Az alapötlet
A fénynek, mint elektromágneses hullámnak három fő tulajdonsága van: amplitudó, frekvencia és fázis. A fehér-fekete fényképezőgépek esetén a tárgyról visszaverődő fény amplitudója határozza meg az elfeketdés mértékét a filmen, a színes fényképezőgépeknél a fény frekvenciája is szerepet játszik a kép rögzítésében, a holografikus kép elkészítésénél pedig a fény fázisa is meghatározó. Gábor Dénes erre dolgozott ki egy olyan eljárást, amely a fázisváltozást intenzitásváltozássá "kódolja". Ehhez az interferencia jelensége alkalmas, melynél az eredő kép intenzitásának ingadozásai az interferáló fényhullámok fáziskülönbségétől függenek. Tehát az eljárás egy három dimenziós képet rögzít két dimenzióban, amit ezután rekonstruálva ismét három dimenziós képet kapunk. Ezt legegyszerűbben megérteni a pontszerű fényforrás holografikus rekonstrukciója során lehet. Feltétel, hogy ez a pontszerű fényforrás (tárgynyaláb) mellett jelen legyen egy másik fényhullám is (referencianyaláb), minek frekvenciája azonos a tárgynyalábéval és koherens vele, azaz a két hullám fáziskülönbsége állandó, vagy szabályosan változó. Fontos az is, hogy a két fényforrás egymáshoz képest ne változzon, valamint mindkettő akadálymentesen elérje a fotólemez síkját. Továbbá ki kell zárni minden más fényforrást.
Mikor a két nyaláb találkozik a fotolemezen, állandó mintázat (csíkrendszer), interferenciakép alakul ki és rögzül mint intenzitás és fázisinformáció. A megfelelő interfernciaképhez azonban a két fényhullám frekvenciája pontosan kell egyezzen, amit nagyon nehéz vagy lehetetlen teljesíteni, ezért az In-Line elrendezést megváltoztatva, tükrök segítségével kell elválasztani ugyanazt a nyalábot két részre és úgy juttatni a fotólemez síkjára. A film előhívása után, egymást részlegesen elnyelő világos és sötét koncentrikus körök lesznek a lemezen (amit Gábor zónalemeznek is neveznek, éppen a körök abszorbeálása miatt különbözik a Fresnel-féle zónalemeztől).
Ha ezt a lemezt újból megvilágítjuk az előzőleg használt koherens fénnyel, akkor a sötét és világos sávok közötti interferencia által kialakított fény elsőrendű interferenciamaximumot fog létrehozni a referencianyaláb beesési szögénél. Mivel a hologram összes pontja a fényképezéskor használt referencianyaláb pozíciójával egyvonalban terjedő diffraktált fényt hoz létre, egy virtuális kép keletkezik a zónalemez "belsejében".
Ugyanez az elv érvényes két vagy több szórópont (osztott fényforrás) esetében is, mindenik külön zónalemezt eredményez (szuperponált zónalemezek), és ezek holografikus képei a maguk arányos intenzitásával jönnek létre.
A lézer, mint koherens fényforrás megjelenésével rögtön újabb elméletek születtek, mint például az Off-Axis hologram. A lézer fényről tudni kell, hogy monokromatikus (~ egy sávban sugároz), kis divergenciájú (~ párhuzamos nyaláb) és koherens (~ azonos fázisú fotonok). Ennél a módszernél a koherens fénnyaláb (lézerfény) tükrök segítségével két nyalábra oszlik, egyik a zónalemezre tart, a másik viszont a lefényképezendő tárgyra irányul és onnan verődik vissza egy része (megváltozva) a zónalemezre. A tárgy és a referenciahullám jelentős szöget zár be egymással. Előhíváskor a zónalemez olyan interferencia csíkrendszereket fog feltárni, amit az előző módszer nem tett lehetővé. Minél sűrűbbek a csíkok (térbeli frekvencia) annál jobb lesz a hologram felbontása. Ez a tárgyra érkező referencianyaláb és ennek a zónalemezre visszavert nyalábok közötti szög nagyságától függ.
Ezzel a módszerrel még több nyalábra lehet osztani a lézersugarat, hogy több oldalról megvilágítható legyen a lefényképezendő tárgy, a pontosabb és körüljárhatóbb holografikus kép érdekében. A hologram képek nem csak három dimenziósak, de perspektivikusak is egyben: amint a megfigyelő szeme más helyzetbe mozdul, a pupillához érkező fénysugarak a hologram csíkképének kicsi, eltérő részein mennek keresztül és így a képen lévő tárgy más perspektívából fog látszani (például több tárgy esetén, egyik eltakarhatja a másikat).
A hagyományos hologram elkészítése
Az ábrán látható nyalábtágító egy rövid fókuszú mikroszkóp objektívjéből és annak fókuszpontjába helyezett, megfelelő méretű tűlyukból áll. A hologramlemez többnyire szilárd hordozóra (üveglapra) felvitt nagy felbontású fényérzékeny rétegből áll. A felvételt teljes sötétségben, azaz csak a lézer fényének jelenlétében kell végezni. A jó minőségű interferenciakép érdekében a két találkozó hullám intenzitásának aránya, valamint együttes intenzitásuk és az exponálás ideje is megfelelő kell legyen. Az exponálás több másodpercig is tarthat, ezalatt semminek sem szabad elmozdulnia. Rögzítés után a hologramlemezt típustól függően elő kell hívni és vegyileg kidolgozni, hogy tartósan tárolja a rögzített képet. A lemezen ekkor a referencianyalábbal módosított kép lesz látható, ami kicsit sem fog hasonlítani a felvett tárgyra. A kép helyes megfigyeléséhez az előzőleg felállított elrendezésből csupán a tárgyat és az osztótükröt kell eltávolítani, a lemezt a helyére tesszük vissza. A hologramlemezre érkezett referencianyaláb ekkor diffraktálódik és a tárgy virtuális térbeli képe annak eredeti helyén jelenik meg, ha átnézünk a fotolemez tulsó oldaláról.
Többszörös hologram
Ha az interferenciacsíkok közötti távolság kisebb, mint a film fényérzékeny rétege, akkor rekonstruáló referencianyaláb minden egyes sugara több, részlegesen tükröző síkon halad át. Ezek sorra visszaverik a referenciafényt, de csak akkor lesznek fázisban és csak akkor fogják erősíteni egymást, ha a referencianyaláb a fényképezéskor beállított szögből érkezik. Ellenkező esetben a holografikus kép nem lesz látható. Ha egy filmlemezre más-más szögben beállított referencianyalábbal készül felvétel (más-más tárgyról), akkor az előhívást követően, ezek a képek csak a fényképezésükkor beállított szögű referencianyaláb jelenlétében lesznek megtekinthetőek. Ha több kép készül egy filmlemezre, akkor a referencianyaláb szögének változtatásával mindenik kép külön nézhető, váltogatható (lapozható). Ha ugyanarról a tárgyról készülnek a felvételek, a referencianyaláb szögének gyors és pontos elmozdulásával holografikus mozgóképet lehet megvalósítani. Erre a legmegfelelőbb fotorefraktív anyag minek fényérzékenysége megszűntethető, a lítium-niobát (LiNbO3).
Fehérfény hologram
A hologram készítése során a referencianyaláb és a lefényképezendő tárgy közé helyezzük a fényérzékeny filmet (átlátszót). Így a referencianyaláb és a tárgyról érkező sugarak elválasztódnak, egymással szemben haladnak a film felé. Ezért a térbeli frekvencia nagy lesz, ami rengeteg interferenciacsíkot eredményez, melyek fél hullámhossznyi távolságra lesznek egymástól. Előhívás után, a rekonstruálást (megfigyelést) nem a referencianyalábbal kell végezni, hanem napfényben, ami tartalmazza a megfelelő hullámhosszt a visszavert kép előállításához. Ennél a technikánál a közönséges fotográfiai emulzió könnyen zsugorodást eredményezhet előhívás során, ezért csak korlátozottan alkalmazható. Ezt a típusú hologramot visszaverődéses hologramnak nevezik, mert a filmlemez két oldalára érkező sugarak interferenciája rögzíti a képet. A többi felsorolt hologramot átviteli hologramnak nevezik, mert két nyaláb a filmlemez ugyanazon oldalára érkezik és úgy interferál.
Szivárvány hologram
Az első lépés a színes hologram megvalósítása fele a szivárvány hologram. Úgy van tervezve, hogy fehér fénnyel megvilágítva is látható legyen a hologram, akár a fehérfény hologram esetén. A felvétel során, a tárgyról a filmre verődő referencianyaláb egy vízszintes résen és egy lencsén halad át mielőtt elérné a filmet. Ezek után a hologramot megfigyelő személy fel-alá mozogva spektrális színváltozást fog tapasztalni, nem pedig perspektivikus változást. Ha a referencianyaláb hullámhosszát megváltoztatjuk, a hologram más és más részei lesznek láthatóak, viszont ha referencianyalábnak fehér fényt használunk, akkor minden szín felépíti a maga részét a holografikus képben és végül a teljes tárgy láthatóvá válik (függőlegesen változó színekben). A holografikus kép ugyan színes lesz, de nem a tárgy valódi színét fogja nyújtani.
Színes hologram
A legtöbb módszer holografikus képének színe mindig a referencianyaláb színében jelenik meg (monokromatikus kép), az igazán élethű képhez azonban színes lézereket kell használni. Pontosabban a három alapszínt: Piros, Zöld és Kék.
Mindenik lézersugár egy elhajtható tükörre érkezik, melyek egymást követően multiplexelik a három hologramot, kezdve a kékkel, zölddel, végül pedig a piros lézerfény segítségével. A három hologram tehát külön készül el, szekvenciálisan, a film (BBVPan lemez) ugyanazon oldalán. Az eredmény egy multiplexelt interferenciakép, ami a három hullámhossz különböző expozíciós energiájának kombinációjából keletkezett.
Egyszerűen hangzik, de megvalósítása során több probléma is adódhat. Először a lézerek beszerzése. Míg a piros lézerek (He-Ne vagy félvezető lézerek) olcsók és könnyen beszerezhetőek, a zöld és kék lézerek sokkal drágábbak és nehezebb is őket beszerezni (argon ion, Nd-YAG), valamint nem mind elég performáns a holografikus alkalmazásra. Másik probléma a film anyaga. Színes hologramhoz pankromatikus ezüst-halogenid emulzió, többrétegű dikrómozott zselatin (minek spektrális érzékenysége a kék és zöld zóna közé esik) és pankromatikus fotopolimer szükséges. Az előhívási eljárások is nagyon komplexek és költségesek.
Digitális hologram
Az elsődleges cél a digitális holográfiában, hogy a referencia és a tárgyhullám interferenciájának eredőjét, a holografikus rácsot elektronikus vagy digitális jel formájában kezelni és továbbítani lehessen. További cél az is, hogy a körülményes kémiai eljárások mellőzhetőek legyenek. A nagy felbontású CCD (Charge Coupled Device) és CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kamerák fejlődése idővel lehetővé tette a létező hullámfrontok által generált interferencia mező digitális megörökítését. A térbeli fénymodulátorok (SLM - Spatial Light Modulator - digitális projektorokban van ilyen) pedig a digitális hologramok valós idejű megtekintését teszik lehetővé.
Az elrendezés annyiban változik, hogy a nyalábtágítók tartalmaznak egy-egy kollimátort (párhuzamosítót) is, a nyaláb és a referencianyaláb egy nyalábosztón egyesül, majd a hologramlemezt helyettesítő CCD kamerába jut. A kamera képpontjainak (pixeljeinek) mérete jóval nagyobb (4-10um) mint egy hologramlemez elemi érzékelőinek mérete, ezért a mintavételezési tétel csak akkor teljesül, ha a holografikus rács állandója minimum két képpontnál nagyobb. Ez akkor valósulhat meg, ha a kamera kis látószögre van állítva és ha az interferenciahullám a tárgyhullámmal kis szöget zár be. A korlátozott felbontás miatt kell ez a szög kicsinek maradjon (3 fok körül), így csak kvázi, nem teljesen In-Line elrendezés használható. Ami még fontos különbség a digitális kamera és a hologramlemez között az az érzékenység és dinamika tartomány (jelszintek, szürkeségi szintek száma) ami miatt az exponálási feltételek is mások lesznek.
A digitális rekonstrukció során az analóg, optikai rekonstrukciót kell szimulálni a számítógépen. A digitális hologramot az állandó fázisú hullámfront amplitudójának tekintjük, ez ugyanis megfelel a hologram mögött észlelhető hullámnak. A következő lépés a hullám terjedésének szimulálása a tárgy és a CCD kamera között. Mivel az elrendezésben nem volt használva lencse (bár létezik ilyen megvalósítás is), szabad hullámterjedéssel van dolgunk, azaz diffrakciós integrált kell numerikusan kiszámolni. A korlátozott felbontásnak köszönhetően a számolás visszavezethető egy Fourier transzformációra, ami a gyors algoritmussal (FFT) hamar kiszámítható. A jobb oldali digitálisan rekonstruált ábrán nem csak a tárgy éles képe, hanem középen egy fényes nyaláb, valamint tükrösen egy szórt nyaláb is látható. Ezek nem mások mint a három elhajlási rend (a hagyományos hologramnál is látható): a fehér a nullad rendű, az éles és a szórt kép pedig első rendű elhajlások. Ha a rekonstrukció során a kamera és a tárgy negatív távolságával számolunk, akkor a szórt és az éles kép helyet cserél, mert a két első rendű elhajlás egymás konjugáltja. Teljesen In-Line elrendezésben ez a zavaró hatás már nem elhanyagolható, az ikerkép hatását is figyelembe kell venni, vagy teljesen kiküszöbölni.
A digitális hologram optikai rekonstrukciója a térbeli fénymodulátor segítségével történik (SLM). A kamerával felvett, vagy a számítógéppel generált elképzelt tárgy digitális hologramjai egyaránt átalakíthatók amplitudót vagy fázist moduláló eszközök részére. A folyadékkristályos vagy mikrotükrös SLM alkalmas erre a feladatra, viszont eltérő karakterisztikájukat (fázistolást) kompenzálni kell. Az SLM, lézernyaláb hatására holografikus rácsként fog viselkedni és a továbbterjedő fényben létrejönnek az elhajlási rendek. Az ábrán látható hologram jobb oldalán a megvilágított tárgy, bal oldalon pedig annak ikerképe látható.
A digitális hologram előállításához nincs szükség a lefényképezendő tárgyra, sem bonyolult kémiai műveletekre, a holografikus rácsról tárolt információ adathordozóról vagy az internetről is letölthető és a megfelelő berendezéssel megtekinthető.
A digitális hologram elkészítése
Amint már olvashattuk, a holografikus kép rögzítésének a CCD kamera a lényege, rekonstruálásának pedig az SLM modulátor. A CCD, lefordítva "töltéscsatolt eszköz". Ez egy olyan eszköz, amely MOS alapú kondenzátorokat használ fel analóg jelek, különböző nagyságú töltéscsomagok tárolására. Ezekből a kis tárolókból több ezer darabot lehet elhelyezni egy parányi félvezető-lapocskán, a kiolvasó áramkörrel összekötve pedig memóriaegységeket, optikai érzékelőket (fotodiódával - kamerákat) lehet építeni. Úgy is nevezik, hogy analóg shift-regiszter, mert az egymás mellé helyezett elektródákon ha megfelelően változtatjuk a rájuk kapcsolt feszültséget, akkor a töltéscsomag mozgathatóvá válik (ez technikailag több módon is megoldható, s így megkülönböztetünk kettő-, három- és négyfázisú eszközöket).
A CCD chip ilyen MOS tárolóegységekből és az azokhoz kapcsolódó töltésléptető elektródákból összerakott mátrix-szerű áramkör. A mátrix elemei a megjelenített kép pixeljeinek felelnek meg. A jobb oldali ábra egy CCD chip kvantumhatásfok (függőleges) - hullámhossz (vízszintes) karakterisztikáját mutatja. Az ábrán jól látható, hogy a CCD sokkal érzékenyebb a vörös tartományban (625-740 nm), mint az emberi szem (ezért érdemes vörös lézert használni a hologram készítésekor). Egy pankromatikus fotoemulzióval szemben pedig még nagyobb eltérés tapasztalható. Megjegyzendő, hogy léteznek olyan eljárások, melyekkel a CCD chip érzékenysége kiterjeszthető a kék tartományban is. Ez úgy érhető el, hogy egy nagyon vékony rétegben olyan anyagot visznek fel az érzékelő felületére, mely a 300nm-es tartomány környékén elnyel (szaggatott vonal), s az elnyelt fotonokat valahol 500-600 nm környékén sugározza vissza.
Egy komplett CCD kamera tartalmaz még erősítőt (a chipből érkező igen gyenge jelek felerősítése), A/D átalakítót (a számítógéppel való kapcsolat miatt) és egy interfészt (a jelszintek illesztése végett a számítógéppel vagy egyéb eszközzel való kommunikáció során). Emellett hűtésre is szükség van, ugyanis a sötétáram szobahőmérsékleten akár néhány másodperc alatt telítésbe viheti a pixeleket. A CCD kamerák felbontása nagyon kicsi, átlagos pixelmérettel számolva a felbontás 66 vonal/mm, ami elmarad néhány, akár 300-400 vonal/mm-es felbontást elérő fotoemulzióktól. A valódi felbontás ennél rosszabb. A kép legkisebb rögzíteni kívánt részleteinek ugyanis legalább két-két pixelre kell esni (Shannon-féle mintavételezési tétel), különben ezek egybemosódhatnak. Az érzékelő felületének nagyságát a pixelméret és a pixelszám határozza meg. Ez általában néhány tized és pár négyzetcentiméter között mozog, a legnagyobbaké is csak 36 négyzetcentiméter, ami szintén elmarad az óriási, több száz négyzetcentiméteres fotólemezekétől. Szinte csak ezen a két területen van hátránya a CCD-knek a hagyományos technikával szemben. Létezik színes kivitelben is, azonban a hologram interferenciamezőjének rögzítéséhez a fehér-fekete is jó.
Többféle elrendezés is lehetséges a hologram rögzítéséhez, a fenti ábra jobb oldalán a fázistoló módszer látható, ami kizárja az esetleges zavaró nyalábokat a felvétel elkészítésekor. A tárgy- és referenciasugarak kollineárisak és a tárgy hologramjának expozícióit a referencianyaláb fázisának eltolása végzi, a kamera pedig ezeket az expozíciókat rögzíti. A fázistoló nem feltétlen szükséges, ám a hologramok numerikus rekonstrukciójához ez a módszer javasolt. A CCD kamera egy számítógéphez csatlakozik ahol az adatok digitális feldolgozása történik. Egy másik módszer a hologramkészítéshez a számítógép által generált hologram. Nincs szükség semmilyen berendezésre, csupán egy számítógépre és egy (minél kisebb futásidejű) algoritmusra.
Ezután a rekonstrukció történhet ”virtuálisan”, azaz szimulációval – a számítógéppel generált hologramok esetéhez hasonlóan – vagy SLM alkalmazásával a valós térben. A számítógéppel való rekonstrukció során használható a Fresnel-féle transzformáció, amely a Fourier transzformációt alkalmazza és futtatható egy közönséges számítógépen vagy akár DSP-n is. A következő videó egy Intel Pentium 4 típusú 3GHz-es órajelű processzort és 1GB RAM-ot tartalmazó számítógépen futó algoritmusról készült, amint rekonstruálja a CCD kamera által felvett digitális hologramképet:
A számítógép monitorja nyilván nem tudja visszaadni azt a perspektivikus képet amit egy hagyományos úton készített holográfiai fotolemez nyújt, azonban a szimulációs programok lehetőséget nyújtanak a rekonstruált kép betekintési szögének változtatásához:
Mikor a két nyaláb találkozik a fotolemezen, állandó mintázat (csíkrendszer), interferenciakép alakul ki és rögzül mint intenzitás és fázisinformáció. A megfelelő interfernciaképhez azonban a két fényhullám frekvenciája pontosan kell egyezzen, amit nagyon nehéz vagy lehetetlen teljesíteni, ezért az In-Line elrendezést megváltoztatva, tükrök segítségével kell elválasztani ugyanazt a nyalábot két részre és úgy juttatni a fotólemez síkjára. A film előhívása után, egymást részlegesen elnyelő világos és sötét koncentrikus körök lesznek a lemezen (amit Gábor zónalemeznek is neveznek, éppen a körök abszorbeálása miatt különbözik a Fresnel-féle zónalemeztől).
Ugyanez az elv érvényes két vagy több szórópont (osztott fényforrás) esetében is, mindenik külön zónalemezt eredményez (szuperponált zónalemezek), és ezek holografikus képei a maguk arányos intenzitásával jönnek létre.
Ezzel a módszerrel még több nyalábra lehet osztani a lézersugarat, hogy több oldalról megvilágítható legyen a lefényképezendő tárgy, a pontosabb és körüljárhatóbb holografikus kép érdekében. A hologram képek nem csak három dimenziósak, de perspektivikusak is egyben: amint a megfigyelő szeme más helyzetbe mozdul, a pupillához érkező fénysugarak a hologram csíkképének kicsi, eltérő részein mennek keresztül és így a képen lévő tárgy más perspektívából fog látszani (például több tárgy esetén, egyik eltakarhatja a másikat).
A hagyományos hologram elkészítése
Többszörös hologram
Ha az interferenciacsíkok közötti távolság kisebb, mint a film fényérzékeny rétege, akkor rekonstruáló referencianyaláb minden egyes sugara több, részlegesen tükröző síkon halad át. Ezek sorra visszaverik a referenciafényt, de csak akkor lesznek fázisban és csak akkor fogják erősíteni egymást, ha a referencianyaláb a fényképezéskor beállított szögből érkezik. Ellenkező esetben a holografikus kép nem lesz látható. Ha egy filmlemezre más-más szögben beállított referencianyalábbal készül felvétel (más-más tárgyról), akkor az előhívást követően, ezek a képek csak a fényképezésükkor beállított szögű referencianyaláb jelenlétében lesznek megtekinthetőek. Ha több kép készül egy filmlemezre, akkor a referencianyaláb szögének változtatásával mindenik kép külön nézhető, váltogatható (lapozható). Ha ugyanarról a tárgyról készülnek a felvételek, a referencianyaláb szögének gyors és pontos elmozdulásával holografikus mozgóképet lehet megvalósítani. Erre a legmegfelelőbb fotorefraktív anyag minek fényérzékenysége megszűntethető, a lítium-niobát (LiNbO3).
Fehérfény hologram
A hologram készítése során a referencianyaláb és a lefényképezendő tárgy közé helyezzük a fényérzékeny filmet (átlátszót). Így a referencianyaláb és a tárgyról érkező sugarak elválasztódnak, egymással szemben haladnak a film felé. Ezért a térbeli frekvencia nagy lesz, ami rengeteg interferenciacsíkot eredményez, melyek fél hullámhossznyi távolságra lesznek egymástól. Előhívás után, a rekonstruálást (megfigyelést) nem a referencianyalábbal kell végezni, hanem napfényben, ami tartalmazza a megfelelő hullámhosszt a visszavert kép előállításához. Ennél a technikánál a közönséges fotográfiai emulzió könnyen zsugorodást eredményezhet előhívás során, ezért csak korlátozottan alkalmazható. Ezt a típusú hologramot visszaverődéses hologramnak nevezik, mert a filmlemez két oldalára érkező sugarak interferenciája rögzíti a képet. A többi felsorolt hologramot átviteli hologramnak nevezik, mert két nyaláb a filmlemez ugyanazon oldalára érkezik és úgy interferál.
Szivárvány hologram
Az első lépés a színes hologram megvalósítása fele a szivárvány hologram. Úgy van tervezve, hogy fehér fénnyel megvilágítva is látható legyen a hologram, akár a fehérfény hologram esetén. A felvétel során, a tárgyról a filmre verődő referencianyaláb egy vízszintes résen és egy lencsén halad át mielőtt elérné a filmet. Ezek után a hologramot megfigyelő személy fel-alá mozogva spektrális színváltozást fog tapasztalni, nem pedig perspektivikus változást. Ha a referencianyaláb hullámhosszát megváltoztatjuk, a hologram más és más részei lesznek láthatóak, viszont ha referencianyalábnak fehér fényt használunk, akkor minden szín felépíti a maga részét a holografikus képben és végül a teljes tárgy láthatóvá válik (függőlegesen változó színekben). A holografikus kép ugyan színes lesz, de nem a tárgy valódi színét fogja nyújtani.
A legtöbb módszer holografikus képének színe mindig a referencianyaláb színében jelenik meg (monokromatikus kép), az igazán élethű képhez azonban színes lézereket kell használni. Pontosabban a három alapszínt: Piros, Zöld és Kék.
Mindenik lézersugár egy elhajtható tükörre érkezik, melyek egymást követően multiplexelik a három hologramot, kezdve a kékkel, zölddel, végül pedig a piros lézerfény segítségével. A három hologram tehát külön készül el, szekvenciálisan, a film (BBVPan lemez) ugyanazon oldalán. Az eredmény egy multiplexelt interferenciakép, ami a három hullámhossz különböző expozíciós energiájának kombinációjából keletkezett.
Egyszerűen hangzik, de megvalósítása során több probléma is adódhat. Először a lézerek beszerzése. Míg a piros lézerek (He-Ne vagy félvezető lézerek) olcsók és könnyen beszerezhetőek, a zöld és kék lézerek sokkal drágábbak és nehezebb is őket beszerezni (argon ion, Nd-YAG), valamint nem mind elég performáns a holografikus alkalmazásra. Másik probléma a film anyaga. Színes hologramhoz pankromatikus ezüst-halogenid emulzió, többrétegű dikrómozott zselatin (minek spektrális érzékenysége a kék és zöld zóna közé esik) és pankromatikus fotopolimer szükséges. Az előhívási eljárások is nagyon komplexek és költségesek.
Digitális hologram
Az elsődleges cél a digitális holográfiában, hogy a referencia és a tárgyhullám interferenciájának eredőjét, a holografikus rácsot elektronikus vagy digitális jel formájában kezelni és továbbítani lehessen. További cél az is, hogy a körülményes kémiai eljárások mellőzhetőek legyenek. A nagy felbontású CCD (Charge Coupled Device) és CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) kamerák fejlődése idővel lehetővé tette a létező hullámfrontok által generált interferencia mező digitális megörökítését. A térbeli fénymodulátorok (SLM - Spatial Light Modulator - digitális projektorokban van ilyen) pedig a digitális hologramok valós idejű megtekintését teszik lehetővé.
Az elrendezés annyiban változik, hogy a nyalábtágítók tartalmaznak egy-egy kollimátort (párhuzamosítót) is, a nyaláb és a referencianyaláb egy nyalábosztón egyesül, majd a hologramlemezt helyettesítő CCD kamerába jut. A kamera képpontjainak (pixeljeinek) mérete jóval nagyobb (4-10um) mint egy hologramlemez elemi érzékelőinek mérete, ezért a mintavételezési tétel csak akkor teljesül, ha a holografikus rács állandója minimum két képpontnál nagyobb. Ez akkor valósulhat meg, ha a kamera kis látószögre van állítva és ha az interferenciahullám a tárgyhullámmal kis szöget zár be. A korlátozott felbontás miatt kell ez a szög kicsinek maradjon (3 fok körül), így csak kvázi, nem teljesen In-Line elrendezés használható. Ami még fontos különbség a digitális kamera és a hologramlemez között az az érzékenység és dinamika tartomány (jelszintek, szürkeségi szintek száma) ami miatt az exponálási feltételek is mások lesznek.
A digitális hologram előállításához nincs szükség a lefényképezendő tárgyra, sem bonyolult kémiai műveletekre, a holografikus rácsról tárolt információ adathordozóról vagy az internetről is letölthető és a megfelelő berendezéssel megtekinthető.
A digitális hologram elkészítése
Amint már olvashattuk, a holografikus kép rögzítésének a CCD kamera a lényege, rekonstruálásának pedig az SLM modulátor. A CCD, lefordítva "töltéscsatolt eszköz". Ez egy olyan eszköz, amely MOS alapú kondenzátorokat használ fel analóg jelek, különböző nagyságú töltéscsomagok tárolására. Ezekből a kis tárolókból több ezer darabot lehet elhelyezni egy parányi félvezető-lapocskán, a kiolvasó áramkörrel összekötve pedig memóriaegységeket, optikai érzékelőket (fotodiódával - kamerákat) lehet építeni. Úgy is nevezik, hogy analóg shift-regiszter, mert az egymás mellé helyezett elektródákon ha megfelelően változtatjuk a rájuk kapcsolt feszültséget, akkor a töltéscsomag mozgathatóvá válik (ez technikailag több módon is megoldható, s így megkülönböztetünk kettő-, három- és négyfázisú eszközöket).
A CCD chip ilyen MOS tárolóegységekből és az azokhoz kapcsolódó töltésléptető elektródákból összerakott mátrix-szerű áramkör. A mátrix elemei a megjelenített kép pixeljeinek felelnek meg. A jobb oldali ábra egy CCD chip kvantumhatásfok (függőleges) - hullámhossz (vízszintes) karakterisztikáját mutatja. Az ábrán jól látható, hogy a CCD sokkal érzékenyebb a vörös tartományban (625-740 nm), mint az emberi szem (ezért érdemes vörös lézert használni a hologram készítésekor). Egy pankromatikus fotoemulzióval szemben pedig még nagyobb eltérés tapasztalható. Megjegyzendő, hogy léteznek olyan eljárások, melyekkel a CCD chip érzékenysége kiterjeszthető a kék tartományban is. Ez úgy érhető el, hogy egy nagyon vékony rétegben olyan anyagot visznek fel az érzékelő felületére, mely a 300nm-es tartomány környékén elnyel (szaggatott vonal), s az elnyelt fotonokat valahol 500-600 nm környékén sugározza vissza.
Egy komplett CCD kamera tartalmaz még erősítőt (a chipből érkező igen gyenge jelek felerősítése), A/D átalakítót (a számítógéppel való kapcsolat miatt) és egy interfészt (a jelszintek illesztése végett a számítógéppel vagy egyéb eszközzel való kommunikáció során). Emellett hűtésre is szükség van, ugyanis a sötétáram szobahőmérsékleten akár néhány másodperc alatt telítésbe viheti a pixeleket. A CCD kamerák felbontása nagyon kicsi, átlagos pixelmérettel számolva a felbontás 66 vonal/mm, ami elmarad néhány, akár 300-400 vonal/mm-es felbontást elérő fotoemulzióktól. A valódi felbontás ennél rosszabb. A kép legkisebb rögzíteni kívánt részleteinek ugyanis legalább két-két pixelre kell esni (Shannon-féle mintavételezési tétel), különben ezek egybemosódhatnak. Az érzékelő felületének nagyságát a pixelméret és a pixelszám határozza meg. Ez általában néhány tized és pár négyzetcentiméter között mozog, a legnagyobbaké is csak 36 négyzetcentiméter, ami szintén elmarad az óriási, több száz négyzetcentiméteres fotólemezekétől. Szinte csak ezen a két területen van hátránya a CCD-knek a hagyományos technikával szemben. Létezik színes kivitelben is, azonban a hologram interferenciamezőjének rögzítéséhez a fehér-fekete is jó.
Ezután a rekonstrukció történhet ”virtuálisan”, azaz szimulációval – a számítógéppel generált hologramok esetéhez hasonlóan – vagy SLM alkalmazásával a valós térben. A számítógéppel való rekonstrukció során használható a Fresnel-féle transzformáció, amely a Fourier transzformációt alkalmazza és futtatható egy közönséges számítógépen vagy akár DSP-n is. A következő videó egy Intel Pentium 4 típusú 3GHz-es órajelű processzort és 1GB RAM-ot tartalmazó számítógépen futó algoritmusról készült, amint rekonstruálja a CCD kamera által felvett digitális hologramképet:
Egy videó a folyamatról:
A numerikus rekonstrukció megvalósítható közvetlen a hologram inverz Fourier transzformáltjával, mely az eredeti és a konjugált képet eredményezi. Ha osztályozni szeretnénk a rekonstrukciós elrendezéseket és folyamatokat, akkor az a következőképp fog kinézni:
A számítógépes rekonstrukcióhoz használható a Matlab letölthető eszköztára (INNEN), minek neve "HoloRec3D".
Az optoelektronikus rekonstrukció a folyadékkristályos SLM-el valósítható meg. A "Spatial Light Modulator" - térbeli fénymodulátor - feladata, hogy átalakítsa a digitális információt térben változó, modulált fénysugárrá. Általában csak a fénysugár intenzitását modulálja, azonban vannak olyan SLM-ek is, melyek a fény fázisát vagy polarizációját (is) képesek modulálni (általában vagy amplitudó, vagy fázis, ritkán egyszerre). Két alapkategória létezik: EASLM (Electrically Addressed SLM - Elektromosan címzett SLM), ahol a kép a kijelző pixeleire kapcsolt feszültségértékek alapján jön létre és változik, valamint az OASLM (Optically Addressed SLM - Optikailag címzett SLM), ahol a kép kijelző felszínére érkező fény hatására keletkezik és változik. A holografikus kép megfigyeléséhez az EASLM kategóriából egy fázismoduláló SLM szükséges a lézerimpulzusok alakjának formálására. Az SLM tulajdonképpen egy olyan transzparens pixelmátrix, mely képes a rajta áthaladó, adott hullámhosszúságú fény polarizációjának irányát képpontonként, a pixelre adott feszültség függvényében elforgatni. Segítségével a referencianyaláb amplitúdójának modulációja mechanikai mozgatás nélkül valósítható meg, ami növeli a rendszer stabilitását. A jobb oldali képen egy HoloEye LC2002 folyadékkristályos térbeli fénymodulátor látható, amely képes a nyaláb fázis illetve amplitudó modulációjára is. Képernyője 800 × 600 pixelből áll, minden pixel mérete 32 × 32µm. A modulátor vezérélése képpontonként 0 és 255 közötti értékkel történik. Az értékek alapján, a kijelző pixeleire kapcsolt feszültségértékek és a kijelző néhány egyéb működési paramétere, egy vezérlő szoftverrel állítható. A szoftver általában két paraméterrel (fényesség és kontraszt) állítja a pixeleken a vezérlőfeszültségeket, valamint ezen keresztül a folyadékkristályos cellák kettétörési tartományát.
A fényforrásból érkező referencianyaláb egy polarizáló nyalábosztón keresztül a fénymodulátorba (SLM-be) érkezik. A számítógép vezérli az SLM-et, a generált képminták egy kivetítő optikán keresztül (a rajzon a lencse) a forgásban lévő kettős spirál ernyőre vagy egy 45 fokban megdőlt tükörre érkeznek (az ábrán be van jelölve a forgási tengely és annak iránya is). Mozgókép vetítése esetén 5000 egyedi kép tükröződik másodpercenként a forgó felületről, hogy ezek összességéből létrejöjjön a valós térben a háromdimenziós virtuális tárgy. A következő felvétel egy hasonló projektről készült:
A lézer megvilágítja a folyadékkristályos SLM-et. A lézernyalábot az SLM modulálja, a diffrakció következtében a rekonstruált kép megjelenik a távolban. Az alábbi kísérletben egy LC-R2500 típusú SLM-et használtak, melynek pixelmérete 19x19µm. A visszatükröződött kép az SLM-től négy méterre volt tisztán kivehető, a falon (ekkora távolság kellett, hogy Fresnel diffrakció elmélete alapján létrejöhessen a Fourier transzformáció).
Interferometrikus mérések
A hologram a perspektivikus háromdimenziós képek látványvilágán kívül, interferometrikus mérésekre is alkalmas. A holografikus interferometria a deformáció- és elmozdulásmérések egyik technikája. Mint tudjuk, Hologram készítésekor két átfedő nyaláb interferenciájaként létrejövő intenzitás-eloszlás hozza létre a hologramot azáltal, hogy a fényérzékeny anyagnak az intenzitástól függő mértékben lokálisan megváltozik valamilyen optikai tulajdonsága. (Amplitúdó-hologram esetében a transzmissziója, fázishologram esetén pedig törésmutatója). Így a hologram minőségét jelentősen befolyásolja a két nyaláb interferencia-képessége, azaz kölcsönös koherenciája. Emiatt a holográfia is alkalmas a fényforrás koherenciájának mérésére. Előnye a nagy érzékenység, az érintésmentesség és a "teljesfelületiség" azon alapvető előnyön túlmenően, hogy mindez nem-optikai felületű tárgyaknál is alkalmazható. A teljesfelületiség arra vonatkozik, hogy a mérés a teljes vizsgált felületről egyidejűleg, párhuzamosan szolgáltat információt. A rekonstruált tárgyhullám komplex amplitudóját maga a tárgy határozza meg (annak alakja és anyagja), a hologram ezekről is tárol némi információt. Ha ugyanazon tárgyról két különböző pozícióban készítünk hologramot ugyanarra a fotólemezre (azonos referencianyalábbal), akkor a fotólemez kétexpozíciós lesz. Megfigyeléskor a tárgy két állapota egyszerre jelenik meg, és az ezekhez tartozó két tárgyhullám interferál egymással, így a holografikus képen egy görbevonalú interferencia-csíkrendszer lesz látható, ami a tárgy megváltozását (alak, pozíció) jellemzi. Mivel az expozíciós idő elég lassú, az elmozdulásmérés egyetlen exponálással is elvégezhető (az exponálás ideje alatt mozdítjuk el a tárgyat). Ha egy mozdulatlan tárgyról csak egyet exponálunk és az előhívott hologramlemezt visszahelyezzük eredeti helyére (tized mikrométeres pontossággal), majd a tárgyat továbbra is az eredeti nyalábokkal megvilágítva deformáljuk, akkor az eredeti állapot képe interferálni fog a megváltoztatott tárgy élő képével, így ahogy változik a deformáció, úgy változnak az interferenciacsíkok is. Ezt valós idejű holografikus interferometriának nevezik.
A holografikus interferometria hátránya a nem túl nagy mérési tartományra fogható. A deformációt a tárgy képén fényhullámhossznyi vagy az alatti érzékenységgel szintvonalazó interferometrikus csíkok, már kis terheléseknél is kellemetlenül sűrűvé válnak. Az interferenciacsíkok megfigyelése a pontos leolvashatóság nélkül kiértékelhetetlen. Ez egy 10-50cm méretű tárgy esetén azt jelenti, hogy a mérhető elmozdulás felső határa körülbelül 50 mikrométer. A sűrű csíkrendszert ugyan ki lehet nagyítani a pontos leolvasáshoz, azonban így elvész a teljesfelületiség előnye, ugyanis a részleteket vagy egységes képpé kell kösszerakni (hatalmas méret), vagy az egyes képrészletekben az összetartó csíkdarabokat kell azonosítani, a számszerű kiértékeléshez. Előfordulhat, hogy a kinagyított csíkok is annyira sűrűek, hogy a köztük lévő távolság a referencianyaláb szemcseszélességénél is kisebb. Ilyenkor a szemcsék elmossák az interferenciacsíkokat, így kinagyíthatatlanná, leolvashatatlanná válnak.
Ha a tárgy elmozdulásáról egy-egy digitális hologramot készítünk, akkor ezek rekonstruált képét összeadva vagy kivonva (digitálisan interferálva) láthatóvá válik a direkt fáziskép. Míg a hagyományos hologramok esetén az interferogramoknak csak az intenzitása hozzáférhető, a digitális direkt fázisképen a fázisváltozás iránya (előjele) is látható lesz.
Holovízió
Ha a tárgy elmozdulásáról egy-egy digitális hologramot készítünk, akkor ezek rekonstruált képét összeadva vagy kivonva (digitálisan interferálva) láthatóvá válik a direkt fáziskép. Míg a hagyományos hologramok esetén az interferogramoknak csak az intenzitása hozzáférhető, a digitális direkt fázisképen a fázisváltozás iránya (előjele) is látható lesz.
Holovízió
Szintén magyar találmány (Balogh Tibor, 2008), a valós háromdimenziós képmegjelenítő a holovízió nevet kapta. A speciális szemüveggel nézhető háromdimenziós kivetítőkkel ellentétben, a holovízió ahelyett, hogy becsapná az agyat sztereoszkópikus képekkel, inkább egy ablak "működését" modellezi. Ennek alapja az, hogy az ablak minden pontjából különböző irányban más-más hullámhosszú és intenzitású fénysugarak szóródnak szét. Az ablak pontjait a képernyő pixeljei képviselik, amit a 3D kijelzőnél volume-pixelnek, voxelnek is mondanak. Egy fénymodulációs technikával a nyalábok irányát vezérelni kell, méghozzá úgy, hogy ezek a fénysugarak olyan irányba haladjanak, mintha a képernyő mögött elhelyezkedő tárgyról verődnének vissza, vagy az az előtt lévő tárgyra verődnének rá. A keletkezett háromdimenziós látvány 50-70 fokos szögben járható csak körbe.
Ahhoz, hogy az ablak-hatás bekövetkezzen, a képet megjelenítő fénynyaláb nem közvetlenül a képernyő felszínéről érkezik, hanem beljebbről, a képernyő mögül. A háttérben lévő 128 optikai modul által keltett, különböző irányú nyalábok transzmissziós LCD modulokra, onnan pedig egy speciális szórási karakterisztikával bíró holografikus ernyőre érkeznek. A jelenlegi készülékek (640RC, 720RC, 80WLT) szögfelbontása 0.9 fok. Alkalmazása sok téren bizonyíthat: katonai (légirányítás, virtuális távvezérlés), építészet (CAD-es alkalmazások), autóipar, orvosi (CT, MRI, 3D ultrahnag). A jövő tervei között szerepel a valós idejű megjelenítés, a kéz-fej-szem követés, több forrásból származó információ kombinálása (ember-gép kommunikáció). Íme egy videó a készülék működéséről: Holografika
Ahhoz, hogy az ablak-hatás bekövetkezzen, a képet megjelenítő fénynyaláb nem közvetlenül a képernyő felszínéről érkezik, hanem beljebbről, a képernyő mögül. A háttérben lévő 128 optikai modul által keltett, különböző irányú nyalábok transzmissziós LCD modulokra, onnan pedig egy speciális szórási karakterisztikával bíró holografikus ernyőre érkeznek. A jelenlegi készülékek (640RC, 720RC, 80WLT) szögfelbontása 0.9 fok. Alkalmazása sok téren bizonyíthat: katonai (légirányítás, virtuális távvezérlés), építészet (CAD-es alkalmazások), autóipar, orvosi (CT, MRI, 3D ultrahnag). A jövő tervei között szerepel a valós idejű megjelenítés, a kéz-fej-szem követés, több forrásból származó információ kombinálása (ember-gép kommunikáció). Íme egy videó a készülék működéséről: Holografika
Léteznek módszerek a holografikus képek utánzására is, azonban semmi közük nincs az eddig leírt módszerekhez, a perspektivikus látás sem érvényesül ezeknél a kivetítéseknél, ezt azonban úgy leplezik, hogy korlátozzák a projekció körüljárhatóságát, vagy pedig meghatározzák a megfigyelhető oldalak számát. Legtöbb esetben a kivetített kép mozgókép, így a megfigyelőnek esélye sincs arra, hogy saját szemszögének függvényében lásson változást a képen. Beszéljenek tehát a képek.
A következő hologram más elven működik mint az eddigiek: a lézerfénnyel gerjesztik a levegőben lévő oxigént és hidrogént, mely látványos fényjátékot okoz, akár a sarki fény esetén. Gyakorlatilag ez az első képernyő nélküli megjelenítő:
Gábor Dénes eredeti ötletét (az In-Line holográfiát) bár megvalósították elektronmikroszkóppal is, azonban nem terjedt el általános mérési módszerként. Hagyományos elrendezéssel máig sem sikerült torzításmentes atomi felbontást elérni sem In-Line, sem Off-Axis holográfiával.
Hogyan készítsünk hologramot házilag:
Hogyan készítsünk hologramot házilag:
