הולוגרמות

---

פורסם לראשונה באתר מכון דוידסון – הזרוע החינוכית של מכון ויצמן

---

חיפוש “הולוגרמה” בגוגל מעלה תוצאות כמו תצוגת תלת-הממד במחשב של “איש הברזל” מסרטי מארוול, את מסר בקשת העזרה של הנסיכה ליאה אל אבירי הג’דיי מ”מלחמת הכוכבים”, או זמרים שממשיכים “להופיע” מול קהל חי לאחר מותם. בתרבות הפופולרית רווחות דוגמאות דומות, כמו למשל קרקסים שהחליפו את חיות-הבר ב”הולוגרמות”, או הפרק בסדרה “סאות’ פארק” שבו חברת ״Happy Holograms״ שולחת הולוגרמה של מייקל ג’קסון להופעה, ואחרי שהוא מסתבך עם המשטרה ונמלט נאלצת לשלוח הולוגרמה של הראפר טוּפָּאק שַאקוּר לגנוב מכונית ולרדוף אחריו. 

אף לא אחת מהדוגמאות האלה היא הולוגרמה.

לא הולוגרמות: מימין – “איש הברזל” וידיד; באמצע –הנסיכה ליאה מבקשת סיוע; משמאל – טופאק מוכיח שבעסקי השעשועים יש חיים לאחר המוות, קואצ׳לה 2012

“הולוגרמות” של חיות בקרקסים הן הקרנות דו מימדיות סטנדרטיות על מסך כמעט-שקוף (Gauze Projection). התצוגה של “איש הברזל” והקרנת הנסיכה ליאה, גם לולא היו אשליות פרי מחלקות האפקטים המיוחדים בהוליווד, היו דוגמאות לתצוגה נִפְחית (Volumetric Display), שהיא אמנם תלת-ממדית אך אין לה קשר למושג המוגדר היטב – ״הולוגרמה״. יש בשוק מודלים ראשוניים של תצוגה נפחית, ומודלים מתקדמים יותר נמצאים בפיתוח, אך בניגוד להולוגרמות, טכנולוגיה זו עודנה בתחילת דרכה.

תצוגת תלת-ממד נפחית של חברת Voxon לצרכי המחשה רפואית

אמני במה המוקמים לתחיה בהופעות רחוקים אפילו יותר מלהיות הולוגרמה. מדובר בפעלול במה עתיק יומין בשם “רוח-הרפאים של פפר” (Pepper’s Ghost), על שם ג’ון הנרי פפר, מדען אנגלי בן המאה ה-19. כבר במאה ה-18 כבש אטיין גספאר רוברטסון את במות אירופה עם “רוחות פפר” בהופעות ה”פַנְטַסְמָגוֹרִיה” שלו, עם “פנס קסם” ומסך שקוף, יותר מ-200 שנה לפני שהחברה שהפיקה את ה”הולוגרמות” של טופאק ומייקל ג׳קסון רשמה פטנט על שיטת ההקרנה שלה. האשליה המבוססת על מסך שקוף המוצב בין הקהל לבמה בזווית כזו שמשתקפת בו הקרנה של דמות מחוץ לשדה הראיה של הקהל. המסך שקוף וכך ההקרנה משתלבת עם המתרחש על הבמה מאחוריו. אפקט זה אינו אפילו תלת-ממדי, ובוודאי שאין כל קשר בינו לבין הולוגרמה. 

למעלה: איור ל”רוח פפר” בהופעה של ג’ון הנרי פפר בפריז, 1862. למטה: איור ל”רוח פפר” בהופעה של טופאק בקואצ’לה, 2012, על בסיס הפטנט שנרשם על ידי החברה המפעילה.

אז מהי הולוגרמה? ומה ההבדל בינה לבין צילום רגיל, הקרנה או תצוגה נפחית?

 המידע שבאלומת אור

אנו רואים עצמים באמצעות האור המוחזר מהם. כאשר אנו מביטים בעצם מזוויות שונות, אלומת האור המגיעה ממנו לעינינו משתנה. צילום רגיל, לעומת זאת, מקפיא ברגע החשיפה את עוצמת וצבע האור בכל נקודה באלומת האור שהגיעה אל סרט הצילום. מסיבה זו מכל זווית שנביט בצילום נראה את אותם ערכי צבע ועוצמה אלו שנשמרו. הצילום יישאר קבוע גם בשינוי זווית הראייה, ולכן ייראה חסר עומק.

אפשר ליצור אשליה של עומק על ידי צילום משתי נקודות התואמות למרחק בין העיניים, ושימוש במשקפיים מיוחדים המאפשרים לכל עין לראות אחת מהתמונות. כך מצולמים ונצפים הסרטים המכונים “תלת-ממד”, אך בפועל התוצאה אינה תלת-ממד אמיתי אלא שילוב של שתי תמונות שטוחות. אם נזוז מצד לצד לא נקבל פרספקטיבה אחרת של העצמים המצולמים וגם לא נראה פרלקסה של התנועה (תזוזה מהירה של עצמים קרובים, ותזוזה איטית של עצמים רחוקים יותר).

כדי לקבל תמונה תלת-ממדית של ממש, צריך להצליח לשמר את כל המידע שבאלומת האור המגיעה לסרט הצילום. השאיפה היא להצליח לשחזר את האלומה במלואה מהצילום מתי שנרצה בכך. אם נצליח, אי אפשר יהיה להבדיל בין האלומה המשוחזרת לזו המקורית ובהתאם אי אפשר יהיה להבדיל בין העצם המצולם למקורי.

בשנת 1947 הבין הפיזיקאי ההונגרי דניס גאבור שאפשר לבצע זאת בעזרת תופעת ההתאבכות, המתרחשת בין גלים. דוגמה להתאבכות פשוטה מובאת באיור: שני גלים זהים בגובהם ואורכם עשויים לחזק זה את זה כאשר הם במופע זהה, כלומר שיאיהם מגיעים יחד, מה שמכונה “התאבכות בונה” ; לבטל זה את זה כאשר הם במופע מנוגד, כלומר כאשר השיא של האחד מגיע עם השפל של השני, ואז נקבל “התאבכות הורסת”; או להיות במצבי ביניים שונים בין שני מקרי קיצון אלה.

גלים שמתאבכים זה עם זה עשויים לחזק או לבטל האחד את השני

האנימציה הממוחשבת הבאה מדמה תבנית התאבכות בבריכה שיש בה שני מקורות המייצרים גלים זהים. הצבעים מייצגים את גובה פני המים. מצוף הממוקם בנקודת התאבכות הורסת, שצבעה תכלת באופן קבוע, יישאר במנוחה מוחלטת גם אם המקורות מייצרים גלים גבוהים מאד. לא משנה מה עוצמת הגלים – בנקודה בה הוא נמצא הם תמיד יבטלו זה את זה. לעומתו מצוף שיהיה בנקודת התאבכות בונה יתנודד בעוצמה כפולה מאשר עוצמת כל אחד ממקורות הגלים לבדו.

תבנית התאבכות של שני מקורות גלים זהים

כאשר מכוונים מצלמה אל עצם כלשהו, אלומת האור המגיעה לסרט הצילום מכילה כמות עצומה של מידע: לכל נקודה מגיע אור מכל נקודה על העצם, באורכי גל (צבעים) רבים, עוצמות שונות ומופעים שונים. בצילום רגיל רק הצבע והעוצמה נשמרים ולכן אין באפשרותנו לשחזר אחרי כן את האלומה המקורית. גאבור הבין שאם אפשר יהיה לתעד את תבנית ההתאבכות, יתאפשר אחרי כן שיחזור האלומה במלואה. הוא כינה תיעוד כזה – “הולוגרפיה”, מהמילים היווניות “הוֹלוֹס” (ὅλος) “שלם”, ו”גְרַפְיֶה” (γραφή) שרטוט/תמונה.

 גאבור פיתח במקור את הטכניקה במסגרת מאמציו לשכלל את מיקרוסקופ האלקטרונים, וניסה ללא הצלחה ליישם אותה גם באור נראה. הולוגרפיה של אלקטרונים אכן נמצאת בשימוש רב בתחום המיקרוסקופיה, כמעט בדיוק כפי שנוסחה בסדרת מאמריו פורצי הדרך של גאבור בין 1946 ל-1951 שזיכו אותו בפרס נובל בפיזיקה לשנת 1971. אך בתחום האור הוא לא הצליח להתקדם כי הדבר לא היה ישים לפני המצאת הלייזר, כעשור מאוחר יותר. למה בעצם נדרש לייזר כדי לאפשר יהיה לשמור את חזית הגל המגיעה מהחפץ המצולם בצורה שתאפשר לנו לשחזר אותו במדויק, ולייצר הולוגרמה?

איך לייצר הולוגרמה

השרטוט מדגים צילום הולוגרמה באמצעות אלומת לייזר. מראה מחזירה למחצה מפצלת את האלומה מיד אחרי צאתה מהלייזר, מסיטה חצי ממנה הצידה ונותנת למחצית השנייה להמשיך במסלולה. חצי האלומה הממשיך ישירות לסרט הצילום נקרא “אלומת הייחוס”. המחצית השנייה, “אלומת העצם”, מוסטת אל העצם המצולם, פוגעת בו ומוחזרת ממנו אל הסרט. בסרט הצילום נקבל התאבכות בין אלומת הייחוס לאלומה החוזרת מהעצם.

צילום הולוגרמה

ההולוגרמה המתקבלת מתעדת את תבנית ההתאבכות בין האלומה שבאה מהעצם לאלומת הייחוס. כדי לשחזר את אלומת העצם מתוך תבנית ההתאבכות ולצפות בהולוגרמה, יש להאיר אותה עם אלומת הייחוס שאיתה היא צולמה. אפשר לחשוב על זה כמו על משוואה מתמטית: החיבור של אלומת הייחוס (A) עם אלומת העצם (B) יצר את ההתאבכות שנשמרה על ההולוגרמה (C), כלומר: A+B=C. לכן, כדי לקבל שוב את אלומת העצם (B), נקרין על ההולוגרמה (C) את אלומת הייחוס מאחור (A-), מכיוון ש: C-A=B. 

המפתח הוא שאלומת הייחוס המשמשת לשחזור ההולוגרמה חייבת להיות זהה לאלומת הייחוס שאיתה היא צולמה, אחרת ה״משוואה״ לא תתקיים. כאן נכנס לתמונה הלייזר, מכיוון שלאלומת הלייזר יש שתי תכונות מיוחדות: היא מוֹנוֹכְרוֹמַטִית – כלומר כל הגלים בה הם באותו אורך גל אחד ויחיד; והיא קוֹהֶרֶנְטִית, כלומר שכל הגלים בה עולים ויורדים יחד, במופע זהה. אור רגיל אינו מונוכרומטי ואינו קוהרנטי, ואם נייצר הולוגרמה עם אור אקראי כזה לא נצליח לשחזר את תבנית ההתאבכות שלכדנו. אלומת הייחוס מאור לייזר, לעומת זאת, מסודרת להפליא, וקל לשחזר אותה.

מההולוגרמות הראשונות. צולמה בתחילת שנות ה-60 באמצעות סוג הלייזר הראשון שהומצא (הליום-ניאון)

שלא כמו בצילום רגיל, אין על סרט הצילום ההולוגרפי אף פרט המזכיר את העצם המצולם. יהיו עליו רק נקודות בדרגות כהות שונות המציינות את מידת ההתאבכות הבונה או ההורסת בכל הנקודה. התבנית נראית לכאורה אקראית, אבל כאשר תפגע בה אלומת הייחוס המתאימה התוצאה תהיה אלומת אור זהה לזו שהגיעה מהעצם בעת שצולם. ההולוגרמה הקלאסית מצולמת באמצעות לייזר ואחרי כן גם הצפיה בה מבוצעת באמצעות אותו סוג לייזר, כך שאלומת הייחוס איתה צולמה ההולוגרמה זהה לאלומת הייחוס איתה היא מוארת, ואלומת העצם משוחזרת בדייקנות מתבנית ההתאבכות.

מבט במיקרוסקופ על לוח צילום של הולוגרמה של מכונית צעצוע – לא משנה באיזו הגדלה נסתכל, לא נראה דבר הדומה למכונית

צפייה ללא לייזר

צילום הולוגרמות מחייב אור לייזר, אך טכניקה שמאפשרת יצירת הולוגרמות בהן ניתן לצפות עם אור רגיל הפכה להיות הנפוצה ביותר כיום. אלו הן  “הולוגרמות בֶּנְטוֹן”, על שם ממציאן, ד”ר סטיבן בנטון (Benton) מחברת פולרואיד שהציג אותן לעולם בשנת 1968. הולוגרמת בנטון, או בשמה הפופולרי – “הולוגרמת קשת“, מבוססת על שימוש בהולוגרמה כבמנסרה, כך שכל צבע נשבר בזווית אחרת.

מנסרה מפצלת אור לבן לצבעים המרכיבים אותו

העיקרון מבוסס על צילום הולוגרמה של העצם עם לייזר, כרגיל, אך דרך מסך ובו חריץ. הארת סרט הצילום המוכן באלומת הלייזר המקורית תגלה לעינינו בכל זווית שבה נביט רק פס צר מהעצם, אותו חלק שבעת הצילום נראה באותה זווית דרך החריץ. מאחר שסרט הצילום של הולוגרמת בנטון משמש כמנסרה, כאשר הוא מואר באור לבן נשבר כל צבע בזווית אחרת. כך, מכל זווית מבט ייראה כל חלק מהתמונה בצבע התואם לזווית השבירה, כמוסבר באיור.

צילום דרך חריץ. האופטיקה של הולוגרמת קשת

לולא הייתה ההולוגרמה מצולמת דרך חריץ, היו התמונות בצבעים השונים מתערבבות אלו עם אלו. החריץ מונע זאת, ומכל זווית ראיה נראה רק את הצבע שעבר דרך החריץ באותה זווית. הגוון הנצפה ישתנה ברציפות לגובה התמונה, בהתאם לזווית הצפייה, ומכאן הכינוי “הולוגרמת קשת”.

הולוגרמת קשת על כרטיס אשראי ״ויזה״ – משמשת למניעת זיופים

זיכרון הולוגרפי

תמונה היא מידע. הפתגם הידוע טוען ש”תמונה שווה אלף מילים”, אך חישוב פשוט יראה שתמונה ברזולוציה גבוהה שוות ערך בממוצע, מבחינת כמות המידע, למיליוני מילים. לכן, כבר בשנת 1963 עלה הרעיון להשתמש בהולוגרמות לאחסון מידע, העיקרו הוא להשתמש בתבנית ההתאבכות כדי לשמור נתונים, במקום תמונת תלת-ממד. במילים אחרות, במקום שאלומת העצם של הלייזר תכיל מידע ויזואלי על העצם אותו רוצים לצלם, האלומה תקודד על ידי המחשב להכיל נתונים המיועדים לשמירה, כאשר אפשר לשחק עם הזווית של קרן הייחוס, ובכל זווית לשמור ״דף״ מידע שונה. שלא כמו דרך פעולתם של התקני זיכרון הקוראים באופן טורי, ביט אחרי ביט, בהולוגרמה הנתונים נקראים בו זמנית: נדרש רק הבזק לייזר אחד מהזווית הנכונה כדי לצרוב דף נתונים שלם להולוגרמה או כדי לקרוא אותו.

בנוסף לשילוב של נפח זיכרון עצום עם זמני קריאה/כתיבה מהירים, אין כמעט חלקים נעים במערכת ונדרש רק שינוי זווית זעיר של קרן הייחוס בכל פעם שרוצים לגשת לדף מידע אחר. זהו יתרון גדול על פני כוננים אופטיים או מגנטיים, שבהם ראשי קריאה נעים ומנועי סיבוב מהירים גורמים לשחיקה ולתקלות. 

האנימציה הקצרה הבאה מסבירה יפה את עקרון הפעולה:

זיכרון הולוגרפי

בתחילת שנות ה-2000 הודיעו מספר חברות על פיתוח זכרונות הולוגרפיים שהקיבולת ומהירות הגישה שלהם צפויים לעבור בסדרי גודל את אלה של התקני הזיכרון שהיו אז, אך אף אחת מיוזמות אלה לא הבשילה. העלות הראשונית לא הצדיקה ככל הנראה את היתרונות מבחינת הלקוח.

 בשנים האחרונות, עם המעבר המואץ לעבודה בענן, הולך ומתפתח “משבר זיכרון” והנסיבות השתנו. הגרף שלמטה מתאר את הפער בין הזיכרון המשמש לפעילות ממוחשבת בעולם ובין כמות זיכרון הענן הקיימת. ניתן לראות שעם המעבר ההולך וגובר לשרותי ענן, צפוי הפער ההולך ונפתח לגרום למשבר אם לא יפותחו אמצעי זיכרון מהפכניים.

הצרכים מתחילים לעלות על היכולת לענות עליהם. נתוני השימוש בזיכרון מחשב | מקור: IDC

חברות המספקות שרותי אחסון בענן משתמשות בנפחי זיכרון עצומים וזקוקות לזמני גישה מהירים ולאמינות גבוהה. טכנולוגיות שעבור צרכנים רגילים אינן רלוונטיות, מסתמנות עבורן ככדאיות. מסיבה זו משקיעה חברת שירותי הענן של מיקרוסופט, אַזוּר, תקציבים גדולים בפיתוח שני סוגים חדשים של זיכרונות – זיכרון הולוגרפי ו-DNA. מבין השניים, טכנולוגיית הזיכרון ההולוגרפי מסתמנת כבשלה יותר, והחברה חוזה מוצרים זמינים בשנים הקרובות. העתיד הרחוק יותר שייך כנראה לטכנולוגיה שתקדד את הביטים הדיגיטליים לארבע חומצות הגרעין המרכיבות את החומר הגנטי בכל תא חי, ותסנתז מהן מולקולות DNA. קריאת המידע המאוחסן כך תבוצע באמצעות ריצוף גנטי, טכנולוגיה המיושמת כיום באופן שגרתי, למשל כדי לגלות מוטציות בנגיף הקורונה או לצורך אבחון רפואי. זיכרון DNA יפתור את צרכי זיכרון המיחשוב של האנושות לדורות רבים, מאחר ובכל סנטימטר מעוקב ניתן לאחסן בשיטה זו כמיליון טֶרָה-בייט (מיליארד גיגה-בייט). אך עוד ארוכה הדרך. מיקרוסופט הדגימה אמנם מערכת אוטומטית לאיחסון ושליפת מידע DNA, אך פעולתה איטית ומגושמת מאד. מוצר מדף אינו באופק, כך שהזכרונות ההולוגרפיים מסתמנים כפתרון בעתיד הנראה לעין.

המכונה הראשונה לאחסון ואחזור מידע דיגיטלי ב-DNA (מימין). הכתם האדום משמאל מכיל 10,000 גיגהבייט של מידע בפורמט DNA | מקור: מצגת של המדען הראשי בחברת Azure

שימוש בהולוגרמות להצגת מידע תלת-ממדי

כפי שצויין בפתיחת הכתבה, תצוגת תלת-ממד מתקשרת בדעת הקהל הפופולרית בעיקר לצגים נפחיים, דוגמת אלה שבסרטי “הנוקמים” ו”מלחמת הכוכבים”. בצג כזה מחולק נפח התצוגה לפיקסלים תלת-ממדיים המכונים “ווקסלים” (Voxels), שהם שקופים במצב כבוי ואפשר להדליק אותם כך שייצרו יחד תמונת תלת-ממד.

אפשר ליישם צגים נפחיים באמצעים שונים. למשל, להשתמש בלייזר תת-אדום רב-עוצמה כדי לשגר פולסים לנקודות שונות באוויר, כאשר כל פולס נמשך מיליארדית השניה וגורם לאוויר להפוך לכדור פלזמה זוהר בנקודת המוקד של הלייזר. הסטה מהירה של הלייזר, באמצעות מראות המזיזות את האלומה ועדשה לשינוי נקודת המוקד, יכולה בטכנולוגיה הקיימת להדליק עד 100 ווקסלים לשניה בנפח של מטר מעוקב. דרך אחרת להשיג זאת מתבססת על הצטלבות של קרניים על-סגולות בתוך תמיסה המכילה מולקולות מיוחדות, הזוהרות רק בנקודות ההצטלבות. דרך אחרת לגמרי ליצור תמונה תלת-ממדית היא הזזה מהירה הלוך וחזור, עשרות או מאות פעמים בשניה, של צג שקוף שעליו מוקרנת תמונה דו-ממדית המשתנה תוך כדי תזוזה. תופעת התמדת-הראייה תצרף בעיני המתבונן את כל החתכים הדו-ממדיים שהוקרנו זה לצד זה לכדי אובייקט תלת-ממדי אחד.

נכון להיום תצוגות נפחיות מסוג זה מוגבלות בגודלן וברזולוציה שלהן. בעייתי אף יותר שלצורך הצפיה בהן נדרש מכשור מורכב ויקר. הולוגרמות, לעומת זאת, מגיעות כיריעת סרט צילום, וביישום נכון ניתן לצפות בהן גם באמצעות מקור אור לבן. הולוגרמה גדולה אפשר לגלול למארז קומפקטי שניתן לפתוח בכל מקום ולאפשר למספר אנשים לצפות בו זמנית בתמונת תלת-ממד מכל עבריה. להולוגרמות כאלה שיהיו פשוטות לאחסון, נשיאה וצפיה, עשויים להיות יישומים מגוונות בתחום הצבאי, בהנדסה ובניין, ברפואה ועוד.

הודות לתועלת שבהפקדת הולוגרמות מפורטות של אזור הלחימה בידי לוחמים בשטח, הרשות למחקר ופיתוח מתקדם של משרד ההגנה האמריקאי, DARPA, בחרה להשקיע בקידום התחום.  הסוכנות הזו מתמחה בזיהוי טכנולוגיות עתידיות והשקעה בהן, ומחקריה סללו בעבר את הדרך לטכנולוגיות מהפכניות דוגמת רשת האינטרנט, ממשקי משתמש גרפיים ומכשירי ה-GPS שיש כיום כמעט בכל כיס. בתחום ההולוגרפי סייעה DARPA לפתח את ה-Urban Photonic Sandtable Display (או UPSD) המאפשר צפיה ב-360 מעלות בהולוגרמה צבעונית באמצעות אור לבן, ושהמגזין Time בחר לכלול ברשימה היוקרתית של 50 ההמצאות הטובות ביותר שפרסם בשנת 2011. בסרטון אפשר לראות הדגמה של ההבדלים בין מפה עירונית רגילה, צילום אוויר והולוגרמת UPSD, כולם של אותו אזור עירוני. ההולוגרמה מאפשרת מבט על כל בניין כמעט מכל זווית, פרלקסה מלאה והבנה אמיתית של תוואי השטח.

הולוגרמות אנלוגיות מופקות באמצעות הארת עצם באלומת לייזר ותיעוד תבנית ההתאבכות על גבי סרט הצילום. אך הולוגרמות דיגיטליות מסוגן של UPSD לא מתחילות כלל מעצם פיזי אלא מקובץ בפורמט גרפי תלת-ממדי, כמו אלו המשמשים בהדפסות תלת-ממד או בתוכנות עיצוב. תבנית ההתאבכות הנדרשת לייצור ההולוגרמה מחושבת מתמטית מתוך הנתונים התלת-ממדיים שבקובץ, ומודפסת ברזולוציה גבוהה על סרט הצילום באמצעות שלושה לייזרים בצבעי היסוד. 

התוצאה היא תמונה ברזולוציה גבוהה, גדולה עד כדי אלכסון של עד 1.8 מטר, שיכולה להציג הפרשי גובה של עד 50 ס”מ גובה נתפס ועד 50 ס”מ עומק נתפס. המחיר להפקת הולוגרמה כזו נחשב נמוך, בין 1,500 ל-3,000 דולר ליחידה. DARPA שיכללה גם את מערכת ה-LIDAR שלה, למיפוי שטח באופן תלת-ממדי ממטוס באמצעות לייזר סורק. מערכת זו מפיקה נתונים שמהם אפשר  ליצור הולוגרמות לכל שטח רצוי, ועד כה ידוע על לפחות 13,000 תמונות UPSDשהופקו עבור הצבא האמריקאי. חברות רבות מציעות שירותים דומים גם לשוק האזרחי, למשל הדפסות הולוגרפיות למודלים אדריכליים והנדסיים תלת-ממדיים.

וידאו הולוגרפי

כבר בשנות התשעים, בנטון, ממציא הולוגרמות-הקשת, היה הראשון להציג וידאו פרימיטיבי מהולוגרמות דיגיטליות. הוא הפיק את המיטב מהמשאבים המוגבלים שעמדו לרשותו באותה העת, אך גם אז, וגם בכמעט 30 השנים שחלפו מאז, טרם הבשילו כוח המיחשוב, האלקטרוניקה והנדסת החומרים כדי שווידאו הולוגרפי יהפוך למוצר מדף. עם זאת, אנו קרובים לכך מאי פעם.

בשנות הששים התאפשר יישומו של צילום תמונות הולוגרפיות זמן קצר אחרי המצאת הלייזר, בזכות בשלותה של טכנולוגיית סרטי הצילום, ששימשו לצילום תמונות רגילות. סרטי צילום מאופיינים ברזולוציה עצומה, תכונה חיונית ליצירת הולוגרמה מאחר ששמירת תבנית ההתאבכות הדרושה להולוגרמה דורשת ווקסל מיקרוסקופי. אך לצורך וידאו נדרש עדכון של ערכי הווקסלים לפחות 24 פעמים בשניה, וסרט צילום אינו מחיק. כדי ליישם עדכון כמות עצומה כל כך של מידע, דרושים לא רק כוח מחשוב עצום, אלא גם חומרים מיוחדים שיאפשרו עדכון מהיר של ווקסלים ברזולוציה גבוהה.

עם השנים בוצע מחקר רב בתחום, וכיום קיימים צגים המאפשרים הצגת וידאו הולוגרפי בתדר רענון של עד 60 תמונות לשניה וברזולוציה המקבילה ל-8K (מעל 30 מיליון פיקסלים). מסך צנוע יותר, בגודל “15.6 וברזולוציה לא גבוהה עולה כיום כ-6,000$, אך הטכנולוגיה מתקדמת במהירות והמחירים צפויים לרדת בעשור הקרוב.

חלק מהחברות מציעות חבילה שלמה המאפשרת אינטראקציה עם המשתמש כגון סיבוב, הגדלה ומניפולציות שונות של הסרט ההולוגרפי, באמצעות כפפות ייעודיות או על ידי מצלמה המורכבת על הצג ומנתחת את תנועות המשתמש. אחד היישומים המוצגים, למשל, הוא בחינת מידע רפואי תלת-ממדי.

הולוגרמות בשירות הרפואה

מעבר לתפקידן בהצגת מידע רפואי וככלי עזר בהוראה, הולוגרמות איפשרו פריצות דרך של ממש בתחום הרפואה:

•  דימות רנטגן (קרינת X):

בחינת דגימה ביולוגיות בקרינת רנטגן דורשת בדרך כלל טיפול והכנת הדגימה, שבמקרים רבים משנה אותה ופוגם בחלק מתכונותיה. לייזר קרני רנטגן, בדרך כלל לייזר סֶלֶנְיוּם שאורך הגל שלו קצר ביותר (20 ננומטר), מאפשר לייצר הולוגרמת רנטגן של הדגימה כמו שהיא, ללא צורך בהכנה. ניסויים הראו שאפשר לצלם כך אפילו בגוף חי. תמונת ההתאבכות של אלומת העצם ואלומת הייחוס מלייזר הרנטגן מתקבלת על גבי חיישן רנטגן דיגיטלי ומועברת למחשב המחובר אליו. מתוך תבנית זו נבנה, באמצעות טכניקה מתמטית הקרויה התמרת פוּרִייֶה, מודל תלת-ממדי של הדגימה ברזולוציה גבוהה של עד אלפית המילימטר (1μm). הרופאים יכולים בזמן אמת לבחון את ההולוגרמה מכל זווית רצויה ובהגדלות שונות.

• מיקרוסקופיה הולוגרפית:

צילום הולוגרפי אינו פולשני ומאפשר צפייה מיקרוסקופית מתמשכת גם בדגימות חיות. מאחר שהולוגרפיה מכילה את כל המידע על חזית הגל, אפשר להשתמש בתמונה המתקבלת לביצוע טומוגרפיה של העצמים, כלומר קבלת תמונה של כל חתך שלהם בכל זווית רצויה. גם העלות של מיקרוסקופיה הולוגרפית נמוכה יחסית, מאחר שחלק ניכר מהעלות במיקרוסקופים רגילים מושקע בעדשת האובייקט, המגדילה את תמונת העצם שנוצרת במישור המוקד של המיקרוסקופ. במיקרוסקופ הולוגרפי כלל אין צורך בעדשה כזו משום שהתמונה מתקבלת במישור המוקד, ישירות על החיישן הדיגיטלי שמנתוניו בונה המחשב את המודל התלת-ממדי של בעצם.

הולוגרמה מיקרוסקופית דיגיטלית של תאי דם אדומים חיים

•  אינטרפרומטריה

כששני גלים מאותו מקור מגיעים לגלאי בהפרשי זמן זעירים, אפשר לחשוף לפי ההפרש תנועות זעירות או חספוסים בפני השטח שעיכבו את אחד הגלים. שיטה זו נקראת אינטרפרומטריה, ובה משתמשים למשל לתצפיות אסטרונומיות בעזרת גלים כבידתיים. הטכניקה הזו עם גלי קול, משמשת לאבחון מבנים תוך אוזניים, גידולים סרטניים ועוד.

אפשר להשתמש בשיטה זו גם כדי להבחין בשינויים זעירים בחומר בעל שקיפות. כאשר האור עובר דרך כיסים או אזורים בעלי מקדם שבירה שונה, גם אם עוצמת האור נותרת קבועה, תתקבל התאבכות בין האלומות באותה נקודה. אפשר למפות כך את הרכב החומר ותכונותיו. למשל כך משמשת אינטרפרומטריה הולוגרפית לבדיקת תכונות שונות של קרנית העין – מידת ההתפשטות עקב לחץ תוך עיני, גמישות הקרנית, שינויים בהתגבשות חומר בתוכה ועוד.

•  אנדוסקופיה

אפשר לייצר הולוגרמות של חללים פנימיים בגוף בעזרת סיבים אופטיים דקיקים. דרך אחת היא להחדיר לגוף ציוד צילום ממוזער, ויצירת ההולוגרמה בקצה הסיב, בתוך האיבר המצולם. לחלופין אפשר להחדיר שני סיבים וכך לאפשר את פיצול האלומה לאלומת עצם ואלומת ייחוס, וצילום ההולוגרמה עצמה מתבצע מחוץ לגוף.

הולוגרמות המצולמות כך הן ברזולוציה של מיקרומטרים ספורים, כך שמתאפשרת הבחנה בתאים יחידים, העשויה אפילו לחסוך את הצורך בביופסיה לאבחון ממצאים החשודים כגידולים. בשילוב עם אינטרפרומטריה מיקרוסקופית, הטכניקה משמשת גם לבדיקת הגמישות של דפנות המעי ושלפוחית השתן, ששינויים בה מאפיינים גידולים סרטניים.

•  אחסון תלת-ממדי יעיל

האפשרות לתיעוד ואיחסון מידע תלת-ממדי של המטופל יכולה להיות יעילה במצבים רבים. למשל ברפואת שיניים אפשר להשתמש במידע כזה למעקב רפואי, לצורך מדידות כחלק מהכנת אביזרים אורתודנטיים, וכן לצרכים משפטיים ולזיהוי פלילי. הכנת יציקות של מערכות שיניים שלמות היא תהליך מסורבל ולא נעים הדורש מקום פיזי לאחסון, כך שאינה ישימה בפשטות במספרים גדולים. אחסון הולוגרפי, בעיקר דיגיטלי, פותר בעיות אלה, ומקל על מדידות ועל הכנת אביזרים אורתודנטיים.

• הולוטומוגרפיה

שילוב של מיקרוסקופיה הולוגרפית, אינטרפרומטריה וחישובים מתמטיים סבוכים מאפשר הפקת  מפה תלת-ממדית של שבירת האור בעצם מבוקש, כגון תא חי. מפה כזו מופקת מתוך הולוגרמות דיגיטליות רבות המצולמות כל אחת כאשר האלומה פוגעת בעצם מזווית שונה, ואז פתרון מתמטי של פיזור האור מכל הזוויות. האלגוריתם דומה לזה שבו משתמשים כדי להפיק תמונת CT מתוך מספר רב של צילומי רנטגן שצולמו מזוויות שונות.

כך אפשר ליצור מודל תלת-ממדי של עצם שקוף בלי להזדקק לצביעה (התוויה – labelling) או למניפולציה גנטית כגון החדרת גן פלואורסצנטי, שפוגעות לא פעם בדגימה וגם מובילות לתמונה סופית שאינה של האובייקט המצולם במצבו הטבעי.

בלי צביעה ובלי פגיעה בחומר החי – הולוטומוגרפיה של תא דם לבן מסוג מאקרופאג

הולוגרמות בארנק ובקינוח

שלב מכריע בהתפתחותה של ההולוגרמה היה השימוש בחומר מסוג פוטו-רזיסט לצילום הולוגרמות-קשת. סרט צילום רגיל שומר תבנית של נקודות כהות ובהירות, אך בפוטו-רזיסט תבנית ההתאבכות נשמרת כמפה תלת-ממדית של בליטות ושקעים. על הולוגרמה כזו באמצעות יציקה ניתן לייצר תבנית קשה של  מפת הבליטות והשקעים, תבנית שמאפשרת ייצור המוני של עותקים נוספים מההולוגרמה במהירות ובזול על ידי יציקה או הטבעה.

תקריב במיקרוסקופ אלקטרונים של תבנית התאבכות על פוטו-רזיסטור

תהליך זה איפשר להטביע הולוגרמות-קשת על כרטיסי אשראי ועל שטרות בערכים גבוהים כדי להקשות על זיופים, וכן לייצר טפטים, מדבקות ואלמנטים דקורטיביים רבים. כך הפכה ההולוגרמה מפריט אזוטרי וקשה לייצור לאלמנט שמצוי בכל בית ובכל ארנק. כיום זהו השימוש הנפוץ ביותר בהולוגרמות, המהווה את חלק הארי בהערכת שווי השוק לטכנולוגיה זו, העומדת על כ-16$ מיליארד לשנה עם צמיחה שנתית של יותר מחמישה אחוזים. 

מדבקות בטיחות הולוגרפיות למכירה, שני ש״ח למטר רבוע

סרטון הדרכה של ערוץ Applied Science מ-2020 מדגים הטבעת הולוגרמות כאלה על שוקולד, באמצעים ביתיים פשוטים. צילומי המסך למטה, מתוך הסרטון, מדגימים את הפלא שבהולוגרמה: שוקולד 100% טהור מציג תמונות צבעוניות ותלת-ממדיות, אף כי אין עליו כל צבע או חומר אחר, ולמרות שפני השטח שלו חלקים למגע. זהו הקסם ההולוגרפי: שקעים ובליטות מיקרוסקופיים, הגורמים לגלי האור להתאבך אלה עם אלה באופן מדויק.

בלי חומרי צבע או חריטה. הולוגרמות מוטבעות בשוקולד