Все современные технологии стремительно развиваются, приближая нас к тому, что еще недавно считалось практическим уделом научной фантастики. Представьте себе такую возможность: запустить некоторую программу моделирования и получить полноразмерную модель объекта для редактирования в 3D-пространстве; пообщаться с собеседником не через плоское изображение на экране, а посредством объемной голограммы, сквозь которую просвечивает любимый ковер; увидеть прогноз погоды, состояние дорожного движения и другую полезную информацию прямо на стекле окна. Все это уже перестало быть фантазией и стремительно приближается к нам из “Ближайшего будущего”. В этом посте мы рассмотрим, как ученые приближают наступление эпохи голографии, с чего началось развитие этой технологии и какие трудности она испытывает на современном этапе.
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.
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.
Ученые создали тонкопленочный топологический изолятор для голографических дисплеев будущего
Уровень развития современных голографических технологий еще очень далек от “чудес”, демонстрируемых нам в различных научно-фантастических фильмах. Но сомневаться в скором или не очень скором появлении реальных голографических технологий совершенно не приходится. Момент появления этих технологий стал еще на один шаг ближе, благодаря работе исследователей из института RMIT, Австралия, и пекинского Технологического института, которые создали самый тонкий голографический дисплей на сегодняшний день, закодировав трехмерное изображение в слое гибкого и прозрачного материала, толщиной всего в 25 нанометров.
Традиционные голограммы создаются при помощи лазеров, свет которых изменяет структуру чувствительного материала таким образом, что отдельные его участки отражают свет, изменяя фазу строго заданным образом.
Отраженные лучи света взаимодействуют друг с другом и создаваемая интерференционная картина воспроизводит закодированное трехмерное изображение. При обычном подходе для этого требуется, чтобы отражающий материал имел достаточную толщину, исчисляющуюся миллиметрами, но использование для этого специального материала, называемого топологическим изолятором, позволило сократить толщину слоя носителя голографического изображения на несколько порядков величины.
“Мы создали новый тип материала, тонкопленочный топологический изолятор. Это означает, что поверхность материала является токопроводящей, т.е. ведет себя как металл, а внутренняя часть пленки является электрическим изолятором” – рассказывает Мин Гу (Min Gu), ведущий исследователь, – “Лазерный свет, направленный на этот материал, изменяет его свойства. При этом, глубина изменений зависит от интенсивности света. И при помощи такого метода мы получили возможность кодирования голографического изображения в самой тонкой пленке материала на сегодняшний день”.
Мало того, что тонкая пленка “голографического материала” может быть без особых проблем нанесена на поверхность обычных дисплеев, ее толщина позволяет создавать голографические пиксели очень малой величины. В настоящее время размер таких пикселей на опытном образце голографического “дисплея” составляет 100 нанометров и это, в свою очередь, позволяет голограмме иметь более широкий угол обзора.
В будущем исследователи собираются уменьшить размеры голографических пикселей ниже барьера в 100 нанометров. Это позволит закодировать в тонкой пленке материала большее количество информации и, значит, получить более высококачественное трехмерное изображение с еще более широким углом обзора.
“А в наших более дальних планах стоит разработка твердого тонкопленочного покрытия, которое может быть нанесено на поверхность жидкокристаллического дисплея. И такое покрытие, при участии в этом деле специализированного программного обеспечения, позволит превратить обычный двухмерный дисплей в трехмерный голографический” – рассказывает Мин Гу, –
“Помимо этого, мы планируем создать гибкие и эластичные голографические покрытия, которые можно будет укладывать на поверхность любой формы сложности, превращая эту поверхность в трехмерный дисплей”.
Будущее голографических технологий
Будущее голографических технологий невероятно многообещающе. По мере того, как будет продолжаться прогресс в области манипулирования светом и разрешения дисплеев, мы можем ожидать еще более впечатляющего применения голографии в различных отраслях. От голографических смартфонов и планшетов до устройств виртуальной реальности (VR) и дополненной реальности (AR) — потенциал безграничен. В ближайшем будущем голографическая технология может даже заменить обычные 2D-экраны, предлагая более захватывающий способ взаимодействия с цифровым контентом. Такие устройства, как HOLO FAN, являются первыми примерами того, как голография может быть интегрирована в потребительскую электронику, давая пользователям представление о том, что может стать основным в ближайшие годы.
Заключение
Голографические технологии меняют наши представления о взаимодействии с цифровой информацией и визуальными дисплеями. Создавая 3D-представления, которые можно рассматривать под разными углами, голограммы обеспечивают более динамичный и увлекательный опыт в таких отраслях, как развлечения, образование, реклама и игры. Такие продукты, как HOLO FAN от Coolify, являются лидерами в внедрении голографии в потребительскую электронику, предлагая как функциональность, так и футуристическую визуальную эстетику. По мере того, как технологии продолжают развиваться, возможности голографии становятся поистине захватывающими.
