Основные схемы записи и считывания голограмм

В 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие голограммы объемных объектов, выполненные с помощью лазера. Схема записи изображена на рисунке 12.1:

Рисунок 12.1 – Схема записи пропускающей голограммы:

1-лазер, 2- полупрозрачное зеркало, 3 – зеркало, 4- расширяющие линзы,

5 – опорный пучок, 6 - предметный пучок, 7 – объект, 8 – голографическая пластина.

В основе голографического метода записи лежит регистрация интерференционной картины, образованной волной, отраженной от предмета (предметная волна) и когерентной с ней волной от источника.

Пучок лазерного излучения 1 разделяется полупрозрачным зеркалом 2 на два: опорный и предметный. Опорный пучок сразу направляется на фотопластинку 8, а предметный – на записываемое изображение 7. Предметный пучок лучей, отразившись от разных частей предмета, будет иметь составляющие с разными фазами. Чем больше расстояние между точками поверхности, тем больше разность фаз.

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. Отдаленно интерференционная картина напоминает концентрические круги. Полученная интерференционная картина является кодированным изображением, описывающим объект таким, каким он виден из всех точек фотопластинки. В этом изображении сохранена информация, как об амплитуде, так и о фазе отраженных от объекта волн и, следовательно, заложена информация о трехмерном (объемном) объекте.

При взаимодействии опорной и предметной волн получается новая волна, амплитуда которой является результатом сложения амплитуды опорной волны и амплитуды предметной волны в каждой точке плоскости голограммы; сложение амплитуд происходит в зависимости от фазы каждой волны. Результатом сложения являются точки, в которых наблюдаются интенсивности в пределах от суммы амплитуд до их разности. Пространственное распределение интенсивностей называют интерференционной картиной. Интенсивность излучения в любой точке голограммы является суммой отдельных волн и интерференционной составляющей, пропорциональной разности фаз. Записанную интерференционную картину можно интерпретировать как суперпозицию многих интерференционных полос или множество дифракционных решеток. Фотографическая запись картины интерференции предметной волны и опорной волны обладает свойством восстанавливать изображение объекта, если на такую запись снова направить опорную волну. Т.е. при освещении записанной на пластине картины когерентным пучком той же длины волны восстановится изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального. При восстановлении голограммы, представляющей собой суперпозицию множества дифракционных решеток с разным шагом, происходит дифракция света на интерференционных полосах.

Для плоской волны, падающей на дифракционную решетку, справедливо условие Брега:

2d sin θ = λ, (12.1)

где d – шаг решетки, θ – направление на главный максимум, λ – длина волны излучения.

Таким образом, при освещении голограммы опорной волной часть дифрагированного на ней света воссоздает волновой фронт, который шел от объекта при записи голограммы. Создается так называемое действительное изображение в том месте, где ранее находился объект. Одновременно восстанавливается сопряженная волна, формирующая мнимое изображение.

Если смотреть через пластинку под разными углами, можно наблюдать изображение объекта в перспективе с разных сторон. Полученная таким способом фотопластинка - голограмма. Схема, предложенная И. Лейт и Ю. Упатниекс, используется в изобразительной голографии повсеместно.

Если голограмму записать в некоторой объемной среде, то полученная модель стоячей волны однозначно воспроизводит не только амплитуду и фазу, но и спектральный состав записанного на ней излучения. Это обстоятельство было положено в основу создания трехмерных (объемных) голограмм (рисунок 12.2).

В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга: в результате интерференции волн, распространяющихся в толстослойной эмульсии, образуются плоскости, засвеченные светом большей интенсивности. После проявления голограммы на засвеченных плоскостях образуются слои почернения. В результате этого создаются так называемые брэгговские плоскости, которые обладают свойством частично отражать свет. Т.е. в эмульсии создается трехмерная интерференционная картина.

Такая толстослойная голограмма обеспечивает эффективное восстановление объектной волны при условии, что угол падения опорного пучка при записи и восстановлении останется неизменным. Не допускается также изменение длины волны света при восстановлении. Такая избирательность объемной пропускающей голограммы позволяет записать на пластинке до нескольких десятков изображений, изменяя угол падения опорного пучка соответственно при записи и восстановлении.

Рисунок 12.2 – Схема записи объемной голограммы:

1-опорный пучок, 2 – предметный пучок, 3 – эмульсия, 4 – подложка,

5 – плоскости Брегга, 6 – прошедший пучок, 7 – восстановленный пучок

При восстановлении объемной голограммы, в отличие от плоских пропускающих голограмм, образуется только одно изображение вследствие отражения от голограммы восстанавливающего пучка только в одном направлении, определяемом углом Брэгга. Схема записи пропускающих объемных голограмм аналогична схеме Лейта-Упатниекса для двумерных голограмм.

Отражательные объемные голограммы записываются по иной схеме (рисунок 12.3). Идея создания данных голограмм принадлежит Ю.Н. Денисюку. Поэтому голограммы этого типа известны под именем их создателя.

Рисунок 12.3 – Схема записи отражающей голограммы:

1-лазер, 2- полупрозрачное зеркало, 3 - зеркало, 4 - расширяющие линзы,

5 - опорный пучок, 6 - восстанавливающий пучок, 7 - восстановленное изображение, 8 - голографическая пластина, 9 - пропускающая голограмма

Опорный и предметный световые пучки образуются с помощью делителя 2 и посредством зеркала 3 направляются на пластину с двух сторон. Предметная волна освещает фотографическую пластину 8 со стороны эмульсионного слоя, опорный - со стороны стеклянной подложки. Плоскости Брэгга в таких условиях записи располагаются почти параллельно плоскости фотопластины. Таким образом, толщина фотослоя может быть сравнительно небольшой. На приведенной схеме объектная волна образуется с пропускающей голограммы. Т.е. вначале изготавливаются обычные пропускающие голограммы по описанной выше технологии, а потом уже с этих голограмм (которые называются мастер-голограммами) изготавливают в режиме копирования голограммы Денисюка.

Свойства голографии

Голографический способ записи обладает необычными свойствами. Так как объективно голография ближе всего к фотографии, рассмотрим более подробно отличия голографического и фотографического изображений:

- Голограмма формирует реальное объемное изображение, в отличие от фотографии и даже от таких подделок под объемность, как стереограммы. Реальность состоит в том, что голограмму можно наблюдать с разных точек, наблюдая части объекта или сцены, которые были скрыты при наблюдении с другой точки зрения. В этом смысле голографическое изображение ведет себя полностью как реальный объект. Особенно хорошо это иллюстрируют голографические изображения прозрачных объектов, например, голограмма линзы, полностью сохраняет все свойства реальной линзы, и поэтому через изображение линзы можно просматривать увеличенное изображение расположенных за ней объектов. Правда, на голограмме не могут быть отображены самосветящиеся объекты, например, электрическая лампа. Это следует из самой технологии голографии - снимаемый объект должен быть освещен лазерным светом, и только этот свет фиксируется на голограмме.

- Динамический диапазон яркостей на голограмме на несколько порядков выше, чем на фотографии. На фотографии (как и в живописи) максимальная яркость - это, просто, яркость не закрашенного листа бумаги (или яркость белил). На голографическом изображении такого ограничения нет, так как яркие места формируются за счет света, приходящего со всей поверхности голограммы. Если на бумажном изображении яркость формируется вычитанием из максимальной яркости, то на голограмме - перенаправлением света из темных участков на светлые. Именно этим объясняется удивительная реальность передачи прозрачных предметов, стекла, водяных капель, то есть тех объектов, которые в действительности имеют очень большой динамический диапазон яркости. В отличие от фотографий и картин, для наблюдения голограмм необходим точечный источник света (лампа), иначе изображение в некоторой степени размывается.

- Голография в точности передает фактуру поверхности объекта. При любом фотографическим или полиграфическом исполнении изображения невозможно полностью исключить влияние фактуры самого материала или красящего слоя. Даже при качественной офсетной печати присутствует структура поверхности, определяемая технологией, кроме того, из-за наличия зеркального отражения на изображении могут формироваться блики или она окрашивается цветом ближайших предметов. Голографическое изображение в принципе не имеет материального носителя, так как формируется в свободном пространстве. Это определяет до удивления точную передачу фактуры поверхности любого материала.

- На голограмму можно записать множество изображений, используя лазеры с разной длиной волны излучения. (На тонкие голограммы записывают только один объект.)

- Голограмма способна регистрировать и воспроизводить состояние поляризации предметной волны. Картина интерференции в этом случае характеризуется не изменением интенсивности поля, а модуляцией состояния поляризации. В этом случае слои с линейной поляризацией соседствуют со слоями, в которых поляризация циркулярна. В свою очередь эти слои граничат со слоями, где поляризация линейна, но уже в ортогональном направлении. Глаз это не различает, но такой способ эквивалентен записи двух голограмм на одной пластинке.

- Голограмма способна формировать обращенную волну, что позволяет компенсировать искажения, вносимые оптически неоднородными средами.

- Каждый фрагмент голограммы хранит память обо всем изображении в целом и обладает свойством воспроизводить полную записанную информацию.

- Используя для записи одновременно три лазера (красный, синий и зеленый) можно получить цветное изображение записываемого предмета. Цветную голограмму изготавливают на обычной голографической черно-белой фотопластинке. Цвет формируется здесь за счет интерференции белого света на пространственной системе интерференционных полос и слоев. Поэтому цветная голограмма не выцветает и, теоретически, не должна иметь ограничений по качеству цветопередачи. В фотографии цвет образуется специальными цветными красителями, которые пока еще недостаточно стойки и именно поэтому цветные фотографии не рекомендуется хранить на свету.

- Двумерная голограмма позволяет масштабировать изображение при изменении длины волны источника излучения. Если для получения голограммы использовать параллельный пучок, а для восстановления – расходящийся, то полученное изображение будет увеличенным и тем сильнее, чем больше расходится луч воспроизводящего изображение лазера. Увеличение изображения также можно получить, восстанавливая изображение лазером с длиной волны большей величины.

- Ассоциативные свойства голограммы сводятся к следующему: если зарегистрировать два изображения А и В и осветить голограмму излучением от одного из изображений, например А, то получим изображение В (возможно и обратное).

- Основное свойство отражательных голограмм - это возможность восстановления записанного изображения с помощью источника белого света, например, лампы накаливания или солнца. Записываются они обычным способом – лазером, а сама голография располагается поперек фотопластины. Лучи белого света, отражаясь в светочувствительном слое, взаимодействуют, давая объемное изображение.

Не менее важным свойством является цветовая избирательность голограммы. Это значит, что при восстановлении изображения белым светом, оно восстановится в том цвете, в каком было записано. Если для записи был использован, например, рубиновый лазер, то восстановленное изображение объекта будет красным. В соответствии со свойством цветовой избирательности можно получить цветную голограмму объекта, в точности передающую его естественный цвет. Для этого необходимо при записи голограммы смешать три цвета: красный, зеленый и синий либо провести последовательное экспонирование фотопластинки этими цветами.