの使用により、７．６Ｇｂ／秒の転送速度が提供されるが、これは先行技術の強誘電性液晶ＳＬＭの約８倍の速度である。さらに、ＤＭＤＳＬＭは、２０００：１のハイコントラストで、８〜１０ビットグレースケール解像度を処理できるため、ＰＲＣ５０８内での多重デジタルホログラムを可能にする。そのような多重ホログラムは、３ビット解像度を維持する。したがって、データ記憶密度は、１ビット／画素から８ビット／画素（１バイト／画素）へと増加し、その結果、先行技術では７７５ＧＢであったのに対し、６．２テラバイトの記録を可能とする。
【００８１】
図６Ａおよび６Ｂは、本発明の１つ以上の実施形態にしたがって使用できるＤＭＤＳＬＭの写真を示している。そのようなＤＭＤＳＬＭは、先行技術のデジタル光プロセッサ（ＤＬＰ）に使用されてきた。ＤＬＰ技術は、ハイコントラストを備え、明るく、シームレスで、かつデジタル制御のみが達成できるカラーおよびグレースケールの精度を有する、デジタル・高解像度・カラー投影型ディスプレイを可能にする。ＤＬＰシステムでは、ＤＭＤのそれぞれのミラーが画素を表す。ＤＭＤの合計サイズを用いると、１６平方μｍ（１６μｍ×１６μｍ）の各ミラーが１．６４ｃｍ×１．２３ｃｍの開口サイズを実現することにより、１０２４画素×７６８画素の解像度が実現できる。さらに、ＤＬＰシステムにおいて、８または１０ビット解像度と、７．６Ｇｂ／秒（または最大９．７Ｇｂ／秒）のデータ転送／スループット速度とを利用することができる。そのようなスループットは、バイナリデータでは９，７００ｆｐｓ、３ビットデータでは１，２２０ｆｐｓ、８ビットデータでは３８ｆｐｓを提供する。さらに、高精細度（１９２０×１０８０解像度）では、２０．１Ｇｂ／秒のスループット速度が可能である。図７は、本発明の１つ以上の実施形態による、デジタルビットの機能としての最大フレームレートを示している。図示されているように、ビット／フレーム数が増加すると、最大フレームレートは減少する。
【００８２】
また図８は、先行技術の高精細度テレビおよび投影型ディスプレイ（ＤＬＰシステム）で使用されるＤＭＤ装置を図解している。さらに、図８は、バイナリ・パルス幅変調方式の例である。この簡単な例では、ＤＭＤアレイは、一定強度の光（図示せず）で照射され、４ビットワードのみがアレイに入力され、１６の可能なグレーレベルを表している。投影レンズは、各画素から反射した光を遠隔にある投影画面上で集束、増幅させる。明確にするために、中央列のみがアドレス指定されている。その他は暗状態（００００）にアドレス指定されたと仮定される。各ライトスイッチのメモリ要素に、電気的ワードを各ワードの最上位のビット（ＭＳＢ）から始めて、１ビットずつ入力する。
【００８３】
アレイ全体のライトスイッチがＭＳＢでアドレス指定ができると、個々の画素が有効になり（リセットされ）、それらのＭＳＢ状態（１または０）に対応して応答することができる。各ビット時間中に、次のビットがメモリアレイに読み出される。各ビット時間の終了時に、画素はリセットされ、次のアドレスビットに対応して応答する。このプロセスは、全てのアドレスビットがメモリに読み出されるまで繰り返される。
【００８４】
入射光はライトスイッチから反射し、電気的ワードの各ビットに表される継続時間を有する光束に切り替え、あるいは変調される。観察者にとっては、この光束は、４ビットの入力ワードの値に表される一定強度を有する光を身体で感じる目の積分時間と比較して、非常に短い時間に発生する。
【００８５】
上記を考慮して、図９に図示されるような、本発明のホログラフィックメモリに使用できるＤＭＤＳＬＭの詳細アーキテクチャを検討することができる。各画素のアドレス回路と電気機械的上部構造は、１６平方μｍのアルミニウムマイクロミラーの＋１０°からｐ；１０°までの高速かつ正確な回転という、１つの単純な機能に対応している。図８には、２つの画素のアーキテクチャが図解されているが、ここでは下部の構造が見えるよう、ミラーは半透明で示されている。ＤＭＤ画素は、ＣＭＯＳ ＳＲＡＭセル／基板上に加工された、モノリシックに集積したＭＥＭＳ上部構造セルである。犠牲層のプラズマエッチングにより、上部構造の金属層間に空隙が形成される。この空隙により、構造は、２つの弾性トーションヒンジを中心に自由に回転できる。ミラーは下部のヨークに接続されるが、これらは、２つの薄いトーションヒンジによって浮き上がり、ポストを支持している。ヨークは、下部のヨークアドレス電極に静電気により付着される。ミラーは、ミラーアドレス電極に静電気により付着される。ミラーとヨークは、ヨークが、ヨークと同電位の機械的ストッパに当って停止するまで回転する。機械的ストッパの位置は、ミラーの回転角度を＋１０°または−１０°に制限する。
【００８６】
下記の表１は、本発明の１つ以上の実施形態による、多重デジタルホログラム用いたデータ転送速度を示している。表１に記載の装置には、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ製のＤＭＤＳＬＭ、Ｒｅｄ Ｌａｋｅ（商標）製のＣＭＯＳセンサ、Ｃｈｒｏｍｕｘ（商標）製のＭＥＭＳミラーが含まれる。
【００８７】
【表１】
表２は、本発明の１つ以上の実施形態による、多重デジタルホログラムを用いた記憶密度を示している。
【００８８】
【表２】
（論理フロー）
図１０は、多ビットデータをホログラフィックメモリに格納するための方法を示すフローチャートである。ステップ１０００では、シングルレーザダイオードが、フォトリフラクティブ結晶に多ビットホログラムを書き込み、かつフォトリフラクティブ結晶から多ビットホログラムを読み出すために、平行レーザ光を放出する。ステップ１００２では、平行レーザ光が、参照光と入力光に分割される。
【００８９】
ステップ１００４では、多重空間光変調器（ＤＭＤＳＬＭ）が、多ビットデータのページを平行レーザ光から分割される入力光上に符号化する。ステップ１００６では、多重空間光変調器とＰＲＣとの間に設置された第１の画像化リレーレンズの対が、ＰＲＣの裏側の平面に、入力光（符号化されたデータを有する）（多ビット空間光変調器画像とも称される）を誘導／集束させる。上述のように、ＤＭＤＳＬＭは、デジタルマイクロミラーデバイスであってもよい（例えば、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓから入手可能）。
【００９０】
ステップ１００８では、１つ以上のミラーを用いて、平行レーザ光から分割された参照光を高速でＰＲＣに誘導し、多ビットデータのページを読み出す、あるいは書き込む。そのようなミラーは、液晶相アレイまたは高速微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーであってもよい。結果として、ステップ１０１０では、多ビットホログラムがＰＲＣに格納される（参照光と入力光による干渉縞に基づく）。
【００９１】
（結論）
ここで本発明の好ましい実施形態の説明を終了する。本発明の実施形態にしたがって、多重ホログラムによる高度ホログラフィックメモリ技術を用いて、データの記録および読み出し中のランダムアクセスが可能な、高密度・高速ホログラフィックデータ記憶を実現することができる。
【００９２】
本発明の好ましい実施形態についての上記の説明は、例証と説明の目的で提示してきた。これは包括的なものではなく、本発明を開示される正確な形式に限定するものではない。上記の教示を踏まえ、多くの修正および変更が可能である。本発明の範囲は、この詳細な説明によっても、また添付の特許請求の範囲によっても制限されるものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【請求項１】
明細書に記載の発明。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【公開番号】特開２０１２−１９８９８７（Ｐ２０１２−１９８９８７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１２−１６２６８４（Ｐ２０１２−１６２６８４）
【出願日】平成２４年７月２３日（２０１２．７．２３）
【分割の表示】特願２００８−５４１３３７（Ｐ２００８−５４１３３７）の分割
【原出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（３０５０５３５４７）カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１０月１８日（２０１２．１０．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１６２６８４（Ｐ２０１２−１６２６８４）
【出願日】平成２４年７月２３日（２０１２．７．２３）
【分割の表示】特願２００８−５４１３３７（Ｐ２００８−５４１３３７）の分割
【原出願日】平成１８年１１月１５日（２００６．１１．１５）
【出願人】（３０５０５３５４７）カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー (18)
【Ｆターム（参考）】
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