Чем сейчас занимается научная голография
Периодически на Хабре появляются новости о новых голографических устройствах. Одна из таких разработок, на которую мы обратили внимание, ― «голографический» дисплей, представленный на CES. Любопытно, что к голографии в научном понимании такие разработки имеют очень косвенное отношение. Holobox ― просто прозрачный жидкокристаллический экран, на который выводится плоская картинка ― проекция трехмерного объекта. Воспринять объем с помощью такого дисплея действительно можно, но только если смотреть прямо и избавиться от бликов.
Но голография как научное направление активно развивается. Возможно, новости этого сегмента не на хайпе, но здесь есть о чем рассказать. Разрабатываются новые материалы для записи полноцветных голограмм, фиксируется терминология, прорабатываются подходы и методы. В этой статье на примере работы Лаборатории цифровой и изобразительной голографии ИТМО поговорим о том, чем на самом деле живет научная голография (дисклеймер: речь пойдет о статических голограммах ― сферу динамических трогать не будем).
Голография в научном понимании
В отличие от фотографии, голограмма ― носитель, на котором зафиксирована не только амплитуда, но и фаза волнового фронта, приходящего от объекта.
Для записи голограммы объект освещается под определенным углом. После чего на специальном носителе фиксируются параметры отраженной (или прошедшей через объект) световой волны.
В середине прошлого века советский ученый Юрий Денисюк предложил записывать трехмерные голограммы отражательного типа на тонком светочувствительном материале на основе галогенида серебра. Предложенный процесс ― двухэтапный. При освещении объекта лазером на фотоматериале образуется скрытое изображение дифракционной структуры, а последующая обработка «проявляет» ее, делая возможным восстановление объектной волны.
Схема записи отражательных голограмм методом Ю.Н. Денисюка. Восстановление записанного голографического изображения осуществляется при помощи источника белого света, падающего на фотопластинку под тем же углом, под которым распространялся опорный пучок когерентного излучения
Позже были разработаны и альтернативные способы записи на фотополимерах, которым не требуется последующая проявка (пример). Но пока эти материалы полностью не могут заменить существующую технологию как минимум из-за светочувствительности. Это направление развивается, в том числе в сторону создания функциональных материалов, на которые можно писать полноцветные голограммы с высоким разрешением. Но на данный момент для задач изобразительной голографии в ИТМО в основном используют галогенид серебра.
В начале развития этой технологии голограммы записывались с экспозицией до десятков минут. Но развитие импульсных лазерных источников света сократило это время до наносекунд. И в целом процесс давно покинул стены лаборатории ― голограммы можно снимать даже «в поле» на месте проведения археологических раскопок.
По сравнению с фотографией голограммы обладают большим набором возможностей. С их помощью можно записывать и воспроизводить исчерпывающие данные о форме объекта с интерферометрической точностью ― 5–10×10^3 линий на мм. При этом голограммы могут иметь достаточно большие физические размеры. В Музее оптики Университета ИТМО хранятся одни из самых крупных голограмм в мире ― размерами 1,2×0,8 м. Всего таких голограмм три ― бюст Пушкина, бюст Ленина и голограмма с названием «Не для войны». Экспертный совет от имени Политехнического музея и Ассоциация содействия развитию научно-технических музеев АМНИТ официально присвоили голограмме бюста Пушкина статус «Памятник науки и техники России».
Таким образом, одна голограмма может иметь гигантскую информационную емкость. При этом некоторые виды голограмм могут храниться десятилетиями без каких-либо изменений, в то время как более традиционные носители информации ― кассеты, дискеты, жесткие диски ― сменяют друг друга раз в 5–10 лет (а форматы хранения меняются еще чаще).
Голограмма «Бюст Пушкина»
Следует разделять аналоговую, цифровую и компьютерную голографию:
Аналоговая голография ― «классическая». Она охватывает методы записи и чтения аналоговых голограмм с/на физические носители. Стоит отметить, что лазерное сканирование не имеет к аналоговой голографии никакого отношения. Это другой способ получить подробную информацию о поверхности трехмерного объекта. Именно аналоговые голограммы имеют максимальную информационную емкость. Простейшее применение ― «защитная» голография для выявления подделок бланков паспортов, банкнот, акцизов на спиртное. Как правило, для этого применяются радужные голограммы, но сейчас в этой сфере также внедряются новые методы.
Цифровая голография работает с дискретными моделями и включает аналого-цифровое преобразование информации: волновой фронт от аналоговых сцен регистрируется с помощью аналого-цифровых детекторов. С точки зрения информационной емкости цифровые голограммы проигрывают аналоговым, но имеют свои применения. Сейчас в этом направлении разрабатывают новые устройства фазовой визуализации (для получения амплитуды и фазы волнового фронта). Популярна запись голографических оптических элементов: вместо создания линзы ее сферический волновой фронт записывают на голограмму (своего рода дифракционную решетку). Это позволяет восстановить волновой фронт при освещении голограммы. Также изучается запись волновых решеток и совместителей пучков (бимкомбайнеров), которые могут найти применение в очках дополненной реальности.
Компьютерная голография (или synthesized holography в англоязычной литературе) по сути занимается обратным, цифро-аналоговым преобразованием. Это запись на аналоговые носители голограмм синтезированных моделей. Это одно из направлений современного искусства ― вывод изобразительной голографии, синтезированной на компьютере. С другой стороны, компьютерная голография сейчас идет по пути создания истинно голографических дисплеев (проекты вроде Holobox или «голографических вентиляторов» к истиной голографии не имеют отношения). Эту задачу активно решают в Корее, Японии и немного в Китае. Параллельно разрабатываются принтеры, способные наносить на физические носители полные данные о характеристиках волнового фронта.
Даже в научной литературе до сих пор иногда путают понятия, особенно в части компьютерной и цифровой голографии. В 2021 году в России появился ГОСТ по Оптике, фотонике и голографии (документ доступен в трех частях: 1, 2, 3), который закрепил основные определения. Предыдущий ГОСТ был выпущен еще в 1981 году, так что в новый документ вошло много новых понятий, касающихся цифровой голографии и преобразований аналога в цифру и обратно. И хотя ГОСТ полностью не решает проблему путанницы, это хороший шаг в эту сторону.
Изобразительная голография
Мы в Лаборатории цифровой и изобразительной голографии ИТМО работаем на стыке цифровой, аналоговой и компьютерной голографии.
Лаборатория продолжает разработки Юрия Денисюка. Кстати, располагается она в том же Красном домике на Кадетской линии в Петербурге, где долгое время работал сам Юрий Николаевич.
Так как голограммы сохраняют не только амплитуду, но и фазу световой волны (то есть фактически «запоминают» форму объекта), изобразительная голография применяется для архивного или музейного хранения, где форма объекта представляет ценность. Такие голограммы можно использовать для реставрационных работ и решения различных задач археологии. Обычно зрители видят в изобразительной голографии только эстетический смысл. Однако проблематика здесь шире. На фоне разработки оптических транзисторов или новых протоколов связи она, конечно, кажется узкоспециализированной, но от этого не становится менее актуальной.
Направлению изобразительной голографии уже около 60 лет. За это время в мире накопилось довольно много записанных голограмм различных ценных объектов. Например, в 1982 году была записана большая коллекция голограмм скифского золота из запасников Государственного Эрмитажа. Еще один пример ― интернет-галерея голограмм различных музейных объектов на сайте Юрия Николаевича Денисюка.
Некоторые из объектов-оригиналов, использовавшихся при съемке голограмм, уже утрачены, другие могут являться предметом юридических споров и поэтому недоступны для исследователей. Но голограммы можно снять одномоментно, а потом воспроизводить и анализировать без ограничений. Копирование позволяет одновременно демонстрировать один и тот же объект в разных выставочных комплексах.
Понятно, что голограмма не может заменить реальные предметы культурного наследия в археологических, палеонтологических и прочих методах исследований. Но это хороший способ сохранить и передать информацию об объектах, когда традиционные методы по каким-то причинам недоступны (подробнее об этом разбирается в статье). А еще это целый набор подходов для неразрушающего контроля изменений объектов культурного наследия.
Изредка в разных странах организуются специализированные выставки изобразительных голограмм, то есть эта область становится самостоятельным направлением искусства. В Музее оптики ИТМО в Санкт-Петербурге выставлено несколько таких голограмм.
Известные галереи голограмм:
Оцифровка голографического изображения
Записанные голограммы представляют большую ценность, поскольку регистрируют гораздо больше информации, чем обычные фотографии или видео. Но чтобы не просто посмотреть на них, а как-то проанализировать информацию, получить новые сведения об объекте-оригинале (заметить прогрессирующие дефекты, исследовать объекты, к которым нет доступа и так далее), нужны современные методы обработки. Аналоговое голографическое изображение необходимо оцифровать.
Оцифровка ― это преобразование всей или части информации, сохраненной при помощи изобразительной голограммы. Например, оцифровка отдельных ракурсов изображения. Для этого применяются различные методы― подбираются параметры восстанавливающего освещения и способы регистрации полученной объектной волны, чтобы в цифровой формат из первоначальной голограммы попал максимальный объем данных. Восстановленную голограмму можно снять с рук на смартфон с разных ракурсов и получить 3D модель. А можно использовать более специализированные подходы.
В Лаборатории цифровой изобразительной голографии ИТМО прорабатывают метод фотограмметрической оцифровки, в рамках которой освещенная под определенным углом голограмма фотографируется под разными углами. Далее, используя триангуляционные алгоритмы, можно построить множество точек ― реконструировать трехмерную модель объекта, изображенного на голограмме.
Преимущества этого метода в том, что можно использовать широко распространенное недорогое оборудование. Кроме того, метод не накладывает ограничений на физические размеры голограммы.
Результат оцифровки голограммы ― трехмерная модель объекта, которую можно воспроизвести с помощью любой технологии прототипирования ― хоть на 3D-принтере.
Цифро-аналоговое преобразование
Параллельно развивается обратный процесс ― цифро-аналоговое преобразование трехмерных объектов, то есть запись голограмм из 3D-моделей. Объем информации, сохраненный в такой аналоговой голограмме, получается меньшим, поскольку изначально синтезированное на компьютере изображение выводится на голограмму при помощи дискретных пространственных модуляторов света.
В этом направлении разрабатываются голографические волновые принтеры, способные синтезировать волновой фонд и записывать его на носитель (это сфера интересов коллег из Японии). Существуют и различные псевдоголографические методы, когда на носитель записывается несколько разных ракурсов изображения (получается не полноценная голограмма, а стереограмма).
Контроль качества голограммы
Отдельное направление работы ― контроль сохранности голограммы при длительном хранении и в процессе работы с ними. Выше мы отмечали, что некоторые виды голограмм могут хранить информацию в течение длительного времени. Но все же не вечность. Цветные голограммы деградируют, и это происходит быстрее, если фотоматериал интенсивно освещается ярким светом, то есть голограмма не просто хранится в запасниках, а демонстрируется публике или регулярно используется для проведения экспериментов.
Детальное изучение процессов деградации пока на начальной стадии. Отдельные работы в этом направлении, опубликованные ранее, описывают некоторые подходы к оценке качества голограмм тестовых объектов, но универсального и достаточно легко воспроизводимого метода пока нет. Лаборатория цифровой изобразительной голографии ИТМО занимается как раз проработкой таких методов применительно к цветным изобразительным голограммам. И исследования удобно проводить на экспонатах Музея оптики ИТМО ― они постоянно освещаются широкополосными источниками света.
Лаборатория цифровой изобразительной голографии ИТМО
Кстати, данных о деградации монохромных отражательных голограмм пока нет ― за десятки лет изучения их структура не изменилась. Дело в том, что процессы записи и химической постобработки цветных и монохромных голограмм несколько отличаются. Для цветных, помимо проявления и фиксации, часто применяется процедура отбеливания, позволяющая сделать изображение ярче. Но одновременно с улучшением картинки она вызывает вымывание серебра из материала, на который записана голограмма. Для монохромных голограмм отбеливание применяется только в отдельных случаях, поэтому и влияния такого не имеет. Процедуры работы с монохромными голограммами, наоборот, обеспечивают образование защитной оболочки из серебра. Однако, про сохранность на очень больших промежутках времени говорить пока рано ― с момента записи первых голограмм не прошло и 100 лет.
Помимо методов оценки качества изображения, нужны методы сохранения дифракционной структуры. Голограммы достаточно чувствительны к перепадам температуры, уровню влажности в помещении и интенсивности излучения, которым восстанавливается изображение. Хотя монохромная голограмма записывается на определенной длине волны, она может менять свой цвет ― спектр может сдвигаться в красную область или в зеленую в одном и том же помещении зимой, когда один уровень влажности, и летом ― при других показателях. Это значит, что эмульсионный слой меняет толщину: набухает или, наоборот, высыхает ― и это приводит к изменению показателя преломления. Методы контроля дифракционной структуры могли бы помочь с определением требований к хранению и экспозиции голограмм-памятников. Ведь такие документы есть для обычных, привычных нам экспонатов ― скульптур, живописи. И эту задачу еще только предстоит решить.
Кажется, что разработки в области изобразительной голографии далеки от технического мейнстрима. Но мир постепенно движется к созданию истинно голографических дисплеев и очков дополненной реальности. Пока это единичные и очень дорогие решения, но все больше как крупных компаний, так и стартапов делают ставку на подобные разработки. Рано или поздно они увенчаются успехом. И полагаем, что с появлением подобной техники записанные ранее голограммы, а также процессы их оцифровки, станут намного более востребованными.
