Hologram – co to jest i jak powstaje?

Hologram to zapis fotograficzny przynajmniej dwufalowego obrazu interferencyjnego, a przy odczycie daje dwa niezależne od siebie obrazy przestrzenne 3D. Do jego utrwalenia potrzebna jest płyta holograficzna oraz wiązka przedmiotowa i odniesienia. W dalszej części artykułu wyjaśniamy, jak dokładnie powstaje ten zapis, jakie są jego rodzaje i do czego się go wykorzystuje.

Czym jest zapis holograficzny i jak różni się od klasycznego zdjęcia?

Zapis holograficzny powstaje w wyniku interferencji dwóch fal światła – jednej oświetlającej obiekt i drugiej stanowiącej wiązkę odniesienia. Klasyczne zdjęcie utrwala jedynie rozkład natężenia światła, dlatego traci informację o fazie fali. Odmiana holograficzna rejestruje zarówno amplitudę, jak i fazę, co pozwala odtworzyć wrażenie głębi oraz cały wygląd przestrzenny obiektu.

Na płytce światłoczułej zapisują się bardzo drobne prążki interferencyjne. Po oświetleniu zapisu wiązką odniesienia powstaje obraz, który ogląda się pod różnymi kątami jak realny przedmiot. Dzięki temu widz otrzymuje dwa niezależne przedstawienia trójwymiarowe, a zmiana położenia głowy uwidacznia inne fragmenty sceny.

W przeciwieństwie do zwykłej fotografii barwnej zapis holograficzny nie musi odwzorowywać naturalnych kolorów przy użyciu barwników. Jego wygląd zależy od sposobu rekonstrukcji, długości fali światła oraz geometrii zapisu.

Zapis holograficzny rejestruje nie tylko natężenie światła, lecz również jego fazę – dlatego odtwarza obraz przestrzenny 3D, a nie płaską kopię obiektu.

Jak powstaje zapis holograficzny?

Do utrwalenia zapisu potrzebne są co najmniej dwie wiązki światła – przedmiotowa oraz odniesienia. Obie muszą być wzajemnie spójne, ponieważ tylko wtedy tworzą stabilny obraz interferencyjny na materiale światłoczułym. Światło rozproszone na obiekcie niesie informację o jego kształcie i głębi, a wiązka odniesienia pozwala tę informację zakodować w postaci mikroskopijnych prążków.

Po wywołaniu płyty holograficznej zapis wygląda zwykle jak lekko mętna lub szara powierzchnia. Dopiero ponowne oświetlenie go wiązką rekonstruującą odtwarza obraz przestrzenny 3D. Obraz ten może być oglądany z różnych stron, a jego szczegóły zmieniają się wraz z kierunkiem patrzenia.

W praktyce laboratoryjnej stosuje się kilka podstawowych układów optycznych:

• układ współosiowy Gabora – płyta, obiekt i źródło odniesienia leżą wzdłuż jednej prostej,
• układ z boczną wiązką odniesienia Leitha-Upatnieksa – wiązki tworzą kąt i dochodzą z tej samej strony,
• układ z wiązkami przeciwsobnymi Denisiuka – wiązki docierają do nośnika z przeciwnych stron,
• układy fourierowskie i quasifourierowskie – rejestrują widmo przedmiotu lub umieszczają punktowe źródło odniesienia blisko obiektu.

Nazwa układu współosiowego pochodzi od fizyka Dennisa Gabora, a konfiguracje te decydują o właściwościach zapisu, między innymi o kącie obserwacji i odporności na światło rozproszone.

Jakie rodzaje zapisu wyróżnia się ze względu na geometrię?

Rodzaj zapisu zależy między innymi od odległości płyty od obiektu, sposobu formowania wiązki odniesienia oraz zastosowanych elementów optycznych. Wyróżnia się kilka podstawowych odmian geometrycznych.

Odmiana w płaszczyźnie obrazu

W tym wariancie nośnik umieszcza się bardzo blisko obiektu lub jego rzeczywistego obrazu. Dzięki temu rozkład amplitudy zespolonej na powierzchni płyty odpowiada rozkładowi w samym przedmiocie z dokładnością do stałego przesunięcia fazowego. Taki zapis pozwala na czytelne odtwarzanie nawet w świetle o słabszej spójności.

Odmiana Fresnela i Fraunhofera

Hologram Fresnela powstaje wtedy, gdy położenie płyty względem obiektu i rozmiary poprzeczne przedmiotu spełniają warunek stosowalności przybliżenia Fresnela. Inaczej mówiąc, rejestruje się pole falowe w obszarze bliskim dyfrakcji, co pozwala zachować naturalną perspektywę obrazu.

Zapis Fraunhofera dotyczy natomiast małych cząstek i odległości spełniających przybliżenie Fraunhofera. Ten typ często wykorzystuje się w badaniach rozpraszania światła i przy obrazowaniu niewielkich struktur.

Odmiana Fouriera i jej warianty

W układzie tym rejestruje się widmo przedmiotu, czyli transformatę Fouriera pola pochodzącego od obiektu. Otrzymany zapis pełni funkcję filtru częstotliwości przestrzennych i bywa używany w optycznym przetwarzaniu sygnałów.

Odmiana quasifourierowska pojawia się, gdy punktowe źródło odniesienia leży w tej samej płaszczyźnie co przedmiot i w jego pobliżu. Istnieje także wersja bezsoczewkowa, w której rejestracja widma odbywa się bez dodatkowej soczewki transformującej.

Jak klasyfikuje się zapisy holograficzne według cech fizycznych?

Oprócz geometrii zapisu duże znaczenie mają parametry materiałowe i sposób odtwarzania. Jedno z podstawowych kryteriów to parametr transmisji przezrocza holograficznego, który decyduje o tym, czy mamy do czynienia z zapisem fazowym, amplitudowym czy amplitudowo-fazowym.

Inny podział opiera się na stosunku grubości warstwy światłoczułej W do okresu przestrzennego prążków interferencyjnych Λ. Gdy warstwa jest bardzo cienka, czyli W znacznie mniejsze od Λ, powstaje zapis płaski. Jeśli materiał jest gruby, czyli W znacznie większe od Λ, mówi się o zapisie objętościowym, a w przypadku zmiennych właściwości – o zapisie dynamicznym.

Ważna jest również liczba ekspozycji. Pojedyncza rejestracja daje zapis jednoekspozycyjny, a dwie lub więcej – odmiany dwuekspozycyjne i wieloekspozycyjne. Dodatkowo typ wiązki odniesienia pozwala wyróżnić zapisy odtwarzane w fali spójnej lub niespójnej.

W tabeli zestawiono najważniejsze kryteria podziału i odpowiadające im odmiany:

Do czego wykorzystuje się technikę holograficzną?

Zastosowania opierają się na możliwości zapisu dużych ilości informacji oraz na zdolności do odtwarzania obrazów trójwymiarowych. Wiele rozwiązań znalazło miejsce w optyce, metrologii i technice zabezpieczeń.

Zastosowania w optyce i metrologii

Zapisy holograficzne pełnią funkcje filtrów częstotliwości przestrzennych i mogą poprawiać jakość odwzorowania układów optycznych. Stosuje się je także do rozpoznawania symboli, kształtów i podobieństw oraz do zapisu informacji dwu- i trójwymiarowych.

Za pomocą zapisów dynamicznych buduje się symulatory lotu, a w interferometrii wykorzystuje się je do pomiarów odkształceń i drgań. Możliwe jest też wykonywanie zdjęć ultraszybkich oraz tworzenie z dużym powiększeniem obrazów 3D cząstek różnych substancji.

Zabezpieczenia i identyfikacja

Technika holograficzna stanowi ważne narzędzie ochrony oryginalnych produktów. Hologramy jako naklejki samoprzylepne lub elementy na foliach metalizowanych nanoszone są techniką hot-stampingu lub cold-stampingu. Indywidualny wzór nanosi się na opakowania, dokumenty i banknoty, co zwiększa odporność na fałszerstwa.

Indywidualne projekty rejestruje się w międzynarodowym rejestrze hologramów. Dzięki temu zabezpieczenie druku i banknotów staje się trudniejsze do podrobienia, a kontrola autentyczności przebiega szybciej. Zapis holograficzny bywa również częścią plomb i etykiet, które ujawniają próbę oderwania lub nieuprawnionego otwarcia.