Размещено на http://allbest.ru

51

Содержание

Введение

Глава 1. Суть явления голографии

1.1 Голографирование. Восстановление изображения предмета

Глава 2. Свойства голограмм

2.1 Пропускающие голограммы

2.2 Отражающие голограммы

2.3 Основные свойства голограмм

Глава 3. Применение голографии

3.1 Изобразительная голография

3.2 Копирование голограмм

3.3 Радужная голография

3.4 Голографические оптические элементы

3.5 Голографические запоминающие устройства

3.6 Носители информации для голографических ЗУ

Заключение

Список литературы



Введение

Актуальность проблемы. За последние годы достигнуты значительные успехи в разработке объемных голографических сред, причем происходит как улучшение характеристик уже известных сред, так и создание новых голографических сред, превосходящих существующие не только по отдельным своим характеристикам (чувствительность, разрешение), но и по совокупности своих оптико-технических и голографических параметров, в том числе по себестоимости и технологичности изготовления. Это обеспечивает возможность создания высокоэффективных голографических оптических элементов с улучшенными оптическими характеристиками.

В то же время значителен прогресс в создании обладающих несомненными достоинствами полупроводниковых лазеров видимого диапазона - малогабаритных, недорогих и экономичных источников когерентного света. Неоптимальность использования этих лазеров в оптических системах, базирующихся на традиционных оптических элементах (линзы, призмы, зеркала), наиболее сильно проявляется в существующей в настоящее время тенденции уменьшения массы и габаритов оптических приборов и устройств. Как правило, оптические элементы существенно превосходят по массе и габаритам полупроводниковые лазеры и тем самым задают массо-габаритные характеристики всего оптического прибора. Эти обстоятельства диктуют необходимость создания оптических элементов для когерентного излучения, которые при сопоставимых оптических характеристиках были бы меньше по массе и габаритам.

Одним из путей создания оптических элементов для когерентной оптики является запись с помощью лазеров объемных голографических оптических элементов - ГОЭ. Анализ свойств тонкого и объемного ГОЭ показывает на существенную разницу в свойствах формирования изображения, вызванную различием дифракционных структур. В наибольшей степени это проявляется для отражающих ГОЭ. Поэтому методы расчета тонких ГОЭ не всегда могут быть использованы для расчета объемных ГОЭ.

Для расчетов ГОЭ с помощью существующих компьютерных программ необходима исходная модель записывающих волн. Расчет схемы записи объемного ГОЭ отличается от расчета схемы записи тонкого ГОЭ, так как требуется учитывать объемность среды и особенности объемных сред. На начальной стадии практическое применение объемных ГОЭ ограничивалось использованием их в комбинации с традиционными оптическими элементами. Но с улучшением характеристик голографических элементов применение их в качестве важных, но все же вспомогательных элементов, заменяется тенденцией разработки оптических систем, основанных только на использовании одних ГОЭ. В связи с этим для ГОЭ требуется не только высокая эффективность и малые аберрации, но и низкий уровень шумов рассеяния.

Указанные обстоятельства делают актуальной задачу расчета схем записи и восстановления объемных голографических оптических элементов с учетом особенностей голографических сред, разработки метода контроля уровня шумов во время их записи, изучения особенностей регистрации в динамических голографических средах. Актуальной остается задача разработки новых объемных ГОЭ и на их основе - оптических приборов и устройств.

Цель работы: изучение явление голографии, описание основных методов голографии и их свойств, рассмотрение основных видов голограмм, а также ознакомление с областью применения голограмм в современной науке и её актуальность в повседневной жизнедеятельности.



Глава 1. Суть явления голографии

Голография (от греч. holos - весь и grapho - пишу, т.е. «полная запись») - особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики - законам интерференции и дифракции. Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведения пространственного изображения предметов изобретен английским физиком Д. Габортом (1900-1979) в 1947г. (Нобелевская премия 1971г.). экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа (советским ученым Ю.Н.Денисюком в 1962г. и американскими физиками Э. Лейтом и Ю. Упатниексом в 1963г. стали возможными после появления в 1960г. источников света высокой степени когерентности - лазеров.

Методы голографии (запись голограммы в трехмерных средах, цветное и панорамное голографирование и т.д.) находят все большее развитие. Она может применяться в ЭВМ с голографической памятью, голографическом электронном микроскопе, голографическом кино и телевидении, голографической интерферометрии и т.д.

Согласно принципу Гюйгенса -- Френеля, можно восстановить картину волнового поля, образованного электромагнитной волной, в любой момент времени и в любой точке пространства. Для этого надо записать распределение амплитуд и фаз волн (в данном случае световых) на произвольной поверхности или ее части, охватывающей источник волн. Иными словами, чтобы «заморозить» электромагнитные волны во всем пространстве, достаточно «заморозить» их только на некоторой поверхности.

Как восстановить в пространстве световую волну, т. е. «разморозить» ее? Для этого надо задать параметры, характеризующие среду. Предположим, нужно восстановить плоскую волну. Для этого мы должны задать для любой плоскости равномерно распределенные источники колебаний с определенной начальной фазой. Элементарные источники колебаний должны находиться на поверхности, перпендикулярной направлению распространения волн. Но это те обязательно. Все будет зависеть от типа волн. Возьмем для примера сферические волны, излучаемые точечным источником. Зададим в качестве поверхности, на которой «замораживаются» волны, сферу с центром в источнике. Амплитуды и фазы элементарных источников волн будут одинаковыми для всей поверхности. В случае с круговыми волнами при «замораживании» световых волн надо расположить элементарные источники колебаний с одинаковой фазой и амплитудой на концентрических окружностях.

Иными словами, мы должны зарегистрировать на некоторой поверхности мгновенные картины линий постоянной фазы в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных областей. В этом нам помогает интерференция: мы получаем интерференционную картину, состоящую из светлых, (прозрачных) и темных (непрозрачных) полос. Интерференция и есть способ сравнения пространственной структуры двух пучков света. Вначале происходит их сравнение, а затем -- регистрация их на фотопластинку.

Откуда возникли оба эти пучка и что они собой представляли в опытах Габора? Один пучок отражался от освещенного предмета и падал на фотопластинку. Он являл собой определенную комбинацию волн, конфигурация которых зависела от формы предмета. Она могла быть как очень простой, так и очень сложной. Другой пучок имел простую конфигурацию. Чаще всего он состоял из плоских волн. Создавался он когерентным источником света и назывался опорной волной. Второй пучок служил в качестве эталона. Он также падал на фотопластинку.

Оба световых пучка пересекались вблизи этой пластинки. При пересечении они интерферировали между собой, образуя области усиления или ослабления, чередующиеся по определенному закону во времени и пространстве. В результате интерференции получалась интерферограмма в виде чередующихся светлых и темных полос-- неподвижная интерференционная картина.

Неподвижность интерференционной картины в пространстве обеспечивалась опорной (эталонной) волной. Это она «останавливала» («замораживала») световую волну.

Чтобы восстановить изображение предмета, достаточно осветить голограмму только опорным пучком, используемым при записи. Этот способ регистрации волнового поля ценен тем, что допускает простое восстановление исходной волны. Как только мы направляем на голограмму опорную волну, использованную при записи, за голограммой восстанавливается («размораживается») исходное волновое поле предмета. Согласно принципу Гюйгенса -- Френеля, восстановлением мы обязаны эквивалентным источникам, образованным светлыми местами интерференционной картины. По этой причине волны «размораживаются», и наблюдатель видит пространственное изображение предмета.

Итак, можно сделать вывод о том, что голография-- это фотографический метод. Но он существенно отличается от метода классической фотографии. Это радикально иной, двухступенчатый метод. В отличие от обычной фотографии изображения, которые получаются при восстановлении записанного на голограмме, полностью неотличимы от изображений реального предмета. Голография позволяет воспроизвести в пространстве действительную картину электромагнитных волн, т.е. волновую картину предмета тогда, когда .самого предмета уже нет.

1.1 Голографирование. Восстановление изображения предмета

Уширенный с помощью простого оптического устройства пучок лазера одновременно направляется на исследуемый объект и на зеркало. Отраженная от зеркала опорная волна и рассеянная объектом световая волна падают на обычную фотопластинку, где происходит регистрация возникшей сложной интерференционной картины. После соответствующей экспозиции фотопластинку проявляют, в результате чего получается так называемая голограмма -- зарегистрированная на фотопластинке интерференционная картина, полученная при наложении опорной и предметной волн. Голограмма внешне похожа на равномерно засвеченную пластинку, если не обращать внимания на отдельные кольца и пятна, возникшие вследствие дифракции света на пылинках и не имеющие отношения к информации об объекте.

Для восстановления волнового поля предмета, тем самым для получения его объемного изображения, голограмму помещают в то место, где была расположена фотопластинка при фотографировании, и затем освещают голограмму световым пучком того же лазера под тем же углом, под которым было осуществлено экспонирование. При этом происходит дифракция опорной волны на голограмме, и мы видим объемное со всеми присущими самому объекту свойствами (в нем сохраняется также распределение освещенности, как и в объекте) «мнимое» изображение. Оно кажется нам настолько реальным, что даже иной раз появляется желание потрогать предмет. Разумеется, это невозможно, так как в данном случае изображение образовано голографической копией волны, рассеянной предметом во время записи голограммы.

От голограммы в глаз попадает точно такая же волна, какая попала бы от самого предмета. Кроме мнимого изображения получается также действительное изображение объекта, имеющее рельеф, противоположный рельефу самого объекта, если наблюдение ведется справа от голограммы. В этом случае трудно наблюдать действительное изображение невооруженным глазом. Если осветить голограмму с обратной стороны обращенным опорным пучком так, чтобы все лучи пучка были направлены противоположно лучам первоначального опорного пучка, то в месте первоначального расположения предмета возникает действительное изображение, доступное наблюдению невооруженным глазом. Его можно зарегистрировать на фотопластинку без применения линз.

Голографический метод состоит из двух этапов.

Вначале получают (записывают) голограмму - интерференционную картину, возникающую на фотопластинке при сложении двух когерентных пучков света. На фотопластинке образуется интерференционная картина, представляющая собой чередование светлых и темных пятен. Голографическое изображение не соответствует его внешнему виду.

Для восстановления голограммы (второй этап) ее освещают таким же когерентным излучением. Поскольку голограмма представляет сложную интерференционную картину, то на ее прозрачных и непрозрачных участках происходит дифракция когерентного излучения, и в результате получается изображение.

В настоящее время практически реализованы методы получения голограмм, которые позволяют воспроизвести амплитуду, фазу, спектральный состав, состояние поляризации зарегистрированного излучения и изменение этих параметров во времени.

Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул замечательную идею. Сущность ее реализации заключается в следующем. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, назвали опорным, а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным. Учитывая, что эти пучки получены из одного источника излучения, можно быть уверенным в том, что они когерентны. В данном случае интерференционная картина, образующаяся на пластинке, будет устойчива во времени, т.е. образуется изображение стоячей волны.

Полученная интерференционная картина является кодированным изображением, описывающим объект таким, каким он виден из всех точек фотопластинки. В этом изображении сохранена информация как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн и, следовательно, заложена информация о трехмерном (объемном) объекте. Фотографическая запись картины интерференции предметной волны и опорной волны обладает свойством восстанавливать изображение объекта, если на такую запись снова направить опорную волну. Т.е. при освещении записанной на пластине картины опорным пучком восстановится изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального.

Если смотреть через пластинку под разными углами, можно наблюдать изображение объекта в перспективе с разных сторон. Конечно, полученную таким способом фотопластинку нельзя назвать фотографией. Это и есть голограмма.

Расположение регистрирующей среды относительно направления распространения интерферирующих пучков (независимо от ее формы и геометрических размеров) определяет тип голограммы: пропускающая или отражательная.



Глава 2. Свойства голограмм

2.1 Пропускающие голограммы

При ориентации регистрирующей среды таким образом, что интерферирующие пучки падают на ее поверхность с одной стороны, регистрируют так называемые пропускающие голограммы

В 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера.

Схема, предложенная ими, используется в изобразительной голографии повсеместно. Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка - предметный и опорный.

Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок - объектный попадает на фотопластинку.

В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны. Остается только зарегистрировать ее обычным фотографическим путем.

Если голограмму записать в некоторой объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм.

В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга: в результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности. После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения.

В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет. Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Запись и вид пропускающей голограммы по схеме И. Лейта и Ю. Упатниекса

Такая толстослойная голограмма обеспечивает эффективное восстановление объектной волны при условии, что угол падения опорного пучка при записи и восстановлении останется неизменным.

Не допускается также изменение длины волны света при восстановлении. Такая избирательность объемной пропускающей голограммы позволяет записать на пластинке до нескольких десятков изображений, изменяя угол падения опорного пучка соответственно при записи и восстановлении.

Схема записи пропускающих объемных голограмм аналогична схеме Лейта-Упатниекса для двумерных голограмм.

При восстановлении объемной голограммы, в отличие от плоских пропускающих голограмм, образуется только одно изображение вследствие отражения от голограммы восстанавливающего пучка только в одном направлении, определяемом углом Брэгга.



2.2 Отражательные голограммы

Отражательные объемные голограммы записываются по иной схеме. Идея создания таких голограмм принадлежит Ю.Н. Денисюку и известны под именем их создателя.

Изобразительные голограммы Ю. Н. Денисюка, представляют собой отражательные голограммы, полученные при встречном распространении интерферирующих пучков, при этом период интерференционной картины минимален.

Опорный и предметный световые пучки образуются с помощью делителя и посредством зеркала направляются на пластину с двух сторон. Предметная волна освещает фотографическую пластину со стороны эмульсионного слоя, опорный - со стороны стеклянной подложки. Плоскости Брэгга в таких условиях записи располагаются почти параллельно плоскости фотопластины. Таким образом, толщина фотослоя может быть сравнительно небольшой. На приведенной схеме объектная волна образуется с пропускающей голограммы. Т.е. вначале изготавливаются обычные пропускающие голограммы по описанной выше технологии, а потом уже с этих голограмм (которые называются мастер-голограммами) изготавливают в режиме копирования голограммы Ю. Н. Денисюка.

Основное свойство отражательных голограмм - это возможность восстановления записанного изображения с помощью источника белого света, например, лампы накаливания или солнца. Не менее важным свойством является цветовая избирательность голограммы. Это значит, что при восстановлении изображения белым светом, оно восстановится в том цвете, в каком было записано. Если для записи был использован, например, рубиновый лазер, то восстановленное изображение объекта будет красным.

В соответствии со свойством цветовой избирательности можно получить цветную голограмму объекта, в точности передающую его естественный цвет. Для этого необходимо при записи голограммы смешать три цвета: красный, зеленый и синий либо провести последовательное экспонирование фотопластинки этими цветами.

2.3 Основные свойства голограмм

Эти свойства связаны именно с тем, что на них фиксируется не только амплитуды, но и фаза волн. Практически на каждую точку поверхности пластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Это означает, что любая, даже маленькая часть содержит зрительную информацию о всем предмете.

1. Изображение предмета можно получить на любой, даже небольшой части голограммы. Но качество изображения, полученного от кусочка голограммы, хуже изображения, полученного от всей голограммы. Голограмму можно разбить на несколько кусков, и каждый будет полностью воспроизводить первоначальное изображение. Отпечаток голограммы, где черные полосы стали прозрачными и наоборот, дает то же изображение, что исходная голограмма. (Ни фотография, ни голограмма «по Денисюку» таким свойством не обладает.)

2. Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения. (Это свойство используется в рентгеновских голографических микроскопах)

3. Если на одну пластинку записать несколько голограмм, используя разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны независимо при помощи лазеров с соответствующим излучением. Таким же образом можно записать и полноцветное изображение.

4. Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера и даже вручную. Можно создавать голограммы, на которых изображены предметы, не существующие в реальности. Достаточно компьютеру задать форму объекта и длину волны падающего на него света. По этим данным компьютер рисует картину интерференции отраженных лучей. Пропустив световой пучок сквозь искусственную голограмму, можно увидеть объемное изображение придуманного предмета. Так, зонную пластинку Френеля нетрудно начертить, получив простейшую голограмму одной точки, но чем сложнее объект, тем более запутанной становится такая искусственная голограмма.

Следовательно, голография позволяет записывать, хранить, обрабатывать и быстро преобразовывать огромное количество данных. Эти особенности голографии используют для решения многих технических и научных проблем.



3. Применение голографии

3.1 Изобразительная голография

Отличительная особенность изобразительных голограмм - реалистичность воспроизводимых ими трехмерных изображений, которые часто трудно отличить от реальных объектов. Эта особенность обусловлена тем, что при специальном освещении голограмма не только передает объем предметов с большим диапазоном яркостей, высоким контрастом и четкостью, но также дает возможность четко наблюдать точное изменение бликов и теней в случае изменения угла наблюдения при рассматривании этих предметов.

Рассмотрим схему изготовления отражательных голограмм по методу Ю.Н. Денисюка, получившую широкое практическое применение в изобразительной голографии.

Рис. Однолучевая схема записи отражательной голограммы.

Пучок света лазера 1 проходит через почти прозрачную фотопластинку 2, освещает объект 4 и падает на фотопластинку с противоположной стороны.

Таким образом, фотопластинка освещается двумя пучками света: объектным, отраженным от объекта, и опорным, идущим непосредственно от лазера.

На рисунке представлено вертикальное расположение предметов, но не менее часто применяется горизонтальное. Кроме того, для более качественной записи необходим еще один элемент - точечная диафрагма-- пластинка с диаметром в несколько микрометров, устанавливаемая в фокусе положительной линзы. Для успешного устранения интерференционных помех диаметр диафрагмы следует выбирать по следующей формуле:

где d - диаметр диафрагмы, мкм; ДS - длина волны света, мкм; b - поперечный размер фотопластинки, мм; l - расстояние от диафрагмы до фотопластинки, м.

Объект съемки или композицию из ряда предметов размещают вертикально или горизонтально в зависимости от смыслового содержания и жестко закрепляют либо непосредственно на столе, либо на массивной подставке, которая одновременно может служить частью фона. Должен быть предусмотрен жесткий задний план, а боковые стороны в объеме голографируемой композиции могут закрываться темным материалом либо иметь зеркальные или рассеивающие свойства и создавать дополнительные боковые подсветки.

Освещение объекта определяется, во-первых, оптической схемой съемки, во-вторых, оптическими и художественными особенностями голографируемого объекта (зеркальные и диффузные поверхности, тени, полости и т.д.).

Прямое освещение одним пучком часто не передает особенностей композиции, а иногда обусловливает искажение за счет резких теней и отсутствия полутонов. Поэтому для получения художественной голограммы предпочтительны многопучковые схемы. Двупучковый вариант схемы приведен на рис.

В любом случае необходимо максимально возможное уравнивание длины путей распространения света в опорном и объектном пучках, даже если их несколько.

Рис. Схема записи с разделением пучков.

Изобразительные голограммы изготавливают и пропускающими, особенно при практической реализации голографического кинематографа и трехмерных дисплеев. В этом случае используется следующая схема (рис. ), когда опорный и объектный пучки падают на фотопластинку с одной стороны.

При этом пучок света лазера 1 после светоделительной пластинки 2 идет по двум каналам. С помощью зеркала 3 и расширительной линзы 4 формируется опорный пучок, падающий на фотопластинку 6. Расширительная линза 7 формирует пучок, освещающий объект 9. Отраженный от объекта пучок падает на фотопластинку с той же стороны, что и опорный.

Пропускающую голограмму можно получить с использованием линзы, формирующей уменьшенное изображение в пространстве. Если фотопластинку поместить в плоскость, сопряженную с любым сечением объекта, например центральным или соответствующим переднему плану, и осветить пластинку опорным пучком, то на ней будет зарегистрирована пропускающая голограмма сфокусированного изображения.

Так можно изготавливать изобразительные голограммы в виде слайдов. В голографическом кинематографе эта схема является основой для получения голографических кинокадров.

Рис. Запись пропускающей изобразительной голограммы.

Голограммы, полученные в свете лазера с одной длиной волны, воспроизводят монохромные изображения. Для получения цветных голограмм, правильно воспроизводящих в едином изображении детали объекта разного цвета, необходимо регистрировать и затем воспроизводить в простейшем случае три цветооделенных изображения объекта, например красное, зеленое и синее.

Желательно изготавливать цветные голограммы на цветных однослойных полихроматических голографических фотоматериалах. В этом случае экспонирование ведется одновременно в трех длинах волн, как показано на схеме для съемки отражательной голограммы (рис. ).

Здесь 1a-1в - лазеры, излучающие свет в красной, зеленой и синей частях спектра, 2a-2в - оптические элементы, позволяющие совместить излучение трех лазеров в одном пучке, 3 - зеркало, 4 - линза, расширяющая суммарный пучок света лазеров, 5 - фотопластинка, 6 - объект.

При съемке цветной пропускающей голограммы объект освещается тремя лазерами. Далее возможны два случая: во-первых, когда опорные пучки трех цветов суммируются и падают на фотопластинку под одним и тем же углом, во-вторых, опорные пучки направляются на фотопластинку под разными углами.

Рис. Запись отражательной цветной голограммы

В случае однослойного материала независимо от схемы съемки наблюдается существенное снижение дифракционной эффективности и отношения сигнал/шум, что ограничивает их использование.



Рис. Схема записи пропускающей цветной голограммы без разделения (б) и с разделением (а) опорных пучков в пространстве.

Для записи высококачественных цветных голограмм применяют способ последовательной регистрации трех отдельных

цветных голограмм. Для этого по одной из схем последовательно получают частичные голограммы на различных пластинках с фотослоями, чувствительными к зеленому, красному и синему свету.

Другой способ - изготовление частичных голограмм в отдельных слоях многослойного фотоматериала на одной подложке. Каждый слой сенсибилизируется к одному участку спектра, причем зелено- и красночувствительные слои десенсибилизируются к синей зоне спектра. Последнее относится как к съемке отражательных, так и пропускающих голограмм.

Важно, чтобы при воспроизведении цветного изображения из трех частей не возникло ложных изображений из-за дифракции света разных длин волн на разноименных голограммных структурах.

При восстановлении цветных голограмм на достаточно толстых слоях подавление ложных изображений обеспечивается спектральной селективностью, что позволяет использовать для восстановления изображения источник белого света. В случае пропускающей голограммы нет возможности обеспечить спектральную селективность, поэтому для устранения ложных изображений используют угловую селективность голограмм (для чего при записи опорные пучки заводятся под разными углами).

Для всех схем получения цветных голограмм имеются следующие общие требования:

Необходимо точное соблюдение взаимного углового расположения источников света и голограммы в процессах съемки и восстановления.

Процесс обработки и условия хранения голограммы не должны приводить к изменениям толщины слоев частичных голограмм.

При большой глубине объектов съемки эти требования становятся достаточно жесткими.

Теперь необходимо сказать несколько слов о технике воспроизведения голографических изображений.

Демонстрирование изобразительных голограмм должно обеспечивать комфортность и естественность восприятия зрителем. Качество изображения хорошей голограммы (без видимых дефектов, с высокой яркостью, малым уровнем шумов, с правильно расположенными и освещенными при съемке объектами) определяется параметрами восстанавливающего источника света: длиной волны и спектром излучения, формой пучка, интенсивностью и правильным расположением источника света и голограммы.

На практике даже толстослойная эмульсия не полностью селективна, и для устранения хроматизма, проявляющегося, как правило, в виде цветных ореолов, и получения глубоких монохромных изображений применяют светофильтры. Особенно целесообразно использовать ртутные лампы с малым телом свечения, большой яркостью и линейчатым спектром. Часто используют свет диапроектора.

Для восстановления пропускающей голограммы требуется источник света с высокой монохроматичностью, чаще всего - лазер. Но при использовании последнего приходится либо смириться с присущим лазерному излучению пятнистым шумом (спеклами), либо как-то с ним бороться.

Большинство объектов в естественных условиях освещаются сверху. Поэтому при рассматривании голографического изображения объекта он воспринимается естественно, если тени и блики на нем зарегистрированы в процессе освещения при съемке сверху под острым углом. Подходящие углы близки к углу Брюстера. Восстанавливающий источник при этом может быть укреплен на потолке, на стене высоко под потолком, на специальной стойке или в подвесе. Восстанавливающий пучок, падающий на голограмму, не должен перекрываться головой или корпусом зрителя, который может подойти близко к голограмме для рассматривания мелких деталей предметов, особенно произведений искусства (рис).

Рис. Техника воспроизведения при вертикальном и горизонтальном расположении изобразительных голограмм.



Горизонтальное или вертикальное положение голограммы определяется ее содержанием и условиями съемки. При установке света необходимо учесть и блик от стекла.

Изобразительные голограммы находят все большее применение в экспозициях музеев. Есть и еще один аспект изобразительной голографии - голографический портрет, для получения которого помимо выше сказанного приходится учитывать особенности импульсных лазеров и требования техники безопасности, когда предпочтительна схема освещения с рассеивающей пластиной и двустадийная запись. Но сначала рассмотрим следующую тему.

3.2 Копирование голограмм

Иногда бывает необходимо получить копию голограммы или размножить ее. Копии могут потребоваться для архивных или коммерческих целей, для научных исследований (когда объект имеет слишком короткое время жизни). Есть два основных типа копирования - контактное или почти контактное и копирование при восстановлении.

Копирование методом контактной печати более легкое и предпочтительно при массовом производстве реплик. В идеальном случае отпечатанную контактным способом реплику голограммы получают как контактный отпечаток с обычного фотообъекта. Голограмма-оригинал прикладывается вплотную к фотоматериалу и засвечивается однородным освещением.

Обращение контраста при обработке не влияет на вид изображения. Существенный недостаток: одновременно будут восстанавливаться два изображения - действительное и мнимое.

Предпочтителен другой метод копирования, когда восстанавливают с голограммы изображение и используют его в качестве объекта для записи новой голограммы. Используемая на практике схема копирования позволяет приблизить изображение к голограмме и даже вынести его вперед, расположив частично или полностью перед ней (рис.).

Голограмма-оригинал 5 освещается пучком света, прямо противоположным опорному при получении голограммы-оригинала. Дифрагированный пучок формирует в пространстве действительное изображение объекта 6.

Воспроизводимое изображение имеет обратный рельеф (псевдоскопично). Опорный пучок для записи отражательной голограммы-копии падает на фотопластинку с обратной стороны. Последняя перемещается относительно восстановленного с голограммы-оригинала изображения, при этом можно разместить и записать сюжетно важную часть объекта 6 плоскости голограммы-копии, обеспечивая максимальную резкость при восстановлении.

Рис. Получение отражательной копии с отражательного оригинала.

При восстановлении изображения с копии голограммы сопряженный пучок дает полный эффект наблюдения реального объекта, поскольку теперь нет "окна" между наблюдателем и объектом.

В ряде случаев целесообразно иметь голограмму-оригинал пропускающую, а копированием получать с нее отражательные голограммы (рис.).

Это оправдано, когда объект живой или достаточно велик. Восстановленный с пропускающей голограммы 5 пучок строит действительное изображение 6 перед голограммой-копией 10, с другой стороны на нее падает опорный пучок. При восстановлении изображения с голограммы-копии за счет двукратного обращения именно действительное изображение ортоскопично.

Рис. Получение отражательной копии с пропускающего оригинала

При копировании с пропускающей голограммы можно использовать несколько меньшую фотопластинку, так как при освещении не образуется тени. При копировании с отражательной голограммы образуются тени от рамы и края стекла и часть пластинки голограммы-копии оказывается нерабочей.



3.3 Радужная голография

В 1969 году Бентон, сотрудник фирмы "Polaroid Corporation" предложил свой способ копирования голограмм. Лейта с последующим восстановлением копии полихроматическим светом (рис. ). Это двухступенчатый процесс. На первом этапе записывается просветная голограмма во внеосевой схеме. Это голограмма служит оригиналом (мастер-голограмма) и восстанавливается сопряженным лазерным пучком с получением действительного изображения. В непосредственной близости от области локализации этого изображения устанавливается светочувствительный материал, на котором регистрируется голограмма-копия. Особенность данного процесса, позволяющая свести к минимуму смещение цветов при восстановлении белым светом, состоит в отсутствии вертикального параллакса, для чего на голограмму Н1, записанную на первом этапе, накладывают диафрагму в виде горизонтальной щели, и уже действительное изображение, спроецированное щелевой диафрагмой, используется для регистрации второй голограммы.

Рис. Схема записи (а) и восстановления (б) радужной голограммы



То есть на фотопластинке H3 регистрируется голограмма сфокусированного изображения. При освещении голограммы источником расходящегося освещения наблюдают изображение, причем источник освещения может быть неточечным и полихроматическим. Каждая спектральная компонента излучения за счет дисперсии голограммы-решетки строит смещенное по вертикали изображение щелевой диафрагмы 1, 2 и 3, которая служит окном наблюдения изображения в одном цвете, соответствующем данной спектральной компоненте.

Если глаза наблюдателя расположены горизонтально (параллельно щели), то он видит объемное изображение (со всеми его свойствами) в одном цвете, а при смещении глаз по вертикали цвет изображения меняется по радуге (поэтому и "радужная"), но изображение остается резким. Наблюдается разделение, а не смешение цветов в вертикальном направлении, поскольку каждое окрашенное изображение -результат раздельного восстановления информации, содержащейся в узкой щели.

Наибольшая резкость имеет место для точек изображения, лежащих в непосредственной близости от голограммы, точки же, находящиеся на некотором расстоянии от голограммы, будут относительно нерезкими. Степень не резкости зависит от размера щелевой диафрагмы. Ширина щели а определяется по формуле :

где r12 - расстояние между щелью и второй голограммой;

ri -расстояние между второй голограммой и объектом (его действительным изображением) - "выход". При r12 ri



Реально же размер щели может быть больше рассчитанного в 2-3 раза.

Если для восстановления щелевой голограммы взять цилиндрическую линзу, позволяющую использовать весь восстанавливающий пучок, а для улучшения дифракционной эффективности применить отбеливание, то при освещении голограммы источником белого света можно наблюдать очень яркое изображение.

В отличие от голограмм Денисюка, требующих высокоразрешающих сред, радужные голограммы, также наблюдаемые в белом свете, требуют гораздо более низкоразрешающих фотоматериалов. Поэтому такие голограммы могут быть переведены в рельефно-фазовые путем отбеливания либо сразу зарегистрированы на фоторезисте с последующим вытравлением экспонированных участков.

В случае использования задубленного фоторезиста реплика (копия) голограммы может быть сделана непосредственно с голограммы. Однако для получения большего количества копий с голограммы делают металлическую матрицу-штамп. Это выполняется методами гальванопластики, аналогичными тем, которые используются при производстве никелевых штампов для грампластинок. Никелевый штамп (или комплект штампов) позволяет формировать реплики на любом термопластичном материале от пленок и ламинированной бумаги до поверхности шоколада.

При напылении на пленку зеркального металлического слоя ДЭ голограммы-копии повышается до 35.. .40% и даже до 85 %. В сочетании с дешевым сырьем и огромной производительностью созданного оборудования для тиражирования данный метод копирования может и уже с успехом применяется для получения высококачественного объемного иллюстрированного материала массовых тиражей (журнал "Америка", художественные альбомы, открытки, марки и т.д.).

3.4 Голографические оптические элементы

Голографические (или голограммные) оптические элементы (ГОЭ) представляют собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы.

Голографические оптические элементы можно сконструировать для преобразования любого входного волнового фронта в любой другой выходной фронт независимо от параметров материала подложки, например от кривизны или показателя преломления. С их помощью возможна коррекция аберрации оптических систем, в таком случае ГОЭ выступают как составные элементы сложных оптических приборов. ГОЭ используют и как самостоятельные оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток, мультипликаторов и др.

Далее рассмотрим некоторые случаи применения ГОЭ в оптике и оптическом приборостроении.

Голограмма-линза. Голограмму можно рассматривать не только как результат записи волнового поля, но также как изображающий оптический элемент. Известно, что свойства линзы проявляют зонные пластинки (решетки).

Под этим термином обычно понимают зонную пластинку Френеля, состоящую из чередующихся светлых и темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами сп = vnлzf , где п - целое число, л - длина волны света с плоским волновым фронтом, которая, падая на пластину, фокусируется на расстояние zf от нее.

Если nл=zf то совокупность окружностей, которым соответствуют четные п, можно рассматривать как зонную пластину, имеющую двойное фокусное расстояние 2zf, совокупность окружностей с п, кратным 3, - как пластинку с утроенным фокусным расстоянием и т.д. Такая пластинка Френеля с прямоугольным радиальным распределением почернения может выполнять функцию изображающего оптического элемента. Ее недостаток - возникновение большого числа изображений, расположенных на оси, совпадающей с главным лучом пучка нулевого дифракционного порядка.

Зонную пластинку с косинусоидальным распределением почернения можно получить в виде голограммы, на которой записан результат интерференции плоской и сферической волн по схеме Габора при условии линейности процесса регистрации. В этом случае образуются только ±1-с дифракционные порядки, т.е. только два фокуса. В случае схемы Лейта оба изображения пространственно разделены между собой и с пучком нулевого порядка.

При освещении голограммы-линзы плоской волной возникают две сферические волны: сходящаяся и расходящаяся. Голографическая линза одновременно выполняет функции двух линз - выпуклой (положительной) и вогнутой (отрицательной). Направления распространения образованных сферических волн зависят от направления восстанавливающей плоской волны.

Схема получения голографической линзы приведена на рис. 8.10. С помощью линзы Л и микродиафрагмы Д создается точечный источник сферической волны. На заданном расстоянии zs от точечного источника устанавливают фотопластинку Ф, освещаемую также опорной плоской волной Р.

Интерференционная картина регистрируется на фотопластине с последующей фотохимической обработкой, предусматривающей, как правило, отбеливание. В результате ДЭ полученной фазовой голограммы достаточно высока (до нескольких десятков процентов).



Рис. Схема получения голографической линзы (а) и построения изображения (б).

При построении изображения предмета Т, помещенного в восстанавливающий пучок С, возникают основное изображение Iр -действительное и вторичное Ik - мнимое. Если повернуть голограмму на 180°, то характер изображений изменится.

Голографическая линза - это оптический элемент с двумя фокусными расстояниями: для основного (fp) и сопряженного (fk) изображений. Положения двух изображений связаны формулой l/zp + l/zk = 2/zT. Как видим, это выражение не зависит от положения источника сферической волны при получении и определяется только положением предмета Т относительно голографической линзы.

Голографические дифракционные решетки. Наиболее распространенный вид ГОЭ - именно голографические дифракционные решетки (ДР), представляющие собой зарегистрированную на светочувствительном материале картину интерференции двух световых пучков. Параметры голографических решеток можно изменять в широком диапазоне с помощью схемы записи и формы поверхности, на которой регистрируется решетка. Так, при изготовлении голографической решетки ей можно придавать любые фокусирующие свойства, например, получать плоские голограммы, аналогичные по своему действию вогнутой решетке, но лишенные астигматизма последней.

Голографический метод позволяет формировать ДР с любым распределением эффективности по дифракционным порядкам. Для этой цели может быть использована оптическая схема пространственной фильтрации. В случае падения на светочувствительный слой двух параллельных пучков под углами ц друг к другу расстояние между интерференционными полосами определяется как d = л/2sin (ц/2). При увеличении угла ц и уменьшении длины волны л расстояние между штрихами уменьшается. В пределе при ц>р d>л/2. Есть сообщения о промышленном изготовлении ДР с пространственной частотой до 6000 линий/мм.

Преимущество голографического метода еще и в том, что решетки могут быть изготовлены весьма больших размеров (до 600 Ч 400 мм). Дифракционные решетки превосходят обычные, нарезанные механическим способом, по таким параметрам, как максимальная пространственная частота и размеры, отношение сигнал/шум, возможность коррекции аберрации и др.

На практике наиболее пригодны голографические ДР на БХЖ, что обусловлено свойствами последней (высокая ДЭ, низкие зернистость, потери и т.д.). Голографические ДР используют в лазерной технике. Будучи введены в лазерный резонатор, они служат хорошими селекторами длин волн излучения. голограмма лазер шум изображение

Две скрещенные голографические ДР делят световой пучок на несколько равных по интенсивности пучков. Таким образом, могут быть созданы мультиплицирующие элементы (размножители) с эффективностью до 85%. Такие мультипликаторы обеспечивают любой шаг мультипликации от единиц до десятков миллиметров.

Голографические мультипликаторы. Мультипликация (размножение) изображений занимает важное место в технологии производства интегральных схем для микроэлектроники. Мультиплицирование требуется при использовании группового метода изготовления изделий, в многоканальных системах обработки информации, а также в системах хранения и размножения информации и др. Голографические мультипликаторы с пространственным разделением волнового фронта содержат растр голографических элементов, каждый из которых строит изображение предмета с полем, равным единичному изображению - одному модулю.

В них разделение волнового фронта, распространяющегося от объекта, осуществляется входными зрачками этих элементов, причем в каждый зрачок попадает только часть волнового фронта. Каждый элемент растра - осевая голографическая линза, концентрические кольца которой образуются в результате интерференции сферического и плоского волновых фронтов. Растр голографических линз может быть получен последовательной записью голограмм одного и того же точечного источника, образованного высококачественным (образцовым) микрообъективом. Преимущества такого мультипликатора - идентичность элементов растра, высокая разрешающая способность (особенно в центре), простота получения больших полей изображений - определяются числом мультиплицирующих элементов.

Голографические мультипликаторы с угловым делением волнового фронта содержат голограмму, представляющую собой единый мультиплицирующий элемент и обеспечивающую формирование множества микроизображений за счет дифракции на структуре голограммы световой волны, распространяющейся от объекта. При этом каждое отдельное микроизображение строится волновым фронтом, образованным всей площадью голограммы. Эти мультипликаторы бывают дух типов: на голограммах Френеля и голограммах Фурье (рис).



Рис. Изготовление и работа мультипликатора на голограмме Френеля.

При регистрации голограмм Френеля используют набор когерентных точечных источников и опорный источник. В результате их интерференции на фотопластинке получают голограмму точечных источников - мультиплицирующий элемент, представляющий собой набор внеосевых голографических линз, "вложенных" в одну апертуру.

Рис. Работа голографического мультипликатора на голограмме Фурье.



Голографические мультипликаторы Фурье могут быть выполнены по схеме со сходящейся волной и по схеме с мультиплицирующим элементом в плоской волне. Вторая схема предпочтительнее, ее и рассмотрим (рис). Образование изображения в системе может быть представлено как процесс двойной дифракции.

Первая дифракция происходит на объекте 2, освещаемом плоской монохроматической волной, образуемой когерентным источником света1. Объект 2 расположен в передней фокальной плоскости объектива 3, который образует в своей задней фокальной плоскости 4пространственный спектр объекта. В плоскости голограммы 4, которая одновременно является передней фокальной плоскостью второго объектива 5, находится мультиплицирующий элемент, представляющий собой голограмму набора точечных источников, число и расположение которых соответствуют желаемому числу и расположению размноженных изображений. В плоскости 4 имеем произведение двух спектров Фурье: объекта и набора точечных источников. Второй объектив 5 осуществляет также преобразование Фурье (обратное) объекта в своей фокальной плоскости. Поэтому в плоскости изображения 6 имеем, совокупность изображений исходного объекта, причем линейное увеличение системы г и размер изображений определяются соотношением фокусов объективов системы г = f2/f1.

В качестве мультиплицирующего элемента 4 могут быть использованы две скрещенные дифракционные решетки, обеспечивающие равенство интенсивности света, дифрагированного в нулевой и несколько боковых порядков..

Голографические компенсаторы. Данный тип ГОЭ применяют для коррекции оптических изображений. Голографические компенсаторы позволяют реализовать метод коррекции изображений, основанный на использовании сопряженной волны, образующей действительное изображение объекта (рис.). При совмещении действительного изображения искажающего элемента с самим этим элементом происходит восстановление первоначальной формы световой волны и получается неискаженное изображение наблюдаемого объекта. Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа матового стекла или турбулентная атмосфера.

Рис. Изготовление и работа голографического компенсатора.

Поясним суть метода на примере коррекции линзовых аберраций. На этапе изготовления голографического компенсатора на фотопленке Ф получают голограмму искажающего элемента -аберрационной линзы Л. При компенсации аберраций голограмму Г располагают по отношению к линзе в том же положении, как и при регистрации, и через нее наблюдают искаженное изображение объекта. Свет от объекта О дифрагирует на голограмме, и волна соответствующего порядка формирует свободное от аберраций изображение объекта! При освещении голограммы объектной волной от монохроматического источника В, искаженной линзой Л, восстановится изображение опорного источника Р. Если же объектная волна дополнительно искажена объектом, расположенным перед аберрационной линзой Л, то и в восстанавливающую волну вносятся такие же искажения и наблюдатель увидит изображение объекта. Метод компенсирующей голограммы может быть использован для коррекции искажений, создаваемых не только аберрациями линзы, но и оптически неоднородной средой, разделяющей объект и приемную оптику (в том числе волоконно-оптическими жгутами).

Данный тип ГОЭ применяют для коррекции оптических изображений. Голографические компенсаторы позволяют реализовать метод коррекции изображений, основанный на использовании сопряженной волны, образующей действительное изображение объекта (рис.). При совмещении действительного изображения искажающего элемента с самим этим элементом происходит восстановление первоначальной формы световой волны и получается неискаженное изображение наблюдаемого объекта. Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа матового стекла или турбулентная атмосфера.

...