Zapis hologramu

Dział optyki stosowanej zajmujący się otrzymywaniem obrazów przestrzennych nazywa się holografią. Uzyskanie obrazu holograficznego składa się z dwóch etapów: zapisu i odtwarzania.
Zapis polega na fotograficznym zarejestrowaniu obrazu interferencyjnego wytworzonego przez dwie fale spójne (o tej samej fazie): jedną z lasera po ewentualnym odbiciu od zwierciadła jak na rysunku obok (fala odniesienia), i drugą pochodzącą od oświetlonego również laserem przedmiotu (fala przedmiotowa).
Uzyskany po wywołaniu hologram zawiera odpowiednio zakodowaną informację o amplitudzie i fazie fali pochodzącej od przedmiotu. Zapis ma postać szeregu prążków i pierścieni interferencyjnych. Zwykłe zdjęcie zawiera informacje jedynie o amplitudzie i w przypadku fotografii barwnej, o kolorze, która zależy od częstotliwość. Rejestrowanie dodatkowo fazy fali, pozwala na trójwymiarowe oglądanie przedmiotów.

Odtwarzanie hologramu

Odtwarzanie hologramu polega na oświetleniu hologramu, przy czym światło spójne, niezbędne przy zapisie, nie jest konieczne przy jego odtwarzaniu. W wyniku dyfrakcji fali odtwarzającej na treści hologramu powstają fale ugięte, które tworzą dwa obrazy przestrzenne, oddzielone od siebie: jeden rzeczywisty, drugi pozorny.
Przełamanie hologramu na wiele części nie niszczy informacji w nich zawartych. Oświetlenie części hologramu daje również obraz trójwymiarowy, tylko o mniej wyraźnych szczegółach. Na jednym hologramie można zarejestrować wiele różnych obrazów i kolejno je odtwarzać bez zakłóceń ze strony pozostałych. Dzięki temu można otrzymać barwne obrazy przedmiotów.
W jednym z wariantów holografii barwnej przedmiot oświetla się trzema wiązkami światła o różnych kolorach. Wiązki te stosuje się również do odtworzenia hologramu, tak, że z jednej czarno-białej błony w wyniku nałożenia trzech hologramów uzyskuje się trójwymiarowy obraz kolorowy.


Oczywiście od razu mamy na myśli telewizję i kino trójwymiarowe czyli holowizję. Niestety do wprowadzenia holowizji pozostało do rozwiązania sporo problemów technicznych.
Wymienimy obecne zastosowania hologramów: zabezpieczenie przed fałszowaniem dokumentów (banknoty, karty bankowe) i towarów, szyfrowanie informacji, rozpoznawanie obiektów i ich cech wspólnych (medycyna - wykrywanie komórek rakowych), pamięci holograficzne (terabajtowe HDD), holografia akustyczna (medycyna i defektoskopia), przemysł rozrywkowy (ruchome obiekty w dyskotekach).

Struktura atomowa substancji wykonana metodą holograficzną

Na poczatku 2005 roku zaczęto wprowadzać nowy typ nośnika danych, oparty na zapisie holograficznym. Dzięki temu na krążkach o średnicy płyty CD możliwe jest zmagazynowanie nawet 200 GB danych. Nowe nośniki nazwano HMD (Holographic Media Disc). Do zapisu wykorzystują one warstwę polimerów, które przechowują dane zapisane w postaci dwuwymiarowej matrycy. Jej zawartość może być odczytana po przejściu przez nią promienia lasera, padającego na specjalny detektor. Prędkość odczytu zapisanych w ten sposób danych osiąga ok. 200 MB/s. Rozpoczęto również próbną produkcję nagrywarek HMD. W niedalekiej przyszłości format HMD najprawdopodobniej całkowicie wyprze z rynku starzejące się już płyty CD.
Holograficzne obrazy można uzyskiwać również dla niewidzialnych długości fali np. podczerwieni, nadfioletu, promieni Roentgena czy gamma. Wykorzystuje się to do badań naukowych. Przykładowo polscy fizycy z Akademii Górniczo - Hutniczej i Uniwersytetu Jagiellońskiego używając promieni gamma uzyskali ostry obraz holograficzny kryształu o rozdzielczości lepszej niż 0,1 nm. Wiązka rozpraszana była na jądrach atomów substancji w szczególny sposób, zwany efektem Mossbauera. Specjalne czujniki rejestrują następnie skutki interferencji rozproszonego i nierozproszonego promieniowania, a dane są zapisywane w postaci dwuwymiarowego hologramu.
Komputerowa analiza hologramu pozwala na odtworzenie obrazu sąsiadujących atomów (a dokładnie ich jąder) tworzących daną substancję. Holografia nie dostarcza informacji o pojedynczych atomach, pozwala za to na uzyskanie informacji o trójwymiarowej strukturze całej próbki.


Nie są to w zasadzie hologramy ale znaki optycznie zmienne. Wykonane są one wielowarstwowo, których dwa lub więcej motywów graficznych widocznych jest naprzemienne, w zależności od kąta patrzenia (zmiana góra/dół lub lewo/prawo). Oglądając znak holograficzny obserwujemy różne efekty: przejście jednego obrazu w drugi płynnie lub skokowo, wyświetlanie jednego motywu graficzny, powiększającego się i zmniejszającego w zależności od kąta patrzenia na obraz lub wrażenie trójwymiarowości.
Taką technikę używa się do skutecznego zabezpieczenia dokumentów i towarów. Dzięki mieniącym się szczegółom weryfikacja możliwa jest gołym okiem i odbywa się błyskawicznie. Nie ma żadnej możliwości skopiowania tych znaków dostępnymi metodami - użycie fotokopiarek, skanerów i innych technik kopiowania jest nieskuteczne.

---

Widzenie przestrzenne możliwe jest tylko wtedy, gdy człowiek (lub zwierzę) patrzy na świat parą oczu. Obrazy, jakie padają na siatkówkę jednego i drugiego oka, nieco się różnią. Nic dziwnego, skoro oczy oddalone są od siebie o około 6,5 cm. Każde więc patrzy na obserwowany przedmiot pod nieci innym kątem. Te dwa różne obrazy trafiają do mózgu, który analizuje różnice, jakie występują pomiędzy obydwoma obrazami i na podstawie tych różnic wylicza odległość, w jakiej znajduje się obserwowany obiekt.
Mózg nie tylko analizuje różnice obrazów. Jest jeszcze wiele innych wskaźników podpowiadających naszemu mózgowi, jak widzieć trójwymiarowo. Kiedy człowiek porusza się, np. okrąża sześcian, to widzi jak zza krawędzi wyłania się kolejna ściana bryły i jak w trakcie ruchu jedne jej krawędzie pozornie skracają się, inne zaś wydłużają. Zestawiając kolejne obrazy, jakie powstają na siatkówce oka w trakcie takiego ruchu, mózg potrafi stworzyć wyobrażenie o przestrzennym wyglądzie bryły. Kolejną wskazówką, która pozwala mózgowi na wprowadzenie do naszego widzenia trzeciego wymiaru, są światłocienie. Na przykład po nierównomiernym oświetleniu ścian orientujemy się, że nie jest płaskim kwadratem, lecz stanowi bryłę przestrzenną. To, co jest ciemniejsze , wydaje się głębiej i dalej. W różnicach odległości orientujemy się również wtedy, gdy nasze oko ustawia ostrość wzroku czyli dokonuje tzw. akomodacji soczewki, a także gdy zmienia się wzajemne położenie gałek ocznych, np. robimy zeza zbieżnego, by przyjrzeć się czemuś, co jest bliżej. Również wygląd przedmiotów podpowiada mózgowi, jak są one rozmieszczone w przestrzeni.


Wykonujemy dwa zdjęcia zrobione z dwóch aparatów odsuniętych od siebie na odległość mnij więcej rozstawu oczu człowieka. Takie pary zdjęć trafiają od obróbki cyfrowej. W jednym zdjęciu czarne elementy zamieniane są na czerwone, a w drugim na niebieskie. Następnie należy je nałożyć na siebie z pewnym niedużym przesunięciem. Kiedy patrzy się na te zdjęcia bez okularów, wyglądają dziwacznie. Trochę rozmazane, z nierzeczywistymi kolorami. Aby widzieć przestrzennie zakładamy okulary z filtrami barwnymi. Każdy z barwnych filtrów przepuszcza tylko jeden z obrazów - przeznaczony tylko dla jednego oka. Dzięki temu do lewego oka trafia wyłącznie zdjęcie zrobione przez obiektyw, który znajdował się z lewej strony, a do prawego z prawej. Obserwacja tych dwóch obrazów. odseparowanych dzięki barwnym filtrom, powoduje w mózgu powstanie wrażenia trójwymiarowości.
Na podobnych zasadach tworzy się trójwymiarowe filmy. Najciekawsze filmy tworzy amerykańska wytwórnia IMAX, która używa taśmy filmowej o dziesięciokrotnie większej klatce niż w normalnym kinie. Filmuje obraz przez dwa obiektywy. Oba obrazy są przepuszczane przez dwa filtry polaryzacyjne ustawione wzajemnie prostopadle i nakładane są na siebie na ekranie. Oba obrazy są spolaryzowane w płaszczyznach wzajemnie prostopadłych. Różnica polega tylko na tym, że zamiast filtrów kolorowych w kinie stosuje się bezbarwne szkła, różniące się polaryzacją światła. Widz zakłada okulary, jedno szkiełko przepuszcza jeden obraz, a sąsiednie drugi. Człowiek nie rozróżnia polaryzacji, więc do mózgu docierają informacje o nieco innym wyglądzie i widzimy obraz przestrzenny.
Aby poczuć się nie jak widz tylko uczestnik akcji IMAX wykorzystuje jeszcze kilka dodatkowych atutów, by pogłębić nasze wrażenie trójwymiarowości. Szybko poruszająca się kamera, efekty dźwiękowe oraz fakt, że obraz oglądamy na niespotykanie wielkim ekranie (25 na 33 m). Dzięki nim twórcy filmów sięgają do mechanizmów odczuwania trzeciego wymiaru sprzężonych nawet z zachowaniem się błędnika i odpowiedzią fizjologiczną całego organizmu. Mózg człowieka czuje się w tym kinie tak mocno oszukany, że na wskutek samych wrażeń wzrokowych, podczas np. scen, w których kamera leci nad kamieniołomem, widź odczuwa prawdziwe przeciążenia, a żołądek naprawdę podchodzi mu do gardła.
Są to wszystko tylko wrażenia. Prawdziwe zdjęcia przestrzenne to holografia. Może kiedyś będziemy oglądać również filmy holograficzne.