Голография: история и применение

Чем голограмма отличается от фотографии, как увеличить скорость передачи данных и какие дисплеи нужны в 3D-кинотеатрах

Голография — это один из способов регистрации информации. С ее помощью можно записывать, а потом воспроизводить изображения трехмерных объектов, которые похожи на реальные.

Формально термин голография (др. греч. holo graphy — «пишу всё») ввел английский физик венгерского происхождения Деннис Габор. Во второй половине 1940-х он придумал, как можно регистрировать больше информации, чем на фотографии. А в 1971 году Габор получил Нобелевскую премию за изобретение и развитие голографического принципа регистрации информации.

Как записывают голограммы

Свет — это волновой процесс. И Габор заметил, что кроме амплитуды на фотопластинке можно регистрировать еще и фазу света. Чтобы записать голограмму, нужно разделить пучок света на две части, предметную и опорную волну, и зафиксировать их интерференцию. Но это было трудно сделать до того, как появился хороший источник света — лазер. Он обладает свойством когерентности, то есть предсказуемостью не только амплитуды, но и фазы. Когерентность лазера позволила записывать голограммы на обычных фотографических материалах.

В 1962 году американские физики Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс предложили использовать для записи голограмм лазер, луч которого делится на две части и с помощью зеркал направляется на объект и регистрирующую среду. И объектная, и опорная волна попадает на фотопластину с одной стороны — так формируется пропускающая голограмма. Чтобы ее восстановить, нужен источник света с той же длиной волны, на которой производилась запись. Чаще всего для этого используют луч того же лазера.

Советский физик Юрий Денисюк примерно в то же время предложил записывать отражательные голограммы в трехмерной регистрирующей среде. При этом луч лазера расширяется линзой и направляется на фотопластинку, за которой стоит регистрируемый объект. Часть луча, проходя через специальную прозрачную фотопластину, формирует опорную волну, а отраженный от предмета свет формирует объектную волну. Так записывается отражательная голограмма, или голограмма Денисюка, ее видно при свете солнца или лампы, потому что в голограмму как бы встроен селектор длин волн, он выбирает из всего спектра именно ту длину волны, которая была использована при записи.

Разновидность пропускающих голограмм, изобретенных американцем Стивеном Бентоном, называют радужными, потому что трехмерные изображения на таких голограммах наблюдаются на фоне радуги. Они ориентированы на массовое производство. Их используют в рекламе, из них делают акцизные марки, пломбы сохранности. Вообще радужные голограммы используют для защиты от подделок, потому что мошенники пока плохо освоили метод голографии (в отличие от полиграфического способа нанесения рисунков).

Где используют голографию

Голографию применяют в спектроскопии — это область исследования, которая регистрирует спектры электромагнитного излучения различных веществ. Так определяют вещества, изучают их температуру и плотность. Один из основных инструментов спектроскопии — дифракционная решетка, поверхность, на которую нанесено большое количество щелей или выступов. Их обычно нарезали на специальных машинах механически, алмазным резцом. Но сейчас их записывают голографическим способом. Если задать определенный угол схождения опорной и предметной волны от точечных источников, а в месте пересечения поставить регистрирующую среду — запишется голограмма, а после проявления образуется рельеф. Это и есть дифракционная решетка, полученная при помощи лазера, а не нарезанная механически.

Важное применение голографии — уплотнение информации для волоконных линий связи. Это позволяет пропускать больше каналов связи по волокну, что увеличивает скорость передачи данных.

Конечно, голография — это еще и фундаментальный метод работы с информацией, при помощи которого можно записывать, передавать, воспроизводить многомерные массивы данных. Но часто слово «голография» используется не по существу, а как мода, как приманка для всякого рода манипуляций с сознанием человека.

Голографические дисплеи

Виртуальное производство

Голографические дисплеи пока существуют только в лабораториях. В ФИАН мы занимаемся дисплеями и линзами, которые могут применяться в head-mounted дисплеях — на шлемах.

Похожая разработка — это очки от Google. Основной элемент Google Glass — это бим-сплиттер, оптический кубик, который комбинирует внешнюю окружающую обстановку с локальным отображением информации на микродисплее. У него диагональ связана с полем, которое мы хотим увидеть: чем больше поле, которое мы хотим увидеть, тем больше кубик. Угол обзора очков от Google мал и неудобен — всего 12 градусов.

Голографическая линза, с одной стороны, позволяет отображать информацию в гораздо большем угле, больше 60 градусов. С другой стороны, голографический дисплей прозрачный и плоский, его можно использовать в виде наклейки на обычные очки. Технологии позволяют отправлять дополнительную информацию человеку непосредственно в зрачок с достаточно миниатюрных устройств. Такие голограммы воспроизводятся только определенной группой волн, для всех остальных она будет прозрачной, при этом мертвые зоны минимальны.

Адаптивный 3D-дисплей

Еще одна разработка в области голографии связана с адаптивными 3D-дисплеями. Традиционно экран в кинотеатрах, показывающих трехмерное кино, стационарно закреплен и никак не учитывает движение зрителей, условия освещения и качество информации. Чтобы такие системы работали для произвольного положения зрителей, они должны быть адаптивны. Большая проблема для 3D-дисплеев или многоракурсных дисплеев — это подвижность зрителя.

Наша лаборатория занималась исследованиями трехмерных дисплеев, и в 2010 году мы получили грант на более глубокое изучение новых схем дисплеев. В результате мы предложили патент на адаптивный дисплей, в котором оптическая система в процессе отображения информации должна была меняться. То есть у каждого зрителя появляется свой персональный представитель в этом трехмерном мире.

Представьте, что у вас есть некая ситуационная комната, в которой есть экран. За ним располагается роботизированная система отображения информации для людей, где каждый элемент работает только на одного человека в зрительном зале. Или если несколько человек работают над проектом, у каждого из них на экране отображается разная информация в зависимости от ракурса.

Современные стереокинотеатры устроены по более простому принципу: там для каждого предусмотрены очки или жестко закрепленное положение человека. А когда человек смещается, изображение перемещается вместе с ним. Но на самом деле поворачивание объекта 3D за зрителем создает ложное ощущение, потому что вы знаете, что изображение, в отличие от вас, не двигается. Из-за этого появляется головная боль, потому что мозг протестует против неестественного отображения трехмерного изображения на экране. Чтобы этого не было, нужно динамическое, адаптивное отображение информации.

Как будет развиваться голография

Активнее всего развивается область голографии, связанная с head-up дисплеями. Их устанавливают в шлемах, самолетах, автомобилях (для понимания: технологии HMD (head-mountedдисплей) — это когда дисплей размещается непосредственно на голове зрителя; когда на лобовом стекле автомобиля или самолета — это HUD (Head-Up Display), а когда человека полностью изолируют от окружающей обстановки — это дисплеи VR, виртуальной реальности (virtual reality)). Голографические дисплеи уже делают для пилотов, чтобы датчики и целеуказания находились перед глазами. Но их конструируют на базе объемной оптики и обычного плоского зеркального бим-сплиттера. Это громоздкая система, и на новом этапе разрабатываются более простые конструкции, которые можно было бы применять и в быту.

Есть разработки дисплея для автомобилей с голографическим и оптическим бим-сплиттером. Такой дисплей прозрачный и наклеивается на лобовое стекло. Сейчас изображение монохромное, но скоро появится и многоцветное. Габаритную и точную оптику заменяют голограммами, чтобы снизить финальную стоимость изделия, к тому же это гораздо безопаснее.

Сейчас нет ничего более прозрачного, чем голограммы. Им уступают даже полупрозрачные зеркала и многозеркальные системы. Хотя они технологически более приспособлены для массового производства, но их стоимость гораздо выше. Поэтому, вероятно, в течение пары лет голографические дисплеи запустят в массовое производство — такие разработки сейчас ведутся. Почти все производители стараются сделать устройства компактными, и наблюдается довольно интенсивная конкуренция, ведь голографические оптические элементы разрабатываются многими фирмами и институтами — это, кстати, свидетельствует о том, что изобретение голографии, которой чуть больше полувека, стало неотъемлемой частью общечеловеческих фундаментальных знаний.