0187 井桁 のごく個人的な意見

ホログラフィー (ギリシア語で Όλος- 全体の + γραφή - 記録) は ホログラム の製造技術のことで、ホログラムとは 3次元像を記録する写真のことである。 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。ホログラムはサイエンス・フィクションでもよく出てくる。

概要
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 (Gábor Dénes、1900年-1979年)　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の大量生産である。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 (光波の電場における振幅の二乗) 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。

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でも記録することができる。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ーヒーレンス長が短か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。