2.5. Голографія

2.5.1 Голографія в вимірювальній техніці

Застосування голографії

Голографія - це метод запису хвильового фронту, розсіяного об'єктом на

деякому реєстратора (наприклад, на плоскій фотопластинці), і подальшого

відновлення записаного хвильового фронту. Вона дозволяє отримувати з

допомогою одного вимірювального приладу, одночасно дуже велику і, як

правило, безперервну інформацію про об'єкт вимірювання. На відміну від звичайної

фотографії на фотопластинці (голограмі) записується не зображення об'єкта,

а хвильова картина розсіяного об'єктом світла. Голограма отримує-ся в

результаті інтерференції розділеного на дві частини монохроматичного потоку

електромагнітного (або акустичного) випромінювання: розсіяного телеграфіруемим

об'єктом і прямого (опорного) пучка, що падає на голограму, минаючи об'єкт.

Інтерференційна картина, зареєстрованих на виявленої фотопластинці в

результаті складання хвильових фронтів, відображається на неї у вигляді

сукупності інтерференційних смуг з різною щільністю почорніння.

Найбільша щільність почорніння відповідає хвильовим фронтах, які прийшли в

фазі (де поля складаються), а найменша - хвильовим фронтах, які прийшли в

протифазі. Таким чином, яка відображається на голограмі картина хвильових

фронтів у загальному випадку не має подібності з реальним об'єктом і тим не менш

містить інформацію про об'єкт. [4]

При відновленні записаного на фотопластинці хвильового поля голограма

просвічується тільки опорним променем. В результаті виникають два видимих

об'ємних зображення голографіруемого об'єкта - уявне і дійсне. При

фотографуванні мнимого зображення фотоапарат можна фокусувати на

окремі деталі об'єкта, розташовані на різних відстанях від

площині голограми. Дійсне зображення в різних його перетинах

може реєструватися безпосередньо на фотопластинку без застосування

фотоапарата. [5]

Голограми мають ряд цікавих властивостей. Так, наприклад, хвиля від кожної

точки дифузно відбиває світло (або прозорого об'єкта, освітленого

через дифузний розсіювач) розподіляється по всій голограмі. Якщо таку

голограму розбити на шматки, то по кожному з них можна відновити

зображення всього об'єкта. Цікавою властивістю відновлених

голографічних зображень є можливість їх взаємодії з

реальними об'єктами, освітленими тим же джерелом, що й голограма, або з

іншими голографічними зображеннями. На цій властивості засновані

голографічна інтерферометрія, просторова фільтрація та розпізнавання

образів. Не менш цікавою є можливість реєстрації низки голограм

на одну фотопластинку за допомогою декількох опорних пучків, що падають на неї

під різними кутами. Обертаючи таку фотопластинку при відновленні, можна

спостерігати десятки кадрів швидко протікають процесів.

Завдяки можливостям, властивим голографії, голографічний метод

знаходить численні практичні застосування. Більшість цих застосувань

відноситься до техніки вимірювань різних станцінарних і динамічних

об'єктів. З практичних застосувань голографії в оптичному діапазоні частот

в першу чергу слід відзначити об'ємні вимірювання за допомогою

стереоскопічних і інтерферометричний методів. [6]

Стереоскопічні методи дозволяють визначати, так само як це робиться в

фотограмметрії, форму об'єкта по його об'ємному голограческому зображенню і

координати характерних точок об'єкта. Такі вимірювання можна проводити

методом «реальної марки», тобто за допомогою фотодатчика, автоматично

переміщається в області дійсного зображення об'єкта. Для збільшення

точності і зручності вимірювання на поверхні об'ємного зображення створюють

систему ліній шляхом послідовного запису на одній і тій же платівці двох

голограм з незначним розходженням в довжині хвилі джерела випромінювання або з

двома близькими по кутку з сигнальними променями.

Для цих же цілей об'єкт може бути поміщений у посудину, який по черзі

заповнюють двома різними газообразньмі середовищами із заздалегідь відомими[7]

показниками заломлення.

Використовуючи стереоскопічні методи, можна по об'ємним голографічним

зображенням визначати форму осколків вибуху, міхурів в газорідинному

потоці, а також координати їхніх центрів, сліди треків в бульбашкових камерах,

виявляти патологічні зміни внутрішньої будови ока людини по

його тривимірному зображенню. При цьому на відміну від звичайних стереоскопічних

зображень голографічне зображення може розглядатися з різних

ракурсів, аж до отримання повного зображення об'єкта з кутом огляду

360 °.

Голографічні методи реєстрації об'ємних зображень мають особливе значення

в мікроскопічній техніці. Так як мікроскоп з великим збільшенням має

дуже невелику глибину поля зору, з його допомогою можна одночасно

спостерігати тільки невеликі ділянки сцени, які знаходяться в

безпосередній близькості від фокальній площині мікроскопа. Для спостереження

всієї сцени по глибині необхідно виробляти перефокусировку мікроскопа. Якщо

предметом вивчення є рухомі мікрооб'єкти, наприклад живі

організми в деякому об'ємі рідини, то за час перефокусування

мікроскопа мікроорганізми можуть переміститися в межах сцени, що може

створити викривлене уявлення про досліджуваних об'єктах, і їх кількості.

Техніка голографії дозволяє подолати ці труднощі. Для. Цього необхідно

провести голографірованіе досліджуваної області через об'єктив мікроскопа,

має порівняно велику глибину різкості, за допомогою імпульсного

джерела випромінювання або за допомогою швидкісної кінокамери при безперервному

випромінювань.

Отримані об'ємні зображення слід потім розглядати через окуляр

мікроскопа, який можна фокусувати на різні площини отриманої

об'ємної картини «застиглих мікроорганізмів».

За допомогою цього методу можна спостерігати життєдіяльність;

різних найпростіших організмів, поділ живих клітин і вивчати властивості

рідин і газоз, що містять домішки мікроскопічних частинок і ін

Голографічна інтерферометрія має ряд переваг посравненію з

звичайної інтерферометрії. У голографічному інтерферометрі завдяки

можливості реєстрації хвильових фронтів у різні моменти часу

використовується, як правило, один і той же оптичний тракт. Це дозволяє

проводити порівняння хвильових фронтів від від реальних об'єктів з хвильовими[9]

фронтами, відновленими із заздалегідь отриманих голограм зразкових

об'єктів, або порівнянням хвильових фронтів від одного і того ж об'єкта,

отриманих в різні моменти часу.

У класичних інтерферометра використовуються два точно вирівнюються оптичних

тракту, так як тут інтерференційна картина виникає тільки при

одночасному існуванні обох порівнюваних зображень. Голографічний

інтерферометр не тільки володіє всіма можливостями звичайного інтерферометра,

але має ряд нових. Так, наприклад, методами голографічної інтерферометрії в

відміну від класичної можна вивчати деформації відображають тривимірних

об'єктів складної форми та об'ємні розподілу різних фізичних

параметрів всередині заломлюючих (фазових) об'єктів.

Для отримання толографіческіх інтерферограмм використовуються в основному два

методу: метод подвійної експозиції та метод спостереження інтерферограмм в реальному

масштабі часу.

У методі подвійної експозиції на одній фотопластинці при незмінному опорному

пучку реєструються дві голограми об'єкта: одна до додатка збурюючих

сил або до початку процесу і друга через деякий інтервал часу після

докладання зусиль або початку процесу. Очевидно, що хвильові фронти від ділянок

об'єктів, в яких не відбулися зміни за час між експозиціями

(Наприклад, в нерухомих стінках посудини), не створять інтерференційних

смуг у відновленому зображенні об'єкта. Тому якість голографічних

інтерферограмми відміну від класичної не залежить від якості прозорих

стінок, за якими відбувається досліджуваний процес. Метод подвійної експозиції в

основному використовується при вивченні бистропротекающих процесів.

Метод спостереження інтерферограмм в реальному масштабі часу використовується в

більшості випадків при спостереженні порівняно повільних процесів або при

контролі за допомогою однієї голограми серії стаціонарних об'єктів.

Способи реалізації цього методу різні для двох типів об'єктів.

Дли непрозорих (відображають) об'єктів на фотопластинці реєструють

голограму початкового стану відбиває світло. Фотопластинка при цьому

обробляється на місці експонування. Якщо при тих же опорному і сінальном

променях спостерігати той же відображає об'єкт через голограму, то при зміні

форми об'єкта (від стиснення, нагріву і т. п.) спостерігач побачить

інтерференційну картину, що виникає в результаті суперпозиції

відновленого з голограми хвильового поля, що формує уявне зображення

об'єкта, і поля відбитого від реального об'єкта. За отриманою

інтерференційної картини можна обчислити розподіл деформацій на

поверхні тракту, викликаних прикладеними возмущающими силами.

Для прозорих (заломлюючих) об'єктів спочатку голографіруется << порожня »

сцена (без об'єкта), наприклад: столик, освітлений ззаду розсіяним світлом від

матового скла, кювету з водою і т. п. Фотопластинка, на якій

реєструється поле сигнальної та опорної хвилі, з'являється так само, як і в

першому випадку, на місці експонування. Якщо тепер поставити на столик

прозорий об'єкт (наприклад, стекляную плоскопаралельну пластинку), або в

кювету з водою кинути кристал солі, то через виявлену голограму можна

спостерігати інтерференційну картину, що виникає на тлі матового скла. Ця

картина утворюється в результаті суперпозиції хвильового поля, відновленого

з голограми і переломленого реальним об'єктом. За отриманою

інтерференційної картини можна обчислити розподіл показника

заломлення всередині об'єкта. У наших прикладах це дозволяє оцінити якість

(Однорідність) скляної пластинки або просторовий розподіл

щільності розчину в процесі розчинення кристала солі у воді.

Обидва методи голографічної інтерферометрії знаходять широке застосування: при

вимірах просторових розподілів електронів, іонів та нейтральних

частинок в плазмі, тиску в струмені газу або рідини, в області вибуху,

розподілу конвекційних потоків в рідині при місцевому її нагріві,

щільності при перемішуванні різних рідин і явище електролізу,

розподілу щільності речовини в світному полум'я та ін

За допомогою зазначених методів голографічної інтерферометрії можна також

створити нові об'єктивні методи неруйнівного контролю якості виробів і

виявлення прихованих дефектів. Так, наприклад, фірма застосувала Optronics

голографічної інтерферометрії для виявлення незначних дефектів всередині

автомо-більной шини.

Спосіб контролю заснований на методі послідовних експозицій на одну

голограму двох станів автомобільної покришки - першого в нормальному

стані і другого при її підкачування злегка нагрітим повітрям. Цей спосіб

контролю дозволяє виявляти ділянки неякісної склейки гуми на

глибині в 20 шарів від поверхні покришки.

Та ж фірма сконструювала голографічну установку масою більше 10 т для

контролю якості швів крил літака і зварювання металевих аркушів з

стільниковими конструкціями розміром до 2 м2. Цей же метод використовується

для контролю лопаток турбін, складних структур типу гума-метал, перевірки

металевих циліндрів, для дослідження деформацій, викликаних відмінностями

механічними факторами (тиском або вигином), та ін

Іншим видом інтерференційного порівняння різних станів одного і того

ж об'єкта є голографічна реєстрація вібруючих об'єктів методом

тривалої одноразової експозиції. Дійсно, при такій реєстрації на

голограмі записують всі послідовні положення об'єкта. При цьому на

відновленому зображенні утворюється інтерференційна картина,

відповідна тим крайнім положенням об'єкта, в яких під час експозиції

він був нерухомий. [10]

Застосування голографічної інтерферометрії фазових прозорих об'єктів, в

особливості методу спостереження в реальному часі,

дуже перспективно для створення систем відбраковування різних виробі,

наприклад оптичних деталей. Дослідження, пов'язані з отбраковкой і

контролем якості оптичних стекол для дзеркал резонаторів квантових

генераторів, показали що на відміну від методів контролю якості стекол по

відображенню і пропускання, які звичайно застосовуються на заводах-виробниках і дають

тільки інтегральні відомості про зразок, голографічні методи дозволяють

контролювати якість

стекол диференційовано по всій поверхні. [9]

Ці методи можуть бути також використані для контролю однорідності і товщини

тонких плівок, якості вирощених кристалів і ін

Поєднуючи інтерферометрії з методами голографічної просторової

фільтрації, принципово можна здійснювати такі операції, як

ототожнення виготовлених виробів з голографічними зображеннями їх

стандартних зразків, які в свою чергу можуть бути створені шляхом

машинного голографічного синтезу. На цих принципах можливе створення

потокових ліній з безперервним неруйнуючим контролем якості та відбракування

стекол, скловолокна, оптичних лінз, різних прозорих виробів, а також

в ряді випадків і відображають об'єктів складної форми.

В даний час перераховані можливості голографії можуть бути практично

реалізовані з використанням випромінювання в широкому діапазоні електромагнітних

і акустичних хвиль. [10]Це дозволяє застосувати голографічні методи вимірювань

для непрозорих для світла об'єктів і, зокрема, методами акустичної

голографії вирішити завдання об'ємної інтроскопії стосовно контролю

різних металевих, керамічних та інших виробів. У сейсмічних і

океанографічних дослідженнях і при вивченні форватер річок акустична

голографія відкриває нові можливості обнару жения, визначення

місцезнаходження та впізнання різних об'єктів, шарів грунту та ін В

біології та медицині акустична голографія дозволяє вести дослідження

різних біологічних об'єктів, у тому числі вирішувати завдання діагностики

різних пухлинних захворювань. При внутрішніх дослідженнях людського

організму акустична голографія зможе забезпечити чітке відновлене

зображення досліджуваного об'єкта. Таким шляхом можна переглядати м'які тканини,

кровоносні судини, внутрішні органи і т. п., що неможливо зробити за

допомогою рентгенівських досліджень.

Застосування методів голографії з використанням НВЧ діапазону відкриває

додаткові можливості досліджень, недосяжних або важкодосяжних

при використанні оптичної голографії.

Використання НВЧ діапазону дає можливість голографірованія в темряві і за

непрозорими для світла перешкодами (наприклад, виявлення прихованого

зброї), одержання голограм і інтерферограмм великих сцен і великомасштабних

процесів, таких, як реальний вибух, полум'я і т / д., телеграфування на

відносно великих відстанях від об'єкта та ін

Вище розглядалися різні можливості вивчення об'ємних властивостей

об'єктів по їх голографічним зображенням або інтер-

ферограммам. Слід зазначити інше важливе застосування голографії,

а саме вивчення з її допомогою амплітудних і фазових розподілів

на виході джерел випромінювання, наприклад в розкриві антен,

по торцю лазера і т. п.

При використанні голографічних інтерферометрів зсуву можна вивчати

ступінь когерентності різних джерел випромінювання, у тому числі теплових.

Для когерентних джерел голографія дозволяє також здійснювати вимірювання

просторової структури мод та просторового розподілу

поляризаційних характеристик електромагнітного поля ОКГ. Визначення

перерахованих характеристик може бути виконано шляхом безпосередньої

обробки голограми в площині перерізу досліджуваного поля. Таким методом

можна вивчати не лише власне поле джерела випромінювання, а й

спотворення, що вносяться до структури поля різними елементами оптичного або

СВЧ тракту.

Мета цього розділу - ознайомитися з колом питань, вивченням яких

займаються багато вчених в Росії і за кордоном. [10]