О голографии

28.05.2006
Новиков М.Г.

Введение
Отличие голограммы от фотографии
Запись голограммы
Воспроизведение голограммы
Историческая справка
Термины
Рекомендуемые сайты

Введение

Голография (от греч. holos — весь, полный и «графия» (от греч. grapho — пишу, черчу, рисую)), метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Этот метод действительно полный (фиксируется вся информация о световом фронте, отраженном объектом).

В этой статье я дам общее представление о физической сути голографии. После прочтения этой статьи вы будете в полной мере готовы к восприятию моего следующего материала, посвященного многоцелевым голографическим дискам HVD — оптическим дискам, приходящим на смену CD, DVD и BR(HD)-DVD.

[Вернуться в начало]

Отличие голограммы от фотографии

Почему мы видим фотографию плоской, а голограмму — объёмной?

Сначала определим, каким образом мы ощущаем объём. Каждая точка предмета отражает свет во все стороны, поэтому мы можем видеть её а также и весь предмет с разных сторон. Левый глаз видит предмет с более левого ракурса, а правый — с более правого. Два изображения с разных ракурсов от каждого глаза обрабатываются мозгом и он нам дает ощущение объёма предмета. Закройте один глаз, и вы увидите предмет плоским; теперь об объёме предметов можно догадаться лишь по вторичным признакам — падающим теням и тому, как мы фокусируем хрусталик глаза на то или иное расстояние.

Теперь подумаем, как предмет оказывается на фотографии. На фотоплёнку с помощью линзы фокусируется световой фронт, рассеиваемый предметом (каждой его точкой). Замечу, что точно также хрусталик глаза фокусирует рассеиваемый световой фронт на глазное дно. После фокусировки рассеянный световой фронт превращается в направленный. То есть световые лучи, идущие от каждой точки предмета во все стороны, теперь идут только в одном направлении — каждый на свою точку фотоплёнки. На фотопленке появляется световой рисунок, в котором мы узнаем изображение предмета. Рисунок фиксируется фоточувствительным слоем пленки, и теперь его можно спроецировать на фотобумагу и зафиксировать на ней. Каждый глаз, смотрящий на фотографию получит одну и ту же картинку, и мозг нам выдаст, что предмет плоский.

Почему же голограмма даёт нам ощущение объёма? Потому что она полностью моделирует падающий на неё при записи световой фронт, рассеиваемый предметом. Каждая точка голограммы запоминает все попадающие на неё лучи, рассеиваемые всеми точками предмета (а не только сфокусированные, как при обычной фотосъёмке), которые потом и воспроизводятся ею. При определённой подсветке голограммы за счёт явления дифракции возобновляется весь световой фронт, шедший от предмета и уже ничем от него не отличается. А раз световые фронты теперь совпадают, то каждый глаз снова видит изображение с разных ракурсов.

[Вернуться в начало]

Запись голограммы

Разумеется, просто так записать несфокусированное изображение невозможно — поставленный перед предметом фотоматериал просто равномерно засветится, ибо фотослой реагирует лишь на усреднённую интенсивность световых волн (яркость). Однако сами волны и названы волнами, потому что они по своей природе неоднородны (волна имеет амплитуду своей интенсивности, а точнее, поскольку свет — это электромагнитная волна — амплитуды напряженностей составляющих её электрического и магнитного поля). Частота этих амплитуд как раз и характеризует цвет света, а их величина — его яркость.

Вот эту неоднородность волн как раз и можно использовать для записи несфокусированного светового фронта. Как же это сделать? Неоднородность света проявляется в явлении интерференции, то есть суммирования амплитуд пересекающихся волн. Это явление порождает другое явление — т.н. «стоячие» волны, которое поможет нам просто «заморозить» световой фронт на время, достаточное для его записи на фотоматериал.

Чтобы воспроизвести вышеупомянутые явления, и «заморозить» световой фронт, идущий от предмета, освещающий его свет должен удовлетворять трём основным условиям:

Быть определённой длины волны, то есть каждый излучающий атом источника света должен излучать волну одинаковой длинны (замечу, что длина волны даёт глазу ощущение цвета). В обычном же свете намешаны все длины волн светового диапазона.
Быть согласован по фазе, то есть каждый излучающий атом источника света должен излучать волну одновременно с другими, а не в разнобой. В обычном свете даже одного цвета, сдвиг фаз волн, излучаемых разными атомами источника света, различен.
Быть поляризованным, то есть каждый излучающий атом источника света должен излучать одинаково ориентированные в пространстве поля волны. Любая электромагнитная волна (в т.ч. и световая) имеет электрическое и магнитное поле. Напряженность электрического поля волны колеблется перпендикулярно направлению её распространения, а напряженность магнитного поля — перпендикулярно и направлению распространения, и колебанию напряженности электрического поля. Только одинаково ориентированные напряжённости волн могут складывать свои электромагнитные поля, а значит и интерферировать. В обычном свете ориентация полей волн, излучаемых разными атомами источника света, различна.

Такой абсолютно «правильный» свет излучается только оптическими квантовыми генераторами (лазерами), которые и применяются в голографии.

Те же требования выдвигаются и опорному свету, непосредственно падающему на фотопластину. Более того, оба луча света должны иметь одинаковую длину волны и одинаковую поляризацию. Проще всего соблюсти это условие, разделив один луч лазера на два полупрозрачным зеркалом.

Итак, как же создать «стоячие» волны, чтобы записать их на фотоматериал? Как я уже говорил выше, две волны «правильного» света, пересекаясь, складывают свои амплитуды, если совпадают по фазе, или взаимоуничтожаются, если не совпадают. Если обе волны одной длины, то совпадать и складывать свои амплитуды они будут всегда в одних и тех же местах пространства. Поскольку этот процесс будет происходить очень быстро, мерцание не будет заметно глазу, и поэтому мы увидим неподвижно стоящие в пространстве участки повышенной интенсивности электромагнитного поля («стоячие» волны). При помещении пластины фотоматериала в место пересечения этих волн, на ней будут засвечены области с удвоенной при интерференции амплитудой, и не засвечены те области, где амплитуды взаимоуничтожились.

Интерференция

Поскольку волны проходят равномерные расстояния от источников до фотоматериала, то их единовременный слепок на его поверхности будет представлять собой равномерные полосы (а при рассмотрении в объёме — плоскости). Полосы образуются за счёт того, что один из источников расположен к фотоматериалу под некоторым углом, и каждый соседний его лучик будет проходить чуть больший путь, и касаться фотоматериала при немного другом состоянии своей фазы. Через определенное количество лучиков фаза снова повторится, и т.д. В результате максимумы фаз волны от основного источника застают максимумы фаз волны углового источника на поверхности фотоматериала через определенные промежутки.

Теперь рассмотрим собственно процесс получения и записи стоячих волн применительно к съёмке предмета. Освещаем предмет лазером. Отраженные от каждой точки предмета и рассеянные этими точками волны достигают разных точек фотоматериала с разными сдвигами фазы, поскольку проходят разное расстояние. Берем еще один (опорный) источник света той же длины волны, и направляем его непосредственно на фотоматериал чуть сбоку. На фотоматериале появляется сложная система стоячих волн, полностью характеризующая освещённый предмет.

[Вернуться в начало]

Воспроизведение голограммы

Для считывания голограммы её нужно осветить опорным лучом той же длины волны и под тем же углом, что и при записи. Свет, проходя сквозь неоднородность голограммы, дифрагирует и рассеивает тот же световой фронт, который падал на неё при записи. Голограмма, по сути, является дифракционной решёткой, а явление отклонения света при его проходе через отверстия называется дифракцией.

Кстати, явление дифракции света до конца не понято. Сейчас существуют много разных теорий, ибо официальная наука не даёт чёткого описания физики этого процесса. Существует лишь математическое его описание, позволяющее рассчитывать дифракцию для использования её в технике.

[Вернуться в начало]

Историческая справка

1907-1914 годы
Польский физик Мечислав Вольфке начал интересоваться вопросами теории дифракционного изображения и выполнял теоретические работы двухступенного восстановления изображения объекта, при котором используется дифракционная картина, образуемая этим объектом. Свою идею Вольфке сформулировал применительно к рентгеновским лучам и проверил на опыте в видимом свете. Соответствующие публикации появились в 1920 году.

1913 год
При исследовании отражения рентгеновских лучей к идее восстановления изображения подходил Э. Хупка

1938 год
Немецкий оптик Г. Берш в своей статье «К образованию изображения в микроскопе» указал, как можно получить с помощью микроскопа изображение решетки, не помещая последнюю на предметный столик микроскопа. Это можно осуществить, создав в задней фокальной плоскости объектива микроскопа распределение светового потока, соответствующее дифракционной картине, полученной с помощью решетки.

1939 год
В статье «Новый тип рентгеновского микроскопа» У.Л. Брэггом сформулирована идея визуализации кристаллической решетки с помощью процесса дифракции на дифракционной картине, полученной в рентгеновских лучах.

1947 год
Голографический метод регистрации и воспроизведения объектов был предложен Д. Габором, как один из методов корпускулярной (электронной) оптики, возникшей в ходе исследования путей совершенствования электронной микроскопии, и был опробован в оптическом диапазоне. Общая идея метода голографии в электронной микроскопии как двухступенчатого процесса, «в котором предмет регистрируется с помощью пучка электронов, а восстанавливается с помощью светового пучка», возникла как модификация идеи У.Л. Брэгга.

1962 год
Ю.Н. Денисюк четко сформулировал принцип оптической голографии, обобщая метод Д. Габора. Он создал голограмму, записанную не на поверхности фотоматериала, как у Габора, а в его объёме, что выявило новые полезные свойства голограмм.

1962 год
Лейт и Упаниекс представили свой метод лазерной голографии. После этого метод голографии начал быстро развиваться. Были разработаны голограммы, позволяющие восстанавливать изображение в белом свете; активно ведутся исследования в направлении применения голографии для обработки данных.

1963 год
Исследователь Pieter J. van Heerden (Ван Хеерден) из компании Polaroid Research Laboratories в Кэмбридже, штат Массачусетс, первым предложил идею голографической памяти. Десятилетием позже исследователи из RCA Laboratories демонстрировали технологию записи 500 голограмм на небольшом кристалле. Успех дешевой полупроводниковой памяти на некоторое время стал причиной прекращения работ в данном направлении.

1969 год.
Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Открытие Бентона позволило начать массовое производство недорогих голограмм путем "штамповки" интерференционных картин на пластик. Голограммы именно такого типа применяются сегодня для защиты от подделок документов, банковских карточек и т.д. Благодаря Бентону голография обрела популярность в широких слоях общества.

Середина 70-х годов
Начата разработка систем голографического кинематографа.

1999 год
24 декабря основана компания Optware, ориентированная на разработку голографической памяти.

2000 год
Основана компания Inphase Technologies, ориентированная на разработку голографической памяти.

[Вернуться в начало]

Термины

Голография — направление в оптической физике, в основе которого лежат специальные методы записи и восстановления полной информации о световых волнах. При записи используется метод, основанный на явлении интерференции, а при восстановлении — метод на основе явления дифракции.

Голограмма — это слепок оптической информации, содержащий не только яркостную (амплитуда волны), но и объёмную (сдвиг фазы волны) информацию, то есть практически всю оптическую информацию, исходящую от предмета. Таким образом, записанная голограмма позволяет воспроизвести абсолютно точную копию волны, рассеянной объектом.
Информация о фазе волны с помощью опорного луча света встраивается в её амплитуду, и в результате на фотопластине фаза волны отражается в геометрии интерференционных полос а амплитуда — в их яркости. Фактически голограмма является дифракционной решёткой, при освещении которой полностью восстанавливается световой фронт, шедший от записываемого предмета.

Объёмная голограмма — голограмма, сохраненная не на плоскости, а в некой объёмной фоточувствительной среде. Такая голограмма получает возможность содержать множество разных изображений и показывать каждое из них при определённом угле подсветки. Кроме этого у объемной голограммы есть много других полезных свойств.

Интерференция — сложение двух или более волн одинаковой частоты, при котором амплитуда результирующей волны зависит от разности фаз исходных волн в данной точке пространства. Для наблюдения интерференции свет от одного источника нужно разделить на два луча (например, полупрозрачным зеркалом), чтобы иметь два источника с одинаковыми длинами волн, и затем под углом наложить их друг на друга. При разделении лучей амплитуда их волн уменьшается, делясь между ними, а при наложении увеличивается в местах пересечения волн. Таким образом, если мы поставим в месте пересечения волн экран, то увидим на нем чередование светлых и тёмных областей.

Дифракция — процесс распространения волн, идущий с отклонением от законов геометрической оптики. В частности — это явление огибания волнами препятствий. Угол огибания пропорционален длине волны. Наиболее заметно огибание проявляется в условиях, когда размер препятствия соизмерим с длиной волны.

[Вернуться в начало]