U progu holowizji. Dzień Fotoniki na Wydziale Fizyki PW

Hologramy - ruchome, przestrzenne złudzenia postaci lub przedmiotów, które w rzeczywistości nie istnieją - taką definicję zjawiska zna każdy, kto widział Gwiezdne Wojny. George Lucas w tym wizjonerskim dziele na długo wyznaczył cele inżynierom z wielu dziedzin, starającym się do dziś stworzyć miecze świetlne, lewitujące pojazdy, inteligentne androidy czy też właśnie systemy komunikacji holograficznej. Pogoń za wyobraźnią tego już ponad 25-letniego dzieła światowej kinematografii trwa także w Politechnice Warszawskiej. Jednak 21 października 2014 r. wydarzyło się coś bez precedensu. Po raz pierwszy obraz z kamery został wyświetlony na żywo w postaci hologramu. Projekcja, na razie jednobarwna i płaska, technologicznie bliska jest pełnej realizacji idei holowizji.

dr hab. inż. Michał Makowski i Jan Bolek - autorzy pokazu/ fot. Wydział Fizyki PW

Holografia to pełny zapis fali świetlnej tworzącej obraz w naszych oczach. W odróżnieniu od znanych nam fotografii w każdym jej punkcie zapisana jest nie tylko jasność światła (tworząca razem z innymi punktami płaski obraz), ale także kierunek, z którego światło przybiegło. Dzięki temu możliwe jest odtworzenie całej sceny tak, jak można ją zobaczyć patrząc przez okular aparatu lub kamery. Całej, to znaczy wraz z percepcją odległości do poszczególnych przedmiotów oraz efektami paralaksy, czyli zmian w widzianej scenie, związanych z różnymi kątami patrzenia. Pomysł, jak dokonać takiej przestrzennej fotografii tj. hologramu, odkrył już 95 lat temu późniejszy profesor Politechniki Warszawskiej - Mieczysław Wolfke, nie podejmując jednakże próby jej doświadczalnej realizacji. Tej dokonał niezależnie, ponad ćwierć wieku później, Denis Gabor, za co w 1971 roku otrzymał Nagrodę Nobla uznając Wolfkego prekursorem swojego osiągnięcia. Dziś hologramy istnieją głównie jako elementy zabezpieczające banknoty czy wydawnictwa multimedialne, jednakże prawdziwy potencjał tej techniki wciąż czeka na aplikację w życiu codziennym.

dr hab. inż. Michał Makowski prezentuje układ projekcyjny gościom wystawy Day of Photonics 2014/ fot. Wydział Fizyki PW

Jak stworzyć hologram? Potrzebny do tego jest laser, kilka zwierciadeł i klisza fotograficzna potrafiąca zapisywać bardzo małe szczegóły obrazu. Do niedawna niemożliwa była realizacja takiej „fotografii” w sposób dynamiczny. Przełomem stało się wyprodukowanie przestrzennych modulatorów światła (SLM - spatial light modulator). Są to matryce ciekłokrystaliczne, które charakteryzują się rozdzielczością ponad 7000 ppi (pikseli na cal), podczas gdy najlepsze obecnie matryce tabletów osiągają „zaledwie” 500 ppi. Ponadto potrafią nie tylko zmieniać jasność światła w każdym punkcie, ale także jego fazę (a więc kierunek biegu promienia), co w efekcie prowadzi do znacznego zwiększenia wydajności generowanego rozkładu światła w obrazie. Urządzenia takie nie wyświetlają obrazu tak, jak to znamy z ekranów naszych monitorów czy smartfonów, lecz modyfikują pole optyczne w ten sposób, aby na ekranie (albo siatkówce oka) utworzył się obraz. Oznacza to praktycznie stuprocentową wydajność, gdyż całe światło wysyłane przez źródło tworzy obraz. W dodatku hologram działa jak dziurka od klucza. Możemy przez niego zajrzeć do zapisanej, nieistniejącej już sceny, jak do pokoju przez mały otworek wielkości matrycy.

dr hab. inż. Michał Makowski prezentuje projekcję gościom wystawy Day of Photonics 2014/ fot. Wydział Fizyki PW

Zaprezentowana na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej w ramach światowego Dnia Fotoniki (Day of Photonics 2014) przez grupę dr. hab. inż. Michała Makowskiego projekcja, bazowała na źródle światła (laserze) oraz soczewkach kształtujących wiązkę oświetlającą hologram dynamicznie generowany na SLMie. Ta prostota układu wyświetlającego jest jedną z największych zalet prezentowanego rozwiązania. Dzięki eliminacji obiektywu z procesu projekcji możliwa będzie daleko idąca miniaturyzacja układu optycznego, eliminacja zniekształceń obrazu oraz możliwość zmiany ostrości i powiększenia bez udziału części ruchomych. Nowością w skonstruowanym demonstratorze było wykorzystanie rozbieżnej wiązki lasera, która poprawia bezpieczeństwo projekcji dla oka ludzkiego oraz pozwoliła na uproszczenie budowy. Docelowo do wyświetlenia hologramu wystarczyć powinny trzy diody laserowe. Podczas prezentacji hologramy wyświetlane na modulatorze były obliczane w czasie rzeczywistym przy użyciu wydajnego procesora karty graficznej zainstalowanej w laptopie średniej klasy.

Koncepcja w niedalekiej przyszłości znajdzie zastosowanie w przenośnych piko-projektorach oraz w projektorach kinowych o bardzo dużych mocach, gdzie aplikacja może przełożyć się na poważne, ok. 40 procentowe oszczędności energii elektrycznej. Obecnie na Wydziale Fizyki Politechniki Warszawskiej prowadzony jest przez dr. hab. inż. Michała Makowskiego projekt CULPA („Compact Ultra-efficient Laser Projector for hAndhelds”), którego finansowanie pokrywa Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. W efekcie powstać ma miniaturowy projektor wyświetlający kolorowy obraz holograficzny.