Американцы утверждают, что осуществили прямую трансляцию подвижных голографических изображений, то есть широко шагнули в то самое будущее, где трёхмерная проекция человека на равных общается с живыми людьми. Учёные говорят, что успех им принесла технология, принципиально отличная от известных 3D-дисплеев, и деловито рассуждают о перспективах её применения. Всё это, впрочем, не мешает достигнутым результатам выглядеть более чем скромно.

Кратко об этом открытии мы писали ранее (см. ), но как обычно это бывает новое время приносит новые подробности.

Голографическое телеприсутствие (holographic telepresence) – это голография с постоянной и быстрой перезаписью изображения в реальном времени. Прогресса в развитии этой технологии добились профессор Нассер Пейгамбарян (Nasser Peyghambarian) и его коллеги из университета Аризоны. Учёные действовали в кооперации со специалистами из Nitto Denko Technical (калифорнийского подразделения японской корпорации Nitto Denko).

Может показаться, что невелика разница. Будь там хотя бы и серия кадров (по одному в пару секунд) - это всё равно смехотворно мало, ведь для нормальной видеоконференции нужны 30 кадров в секунду. Однако, чтобы оценить новое достижение в полной мере, нужно знать предысторию.

Рис. 1. Команда продемонстрировала, что голографическое телеприсутствие обеспечивает картинке свойство полного параллакса: объект можно рассмотреть одновременно с разных сторон и каждый зритель видит свою сторону предмета (или человека). Всё это, разумеется, без всяких очков и систем отслеживания положения глаз зрителей (фото Pierre-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature, Nitto Denko Technical).

Нынешние объёмные дисплеи – не важно, автостереоскопические или требующие специальные очки – выдают вполне реалистичное 3D-изображение заранее отснятых предметов, будь то трёхмерные фильмы, графика из игр и так далее.

Но при этом зритель, сместившись относительно центра экрана правее или левее хоть на 60–80 градусов, всё равно не сможет увидеть ухо смотрящего точно на него персонажа – просто потому, что с этой стороны объект не был записан.

Иное дело голограммы . Специальные пластинки, сохраняющие интерференционную картину, при правильном освещении воспроизводят верный поток лучей «от предмета» – с какой стороны на такой снимок ни посмотри. Так создаётся иллюзия трёхмерной копии вещицы в фотографической рамке.

Рис. 2. Одно из преимуществ новинки – изображение записывается с одной стороны пластины, а просматривать его можно с другой. Стало быть, лазерную установку можно скрыть так, что несколько зрителей, расположившись вокруг экрана, будут видеть лишь иллюзорный трёхмерный объект. Кстати, хотя в прототипе изображение монохромное, учёные уже экспериментируют с пластинами, которые позволят передавать по каналам связи и цветные голограммы (фото Pierr e-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature).

До голографического дисплея отсюда один логичный шаг: нужно сделать так, чтобы голограмму на пластине можно было быстро стирать и перезаписывать в реальном времени, да ещё по сигналу, передаваемому извне. Такой переход, однако, оказался технически не менее сложным вызовом, чем изобретение голографии самой по себе.

Рис. 3. «Помоги мне, Оби-Ван Кеноби, ты моя единственная надежда!» О голографической системе из классических «Звёздных войн» (Star Wars) 1977 года (нижние кадры) вспоминают и сами авторы нынешнего устройства в своей статье в Nature. В плане приближения эффекта к трёхмерным проекторам из легендарной киносаги со «скоростной» голограммой Нассера (красные снимки) могут сравниться разве что эксперименты с висящей в воздухе плазмой и быстро вращающимся зеркалом (кадры с сайтов technologyreview.com, maximumpc.com).

Для постоянной перезаписи нужны были материалы, быстро перестраивающие свою структуру в ответ на воздействие лазера. Подобрать их оказалось непросто. К примеру, в Массачусетском технологическом институте (MIT) систему с подвижными голограммами построили ещё в 1989 году.

Увы, изображение в ней занимало объём всего 25 кубических миллиметров. Это было бесконечно далеко от практического применения, а попытки нарастить размер дисплея пресекались ухудшением качества картинки и ростом сложности оптики, что ввергло сторонников голографических видеосистем в отчаяние.

Рис. 4. Материал Пейгамбаряна и его коллег удостоен обложки ноябрьского номера Nature. Некоторые подробности технологии можно также узнать из пресс-релиза университета (иллюстрация Nature).

Основание для оптимизма появилось в 2007 году, когда Nitto Denko Technical при участии Нассера и ряда его коллег создала полимер (смотрите статью в Nature), способный играть роль голографической фотопластинки многократного действия.

Размер чувствительного материала достигал 10х10 сантиметров. При этом максимальный темп перезаписи изображения на такой пластине составлял один кадр за три-четыре минуты.

Рис. 5. Образец многократно перезаписываемой голограммы 2007 года. Частота обновления раз в несколько минут не позволяет считать её подвижной (фото University of Arizona/Nasser Peyghambarian).

Ныне та технология существенно усовершенствована. Со слов одного из её авторов Пьера-Александра Бланше (Pierre-Alexandre Blanche), экран из нового фоторефрактивного материала способен обновлять голограмму каждые две секунды, что «делает его первым, который можно описать как систему с отображением в квазиреальном времени».

Начинается всё с 16 камер, полукругом стоящих вокруг объекта. Они снимают его с разных сторон. Компьютер проводит обработку данных и передаёт информацию, необходимую для создания голограммы, через цифровой канал в другую комнату (город, страну).

Там в дело вступает кодирующий импульсный лазер, вспыхивающий с частотой 50 герц при длине одного импульса в наносекунду. Его свет складывается с волнами от опорного лазера, а интерференционная картина запечатлевается на поверхности дисплея. При этом каждая вспышка лазера записывает один хогель, или гогель (hogel - сокращение от holographic pixel, голографический пиксель).

Рис. 6. Упрощённый принцип записи голограммы: опорный луч (вверху) и объектный луч (внизу) через систему линз проецируются на фоточувствительный материал (оранжевая полоса), в котором волны смешиваются, а картина их интерференции записывается. Освещение такой пластины опорным лучом позволяет восстановить трёхмерную картину, которую нёс луч объектный. Внизу: съёмка модели замка с новой системой (фото Pierre-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature).

Происходит запись так. Полимерный композит сложного состава в новом экране зажат между двух прозрачных электродов. Когда свет от лазеров попадает на молекулы сенсибилизатора в составе композита, они создают разделение зарядов.

Полимер, подобранный учёными, намного лучше проводит положительные заряды, чем отрицательные, так что первые уходят прочь от места возникновения.

В свою очередь разделение зарядов создаёт электрическое поле, которое меняет ориентацию красного, зелёного и синего пигментов в составе композита. Теперь, когда хогель освещается внешним светом от светодиодов, он создаёт нужную точку в общей голограмме. А через пару секунд новая вспышка наносекундного лазера меняет хогель в соответствии со следующим кадром видео.

Рис. 7. Одно из изображений, переданных новой установкой (слева), и прототип системы с экраном 12 х 12 дюймов (справа) (фото Pierre-Alexandre Blanche, Nasser Peyghambarian/Nature).

Поперечник экрана в нынешней установке составляет 10 дюймов (25,4 см), но авторы технологии уже тестируют большие пластины (вплоть до 17 дюймов). Скорость обновления изображения тоже может быть увеличена: для этого нужно модифицировать красители в полимере, чтобы они меняли своё состояние быстрее, а также перейти к лазерам, выдающим более короткие импульсы с большей частотой.

Голографическое телеприсутствие означает, что мы можем записывать трёхмерные изображения в одном месте и воспроизводить их в любой точке мира в реальном времени", – говорит Нассер Пейгамбарян.

Рис. 8. До сих пор голографическая запись могла похвастать хорошим разрешением и глубиной изображений, но не динамикой (фото Norma Jean Gargasz/UANews).

Системы трёхмерной видеосвязи, игры и реклама - далеко не все направления, в которых пригодятся подвижные голограммы. К примеру, они очень понравятся медикам. Вокруг голографического пациента, лежащего на столе-дисплее, можно будет собирать консилиумы, в которых будут перемешаны участники, присутствующие живьём и находящиеся в других городах, хирурги смогут принимать дистанционное участие в операциях.

Ещё благодаря голограммам инженеры получат возможность с безопасного расстояния следить за ходом процессов на опасных производствах… Таковы перспективы новой системы, если учёным удастся нарастить размер, разрешение изображения и частоту кадров.

Голография (от греч. hólos - весь, полный и...графия)

метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Идея Г. была впервые высказана Д. Габор ом (Великобритания, 1948), однако техническая реализация метода оказалась чрезвычайно сложной и Г. не получила распространения. Только с появлением лазеров открылись многочисленные и разнообразные возможности практического использования Г. в радиоэлектронике, оптике, физике и различных областях техники.

Принцип Г. Обычно для получения изображения какого-либо объекта фотографическим методом пользуются фотоаппаратом, который фиксирует на фотопластинке излучение, рассеиваемое объектом. Каждая точка объекта в этом случае является центром рассеяния падающего света; она посылает в пространство расходящуюся сферическую световую волну, которая фокусируется с помощью объектива в небольшое пятнышко на светочувствительной поверхности фотопластинки. Так как отражательная способность объекта меняется от точки к точке, то интенсивность света, падающего на соответствующие участки фотопластинки, оказывается различной. Поэтому на фотопластинке возникает изображение объекта. Это изображение складывается из получающихся на каждом участке светочувствительной поверхности изображений соответствующих точек объекта. При этом трёхмерные объекты регистрируются в виде плоских двухмерных изображений.

В процессе фотографирования на фотопластинке фиксируется лишь распределение интенсивности, то есть амплитуды электромагнитной волны, отражённой от объекта (интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды). Однако световая волна при отражении от объекта изменяет не только амплитуду, но и фазу в соответствии со свойствами поверхности объекта в данной точке.

Г. позволяет получить более полную информацию об объекте, так как представляет собой процесс регистрации на фотопластинке не только амплитуд, но и фаз световых волн, рассеянных объектом. Для этого на фотопластинку одновременно с волной, рассеянной объектом (сигнальная волна), необходимо направить вспомогательную волну, идущую от того же источника света (лазера), с фиксированной амплитудой и фазой (опорная волна, рис. 1 ).

Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, то есть об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется Голограммой. Если рассматривать голограмму в микроскоп, то в простейшем случае видна система чередующихся светлых и тёмных полос (рис. 2 ). Интерференционный узор реальных объектов весьма сложен.

Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же опорной волной, которая использовалась при её получении. В простейшем случае - интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) - голограмма представляет собой обычную дифракционную решётку (См. Дифракционная решётка). Плоская волна, падая на такую голограмму, частично проходит сквозь неё, сохраняя прежнее направление, а частично вследствие дифракции (См. Дифракция) преобразуется в две вторичные плоские волны, распространяющиеся под углом θ (рис. 3 ). Угол θ связан с шагом решётки d и длиной световой волны λ формулой:

Как видно из рисунка, волна, которая идёт «вниз», является как бы продолжением сигнальной волны, использовавшейся при съёмке голограммы (рис. 1 ). Поэтому она ничем не отличается от волны, идущей от объекта при непосредственном его наблюдении. Таким образом, при просвечивании голограммы восстанавливается та же самая волна, которая исходила от объекта. В результате этого наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, увидит мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился при съёмке. Волна, идущая «вверх» (рис. 3 ), также содержит информацию об объекте и образует его действительное изображение.

Голограмма точки. Пусть свет от лазера падает на точечный объект А и на плоский отражатель, который создаёт опорную волну (рис. 4 ). Рассеянная от точечного объекта волна и опорная волна падают на фоточувствительный слой, на котором регистрируется интерференционная картина. Голограмма в этом случае образуется в результате интерференции сферической сигнальной волны с плоской опорной волной и представляет собой систему концентрических тёмных и светлых колец. Поскольку расстояние между интерференционными кольцами равно рис. 5 ).

При просвечивании голограммы плоской опорной волной в результате дифракции возникают две сферические волны. Эти волны формируют действительное и мнимое изображения точки А , которые можно наблюдать под различными углами (рис. 5 ). Расходящаяся сферическая волна I создаёт мнимое изображение A" и наблюдатель, воспринимающий эту волну, видит восстановленное изображение A" за голограммой в том же месте, где находился реальный объект А . Вторая сходящаяся сферическая волна // создаёт действительное изображение объекта А" , которое расположено перед голограммой.

Объёмность голографических изображений. Повторяя приведённые рассуждения для каждой из точек объекта, состоящего, например, из 4 точек, можно убедиться, что интерференционная картина, которая фиксируется на голограмме, будет содержать полную информацию о всех 4 точках. При просвечивании голограммы опорным лучом появятся 2 изображения - мнимое и действительное, причём оба изображения будут восприниматься наблюдателем как объёмные.

Мнимое изображение наблюдается, если смотреть сквозь голограмму, как в окно (рис. 6 ). Действительно, в положениях б , в , г мы увидим точку 1, а в положениях в , г , д - точку 3; в, положениях в , г наблюдатель увидит одновременно точки 1, 3 и точки 2, 4, которые расположены между ними, то есть весь объект. Если наблюдатель переводит взгляд с точки 2 на точку 3 (или 4), он должен изменить фокусировку глаз, а если наблюдатель переменит своё место, например от в к г , то изменится и перспектива изображения. Более того, в некоторых положениях наблюдатель не увидит точки 4, так как она будет заслонена точкой 2 объекта, расположенной ближе к наблюдателю. Таким образом, голографическое изображение является объёмным, причём зрительное восприятие этого изображения ничем не отличается от восприятия исходного объекта. Фотографируя мнимое изображение, можно, в зависимости от места расположения фотоаппарата и его фокусировки, зафиксировать все эти особенности на снимках (рис. 7 ). Экспериментально такие голограммы впервые получили амер. физики Э. Лэйтс и Ю. Упатниекс в 1962.

Действительное изображение также трёхмерно и обладает всеми упомянутыми свойствами; оно как бы висит перед голограммой, но наблюдать его несколько труднее.

Свойства голограмм. Голографическое изображение точки представляет собой собой пятно, диаметр δ которого равен: D - размер голограммы, λ - длина волны, Н - расстояние объекта до голограммы. Величина δ характеризует разрешающую способность голографического изображения, то есть различимость 2 близких точек объекта. Одно из замечательных свойств голограммы состоит в том, что каждый её участок содержит информацию обо всём объекте и поэтому позволяет восстановить полное изображение объекта (при уменьшении размера голограммы D ухудшается лишь разрешающая способность изображения). Следствием этого является высокая надёжность хранения информации, записанной в виде голограммы.

При просвечивании голограмм можно изменить длину опорной волны λ. В этом случае наблюдаются 2 изображения, но на другом расстоянии H" от голограммы, определяемом формулой:

Здесь Н - расстояние между объектом и голограммой при съёмке, λ 1 - длина опорной волны при съёмке, а λ 2 - при просмотре голограммы. Таким способом можно визуализировать (сделать видимыми) изображения объектов, записываемых в виде голограмм, полученных с помощью радиоволн или инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

При просмотре голограмм можно менять не только длину опорной волны, но и её волновой фронт. Освещая, например, голограмму расходящейся сферической волной, можно наблюдать увеличенное изображение предмета. На этом основано устройство голографического микроскопа.

Возможности Г. существенно расширяются, если голограмму записывать на толстослойной эмульсии, что было впервые предложено Ю.Н. Денисюком (СССР, 1962). В этом случае интерференционная картина получается трёхмерной, благодаря чему голограмма приобретает новые свойства. В частности, такая голограмма позволяет наблюдать изображение объекта при освещении её немонохроматическим (белым) светом.

Можно получить цветное голографическое изображение предмета, если при изготовлении голограммы использовать 3 монохроматических лазера, излучающие разные длины волн (например, синий, жёлтый и красный лучи). В этом случае запись может производиться на обычную эмульсию, и голограмма по внешнему виду не будет отличаться от обычной черно-белой. Цветное изображение предмета наблюдается при одновременном освещении голограммы 3 опорными волнами, соответствующими указанным цветам.

Качество голографических изображений зависит от монохроматичности излучения лазеров и разрешающей способности фотоматериалов, используемых при получении голограмм. Если спектр излучения лазера широкий, то при съёмке голограммы каждой определённой длине волны этого спектра будет соответствовать свой интерференционный узор и результирующая интерференционная картина будет нечёткой и размытой. Поэтому при изготовлении голограмм применяются лазеры с очень узкой спектральной линией излучения.

Качество интерференционной картины определяется также разрешающей способностью фотоматериала, то есть числом интерференционных линий, которое можно фиксировать на 1 мм . Чем больше это число, тем лучше качество восстановленного изображения. В связи с этим в Г. применяются фотоматериалы, имеющие высокое разрешение (1000 линий на 1 мм и более).

Наиболее часто используемые фотографические эмульсии представляют собой взвесь светочувствительных зёрен, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дискретная структура фотоэмульсий приводит к тому, что на голограмме записывается не непрерывное распределение яркости интерференционной картины, а лишь её «отрывки». Это создаёт световой фон, поскольку при просвечивании голограммы свет рассеивается на проявленных зёрнах. В связи с этим ведутся широкие поиски беззернистых фотоматериалов, которые, кроме того, позволяли бы производить стирание и повторную запись информации, что очень важно для ряда голографических применений. Уже получены первые голограммы на мелкодоменных магнитных плёнках, фотохромных стеклах и плёнках, на кристаллах и на других материалах.

На качество голографических изображений влияют также условия съёмки. При использовании лазеров непрерывного излучения время экспозиции меняется от долей секунды до десятков минут (в зависимости от размеров объекта и голограммы). В течение этого времени недопустимы какие-либо смещения объекта, фотопластинок и оптических элементов схемы на расстояния, сравнимые с длиной волны λ. В противном случае интерференционная картина будет смазана. Эти трудности исключаются при использовании импульсных лазеров, обеспечивающих мощное световое излучение в течение очень коротких промежутков времени (до 10 -9 сек ). При таком малом времени экспозиции легко получать голограммы объектов, движущихся со скоростями порядка 1000 м/сек (рис. 8 ).

Применение Г. Импульсная Г. открывает возможность фиксировать и анализировать быстро, протекающие процессы. Большой интерес, например, для ядерной физики и физики элементарных частиц представляет изучение следов (треков) частиц в трековых камерах. Для этой цели пока применяется стереоскопическая съёмка. Голографические методы оказываются здесь весьма эффективными, поскольку они позволяют зафиксировать информацию о всём объёме камеры. При восстановлении можно рассматривать изображение в различных сечениях камеры, что позволяет легко разделить треки, соответствующие разным частицам. Число частиц, регистрируемых на голограмме, может быть очень большим (порядка 1000). Аналогично можно изучать динамику распределения неоднородностей в туманах, жидкостях и других прозрачных средах.

Перспективно применение импульсной Г. в интерферометрии. На одной и той же фотопластинке в различные моменты времени записываются 2 голограммы исследуемого объекта. При восстановлении обе волны, несущие информацию об объекте, накладываются друг на друга. Если за время между экспозициями с объектом произошли какие-либо изменения, то на восстановленном изображении появляется система интерференционных полос. Расшифровывая полученную интерференционную картину, можно определить происшедшие изменения. Этот метод позволяет измерять очень небольшие (порядка долей мкм ) деформации объектов со сложной формой поверхности, обусловленные вибрацией, нагреванием и т. п. Его можно использовать также для неразрушающего контроля изделий, для исследования Взрыв ов, ударных волн (См. Ударная волна), образующихся, например, при полёте пули (рис. 8 ), для изучения потоков газа в сверхзвуковом сопле, для исследования плазмы (См. Плазма) и т. д.

Применение Г. открывает принципиальную возможность создания объёмного цветного телевидения (См. Цветное телевидение). Действительно, голограмму объекта можно зафиксировать на светочувствительной поверхности передающей телевизионной трубки (См. Передающая телевизионная трубка), а затем передать её по радио- или оптическому каналу. На приёмном конце голограмму можно восстановить, записав её, например, на светочувствительной плёнке. Это позволит наблюдать трёхмерное изображение объекта. Реализация такой системы даже для специальных применений пока связана с большими техническими трудностями (разрешающая способность телевизионных передающих трубок очень низка, что затрудняет восстановление объёмных изображений; отсутствуют достаточно мощные лазеры видимого диапазона, которые необходимы для получения голограмм реальных объектов, и т. п.).

Методы Г. открывают возможность создания новых систем памяти, представляющих большой интерес для прогресса вычислительной техники (См. Вычислительная техника). Г. позволяет реализовать плотность записи порядка 10 7 -10 8 двоичных единиц (См. Двоичные единицы) информации на 1 см 2 светочувствительной поверхности, что на несколько порядков выше, чем у существующих систем памяти. Кроме того, голографическая запись характеризуется высокой надёжностью; выход из строя небольших участков голограммы приводит лишь к некоторому ухудшению качества воспроизведения (см. выше). Голографические устройства памяти с большой ёмкостью были предложены в 1966 А. Л. Микаэляном и В. И. Бобриневым (СССР). Они основаны на записи большого числа голограмм на одну и ту же поверхность (или объём) фотоматериала. Для того чтобы изображения не накладывались друг на друга, при записи каждого из них изменяют угол падения опорной волны на светочувствительный слой (рис. 9 ). Опорный луч, прежде чем попасть на голограмму, проходит через отклоняющую систему, которая устанавливает направление опорного луча в соответствии с введённым в неё адресом. Каждому адресу соответствует своё направление опорного луча. Сигнальный луч делится на n каналов, в каждый из которых включен модулятор М. При наличии управляющего напряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напряжения становится непрозрачным. На выходе модуляторов возникает комбинация n лучей, которые вместе с опорным лучом записываются в виде голограммы. При накоплении информации в запоминающем устройстве на адресный вход подаются поочерёдно все адреса, а на сигнальный - соответствующие числа.

При считывании информации отклоняющая система устанавливает угол падения считывающего опорного луча, соответствующий заданному адресу, и голограмма формирует изображение в виде системы ярких точек, количество и взаимное расположение которых определяется комбинацией включенных при записи модуляторов. Это изображение проецируется на систему фотоприёмников, на выходе которых сигналы дают считанное число. Уже удалось записать последовательно до 1000 голограмм 32-разрядных чисел на участке поверхности с диаметром ок. 2 мм .

Другой вариант голографического запоминающего устройства позволяет записывать большие количества чисел, которые предварительно преобразуются в матрицы-транспаранты (рис. 10 ). Каждая матрица записывается в виде голограммы на небольшом участке фотопластинки (порядка 1-2 мм ). Переключение луча с одной голограммы на другую осуществляется двухкоординатной системой отклонения, причём при любых углах отклонения опорный и сигнальные лучи совмещены на голограмме. При считывании информации каждая голограмма освещается опорным лучом, восстанавливающим изображение соответствующей матрицы (рис. 10 ). Это изображение падает на мозаику фотодиодов, соединённых таким образом, чтобы можно было выбрать любое число из восстановленной матрицы. Время считывания произвольного числа определяется мощностью лазера и чувствительностью фотодиодов и может быть сделано очень малым (10 -7 -10 -8 сек ). Ёмкость голографических систем памяти при произвольной выборке информации с высокой скоростью может достигать 10 9 двоичных единиц.

Перспективна возможность использования принципов Г. для создания специальных вычислительных устройств, в которых проводятся те или иные математические операции над информацией, записанной в виде голограммы. Наибольшее внимание при этом уделяется созданию устройств для поиска заданной информации и опознавания образов. Термин «опознавание» означает сравнение изображений 2 объектов и установление соответствия между ними. Такие устройства могут применяться для автоматического чтения информации, для классификации различных объектов, для дешифровки сложных изображений и т. д. Возможность опознавания образов основана на свойстве голограмм восстанавливать изображение объекта только в том случае, если считывающий пучок света совпадает по форме с опорным лучом, использовавшимся при съёмке. Пусть, например, имеется голограмма, на которой записана интерференция между светом точечного источника и светом, прошедшим через транспарант с буквой «Т» (рис. 11 ). Если затем голограмму освещать светом, проходящим через транспарант, на котором записаны разные буквы, то только в случае той же буквы «Т» мы увидим изображение яркой точки. Такая голограмма является своеобразным фильтром, с помощью которого можно, например, установить наличие буквы «Т» в каком-либо сложном тексте и быстро определить число этих букв. Этот способ был, в частности, опробован для опознавания отпечатков пальцев. Для одного из восьми сходных отпечатков был изготовлен голографический фильтр, с помощью которого производилось опознавание в рассмотренной выше установке. Фотографические копии всех отпечатков последовательно вводились в схему, и наблюдалось изображение в плоскости опознавания. Оказалось, что яркая точка возникала только в одном случае, что говорит о высокой избирательности данного метода. Важно отметить, что достаточно уверенное опознавание происходит и в том случае, когда имеется лишь часть отпечатка. Например, при наличии половины отпечатка яркость изображения точки уменьшается всего на 10%. Экспериментально установлено, что опознавание естественных объектов сложной формы (например, отпечатков пальцев) происходит более надёжно, чем знаков, букв или простых фигур. Например, при опознавании букв возможны ошибки по сходности начертания (О и С, П и Е и др.).

С применением Г. для опознавания образов тесно связано использование её для кодирования информации. В этом случае при съёмке голограммы в канале опорного луча устанавливается специальный элемент (например, диффузное стекло), создающий сложную форму волнового фронта. Чтобы наблюдать восстановленное изображение, необходимо использовать ту же самую опорную волну. Это оказывается возможным только при использовании того же экземпляра диффузного стекла, который применялся при съёмке голограммы. Высокая степень кодирования связана с тем, что опорный луч, прошедший через диффузное стекло, превращается в протяжённый монохроматический источник света, который является набором большого числа точечных излучателей, имеющих определённое соотношение амплитуд и фаз. Поэтому вероятность того, что различные экземпляры диффузных стекол будут одинаковыми в указанном смысле, чрезвычайно мала. Большой интерес представляет применение Г. для формирования заданных волновых фронтов. Известно, например, что оптические объективы не могут быть сделаны идеальными и всегда вносят искажения в формируемые ими изображения. Для каждого объектива можно изготовить голограмму, корректирующую эти искажения. С усовершенствованием техники Г. окажется возможной реализация специальных «голографических объективов», представляющих собой набор заранее изготовленных голограмм, заменяющих линзовые объективы и свободных от аберраций оптических систем (См. Аберрации оптических систем).

Голографический метод применим также в случаях звуковых и ультразвуковых волн. Если на объект, помещенный в непрозрачную жидкость, воздействовать звуковым генератором, то на поверхности жидкости можно создать звуковую голограмму (рис. 12 ). Для этого необходим вспомогательный источник звука, создающий опорную волну. Если звуковую голограмму, образующуюся в результате интерференции звуковых волн (опорной и сигнальной), осветить лазером, то можно увидеть объёмное изображение предмета. Голографическое «звуковидение» важно, в частности, для исследований внутренних органов животных и людей.

Лит.: Лэйт Э. и Упатниекс Ю., Фотографирование с помощью лазеров, «Успехи физических наук», 1965, т. 87, в. 3; Сороко Л. М., Голография и интерференционная обработка информации, там же, 1966, т. 90, в. 1; Микаэлян А. Л., Голография, М., 1968; Гудмен Д., Введение в Фурье-оптику, пер. с англ., М., 1970.

А. Л. Микаэлян.

Рис. 5. Действительное А" и мнимое A" изображения точки А; Н - расстояние от объекта до голограммы.

Псевдоголография и голография для общения: технологии телеприсутствия

Скоро можно будет разговаривать с трехмерными образами своих коллег и друзей почти так же, как в «Стар Треке». Уже в наши дни делать это позволяет псевдоголографическая технология TeleHuman, которую разработала научно-исследовательская группа профессора Роэла Вертегаала из лаборатории Human Media Lab при канадском университете Queen"s University. Создатели технологии называют ее « стерео-Skype » . TeleHuman позволяет людям, находящимся в разных концах света, пообщаться с трехмерным образом собеседника, стоя друг перед другом. «Зачем Skype, если вы можете поговорить с 3D -голографическим образом собеседника в полный рост?» - спрашивает профессор Вертегаал. Что об этом думают в Skype и 300 млн пользователей Skype , можно только догадываться. (Вспоминается старый и не очень цензурный анекдот про «Старик-отец решил разделить наследство между тремя сыновьями. "Ничего себе", - сказал четвертый сын»). В общем, от Skype логично ожидать особого интереса к технологиям трехмерного телеприсутствия.

Как это устроено? Оказывается, технология не так сложна, как можно было бы подумать, об этом говорит сама команда в пресс-релизе. состоит из нескольких 3D-камер с сенсорами движения Microsoft Kinect, акрилового цилиндрического дисплея высотой 1,8 м, 3D-проектора и выпуклого зеркала. Два человека в разных географических точках стоят перед своими цилиндрическими порталами-подами. 3D-камеры с контроллерами движений Microsoft Kinect, установленные по верху цилиндра, снимают человека, непрерывно конвертируют данные в изображение и в режиме реального времени передают полноразмерную трехмерную картинку на цилиндрический дисплей собеседника. Голограмму цилиндрический портал пока не показывает. Это только экран, но он способен показать человека на 360 градусов - при желании собеседника можно увидеть сбоку и со спины.

Иллюстрация и видео: Human Media Lab

1. Благодаря объемному «зрению», 3D-камеры с контроллерами движений Microsoft Kinect передают трехмерный образ собеседника в движении в режиме реального времени. 2. 3D-проектор создает трехмерный образ собеседника на цилиндрическом дисплее. 3. При этом возникает иллюзия, что в центре портала сформирована голограмма собеседника , хотя на самом деле голограммы эта технология не создает.

Помимо псевдоголографии, ожидается энергичное развитие технологии непосредственно голографического телеприсутствия в коммуникационном контексте. Почти все для этого уже готово. Исследование IBM показало, что 3000 опрошенных техноэкспертов уверены: голографические звонки - технология, которая выйдет на рынок в ближайшие пять лет. Возможно, о ней активно заговорят уже в 2014 году. В частности, над технологией голографических звонков работает польская компания Leia Display Systems.

AR и VR ,

Блог компании WayRay ,

Запустить софт для моделирования и вывести полноразмерную модель для редактирования в пространстве. Включить коммуникатор и побеседовать не с плоским изображением собеседника на видеозвонке, а с его объемной проекцией, через которую просвечивает любимый ковер. Отодвинуть штору и увидеть на оконном стекле прогноз погоды, ситуацию с пробками, и вообще - как оно там. Завести двигатель автомобиля и получать на участке лобового стекла дополнительные оповещения о дорожной разметке, возможных опасностях и иных важных сведениях.

Если раньше все это было уделом научных фантастов, то сейчас подобное перешло из разряда “Фантастика” в разряд “Ближайшее будущее”. О том, как современные ученые приближают век голографии, с чего все начиналось и какие трудности развития голографические технологии испытывают на данный момент, мы постараемся рассказать в этом посте.

Как создаются голографические изображения

Человеческий глаз видит физические объекты, так как от них отражается свет. Построение голографического изображения основано именно на этом принципе – создается пучок отраженного света, полностью идентичный тому, который отражался бы от физического объекта. Человек, смотря на этот пучок, видит тот же самый объект (даже если смотрит на него под разными углами).

Голограммы же более высокого разрешения - это статические рисунки, “холст” которых - фотополимер, а “кисть” - лазерный луч, который разово меняет структуру фотополимерных материалов. В итоге обработанный таким образом фотополимер создает голографическое изображение (на плоскость голограммы падает свет, фотополимер создает его тонкую интерференционную картину).

К слову, про саму интерференцию. Она возникает в случае, если в определенном пространстве складывается ряд электромагнитных волн, у которых совпадают частоты, причем с довольно высокой степенью. Уже в процессе записи голограммы в конкретной области складывают две волны – первая, опорная, исходит непосредственно от источника, вторая, объектная – отражается от объекта. Фотопластину с чувствительным материалом размещают в этой же области, и на ней возникает картина полос потемнения, соответствующих распределению электромагнитной энергии (интерференционная картина). Затем пластину освещают волной, близкой по характеристикам к опорной, и пластина преобразует эту волну в близкую к объектной.

В итоге получается, что наблюдатель видит примерно такой же свет, который отражался бы от изначального объекта записи.

Краткая историческая справка

Шел 1947-й год. Индия получила независимость от Британии, Аргентина предоставила избирательные права женщинам, Михаил Тимофеевич Калашников создал свой знаменитый автомат, Джон Бардин и Уолтер Браттейномиз проводят эксперимент, позволивший создать первый в мире действующий биполярный транзистор, начинается производство фотоаппаратов Polaroid.

А Деннис Габор получает первую в мире голограмму.

Вообще, Деннис пытался повысить разрешающую способность электронных микроскопов той эпохи, но в ходе направленного на это эксперимента получил голограмму.

Увы, Габор, как и многие умы, немного опередил свое время, и у него просто не было нужных технологий, чтобы получать голограммы хорошего качества (без когерентного источника света этого сделать невозможно, а первый лазер на кристалле искусственного рубина Теодор Мейман продемонстрирует лишь 13 лет спустя).

А вот после 1960-го (красный рубиновый лазер с длиной волны 694 нм, импульсный, и гелий-неоновый, 633 нм, непрерывный) дело пошло куда бодрее.

1962 . Эммет Лейт и Юрис Упатниекс, Мичиганский Технологический Институт. Создание классической схемы записи голограмм. Записывались пропускающие голограммы – в процессе восстановления голограммы свет пропускали через фотопластину, но некоторая часть света отражается от пластины и тоже создает изображение, которое видно с противоположной стороны.

1967 . Первый голографический портрет записывают при помощи рубинового лазера.

1968 . Совершенствуются и сами фотоматериалы, благодаря чему Юрий Николаевич Денисюк разрабатывает собственную схему записи и получает высококачественные голограммы (восстанавливали изображение путем отражения белого света). Все проходит вполне неплохо, настолько, что схема записи получает название “Схема Денисюка”, а голограммы - “Голограммы Денисюка”.

1977 . Мультиплексная голограмма Ллойда Кросса, состоящая из нескольких десятков ракурсов, каждый из которых можно увидеть только под одним углом.

Плюсы - размеры объекта, которые требуется записать, не ограничиваются длиной волны лазера или размером фотопластины. Можно создать голограмму предмета, которого не существует (то есть просто нарисовав придуманный предмет в сразу нескольких ракурсах).

Минусы - отсутствие вертикального параллакса, рассмотреть такую голограмму можно только по горизонтальной оси, но не сверху или снизу.

1986 . Абрахам Секе осознает, что нет предела совершенству, и предлагает создать источник когерентного излучения в приповерхностной области с помощью рентгеновского излучения. Пространственное разрешение в голографии всегда зависит от размеров источника излучения и его удаленности от предмета – это дало возможность восстановить в реальном пространстве атомы, которые окружали эмиттер.

Сейчас

Сегодня некоторые прототипы голографических видеодисплеев работают примерно так же, как и современные ЖК-мониторы: особым образом рассеивают свет, формируя псевдо-3D, а не создают интерференционную картину. С чем связан и главный минус такого подхода - нормально оценить такую картинку сможет только один человек, сидящих под правильным углом к монитору. Все остальные зрители будут не так впечатлены.

Конечно же, любители научной фантастики и новых технологий спят и видят, как голографические дисплеи станут такой же привычной вещью, как wifi дома или фотокамера в смартфоне, сравнимая с не самой плохой мыльницей. И хотя идеальная голограмма в понимании большинства - это на самом деле не сегодня и не завтра, разработки на эту тему уже активно ведутся.

Институт науки и передовых исследований, Корея. Рабочий прототип нового 3D-голографического дисплея, ТТХ которого примерно в пару тысяч раз лучше , чем у существующих аналогов.

Слабое звено таких дисплеев - матрица. Пока матрицы состоят из двухмерных пикселей. Корейцы же использовали обычный (но хороший) дисплей вкупе со специальным модулятором для фронта оптического импульса. Результатом стала высококачественная голограмма, правда, небольшая - 1 кубический сантиметр.

Было время, когда считалось, что рассеивание света - это серьезное препятствие для нормального распознавания проецируемых объектов. Но как показывает наша практика, современные 3D-дисплеи можно существенно улучшить, научившись контролировать это рассеивание. Правильное рассеивание позволило увеличить и угол обзора, и общую разрешающую способность,

- отмечает профессор Йонкен Парк .

Университет Гриффита, Технологический университет Суинберна, Австралия. Голографический дисплей на основе графена.

Ученые вооружились методом Габора, упоминавшимся в самом начале этого поста, и сделали 3D-голографический дисплей высокого разрешения на основе цифрового голографического экрана, состоящего из мелких точек, отражающих свет.

Плюсы – угол обзор в 52 градуса. Для нормального восприятия картинки не нужны никакие дополнительные приблуды в виде 3D-очков и прочего.

К слову, о 52 градусах. Угол обзора тем больше, чем меньше будет использоваться пикселей. Оксид графена обрабатывают путем фоторедукции, что создает пиксель, которому под силу изгибать цвет для голокартинки.

Разработчики полагают, что подобный подход в свое время сможет положить начало революции в разработке дисплеев, особенно - на мобильных устройствах.

Бристольский университет, Великобритания. Ультразвуковая голография.

Объект создается в воздухе с помощью множества ультразвуковых излучателей, направленных на облако водяного пара, которое также создается системой. Реализация, конечно, сложнее, чем в случае с привычными экрана, но все же.

туман создается не просто каплями воды, а каплями специального вещества.
это вещество освещается специальной лампой.
лампа модулирует специальный свет.

В итоге получается проекция объекта, который можно не только рассмотреть со всех сторон, но и потрогать.

Частота колебаний такой интерференционной картины - от 0.4 до 500 Гц.

Одно из главных направлений деятельности, в котором разработчики предполагают полезное использование технологии - медицина. Врач сможет на основе данных медкарты и смоделированного органа “почувствовать” его. Также можно будет создавать объемные проекции каких-либо товаров на презентациях. Положительный эффект предрекают и при замене подобной технологией сенсорных дисплеев в местах массового пользования (электронные меню, терминалы, банкоматы). Как сложно и дорого будет это внедрить - само собой, уже второй вопрос.

А уж до чего могут дойти развлекательные сервисы определенной направленности - страшно (но интересно) подумать.

Ванкувер, Канада. Интерактивный голографический дисплей.