Цифровая голография: реальность на грани фантастики

При помощи цифровой голографии можно создавать реальную трехмерную визуализацию объектов и сцен.

Цифровая голография – способ регистрации 3D-информации с помощью цифровыхкамер. 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.

Источник