Bevezetés
A holográfia, Gábor Dénes Nobel-díjas tudósunk felfedezése, jó fél évszázada indult hódító útjára, és azóta is egyedülálló azzal a tökéletes, a szem képességeit is messze meghaladó hitelességgel, amellyel valóban háromdimenziós képet hoz létre. Ezek a képek sok mindenre alkalmasak, amelyből a jelen cikk indításként a lenyűgöző látványkeltést, lényegi részként pedig a holografikus méréstechnikát ragadja ki. Befejezésként kitekintünk napjaink digitális világának legújabb, digitális holográfia-formációjára. Mindehhez az illusztrációs hátteret a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Fizika Tanszékén végzett kutatások és fejlesztések eredményei szolgáltatják.
A Fizika Tanszéken három évtizede alapította meg Füzessy Zoltán professzor a Koherens Optikai Laboratóriumot (KOL), amely a holográfia mint méréstechnika ipari alkalmazását az elsők között tűzte ki céljául. Mellékcélként volt jelen mindvégig a látványholográfia, mintegy a szárazabb méréstechnikai hologramok üdítő ellenpontjaként. A KOL átalakulása után ennek egyik utódszervezete lett a lassan évtizedes múlthoz közelítő, a szerző által vezetett Holográfia Csoport. A KOL alapítója segítségével, a folytonosságot megtartva vitte tovább mindkét irányvonalat. A Holográfia Csoport tevékenységének legújabb eredményeit mutatjuk most be: két aktuális látványhologramot, és a mérési részről a különbségi holografikus interferometriát s a "kirakós" holografikus interferometriát, továbbá a "kirakós" technika lehetőségét a digitális holográfia kiterjesztésében.
A holográfia (és látványholográfia) alapjai
A holográfia "röviden" háromdimenziós képrögzítési és -rekonstruálási eljárás, igazán röviden és talán költőibben: a hologram egy "emlékező ablak". A hologramlemezen mint teljesen átlátszó ablakon áttekintve a szemlélő a maga tökéletes térbeliségében látja a rögzített és rekonstruált tárgyat - az "ablak" keretei által adott határok között. A rekonstrukció a hologramlemez megvilágítását jelenti megfelelő fényforrással. A rögzítésen pedig a hologramlemez mint fotólemez megvilágítása, exponálása értendő. A két lépés között van a hologramlemez fotólemezekhez hasonló előhívása.
A holografikus rögzítéshez nem szükséges lencsés leképezés, a tárgyról érkező, szóródó hullámfrontot egy másik, ún. referencia-hullámfronttal kódoljuk, "rögzítjük" - kölcsönhatásuk, azaz interferenciájuk révén. Ehhez mindkét hullámnak koherensnek kell lennie, a gyakorlatban egy lézerből kell származnia. A hologramlemez síkjában az interferencia eredményeképpen foltos, ún. lézerszemcsés háttéren töredezett csíkrendszer keletkezik - ha nagy nagyítással megnézzük. Ez exponálódik rá a hologramlemezre, ez hívódik elő a fotókémiai előhívás során - és ezen a töredezett csíkrendszeren hajlik el, azaz diffraktálódik a lézerfény, amikor rekonstrukciókor a hologramot a változatlan referencia-hullámfronttal megvilágítjuk.
Gábor Dénes levezette s kísérletileg igazolta, hogy a diffrakcióval keletkező hullámfrontok egyike tökéletesen megegyezik azzal a hullámfronttal, amely felvételkor a hologramlemezre érkezett a tárgyról. Ezt megfigyelve a megfigyelő képtelen eldönteni, hogy az eredeti lézerfénnyel megvilágított tárgyat látja, vagy a tárgy hűlt helyén a hologram által rekonstruált másolatot. A hologram előtt mozogva a rekonstruált kép távlati sajátosságai, az elöl lévő részek által keltett takarások pontosan ugyanúgy változnak, mint a valóságban.
Szokásos esetben a hologram felvétele és rekonstrukciója egyaránt lézerfényt használ, de elérhető, hogy a rekonstrukcióhoz közönséges fehér fényű lámpa is megfeleljen. Ehhez speciális, vastag rögzítőanyagot kell használni, amely mélységében is rögzíti az interferenciamezőt. Ekkor már a lézeres laboratóriumban készült hologramok a nagyközönség elé is kerülhetnek kiállítási tárgyként.
A térbeliség érzete akkor a legmegdöbbentőbb, ha több hologrammal egyszerre állítjuk elő a tárgy képét - a tárgyat több, esetleg minden oldalról megmutatva. Az 1. ábrán ezt szemléltetjük a Szent Koronát megjelenítő négyoldalú, teljesen körbejárható "hologram-vitrinnel", illetve a Neumann Jánost ábrázoló háromoldalú holografikus "fényszoborral". Az előbbire kissé felülről nézve közvetlenül érzékelhetjük a benne lévő meglepő ürességet, az utóbbinál ugyanezt az ellentmondást a szándékosan nyílást hagyó, a látványt megszakító illesztésekkel tettük még feltűnőbbé.
A holografikus interferometria alapjai
Mint említettük, a holografikusan rekonstruált képek a szem képességeit is messze meghaladóan hitelesek - nevezetesen a képpontok nemcsak tökéletesen helyükön vannak, hanem még a róluk érkező fény fázisa is eredeti. Ez a fázis az eredeti tárgypont és a megvilágító hullámfront-forrás, továbbá a megfigyelő eszköz viszonylagos helyzetétől függ. Ha a tárgypont kicsit, akár csak a fényhullámhossz töredékével is elmozdul, új helyéről már más fázissal érkezik a fény a megfigyelőhöz. Ugyanarról a tárgyról ugyanarra a hologramlemezre egyszerre két felvételt készítve; egyet a tárgy eredeti helyzetében és egyet elmozdult helyzetében, a rekonstrukciókor a két kép fénye találkozik és interferál egymással. Ennek eredményeképpen a kis elmozdulásoknál a szemlélő számára még teljesen összeesőnek tűnő képpárt sötét és világos csíkok mintázzák be.
Ezek a csíkok hasonlóan, mint a magasságszintvonalak a térképen, itt az azonos elmozdulású pontokat kötik össze - általában félhullámhossznyi, azaz jóval fél mikrométer alatti lépésközzel. Ez a holografikus interferometriai elmozdulás-, illetve általánosabban deformációmérés. Teljesen hasonló elven működik átlátszó tárgyak esetében a törésmutató változásának mérése, és ettől csak kissé eltérően az alakmérés. A 2. ábrán egy membrán közel szimmetrikus deformációjának, középponti kidudorodásának csíkrendszere látható, mellette pedig egy kissé megdőlt csúcsos membránalak magasságszintvonalai, szintén interferometrikus csíkok formájában.
Különbségi holografikus interferometria (KHI)
A holografikus interferometria, mint láttuk, nagy érzékenységű, természetesen érintésmentes és ráadásul "teljesfelületi" is - azaz minden pontban egyszerre mér a megvilágított felületen. Ez utóbbi nagy előny azonban párosul egy nagy hátránnyal is. A teljes csíkrendszert egyszerre, egyben kell tudni megfigyelni ahhoz, hogy a "szintvonalak" értelmezhetőek, vagyis leszámolhatóak legyenek. Az interferenciacsíkok viszont a technika nagy érzékenysége miatt nagyon gyorsan besűrűsödnek, láthatatlanul sűrűvé válnak - nagyítás nélkül. A nagyítás viszont lecsökkenti az egyben megfigyelhető képet, elvész a "teljesfelületiség" előnye. A képrészletek összeillesztése nehezen megoldható feladat, mert azoknak az emberi szem számára jellegtelen, zavaros struktúrájuk van: hasonló szemcsék és csíkok egymás hegyén-hátán.
A KHI az egyik megoldás, legalábbis két tárgy összehasonlítása esetén: optikai kivonással oldja fel ezt a problémát. Ehhez holografikus megvilágítást használ a holografikus interferometriában: mondhatjuk, holográfia a négyzeten! Az összehasonlítási alapul szolgáló mestertárgy holografikus képeivel világítja meg a vizsgálandó teszttárgyat. Így közvetlenül csak a két tárgy deformációjának különbsége jelenik meg az interferometrikus csíkrendszer révén - amely kis különbségek esetén már megfelelően ritka lehet. Ez látható a 3. ábra fotótechnikailag összeillesztett képein, két membrán hasonló deformációjakor. A felső fél a mestertárgy csíkrendszerének darabja, a bal alsó rész a teszttárgyhoz tartozik, a jobb alsó rész pedig a keresett különbség.
"Kirakós" holografikus interferometria (KirHI)
A KirHI a másik, csak napjaink számítógépes környezete által lehetővé tett megoldás a sűrű csíkrendszerek elleni harcban. Ez a technika mégis megpróbálkozik a kinagyított jellegtelen képrészletek pontos, "kirakós" összeillesztésével, és sikerrel - videokamerás képbevitellel és számítógépes képfeldolgozással (korrelációszámítással). Időigényes, de egyetlen tárgyra is alkalmazható technika, és nem csak összehasonlításban működik. A 4. ábra mutatja egy deformációmérés így összerakott csíkrendszerét, amely 10x12 darab videokép együttese. A csíkok sokaságát képtelenség ekkora méretben felbonthatóan megmutatni, de a többet megmutató nagyított részlet jelezheti, hogy a "mélyben" valóban ott látható a leszámolhatóan rengeteg interferometrikus csík.
A digitális holográfia "kirakós" kiterjesztési lehetősége
A digitális holográfia igazából talán csak félig valós holográfia, mert a holográfia második lépése már csak a digitális térben zajlik le. A hologramsíkban keletkező szemcsés hátterű töredezett csíkrendszert nem fotólemez, hanem videokamera rögzíti, azaz olvassa be a számítógépbe. Innen már valódi fénnyel való megvilágításról nincs is szó, hanem csak kiszámolják, hogy mi történne akkor, és milyen is lenne a rekonstruált kép. Ennek nagy előnye a hosszadalmas fotókémiai hívás elhagyása, s a digitális megközelítés kínálta páratlan rugalmasság. Nagy hátránya viszont a videokamerák ma még igen kicsi felbontása és érzékelőelemük igen kis mérete - legalábbis a fotólemezekhez viszonyítva.
A Holográfia Csoport jelenleg a KirHI "kirakós" technikájának a digitális holográfiába történő átültetésén dolgozik, hogy azzal az előbbi hátrányt csökkentse. A videokamerás egylépéses hologram-beolvasást akarja felváltani nagyítással összekötött, részenkénti beolvasással és számítógépes összeillesztésekkel. Az első eredmények biztatóak, már sikerült egy videokamera méretét így, mintegy virtuálisan, megnyolcszorozni.
A bemutatott eredmények elérését, a kutatási eszközpark összeállását OMFB/OM, OTKA, MÜFA, IKMA és egyéb pályázati támogatások sora tette lehetővé az elmúlt három évtizedben. Az utóbbi évek támogatásai közül kiemelendők az OTKA T015778 és T025677 pályázatok. A jelen és a vázolt közeljövő kutatásai a GVOP-3.1.1.-2004-05-0403/3.0 pályázati támogatáson alapulnak.
Az itt bemutatott eredmények elérésében Füzessy Zoltán és a szerző mellett meghatározó szerepet vivő munkatársak voltak még Ráczkevi Béla és Borbély Venczel (PhD-hallgató), továbbá sok egyetemi hallgató diplomamunka- és TDK-tevékenysége is kapcsolódott hozzá.
Kulcsszavak: holográfia, holografikus interferometria, különbségi holografikus interferometria, kirakós holografikus interferometria
IRODALOM
Füzessy Z. - Gyímesi F. (1984): Optical Engineering. 23, 780-785.
Gábor D. (1976): Válogatott tanulmányok. Gondolat, Budapest
Gyímesi F. - Füzessy Z. - Ráczkevi B. (2000): Difference Holographic Interferometry. In: Rastogi, P. - Inaudi, D. (eds.): Trends in Optical Nondestructive Testing and Inspection. Elsevier Science, Oxford, 129-140.
Gyímesi F. - Borbély V. - Ráczkevi B. - Füzessy Z. (2004): Journal of Holography and Speckle. 1, 39-45.
Kreis T. (1996): Holographic Interferometry, Principles and Methods. Akademie Verlag, Berlin
