ホログラフィーと拡張現実
仮想現実と自動車アプリケーション向けホログラフィ
光をかたちづくる。 －次世代ディスプレイと光学部品－
ホログラフィーは黎明期における芸術的な好奇心から次世代光学システムの基盤技術へと進化を遂げました。拡張現実（AR）ディスプレイや自動車照明、精密計測、データストレージ、光セキュリティに至るまで今日のホログラフィー技術はエンジニアや設計者がかつてない精度で光を成形、誘導、制御することを可能にしました。
この技術革新の核となるのはレーザーです。レーザーは複雑なホログラフィック構造を記録・再構成するために必要なコヒーレンス、波長安定性、そしてビーム品質を提供します。現代のレーザーシステムはカスタマイズされた波長、完全な空間コヒーレンス、そして長期安定性を提供しレーザーベースのホログラフィーはホログラフィック光学素子（HOE）や機能的体積ホログラムの産業向け製造過程において最も好まれる技術となっています。
原理：光波の記録と再構成
ホログラムとは物体から散乱された光、またはコンピュータによって生成された光場の3次元記録です。
2本のコヒーレントレーザービーム（物体光と参照光）が感光材料内で交差すると、波面の振幅と位相の両方の情報を符号化した干渉パターンが生成されます。露光と現像後、このパターンは光を再構成または変換する光学素子として機能し集光、ビーム分割、波長フィルタリング、導波などの機能を果たします。
記録材料と形状に応じて、ホログラムは以下のいずれかに分類されます。
- 表面レリーフホログラム（大量生産用にエンボス加工または複製される）、または
- 体積ホログラム（HOE）。体積ホログラムは、光学情報が材料全体にわたって記録され、高い回折効率、波長選択性、および設計柔軟性を備えています。
産業用ホログラフィーでは高コヒーレントレーザー光を用いてこれらの構造をナノメートル単位の精度で記録し、実環境下で信頼性の高い動作を実現する光学部品を実現しています。
産業用ホログラフィーの応用分野
1. 拡張現実および複合現実（AR/MR）ディスプレイ
体積ホログラフィック光学素子（HOE）は、ARヘッドセットやスマートグラスに使用される軽量で透明なディスプレイ光学技術の鍵となります。
これらのHOEは導波路、コンバイナー、またはレンズとして機能し、マイクロディスプレイからの画像をユーザーの視線に導きながら周囲への透明性を維持します。
複数の波長（通常、RGB：450、520、637 nm）を使用したホログラフィック記録により、フルカラー投影と正確な角度またはスペクトル制御が可能になります。これはコンパクトで明るく、自然な外観のAR体験に不可欠です。
優れたコヒーレンス長とスペクトル純度を備えたレーザーは製造プロセスにおいて、大口径開口部全体にわたってクリーンな干渉パターンと均一な導波路グレーティングを保証します。
なぜ波長可変レーザーが必要なのでしょうか？
RGB要件に正確に適合し（加工時の収縮を補正し）、コヒーレント光源だけが、正確な色合わせと最小限の光学収差で位相情報をエンコードできるからです。
2. 自動車用照明とセンサー
ホログラフィック素子は現在ヘッドアップディスプレイ（HUD）、アダプティブヘッドライト、LIDARビームステアリングに使用されています。
HUDでは体積ホログラムが情報を統合してフロントガラスに直接投影することで、光学的な複雑さを軽減し、広い視野を実現します。
照明システムでは、ホログラフィック拡散板とレンズが、かさばる光学系を必要とせずにビームの形状と色を制御します。
LIDARやセンシングではホログラフィック格子が可動部品を使わずに、物体検出や深度測定のための正確なビーム成形とスキャンを可能にします。
レーザーベースのホログラフィーによりこれらの光部品は、従来の回折光学系では達成できない温度安定性、光学的堅牢性、再現性といった自動車の要求を満たすことができます。
3. データストレージ
ホログラフィック・データストレージは感光媒体の表面だけでなく、その体積全体に情報を記録します。コヒーレントなレーザービームを用いることで、複数のデータページを異なる角度や波長で保存・読み出しすることができ、テラバイト規模の容量と高速アクセスを実現します。
安定した高密度記録を実現するには狭い線幅、高精度な波長制御、そして長いコヒーレンス長（数十メートル程度）を持つレーザーが必要です。405 nmは大容量のデータ保存が可能であること、そして読み出しプロセスにおいて既存のブルーレイ・レーザー・ダイオード技術との互換性があることから、この用途に最適な波長となっています。
4. 計測と非破壊検査
ホログラフィック干渉法は材料やデバイスの表面変形、応力、振動、屈折率の変化を測定する精密計測技術において広く利用されています。
基準ホログラムと試験ホログラムの位相差を比較することで、エンジニアはナノメートル、あるいはサブナノメートルスケールにおける微視的な変化を可視化することができます。
このような測定は、半導体検査、MEMS特性評価、航空宇宙材料試験において非常に貴重です。
5. セキュリティと認証技術
紙幣やパスポートからブランド保護や製品パッケージに至るまで、ホログラムは視覚的に印象的で、改ざん防止機能を備えた光学セキュリティ技術として、依然として最も優れた手段です。
機械的なエンボス加工や印刷によるパターンとは異なりレーザーで書き込まれたホログラムは真の3D光学情報をエンコードするため、偽造は事実上不可能です。
最新のシステムではコンピューター生成ホログラフィー（CGH）と多波長記録技術を用いて、特定の照明条件下でのみ読み取り可能な暗号化された光学署名を埋め込んでいます。
6. 芸術、建築、教育
レーザー生成ホログラムはテクノロジーと創造性を融合させ、リアルな3Dビジュアライゼーション、美術館展示、建築インスタレーションの制作にも活用されています。
ボリュームホログラムは自然な奥行き感と視差を備えた空間光場を再現できるため、視聴者は特別なメガネを使わずに映像の周りを「歩き回る」ことができます。
教育現場ではホログラフィーは波動光学、量子効果、3D空間関係を視覚化するのに役立ち、抽象的な概念を具体的な体験に変えます。
産業用ホログラフィー 要求されるレーザー技術
産業用ホログラフィーは記録レーザーの品質に大きく依存します。鮮明で高コントラストの干渉パターンを記録するには、レーザーには以下の特性が必要です。
- 大規模な記録ジオメトリでも安定した干渉を実現するための長いコヒーレンス長（数十メートル以上）。
- 露光中のコントラスト比の低下を防ぐための狭い線幅（MHz単位）。
- 均一な照明を実現する優れたビーム品質（TEM₀₀）。
- 再現性の高いホログラム記録を実現する高いポインティング安定性と出力安定性。
- ホログラフィック媒体と最終用途に応じて波長を選択可能であること。
簡単なルール：線幅1MHzはコヒーレンス長100mに相当します（物理的には正確には、ローレンツ型線プロファイルで95m、波長に依存しません）。選択されたコヒーレンス長は記録装置における最大のビーム光路差よりも常に十分に長くなければなりません。
一般的なレーザーの種類と波長
| アプリケーション/手法 | 好まれるレーザー波長 | 出力レンジ | 重要なレーザー性能 |
| AR/MR ディスプレイホログラフィ | RGB: 445-460, 515-532, 630-640 nm | 50 - 3000 mW (各波長毎に) | 狭線幅, 波長チューニング性 |
| ボリュームホログラムマスタリング | UV 406 nm or 411 nm | 100 - 2000 mW | 高空間分解能のための短波長 |
| セキュリティ & CGHレコーディング | 532 nm, 633 nm | 100 - 200 mW | 長コヒーレンス長, 低ノイズ, シングルモード動作 |
| ホログラフィック干渉法 | 633 nm, 532 nm | 10 - 10000 mW | 堅牢な動作モード |
単一周波数ダイオードレーザーやファイバーレーザーなどのレーザーは産業用ホログラフィー装置において、安定性、波長可変性、コンパクトさの最適な組み合わせを提供します。ファイバーレーザーや高調波発生レーザーは同等の性能を保ちながら、より高い出力範囲を実現できます。
最新のシステムでは複数の波長を選択可能なレーザーエンジンに統合できるため、単一の光源からマルチカラーまたは多重化されたホログラムを柔軟に記録できます。
レーザー生成体積HOEと機械印刷ホログラム
機械的にエンボス加工されたホログラムは単純な回折効果のみを持ち、大量複製に最適ですが、レーザー記録された体積ホログラフィック光学素子には次のような明確な利点があります。
| レーザー生成体積HOE | 機械的エンボス印刷 |
|---|---|
| 波長と確度の選択制の高さ | 広範囲で制御されていないスペクトル応答 |
| 真の3D光学位相エンコーディング | 2D表面レリーフのみ |
| 高精度, 高い製造の再現性 | 光学特性の低制御性 |
| 高回折効果 | 制限された輝度と色忠実性 |
|
カスタム光学機能性 (フォーカス性, コンバイン, フィルタ) |
静的かつ装飾的な外観 |
このためレーザー生成 HOE は視覚効果だけでなく、ディスプレイやセンシング技術の革新を推進する設計された光学部品として、機能光学に最適なテクノロジーとなっています。
次世代への道を切り拓く
レーザー生成ホログラムは未来の光学技術を切り拓いています。
- ARヘッドセットではホログラフィックコンバイナーが、没入感のあるリアリズムを備えた、洗練された軽量ディスプレイを実現しています。
- 自動車システムでは、HOEがHUDとセンサー光学系をフロントガラスやヘッドライトに直接統合しています。
- 光通信と量子コンピューティングでは、ホログラフィックビームシェイパーとマルチプレクサが光速で情報を導きます。
- また計測と試験の分野では、ホログラフィーが従来の光学技術では検出できない構造を非破壊的に観察することができます。
研究者やエンジニアが光学設計の高性能化と小型化を推進する中で、レーザーベースのホログラフィーは、比類のない柔軟性、精度、そして拡張性を提供する重要な技術として位置づけられています。
未来をデザインする光
TOPTICAのレーザーポートフォリオは可視光線から紫外光線までをカバーするコヒーレントで波長安定性に優れたレーザーをラインナップしています。高解像度記録用の406nmや411nmといったカスタム波長も提供可能で産業用ホログラフィーに必要な精度、波長可変性、そして安定性を実現します。
トプティカフォトニクス：
世界をどう見て、どう感じ、どう設計するか？そのすべてをかたちづくる光をお届けします。