ホログラフィック技術。ホログラムの種類と応用の可能性

近い将来または非常に遠い未来を舞台とする SF 映画は、ホログラフィック装置なしでは成り立ちません。ホログラムは 3 次元の 3 次元画像であり、実際、未来の世界の英雄たちが互いにコミュニケーションするのに役立ちます。その一方で、SF のすべての要素は遅かれ早かれ日常生活の一部になります。ロボットや宇宙飛行を見てみると、人類は 100 年前に夢見ただけでした。しかし、ホログラムは私たちからどれくらい離れているのでしょうか?特別な機器を使用せずに家庭で 3 次元画像を作成することは可能でしょうか?

未来はすぐそばにあります

これまで、この言葉は SF 映画や本と関連付けられていたかもしれませんが、ご存知のとおり、科学は非常に急速に発展しており、ホログラフィック画像はすぐに私たちの日常生活に不可欠な部分になるかもしれません。電話の誕生はコミュニケーションにとって何と画期的なことであり、ウェブカメラからのオンラインブロードキャストの助けを借りてコミュニケーション技術がどれほど多くの変化をもたらしたことでしょう。ホログラフィック技術の発展が将来の世代に何をもたらすかを想像することさえ困難です。たとえば、数千キロ離れたところに住む友人と一緒に、このようなデバイスを使って公園を歩いてみてはいかがでしょうか。

動作中のメカニズム

もちろん、これらすべての空想はまだかなり遠い将来のことです。今日、より狭い科学的な意味では、ホログラムは、3 次元画像と同様に、特別な照明の下で作成される特別なタイプの写真です。ホログラフィック写真は、実際にそれほど困難なく作成することもできます。主なものは、一見すると多次元の画像を作成するためのメカニズムです。ホログラフィック効果は、レーザー放射のビームを 2 つの透明なビームに分離する半透明のミラーを使用して実現されます。後者は科学者によって物体波と基準波とも呼ばれます。最初の波は撮影された物体を反射してフィルムに当たり、2 番目の波は他の角度から物体を迂回しながらフィルム自体で衝突します。原理的には、これが 3D ホログラムの作成方法です。得られたフィルムを照明しているときに、同じ波長のレーザー光がフィルムに向けられると、フィルムは正しい構成で屈折します。科学者たちは現在、光線を特別に屈折させることなく、通常の光でホログラフィック画像を送信できるメカニズムを開発中です。

多次元宇宙?

ホログラムは人類が独自に発明したものです。実際には、平面画像にエンコードされた 3 次元空間です。オブジェクトの視覚的表現の角度と形状は、視点に応じて変化します。この考えは、SF 作家や一部の非常に独創的な科学者に、私たちの 3 次元の世界には無限の数の他の次元も含まれている可能性があると信じるように促します。この考え方は「多次元世界理論」と呼ばれ、長年にわたりSF作品の中で盛んに展開され普及されてきました。多次元性のアイデアの直接の起源は、現代物理学でも非常に人気のある弦理論でした。多次元理論を支持する科学者の議論を信じるなら、私たちの三次元世界は多次元空間の投影であるため、私たちの宇宙自体がホログラムであることになります。 3 次元画像を 2 次元画像に符号化することが可能であれば、なぜ私たちが現実を認識する 3 次元空間が、より大きな何かの投影であると仮定できないのでしょうか?

人間の目と世界の多次元性

通常の写真では、すべてが非常にシンプルです。目は画像を平面上にのみ存在するものとして認識します。実際、目の機能は現実を「撮影」し、その情報を脳に伝達することですが、三次元の概念は目または物体自体を動かすことによって実現されます。次に、ホログラムのレーザー光は、密度、色、照明など、必要な画像カテゴリをすべて再現し、どの位置から見ても完全な画像を提供します。

現代のテクノロジーはどこまで進歩しているのでしょうか?

それにしても、ホログラムって何でしょうか？多次元画像伝送分野におけるイノベーションの特徴を想像する最良の方法は、ホログラフィック技術の開発の現段階に関するデータです。

日本人は、他の未来技術と同様に、この分野でも特に優れています。エアリアル・バートンの発展については特筆すべきである。研究の成果は、空気分子のイオン化を利用してホログラムを作成できる装置となりました。通常、3 次元投影を作成するには、レーザーが画像を形成する特別な媒体が必要です。そのような媒体は水蒸気または飛沫のいずれかであり、水は光線のイメージを完全に反映します。日本の科学者は、空気分子への画像の転写を実現する全く異なるタイプのレーザーを作成することができました。そのため、ホログラムは空気中に配置されています。ただし、このレーザーは長時間動作することができず、空気分子をイオン化する手順を何度も繰り返す必要があります。もちろん、これまでのところ日本の企業エアリアル・バートンでさえ、いくつかの発光点を宇宙に移動することしか達成できていないが、技術自体は大きな期待を示している。 3 次元画像がすぐにエンターテイメント分野に登場する可能性があり、最も広範囲にわたる提案は、道路標識をホログラムに置き換えることです。

ホログラフィックプロジェクター - 自分でやってみよう!

しかし、空中の 3 次元画像にはまだアクセスできませんが、携帯電話上のホログラムはまったく普通のものです。これに必要なのは、即席の手段を使用して特別なホログラフィックプロジェクターを数時間作成することだけです。

自分の手で作成したホログラムは、多くの複雑な部品や操作を必要としません。原則として、インターネットにアクセスできるスマートフォンと透明な CD ボックス以外には何も必要ありません。子供たちはホログラフィック画像を再現するこの方法に夢中なので、子供を驚かせるものが何もない場合は、この方法に注目してください。

アクションのアルゴリズム

そこで、透明なプラスチックの CD ボックス、文房具のナイフまたはガラスカッター、普通のハサミ、定規、小さなテープのロール、そしてもちろんスマートフォンを用意します。定規を使用して、下底が 6 センチメートル、上底が 1 センチメートルの比率に従って、普通の紙に台形の輪郭を描きます。高さは3.5センチメートルになります。このようなステンシルを箱の壁に適用して、4つの形状を切り抜きます。通常のテープまたは瞬間接着剤を使用してそれらを固定すると、投影に必要な台形が得られます。

信じられないほどの光景

さて、いよいよ正念場がやって来ました。プロジェクターの準備は完了しました。あとは、3 次元デザイン用に特別に処理された画像またはビデオシーケンスを再生するだけです。

ホログラム作成の大きな利点は、特別な機器を持っていなくても、ほぼ誰でもこの「奇跡」を自宅で行うことができることです。ホログラムは誰でも簡単に自分の手で作ることができます。

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タタールスタン共和国教育科学省アルメチエフスク国立石油研究所

物理学科

分野別: 物理学の特別な章

テーマ：「ホログラフィーとその応用」

完了者: グループ 33-91 の学生

カラヴァエフ A.O.

チェック者: St. 教師

カサノバ G.A.

アルメチエフスク 2015

導入

ホログラフィー

ホログラフィーの歴史

ホログラフィーの理論的基礎

ホログラムの種類とホログラフィーの応用

結論

導入

急速に発展する現代の世界では、情報量が増え続ける情報を理解しやすくするために、オブジェクトを 3 次元で表示する必要がますます多くなっています。航空管制官、医師、人類学者など、ホログラフィーはあらゆる人を助けることができます。リアルタイムの空域の 3 次元画像は、航空管制官の作業を簡素化し、医師が患者に手術や放射線照射を行わずに内部を検査して診断を下すのに役立ち、人類学者が空域を再構築することを容易にします。頭蓋骨の様子…

しかし、最近では、ホログラフィーが何なのか、そしてそれがどこで使用できるのかを理解している人はほとんどいません。

ホログラフィーは、3 次元オブジェクトの視覚化において最も有望な分野の 1 つです。

ホログラフィー方法 (3 次元環境でのホログラムの記録、カラーホログラフィーやパノラマホログラフィーなど) はますます開発されています。ホログラフィックメモリを備えたコンピュータ、ホログラフィック電子顕微鏡、ホログラフィック映画およびテレビ、ホログラフィック干渉法などで使用できます。

ホログラフィーの歴史

光学は、光放射 (光)、その伝播、および光と物質の相互作用中に観察される現象を研究する物理学の分野です。 20世紀半ばまでは、科学としての光学は発展を終えたかのように思われていました。しかし、ここ数十年で、新しい法則（量子増幅の原理、レーザー）の発見と、古典的で十分にテストされた概念に基づくアイデアの発展の両方に関連して、この物理学の分野で革命的な変化が起こりました。ここでまず第一に、波動現象の実用化の分野を大幅に拡大し、理論研究に弾みを与えるホログラフィーのことを指します。

現実を表示する手段として、ホログラムには独特の特性があります。平面的な画像を作成する写真とは異なり、ホログラフィック画像は元のオブジェクトの正確な 3 次元コピーを再現できます。視点の変化に応じてさまざまな角度が変化するこのような画像は、驚くほどリアルで、多くの場合、本物の物体と区別がつきません。

ホログラフィーは、波を記録し、その後再構成することによって、物体の 3 次元画像を取得する方法です。波は、光、X線、音響など、あらゆるものになります。

ホログラフィーのもう 1 つの定義は、3 次元画像を正確に記録、再生、再形成するための一連の技術です。

ホログラム干渉縞の記録です。

ホログラフィーのアイデアと原理は、1948 年に D. ガボールによって策定されました。科学では時々起こることですが、ホログラフィーのアイデアは、電子顕微鏡の改良というまったく別の問題の開発中に生まれました。 1971 年、「ホログラフィック原理の発明と開発」により、D. ガボールはノーベル物理学賞を受賞しました。

このアイデアの本質は、物体に関する完全な情報と、光波の振幅だけでなく位相に関する情報も捕捉することでした。これは、ホログラフィーという名前の説明になります（ギリシャ語のホロス（完全）とグラフォ（書き込み）に由来します）。

レーザーが発明されるまで、ホログラフィーは事実上発展していませんでした（ホログラムを取得する最初の試みは、水銀ランプを使用して D. ガボールと彼の同僚によって行われましたが、品質は低かったです）。レーザー放射の最も重要な特性は、そのコヒーレンスです。

1962 年に、ミシガン工科大学の Emmet Leith と Juris Upatnieks によって古典的なスキームが作成されました (Leith-Upatnieks ホログラム)。科学者たちは、レーザー光で再構成された最初の体積透過型ホログラムを記録しました。これらの科学者によって提案されたホログラム記録方式は、現在世界中のホログラフィック研究室で使用されています。

ホログラムを入手するにはさまざまな方法があります。最も興味深いものの 1 つは、ソ連の科学者 Yu.N. Denisyuk によって提案された方法です。

1962 年、Yu. N. Denisyuk は、物体から来る波の位相、振幅、スペクトル構成に関する情報を保存できる、3 次元メディアに画像を記録する方法を発明しました。このようなホログラムは反射型ホログラムと呼ばれ、通常の白色光を照射すると再生できます。この科学的成果はソ連で科学的発見として評価され、次のような形でソ連国家発見登録簿に登録された。透明な物質媒体の三次元要素であり、物質の密度の分布は、放射線が物体上で散乱されたときに物体の周囲に形成される定在波の強度場の分布に対応します。」

現代のビジュアルホログラフィーのほとんどは、Yu. N. Denisyuk によって提案された手法に基づいています。この方法を使用した最初の高品質ホログラムは、1968 年にソ連 - G.A. で作成されました。ソボレフとD.A. スタセルコ、そして米国ではL.シーベルト。

1969 年、ポラロイド研究所 (米国) のスティーブンベントンは、通常の白色光で見える透過型ホログラムを作成しました。ベントンが発明したホログラムは、白色光を構成する虹のすべての色できらめくため、レインボーホログラムと呼ばれました。

ベントンホログラムは、物体の空間スペクトルを 1 方向 (通常は垂直) に制限することで、連続スペクトルの放射線源 (白熱灯、太陽) による物体波の再構成を可能にする集束画像ホログラムです。この場合、画像の色は観察者の目の位置に依存し、物体の色とは関係ありません。

ベントンの発見により、干渉パターンをプラスチックに「スタンプ」することにより、安価なホログラムの大量生産を開始することが可能になりました。このタイプのホログラムは、今日、文書や銀行カードの偽造を防ぐために使用されています。ベントンのおかげで、ホログラフィーは社会の幅広い層に人気を博しました。

1977 年、ロイドクロスは、水平面内にある物体をさまざまな視点から撮影した多くの通常の写真で構成される多重ホログラムを作成しました。このようなホログラムを視野内に移動すると、キャプチャされたすべてのフレームが表示されます。

ホログラフィーの理論的基礎とその特性

ホログラフィーの物理的基礎は、ホイヘンスの下で 17 世紀に始まった波、その干渉と回折の理論です。すでに 19 世紀初頭には、ユング、フレネル、フラウンホーファーはホログラフィーの基本原理を定式化するのに十分な知識を持っていました。 19 世紀後半から 20 世紀初頭の多くの科学者 (キルヒホッフ、レイリー、アッベ、ヴォルフケ、ベロッシュ、ブラッグ) は、ホログラフィーの原理にかなり近づきました。

物理的な考え方は、特定の条件下で 2 つの光線が重ね合わされると、干渉パターンが現れる、つまり光強度の最大値と最小値が空間に現れるというものです (水上の 2 つの波系が交差すると、交互に最大値を形成するのと同様です)および波の振幅の最小値）。この干渉パターンが観察と記録に必要な時間にわたって安定しているためには、2 つの光波が空間と時間で調整されなければなりません。このような一貫した波をコヒーレントと呼びます .

波が同位相で交わる場合、それらは互いに加算され、その結果、振幅の合計に等しい振幅を持つ波が生成されます。それらが逆位相で出会うと、それらは互いに打ち消し合います。これら 2 つの極端な位置の間では、波の追加の異なる状況が観察されます。 2 つのコヒーレント波を加算すると、常に定在波になります。つまり、干渉パターンは時間が経っても安定します。この現象は、ホログラムの生成と再構築の基礎となります。

従来の光源は、ホログラフィーで使用するには十分な程度のコヒーレンスを持っていません。したがって、レーザーの発明はその開発にとって極めて重要でした。 - 必要な程度のコヒーレンスを持ち、厳密に 1 つの波長を放射できる放射線源。

ホログラフィック手法は 2 つの段階から構成されます。

まず、ホログラムが取得 (記録) されます。これは、2 つのコヒーレントな光線が加算されたときに写真乾板上に現れる干渉パターンです。写真乾板上には、明るいスポットと暗いスポットが交互に現れる干渉縞が形成されます。ホログラフィック画像はその外観と一致しません。

ホログラムを復元するには (第 2 段階)、同じコヒーレント放射線でホログラムを照射します。ホログラムは複雑な干渉パターンを示すため、透明領域と不透明領域でコヒーレント放射の回折が発生し、その結果が画像になります。

現在、記録された放射線の振幅、位相、スペクトル組成、偏光状態、およびこれらのパラメータの経時変化を再現できるホログラム取得方法が実用化されている。

デニス・ガボールは、画像記録の問題を研究しているときに、素晴らしいアイデアを思いつきました。その実装の本質は次のとおりです。コヒーレント光のビームが 2 つに分割され、記録された物体がビームの 1 つの部分だけで照明され、2 番目の部分が写真乾板に向けられる場合、物体から反射された光線は、写真乾板に直接当たる光線と干渉します。光源から。プレートに入射する光ビームは参照ビームと呼ばれます , 物体を反射または通過したビームは客観的です . これらのビームが同じ放射線源から得られることを考慮すると、それらがコヒーレントであることは確実です。この場合、プレート上に形成される干渉パターンは時間が経っても安定します。定在波の像が形成されます。

結果として得られる干渉パターンは、写真乾板上のすべての点から見えるオブジェクトを記述するコード化された画像です。この画像には、物体から反射された波の振幅と位相の両方に関する情報が保存されているため、3 次元 (体積) 物体に関する情報が含まれています。

物体波と参照波の干渉パターンの写真記録には、参照波がそのような記録に再度向けられると、物体の画像が復元される特性があります。それらの。プレートに記録された画像に参照光が照射されると、視覚的には本物と区別できない物体の画像が復元されます。

さまざまな角度からプレートを通して見ると、さまざまな側面からのオブジェクトの透視図を見ることができます。もちろん、このようにして得られた写真乾板は写真とは言えません。これはホログラムです .

干渉ビームの伝播方向に対する記録媒体の位置 (形状や幾何学的寸法に関係なく) によって、ホログラムのタイプ (透過型か反射型) が決まります。

ないホログラム. 干渉ビームがその表面に片側から入射するように記録媒体が配向されると、いわゆる透過型ホログラムが記録されます。

1962 年、I. Leith と J. Upatnieks が最初の透過型ホログラムを取得しました。レーザーを使用して作成された体積オブジェクト。彼らが提案したスキームは、視覚的ホログラフィーのいたるところで使用されています。コヒーレントなレーザー放射のビームが半透明のミラーに向けられ、その助けを借りて 2 つのビーム、つまり物体ビームが得られます。そしてサポートする . 参照光は写真乾板に直接照射されます。物体ビームは物体を照射し、そのホログラムが記録されます。物体から反射された光線、つまり物体光線が写真乾板に当たります。プレートの面内では、2 つのビーム (物体ビームと参照ビーム) が複雑な干渉パターンを形成します。この干渉パターンは、2 つの光ビームのコヒーレンスにより、時間の経過とともに変化せず、定在波のイメージとなります。あとは通常の写真の方法で登録するだけです。

ホログラムが特定の体積媒体に記録される場合、結果として得られる定在波モデルは、振幅と位相だけでなく、そこに記録された放射線のスペクトル組成も明確に再現します。この状況が三次元作品の誕生の基礎となった。（体積）ホログラム。

体積ホログラムの動作はブラッグ回折効果に基づいています。厚層乳剤内を伝播する波の干渉の結果、より高い強度の光で照射される面が形成されます。ホログラムが現像されると、露光された面に黒ずみの層が形成されます。この結果、光を部分的に反射する性質を持つ、いわゆるブラッグ面が作成されます。それらの。乳剤内に三次元干渉パターンが作成されます。

このような厚層ホログラムは、記録および再構成中に参照光の入射角が変化しない限り、物体波の効果的な再構成を提供する。また、修復中に光の波長を変更することはできません。体積透過型ホログラムのこの選択性により、記録時と再生時に参照光の入射角をそれぞれ変更しながら、プレート上に最大数十枚の画像を記録することが可能になります。

体積ホログラムを送信するための記録方式は、2 次元ホログラムの Leith-Upatnieks 方式と似ています。

体積ホログラムを再生する場合、平面透過型ホログラムとは対照的に、ホログラムからの再生ビームはブラッグ角によって決まる一方向のみに反射されるため、画像が 1 つだけ形成されます。

反射性ホログラム。反射型体積ホログラムは、別の方式を使用して記録されます。このようなホログラムを作成するというアイデアは Yu.N のものです。 Denisyuk およびその作成者の名前で知られています。

Yu. N. Denisyuk によるファインホログラムは、干渉ビームの逆伝播によって得られる反射型ホログラムであり、干渉パターンの周期は最小限です。

参照光ビームと物体光ビームはスプリッターを使用して形成され、ミラーを通して両側からプレートに向けられます。物体波は乳剤層側から写真乾板を照明し、参照波はガラス基板側から写真乾板を照明します。このような記録条件下では、ブラッグ面は写真乾板の面とほぼ平行に位置する。したがって、光層の厚さは比較的薄くすることができる。

図示の図では、透過型ホログラムから物体波が生成されている。それらの。まず、上記の技術を用いて通常の透過型ホログラムを作成し、次にこれらのホログラム（マスターホログラムと呼ばれる）からコピーモードでYu.N.Denisyukホログラムを作成する。

反射型ホログラムの主な特性は、白熱灯や太陽などの白色光源を使用して記録された画像を再構築できることです。同様に重要な特性は、ホログラムの色の選択性です。これは、画像が白色光で復元されると、記録されたときの色で復元されることを意味します。たとえば、記録にルビーレーザーが使用された場合、オブジェクトの再構成された画像は赤になります。

色選択性の特性により、物体の自然な色を正確に伝えるカラーホログラムを得ることができます。これを行うには、ホログラムを記録するときに赤、緑、青の 3 色を混合するか、写真乾板をこれらの色で順番に露光する必要があります。

基本eプロパティホログラム. これらの特性は、波の振幅だけでなく位相も記録されるという事実と正確に関係しています。プレートの表面上のほぼすべての点に、オブジェクトのすべての点から反射された放射線が当たります。これは、たとえ小さな部分であっても、オブジェクト全体に関する視覚情報が含まれていることを意味します。

1. ホログラムのどの部分でも、物体の画像を取得できます。しかし、ホログラムの一部から得られる画像の品質は、ホログラム全体から得られる画像よりも劣ります。ホログラムはいくつかの部分に分割でき、それぞれが元の画像を完全に再現します。黒のストライプが透明になったホログラムプリントと、その逆のホログラムプリントでは、元のホログラムと同じ画像が生成されます。 (「デニシュクによれば」写真もホログラムもこの性質を持っていません。)

2. ホログラフィック画像は、回復段階で拡大できます。ホログラムが平行光線で記録され、発散光線で再生されると、画像は発散角に比例して増加します。（この性質はX線ホログラフィック顕微鏡に利用されています）

3. 複数のホログラムが異なる波長 (複数ではない) を使用して 1 つのプレートに記録されている場合、適切な放射を伴うレーザーを使用してそれらをすべて独立して読み取ることができます。フルカラー画像も同様に記録できます。

4. ホログラムはコンピュータを使用して、または手動で計算して描画することができます。現実には存在しないオブジェクトを描写するホログラムを作成できます。コンピュータは物体の形状と物体に入射する光の波長を設定するだけで十分です。これらのデータを使用して、コンピューターは反射光の干渉の図を描きます。光線を人工ホログラムに通すと、発明された物体の 3 次元画像を見ることができます。したがって、フレネルゾーンプレートを描画して 1 点の最も単純なホログラムを取得することは難しくありませんが、オブジェクトが複雑になればなるほど、そのような人工ホログラムはより複雑になります。

その結果、ホログラフィーにより、膨大な量のデータを記録、保存、処理し、迅速に変換することが可能になります。ホログラフィーのこれらの機能は、多くの技術的および科学的問題を解決するために使用されます。

ホログラムの種類と応用の可能性

多くの技術プロセスにおいて、ホログラムによって形成された実像を使用することが可能です。強力なレーザーでホログラムを照射すると、処理中の表面に複雑なパターンを適用できます。特に、ホログラムはマイクロ電子回路の非接触堆積にすでに使用されています。

従来のホログラフィック手法（接触または投影）に対するホログラフィック手法の主な利点は、広いフィールドにわたってほぼ収差のない（歪みのない）画像が得られることです。ホログラムの解像度の限界は、光の波長の数分の一に達する場合があります。

画像は、ホログラム上に堆積した塵粒子、傷、その他の欠陥による影響を実質的に受けませんが、接触型または投影型フォトマスクの場合、これが欠陥の原因となります。

テクノロジーにおけるホログラムのもう 1 つの用途は、レンズとして使用することです。ゾーン格子の集束特性は長い間知られていました。しかし、格子の使用は製造の難しさによって制限されていました。ホログラフィックレンズを使用すると、ガラス上に蒸着されたタンタルフィルムに最大 14 ミクロンの直径の穴が得られました。ホログラフィック格子には、分割機で切断された従来の格子に特有の誤差がありません。

ホログラフィーの現象は、電磁波（光など）だけでなく、機械的な波（音）にも特徴があります。

したがって、ホログラムには光学式と音響式の 2 つの主なタイプがあります。実際に示されているように、情報を記録するホログラフィック方法は、電磁波だけでなく音波にも適用できます。コヒーレント音波は古くから知られており、非常に大きな物体も超音波で「照らす」ことができます。音と光ホログラフィーを取得する原理は同じですが、光の強度を変える代わりに圧力の強度が測定されるだけです。音波は光を通さない物体を容易に透過します。

音響ホログラフィーの有望な方法は、水を高周波音にさらすことです。この場合、光ホログラムの干渉格子の代わりに水面に波紋が現れます。レーザーで照射され、音波で「照射された」物体の画像が取得されます。ただし、この方法で得られる画像は水面から遠く離れたものになります。近づけるにはレンズを使って焦点を合わせる必要があります。また、波紋はわずかな外部からの影響によって簡単に破壊されてしまいます。通常の方法で波紋を撮影し、現像することもできます。水面に油膜を作ることでホログラムの品質を向上させることができます。言い換えれば、音響ホログラフィーにより、音響波場の光学的類似物を作成することが可能になります。このようなホログラムには、科学、技術、医学の多くの分野で有望な可能性があります。

光の代わりに音を使用する利点は何ですか? 音と固体および液体との相互作用は、電磁放射と固体および液体との相互作用とは異なります。音は、高密度で均質な媒体中を目立ったエネルギー損失なく長距離を伝わりますが、界面を通過する際にかなりの量のエネルギーを失います。この損失は境界での反射によるものです。対照的に、X 線などの電磁放射線は媒体を通過するときにかなりの量のエネルギーを失いますが、界面での損失は無視できます。したがって、医療診断、非破壊検査、水中および地下の場所では音のみが効果を発揮します。

医学では、音を使って人の内臓を観察できる超音波装置が長い間使用されてきました。ただし、この方法で得られる画像は 2 次元になります。そしてホログラムを使うと立体的になります。

ホログラフィーの助けを借りて、実用上非常に重要な音場の視覚化の問題も首尾よく解決されます。音声ホログラフィーの可能な応用例: 探傷、海底地形の研究、音の位置、音声ナビゲーション、鉱物の検索、地殻の構造の研究など。超音波ホログラフィーは医療診断にとって特に重要です。

音声ホログラムの記録は、光学的に修復できる方法で行われます。このために、次の方法が使用されます：音場スキャン、音圧の影響下での液体表面の変形、体積ホログラム。

音響ホログラムに対する光学ホログラムの利点は、より気取らない記録面であることです。写真乾板や干渉縞は揺れたり、半分に割れたりしても損傷しません。

ホログラフィーはエンジニアにとって真の贈り物になりました。理論的にしか説明されないプロセスや現象を調査し、記録できるようになりました。

たとえば、航空機のターボジェットエンジンのブレードは動作中に数百度まで加熱され、変形します。応力が部品内でどのように分散され、その弱点がどこにあり、破壊の恐れがあるのか、これを判断することは以前は非常に困難か、まったく不可能でした。ホログラフィック手法を使用すると、そのような研究はそれほど困難なく実行されます。

レーザー光で照らされると、ホログラムは写真撮影時に部品によって反射された光波を再構築し、その部品が以前に位置していた場所に画像が表示されます。部品が所定の位置に留まると、2 つの波が同時に発生します。1 つは物体から直接、もう 1 つはホログラムからです。これらの波はコヒーレントであるため、干渉する可能性があります。観察中に物体が変形すると、画像に縞模様が現れ、それによって変化の性質が判断されます。

現代の技術者は新しいアイデアを持っています。これは、指定されたプログラムに従って、ワークピースから任意の形状とサイズの部品を「作成」するレーザーの能力に基づいています。プログラムを書いてレーザー設置を構成する必要をなくすには、テクノロジーレーザー内に基準部品のホログラムを挿入するだけで十分です。ホログラム自体は、「切り取られた」部分が標準の正確なコピーとなるように、ビームの構成とその強度の分布を「選択」します。

有用な信号を分離する別の非常によく似た方法に注目する必要があります。これは、光学フィルタリングまたはパターン認識と呼ばれます。同様の方法で、指紋 (犯罪学など) など、他の多くの類似した画像の中から目的の画像を見つけることができます。これを行うには、標準からホログラムを作成し、テスト対象の物体から反射される光線の経路にホログラムを配置する必要があります。ホログラムは、標準と完全に同一の物体からの光のみを透過し、他の画像を「拒否」します。光学フィルターの出力にある明るいスポットは、物体が検出されたことを示します。注目に値するのは、検索は自動的に実行できるため、他の方法では達成できないほどの高速で実行されることです。

博物館の珍品のホログラムはすでにかなり一般的なものになっています。まだ稀ではありますが、立体的な書籍の挿絵も登場し始めています。同時に、3 次元画像を作成できる機能により、ファインホログラフィーや光学設計など、芸術の新しい方向性が開かれます。ホログラフィックホログラム顕微鏡電子

ベントンのレインボーホログラムは、薄層の感光性材料 (厚さ 20 ミクロン未満) に記録され、白色光で復元することができ、見る角度が変わると色が変わります。このようなホログラムは、絵のホログラム、コーディング、マーキング、印刷製品の装飾のさまざまな要素として、また文書、有価証券、商標の偽造に対するセキュリティを強化するために広く使用されています。

ホログラフィックメディアのアイデアは非常に有望であり、数ギガバイトではなく三次元基板上にレーザービームを使用して情報を記録することで構成され、そのようなメディアはCD以下のメディアにテラバイトのデータを保存できる可能性があります。ホログラフィックデータは非常に高速に読み取ることができます。

現在、これらのデバイスの技術は十分に発達しており、情報伝達物質の選択が最も難しい課題となっている。 2001 年 1 月、Lucent は、データの安全性とアクセス速度を損なうことなく、最大 1000 回の書き換えサイクルに耐えることができるメディアの開発を発表しました。外観的には、メディアは透明な CD に似ています。 Imation によると、最初のホログラフィックディスクは約 125 GB の情報を保存でき、データ転送速度は最大 30 MB/秒になる予定です。

しかし、ホログラフィー？これは実用的なものであるだけでなく、現代物理学の重要な要素でもあり、宇宙の構造を理解するための可能性のある道でもあります。

ハードディスクなどのデバイスの情報容量は年々増大し、そのサイズはますます小型化しています。ブラックホールの特性を研究することにより、物理学者は、空間の特定の領域または特定量の物質に含めることができる情報量の絶対的な制限を導き出しました。関連する発見は、私たちが 3 つの空間次元を持つと認識している私たちの宇宙が、実際にはホログラムのように 2 次元の表面に「書き込まれている」可能性があることを示しています。

結論

ホログラフィーの創始者は、この概念を最初に定式化し、「ホログラフィー」という用語を作ったホログラフィーの発明者である D. ガボールと、Yu.N. です。デニシュクは、三次元メディアにおけるホログラフィーの発見者および創始者であり、彼の「三次元ホログラム」の発見により、ホログラフィー手法が機器光学の分野から基礎物理学の分野に移されました。

ホログラフィーの広範な実用化は、E. Leith と J. Upatnieks によって開始され、レーザーと干渉ビームの軸外配置を使用してホログラムを記録しました。

デジタルホログラフィー、ダイナミックホログラフィー（ホログラフィーと非線形光学を組み合わせた方向）、偏光ホログラフィー、音響、視覚など、現代の多くの分野の基礎を築いた研究が登場しています。

一般的な報道や SF 文学では、ホログラフィーがかなり歪んで不正確な光で表現されることがよくあります。彼らは、この方法について一般的な誤解を生むことがよくあります。ホログラムを初めて見たときは魅惑的ですが、それがどのように機能するかを物理的に説明することも同じくらい印象的です。この後初めて、ホログラフィーの潜在的な可能性と、現在だけでなく将来のホログラフィーの適用可能性の限界の両方を理解できるようになります。
ホログラフィー？現代の科学技術の非常に重要な分野です。日常的な目的 (エンターテイメント、3D カメラ) だけでなく、医学 (手術なしで内部の研究) から物理学 (宇宙の構造に光を当てる理論の作成) まで、さまざまな科学分野でも使用できます。ホログラフィーの可能性はまだ完全には明らかにされていませんが、大きな可能性があるため、時間の経過とともに多くの科学者や投資家がこの興味深い主題の開発に引きつけられる可能性があります。

多くの研究者の協力的な努力により、3 次元ホログラムの特性に関する多くの情報と事実を蓄積することができました。これらの一見異なる事実の背後に、その根底にある単一の自然現象が非常に明確に現れています。実体化された強度波の体積画像は、振幅、位相、スペクトル組成、偏光状態、さらにはこれらのパラメータの時間の経過に伴う変化など、すべてのパラメータを含む波動場を再現できることがわかりました。

結論として、ホログラフィック投影法によって解決される多くの実際的な問題に加えて、ホログラフィック法による解決が将来の課題であるあらゆる範囲の問題が存在することも指摘する必要があります。これは主に、この現象の全体像がまだ完全には程遠いという事実によるものです。そして、ここで重要なのは、場合によっては、一部のタイプのホログラムの一連の表示特性が完全にわかっていないということだけではありません。ホログラムの新しく予期せぬ光学的特性が発見されると信じる十分な理由があります。共振媒体や偏光媒体の使用により波場の時間特性や偏光特性を記録する可能性が開かれたのと同様に、特定の特性を持つ感光性材料を使用すると、多くの新しい効果が発見される可能性があります。最後に、ホログラフィーと非線形光学を組み合わせてダイナミックホログラフィーを作成した前例は、ホログラフィーのアイデアを関連する知識分野に導入すると、まったく新しい方向性の出現につながる可能性があることを示しています。

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ホログラム適切な照明の下で立体的なイメージを生み出す写真です。ホログラムを作成するプロセスは、半透明のミラーがレーザービームを 2 つのビーム (物体波と参照波) に分割することから始まります。

被写体の波は撮影される物体から反射され、特別な写真フィルムに当たり、そこで基準波と出会い、基準波は物体を迂回してフィルムに向けられます。衝突する波はフィルム上に独特の干渉パターンを形成し、これにより物体に関する 3 次元情報がエンコードされます。現像されたホログラムにレーザービームを照射すると、このプロセスが逆に行われ、干渉パターンが解読されて、物体波によって写真フィルムにもたらされた元の画像が復元されます。

ホログラムの作成

半透明のミラーはレーザービームを 2 つのビームに分割します (図の左、下部)。ビームが再び一緒に戻されると、撮影される物体に関する情報を含む干渉パターンがフィルム上に記録されます。

被験者が手を振ると D! Ｄ２と基準波Ｒ、Ｒ２が異なる角度で交わると、干渉縞が形成される。相互に強化する干渉の領域は、図では黒色で示されています。

ホログラムを照射するレーザー光線は、フィルムの干渉パターンで波 I 1、I 2 および J 1、J 2 に屈折し、3 次元画像を復元します。

画像を再生する

1. フル画像 2. 自然光ホログラム

ホログラムが物体および参照光と同じ波長のレーザー放射で照射されると、実際の物体を照射するときとまったく同じように屈折します。場合によっては、ホログラム上の画像は、自然光で照らされると立体感を得ることができます。

この方法の利点は、現時点では、これが 3D 情報を真に再構築し、真の 3D ディスプレイを生成する唯一の方法であることです。ただし、約 70 年前に発明されたこの技術では、静的なホログラムしか作成できません。なぜホログラムを動的に変更してホログラフィックディスプレイを効果的に作成できないのでしょうか?

家庭にホログラフィックディスプレイがすぐに登場することはない

3D ホログラフィックディスプレイの作成に関する問題は、通常のホログラムの情報量が膨大であることです。光には多くの情報が含まれています。たとえば、3D ホログラフィックディスプレイを組み立てるには 100 万から 1 兆のオーダーのピクセルが必要で、たとえば 1 秒あたり 30 フレームの一般的なリフレッシュレートでは、データ量は膨大になります。さらに、複雑なライトフィールド情報をすべて（リアルタイムで）記録できる技術、これらの膨大なデータを送信できる技術、そしてそれらをすべて処理できるコンピューターが必要です。 4K テレビ（画面上に約 1,000 万のピクセルがある）の時代が始まったばかりであることを考えると、ホログラフィーの時代はすぐには到来しません。

ホログラムはコンピュータを使って作成・表示できる

すでにわかったように、私たちは大量の情報を扱っています。動的ホログラムをイメージングするための最新の方法は、空間光変調器 (SLM) と呼ばれます。これらは、レーザー光を反射することによってホログラムを表示する、小型のテレビのようなデバイスです。

ホログラムはどのように計算するのでしょうか? 理想的には、シーンのライトフィールドに関するすべての情報を記録できればよいのですが、これを実現できる商用技術はまだありません。シミュレートされたシーンの電磁波の完全なシミュレーションを実行して、フィールド内の散乱光が空間内の点として現れることを発見し、この情報を記録してホログラムを形成することができます。しかし、現在のテクノロジーにとって、これは計算上の悪夢です。おそらく最良の方法は、この現象に対して深く数学的なアプローチをとることです。

基本的に、近似を行っています。光が回折するとき、回折点から十分に離れていれば、見えるパターンは回折物体の数学的表現のフーリエ変換によるものであることがわかります。これは、コンピューターがフーリエ変換を非常に高速に実行できるため、ホログラムをその場で迅速に生成できることを意味します。そして、それらをSLM上に結像することで、光の回折を利用して任意の画像を自由に形成することができます。この領域はコンピュータ生成ホログラフィーと呼ばれます。そして現在、コンピューターの速度が向上しているため、この研究分野の人気はますます高まっています。

最高のホログラフィックテレビは 10 年前に開発され、多額の費用がかかりました

Qinetiq は 12 年前に空間光変調技術に基づいたプロトタイプのホログラフィックディスプレイを開発しました。彼女は 2 つの異なる SLM を備えたアクティブシステムを使用して、3D 画像の生成に必要なすべての信号深度を提供しました。このアイデアは非常に高価で、すぐに中止されましたが、少なくとも最高品質のホログラフィックディスプレイが実証されました。

ホログラフィーが必要なのはテレビだけではない

ホログラフィーは 3D 表示機能により興味深いと考えられますが、全体的には多くの用途があります。ここではいくつかの例を示します。

電子イメージング: 電子が材料の薄膜を通過する際の干渉の位相シフトを観察することにより、材料の組成を決定できます。
データストレージ: 従来の光ディスクは、情報を表面に保存します。ホログラフィーの助けを借りて、さまざまな角度から体積測定材料に情報を記録することが可能です。したがって、従来のデータ保存技術が許容するよりも多くの情報を保存することができます。
ホログラフィック光ピンセット: 光ピンセットは、光の力を利用して小さな粒子 (主に生物学の分野) を移動させ、光トラップを作成します。コンピュータ生成のホログラムを使用すると、科学者は短距離にわたって粒子の大きな配列を操作できます。
セキュリティ: ホログラムはすでに紙幣やクレジットカードに使用されています。これらは、その作成のためのテクノロジーが非常に複雑であるという事実のために主に使用されます。

ホログラフィーの現象は、電磁波（光など）だけでなく、機械的な波（音）にも特徴があります。