Голограммы:
секреты лазерного зазеркалья

Что такое голография и далеко ли она ушла от фотографии?
Голография — ​это попытка сохранить как можно больше информации об объекте. В отличие от фотоснимков, на которых мы видим плоскую картинку, качественная голограмма выглядит как исходный объект. У нее есть объем, текстура, блики, тени, меняющиеся в зависимости от угла наблюдения. То есть с виду это полная копия.

Свет — ​в том числе и волна, а значит, у него есть волновые характеристики: амплитуда, фаза. Классическая фотография сохраняет лишь амплитуду, превращая ее в интенсивность — ​квадрат амплитуды. В процессе фотографирования цвет создается по принципу цветоделения. Есть три цветовых канала: красный, синий, зеленый; каждый сохраняется в своей области. Допустим, каждый второй пиксель — ​красный, каждый третий — ​зеленый. Глаз объединяет эту информацию, создавая цветное изображение. Это называется физиологически точным цветовосприятием — ​глаз достраивает цветную картинку.

Голография же позволяет возникнуть физически точному цветовосприятию. Цвет — ​это длина световой волны; если сохранить информацию о длинах световых волн, то можно восстановить исходный цвет объекта, а не тот, который достроил наш глаз. Причем глаза разных людей видят цвета немного по-разному. Как объяснить слепому или дальтонику, что такое зеленый цвет? У нас нет эталона, но есть длина волны. Для лазерных физиков 532 нанометра — ​это длина волны гелий-­неонового лазера, она зеленая. Так что мы можем сказать: всё, что светит с длиной волны 532 нанометра, — ​зеленого цвета. Это абсолютный эталон, и голография способна зарегистрировать именно эту длину волны, не полагаясь на наше восприятие.

Таким образом, голография позволяет сохранять информацию о световой волне и об амплитуде, как и классическая фотография, но также — ​информацию о фазе. Зарегистрировать фазу напрямую проблематично — ​нет приборов, легко реагирующих на ее изменения. Но за счет явлений интерференции, то есть способности двух схожих когерентных волн усиливать или ослаблять друг друга, можно перенести информацию о фазе в регистрируемое свой­ство — ​амплитуду. Напомню: интерференция — ​это чередование светлых и темных полос. По сути дела, голограмма — ​это интерференционная картина, но гораздо более сложная: полосы не просто чередуются, они могут иметь сложную форму, разные периоды, накладываться друг на друга.

Как голограмма выглядит физически?
Есть голограмма, а есть изображение, записанное на нее. Голограмма может быть как физическим объектом, так и цифровым файлом.

Классическая (аналоговая) голограмма. Это стеклянная пластинка с фоточувствительным слоем, на которую ­что-то записали. Если эту голограмму правильно осветить, то есть восстановить, — ​мы увидим изображение, которое на нее записали. Ту самую трехмерную картинку — ​красивую, яркую, с бликами, тенями.

Цифровая голограмма. Помимо аналоговой голографии есть дискретная, которая, в свою очередь, может быть компьютерной и цифровой.

Цифровая голография создается так же, как аналоговая, только вместо фоточувствительной пластинки используется фоторегистратор, например камера. На матрицу камеры записывается интерференционная картина. Получается цифровой файл, с которым можно работать как с любым другим файлом. Например, переслать по почте, повысить качество голограммы, отредактировать ее.

Компьютерная голограмма. В отличие от цифровой, компьютерная голограмма позволяет не ограничиваться физическими объектами. Например, можно создать голограмму объекта, не существующего в природе. Поскольку уравнение, описывающее распространение света в среде, — ​вещь известная, можно рассчитать, как выглядела бы интерференционная картина несуществующего объекта, и «восстановить» изображение с нее. Соответственно, если мы синтезировали голограмму и рассчитали интерференционную картину несуществующего объекта — ​это и будет компьютерной голографией. Далее эту интерференционную картину можно воплотить физически. Например, распечатать на пленке при помощи хорошего лазерного принтера, а потом правильно осветить — ​и увидеть голограмму.

Для восстановления нужна такая же световая волна, которая использовалась при записи, то есть тот же источник излучения. Если изначально применялась лазерная указка, то и восстанавливать изображение нужно ею. Есть и менее требовательные виды голограмм. Некоторые даже можно восстанавливать просто белым светом — ​он состоит из волн всех длин, и голограммы сами выхватывают нужную им длину волны. Но изображение, при создании которого использовался тот же источник света, что и при записи, получится наиболее качественным.

Что не является голограммой?
Даже сами голографы не всегда могут договориться о том, что́ считать голограммой. Я люблю проводить такой эксперимент. Раз в год открываю поиск по картинкам в Google и вбиваю запрос «Голограмма». В среднем только 10−30 % представленных на экране изображений выглядят хотя бы похожими на голограммы. Сейчас принято называть голограммой любое трехмерное изображение или все, что нам кажется таковым. Вот шорт-лист того, что голограммами не является.

«Голографические» пирамидки. Несколько лет назад такие пирамидки из стекла и пластика были очень популярны. Можно было купить пирамидку, поставить на свой смартфон, скачать специальный ролик, запустить его и, как утверждали создатели, увидеть голограмму. На самом деле это двухмерное изображение в каждой плоскости пирамидки, просто в видеофайле было так хорошо подобрано сочетание освещения и картинки, что изображение казалось трехмерным. Но тени на нем не бегали, как на реальном объекте, и, если посмотреть на пирамидку с ребра, можно было увидеть две картинки.

Есть четыре наклонных экрана — ​грани пирамидки, есть освещение от экрана смартфона, есть плоское псевдотрехмерное изображение. С помощью этой же технологии лет 10−15 назад организовывали концерты умерших или никогда не существовавших исполнителей — ​так называемых вокалоидов. На сцене ставили экран, правильно подбирали освещение, видеоролики — ​и в зале создавалось впечатление, что на сцене выступает трехмерный человек. К голографии всё это не имеет никакого отношения — ​нам только кажется, что мы видим трехмерный объект.

3D-видео. Это тоже не голография. Если вы ­когда-­нибудь снимали в кинотеатре трехмерные очки, то обнаруживали, что картинка на экране очень мутная. Дело в том, что там одновременно показывают две картинки — ​для левого глаза и для правого. Очки их разделяют, и мозг достраивает получаемое изображение до трехмерного. Это высококачественный обман.

Кстати, как узнать, что перед вами не голограмма? Я думаю, многим знакома головная боль при выходе из 3D-кинотеатра. Для того чтобы обмануть мозг, картинки должны быть очень хорошо подобраны, располагаться на правильном расстоянии друг от друга, четко попадать в нужный глаз. Если все эти параметры немного сбиты, мозг пытается скорректировать изображение, которое в реальности наблюдать не может. Особенно сильная головная боль возникает, когда изображения для разных глаз перепутаны.

«Голограммы» в «Звездных вой­нах». Я процентов на 80 уверена, что это не голограмма, а трехмерная проекция в воздухе. Но, имея перед глазами только результат работы, не всегда можно восстановить ее физические принципы.

Есть технология, не являющаяся голографией, но приводящая к похожему эффекту, — ​Fairy Lights, ­что-то вроде новогодних огоньков. С помощью мощного лазера атомы газа в воздухе ионизируются и начинают светиться. То есть изображение строится в воздухе, как на экране монитора, попиксельно, только используются воксели — ​трехмерные пиксели. Так можно создать любой рисунок. Технология, использованная в «Звездных вой­нах», мне кажется, больше всего похожа на эту.

Где сейчас применяют голограммы?
Классические голограммы достаточно распространены — ​думаю, многие с ними сталкивались.

Защитная аналоговая голограмма. Ее используют, например, на банковских картах — ​это красивый радужный прямоугольник, одно из средств защиты. Он даже может оказаться трехмерным. Голографические изображения есть и на акцизных марках. В некоторых странах используют банкноты с голографической защитой, есть проекты о защите таким способом лекарств и продуктов питания.

Сама по себе голограмма — ​это интерференционная картина, период ее полосок очень мал. Она сравнима с длиной волны света — ​сотни нанометров, может быть, единицы микрометров. Если полоски нарушить, голограмма перестанет восстанавливать красивое четкое изображение. Соответственно, если эту интерференционную картину нанести на поверхность, целостность которой нужно сохранить, то по тому, видна голограмма или нет, можно определить качество поверхности. Например, если нанести голограмму на облатку лекарства, и оно будет неправильно храниться (с нарушением температурного режима), то поверхность «поплывет», голограмма разрушится.

Плюс голограммы в том, что никакая экстремально сложная физика за ней не стоит, но подделать ее довольно трудно. А еще она симпатично выглядит — ​каждая страна хочет иметь красивые валюту и паспорт.

Насадки на лазерной указке. Лазерные указки часто продаются с комплектом насадок, создающих фигурные изображения. Внутри у них — ​маленькая прозрачная пленка, на которую нанесена голограмма, — ​именно она создает рисунок. Изображения, записанные голографически, не обязаны быть трехмерными, можно записать и двухмерную картинку. Ее можно разместить очень близко к источнику освещения. Если в эту насадку поместить обычный трафарет, он не сработает из-за дифракции: свет расходится настолько быстро, что получится просто пятно. А голограмма позволяет сфокусировать картинку и увидеть ее на довольно большом расстоянии.

Виртуальная и дополненная реальность. Голограммы используются в VR и AR технологиях. Например, система Google Glass, не «взлетевшая» с первой попытки, но пытающаяся сделать это во второй раз. Она основана на голографических принципах: наблюдаемое изображение дополняется компьютерно синтезированными голограммами интерфейсов.

Декоративное искусство. Одна из областей использования голографии — ​создание оптических клонов; оно развилось в конце 2010‑х годов. Создаются весьма качественные аналоговые голограммы, ничем не отличающиеся от исходных объектов. Это уже продемонстрировано на примере произведений искусства — ​так голографировали яйца Фаберже. Посетители музеев, где были выставлены эти голограммы, утверждали: у них создавалось полное впечатление, что они видели исходные объекты.

С помощью голографии можно создавать красивые световые инсталляции: не обязательно ставить на каждом углу пластиковую или живую новогоднюю елку — ​можно создавать световые. Помимо всего прочего, украшение городов к Новому году голографиями будет дешевле. Оптические технологии требуют гораздо меньше энергии, чем многочисленные лампочки — ​накаливания и диодные. Кроме того, их удобно хранить: можно сложить голограммы стопкой и убрать до следующего года.

Оптическое кодирование информации. Принципы, лежащие в основе классической цифровой криптографии, пока не удалось математически сформулировать. Поэтому ученые ищут новые физические принципы, которые можно было бы использовать. Один из вариантов — ​оптическое кодирование. Это целый набор технологий, в одних голограммы используются, в других — ​нет.

Как это работает? Каждую точку исходного изображения можно превратить в некое другое изображение. Затем все результирующие изображения сложить — ​и получить закодированное. Это не математическое разложение по простым числам, используемое в классической криптографии, это работа с двухмерными изображениями.

В чем преимущества этой технологии? Оптическое излучение позволяет работать не только с интенсивностью и амплитудой, но и с фазой, со спектральными составляющими. Получается много каналов, с помощью которых можно создавать искажения. Также можно работать с двухмерными наборами данных. Получается некий аналог ключа кодирования. Только в классических алгоритмах одна строчка цифр, например 256 бит, а здесь ключом кодирования может быть двухмерная картинка. Например, 256 на 256 пикселей, и еще у каждого пикселя — ​255 градаций яркости. Взломать такой алгоритм довольно сложно.

По сравнению с классической криптографией у оптики есть еще одно интересное преимущество. Чтобы закодировать информацию классическими методами, ее нужно иметь у себя на компьютере в незакодированном виде. Для ее кодировки необходимо применить ­какую-то программу. При оптическом кодировании, если говорить о картинках и видеопотоках, можно кодировать их непосредственно в процессе регистрации. То есть незакодированная информация не существует — ​это повышает ее защищенность.

Голографические видеозвонки
Мне хочется верить, что такое станет возможным: сидя за ноутбуком, мы сможем увидеть на экране голограмму вместо обычной картинки. Мы сможем записывать цифровую голограмму человека в режиме реального времени и передавать этот файл на ноутбук адресата, чтобы он там восстановился. Пока этого не позволяет элементная база. Чтобы получить хорошую аналоговую голограмму, нужна фотопластинка с разрешением порядка 5 тыс. линий на 1 мм — ​примерно 200 нанометров. У современных камер размер пикселя 2−4 микрометра, а у экрана, используемого для вывода голограмм, — ​8−10 микрометров. То есть разрешения не хватает для того, чтобы создавать качественные голограммы для видеосвязи. Но вопрос элементной базы — ​это не про «да» или «нет», это про «когда». Скорее всего, в обозримом будущем эту проблему удастся решить.

Как создать голограмму в домашних условиях?
Голограмму можно создать у себя дома. Конечно, она будет не такого качества, как созданная в хорошей лаборатории, но, если постараться, результат получить можно. Вам понадобятся:

• источник освещения. Он должен быть монохромным — ​как можно ближе к одной длине волны. Также он должен быть когерентным, в идеале это лазер, но можно использовать и хорошую лазерную указку. При этом нужно убрать всю паразитную засветку — ​обеспечить темноту.
• фотопластинка, высококачественная — ​с очень большим количеством линий на 1 мм; в свободной продаже есть пластинки до 5 тыс. линий на 1 мм. Это число показывает, насколько плотно можно записать интерференционную картину, — ​чем оно выше, тем лучше.
• светоделительный кубик или зеркало. Вам нужно получить интерференционную картину, поэтому излучение от лазера надо разделить на два пучка. Два лазера не подойдут — ​нужны когерентные источники, то есть излучение от одного и того же лазера. Получить два когерентных друг другу пучка можно с помощью светоделительного кубика или перекрыть половину пучка, выходящего из лазерной указки, зеркалом, но это будет недостаточно аккуратно. Лучше приобрести светоделительный кубик. Один пучок нужно направить на фотопластинку, второй — ​на объект, голограмму которого вы хотите записать. Если объект крупный, необходимо расширить этот лазерный пучок с помощью линзы, чтобы он освещал объект целиком. Отраженный от поверхности объекта свет тоже должен попасть на фотопластинку. Поскольку обе волны исходят от одного источника, они когерентны друг другу и будут интерферировать между собой. Одна из этих волн — та, которая отразилась от объекта, — ​так и называется: «объектная волна». Она будет нести информацию об объекте. Соответственно, когда она проинтерферирует с опортной волной, идущей непрерывно от лазера, получится интерференционная картина, которую мы запишем на фотопластинку. Это и будет голограмма.

Самое трудное в домашних условиях — ​изолировать систему от внешних колебаний, так как она чувствительна к искажению, сравнимому с длиной волны. Например, вы прошли мимо системы, случайно ее задели или громко топнули — ​система начнет колебаться, и интерференционная картина запишется с сильными искажениями. Любители часто используют большие ящики с песком — ​он гасит вибрацию. С этим придется помучаться, но если постараться — ​вы получите голограмму. Конечно, создать голограмму для технологического использования гораздо сложнее.