|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Около пятнадцати лет назад в одном из павильонов ВДНХ СССР посетители любовались шапкой Мономаха и бесценными сокровищами Московского Кремля, находящимися в большой золотой чаше. Зрителям были представлены не сами сокровища, а их голограммы. Качество изображения, объемность и цвет были настолько реальны и впечатляющи, что многие из посетителей пытались потрогать "экспонаты" руками. Каково же было их удивление, когда они видели свою руку в золотой чаше, но ничего не осязали!
История развития голографии прошла три этапа. Начало первого относится к 1948 г., когда Деннис Габор, венгр по национальности, работая в английской фирме над усовершенствованием электронного микроскопа, открыл принципы голографии - двустадийной записи и воспроизведения изображения, для чего требовался монохроматический источник света, в качестве которого использовали ртутную дугу высокого давления. Ее излучение не отличалось высокой когерентностью, и поэтому восстановленное изображение было низкого качества. В научной статье Д.Габор четко изложил принципы голографии.
Второй этап развития голографии связан с созданием в 1960 г. газового лазера видимого излучения с высокой степенью когерентности. Два инженера - И. Дейт и Ю. Упатниекс, используя принципы однополосной модуляции в технике связи, применили наклонный пучок света, создающий когерентный фон, чем полностью устранили недостатки первоначального эксперимента Д. Габора. С помощью двухлучевой голограммы они продемонстрировали высококачественное трехмерное изображение предметов, подтвердив предсказание Габора. Качество изображения было таким высоким, а объемность была настолько реальной, что для того, чтобы подробнее рассмотреть левую или правую сторону предмета, достаточно было сместить голову в этом направлении. Приоткрывалась другая, невидимая ранее, сторона предмета. Это очень впечатляло! Многие ученые и инженеры увлеклись голографией, началось ее победное шествие по многим лабораториям мира. С помощью голографии надеялись решить многие проблемы: автоматическое распознавание, объемное кино, объемное телевидение. Сенсационным статьям журналистов (далеких от подлинной науки) не было конца. Прогнозы - один заманчивее другого! А широкое внедрение голографии задерживалось из-за ряда технических трудностей. Не было еще лазеров с высокой степенью когерентности, не было фотоматериалов с высочайшей разрешающей способностью при требуемой чувствительности, не было управляемых транспарантов (пространственно-временных модуляторов света).
Открытие Юрием Николаевичем Денисюком трехмерной голографии позволило записывать голограмму как по поверхности, так и в глубину фотоматериала, что дает только одно изображение предмета в белом свете. Даже это открытие, способствовавшее увлечению голографией, не привело к решению тех проблем, о которых говорили. И все же был получен первый практический результат - появилось голографическое "изобразительное искусство".
Отсутствие хорошей элементной базы затруднило дальнейшее развитие голографии и ее практическое применение. Понадобились значительные усилия оптиков, физиков, химиков и инженеров, чтобы создать необходимые условия для внедрения голографии в промышленных масштабах.
В середине 70-х годов начался третий этап в истории развития голографии. К этому времени значительно возросло качество лазеров, появились работающие в режиме реального времени управляемые транспаранты. Подобно тому, как развитию электроники способствовало изобретение транзисторов, так и для развития оптических методов получения и обработки информации необходим был эффективный управляемый транспарант. Появилась надежда на создание голографических запоминающих устройств, объемных кино и телевидения.
В 1976 г. вышла монография авторов Б. Ф. Федорова и Р. И. Эльмана "Цифровая голография" - первая книга, в которой были изложены методы синтезирования голограмм на ЭВМ и воспроизведения с них изображения машинным и оптическим методами. Появлению этой книги способствовал Ю. Н. Денисюк, на семинарах которого авторы докладывали результаты своей работы. Он отметил тогда, что цифровая голография как метод моделирования голографии физической может явиться стимулом в ее развитии. Стало возможным создание искусственных объемных картин, рожденных с помопщю ЭВМ. Получили дальнейшее развитие когерентные оптические методы распознавания.
К настоящему времени опубликовано много статей и книг по голографии, но все они предназначены специалистам с высоким уровнем физико-математической подготовки. Популярных работ, рассчитанных на широкого читателя, на тех, которые независимо от профессии и возраста интересуются новейшими достижениями науки и техники, пока мало.
В предлагаемой книге авторы стремились передать читателю свою увлеченность голографией. Они популярно, но в то же время достаточно полно рассматривают широкий круг вопросов от современных представлений о природе света, принципов работы лазера до физических основ голографии с ее достоинствами и недостатками, возможностями ее использования сегодня и в ближайшем будущем.
В книге отражен большой вклад советских ученых в развитие голографии. Рассмотрены важнейшие области применения голографии.
Авторы выбрали методику изложения материала "от простого к сложному", от "очевидного к невероятному". Это поможет лучше представить себе физику рассматриваемых явлений.
Авторы наглядно иллюстрируют излагаемый материал, прослеживая историю возникновения физической и цифровой голографии, а также путей их использования в науке и технике.
Некоторая перегруженность отдельных глав формулами весьма понятна - ведь речь идет о цифровой голографии, использующей формулы для обработки их на ЭВМ, о науке, сложившейся из математики, моделирования и разработки алгоритмов. При первом знакомстве с книгой можно не осмысливать формульное содержание, а только попытаться понять цифровую модель. Хорошо подготовленный читатель, знакомый с соответствующими разделами физики и информатики, может сразу же приступить к самостоятельному моделированию, как машинному, так и оптическому, используя эти алгоритмы и синтезированные голограммы.
Книга позовет молодого читателя в увлекательный мир голографии. И те, кто заинтересуется ею, найдет себе дело по душе. Может быть они смогут принять участие в развитии когерентной оптической техники. Ведь, как справедливо отмечают авторы, юность - пора творческая!
Член-корреспондент АН СССР Я. Д. Бахрах
ВВЕДЕНИЕ
История научных открытий дает нам немало примеров развития новых направлений в науке и технике. Отличаясь индивидуальной спецификой, эти направления проходят ряд общих стадий разработки проблемы: рождение идеи, детальное исследование, создание новых технических устройств и, наконец, внедрение их в практику. Такая стадийность развития свойственна и очень близким направлениям -фотографии и голографии. Их развитие и становление имеют много общего. Даже зарождение идеи и ее дальнейшее развитие как в фотографии, так и в голографии повторяют друг друга.
Одним из создателей фотографии считают Нисефора Ньепса, который первый настойчиво исследовал "светописное" изображение. В 1829 г. он записал: "Открытие, которое я сделал и которое обозначено названием "гелиография", состоит в том, чтобы воспроизводить самостоятельно, действием света изображения, получаемые в камере-обскуре, со всеми градациями теней, от черного до белого... при этом свет, действуя на тела химически, поглощается и сообщает им новые свойства, соответственно продолжительности воздействия."
Нисефор Ньепс привлек к своей работе Жака Дагера, который занимался усовершенствованием открытия, причем продолжал свои опыты и после смерти Н. Ньепса. Дагер заимствовал от гелиографии систему "металл-покрытие", но пришел совсем к другим результатам - он открыл "серебряную" фотографию. Именно он открыл способ усиления первоначально слабого изображения, нашел способ фиксирования полученного изображения. Дагер довел свой метод до практического результата. И хотя дагеротипия просуществовала сравнительно короткое время, именно она проложила путь фотографии.
В 1949 году Д. Габор показал, что фотографическая запись картины интерференции произвольного волнового поля излучения, рассеянного объектом, и волнового поля референтной волны обладает свойством восстанавливать волновое поле объекта, если на такую запись-голограмму направить референтную волну. Чтобы получить изображение, нужно записать голограмму и восстановить с нее изображение. Это показал и сделал впервые Д. Габор. Однако 15 лет этого открытия никто не замечал. О нем не знали, не было практического результата. У голограммы Габора был ряд недостатков, ограничивающих возможности этого способа регистрации, и он был на продолжительное время забыт.
В 1962 - 1964 гг. Е. Лейт и Ю. Упатниекс использовали так называемую внеосевую референтную волну и показали, что ограничения характера регистрируемого объекта и искажения отнюдь не свойственны методу. Ими были получены такие высококачественные изображения, что в голографию поверили и признали ее огромное значение не только для получения портретов, но и для науки и искусства. Уникальный характер голографии как фактически единственного способа объективной записи информации о форме и структуре предметов предопределил широкий диапазон ее практических приложений, простирающийся от тяжелого машиностроения до исследований в области термоядерной плазмы и лингвистики. С течением времени выявляется, что в основе всей этой области оптики лежат общие закономерности волновых полей.
Большой вклад в развитие голографии сделал и Ю. Н. Дени-сюк. В 1962 г. он обнаружил, что сама двумерная голограмма в действительности представляет собою лишь только частный случай общего явления. Оказалось, что существенно более полный комплекс отображающих свойств заключен в объемной интерференции - стоячей волне. Трехмерная материальная модель такой волны однозначно воспроизводит амплитуду, фазу и спектральный состав записанного на ней излучения. В дальнейшем Денисюк показал, что отображающими свойствами обладают не только стоячие, но и бегущие волны, что это явление распространено и на поляризацию. Одним из первых направлений приложения трехмерной голографии, открытой Денисюком, послужила изобразительная голография, другим - нанесение отражающих, фокусирующих покрытий, третьим - создание устройств оптической памяти сверхвысокой емкости.
Ни одно имя тех, кто внес вклад в развитие голографии, не забыто. И сейчас в ней появляются новые направления - динамическая голография, резонансная голография и т.п., появляются новые имена, но имя советского ученого, ныне члена-корреспондента Академии наук СССР Юрия Николаевича Денисюка будет всегда стоять в ряду первооткрывателей голографии.
Сейчас эта область оптики вышла из стадии исследований, идет проектирование ряда технических систем, внедрение в практику физических измерений во многих научных направлениях, в том числе и в космическом. Однако и до настоящего времени голография - это тонкий эксперимент, требующий уникального оборудования и большого мастерства, поскольку слишком много факторов влияют на ход процесса получения изображения и его качество. К таким факторам можно отнести неравномерность потока лучей, фазовые неоднородности деталей оптической системы, дефекты фотослоя, неодинаковость протекания фотохимического процесса по площади фотослоя, вибрация узлов установки. Совокупное действие всех этих факторов приводит к тому, что искажается микроструктура голограммы, теряется часть информации, снижается качество изображения. Ключ к решению проблемы повышения качества голографирования лежит в установлении характера и степени подверженности рисунка голограммы действию разрушающих факторов. В современной практике, когда сложность и взаимосвязанность физических процессов не позволяют анализировать протекание одного из них в чистом виде, используют математическое моделирование. В этом случае путем разумного пренебрежения несущественными факторами можно выделить нужный процесс и проследить его ход. Это позволяет сделать цифровая голография, которую можно рассматривать как метод моделирования голографии физической.
Цифровая голография дает большие возможности молщого и гибкого машинного анализа процесса формирования голограммы и возможность органической стыковки вычислительного звена модели с реальными физическими звеньями на уровне исходного изображения, голограммы и воспроизведенного изображения.
Из публикаций по цифровой голографии отметим работы Т. X. Хуанга и Дж. Гудмена в 1971 - 1973 гг., а первая монография "Цифровая голография" вышла в 1976 г. в издательстве "Наука". Таким образом, и здесь имеется определенный приоритет советской науки.
К настоящему времени определены направления, на которых применение цифровой голографии дало определенные результаты, - это изучение голографического процесса во всех его звеньях; расчет на ЭВМ голографических фильтров, необходимых для пространственной фильтрации; восстановление изображений с голограмм, полученных неоптическими (акустическими, радиолокационными) средствами; визуализация условных изображений несуществующих предметов и т.п.
Специфика цифровой голографии такова, что обойтись без использования некоторых формул при изложении ее сущности невозможно. Однако авторы предлагают при первом прочтении опускать эти формулы, а тем, кого заинтересует цифровая голография и они захотят попробовать свои силы в создании синтезированных голограмм на персональных компьютерах, воспользоваться этими формулами для получения голограмм.
Предложенные в конце книги синтезированные голограммы простейших объектов могут быть использованы при соответствующем их уменьшении для восстановления изображений оптическим путем. Авторы уверены, что некоторые сложности не оттолкнут, а еще более заинтересуют любознательного читателя открывающейся возможностью творчества.
ФИЗИЧЕСКАЯ ГОЛОГРАФИЯ
1.1. В ЦАРСТВЕ СВЕТА
Что такое свет? Этот вопрос продолжает волновать многих, однако ответить на него непросто.
С древних времен и до наших дней, когда города утопают в сиянии огней, свет очаровывает человека. Сейчас, щелкнув выключателем, можно осветить большое пространство, и все же свет представляется большинству людей неразрешимой загадкой. Ни один свой секрет природа не хранила так тщательно, как то, что же представляет свет в действительности.
Скрывая свою природу, свет тем не менее позволил человеку с по-мощью зрения познать окружающий мир в такой большой степени, в какой не смогли обеспечить другие органы чувств. Более 90% информации об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Но если нет света, зрение беспомощно и никакой обостренный слух, осязание и обоняние не в силах компенсировать человеку эту потерю.
Возможно, глаз природа создала только потому, что был солнечный свет. И не только создала, но и настроила его максимум чувствительности на солнечное излучение.
Природе света многие ученые уделяли пристальное внимание. Они издавна пытались получить ответы на такие вопросы, как горяч или холоден свет? Имеет ли он массу? С какой скоростью распространяется? Почему не проходит через тонкий лист бумаги, но проходит через толстое стекло? И что такое цвет света?
Наиболее ранняя теория света была выдвинута древними греками. Согласно ей, свет представляет собой нечто такое, что истекает из наших глаз подобно воде из шланга, при этом предполагалось, что мы видим предметы, направляя на них поток света. Человек узнает, как выглядит вещь, будто ощупывая ее. Глаза слепого не испускают света, поэтому он не может видеть. Против этой теории не было существенных возражений до эпохи Возрождения.
Другая теория света, более фундаментальная, подтверждаемая наблюдениями и экспериментами, была разработана Ньютоном. К тому времени были предложены две гипотезы: по одной - свет это вещество, по другой - волновая энергия. Ученый отдавал предпочтение первой гипотезе. Он полагал, что свет состоит из малых частиц (корпускул) вещества, испускаемых во всех направлениях по прямым линиям или лучам светящимся телом, например Солнцем, свечой или другим источником (рис. 1). Если эти лучи, состоящие из корпускул, попадают в наш глаз, то мы видим их источник. Вторую гипотезу Ньютон отвергал на том основании, что свет, по его мнению, не способен огибать препятствия, хотя он и знал о способностях звуковых и водяных волн огибать небольшие предметы.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
