2 Методы, реализующие пространственное восприятие

Мы видим объекты благодаря тому, что световые волны отражаются от поверхности объектов и, проходя через оптическую систему глаза, преобразуются в зрительные образы. Будем считать, что поверхность объектов состоит из множества точек (микрообластей) каждая из которых отражает световые лучи. Часть отражённых лучей попадает в линзу глаза и, преломляясь в ней, образует изображение видимой части поверхности, изображение совокупности видимых точек поверхности в области пространства за линзой. Объект в модели является совокупностью материальных точек его поверхности, отражающих световые волны и удалённых от воспринимающей системы на некоторое расстояние. Каждая точка поверхности отражает некоторое количество световых лучей. Часть этих отражённых лучей попадает в линзу и, преломляясь в ней, пересекается друг с другом за линзой, создавая в точке пересечения изображение этой точки поверхности [4].

Воспринимающая система должна решить, как минимум, две задачи:

1) воспринять совокупность точек изображения и трансформировать её в зрительные ощущения;

2) определить относительное расстояние до точек поверхности, от которых пришли световые волны. Образ объекта состоит из множества зрительных ощущений, созданных системой зрительного восприятия в результате восприятия множества световых волн, отражённых от совокупности точек видимой поверхности объекта.

Следовательно, разработка различных систем воспроизведения изображений связана с воссозданием световых полей (используются физические свойства объекта), соответствующих световым полям объектов, и использованием свойств зрительной системы.

Очевидно, что в общем случае используются как физические свойства объекта, так и свойства зрительной системы, но при разработке устройств визуализации преобладает какое-либо из этих свойств.

2.1 Методы визуализации на основе физических свойств

2.1.1 Голографический метод визуализации изображений

Способность света отображать материальные тела и связанное с нею понятие «изображение» являются фундаментальными для оптики. По существу, эти понятия играют роль аксиом и не поддаются определению через категории более высокого порядка. Наиболее совершенным из известных в настоящее время изображений является трехмерная голограмма, которая воспроизводя амплитуду, фазу и спектральный состав излучения, представляет собой оптический эквивалент объекта, т.е. воздействует на данное излучение так же, как сам объект.

Более совершенным изображением может быть только дубликат объекта, который действует так же, как объект на любое излучение [5].

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

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

В 1962году была создана классическая схема записи голограмм Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса изМичиганского Технологического Института(голограммы 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(рисунок 14).

В 1967годурубиновымлазером был записан первый голографический портрет.

В 1968годуЮрий Николаевич Денисюкполучил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белыйсвет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм [6]. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка (рисунок 15). В этой схеме луч лазера расширяетсялинзойизеркаломнаправляется нафотопластинку. 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 светесолнцаили 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.

В 1977году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму [6]. 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 вертикальногопараллакса(т.е. 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.

Рисунок 14 – Схема записи Лейта-Упатниекса

Рисунок 15 – Схема записи Денисюка

Голография позволяет получить более полную информацию об объекте по сравнению с обычной фотографией, так как представляет собой процесс регистрации на фотопластинке не только амплитуд, но и фаз световых волн, рассеянных объектом [7,8]. Для этого на фотопластинку одновременно с волной, рассеянной объектом (сигнальная волна), необходимо направить вспомогательную волну, идущую от того же источника света (лазера), с фиксированной амплитудой и фазой (опорная волна, рисунок 16).Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, то есть об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется голограммой. Если рассматривать голограмму в микроскоп, то в простейшем случае видна система чередующихся светлых и тёмных полос (рисунок 17). Интерференционный узор реальных объектов весьма сложен.

Рисунок 16 - Получение голограммы в случае интерференции двух плоских световых волн (опорной и сигнальной): q — угол между направлениями распространения опорной и сигнальной волн; d — расстояние между соседними тёмными полосками картины.

Рисунок 17 - Структура голограммы, видимая в микроскоп

Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же опорной волной, которая использовалась при её получении. В простейшем случае — интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) — голограмма представляет собой обычную дифракционную решётку. Плоская волна, падая на такую голограмму, частично проходит сквозь неё, сохраняя прежнее направление, а частично вследствиедифракциипреобразуется в две вторичные плоские волны (рисунок 18).

Как видно из рисунка, волна, которая идёт «вниз», является как бы продолжением сигнальной волны, использовавшейся при съёмке голограммы (рисунок 16). Поэтому она ничем не отличается от волны, идущей от объекта при непосредственном его наблюдении. Таким образом, при просвечивании голограммы восстанавливается та же самая волна, которая исходила от объекта. В результате этого наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, увидит мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился при съёмке. Волна, идущая «вверх» (рисунок 18), также содержит информацию об объекте и образует его действительное изображение.

При сложении в некоторой области пространства нескольких электромагнитных волн, имеющих близкие частоты, возникает стоячая электромагнитная волна. Для записи голограмм 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 фотопластинку(или иной регистрирующий материал), в результате на этой пластинке возникает сложная картина, состоящая из полос потемнения, соответствующих распределению электромагнитной энергии (интерференционнойкартине) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку облучать светом с частотой колебаний близкой к частоте опорного пучка, то она преобразует эту волну в волну близкую к объектной. Таким образом, мы будем видеть (с той или иной степенью точности) такой же поток света, какой отражался бы от объекта записи.

Рисунок 18 - Восстановление изображений с помощью голограммы.