Hologram – co to jest i jak powstaje?

Hologram to zapis informacji o świetle rozproszonym przez przedmiot, który pozwala odtworzyć jego obraz przestrzenny 3D. Powstaje dzięki interferencji wiązki przedmiotowej i wiązki odniesienia, najczęściej pochodzących z lasera. Sprawdź, jak przebiega ten proces i dlaczego hologram chroni dokumenty oraz produkty przed fałszerstwem.

Co to jest hologram?

Hologram jest optycznym zapisem obrazu, a holografia stanowi technikę rejestrowania informacji o obiekcie w trzech wymiarach. Zwykła fotografia zachowuje przede wszystkim zmiany amplitudy światła. Holografia zapisuje także fazę fali, dlatego podczas odtwarzania można uzyskać informacje o głębi, kształcie i przestrzennym ułożeniu przedmiotu.

Na kliszy lub innym nośniku nie pojawia się miniaturowy obraz obiektu. W powiększeniu widać układ jasnych i ciemnych prążków interferencyjnych, tworzących skomplikowaną strukturę. Każdy fragment takiego zapisu zawiera informacje o całym obrazie, choć po podzieleniu hologramu liczba widocznych szczegółów będzie mniejsza.

Hologram nie jest klasycznym zdjęciem. To zapis interferencji fal świetlnych, który po oświetleniu odtwarza przestrzenny układ światła odbitego od obiektu.

Jak powstaje hologram?

Proces zaczyna się od wiązki światła laserowego. Laser emituje światło spójne, czyli takie, którego fale mają uporządkowaną fazę i ściśle określone właściwości. Za pomocą płytki szklanej lub dzielnika wiązkę rozdziela się na dwie części.

Pierwsza z nich to wiązka przedmiotowa. Oświetla obiekt, odbija się od jego powierzchni i dociera do kliszy światłoczułej. Druga jest wiązką odniesienia. Pada na nośnik bezpośrednio albo po odbiciu od płaskiego zwierciadła, a następnie spotyka się tam z falą rozproszoną przez przedmiot.

W miejscu spotkania obu fal powstaje interferencja. Prążki muszą zachować stabilność przez cały czas ekspozycji, dlatego układ optyczny nie może drgać, a obiekt powinien pozostawać nieruchomy. Po wywołaniu klisza staje się hologramem.

Odtwarzanie obrazu przestrzennego

Aby zobaczyć zapisany obraz, hologram oświetla się światłem o właściwej spójności i kierunku. Struktura prążków działa jak siatka dyfrakcyjna. Ugina padającą falę i odtwarza konfigurację przestrzenną światła, która wcześniej odbiła się od obiektu.

W przypadku hologramu grubowarstwowego wiele warstw siatki dyfrakcyjnej znajduje się w objętości materiału. Taka budowa pozwala oglądać obraz w świetle niespójnym, na przykład białym. Zmiana kąta patrzenia może ujawnić inne barwy, elementy graficzne lub pozorny ruch.

Jakie są rodzaje hologramów?

Hologramy klasyfikuje się według kilku cech: sposobu opisu pola falowego, właściwości warstwy światłoczułej, rodzaju wiązki odniesienia oraz liczby ekspozycji. W optyce spotyka się między innymi zapisy Fresnela, Fraunhofera i Fouriera, stosowane w różnych odległościach między obiektem a płytą.

Znaczenie ma również wzajemne położenie obiektu, źródła odniesienia i ośrodka światłoczułego. W układzie Gabora wszystkie elementy leżą na jednej osi. Hologram Leitha-Upatnieksa wykorzystuje boczną wiązkę odniesienia, a w układzie Denisiuka obie wiązki docierają do materiału z przeciwnych stron.

Dlaczego hologram mieni się kolorami?

Barwy i efekt migotania wynikają z dyfrakcji światła na bardzo drobnej strukturze zapisu. Hologram może zawierać siatki dyfrakcyjne, mikrotekst oraz efekt kinematyczny. Gdy zmieniasz kąt obserwacji, światło ugina się w inny sposób, dlatego obraz może zmieniać kolor lub pozornie się przesuwać.

Nie wszystkie zabezpieczenia da się ocenić gołym okiem. Mikrotekst wymaga szkła powiększającego, a wybrane elementy można sprawdzać laserem lub mikroskopem. Właśnie połączenie wielu poziomów obrazu utrudnia wykonanie wiernej kopii.

Gdzie stosuje się hologramy?

Hologramy służą nie tylko do prezentowania obrazów 3D. Wykorzystuje się je w przetwarzaniu informacji, metrologii, interferometrii, rozpoznawaniu kształtów i symboli oraz do zapisu obrazów o dużej pojemności informacyjnej. Hologramy dynamiczne mogą także pracować w symulatorach lotu, a techniki holograficzne pozwalają rejestrować bardzo szybkie zjawiska.

Najbardziej widoczne zastosowanie dotyczy ochrony oryginalności. Holograficzne zabezpieczenia znajdują się na banknotach, certyfikatach, dokumentach, opakowaniach i wyrobach wymagających potwierdzenia autentyczności. Na takim elemencie można umieścić logo, numer seryjny, kod QR, mikrotekst albo indywidualny wzór.

Hologram na dokumentach publicznych

Przykładem dokumentu zabezpieczanego holograficznie jest legitymacja służbowa nauczyciela. Zgodnie z ustawą o dokumentach publicznych z 22 listopada 2018 roku należy ona do dokumentów publicznych kategorii trzeciej. Hologram potwierdza aktualność dokumentu i utrudnia jego podmianę lub nieuprawnione użycie.

Podobną funkcję pełnią oznaczenia na legitymacjach szkolnych i studenckich. Ich obecność może potwierdzać prawo do ulg, dlatego uszkodzenie albo brak zabezpieczenia ma znaczenie podczas kontroli dokumentu.

Ochrona opakowań i urządzeń

Hologramy VOID chronią opakowania przed nieautoryzowanym otwarciem. Po próbie odklejenia plomba pozostawia trwały napis VOID, więc naruszenie widać bez specjalistycznych przyrządów. Takie rozwiązanie stosuje się na płaskich i lekko zakrzywionych powierzchniach, między innymi przy elektronice, urządzeniach, przesyłkach i produktach przemysłowych.

Pełne właściwości kleju uzyskuje się po 24 godzinach od aplikacji. W zależności od projektu plomba może zawierać numerację, datę, logo, kod kreskowy lub dane identyfikacyjne. Po zerwaniu zabezpieczenie nie wraca do pierwotnego stanu, co utrudnia ponowne zamknięcie opakowania bez śladu.

Hologram VOID nie tylko potwierdza oryginalność produktu. Pozostawiony napis wskazuje także, że ktoś próbował otworzyć lub naruszyć zabezpieczone opakowanie.

Kto stworzył podstawy holografii?

W 1920 roku polski fizyk Mieczysław Wolfke opracował teoretyczne podstawy holografii. Rozdzielił proces tworzenia obrazu na zapis informacji i późniejsze odtworzenie, przewidując wykorzystanie interferencji do przechowywania danych.

W 1947 roku Dennis Gabor przeprowadził pierwsze próby zapisu i odtwarzania obrazów metodą holograficzną, a w 1948 roku opisał ideę fotografii trójwymiarowej. Przez pewien czas brakowało jednak źródła światła o dużej spójności i określonej długości fali.

Przełom przyniosło wynalezienie lasera w 1960 roku. Dwa lata później Juris Upatnieks i Emmett Leith zrealizowali holografię optyczną z użyciem lasera półprzewodnikowego. Dennis Gabor otrzymał za rozwój tej dziedziny Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki w 1971 roku.