Схема получения голограмм и техника голографирования. Схема записи Лейта-Упатниекса. Получение когерентного излучения

Голография - набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.

Данный метод был предложен в 1947 году Дэннисом Габором, он же ввёл термин голограмма и получил "за изобретение и развитие голографического принципа" Нобелевскую премию по физике в 1971 году.

История голографии

Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Особенности схемы:

После создания в 1960 году красных рубинового (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неонового (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеров, голография начала интенсивно развиваться.

В 1962 году была создана классическая схема записи голограмм Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (голограммы Лейта-Упатниекса), в которой записываются пропускающие голограммы (при восстановлении голограммы свет пропускают через фотопластинку, хотя на практике некоторая часть света от неё отражается и также создаёт изображение, видимое с противоположной стороны).

Схема Лейта-Упатниекса

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду (например, фотопластинку). Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале - лазера.

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

Особенности схемы:

• наблюдение изображения в белом свете;
• нечувствительность к вибрациям элемента "объект-РС";
• высокая разрешающая способность регистрирующей среды.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (то есть нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера (которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров) и размерами фотопластинки.

Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует, например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов (например, линзовые растры), однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

В 1986 году Абрахам Секе выдвинул идею создания источника когерентного излучения в приповерхностной области материала путем облучения его рентгеновским излучением. Поскольку пространственное разрешение в голографии зависит от размеров источника когерентного излучения и его удаленности от объекта, то оказалось возможным восстановить окружающие эмиттер атомы в реальном пространстве.

В отличие от оптической голографии, во всех предложенных на сегодняшний день схемах электронной голографии восстановление изображения объекта осуществляется с помощью численных методов на компьютере.

В 1988 году Бартон предложил такой метод для восстановления трехмерного изображения, основанный на использовании фурье-подобных интегралов, и продемонстрировал его эффективность на примере теоретически рассчитанной голограммы для кластера известной структуры. Первое восстановление трехмерного изображения атомов в реальном пространстве по экспериментальным данным проведено для поверхности Cu(001) Харпом в 1990 году.

Физические принципы

Основной закон голографии

Если светочувствительный материал, на котором зарегистрирована картина интерференции нескольких световых волн, поместить в положение, в котором он находился в процессе записи, и осветить снова некоторыми из этих волн, то произойдет восстановление остальных. Эта особенность объясняется тем, что на голограмме записываются не только интенсивность, как на обычной фотопластинке, но и фаза исходящего от объекта света. Именно информация о фазе волны необходима для формирования при восстановлении трехмерного пространства, а не двухмерного, даваемого обычной фотографией. Таким образом, голография основана на восстановлении волнового фронта.

Голографический процесс состоит из двух этапов - записи и восстановления.

• Волна от объекта интерферирует с "опорной" волной, и образующаяся при этом картина записывается.
• Второй этап - формирование нового волнового фронта и получение изображения исходного объекта.

Запись информации о фазе волны, идущей от объекта, может быть осуществлена только источником света со стабильными фазовыми характеристиками. Идеальным для этой цели являетсялазер - когерентный источник света высокой интенсивности и высокой монохроматичности.

Принцип суперпозиции

Повседневный опыт показывает, что освещенность, создаваемая двумя или несколькими обычными некогерентными источниками света, является простой суммой освещенностей, создаваемой каждым из них в отдельности. Это явление называют принципом суперпозиции .

Еще Гюйгенс в своем "Трактате" писал: "Одно из чудеснейших свойств света состоит в том, что, когда он приходит из разных сторон, лучи его производят действие, проходя один сквозь другой без всяких помех". Причина этого в том, что каждый источник, состоящий из множества атомов и молекул, излучает одновременно огромное количество волн, не связанных по фазе. Разность фаз меняется быстро и беспорядочно, и, несмотря на то, что между некоторыми волнами возникает интерференция, интерференционные картины сменяются с такой частотой, что глаз не успевает заметить изменения освещенности. Поэтому интенсивность результирующего колебания воспринимается как сумма составляющих исходных колебаний, а излучение источника представляет собой "белый" свет , т. е. не монохроматический, а состоящий из различных длин волн. По той же причине этот свет является неполяризованным, а естественным, т. е. не имеет преимущественной плоскости колебания.

Когерентные колебания

В особых условиях принцип суперпозиции не соблюдается. Это наблюдается, когда разность фаз световых волн остается постоянной в течение достаточно длительного для наблюдения времени. Волны как бы "звучат в такт". Такие колебания называются когерентными.

Основным признаком когерентности является возможность интерференции. Это значит, что при встрече двух волн они взаимодействуют, образуя суммарно новую волну. В результате этого взаимодействия результирующая интенсивность будет отличаться от суммы интенсивностей отдельных колебаний - в зависимости от разности фаз образуется или более темное, или более светлое поле, или вместо равномерного поля чередующиеся полосы разной интенсивности интерференционные полосы.

Монохроматические волны всегда когерентны, однако светофильтры, часто называемые монохроматическими, в действительности никогда не дают строго монохроматического излучения, а только сужают спектральный диапазон и, конечно, не превращают обычного излучения в когерентное.

Получение когерентного излучения

Ранее был известен только один способ получения когерентного излучения - с помощью специального прибора - интерферометра . Излучение обычного источника света разделялось на два пучка, когерентных между собой. Эти пучки могли интерферировать. Теперь известен другой способ, использующий индуцированное излучение. На этом принципе основаны лазеры.

Дифракция в голографии

Основным физическим явлением, на котором основана голография, является дифракция - отклонение от своего первоначального направления света, проходящего вблизи краев непрозрачных тел или сквозь узкие щели. Если на экране нанесена не одна, а несколько щелей, то возникает интерференционная картина, состоящая из серии чередующихся светлых и темных полос, более ярких и узких, чем при одной щели. В середине расположена самая яркая полоса "нулевого порядка", по обе стороны от нее - полосы постепенно убывающей интенсивности первого, второго и прочих порядков. С увеличением числа щелей на экране полосы становятся все уже и ярче. Экран с большим количеством тонких параллельных щелей, количество которых часто доводят до 10 000, называется дифракционной решеткой.

Решетка, представляющая собой голограмму, характеризуется прежде всего тем, что дифракция происходит не на щели, а на кружке. Дифракционная фигура от круглого непрозрачного объекта представляет собой яркий центральный кружок, окруженный постепенно ослабевающими кольцами. Если вместо непрозрачного диска на пути волны поместить диск с окружающими его кольцами, то кружок на изображении станет ярче, а полосы бледнее. Если прозрачность от темного к светлому участку меняется не скачками, а постепенно, по синусоидальному закону, то такая решетка образует полосы только нулевого и первого порядков, а помехи в виде полос высших порядков не появляются. Это свойство очень важно при записи голограммы. Если переход от темного кольца к светлому будет осуществляться строго по синусоидальному закону, то кольца на изображении пропадут и изображение будет представлять собой маленький яркий кружок, почти точку. Таким образом, круглая синусоидальная решетка будет формировать из параллельного пучка лучей (плоской волны) такое же изображение, как собирательная линза.

Такая решетка, называемая зонной решеткой (пластинкой Сорэ, пластинкой Френеля), используется иногда вместо линзы. Например, она применяется в очках, заменяя тяжелые очковые линзы высоких рефракций. Получение зонных решеток возможно различными путями, как механическими, так и оптическими, интерференционными. Использование этих решеток, полученных интерференционным путем, и положено в основу голографии.

Запись голограммы

Чтобы записать голограмму сложного несамосветящегося объекта, его освещают излучением лазера. На ту же пластинку, на которую падает рассеянный отраженный объектом свет, направляют когерентную опорную волну. Эта волна отделяется от излучения лазера с помощью зеркал.

Свет, отраженный каждой точкой объекта, интерферирует с опорной волной и образует голограмму этой точки. Так как любой объект представляет собой совокупность рассеивающих свет точек, то на фотопластинку накладывается множество элементарных голограмм - точек, которые в совокупности дадут сложную интерференционную картину объекта.

Проявленную голограмму помещают в то место, где она находилась при записи, и включают лазер. Так же как при восстановлении голограммы точки, при освещении голограммы пучком света лазера, участвовавшего в записи, происходит восстановление световых волн, исходивших от объекта при записи. Там, где при записи находился объект, видно мнимое изображение. Сопряженное с ним действительное изображение формируется по другую сторону от голограммы, со стороны наблюдателя. Оно обычно незаметно, но в отличие от мнимого может быть получено на экране.

Ю. Н. Денисюк (1962) разработал метод, в котором для регистрации голограммы вместо тонкослойной эмульсии используются трехмерные среды. В такой толстой голограмме возникают стоячие волны, что существенно расширило возможности метода. Трехмерная дифракционная решетка, кроме описанных ранее свойств голограммы, обладает рядом важных особенностей. Наиболее интересна возможность восстановления изображения с помощью обычного источника сплошного спектра - лампы накаливания, солнца и других излучателей. Кроме того, в трехмерной голограмме отсутствуют волны нулевого порядка и действительное изображение, а следовательно, снижаются помехи.

Рисунок 7. Схема Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется линзойи направляетсязеркаломнафотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон (т. н. схема на встречных пучках). В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его (т.о. выполняя роль светофильтра).

Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнцаили лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммыэмульсияможет менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объектакрасным,зелёнымисинимлазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера(имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применениялинз) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

1. Пропускающая голограмма и.Лейта и ю.Упатниекса

В 1962 г. И. Лейти Ю. Упатниексполучили первыепропускающие 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 иопорный . 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.

Рисунок 8. Запись пропускающей голограммы

При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале - лазера.

Интересно, что изображение, восстановленное с голограммы можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только его положение относительно фотопластины (например, можно вынести объект перед голограммой), но и сам тип голограммы.

Схема Лейта и Упатниекса своим названием подчеркивает исторический приоритет авторов в применении внеосевого расположения интерферирующих пучков. В настоящее время при регистрации голограмм используют внеосевые схемы с самым различным расположением интерферирующих пучков.

1. Радужная голограмма Бентона

Метод Бентона включает два последовательных этапа записи 2- х голограмм по схеме Лейта и Упатниекса. Сначала записывается обычная голограмма, например, по схеме, приведенной на рис.9.

Рисунок 9. Схема голограммы Лейта и Упатниекса

При этом объект располагают от голограммы на расстоянии наилучшего зрения 25 – 30 см. Затем с этой первичной голограммы восстанавливают действительное псевдоскопическое объемное голографическое изображение. Для этого используют восстанавливающий пучок лазерного света, сопряженный опорному пучку (рис.10,а). При этом голограмму прикрывают вертикальной узкой и длинной щелью так, что восстановление действительного изображения происходит только с узкой вертикальной полоски на голограмме. В область действительного изображения помещают фоточувствительный слой и для записи второй голограммы направляют опорный пучок, когерентный световому пучку, восстанавливающему действительное изображение с первой голограммы. Таким образом записывается основная радужная голограмма.

Если теперь полученную голограмму осветить пучком белого света, сопряженным опорному, то одновременно с ортоскопическим изображением объекта будет восстанавливаться и изображение полоски- щели, прикрывавшей первичную голограмму. Изображение щели в разных цветах в силу зависимости угла дифракции от длины волны λ будут занимать разное пространственное положение и поэтому в этой области наблюдается цветная полоса с чередованием всех цветов радуги. (рис. 10,б).

Рисунок 10. Оптические схемы записи радужной голограммы (а) и восстановление с нее в белом свете разноцветных изображение (б)

Зрачок глаза наблюдателя, помещенный в эту область, выделит из всего спектра одну цветовую составляющую, в свете которой и будет наблюдатель воспринимать восстановленное голографическое изображение. Каждое изображение щели выполняет роль окна наблюдения восстановленного голографического изображения в соответствующем цвете. Перемещение глаз наблюдателя по радужной полосе, или наклон голограммы будет сопровождаться изменением цвета воспринимаемого изображения. При смещении головы наблюдателя в пределах одной цветовой полоски, как и для обычной голограммы, наблюдается параллакс восстановленного объемного голографического изображения.

На радужной голограмме можно получить и цветное изображение, если на этапе записи использовать лазеры с красным, синим и зеленым светом. При восстановлении с таких голограмм изображений в белом свете первоначальное распределение цвета по изображению наблюдается только при одном направлении взгляда на голограмму. В других вертикальных положениях головы наблюдателя непрерывно изменяются все цвета восстановленного изображения. При этом возникают весьма необычные цветовые соотношения и цветовая гамма восстановленного изображения оказывается более разнообразной, чем объекта- оригинала.

Радужные голограммы тиражируются механическим путем посредством перенесения рельефа на специальный носитель. Но разработка дизайна, а также сам процесс тиснения и финишной отделки, требующие специальных знаний и навыков, высоких технологий, дорогостоящего оборудования, современных материалов для тиражирования, не позволяют производить высококачественные радужные голограммы в кустарных условиях.

Среди большого многообразия схем, применяемых в голографии, мы рассмотрим только некоторые, имеющие характерные особенности. Наиболее подробно исследованы схемы получения голограмм диффузно рассеивающих объектов. Одна из таких схем представлена на рис. 13. Здесь на светочувствительный слой вместе с опорной волной падает отраженное от объекта излучение.

В качестве делителя лазерного луча удобно использовать многослойное диэлектрическое зеркало, коэффициент отражения которого легко менять в широких пределах, изменяя угол падения лазерного луча. Это позволяет устанавливать необходимое соотношение между энергиями опорного и сигнального лучей простым поворотом светоделителя и избежать тех потерь, которые имеют место в случае использования ослабителей.

Поворотное зеркало 1 позволяет легко устанавливать оптимальное направление освещения объекта, а зеркало 2 служит для уравнивания путей, проходимых опорной и сигнальной волнами от светоделителя до голограммы. Мы уже говорили о том, что разность хода между этими волнами должна быть меньше длины когерентности лазерного излучения.

Случай, когда опорная волна имеет плоский фронт, а расстояние до объекта достаточно мало соответствует голографии Френеля. Каждая точка объекта в этом случае отображается на голограмме в виде сигнала с переменной пространственной частотой, которая определяется углом между опорной и сигнальной волнами.

Как уже указывалось, пространственная частота, которая фиксируется на голограмме, ограничивается разрешающей способностью фотослоя. Стремление смягчить требования к разрешению фотослоя реализуется в голографии Фурье, где опорная волна имеет сферический фронт и создается точечным источником, который располагается перед светочувствительным слоем на таком же расстоянии, что и объект (рис. 14). Здесь уже каждая точка объекта отображается на голограмме в виде сигнала с постоянной пространственной частотой, которая тем ниже, чем меньше ее расстояние до источника опорной волны. Иными словами, в этом случае промежуток между интерференционными полосами для каждой точки объекта не меняется в плоскости голограммы. Это легко понять, если перед голограммой расположить линзу, которая преобразует сферические волны в плоские.

Указанная особенность голографии Фурье позволяет получить голограммы с фотоэмульсиями, имеющими сравнительно невысокую разрешающую способность. Особенно удобен этот метод для съемки небольших предметов, так как по мере увеличения расстояния между объектом и источником опорной волны увеличивается пространственная частота, а яркость изображения падает. Восстановленное изображение имеет одну интересную особенность: оба изображения, мнимое и действительное, располагаются в одной плоскости и наблюдаются вместе с опорным лучом, который находится между ними. Эти изображения одинаковы, но перевернуты друг относительно друга на 180°.

Если радиус кривизны сферического фронта опорной волны постепенно увеличивать, то есть приближать к случаю плоской опорной волны, то одно из восстановленных изображений постепенно становится менее четким (вследствие расфокусировки), что соответствует переходу от голографии Фурье к голографии Френеля. На рис. 15 приведена фотография восстановленного изображения для одного из промежуточных случаев, иллюстрирующая переход к голографии Френеля. Здесь видно одно из восстановленных изображений вмести с ярким пятном, создаваемым опорным лучом. Голограмма снималась на фотопленку с помощью импульсного лазера на рубине.

Помимо съемок объектов в отраженном свете, значительный интерес представляет получение голограмм прозрачных и полупрозрачных объектов, в частности для записи информации с транспарантов. Луч лазера разделяется на два луча, как показано на рис. 16, и на пути одного из лучей устанавливается транспарант. Следует отметить, что свет, проходящий сквозь транспарант, распространяется по законам геометрической оптики и формирует на голограмме изображение, близкое к теневому. В этом случае не используется способность любой точки голограммы содержать информацию обо всем объекте съемки, и при наблюдении восстановленного изображения необходимо смотреть строго вдоль луча, освещающего транспарант при съемке голограммы, так как в противном случае яркость изображения резко падает. Чтобы устранить этот недостаток, транспарант освещают сквозь мозговое стекло, при чем расстояние от матового стекла до транспаранта не должно быть слишком большим, так как после матового стекла пучок света становится расходящимся и с увеличением расстояния до транспаранта освещенность последнего падает.

Мы уже отмечали, что глубина объема предметов при съемке голограмм определяется временной когерентностью оптических генераторов. Существующие в настоящее время гелий-неоновые лазеры, наиболее подходящие для получения голограмм, имеют длину когерентности порядка нескольких десятков сантиметров, и поэтому глубина объема предметов не должна превышать эту величину. Однако если мы хотим получить голограмму сразу нескольких объектов, расположенных друг за другом на большой глубине (значительно превышающей длину когерентности), то это оказывается возможным при использовании специальных полупрозрачных. В качестве примера рассмотрим схему для трех объектов, представленную на рис. 17.

Сигнальный луч делится с помощью системы полупрозрачных зеркал, и каждый из полученных лучей используется для освещения своей группы объектов, имеющих глубину объема меньше, чем длина когерентности лазера. Расположение зеркал выбирается таким образом, чтобы каждая группа предметов освещалась лучом света, длина пути которого до фотопластинки равнялась бы длине пути опорного луча. Прозрачность зеркал должна быть выбрана так, чтобы освещенность всех объектов была одинаковой.

Рассмотренная схема позволяет получить голограмму сцены с большой глубиной объема за одну экспозицию. В этом случае энергия сигнального луча лазера освещает все объекты одновременно. Можно сократить время выдержки, если в той же схеме освещать группы предметов поочередно, то есть снимать на одну и ту же фотопластинку последовательно голограммы каждого объекта. Для этого вместо полупрозрачных зеркал надо использовать одно полностью отражающее зеркало, располагая его каждый раз таким образом, чтобы освещалась только одна группа объектов.

В качестве иллюстрации на рис. 18 показаны фотографии мнимых изображений голограммы, полученной указанным выше способом. Эти фотографии соответствуют фокусировке фотоаппарата на различную глубину. На голограмму снимались кубики с буквами, расположенные на глубине порядка метра. Экспозиция при съемке каждого предмета составляла несколько секунд. Съемка голограммы производилась с помощью гелий-неонового лазера мощностью 10 мвт (с одним по-перечным и многими продольными типами колебаний) на фотопластинку "Микрат 900".

Следует отметить, что существует ряд других схем, позволяющих получить голограммы с большой глубиной объема.

В заключение надо сказать несколько слов о самом процессе съемки голограмм. Поскольку время экспозиции при использовании лазеров непрерывного излучения меняется от долей секунды до нескольких минут (в зависимости от мощности лазера, чувствительности пленки и размера объекта), существенную роль играют вибрации различных элементов схемы. Если амплитуда вибраций сравнима с длиной волны, то это приводит к "размазыванию" интерференционной картины и ухудшению качества голограммы. Вот почему съемка голограмм обычно производится на достаточно массивном основании, а элементы схемы закрепляются достаточно жестко. Это не относится к самому лазеру, вибрации которого не оказывают существенного влияния на качество голограмм.

Естественно, что при очень малом времени съемки голограммы, влияние вибраций уменьшается. Оно полностью, исключается в случае импульсной голографии, когда время экспозиции определяется длительностью импульса излучения лазера, которая обычно лежит в пределах 10 -3 -10 -9 сек .

November 23rd, 2012

Компания NICE Interactive

Продолжаю выполнять заявки своих френдов из Месяц уже близиться к концу, а я еще далек от завершения очереди ваших вопросов. Сегодня мы разбираем, обсуждаем и дополняем задание trudnopisaka :

Технологии создания трехмерных голограмм. Бывают ли они непрозрачными? С чем можно сравнить энергетические затраты на их создание? Какие есть перспективы развития?

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интереференции световых волн.

Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того, чтобы этаинтерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными.

Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

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 чудесным способом фотопластинку нельзя назвать фотографией. Это - голограмма.

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.

Японский концерт с 3D голограммой Hatsune Miku

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. B 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.

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.

Отражательные объемные голограммы записываются по иной схеме. Идея создания данных голограмм принадлежит Ю.Н.Денисюку. Поэтому голограммы этого типа известны под именем их создателя.

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 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.

Уникальная 3D-голограмма в ГУМе!

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. Правда, технология записи цветных голограмм находится еще в экспериментальной стадии и потребует еще значительных усилий и экспериментов. Примечательно при этом, что многие, посетившие выставки голограмм, уходили оттуда в полной уверенности, что видели цветные объемные изображения!

Технология связи при помощи объемных голограмм, описанная впервые в "Звездных войнах" еще 30 лет назад, судя по всему, становится реальностью. Еще в 2010 году команда физиков из Университета Аризоны смогла разработать технологию передачи и просмотра движущихся трехмерных изображений в реальном времени. Разработчики из Аризоны называют свою работу прототипом "голографического трехмерного телеприсутствия". В реальности показанная сегодня технология представляет собой первую в мире практическую трехмерную систему передачи подлинно трехмерных изображений без необходимости использования стереоскопических очков.

"Голографическое телеприсутствие означает, что мы можем записать трехмерное изображение в одном местоположении и показать его в трехмерном режиме при помощи голограммы в другом, которое будет удалено на многие тысячи километров. Показ может проводиться в реальном времени", - говорит руководитель исследований Нассер Пейгамбарьян.

Для создания эффекта виртуальной инсталляции (3D голограммы) объекта в месте инсталляции натягивается специальная проекционная сетка. На сетку осуществляется проекция с помощью видеопроектора, который располагается за этой сеткой на расстоянии 2-3 метра. В идеале проекционная сетка натягивается на ферменную конструкцию, которая полностью обшивается темной тканью для затемнения и усиления эффекта. Создается подобие некого темного куба, на переднем плане которого разворачивается 3D изображение. Лучше чтобы действие происходило в полной темноте, тогда не будет виден темный куб и сетка, а только 3D голограмма!

Существующие системы 3D-проекций способны производить либо статические голограммы с превосходной глубиной и разрешением, либо динамические, но смотреть на них можно только под определенным углом и в основном через стереоскопические очки. Новая технология объединяет в себе преимущества обеих технологий, но лишена их многих недостатков.

В сердце новой системы находится новой фотографический полимер, разработанный калифорнийской исследовательской лабораторией Nitto Denko, работающей с электронными материалами.

В новой системе трехмерное изображение записывается на несколько камер, захватывающих объект с разных позиций и затем кодирует в цифровой сверхбыстрый лазерный поток данных, который создает на полимере голографические пиксели (хогели). Само по себе изображение - это результат оптического преломления лазеров между двумя слоями полимера.

Прототип устройства имеет 10-дюймовый монохромный экран, где картинка обновляется каждые две секунды - слишком медленно, чтобы создать иллюзию плавного движения, но все же динамика тут есть. Кроме того, ученые говорят, что показанный сегодня прототип - это лишь концепция и в будущем ученые обязательно создадут полноцветный и быстро обновляющийся поток, создающих натуральные трехмерные и плавно двигующиеся голограммы.

Профессор Пейгамбарьян прогнозирует, что примерно через 7-10 лет в домах у обычных потребителей могут появиться первые голографические системы видеосвязи. "Созданная технология абсолютно устойчива ко внешним факторам, таким как шумы и вибрация, поэтому она подходит и для промышленного внедрения", - говорит разработчик.

Голографическая 3D-установка AGP

Авторы разработки говорят, что одним из наиболее реальных и перспективных направлений разработки является именно телемедицина. "Хирурги из разных стран по всему миру смогут использовать технологию для трехмерного наблюдения за проведением операций в реальном времени и принимать участие в операции", - говорят исследователи. "Вся система полностью автоматизирована и контролируется компьютером. Лазерные сигналы сами кодируются и передаются, а приемник способен самостоятельно проводить рендеринг изображения".

И последние новости 2012 года по этой теме:

Технологии создания трехмерных изображений, которые "растут как грибы" в последнее время, воплощаясь в виде трехмерных телевизионных экранов и дисплеев компьютеров, фактически не создают полноценного трехмерного изображения. Вместо этого с помощью стереоскопических очков или других ухищрений в каждый глаз человека посылаются немного разнящиеся изображения, а уже головной мозг зрителя соединяет все это воедино прямо в голове в виде трехмерного образа. Такое "насилие" над органами чувств человека и повышенная нагрузка на мозг вызывает напряжение зрения и головные боли у некоторых людей. Поэтому, для того, что бы сделать настоящее трехмерное телевидение требуются технологии, способные создавать реальные трехмерные изображения, другими словами, голографические проекторы . Люди уже давно научились создавать высококачественные статические голограммы, но когда дело заходит о движущихся голографических изображениях, тут возникают большие проблемы.

Исследователи из бельгийского нанотехнологического исследовательского центра Imec, разработали и продемонстрировали работающий опытный образец голографического проектора нового поколения, в основе которого лежат технологии микроэлектромеханических систем (microelectromechanical system, MEMS). Использование технологий, лежащих на грани между нано- и микро-, позволит в ближайшем времени создать новый дисплей, способный демонстрировать движущиеся голографические изображения.

В основе нового голографического проектора лежит пластина, на которой находятся крошечные, в половину микрона размером, отражающие свет подвижные площадки. Эта пластина освещается светом от нескольких лазеров, направленных на нее под различными углами. Регулируя положение по вертикальной оси светоотражающих площадок можно добиться того, что волны отраженного света начинают интерферировать между собой, создавая трехмерное голографическое изображение. Это все звучит невероятно и кажется очень сложным, но, тем не менее, на одном из снимков можно увидеть статическое цветное голографическое изображение, сформированное с помощью этих крошечных светоотражающих площадок.

Пока еще исследователи Imec не создали дисплей, способный работать с движущимися изображениями. Но, согласно заявлению Франческо Пессолано (Francesco Pessolano), ведущего исследователя проекта Imec NVision: "Главное для нас было понять основной принцип, пути его реализации и проверить работоспособность опытного образца. Все остальное - это всего лишь дело техники и реализуется достаточно легко". Согласно планам Imec, первый опытный голографический проектор и система его управления должны появиться не позже середины 2012 года, вероятно что это не будет громоздкой вещью, ведь 400 миллиардов светоотражающих площадок, требующихся для создания качественного изображения, можно разместить на пластине, размером с пуговицу. Так что ждать осталось уже совсем не долго, а попозже люди смогут забыть про обычные экраны и дисплеи и полностью погрузиться в виртуальный трехмерный мир.

А какие же перспективы этого направления? Мне кажется вот они...

Голограмма Цоя на Сцене

Голограмма Тупака Шакура

Вот это тоже мне понравилось - http://kseniya.do100verno.com/blog/555/12 012 - посмотрите...

Кто еще знает современные методы воспроизведения голографиеского изображения?

Которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают (или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине ) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует эту волну в волну, близкую к объектной. Таким образом мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Источники света

При записи голограммы крайне важно, чтобы длины (частоты) объектной и опорной волн с максимальной точностью совпадали друг с другом и не менялись в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины ). Этого можно добиться только при выполнении двух условий:

1. обе волны изначально испущены одним источником
2. этот источник испускает волну с очень стабильной длиной ( излучение)

Единственным источником света, хорошо удовлетворяющим второму условию, является . До изобретения лазеров голография практически не развивалась. На сегодняшний день голография предъявляет одни из самых жестких требований к когерентности лазеров.

Чаще всего когерентность принято характеризовать длиной когерентности - той разности оптических путей двух волн, при которой чёткость картины интерференции падает в два раза по сравнению с картиной интерференции, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Для различных лазеров длина когерентности может составлять от нескольких миллиметров (мощные лазеры, предназначенные для сварки, резки и других применений, не требовательных к этому параметру) до десятков метров (специальные, так называемые одночастотные, лазеры для требовательных к когерентности применений).

История голографии

Первая голограмма была получена в году (задолго до изобретения лазеров) в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности . Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.

Схема записи Лейта-Упатниекса

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством, делителем (в простейшем случае в роли делителя может выступать любой кусок стекла), на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и пластинку. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника, испускающего свет в очень малом диапазоне длин волн (монохромного излучения), в идеале - .

Схема записи Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется и направляется на . Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкий участок (участки) и отражает только его. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете или лампы (см. картинку в начале статьи). Изначально голограмма вырезает ту длину волны, которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта , и лазерами, получив в итоге одну цветную голограмму, которую практически невозможно отличить от самого объекта.

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения (имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения ) сводится к одному лишь лазеру и некоторой основы, на которой закрепляется лазер, пластинка и объект. Именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Фотоматериалы

Голография крайне требовательна к разрешающей способности фотоматериалов. Расстояние между двумя максимумами картины того же порядка, что и длина волны лазера, последняя чаще всего составляет 633 (гелий-неоновый) или 532 ( лазер на второй гармонике) нанометра. Таким образом, это величина порядка 0.0005 мм. Чтобы получить чёткое изображение картины интерференции, потребовались фотопластинки с от 3000 (Лейт-Упатниекс) до 5000 (Денисюк) линий на миллиметр.

Основным фотоматериалом для записи голограмм являются специальные фотопластинки на основе традиционного бромида серебра. За счёт специальных присадок и специального механизма проявления удалось достичь разрешающей способности более 5000 линий на миллиметр, однако за это приходится платить крайне низкой чувствительностью пластинки и узким спектральным диапазоном (точно подобранным под излучение лазера). Чувствительность пластинок настолько низкая, что их можно выставить на несколько секунд под прямой солнечный свет без риска засветки.

Кроме того, иногда применяются фотопластинки на основе бихромированного желатина, которые обладают ещё большей разрешающей способностью, позволяют записывать очень яркие голограммы (до 90% падающего света преобразуется в изображение), однако они ещё менее чувствительны, причём они чувствительны только в области коротких волн (синий и, в меньшей степени, зелёный участки спектра).

На данный момент в мире существует только одно промышленное (кроме некоторого количества мелких) производство фотопластинок для голографии - российская «Компания Славич».

Некоторые схемы записи позволяют писать и на пластинках с меньшей разрешающей способностью, даже на обычных фотоплёнках с разрешением порядка 100 линий на миллиметр, однако эти схемы имеют массу ограничений и не обеспечивают высокого качества изображения.

Любительская голография

Как уже было написано выше, схема Денисюка, при применении лазерного диода в качестве источника когерентного света, оказывается предельно простой, что позволило записывать такие голограммы в домашних условиях без использования специального оборудования.

Для записи голограммы достаточно создать некий каркас, на котором будут неподвижно установлены лазер, фотопластинка (как правило, ПФГ-03М) и объект записи. Единственное серьёзное требование, накладываемое на конструкцию, - минимальные вибрации. Установку следует установить на виброгасящие опоры, за несколько минут до и во время экспозиции нельзя прикасаться к установке (обычно экспозицию отмеряют открывая и закрывая луч лазера экраном, механически не связанным с установкой, в простейшем случае его можно просто держать в руке).

В любительской голографии используются дешевые и доступные полупроводниковые лазеры:

1. лазерные указки
2. лазерные модули
3. отдельные лазерные диоды

Лазерные указки являются самым простым в использовании и доступным источником когерентного света. Их можно, за небольшие деньги, купить практически везде. После откручивания или отпиливания линзы, фокусирующей луч, указка начинает светить подобно фонарику (за исключением того, что её пятно вытянуто в одном из направлений), позволяя осветить фотопластинку и сцену, расположенную за ней. Необходимо только зафиксировать каким-либо образом (например, бельевой прищепкой) кнопку во включённом состоянии. К недостаткам указок стоит отнести их непредсказуемое качество и необходимость постоянно покупать новые батарейки.

Более совершенным источником является лазерный модуль, у которого опять таки нужно выкрутить или отпилить фокусирующую линзу. В отличии от указки, модуль питается не от батареек внутри него, а от внешнего источника, которым может служить стабилизированный блок питания на 3В. Такой блок питания, как и сам лазерный модуль, как правило, продаётся в магазинах радиодеталей за относительно небольшие деньги. Отсутствие садящихся батареек способствует стабильности работы. Как правило, лазерные модули сделаны качественнее указок, но их когерентность так же не предсказуема.

Наконец, лазерные отдельные диоды являются самыми сложными в эксплуатации источниками света. В отличие от модулей и указок, они не имеют встроенного блока питания, по этому вам придётся его собрать или купить (последнее очень дорого). Дело в том, что лазерные диоды, как правило, используют совсем не стандартное напряжение питания, например 1.8В, 2.7В и т.п. Кроме того, для них важнее не напряжение питания, а ток. Простейший блок питания состоит из миллиамперметра, переменного резистора и стандартного стабилизированного блока питания на 3-5В. Кроме того, лазерный диод не способен самостоятельно себя охлаждать, его необходимо установить на радиатор. Тепловая мощность диодов, применяемых для любительской голографии, не превышает сотен милливатт, по этому ему достаточно минимального по размерам радиатора, однако чем больше радиатор, тем стабильнее температура, а от стабильности температуры напрямую зависит когерентность.

Как уже писалось выше, когерентность указок и модулей совершенно непредсказуема, т.к. этот параметр для их обычного применения не важен. Вполне возможно, что вам придётся купить несколько модулей/указок, прежде чем вы натолкнётесь на экземпляр с высокой когерентностью. Понять, что когерентность недостаточна можно по записанной голограмме: если на ней есть характерные полосы, которые двигаются при её вращении, значит лазер генерирует несколько длин волн и его когерентность низка.

В случае лазерных диодов ситуация заметно лучше. Во-первых, если диод показал плохой спектр излучения (т.е. низкую когерентность) в своём нормальном режиме работы, то, несколько понизив или повысив ток через него, можно попытаться получить хороший спектр. Во-вторых, некоторые диоды выпускаются производителем с учётом требований высокой когерентности. Это лазеры с одной продольной модой (Single longitudinal mode) или одночастотные лазеры. Их длинна когерентности значительно превышает метр, что многократно превосходит потребности любительской голографии. При этом цена таких лазеров начинается от нескольких десятков долларов, что вполне по силам большинству любителей. В частности, такие лазерные диоды выпускаются фирмой Opnext совместно с Hitachi.

Самое большое распространение в самых различных применениях получили красные полупроводниковые лазеры с длинной волны 650нм. Эти же лазеры получили наибольшее распространение в любительской голографии. Они отличаются низкой ценой, достаточно высокой мощностью и чувствительность глаза (и фотопластинок ПФГ-03М, применяемых для записи голограмм Денисюка) к этой длине волны достаточно высока. Меньшее распространение в голографии поручили лазеры с длинами волн 655-665нм. Чувствительность фотопластинки (и глаза) к этому диапазону заметно (примерно в 2 раза) меньше, чем к 650нм, но такие лазеры имеют многократно бо́льшую мощность при близкой цене. Ещё меньшее распространение получили лазеры 635нм. Их спектр предельно близок к спектру красного He-Ne лазера (633нм), под который заточены фотопластинки, что обеспечивает максимальную чувствительность (чувствительность глаза так же значительно, в два раза, выше, чем к 650нм). Однако эти лазеры имеют высокую цену, низкий КПД и редко обладают высокой мощностью. Кроме того, поляризация этих лазеров перпендикулярна поляризации лазеров с бо́льшей длинной волны, однако это нельзя отнести ни к преимуществам, ни к недостаткам, это нужно просто принять к сведению при установке лазера, чтобы обеспечить минимальное отражение света от стекла фотопластинки.

Ссылки

• Голография - Виртуальная Галерея - крупнейший в СНГ сайт, посвященный голографии