4.2.1.Основные сведения о голографии.
Сам термин (Holography) образован сочетанием слов "полный, весь" и "рисовать, записывать", так что уже в само это понятие автор заложил особый взгяд на эту технологию, как на способ "наиболее полной записи образа объекта".
В наиболее общем виде идея голографии может быть сформулирована так - если мы каким-то способом точно зафиксируем структуру светового поля, исходящего от объекта, запишем ее на какой-либо носитель, а затем восстановим это поле с достаточной точностью, то наблюдатель не сможет различить, наблюдает ли он сам объект или же эту имитацию.
В более узком смысле термин "голография" как раз и представляет одну их технологий (точнее пакет технологий, объединенных общей идеей) такой "полной" записи волнового поля.
Пример : Действующие очки с голограммой.
Какая именно периферийная аппаратура к компьютеру нужна для организации голографической студии ?
Для изготовления голограмм компьютеры вообще не нужны. Это чисто оптический процесс, но по объему информации, записываемой и участвующей в этом процессе, голография может сравниться с любым суперкомпьютером.
Основная физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях, может возникать 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 эта интерференционная картина была устойчивой какое-то время, и ее можно было записать, эти два пучка должны обладать определенными свойствами. Оптики говорят, что они должны быть взаимно когерентными. Для простоты скажем, что у них должна быть одна и та же длина волны, и кроме этого, за время регистрации должна быть одна фаза колебаний, то есть колебания светового поля должны быть синхронными.
Практически это достигается тем, что два пучка образуются делением пучка одного источника излучения, но и этого оказывается недостаточно - сам источник должен быть специальный, излучающий строго одну длину волны, и такой источник - лазер со специальными параметрами излучения. Так как длина волны света достаточно мала, то расстояние между интерференционными максимумами и минимумами тоже мало - порядка 1 мкм, так что для регистрации нужны специальные мелкозернистые фотоэмульсии.
Рис.4.2.1. ―Схема записи пропускающей голограммы .
Если в наличии –
лазер,
фотоэмульсия
объект для съемки,
все остальное уже предельно просто. Самая простая схема съемки голограммы представлена на рис.4.2.1.
Мы расщепляем лазерный луч на два пучка, расширяем их оптикой, чтобы осветить весь объект целиком, один пучок, который называется "объектным", мы направляем на объект, освещая его так, чтобы отраженное от него излучение попадало на фотопластинку. Второй пучок, который называют "опорным", мы направляем прямо на фотопластинку. Эти два пучка будут интерферировать на поверхности фотопластинки и после проявления мы ничего полезного на поверхности этой пластинки не увидим. При рассмотрении под микроскопом поверхность пластинки будет покрыта множеством интерференционных линий, колец. Это и есть запись структуры волнового поля, отраженного объектом. Мы описали технологию изготовления так называемой "пропускающей" голограммы.
Если теперь эту голограмму осветить пучком лазерного света (напросвет, отсюда и название - пропускающая), смотри рис.2. - то мы сможем увидеть восстановленное изображение, которое будет находиться точно в том месте, где ранее, при съемке, находился объект. А произошло вот что - чистый лазерный свет, проходя через фотопластинку с записанной ранее структурой светового поля приобретает все свойства светового потока, который ранее, при записи, отражался объектом. И мы видим этот объект - причем полностью объемным.
Рис.4.2.2.― Схема восстановления изображения, записанного на пропускающей голограмме.
Можно записать не пропускающую, а отражающую голограмму, для этого схема записи должна быть несколько иной, опорный и объектный пучки должны падать на фотоэмульсию с разных сторон (рис.4.2.3). Кроме того, чтобы фотопластинка стала работать в режиме отражения света, нужна специальная химическая обработка. В результате обработки поверхность фотоматериала становится рельефной, и этот рельеф покрывается отражающим слоем.
Рис.4.2.3.― Схема записи отражательной голограммы
Список недостатков всей этой технологии:
Для просмотра голограммы обязательно нужен лазер
Изображение будет монохромным, причем строго того цвета, что и цвет излучения лазера, который используется при восстановлении изображения.
Смотреть восстановленное лазером изображение достаточно неприятно - глаза сильно устают от присущих когерентному излучению побочных эффектов, типа спеклов, которые проявляются в виде случайного светового шума по всему полю зрения.
Изображение хотя и объемное, но расположено за плоскостью
фотопластинки, в глубине, так что эффект от его объемности не проявляется в полной мере.
Было найдено несколько вариантов решения проблемы изготовления голограмм, видимых в обычном свете. Одно из самых революционных было сделано оптиком Денисюком, и голограммы этого типа называются толстослойными голограммами, или голограммами Денисюка. 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.
Прежде чем описать процедуру копирования или реплицирования голограмм, расскажем о принципе работы толстослойной голограммы. Само название указывает на то, что в этой голограмме используется специальная эмульсия с повышенной толщиной слоя. В курсе физики объясняется, почему бензиновые пленки на воде окрашены в цветные тона. Это происходит потому, что две световых волны, отраженные, - первая, от граница воздух-бензин, вторая, от границы бензин-вода, интерферируют между собой, и гасятся или усиливаются в зависимости от длины волны света и толщины пленки. Этим же объясняется и цвет пленочных просветляющих покрытий на фотографической оптике. Когда опорный и объектный лазерный пучок интерферируют между собой в толстослойной эмульсии, то в результате образуется не только плоская картина интерференционных колец, но и система слоев почернения, расположенных в глубину эмульсии. Шаг между этими слоями также определяется длиной волны лазерного излучения и углом между фронтами опорной и объектной световых волн (Рис.4). То есть толстослойная голограммма - это уже не двумерная картина светового поля, а трехмерная, за счет этого она обладает дополнительными полезными свойствами. В частности, система плоскостей почернения является встроенным фильтром, который сам выделяет из белого света нужную длину волны света, которой было записано голографическое изображение. Для остальных длин волн вся эта система полос, пятен и слоев представляет собой полный хаос, шум и только на "родную" длину волны голограмма реагирует и восстанавливает записанное изображение.
Рис.4.2.4.― В экспонированной толстослойной эмульсии образуется объемная система дифракционных пятен, расположенная и в глубину слоя эмульсии.
Из изложенного выше следует, что толстослойная копия, изготовленная с помощью "красного" лазера, будет формировать при освещении видимым светом изображение красного цвета. Это верное рассуждение, если не учитывать процесс усадки эмульсии толстослойной голограммы, за счет которого расстояние между интерференционными слоями, идущими в глубину слоя эмульсии уменьшается и "родная" длина волны смещается в синюю область спектра.
Технологи отработали процессы проявления с контролируемой усадкой и, таким образом, смещают цветовую гамму в нужную область. При изготовлении копии можно регулировать положение изображения относительно плоскости толстослойной голограммы. Для этого можно освещать мастер-голограмму лазерным пучком не с плоским волновым фронтом, а расходящимся пучком, тогда восстановленное изображение будет помещаться прямо в апертурной рамке голограммы-копии. Если вы делаете портрет, то очень важно, какая часть носа будет торчать наружу из голограммы. При съемке голографических портретов в ателье обычно настройку положения изображения относительно плоскости портрета проводят в присутствии заказчика и только потом производят окончательное копирование.
Немного о голографии "живых объектов". В отличии от фотографической съемки, где за время экспонирования объект может смещаться в пространстве (в худшем случае это приведет к размазыванию изображения движущегося объекта), при съемке голограммы поверхность объекта съемки не должна смещаться на расстояние более 1/4 длины волны (0.15 мкм). При больших величинах смещений, например, из-за вибраций объекта, изображение на голограмме вообще не записывается. Лицо человека никогда не может быть неподвижным, поэтому съемка портретов и вообще живых объектов стала возможна только с разработкой импульсных лазеров для голографии, имеющих достаточно малую длительность импульса, так чтобы за время этого импульса поверхность объекта не успевала претерпеть значительных смещений. Поэтому говорят о "импульсной голографии". Но практически вся современная голография - импульсная.