Голография и ее применение

смещении глаз по вертикали цвет изображения меняется по радуге (поэтому и

"радужная"), но изображение остается резким. Наблюдается разделение, а не

смешение цветов в вертикальном направлении, поскольку каждое окрашенное

изображение -результат раздельного восстановления информации, содержащейся

в узкой щели. Наибольшая резкость имеет место для точек изображения,

лежащих в непосредственной близости от голограммы, точки же, находящиеся на

некотором расстоянии от голограммы, будут относительно нерезкими. Степень

не резкости зависит от размера щелевой диафрагмы. Ширина щели а

определяется по формуле : [pic]

,где r12 - расстояние между щелью и второй голограммой;

ri -расстояние между второй голограммой и объектом (его действительным

изображением) - "выход". При r12 ri

[pic]

Реально же размер щели может быть больше рассчитанного в 2-3 раза.

Если для восстановления щелевой голограммы взять цилиндрическую линзу,

позволяющую использовать весь восстанавливающий пучок, а для улучшения

дифракционной эффективности применить отбеливание, то при освещении

голограммы источником белого света можно наблюдать очень яркое изображение.

В отличие от голограмм Денисюка, требующих высокоразрешающих сред, радужные

голограммы, также наблюдаемые в белом свете, требуют гораздо более

низкоразрешающих фотоматериалов. Поэтому такие голограммы могут быть

переведены в рельефно-фазовые путем отбеливания либо сразу зарегистрированы

на фоторезисте с последующим вытравлением экспонированных участков.

В случае использования задубленного фоторезиста реплика (копия) голограммы

может быть сделана непосредственно с голограммы. Однако для получения

большего количества копий с голограммы делают металлическую матрицу-штамп.

Это выполняется методами гальванопластики, аналогичными тем, которые

используются при производстве никелевых штампов для грампластинок.

Никелевый штамп (или комплект штампов) позволяет формировать реплики на

любом термопластичном материале от пленок и ламинированной бумаги до

поверхности шоколада. При напылении на пленку зеркального металлического

слоя ДЭ голограммы-копии повышается до 35.. .40% и даже до 85 %. В

сочетании с дешевым сырьем и огромной производительностью созданного

оборудования для тиражирования данный метод копирования может и уже с

успехом применяется для получения высококачественного объемного

иллюстрированного материала массовых тиражей (журнал "Америка",

художественные альбомы, открытки, марки и т.д.).

4 Голографические оптические элементы.

Голографические (или голограммные) оптические элементы (ГОЭ) представляют

собой голограммы, на которых записаны волновые фронты специальной формы.

Голографические оптические элементы можно сконструировать для

преобразования любого входного волнового фронта в любой другой выходной

фронт независимо от параметров материала подложки, например от кривизны или

показателя преломления. С их помощью возможна коррекция аберрации

оптических систем, в таком случае ГОЭ выступают как составные элементы

сложных оптических приборов. ГОЭ используют и как самостоятельные

оптические элементы в качестве линз, зеркал, дифракционных решеток,

мультипликаторов и др.

Далее рассмотрим некоторые случаи применения ГОЭ в оптике и оптическом

приборостроении.

4.1. Голограмма-линза.

Голограмму можно рассматривать не только как результат записи волнового

поля, но также как изображающий оптический элемент. Известно, что свойства

линзы проявляют зонные пластинки (решетки). Под этим термином обычно

понимают зонную пластинку Френеля, состоящую из чередующихся светлых и

темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами ?п = ?n?zf , где

п - целое число, ? - длина волны света с плоским волновым фронтом, которая,

падая на пластину, фокусируется на расстояние zf от нее.

Если n?=zf то совокупность окружностей, которым соответствуют четные п,

можно рассматривать как зонную пластину, имеющую двойное фокусное

расстояние 2zf, совокупность окружностей с п, кратным 3, - как пластинку с

утроенным фокусным расстоянием и т.д. Такая пластинка Френеля с

прямоугольным радиальным распределением почернения может выполнять функцию

изображающего оптического элемента. Ее недостаток - возникновение большого

числа изображений, расположенных на оси, совпадающей с главным лучом пучка

нулевого дифракционного порядка.

Зонную пластинку с косинусоидальным распределением почернения можно

получить в виде голограммы, на которой записан результат интерференции

плоской и сферической волн по схеме Габора при условии линейности процесса

регистрации. В этом случае образуются только ±1-с дифракционные порядки,

т.е. только два фокуса. В случае схемы Лейта оба изображения

пространственно разделены между собой и с пучком нулевого порядка.

При освещении голограммы-линзы плоской волной возникают две сферические

волны: сходящаяся и расходящаяся. Голографическая линза одновременно

выполняет функции двух линз - выпуклой (положительной) и вогнутой

(отрицательной). Направления распространения образованных сферических волн

зависят от направления восстанавливающей плоской волны.

Схема получения голографической линзы приведена на рис. 8.10. С помощью

линзы Л и микродиафрагмы Д создается точечный источник сферической волны.

На заданном расстоянии zs от точечного источника устанавливают

фотопластинку Ф, освещаемую также опорной плоской волной Р.

Интерференционная картина регистрируется на фотопластине с последующей

фотохимической обработкой, предусматривающей, как правило, отбеливание. В

результате ДЭ полученной фазовой голограммы достаточно высока (до

нескольких десятков процентов).

[pic]

Рис. Схема получения голографической линзы (а) и построения изображения

(б).

При построении изображения предмета Т, помещенного в восстанавливающий

пучок С, возникают основное изображение Iр - действительное и вторичное Ik

- мнимое. Если повернуть голограмму на 180°, то характер изображений

изменится.

Голографическая линза - это оптический элемент с двумя фокусными

расстояниями: для основного (fp) и сопряженного (fk) изображений. Положения

двух изображений связаны формулой l/zp + l/zk = 2/zT.

Как видим, это выражение не зависит от положения источника сферической

волны при получении и определяется только положением предмета Т

относительно голографической линзы.

4.2. Голографические дифракционные решетки.

Наиболее распространенный вид ГОЭ - именно голографические дифракционные

решетки (ДР), представляющие собой зарегистрированную на

светочувствительном материале картину интерференции двух световых пучков.

Параметры голографических решеток можно изменять в широком диапазоне с

помощью схемы записи и формы поверхности, на которой регистрируется

решетка.

Так, при изготовлении голографической решетки ей можно придавать любые

фокусирующие свойства, например, получать плоские голограммы, аналогичные

по своему действию вогнутой решетке, но лишенные астигматизма последней.

Голографический метод позволяет формировать ДР с любым распределением

эффективности по дифракционным порядкам. Для этой цели может быть

использована оптическая схема пространственной фильтрации.

В случае падения на светочувствительный слой двух параллельных пучков под

углами ? друг к другу расстояние между интерференционными полосами

определяется как d = ?/2sin (?/2). При увеличении угла ? и уменьшении длины

волны ? расстояние между штрихами уменьшается. В пределе при ?>? d>?/2.

Есть сообщения о промышленном изготовлении ДР с пространственной частотой

до 6000 линий/мм.

Преимущество голографического метода еще и в том, что решетки могут быть

изготовлены весьма больших размеров (до 600 Ч 400 мм). Дифракционные

решетки превосходят обычные, нарезанные механическим способом, по таким

параметрам, как максимальная пространственная частота и размеры, отношение

сигнал/шум, возможность коррекции аберрации и др.

На практике наиболее пригодны голографические ДР на БХЖ, что обусловлено

свойствами последней (высокая ДЭ, низкие зернистость, потери и т.д.).

Голографические ДР используют в лазерной технике. Будучи введены в лазерный

резонатор, они служат хорошими селекторами длин волн излучения. Две

скрещенные голографические ДР делят световой пучок на несколько равных по

интенсивности пучков. Таким образом, могут быть созданы мультиплицирующие

элементы (размножители) с эффективностью до 85%. Такие мультипликаторы

обеспечивают любой шаг мультипликации от единиц до десятков миллиметров.

4.3. Голографические мультипликаторы.

Мультипликация (размножение) изображений занимает важное место в технологии

производства интегральных схем для микроэлектроники. Мультиплицирование

требуется при использовании группового метода изготовления изделий, в

многоканальных системах обработки информации, а также в системах хранения и

размножения информации и др.

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).

[pic]

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.

[pic]

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 ? и размер изображений

определяются соотношением фокусов объективов системы ? = 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.

[pic]

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.

[pic]

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.

[pic]

Рис. Запись и восстановление увеличенного изображения в голографическом

микроскопе с прямой записью.

Увеличение восстановленного изображения определяется выражением

M = [1 ± (z1?1/z3?2) - (z1/z2)]-1,

где ?1, ?2 - 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 ± (z1?1/z3?2)]-1 и достигает больших значений

для действительного изображения при z1?1 = z3?2. При z1 = z3 увеличение M =

[1 ± (?1/?2)]-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.

[pic]

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

Страницы: 1, 2, 3