В июле 2017 года производитель кинокамер «RED» анонсировал новый смартфон «RED HYDROGEN»
Сама новость про RED и смартфоны обескуражила многих обывателей: «Серьезно? Они же камеры делают — какие еще смартфоны...»
Но ещё более неожиданным стало заявление о том, что смартфон будет поддерживать голограммы!
Многие решили, что ребята сошли с ума, либо это какой то обман века, странный пиар или…
Неужели это возможно? Может не за горами и световой меч?
— Да, это возможно.
Но не так как нам рисует голливуд — проекцию принцессы Леи мы не увидим. Скорей всего вы просто не знаете что такое голограмма потому что смотрели много фантастики вместо изучения физики. Как раз для таких людей и написана эта статья — просто о сложном.
Голография vs Фотография
— Что же такое голограммы? Посмотрим википедию...
Голография — набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.
Скорей всего понимания не прибавилось — лучше посмотрите видео
Если вам показалось, что это зеркала и банки от фанты за стеклом — пересмотрите еще раз.
Это и есть настоящие голограммы. Никакой хитрости — только наука.
Как это работает?
Для начала ответим на вопрос — как мы вообще воспринимаем объем? Это возможно благодаря тому, что у нас два глаза — каждый видит объект с разных сторон.
Мозг обрабатывает эти две немного разных картинки и строит в нашем сознании одну объемную модель. Благодаря этому мы можем оценивать расстояние до предметов просто посмотрев на них — мозг автоматически оценивает напряжение глазных мышц и определяет расстояние с довольно высокой точностью.
Глаз как оптический прибор
Камера работает на тех же принципах что и человеческий глаз — поэтому рассмотрим глаз как оптический прибор.
Глаз реагирует на свет, а свет, как известно — это электромагнитная волна, точно такая же как, например, вайфай — только более высокой частоты.
Для того чтобы глаз что то увидел — в него из этой точки должен прийти свет, когда мы видим какой то объект — мы регистрируем отраженный этим объектом во все стороны свет, который отражает во все стороны каждая точка поверхности
Каждая точка поверхности отражает свет во все стороны!
Это крайне важный принцип, который нужно понять — через каждый кусочек пространства проходит целая мешанина различных волн в самых разных направлениях, но видим мы только то, что попадает к нам в глаз через зрачок.
Из всей мешанины волн в глаз/фотоаппарат попадает лишь маленький кусочек от волны, который проскочил через зрачок.
Волна уходит дальше, но мы этого не видим потому что наш глаз не может регистрировать волны которые не идут прямо в него, но это не значит что их нет!
Когда мы поворачиваем голову, чтобы увидеть объект находящийся сбоку — в наш глаз начинают попадать кусочки волн, отраженных от этого объекта.
Эти волны всегда были тут, просто они невидимы для глаза, пока не будут идти в него спереди.
По тому же принципу работает фотоаппарат/кинокамера — из всего многообразия волн проходящих во все стороны через пространство — фиксируется только часть, которая идет в одном направлении — поэтому фотографии выглядят плоскими — это всего лишь малая часть изначальной информации
Голография
Теперь наконец можем перейти к принципу создания объемных снимков, рассмотрим часть пространства, обведенную фиолетовым, представим что поставили перед объектом стекло.
Если бы нам удалось каким то образом заморозить/запомнить картину волн, проходящих через это стекло, а затем воспроизвести в точности все амплитуды, частоты и фазы — тогда бы мы сохраняли не маленький зеленый кусочек от волны, который несет информацию только об одном направлении, а целую картину всех волн, которая содержит информацию обо всех возможных углах обзора.
Если не видно разницы...
Если из стекла выходит точно такая же картина из волн, которые испускал объект на момент «запечатывания» этой картины — визуально будет невозможно отличить такую «фотографию» от реального объекта, причем объект будет виден под всеми углами так как восстановлена вся картина волн, проходивших через пространство
Камера видит только в одном направлении — так что для того чтобы зафиксировать весь фронт волны нам нужно сделать снимки во всех направлениях, а потом объединить их в одну объемную картину — на таком принципе основано 3D сканирование.
Такой метод съемки 3D объектов аналогичен FDM 3D печати пластиком, которые на самом деле печатают в 2D просто много много раз — на качественном уровне это «костыль»
Реализация
Дело за малым — осталось всего лишь придумать как запечатать в пространстве все радиоволны, которые через него проходят, а затем восстановить, тут я пожалуй не буду углубляться в технические детали — главное понять основной принцип. (Если будет интерес — есть возможность снять голограмму в лаборатории спектроскопии, тут много нюансов — так что это тема для следующей статьи).
Останавливаем свет
Проблема в том, что волны находятся в постоянном движении. А если мы хотим зафиксировать картину в пространстве — мы должны прореагировать с каким то фоточувствительным материалом в течение некоторого времени и запечатываемая картина должна быть неподвижна на это время.
Делая обычную фотографию — мы не останавливаем свет, мы вырезаем узкое направление вдоль которого экспонируем матрицу лучами с постоянной амплитудой, каждый из которых соединяет точку объекта и пиксель на матрице.
Стоячие волны
Мы хотим запечатлеть все направления разом, и у нас нет глаза Агамото, чтобы заморозить время — придется думать головой.
Хорошо что это уже сделал еще в 1947 году Денеш Габор (тысяча девятьсот сорок седьмом году, Карл!). За что получил нобелевскую премию.
Суть в следующем — если сложить две волны с одинаковой частотой и разными направлениями, то в местах пересечения максимумов и минимумов этих волн возникнет стоячая волна — виртуальная волна(так как световые волны друг на друга не действуют), которая является суммой двух бегущих волн одинаковой частоты. За счет этого можно засветить неподвижную картину из пересечений двух волн в фотопластинке.
Засвечивая одну пластинку тремя цветами опорных волн — красным синим и зеленым — мы получим полноцветную голограмму, не отличимую от оригинала.
Если теперь убрать предмет и посветить на пластинку опорной волной — из пластинки выйдет точная копия волн, которые создавал сканируемый предмет.
Технологические требования
Так как очень важно, чтобы частоты предметной и опорных волн были одинаковые — необходим невероятно стабильный источник света, чтобы стоячая волна оставалась неподвижной — при небольшом различии частот — волна начнет двигаться и голограмма смажется.
Зеленый свет
Такой источник существует — он называется лазер. До изобретения лазера в 1960 году голография не имела коммерческого развития, для записи использовались газоразрядные лампы.
В 2009 году был изобретен первый в мире полупроводниковый зеленый лазер (красный и синий уже были). До этого зеленые лазеры использовали удвоение частоты инфракрасного лазерного диода, пропущенного через нелинейный оптический кристалл, удваивающий частоту. Однако данная конструкция имеет крайне низкий кпд, высокую стоимость, сложность и т.д.
Изобретение полупроводникового зеленого лазера дало зеленый свет разработке миниатюрных RGB лазерных проекторов. Прошло уже 9 лет — вполне достаточное время для перехода технологии в промышленное использование- и сейчас мы начинаем наблюдать самых активных участников рынка, скоро будет еще больше классных и интересных продуктов
Разрешающая способность
Разрешающая способность записывающей пластинки должна быть невероятно высокой — ведь расстояние между засвечиваемыми узлами стоячей волны сравнимо с длинной волны света, а это ~600нм! То есть разрешающая способность как минимум 1666 мм^-1.
Если при фотографировании — каждой точке матрицы соответствует точка на объекте, то в голограмме — на каждую точку матрицы падает свет от всех точек объекта, то есть каждая часть голограммы содержит информацию о всем объекте.
Выводы:
- Принцип голографии был придуман полвека назад, но реализовать его на хорошем уровне не позволяло отсутствие технологий — в частности лазеров, материалов для записи
- Даже используя обычные пластинки — создание голограммы достаточно тонкий и кропотливый процесс — сделать голографический полноцветный сканер и голографический экран с цифровым управлением в смартфоне — очень сильный вызов.
- Даже возможность делать одну статическую голограмму со штатива(не говоря уже о записи голограммы «с рук») и отображать ее на революционном голографическом дисплее в форм факторе смартфона — уже будет достижением которое изменит целые индустрии.
P.S. Также голография используется в производстве процессоров и микроскопии, позволяя преодолеть дифракционный предел обычного фотошаблона.
UPD: Спасибо за комментарий gritchenkoant
Относительно недавно была статья про камеры и дисплеи светового поля, похоже, что RED как раз на этой основе и готовит свою новинку
spie.org/newsroom/6623-high-resolution-3d-light-field-display?SSO=1
