История возникновения голографии
Голография – одна из новых областей науки и техники. Она была открыта в 1947 году английским ученым – профессором Д. Габором, - который предложил интерференционный метод регистрации световых волн. Слово «голография» происходит от греческих слов holos – полный и grapho – пишу, что означает полную запись изображения.
Голография, представляющая собой фотографический процесс в широком смысле слова, принципиально отличается от обычной фотографии тем, что в светочувствительном материале происходит регистрация не только интенсивности, но и фазы световых волн, рассеянных объектом и несущих полную видеоинформацию о нем. Как средство визуализации, голограмма обладает уникальным свойством: в отличии от обычного плоского фотографического голографического изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Такое изображение с множеством ракурсов, изменяющихся с изменением точки наблюдения, обладает удивительной реалистичностью и часто неотличимо от реального объекта.
Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение изобретения в 1960 году первого лазера советскими физиками – академиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым – и американским ученым Ч. Таунсом.
Начало изобразительной голографии было положено работами Э. Лейта и Ю. Упатниекса, получившими в 1962 году первую объемную пропускающую голограмму, восстанавливаемую в лазерном свете.
Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы Ю. Н. Денисюка, выполненные в 1962-1965 годах.
Он впервые получил отражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в некогерентном свете. Первые
______________________________
Рис. 3. 1. Схема изготовления отражательных голограмм Ю.Н. Денисюка
высококачественные голограммы по его методу были выполнены Г. А. Соболевым в 1968 году на особомелкозернистых «прозрачных» фотоматериалах, разработанных под руководством профессора Н.И. Кириллова.
Возможности голографии как изобразительного средства исследовались и продолжают развиваться в самых различных направлениях.
Первые голографические портреты были получены в США в 1968 году Л. Зибертом, а в СССР Д.И. Стаселко и Г.А. Соболевым.
В 1969 году в США С. Бентон изготовил радужную голограмму щелевым методом, при котором регистрируется множество только горизонтальных ракурсов изображения. Такие голограммы воспроизводят трехмерное изображение в некогерентном свете. Однако в изобразительной голографии радужные голограммы занимают лишь ограниченное место, поскольку они подвержены хроматизму и аберрации различных видов, а также возникает невозможность правильно передавать цвета объекта.
В 1977 году Л. Кросс получил мультиплексную голограмму из множества обычных фотографий объекта, снятых с множества точек зрения, лежащих в горизонтальной плоскости. Такую голограмму можно изготовить в виде голографического барабана, а изображение воспроизводить как изображение радужной голограммы в белом свете лампы накаливания. При вращении барабана изображение внутри него двигается, если при съемке последовательных фотографий объект перемещался. В СССР голографический барабан был впервые продемонстрирован Ш. Д. Какичашвили.
Объемное голографическое изображение имеет общие свойства с многоракурсным стереоскопическим изображением, также передающим большое число ракурсов. В связи с этим возможен перевод многоракурсного стереоскапического изображения в голографическое. Такой процесс оказывается весьма важным для получения голограмм объектов, освещенных обычным некогерентным светом. Если объекты очень велики по своим размерам, такой способ получения их голограмм оказывается практически единственно возможным.
Голограммы, получаемые в свете лазера с одной длины волны, воспроизводят монохромные изображения. Для получения цветных голограмм, правильно производящих в едином целом изображения детали объекта разного цвета, необходимо регистрировать и затем воспроизводить в простейшем случае три цветоделенных изображения объекта, красное, зеленое и синее.
В этом случае экспонирование фотоматериала ведется одновременно в трех длинах волн, как показано на рис. 3. 2. для съемки отражательной голограммы, где 1. а,б,в-лазеры, излучающие свет в красной, зеленой и синей частях спектра; 2. а,б,в – оптические элементы, позволяющие совместить излучение трех лазеров в одном пучке; 3 – зеркало; 4- линза, расширяющая суммарный пучок света лазеров; 5 – фотопластинка; 6 – объект съемки.
Источники света для изобразительной голографии и голографического кинематографа подразделяют на две группы: для записи и воспроизведения голограмм. К первой группе относятся лазеры непрерывного действия и импульсные различных типов; ко второй – лазеры непрерывного или квази-непрерывного действия и источники некогерентного света.
Рис. 3.2. Схема изготовления цветных отражательных голограмм
При изготовлении голограмм в качестве исходных изображений используют не только голографические, но в ряде случаев и многоракурсные стереоскопические изображения. Для перевода в голографические используют различного рода многоракурсные стереоскопические изображения. Наиболее перспективным является способ голографирования многоракурсных стереоскопических изображений, получаемых с помощью мелколазерного растра, состоящего из большого количества сферических линз, и объектива с большой апертурой, рис. 3. 3.
Съемка производится следующим образом: осветительный прибор обычного некогерентного света l освещает
_________________________
Рис. 3. 3. Схема съемки многоракурсного стереоскопического изображения с помощью линзового растра и объектива с большой апертурой
объект 2. Лучи света, отраженные от объекта съемки, проходят через объектив 3 с большой апертурой (чем больше апертура объектива, тем шире зона видения объекта). В отсутствии растра 4 объектив сформировал бы трехмерное изображение 5 позади своей фокальной плоскости. Между главной и фокальной плоскостями объектива располагается растр 4, состоящий из большого количества линз со сферическими поверхностями, которое фокусирует на фотопластинке (или фотопленке) 6 изображение различных элементов поверхности объекта 2. Под каждой линзой растра на пластинке 6 фокусируется только часть изображения 2. Каждый малый элемент поверхности объекта 2 фокусируется на фотопластинке под несколькими линзами (меньше общего числа линз). При этом изображения под разными линзами отличаются друг от друга ракурсами. Таким образом, на фотопластинке 6 регистрируется в виде отдельных фрагментов многоракурсное стереоскопическое изображение.
Голографические экраны для проекции трехмерных голографических изображений, обладающих свойством фокусирования и размножения изображения, предложены в научно-исследовательском кинофотоинституте (НИКФИ).
Ранее разработанные Д. Габором голографические экраны, не обладающие свойством точечного фокусирования и собирающие отраженный или проходящий свет в широкие зоны, не пригодны для проекции голографических изображений с полной передачей объема. В зависимости от класса в голографическом кинематографе можно использовать голографические экраны двух различных видов.
В системах первого класса с передачей ракурсов изображения по горизонтали и вертикали применяют точечно-фокусирующие голографические экраны. В системах второго класса с передачей ракурсов изображения только по горизонтали используют линейно-фокусирующие голографические экраны.
Голографические экраны бывают отражающие и простветными. Отражающие экраны для целей кинопроекции представляют наибольший интерес, так как обладают тем преимуществом, что кинопроекционная установка занимает меньше места, поскольку между экраном и кинопроектором могут располагаться зрители, особенно в случае большой аудитории.
Простветленные голографические экраны имеют возможности более простого совмещения в единой конструкции кинопроектора и экрана; это удобно для небольших установок, рассчитанных на ограниченное количество зрителей.
Голографические экраны, предназначенные для кинопроекции фильмов с трехмерным изображение, должны обладать:
· Высокой дифракционной эффективностью (50-70%), обеспечивающей получение достаточно высокой яркости при приемлемых значениях светового потока кинопроектора;
· Малым светорассеянием, обеспечивающим сохранение высокого контраста проецируемого изображения; причем отношение сигнал/шум 50-100 (в пределах зоны видения) следует считать приемлемым;
· Малыми хроматическими аберрациями; расхождение между дифрагированными лучами разных длин волн (синей, зеленой, красной), падающими на малый элемент поверхности экрана в одном направлении, недолжно превышать 1-2 угловых минут во избежание появления цветных контуров изображения;
· Малыми аберрациями, обеспечивающими достаточно большие размеры зрительных зон; поперечные аберрационные смещения дифрагированных лучей в пределах 5-10 мм в зрительной зоне следует считать приемлемыми;
· Равномерностью дифракционной эффективности экрана по его полю в каждой зоне видения, составляющей 5-10% в случае плавных изменений и 2-4% в случае резких изменений; равномерность дифракционной эффективности экрана от одной зрительной зоны к другой должна быть в пределах 10-20%;
· Отсутствием посторонних лучей света в зрительных зонах; блик от поверхности стекла экрана должен отражаться вне зоны видения; дифрагированные лучи дифракции минус первого и высших порядков, формирующие ложные изображения, также не должны проходить через зрительные зоны.
На схеме рис. 3. 4 : l -большая линза, создающая сходящийся опорный пучок света3; 2 - первичный фокусирующий центр экрана; 4- линейный растр с горизонтально расположенными цилиндрическими линзами, рассеивающими свет по вертикали в виде отрезка 5 (растр используется только при изготовлении линейно-фокусирующих экранов); 6,7 – объектные пучки;
__________________________
Рис. 3. 4. Схема изготовления отражательного фокусирующего множительного голографического экрана с помощью линзы; а- вид сверху; б-вид сбоку
8 – фото пластинка – будущий голографический экран; 9,10 – вторичные фокусирующие центры экрана; 11-лазер (при изготовлении экрана и проекции цветных киноизображений используют лазеры трех длин волн).
При использовании голографического экрана возможно как поочередное экспонирование из каждого вторичного фокусирующего центра 9,10, так и одновременное из всех центров.
Первый способ отличается отсутствием ложных интермодуляционных решеток, возникающих за счет взаимодействия сигнальных пучков между собой.
Второй способ имеет преимущество большой глубины модуляции коэффициента преломления света голографическими решетками при одинаковой толщине и структуре слоя и одинаковой суммарной экспозиции.
Простейшим экраном, пригодным для проекции трехмерных голографических изображений, является зеркало с вогнутой поверхностью.