Доклад по предмету
«Основы оптики».
Тема: Применение голографии.Москва 2002
Содержание:
1) Введение.
2) Голографическое кино ителевидение.
3) Трехмерная фотография.
4) Применение голографии втехнологии и оптотехнике.
5) Неоптическая голография.
6) Другие виды применения голографии.
7) Список литературы.
Введение.
Оптика — раздел физики, в котором изучаютсяоптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые привзаимодействии света с веществом, — относится к числу наиболее старых и хорошоосвоенных областей науки. Примерно до середины XX столетия казалось, что оптикакак наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой областифизики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новыхзакономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей,основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь преждевсего имеется в виду голография, которая значительно расширяет областьпрактического использования волновых явлений и дает толчок теоретическимисследованиям.
Голография (от греч. holos- весь и grapho – пишу, т.е. «полная запись») – особый способ записи ипоследующего восстановления волнового поля, основанный на регистрацииинтерференционной картины. Она обязана своим возникновением законам волновойоптики – законам интерференции и дифракции. Этот принципиально новый способ фиксирования и воспроизведенияпространственного изображения предметов изобретен английским физиком Д.Габортом(1900-1979) в 1947г. (Нобелевская премия 1971г.). экспериментальное воплощениеи дальнейшая разработка этого способа (советским ученым Ю.Н.Денисюком в 1962г.и американскими физиками Э.Лейтом иЮ.Упатниексом в 1963г. стали возможными после появления в 1960г. источниковсвета высокой степени когерентности – лазеров.
Методы голографии (записьголограммы в трехмерных средах, цветное и панорамное голографирование и т.д.)находят все большее развитие. Она может применяться в ЭВМ с голографической памятью,голографическом электронном микроскопе, голографическом кино и телевидении,голографической интерферометрии и т.д.
Голографическое кино ителевидение.
Изображения, наблюдаемые привосстановлении волнового фронта с голограммы, поражают своей реальностью.Параллакс, яркие блики от отражающих поверхностей, перемещающиеся по предметупри изменении точки зрения, стереоскопичностью изображения, возможность получения многоцветных изображений – все это делает перспективы голографическогокино и телевидения весьма заманчивыми.
На пути голографического киностоят большие, но, по-видимому, преодолимые трудности; главная из них –создание огромных голограмм, через которые, как через окно, одновременно моглибы наблюдать изображение большое количество людей. Эти голограммы должны быть«живыми», т.е. меняться во времени в соответствии с изменениями, происходящимис объектом. Один из возможных вариантов – запись многих изображений на одну голограмму при разномнаклоне опорного пучка. Если при восстановлении поворачивать голограмму, тоизображения будут последовательно восстанавливаться, создавая эффект движения.Принципиальная возможность осуществления таких систем уже экспериментальнодоказано, однако на одну двухмерную голограмму нельзя записать болееодного-двух десятков кадров. Гораздо большие возможности представляют в этомсмысле трехмерные среды, например кристаллы. Однако размеры кристаллическихголограмм пока не могут быть достаточно большими.
Будущее голографического кино, по-видимому,определяется успехами в разработке регистрирующих сред для записи динамическихголограмм. Такие среды должны обладать высокой чувствительностью и разрешающейспособностью, иметь малую инерцию и допускать многократную (миллиарды раз)запись и стирание голограмм. Располагая такой записывающей средой, можно последовательно копировать на нееголографические кадры с помощью мощного импульсного лазера.
Помимо очевидных преимуществ,связанных с трехмерностью изображения, отметим здесь помехоустойчивость,надежность голографического телевидения, возможность передачи большихконтрастов, кодирования телевизионных передач и т.д. Следует, однако, иметь ввиду, что трехмерная сцена, демонстрируемая на экране телевизора современныхразмеров, приведет к ощущению «кукольности» изображенного на ней, поэтомунастоящим реальным зрелищем голографический телевизор станет лишь, когдапоявится техническая возможность прейти к голографическому экрану большихразмеров.
Перед техникой голографическоготелевидения стоит и ряд других нерешенных проблем. Для передачи трехмерногоизображения высокого качества необходима примерно в несколько тысяч раз большаяпередающая способность (ширина полосы пропускания) телевизионного канала, чемиспользуемая сейчас в вещательном телевидении. Прогресса в голографическомтелевидении следует ожидать, с одной стороны, в увеличении передающейспособности каналов связи, а с другой – в уменьшении количества информации,необходимой для построения голограммы.
Широкополосные каналы связи,по-видимому, могут быть созданы на лазерных пучках. Для уменьшения количестваинформации, необходимой для построения голограммы, возможны различные приемыкак разработанные для телевидения, так и специально голографические. Например,можно передавать по телевизионному каналу не всю голограмму, а ее узкую горизонтальную полоску. На выходеэта полоска мультиплицируется и таким образом составляется полная голограмма,состоящая из одинаковых горизонтальных полосок. Естественно, что при восстановлении по такой голограммуволнового фронта параллакс останется только в горизонтальной плоскости. Однако именно этот параллакс наиболее важендля ощущения глубины сцены – ведь наши глаза находятся в одно горизонтальнойплоскости. Этот же метод может оказаться полезным для голографического кино.Проекция щелевой голограммы может осуществляться при ее непрерывном движении спостоянной скоростью.
Если избавиться также и отгоризонтального параллакса, составляя голограмму не из полосок, а из одинаковыхмаленьких квадратиков, то удастся уменьшить количество передаваемой информациипримерно на три порядка без чрезмерного ухудшения качества изображения. Приэтом, конечно, изображение на экране уже не будет стереоскопичным и из всех преимуществ останется только еепомехоустойчивость.
В 1994году в рамках совместных работ Научно-исследовательского кинофонтоинститута(НИКФИ) и Корейского института науки и технологии была теоретически отработанаи экспериментально обоснована семиракурсная телевизионная система. В этойсистеме семиканальная съемочная аппаратура формирует сигналы изображенийсоответствующих ракурсов. Сигналы подвергаются сжатию и поступают в стандартныйтелевизионный канал или соответствующую видеозаписывающую аппаратуру.Воспроизведение осуществляется с помощью семиканального видеопроектора иголографического экрана. Отвлекаясь от деталей, можно сказать, что применяетсясхема, уже апробированная в НИКФИ более десятка лет назад.
Макетные испытания идемонстрация возможностей системы проводились в «видеозале» с однимзрительским местом. Это определялось только экраном. В принципе уже обоснованавозможность создания видеозалов на десятки и сотни зрительских мест. Трудностиздесь чисто технические. Передача многоракурсных телевизионных программвозможна по стандартным телевизионным каналам. Полностью применимы цифровыетехнологии обработки информации, алгоритмы сжатия MPEG-2 и MPEG-4.
Существующие сегоднясистемы трехмерного телевидения, разработанные в России в рамках программы П.В.Шмакова, в Японии и других странах ограничиваются двухракурсными схемами. Этосамое грубое приближение к объемному видению. Оно утомительно для зрителя,поскольку эффект объема сохраняется только при неподвижности зрителя, исключенэффект оглядывания. Глубина восприятия объема минимальна. Недостатком являетсяи наличие очков. Семиракурсная система — принципиально безочковая иобеспечивает оглядывание предметов, глубина эффекта почти не ограничена.Предметы можно приблизить к зрителю практически вплотную или удалить нанеограниченное расстояние. Зритель расслаблен. Сейчас трудно сказать, какоечисло ракурсов необходимо для полноценного воспроизведения эффекта объема. Ноясно, что семиракурсная система обеспечивает очень высокое качество объемногоизображения.
Трехмерная фотография.
Голограммы могут регистрироватьизлучение, рассеянное объектом. Нарисунке показаны схемы регистрации голограмм с углом охвата 360°. Однако можно регистрироватьголограмму с таким охватом и при обычном (не всестороннем) освещении. Для этогонеобходимо сделать много экспозиций, поворачивая каждый раз объект нанебольшой угол и засвечивая при каждойэкспозиции узкую вертикальную полоску голограммы.
РИСУНОК
Трехмерные свойствавосстановленных с помощью голограмм изображений могут быть использованы врекламе, лекционных демонстрациях, при конструировании художественных панорам,создании копий произведений искусств, регистрации голографических портретов.При получении голографического портрета человека необходимы столь краткие выдержки, чтобы структура голограммыне была размыта вследствие смещенийосвещенной поверхности. Это требует повышения мощности лазера, используемогодля получения голограммы. При этом, однако, не следует забывать о предельнодопустимой концентрации энергии на поверхности сетчатки человеческого глаза. Выходиз положения заключается в освещении лица с помощью рассеивающих экрановбольшой площади.
Применение голографии втехнологии и оптотехнике.
В рядетехнологических процессов можно использовать образуемые голограммамидействительные изображения. При просвечивании голограмм мощным лазером можнонаносить на обрабатываемые поверхности сложные узоры. В частности, голограммыуже применялись для бесконтактного нанесения микроэлектронных схем. Основныепреимущества голографических методов перед обычными – контактными илипроекционными – достижение практически безаберрационного изображения на большомполе. Предел разрешения голограммы может достигать долей длины световой волны.На изображение практически не влияют пылинки, осевшие на голограмму, царапины идругие дефекты, в то время как для контактных или проекционных фотошаблонов этоприводит к браку.
Другоеприменение голограммы в технологии – использование ее в качестве линзы.Фокусирующие свойства зонных решеток известны давно. Однако применение решетокограничивалось трудностями их изготовления. Голографические зонные решетки –голограммы точечного источника – просты в изготовлении и несомненно будутполезны в лазерной технологии. Например, с помощью голографических линзполучали отверстия диаметром до 14 мкм в танталовой пленке, нанесенной настекло. Голографические решетки совсем не имеют ошибок, свойственных обычнымрешеткам, нарезанным на делительной машине.
Неоптическая голография.
С помощьюголографии успешно решается проблема визуализации акустических полей. Это имеетбольшое прикладное значение. Возможные применения звуковой голографии –дефектоскопия, изучение рельефа морского дня, звуколокация, звуконавигация,поиск полезных ископаемых, исследование структуры земной коры и т.д.
Особе значение имеет ультразвуковая голография длямедицинской диагностики.
Регистрациязвуковых голограмм производится таким образом, чтобы запись допускалаоптическое восстановление. Для этого используются следующие методы:
1) Сканирование звукового поля. Сигнал отприемника ультразвука (микрофона, пьезоэлемента и т.д.) модулирует световойпоток, образующий оптическую голограмму. Возможны различные модификации такойсхемы. На рисунке изображен вариант такой схемы, в которой сигнал сканирующегоприемника управляет яркостью укрепленной на нем точечной лампочки. В другихсхемах сигнал с приемника подается на электроннолучевую трубку. Разверткапроизводится синхронно с перемещением датчика и голограмма фотографируется сэкрана трубки. Возможны как однолучевые, так и двулучевые варианты звуковойголографии. Впрочем, роль опорного звукового луча может играть электрическийсигнал с генератора звука, добавляемый к сигналу датчика.
РИС 74(119)
2) Фотография. Ультразвуковое полк можнонепосредственно зарегистрировать нафотопластинку, используя то обстоятельство, что ультразвук интенсифицируетхимические реакции, происходящие при проявлении или фиксации фотослоя.Предварительно равномерно засвеченная, но не проявленная фотопластинкапомещалась в ванну со слабым раствором гипосульфита. В ней создавалосьультразвуковое поле, и в пучностях звуковых волн происходило быстроерастворение галоидного серебра. После 20-30 секундного «озвучивания» пластинкапроявлялась на свету. Полученная таким образом звукоголограмма восстанавливалаизображение в световом пучке. Точно так же можно экспонироватьфотопластинку ультразвуком в слабомпроявляющем растворе. Пластинка должна быть предварительно засвечена.Проявление в пучностях звуковых волн идет намного быстрее, чем в узлах.
3) Деформация поверхности жидкости поддействием звукового давления. Этот способ обладает тем преимуществом, чтопозволяет производить оптическое восстановление полученной отражательнойголограммы одновременно с ее образованием и наблюдать, таким образом, запроцессом в реальном времени. Поверхность жидкости покрываласьтермопластической пленкой, которая деформировалась ультразвуковой волной, затемохлаждалась и использовалась в дальнейшем как фазовая оптическая голограмма.
РИС 76(121)
4)
Другие виды применения голографии.Голографическое хранение данных.
Идеяголографических носителей заключается в записи информации с помощью лазерноголуча на трехмерную подложку, вместо нескольких гигабайт, такая среда моглапотенциально сохранять терабайты данных на носителе не больший чемкомпакт-диск. Голографические данные могут считываться на очень высокихскоростях.
Напервых стадиях разработки главной проблемой было создание пространственныхмодуляторов света (spatial light modulator). В настоящее время технология этихустройств в достаточной степени отработана, а наиболее сложной задачей сталподбор вещества-носителя информации. В январе 2001 года компания Lucentсообщила о создании носителя, способного выдержать до 1000 циклов перезаписибез ущерба сохранности данных и скорости доступа к ним. Внешне носительнапоминает прозрачный компакт-диск. По данным Imation первые голографическиедиски смогут хранить около 125 Гб информации, а скорость передачи данныхсоставит до 30 Мб/с.
Изобразительная голография.
Технологияполучения изобразительных голограмм, восстанавливаемых в белом свете,разработана в середине 60-х годов, однако до настоящего времени голография помасштабам распространенности и объемам производства не приблизилась ктрадиционной фотографии (за исключением тисненных радужных голограмм). Этообусловлено целым рядом технических сложностей, присущих современной технологиисъемки и тиражирования изобразительных голограмм. В частности, в настоящеевремя при записи мастер-голограмм в подавляющем большинстве случаевиспользуются лазеры непрерывного излучения, что накладывает жесткие ограниченияна условия съемки (необходимость повышенной виброизоляции, стабильностьтемпературы и других параметров окружающей среды). Указанные сложностимногократно возрастают при увеличении формата голограмм. Поэтому отражательныеголограммы, особенно большого формата, до сих пор остаются уникальнымиизделиями и изготавливаются лишь в условиях специализированных лабораторий приучастии специалистов высшей квалификации.
Крометого, при использовании лазеров непрерывного излучения оказываетсяпринципиально невозможной голографическая съемка живых объектов, например,портретов человека. Для съемки мастер-голограмм живых объектов в настоящеевремя используются импульсные лазеры на рубине или неодимовом стекле споследующим интерференционным копированием. Однако монохроматичность такихголографических изображений при полной реалистичности деталей делает их«неживыми», «замороженными», что зачастую производитотталкивающее впечатление.
Прикопировании таких голограмм с помощью лазеров непрерывного излучения возникаютискажения масштаба, связанные с разницей длин волн лазеров, используемых присъемке оригиналов и их копировании.
Криминалистическаяголография.
Голографические методы обработки информации,использующие интерференционную систему записи исходных данных, привлекают внастоящее время большое внимание, что связано с возможностью их использованиядля создания голографических запоминающих устройств большой емкости,кодировании информации, распознавания и сравнения изображений объектов и другихзадач. Возможность записи информации о различных объектах на один и тот жеучасток поверхности голограммы, а также во всем ее объеме позволяет обеспечитьвысокую плотность записи. Это открывает пути для создания компактных, в томчисле и переносимых запоминающих устройств, причем виды записи могут быть самыеразнообразные (графические, буквенные, цифровые, предметные и т.п.).Возможность голографического кодирования информации может быть широкоиспользована в криминалистике. Например, как средство устраняющее возможностьподделки документов, или как средство технической гарантии, препятствующеефальсификации объектов. Голографическое кодирование осуществляется с помощьюспециальных масок, которые в процессе фиксации интерференционной картинысоздают сложную форму волнового фронта Для восстановления записанной такимобразом информации об объекте необходимо иметь точную копию использованной призаписи маски, форма которой может быть самой разнообразной, вследствие чегоподобрать ей подобную практически невозможно. Голографические методы могут бытьиспользованы в криминалистике и как средства исследования. Они могут бытьиспользованы при исследовании рельефа (в том числе и микрорельефа) поверхностиобъекта; для измерения поверхности объекта любой формы; изучениякратковременных явлений; сравнительных исследований и при решении ряда другихзадач криминалистических исследований.
Задачу сравнения объекта с большим количествомему подобных, более эффективно можно решать с помощью голографического методаоптической согласованной фильтрации. Области применения названного метода могутбыть самыми разнообразными: для кодирования информации, улучшения качествафотографического изображения, создания запоминающих устройств большой емкости,распознавания и сравнения изображений объектов, оперативного поиска информациив большом массиве. Проведенные экспериментальные исследования принципиальнодоказали возможность использования голографического метода для сравнительногоисследования фотопортретов в целях идентификации личности, сравнение следов папиллярныхузоров рук. Рассматриваемый метод применим для сравнения оттисков печатных форми машинописных текстов, исполненных на новых аппаратах, не имеющих видимыхдефектов шрифта
Списоклитературы:
1) III,Г.С.Ландсберг, Москва 1986г.
2)
3)
4)
А)«Голографическое телевидение» Подборка статей.
http://tvzone.city.tomsk.net/
Б) «Принципы голографии»,В.В.Слабко, 1997г.
http://www.pereplet.ru/