Оптические призраки: что скрывается за термином голограмма?

Когда речь идет о голограммах, то большинство представляет себе голографическую связь как в саге «Звездные войны». Однако гораздо чаще в нашем мире люди сталкиваются с радужными голограммами. Их можно увидеть на деньгах, пластиковых карточках и на этикетках как средство защиты от фальсификации и элемент декора. В 2015 году ученые из Университета ИТМО разработали методику печати радужных голограмм на обычном струйном принтере. Корреспондент NewTone разобрался, что такое голограмма и в чем преимущества новой технологии.

Что такое голограмма?

Голограмма — объемное реалистичное изображение, которое получается на стеклянной пластине. Термин «голография» в 1947 году ввел Деннис Габор, венгерский ученый, получивший Нобелевскую премию по физике. Именно он изложил основные принципы голографии. Но изображения Габора отличались низким качеством, поскольку когерентным источником света — то есть источником с согласованным протеканием волновых процессов — были газоразрядные лампы с очень узкими линиями в спектре испускания. Поэтому голография активно не развивалась до 60-х годов прошлого века, то есть до изобретения лазера, который стали использовать как источник когерентного излучения. Уже в 1962 году Юрий Николаевич Денисюк, советский физик, предложил метод записи голограмм, который применяется до сих пор (разве что с небольшими усовершенствованиями).

Запись происходит в абсолютной темноте. Лазерный луч проходит для расширения через систему линз, затем через стекло с эмульсией и освещает предмет, голограмму которого нужно создать. Часть волн отражается от предмета и возвращается обратно на пластинку. Таким образом, на ней встречаются световые лучи, идущие навстречу друг другу. Это приводит к образованию на стекле интерференционной картины, то есть чередования светлых и темных полосок, которые не видны невооруженным глазом. Они показывают, как происходит взаимодействие встретившихся световых лучей. Светлые участки означают, что волны усилили друг друга, потому что пришли в одной фазе. Темные, соответственно, говорят об обратном. Так записывается информация о том, как предмет выглядит в объеме. Запись длится от долей до нескольких секунд. Потом пластинка словно обычная фотопленка опускается в закрепитель и проявитель. И если дальше эту пластинку осветить привычным белым светом (например, фонариком) под тем же углом, под которым был направлен лазерный луч, то появится объемное изображение, похожее на исходный объект!
Если при записи использовать один лазер, то голограмма получится монохромной. Если же пластинку освещать тремя лазерами — красным, зеленым и синим, — то можно записать полноцветную голограмму. Красный, зеленый и синий цвета — это базовые составляющие стандартной RGB-палитры. Иными словами, в совокупности эти три цвета дают обычный белый свет, который включает в себя все цвета и оттенки.

Радужная защита

Что касается радужных голограмм, то впервые подобное изображение изготовил Стивен Бентон в 1969 году. Открытие, сделанное Бентоном, позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем «штамповки». Этим методом изготавливаются они и сейчас. Сначала делается мастер-голограмма: на металлическую пластину, покрытую светочувствительным материалом, экспонируют голографическую картину, на поверхности после промывки проявляется микрорельеф, соответствующий радужному изображению. Затем металлическая пластина используется для «штамповки» этого «радужного» микрорельефа на поверхности полимерных пластин или пленок. В совокупности для получения рисунка может понадобиться до нескольких дней. Однако видимость подобных голограмм может снижаться со временем вплоть до полного исчезновения рисунка. Это связано с разрушением микро­рельефа под воздействием внешних факторов: влаги, жира, выделяемого пальцами... Методы защиты радужных голограмм, конечно, существуют, но они требуют дорогостоящего оборудования.
Ученые из международной лаборатории «Растворная химия передовых материалов и технологий» Университета ИТМО создали нанокристаллические чернила из коллоидного раствора диоксида титана, позволяющие сократить издержки производства радужных голограмм. Эти чернила наносятся с помощью принтера на голографическую пленку, а затем всю структуру покрывают лаком. Разработанная методика позволяет упростить и удешевить процесс создания радужных голограмм, а также сократить время их изготовления до нескольких минут.

Александр Виноградов, руководитель проекта:

— За основу мы взяли технологию создания пленок с высоким показателем преломления на поверхности голограмм, используя методы растворной химии. При помощи струйного принтера наносятся равномерные покрытия, содержащие наночастицы диоксида титана. При испарении растворителя наночастицы создают покрытия с высоким коэффициентом преломления. Исходную коллоидную систему затруднительно сразу было использовать в качестве чернил для такого принтера, поэтому мы отрегулировали у чернил вязкость и поверхностное натяжение. Если их нанести на голографическую пленку в виде текста и изображений, а затем покрыть такую структуру лаком, то можно добиться эффекта маскирования. Такой подход позволяет быстро и легко создавать уникальные голографические рисунки на основе голографической подложки. Сейчас мы думаем о коммерциализации продукта и введении его на рынок.

Цифровые двойники

Обычные нерадужные голограммы создаются не только по методу Денисюка. Их можно распечатать на специальном голографическом принтере, например, на литовском принтере Geola. Сначала нужный объект моделируется с различных ракурсов на компьютере, а затем запускается печать на принтере. В результате на поверхности фотоматериала попиксельно наносится та же самая интерференционная картина. При освещении цифровой голограммы наблюдатель увидит объемное изображение. Таким образом, можно делать голограммы даже несуществующих объектов. Но качество подобных объемных изображений хуже, и они изготавливаются намного дольше, чем созданные по методу Денисюка. Цифровые голограммы печатаются от нескольких часов до нескольких суток.

А потрогать можно?

Концерн BMW на выставке CES 2017 представил прототип голографического интерфейса HoloActive Touch. Он позволяет управлять различными функциями автомобиля с помощью жестов рук водителя на голограмме, которая возникает в воздухе напротив приборной панели. Cистема HoloActive Touch представляет из себя парящий в воздухе экран для управления мультимедийной системой. Движения пальцев отслеживаются специальной камерой. Управление во многом повторяет взаимодействие человека с обычными сенсорными гаджетами. Но BMW пока что не спешит внедрять эту технологию в новые автомобили.
Осенью компания Holovect собрала более 70 тысяч долларов на площадке Kickstarter на выпуск домашнего голографического векторного дисплея, работающего на основе лазеров. С помощью этого девайса можно рисовать трехмерные изображения прямо в воздухе. В основе работы устройства лежит умение направить лазерный луч под нужным углом с необходимым коэффициентом преломления. Создавать сложные объемные фигуры с помощью него пока что нельзя, но нарисовать небольшую пирамиду в воздухе в области 12 х 12 х 12 см вполне можно. Приобрести Holovect можно за 899 долларов, доставка осуществляется по всему миру и начнется в июне 2017 года. 

Материал опубликован в журнале NewTone