JP2014109687A - ３次元ホログラム形成方法及び３次元ホログラム形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高性能であると共に信頼性が高く、かつ高効率で３次元ホログラムを形成できる３次元ホログラム形成方法及び３次元ホログラム形成装置を提供する。
【解決手段】フォトリフラクティブ複合体が設けられたフォトリフラクティブ素子２に、電界を印加した状態で、フォトリフラクティブ性を発現可能な波長を有する物体光Ｂ１１及び参照光Ｂ２１を照射してホログラム像を記録するステップであって、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる物体光Ｂ１１及び参照光Ｂ２１の波長を選択し、フォトリフラクティブ素子２に当該物体光Ｂ１１及び参照光Ｂ２１を照射してホログラム像を記録し、ホログラム像が記録されたフォトリフラクティブ素子２にプローブ光Ｂ３１を照射して当該ホログラム像を表示させる。
【選択図】図１

Description

本発明は静止画及び動画像を３次元映像として立体表示させる３次元ホログラム形成方法及び３次元ホログラム形成装置に関する。

ある種の物質は良好な電荷輸送能を有することが知られており、その応用事例としてフォトリフラクティブ効果がある。フォトリフラクティブ効果とは、レーザーを照射するとポッケルス効果によって物質の屈折率が変化することである。具体的には２本のコヒーレントなレーザー光をクロスさせて媒体に照射する場合が挙げられる。クロスしたビームは互いに干渉し、媒体に周期的な干渉縞が形成される。この干渉縞においては、明所・暗所が交互に交差し、明所では媒体が光励起されて電荷キャリアが生成され、生成された電荷キャリアは、媒体に印加された外部電場によって明所からドリフト移動し、暗所でトラップされる。これにより、媒体には、周期的な電荷密度の分布が生じる。この周期的な電荷密度の分布は、ポッケルス効果を介して媒体に屈折率の周期的な変化を誘起する。

このようなフォトリフラクティブ効果を用いることで、歪曲した媒体からのイメージング、実時間ホログラフィー、超多重ホログラム記録、３Ｄディスプレイ、３Ｄプリンター、更には光増幅、光ニュートラルネットワークを含む非線形光情報処理、パターン認識、光リミッティング、高密度光データの記憶等への応用が期待されている。

フォトリフラクティブ媒体を用いて３次元画像を記録及び再生する技術として例えば次の技術が挙げられる。フォトリフラクティブ材料に、芳香族第３級アミンとアルデヒドとの付加重合体を用いることで当該材料の応答速度、安定性、機械強度等を向上させたホログラム表示装置が知られている（特許文献１）。

分子量１５００以上のカルバゾール化合物、分子量１０００以下のカルバゾール化合物及び増感剤、可塑剤をそれぞれ所定の配合量で含有させたフォトリフラクティブ材料を用いた素子を組み込んだホログラム表示装置が知られている（特許文献２）。

特開２００１−２５５５６６号公報 特許２００５−２２７３１１号公報

特許文献１及び特許文献２のホログラム表示装置でホログラム像を表示させる場合、高い電界下でフォトリフラクティブ素子の応答性等の機能を発現させている。装置の高機能化を実現するには、フォトリフラクティブ素子に高電界を印加する必要があるが、高電界を長時間印加すると、当該素子を構成する樹脂の劣化が生じてしまう。例えば有機ＥＬディスプレイを高機能化するには高電界を印加することが必要であるが、高電界を長時間印加することで素子が絶縁破壊し易くなる。更に、高い電圧を要するため必要電力量が大きくなり、非効率であるといった問題もある。

そこで本発明は上記従来技術の問題点に鑑み、高性能であると共に信頼性が高く、かつ高効率で３次元ホログラムを形成できる３次元ホログラム形成方法及び３次元ホログラム形成装置を提供することを目的とする。

本発明者は上記課題を解決するべく鋭意検討を行った。高機能化、信頼性及び高効率の観点から３次元ホログラム像をより低電界で形成させることが重要であると考えこの点に着目した。その結果、回折効率と印加電界の相関関係がレーザー波長に依存することを見いだし、これにより上記課題を解決するに至った。

即ち本発明の３次元ホログラム形成方法は、フォトリフラクティブ複合体が設けられたフォトリフラクティブ素子に、電界を印加した状態で、フォトリフラクティブ性を発現可能な波長を有する物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録するステップであって、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる前記物体光及び参照光の波長を選択し、前記フォトリフラクティブ素子に当該物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録するステップとを含むことを特徴とする。

本発明の３次元ホログラム形成方法によれば、ホログラム像を記録するステップで、フォトリフラクティブ素子に、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる波長の物体光及び参照光を選択して照射するため、従来よりも格段に低い電界強度で高い性能を発現させることができる。フォトリフラクティブ素子に高電界が印加されず、絶縁破壊を生じさせることがないため、高い耐久性を得ることができる。更に、低電圧でホログラム像の記録が可能となっているため必要電力量が小さくてすみ、効率的である。

前記波長は、例えば４００ｎｍ〜６５０ｎｍであり、前記電界の強度は、例えば０Ｖ／μｍ〜４０Ｖ／μｍである。

前記フォトリフラクティブ複合体が下記式（１）で表されるトリフェニルアミンアクリレートポリマーを含有していることが好ましい。
上記式で表されるトリフェニルアミンアクリレートポリマーは、３次元ホログラムを形成するためのフォトリフラクティブ複合体の組成物として本発明に好適に用いられるものである。この化合物は、フォトリフラクティブ複合体として従来では用いられていなかった全く新規な化合物であり、本発明の目的である高性能化、高い信頼性及び高効率化を高い次元で達成可能とすることができる。

本発明の３次元ホログラム形成装置は、フォトリフラクティブ複合体が設けられたフォトリフラクティブ素子と、前記フォトリフラクティブ素子に電界を印加した状態で、フォトリフラクティブ性を発現可能な波長の物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録する記録機構であって、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる前記波長を選択して前記フォトリフラクティブ素子に照射し、ホログラム像を記録する記録機構と、ホログラム像が記録された前記フォトリフラクティブ素子にプローブ光を照射して当該ホログラム像を表示させる表示機構とを備えることを特徴とする。

本発明の３次元ホログラム形成装置によれば、ホログラム像を記録する記録機構で、フォトリフラクティブ素子に、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる波長の物体光及び参照光を選択して照射するため、従来よりも格段に低い電界強度で高い性能を発現させることができる。フォトリフラクティブ素子に高電界が印加されず絶縁破壊を生じさせることがないため、高い耐久性を得ることができる。更に、低電圧でホログラム像の記録が可能となっているため必要電力量が小さくてすみ、効率的である。この装置のフォトリフラクティブ素子に用いるフォトリフラクティブ複合体は、上記式（１）で表されるトリフェニルアミンアクリレートポリマーを含有していることが好ましい。

上記の通り本発明によれば、ホログラム像を記録するステップで、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる波長の物体光及び参照光を選択してフォトリフラクティブ素子に照射することで、格段に低い電界強度で高い性能を発現させることができる。従って、フォトリフラクティブ素子に絶縁破壊を生じさせないことから高い耐久性を得ることができる。更に、低電界でホログラム像の記録が可能となっているため必要電力量が小さくてすみ、効率的である。これにより、高性能、高い信頼性及び高効率性を兼ね備えた３次元ホログラム形成装置を提供することができる。

本発明の３次元ホログラム形成装置の一例を示す概略構成図である。 本発明の３次元ホログラム形成装置の他の例を示す概略構成図である。 （ａ）はレーザー波長を変えた場合の電界強度と回折効率の関係を表したグラフであり（ｂ）は可塑剤を変えた場合の電界強度と回折効率の関係を表したグラフである。 コインのホログラム像を描く前の写真と、フォトリフラクティブ素子に映し出されたホログラム像の写真である。 図２の装置を用いた場合のフォトリフラクティブ素子に連続的に映し出されたホログラム像の写真である。 ＰＶＣｚに配合する可塑剤を変えた場合のレーザー波長と回折効率及び感度の関係を表すグラフである。 ＰＤＡＳを用いた場合のレーザー波長と回折効率及び感度の関係を表すグラフである。

以下、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の３次元ホログラム形成装置の一例を示す概略構成図である。３次元ホログラム形成装置１は、ホログラム像を記録かつ表示させるフォトリフラクティブ素子２と、物体光及び参照光をフォトリフラクティブ素子２に照射することによりホログラム像を記録する記録機構３と、プローブ光をフォトリフラクティブ素子２に照射することにより、記録機構３で記録されたホログラム像を表示する表示機構４とで主に構成されている。

ホログラム像を記録する本実施形態の記録機構３は、レーザーを発振するレーザー発振器１０と、このレーザー発振器１０から発振されたレーザービームを反射させる第１の固定ミラー１１と、この第１の固定ミラー１１で反射したレーザービームの光軸上に配置された第１の半波長板１２と、この第１の半波長板１２を通過したレーザービームを分割してｐ-偏光とｓ−偏光の第１、第２の偏光レーザービームＢ１、Ｂ２とする偏光ビームスプリッター１３と、第１の偏光レーザービームＢ１の光軸上に配置された第２の半波長板１４と、この第２の半波長板１４を通過した第１の偏光レーザービームＢ１を反射させる第２の固定ミラー１５と、この第２の固定ミラー１５で反射したレーザービームのビーム径を拡大して物体５へ照射し、物体光Ｂ１１とする第１の光学系１６と、第２の偏光レーザービームＢ２のビーム径を拡大する第２の光学系１７と、この第２の光学系１７で拡大されたレーザービームを反射させて参照光Ｂ２１とする第３の固定ミラー１８とで構成されている。

第１の光学系１６はレンズ２０からなり、第２の光学系１７はレーザービームのビーム径を拡大するレンズ２１とレンズ２２とからなるが、これらの光学系を構成するレンズの数、種類は限定するものではない。

レーザー発振器１０から発振されたレーザービームは第１の固定ミラー１１で反射され、第１の半波長板１２を通過後、偏光ビームスプリッター１３で分割される。ｐ-偏光の第１の偏光レーザービームＢ１は偏光ビームスプリッター１３を直進し、ｓ−偏光の第２のレーザービームＢ２は偏光ビームスプリッター１３で反射される。第１の半波長板１２を回転させることによって、偏光ビームスプリッター１３を直進するｐ−偏光の第１の偏光レーザービームＢ１と、偏光ビームスプリッター１３で反射されるｓ−偏光の第２の偏光レーザービームＢ２の強度比を変えることができる。

偏光ビームスプリッター１３を通過したｐ−偏光の第１の偏光レーザービームＢ１は、第２の半波長板１４でｓ−偏光に変換される。第２の半波長板１４で変換されたｓ−偏光の第１の偏光レーザービームＢ１は、第２の固定ミラー１５で反射される。第２の固定ミラー１５で反射されたｓ−偏光の第１の偏光レーザービームＢ１のビーム径は、レンズ２０で拡大される。ビーム径を拡大されたｓ−偏光の第１の偏光レーザービームＢ１は、物体５に照射され、物体光Ｂ１１となる。

偏光ビームスプリッター１３で反射したｓ−偏光の第２の偏光レーザービームＢ２は、レンズ２１とレンズ２２とを通過後、そのビーム径が拡大される。ビーム径が拡大されたｓ−偏光の第２の偏光レーザービームＢ２は、第３の固定ミラー１８で反射され、参照光Ｂ２１となる。本実施形態の装置では、複数のレーザー発振器が備えられているか、又は波長を可変のレーザー発振器が備えられており、レーザー波長を調整することができる。従って、レーザー波長を調整することで、物体光Ｂ１１と参照光Ｂ２１の波長を変更してフォトリフラクティブ素子２に照射できる。

物体光Ｂ１１が参照光Ｂ２１と共にフォトリフラクティブ素子２に照射され、当該物体光Ｂ１１に含まれる空間的な強度分布及び位相分布を干渉縞として、当該物体光Ｂ１１の空間情報がフォトリフラクティブ素子２に記録される。

記録されたホログラム像を表示する表示機構４は、レーザーを発振するレーザー発振器２４と、このレーザー発振装置２４から発振されたレーザービームの光軸上に配置されたプローブ光用半波長板２５と、このプローブ光用半波長板２５を通過したレーザービームを反射させる第４の固定ミラー２６と、この第４の固定ミラー２６で反射されたレーザービームのビーム径を拡大するプローブ光用光学系２７と、このプローブ光用光学系２７で拡大されたレーザービームを反射させてプローブ光Ｂ３１とする第４の固定ミラー２８とで構成されている。プローブ光用光学系２７は、２つのレンズ２９、３０からなるが、当該光学系を構成するレンズの数、種類は限定するものではない。

レーザー発振器２４から発振されたレーザービームは、プローブ光用半波長板２５でｐ−偏光に変換され、第４の固定ミラー２６で反射される。反射したｐ−偏光のレーザービームのビーム径は、レンズ２９とレンズ３０とで拡大される。ビーム径が拡大されたｐ−偏光のレーザービームは、第４の固定ミラー２８で反射されてプローブ光Ｂ３１となる。記録機構３によって書き込まれた空間情報は、ｐ−偏光のプローブ光Ｂ３１でホログラム像として読み出され、フォトリフラクティブ素子２に表示される。

フォトリフラクティブ素子２には、電界を印加するための電界印加装置３４が接続されており、当該素子２に電界を印加した状態で、ホログラム像を記録及び表示できる。更に、フォトリフラクティブ素子２と視認点３５との間には、物体光Ｂ１１と参照光Ｂ２１とをカットするためのカラーフィルター３６が設置されている。

以上の３次元ホログラム形成装置１によって、フォトリフラクティブ素子２へ記録機構３による物体光Ｂ１１と参照光Ｂ２１とを照射し、それと同時に、表示機構４によるプローブ光Ｂ３１を照射する。これにより、物体画像をホログラム像としてフォトリフラクティブ素子２に記録するのと同時に、そのホログラム像をフォトリフラクティブ素子２へ表示させ、カラーフィルター３６を通して再生画として見ることができる。

図２は本発明の３次元ホログラム形成装置の他の例を示す概略構成図である。３次元ホログラム形成装置５０は、ホログラム像を記録かつ表示させるフォトリフラクティブ素子２と、物体光及び参照光をフォトリフラクティブ素子２に照射することによりホログラム像を記録する記録機構５１と、プローブ光をフォトリフラクティブ素子２に照射することにより、記録機構５１で記録されたホログラム像を表示する表示機構５２とで主に構成されている。

ホログラム像を記録する記録機構５１は、レーザーを発振するレーザー発振器５５と、このレーザー発振装置５５から発振されたレーザービームの光軸上に配置された第１の半波長板５６と、この第１の半波長板５６を通過したレーザービームを反射する第１の固定ミラー５７と、この第１の固定ミラー５７で反射されたレーザービームのビーム径を拡大する第１の光学系５８と、この第１の光学系５８で拡大されたレーザービームを分割してｐ-偏光とｓ−偏光の第１、第２の偏光レーザービームＢ５、Ｂ６とする偏光ビームスプリッター５９と、このうち第１の偏光レーザービームＢ５の偏光状態を変換して物体光Ｂ５１とする空間光変調器５３と、物体光Ｂ５１を拡散板６７に拡大投影させるための第２の光学系６０と、第２の光学系６０を通過した物体光Ｂ５１を反射させる第２の固定ミラー６１と、物体光Ｂ５１を投影するための拡散板６７と、偏光ビームスプリッター５９で分割された第２の偏光レーザービームＢ６のビーム径を拡大するレンズ５４と、このレンズを通過した偏光レーザービームＢ６を反射させて参照光Ｂ６１とする第３の固定ミラー６２とを備えている。拡散板６７に投影された像が物体光Ｂ５１となりフォトリフラクティブ素子２に照射される。

第１の光学系５８はレーザービームのビーム径を拡大するレンズ６３とレンズ６４とからなり、第２の光学系６０はレーザービームを拡散板６７に拡大投影させるためのレンズ６５からなるが、これらの光学系を構成するレンズの数、種類は限定するものではない。

レーザー発振器５５から発振されたレーザービームは、第１の半波長板５６を通過後、第１の固定ミラー５７で反射される。反射したレーザービームのビーム径が、レンズ６３とレンズ６４とで拡大される。拡大されたレーザービームは、偏光ビームスプリッター５９で分割され、ｐ-偏光の第１の偏光レーザービームＢ５は偏光ビームスプリッター５９を直進し、ｓ−偏光の第２のレーザービームＢ６は偏光ビームスプリッター５９で反射される。第１の半波長板５６を回転させることによって、偏光ビームスプリッター５９を直進するｐ−偏光の第１の偏光レーザービームＢ５と、偏光ビームスプリッター５９で反射されるｓ−偏光の第２の偏光レーザービームＢ６の強度比を変えることができる。

偏光ビームスプリッター５９で反射されたｓ−偏光の第２のレーザービームＢ６は、第３の固定ミラー６２で反射されて参照光Ｂ６１となる。偏光ビームスプリッター５９を通過したｐ-偏光の第１の偏光レーザービームＢ５は、空間光変調器５３に照射される。空間光変調器５３の偏光特性によりｐ-偏光の第１の偏光レーザービームＢ５は、ｓ−偏光のレーザービームに変換されて反射する。空間光変調器５３で反射されたｓ−偏光の第１の偏光レーザービームＢ５は、物体光Ｂ５１となり、偏光ビームスプリッター５９に戻り、反射される。偏光ビームスプリッター５９で反射された物体光Ｂ５１は、レンズ６５で集光されつつ、第２の固定ミラー６１で反射され、拡散板６７に投影されフォトリフラクティブ素子２に照射される。本実施形態の装置でも、複数のレーザー発振器が備えられているか、又は波長を可変のレーザー発振器が備えられており、レーザー波長を調整することができる。従って、レーザー波長を調整することで、物体光Ｂ１１と参照光Ｂ２１の波長を変更してフォトリフラクティブ素子２に照射できる。

物体光Ｂ５１が参照光Ｂ６１と共にフォトリフラクティブ素子２に照射され、当該物体光Ｂ５１に含まれる空間的な強度分布及び位相分布を干渉縞として、当該物体光Ｂ５１の空間情報が、フォトリフラクティブ素子２に記録される。

空間光変調器５３にはコンピューター６８が接続されている。このコンピューター６８には、動画を記録するＣＭＯＳカメラが６９繋がれている。回転ステージ７０上で回転する人形（物体）７１の動きがＣＭＯＳカメラ６９で記録され、その映像がコンピューター６８の画面上に映し出されるようになっている。

表示機構５２のレーザー発振器２４から発振されたレーザービームは、プローブ光用半波長板７９でｐ−偏光に変換される。ｐ−偏光のレーザービームのビーム径はレンズ２９とレンズ３０とで拡大されてプローブ光Ｂ７１となる。

フォトリフラクティブ素子２には、電界を印加するための電界印加装置３４が接続されており、当該素子２に電界を印加した状態で、ホログラム像を記録及び表示できる。電界印加装置３４の電界強度は調整可能である。フォトリフラクティブ素子２と視認点３５との間には、物体光Ｂ５１と参照光Ｂ６１とをカットするためのカラーフィルター３６が設置されている。記録機構５１によって書き込まれた空間情報がｐ−偏光のプローブ光Ｂ７１によってホログラム像として読み出され、フォトリフラクティブ素子２に表示される。フォトリフラクティブ素子２に表示されたホログラム像の光はカラーフィルター３６を通過し視認される。

以上の３次元ホログラム形成装置５０によって、フォトリフラクティブ素子２へ記録機構５１による物体光Ｂ５１と参照光Ｂ６１とを照射し、それと同時に表示機構５２によるプローブ光Ｂ７１を照射する。空間光変調器５３に表示されるコンピューター６８の映像をホログラム像としてフォトリフラクティブ素子２に記録するのと同時に、そのホログラム像をフォトリフラクティブ素子２へ表示させることができる。即ち、空間光変調器５３に表示される動画像のホログラム像をリアルタイムに表示させることができる。なお、以上の各３次元ホログラム形成装置１、５０は例示であり、限定するものではなく、例えば他の構成を含ませるようにしてもよい。

本願発明者は、フォトリフラクティブ性能に反映される回折効率と、電界強度との相関関係が物体光及び参照光の波長に依存することを見いだし、低電界下で所定以上の回折効率が得られる波長を選択することで、３次元ホログラム形成装置の高性能化、高信頼性化及び高効率化を実現するに至った。フォトリフラクティブ性能が物体光及び参照光の波長に依存するという考え方は、従来には無かった全く新しい概念であり、本発明は、この概念を基礎とし、更には、特定のフォトリフラクティブ複合体を用いる技術からなる。

物体光及び参照光を形成するレーザー波長の好ましい範囲は４００ｎｍ〜６５０ｎｍであり、現実的に用いられるレーザー波長としては５３２ｎｍ〜６３３ｎｍである。縦軸を回折効率とし横軸を電界強度とした相関関係は、ある電界強度で回折効率のピークが現れる山型となる。物体光及び参照光の波長が短くなるに従って、回折効率のピークが低電界側にシフトし、同じ電界値でも回折効率が高くなることが認められる。ただ、物体光及び参照光の波長が短くなりすぎると、フォトリフラクティブ素子２への物体光及び参照光の透過性が極度に低下する。物体光及び参照光の透過性が低下すると、回折効率が低下する。つまり、物体光及び参照光の波長は、単に短かくなればよいのではなく、当該波長には上記の好適な範囲が存在する。従って、高い回折効率を得るのと同時に、印加する電界がより低くなるように、最適なレーザー波長を選択する点に本発明の特徴がある。更には、フォトリフラクティブ複合体の選択、フォトリフラクティブ素子２の製造条件及び使用環境も、フォトリフラクティブ性能及び耐久性に影響を与える要素であり、これらも考慮しつつ、最適なレーザー波長を選択する。

良好なフォトリフラクティブ性能を得るための回折効率の好ましい値は１０％以上である、ここでいう性能とは、ホログラム像の明るさ及び鮮明性、ホログラム像を形成する応答時間をいう。回折効率を高くするに伴って、印加する電界強度も大きくなる。回折効率と電界強度との相関関係は、フォトリフラクティブ複合体の種類等に関係して変化するが、回折効率は、例えば１０％〜６０％程度、１０％〜４５％程度、又は１０％〜３０％程度となるように電界強度を調整する。電界強度の好ましい範囲は０〜４０Ｖ／μｍであり、より好ましくは０〜３０Ｖ／μｍ、最も好ましくは０〜２０Ｖ／μｍである。フォトリフラクティブ素子２に印加する電界に、このような低強度の電界を用いれば、フォトリフラクティブ素子２の絶縁破壊を生じ難くし、フォトリフラクティブ素子２を長期に渡って使用し続けることができる。また、低い電圧を使用すればよいので、必要電力量が大きくなり、高効率な装置とすることができる。

以上説明したとおり、低強度の電界で高い回折効率が得られるレーザー波長を選択し、それと共に１０％以上の回折効率が得られるように電界強度を調整し、調整した電界をフォトリフラクティブ素子２に印加し、選択した波長を当該フォトリフラクティブ素子２に照射する。

フォトリフラクティブ性能の指標として次の数式で表される感度Ｓを用いることができる。回折効率が大きく、単位面積当たりのレーザーエネルギーが小さく、応答時間が短くなると、感度Ｓは高くなる。即ち、感度Ｓが高くなることは、ホログラム像が明るくなり、ホログラム像を形成する速度が大きくなることを意味する。

（η：回折効率、Ｉ：単位面積当たりのレーザーエネルギー、τ：応答時間）

従って、上記式で表される感度Ｓが高くなるレーザー波長を選択し、低強度の電界を印加することで、フォトリフラクティブ素子２の高い応答性、明るさ及び高い耐久性を得ることができる。このような条件下でフォトリフラクティブ素子２を用いれば、良好な応答時間が得られ、それと共に電界強度が抑えられてフォトリフラクティブ素子２が長時間の印加に耐えることができる。即ち、低い電界強度で高い性能を得ることができることになり、高性能化、高耐久性及び高効率化を実現することができる。

以上の各３次元ホログラム形成装置１、５０によって次の３次元ホログラム形成方法を実現することができる。即ち、フォトリフラクティブ複合体が設けられたフォトリフラクティブ素子２に、電界を印加した状態で、フォトリフラクティブ性を発現可能な波長の物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録するステップであって、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる前記波長を選択して前記フォトリフラクティブ素子に照射し、ホログラム像を記録するステップと、ホログラム像が記録された前記フォトリフラクティブ素子にプローブ光を照射して当該ホログラム像を表示するステップとを含む３次元ホログラム形成方法である。

（回折効率及び応答時間の測定）
回折効率（％）及び応答時間の測定は公知の方法を用いた。回折効率の測定は、フォトリフラクティブポリマー素子２に電界を印加した状態で４光波混合法によって測定した。測定には波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー、波長５９４，５６１，５３２ｎｍの半導体レーザーを用いた。フォトリフラクティブ効果によって生じる回折効率、即ち屈折率変化の大きさΔｎは、ブラッグ回折の強度測定から評価できる。書き込み光により屈折率格子を生じた試料に、ブラッグ条件で同一波長の低出力のプローブ光を逆伝搬で入射させ、屈折率格子により回折する光の強度を観測することで回折効率を測定できる。応答時間は、Kohlrausch-Williams-Watts（ＫＷＷ）式によるフィッティングで算出した値を用いた。

フォトリフラクティブ素子２の構造は限定するものではない。フォトリフラクティブ素子２の具体的な構成として、フォトリフラクティブ複合体と、このフォトリフラクティブ複合体を挟持する２枚の板材で構成されたものが挙げられる。各板材の内側に、導電性透明膜を被覆してもよい。導電性透明膜としては、例えば酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）膜などが挙げられる。各板材は、例えば四方形状に形成されたガラス製の板材である。

（フォトリフラクティブ複合体）
フォトリフラクティブ複合体は、フォトリフラクティブポリマーに増感剤、非線形光学色素等を添加するか、又はフォトリフラクティブ機能を有するポリマーに、必要に応じてその他の化合物を配合することによって得ることができる。本発明では、ホログラム像を書き換え可能なフォトリフラクティブ複合体を用いている。

本発明に適用される最も好適なフォトリフラクティブ複合体として、下記式（１）で表されるトリフェニルアミンアクリレートポリマー（ＰＤＡＡ）を主成分とし、このポリマーに他の化合物を配合したＰＤＡＡ複合体が挙げられる。このＰＤＡＡ複合体を用いることが最も好適であることを、本願発明者が多くの実験を積み重ねることで見出した。配合剤としては、例えば増感剤、非線形光学色素及び可塑剤が挙げられる。ＰＤＡＡは、３次元ホログラムを形成するためのフォトリフラクティブ複合体として従来では適用されていなかった全く新規な化合物であり、本発明の目的である高性能化、高信頼性化及び高効率化を高い次元で達成可能とすることができる。即ち、ＰＤＡＡを用いれば、低電界下で高い性能を発揮できることから、高耐久性かつ高効率であり、ホログラム像が明るく、高い鮮明度が得られ、しかもホログラム像のフルカラー化を実現することができる。

トリフェニルアミンアクリレートポリマーは、例えば下記式（２）のようにして合成できる。合成法が記載された文献としては下記のものが挙げられる。
Hsu,J.-C.,Chen,Y.,Kakuchi,T.&Chen,W.-C.Synthesis
of Linear and Star-Shaped Poly[4-(diphenylamino)benzyl methacrylate]s by Group
Transfer Polymerization and Their Electrical Memory Device Applications.
Macromolecules 44, 5168-5177 (2011)。
Fehervari,A.F.,Kagumba,L.C.,Hadjikyriacou,S.,Chen,F.&Gaudiana,
R.A.Photoluminescence
and excimer emission of functional groups
in
light-emitting polymers。J.Appl.Polym.Sci.87,1634-1645(2003)。

その他のフォトリフラクティブ複合体として、ポリビニルカルバゾ−ル（ＰＶＣｚ）、又はカルバゾールを側鎖に有するビニルポリマー類に、増感剤、非線形光学色素及び可塑剤を混合させたＣｚポリマー複合体が挙げられる。

ポリ（ジフェニルアミノ）スチレン（ＰＤＡＳ）に、増感剤、非線形光学色素及び可塑剤を混合させたＰＤＡＳ複合体が挙げられる。特にＰＤＡＳ複合体は、電界を印加時に３０フレーム毎秒のビデオレートに追従する応答性を発現させることができる。

複数のカルバゾール環を分子内に有する低分子化合物に、増感剤、非線形光学色素及び可塑剤を混合させた分子ガラス複合体が挙げられる。芳香族第３級アミンとアルデヒドとの付加重合体に、増感剤、非線形光学色素を混合させたトリフェニルアミン類ポリマー複合体が挙げられる。

（増感剤）
増感剤は、電子受容体としての性能を有しており、フォトリフラクティブ性を高めるために配合される。増感剤が配合されると、当該増感剤と、フォトリフラクティブポリマーとにより、電荷移動錯体が形成され、高いフォトリフラクティブ性が発現される。

増感剤の具体例として、（２、４、７−トリニトロ−９−フルレニィリデン）マロニトリル（ＴＮＦ−ＤＭ）、［６、６］−フェニルＣ_６１ブタン酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）、２、４、７−トリニトロ−９−フルオレノン（ＴＮＦ）、フラーレンＣ_６０、フラーレンＣ７０、テトラシアノベンゼン（ＴＣＢＮ）、テトラシアノキノジノメタン（ＴＣＮＱ）、ベンゾキノン（ＢＱ）及びその誘導体、２、６−ジメチル−ｐ−ベンゾキノン（ＭＱ）、２、５−ジクロロ−ｐ−ベンゾキノン（Ｃｌ_２Ｑ）、２、３、５、６−テトラクロロ−ｐ−ベンゾキノン（クロラニル）、２、３−ジクロロ−５、６−ｐ−ベンゾキノン（ＤＤＱ）等が挙げられる。なお増感剤は、一種のものを単独で使用してもよく、２種類以上のものを併用しても良い。

増感剤の含有量としては、フォトリフラクティブポリマー１００重量％に対して、下限値として０．１重量％が好ましく、０．５重量％が更に好ましく、１重量％が最も好ましい。上限値として３０重量％が好ましく、２０重量％が更に好ましく、１０重量％が最も好ましい。増感剤の含有量が３０重量％よりも多いと、増感剤による電荷移動錯体の濃度が高くなるため、光の吸収の増大が招来されて光の透過度が顕著に低下してしまう。

（非線形光学色素）
非線形光学色素は、２次の非線形光学特性を示すドナーアクセプター型分子であり、電場によって屈折率が変化する２次非線形光学材料である。非線形光学色素の具体例として、２、５−ジメチル−４−（ｐ−ニトロフェニルアゾ）アニソール（ＤＭＮＰＡＡ）、４−アミノ−４‘−ニトロアゾベンゼン（ＡＮＡＢ）、ｓ−（−）−１−（４−ニトロフェニル）−２−ピロリジン−メタノール（ＮＰＰ）、４−（ジエチルアミノ）−（Ｅ）−β−ニトロスチレン（ＤＥＡＮＳＴ）、（ジエチルアミノ）ベンツアルデヒドジフェニルヒドラゾン（ＤＥＨ）、ＰＤＣＳＴ、ＡＯＤＣＳＴ、［［４−（ヘキサヒドロ−１Ｈ−アゼピン−１−イル）フェニル］メチレン］プロパンジニトリル（７−ＤＣＳＴ）、ＴＤＤＣＳＴ、ＤＣＤＨＦ−６、２−（４−アゼパン−１−イル−２−フルオロベンジリデン）−マロノニトリル（ＦＤＣＳＴ）等のアミノシアノスチレン類が挙げられる。なお、非線形光学色素は、１種のものを単独で使用してもよく、２種類以上のものを併用しても良い。

非線形光学色素の含有量は、フォトリフラクティブポリマー１００重量％に対して、下限値として２０重量％が好ましく、３０重量％が更に好ましい。上限値として５０重量％が好ましく、４０重量％が最も好ましい。非線形光学色素の含有量が２０重量％よりも少ないと、フォトリフラクティブ効果に必要な回折効率や利得係数が得られない場合がある。非線形光学色素の含有量が５０重量％よりも多いと、他の成分との量比にアンバランスが生じて、フォトリフラクティブ複合体の設計に悪影響を及ぼす場合がある。

（可塑剤）
可塑剤はフォトリフラクティブポリマーのガラス転移温度を低下させる役割を果たす。可塑剤の具体例として、エチルカルバゾール（ＥＣＺ）またはプロピオン酸カルバゾイルエチル（ＣｚＥＰＡ）、トリフェニルアミン（ＴＰＡ）、フタル酸ベンジルブチル（ＢＢＰ）、フタル酸ジシクロヘキシル（ＤＣＰ）リン酸トリクレジル（ＴＣＰ）、フタル酸ジフェニル（ＤＰＰ）、Ｎ−メチル−1−ピロリドン、Ｎ−オクチル−1−ピロリドン、Ｎ−デシル−1−ピロリドンなどのＮ−アルキル−1−ピロリドン類、並びに２−(１、２−シクロヘキサンジカルボキシイミド)エチルプロピオネート) (ＡＸ２２)、２−(１、２−シクロヘキサンジカルボキシイミド)エチルブチレート、２−(１、２−シクロヘキサンジカルボキシイミド)エチルベンゾエート、２−(１、２−シクロヘキサンジカルボキシイミド)エチルアクリレート、２−(フタルイミド)エチルプロピオネート（ＡＸ２３) などのイミド化合物等、更には、下記式（３）で表される４−ジフェニルアミノフェニルメタノール（ＴＰＡＯＨ）が挙げられる。

可塑剤は、可塑効果のために入れる配合剤であるが、入れすぎるとフォトリフラクティブポリマー及び非線形光学色素の含有率を下げ、フォトリフラクティブ効果を低下させるおそれがある。例えば、フォトリフラクティブポリマーであるＰＤＡＡのガラス転移温度は７５℃であり、このガラス転移温度を下げるために用いられる。可塑剤の含有量は、フォトリフラクティブポリマー１００重量％に対して、下限値として０重量％が好ましく、上限値として４０重量％が好ましく、１０重量％が更に好ましく、４重量％が最も好ましい。可塑剤の含有量が４重量％よりも少ないと、十分な可塑効果が得られず、また、フォトリフラクティブ効果に必要な回折効率や利得係数が得られない場合がある。可塑剤の含有量が４０重量％よりも多いと、他の成分との量比にアンバランスが生じてフォトリフラクティブ複合体の設計に悪影響を及ぼす場合がある。

フォトリフラクティブ複合体の膜厚は２０〜１００μｍが好適である。膜厚が２０μｍ未満であればブラッグ回折条件を満たし難く、１００μｍを超えると印加電圧の上昇や吸収の増大を招くおそれがある。

（フォトリフラクティブ複合体の製法）
フォトリフラクティブ複合体は、フォトリフラクティブポリマー、非線形光学色素、増感剤等を溶媒に溶解させる溶解工程と、この溶媒を留去する溶媒留去工程と、サンドイッチ型デバイス作製工程とを含む製造方法によって製作される。溶解工程では、フォトリフラクティブポリマー、非線形光学色素、増感剤等を所定の割合にて溶媒に溶解する。溶媒としては特に限定されるものではなく、テトラヒドロフラン（ＴＨＦ）、Ｎ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）やジメチルホルムアミド等が使用され、好ましくはＴＨＦである。溶解温度は室温程度であればよく、必要に応じてスターラーチップにより溶液を撹拌してもよい。

溶媒留去工程では、各成分が溶解された溶液の溶媒を除去する。溶媒を除去する方法としては特に限定されるものではなく、例えば板材上でキャストフィルムを得るようにすればよい。具体的には、ガラス板上に各成分が溶解された溶液を流延しその後、室温で溶媒を蒸発させ、続いてこれを真空乾燥器に入れて溶媒を更に蒸発させフォトリフラクティブ複合材を得る。サンドイッチ型デバイス作製工程では、例えばポリイミドスペーサーを四隅に配置した２枚のガラス板の間に、フォトリフラクティブ複合材を入れる。これを加温しながら真空プレス機で圧着し、フォトリフラクティブ素子を得る。フォトリフラクティブ複合体の製法は限定するものではなく、構成に応じた最適な製法を採用すればよい。

上記実施形態の３次元ホログラム形成方法及び３次元ホログラム形成装置によれば、ホログラム像を記録するステップで、フォトリフラクティブ素子に、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる波長の物体光及び参照光を選択して照射するため、従来よりも格段に低い電界強度で高い性能を発現させることができる。フォトリフラクティブ素子に高電界が印加されず、絶縁破壊を生じさせることがないため、高い耐久性を得ることができる。更に、低電圧でホログラム像の記録が可能となっているため必要電力量が小さくてすみ、効率的である。これにより、高性能、高耐久性及び高効率性を兼ね備えた３次元ホログラム形成装置を提供することができる。

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
レーザー波長を変えてフォトリフラクティブ素子の回折効率、応答時間、吸収係数、光電流の測定を実施した。

フォトリフラクティブ素子の作製は次のようにして行った。配合組成は、ＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＢＢＰ／ＰＣＢＭである。各組成の重量比は、ＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＢＢＰ／ＰＣＢＭ＝５５／４０／４／１である。各成分をＴＨＦに溶解させてキャスト溶液を作り、このキャスト溶液をキャスト用のガラス基板上に流延し、室温で溶媒を蒸発させて均一な膜を得た。これを７０℃で２４時間乾燥後、６０℃で２４時間、減圧乾燥で溶媒を蒸発させてフォトリフラクティブ複合材を得る。溶媒を留去後、得られたフォトリフラクティブ複合材をキャスト用のガラス基材から取り外す。スペーサーを四隅に配置し、導電性透明膜を被覆した２枚のガラス板の間に、フォトリフラクティブ複合材を入れる。これを１２０℃に加温しながら真空プレス機で圧着し、フォトリフラクティブ素子を得た。

レーザービームの照射条件は以下のとおりである。記録機構におけるレーザー光源の波長及び電界強度を変えて実施した。実施した波長は５３２ｎｍ、５６１ｎｍ、５９４ｎｍ、６３３ｎｍである。実施した電界強度は１０〜６０Ｖ／μｍである。電界強度の好ましい範囲は０〜４０Ｖ／μｍであり、より好ましくは０〜３０Ｖ／μｍ、最も好ましくは０〜２０Ｖ／μｍである。物体光と参照光とを合わせた光強度は表１に示すとおりである。同時に、物体光並びに参照光と同一波長の低出力のレーザーをプローブ光とし、このプローブ光をフォトリフラクティブ素子に照射し、回折効率の測定を行った。更に、その過渡応答より応答時間を測定し、その逆数より応答速度を算出した。

電界強度が２５Ｖ／μｍのときの各レーザー波長における回折効率、応答時間、レーザー光強度及び感度を表１に示す。また、各レーザー波長での吸収係数並びに電界強度が７０Ｖ／μｍのときの各レーザー波長における光電流を表１に示す。

ただし、^ａＥ＝７０Ｖ／μｍ、^ｂＥ＝２５Ｖ／μｍである。

表１の結果から、レーザー波長が短くなるほど回折効率が上昇し、応答速度が速くなり、感度が高くなることが認められる。

各レーザー波長における電界強度と回折効率の関係を表したグラフを図３（ａ）に示す。グラフから分かるように、レーザー波長が短くなるに従って、回折効率のピークが低電界側にシフトし、同じ電界値でも回折効率が高くなる傾向が認められた。

（実施例２）
フォトリフラクティブ複合体の組成のうち可塑剤を変えて実施した。組成はＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＥＣｚ／ＰＣＢＭ、ＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＢＢＰ／ＰＣＢＭ、ＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＴＰＡＯＨ／ＰＣＢＭである。各組成の重量比はＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＥＣｚ／ＰＣＢＭ＝５５／３５／９／１、ＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＢＢＰ／ＰＣＢＭ＝５５／４０／４／１、ＰＤＡＡ／７−ＤＣＳＴ／ＴＰＡＯＨ／ＰＣＢＭ＝５５／３５／９／１である。フォトリフラクティブ複合体の製作方法は実施例１と同様である。

レーザービームの照射条件は実施例１と同様である。可塑剤を変えた場合の電界強度と回折効率の関係を表したグラフを図３（ｂ）に示す。グラフから分かるように、可塑剤にＢＢＰを用いたフォトリフラクティブ素子で、回折効率のピークが低電界側にシフトし、同じ電界値で回折効率が高くなることが認められる。

（実施例３）
図１の３次元ホログラム形成装置を用いてコインのホログラム像の形成を行った。図４はコインのホログラム像を描く前のフォトリフラクティブ素子の写真と、フォトリフラクティブ素子に映し出されたホログラム像の写真である。

フォトリフラクティブ素子は実施例１と同じものを用いた。レーザービームの照射条件は以下のとおりである。レーザー光源の波長は５３２ｎｍであり、電界強度は２５Ｖ／μｍである。物体光の光強度：１７ｍＷ、参照光の光強度：５４ｍＷでホログラム像の記録を行う。同時に、波長６４２ｎｍのレッドレーザー（１４０ｍＷ）をプローブ光とし、このプローブ光をフォトリフラクティブ素子に照射し、記録したホログラム像を表示させた。

（実施例４）
図２の３次元ホログラム形成装置を用いてホログラム像を動画像として表示させた。回転する人形の表面からの物体光と参照光をフォトリフラクティブ素子に照射してホログラム像を記録し、それと同時にプローブ光をフォトリフラクティブ素子に照射して表示させた。

フォトリフラクティブ素子は実施例１と同じものを用いた。レーザービームの照射条件は以下のとおりである。レーザー光源の波長は５３２ｎｍであり、電界強度は２５Ｖ／μｍである。物体光の光強度：１７ｍＷ、参照光の光強度：５４ｍＷでホログラム像の記録を行う。同時に、波長６４２ｎｍのレッドレーザー（１４０ｍＷ）をプローブ光とし、このプローブ光をフォトリフラクティブ素子に照射し、記録したホログラム像を表示させた。図５のようにホログラム像がフォトリフラクティブ素子に連続的に映し出されている。

（実施例５）
フォトリフラクティブ複合体のフォトリフラクティブポリマーにＰＶＣｚを用い、可塑剤を変えて実施した。組成はＰＶＣｚ／７−ＤＣＳＴ／ＢＢＰ／ＴＮＦ、ＰＶＣｚ／７−ＤＣＳＴ／ＴＰＡ／ＴＮＦ、ＰＶＣｚ／７−ＤＣＳＴ／ＴＣＰ／ＴＮＦである。各組成の重量比は、ＰＶＣｚ／７−ＤＣＳＴ／ＢＢＰ／ＴＮＦ＝４４／３５／２０／１、ＰＶＣｚ／７−ＤＣＳＴ／ＴＰＡ／ＴＮＦ＝４４／３５／２０／１、ＰＶＣｚ／７−ＤＣＳＴ／ＴＣＰ／ＴＮＦ＝４４／３５／２０／１である。フォトリフラクティブ複合体の製作方法は実施例１と同様である。

レーザービームの照射条件は実施例１と同様である。各レーザー波長における回折効率η、応答時間τ、光学利得Γ、レーザー光強度Ｉ及び感度Ｓを表２に示し、各可塑剤を用いた場合のレーザー波長と回折効率及び感度の関係を図６に示す。

（実施例６）
フォトリフラクティブ複合体の組成をＰＤＡＳ／ＦＤＣＳＴ／ＴＰＡ／ＰＣＢＭ＝４４／３５／２０／１で実施した。ＰＤＡＳの分子量は４８０００とした。フォトリフラクティブ複合体の製作方法は実施例１と同様である。

レーザービームの照射条件は実施例１と同様である。各レーザー波長における回折効率η、応答時間τ、吸収係数α、光学利得Γ、レーザー光強度Ｉ及び感度Ｓを表３に示し、各可塑剤を用いた場合のレーザー波長と回折効率及び感度の関係を図７に示す。

開示した実施形態、実施例は例示であり制限的なものではない。例えばホログラム像の記録、表示及び書き換えに必要な他の装置や機器を３次元ホログララム表示装置に組み込むことができ、必要に応じて３次元ホログラム形成方法に他のステップを含めることができる。フォトリフラクティブ素子のフォトリフラクティブ複合体は、上記各成分の他にフォトリフラクティブ性を損なわせない範囲内で、他の成分を含有していてもよい。このような他の成分としては、例えば酸化防止剤や紫外線吸収剤等が挙げられる。

１、５０ ３次元ホログラム形成装置
２ フォトリフラクティブ素子
３、５１ 記録機構
４、５２ 表示機構
５、７１ 物体、人形
５３ 空間光変調器
６８ コンピューター
６９ ＣＭＯＳカメラ
Ｂ１ 第１の偏光レーザービーム
Ｂ２ 第２の偏光レーザービーム
Ｂ１１ 物体光
Ｂ２１ 参照光
Ｂ３１ プローブ光
Ｂ５ 第１の偏光レーザービーム
Ｂ６ 第２の偏光レーザービーム
Ｂ５１ 物体光
Ｂ６１ 参照光
Ｂ７１ プローブ光

Claims (5)

1. フォトリフラクティブ複合体が設けられたフォトリフラクティブ素子に、電界を印加した状態で、フォトリフラクティブ性を発現可能な波長を有する物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録するステップであって、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる前記物体光及び参照光の波長を選択し、前記フォトリフラクティブ素子に当該物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録するステップと、
   ホログラム像が記録された前記フォトリフラクティブ素子にプローブ光を照射して当該ホログラム像を表示するステップと、
   を含むことを特徴とする３次元ホログラム形成方法。
2. 前記波長は４００ｎｍ〜６５０ｎｍであることを特徴とする請求項１に記載の３次元ホログラム形成方法。
3. 前記電界の強度は０Ｖ／μｍ〜４０Ｖ／μｍであることを特徴とする請求項２に記載の３次元ホログラム形成方法。
4. 前記フォトリフラクティブ複合体が下記式（１）で表されるトリフェニルアミンアクリレートポリマーを含有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の３次元ホログラム形成方法。
   
5. フォトリフラクティブ複合体が設けられたフォトリフラクティブ素子と、
   前記フォトリフラクティブ素子に、電界を印加した状態で、フォトリフラクティブ性を発現可能な波長を有する物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録する記録機構であって、低強度の電界で１０％以上の回折効率を生じる前記物体光及び参照光の波長を選択し、前記フォトリフラクティブ素子に当該物体光及び参照光を照射してホログラム像を記録する記録機構と、
   ホログラム像が記録された前記フォトリフラクティブ素子にプローブ光を照射して当該ホログラム像を表示させる表示機構と、
   を備えることを特徴とする３次元ホログラム形成装置。