Mūsdienās arvien vairāk tiek izmantots hologrāfiskais attēls. Daži pat uzskata, ka ar laiku tas var aizstāt mums zināmos saziņas līdzekļus. Patīk tas vai nē, bet tagad tas tiek aktīvi izmantots dažādās nozarēs. Piemēram, mēs visi pazīstam hologrāfiskās uzlīmes. Daudzi ražotāji tos izmanto kā aizsardzības līdzekli pret viltošanu. Tālāk esošajā fotoattēlā ir redzamas dažas hologrāfiskās uzlīmes. To izmantošana ir ļoti efektīvs veids, kā aizsargāt preces vai dokumentus no viltojumiem.
Hologrāfijas izpētes vēsture
Trīsdimensiju attēlu, kas rodas staru laušanas rezultātā, sāka pētīt salīdzinoši nesen. Taču jau tagad var runāt par tās izpētes vēstures esamību. Deniss Gabors, angļu zinātnieks, pirmo reizi definēja hologrāfiju 1948. gadā. Šis atklājums bija ļoti svarīgs, taču tā lielā nozīme tajā laikā vēl nebija acīmredzama. Pētnieki, kas strādāja 1950. gados, cieta no koherenta gaismas avota trūkuma, kas ir ļoti svarīgs hologrāfijas attīstības īpašums. Pirmais lāzerstika izgatavots 1960. gadā. Ar šo ierīci ir iespējams iegūt pietiekami saskaņotu gaismu. To izmantoja amerikāņu zinātnieki Juris Upatnieks un Immets Leits, veidojot pirmās hologrammas. Ar to palīdzību tika iegūti objektu trīsdimensiju attēli.
Nākamajos gados pētījumi turpinājās. Kopš tā laika ir publicēti simtiem zinātnisku rakstu par hologrāfijas jēdzienu, un par šo metodi ir publicētas daudzas grāmatas. Taču šie darbi ir adresēti speciālistiem, nevis plašam lasītājam. Šajā rakstā mēs centīsimies pastāstīt par visu pieejamā valodā.
Kas ir hologrāfija
Var piedāvāt šādu definīciju: hologrāfija ir trīsdimensiju fotogrāfija, kas iegūta, izmantojot lāzeru. Tomēr šī definīcija nav gluži apmierinoša, jo ir daudz citu trīsdimensiju fotogrāfijas veidu. Neskatoties uz to, tas atspoguļo vissvarīgāko: hologrāfija ir tehniska metode, kas ļauj "pierakstīt" objekta izskatu; ar tās palīdzību tiek iegūts trīsdimensiju attēls, kas izskatās pēc reāla objekta; lāzeru izmantošanai bija izšķiroša loma tās attīstībā.
Hologrāfija un tās pielietojumi
Hologrāfijas izpēte ļauj mums noskaidrot daudzus ar parasto fotogrāfiju saistītus jautājumus. Trīsdimensiju attēlveidošana kā vizuālā māksla var pat izaicināt pēdējo, jo tā ļauj precīzāk un pareizāk atspoguļot apkārtējo pasauli.
Zinātnieki dažkārt cilvēces vēsturē izceļ laikmetus ar līdzekļiemsakarības, kas bija zināmas noteiktos gadsimtos. Varam runāt, piemēram, par hieroglifiem, kas pastāvēja senajā Ēģiptē, par tipogrāfijas izgudrošanu 1450. gadā. Saistībā ar mūsdienās novēroto tehnoloģisko progresu dominējošo stāvokli ir ieņēmuši jauni saziņas līdzekļi, piemēram, televīzija un telefons. Lai gan hologrāfiskais princips vēl ir tikai sākumstadijā, runājot par tā izmantošanu plašsaziņas līdzekļos, ir pamats uzskatīt, ka uz tā balstītas ierīces nākotnē spēs aizstāt mums zināmos saziņas līdzekļus vai vismaz paplašināt tos. darbības joma.
Zinātniskās fantastikas literatūrā un populārajā iespieddarbā hologrāfija bieži tiek attēlota nepareizā, izkropļotā gaismā. Viņi bieži rada nepareizu priekšstatu par šo metodi. Pirmo reizi redzētais tilpuma attēls fascinē. Tomēr ne mazāk iespaidīgs ir tās ierīces darbības principa fiziskais skaidrojums.
Traucējumu shēma
Spēja redzēt objektus ir balstīta uz to, ka mūsu acīs iekļūst gaismas viļņi, kurus tie lauž vai atstaro no tiem. No kāda objekta atstarotos gaismas viļņus raksturo viļņu frontes forma, kas atbilst šī objekta formai. Tumšo un gaišo joslu (vai līniju) modeli veido divas saskaņotu gaismas viļņu grupas, kas traucē. Tādā veidā veidojas tilpuma hologrāfija. Šajā gadījumā šīs joslas katrā konkrētajā gadījumā veido kombināciju, kas ir atkarīga tikai no to viļņu viļņu frontes formas, kas mijiedarbojas viens ar otru. Tādasattēlu sauc par traucējumiem. To var nostiprināt, piemēram, uz fotoplāksnes, ja novieto vietā, kur tiek novēroti viļņu traucējumi.
Dažādas hologrammas
Metode, kas ļauj ierakstīt (reģistrēt) no objekta atspoguļoto viļņu fronti un pēc tam to atjaunot tā, lai novērotājam šķiet, ka viņš redz reālu objektu un ir hologrāfija. Šis efekts ir saistīts ar faktu, ka iegūtais attēls ir trīsdimensiju tādā pašā veidā kā reālais objekts.
Ir daudz dažādu hologrammu veidu, par kurām var viegli apjukt. Lai nepārprotami definētu konkrētu sugu, jāizmanto četri vai pat pieci īpašības vārdi. No visiem to komplektiem mēs apsvērsim tikai galvenās klases, kuras izmanto mūsdienu hologrāfija. Tomēr vispirms jums nedaudz jārunā par tādu viļņu parādību kā difrakcija. Tieši viņa ļauj mums konstruēt (vai drīzāk, rekonstruēt) viļņu fronti.
Difrakcija
Ja kāds objekts atrodas gaismas ceļā, tas met ēnu. Gaisma izliecas ap šo objektu, daļēji iekļūstot ēnu zonā. Šo efektu sauc par difrakciju. Tas ir izskaidrojams ar gaismas viļņu raksturu, taču ir diezgan grūti to precīzi izskaidrot.
Tikai ļoti mazā leņķī gaisma iekļūst ēnu zonā, tāpēc mēs to gandrīz nepamanām. Tomēr, ja tā ceļā ir daudz mazu šķēršļu, kuru attālums ir tikai daži gaismas viļņu garumi, šis efekts kļūst diezgan pamanāms.
Ja viļņu frontes kritums uzkrīt uz liela atsevišķa šķērslis, tā atbilstošā daļa "izkrīt", kas praktiski neietekmē atlikušo šīs viļņu frontes laukumu. Ja tā ceļā ir daudz mazu šķēršļu, tas difrakcijas rezultātā mainās tā, ka gaismai, kas izplatās aiz šķēršļa, būs kvalitatīvi atšķirīga viļņu fronte.
Pārvērtība ir tik spēcīga, ka gaisma pat sāk izplatīties otrā virzienā. Izrādās, ka difrakcija ļauj mums pārveidot sākotnējo viļņu fronti par pilnīgi citu. Tādējādi difrakcija ir mehānisms, ar kuru mēs iegūstam jaunu viļņu fronti. Ierīci, kas to veido iepriekš minētajā veidā, sauc par difrakcijas režģi. Parunāsim par to sīkāk.
Difrakcijas režģis
Šī ir maza plāksnīte ar plāniem taisniem, paralēliem gājieniem (līnijām). Tos vienu no otra atdala simtdaļa vai pat tūkstošdaļa milimetra. Kas notiek, ja lāzera stars savā ceļā sastopas ar režģi, kas sastāv no vairākām izplūdušām tumšām un spilgtām svītrām? Daļa no tā izies taisni caur resti, bet daļa izlocīsies. Tādējādi veidojas divas jaunas sijas, kuras iziet no režģa noteiktā leņķī pret sākotnējo siju un atrodas abās tā pusēs. Ja vienam lāzera staram ir, piemēram, plakana viļņu fronte, tad diviem jauniem stariem, kas izveidoti tā malās, būs arī plakanas viļņu frontes. Tādējādi, ejot cauridifrakcijas režģa lāzera staru, veidojam divas jaunas viļņu frontes (plakanas). Acīmredzot difrakcijas režģi var uzskatīt par vienkāršāko hologrammas piemēru.
Hologrammas reģistrācija
Ievads hologrāfijas pamatprincipos jāsāk ar divu plaknes viļņu frontu izpēti. Mijiedarbojoties tie veido traucējumu rakstu, kas tiek ierakstīts uz fotoplates, kas novietota tajā pašā vietā, kur ekrāns. Šo procesa posmu (pirmo) hologrāfijā sauc par hologrammas ierakstīšanu (vai reģistrāciju).
Attēla atjaunošana
Mēs pieņemsim, ka viens no plaknes viļņiem ir A, bet otrais ir B. Vilni A sauc par atsauces vilni, bet B sauc par objekta vilni, tas ir, atstaro no objekta, kura attēls ir fiksēts.. Tas nekādā veidā nedrīkst atšķirties no atsauces viļņa. Taču, veidojot trīsdimensiju reāla objekta hologrammu, veidojas daudz sarežģītāka no objekta atstarotās gaismas viļņu fronte.
Fotogrāfijas filmā (tas ir, difrakcijas režģa attēla) attēlotais traucējumu modelis ir hologramma. To var novietot atsauces primārā stara (lāzera gaismas stara ar plakanu viļņu fronti) ceļā. Šajā gadījumā abās pusēs veidojas 2 jaunu viļņu frontes. Pirmā no tām ir precīza objekta viļņu frontes kopija, kas izplatās tajā pašā virzienā kā vilnis B. Iepriekš minēto posmu sauc par attēla rekonstrukciju.
Hologrāfisks process
Divu radītais traucējumu modelisplaknes koherentie viļņi, pēc tā ierakstīšanas uz fotoplates, tā ir ierīce, kas ļauj viena no šiem viļņiem apgaismojuma gadījumā atjaunot citu plaknes vilni. Tāpēc hologrāfiskajam procesam ir šādi posmi: viļņa objekta frontes reģistrēšana un sekojoša "uzglabāšana" hologrammas veidā (interferences modelis) un tās atjaunošana pēc jebkura laika, kad atsauces vilnis iziet cauri hologrammai.
Objektīvā viļņu fronte patiesībā var būt jebkas. Piemēram, to var atstarot no kāda reāla objekta, ja tajā pašā laikā tas ir koherents ar atsauces vilni. Interferences modelis, ko veido jebkuras divas viļņu frontes ar saskaņotību, ir ierīce, kas ļauj difrakcijas dēļ pārveidot vienu no šīm frontēm citā. Tieši šeit ir paslēpta atslēga tādai parādībai kā hologrāfija. Deniss Gabors bija pirmais, kurš atklāja šo īpašumu.
Hologrammas veidotā attēla novērošana
Mūsu laikos hologrammu lasīšanai sāk izmantot īpašu ierīci – hologrāfisko projektoru. Tas ļauj pārvērst attēlu no 2D uz 3D. Taču, lai skatītu vienkāršas hologrammas, hologrāfiskais projektors vispār nav nepieciešams. Īsi parunāsim par to, kā skatīt šādus attēlus.
Lai novērotu attēlu, ko veido vienkāršākā hologramma, tā jānovieto apmēram 1 metra attālumā no acs. Jāskatās cauri difrakcijas režģim tajā virzienā, kurā plaknes viļņi (rekonstruēti) iznāk no tā. Tā kā novērotāja acī iekļūst plaknes viļņi, arī hologrāfiskais attēls ir plakans. Tā mums šķiet kā "akla siena", kuru vienmērīgi apgaismo gaisma, kuras krāsa ir tāda pati kā atbilstošajam lāzera starojumam. Tā kā šai "sienai" nav īpašu iezīmju, nav iespējams noteikt, cik tālu tā atrodas. Šķiet, ka jūs skatāties uz pagarinātu sienu, kas atrodas bezgalībā, bet tajā pašā laikā jūs redzat tikai daļu no tās, ko varat redzēt caur nelielu "logu", tas ir, hologrammu. Tāpēc hologramma ir vienmērīgi gaismas virsma, uz kuras mēs nepamanām neko, kas būtu vērts pievērst uzmanību.
Difrakcijas režģis (hologramma) ļauj novērot vairākus vienkāršus efektus. Tos var demonstrēt arī, izmantojot cita veida hologrammas. Izejot cauri difrakcijas režģim, gaismas stars tiek sadalīts, veidojas divi jauni stari. Lāzera starus var izmantot, lai apgaismotu jebkuru difrakcijas režģi. Šajā gadījumā starojuma krāsai vajadzētu atšķirties no tās, kas tika izmantota tā ierakstīšanas laikā. Krāsu stara lieces leņķis ir atkarīgs no tā, kāda krāsa tai ir. Ja tas ir sarkans (garākais viļņa garums), tad šāds stars ir saliekts lielākā leņķī nekā zilais stars, kuram ir visīsākais viļņa garums.
Izmantojot difrakcijas režģi, varat izlaist visu krāsu, tas ir, b alto, sajaukumu. Šajā gadījumā katra šīs hologrammas krāsu sastāvdaļa ir saliekta savā leņķī. Izvade ir spektrslīdzīgs prizmas radītajam.
Difrakcijas režģa gājiena izvietojums
Difrakcijas režģa gājieniem jābūt ļoti tuvu viens otram, lai staru lieces būtu pamanāmas. Piemēram, lai saliektu sarkano staru par 20°, ir nepieciešams, lai attālums starp gājieniem nepārsniegtu 0,002 mm. Ja tos novieto ciešāk, gaismas stars sāk saliekties vēl vairāk. Lai "pierakstītu" šo režģi, nepieciešama fotoplate, kas spēj reģistrēt tik smalkas detaļas. Turklāt ir nepieciešams, lai plāksnīte ekspozīcijas laikā, kā arī reģistrācijas laikā paliktu pilnīgi nekustīga.
Attēls var būt ievērojami izplūdis pat ar mazāko kustību, un tik ļoti, ka tas būs pilnīgi neatšķirams. Šajā gadījumā mēs redzēsim nevis traucējumu rakstu, bet vienkārši stikla plāksni, vienmērīgi melnu vai pelēku visā tās virsmā. Protams, šajā gadījumā difrakcijas režģa radītie difrakcijas efekti netiks reproducēti.
Pārraide un atstarojošas hologrammas
Mūsu aplūkoto difrakcijas režģi sauc par caurlaidīgu, jo tas iedarbojas caur to ejošā gaismā. Ja uzliksim režģa līnijas nevis uz caurspīdīgas plāksnes, bet uz spoguļa virsmas, iegūsim atstarojošu difrakcijas režģi. Tas atspoguļo dažādu krāsu gaismu no dažādiem leņķiem. Attiecīgi ir divas lielas hologrammu klases – atstarojošās un caurlaidīgās. Pirmie tiek novēroti atstarotā gaismā, bet pēdējie tiek novēroti caurlaidīgā gaismā.
