6.4 Применение голографии

В соответствие со сказанным выше изображение, восстановленное с голограммы с помощью источника когерентного света, представляет собой волновой фронт, который может интерферировать с другой когерентной волной. Если интерферирующие волновые фронты не очень сильно отличаются друг от друга, то по характеру возникающих интерференционных полос можно сделать вывод о степени отличия сравниваемых изображений. Например, можно сравнить два состояния одного и того же объекта наблюдения при изменении температуры и отметить соответствующие термические деформации объекта.

Принципиального отличия методы голографической интерферометрии и оптической интерферометрии не имеют. Прежде всего, в обоих методах из- за малости длины волны света можно фиксировать отличия объектов с одинаковой, высокой точностью, составляющей доли длины волны света. Но с помощью голографической интерферометрии можно решить задачи, которые не по силам методам оптической интерферометрии.

Прежде всего, это относится к задаче сравнения пространственной структуры трёхмерных объектов. В оптической интерферометрии возможности изучения трёхмерной структуры объекта ограничена глубиной резкости объектива и не идёт ни в какое сравнение с возможностями голографии сравнивать объекты при различных ракурсах их наблюдения.

Другой задачей, которая не способна решить оптическая интерферометрия, является сравнение диффузно отражающих объектов. Оптическая же интерферометрия имеет дело с объектами, имеющими оптическое качество поверхности.

Однако, пожалуй, самое главное преимущество голографической интерферометрии перед оптической это возможность записи голограмм состояний объекта, меняющегося во времени, и последующий анализ изменений этих состояний после того, как эволюция объекта завершилась и даже сам объект может быть прекратил своё существование. Необходимо отметить, что возможность записи на голограмме различных состояний объекта была предложена открывателем голографии Д. Габором. Его идея заключалась в том, что в результате многократной экспозиции на голограмме записывается несколько изображений объекта, которые после освещения опорной волной могут интерферировать, поскольку являются взаимно когерентными. На практике идея Габора известна как метод двойной экспозиции, позволяющий сравнить интерференционные картины, соответствующие двум состояниям объекта.

Наиболее эффектные эксперименты, иллюстрирующие возможности этого метода, были проделаны Бруксом при записи голограмм с помощью рубинового лазера модулированной добротности.

На рис. 6.10a приведена фотография интерферограммы ударной волны движущейся пули, получающейся при восстановлении изображения с голограммы, записанной двумя короткими лазерными импульсами. С помощью первого импульса записывалась голограмма "фона" - среды до пролёта пули, а вторым импульсом записывалось изображение пули в полёте. В результате пролёта пули возникают пространственно распределённые изменения плотности среды, а, следовательно, и соответствующего им изменение показателя преломления. Два волновых фронта - одно соответствует изображению невозмущенной среды, а другое наличию неоднородностей, вызванных ударной волной из-за пролёта пули - интерферируют, и возникает изображение трёхмерных ударных волн в пространстве около пули. Другая фотография на рис. 6.10b представляет полученную тем же способом двойной экспозиции, что и выше изложенный, интерференционную картину распределения температуры и расширения газа в колбе лампы накаливания . Необходимо отметить, что наблюдение интерференционной картины с помощью метода голографической интерферометрии сделало её практически возможным, несмотря на то, что газ находится внутри стеклянной колбы, имеющей оптические неоднородности стекла из-за которых применение методов оптической интерферометрии просто невозможно.

Этот метод явился дальнейшим развитием идеи Д. Габора многократной экспозиции голограммы для записи состояния объекта с целью их последующего анализа.

Рассмотрим стробоскопический метод голографического анализа вибраций. Суть этого метода состоит в том, что освещение изучаемого объекта производят короткими импульсами, следующими с частотой колебания объекта и появляющимися в те моменты времени, когда объект находится в положении максимального отклонения от положения равновесия. Запись голограммы освещённого объекта с помощью метода двойной экспозиции и последующее восстановление интерферирующих волновых фронтов позволяет получить изображение колебаний объекта в различных фазах.

На рис.6.11a,b приведены интерференционные картины колеблющихся телефонных мембран, соответствующие двум различным модам её колебаний.

Традиционное применение объемного голографического изображения высокого качества относится к сфере культуры, образования для создания макетов оригиналов памятников культуры и искусства. Другая сфера применения объемного голографического изображения высокого качества тренажёры для обучения пилотирования самолётов, космических кораблей и овладения навыками работы в сложных условиях.

Получение голографического изображения высокого качества вместе с голографической интерферометрией нашло своё применение в картографии для создания на картах земной поверхности линий одного уровня (топографической сетки). Эта же методика может быть применена для контроля отклонения профиля поверхности от заданной формы. Для этой цели используется запись голограммы объекта либо с помощью двух близко расположенных источников (рис. 6.12), либо по методу двойной экспозиции регистрируются две голограммы от одного источника, занимающего разные положения в пространстве.

При рассмотрении полученной интерференционной картины она представляется испещрённой тёмными и светлыми полосами, соответствующими гиперболам одинаковой разности хода, точки которых определяются одной из линий равного уровня.

Другой способ получения линий одного уровня основан на записи интерферограммы объекта с помощью опорного источника, в спектре колебаний которого имеются две спектральные составляющие. При освещении полученной голограммы волной, одной из частот, используемых при её записи, возникнут два изображения, волновые фронты которых будут интерферировать. В результате интерференции на поверхности голографируемого объекта будут видны линии одинакового уровня, в соответствии со сказанным выше.

Кроме того, голографическое объёмное изображения высокого качества используется для изучения объёмной структуры меняющихся во времени объектов. Объёмное изображение высокого качества применяется, например, для исследования трёхмерной структуры живых микробиологических объектов, для изучения распределения частиц по размерам в аэрозолях и других задачах прикладной физики. Для получения трёхмерного изображения меняющегося во времени трёхмерного объекта используется импульсный лазер с малой длительностью импульсов. Подвижный объект при записи его голограммы как бы становится неподвижным. Однако, получающаяся голограмма позволяет исследовать весь объём объекта и последовательно изучить эволюцию объекта во времени. Использование для этих целей оптических систем с большой глубиной резкости влечёт за собой необходимость постоянной перестройки фокуса для исследования объёмной структуры объекта. Наблюдение за меняющимся во времени объектом во всём занимаемом им объёме с помощью оптических систем с большой глубиной резкости вообще становится невозможным, поскольку в каждый момент времени может наблюдаться только одно сечение объекта, а информация о других сечениях может быть получена только в другой момент времени. Из-за эволюции объекта во времени результаты таких наблюдений, очевидно, могут составить лишь приближённое представление о реальных изменениях, имеющих место в объёме изучаемого объекта с течением времени.

Отметим, что первоначальная идея Д. Габора (1947г) применения голографии и получения первой интерференционной картины в проходящем свете была направлена на повышение разрешающей способности электронных микроскопов . Согласно предложению Д. Габора повышение разрешающей способности электронного микроскопа возможно, если записывать голограмму в электронном пучке, а восстанавливать с помощью световой волны . Такой путь, к сожалению, привёл к ряду не разрешимых для того времени технических трудностей и не был реализован на практике. Дальнейшие исследования в области возможностей получения голографического увеличения показали, что голографическое увеличение имеет разное значение для продольного и поперечного направлений на поверхности изображаемого объекта, что может привести к искаженному восприятию восстанавливаемого изображения объекта . В некоторых областях прикладной физики и техники голографическое увеличение, несмотря на отмеченный недостаток, нашло применение для решения задач немасштабного оптического моделирования протекания процессов и работы различных устройств сверхвысокочастотной техники, оптоэлектроники и фотоники.

Голограмма может быть использована не только в качестве носителя в закодированном виде изображения исследуемого объекта, но и как оптическое устройство, формирующее изображение. Например, можно использовать голограмму в качестве линзы, дифракционной решётки, светоделителей и других устройств преобразования светового потока.

Рассмотрим голографическую линзу. Простейшая плоская голографическая линза представляет собой голограмму сферической волны и плоской волны (рис. 6.13). При облучении такой линзы плоской волной, последняя после прохождения голограммы сфокусируется в две фокальные точки, симметрично расположенные относительно линзы, положение которых определяется расстоянием от линзы до источника сферической волны при записи голограммы, в соответствии со свойствами плоских голограмм, рассмотренными выше. Как следует из рис. 6.13 структура интерференционных линий на голограмме сферической волны и плоской волны во много схожа с набором прозрачных и непрозрачных зон на зонной пластинке Френеля , изображённой на рис.5.15 из главы 5.

Для получения одной фокальной точки вместо плоской голограммы используется - объёмная голограмма, в объёме которой распределение выделившегося серебра или изменения показателя преломления передаёт пространственную структуру записываемого волнового фронта. Такими свойствами обладает отражающая объёмная фазовая голограмма сферической и плоской волн. Профиль рельефа поверхности отражающей фазовой голограммы представлен на рис. 6.14. Как следует из рисунка, рельеф фазы повторяет распределение фазы на поверхности зонной линзы Френеля, представляющей собой пластинку, поверхность которой разбита на зоны Френеля, открываемые из фокальной точки линзы, причём, в пределах каждой из зон выравнивается фаза проходящего через зону волнового фронта.

Одним из известных способов технической реализации объёмной голографической линзы является киноформ. В киноформе профиль изменения фазы светового потока, аналогичный рассмотренному выше , может быть воспроизведён, если в качестве регистрирующей голограмму среды используется бихромированная желатина. Профиль киноформа может рассчитан с помощью ЭВМ или посредством фотографирования колец Ньютона. Киноформы, изготовленные с помощью ЭВМ представляют собой искусственные или синтезированные голограммы. Особенностью синтезированных голограмм является возможность создания на их основе устройств голографического преобразования волновых фронтов, которые другим способом сделать затруднительно или вовсе невозможно. В качестве примера можно указать устройство фокусировки волнового фронта электромагнитной волны, света с заданным распределением амплитуд и фаз на его поверхности в линию произвольной формы или внутрь области, ограниченной заданным контуром.

Другим достаточно широко используемым на практике голографическим оптическим устройством является голографическая дифракционная решётка. Использование голограммы в качестве дифракционной решётки очевидно, поскольку как отмечалось выше, голограмма по существу является дифракционной решёткой. В зависимости от типа голограмм периодический характер пропускания или отражения света в голографической дифракционной решётке может быть основан либо на вариации в пространстве её пропускания (почернения), либо на пространственном изменении фазового рельефа её поверхности. В отличие от традиционных нарезных дифракционных решёток, имеющих прямоугольный профиль штриха, в голографических штрих имеет синусоидальный профиль . Голографические решётки просты в изготовлении, дешевле обычных и не имеют дефектов, связанных с технологией нарезания щелей. Дифракционные решётки на бихромированной желатине обладают дифракционной эффективностью до 90% и способны регистрировать пространственные частоты до 4000 линий/мм .

Голографические оптические элементы находят применение в качестве элементов, корректирующих искажение изображений объектов в оптических системах. Искажения в оптических системах могут возникать вследствие разнообразных причин, связанных как с технологией изготовления системы, в результате которой неизбежно имеет место некоторый разброс параметров характеристик элементов , отличающих их от заданных, так и эксплуатацией системы из-за влияние температурных деформаций, климатических факторов, неблагоприятных внешних воздействий случайного и искусственного происхождения.

В качестве примера рассмотрим корректировку изображения точки, получаемого с помощью линзы с аберрациями. Для построения голографического корректирующего элемента, устраняющего аберрации линзы, в фокальной плоскости линзы (рис. 6.15a) записывается голограмма изображения точки и опорной сферической волны исходящей из некоторой точки . Для получения неискажённого изображения точки используется оптическая система (рис. 6.15b), состоящая из линзы и голограммы, освещаемой из точки расположения опорного источника . Благодаря свойствам голограммы изображение точки свободно от аберраций. Недостатком этого способа корректировки изображений является необходимость изготавливать голографический фильтр для каждого из исследуемых объектов, а также появление искажений, вызванных аберрациями самой голограммы.

Метод компенсации искажений с помощью голографических корректирующих элементов по существу основан на идее обращения направления распространения волнового фронта от источника изображения, в результате которого мнимое изображение объекта превращается в действительное . Этот подход может быть использован для компенсации искажений изображений предметов при их рассмотрении через искажающую среду.

Искажённое восприятие изображения объекта, волновой фронт от которого прошёл искажающую среду, в основном связан с " порчей " фазы распространяющейся волны в среде (рис. 6.16a). По этой причине будем считать, что объект наблюдается через неоднородность в виде тонкого "фазового " экрана, вносящего изменение в распределение фаз волны от рассматриваемого объекта. В качестве корректирующего искажение изображения объекта может быть использована голограмма волнового фронта от объекта и плоской волны опорного источника (рис. 6.16a), получаемая в плоскости наблюдения изображения. При условии, что волны от опорного источника и объекта проходят искажающую среду и одинаковым образом искажаются средой, параметры которой не меняются за время прохождения волны, распределение интенсивности в плоскости голограммы будет иметь вид, следующий из выражения (6.3):

где - неискажённая средой комплексная амплитуда объекта ; - неискажённая средой комплексная амплитуда опорного источника.

Из выражения (6.8) следует, что голограмма прошедших искажающую среду волновых фронтов опорного источника и объекта не зависит от вносимых средой фазовых искажений, вносимых средой. По этой причине, если осветить голограмму (6.8) волной опорного источника (рис. 6.16b), то в соответствии со свойствами голограммы возникнет неискажённые средой действительное и мнимое изображение объекта.

С помощью голографии можно решить достаточно обширный класс задач обработки информации. Одним из примеров плодотворности голографического подхода был приведен выше при рассмотрении изображения объекта, искажённого средой.

При обработке оптических изображений основной задачей является фильтрация светового потока, переносящего изображения объектов, с помощью фильтра с заданной пространственной частотной характеристикой. Важный частный случай этой задачи представляет согласованная фильтрация оптических сигналов , которая возникает при максимизации отношения мощностей обрабатываемого полезного изображения к мощности шумов, а также используется для распознавания обрабатываемых изображений.

Задача распознавания изображений объектов состоит в классификации исследуемого изображения, т.е. отнесения его к той или группе объектов, имеющих общие черты. Такие задачи появляются при автоматическом распознавании цифр на почтовом индексе, всевозможных штрих кодов, шифров доступа, отпечатков пальцев и т.п.

Задача согласованной фильтрации оптических сигналов состоит в построении оптического фильтра, обладающего заданной пространственной частотной характеристикой, определяемой комплексно сопряжённым пространственным спектром полезного изображения или классифицируемого объекта. Метод решения этой задачи с помощью голографии был предложен в 60-ые годы прошлого столетия Ван дер Люгтом (1963). В соответствие с его идеей требуемой пространственной частотной характеристикой обладает Фурье голограмма (рис. 6.17a), получаемая в " задней " фокальной плоскости линзы при записи распределения интенсивности изображения в линзе полезного объекта, помещённого в переднюю фокальную плоскость линзы, и плоской опорной волны, освещающей под некоторым углом плоскость голограммы.

Записанная таким образом голограмма, обозначенная на рис. 6.17b как "маска с пропусканием " помещается в заднюю фокальную плоскость линзы, в переднем фокусе которой находится обрабатываемое изображение.

После фильтрации в третьей линзе преобразованного голограммой пространственного спектра обрабатываемого изображения в её задней фокальной плоскости получается три изображения (рис. 6.17c).

Центральное светлое пятно, не несущее полезной информации, и два боковых изображения разнесённых в пространстве благодаря наклонному освещению плоской волной плоскости голограммы при её записи. Одно из боковых изображений, как можно показать, представляет результат согласованной оптической фильтрации, а другой результат оптической фильтрации оптического изображения в фильтре, импульсная характеристика которого соответствует пространственной частотной характеристике полезного изображения. Второе изображение также используется в оптической обработке сигналов для решения задачи фильтрации сигналов с заданным импульсным откликом. Выбор между двумя выходами оптического фильтра Ван дер Люгта осуществляется установкой непрозрачного экрана на пути светового потока не используемого изображения.

Рассмотрим классификацию изображений с помощью фильтра Ван дер Люгта (рис. 6.18a,b). Пусть надо сделать выбор между тремя изображениями символов .

На рис. 6.18a показана процедура синтеза согласованных фильтров Ван дер Люгта для этих символов. На пути светового потока, переносящего одно из трёх возможных изображений в оптической системе, изображённой на рис.6.17b, в фокальной плоскости линзы помещается три голографических фильтра Ван дер Люгта (6.18b), каждый из которых настроен на оптимальный приём одного из изображений символов. В фокальной плоскости выходной линзы помещается устройство сравнения интенсивности сигналов на выходе фильтров, с помощью которого из трёх изображений выбирается то, для которого на выходе соответствующего фильтра регистрируется максимальная интенсивность. Если больше интенсивность на выходе первого фильтра, то переносимое изображение относится к изображению, на который настроен первый фильтр, и т.д.

В системах оптической памяти используется побитовое представление информации, когда нулю соответствует малый непрозрачный элемент изображения (пиксель), а единице - прозрачный. Сразу с освоением лазеров начали разрабатываться поточечные системы оптической памяти на светочувствительной среде. При освещении светом в такой среде увеличивается оптическая плотность в том месте, куда падает записывающий световой пучок, и данная часть среды перестаёт пропускать свет. Считывание информации производится световым лучом, последовательно проходящим светочувствительную пластинку от одного пикселя к другому, а прошедшее световое излучение регистрируется решёткой фотодетекторов. Плотность записи в системах оптической памяти может достигать величины 10⁶ бит/мм² . К недостаткам оптической памяти относят большую вероятность порчи отдельных пикселей из-за микродефектов слоя.

Преодолевает этот недостаток систем оптических памяти голографическая память, в которой для записи одного бита информации используется сферическая волна, которая регистрируется на поверхности плоской голограммы, включающей несколько пикселей. Очевидно, что в этом случае вероятность порчи в записи одного бита информации из-за микродефектов в одном пикселе существенно ниже, чем это имеет место в системах оптической памяти. При считывании каждому биту информации в системе голографической памяти соответствует своя интерференционная картина. Записи большого количества битов (странице) соответствует сложная интерференционная картина. Голограмма соответствующая странице памяти занимает площадь 0.2мм² и имеет информационную ёмкость в 10² -10⁴ бит.

На рис. 6.19 приведена схема считывания информации с голограммы, построенной из расчёта одного фотоприёмника на один бит. При организации считывания записанной на голограмме информации с помощью 10³ - 10⁶раздельных направлений считывания полная информационная ёмкость записи на одной голографической пластинке памяти может достигать 10¹⁰бит. Существенным ресурсом увеличения плотности записи информации на голограмме является использование не плоских, а объёмных голограмм, позволяющих получить плотность записи в 10⁹ бит/мм².