Голографические схемы методы показывания голограмм. Отражательная голограмма ю.Н

Голограмма - продукт голографии, объемное изображение, создаваемое с помощью лазера, воспроизводящего изображение трехмерного объекта. Голографии прочат будущее визуальных развлечений, поскольку до сегодняшнего дня этот способ был самым многообещающим способом визуализации трехмерных сцен. За изобретение метода голографии в 1947 году Дэннис Габор получил Нобелевскую премию по физике в 1971 году. Все просто: вы буквально видите реальный объект, который на самом деле является объемной картинкой. Его можно обойти, рассмотреть со всех сторон, можно придать мощную глубину, которой не может похвастать никакая другая технология 3D-отображения.

В рамках двух новых исследований ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) использовали нейронные сети для реконструкции голограмм. Обе работы не только демонстрируют уровень развития голографических технологий, но еще и обещают открыть этим технологиям дверь в медицину, где они смогут произвести настоящую революцию.

Некоторые физики на самом деле считают, что вселенная, в которой мы живем, может быть гигантской голограммой. Такое научное исповедание становится все более популярным. И самое интересное, что эта идея не совсем напоминает моделирование вроде «Матрицы», а скорее приводит к тому, что хотя нам кажется, что мы живем в трехмерной вселенной, у нее может быть всего два измерения. Это называется голографическим принципом.

Схема регистрации голограмм Габора

В этом положении (положении 1 на рис. 1.1) главные лучи объектного и опорного пучков распространяются по одному направлению. Полученные таким образом голограммы называются осевыми голограммами или голограммами Габора. При их записи разность хода объектной и опорной волн в пределах поверхности пластинки минимальна по сравнению со всеми другими возможными положениями, что позволяет использовать её для формирования голографического поля источники излучения с низкой степенью когерентности. Относительно большое расстояние между соседними поверхностями максимумов снижает требования к разрешающей способности регистрирующей среды.

Рис. 1.3

Принципиальная схема записи голограмм Габора представлена на рис. 1.3.1. Здесь S -источник когерентного излучения, Т - транспарант с изображением объекта, Н - голограмма. В соответствии с приведенной схемой общую комплексную амплитуду U света, падающего на светочувствительную среду, в плоскости регистрации голограммы можно представить в виде суммы комплексной амплитуды недифрагировавшей на структуре объекта фоновой или опорной волны R и комплексной амплитуды волны, дифрагировавшей на объекте - О

U = R +О, (1.3.2)

Отсюда интенсивность излучения I в плоскости регистрации голограммы может быть описана следующим образом:

При линейной обработке голограммы и ее восстановлении опорной волной с комплексной амплитудой R амплитуда поля в плоскости голограммы, непосредственно за ней - А, может быть описана с точностью до коэффициента пропорциональности следующим образом:

Если амплитуда опорной волны одинакова по всей плоскости голограммы, то первый член правой части выражения (1.3.4.) описывает волновой фронт, комплексная амплитуда которого пропорциональна амплитуде исходной волны U в выражении (1.3.2) .

Оптическая схема записи голограмм Лейта-Упатниекса

Интерференция наблюдается при сложении двух волн, когда при условии их когерентности, т.е. постоянной разности фаз этих волн, возникает характерное пространственное распределение интенсивности света - интерференционная картина. Фотопластинка-детектор регистрирует это в виде чередующихся светлых и темных полос, или интерферограммы.

Для определения остаточных напряжений применялась и обычная интерферометрия, но эту работу можно было провести только в хорошо оборудованной лаборатории: требовалась специальная подготовка поверхности исследуемого объекта, придание ей правильной формы, специальное освещение и оборудование.

Когда создали лазер, т.е. источник излучения с высокой пространственной и временной когерентностью, стала развиваться оптическая голография - способ записи и восстановления световых волн, рассеянных объектом и несущих информацию о его форме (т.е. трехмерного образа объекта). Некоторые методики интерферометрии сильно упростились, так как снялись проблемы освещения и подготовки поверхности.

Принципиальная оптическая схема для записи голограммы по Лейту-Упатниексу показана на рис.1.3.2. Луч лазера (1) расширяется линзой (2) и делится полупрозрачным зеркалом (3) на две части. Одна часть - это опорный луч (ОЛ) - проходит через зеркало и сразу падает на фотопластинку-детектор (5). Вторая часть, отраженная от зеркала, освещает объект (4) и, диффузно рассеянная им, проходит через линзу (6) и тоже падает на детектор. Это предметный луч (ПЛ).

Рис. 1.4 - Принципиальная схема записи голограммы Лейта-Упатниекса: 1 - лазер, 2 - линза, 3 - полупрозрачное зеркало, 4 - объект, 5 - фотопластинка-детектор, 6 - линза в режиме лупы, ОЛ - опорный луч, ПЛ - предметный луч

Заметим, что наличие линзы (6) не принципиально для записи голограмм, однако необходимо для измерения остаточных напряжений. Линза находится на фокусном расстоянии от объекта и поэтому работает в режиме лупы: на фотопластинке записывается не весь образ объекта, а малая, но увеличенная в 2-5 раз, его часть - область поверхности с отверстием. Это помогает рассмотреть довольно плотно расположенные (особенно на кромке отверстия) полосы интерферограммы .

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.

Голограммы, получаемые на относительно толстых, по сравнению с периодом следования максимумов интенсивности голографического поля, регистрирующих средах представляют собой объемную дифракционную решетку, состоящую из последовательности частично отражающих поверхностей.

Такая решетка, как известно, обладает селективным, т.е. зависящем от угла падения и длины волны восстанавливающей волны, откликом, описываемым законом Брэгга. Голограммы, обладающие такими свойствами, называют объемными или брэгговскими. Если толстая по сравнению с периодом следования максимумов голографического поля регистрирующая среда устанавливается в положение 3, то опорная и объектная сферические волны падают на нее с разных сторон. В этом случае расстояние между поверхностями максимумов интенсивности голографического поля составляет примерно половину длины волны регистрирующего излучения и эти поверхности близки к плоскостям, параллельным поверхности регистрирующей среды.

Рис. 1.5

Такая схема регистрации голограммы предложена Ю.Н. Денисюком и носит его имя.

При регистрации голограммы в такой схеме в объеме регистрирующей среды образуется большое количество частично отражающих излучение поверхностей, называемых стратами, действующих подобно 15 отражательному интерференционному фильтру. Даже для толщин регистрирующей среды 10 - 12 мкм число этих страт может быть более 50. Большое число содержащихся в голограмме частично отражающих поверхностей обуславливает их высокую спектральную селективность, позволяющую восстанавливать записанное на них изображение в белом свете. Такие голограммы называются голограммами Ю.Н. Денисюка или отражательными объемными голограммами. Следует отметить, что известная из курса физики фотография Липпмана является, по своей сути, частным случаем голограммы Денисюка.

Голографирование с наклонным опорным пучком при диффузном и недиффузном объектном пучке.

Получение голограммы с помощью опорной волны, падающей на плоскость регистрирующей среды под углом, отличным от угла падения объектной волны. Пространственно-частотный анализ этого метода основан на понятии несущей, или опорной, волны, пространственная частота которой модулируется информацией о предмете. Таким образом, выражение “голограмма с несущей частотой” эквивалентно выражению “внеосевая голограмма”. При использовании метода несущей частоты отпадает необходимость получения опорной волны за счет света, прошедшего через предмет. Вследствие этого, при применении внеосевых голограмм, в противоположность габоровским голограммам, нет необходимости ограничиваться транспарантами с большими прозрачными участками. На рис.1.3.4. показан простой способ деления волнового фронта, позволяющий освещать прозрачный транспарант когерентной плоской волной и получать наклонную плоскую волну от того же источника. В качестве объекта можно взять полутоновой транспарант. Пусть О(x, y) - комплексная амплитуда объектной волны в плоскости голограммы, R = r exp(2рiоrx) = r exp(ikx sinи) - комплексная амплитуда плоской опорной волны. Из сравнения этих выражений проводимого, гласящего, что фаза волны обратно пропорциональна пройденному оптическому пути, получим выражение для пространственной частоты опорной волны, представленной на рис.1.3.4.

Рис. 1.6

Пространственная частота опорной волны, представленной на рис. 1.3.4. Пространственная частота опорной волны соответствует волновому вектору опорной волны, направленному вниз от оси z, где и- угол, образованный им в плоскости xz с осью z.

Рассмотренный нами ранее метод освещения частично прозрачного транспаранта плоской волной обладает рядом недостатков, среди которых:

* трудность наблюдения восстановленного мнимого изображения, заключающаяся в необходимости сканирования зрачком наблюдателя всей плоскости голограммы;

* сильная неравномерность интенсивности объектной волны в плоскости регистрации голограммы, затрудняющая выбор интенсивности опорной волны.

Эти недостатки можно устранить, если использовать диффузное освещение голографируемого транспаранта. Для этого между лазерным источником и транспарантом обычно помещают диффузный экран, например матовое стекло. Так как диффузный экран рассеивает свет в широком телесном угле, то теперь наблюдателю не нужно сканировать зрачком всю поверхность голограммы, чтобы увидеть все изображение транспаранта. Хотя фаза света, рассеянного диффузным экраном и прошедшего через объект, представляет собой быстро меняющуюся пространственную функцию координат в плоскости голограммы, свет в этой плоскости может сохранять когерентные свойства. Это происходит, если:

* исходная волна, освещающая диффузный экран, пространственно когерентна по всей площади экрана;

* максимальная длина пути света от источника до голограммы через диффузный экран отличается от длины пути опорного пучка не больше, чем на длину когерентности;

* экран остается неподвижным.

Голограмма, полученная при диффузном освещении, обладает рядом замечательных свойств. Дело в том, что диффузный экран имеет более широкий спектр пространственных частот, чем голографируемый транспарант, он рассеивает свет в широком телесном угле так, что каждая точка апертуры голограммы получает свет от всех точек транспаранта. Вследствие этого на стадии восстановления через любую часть голограммы можно наблюдать все мнимое изображение объекта. При смещении направления наблюдения изображение видно с другой стороны. Если мы имеем голограмму двумерного транспаранта и хотим наблюдать его изображение, то сможем восстановить его целиком, даже в том случае, когда голограмма оказалась разбитой или поврежденной, так, что сохранился лишь небольшой участок. Конечно, разрешение в изображении тем хуже, чем меньше площадь оставшейся части голограммы. Отметим, что диффузная подсветка объекта, помимо перечисленных выше преимуществ, обладает и рядом существенных недостатков. Среди них зернистая, спекловая структура изображений, восстанавливаемых с помощью таких голограмм. Благодаря ей, восстановленные изображения состоят из отдельных светлых пятен, разделенных абсолютно темными промежутками. Размер пятен находится на пределе разрешающей способности голограммы, а их контраст (видность) - V, определяемый как отношение разности максимальной и минимальной интенсивностей элементов изображения к их сумме, равен 1.

Причина появления спеклов кроется в невозможности регистрации всего поля, рассеянного диффузором. Потеря и не регистрация на голограмме части поля объекта приводит к перераспределению интенсивности восстановленного изображения, имеющего вид пятнистой структуры. Наличие спеклов ограничивает область практического использования голограмм с диффузной подсветкой объекта. Так, например, в фотолитографии спеклы недопустимы, поскольку приводят к разрыву отображаемых структур. До сегодняшнего дня так и не изобретено радикального метода борьбы со спеклами. Единственное, что предлагается делать в этом направлении, это использовать метод накопления, т.е. метод последовательной регистрации множества реализаций одного и того же восстановленного изображения, характеризующихся различными картинами спеклов. Практически реализуют этот метод путем установки вращающегося рассеивателя в восстанавливающий пучок лучей. Наличие вращающегося рассеивателя позволяет усреднить во времени различные реализации картин спеклов и свести их к постоянному по плоскости изображения шуму. Вместе с тем рассеиватель обуславливает изменение структуры восстанавливающего пучка и, тем самым, приводит к снижению разрешения в восстановленном изображении. Более подробно об этом мы будем говорить позже .

Материалы для записи голограмм

В настоящее время запись большинства объемных голограмм осуществляется на фотополимерах. Из них наибольшее распространение и известность получили фотополимеры фирмы Du Pont. Они выпускаются в промышленных масштабах и широко используются для изготовления защитных голографических меток, например голограмм на кредитных картах, банкнотах и т.д. Фотополимеры могут быть очувствлены практически в любом диапазоне видимой области спектра. Их разрешаюшая способность также превышает 3000 мм-1, что позволяет использовать эти среды для регистрации отражательных голограмм по схеме Ю.Н. Денисюка. Их светочувствительность составляет десятки мДж/см2. В качестве основных достоинств фотополимеров можно отметить низкий уровень шума, простоту послеэкспозиционной обработки. Недостатком этих сред является сложность их нанесения на подложку в виде равнотолщинной пленки.

Схема записи голограммы представлена на рисунке 1. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде объединив таким образом идею Габора с цветной фотографией Липпмана. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы которое было у предметной волны чем и обеспечивается восстановление...

55. Голография. Схема записи и восстановления голограмм. Запись голограмм на толстослойных эмульсиях. Применение голограмм

Голография (от греч. holos - весь, полный и grapho – пишу) – способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины, которая образована волной, отраженной предметом, освещаемым источником света S (предметная волна), и когерентной с ней волной идущей непосредственно от источника (опорная волна). Зарегистрированная интерференционная картина называется голограммой . Схема записи голограммы представлена на рисунке 1.

Основы голографии заложены в 1948 г. физиком Д. Габором (Великобритания). Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об амплитудах, но и о фазах электронных волн путем наложения на предметную волну попутной когерентной опорной волны. Однако из-за отсутствия мощных источников когерентного света ему не удалось получить качественных голографических изображений. Второе рождение голография пережила в 1962 – 1963 гг., когда американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в качестве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком, а Ю.Н. Денисюк осуществил запись голограммы в трехмерной среде, объединив, таким образом, идею Габора с цветной фотографией Липпмана. К 1965 – 1966 гг. были созданы теоретические и экспериментальные основы голографии. В последующие годы развитие голографии шло главным образом по пути совершенствования ее применений.

Пусть интерференционная структура, образованная опорной и предметной волнами, зарегистрирована позитивным фотоматериалом. Тогда участки голограммы с максимальным пропусканием света будут соответствовать тем участкам фронта предметной волны, в которых ее фаза совпадает с фазой опорной волны. Эти участки будут тем прозрачнее, чем большей была интенсивность предметной волны. Поэтому при последующем освещении голограммы опорной волной в ее плоскости образуется то же распределение амплитуды и фазы, которое было у предметной волны, чем и обеспечивается восстановление последней.

Для восстановления предметной волны голограмму освещают источником, создающим копию опорной волны. В результате дифракции света на интерференционной структуре голограммы в дифракционном пучке первого порядка восстанавливается копия предметной волны, образующая неискаженное мнимое изображение предмета, расположенное в том месте, где предмет находился при голографировании. Если голограмма двумерная, одновременно восстанавливается сопряженная волна минус первого порядка , образующая искаженное действительное изображение предмета (рисунок 2).

Углы, под которыми распространяются дифракционные пучки нулевых и первых порядков, определяются углами падения на фотопластинку предметной и опорной волн. В схеме Габора источник опорной волны и объект располагались на оси голограммы (осевая схема ). При этом все три волны распространялись за голограммой в одном и том же направлении, создавая взаимные помехи. В схеме Лейта и Упатниекса такие помехи были устранены наклоном опорной волны (внеосевая схема ).

Интерференционная структура может быть зарегистрирована светочувствительным материалом одним из следующих способов:

1. в виде вариаций коэффициентов пропускания света или его отражения . Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют амплитуду освещающей волны и называются амплитудными ;
2. в виде вариаций коэффициента преломления или толщины (рельефа ). Такие голограммы при восстановлении волнового фронта модулируют фазу освещающей волны и поэтому называются фазовыми .

Часто одновременно осуществляется фазовая и амплитудная модуляция. Например, обычная фотопластинка регистрирует интерференционную структуру в виде вариаций почернения, показателя преломления и рельефа. После отбеливания голограммы остается только фазовая модуляция.

Зарегистрированная на фотопластинке интерференционная структура обычно сохраняется долго, то есть процесс записи отделен от процесса восстановления (стационарные голограммы ). Однако существуют фоточувствительные среды (некоторые красители, кристаллы, пары металлов), которые почти мгновенно реагируют фазовыми или амплитудными характеристиками на освещенность. В этом случае голограмма существует во время воздействия на среду предметной и опорной волн, а восстановление волнового фронта производится одновременно с записью, в результате взаимодействия опорной и предметной волн с образованной ими же интерференционной структурой (динамические голограммы ). На принципах динамической голографии могут быть созданы системы постоянной и оперативной памяти, корректоры излучения лазеров, усилители изображений, устройства управления лазерным излучением, обращения волнового фронта.

Если толщина фоточувствительного слоя значительно больше расстояния между соседними поверхностями интерференционных максимумов, то голограмму следует рассматривать как объемную . Если же запись интерференционной структуры происходит на поверхности слоя, или если толщина слоя сравнима с расстоянием d между соседними элементами структуры, то голограммы называют плоскими. Критерий перехода от двухмерных голограмм к трехмерным: .

Объемные голограммы представляют собой трехмерные структуры, в которых поверхности узлов и пучностей зарегистрированы в виде вариаций показателя преломления или коэффициента отражения среды. Поверхности узлов и пучностей направлены по биссектрисе угла, который составляют предметный и опорный пучки. Такие многослойные структуры при освещении опорной волной действуют подобно трехмерным дифракционным решеткам. Свет, зеркально отраженный от слоев, восстанавливает предметную волну.

Пучки, отраженные от разных слоев усиливают друг друга, если они синфазны, то есть разность хода между ними равна (условие Липпмана – Брэгга ). Условие автоматически выполняется только для той длины волны, в свете которой регистрировалась голограмма. Это обусловливает избирательность голограммы по отношению к длине волны источника, в свете которого происходит восстановление волнового фронта. Возникает возможность восстанавливать изображение с использованием источника сплошного спектра (Солнце, лампа накаливания). Если экспонирование проводилось светом, содержащим несколько спектральных линий (красную, синюю, зеленую), то для каждой длины волны образуется своя трехмерная интерференционная структура. Соответствующие длины волн будут выделяться из сплошного спектра при освещении голограммы, что обусловит восстановление не только структуры волны, но и ее спектрального состава, то есть получение цветного изображения. Трехмерные голограммы одновременно образуют только одно изображение (мнимое или действительное) и не дают волны нулевого порядка.

Свойства голограмм .

А) Основное свойство голограмм, отличающее ее от фотографического снимка, состоит в том, что на снимке регистрируется только распределение амплитуды падающей на него предметной волны, в то время как на голограмме, кроме того, регистрируется и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференционного рельефа, а информация о фазе – в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает копию предметной волны.

Б) Свойства голограммы, регистрируемой обычно на негативном фотоматериале, остаются такими же, как и в случае позитивной записи – светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а темным – темные. Это легко понять, принимая во внимание, что информация об амплитуде предметной волны заключена в контрасте интерференционной структуры, распределение которого на голограмме не меняется при замене позитивного процесса негативным. При такой замене только сдвигается на фаза восстановленной предметной волны. Это незаметно при визуальном наблюдении, но иногда проявляется в голографической интерферометрии.

В) Если при записи голограммы свет от каждой точки объекта попадает на всю поверхность голограммы, каждый малый участок последней способен восстановить все изображение объекта. Однако меньший участок голограммы восстановит меньший участок волнового фронта, несущего информацию об объекте. Если этот участок будет очень мал, то качество восстановленного изображения ухудшается.

В случае голограмм сфокусированного изображения каждая точка объекта посылает свет на соответствующий ей малый участок голограммы. Поэтому фрагмент такой голограммы восстанавливает только соответствующий ему участок объекта.

Г) Полный интервал яркостей, передаваемый фотографической пластинкой, как правило, не превышает одного – двух порядков, между тем реальные объекты часто имеют значительно бóльшие перепады яркостей. В голограмме, обладающей фокусирующими свойствами, используется для построения наиболее ярких участков изображения весь свет, падающий на всю ее поверхность, и она способна передать градации яркости до пяти – шести порядков.

Д) Если при восстановлении волнового фронта освещать голограмму опорным источником, расположенным относительно голограммы так же, как и при ее экспонировании, то восстановленное мнимое изображение совпадает по форме и положению с самим предметом. При изменении положения восстанавливающего источника, при изменении его длины волны или ориентации голограммы и ее размера соответствие нарушается. Как правило, такие изменения сопровождаются аберрациями восстановленного изображения.

Е) Минимальное расстояние между двумя соседними точками предмета, которые еще можно видеть раздельно при наблюдении изображения предмета с помощью голограммы, называют разрешающей способностью голограммы . Она растет с увеличением размеров голограммы. Угловое разрешение круглой (диаметра D ) голограммы определяется по формуле: . Угловое разрешение голограммы квадратной формы со стороной квадрата, равной L , определяется по формуле: .

В большинстве схем голографирования предельный размер голограммы ограничивается разрешающей способностью регистрирующего фотоматериала. Это обусловлено тем, что увеличение размеров голограммы сопряжено с ростом угла между предметным и опорным пучками и пространственной частоты. Исключением является схема безлинзовой фурье-голографии, в которой не увеличивается при увеличении размеров голограммы.

Ж) Яркость восстановленного изображения определяется дифракционной эффективностью , которая определяется как отношение светового потока в восстановленной волне к световому потоку, падающему на голограмму при восстановлении. Она определяется типом голограммы, условиями ее записи, а также свойствами регистрирующего материала.

Максимально достижимая дифракционная эффективность голограмм составляет:

Для двумерных пропускающих голограмм

– амплитудных – 6,25 %,

– фазовых – 33,9 5;

Для двумерных отражающих – соответственно 6,25 и 100 %;

Для трехмерных пропускающих голограмм – 3,7 и 100 %;

–для трёхмерных отражающих – 7,2 и 100 %.

Применения голографии . При восстановлении голограмм создается полная иллюзия существования объекта, неотличимого от оригинала. Это свойство голограмм используется в лекционных демонстрациях, при создании объемных копий произведений искусства, голографических портретов. Трехмерные голографические изображения используются при исследовании движущихся частиц, капель дождя или тумана, треков ядерных частиц в пузырьковых и искровых камерах.

С помощью голографических устройств осуществляются различные волновые преобразования, в том числе обращение волнового фронта в целях исключения оптических аберраций. Одно из первых применений голографии было связано с исследованием механических напряжений. Голография применяется для хранения и обработки информации. При этом обеспечивается большая плотность записи и надежность записи.

Объемность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Главная трудность при этом – создание огромных голограмм, которые могло бы наблюдать одновременно большое число зрителей. Кроме того, голограмма должна быть динамической. Для создания голографического телевидения необходимо преодолеть трудность, обусловленную необходимостью расширения на несколько порядков полосы частот, чтобы осуществлять передачу объемных движущихся изображений.

Голограмма может быть изготовлена не только оптическим методом, но и рассчитана на ЭВМ (цифровая голограмма). Машинные голограммы используются для получения объемных изображений не существующих ещё объектов. Машинные голограммы сложных оптических поверхностей используют как эталоны для интерференционного контроля поверхностей изделий.

Известна также акустическая голография, которая может сочетаться с методами визуализации акустических полей.

Дополнительный материал

При встрече опорной и предметной волн в пространстве образуется система стоячих волн. Максимумы амплитуды стоячих волн соответствуют зонам, в которых интерферирующие волны находятся в одной фазе, а минимумы – зонам, в которых интерферирующие волны находятся в противофазе. Для точечного опорного источника О 1 и точечного предмета О 2 поверхности максимумов и минимумов представляют собой систему гиперболоидов вращения. Пространственная частота интерференционной структуры (величина, обратная ее периоду) определяется углом, под которым сходятся в данной точке световые лучи – исходящий из опорного источника и исходящий из предмета: , где – длина волны. Плоскости, касательные к поверхности узлов и пучностей в каждой точке пространства, делят пополам угол. В схеме Габора опорный источник и предмет расположены на оси голограммы, угол близок к нулю и пространственная частота минимальна. Осевые голограммы называют также однолучевыми , так как используется один пучок света, одна часть которого рассеивается предметом и образует предметную волну, а другая часть, прошедшая через объект без искажения, - опорную волну.

В схеме Лейта и Упатниекса когерентный наклонный опорный пучок формируется отдельно (двулучевая голограмма ). Для двулучевых голограмм пространственная частота больше, чем для однолучевых голограмм. Поэтому для регистрации двулучевых голограмм требуются фотоматериалы с более высоким пространственным разрешением.

Если опорный и предметный пучок падают на фоточувствительный слой с разных сторон (~ 180 0 ), то максимальна и близка к 2/ (голограммы во встречных пучках ). Интерференционные максимумы располагаются вдоль поверхности материала в его толще. Эта схема была впервые предложена Денисюком. Так как при освещении такой голограммы опорным пучком восстановленная предметная волна распространяется навстречу освещающему пучку, такие голограммы иногда называют отражательными .

Типы голограмм . Структура голограммы зависит от способа формирования предметной и опорной волн и от способа записи интерференционной картины. В зависимости от взаимного расположения предмета и пластинки, а также от наличия оптических элементов между ними, связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскостях голограммы и предмета различна. Если предмет лежит в плоскости голограммы или сфокусирован на нее, то амплитудно-фазовое распределение на голограмме будет таким же, как и в плоскости предмета (голограмма сфокусированного изображения ; рисунок 3).

Когда предмет находится достаточно далеко от пластинки, либо в фокусе линзы Л, то каждая точка предмета посылает на пластинку параллельный световой пучок. При этом связь между амплитудно-фазовыми распределениями предметной волны в плоскости голограммы и в плоскости предмета дается преобразованием Фурье (комплексная амплитуда предметной волны на пластинке – так называемый фурье-образ предмета). Голограмма в этом случае называется голограммой Фраунгофера (рисунок 4).

Если комплексные амплитуды предметной и опорной волн являются фурье-образами предметной и опорного источника, то голограмму называют голограммой Фурье . При записи голограммы Фурье предмет и опорный источник располагают обычно в фокальной плоскости линзы (рисунок 5).

В случае безлинзовой фурье-голограммы опорный источник располагают в плоскости предмета (рисунок 6). При этом фронт опорной волны и фронты элементарных волн, рассеянных отдельными точками предмета, имеют одинаковую кривизну. В результате структура и свойства голограммы практически такие же, как у фурье-голограммы.

Голограммы Френеля образуются в том случае, когда каждая точка предмета посылает на пластинку сферическую волну. По мере увеличения расстояния между объектом и пластинкой голограммы Френеля переходят в голограммы Фраунгофера, а с уменьшением этого расстояния – в голограммы сфокусированных изображений.

S

Действительное изображение

Мнимое изображение

Рисунок 6 – Схема безлинзовой записи голограммы Фурье

Голограмма

исунок 5 – Схема записи голограммы Фурье

Опорный источник

Опорный пучок

Л

Опорный пучок

Рисунок 4 – Схема записи голограммы Фраунгофера

Рисунок 3 – Схема записи голограммы сфокусированного изображения

Рисунок 1 – Схема записи голограммы

Рисунок 2 – Схема восстановления

голографического изображения предмета

Опорный пучок

Голограмма

Опорный пучок

Л

Голография – метод записи и последующего восстановления пространственной структуры световых волн, основанный на явлениях интерференции и дифракции когерентных пучков света.

Фото-пластика, на которой записана эта информация, называется голограммой .

На голограмме регистрируется не оптическое изображение объекта, а интерференционная картина, возникающая при наложении световой волны, рассеянной объектом (предметной волны), и когерентной с ней опорной (или референтной) волны.

Основные области применения голографии:

Запись и хранение информации в т.ч. и визуальной (оптическая голографическая память);

Оптическая обработка информации и система распознавания объектов;

Голографическая интерферометрия.

Построить схему, рассмотреть процесс записи голограммы.

В этом процессе на фотоматериале (например, фотопленке) записывается и фиксируется сложная интерференционная картина, которая создается наложением (взаимодействием) двух световых волн - базовой (опорной) монохроматической волны и вторичной волны, отраженной или рассеянной объектом. Запись голограммы происходит по схеме, представленной на рис.1.

Монохроматический когерентный лазерный луч расширяется коллиматором и далее делится расщепителем на два луча. Один (опорный) луч отражается от зеркала и направляется непосредственно на фотопленку. Другой (объектный) луч направляется соответствующим зеркалом на объект, отражается от него и воспринимается (регистрируется) фотопленкой. Именно этот (отраженный, рассеянный) луч несет разнообразную изобразительную информацию об объемных (трехмерных) параметрах и характеристиках (размерах, поверхности, контуре, неровностях, прозрачности) объекта. Такой луч по существу создает объемный образ объекта, который человек может видеть и наблюдать непосредственно (естественным зрением).

Световые волны опорного и рассеянного объектного лучей создают на поверхности фотопленки интерференционную картину, состоящую из множества пятен, форма и интенсивность которых зависят от амплитуды и фазы падающих и взаимодействующих световых волн. Фотопленка экспонируется и затем проявляется по стандартным рецептам. Полученная (проявленная) пленка является голограммой, сохраняющей интерференционную картину регистрируемого объекта. Голограмма имеет вид туманного негатива, на котором детали объекта явно не просматриваются.

Построить схему, рассмотреть процесс восстановления (воспроизведения) голограммы.

Восстановление объемного изображения объекта по его голограмме (проявленной фотопленке) осуществляется по схеме, представленной на рис.2.

Голограмма освещается одним опорным лучом, причем сохраняются исходные условия, прежняя относительная ориентация опорного луча и фотопленки. При соблюдении указанных условий лазерного освещения голограммы из-за дифракции света возникают два изображения. Следует учитывать, что ранее, в процессе начального образования голограммы объекта, возникла определенная дифракционная картина с тесно расположенными интерференционными полосами, точный вид которых определяется трехмерной структурой объекта. При повторном освещении этой дифракционной картины по схеме (рис.2) дифрагированный свет будет иметь параметры и характеристики, заданные исходным объектом голографической съемки.

Одно из двух изображений, полученных при воспроизведении голограммы, является мнимым (рис.2), поскольку для его наблюдения требуется линза. Однако для этого достаточна естественная линза человеческого глаза и наблюдатель может видеть мнимое (но неискаженное и трехмерное) изображение объекта, рассматривая его непосредственно через голограмму.

Второе (действительное, реальное) изображение формируется в другом направлении лазерного луча, проходящего через голограмму. Это изображение можно проецировать на экран и наблюдать без промежуточной линзы. Часть воспроизводящего луча проходит через голограмму без дифракции, не изменяя направления. Заметной практической ценности этот недифрагированный луч не представляет.

Рассмотренные схемы записи (рис.1) и воспроизведения (рис.2) голограммы, предложенные Э.Лейтом и Дж.Упатниексом, относятся к разряду оптимальных (технически совершенных). В этих схемах используется внеосевая геометрия, в которой опорный и объектный лучи падают на фотопленку под углом друг к другу. Поэтому при воспроизведении голограммы реальное и мнимое изображения оказываются по разные стороны опорного луча, что существенно облегчает раздельное наблюдение изображений.

От многих аналитиков можно слышать еще не совсем уверенный, но постоянно упоминаемый прогноз о возможной тотальной экспансии энергонезависимой NAND флеш-памяти в области хранения данных, причем как в сфере мобильных устройств, так и в стационарных компьютерах. Успехи Blu ray показывают, что оптические диски напрочь списывать не стоит. А, как выяснилось, вовсе не они являются вершиной технологии в данной сфере. Несколько известных компаний ведут активные разработки в области создания новых, в несколько раз более вместительных и быстро читаемых носителей, которые станут выгодной альтернативой имеющимся на сегодняшний день устройствам хранения данных.

История

Первая голограмма была получена задолго до изобретения лазеров. В 1947 г. венгерским физиком Деннисом Габором (Dennis Gabor) был получен патент на изобретение голографической записи, которая была им разработана случайно: в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа, проводившихся в Британской Томсон-Хьюстоновской компании в английском городе Рэгби (British Thomson-Houston Company, Rugby, England). Его работа была награждена Нобелевской премией в 1971 г.

Он же стал автором слова «голография», которым подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Это достижение стало осуществимым во многом благодаря смежным работам таких физиков, как Мечеслав Вольфке (Mieczysław Wolfke).

Исследования в данной области не были продуктивны до 1960 г., когда были изобретены красный рубиновый (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неоновый (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеры, так как получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно. Ну а после создания лазера голография начала интенсивно развиваться.

Первая 3D-голограмма была записана Юрием Денисюком (Yuri Denisyuk) в Советском Союзе в 1962 г., а позднее в том же году - Эмметом Лейтом (Emmett Leith) и Юрисом Упатниксом (Juris Upatnieks) в Мичиганском университете в США (University of Michigan, USA).

Усовершенствования в области фотохимии, позволившие создавать высококачественные голограммы, разработаны Николасом Джей Филипсом (Nicholas J. Phillips).

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Денисюк (Yuri Denisyuk) получил высококачественные голограммы, которые восстанавливали изображение отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи, получившая название схемы Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

Наиболее многообещающее изобретение в короткой истории рассматриваемой технологии - массовое производство дешевых твердотельных лазеров, широко применяемых в миллионах DVD-рекордеров, оказавшихся полезными и в области голографии. Эти компактные, дешевые лазеры вполне могут сменить дорогие, большие, газовые лазеры, ранее использовавшиеся для создания голограмм. Потому теперь есть возможность для широкого применения данной разработки в научных исследованиях, для хранения различного рода данных.

Принцип голографической записи

Когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, 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 чего на нем возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует ее в волну, близкую к объектной. Таким образом, зрителю с различной степенью точности будет виден тот же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Схемы записи голограмм

Схема записи Ю. Денисюка

В 1962 г. русский физик Юрий Денисюк предложил перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде. В этой схеме луч лазера расширяется линзой и направляется зеркалом на фотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон, так называемая схема на встречных пучках. В этой схеме записывается отражающая голограмма, которая самостоятельно вырезает из сплошного спектра узкие участки и отражает только их, т.е. выполняет роль светофильтра. Благодаря этому изображение голограммы видно в обычном белом свете солнца или лампы. Изначально голограмма вырезает ту длину волны, на которой её записывали (однако в процессе обработки и при хранении голограммы эмульсия может менять свою толщину, при этом меняется и длина волны), что позволяет записать на одну пластинку три голограммы одного объекта красным, зелёным и синим лазерами, получив тем самым 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 применения линз, число необходимых для записи голограмм предметов сводится к одному лишь лазеру и некоторой основе, на которую закрепляется лазер, пластинка и объект. Потому именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Схема записи Лейта-Упатниекса (1962)

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством — делителем — на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду. 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.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. 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 вертикального параллакса (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, однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

Технология записи голографических дисков

Современные методы записи на носители основаны на последовательных принципах, когда в каждый определенный момент времени на их поверхность может быть записан только один бит информации. В случае с голографией все обстоит иначе: здесь процесс основывается на параллельном методе — единственная вспышка лазера формирует пространственную запись миллионов битов информации в пространстве, ограниченном структурой носителя. Процесс записи данных на поверхности и в глубине носителя называется мультиплексированием.

В общих чертах принцип голографической записи выглядит достаточно просто. Световой поток разделяется на два луча: опорный (reference beam) и объектный (signal beam). Последний обеспечивает запись данных, а опорный остается неизменным. Цифровые данные формируют «образ» объектного луча при помощи пространственного светового модулятора Spatial Light Modulator (SLM), преобразующего последовательность нулей и единиц в массив черных и белых точек — создается подобие решетки (interference pattern), в которой просветы соответствуют очередной порции цифровых данных, а сквозь эту решетку просвечивает объектный луч, имеющий на выходе точную копию текущего состояния решетки пространственного светового модулятора. Чем больше разрешающая способность SLM, тем большую порцию данных может запечатлеть объектный луч в текущий момент времени и на сегодняшний день эта цифра составляет миллионы битов.

После преобразования в SLM уже несущий определенный набор данных объектный луч проецируется на физический носитель (storage medium). В точку проекции направляется и опорный луч, пересекаясь в ней с объектным. В этот момент происходит химическая реакция, которая и лежит в основе записи информации на носитель, причем там, где в SLM была непрозрачная точка. Если изменять длину волны опорного луча, угол его наклона или пространственное положение носителя, в один момент времени можно записать множество разных голограмм.

Есть несколько способов выполнения мультиплексирования, например, при помощи варьирования угла наклона опорного луча. К сожалению, неизвестно, какова степень мультиплексирования и как, например, «толщина» одной записанной голограммы соотносится с толщиной носителя, ведь, если предположить, что один молекулярный или атомарный слой соответствует одной голограмме, это могло бы стать настоящей революцией на рынке хранения данных.

Считывание записанных голограмм обеспечивается одним опорным лучом (reference beam), который создает отражение записанной голограммы и проецирует его на чувствительный элемент (detector array). Этот же элемент преобразует попадающую на него решетку данных в последовательность битов, а чтение голограмм на различной глубине носителя обеспечивается тем же путем, который применяется и при записи, — изменением угла наклона опорного луча, положения носителя.

Для осуществления голографической записи потребовалось разработать особый тип носителя, сочетающий большую светочувствительность, прочность, дешевизну и стабильность. Немаловажным требованием были и приемлемые линейные размеры носителя. Всем этим критериям, по мнению разработчиков, соответствуют фотополимерные диски. Диаметр их ненамного превышает диаметр современных дисков и составляет 130 мм. Они помещены в картриджи наподобие первых моделей DVD-носителей, так как попадание света на поверхность фотополимера вызовет химическую реакцию, которая необратимо разрушит записанные данные.

На сегодня имеются лишь устройства одноразовой записи, но InPhase Technologies уверяет, что в 2008 г. появятся и перезаписываемые носители.

Безопасность данных

Компании-разработчики уделили огромное внимание безопасности информации, что закрепило security-качества, которыми обладают голографические диски уже в силу особенностей технологии записи.

1) При голографическом «чтении» невозможно получить прямой доступ к носителю, в отличие от других оптических и жестких дисков: данные находятся в толще носителя, что уже намного затрудняет несанкционированный доступ.

2) Каждый голографический накопитель снабжен особой микросхемой, в которую занесена информация о размещении данных на диске. При чтении привод прежде всего обращается к этой информации, а если она зашифрована, считывание данных без необходимых сведений будет неосуществимо.

3) Нанесение особых меток, считывание и распознавание которых необходимо. Они расположены глубже, с определенными координатами. Чтобы преодолеть данный тип защиты, требуется лазер с иной длиной волны, которым не оснащаются приводы для массового потребителя.

4) В диапазоне от 403 до 407 нм варьирует длина волны используемого для записи в голографических приводах лазера. На этом может основываться еще один эффективный способ защиты данных: дисковод, использующий лазер с неверной длиной волны не сможет прочитать диск.

5) В качестве еще одного метода защиты от несанкционированного доступа может служить привязка диска к микропрограмме каждого определенного привода и использование встроенных средств защиты.

Преимущества перед Blu ray :

1) больший объем: 1,6 Тб против 50 Гб;

2) большая скорость записи/считывания информации: 120 МБ/cек против 26 МБ/сек;

3) длительный срок службы (до 50 лет).

Сегодняшние наработки

Голографическая система записи Tapestry, на разработку которой потрачено более 8 лет, была представлена на выставке NAB Show 2008 в Лас-Вегасе в апреле, а в мае 2008 г. InPhase Technologies объявили о начале ее продаж.

Система состоит из покрытых специальным материалом пластиковых дисков диаметром 120 мм, размещенных в картриджах. Голографические изображения наносятся на поверхность дисков с помощью голубого лазера с длиной волны 405 нм — аналогичным используемому в Blu ray. Как утверждает InPhase Technologies, такие диски могут служить до 50 лет. В данный момент они могут хранить 300 Гб, 800 Гб и 1,6 Тб данных, чего удалось достичь следующим образом. Можно хранить больше голограмм на том же количестве материала, совмещая не только страницы, но и книги данных. Страница данных — это около 1 млн. бит, записанных при одной экспозиции лазера. Каждая страница данных располагается по своему адресу, а на одном и том же месте материала может быть записано несколько сотен таких страниц (до 252), что составляет книгу. Последние достижения позволяют записывать «внахлест» не только страницы, но и книги — до 15 штук.

Скорость записи и считывания данных с носителей системой Tapestry составляет от 20 до 120 МБ/сек (прямопропорционально объему носителя). Её цена на данный момент составляет $18 000. В линейке приводов InPhase представлено три модели:

WORM Gen 1 tapestry 300r 300 Гб, 20MБ/сек;

WORM Gen 2 tapestry 800r 800 Гб, 80MБ/сек;

WORM Gen 3 tapestry 1600r 1,6 Tб, 120MБ/сек.

По принципу работы данная система во многом схожа с системой UDO от Plasmon, которая использует голубо-фиолетовый лазер для записи и считывания данных. Главные недостатки UDO — меньший объём диска (120 и 240 Гб), более низкая скорость записи/считывания данных, которая составляет всего 12 МБ/с. Правда, прогнозируемый срок службы у неё тот же - 50 лет. На рынке эта система пока не представлена.

Схожие наработки имеет компания Maxell. Ее сотрудники наряду с InPhase Technologies планировали, что уже в 2007 г. появятся их новые оптические носители — голографические диски объемом 300 Гб. Этого пока не произошло. В 2008 г. у них в планах создать второе поколение новых носителей емкостью 800 Гб, а к 2010 г. ими будут представлены и 1,6 Тб диски. В настоящее время Maxell работает сразу в нескольких направлениях: разрабатываются диски различных размеров, начиная от совсем маленьких и заканчивая классическими 12 см носителями. Для потребительского рынка появятся диски объемом 75 или 100 Гб. Что касается скорости передачи данных новых дисков, то для 300 Гб носителя скорость составляет 20 МБ/с. Как и следовало ожидать стоимость оптических накопителей и дисков к ним столь же велика как и у пионера InPase: на первых порах за голографический привод придется заплатить $15 000, а за диск $120-180.

Наряду с упомянутым, Hitachi Maxell создали голографический носитель HROM и на выставке CEATEC представили работающий на нем прототип системы воспроизведения аудио. Их носители имеют небольшие на сегодня объем 4 Гб и скорость передачи данных - 16 МБ/с. Однако стоит принять во внимание чрезвычайно компактные размеры носителя - немногим больше обычной почтовой марки. Касательно стоимости устройств разработчики отмечают, что цена во многом будет зависеть от объемов налаживаемого производства, но не должна превышать нескольких долларов за один носитель.

Разработки в сфере голографии оказались продуктивны и для Sony.Существующая у них технология позволяет записывать информацию с плотностью 180 Гбит на квадратный дюйм. А в ноябре 2007 г. им удалось довести плотность голографической записи до 270 Гбит на квадратный дюйм. Таким образом, появилась возможность создавать голографические носители информации в 1,5 раза большей емкости. Но когда новая технология Sony будет поставлена на коммерческие рельсы, пока не сообщается.

В апреле 2006 г. представитель компании Daewoo заявил о создании устройства HDDS — Holographic Digital Data Storage (голографический накопитель). Состоит оно из двух подсистем, которые включают электро-оптическую систему контроля, основанную на комплектующих National Instruments (NI), в числе которых контроллер CompactRIO FPGA и видеодекодирующая плата Xilinx FPGA. Голографический накопитель Daewoo работает по тому же принципу, что и устройство компании InPhase Technologies. В качестве носителя информации им используется голографический диск традиционного CD-размера. Несмотря на относительную давность сообщений, до сих пор ни слова о коммерческом внедрении новой технологии пока нет.

Трудности в создании, пути их решения

1)Главной проблемой, с которой сталкивались разработчики систем - необходимость размещения двух оптических систем по разные стороны от носителя информации (первая отвечает за формирование первоначального луча, а вторая — за прием прошедшего через диск измененного сигнала, т.е. считывание информации), а значит и отсутствовали возможности для создания компактных приводов. Но инженерам удалось обе системы расположить с одной стороны от голографического носителя и вторичный сигнал направить к приемнику благодаря наличию отражающего слоя на обратной стороне самого носителя информации.

2)Половина пространства в голографических носителях недоступна для записи данных, так как она используется программным обеспечением для коррекции ошибок. Новая технология компании Sony позволила уменьшить количество ошибок до коррекции. Теперь этот показатель не превышает 10%. А потому со временем придумают способ более экономного расходования дискового пространства.

3)Подверженность световому воздействию: электромагнитное излучение с длиной волны, близкой к световой, вызывает реакцию в регистрирующей среде, что вызывает искажение и повреждение записанных данных — размещение дисков в непрозрачных картриджах позволило снизить вероятность потери информации.

3аключение

Голографическая технология выглядит весьма впечатляюще с учетом большой емкости, скорости записи/чтения информации, наличия убедительных средств защиты от несанкционированного доступа, а потому могла бы стать желанным приобретением для многих пользователей, но чрезвычайно высокая стоимость подтверждает заявления разработчиков, указывающие на применение голографических дисков преимущественно на корпоративном рынке. Не забывая о том, что некоторые компании планируют создание бюджетных решений, вполне стоит рассчитывать на появление подобных устройств для массового потребителя.