4.4. Голографические компенсаторы.

Данный тип ГОЭ применяют для коррекции оптических изображений. Голографические компенсаторы позволяют реализовать метод коррекции изображений, основанный на использовании сопряженной волны, образующей действительное изображение объекта (рис.). При совмещении действительного изображения искажающего элемента с самим этим элементом происходит восстановление первоначальной формы световой волны и получается неискаженное изображение наблюдаемого объекта. Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа матового стекла или турбулентная атмосфера.

Рис.. Изготовление и работа голографического компенсатора.

Поясним суть метода на примере коррекции линзовых аберраций. На этапе изготовления голографического компенсатора на фотопленке Ф получают голограмму искажающего элемента -аберрационной линзы Л. При компенсации аберраций голограмму Г располагают по отношению к линзе в том же положении, как и при регистрации, и через нее наблюдают искаженное изображение объекта. Свет от объекта О дифрагирует на голограмме, и волна соответствующего порядка формирует свободное от аберраций изображение объекта! При освещении голограммы объектной волной от монохроматического источника В, искаженной линзой Л, восстановится изображение опорного источника Р. Если же объектная волна дополнительно искажена объектом, расположенным перед аберрационной линзой Л, то и в восстанавливающую волну вносятся такие же искажения и наблюдатель увидит изображение объекта.

Метод компенсирующей голограммы может быть использован для коррекции искажений, создаваемых не только аберрациями линзы, но и оптически неоднородной средой, разделяющей объект и приемную оптику (в том числе волоконно-оптическими жгутами).

Данный тип ГОЭ применяют для коррекции оптических изображений. Голографические компенсаторы позволяют реализовать метод коррекции изображений, основанный на использовании сопряженной волны, образующей действительное изображение объекта (рис.). При совмещении действительного изображения искажающего элемента с самим этим элементом происходит восстановление первоначальной формы световой волны и получается неискаженное изображение

наблюдаемого объекта. Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа матового стекла или турбулентная атмосфера.

Рис. Изготовление и работа голографического компенсатора.

Поясним суть метода на примере коррекции линзовых аберраций. На этапе изготовления голографического компенсатора на фотопленке Ф получают голограмму искажающего элемента -аберрационной линзы Л. При компенсации аберраций голограмму Г располагают по отношению к линзе в том же положении, как и при регистрации, и через нее наблюдают искаженное изображение объекта. Свет от объекта О дифрагирует на голограмме, и волна соответствующего порядка формирует свободное от аберраций изображение объекта! При освещении голограммы объектной волной от монохроматического источника В, искаженной линзой Л, восстановится изображение опорного источника Р. Если же объектная волна дополнительно искажена объектом, расположенным перед аберрационной линзой Л, то и в восстанавливающую волну вносятся такие же искажения и наблюдатель увидит изображение объекта.

Метод компенсирующей голограммы может быть использован для коррекции искажений, создаваемых не только аберрациями линзы, но и оптически неоднородной средой, разделяющей объект и приемную оптику (в том числе волоконно-оптическими жгутами).

4.5 Голографический микроскоп.

Двухступенчатый метод голографии впервые позволил создать микроскоп, регистрирующий не только амплитуду, но и фазу световой волны, рассеянной объектом. Появление такого микроскопа открыло новые возможности исследования микрообъектов, недостижимые известными методами классической микроскопии.

В безлинзовом микроскопе достичь увеличения можно, применяя разные длины волн или разные радиусы кривизны на стадиях получения голограмм и восстановления волнового фронта.

Схема голографического микроскопа с прямой голографической записью волновых фронтов приведена на рис. Объект 2 помещается в расходящийся лазерный пучок. Полученная дифракционная картина фиксируется вместе с когерентным фоном на фотопластинке на расстоянии z1 от объекта.

Рис. Запись и восстановление увеличенного изображения в голографическом микроскопе с прямой записью.

Увеличение восстановленного изображения определяется выражением

M = [1 ± (z1λ1/z3λ2) - (z1/z2)]-1,

где λ1, λ2 - длины волн источников излучения при записи и восстановлении; z1 - расстояние от исследуемого объекта до плоскости голограммы; z2, z3 - расстояния от точечных диафрагм до плоскости голограммы соответственно в схемах записи и восстановления. Знак "-" относится к действительному изображению, знак "+" - к мнимому.

Если применяются коллимированные опорный и восстанавливающий пучки (z2 = z3 = ∞), то микроскоп работает с единичным увеличением. При использовании коллимированного пучка только на стадии восстановления (z3 = ∞) увеличение микроскопа не зависит от соотношения длин волн при записи и восстановлении и обусловлено только первой стадией процесса.

При z2 = ∞ увеличение M = [1 ± (z1λ1/z3λ2)]-1 и достигает больших значений для действительного изображения при z1λ1 = z3λ2. При z1 = z3 увеличение M = [1 ± (λ1/λ2)]-1 и зависит только от соотношения длин волн при записи и восстановлении. Следовательно,

увеличение безлинзового голографического микроскопа определяется соотношением длин волн и кривизной волновых фронтов, используемых при записи и восстановлении, и может легко регулироваться. Однако при этом получаемые изображения сопровождаются значительными аберрациями, что необходимо учитывать в безлинзовой голографической микроскопии. И именно здесь целесообразно применять методы согласованной фильтрации.

Несомненными преимуществами обладает голографический микроскоп с предварительным увеличением (рис.). Полупрозрачный объект 5 помещают на предметном стекле и освещают расположенным вплотную к нему конденсором 4 светом лазера 1. Объектив микроскопа 6 создает увеличенное действительное изображение объекта, регистрируемое вместе с опорным пучком на голограмме 8, помещаемой между объективом и окуляром 9.

Рис. Схема голографического микроскопа с предварительным увеличением.

Объектив и фокусирующую линзу 10 подбирают так, чтобы обеспечить максимальное совпадение кривизны создаваемых ими волновых фронтов при заданном угле падения на голограмму для уменьшения пространственной частоты регистрируемой интерференционной структуры. Угол между опорными и предметными пучками выбирают достаточно малым из тех же соображений. Восстановленное изображение изучается через окуляр микроскопа, который можно перестраивать по глубине и перемещать по полю зарегистрированного изображения. Подобная схема микроскопа обеспечивает достижение разрешения около 1 мкм.

Можно сравнить две схемы голографического микроскопа. Недостатками схемы прямой регистрации можно назвать высокие требования к разрешающей способности регистрирующей среды и сильное влияние пятнистой структуры на качество изображения. В голографической схеме с использованием микрообъектива для создания увеличенного изображения предмета требования к разрешающей способности минимальны, но поле зрения и глубина регистрируемого пространства определяются свойствами применяемого микрообъектива и весьма малы.

3.Голографические ВЗУ.

1. Голографические запоминающие устройства.

Способность голограмм Фурье хранить информацию успешно реализуется в голографических запоминающих устройствах (ГЗУ). При построении последних стандартным стало использование принципа страничной записи информации в виде матрицы голограмм с их адресацией лучом лазера.

Преимущества оптической памяти состоят в большой емкости (и, соответственно, высокой плотности хранения информации) и высоком быстродействии, возможности параллельной обработки информации, высокой надежности хранения, быстром доступе к массивам информации, отсутствии энергопотребления в статическом состоянии, а главное - большой помехоустойчивости голограмм.

Все ГЗУ можно разделить на следующие основные типы:

- оперативные ГЗУ (на двумерных голограммах и трехмерных с трехкоординатной адресацией);

84

- массовые ГЗУ;

- ГЗУ постоянного типа;

- архивные ГЗУ.

Архивные ГЗУ предназначены для записи и хранения документов без предварительного кодирования. Запись позволяет получить уменьшение документов в 100-200 раз и записать страницу формата 210 × 297 мм в виде фурье-голограммы размером 1-2 мм. На одном носителе записывается около 104 голограмм, но можно довести емкость носителя и до 107. Такие ГЗУ обеспечивают длительное хранение (5-10 лет) без перезаписи, что обусловлено устойчивостью к дефектам носителя, пыли и т.д., а также независимостью от действия внешних электромагнитных и радиационных воздействий. Подобной системой могут оснащаться непосредственно читальные залы крупных библиотек.

Массовые ГЗУ сверхбольшой емкости можно получить, если нанести регистрирующую среду на движущийся носитель типа диска или ленты. В качестве регистрирующей среды для таких систем используют магнитооптические пленки. В ГЗУ с движущимся носителем может быть достигнута высокая плотность записи (порядка 105 бит/мм2), близкая к теоретическому пределу, что на два порядка превышает плотность хранения, достигнутого в ЗУ на магнитных носителях. Емкость таких ГЗУ можно довести до 1013 бит. Чтобы избежать размазывания из-за движения носителя, запись голограмм производится коротким световым импульсом.

Голографические запоминающие устройства постоянного типа (ГЗПУ) не требуют реверсивного регистрирующего материала, обладающего свойством стирания. Наиболее высокое быстродействие среды подобных систем имеют ГПЗУ со страничной организацией и адресуемым лучом. Запись голограмм на носитель информации.

2.Носители информации для голографических ЗУ.

1. Проблемы применения.

Использование лазерной техники для ввода, хранения и выдачи информации в форме объемных изображений позволило создать голографические средства отображения (СО). Объемными изображениями удобно располагать при компьютерном проектировании и производстве, при моделировании сложных объектов, например, летательного аппарата. Такую модель которого можно "прокрутить" на все 360°; при решении уравнений, описывающих трехмерные фигуры (рис.); при наблюдении за поведением живых организмов, клеток, молекул; в устройствах тренажеров для имитации обстановки, максимально приближенной к реальной, при обучении летного состава навыкам пилотирования и в обучающих системах; для тиражирования качественных объемных изображений музейных ценностей; для создания стереоскопических кинофильмов, а также в других специальных приложениях. Богатейшие возможности голографии еще не до конца изучены даже крупнейшими специалистами в этой области.

Рис. Пример результата решения уравнения на ЭВМ в форме пространственного тела.

Дальнейший прогресс в развитии современной вычислительной техники связывают с созданием полностью оптического компьютера, в котором не только обработка информации, но и запись информации и ее считывание осуществляются с помощью лазера. В последние годы интенсивно развиваются различные направления создания голографических ЗУ, использующих оптические методы записи и считывания информации и обеспечивающих высокое быстродействие и произвольный порядок выборки. Объем памяти голографических ЗУ практически неограничен: теоретически достижимая плотность записи с помощью двумерных голограмм 4-108 бит/см2, а с помощью объемных голограмм 4-1012 бит/см3 .

Центральной проблемой создания голографических ЗУ является выбор подходящего материала для создания рабочего регистрирующего слоя носителя информации. Регистрирующая среда для голографических ЗУ должна удовлетворять целому ряду требований, наиболее существенными среди которых являются:

- низкий энергетический порог записи, требующий минимальной плотности энергии записи (от 2-106 Дж/см2 для наиболее распространенных фоточувствительных материалов марки Kodak 649, до 100 Дж/см2 для нелегированного фотополимера типа РММА);

- высокая разрешающая способность;

- высокая дифракционная эффективность, определяемая той частью считывающего опорного луча, которая используется на воспроизведение изображения;

- возможность многократного использования материала для повторных циклов запись-считывание-стирание без существенного ухудшения качества хранимой информации (обратимость материала);

- большая продолжительность хранения информации;

- возможность хранения при отключении питания.

Некоторые из перечисленных требований могут оказаться несовместимыми в применении к конкретной регистрирующей среде.

Регистрация голограмм может быть реализована на целом ряде веществ, в которых происходят различные физические процессы при взаимодействии с лазерным излучением. Наиболее часто используются следующие материалы: аморфные полупроводники, термопластические материалы, магнитные пленки, окислы ванадия, фотохромные материалы, сегнетоэлектрические фотопроводники.

Первые голограммы создавались на обычных фотоносителях, допускавших только однократную запись. Использование серебра в фототехнике повышало стоимость записи информации. В настоящее время наиболее интенсивно исследуются и используются аморфные полупроводники, в частности, халькогенидные полупроводниковые стекла, технология изготовления которых проста и дешева. К ним относятся соединения, содержащие один или несколько халькогенов, к которым относятся сера, селен и теллур. При их взаимодействии с кремнием, германием, висмутом, мышьяком создаются разнообразные аморфные системы -халькогенидные стекла, характеризующиеся тем, что лазерное излучение влияет на их оптические, электрические и структурные параметры. Тонкие слои халькогенидных стекол в виде пленки получают напылением на подложки из слюды или окисных стекол.

2. Воспроизведение голограмм.

Для воспроизведения объемного изображения голограмма помещается под излучение лазера той же длины волны, которая использовалась при записи голограммы. Зеркальный экран освещается потоком опорного света лазера и отраженного от голограммы (рис.). Происходит сложение этих волн, обратное тому сложению, которое производилось при записи голограммы, и на экране возникает объемное изображение объекта. Разумеется, при перемещении оператора по дуге около экрана его глаза не смогут увидеть больше того, что "увидел", т. е. просканировал ранее, лазер - изометрическую проекцию объекта. Однако оператору не потребуется стереоскопических очков, как при использовании стереоскопических установок.

Возможно большое увеличение масштаба изображения,

для чего не требуется сложная оптическая система. Увеличение достигается кратным изменением частоты волн, излучаемых считывающим лазером. Благодаря этому возможно создание коллективного средства объемного отображения информации.

Голографические устройства - это своеобразные ВЗУ. Возможно составление картотеки разных объектов, которые могут воспроизводиться по мере надобности. Голограмма может быть введена в ЭВМ с помощью устройства считывания изображений - сканера, и выведена из ЭВМ и восстановлена на носителе. Для этого ее выводят на экран электронно-лучевой трубки (ЭЛТ) дисплея и затем фотографируют. При этом важное значение имеют вопросы синхронизации развертки ЭЛТ и сканирования лазерного луча.

Для получения цветных изображений объект облучается последовательно тремя лазерами - красным, синим и зеленым и создаются три голограммы по красному, синему и зеленому цветам. При воспроизведении голограммы необходима установка также с тремя лазерами.

В настоящее время разработан метод воспроизведения голограмм, использующий освещение голограммы обычным белым светом, что делает голограммы более доступными и удобными.

Рис. Процесс воспроизведения голограммы

3. Создание голограмм.

Для записи информации на носитель используются процессы кристаллизации и аморфизации в слоях аморфной системы теллур - мышьяк - германий. Пленка предварительно закристаллизовывается с помощью инжекционного лазера. Запись информации происходит вследствие быстро протекающего, порядка 10-4с, процесса аморфизации в тех участках, куда попадает луч лазера. При этом скорость записи ограничивается лишь быстродействием лазера, а не скоростью протекания процессов в пленке.

Стирание записанной информации может осуществляться двумя способами: продвижением носителя (подложки с пленкой) под слабым лучом инжекционного лазера или нагреванием всей пленки до температуры 393 К. В таблице приведены некоторые технические характеристики лазерной системы голографического ЗУ.

Таблица 1. Мощность аморфизации и кристаллизации халькогенидной пленки носителя голограмм

Длина волны излучения лазера для пленок рассматриваемой системы особой роли не играет. Частота записи информации инжекционным лазером порядка 106 бит/с. При использовании соответствующей техники достигнута плотность записи 107 бит/см2.

Ограничения, накладываемые на допустимое число обратимых циклов, носят механический характер из-за растрескивания пленки и отслоения ее от подложки. Стирание информации на отдельных участках пленки затруднительно, так как при селективном нагреве лазерным лучом происходит процесс испарения. В связи с этим разрабатываются новые принципы стирания, в том числе с использованием защитных покрытий из окисла кремния.

Рассмотрим процесс создания голограммы - голографического изображения какого-нибудь объемного объекта. В обычной черно-белой фотографии на фотоносителе фиксируется только интенсивность света, отражаемого объектом, и отсутствуют сведения о фазе приходящего на носитель светового луча. В отличие от обычной фотографии на голограмме записывается интерференционная картина, образованная наложением опорного светового луча и луча, отраженного от объекта. При этом на голограмме фиксируется информация как об амплитуде, так и о фазе световых волн, отраженных от объекта.

Стереоскопичность зрения человека. Т. е. способность воспринимать глубину пространства и оценивать относительное расположение предметов в пространстве, объясняется тем, что изображения расположенного в трехмерном пространстве рассматриваемого объемного объекта, поступающие на сетчатку правого и левого глаза, неодинаковы, так как получены с разных точек зрения, отстоящих друг от друга на расстояние между центрами зрачков. Сочетание этих двух изображений называется стереопарой. Существуют разные способы получения объемного восприятия стереопар. На основе воспроизведения на специальном экране стереопар, полученных при съемке кинокадров, было создано стереокино

В лазерных голографических установках используется одно из свойств лазерного луча - когерентность световых волн, т.е равенство фаз монохроматических волн  Объект освещается сканирующим лазерным лучом Сканирование осуществляется с помощью отклоняющей системы, представляющей собой решетку вращающихся призматических полупрозрачных зеркал Когерентные линейно поляризованные в одной плоскости волны достигают разноудаленные части объекта в разных фазах .

Носитель освещается опорным когерентным светом; на него также направляются и отраженные волны. В зависимости от соотношения фаз опорных и отраженных световых волн происходит усиление в 4 раза (когда волны находятся в фазе) и ослабление в 4 раза (когда они в противофазе) интенсивности света, достигающего носитель. При других значениях разностей фаз получаются промежуточные значения интенсивности поступающего на носитель света. В результате на носителе образуются светлые, затемненные и темные пятна, складывающиеся в интерференционную картину, даже отдаленно не напоминающую объект и регистрируемую на рабочем слое носителя.

3. Голографические ЗУ двоичной информации.

При использовании голографии для хранения двоичной информации носителем является плоскость, называемая транспарантом, на которой двоичные данные фиксируются в виде темных и светлых участков. Плоскость транспаранта иначе называют формирователем страниц, поскольку на ней обычно размещается одна страница данных. В зависимости от используемого типа носителя на основе принципов голографии могут создаваться как постоянные, так и оперативные ЗУ. Структурная схема гологра-фического ПЗУ приведена на рис. 9.6 (электронная часть схемы ЗУ для простоты не показана). При считывании луч лазера с помощью быстродействующей отклоняющей системы попадает на одну из множества голограмм (на рисунке их девять), расположенных на носителе. Информация, записанная на голограмме, воспроизводится матрицей фотоэлементов. Обычно такая матрица составляется из интегральных полупроводниковых фоторезисторов по одному на каждый двоичный разряд информации.

Рис. Структурная схема голаграфического ПЗУ в режиме считывания

Получение голограмм для ПЗУ производится в два этапа. Сначала изготавливается транспарант в виде прозрачной пластинки носителя, на которую наносится матрица световых пятен (на рис. их всего девять). Затем набор таких транспарантов используется на втором этапе - для записи голограмм. Голографическая запись производится по стандартной двулучевой схеме с пространственной частотой интерференционной картины 1000 - 1600 линий на 1 мм. Голограмма одновременно играет роль как носителя информации, так и оптической системы формирования изображения при считывании благодаря присущим ей дифракционным свойствам. Другое преимущество связано с тем, что для голографических ЗУ снижаются требования к пространственной точности записи данных по сравнению с оптическими ЗУ, в которых точность определяется допуском на расположение каждого элемента (бита) на носителе. Величина допуска должна составлять малую долю от размеров участка оптического носителя, соответствующего одному двоичному разряду. Что касается голографической записи, то здесь допуск должен составлять малую долю от размеров, соответствующих одному разряду не на носителе, а на плоскости считывания, где эти размеры на два-три порядка больше.

Важнейшим достоинством голографической записи является то, что информация, соответствующая каждому двоичному разряду данных, распределена по всей площади голограммы. Поэтому те или иные дефекты носителя, неравномерность освещения и даже значительные повреждения носителя не приводят к потере данных, а лишь ухудшают отношение сигнал/шум.

Для создания голографического ОЗУ необходимо иметь обратимый голографический носитель, который позволял бы производить неоднократные циклы записи-стирания. Для записи на халькогенидных пленках требуется та же мощность, что и для записи на пленках магнитооптических материалов, однако в первом случае отношение сигнал/шум при считывании существенно выше и, кроме того, не требуется использования поляризованного света. К сожалению, обратимые носители еще не достигли такого уровня характеристик, который позволил бы осуществить их широкое применение для создания голографических ОЗУ. Несмотря на эти сложности уже созданы образцы голографических ОЗУ: фирмой Energy Conversion Devices разработан метод обратимой записи и считывания информации на аморфных пленках систем германий - теллур и селен - теллур с помощью аргонно-криптонового лазера с энергией 10-8Дж. Достигнута плотность записи, на два порядка превышающая плотность записи информации на магнитном диске при возможности повторения нескольких тысяч циклов запись-считывание-стирание. Разрешающая способность, в зависимости от состава стекла, составляет до 500 линий на 1 мм.

Следует отметить такое важное для некоторых применений свойство голографической техники, как невозможность воспроизведения информации в случае, если не известна длина волны лазера, применявшегося при записи, что позволит надежно защитить информацию от несанкционированного доступа.

 Литература.

1. . Ландсберг Г. С «Общий курс физики: оптика.» - М: «Наука.»,1976 г.
2. Дзюбенко А.Г. «Применение голографии в технике.» - М: «Знание»,1976 г.
3. Островский Ю.И. «Голография и ее применение.» -  М: «Наука»,1976 г.
4. Пирожников Л. Б. «Что такое голография.» - М: «Московский рабочий»,1976 г.
5. Смородинский Я. А., Сороко Л. М. «Успехи голографии.(Интерференция, голография, когерентность.)» - М: «Знание»,1970 г.

Страницы: 1, 2, 3