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ホログラフィーの原理

はじめに

  ホログラフィーは空間に"光の像"を織り出すことができるもので、科学と芸術を融合したメディアアートとして注目されています。ただそれだけではなく、私たちのごく身近なところでも使われています。そう、どなたでも大抵２枚や３枚は持っているクレジットカードや各種の商品券,また紙幣の隅に小さなキラキラ光る部分があります。これが３次元像の情報を記録したホログラムです。
　これをよく見ると、画像や数字が立体的に写っており、小さな模型がそこにはめ込まれているような感じを受けます。しかし、実際には画像や数字そのものではなく、その３次元情報が暗号化されて平面に記録されているのです。そのため精巧にできたホログラムは複製が難しく、これが貼付されていれば本物であるという偽造防止用としてセキュリティに利用されています。

　そのほかホログラフィーは、物体の形や極めて微小な変形量、また振動モードの測定、従来のレンズなどに代わる新しい機能をもつ光デバイスや、膨大な空間情報の記録・読み出し能力を利用したコンピューターの記憶素子などへの利用、さらにＣＴ（コンピュータートモグラフｨー）などの平面画像から３次元画像を合成し、診断や手術に役立てる医用への利用など、広い分野で使われています。

ムーミンのホログラム切手　（フィンランド）

ホログラフィーのしくみ

　ホログラフィーは一種の写真技術ですが、従来の写真とホログラムは全く異なっています。写真の場合は、カメラのレンズによって被写体の像を写真フィルム面上に記録します。被写体のそれぞれの部分からやってくる光の強さに応じてフィルム面が感光されますので、明暗の違いとして像の形が記録されます。

　これに対してホログラフィーは、レンズを使わずに光の強さだけでなくやってくる光の方向まで一緒に記録できるという特長があります。これがこの技術の広い応用を可能にしている理由ですが、そのしくみは少々わかりにくいかも知れません。しかし、そこには物理学の最も基礎的な原理や技術が巧みに使われており、教育的な見地からも大変興味深く、理科離れを防ぐための高校や大学の教材として恰好なテーマであります。また、光とエレクトロニクスをつなぐ接点にもなっています。

ホログラムの記録

　それでは、ホログラムをどうやって記録するのかを説明します。図を見てください。

ホログラムの記録

　
　まずレーザーから出た光をビームスプリッターによって２つに分けます。レーザー光は通常広がらずにまっすぐ進んで行く細い光線ですので、これをレンズなどによって広げ、一方の光を記録したい物体にあてます。すると、光のあたった物体表面の各点を第２の光源としてそれぞれの明るさに応じた反射光が生じます。それらが重なって、ちょうど水面に広がっていく波紋のように空間に広がってゆきます。
  この光は物体の情報をもった光で物体光と呼ばれ、これを記録材料(写真フィルム）にあてます。2つに分けたもう一方の光も同様に広げ、直接記録材料にあてます。この光は参照光と呼ばれます。物体光と参照光が干渉してできる干渉縞を記録材料に記録します。これを現像処理してできたものがホログラムです。
　物体の各点からやってきて記録材料にあたる光は、物体表面の形によってその距離と方向が少しずつ違っています。このずれが３次元の情報をもっていますが、基準がないとどれだけずれているかわかりません。この基準となるために導入する光が参照光であり、これが物差しの役目をして、干渉縞という形で明るさと方向を含めた物体の正確な空間情報を記録できるのです。

　

ホログラム

　
　こうして記録されたホログラムは干渉縞が写っているだけで、写真の場合と異なりレンズで像をつくっていないため、像らしきものは何も写っていません。ただ、その干渉縞も非常に細かいため肉眼では認められず、一枚の透明な板のようにしか見えません。しかし、ホログラムの断面を拡大して見ると、下の写真のような縞模様が見えます。この縞模様が干渉縞です。この写真の場合は銀塩乳剤に記録されたもので、縞の間隔は約１ミクロン（１０００分の１ミリメーター）です。黒く見える部分は小さな銀塩粒子の集まりからできています。粒子の大きさは約２０分の１ミクロン（５０ナノメーター）です。           　　　　　　　　　　　　　

銀塩乳剤に記録されたホログラムの断面の電子顕微鏡写真

ホログラムの再生

　このホログラムに光をあてたとき、どのようなことが起こるでしょうか？ この光のことを再生照明光といいますが、記録したときの参照光と同じ光を再生照明光として、これを同じ方向からホログラムにあてて反対方向から覗くと、物体のあった位置に本物そっくりの像が見えます。これは細かい周期構造を持つ干渉縞に光をあてると、やってきた光の方向が曲げられるという回折の現象によるものです。その方向は干渉縞の間隔と向き、および波長によって決まります。

  ここで重要なことは、ホログラムの各場所で回折される光の方向は、物体からやってきた光がホログラムを通過するときの方向と全く同じであるということです。このことは、ホログラムから出て行く光（これを再生光といいます）は元の物体からやってくる光と全く同じものであり、実際に物体がなくても観察者の眼には物体がある場合と何ら変わりがなく見えることを意味します。したがって、観察者にはそこにあたかも物体があるかのように、本物そっくりの３次元像が見えることになります。この像は、ホログラムの奥に見えますので、虚像といいます。

　　


ホログラムの再生

  　　

左から見た像 　　　　　　　　　右から見た像
ホログラムを覗いたときに見える再生像

　
　ところで、再生照明光を、参照光とは逆向きに進む光にしたらどんなことが起こるでしょうか？ 先程の見えかたと違ってホログラムの手前に像が浮かんで見えます。このような再生の仕方で生じる像は共役像と呼ばれ紙などの上に映すことができ、実像といいます。つかめそうですがだめです。

共役像の観察

　  ここで観察者の位置と像の関係をちょっと考えてください。観察者は光がやってくるホログラムの方に顔を向けますので、見える像は実際の物体と前後が逆になっています。つまり、前のものが後ろに、後ろのものが前に見えます。この像をシュードスコピック像といいます。そんなことがあってよいのでしょうか？ 自然界ではこんなことはありえませんが、ホログラフィーなら可能です。

ホログラフィーの特徴

　ホログラフィーの特徴をまとめると、次のようになります。

１．本物の物体を見るのと同じようにように、ごく自然に３次元像が見えます。これは、他の３次元画像技術では実現できない特長です。→＜詳細＞参照

2．ホログラムが割れて小さな破片になっても、その部分から完全な３次元像が再生されます。

3．一枚のホログラムに異なったたくさんの物体の情報を記録でき、またそれらを別々に再生できます。

4．ホログラムを記録するには、レーザーのようなコヒーレントな光源が必要です。→＜レーザー＞参照
　　　ただし、干渉縞を計算機によって作る場合はレーザーは必要としません。→＜応用の光情報処理＞参照

5．非常に高い解像力の記録材料が必要です。→＜記録材料＞参照

　１〜３の特長を利用して、ホログラフィーはいろいろな分野で利用されています。→＜応用＞参照