JP2014206658A

JP2014206658A - 磁性ガーネットおよび磁性フォトニック結晶ならびにこれらを使用する三次元ホログラム表示用磁気光学空間光変調器

Info

Publication number: JP2014206658A
Application number: JP2013084422A
Authority: JP
Inventors: 井上　光輝; Mitsuteru Inoue; 光輝井上; 宏幸高木; Hiroyuki Takagi
Original assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Current assignee: Toyohashi University of Technology NUC
Priority date: 2013-04-13
Filing date: 2013-04-13
Publication date: 2014-10-30

Abstract

【課題】立体画像のコントラストおよび明るさを改善する磁性ガーネットおよび磁性フォトニック結晶の磁気光学空間光変調器を提供する。【解決手段】透明磁性体材料として、可視光領域において透光性が高い磁性体ＢｉＤｙＹＩＧを用い、結晶内の光における光路長を増やす事で光の利用効率の向上を可能とする。磁性フォトニック結晶に前記透明磁性体を用いる事で、該磁性体を薄膜としても、誘電体ミラーで該透明磁性体を中心に挟む構造を有し、磁性フォトニック結晶内で光が局在することでファラデー回転角が増大し、かつ透過率が向上することによりナノピクセルであっても立体画像のコントラストおよび明るさを増大させることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、高品位の三次元ホログラム表示のための磁気光学空間光変調器に用いる磁性ガーネット膜および磁性フォトニック結晶に関するものである。

人が自然に立体を知覚するには、両眼視差・運動視差・輻輳・調節の四つの因子を矛盾なく満たすことが重要である。現在、立体情報を表示する三次元（以下、３Ｄと記すことがある。）ディスプレイが市場に提供されている。家庭用テレビ、映画館映写システムのみならず、医用イメージの３Ｄリアルタイム動画などの医療応用技術も研究開発が継続的になされている。

たとえば、家庭用３Ｄテレビでは、眼鏡を用いたアナグリフ方式や裸眼でも視聴可能なレンチキュラレンズ方式がある。前記方式技術はいずれも両眼視差を満たすものであるが、運動視差・輻輳・調節の因子を満たしていないため視聴者には不自然な映像に感じられ、疲れやすく長時間の視聴に耐えないものとなっている。

一方、３Ｄ表示技術として電子ホログラフィがあるが、前記四つの因子を満す視聴者に自然な立体情報を映すフルパララックスを実現した技術はこれまでなかった。たとえば、特許文献１では電極を有しピクセルサイズが１００ｎｍ×３００ｎｍであるが、視野角に依存するピクセルピッチは大きいため十分な視野角が得られないという課題があった。

そこで、発明者は視聴者に自然な立体表示を実現するため金属磁性薄膜および、それを用いた空間光変調器について研究開発を行い、該空間光変調器においてピクセルピッチを１μｍ以下とし、フルパララックス方式の立体画像として十分な視野角を実現している（特許文献２参照）。

特開２０１１−６０９１８号公報ＷＯ２０１２／１６５５５６

しかしながら、前記金属磁性薄膜を用いた前記空間光変調器では、視聴者に対する立体像のコントラストおよび明るさにおいて改善の余地があった。
したがって、本発明の目的は、光の利用効率を高める磁性ガーネット膜および、磁性フォトニック結晶を用いることにより、十分なコントラストおよび明るさを有する立体画像を表示する磁気光学空間光変調器を提供することである。

本発明に係る第一の磁性ガーネット膜は、垂直容易軸を持つ透明磁性体と透明基板からなり、前記透明磁性体の膜厚は２μｍ以下であり、かつ可視光領域において光の透過率が３０％以上であることを特徴とする。

本発明に係る第二の磁性フォトニック結晶は、照射される光の光軸方向に適宜間隔を有しつつ積層された磁性体層と、前記磁性体層を挟んで積層された複数の誘電体層とを備えるマルチキャビティ構造を有し、前記磁性体層は１μｍ以下であり、かつ可視光領域おいて光の透過率が３０％以上であることを特徴とする。

また、本発明に係る第一の磁性ガーネット膜および第二の磁性フォトニック結晶の前記磁性体層は、ＢｉＤｙＹＩＧ薄膜からなる。

また、本発明に係る第三の磁性フォトニック結晶は、前記誘電体層のうちの少なくとも最外層に積層されるものは、酸化シリコン膜および五酸化タンタル膜が１層以上積層される誘電体多層膜からなるものである。

一方、本発明に係る磁気光学空間光変調器は、請求項１ないし３のいずれかに記載の磁性体構造を使用するものであって、立体画像を表示することを特徴とする。これにより、再生像の輝度は従来の金属磁性体の２８０倍以上とすることができる。

前記特徴を備えた磁性ガーネット膜および磁性フォトニック結晶において、立体像のコントラストおよび明るさを改善する。前記磁性体層は薄膜であり、該フォトニック結晶に入射される光の十分な透過率を有し、再生光に対し十分な偏光面の回転角を与えることができる。

本発明に係る磁性ガーネット膜および磁性フォトニック結晶ならびにこれらを使用する三次元ホログラム表示用磁気光学空間光変調器により、広い視野角と十分な明るさをもつフルパララックスの３Ｄディスプレイ表示が可能となる。

本発明の第一の実施例に係る単層磁性ガーネット膜の説明図である。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶の説明図である。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶による光の回折原理の説明図である。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶の性能指数を示したグラフである。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶の透過率を示したグラフである。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶の偏光面回転角を示したグラフである。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶の磁気特性図である。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶の回折効率を表すグラフである。本発明の第二の実施例に係る磁性フォトニック結晶のホログラム再生像の写真である。

まず、本発明に係る磁性ガーネット膜および磁性フォトニック結晶について説明し、これらを使用する三次元ホログラム表示用磁気光学空間光変調器について図を用いて説明する。

本発明に係る第一の実施形態において、３Ｄホログラム表示のための磁性ガーネット膜について説明する。図１に示すように垂直容易軸を持ち可視光領域で透明な磁性体と透明基板からなる。

単結晶非磁性ガーネットおよび石英等からなる基板から入射される光は、該磁性ガーネット膜の膜厚に応じて光路長が長くなる事から前記入射される光の偏光面の回転角が大きくなる。さらに、偏光面の回転角が大きくなる事で、前記入射される光の回折効率を大きくすることができる。

次に、本発明に係る第二の実施形態における磁性フォトニック結晶について説明する。前記磁性フォトニック結晶は、図２に示すように磁性体層および該磁性体層を挟んだ第一および第二の誘電体ミラーからなり、設計波長を持つ光を局在させることができるキャビティ構造を有している。前記磁性体層の厚みを設計することで光を前記磁性体層内に局在化できるため、前記磁性体層が薄膜であっても光利用効率を制御することができる。

前記磁性体層の材料として、可視光領域（およそ５３０ｎｍ〜８００ｎｍ）において透光性が高い垂直磁化の磁性体（以下、透明磁性体という。）であるＢｉＤｙＹＩＧを用いる。

また、視野角３０度を実現するためにピクセルピッチは１μｍの必要がある。５０ｎｍの結晶粒で磁化の反転は、前記透明磁性体の組成を変化させることで結晶粒間の磁気結合を弱めることにより実現される。

前記磁性体層における光の回折の原理は図３の通りである。前記磁性体層を垂直磁化膜とし、入射される光の向きと同じ方向の磁化を白抜きの矢印、一方、前記磁化の向きと反対の向きである磁化を黒矢印として表す。前記入射される光は前記磁性体層を通過するとき、ファラデー効果により偏光面が回転する。前記磁性体層におけるファラデー回転角をθ_Ｆ、光の透過率を％Ｔとすると、入射される光の利用効率は次式の性能指数Ｑ_Ｆで評価できる。

（数１）によれば光の利用効率が高いとき、すなわち光の透過率および偏光面の回転角が大きいとき性能指数が高くなることがわかる。

前記磁性体層として上記特許文献２の金属磁性膜を用いる場合は、入射される光が表層部分で反射するため、該入射される光における光路長に比例する偏光面の回転角は１度程度であり、性能指数は１［ｄｅｇ］となるため、立体像は暗いものとなる。

一方、前記透明磁性体は図４に示すように可視光領域で透光性が高い特性を持ち、膜厚２μｍにおいて３０％以上の透過率を示している。

また、図５に示すように前記入射される光の偏光面の回転角θ_Ｆは光の光路長に比例するため、ディスプレイ表示のため前記透明磁性体を用いる事で光路長を増大させ、性能指数を増加させる事ができる。

さらに、本発明に係る第一および第二の誘電体ミラーで前記透明磁性体を中心に挟む構造を有する磁性フォトニック結晶では、入射される光は前記第一および第二の誘電体ミラーの間の前記透明磁性体層で局在することでファラデー回転角が増大され、かつ透過率を向上させることにより性能指数を増大させることができる。

本発明係る磁性フォトニック結晶は、第一および第二の誘電体ミラーは各λ／４ｎ、磁性体層はλ／２ｎ（λは設計波長、ｎは屈折率を表す。）の光学膜厚で構成される。前記誘電体ミラーにはＴａ_２Ｏ_５およびＳｉＯ_２が用いられる。

前記磁性フォトニック結晶の基板と同じ側の前記第一の誘電体ミラーの層数に対して，前記基板と反対側の前記第二の誘電体ミラーの層数を倍とすることにより、前記基盤側から入射される光は回折され、前記基板側から出射される反射光モードで使用出来る。

前記透明磁性体の膜厚を１μｍ、前記誘電体ミラーの積層数を２としたときの入射される光の偏光面の回転角と透過率のスペクトルを図６に示す。ほぼ設計波長で光（波長：約５３８ｎｍ）が局在し、優れた磁気光学特性が得られている。

また、前記入射される光の偏光面の回転角の磁界依存性を図７に示す。角型比０．９と良質な垂直磁化膜となっており、３Ｄホログラムディスプレイに必要な特性を有しているといえる。

さらに、図８の膜厚と性能指数のグラフより、本発明に係る磁性フォトニック結晶構造を用いる事で、前記透明磁性体の膜厚が１μｍで単層膜２μｍと同程度の光利用効率が得られることがわかる。前記透明磁性体をさらに薄膜することが出来ればより少ないエネルギーで磁気ピクセルを形成することが出来るようになる。

本発明に係る磁性フォトニック結晶による再生像を図９に示す。５３２ｎｍ３３ｍＷのレーザーを立体画像の再生光として用いている。前記磁性フォトニック結晶では、一般の撮像装置であっても画面中心に、コントラストを持つＴＵＴの文字像を検出できている（図９左）。
一方、ＴｂＦｅを用いる磁性結晶では光利用効率が低いため像が暗いものとなっており、条件により前記撮像装置では検出できていない（図９右）。

なお、同じ輝度の再生像を得るための再生光に用いたレーザー強度を測定したところ、前記ＴｂＦｅを用いる磁性結晶の場合７．６ｍＷ必要なのに対し、前記磁性フォトニック結晶では２８．８μＷであった。従って、前記磁性フォトニック結晶によれば、前記ＴｂＦｅ磁性結晶の場合に比較してレーザー強度を２８０分の１程度にすることが出来ている。前記結果より本発明に係る磁性フォトニック結晶によって、従来より少ない光強度においても、磁気ナノピクセルに対し高い集光の書込み、および再生が実現できている。

Claims

垂直容易軸を持つ透明磁性体ＢｉＤｙＹＩＧ薄膜と透明基板からなり、前記透明磁性体ＢｉＤｙＹＩＧ薄膜の膜厚は２μｍ以下であり、かつ可視光領域において光の透過率が３０％以上であることを特徴とする磁性ガーネット膜。
照射される光の光軸方向に適宜間隔を有しつつ積層された磁性体層と、前記磁性体層を挟んで積層された複数の誘電体層とを備えるマルチキャビティ構造を有し、前記磁性体層は１μｍ以下であり、かつ可視光領域おいて光の透過率が３０％以上であることを特徴とする磁性フォトニック結晶。
前記誘電体層のうちの少なくとも最外層に積層されるものは、酸化シリコン膜および五酸化タンタル膜が１層以上積層される誘電体多層膜からなる請求項２に記載の磁性フォトニック結晶。
請求項１ないし３のいずれかに記載の磁性体構造を使用して立体画像を表示させることを特徴とする磁気光学空間光変調器。