Цифровая голография: реальность на грани фантастики

Цифровая голография – способ регистрации 3D-информации с помощью цифровых камер. Сегодня она уже имеет широкое практическое применение, а в перспективе, как уверены ученые, будет незаменима в целом ряде областей, от медицины до астрономии. О настоящем и будущем цифровой голографии – в новом материале РИА Новости.

Физические принципы голографии

Голография – это способ, позволяющий регистрировать информацию об объекте и восстанавливать его образ, в том числе в трехмерном виде. Это достигается за счет регистрации не только амплитуды света (как в стандартной фотографии), но и фазы, что позволяет наблюдать восстановленное с голограммы изображение в различных ракурсах.

Запись голограмм осуществляется регистрацией суммарной амплитуды двух световых пучков: объектного (отраженного от объекта или прошедшего через него) и опорного. Если они когерентны между собой – имеют постоянную разность фаз – то в плоскости наложения пучков образуется интерференционная картина, регистрируемая цифровыми фотосенсорами или фоточувствительными средами.

«

“Широкое развитие цифровой голографии началось сравнительно недавно, что связано с появлением качественных цифровых камер, однако уже получен целый ряд впечатляющих результатов”, – объяснил доцент Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ" (НИЯУ МИФИ) Павел Черёмхин.

Мировые тенденции

При помощи цифровой голографии можно создавать реальную трехмерную визуализацию объектов и сцен. При этом не требуется специальных очков для наблюдения сцен или специального позиционирования наблюдателя. На этом принципе сейчас активно разрабатываются 3D-дисплеи, позволяющие визуализировать качественные изображения. Как уверены ученые, приближается момент, когда цветные изображения с голограмм будут сходны по качеству цветопередачи с фотографиями, воспроизводя при этом трехмерный образ объекта.

Одно из текущих достижений – связь в 5G с использованием голографических принципов для создания образа собеседника. Специалисты считают, что уже через несколько лет возможен переход этой технологии в формат коммерческой услуги.

Крайне перспективным направлением является 3D-печать при помощи голограмм. Голографическое изображение детали разбивается сечениями на проекции и затем под программным контролем осуществляется быстрая послойная печать каждой проекции.

Активно развиваются направления цифровой голографии, применимые в научных и прикладных исследованиях: голографическая микроскопия (визуализация микро- и нанообъектов) и голографическая интерферометрия (динамическая регистрация изменения параметров объекта – температуры, формы, показателя преломления).

Кроме того, цифровая голография уже находит широкое применение в медицинской и биологической визуализациях, в системах кодирования, передачи и хранения данных, а также позволяет повысить защищенность продукции, денежных знаков и банковских карт.

Российские достижения

Сегодня исследованиями в сфере голографии – как аналоговой, так и цифровой – занят целый ряд университетов и компаний, чьи лаборатории достигли значительных результатов.

Так, в НИЯУ МИФИ реализована система динамической записи, передачи и оптической демонстрации в реальном времени голограмм, обладающих разрешением не менее 2 миллионов пикселей. Она позволяет удаленно воспроизводить сцены и объекты, записанные как в оптическом, так и в инфракрасном диапазоне – что может быть применено, например, для регистрации информации в агрессивных средах.

Сегодня для передачи голографического видео необходим канал пропускной способностью не менее единиц гигабит в секунду, поэтому огромное значение имеют технологии преобразования и сжатия цифровых голограмм. НИЯУ МИФИ ведет активную работу и в этом направлении. В мае 2019 года в журнале "Scientific Reports" был представлен разработанный в рамках выполнения гранта РНФ №18-79-00277 метод сжатия голографической информации в сотни раз.

Другое важное направление – повышение качества оптического отображения 3D-сцен с записанных голограмм. Институт лазерных и плазменных технологий (ЛаПлаз) НИЯУ МИФИ развивает методы улучшения компьютерного и реального оптического отображения голограмм с использованием многоградационных жидкокристаллических и бинарных высокоскоростных микрозеркальных модуляторов света. В 2019 году ученые НИЯУ МИФИ опубликовали в журнале "OpticsandLasersinEngineering" масштабное исследование методов бинаризации для отображения 3D-объектов в наилучшем качестве. Как объяснили ученые, эта разработка может быть полезна при создании высокоскоростных 3D-дисплеев.

Голография применима не только для хранения, но и для защиты информации. Ученые НИЯУ МИФИ в настоящее время создают системы кодирования данных, использующих записанное на голограмму изображение в качестве кодирующего ключа. В рамках гранта РНФ №19-19-00498 ведутся работы по созданию системы кодирования на базе быстродействующих микрозеркальных модуляторов света. Такая система способна кодировать информацию с пропускной способностью на уровне гигабит в секунду.

Не менее важное направление исследований – распознавание объектов. На сегодняшний день, как объяснили специалисты НИЯУ МИФИ, в устройствах распознавания обычно используются только пространственные признаки. В недавно опубликованной статье в журнале "Optics Communications" был предложен метод распознавания одновременно по форме и спектральным признакам, применимый, к примеру, в устройствах ориентации в космосе или для идентификации биологических видов.