ホログラフィにおいてリアルタイム応答を提供するデジタル技術

ジェフ・ヘクト

デジタル画像処理や表示技術が、ホログラフィの新しい可能性を開こうとしている。デジタルホログラフィック顕微鏡は、生細胞の3D画像をリアルタイムにコンピュータ上に表示することができ、また、デジタル・ホログラフィック・テレプレゼンスは実現への端緒を開きつつある。

ホログラフィはアナログ技術として誕生し、エメット・リース氏（Emmett Leith）とユリス・ウパトニークス氏（Juris Upatnieks）によるレーザホログラフィの進歩は、アナログコンピューティングの1つである光信号処理に関するリース氏の初期の研究を大きな基盤としている。ホログラムは長い間、ガラス板やフィルム上に塗られる特殊な写真乳剤に記録されていた。
　コンピュータによるホログラムの生成という概念は1966年から存在するが、その技術は長い間、演算能力の問題という実用上の制約を受け、また、初期のコンピュータ生成のホログラムは写真媒体に記録されることが多かった。現在では、新世代のデジタル技術によって、写真媒体に代わるホログラムの記録手段が生み出され、ホログラフィック画像の処理および表示に新しい選択肢がもたらされている。写真技術と同様に、デジタル手法には、リアルタイム応答や、処理や保存が容易といった重要な利点がある。応用分野としては、3D顕微鏡法、ディスプレイ、動画または「テレプレゼンス」などがある。

基本的なコンピューティング概念

ホログラフィは、物体からの光の波面の振幅と位相の両方を記録することに基づく手法である。これは物体からの光の波面に、同じ光源からのコヒーレントな参照光を組み合わせて、ホログラムと呼ばれる干渉パターンを生成することによって行われる。記録されたホログラムに同一の参照光を照射すると、元の波面が再構成され、元の物体があたかもそこに存在するかのように、目には認識される。
　デニス・ガボール氏（Dennis Gabor）の元の概念では、物体光と参照光は同じ経路をたどり、物体そのものは2 次元だった。軸上ホログラフィと呼ばれるこの手法は実装が容易で、現在でも一部の応用分野で使用されているが、本質的に小さな物体にしか適用できず、また、互いに重なり合う2 つの同一像が生成されるという問題が存在する。リース氏が発明した軸外ホログラフィでは、物体光と参照光が別々の経路をたどり、より大きな物体のホログラフィが可能になったとともに、再構成像において2つめの同一像が除去された。
　コンピュータ生成ホログラフィでは、コンピュータによって仮想物体が生成する干渉パターンが計算された。コンピュータによって生成されたホログラフィは、主に写真媒体に印刷され、参照光を照射することによって仮想物体の3D像が生成された。
　新しいデジタルホログラフィでは、初期のホログラムの記録に使用されたアナログ写真フィルムや感光板に代わって、図1の軸外ホログラフィに示すように、ホログラムを記録するデジタル検出器アレイが使用される。これによって得られるデジタル版のホログラムは、さらなる処理を施すためにコンピュータへと転送される。
　コンピュータを使用して、例えば、デジタル化されたホログラムから位相と強度のデータを抽出し、コンピュータのディスプレイ上に表示可能な、元の物体の3D デジタルモデルを生成することが考えられる。あるいは、デジタル化されたホログラムをデジタルディスプレイやフォトリフラクティブ材料上に再現し、それに参照光を照射して、3D像を光学的に再構成することができる。像は、固定像として個々に記録および表示するか、順番に記録および表示してホログラフィック動画、映画、またはテレプレゼンスを生成することができる。

顕微鏡法における利用方法

顕微鏡法は、デジタルホログラフィにおいて特に成功を収めた応用分野であり、ガボール氏が電子顕微鏡を改良する手段としてホログラフィを発明したときに、素晴らしく鋭い視点を持っていたことをうかがわせるものである。デジタルホログラフィは、生細胞にもうまく適用することができる。生細胞は柔らかく、自然な色の明暗差がほとんどないため、従来型の顕微鏡法で観察するのは困難な場合がある。ホログラフィは、位相対比顕微鏡と同様に、細胞成分の識別につながる、屈折率の違いを記録することができる。
　顕微鏡法において、デジタルホログラムは電子的に記録され、その結果得られるデジタルデータは通常、図2に示すように、コンピュータ画面上に表示する3D モデルを生成するためにリアルタイムで処理される。この手法では、時間のかかる写真処理は不要で、画像を時系列に記録して動的な効果を観察することができる。

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出典元
https://ex-press.jp/wp-content/uploads/2012/09/201209_0034pf.pdf