弊社のもつ特徴的技術の１つに「CGHの設計」がある。CGHとはComputer-Generated Hologramの略であり、日本語では「計算機生成ホログラム」と呼ばれる光学素子のことだ。CGHは任意の波面を作り出すことができるため、光学面の精密測定や光学アライメントに用いることが可能である。今回から複数回にわたり、CGHの原理や関連技術・物理について紹介していく。
CGHは名前のとおり、「ホログラム」の１種である。さらにホログラムは光の情報を記録した媒体、要は写真の１種だ。光は「波長」「振幅」「偏光」などの波の性質を持つ。これらは、図１の右上にあるような１次元方向に伝播する波の図とともによく説明される。本来波は３次元的に伝播するが、そのような絵・図は描くのが難しいため、「よくある説明の図」はある１次元部分のみを抽出して描いたものになっている。図１は２次元面内で伝播する波の様子を描いたが、「よくある説明の図」はこの断面図とみることもできる。
図１：２次元面内で伝播する波の模式図
波の１周期内のある位置は「位相」で指定される。ある瞬間に位相の等しい点を連続的に結ぶと面ができるが、この面のことを「波面」という。一般的なカラー写真は、色として認識される「波長」とそれらの強度、すなわち「振幅」の２乗に比例した情報が記録された媒体であるが、「偏光」や「位相」ひいては「波面」についての情報は抜け落ちてしまっている。
1948年、ハンガリーの物理学者であるガボール（Gábor）は、電子顕微鏡の性能向上に取り組んでいく中で、光の「波面」と「強度（振幅）」の分布（複素振幅）の情報を光の干渉縞として写真に記録し、そこに光を照射することで、所望の光学像を再生する、という手法を考案した。ガボールはこの手法を「波面再生法」と命名し、干渉縞を記録したものを「ホログラム」と呼んだ。ホログラムはギリシャ語で「すべての」という意味を持つ「holos」と、「メッセージ」という意味を持つ「gram」に由来し、”光のあらゆる情報を集約して記録したもの”ということを端的にあらわしている。さらに、写真技術（photography）になぞらえて、物体から発せられた光の情報を記録し、再生する技術を表す「ホログラフィ（Holography）」という言葉が生まれた（「ホログラム」と「ホログラフィー」はよく混同されがちだが、干渉パターンを記録する技術が「ホログラフィー」であり、記録された媒体が「ホログラム」である）。ガボールが波面再生法を考案した当初は、まだレーザーが発明されておらず、可干渉性の高い光源がなかったこともあって、この手法はあまり関心を集めなかった。しかしながら1960年代に入ってレーザーが開発された結果、その応用性と実用性が認められ、最終的にガボールは1971年にノーベル物理学賞を受賞している。
ホログラムの分類方法はいろいろあるが、その１つに生成方法で分類する分類法がある。ガボールが編み出した、光を実際に干渉させて干渉パターンを記録したものを「アナログホログラム」と言う。アナログホログラムは、実際に物体に光を当て、その反射光と参照光とを干渉させて記録を行うもののため、光を照射する現実の対象物が存在しないと製作できない。それに対して、計算機上で光の干渉パターンを計算させ、それをレーザーリソグラフィ装置等の微細加工技術を用いて製作されたものを「計算機生成ホログラム（＝CGH）」という。アナログホログラムが実現できない、実在しない物体や理想形状の波面を再生するホログラムを製作することができ、また干渉パターンがデジタルデータとして保持されるので、物理的な保管場所も必要なく、複製・印刷が簡単に行えるというメリットもある。
最後にホログラムの利用シーンについて簡単に触れておきたい。ホログラムは一般的にイメージされるような立体像を生成することができるため、単に工業分野のみならず、お札の偽造防止・芸術の分野など広く利用されている。この立体像の生成には、「波面」と「強度」を正しく再生させないといけないが、「強度パターン」や「波面パターン」のみの再生を利用する場合も存在する。弊社では、このうち後者を光学面の精密測定やアライメントを実施する場合に用いている。
図２：ホログラム・ホログラフィーとその応用
大学院在学中は素粒子物理学を専攻。趣味の天体写真も物理理論に裏付けられた解析方法を行っており、 アマチュア天文家の間で蔓延している都市伝説は一切信じない。赤道儀マニアでアマチュア天文機器にやたら詳しい。 計算機ホログラム（CGH）や干渉計などの高度な物理計算を軽々とこなす。 光学・物理学に関連する原理や数学的理解に関する記事を担当。