Відновлення хвильового фронту · інтерференція предметного й опорного променів · запис і відтворення смуг
Голограма зберігає не зображення, а хвильовий фронт. Під час запису світло від предмета (предметний промінь) і чистий нахилений опорний промінь накладаються на пластині. Оскільки обидва походять від одного когерентного лазера, вони інтерферують, і пластина записує інтенсивність I = |E_obj + E_ref|² = I_obj + I_ref + 2√(I_obj·I_ref)·cos(Δφ). Саме останній перехресний член кодує різницю фаз Δφ між променями як мікроскопічну картину смуг, тож і амплітуда, і фаза предметної хвилі фіксуються у пластині.
Період смуг залежить лише від кута між променями: Λ = λ / (2·sin(θ/2)). Більший кут опорного променя робить смуги щільнішими (вища просторова частота), тому голографічна плівка має розрізняти тисячі пар ліній на міліметр.
Під час відтворення пластину освітлюють лише опорним променем. Смуги діють як дифракційна решітка й розділяють світло на три порядки: нульовий порядок (недифраговане опорне світло), порядок +1, що відновлює початковий розбіжний хвильовий фронт предмета — це уявне зображення за пластиною, та порядок −1, фазово-спряжений, що сходиться у дійсне зображення перед пластиною. Саме відновлення хвильового фронту, а не плоского зображення, дає голограмам повний тривимірний паралакс.
Концепція голографії описує ті фундаментальні ідеї, які відрізняють голографічний запис від звичайного фотографування. У своїй суті голографія кодує повну тривимірну інформацію про світлове поле — і амплітуду (яскравість), і фазу (часову характеристику хвилі) — у двовимірну картину інтерференції. Ця інформація дозволяє повністю відновити початковий хвильовий фронт, отримуючи зображення зі справжньою глибиною та паралаксом.
Концептуально кожна невелика ділянка голограми містить інформацію про всю сцену, лише під трохи іншим кутом. Через цю надлишковість голограму можна розрізати на частини, і кожен уламок все одно відтворить повне зображення — щоправда, з нижчою роздільною здатністю та вужчим кутом огляду. Інформація розподілена по всьому носію запису цілісно, на відміну від фотографії, де кожна ділянка відповідає лише одній частині об'єкта.
Поняття голографії виходить далеко за межі оптики. Акустична голографія відновлює тривимірні звукові поля. Сейсмічна голографія створює зображення підземних структур. У теоретичній фізиці голографічний принцип (натхненний термодинамікою чорних дір) припускає, що інформацію про тривимірний об'єм можна закодувати на його двовимірній межі — глибокий зв'язок між теорією інформації, гравітацією та квантовою механікою.
Тому що картина інтерференції в будь-якій точці голограми утворюється світлом, яке одночасно приходить від усіх видимих точок предмета. Кожна ділянка записує суперпозицію внесків від усієї сцени, тож кодування розподілене глобально, а не поділене на локальні фрагменти.
Голографічний принцип, що постав із робіт Бекенштейна, Гокінга та 'т Гофта, стверджує, що кількість інформації в певній ділянці простору обмежена площею її межі (у планківських одиницях), а не об'ємом. Це наводить на думку, що реальність за своєю природою може бути менш вимірною, ніж здається.
Акустична голографія використовує масиви ультразвукових випромінювачів, щоб створювати точні тривимірні поля тиску, керуючи фазою та амплітудою кожного випромінювача. Це дозволяє левітувати невеликі об'єкти, безконтактно маніпулювати частинками та створювати тактильні відчуття, не торкаючись шкіри.
Лентикулярний друк використовує масив лінз, щоб перемикатися між кількома заздалегідь відрендереними ракурсами під час нахилу, створюючи обмежений 3D- або анімаційний ефект. Голограма ж відновлює безперервний хвильовий фронт, забезпечуючи справжній паралакс у всіх напрямках у межах кута огляду без дискретного перемикання ракурсів.
Так. Рентгенівська голографія використовує когерентні джерела рентгенівського випромінювання (синхротрони чи лазери на вільних електронах) для отримання зображень наноструктур. Електронна голографія використовує когерентні пучки електронів у просвічувальному електронному мікроскопі, щоб картографувати електричні й магнітні поля з атомною роздільною здатністю.