Изобразительная голография
5.1. Требования к источникам излучения
Оптическая голография имеет разнообразные научные и технические приложения, однако для массового сознания наиболее яркое приложение связано с изобразительными возможностями записи и восстановления объемных изображений трехмерных объектов. Здесь можно воспользоваться следующей аналогией: если развитие полиграфии позволило в свое время массовой аудитории получить доступ к картинам великих художников, то ожидается, что развитие голографии позволит добиться аналогичного эффекта в отношении скульптурных шедевров, исторических реликвий, драгоценностей и т. д. Однако столь существенное расширение возможностей требует соответствующей оплаты. Стоимость голограмм с полноценным изобразительным эффектом оказывается очень высокой.
При попытках воспользоваться в широких масштабах способностью голограмм воспроизводить полноценные объемные изображения трехмерных предметов (3D изображения) возникают две проблемы. Дело в том, что качество восстановленного изображения зависит от характеристик световой волны, используемой для восстановления голограммы и, в первую очередь, от ее спектрального состава и угловых размеров источника света. В общем случае для полноценного восстановления изображения требуется монохроматическое излучение с той же длиной волны, которая использовалась при записи голограммы, причем источник излучения должен быть точечным. Нетрудно показать, что нарушение этих условий приводит к ухудшению резкости изображения. Рассмотрим для примера голограмму с внеосевым опорным пучком.
На рис. 9 показана голограмма Н, при записи которой использованы волна, рассеянная предметом О, и опорная волна от точечного источник R.
Рис. 9
Пусть эти волны с длиной волны λ встречаются на голограмме под средним углом α. Они сформируют интерференционную картину с периодом p = λ/sinα. Эта интерференционная картина на стадии восстановления голограммы играет роль дифракционной решетки. Если восстанавливать голограмму опорной волной с той же длиной волны λ, то восстановленная голограммой предметная волна вследствие дифракции на решетке пойдет в прежнем направлении, так как угол дифракции α на решетке определяется соотношением sinα = λ/p. Если теперь для восстановления голограммы использовать опорную волну с другой длиной волны λ1, то угол дифракции изменится, и восстановленная предметная волна пойдет по отношению к опорной волне под иным углом α1, определяемым из соотношения sinα1 = λ1/p. В результате при наблюдении через голограмму мы увидим, что изображение предмета смещено по отношению к исходному положению. Если же излучение источника опорной волны R немонохроматично и содержит в своем составе непрерывный спектр длин волн в диапазоне от λ до λ1, то для каждой длины волны из этого спектра возникнет свое изображение, и все эти смещенные относительно друг друга изображения будут накладываться. В итоге суммарная картина окажется смазанной. Итак, немонохроматичность световой волны на стадии восстановления голограммы приводит к спектральному размытию восстановленного изображения.
Пусть теперь на стадии восстановления голограммы мы изменяем положение источника опорной волны и переносим его из точки R в точку R1 (см. рис. 10)
Рис. 10
Фактически, мы поворачиваем опорную волну на некоторый угол. При этом в приближении малых углов дифракции α восстановленная волна также повернется соответствующим образом так, чтобы угол α между новой восстанавливающей волной и новой восстановленной сохранился и составлял бы по-прежнему α. В результате наблюдатель увидит восстановленное изображение предмета в новом положении. Если теперь использовать для восстановления голограммы волну не от точечного источника, а от протяженного источника, занимающего в пространстве весь отрезок RR1, то каждой точке этого источника будет соответствовать свое восстановленное изображение. Все изображения будут смещены относительно друг друга, и при их наложении получится смазанная картина.
Из рассмотренных примеров ясно, что использование голограмм в изобразительных целях предъявляет к источникам излучения, используемым на стадии восстановления изображения, весьма жесткие требования. Строго говоря, этим требованиям удовлетворяют только лазеры. В настоящее время их стоимость достаточно высока. Кроме того, изображения, полученные в лазерном излучении, имеют характерную случайную модуляцию интенсивности, называемую спекл-эффектом. Этот эффект существенно снижает художественные достоинства изображения. Эти сложности вынудили искать решение проблемы путем использования таких схем записи голограмм, которые позволили бы снизить требования к источникам восстанавливающего излучения.
С этой точки зрения внимание, прежде всего, было обращено к голограммам, полученным по оптической схеме Ю.Н. Денисюка, в которой на фотопластинку с противоположных сторон направляют два встречных пучка лазерного излучения: предметный и опорный (рис. 5). Выше мы упоминали, что голограмма Денисюка формируется за счет трехмерной интерференционной картины в объеме фотоэмульсии. На стадии восстановления голограммы происходит дифракция Брэгга на трехмерной решетке, зарегистрированной в эмульсии. Дифракция Брэгга обладает селектирующими свойствами по отношению к длине волны, в результате чего при восстановлении голограммы Денисюка источником белого света в дифрагированной волне присутствует лишь узкий спектральный диапазон длин волн, близких к длине волны лазерного излучения, использованного при записи голограммы. В результате спектральное размытие изображения, обусловленное немонохроматичностью источника, оказывается весьма несущественным.
Чтобы свести к минимуму также и размытие изображение, обусловленное конечными размерами восстанавливающего источника, используют источники с малыми угловыми размерами. Это, как правило, галогенные лампы с малым размером светящегося тела. Кроме того, при записи голограммы предмет стремятся расположить по возможности вплотную к голограмме. Это уменьшает линейное размытие Δх изображения (см. рис. 10), так как при заданных угловых размерах источника размытие Δх уменьшается с уменьшением расстояния от голограммы до предмета. В итоге с помощью голограмм Денисюка удается добиться получения объемных изображений с приемлемыми изобразительными свойствами. Это и обусловило их использование в голографической изобразительной технике.
Размеры голограмм Денисюка могут достигать одного метра. Используются, главным образом, одноцветные изображения, однако могут изготовляться и голограммы, передающие изображение многоцветного объекта в цветах, близких к натуральным. С этой целью голограмму составляют из трех слоев, каждый из которых, записываемый по отдельности, содержит голограмму Денисюка, полученную в свете красного, зеленого или синего лазера. Совместное восстановление этих трех монохромных голограмм общим источником белого света позволяет получить полноценное цветное изображение.
5.2. Тиражирование голограмм.
Еще одной важной проблемой в развитии изобразительной голографии является технология массового тиражирования (копирования) голограмм. Наиболее распространены два способа копирования готовых голограмм.
Первый способ называют интерференционным копированием. Голограмму, подлежащую копированию будем называть в дальнейшем мастер-голограммой. Суть способа заключается в том, что изображение, восстановленное мастер-голограммой, записывают на новую голограмму. Для мастер-голограммы, изготовленной по схеме Денисюка интерференционное копирование сводится к тому, что на голограмму вплотную накладывают фотопластинку и освещают со стороны фотопластинки лазерным излучением (см. рис. 11) с той же длиной волны, что и при записи мастер-голограммы.
Рис. 11 . Схема копирования голограммы Денисюка;
МН – мастер-голограмма, Р – фотопластинка.
Падающая на пластинку волна играет для новой голограммы роль опорной волны, а волна, прошедшая сквозь нее восстанавливает изображение с мастер-голограммы и образует предметную волну. После проявления фотопластинки она по своим свойствам почти не отличается от мастер-голограммы.
Однако в ходе интерференционного копирования голограмме-копии можно придать новые изобразительные свойства. Для этой цели используют действительное изображение, восстанавливаемое мастер-голограммой. Соответствующая оптическая схема представлена на рис.12. Мастер-голограмму восстанавливают излучением, падающим со стороны предмета. В этом случае возникает действительное изображение предмета, расположенное по ту же сторону от голограммы, что и падающий луч. Фотопластинку, на которую записывают копию, устанавливают не вплотную к голограмме, а, к примеру, так, чтобы она рассекла действительное изображение предмета. Полученная голограмма-копия при восстановлении ее волной со стороны мастер-голограммы позволит наблюдать интересный изобразительный эффект, когда некоторые детали предмета как бы выступают из плоскости голограммы и находятся перед ней.
Рис. 12 . Схема копирования действительного изображения;
МН – мастер-голограмма, Р – фотопластинка.
Следует заметить, что описанная технология интерференционного копирования не слишком существенно отличается от технологии изготовления самих голограмм и поэтому интерференционные голограммы-копии достаточно дороги. Их тиражи, как правило, невелики.
Другой способ копирования голограмм заключается в воспроизведении рельефной структуры голограммы методом тиснения. Подобным способом еще в XIX веке копировали дифракционные решетки, нарезанные алмазным резцом на стекле. Однако этим способом можно тиражировать лишь так называемые тонкие голограммы, интерференционная структура которых отображена в поверхностном рельефе. Голограммы Денисюка для копирования этим способом не подходят, так как их интерференционная структура принципиально трехмерна и записана не на поверхности, а в объеме фотоэмульсии.
К тонким голограммам можно отнести голограммы, полученные по схеме Лейта с внеосевым опорным пучком. Если такая голограмма записана на фоторезисте, фотополимере или другом материале, изменяющем свою толщину в зависимости от величины экспозиции, то после проявления ее интерференционная структура будет отображена в виде поверхностного микрорельефа. Этот рельеф методами гальванопластики переносят на металлическую основу и далее размножают путем штамповки (тиснения) на термопластичном материале. Получается высокопроизводительный и дешевый (при больших тиражах) способ тиражирования голограмм.
5.3. Радужные голограммы.
К сожалению, голограммы Лейта, записанные с внеосевым опорным пучком, как отмечалось выше, восстанавливают резкое изображение только в монохроматическом излучении, что неудобно при широком использовании. Эта трудность была успешно преодолена Бентоном в его так называемых радужных голограммах. Идея Бентона заключается в следующем.
При восстановлении голограммы Лейта белым светом различные спектральные составляющие восстановленного излучения распространяются под углом друг к другу. Из рис. 9 видно, что на очень большом удалении от голограммы эти спектральные составляющие пространственно разделятся, так что наблюдатель, удаленный на большое расстояние от голограммы, смог бы увидеть в излучении лишь одной спектральной составляющей относительно резкое монохромное изображение предмета. Такой способ разделения спектральных составляющих восстановленного излучения практически неудобен, так как изображение желательно разглядывать с расстояния наилучшего зрения. Бентон предложил способ разделения всех спектральных составляющих восстановленного излучения на любом заранее выбранном расстоянии.
Метод Бентона требует записи голограммы в два этапа. На первом этапе по схеме Лейта записывают обычную голограмму предмета (рис.13а). При этом предмет располагают от голограммы на расстоянии наилучшего зрения или чуть дальше. Затем с этой голограммы восстанавливают действительное изображение предмета. Для этого голограмму освещают волной, сопряженной по отношению к опорной волне (сопряженная волна получается путем обращения направления распространения исходной волны в противоположную сторону). При этом голограмму закрывают маской в виде узкой горизонтальной щели (рис. 13б).
Рис. 13 . Схема записи (а) и восстановления (б) первичной голограммы;
Н – голограмма, м – маска, D – расстояние наилучшего зрения.
В результате изображение предмета восстанавливается цилиндрическим пучком, расходящимся из этой щели. Теперь восстановленное действительное изображение используют как предмет и записывают на новую голограмму. Фотопластинку для записи голограммы располагают поблизости от предмета (рис. 14а). Голограмму записывают с параллельным или медленно сходящимся опорным пучком. Теперь эту голограмму восстанавливают сопряженным пучком (рис. 14б). Она восстанавливает записанную на нее цилиндрическую предметную волну, которая в своем обратном ходе сходится и фокусируется в линию там, где располагалась щелевая маска при записи данной голограммы (на расстоянии наилучшего зрения от голограммы). Если глаза наблюдателя расположены на этой линии фокуса, то он видит предмет целиком и имеет возможность оглядывать его по горизонтали в пределах длины щели, то есть воспринимает изображение как объемное.
Рис.14 . Схема записи вторичной голограммы (а) и наблюдение восстановленного изображения (б); Н1 – первичная голограмма, Н2 – вторичная голограмма, R – опорный пучок, стрелкой показано положение глаз наблюдателя.
Если теперь при восстановлении этой голограммы используют источник белого света, то голограмма будет действовать как дифракционная решетка, и восстановленные предметные пучки для разных спектральных составляющих пойдут по разным направлениям. В результате каждая спектральная составляющая сфокусируется в свою линию. Эти линии для всех спектральных составляющих будут пространственно разделены и расположены параллельно друг другу. В глаза наблюдателя, находящегося на расстоянии наилучшего зрения, попадет одна из этих линий, то есть лишь одна спектральная составляющая, в результате чего он увидит монохромное, не смазанное спектральным размытием изображение. Если наблюдатель будет смещаться в вертикальном направлении, его глаза будут последовательно пересекать линии разных спектральных составляющих, и он увидит плавное изменение цвета восстановленного изображение. Последовательность изменения цветов будет такой же, как в радуге. По этой причине голограммы этого типа называют радужными голограммами. Более простая одноступенчатая схема получения радужных голограмм предложена Н.Г. Власовым.
Радужные голограммы благодаря возможности их массового тиражирования методом тиснения нашли широкое применение в изобразительной голографии. Но в еще большей степени их используют как защитные метки для защиты документов, ценных бумаг и фирменных товаров от подделки. Это своего рода голографическая печать, удостоверяющая подлинность. Объемность изображения и радужный эффект таких печатей не воспроизводятся при попытках их копирования и подделки с помощью сканеров, принтеров и ксероксов.
Для того, чтобы наносить защитные метки на документы разработана специальная самоклеющаяся термопластичная пленка с зеркальным отражающим слоем. В заводских условиях производят тиснение голографических меток на пленке, затем поверх оттисненного рельефа наносят термоклей, температура термоактивации которого ниже температуры размягчения термопластичного слоя пленки. Перенос метки на документ осуществляют горячим штампом, активирующим клей, который и обеспечивает надежную адгезию метки с бумагой.
5.4. Многоракусные голограммы
Оптическая голография предоставляет интересную возможность синтезировать объемные изображения сцены по ее отдельным фотографиям, снятым с различных ракурсов.
В настоящее время напрямую записать голограмму архитектурного памятника или какого-либо пейзажа технически невозможно. Однако способность голограммы объединять в себе запись множества различных изображений позволяет решать подобные задачи путем последовательного записывания на одну голограмму всех ракурсов данной сцены, предварительно зафиксированных фотоаппаратом.
На рис. 15 показана схема многоракурсного фотографирования. Стрелками показаны положения, которые последовательно занимал фотоаппарат при фотографировании объекта. Обычно фотографируют несколько десятков ракурсов.
Рис. 15
Далее используют двухступенчатую схему Бентона для получения многоракурсной радужной голограммы. При записи первичной голограммы в качестве предмета на расстоянии наилучшего зрения устанавливают один из отснятых слайдов S (например, первый) и освещают его напросвет через матовый рассеиватель С (рис. 16а). При этом перед голограммой Н устанавливают непрозрачную маску М со горизонтальной щелью, длиной порядка 65 мм (расстояние между центрами глаз). Щель устанавливают в положение 1. Производят экспонирование, затем сменяют слайд на второй, щель перемешают на ее длину вниз и устанавливают в положение 2, снова экспонируют и так далее. В итоге получается первичная голограмма в виде щели, по длине которой распределены голограммы всех ракурсов.
Первичную голограмму используют для записи вторичной голограммы. Ее записывают по схеме рис. 14а. В результате полученная радужная голограмма дает не только объемное изображение объекта, но и позволяет оглядывать его путем изменения точки наблюдения в пределах угла зрения, который обеспечивается совокупностью отснятых ракурсов.
Рис. 16. Схема записи первичной голограммы, а – вид сверху, б – вид сбоку.