Глава 7. Голография.

Человеческий орган зрения – парный. Каждый глаз человека видит несколько иную картину пространства. В центральной нервной системе создаётся синтез обеих картин – трёхмерное изображение предмета. При восприятии предметов, расположенных на значительном расстоянии, существует предел стереоскопического зрения. Для увеличения этого предела искусственно увеличивают пространственный параллакс, используя стереоскопические бинокли, дальномеры и т. д.

Для создания стереоскопического эффекта иногда используют два изображения различной окраски, которые рассматривают через очки со стёклами разного цвета. При этом глаза воспринимают изображения каждый в своём цвете.

Другой метод наблюдения стереопар основан на использовании поляризованного света. При этом два плоских изображения формируются различно поляризованными световыми пучками, а их наблюдение осуществляется через поляризационные очки, которые разделяют изображения, предназначенные для наблюдения левым и правым глазом соответственно. Наиболее широкое распространение нашёл способ, основанный на использовании цилиндрического линзового растра (например, в художественных открытках со стереоэффектом). В этом случае оба плоских изображения, предназначенных для правого и левого глаза, разделены на вертикальные полоски, которые переменно чередуются. Перед полосками помещают цилиндрическую линзу таким образом, чтобы, глядя на открытку, оба глаза наблюдали полоску, принадлежащую к разным изображениям. Так возникает стереоэффект. Цилиндрический линзовый растр можно легко изготовить из прозрачной пластмассы путём теснения.

Решению этой проблемы были посвящены исследования Г. Липпмана, предложившего метод интегральной фотографии. Он заключается в получении совокупности большого количества изображений объекта, снятых в различных ракурсах. Для этого используется оптический растр, представляющий собой матрицу, составленную из маленьких линз. Метод интегральной фотографии хотя и позволяет получить объёмное изображение предмета, но полной пространственной картины он не даёт, кроме того он технически сложен и во многом ограничен.

Для получения объёмного пространственного изображения необходимо записать не только амплитуду световой волны от каждой точки, но также и фазу этой волны. Все приёмники излучения реагируют лишь на интенсивность света, и поэтому информация о фазе световой волны теряется. Если мы хотим записать фазу, то необходимо передать фазовые изменения посредством соответствующих изменений интенсивности. Эта передача возможна при использовании интерференции света.

Одним из замечательных открытий физики ХХ века является голо графия – принципиально новый метод записи и восстановления объёмных оптических изображений. Основы голографии были заложены в 1948 г. английским физиком Д. Габором. Голографией называют метод записи и последующего восстановления структуры идущих от объекта (предмета) световых пучков, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных световых пучков. Термин «голография» может быть переведён как «полная запись», от греческих слов holos – весь, и grapho – пишу. Бурное развитие голографии началось в 60-х годах ХХ-го столетия, после появления лазеров.

Напомним, что когерентность означает согласованное протекание в пространстве и во времени нескольких волновых процессов. Два световых колебания называются когерентными, если их разность фаз постоянна или изменяется по известному закону. При сложении таких колебаний амплитуда суммарного колебания зависит от разности фаз составляющих, т. е. возникает явление интерференции.

Голографический метод получения оптических изображений. Освещённый когерентным светом объект помещают перед фотодетектором – экраном со светочувствительным слоем, способным сохранить изображение. Отражённая от объекта световая волна падает на светочувствительный слой (фоторезист); её называют объектной волной. Одновременно направляют на фоторезист вспомогательную световую волну, полученную от того же лазера, которым освещается объект, её называют опорной волной (рис. 42 а). Волны интерферируют, и эта картина запоминается светочувствительным слоем. После проявления мы имеем «засвеченный негатив», называемый голограммой, который хранит изображение объекта. Оно закодировано в тонкой и сложной картине интерференционных полос, в ней не видны контуры записываемого объекта. Расстояние между интерференционными полосами могут быть порядка 0.001 мм. Чтобы изображение предмета сделать наблюдаемым, надо выполнить операцию считывание голограммы: осветить голограмму опорной волной (рис. 42 б), которая теперь называется считывающей. Наблюдатель увидит объёмное изображение предмета. Восстановление (считывание) изображения происходит в результате дифракции когерентной считывающей волны на своеобразной дифракционной решётке, какую представляет собой зафиксированная на голограмме система интерференционных полос. Длины волн при записи и считывании голограммы могут быть разными.

Рис. 42. Запись голограммы (а) и считывание голограммы (б):

1-объектная волна, 2-опорная волна, 3-считывающая волна,

4 и 5-дифрагированные волны, 6-часть считывающей волны,

прошедшая сквозь голограмму, не испытав дифракции.

Итак, голографический метод получения изображений является двухступенчатым. Запись голограммы основана на явлении интерференции когерентных световых волн, а считывание – на явлении дифракции световых волн. В каждой точке голограммы угол дифракции всегда должен равняться углу интерференции. Принципиальная особенность голограммы заключается в том, что на ней фиксируется не изображение предмета, а идущие от него колебания световой волны. В процессе же восстановления происходит реконструкция этих колебаний.

Отметим следующие важные особенности голограммы:

• голограмма совершенно неразборчива, это сложный интерференционный узор, внешне не имеющий ничего общего с объектом;

• так как при голографировании на каждый участок голограммы падало излучение от всех точек предмета, то любой участок голограммы способен восстановить изображение всего предмета;

• для восстановления изображения можно использовать излучение с длиной волны, отличной от той длины волны, на которой записывалась голограмма;

• при восстановлении голографического изображения можно изменять характер волнового фронта опорной волны; воздействуя на голограмму расходящейся сферической волной, можно получить увеличенное изображение предмета и наоборот.

В 1962 г. российский физик Ю.Н. Денисюк разработал и осуществил метод записи голограмм в трёхмерной среде, используя толстослойную фотоэмульсию; толщина таких эмульсий во много раз больше длины света. Примечательная особенность голограмм Денисюка состоит в том, что для их считывания не требуется лазер. Они прекрасно считываются в солнечном свете, в свете от обычного проектора.

В ряде случаев голограмма предмета может быть получена расчётным путём, с помощью ЭВМ. Такие искусственно синтезированные голограммы называются цифровыми. Используя цифровые голограммы, можно получить волновой фронт, «идущий» от физически не существующего предмета, т. е. возможно представить наглядно результаты моделирования какой-либо конструкции, например, сложной оптической поверхности.