Ugrás a tartalomhoz

3D megjelenítési technikák

Dr. Fekete Róbert Tamás, Dr. Tamás Péter, Dr. Antal Ákos, Décsei-Paróczi Annamária (2014)

BME-MOGI

A holografikus felvétel

A holografikus felvétel

Felvételkor a koherens fényforrást egy nyalábosztó vagy részben áteresztő tükör segítségével több részre osztják, és a tárgyat egy vagy több hullámfronttal világítják meg. A visszaverődő tárgyhullám egyesül a referenciahullámmal, és létrehoz egy interferencia jelenséget. [8.27.], [8.48.] Tehát a két beérkező hullám – a tárgy- és a referenciahullám - interferál, síkhullámok esetén interferenciacsíkok, sík- és gömbhullám találkozása esetén interferenciagyűrűk alakulnak ki. Ezek a csíkrendszerek általában mikrométeres nagyságrendűek, tehát összevethetők a fényforrás hullámhosszával. Statikus esetben az interferenciacsíkok alakja a kialakuláskor és a regisztrálás folyamán független az időtől, így kialakul egy diffrakciós rács [8.47.].

8.1. ábra - A holografikus felvétel készítésének blokkvázlata

A holografikus felvétel készítésének blokkvázlata


A hullám megfelel egy térben terjedő rezgésnek, ami a kiindulási pontban:

 

 
 

 

Ahol A a hullám amplitúdója, φ a hullám fázisa t=0 esetére,

 

 

a hullám körfrekvenciája. A T periódusidő alatt teszi meg a c sebességgel haladó hullám a λ hullámhossznyi távolságot, ennek reciprokjaként kapjuk meg a fázist:

 

 

8.2. ábra - A hullám tulajdonságainak szemléltetése.

A hullám tulajdonságainak szemléltetése.


Egy adott z pontban az oszcilláció:

 

 
 

 

Ahol:

 

 
 

 
 

 

A holográfiában használt lézerek fontos tulajdonsága, hogy lineárisan polarizáltak, vagyis a rezgés iránya állandó.

Az előző egyenlet Euler-féle átalakítása után:

 

 

Itt az egyenlet a valós része fontos. Mivel a hullám frekvenciája igen magas tartományba esik, ezért közvetlenül nem figyelhető meg. Mérésenként több oszcillációs periódusidőbeli átlagát kapjuk meg, így az ωt rész elhagyható. A megmaradt rész a komplex amplitúdó [8.47.]:

 

 

8.3. ábra - A hologram rekonstrukciójának blokkvázlata

A hologram rekonstrukciójának blokkvázlata


A Gábor Dénes által leírt, és a róla elnevezett Gábor-féle on-axis hologram alapelve igen egyszerű, és rendkívül látványos formában demonstrálja a holografikus hatást. Azonban – ahogy ezt már írtuk – a forrásra vonatkozó megkötés komoly problémát jelentett. A lézerek megjelenése rendkívül jó hatással volt a holográfiára, dinamikus fejlődését indította el világszerte. Leith és Upatnieks 1962-ben alkalmazták először lézeres forrással az úgynevezett off-axis hologramot [8.45.], [8.22.].

Az általuk választott megoldás egyrészt elválasztotta a valós képet a virtuális képtől, és lehetővé tette, hogy a referenciasugár és a tárgyról érkező sugarak külön legyenek kezelhetők. Így tulajdonképpen a tárgy tetszőleges irányból és oldalról meg lehetett világítva, egy alkalmasan megválasztott hullámfronttal. Az általuk javasolt elrendezésben a beeső lézernyalábot kettéosztották, és irányváltoztatásra kényszerítve ezek közül az egyiket, közvetlenül a tárgyra vetítették azt. Az érzékelő lemezen a két sugár interferenciaképe rögzült. A nagyobb hullámfrontszögek miatt, az igényelt nagy térfrekvenciához nagy felbontású holografikus filmre volt szükség, és biztosítani kellett a rezgésmentes beállítást is.

A vastag hologram

Az korábban alkalmazott hologramoknál a nyersanyagon a fényérzékeny réteg vastagsága nem volt számottevő, a jelenséget eredményező hullámok hullámhosszához képest. Az ilyen típusú hologramokat síkhologramoknak vagy vékony hologramoknak nevezzük. Ha az érzékelő fényérzékeny, rögzítő rétege, azaz az emulzió vastag a hullámhosszhoz képest (annak többszöröse), az interferenciacsíkok sorozata a vastagság mentén is létrejöhet. A rekonstrukció során a hullámfront visszaállítását generáló referencia-hullámfront ezeken az emulzió menti interferenciacsík-sorozatokon hatol keresztül [8.7.], [8.8.], [8.9.].

Az ilyen típusú hologramoknak, a vastag emulziónak az egyik kiemelkedő tulajdonsága, hogy képes ugyanazon fotoemulzióból többszörös holografikus látványt előállítani. Ez egyben azt is jelenti, hogy sok hologram készítése válik lehetővé ugyanazon a fényérzékeny rétegben, az ezeket előállító referencianyalábok pedig különböző szögűek lehetnek [8.54.]. A későbbi rekonstrukció során a referencianyaláb szögét változtatva, mindegyik rekonstruált hullámfront külön-külön jelenik meg, és egyenként vizsgálható. Ez az alapgondolata a holografikus mozgókép létrehozásának. Egy ilyen, vastag emulziójú, többszörös hologram rekonstrukciója során a referencianyaláb szögét megfelelő időben, megfelelő módon változtatjuk.

A holográfia mozgó filmhez hasonló alkalmazásához, például egy tükör forgásával a szinkronizált lézersugár egymás utáni impulzusai segítségével kísérelték meg, hogy a hologramok rekonstruálásával filmszerű képek sorozatát állítsák elő. Ez úgy is magyarázható, hogy a vastag hologramot vékony hologramok rendezett halmazának foghatjuk fel. Ilyenkor bármilyen eltérés a felvételkor használt referenciasugár irányától a kép elvesztéséhez vezethet. Ezt a jelenséget a szakirodalom irányszelektivitásnak nevezi. Ennek az elvnek a segítségével ugyanarra a holografikus emulzióra több hologramot lehet felvenni. A felvételkor a különböző referencianyalábok más és más irányból érik a holografikus emulziót, és ez érvényesül a rekonstrukció során is. A vastag emulziójú hologramok egy másik rendkívül fontos tulajdonsága az úgynevezett színszelektivitás, ami azt jelenti, hogy összetett (például fehér) fénnyel rekonstruálva egy vastag hologramot, a hullámfront színe megegyezik a felvételkori forrás színével. Vastag hologramot először Jurij Nyikolajevics Denisjuk (1927-2006) készített 1962-ben, felhasználva a színes fotográfiai nyersanyagok történetéből jól ismert Lippmann emulziót.

A rekonstrukció

Az ezüsthalogén alapú nyersanyag feldolgozásához szükséges fotokémiai eljárásokat követően lehetőség nyílik az eredeti tárgyról szóródó hullámfront visszaállítására. A holografikus lemezen rögzített interferenciakép diffraktálja a beérkező hullámfrontot, és visszaállítja az eredeti tárgyhullámot. Ilyenkor nemcsak az eredeti hullám jelenik meg, hanem más kísérő jelenségek is tapasztalhatók.

A felvétel és rekonstrukció

A holografikus rögzítés során nem alkalmazunk lencsés vagy tükrös leképezést. A tárgyról érkező hullámfrontot egy másik, az úgynevezett referencia-hullámfronttal interferáltatjuk, a kölcsönhatásukat így kódoljuk, és rögzítjük. Ennek feltétele, hogy mindkét hullámfront koherens legyen, ezért a gyakorlatban lézert alkalmazunk. A hologramlemez síkjában az interferenciakép kerül rögzítésre. Amikor a rekonstrukció során a hologramot a változatlan referencia-hullámfronttal megvilágítjuk, ezen az interferenciás csíkrendszeren – amely információt tartalmaz a tárgyhullámról, tehát a tárgyról – elhajlik, azaz diffraktálódik a hullámfront.

Gábor Dénes érdeme, hogy elméleti úton levezette, és kísérleti módszerekkel igazolta, hogy a rekonstrukció során diffrakcióval keletkező hullámfrontok egyike megegyezik azzal a hullámfronttal, amely felvételkor a hologramlemezre érkezett a tárgyról. Ezért a rekonstrukció során a megfigyelő érzékelőjére ugyanaz a hullámfront érkezik, mint amilyen a tárgyról érkezett volna. A hologramot szemlélve a rekonstruált kép tulajdonságai megegyeznek a valósággal úgy a perspektíva, mint a takarások tekintetében.

Holografikus optikai elemek

A hologramból álló optikai eszköz, amely könnyen előállítható, lencseként, tükörként, rácsként, nyalábosztóként működik. A holografikus optikai elemek készítésének alapgondolata, hogy az egyes optikai elemek speciális hullámfrontot hoznak létre. Ha ezt a hullámfrontot használjuk a hologram készítése során tárgyhullámként, akkor a rekonstrukciókor ezt a hullámfrontot újra előállíthatjuk. Tehát a hologramunk úgy fog viselkedni, mint az eredeti optikai elem.

Digitális holográfia

A hagyományos holografikus eljárások használatának egyik fő hátránya, hogy az exponált holografikus lemezt fotokémiai eljárással kell kidolgozni. Ehhez laboratóriumi körülmények szükségesek, és a felvételt rögzítő nyersanyag is viszonylag drága. A hagyományos holografikus nyersanyagok speciális spektrális érzékenységgel rendelkeznek, és szenzitometriai szempontból is viszonylag alacsony érzékenységűek.

E problémákra kínál alternatívát a digitális holográfia, ami azt jelenti, hogy a hologram lemez helyett általában elektronikus detektorral rögzítik a tárgyhullám és a referenciahullám által előállított interferenciaképet. A rögzített hologramra jellemző:

  • számítógépen tárolják,

  • a rekonstrukció, azaz a kép megjelenítése numerikus feldolgozás segítségével történik.

A módszer hátrányai:

  • a jelenlegi, kereskedelmi forgalomban kapható digitális kamerák felbontása jóval kisebb, mint a holografikus lemezeké,

  • a pixelméret legalább egy nagyságrenddel haladja meg a hagyományos holografikus lemez felbontását.

8.4. ábra - A térfrekvencia fogalma

A térfrekvencia fogalma


Mivel a pixelek mérete meghatározza a maximális térfrekvenciát,

  • a tárgynyaláb és a referencianyaláb csaknem azonos irányból kell, hogy a kamera félvezető lapkájára essen.

  • a rekonstruált kép felbontása jóval kisebb, mint egy hagyományos hologram által rekonstruált képé.

8.5. ábra - A digitális hologram készítésének blokkvázlata

A digitális hologram készítésének blokkvázlata