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.

Что нужно:

• мобильное устройство
• HDMI или wifi
• пожертвовать 550$ на Кикстартере вот этим ребятам (хотели собрать 50 000$, успешно собрали почти 300 000$).

Как видите, интерес к голографии, однажды запущенный фантастами, и не думает останавливаться — наоборот, пока только набирает обороты.

Вполне возможно, что уже в самом ближайшем будущем почти в каждой квартире будут голографические экраны, созданные по одному из описанных выше методов. Или же на основе какого-то нового, ведь ученые продолжают изобретать все новые и новые материалы, которые являются отличным подспорьем для развития технологий.

Сейчас трудно представить современного человека без смартфона в кармане, быть может, скоро таким же неотъемлемым элементом станут наручные часы с голографическим проектором. Или новый виток развития умных домов и умных автомобилей покажет, как еще можно использовать возможности голографии.

Последнее, кстати, уже не просто фантазия – к примеру, мы создаем первый голографический навигатор для автомобилей, обеспечивающий отображение дополненной реальности на лобовом стекле в зоне фокуса водителя. И кое-что расскажем о нем в одном из следующих постов.