Holografia

(Două fotografii ale unei singure holograme luate din puncte de vedere diferite)

Holografia este știința și practica de a face holograme. De obicei, o hologramă este o înregistrare fotografică a câmpului de lumină, mai degrabă decât a unei imagini formate dintr-o lentilă, și este utilizată pentru a afișa o imagine complet tridimensională a subiectului holografic, care este văzută fără ajutorul unor sticle speciale sau alte dispozitive optice intermediare. Holograma însăși nu este o imagine și, de obicei, este neinteligibilă atunci când este privită în lumină ambientală difuză. Este o codificare a câmpului luminos ca un model de interferență a variațiilor aparent aleatorii în opacitate, densitate sau profil de suprafață al mediului fotografic. Atunci când are o iluminare corespunzătoare, modelul de interferență produce difracția luminii obținând o reproducere a câmpului luminii originale și obiectele care se află în el par să mai fie încă acolo, prezentând repere vizuale de adâncime, cum ar fi paralaxa și perspectiva, care se schimbă realist cu orice schimbare în poziția relativă a observatorului.

În forma sa pură, holografia necesită utilizarea luminii laser pentru iluminarea subiectului și pentru vizualizarea hologramei finite. Într-o comparație de o parte și cealaltă în condiții optime, o imagine holografică este vizual de nedistins de subiectul actual. Poate fi reprodus un nivel microscopic al detaliilor pe întregul volum de spațiu înregistrat. În practica obișnuită, totuși, compromisurile majore ale calității imaginii sunt făcute pentru a elimina necesitatea de iluminare cu laser atunci când vizualizați holograma și, uneori, în măsura posibilului, și atunci când faceți acest lucru. Portretul holografic recurge adesea la o procedură de imagistică intermitentă non-holografică, pentru a evita laserele pulsatorii de mare putere aleatorii, care altfel văs imaginea, să „înghețe” optic subiecții vii, exct așa cum cere procesul de înregistrare holografică extrem de intolerant la mișcări. Hologramele pot fi, de asemenea, în întregime generate de calculator pentru a arăta obiecte sau scene care nu au existat niciodată.

Holografia este distinctă de tehnologiile lenticulare și alte tehnologii de afișare 3D autostereoscopice, care pot produc rezultate asemănătoare superficial, dar se bazează pe imagistica obișnuită a lentilelor. Iluzii de scenă și alte imagini neobișnuite, derutante sau aparent magice, sunt de multe ori numite în mod incorect holograme.

Cum funcționează

(Înregistrarea unei holograme.)

(Reconstruirea unei holograme)

(Fotografie aproape de o suprafață a hologramei. Obiectul din hologramă este o jucărie. Nu este mai ușor să discernem subiectul unei holograme de acest model decât să identificăm ce muzică a fost înregistrată prin vizionarea suprafeței unui CD. Rețineți că holograma este descrisă mai degrabă de rețeaua de puncte, decât de modelul „ondulatoriu”.)

Holografia este o tehnologie care permite ca un câmp de lumină, care este în general produsul unei surse de lumină împrăștiată de obiecte, să fie înregistrat și reconstruit ulterior când câmpul luminos original nu mai este prezent, în absența obiectelor originale. Holografia poate fi considerată oarecum similară înregistrării sonore, unde un câmp sonor creat de materia vibrantă, cum ar fi instrumente muzicale sau corzi vocale, este codificat astfel încât să poată fi reprodus mai târziu, fără prezența materiei vibrante originale.

Laser

În holografia laser, holograma este înregistrată folosind o sursă de lumină laser, care este foarte pură în culoare și ordonată în compoziția sa. Pot fi utilizate diverse setări și pot fi realizate mai multe tipuri de holograme, dar toate implică interacțiunea dintre lumina provenind din direcții diferite și producerea unui model de interferență microscopică înregistrată fotografic pe o placă, film sau alt mediu.

Într-un aranjament obișnuit, fasciculul laser este împărțit în două, unul cunoscut ca fascicul de obiect, iar celălalt ca fascicul de referință. Fasciculul de obiect este extins prin trecerea acestuia printr-o lentilă și folosit pentru a ilumina subiectul. Mediul de înregistrare este situat acolo unde această lumină, după ce este reflectată sau împrăștiată de subiect, va ajunge pe el. În cele din urmă, marginile mediului vor servi ca o fereastră prin care subiectul este văzut, astfel încât locația sa este aleasă cu acest lucru în minte. Faza de referință este extinsă și făcută să strălucească direct pe mediu, unde interacționează cu lumina provenită de la subiect pentru a crea modelul de interferență dorit.

La fel ca fotografia convențională, holografia necesită un timp de expunere adecvat pentru a afecta corect mediul de înregistrare. Spre deosebire de fotografierea convențională, în timpul expunerii, sursa de lumină, elementele optice, mediul de înregistrare și subiectul trebuie să rămână perfect nemișcate unul față de celălalt, până la aproximativ un sfert din lungimea de undă a luminii, altfel modelul de interferență se estompează și holograma se strică. Cu subiecți vii și unele materiale instabile, acest lucru este posibil numai dacă se utilizează un puls foarte intens și extrem de scurt de lumină laser, o procedură periculoasă care este rară, rareori fiind făcută în afara setărilor de laborator științific și industrial. Sunt tipice expuneri care durează câteva secunde până la câteva minute, utilizând un laser cu operare continuă, care funcționează mai puțin.

Aparatura

O hologramă poate fi realizată prin direcționarea unei părți a fasciculului luminos direct în mediul de înregistrare, iar cealaltă parte pe obiect, astfel încât o parte din lumina împrăștiată să cadă pe mediul de înregistrare. Un aranjament mai flexibil pentru înregistrarea unei holograme necesită ca fasciculul laser să fie îndreptat printr-o serie de elemente care îl schimbă în moduri diferite. Primul element este un divizor de fascicule care împarte fasciculul în două părți identice, fiecare vizând direcții diferite:

Un fascicul (cunoscut sub numele de fascicul de iluminare sau de obiect) se transmite folosind lentile și se îndreaptă spre scenă folosind oglinzi. O parte din lumina împrăștiată (reflectată) din scenă cade apoi pe mediul de înregistrare.
Al doilea fascicul (cunoscut ca fascicul de referință) se transmite de asemenea prin utilizarea lentilelor, dar este dirijat astfel încât să nu vină în contact cu scena, în schimb se deplasează direct pe mediul de înregistrare.

Mai multe materiale diferite pot fi folosite ca mediu de înregistrare. Unul dintre cele mai frecvente este un film foarte asemănător cu filmul fotografic (emulsie fotografică cu halogenuri de argint), dar cu o concentrație mult mai mare de granulații reactive la lumină, ceea ce îl face capabil de o rezoluție mult mai ridicată de care are nevoie hologramele. Un strat al acestui mediu de înregistrare (de exemplu, halogenura de argint) este atașat la un substrat transparent, care este de obicei sticlă, dar poate fi și plastic.

Procesul

Când cele două fascicule laser ajung în mediul de înregistrare, undele lor luminoase se intersectează și interferează reciproc. Acest tip de interferență este imprimat pe mediul de înregistrare. Modelul în sine este aparent întâmplător, deoarece reprezintă modul în care lumina scenei a interferat cu sursa de lumină originală – dar nu și sursa de lumină originală în sine. Modelul de interferență poate fi considerat o versiune codată a scenei, care necesită o anumită cheie – sursa de lumină originală – pentru a vedea conținutul acesteia.

Această cheie lipsă este oferită ulterior prin folosirea unui laser identic cu cel folosit pentru înregistrarea hologramei pe filmul developat. Când acest fascicul iluminează holograma, este difuzat de modelul de suprafață al hologramei. Aceasta produce un câmp luminos identic cu cel produs inițial de scenă și împrăștiat pe hologramă.

Vs. fotografie

Holografia poate fi mai bine înțeleasă prin examinarea diferențelor sale față de fotografia obișnuită:

O hologramă reprezintă o înregistrare a informațiilor referitoare la lumina provenită de la scena originală împrăștiată într-o serie de direcții, mai degrabă decât dintr-o singură direcție, ca într-o fotografie. Aceasta permite vizualizarea scenei dintr-o serie de unghiuri diferite, ca și cum ar fi fost încă prezente.
O fotografie poate fi înregistrată utilizând surse normale de lumină (lumină solară sau iluminare electrică), în timp ce pentru a înregistra o hologramă este necesar un laser.
În fotografie este necesar o lentilă pentru înregistrarea imaginii, în timp ce în holografie, lumina de la obiect este împrăștiată direct pe mediul de înregistrare.
O înregistrare holografică necesită ca un al doilea fascicul de lumină (fasciculul de referință) să fie îndreptat către mediul de înregistrare.
O fotografie poate fi văzută într-o gamă largă de condiții de iluminare, în timp ce hologramele pot fi văzute doar cu forme specifice de iluminare.
Atunci când o fotografie este tăiată la jumătate, fiecare bucată prezintă jumătate din scenă. Când o hologramă este tăiată la jumătate, toată scena poate fi văzută în fiecare bucată. Acest lucru se datorează faptului că, în timp ce fiecare punct dintr-o fotografie reprezintă numai lumină împrăștiată dintr-un singur punct al scenei, fiecare punct al unei înregistrări holografice include informații despre lumina împrăștiată din fiecare punct al scenei. Se poate considera că vizualizați o stradă în afara casei printr-o fereastră de 120 cm × 120 cm, apoi printr-o fereastră de 60 cm × 120 cm. Se pot vedea toate lucrurile prin fereastra mai mica (prin deplasarea capului pentru a schimba unghiul de vizualizare), dar vizualizatorul poate vedea mai mult dintr-o dată prin fereastra de 120 cm.
O fotografie este o reprezentare bidimensională care poate reproduce doar un efect tridimensional rudimentar, în timp ce raza de vizualizare reprodusă a unei holograme adaugă mult mai multe indicii de percepție a adâncimii care au fost prezente în scenă originală. Aceste semnale sunt recunoscute de creierul uman și traduse în aceeași percepție a unei imagini tridimensionale ca atunci când scena inițială ar fi putut fi văzută.
O fotografie mapează în mod clar câmpul luminos al scenei originale. Suprafața hologramei dezvoltate constă dintr-un model foarte fin, aparent aleatoriu, care pare să nu aibă nicio legătură cu scena pe care a înregistrat-o.

Fizica holografiei

Pentru o mai bună înțelegere a procesului, este necesar să se înțeleagă interferențele și difracția. Interferența are loc atunci când unul sau mai multe fronturi de undă sunt suprapuse. Difracția are loc atunci când un front de undă întâlnește un obiect. Procesul de producere a unei reconstrucții holografice este explicat mai jos doar în termeni de interferență și difracție. Este oarecum simplificat, dar este suficient de precis pentru a da o înțelegere a modului în care funcționează procesul holografic.

Fronturile de undă plane

O rețea de difracție este o structură cu un model repetat. Un exemplu simplu este o placă metalică cu fante tăiate la intervale regulate. O undă de lumină care se află pe o rețea este împărțită în mai multe unde; direcția acestor unde de difracție este determinată de spațierea rețelei și lungimea de undă a luminii.

O hologramă simplă poate fi creată prin suprapunerea a două unde plane de la aceeași sursă de lumină pe un mediu de înregistrare holografic. Cele două unde interferează, rezultând un model de franjuri drepte, a cărui intensitate variază sinusoidal pe întreaga suprafață. Spațierea modelului de franjuri este determinată de unghiul dintre cele două unde și de lungimea de undă a luminii.

Modelul de lumină înregistrat este o rețea de difracție. Atunci când este iluminat numai de unul dintre undele folosite pentru a-l crea, se poate arăta că una dintre undele difractate apare în același unghi ca și cel de incidență a celui de-a doua undă, astfel încât cea de a doua undă a fost „reconstruită“. Astfel, modelul de lumină înregistrat este o înregistrare holografică așa cum este definită mai sus.

Surse punctuale

(Planul zonal sinusoidal.)

Dacă mediul de înregistrare este iluminat cu o sursă punctuală și cu o undă plană incidentă normală, modelul rezultat este un plan zonal sinusoidal, care acționează ca o lentilă Fresnel negativă a cărui distanță focală este egală cu separarea sursei punctuale și a planului de înregistrare.

Atunci când unda plană luminează o lentilă negativă, este extinsă într-o undă care pare să se abată de la punctul focal al obiectivului. Astfel, atunci când modelul înregistrat este iluminat cu unda plană inițială, o parte din lumină este difuzată într-un fascicul divergent echivalent undei sferice originale; o înregistrare holografică a sursei punctuale a fost creată.

Atunci când unda plană intră într-un unghi diferit de normală la momentul înregistrării, modelul format este mai complex, dar acționează în continuare ca o lentilă negativă dacă este iluminată la unghiul original.

Obiecte complexe

Pentru a înregistra o hologramă a unui obiect complex, un fascicul laser este mai întâi împărțit în două fascicule de lumină. Un singur fascicul iluminează obiectul, care apoi împrăștie lumina pe mediul de înregistrare. Conform teoriei difracției, fiecare punct al obiectului acționează ca o sursă de lumină punctuală, astfel încât mediul de înregistrare poate fi considerat a fi iluminat de un set de surse punctuale situate la distanțe diferite față de mediu.

Al doilea fascicul (de referință) iluminează direct mediul de înregistrare. Fiecare undă a surselor punctuale interferează cu fasciculul de referință, dând naștere la planul zonal sinusoidal propriu în mediul de înregistrare. Modelul rezultat este suma tuturor acestor „plane zonale”, care se combină pentru a produce un model aleatoriu (punctiform) ca în fotografia de mai sus.

Atunci când holograma este iluminată de fasciculul de referință original, fiecare dintre planurile zonale individuale reconstruiește undele obiectului care le-a produs și aceste fronturi de undă individuale sunt combinate pentru a reconstrui întregul fascicul al obiectului. Observatorul percepe un front de undă care este identic cu frontul de undă împrăștiat din obiect pe mediul de înregistrare, astfel încât să apară că obiectul este încă pe poziție, chiar dacă a fost îndepărtat.