تصوير تجسيمي
التصوير التجسيميHolography طريقة لإنتاج صور ذات أبعاد ثلاثية، على لوح زجاجي حسّاس للتصوير أو فيلم. ويؤدي عمق المنظر إلى أن تبدو الأشياء حقيقية. وتظهر هذه الأنواع من الصور على بعض بطاقات الائتمان لتجنب التزوير.
هناك خطوتان أساسيتان في التصوير التجسيمي هما: 1ـ صناعة نموذج يُسمَّى المصور التجسيمي. 2ـ إنتاج الصور ذات الأبعاد الثلاثية. وفي الخطوة الأولى، يستَخدم جهاز زجاجيّ لتقسيم شعاع ضوء الليزر إلى شعاعين؛ يُضيء أحدهما المنظر ويعكس الصور على الفيلم. أما الشعاع الآخر ويُسمَّى الشعاع المرجعي فإنه يضيء مباشرة على الفيلم. وتتداخل الصورة المنعكسة والشعاع المرجعي مُكَوّنين صورة مركبة على الفيلم. وعندما يُحَمَّض هذا الفيلم فإنه يمثل التصوير التجسيمي. وفي الخطوة الثانية فإن الضوء الذي يُشرق من نفس اتجاه الشعاع المرجعي، يضيء التسجيل الفوتوغرافي، ويحوِّل التصوير التجسيمي هذا الضوء لإعادة تكوين الأوضاع الضوئية في المنظر الأصليّ محدثًا بذلك صورة ثلاثية البعد. وفي معظم الحالات يكون الليزر هو مصدر الضوء. وللتصوير التجسيمي تطبيقات بحثية وتحليلية. مثال ذلك أنه يستخدم في استكشاف عيوب أجنحة الطائرات والإطارات والعدسات، وأشياء أخرى.
كما أنها تُستَخْدَم في قياس سرعة الذرَّات المتحركة، وإنتاج صور ثلاثية البعد للأشياء المجهرية. اخترع دينيس جابور، المجري المولد، التصوير التجسيمي ذا البعد الثلاثي عام 1947م. وقد نال جائزة نوبل عام 1971م في علوم الطبيعة عن هذا الاختراع.
التاريخ
ويعد دينس گابور Dennis Gabor صاحب فكرة التصوير المجسم، وقد حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عن هذا الاختراع عام 1971.
وجد گابور أن بالإمكان الاستفادة من القدرة العالية للمجهر الإلكتروني باستخدام حزمة من الإلكترونات لإنجاز صورة مجسمة لجسم ما، ثم فحص تلك الصورة المجسمة باستخدام أشعة من ضوء وحيد التواتر يمكن الحصول عليه بإسقاط شعاع ضوئي عبر ثقب صغير جداً. ولكن هذه التقنية كانت تؤدي إلى إنقاص شدة الضوء إلى درجة لا تكفي للتصوير المجسم. ولذلك تولدت لديه قناعة لسنوات طويلة، بأن هذا الموضوع له أهمية نظرية فقط، لكن انتشار أشعة الليزر في أواخر الستينات غيّر الوضع فجأة وأصبح بالإمكان تطبيق نظرية گابور عملياً.
استعملت الصور الملتقطة من الجو من أجل دراسة تضاريس الأرض إبّان الحرب العالمية الثانية ولغايات حربية بحتة. فكان التصوير يتم من متن طائرة تطير على ارتفاع ثابت، وتلتقط صوراً مستمرة متتالية للمنطقة المعنية مع مراعاة التراكب بين كل صورتين متتاليتين، فتغطي كل صورة على الأقل 60٪ من مساحة الصورة التي تليها. وبعد طبع الفيلم يتم تركيب الخيال المجسم بطرائق متعددة، فتظهر التضاريس بوضوح كما هي في الطبيعة، ويوضح الشكل رقم (1) كيفية التصوير، ووضع الأخيلة في صورتين متتاليتين.
النظرية
التدخل والحيود
Plane wavefronts
Point sources
أجسام معقدة
النموذج الرياضي
الرؤية الثلاثية الأبعاد (المجسمة)
تعتمد الرؤية المجسمة الاصطناعية على مبدأ الرؤية المجسمة الطبيعية المباشرة.
فعندما يُنْظر إلى جسم ما بالعين المجردة تُدرك على الفور أبعاده الثلاثة. وهناك أسباب ثلاثة للشعور بالعمق. منها تحريك الرأس حول الجسم الذي يُنظر إليه وتغيرات وضع الخيال في الدماغ. أما أهم هذه الأسباب فهو أن كل عين تنظر إلى الجسم بزاوية رؤية مختلفة عن العين الأخرى. ومن ثم سيتكون في كل عين خيال يختلف قليلاً عن الخيال المتشكل في العين الثانية، أي إن المسار الضوئي لأشعة كل خيال يختلف قليلاً عن المسار الضوئي للآخر، وينطبق هذان الخيالان على الشبكية، ويتولى الدماغ دمجهما معاً فيحدث الشعور بالبعد الثالث.
ولتحقيق الرؤية المجسمة الاصطناعية بين صورتين، لابد من إعادة تركيب الخيالين المصورين M1، M2 وصنع ما يسمى اللوحة المصورة الثلاثية الأبعاد، بحيث ينطبق الخيالان أحدهما على الآخر، وتكون العينان مكان مركزي التصوير O1، O2 ونضع الصورتين متطابقتين كما في حالة التصوير الأصلية، وفي حالات خاصة يمكن تحقيق الرؤية المجسمة بالنظر بالمحاور العينية المتلاقية أو بالنظر بالمحاور المتوازية.
الرؤية المجسمة بالمحاور المتلاقية: ولها طريقتان
1ـ التصوير الملون: وتتم بطبع الصورة الأولى (اليمينية) على ورقة تصوير بضوء وحيد اللون (أحمر مثلاً)، وطبع الصورة الثانية (اليسارية) على ورقة التصوير نفسها وبانزياح قليل عن الصورة الأولى، وبضوء وحيد اللون متمم للون الأول (بنفسجي أو أزرق)، فنحصل هكذا على صورة مركبة يمكن أن نراها مجسمة بالنظر إليها من خلال عدسات ملونة موافقة (أحمر وأزرق أو بنفسجي) (الشكل-2)
وقد استخدمت هذه الطريقة في وضع أطلس طبوغرافي لبعض تضاريس مناطق فرنسة باستخدام اللونين الأصفر والأخضر.
2 ـ التصوير بالاستقطاب: وتتم بطبع الصورة اليمينية بضوء مستقطب على لوحة تصوير عادية جديدة ثم طبع الصورة الثانية (اليسارية) على لوحة التصوير نفسها بضوء مستقطب متعامد مع المستوى الاستقطابي للضوء الأول، فتتطابق الأخيلة المتوافقة بعضها مع بعض، ومن ثم تعاد الرؤية المجسمة للصورتين بالنظر إلى الصورة الثلاثية الأبعاد الجديدة بنظارات استقطابية موافقة.
الرؤية المجسمة بالمحاور المتوازية
وتتم عن طريق وضع الصورتين المتتاليتين على أن يكون الخيالان المتراكبان على بعد مناسب أحدهما من الآخر ثم النظر إليهما بعينين مجردتين على أن ترى كل عين الخيال الواقع أمامها خيالاً وهمياً موافقاً يقع على الشبكية ويتطابق الخيالان ويندمجان بالدماغ فيعطيان الشعور بالعمق.
ويتم ذلك بطرق متعددة إما بالنظر إلى الصورتين بالعينين مباشرة وبتقنية معينة تمكن من رؤية الخيال النهائي بأبعاده الثلاثة، وإما باستخدام عدسات مقربة كما في المجهر المجسم الجيبي البسيط أو باستخدام المجهر المجسم ذي المرايا (الشكل -3).
المشاهدة والتأليف
المبادئ الأساسية للتصوير المجسم
إن المشكلة الأساسية في نظرة گابور إلى التصوير المجسم كانت محاولته البرهان على إمكانية استخدام المجهر الإلكتروني مثلما تستخدم آلات التصوير العادية، أي استخدام صورة ثلاثية الأبعاد، وذلك بأن ترسل حزمة من الأشعة من منبع ضوئي إلى الجسم المراد تصويره، ثم تسجل الأشعة المنعكسة عن الجسم. فإذا أمكن التقاط هذه الأشعة ذات السعات الكبيرة والنهايات العظمى والصغرى الشديدة السرعة، وتصويرها، ومن ثم إعادة تركيب الأمواج المنعكسة عن الجسم، فإنها تبدي خواص الجسم المصور نفسه وبأبعاده الثلاثة. فالصورة الثلاثية الأبعاد المحضرة بهذه الطريقة هي إعادة تراكب الأمواج الليزرية التي تم تسجيل أطوارها وسعاتها المنعكسة عن الجسم المصور. يوضح (الشكل -4) آلية هذه العملية.
التصوير المجسم بالأمواج الليزرية المستمرة
ترسل حزمة من الأشعة الليزرية الوحيدة التواتر مباشرة إلى الموضوع المصور O من المنبع B، يطرأ على هذه الحزمة الليزرية على سطح الجسم حوادث الانعكاس والانتثار والانكسار بسبب الخواص الفيزيائية للجسم وتصل الأشعة إلى صفيحة التصوير في P.
إن الشعاع الوارد A والشعاع المنعكس من المرآة M يسقط أيضاً على الصفحة P، وتتداخل هاتان الحزمتان الضوئيتان إحداهما بالأخرى، وهذا يعني أن تتراكب سعات الأمواج بعضها مع بعض، وتسبب هذه الأمواج المتداخلة على صفيحة التصوير نموذجاً معقداً من شرائط وبقع مغزلية الشكل تسمى أهداب التداخل. تتألف هذه الأهداب من تناوب مناطق بيضاء مضيئة ومناطق سوداء قاتمة. تنتج المناطق المضيئة حين تصطدم حزمتان ضوئيتان لهما الطور نفسه بصفيحة التصوير P، أي حين تجتمع قمة موجبة مع قمة موجبة أخرى فتتراكب السعات الموجية أو حين يجتمع غور سالب للموجة مع ما يماثله، عندها تكون الأمواج في طور واحد. وبالعكس فحين تجتمع موجتان لهما السعة نفسها ولكن بطورين متعاكسين على صفيحة التصوير P يعدم أحدهما الآخر، وينتج عن ذلك منطقة سوداء (عقدة اهتزاز) (الشكل -5).
إن الخيال على الصفيحة المصورة لا يكون مشابها للموضوع المصور فحسب بل يتضمن كل معطيات الأطوار والسعات الموجودة في الحزمة المنعكسة عن الجسم المصور. وهكذا تجتمع كل أجزاء الحزمتين الليزريتين (الواردة والمنعكسة) على الصفيحة، وتسجل على الصورة الثلاثية الأبعاد السالبة أهداب تداخل دقيقة جداً ومتراصة.
يمكن أن يعاد تركيب خيال الجسم الأصلي بإرسال حزمة ضوئية وحيدة التواتر (ذات طول موجة واحدة) لإضاءة الصورة الثلاثية الأبعاد السلبية.
وعندما تُظهَّر لوحة التصوير هذه تعطي ما يسمى الصورة المجسمة بكل تفاصيلها. وبإجراء عملية عكسية لعملية التصوير كما في الصورة أسفل الشكل رقم 4 فإن خيال الجسم المصور يمكن أن يعاد تركيبه من جديد. أي تضاء الصورة المساحية السالبة H بحزمة ليزرية وحيدة التواتر لها التواتر المرسل نفسه.
إن معظم الأشعة الليزرية المركزية (الأشعة A) تخترق الصورة مباشرة من دون أن تنحرف، أما أهداب التداخل المتراصة الموجودة في الصورة المجسمة السالبة فتكوّن حاجزاً يحرف الأشعة الواردة ويعكسها ويبددها لتظهر الوضع الأصلي للجسم، وتسير الأشعة المبددة والمنكسرة بعيداً عن الأشعة الليزرية الأصلية. وهكذا يتشكل خيال وهمي في جهة المنبع الضوئي، خلف لوحة التصوير المجسمة،أي في النقطة C. أما في النقطة B فيتشكل خيال حقيقي من الجهة الثانية. وكلا الخيالين يتراكب من جديد في عين الناظر ويعطي الشعور بالبعد الثالث، إضافة إلى جميع المعلومات عن عمق الجسم الأصلي المصور وارتفاعه. ومن الممكن إعادة تصوير الخيال المتراكب في النقطة B بوسائل التصوير العادية، وباختيار العمق المراد، عن طريق ضبط البعد المحرقي لعدسة التصوير حتى توافق الرؤية الواضحة.
يبين الشكل رقم (6) نموذج تاج ملكي مزين بزخارف. ونلاحظ في الصورة الفرق الواضح بين الصورة المجسمة والخيال الذي أعيد تشكيله. فتبدو الصورة المجسمة في أعلى الصورة مجموعة من الأهداب المتداخلة المعقدة (بيضاء وسوداء)، في حين تبدو الصورة في الأسفل واضحة جداً.
إن الخيال الحقيقي في هذه الصورة المجسمة يعطي رؤية معكوسة (أي يعطي تضاريس عكسية)، ويمكن التخلص من هذا الوضع بإنجاز صورة مجسمة مضاعفة. تُحضر أولاً صورة منفردة وحيدة، ثم تستخدم هذه الصورة جسماً حقيقياً لعمل صورة مجسمة جديدة بعكس الخيال مرتين فيصبح الخيال النهائي مستوياً ثانية.
ويمكن في التصوير المجسم أن تسجل على اللوحة نفسها سلسلة متوالية من أخيلة متعددة يعاد تركيبها لتُرى من جديد، كما في حالة خيال الجسم المنفرد، وهذا ما يسمح به التصوير المجسم الملون، على نحو يمكن أن تسقط ثلاث صور مجسمة على صفيحة التصوير نفسها باستخدام ثلاث حزم ليزرية بأطوال موجية مختلفة. ويمكن إعادة إظهار الصورة باستخدام ثلاث حزم ليزرية موافقة للأمواج المستخدمة في التصوير بإعطاء خيال مجسم باستخدام الضوء الطبيعي.
التصوير المجسم باستخدام أشعة الليزر النبضية
تستخدم هذه الطريقة في دراسة حركة جسم متحرك في لحظة ما، فتُلتقط له صورة مجسمة بسرعة معينة وبومضات عالية الشدة باستخدام أشعة ليزر صادرة عن بلورة من الياقوت مصقولة جيداً. إن تواتر هذا النبض الليزري يمكن أن يصل إلى 1/10.000000 جزء من الثانية في حين لا تزيد مدة دوران الجسم المصوَّر على 1/15 من طول موجة الضوء البلوري، وفي هذه المدة الزمنية القصيرة يمكن الحصول على صورة مجسمة جيدة وصالحة للاستعمال. وباستخدام منبع مشع سريع الحركة يبعث أشعة ليزرية نبضية يمكن التوصل بنجاح إلى فحص أجسام سريعة الحركة، كما يمكن دراسة التفاعلات الكيميائية المرجعة التي تغير الخواص الضوئية للمحاليل بالصور المساحية أيضاً.
إن الصورة المساحية بأشعة الليزر النبضية تعطي خواص الصورة المجسمة نفسها التي تتم بالأشعة الليزرية المستمرة. وقد استخدم التصوير المجسم بأشعة الليزر النبضية في اختبارات الأنابيب الهوائية، فدرست حركة الأجسام المتحركة عبر الهواء بإحداث تيار هواء شديد السرعة حول تلك الأجسام المتحركة، وذلك عن طريق دراسة ظواهر التداخل الضوئي. ومن ثم أمكن قياس أطوال أمواج الاهتزاز وقياس عامل الانكسار الضوئي للمحاليل.
تسجيل الصور المجسمة
يمكن أن نسجل الأخيلة في التصوير المجسم على مواد مختلفة لا تستخدم فيها صفائح تصوير عادية. ومعظم هذه المواد ما تزال قيد التجربة، ولكن تبقى صفائح أفلام التصوير هي الأكثر استخداماً.
وسائط التصوير التجسيمي
| Material | Reusable | Processing | Type of hologram | Max. efficiency | Required exposure [mJ/cm²] | Resolution limit [mm−1] |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Photographic emulsions | No | Wet | Amplitude | 6% | 0.001–0.1 | 1,000–10,000 |
| Phase (bleached) | 60% | |||||
| Dichromated gelatin | No | Wet | Phase | 100% | 10 | 10,000 |
| Photoresists | No | Wet | Phase | 33% | 10 | 3,000 |
| Photothermoplastics | Yes | Charge and heat | Phase | 33% | 0.01 | 500–1,200 |
| Photopolymers | No | Post exposure | Phase | 100% | 1–1,000 | 2,000–5,000 |
| Photochromics | Yes | None | Amplitude | 2% | 10–100 | >5,000 |
| Photorefractives | Yes | None | Phase | 100% | 0.1–50,000 | 2,000–10,000 |
تكرار الصور المجسمة
التطبيقات
تخزين البيانات
الأمن
الفن
Hobbyist use
