Как потрогать голограмму?

Голография – одно из самых выдающихся завоеваний современной науки и техники. Связано это в первую очередь с тем, что она обладает уникальным и примечательным свойством – восстанавливать цельное и стабильное изображение записанных предметов во всем их объеме на плоскости голографической пластины. А при определенных условиях возможно даже и проецирование удивительно четкого изображения в пространстве над ней. Эффект, как можно догадаться, нашел себе массовое применение. Должно быть, не каждый человек даже в общих чертах знает, как устроена голограмма и по каким физическим принципам она работает, но зато большинство из нас, впервые увидев ее, не остались равнодушными и испытали «вау-эффект».

Прогресс, как мы знаем, не стоит на месте. Уже сегодня разрабатываются технологии, позволяющие не только зрительно насладиться этой своего рода оптической иллюзией, но и буквально потрогать яркий и непривычный образ своими руками! Но обо всем по порядку.

Физика застывших фотонов

Само название этого футуристичного термина происходит от двух греческих слов: «голос» — «полный» и «графия» – «пишу», то есть дословно – «полная запись». Но возникает вопрос: полная запись чего? Подразумевается полная запись об объекте всей его оптической структуры, которая необходима для его полного трехмерного воспроизведения.

По сути, знакомая нам всем фотография – это бабушка голографии, ее технологическая предшественница. В сравнении с фотографией голография – это метод записи и воспроизведения пространственного изображения с помощью лазера, а не просто световой вспышки (или даже без нее). При голографическом фотографировании фиксируется не само изображение предмета, а вся волновая картина рассеянного (отраженного) им света. Именно это создает удивительный эффект.

Как потрогать голограмму?И у «бабушки», и у «внучки» на самом деле общие задачи: запись, сохранение и максимально удобное воспроизведение зрительных объектов. Но в отличие от двумерной фотографии, изображения 3D-голографических объектов в максимальной степени схожи с реальными, поскольку голограмма позволяет поразительно точно воссоздать пространственную структуру отраженного объектом светового поля.

Как потрогать голограмму?Впервые в мире идея голографии была высказана в Великобритании Деннисом Габором в 1948 году.

Уже во второй половине 1940-х он доказал, что можно регистрировать значительно больше оптической информации, чем на фотографии, и не подозревал, еще к каким занимательным последствиям приведет это открытие. В 1971 году за изобретение и развитие голографического принципа регистрации информации Габор получил Нобелевскую премию по физике.

Открытие стало возможным благодаря использованию двух свойств световых волн – дифракции (преломление и огибание) и интерференции (изменение интенсивности света при наложении нескольких волн).

Как потрогать голограмму?
Деннис Габор, профессор Имперского колледжа Лондона

В процессе «проявления» голограммы в заданной точке пространства происходит наложение двух волн – так называемых опорной и объектной, образовавшихся в результате раздвоения луча лазера. Опорную волну создает сам источник света, а объектная отражается от того предмета, который мы записываем. Здесь же размещается фоточувствительная пластина, на которой «отпечатываются» темные полосы в зависимости от распределения электромагнитной энергии.

Проще говоря, то же самое происходит с обычной фотопленкой. Но если изображения с последней необходимо распечатывать на бумаге, то с голограммой все проще и быстрее. Достаточно снова осветить фотопластинку волной, близкой к опорной, и она преобразует ее в волну, близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи, – хотя самого объекта в пространстве нет.

Для лучшего понимания лучше взглянуть на схему:

Как потрогать голограмму?Будущее начинается вчера

После открытия Габора дверь в призрачное зазеркалье была отперта, и туда устремились лучшие умы своего времени, полные решимости улучшить технологию.

В 1968 году советский физик Юрий Денисюк впервые смог получить высококачественные голограммы. Для этого им была создана своя собственная, уникальная схема записи голограмм. Полученные с ее помощью изображения называются голограммами Денисюка и являются на сегодняшний день самым распространенным их типом. Также советский физик стал пионером в области голографической фотографии. Первый голографический портрет – это автопортрет самого ученого.

Как потрогать голограмму?
Юрий Денисюк

Еще через 10 лет, в 1977 году, американский физик Ллойд Кросс разработал мультиплексную голограмму – или, другими словами, изображение в 3D-формате. Новая технология принципиально отличалась от всех существующих методов тем, что состояла из сотен отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. На такую голограмму нельзя было посмотреть сверху и снизу, иллюзия объема возникала непосредственно перед зрителем.

Новый подход позволил оторваться от скучной реальности и дать волю воображению, создавая голограммы даже несуществующих объектов. Достаточно смоделировать на компьютере цифровой объект с множеством разных ракурсов и спроецировать его на полупрозрачную поверхность.

Пожалуй, именно с этого момента принципиальная идея голографии вышла за пределы своей строгой физической природы. Теперь инженеры и изобретатели искали все новые подходы для создания иллюзии объемного изображения, расширяя горизонты первоначальной концепции. Но цель оставалась прежней – поймать фотоны, пусть и иначе.

Таким образом, сейчас под голографией подразумевают практически все, что хотя бы отдаленно похоже на 3D-изображение – даже когда это всего лишь оптическая иллюзия.

Голографическое изображение настолько совершенно и реалистично, что зритель воспринимает его как физически ощутимый объект. Невольно появляется желание подойти к нему и потрогать. Тянешь к нему руку, но она словно пронзает призрак.

Как потрогать голограмму?
Мультиплексная голограмма

И так обстояли дела до этой самой осени, пока группа британских исследователей из Университета Сассекса не представила свою новую разработку – акустическую голограмму.

Устройство, которое весьма напоминает голографические интерфейсы, что использовались в «Звездных войнах», способно создавать объемные анимированные проекции, которые могут разговаривать и взаимодействовать с наблюдателями. Вот оно, будущее.

Как потрогать голограмму?Во время демонстрации работы технологии разработчики показали бабочку, хлопающую крыльями, висящий в воздухе таймер, написанный цифрами, и медленно левитирующую планету Земля.

Как потрогать голограмму?Изобретение не является голографическим проектором в привычном понимании. Соль технологии – в использовании трехмерного поля из стоячих ультразвуковых волн. Полное ее название – система мультимодального дисплея с акустической ловушкой (multimodal acoustic trap display, MATD). Инноваторы используют простую технологию: изображения возникают между двумя горизонтальными пластинами, в которые встроены сотни маленьких источников ультразвука (512 штук).

Изображения создаются в трехмерном пространстве, и их можно наблюдать под любым углом. С помощью контроля ультразвуковой волны ученые заставили объекты даже издавать звуки.

«Помимо простых цифровых объектов, дисплей может быть использован для создания новых форм визуального взаимодействия. Допустим, вы хотите почувствовать себя Гарри Поттером. Вы можете просто протянуть руку, произнести заклинание, и в руке у вас появится светящийся шар, который еще и будет издавать соответствующий звук», – рассказывает Шрирам Субраманян, один из создателей.

Как потрогать голограмму?С помощью динамиков генерируется неслышимое уху звуковое поле, которое создает «микрокарман» с областью низкого давления, в котором левитируют микрошарики из пластика. В этом пространстве и формируется изображение, которое проецируется обычным RGB-проектором. И самое важное – такие голограммы можно физически ощутить!

«С помощью этой технологии вы можете протянуть руку и ощутить цифровые изображения. Я представляю себе будущее, где 3D-дисплеи могут создавать ощущения, которые неотличимы от реальных физических объектов», – говорит Юэн Фримен, инженер.

Если прикоснуться к такой голограмме, излучатели ультразвука помогут ощутить колебания воздуха от взмахов крыльев бабочки и дать тактильно-обратную связь. Осуществляется это благодаря сильным вибрацииям ультразвуковых волн, которые воздействуют на кожные барорецепторы.

Инженерам и ученым из Сассекса удалось создать технологию, совмещающую сразу несколько функций, столь знакомых нам из научной фантастики, но до этого момента ни разу не воплощенных даже на уровне прототипов.

Голографическая проекция – уникальная технология, идеально подходящая для проведения презентаций, форумов, рекламы новых продуктов, медицины, выставок и шоу. Объемная визуализация информации открывает новые перспективы во многих сферах – от образования до индустрии развлечений.

К примеру, посредством голографии можно общаться с проекцией лектора с другого конца света. В 2015 году нобелевский лауреат по физике Карл Виман выступил в Университете Сингапура, не покидая США. Или другой пример: немецкое цирковое шоу в Ронкалли, где вместо животных выступают их голограммы. За год посмотреть голографический цирк пришли свыше 600 тысяч зрителей!

Возможности голографических проекторов с развитием современных технологий постоянно множатся, а качество проекций улучшается. Они становятся доступнее и компактнее.

А с появлением мобильных телефонов стало очевидно, что однажды эти знаковые технологии в какой-то форме будут взаимоинтегрированы. Так и произошло. Сегодня YouTube полон советов технических энтузиастов по превращению телефона в свой личный голографический проектор. Создать его не составляет труда, а при следовании простейшей инструкции займет это у вас не более 20 минут (достаточно сделать запрос на YouTube – «голограмма на телефоне»).

Технологии множатся и эволюционируют, и то, что еще вчера казалось эпизодом фантастического фильма, теперь может быть создано буквально «на коленке» любым желающим.

И кто знает, возможно, кого-то из читателей такие эксперименты подтолкнут к чему-то большему, и когда-нибудь в нашем распоряжении окажется технология, позволяющая не просто «потрогать» голограмму, скажем, розы, но и понюхать ее. По-моему, отличная идея для стартапа!

Дмитрий Бурлуцкий