Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →
10
V. Orlov
Hình ba chiều
Ai, sóng đã ngăn cản bạn,
Ai trói buộc bạn mà không có mochi,
Ai lặng lẽ buồn bã dưới ao
Bạn đã xoay chuyển được dòng dân quân chưa?
Thổi lên, gió, thổi lên nước,
Phá hủy thành trì dây kéo!
Em ở đâu, bông hồng - biểu tượng của tự do?
Hứa trên vùng nước không lay chuyển.
A. S. Pushkin
A. S. Pushkin, người viết những dòng mà chúng tôi đưa vào đoạn văn vào năm 1823, chắc chắn không nghĩ đến kỹ thuật chụp ảnh ba chiều. Nhưng các nhà vật lý hiện đại có thể trả lời những câu hỏi đặt ra trong bài thơ như sau. Nhà vật lý người Anh Denis Gabor đã “ngăn chặn” các sóng và “cùm” “cuộc chạy mạnh mẽ” của chúng vào năm 1947, đề xuất một phương pháp ghi lại và khôi phục mặt sóng. “Ao im lặng và ảm đạm” là một hình ảnh ba chiều. Chỉ cần nhìn vào hình ảnh ba chiều (Hình 1) là đủ để chắc chắn rằng lời của Pushkin là đúng; dường như không thể hiểu được sự đan xen “dày đặc” của hình ảnh giao thoa phức tạp trên ảnh ba chiều. “Giông tố là biểu tượng của tự do” là tia laze phá hủy “thành trì tai họa” và khôi phục lại hình ảnh ẩn giấu trong ảnh ba chiều.
Gabor đã nhận được giải thưởng Nobel cho khám phá của mình vào năm 1971.
hình ba chiều là gì?
Holography là một phương pháp ghi lại và khôi phục hình ảnh. Nhưng điều tương tự cũng có thể nói về nhiếp ảnh. Hình ba chiều khác với nhiếp ảnh như thế nào?
Khi chụp ảnh một đối tượng đăng ký, về cơ bản, sự phân bố biên độ của sóng ánh sáng được phản xạ bởi vật thể trong mặt phẳng của tấm nhựa quang—xét cho cùng, độ đen của tấm được xác định bởi cường độ ánh sáng và cường độ tỷ lệ với bình phương biên độ của sóng ánh sáng.
Khi chụp ảnh ba chiều trên một tấm, sự phân bố trong mặt phẳng của tấm biên độ, pha và tần số dao động trong sóng ánh sáng phản xạ bởi một vật thể sẽ được ghi lại.
Để thu được dạng sóng nguồn trong mặt phẳng của tấm, Gabor đề xuất sử dụng dạng sóng không đổi theo thời gian. Để tính biên độ, cách dễ nhất là sử dụng phương pháp sơ đồ vectơ (xem “Vật lý 10”, trang 51).
Khi cộng hai dao động có cùng tần số thì và các dao động vật lý ban đầu khác nhau nhưng tại mỗi điểm biên độ không đổi theo thời gian. Để tính biên độ, cách dễ nhất là sử dụng phương pháp sơ đồ vectơ:
(xem Hình 2). Biên độ và dao động gây ra vật lý có thể được tìm thấy từ sơ đồ vectơ:
tg .
Do đó, “bản ghi” cường độ của sóng thu được chứa thông tin về sự khác biệt về thành phần vật lý giữa các sóng. Nếu biết pha của một trong số chúng (tham chiếu), thì từ độ lệch pha Δφ hoặc từ pha φ của đồng thời thu được
11
Hình 1.
về nguyên tắc, các dao động có thể xác định pha của sóng (tín hiệu) thứ hai bị vật thể tán xạ. Như giáo sư V.A. Fabrikant nói một cách hình tượng, “sự giao thoa chuyển sự tương ứng pha của sóng ánh sáng sang ngôn ngữ cường độ, khiến người ta có thể ghi lại chúng trên một tấm ảnh”.
Phân tích giao thoa cho phép Gabor chứng minh rằng biên độ và pha của sóng đơn sắc bị tán xạ bởi một vật thể có thể được phát hiện bằng hình ảnh nếu sóng này tích hợp với sóng đơn sắc tham chiếu của cùng một hạt. Một tấm ảnh có mẫu giao thoa được ghi trên đó được gọi là ảnh ba chiều. Dịch theo nghĩa đen từ tiếng Hy Lạp, điều này có nghĩa là “bản ghi đầy đủ” - bản ghi cấu trúc không gian của sóng được phản ánh bởi một vật thể.
Sóng ánh sáng bị tán xạ bởi bất kỳ vật thể nào có thể được coi là một tập hợp các sóng thứ cấp, nguồn của chúng là các điểm riêng lẻ của vật thể đó. Do đó, để tạo thành hình ba chiều của một vật thể phức tạp, cần phải hiểu chi tiết cách thu được hình ba chiều quá trình - hình ba chiều của một điểm.
Hình ba chiều đơn giản nhất là cách tử vùng Fresnel
Hình 3 cho thấy hình ảnh về sự chồng chất của hai sóng đơn sắc của cùng một hạt: sóng cầu phát ra từ điểm S và sóng tham chiếu phẳng. Các vòng tròn và đường thẳng màu đen biểu diễn vị trí các mặt sóng của sóng cầu và sóng phẳng sau thời gian T bằng chu kỳ
Hình 2.
do dự. Các đường tròn và đường thẳng nét đứt biểu thị vị trí của các mặt sóng sau một thời gian bằng T/2. (Chính xác hơn, những đường này cố định phần mặt trước sóng bằng mặt phẳng vẽ.)
Tại các điểm giao nhau của đường tròn liền và đường liền, cũng như đường tròn nét đứt và đường đứt nét, điều kiện để có cực đại giao thoa thỏa mãn:
Các đường màu đỏ trong Hình 3 nối các điểm này là tập hợp các điểm thỏa mãn các điều kiện về cực đại giao thoa.
Tại các điểm giao nhau của đường tròn liền nét và đường đứt nét, cũng như đường tròn nét đứt và đường liền nét, các điều kiện về nhiễu tối thiểu được đáp ứng:
Các đường màu xanh lam trong Hình 3 nối các điểm này là tập hợp các điểm thỏa mãn các điều kiện tối thiểu.
Bằng cách đặt tấm ảnh trong mặt phẳng , vuông góc với mặt phẳng vẽ, chúng ta sẽ thu được các vòng sáng và tối xen kẽ trên đó. Bán kính ánh sáng của các vòng, như có thể thấy trong Hình 3, được xác định bởi biểu thức
(*)
trong đó là khoảng cách từ điểm đến tấm ảnh, là bước sóng,
12
Hình 3.
— số sê-ri của kolyz; chúng tôi đã bỏ qua độ lớn của so với kể từ .
Biểu thức đã học về bán kính của các vòng hình giao thoa trùng với biểu thức bán kính của các vòng của cái gọi là tấm đới Fresnel (mạng tinh thể), nổi tiếng trong vật lý hơn 150 năm*).
Vì vậy, nhà địa lý đơn giản nhất - nhà địa lý của một điểm - là tấm vùng Fresnel. (Một bức ảnh phóng to của mảng vùng được hiển thị trong Hình 4.) Sự khác biệt duy nhất giữa địa lý của điểm và mảng vùng cổ điển là sự chuyển đổi suôn sẻ từ các vòng tối sang vòng sáng.
Tái tạo sóng cầu bằng phương pháp địa lý đơn giản nhất - tấm vùng
Để tái tạo lại hình ảnh bằng cách sử dụng địa lý, Gabor đề xuất làm sáng địa lý bằng sóng tham chiếu.
*) Bạn sẽ làm quen với các đặc tính của tấm vùng bằng cách đọc bài viết của O. Kabardin và N. Schaefer, xuất bản trên «Kvant» Số 1 năm 1979.
Hãy xem xét quá trình khôi phục hình ảnh của một điểm bằng cách sử dụng tấm vùng. Chúng ta hãy chiếu sáng tấm có cùng sóng phẳng (cùng chiều dài) với sóng tham chiếu, nhờ đó thu được địa lý của điểm. Trong trường hợp này, chúng ta sẽ định vị tấm sao cho nó song song với mặt trước của sóng phẳng (Hình 5).
Bất kỳ phần nhỏ nào của tấm vùng có thể được coi là cách tử nhiễu xạ. Chọn một dải hẹp trên đĩa. Đó là một mạng, chu kỳ của nó không đổi - nó bằng và, như có thể thấy từ biểu thức (*), giảm dần theo khoảng cách từ tâm tấm đến ngoại vi. Hãy xem xét một phần nhỏ của mạng. Vì thay đổi chậm khi tăng , chúng ta có thể giả sử rằng trong một phần nhỏ của cách tử, chu kỳ của nó không đổi và bằng giá trị gần như không đổi - khoảng cách giữa hai sọc sáng liền kề (nghĩa là khoảng cách xuyên tâm giữa hai vòng liền kề).
13
Hình 5.
Mỗi điểm trong khe cách tử nơi sóng ánh sáng rơi vào là nguồn phát sóng ánh sáng thứ cấp lan truyền theo mọi hướng. Ví dụ, truyền dọc theo các sóng ánh sáng thứ cấp từ phần cách tử mà chúng ta đã chọn tăng cường lẫn nhau, các điều kiện () (**) được xác định
(Xem Vật lý 10, trang 183). Năng lượng tối đa khi tới các chùm ánh sáng có bậc 0 () và bậc nhất (). Do đó, sóng ánh sáng thứ cấp thành công nhất xảy ra theo các hướng được xác định bởi các góc
Giá trị sẽ tìm thấy, sử dụng (*):
Như vậy,
Như có thể thấy từ biểu thức của , khi tăng, giá trị của cũng tăng.
Nói cách khác, càng xa tâm tấm thì góc truyền của các tia từ chùm tia bậc nhất càng lớn. Kết quả là tất cả các tia bị lệch một góc cắt nhau tại một điểm , tạo ra ảnh thật của điểm ; các tia bị lệch bởi các góc cắt nhau tại phần mở rộng của chúng tại điểm , tạo ra ảnh tối thiểu của điểm . Trong trường hợp này, các điểm và nằm cách tấm một khoảng .
Hãy chứng minh điều đó. Như có thể thấy trong Hình 5, khoảng cách từ tấm vùng đến điểm và bằng
Do đó, khi khung đầu của điểm được chiếu sáng bởi sóng phẳng tham chiếu, chúng ta thu được hai ảnh của điểm : ảnh thật và ảnh tối thiểu , nằm ở hai phía đối diện của tấm và cách tấm một khoảng .
Khả năng tập trung sóng của các tấm phân vùng, tạo ra hình ảnh thật của một vật thể, đã được biết đến từ thế kỷ 19. Khả năng tạo ra hình ảnh tối thiểu của họ chỉ được đánh giá cao ở golovrafini, vì chính các tia sáng phân kỳ sẽ khôi phục hình ảnh không bị biến dạng của vật thể, là bản sao chính xác của tín hiệu sóng ánh sáng.
Để xuất hiện khoảng cách nói trên, hai điểm và của vật thể, nằm khi nhận khung đầu ở khoảng cách và tính từ nhựa quang. Những điểm này phân tán sóng ánh sáng, làm nhiễu sóng mặt phẳng tham chiếu, sẽ tạo ra hai tấm vùng có bán kính vòng khác nhau trên khung đầu. (Điều này diễn ra từ biểu thức cho .) Hình ảnh thực và tối thiểu của các điểm và , khi tái tạo lại khung đầu thu được, hóa ra ở khoảng cách và so với khung đầu. Như có thể thấy từ
14
hình 6.
Hình 6, trong ảnh tối thiểu của vật thể, chúng ta thấy điểm xa hơn điểm . Đây chính xác là cách các điểm và được định vị lẫn nhau khi lấy được biểu đồ. Trong ảnh thực tế, điểm nằm gần chúng ta hơn điểm . Do đó, hình ảnh thực tế của một vật thể thu được bằng cách sử dụng khung đầu bị biến dạng: các chỗ phình ra ở nơi đó được coi là lượn sóng và ngược lại. Sự biến dạng này được gọi là giả hành.
Kế hoạch lấy được biểu đồ mà chúng tôi xem xét đã được chính Gabor đề xuất và thực hiện lần đầu tiên. Đề án này có nhược điểm đáng kể. Khi nhìn từ phía trước, ảnh thật và ảnh tối thiểu của vật thể dường như nằm trên cùng một đường thẳng và tạo ra sự giao thoa lẫn nhau.
Để tách biệt hình ảnh thực và hình ảnh tối thiểu, các nhà khoa học Mỹ E. Leith và J. Yu. Upatnikes đề xuất vào năm 1961 và triển khai vào năm 1963 sơ đồ đèn pha hai chùm tia. Theo sơ đồ này, chùm tia laser được chia thành hai chùm - chùm tham chiếu và tín hiệu (Hình 7, a). Chùm tia tín hiệu hướng vào một vật thể, phản xạ từ nó và chạm vào nhựa chụp ảnh, nơi nó tương tác với chùm tia tham chiếu. Như có thể thấy trên Hình 7, 6, ảnh thật của vật đó không ngăn cản người quan sát xem ảnh tối thiểu của vật đó.
Hình 7. P - vật thể, L - laser, Z - gương, S.P. - chùm tín hiệu, O.P. - chùm tham chiếu; G - khung đầu, D.I. - Ảnh thật nhé M.I. - hình ảnh tối thiểu.
15
Hình ba chiều với ghi âm trong môi trường ba chiều
Năm 1962, nhà vật lý Liên Xô Yu. N. Denisok đề xuất ghi lại mẫu giao thoa trên nhựa chụp ảnh bằng một lớp nhũ tương dày. Độ dày của lớp nhũ tương có thể vào khoảng 20 bước sóng ánh sáng.
Trong Hình 3, PQRT đường thẳng là một phần của nhũ tương lớp dày (cắt theo mặt phẳng của hình). Nếu lớp nhũ tương đủ dày, sóng tham chiếu và tín hiệu sẽ giao thoa với lớp bên trong. Trong trường hợp này, ở những nơi có cực đại giao thoa, lượng trung gian tối đa được giải phóng. Tập hợp các điểm cực đại trong Hình 3 (đường cong màu đỏ) là các parabol*). Vì vậy, trong không gian (trong thể tích nhũ tương) các điểm giao thoa cực đại tạo thành các parabol. Nói cách khác, trong lớp nhũ tương, một hệ thống gương parabol bán mở đồng trục có tiêu điểm chung - điểm S - được hình thành.
Hình ba chiều thu được trên một tấm có lớp nhũ tương dày được gọi là thể tích. Để thu được hình ảnh của điểm S bằng cách sử dụng hình ba chiều thể tích, cần phải chiếu sáng hình ba chiều bằng sóng ánh sáng phẳng, mặt trước của sóng này song song với mặt phẳng của bạch kim. Trong trường hợp này, độ dài của sóng phẳng không nhất thiết phải bằng độ dài của sóng tham chiếu. Trạng thái này là ưu điểm chính của hình ba chiều thể tích và nó dẫn đến những hậu quả đáng chú ý. Để hiểu điều gì *) Chúng ta hãy nhớ lại rằng parabol là một tập hợp các điểm trên một mặt phẳng cách đều một điểm nhất định—tiêu điểm—và đường thẳng—đường chuẩn. Điểm S trong Hình 3 là tiêu điểm của toàn bộ họ parabol (cả đồng bộ và đỏ); các đường thẳng mô tả mặt trước của sóng phẳng là đường chuẩn của các parabol khác nhau.
Hình 8.
trong câu hỏi, chúng ta hãy tìm hiểu cách khôi phục hình ảnh bằng hình ba chiều.
Các tia sáng song song xuyên qua nhũ tương bên trong, chiếu vào gương parabol thứ nhất; một phần chúng được phản chiếu từ nó, một phần chúng đi xa hơn, rơi vào gương parabol thứ hai; ở đây một lần nữa một số tia bị phản xạ, một số xuyên sâu vào nhũ tương, rơi vào tấm gương thứ ba, v.v.
Hình 8 biểu diễn đường đi của các tia khi ảnh ba chiều được chiếu sáng từ hai phía đối diện. Nếu một sóng phẳng rơi trên bề mặt PT của hình ba chiều (Hình 8, a), thì các tia phản xạ từ các bề mặt lồi của gương sẽ tập trung tiếp tục vào tiêu điểm của các parabol - tại điểm S", là ảnh cực tiểu của điểm S. Khi hình ba chiều được chiếu sáng từ một phía của bề mặt QR (Hình 8, b), các tia phản xạ từ sóng của bề mặt gương sẽ được thu thập.
16
được đặt tại điểm , tạo ra ảnh thật của điểm ).
Như bạn có thể thấy, với sự trợ giúp của hình ảnh thể tích, hình ảnh thực hoặc hình ảnh tối thiểu của một vật thể sẽ được tạo riêng biệt chứ không phải cả hai cùng nhau, như trường hợp của hình ảnh phẳng. Hình ảnh thực tế là hình ảnh giả nên chúng thường hoạt động với hình ảnh tối thiểu.
Về nguyên tắc, để khôi phục mặt sóng, chỉ cần hình thành một bề mặt cực đại giao thoa (một gương parabol) trong lớp nhũ tương là đủ. Thực tế là một số bề mặt như vậy được hình thành trong một lớp nhũ tương dày giúp có thể tái tạo lại hình ảnh bằng ánh sáng trắng. Trong trường hợp này, hình ảnh sẽ thu được có cùng màu với màu của sóng tham chiếu. các sóng có thành phần màu chính xác này của ánh sáng trắng, khi được phản xạ từ các parabolide gương khác nhau, sẽ luôn tập trung cùng pha và cộng lại sẽ tăng cường. Sóng của tất cả các thành phần màu khác được phản chiếu từ gương sẽ tập trung vào các pha khác nhau và sẽ không cần nỗ lực nhiều.
Biểu đồ thể tích rất hiệu quả khi thu được hình ảnh màu. Với mục đích này, vật thể được chiếu sáng bằng ánh sáng từ ba tia laser, bước sóng được chọn để bạn quan sát được toàn bộ màu sắc của vật thể. Thường sử dụng sự kết hợp của màu đỏ, vàng và xanh. Mỗi tia laser tạo ra một hệ thống bề mặt gương mờ trong lớp nhũ tương của nó. Khi một hình ảnh như vậy được chiếu sáng bằng ánh sáng từ ba tia laser được sử dụng để tạo ra nó, các hình ảnh “một màu” xuất hiện kết hợp trong không gian và tạo thành hình ảnh màu của vật thể.
*) Tính chất thay thế của gương parabol để hội tụ các tia song song đã được thảo luận trong bài viết của M. Fainold “Hình parabolit tuyệt vời này” («Kvant», 1975, số 12).
Một hình ảnh màu cũng thu được nếu một hình ảnh như vậy được chiếu sáng bằng ánh sáng mặt trời. Trong trường hợp này, một hệ thống gương làm nổi bật và phản chiếu các thành phần ánh sáng mặt trời có bước sóng , tạo ra ảnh màu của một vật thể ở một vị trí nhất định trong không gian.
Đối với việc tạo ra lý thuyết về biểu đồ thể tích, Yu. N. Denisok được trao Giải thưởng Lênin năm 1970.
Thuộc tính và tính năng của glogram
Hiển thị hình ảnh được xây dựng lại bằng glogram sẽ thể hiện trí tưởng tượng của bất kỳ khán giả nào. Hình ảnh của hiện tại là “thật” đến nỗi bạn muốn chạm vào nó để chắc chắn rằng đó chỉ là hình ảnh chứ không phải đồ vật. Hình ảnh có thể được xem từ nhiều góc độ khác nhau; Bạn có thể tập trung lại mắt, kiểm tra các phần gần và xa của một vật thể và quan sát hoạt động phản xạ ánh sáng trên một vật thể. Hình 9 và 10 hiển thị các bức ảnh của hình ảnh glogram được chụp từ nhiều điểm quan sát khác nhau.
Một đặc tính rất quan trọng của glogram là khả năng khôi phục toàn bộ hình ảnh bằng cách sử dụng các phần riêng lẻ của glogram và độ nhạy thấp của glogram đối với các hạt bụi, vết trầy xước và các khuyết tật nhỏ trong quá trình đăng ký phương tiện. Những đặc tính này là do mỗi điểm của tấm trong quá trình phơi sáng được chiếu xạ bởi ánh sáng tán xạ bởi tất cả các điểm của vật thể và ánh sáng phản xạ từ mỗi điểm của vật thể sẽ chiếu sáng toàn bộ tấm. Những đặc tính này của glogram có thể được kiểm tra dễ dàng bằng cách sử dụng một tấm bản vùng tự chế: hình ảnh thu được từ tấm này vẫn giữ lại các phần của tấm khi được phơi sáng.
Các đặc tính thay thế của biểu đồ mà chúng tôi đã liệt kê mang lại khả năng sử dụng rộng rãi phương pháp hình học không chỉ trong lĩnh vực độ dài quang học
17
Hình 9.
sóng, mà còn trong bất kỳ quá trình sóng nào (trong âm học, trong phạm vi vô tuyến, trong các quá trình địa chấn, v.v.). Phương pháp ba chiều cho phép giải bài toán mà các phương pháp khác không thể giải được.
Phần kết luận
Để kết luận bài viết, tôi muốn trả lời câu hỏi sau: tại sao ảnh ba chiều - về nguyên tắc là một phương pháp đơn giản của Fotoeplicity của một mẫu giao thoa được hình thành bởi hai điểm kết hợp - chỉ được tạo ra rất gần đây? Thật vậy, sự giao thoa và nhiễu xạ đã được nghiên cứu kỹ lưỡng vào thế kỷ 19; nhiếp ảnh được phát minh vào giữa thế kỷ 19; vì vậy Gabor không cần kiến thức về bất kỳ thành tựu khoa học mới nào để mở được ảnh ba chiều. Tuy nhiên, cần phải có sự hiểu biết sâu sắc về các hiện tượng giao thoa và nhiễu xạ, và tất nhiên, một bộ óc sáng tạo để kết hợp tất cả các yếu tố đã biết của ảnh ba chiều thành một ý tưởng sáng giá. Ví dụ về việc tạo ra hình ảnh ba chiều đã được sử dụng rất tốt, rằng trong hình thái học của chúng ta, những ý tưởng và khám phá mới và có giá trị được sinh ra trên cơ sở những khái niệm cũ, nổi tiếng.
Hình 10.
Ngoài ra, phải nhấn mạnh rằng cùng với những nguyên tắc khó khăn trong việc phát triển kỹ thuật chụp ảnh ba chiều, còn có những nguyên tắc thuần túy kỹ thuật. Hơn nữa, vào năm 1947, ý tưởng của Gabor vẫn còn quá sớm, vì cần có nguồn ánh sáng đơn sắc được hiệu chỉnh để tạo ra ảnh ba chiều chất lượng cao. Những nguồn như vậy—laser—chỉ xuất hiện vào năm 1960. Để tạo ra ảnh ba chiều chất lượng cao, cần có vật liệu ảnh có độ phân giải cao. Như chúng ta đã thấy, khi thu được hình ba chiều thể tích, khoảng cách giữa các gương parabol bên trong lớp nhũ tương hóa ra theo thứ tự bước sóng. Chính giá trị này sẽ quyết định độ phân giải của nhũ tương. Đối với ánh sáng khả kiến m; điều này có nghĩa là trên một milimet vật liệu nhựa quang phải được phân giải (“nhìn” tách biệt). Những vật liệu như vậy chỉ được tạo ra trong những năm gần đây. Một số lượng lớn các khó khăn kỹ thuật hiện đang phải đối mặt với những người tạo ra điện ảnh và truyền hình ba chiều. Nhưng rất nhiều điều đã được thực hiện để vượt qua những khó khăn này.
(Để biết danh sách tài liệu tham khảo, xem trang 18.)