Хронология: как развивалась голография

История технологии, которая позволила создать кинематографическую систему IMAX и защитить документы Visa и MasterCard.

В основе голографии лежат два физических явления: дифракция и интерференция. Дифракция связана с отклонением волн от прямолинейного распространения при столкновении с препятствием.

Интерференция наблюдается при наложении двух или нескольких пучков, в результате чего происходит усиление или ослабление результирующих световых колебаний в различных точках пространства.

Идея голографии заключается в том, что при наложении двух световых пучков и соблюдении определённых условий возникает интерференционная картина. Это особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются и восстанавливаются изображения трёхмерных объектов, максимально приближённые к реальным.

Трёхмерные голограммы, которые можно встретить сегодня, стали возможными только после изобретения лазера. Он создаёт когерентные волны с одинаковой частотой и постоянной разностью фаз колебаний. Именно свет, образованный такими волнами, позволяет записывать интерференционные картины в голографии.

Понятие «голография» также используется в дополненной реальности. Однако с физическим понятием «голография» она имеет мало общего: в AR для её создания используются программные компоненты, а физическая основывается на законах оптики.

В 1917 году Альберт Эйнштейн предположил, что процесс, который мог бы происходить в лазерах, — вынужденное излучение. Однако идею лазера впервые опубликовали в 1958 году Артур Шаулоу и Чарльз Таунс. Они работали в Лаборатории Белла в Мюррей-Хилл, штат Нью-Джерси.

Первый рабочий рубиновый лазер в 1960 году создал Теодор Мейман в Научно-исследовательской лаборатории Хьюза в Малибу, штат Калифорния. Затем Али Джаван в 1960 году в Лаборатории Белла изобрёл первый газовый лазер — гелий-неоновый.

В 1962 году Роберт Холл из лаборатории General Electric в Скенектади, штат Нью-Йорк, изобрёл полупроводниковый инжекционный лазер, который сейчас называют лазерным диодом.

Однако голография появилась задолго до изобретения лазера.

Французский физик Габриэль Липпман разработал теорию использования световых волн для захвата цвета в фотографии. Учёный покрыл ртутью заднюю сторону стеклянных фотографических пластин, чтобы она действовала как зеркало, и световые волны отскакивали обратно через эмульсию, создавая волновую интерференцию.

В Академии наук Липпман представил свою теорию вместе с некоторыми простыми примерами интерференционных цветных фотографий. В 1893 году он продемонстрировал в Академии цветные фотографии братьев Люмьер. В 1894 году физик опубликовал полную теорию.

Липпман получил Нобелевскую премию по физике за «создание метода фотографического воспроизведения цветов на основе явления интерференции».

Интерференция цветных волн Липпман стала предшественницей голограмм. Цвет изображения был результатом дифракции цвета основного света. Чтобы увидеть изображение, смотрящему нужно было держать плёнку под прямым углом к свету, как это сейчас требуют голограммы. История современной голографии началась спустя 39 лет.

Венгр Денеш Габор заинтересовался физикой в 1915 году, когда ему было 15 лет. Именно тогда он изучил работы Липпмана. Как и ученый, Габор тоже был евреем. В 1933 году, когда к власти пришел Гитлер, венгр бежал в Англию, чтобы избежать преследований нацистов.

Спустя 14 лет во время работы в Британской исследовательской лаборатории Томсона-Хьюстона в городе Рагби Денеш Габор пытался улучшить разрешающую способность электронного микроскопа, чтобы разглядеть отдельные атомы. Так он пришёл к теории реконструкции волноводного фронта. И придумал название «голография» от греческого слова "holos" — «полный» и "graphe" — «пишу».

Однако в течение следующего десятилетия развитие не продвигалось вперёд, потому что у доступных в то время источников света не было достаточной когерентности.

Советский учёный и сотрудник Государственного оптического института им. С. И. Вавилова Юрий Денисюк прочитал описание интерференционной фотографии Липпмана и понял, что может использовать метод для записи трёхмерных изображений. Он начал эксперименты, используя высокофильтрованную ртутную разрядную трубку в качестве источника света. Лазер к тому времени ещё не придумали.

Спустя четыре года Денисюк изобрёл способ записи изображения в трёхмерных средах, позволяющий сохранить информацию о фазе, амплитуде и спектральном составе волны, пришедшей от объекта. В СССР научное достижение признали открытием. Работа учёного стала первой трёхмерной голограммой. Про работу Габора он не слышал.

Независимо от советского исследователя, американские физики Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс прочитали статью Габора и из любопытства повторили опыт. Но они использовали лазер, луч которого делится на две части и с помощью зеркал направляется на объект и записывающую среду. С появлением гелий-неонового лазера исследователи представили публике свою трёхмерную лазерную голографию. Про работу Денисюка не знали.

Лейт и Упатниекс приглашают к сотрудничеству Фрица Горо, чтобы создать голограмму для журнала LIFE. Вместо голограммы игрушечного поезда и птицы, Горо предложил изображения, состоящие из набора геометрических фигур. Такие предметы и более крупная фотографическая пластика способны создать голограмму с большим ощущением трёхмерности, чем предыдущие работы.

Это была первая голограмма, которая предназначалась для демонстрации способности носителя показывать объекты по разными углами и, следовательно, подчеркнуть все плюсы нового метода хранения информации.

Компания Conductron Corporation в Анн-Арборе, штат Мичиган, впервые проводит коммерческое исследование потенциала голографии. Сотрудник корпорации Ларри Зиберт использует самодельный импульсный лазер для создании первой голограммы человека. С этого года компания помогает исследователям голографии. В последующее время художники Брюс Науман и Сальвадор Дали заказывают у Conductron свои голограммы.

Художник Науман представил свою первую серию голограмм в Галерее Николоса Уайлдера в Лос-Анджелесе.

Британская художница Маргарет Беньон стала первой женщиной, которая использовала голографию как искусство. Она увидела в голографии не только практическое применение, но и попыталась расширить границы искусства.

Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories изобрёл пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Такие голограммы назвали радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет.

Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм с помощью нанесения интерференционной картины на пластик. Сейчас этот тип используют на банкнотах и документах.

Науман выпустил ещё десять голограмм, которые представил в Галерее Лео Кастелли в Нью-Йорке. На этом его голографическая деятельность закончилась.

Conductron Corporation заканчил свою деятельность из-за финансовых трудностей во время экономического кризиса.

Габор получил Нобелевскую премию за «изобретение и развитие голографического метода» по физике, который он представил в 1947 году.

Ллойд Кросс и Джерри Петрик основали в Сан-Франциско первую в мире Школу голографии.

Ллойд Кросс создал мультиплексную голограмму, которая состоит из десятков ракурсов, каждый из которых видно только под определённым углом. Для этого он использовал голографическую передачу белого света и камеру с 35 мм фотоплёнкой.

В отличие от самофинансируемых исследований в США, правительство СССР вкладывало значительные средства в развитие голографических лабораторий. Советский учёный Виктор Комар разработал принципы голографического кинематографа. Его исследования помогли создать широкоформатную кинематографическую систему IMAX.

Также его исследования позволили зрителям увидеть трёхмерное изображение без использования специальных очков, но в его фильмах никогда не было больше трёх героев. Он планировал расширять длину фильма и количество человек в трёхмерном фильме, но его планы в следующих десятилетия не реализуются из-за отсутствия госфинансирования после начала перестройки.

MasterCard и Visa стали первыми компаниями, которые использовали радужную голограмму для защиты документов. С тех пор уже 30 лет компании наносят на банковскую карту голограмму. Технология Бентона гарантирует уникальность представленного объекта, что и сделало её популярной в технологиях повышения безопасности.

Журнал National Geographic опубликовал на обложке мартовского выпуска рельефную радужную голограмму орла. Журнал стал первым крупным международным изданием с голограммой на обложке. Тираж составил 11 млн экземпляров. Это стало ключевым событием в области коммерческой голографии.

В следующем году журнал снова использовал голограмму на обложке для иллюстрации статьи «Поиски первого человека». Они поместили изображение таунгского ребенка — окаменелого черепа молодого африканского австралопитека. Возраст находки составлял 2,5 млн лет.

Третью и последнюю голографическую обложку журнал выпустил в 1988 году. На лицевой стороне они поместили изображение Земли, а на задней — голографическую рекламу McDonald's. Производство одной обложки стоило около 25 центов. Тогда журнал потерял несколько миллионов долларов, а редактор Билл Гарретт работу.

Абрахам Секе предложил идею создания источника когерентного излучения в приповерхностной области материала с помощью рентгеновского излучения. Так как пространственное разрешение голографии зависит от размера источника излучения, его отдаленности, то с помощью новой техники стало возможным восстановить окружающие излучатель атомы в реальном пространстве.

Бартон предложил использовать этот метод для восстановления трёхмерного изображения, основанный на использовании фурье-подобных интегралов. Первое восстановление трёхмерного изображения атома провели в 1990 году.

Литовская голографическая компания Geola запатентовала первый принтер для цифровой печати цветных голограмм с помощью импульсного лазера.

Лаборатория медиа Массачусетского технологического института начала разработку электрооптической технологии, которая позволит графическому процессору в ПК создавать голографические видеоизображения в режиме реального времени с использованием недорогих экранов.

Компании Optware and Maxell создали голографический многоцелевой диск, который использует голографический слой для хранения данных до 3,9 ТБ. Информация на диск записывается в виде голограммы с помощью красного и зелёного лазерных лучей.

Компания Philips совместно с RealView разработала голографическую визуализацию для операции на сердце. Решение позволяет создавать «в воздухе» трёхмерное изображение с помощью ангиографа и ультразвуковой кардиологической системы.

Учёные Университета ИТМО предложили первый способ печати голограмм с помощью струйного принтера.

Компания Samsung запатентовала голографический телевизор.

Немецкие исследователи научили голографии просвечивающий электронный микроскоп.

#будущее