Лазер та голограма

Голограма – це фактично оптичний клон об'єкта. На відміну від фотографії, голограма тривимірна, оскільки фіксує обсяг об'єкта та зміну перспективи при погляді з різних кутів. Голограму часто плутають із 3D-зображенням. Але 3D-зображення виглядає об'ємно лише з однієї точки огляду, а голограма – з будь-якої. 

Голограми та 3D-зображення створюються принципово по-різному: для отримання 3D-картинки готують два зображення (для правого та лівого ока) та з'єднують їх. Завдяки стереоефекту мозок сприймає таке зображення як об'ємне. А голограми створюють, записуючи за допомогою лазера структуру відбитої від об'єкта хвилі (її амплітуду та фазу). Цей метод називається «голографія» (перекладається з давньогрецької як «пишу все»).

Приклад: дві фоторепродукції однієї й тієї ж голограми, зняті під різними кутами та

 3D-зображення – тиранозавр

Однак якість перших голограм була невисокою через використання для створення примітивних газорозрядних ламп. Все змінилося в 60-ті роки з винаходом лазерів, що сприяло стрімкому розвитку голографічних технологій. Перші високоякісні лазерні голограми були отримані радянським фізиком Ю. Н. Денисюком у 1968 році, а через 11 років його американський колега Ллойд Крос створив ще складнішу мультиплексну голограму. 

Голографія – це особлива технологія фотографування, за допомогою якої виходять тривимірні (об'ємні) зображення об'єктів. Це стало можливим завдяки двом властивостям світлових хвиль: дифракції (заломлення, обгинання) та інтерференції (перерозподілу інтенсивності світла при накладенні кількох хвиль).

У процесі візуалізації голограми в певній точці простору відбувається складання двох хвиль : опорної та об'єктної, - що утворилися в результаті поділу лазерного променю. Опорну хвилю формує безпосередньо джерело світла, а об'єктна хвиля відбивається від об'єкта, що записується. Тут же розміщується фотопластина, де «віддруковуються» темні смуги залежно від розподілу електромагнітної енергії (інтерференції) у цьому місці. 

Аналогічний процес відбувається й на звичайній фотоплівці. Однак для відтворення зображення з неї потрібно роздрукувати зображення на фотопапері, тоді як з голограмою все відбувається дещо інакше. Для відтворення «портрета» об'єкта достатньо «висвітлити» фотопластину хвилею, близькою до опорної, яка перетворює її на близьку до об'єктної. В результаті ми побачимо майже точне відображення самого об'єкта за відсутності його в просторі.

На відміну від голограм за методом Габора, зображення, записані за методом Юрія Денисюка, можна побачити без допомоги лазера: достатньо направити на них звичайне біле світло. Зараз спосіб запису голограм у зустрічних пучках на тривимірних середовищах називають «методом Денисюка». З погляду оптичної схемотехніки метод Денисюка ― найбільш простий і доступний спосіб запису відбивних голограм, тому він широко використовується. Наприклад, його застосовують для створення художніх тривимірних зображень та захисних систем від підробок банкнот та документів. 

Великий інтерес має мультиплексна голограма, синтезована з послідовного ряду фотографічних ракурсів. Цей спосіб запису стереозображень винайшов Ллойд Крос у 1972 році, використовуючи геніальний винахід - інтегральну фотографію  Габріеля Ліппмана, який передбачив наприкінці XIX століття багато відкриттів у галузі голографії. Інтегральна фотографія в методі голографічного запису ракурсів дозволила знайти дуже ефективний та зручний спосіб реєстрації тривимірних зображень.

Циліндричні мультиплексні голограми вигадав Ллойд Крос у 1972 році.

«Райдужні» голограми Бентона широко використовуються для  маркування товарів та підтвердження справжності документів. Голограми можна зустріти на сучасних банкнотах різних валют: на бразильських ріалах, англійських фунтах, південнокорейських вонах, японських ієнах, індійських рупіях, канадських доларах, датських кронах та євро. Стандартний ступінь захисту у вигляді голограми є  на банківських картах. Перший такий ступінь захисту використала корпорація MasterCard, яка в 1983 році додала голограму на свої кредитні картки. Такі голограми з мікро- та нанотекстами та складними зображеннями, один раз закріплені на карті, практично неможливо видалити. Технологія друку таких голограм, розроблена в 1974 році Майклом Фостером, дозволяє тиражувати будь-що в необмежених кількостях. Проте технологічна складність процесу залишається практично непереборним бар'єром для підробок.

 Мистецтво та розважальна індустрія

Як спосіб запису зображення оптична голографія поки що не змогла скласти серйозної конкуренції звичайній фотографії та кінематографу, у тому числі й їхній 3D-версії. Технологія знайшла застосування в інших галузях, ставши невід'ємною частиною сучасної науки та техніки. 

У фантастичних фільмах на кшталт «Зоряних воєн» чи «Залізної людини» голограми виглядають як видимі неозброєним оком тривимірні зображення людини чи предмета, з якими можна взаємодіяти. Незважаючи на те, що в кіно ми давно звикли до них, насправді їх ще не існує. Але поки що вчені активно працюють у цьому напрямку, існують технології, що «імітують» голограми. За допомогою однієї з таких оптичних ілюзій, яка називається «Привид Пеппера», світ побачив виступи «воскреслих» Тупака Шакура, Майкла Джексона та Роя Орбісона.

Голографія в сфері розваг використовується не лише для «віртуального воскресіння» артистів. Мадонна виступила на сцені з намальованими персонажами групи Gorillaz, а популярна японська співачка Хацуне Міку взагалі існує лише у віртуальній реальності, що не заважає їй активно гастролювати. 

Міку Хацуне, 2016. Концерт 

Сучасна голограма – це, по суті, тривимірна проєкція об'ємного зображення конкретного предмета. 3D-голограма впевнено освоює різні сфери людської діяльності. На презентаціях, конференціях, виставках та інших заходах різного рівня все частіше використовуються просторові голограми, які створюються за допомогою голографічних проєкторів. Сучасні моделі проєкторів здатні створювати величезну кількість 3D-ефектів. Серед них голографічні відеопроєкції, які створюються завдяки використанню прозорих плівок зворотної відеопроєкції. Відеопотік, проходячи через них, створює зображення, що буквально «парить» у повітрі. У ряді новітніх технологій передачі інформації – відеоконференції та інтерактивна голографія. Можливості голографічних проєкторів у міру розвитку сучасних технологій постійно розширюються, а якість зображень покращується. Вони стають доступнішими й компактнішими. Сьогодні на вечірках і в нічних клубах можна зустріти лазерні голографічні мініпроєктори, що створюють складні лазерні малюнки, які поєднуються з димовими ефектами.

Голограми активно використовуються в сфері комунікації. Вони дозволяють створювати тривимірні зображення в реальному часі, надаючи спілкуванню глибший і натуральний характер. Голограми стали невід'ємною частиною віртуальних конференцій, ділових переговорів та зустрічей, забезпечуючи відчуття присутності навіть за фізичного видалення. Ця технологія значно покращує віддалену взаємодію та обмін інформацією. 

 У 2017 році відбувся перший повноцінний голографічний дзвінок за допомогою технології 5G. Американська компанія Verizon та Korea Telecom використовували експериментальні пристрої, що дозволили співрозмовникам бачити голограми одне одного.

У навчальних закладах голограми відіграють роль інноваційного навчального інструменту. Студенти можуть взаємодіяти з тривимірними моделями, які додають наочності й сприяють глибшому розумінню навчального матеріалу. Голографічні технології використовуються в різних предметах, від біології та хімії до мистецтва та інженерії, надаючи нові можливості для навчання та дослідження.  

У галузі медицини голограми стали важливим інструментом. Вони застосовуються в навчанні хірургів, надаючи їм можливість взаємодіяти з тривимірними моделями органів та складних хірургічних процедур. Голографічні зображення полегшують розуміння анатомії, а також дозволяють точно планувати та візуалізувати операції до їх виконання, що сприяє підвищенню точності та безпеки медичних втручань. 

Операція на серці, проведена в Сінгапурі в 2022 році, наочно демонструє користь голографічних технологій у медицині. Хірурги оперували в окулярах Hololens 2, а перед ними в центрі кімнати парила голограма серця пацієнта, створена зі знімків його комп'ютерної томографії. Професор Теодорос Кофіді, що проводив операцію, запевняє, що така технологія дозволяє «ефективно прогнозувати результат операції, особливо для пацієнтів з анатомічними особливостями".

Зараз для створення та демонстрації голограм використовується два методи: фізичний (для оптичних дисплеїв) та комп'ютерний (для окулярів доповненої реальності). 

 Фізичний метод

Цей метод заснований на використанні світлових хвиль, що проходять через об'єкт, та їхньої взаємодії на фоточутливому матеріалі. Об'єкт, який ми хочемо сфотографувати, висвітлюється лазером. Лазер створює когерентні світлові хвилі, що падають на фоточутливий шар. Цей шар зазвичай є скляною або пластиковою пластиною, покритою емульсією. Фоточутливий матеріал реагує на зміни фази та амплітуди світлових хвиль, створюваних об'єктом. У результаті на пластині формується періодична структура, яка відповідає інтерференційному малюнку, створеному хвилею відбитого світла від об'єкта та опорною хвилею від лазера. Цей процес називається "записом" голограми. 

Комп'ютерний метод (CGH - Computer-Generated Hologram)

Цей метод включає створення голограм за допомогою комп'ютерної генерації. Спочатку об'єкт фотографується або моделюється в тривимірному просторі. Потім комп'ютер обчислює необхідну інтерференцію для створення голограми, враховуючи фазову та амплітудну інформацію. Цей метод дозволяє більш тонко керувати деталями та створювати складніші тривимірні структури.

Отже, створення голограм – це складний процес, що поєднує фізичні та комп'ютерні методи. Результатом цього процесу є тривимірне зображення, яке має вражаючу реалістичність і глибину.

Крім класичних методів створення голограм, існують й інноваційні підходи, такі як використання псевдоголограм. Наприклад, технологія "nettledesk", яка базується на застосуванні дисплеїв з високою роздільною здатністю та спеціальних оптичних ефектів. Ці методи забезпечують створення візуальних ефектів, які можуть бути сприйняті як голографічні, хоча не завжди відповідають суворим визначенням класичної голографії.

Оптимізація  голограм лазерного променя

Однією з останніх розробок у галузі лазерних променів для голограм є «глибоке навчання». Дослідники з Каліфорнійського університету в Ріверсайді розробили метод, який використовує штучний інтелект для створення голографічних відеороликів із раніше недосяжним рівнем деталізації та реалістичності. Алгоритм аналізує 3D-модель, а потім обчислює оптимальні лазерні промені, необхідні для створення голографічного зображення. Такий підхід дозволяє більш ефективно використовувати лазерні промені та призводить до отримання голографічних зображень вищої якості.

Ще однією нещодавньою розробкою в області лазерної голографії є використання голографічних дисплеїв для програм віртуальної реальності. Дослідники з Університету Арізони розробили голографічну систему відображення, яка може створювати зображення з роздільною здатністю до 10 000 пікселів на дюйм. Такий рівень деталізації може забезпечити більш захоплюючі та реалістичні враження від віртуальної реальності в майбутньому. 

Розвиток 3D-рекламних щитів показує, що вони швидко перетворилися з експериментальної технології на масові програми завдяки постійному розвитку технологій відображення, обробки зображень та інтерактивних функцій. Ці рекламні щити грають вирішальну роль у модернізації зовнішньої реклами та поліпшенні муніципального ландшафту.

Німецький цирк замінив тварин голограмами 

Зоозахисники давно нарікають на жорстоке ставлення до тварин у цирку, і одна з німецьких труп дала на це адекватну відповідь, що відповідає духу XXI століття. Тепер справжніх тигрів, мавп та ведмедів у Circus Roncalli не зустріти, зате можна помилуватися голограмами екзотичної живності.

Подання німецького цирку Circus Roncalli з голографічними тваринами створене за допомогою голографічної сітки. Докладніше на РБК 

Менш яскравим від цього шоу не стало, навпаки, цирк привернув до себе особливу увагу публіки. Зображення виводяться на круговий екран від компанії Optoma, що в центрі арени. А всі захисні бар'єри та рамки були видалені, адже, незважаючи на схожість голограм зі справжніми тваринами, жодної шкоди вони завдати не можуть.

Відмова від використання тварин у цирку – загальносвітовий тренд. У Circus Roncalli цей процес розпочався ще наприкінці минулого року, коли артисти вперше почали використовувати голограми як частину вистави.

Ці останні розробки в галузі використання лазерних променів для голограм демонструють зростаючий потенціал цієї технології та її застосування в багатьох галузях промисловості. Оскільки технології продовжують розвиватись, можливості створення ще більш складних та реалістичних голографічних зображень за допомогою лазерних променів практично безмежні.                   

Голограми дозволяють візуалізувати об'єкти в 3D, створюючи ілюзію реальності, яка приваблює та зачаровує відвідувачів. Технологія голографії може бути використана для демонстрації як статичних об'єктів, так і динамічних сцен, додаючи інтерактивні елементи в експозиції музею.

Музей голограм у Києві – це виставка голографічних копій цінних предметів Національного Києво-Печерського історико-культурного заповідника та Національного музею історії України. Розташований на території Києво-Печерської лаври. 

Експозицію складають понад сорок майстерно виконаних об'ємних копій. Експонати мають вигляд голографічних скляних дисплеїв із внутрішнім шаром спеціальної фотоемульсії.

Музеї майбутнього від нейромережі. Ось так уявляє музеї майбутнього нейророзум. Цікаво, люди теж експонати?

Досі головним інструментом створення голограм були лазери. Однак їх використання пов'язане з низкою складнощів: громіздкі та дорогі установки, потенційний ризик для зору. Ці фактори стримували розвиток 3D-технологій, залишаючи їх у ніші вузькоспеціалізованих застосувань.

Але що, якщо ключ до голографічного майбутнього лежить у нас у кишені? Дослідники з Токійського університету зробили прорив, який може перевернути наше уявлення про 3D-дисплеї. Замість лазера вони використовували екран смартфона! Секрет криється в новому алгоритмі, який дозволяє перетворити звичайне світло від дисплея на когерентний, необхідний для формування голограми. За допомогою цього алгоритму та просторового модулятора світла – пристрою, що управляє світловими хвилями – вченим вдалося створити мініатюрну, але повнокольорову 3D-картинку. "Ми взяли концепцію голографічних дисплеїв з низькою когерентністю світла й довели її до краю, використовуючи дисплей смартфона", - з гордістю заявляє Отоя Шигемацу, один із авторів дослідження. 

Звичайно, поки що технологія знаходиться в зародковому стані. Розмір створюваних голограм не перевищує кількох міліметрів, а кількість шарів, що формують зображення, обмежена. Але потенціал величезний. Вчені впевнені, що в майбутньому їм вдасться збільшити розмір і роздільну здатність голограм, а також додати більше шарів, щоб об'єкти виглядали ще більш реалістичними.

Шаргуленко Микита, 11Бл