Hologram – co to jest i jak powstaje?

Hologram to fotograficzny zapis obrazu interferencyjnego co najmniej dwóch wiązek światła, który w odczycie pozwala uzyskać przestrzenny obraz 3D. Powstaje przez utrwalenie nakładania się fali przedmiotowej i fali odniesienia na nośniku światłoczułym. W artykule wyjaśniamy, na czym polega to zjawisko i jakie są jego zastosowania.

Na czym polega hologram?

Hologram różni się od zwykłej fotografii przede wszystkim tym, że nie rejestruje wyłącznie natężenia światła. Zapisuje również informację o fazie fali, dzięki czemu podczas odtwarzania obserwator widzi obraz przestrzenny, zmieniający się wraz z kątem patrzenia.

Najważniejsza różnica między fotografią a hologramem polega na zapisie fazy fali świetlnej, który umożliwia widzenie głębi i zmiany perspektywy.

W zależności od odległości płyty holograficznej od obiektu oraz zastosowanych przybliżeń matematycznych wyróżnia się między innymi hologramy obrazowe, Fresnela, Fraunhofera, Fouriera i quasi-fourierowskie. Każdy z tych typów powstaje w nieco innych warunkach geometrycznych i ma odmienne właściwości podczas odtwarzania.

Jak powstaje obraz holograficzny?

Tworzenie hologramu wymaga precyzyjnego ustawienia źródła światła, obiektu oraz ośrodka światłoczułego. Podstawą jest interferencja dwóch spójnych wiązek – jedna oświetla przedmiot, a druga pada bezpośrednio na nośnik.

Wiązka przedmiotowa i odniesienia

W układzie holograficznym wiązka lasera zostaje podzielona na dwie części. Pierwsza z nich, zwana falą przedmiotową, oświetla obiekt i po rozproszeniu niesie informację o jego kształcie oraz strukturze. Druga część, czyli fala odniesienia, trafia bezpośrednio na płytę światłoczułą.

Obie fale nakładają się na powierzchni nośnika. Powstaje wówczas subtelny wzór prążków interferencyjnych, w którym zakodowana jest zarówno amplituda, jak i faza światła rozproszonego przez przedmiot.

Rejestracja interferencji

Zapis odbywa się na materiale światłoczułym o odpowiedniej rozdzielczości. Grubość warstwy ma znaczenie dla klasyfikacji – gdy jest znacznie mniejsza od okresu przestrzennego prążków, mówimy o hologramach płaskich, a gdy wyraźnie większa o objętościowych. Istnieją również zapisy dynamiczne, w których właściwości rejestrujące zmieniają się w czasie.

Odtwarzanie obrazu 3D

Aby zobaczyć zapisany obraz, hologram oświetla się wiązką odtwarzającą, zwykle spójną. Fala ulega dyfrakcji na strukturze prążków i odtwarza front falowy identyczny z tym, który powstał przy rejestracji. Dzięki temu obserwator widzi przedmiot tak, jakby znajdował się on w przestrzeni, z zachowaniem perspektywy i głębi.

W zależności od typu wiązki odniesienia wyróżnia się hologramy odtwarzane w fali spójnej oraz niespójnej. W praktyce najczęściej do rekonstrukcji używa się światła laserowego, ale niektóre struktury można oglądać także w świetle białym.

Jakie są rodzaje hologramów?

Podział hologramów prowadzi się według kilku niezależnych kryteriów. Uwzględnia się między innymi geometrię zapisu, parametr transmisji, stosunek grubości warstwy do okresu prążków oraz liczbę ekspozycji.

Konfiguracje geometryczne

Ze względu na wzajemne położenie źródła wiązki odniesienia, obiektu i ośrodka światłoczułego wyróżnia się trzy podstawowe układy. W układzie współosiowym, nazywanym hologramem Gabora, płyta, obiekt i źródło znajdują się wzdłuż jednej prostej. W układzie z boczną wiązką, czyli hologramem Leitha-Upatnieksa, fala przedmiotowa i odniesienia tworzą kąt, ale dochodzą z tej samej strony. W układzie z wiązkami przeciwsobnymi Denisiuka obie fale docierają do nośnika z przeciwnych stron.

Hologramy Fresnela, Fraunhofera i Fouriera

W zależności od przybliżeń stosowanych do opisu pola falowego wyróżnia się hologramy Fresnela, gdy płyta znajduje się w odległości spełniającej warunek przybliżenia Fresnela, oraz hologramy Fraunhofera, stosowane między innymi przy rejestracji małych cząstek. Hologramy Fouriera powstają wtedy, gdy rejestruje się widmo przedmiotu, dlatego bywają używane jako filtry częstotliwości przestrzennych w optycznym przetwarzaniu sygnałów.

Do czego wykorzystuje się hologramy?

Hologramy są narzędziem w optyce, metrologii i przetwarzaniu informacji. Pełnią między innymi funkcję filtrów częstotliwości przestrzennych oraz elementów o dużej pojemności. W układach optycznych poprawiają jakość odwzorowania, a w badaniach cząstek umożliwiają tworzenie trójwymiarowych obrazów z dużym powiększeniem.

W przetwarzaniu i gromadzeniu informacji zastosowania obejmują przede wszystkim:

• filtry częstotliwości przestrzennych,
• nośniki o dużej pojemności informacji,
• rozpoznawanie symboli, kształtów i podobieństw,
• zwielokrotnianie obrazów oraz zapis informacji dwu- i trójwymiarowych,
• poprawę jakości odwzorowania układów optycznych,
• tworzenie obrazów 3D cząstek z dużym powiększeniem,
• dynamiczne symulatory lotu,
• zastosowania w metrologii i interferometrii,
• wykonywanie zdjęć ultraszybkich.

Hologramy dynamiczne sprawdzają się jako symulatory lotu, a w interferometrii umożliwiają pomiary odkształceń i naprężeń. Dzięki krótkim czasom ekspozycji mogą powstawać również zdjęcia ultraszybkie, rejestrujące zjawiska trwające ułamki sekundy.

Jak hologramy chronią dokumenty i produkty?

W zabezpieczeniach stosuje się hologramy jako naklejki samoprzylepne lub naniesione na foliach metalizowanych techniką hot- lub cold-stampingu. Dzięki indywidualnemu wzorowi utrudniają fałszowanie banknotów i druków. Każdy taki wzór może być rejestrowany w międzynarodowym rejestrze hologramów, co podnosi poziom ochrony.

Plomby holograficzne z efektem VOID po próbie odklejenia pozostawiają trwały napis, dzięki czemu naruszenie zabezpieczenia jest widoczne natychmiast.

W dokumentach publicznych, na przykład w legitymacjach szkolnych uczniów i legitymacjach służbowych nauczycieli, hologram potwierdza autentyczność blankietu. Są to druki ścisłego zarachowania, a na ich odwrocie znajduje się numer blankietu. Zamówienia mogą składać wyłącznie placówki edukacyjne, natomiast dokument wystawia dyrektor. W Polsce najstarsza wytwórnia zabezpieczeń holograficznych działa w Warszawie od 1994 roku.

Hologramy stosowane na opakowaniach i urządzeniach mają często postać plomb zabezpieczających. Po oderwaniu pozostawiają na powierzchni trwały ślad, który jednoznacznie informuje o próbie ingerencji. Pełne właściwości kleju osiągają w ciągu 24 godzin od aplikacji, a ich powierzchnia może zawierać numerację, logo, kody kreskowe lub datownik. Takie plomby sprawdzają się jako zabezpieczenia gwarancyjne, plomby serwisowe, oznaczenia inwentaryzacyjne oraz elementy identyfikacji produktów.