JP4600711B2

JP4600711B2 - Hologram and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4600711B2
Application number: JP2000404234A
Authority: JP
Inventors: 豊彦谷田貝; 建治原田; 雅英伊藤; 勝博宗形
Original assignee: 国立大学法人筑波大学
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP2002182547A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アゾポリマーフィルムへ表面レリーフグレーティング（「ＳＲＧ」という。）を形成して成る、フーリエ変換ホログラムやフレネルホログラム等のホログラム及びその作製方法に関し、特に、回折効率（ホログラムを再生するとき、一次又は特定の高次）回折像の方向を回折する光との強度の比をいう。）の増強可能なことを特徴とするオフアクシス型のホログラム及びその作製方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ホログラムは、近年、光メモリ、各種のディスプレー、干渉計測計、カード等におけるセキュリーティ表示手段等各種の用途に幅広く利用されているところである。
【０００３】
ホログラム記録材料に必要な特性として、感度、解像度、最大回折効率、ＳＮ比などが上げられる。これまで高感度、高解像度である銀塩が一般的に用いられてきた。
【０００４】
また、高強度レーザーが簡単に利用できるようになったことにより、フォトリフラクティブ結晶やフォトポリマーなどがホログラム材料として使われるようになった。これらの材料は銀塩に比べて高解像度、現像がいらず実時間再生が可能であるなどの優れた特徴を有している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のホログラム記録材料で作成されたホログラムは、その記録材料の表面に一度、表面レリーフグレーティングを形成すると、回折効率を増強したり、消去して書き換えたり、簡単に複製したりすることはできず、即ち、ホログラムを積極的に制御することができない。
【０００６】
本発明に係るホログラム及びその作成方法は、従来のホログラム記録材料で形成されたホログラムの上記問題点を解決することを目的とするものであり、簡単に回折効率を増強することができてより明瞭なホログラム再生像を得られ、ホログラムの記録内容を簡単に消去、書き換えが可能であり、しかも簡単に複製可能な、極めて制御性に富み、光メモリ、ディスプレー装置、干渉計測計等各種の用途に利用可能なホログラムを実現することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、アゾベンゼンを含むポリマーフィルムの表面に表面レリーフグレーティングが記録されてなるホログラムであって、上記表面レリーフグレーティングは、参照光と物体光を干渉させて形成された空間的な強度分布が、ポリマーフィルムの表面に記憶されたものであり、上記ホログラムにレーザ光又は白色光を照射させると、上記表面レリーフグレーティングの透過光又は反射光は、記録時と同様な物体の状態を再現することができることを特徴とするホログラムを提供する。
【０００８】
上記表面レリーフグレーティングは、コロナ帯電することにより回折効率の増強又は変調が可能である。
【０００９】
上記表面レリーフグレーティングは、光を照射することにより消去、書き換えが可能である。
【００１０】
本発明は上記課題を解決するために、アゾベンゼンを含むポリマーフィルムの表面に、参照光と物体光を干渉させ、空間的な強度分布を作り、該強度分布をポリマーフィルムの表面に表面レリーフグレーティングとして記録することを特徴とするホログラムの作製方法を提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係るホログラム及びその作成方法の実施の形態を、実施例に基づいて図面を参照して以下説明する。
【００１２】
本発明は、アゾポリマーフィルム（アゾベンゼン高分子膜）の表面に、参照光と物体光を干渉させ、空間的な強度分布を作り、この強度分布を、アゾポリマーフィルムの表面に、表面レリーフグレーティングとして記録して作製するホログラムである。このような表面レリーフグレーティングが記録されたホログラムに、レーザ光又は白色光を照射させると、その透過光又は反射光は、記録時と同様な物体の状態を再現することができる。
【００１３】
この表面レリーフグレーティングの回折効率は、書込み偏光、照射エネルギー（強度×時間）に強く依存する。また、現像がいらず実時間の再生が可能であるとともに、記録一消去一記録の繰り返し使用が可能であるという特徴を有する。
【００１４】
このような表面レリーフグレーティングをアゾポリマーフィルムの表面に記録するメカニズム（原理）は、明確に解明はされてはいないが、アゾポリマーフィルムが光の照射を受けると、アゾベンゼン体が変形を生じることが原因と考えられる。
【００１５】
即ち、アゾベンゼンを側鎖に持つ高分子に、吸収波長のレーザ光を照射すると、アゾ基が安定なトランス体からシス体へと変化する。そして、再度シス体からトランス体に戻る過程で表面に表面レリーフが生じることが原因と考えられる。
【００１６】
これをさらに具体的に説明する。本発明の後述する実施例では、次の化学式１に示す構造のＰｏｌｙ−ｏｒａｎｇｅｔｏｍ−１ｉｓｏｐｈｏｒｏｎｅｄｉｓｏｃｙａｎａｔｅ（ポリオレジトム１）を用いるが、吸収のある光を照射することにより、化学式２に示すように、アゾ基がトランス体からシス体に変化する。再度シス体からトランス体に戻る。それを繰り返す間にポリマーが、照射光の強度（の勾配）によって生じる放射圧に応じて移動すると考えられる。
【００１７】
【化１】

【００１８】
【化２】

【００１９】
以上要するに、アゾポリマーフィルム等のアゾ色素を持つポリマーフィルムは、光異方性を有し、この異方性効果は、光の偏光状態及び強度に対応したトランス体−シス体−トランス体の光異性化及びアゾ分子の配向効果により生じるものである。本発明は、この効果を利用して、偏光方向を変えて干渉させ、空間的な強度分布及び偏光分布を作ることで、表面レリーフグレーティングを作製するものである。
【００２０】
ところで、このようにアゾポリマーフィルムに干渉縞を照射することで作製される表面レリーフグレーティングの回折効率は、照射エネルギー及び書き込み時間に強く依存する。そこで、この点を確認するために、ポリオレンジトムをガラス基板上にスピンコートして作製し、表面レリーフグレーティングの書込み時間依存性を測定した。
【００２１】
図１は、表面レリーフグレーティングの時間依存性の測定、評価のために利用した表面レリーフグレーティングの書込み（記録）及び評価の光学装置である。光源は波長４８８ｎｎｍのＡｒ−イオンレーザー１を用い、λ／４板１０により円偏光にする。
【００２２】
レーザー光はコリメータ２により直径６ｍｍにコリメートされ、ビームスプリッター３により２本に分けられた後、１本は直接、他の１本はミラー４を介してアゾポリマーフィルム５上で干渉させて表面レリーフグレーティングを作製した。そして、表面レリーフグレーティングの時間依存性を評価するために、波長６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー６を表面レリーフグレーティングに入射し、１次回折光を検知器７で測定した。
【００２３】
図２は、アゾポリマーフィルムの表面レリーフグレーティングの１次回折効率の時間依存性を示したものである。表面レリーフグレーティングは約１μｍ、２μｍのポリオレンジトムに、物体光強度８８ｍＷ／ｃｍ^２、参照光強度１９３ｍＷ／ｃｍ^２で書込んだ。表面レリーフグレーティングの周期が約１μｍになるように物体光と参照光間の角度を設定した。
【００２４】
この結果、図２に示すように、同じ膜厚では強い強度で書込むことで短時間で高い回折効率を得ることができ、また同じ書込み強度の場合では膜厚が厚い方が高い回折効率を得ることができる。このように数分の照射により数％の回折効率が得られることが分かる。
【００２５】
（実施例１）
以下、アゾポリマーフィルムを用いたホログラムの実施例１として、フーリエ変換ホログラムについて説明する。この実施例１では、図３に示す光学装置によりアゾポリマーフィルム８上に、表面レリーフグレーティングの書込み（記録）を行いフーリエ変換ホログラム９を作製した。
【００２６】
Ａｒ−イオンレーザー１からのレーザー光は、λ／４板１０で円偏光とされ、コリメータ２を通してコリメートされ、ビームスプリッター３によってほぼ同強度の２本の光線に分けられる。このうち一本の光線は、記録物体１１を通過し、さらにフーリエレンズ１２を通りフーリエ変換された物体光となり、他の一本の光線はミラー４で反射されて参照光となる。これらの物体光と参照光の干渉による強度分布が、記録材料であるアゾポリマーフィルム８の表面に表面レリーフグレーティングとして記録される。
【００２７】
記録物体１１としては、図４に示す縦４ｍｍ、横３ｍｍのＯＨＰシートに記録した文字Ａ及びＥの画像を光路上においた。記録材料（サンプル）であるアゾポリマーフィルム８は、膜厚が約１μｍ及び２μｍのポリオレンジトムを用いた。記録画像の読み出しは図５に示すように、アゾポリマーフィルム８にＨｅ−Ｎｅレーザーからのレーザー光を透過させて、その透過光をフーリエ逆変換用のフーリエレンズ１３を通してカメラ１４で撮影するという光学装置を用いて行った。
【００２８】
このようにして作製されたフーリエ変換ホログラム９の１次回折効率の書込み時間依存を図６に示す。書込み強度は、物体光＝参照光＝１１８ｍＷ／ｃｍ^２、５０ｍＷ／ｃｍ^２である。ただし、物体光がフーリエレンズ１２によりフーリエ変換されているため、アゾポリマーフィルム８上での正確なパワー密度までは把握できない。読み出し光のビーム径は約１ｍｍである。
【００２９】
この実験の結果から、書込み時間は１分程度で十分であることがわかる。１０分程度の照射では、回折効率は上昇しているが、実体顕微鏡による観察では中心に穴があいていた。これは、フーリエ変換の低周波成分、つまり０次項が強いため、ブリーチング又はアブレーションにより生じたと考えられる。
【００３０】
図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、アゾポリマーフィルム８として実際に採用した膜厚約２ｕｍのポリオレンジトムに１分間書込んだ文字Ａ及びＥの再生画像である。図７（ａ）はレーザーを直入射して±１次回折光を観察したもので、図７（ｂ）、図７（ｃ）は図５に示すような光学装置で、１次回折光を画像として再生し観察したものである。それぞれの１次回折効率は直径１ｍｍのレーザー光で約１．２％及び約１％であり、直径６ｍｍのレーザー光では約０．１％及び０．１７％であった。
【００３１】
２つの文字Ａ、Ｅの記録されたフーリエ変換ホログラム９の回折効率はほぼ同じである。この回折効率は小さいが、参照光及び物体光間の強度の最適化を行うことによりさらに高い回折効率が得られ、実用化に供せられるものである。
【００３２】
次に、アゾポリマーフィルム上に記録された文字Ａ及びＥのフーリエ変換ホログラムによる１次回折光を、図５に示す光学装置ではなく、図８に示すように白色光源からの白色光を照射して反射させてカメラ（デジタルカメラを利用）１５で撮影し観察した。この撮影結果を図９（ａ）、（ｂ）に示す。図９（ａ）、（ｂ）から、記録されたフーリエ変換ホログラムにより白色光が回折され、明るい画像となっているのが確認できる。
【００３３】
図１０は、以上説明したようなホログラムについて、特に後述するコロナ帯電等の処理をせずに、その表面を微分干渉顕微鏡（ＤＩＣＭ）により観察（倍率４０倍）したものである。この場合のホログラムの書込み条件は次の通りである。膜厚１μｍのポリオレンジトムに物体光＝参照光＝８８ｍＷ／ｃｍ^２で１分間書込んだ。干渉縞の周期は１μｍになるように設定した。図１０において、ホログラムの表面にグレーティングが書込まれていることが分かる。
【００３４】
次に、アゾポリマーフィルムによるホログラムの解像度を評価するために、解像度チャート（解像度を評価するために通常用いられる図）の記録を行った。書込み強度は物体光＝参照光＝１１８ｍＷ／ｃｍ^２であり、書込み時間は１０分である。また、干渉縞の周期が１μｍになるように参照光の角度を設定した。
【００３５】
このようにして書き込んで得られるフーリエ変換パターンを、図５と同様の光学装置で再生した再生像を図１１（ａ）に示す。又、同じくフーリエ変換パターンを、図８と同様に白色光源で照射してその反射光をカメラ（デジタルカメラを利用）１５で撮影して得られたフーリエ変換パターンを図１１（ｂ）に示す。
【００３６】
この場合、直径６ｍｍのレーザー光入射による１次回折効率は約１．４２％である。再生像はデジタルカメラで撮影しているため、その解像度の影響を受けていると考えられる。また、フーリエ変換パターンを記録しているため、高周波成分が記録されず、高い解像度が得られないことも考えられる。
【００３７】
ここで、イメージホログラムによる再生像を図１２に示す。作製条件は同じであり、直径６ｍｍのレーザー光入射による１次回折効率は約１．０７％である。
この場合、はっきりした画像が観察された。
【００３８】
本発明のホログラムは、コロナ帯電することで表面レリーフグレーティングの回折効率を増加できるという特徴を有している。これを利用すれば、弱い物体光及び参照光の干渉で形成された小さな回折効率の表面レリーフグレーティングでも、その回折効率を増強し、より見やすい画像を再生することができる。そこで、本発明に係るフーリエ変換ホログラムで作製した表面レリーフ型ホログラムの回折効率の増強を確認する実験を行った。
【００３９】
この実験例の実験条件及び実験結果を次の表１に示す。この実験例では、膜厚１μｍのポリマーフィルムを用い、図３に示すと同様の光学装置及び作製方法で記録物体を記録し、フーリエ変換ホログラムを作成した。このフーリエ変換ホログラムを表１に示すケース１及びケース２のそれぞれの条件でコロナ帯電を利用して増強した。これら２つのケースの違いはコロナ帯電温度のみである。
【００４０】
【表１】

【００４１】
この実験例の結果について表１を見ると、直径１ｍｍのＨｅ−Ｎｅレーザー光を入射してコロナ帯電前後で測定された文字Ａの１次回折効率は、ケース１では０．２８％から４．７３％まで、ケース２では０．２４％から２８．３９％まで増加した。また、文字Ｅでも０．４９％から３２．６％への増加が観測された。
【００４２】
次に、この増加の原因を確かめるために、ポリマーフィルム（記録材料）に記録されたフーリエパターン付近を、ＡＦＭを利用して観察した。この観察結果を、図１３（ａ）、（ｂ）に示す。これは、ケース２の条件で作製したコロナ帯電前後の文字Ａのフーリエ変換パターン（中心付近）の表面図を示す。
【００４３】
測定されたコロナ帯電前後の表面レリーフ深さは、約２０ｎｍ、約３５０ｎｍであり、コロナ帯電により表面レリーフ深さが増加していることが確認できた。このことから、回折効率の急激に増加した原因が表面レリーフ探さの増加によるものであることが確認できた。
【００４４】
このように、コロナ帯電による回折効率の増強効果を利用することで、文字Ａ、Ｅ両方において最大約３０％の回折効率が得られる事が分かった。ただし、コロナ帯電の効果が強いと回折効率は上昇するが、表面に絶縁破壊による小さな穴があいてしまい、散乱が大きくなってしまう傾向がある。
【００４５】
従って、コロナ帯電による回折効率の増強効果を図る際には、散乱に注意して行う必要がある。また、この実験例では表１に示すように、読み出し光のビーム径を１ｍｍ及び６ｍｍで測定しているが、これからフーリエ変換された情報がどの範囲に広がっているかが把握できる。
【００４６】
（実施例２）
次に本発明に係るホログラム及びその作成方法の実施例２として、フレネルホログラムについて説明する。実施例２は、表面レリーフグレーティングを用いて２次元画像の記録が形成されたフレネルホログラムである。
【００４７】
図１４は記録光学装置であり、フレネルホログラムの配置と同じである。光源として、ＣＷのＮｄ：ＹＡＧレーザー（５３２ｎｍ）１６を用いた。レーザーはλ／２板１７を通して円偏光とし、これをコリメーター２により直径６ｍｍに広げられる。記録材料であるアゾポリマーフィルム１８は膜厚約１μｍのポリオレンジトムである。
【００４８】
記録物体１９は、図１５（ａ）、（ｂ）に示されるように、それぞれＯＨＰシートに大きさ縦４ｍｍ、横３ｍｍで記録した文字Ａ、Ｂの画像である。この画像Ａ、Ｂを光路上において、図１４に示す光学装置で、参照光と物体光を干渉させ空間的な強度分布を形成し、これをアゾポリマーフィルム１８の表面に、表面レリーフグレーティングとして書き込みフレネルホログラム２０を作製する。
【００４９】
画像の再生は、図１６（ａ）に示すようにＨｅ−Ｎｅレーザーからのレーザー光をフレネルホログラム２０を透過して、その透過光をカメラ１４で撮影する（再生手段１）か、図１６（ｂ）に示すように白色光をフレネルホログラムで反射させて、その反射光をカメラ１５で撮影する（再生手段２）、という２つの手段のいずれかによって行われる。
【００５０】
この実施例２では、画像Ａの記録については、記録強度は物体光強度２６１ｍＷ／ｃｍ^２、参照光強度２２５ｍＷ／ｃｍ^２で１０分間記録した。周期は約１．１μｍである。図１７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ再生手段１、２による再生像であり、フレネルホログラムとして画像Ａが記録されていることが確認できる。この時、１次回折光強度は約８．６％であった。
【００５１】
次に、参照光の角度を変えることで画像の多重記録を行った。記録条件は次の通りである。書込み強度及び時間は、物体光強度２６１ｍＷ／ｃｍ^２、参照光強度２２５ｍＷ／ｃｍ^２で１０分間記録されたＡ、Ｅの周期はそれぞれ約１．１μｍ、０．８μｍである。
【００５２】
図１８は、多重記録を行って得られたフレネルホログラムを再生再生法１により再生した再生画像であり、再生画像は違った互いに異なる位置で観測される。再生画像のＡ、Ｅの１次回折効率は、それぞれ約４．７％、４．９％である。
【００５３】
図１９は、多重記録を行って得られたフレネルホログラムを再生法２により再生した再生画像であり、参照光の角度を変えて入射し、観察している。図２０のようにＡとＥを別々に観測することができ、これにより画像の角度多重記録が行えることが確認できた。
【００５４】
さらに、回折効率をさらに上げるために、コロナ帯電による増強を行った。コロナ帯電の条件は、印加電圧、時間、温度、電流が、それぞれ３．２ｋＶ、２０分、１４１℃、１〜２μＡである。このコロナ帯電により、書込んだ画像Ａの１次回折効率は約３８％とかなり大きな値を持たせることができた。
【００５５】
本発明に係るホログラムの特徴は、ホログラム記録画像の変調（ホログラムの回折効率が電圧で変化すること。）が可能であることである。画像Ａ、Ｂを記憶したフレネルホログラムのサンプルをコロナ帯電電荷によりポーリングして電気光学効果（電圧印加による材料の屈折率変化）を持たせ、画像の変調実験を行った。面ではなく点でレーザー光を画像の一部分に入射し、変調を行った。電圧はＩＴＯ電極をサンプルの上下面に圧着して取付け、この上下のＩＴＯ電極間に印加した。
【００５６】
図２１は１次回折効率の変調結果を示す。この時の回折効率は１１．３％であり、１ｋＨｚ、３０Ｖｐ−ｐでの変調効率（電圧をかけたときの回折効率の変化分／電圧をかけないときの回折効率）は、約０．５１％であった。このように、変調可能な画像を書込むことができた。
【００５７】
以上、本発明の実施の形態を実施例に基づいて説明したが、本発明は以上の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲記載の技術的事項の範囲内でいろいろな実施例があることは言うまでもない。
【００５８】
【発明の効果】
以上の構成から成る本発明に係るホログラムによれば、コロナ帯電により簡単に回折効率を増強し、変調することができるからホログラム作製時の参照光及び物体光は弱い光であっても、増強することにより明瞭なホログラム再生像を得られ、又、ホログラムの記録内容を簡単に消去、書き換えによる繰り返しの使用が可能であり、しかも簡単に複製可能であり、光メモリ、ディスプレー装置、干渉計測計等各種の用途に幅広く利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るホログラムの基本となる、アゾポリマーフィルムに表面レリーフグレーティングを作製する光学装置に一例を示す図である。
【図２】図１の光学装置で表面レリーフグレーティング作製する場合、回折効率の書き込み時間（参照光、物体光の照射時間）の依存状態を示すグラフである。
【図３】本発明に係るホログラムの実施例１として説明するフーリエ変換ホログラムを作製する光学装置を示す図である。
【図４】実施例１でアゾポリマーフィルムに書き込む記録物体である画像（書き込み画像）を示す図である。
【図５】実施例１のフーリエ変換ホログラムの画像の再生手段を説明する図である。
【図６】実施例１のフーリエ変換ホログラムの画像の回折効率の書き込み時間（参照光、物体光の照射時間）の依存状態を示すグラフである。
【図７】実施例１のフーリエ変換ホログラムによる回折光、再生像を示す図である。
【図８】実施例１のフーリエ変換ホログラムの画像の別の再生手段を説明する図である。
【図９】実施例１のフーリエ変換ホログラムによるフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１０】実施例１のフーリエ変換ホログラムの表面のＤＩＣＭによる観察された状態を示す図である。
【図１１】実施例１のフーリエ変換ホログラムによる解像度チャートの再生像及びフーリエ変換パターンを示す図である。
【図１２】イメージホログラムによる解像度チャートを示す図である。
【図１３】ＡＦＭにより観察したフーリエ変換ホログラムのコロナ帯電前後の表面図である。
【図１４】本発明に係るホログラムの実施例２として説明するフレネルホログラムの記録光学装置を示す図である。
【図１５】実施例２のフーリエ変換ホログラムで記録する記録物体である画像（書き込み画像）を示す図である。
【図１６】実施例２のフーリエ変換ホログラムの画像再生手段を示す図である。
【図１７】実施例２のフーリエ変換ホログラムの再生画像を示す図である。
【図１８】実施例２のフーリエ変換ホログラムの再生画像を示す図である。
【図１９】実施例２のフーリエ変換ホログラムの再生画像を示す図である。
【図２０】実施例２のフーリエ変換ホログラムを変調した場合の再生画像を示す図である。
【図２１】実施例２のフーリエ変換ホログラムを変調する際の、変調効率の印加電圧の依存性を示す図である。
【符号の説明】
１Ａｒイオンレーザー
２コリメーター
４ミラー
５、８、１８アゾポリマーフィルム
６Ｈｅ−Ｎｅレーザー
７検知器
９フーリエ変換ホログラム
１０ λ／４板
１１記録物体
１２、１３フーリエレンズ
１４、１５カメラ
１６ＹＡＧレーザー
１７ λ／２板
１９記録物体
２０フレネルホログラム[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a hologram such as a Fourier transform hologram and a Fresnel hologram formed by forming a surface relief grating (referred to as “SRG”) on an azo polymer film, and a manufacturing method thereof. It refers to the ratio of the intensity to the light diffracting the direction of the primary or specific higher order diffraction image. The present invention relates to an off-axis hologram and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, holograms are widely used in various applications such as optical memory, various displays, interference measuring instruments, security display means in cards and the like.
[0003]
Sensitivity, resolution, maximum diffraction efficiency, SN ratio, etc. are raised as characteristics required for the hologram recording material. Until now, silver salts having high sensitivity and high resolution have been generally used.
[0004]
In addition, since high-intensity lasers can be easily used, photorefractive crystals and photopolymers have been used as hologram materials. These materials have superior characteristics such as higher resolution than silver salts and real-time reproduction without development.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, holograms made with the above-mentioned conventional hologram recording material can be used to enhance diffraction efficiency, erase and rewrite, or easily replicate once a surface relief grating is formed on the surface of the recording material. That is, the hologram cannot be actively controlled.
[0006]
The hologram and the method for producing the same according to the present invention are intended to solve the above-mentioned problems of holograms formed with conventional hologram recording materials, and can easily enhance the diffraction efficiency and become clearer. A hologram reproduction image can be obtained, and the recorded content of the hologram can be easily erased and rewritten, and can be easily duplicated. It is extremely controllable and can be used for various applications such as optical memory, display devices, and interferometers. It is an object to realize a possible hologram.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is a hologram in which a surface relief grating is recorded on the surface of a polymer film containing azobenzene, and the surface relief grating is formed by causing interference between reference light and object light. The spatial intensity distribution is memorized on the surface of the polymer film, and when the hologram is irradiated with laser light or white light, the transmitted light or reflected light of the surface relief grating is the same object as at the time of recording. It is possible to provide a hologram characterized in that the above-mentioned state can be reproduced.
[0008]
The surface relief grating can be enhanced or modulated in diffraction efficiency by corona charging.
[0009]
The surface relief grating can be erased and rewritten by irradiating light.
[0010]
In order to solve the above problems, the present invention makes a reference intensity and an object beam interfere on the surface of a polymer film containing azobenzene to create a spatial intensity distribution, and the intensity distribution is used as a surface relief grating on the surface of the polymer film. Provided is a hologram manufacturing method characterized by recording.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a hologram and a method for producing the same according to the present invention will be described below with reference to the drawings based on the embodiments.
[0012]
The present invention creates a spatial intensity distribution by interfering reference light and object light on the surface of an azo polymer film (azobenzene polymer film), and this intensity distribution is applied to the surface of the azo polymer film as a surface relief grating. It is a hologram produced by recording. When a hologram on which such a surface relief grating is recorded is irradiated with laser light or white light, the transmitted light or reflected light can reproduce the same state of the object as during recording.
[0013]
The diffraction efficiency of this surface relief grating strongly depends on the writing polarization and the irradiation energy (intensity × time). Further, there is a feature that real-time reproduction is possible without development, and recording, erasing and recording can be used repeatedly.
[0014]
The mechanism (principle) for recording such a surface relief grating on the surface of an azopolymer film has not been clearly elucidated, but the azobenzene body may be deformed when the azopolymer film is irradiated with light. Possible cause.
[0015]
That is, when a polymer having azobenzene in the side chain is irradiated with a laser beam having an absorption wavelength, the azo group changes from a stable trans form to a cis form. Then, it is considered that surface relief is generated on the surface in the process of returning from the cis form to the trans form again.
[0016]
This will be described more specifically. In the examples of the present invention to be described later, a poly-orange tom-1 isophoronedisocynate (polyoloditom 1) having the structure shown in the following chemical formula 1 is used. The group changes from trans form to cis form. Return from the cis form to the trans form again. It is considered that the polymer moves in response to the radiation pressure caused by the intensity of the irradiation light during the repetition of the process.
[0017]
[Chemical 1]

[0018]
[Chemical 2]

[0019]
In short, a polymer film having an azo dye, such as an azo polymer film, has a light anisotropy, and this anisotropy effect is a trans-cis-trans-form light corresponding to the polarization state and intensity of light. This is caused by isomerization and the orientation effect of azo molecules. The present invention utilizes this effect to produce a surface relief grating by changing the polarization direction to cause interference to create a spatial intensity distribution and polarization distribution.
[0020]
By the way, the diffraction efficiency of the surface relief grating produced by irradiating the azo polymer film with interference fringes in this way strongly depends on the irradiation energy and the writing time. In order to confirm this point, poly orange tom was prepared by spin coating on a glass substrate, and the writing time dependency of the surface relief grating was measured.
[0021]
FIG. 1 shows an optical apparatus for writing (recording) and evaluating a surface relief grating used for measuring and evaluating the time dependency of the surface relief grating. The Ar-ion laser 1 having a wavelength of 488 nm is used as the light source, and is circularly polarized by the λ / 4 plate 10.
[0022]
The laser light is collimated to a diameter of 6 mm by the collimator 2 and divided into two by the beam splitter 3, and then one is directly interfered on the azo polymer film 5 via the mirror 4 and the other is surface relief. A grating was produced. In order to evaluate the time dependency of the surface relief grating, a He—Ne laser 6 having a wavelength of 633 nm was incident on the surface relief grating, and the first-order diffracted light was measured by the detector 7.
[0023]
FIG. 2 shows the time dependence of the first-order diffraction efficiency of the surface relief grating of the azo polymer film. The surface relief grating was written in a poly orange tom of about 1 μm and 2 μm with an object light intensity of 88 mW / cm ² and a reference light intensity of 193 mW / cm ² . The angle between the object light and the reference light was set so that the period of the surface relief grating was about 1 μm.
[0024]
As a result, as shown in FIG. 2, high diffraction efficiency can be obtained in a short time by writing with strong intensity at the same film thickness, and higher diffraction efficiency is obtained with a thick film thickness at the same writing intensity. Obtainable. Thus, it can be seen that a diffraction efficiency of several percent can be obtained by irradiation for several minutes.
[0025]
Example 1
Hereinafter, a Fourier transform hologram will be described as Example 1 of a hologram using an azo polymer film. In Example 1, the surface relief grating was written (recorded) on the azo polymer film 8 by the optical device shown in FIG.
[0026]
Laser light from the Ar-ion laser 1 is circularly polarized by the λ / 4 plate 10, collimated through the collimator 2, and divided into two light beams having substantially the same intensity by the beam splitter 3. One of the light beams passes through the recording object 11 and further passes through the Fourier lens 12 to be Fourier-transformed object light, and the other light beam is reflected by the mirror 4 and becomes reference light. The intensity distribution due to the interference between the object light and the reference light is recorded as a surface relief grating on the surface of the azo polymer film 8 which is a recording material.
[0027]
As the recording object 11, images of characters A and E recorded on an OHP sheet having a length of 4 mm and a width of 3 mm shown in FIG. 4 were placed on the optical path. As the recording material (sample), a poly orange tom having a film thickness of about 1 μm and 2 μm was used. As shown in FIG. 5, the recorded image is read by passing the laser light from the He—Ne laser through the azo polymer film 8 and photographing the transmitted light with the camera 14 through the Fourier lens 13 for inverse Fourier transform. Performed using the apparatus.
[0028]
FIG. 6 shows the writing time dependence of the first-order diffraction efficiency of the Fourier transform hologram 9 produced as described above. The write strength is object light = reference beam ^{= 118mW / cm 2, 50mW /} cm 2. However, since the object light is Fourier-transformed by the Fourier lens 12, the accurate power density on the azo polymer film 8 cannot be grasped. The beam diameter of the readout light is about 1 mm.
[0029]
From the results of this experiment, it can be seen that a writing time of about 1 minute is sufficient. Diffraction efficiency increased with irradiation for about 10 minutes, but there was a hole in the center when observed with a stereomicroscope. This is considered to be caused by bleaching or ablation because the low-frequency component of the Fourier transform, that is, the zero-order term is strong.
[0030]
FIGS. 7A, 7B and 7C are reproduction images of characters A and E written for 1 minute on a poly orange tom having a thickness of about 2 μm actually used as the azo polymer film 8. FIG. FIG. 7A shows a direct incidence of the laser and the ± first-order diffracted light is observed. FIGS. 7B and 7C are optical devices as shown in FIG. 5, and the first-order diffracted light is used as an image. Reproduced and observed. The respective first-order diffraction efficiencies were about 1.2% and about 1% with a laser beam having a diameter of 1 mm, and about 0.1% and 0.17% with a laser beam having a diameter of 6 mm.
[0031]
The diffraction efficiency of the Fourier transform hologram 9 on which the two letters A and E are recorded is almost the same. Although this diffraction efficiency is small, by optimizing the intensity between the reference beam and the object beam, a higher diffraction efficiency can be obtained and put to practical use.
[0032]
Next, the first order diffracted light by the Fourier transform hologram of the letters A and E recorded on the azo polymer film is irradiated with white light from a white light source as shown in FIG. 8 instead of the optical device shown in FIG. It was reflected and photographed with a camera (using a digital camera) 15 and observed. The photographing results are shown in FIGS. 9 (a) and 9 (b). From FIGS. 9A and 9B, it can be confirmed that the white light is diffracted by the recorded Fourier transform hologram to form a bright image.
[0033]
FIG. 10 shows the surface of a hologram as described above, which is observed with a differential interference microscope (DICM) (magnification 40 times) without performing a treatment such as corona charging described later. The hologram writing conditions in this case are as follows. An object light = reference light = 88 mW / cm ² was written for 1 minute on a poly orange tom having a thickness of 1 μm. The period of the interference fringes was set to 1 μm. In FIG. 10, it can be seen that the grating is written on the surface of the hologram.
[0034]
Next, in order to evaluate the resolution of the hologram by the azo polymer film, a resolution chart (a diagram usually used for evaluating the resolution) was recorded. The writing intensity is object light = reference light = 118 mW / cm ² and the writing time is 10 minutes. Further, the angle of the reference light was set so that the period of the interference fringes was 1 μm.
[0035]
FIG. 11A shows a reproduced image obtained by reproducing the Fourier transform pattern obtained by writing in this way using the same optical apparatus as that shown in FIG. FIG. 11B shows a Fourier transform pattern obtained by irradiating a Fourier transform pattern with a white light source in the same manner as in FIG. 8 and photographing the reflected light with a camera (using a digital camera) 15.
[0036]
In this case, the first-order diffraction efficiency due to incidence of laser light having a diameter of 6 mm is about 1.42%. Since the replayed image is taken with a digital camera, it is considered that it is affected by the resolution. Further, since the Fourier transform pattern is recorded, it is conceivable that high frequency components are not recorded and high resolution cannot be obtained.
[0037]
Here, a reproduced image by the image hologram is shown in FIG. The production conditions are the same, and the first-order diffraction efficiency due to incidence of laser light having a diameter of 6 mm is about 1.07%.
In this case, a clear image was observed.
[0038]
The hologram of the present invention has a feature that the diffraction efficiency of the surface relief grating can be increased by corona charging. By utilizing this, even with a surface relief grating with a small diffraction efficiency formed by interference of weak object light and reference light, the diffraction efficiency can be enhanced and a more easily viewable image can be reproduced. Therefore, an experiment was conducted to confirm the enhancement of the diffraction efficiency of the surface relief hologram produced by the Fourier transform hologram according to the present invention.
[0039]
The experimental conditions and experimental results of this experimental example are shown in Table 1 below. In this experimental example, a polymer film having a film thickness of 1 μm was used, a recording object was recorded by the same optical apparatus and manufacturing method as shown in FIG. 3, and a Fourier transform hologram was created. The Fourier transform hologram was enhanced using corona charging under the conditions of Case 1 and Case 2 shown in Table 1. The only difference between these two cases is the corona charging temperature.
[0040]
[Table 1]

[0041]
Table 1 shows the results of this experimental example. The first-order diffraction efficiency of the letter A measured before and after corona charging by entering a He—Ne laser beam having a diameter of 1 mm is 0.28% to 4. In case 2, it increased from 0.24% to 28.39% in case 2. An increase from 0.49% to 32.6% was also observed for letter E.
[0042]
Next, in order to confirm the cause of this increase, the vicinity of the Fourier pattern recorded on the polymer film (recording material) was observed using AFM. The observation results are shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b). This shows a surface view of the Fourier transform pattern (near the center) of the letter A before and after corona charging produced under the conditions of Case 2.
[0043]
The measured surface relief depth before and after corona charging was about 20 nm and about 350 nm, and it was confirmed that the surface relief depth was increased by corona charging. From this, it was confirmed that the cause of the rapid increase in diffraction efficiency was due to an increase in the surface relief search.
[0044]
As described above, it was found that a diffraction efficiency of about 30% at the maximum can be obtained in both the letters A and E by utilizing the effect of enhancing the diffraction efficiency by corona charging. However, if the corona charging effect is strong, the diffraction efficiency is increased, but there is a tendency that the surface has a small hole due to dielectric breakdown and the scattering becomes large.
[0045]
Therefore, in order to increase the diffraction efficiency by corona charging, it is necessary to pay attention to scattering. Further, in this experimental example, as shown in Table 1, the beam diameter of the readout light is measured at 1 mm and 6 mm. From this, it can be grasped in which range the information subjected to Fourier transform is spread.
[0046]
(Example 2)
Next, a Fresnel hologram will be described as a second embodiment of the hologram and the method for producing the hologram according to the present invention. Example 2 is a Fresnel hologram on which a two-dimensional image record is formed using a surface relief grating.
[0047]
FIG. 14 shows a recording optical apparatus, which has the same arrangement as the Fresnel hologram. A CW Nd: YAG laser (532 nm) 16 was used as the light source. The laser is circularly polarized through the λ / 2 plate 17 and is expanded to a diameter of 6 mm by the collimator 2. An azo polymer film 18 as a recording material is a poly orange tom having a thickness of about 1 μm.
[0048]
As shown in FIGS. 15A and 15B, the recording object 19 is an image of characters A and B recorded on an OHP sheet with a size of 4 mm in length and 3 mm in width, respectively. In the optical path, these images A and B are formed on the surface of the azo polymer film 18 as a surface relief grating by forming a spatial intensity distribution by causing the reference light and object light to interfere with each other with the optical device shown in FIG. The Fresnel hologram 20 is produced.
[0049]
As shown in FIG. 16A, the image is reproduced by transmitting the laser light from the He—Ne laser through the Fresnel hologram 20 and photographing the transmitted light with the camera 14 (reproducing means 1), or FIG. As shown in b), the white light is reflected by the Fresnel hologram, and the reflected light is photographed by the camera 15 (reproducing means 2).
[0050]
In Example 2, with respect to the recording of the image A, the recording intensity was 10 minutes at an object light intensity of 261 mW / cm ² and a reference light intensity of 225 mW / cm ² . The period is about 1.1 μm. FIGS. 17A and 17B are reproduced images by the reproducing

means

1 and 2, respectively, and it can be confirmed that the image A is recorded as a Fresnel hologram. At this time, the first-order diffracted light intensity was about 8.6%.
[0051]
Next, multiple recording of images was performed by changing the angle of the reference light. The recording conditions are as follows. As for writing intensity and time, the periods of A and E recorded at an object light intensity of 261 mW / cm ² and a reference light intensity of 225 mW / cm ² for 10 minutes are about 1.1 μm and 0.8 μm, respectively.
[0052]
FIG. 18 is a reproduced image obtained by reproducing the Fresnel hologram obtained by performing the multiple recording by the reproducing / reproducing method 1, and the reproduced images are observed at different positions. The first-order diffraction efficiencies of A and E of the reproduced images are about 4.7% and 4.9%, respectively.
[0053]
FIG. 19 is a reproduced image obtained by reproducing the Fresnel hologram obtained by performing the multiple recording by the reproducing method 2. The image is incident and observed while changing the angle of the reference light. As shown in FIG. 20, A and E can be observed separately, thereby confirming that angle-multiplexed recording of images can be performed.
[0054]
Furthermore, in order to further increase the diffraction efficiency, enhancement by corona charging was performed. The corona charging conditions are applied voltage, time, temperature, and current of 3.2 kV, 20 minutes, 141 ° C., and 1 to 2 μA, respectively. Due to this corona charging, the first-order diffraction efficiency of the written image A could have a considerably large value of about 38%.
[0055]
The feature of the hologram according to the present invention is that the hologram recording image can be modulated (the diffraction efficiency of the hologram changes with voltage). A Fresnel hologram sample storing images A and B was polled with a corona charge to give an electro-optic effect (change in the refractive index of the material due to voltage application), and an image modulation experiment was performed. Laser light was incident on a part of the image at a point rather than a surface, and modulation was performed. The voltage was applied by pressing an ITO electrode on the upper and lower surfaces of the sample and applied between the upper and lower ITO electrodes.
[0056]
FIG. 21 shows the modulation result of the first-order diffraction efficiency. The diffraction efficiency at this time is 11.3%, and the modulation efficiency at 1 kHz and 30 Vp-p (change in diffraction efficiency when voltage is applied / diffraction efficiency when voltage is not applied) is about 0.51. %Met. In this way, a modifiable image could be written.
[0057]
The embodiments of the present invention have been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various embodiments are within the scope of the technical matters described in the claims. It goes without saying that there is.
[0058]
【The invention's effect】
According to the hologram according to the present invention having the above-described configuration, the diffraction efficiency can be easily enhanced and modulated by corona charging, so that the reference light and object light at the time of hologram production are enhanced even if they are weak light. A clear hologram reproduction image can be obtained, and the recorded contents of the hologram can be easily erased, repetitively used by rewriting, and can be easily duplicated. Various types such as an optical memory, a display device, an interferometer, etc. It can be used widely for various purposes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an example of an optical apparatus for producing a surface relief grating on an azo polymer film, which is the basis of a hologram according to the present invention.
FIG. 2 is a graph showing a dependency state of diffraction efficiency writing time (reference light and object light irradiation time) when a surface relief grating is manufactured by the optical device of FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing an optical apparatus for producing a Fourier transform hologram described as Example 1 of the hologram according to the present invention.
4 is a diagram showing an image (written image) that is a recording object written on an azopolymer film in Example 1. FIG.
FIG. 5 is a view for explaining means for reproducing an image of a Fourier transform hologram according to the first embodiment.
6 is a graph showing a dependency state of writing time (reference light and object light irradiation time) of diffraction efficiency of an image of the Fourier transform hologram of Example 1. FIG.
7 is a diagram showing a diffracted light and a reproduced image by the Fourier transform hologram of Example 1. FIG.
FIG. 8 is a diagram illustrating another means for reproducing an image of a Fourier transform hologram according to the first embodiment.
9 is a diagram illustrating a Fourier transform pattern by a Fourier transform hologram of Example 1. FIG.
10 is a diagram showing a state of the surface of the Fourier transform hologram of Example 1 observed by DICM. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing a reconstructed image and Fourier transform pattern of a resolution chart using the Fourier transform hologram of Example 1.
FIG. 12 is a diagram showing a resolution chart using an image hologram.
FIG. 13 is a surface view of a Fourier transform hologram observed by AFM before and after corona charging.
FIG. 14 is a diagram showing a recording optical apparatus for a Fresnel hologram described as Example 2 of the hologram according to the present invention.
15 is a diagram showing an image (written image) that is a recording object recorded by a Fourier transform hologram of Example 2. FIG.
FIG. 16 is a view showing an image reproducing means for a Fourier transform hologram according to the second embodiment.
FIG. 17 is a view showing a reproduced image of a Fourier transform hologram of Example 2.
FIG. 18 is a view showing a reconstructed image of the Fourier transform hologram of Example 2.
FIG. 19 is a view showing a reconstructed image of the Fourier transform hologram of Example 2.
20 is a diagram showing a reproduced image when the Fourier transform hologram of Example 2 is modulated. FIG.
FIG. 21 is a diagram showing the dependency of the modulation efficiency on the applied voltage when the Fourier transform hologram of Example 2 is modulated.
[Explanation of symbols]
1 Ar ion laser 2 Collimator 4

Mirror

5, 8, 18 Azo polymer film 6 He-Ne laser 7 Detector 9 Fourier transform hologram 10 λ / 4 plate 11

Recording object

12, 14

Fourier lens

14, 15 Camera 16 YAG laser 17 λ / 2 plate 19 Recording object 20 Fresnel hologram

Claims

A hologram in which a surface relief grating is recorded on the surface of a polymer film containing azobenzene,
In the surface relief grating, a spatial intensity distribution formed by causing interference between the reference light and the object light is stored on the surface of the polymer film, and when the hologram is irradiated with laser light or white light, The transmitted light or reflected light of the surface relief grating can reproduce the same state of the object as during recording, and the surface relief grating can be erased and rewritten by irradiating light.
A hologram characterized in that the surface relief grating recorded on the surface of the polymer film has a structure in which the surface relief depth is increased and the diffraction efficiency is enhanced by corona charging .

When the surface of the polymer film containing azobenzene interferes with the reference light and the object light, creates a spatial intensity distribution, and records as a surface relief grating on the surface of the polymer film, the above surface is irradiated with laser light or white light. The transmitted light or reflected light of the relief grating is a method for producing a hologram that can reproduce the state of an object similar to that at the time of recording, and can be erased and rewritten by irradiating the surface relief grating with light. And
A method for producing a hologram , comprising corona charging the surface relief grating recorded on the surface of the polymer film to increase the surface relief depth to enhance diffraction efficiency .