Hologram – co to jest, jak powstaje i gdzie się go stosuje?

Hologram to zapis fotograficzny na nośniku przynajmniej dwufalowego obrazu interferencyjnego, który podczas odczytu daje dwa niezależne od siebie obrazy przestrzenne 3D. Powstaje w wyniku rejestracji interferencji wiązki przedmiotowej i wiązki odniesienia na nośniku światłoczułym. W dalszej części artykułu wyjaśniamy, jak przebiega ten proces oraz gdzie wykorzystuje się tego typu zapisy.

Czym jest hologram?

Podstawę tej techniki stanowi zjawisko interferencji światła. Nośnik rejestruje przynajmniej dwie fale, które nakładają się na siebie i tworzą charakterystyczne prążki interferencyjne. Dzięki temu zapisany obraz nie jest zwykłym zdjęciem, lecz strukturą zawierającą informację o amplitudzie i fazie fali świetlnej. W efekcie po odtworzeniu pojawiają się dwa niezależne obrazy przestrzenne, które można oglądać pod różnymi kątami.

W tradycyjnej fotografii rejestruje się wyłącznie natężenie światła, a kierunek jego rozchodzenia się zostaje utracony. Zapis interferencyjny zachowuje dodatkowo informację o fazie, dlatego pozwala odtworzyć głębię i paralaksę. Do rejestracji wykorzystuje się płytę holograficzną, na której znajduje się warstwa światłoczuła o odpowiedniej grubości.

Najważniejsza cecha zapisu interferencyjnego to zdolność do przechowywania informacji o fazie fali, dzięki czemu odtworzony obraz ma głębię i paralaksę.

Jakie są rodzaje hologramów?

Podział tych struktur zależy od kilku kryteriów – między innymi od rodzaju przybliżeń w opisie pola fali, parametrów transmisji nośnika, grubości warstwy światłoczułej oraz liczby ekspozycji. Wyróżnia się zapisy Fresnela, Fraunhofera i Fouriera, a także odmiany fazowe, amplitudowe oraz amplitudowo-fazowe. Występuje również zapis quasifourierowski, w którym punktowe źródło odniesienia leży blisko przedmiotu, oraz bezsoczewkowa odmiana Fouriera. Osobną grupę stanowi zapis zrealizowany w płaszczyźnie obrazu, gdy płyta holograficzna znajduje się bardzo blisko obiektu lub jego obrazu.

Ze względu na stosunek grubości warstwy światłoczułej do okresu przestrzennego prążków interferencyjnych można wskazać trzy podstawowe grupy:

Jak dzieli się zapisy ze względu na wiązkę i ekspozycje?

Ze względu na typ fali użytej do odtworzenia rozróżnia się zapisy odtwarzane w fali spójnej oraz w fali niespójnej. Liczba naświetleń również ma znaczenie – mogą być one jednoekspozycyjne, dwuekspozycyjne lub wieloekspozycyjne.

Warianty wieloekspozycyjne umożliwiają zapisanie większej liczby obrazów na jednym nośniku. To rozwiązanie przydaje się zwłaszcza wtedy, gdy trzeba przechować dane o kilku stanach obiektu, na przykład przed odkształceniem i po nim.

Czym różnią się odmiany Fresnela, Fraunhofera i Fouriera?

Zapis Fresnela powstaje wtedy, gdy odległość płyty holograficznej od przedmiotu oraz jego rozmiary spełniają warunek stosowalności przybliżenia Fresnela. Odmiana Fraunhofera dotyczy z kolei małych cząstek, a warunek rejestracji opisuje przybliżenie Fraunhofera. Hologram Fouriera rejestruje widmo przedmiotu, dlatego bywa wykorzystywany w układach przetwarzania sygnałów optycznych i jako filtr częstotliwości przestrzennych.

Jakie cechy mają odmiany fazowe i amplitudowe?

Ze względu na parametr transmisji przezrocza holograficznego rozróżnia się struktury fazowe, amplitudowe oraz mieszane amplitudowo-fazowe. W pierwszym przypadku modulowana jest faza fali, w drugim – jej amplituda, a w trzecim obie wielkości jednocześnie. Taki podział wpływa na sposób odtwarzania obrazu oraz na jasność i kontrast uzyskanego efektu przestrzennego.

Jak powstaje zapis interferencyjny?

Proces rejestracji wymaga dwóch wiązek światła – wiązki przedmiotowej, która oświetla obiekt, oraz wiązki odniesienia, która trafia bezpośrednio na nośnik. Obie fale nakładają się na powierzchni płyty holograficznej i tworzą mikroskopijne prążki interferencyjne. Po wywołaniu nośnika struktura ta działa jak siatka dyfrakcyjna.

W zależności od wzajemnego ustawienia obiektu, źródła wiązki odniesienia i ośrodka światłoczułego stosuje się kilka konfiguracji. W układzie współosiowym, zwanym układem Gabora od nazwiska fizyka Dennisa Gabora, płyta holograficzna, obiekt i źródło wiązki leżą wzdłuż jednej prostej. Wiązka przedmiotowa i odniesienia biegną wtedy współosiowo.

Gdy kierunki obu fal tworzą pewien kąt, ale dochodzą do nośnika z tej samej strony, mówi się o układzie z boczną wiązką odniesienia, czyli o zapisie Leitha-Upatnieksa. Z kolei w układzie Denisiuka wiązki przedmiotowa i odniesienia docierają do ośrodka rejestrującego z przeciwnych stron. Taka konfiguracja bywa nazywana zapisem z wiązkami przeciwsobnymi.

Gdzie znajdują zastosowanie hologramy?

Zapis interferencyjny sprawdza się wszędzie tam, gdzie potrzebna jest duża pojemność informacji lub zabezpieczenie przed podrobieniem. Wykorzystuje się go między innymi do poprawy jakości odwzorowania układów optycznych oraz do tworzenia obrazów 3D cząstek różnych substancji.

Do czego służy przetwarzanie informacji?

W systemach optycznych zapis taki pełni funkcję filtru częstotliwości przestrzennych i umożliwia rozpoznawanie symboli, kształtów oraz podobieństw. Może też zwielokrotniać obrazy, dzięki czemu nadaje się do przechowywania informacji dwu- i trójwymiarowych. W metrologii i interferometrii wykorzystuje się go do precyzyjnych pomiarów, a w badaniach szybkozmiennych procesów – do wykonywania zdjęć ultraszybkich.

Do najczęstszych zastosowań w przetwarzaniu informacji należą:

• filtry częstotliwości przestrzennych,
• elementy o dużej pojemności informacji,
• rozpoznawanie symboli i kształtów,
• zwielokrotnienie obrazów,
• poprawa jakości odwzorowania układów optycznych,
• tworzenie powiększonych obrazów 3D cząstek.

Jak działają zabezpieczenia druku?

W ochronie przed fałszerstwami stosuje się hologramy jako naklejki samoprzylepne lub na foliach metalizowanych nanoszonych technologią hot- lub cold-stampingu. Takie zabezpieczenia umieszcza się między innymi na banknotach i innych dokumentach. Indywidualne projekty trafiają do międzynarodowego rejestru hologramów, co utrudnia ich nielegalne kopiowanie.

Osobną grupą są plomby z warstwą holograficzną. Po próbie odklejenia pozostawiają trwały napis VOID, informujący o naruszeniu. Pełne właściwości kleju osiągają po 24 godzinach od aplikacji. Mogą być personalizowane czarną farbą – z numeracją, datownikiem, logo, kodem kreskowym lub danymi kontaktowymi.

Hologramy w formie naklejek samoprzylepnych lub na foliach metalizowanych stanowią istotne zabezpieczenie druku, w tym banknotów, przed próbami fałszowania.

Jak hologramy chronią legitymacje?

Legitymacja służbowa nauczyciela to dokument publiczny kategorii trzeciej oraz druk ścisłego zarachowania. Na jej rewersie znajduje się numer blankietu, a obowiązkowe jest prowadzenie rejestru wydanych egzemplarzy. Zabezpieczenie holograficzne dołączane do legitymacji wydaje dyrektor szkoły, a zamawiać mogą wyłącznie placówki edukacyjne. Wzór oraz tryb wystawiania określa rozporządzenie Ministra Edukacji z 11 kwietnia 2024 r.

Przepisy Karty Nauczyciela wskazują, że dyrektor wystawia legitymację na wniosek nauczyciela w terminie 30 dni. Opłata za wydanie nie może przekraczać kosztów wytworzenia dokumentu. Dokument ten uprawnia do ulgi 33% na przejazdy środkami publicznego transportu zbiorowego – kolejowego i autobusowego.

W szkołach funkcjonują również holograficzne zabezpieczenia legitymacji szkolnych dla uczniów oraz legitymacji przedszkolnych. Nowa legitymacja służbowa nauczyciela może występować jako karta PCV lub e-legitymacja z elektroniczną warstwą bezstykową. Dzięki temu łączy tradycyjne oznaczenia wizualne z nowoczesnym nośnikiem danych.