Голография и её применение в современном мире

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

Введение

Глава 1. Что такое голография?

Глава 2. Историческая справка

Глава 3. Физические основы

3.1 Метод записи голограмм по Габору

3.2 Схема записи голограмм Лейта-Упатниекса

3.3 Схема записи трехмерных (объемных) голограмм

3.4 Схема записи отражательных голограмм Денисюка

Глава 4. Радужные голограммы

4.1 2D (двухмерная) голограмма

4.2 2D/3D голограмма

4.3 3D (трехмерная) голограмма

Глава 5. Многоракурсные и цифровые голограммы

Глава 6. Фотопластинки и лазеры

Глава 7. Применение голографии

7.1 Универсальное средство для борьбы с подделками

7.1.1 Монеты с голограммами

7.1.2 Использование голограмм на банкнотах

7.2 Предотвращение ДТП

7.3 Голографическое телевидение

Глава 8. Перспективы развития голографии

8.1 Голографическая мобильная связь

8.2 Телемедицина

Глава 9. Голографические запоминающие устройства

9.1 Голографические системы записи и хранения информации

9.2 Компоненты голографической памяти

9.3 Экспериментальные разработки систем голографической памяти

Заключение

Список литературы

Введение

Термин «голография» был предложен английским ученым Д. Габором, который в 1947 г. получил первую голограмму. Сейчас этот термин у всех на слуху, а метод голографии находит широкое применение в разных областях науки, и, вполне возможно, что вскоре он войдет в повседневную жизнь. Тем не менее, в наши дни мало кто (исключая, конечно, специалистов) представляет, что такое голография и где она может (или не может) найти применение. Массовая печать и научно-фантастическая литература часто преподносят голографию в довольно искаженном, неверном свете. Нередко они создают неправильное представление об этом методе. Увиденная впервые голограмма завораживает, но физическое объяснение того, как она работает, производит не меньшее впечатление. Только после этого начинаешь понимать, как потенциальные возможности, так и пределы применимости голографии - не только сегодня, но и в будущем.

Поэтому, я поставил перед собой задачу: разобраться в том, что такое голография, каковы физические основы этого метода, чем голограмма отличается от фотографии. Особенное внимание хотелось бы уделить вопросам применения и развития голографии, ведь голографические технологии - это технологии будущего. Уже сейчас есть проект создания голографической мобильной связи, а также, вполне возможно, что голография найдет применение и в медицине.

Глава 1. Что такое голография?

Голография (от греч. holos -- весь, полный и grapho -- пишу, черчу, рисую) - особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Такая фотографическая запись называется голограммой. При освещении лазером голограмма формирует изображение, которое представляет собой точную копию исходного трехмерного объекта и обнаруживает все свойства таких объектов, например, изменение перспективы при перемещении наблюдателя.

Метод голографии, применяемый в основном для регистрации информации, которую несет свет, отражающийся от некоего объекта или проходящий сквозь него, пригоден отнюдь не только для видимого света. Теоретически этот метод приложим ко всем другим волновым явлениям - звуковым волнам, сверхвысокочастотному, инфракрасному, рентгеновскому и электронному излучению. Этим и объясняется тот интерес, который вызывает голография; однако из-за практических трудностей ее пока не удалось применить к электронам и в рентгеновской области спектра.

голография связь цифровой лазер

Глава 2. Историческая справка

Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 г. первую голограмму. Открытие голографии было сделано им в ходе экспериментов по увеличению разрешающей способности электронного микроскопа. Названием «голография» Д. Габор подчеркнул, что метод позволяет зарегистрировать полную информацию об исследуемом объекте.

Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как, в результате фундаментальных исследований по квантовой электронике, выполненных советскими физиками и американским ученым Чарльзом Таунсом, в 1960 г. был создан первый лазер. В том же году профессором Т. Маймамом был сконструирован импульсный лазер на рубине. Эта система (в отличие от непрерывного лазера) дает мощные и короткие, длительностью в несколько наносекунд (10^-9 сек), лазерные импульсы, позволяющие фиксировать на голограмме подвижные объекты. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера в 1967 году.

Начало изобразительной голографии было положено работами Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (США), получившими в 1962 г. первую объемную пропускающую голограмму, восстанавливаемую в лазерном свете. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях повсюду в мире.

Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы академика Ю.Н. Денисюка, выполненные в 60-70-х годах XX века. Он впервые получил отражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в обычном, белом свете. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком.

Первые высококачественные голограммы по методу были выполнены в 1968 г. в СССР и , а в США - Л. Зибертом. В 1969 г. Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем «штамповки» интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т. д. Благодаря Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.

В 1977 г. Ллойд Кросс получил мультиплексную голограмму, состоящую из множества обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной плоскости. При перемещении такой голограммы в поле зрения можно увидеть все запечатленные кадры.

С середины 70-х годов ведутся разработки систем голографического кинематографа. В нашей стране значительные успехи в этом направлении были достигнуты специалистами Научно-исследовательского кино-фото института (НИКФИ) в Москве.

В настоящее время голография продолжает активно развиваться, и с каждым годом в этой области появляются новые интересные решения. Нет сомнения, что в будущем изобразительной голографии предстоит занять в жизни людей еще более значительное место.

Глава 3. Физические основы

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции световых волн. Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина (Рис. 1), то есть в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени.

Рис. 1 Картина итерференции

Такие согласованные волны называются когерентными. Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная лазерная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера (Рис. 72) - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

Рис. 2 Лазерная установка

3.1 Метод записи голограмм по Габору

Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул замечательную идею. Сущность ее реализации заключается в следующем. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, назвали опорным, а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным. Учитывая, что эти пучки получены из одного источника излучения, можно быть уверенным в том, что они когерентны. В данном случае интерференционная картина, образующаяся на пластинке, будет устойчива во времени, т. е. образуется изображение стоячей волны.

Полученная интерференционная картина является кодированным изображением, описывающим объект таким, каким он виден из всех точек фотопластинки. В этом изображении сохранена информация как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн и, следовательно, заложена информация о трехмерном (объемном) объекте. Фотографическая запись картины предметной и опорной волн обладает свойством восстанавливать изображение объекта, если на такую запись снова направить опорную волну. Т. е. при освещении записанной на пластине картины опорным пучком восстановится изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального. Если смотреть через пластинку под разными углами, можно наблюдать изображение объекта в перспективе с разных сторон. Конечно, полученную таким чудесным способом фотопластинку нельзя назвать фотографией. Это - голограмма.

Голограммы Габора отличались низким качеством, т. к. они создавались задолго до изобретения лазеров, а получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

3.2 Схема записи голограмм Лейта-Упатниекса

В 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие голограммы (рис. 3) - голограммы, которые получаются в результате интерференции объектного и опорного лучей при их падении на одну и ту же сторону голографической пластины или пленки. Для восстановления изображения необходим частично когерентный фильтрованный или когерентный лазерный свет, проходящий через голограмму.

Рис. 3 Пропускающая голограмма

Схема, предложенная ими, используется в изобразительной голографии повсеместно (рис. 4). Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка - предметный и опорный. Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок (объектный) попадает на фотопластинку. В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны. Остается только зарегистрировать ее обычным фотографическим путем.

Рис. 4 Запись пропускающей голограммы

3.3 Схема записи трехмерных (объемных) голограмм

Если голограмму записать в объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм (рис. 5). В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга: в результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности. После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет. Т. е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Рис. 5 Модель объемной голограммы

Такая толстослойная голограмма обеспечивает эффективное восстановление объектной волны при условии, что угол падения опорного пучка при записи и восстановлении останется неизменным. Не допускается также изменение длины волны света при восстановлении. Такая избирательность объемной пропускающей голограммы позволяет записать на пластинке до нескольких десятков изображений, изменяя угол падения опорного пучка соответственно при записи и восстановлении.

Схема записи пропускающих объемных голограмм аналогична схеме Лейта-Упатниекса для двумерных голограмм.

При восстановлении объемной голограммы, в отличие от плоских пропускающих голограмм, образуется только одно изображение вследствие отражения от голограммы восстанавливающего пучка только в одном направлении, определяемом углом Брэгга.

3.4 Схема записи отражательных голограмм Денисюка

Запись отражающей голограммы - голограмма, которая получается в результате интерференции объектного и опорного пучков, при их падении на разные стороны голографической пластины или пленки. Для восстановления изображения необходим некогерентный свет, отражающийся от голограммы к наблюдателю.

Идея создания отражательных голограмм принадлежит Ю.Н. Денисюку. Поэтому голограммы этого типа известны под именем их создателя.

Опорный и предметный световые пучки образуются с помощью делителя и посредством зеркала направляются на пластину с двух сторон. Предметная волна освещает фотографическую пластину со стороны эмульсионного слоя, опорная - со стороны стеклянной подложки. Плоскости Брэгга в таких условиях записи располагаются почти параллельно плоскости фотопластины. Таким образом, толщина фотослоя может быть сравнительно небольшой. На приведенной схеме (рис. 6) предметная волна образуется с пропускающей голограммы.

Рис. 6 Запись отражающей голограммы

Т. е. вначале изготавливаются обычные пропускающие голограммы по описанной выше технологии, а потом уже с этих голограмм изготавливают в режиме копирования голограммы Денисюка.

Основное свойство отражательных голограмм - это возможность восстановления записанного изображения с помощью источника белого света, например, лампы накаливания или солнца. Не менее важным свойством является цветовая избирательность голограммы. Это значит, что при восстановлении изображения белым светом, оно восстановится в том цвете, в каком было записано. Если для записи был использован, например, рубиновый лазер, то восстановленное изображение объекта будет красным.

В соответствии со свойством цветовой избирательности можно получить цветную голограмму объекта, в точности передающую его естественный цвет. Для этого необходимо при записи голограммы смешать три цвета: красный, зеленый и синий либо провести последовательное экспонирование фотопластинки этими цветами.

Глава 4. Радужные голограммы

В начале 70-х гг. XX в. С. Бентон изобрел радужную голограмму - тонкую плоскую голограмму. Ее можно было наблюдать в обычном белом свете. Если посмотреть на голограмму через микроскоп с большим увеличением, мы увидим серию линий. Они представляют собой очень тонкие углубления на поверхности. На одном миллиметре формируется десятки тысяч линий. Расстояние между ними соизмеримо с длиной волны света. Такая структура является оптически активной, при попадании на нее белого света мы можем наблюдать радужный эффект. С. Бентон предложил также двухступенчатую схему получения радужной голограммы. Схема включала узкую щель и оптические элементы -- линзы.

По объемности восстановленного изображения выделяют следующие виды радужных голограмм:

4.1 2D (двухмерная) голограмма

Двухмерная голограмма (рис. 7) представляет собой набор дифракционных решеток, различающихся частотой и углом наклона штрихов. Строго говоря, это не голограммы, а дифракционные оптические элементы, синтезированные, как правило, из отдельных дифракционных решеток. Этот набор образует плоское многоцветное изображение.

Рис. 7

При изменении угла наблюдения меняется цвет отдельных частей изображения. 2D голограммы характеризуются высокой яркостью дифракционной картины и нетребовательностью к качеству источника света. По сравнению с другими видами голографических изображений, они сравнительно легко подделываются или имитируются и потому сами по себе редко используются для защиты, за исключением малоценных товаров.

4.2 2D/3D голограмма

Радужная голограмма этого типа имеет два плана (рис. 8). Первый план совпадает с поверхностью голограммы, и на этом плане может содержаться некое изображение или буквенная информация. Позади первого плана в глубине находится второй план, также содержащий некую информацию. При повороте голограммы в горизонтальном направлении мы видим смещение одного плана относительно другого (объемность) и изменение цвета, характерное для радужной голограммы при повороте ее в вертикальном направлении. Объемность изображения в данном случае обеспечивается существованием двух плоских (двумерных) планов. Важная особенность этого типа голограмм - их резкость зависит от характера источника света.

Рис. 8

Наиболее резкое изображение видно, когда голограмма освещается светом точечного источника. Если источник света протяженный, например, множество светильников на потолке, то задний план голограммы становится нерезким. Чем больше расстояние между двумя планами, тем более жесткие требования предъявляются к качеству источника света для того, чтобы второй план не выглядел размытым и был читаем. Строго говоря, это характерно для всех дифракционных изображений.

4.3 3D (трехмерная) голограмма

3D-голограммы воспроизводят объемное изображение реального объекта. Для их записи необходим реальный объект или его модель в масштабе 1:1. Такие голограммы полностью передают красочность и трехмерность объектов.

Рис. 9

Простейший пример трехмерной голограммы - изображение голубя на карточке VISA (рис. 9). Изображение может рассматриваться при освещении белым светом. При повороте голограммы в вертикальном направлении мы увидим, смену цвета голубя и отсутствие параллакса, что характерно для радужной голограммы. При внимательном рассмотрении этой голограммы путем поворота ее в горизонтальном направлении видно, что на ней записано объемное изображение модели голубя. Изображение, восстанавливаемое голограммой, представляет собой изображение реального объекта - модели голубя. Голограмма кажется очень простой и, на первый взгляд, не представляет трудностей для подделки. Само по себе, изображение голубя может быть сымитировано достаточно просто, однако это возможно только в плоском варианте. Цифровые методы также не позволяют создать голограмму, несущую полноценное трехмерное изображение. Таким образом, защитные свойства 3 D голограммы, подобной рассмотренной, задаются ее истинно объемным изображением реального объекта.

Глава 5. Многоракурсные и цифровые голограммы

В 1977 г. Л. Кросс предложил многоракурсные (мультиплексные) голограммы. В этом случае объект фотографируется обычным способом с различных углов зрения, после чего полученные таким способом снимки (ракурсы) записываются на смежные участки фотопластины. При наблюдении такой голограммы зрителю кажется, что он рассматривает объект с разных сторон, и в результате возникает иллюзия объемности изображения. Вместо фотографий могут быть использованы кадры динамической съемки или ракурсы трехмерной компьютерной графики. Такая голограмма, в предложенном Кроссом виде, также может наблюдаться в белом свете.

С развитием технологий и вычислительной техники стали популярны так называемые цифровые голограммы (рис. 10), в которых изображение рассчитывается при помощи компьютера и синтезируется из набора точечных голограмм. Синтезированные голограммы отличаются от оптических (радужных) повышенной яркостью и простотой реализации всевозможных кинетических эффектов.

Рис. 10

Глава 6. Фотопластинки и лазеры

Фотопластинки для голографии сильно отличаются от обычных фотопластинок и фотопленок для фотографии (рис. 11). Во-первых, они, как правило, чувствительны (сенсибилизированы) не ко всему спектру белого света, а только к той области, в которой излучает лазер. Во-вторых, разрешающая способность фотопластинок для голографии очень высокая. Например, при записи отражающих голограмм в схеме Денисюка на фотопластинке регистрируется интерференционная картина с периодом T менее 1 микрона. Поэтому разрешающая способность N = 1/(T/5) таких фотопластинок должна быть не менее 5000 лин/мм. Причем разрешающая способность любительских фотопленок редко превышает 200 лин/мм.

Рис. 11

Для записи голограмм используется специальный источник излучения - лазер. Две главные особенности отличают излучение лазера от излучения других источников света - монохроматичность и когерентность. Монохроматичным называют излучение, спектр которого очень узкий и визуально воспринимается как чистый цвет - красный, зеленый и т. д. Когерентность - более сложное понятие и определяется постоянством фазы волнового фронта, как в пространстве, так и во времени. Если монохроматичностью обладают (в разной степени) все лазеры, то когерентность присуща только лазерам, предназначенным для голографии или специальных измерений. Не вдаваясь в сложную теорию когерентности, можно сказать, что чем больше когерентность излучения лазера, тем большую глубину сцены можно записать на голограмме.

Глава 7. Применение голографии

7.1 Универсальное средство для борьбы с подделками

Многочисленные публикации и исследования в мировой прессе свидетельствуют: на сегодняшний день голография вышла на одно из первых мест среди средств, направленных на борьбу с подделками. Неслучайно, что этикетками с блестящими радужными изображениями государственные структуры снабжают визы в паспортах, пропуска, сертификаты, лицензии, денежные купюры и прочие весьма ценные бумаги.

С деньгами и визами все понятно. Рынок ценных бумаг определил для себя надежного партнера. Но стоит также остановиться на рынке потребительских товаров и методах определения подлинной продукции. Дело в том, что в последнее десятилетие потребители всего мира более чем часто сталкиваются с подделкой брендовых товаров -- тех, в продвижение которых производители вложили немало средств. И именно самые раскрученные марки оказывались под угрозой полной дискредитации.

Для того чтобы предотвратить разгул поддельной продукции, производители прибегали к смене упаковки, начинали более активно информировать потребителей «о текущем моменте». Однако не знающая сантиментов наука статистика показывает: от введения подобного рода новинок до их подделки проходит всего один месяц.

И поэтому использование голограммы для защиты товаров от подделки завоевывает все большее доверие.

Кстати говоря, голограмма -- это совершенно необязательно маленькая самоклеящаяся этикетка. На сегодняшний день активно применяется также голографическая упаковка как полимерная, так и на основе бумаги различной плотности.

И вот еще что ценят производители. Голографическая бумага -- идеальный материал для этикеток и на стеклянные, и на пластиковые бутылки. С одной стороны, голографический элемент, если можно так выразиться, надежно идентифицирует качественный товар, а с другой -- привлекает внимание покупателей яркой, переливающейся всеми цветами радуги упаковкой. Так что голограмма и голографические материалы на сегодняшний день не просто один из самых надежных и проверенных методов идентификации, но еще и самый красивый.

7.1.1 Монеты с голограммами

Первая монета с нанесённой на неё голографическим тиснением была выпущена в 1996 году в Гибралтаре. Отдавая дань великим судам, сыгравшим важную роль в истории государства, Гибралтар выбрал 4 исторических корабля для создания серии пробных золотых Монет. Одна из монет данной серии включала голографический элемент на парусе судна. 1500 монет были выпущены Английским Монетным Двором «Pobjoy Mint».

В 1999 году Канадский Монетный Двор (Royal Canadian Mint) выпустил голографическую монету Gold Maple Leaf (рис. 12) в честь празднования 20-тилетия Gold Maple Leaf программы (Золотой Кленовый лист - символ Канады). Было выпущено 500 наборов, каждый включал 5 монет и продавался за $2000. В том же году монета получила приз в номинации за «лучший голографический продукт» от Международной Ассоциации Производителей Голограмм (IHMA).

Рис. 12

Данное событие вызвало значительное повышение интереса у мировых монетных дворов, которые также успешно освоили технологию тиснения голографической матрицы на металлах: Pobjoy (Англия), Merrick (США), государственные монетные дворы Канады, Австралии, Польши, Чехии, Хорватии и Сингапура.

В январе 2011 года Монетный двор Польши представил свою новую разработку -- памятную монету с трехмерной голограммой (рис. 13). Эта монета посвящена Иоанну Павлу II. На ней впервые в мире была использована ахроматическая голограмма! Бесцветная голограмма (точнее, имеющая различные оттенки серого), изображающая лицо Папы Римского, воспринимается как трехмерная. Эффект объема возникает благодаря использованию нанотехнологии. Как и на других монетах, изготавливаемых на Монетном дворе Польши, данная голограмма является интегральной, то есть она выполнена непосредственно на металле, из которого изготовлена монета, а не наклеивается на поверхность монеты. Цветная интегральная голограмма уже использовалась на монетах, например, на прекрасных монетах серии «Парусные корабли».

Рис. 13

Фальсификация монет не наносит такой экономический урон, как подделка печатных банкнот, однако тот факт, что в Великобритании каждая 20 монета номиналом в 1 фунт оказывается фальшивкой, заставляет серьёзно задуматься о необходимости защитных мер.

Использование голографического эффекта на монетах широкого обращения связано с некоторыми техническими трудностями. Это касается стойкости штампа для тиснения, который должен сохранять деликатную структуру интерференционных полос рельефной голограммы даже при длительном использовании.

Ещё одной задачей в этой области является сохранение оттисненного изображения при соприкосновении голографической монеты с другими монетами в кошельке или кармане. Выходом из этой ситуации может быть нанесение голографического изображения в небольшом углублении или полости монеты, защищающем изображение от трения.

В любом случае, недалёк тот день, когда идея создания первой монеты с голограммой широкого обращения воплотится в жизнь. Ведь памятные и коллекционные монеты с голографическим изображением вызывают огромный интерес у коллекционеров по всему миру.

7.1.2 Использование голограмм на банкнотах

Вначале была бумага и чернила… Так начинается современная история банкнот. На 7-ой Международной конференции Интерпола по защите банкнот от подделок (1987 год) представители Таиланда рассказали о первых попытках использования оптически изменяемых чернил на банкнотах в целях защиты их от фальсификации. А уже в 1988 году Австрия выпустила национальную банкноту номиналом в 5000 шиллингов, содержащую голограмму с изображением Моцарта. Дальше больше - Австралия выпустила памятную банкноту из полимера с изображением Капитана Кука в прозрачном окошке, созданным с помощью компьютерных технологий. Это событие послужило своеобразной революцией среди защитных технологий банкнот, которые начали стремительно развиваться.

Полным доказательством этого явилось начало производства Евро. В 2002 году было выпущено более 13 миллиардов банкнот, содержащих голографические полосы и включения. Голограммы, используемые в Евро, содержат многоканальное динамическое изображение с меняющейся графикой при разных углах просмотра.

Памятная банкнота номиналом 1000 казахских тенге, выпущенная в январе 2011 года, является образцом оптической защиты нового уровня. Она содержит не только голографический элемент, но также и микроэлемент с эффектом линзы. Эта сложная технология получила название Varifeye и включает в себя лучшие характеристики бумаги и полимера.

Последней инновацией в голографической технологии явилось создание новой 100-долларовой купюры с использованием 3D голограмм (рис. 14). Презентация новой купюры, которая считается самой популярной как среди граждан всех стран мира, так и среди фальшивомонетчиков, состоялась еще в апреле 2010-го. Тогда создатели суперзащищенной банкноты рассказали публике о том, что новых 100 долларов подделать будет гораздо сложнее, нежели купюру старого образца. Создатели поставили перед собой цель - технологически обогнать фальшивомонетчиков, которые поднаторели в производстве банкнот старого образца. В последний раз дизайн и защиту ста долларов обновляли в 1996 году.

Рис. 14

Купюра с измененным дизайном и многоступенчатой системой защиты от подделок должна появиться в обороте с февраля 2012 года. Кстати, монетный двор США старается больше для других стран - как известно, более 80% наличных долларов обращаются за пределами Америки. Жители США предпочитают безналичные расчеты. Массовое использование «зеленых» за пределами страны обусловлено также тем, что во многих государствах американские доллары являются второй, неофициальной валютой. По неофициальным данным, только на руках у граждан России в настоящее время находится около 40 миллиардов американских долларов. Монетный двор США производит купюры, по сути, на экспорт, отправляя в разные страны мира грузовые самолеты с бумажными деньгами. Что характерно, сами американцы пользуются в основном мелкими долларами - например, купюру номиналом в 5 долларов можно встретить практически исключительно в США.

Лицом новых 100 долларов (старые будут изыматься из оборота постепенно) останется Бенджамин Франклин, и на обратной стороне, как и ранее, изображен Индепенденс-холл. Новые банкноты, по уверениям их разработчиков, будут обладать повышенной защитой от подделки. Усложнить жизнь фальшивомонетчикам призваны новые водяные знаки и сразу несколько голографических защитных элементов. Одно из основных новшеств в защите - голографическое изображение колокола свободы - одного из символов независимости США. При изменении угла колокол меняет свой цвет - от медного до розового. Самый же заметный элемент, который призван помочь определить подлинность купюры - синяя «3D-полоска», выполненная также с применением голографических технологий.

Стоит отметить, что голограммы для защиты национальной валюты в настоящее время применяют в более чем 80 странах мира. Кроме того, защитными голографическими элементами пользуются для защиты удостоверений личности, кредитных карт и так далее. Популярность и эффективность голограмм обусловлена несколькими факторами - дешевизной в производстве и простотой идентификации. Для того чтобы определить подлинность товара или документа, на котором есть голограмма, достаточно зрительного анализа - никаких технических устройств не требуется.

7.2. Предотвращение ДТП

В декабре 2009 г. китайский дизайнер Hanyoung Lee изобрёл оригинальное средство, заставляющее водителей останавливаться на красный сигнал светофора. Одновременно с запрещающим сигналом на проезжей части возникает проекция изображения пешеходов (рис. 15). Такая виртуальная «стена» действует на водителей эффективнее обычного красного света. После смены цвета светофора «стена» становится желтой, а потом исчезает. Автор отмечает, что даже если автомобиль пересечет «преграду», голограмма не нанесет никакого вреда ни машине, ни водителю.

Рис. 15

А ровно через год, в декабре 2010 г., сотрудники российского Физического института им. РАН (ФИАН) предложили использовать голограммы для изготовления дорожных знаков и разметки.

Современные дороги подчас перенасыщены информацией, что нередко приводит к рассеянности внимания водителей. Например, о наличии впереди дорожной полосы ответвления, связанного только с этой полосой, вовсе не обязательно знать владельцам авто с соседней полосы. Аналогична ситуация с разрешением или запрещением поворота для отдельных полос на перекрестке. Пространство видения голографического изображения может быть разделено на необходимое количество воспроизводимых для конкретной позиции информационных сообщений.

«Использование голографических дорожных знаков позволило бы иначе подойти к организации дорожного движения - распараллелить его, или другими словами, выдавать инструкции каждому участнику движения в зависимости от его положения на дороге. При этом для конкретных условий или участка дороги можно записать свой собственный «универсальный знак», - рассказывает руководитель проекта, заведующий лабораторией сверхбыстродействующей оптоэлектроники и обработки информации ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Андрей Путилин.

Максимальный угол обзора голограммы может достигать 180 градусов, а минимальный угол обзора конкретного ракурса - доли градуса (рис. 16). Однако воспроизводить различные изображения с разных точек можно не только в зависимости от угла зрения, но и от расстояния до голограммы, иными словами, можно структурировать все пространство вокруг нее. Например, есть возможность «научить» голографический знак увеличивать яркость - ярко вспыхивать или начинать мерцать - при приближении к нему транспорта на определенное расстояние, а известно, что вся изменяющаяся информация хорошо привлекает к себе внимание.

Рис. 16

Также радужные голограммы могут служить в качестве ретрорефлектора, отражающего свет фар. В этом случае голографический светоотражатель будет способен разделять по цвету свет, отраженный от собственных фар конкретного автомобиля и фар автомобиля, идущего навстречу, идущего по соседней полосе или выезжающего сзади на обгон.

«Если использовать голограмму в качестве ретрорефлектора, тогда то, что освещается конкретным автомобилем, будет светиться его водителю, скажем, зеленым, а в обратную сторону, например, красным. Это будет показателем того, что по определенной полосе уже кто-то движется, и значит ехать туда нельзя», - комментирует Андрей Путилин.

Еще один пример использования голограмм на дороге - оповещение пешеходов о приближении автомобиля. Не секрет, что пешеходы порой «забывают» про светофоры, а водители - про «зебру». Голографические мигающие знаки, встроенные непосредственно в проезжую часть или около нее, могли бы оповестить пешехода о возможной опасности, а водителя - о пешеходном переходе впереди, то есть послужить на пользу представителям обеих групп участников дорожного движения. Но и это отнюдь не все преимущества использования голограмм на дороге.

7.3 Голографическое телевидение

Технологии стереоскопического 3D изначально далеки от совершенства; по сути, они просто обеспечивают иллюзию глубины картинки и к настоящему трехмерному изображению имеют лишь отдаленное отношение. А вот лазерная голография - это настоящее, серьезное 3D, которое позволяет видеть объекты в любом ракурсе без использования специальных очков, чего современные 3D-телевизоры не умеют.

И вот, в ноябре 2010 г., американские ученые из Университета Аризоны разработали способ получать трехмерные изображения движущихся объектов в режиме реального времени (такие же, какие были показаны в киноэпопее Джорджа Лукаса «Звездные войны»), причем для просмотра не нужно специальное оборудование наподобие очков. Работа исследователей была вынесена на обложку журнала «Nature», а коротко она описана в пресс-релизе университета штата Аризоны.

Созданная учеными технология основана на использовании нового фотореактивного материала, который позволяет обновлять голограммы каждые две секунды. В итоге изображение изменяется достаточно быстро для того, чтобы у наблюдателя создавалось ощущение, что он следит за происходящим в реальном времени.

Для записи изображения используются несколько камер, которые «смотрят» на объект под разными углами (чем больше камер, тем более четким и реалистичным будет итоговая проекция). Полученная с камер информация кодируется и выдается в форме коротких лазерных импульсов, которые взаимодействуют с излучением другого лазера, работающего как «нулевой уровень». Результат взаимодействия записывается на пластину, покрытую фотореактивным полимером. Каждый импульс лазера соответствует отдельному «хогелю» (сокращение от английского holographic pixel, что означает «голографический пиксель») - то есть трехмерному пикселю.

Созданное голографическое изображение исчезает по прошествии нескольких минут или секунд в зависимости от условий эксперимента. Новое изображение, записываемое на ту же пластину, также полностью стирает старый вариант.

Для воспроизведения записи необходим покрытый полимером 3D-экран, оснащенный описанной выше системой лазеров. Голографические изображения можно передавать по интернету, если скорость соединения это позволяет. Пока исследователи продемонстрировали свою технологию на экране диагональю 10 дюймов (25,4 сантиметра), однако, по их словам, в лаборатории уже был успешно проведен тест для 17-дюймового экрана (43,2 сантиметра).

Уже в декабре 2010 г. Компания «Zebra Imaging» создала трехмерные голографические карты, доступные для просмотра без каких бы то ни было очков. Трехмерные карты представляются в полном цвете и достаточно высоком разрешении, чтобы рассмотреть даже самые мелкие детали. И, конечно, рассматривать эти картинки можно под любым углом из всего 360-градусного диапазона. Кроме того, система позволяет создавать многослойные изображения, чтобы пользователь мог увидеть не только, скажем, фасад здания, но и то, что находится внутри. Разработчики заявляют, что могут создать любую 3D-картинку, и обойдется это в сумму от одной до трех тысяч долларов. А широкому кругу потребителей данная технология, по мнению «Zebra Imaging», будет доступна примерно через десять лет.

Одним из последних достижений голографического кинематографа стало изобретение в феврале 2011 г. новой системы голографического телевидения, которая захватывает изображение движущегося объекта и в реальном времени передаёт его через Интернет на голографический дисплей. Картинка пока обладает низким разрешением, но это именно голограмма, а не простое стереоскопическое изображение. Большая часть этой любопытной системы телеприсутствия собрана из купленных на рынке электронных устройств, хотя совсем без оригинальной техники не обошлось.

По мнению авторов инновации, специалистов из группы объектного медиа Массачусетского технологического института (MIT Object-Based Media Group), этот путь -- самый быстрый способ вывести изобретение на рынок. Для съёмки голограммы специалисты MIT, ведомые главой группы Майклом Бове (Michael Bove), использовали серийную камеру Kinect, обладающую инфракрасными сенсорами глубины элементов сцены.

Эти сенсоры ловят отражение от «структурированного» ИК-луча (Structured light), проецируемого на объекты перед камерой, что позволяет компьютеру строить трёхмерный образ предметов. Полученная камерой информация передаётся на ноутбук, а тот посылает её через Сеть на почти обычный ПК с тремя графическими процессорами. Те уже преобразовывают исходные данные в дифракционную картину. А последняя переправляется на единственный нестандартный элемент комплекса -- голографический дисплей MarkII, созданный в MIT ранее. В передаче голограмм в реальном времени производительность процессоров имеет решающее значение, именно потому потребовалось три графических «камня». Создатели комплекса составили программу так, чтобы максимально использовать возможности этих чипов.

Глава 8. Перспективы развития голографии

8.1 Голографическая мобильная связь

Нью-Йоркская корпорация «International Business Machines Corp.», более известная как компания «IBM», имеет одну хорошую традицию -- в конце каждого года она предсказывает технологии, которые будут разработаны в ближайшие пять лет. По мнению компьютерного гиганта, в 2015 году пользователям мобильной связи станут доступны трехмерные голографические звонки.

Предсказания компании «IBM» базируются не на пустом месте. Она собирает информацию от трех тысяч своих разработчиков, а затем публикует пять наиболее перспективных идей. Среди них на первом месте «IBM» поставила трехмерные голографические звонки. Говоря другими словами, в будущем мобильные телефоны смогут проецировать объемные изображения, как это делал, любимый многими, робот R2D2 в кинофильме «Звездные войны». Прогноз компании «IBM» выглядит очень оптимистичным, но если учесть, что она ежегодно вкладывает миллиарды долларов в разработки исследования, то не исключено, что у нее получится разработать соответствующие технологии.

8.2 Телемедицина

Одним из наиболее реальных и перспективных направлений развития голографии является именно телемедицина. Хирурги из разных стран по всему миру смогут использовать технологию для трехмерного наблюдения за проведением операций в реальном времени и принимать участие в операции. Вся система будет полностью автоматизирована и будет контролироваться компьютером. Лазерные сигналы смогут сами кодироваться и передаваться, а приемник способен самостоятельно проводить рендеринг изображения.

Глава 9. Голографические запоминающие устройства

9.1 Голографические системы записи и хранения информации

Плотность записанной информации, т. е. объем информации, приходящейся на единицу площади носителя ? одна из главных характеристик запоминающего устройства. Для оптических систем записи информации принципиальным ограничением плотности записи на поверхности оптического диска является дифракционный предел, обусловленный волновой природой света и определяющий минимальный размер пятна в фокусе записывающей/считывающей оптической системы. Согласно теории оптическое излучение может быть сфокусировано в пятно с размером ?л/2 (где л - длина волны света). Это значит, что максимальная плотность записи оптической информации может достигать порядка 4/л2, то есть более 10⁹ бит/см². При увеличении объема и плотности записи информации неизбежно возникает необходимость увеличения скорости поиска и выборки нужной части информации. Поиск новых возможностей увеличения информационной плотности записи и скорости выборки информации ведется по многим направлениям, в том числе в области голографии, которая, в силу своих специфических свойств, является одним из наиболее перспективных кандидатов на создание высокоэффективных систем записи и хранения информации. Использование голографического метода для хранения информации было предложено впервые в 1963 г. Ван Хирденом.

Как известно, голографический принцип записи состоит в регистрации одновременно объектной (несущей информацию об объекте) и опорной волн. При этом в результате сложения взаимно когерентных опорной и объектной волн происходит преобразование фазовых соотношений в амплитудную структуру интерференционной картины. Регистрация этой интерференционной картины на голографическом оптическом диске и приводит к записи голограммы (рис. 17). Изменения в материале голографического диска могут быть в виде модуляции поглощения, показателя преломления или толщины. Прогресс в разработке голографических систем хранения информации связан в основном с развитием современных технологий, позволяющих производить относительно дешевые устройства ввода/вывода информации, а также успехами в разработке новых регистрирующих сред для голографической записи.

Рис. 17

Особенности голографического метода записи информации.

1) Голографический метод позволяет создавать трехмерное пространственное изображение объекта, которое не может быть создано в такой же степени каким-либо другим способом.

2) При голографической записи можно использовать для хранения информации не только поверхность, но и объем записывающего материала, что значительно увеличивает плотность записи, поскольку угловая и спектральная селективность объемных голограмм позволяет осуществлять многократную запись информации на один и тот же участок регистрирующего материала.

3) Голографический метод позволяет регистрировать прозрачные объекты, в которых отдельные части отличаются не коэффициентом пропускания и отражения, а изменением показателя преломления или толщины объекта, влияющим на изменение длины оптического пути.

4) При восстановлении волнового фронта с голограммы можно получить действительное изображение объекта с максимальным разрешением не только в поперечном, но и продольном направлениях. Такая особенность голографического метода применяется, например, при измерении размеров микрочастиц в аэрозолях, при изучении биологических объектов и для более общих задач микроскопии.

5) Опорная волна, образующая вместе с объектной волной интерференционную картину, может быть модулирована в результате прохождения через специальную маску. Восстанавливаться изображение будет только при прохождении опорного пучка через такую же маску. Это свойство может быть использовано, например, в устройствах с фазово-кодированным мультиплексированием.

6) Голографический метод позволяет осуществлять суперпозицию интерференционных полей. В связи с этим можно получить интерферограмму не только от двух (или более) одновременно существующих объектов, но также от объектов, голографируемых в разное время, в том числе и одного, изменяющегося во времени объекта. Это свойство голографической записи привело к созданию голографической интерферометрии, методы которой позволяют изучать не только деформации объектов, но также фазовую структуру прозрачных объектов.

7) Голографический метод позволяет реализовать свойство ассоциативности голограмм, заключающееся в том, что при освещении голограммы частью объектного пучка, восстанавливается опорная волна, соответствующая той, которая была использована при записи данного объекта.

8) Голографический метод позволяет реализовать так называемую распределенную запись информации, что повышает надежность записи и считывания. Это свойство наиболее ценно при создании голографических систем памяти. Перечисленные особенности голографического метода в той или иной степени используются и в устройствах голографической памяти.

Преимущества голографической памяти по сравнению с другими (в том числе и оптическими) методами записи/считывания заключаются в следующем:

1. Высокая плотность записи (теоретически до 10¹² бит/см²). Следует отметить, что реально достижимые в настоящее время величины плотности записи существенно ниже, что связано с рядом принципиальных ограничений, связанных с угловой селективностью материала, его динамическим диапазоном и т.д., однако в научных лабораториях уже получены значения около 40 Гбит/см².

2. Высокая скорость записи/считывания. Поскольку каждая из голограмм одновременно воспроизводит все записанные в ней данные, это позволяет существенно увеличить не только скорость записи, но и считывания информации с оптического голографического диска. Поэтому, голографические системы памяти могут быть легко интегрированы для взаимодействия с оптическими компьютерами, где реализуется принцип параллельности обработки информации. Параллельный доступ ко всей информации, хранящейся в голографическом запоминающем устройстве, делает возможным извлечение полезной информации за время одного периода обращения, то есть существенно уменьшается время считывания. В настоящее время скорость «оптического» считывания информации в голографических системах памяти достигает 10 Гбит/сек, а с учетом перевода информации в электронный вид - около 1 Гбит/сек.

3. Высокая помехозащищенность записи. Особенностью голографического метода записи является то, что при записи большого числа объектных волн (каждая из которых в нашем случае представляет один бит информации) каждая из этих волн распределена по всей площади голограммы. Таким образом, повреждение или утрата части голограммы будет приводить лишь к уменьшению уровня сигнала при её считывании, не нарушая при этом целостности картины восстановленных объектных волн. По этой причине, распределенная (голографическая) запись является принципиально гораздо более устойчивой к появлению каких-либо ошибок или сбоев в канале считывания.

4. Возможность реализации алгоритмов поиска данных с использованием свойства ассоциативности голографического метода записи. Ассоциативность голограммы означает, что при освещении голограммы частью объектного пучка, восстанавливается опорная волна, соответствующая той, которая была использована при записи данного объекта. Таким образом, если какая-то часть информации (в объектном пучке) является общей для некоторого числа записанных голограмм, то, наиболее отвечающей критериям поиска, будет та из них, для которой восстановленная опорная волна является наиболее интенсивной. Выбирая наиболее интенсивную из восстановленных частью объектной волны опорную волну, можно полностью восстановить искомую объектную волну (информацию).

5. Возможность проведения различных логических и математических действий между различными массивами. Голографический метод записи и считывания позволяет реализовать выполнение основных операций булевой алгебры (И, ИЛИ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ и т.д.). Также возможно выполнение параллельных ассоциативных операций, таких, как поиск данных, детектирование изменений, корреляция и распознавание образов.

6. Запись и считывание информации возможны в реальном времени. Голографический метод записи позволяет осуществить практически мгновенное считывание (при условии использования соответствующих регистрирующих материалов).

Устройства хранения информации могут подразделяться на типы скоростью записи/считывания и объему памяти. Различают следующие основные типы устройств памяти:

1. Архивная память - в этом случае наиболее важной характеристикой является возможность максимально большого объема памяти. Не требуется запись в процессе эксплуатации.

2. Частично-заменяемая память - тип памяти с преимущественным считыванием и с возможностью перезаписи.

3. Быстродействующая реверсивная память - тип памяти относительно небольшого объёма, предполагающий высокую скорость записи, считывания и стирания информации.

Голографическое запоминающее устройство, как всякое другое запоминающее устройство, в наиболее общем виде должно реализовать следующие процессы:

1) Кодирование или преобразование сигнала, несущего информацию в форму, удобную для записи;

2) Распределение информации по носителю и запись;

3) Хранение информации;

4) Нахождение нужной информации на носителе;

5) Декодирование или преобразование в форму, удобную для вывода;

6) Вывод информации из запоминающего устройства для использования потребителем;