Что такое голограмма и где она используется. Голография

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?

Рассеянные объектом волны характеризуются амплитудой , фазой и направлением . В обычной фотографии регистрируется только амплитуда световых волн, и её распределение в пределах двумерного светоприёмника. Для этого используется объектив, строящий действительное изображение объекта записи. Полученное плоское изображение может создавать только иллюзию объёма за счёт перспективы , светотени и перекрытия объектами друг друга . Стереофотография позволяет с помощью двух и более объективов более достоверно имитировать объём за счёт свойств бинокулярного зрения , но даёт возможность наблюдать записанные объекты с единственной точки.

В голографии кроме амплитуды регистрируются также фаза и направление световых волн с помощью интерференции, преобразующей фазовые соотношения в соответствующие амплитудные. При этом объектив не требуется, а полученная голограмма позволяет менять точку наблюдения произвольно, а в некоторых случаях и «заглядывать» за объект. При записи голограммы складываются две волны: одна из них идёт непосредственно от источника (опорная волна), а другая отражается от объекта записи (объектная волна) . В месте сложения этих волн размещают фотопластинку или иной регистрирующий материал. В результате сложения объектной и опорной волн возникает неподвижная интерференционная картина, которая регистрируется фотопластинкой в виде микроскопических полос потемнения, соответствующих распределению электромагнитной энергии в этой области пространства .

Если проявленную пластинку осветить волной, близкой к опорной, то записанная интерференционная картина за счёт дифракции преобразует свет в волну, близкую к объектной. Таким образом, при воспроизведении голограммы образуется волновое поле, соответствующее записанному по амплитуде, фазе и направлению. В результате зритель видит в месте расположения объекта съёмки относительно фотопластинки его мнимое изображение . Вторая волна, образованная при освещении голограммы, образует действительное изображение . Любая голограмма является способом сохранения информации об электромагнитной волне в виде интерференционной картины (максимумов и минимумов пучностей) методом физической записи в специальной среде об отражённом от объекта, рассеянном, волновом фронте электромагнитного излучения, его амплитуде (яркости) и сдвиге фазы (объёме) в некоторой точке с возможно меньшей потерей информации, либо имитации такой картины специальными голографическими методами.

Источники света

Голограмма является записью интерференционной картины, поэтому важно, чтобы длины волн (частоты) объектного и опорного лучей с максимальной точностью совпадали друг с другом, и разность их фаз не менялась в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины интерференции). Поэтому источники света должны испускать электромагнитное излучение с очень стабильной длиной волны в достаточном для записи временном диапазоне.

Крайне удобным источником света является лазер . До изобретения лазеров голография практически не развивалась (вместо лазерного излучения использовали очень узкие линии в спектрах испускания газоразрядных ламп , что очень затрудняло эксперимент). На сегодняшний день голография предъявляет одни из самых жёстких требований к когерентности излучения лазеров.

Чаще всего когерентность принято характеризовать длиной когерентности - той разностью оптических путей двух волн, при которой контраст интерференционной картины уменьшается в два раза по сравнению с интерференционной картиной, которую дают волны, прошедшие от источника одинаковое расстояние. Для различных лазеров длина когерентности может составлять от долей миллиметра (мощные лазеры, предназначенные для сварки, резки и других применений, нетребовательных к этому параметру) до сотен и более метров (специальные, так называемые одночастотные лазеры).

История голографии

Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Денешем Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа . Он же придумал само слово «голография», которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. Первые голограммы Габора отличались низким качеством из-за отсутствия источников когерентного излучения .

Схема записи Денисюка

Q = 2 π λ d n Λ 2 {\displaystyle Q={\frac {2\pi \lambda d}{n\Lambda ^{2}}}} ,

Где λ - длина волны; d - толщина слоя; n - средний показатель преломления слоя; Λ - расстояние между интерференционными плоскостями.

Объёмными (толстыми) голограммами считаются такие, у которых Q > 10. И наоборот, голограмма считается тонкой (плоской), когда Q < 1.

Галогенсеребряные фотоматериалы

Основным фотоматериалом для записи голограмм являются специальные фотопластинки на основе традиционного бромида серебра . За счёт специальных присадок и специального механизма проявления удалось достичь разрешающей способности более 5000 линий на миллиметр, однако за это приходится платить крайне низкой чувствительностью пластинки и узким спектральным диапазоном (точно подобранным под излучение лазера). Чувствительность пластинок настолько низкая, что их можно выставить на несколько секунд под прямой солнечный свет без риска засветки.

Кроме того, иногда применяются фотопластинки на основе бихромированной желатины , которые обладают ещё большей разрешающей способностью, позволяют записывать очень яркие голограммы (до 90 % падающего света преобразуется в изображение), однако они ещё менее чувствительны, причём они чувствительны только в области коротких волн (синий и, в меньшей степени, зелёный участки спектра).

В России крупное промышленное (кроме некоторого количества мелких) производство фотопластинок для голографии осуществляет российская «Компания Славич ».

Некоторые схемы записи позволяют писать и на пластинках с меньшей разрешающей способностью, даже на обычных фотоплёнках с разрешением порядка 100 линий на миллиметр, однако эти схемы имеют массу ограничений и не обеспечивают высокого качества изображения.

Фотохромные кристаллы

Наряду с фотографическими мелкозернистыми галогенсеребряными средами, применяются так называемые фотохромные среды , изменяющие спектр поглощения под действием записывающего света.

KCl

Одними из эффективнейших среди фотохромных кристаллов являются щёлочно-галоидные кристаллы , из которых наилучшие результаты были получены на аддитивно окрашенных кристаллах хлорида калия (KCl). Голограммы, записанные на таких кристаллах, достигают 40 % относительной дифракционной эффективности при теоретически возможной в данной среде 60 %. При этом голограммы в данном материале весьма толстые (толщиной до нескольких миллиметров, и могут в принципе достигать единиц сантиметров). Голографическая запись в аддитивно окрашенных кристаллах KCl базируется на фототермическом F-X преобразовании центров окраски , то есть фактической коалесценции одиночных анионных вакансий в более крупные кластерные образования размером десятки нанометров . При этом голографическая запись в таких кристаллах реверсивна (обратима) и очень устойчива по времени .

Также возможна голографическая запись с помощью легирования кристаллов соответствующей примесью. Возможно использовать для этой цели эффект компенсационного влияния введенных в АО KCl катионных (ионы Са ++) и анионных (ионы ОН −) примесей на процесс фототермического преобразования F-центров. Показано, что просветление при этом в максимуме полосы поглощения F-центров достигает 90 % и не сопровождается образованием центров, обуславливающих поглощение в видимой области спектра. Разработан механизм такого влияния, основанный на фотохимических реакциях, конечные продукты которых поглощают в УФ-диапазоне. Обосновано, что ключевую роль в рассматриваемом явлении играют бивакансии и комплексы Са ++ (ОН −) 2 - катионная вакансия. На основе полученных результатов разработана новая фотохромная система для формирования голограмм, основанная на эффекте компенсации влияния катионных и анионных примесей .

Сегнетоэлектрические кристаллы

При голографической записи, в качестве регистрирующей среды, так же широко используются сегнетоэлектрические кристаллы. В основном это ниобат лития - LiNbO 3 . Явление изменения показателя преломления под действием света вызвано электрооптическим эффектом. При записи голограмм сегнетоэлектрические кристаллы обладают теми же преимуществами, что и фотохромные материалы. Кроме того, после множества циклов «запись - стирание» не наблюдается эффекта усталости. Поскольку получаемые голограммы являются фазовыми, их дифракционная эффективность может быть на порядок выше, чем у голограмм на фотохромных материалах.

Однако, эти кристаллы обладают недостатками, присущими фотохромным материалам. Основной проблемой в данном случае является нестабильность голограммы, которая не фиксируется, в отличие от обычных фотослоёв. Другая трудность состоит в низкой величине голографической чувствительности.

Голографические фотополимерные материалы

В последние годы интенсивно разрабатываются регистрирующие среды на базе голографических фотополимерных материалов, представляющих собой многокомпонентную смесь органических веществ, нанесенную в виде аморфной пленки толщиной 10-150 мкм на стеклянную или пленочную подложку. Фотополимерные пленки менее дорогостоящие, чем кристаллы ниобата лития, менее громоздки и имеют по сути большую величину изменения коэффициента преломления, что приводит к большим значениям дифракционной эффективности и большей яркости голограммы. Однако, с другой стороны ниобат лития, из-за его толщин, способен сохранять большие объёмы информации, чем фотополимерные пленки, толщины которых ограничены.

Поскольку фотополимеры не обладают зернистым строением, то разрешающая способность такого материала достаточна для сверхплотной записи информации. Чувствительность фотополимера сравнима с чувствительностью фотохромных кристаллов. Записанные голограммы являются фазовыми, что позволяет получать высокую дифракционную эффективность. Такие материалы позволяют хранить информацию длительное время, устойчивы к воздействию температур, а также отличаются улучшенными оптическими характеристиками.

Голографическое изображение сегодня находит все большее применение. Некоторые даже считают, что оно может со временем заменить известные нам средства связи. Так это или нет, но уже сейчас оно активно используется в самых разных отраслях. К примеру, всем нам знакомы голографические наклейки. Множество производителей использует их как средство защиты от подделки. На фото ниже представлены некоторые голографические наклейки. Их применение - очень эффективный способ защиты товаров или документов от подделки.

История изучения голографии

Объемное изображение, получаемое в результате преломления лучей, начало изучаться относительно недавно. Однако мы уже можем говорить о существовании истории его изучения. Деннис Габор, английский ученый, в 1948 году впервые определил, что такое голография. Это открытие было очень важным, но его большое значение в то время не было еще очевидным. Работавшие в 1950-е годы исследователи страдали от отсутствия источника света, обладающего когерентностью, - очень важным свойством для развития голографии. Первый лазер был изготовлен в 1960 году. С помощью этого прибора можно получить свет, имеющий достаточную когерентность. Юрис Упатниекс и Иммет Лейт, американские ученые, использовали его для создания первых голограмм. С их помощью получались трехмерные изображения предметов.

В последующие годы исследования продолжались. Сотни научных статей, в которых изучалось понятие о голографии, с тех пор были опубликованы, а также издано множество книг, посвященных этому методу. Однако эти труды адресованы специалистам, а не широкому читателю. В данной статье мы постараемся рассказать обо всем доступным языком.

Что такое голография

Можно предложить следующее определение: голография - это получаемая с помощью лазера объемная фотография. Однако данное определение не совсем удовлетворительно, так как есть множество иных видов трехмерной фотографии. Тем не менее в нем отражено наиболее существенное: голография - это технический метод, который позволяет "записывать" внешний вид того или иного объекта; с ее помощью получается трехмерное изображение, выглядящее так, как реальный предмет; применение лазеров сыграло решающую роль для ее развития.

Голография и ее применение

Исследование голографии позволяет прояснить многие вопросы, связанные с обычной фотографией. В качестве изобразительного искусства объемное изображение может даже бросить вызов последней, поскольку оно позволяет отражать окружающий мир более точно и правильно.

Ученые иногда выделяют эпохи в истории человечества по средствам связи, которые были известны в те или иные столетия. Можно говорить, к примеру, о существовавших в Древнем Египте иероглифах, об изобретении в 1450 году В связи с наблюдаемым в наше время техническим прогрессом новые средства связи, такие как телевидение и телефон, заняли господствующее положение. Хотя голографический принцип находится еще в младенческом состоянии, если говорить о его использовании в средствах информации, существуют основания предполагать, что основанные на нем устройства в будущем смогут заменить известные нам средства связи или хотя бы расширить область их применения.

Научно-фантастическая литература и массовая печать нередко преподносят голографию в неверном, искаженном свете. Они часто создают неправильное представление о данном методе. Объемное изображение, увиденное впервые, завораживает. Однако не меньшее впечатление производит физическое объяснение принципа его устройства.

Интерференционная картина

Способность видеть предметы основана на том, что световые волны, преломляясь ими или отражаясь от них, попадают в наш глаз. Отраженные от некоторого объекта световые волны характеризуются формой волнового фронта, соответствующей форме этого объекта. Картину темных и светлых полос (или линий) создают две группы световых когерентных волн, которые интерферируют. Так образуется объемная голография. При этом данные полосы в каждом конкретном случае составляют комбинацию, зависящую лишь от формы волновых фронтов волн, которые взаимодействуют друг с другом. Такую картину именуют интерференционной. Ее можно зафиксировать, к примеру, на фотографической пластинке, если поместить ее в место, где наблюдается

Многообразие голограмм

Способом, позволяющим записывать (регистрировать) отраженный от предмета волновой фронт, после чего восстанавливать его так, что наблюдателю кажется, что он видит реальный предмет, и является голография. Это эффект, который объясняется тем, что получаемое изображение трехмерно в такой же мере, что и реальный предмет.

Есть множество различных типов голограмм, в которых легко запутаться. Чтобы однозначно определить тот или иной вид, следует употребить четыре или даже пять прилагательных. Из всего их множества мы рассмотрим только основные классы, которые использует современная голография. Однако сначала нужно рассказать немного о таком волновом явлении, как дифракция. Именно она позволяет нам конструировать (вернее, реконструировать) волновой фронт.

Дифракция

Если какой-либо предмет оказывается на пути света, он отбрасывает тень. Свет огибает этот предмет, заходя частично в область тени. Этот эффект именуют дифракцией. Он объясняется волновой природой света, но объяснить его строго достаточно сложно.

Только в очень малом угле проникает свет в область тени, поэтому мы почти не замечаем этого. Однако если на его пути есть множество мелких препятствий, расстояния между которыми составляют только несколько длин световой волны, данный эффект становится достаточно заметным.

Если падение волнового фронта приходится на большое единичное препятствие, "выпадает" соответствующая его часть, что практически не влияет на оставшуюся область данного волнового фронта. Если же множество мелких препятствий находится на его пути, он изменяется в результате дифракции так, что распространяющийся за препятствием свет будет обладать качественно иным волновым фронтом.

Трансформация настолько сильна, что свет начинает даже распространяться в другом направлении. Выходит, что дифракция позволяет нам преобразовать исходный волновой фронт в совершенно отличный от него. Таким образом, дифракция - механизм, с помощью которого мы получаем новый волновой фронт. Устройство, формирующее его вышеописанным путем, именуется Расскажем о ней подробнее.

Дифракционная решетка

Это небольшая пластинка с нанесенными на ней тонкими прямыми параллельными штрихами (линиями). Они отстоят друг от друга на сотую или даже тысячную часть миллиметра. Что происходит, если лазерный луч на своем пути встречает решетку, которая состоит из нескольких размытых темных и ярких полос? Его часть будет прямо проходить через решетку, а часть - загибаться. Так образуются два новых пучка, которые выходят из решетки под определенным углом к исходному лучу и находятся по обе стороны от него. В случае если один лазерный пучок обладает, к примеру, плоским волновым фронтом, два образовавшихся по бокам от него новых пучка также будут иметь плоские волновые фронты. Таким образом, пропуская через дифракционную решетку лазерный луч, мы формируем два новых волновых фронта (плоских). По-видимому, дифракционную решетку можно рассматривать как самый простой пример голограммы.

Регистрация голограммы

Знакомство с основными принципами голографии следует начать с изучения двух плоских волновых фронтов. Взаимодействуя, они образуют интерференционную картину, которую регистрируют на помещенной там же, где находился экран, фотографической пластинке. Эта стадия процесса (первая) в голографии называется записью (или регистрацией) голограммы.

Восстановление изображения

Будем считать, что одна из плоских волн - А, а вторая - В. Волна А именуется опорной, а В - предметной, то есть отраженной от того предмета, изображение которого фиксируется. Она может не отличаться ничем от опорной волны. Однако при создании голограммы трехмерного реального объекта формируется значительно более сложный волновой фронт света, отраженного от предмета.

Интерференционная картина, представленная на фотографической пленке (то есть изображение дифракционной решетки), - это и есть голограмма. Ее можно поместить на пути опорного первичного пучка (пучка лазерного света, обладающего плоским волновым фронтом). В этом случае по обе стороны формируются 2 новых волновых фронта. Первый из них представляет собой точную копию волнового предметного фронта, который распространяется в том же направлении, что и волна В. Вышеописанная стадия именуется восстановлением изображения.

Голографический процесс

Которую создают две плоские после ее записи на фотопластинке представляет собой устройство, позволяющее в случае освещения одной из этих волн восстановить другую плоскую волну. Голографический процесс, таким образом, имеет следующие стадии: регистрацию и последующее "хранение" волнового предметного фронта в виде голограммы (интерференционной картины), и его восстановление спустя любое время при прохождении опорной волны через голограмму.

Предметный волновой фронт в действительности может быть любым. К примеру, он может отражаться от некоторого реального предмета, если он при этом является когерентным опорной волне. Образованная двумя любыми волновыми фронтами, обладающими когерентностью, интерференционная картина - это и есть устройство, позволяющее благодаря дифракции преобразовать один из данных фронтов в другой. Именно здесь и спрятан ключ к такому явлению, как голография. Деннис Габор первым обнаружил это свойство.

Наблюдение формируемого голограммой изображения

В наше время для чтения голограмм начинает использоваться особое устройство - голографический проектор. Он позволяет преобразовать картинку из двух- в трехмерную. Однако для того чтобы просматривать простые голограммы, голографический проектор вовсе не требуется. Вкратце расскажем о том, как рассматривать такие изображения.

Чтобы наблюдать формируемое простейшей голограммой изображение, нужно поместить ее примерно на расстоянии 1 метра от глаза. Сквозь дифракционную решетку нужно смотреть в том направлении, в котором плоские волны (восстановленные) выходят из нее. Так как именно плоские волны попадают в глаз наблюдателя, голографическое изображение также является плоским. Оно предстает перед нами будто "глухая стена", которую равномерно освещает свет, имеющий тот же цвет, что и соответствующее Так как специфических признаков эта "стена" лишена, невозможно определить, насколько далеко она находится. Кажется, будто смотришь на расположенную в бесконечности протяженную стену, но при этом видишь лишь ее часть, которую удается разглядеть сквозь небольшое "окно", то есть голограмму. Следовательно, голограмма - это равномерно светящаяся поверхность, на которой мы не замечаем ничего достойного внимания.

Дифракционная решетка (голограмма) позволяет нам наблюдать несколько простейших эффектов. Их можно продемонстрировать и с использованием голограмм иного типа. Проходя сквозь дифракционную решетку, пучок света расщепляется, формируются два новых пучка. С помощью пучков лазерного излучения можно освещать любую дифракционную решетку. При этом излучение должно отличаться цветом от использованного при ее записи. Угол изгиба пучка цвета зависит от того, какой цвет он имеет. Если он красный (самый длинноволновой), то такой пучок изгибается под большим углом, нежели пучок синего цвета, который имеет наименьшую длину волны.

Сквозь дифракционную решетку можно пропустить смесь всех цветов, то есть белый. В этом случае каждая цветовая компонента этой голограммы искривляется под своим собственным углом. На выходе формируется спектр, аналогичный создаваемому призмой.

Размещение штрихов дифракционной решетки

Штрихи дифракционной решетки следует делать очень близкими друг к другу, чтобы было заметно искривление лучей. К примеру, для искривления красного луча на 20° нужно, чтобы расстояние между штрихами не превышало 0,002 мм. Если их разместить более тесно, луч света начинает изгибаться еще сильнее. Для "записи" данной решетки нужна фотопластинка, которая способна регистрировать настолько тонкие детали. Кроме того, необходимо, чтобы пластинка в процессе экспозиции, а также при регистрации оставалась совершенно неподвижной.

Картина может значительно смазаться даже при малейшем движении, причем настолько, что будет вовсе неразличимой. В этом случае мы увидим не интерференционную картину, а просто стеклянную пластинку, по всей своей поверхности однородно черную или серую. Конечно, в этом случае не будут воспроизводиться эффекты дифракции, формируемые дифракционной решеткой.

Пропускающие и отражательные голограммы

Рассмотренная нами дифракционная решетка именуется пропускающей, поскольку она действует в свете, проходящем сквозь нее. Если же нанести линии решетки не на прозрачную пластинку, а на поверхность зеркала, мы получим дифракционную решетку отражательную. Она отражает под разными углами свет различных цветов. Соответственно, есть два больших класса голограмм - отражательные и пропускающие. Первые наблюдаются в отраженном свете, а вторые - в проходящем.

ГОЛОГРАФИЯ
особый фотографический метод, при котором с помощью лазера регистрируются, а затем восстанавливаются изображения трехмерных объектов, в высшей степени похожие на реальные. Такая фотографическая запись называется голограммой. При освещении лазером голограмма формирует изображение, которое представляет собой точную копию исходного трехмерного объекта и обнаруживает все свойства таких объектов, например изменение перспективы при перемещении наблюдателя. Метод голографии, применяемый в основном для регистрации информации, которую несет свет, отражающийся от некоего объекта или проходящий сквозь него, пригоден отнюдь не только для видимого света. Теоретически этот метод приложим ко всем другим волновым явлениям - звуковым волнам, сверхвысокочастотному, инфракрасному, рентгеновскому и электронному излучению. Этим и объясняется тот интерес, который вызывает голография; однако из-за практических трудностей ее пока не удалось применить к электронам и в рентгеновской области спектра.
См. также ЛАЗЕР .
Суть метода голографии. Пучок света, создаваемый лазером, отличается от света, испускаемого обычными источниками, например электролампой, в двух отношениях. Во-первых, он монохроматичен, т.е. характеризуется только одной длиной волны. Во-вторых, он когерентен, т.е. гребни и впадины каждой его волны согласуются с гребнями и впадинами каждой другой волны. Если рассматривать пучок света как последовательность волновых фронтов, лазерный луч представляет собой такой луч, в котором все точки волнового фронта согласованы по фазе. При взаимном наложении двух когерентных волновых фронтов (в месте пересечения двух когерентных пучков) происходит т.н. интерференция: волновые фронты усиливают друг друга, если совпадают по фазе, и ослабляют, если не согласуются по фазе. На интерференции и основана голография. Одна из возможных схем регистрации голограмм трехмерных объектов представлена на рисунке. Здесь когерентный свет лазера разделяется на два пучка. Одним пучком освещается объект, который необходимо зарегистрировать; свет, отражающийся от объекта, падает на фотографическую пластинку или другую фоточувствительную регистрирующую среду. Другой пучок, называемый опорным, направляется зеркалом под некоторым углом на ту же фотографическую пластинку, где его волновой фронт налагается на волновой фронт, пришедший от объекта. В результате взаимного наложения двух когерентных волновых фронтов возникает интерференционная картина, которая и регистрируется на фотографической пластинке как изменения плотности почернения - увеличение плотности почернения в тех местах, где волновые фронты совпадают по фазе, и уменьшение плотности почернения там, где они пришли не в фазе. Эта запись интерференционной картины и называется голограммой.

Обычно голограмма не обнаруживает никакого сходства с зарегистрированным объектом; это просто какой-то набор темных и светлых пятен, в которых не угадывается никакого смысла. Но, будучи интерференционной картиной, голограмма содержит информацию весьма особого свойства: это запись не только амплитудных, но и фазовых характеристик волнового фронта, отразившегося от объекта. (Амплитуда равна половине разности высот гребня и впадины волны. Чем больше амплитуда, тем интенсивнее свет.) Если теперь объект удалить, а на голограмму направить опорный пучок (т.е. такой же пучок света, как и тот, которым она была записана), то она сформирует волновой фронт, несущий всю ту информацию, которую нес первоначальный волновой фронт. Таким образом, голограмма воссоздает волновые фронты, исходившие от объекта, хотя самого объекта в этом месте уже нет.
Применение голографии. Основные особенности голографии, отличающие ее от фотографии, таковы: 1) это запись интерференционной картины, содержащая не только амплитудную, но и фазовую информацию, тогда как обычная фотография - это запись только интенсивностей света, не содержащая фазовой информации; 2) при регистрации голограммы нет необходимости в фокусировке, голограмма чаще всего не имеет сходства с объектом; 3) голограмма способна восстанавливать точную копию волнового фронта, идущего от объекта (если объект трехмерный, она восстанавливает трехмерное изображение); 4) изменяя угол между опорным пучком и волновым фронтом, идущим от объекта, можно на одном участке фотографической пластинки записать более одной голограммы; 5) в большинстве случаев для восстановления изображения достаточно любой малой части голограммы; если голограмма повреждена или частично уничтожена, она все равно восстановит изображение. Эти и некоторые другие важные особенности голограмм привлекли внимание многих исследователей, стремившихся довести голографию до практического применения. На "объемных голограммах", полученных с регистрацией интерференционной картины по толщине фотоэмульсионного слоя на фотопластинке, была продемонстрирована возможность восстановления многоцветных трехмерных изображений при освещении белым светом. Весьма перспективным представляется применение голографии в микроскопии. Благодаря возможности спокойно исследовать трехмерный объект, после того как записана его голограмма, устраняются некоторые трудности, связанные с визуальным исследованием объектов при большом увеличении. То, что вместо самого объекта рассматривается его восстановленное голографическое изображение, не мешает исследователю использовать метод фазового контраста и другие методы микроскопии. Более того, этим могут быть существенно уменьшены трудности, связанные с подготовкой образца, в ходе которой объект может оказаться деформированным. В данной области ведутся интенсивные разработки. Голография привнесла много нового в интерферометрию - область прецизионной измерительной техники, основанной на применении интерференции. Был создан ряд голографических методов, позволяющих получать восстановленное изображение объекта вместе с волновым фронтом от того же самого объекта после какой-либо его деформации, столь малой, что ее невозможно обнаружить другими методами. На интерференционной картине, возникающей при взаимном наложении двух волновых фронтов, выявляются деформационные искажения порядка длины волны света. Голографическими методами можно исследовать с интерферометрической точностью любые объекты; не требуется, чтобы их поверхности были оптического или близкого к оптическому качества. Поиски возможностей применения голографии продолжаются. В области т.н. оптической фильтрации и оптической обработки данных удалось достичь некоторого успеха при использовании специальных голограмм для распознавания особенностей рельефа на аэрофотоснимках. Голографические методы облегчают обработку радиолокационной информации; они нашли применение при расшифровке данных бортовых самолетных РЛС. Ряд научных организаций работает над устранением еще имеющихся трудностей. Методами, аналогичными оптическим, были получены акустические голограммы - записи картин интерференции звуковых волн. Были сделаны голограммы объектов, находящихся под водой; в ряде лабораторий ведутся исследования возможностей применения голографических методов при ультразвуковом просвечивании человеческого тела. Результаты такого просвечивания можно представить в виде оптического изображения. Методами, аналогичными методам оптической и акустической голографии, можно получать голограммы в сверхвысокочастотном излучении. Специальные СВЧ-голограммы, зарегистрированные с борта самолета, позволяют получать изображения местности с высоким разрешением рельефа.
Историческая справка. Основные принципы голографии сформулировал в 1947 Д. Габор из Королевского научно-технического колледжа в Лондоне. Однако метод не находил практического применения до начала 1960-х годов, когда появился лазер. Применив лазер и усовершенствовав первоначальный голографический метод, Э.Лейт и Ю.Упатниекс из университета штата Мичиган получили голограммы, которые давали необычайно похожие на реальность трехмерные изображения. В 1962 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.
ЛИТЕРАТУРА
Вьено Ж.-Ш., Смигильский П., Руайе А. Оптическая голография. М., 1973 Применения голографии. М., 1973 Физические основы голографии. Л., 1981 Клименко И.С. Голография сфокусированных изображений и спекл-интерферометрия. М., 1985

Энциклопедия Кольера. - Открытое общество . 2000 .

Синонимы :

Смотреть что такое "ГОЛОГРАФИЯ" в других словарях:

Голография … Орфографический словарь-справочник

- (от греч. holos весь полный и...графия), метод записи, воспроизведения и преобразования волновых полей, основанный на интерференции волн. Предложен Д. Габором в 1948. Голография позволяет получать изображение объектов. На фоточувствительный слой … Большой Энциклопедический словарь

ГОЛОГРАФИЯ, процесс создания голограммы. Одна или несколько фотографий накладываются на одну пленку или пластину с использованием интерференции между двумя частями расщепленного луча ЛАЗЕРА. На первый взгляд сформированная модель бессмысленна, но … Научно-технический энциклопедический словарь

- (от греч. holos весь, полный и grapho пишу), способ записи и восстановления волн. поля, основанный на регистрации интерференц. картины, к рая образована волной, отражённой предметом, освещаемым источником света (п р е д м е т н а я волна), и… … Физическая энциклопедия

- [Словарь иностранных слов русского языка

Голография - см. Криминалистическая голография … Энциклопедия права

ГОЛОГРАФИЯ, и, жен. (спец.). Получение объёмного изображения, основанное на взаимном действии (наложении друг на друга) световых волн. | прил. голографический, ая, ое. Толковый словарь Ожегова. С.И. Ожегов, Н.Ю. Шведова. 1949 1992 … Толковый словарь Ожегова

Голограмма - продукт голографии, объемное изображение, создаваемое с помощью лазера, воспроизводящего изображение трехмерного объекта. Голографии прочат будущее визуальных развлечений, поскольку до сегодняшнего дня этот способ был самым многообещающим способом визуализации трехмерных сцен. За изобретение метода голографии в 1947 году Дэннис Габор получил Нобелевскую премию по физике в 1971 году. Все просто: вы буквально видите реальный объект, который на самом деле является объемной картинкой. Его можно обойти, рассмотреть со всех сторон, можно придать мощную глубину, которой не может похвастать никакая другая технология 3D-отображения.

В рамках двух новых исследований ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) использовали нейронные сети для реконструкции голограмм. Обе работы не только демонстрируют уровень развития голографических технологий, но еще и обещают открыть этим технологиям дверь в медицину, где они смогут произвести настоящую революцию.

Некоторые физики на самом деле считают, что вселенная, в которой мы живем, может быть гигантской голограммой. Такое научное исповедание становится все более популярным. И самое интересное, что эта идея не совсем напоминает моделирование вроде «Матрицы», а скорее приводит к тому, что хотя нам кажется, что мы живем в трехмерной вселенной, у нее может быть всего два измерения. Это называется голографическим принципом.