Схема запису голограми. Голографія

Схема запису голограми представлена ​​малюнку 1. Денисюк здійснив запис голограми у тривимірній середовищі об'єднавши в такий спосіб ідею Габора з кольорової фотографією Липпмана. Тоді ділянки голограми з максимальним пропусканням світла відповідатимуть тим ділянкам фронту предметної хвилі, у яких її фаза збігається з фазою опорної хвилі. Тому при подальшому освітленні голограми опорною хвилею в її площині утворюється той же розподіл амплітуди і фази який був у предметної хвилі чим забезпечується відновлення...

55. Голографія. Схема запису та відновлення голограм. Запис голограм на товстошарових емульсіях. Застосування голограм

Голографія (від грец. holos - весь, повний і grapho пишу) спосіб запису та відновлення хвильового поля, заснований на реєстрації інтерференційної картини, яка утворена хвилею, відображеною предметом, що висвітлюється джерелом світла S (Предметна хвиля), і когерентною з нею хвилею, що йде безпосередньо від джерела (опорна хвиля). Зареєстрована інтерференційна картина називаєтьсяголограмою . Схема запису голограми представлена ​​малюнку 1.

Основи голографії закладено 1948 р. фізиком Д. Габором (Великобританія). Бажаючи вдосконалити електронний мікроскоп, Габор запропонував реєструвати інформацію не лише про амплітуди, а й про фази. електронних хвильшляхом накладання на предметну хвилю попутної когерентної опорної хвилі. Однак через відсутність потужних джерелкогерентного світла йому вдалося отримати якісних голографічних зображень. Друге народження голографія пережила в 1962, 1963 рр., коли американські фізикиЕ. Лейт і Ю. Упатніекс застосували як джерело світла лазер і розробили схему з похилим опорним пучком, а Ю.М. Денисюк здійснив запис голограми у тривимірному середовищі, об'єднавши таким чином ідею Габора з кольоровою фотографією Ліппмана. До 1965 ? 1966 р.р. були створені теоретичні та експериментальні основи голографії. У наступні роки розвиток голографії йшло головним чином шляхом удосконалення її застосувань.

Нехай інтерференційна структура, утворена опорною та предметною хвилями, зареєстрована позитивним фотоматеріалом. Тоді ділянки голограми з максимальним пропусканням світла відповідатимуть тим ділянкам фронту предметної хвилі, в яких фаза її збігається з фазою опорної хвилі. Ці ділянки будуть тим прозорішими, чим більшою була інтенсивність предметної хвилі. Тому при подальшому освітленні голограми опорною хвилею в її площині утворюється той же розподіл амплітуди і фази, який був у предметної хвилі, чим забезпечується відновлення останньої.

Для відновлення предметної хвилі голограму висвітлюють джерелом, що створює копіюопорний хвилі. Внаслідок дифракції світла на інтерференційній структурі голограми в дифракційному пучкупершого порядку відновлюється копія предметної хвилі, що утворюєнеспотворене уявне зображенняпредмета, що у тому місці, де предмет перебував під час голографування. Якщо голограма двовимірна, одночасно відновлюється сполучена хвилямінус першого порядку, що утворює спотворене дійсне зображенняпредмета (рисунок 2).

Кути, під якими поширюються дифракційні пучки нульових та перших порядків, визначаються кутами падіння на фотопластинку предметної та опорної хвиль. У схемі Габора джерело опорної хвилі та об'єкт розташовувалися на осі голограми (осьова схема ). При цьому всі три хвилі поширювалися за голограмою в тому самому напрямку, створюючи взаємні перешкоди. У схемі Лейта та Упатнієкса такі перешкоди були усунені нахилом опорної хвилі (позаосьова схема).

Інтерференційна структураможе бути зареєстрована світлочутливим матеріалом одним з наступних способів:

1. у вигляді варіацій коефіцієнтів пропускання світла або його відображення. Такі голограми при відновленні хвильового фронту модулюють амплітуду освітлювальної хвилі та називаютьсяамплітудними;
2. у вигляді варіацій коефіцієнта заломлення або товщини (рельєфу). Такі голограми при відновленні хвильового фронту модулюють фазу освітлювальної хвилі і тому називаютьсяфазовими.

Часто одночасно здійснюється фазова та амплітудна модуляція. Наприклад, звичайна фотопластинка реєструє інтерференційну структуру у вигляді варіацій почорніння, показника заломлення та рельєфу. Після відбілювання голограми залишається лише фазова модуляція.

Зареєстрована на фотопластинці інтерференційна структуразазвичай зберігається довго, тобтопроцес запису відокремлений від процесу відновлення (стаціонарні голограми). Однак є фоточутливі середовища (деякі барвники, кристали, пари металів), які майже миттєво реагують фазовими або амплітудними характеристиками на освітленість. У цьому випадку голограма існує під час впливу на середовище предметної та опорної хвиль, а відновлення хвильового фронту проводиться одночасно із записом, в результаті взаємодії опорної та предметної хвиль з утвореною ними ж інтерференційною структурою (динамічні голограми). На принципах динамічної голографіїможуть бути створені системи постійної та оперативної пам'яті, коректори випромінювання лазерів, підсилювачі зображень, пристрої керування лазерним випромінюванням, звернення хвильового фронту

Якщо товщина фоточутливого шару значно більше відстаніміж сусідніми поверхнями інтерференційних максимумів, то голограму слід розглядати якоб'ємну . Якщо ж запис інтерференційної структури відбувається на поверхні шару, або якщо товщина шару можна порівняти з відстанню d між сусідніми елементами структури, то голограми називаютьплоскі. Критерій переходу від двовимірних голограм до тривимірних: .

Об'ємні голограмиявляють собою тривимірні структури, у яких поверхні вузлів і пучностей зареєстровані як варіацій показника заломлення чи коефіцієнта відбиття середовища. Поверхні вузлів і пучностей спрямовані по бісектрисі кута, який складають предметний та опорний пучки. Такі багатошарові структури при освітленні опорною хвилею діють подібно до тривимірних дифракційних ґрат. Світло, дзеркально відбите від шарів, відновлює предметну хвилю.

Пучки, відбиті від різних шарівпосилюють один одного, якщо вони синфазні, тобто різниця ходу між ними дорівнює (умова Ліппмана Брегга). Умова автоматично виконується лише для тієї довжини хвилі, у світлі якої реєструвалася голограма. Це зумовлює вибірковість голограми стосовно довжини хвилі джерела, у світлі якого відбувається відновлення хвильового фронту. Виникає можливість відновлювати зображення з використанням джерела суцільного спектра (Сонце, лампа розжарювання). Якщо експонування проводилося світлом, що містить кілька спектральних ліній (червону, синю, зелену), для кожної довжини хвилі утворюється своя тривимірна інтерференційна структура. Відповідні довжини хвиль виділятимуться з суцільного спектра при освітленні голограми, що зумовить відновлення як структури хвилі, а й її спектрального складу, тобто отримання кольорового зображення. Тривимірні голограми одночасно утворюють лише одне зображення (уявне чи дійсне) і не дають хвилі нульового порядку.

Властивості голограм.

а) Основна властивість голограм, що відрізняється від фотографічного знімка, полягає в тому, що на знімку реєструється тільки розподіл амплітуди падаючої на нього предметної хвилі, в той час як на голограмі, крім того, реєструється і розподіл фази предметної хвилі щодо фази опорної хвилі. Інформація про амплітуду предметної хвилі записана на голограмі у вигляді розмаїття інтерференційного рельєфу, а інформація про фазу у вигляді форми та частоти інтерференційних смуг. В результаті голограма при освітленні її опорною хвилею відновлює копію предметної хвилі.

Б) Властивості голограми, що реєструється зазвичай на негативному фотоматеріалі, залишаються такими ж, як і у разі позитивного запису світлим місцям об'єкта відповідають світлі місця відновленого зображення, а темним темні. Це легко зрозуміти, зважаючи на те, що інформація про амплітуду предметної хвилі укладена в контрасті інтерференційної структури, розподіл якої на голограмі не змінюється при заміні позитивного процесунегативним. За такої заміни тільки зсувається на фаза відновленої предметної хвилі. Це непомітно при візуальному спостереженні, але іноді проявляється у голографічній інтерферометрії.

в) Якщо при записі голограми світло від кожної точки об'єкта потрапляє на всю поверхню голограми, кожна мала ділянка останньої здатна відновити все зображення об'єкта. Однак менша ділянка голограми відновить меншу ділянку хвильового фронту, несе інформаціюпро об'єкт. Якщо ця ділянка буде дуже малою, то якість відновленого зображення погіршується.

У разі голограм сфокусованого зображення кожна точка об'єкта посилає світло на відповідну малу ділянку голограми. Тому фрагмент такої голограми відновлює лише відповідну ділянку об'єкта.

г) Повний інтервал яскравостей, що передається фотографічною платівкою, як правило, не перевищує одного двох порядків, тим часом реальні об'єкти часто мають значно більші перепади яскравостей. У голограмі, що володіє фокусуючими властивостями, використовується для побудови найбільш яскравих ділянок зображення весь світ, що падає на всю її поверхню, і вона здатна передати градації яскравості до п'яти шести порядків.

Д) Якщо при відновленні хвильового фронту висвітлювати голограму опорним джерелом, розташованим щодо голограми так само, як і при її експонуванні, то відновлене уявне зображення збігається за формою та положенням із самим предметом. При зміні положення джерела, що відновлює, при зміні його довжини хвилі або орієнтації голограми та її розміру відповідність порушується. Як правило, такі зміни супроводжуються абераціями відновленого зображення.

Е) Мінімальна відстань між двома сусідніми точками предмета, які ще можна бачити окремо при спостереженні зображення предмета за допомогою голограми, називаютьроздільна здатність голограми. Вона зростає із збільшенням розмірів голограми. Кутова роздільна здатність круглої (діаметра) D ) голограми визначається за такою формулою: . Кутова роздільна здатність голограми квадратної формизі стороною квадрата, що дорівнює L , визначається за такою формулою: .

У більшості схем голографування граничний розмір голограми обмежується роздільною здатністю реєструючого фотоматеріалу. Це зумовлено тим, що збільшення розмірів голограми пов'язане зі зростанням кута між предметним та опорним пучками та просторовою частотою. Винятком є ​​схема безлінзової фур'є-голографії, в якій не збільшується зі збільшенням розмірів голограми.

Ж) Яскравість відновленого зображення визначаєтьсядифракційною ефективністюяка визначається як відношення світлового потоку у відновленій хвилі до світловому потоку, що падає на голограму при відновленні. Вона визначається типом голограми, умовами її запису, і навіть властивостями реєструючого матеріалу.

Максимально досяжна дифракційна ефективність голограм становить:

Для двовимірних пропускаючихголограм

амплітудних 6,25%,

фазових 33,9 5;

Для двовимірних відбиваючихвідповідно 6,25 і 100%;

Для тривимірних пропускаючихголограм 3,7 і 100%;

Для тривимірних відбивають 7,2 і 100%.

Застосування голографії. При відновленні голограм створюється повна ілюзія існування об'єкта, що не відрізняється від оригіналу. Ця властивість голограм використовують у лекційних демонстраціях, під час створення об'ємних копій творів мистецтва, голографічних портретів. Тривимірні голографічні зображення використовуються при дослідженні частинок, що рухаються, крапель дощу або туману, треків ядерних частинок у бульбашкових і іскрових камерах.

З допомогою голографічних пристроїв здійснюються різні хвильові перетворення, зокрема звернення хвильового фронту з метою виключення оптичних аберацій. Одне з перших застосувань голографії було з дослідженням механічних напруг. Голографія застосовується для зберігання та обробки інформації. При цьому забезпечується велика щільністьзапису та надійність запису.

Об'ємність зображення робить перспективним створення голографічного кіно та телебачення. Головна трудністьпри цьому створення величезних голограм, які могло б спостерігати одночасно велике числоглядачів. Крім того, голограма має бути динамічною. Для створення голографічного телебачення необхідно подолати труднощі, зумовлені необхідністю розширення на кілька порядків смуги частот, щоб здійснювати передачу об'ємних зображень, що рухаються.

Голограма може бути виготовлена ​​не тільки оптичним методом, а й розрахована на ЕОМ (цифрова голограма). Машинні голограми використовуються для отримання об'ємних зображень об'єктів, що ще не існують. Машинні голограми складних оптичних поверхонь використовують як зразки для інтерференційного контролю поверхонь виробів.

Відома також акустична голографія, яка може поєднуватись з методами візуалізації акустичних полів.

Додатковий матеріал

При зустрічі опорної та предметної хвиль у просторі утворюється система стоячих хвиль. Максимуми амплітуди стоячих хвиль відповідають зонам, в яких хвилі, що інтерферують, знаходяться в одній фазі, а мінімуми зон, в яких хвилі, що інтерферують, знаходяться в протифазі. Для точкового опорного джерелаПро 1 та точкового предметаПро 2 поверхні максимумів і мінімумів є системою гіперболоїдів обертання. Просторова частота інтерференційної структури (величина, обернена до її періоду) визначається кутом, під яким сходяться в даній точці світлові променіщо виходить з опорного джерела і що виходить з предмета: , де довжина хвилі. Площини, що стосуються поверхні вузлів і пучностей у кожній точці простору, ділять навпіл кут. У схемі Габора опорне джерело та предмет розташовані на осі голограми, кут близький до нуля та просторова частота мінімальна. Осьові голограми називають такожоднопроменевими Оскільки використовується один пучок світла, одна частина якого розсіюється предметом і утворює предметну хвилю, а інша частина, що пройшла через об'єкт без спотворення, - опорну хвилю.

У схемі Лейта та Упатнієкса когерентний похилий опорний пучок формується окремо (двопроменева голограма). Для двопроменевих голограм просторова частота більша, ніж для однопроменевих голограм. Тому для реєстрації двопроменевих голограм потрібні фотоматеріали з більшою просторовою роздільною здатністю.

Якщо опорний та предметний пучок падають на фоточутливий шар з різних боків (~ 180 0 ), то максимальна та близька до 2/ (голограми у зустрічних пучках). Інтерференційні максимуми розташовуються вздовж поверхні матеріалу у його товщі. Цю схему було вперше запропоновано Денисюком. Так як при освітленні такої голограми опорним пучком відновлена ​​предметна хвиля поширюється назустріч пучку, що освітлює, такі голограми іноді називаютьвідбивними.

Типи голограм. Структура голограми залежить від способу формування предметної та опорної хвиль та від способу запису інтерференційної картини. Залежно від взаємного розташування предмета та платівки, а також від наявності оптичних елементів між ними, зв'язок між амплітудно-фазовими розподілами предметної хвилі в площинах голограми та предмета різний. Якщо предмет лежить у площині голограми або сфокусований на неї, то амплітудно-фазовий розподіл на голограмі буде таким самим, як і в площині предмета (голограма сфокусованого зображення; 3).

Коли предмет знаходиться досить далеко від пластинки, або у фокусі лінзи Л, кожна точка предмета посилає на пластинку паралельний світловий пучок. При цьому зв'язок між амплітудно-фазовими розподілами предметної хвилі в площині голограми і в площині предмета дається перетворенням Фур'є (комплексна амплітуда предметної хвилі на платівці так званий фур'є-образ предмета). Голограма в цьому випадку називаєтьсяголограмою Фраунгофера(Малюнок 4).

Якщо комплексні амплітуди предметної та опорної хвиль є фур'є-образами предметної та опорного джерела, то голограму називаютьголограмою Фур'є. При записі голограми Фур'є предмет та опорне джерело розташовують зазвичай у фокальній площині лінзи (рисунок 5).

У разі безлінзової фур'є-голограми опорне джерело розташовують у площині предмета (рисунок 6). При цьому фронт опорної хвилі та фронти елементарних хвиль, розсіяних окремими точкамипредмета, що мають однакову кривизну. В результаті структура та властивості голограми практично такі ж, як у фур'є-голограми.

Голограми Френеляутворюються у разі, коли кожна точка предмета посилає на платівку сферичну хвилю. У міру збільшення відстані між об'єктом і платівкою голограми Френеля переходять у голограми Фраунгофера, а зі зменшенням цієї відстані в голограми сфокусованих зображень.

S

Справжнє зображення

Уявне зображення

Малюнок 6 Схема безлінзового запису голограми Фур'є

Голограма

ісунок 5 Схема запису голограми Фур'є

Опорне джерело

Опорний пучок

Л

Опорний пучок

Малюнок 4 Схема запису голограми Фраунгофера

Рисунок 3 Схема запису голограми сфокусованого зображення

Малюнок 1 Схема запису голограми

Рисунок 2 Схема відновлення

голографічного зображення предмета

Опорний пучок

Голограма

Голографія- набір технологій для точного запису, відтворення та переформування хвильових полів оптичного електромагнітного випромінювання, особливий фотографічний метод, при якому за допомогою лазера реєструються, а потім відновлюються зображення тривимірних об'єктів, вищого ступенясхожі реальні.

Даний метод був запропонований в 1947 Деннісом Габором, він же ввів термін голограмаі отримав "за винахід та розвиток голографічного принципу" Нобелівську преміюз фізики у 1971 році.

Історія голографії

Першу голограму було отримано 1947 року (задовго до винаходу лазерів) Деннісом Габором в ході експериментів щодо підвищення роздільної здатності електронного мікроскопа. Він же вигадав саме слово "голографія", яким він підкреслив повний запис оптичних властивостейоб'єкт. На жаль, його голограми відрізнялися низькою якістю. Отримати якісну голограму без джерела когерентного світла неможливо.

Особливості схеми:

Після створення у 1960 року червоних рубінового (довжина хвилі 694 нм, працює в імпульсному режимі) та гелій-неонового (довжина хвилі 633 нм, працює безперервно) лазерів, голографія почала інтенсивно розвиватися.

У 1962 році була створена класична схема запису голограм Емметта Лейта та Юріса Упатнієкса з Мічиганського Технологічного Інституту (голограми Лейта-Упатнієкса), в якій записуються пропускаючі голограми (при відновленні голограми світло пропускають через фотопластинку, хоча на практиці деяка частина світла також від неї , видиме з протилежного боку.

Схема Лейта-Упатнієкса

У цій схемі запис промінь лазера ділиться спеціальним пристроєм, дільником (у найпростішому випадку в ролі дільника може виступати будь-який шматок скла), на два. Після цього промені за допомогою лінз розширюються і за допомогою дзеркал направляються на об'єкт і середовище, що реєструє (наприклад, фотопластинку). Обидві хвилі (об'єктна та опорна) падають на платівку з одного боку. При такій схемі запису формується пропускає голограма, що вимагає для свого відновлення джерела світла з тією ж довжиною хвилі, на якій проводився запис, в ідеалі лазера.

У 1967 році рубіновим лазером було записано перший голографічний портрет.

Внаслідок тривалої роботи у 1968 році Юрій Миколайович Денисюк отримав високоякісні (до цього часу відсутність необхідних фотоматеріалів заважала отриманню високої якості) голограми, які відновлювали зображення, відбиваючи біле світло. Для цього їм було розроблено свою власну схему запису голограм. Ця схема називається схемою Денисюка, а отримані за її допомогою голограми називаються голограмами Денисюка.

Особливості схеми:

• спостереження зображення у білому світлі;
• нечутливість до вібрацій елемента "об'єкт-РС";
• висока роздільна здатність реєструючого середовища.

1977 року Ллойд Крос створив так звану мультиплексну голограму. Вона принципово відрізняється від решти голограм тим, що складається з безлічі (від десятків до сотень) окремих плоских ракурсів, видимих ​​під різними кутами. Така голограма, звичайно, не містить повну інформаціюпро об'єкт, крім того, вона, як правило, не має вертикального паралаксу (тобто не можна подивитися на об'єкт зверху і знизу), зате розміри об'єкта, що записується, не обмежені довжиною когерентності лазера (яка рідко перевищує кілька метрів, а найчастіше становить всього кілька десятків сантиметрів) та розмірами фотопластинки.

Мало того, можна створити мультиплексну голограму об'єкта, якого зовсім не існує, наприклад, намалювавши вигаданий об'єкт із безлічі різних ракурсів. Мультиплексна голографія перевершує за якістю всі інші способи створення об'ємних зображень на основі окремих ракурсів (наприклад, лінзові растри), проте вона все одно далека від традиційних методівголографії з реалістичності.

1986 року Абрахам Секе висунув ідею створення джерела когерентного випромінювання у приповерхневій області матеріалу шляхом опромінення його рентгенівським випромінюванням. Оскільки просторовий дозвіл у голографії залежить від розмірів джерела когерентного випромінювання та його віддаленості від об'єкта, то виявилося можливим відновити навколишні емітер атоми в реальному просторі.

На відміну від оптичної голографії, у всіх запропонованих на сьогоднішній день схемах електронної голографії відновлення зображення об'єкта здійснюється за допомогою чисельних методівна комп'ютері.

1988 року Бартон запропонував такий метод для відновлення тривимірного зображення, заснований на використанні фур'є-подібних інтегралів, та продемонстрував його ефективність на прикладі теоретично розрахованої голограми для кластера відомої структури. Перше відновлення тривимірного зображення атомів у реальному просторі за експериментальними даними проведено на поверхні Cu(001) Харпом 1990 року.

Фізичні принципи

Основний закон голографії

Якщо світлочутливий матеріал, у якому зареєстрована картина інтерференції кількох світлових хвиль, помістити у становище, у якому перебував у процесі записи, і висвітлити знову деякими з цих хвиль, станеться відновлення інших. Ця особливість пояснюється тим, що на голограмі записуються не тільки інтенсивність, як на звичайній фотопластинці, але і фаза світла, що походить від об'єкта. Саме інформація про фазу хвилі необхідна для формування при відновленні тривимірного простору, а не двомірного, що дається звичайною фотографією. Таким чином, голографія ґрунтується на відновленні хвильового фронту.

Голографічний процес складається з двох етапів - запису та відновлення.

• Хвиля від об'єкта інтерферує з "опорною" хвилею, і картина, що утворюється при цьому, записується.
• Другий етап - формування нового хвильового фронту та отримання зображення вихідного об'єкта.

Запис інформації про фазу хвилі, що йде від об'єкта, може бути здійснена лише джерелом світла зі стабільними фазовими характеристиками. Ідеальним для цієї мети є лазер- когерентне джерело світла високої інтенсивності та високої монохроматичності.

Принцип суперпозиції

Повсякденний досвід показує, що освітленість, створювана двома чи кількома звичайними некогерентними джерелами світла, є простий сумою освітленостей, створюваної кожним окремо. Це явище називають принципом суперпозиції.

Ще Гюйгенс у своєму "Трактаті" писав: "Одна з чудових властивостейсвітла полягає в тому, що, коли він приходить з різних сторін, промені його справляють дію, проходячи один крізь інший без жодних перешкод". Причина цього в тому, що кожне джерело, що складається з безлічі атомів і молекул, випромінює одночасно величезну кількість хвиль, не пов'язаних по фазі Різниця фаз змінюється швидко і безладно, і, незважаючи на те, що між деякими хвилями виникає інтерференція, інтерференційні картини змінюються з такою частотою, що око не встигає помітити зміни освітленості, тому інтенсивність результуючого коливання сприймається як сума складових вихідних коливань , а випромінювання джерела є "білий світ, Т. е. не монохроматичний, а що складається з різних довжин хвиль. З цієї причини це світло є неполяризованим, а природним, т. е. немає переважної площини коливання.

Когерентні коливання

В особливих умовах принцип суперпозиції не дотримується. Це спостерігається, коли різниця фаз світлових хвиль залишається постійною протягом досить тривалого спостереження часу. Хвилі як би "звучать у такт". Такі коливання називають когерентними.

Основною ознакою когерентності є можливість інтерференції. Це означає, що під час зустрічі двох хвиль вони взаємодіють, утворюючи сумарно нову хвилю. В результаті цієї взаємодії результуюча інтенсивність буде відрізнятися від суми інтенсивностей окремих коливань - в залежності від різниці фаз утворюється або темніше, або світліше поле, або замість рівномірного поля чергуються смуги різної інтенсивності інтерференційні смуги.

Монохроматичні хвилі завжди когерентні,проте світлофільтри, часто звані монохроматичними, насправді ніколи не дають строго монохроматичного випромінювання, а лише звужують спектральний діапазоні, звичайно, не перетворюють звичайного випромінювання на когерентне.

Отримання когерентного випромінювання

Раніше був відомий лише один спосіб отримання когерентного випромінювання - за допомогою спеціального приладу - інтерферометра. Випромінювання звичайного джерела світла поділялося на два пучки, когерентні між собою. Ці пучки могли інтерферувати. Тепер відомий інший спосіб, який використовує індуковане випромінювання. На цьому принципі ґрунтуються лазери.

Дифракція у голографії

Основним фізичним явищем, на якому ґрунтується голографія, є дифракція- відхилення від свого первісного напрямку світла, що проходить поблизу країв непрозорих тіл або крізь вузькі щілини. Якщо на екрані нанесена не одна, а кілька щілин, то виникає інтерференційна картина, що складається з серії світлих і темних смуг, що чергуються, більш яскравих і вузьких, ніж при одній щілині. У середині розташована найяскравіша смуга "нульового порядку", по обидва боки від неї - смуги поступово спадної інтенсивності першого, другого та інших порядків. Зі збільшенням числа щілин на екрані смуги стають дедалі яскравішими. Екран з великою кількістютонких паралельних щілинкількість яких часто доводять до 10 000, називається дифракційною решіткою.

Грати, що є голограмою, характеризується передусім тим, що дифракція відбувається не так на щілини, але в кружку. Дифракційна фігура від круглого непрозорого об'єкта являє собою яскравий центральний гурток, оточений кільцями, що поступово слабшають. Якщо замість непрозорого диска на шляху хвилі помістити диск з навколишніми кільцями, то гурток на зображенні стане яскравішим, а смуги бліднішими. Якщо прозорість від темного до світлому ділянцізмінюється не стрибками, а поступово, за синусоїдальним законом, така решітка утворює смуги тільки нульового і першого порядків, а перешкоди у вигляді смуг вищих порядків не з'являються. Ця властивість дуже важлива при записі голограми. Якщо перехід від темного кільця до світлого буде здійснюватися строго за синусоїдальним законом, то кільця на зображенні пропадуть і зображення буде маленьким яскравим кружком, майже крапкою. Таким чином, кругла синусоїдальна решітка буде формувати з паралельного пучка променів ( плоскої хвилі) таке саме зображення, як збірна лінза.

Такі грати, звані зонними ґратами(Пластинкою Соре, платівкою Френеля), використовується іноді замість лінзи. Наприклад, вона застосовується в окулярах, замінюючи важкі лінзи високих рефракцій. Отримання зонних ґрат можливо різними шляхами, як механічними, так і оптичними, інтерференційними. Використання цих ґрат, отриманих інтерференційним шляхом, і покладено в основу голографії.

Запис голограми

Щоб записати голограму складного об'єкта, що не самосвітиться, його висвітлюють випромінюванням лазера. На ту ж пластинку, на яку падає розсіяне відбите об'єктом світло, направляють когерентну опорну хвилю. Ця хвиля відокремлюється від випромінювання лазера за допомогою дзеркал.

Світло, відбите кожною точкою об'єкта, інтерферує з опорною хвилею і утворює голограму цієї точки. Так як будь-який об'єкт являє собою сукупність точок, що розсіюють світло, то на фотопластинку накладається безліч елементарних голограм - точок, які в сукупності дадуть складну інтерференційну картину об'єкта.

Проявлену голограму поміщають у те місце, де вона була при записі, і включають лазер. Так само як при відновленні голограми точки, при освітленні голограми пучком світла лазера, що брало участь у записі, відбувається відновлення світлових хвиль, що виходили від об'єкта під час запису. Там, де під час запису був об'єкт, видно уявне зображення. Сполучене з ним дійсне зображення формується з іншого боку від голограми, із боку спостерігача. Воно зазвичай непомітно, але на відміну від уявного може бути отримано на екрані.

Ю. Н. Денісюк (1962)розробив метод, у якому для реєстрації голограми замість тонкошарової емульсії використовуються тривимірні середовища. У такій товстій голограмі виникають стоячі хвилі, що суттєво розширило можливості методу. Тривимірна дифракційні грати, крім описаних раніше властивостей голограми, має ряд важливих особливостей. Найбільш цікавою є можливість відновлення зображення за допомогою звичайного джерела суцільного спектру - лампи розжарювання, сонця та інших випромінювачів. Крім того, у тривимірній голограмі відсутні хвилі нульового порядку та дійсне зображення, а отже, знижуються перешкоди.

1. Схема запису голограм Денисюка

Отже, ми починаємо практичний курсз голографії. Перші заняття будуть присвячені ознайомленню з роботою на схемі Денисюка – найпопулярнішій голографічній схемі. І це не дивно, адже схема Денисюка - найпростіша з голографічних схем. Проте з її допомогою можна записувати голограми найвищої якості.
Свою назву схема отримала на ім'я найвідомішого російського вченого - Юрія Миколайовича Денисюка, який на початку сімдесятих років винайшов метод запису голограм на прозорих фотопластинках. До цього голограми записувалися за методом Лейта-Упатнієкса, і їх спостереження був потрібний лазер. Щоб голограми можна було бачити у звичайному білому світлі, Денисюк запропонував висвітлювати фотопластинку та об'єкт одним і тим же лазерним пучком. Для цього була потрібна розробка спеціальних фотопластинок, які повинні бути прозорими і мати дуже велику роздільну здатність. Завдання було успішно вирішено.

На першому малюнку показано схему запису голограм Денисюка, а на другому - фотографію реальної установки. Вузький світловий пучок 2 від лазера 1 прямує дзеркалом 3 на просторовий фільтр 4 що розширює пучок до потрібної величини і одночасно підвищує його однорідність. Розширений пучок 5 висвітлює фотопластинку 6 та об'єкт 7 , закріплений на жорсткій основі 8 . Лазерне світловідбивається від об'єкта на фотопластинку зі зворотного боку. У площині фотопластинки зустрічаються два пучки: що йде від лазера, він називається опорним, і від об'єкта, він називається сигнальним. Ці пучки створюють інтерференційну картину, яка реєструється на фотопластинці. Картина інтерференції - це дрібні перепади інтенсивності світла з періодом менше 1 мікрона. Щоб зареєструвати таку дрібну картину, потрібна повна нерухомість об'єкта і фотопластинки під час експонування. Тому м'які предмети та живі об'єкти, наприклад, портрет людини, у схемі з лазером безперервної дії записати не можна.

November 23rd, 2012

Компанія NICE Interactive

Продовжую виконувати заявки своїх френдів із Місяць вже наближатися до кінця, а я ще далекий від завершення черги ваших питань. Сьогодні ми розбираємо, обговорюємо та доповнюємо завдання trudnopisaka :

Технології створення тривимірних голограм. Чи бувають вони непрозорими? З чим можна порівняти енергетичні витрати на їхнє створення? Які перспективи розвитку?

Голографія ґрунтується на двох фізичних явищ- дифракції та інтерференції світлових хвиль.

Фізична ідея полягає в тому, що при накладенні двох світлових пучків, при певних умоввиникає інтерференційна картина, тобто, у просторі виникають максимуми і мінімуми інтенсивності світла (це подібно до того, як дві системи хвиль на воді при перетині утворюють максимуми, що чергуються, і мінімуми амплітуди хвиль). Для того, щоб ця інтерференційна картина була стійкою протягом часу, необхідного для спостереження, і її можна було записати, ці дві світлові хвилі мають бути узгоджені у просторі та часі. Такі злагоджені хвилі називаються когерентними.

Якщо хвилі зустрічаються у фазі, то вони складаються один з одним і дають результуючу хвилю з амплітудою, рівної суміїхній амплітуд. Якщо ж вони зустрічаються у протифазі, то гаситимуть одна одну. Між двома цими крайніми положеннями спостерігаються різні ситуаціїскладання хвиль. Результуюча додавання двох когерентних хвильбуде завжди стоячою хвилею. Тобто інтерференційна картина буде стійкою у часі. Це лежить в основі отримання та відновлення голограм.

Звичайні джерела світла не мають достатнього ступеня когерентності для використання в голографії. Тому вирішальне значеннядля її розвитку мало винахід у 1960 р. оптичного квантового генератора або лазера - дивовижного джерела випромінювання, що володіє необхідним ступенем когерентності і може випромінювати одну довжину хвилі.

Денніс Габор, вивчаючи проблему запису зображення, висунув чудову ідею. Сутність її реалізації полягає в наступному. Якщо пучок когерентного світла розділити на два і висвітлити об'єкт, що реєструється, тільки однією частиною пучка, направивши другу частину на фотографічну пластинку, то промені, відображені від об'єкта, будуть інтерферувати з променями, що потрапляють безпосередньо на пластину від джерела світла. Пучок світла, що падає на пластину, назвали опорним, а пучок, що відбитий або пройшов через об'єкт, предметним. З огляду на те, що ці пучки отримані з одного джерела випромінювання, можна бути впевненим у тому, що вони когерентні. У даному випадкуінтерференційна картина, що утворюється на платівці, стійка у часі, тобто. утворюється зображення стоячої хвилі.

Отримана інтерференційна картина є кодованим зображенням, яке описує об'єкт таким, яким він видно з усіх точок фотопластинки. У цьому зображенні збережено інформацію як про амплітуд, так і про фазу відбитих від об'єкта хвиль і, отже, закладено інформацію про тривимірному (об'ємному) об'єкті.
Фотографічний запис картини інтерференції предметної хвилі та опорної хвилі має властивість відновлювати зображення об'єкта, якщо на такий запис знову направити опорну хвилю. Тобто. при освітленні записаної на пластині картини опорним пучком відновиться зображення об'єкта, яке візуально неможливо відрізнити від реального. Якщо дивитися через платівку під різними кутами, можна спостерігати зображення об'єкта у перспективі з різних боків. Звичайно, отриману в такий чудовий спосіб фотопластинку не можна назвати фотографією. Це – голограма.

У 1962 р. І. Лейт та Ю. Упатніекс отримали перші пропускаючі голограми об'ємних об'єктів, виконані за допомогою лазера. Схема, запропонована ними, використовують у образотворчій голографії повсюдно:
Пучок когерентного випромінювання лазера прямує на напівпрозоре дзеркало, за допомогою якого одержують два пучки - предметний та опорний. Опорний пучок направляють безпосередньо на фотопластинку. Предметний пучок висвітлює об'єкт, голограму якого реєструють. Відображений від об'єкта світловий пучок – об'єктний потрапляє на фотопластинку. У площині пластинки два пучки - об'єктний і опорний утворюють складну інтерференційну картину, яка внаслідок когерентності двох пучків світла залишається незмінною в часі і є зображенням стоячої хвилі. Залишається лише зареєструвати її звичайним фотографічним шляхом.

Японський концерт із 3D голограмою Hatsune Miku

Якщо голограму записати в деякому об'ємному середовищі, то отримана модель стоячої хвилі однозначно відтворює не тільки амплітуду та фазу, а й спектральний складзаписаного у ньому випромінювання. Ця обставина була покладена основою створення тривимірних (об'ємних) голограм.
В основу роботи об'ємних голограм покладено дифракційний ефект Брегга. В результаті інтерференції хвиль, що поширюються в товстошаровій емульсії, утворюються площини, засвічені світлом більшої інтенсивності. Після прояву голограми на засвічених площинах утворюються шари почорніння. В результаті цього створюються так звані бреггівські площини, які мають властивість частково відбивати світло. Тобто. в емульсії створюється тривимірна інтерференційна картина.

Така товстошарова голограма забезпечує ефективне відновлення об'єктної хвилі за умови, що кут падіння опорного пучка при записі та відновленні залишиться незмінним. Не допускається зміна довжини хвилі світла при відновленні. Така вибірковість об'ємної пропускаючої голограми дозволяє записати на платівці до декількох десятків зображень, змінюючи кут падіння опорного пучка відповідно при записі та відновленні.

Схема запису пропускають об'ємних голограм аналогічна схемою Лейта-Упатнієкса для двовимірних голограм.

При відновленні об'ємної голограми, на відміну від плоских пропускають голограм, утворюється тільки одне зображення внаслідок відбиття від голограми пучка, що відновлює, тільки в одному напрямку, що визначається кутом Брегга.

Відображувальні об'ємні голограми записуються за іншою схемою. Ідея створення даних голограм належить Ю.М. Денисюку. Тому голограми цього відомі під ім'ям їх творця.

Опорний та предметний світлові пучки утворюються за допомогою дільника та за допомогою дзеркала прямують на пластину з двох сторін. Предметна хвиля висвітлює фотографічну пластину з боку емульсійного шару, опорний – з боку скляної підкладки. Площини Брегга в таких умовах запису розташовуються майже паралельно площині фотопластини. Таким чином, товщина фотошару може бути невеликою.
На наведеній схемі об'єктна хвиля утворюється з пропускає голограму. Тобто. спочатку виготовляються звичайні пропускають голограми за описаною вище технологією, а потім уже з цих голограм (які називаються майстер-голограмами) виготовляють у режимі копіювання голограми Денисюка.

Основна властивість відбиття голограм - це можливість відновлення записаного зображення за допомогою джерела білого світла, наприклад, лампи розжарювання або сонця. Не менше важливим властивістює колірна вибірковість голограми. Це означає, що при відновленні зображення білим світлом воно відновиться в тому кольорі, в якому було записано. Якщо для запису був використаний, наприклад, рубіновий лазер, відновлене зображення об'єкта буде червоним.

Унікальна 3D-голограма у ГУМі!

Відповідно до властивості кольорової вибірковості можна отримати кольорову голограму об'єкта, яка точно передає його природний колір. Для цього необхідно при записі голограми змішати три кольори: червоний, зелений та синій або провести послідовне експонування фотопластинки цими кольорами. Правда, технологія запису кольорових голограм знаходиться ще в експериментальній стадії і вимагатиме ще значних зусиль та експериментів. Примітно при цьому, що багато відвідувачів, що відвідали виставки голограм, йшли звідти в повній впевненості, що бачили кольорові об'ємні зображення!

Технологія зв'язку за допомогою об'ємних голограм, описана вперше у "Зоряних війнах" ще 30 років тому, зважаючи на все, стає реальністю. Ще в 2010 році команда фізиків з Університету Арізони змогла розробити технологію передачі і перегляду тривимірних зображень, що рухаються в реальному часі. Розробники з Арізони називають свою роботу прототипом "голографічної тривимірної телеприсутності". Насправді показана сьогодні технологія є першою у світі практичною тривимірну системупередачі справді тривимірних зображень без необхідності використання стереоскопічних окулярів.

"Голографічна телеприсутність означає, що ми можемо записати тривимірне зображення в одному місці і показати його в тривимірному режимі за допомогою голограми в іншому, яке буде видалено на багато тисяч кілометрів. Показ може проводитися в реальному часі", - каже керівник досліджень Нассер Пейгамбар'ян.

Для створення ефекту віртуальної інсталяції (3D голограми) об'єкта на місці інсталяції натягується спеціальна проекційна сітка. На сітку здійснюється проекція за допомогою відеопроектора, який знаходиться за цією сіткою на відстані 2-3 метри. В ідеалі проекційна сітка натягується на конструкцію ферми, яка повністю обшивається темною тканиною для затемнення і посилення ефекту. Створюється подібність деякого темного куба, на передньому планіякого розгортається 3D зображення. Краще щоб дія відбувалася у повній темряві, тоді не буде видно темний куб та сітка, а лише 3D голограма!

Існуючі системи 3D-проекцій здатні виробляти або статичні голограми з чудовою глибиною та роздільною здатністю, або динамічні, але дивитися на них можна лише під певним кутом і в основному через стереоскопічні окуляри. Нова технологіяпоєднує в собі переваги обох технологій, але позбавлена ​​їх багатьох недоліків.

У серці нової системи знаходиться новий фотографічний полімер, розроблений каліфорнійською дослідницькою лабораторією Nitto Denko, що працює з електронними матеріалами.

У новій системітривимірне зображення записується на кілька камер, які захоплюють об'єкт з різних позиційі потім кодує цифровий надшвидкий лазерний потік даних, який створює на полімері голографічні пікселі (хогелі). Саме собою зображення - це результат оптичного заломлення лазерів між двома шарами полімеру.

Прототип пристрою має 10-дюймовий монохромний екран, де картинка оновлюється кожні дві секунди - занадто повільно, щоб створити ілюзію плавного руху, але все ж таки динаміка тут є. Крім того, вчені кажуть, що показаний сьогодні прототип - це лише концепція і в майбутньому вчені обов'язково створять повнокольоровий потік, що швидко оновлюється, що створять натуральні тривимірні і плавно рухаються голограми.

Професор Пейгамбар'ян прогнозує, що приблизно через 7-10 років у будинках у звичайних споживачів можуть виникнути перші голографічні системи відеозв'язку. "Створена технологія абсолютно стійка до зовнішнім факторам, таким як шуми та вібрація, тому вона підходить і для промислового впровадження", - каже розробник.

Голографічна 3D-установка AGP

Автори розробки кажуть, що одним із найбільш реальних і перспективних напрямівРозробка є саме телемедицина. "Хірурги з різних країнпо всьому світу зможуть використовувати технологію для тривимірного спостереження за проведенням операцій у реальному часі та брати участь в операції", - кажуть дослідники. "Вся система повністю автоматизована та контролюється комп'ютером. Лазерні сигнали самі кодуються та передаються, а приймач здатний самостійно проводити рендеринг зображення.

І останні новини 2012 року на цю тему:

Технології створення тривимірних зображень, які "зростають як гриби" Останнім часом, втілюючись як тривимірних телевізійних екранів і дисплеїв комп'ютерів, практично створюють повноцінного тривимірного зображення. Натомість за допомогою стереоскопічних окулярів або інших хитрощів у кожне око людини посилаються трохи різні зображення, а вже головний мозок глядача поєднує все це воєдино прямо в голові у вигляді тривимірного образу. Таке "насильство" над органами почуттів людини та підвищене навантаження на мозок викликає напругу зору та головний біль у деяких людей. Тому, для того, щоб зробити справжнє тривимірне телебачення потрібні технології, здатні створювати реальні тривимірні зображення, іншими словами, голографічні проектори . Люди вже давно навчилися створювати високоякісні статичні голограми, але коли справа заходить про голографічні зображення, що рухаються, тут виникають великі проблеми.

Дослідники з бельгійського нанотехнологічного дослідницького центру Imec, розробили та продемонстрували діючий дослідний зразок голографічного проектора нового покоління, в основі якого лежать технології мікроелектромеханічних систем (microelectromechanical system, MEMS). Використання технологій, що лежать на межі між нано- і мікро-, дозволить найближчим часом створити новий дисплей, здатний демонструвати голографічні зображення, що рухаються.

В основі нового голографічного проектора лежить пластина, на якій знаходяться крихітні, половину мікрона розміром, що відбивають світло рухомі майданчики. Ця пластина висвітлюється світлом від кількох лазерів, спрямованих неї під різними кутами. Регулюючи положення щодо вертикальної осісвітловідбиваючих майданчиків можна досягти того, що хвилі відбитого світла починають інтерферувати між собою, створюючи тривимірне голографічне зображення. Це все звучить неймовірно і здається дуже складним, але на одному зі знімків можна побачити статичне кольорове голографічне зображення, сформоване за допомогою цих крихітних світловідбиваючих майданчиків.

Поки що дослідники Imec не створили дисплей, здатний працювати з зображеннями, що рухаються. Але, згідно з заявою Франческо Пессолано (Francesco Pessolano), провідного дослідника проекту Imec NVision: "Головне для нас було зрозуміти основний принцип, шляхи його реалізації та перевірити працездатність дослідного зразка. Все інше - це лише справа техніки і реалізується досить легко". Згідно з планами Imec, перший досвідчений голографічний проектор і система його управління повинні з'явитися не пізніше середини 2012 року, ймовірно, що це не буде громіздкою річчю, адже 400 мільярдів світловідбиваючих майданчиків, які потрібні для створення якісного зображення, можна розмістити на пластині розміром з гудзик. Тож чекати залишилося вже зовсім не довго, а пізніше люди зможуть забути про звичайні екрани та дисплеї та повністю поринути у віртуальний тривимірний світ.

А які перспективи цього напряму? Мені здається ось вони...

Голограма Цоя на сцені

Голограма Тупака Шакура

Ось це теж мені сподобалося - http://kseniya.do100verno.com/blog/555/12012 - подивіться...

Хто ще знає сучасні методивідтворення голографічного зображення?

Голографія– метод запису та подальшого відновлення просторової структури світлових хвиль, заснований на явищах інтерференції та дифракції когерентних пучків світла.

Фото-пластика, на якій записана ця інформація, називається голограмою.

На голограмі реєструється не оптичне зображення об'єкта, а інтерференційна картина, що виникає при накладенні світлової хвилі, розсіяної об'єктом (предметної хвилі), та когерентної з нею опорної (або референтної) хвилі.

Основні сфери застосування голографії:

Запис та зберігання інформації в т.ч. та візуальної (оптична голографічна пам'ять);

Оптична обробка інформації та система розпізнавання об'єктів;

Голографічна інтерферометрія.

Побудувати схему, розглянути процес записуголограми.

У цьому процесі на фотоматеріалі (наприклад, фотоплівці) записується та фіксується складна інтерференційна картина, яка створюється накладенням (взаємодіям) двох світлових хвиль - базової (опорної) монохроматичної хвилі та вторинної хвилі, що відображена або розсіяна об'єктом. Запис голограми відбувається за схемою, наведеною на рис.1.

Монохроматичний когерентний лазерний проміньрозширюється коліматором і далі ділиться розщеплювачем на два промені. Один (опорний) промінь відбивається від дзеркала і прямує безпосередньо на фотоплівку. Інший (об'єктний) промінь спрямовується відповідним дзеркалом на об'єкт, відбивається від нього та сприймається (реєструється) фотоплівкою. Саме цей (відбитий, розсіяний) промінь несе різноманітну образотворчу інформацію про об'ємні (тривимірні) параметри і характеристики (розміри, поверхню, контур, нерівності, прозорість) об'єкта. Такий промінь сутнісно створює об'ємний образ об'єкта, який може бачити і спостерігати безпосередньо (природним зором).

Світлові хвилі опорного і розсіяного об'єктного променів створюють на поверхні фотоплівки інтерференційну картину, що складається з безлічі плям, форма та інтенсивність яких залежать від амплітуди та фази світлових хвиль, що падають і взаємодіють. Фотоплівка експонується і потім проявляється за стандартними рецептами. Отримана (проявлена) плівка є голограмою, що зберігає інтерференційну картину об'єкта, що реєструється. Голограма має вигляд туманного негативу, у якому деталі об'єкта явно не проглядаються.

Побудувати схему, розглянути процес відновлення (відтворення)голограми.

Відновлення об'ємного зображення об'єкта за його голограмою (проявленою фотоплівкою) здійснюється за схемою, представленою на рис.2.

Голограма висвітлюється одним опорним променем, причому зберігаються вихідні умови, колишня відносна орієнтація опорного променя та фотоплівки. За дотримання зазначених умов лазерного освітлення голограми через дифракцію світла виникають два зображення. Слід враховувати, що раніше, у процесі початкового утворення голограми об'єкта, виникла певна дифракційна картина з тісно розташованими інтерференційними смугами, точний вигляд яких визначається тривимірною структурою об'єкта. При повторному висвітленні цієї дифракційної картини за схемою (рис.2) дифраговане світло матиме параметри та характеристики, задані вихідним об'єктом голографічної зйомки.

Одне із двох зображень, отриманих при відтворенні голограми, є уявним (рис.2), оскільки для його спостереження потрібна лінза. Однак для цього достатньо природна лінза людського ока і спостерігач може бачити уявне (але неспотворене і тривимірне) зображення об'єкта, розглядаючи його безпосередньо через голограму.

Друге (дійсне, реальне) зображення формується в іншому напрямку лазерного променя, що проходить через голограму. Це зображення можна проектувати на екрані та спостерігати без проміжної лінзи. Частина променя, що відтворює, проходить через голограму без дифракції, не змінюючи напрямки. Помітний практичної цінностіцей недифрагований промінь не представляє.

Розглянуті схеми запису (рис.1) та відтворення (рис.2) голограми, запропоновані Е.Лейтом та Дж.Упатнієксом, відносяться до розряду оптимальних (технічно досконалих). У цих схемах використовується позаосьова геометрія, в якій опорний та об'єктний промені падають на фотоплівку під кутом один до одного. Тому при відтворенні голограми реальне та уявне зображення виявляються за різні сторониопорного променя, що значно полегшує роздільне спостереження зображень.