Голографические дисплеи: как работают экраны с объёмным изображением

Голографические дисплеи способны показывать объекты, которые выглядят объёмными и меняются при перемещении зрителя. Человек может посмотреть на виртуальную модель с разных сторон, оценить её глубину и увидеть детали, скрытые за передней частью изображения.

Подобные экраны часто показывают в фантастических фильмах: изображение возникает прямо в воздухе, а пользователь поворачивает и увеличивает его движениями рук. Настоящие технологии пока значительно скромнее, но исследовательские установки уже позволяют создавать динамические трёхмерные изображения.

При этом далеко не каждое устройство, называемое голографическим, действительно воспроизводит голограмму. Под популярным термином нередко скрываются совершенно разные технологии.

Обычный экран показывает плоское изображение

Телевизор или монитор состоит из множества пикселей. Каждый пиксель изменяет цвет и яркость, а человеческий мозг объединяет световые точки в единую картинку.

Такой экран способен создать иллюзию глубины с помощью перспективы, теней и движения. Однако все пиксели физически находятся в одной плоскости. Если человек смещается в сторону, он по-прежнему видит ту же поверхность.

Настоящее объёмное изображение должно вести себя иначе. Ближние детали должны закрывать дальние, ракурс объекта — меняться вместе с положением наблюдателя, а глаза — фокусироваться на разных расстояниях.

Для этого дисплею недостаточно управлять только цветом и яркостью. Необходимо контролировать направление и фазу распространяющегося света.

Голограмма хранит информацию о световой волне

Классическую голограмму создают с помощью лазера. Луч разделяется на две части. Одна освещает объект и отражается от него, а вторая направляется непосредственно на светочувствительный материал.

При встрече волн образуется сложный интерференционный рисунок. Он сохраняет информацию не только об интенсивности света, но и о его фазе.

Когда готовую голограмму освещают подходящим источником, она восстанавливает световую волну, похожую на ту, которая отражалась от исходного объекта. Глаза получают почти такую же оптическую информацию, как при наблюдении настоящего предмета.

Поэтому изображение обладает глубиной и меняется при перемещении зрителя. За некоторыми деталями можно увидеть другие части сцены, если посмотреть на голограмму под новым углом.

Электронному дисплею приходится постоянно менять голограмму

Обычная голографическая пластинка содержит неподвижную запись. Для воспроизведения видео интерференционный рисунок необходимо изменять много раз в секунду.

В цифровых системах его рассчитывает компьютер. Полученный рисунок выводится на пространственный модулятор света — электронный компонент, способный управлять проходящим или отражённым светом.

Модулятор состоит из огромного количества миниатюрных элементов. Они изменяют фазу, амплитуду или поляризацию световой волны. После освещения лазером формируется изображение, рассчитанное компьютером.

Для создания плавного движения такие вычисления и перестроения должны происходить с высокой скоростью. Чем сложнее объект, больше размер экрана и шире зона наблюдения, тем больше данных требуется обработать.

Не все «голограммы» являются голографическими

На выставках и концертах можно увидеть исполнителей или предметы, будто появившиеся в воздухе. Такие эффекты часто называют голограммами, хотя они могут быть обычной проекцией на прозрачную поверхность.

Один из известных сценических способов основан на оптической иллюзии, похожей на старинный эффект «Призрак Пеппера». Изображение отражается от наклонного прозрачного экрана и кажется находящимся рядом с реальными объектами.

В магазинах встречаются вращающиеся светодиодные устройства. Полоска со светодиодами быстро вращается, а человеческий глаз объединяет последовательность вспышек в целое изображение. Оно может выглядеть парящим, но полноценной голограммой не является.

Прозрачные OLED-экраны также иногда называют голографическими. Они действительно позволяют видеть пространство за изображением, однако картинка остаётся плоской.

Все эти технологии могут создавать впечатляющие эффекты, но работают иначе, чем настоящий голографический дисплей.

Объём должен быть виден с разных ракурсов

Один из главных признаков полноценного трёхмерного изображения — параллакс. Если человек перемещает голову, ближние и дальние детали должны смещаться относительно друг друга.

Стереоскопическое кино создаёт отдельное изображение для каждого глаза. Благодаря этому мозг ощущает глубину. Но при движении зрителя ракурс обычно не меняется естественным образом.

Некоторые дисплеи отслеживают положение головы и перестраивают изображение. Это улучшает эффект, но система может правильно работать только для одного или нескольких наблюдателей.

Голографический экран формирует множество направлений света одновременно. Теоретически каждый зритель получает подходящий ракурс без специальных очков и отслеживания движений.

Пиксели должны стать значительно меньше

Разрешение обычного телевизора измеряется количеством видимых пикселей. Для голографического дисплея важны не только их количество, но и физический размер.

Чтобы направлять свет под большим углом, элементы пространственного модулятора должны быть чрезвычайно маленькими. Чем крупнее их шаг, тем уже доступное поле зрения.

Современные микродисплеи содержат миллионы элементов, но для большого голографического экрана с широким углом обзора этого недостаточно. Потребовалось бы огромное количество пикселей микроскопического размера.

Производство таких панелей является сложной инженерной задачей. Необходимо обеспечить высокую скорость переключения, точное управление светом и отсутствие заметных дефектов на большой площади.

Полноцветное изображение создать ещё труднее

Для получения цветной голограммы необходимо управлять красной, зелёной и синей составляющими света. Каждая длина волны распространяется и преломляется немного по-разному.

В экспериментальных установках могут использоваться три лазера и несколько модуляторов. Их изображения необходимо точно совместить, иначе вокруг деталей появляются цветные контуры и искажения.

Другой вариант — поочерёдно формировать цветовые компоненты с очень высокой скоростью. Глаз объединяет их, и зритель воспринимает полноцветную картинку.

Такие системы усложняют конструкцию и повышают требования к вычислениям. Одновременно необходимо сохранить яркость, точность цветов и безопасность лазерного излучения.

Расчёт каждого кадра требует огромной мощности

Компьютер должен определить, какой свет пришёл бы к зрителю от каждой точки виртуального объекта. Затем на основе этих данных рассчитывается сложный голографический рисунок.

Для небольшой неподвижной сцены это выполнимо. Но видео высокого разрешения состоит из десятков кадров в секунду, а каждый кадр может содержать миллионы элементов.

Чем шире экран и зона обзора, тем больше информации приходится рассчитывать. Полноценное голографическое видео может требовать значительно больше данных, чем обычная запись высокого разрешения.

Ускорить обработку помогают графические процессоры, специализированные микросхемы и алгоритмы машинного обучения. Они могут находить приближённое решение быстрее, уменьшая количество вычислений. Однако повышение скорости не должно приводить к заметной потере качества.

Очки дополненной реальности используют похожие принципы

Одним из наиболее реалистичных применений голографии считаются компактные дисплеи, расположенные перед глазами. Им не нужно создавать большое изображение для целой комнаты — достаточно направить свет в зрачок конкретного пользователя.

Голографическая оптика может сделать очки дополненной реальности тоньше и легче. Виртуальные объекты накладываются на окружающий мир и воспринимаются находящимися на определённом расстоянии.

Особенно важно правильное согласование фокусировки глаз. В обычной гарнитуре изображение может располагаться на одной физической плоскости, хотя виртуальный объект кажется близким или далёким. Такое несоответствие иногда вызывает усталость.

Голографические методы позволяют точнее воспроизводить световое поле и создавать несколько фокусных расстояний. Это способно сделать длительное использование очков комфортнее.

Врачи смогут изучать органы в объёме

Медицинские исследования создают большое количество трёхмерных данных. Компьютерная и магнитно-резонансная томография позволяют получить послойные изображения внутренних органов.

Обычно врач изучает их на плоском мониторе, прокручивая срезы или поворачивая компьютерную модель. Объёмный дисплей может показать расположение сосудов, костей и тканей более наглядно.

Такая визуализация способна помочь при планировании сложных операций и обучении студентов. Несколько специалистов смогут обсуждать одну модель и рассматривать её с разных сторон.

Однако голографическое изображение не заменяет результаты обследования и профессиональную интерпретацию. Оно является способом представления медицинских данных, а не самостоятельным диагностическим методом.

Инженеры увидят конструкцию до её производства

При проектировании автомобиля, самолёта или здания специалисты работают с трёхмерными моделями. На голографическом дисплее такую конструкцию можно было бы рассматривать без очков и физических макетов.

Инженеры получили бы возможность оценивать расположение компонентов, находить пересечения деталей и обсуждать изменения коллективно. Виртуальную модель можно разобрать на слои, увеличить отдельный механизм или показать движение внутренних элементов.

Технология также может применяться в геологии, архитектуре, картографии и управлении сложными объектами. Везде, где важны пространственные отношения, объёмное изображение способно дать больше информации, чем плоский чертёж.

Видеосвязь не сразу превратится в объёмную

Одна из самых эффектных идей — голографический разговор, при котором собеседник появляется перед человеком в натуральную величину.

Для этого недостаточно одного дисплея. Необходимо со всех сторон записать форму, цвет и движение человека, быстро построить трёхмерную модель, передать огромный объём данных и без задержки сформировать новое изображение.

Обычная камера видит только одну сторону объекта. Полноценная система может использовать несколько камер или датчики глубины. Программное обеспечение должно восстанавливать участки, не попавшие в кадр.

Первые решения, напоминающие объёмную видеосвязь, уже демонстрируются, но часто используют световые поля, специальные кабины или прозрачные экраны. Они не равны свободно парящей голограмме из фантастических фильмов.

Изображение не возникает из пустоты

Свет становится видимым, когда попадает непосредственно в глаза или отражается от вещества. Поэтому создать яркий неподвижный объект посреди совершенно пустого воздуха чрезвычайно трудно.

Некоторые экспериментальные установки формируют светящиеся точки в воздухе с помощью лазерных импульсов. Другие проецируют изображение на туман, мельчайшие частицы или быстро движущуюся поверхность.

Подобные методы способны создавать настоящий объёмный эффект, но имеют ограничения по размеру, яркости, разрешению и безопасности. Они отличаются от экранной голографии, восстанавливающей световую волну на определённой поверхности.

Именно поэтому большинство будущих голографических дисплеев, вероятно, всё равно будет иметь физическую панель или оптический модуль.

Главные ограничения технологии

Для появления больших домашних голографических экранов необходимо одновременно решить несколько задач:

• уменьшить размер элементов пространственного модулятора;
• расширить угол обзора;
• увеличить размер изображения;
• обеспечить высокую частоту кадров;
• точно совместить цвета;
• снизить вычислительную нагрузку;
• уменьшить энергопотребление и стоимость;
• сделать лазерные системы безопасными.

Эти параметры связаны друг с другом. Например, увеличение поля зрения требует более мелких элементов, а увеличение площади экрана резко повышает их общее количество.

Поэтому впечатляющая лабораторная демонстрация ещё не означает, что аналогичный телевизор скоро появится в продаже.

Обычные экраны не исчезнут

Даже после развития голографических технологий плоские дисплеи сохранят множество преимуществ. Они недорогие, яркие, тонкие и хорошо подходят для текста, сайтов, фильмов и повседневной работы.

Объёмное изображение особенно полезно там, где глубина несёт важную информацию: в медицине, проектировании, научной визуализации, обучении и дополненной реальности.

Для просмотра новостей или набора текста голографический экран может оказаться неоправданно сложным. Поэтому новая технология, скорее всего, не вытеснит обычные панели, а займёт собственную область применения.

Будущее зависит от оптики и вычислений

Голографические дисплеи уже перестали быть исключительно фантастической идеей. Учёные умеют рассчитывать динамические голограммы, управлять световыми волнами и создавать цветные объёмные изображения.

До массовых экранов с широким углом обзора ещё далеко. Им мешают физические размеры пикселей, сложность оптики, высокая стоимость и колоссальный объём вычислений.

Но развитие микродисплеев, фотонных компонентов и графических процессоров постепенно сокращает эти ограничения. Сначала технология может распространиться в профессиональном оборудовании и очках дополненной реальности, а затем перейти в более доступные устройства.

Будущие голографические экраны, вероятно, не будут создавать огромные фигуры в пустом воздухе. Зато они смогут показывать убедительные трёхмерные объекты, которые обладают естественной глубиной и меняются вместе с положением наблюдателя.