ПостНаука продолжает рассказывать о современных технологиях в проекте «Банк знаний», созданном совместно с Корпоративным университетом Сбербанка.

Одной из областей применения голографии стала изобразительная голография. Это попытка осмыслить какие-то формы или объекты, отображая их в трехмерном виде. Художники всегда в своих работах старались как-то отобразить трехмерность. Человеческие глаза очень интересно воспринимают объем, и поэтому для человека трехмерный объект был всегда некий отличительный от изобразительного ряда элемент. Но все искусственные изображения, созданные человеком, были двумерными. Есть еще скульптура, но это просто трехмерный предмет. А создание иллюзии трехмерности было мечтой. И тогда начали развиваться области, которые сейчас называются стереофотография, или многоракурсная фотография, где можно с разных сторон посмотреть на предмет и увидеть его объем.

В отличие от этих областей, голограмма сразу регистрировала трехмерные изображения. Для нее очень естественно. Голографические выставки в 1970-е годы были очень популярны. Множество людей приходило, очереди стояли и у нас, и в Минске, и в Соединенных Штатах. Были аншлаги, чтобы посмотреть art holography — изобразительную голографию. Самым печальным ограничением этого процесса было то, что нельзя было передать динамику в этих трехмерных картинах.

Ученые старались придумывать методы мультипликации при записи голограмм. И появлялось микрокино, где можно было, двигаясь возле голограммы, увидеть, как развивается объект, который регистрировался на этой голограмме. К примеру, распускающиеся цветы: если их снять голограммой с определенным интервалом, то потом, развернув в пространстве процесс развития цветка, можно увидеть трехмерную картинку того, как изменялся цветок во времени. То есть движение в сторону movie-голографического существовало всегда. Но человеку хотелось бы что-то похожее на телевизор, потому что все уже к нему привыкли.

Рекомендуем по этой теме:
21785
Голография: история и применение

Электронные средства отображения информации позволяют очень быстро менять картинку. Это очень демократично, потому что они не такие дорогие. А голографическое кино оказалось очень дорогим. Оборудование для отображения — все это было очень сложно. И здесь возникает такая проблема: нет регистрирующих сред для динамической голографии. И часть результатов поиска этих сред сейчас уже выделилась в область, которая называется голографический дисплей.

Голографическими дисплеями чаще всего называют изображения, которые неголографические. В «Звездных войнах» вы видите некие голограммы человека, которые где-то в пространстве двигаются. Но там нет никакой голографии реально. Нет голографии, когда делают какие-то приставки к фотоаппаратам для съемки. Голография — это когда трехмерное изображение отображают в свободном пространстве, при этом в качестве носителя информации остается двумерный носитель, то есть обычная фотопленка, цифровой носитель информации, многократная запись изображения, а потом синтез в объемное изображение.

Как устроен голографический дисплей? Прежде всего, нам нужен источник света с очень хорошим качеством — три лазера. Чтобы у человека возникло полное цветовое представление, ему нужно три RGB-лазера. Следующий необходимый элемент — это осветительная система, чтобы преобразовать от лазера источник света к нужному формату и дальше осветить модулятор. И в качестве модуляторов сейчас для голографического дисплея можно использовать несколько элементов. Есть LCoS — это технология Liquid Crystal on Silicon. Это развитие жидкокристаллических дисплеев, но в применении к микроэлектронике, потому что все делается на базе подложки кремния: туда интегрируется дисплей, он оказывается эффективным и высокоразрешающим, и такой дисплей можно использовать.

А следующим элементом нужна оптика, которая могла преобразовать это довольно маленькое изображение и спроектировать его в нужный формат. И оптика тоже может быть голографическая. Но что будет характерно для такой оптики? Каждый лазер будет взаимодействовать со своим оптическим элементом, со своей частью оптической системы, потому что в голографии очень важна селективность по длине волны. Если мы сделаем что-то неселективное, у нас сразу на любом оптическом элементе образуется радуга и очень много мешающих изображений.

Конечно, иногда их используют. Радужная голография, то есть наклейки, — по одной координате радуга, а по другой видна объемная картинка. Но они обладают ограниченной функциональностью. Следовательно, чтобы преодолеть это, нужны оптические элементы, которые взаимодействуют только со своим лазером. К примеру, голографическая линза для красного света будет взаимодействовать только с красным излучением. Аналогично и для других линз. Голографические экраны — это те же линзы, на которые согласуют пучки, которые должны попасть к зрителю, с пучками, формирующимися на этом микродисплее.

А дальше очень важная вещь: чем выше качество отображаемой информации, тем более высокоразрешающие дисплеи надо использовать для голографии. И более того, разрешение дисплея с опережением идет по отношению к тому, что мы видим. Голография вообще обладает таким свойством: для отражения какой-то информации количество пикселей и отсчетов, которые надо закодировать в источнике информации, должно быть в два раза больше. То есть разрешение микродисплеев больше, чем-то разрешение, которое мы в голографическом изображении видим. И это базовая вещь. То есть голография должна обладать избыточностью, большим разрешением, чем-то, которое мы хотим увидеть в изображении. И здесь появляются технологические сложности.

Там, где невозможно сделать один дисплей одновременно и высокоразрешающий, и нужного размера, оптики придумывают схемы с мультиплицированием изображения, где каждая часть изображения выводится на свой микродисплей. Оптическая система преобразует отдельные изображения в одно синтезированное. И человек может двигаться вокруг этого уже голографического изображения и видеть его будет достаточно хорошо. Но для того, чтобы эта система была рабочей, необходима высокотехнологичность всех элементов, чтобы можно было интегрировать их в небольшой объем, ведь потенциально они могут быть вообще планарны, то есть могут стыковаться с планарной технологией микроэлектроники.

С другой стороны, все оптические элементы, которые создают для голографии, делаются на плоских подложках. Это очень важно, потому что вся элементная база современной оптики рассчитана на то, что у вас есть какой-то оптический объемный элемент. Он объемный, и его необходимо полировать, очень точно изготавливать просветляющее или, наоборот, отражающее покрытие для этого элемента. А для голографии все возможные элементы изготавливаются примерно одним способом — голографическим методом. Каждый раз, когда мы записываем какой-то элемент, мы модифицируем схемы записи. То есть мы на наших устройствах делаем какие-то специализированные установки для записи конкретного изображения или конкретного волнового фронта. Это занимает какое-то время, но развитие робототехники позволяет надеяться, что все это будет автоматизировано, а процесс перехода с одной записи на другой — упрощен.

Когда развивалось общее направление «голографический дисплей», оно рождало очень интересные применения дисплеев, которые показывали, что можно делать прикладные, более простые вещи, очень нужные, например отображение информации для летчиков или водителей на фоне лобового стекла. Ключевой элемент у этих систем отображения — совмещающее устройство для внешнего источника информации и для локального. По-английски это называется beam combined, когда вы совмещаете изображение окружающего вас мира с локальным источником информации. И в качестве совмещающего элемента голограмма оказалась очень полезна, так как она прозрачна.

В отличие от оптических элементов, линзы или зеркала, весь волновой фронт, весь свет преобразует в объеме стекла или на зеркале, а голограмма может это разделить. Она часть преобразует, а часть оказывается неиспользованной. Это так называемый недифрагированный свет. Это свойство голограмм оказалось ключевым для создания HMD (head-mounted display) — дисплеев, которые крепятся на голове. Также для летчиков и автомобилистов есть head-up display, то есть дисплей, который находится прямо перед вами. Они очень удобны, потому что позволяют не отвлекаться от окружающей вас обстановки, для того чтобы, например, считать какую-то служебную информацию с прибора.

Эта новая область поставила голографические оптические элементы на очень важную позицию. Это ключевой элемент для HMD, потому что все другие элементы уступают голограмме по критерию незаметности самого дисплея.

Второе применение голографических оптических элементов — построение объемного изображения с выносом. Что это такое? Это голограмма, из которой как бы выпирает изображение. То есть она не за экраном, а прямо перед вами из голограммы выходит изображение, и для части дисплеев это просто необходимо. К примеру, для медиков, когда они разбирают какую-то хирургическую операцию, где им нужно обязательно знать, что же в объеме происходило. И если у вас голограмма за стеклом, то влезть туда очень трудно. А построить изображение перед голограммой можно. И это очень полезно, потому что таким образом мы можем обратную связь как-то ввести. А для части профессий обратная связь очень важна, потому что это как тактильная чувствительность.

И во всех этих случаях помогает голография. Во-первых, она помогает, потому что делает голографические экраны — они малозаметные и не мешают. И во-вторых, часть оптической обработки информации, которая делается для таких дисплеев, — это тоже голография, только цифровая голограмма. Полная эмуляция распространения света и его взаимодействия с регистрирующей средой, между собой свет как интерферирует — все это эмулируется в электронном виде в компьютере. И результат этого подсчета можно вывести в качестве цифровой голограммы на носитель информации и отобразить. На этой стадии отображения тоже очень важны голографические и оптические элементы.

Для полного использования качеств трехмерных изображений их лучше освещать лазером, для которых нужны специфические осветители. И для любых мобильных устройств эти осветители должны быть как можно более компактны. И тут голография тоже говорит: «Вот мы можем». И исследователи в своих работах показывают, что голографические осветители гораздо компактнее обычных, традиционных осветителей, линзовых или зеркальных. Они плоские и достаточно эффективные. И они открывают для лазера путь в наш мир, непосредственно отображая информацию, потому что все, что сейчас мы в основном видим, — это светодиоды или стереосистемы, где используются традиционные источники света. А для голографических дисплеев лазер — принципиальная вещь. Он позволяет раскрыть большинство преимуществ оптической обработки трехмерной информации.

Мы с разных сторон идем к одной задаче — созданию голографического дисплея для массового применения. И если посмотреть передовые конференции, то там голографические дисплеи — это уже отдельная секция. И множество решений и работ демонстрируют, что успехи вот-вот приведут к прорыву.

Я хотел бы закончить оптимизмом, потому что сейчас голография — это место, где можно применить свои творческие силы. Это наука: есть свои законы, достижения, предрассудки. Но область очень быстро развивается, и она открыта, особенно для молодых. И я надеюсь, что голография во всем многообразии (цифровая, голография для интегральной оптики, голография для дисплеев) — это все будет в ближайшее время очень быстро развиваться, потому что базовые элементы уже есть. Надо только их творчески собрать и получить новое качество.