Obraz holograficzny jest dziś coraz częściej używany. Niektórzy uważają nawet, że może w końcu zastąpić znane nam środki komunikacji. Czy ci się to podoba, czy nie, ale teraz jest aktywnie wykorzystywany w różnych branżach. Na przykład wszyscy znamy naklejki holograficzne. Wielu producentów używa ich jako środka ochrony przed podrabianiem. Poniższe zdjęcie przedstawia niektóre z naklejek holograficznych. Ich zastosowanie jest bardzo skutecznym sposobem ochrony towarów lub dokumentów przed fałszerstwem.
Historia badania holografii
Trójwymiarowy obraz powstały w wyniku załamania promieni zaczął być badany stosunkowo niedawno. Możemy już jednak mówić o istnieniu historii jego badań. Dennis Gabor, angielski naukowiec, po raz pierwszy zdefiniował holografię w 1948 roku. To odkrycie było bardzo ważne, ale jego wielkie znaczenie w tamtym czasie nie było jeszcze oczywiste. Badacze pracujący w latach 50. cierpieli z powodu braku spójnego źródła światła, bardzo ważnej właściwości dla rozwoju holografii. Pierwszy laserpowstał w 1960 roku. Dzięki temu urządzeniu możliwe jest uzyskanie światła o wystarczającej spójności. Juris Upatnieks i Immet Leith, amerykańscy naukowcy, wykorzystali go do stworzenia pierwszych hologramów. Z ich pomocą uzyskano trójwymiarowe obrazy obiektów.
W kolejnych latach badania kontynuowano. Od tego czasu opublikowano setki artykułów naukowych eksplorujących koncepcję holografii i opublikowano wiele książek na temat tej metody. Prace te są jednak adresowane do specjalistów, a nie do zwykłego czytelnika. W tym artykule postaramy się opowiedzieć o wszystkim w przystępnym języku.
Co to jest holografia
Można zaproponować następującą definicję: holografia to trójwymiarowa fotografia uzyskana za pomocą lasera. Ta definicja nie jest jednak do końca zadowalająca, gdyż istnieje wiele innych rodzajów fotografii trójwymiarowej. Niemniej jednak odzwierciedla to, co najważniejsze: holografia jest metodą techniczną, która pozwala „nagrać” wygląd obiektu; z jego pomocą uzyskuje się trójwymiarowy obraz, który wygląda jak prawdziwy obiekt; zastosowanie laserów odegrało decydującą rolę w jego rozwoju.
Holografia i jej zastosowania
Badanie holografii pozwala nam wyjaśnić wiele kwestii związanych z fotografią konwencjonalną. Jako sztuka wizualna, trójwymiarowe obrazowanie może nawet rzucić wyzwanie temu drugiemu, ponieważ pozwala na dokładniejsze i dokładniejsze odzwierciedlenie otaczającego Cię świata.
Naukowcy czasami wyróżniają epoki w historii ludzkości za pomocą środkówpowiązania, które były znane w pewnych wiekach. Możemy mówić na przykład o hieroglifach, które istniały w starożytnym Egipcie, o wynalezieniu prasy drukarskiej w 1450 roku. W związku z postępem technologicznym obserwowanym w naszych czasach, dominującą pozycję zajęły nowe środki komunikacji, takie jak telewizja i telefon. Choć zasada holograficzna wciąż raczkuje, jeśli chodzi o jej zastosowanie w mediach, istnieją powody, by sądzić, że oparte na niej urządzenia w przyszłości będą w stanie zastąpić znane nam środki komunikacji, a przynajmniej rozszerzyć ich zakres.
Literatura science fiction i druki głównego nurtu często przedstawiają holografię w niewłaściwym, zniekształconym świetle. Często tworzą błędne wyobrażenie na temat tej metody. Obraz wolumetryczny, widziany po raz pierwszy, fascynuje. Jednak nie mniej imponujące jest fizyczne wyjaśnienie zasady działania tego urządzenia.
Wzorzec interferencji
Zdolność widzenia obiektów opiera się na fakcie, że do naszego oka docierają fale świetlne, załamywane przez nie lub odbite od nich. Fale świetlne odbite od jakiegoś obiektu charakteryzują się kształtem czoła fali odpowiadającym kształtowi tego obiektu. Wzór ciemnych i jasnych pasm (lub linii) jest tworzony przez dwie grupy interferujących ze sobą spójnych fal świetlnych. W ten sposób powstaje holografia wolumetryczna. W tym przypadku pasma te w każdym konkretnym przypadku stanowią kombinację, która zależy tylko od kształtu frontów fal oddziałujących ze sobą. Takiobraz nazywa się interferencją. Można go zamocować na przykład na kliszy fotograficznej, jeśli zostanie umieszczony w miejscu, w którym obserwuje się interferencję fal.
Różnorodność hologramów
Metoda, która pozwala zarejestrować (zarejestrować) front fali odbity od obiektu, a następnie przywrócić go tak, aby obserwatorowi wydawało się, że widzi rzeczywisty obiekt i jest to holografia. Jest to efekt ze względu na to, że uzyskany obraz jest trójwymiarowy w taki sam sposób jak rzeczywisty obiekt.
Istnieje wiele różnych typów hologramów, z którymi łatwo się pomylić. Aby jednoznacznie zdefiniować konkretny gatunek, należy użyć czterech, a nawet pięciu przymiotników. Z całego ich zestawu rozważymy tylko główne klasy używane przez współczesną holografię. Jednak najpierw trzeba trochę porozmawiać o takim zjawisku falowym, jak dyfrakcja. To ona pozwala nam skonstruować (a raczej zrekonstruować) front fali.
Dyfrakcja
Jeśli jakiś obiekt znajduje się na ścieżce światła, rzuca cień. Światło załamuje się wokół tego obiektu, częściowo wchodząc w obszar cienia. Ten efekt nazywa się dyfrakcją. Tłumaczy się to falową naturą światła, ale raczej trudno jest to wytłumaczyć ściśle.
Światło przenika przez obszar cienia tylko pod bardzo małym kątem, więc prawie go nie zauważamy. Jeśli jednak na jego drodze znajduje się wiele małych przeszkód, między którymi odległość wynosi tylko kilka długości fali światła, efekt ten staje się całkiem zauważalny.
Jeżeli opad czoła fali spada na dużą pojedynczą przeszkodę, odpowiednia jej część „wypada”, co praktycznie nie wpływa na pozostały obszar tego czoła fali. Jeśli na jej drodze znajduje się wiele małych przeszkód, zmienia się ona w wyniku dyfrakcji tak, że światło rozchodzące się za przeszkodą będzie miało jakościowo inny front fali.
Transformacja jest tak silna, że światło zaczyna się nawet rozchodzić w innym kierunku. Okazuje się, że dyfrakcja pozwala na przekształcenie pierwotnego frontu fali w zupełnie inny. Zatem dyfrakcja jest mechanizmem, dzięki któremu uzyskujemy nowy front fali. Urządzenie tworzące ją w powyższy sposób nazywa się siatką dyfrakcyjną. Porozmawiajmy o tym bardziej szczegółowo.
Krata dyfrakcyjna
Jest to mała płytka z nałożonymi na nią cienkimi, prostymi, równoległymi pociągnięciami (liniami). Są oddzielone od siebie o setną, a nawet tysięczną milimetra. Co się stanie, jeśli wiązka lasera napotka na swojej drodze kratę, która składa się z kilku rozmytych ciemnych i jasnych pasów? Część przejdzie prosto przez kratkę, a część ugnie się. W ten sposób powstają dwie nowe belki, które wychodzą z kraty pod pewnym kątem do belki pierwotnej i znajdują się po obu jej stronach. Jeśli jedna wiązka laserowa ma, na przykład, płaskie czoło fali, dwie nowe wiązki utworzone po jej bokach również będą miały płaskie czoła fali. Tak więc przechodząc przezwiązka lasera siatki dyfrakcyjnej, tworzymy dwa nowe fronty falowe (płaskie). Podobno siatkę dyfrakcyjną można uznać za najprostszy przykład hologramu.
Rejestracja hologramu
Wprowadzenie do podstawowych zasad holografii należy rozpocząć od zbadania dwupłaszczyznowych frontów fal. Wchodząc w interakcję tworzą wzór interferencyjny, który jest zapisywany na kliszy fotograficznej umieszczonej w tym samym miejscu co ekran. Ten etap procesu (pierwszy) w holografii nazywany jest zapisem (lub rejestracją) hologramu.
Przywracanie obrazu
Założymy, że jedna z fal płaskich to A, a druga to B. Fala A nazywana jest falą odniesienia, a B nazywana jest falą obiektową, to znaczy odbitą od obiektu, którego obraz jest nieruchomy. Nie może w żaden sposób różnić się od fali odniesienia. Jednak podczas tworzenia hologramu trójwymiarowego rzeczywistego obiektu powstaje znacznie bardziej złożona fala światła odbitego od obiektu.
Wzorzec interferencyjny przedstawiony na kliszy fotograficznej (czyli obraz siatki dyfrakcyjnej) jest hologramem. Można go umieścić na ścieżce referencyjnej wiązki pierwotnej (wiązka światła laserowego o płaskim czole fali). W tym przypadku po obu stronach powstają 2 nowe fronty falowe. Pierwszym z nich jest dokładna kopia czoła fali obiektu, która rozchodzi się w tym samym kierunku co fala B. Powyższy etap nazywa się rekonstrukcją obrazu.
Proces holograficzny
Wzór interferencji stworzony przez dwojepłaskie fale koherentne, po ich zarejestrowaniu na kliszy fotograficznej, jest urządzeniem, które w przypadku iluminacji jednej z tych fal pozwala odtworzyć kolejną falę płaską. Proces holograficzny składa się zatem z następujących etapów: rejestracja i późniejsze „zapisanie” czoła obiektu falowego w postaci hologramu (wzoru interferencyjnego) oraz jego odtworzenie po dowolnym czasie, gdy fala odniesienia przechodzi przez hologram.
Frontem celu może być właściwie wszystko. Na przykład może być odbity od jakiegoś rzeczywistego obiektu, jeśli jednocześnie jest spójny z falą odniesienia. Utworzony przez dowolne dwa fronty falowe o spójności, wzór interferencyjny jest urządzeniem, które dzięki dyfrakcji umożliwia przekształcenie jednego z tych frontów w inny. To tutaj kryje się klucz do takiego zjawiska jak holografia. Dennis Gabor jako pierwszy odkrył tę nieruchomość.
Obserwacja obrazu utworzonego przez hologram
W naszych czasach do odczytywania hologramów zaczyna być używane specjalne urządzenie, projektor holograficzny. Pozwala na konwersję obrazu z 2D do 3D. Jednak do oglądania prostych hologramów wcale nie jest wymagany projektor holograficzny. Porozmawiajmy krótko o tym, jak oglądać takie obrazy.
Aby obserwować obraz utworzony przez najprostszy hologram, musisz umieścić go w odległości około 1 metra od oka. Trzeba patrzeć przez siatkę dyfrakcyjną w kierunku, w którym wychodzą z niej fale płaskie (zrekonstruowane). Ponieważ do oka obserwatora docierają fale płaskie, obraz holograficzny jest również płaski. Wydaje nam się, że jest to „ślepa ściana”, która jest równomiernie oświetlona światłem o tej samej barwie, co odpowiadające mu promieniowanie laserowe. Ponieważ ta „ściana” pozbawiona jest specyficznych cech, nie da się określić, jak daleko jest. Wydaje się, że patrzysz na rozciągniętą ścianę znajdującą się w nieskończoności, ale jednocześnie widzisz tylko jej część, którą widać przez małe „okno”, czyli hologram. Hologram jest więc jednolicie świecącą powierzchnią, na której nie zauważamy niczego godnego uwagi.
Siatka dyfrakcyjna (hologram) pozwala zaobserwować kilka prostych efektów. Można je również zademonstrować za pomocą innych typów hologramów. Przechodząc przez siatkę dyfrakcyjną wiązka światła zostaje podzielona, powstają dwie nowe wiązki. Wiązki laserowe można wykorzystać do oświetlania dowolnej siatki dyfrakcyjnej. W takim przypadku promieniowanie powinno różnić się kolorem od użytego podczas jego rejestracji. Kąt gięcia kolorowej belki zależy od jej koloru. Jeśli jest czerwona (najdłuższa długość fali), to taka wiązka jest zagięta pod większym kątem niż niebieska wiązka, która ma najkrótszą długość fali.
Dzięki siatce dyfrakcyjnej możesz pominąć mieszankę wszystkich kolorów, czyli biały. W tym przypadku każdy składnik kolorystyczny tego hologramu jest wygięty pod własnym kątem. Wyjście to widmopodobny do tego, który tworzy pryzmat.
Umieszczenie obrysu siatki dyfrakcyjnej
Pociągnięcia siatki dyfrakcyjnej powinny być wykonane bardzo blisko siebie, tak aby zagięcie promieni było zauważalne. Na przykład, aby zgiąć czerwoną wiązkę o 20°, konieczne jest, aby odległość między pociągnięciami nie przekraczała 0,002 mm. Jeśli są umieszczone bliżej, wiązka światła zaczyna się jeszcze bardziej uginać. Do "utrwalenia" tej siatki potrzebna jest klisza fotograficzna, która jest w stanie zarejestrować tak drobne szczegóły. Ponadto konieczne jest, aby płytka pozostawała całkowicie nieruchoma podczas naświetlania, a także podczas rejestracji.
Obraz może być znacznie rozmyty nawet przy najmniejszym ruchu i do tego stopnia, że będzie zupełnie nie do odróżnienia. W tym przypadku zobaczymy nie wzór interferencyjny, ale po prostu szklaną płytkę, jednolicie czarną lub szarą na całej swojej powierzchni. Oczywiście w tym przypadku efekty dyfrakcyjne generowane przez siatkę dyfrakcyjną nie zostaną odtworzone.
Hologramy transmisyjne i odblaskowe
Rozważana przez nas siatka dyfrakcyjna jest nazywana przepuszczalną, ponieważ działa w świetle przechodzącym przez nią. Jeśli nałożymy linie siatki nie na przezroczystą płytkę, ale na powierzchnię lustra, otrzymamy odblaskową siatkę dyfrakcyjną. Odbija różne kolory światła pod różnymi kątami. W związku z tym istnieją dwie duże klasy hologramów - odblaskowe i transmisyjne. Te pierwsze obserwuje się w świetle odbitym, a drugie w świetle przechodzącym.
