Hologram – co to jest i jak powstaje?

Hologram to fotograficzny zapis przynajmniej dwufalowego obrazu interferencyjnego, a po odczytaniu daje dwa niezależne obrazy przestrzenne 3D. Żeby taka struktura powstała, trzeba zarejestrować interferencję dwóch wiązek światła na nośniku światłoczułym. W dalszej części wyjaśniamy, jak przebiega ten proces, jakie układy optyczne są stosowane i gdzie wykorzystuje się taki zapis.

Czym jest hologram?

Pojęcie to określa zapis fotograficzny wykonany na nośniku, w którym utrwalono obraz interferencyjny utworzony przez co najmniej dwie fale. W trakcie odtwarzania taka struktura nie pokazuje płaskiej fotografii, lecz dwa niezależne od siebie obrazy przestrzenne 3D. Oznacza to, że obserwator może dostrzec głębię i różne perspektywy obiektu, co wynika właśnie z zapisania informacji o fazie fali świetlnej.

Ważnym elementem jest płyta holograficzna, na której dochodzi do rejestracji rozkładu amplitudy zespolonej pola fali przedmiotowej. Aby zapis był możliwy, potrzebne są co najmniej dwie składowe – wiązka przedmiotowa niosąca informację o obiekcie oraz wiązka odniesienia. Ich wzajemne nałożenie prowadzi do powstania drobnych prążków interferencyjnych, które niosą dane o trójwymiarowej geometrii sceny.

Hologram to fotograficzny zapis dwufalowego obrazu interferencyjnego, dający w odczycie dwa niezależne obrazy przestrzenne 3D.

Jak powstaje zapis holograficzny?

W klasycznym zapisie holograficznym spójne światło, najczęściej z lasera, dzieli się na dwie wiązki. Pierwsza z nich oświetla przedmiot i po rozproszeniu trafia na płytę holograficzną jako fala przedmiotowa. Druga biegnie bezpośrednio na nośnik i pełni rolę fali odniesienia. Tam, gdzie fale się spotykają, powstaje obraz interferencyjny dwufalowy, który zostaje utrwalony w światłoczułej emulsji.

Jak działa układ współosiowy?

W układzie współosiowym płyta holograficzna, obiekt oraz źródło wiązki odniesienia leżą wzdłuż jednej prostej. Fala przedmiotowa i fala odniesienia biegną wtedy współosiowo, co prowadzi do powstania tzw. hologramu Gabora. Taka konfiguracja pochodzi od nazwiska fizyka Dennisa Gabora i bywa oznaczana symbolem HG. Ze względu na nakładanie się obrazów ma ona pewne ograniczenia, ale stanowi historycznie pierwszy model zapisu holograficznego.

Jak działa układ z boczną wiązką odniesienia?

W układzie HL-U kierunki propagacji fali przedmiotowej i fali odniesienia tworzą kąt. Obie wiązki dochodzą do płyty holograficznej z tej samej strony, ale nie pokrywają się na osi. Taki zapis nazywany jest hologramem Leitha-Upatnieksa. Dzięki bocznemu prowadzeniu wiązki odniesienia zarejestrowane składowe można później łatwiej rozdzielić podczas odtwarzania, co miało duże znaczenie dla rozwoju praktycznej holografii.

Jak działa układ z wiązkami przeciwsobnymi?

W układzie HD wiązka przedmiotowa i wiązka odniesienia docierają do ośrodka rejestrującego z przeciwnych stron. Taka konfiguracja umożliwia uzyskanie hologramu Denisiuka, określanego również mianem zapisu objętościowego. Przeciwsobne wiązki tworzą w materiale światłoczułym gęste, równoległe płaszczyzny interferencyjne. W efekcie zapis ten bywa odczytywany nawet w świetle białym, co odróżnia go od niektórych innych typów.

Jak klasyfikuje się zapis holograficzny?

Podział struktur holograficznych opiera się na kilku kryteriach jednocześnie. Uwzględnia się między innymi położenie płyty holograficznej względem obiektu, parametr transmisji przezrocza holograficznego oraz stosunek grubości warstwy światłoczułej do okresu przestrzennego prążków interferencyjnych. Każde z tych kryteriów pozwala wyróżnić nieco inny typ zapisu i inny sposób jego późniejszego odtwarzania.

Zapis w płaszczyźnie obrazu powstaje, gdy płyta holograficzna znajduje się bardzo blisko przedmiotu lub jego obrazu. Rozkład amplitudy zespolonej na powierzchni rejestrującej odpowiada wówczas rozkładowi w samym obiekcie, z dokładnością do stałego przesunięcia fazowego. Taki wariant jest stosunkowo intuicyjny i często pojawia się w układach obrazowania.

W odmianie Fresnela i Fraunhofera położenie nośnika oraz rozmiary poprzeczne przedmiotu muszą spełniać warunki odpowiedniego przybliżenia. Zapis Fresnela wykorzystuje opis pola falowego w obszarze bliskim, natomiast Fraunhofera sprawdza się przy małych cząstkach. Z kolei wariant Fouriera rejestruje widmo przedmiotu, dlatego znalazł zastosowanie w optycznych filtrach częstotliwości przestrzennych.

Wariant quasifourierowski ma punktowe źródło odniesienia umieszczone w tej samej płaszczyźnie co przedmiot. W takim układzie często stosuje się soczewkę realizującą przekształcenie Fouriera, umieszczoną w odległości ogniskowej od nośnika. Bezsoczewkowa wersja tego zapisu pozwala uzyskać podobny efekt bez dodatkowego elementu skupiającego.

Do czego stosuje się zapis holograficzny?

Zapis holograficzny jest znacznie pojemniejszy informacyjnie od zwykłej fotografii, dlatego wykorzystuje się go w wielu obszarach techniki i nauki. Na szczególną uwagę zasługują zastosowania związane z przetwarzaniem sygnałów optycznych, metrologią oraz szybką rejestracją obrazu. Do najważniejszych z nich należą:

• funkcje filtrów częstotliwości przestrzennych,
• elementy o dużej pojemności informacji,
• rozpoznawanie symboli, kształtów i podobieństw,
• zwielokrotnienie obrazów oraz zapis informacji dwu- i trójwymiarowych,
• poprawa jakości odwzorowania układów optycznych,
• tworzenie obrazów 3D cząstek substancji z dużym powiększeniem,
• symulatory lotu oparte na hologramach dynamicznych,
• pomiary w metrologii i interferometrii,
• zdjęcia ultraszybkie.

Obok funkcji naukowych i technicznych bardzo ważną grupę stanowią zastosowania związane z ochroną produktów i dokumentów. Wykorzystuje się tam zarówno cienkie folie metalizowane, jak i naklejki samoprzylepne z indywidualnym wzorem.

Zabezpieczenia druku i produktów

Hologramy zabezpieczające są istotnym elementem ochrony oryginalnych artykułów przed fałszowaniem. Wykonuje się je jako naklejki samoprzylepne lub elementy na foliach metalizowanych nanoszonych metodą na gorąco albo na zimno. Dzięki indywidualnemu wzorowi każdy taki znak może być zarejestrowany w międzynarodowym rejestrze hologramów, co ułatwia weryfikację autentyczności. Tego typu oznaczenia pojawiają się między innymi na banknotach i dokumentach, gdzie utrudniają nielegalne powielanie.

Osobną grupę produktów stanowią plomby z folii holograficznej z efektem VOID. Służą jako zabezpieczenia gwarancyjne, plomby serwisowe, oznaczenia inwentaryzacyjne i elementy identyfikacji towarów.

Po próbie odklejenia plomby na powierzchni pozostaje trwały napis VOID, co jednoznacznie sygnalizuje naruszenie zabezpieczenia.

Można na nich umieścić numerację, logo, kod kreskowy lub inne dane firmowe, dzięki czemu kontrola nad autentycznością jest łatwiejsza.

Dokumenty szkolne i nauczycielskie

Zabezpieczenia holograficzne stosuje się także w legitymacjach szkolnych oraz legitymacjach służbowych nauczycieli. Hologram legitymacji szkolnej ucznia i hologram legitymacji służbowej nauczyciela są wydawane wyłącznie placówkom edukacyjnym, a formalnie odpowiada za to dyrektor. Każda tego typu legitymacja trafia do rejestru wydanych dokumentów, co obowiązkowo ewidencjonuje się w rejestrze legitymacji służbowych nauczyciela.

W polskim porządku prawnym legitymacja służbowa nauczyciela to dokument publiczny kategorii trzeciej oraz druk ścisłego zarachowania. Oznacza to, że ma wpływ na bezpieczeństwo obrotu gospodarczego i prawnego, a jej wzór oraz tryb wystawiania regulują stosowne akty prawne. Nowa wersja tego dokumentu, określana skrótem NLSN-2024, uwzględnia zmiany wprowadzone rozporządzeniem Ministra Edukacji z 11 kwietnia 2024 r. (Dz.U. z 2024 r. poz. 565).

Przepisy Karty Nauczyciela określają procedurę: dyrektor szkoły wydaje legitymację na wniosek nauczyciela, a opłata za jej wydanie nie może przekraczać kosztów wytworzenia. Zgodnie z Art. 11c dyrektor ma na to 30 dni od dnia otrzymania wniosku. Dokument potwierdza uprawnienie do ulgi 33% na przejazdy publicznym transportem zbiorowym. Warianty blankietów różnią się rodzajem warstwy elektronicznej – od zwykłej karty PCV po wkładkę z elektroniczną warstwą bezstykową.