Голограми перестали бути тільки науковою фантастикою

Голограми все частіше з'являються навколо нас. Давно померлий репер Тупак Шакур з'явився в 2012 році на музичному фестивалі Coachella. HoloLens від Microsoft голодек з «Зоряного шляху», дозволивши користувачеві взаємодіяти з 3D-об'єктами в доповненої реальності. Стартапи начебто Holoxica можуть створювати тривимірні голограми людських органів з метою медичної візуалізації.

У той час як деякі з цих світлових шоу вже не є простими світловими трюками, вони поки не дотягують до голограм за типом тих, що ми бачили у фільмах на зразок «Зоряних воєн». Технології справжніх голограм поки залишаються в області наукової фантастики. І ось на початку цього року вчені представили інновації, які можуть просунути цю технологію на кілька світлових років вперед.

У дослідженні, опублікованому в Nature Photonics, група вчених з Кореї розробила 3D-голографічний дисплей, який, на їхню думку, працює в 2600 разів краще, ніж будь-які існуючі аналогічні технології. Між тим учені з Австралії представили в журналі Optica мініатюрний пристрій, яке створює найбільш якісні голографічні зображення на сьогоднішній день. Роботи були опубліковані з проміжком у три дні минулого місяця.

Голографія — широка область науки і техніки, але в її основі лежить фотографічний принцип, який записує світло, розсіяне від об'єкта. Потім цей світ відтворюється в 3D-форматі. Голографію вперше розробив у 1940-х роках угорсько-британський фізик Денніс Гарбор, що отримав Нобелівську премію 1971 року по фізиці за свій винахід і розроблення голографічного методу.

Більшість голограм представлені статичними зображеннями, але вчені працюють над більш динамічними системами для відтворення величезної кількості інформації, укладеної в 3D-зображенні.

Різниця в дифузії

Візьмемо роботу, виконану вченими Корейського інституту науки і технологій (KAIST).

Наша здатність виробляти динамічні голограми високого дозволу — згадайте принцесу Лею, умоляющую Обі-Ван Кенобі допомогти джедаям — в даний час обмежена модуляторами хвильового фронту. Ці пристрої, просторові модулятори світла або цифрові микрозеркальные пристрою, можуть контролювати напрям поширення світла.

Система формування зображень з коротким фокусною відстанню може створити тільки крихітна зображення з широким діапазоном перегляду. І навпаки, система з великою фокусною відстанню може згенерувати збільшене зображення з дуже вузьким діапазоном. Краща з технологій модулятора хвильового фронту змогла створити зображення розміром в один сантиметром з кутом огляду в три градуси.

Це можна покращити за рахунок створення комплексної та громіздкої системи з використанням декількох просторових модуляторів світла, наприклад. Але команда з KAIST прийшла до більш простому рішенню.

«Цю проблему можна вирішити, просто підключивши дифузор», пояснює Йонг Кейн Парк, професор відділення фізики в KAIST. Оскільки дифузор розсіює світло, розмір зображення і кут огляду можна збільшити в кілька тисяч разів. Але є проблема. Дифузор змазує світло.

«Щоб використовувати дифузор як «голографічний лінзу, потрібно ретельно відкалібрувати оптичні характеристики кожного дифузора», говорить Парк. «Для цього ми використовуємо метод шейпінгу хвильового фронту», який надає інформацію про стосунки між вхідним в дифузор світлом і виходять з нього».

Команді Парку вдалося створити покращене тривимірне голографічне зображення з кутом огляду 35 градусів в обсязі 2 х 2 х 2 см.

«Покращення масштабу, дозволу і кутів огляду за допомогою нашого методу легко масштабується», зазначає він. «Оскільки його можна застосувати до будь-якого існуючого модуляторі хвильового фронту, він може істотно поліпшити якість зображення навіть самого кращого модулятора, який вийде на ринок».

Першим ділом ця технологія може знайти застосування (коли буде завершена) у проекційних дисплеях для автомобіля або голографічних проекцій інтерфейсу смартфона, говорить Парк. «Голограми принесуть нам новий досвід спілкування з електронними пристроями, і їх можна буде реалізувати з меншою кількістю пікселів, ніж тривимірний голографічний дисплей».

Оптика нової епохи

У той же час фізики з Австралійського національного університету представили пристрій, що складається з мільйонів крихітних кремнієвих стовпців, кожний в 500 разів тонше людського волосся. Цей прозорий матеріал здатний на складні маніпуляції зі світлом, пишуть вони.

«Наша здатність структурувати матеріали на нанорівні дозволяє досягти нових оптичних властивостей, що виходять за рамки властивостей природних матеріалів», говорить Сергій Крук, співкерівник дослідження. «Голограми, які ми зробили, демонструють значний потенціал цієї технології для використання в різних додатках».

Вчені говорять, що їх надихали фільми на зразок «Зоряних воєн». «Ми працюємо з тими ж фізичними принципами, які колись надихали письменників-фантастів», каже Крук. І додає, що цей новий матеріал одного разу може замінити незграбні і важкі лінзи і призми, які використовуються в інших застосуваннях.

«З нашим матеріалом ми можемо створити частини з тією ж функціональністю, але легше і менше. Це відкриває абсолютно нові застосування, починаючи з зменшення камер в звичайнихсмартфонах і закінчуючи зменшенням ваги та розміру складних оптичних систем космічних супутниках».

А тепер зовсім про інше

До речі, про освоєння космосу: може Всесвіт бути голограмою? Що це означає для псевдоголограммы Тупака Шакура? А для решти живих тривимірних істот?

Фізики-теоретики вважають, що щодо нової теорії в космології, яка стверджує, що відома Всесвіт є проекцією двомірної реальності. Вперше висунута в 1990-х роках гіпотеза в своїй основі містить ідею, схожу на звичайну голограму, коли тривимірне зображення закодовано у двомірній поверхні.

Прихильники цієї теорії стверджують, що вона може примирити дві великі теорії в космології. Загальна теорія відносності Ейнштейна пояснює майже все, що відбувається на великих масштабах Всесвіту. Квантова фізика прекрасно описує дрібні речі: атомні та субатомні частинки. Робота на тему голографічного Всесвіту була опублікована в журналі Physical Review Letters.

Вчені використовували дані, отримані з інструментів, вивчають космічний мікрохвильовий фон (CMB). CMB — це післясвічення Великого Вибуху, якому 14 мільярдів років. Ви можете побачити CMB у вигляді білого шуму на не налаштованому телевізорі.

Дослідження показало, що кілька простих теорій квантового поля можуть пояснити практично всі космологічні спостереження ранньої Всесвіту. І також ця робота може призвести до появи робочої теорії квантової гравітації, злиття квантової механіки з ейнштейнівської теорії гравітації.

«Ключ до розуміння квантової гравітації лежить в розумінні теорії поля в одному нижньому вимірі», говорить провідний автор Ниаеш Афшорди, професор фізики і астрономії в Університеті Ватерлоо. «Голографія як Розеттський камінь, переклад відомих теорій квантових полів без гравітації в незвідані території самої квантової гравітації».

Складно. Але вже не фантастика.