(от греч. холос полный и графо пишу) способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного (см . КОГЕРЕНТНОСТЬ) излучения лазера. Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее амплитуду и фазу). Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и светлых полос картину интерференции.

На экспонированной таким образом и проявленной пластинке отсутствует какое-либо изображение, однако его в зашифрованном виде содержит система интерференционных полос, и если голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет «восстановленная голограмма» объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве. Меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предметы на первом плане и увидеть детали, ранее скрытые от взгляда, Свет, проходя сквозь систему черно-белых полос голограммы, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета (см . КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ). Аналогичным образом лазерный луч, пропущенный сквозь отверстие очень малого диаметра, даст на фотопластинке, поставленной за отверстием, систему колец (так называемые «кольца Френеля»). А световой пучок, проходящий сквозь их изображение («зонную пластинку»), сойдется в точку. Кольца Френеля представляют собой простейшую голограмму голограмму точки.

Голографию изобрел (и придумал название) английский физик Деннис Габор в 1947, исследуя законы построения изображений в оптике и работая над совершенствованием электронного микроскопа. Он пришел к выводу, что зарегистрировать полное изображение предмета можно без объектива, используя только пучок когерентного монохроматичного света. Первые голограммы были получены им при помощи ртутной лампы, из спектра излучения которой «вырезалась» очень узкая полоса частот. Диаметр пучка составлял 12 микрона, а время экспозиции несколько часов. Между источником света и фотопластинкой помещался либо прозрачный объект, либо предмет небольшого размера, так что излучение источника выполняло одновременно функции и предметного, и опорного пучков. Поэтому при восстановлении голограммы возникали сразу два изображения на одной линии, которые создавали взаимные помехи при регистрации. Все это делало невозможным практическое применение голографии, и о ней надолго забыли.

После появления мощного источника когерентного света лазера интерес к голографии вспыхнул вновь. В 1962 американские оптики и радиофизики Эммет Лейт и Дж. Юрис Упатниекс усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой. Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве. Схема Лейта Упатниекса стала основой современных голографических установок.

В это же время на голографические методы записи изображения обратил внимание российский физик Юрий Николаевич Денисюк. Он создал принципиально новый способ записи голограмм в толстом слое фотографической эмульсии. Предметный и опорный пучки приходят к пластинке с разных сторон и интерферируют. В объеме ее эмульсионного слоя на разной высоте в областях максимумов интерференции возникают микроскопические пятна почернения. Падающий на проявленную голограмму свет отражается от них и, интерферируя, формирует восстановленное изображения предмета. При этом из голограммы выходят только свет, частота которого равна частоте записывающего лазерного излучения, а все остальные частоты автоматически подавляются. Объемную голограмму восстанавливают обычным белым светом, получая монохромное изображение.

В своей работе Ю.Денисюк опирался на способ получения цветных фотографических изображений, разработанный французским физиком Габриэлем Липпманом в 1891. Луч света из объектива его фотоаппарата попадал на пластинку, залитую с обратной стороны ртутью (ее слой служил зеркалом). Отраженные световые волны интерферировали с падающими, создавая в толще фотографической эмульсии стоячие волны. В местах их пучностей возникали области почернения отражающие поверхности, каждая из которых отражала свет только «своего» цвета. Изображение было цветным, но не объемным.

Современная технология позволяет копировать объемные голограммы «по Денисюку» типографским способом. Для этого голограмму получают в особом светочувствительном материале фоторезисте. После экспонирования материал обрабатывают растворителем, который смывает его слой до зон почернения. Образуется микрорельеф, с которого снимают отпечаток матрицу. При помощи этой матрицы в пластическом материала печатают копии голографического рельефа, покрывают их слоем металла и прозрачной защитной пленкой. Таким способом изготавливают защитные марки на упаковках пищевых продуктов и документах. Подделать их практически невозможно.

Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости синхронно работающими вибраторами. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.

Демидов В.Е. Пойманное пространство. М., «Знание», 1982
Пирожников Л.Б. Что такое голография? М., «Московский рабочий», 1983
Транковский С.Д.Книга о лазерах. М., «Детская литература», 1988

В фотографии регистрируется распределение интенсивности световых волн в двумерной проекции изображения объекта на плоскости фотоснимка. Однако, информация об объемности объекта заложена не только в амплитуде, но и в фазе световых волн, распространяющихся от точек регистрируемого объекта. Поэтому, под каким углом мы ни рассматривали бы фотографию, мы не видим новых ракурсов. Не можем увидеть также предметы, расположенные на заднем плане и скрытые впереди стоящими. Перспектива на фотографии видна лишь по изменению относительных размеров предметов и четкости их изображения. Итак, фотография, на первый взгляд являющаяся объективным способом регистрации изображений, при детальном рассмотрении дает весьма субъективную информацию, рассчитанную на восприятие человеческим глазом. Недостатки фотографии в полной мере компенсируются принципиально новым методом регистрации изображений, получившим название голография.

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 эта интерференционная 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.--> Голограмма формирует реальное объемное изображение, в отличие от фотографии и даже от таких подделок под объемность, как стереограммы. Реальность состоит в том, что голограмму можно наблюдать с разных точек, наблюдая части объекта или сцены, которые были скрыты при наблюдении с другой точки зрения. В этом смысле голографическое изображение ведет себя полностью как реальный объект. Особенно хорошо это иллюстрируют голографические изображения прозрачных объектов, например, голограмма линзы полностью сохраняет все свойства реальной линзы, и поэтому через изображение линзы можно просматривать увеличенное изображение расположенных за ней объектов. Правда, на голограмме не могут быть отображены самосветящиеся объекты, например, электрическая лампа. Это следует из самой технологии голографии - снимаемый объект должен быть освещен лазерным светом, и только этот свет фиксируется на голограмме.

1-й этап - Запись пропускающей голограммы

Пучок лазера 1 делится на два полупрозрачным зеркалом 2. Первый пучок, называемый сигнальным, направляется зеркалом 3, расширяется линзой 4 и освещает объект 7. Второй пучок, называемый опорным, так же направляется зеркалом 3, расширяется линзой 4 и падает непосредственно на фотопластинку 8. Фотопластинка регистрирует картину интерференции между опорным пучком света и светом, отраженным от объекта. Картина интерференции – это мельчайшие перепады интенсивности света с периодом менее 1 микрона.

Импульсный лазер позволяет записывать на голограмму любые объекты, например, делать портреты людей, снимать домашних животных и т. д. После обычной фотохимической обработки фотопластинки получается пропускающая голограмма (голограмма Лейта-Упатниекса). Если осветить такую голограмму лазерным пучком света, можно увидеть объемное изображение объекта. В обычном белом свете пропускающая голограмма изображение не восстанавливает и поэтому требуется ее копирование на отражающую голограмму.

2-й этап - Запись отражающей голограммы

На второй стадии пропускающую голограмму 9 освещают восстанавли-вающим пучком 6, направленным противоположно опорному пучку при записи голограммы. В этом случае голограмма восстанавливает так называемое «действительное» изображение 7, которое располагается в пространстве перед голограммой на том же месте, где находился объект. В этом месте помещают фотопластинку 8, которая регистрирует интерференционную картину двух пучков света – опорного 5 и пучка, создающего действительное изображение объекта. Так как пучки приходят с разных сторон фотопластинки, на ней регистрируется отражающая голограмма (голограмма Денисюка), которая может восстанавливать объемное изображение в обычном, белом свете. Регулируя расстояние между пропускающей голограммой и фотопластинкой, можно менять положение изображения, располагая его за плоскостью голограммы и даже перед ней!

Согласно закону невзаимозаместимости , при очень короткой экспозиции чувствительность фотопластинок заметно падает. Это непосредственно касается записи голограмм импульсным лазером на неодиме, длительность импульса которого составляет порядка 20 нсек. В результате приходится либо увеличивать энергию импульса, либо использовать неоптимальное проявление, приводящее к повышенным шумам в изображении. Для устранения этого нежелательного явления можно использовать известный в фотографии эффект латенсификации . Эффект заключается в усилении скрытого изображения слабой и длительной засветкой фотопластинки некогерентным светом сразу после записи голограммы. При этом происходит увеличение центров скрытого изображения до размеров, характерных для нормальной экспозиции. Примечательно, что воздействие такой слабой засветки на неэкспонированную фотопластинку не приводит к появлению какой-либо заметной плотности почернения при проявлении.

Формат DV Cam . Достоинства. Недостатки. Применение.

Высокие темпы внедрения цифровой техники в нашу жизнь в значительной степени предопределило появление несколько лет назад устройств, созданных на базе компрессии DV. Высокое качество изображения, взаимная совместимость оборудования разных производителей, доступность по цене - вот те главные обстоятельства, которые послужили причиной выбора миллионов людей в пользу нового стандарта.

Формат DVCAM, впервые представленный фирмой Sony в 1996 году, является профессиональным вариантом стандартного формата DV. В формате DVCAM используется 8-битная цифровая компонентная запись со сжатием 5:1 и соотношением частот дискретизации 4:1:1 (для сигнала 525/60) или 4:2:0 (для сигнала 625/50). Уникальный алгоритм сжатия изображения обеспечивает высокое качество изображения и возможность многократной перезаписи без ухудшения качества. При записи яркостного и цветоразностных сигналов используются 8-бит квантование и частоты дискретизации 13,5 и 6,75 МГц соответственно. Записываемый поток видеоданных 24,948 Мбит/с, общий записываемый поток 41,85 Мбит/с. Минимальная длина волны записи 0,488 мкм, что соответствует продольной плотности записи 4098 бит/мм.

DVCAM фирмы Sony имеет по существу те же параметры записи на ленту, что и DV, но шаг и ширина дорожек увеличены до 15 микрон (вместо 10 микрон у DV). Шаг дорожки зависит от скорости, с которой лента движется относительно головок, и с углом, под которым дорожка записывается поперек ленты. Ширина дорожки - это реальная ширина записи дорожки на ленте. У DVCAM нет предохранительной полосы между дорожками, поэтому ширина дорожки совпадает с шагом. С увеличением ширины дорожки сокращается продолжительность записи на лентах равной длины, но и снижается влияние пропусков, поскольку каждый кадр записывается на большей площади ленты. Большинство устройств DVCAM могут воспроизводить только DV и DVCAM, однако новая дека Sony DSR-2000 будет воспроизводить и DVCPRO.

Звук сигнал 48 кГц/16 бит.

Своим высоким качественным и эксплуатационным показателям аппараты DVCAM во многом обязаны замечательным свойствам металлизированной ленты AME (Advanced Metal Evaporated – «улучшенная металлонапыленная»), разработанной Sony.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №7

– это область науки и техники, изучающая и использующая преобразование электромагнитной волны интерференционной структурой, сформированной при когерентном сложении этой электромагнитной волны с другими электромагнитными волнами.

С практической точки зрения, можно сказать, что голография изучает вопросы записи изображений объектов различного типа методом регистрации интерференционной картины полученной при сложении объектной волны и вспомогательной опорной волны и последующим воспроизведением этого изображения в результате дифракции опорной волны на зарегистрированной ранее интерференционной структуре. При этом, как объектная так и опорная волны могут иметь произвольные волновые фронты, однако для большинства применений голографии удобнее использовать плоскую или сферическую опорную волну, а в ряде случаев и объектная волна может быть относительно простой, плоской или сферической. Принципиальным является лишь условие регистрации взаимной интерференции объектной и опорной волн. Только в этом случае мы можем говорить о голографии как о методе «полной» записи изображения объекта (голография с греческого дословно переводится как «полная», то есть, всеобъемлющая запись). Действительно, изображение восстановленное голограммой сохраняет все свойства реального объекта, включая его местоположение и форму, которые тот имел при регистрации. В этом случае возможно не только оценить расстояние до объекта, но и рассмотреть его под разными углами, причем не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскости. Ошибочной является нередко встречающаяся точка зрения о том, что метод цветной фотографии изобретенный Габриэлем Липпманом (Gabriel Lippmann, 1845-1921) также использует голографический способ записи. В методе Г. Липпмана объектная волна сфокусированного объективом изображения проходит сквозь прозрачную регистрирующую среду и отражается от плотно прилегающего к ней ртутного зеркала. В результате сложения падающей и отраженной волн в регистрирующей среде образуются интерференционные полосы (так называемые «стоячие» волны) расположенные параллельно плоскости фотопластинки на расстоянии примерно λ/2 (где λ - длина световой волны). После химико-фотографической обработки (Г. Липпман использовал галогенидосеребряные фотопластинки собственного изготовления) внутри эмульсионного слоя возникали чрезвычайно мелкие частицы серебра (размером в несколько десятков нанометров) местоположение которых в точности повторяло интерференционную картину «стоячей» волны. А поскольку расстояние между интерференционными полосами определяется цветом падающей на фотопластинку объектной волны, то при рассмотрении изображения на фотографиях полученных по методу Г. Липпмана мы увидим, что разные части цветного изображения отражают тот цвет, который объект имел при записи. Этот же принцип «селективного» (то есть избирательного) отражения света используется, например, при изготовлении интерференционных зеркал, в которых методом электровакуумного напыления последовательно наносят диэлектрические слои с разными показателями преломления, формируя, таким образом, многослойную структуру, отражающую только тот диапазон спектра, который нужен для данного применения. Таким образом, как видно из описания метода Г. Липпмана, ему удалось записать не только распределение яркости света на объекте, видимом под определенным ракурсом (как в обычной черно-белой фотографии), но также цвета, в которые окрашен объект, но при этом, конечно, изображение объекта плоское и не представляется возможным оценить его положение в пространстве.

Термин «голограмма» был предложен в 1947 году Деннисом Габором (Dennis Gabor, 1900-1979) в то время, когда он работал в компании Thomson-Houston (Рагби, Великобритания). Он изобрел двухступенчатую схему (названную им «голоскоп») для улучшения визуализации изображений полученных с использованием электронных микроскопов. В отличие от своих предшественников (М. Вольфке в 1920 и Л. Брэгга в 1939, предлагавших похожие двухступенчатые схемы) Д. Габор предложил к объектной волне добавить опорную волну для регистрации не только амплитуды, но и фазы объектной волны. Полученную таким образом и зарегистрированную на фотопластинке интерференционную картину он и назвал голограммой. Вследствие низкой когерентности используемой ртутной лампы Д. Габору приходилось располагать источник излучения, объект и регистрирующую фотопластинку на одной оси (осевая схема записи) в результате чего при освещении записанной голограммы действительное и мнимое изображения также находились на одной оси, накладываясь друг на друга.

Результаты первых работ Д. Габора по голографии были недооценены современниками. Лишь позже, в начале 60-х годов 20-го века, после изобретения и создания первых источников когерентного излучения (лазеров), голография получила «второе дыхание».

В 1963 году, используя лазеры, американцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые создали голографические изображения, имеющие объем и параллакс недостижимые ранее. При этом, в отличие от осевой схемы Д. Габора, Э. Лейт и Ю. Упатниекс использовали так называемую внеосевую схему записи голограмм, что позволило избавиться от проблемы наложения мнимого и действительного изображений. Голографическое изображение при этом восстанавливается путём прохождения через голограмму лазерного излучения.

Важный вклад в развитие нового направления внес советский ученый Юрий Николаевич Денисюк. В 1958 году, Ю.Н. Денисюк, будучи аспирантом ГОИ (Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова, Ленинград) придумал метод, названный им «волновой фотографией», для того, чтобы записать и затем воспроизвести волновой фронт света. Как и Д. Габор, он использовал ртутную лампу в качестве когерентного источника излучения.

При этом, Ю.Н. Денисюк и его коллеги разработали толстослойные и достаточно светочувствительные фотографические эмульсии высокого разрешения (изготовленные по методу Г. Липпмана) для записи интерференционной картины в объеме эмульсионного слоя. В качестве объектов записи для его первых голограмм были использованы сферические зеркала. При этом, в отличие от голограмм Д. Габора, голограммы Ю.Н. Денисюка можно было рассматривать в белом (не монохроматическом) свете, благодаря их чрезвычайно высокой спектральной селективности, а цвет восстановленного голограммой изображения будет определяться периодом записанной интерференционной картины.

В 1963 году Ван-Хирденом была опубликована статья в которой оценивались перспективы использования голографического метода для записи и хранения информации в объемных средах. Согласно этим теоретическим оценкам плотность записи на голографическом объемном материале может достигать 10 4 бит/мкм 2 . Для описания свойств голограмм в объёмных средах Г. Когельником в 1969 году была разработана теория «связанных волн», получившая всеобщее признание и дальнейшее развитие в теоретических работах Б.Я. Зельдовича, В.Г. Сидоровича (СССР) и др.

Таким образом, в 60-е годы голография получила всемирное признание научной общественности, что и было подтверждено присуждением Д. Габору в 1971 году Нобелевской премии по физике за изобретение голографии.

Практическое применение голографических технологий

В настоящее время голография находит широкое применение в различных областях науки и техники, таких как:

Изобразительная голография
Защитные технологии
Голографические системы записи и обработки информации
Голографическая интерферометрия
Голографические и дифракционные оптические элементы
Голографические системы распознавания образов

Одним из наиболее востребованных применений голографии является изготовление дифракционных решеток. Ю.Н.Денисюк активно поддерживал работы по изготовлению голограммных дифракционных решеток. Голографический способ записи дифракционных решеток позволяет не только снизить трудоемкость их изготовления, но также значительно улучшает их характеристики, а именно, у таких решеток снижается светорассеяние, повышается разрешающая способность. Работы в этом направлении, проводимые под руководством Ю.Н. Денисюка привели к созданию в Санкт-Петербурге в 1991 году компании «ХолоГрэйт». Использование в компании «ХолоГрэйт» неорганического фоторезиста на основе халькогенидного стекла позволило разработать технологии практически бездефектной регистрирующей среды на которой записываются голограммные дифракционные решетки большого формата с частотой линий до 3600 линий/мм. Определяющий вклад в становлении технологии изготовления голограммных дифракционных решеток в «ХолоГрэйте» внесли сотрудники отдела голографии Ю.Н. Денисюка: Герке Рудольф Робертович, Юсупов Игорь Юрьевич, Дубровина Татьяна Григорьевна.

Компания «ХолоГрэйт» использует фоторезистивные неорганические материалы также и для записи защитных голограмм различного типа, которые применяются для защиты документов и продукции от подделок и несанкционированного доступа. Важный вклад в разработку технологии записи таких голограмм внесли Гальперн Александр Давыдович, Михайлов Михаил Дмитриевич, Белых Анна Васильевна.

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.

Другое