Holoobrazy

Prekursorem holografii był polski naukowiec Mieczysław Wolfke. W latach 20. ubiegłego wieku opracował teoretyczne podstawy powstawania hologramu, rozdzielając fazy tworzenia się obrazu interferencyjnego i samego obrazu holograficznego. Wolfke rozważał także możliwość wykorzystania holografii do zapisu informacji, ale nie prowadził prób realizacji tego pomysłu. Za ojca holografii trójwymiarowej uważa się jednak amerykańskiego naukowca Dennisa Gabora, który w 1948 r. opisał metody produkowania hologramów oraz stworzył pierwsze hologramy – otrzymał za to Nagrodę Nobla w 1971 roku. Produkcja hologramów na szerszą skalę była możliwa dopiero po wynalezieniu lasera w roku 1960.

Technik tworzenia hologramów oraz samych rozwiązań uznawanych za hologramy jest kilkanaście, jednak tradycyjnie za hologram uważa się obraz powstający w wyniku interferencji (oddziaływania) co najmniej dwóch fal świetlnych – patrz schemat „Zasada powstawania prostego hologramu”.

Najprościej myśleć o hologramie jako o zdjęciu zapisywanym na specjalnej kliszy (o bardzo dużej rozdzielczości), przy wykorzystaniu nieskomplikowanego układu optycznego złożonego z luster, soczewek i źródła światła (najczęściej laserowego). Światło wychodzące ze źródła ulega podziałowi na dwie wiązki (fale świetlne). Jedna z fal, tzw. przedmiotowa, jest za pomocą luster kierowana na przedmiot, którego obraz ma być widoczny na hologramie, a następnie pada na kliszę. Druga fala świetlna, zwana falą odniesienia, pada bezpośrednio na kliszę. Soczewki pozwalają zogniskować obie wiązki światła na kliszy. W wyniku interferencji obu fal, przy zachowaniu kilku warunków dotyczących parametrów fal świetlnych oraz dróg, jakie pokonały, na kliszy jest zapisywany obraz interferencyjny – układ prążków dyfrakcyjnych położonych w równych odstępach.

Aby obejrzeć hologram, należy przepuścić przez wywołaną kliszę falę odniesienia, czyli w praktyce ustawić go pod światło. Światło ugina się na prążkach dyfrakcyjnych i na powierzchni kliszy powstaje trójwymiarowy obraz „fotografowanego” przedmiotu. Gdy obserwator zmienia kąt patrzenia na obraz, elementy bliższe oku przesuwają się szybciej niż tło – jest to tzw. efekt paralaksy, który daje wrażenie przestrzenności obrazu. W zależności od techniki wykonania hologram może być widoczny w jednej lub nawet w trzech płaszczyznach.

Wychodząca z lasera wiązka światła jest dzielona przez płytkę światłodzielącą na dwie części – wiązkę przedmiotową i odniesienia. Druga jest kierowana na kliszę holograficzną. Natomiast wiązka przedmiotowa pada na „fotografowany” przedmiot, odbija się od niego i pada na kliszę holograficzną. W miejscu, gdzie obie wiązki się spotykają, dochodzi do interferencji fal świetlnych. Na powierzchni kliszy powstaje struktura równomiernie rozłożonych prążków dyfrakcyjnych. Aby obejrzeć obraz holograficzny, należy wywołać kliszę, zabrać fotografowany przedmiot z układu optycznego i zasłonić wiązkę przedmiotową. Wiązka obrazowa, przechodząc przez kliszę, ulegnie załamaniu na prążkach dyfrakcyjnych i utworzy obraz holograficzny.

Produkcja hologramów uzyskiwanych opisaną metodą – przy użyciu układu optycznego i lasera – jest bardzo prosta i możliwa do realizacji nawet w domu. Za około 150 dolarów można nabyć w internecie proste zestawy edukacyjne pozwalające wykonać własny hologram. Powstające w ten sposób hologramy pełnią funkcje ozdobne, a często służą jako materiały poglądowe na uczelniach technicznych.

Komercyjne zastosowanie hologramów, jako elementów zabezpieczających i potwierdzających autentyczność opatrzonego nimi produktu, wymusiło zastosowanie bardziej zaawansowanych metod. Znane m.in. z kart kredytowych hologramy tęczowe – mieniące się różnymi kolorami w zależności od kąta patrzenia – są produkowane przy wykorzystaniu mikrolitografii. Nadal jednak chodzi o wytworzenie struktury prążków dyfrakcyjnych.

Aby hologramu nie można było podrobić, stosuje się efekty wizualne. Do najprostszych należy zmiana koloru elementów wraz ze zmianą kąta patrzenia na hologram. Równie popularny jest efekt flip-flop, czyli umieszczenie w tym samym miejscu hologramu dwóch obrazów – w zależności od tego, pod jakim kątem patrzysz na hologram, widzisz jeden albo drugi obraz. Z kolei animacje elementów uzyskuje się poprzez zapisanie w jednym miejscu szeregu obrazów – każdy przedstawia inny stan elementu.

Efekty wizualne to jedynie tzw. pierwsza linia zabezpieczeń. Hologramy wykorzystywane np. w przepustkach mają także zabezpieczenia niewidoczne dla ludzkiego oka. Są to np. kryptogramy widoczne przy użyciu czytników laserowych, czy też mikrostruktury – napisy składające się z liter wysokości kilku mikrometrów. Ich podrobienie, nawet przy wykorzystaniu odpowiedniej technologii mikrolitografii, jest praktycznie niemożliwe.

Hologramy umieszcza się zazwyczaj na taśmach samoniszczących. Dzięki temu po jednokrotnym przyklejeniu taśmy hologramu np. do opakowania nie można bez uszkodzenia zerwać go i umieścić w innym miejscu. Zamiast taśmy stosuje się też wgrzewanie folii z hologramem w elementy podłoża. Warstwy holograficznej nie da się wówczas oddzielić od folii.

Każdy indywidualny wzór hologramu jest rejestrowany w Międzynarodowym Rejestrze Hologramów – organizacji, która zrzesza przeszło 70 największych firm produkujących holograficzne zabezpieczenia. Organizacja jest gwarantem oryginalności poszczególnych hologramów i dba o prawa autorskie ich producentów.

Tak jak w zwykłym hologramie, występuje tu wiązka odniesienia i przedmiotowa. Fotografowany przedmiot to wyświetlany np. na ekranie LCD układ jasnych i ciemnych punktów, które odpowiadają jedynkom i zerom. Ekran zmienia układ punktów kilka tysięcy razy na sekundę, a każda konfiguracja jest zapisywana w innym miejscu obracającego się dysku holograficznego. Do odczytu danych służy detektor umieszczony nad dyskiem holograficznym. Odczyt następuje w momencie gdy przez powierzchnię dysku przechodzi tylko wiązka odniesienia. Wiązka przedmiotowa jest przesłaniana, a ekran LCD wyłączany.

Skoro hologram pozwala zapisać w postaci obrazu interferencyjnego dowolną informację, dlaczego nie stworzyć holograficznej dyskietki do przechowywania dużych ilości danych? Prace nad realizacją tego pomysłu trwały przez większą część ubiegłego wieku (patrz ramka „Geneza holografii”), lecz dopiero upowszechnienie laserów, które emitują światło idealnie nadające się do tworzenia hologramów, pozwoliło na praktyczną realizację założeń teoretycznych. Obecnie dyski holograficzne są wykorzystywane przez duże firmy, które potrzebują pojemnych nośników do przechowywania ogromnych, liczonych w terabajtach, ilości danych.

Do zapisu dysków holograficznych używa się półprzewodnikowych laserów niebieskich (długość fali 405 nm). W przeciwieństwie do płyt CD czy DVD zadanie lasera nie polega na wypaleniu ścieżek na powierzchni płyty, ale zobrazowaniu obiektu na powierzchni krążka holograficznego. Obiektem jest tu układ czarnych i jasnych kropek (patrz schemat „Jak działa dysk holograficzny”). Odpowiadają one zeru i jedynce w binarnym systemie zapisu danych, którym posługuje się komputer. Jasne i czarne pola mogą być wyświetlone np. na monitorze LCD. Każdy układ jasnych i ciemnych punktów, który ukaże się na monitorze, jest zapisywany jako oddzielny hologram na innym fragmencie dysku.

Dużą zaletą dysków holograficznych jest ich trwałość liczona w dziesiątkach lat oraz możliwość odczytania informacji z uszkodzonego nośnika. Ponieważ cała informacja o obrazie zapisywanego przedmiotu jest zgromadzona w każdym fragmencie hologramu nie mniejszym niż długość fali lasera użytego do zapisu, informacje można odzyskać nawet z tak niewielkiego fragmentu odłamanego od reszty hologramu.

W produkcji dysków holograficznych oraz urządzeń do ich zapisu i odczytu specjalizuje się m.in. firma InPhase. Jej „nagrywarka” o nazwie Tapestry – widoczna na zdjęciu – w obecnej wersji pozwala na zapis i odczyt dysku o pojemności do 1,6 terabajta. Dla porównania, na dwuwarstwowej płycie Blu-ray mieści się jedynie 50 GB danych. Dyski holograficzne od InPhase są jednokrotnego zapisu, ale opracowuje się już nośniki wielokrotnego zapisu. Z wyglądu przypominają zwykłą płytę CD – są przezroczyste i troszkę większe. Warstwa holograficzna znajduje się między dwoma warstwami ochronnymi. Całość jest pokryta warstwą antyrefleksyjną i zamknięta w plastikowej obudowie. Czas dostępu do danych liczy się w milisekundach, a prędkość zapisu dochodzi do 120 MB/s. Równie imponująca co parametry jest cena. Najnowszy model urządzenia Tapestry 300R kosztuje 18 tys. dolarów amerykańskich, a pojedyncza płytka 180 dolarów.

Oprócz przechowywania danych hologramy mogą też posłużyć do wyświetlania informacji w optycznych systemach HUD (Head-Up Display). Jest to rodzaj wyświetlacza, który nie przesłania widoku obszaru znajdującego się bezpośrednio za nim.

Z tego rodzaju rozwiązań korzystają już piloci samolotów, a powoli trafiają one także do samochodów i innych zastosowań. W samochodowym systemie HUD wszystkie kluczowe dla prowadzenia pojazdu informacje, np. prędkość czy numer biegu, są wyświetlane na przedniej szybie auta. Kierowca nie musi więc przenosić wzroku z drogi na deskę rozdzielczą, żeby je odczytać. Obraz wyświetlany na szybie pochodzi najczęściej z ekranu CRT lub LCD, a na szybę jest kierowany za pomocą układu optycznego. Alternatywą jest zastąpienie CRT i LCD wyświetlaczem holograficznym.

Zaletą takiego rozwiązania jest to, że obraz holograficzny powstaje w nieskończonej odległości od obserwatora – kierowca koncentrujący wzrok na odległym punkcie przed samochodem, np. znaku drogowym, widzi ostro także element HUD. Innym plusem jest to, że hologram jest widoczny przy oświetleniu tylko jednym kolorem światła – tym, który został użyty przy tworzeniu hologramu – a gdy jest oświetlany innymi kolorami, pozostaje niewidoczny. Dzięki temu elementy holograficzne HUD są bardzo jasne, mają duży kontrast, a nieoświetlone są niewidoczne i nie przesłaniają widoku.

Holograficzny HUD montowany jest na razie głównie w prototypowych modelach samochodów. Jednym z przykładów aut z holograficznym HUD-em jest nowoczesny Hyundai i-Blue zaprezentowany we wrześniu ubiegłego roku.