Hologram to zapis fotograficzny przynajmniej dwufalowego obrazu interferencyjnego, który w odczycie daje dwa niezależne od siebie obrazy przestrzenne 3D. Tworzy się go przez rejestrację interferencji wiązki przedmiotowej i wiązki odniesienia na światłoczułym materiale. W artykule wyjaśniamy, jak powstaje taki zapis, jakie są jego rodzaje i gdzie najczęściej znajduje zastosowanie w nauce oraz zabezpieczeniach.
Czym jest hologram?
W klasycznej fotografii rejestruje się jedynie rozkład natężenia światła, przez co obraz jest płaski. W opisywanym zapisie światłoczuła płyta przechowuje również informację o fazie fali, co pozwala odtworzyć głębię i wrażenie trójwymiarowości.
Podczas odczytu z takiego nośnika powstają dwa niezależne obrazy przestrzenne. Dzięki temu obserwator może patrzeć na przedmiot z różnych stron, a zmiana kąta widzenia ujawnia inne szczegóły zapisanego obiektu.
Rejestracja zarówno amplitudy, jak i fazy fali świetlnej to najważniejsza cecha odróżniająca zapis holograficzny od zwykłego zdjęcia.
Jak powstaje hologram?
Proces rejestracji wymaga wzajemnego nałożenia dwóch spójnych wiązek światła. Jedna z nich oświetla przedmiot, a po rozproszeniu dociera do płyty jako fala przedmiotowa. Druga, nazywana falą odniesienia, pada bezpośrednio na nośnik. Interferencja obu fal tworzy mikroskopijne prążki, które zostają utrwalone w warstwie światłoczułej.
Do zapisu wykorzystuje się zwykle światło lasera, ponieważ jego wiązka charakteryzuje się wysoką spójnością. W warunkach stabilnych prążki interferencyjne są ostre, a to przekłada się na jakość odtwarzanego obrazu.
Jakie układy optyczne stosuje się do zapisu?
W praktyce wyróżnia się trzy podstawowe konfiguracje ustawienia źródła, obiektu i nośnika. Układ współosiowy, nazywany też układem Gabora od nazwiska fizyka Dennisa Gabora, prowadzi obie wiązki wzdłuż jednej prostej. Układ z boczną wiązką odniesienia nosi nazwę układu Leitha-Upatnieksa i polega na tym, że fale tworzą pewien kąt, ale dochodzą do płyty z tej samej strony. Trzecie rozwiązanie to układ Denisiuka z wiązkami przeciwsobnymi, w którym fala przedmiotowa i odniesienia docierają do ośrodka rejestrującego z przeciwnych stron.
Każdy z tych układów wpływa na właściwości odtwarzanego obrazu i na odporność zapisu na błędy. Wybór geometrii zależy między innymi od rodzaju przedmiotu oraz od zakładanego sposobu odczytu.
Jakie czynniki decydują o właściwościach zapisu?
Na końcowy efekt wpływają przede wszystkim typ nośnika, grubość warstwy światłoczułej oraz liczba ekspozycji. Warstwa cienka sprzyja zapisowi płaskiemu, natomiast warstwa o dużej grubości pozwala rejestrować struktury objętościowe. Liczba ekspozycji decyduje o tym, ile obrazów można zapisać w jednym elemencie.
Ważny jest również typ wiązki odniesienia. Odtwarzanie może przebiegać w fali spójnej lub niespójnej, co ma znaczenie w systemach odczytu poza laboratorium.
Jakie są rodzaje hologramów?
Podział takiego zapisu prowadzi się według kilku kryteriów technicznych. Osobno ocenia się geometrię rejestracji, parametry transmisji przezrocza, grubość warstwy, typ wiązki oraz liczbę ekspozycji.
Zestawienie najczęściej stosowanych kategorii przedstawia tabela:
| Kryterium podziału | Wyróżniane typy | Charakterystyka |
| Geometria rejestracji | w płaszczyźnie obrazu, Fresnela, Fraunhofera, Fouriera, quasifourierowski, bezsoczewkowy Fouriera | różne położenie płyty względem przedmiotu i obrazu rejestracji |
| Parametr transmisji przezrocza | fazowe, amplitudowe, amplitudowo-fazowe | sposób oddziaływania zapisu na falę odtwarzającą |
| Grubość warstwy światłoczułej | płaskie, objętościowe, dynamiczne | relacja grubości warstwy do okresu prążków interferencyjnych |
| Typ wiązki odniesienia | fala spójna, fala niespójna | warunki odtwarzania obrazu |
| Liczba ekspozycji | jednoekspozycyjne, dwuekspozycyjne, wieloekspozycyjne | liczba rejestrowanych obrazów na jednym nośniku |
W geometrii rejestracji zapis w płaszczyźnie obrazu powstaje, gdy płyta znajduje się blisko przedmiotu. Odmiana Fresnela wymaga spełnienia warunku stosowalności przybliżenia F, a odmiana Fraunhofera – przybliżenia Fr. Zapis Fouriera rejestruje widmo przedmiotu i wykorzystuje się go w optycznych układach przetwarzania sygnałów, natomiast odmiana quasifourierowska wiąże się z punktowym źródłem odniesienia w pobliżu przedmiotu.
Gdzie wykorzystuje się holografię?
Technika ta znajduje zastosowanie w wielu obszarach przetwarzania informacji. W optyce pełni funkcję filtrów częstotliwości przestrzennych, umożliwia rozpoznawanie symboli oraz pozwala zapisywać dane dwu- i trójwymiarowe.
Do najważniejszych zastosowań w tej dziedzinie należą:
- filtry częstotliwości przestrzennych,
- elementy o dużej pojemności informacji,
- rozpoznawanie symboli, kształtów i podobieństw,
- zwielokrotnienie obrazów,
- poprawa jakości odwzorowania układów optycznych,
- tworzenie obrazów 3D cząstek z dużym powiększeniem.
Zastosowania w nauce i metrologii
Osobny obszar to metrologia i interferometria. Wykorzystuje się tam zapis do precyzyjnych pomiarów odkształceń i drgań. W badaniach szybkich zjawisk robi się też zdjęcia ultraszybkie, a odmiany dynamiczne bywają wykorzystywane jako symulatory lotu.
Jak hologram zabezpiecza dokumenty publiczne?
Zabezpieczenia tego typu wykonuje się w formie naklejek samoprzylepnych lub na foliach metalizowanych nanoszonych technologią hot-stampingu albo cold-stampingu. Dzięki indywidualnemu wzorowi są one trudne do skopiowania i stanowią jedną z barier przed fałszowaniem druków, w tym banknotów.
Indywidualne wzory zabezpieczeń rejestruje się w międzynarodowym rejestrze hologramów, co ułatwia weryfikację autentyczności produktów i dokumentów.
Zabezpieczenia na legitymacjach szkolnych i służbowych
Na polskich legitymacjach tego rodzaju zabezpieczenie pełni obowiązkową funkcję ochronną. Legitymacja służbowa nauczyciela jest dokumentem publicznym kategorii trzeciej oraz drukiem ścisłego zarachowania, a na jej rewersie znajduje się numer blankietu. Placówki edukacyjne prowadzą rejestr wydanych legitymacji, co dodatkowo utrudnia nieuprawnione duplikowanie.
Wzór i tryb wystawiania legitymacji nauczyciela określa rozporządzenie Ministra Edukacji z 11 kwietnia 2024 r. zmieniające wcześniejsze przepisy, opublikowane jako Dz.U. 2024 poz. 565. Zgodnie z art. 11c Karty Nauczyciela dyrektor szkoły wydaje dokument w terminie 30 dni od otrzymania wniosku, a opłata nie może przekraczać kosztów wytworzenia. Taka legitymacja uprawnia też do ulgi 33% na przejazdy środkami publicznego transportu zbiorowego.
Tego rodzaju zabezpieczenie występuje również na legitymacjach szkolnych oznaczonych symbolami:
- MEiN-I/1 – dla uczniów szkół dla dzieci i młodzieży oraz uczniów szkół polskich,
- MEiN-I/2 – dla słuchaczy branżowych szkół II stopnia, szkół policealnych i szkół dla dorosłych,
- MEiN-I/3-N – dla niepełnosprawnych uczniów szkół dla dzieci i młodzieży oraz uczniów szkół polskich,
- MEiN-I/4-N – dla niepełnosprawnych słuchaczy branżowych szkół II stopnia, szkół policealnych i szkół dla dorosłych,
- MEiN-I/5 – legitymacja przedszkolna.
Plomby i folie z efektem VOID
Poza dokumentami publicznymi powszechnie stosuje się holograficzne plomby gwarancyjne i serwisowe. Wykonuje się je na folii holograficznej, która po oderwaniu pozostawia trwały napis VOID. Taki efekt pozwala szybko wykryć próbę otwarcia urządzenia lub opakowania.
Plomby tego rodzaju sprawdzają się na powierzchniach płaskich oraz lekko zakrzywionych. Pełne właściwości kleju osiągają w ciągu 24 godzin od aplikacji, a nadruk może zawierać numerację, datownik, logo, kody kreskowe lub dane kontaktowe. Stosuje się je jako zabezpieczenia gwarancyjne, oznaczenia inwentaryzacyjne i elementy identyfikacji produktów.
FAQ – najczęściej zadawane pytania
Czym hologram różni się od zwykłego zdjęcia?
Hologram rejestruje nie tylko natężenie światła, lecz także informację o fazie fali, dzięki czemu odtwarza głębię i wrażenie trójwymiarowości.
Jak tworzy się hologram?
Tworzenie hologramu polega na interferencji dwóch spójnych wiązek światła — jednej oświetlającej przedmiot i drugiej padającej bezpośrednio na nośnik, co zapisuje prążki interferencyjne na materiale światłoczułym.
Dlaczego do zapisu używa się laserów?
Lasery zapewniają wysoką spójność wiązki, co prowadzi do ostrych prążków interferencyjnych i lepszej jakości odtwarzanego obrazu.
Jakie podstawowe układy optyczne stosuje się przy zapisie hologramów?
Stosuje się układ współosiowy (Gabora), układ z boczną wiązką odniesienia (Leitha-Upatnieksa) oraz układ z wiązkami przeciwsobnymi (Denisiuka), różniące się geometrią i właściwościami zapisu.
Co wpływa na ostateczne właściwości zapisanego hologramu?
Kluczowe są rodzaj nośnika, grubość warstwy światłoczułej oraz liczba ekspozycji, a także typ wiązki odniesienia stosowany przy odczycie.
Jakie typy hologramów wyróżnia się ze względu na grubość warstwy?
Wyróżnia się zapisy płaskie, objętościowe i dynamiczne, zależnie od relacji grubości warstwy do okresu prążków interferencyjnych.
Gdzie znajdują zastosowanie hologramy w nauce i przetwarzaniu informacji?
Wykorzystuje się je jako filtry częstotliwości przestrzennych, do rozpoznawania symboli, zapisu dużej pojemności informacji oraz do tworzenia trójwymiarowych obrazów cząstek.
Jak hologramy są używane w zabezpieczeniach dokumentów i produktów?
Stosuje się je jako trudne do podrobienia naklejki lub folie (hot- i cold-stamping) oraz jako plomby pozostawiające napis VOID po oderwaniu, co utrudnia fałszerstwa i wykrywa naruszenia.
