Что такое голограмма простыми словами в медицине

Хотя концепция голограмм была введена в 1940-х годах, она не стала популярной до появления принцессы Леи в качестве плавающего изображения в «Звездных войнах».

В течение многих лет казалось, что эта технология будет навсегда отодвинута в область научной фантастики. Однако сегодня все по-другому, благодаря достижениям в области оптических технологий.

Ниже мы объяснили, что такое именно голограмма, как она работает и каковы возможности ее применения. Мы постарались сделать все как можно проще, чтобы вы не запутались.

Определение голограммы

Проще говоря, голограммы представляют собой трехмерные изображения, генерируемые интерференционными световыми лучами, которые отражают реальные, физические объекты. В отличие от обычных 3D проекций, голограммы можно увидеть невооруженным глазом. Нет необходимости носить 3D-очки.

Наука и практика создания голограмм называется голографией. Эта технология еще не совсем догнала магию кино, но ее можно использовать для создания голограмм, которые сохраняют глубину, параллакс и другие свойства реальной сцены.

Разница между голограммой и обычным фотографическим изображением

В то время как обычное фотографическое изображение фиксирует изменение интенсивности света, голография фиксирует как интенсивность, так и фазу света. Вот почему голограммы создают действительно трехмерные изображения, а не просто создают иллюзию глубины.

Голограмма представляет собой фотографическую запись светового поля, а не изображения, сформированного объективом. Она демонстрирует подсказки визуальной глубины, которые реалистично меняются в зависимости от относительного положения наблюдателя.

Голография также отличается от линзовидной и более ранних технологий автостереоскопического 3D отображения, таких как автостереоскопическое. Несмотря на то, что эти технологии дают схожие результаты, они опираются на традиционную линзовую визуализацию.

Кто изобрел голографию?

В 1947 году венгерско-британский физик Деннис Габор разработал теорию голограммы, работая над повышением разрешения электронного микроскопа. Он придумал термин голограмма, который был взят из двух греческих слов «holos» (что означает «целое») и «gramma» (что означает «сообщение»).

Однако оптическая голография действительно не продвинулась до появления лазера в 1960 году. Лазер излучает очень мощный всплеск света, который длится всего несколько наносекунд. Это позволило получить голограммы высокоскоростных событий, таких как пуля в полете.

В следующем десятилетии многие ученые придумали различные методики создания 3D голограмм с помощью лазера. Первая голограмма человека была создана в 1967 году, что проложило путь для различных применений голографии.

Как работает голограмма?

Голография включает в себя запись светового поля, а затем его реконструкцию в отсутствие оригинальных объектов. Можно представить себе это как нечто подобное звукозаписи, при которой звуковое поле, создаваемое вибрирующим веществом, обрабатывается таким образом, что впоследствии (при отсутствии исходного вибрирующего вещества) оно может быть восстановлено.

Запись звука Ambisonic (трехмерная система пространственного звука), фактически, больше похожа на голографию, где при воспроизведении можно воссоздать определенные углы прослушивания звукового поля.

Чтобы создать голограмму, вам нужны три вещи:

1. Лазерный луч, который будет направлен на объект
2. Носитель записи с соответствующими материалами
3. Чистая среда для пересечения светового луча

Запись голограммы | Изображение предоставлено: Викимедиа

Лазерный луч делится на два одинаковых луча с помощью светоделителя. Один из них отражается от объекта на носителе записи, а другой непосредственно передается на носитель записи. Таким образом, он не конфликтует с изображениями, исходящими от луча объекта.

Восстановление голограммы | Изображение предоставлено: Викимедиа

Когда два луча пересекаются друг с другом, они создают интерференционную картину, которая отпечатывается на носителе записи (в основном из галогенида серебра). Слой этого носителя записи прикреплен к прозрачной подложке, такой как стекло, которая воссоздает виртуальное изображение с гораздо более высоким разрешением, чем фотографическая пленка.

Оптические инструменты, объект и носитель записи должны оставаться неподвижными относительно друг друга во время процесса. В противном случае интерференционная картина и голограмма будут размыты и испорчены.

Применение

3D голограммы имеют широкий спектр применения. Например, они могут быть использованы в:

Безопасность: защитные голограммы являются наиболее распространенным типом голограмм. Они широко используются в паспортах, банковских и кредитных картах, а также в нескольких банкнотах по всему миру.

Хотя это и не голограмма в истинном смысле слова, термин «голограмма» приобрел вторичное значение из-за широкого использования многослойного изображения на водительских удостоверениях и кредитных картах. Некоторые номерные знаки на транспортных средствах содержат зарегистрированные голограммные наклейки, которые указывают на подлинность.

Датчик: голограмма, встроенная в интеллектуальное устройство, создает голографический датчик. Его можно использовать для обнаружения специфических молекул или метаболитов.

Сканеры: голографические сканеры используются в автоматизированных конвейерных системах и крупных транспортных компаниях для определения размеров упаковки.

Одной из последних (коммерчески доступных) реализаций голографических технологий является гарнитура Microsoft HoloLens. Он использует системы оптической проекции и компьютерной обработки для создания объектов, похожих на цифровые голограммы, которые пользователи могут просматривать и взаимодействовать в их реальной среде, но только при использовании гарнитуры.

Кроме того, 3D голограммы прекрасно подходят для представления сложных технических концепций, демонстрации драгоценных камней и подобных визуально привлекательных товаров.

Голография может дополнительно подчеркнуть красоту и совершенство отображаемого предмета, представляя его в чрезвычайно эстетичном виде.

В принципе, голограммы можно создавать из любой волны. Электронная голография, например, является применением методов голографии к электронным волнам (вместо световых волн). В основном она используется для анализа электрических и магнитных полей в тонких пленках.

Аналогичным образом, нейтроннолучевая голография используется для наблюдения за внутренней поверхностью твердых объектов.

Источник

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

Читинская Государственная Медицинская Академия

Кафедра медицинской физики и информатики

Учебно-методическое пособие для самостоятельной работы студентов

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

Тема: ”Понятие о голографии и ее возможном применении в медицине”

1. Историческая справка.

2. Понятие голографии и голограммы.

3. Голограмма плоской волны.

4. Голограмма точки.

6. Свойства голограмм.

7. Источники света в голографии, регистрирующие материалы.

8. Применение голографии в медицине.

2.1. Историческая справка.

Основы голографии были заложены в 1948 физиком Д. Габором (Великобрита­ ния). Желая усовершенствовать элект­ ронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электрон­ ных волн путём наложения на пред­метную волну попутной когерентной опорной волны. Модельные оптические опыты Габора положили начало голографии. Однако отсутствие мощных источников когерентного света не позволило ему получить качественных голографического изображений.

К 1965 —1966 были созданы теоретически и экспериментально ос­ новы голографии.

В последующие годы развитие голографии идёт главным образом по пути совершенство­ вания её применений.

2.2. Понятие голографии и голограммы.

Голография — метод записи и восстановления изображения, ос­ нованный на интерференции и дифракции волн.

Изложение голографии уместно начать сравнением с фотогра­ фией.

При фотографировании на фотопленке фиксируется интен­ сивность световых волн, отраженных предметом. Изображение в этом случае является совокупностью темных и светлых точек. Фазы рассеиваемых волн не регистрируются, и таким образом пропадает значительная часть информации о предмете.

Голография же позволяет фиксировать и воспроизводить более полные сведения об объекте с учетом амплитуд и фаз волн, рас­ сеянных предметом. Регистрация фазы возможна вследствие интер­ ференции волн.

С этой целью, на светофиксирующую поверхность посылают две когерентные волны:

a) опорную, идущую непосредствен­но от источника света или зеркал, которые используют как вспомо­ гательные устройства, и

b) сигнальную (предметную), которая появляется при рас­ сеянии (отражении) части опорной волны предметом и содержит соответствующую информацию о нем.

Интерференционную картину, образованную сложением предметной и опорной волн, и зафиксированную на светочувствительной пластинке, называют голограммой.

Тогда, другими словами, ГОЛОГРАФИЯ (от греч. holos — весь, полный и grapho — пишу), способ записи и восстановления волн, поля, основанный на регистрации интерфе ренционной картины, которая образована вол­ ной, отражённой предметом, освеща­ емым источником света (предмет ная волна), и когерентной с ней волной, идущей непосредственно от источника света (опорная волна; рис. 1(штриховкой показаны зеркала).).

Рис.1. Схема получения голограммы.

Для восстановления изображения голограмму освещают той же опорной волной. Голограмма, освещённая опор­ ной волной, создаёт такое же ампли­тудно-фазовое пространств, распреде­ ление волн, поля, которое создавала при записи предметная волна. Т. о., в соответствии с Гюйгенса — Френеля принципом, голограмма преобразует опорную волну в копию предметной волны (рис.2.).

Рис.2. Схема восстановления волнового фронта.

Пусть интерференционная структура, об­разованная опорной и предметной вол­ нами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки го­ лограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых её фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем про­ зрачнее, чем большей была интенсив­ ность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в её плоскости непо­средственно за ней образуется то же распределение амплитуды и фазы, которое было у предметной волны, что и обеспечивает восстановление по­ следней.

Для восстановления предметной вол­ ны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на ин­ терференционной структуре голограммы в дифракциальном пучке первого порядка вос станавливается копия предметной вол­ны, образующая неискажённое мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании.

В случае двух­ мерной голограммы одновременно вос­ станавливается сопряжённая волна минус первого порядка, образующая искажённое действительное изображение предмета. Углы, под которыми распро­ страняются дифракциальные пучки нулевых и первых порядков, определяются уг­лами падения на фотопластинку пред­ метной и опорной волн. В схеме Га бора источник опорной волны и объ ект располагались на оси голограммы (осевая схема). При этом все три волны распространялись за голо­ граммой в одном и том же направ­ лении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие поме­ хи были устранены наклоном опорной волны (в неосевая схема).

Покажем на некоторых примерах, как получается голограмма и восстанавливается изображение.

Опорная волна II падает нормально, поэтому во всех точках фотопластинки одновременно ее фаза одинакова. Фазы предметной волны вследствие ее наклонного падения различны в разных точ­ ках светочувствительного слоя. Из этого следует, что разность фаз между лучами опорной и предметной волн зависит от места встречи этих лучей на фотопластинке и, согласно условиям максимумов и минимумов интерференции, полученная голограмма будет состоять из темных и светлых полос.

Пусть АВ (рис.3., б) соответствует расстоянию между цен­ трами ближайших темных или светлых интерференционных полос. Это означает, что фазы точек А и В в предметной волне отличают­ ся на 2π. Построив нормаль АС к ее лучам (фронт волны), нетруд­ но видеть, что фазы точек А и С одинаковы. Различие фаз точек В и С на 2π означает, что .

Из прямоугольного Δ АВС име­ ем: . (1)

Направив на голограмму опорную волну I (рис.4.) и осущест­ вим дифракцию. Первые главные максимумы соответствуют направлениям . Подставив АВ из (1) вместо с, имеем (2)

Откуда . (3)

Из (3) видно, что направление волны I ‘ (рис.4.), диф­ рагированной под углом α, соответствует предметной: так восста­ навливают волну, отраженную (рассеянную) предметом. Волна I » и волны остальных главных максимумов (на рисунке не показаны) также воспроизводят информацию, зафиксированную в голограмме.

Хотя в данном примере предмет ная волна является сфери­ ческой, можно с некоторым приб­ лижением применить формулу (2) и заметить, что по мере увеличения угла α1 (см. рис. 3., б) уменьшается расстояние АВ между соседними полосами. Нижние дуги на голограмме (рис. 5., б) расположены более тесно.

Если вырезать из голограммы узкую полоску, показанную пунктирными линиями на рис. 5., б, то она будет подобна узкой дифракционной решетке, постоянная которой уменьшается в направлении оси X . На такой решетке от­клонение вторичных волн, соответствующих первому главному максимуму, возрастает по мере увеличения координаты х щели становится меньше, | | —больше.

Таким образом, при восстановлении изображения плоской опор­ ной волной дифрагированные волны уже не будут плоскими.

Так как рассеянные предметом волны попадают совместно с опорной волной во все точки голограммы, то все ее участки содер­ жат, информацию о предмете и для восстановления изображения не обязательно использовать полностью всю голограмму. Следует, однако, заметить, что восстановленное изображение тем хуже, чем меньшую часть голограммы для этого применяют. Из рис.6. видно, что мнимое и действительное изображения образуются и в том случае, если восстановление осуществляют, например, нижней половиной голограммы (штриховые линии), однако изображение при этом формируется меньшим количеством лучей.

Структура голо­ граммы зависит от способа формиро­ вания предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной кар­ тины. Предмет освещается пучком когерентного света, рассеянная им световая волна, несущая информацию о предмете, падает на фотопластинку, освещаемую опорным пучком. В за­ висимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ни­ ми, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы пли сфокусировав на неё (рис. 7, а), то амплитудно- фазовое распределение на голограмме будет тем же, что и в плоскости пред, мета (голограмма с ф о к у с и рованного изображения ).

В случае без линзовой Фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рис. 7, д). При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками объекта, имеют одинаковую кривизну. В ре­ зультате структура и свойства голо­ граммы практически такие же, как у фурье-голограммы.

Голограм­ мы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну (рис. 7, в). По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в го­ лограммы Фраунгофера, а с умень­ шением этого расстояния — в голо­ граммы сфокусированных изображений.

Рис.7. Схемы получения голограмм различных типов: а) голограмма сфокусированного изображения; б)голограмма Фраунгофера; в)голограмма Френеля; г)голограмма Фурье; д)безлинзовая фурье – голограмма; 1- предмет; 2- фотопластина; f — фокусное расстояние линзы.

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоя­ чих волн, максимумы которых соот­ ветствуют зонам, в которых интерфери­ рующие волны находятся в одной фазе, а минимумы — в противофазе. Для точечного опорного источника О1 и точечного предмета О2, поверхности максимумов и минимумов представ­ ляют собой систему гиперболоидов вращения (рис. 8). Пространственная ча­ стота v интерференционной структуры (ве­ личина, обратная её периоду) опре­ деляется углом α, под которым сходятся в данной точке световые лучи, исхо­ дящие от опорного источника и пред­ мета: где λ — длина волны. Плоскости, касательные к по­верхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол α.

Рис.8.Пространственная интерференционная структура, образующаяся в случае точечных объекта О1 и источника света О2: I – расположение пластины в схеме Габора; II – в схеме Лейта и Упатниекса; III – при записи голограммы на встречных пучках; IV – при записи безлинзовой фурье – голограммы.

В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голо граммы, угол α близок к нулю и ν минимальна. Осевые голограммы называются также однолучевыми, так как используется один пучок света, часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения,— опорную волну,

В схеме Лейта и Упатниекса коге­рентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двухлуче вя голограмма). Для двух лучевых голограмм v выше, чем для однолучевых (требуются фотоматериа­лы с более высоким пространств, разрешением). Если опорный и пред­ метный пучок падают на светочувст вительный слой с разных сторон (α

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из нескольких способов: например, с помощью фазовой или амплитудной модуляции, а иногда одновременно осуществляется и фазовая и амплитудная модуляции.

2.6. Свойства голограмм.

a) Основное свойство голограммы, отличающее её от фотографического снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется лишь распределение амплитуды падающей на неё предмет­ ной световой волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистри­ руется и распределение фазы пред­ метной волны относительно фазы опор­ ной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голо­ грамме в виде контраста интерфе­ ренционного рельефа, а информация о фазе — в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении опорной волной восста­ навливает копию предметной волны;

b) Свойства голограммы, регистриру­ емой обычно на негативном фотома­ териале, остаются такими же, как в случае позитивной записи — светлым местам объекта соответствуют свет­ лые места восстановленного изобра­ жения, а тёмным — тёмные;

c) В тех случаях, когда при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить всё изображение объекта. Однако мень­ ший участок голограммы восстановит меньший участок волн, фронта, несу­ щего информацию об объекте;

d) Полный интервал яркостей, пе­ редаваемый фотографической пластинкой, как правило, не превышает одного-двух порядков, между тем реальные объ­ екты часто имеют гораздо большие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими свойствами, используется для построения наиболее ярких участков изображения весь свет, падающий на всю её поверх­ность, и она способна передать гра­ дации яркости до пяти-шести поряд­ ков;

e) Если при восстановлении волнового фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относи­ тельно голограммы так же, как и при её экспонировании, то восстановлен ное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предме том;

2.7. Источники света в голографии, регистрирующие материалы.

Источники света в голографии дол­жны создавать когерентное излучение достаточно большой яркости. Вре­ менная когерентность определяет макс, разность хода между предмет­ным и опорным пучками, допустимую без уменьшения контраста интерфе­ ренционной структуры. Эта величина определяется шириной спектральной линии излучения: . Пространственная когерентность излучения определяет способность создавать контрастную интерференционную картину световыми вол­ нами, испущенными источником в разных направлениях.

Лазерное излучение обладает вы­ сокой пространственной и временной когерент­ ностью при огромной мощности из­ лучения. Для голограмм стационарных объ­ ектов обычно используются лазеры непрерывного излучения, генерирую­ щие в одной поперечной моде, в част­ ности гелий-неоновый лазер (Å) и аргоновый (Å, Å).

Голограммы предъявляет к регистрирующим материалам ряд требований, из которых важнейшее — достаточно высокая раз­ решающая способность. Максимальная про­ странственная частота структуры реа­ лизуется во встречных пучках (α = 180°). Наиболее подходящий для голограмм фотоматериал — фотопластинки ВРЛ, ЛОИ, ПЭ и фотопленка ФПГВ.

Помимо галогеносеребряных фотома­ териалов, применяют и другие среды, в том числе допускающие многократное по­ вторение цикла запись — стирание, а в некоторых случаях и регистрацию голо­ грамм в реальном времени. К их числу относятся термопластики, халь- когенидные фотохромные стёкла, ди электрические и ПП кристаллы. Голо­ граммы могут также регистрироваться на магнитных плёнках, жидких кристаллах, фотополимерах, фоторезистах, на на­ несённых на подложку слоях метал лов, на хромированной желатине и т. д.

2.8. Применение голографии в медицине.

Записанные на голо­ грамме световые волны при их вос­ становлении создают полную иллюзию существования объекта, неотличимого от оригинала.

Особо интересные и важные перспективы открываются в связи с ультразвуковой голографией. Получив голограмму в ультразвуковых механических волнах, можно восстановить ее видимым светом. Ультразвуковая голография в перспективе может быть использо­вана в медицине для рассматривания внутренних органов человека с диагностической целью, определения пола внутриутробного ребенка и т. д. Учитывая большую информативность этого метода и существенно меньший вред ультразвука по сравнению с рентгеновс­ким излучением, можно ожидать, что в будущем ультразвуковая голографическая интроскопия заменит традиционную рентгено­диагностику.

Еще одно медико-биологическое приложение голографии связа­но с голографическим микроскопом. Его устройство основано на том, что изображение предмета получается увеличенным, если голограмму, записанную с плоской опорной волной, осветить расходящейся сферической волной.

Кроме этого, голограммы можно использовать для создания объёмных копий произведений искусства, голографических портретов, для исследования дви­ жущихся частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырько­ вых камерах и искровых камерах.

Так же голограмма применяется для хранения и об­работки информации.

Сейчас трудно оценить все возможности применения голографии: кино, телевидение, запоминающие устройства и т. д.

Несомнен­но лишь, что этот метод является одним из величайших изобрете­ний нашего времени.

1. Денисюк голографии –М.:Просвещение, 1978.

2. Островский и ее применение. – М.:Просвещение, 1999.

4. Физический энциклопедический словарь.

4. Контрольные вопросы:

1. Какова история развития голографии?

2. Что называют голографией?

3. Что называют голограммой?

4. Нарисуйте схемы получения и восстановления голограммы.

5. Каковы особенности голограммы плоской волны? Голограммы точки?

6. Назовите основные типы голограмм.

7. Перечислите основные свойства голограмм.

8. Каковы особенности источников света и регистрирующих материалов, применяемых в голографии?

9. Где можно применять голограммы в медицине?

Источник