JP4964079B2

JP4964079B2 - 光制御装置

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Publication number: JP4964079B2
Application number: JP2007255322A
Authority: JP
Inventors: 哲彦室井; 紀彦石井; 延博木下; 直樹清水; 晃司上條
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2027-09-28
Also published as: JP2009086248A

Description

本発明は、波面制御器と光検出器により光を制御する光制御装置、特に、ホログラム再生装置における光制御技術の改良に関するものである。

近年、情報記録において光ディスクなどの光情報記録媒体が普及しつつある。また、より高速・大容量を目指した次世代光情報記録媒体の研究・開発が活発に行われている。
その中でも、記録容量を大幅に高めることができるという観点から、ホログラム記録再生方式を利用した種々の多重記録再生装置が提案されている（例えば、下記特許文献１）。

ここで、従来のホログラム記録再生装置を図５を用いて説明する。
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、偏光ビームスプリッタ２０６により２系の光束に分岐され、それぞれ信号光（物体光：実際には空間光変調素子２０８により信号光とされる）および参照光として機能せしめられる。
偏光ビームスプリッタ２０６により分岐された信号光は、偏光ビームスプリッタ２０７を介して空間光変調素子２０８に照射される。

記録すべきデジタル情報はページデータと称される２次元配列に整列され、空間光変調素子２０８に順次表示され、これにより通過する（反射する）光を空間的に変調する。空間光変調素子２０８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２０７において反射され、フーリエ変換レンズ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２１１へ照射される。このときホログラム記録媒体２１１中の信号光が通過する場所へ、別角度から、偏光ビームスプリッタ２０６で分岐した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を行う。そして、異なるページデータを空間光変調素子２０８に表示させつつ、参照光のホログラム記録媒体２１１への入射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。

なお、上記光路中には、光束を偏向するための反射ミラー２０５、２２１および光束を適宜通過／遮断するためのシャッタ２０９、２２３が配設されている。

一方、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、上記の如くして記録した際の入射角度と同一角度で参照光を記録媒体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、フーリエ変換レンズ（結像レンズ）２１２を介してＣＣＤ（撮像素子）２１３にて撮像することができる。

特開２００４−２７２２６８号公報 E. J. Fernandez and P. Artal,"Membrane deformable mirror for adaptive optics: performance limits invisual optics", Opt. Exp., Vol. 11, No. 9, pp. 1056-1069, 2003

しかしながら、ホログラム記録媒体として光感光性樹脂材料（フォトポリマー）を用いた場合、記録媒体内部に屈折率差を生じさせてホログラムを記録する。このとき光重合によりフォトポリマーが収縮する。そのため、記録された干渉縞が歪んでしまい、きれいな再生像が得られず、再生データのＳＮＲ（Signal to Noise Ratio）が低下する。

さらに、ホログラム記録媒体への信号記録時と信号再生時との間で温度差が生じた場合、記録媒体の歪み度合いに差異が生じる。このため、信号再生時には信号記録時と同様の照射条件で参照光を記録媒体に入射させたとしても、記録したビットデータを誤りなく再生することが難しく、再生データのＳＮＲに劣化が生じていた。

記録領域の全体に亘る歪みであれば、再生時において記録媒体に照射する上記参照光の入射角度を調整することにより再生光の波面の乱れを補償して、ＳＮＲを向上することができるが、記録媒体に局所的に不均一な歪みも同時に生じている場合には、上記参照光の入射角度を調整すること等によっては補償しきれない。

また、光検出器と波面制御器を用いた適応光学系において、波面制御器の入力信号に対する、光検出器で検出された光の波面や強度分布の応答が線形ならば、伝達関数を用いたフィードバック制御によって光の乱れを補償することができる（上記非特許文献１参照）ことになるが、ホログラム記録の再生光のように、波面制御器の入力信号に対する、光の波面や強度分布の応答が非線形となる場合には、その伝達関数が複雑になりフィードバック制御を行うことが困難である。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、波面制御器の入力信号に対する、光の波面や強度分布の応答が非線形となる場合であっても、波面制御器を用いて光波面の乱れを十分に補償することが可能な光制御装置を提供することを目的とするものである。

上述した目的を解決するために、本発明の光制御装置は、
データ情報を担持した信号光と、参照光との干渉により得られた干渉縞がページデータとして記録されてなるホログラム記録媒体に対し、前記参照光を照射して該ページデータを再生するホログラム再生装置に搭載された光制御装置であって、
前記ホログラム記録媒体に前記参照光を照射した際に得られる再生光を検出する光検出器と、前記ホログラム記録媒体の歪みによって前記再生光の波面に付与された非線形な光学歪みを補償するために前記参照光の波面を制御する波面制御器と、を備え、該波面制御器による制御は遺伝的アルゴリズムを用いた制御により行われることを特徴とするものである。

また、前記参照光の光路中に前記波面制御器を配設するとともに、前記再生光の光路中に光強度検出器からなる前記光検出器を配設したものとすることができる。

また、前記参照光の光路中に前記波面制御器を配設するとともに、前記再生光の光路中に波面センサからなる前記光検出器を配設したものとすることができる。

さらに、前記遺伝的アルゴリズムの初期集団の遺伝型の設定値を、前記ホログラム記録媒体特有の歪みを補償し得る設定値としたものとすることができる。

本発明の光制御装置においては、入力される光波に対して非線形な光学歪みを生じさせる歪み生成素子が含まれる系で構成されており、特にホログラム再生装置において生じる光の輝度分布あるいは波面の乱れを補償することが可能となるようにしている。これにより再生データのＳＮＲを向上させることが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、入力される光波に対して非線形な光学歪みを生じさせる歪み生成素子を含み、該歪み生成素子により付与される光学歪みを補償する波面制御器、および該波面制御器により制御された光波を検出する光検出器を備えた光制御装置の一態様を示す概念図である。

すなわち、レーザ光源３０１から出力された光は、ハーフミラー３２２を介して波面制御器３２６に入射されて波面が制御された後、ハーフミラー３２２に戻され、より非線形な光学歪みを生じさせる歪み生成素子３２７に入力される。光は歪み生成素子３２７において非線形な光学歪みが付与され、ハーフミラー３１４を介して外部に出力される。この際において、ハーフミラー３１４で分離された一部の光が光検出器３１３に入力され、光量の変化が検出され、この検出された光量変化に基づき計測制御装置３２５により、波面制御器３２６における波面の制御が行なわれる。

また、本実施形態においては、上述した波面制御器３２６による波面の制御が遺伝的アルゴリズムを用いて行われることが特徴とされている。

図２は、この波面制御器３２６における最適化制御において用いられる遺伝的アルゴリズムを説明するためのフローチャートである。

この遺伝的アルゴリズムは、まず個体数ｎからなる第ｋ世代集団Ｐ_ｋを決定する（Ｓ１）。個体の遺伝型は波面制御器２６を駆動する複数の駆動部（駆動部No.１〜ｘとする）の設定値とする。適応度は、例えばレーザの輝度均一性や波面のゼルニケ係数のＲＭＳとする。また、初期状態の集団Ｐ_０の各個体に対する波面制御器３２６の駆動部の設定値をランダムに決定する。次に複製との交叉を行なう。この交叉においては、集団Ｐ_ｋから選択された任意の２個体に対し、波面制御器３２６の駆動部No.ｘを交叉点として、各駆動部の設定値を入れ替える。複製に係る元の２個体と、新しく交叉して発生した２個体とを合わせた４個体が生成される。これをｎ／２回繰り返すことにより、個体数が２ｎ個の集団Ｐ_ｋ’を作成する（Ｓ２）。この集団Ｐ_ｋ’に対して、確率Ｆ_ｍで突然変異を起こす個体を選択する（Ｓ３）。選択された個体では、ランダムに選ばれた駆動部No.ｘにおいて、その設定値をランダムに決定しなおす。突然変異を経た集団Ｐ_ｋ'’の各個体について、波面制御器３２６の値を設定し、光検出器３１３によりレーザの輝度分布あるいは波面を測定し、適応度を求める（Ｓ４）。適応度の高い個体をｎ個選択し（Ｓ５）、第ｋ＋１世代集団Ｐ_ｋ＋１を形成する（Ｓ６）。これを繰り返すことにより、適応度の高い個体が残り、最適化がなされる。

以下、本実施形態について、下記２つの実施例を用いてさらに具体的に説明する。

≪実施例１≫
図３は本発明の実施例１に係るホログラム記録再生装置（本発明に係るホログラム再生装置の一態様である）の主要光学系を説明するための概略図である。以下、本装置を情報記録機能と情報再生機能とに分けて説明する。

＜情報記録機能＞
図３に示すように、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を透過し反射ミラー５により反射された後、偏光ビームスプリッタ６により２系の光束に分岐され、それぞれ信号光（物体光：実際には空間光変調素子８により信号光とされる）および参照光として機能せしめられる。

上記参照光は、波面制御器（詳細は後述する）２６により反射され、光束を適宜通過／遮断するためのシャッタ２３を介してホログラム記録媒体１１上の所定の領域に照射される。
一方、上記信号光は、偏光ビームスプリッタ７を介して空間光変調素子８に照射される。

空間光変調素子８としては、液晶表示パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス：Digital Micromirror Device）等のライトバルブが用いられる。空間光変調素子８上の各ピクセルがページデータ上の２値のデジタル情報に応じて光を通過（図１の例では反射）／遮断することで、空間的に光を変調する。この変調処理によりページデータ情報を担持した信号光が生成される。

空間光変調素子８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７において反射され、シャッタ９を通過した後フーリエ変換レンズ（ＦＴＬ：Fourier Transform Lens）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。このときホログラム記録媒体１１中の信号光が照射される領域へ、別角度から、上記参照光が同時に照射されるので、記録媒体１１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１１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、参照光の光路中のシャッタ２３の前後にはレンズ２２、２４が配設されている。

上記波面制御器２６としては、具体的には、液晶表示パネル（ＬＣＤ）やデフォーマブルミラー等を用いることができる。
また、異なるページデータを空間光変調素子８に表示させつつ、参照光のホログラム記録媒体１１への入射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１１中の同一領域へ多重記録することが可能となり、より高密度な情報格納が可能となる。

＜情報再生機能＞
次に、情報再生時においては、シャッタ２３を通過した参照光は、情報記録時と同様の入射角度および位置において、ホログラム記録媒体１１の所定の領域に照射される。なお、シャッタ９は閉じた状態とされる。

すなわち、所望のページデータを再生する場合には、この所望のページデータを記録した情報記録時と同一の参照光入射条件となるように設定して、参照光をホログラム記録媒体１１に入射せしめることにより、所望のページデータ情報を担持した再生光（回折光）がホログラム記録媒体１１から出力され、この再生光がフーリエ変換レンズ１２を介してＣＣＤ１３からなる撮像素子に入射し撮像される。

ところで、上述したように、上記波面制御器２６により設定される参照光の波面の態様は、計測制御装置２５からの指示信号に基づいて、制御されるようになっている。すなわち、参照光は計測制御装置２５からの指示信号に応じ、この波面制御器２６によって波面が制御され、ホログラム記録媒体１１に照射される。ホログラム記録媒体１１における光回折により得られた再生光はＣＣＤ１３において撮像される。

本実施例に係るホログラム記録再生装置によれば、遺伝的アルゴリズムを用いて波面制御器２６の制御を行うことによって、ホログラム記録媒体１１の歪みによる再生光の波面の乱れを補償することができる。

遺伝的アルゴリズムで用いる適応度は再生像の変動係数の逆数とし、集団の個体数ｎは、例えば１０個、遺伝型として、波面制御器２６の複数の駆動部の設定値は、例えば０〜１９２とする。図２に示すフローチャートに記載の操作を繰り返し行ない、変動係数の逆数が大きい個体が残るように制御することで、輝度均一性が改善された再生像が得られる。

なお、初期集団の遺伝型の設定値をホログラム記録媒体１１特有の大きな歪みを補償するような設定値とすることにより、制御を高速化することが可能となる。

また、本実施例において、適応度をビットデータのＳＮＲ（ＳＮ比）とし、ＳＮＲが高い個体が残るように制御を行うことも可能であり、この場合はビットデータのＳＮＲが高い再生像が得られる。

≪実施例２≫
図４は、本発明の実施例２に係るホログラム記録再生装置の主要光学系を示す概略図である。本実施例は、実施例１のホログラム記録再生装置と同様に構成されている（互いに対応する部材については、実施例１の部材の符号に１００を加えた符号により表す）が、以下の点において異なっている。すなわち、フーリエ変換レンズ１１２とＣＣＤ１１３の間の再生光の光路中には、ハーフミラー１１４が配されていて、このハーフミラー１１４で偏向されたホログラム記録媒体１１１からの再生光は、波面センサ１２７により受光されて波面が測定されるようになっており、この測定された波面情報は、上述した計測制御装置１２５に送出される。計測制御装置１２５は、この波面情報に基づき、再生光の波面を揃えるべく、前述した如く波面制御器１２６により設定される波面を制御する。この場合の波面の制御においても、上記実施例１で説明したのと同様の、遺伝的アルゴリズムが用いられる。このとき、適応度はゼルニケ係数のＲＭＳとして、ＲＭＳが小さくなる個体が残るように制御する。これにより、ホログラム記録媒体１１１の歪による再生光波面の乱れを補償することができる。これにより、ホログラム記録媒体１１１の所定の領域に局所的に、かつ不均一に歪みが生じるような場合であっても再生光波面の乱れを補償するように制御がなされることになる。

この実施例２によっても、上述した実施例１のものと同様の作用効果を得ることが可能である。

なお、本発明の光制御装置としては上記実施形態のものに限られるものではなく、その他の種々の態様の変更が可能である。例えば、装置の光学系を構成する部材の配置としては、必ずしも上記実施形態のものに限られるものではない。また、例えば、初期集団の遺伝型の設定値を前記歪み生成素子特有の歪みを補償し得る設定値とすることによっても、制御を高速化することが可能となる。

また、本発明の光制御装置は、ホログラム記録再生装置（ホログラム再生装置）以外の種々の光学的な制御装置に適応することができる。

本発明の実施形態に係る光制御装置の主要光学系を示す概略図本発明の実施形態に係る光制御装置において用いられる遺伝的アルゴリズムを説明するためのフローチャート本発明の実施例１に係るホログラム記録再生装置の主要光学系を示す概略図本発明の実施例２に係るホログラム記録再生装置の主要光学系を示す概略図従来技術に係るホログラム記録再生装置の主要光学系を示す概略図

符号の説明

１、１０１、２０１、３０１レーザ光源
２、１０２、２０２発散レンズ
３、１０３、２０３コリメートレンズ
４、１０４、２０４半波長板
５、１０５、１２８、２０５、２２１ミラー
６、７、１０６、１０７、２０６、２０７偏光ビームスプリッタ
８、１０８、２０８空間光変調素子
９、２３、１０９、１２３、２０９、２２３シャッタ
１０、１２、２２、２４、１１０、１１２、１２２、１２４、２１０、２１２レンズ
１１、１１１、２１１ホログラム記録媒体
１１４、３１４、３２２ハーフミラー
１３、１１３、２１３ＣＣＤ
２５、１２５、３２５計測制御装置
２６、１２６、３２６波面制御器
１２７波面センサ
３１３光検出器
３２７歪み生成素子

Claims

データ情報を担持した信号光と、参照光との干渉により得られた干渉縞がページデータとして記録されてなるホログラム記録媒体に対し、前記参照光を照射して該ページデータを再生するホログラム再生装置に搭載された光制御装置であって、
前記ホログラム記録媒体に前記参照光を照射した際に得られる再生光を検出する光検出器と、前記ホログラム記録媒体の歪みによって前記再生光の波面に付与された非線形な光学歪みを補償するために前記参照光の波面を制御する波面制御器と、を備え、該波面制御器による制御は遺伝的アルゴリズムを用いた制御により行われることを特徴とする光制御装置。
前記参照光の光路中に前記波面制御器を配設するとともに、前記再生光の光路中に光強度検出器からなる前記光検出器を配設したことを特徴とする請求項１記載の光制御装置。
前記参照光の光路中に前記波面制御器を配設するとともに、前記再生光の光路中に波面センサからなる前記光検出器を配設したことを特徴とする請求項１記載の光制御装置。
前記遺伝的アルゴリズムの初期集団の遺伝型の設定値を、前記ホログラム記録媒体特有の歪みを補償し得る設定値としたことを特徴とする請求項１から３のうちいずれか１項記載の光制御装置。