Fyzikální principy zaznamenávání a přenosu obrazu - Holografie

Langr Radek

C2S

11.1.2005

Fyzikální principy zaznamenávání a přenosu obrazuHolografieHolografie je metoda záznamu a trojrozměrného vybavování obrazu, založená na interferenci vysoce koherentního světla laserů. Umožňuje tak získávat trojrozměrné obrazy. Tyto obrazy jsou získávány bez použití čoček, a proto se tato metoda někdy nazývá v angličtině lensless photography. Teoretické principy holografie rozpracoval anglický fyzik maďarského původu Dennis Gabor (1900-1979) a obdržel roku 1971 za vynález holografie Nobelovu cenu. Samotné slovo „hologram“ vzniklo z řeckého holos – celý, úplný a gram – záznam, zpráva. První skutečné využití hologramů se uskutečnilo na počátku šedesátých let dvacátého století, kdy již byl k dispozici laser. Koncem osmdesátých let bylo možno produkovat hologramy v barevném provedení, stejně jako hologramy od mikrovlnné až do X-paprskové oblasti spektra. Ultrazvukové hologramy se zdařilo získávat též za použití zvukových vln. Hologramy se získávají na speciálním zařízení. Toto zařízení je uspořádáno tak, že světlo odražené od předmětu projde téměř stejnou vzdálenost jako referenční paprsek odražený na fotografickou desku zrcadlem. Když hologram zezadu prosvítíme koherentním světlem, nejen že získáme koherentní obraz, ale projeví se i paralaxa (tzn. zdánlivý rozdíl polohy předmětu vzhledem k pozadí při pozorování ze dvou různých míst): Pohybujeme-li hlavou, můžeme obraz pozorovat z různých úhlů přesně jako ve skutečnosti. Zobrazení má hloubku, protože hologram přesně rekonstruuje vlnoplochy, které se šíří od skutečného předmětu. Použitím několika laserů s různou vlnovou délkou vznikají pak barevné obrazy. Holografie tedy rekonstruuje světelné vlny. Osvětlený bod vysílá sférické vlnoplochy, povrch předmětů pak plochy složitější. Když na fotografickou desku dopadnou dvě rovinné vlny z jednoho zdroje, vznikají interferenční proužky – sled tmavých a světlých pásků – což je vlastně hologram. Když interferuje například rovinná a kulová vlna, získáme jiný sled pásků a tím i jiný obraz. Po průchodu laserového světla hologramem se vytvoří dvě soustavy vlnoploch. Jedna konvergentní (sbíhavá) vytváří skutečný obraz, druhá divergentní (rozbíhavá) obraz zdánlivý. Hologram vzniká při dopadu laserového světla odraženého od předmětu na fotografickou desku. Část laserového světla dopadá na desku jako referenční svazek. Obraz se rekonstruuje osvětlením hologramu laserovým světlem. Pozorovatel vidí trojrozměrný zdánlivý obraz, který je dokonale prostorový, protože se mění podle pozorovacího úhlu. Skutečný obraz se může získat fotograficky – jako snímek obrazu zdánlivého. Hologram se liší v podstatě od obyčejné fotografie nejen tím, že zaznamenává rozdělení intenzity odraženého světla, ale také fázovou distribucí. To znamená, že film rozlišuje mezi vlnami, které dosahují citlivého světelného povrchu, zatímco jsou na maximální hodnotě vlnového kmitání, zatím co dopadají na povrch tehdy, když mají minimální amplitudu.Tato schopnost rozlišovat mezi vlnami s odlišnými fázemi se získává tím, že takzvaný referenční paprsek interferuje s odraženými vlnami. V jedné metodě získávání hologramů je tedy předmět osvětlen paprskem koherentního světla – paprsek, v němž se všechny vlny šíří ve fázi jedna s druhou. Takový paprsek je produkován laserem. V podstatě tedy tvar předmětu určuje formu vlnových front - což je fáze, ve které odražené světlo dojde ke každému bodu fotografické desky. Současně je část totožného laserového paprsku odražena díky zrcadlu nebo hranolu a řízena směrem k fotografické desce. Tento paprsek se nazývá referenční paprsek. Vlnové fronty tohoto posledního paprsku se neodrážejí od předmětu, ale zůstávají v rovnoběžné rovině a produkují interferenční zobrazení s vlnami front světla odraženého od předmětu. Jestliže je například předmětem bod vlnové fronty odraženého paprsku, budou zakulacené; interferenční zobrazení produkované na film bude sestávat ze soustředných kruhů a prostory mezi kruhy se budou zmenšovat s rostoucím poloměrem. Při holografii se využívá koherentního světla. Jednou snad budeme mít dokonce trojrozměrné kino nebo televizi, ale holografie našla uplatnění již dnes. Dvakrát exponovaný hologram zaznamená pohyb předmětů mezi expozicemi, takže je možné získat věrnou představu o kmitech povrchu. To je důležité při vývoji různých částí letadel nebo motorů, které musí bezchybně pracovat po dlouhou dobu. Do jisté míry může být holografie užita v optické mikroskopii, především pro studium živých organismů. Nejúspěšnější použití holografie je v interferometrii, což je metoda využívající interference světla ke stanovení indexu lomu. Jestliže jsou dva hologramy stejného předmětu zaznamenány na téže desce, potom po rekonstrukci dvou holografických obrazů budou spolu interferovat. Jestliže předmět podlehl mezi dvěma záznamy deformaci, bude výsledkem fázové diference v určitých částech těchto dvou obrazů vytvořen interferenční obraz, který jasně ukáže deformaci. Poněvadž se rozdíly vlnové fronty určité frakce vlnové délky světla stanou viditelné, je tato metoda mimořádně citlivá při studiích deformací. Další důležité použití je při ukládání digitálních dat, která mohou být zaznamenána jako světlá a tmavá místa na holografickém obrazu. Hologram může obsahovat objemná čísla „stránek“, které jsou zaznamenány v odlišných úhlech vzhledem k desce, a umožňují tak uskladnění velmi rozsáhlého obnosu dat na jednom hologramu. Při osvětlení hologramu laserovým paprskem v různých úhlech mohou být stránky čteny jedna po druhé. Použitá literatura: Svět čísel atomů a molekul (různí autoři) www.encarta.msn.com