Trzeci wymiar obrazu - wyświetlacz holograficzny

Pierwszy z nich (wiązka przedmiotowa) oświetla przedmiot utrwalany przy pomocy hologramu i ulega on odbiciu od obiektu. Drugi ze strumieni (wiązka odniesienia) kierowana jest bezpośrednio na kliszę. Dochodzi do wzajemnej interferencji obu wiązek lasera, które są kierowane na specjalny materiał, będący najczęściej światłoczułym polimerem. Pod wpływem lasera ulega on chemicznej przemianie, w wyniku której zmienia się jego współczynnik załamania światła. Pozwala to utrwalić nie tylko zmiany natężenia światła, ale także zmiany w jego fazie. Ukończony hologramu, po umieszczeniu w białym świetle, odtwarza trójwymiarową reprezentację oryginalnego przedmiotu. Warto zauważyć, że zachodząca w polimerze reakcja chemiczna jest nieodwracalna – z tego względu możliwy jest jedynie jednokrotny zapis, bez możliwości wprowadzenia późniejszych zmian.

Badacze z Uniwersytetu Arizona opracowali nowy materiał przeznaczony do zapisu hologramu, który otrzymał roboczą nazwę kompozytowego polimeru fotorefrakcyjnego. Ma on zdolność absorpcji światła o określonej długości fali – w tym przypadku 532nm (barwa zielona). Kiedy strumień lasera pada na polimer, powstają ładunki dodatnie oraz ujemne – elektrony i dziury. Dodatnie ładunki posiadają większą swobodę niż elektrony, więc ulegają przemieszczaniu pod wpływem działania światła i następuje ich uwięzienie w obszarach nieoświetlonych. Siatka ładunków ujemnych oraz dodatnich tworzy pole elektryczne, które zmienia współczynnik załamania materiału. Tak utworzony hologram po oświetleniu czerwonym światłem lasera o długości fali 632nm umożliwia obserwacją zapisanego uprzednio obrazu w trzech wymiarach. Charakteryzuje się on barwą czerwoną i jej odcieniami, ale naukowcy planują wykonanie w przyszłości wyświetlacza kolorowego, możliwego do oglądania przy zwyczajnym, białym świetle.

To dopiero początek

Po pierwszych próbach z nowym rodzajem wyświetlacza okazało się, że zapisany obraz utrzymuje się przez około 3 godziny. Warto zauważyć, że można po upływie tego czasu zapisać wyświetlacz ponownie, gdyż nie występują tu nieodwracalne, chemiczne reakcje. Zmiany wywołane przez pole elektryczne utrzymują się dopóki nośniki znajdują się jednym miejscu. Kasowanie zapisanego obrazu możliwe jest po zastosowaniu zielonego światła, którym oświetla się cały wyświetlacz powodując równomierne rozprzestrzenianie ładunków.

Hologramy bardzo dobrze nadają się do budowy wyświetlaczy 3D, gdyż są z natury rzeczy autostereoskopowe. Oznacza to, że obraz trójwymiarowy (wrażenie przestrzeni) może być oglądany pod różnymi kątami bez potrzeby zakładania specjalnych okularów. Opracowana technika holograficzna nie daje możliwości wyświetlania trójwymiarowych filmów, gdyż wymagałby to pokonania szeregu trudności. Pierwszą z nich jest rozmiar samego wyświetlacza, który w fazie prototypowej miał wymiary dziesięć na dziesięć centymetrów. W planach jest zwiększenie jego rozmiaru do 30cm. Według badaczy z Uniwersytetu Arizona wykonanie polimeru o takich wymiarach nie powinno okazać się dużym wyzwaniem. Należy mieć na uwadze, że grubość wyświetlacza jest mniejsza niż 100 mikrometrów, więc zachowanie jednolitej struktury na całej jego powierzchni może stanowić pewne wyzwanie. Kolejnym problemem jest szybkość zapisu, która jest zdecydowanie zbyt mała - utworzenie obrazu na wyświetlaczu o rozmiarze 30 cm zajmuje w przybliżeniu dwie minuty. Odtwarzanie filmów wideo wymaga przyspieszenia tego procesu około 3600 razy, tak aby był możliwy zapis 30 klatek animacji na sekundę. Prowadzone są dalsze badania nad polimerem i próbuje się zwiększyć jego wrażliwości na światło, aby przezwyciężyć problem zbyt wolnego zapisu. Pod uwagę bierze się także stosowanie większej mocy lasera do zapisu obrazu.

Kolejnym wyzwaniem stojącym przed naukowcami jest opracowanie materiału wrażliwego na światło czerwone, zielone oraz niebieskie, co pozwoliłoby zbudować wyświetlacz kolorowy. Wydaje się to być mniej skomplikowane, niż przyspieszenie procesu zapisu do poziomu umożliwiającego odtwarzanie filmów wideo. Zależenie od wymaganych przez rynek rozmiarów, istnieje realna szansa opracowania komercyjnego, holograficznego wyświetlacza 3D w przeciągu najbliższych pięciu lat. Wyświetlacz taki cechowałby się możliwością odświeżania jego zawartości co kilka minut. Jest to zbyt mało, aby mógł się on nadawać do prezentacji filmów i animacji, może jednak znaleźć zastosowanie w medycynie. Umożliwi lekarzom obrazowanie w trzech wymiarach wyników skanowania MRI oraz CT. Chirurdzy zyskają możliwość leczenia w nowy sposób – po wykonaniu operacji będą mogli uaktualnić hologram na wyświetlaczu i ocenić dalsze poczynania. Potencjalny obszar zastosowań obejmuje także wojsko, gdyż wyświetlacz holograficzny umożliwi przestrzenną wizualizację pola bitwy z uaktualnianiem obrazu co 5 minut. Pozwoli to w znacznie dokładniejszym stopniu oceniać i analizować sytuację. Nieprzypadkowo U. S. Air Force Office of Scientific Research (Biuro Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych ds. Badań Naukowych) jest jednym ze sponsorów badań naukowców z Uniwersytetu Arizona. Holograficzny wyświetlacz 3D stanie się interesującą propozycją dla producentów, którzy oprócz zapewnienia bardzo płaskiego monitora starają się dać końcowemu użytkownikowi wrażenie przestrzeni.

Holografia nie stanowi jedynej perspektywy dla wyświetlaczy 3D. Prowadzone równolegle badania skupiają się na generowaniu obrazu trójwymiarowego bez zjawiska holografii. Być może znajdzie to zastosowanie w projekcji trójwymiarowych filmów. Odpowiedzi na wiele pytań pojawią się na przestrzeni najbliższych lat, gdyż są to dopiero początki badań związanych z wyświetlaczami

Jakub Borzdyński