Голографическая запись. Вопросы голография как способ записи и восстановления

Среди большого многообразия схем, применяемых в голографии, мы рассмотрим только некоторые, имеющие характерные особенности. Наиболее подробно исследованы схемы получения голограмм диффузно рассеивающих объектов. Одна из таких схем представлена на рис. 13. Здесь на светочувствительный слой вместе с опорной волной падает отраженное от объекта излучение.

В качестве делителя лазерного луча удобно использовать многослойное диэлектрическое зеркало, коэффициент отражения которого легко менять в широких пределах, изменяя угол падения лазерного луча. Это позволяет устанавливать необходимое соотношение между энергиями опорного и сигнального лучей простым поворотом светоделителя и избежать тех потерь, которые имеют место в случае использования ослабителей.

Поворотное зеркало 1 позволяет легко устанавливать оптимальное направление освещения объекта, а зеркало 2 служит для уравнивания путей, проходимых опорной и сигнальной волнами от светоделителя до голограммы. Мы уже говорили о том, что разность хода между этими волнами должна быть меньше длины когерентности лазерного излучения.

Случай, когда опорная волна имеет плоский фронт, а расстояние до объекта достаточно мало соответствует голографии Френеля. Каждая точка объекта в этом случае отображается на голограмме в виде сигнала с переменной пространственной частотой, которая определяется углом между опорной и сигнальной волнами.

Как уже указывалось, пространственная частота, которая фиксируется на голограмме, ограничивается разрешающей способностью фотослоя. Стремление смягчить требования к разрешению фотослоя реализуется в голографии Фурье, где опорная волна имеет сферический фронт и создается точечным источником, который располагается перед светочувствительным слоем на таком же расстоянии, что и объект (рис. 14). Здесь уже каждая точка объекта отображается на голограмме в виде сигнала с постоянной пространственной частотой, которая тем ниже, чем меньше ее расстояние до источника опорной волны. Иными словами, в этом случае промежуток между интерференционными полосами для каждой точки объекта не меняется в плоскости голограммы. Это легко понять, если перед голограммой расположить линзу, которая преобразует сферические волны в плоские.

Указанная особенность голографии Фурье позволяет получить голограммы с фотоэмульсиями, имеющими сравнительно невысокую разрешающую способность. Особенно удобен этот метод для съемки небольших предметов, так как по мере увеличения расстояния между объектом и источником опорной волны увеличивается пространственная частота, а яркость изображения падает. Восстановленное изображение имеет одну интересную особенность: оба изображения, мнимое и действительное, располагаются в одной плоскости и наблюдаются вместе с опорным лучом, который находится между ними. Эти изображения одинаковы, но перевернуты друг относительно друга на 180°.

Если радиус кривизны сферического фронта опорной волны постепенно увеличивать, то есть приближать к случаю плоской опорной волны, то одно из восстановленных изображений постепенно становится менее четким (вследствие расфокусировки), что соответствует переходу от голографии Фурье к голографии Френеля. На рис. 15 приведена фотография восстановленного изображения для одного из промежуточных случаев, иллюстрирующая переход к голографии Френеля. Здесь видно одно из восстановленных изображений вмести с ярким пятном, создаваемым опорным лучом. Голограмма снималась на фотопленку с помощью импульсного лазера на рубине.

Помимо съемок объектов в отраженном свете, значительный интерес представляет получение голограмм прозрачных и полупрозрачных объектов, в частности для записи информации с транспарантов. Луч лазера разделяется на два луча, как показано на рис. 16, и на пути одного из лучей устанавливается транспарант. Следует отметить, что свет, проходящий сквозь транспарант, распространяется по законам геометрической оптики и формирует на голограмме изображение, близкое к теневому. В этом случае не используется способность любой точки голограммы содержать информацию обо всем объекте съемки, и при наблюдении восстановленного изображения необходимо смотреть строго вдоль луча, освещающего транспарант при съемке голограммы, так как в противном случае яркость изображения резко падает. Чтобы устранить этот недостаток, транспарант освещают сквозь мозговое стекло, при чем расстояние от матового стекла до транспаранта не должно быть слишком большим, так как после матового стекла пучок света становится расходящимся и с увеличением расстояния до транспаранта освещенность последнего падает.

Мы уже отмечали, что глубина объема предметов при съемке голограмм определяется временной когерентностью оптических генераторов. Существующие в настоящее время гелий-неоновые лазеры, наиболее подходящие для получения голограмм, имеют длину когерентности порядка нескольких десятков сантиметров, и поэтому глубина объема предметов не должна превышать эту величину. Однако если мы хотим получить голограмму сразу нескольких объектов, расположенных друг за другом на большой глубине (значительно превышающей длину когерентности), то это оказывается возможным при использовании специальных полупрозрачных. В качестве примера рассмотрим схему для трех объектов, представленную на рис. 17.

Сигнальный луч делится с помощью системы полупрозрачных зеркал, и каждый из полученных лучей используется для освещения своей группы объектов, имеющих глубину объема меньше, чем длина когерентности лазера. Расположение зеркал выбирается таким образом, чтобы каждая группа предметов освещалась лучом света, длина пути которого до фотопластинки равнялась бы длине пути опорного луча. Прозрачность зеркал должна быть выбрана так, чтобы освещенность всех объектов была одинаковой.

Рассмотренная схема позволяет получить голограмму сцены с большой глубиной объема за одну экспозицию. В этом случае энергия сигнального луча лазера освещает все объекты одновременно. Можно сократить время выдержки, если в той же схеме освещать группы предметов поочередно, то есть снимать на одну и ту же фотопластинку последовательно голограммы каждого объекта. Для этого вместо полупрозрачных зеркал надо использовать одно полностью отражающее зеркало, располагая его каждый раз таким образом, чтобы освещалась только одна группа объектов.

В качестве иллюстрации на рис. 18 показаны фотографии мнимых изображений голограммы, полученной указанным выше способом. Эти фотографии соответствуют фокусировке фотоаппарата на различную глубину. На голограмму снимались кубики с буквами, расположенные на глубине порядка метра. Экспозиция при съемке каждого предмета составляла несколько секунд. Съемка голограммы производилась с помощью гелий-неонового лазера мощностью 10 мвт (с одним по-перечным и многими продольными типами колебаний) на фотопластинку "Микрат 900".

Следует отметить, что существует ряд других схем, позволяющих получить голограммы с большой глубиной объема.

В заключение надо сказать несколько слов о самом процессе съемки голограмм. Поскольку время экспозиции при использовании лазеров непрерывного излучения меняется от долей секунды до нескольких минут (в зависимости от мощности лазера, чувствительности пленки и размера объекта), существенную роль играют вибрации различных элементов схемы. Если амплитуда вибраций сравнима с длиной волны, то это приводит к "размазыванию" интерференционной картины и ухудшению качества голограммы. Вот почему съемка голограмм обычно производится на достаточно массивном основании, а элементы схемы закрепляются достаточно жестко. Это не относится к самому лазеру, вибрации которого не оказывают существенного влияния на качество голограмм.

Естественно, что при очень малом времени съемки голограммы, влияние вибраций уменьшается. Оно полностью, исключается в случае импульсной голографии, когда время экспозиции определяется длительностью импульса излучения лазера, которая обычно лежит в пределах 10 -3 -10 -9 сек .

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.

Дата публикации материала: 06/12/2003

«Девочка с фотоаппаратом» - импульсная отражательная голограмма 30х40 см. 1994 год. Автор - Александр Акилов.

Давным-давно, в 1968 году, когда я еще учился в 10 классе, мне посчастливилось побывать в лаборатории голографического кино НИКФИ. Виктор Григорьевич Комар, возглавлявший тогда самое передовое направление в изобразительной голографии, показал мне крупноформатные голограммы, кадры из голографических кинороликов, лазеры и познакомил с коллективом своих талантливых сотрудников. Кроме сногсшибательных впечатлений я привез домой коробочку фотопластин ПЭ-2 для регистрации отражательных голограмм.

Я долго искал, где можно раздобыть хоть какой-нибудь лазер, и, в конце концов, нашел его в политехническом институте. Выпросил прибор на пару дней и, не мешкая, приступил к созданию голограммы по схеме Юрия Денисюка.

Притащил домой бордюрную плиту из бетона и заворотил ее на свою кровать (для гашения вибраций). Из тисочков, струбцин и линз от старого микроскопа соорудил схему записи. А в качестве первого объекта взял серебряную солонку, наполненную доверху солью. Проявитель составил по рецепту, записанному в НИКФИ, благо химикатов для фотографии дома было в достатке. Рассчитал экспозицию. Она составила около 5 минут.

Со второй попытки на фотопластинке будь-то из гиперпространства, появилась копия солонки. Вы не представляете, я чувствовал себя в тот момент Эйнштейном, Капицей, не меньше. В будущем эти юношеские впечатления определили многое в моей жизни.

Сейчас, спустя 35 лет с того знаменательного для меня вечера, я с сожалением отмечаю, что до сих пор любительской голографии днем с огнем не отыщешь. И дело здесь не в цене лазеров или сложности оборудования, отсутствия фотоматериалов в продаже. Просто для того, что бы в домашних условиях заниматься изготовлением голограмм, нужно не только физику хорошо знать, но и быть одержимым идеей писать пространство на плоскости.

Немного физики.

Принцип голографической записи изображений заключается в том, что картина интерференции стоячих световых волн высокой когерентности двух источников может быть записана на фоточувствительной эмульсии. Дифракция световых волн одного из этих источников, на структуре, зафиксированной в проявленной эмульсии, восстанавливает волновой фронт второго источника. Другими словами дифракция и интерференция инвариантны.

Для тех, у кого нелады с физикой, постараюсь объяснить «на пальцах».

Представьте себе бассейн, наполненный водой. В бассейне с помощью широкой доски мы создаем волны. Хорошие волны, с очень равномерным шагом. Волны достигают противоположной стенки бассейна, отражаются и бегут обратно. В результате наложения двух потоков волн мы получим удивительную картину. Гребни будут подниматься и опускаться, но бега их мы не увидим. И самое интересное, между гребнями окажутся точки, которые не будут ни подниматься, ни опускаться относительно уровня воды в спокойном бассейне. Это и есть стоячие волны. А эффект, вызвавший это явление, физики называют ИНТЕРФЕРЕНЦИЕЙ.

Свет – это тоже волна, только электромагнитная. И здесь будет аналогичная картина.

Допустим, что световая волна прошла сквозь прозрачную фотоэмульсию, затем отразилась от некоторой точки объекта и направилась обратно. Должна возникнуть та же картина, что и в бассейне. Там, где расположены неподвижные узлы возникшей стоячей волны, будет всегда темнота, а там, где «эфир» колеблется, будет свет. И самое главное, эта «зебра» остается неподвижной в пространстве.

Картину из света и темноты мы научились фиксировать фотографическими методами. В объеме фотоэмульсии можно записать картину стоячих световых волн. Это и будет голограмма. Но представьте себе, что фотопластинка или объект во время экспозиции немного двигались (на величину полуволны). Картина интерференции будет смазана, а это значит, что голограммы мы просто не получим.

Для экспозиций порядка минуты мы должны обеспечить высокую стабильность схемы. Это первейшее условие получения голограмм с помощью маломощных лазеров.

Второй не менее важный момент. Частота световой волны (как и волны в бассейне) должна оставаться постоянной, иначе мы получим не стоячие, а бегущие волны интерференции. Картинку в этом случае зафиксировать так же не удастся. Вот почему для записи голограмм нужны лазеры – источники излучения стабильной частоты. Физики называют их источниками высоко когерентного излучения.

Каждая точка фотоэмульсии будет фиксировать сложнейшую паутину интерференционной картины. Если осветить проявленную эмульсию светом того же источника, голограмма восстановит причудливую форму светового фронта, который при записи голограммы отражался от реального объекта. Зрительное восприятие восстановленной световой волны неотличимо от наблюдения реального объекта.

Но самое удивительное, что голограммы, записанные по этой схеме можно восстанавливать источником белого света. Дело в том, что пространственные дифракционные структуры избирательны к спектру излучения. Картинка будет восстановлена только теми частотами волн, которые использовались при записи, а остальные лучи поглотятся голограммой.

Не так страшен черт, как его малюют.

Итак, мы выяснили, что для успешной записи отражательной голограммы по схеме Денисюка требуется лазер, например гелий неоновый мощностью от 10 до 25 миливат. Платформа, защищенная от вибраций, линза для расширения лазерного пучка, держатель фотопластины, зеркала с наружным отражающим покрытием (иначе отражение луча от двух отражающих поверхностей зркала вызовет низкочастотную интерференцию, которая будет выглядеть ввиде полос на голограмме). И конечно же нужны фотопластины для записи голограмм.

Обычные фотоматериалы для этого не годятся, т.к. частота интерференционной картины соизмерима с длиной световой волны, поэтому разрешающая способность фотоматериала должна быть не менее 6000 линий на милиметр (фототехническая пленка «микрат» имеет разрешение не более 300 линий на миллиметр, а обычная фотопленка не более 75).

Сегодня Переславское объединение «СЛАВИЧ» выпускает фотопластины для голографии, чувствительные к излучению гелий-неонового лазера (623 нанометра) марки ПФГ-03М. Фотоматериалы поставляются вместе с набором химикатов для их обработки. Для любительской голографии лучше использовать небольшие форматы:
- 102х127 мм
- 127х127 мм
- 130х180 мм

Фотопластинку такого формата легко закрепить. Экспозиции при использовании маломощного лазера составят от 15 до 45 секунд. Чем короче экспозиция, тем меньше вероятность смещения интерференционной картины при записи голограммы, а вероятность успеха выше.

Опыт работы в области голографии доказал, что самое чувствительное к вибрациям звено включает в себя объект и фотопластину. Следовательно, крепление этих элементов друг относительно друга должно быть особенно надежным. Второе по чувствительности к смещениям звено – линза для расширения лазерного пучка, третье значительно менее чувствительное – сам лазер.

Исходя из этого будем строить оптическую схему. Самая простая и надежная схема - вертикальная, когда предмет и фотопластина фиксируются силой собственной тяжести, а их неподвижность во время съемки обеспечиваются хорошей виброизоляцией.

Установка будет состоять из жесткой платформы (1), опирающейся на пневматические опоры (2) для гашения внешних вибраций, регистрируемого предмета (6), держателя фотоплатины (4) в виде трех точек опоры (3), экрана (5) для защиты торца фотопластины от попадания на него лазерного излучения (свет, проникающий в торец фотопластины многократно переотражается и создает неприятные помехи), лазера, зеркала с наружным отражающим покрытием (7) и короткофокусной линзы (8) для формирования когерентного пучка света, освещающего сцену.

Как получить голограмму?

Во-первых, нужен лазер, а он, как мы знаем, стоит не дешево. См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1808.php
Во-вторых, нужны специальные фотопластинки с очень высоким разрешением (от 1500 до 6000 линий на миллиметр).
В-третьих, чувствительность фото пластин для записи голограмм очень низкая (гораздо ниже самой низко чувствительной фотопленки для обычной фотографии).
В-четвертых, запись голограммы – это регистрация интерференционной картины световой волны, где расстояния между соседними деталями изображения меньше длины волны практически в два раза, поэтому колебания элементов оптической схемы записи должны быть на порядок меньше.

Действительно, прежде чем сделать свою первую голограмму, придется пройти сквозь тернии и звезды физического эксперимента. Но можно сократить путь к успеху, для чего советую воспользоваться опытом первопроходцев и при этом не наступать на их грабли. См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1793.php

Глубина сцены, которую можно записать на голограмме определяется так называемой длиной когерентности лазера. Обычно она составляет от сантиметра (для лазерных указок) до четверти метра (для гелий неоновых лазеров).

При записи голограммы с помощью непрерывного лазера малой мощности (а именно такие приборы по цене доступны для простого любителя) особое внимание следует уделять вопросам виброизоляции, ибо в масштабах интерференционной картины даже в спокойной квартире буквально штормит. Если профессионалы могут позволить себе голографические столы на пневматических опорах весом в несколько тонн, то в обычной квартире без особого ущерба для остальных жильцов можно выделить для занятия голографией площадь не более письменного стола.

Рекомендую для создания скелета малогабаритной голографической установки использовать трубы из алюминия, заполненные вязким гудроном. Практически все детали установки следует проектировать в виде тел вращения, т.к. токарная обработка много дешевле фрезерной, а тем более - шлифовальной.

Подобная конструкция позволяет из одинаковых элементов, как из конструктора, собирать самые разнообразные конфигурации достаточной жесткости. Кстати, многие считают жесткость главным критерием работоспособности установки, но это не так. Даже чугунный стол будет вибрировать в резонанс слабым звуковым колебаниям благодаря высокой упругости материала. Другое дело, когда колебания будут быстро затухать. Благодаря вязкому наполнителю, резонансов не будет, а, следовательно, продолжительных колебаний так же не возникнет.

Рама из труб жестко крепится к нижней платформе на шести мячах – виброизолирующих опорах. Конструкция основания установки выполнена в виде металлического полого короба, который в последствии заполняется сухим песком или гудроном. Верхняя часть каркаса стягивается металлической рамой, на которой размещаются лазер и часть оптических элементов. Расположение лазера сверху так же обоснованно. В этом случае исключены конвективные потоки от излучающих тепло элементов. Несложный полиэтиленовый чехол для устранения турбулентных потоков воздуха здесь будет не лишним. Крепить отдельные детали оптической схемы лучше клеем типа «холодная сварка».

Запись голограммы во встречных пучках более всего подходит для новичков. Фотопластинка крепится перед объектом и освещается расходящимся лучом лазера. Проще не придумаешь. Но обеспечить стабильность всех элементов простой, на первый взгляд, схемы не так-то просто.

Как объекты, так и фотопластинка при записи голограмм малого формата прекрасно фиксируются на трех точках опоры под собственной тяжестью (следует только помнить, что вектор силы тяжести должен проходить примерно через центр этого треугольника, иначе самая малая вибрация приведет к колебаниям этих элементов).

Для трубчатого каркаса держатель голографической фотопластинки будет выглядеть примерно так.

Важно не допускать попадания лазерного пучка в торец стекла фотопластинки, так как это приведет к переотражениям и испортит голограмму. Для этого фотопластинку следует утопить ниже поверхности металлического держателя на 1-2 миллиметра.

Конструкция установки для регистрации голограмм "во встречных пучках". См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1796.php

Пинхол и держатели оптики с микро юстировкой советую проектировать из элементов, имеющих форму тел вращения (с целью экономии затрат, разумеется). См. ссылку:
http://foto-service.ru/advices/1798.php

Запись радужных голограмм - хорошее начало для будущих художников, желающих работать в технике голографии.

Тот, кто хоть раз в жизни самостоятельно записал голограмму, не забудет, как во время сушки из чернеющей плоскости мокрой фотопластинки рождается сверкающая бликами объемная сцена. Но фиксировать грудку монет, фотоаппарат, статуэтку, часы или свой мобильный телефон скоро надоест, и захочется сотворить что-то потрясающее воображение.

Схема Денисюка достаточна для записи множества интересных эффектов, например, различного рода интерферограмм, последовательной регистрации нескольких предметов с целью получения эффекта фантастического пересечения материальных объемов, создание локальной усадки эмульсии для псевдоокрашивания неглубоких сцен с черным фоном и ряд других эффектов. Но поистине фантастические возможности для создания выразительных художественных приемов, вплоть до создания цветных композиций, дает техника радужной голограммы.

Схема записи мастер-голограммы

1 - лазер, 2 - цилиндрическая линза (стеклянная палочка), 3 и 5 - зеркала, 4 - светоделитель в виде дифракционной решетки, который можно синтезировать голографическим способом (при этом требуется максимально снизить шумы), 6 - диффузор в виде матового стекла, 7 - фотопластинка, 8 - регистрируемая сцена.

Сперва перечислю преимущества, которые дает приведенная схема записи исходной голограммы в виде узкой горизонтальной полосы:
- низкая частота интерференционной картинки позволяет использовать более высокочувствительные фотоматериалы и на порядки сократить время экспозиции;
- получать рассеянное освещение для более эффектной регистрации зеркальных и сильно бликующих поверхностей;
- записывать псевдоцветные композиции;
- значительно снизить контраст интерференционных полос при записи лазерными диодами (этому способствует протяженность освещающей поверхности диффузора);
- приведенная схема имеет меньшее количество элементов по сравнению с классической схемой записи по Бентону.

Схема записи радужной копии.

1 - лазер, 2 - цилиндрическая линза, 3 и 5 зеркала, 4 - дифракционная решетка, 6 - сферическая линза, 7 - мастер-голограмма, 8 - большая цилиндрическая линза с фокусом в плоскости мастер - голограммы, 9 - фотопластинка для записи радужной копии.

Создание радужной голограммы происходит в две ступени:
- запись мастер - голограммы;
- регистрация радужной копии (мастер при этом следует развернуть так, что бы получить действительное изображение в плоскости цилиндрической линзы)

Качественную радужную голограмму на толстой эмульсии (так называемую 3D голограмму) можно записать только с использованием большой цилиндрической линзы, которая позволяет восстанавливать действительное изображение апертуры одного цвета без неприятного изменения яркости изображения по всей апертуре (имеется в виду эффект Брегга в толстой эмульсии). Большую цилиндрическую линзу найти не просто, а заказать - дорого. Лучше ее сделать самому в виде жидкостной линзы, вроде той, что использовалась в первых телевизорах. Для этого можно изогнуть лист органического стекла, обрезать его так, что бы можно было вставить в прямоугольный черный каркас и загерметизировать. Переднюю плоскую поверхность линзы можно сделать из отмытой от эмульсии голографической пластины. Заливать в полученную из прозрачных стенок оптическую емкость лучше дистиллированную воду. Крепить фотопластинку для регистрации радужной копии можно прямо к плоскому стеклу, смоченному прозрачной жидкостью. Капиллярный эффект сможет фиксировать фотоматериал лучше любой пружины.

Приведенная схема допускает использование самых простых оптических элементов, так как после отбеливания дифракционный шум от пылинок практически не виден, а яркость изображения будет отменной.

Запись одной радужной копии с двух и более мастер - полосок, смещенных по вертикали (рассматриваем их положение в координатах схемы), создает эффект разноцветных элементов синтезированной сцены.

Восстанавливать такие радужные голограммы можно обычной лампой накаливания как отражательные, прижав сзади обычное зеркало.

Предлагаемая схема записи радужных голограмм прекрасно работает с твердотельным зеленым лазером с диодной накачкой (20 мВт при длине когерентности около 10 метров). Использование отечественных фотопластинок ВРП или ФПР (чувствительность 0,5 Дж/м2) более чем достаточно для профессиональной работы художника-голографиста. Стоимость такого лазера будет порядка 1200$, но эти затраты окупаются высоким качеством изобразительных голограмм.
http://www.laser-compact.ru/products/LCMS111.shtml

И если у Вас есть одновременно и дар художника, и увлеченность естественными науками - ничто не помешает Вам творить настоящие шедевры.

Голография - набор технологий для точной записи, воспроизведения и переформирования волновых полей оптического электромагнитного излучения, особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные.

Данный метод был предложен в 1947 году Дэннисом Габором, он же ввёл термин голограмма и получил "за изобретение и развитие голографического принципа" Нобелевскую премию по физике в 1971 году.

История голографии

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

Особенности схемы:

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

В 1962 году была создана классическая схема записи голограмм Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (голограммы Лейта-Упатниекса), в которой записываются пропускающие голограммы (при восстановлении голограммы свет пропускают через фотопластинку, хотя на практике некоторая часть света от неё отражается и также создаёт изображение, видимое с противоположной стороны).

Схема 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.

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

Особенности схемы:

• наблюдение изображения в белом свете;
• нечувствительность к вибрациям элемента "объект-РС";
• высокая разрешающая способность регистрирующей среды.

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 (то есть 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.

В 1986 году Абрахам Секе выдвинул идею создания источника когерентного излучения в приповерхностной области материала путем облучения его рентгеновским излучением. Поскольку пространственное разрешение в голографии зависит от размеров источника когерентного излучения и его удаленности от объекта, то оказалось возможным восстановить окружающие эмиттер атомы в реальном пространстве.

В отличие от оптической голографии, во всех предложенных на сегодняшний день схемах электронной голографии восстановление изображения объекта осуществляется с помощью численных методов на компьютере.

В 1988 году Бартон предложил такой метод для восстановления трехмерного изображения, основанный на использовании фурье-подобных интегралов, и продемонстрировал его эффективность на примере теоретически рассчитанной голограммы для кластера известной структуры. Первое восстановление трехмерного изображения атомов в реальном пространстве по экспериментальным данным проведено для поверхности Cu(001) Харпом в 1990 году.

Физические принципы

Основной закон голографии

Если светочувствительный материал, на котором зарегистрирована картина интерференции нескольких световых волн, поместить в положение, в котором он находился в процессе записи, и осветить снова некоторыми из этих волн, то произойдет восстановление остальных. Эта особенность объясняется тем, что на голограмме записываются не только интенсивность, как на обычной фотопластинке, но и фаза исходящего от объекта света. Именно информация о фазе волны необходима для формирования при восстановлении трехмерного пространства, а не двухмерного, даваемого обычной фотографией. Таким образом, голография основана на восстановлении волнового фронта.

Голографический процесс состоит из двух этапов - записи и восстановления.

• Волна от объекта интерферирует с "опорной" волной, и образующаяся при этом картина записывается.
• Второй этап - формирование нового волнового фронта и получение изображения исходного объекта.

Запись информации о фазе волны, идущей от объекта, может быть осуществлена только источником света со стабильными фазовыми характеристиками. Идеальным для этой цели являетсялазер - когерентный источник света высокой интенсивности и высокой монохроматичности.

Принцип суперпозиции

Повседневный опыт показывает, что освещенность, создаваемая двумя или несколькими обычными некогерентными источниками света, является простой суммой освещенностей, создаваемой каждым из них в отдельности. Это явление называют принципом суперпозиции .

Еще Гюйгенс в своем "Трактате" писал: "Одно из чудеснейших свойств света состоит в том, что, когда он приходит из разных сторон, лучи его производят действие, проходя один сквозь другой без всяких помех". Причина этого в том, что каждый источник, состоящий из множества атомов и молекул, излучает одновременно огромное количество волн, не связанных по фазе. Разность фаз меняется быстро и беспорядочно, и, несмотря на то, что между некоторыми волнами возникает интерференция, интерференционные картины сменяются с такой частотой, что глаз не успевает заметить изменения освещенности. Поэтому интенсивность результирующего колебания воспринимается как сумма составляющих исходных колебаний, а излучение источника представляет собой "белый" свет , т. е. не монохроматический, а состоящий из различных длин волн. По той же причине этот свет является неполяризованным, а естественным, т. е. не имеет преимущественной плоскости колебания.

Когерентные колебания

В особых условиях принцип суперпозиции не соблюдается. Это наблюдается, когда разность фаз световых волн остается постоянной в течение достаточно длительного для наблюдения времени. Волны как бы "звучат в такт". Такие колебания называются когерентными.

Основным признаком когерентности является возможность интерференции. Это значит, что при встрече двух волн они взаимодействуют, образуя суммарно новую волну. В результате этого взаимодействия результирующая интенсивность будет отличаться от суммы интенсивностей отдельных колебаний - в зависимости от разности фаз образуется или более темное, или более светлое поле, или вместо равномерного поля чередующиеся полосы разной интенсивности интерференционные полосы.

Монохроматические волны всегда когерентны, однако светофильтры, часто называемые монохроматическими, в действительности никогда не дают строго монохроматического излучения, а только сужают спектральный диапазон и, конечно, не превращают обычного излучения в когерентное.

Получение когерентного излучения

Ранее был известен только один способ получения когерентного излучения - с помощью специального прибора - интерферометра . Излучение обычного источника света разделялось на два пучка, когерентных между собой. Эти пучки могли интерферировать. Теперь известен другой способ, использующий индуцированное излучение. На этом принципе основаны лазеры.

Дифракция в голографии

Основным физическим явлением, на котором основана голография, является дифракция - отклонение от своего первоначального направления света, проходящего вблизи краев непрозрачных тел или сквозь узкие щели. Если на экране нанесена не одна, а несколько щелей, то возникает интерференционная картина, состоящая из серии чередующихся светлых и темных полос, более ярких и узких, чем при одной щели. В середине расположена самая яркая полоса "нулевого порядка", по обе стороны от нее - полосы постепенно убывающей интенсивности первого, второго и прочих порядков. С увеличением числа щелей на экране полосы становятся все уже и ярче. Экран с большим количеством тонких параллельных щелей, количество которых часто доводят до 10 000, называется дифракционной решеткой.

Решетка, представляющая собой голограмму, характеризуется прежде всего тем, что дифракция происходит не на щели, а на кружке. Дифракционная фигура от круглого непрозрачного объекта представляет собой яркий центральный кружок, окруженный постепенно ослабевающими кольцами. Если вместо непрозрачного диска на пути волны поместить диск с окружающими его кольцами, то кружок на изображении станет ярче, а полосы бледнее. Если прозрачность от темного к светлому участку меняется не скачками, а постепенно, по синусоидальному закону, то такая решетка образует полосы только нулевого и первого порядков, а помехи в виде полос высших порядков не появляются. Это свойство очень важно при записи голограммы. Если переход от темного кольца к светлому будет осуществляться строго по синусоидальному закону, то кольца на изображении пропадут и изображение будет представлять собой маленький яркий кружок, почти точку. Таким образом, круглая синусоидальная решетка будет формировать из параллельного пучка лучей (плоской волны) такое же изображение, как собирательная линза.

Такая решетка, называемая зонной решеткой (пластинкой Сорэ, пластинкой Френеля), используется иногда вместо линзы. Например, она применяется в очках, заменяя тяжелые очковые линзы высоких рефракций. Получение зонных решеток возможно различными путями, как механическими, так и оптическими, интерференционными. Использование этих решеток, полученных интерференционным путем, и положено в основу голографии.

Запись голограммы

Чтобы записать голограмму сложного несамосветящегося объекта, его освещают излучением лазера. На ту же пластинку, на которую падает рассеянный отраженный объектом свет, направляют когерентную опорную волну. Эта волна отделяется от излучения лазера с помощью зеркал.

Свет, отраженный каждой точкой объекта, интерферирует с опорной волной и образует голограмму этой точки. Так как любой объект представляет собой совокупность рассеивающих свет точек, то на фотопластинку накладывается множество элементарных голограмм - точек, которые в совокупности дадут сложную интерференционную картину объекта.

Проявленную голограмму помещают в то место, где она находилась при записи, и включают лазер. Так же как при восстановлении голограммы точки, при освещении голограммы пучком света лазера, участвовавшего в записи, происходит восстановление световых волн, исходивших от объекта при записи. Там, где при записи находился объект, видно мнимое изображение. Сопряженное с ним действительное изображение формируется по другую сторону от голограммы, со стороны наблюдателя. Оно обычно незаметно, но в отличие от мнимого может быть получено на экране.

Ю. Н. Денисюк (1962) разработал метод, в котором для регистрации голограммы вместо тонкослойной эмульсии используются трехмерные среды. В такой толстой голограмме возникают стоячие волны, что существенно расширило возможности метода. Трехмерная дифракционная решетка, кроме описанных ранее свойств голограммы, обладает рядом важных особенностей. Наиболее интересна возможность восстановления изображения с помощью обычного источника сплошного спектра - лампы накаливания, солнца и других излучателей. Кроме того, в трехмерной голограмме отсутствуют волны нулевого порядка и действительное изображение, а следовательно, снижаются помехи.

Рисунок 7. Схема Денисюка

В этой схеме луч лазера расширяется линзойи направляетсязеркаломнафотопластинку. 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 свете солнцаили 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.

1. Пропускающая голограмма и.Лейта и ю.Упатниекса

В 1962 г. И. Лейти Ю. Упатниексполучили первыепропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера. Схема, предложенная ими, используется в изобразительной голографии повсеместно.

Пучок когерентного излучения лазера направляется на полупрозрачное зеркало, с помощью которого получают два пучка – предметный иопорный . Опорный пучок направляют непосредственно на фотопластинку. Предметный пучок освещает объект, голограмму которого регистрируют. Отраженный от объекта световой пучок - объектный попадает на фотопластинку. В плоскости пластинки два пучка - объектный и опорный образуют сложную интерференционную картину, которая вследствие когерентности двух пучков света остается неизменной во времени и представляет собой изображение стоячей волны.

Рисунок 8. Запись пропускающей голограммы

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.

Интересно, что изображение, восстановленное с голограммы можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только его положение относительно фотопластины (например, можно вынести объект перед голограммой), но и сам тип голограммы.

Схема Лейта и Упатниекса своим названием подчеркивает исторический приоритет авторов в применении внеосевого расположения интерферирующих пучков. В настоящее время при регистрации голограмм используют внеосевые схемы с самым различным расположением интерферирующих пучков.

1. Радужная голограмма Бентона

Метод Бентона включает два последовательных этапа записи 2- х голограмм по схеме Лейта и Упатниекса. Сначала записывается обычная голограмма, например, по схеме, приведенной на рис.9.

Рисунок 9. Схема голограммы Лейта и Упатниекса

При этом объект располагают от голограммы на расстоянии наилучшего зрения 25 – 30 см. Затем с этой первичной голограммы восстанавливают действительное псевдоскопическое объемное голографическое изображение. Для этого используют восстанавливающий пучок лазерного света, сопряженный опорному пучку (рис.10,а). При этом голограмму прикрывают вертикальной узкой и длинной щелью так, что восстановление действительного изображения происходит только с узкой вертикальной полоски на голограмме. В область действительного изображения помещают фоточувствительный слой и для записи второй голограммы направляют опорный пучок, когерентный световому пучку, восстанавливающему действительное изображение с первой голограммы. Таким образом записывается основная радужная голограмма.

Если теперь полученную голограмму осветить пучком белого света, сопряженным опорному, то одновременно с ортоскопическим изображением объекта будет восстанавливаться и изображение полоски- щели, прикрывавшей первичную голограмму. Изображение щели в разных цветах в силу зависимости угла дифракции от длины волны λ будут занимать разное пространственное положение и поэтому в этой области наблюдается цветная полоса с чередованием всех цветов радуги. (рис. 10,б).

Рисунок 10. Оптические схемы записи радужной голограммы (а) и восстановление с нее в белом свете разноцветных изображение (б)

Зрачок глаза наблюдателя, помещенный в эту область, выделит из всего спектра одну цветовую составляющую, в свете которой и будет наблюдатель воспринимать восстановленное голографическое изображение. Каждое изображение щели выполняет роль окна наблюдения восстановленного голографического изображения в соответствующем цвете. Перемещение глаз наблюдателя по радужной полосе, или наклон голограммы будет сопровождаться изменением цвета воспринимаемого изображения. При смещении головы наблюдателя в пределах одной цветовой полоски, как и для обычной голограммы, наблюдается параллакс восстановленного объемного голографического изображения.

На радужной голограмме можно получить и цветное изображение, если на этапе записи использовать лазеры с красным, синим и зеленым светом. При восстановлении с таких голограмм изображений в белом свете первоначальное распределение цвета по изображению наблюдается только при одном направлении взгляда на голограмму. В других вертикальных положениях головы наблюдателя непрерывно изменяются все цвета восстановленного изображения. При этом возникают весьма необычные цветовые соотношения и цветовая гамма восстановленного изображения оказывается более разнообразной, чем объекта- оригинала.

Радужные голограммы тиражируются механическим путем посредством перенесения рельефа на специальный носитель. Но разработка дизайна, а также сам процесс тиснения и финишной отделки, требующие специальных знаний и навыков, высоких технологий, дорогостоящего оборудования, современных материалов для тиражирования, не позволяют производить высококачественные радужные голограммы в кустарных условиях.