ホログラフィー

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ホログラフィー（英語: Holography, ギリシア語の Όλος (全体の) + γραφή (記録) から）は、3次元像を記録した写真（ホログラム）の製造技術のことである。ホログラフィーは情報の記録にも利用することができる。

概要

200ユーロ紙幣のホログラム

ホログラフィーは1947年にハンガリーの物理学者ガーボル・デーネシュによって発明された。彼は1971年にノーベル物理学賞を受賞しており、この発明に関する特許権も保有した。この発見はイギリスのウォリックシャー州ラグビーにあったブリティッシュ・トムソン・ヒューストン社において電子顕微鏡を改良する研究をしていたときの思わぬ結果によるものだった。しかし、レーザーが1960年に発明されるまでは研究があまり進歩することはなかった。

ホログラムには数種類あって、最も初期のホログラムは透過型ホログラムと呼ばれ、レーザー光をホログラムの裏側から照射しないと観察できなかった。その後改良が進み、表側に白色光をあてれば観察できるレインボーホログラムが作られるようになった。これはクレジットカードや紙幣に見られるホログラムで偽造防止に利用されている。これらのレインボーホログラムは金属箔によって反射された光が像を再生する。ただし、「レインボー」の名の通り虹のようにさまざまな色の縞模様となってしまう。ほかに白色光反射型ホログラム（日本ではガブリエル・リップマンの天然色写真と原理がよく似ているためレインボーホログラムと区別してリップマンホログラムと呼ばれる）があり、レインボーホログラムと同様、観察者と同じ側から自然光をあてることによって再生することができる。これは、レインボーホログラムとは異なり、金属箔の反射を利用するのではなく、ホログラムそのものの回折によって反射させる方式なので、レインボーホログラムとリップマンホログラムは区別することができる。白色光反射型ホログラムの中にはフルカラーの3次元像が観察できるものがあり、実物と見分けがつかないほど精巧なものもある。

ホログラフィーの短い歴史の中で近年最も期待できるものは安価な固体レーザーを用いた大量生産である。安価な固体レーザーはすでにDVDなどにさまざまな応用がなされており、ホログラフィーにも有用である。以前は大きくて高い気体レーザーがホログラフィーに必須であったが、安価で小さい固体レーザーでもホログラフィーの製造が可能になってきており、研究費の乏しい研究者や芸術家、熱心な愛好家でも手が出せるようになってきている。

ホログラフィーの原理

白黒の写真は光強度（単位面積あたりの光のエネルギー）が記録された点の集まりで、どの点も光強度という1つの情報しかない。カラー写真は（実際は光の三原色に相当する3つの波長のみであるが）さらに光の波長の情報が加わる。しかし、ホログラムでは光の電場の振幅や波長の情報だけでなくそれに位相の情報が加わる。写真では位相の情報は失われるが、ホログラムにおいては（通常は単一波長であるがカラーも可能である）光の電場の振幅と位相が記録される。像が再生される時にできる放射光は完全な3次元像となる。ホログラフィーと写真の違いはここにある。また、写真と違い像を反射率の違いで再生できるだけでなく、記録したホログラムを漂白することで屈折率の違いでも像を再現できる。

ホログラムの製造

ホログラムの記録

それぞれの点において光波の位相を記録するために、ホログラフィーは参照光を利用する。この参照光は記録の対象となる物体を照らす物体照明光と同じ光源から来ている。これは、物体光と参照光との間にコヒーレンス（可干渉性）を持たせるためである。参照光と物体光の重ね合わせによる光の干渉によって干渉縞ができる。これは普通の写真フィルムと同じ撮影技術であるが干渉縞の微細な像を記録する必要があるため専用のフィルムを使うことと除震台を使うことが一般的である。（ただし、パルスレーザーを光源とする場合は除震台は必須ではない）これらの干渉縞はフィルム上に回折格子を形成する。

ホログラムの大量生産法としてスタンパを使用した方法が用いられる。金属板上に塗布された光硬化樹脂に干渉縞を露光して離型用に硝酸銀の還元反応により銀メッキを施してから表面を無電解ニッケルメッキカニゼンメッキを施すことによって耐久性をもたせてから裏面を銅の電鋳によって裏打ちする。完成したスタンパで樹脂に転写する。

ホログラムの再生

ホログラムの再生

一度フィルムが現像されると、参照光が再度照射されたときにフィルム上の干渉縞によって回折が起き、光強度と位相が再現された物体光ができる。光強度と位相が再現されているため像は3次元となる。観察者が動くと映し出された像は回転しているように見える。

ホログラフィーは物体光と参照光の干渉が必要となるため、記録・再生にはレーザーが使われるのはコヒーレンスな光波が必要だからである。ただ、レーザーが発明されるより前のホログラムは、水銀灯のような不便なコヒーレント光源を利用していた。

光のコヒーレンス長によって像の最大の深さが決まる。レーザーは通常数十センチメートルから数メートルのコヒーレンス長を持ち深い像を作ることができる。レーザーポインターはホログラフィーに利用するにはコヒーレンス長が短すぎるとされてきたが、小さなホログラムであれば作ることができる。大きなアナログホログラムはレーザーの電力が低すぎてレーザーポインターでは作ることができない。デジタルホログラフィーを利用すればこの問題に悩まされることはない。

ホログラフィーの応用

ホログラフィーは像を記録する以外にもさまざまな応用がなされている。

計測

現在、ホログラフィー顕微鏡などホログラフィーを利用した計測機器が次々と作られている。ホログラフィー顕微鏡はホログラフィーを利用することにより、微小な物体の立体像を得るものである。これをコンピュータ処理することにより、3次元情報を得ることが可能でさまざまな応用が期待されている。

光コンピュータ

演算素子として利用することができる。例えば、1枚のホログラムに2つのホログラムの実像を写せば、2つの3次元像の和をとることができる。また、フーリエ変換面にホログラムフィルタをはさみこむことにより、微分演算を行うこともできる。他にも、さまざまな画像処理がホログラフィーで可能である。一般的に、半導体コンピュータが画素ごとしらみつぶしに計算しなければならない計算をホログラムは一瞬で計算することができる。光を情報キャリアに使ったコンピュータ一般に関しては、光コンピューティングを参照。

ホログラフィックメモリ

ホログラフィックメモリは結晶やフォトポリマーの中に高密度の情報を記録するものである。現在一般的な記録媒体（メモリ）である DVD は面上に記録するため回折限界の制約を受ける。DVDはほぼこの上限に達しておりこれ以上容量を増やすことができない。しかし、メディアの容積全体に記録できるホログラフィックメモリは次世代記憶素子としての可能性を秘めている。

空間光変調を使えば 1024×1024 ビットの解像度の異なった画像1000枚を1秒で再生できる。メディアによっては、1ギガビット毎秒という速度で書き込むことができ、読み込み速度は1テラビット毎秒に達すると考えられている。

2004年、NTTはプラスチック製の切手サイズで1GBの記憶ができるInfo-MICA（インフォ・マイカ）を発表、2005年、オプトウェアは、記憶容量1 TB、直径120 mm のホログラフィック・バーサタイル・ディスク(HVD)を製造した。しかし、共に開発に難航しているのか製品化までのアナウンスは聞こえてこない。

2009年4月27日、アメリカのGE社が標準サイズのディスク一枚に、500GBの容量を持つディスクについて発表。将来的には、1TB(テラバイト)以上まで拡大も可能だという。フォーマットなどは現行のDVD・ブルーレイディスクと似ており、互換性に優れているという。

芸術

ホログラフィは芸術にも利用されている。ホログラフィック・ディスプレイ研究会 では、毎年大学ホログラフィー展を開いており、芸術的なホログラムを誰でも無料で見ることができる。フルカラーのホログラムや手前に大きく飛び出るホログラムなどもあり、芸術の手法として確立されつつある。代表的な作家では、石井勢津子、中村郁夫、ヒロ・ヤマガタ等が活躍している。

光学素子

HUD（ヘッドアップディスプレイ）の表示素子にも使用されつつある。複雑な光学素子でもホログラフィック光学素子を使用すれば軽量にできる。分光器の回折格子等も製造される。

偽造防止

紙幣、有価証券、商品券等の偽造防止等に用いられる。

関連項目

• モアレ
• 回折
• 干渉
• 魔鏡
• 透かし
• 潜像

外部リンク

• （社）応用物理学会 日本光学会 ホログラフィック・ディスプレイ研究会
• （社）応用物理学会 日本光学会 ボリュームホログラフィックメモリ技術研究グループ