*Napomena
Uvod
Holografija je otkrivena 1947. godine. Petnaestak godina poslije, zahvaljujući prvenstveno otkriću lasera, svijetu je predstavljen posve nov način prezentiranja vizualne informacije: prvi put dobivena je prava prostornost bez zamarajućih stereoskopskih rješenja. Iako je od toga vremena do danas razvijeno mnogo tehnika za prezentiranje prostornosti, utjecaj holografije, njezina istodobna jednostavnost i složenost, donekle i misterioznost, bili su takvi da većina današnjih 3D prezentacija nosi prefiks “holo”. No je li sve što vidimo u 3D izdanju holografija? Da bi se razjasnilo koje su njene stvarne mogućnosti danas i ima li neka medijska prezentacija tehnološku podlogu u holografiji ili nekom drugom rješenju ili je tek dobro osmišljen filmski trik, treba krenuti od znanstvenih činjenica.
Holografiju mnogi smatraju čudom modernog doba, koje stvara trodimenzionalne (3D) iluzije u prostoru s prividno neograničenim mogućnostima medijskog prezentiranja. Fascinira atraktivna vizualna prezentacija, holografski virtualni likovi nastaju i nestaju, približavaju se i udaljavaju, sve to praćeno zvučnim imenom tehnologije budućnosti. Treba samo pogledati YouTube i tipičan video uradak, u kojem se odjednom stvori čovjek koji hoda i gestikulira rukama i pritom govori o tome kako je to što upravo vidite posljednji tehnološki izum nastao napornim radom u vrhunskim laboratorijima i poduprt dobro plaćenim projektima. O čemu je zapravo riječ? Što je holografija, kako je nastala, kako se razvijala i što slijedi? Kako se od početnih statičnih 3D scena došlo do pokretnih medijskih prezentacija? O tim i sličnim pitanjima bit će riječi u ovom tekstu, a znanstven pristup problematici trebao bi pomoći u dvojbi je li to što vidimo uopće moguće u ovom trenutku ostvariti holografijom ili je u pitanju nešto drugo. Projicirana slika princeze Leie u filmu Ratovi zvijezda samo je specijalni efekt, ne holografija. Ovdje treba istaknuti da je vizualni aspekt holografije tek jedna primjena te metode (displej). Svrha je ovog teksta razjasniti temeljne pojmove koji su nužni za razumijevanje vizualne informacije i holografije te istaknuti neke aspekte tog izričaja koje svakodnevno susrećemo u životu. Znanstvene i tehničke primjene koje ovdje neće biti spomenute, a zadiru u područja kao što su medicina, bio znanosti, arhitektura ili gotovo svi sektori industrije, omogućene su upravo zahvaljujući velikom potencijalu i perspektivnosti holografskog koncepta.
Vizualna informacija o 3D sceni (kontrast i prostornost)
3D scena (dalje u tekstu: scena) predmet je ili skupina predmeta smještena u prostoru. U stvarnosti, scena sadrži velik broj perceptualnih detalja koji pridonose kompleksnosti vizualne informacije. Različite perspektive daju različit izgled scene – pojava pod nazivom paralaksa. Upotrebom detektora, poput fotoaparata, prostornu informaciju reduciramo na plošnu informaciju koja prikazuje projekciju scene kako je vidimo iz dane perspektive. Perspektiva je odgovorna za to da se određeni predmet čini manjim i sporijim što se više udaljava od detektora. Karakteristika ljudskog opažanja jest stereoskopski vid. Osjećaj dubine ili prostornosti nastaje u dijelu mozga koji nazivamo vizualni korteks i to kao rezultat interpretacije zbroja iskustvenih parametara i stereoskopskog viđenja iste scene. Metoda poznata pod nazivom stereoskopija nastoji oponašati ljudski vid i stoga rezultira neprirodnim rekonstrukcijama koje duljim promatranjem zamaraju promatrača. Zabilježena vizualna informacija o sceni ne smije biti orijentirana na tip promatrača. Promatrač rekonstruirane scene može biti kamera, fotoploča, ljudsko oko ili oko životinje. U svakom slučaju promatrač treba vidjeti isti vizualni sadržaj kao da gleda originalnu scenu. Dakle, treba zabilježiti svjetlosnu raspodjelu koja dolazi sa scene s ciljem da se to isto svjetlosno polje može restaurirati u bilo kojem trenutku i na bilo kojem mjestu. Holografija je tehnika koja taj problem u potpunosti rješava, a od ostalih tehnika, zadovoljavajuće rješenje postiže se i integralnim preslikavanjem.
Temeljni pojmovi o svjetlosti i svjetlosnim pojavama
O pitanjima viđenja i prirode svjetlosti diskutirali su već grčki filozofi. Tako je Aristotel tvrdio da je svjetlost poremećaj u zraku, što navodi na valnu teoriju o prirodi svjetlosti. S druge strane, Demokritovo tumačenje o atomarnom sastavu svih tvari pa tako i svjetlosti, navodi na korpuskularnu teoriju. Uistinu, temeljem brojnih eksperimenata prihvaćena je dualnost prirode svjetlosti. Holografija je manifestacija valnog ponašanja svjetlosti.
Svjetlosni val
Svjetlost je transverzalni elektromagnetski val koji putuje brzinom približno jednakom 300.000 km/s, pri čemu su ravnine titranja električne i magnetske komponente međusobno okomite. Takvo tumačenje o prirodi svjetlosti predložio je J. C. Maxwell 1861. godine, a eksperimentalno potvrdio H. Hertz 1886. godine. Glavne su karakteristike svjetlosnog vala njegova amplituda i faza, pri čemu faza još nosi informaciju o valnoj duljini i frekvenciji, a amplituda o polarizaciji vala. Općenito, možemo pretpostaviti da je amplituda određenog vala konstantna, a da se faza mijenja u vremenu i prostoru. Dakle, vizualna informacija o sceni u bilo kojoj točki prostora opisana je superpozicijom svih svjetlosnih valova koji dolaze s te scene u danu točku prostora. To dolazeće ukupno svjetlosno polje karakterizirano je također tzv. valnom frontom, koja predstavlja plohu konstantne faze okomitu na smjer propagiranja vala. Ovdje možemo govoriti o kontrastu scene, za koji je odgovorna amplituda svjetlosnih valova, i prostornosti, za koju je odgovorna faza svjetlosnih valova. Zanemarit ćemo ostala svojstva, primjerice boju predmeta ili polarizaciju valova.
Detekcija vala
Budući da detektori svjetlosti bilježe iradijanciju – energiju valova koji dolaze u jedinici vremena na površinu detektora, zapisom se fazna informacija gubi. To je razlog zašto plošni zapis (fotografija) scene ne sadrži informaciju o prostornosti. Naime, detekcijom svjetlosnog polja dobije se iradijancija koja je proporcionalna umnošku vala i njegovog kompleksno konjugiranog oblika, pri čemu se fazna informacija gubi. Upravo to se događa standardnim fotografskim zapisom svjetlosnog polja. Dakle, da bismo sačuvali informaciju o prostornosti scene, nije dovoljno detektirati valno polje, treba uvesti dodatni mehanizam.
Koherencija
Svjetlost koju svakodnevno opažamo sastoji se od sume valova koji su međusobno veoma različiti po valnim duljinama, amplitudama i sl. Takva svjetlost naziva se bijela svjetlost. Valna fronta koja dolazi od nekog predmeta osvijetljenog bijelom svjetlošću veoma je komplicirana i ne može se jednostavno matematički opisati. Za razliku od toga, ako je predmet osvijetljen monokromatskom svjetlošću (vremenska koherencija) koja dolazi iz točkastog izvora (prostorna koherencija), dolazeća valna fronta dobro je definirana i može se matematički lako opisati. Za tu rasvjetu kažemo da je koherentna. I prostorna i vremenska koherencija svjetlosnog snopa mogu se mjeriti i to upotrebom Youngovog interferometra (prostorna) i Michelsonovog interferometra (vremenska).
Princip superpozicije
Osnovno je svojstvo valne jednadžbe linearnost. Ako dva vala zadovoljavaju valnu jednadžbu, tada i njihova suma također zadovoljava istu jednadžbu. Iz linearnosti slijedi princip superpozicije, prema kojemu je ukupno valno polje u bilo kojoj točki prostora jednako sumi svih pojedinih svjetlosnih valova. Na principu superpozicije temelje se dvije tipične valne pojave koje također imaju ključnu ulogu u tumačenju holografije: interferencija i difrakcija svjetlosti.
Interferencija
Interferencija je pojava koja nastaje na mjestima presijecanja valova koherentne svjetlosti. Stavimo li zastor (detektor), opazit ćemo pojavu svijetlih i tamnih pruga. Svijetle pruge nastaju kao rezultat konstruktivne interferencije (valovi su u fazi: brijeg jednog vala poklapa se s brijegom drugog vala), a tamne kao rezultat destruktivne interferencije (pomak u fazi za p: brijeg jednog vala poklapa se s dolom drugog vala). Interferencijske pruge mogu se opisati harmonijskim funkcijama, a njihova značajna svojstva su frekvencija (broj perioda po mm) i dubina modulacije (kontrast).
Difrakcija
Difrakcija ili ogib svjetlosti pojava je kod koje se svjetlost nakon zapreke širi u područje geometrijske sjene. Efekti difrakcije najizraženiji su kada je valna duljina svjetlosti reda veličine karakteristične dimenzije zapreke. Ako zapreku čini zastor s uskom pukotinom, na drugom zastoru iza pukotine pojavit će se niz svijetlih i tamnih pruga, od kojih je središnja pruga najsvjetlija. Pojava se tumači Huygensovim principom (1678. godine), prema kojemu svaka točka na valnoj fronti u ravnini zapreke postaje izvor novih valova, a svjetlosno polje u nekoj točki prostora iza zapreke jednako je superpoziciji svih dolaznih valova.
Difrakcijska rešetka
Difrakcijska rešetka je optički element periodične strukture s periodom reda veličine valne duljine svjetlosti. Zahvaljujući pojavama difrakcije i interferencije, ona upadni val difraktira u diskretne kutove razlažući pritom bijelu svjetlost na komponente različitih valnih duljina. Osim u slučaju prolaznog (nedifraktirog) snopa, kutovi difrakcije ovise o valnoj duljini svjetlosti, pa je raširena primjena difrakcijske rešetke u spektroskopiji. Nama je zanimljiv specijalni slučaj rešetke koja se dobije zapisom interferencije dvaju valova. Dobivena rešetka je sinusnog tipa, a difraktira upadni snop u tri smjera: nulti i dva simetrično raspoređena snopa u odnosu na prolazni snop.
*Napomena
Tekst je dijelom preuzet iz reference:
- N. Demoli
3D vizualna informacija i holografija: znanstveni temelji medijske atraktivnosti
poglavlje u knjizi ‘Digitalno doba’, udžbenik, ur. N. Zgrabljić-Rotar, Sveučilište u Zadru, 2011, 123-148.