Hologram – co to jest, jak powstaje i gdzie się go stosuje?

Hologram to zapis fotograficzny co najmniej dwufalowego obrazu interferencyjnego, który podczas odczytu daje dwa niezależne obrazy przestrzenne 3D. Powstaje w wyniku rejestracji nakładających się wiązek światła na materiale światłoczułym. Poniżej znajdziesz wyjaśnienie zasady działania, klasyfikacji oraz najważniejszych zastosowań tej technologii.

Czym jest hologram?

W najprostszym ujęciu hologram to nośnik, w którym utrwalono obraz interferencyjny powstały z dwóch lub więcej wiązek światła. Taki zapis różni się od zwykłej fotografii, ponieważ zawiera informację nie tylko o natężeniu, lecz także o fazie fali świetlnej. Dzięki temu po oświetleniu nośnika światłem odtwarzającym można zobaczyć przestrzenny obraz o głębi i naturalnej paralaksie.

Termin ten bywa też odnoszony do popularnych naklejek zabezpieczających, jednak pod względem fizycznym hologram ma ściśle określoną strukturę optyczną. Właściwość rejestrowania dwóch niezależnych obrazów 3D wynika z tego, że w materiale światłoczułym zapisują się jednocześnie informacje o przedmiocie i o fali odniesienia.

Jak powstaje hologram?

Proces powstawania hologramu wymaga co najmniej dwóch spójnych wiązek światła. Jedna z nich oświetla obiekt i po odbiciu lub przejściu dociera do płyty holograficznej jako wiązka przedmiotowa. Druga kierowana jest bezpośrednio na nośnik jako wiązka odniesienia. Na powierzchni materiału światłoczułego obie fale nakładają się, tworząc mikroskopowe prążki interferencyjne.

Wzajemne rozmieszczenie źródła wiązki odniesienia, obiektu i ośrodka światłoczułego decyduje o typie układu. W konfiguracji współosiowej, zwanej hologramem Gabora, płyta, obiekt i źródło leżą wzdłuż jednej prostej. Nazwa pochodzi od nazwiska fizyka Dennisa Gabora, pioniera tej metody. Kolejny układ z boczną wiązką odniesienia, czyli hologram Leitha-Upatnieksa, zakłada, że fala przedmiotowa i fala odniesienia dochodzą do płyty pod kątem z tej samej strony. Natomiast w układzie z wiązkami przeciwsobnymi, nazywanym hologramem Denisiuka, obie wiązki docierają z przeciwnych stron.

Po utrwaleniu i obróbce nośnika obraz przestrzenny pojawia się podczas oświetlenia go odpowiednią wiązką odtwarzającą. Parametry tej fali decydują o tym, jak wierny i czytelny będzie uzyskany efekt 3D.

Podstawą holografii jest zapisanie na jednym nośniku dwóch niezależnych obrazów: jeden powstaje z udziałem wiązki przedmiotowej, drugi z udziałem wiązki odniesienia.

Rodzaje hologramów i ich klasyfikacja

Podział hologramów prowadzi się według kilku technicznych kryteriów. Dotyczą one między innymi położenia płyty względem obiektu, sposobu transmisji światła, grubości warstwy światłoczułej oraz liczby wykonanych ekspozycji.

Podział ze względu na położenie płyty holograficznej

Jeżeli płyta znajduje się tak blisko obiektu lub jego obrazu, że rozkład amplitudy zespolonej pola fali przedmiotowej odpowiada rozkładowi z przedmiotu, mówi się o hologramie w płaszczyźnie obrazu. Przy większej odległości, spełniającej warunek stosowalności przybliżenia Fresnela, powstaje hologram Fresnela. Dla małych cząstek i przybliżenia Fraunhofera wyróżnia się hologram Fraunhofera. Gdy rejestracji podlega widmo przedmiotu, mowa o hologramie Fouriera, stosowanym jako filtr częstotliwości optycznych.

Osobną grupę stanowią hologramy quasifourierowskie, w których punktowe źródło odniesienia leży w tej samej płaszczyźnie co przedmiot, oraz bezsoczewkowe hologramy Fouriera wykonywane bez dodatkowej soczewki.

Podział ze względu na transmisję i grubość warstwy światłoczułej

Parametr transmisji przezrocza holograficznego wpływa na właściwości fali odtwarzającej. Według tego kryterium wyróżnia się hologramy fazowe, amplitudowe oraz amplitudowo-fazowe. W pierwszym przypadku zmiana dotyczy fazy fali, w drugim – amplitudy, a w trzecim obu tych wielkości jednocześnie.

Z kolei porównanie grubości warstwy światłoczułej z okresem przestrzennym zarejestrowanych prążków interferencyjnych prowadzi do podziału na hologramy płaskie, objętościowe i dynamiczne. W hologramach płaskich grubość warstwy W jest znacznie mniejsza od okresu Λ, natomiast w objętościowych znacznie większa.

Kryterium grubości warstwy światłoczułej bywa zapisywane jako stosunek W do Λ, gdzie W to grubość, a Λ to okres przestrzenny prążków interferencyjnych.

Liczba ekspozycji i typ wiązki odniesienia

Ze względu na liczbę ekspozycji hologramy dzieli się na jednoekspozycyjne, dwuekspozycyjne i wieloekspozycyjne. Każda dodatkowa ekspozycja pozwala zapisać kolejny obraz w tym samym miejscu nośnika, co zwiększa pojemność informacyjną struktury.

Typ wiązki odniesienia decyduje natomiast o sposobie odtwarzania. Wyróżnia się hologramy odtwarzane w fali spójnej oraz hologramy odtwarzane w fali niespójnej. Te pierwsze wymagają światła o uporządkowanej fazie, drugie mogą być odczytywane światłem o mniejszej spójności.

W praktyce klasyfikację najwygodniej zestawić w formie tabeli:

Gdzie stosuje się hologramy?

Technologia holograficzna znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, nauki i zabezpieczeń. Jej najważniejszą zaletą jest możliwość zapisu informacji trójwymiarowej oraz utrudnienie kopiowania nośników.

Zabezpieczenia produktów i druku

Hologramy sprawdzają się jako zabezpieczenie oryginalnych produktów. W formie naklejek samoprzylepnych lub na foliach metalizowanych nanoszonych technologią hot-stampingu i cold-stampingu utrudniają podrobienie opakowań, etykiet i dokumentów. Indywidualne wzory są rejestrowane w międzynarodowym rejestrze hologramów, co ułatwia weryfikację autentyczności.

Szczególne znaczenie ma ochrona druków, w tym banknotów. Najstarsza polska firma produkująca zabezpieczenia holograficzne działa w Warszawie od 1994 roku i wciąż dostarcza elementy do dokumentów oraz produktów wymagających silnej ochrony przed fałszowaniem.

Przetwarzanie informacji, pomiary i symulacja

W technice optycznej hologramy pełnią funkcję filtrów częstotliwości przestrzennych, poprawiają jakość odwzorowania układów optycznych oraz umożliwiają zapis informacji dwu- i trójwymiarowych. Wykorzystuje się je także do rozpoznawania symboli i kształtów oraz do zwielokrotniania obrazów.

Hologramy dynamiczne stosowane są jako symulatory lotu, a w metrologii i interferometrii pomagają rejestrować bardzo precyzyjne zmiany geometryczne. Dzięki nim możliwe jest także tworzenie obrazów 3D małych cząstek substancji z dużym powiększeniem oraz wykonywanie zdjęć ultraszybkich.

Wśród konkretnych zastosowań technicznych wymienia się przede wszystkim:

• filtry częstotliwości przestrzennych,
• elementy o dużej pojemności informacji,
• rozpoznawanie symboli i kształtów,
• zwielokrotnienie obrazów,
• poprawę jakości odwzorowania układów optycznych,
• obrazy 3D cząstek substancji,
• symulatory lotu,
• pomiary metrologiczne i interferometryczne,
• zdjęcia ultraszybkie.

Jak hologram chroni legitymacje szkolne i nauczycielskie?

Odmianą zabezpieczeń holograficznych są specjalne hologramy do legitymacji służbowej nauczyciela oraz legitymacji szkolnej ucznia. Zamawiać je mogą wyłącznie placówki edukacyjne, a sam dokument wydaje dyrektor szkoły. Legitymacja służbowa nauczyciela jest dokumentem publicznym kategorii trzeciej i drukiem ścisłego zarachowania, dlatego na rewersie znajduje się numer blankietu zgodny ze wzorem.

Kategoria trzecia dokumentów publicznych obejmuje dokumenty wpływające na bezpieczeństwo obrotu gospodarczego i prawnego. Zalicza się do niej między innymi świadectwa, legitymacje szkolne i studenckie oraz legitymacje służbowe nauczyciela. Takie dokumenty podlegają rygorom ustawy z 22 listopada 2018 r. o dokumentach publicznych, a ich wzory określają akty wykonawcze.

Podstawę dla legitymacji nauczycielskiej stanowi Karta Nauczyciela. Zgodnie z art. 11a dyrektor szkoły wystawia ją na wniosek nauczyciela, a według art. 11c ma na to 30 dni od otrzymania wniosku. Opłata pobierana za wydanie dokumentu nie może przekraczać kosztów jego wytworzenia. Nauczyciel posiadający dokument może korzystać z ulgi 33% przy przejazdach publicznym transportem zbiorowym, a także z tańszych biletów do teatrów, muzeów i kin.

W obrocie szkolnym funkcjonuje kilka wzorów legitymacji, które mogą zawierać hologram:

• MEiN-I/1 – legitymacja dla uczniów szkół dla dzieci i młodzieży oraz szkół polskich,
• MEiN-I/2 – legitymacja dla słuchaczy branżowych szkół II stopnia, szkół policealnych i szkół dla dorosłych,
• MEiN-I/3-N – legitymacja dla niepełnosprawnych uczniów szkół dla dzieci i młodzieży oraz szkół polskich,
• MEiN-I/4-N – legitymacja dla niepełnosprawnych słuchaczy branżowych szkół II stopnia, szkół policealnych i szkół dla dorosłych,
• MEiN-I/5 – legitymacja przedszkolna.

Dostępne formy legitymacji służbowej nauczyciela obejmują kartę PVC lub e-legitymację z elektroniczną warstwą bezstykową. Nowy wzór, oznaczony jako NLSN-2024, wynika z rozporządzenia Ministra Edukacji z 11 kwietnia 2024 r. (Dz.U. z 2024 r. poz. 565). Dokument pozostaje aktualny w 2026 roku, a placówki edukacyjne nadal prowadzą rejestr wydanych egzemplarzy zgodnie z przepisami oświatowymi.

Produkcja dokumentów bywa finansowana z funduszu celowego lub Rady Rodziców. Płatność realizowana jest na podstawie faktury wystawionej na placówkę edukacyjną, z terminem odroczonym o 7 lub 14 dni. Nie pobiera się opłaty, gdy dotychczasowa legitymacja została unieważniona w przypadkach określonych w przepisach.