نویسنده: حمید وثیق زاده انصاری
منبع: راسخون
منبع: راسخون
مقدمه
از نظر ثبت اطلاعات مربوط به یک صحنه یا منظره، هولوگرافی به عکاسی معمولی شباهت دارد اما شیوه‌ها و وسایل کار برای ایجاد تصویر، هم‌چون خودِ تصاویرِ به دست آمده، کاملاً متفاوتند.
در عکاسی متعارف، تصویر به دست آمده از یک صحنه، اعم از عکس یا اسلاید، تصویری است بر یک صفحهی دوبعدی و فاقد عمق یا برآمدگی. در هولوگرافی، در تصویری که نهایتاً به دست میآید و ما آن را هولوگرام می‌نامیم، اطلاعات مربوط به هر سه بعد ثبت شده است و ناظر از تماشای هولوگرام احساس بعد و برجستگی می‌نماید حتی بیش از آن‌چه در استروسکوپی متداول است. بُعد در استروسکوپی بُعد کاذب است زیرا فقط از یک زاویه، که همان زاویه‌ی استقرار دوربین‌ها به هنگام عکس‌برداری است، تصویر قابل مشاهده است، در حالی که در هولوگرافی منظرهی بازسازی شده را از زوایای متعدد می‌توان دید و ناظر با حرکت دادن سر خود، اثر ناشی از اختلاف منظر (یعنی جابه‌جایی ظاهری دو شیئ نسبت به هم در اثر جابه‌جایی ناظر) را حس خواهد کرد.
لیزر و نور همدوس (لیزر و نور همدوس (Coherent)
نور مرئی موجی الکترومغناطیسی در محدودهی مشخصی از تواتر است که با سرعت تقریباً سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه منتشر میشود. فاصلهی بین دو قلهی متوالی موج، طول موج، و تعداد قلههایی که در هر ثانیه از نقطهای معین میگذرند تواتر یا فرکانس یا بسامد موج نامیده میشود. سرعت موج از ضرب بسامد موج در طول موج به دست میآید. چون سرعت انتشار موج ثابت است پس در فرکانسهای بالا طول موجها کوتاهترند.
منابع نوریای که در عکاسی معمولی مورد استفاده قرار میگیرند نور خورشید یا روشنایی حاصل از لامپهای برق است. بسامد امواج نوری حاصل از این منابع، بسیار گسترده است و نواحی طیفی فرابنفش تا فروسرخ را در بر میگیرد. به علاوه، به دلیل حرکتهای کاتورهای گرمایی، مولکولهای ارتعاش کننده که چشمههای گسیل امواج الکترومغناطیسیاند ثباتی در ادامهی گسیل یک طول موج معین ندارند و هر لحظه ممکن است طول موج دیگری را گسیل نمایند. چنین نور نامنظمی، ناهمدوس خوانده میشود. از این نوع نورهای سفید نامنظم نمیتوان در ثبت اطلاعات مربوط به عمق منظره یا صحنه استفاده کرد. نور مورد استفاده برای ثبت اطلاعات مربوط به عمق منظره یا صحنه باید از نوع تک فرکانس همدوس باشد یعنی تکرنگ باشد و هر موج با موجهای دیگر همفاز یا همدوس باشد. در چنین منبع نوری، در یک تابهی نور، اختلاف فاز هر دو موج نور همواره ثابت میماند. چنین تابهی نوری را لیزر تولید میکند.
ثبت هولوگرام
از آنجا که تابهی لیزری، بسیار منظم، یعنی تکرنگ و همدوس است، جزئیات صحنهای که چنین تابهای آن را روشن میکند با دقت تمام روی فیلم عکاسی منتقل میشود. موجی که از بخشهای دورتر صحنه به فیلم میتابد نسبت به موج مربوط به بخشهای نزدیکتر صحنه، تأخیر خواهد داشت. همین تأخیر روی فیلم ثبت میشود.
برای ثبت اینگونه اطلاعاتِ جزئی، یک تابهی مبنا (reference beam) مورد نیاز است تا روابط فازی تابهها با هم مقایسه شوند. برای تهیهی چنین تابهای، پرتو لیزر به دو بخش تقسیم میشود. بخشی از تابه به سمت صحنهی مورد نظر هدفگیری میشود و تابهی بازتاب شده از هدف با بخش دیگر تابهی اولیه که مستقیماً به فیلم عکاسی میتابد مقایسه میشود. دو تابه در محلی که به هم میرسند با هم تداخل میکنند. هنگامی که دو موج در فاز یکسان به هم برسند شدت یا دامنهی انرژی موج افزایش مییابد. این حالت را تداخل سازنده مینامند. وقتی آنها در فاز متقابل به هم برسند شدت یا دامنهی انرژی موج کاهش مییابد. این حالت را تداخل ویرانگر مینامند.
گرچه هر کدام از این دو موج در زمان تغییر میکند، دامنهی به دست آمده از تداخل آنها در صفحهی هولوگرافی، با زمان تغییر نمیکند. این به این معناست که الگوی امواج ساکن پدید میآید و همین امواج ساکن هستند که بر فیلم عکاسی ثبت میشوند. علاوه بر این، الگوی ثبت شده شامل اطلاعات دامنه و فاز تابهی شیئ است. در یک عکس متعارف، تنها دامنههای نوری که به فیلم میرسند ثبت میشوند.
هولوگرام
فیلم هولوگرافیک ظاهر شده یا هولوگرام، زیر نور معمولی شباهتی به منظرهی اصلی یا موضوع اصلی ندارد. مثلاً اگر موضوع مورد عکاسی، صفحهای صاف و منعکس کنندهی نور باشد، تصویرِ روی فیلم، مجموعهای از رشتههای روشن و تاریک خواهد بود، و تصویر هولوگرافیک یک نقطه، به صورت تعدادی دایرهی هممرکز خواهد بود. درواقع، هولوگرامِ یک منظره به شکل دوایر تیره و روشنی است که با پیچیدگی خاصی بر روی هم قرار گرفتهاند.
بازسازی صحنه
تصاویر هولوگرافیک به شیوههای گوناگونی ثبت میشوند. معمولاً از روش ثبت هولوگرام به صورت شفافه (فیلمی مانند اسلاید) استفاده میشود. برای ایجاد و بازسازی منظرهی اصلی، لازم است یک پرتو نور همدوس، مشابه تابهی مبنا که در ثبت تصویر مورد استفاده قرار گرفته است، بر شفافه تابانده شود. هرگاه در سمت چشمهی لیزر به این شفافه نگاه کنیم تصویر همان منظره یا صحنه را به صورت سه بعدی واقعی خواهیم دید. یعنی گویا شفافه هم‌چون پنجره‌ای است باز شده به روی منظره که نه تنها از درون آن منظره را به صورت سه بعدی واقعی می‌بینیم بلکه با تغییر موقعیت خود قسمتهایی از منظره که قیلاً توسط چارچوب این پنجره پوشیده مانده بود برایمان قابل رؤیت میشود. جالب است که اگر شفافه به تکه‌های کوچک شکسته شود هر تکه هم‌چنان حاوی تمام اطلاعات منظره است یعنی هر کدام حکم پنجره‌ی کوچک‌تری باز شده به روی منظره را خواهد داشت.
درواقع، پرتو لیزری که تصویر را بازسازی میکند باید عیناً مانند پرتو اولیه‌ی شیئ باشد. این پرتو به محض عبور یا بازتاب از شفافه‌ی هولوگرام دچار تغییر در دامنه و فاز میشود و تصویری مجازی در سمت چشمهی لیزر تشکیل می‌دهد که تنها توسط ناظر واقع در این سمت قابل رؤیت است. علاوه بر آن، تصویری حقیقی در سمت دیگر تشکیل خواهد شد که برای مشاهده‌ی آن لازم است پرده‌ای در ناحیه‌ی کانونی قرار داده شود تا تصویر روی آن تشکیل شود.
از آن جا که رنگ به فرکانس نور مربوط میشود هر هولوگرامی که با استفاده از یک تابهی لیزری به وجود میآید تکرنگ خواهد بود. البته با استفاده از سه تابهی لیزری که بسامد آنها مربوط به نور رنگ‌های اصلی قرمز و سبز و آبی باشد می‌توان تصویری تمام رنگی ایجاد کرد.
موارد استفاده از هولوگرافی
هولوگرام‌ها دارای ویژگی‌های فراوانی هستند، لذا موارد استفاده‌ی زیادی برای آنها در صنعت و مهندسی وجود دارد. یکی از این ویژگی‌ها این است که می‌توان چندین هولوگرام را روی یک فیلم ثبت کرد. جهت تابهی مبنا یا مرجع نسبت به فیلم، در عکسبرداری‌های گوناگون متفاوت است، از این رو الگوهای تداخلی با یک‌دیگر اشتباه نخواهند شد. بازسازی و ایجاد تصویر هنگامی امکان دارد که فیلم را پس از ظهور و ثبت، در برابر پرتو بازسازنده قرار دهیم. این پرتو باید دقیقاً در همان جهتی بر فیلم بتابد که تابهی مبنا بر آن تابیده است. درواقع به همین دلیل است که می‌توان با تغییر دادن زاویه‌ی تابش نور، تصاویر متعددی را بر یک فیلم ثبت کرد و ناظر می‌تواند با چرخاندن فیلم در برابر تابهی ثابت نور، کلیه‌ی تصاویر ثبت شده را یک به یک ببیند. بدین ترتیب می‌توان از هولوگرافی در تمام زمینه‌های مربوط به ذخیره و نگهداری اطلاعات استفاده کرد.
کاربرد دیگرِ هولوگرافی در بررسی اندازه‌ی اشیایی است که از روی آنها مدل بدلی دیگری ساخته شده است. از اصل شیئ و نسخه‌ی بدل با استفاده از لیزر هولوگرام تهیه میکنند. به هنگام بازسازی تصویر در صورتی‌که اندازه‌ی اصل و بدل با یک‌دیگر متفاوت باشد از الگوهای تداخلی ویژه‌ی این تفاوت پی به اختلاف برده میشود. در این شیوه، اختلافی در حد سه ده هزارم میلیمتر قابل مشاهده و بررسی است.
برخی از موزه‌های بزرگ، اشیاء گران‌قیمت خود را برای نمایش به نقاط مختلف جهان نمی‌فرستند و به جای آن هولوگرام‌هایی از آنها تهیه کرده و آنها را ارسال می‌نمایند. این تصاویر سه بعدی، بهترین جایگزینِ این اشیاء قیمتی در نمایشگاه‌ها می‌باشند.
پدر هولوگرافی
دنیس گابور به عنوان پدر هولوگرافی شناخته میشود. او در پنجم ژوئن 1900 میلادی در بوداپست به دنیا آمد. گابور پس از آن‌که در جنگ جهانی اول، در ارتش مجارستان خدمت کرد، به تحصیل در رشته‌ی مهندسی برق پرداخت. زمانی که به استخدام کارخانه‌ی زیمنس آلمان درآمد به تکمیل لامپ کوارتز-جیوه، که امروزه در روشن سازی خیابان‌ها از آن استفاده میشود، پرداخت. در دهه‌ی 1930، به دلیل مخالفت با سیاست‌های نازی‌ها آلمان را ترک کرد. دنیس گابور در مورد منشأ فکر هولوگرافی گفت «از ناخودآگاهم سرچشمه گرفت». درواقع در آن موقع، گابور روی بهبود قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی تحقیق می‌کرد. گابور به خاطر تحقیقاتش در زمینه‌ی هولوگرافی، در سال 1969 مدال رامفورد انجمن سلطنتی و در سال 1971 جایزه‌ی نوبل فیزیک را گرفت. او در سال 1979 درگذشت.
درواقع گابور در سال 1947 هولوگرافی را پیش‌بینی و پیش‌گویی کرد ولی نتوانست آن را عملاً به نمایش درآورد. این کار به اجبار تا اوایل سال‌های 1960، یعنی زمان اختراع لیزر، به تعویق افتاد.
منبع: فصلنامه حکومت اسلامی شماره 2
از نظر ثبت اطلاعات مربوط به یک صحنه یا منظره، هولوگرافی به عکاسی معمولی شباهت دارد اما شیوه‌ها و وسایل کار برای ایجاد تصویر، هم‌چون خودِ تصاویرِ به دست آمده، کاملاً متفاوتند.
در عکاسی متعارف، تصویر به دست آمده از یک صحنه، اعم از عکس یا اسلاید، تصویری است بر یک صفحهی دوبعدی و فاقد عمق یا برآمدگی. در هولوگرافی، در تصویری که نهایتاً به دست میآید و ما آن را هولوگرام می‌نامیم، اطلاعات مربوط به هر سه بعد ثبت شده است و ناظر از تماشای هولوگرام احساس بعد و برجستگی می‌نماید حتی بیش از آن‌چه در استروسکوپی متداول است. بُعد در استروسکوپی بُعد کاذب است زیرا فقط از یک زاویه، که همان زاویه‌ی استقرار دوربین‌ها به هنگام عکس‌برداری است، تصویر قابل مشاهده است، در حالی که در هولوگرافی منظرهی بازسازی شده را از زوایای متعدد می‌توان دید و ناظر با حرکت دادن سر خود، اثر ناشی از اختلاف منظر (یعنی جابه‌جایی ظاهری دو شیئ نسبت به هم در اثر جابه‌جایی ناظر) را حس خواهد کرد.
نور مرئی موجی الکترومغناطیسی در محدودهی مشخصی از تواتر است که با سرعت تقریباً سیصد هزار کیلومتر بر ثانیه منتشر میشود. فاصلهی بین دو قلهی متوالی موج، طول موج، و تعداد قلههایی که در هر ثانیه از نقطهای معین میگذرند تواتر یا فرکانس یا بسامد موج نامیده میشود. سرعت موج از ضرب بسامد موج در طول موج به دست میآید. چون سرعت انتشار موج ثابت است پس در فرکانسهای بالا طول موجها کوتاهترند.
منابع نوریای که در عکاسی معمولی مورد استفاده قرار میگیرند نور خورشید یا روشنایی حاصل از لامپهای برق است. بسامد امواج نوری حاصل از این منابع، بسیار گسترده است و نواحی طیفی فرابنفش تا فروسرخ را در بر میگیرد. به علاوه، به دلیل حرکتهای کاتورهای گرمایی، مولکولهای ارتعاش کننده که چشمههای گسیل امواج الکترومغناطیسیاند ثباتی در ادامهی گسیل یک طول موج معین ندارند و هر لحظه ممکن است طول موج دیگری را گسیل نمایند. چنین نور نامنظمی، ناهمدوس خوانده میشود. از این نوع نورهای سفید نامنظم نمیتوان در ثبت اطلاعات مربوط به عمق منظره یا صحنه استفاده کرد. نور مورد استفاده برای ثبت اطلاعات مربوط به عمق منظره یا صحنه باید از نوع تک فرکانس همدوس باشد یعنی تکرنگ باشد و هر موج با موجهای دیگر همفاز یا همدوس باشد. در چنین منبع نوری، در یک تابهی نور، اختلاف فاز هر دو موج نور همواره ثابت میماند. چنین تابهی نوری را لیزر تولید میکند.
ثبت هولوگرام
از آنجا که تابهی لیزری، بسیار منظم، یعنی تکرنگ و همدوس است، جزئیات صحنهای که چنین تابهای آن را روشن میکند با دقت تمام روی فیلم عکاسی منتقل میشود. موجی که از بخشهای دورتر صحنه به فیلم میتابد نسبت به موج مربوط به بخشهای نزدیکتر صحنه، تأخیر خواهد داشت. همین تأخیر روی فیلم ثبت میشود.
برای ثبت اینگونه اطلاعاتِ جزئی، یک تابهی مبنا (reference beam) مورد نیاز است تا روابط فازی تابهها با هم مقایسه شوند. برای تهیهی چنین تابهای، پرتو لیزر به دو بخش تقسیم میشود. بخشی از تابه به سمت صحنهی مورد نظر هدفگیری میشود و تابهی بازتاب شده از هدف با بخش دیگر تابهی اولیه که مستقیماً به فیلم عکاسی میتابد مقایسه میشود. دو تابه در محلی که به هم میرسند با هم تداخل میکنند. هنگامی که دو موج در فاز یکسان به هم برسند شدت یا دامنهی انرژی موج افزایش مییابد. این حالت را تداخل سازنده مینامند. وقتی آنها در فاز متقابل به هم برسند شدت یا دامنهی انرژی موج کاهش مییابد. این حالت را تداخل ویرانگر مینامند.
گرچه هر کدام از این دو موج در زمان تغییر میکند، دامنهی به دست آمده از تداخل آنها در صفحهی هولوگرافی، با زمان تغییر نمیکند. این به این معناست که الگوی امواج ساکن پدید میآید و همین امواج ساکن هستند که بر فیلم عکاسی ثبت میشوند. علاوه بر این، الگوی ثبت شده شامل اطلاعات دامنه و فاز تابهی شیئ است. در یک عکس متعارف، تنها دامنههای نوری که به فیلم میرسند ثبت میشوند.
فیلم هولوگرافیک ظاهر شده یا هولوگرام، زیر نور معمولی شباهتی به منظرهی اصلی یا موضوع اصلی ندارد. مثلاً اگر موضوع مورد عکاسی، صفحهای صاف و منعکس کنندهی نور باشد، تصویرِ روی فیلم، مجموعهای از رشتههای روشن و تاریک خواهد بود، و تصویر هولوگرافیک یک نقطه، به صورت تعدادی دایرهی هممرکز خواهد بود. درواقع، هولوگرامِ یک منظره به شکل دوایر تیره و روشنی است که با پیچیدگی خاصی بر روی هم قرار گرفتهاند.
بازسازی صحنه
تصاویر هولوگرافیک به شیوههای گوناگونی ثبت میشوند. معمولاً از روش ثبت هولوگرام به صورت شفافه (فیلمی مانند اسلاید) استفاده میشود. برای ایجاد و بازسازی منظرهی اصلی، لازم است یک پرتو نور همدوس، مشابه تابهی مبنا که در ثبت تصویر مورد استفاده قرار گرفته است، بر شفافه تابانده شود. هرگاه در سمت چشمهی لیزر به این شفافه نگاه کنیم تصویر همان منظره یا صحنه را به صورت سه بعدی واقعی خواهیم دید. یعنی گویا شفافه هم‌چون پنجره‌ای است باز شده به روی منظره که نه تنها از درون آن منظره را به صورت سه بعدی واقعی می‌بینیم بلکه با تغییر موقعیت خود قسمتهایی از منظره که قیلاً توسط چارچوب این پنجره پوشیده مانده بود برایمان قابل رؤیت میشود. جالب است که اگر شفافه به تکه‌های کوچک شکسته شود هر تکه هم‌چنان حاوی تمام اطلاعات منظره است یعنی هر کدام حکم پنجره‌ی کوچک‌تری باز شده به روی منظره را خواهد داشت.
درواقع، پرتو لیزری که تصویر را بازسازی میکند باید عیناً مانند پرتو اولیه‌ی شیئ باشد. این پرتو به محض عبور یا بازتاب از شفافه‌ی هولوگرام دچار تغییر در دامنه و فاز میشود و تصویری مجازی در سمت چشمهی لیزر تشکیل می‌دهد که تنها توسط ناظر واقع در این سمت قابل رؤیت است. علاوه بر آن، تصویری حقیقی در سمت دیگر تشکیل خواهد شد که برای مشاهده‌ی آن لازم است پرده‌ای در ناحیه‌ی کانونی قرار داده شود تا تصویر روی آن تشکیل شود.
از آن جا که رنگ به فرکانس نور مربوط میشود هر هولوگرامی که با استفاده از یک تابهی لیزری به وجود میآید تکرنگ خواهد بود. البته با استفاده از سه تابهی لیزری که بسامد آنها مربوط به نور رنگ‌های اصلی قرمز و سبز و آبی باشد می‌توان تصویری تمام رنگی ایجاد کرد.
هولوگرام‌ها دارای ویژگی‌های فراوانی هستند، لذا موارد استفاده‌ی زیادی برای آنها در صنعت و مهندسی وجود دارد. یکی از این ویژگی‌ها این است که می‌توان چندین هولوگرام را روی یک فیلم ثبت کرد. جهت تابهی مبنا یا مرجع نسبت به فیلم، در عکسبرداری‌های گوناگون متفاوت است، از این رو الگوهای تداخلی با یک‌دیگر اشتباه نخواهند شد. بازسازی و ایجاد تصویر هنگامی امکان دارد که فیلم را پس از ظهور و ثبت، در برابر پرتو بازسازنده قرار دهیم. این پرتو باید دقیقاً در همان جهتی بر فیلم بتابد که تابهی مبنا بر آن تابیده است. درواقع به همین دلیل است که می‌توان با تغییر دادن زاویه‌ی تابش نور، تصاویر متعددی را بر یک فیلم ثبت کرد و ناظر می‌تواند با چرخاندن فیلم در برابر تابهی ثابت نور، کلیه‌ی تصاویر ثبت شده را یک به یک ببیند. بدین ترتیب می‌توان از هولوگرافی در تمام زمینه‌های مربوط به ذخیره و نگهداری اطلاعات استفاده کرد.
کاربرد دیگرِ هولوگرافی در بررسی اندازه‌ی اشیایی است که از روی آنها مدل بدلی دیگری ساخته شده است. از اصل شیئ و نسخه‌ی بدل با استفاده از لیزر هولوگرام تهیه میکنند. به هنگام بازسازی تصویر در صورتی‌که اندازه‌ی اصل و بدل با یک‌دیگر متفاوت باشد از الگوهای تداخلی ویژه‌ی این تفاوت پی به اختلاف برده میشود. در این شیوه، اختلافی در حد سه ده هزارم میلیمتر قابل مشاهده و بررسی است.
برخی از موزه‌های بزرگ، اشیاء گران‌قیمت خود را برای نمایش به نقاط مختلف جهان نمی‌فرستند و به جای آن هولوگرام‌هایی از آنها تهیه کرده و آنها را ارسال می‌نمایند. این تصاویر سه بعدی، بهترین جایگزینِ این اشیاء قیمتی در نمایشگاه‌ها می‌باشند.
پدر هولوگرافی
دنیس گابور به عنوان پدر هولوگرافی شناخته میشود. او در پنجم ژوئن 1900 میلادی در بوداپست به دنیا آمد. گابور پس از آن‌که در جنگ جهانی اول، در ارتش مجارستان خدمت کرد، به تحصیل در رشته‌ی مهندسی برق پرداخت. زمانی که به استخدام کارخانه‌ی زیمنس آلمان درآمد به تکمیل لامپ کوارتز-جیوه، که امروزه در روشن سازی خیابان‌ها از آن استفاده میشود، پرداخت. در دهه‌ی 1930، به دلیل مخالفت با سیاست‌های نازی‌ها آلمان را ترک کرد. دنیس گابور در مورد منشأ فکر هولوگرافی گفت «از ناخودآگاهم سرچشمه گرفت». درواقع در آن موقع، گابور روی بهبود قدرت تفکیک میکروسکوپ الکترونی تحقیق می‌کرد. گابور به خاطر تحقیقاتش در زمینه‌ی هولوگرافی، در سال 1969 مدال رامفورد انجمن سلطنتی و در سال 1971 جایزه‌ی نوبل فیزیک را گرفت. او در سال 1979 درگذشت.
درواقع گابور در سال 1947 هولوگرافی را پیش‌بینی و پیش‌گویی کرد ولی نتوانست آن را عملاً به نمایش درآورد. این کار به اجبار تا اوایل سال‌های 1960، یعنی زمان اختراع لیزر، به تعویق افتاد.
منبع: فصلنامه حکومت اسلامی شماره 2
/ج
