2.2. Образование и восстановление голограмм
Выбирая термин «голография» для изобретенного способа записи, Габор подчеркнул, что регистрация как фазовой, так и амплитудной информации обеспечивает более полное описание световой волны. Информация о фазе сохраняется в интерференционной картине при двухлучевой интерференции. Таким образом, для того чтобы получить голограмму, когерентный свет, идущий от лазера, необходимо разделить на два пучка, один из которых освещает объект, а другой служит опорным (рис. 2.5).
Рис. 2.5. Схема записи оптической голограммы
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 когерентны, то интерференционная картина образуется во всем объеме, в котором перекрываются пучки. Помещенная в область перекрытия светочувствительная среда претерпевает изменения под воздействием световой энергии. После окончания экспозиции и соответствующей обработки для перевода этих изменений в вариации оптического пропускания получается голограмма.
Интенсивность интерференционной картины, образованной простыми немодулированными, плоскими или сферическими волнами, можно представить в виде трехмерной контурной карты. Контурные поверхности на такой карте соответствуют зонам максимальной интенсивности света, для которых выполняется условие φ2 – φ1 = 2πn.
Если очень тонкая светочувствительная среда помещена в область интерференции и проэкспонирована, то на ней зарегистрируются линии пересечения этих поверхностей с плоскостью эмульсии. В случае толстой среды регистрируются сами контурные поверхности. В первом случае голограмма называется плоской, так как ее свойства подобны свойствам плоских дифракционных решеток. Во втором случае голограмма обладает свойствами объемной дифракционной решетки и называется объемной.
Серебряные линии (плоская голограмма) или поверхности, расположенные на расстояниях, сравнимых с длиной волны, и могут сильно дифрагировать свет. Поэтому при освещении голограммы исходным опорным пучком часть дифрагирующего на ней света вновь воссоздает волновой фронт, который при регистрации голограммы шел от объекта (рис. 2.6). 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 там, где ранее находился предмет. 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. 2.7).
Рис. 2.6. Схема восстановления мнимого изображения
Рис. 2.7. Схема восстановления действительного изображения
Поскольку свет сходится к изображению, то действительное изображение может быть непосредственно зарегистрировано фотопластиной или фотоприемником без применения линз. При этом голограмма действует не только как регистрирующая, но и как проекционная система, дающая при освещении опорной волной изображение исходного предмета без помощи добавочных линз.
Если представить результат записи голограммы в виде
,
(2.8)
то результат восстановления изображения можно представить как
.
(2.9)
Первое слагаемое – опорная волна, амплитуда которой модулирована неким коэффициентом (почернением). Второе – объектная волна, модулированная коэффициентом Е02. Третье – волна, комплексно-сопряженная с объектом, она несет информацию, близкую к информации об объекте, но отличается от объектной волны обратной фазой. На практике подобное изображение выглядит «вывернутым». Действительное изображение трехмерного объекта обладает этим удивительным свойством – его глубина инвертирована. В этом случае говорят о псевдоскопическом изображении. Визуально возникает ощущение, что предметный план заслоняется более глубокой областью. С помощью коррекции фронта падающей волны возможно восстановление ортоскопических изображений с нормальной глубиной.