التصوير المجسم holographiy هو تشكيل خيال ثلاثي الأبعاد من صورة واحدة منفردة من دون استخدام عدسات للرؤية. والصورة الثلاثية الأبعاد صورة مجسمة hologramسجلت عليها أشكال لا يمكن إدراكها على هيئة شرائط وحلقات متناوبة بيضاء وسوداء لها طول وعرض. فإذا أضيئت هذه الأشكال بضوء ليزري وحيد طول الموجة يظهر بعدها الثالث، أي العمق، واضحاً، ويبدو الخيال بأبعاده الثلاثية كما في حالة الجسم الأصلي المصور.
إن الخيال في الصورة الفوتوغرافية العادية ينتج فقط عن تغيرات شدة الضوء المنعكس عن الجسم المصور، أما التصوير الثلاثي الأبعاد فإنه يسجل، إضافة إلى ذلك أطوار الأمواج المنعكسة، أو يسجل تراكب مقدمات الأمواج المنعكسة، التي تكون بأطوار مختلفة بعضها عن بعض. ولما كان الضوء الطبيعي يتألف من أمواج متعددة الأطوار، وهي أمواج ألوان الطيف، كانت أطوار الأمواج المنعكسة عن الجسم المصور والناتجة عن حزمة ضوئية طبيعية تكون عشوائية تماماً.
ويعد دينس غابور Dennis Gabor صاحب فكرة التصوير المجسم، وقد حصل على جائزة نوبل في الفيزياء عن هذا الاختراع عام 1971.
وجد غابور 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 غابور عملياً.
لا تختص الأشعة الليزرية فقط بأنها أشعة ذات طول موجة محددة، ولكنها تتميز بأنها ذات شدة ضوئية عالية. ومن بين جميع أنواع الأشعة الليزرية هناك نوعان فقط لهما أهمية خاصة يصلحان للاستخدام في التصوير المجسم وهما: الأمواج الليزرية المستمرة c.w والأمواج الليزرية النبضية pulsed lezar.
إن الأشعة الليزرية المستمرة تصدر حزمة ضوئية واحدة برّاقة من شعاع نقي (وحيد اللون) نقي تقريباً. أما الأمواج الليزرية النبضية فتصدر شعاعاً نبضياً يدوم نحو 1/10.000000 من الثانية.
لمحة تاريخية عن التصوير المجسم
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.
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
1 ـ 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).
المبادئ الأساسية للتصوير المجسم
إن المشكلة الأساسية في نظرة غابور 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.
أهم تطبيقات التصوير المجسم
ما يزال التصوير المجسم في بدايات مراحله التطبيقية. ومع ذلك فقد توصل العلم إلى تطبيقات كثيرة في هذا الميدان منها على سبيل المثال، الاستفادة من إمكانية رؤية اللوحة المساحية بوضوح بآلة التصوير أو بالمجهر لفحص الأجسام المصورة الدقيقة جداً والتي يصعب الوصول إليها. كدراسة الوديان العميقة والشديدة الانحدار على سطح الأرض عن طريق التصوير بضوء وحيد ليزري طويل الموجة، وإعادة تركيب الخيال في الصورة المساحية. وبما أن الخيال حقيقي يمكن ضبط البعد المحرقي للمجهر على المنطقة المطلوبة تماماً وضبط آلة التصوير على العمق المطلوب.
كذلك يمكن أن يستخدم التصوير المجسم في تصوير السطوح اللطيفة الانحدار، ثم يعاد تركيب الصور المجسمة المأخوذة لهذه السطوح ومعالجتها كأنها سطوح مركبة متدرجة. ومثل هذا الترتيب يمكن أن يتم خطوة خطوة.
كذلك يمكن أن يطبق التصوير المجسم المستخدم في مقياس التداخل بنجاح على أي موضوع يؤدي إلى تشوه طفيف في مقدمة الموجة الليزرية مهما كان شكل السطح المركب.
إن تأثير تشوهات الأجسام المرنة يمكن أن يدرس بتراكب جبهتي موجتين في الصورة المساحية بتسجيل الضوء المنعكس قبل التشوه المرن وبعده، وعندما نعيد تركيب اللوحة المساحية هذه نحصل على صورة واضحة للجسم المصور عن طريق تقاطع أهداب التداخل. وهناك أيضاً مرونة كبيرة في اختيار الطرق المستخدمة في التطبيق العملي لدراسة التشوهات باستخدام أشعة ليزر صادرة عن بلورة ياقوت مصقولة جيداً، إذ تتم دراسة التغيرات الزمنية السريعة، وهذه التغيرات الزمنية السريعة لا تدرس عادة في الصورة المساحية المنفردة، ولكن تتم بدراسة زوج من الصور المجسمة. فإذا ركبت هذه الصور بعضها مع بعض فإنها تعطي نموذجاً من أهداب متداخلة معقدة.
وقد أجريت دراسات ناجحة لدراسة الاهتزاز في مجموعات ذات ذبذبات ميكانيكية عالية، مثل دراسة المخططات النهائية للآلات الموسيقية (لصوت الكمان مثلاً) وذبذبات شفرات المحركات الكبيرة، حيث تطبق عليها طرائق خاصة للدراسة تكون فيها المسافة بين صفائح الصورة الثلاثية الأبعاد والجسم المصور كبيرة إلى درجة تضمن وجود الجسم كله ضمن مساحة الرؤية في أثناء التصوير، ويجب أن تزاد قوة أشعة الليزر في هذه الحالة، والأمر الذي يتطلب استخدام ضوء متجانس عالي التواتر.
