Holografia

Zapis holograficzny

Jak widać, interferencji ulegają dwie wiązki światła: jedna (górna) jest kierowana przy pomocy zwierciadła na fotografowany przedmiot, odbija się od niego i pada na kliszę, a druga (dolna) stanowi tzw. wiązkę odniesienia. Oczywiście najlepsze rezultaty daje użycie światła laserowego, które zapewnia zbliżoną do ideału monochromatyczność oraz spójność fazową i amplitudową. W rzeczywistości wszystko to wymaga dość skomplikowanych zabiegów technicznych, ale dzięki nim unikamy zaniknięcia prążków interferencyjnych (dyfrakcji) na skutek nadmiernej różnicy długości dróg przebytych przez światło. Mimo naszych starań, pozostałe jeszcze niedoskonałości powodują, że uzyskany obraz jest superpozycją (nałożeniem) dużej liczby interferencji poszczególnych składowych spektralnych światła, co prowadzi do pogorszenia ostrości obrazu wypadkowego. W końcu obie wiązki naświetlają drobnoziarnistą kliszę fotograficzną. I tu niespodzianka! Po wywołaniu, zamiast obrazu przedmiotu, zobaczymy na niej jedynie prążki interferencyjne! Przykładowy hologram widać na rysunku poniżej:

Odtwarzanie obrazu holograficznego

Aby zobaczyć obraz holograficzny wystarczy oświetlić utrwalony na kliszy fotograficznej hologram, który działa jak siatka dyfrakcyjna, wiązką odniesienia. Rezultat widać na fotografii poniżej:

Czary?! Nie! To "tylko" współpracujące ze sobą dyfrakcja i interferencja. Tak naprawdę, to w procesie odtwarzania obrazu holograficznego otrzymujemy dwa obrazy: rzeczywisty i pozorny. Wynika to z faktu powstawania wspomnianych wcześniej maksimów dyfrakcyjnych: zerowego (S₀) oraz dodatniego (S₊₁) i ujemnego (S_-1) pierwszego rzędu. Ponieważ wprost można zobaczyć jedynie obraz pozorny, więc celowo pomijam zbędne (moim zdaniem) informacje. Dla porządku powiem tylko, że oczywiście istnieją również metody rejestracji obrazu rzeczywistego. Nawiasem mówiąc, oba obrazy są identyczne. No dobrze, ale jak to się ma do "zwykłej" fotografii i na czym polega wyższość obrazu uzyskanego w ten sposób? Zwykła fotografia jest w stanie zarejestrować jedynie zmiany w natężeniu światła padającego na kliszę w każdym jej punkcie. Fotografia holograficzna uwzględnia również fazę światła dochodzącego z fotografowanego przedmiotu. Dzieje się tak, ponieważ światło to jest nałożone na spójną wiązkę odniesienia. Dzięki temu fotografia holograficzna zawiera o wiele więcej informacji niż "zwykła" fotografia. Podstawową cechą różniącą obie metody jest możliwość łatwego, trójwymiarowego oglądania przedmiotu. Zbliżony efekt uzyskujemy dla zwykłej fotografii poprzez użycie techniki stereoskopowej, polegającej na fotografowaniu przedmiotu z dwóch zbliżonych miejsc i następnie umieszczenie klisz w przyrządzie zwanym stereoskopem. Na identycznej zasadzie funkcjonuje nasz wzrok. Dzięki oddaleniu oczu od siebie człowiek może widzieć przestrzennie. Drugą metodą otrzymywania obrazu przestrzennego jest obróbka cyfrowa zdjęć wykonanych identycznie jak do stereoskopu. Na jednym zdjęciu kolor czarny zamieniany jest na czerwony, a na drugim na niebieski. Zdjęcia te są nakładane na siebie z niewielkim przesunięciem. Efekt końcowy tych manipulacji oglądamy przez okulary wyposażone w filtr niebieski dla jednego oka i czerwony dla drugiego, uzyskując efekt przestrzenny. Ale to są półśrodki, chociaż kto oglądał film w kinie IMAX zapewne jest innego zdania! Prawdziwy efekt 3D może dać jedynie holografia, która zaskakuje nas jeszcze dwoma niezwykłymi cechami. Otóż aby uzyskać poprawny obraz holograficzny wcale nie musimy posiadać całej kliszy! Wystarczy jej najmniejszy fragment, aby otrzymać nie zniekształcony obraz przestrzenny. Jest to możliwe, ponieważ każdy punkt kliszy odebrał informację ze wszystkich punktów fotografowanego obiektu, co nie następuje w "zwykłej" fotografii. Dodatkowo, co jest najbardziej niesamowite, gdy podczas oglądania obrazu holograficznego poruszymy głową, przedmioty bliższe na fotografii przesuną się względem bardziej odległych. Myślę, że teorii już wystarczy. Nadeszła pora aby odpowiedzieć na proste pytanie: co z tego wszystkiego ma Janek Kowalski?!

Rodzaje holografii i zastosowania hologramów

Jeszcze chwilę Was pomęczę nudną klasyfikacją, bo w oparciu o nią łatwiej będzie zaprezentować zastosowania holografii i hologramów. Zasadniczy podział wynika z rodzaju promieniowania (fali), której używamy do uzyskania zdjęć holograficznych. O falach elektromagnetycznych już była mowa, ale należy pamiętać, że obejmują one bardzo szerokie pasmo częstotliwości i każdy jego fragment znajduje zastosowanie w holografii. Poczynając od zakresu radiowego, poprzez mikrofale, podczerwień, światło widzialne, nadfiolet, promienie rentgenowskie i kończąc na promieniowaniu gamma. Ale stosowane są również wiązki elektronowe, fale sprężyste w ośrodkach materialnych oraz fale akustyczne, łącznie z ultradźwiękami. Do wyboru, do koloru - zależnie od potrzeb. Wydaje mi się, że niewiele jest sensu w rozwlekłym opisywaniu każdego przypadku zastosowania w holografii takiej lub innej fali. Skupię się na kilku spektakularnych przykładach, aby uzmysłowić Wam jakie możliwości drzemią w holografii i jaki wpływ na nasze życie wywrze ta technologia. Oczywiście po jej pełnym i perfekcyjnym opanowaniu, chociaż niedoskonałe jeszcze, ale już dzisiaj osiągane rezultaty, napawają zdumieniem. Zacznijmy może od... początku!

1. 1. Denis Gabor prowadził badania nad zapisem holograficznym z myślą o uzyskaniu narzędzia umożliwiającego uzyskanie obrazów materii, z atomową zdolnością rozdzielczą. Jego wizje i plany spełniły się w 2001r. Zespół krakowskich fizyków z Akademii Górniczo-Hutniczej oraz Uniwersytetu Jagiellońskiego zaprezentował, jako pierwsze na świecie, hologramy wykorzystujące promieniowanie gamma oraz efekt jego jądrowego rezonansowego rozpraszania. Dzięki temu udało się wyeliminować tzw. obrazy urojone, będące zmorą holografii opartej na wewnętrznych źródłach fal odniesienia. Metoda znajdzie szczególne pole do popisu w badaniach skomplikowanych struktur biologicznych oraz coraz popularniejszych i znajdujących coraz więcej zastosowań nano-struktur.
2. 2. Kolejnym fascynującym przykładem jest ultradźwiękowa kamera holograficzna służąca do zdejmowania odcisków palców! I znowu jest to rewelacja polskiego pochodzenia! Wrocławska firma OPTEL wykorzystała unikalny fakt, że jeśli do powierzchni ciała stałego, do której dociera dźwięk, przyłożony jest obiekt i kontakt między nim a powierzchnią nie jest wszędzie jednakowy (idealny), lecz zawiera niejednorodności (krawędzie, punkty kontaktowe itp.), to w miejscach takich dojdzie nie tylko do opisanego klasycznymi wzorami przejścia dźwięku z jednego ośrodka do drugiego, jego odbicia oraz dyfrakcji na granicach obszarów kontaktu, lecz także do dodatkowego rozproszenia i przemiany na inne rodzaje fal. Jest ono wynikiem zmiany warunków propagacji dźwięku w pobliżu powierzchni ciała stałego, spowodowanej kontaktem z przyłożonym do niej obiektem i dlatego nazywa się rozproszeniem kontaktowym. Jest rzeczą pewną, że wpływ na rozproszenie kontaktowe mają nie tylko same obszary styku obu ośrodków, lecz także zbliżona do nich część przyłożonego obiektu nazywana strukturą przypowierzchniową. Z tego też zapewne powodu zjawisko to zależne jest silnie od materiału, z którego wykonany jest przyłożony obiekt. Urządzenie jest bardzo skomplikowane, a jego praktyczne zastosowanie było by niemożliwe bez specjalistycznego oprogramowania.
3. 3. Holografia cyfrowa stanowi nowe narzędzie do przekazu pełnej, trójwymiarowej informacji obrazowej w zastosowaniach multimedialnych. Ze względu na aktualne parametry sprzętowe występują tutaj poważne ograniczenia aplikacyjne. Tyczy się to przede wszystkim operowania z rzeczywistymi scenami o dużych rozmiarach oraz braku ergonomicznej metody rekonstrukcji informacji na drodze optycznej. Na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej podjęto próbę rozwiązania tych problemów skupiając się na: zastosowaniu metody holografii wieloekspozycyjnej, opracowaniu założeń rejestracji hologramów rzeczywistych i syntetycznych w różnych konfiguracjach układu, wreszcie analizie zawartości sygnałowej różnych typów hologramów wieloekspozycyjnych, oraz opracowaniu metody rekonstrukcji informacji obrazowej kodowanej w hologramach cyfrowych na drodze optoelektronicznej z zastosowaniem przetworników ciekłokrystalicznych adresowanych metodami optyczno - elektronicznymi. Wynikiem prac są hologramy wieloekspozycyjne scen oraz obrazy zrekonstruowane z hologramów cyfrowych w układach optoelektronicznych. I znowu mocne polskie uderzenie! To przecież wstęp do holowizji! Niejako na marginesie dodam jeszcze, że pierwszy półprzewodnikowy niebieski laser (na bazie azotku galu) też skonstruowali polscy uczeni. Ten laser (blue-ray) właśnie teraz jest wdrażany do masowej produkcji w urządzeniach zapisująco-odczytujacych, umożliwiając dzięki krótszej fali wielokrotne zwiększenie ilości gromadzonej informacji. Jak widać, polscy uczeni nie wypadli sroce spod ogona i głowy mają nie od parady. Tylko czy polska nauka potrafi na tym zarobić? A, to już jest zupełnie inna bajka...

Po tych fajerwerkach przejdźmy do rutyny. Co jeszcze potrafi i gdzie jest stosowana holografia?! Lista jest naprawdę imponująca. Proszę wybaczyć pewną chaotyczność, ale w takiej kolejności przychodziło mi to do głowy: szyfrowanie informacji, rozpoznawanie obiektów i ich cech wspólnych (medycyna - wykrywanie komórek rakowych), modelowanie funkcji logicznych, pamięci holograficzne (terabajtowe HDD), holografia akustyczna (medycyna i defektoskopia), przemysł rozrywkowy (ruchome obiekty w dyskotekach), zobrazowanie muzyki (sic!), zabezpieczenie przed fałszerstwami wszelkiego rodzaju (na chwilę obecną hologramu nie da się podrobić), ozdoby, reklama, czytniki kodów paskowych. Wystarczy!? I tak pewnie o czymś zapomniałem. Jak widać, ta niesamowita i fascynująca technologia przebojem wkracza w nasze życie. Oczywiście momentem przełomowym będzie wprowadzenie do powszechnego użycia holowizji i holofonów. Na to, niestety, z różnych względów (wielu technicznych i komercyjnych) jeszcze przyjdzie trochę poczekać. Ale ten dzień kiedyś nadejdzie! To pewne!