هولوگرافی

تعریف: روش‌های ثبت و بازسازی تصاویر سه بعدی

هولوگرافی رده‌ای از روش‌های ثبت و بازسازی تصاویر سه بعدی است که براساس پدیده‌ نوری تداخل[۱] ایجاد شده‏اند. تصاویر هولوگرافی را هولوگرام می‌نامند. برخلاف تصاویر عکاسی معمولی، از نقشه‌برداری یا نگاشت نقاط منفرد اشیا به نقاط منفرد در هولوگرام استفاده نمی‌شود. از این حیث، آنها تصویر به شمار نمی‌روند. در عوض، نور از هر نقطه تصویر بر کل هولوگرام تأثیر می‌گذارد و هر نقطه از یک ثبت کننده هولوگرافی بر روی جزئیات تصویر بازسازی شده تأثیر می‌گذارد. بازسازی تصاویر مرئی فقط در شرایط خاص امکان پذیر است، به عنوان مثال باید نوردهی با لیزر از یک جهت خاص باشد.

همچنین هولوگرام‌هایی وجود دارد که نه با ثبت میدان‌های نوری از اشیا واقعی، بلکه با روش‌های مبتنی بر رایانه تولید می‌شوند (همانطور که ممکن است مثلاً تصاویر از نوع عکس، از طریق گرافیک رایانه‌ای به صورت مصنوعی ساخته شوند).

جایزه نوبل فیزیک ۱۹۷۱ به دلیل اختراع و توسعه روش‌های هولوگرافی به دنیس گابور اعطا شد. اولین اظهارات او در این زمینه در سال ۱۹۴۷ ارائه شده بود.

اصول اساسی هولوگرافی

اصول اساسی عملکرد هولوگرافی را در زیر توضیح می‌دهیم.

ابتدا شرایطی را در نظر می‌گیریم که دو پرتوی لیزر موازی تک رنگ همدوس[۲] از جهات مختلف در یک محیط شفاف روی هم قرار می‌گیرند. بیایید فرض کنیم که پرتو اول از سمت چپ و پرتو دوم از بالا سمت راست می‌آید، مانند شکل زیر:

پرتو دوم به طور معمول از پرتوی دیگری تولید می‌شود، برای مثال، از یک تقسیم کننده پرتو[۳] و دو آینه استفاده می‌شود.

در جایی که پرتوها روی هم قرار می‌گیرند، الگوی تداخل ایجاد می‌شود. جهت گیری آن الگو به جهت دو پرتو بستگی دارد. الگوی شدت نوسانی را می‌توان با برداری توصیف کرد که از اختلاف بین بردارهای موج دو پرتو بدست می‏آید. بزرگی آن تعیین می‌کند که نوسان چقدر سریع است و جهت آن عمود بر نقاط با شدت ثابت است.

حال تصور کنید که اثر الگوی تداخل به نوعی در محیط باقی مانده باشد، به طوری که یک شبکه هولوگرافی تشکیل شود. مکانیسم‌های مختلف فیزیکی وجود دارد که می‌تواند منجر به چنین اثراتی شود. به عنوان مثال، این محیط ممکن است مانند یک فیلم عکاسی حاوی ذرات حساس به نور باشد، به طوری که قسمت‌های نوردهی شده بعد از انجام فرآیندهایی به جاذب نور تبدیل شوند. مکانیسم‌های فیزیکی دیگر (به عنوان مثال در محیط‌های نورشکست[۴]) می‌توانند منجر به تغییر ضریب شکست[۵] شوند، بنابراین به شبکه‌های فازی در محیط منجر می‌شوند. در شرایط ساده در نظر گرفته شده، یک توری براگ حجمی[۶] بدست می‌آوریم.

هنگامی‌که محیط دارای چنین توری هولوگرافیکی درونی‌ای باشد، برای پرتوهای لیزر با جهت‌گیری زاویه‌ای و طول‏موج مناسب به یک بازتابنده تبدیل می‌شود. به عنوان مثال، اگر اکنون فقط اولین پرتوی لیزر (از سمت چپ) را در نظر بگیریم، بخشی از توان اپتیکی آن در جهت پایین سمت چپ منعکس یا بهتر است بگوییم پراشیده می‌شود (در اینجا از سمت راست بالا پرتوی نداریم). بنابراین برای یک ناظر نزدیک به پایین، وضعیت مانند قبل که او فقط می‌توانست پرتویی را ببیند که از بالا می‎‏آمد، به نظر می‌رسد.

البته، همان مکانیزم برای سایر جهات پرتو دوم نیز کار خواهد کرد. جهت گیری توری هولوگرافی ثبت شده بر این اساس تغییر خواهد کرد، به طوری که پرتو منعکس شده فقط با یک پرتو ورودی دریافت شده، همیشه دارای جهت خروجی مناسب است.

ما می‌توانیم این کار را با دو پرتوی مختلف که از بالا به طور همزمان با جهات مختلف می‌آیند انجام دهیم:

الگوی تداخل اکنون پیچیده‌تر شده است. با فرض اینکه مقدار تغییرات موضعی جذب یا ضریب شکست متناسب با شدت زمان ثبت باشد، توری حاصل شده، هنگام استفاده از اولین پرتو، نور را در دو جهت متفاوت منعکس می‌کند.

به همین ترتیب، این قاعده عمل برای پرتوهای واگرا یا همگرا هم درست کار می‌کند.

سرانجام، می‌توانیم یکی از آینه‌های پرتو دوم را با اشیائی (به عنوان مثال صورت انسان) جایگزین کنیم. به جای یک پرتو منعکس شده، ما یک توزیع فضایی بسیار پیچیده‌تری از نور پراکنده شده را بدست خواهیم آورد، که در طیف وسیعی در جهت‌های مختلف پخش می‌شود. مقداری از آن نور (پرتوی شئی که در واقع پرتوی موازی نیست) به محیطی وارد می‌شود که می‎تواند روی پرتو اول که پرتو مرجع نامیده می‌شود، قرار گیرد و دوباره با آن تداخل کند: همدوسی فضایی آن و نه همدوسی زمانی، با این فرض که جسم در حال حرکت نیست به طور کلی از بین می‌رود.

باید توجه داشت که نور پراکنده را می‌توان به عنوان برهم‌نهی تعداد زیادی از امواج تخت در نظرگرفت که هر یک از آن‌ها به هولوگرام کمک می‌کنند. از نظر ریاضی، می‌توانیم میدان اپتیکی پراکنده را با تبدیل فوریه به امواج تخت تجزیه کنیم. بازسازی بر هر جز موج تخت عمل کرده و با هم آن امواج تخت که از تصویر جسم ناشی می‌شود را تشکیل می‌دهند.

تصویر هولوگرافی ظاهری سه بعدی دارد، زیرا درک قطعی از عمق را به ناظر می‌دهد. این به این دلیل است که کل میدان نوری، که در ابتدا توسط جسم پراکنده شده بود، بازسازی می‌شود. به عنوان مثال، مشاهده‌گر ممکن است به منظور دیدن جسم از جهت‌های مختلف حرکت کند، شاید حتی به پشت جسمی‌که در جلو قرار دارد نگاه کند. در مقابل، یک تصویر دو بعدی معمولی فقط می‌تواند چشم‌اندازی از منظره ثبت شده را ارائه دهد. بدیهی است که یک هولوگرام می‌تواند اطلاعات بسیار بیشتری از یک شی یا صحنه را نسبت به یک تصویر دو بعدی شامل شود.

این اصول با هولوگرام‌های حجمی ‌توضیح داده شده است. با این حال، ممکن است با یک هولوگرام نازک، که  شاخص یا مدولاسیون جذب قوی مناسبی در یک لایه نازک دارد، کار کنید.

شرایط ثبت هولوگرام

ثبت هولوگرام همانطور که در بالا توضیح داده شد فقط در شرایط مناسب می‌تواند عمل کند. یک شرط اساسی این است که یک الگوی تداخل پایدار ایجاد شود و با دقت کافی ثبت شود. شرایط مناسب به این صورت است که:

• منبع لیزر مورد استفاده باید طول همدوسی کافی داشته باشد؛ یعنی بیشتر از حداکثر اختلاف طول مسیر در دستگاه ثبت باشد. این امر به کافی بودن کوچکی پهنای باند لیزر مربوط است. معمولاً از لیزرهای با پهنای باند باریک به شکل لیزرهای تک فرکانس استفاده می‌شود. برای مثال می‌توان از بعضی لیزر دیودها (احتمالاً همراه با تقویت کننده‌های اپتیکی نیمه‌هادی) یا لیزرهای YAG با فرکانس دو برابر[۷] استفاده کرد.
• تمام عناصر اپتیکی و همچنین شئی که قرار است ثبت شود باید در حین ثبت بی‌حرکت باشند (با دقتی که کسر کوچکی از طول موج اپتیکی است). در غیر این صورت، الگوی تداخل از بین می‌رود. برای اشیایی مانند موجودات زنده که نمی‌توان با دقت آن را درست کرد، ممکن است مجبور شویم از مدت زمان ثبت بسیار کوتاه، مثلاً مدت زمان یک پالس لیزری نانو ثانیه استفاده کنیم. البته اختلاف طول راهی که شامل می‌شود، باید کمتر از مدت زمان پالس باشد.
• محیط ثبت باید از وضوح فضایی بسیار بالایی برخوردار باشد تا الگوی تداخل را به طور دقیق ثبت کند. به عنوان مثال یک فیلم عکاسی معمولی یا یک ردیاب CCD این شرط را برآورده نمی‌کند.

انواع تکنیک‌های هولوگرافی

هولوگرام حجمی که در بالا توضیح داده شد برای بازسازی به لیزر با پهنای باند باریک احتیاج دارد. البته تصویر فقط به رنگ لیزر پدیدار می‌شود نه به عنوان یک تصویر تمام رنگی.

هولوگرام عبور و بازتاب برای مشاهده نور عبوری یا منعکس شده است. همانطور که در بالا ذکر شد، برخی  هولوگرام‌ها حجمی هستند، در حالی که برخی از کاربردها به هولوگرام نازک نیاز دارند. همانطور که گفته شد، هولوگرام‌ها می‌توانند به صورت توری فازی یا تقویت‌کننده ثبت شوند.

محیط‌های ثبت هولوگرافی مختلفی از جمله امولسیون‌های عکاسی (با وضوح بهینه سازی‌ شده نسبت به فیلم‌های عکاسی معمولی)، مواد نور شکستی، پلیمرهای حساس به نور و مقاوم در برابر نور ایجاد شده اند.

روش‌های مختلفی برای تولید هولوگرام نه به عنوان ثبت کننده‌های اصلی، بلکه به عنوان رونگاشتهایی از یک ثبت‌کننده یا به عنوان تصاویر تولید شده توسط رایانه وجود دارد. به عنوان مثال، هولوگرام‌های فاز نازک را می‌توان با تشکیل الگوهای نقش برجسته سطحی کنترل شده، روی بسترهای ترموپلاستیک، با استفاده از تکنیک‌های برجسته سازی دقیق ایجاد کرد.

هولوگرام‌های رنگین کمانی‌ای وجود دارد که می‌تواند با نور سفید بازسازی شود، که بدیهی است می‌توانند یک مزیت عملی اساسی به حساب آیند (به عنوان مثال، انواع گوناگون کاربردهای امنیتی هولوگرام در صورت ضرورت استفاده از لیزر امکان‌پذیر نخواهند بود). با این حال، رنگ‌های درجه بندی شده به رنگ جسم اصلی قابل مشاهده نیستند و در حقیقت هولوگرام ثبت شده حاوی اطلاعات رنگی جسم نیست. علاوه بر این، اختلاف منظر عمودی باید در آن روش نادیده گرفته شود، به این معنی که یک ظاهر کاملاً سه بعدی امکان پذیر نیست.

حتی می‌توان هولوگرام‌های تمام رنگی ایجاد کرد که با منابع نور سفید قابل مشاهده باشد. چنین تکنیک‌هایی معمولاً مبتنی بر اصول عملیاتی هستند، که درک آنها بسیار دشوارتر از اصول اساسی است که در بالا توضیح داده شد. همچنین، آنها معمولاً نمی‌توانند به کیفیت تصویری بالایی دست پیدا کنند.

چالش تکنیکی دیگر، تولید تصاویر سه بعدی متحرک (نمایش‌های حجمی) است. تکنیک‌های دیگری رقیب هولوگرافی هستند که به نظر می‌رسد کاربردی‌تر باشند.

کاربردهای هولوگرافی

بدیهی است که جایگزین کردن عکس و فیلم‌های دو بعدی معمولی با تصویربرداری سه بعدی هولوگرافیک جذاب است، اما الزامات سختگیرانه‌ای که برای تکنیک‌های هولوگرافیک معمولی است، هنوز دامنه کاربردهای عملی را به شدت محدود می‌کند. حتی پس از دهه‌ها پیشرفت، به نظر می‌رسد که ما در استفاده از عکس‌های رنگی سه بعدی هولوگرافیک در کاربردهای مصرفی یا نمایشگرهای حجمی ‌با کیفیت بالا فاصله داریم. با این وجود، برخی از کاربردها قبلاً ایجاد شده‏اند. چند نمونه از این کاربردها به شرح می‏باشند:

هولوگرام‌های امنیتی برای گذرنامه‌ها، کارت‌های شناسایی و کارت‌های اعتباری وجود دارد که اساساً برای دشوارتر کردن تولید نسخه‌های غیرقانونی تولید می‌شوند.

با وجود نقص‌های معمول تصویر، هولوگرام‌ها می‌توانند به عنوان بخشی از هنر جذاب باشند.

برای اهداف تحقیقاتی، تصاویر هولوگرافیکی از اشیا کوچک را می‌توان نه تنها با نور، بلکه با اشعه X همدوس تهیه کرد، همانطور که می‌توان با لیزرهای الکترون آزاد[۸] این کار را انجام داد.

در آینده، هولوگرافی می‌تواند برای ذخیره سازی اطلاعات حجیم مورد استفاده قرار گیرد. بر خلاف محیط‌های ذخیره سازی اپتیکی که در آن‌ها فقط از یک لایه نازک دو بعدی استفاده شده است، در ذخیره‌سازی هولوگرافی می‌توان داده‌ها را به صورت سه بعدی ذخیره کرد که این امر موجب ذخیره اطلاعات بیشتر در فضای محدود می‌شود. با این حال، پیاده سازی‌های عملی این کار همچنان یک چالش اساسی است.

 

 

 

[۱] Interference 

[۲] Coherent Collimated Monochromatic Laser Beams

[۳] Beam Splitter

[۴] Photorefractive

[۵] Refractive Index

[۶] Volume Bragg Grating

[۷] Frequency-Doubled YAG Lasers

[۸] Free Electron Lasers