JP2905433B2

JP2905433B2 - ホログラム記録再生装置

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Publication number: JP2905433B2
Application number: JP35082195A
Authority: JP
Inventors: 幸久大杉
Original assignee: NIPPON GAISHI KK
Current assignee: NIPPON GAISHI KK
Priority date: 1995-12-26
Filing date: 1995-12-26
Publication date: 1999-06-14
Anticipated expiration: 2015-12-26
Also published as: JPH09179481A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、ホログラムの記録および
再生に対してきわめて好適な装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ホログラフィーは、完全な波面の再生技
術として、干渉測定、光情報処理、光学素子、３次元デ
ィスプレーなどに応用されている。ホログラム記録やホ
ログラム干渉を行うためには、銀塩感光材料を使用する
のが一般的であるが、銀塩感光材料は現像処理が必要で
あるため、リアルタイムホログラムを実現することはで
きない。一方、Ｂｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結晶を初めとする
光誘起屈折効果を有する単結晶（フォトリフラクティブ
結晶）が、リアルタイムホログラム（ＲＨ）素子として
検討されている（例えば、「レーザー科学研究報告書」
１９９０、Ｍａｒ．第１〜９頁「ＢＳＯ単結晶のホログ
ラフィー記録特性について」参照）。この文献において
は、Ｂｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結晶の結晶方位（１１０）面
に物体光、参照光を入射させ、（１１０）面の両端面に
電極を付け、干渉縞に垂直の方向に数ｋＶ／ｃｍの電界
を印加している。

【０００３】ホログラムの寸法については、干渉測定、
光情報処理、光学素子の各用途においては、使用目的に
応じた制約はあるものの、必ずしも大きな寸法の素子を
必要とはしていない。しかし、最近実用化が待望されて
いる３次元ディスプレー用途では、ホログラム素子の寸
法を、ある程度以上大きくすることが、絶対に必要であ
る。なぜなら、３次元ディスプレー用途においては、人
の立体認識を可能とするためには、人の両眼視差を利用
する必要があるが、このためにはホログラム素子の寸法
が両目の間隔（５０ｍｍ程度）以上でなければならない
からである。

【０００４】しかし、リアルタイムホログラム素子の寸
法の上限は、干渉縞を記録する記録部材であるＢｉ_{1 2}
ＳｉＯ_{2 0}単結晶の形状、寸法によって物理的に制限さ
れてしまい、具体的には最大でも十数ｍｍ×十数ｍｍで
あった。この寸法上の制限のために、リアルタイムホロ
グラム素子の用途は、現在のところ、干渉測定および光
情報処理のみに限定されている。しかし、リアルタイム
ホログラムは、今後特に実用化が強く要望されている技
術であり、具体的には、３次元ＣＡＤシステム等の３次
元図像表示システムの出力機器としての応用が待望され
ている。従って、リアルタイムホログラム素子の大型化
が強く望まれている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明者は、こうした
３次元ディスプレイにも応用可能な大寸法のホログラム
素子を開発するために研究を進めていたが、この過程
で、次の問題に遭遇した。即ち、上記のような用途にお
いては、両眼をホログラム記録素子に対して対向させ、
再生光を両眼の反対側から記録部に対して照射すること
によって、再生像を観察する。しかし、この観察に際し
て、室内が明るいと外部の像が素子の表面に明るく映し
出され、反射されるために、再生像の観察が困難になる
ことがあった。この点について更に説明する。

【０００６】図１（ａ）、（ｂ）は、従来のホログラム
記録再生装置を使用して３次元ディスプレイを作製した
ときの問題点を説明するための模式図であり、図２は、
本発明者が検討したホログラム記録再生装置を示す斜視
図である。本発明者は、いわゆる（１１０）ウエハーを
使用してホログラム記録再生素子を作製していた。ただ
し、Ｂｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結晶は、立方晶に属してお
り、〈１００〉軸、〈０１０〉軸、〈００１〉軸は等価
である。現状では、ホログラム記録再生素子においては
（１１０）ウエハーから記録部を切り出すことが行われ
ている。この素子を使用して３次元ディスプレイを構成
するためには、図１（ａ）に示すように、所定の光学系
６を暗箱５の中に収容し、暗箱５の縁部にホログラム記
録再生素子３を取り付ける。そして、素子３の（１１
０）面に対してほぼ垂直な方向に再生光４を照射し、再
生像を得る。光学系６と反対側にいる観察者１が、この
再生像を観察する。観察者１の視線２は、再生光４とほ
ぼ反対側から、素子３の記録部の（１１０）面に対して
垂直な方向に向かっている。

【０００７】光学系６を暗箱５内に収容したのは、余分
な光を素子３に対して照射しないようにするためであ
る。また、３次元ディスプレイにおいては、図１に示し
たように、外部から再生像を観察する必要があるので、
素子３の記録部ないし本体は、暗箱５の外部に露出させ
ておく必要がある。

【０００８】素子３に干渉縞を書き込むための物体光
や、再生光４の光源には、レーザー光源を使用するが、
レーザー光の光量には上限があり、無制限に明るくする
ことはできない。特に、ホログラム記録再生装置の全体
の大型化を防止するためには、できるだけ小型のレーザ
ー光源を使用する必要がある。従って、再生像の明るさ
には限界がある。一方、立体表示素子として使用する場
合には、好ましくは、図１（ｂ）に模式的に示すよう
に、観察者１が、通常の明るい室内照明８の下にいるよ
うな環境下でも、使用できるようにしなければならな
い。

【０００９】しかし、室内照明８から直接に照射される
光９や、室内の物体からの反射光９が、素子３の表面に
対して照射され、ここで反射するために、反射光１０が
観察されることになる。一方、再生像は、矢印７のよう
に観察者１側へと向かって進行する。このため、室内照
明などの反射像は、３次元の再生像の上に、そのまま重
なって見えることになる。そして、暗箱５内のレーザー
光の明るさには限界がある一方、室内照明８は相対的に
明るいので、素子３の表面で反射される反射像の方が、
再生像よりも明るくなってしまい、再生像の観察に支障
をきたすことが判明してきた。

【００１０】本発明者は、素子３の表面での反射に起因
す再生像の攪乱を防止するために、図２に模式的に示す
ような装置を検討した。ここで、素子１１の記録部１２
は長方形の平板形状であり、この記録部１２の一対の端
面に、それぞれ電極１３が形成されており、各電極１３
は、それぞれ電線１６によって直流電源１５に対して接
続されている。ここで、記録部１２の観察者１側の主面
１２ａを被覆するように、透明な反射防止膜１４を形成
することによって、観察者側の主面における反射を防止
することを試みた。

【００１１】しかし、こうした反射防止膜１４は、一般
的には、誘電体膜によって形成されるが、こうした誘電
体膜の抵抗率は、高くとも１０⁹Ω・ｃｍ程度である。
一方、記録部１２の抵抗率は通常１０^{1 4}Ω・ｃｍ程度
であって、反射防止膜１４の抵抗率は、相対的にかなり
低い。そして、ホログラムの記録や再生を行う際には、
高電圧を素子１１に対して印加するので、反射防止膜１
４が、所定の電圧の印加を妨げたり、絶縁破壊の原因と
なることが判明してきた。

【００１２】本発明の課題は、前記したようなホログラ
ム記録再生素子の記録部の主面ないし入射面における外
光の反射に起因する再生像の攪乱を、絶縁破壊や記録部
に対する所定電圧の印加の妨害を生ずることなく、防止
できるようにすることである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、本発明に係るホログラム記録再生装置は、光誘起
屈折効果を示す光学単結晶からなる記録部と、この記録
部に対して電圧を印加するための電極とからなる素子、
および、記録部に対して入射光を入射させるための光学
系を備えており、光学単結晶の結晶系が立方晶に属して
おり、記録部の入射面の方位が（１００）面であり、入
射光の光軸と光学単結晶の〈１００〉軸とが所定角度を
なすように入射光が入射することを特徴とする。

【００１４】上記において、光誘起屈折効果を有する立
方晶の光学単結晶としては、Ｂｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結
晶、Ｂｉ_{1 2}ＧｅＯ_{2 0}単結晶等が好ましいが、このう
ち、結晶の大型化が既に達成されているＢｉ_{1 2}ＳｉＯ
_{2 0}単結晶が特に好ましい。各記録部に形成する電極と
しては、透明電極と不透明電極とのいずれも使用するこ
とができる。この透明電極の材質としては、酸化スズ
膜、酸化インジウムスズ膜等を例示することができる。
また、不透明電極の材質としては、金属ペーストと呼ば
れる、銀粉等の導電材料を含有させた導電接着剤や、ア
ルミニウム、金、クロム、チタン等の金属膜を例示する
ことができる。

【００１５】ホログラム記録再生装置において使用でき
る物体光、参照光としては、特に限定はないが、現状で
は、Ｂｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結晶が光伝導効果を示す波長
４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を好ましく使用
でき、再生光としては、Ｂｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結晶が光
伝導効果を示さない波長６３３ｎｍのヘリウムネオンレ
ーザー光を好ましく使用できる。

【００１６】本発明においては、前記のような素子の表
面における反射を防止し、観察者側から見たとき、再生
像の攪乱を防止し、抑制することができる。従って、本
発明の装置によって、明るい照明の下や、時には野外等
においても、ホログラムの再生像に対して重複する外部
の風景等の反射像を最小限に抑えることが可能になっ
た。これらの点について、更に詳細に説明する。

【００１７】本発明者は、従来のホログラム記録再生素
子を使用して、再生像の外光による攪乱を解決するべ
く、検討を進めてきたが、解決は困難であった。そこ
で、本発明者は、素子の基本的な結晶構造および製造方
法の点まで遡って新たに検討してみた。ホログラム記録
再生素子用の光学単結晶としては、ケイ酸ビスマスやゲ
ルマン酸ビスマスが特に好適であるとされており、こう
した光学グレードの単結晶は、通常引き上げ法（チョク
ラルスキー法）によって作製されている。このブール１
７としては、現在のところ、直径８０ｍｍ、長さ１００
ｍｍ程度のものが得られている。

【００１８】この際には、図３に示すように、通常円柱
形状の単結晶のブール１７を溶融液から引き上げるが、
このブール１７の引き上げ軸の方向は〈１００〉の方位
である。ブール１７から（１１０）ウエハー１８を切り
出す際には、このウエハー１８の主面１８ａが〈０１
１〉方位となるように、ウエハー１８を縦方向に切り出
すことになる。ホログラム記録再生素子においては、ウ
エハー１８の主面１８ａに光を入射させ、この光軸と直
交する方向に電圧を印加する。この切断方位によって、
最も回折効率の高い方位の大型のウエハーを切り出すこ
とができる。しかし、こうしたウエハーを使用した素子
においては、その記録部の主面に対して垂直方向に再生
光が入射し、観察者の方向へと向かって出射する。従っ
て、室内光や外からの反射光もこの主面で反射するため
に、再生像の攪乱を防止できないわけであった。

【００１９】そこで、本発明者は、従来の常識に反し
て、（１００）面を主面として有する（１００）ウエハ
ーを使用して、ホログラム記録再生素子を作製すること
を試みた。このような素子に対しては、光を入射面に対
して垂直に入射させても、記録および再生が行われない
ために、検討されていなかったものである。こうした新
規なホログラム素子について、その製造過程およびホロ
グラム記録・再生方法を、順次説明していく。

【００２０】図４（ａ）に示すように、円柱形状のブー
ル１７を作製した後，このブールの引き上げ方向（〈１
００〉の結晶方位）に対して垂直な方向に向かって、ブ
ール１７を切断することによって、実質的に円板形状の
ウエハ１９を切り出すことができる。ここで、「実質的
に円板形状」であるとは、引き上げ法における形態の変
動や、切断および研磨加工に起因する加工誤差等の、実
際の製造上の誤差は問題にしないということを意味して
いる。このウエハー１９の主面１９ａは、（１００）面
である。

【００２１】このようにブール１７からウエハー１９を
切り出す切断工程は、もとのブール１７の形状をそのま
ま利用することができるので、きわめて簡単であり、工
程数が少ない。また、切断後に残る残材がきわめて少な
くなる。従って、素子を量産するという観点から見て、
従来法に比べて、極めて有利である。

【００２２】しかも、本発明者は、図５（ａ）、（ｂ）
にそれぞれ示すように、ブールから切り出した円板形状
のウエハー１９をそのまま記録部として使用し、各素子
を作製することを試みた。ここで、仮に図４（ｂ）に示
すように、（１００）ウエハー１９から長方形の記録部
２０を切り出すものとすると、この記録部２０の四辺を
それぞれ切り出す工程が必要になるために、量産上は不
利になる。特に、（１００）ウエハー１９をそのまま記
録部として使用することによって、記録部の外周の寸
法、特に記録部の幅を大きくすることができる。例え
ば、直径８０ｍｍの（１００）ウエハーをそのまま記録
部として使用すると、通常人の両眼を、余裕を持って素
子内に包含することができる。しかし、これから正方形
の記録部を切り出すものとすると、この１辺の長さは通
常は５０ｍｍ程度となる。

【００２３】図５（ａ）の素子２１Ａにおいては、記録
部１９の外周縁面１９ｂ上に、一対の電極２２Ａ、２２
Ｂが形成されている。各電極２２Ａと２２Ｂとは、それ
ぞれ互いに相対向するように、記録部１９の中心Ｏに対
して点対称となるように形成されている。また、各電極
２２Ａと２２Ｂとは、〈０１０〉軸を中心として対称な
形となるように扇形に形成されている。

【００２４】図５（ｂ）の素子２１Ｂにおいては、記録
部１９の外周縁面１９ｂ上に、一対の電極２３Ａ、２３
Ｂが形成されている。各電極２３Ａと２３Ｂとは、それ
ぞれ互いに相対向するように、記録部１９の中心Ｏに対
して点対称となるように形成されている。また、各電極
２３Ａと２３Ｂとは、〈０１１〉方位を中心として対称
な形となるように、扇形に形成されている。ここで、記
録部１９の中心Ｏから見たときの各電極の開き角度を、
２βとする。

【００２５】ここで、（１００）ウエハーを使用した場
合には、これに入射光を入射させても回折効率が０％に
なるために、ホログラム記録再生素子として使用できな
いと考えられてきた。しかも、図５（ａ）および（ｂ）
に示すように、円板形状の（１００）ウエハーをそのま
ま記録部として使用すると、電極はこの外周縁面１９ｂ
に形成する他はないであろうが、このような形態の電極
を使用すると、当業者の常識に従えば、とても記録部の
各部分において均一な回折効率を得ることは困難であろ
うと考えられる。記録部の各部分の回折効率にバラツキ
が発生すると、再生像にムラとして現れるために、ディ
スプレイとして使用することは困難になる。また、他の
用途においても、各部分における回折効率が大きく変動
するようであると、問題がある。

【００２６】しかし、本発明者は、このような素子を使
用して、各部分の回折効率を検討し、また、再生像の状
態について詳細に検討した。この結果、前記の素子が極
めて実用的なものであることを見いだした。まず、前記
したような（１００）ウエハーをそのまま使用した記録
部や、（１００）ウエハーから切り出した記録部を使用
すると、当然、記録部の主面は（１００）面となる。

【００２７】本発明者は、図６（ａ）および（ｂ）に示
すように、記録部を入射光２４に対して傾斜させ、かつ
電界Ｅを加えた場合に得られるフォトリフラクティブ効
果の度合いについて、初めて検討してみた。ここでは、
入射光２４の光軸を〈１００〉方位に対してθ傾斜さ
せ、〈１００〉方位と〈００１〉方位とによって構成さ
れる平面に対して電界Ｅの方向をφ傾斜させたものとす
る。また、入射光２４の光軸は、〈０１０〉方位に対し
て垂直であり、かつ〈１００〉方位および〈００１〉方
位によって形成される平面内にある。

【００２８】また、図７においては、入射光２４の光軸
を〈１００〉方位に対してθ傾斜させ、〈１００〉方位
と〈００１〉方位とによって構成される平面に対して電
界Ｅの方向をφ傾斜させた。また、入射光２４の光軸
は、〈０１−１〉方位に対して垂直である。

【００２９】図５（ａ）の素子２１Ａを使用し、上記の
図６（ａ）および（ｂ）の入射光の方向を使用して、各
電極２２Ａ、２２Ｂに電圧を印加した。ただし、各電極
の開き角度の半分（β）を、図８に示すように変更す
る。また、素子内における入射光の光軸と（１００）方
位との角度θは２０°とした（これに対応する入射角度
γは６０°であるが、記録部の表面での屈折のためにθ
は２０°となる。）。この結果、図８に示すように、回
折効率は、β＝３０°以上の範囲内で顕著に向上した。
また、回折効率が平均値±２０％の範囲内にある領域の
面積比は、β＝３０°〜６０°の範囲内で、顕著に増大
していた。

【００３０】また、図５（ａ）の素子２１Ａを使用し、
図７の入射光の方向を使用して、各電極２２Ａ、２２Ｂ
に電圧を印加した。ただし、各電極の開き角度の半分
（β）を、図９に示すように変更する。また、素子内に
おける入射光の光軸と（１００）方位との角度θは２０
°とした。この結果、図９に示すように、回折効率は、
β＝３０°以上の範囲内で顕著に向上した。また、回折
効率が平均値±２０％の範囲内にある領域の面積比は、
β＝３０°〜６０°の範囲内で、顕著に増大していた。

【００３１】このうち、特に重要なものは回折効率のバ
ラツキが小さいことであるので、β＝３０〜６０°（２
β＝６０〜１２０°）の範囲を採用することによって、
回折効率のバラツキの少ない良好な素子を製造できるこ
とが判明してきた。また、図６に示すように、入射光の
光軸が〈０１０〉方位に対して直交するような形態が、
最も高い回折効率が得られることも判明した。

【００３２】また、図６（ｂ）のホログラム記録再生素
子を使用した場合にも、上記した素子の場合と、ほぼ同
様の結果が得られた。

【００３３】次に、図５（ａ）の素子を使用し、図６
（ａ）および図６（ｂ）の入射光の方位を使用し、かつ
βを、最も回折効率のバラツキの少ない４５°とした。
この条件で、記録部内における入射光の光軸と〈１０
０〉方位との角度θを、図１０に示すように変更し、素
子内における回折効率の平均値を測定した。この結果、
回折効率（任意単位）が顕著に変化することを確認し
た。ここで、回折効率は、θが３０〜６０°の範囲内で
大きくなり、４０°〜５０°の範囲内で顕著に大きくな
った。明るい再生画像を得るためには、この回折効率を
最大化することが必要であり、このために上記の所定の
傾斜角度θを設定する必要があることを発見した。

【００３４】前述してきたように、図５に示すような形
態で、一対の電極を形成することによって、結晶内部に
おける電界をほぼ均一とし、結晶内部での回折効率のバ
ラツキを著しく少なくできることを見いだした。

【００３５】これらの知見に立って、本発明者は、（１
００）面を有する記録部を使用して素子を作製した。そ
して、前記したように、この素子は、入射光に対して傾
斜させた状態で使用することによって、高い回折効率が
得られ、かつ回折効率のバラツキも少なくできるもので
あった。そして、このように入射光、特に再生光に対し
て素子の主面ないし入射面を傾斜させることによって、
室内照明等の外光が素子の主面に入射して観察者の方向
へと向かって反射しにくくなり、従って再生像の攪乱を
抑制できるようになった。

【００３６】この際、特に好ましくは、光学系を暗箱内
に収容し、記録部に対向する位置に、外部からの光の記
録部の入射面への入射を遮断するために、遮光板を設置
する。例えば、図１１に模式的に示す例においては、暗
箱５内に光学系６が収容されており、この暗箱５の観察
者側の出口に素子２１Ａ（２１Ｂ）が設置されている。
この素子の記録部の角度は、再生光４の光軸に対して傾
斜している。素子２１Ａ（２１Ｂ）の主面に対向するよ
うに遮光板３７が設置されている。これによって、観察
者１の方向へと進行するべき外部からの反射光３８が、
遮光板３７によって遮られるために、外部からの反射像
による再生像の攪乱を防止することができる。この遮光
板３７は、光沢のないものを使用することが好ましい。

【００３７】次に、本発明者は、更に次の問題があるこ
とを見いだした。即ち、前述した検討結果から見て、図
１２に模式的に示すように、素子２１Ａ（２１Ｂ）の
〈１００〉方位（法線２８）を、入射光２５の光軸に対
して傾斜させた状態で、素子を設置する必要があった。
この傾斜角をγとする。しかし、大気の屈折率は通常
１．０であるのに対して、ホログラム記録再生素子を構
成する光学単結晶の屈折率は、通常は２．４〜２．６で
あって、両者の屈折率には多大な相違がある。このため
に、入射光２５は屈折し、記録部１９の中を符号２６で
示すように伝搬し、再び主面１９ａから２７のように出
射する。入射光２５と出射光２７とは互いに平行であ
る。このθの値は、前記した屈折率の相違から０°〜２
５°に過ぎず、γを変化させても、θをこれ以上増加さ
せることはできない。

【００３８】このように、結晶内を実際に進行している
光２６の光軸と、結晶の〈１００〉方位との角度θが小
さいために、たとえ入射角γを４５°付近に設定したと
しても、回折効率は小さくなり、特にリアルタイムホロ
グラムによる３次元ディスプレイの用途においては、実
用レベルのものを作製することが難しいことが判明して
きた。更には、記録部の表面においてフレネル反射が生
じ、再生光の損失が増加するという問題があった。

【００３９】そこで、本発明者は、（１００）ウエハー
を使用した素子を、このウエハーと比較的近接した屈折
率を有し、かつ絶縁性を有する透明媒体中に収容した、
概念的にまったく新しいホログラム記録再生装置を想到
した。

【００４０】この装置は、素子の記録再生光が通過する
素子面に接する絶縁性の透明な媒体であって、光学単結
晶の屈折率と媒体の屈折率との差が０．５０以下である
媒体と、この媒体の素子側と反対側に位置し、この媒体
と接する透光性の隔壁とを有する。

【００４１】特に好ましくは、ホログラム記録再生素子
を、絶縁性および流動性を有する媒体中に収容すること
ができる。この場合には、媒体を容器中に充填ないし収
容することができる。

【００４２】ここで、媒体が絶縁性を有するとは、１ｋ
Ｖ／ｍｍの印加電圧に対して放電を起こさないことを意
味している。また、媒体が流動性を有するとは、気泡や
空隙を生むことなく、注入した媒体が容器中に充填可能
であることを意味している。また、媒体が透明であると
は、使用波長帯で著しい吸収や散乱を生じないことを意
味している。

【００４３】具体的に使用できる媒体の種類は、記録部
の屈折率との組み合わせによるが、下記の材質からなる
屈折液を好ましく利用できる。シリコン系オイル、砒素
トリプロマイド、ジサルファイド／セレン化合物、セレ
ン化合物を含むフォーミュレーション、砒素トリプロマ
イド／ジサルファイド系フォーミュレーション等。

【００４４】こうした屈折液としては、屈折率１．３０
０〜２．３１程度のものが入手可能であるが、素子を、
後述するような複屈折性の単結晶によって形成する場合
には、通常は屈折率が１．９〜２．３１の範囲内のもの
が好ましい。この観点からは、モリテックス社から入手
できるカーギル（Cargille）標準屈折液の「Series
Ｈ」、「Series ＥＨ」、「Series ＦＨ」が特に好ま
しい。この「Series Ｈ」は、砒素トリプロマイド／ジ
サルファイド系フォーミュレーションであり、「Series
ＥＨ」は、セレン化合物を含むフォーミュレーション
であり、「Series ＦＨ」は、砒素トリブロマイド／ジ
サルファイド／セレン化合物系フォーミュレーションで
ある。

【００４５】また、本態様においては、このような屈折
液を隔壁の間に収容し、あるいは容器中に収容した後
に、この屈折液を固形化ないしゲル化させることができ
る。これによって、本発明の装置の取扱いを一層容易と
することができる。

【００４６】こうした装置の作用効果について、図面を
参照しつつ、更に説明する。

【００４７】図１３（ａ）は、本発明の実施例に係る装
置３３Ａを模式的に示す断面図であり、図１３（ｂ）
は、この装置の平面図である。例えば直方体形状の容器
３１の中に、絶縁性および流動性を有する透明な媒体２
９が収容されており、媒体２９の中に素子２１Ａ（２１
Ｂ）が収容されている。各電極２２Ａ（２３Ａ）、２２
Ｂ（２３Ｂ）は、それぞれ、直流電源１５に接続されて
いる。入射光２５は、記録部１９の（１００）面に対し
て入射するが、このときに主面１９ａの法線２８と入射
光２５の光軸との角度γを、前記したように、好ましく
は３０〜６０°に設定する。

【００４８】入射光２５が再生光である場合には、再生
光２５は、容器３１の壁面３１ａ、３１ｂ、３１ｃおよ
び３１ｄを順次に透過する。このときに、媒体２９と記
録部１９との屈折率の差を小さくし、特に好ましくはほ
ぼ同じとすることによって、入射光２５の記録部１９の
表面における屈折角度は極めて小さくなり、従って入射
角度γと、結晶の〈１００〉方位に対する結晶内の光軸
の角度θとの差を著しく小さくすることができる。この
結果、光学単結晶における回折効率を著しく増大させる
ことに成功した。また、記録部の表面におけるフレネル
反射に起因する再生光の損失も防止することに成功し
た。

【００４９】上記した作用効果を一層顕著とするために
は、媒体と記録部との屈折率の差を０．５以下とするこ
とが好ましく、０．１以下とすることが更に好ましい。
更には、両者の屈折率を実質的に同じにすることが特に
好ましい。

【００５０】媒体を収容する容器の材質としては、光学
石英ガラス等の、透明で研磨が容易で脈理のない材質が
好ましい。また、媒体の屈折率と容器の屈折率との差
は、１．０以下とすることが好ましく、０．５以下とす
ることが一層好ましい。また、反射防止膜の材質として
は、ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂等を例示することが
できる。これらは、後の実施例においても同様に適用で
きる。

【００５１】図１４（ａ）、（ｂ）は、それぞれホログ
ラム記録再生装置３３Ｂ、３３Ｃを模式的に示す断面図
である。それぞれ、図１３に示した部材と同じ部材には
同じ符号を付け、その説明は省略する。図１４（ａ）の
装置３３Ｂにおいては、容器３１の観察者側の内側壁面
３１ｃに対して反射防止膜３５Ａが形成されている。図
１４（ｂ）の装置３３Ｃにおいては、更に、容器３１の
観察者側の外側壁面３１ｄに対して反射防止膜３５Ｂが
形成されている。

【００５２】このような装置においては、通常は、媒体
２９と容器３１との屈折率の差の方が相対的に大きく、
容器３１と大気との屈折率の差が相対的には小さい。ま
た、観察者側の壁面における反射の方が、装置の外部の
風景からの反射光による影響が大きかった。従って、特
に観察者側の内側壁面３１ｃに反射防止膜３５Ａを形成
することが最も効果が大きく、これに加えて観察者側の
外側壁面３１ｄに反射防止膜３５Ｂを形成することが、
特に有効である。しかし、更に再生光の光源側の内側壁
面３１ｂおよび外側壁面３１ａ上にも、それぞれ反射防
止膜を形成することが、より一層好ましい。

【００５３】しかも、これらの実施形態によれば、反射
防止膜３５Ａ、３５Ｂは、いずれも直接に素子に形成さ
れているものではなく、容器３１の壁面上に形成されて
いるので、直流電源からの電圧は、媒体２９によって絶
縁されており、これらの反射防止膜に対して印加される
ことはない。従って、反射防止膜に起因する印加電圧の
制御の困難や絶縁破壊は生じない。

【００５４】図１５は、本発明の更に他の実施形態に係
るホログラム記録再生装置３３Ｄを模式的に示す断面図
である。この装置も、暗箱５の外縁部に取り付けられて
いる。容器６０の中に媒体２９が収容されており、媒体
２９中に素子２１Ａ（２１Ｂ）が収容されている。暗箱
５内の光学系から出射した再生光４は、容器６０の光学
系側の外側壁面６０ａ、内側壁面６０ｂを透過し、記録
部１９を透過し、更に観察者側の内側壁面６０ｃ、６０
ｄを順次に透過する。

【００５５】ここで、本例においては、容器６０の観察
者側の周壁３９は、再生光４の光軸の法線３６に対し
て、所定角度α傾斜している。これと同時に、壁面６０
ｃおよび６０ｄに対向する位置に、例えば再生光４と平
行な方向に延びるように、遮光板３７が設置されてい
る。これによって、観察者の方向へと進行するべき外部
からの反射光３８が遮光板３７によって遮られるため
に、外部からの反射像による再生像の攪乱を防止するこ
とができる。なお、図１５の装置においても、壁面６０
ａ、６０ｂ、６０ｃ、６０ｄに、それぞれ反射防止膜を
形成することができる。

【００５６】αは３０〜６０°とすることが特に好まし
い。αを３０°以上とすることによって、反射を防止す
る作用効果を顕著とすることができる。また、αを増加
させると、これに応じて遮光板を長くする必要があり、
このために素子の寸法が大きくなってくるが、αを６０
°以下とすることによって、比較的にコンパクトな小型
の素子を提供することができる。

【００５７】次に、前記したいずれの実施形態の素子に
おいても、更に次の問題が残されていた。即ち、入射光
に対して記録部の（１００）方位がγ傾斜していること
から、観察者側から見たときに、記録部の寸法よりも、
実際の実効寸法が小さくなる。しかし、本発明者は、記
録部の両側に一対の光路制御手段（好ましくは、プリズ
ムまたは回折格子）を設置して、入射光を第一の光路制
御手段に対して入射させ、第一の光路制御手段中で光の
進行方向を変化させ、これによって記録部への入射光の
入射角度を（１００）方位からγ傾斜させた。これと同
時に、記録部から出射した光の進行方向を、第二の光路
制御手段によって変化させ、（１００）方位へと向かっ
て出射させることを想到した。これによって、記録部の
実効面積を顕著に増大させることに成功した。

【００５８】例えば、図１６（ａ）の素子４０において
は、記録部１９の両側に、第一のプリズム４１Ａ、第二
のプリズム４１Ｂが設置されている。入射光２５は、第
一のプリズム４１Ａの表面４２に対して入射する。第一
のプリズム４１Ａ内では、光は４４ａのように進行し、
これによって記録部１９への入射光の入射角度は、（１
００）方位６１からγ傾斜する。記録部１９内では、光
は再び屈折して４４ｂのように進行する。記録部１９か
ら出射した光は、第二のプリズム４１Ｂによって再び屈
折し、４４ｃのように進行し、更に大気とプリズムとの
界面４３で屈折し、３０のように出射する。

【００５９】図１６（ｂ）の素子においては、記録部１
９の両側に、第一の回折格子４５Ａ、第二の回折格子４
５Ｂが設置されている。入射光２５は、第一の回折格子
に対して垂直に入射し、進行方向が変化し、記録部１９
へと入射する。記録部１９内においては、入射光４６の
光軸は、（１００）方位６１からθ傾斜している。記録
部１９から出射した光は、第二の回折格子４５Ｂによっ
て再び屈折し、３０のように出射する。

【００６０】

〔実施例１〕

（ホログラム記録再生装置の製造）図５（ａ）に示すよ
うな素子を作製した。まず、直径８０ｍｍ、長さ１００
ｍｍのＢｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結晶のブールを製造した。
ルツボとしては、直径１５０ｍｍ、高さ１５０ｍｍの円
筒形状の白金製ルツボを使用した。ルツボ内に、Ｂｉ
_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}の焼結体１４ｋｇを収容し、これを９０
０℃に加熱して融液を生成させた。白金製アフターヒー
ターを使用することによって、ブールの引き上げ方向の
上方における１０ｍｍまでの間の温度勾配を５０〜７５
℃／ｃｍに調整し、これに引き続く１５０ｍｍに至るま
での温度勾配を１０℃／ｃｍに調整した。引き上げ速度
を１〜１．５ｍｍ／時間とし、引き上げ軸の回転速度を
１０ｒｐｍとした。得られた単結晶の特性を、以下の表
１に示す。

【００６１】

【表１】格子定数１０．１０３×１０^-10ｍ密度９．２ｇ／ｃｍ³ 誘電率５６（１００ｋＨｚ）屈折率２．５３（λ＝６３３ｎｍ）暗抵抗１０^{1 4}Ω・ｃｍ光導電性１０⁸Ω・ｃｍ（λ＝４５８ｎｍ、２．５ｍＷ／ｃｍ²）半波電圧３９００Ｖ（λ＝６３３ｎｍ）ベルデ定数３．６７×１０^{- 3}／Ｏｅ・ｃｍ（λ＝６３３ｎｍ）９．３３×１０^{- 4}／Ｏｅ・ｃｍ（λ＝１１５０ｎｍ）

【００６２】このブールから、図４（ａ）および（ｂ）
に示すようにして、記録部１９を切り出した。記録部１
９の形態は、直径８０ｍｍ、厚さ２ｍｍの円板形状であ
った。記録部１９の一対の主面を平面研磨機で研磨加工
し、その平面度を０．６μｍとした。この記録部の外周
縁面は、研磨は施されておらず、育成された結晶のまま
の状態であり、３ｍｍ程度の凹凸が存在していた。次い
で、図５（ａ）に示すようにして、厚さ０．２ｍｍの銀
粉含有エポキシ製の導電性樹脂からなる透明電極膜２２
Ａ、２２Ｂを、塗布法によって形成した。βを、表２に
示すように変更した。光の入射については図６に示す設
計を採用した。

【００６３】（回折効率の測定）一対の電極の間に４０
ｋＶの直流電圧を印加した。交差角度３°で交わる２本
の波長４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザー光を、物体
光として素子に照射した。物体光の入射角を６０°とし
た。ビームの直径を１００ｍｍとした。素子の上には、
１３０本／ｍｍの縞間隔の干渉縞が形成され、素子内に
記録された。

【００６４】こうして素子内に記録された干渉縞に対し
て、ブラッグ回折条件を満足する入射角度で、波長６３
３ｎｍ、直径１ｍｍのヘリウム−ネオンレーザー光を光
照射面に対して照射し、一次回折光を得た。ここで、Ｂ
ｉ_{1 2}ＳｉＯ_{2 0}単結晶ホログラムは、厚い体積ホログ
ラムであるために、再生入射光の角度選択性が厳格であ
り、ブラッグ条件を満足する方向に再生光を入射させな
いと、回折しない。素子の各点における回折効率を測定
し、結果を表２に示した。

【００６５】

【表２】

【００６６】この結果から判るように、特にβを３０〜
５０°に制御することによって、比較的に高い回折効率
を保持しつつ、回折効率のバラツキを低くし、明るさが
均一な画像が得られる。これによって、ディスプレイ素
子等の用途において、本発明の素子が有用であることが
判る。特に、βを３５°〜４５°とすることによって、
回折効率のバラツキが著しく減少していた。

【００６７】また、上記と同様にし、更にβを６°、１
２°、１９°、２４°、３２°、３７°、４５°、５３
°、５８°、６６°、７１°、７７°、８４°に変更
し、これらの結果を図８に示した。

【００６８】〔実施例２〕実施例１と同様にして、素子
の各部分における回折効率を測定し、その結果を評価し
た。ただし、入射光の方向等の設計については、図７に
示すものを使用した。この結果を図９に示した。この結
果から判るように、本設計においても、回折効率のバラ
ツキの小さい素子を提供することが可能である。しか
し、回折効率の平均値は、実施例１の素子の方が高いた
めに、特にディスプレイ用途においては、実施例１の素
子の方が低出力の光源で相対的に明るい画像を得ること
ができるために、一層好ましいことが判明した。

【００６９】〔実施例３〕実施例１の素子において、β
を４５°とした素子について、図１１に示すような装置
を作製した。

【００７０】ホログラム記録再生については、図１７に
模式的に示す光学系を使用した。図１１の装置５８を所
定位置に設置した。波長４８８ｎｍのアルゴンイオンレ
ーザー光を光源４７から出射させ、このレーザー光をハ
ーフミラー４８で２つに分割した。この分割されたレー
ザー光のうち一方は、レンズ４９、拡散板５０を通り、
拡散板５０で散乱され、原画像が印刷された寸法６０ｍ
ｍ×６０ｍｍの透明フィルム５１を透過する。このフィ
ルム５１からの出射光を物体光とし、これを装置５８に
照射した。

【００７１】一方、アルゴンイオンレーザー光のうちハ
ーフミラー４８を透過した光は、ミラー５２で反射さ
れ、集光レンズ５３およびコリメートレンズ５４を透過
し、参照光として光照射面へと照射される。この物体光
と参照光とは、互いに交差角度３°で交わるようにし
た。これによって原画像を素子内に記録することができ
た。照射した光エネルギーは４ｍＪ／ｃｍ²であった。
素子への印加電圧は４０ｋＶとした。干渉縞の間隔は１
３０本／ｍｍとした。

【００７２】次いで、波長６３３ｍｍであって、直径１
００ｍｍの均一な光量分布を有するヘリウム−ネオンレ
ーザー光を、光源５５から出射させ、集光レンズ５６お
よびコリメートレンズ５７を透過させ、記録部の光入射
面に入射させた。このレーザー光の入射角度は、素子内
に記録された干渉縞に対してブラッグ回折条件を満足す
る入射角度とした。

【００７３】この再生画像を、明るさ１００ルクスの室
内で観察したところ、再生像が原画像に相当する位置に
再生されており、これによって原画像における奥行き
が、再生されたホログラフィーにおいても再現されてい
ることが分かった。これらの画像を図１８、図１９に示
す。これらのホログラフィーの奥行きは、両眼視差を利
用して確認することができるものであった。このよう
に、本発明によって、両眼視差を利用した、原画像の奥
行きおよび立体感を忠実に再現し、確認することができ
る、リアルタイムホログラムによる３次元ディスプレー
を提供することに成功した。しかも、周囲の風景による
再生像の攪乱はほとんど見られないことを確認した。

【００７４】なお、このようにして素子内に記録された
画像は、素子への印加電圧を０Ｖとした状態で、素子の
光照射面の全面にわたって均一な青色光を照射すること
によって、消去することができた。

【００７５】また、上記において、実施例１の素子を使
用し、βを３０°、３５°、５０°とした素子について
も、これと同様の結果が得られた。

【００７６】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明の新規な
形態のホログラム記録再生装置によれば、ホログラム記
録素子において、素子の表面における反射や屈折による
再生像の攪乱を防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は、従来のホログラム記録再生
装置を使用して３次元ディスプレイを作製したときの問
題点を説明するための模式図である。

【図２】本発明者が検討したホログラム記録再生装置を
示す斜視図である。

【図３】単結晶ブール１７から（０１１）ウエハー１８
を切り出している状態を示す斜視図である。

【図４】（ａ）は、単結晶ブール１７から（１００）ウ
エハー１９を切り出している状態を示す斜視図であり、
（ｂ）は、（１００）ウエハー１９を示す平面図であ
る。

【図５】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施例
で使用するホログラム記録再生素子２１Ａ、２１Ｂを模
式的に示す平面図である。

【図６】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図５（ａ）、
（ｂ）の各素子を使用した場合の光の入射方向を例示す
るための模式図である。

【図７】図５（ａ）、（ｂ）の各素子を使用した場合の
光の入射方向を例示するための模式図である。

【図８】図５（ａ）の素子を使用した場合における、β
と、回折効率との関係の一例を示すグラフである。

【図９】図５（ａ）の素子を使用した場合における、β
と、回折効率との関係の一例を示すグラフである。

【図１０】図５（ａ）の素子を使用した場合における、
光学単結晶の〈１００〉方位に対する、結晶内の入射光
の光軸の角度θと、回折効率との関係の一例を示すグラ
フである。

【図１１】本発明の実施例に係る装置を模式的に示す模
式図である。

【図１２】図５（ａ）、（ｂ）の素子に対して入射光を
直接に入射させた場合の光の進行を説明するための正面
図である。

【図１３】（ａ）は、図５（ａ）、（ｂ）の素子を使用
して作製した、本発明の実施例に係るホログラム記録再
生装置を模式的に示す断面図であり、（ｂ）は、（ａ）
の装置の平面図である。

【図１４】（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図５（ａ）、
（ｂ）の素子を使用して作製した、本発明の実施例に係
るホログラム記録再生装置を模式的に示す断面図であ
る。

【図１５】図５（ａ）、（ｂ）の素子を使用して作製し
た、本発明の実施例に係るホログラム記録再生装置を模
式的に示す断面図である。

【図１６】（ａ）、（ｂ）は、本発明の更に他の実施例
に係る装置を示す断面図である。

【図１７】ホログラム記録再生の実験に使用した光学系
を示す模式図である。

【図１８】ホログラム記録再生試験によって再生した再
生像を示す写真である。

【図１９】ホログラム記録再生試験によって再生した再
生像を示す写真である。

【符号の説明】

１観察者、５暗箱、１７ブール、１８
（１１０）ウエハー、１９（１００）ウエハー（記
録部）、１９ａ（１００）面、１９ｂ外周縁面、
２１Ａ，２１Ｂホログラム記録再生素子、２２
Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ電極、２５入射光、
２９絶縁性および流動性を有する透明な媒体、３
１容器、３３Ａホログラム記録再生装置、３７
遮光板、３８反射光、Ｏ記録部１９の中心、
γ 主面１９ａの法線２８と入射光２５の光軸との角
度、 θ 結晶内における入射光の光軸と〈１００〉方
位との角度、 β 電極の開き角度の１／２

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G03H 1/22 G03H 1/26 G02F 1/03 G02F 1/05 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光誘起屈折効果を示す光学単結晶からなる
記録部と、この記録部に対して電圧を印加するための電
極とからなる素子、および前記記録部に対して入射光を
入射させるための光学系を備えているホログラム記録再
生装置であって、前記光学単結晶の結晶系が立方晶に属
しており、前記記録部の入射面が（１００）面であり、
前記入射光の光軸と前記光学単結晶の〈１００〉軸とが
所定角度をなすように前記入射光が入射することを特徴
とする、ホログラム記録再生装置。
【請求項２】前記光学系が暗箱内に収容されており、前
記記録部に対向する位置に、外部からの光の前記記録部
の入射面への入射を遮断するための遮光板が設置されて
いることを特徴とする、請求項１記載のホログラム記録
再生装置。
【請求項３】前記記録部が、〈１００〉軸方位への光学
単結晶の引き上げによって得られるブールの切断によっ
て形成されており、かつ実質的に円板形状をなしている
ことを特徴とする、請求項１または２記載のホログラム
記録再生装置。
【請求項４】前記電極として、前記記録部の外周縁面に
一対の電極が形成されており、各電極が互いに相対向し
た位置に、前記入射面の中心に対して点対称となるよう
に形成されており、かつ前記電極の前記中心に対する開
き角度が６０°以上、１２０°以下であることを特徴と
する、請求項３記載のホログラム記録再生装置。
【請求項５】前記光学単結晶の〈１００〉軸と、前記光
学単結晶内での入射光の光軸との角度θが３０°〜６０
°であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一
つの請求項に記載のホログラム記録再生装置。
【請求項６】前記素子の記録再生光が通過する素子面に
接する絶縁性の透明な媒体であって、前記光学単結晶の
屈折率と前記媒体の屈折率との差が０．５０以下である
媒体と、この媒体の前記素子側と反対側に位置し、この
媒体と接する透光性の隔壁とを有することを特徴とす
る、請求項１記載のホログラム記録再生装置。