هولوگرافی (تمام نگاری)
تمام‌نگاری از نظر ثبت اطلاعات مربوط به یک صحنه و منظره بر روی فیلم، به عکاسی شباهت دارد اما شیوه‌ها و وسایل کار برای ایجاد تصویر همچون خود مقادیر به دست آمده کاملاً متفاوتند. در عکاسی متعارف تصویری که از یک منظره و صحنه به دست می‌آید، چه عکس باشد یا اسلاید به هر حال تصویری است که نهایتا ایجاد می‌شود.
اطلاعات مربوط به هر سه بُعد ثبت شده است و ناظر از تماشای تمام‌نگاشت احساس برجستگی در تصویر می‌کند. حتی بیش از آنچه در برجسته‌نمایی (استرئوسکوپی) معمول است بُعد در برجسته نمایی را با تعبیری می‌شود بعد کاذب نامید. چون فقط از یک زاویه یعنی همان زاویه‌ای که دوربین‌ها موقع عکسبرداری، مستقر بوده، می‌شود تصویر را مشاهده کرد. در حالی که در تمام‌نگاری منظره بازسازی شده را از زوایای متعدد می‌توان دید و ناظر با حرکت دادن سر خود اثر ناشی از اختلاف منظر با جابجایی روشنایی نسبت به هم را حس خواهد کرد.
در سال ۱۹۴۷ دنیس گابور دانشمند انگلیسی تمام‌نگاری را پیش‌بینی کرد، ولی نتوانست این امر را به طور عملی به نمایش در آورد. این کار به اجبار تا اوایل سالها ۱۹۶۰ یعنی زمان اختراع نوع خاصی از منبع نور لیزر، به تعویق افتاد.
تمام‌نگاری با نور همدوس لیزر
تهیه تمام‌نگاشت (هولوگرام) و ثبت تصویر مانند آنچه برای ثبت تصاویر متعارف عکاسی معمول است روی فیلم حساس عکاسی انجام می‌گیرد، اما برای درک تفاوت میان دو شیوه لازم است طبیعت نور بررسی شود.
- نور مرئی: نور مرئی شکلی از تابش الکترومغناطیسی است و با سرعت ۳۰۰ هزار کیلومتر در ثانیه حرکت می‌کند. از سوی دیگر می‌دانیم که فاصله دو بر آمدگی در حرکت موجی را طول موج و تعداد برآمدگی هایی را که در هر ثانیه از یک نقطه معین می‌گذرد فرکانس یا بسامد حرکت موج می‌نامند. حاصل ضرب بسامد در طول موج نیز سرعت انتشار خوانده می‌شود و چون سرعت انتشار نور ثابت است می‌توان گفت که در بسامد بالا طول موج ها کوتاه ترند.
- منابع نوری که در عکّاسی متعارف از آن ها استفاده می‌شود، نور خورشید یا روشنایی حاصل از چراغ های برق است. فرکانس این نوع منابع نور، بسیار گسترده است. و نورهای فرابنفش تا فروسرخ را در بر می‌گیرد. به دلیل ماهیت نا منظم نور سفید از این نوع نور نمی‌توان برای ثبت اطلاعات مربوط به عمق منظره یا صفحه استفاده کرد.
- برای ثبت اطلاعات مربوط به عمق منظره یا صفحه، منبع نور مورد استفاده باید از نوع تک فرکانسی باشد، یعنی تک رنگ باشد که چنین تابش نوری را ابزار لیزری منتشر می‌کنند.
ثبت تمام‌نگاشت
چون تابش لیزر منظم یعنی تکرنگ و همدوس است، جزئیات صحنه‌ای که چنین نوری بر آن می‌تابد، با دقت تمام روی فیلم عکاسی منتقل می‌شود. موجی که از بخش‌های دورتر صحنه به فیلم می‌تابد نسبت به موج مربوط به بخش های نزدیکتر صحنه تأخیر خواهد داشت. همین امر روی فیلم ثبت می‌شود. برای ثبت یک باریکه مبنا (reference beam) نیاز خواهد بود تا روابط فازی باریکه ما با هم مقایسه شوند. این کار با تقسیم کردن پرتو لیزر به دو بخش به دست می‌آید. بخشی از باریکه به سمت صفحه مورد نظر هدف گیری می‌شود و باریکه منعکس شده از صفحه با بخش دیگری از باریکه که مستقیما به فیلم عکاسی می‌تابد، مقایسه می‌شود. پرتوهای تابشی در محلی که به هم می‌رسند با هم تداخل خواهند کرد.
ثبت هولوگرام
هنگامی که شکمهای دو موج بر هم منطبق می‌شوند. شدت با دامنه انرژی موج افزایش می‌یابد. این حالت را تداخل می‌نامند. وقتی شکم یک موج بر حداقل وضعیت موج دوم تطبیق می‌کند، چگالی کاهش می‌یابد. تداخل سازنده وقتی رخ می‌دهد که هر دو موج به طور هم فاز نسبت به هم به یک نقطه برسند. تداخل ویرانگر هنگامی اتفاق می‌افتد که فیزیک امواج غیر هم فاز باشند. هر چند هر دو این امواج که با یکدیگر برخورد می‌کنند با گذشت زمان تغییر می‌کنند، اما دامنه‌های به دست آمده در صفحه تمام‌نگاری با زمان تغییر نمی‌کنند این مسئله به این معناست که الگوی امواج ساکن به وجود می‌آید و همین امواج ساکن هستند که در فیلم عکاسی ثبت می‌شوند. علاوه بر این، الگوی ثبت شده شامل اطلاعات دامنه و فاز باریکه تابشی است. در یک عکس متعارف فقط دامنه‌های نوری که به فیلم می رسند ثبت می‌شود.
ماهیت هولوگرام
اگر بخواهید یک هولوگرام را ببینید، نیازی نیست از کیف پولتان جای دورتری بروید! هولوگرام‌ها را در تمام کارت‌های اعتباری، راهنمایی رانندگی و کارت‌های شناسایی می‌بینید. هولوگرام‌ها را بر روی جعبه‌های سی‌دی، دی وی دی و کالاهای استاندارد می‌بینید. متأسفانه این نوع هولوگرام‌ها چندان گیرا نیستند (ولی برای جلوگیری از ورود اجناس تقلبی یا شناخت آنها در بازار فروش بسیار ابزار مؤثری است). اگر آنها را کمی در راستای دید حرکت دهید رنگ و شکلی که در یک راستا می‌دیدید با جهت دیگر فرق می‌کند، ولی این تغییرات در حد زیادی نیستند.
هولوگرام ها جدای از این‌که در بازار بر روی کالاها دیده می‌شوند، به صورت پوستر یا تصاویر قهرمان های فیلم‌ها یا کتاب های کودکان و نوجوانان هم هستند. از طرف دیگر هولوگرام هایی هم در ابعاد بزرگ تولید می‌شوند که با لیزرها و یا در اتاق تاریک با یک نور که فقط به آنها می تابد. این نوع بسیار جالب هستند! سطوح دو بعدی دارند که تصویر واقعی سه بعدی را دقیقاً به نمایش می‌گذارد. حتی نیازی نیست برای دیدن آنها از عینک های خاص یا عدسی های ویژه تصاویر سه بُعدی برای دیدن سه بُعد استفاده کنید. اگر از زوایای مختلف به تصاویر در هولوگرام نگاه کنید، آن ها را در عمق های متفاوتی خواهید دید؛ درست مثل این‌که به اجرام واقعی نگاه می‌کنید. برخی هولوگرام‌ها حتی وقتی شما فاصله خود را با آنها تغییر می‌دهید، به نظر حرکت می‌کنند؛ این بستگی به چگونگی نگاه شما دارد. اگر هولوگرام را نصف کنیم. و این کار را حتی چند بار تکرار کنیم، همچنان تصویر اصلی قبلی را در اندازهای کوچک‌تر خواهیم دید. هولوگرام‌ها ویژگیهای جالب دیگری هم دارند. اگر یکی از آنها را نصف کنید، هر نیمه شامل کُل تصویر هولوگرام است!! حتی اگر یک بخش کوچکی از آن را جدا کنید، هم همین اتفاق خواهد افتاد. (حتی بخش کوچکی از آن هم کُل تصویر را در خود دارد). جالب‌تر این‌که اگر هولوگرامی از شیشه ذره‌بینی شکل درست کنید، همه تصاویر در هولوگرام درست مانند خود جسم بزرگ دیده می‌شوند. زمانی اصول هولوگرام را می‌دانید که بفهمید چگونه و به چه سادگی می‌توان هولوگرام را ساخت! همه این اصول مستقیماً به فرایند تولید و استفاده آن مربوط می‌شود. ببینیم این فرایند چگونه است.
گذر و انعکاس
دو دسته هولوگرام داریم: گذری و بازتابی. هولوگرام‌های گذری وقتی نور تک رنگ (فقط با یک طول موج) به آنها برخورد می‌کند، تصویر ۳ بعدی تولید می‌کنند. هولوگرام‌های بازتابی وقتی لیزر یا نور سفید از سطح آنها منعکس می‌شود، این تصویر سه بعدی را تولید می‌کنند.
ساختن هولوگرام
برای ساختن هولوگرام نیازی به ابزار زیادی نیست. به راحتی می‌توانید یکی برای خودتان با ابزارهای زیر بسازید.
لیزر: لیزرهای واقعی معمولا هلیم-نئون (HeNe) در هولوگرافی زیاد به کار می روند. بسیاری در منزل از لیزرهای به اصطلاح نشان‌گر (pointer) استفاده می‌کنند، ولی نور حاصل از آنها کم‌تر همدوس وپایا باقی می‌ماند؛ در نتیجه تصویر به ندرت خوب از آب در می‌آید. برخی از انواع لیزر هستند که از لیزرهایی با رنگ‌های مختلف استفاده می‌کنند. بسته به نوع لیزری که استفاده می‌کنید نیاز به شاتر یا نوردهی معینی دارید (این اصطلاح در عکاسی و دوربین‌ها رایج است. یعنی زمان نوردهی هر تصویری که می‌خواهید بگیرید).
عدسی‌ها: اغلب مردم تصور می‌کنند که هولوگرافی عکاسی بدون لنز است. در حالی که این‌جا هم به لنز نیاز هست. با این تفاوت که در دوربین‌ها عدسی یا لنز، نور را کانونی می‌کند ولی در هولوگرافی لنزها باعث می‌شوند نور رسیده پخش شود.
نوفه یا باریکه جداکننده: این ابزاری است که آینه‌ها و منشورهایی دارد تا یک نوفه یا باریکه نور را به دو باریکه تبدیل می‌کند.
آینه‌ها: باریکه‌های مستقیم نور برای تصحیح مکان به کار می‌روند. آینه‌ها باید کاملا تمیز باشند. غبار یا کثیف بودن آنها روی تصویر نهایی تأثیر منفی دارد.
فیلم هولوگرافی: فیلم هولوگرافی می‌تواند نور را با کیفیت بالا ثبت کند (ثبت نور برای ساختن هولوگرام ضروری است). در واقع لایه‌ای است که سطح آن به نور حساس بوده و بر روی سطح شفافی مانند فلیم عکاسی قرار می‌گیرد. تفاوت بین فیلم هولوگرافی و عکاسی این است که فیلم هولوگرافی باید قادر باشد تا تغییرات خیلی کوچک را که در فاصله‌های میکروسکپی اتفاق می‌افتد، ثبت کند. به عبارت دیگر باید دانه بندی خیلی خوبی داشته باشد. در برخی حالت‌ها هولوگرام‌هایی که لیزر قرمز استفاده می‌کنند، براساس امولسیونی هستند که به نور قرمز بسیار حساس هستند.
شمایه کلی هولوگرام
اگربخواهیم اشاره ای به روند یک سیستم هولوگرافی داشته باشیم مراحلی را باید به دقت مدنظر قرار دهیم که عبارتند از: ۱. لیزر باریکه نور را نشانه می‌رود که باریکه نور را به دو بخش تقسیم می‌کند. ۲. آینه‌ها مسیر این دو باریکه را مستقیم می‌کند، به‌طوریکه به هدف‌های ثابتی برخورد می‌کند. ۳. هر کدام از دو باریکه از عدسی‌های می‌گذرد، و نوار گسترده‌ای نور می‌شود. ۴. یک باریکه پرتو، از خود جسم منعکس شده و به امولسیون عکاسی می‌رسد. ۵. باریکه دیگر، باریکه بازگشتی، بدون انعکاس از هیچ آینه‌ای به امولسیون برخورد می‌کند. برای گرفتن عکس مطلوب باید فضای مناسبی هم داشته باشید. برخی از روش‌ها فراتر از ابزار در دسترس شما هستند. اتاق تاریک‌تر بهتر است. در اتاق تاریک نور مناسب معمولا قرمز است و در هولوگرافی هم از این نور استفاده می‌شود. هرچند در هولوگرافی نورهای سبز و آبی – سبز هم استفاده می‌شود.
میز هولوگرافی
در هولوگرافی نیاز به میزی با پایه‌های بسیار ثابت و بدون حرکت دارید. آزمایشگاه‌های هولوگرافی و استودیوهای حرفه‌ای اغلب از میزهایی استفاده می‌کنند که شکل لانه زنبور بوده و لایه‌های دارند که روی پایه‌های لاستیکی بادی قرار گرفته‌است. این پایه‌ها یا تیوب‌ها زیر بخش بالایی سطح میز قرار دارند، و ارتعاش‌ها را خنثی می‌کنند. شما هم می‌توانید هولوگرام را با قرار دادن تیوپ‌ها در بخش زیرین میز یا زیر شیشه آن درست کنید. بعد از قرار دادن تیوپ‌ها باید یک لایه ضخیمی از شن را بالای آن قرار دهید. شن و تیوپ‌ها نقش همان میزهای حرفه‌ای لانه زنبوری را انجام می‌دهند. اگر فضای کافی برای چنین میز بزرگی ندارید، می‌توانید با قرار دادن بطری‌های شن یا شکر برای نگه‌داشتن هرکدام از بخش‌های ابزار استفاده کنید. برای وضوح بهتر هولوگرام‌ها، باید حتی الامکان از هرگونه ارتعاش حتی در هوا جلوگیری کرد. حرارت و جریان هوای کولرها یا سیستم‌های تهویه هوا، هوا را کاملاً جابه‌جا می‌کنند و در نتیجه می‌توانند دمای بدن یا خود شما را کمی حرکت دهند. به این دلیل باید این نوع سیستم‌های تهویه هوا را خاموش کنید و چند دقیقه‌ای را هم منتظر باشید تا هوا ساکن شده و تأثیری روی هولوگرام و ابزار نداشته باشد. این مراقبت‌های اولیه شبیه زمانی است که می‌خواهید با دوربینی که در دست دارید عکس بگیرید. وقت می‌خواهید شاتر را بزنید اگر بر اثر تنفس یا حرکت دست یا باد کمی دوربین حرکت داشته باشد، عکس کدر و در حال ارتعاش افتاده و عکس خراب می‌شود. ولی در هولوگرام باید بیشتر مراقب این نوع شرایط باشید زیرا با تصویری سرو کار دارید که میکروسکپی است.
طرح تمام‌نگاشت
فیلم تمام‌نگاری ظاهر شده یا تمام‌نگاشت، شباهتی به منظره اصلی یا موضوع اصلی ندارد. هرگاه موضوع مورد عکاسی، صفحه‌ای صاف و منعکس کننده نور باشد، تصویر روی فیلم مجموعه‌ای از رشته‌های روشن و تاریک خواهد بود. حال آنکه تصویر یک نقطه به صورت تعدادی دایره هم مرکز خواهد بود و در واقع تمام‌نگاشت یک منظره به شکل دوایر تیره و روشن است است که با پیچیدگی خاصی بر روی هم قرار گرفته‌اند.
بازسازی صحنه
ثبت تصاویر تمام‌نگاری شیوه‌های گوناگون دارد اما معمولاً تمام‌نگار به صورت شفافه (فیلمی مانند اسلاید) ثبت می‌شود برای ایجاد و بازسازی منظره اصلی باید پرتو نور همدوس مطابق باریکه مبنا که در ثبت تصویر مورد استفاده قرار گرفته‌است بر شفافه تاباند. هرگاه در پشت همین شفافه قرار بگیریم تصویرهای صحنه یا منظره را دوباره خواهیم دید. در واقع پرتو لیزری که تصویر را بازسازی می‌کند، باید عینا مانند پرتو اولیه نباشد. این پرتو به محض عبور از داخل شفافه تمام‌نگاشت از نظر دامنه و فاز تغییر می‌کند. و به این ترتیب تصویر مجازی از جسم ایجاد می‌کند که فقط ناظری که پشت تمام‌نگاشت قرار دارد، آن را می‌بیند.
علاوه بر آن یک تصویر حقیقی نیز در سمتی که ناظر قرار دارد، ظاهر می‌شود. این تصویر را با چشم نمی‌توان دید و برای مشاهده آن باید پرده‌ای را در باریکه کانونی قرار دارد، تا تصویر بر روی آن تشکیل شود. چون رنگ به فرکانس نور بستگی دارد. بنابراین تمام‌نگاری که با استفاده از یک باریکه لیزر به وجود می‌آید تکرنگ خواهد بود. البته با استفاده از سه باریکه لیزر که بسامد آنها مطابق با بسامد نور (رنگ های اصلی قرمز، سبز و آبی) باشد می‌تواند تصویری تمام رنگی ایجاد کرد.
کاربردهای تمام‌نگاری
با توجه به ویژگیهای پرشمار تمام‌نگارها از آنها در صنعت و مهندسی بسیار سود می‌برند. یکی از این ویژگی‌ها این است که می‌توان چندین تمام‌نگاشت را روی یک فیلم ثبت کرد. زاویه باریکه مبنا نسبت به سطح فیلم در عکسبرداریهای گوناگون متفاوت است. از این رو الگوهای تداخلی و ایجاد تصویر هنگامی امکان دارد که فیلم را پس از ثبت و ظهور در برابر تابش پرتو باز سازنده قرار دهیم. این پرتو دقیقااز همان زاویه‌ای بر فیلم می‌تابد که باریکه مبنا تابیده است. بر همین اساس می‌توان با تغییر دادن زاویه تابش نور تصاویر گوناگونی را بر روی یک فیلم ثبت کرد و ناظر می‌تواند با چرخاندن فیلم در برابر باریکه ثابت نور، کلیه تصاویر ثبت شده را یک به یک ببیند. بدین ترتیب از تمام‌نگاری در تمام زمینه‌هایی که به ذخیره و نگهداری اطلاعات مربوط می‌شود می‌توان استفاده کرد.کاربرد دیگر تمام‌نگاری در بررسی اندازه اشیایی است که از روی آن مدل دیگری ساخته‌اند. در واقع اصل شیئ و نسخه بدل را طوری در معرض تابش شعاعهای لیزر قرار می‌دهند که تمام‌نگاشت ایجاد می‌کند. هرگاه اندازه اصل و بدل با یکدیگر متفاوت باشند، الگوهای تداخلی به وجود می‌آورند. از روی همین الگوها اختلاف ها را متوجه می‌شوند. در این شیوه اختلافی به اندازه ۰٫۰۰۰۳ میلیمتر قابل مشاهده و بررسی است. تمام‌نگار از کشفیات نسبتاً جدید است و موارد استفاده از آن در حال افزایش است.
تاریخچه هولوگرافی
در سال ۱۹۴۷دنیس گابور در دانشگاه سلطنتی علوم و تکنولوژی لندن، بر روی ارتقاء میکروسکوپ الکترونی کار می کرد. او به دنبال جوابی برای تصحیح خطای روزنه(شکاف)میکروسکوپ الکترونی بود. پروفسور گابور سعی در جبران خطاهای اجتناب ناپذیر تصویر لنزهای الکترونی با تصحیح تطابق بازسازی سیستم اپتیکی داشت. او موفق به استخراج اطلاعات شدت نور ساطع شده از شیئ شد، اما اطلاعات فاز نور هنوز کافی نبود. تقریبا در سال۱۹۳۵، اف زرنیک ایده ی تبدیل اطلاعات فاز نور به اطلاعات شدت نور به کمک همدوسی را ارائه کرد. تنها مشکل، رمزی کردن الگوی تداخل تولید شده بود.
در بهار سال ۱۹۴۷ پروفسور گابور راه حل را پیدا کرد: برای بازسازی امواج شی ای، ازمنبع نور همدوس برای روشن کردن الگوی تداخل می توان استفاده کرد. او این روش را تمام نگاری (ثبت کامل) که یک واژه یونانی است، نامید. پروفسور گابور در سال ۱۹۷۱به خاطر این کشف جایزه نوبل را دریافت کرد وتا بیست سال بعد در این زمینه فعالیت کرد.
دنیس گابور (Dennis gabor)
دلیل تاخیر در پیشرفت تمام نگاری، نبود منبع نور همدوس پرتوان بود که با اختراع لیزر در سال۱۹۶٠، این مشکل برطرف شد. دلیل دیگر نداشتن صفحه عکاسی با حساسیت بالا بود که خطوط را ثبت کند. تئوری گابور در سال۱۹۶۳در دانشگاه میشیگان توسط امیت لیت و یوریس اپاتنیک بهبود یافت. برای بهبود کیفیت تمام نگاشت، روشی را ابداع کردند که آن را “off-axis” نامیدند. در همان سال دانشمند روسی به نام دنیزیوک روشی رابرای ثبت و بازسازی تصحیح تطابق تمام نگاشت کشف کرد که آن را تمام نگاشت انعکاسی نور سفید نامید. با این روش، آنها توانستند پس از تمام نگاشتهای لیزری، تمام نگاشت را با نور سفید بازسازی کنند. در سال ۱۹۶۵اشتروک و لابری اولین تمام نگاشت رنگی را ساختند. در همان سال دو آمریکایی به نامهای پاول و استنسون به کاربرد تمام نگاری در کنترل و اندازه گیری های فنی پی بردند. تاکنون کاربردهای زیادی از تمام نگاری کشف شده و به نظر می رسد، این شاخه از علم فیزیک آینده درخشانی خواهد داشت.
