MODUL 2 · TEORIJSKE OSNOVE HOLOGRAMSKE TEHNOLOGIJE
Nastavna jedinica 2.3
Transmisijski i refleksijski hologram
Klasična holografija ima dvije osnovne izvedbe i razlikuju se samo po tome s koje strane medija dolaze zrake. Iz te naizgled sitne razlike slijedi sve ostalo: debljina zapisa, potrebni medij, učinkovitost i pitanje treba li za gledanje laser ili je dovoljna obična žarulja.
- opisati ulogu referentne i objektne zrake u postavu snimanja
- razlikovati transmisijski i refleksijski hologram prema smjeru zraka i uvjetima gledanja
- usporediti fotoosjetljive medije prema razlučivosti, debljini sloja i vrsti zapisa
- objasniti pojam difrakcijske učinkovitosti i navesti uobičajene vrijednosti
- objasniti zašto odlomak holograma i dalje daje cijelu sliku
- izračunati učinkovitost i svjetlinu obnovljene slike za zadani medij i osvjetljenje
Referentna i objektna zraka
Postav za snimanje uvijek počinje istim korakom: jedna se zraka razdvaja na dvije. Razdvajanje je nužno jer obje zrake moraju potjecati iz istog izvora, inače između njih nema stalnog odnosa faza. Razdvaja ih razdjelnik zrake (beam splitter), obično poluprozirno zrcalo koje dio svjetlosti propusti, a dio odbije.
Objektna zraka usmjerava se na predmet. Raspršuje se s njegove površine i dolazi do medija noseći podatak o obliku: svjetlost s bližih dijelova predmeta prijeđe kraći put i stiže s drugom fazom nego svjetlost s daljih. Referentna zraka ide izravno na medij, bez dodira s predmetom, i služi kao mjerilo prema kojem se te razlike očitavaju.
Obje zrake prije toga prolaze kroz proširivač — leću koja uzak snop raširi na cijelu plohu. Omjer jakosti dviju zraka na mediju bira se tako da referentna bude nekoliko puta jača od objektne, tipično u rasponu od tri prema jedan do deset prema jedan. Ako je objektna prejaka, ona sama sa sobom stvara dodatne pruge koje u obnovljenoj slici izgledaju kao zrnat šum.
Cijeli postav mora biti krut. Zrcala, držači i medij postavljaju se na teški stol, a između postavljanja i snimanja ostavlja se nekoliko minuta mirovanja. Razlog je poznat iz prethodne jedinice: pomak od nekoliko desetinki mikrometra izbriše zapis.
Transmisijski hologram
Kod transmisijskog holograma (transmission hologram) obje zrake dolaze na medij s iste strane, kao na prethodnoj slici. Pruge koje pritom nastaju u sloju su postavljene gotovo okomito na površinu, a njihov razmak slijedi iz kuta među zrakama. Za kut od 15 stupnjeva to je oko jedan mikrometar, dakle uzorak koji svaki holografski medij zapisuje bez napora.
Gledanje se izvodi tako da se hologram osvijetli s iste strane s koje je došla referentna zraka, a promatrač gleda kroz ploču — otuda i naziv. Slika se vidi iza ploče, na mjestu gdje je predmet stajao. Uvjet je da svjetlost pri gledanju bude slična onoj pri snimanju: iste boje i iz istog smjera.
Upravo je taj uvjet glavno ograničenje. Osvijetli li se transmisijski hologram bijelom svjetlošću, svaka valna duljina skrene pod svojim kutom, pa se slike u raznim bojama razmaknu i preklope u mutnu, duginu mrlju. Zato se takav hologram gleda uz laser ili uz vrlo usku obojenu svjetlost. Postoji i izvedba koja to ublažava: ako se zapis izvede kao uzak vodoravan pojas, okomito razdvajanje boja nestane i hologram postaje vidljiv u bijeloj svjetlosti, ali se gubi promjena pogleda pri pomaku glave gore i dolje.
Refleksijski hologram
Kod refleksijskog holograma (reflection hologram) zrake dolaze na medij s dviju suprotnih strana. Referentna pada sprijeda, prolazi kroz sloj, osvijetli predmet iza ploče, a raspršena se svjetlost vraća i sudara s dolaznom zrakom unutar samog sloja. Postav je zato jednostavniji — u najjednostavnijoj izvedbi nema ni razdjelnika ni zrcala, jer jedna zraka obavlja oba posla.
Zrake se sada sijeku pod kutom blizu 180 stupnjeva, pa je razmak pruga najmanji mogući — oko polovice valne duljine u mediju, dakle ispod 0,2 mikrometra. To odgovara prostornoj frekvenciji od nekoliko tisuća linija po milimetru i objašnjava zašto refleksijski hologrami traže medije iz najvišeg razreda razlučivosti.
Zauzvrat dolazi velika prednost. Slojevi pruga leže jedan iznad drugoga kroz cijelu debljinu emulzije, pa se hologram ponaša kao niz poluprozirnih zrcala razmaknutih točno za polovicu valne duljine. Takav niz odbija samo onu boju za koju je razmak usklađen, a sve ostale propušta. Posljedica je da se refleksijski hologram može gledati u običnoj bijeloj svjetlosti: on iz nje sam izabere svoju boju. Načelo je isto ono kojim je Gabriel Lippmann davno prije izveo prvu postojanu fotografiju u boji.
| Obilježje | Transmisijski | Refleksijski |
|---|---|---|
| Smjer zraka | obje s iste strane medija | s dviju suprotnih strana |
| Razmak pruga | oko 1 µm pri kutu od 15° | ispod 0,2 µm |
| Položaj pruga | gotovo okomito na plohu | gotovo usporedno s plohom |
| Zahtjev na medij | 3000 linija/mm dostaje | traži 5000 linija/mm |
| Osvjetljenje pri gledanju | laser ili vrlo uska boja | obična bijela žarulja |
| Boja slike | ovisi o boji rasvjete | određena razmakom slojeva u sloju |
| Tipična primjena | laboratorij, mjerenja | izložbe, zaštitne oznake, nakit |
U tablici se krije i jedna zamka. Kod refleksijskog holograma boja slike ovisi o razmaku slojeva, a taj se razmak mijenja ako se emulzija pri obradi stegne ili nabubri. Hologram snimljen zelenim laserom nakon obrade zna se pojaviti u žutoj ili narančastoj boji. Zato se mediji namjerno pripremaju tako da se stezanje predvidi i unaprijed nadoknadi.
Mediji i debljina sloja
Za zapis se koriste dvije glavne skupine materijala. Srebrni halid (silver halide) je emulzija vrlo sitnih zrnaca srebrnih soli, srodna klasičnom fotografskom filmu, ali sa zrncima desetak puta manjima. Razvija se mokrim postupkom i daje zacrnjenje ondje gdje je svjetlost pala, dakle amplitudni zapis. Dodatnim postupkom izbjeljivanja zacrnjeno se srebro pretvara u prozirni spoj drugog lomnog indeksa i zapis postaje fazni, čime se učinkovitost višestruko poveća.
Fotopolimer (photopolymer) je sloj u kojem svjetlost pokreće umrežavanje molekula. Ondje gdje je svjetla bilo više, gustoća i lomni indeks se promijene. Nema mokre obrade: sloj se nakon snimanja samo ravnomjerno osvijetli da se reakcija dovrši. Fotopolimeri su zato praktičniji za rad izvan tamne komore i drže mjere bolje od emulzije, ali su manje osjetljivi, pa osvjetljavanje traje dulje.
| Medij | Razlučivost | Debljina sloja | Vrsta zapisa | Napomena |
|---|---|---|---|---|
| srebrni halid, razvijen | 3000–5000 linija/mm | 6–10 µm | amplitudni | najosjetljiviji, ali upija svjetlost |
| srebrni halid, izbijeljen | 3000–5000 linija/mm | 6–10 µm | fazni | bitno svjetlija slika uz istu rasvjetu |
| fotopolimer | 3000–5000 linija/mm | 10–30 µm | fazni | suha obrada, dobra postojanost mjera |
| dikromatirana želatina | preko 5000 linija/mm | 10–20 µm | fazni | najveća učinkovitost, osjetljiva na vlagu |
| fotorezist | 3000 linija/mm | 1–2 µm | reljefni | matrica za otiskivanje u foliju |
Debljina sloja odlučuje o tome ponaša li se zapis kao tanki ili kao volumni. Granica nije oštra, ali vrijedi pravilo: ako je sloj deblji od nekoliko desetaka razmaka pruga, zapis je volumni. Tanki zapis skreće svjetlost u više redova odjednom i time je rasipa; volumni zapis skreće gotovo sve u jedan smjer, ali samo ako su i kut i boja osvjetljenja pogođeni.
Otiskivanje u foliju spada u posebnu skupinu. Uzorak se najprije snimi u fotorezist, iz njega se galvanski izradi metalna matrica, a matricom se reljef utisne u tanku plastičnu foliju presvučenu zrcalnim slojem. Tako nastaju zaštitne oznake na dokumentima i ambalaži: milijuni primjeraka jednog jedinog snimljenog holograma.
Difrakcijska učinkovitost
Difrakcijska učinkovitost (diffraction efficiency) udio je upadne svjetlosti koju hologram skrene u obnovljenu sliku. Ostatak prolazi neskrenut, odbija se ili se upije u mediju. Ona je najvažnije mjerilo kakvoće zapisa jer izravno određuje koliko je slika svijetla.
Vrijednosti se razlikuju po redovima veličine, a najviše ovise o tome je li zapis amplitudni ili fazni i je li sloj tanak ili volumni. Tanki amplitudni zapis, u kojem je obavijest spremljena kao razlika zacrnjenja, teorijski ne može prijeći oko 6 %: zacrnjeni dio svjetlost upija umjesto da je skreće. Izbjeljivanjem isti srebrnohalidni sloj postaje tanki fazni zapis, teorijska mu granica raste na oko 34 %, a u dobroj izvedbi doseže do 30 %. Debeli, volumni fazni zapis doseže do 90 %. Razlika se vidi golim okom: slaba slika traži zamračenu prostoriju, dobra se gleda uz uključenu rasvjetu.
Odaberite vrstu zapisa, debljinu sloja i osvjetljenje pri gledanju. Prikaz procjenjuje difrakcijsku učinkovitost, udio dosegnute gornje vrijednosti i količinu svjetlosti koja odlazi u obnovljenu sliku.
U prikazu se dobro vidi zašto debljina sloja nije uvijek prednost. Kod tankog faznog zapisa učinkovitost brzo dosegne svoju granicu i dalje ne raste, a deblji sloj samo upija više svjetlosti. Kod volumnog zapisa učinkovitost raste sporije, ali dulje, i tek pri dvadesetak mikrometara prilazi svojoj gornjoj vrijednosti.
Treći izlaz pretvara učinkovitost u svjetlost koja doista dođe do oka. Za tanki fazni sloj debljine 12 µm pri osvjetljenju od 500 lx učinkovitost je oko 30 %, pa u sliku odlazi blizu 150 lx. To je dovoljno za gledanje u polumraku, ali malo za radionicu u kojoj je 500 lx i sama pozadina. Pravilo je jednostavno: obnovljena slika mora biti osjetno svjetlija od svega oko sebe, inače se gubi.
Uvjeti gledanja i odlomak holograma
Hologram se ne gleda bilo kako. Tri uvjeta moraju biti ispunjena istodobno. Smjer osvjetljenja mora biti blizak smjeru referentne zrake pri snimanju; odstupanje od desetak stupnjeva izobličuje sliku, veće je ugasi. Boja mora odgovarati onoj pri snimanju, osim kod volumnog zapisa koji je sam bira. Veličina izvora mora biti mala: svjetlo iz točkastog izvora daje oštru sliku, a iz široke svjetleće plohe mutnu, jer se mnogo neznatno različitih slika preklopi.
Primjer
Zaštitna oznaka na osobnoj iskaznici pod stropnom rasvjetom izgleda mutno i blijedo. Pod svjetiljkom mobitela, koja je gotovo točkast izvor, odjednom postaje oštra i jarka. Nije se promijenio hologram nego izvor svjetlosti.
Iz načina zapisa slijedi i svojstvo koje najviše iznenađuje. Svjetlost sa svake točke predmeta pri snimanju je pala na cijelu plohu medija, pa je podatak o toj točki razmazan preko cijelog zapisa. Ako se hologram razlomi, svaki odlomak i dalje sadrži cijelu sliku. Gubi se samo dvoje: slika postaje tamnija, jer manja ploha skreće manje svjetlosti, i sužava se raspon kutova iz kojih se predmet može promatrati.
Usporedba koja pomaže: odlomak holograma je kao pogled kroz manji prozor. Kroz mali prozor vidi se cijela soba, samo ne odjednom i ne sa svih strana. Kod obične fotografije razrezane na dijelove svaki komad nosi samo svoj isječak slike — razlika je upravo u tome što fotografija bilježi mjesto, a hologram val.
Za projekt HT-1 ova jedinica daje jedan izravan zaključak. Klasični hologram nije rješenje za prikaz robotske ćelije: ćelija ne postoji, pa se ne može snimiti, a i da postoji, ploha potrebna za prikaz u mjerilu 1:1 bila bi nezamisliva. Put vodi preko izračunanog holograma i preko uređaja, o čemu govore sljedeće jedinice.
Ključni pojmovi
| Pojam | Značenje |
|---|---|
| Razdjelnik zrake | Poluprozirno zrcalo koje jednu zraku dijeli na referentnu i objektnu. |
| Transmisijski hologram | Zapis nastao zrakama s iste strane medija; gleda se kroz ploču. |
| Refleksijski hologram | Zapis nastao zrakama s dviju strana; vidljiv u bijeloj svjetlosti. |
| Amplitudni zapis | Zapis u obliku razlike zacrnjenja; upija dio svjetlosti. |
| Fazni zapis | Zapis u obliku razlike lomnog indeksa; znatno je učinkovitiji. |
| Difrakcijska učinkovitost | Udio upadne svjetlosti skrenut u obnovljenu sliku. |
| Volumni zapis | Zapis kroz debljinu sloja koji skreće svjetlost samo pri pravom kutu i boji. |
Provjeri se
Kratka provjera prije prelaska na sljedeću jedinicu. Odgovor se potvrđuje klikom, a obrazloženje se prikazuje odmah.
Pitanje 1 od 6
Koja je uloga referentne zrake?
Bez neometane zrake razlika faza ne bi imala prema čemu biti izmjerena.
Pitanje 2 od 6
Kod refleksijskog holograma zrake dolaze:
Zbog toga su slojevi pruga gotovo usporedni s plohom i biraju boju iz bijele svjetlosti.
Pitanje 3 od 6
Koliku difrakcijsku učinkovitost teorijski može postići tanki amplitudni zapis?
Izbjeljivanjem isti sloj postaje tanki fazni zapis i granica raste na oko 34 %, a volumni fazni zapis doseže do 90 %.
Pitanje 4 od 6
Zašto se transmisijski hologram teško gleda u bijeloj svjetlosti?
Slike u raznim bojama razmaknu se i preklope u mutnu duginu mrlju.
Pitanje 5 od 6
Što se dogodi kad se hologram razlomi na komade?
Podatak o svakoj točki predmeta razmazan je po cijeloj plohi zapisa.
Pitanje 6 od 6
Koji medij ne traži mokru obradu nakon snimanja?
Fotopolimer se nakon snimanja samo ravnomjerno osvijetli da se reakcija dovrši.
Odgovoreno 0 od 6.