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ロールオフフィルターによるホログラムメモリーのSN比改善

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Academic year: 2021

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(1)12A-2      2017年映像情報メディア学会年次大会（ITE Annual Convention 2017）. ロールオフフィルターによるホログラムメモリーの SN 比改善 Improvement of SNR with Spatial Roll-Off Filter in Holographic Data Storage 片野 祐太郎† 室井 哲彦† 木下延博† 石井紀彦† Yutaro KATANO† Tetsuhiko MUROI† Nobuhiro KINOSHITA† and Norihiko ISHII† †NHK 放送技術研究所 †NHK Science and Technology Research Laboratories Abstract We designed an optical roll-off filter which cuts the high frequency components of the data page with suppression of the interpixel interference. We experimentally showed that this filter could increase the SNR of the reproduced data comparing with the use of conventional rectangle spatial low-pass filter.. 1. は じ め に 次世代光記録メディアとして期待されるホログラ ムメモリーは，映像アーカイブに適した記録システム で あ り ，実 用 化 に 向 け た 研 究 が 進 め ら れ て い る [1]．ペ ージデータと呼ばれる二次元データアレイを記録媒体 へ の 一 度 の 光 照 射 で 記 録 ま た は 再 生 で き る た め ,高 デ ータ転送速度が可能である．また，角度多重方式など により，同一箇所に異なるデータを重ね書きできるた め，高密度記録が期待できる．現在のページデータは 明暗の 2 値であるが，多値化などの手法によりページ. 図 1 ホログラムメモリーの記録再生光学系. データあたりの情報量を増やすことで，更なる性能の. 1. 1 隣接画素 領域. 必 須 で あ る ． 記 録 容 量 と SN 比 に 深 く 関 連 す る 要 素 の. 強度. 生 デ ー タ の SN 比 （ 信 号 対 雑 音 比 ） を 改 善 す る こ と が. 透過率. 向上が見込める．しかし多値化のためには，現状の再 0.5. 隣接画素 領域. 0.5. 一つとして, 空間フィルターが挙げられる．従来の空 間フィルターは記録密度の向上を目的として，記録時 にページデータの高周波成分を急峻にカットするため SN 比 が 低 下 す る ．そ こ で 本 報 告 で は ，ペ ー ジ デ ー タ の. 0. 位置 ナイキスト開口 ロールオフフィルター. 高周波成分を緩やかにカットするロールオフフィルタ ー に つ い て ,シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ る 設 計 ，実 際 の フ ィ ルター作製および記録再生特性の評価を行った．. 0. 位置 ナイキスト開口 ロールオフフィルター. (a). 図 2. (b). ロールオフフィルターの特性. (a)焦 点 面 (b)再 生 ペ ー ジ デ ー タ 面 用 さ れ ， こ れ に よ り 1 Tb/in 2 を 超 え る 記 録 密 度 の 報 告. 2. ロ ー ル オ フ フ ィ ル タ ー の 原 理. も さ れ て い る [2]．再 生 時 に は ，参 照 光 の み を 記 録 媒 体. 図１にホログラムメモリーの記録再生光学系を示. に照射し，ホログラムで回折された光（再生光）をカ. す ． SLM（ 空 間 光 変 調 器 ） に よ っ て ペ ー ジ デ ー タ 情 報. メラにより撮影することでデータを再生する．記録時. を重畳した信号光を，レンズの焦点付近に設けた記録. に空間フィルターによって高周波成分を失うと，再生. 媒体に照射させる．同時に平面波の参照光を媒体に照. ページデータ上では点像にぼやけが生じ，周囲の画素. 射 し ，生 じ た 光 の 干 渉 縞 を ホ ロ グ ラ ム と し て 記 録 す る ．. 領 域 に 光 が 漏 れ 出 す た め 符 号 間 干 渉 が 生 じ る ．つ ま り ，. 信号光はレンズによって光学的にフーリエ変換される. 空間フィルターによる記録密度の向上と再生データの. ため，焦点位置では，光軸を中心とした空間周波数分. SN 比 は ト レ ー ド オ フ の 関 係 に あ る ．. 布となる．ここで，標本化定理を満たすように低周波. これを改善するため，ロールオフフィルターによる. 成分のみを媒体に記録すれば，媒体への照射面積は小. 高 周 波 成 分 の フ ィ ル タ リ ン グ を 検 討 し た ． 図 2(a)に 空. さくなり，記録密度は向上する．そのために，ナイキ. 間フィルターの透過率特性を示す．従来のナイキスト. スト開口と呼ばれる空間的なローパスフィルターが使. 開口は矩形型の透過率分布であるのに対し，ロールオ.

(2) 12A-2      2017年映像情報メディア学会年次大会（ITE Annual Convention 2017）. フフィルターは高周波成分を滑らかにカットするよう. た 場 合 と 比 較 す る こ と で SN 比 改 善 見 込 み 量 1.3 dB を. な透過率分布である．フーリエ逆変換することで得ら. 得た．. れ る 再 生 ペ ー ジ デ ー タ 上 で の 輝 点 の 輝 度 分 布 は 図 2(b) のようになる．従来のナイキスト開口に比べると，ロ ールオフフィルターを使用することにより，隣接画素 への光の漏れ込みを抑制できることがわかる．. 4. 作 製 し た ロ ー ル オ フ フ ィ ル タ ー シミュレーション結果を元に作製したロールオフ フ ィ ル タ ー の 透 過 率 特 性 を 図 3 に 示 す ．Cr の 金 属 膜 を 12 層 積 層 さ せ る こ と で ，外 周 か ら 中 心 部 に 向 か っ て 階. 3. シ ミ ュ レ ー シ ョ ン. 段状に透過率が高くなる透過率分布とした．設計値に. ロールオフフィルターによる再生ページデータの. 対 す る 平 均 誤 差 率 は 4.6 %と な っ た ．. SN 比 改 善 量 に つ い て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を お こ な っ た ． シミュレーション条件を表 1 に示す．焦点面において 光軸を座標中心とした位置 x におけるロールオフフィ ル タ ー の 透 過 率 T(x)を 式 (1)で 定 義 し た ．. ( )=. ⎧ ⎪ ⎨ ⎪ ⎩. 1. 1−. +. (. 1−. 0. 0≤ ). (. ≤. < ). 5. 記 録 再 生 実 験 作製したフィルターをホログラムメモリー光学系 に組み込んで記録再生実験をおこない，従来のナイキ. (. <. ≤. (. ). スト開口型フィルターと比較検証した． ). (1). 再生されたそれぞれのページデータの拡大図を図 4 に 示 す ．中 央 部 の 赤 線 で 囲 ま れ た 領 域 は ，記 録 時 SLM に表示したページデータにおいては全て暗点の領域で. こ こ で ，R は 開 口 サ イ ズ（ 半 値 全 幅 ），α は ロ ー ル オ. ある．ナイキスト開口を使用した場合では，周囲の輝. フ係数である．サンプリング定理を満たすためには，. 点からの光が漏れているのに対し，ロールオフフィル. 表 1 の 条 件 か ら 開 口 サ イ ズ R は 1.5 mm 以 上 で あ る 必. ターを使用することでそれを抑制できることがわかる．. 要 が あ る ． 今 回 は ， 装 置 マ ー ジ ン を 持 た せ る た め 1.8. また，図 4 の緑線で囲まれた領域においては，ナイキ. mm と し た ． ま た ， SN 比 は 式 (2)で 定 義 し た ． − = 20log +. スト開口の場合には輝度漏れによる符号間干渉が生じ. ここで，. および. は暗点の平均輝度，. (2). ているのに対し，ロールオフフィルターを使用した場 合 で は シ ン ボ ル ど う し が 独 立 し て い る の が わ か る ．SN. は，ページデータ中の輝点また. 比 の 測 定 結 果 は ， そ れ ぞ れ 5.4 dB， 6.7 dB と な り ， 1.3. および. dB の 改 善 を 確 認 し た ．. は，輝点または暗点の. 標準偏差を示す． シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 結 果 ，ナ イ キ ス ト 開 口 を 使 用 し 表 1. シミュレーション条件 405 nm 8.0 μm 29.8 mm 0.4. 波長 λ SLM の 画 素 ピ ッ チ Δp レンズの焦点距離 f ロールオフ係数 α. 透過率. リ ー の SN 比 改 善 検 討 を 行 っ た ． 信 号 光 の フ ー リ エ 変 換面で高周波成分を緩やかにカットすることで，符号 間干渉が抑制できることをシミュレーションで確認し た．実際に作製したロールオフフィルターを光学系に 善 し ,そ の 有 用 性 を 確 認 し た ．. 1.8 mm. 0.5. -2. -1. 0. ナイキスト開口 ロールオフフィルター（設計） ロールオフフィルター（作製）. 1. 2. 位置 [mm]. 図 3. 光学ロールオフフィルターによるホログラムメモ. 組 み 込 み ， 記 録 再 生 実 験 の 結 果 か ら ， SN 比 1.3 dB 改. 1. 0. 6. ま と め. 作製したロールオフフィルターの透過率特性. (a) 図 4. (b). 再生ページデータの比較. (a)ナ イ キ ス ト 開 口. (b)ロ ー ル オ フ フ ィ ル タ ー. 文. 献. [1] Yutaro Katano, Tetsuhiko Muroi, Nobuhiro Kinoshita, and Norihiko Ishii ：“ Prototype Holographic Drive with Wavefront Compensation for Playback of 8K Video Data”，Proc. IEEE International Conference on Consumer Electronics, pp.317-318 (Jan. 2017) [2] T. Muroi, Y. Katano, N. Kinoshita, and N. Ishii： “ High Density Data Recording Using Angle and Peristrophic Multiplexing in Holographic Memory ”， EOSAM, TOM3 S03(Sep. 2016) †日本放送協会. 放送技術研究所. 〒 157-8510 東 京 都 世 田 谷 区 砧 1-10-11 TEL.03-5494-3276. E-mail: [email protected].

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