ホログラムの仕組み

ホログラムを見たいなら、財布以外のものを探す必要はありません。ほとんどの運転免許証、ID カード、クレジット カードにはホログラムが付いています。車を運転したりクレジットを使用したりできる年齢に達していない場合でも、家の周りでホログラムを見つけることができます。これらは、 CD 、 DVD 、およびソフトウェアのパッケージの一部であるだけでなく、「公式商品」として販売されるほぼすべてのものの一部です。

残念ながら、これらのホログラムは、作るために存在していますが、それほど印象的なものではありません。前後に動かすと色や形の変化が見られますが、通常はキラキラした絵や色のにじみにしか見えません。映画や漫画のヒーローをフィーチャーした大量生産されたホログラムでさえ、驚くべき 3D 画像というよりも緑色の写真のように見えることがあります。

一方、レーザーで照射したり、暗い部屋で慎重に照明を当てて表示した大型のホログラムは、信じられないほど素晴らしいものです。これらは、実際のオブジェクトの完全に正確な 3 次元イメージを示す 2 次元の表面です。画像を 3D で見るために特別なメガネを着用したり、View-Master を通して見る必要さえありません。

これらのホログラムをさまざまな角度から見ると、実際の物体を見る場合と同じように、さまざまな視点から物体を見ることができます。ホログラムの中には、通り過ぎてさまざまな角度から見ると動いて見えるものもあります。見方に応じて、色が変化したり、まったく異なるオブジェクトのビューが表示されるものもあります。

ホログラムには他にも驚くべき特徴があります。 1 つを半分に切ると、それぞれの半分にホログラフィック イメージ全体の全体像が含まれます。小さな断片を切り取った場合にも同じことが当てはまります。たとえ小さな断片であっても全体像が含まれています。さらに、虫眼鏡のホログラムを作成すると、ホログラム内の他のオブジェクトが本物のように拡大されます。

の背後にある原理を理解すれば、これらすべてがどのように行われるかを理解するのは簡単です。この記事では、ホログラム、光、そして脳がどのように連携して鮮明な 3D 画像を作成するのかについて説明します。ホログラムのプロパティはすべて、ホログラムの作成プロセスから直接得られるため、ホログラムの作成に必要な概要から始めます。

ホログラムを作る

ホログラムの作成にはそれほど多くの道具は必要ありません。次のものを使用して作成できます。

これらのツールを配置するにはさまざまな方法があります。ここでは、基本的な透過​​型ホログラムのセットアップに固執します。

次のセクションでは、ワークスペースの要件について説明します。

ワークスペースの要件

良好な画像を取得するには、適切な作業スペースが必要です。ある意味、このスペースの要件は、機器の要件よりも厳しいです。部屋は暗いほど良いです。完成したホログラムに影響を与えずに部屋に少し光を加えるには、暗室で使用されるようなセーフライトが適しています。暗室のセーフライトは赤色であることが多く、ホログラフィーでは赤色の光が使用されることが多いため、ホログラフィー専用に作られた緑色と青緑色のセーフライトがあります。

ホログラフィーには、装置を完全に静止させておくことができる作業面も必要です。部屋を横切って歩いたり、車が外を通り過ぎたりしても、装置が振動することはありません。ホログラフィー ラボやプロのスタジオでは、空気圧脚上にハニカム形状の支持層を備えた特別に設計されたテーブルがよく使用されます。これらはテーブルの上面の下にあり、振動を減衰します。

膨らませたインナーチューブを低いテーブルの上に置き、その上に厚い砂の層が入った箱を置くことで、独自のホログラフィー テーブルを作成できます。砂とインナーチューブは、プロフェッショナルテーブルのハニカムと空気圧サポートの役割を果たします。このような大きなテーブルを置くのに十分なスペースがない場合は、砂や砂糖の入ったカップを使って各機器を即興で固定することもできますが、これらは大きなセットアップほど安定しません。

鮮明なホログラムを作成するには、空気の振動も減らす必要があります。暖房や空調システムは周囲に空気を送り込む可能性があり、体の動き、呼吸、さらには体温の放散も同様です。これらの理由により、ホログラムを作成するために機器をセットアップした後、冷暖房システムをオフにして数分間待つ必要があります。

これらの予防措置は、極端な写真撮影のアドバイスのように聞こえます。カメラで写真を撮るときは、レンズを清潔に保ち、光レベルを制御し、カメラを絶対に動かさないようにする必要があります。これは、ホログラムの作成は、顕微鏡レベルの詳細な写真を撮影することによく似ているためです。次のセクションでは、ホログラムがどのように写真に似ているかを見ていきます。

ホログラムと写真

フィルム カメラで写真を撮るときは、次の 4 つの基本的な手順が瞬時に行われます。

このプロセスには、シャッターを開く距離、レンズがシーンを拡大する量、ミックスに追加する光の量など、多くの変更を加えることができます。ただし、どのような変更を行っても、4 つの基本的なステップは同じです。さらに、設定を変更しても、得られる画像は単に反射光の強度を記録したものに過ぎません。フィルムを現像して写真をプリントするとき、あなたの目と脳は、写真から反射した光を元の画像の表現として解釈します。このプロセスの詳細については、 「ビジョンの仕組み」 、 「カメラの仕組み」 、および「フィルムの仕組み」を参照してください。

写真と同様、ホログラムは反射光の記録です。これらを作成するには、写真を作成する場合と同様の手順が必要です。

写真と同じように、このプロセスの結果、入ってくる光を記録したフィルムが作成されます。しかし、ホログラムプレートを現像して見ると、そこに見えるものは少し普通ではありません。カメラで撮影した現像済みフィルムには、元のシーンの否定的なビューが表示されます。つまり、明るい領域が暗くなり、その逆も同様です。ネガを見ても、元のシーンがどのようなものであったかを知ることができます。

しかし、ホログラムの作成に使用される現像済みのフィルムを見ると、元のシーンに似たものは何も見えません。代わりに、フィルムの暗いフレームや線や渦巻きのランダムなパターンが表示される場合があります。このフィルムのフレームを画像に変換するには、適切な照明が必要です。

透過型ホログラムでは、単色の光がホログラムを通過して画像を形成します。反射型ホログラムでは、単色または白色の光がホログラムの表面で反射して画像を形成します。あなたの目と脳は、ホログラムを通して輝いたり、ホログラムから反射した光を 3 次元のオブジェクトの表現として解釈します。クレジット カードやステッカーに見られるホログラムは反射型ホログラムです。

ホログラムは光の位相と振幅をコードのように記録するため、ホログラムを見るには適切な光源が必要です。シーンからの反射光の単純なパターンを記録するのではなく、参照ビームと物体ビームの間の干渉を記録します。これは小さな干渉のパターンとして行われます フリンジ。各縞は、縞を作成するために使用される光の 1 波長よりも小さい場合があります。これらの干渉縞を解読するにはキーが必要です。そのキーは適切な種類の光です。

次に、光がどのようにして干渉縞を作るのかを正確に調べてみましょう。

ホログラムと光

フィルム上に干渉縞がどのように形成されるかを理解するには、光について少し知る必要があります。光は電磁スペクトルの一部であり、高周波の電気波と磁気波で構成されています。これらの波はかなり複雑ですが、水面の波に似ていると想像していただけます。山と谷があり、障害物に遭遇するまで直線的に進みます。障害物は光を吸収したり反射したりする可能性があり、ほとんどの物体はその両方の一部を行います。完全に滑らかな表面からの反射は鏡面または鏡のようなものですが、粗い表面からの反射は拡散または散乱します。

光の波長は、波のピークから次のピークまでの距離です。これは波の周波数、つまり一定期間内に点を通過する波の数に関係します。光の周波数はその色を決定し、1 秒あたりのサイクル、つまりヘルツ (Hz) で測定されます。スペクトルの赤色端の色は周波数が低く、スペクトルの紫端の色は周波数が高くなります。光の振幅、つまり波の高さは、その強度に対応します。

太陽光と同様、白色光には、可視スペクトルを超えたものも含め、あらゆる方向に伝わる光のさまざまな周波数がすべて含まれています。この光により周囲のすべてを見ることができますが、比較的混沌としています。さまざまな方向に伝わるさまざまな波長が含まれています。同じ波長の波であっても、位相が異なったり、山と谷の位置が異なったりすることがあります。

一方、レーザー光は規則正しいものです。レーザーは単色光を生成します。これには 1 つの波長と 1 つの色があります。レーザーから出てくる光もコヒーレントです。波の山と谷はすべて揃っているか、同位相です。波は空間的に、つまりビームの波を横切って並び、また時間的に、つまりビームの長さに沿って並びます。レーザーがどのようにこれを行うかを正確に確認するには、「レーザーの仕組み」を参照してください。

光の反射

組織化されていない白色光を使用して写真を作成したり表示したりできますが、ホログラムを作成するには、レーザーの組織化された光が必要です。これは、写真はフィルムに当たる光の振幅のみを記録するのに対し、ホログラムは振幅と位相の両方の違いを記録するためです。これらの違いをフィルムに記録するには、光がビーム全体にわたって 1 つの波長と 1 つの位相で開始される必要があります。レーザーから出るとき、すべての波は同一でなければなりません。

レーザーをオンにしてホログラフィック プレートを露光すると、次のことが起こります。

物体ビームについては、留意すべき点がいくつかあります。 1 つは、物体が 100% 反射しないことです。物体は、到達したレーザー光の一部を吸収し、物体の波の強度を変化させます。オブジェクトの暗い部分はより多くの光を吸収し、明るい部分はより少ない光を吸収します。

また、人間の目には滑らかに見えても、ミクロレベルで見ると物体の表面は荒れているため、乱反射が起こります。反射の法則に従って光をあらゆる方向に散乱させます。言い換えれば、入射角、つまり光が表面に当たる角度は、その角度と同じです。 反射の光、または表面から出る光。この拡散反射により、オブジェクトのあらゆる部分から反射された光がホログラフィック プレートのあらゆる部分に到達します。これが、ホログラムが冗長である理由です。プレートの各部分には、オブジェクトの各部分に関する情報が保持されています。

ホログラフィック プレートは、物体ビームと参照ビームの間の相互作用を捕捉します。次にこれがどのように起こるかを見ていきます。

フリンジを捉える

ホログラムの作成に使用される感光乳剤は、参照光と物体光の光波間の干渉を記録します。 2 つの波のピークが出会うと、それらは互いに増幅します。これは建設的な干渉です。山と谷が出会うと、それらは互いに打ち消し合います。これは破壊的です 干渉。

波のピークは正の数、谷は負の数と考えることができます。 2 つのビームが交差するすべての点で、これら 2 つの数値が加算され、波のその部分が平坦化または増幅されます。

これは、電波を使用して情報を送信するときに起こることとよく似ています。振幅変調 (AM) 無線送信では、正弦波とさまざまな振幅の波を組み合わせます。周波数変調 (FM) 無線送信では、正弦波とさまざまな周波数の波を組み合わせます。いずれにせよ、正弦波は、情報を運ぶ 2 番目の波が重ねられた搬送波です。

ホログラムでは、2 つの交差する光の波面が双曲面のパターン、つまり 1 つまたは複数の焦点の周りを回転した双曲線のように見える 3 次元形状を形成します。双曲面形状の詳細については、「」を参照してください。

2 つの波面が衝突する場所にあるホログラフィック プレートは、これらの 3 次元形状の断面、つまり薄いスライスをキャプチャします。これがわかりにくいと思われる場合は、水で満たされた透明な水槽の側面を覗いているところを想像してみてください。水槽の両端の水に2つの石を落とすと、波が中心に向かって同心円状に広がります。波が衝突すると、互いに建設的および破壊的に干渉します。この水族館の写真を撮り、中央の薄いスライスを除いてすべてを覆った場合、特定の 1 つの場所での 2 組の波間の干渉の断面図が表示されます。

ホログラム乳剤に届く光は、まさに水族館の波のようです。波には山と谷があり、高い波もあれば低い波もあります。乳剤中のハロゲン化銀は、通常の写真の光波に反応するのと同じように、これらの光波に反応します。乳剤を現像すると、より強い光を受ける乳剤の部分は暗くなりますが、弱い光を受ける部分は少し明るいままになります。これらの暗い領域と明るい領域が干渉縞になります。

次のセクションでは、乳剤漂白プロセスを見ていきます。

エマルジョンの漂白

波の振幅は縞の間のコントラストに対応します。波の波長は各縞の形状に変換されます。空間コヒーレンスとコントラストは両方とも、物体からのレーザー ビームの反射の直接の結果です。

これらの縞を画像に戻すには光が必要です。問題は、小さな重なり合う干渉縞によってホログラムが非常に暗くなり、光の大部分が吸収され、画像の再構成にほとんど透過しないことです。このため、ホログラフィック乳剤の処理では、多くの場合、漂白浴を使用した漂白が必要になります。別の代替方法は、干渉縞を記録するために重クロム酸ゼラチンなどのハロゲン化銀以外の感光性物質を使用することである。

ホログラムを漂白すると、暗いのではなく透明になります。干渉縞はまだ存在しますが、色が暗くなるのではなく、屈折率が異なります。屈折率は、光が媒体を通過する速度と真空を通過する速度の差です。たとえば、光の波の速度は、空気、水、ガラス、さまざまなガス、さまざまな種類のフィルムを通過するときに変化します。

場合によっては、半分の水の入ったコップにスプーンを入れたときの明らかな曲がりのように、目に見える歪みが生じることがあります。屈折率の違いにより、シャボン玉や駐車場の油汚れにも虹が生じます。漂白されたホログラムでは、屈折率の変化により、光波が干渉縞を通過して反射する方法が変化します。

このフリンジは暗号のようなものです。それらを画像にデコードするには、目、脳、そして適切な種類の光が必要です。次のセクションでこれがどのように起こるかを見ていきます。

フリンジを解読する

ホログラム上の微細な干渉縞は、人間の目にはあまり意味がありません。実際、重なり合う縞は暗くて微細であるため、透過型ホログラムの現像済みフィルムを見ると、暗い四角形しか見えないでしょう。しかし、モノクロ光が通過すると状況は変わります。突然、ホログラムが作成されたときにオブジェクトがあったのと同じ場所に 3D 画像が表示されます。

これを実現するために、多くのイベントが同時に開催されます。まず、光は発散レンズを通過します。これにより、単色光、つまり 1 つの波長の色で構成される光がホログラムのすべての部分に同時に当たります。ホログラムは透明であるため、この光を多く透過し、変化せずに通過します。

暗いか明るいかに関係なく、干渉縞は光の一部を反射します。ここからが興味深いことになります。それぞれの干渉縞は、曲面の微細な鏡のようなものです。当たる光は、最初にホログラムを作成するために物体から反射したときと同じように、反射の法則に従います。入射角は反射角と等しく、光はさまざまな方向に進み始めます。

しかし、それはプロセスの一部にすぎません。光は障害物の周囲やスリットを通過すると回折したり、広がったりします。光のビームが元の経路から広がれば広がるほど、端に沿って暗くなります。

スロット付きパネルを幅全体に配置した水槽を使用すると、これがどのように見えるかを確認できます。水槽の一端に小石を落とすと、波が同心円状にパネルに向かって広がります。各リングのほんの一部だけがパネルの各隙間を通過します。それらの小さな断片のそれぞれが、向こう側に広がり続けます。

このプロセスは、波として伝わる光の直接的な結果です。波が障害物を通過したり、スリットを通過したりすると、その波面は反対側に広がります。ホログラムの干渉縞の間には非常に多くのスリットがあり、回折格子のように作用し、非常に狭い空間にたくさんの交差する波面が現れます。

オブジェクトビームの再作成

ホログラム内の回折格子と反射面は、元の物体ビームを再現します。このビームは、基準波と結合される前の元の物体ビームと完全に同一です。ラジオを聴くとこうなります。ラジオ受信機は、振幅変調または周波数変調された情報を伝送する正弦波を除去します。情報の波は、送信のために正弦波と結合される前の元の状態に戻ります。

また、ビームは元の物体ビームと同じ方向に進み、進むにつれて広がります。物体はホログラフィック プレートの反対側にあるため、ビームは自分に向かって進みます。あなたの目はこの光の焦点を合わせ、脳はそれを透明なホログラムの後ろにある 3 次元の画像として解釈します。

突飛な話に聞こえるかもしれませんが、この現象は毎日のように遭遇します。鏡を見るたびに、自分自身と自分の後ろの周囲が、まるで鏡の表面の向こう側にいるかのように見えます。しかし、この画像を作る光線は鏡の向こう側にあるのではなく、鏡の表面で反射して目に届く光線です。ほとんどのホログラムはカラー フィルターとしても機能するため、オブジェクトはその自然な色ではなく、作成時に使用されたレーザーと同じ色として見えます。

この虚像は、光が干渉縞に当たり、目に届くまでに広がります。ただし、各縞の裏側に当たる光はその逆になります。上向きに移動して発散するのではなく、下向きに移動して収束します。それはオブジェクトの焦点を絞った再現、つまりその経路にスクリーンを置くと見える実像に変わります。実像は擬似的なもの、つまり前後を反転したもので、スクリーンの助けを借りずに見ることができる虚像とは反対です。

適切な照明があれば、ホログラムは両方の画像を同時に表示できます。ただし、場合によっては、ホログラムのどちら側が向いているかによって、現実のイメージが見えるか虚像が見えるかが決まります。

これら両方の画像の認識には、脳が大きな役割を果たしています。目が虚像からの光を検出すると、脳はそれを現実の物体から反射された光線として解釈します。あなたの脳は、このシーンを正しく解釈するために、影、さまざまなオブジェクトの相対位置、距離と視差、角度の違いなどの複数の手がかりを使用します。これらと同じ手がかりを使用して、擬似的な実画像を解釈します。

この説明は、ハロゲン化銀乳剤を使用して作成された透過型ホログラムに適用されます。次に、他の種類のホログラムを見てみましょう。

その他のホログラムタイプ

ノベルティとして購入したり、運転免許証に表示されたりするホログラムは、反射型ホログラムです。これらは通常、スタンピング法を使用して大量生産されます。ホログラフィック乳剤を現像すると、ハロゲン化銀粒子が純銀に還元されるため、乳剤の表面が崩壊します。これにより、乳剤の表面の質感が変化します。

ホログラムを大量生産する方法の 1 つは、この表面を金属でコーティングして強化し、それを使用して干渉パターンをメタに刻印することです。