Гологра́фия — метод регистрации информации, основанный на интерференции волн. Опти́ческая гологра́фия — разновидность голографии, в которой записывается световое поле, создаваемое оптическим излучением. Это осуществимо при регистрации картины стоячих волн, образованных в результате интерференции между когерентными пучками света, излучённого источником и отражённого от объекта. Изображение, получаемое с помощью голографии, называется гологра́мма, и считается наиболее точным автостереоскопическим воспроизведением зрительного впечатления, производимого снятыми объектами. При этом сохраняется ощущение глубины пространства и многоракурсность, а изображение выглядит, как вид на снятый предмет через окно, которым служит голограмма.
Принципиальным отличием голографии от всех остальных способов регистрации изображения является распределённость информации о всех снятых объектах на поверхности всего датчика, такого, например, как фотопластинка. Поэтому повреждение голограммы, ведущее к уменьшению её площади, не приводит к потере части изображения. Каждый осколок разбитой на несколько частей фотопластинки с голограммой продолжает содержать изображение всех снятых объектов. Уменьшается только количество доступных ракурсов, а изображение на слишком мелких осколках утрачивает стереоскопичность и чёткость.
Несмотря на совершенство получаемого изображения, голография не смогла заменить традиционную стереофотографию. Из-за особенностей технологии съёмка очень сложна и возможна только в лабораторных условиях при освещении лазером. Голография нашла применение в спектроскопии, фотограмметрии, микроскопии и голографической интерферометрии, а также в деле записи информации и создании защитных приспособлений для документов. Оптические элементы (например, дифракционные линзы), сгенерированные с помощью компьютерной голографии, широко используются в современных оптических приборах.
Историческая справка Математическая теория голографии появилась значительно раньше её практической реализации и стала неожиданным результатом работ британского физика венгерского происхождения Денеша Габора по совершенствованию рентгеновской микроскопии. Эти исследования, начатые задолго до Габора Мечиславом Вольфке и Уильямом Брэггом, имели целью совершенствование просвечивающего электронного микроскопа. Технология Габора, в 1947 году запатентованная компанией British Thomson-Houston, получила название «электронная голография», и до настоящего времени используется в электронной микроскопии. «За изобретение и развитие голографического принципа» Денеш Габор в 1971 году получил Нобелевскую премию по физике. Его первые голограммы, изготовленные с помощью ртутной дуговой лампы, отличались крайне низким качеством из-за недостаточной когерентности излучения. Развитие оптической голографии стало возможно только после изобретения лазера в 1960 году.
Слово «голография» придумано самим изобретателем и составлено из греческих слов (всё) и (рисую, записываю), чтобы подчеркнуть полную запись оптических свойств объекта. В 1962 году, почти сразу же после появления лазеров, одновременно в СССР и США начались исследования о возможности записи изображения методом голографии. В Советском Союзе работы велись в ГОИ имени Вавилова Юрием Денисюком, а в США теорию Габора воплощали Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс из Мичиганского университета. Первая в истории лазерная голограмма, изображающая игрушечные поезд и птицу, была создана в 1964 году Лейтом и Упатниексом. Советский и американские учёные вели исследования независимо друг от друга, и их голограммы получены принципиально различными способами. В США для записи изображения использовалась технология, позднее получившая название «метод Лейта — Упатниекса»Leith E. N. and Upatnieks J. Wavefront reconstruction with diffused illumination and three-dimensional objects // J. Opt. Soc. Am.—1964.—V. 54.—P.1295.. Этим способом записываются так называемые «пропускающие» голограммы, когда при воспроизведении изображение создаётся светом, проходящим сквозь фотопластинку.
Советские исследования велись в ГОИ в другом направлении. Вместо тонкослойных здесь использовались толстые фотоэмульсии, позволяющие регистрировать кроме интерференции опорного и предметного пучков, также цветовую составляющую света методом цветной фотографии Липпмана. В 1968 году Геннадий Соболев получил первые голограммы, выполненные по методу Денисюка, и не требующие для своего воспроизведения когерентного излучения. Такие голограммы позднее получили название «отражающих»: изображение восстанавливалось в натуральных цветах отражённым от фотопластинки белым светом обычных источников. Разработанная в СССР технология стала известна во всём мире под названием «схема Денисюка», а полученные с её помощью голограммы называются «объёмными», так как запись информации происходит во всём объёме толстой фотоэмульсии.
Появление импульсных лазеров со сверхкоротким временем свечения позволило делать голограммы движущихся объектов. В том же 1968 году американцем Зибертом был записан первый голографический портрет. Спустя год американец Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories предложил ещё один способ голографии, позднее получивший название «радужной». Цветные голограммы, изготовленные по этой технологии на пластике с металлической подложкой, видимы при обычном освещении. Одним из главных достоинств метода Бентона стала доступность тиражирования голограмм, которое тем не менее требует высокотехнологичного оборудования и доступно только в промышленных условиях. Это стало причиной широкого распространения защитных голограмм в качестве средства подтверждения подлинности. В 1976 году на международном конгрессе УНИАТЕК был продемонстрирован первый в мире голографический 47-секундный киноролик, изготовленный в НИКФИ под руководством Виктора Комара.
В 1977 году Ллойд Кросс изобрёл так называемую «составную» или «мультиплексную» голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества отдельных плоских ракурсов, созданных методом обычной фотографии. Изначально технология предполагала киносъёмку объекта, который поворачивают перед объективом работающей кинокамеры, а затем отдельные кадрики проявленной киноплёнки записываются на узкие полосы общей голограммы. Такая голограмма, в отличие от классической, не содержит полной информации о световом поле объекта, и обладает многоракурсностью лишь в горизонтальной плоскости, но съёмка доступна вне лаборатории, как для обычной фотографии. Более того, если в процессе киносъёмки объект движется, то при изменении ракурса, под которым наблюдатель видит голограмму, это движение воспроизводится. Мультиплексная голография считается наиболее простым и эффективным способом перевода обычных стереограмм в голографическую форму.
Физические принципы Рассеянный объектом свет характеризуется волновыми параметрами: амплитудой и фазой, а также направлением в пространстве. В обычной фотографии регистрируется только амплитуда световых волн, и её распределение в пределах двумерного светоприёмника. Для этого используется объектив, строящий действительное изображение объекта записи. Полученное плоское изображение может создавать только иллюзию объёма за счёт перспективы, светотени и перекрытия объектами друг друга. Стереофотография позволяет с помощью двух или нескольких объективов более достоверно имитировать объём за счёт свойств бинокулярного зрения, но даёт возможность наблюдать записанные объекты с ограниченного числа ракурсов, чаще всего с единственного.
Полноценное воспроизведение объёма и возможности «оглядывания» снятых объектов достигнуты в интегральной фотографии, изобретённой Габриэлем Липпманом в 1908 году. Эти возможности реализуются съёмкой через двумерный массив микроскопических линз, прижатый к светочувствительному слою. В результате, каждая из линз отображает снятые объекты с собственного ракурса, обеспечивая при воспроизведении автостереоскопичность и многоракурсность. В теории по своим возможностям интегральная фотография почти не уступает голографии, предвосхитив её на несколько десятилетий. Поэтому иногда эту технологию называют некогерентной голографией.
В голографии кроме амплитуды регистрируются также фаза и направление световых волн с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в соответствующие амплитудные. При этом объектив не требуется, а полученная голограмма, как и интегральный снимок, обладает многоракурсностью, позволяя менять точку наблюдения произвольно, даже «заглядывая» за объект. При записи голограммы складываются две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В месте сложения этих волн размещают фотопластинку или иной регистрирующий материал. В результате сложения объектной и опорной волн возникает неподвижная интерференционная картина, которая регистрируется фотопластинкой в виде микроскопических полос потемнения.
Записанная интерференционная картина на проявленной фотопластинке может выполнять роль дифракционной решётки. Поэтому, если её осветить светом с длиной волны, совпадающей с опорной, эта решётка за счёт дифракции преобразует свет в волну, близкую к объектной. Таким образом, при воспроизведении голограммы образуется световое поле, в точности соответствующее записанному по амплитуде, фазе и направлению. В результате зритель видит в месте расположения объекта съёмки относительно фотопластинки его мнимое изображение. Вторая волна, образованная при освещении голограммы, образует действительное изображение. Обработанная обычным способом фотопластинка хранит амплитудную информацию о световом поле, записанную в виде чёрно-белой дифракционной решётки из проявленного металлического серебра. Другая технология предусматривает отбеливание проявленного серебра, в результате чего в соответствующих местах толщина желатины уменьшается пропорционально полученной экспозиции, образуя фазовую решётку. При дешифровке таких голограмм из-за разницы хода лучей в желатиновом слое, изменяется фаза когерентного восстанавливающего пучка, но не его интенсивность. Такая отбелённая голограмма называется «фазовой».
Независимо от разновидности голограмм, технология их записи сопряжена с очень строгими ограничениями. Регистрируемая интерференционная картина состоит из деталей, размер которых сопоставим с длиной волны используемого света. Она может быть зафиксирована лишь фотоэмульсиями с очень большой разрешающей способностью, достигающей нескольких тысяч линий на миллиметр. Фотоматериалы с такой эмульсией обладают крайне низкой светочувствительностью, требуя длинных выдержек. В то же время, чёткая запись мелких деталей интерференционной картины возможна только при объекта и всех элементов регистрирующей установки, которые за время экспозиции не должны смещаться друг относительно друга более, чем на четверть длины волны. Поэтому для монтажа всех элементов записывающей установки используются многотонные гранитные, бетонные или стальные плиты, предотвращающие вибрации и тепловую нестабильность. Кроме того, пределы пространственной когерентности не позволяют регистрировать изображение протяжённых объектов и ограничивают глубину отображаемого пространства несколькими метрами.
В наши дни известны несколько десятков разновидностей голограмм, отличающихся схемой освещения, источником света и регистрирующей средой: Френеля, Фраунгофера, Фурье, фазовая, «киноформ», «радужная», внеосевая, цилиндрическая, термопластическая и другие. Однако, все они являются производными от двух наиболее известных схем записи на фотопластинку.
Схема записи Лейта — Упатниекса