Что такое голограмма
Голограмма — это трехмерная запись отраженного от объекта света. Когда мы фотографируем предмет, объектив камеры открывается и пропускает свет, чтобы тот попал на пленку (или на светочувствительный чип датчика изображения, если фотоаппарат цифровой). Свет от объекта идет в одном направлении и попадает в один объектив, поэтому камера записывает только двухмерную картину света, темноты и цвета. Иначе работает наше зрение: свет отражается от предмета в оба глаза, а мозг сливает их в одно трехмерное изображение. Голограмма — это нечто среднее между тем, что происходит, когда фотографируешь объект и когда на него смотришь.
Кто изобрел голографию?
В 1940-х английский физик венгерского происхождения Деннис Габор работал над просвечивающим электронным микроскопом и придумал, как регистрировать больше информации, чем на фотографии. Технология Габора, получившая название «электронная голография», запатентована в 1947 году и по сей день используется в электронной микроскопии.
Голографический принцип удалось полноценно реализовать только в 1960-х, после изобретения лазера. В 1971 году Габор получил Нобелевскую премию за изобретение и развитие голографического принципа регистрации информации. Слово «голография» придумал сам Габор, составив из греческих слов, означающих «все» и «записываю».
История изучения голографии
Предпосылки к созданию голографии возникли еще в 1886 году, когда физик Габриэль Липпман разработал теорию использования световых волн для захвата цвета в фотографии. За открытие он получил Нобелевскую премию, а его работы вдохновили ученых XX века, в том числе Габора, на создание голографии.
В 1962 году, после появления лазеров, одновременно в СССР и США начались исследования голографии. В Советском Союзе этим занимался Юрий Денисюк, а в США — Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс. Советский и американские ученые вели исследования независимо друг от друга, и их голограммы были получены разными способами.
В 1968 году Стивен Бентон изобрел пропускающую «радужную» голограмму, видимую в обычном белом свете. Открытие позволило начать массовое производство недорогих голограмм с помощью нанесения интерференционной картины на пластик. Этот тип используют на банкнотах и документах.
Как создаются голограммы
Физический метод
В основе лежат два физических явления: дифракция и интерференция. Чтобы получилась оптическая голограмма, лазерный луч направляют на объект. Зеркало разделяет лазерный луч на две части, образуя две волны — опорную и объектную. Объектная волна попадает на предмет и отражается на фотопластине, создавая интерференционную картину, а опорная направляется напрямую на фотопластину. В месте соединения лучей в одну точку и появляется голограмма.
Фотопластина «запоминает» образ предмета со всех сторон подобно тому, как пленка фиксирует двухмерное изображение предметов во время съемки. Чтобы снова увидеть голограмму, фотопластина освещается волной, близкой к опорной. Если фотопластину с голограммой разделить на части, каждая сохранит цельное изображение, но с потерей качества.
Компьютерный метод (CGH — Computer-Generated Hologram)
Для цифровой голограммы не нужен реальный объект. Необходимо ввести в программу параметры предмета, и она сама рассчитает, как волны будут отражаться от его поверхностей. Голограммы, созданные физическим методом, но обработанные на компьютере, тоже называются цифровыми.
Компьютерную голографию используют в шлемах и очках смешанной реальности, например, в Hololens от Microsoft. Технология выводит проекции перед человеком в очках и интегрирует виртуальные объекты в реальный мир.
Псевдоголограммы
На современном рынке термин «голограмма» применяется ко многим типам 3D-изображений, которые не являются голограммами в технологическом смысле. Традиционная голограмма захватывает трехмерное изображение и показывает его в двумерной среде, но сейчас так называют почти все объемные проекции и оптические иллюзии.
Для создания трехмерного изображения используют прозрачные пленки обратной проекции, голографические сетки и специальные дисплеи, работающие по принципу «Призрака Пеппера», который позволяет умершим музыкантам «выступать» на сцене. Эффект трехмерности достигается благодаря диагональному экрану между отражаемым объектом и зрителями. Технологии проецирования и правильно выстроенный свет создают эффект присутствия настоящего артиста на сцене.
Как и где используют голограммы
Коммуникация
В 2017 году американская компания Verizon и Korea Telecom использовали экспериментальные устройства с технологией 5G, позволившие собеседникам видеть голограммы друг друга. Это был первый в мире полноценный голографический звонок. Американская компания Portl создала платформу для «голопортации». Человек встает на белом фоне напротив смартфона, и его проекция появляется в белом коробе, похожем на холодильник, через который с ним можно общаться.
В 2021 Google представила видеочат Project Starline, где собеседники могли видеть друг друга. Человек садится за стол с экраном, похожим на зеркало, в котором отражается объемное изображение собеседника. Задний фон дисплея прозрачный, что создает эффект присутствия человека в комнате.
Медицина
Голография помогает в телемедицине. С помощью очков смешанной реальности Microsoft врачи из Нагасаки консультируют пациентов на самых труднодоступных островах Японии. Местный врач с гарнитурой Hololens предоставляет специалисту в Нагасаки трехмерные изображения, например, руки пациента с артритом, и тот проводит виртуальное обследование.
В 2022 году в Сингапуре прошла операция на сердце с использованием голографии. Хирурги оперировали орган в очках Hololens 2, а перед ними в центре комнаты парила голограмма сердца пациента, созданная из снимков его компьютерной томографии. Технология помогает врачам планировать операцию и предвидеть потенциальные риски.
Образование
Голограммы делают процесс обучения более наглядным. В 2013 году на лекции в Университете Святого Георгия в Лондоне показали большие голограммы внутренних органов человека. Длина одной почки достигала четырех метров.
В Египетском музее в Каире гидами работают виртуальные фараон Тутанхамон и царица Анхесенамон. Разные голограммы, например, с экспонатами Эрмитажа, можно рассмотреть в Музее оптики в Санкт-Петербурге.
Развлечения
Псевдоголограммы «воскрешали» многих умерших музыкантов — от Элвиса Пресли и Майкла Джексона до Виктора Цоя и Михаила Горшенева. Мадонна делила сцену с персонажами группы Gorillaz, а в Японии певица-вокалоид Хацунэ Мику, существуя только в виртуальной реальности, выступает перед зрителями с помощью голографической технологии.
Компании используют голограммы для продвижения продуктов. В 2013 году Nike показала жителям Амстердама первую в мире голографическую рекламу. В центре города установили стеклянный куб, в центре которого парили новые кроссовки бренда.
Преимущества использования голограмм
Голограммы — один из самых надежных способов защитить продукцию от контрафакта. С точностью подделать эту технологию почти нереально, даже с профессиональным и дорогим оборудованием. Поэтому голограммы используются в паспортах, банковских и кредитных картах, а также в банкнотах.
Тренды голографии
В перспективе голографические технологии встроят в автомобили для отображения навигации в 3D или идентификации пешеходов, а также интегрируют в домашний быт. Южнокорейские ученые создали цветной настольный голографический дисплей, на который можно смотреть под любым углом. Они использовали серию мощных многоцветных лазеров и высокоскоростной вращающийся зеркальный дисплей.
В 2015 году японские ученые создали осязаемую голограмму с помощью фемтосекундных лазеров со сверхкороткими импульсами. Она выглядела как бабочка, способная летать и даже сесть человеку на палец, создавая ощущение легкого покалывания.
В 2021 году в Университете Глазго разработали голограмму с имитацией тактильных ощущений при помощи подачи струй воздуха через специальные форсунки и датчиков, отслеживающих движения. В качестве примера разработчики показали «аэротактильную» голограмму баскетбольного мяча, которую можно было трогать и крутить. Это не предел — в будущем к голограммам хотят добавлять ароматы.