Univerza v Ljubljani

Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo

Smer: gradbeništvo, uni

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

SEMINARSKA NALOGA IZ FIZIKE

HOLOGRAFIJA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Študijsko leto 2000/2001

Zoran Marič

Kaj sploh je holografija?

Leta 1971 je Nobelovo nagrado za fiziko dobil Dennis Gabor, angleški državljan madžarskega rodu, in sicer za odkritje tehnike snemanja slik, ki vizualno ohranja predmet v naravni velikosti. Poleg tega ta tehnika omogoča tudi ohranjanje pravilnih oblik ter dejanskih trodimenzionalnih lastnosti predmeta. Temu pojavu pravimo holografija. Beseda izvira iz grščine in v dobesednem prevodu pomeni celotno sporočilo (»holos« cel, »gram« sporočilo). Rezultat te metode se imenuje hologram. Tehnika holografije je doživela razcvet v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja, ko so skonstruirali prvi laser, napravo, ki je zmožna producirati tak svetlobni žarek, da je pojav holograma sploh mogoč. Že v osemdesetih so znanstveniki to metodo tako razvili, da je bilo mogoče ustvariti holograme resničnih barv, t.i. true-color holograms, kot tudi holograme na ostalih področjih spektra (mikrovalovi ter rentgenski žarki) in na področju zvočnih valov.

 

En del žarka gre neposredno na fotografsko ploščo, drugi del žarka pa se odbije od objekta. Ko se oba snopa svetlobe združita, se oblikuje vzorec, ki vsebuje informacije o 3-D obliki objekta. Če razvito ploščo osvetlimo z lasersko svetlobo, se vzorec prikaže kot 3-D slika objekta.

 

 

RAZLIKE IN PODOBNOSTI MED HOLOGRAMOM IN FOTOGRAFIJO:

Lahko bi rekli, da je hologram naslednja »razvojna stopnja«, če temu lahko tako rečemo, običajne dvodimenzionalne fotografije, ki jo obvladamo že več kot sto let. Ampak med tema dvema pojavoma obstajajo velikanske razlike, tako v izdelavi kot v uporabi njhovih lastnosti. Pa poglejmo.

Tehnologijo fotografije poznamo tako dolgo, da smo že navajeni gledati 3D svet stisnjen na 2D podlago. Tretja dimenzija na sliki je samo iluzija in nič več. To velja tako za navadne fotografije kot za film, TV in video.

Kemična fotografija temelji na dejstvu, da je svetloba zmožna sprožiti nekatere kemične reakcije. Če na film s pomočjo leče preslikamo svetlobo, odbiti svetlobni žarki od enega do drugega mesta pokažejo rahle osvetlitvene razlike in na filmu se zariše latentna slika. Ta slika postane vidna šele, ko film razvijemo. Na filmu so svetli deli videti temni in nasprotno (fotografski film je negativ).

Postopek je obrnjen, kadar svetloba pade skozi negativ na nov fotografski film oziroma papir (fotografski papir je pozitiv), kjer se zariše slika predmeta, ki smo ga slikali. Če smo fotografijo posneli in razvili tako, kot je treba, bomo na papirju videli projekcijo slikanega predmeta.

Toda taka slika je močno nepopolna. Poglejmo v čem se razlikuje fotografski posnetek od resničnosti (omejili se bomo na vizualne lastnosti).

Vzemimo za primer dve kocki, ki stojita na mizi ena za drugo in ju poglejmo skozi majhen okvir. Če glavo premaknemo malo v eno ali v drugo smer, se nam izza prve odkrije druga kocka. Sedaj lahko v žarišče očesa vzamemo prvo kocko in pustimo drugo nejasno. Če približamo glavo, postane prva kocka večja, vse dokler popolnoma ne zakrije druge. Vsega tega na fotografiji ni. Res sta obe kocki videti v perspektivi in je prva navidezno bližja. Toda tretja dimenzija ostane iluzija – tudi če premaknemo glavo, se podoba ne spremeni. Razlog za to je dejstvo, da se del informacij, ki jih nosi svetloba, ko zadane površino filma, izgubi. Svetloba, izsevana iz nekega objekta, vsebuje informacijo tako o fazi (to je razdalja med dvema točkama na valovni krivulji) kot o amplitudi valovanja, če seveda domnevamo, da so frekvence enake. Informacija o amplitudi se na filmu zapiše, informacija o fazi pa se izgubi. S problemom kako shraniti oboje, so se znanstveniki ukvarjali vrsto let, dokler ni, že omenjeni, Dennis Gabor izumil tehnike, ki omogoča shranjenje popolne informacije, to je holografije.

 

 

Na obbeh fotografijah je posnet isti hologram z dveh različnih mest – »dobro« je vidna sprememba prespektive.

 

 

IZDELAVA HOLOGRAMA IN PRIKAZ HOLOGRAMSKE SLIKE:

Za uspešno izdelavo holograma potrebujemo enoten svetlobni žarek, torej žarek v katerem so valovna čela kolikor mogoče ravna. Prav dejstvo, da takrat, ko je Gabor odkril holografijo, še niso poznali takega žarka oziroma svetlobe, je bilo odločilno, da je razvoj holografije zastal. Kot smo že omenili, je metoda produciranja tridimenzionalnih podob doživela preporod s pojavom laserja, ki omogoča idelavo prej omenjenega žarka.

Lasersko sevanje se bistveno razlikuje od sevanja drugih teles, in sicer po monokromatičnosti (emitiranje sevaja samo ene frekvence), koherentnosti (prostorske in časovne enakosti), usmerjenosti in intenzivnosti.

Ena izmed metod za dosego holograma je, da predmet, ki ga hočemo projecirati, osvetlimo s snopom koherentne svetlobe, to pomeni, da vsi valovi potujejo v fazi eden za drugim. S pomočjo laserja je to relativno lahko doseči. Površinske karakteristike objekta določajo obliko valovnih front, kar pomeni fazo, od predmeta odbite, svetlobe, ki prispe v vsako točko fotografske plošče. Medtem ko osvetljujemo predmet z žarkom, se en del tega laserskega snopa odbije s pomočjo ravnega zrcala ali prizme in usmeri proti fotografski plošči, ta del žarka imenujemo tudi referenčni žarek. Ker se referenčni žarek ni odbil od objekta, ostanejo njegove fronte planparalelne in skupaj z žarkom odbitim od predmeta (predmetni žarek) tvori določen vzorec na fotografski plošči. Ko se torej ta dva žarka srečata, dobimo interferenčni vzorec, to so temne in svetle proge na mestih, kjer se križajo hrbti ali doli predmetnega in referenčnega žarka. Ti se nato zapišejo na fotografsko ploščo in dobimo hologram, ki ga je treba le še razviti, in sicer po postopku, ki je enak tistemu za razvijanje običajnega fotografskega filma. Če bi bil osvetljevani objekt majhna kroglica, bi bila valovna čela (fronte) odbitega žarka sferične oblike, interferenčni vzorec produciran na filmu bi bil sestavljen iz koncentričnih krogov. Razdalja med krogi pa bi padala z naraščajočim radijem. Interfererenčni vzorec bolj zapletenih predmetov bo vsekakor bolj kompleksen, toda podrobnejša analiza dobljenega holograma bi pokazala zahtevnejši vzorec črnih in belih struktur, ki ne kažejo nobenih povezav z originalnim objektom.

 

 

 

Hologram gledamo tako, da ga ponovno osvetlimo z referenčnim žarkom. Na svetlih in temnih progah holograma se ta uklanja tako, da je uklonjeni snop natanko tak, kot je bil pri posnemanju predmetni snop. Na ta način vidimo predmete takšne, kot so v resnici – z vsemi njihovimi prostorskimi značilnostmi. Ko hologram pogledamo pod drugačnim kotom, se projecirani objekt vidi pod taistim kotom. Tridimenzionalni efekt je dosežen, ker hologram v prostoru rekonstruira valovna čela, ki jih sicer v originalu producira objekt.

Kaj to pomeni, bomo lažje razumeli, če se povrnemo prejšnjemu primeru s kockama. Ugotovili smo, da je na fotografiji zabeleženo določeno stanje obeh kock in da tudi s premikajem glave ne moremo spremeniti položaja kock na fotografiji. Če pa imamo na hologramu posneti dve kocki, lahko s premikanjem zornega kot pod katerim gledamo hologram dosežemo različen pložaj kock. Torej, kocki vidimo pravzaprav kot v resnici.

 

 

V hologramu se predmeti vidijo tako, kot da se sami tam nahajajo. Na levi sliki je prikazan položaj gledalca, na desni pa podoba hlograma, ko ga vidimo od zgoraj ter od spredaj.

 

Če hočemo hologram natisniti na papir, si z enim samim posnetim hologramom ne moremo prav nič pomagati. Fotografija takšne podobe je samo dvodimenzionalni posnetek in nima holografskih lastnosti. Vendar pa različne fotografije hologramske podobe, posnete pod različnimi koti in v različnih žariščih, lahko dajo slutnjo mnogostranosti.

Poleg teh vizualno različnih lastnosti pa se hologram še dodatno razlikuje od fotografije. Hologram ne loči pozitiva in negativa (če bi svetla in temna mesta na interferenčnem vzorcu obrnili, bi hologram dajal še vedno iste informacije). Poleg tega je hologram posnet brez leče in je interferenčni vzorec znova in znova posnet na vseh deli holograma. Če hologram prerežemo, bo vsaka od polovic dajala celotno podobo. Ker pa interferenčni vzorci na različnih delih holograma drugg drugega krepijo, ne moremo rezati v nedogled, ker podoba postane preveč nejasna. Z rezanjem si bomo tudi občutno zmanjšali vidno polje- če bomo glavo preveč premaknili v eno smer, z namenom, da bi videli predmet tudi od strani, predmeta preprosto ne bomo več videli.

 

 

 

 

UPORABA HOLOGRAFIJE:

Pri vsaki tehnološki novosti gre za več kot le znanstveni izum. Zamisel mora omogočiti ne samo boljše, temveč tudi cenejše in hitrejše delo.

Holografija se je v svetu že kar precej uveljavila – predvsem v industriji, vendar lahko z gotovostjo trdimo, da njen čas šele prihaja. Danes se holografija uporablja za izdelavo jasnih fotografij iz meglenih, pri kontroli izredno majhnih delcev (do 1/10 mikrona) delčkov, v vizualizaciji aerodinamičnih efektov, omogoča shranjevanje velikega števila podatkov. Podatki se zapišejo kot svetle in temne pike v holografskih podobah. Hologram lahko vsebuje veliko število »strani«, ki so posnete pod različnimi koti glede na ploščo, kar omogoča shranjevanje velikega števila podatkov na enem samem hologramu. Podatke lahko beremo z laserjem stran za stranjo.

Holografija pomaga tudi pri medicinskih diagnozah zapletenih kirurških posegov. Znanstvenikom je s pomočjo elektronske holografije uspelo posneti notranjost atoma.

Ena pomembnejših možnosti uporabe je interferometer. Zadeva deluje tako, da posnamemo dva holograma istega objekta na isto ploščo. Po rekonstrukciji podob vidimo njuno interferenčno sliko. Če je bil objekt podvržen deformacijam med snemanjem obeh hologramov, bodo fazne razlike povzročile interferenčni vzorec, ki bo jasno pokazal kakšne so bile deformacije.

Zdi se, da ni več preprek do izuma trodimenzionalnega filma. S hitro menjavo hologramov bi lahko kot pri običajnem filmu dosegli gibanje.

Omejitve holografije (laserska tehnologija, velikost hologramske plošče itd.) se zdijo manjše, če pomislimo, da gre še vedno za medij v razvoju.predvideti moramo, da lahko pride (najverjetneje v povezavi z zmogljivejšim računalnikom) tudi do nove revolucije, podobni tisti ob izumu televizije.

 

Iz vsega omenjenega lahko vidimo, da se je holografija kljub temu, da je še relativno mlada tehnika slikanja, že dodobra uveljavila v razvitem svetu. Na njeno popolno uveljavitev pa bo trba vseeno še nekoliko počakati; vsaj toliko, da se bo razvila tudi spremljevalna tehnologija, ki bo v zadostni meri zadovoljila potrebe holografije.

 

 

Viri in literatura: