Голография и ее применение

Голографические мультипликаторы  с пространственным разделением  волнового фронта содержат растр  голографических элементов, каждый из которых строит изображение предмета с полем, равным единичному изображению - одному модулю. В них разделение волнового фронта, распространяющегося  от объекта, осуществляется входными зрачками этих элементов, причем в каждый зрачок попадает только часть волнового  фронта. Каждый элемент растра - осевая голографическая линза, концентрические  кольца которой образуются в результате интерференции сферического и плоского волновых фронтов. Растр голографических линз может быть получен последовательной записью голограмм одного и того же точечного источника, образованного высококачественным (образцовым) микрообъективом. Преимущества такого мультипликатора - идентичность элементов растра, высокая разрешающая способность (особенно в центре), простота получения больших полей изображений - определяются числом мультиплицирующих элементов.

Голографические мультипликаторы  с угловым делением волнового  фронта содержат голограмму, представляющую собой единый мультиплицирующий  элемент и обеспечивающую формирование множества микроизображений за счет дифракции на структуре голограммы световой волны, распространяющейся от объекта. При этом каждое отдельное микроизображение строится волновым фронтом, образованным всей площадью голограммы. Эти мультипликаторы бывают дух типов: на голограммах Френеля и голограммах Фурье (рис).

 
Рис. Изготовление и работа мультипликатора на голограмме Френеля.

 

При регистрации голограмм Френеля  используют набор когерентных точечных источников и опорный источник. В  результате их интерференции на фотопластинке  получают голограмму точечных источников - мультиплицирующий элемент, представляющий собой набор внеосевых голографических линз, "вложенных" в одну апертуру.

 
Рис. Работа голографического мультипликатора на голограмме Фурье.

 

Голографические мультипликаторы  Фурье могут быть выполнены по схеме со сходящейся волной и по схеме с мультиплицирующим элементом  в плоской волне. Вторая схема  предпочтительнее, ее и рассмотрим (рис).

Образование изображения в системе  может быть представлено как процесс  двойной дифракции.

Первая дифракция происходит на объекте 2, освещаемом плоской монохроматической волной, образуемой когерентным источником света 1. Объект 2 расположен в передней фокальной плоскости объектива 3, который образует в своей задней фокальной плоскости 4 пространственный спектр объекта. В плоскости голограммы 4, которая одновременно является передней фокальной плоскостью второго объектива 5, находится мультиплицирующий элемент, представляющий собой голограмму набора точечных источников, число и расположение которых соответствуют желаемому числу и расположению размноженных изображений. В плоскости 4 имеем произведение двух спектров Фурье: объекта и набора точечных источников. Второй объектив 5 осуществляет также преобразование Фурье (обратное) объекта в своей фокальной плоскости. Поэтому в плоскости изображения 6 имеем, совокупность изображений исходного объекта, причем линейное увеличение системы γ и размер изображений определяются соотношением фокусов объективов системы γ = f2/f1.

В качестве мультиплицирующего элемента 4 могут быть использованы две скрещенные дифракционные решетки, обеспечивающие равенство интенсивности света, дифрагированного в нулевой и несколько боковых порядков.

 

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.

2.1. 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.