JP5532212B2 - Method for producing hologram - Google Patents
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Description
本発明は、ホログラムの作製方法に関し、特に、所定の回折効率を持つホログラムの作製方法に関するものである。 The present invention relates to a method for producing a hologram, and more particularly to a method for producing a hologram having a predetermined diffraction efficiency.
ホログラムを例えば光学素子として用いる場合、あるいは複製原版として用いる場合に、その回折効率を予め決めた所定値に制御することが求められる。 For example, when a hologram is used as an optical element, or when used as a duplicate master, it is required to control the diffraction efficiency to a predetermined value.
ホログラムの回折効率を決定するための指標として、ホログラム材料の屈折率変調量及び膜厚、また、記録時の波長及び露光角度があげられる。記録波長及び露光角度は目的とする設計仕様に応じて決定され、膜厚もホログラム材料の物性によりある範囲での膜厚に制限される。そこで、ホログラムの回折効率を制御するためにホログラム材料の屈折率変調量を制御することが行われている。屈折率変調量の制御のために一般的に行われている方法に、記録時の物体光強度と参照光強度の比を変えること、また、特にフォトポリマーの場合は、記録時の露光量を飽和露光量未満の所定値にすることで屈折率変調量を制御している。 As an index for determining the diffraction efficiency of the hologram, there are a refractive index modulation amount and a film thickness of the hologram material, a recording wavelength and an exposure angle. The recording wavelength and the exposure angle are determined according to the intended design specifications, and the film thickness is also limited to a certain range depending on the physical properties of the hologram material. Therefore, in order to control the diffraction efficiency of the hologram, the refractive index modulation amount of the hologram material is controlled. The method generally used for controlling the refractive index modulation amount is to change the ratio of the object light intensity and the reference light intensity at the time of recording. The refractive index modulation amount is controlled by setting a predetermined value less than the saturation exposure amount.
このように、一般的に行われている方法に、記録時の物体光強度と参照光強度の比を変えることにより屈折率変調量を制御する方法がある。物体光強度と参照光強度が等しいときが干渉縞の光変調量が最大であり、そこから比をずらすことにより干渉縞の光変調量を小さくし、ホログラム材料中の屈折率変調量も同時に小さくすることで達成される。 As described above, as a generally performed method, there is a method of controlling the refractive index modulation amount by changing the ratio of the object light intensity and the reference light intensity at the time of recording. When the object light intensity is equal to the reference light intensity, the light modulation amount of the interference fringe is the maximum. By shifting the ratio from there, the light modulation amount of the interference fringe is reduced, and the refractive index modulation amount in the hologram material is simultaneously reduced. Is achieved.
しかしながら、物体光強度と参照光強度の比が大きい場合、干渉縞の光変調量が小さすぎて安定的に物質移動が起こらず、その結果、作製されたホログラムの干渉縞にノイズが多く含まれやすい。 However, when the ratio of the object light intensity and the reference light intensity is large, the amount of light modulation of the interference fringes is too small and mass transfer does not occur stably, and as a result, the interference fringes of the produced hologram contain a lot of noise. Cheap.
また、別の方法として、特にフォトポリマーの場合は、記録時の露光量を飽和露光量未満にすることで、屈折率変調量をその飽和露光時の屈折率変調量より小さくする方法がある。この場合、飽和露光量未満であるため、露光の度に屈折率変調量がバラツキやすく、また、光の強度分布により屈折率変調量に分布が出来てしまう。 As another method, particularly in the case of a photopolymer, there is a method of making the refractive index modulation amount smaller than the refractive index modulation amount at the saturation exposure by making the exposure amount at the time of recording less than the saturation exposure amount. In this case, since it is less than the saturated exposure amount, the refractive index modulation amount tends to vary with each exposure, and the refractive index modulation amount is distributed due to the light intensity distribution.
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、ホログラムの屈折率変調量を正確に制御でき、屈折率変調量のバラツキ、分布が出来難く、ノイズの少ないホログラムの作製方法を提供することである。 The present invention has been made in view of such a situation in the prior art, and its purpose is to accurately control the refractive index modulation amount of the hologram, making it difficult to vary and distribute the refractive index modulation amount, and to reduce noise. It is to provide a method for producing a hologram.
上記課題は、露光前にホログラム材料が感度を持つ波長の光を照射することにより解決
できる。
The above problem can be solved by irradiating light having a wavelength with which the hologram material has sensitivity before exposure.
すなわち、本発明のホログラムの作製方法は、ホログラム記録材料にホログラムを記録するための干渉露光前に、前記ホログラム記録材料が感度を持つ波長の光で飽和露光量未満の所定値だけ予備露光しておき、その後に、残りの感度が飽和するような露光量でホログラムの干渉露光を行うことで、ホログラム干渉縞の屈折率変調量の最大値を制御することを特徴とする方法である。 That is, in the hologram manufacturing method of the present invention, before the interference exposure for recording the hologram on the hologram recording material, the hologram recording material is pre-exposed for a predetermined value less than the saturation exposure amount with light having a sensitivity wavelength. Thereafter, the maximum value of the refractive index modulation amount of the hologram interference fringes is controlled by performing interference exposure of the hologram with an exposure amount that saturates the remaining sensitivity.
あるいは、また、本発明のホログラムの作製方法は、ホログラム記録材料が感度を持つ波長の光での飽和露光量未満の予備露光量と、前記ホログラム記録材料の残りの感度が飽和するような露光量でホログラムを干渉露光させた場合のホログラム干渉縞の最大屈折率変調量との関係を求め、その予備露光量とホログラム干渉縞の最大屈折率変調量との関係から所望のホログラム干渉縞の屈折率変調量に対する予備露光量を求め、前記ホログラム記録材料と同一特性のホログラム記録材料に求めた予備露光量だけ予備露光をし、その後に前記予備露光をした前記ホログラム記録材料の残りの感度が飽和するような露光量でホログラムの干渉露光を行うことを特徴とする方法である。 Alternatively, the method for producing a hologram of the present invention includes a pre-exposure amount less than a saturated exposure amount with light having a wavelength with which the hologram recording material is sensitive, and an exposure amount at which the remaining sensitivity of the hologram recording material is saturated. The relationship between the maximum refractive index modulation amount of the hologram interference fringe when the hologram is subjected to interference exposure with the above, and the refractive index of the desired hologram interference fringe is determined from the relationship between the preliminary exposure amount and the maximum refractive index modulation amount of the hologram interference fringe. A pre-exposure amount with respect to the modulation amount is obtained, and the pre-exposure amount obtained for the hologram recording material having the same characteristics as the hologram recording material is pre-exposed, and then the remaining sensitivity of the hologram recording material subjected to the pre-exposure is saturated. In this method, interference exposure of the hologram is performed with such an exposure amount.
これらにおいて、前記ホログラム記録材料はフォトポリマーからなることが望ましい。 In these, the hologram recording material is preferably made of a photopolymer.
また、前記予備露光の光がインコヒーレントな光であることが望ましく、照度が均一な散乱光であることが望ましい。 The preliminary exposure light is preferably incoherent light, and is preferably scattered light with uniform illuminance.
本発明のホログラム作製方法によると、ホログラム記録材料の屈折率変調量の上限量が制限されるため、ホログラム記録材料本来の屈折率変調量より小さな値の範囲にて、屈折率変調量を所望の値に正確に制御できる。また、従来技術のように記録条件により屈折率変調量を制御する必要がないため、干渉縞の光変調量を大きく、また、飽和露光量で露光することで、屈折率変調量のバラツキ、分布なしに、また、ノイズが少なく、均一にホログラムを記録できるため、記録安定性や品質面で優れたホログラムを作製することができる。 According to the hologram manufacturing method of the present invention, since the upper limit of the refractive index modulation amount of the hologram recording material is limited, the desired refractive index modulation amount can be set within a range of values smaller than the original refractive index modulation amount of the hologram recording material. The value can be precisely controlled. In addition, since there is no need to control the refractive index modulation amount according to the recording conditions as in the prior art, the light modulation amount of the interference fringes is increased, and exposure with a saturated exposure amount results in variations and distribution of the refractive index modulation amount. Further, since the hologram can be recorded uniformly with little noise, a hologram excellent in recording stability and quality can be produced.
以下に、実施例に基づいて本発明のホログラムの作製方法について説明する。 Hereinafter, a method for producing a hologram of the present invention will be described based on examples.
本発明の基本原理は、ホログラム記録材料として特にフォトポリマーを用いる場合、ホログラムの干渉露光前に、予めそのホログラム記録材料が感度を持つ波長の光で飽和露光量未満の所定値だけ露光しておき、その後に、残りの感度が飽和するような露光量でホロ
グラム干渉露光を行うことで、屈折率変調量の最大値を制御することである。
The basic principle of the present invention is that, in particular, when a photopolymer is used as the hologram recording material, before the interference exposure of the hologram, the hologram recording material is exposed in advance to a predetermined value less than the saturated exposure amount with light having a wavelength with which the hologram recording material has sensitivity. Then, the maximum value of the refractive index modulation amount is controlled by performing hologram interference exposure with an exposure amount that saturates the remaining sensitivity.
図4は、特許文献1の実施例1のホログラム記録材料のフォトポリマーの予備露光量と最大屈折率変調量の関係を示す図である。ここで言う予備露光とは、図1に示すように、ホログラム記録材料1にホログラムの干渉記録前に、記録材料1全面に均一に光を照射することを意味し、図1の場合は、紫外線ランプ2からの紫外光を散乱板3を介して一様な紫外線散乱光4として照射する。なお、紫外線散乱光4は強度が面内で均一なものが好ましく、インコヒーレントな光を用いる。紫外線ランプ2の他、紫外線LEDでもよい。このホログラム記録材料1を予備露光する紫外線散乱光4の光量が予備露光量である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the pre-exposure amount of the photopolymer of the hologram recording material of Example 1 of
最大屈折率変調量とは、ホログラムを記録するための参照光と物体光の強度比が1:1のとき、すなわち光の干渉により生ずる干渉縞の明暗の変調量が最大となる条件で、上記のようにして予備露光したホログラム記録材料1にその飽和露光量以上の光を照射してホログラムを記録したときに得られる干渉縞の屈折率変調量であり、予備露光後のホログラム記録材料1が出し得る最大の屈折率変調量を表す。
The maximum refractive index modulation amount is when the intensity ratio of the reference light and object light for recording the hologram is 1: 1, that is, on the condition that the light and dark modulation amount of the interference fringes generated by the light interference is maximized. The
図4のホログラム記録材料1は、上記のように、特許文献1の実施例1の材料、すなわち、以下の組成物を調製してなるフォトポリマーである。
As described above, the
◎ラジカル重合性化合物(a)
BPFL−A:9, 9−ビス(4−アクリロキシジエトキシフェニル)フルオレン
900mg
◎カチオン重合性化合物(b)
CAT−1:3, 4−エポキシシクロヘキシルメチル−3',4' −エポキシシクロヘキサンカルボキシレート「ユニオンカーバイト社、UVR−6110」 900mg
◎光ラジカル重合開始剤系(c) 、光カチオン重合開始剤系(d)
DYE−1:3, 9−ジエチル−3' −カルボキシメチル−2, 2' −チアカルボシアニン、ヨウ素塩 5mg
DPI・CF3 SO3 :ジフェニルヨードニウム・トリフルオロメタンスルホン酸塩・
60mg
TPS・SbF6 :チバガイギー社製、トリアリールスルホニウム・ヘキサフルオロアンチモネート系化合物 80mg
◎高分子結合剤
P−1:メチルメタクリレート/エチルアクリレート/アクリル酸の共重合体(共重合比=45/49/6) 500mg
◎溶解・分散に使用した溶媒
DCE……ジクロロエタン 1500mg
MEK……メチルエチルケトン 1500mg
このような組成からなる材料(屈折率nは1.51)を膜厚40μmにて用いてホログラム記録材料1とし、種々の予備露光量(図4の横軸)で予備露光を行った記録材料1に対し、物体光及び参照光強度は1mW/cm2 、露光量を30mJ/cm2 とした。そのホログラム記録材料1の予備露光量と最大屈折率変調量の関係は図4のようになった。
◎ Radically polymerizable compound (a)
BPFL-A: 9,9-bis (4-acryloxydiethoxyphenyl) fluorene
900mg
◎ Cationically polymerizable compound (b)
CAT-1: 3,4-epoxycyclohexylmethyl-3 ′, 4′-epoxycyclohexanecarboxylate “Union Carbide, UVR-6110” 900 mg
◎ Photo radical polymerization initiator system (c), Photo cationic polymerization initiator system (d)
DYE-1: 3,9-diethyl-3′-carboxymethyl-2,2′-thiacarbocyanine,
DPI, CF 3 SO 3 : Diphenyliodonium, trifluoromethanesulfonate,
60mg
TPS · SbF 6 : Ciba Geigy, triarylsulfonium hexafluoroantimonate compound 80 mg
◎ Polymer binder P-1: Copolymer of methyl methacrylate / ethyl acrylate / acrylic acid (copolymerization ratio = 45/49/6) 500 mg
◎ Solvent used for dissolution / dispersion DCE …… dichloroethane 1500mg
MEK …… Methyl ethyl ketone 1500mg
A material having such a composition (refractive index n is 1.51) is used as a
図4の予備露光量と最大屈折率変調量の関係から明らかなように、予備露光量がある量を超えると急激に最大屈折率変調量が低下することが分かる。ホログラム記録材料1に応じてこのような図4のような特性を測定しておき、実際のホログラム干渉露光によるホログラム干渉縞の屈折率変調量を所望の値に制御するように予備露光量を選ぶ。その選択過程を図5を参照にして説明する。
As is apparent from the relationship between the pre-exposure amount and the maximum refractive index modulation amount in FIG. 4, it can be seen that the maximum refractive index modulation amount rapidly decreases when the pre-exposure amount exceeds a certain amount. Such characteristics as shown in FIG. 4 are measured according to the
図5の予備露光量と最大屈折率変調量(Δn)の関係を示す曲線は図4と同じ(同じ材
料)で同じ膜厚である。コゲルニークの結合波理論(非特許文献1)によると、Δnが0.01のときの回折効率は約100%となり(非特許文献1の式(3.8)から)、透過型ホログラム原版としては適さない。最も透過型ホログラムの複製を安定的に行うには、透過型ホログラム原版の回折効率を約50%とすることで、0次光と1次光(参照光と物体光)の比を1:1とすることができ有効である。上記材料で膜厚40μmの場合、回折効率を50%とするためのΔnは0.005と必要であり、図5の縦軸の最大屈折率変調量が0.005の場合、予備露光量と最大屈折率変調量の関係を示す曲線との交点の横軸の予備露光量を読むと、予備露光のための紫外光は11mJ/cm2 となり、図1の予備露光のための紫外線散乱光4の照射光量を11mJ/cm2 とすればよいことが分かる。
The curves showing the relationship between the pre-exposure amount and the maximum refractive index modulation amount (Δn) in FIG. 5 are the same (same material) and the same film thickness as those in FIG. According to Kogelnik's coupled wave theory (Non-Patent Document 1), the diffraction efficiency when Δn is 0.01 is about 100% (from the equation (3.8) of Non-Patent Document 1). Not suitable. In order to most stably replicate the transmission hologram, the diffraction efficiency of the transmission hologram master is set to about 50%, so that the ratio of the 0th order light to the 1st order light (reference light and object light) is 1: 1. And can be effective. When the film thickness is 40 μm using the above material, Δn for setting the diffraction efficiency to 50% is required to be 0.005, and when the maximum refractive index modulation amount on the vertical axis in FIG. When the pre-exposure amount on the horizontal axis at the intersection with the curve indicating the relationship of the maximum refractive index modulation amount is read, the ultraviolet light for pre-exposure becomes 11 mJ / cm 2 , and the ultraviolet scattered
他の種類のホログラム記録材料1(フォトポリマーに限らず、銀塩乳剤、重クロムゼラチン)の場合も図5と同様の関係が得られるので、その関係を示す曲線を用いて同様に、得ようとするΔnから予備露光量が求まる。 For other types of hologram recording materials 1 (not limited to photopolymers, silver salt emulsions, heavy chromium gelatin), the same relationship as in FIG. 5 can be obtained. A preliminary exposure amount is obtained from Δn.
図2は、予備露光後にホログラムを記録する工程を説明するための図であり、ここでは透過型ホログラムの記録工程を説明する。図1のような配置で予備露光した後のホログラム記録材料1’に対して、同じ面側からホログラム記録材料1’が感度を持つ波長λの同一光源からのレーザー光である物体光5と参照光6を入射させ、ホログラム記録材料1’中で干渉縞を記録し、後処理を行い、ホログラム1”を作製する。この際のレーザー光としては波長λ:532nmのDPSSレーザーからのレーザー光を用い、物体光5及び参照光6の強度は1mW/cm2 で、露光量は30mJ/cm2 とした。
FIG. 2 is a diagram for explaining a process of recording a hologram after preliminary exposure. Here, a process of recording a transmission hologram will be described. For the
図3は、このようにして作製したホログラム1”を再生する工程を説明するための図であり、ホログラム1”に対して、記録のときに用いた波長λと同じ波長の再生照明光7をホログラム1”を記録したときの参照光6と反対方向に進行するように、記録時と反対側の面から入射させると、再生照明光7の入射側と反対側に再生光8が回折された。
FIG. 3 is a diagram for explaining a process of reproducing the
上記のような条件にて透過型ホログラム原版1”を作製したところ、再現性良く品質の安定した透過型ホログラム原版を作製することができた。
When the
次に、上記と同じホログラム記録材料1を用いて、図1のような予備露光をして、反射型ホログラムを作製する実施例について説明する。膜厚を同じ40μmとすると、予備露光量と最大屈折率変調量の関係は図4のようになる。
Next, a description will be given of an embodiment in which the same
反射型ホログラムの回折効率は、非特許文献1の式(3.14)の関係にあり、例えば回折効率50%の反射型ホログラムを得ようとすると、Δnは0.003程度必要であり、図8に示すように、図8の縦軸の最大屈折率変調量Δnが0.003の場合、予備露光量と最大屈折率変調量の関係を示す曲線との交点の横軸の予備露光量を読むと、予備露光のための紫外光は12mJ/cm2 となり、図1の予備露光のための紫外線散乱光4の照射光量を12mJ/cm2 とすればよいことが分かる。
The diffraction efficiency of the reflection hologram is in the relationship of the expression (3.14) of
図6は、予備露光後に反射型ホログラムを記録する工程を説明するための図であり、図1のような配置で予備露光した後のホログラム記録材料1’に対して、お互いに反対側の面にホログラム記録材料1’が感度を持つ波長λの同一光源からのレーザー光である物体光5と参照光6を入射させ、ホログラム記録材料1’中で干渉縞を記録し、後処理を行い、ホログラム1aを作製する。この際のレーザー光としては波長λ:532nmのDPSSレーザーからのレーザー光を用い、物体光5及び参照光6の強度は1mW/cm2 で、露光量は30mJ/cm2 とした。
FIG. 6 is a diagram for explaining a process of recording a reflection hologram after pre-exposure, and surfaces opposite to each other with respect to the
図7は、このようにして作製したホログラム1aを再生する工程を説明するための図で
あり、ホログラム1aに対して、記録のときに用いた波長λと同じ波長の再生照明光7をホログラム1aを記録したときの参照光6と反対方向に進行するように、記録時と反対側の面から入射させると、再生照明光7の入射側に再生光8が回折された。
FIG. 7 is a diagram for explaining a process of reproducing the
上記のような条件にて反射型ホログラム原版1bを作製したところ、再現性良く品質の安定した反射型ホログラム原版を作製することができた。 When the reflection hologram master 1b was manufactured under the above conditions, a reflection hologram master with stable reproducibility and quality could be manufactured.
以上、本発明のホログラムの作製方法を実施例に基づき説明したが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。 The hologram manufacturing method of the present invention has been described based on the embodiments. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications can be made.
以上の本発明のホログラム作製方法によると、ホログラム記録材料の屈折率変調量の上限量が制限されるため、ホログラム記録材料本来の屈折率変調量より小さな値の範囲にて、屈折率変調量を所望の値に正確に制御できる。また、従来技術のように記録条件により屈折率変調量を制御する必要がないため、干渉縞の光変調量を大きく、また、飽和露光量で露光することで、屈折率変調量のバラツキ、分布なしに、また、ノイズが少なく、均一にホログラムを記録できるため、記録安定性や品質面で優れたホログラムを作製することができる。 According to the hologram manufacturing method of the present invention described above, the upper limit amount of the refractive index modulation amount of the hologram recording material is limited. Therefore, the refractive index modulation amount is set within a range of values smaller than the original refractive index modulation amount of the hologram recording material. It can be accurately controlled to a desired value. In addition, since there is no need to control the refractive index modulation amount according to the recording conditions as in the prior art, the light modulation amount of the interference fringes is increased, and exposure with a saturated exposure amount results in variations and distribution of the refractive index modulation amount. Further, since the hologram can be recorded uniformly with little noise, a hologram excellent in recording stability and quality can be produced.
1…ホログラム記録材料
1’…予備露光した後のホログラム記録材料
1”、1a…作製されたホログラム
2…紫外線ランプ
3…散乱板
4…紫外線散乱光
5…物体光
6…参照光
7…再生照明光
8…再生光
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