Голография: иллюзия, вмещающая реальность.

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

История

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

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

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

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

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

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

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

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

Принцип голографической записи

Когда в некоторой области пространства складываются несколько электромагнитных волн, частоты которых с очень высокой степенью точности совпадают, возникает стоячая электромагнитная волна. Когда записывают голограмму, в определённой области пространства складывают две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна). В области стоячей электромагнитной волны размещают фотопластинку или иной регистрирующий материал, в результате чего на нем возникает сложная картина полос потемнения, которые соответствуют распределению электромагнитной энергии (картине интерференции) в этой области пространства. Если теперь эту пластинку осветить волной, близкой к опорной, то она преобразует ее в волну, близкую к объектной. Таким образом, зрителю с различной степенью точности будет виден тот же свет, какой отражался бы от объекта записи.

Схемы записи голограмм

Схема записи Ю. Денисюка

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

Эта схема отличается предельной простотой и в случае применения полупроводникового лазера, имеющего крайне малые размеры и дающего расходящийся пучок без применения линз, число необходимых для записи голограмм предметов сводится к одному лишь лазеру и некоторой основе, на которую закрепляется лазер, пластинка и объект. Потому именно такие схемы применяются при записи любительских голограмм.

Схема записи Лейта-Упатниекса (1962)

В этой схеме записи луч лазера делится специальным устройством — делителем — на два. После этого лучи с помощью линз расширяются и с помощью зеркал направляются на объект и регистрирующую среду. Обе волны (объектная и опорная) падают на пластинку с одной стороны. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т.е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера, которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров, и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует! Например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов, однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

Технология записи голографических дисков

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

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

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

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

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

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

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

Безопасность данных

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

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

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

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

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

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

Преимущества перед Blu ray :

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

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

3) длительный срок службы (до 50 лет).

Сегодняшние наработки

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Трудности в создании, пути их решения

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

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

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

3аключение

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

November 23rd, 2012

Компания NICE Interactive

Продолжаю выполнять заявки своих френдов из Месяц уже близиться к концу, а я еще далек от завершения очереди ваших вопросов. Сегодня мы разбираем, обсуждаем и дополняем задание trudnopisaka :

Технологии создания трехмерных голограмм. Бывают ли они непрозрачными? С чем можно сравнить энергетические затраты на их создание? Какие есть перспективы развития?

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интереференции световых волн.

Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того, чтобы этаинтерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными.

Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны.

Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул замечательную идею. Сущность ее реализации заключается в следующем. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, назвали опорным, а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным. Учитывая, что эти пучки получены из одного источника излучения, можно быть уверенным в том, что они когерентны. В данном случае интерференционная картина, образующаяся на пластинке, будет устойчива во времени, т.е. образуется изображение стоячей волны.

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.
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 опорным пучком восстановится изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального. Если смотреть через пластинку под разными углами, можно наблюдать изображение объекта в перспективе с разных сторон. Конечно, полученную таким чудесным способом фотопластинку нельзя назвать фотографией. Это - голограмма.

В 1962 г. И. Лейт и Ю. Упатниекс получили первые пропускающие 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 и опорный. 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. Остается только зарегистрировать ее обычным фотографическим путем.

Японский концерт с 3D голограммой Hatsune Miku

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.
В основу работы объемных голограмм положен дифракционный эффект Брэгга. B 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.

Схема записи пропускающих объемных голограмм аналогична схеме Лейта-Упатниекса для двумерных голограмм.

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.

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

Опорный и предметный световые пучки образуются с помощью делителя и посредством зеркала направляются на пластину с двух сторон. Предметная волна освещает фотографическую пластину 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.

Основное свойство отражательных голограмм - это возможность восстановления записанного изображения с помощью источника белого света, например, лампы накаливания или солнца. 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.

Уникальная 3D-голограмма в ГУМе!

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. Правда, технология записи цветных голограмм находится еще в экспериментальной стадии и потребует еще значительных усилий и экспериментов. Примечательно при этом, что многие, посетившие выставки голограмм, уходили оттуда в полной уверенности, что видели цветные объемные изображения!

Технология связи при помощи объемных голограмм, описанная впервые в "Звездных войнах" еще 30 лет назад, судя по всему, становится реальностью. Еще в 2010 году команда физиков из Университета Аризоны смогла разработать технологию передачи и просмотра движущихся трехмерных изображений в реальном времени. Разработчики из Аризоны называют свою работу прототипом "голографического трехмерного телеприсутствия". В реальности показанная сегодня технология представляет собой первую в мире практическую трехмерную систему передачи подлинно трехмерных изображений без необходимости использования стереоскопических очков.

"Голографическое телеприсутствие означает, что мы можем записать трехмерное изображение в одном местоположении и показать его в трехмерном режиме при помощи голограммы в другом, которое будет удалено на многие тысячи километров. Показ может проводиться в реальном времени", - говорит руководитель исследований Нассер Пейгамбарьян.

Для создания эффекта виртуальной инсталляции (3D голограммы) объекта в месте инсталляции натягивается специальная проекционная сетка. На сетку осуществляется проекция с помощью видеопроектора, который располагается за этой сеткой на расстоянии 2-3 метра. В идеале проекционная сетка натягивается на ферменную конструкцию, которая полностью обшивается темной тканью для затемнения и усиления эффекта. Создается подобие некого темного куба, на переднем плане которого разворачивается 3D изображение. Лучше чтобы действие происходило в полной темноте, тогда не будет виден темный куб и сетка, а только 3D голограмма!

Существующие системы 3D-проекций способны производить либо статические голограммы с превосходной глубиной и разрешением, либо динамические, но смотреть на них можно только под определенным углом и в основном через стереоскопические очки. Новая технология объединяет в себе преимущества обеих технологий, но лишена их многих недостатков.

В сердце новой системы находится новой фотографический полимер, разработанный калифорнийской исследовательской лабораторией Nitto Denko, работающей с электронными материалами.

В новой системе трехмерное изображение записывается на несколько камер, захватывающих объект с разных позиций и затем кодирует в цифровой сверхбыстрый лазерный поток данных, который создает на полимере голографические пиксели (хогели). Само по себе изображение - это результат оптического преломления лазеров между двумя слоями полимера.

Прототип устройства имеет 10-дюймовый монохромный экран, где картинка обновляется каждые две секунды - слишком медленно, чтобы создать иллюзию плавного движения, но все же динамика тут есть. Кроме того, ученые говорят, что показанный сегодня прототип - это лишь концепция и в будущем ученые обязательно создадут полноцветный и быстро обновляющийся поток, создающих натуральные трехмерные и плавно двигующиеся голограммы.

Профессор Пейгамбарьян прогнозирует, что примерно через 7-10 лет в домах у обычных потребителей могут появиться первые голографические системы видеосвязи. "Созданная технология абсолютно устойчива ко внешним факторам, таким как шумы и вибрация, поэтому она подходит и для промышленного внедрения", - говорит разработчик.

Голографическая 3D-установка AGP

Авторы разработки говорят, что одним из наиболее реальных и перспективных направлений разработки является именно телемедицина. "Хирурги из разных стран по всему миру смогут использовать технологию для трехмерного наблюдения за проведением операций в реальном времени и принимать участие в операции", - говорят исследователи. "Вся система полностью автоматизирована и контролируется компьютером. Лазерные сигналы сами кодируются и передаются, а приемник способен самостоятельно проводить рендеринг изображения".

И последние новости 2012 года по этой теме:

Технологии создания трехмерных изображений, которые "растут как грибы" в последнее время, воплощаясь в виде трехмерных телевизионных экранов и дисплеев компьютеров, фактически не создают полноценного трехмерного изображения. Вместо этого с помощью стереоскопических очков или других ухищрений в каждый глаз человека посылаются немного разнящиеся изображения, а уже головной мозг зрителя соединяет все это воедино прямо в голове в виде трехмерного образа. Такое "насилие" над органами чувств человека и повышенная нагрузка на мозг вызывает напряжение зрения и головные боли у некоторых людей. Поэтому, для того, что бы сделать настоящее трехмерное телевидение требуются технологии, способные создавать реальные трехмерные изображения, другими словами, голографические проекторы . Люди уже давно научились создавать высококачественные статические голограммы, но когда дело заходит о движущихся голографических изображениях, тут возникают большие проблемы.

Исследователи из бельгийского нанотехнологического исследовательского центра Imec, разработали и продемонстрировали работающий опытный образец голографического проектора нового поколения, в основе которого лежат технологии микроэлектромеханических систем (microelectromechanical system, MEMS). Использование технологий, лежащих на грани между нано- и микро-, позволит в ближайшем времени создать новый дисплей, способный демонстрировать движущиеся голографические изображения.

В основе нового голографического проектора лежит пластина, на которой находятся крошечные, в половину микрона размером, отражающие свет подвижные площадки. Эта пластина освещается светом от нескольких лазеров, направленных на нее под различными углами. Регулируя положение по вертикальной оси светоотражающих площадок можно добиться того, что волны отраженного света начинают интерферировать между собой, создавая трехмерное голографическое изображение. Это все звучит невероятно и кажется очень сложным, но, тем не менее, на одном из снимков можно увидеть статическое цветное голографическое изображение, сформированное с помощью этих крошечных светоотражающих площадок.

Пока еще исследователи Imec не создали дисплей, способный работать с движущимися изображениями. Но, согласно заявлению Франческо Пессолано (Francesco Pessolano), ведущего исследователя проекта Imec NVision: "Главное для нас было понять основной принцип, пути его реализации и проверить работоспособность опытного образца. Все остальное - это всего лишь дело техники и реализуется достаточно легко". Согласно планам Imec, первый опытный голографический проектор и система его управления должны появиться не позже середины 2012 года, вероятно что это не будет громоздкой вещью, ведь 400 миллиардов светоотражающих площадок, требующихся для создания качественного изображения, можно разместить на пластине, размером с пуговицу. Так что ждать осталось уже совсем не долго, а попозже люди смогут забыть про обычные экраны и дисплеи и полностью погрузиться в виртуальный трехмерный мир.

А какие же перспективы этого направления? Мне кажется вот они...

Голограмма Цоя на Сцене

Голограмма Тупака Шакура

Вот это тоже мне понравилось - http://kseniya.do100verno.com/blog/555/12 012 - посмотрите...

Кто еще знает современные методы воспроизведения голографиеского изображения?

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.

Вопросы: § Голография как способ записи и восстановления светового волнового поля § Опорная и предметная волны § Запись и воспроизведение голограмм § Свойства голограмм § Применение голографии

ГОЛОГРАФИЯ КАК СПОСОБ ЗАПИСИ И ВОССТАНОВЛЕНИЯ СВЕТОВОГО ВОЛНОВОГО ПОЛЯ Голографией называют способ записи и восстановления структуры световых волн (светового волнового поля), основанный на явлениях дифракции и интерференции когерентных световых пучков. В переводе с греческого «голография» означает «полная запись» . В отличие от обычной фотографии, голография – это принципиально иной метод получения объемных изображений предметов.

ОПОРНАЯ И ПРЕДМЕТНАЯ ВОЛНЫ В этом методе регистрируется не оптическое изображение предмета, а интерференционная картина, возникающая при наложении световой волны, рассеянной (отраженной) предметом съемки (это так называемая предметная волна) и когерентной с последней опорной волны, идущей непосредственно от того же источника света. Эта интерференционная картина фиксирует на фотопластинке информацию о распределении не только амплитуд (и, соответственно, интенсивности), но и фаз колебаний в предметной волне. Зарегистрированную интерференционную картину принято назвать голограммой. Вывод. Голограмма несет в себе значительно более полную информацию об объекте съёмки, нежели обычный фотоснимок.

Опорная и предметная волны Историческая справка о голографии Основы голографии были заложены в 1947 году в экспериментах английского физика Д. Габора. Желая усовершенствовать электронный микроскоп, Габор предложил регистрировать информацию не только об интенсивностях, но и о фазах электронных волн, отраженных от кристаллических узлов исследуемых образцов. Однако отсутствие мощных источников света с высокой степенью временной и пространственной когерентности (это требование диктовалось большой оптической разностью хода опорной и предметной волн), не позволило ему получить качественных голографических изображений. «Второе рождение» голография пережила в в начале 60 -х годов 20 в. , когда американские физики Э. Лейт и Ю. Упатниекс применили в качестве источника света лазер и разработали схему с наклонным опорным пучком. А вскоре (в середине 60 -х годов) советский физик Ю. Н. Денисюк предложил идею и осуществил запись голограммы в трехмерной среде, положив начало объемной, цветной голографии.

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ГОЛОГРАММ Суть голографического метода можно пояснить с помощью рисунка 1. Фотопленка (ФП) регистрирует интерференционную картину, которая возникает при наложении предметной волны 1, рассеянной объектом съемки и когерентной с ней опорной волны 2, имеющей фиксированные значения амплитуды и фазы. Волна испускается тем же источником света (лазером), что освещает объект (А), и после отражения от зеркала (З) падает на фотопластинку. Зафиксированная на (ФП) интерференционная картина после «проявки» дает голограмму, которая представляет собой очень мелкий и замысловатый узор из чередующихся максимумов и минимумов почернения фотоэмульсии и, в отличие от обычного фотоснимка, не имеет общего сходства с объектом (А).

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ГОЛОГРАММ Полученная голограмма в закодированной форме содержит полную информацию об амплитудах и фазах рассеянной предметной волны. Восстановление изображения объекта (А) по его голограмме (Г) осуществляют, просвечивая последнюю как диапозитив (слайд) опорной волной (2) от того же самого лазера (причем при той же ориентации, которая была использована при снятии голограммы). (см. Рис. 2)

ЗАПИСЬ И ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ГОЛОГРАММ Волна 2 дифрагирует на голограмме (на интерференционной структуре), в результате чего наблюдаются два объемных изображения объекта съемки – мнимое (А’) и действительное (А”). Мнимое изображение (А’) находится в том месте (по отношению к голограмме), где был реальный объект (А) при съемке. (А’) – видно сквозь голограмму, как через окно. Действительное изображение (А”) расположено по другую сторону голограммы. Оно как бы «висит» в воздухе перед голограммой (Г) и является зеркальным изображением объекта. Обычно пользуются мнимым голографическим изображением (А’), которое по своему зрительному восприятию тождественно самому объекту. Оно не только обладает свойством объемности, но и его перспектива изменяется в зависимости от положения глаза наблюдателя по отношению к голограмме. Например, перемещая голову вдоль голограммы, можно «заглянуть» за предмет, находящийся на переднем плане голографии изображения.

Запись и воспроизведения голограмм Замечание. Изменение положения объекта (А) [или его отдельных частей] приводит к изменению не только интенсивности интерференционных максимумов, но и расстояния между ними. Последнее же характеризует, как известно, определенную разность хода, или разность фаз между интерферирующими пучками. Поэтому и говорят, что голограмма содержит информацию об амплитуде волны и ее фазе. Этого достаточно, чтобы восстановить предметную волну в том виде, в каком она была действительности в месте распределения. Таким образом, зафиксированная волна «оживает» с помощью голограммы и создает полную иллюзию реальности наблюдаемых предметов.

Свойства голограмм Основное свойство голограммы, отличающее ее от фотоснимка, где регистрируется только распределение амплитуды падающей на фотослой предметной волны, - состоит в том, что на голограмме регистрируется также и распределение фазы предметной волны относительно фазы опорной волны. Информация об амплитуде предметной волны записана на голограмме в виде контраста интерференционного рельефа, а информация о фазе – в виде формы и частоты интерференционных полос. В результате голограмма при освещении ее опорной волной восстанавливает полную копию предметной волны. Голограмма, регистрируемая обычно на негативном фотоматериале, подобна позитивной записи, т. е. светлым местам объекта соответствуют светлые места восстановленного изображения, а темным – темные.

Свойства голограмм Интерференционная картина в каждой точке голограммы определяется светом, рассеянным всеми точками снимаемого объекта. Поэтому любой участок голограммы содержит информацию обо всем объекте и позволяет восстановить изображение всего объекта, если при повреждении голограммы сохранился только один этот ее участок. Следует иметь ввиду, что чем меньше размеры сохранившейся части голограммы, тем меньше света дифрагирует на ней на стадии воспроизведения изображения. Соответственно снижается яркость и ухудшается четкость голографического изображения объекта (как говорят, уменьшается дифракционная эффективность голограммы). Замечание. Таким образом, голограмма значительно превосходит обычный фотоснимок (фотонегатив) по надежности хранения полной информации (в фотоснимке каждый элемент содержит запись только об изображенной на ней части снимаемого объекта).

СВОЙСТВА ГОЛОГРАММ Голографическая запись информации отличается большой емкостью и компактностью. Так, на одной фотопластинке можно записать достаточно много голограмм от разных объектов, причем изображение каждого объекта можно восстановить без помех со стороны других изображений. Это можно сделать, изменяя каждый раз, например, угол падения опорной волны на фотопластинку. Голография позволяет получить цветные объемные изображения объектов. Для изготовления цветной голограммы используется монохроматический свет лазеров трех основных цветов (красный, зеленый, синий). Запись интерференционных картин, соответствующих свету трех длин волн, может производиться либо одновременно, либо последовательно на одной и той же пластинке. Для воспроизведения цветного объемного изображения объекта нужно одновременно направить на голограмму под соответствующими углами три опорных пучка, использованных при записи.

СВОЙСТВА ГОЛОГРАММ Особыми свойствами обладают объемные голограммы, получаемые с помощью толстослойных фотоэмульсий. На такой голограмме фиксируется не плоская, а пространственная интерференционная картина, возникающая при наложении предметной и опорной волн. Эта голограмма подобна пространственной дифракционной решетке. Здесь должно выполняться условие: толщина светочувствительного слоя (δ) много больше расстояния между поверхностями интерференционных максимумов. В этом случае голограмму считают объемной. Такая голограмма способна выделять из падающего на нее белого света монохроматический свет такой длины волны, который был использован при записи голограммы. Поэтому восстановление изображения, записанного в виде объемной голограммы, можно осуществить как в соответствующем монохроматическом, так и в белом свете. Для объемной «цветной» голограммы достаточно только белого света. [ Это идеи Н. Денисюка]

ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ Трехмерные свойства голографических изображений используются: в лекционных демонстрационных аппаратах; при создании объемных копий произведений искусства, голографических портретов; при исследовании движущихся частиц, капель жидкости, треков ядерных частиц в пузырьковых камерах (или в искровых камерах) Объемность изображения делает перспективным создание голографического кино и телевидения. Однако здесь еще существуют технические трудности по созданию больших, динамических голограмм (для кинозалов) и трудности с передачей по телеканалам трехмерных движущихся сцен (необходимо увеличить на несколько порядков полосу пропускания канала).

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

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

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

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

Рисунок 4 - Принципиальная схема записи голограммы Лейта-Упатниекса:

1 - лазер; 2 - линза; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - объект; 5 - фотопластинка-детектор; 6 - линза в режиме лупы.

ОЛ - опорный луч, ПЛ - предметный луч.

Схема регистрации голограмм Ю.Н. Денисюка

Схема регистрации голограммы, предложенная Ю.Н. Денисюком, представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Принципиальная схема записи голограммы Ю.Н. Денисюка.

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