JP2015125368A - ホログラム記録再生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】空間光変調素子として使用する液晶パネルの画面に焼き付きが発生することがなく、且つ記録媒体への高速なデータ記録が可能なホログラム記録再生装置を提供する。
【解決手段】コヒーレント光源３０１と、このコヒーレント光源３０１から出射されたコヒーレント光の出射を制御する光シャッター３０２と、この光シャッター３０２を透過したコヒーレント光を参照光と信号光に分離するビームスプリッタ３０３と、信号光の光位相変調を行う液晶パネル３１１とを備え、参照光と信号光を記録媒体３０８上で干渉させることにより生じる干渉光を利用してデータを記録媒体３０８に記録するホログラム記録再生装置において、液晶パネル３１１への駆動信号の印加を、記録媒体３０８に一回分のデータを記録するための一駆動期間内において、時間的に複数回に分けて行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、ホログラム記録再生装置に関するものである。

ホログラム記録再生装置は、デジタル情報を２次元配列に並べた画像を記録媒体に記録、再生する装置である。画像は２次元バーコードのような輝点と暗点が集まった画像であり、画像の分解能を上げることで大容量のデータを一括して記録、再生できるため、データ転送速度の高速化に有利である。また記録媒体への参照光の入射角度を変えることで、記録媒体の同じ場所に重ね書きをしても、再生時にはそれらを分離して読み出すことが可能であるため、非常に高い記録密度を得ることができる。これらの特徴からホログラム記録再生装置は次世代の光記録技術として注目を集めている。

ホログラム記録再生装置の基本的な構成を図７に示す。図７において３０１はコヒーレント光源を、３０２は光シャッターを、３０３と３０９はビームスプリッタを、３０４と３０５は反射ミラーを、３０６と３０７は集光レンズを、３０８は記録媒体を、３１０は画像センサを、３１１は空間光変調素子をそれぞれ表す。コヒーレント光源３０１から出射されたコヒーレント光はビームスプリッタ３０３によって参照光と信号光に分割される。信号光は空間光変調素子３１１によって光位相変調され、所定のデータが与えられた状態となる。空間光変調素子３１１によってデータが与えられた信号光は参照光と記録媒体３０８上で干渉し、この干渉光がデータとして記録媒体に記録される。記録媒体に記録されたデータを再生する場合は、空間光変調素子３１１をオフ状態にして信号光を無くし、参照光のみを記録媒体３０８のデータが記録された箇所に照射することで干渉光を再生させ、それを画素センサ３１０で読み取る。

コヒーレント光源３０１の出力部に設けられた光シャッター３０２は、データ記録時に空間光変調素子３１１に情報を書き込んでいる時間のように、コヒーレント光が不要なタイミングでオフ状態になるよう制御される。コヒーレント光源３０１を急速に立上げたり、立下げることは難しく、また光源の劣化にもつながるため、コヒーレント光源３０１は常に立上げておき、光シャッター３０２を使って光の出射を制御する。

空間光変調素子３１１としては、外部から制御信号によって画像の書き換えが容易にできる液晶パネルを用いることが一般的である。空間光変調素子として液晶パネルを用いたホログラム記録再生装置については、例えば特許文献１等に詳しく述べられている。空間光変調素子として液晶パネルに要求される特性は、１回のデータ記録容量を上げるため、できるだけ微細画素であることが望ましく、またデータ記録速度を上げるためには、応答が高速であることが望ましい。

このような用途の液晶パネルに使用する液晶としては、ネマチック液晶と比較して応答速度が格段に速い強誘電性液晶が好適である。強誘電性液晶は自発分極を有し、外部からの電界の影響を受けることにより、自発分極の向きが変更される性質を備えている。液晶の状態がオンとオフの２値に限定されるため、諧調表示を行うことがやや難しいという欠点を持つが、ホログラム記録再生装置のように明暗２値での表示を要求される用途であれば、この点は問題にならない。

特開２００７−２２６９０８号公報 特開平１０−２３９６６４号公報

液晶パネルは、正負どちらか片方の直流電圧を印加し続けると画面に焼き付きが発生するという問題を持っている。このため、所定の時間内に、液晶に印加される電圧の極性がなるべく等しくなるような、いわゆるＤＣバランスを保った駆動を行う必要がある。

ネマチック液晶の場合、明暗の表示は印加電圧の実効値で決まるため、表示フレームごとに極性を反転させた信号で駆動を行なうことにより、ＤＣバランスを保つことが可能である。一方、強誘電性液晶においては、明暗の表示は印加電圧の絶対値で決まるため、ネマチック液晶のようなＤＣバランスを保つ駆動を行なうことはできない。

強誘電性液晶でＤＣバランスを考慮した駆動方法の一つは、１フレーム画面を書き込んだ後、それをそのまま反転させた画像を液晶に書き込む駆動方法である。この駆動方法については、例えば特許文献２等に詳しく述べられている。この駆動方法であれば、液晶は短時間のうちにＤＣバランスが回復され、焼付きを回避することが可能であるが、１画面のデータ書込みに通常の約２倍の時間が必要になるため、高速なデータ記録の障害となるという問題がある。

強誘電性液晶でＤＣバランスを保つもう一つの駆動方法として、各画素の書込みデータの正負のバランスが極端に偏らないように書込みデータをモニターし、偏りが発生した場合には、液晶パネルへのデータ書込みを中断して、ＤＣバランスを整えるためのデータの書込みを液晶パネルに対して行うという駆動方法がある。この駆動方法であればデータ書込み速度を大きく犠牲にすることなく、ＤＣバランスに配慮した駆動が可能である。ただし、このような駆動では正負のＤＣバランスが完全に均等になるわけではないため、液晶の特性や周囲の環境条件によっては画面に焼き付きが発生する可能性がある。

本発明は、以上の問題点に鑑みて成されたものであり、空間光変調素子として使用する液晶パネルの画面に焼き付きが発生することがなく、且つ記録媒体への高速なデータ記録が可能なホログラム記録再生装置を提供することを目的としている。

コヒーレント光源と、このコヒーレント光源から出射されたコヒーレント光の出射を制御する光シャッターと、この光シャッターを透過した前記コヒーレント光を参照光と信号光に分離するビームスプリッタと、前記信号光の光位相変調を行う液晶パネルとを備え、前記参照光と前記信号光を記録媒体上で干渉させることにより生じる干渉光を利用してデータを前記記録媒体に記録するホログラム記録再生装置であって、前記液晶パネルへの駆動信号の印加は、前記記録媒体に一回分のデータを記録するための一駆動期間内において、時間的に複数回に分けて行われるホログラム記録再生装置とする。

前記液晶パネルへの前記駆動信号の印加は、前記光シャッターの切り替え期間および前記記録媒体へのデータ記録期間を含む前記一駆動期間内において、時間的に複数回に分けて行われるホログラム記録再生装置とすることができる。

前記液晶パネルへの前記駆動信号の印加は、前記記録媒体へのデータ記録期間を含まない前記一駆動期間内において、時間的に複数回に分けて行われるホログラム記録再生装置とすることができる。

前記液晶パネルの各画素は、データの入力を制御する画素トランジスタと、入力された前記データを保持する画素容量とを備え、前記画素容量は対応する各画素の液晶容量より値が小さいホログラム記録再生装置とすることができる。

前記液晶パネルに入射する前記信号光の出射を制御する別の光シャッターを備え、この光シャッターにより前記コヒーレント光が遮断されている期間に、前記駆動信号とは異なる信号を前記液晶パネルに印加し、液晶のイオン偏りを防止するホログラム記録再生装置とすることができる。

前記コヒーレント光の出射を制御する前記光シャッターを閉とする期間、あるいは、閉とする期間とその直後の遷移期間に、前記液晶パネルを全面黒表示とする駆動信号と同等の信号あるいは、その駆動信号より電圧の高い信号を、前記液晶パネルに印加する液晶均一化処理を行うホログラム記録再生装置とすることができる。

前記光シャッターは、液晶シャッターであるホログラム記録再生装置とすることができる。

前記液晶シャッターは、画素トランジスターを有することなく、外部から入力された駆動信号を直接透明電極を介して液晶に印加するホログラム記録再生装置とすることができる。

前記液晶シャッターの液晶を配向する配向膜は、無機配向膜であり、前記液晶パネルの液晶を配向する配向膜は、有機配向膜であるホログラム記録再生装置とすることができる。

前記液晶シャッターおよび前記液晶パネルを一定温度に制御する温度制御手段を備えるホログラム記録再生装置とすることができる。

前記温度制御手段は、前記液晶シャッターを前記液晶パネルより低温に保つホログラム記録再生装置とすることができる。

前記液晶パネルに使用される液晶は、強誘電性液晶であるホログラム記録再生装置とすることができる。

本発明によれば、空間光変調素子として使用する液晶パネルの画面に焼き付きが発生することがなく、且つ記録媒体への高速なデータ記録が可能なホログラム記録再生装置を提供することができる。

本発明のホログラム記録再生装置における液晶パネルの駆動信号を示すタイミング図である。 本発明のホログラム記録再生装置における液晶パネルの別の駆動信号を示すタイミング図である。 本発明のホログラム記録再生装置における液晶パネルの各画素の回路構成を示すブロック図である。 本発明のホログラム記録再生装置における液晶シャッターの構造を示す断面図である。 本発明のホログラム記録再生装置の構成を示す図である。 本発明のホログラム記録再生装置の構成を示す図である。 ホログラム記録再生装置の基本構成を示す図である。

以下、図を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。図１、２は、本発明のホログラム記録再生装置における液晶パネルの駆動信号を示すタイミング図である。液晶パネルの焼付き現象は液晶中の不純物イオンが、液晶分子の動きで特定の場所に掃き集められ、そこに一方向の直流電圧が連続的に印加されることで起こることが知られている。通常の液晶パネルの駆動方法では１回の画素選択信号によって、液晶分子を高速で反転させるため、不純物イオンの動きも大きくなり、焼き付きが生じやすくなる。

これに対して図１に示した本発明における駆動方法では、各画素に対して同一のデータ（駆動信号）を時間的に複数回に分けて書き込み、徐々に画素電圧を目的の値まで上昇させていく。画素電圧は書き込みの度に大きくなっていき、最終の書き込みを行った時点でほぼ目的電圧に達する。この駆動方法では液晶分子は緩やかに動かされるため、不純物イオンの移動は緩和され、直流電圧が連続的に印加された場合でも、焼付き現象が起こりにくくなる。

尚、このような時間的に複数回に分けて駆動信号を印加する方法は、階調画像やカラー画像を表示する用途には適していない。なぜなら、このような用途では画像は常に同じコントラストで表示されている必要があり、時間によって画像のコントラストが変化する本発明における駆動方法では不自然な表示になってしまうからである。

ホログラム記録再生装置の液晶パネル（空間光変調素子）３１１は、例えば強誘電性液晶を使用した液晶パネルで構成され、明暗２階調で様々なパターンを表示することにより空間光変調素子として働く。記録媒体へデータを記録する際のアルゴリズムとしては、図１に示すように、液晶パネル３１１へのデータ書き込み期間が終了した後に、光シャッター３０２がオンになり、コヒーレント光が液晶パネル３１１に照射されて、記録媒体３０８への一回分の情報の記録が行なわれる。

図１の駆動アルゴリズムでは、記録媒体３０８への情報記録期間中にも液晶パネル３１１へのデータ書込みが行われている。液晶パネル３１１にデータ書込みが行われると、画素電圧が上昇し、記録媒体３０８への情報記録期間中に液晶パネル３１１のコントラストが微妙に変化することになるが、ホログラム記録において液晶パネルは明暗２階調で使用されるため、微妙なコントラストの変化は通常は大きな問題にならない。しかし解像度が非常に高い場合や、情報記録時間が短い場合等、記録条件が厳しい場合には微妙なコントラストの変化が、記録の品質に影響することがある。このような条件下では、液晶パネル３１１へのデータ書込みは、図２に示すようにパネル書込み期間中にのみ複数回に分けて行い、記録媒体３０８への情報書込み期間中には液晶パネル３１１へのデータ書込みを行わない駆動が推奨される。

図３は、本発明のホログラム記録再生装置における液晶パネルの各画素の回路構成を示すブロック図である。各画素には画素への電圧印加を制御する画素スイッチ２０１と、書き込まれた電圧を次の表示フレームまで保持するための画素容量２０２が設けられている。また各画素は液晶層を介して対向電極ＶＣＯＭと対面しており、各画素と対向電極ＶＣＯＭとの間に液晶容量２０３が存在する。画素容量２０２の容量値は、通常は液晶分子を十分に駆動するために、液晶容量２０３の容量値と比較して十分に大きなものが選ばれる。また画素容量２０２の代わりにＳＲＡＭ等のメモリが設けられる場合もある。ただしこの容量値の大きな画素容量やメモリを画素下に設けることは、画素面積が大きくなり、微細画素の液晶パネルを作ることが難しくなるという問題点を抱えている。

本発明における液晶パネル３１１では、画素容量２０２の容量値が液晶容量２０３と比べて同等かそれ以下であっても駆動することが可能である。通常の１回でデータ書き込みを行う駆動の場合、画素容量２０２が小さいと、液晶分子を動かす際に流れる電流によって電圧が下がってしまい、液晶分子を十分に動かすことができないという問題が生じる。しかし本発明における複数回に分けてデータ書き込みを行う駆動では、この電圧低下を補うことが可能であるため、そのことにより画素容量２０２を小さくすることが可能になり、画素容量２０２を小さくしたことにより画素面積を小さくすることが可能になり、結果的により微細画素の液晶パネルをつくることが可能になる。画素容量２０２をどこまで小さくできるかは、使用する液晶材料の特性によって決まるが、電圧低下量を複数回のデータ書込みで補える範囲であれば、画素容量２０２を除去した構成もとり得る。

複数回のデータ書き込みを行なうことによって、焼付きが起こりにくい本発明における液晶パネル３１１では、必ずしもＤＣバランスが完全に等しくなる制御を行なわなくても焼付きが発生する可能性は少ない。また画像表示用途とは異なり、空間光変調器としての用途では個々の画素が明暗どちらかに長時間連続して固定されることはないため焼付きは発生しにくい。これらのことから本発明では、液晶パネル３１１へのデータ書き込み後に、ＤＣバランス調整のために反転データを書き込む方法を採用する必要はなく、必要に応じて、各画素のデータが一定時間内で極端に偏らないように書き込むデータを操作するようなＤＣバランス調整方法を採用することで、ＤＣバランスを適正に保つことが可能である。

上述の書き込むデータを操作するようなＤＣバランス調整方法では、例えば、液晶パネル３１１をコントロールするドライバ内で各画素の正負の電荷の割合をカウントし、それがあらかじめ測定によって焼き付が発生しないことが確認された規定範囲内である場合は、ＤＣバランスには留意せず連続的に記録媒体３０８へデータの書き込みを行なう。一方、正負の電荷の割合が規定範囲を超えた場合には、記録媒体３０８へのデータ書き込み動作を一時中断し、ＤＣバランスの偏りを矯正する最適なデータを一定時間液晶パネル３１１に書き込み、ＤＣバランスを適正化した後、記録媒体３０８へのデータ書き込みを再開する。より具体的には、例えば、個々の画素への正極性データ書込み時間と負極性データ書込み時間の差が規定値に達した場合には、記録媒体３０８への書き込み動作を一時中断し、規定値と同等の時間、個々の画素へ負極性データの書き込みを行う。ＤＣバランスの偏りを矯正する駆動を行っている間は記録媒体３０８へのデータ書き込みを行えないが、空間光変調器としての用途では個々の画素が明暗どちらかに長時間連続して固定されることはなく、上述のように正負の電荷の割合が規定範囲を超えるケースは非常に少ないことが推測されるため、実際にはデータ書込み速度をほとんど犠牲にしない記録媒体３０８への高速データ記録が可能である。

更に光シャッター３０２を閉（オフ）とする期間、あるいは閉にする期間とその直後の遷移期間（切り替え期間）に、液晶パネル３１１を全面黒表示とする信号と同等の信号あるいは、データ書込み信号より電圧の高い信号を、液晶パネル３１１に印加する液晶均一化処理期間を設けることでコントラスト改善が見込める。全面黒表示化することで、特に白から黒へのデータ遷移において黒の方向へ液晶に電荷を蓄積できるため、液晶均一化処理期間がない場合と比較して、白から黒への遷移期間短縮が可能となる。また全面黒化表示を行なうことで、白と黒の境界にイオンが蓄積することで生じる焼き付きの防止にも効果がある。

コヒーレント光源３０１からの出射光を制御するための光シャッター３０２として、液晶パネル３１１と同様に強誘電性液晶を使用した液晶シャッターを採用することはいくつかの点で有益である。例えば、液晶シャッターは機械式のシャッターと比較して可動部を持たないため、高速駆動や低消費電力、駆動による機械的振動を発生させない等の長所がある。

図４は、本発明のホログラム記録再生装置における液晶シャッターの構造を示す断面図である。図４において、４０１と４０２は配向膜を、４０３と４０４は透明電極を、４０５と４０６はガラス基板を、４０７と４０８は封止剤を、４０９と４１０は電気配線を、４１１は駆動信号源を、４１２は液晶層（強誘電性液晶層）をそれぞれ模式的に表す。図４に示す液晶シャッター（光シャッター）３０２は、画素トランジスターを有することなく、外部から入力された駆動信号を直接透明電極４０３、４０４を介して液晶層４１２に印加することが可能である。このような構造にすることにより、画素トランジスタの耐圧に制限されない高電圧を液晶層４１２に印加できるため、より高速な液晶素子の駆動が可能になる。

また液晶を配向させる配向膜４０１、４０２は、通常の液晶パネルでは低電圧駆動が可能なポリイミド等の有機配向膜を使用することが一般的であるが、液晶シャッターでは無機配向膜を使用することでコヒーレント光に長時間照射されても劣化を生じにくくすることが可能になる。液晶シャッター３０２にはコヒーレント光源からの強い光が、長時間照射されるため、耐久性を高めることはシステム全体の稼働時間を延ばすうえで重要である。

強誘電性液晶は温度によって応答速度が変化しやすいという性質を持つため、できるだけ一定温度で使用することが望ましい。本発明のホログラム記録再生装置においては、液晶パネル３１１および液晶シャッター３０２を一定温度雰囲気に設置して使用することで、安定した性能を得ることが可能になる。このためにはホログラム記録再生装置が設置された部屋全体を温度制御する方法や、ホログラム記録再生装置を筐体に入れ、筐体内の温度を制御する方法、液晶パネル３１１および液晶シャッター３０２周辺の温度のみを一定に制御する方法等が考えられるが、ホログラム記録再生装置の設置場所や使用時における温度上昇の状況を考慮して、最適な方法を選択すれば良い。

更に液晶パネル３１１の配置される温度環境の温度に比較し、液晶シャッター３０２が配置される温度環境をより低く保つことで、液晶シャッター３０２の耐久性をより向上させることができる。これは強誘電性液晶はより低温環境において、光による劣化が少ないからである。

図５、６は、本発明のホログラム記録再生装置の構成を示す図である。ＤＣバランスを保つ液晶パネル３１１の別の駆動方法として、記録媒体３０８から情報を読み出す情報再生期間中に、ＤＣバランスの偏りを矯正するデータを、連続的あるいは間欠的に液晶パネル３１１に書き込む方法がある。こうすることで、次回のデータ書き込み時にＤＣバランスの調整を行う必要性が低下するため、その分、記録媒体３０８へのデータ書き込み時間が損なわれることがなくなる。ただしこの駆動方法では、情報再生期間中に液晶パネル３１１を駆動させる必要があるため、図５に示すように液晶パネル３１１とビームスプリッタ３０９との間に光シャッター３１２を設ける必要がある。

情報再生期間中は光シャッター３１２をオフ状態にして、信号光の液晶パネル３１１への入射を防ぐと同時に、信号光の反射を防止し、その一方で、液晶パネル３１１にはＤＣバランスの偏りを矯正するデータの書き込みを行なう。このような駆動方法は記録媒体３０８へのデータ記録後、確認のため記録したデータを読み出して記録データと比較する、いわゆるベリファイ機能を採用した場合に特に有効である。また光シャッター３１２を配置する位置は、図６に示すように２つのビームスプリッタ３０３、３０９の間でもよい。尚、光シャッター３１２としては、光シャッター３０２と同じかそれに類する液晶シャッターを採用することができる。

上述のホログラム記録再生装置は、あくまで本発明の実施例であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、ホログラム記録再生装置を構成する各部材の種類や位置関係などは、適宜変更が可能である。

２０１ 画素トランジスタ
２０２ 画素容量
２０３ 液晶容量
３０１ コヒーレント光源
３０２、３１２ 光シャッター（液晶シャッター）
３０３、３０９ ビームスプリッタ
３０４、３０５ 反射ミラー
３０６、３０７ 集光レンズ
３０８ 記録媒体
３１０ 画像センサ
３１１ 空間光変調素子（液晶パネル）
４０１、４０２ 配向膜
４０３、４０４ 透明電極
４０５、４０６ ガラス基板
４０７、４０８ 封止剤
４０９、４１０ 電気配線
４１１ 駆動信号源
４１２ 液晶層

Claims (12)

1. コヒーレント光源と、このコヒーレント光源から出射されたコヒーレント光の出射を制御する光シャッターと、この光シャッターを透過した前記コヒーレント光を参照光と信号光に分離するビームスプリッタと、前記信号光の光位相変調を行う液晶パネルとを備え、前記参照光と前記信号光を記録媒体上で干渉させることにより生じる干渉光を利用してデータを前記記録媒体に記録するホログラム記録再生装置であって、
   前記液晶パネルへの駆動信号の印加は、前記記録媒体に一回分のデータを記録するための一駆動期間内において、時間的に複数回に分けて行われることを特徴とするホログラム記録再生装置。
2. 前記液晶パネルへの前記駆動信号の印加は、前記光シャッターの切り替え期間および前記記録媒体へのデータ記録期間を含む前記一駆動期間内において、時間的に複数回に分けて行われることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
3. 前記液晶パネルへの前記駆動信号の印加は、前記記録媒体へのデータ記録期間を含まない前記一駆動期間内において、時間的に複数回に分けて行われることを特徴とする請求項１に記載のホログラム記録再生装置。
4. 前記液晶パネルの各画素は、データの入力を制御する画素トランジスタと、入力された前記データを保持する画素容量とを備え、前記画素容量は対応する各画素の液晶容量より値が小さいことを特徴とする請求項１から３の何れか一つに記載のホログラム記録再生装置。
5. 前記液晶パネルに入射する前記信号光の出射を制御する別の光シャッターを備え、この光シャッターにより前記コヒーレント光が遮断されている期間に、前記駆動信号とは異なる信号を前記液晶パネルに印加し、液晶のイオン偏りを防止することを特徴とする請求項１から４の何れか一つに記載のホログラム記録再生装置。
6. 前記コヒーレント光の出射を制御する前記光シャッターを閉とする期間、あるいは、閉とする期間とその直後の遷移期間に、前記液晶パネルを全面黒表示とする駆動信号と同等の信号あるいは、その駆動信号より電圧の高い信号を、前記液晶パネルに印加する液晶均一化処理を行うことを特徴とする請求項１から５の何れか一つに記載のホログラム記録再生装置。
7. 前記光シャッターは、液晶シャッターであることを特徴とする請求項１から６の何れか一つに記載のホログラム記録再生装置。
8. 前記液晶シャッターは、画素トランジスターを有することなく、外部から入力された駆動信号を直接透明電極を介して液晶に印加することを特徴とする請求項７に記載のホログラム記録再生装置。
9. 前記液晶シャッターの液晶を配向する配向膜は、無機配向膜であり、前記液晶パネルの液晶を配向する配向膜は、有機配向膜であることを特徴とする請求項７又は８に記載のホログラム記録再生装置。
10. 前記液晶シャッターおよび前記液晶パネルを一定温度に制御する温度制御手段を備えることを特徴とする請求項７から９の何れか一つに記載のホログラム記録再生装置。
11. 前記温度制御手段は、前記液晶シャッターを前記液晶パネルより低温に保つことを特徴とする請求項１０に記載のホログラム記録再生装置。
12. 前記液晶パネルに使用される液晶は、強誘電性液晶であることを特徴とする請求項１から１１の何れか一つに記載のホログラム記録再生装置。

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