Применение голографии

Доклад по предмету

«Основы оптики».

Тема: Применение голографии.

Москва 2002

Содержание:

1)     Введение.

2)     Голографическое кино и телевидение.

3)     Трехмерная фотография.

4)     Применение голографии в технологии и оптотехнике.

5)     Неоптическая голография.

6)     Другие виды  применения голографии.

7)     Список литературы.

Введение.

Оптика - раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом, - относится к числу наиболее старых и хорошо освоенных областей науки. Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь прежде всего имеется в виду голография, которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям.

            Голография (от греч. holos - весь и grapho – пишу, т.е. «полная запись») – особый способ записи и последующего восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновой оптики – законам интерференции и дифракции.  Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведения пространственного изображения предметов изобретен английским физиком Д.Габортом (1900-1979) в 1947г. (Нобелевская премия 1971г.). экспериментальное воплощение и дальнейшая разработка этого способа (советским ученым Ю.Н.Денисюком в 1962г. и  американскими физиками Э.Лейтом и Ю.Упатниексом в 1963г. стали возможными после появления в 1960г. источников света высокой степени когерентности – лазеров.

            Методы голографии (запись голограммы в трехмерных средах, цветное и панорамное голографирование и т.д.) находят все большее развитие. Она может применяться в  ЭВМ с голографической памятью, голографическом электронном микроскопе, голографическом кино и телевидении, голографической интерферометрии и т.д.

Голографическое кино и телевидение.

Изображения, наблюдаемые при восстановлении волнового фронта с голограммы, поражают своей реальностью. Параллакс, яркие блики от отражающих поверхностей, перемещающиеся по предмету при изменении точки зрения,  стереоскопичностью изображения, возможность получения многоцветных  изображений – все это делает перспективы голографического кино и телевидения весьма заманчивыми.

На пути голографического кино стоят большие, но, по-видимому, преодолимые трудности; главная из них – создание огромных голограмм, через которые, как через окно, одновременно могли бы наблюдать изображение большое количество людей. Эти голограммы должны быть «живыми», т.е. меняться во времени в соответствии с изменениями, происходящими с объектом. Один из возможных вариантов – запись многих  изображений на одну голограмму при разном наклоне опорного пучка. Если при восстановлении поворачивать голограмму, то изображения будут последовательно восстанавливаться, создавая эффект движения. Принципиальная возможность осуществления таких систем уже экспериментально доказано, однако на одну двухмерную голограмму нельзя записать более одного-двух десятков кадров. Гораздо большие возможности представляют в этом смысле трехмерные среды, например кристаллы. Однако размеры кристаллических голограмм пока не могут быть достаточно большими.

Будущее голографического кино, по-видимому, определяется успехами в разработке регистрирующих сред для записи динамических голограмм. Такие среды должны обладать высокой чувствительностью и разрешающей способностью, иметь малую инерцию и допускать многократную (миллиарды раз) запись и стирание голограмм. Располагая такой  записывающей средой, можно последовательно копировать на нее голографические кадры с помощью мощного импульсного лазера.

Помимо очевидных преимуществ, связанных с трехмерностью изображения, отметим здесь помехоустойчивость, надежность голографического телевидения, возможность передачи больших контрастов, кодирования телевизионных передач и т.д. Следует, однако, иметь в виду, что трехмерная сцена, демонстрируемая на экране телевизора современных размеров, приведет к ощущению «кукольности» изображенного на ней, поэтому настоящим реальным зрелищем голографический телевизор станет лишь, когда появится техническая возможность прейти к голографическому экрану больших размеров.

Перед техникой голографического телевидения стоит и ряд других нерешенных проблем. Для передачи трехмерного изображения высокого качества необходима примерно в несколько тысяч раз большая передающая способность (ширина полосы пропускания) телевизионного канала, чем используемая сейчас в вещательном телевидении. Прогресса в голографическом телевидении следует ожидать, с одной стороны, в увеличении передающей способности каналов связи, а с другой – в уменьшении количества информации, необходимой для построения голограммы.

Широкополосные каналы связи, по-видимому, могут быть созданы на лазерных пучках. Для уменьшения количества информации, необходимой для построения голограммы, возможны различные приемы как разработанные для телевидения, так и специально голографические. Например, можно передавать по телевизионному каналу не всю голограмму,  а ее узкую горизонтальную полоску. На выходе эта полоска мультиплицируется и таким образом составляется полная голограмма, состоящая из одинаковых горизонтальных полосок. Естественно,  что при восстановлении по такой голограмму волнового фронта параллакс останется только  в горизонтальной плоскости. Однако именно этот параллакс наиболее важен для ощущения глубины сцены – ведь наши глаза находятся в одно горизонтальной плоскости. Этот же метод может оказаться полезным для голографического кино. Проекция щелевой голограммы может осуществляться при ее непрерывном движении с постоянной скоростью.

Если избавиться также и от горизонтального параллакса, составляя голограмму не из полосок, а из одинаковых маленьких квадратиков, то удастся уменьшить количество передаваемой информации примерно на три порядка без чрезмерного ухудшения качества изображения. При этом, конечно, изображение на экране уже не будет стереоскопичным и  из всех преимуществ останется только ее помехоустойчивость.

В 1994 году в рамках совместных работ Научно-исследовательского кинофонтоинститута (НИКФИ) и Корейского института науки и технологии была теоретически отработана и экспериментально обоснована семиракурсная телевизионная система. В этой системе семиканальная съемочная аппаратура формирует сигналы изображений соответствующих ракурсов. Сигналы подвергаются сжатию и поступают в стандартный телевизионный канал или соответствующую видеозаписывающую аппаратуру. Воспроизведение осуществляется с помощью семиканального видеопроектора и голографического экрана. Отвлекаясь от деталей, можно сказать, что применяется схема, уже апробированная в НИКФИ более десятка лет назад.

Макетные испытания и демонстрация возможностей системы проводились в "видеозале" с одним зрительским местом. Это определялось только экраном. В принципе уже обоснована возможность создания видеозалов на десятки и сотни зрительских мест. Трудности здесь чисто технические. Передача многоракурсных телевизионных программ возможна по стандартным телевизионным каналам. Полностью применимы цифровые технологии обработки информации, алгоритмы сжатия MPEG-2 и  MPEG-4.

Существующие сегодня системы трехмерного телевидения, разработанные в России в рамках программы П.В. Шмакова, в Японии и других странах ограничиваются двухракурсными схемами. Это самое грубое приближение к объемному видению. Оно утомительно для зрителя, поскольку эффект объема сохраняется только при неподвижности зрителя, исключен эффект оглядывания. Глубина восприятия объема минимальна. Недостатком является и наличие очков. Семиракурсная система - принципиально безочковая и обеспечивает оглядывание предметов, глубина эффекта почти не ограничена. Предметы можно приблизить к зрителю практически вплотную или удалить на неограниченное расстояние. Зритель расслаблен. Сейчас трудно сказать, какое число ракурсов необходимо для полноценного воспроизведения эффекта объема. Но ясно, что семиракурсная система обеспечивает очень высокое качество объемного изображения.

Трехмерная фотография.

Голограммы могут регистрировать излучение, рассеянное объектом.  На рисунке показаны схемы регистрации голограмм с углом охвата 360°. Однако можно регистрировать голограмму с таким охватом и при обычном (не всестороннем) освещении. Для этого необходимо сделать много экспозиций, поворачивая каждый раз объект на небольшой  угол и засвечивая при каждой экспозиции узкую вертикальную полоску голограммы.

РИСУНОК

Трехмерные свойства восстановленных с помощью голограмм изображений могут быть использованы в рекламе, лекционных демонстрациях, при конструировании художественных панорам, создании копий произведений искусств, регистрации голографических портретов. При получении голографического портрета  человека необходимы столь краткие выдержки, чтобы структура голограммы не была  размыта вследствие смещений освещенной поверхности. Это требует повышения мощности лазера, используемого для получения голограммы. При этом, однако, не следует забывать о предельно допустимой концентрации энергии на поверхности сетчатки человеческого глаза. Выход из положения заключается в освещении лица с помощью рассеивающих экранов большой площади.

Применение голографии в технологии и оптотехнике.

            В ряде технологических процессов можно использовать образуемые голограммами действительные изображения. При просвечивании голограмм мощным лазером можно наносить на обрабатываемые поверхности сложные узоры. В частности, голограммы уже применялись для бесконтактного нанесения микроэлектронных схем. Основные преимущества голографических методов перед обычными – контактными или проекционными – достижение практически безаберрационного изображения на большом поле. Предел разрешения голограммы может достигать долей длины световой волны. На изображение практически не влияют пылинки, осевшие на голограмму, царапины и другие дефекты, в то время как для контактных или проекционных фотошаблонов это приводит к браку.

            Другое применение голограммы в технологии – использование ее в качестве линзы. Фокусирующие свойства зонных решеток известны давно. Однако применение решеток ограничивалось трудностями их изготовления. Голографические зонные решетки – голограммы точечного источника – просты в изготовлении и несомненно будут полезны в лазерной технологии. Например, с помощью голографических линз получали отверстия диаметром до 14 мкм в танталовой пленке, нанесенной на стекло. Голографические решетки совсем не имеют ошибок, свойственных обычным решеткам, нарезанным на делительной машине.

Неоптическая голография.

            С помощью голографии успешно решается проблема визуализации акустических полей. Это имеет большое прикладное значение. Возможные применения звуковой голографии – дефектоскопия, изучение рельефа морского дня, звуколокация, звуконавигация, поиск полезных ископаемых, исследование структуры земной коры и т.д.

            Особе значение имеет ультразвуковая голография для медицинской диагностики.

            Регистрация звуковых голограмм производится таким образом, чтобы запись допускала оптическое восстановление. Для этого используются  следующие методы:

1)      Сканирование звукового поля. Сигнал от приемника ультразвука (микрофона, пьезоэлемента и т.д.) модулирует световой поток, образующий оптическую голограмму. Возможны различные модификации такой схемы. На рисунке изображен вариант такой схемы, в которой сигнал сканирующего приемника управляет яркостью укрепленной на нем точечной лампочки. В других схемах сигнал с приемника подается на электроннолучевую трубку. Развертка производится синхронно с перемещением датчика и голограмма фотографируется с экрана трубки. Возможны как однолучевые, так и двулучевые варианты звуковой голографии. Впрочем, роль опорного звукового луча может играть электрический сигнал с генератора звука, добавляемый к сигналу датчика.

РИС 74(119)

2)      Фотография. Ультразвуковое полк можно непосредственно  зарегистрировать на фотопластинку, используя то обстоятельство, что ультразвук интенсифицирует химические реакции, происходящие при проявлении или фиксации фотослоя. Предварительно равномерно засвеченная, но не проявленная фотопластинка помещалась в ванну со слабым раствором гипосульфита. В ней создавалось ультразвуковое поле, и в пучностях звуковых волн происходило быстрое растворение галоидного серебра. После 20-30 секундного «озвучивания» пластинка проявлялась на свету. Полученная таким образом звукоголограмма восстанавливала изображение в световом пучке. Точно так же можно экспонировать фотопластинку  ультразвуком в слабом проявляющем растворе. Пластинка должна быть предварительно засвечена. Проявление в пучностях звуковых волн идет намного быстрее, чем в узлах.

3)      Деформация поверхности жидкости под действием звукового давления. Этот способ обладает тем преимуществом, что позволяет производить оптическое восстановление полученной отражательной голограммы одновременно с ее образованием и наблюдать, таким образом, за процессом в реальном времени. Поверхность жидкости покрывалась термопластической пленкой, которая деформировалась ультразвуковой волной, затем охлаждалась и использовалась в дальнейшем как фазовая оптическая голограмма.

РИС 76(121)

4)      В качестве объемной голограммы можно использовать саму ультразвуковую волну в жидкости, бегущую или стоячую. Уплотнения и разрежения жидкости сопровождаются изменениями ее показателя преломления. Таким образом, звуковая волна представляет собой трехмерную фазовую голограмму. В результате на такой голограмме можно получить в реальном времени световую копию ультразвуковой волны.

Другие виды  применения голографии.

Голографическое хранение данных.

Идея голографических носителей заключается в записи информации с помощью лазерного луча на трехмерную подложку, вместо нескольких гигабайт, такая среда могла потенциально сохранять терабайты данных на носителе не больший чем компакт-диск. Голографические данные могут считываться на очень высоких скоростях.

На первых стадиях разработки главной проблемой было создание пространственных модуляторов света (spatial light modulator). В настоящее время технология этих устройств в достаточной степени отработана, а наиболее сложной задачей стал подбор вещества-носителя информации. В январе 2001 года компания Lucent сообщила о создании носителя, способного выдержать до 1000 циклов перезаписи без ущерба сохранности данных и скорости доступа к ним. Внешне носитель напоминает прозрачный компакт-диск. По данным Imation первые голографические диски смогут хранить около 125 Гб информации, а скорость передачи данных составит до 30 Мб/с.

Изобразительная голография.

Технология получения изобразительных голограмм, восстанавливаемых в белом свете, разработана в середине 60-х годов, однако до настоящего времени голография по масштабам распространенности и объемам производства не приблизилась к традиционной фотографии (за исключением тисненных радужных голограмм). Это обусловлено целым рядом технических сложностей, присущих современной технологии съемки и тиражирования изобразительных голограмм. В частности, в настоящее время при записи мастер-голограмм в подавляющем большинстве случаев используются лазеры непрерывного излучения, что накладывает жесткие ограничения на условия съемки (необходимость повышенной виброизоляции, стабильность температуры и других параметров окружающей среды). Указанные сложности многократно возрастают при увеличении формата голограмм. Поэтому отражательные голограммы, особенно большого формата, до сих пор остаются уникальными изделиями и изготавливаются лишь в условиях специализированных лабораторий при участии специалистов высшей квалификации.
            Кроме того, при использовании лазеров непрерывного излучения оказывается принципиально невозможной голографическая съемка живых объектов, например, портретов человека. Для съемки мастер-голограмм живых объектов в настоящее время используются импульсные лазеры на рубине или неодимовом стекле с последующим интерференционным копированием. Однако монохроматичность таких голографических изображений при полной реалистичности деталей делает их "неживыми", "замороженными", что зачастую производит отталкивающее впечатление.
            При копировании таких голограмм с помощью лазеров непрерывного излучения возникают искажения масштаба, связанные с разницей длин волн лазеров, используемых при съемке оригиналов и их копировании.

Криминалистическая голография.

Голографические методы обработки информации, использующие интерференционную систему записи исходных данных, привлекают в настоящее время большое внимание, что связано с возможностью их использования для создания голографических запоминающих устройств большой емкости, кодировании информации, распознавания и сравнения изображений объектов и других задач. Возможность записи информации о различных объектах на один и тот же участок поверхности голограммы, а также во всем ее объеме позволяет обеспечить высокую плотность записи. Это открывает пути для создания компактных, в том числе и переносимых запоминающих устройств, причем виды записи могут быть самые разнообразные (графические, буквенные, цифровые, предметные и т.п.). Возможность голографического кодирования информации может быть широко использована в криминалистике. Например, как средство устраняющее возможность подделки документов, или как средство технической гарантии, препятствующее фальсификации объектов. Голографическое кодирование осуществляется с помощью специальных масок, которые в процессе фиксации интерференционной картины создают сложную форму волнового фронта Для восстановления записанной таким образом информации об объекте необходимо иметь точную копию использованной при записи маски, форма которой может быть самой разнообразной, вследствие чего подобрать ей подобную практически невозможно. Голографические методы могут быть использованы в криминалистике и как средства исследования. Они могут быть использованы при исследовании рельефа (в том числе и микрорельефа) поверхности объекта; для измерения поверхности объекта любой формы; изучения кратковременных явлений; сравнительных исследований и при решении ряда других задач криминалистических исследований.

Задачу сравнения объекта с большим количеством ему подобных, более эффективно можно решать с помощью голографического метода оптической согласованной фильтрации. Области применения названного метода могут быть самыми разнообразными: для кодирования информации, улучшения качества фотографического изображения, создания запоминающих устройств большой емкости, распознавания и сравнения изображений объектов, оперативного поиска информации в большом массиве. Проведенные экспериментальные исследования принципиально доказали возможность использования голографического метода для сравнительного исследования фотопортретов в целях идентификации личности, сравнение следов папиллярных узоров рук. Рассматриваемый метод применим для сравнения оттисков печатных форм и машинописных текстов, исполненных на новых аппаратах, не имеющих видимых дефектов шрифта

Список литературы:

1)      «Элементарный учебник физики» Том III, Г.С.Ландсберг, Москва 1986г.

2)      «Курс физики», Т.И. Трофимова, Москва 1985г.

3)      Моя

4)      Интернет:

А) «Голографическое телевидение» Подборка статей.

           #"#">http://www.pereplet.ru/