Оптическая голография

Размещено на http://www.Allbest.Ru/

Белорусский государственный университет

Факультет радиофизики и компьютерных технологий

Реферат на тему:

Оптическая голография

Подготовил: Глинский А.С.

студент 2 курса 2 группы

Минск, 2023

Содержание

Введение

1. Историческая справка

2. Образование голограммы и голографического изображения

3. Основные типы голограмм

4. Объемные голограммы

5. Применение 3D голограмм

6. Выводы

Приложение

Источники

Введение

Голография - это один из способов регистрации информации. С ее помощью можно записывать, а потом воспроизводить изображения трехмерных объектов, которые похожи на реальные.

Голография - это получение изображений с помощью восстановления волнового фронта. Для этого применяется интерференционный метод регистрации световых волн, дифрагировавших на объекте, который освещен когерентным светом. При этом дифрагированные волны должны проинтерферировать с опорной волной, согласованной с ними по фазе. Если волны обладают достаточной степенью когерентности, разность фаз между предметной и опорной волной остается постоянной во времени; в результате возникает стационарная интерференционная картина с распределением интенсивности, зависящим от отношения амплитуд и разности фаз интерферирующих волн. Фотографическая запись этой картины, голограмма, содержит информацию и о фазе и об амплитуде дифрагированных волн, благодаря чему возможно их дальнейшее восстановление. Восстановление волнового фронта предметной волны происходит на втором этапе, когда голограмма освещается волной, идентичной опорной.

Голографический метод применим ко всем волнам: электромагнитным (рентгеновским, световым, микроволновым), акустическим и сейсмическим при условии, что они достаточно когерентны для создания требуемых интерференционных картин. И действительно, голограммы были получены с каждым из этих видов волн. Однако голографический метод, по-видимому, наиболее пригоден в оптическом диапазоне электромагнитного спектра. После создания лазеров оптическая голография получила быстрое развитие, в то время как работа в более коротковолновом диапазоне тормозится отсутствием источников когерентного излучения. Что касается другого конца шкалы длин волн, то в настоящее время начинаются активные исследования в области терагерцовой голографии, но сколько-нибудь значительных результатов пока не получено. Поэтому наиболее значимо рассмотрение видимого света и оптической голографии.

1. Историческая справка

Математическая теория голографии появилась значительно раньше её практической реализации и стала неожиданным результатом работ британского физика Денеша Габора по совершенствованию рентгеновской микроскопии. Технология Габора получила название «электронная голография», и до настоящего времени используется в электронной микроскопии. «За изобретение и развитие голографического принципа» Денеш Габор в 1971 году получил Нобелевскую премию по физике.

Его первые голограммы, изготовленные с помощью ртутной дуговой лампы, отличались крайне низким качеством из-за недостаточной когерентности излучения. Развитие оптической голографии стало возможно только после изобретения лазера в 1960 году.

Слово «голография» придумано самим изобретателем и составлено из греческих слов «все» + «рисую». В 1962 году, почти сразу же после появления лазеров, одновременно в СССР и США начались исследования о возможности записи изображения методом голографии.

Советский и американские учёные вели исследования независимо друг от друга, и их голограммы получены принципиально различными способами.

В США для записи изображения использовалась технология, позднее получившая название «метод Лейта-Упатниекса». Советские исследования велись в другом направлении. Вместо тонкослойных здесь использовались толстые фотоэмульсии, позволяющие регистрировать кроме интерференции опорного и предметного пучков, также цветовую составляющую света «методом цветной фотографии Липпмана».

Появление импульсных лазеров со сверхкоротким временем свечения позволило делать голограммы движущихся объектов. В том же 1968 году американцем Зибертом был записан первый голографический портрет. Спустя год американец Стивен Бентон предложил ещё один способ голографии, позднее получивший название «радужной». Цветные голограммы, изготовленные по этой технологии на пластике с металлической подложкой, видимы при обычном освещении. Одним из главных достоинств метода Бентона стала доступность тиражирования голограмм, которое тем не менее требует высокотехнологичного оборудования и доступно только в промышленных условиях. Это стало причиной широкого распространения защитных голограмм в качестве средства подтверждения подлинности.

2. Образование голограммы и голограммного изображения

Получение голограммы является регистрацией интенсивности интерференционной картины. Если разность фаз между интерферирующими волновыми полями постоянна в течение какого-либо времени, то пространственное распределение интенсивности в интерференционной картине будет также постоянно во времени. Рассмотрим распределение интенсивности в такой интерференционной картине. При этом ограничим рассмотрение интерференцией монохроматических волн одинаковой частоты, полученных от одиночного непрерывно излучающего источника. Таким образом, имеется в виду идеальный случай абсолютно когерентного света. Разность фаз и интенсивность интерференционной картины постоянны во времени. При этом существенно упрощается описание основных явлений. Голография обычно имеет дело с интерференцией двух волн: предметной волны и опорной волны (рис 1).

В качестве опорной волны, как правило, используются немодулированные волны со сферическими или плоскими фронтами. Опорный пучок направляется таким образом, чтобы он пересекся со светом, прошедшим через объект или отраженным от объекта. Если оба пучка абсолютно когерентны, то интерференционная картина образуется во всем объеме, в котором перекрываются пучки. Светочувствительная среда, помещенная в область перекрытия, будет претерпевать определенные химические или физические изменения, обусловленные воздействием световой энергии. После окончания экспозиции и после того, как фоточувствительная среда подверглась соответствующей обработке, требующейся для преобразования этих изменений в вариации оптического пропускания, получается голограмма. В случае, когда регистрирующей средой служит галоидосеребряный фотослой, изменение пропускания может быть вызвано увеличением поглощения, обусловленным превращением галоидного серебра в металлическое серебро в результате экспонирования и проявления. При таких обстоятельствах получаются поглощающие (амплитудные) голограммы. Если ту же самую голограмму отбелить, т.е. превратить серебро в прозрачное соединение, показатель преломления которого отличается от показателя преломления желатина, то интерференционная картина регистрируется как вариации показателя преломления эмульсии. В таком случае голограмма называется фазовой.

При получении амплитудных голограмм экспозиция и процесс проявления выбираются так, чтобы пространственное распределение коэффициента поглощения голографической пластинки соответствовало распределению интенсивности падающего света. При получении фазовой голограммы добиваются того, чтобы пространственная фазовая модуляция, налагающаяся на волну при ее прохождении через голограмму, соответствовала распределению интенсивности падающего при записи голограммы света. Интенсивность интерференционной картины, образованной простыми немодулированными плоскими или сферическими волнами, обычно можно представить в виде трехмерной контурной карты. Контурные поверхности на такой карте соответствуют зонам максимальной интенсивности света, для которых выполняется условие кратности разности фаз 2р. Если очень тонкая светочувствительная среда помещена в область интерференции и соответствующим образом проэкспонирована, то на ней будут зарегистрированы линии пересечения этих контурных поверхностей с плоскостью эмульсии (серебряные линии в случае тонкого фотослоя). Если относительно толстая светочувствительная среда помещается в область интерференции, то в толще среды регистрируются сами контурные поверхности. Голограммы, регистрируемые в тонкой среде, обладают свойствами, подобными свойствам плоских дифракционных решеток, и называются плоскими голограммами. При использовании более толстой среды голограмма начинает приобретать свойства объемной дифракционной решетки.

Голограмма, у которой преобладают трехмерные свойства, называется объемной. Серебряные линии на плоской голограмме и серебряные поверхности в объемных голограммах расположены ближе друг к другу, чем на л/2 и, следовательно, могут сильно дифрагировать свет. Когда голограмма освещается исходным опорным пучком, часть дифрагировавшего на ней света вновь воссоздает волновой фронт, который при регистрации голограммы шел от объекта. Восстановленная волна исходит из голограммы точно так же, как первоначальная предметная волна. Наблюдатель, видящий волну, идентичную исходной предметной волне, совершенно естественно воспринимает ее как бы исходящей от мнимого изображения предмета, расположенного точно там, где ранее находился предмет (рис. 2)

С другой стороны, если обратить опорный пучок так, что все лучи обращенного пучка будут направлены противоположно лучам первоначального опорного пучка, то такой сопряженный пучок, освещающий обратную сторону голограммы, создаст действительное изображение предмета в месте первоначального расположения предмета (рис. 3). Поскольку свет сходится к изображению, действительное изображение может быть непосредственно зарегистрировано фотопластинкой или фотоприемником без применения линз.

Следовательно, голограмма - это зарегистрированная картина интерференции произвольной предметной и определенной опорной волн. При восстановлении на голограмме происходит дифракция света; на первом этапе она действует как регистрирующая, а на втором - как проекционная система, которая при освещении опорной волной дает изображение исходного предмета без помощи добавочных линз.

3. Основные типы голограмм

голографический волновой интерференционный трехмерный

1. Голограмма Френеля

Если светочувствительный материал, предназначенный для регистрации голограммы, например, фотопластинка, помещается в области дифракции ближнего поля объекта (области дифракции Френеля) на произвольном расстоянии от источника опорной волны, то получается голограмма, которую называют голограммой Френеля. Это наиболее простой способ регистрации голограммы, так как он позволяет получать голограмму и затем восстанавливать волновой фронт без использования линз или каких-либо других оптических устройств. Голограммы Френеля относятся к наиболее распространенному типу голограмм и могут быть получены по схемам (рис. 4 и рис. 5)

Для освещения голограммы на стадии восстановления можно использовать установку рис 6 при этом образуется трехмерное изображение предмета.

2. Голограмма сфокусированного изображения

При использовании в схеме получения голограмм линз или других оптических элементов, формирующих изображение, и соответствующем их расположении можно получить голограмму, обладающую рядом полезных свойств. Предположим, что фотопластинку смещают так, что она оказывается в плоскости центрального сечения изображения, сформированного линзой (рис. 7). Если теперь ввести опорный пучок, то мы получаем голограмму сфокусированного изображения. На стадии восстановления с исходной опорной волной часть изображения, восстановленного с помощью голограммы, будет мнимой, а часть - действительной. Наблюдатель не заметит существенного различия между этим изображением и изображением, восстанавливаемым с помощью безлинзовой голограммы Френеля.

Однако теперь угол, под которым может рассматриваться изображение, ограничен апертурой линзы, а центр трехмерного изображения будет казаться расположенным в плоскости голограммы. Достоинство этого способа заключается в уменьшении требований к когерентности излучения источника, используемого на стадии восстановления.

3. Фурье-голограммы

Сравним несколько методов получения голограмм, которые позволяют при восстановлении формировать в плоскости голограммы распределение амплитуд, соответствующее либо фурье-образу предмета, либо произведению фурье-образа на медленно меняющийся фазовый множитель. Общим для указанных методов является следующее обстоятельство: точное соответствие фурье-образу получается только для одной плоскости предмета. Поэтому анализ относится, строго говоря, к плоским предметам (т.е. транспарантам) и теряет силу, если размеры предмета заметно выходят за пределы входной плоскости. Как правило, считается, что предмет освещается плоской волной.

В некоторых исследуемых схемах получения голограмм используется линза. Если линза расположена перед предметом, то плоской волной освещается линза. Если линза расположена за входной плоскостью, то предполагается, что она воздействует на свет, идущий как от предмета, так и от опорного источника (рис 8).

В частном случае Фурье-голограммой называют голограмму, если на ней регистрируется интерференция двух волн, комплексные амплитуды которых в плоскости голограммы являются Фурье-образами предмета и опорного источника. Такие голограммы применяются в качестве пространственных фильтров для распознавания образов, а свойства преобразования Фурье лежат в основе процесса распознавания.

4. Объемные голограммы

В 1958 году, будучи аспирантом, Ю.Н. Денисюк предложил в качестве диссертационной тему: «Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения». Суть идеи была такова: если нет света, то мы не видим предметов. Только когда на них падает свет, человек их видит. Он видит, собственно, отраженные от предмета волны электромагнитного происхождения. Иначе говоря, благодаря свету, человек видит не сами предметы, а их световые образы. Как они возникают? Световые волны беспрепятственно движутся в пространстве. Когда на пути возникает предмет, волны, столкнувшись с ним, отражаются от его поверхности. Вот благодаря этим отраженным волнам, человек и получает зрительное представление о предмете, о его форме и цвете. У Денисюка возникла идея: записать на фотопластинке по предложенной им методике световое поле и затем направить на эту пластинку плоскую световую волну - она отразится в форме уже записанной. Тем самым будет восстановлен образ отсутствующего предмета (рис 9).

Световой поток от когерентного источника s изображен в виде волнового фронта Ф. Дойдя до объекта, световая волна отражается от него. Форма волны должна измениться, поскольку объект объемен. Теперь в этой отраженной волне присутствует информация об объекте, а именно, информация об объемности содержится в фазе отраженного излучения. В пространстве перед освещенным предметом отраженная волна встречается с волновым фронтом Ф, и в результате интерференции образуются стоячие волны. Они имеют пучности в тех местах, где фазы волн от источника и от объекта совпадают, а узлы - где фазы противоположны. Теперь, если зафиксировать картину этой стоячей волны, в ней будет содержаться информация не только обо всех компонентах волнового поля - амплитуде и фазе (сведения об этих параметрах заключены в изгибах и изменениях интенсивности поверхностей пучностей стоячей волны), но и о временном спектре отраженного предметом излучения (длина волны однозначно определяется периодом стоячей волны). В этом случае интерференционную картину нужно записывать не только по поверхности - в двух измерениях, но и в глубине, то есть запись интерференционной картины должна быть трехмерной. Этот метод регистрации волнового фронта, метод трехмерной фиксации, стал впоследствии называться методом Денисюка.

В случае, применения голограмм Денисюка, хорошо восстанавливаемые в свете проектора или в солнечном свете изображения, позволяют, как через окно, наблюдать натуральные объекты. Особенно эффектно выглядят предметы с большой градацией яркости. Прикладное искусство получило новый вид демонстрации. Сами изделия лежат в хранилищах, а их изображения - объемные, цветные доступны широкому кругу зрителей. Натуральность этих изображений настолько велика, что служители музеев наблюдали попытки украсть эти «драгоценности»

5. Применение 3D голограмм

1. Медицина

Не так давно технология 3D-голографической визуализации, разработанная для проведения операций на сердце, успешно прошла клинические испытания.

Такие интерактивные трехмерные изображения можно делать в режиме реального времени на базе данных, полученных при помощи ангиографа (ангиография - рентгеновское исследование кровеносных сосудов) и ультразвуковой кардиологической системы

Кардиолог может во всех деталях изучать и рассматривать голограмму сердца, «парящую» в воздухе, прямо во время проведения малоинвазивной операции (такая операция подразумевает минимизацию области вмешательства в организм и степени травмирования тканей). При этом ему не понадобятся специальные очки.

Применение трехмерных изображений поможет в проведении малоинвазивных операций на сердце и не только.

По мнению разработчиков, 3D-голограммы позволят сделать новый шаг в развитии визуализации в кардиохирургии, и потребность в данной технологии будет дальше только расти.

2. Обучение и презентации

Использование 3D-голограммв обучении и при проведении различных презентаций, логически вытекает из первого пункта. Уникальные возможность трехмерных голограмм - показывать объект на 360 градусов и позволять человеку взаимодействовать с ним: крутить, увеличивать и уменьшать, смотреть меню, изучать план здания и т. д., делают процесс демонстрации и обучения более интерактивным.

3. Реклама, бизнес

Использование новых технологий может стать достаточно интересным способом привлечения потребителя. Конечно, покупателя больше заинтересует тот продукт, про который не только можно прочитать на упаковке, но и покрутить его со всех сторон, увеличить или уменьшить.

3D-голография может стать инновационным решением для бизнеса.

На сегодняшний день технологии 3D - один из наилучших способов привлечь внимание и удивить клиента, зрителя или потенциального покупателя. Известно, что визуальное восприятие играет ключевую роль при любом представлении и презентации. Созданная реклама с яркими визуальными и оригинальными эффектами 3D запоминается и надолго остается в памяти.

4. Развлечения

Благодаря развитию современных технологий, возникают совершенно новые и уникальные виды развлечений. Например, лотерея Hololoto, которая предлагает инновационную, запатентованную лотерейную систему, действующую на основе голографических технологий, создающих трехмерную визуализацию. Это позволяет объединить неповторимые образы персонажей, проводящих тираж и постоянно развивающиеся миры сказочных локаций с невероятной графикой и динамичной игрой.

5. Мобильные технологии

Уже разработана технология, которая позволяет воспроизводить трехмерные изображения на экранах мобильных устройств.

Дисплей, разработанный в HP Labs, позволяет увидеть трехмерные изображения и видео без использования очков и движущихся элементов. Эффект достигается за счет нанесения на поверхность пластика, используемого в обычных LCD, наноструктурированных канавок, образующих «направленные пиксели». Каждый такой пиксель включает в себя три группы канавок, посылающие в определенную сторону красный, синий или зеленый свет. Таким образом, зритель может видеть изображение, меняющееся в зависимости от того, с какой точки посмотреть на экран. На данный момент разработчикам удалось создать неподвижные изображения, которыми можно любоваться с 200 различных позиций, и объемные видеоролики, включающие в себя кадры для 64 точек зрения.

Вывод

Голография - метод регистрации информации, основанный на интерференции волн. Оптическая голография - разновидность голографии, в которой записывается световое поле, создаваемое оптическим излучением. Изображение, получаемое с помощью голографии, называется голограмма, и считается наиболее точным автостереоскопическим воспроизведением зрительного впечатления, производимого снятыми объектами. При этом сохраняется ощущение глубины пространства и многоракурсность, а изображение выглядит, как вид на снятый предмет через окно, которым служит голограмма.

Принципиальным отличием голографии от всех остальных способов регистрации изображения является распределённость информации обо всех снятых объектах по всей поверхности датчика, например, фотопластинки. Поэтому повреждение голограммы, ведущее к уменьшению её площади, не приводит к потере части изображения. Каждый осколок разбитой на несколько частей фотопластинки с голограммой продолжает содержать изображение всех снятых объектов. Уменьшается только количество доступных ракурсов, а изображение на слишком мелких осколках утрачивает стереоскопичность и чёткость.

Несмотря на совершенство получаемого изображения, голография не смогла заменить традиционную стереофотографию. Из-за особенностей технологии, съёмка очень сложна и возможна только в лабораторных условиях при освещении лазером. Голография нашла применение в спектроскопии, фотограмметрии, микроскопии и голографической интерферометрии, а также для записи информации и создания защитных приспособлений документов. Оптические элементы (например, дифракционные линзы), сгенерированные с помощью компьютерной голографии, широко используются в современных оптических приборах.

Источники

1. Вьено Ж.-Ш., Смигильский П., Руайе. А. Оптическая голография. Развитие и применение. - Москва: Мир, 1973. - 212 с.

2. Кок У. Лазеры и голография. - Москва: Мир, 1971.- 136 с.

Приложение

Рис. 1. Схема получения голограммы

Рис. 2. Образование мнимого изображения предмета при освещении голограммы исходным светом

Рис. 3. Образование действительного изображения предмета при освещении голограммы пучком, сопряженным исходному опорному пучку

Рис. 4. Метод получения голограммы, основанный на делении волнового фронта

Рис. 5. Метод получения голограммы, основанный на амплитудном делении

Рис. 6. Схема установки для восстановления голограмм

Рис. 7. Получение голограммы сфокусированного изображения

Рис. 8. Схема получения Фурье-голограммы

Рис. 9. Схема эксперимента Денисюка

а) - запись голограммы

б) - восстановление изображения

Размещено на allbest.ru