Голография и ее применение

Министерство  образования Республики Беларусь

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

факультет радиофизики и компьютерных технологий

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Реферат на тему

«ГОЛОГРАФИЯ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент 2 курса 8 группы

Желудкович Дмитрий

Преподаватель: Светашев А.Г.

 

 

Минск

2012

 

 

 

План.

1. Физические принципы голографии.
2. Применение голографии.

1. Изобразительная голография.
2. Копирование голограмм.
3. Радужная голография.
4. Голографические оптические элементы.

а) Линза.

б) Дифракционная  решетка.

в) Мультипликатор.

г) Компенсатор.

д) Микроскоп.

3. Голографические ВЗУ.

1. Голографические запоминающие устройства.

а) Преимущества оптической памяти.

б) Архивные ГЗУ.

в) Массовые ГЗУ.

г) ГЗУ постоянного  типа (ГПЗУ).

2. Носители информации для голографических запоминающих устройств.

а) Проблемы применения.

б) Воспроизведение голограмм.

в) Создание голограмм.

3. Голографические запоминающие устройства двоичной информации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.Физические принципы  голографии.

Голография – метод получения  объемного изображения объекта, путем регистрации и последующего восстановления, волн изобретенный английским физиком венгерского происхождения  Д. Габором в 1948 г.

 Волны могут быть при этом  любые – световые, рентгеновские,  корпускулярные, акустические и  т.д. 

Слово «голография» происходит от греческого όλοτ, что означает «весь», «целый». Этим изобретатель хотел подчеркнуть, что в голографии регистрируется полная информация о волне – как амплитудная, так и фазовая.

В обычной фотографии регистрируется лишь распределение амплитуды (точнее ее квадрата) в двумерной проекции объекта на плоскость фотоснимка. Поэтому, рассматривая фотографию под  разными углами, мы не получаем новых  ракурсов, не можем, например, увидеть, что делается за предметами, расположенных  на переднем плане.

Голограмма же восстанавливает  не двумерное изображение предмета, а после рассеянной им волны. Смещая точку наблюдения в пределах этого  волнового поля, мы видим предмет  под разными углами, ощущая его  объемность и реальность.

Физическая основа голографии –  учение о волнах, их интерференции  и дифракции, зародившееся еще в  XVII веке при Гюйгенсе. Уже в начале XIX века Юнг, Френель и Фраунгофер располагали достаточными познаниями, чтобы сформулировать основные принципы голографии. Этого, однако, не случилось вплоть до работ Габора, хотя многие ученые во второй половине XIX и начале XX века – Кирхгоф, Рэлей, Аббе, Вольфке, Бе6рш, и Брэгг – подходили к принципам голографии достаточно близко. Можно было объяснить это тем  что они не имели технических средств для реализации голографии. Однако это не так: Габор в 1947 году также не имел лазера и делал свои первые опыты со ртутной лампой в качестве источника света. И тем не менее Габор смог с полной определенностью сформулировать идею восстановления волнового фронта и указать метод ее осуществления. Не смотря на это, трудности связанные с получением голограмм, оставались столь существенными и развитие голографии шло так медленно, что к 1963 году Габор «почти забыл о ней».в 1963годуамемреканцы Э. Лейт и Ю. Упатниекс впервые получили лезерные голограммы. За год до этого они предложили свою «двулучевую схему», значительно усовершенствовав исходную схему Габора.

В соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля  действие исходной, первичной, волны  в произвольной точке А можно заменить действием виртуальных источников, расположенных на достаточно обширной, удаленной от точки А поверхности. Эти источники должны колебаться с той же амплитудой  рассеянной каким-либо предметом. и той фазой, которые заданы дошедшей до них первичной волной, рассеянной каким-либо предметом. Элементарные  сферические волны, испускаемые вторичными источниками, интерферируя, восстановят за поверхностью копию первичного волнового поля. Глаз или любой другой приемник не сможет отличить эту копию от поля волны, рассеянной самим предметом, и наблюдатель, таким образом, увидит мнимое изображение этого предмета, хотя он уже убран.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.Применение голографии.

1. Изобразительная голография.

Отличительная особенность изобразительных  голограмм - реалистичность воспроизводимых  ими трехмерных изображений, которые  часто трудно отличить от реальных объектов. Эта особенность обусловлена  тем, что при специальном освещении  голограмма не только передает объем  предметов с большим диапазоном яркостей, высоким контрастом и четкостью, но также дает возможность четко  наблюдать точное изменение бликов и теней в случае изменения  угла наблюдения при рассматривании этих предметов.

Рассмотрим схему изготовления отражательных голограмм по методу Ю.Н. Денисюка, получившую широкое практическое применение в изобразительной голографии.  
Рис. Однолучевая схема записи отражательной голограммы.

 

Пучок света лазера 1 проходит через почти прозрачную фотопластинку 2, освещает объект 4 и падает на фотопластинку с противоположной стороны. Таким образом, фотопластинка освещается двумя пучками света: объектным, отраженным от объекта, и опорным, идущим непосредственно от лазера.

На рисунке представлено вертикальное расположение предметов, но не менее  часто применяется горизонтальное. Кроме того, для более качественной записи необходим еще один элемент - точечная диафрагма— пластинка с диаметром в несколько микрометров, устанавливаемая в фокусе положительной линзы. Для успешного устранения интерференционных помех диаметр диафрагмы следует выбирать по следующей формуле:

где d - диаметр диафрагмы, мкм; ΔS - длина волны света, мкм; b - поперечный размер фотопластинки, мм; l - расстояние от диафрагмы до фотопластинки, м.

Объект съемки или композицию из ряда предметов размещают вертикально  или горизонтально в зависимости  от смыслового содержания и жестко закрепляют либо непосредственно на столе, либо на массивной подставке, которая одновременно может служить  частью фона. Должен быть предусмотрен жесткий задний план, а боковые  стороны в объеме голографируемой  композиции могут закрываться темным материалом либо иметь зеркальные или  рассеивающие свойства и создавать  дополнительные боковые подсветки.

Освещение объекта определяется, во-первых, оптической схемой съемки, во-вторых, оптическими  и художественными особенностями  голографируемого объекта (зеркальные и диффузные поверхности, тени, полости и т.д.). Прямое освещение одним пучком часто не передает особенностей композиции, а иногда обусловливает искажение за счет резких теней и отсутствия полутонов. Поэтому для получения художественной голограммы предпочтительны многопучковые схемы. Двупучковый вариант схемы приведен на рис.

В любом случае необходимо максимально  возможное уравнивание длины  путей распространения света  в опорном и объектном пучках, даже если их несколько.

 
Рис. Схема записи с разделением пучков.

 

Изобразительные голограммы изготавливают  и пропускающими, особенно при практической реализации голографического кинематографа и трехмерных дисплеев. В этом случае используется следующая схема, когда опорный и объектный пучки падают на фотопластинку с одной стороны. При этом пучок света лазера 1 после светоделительной пластинки 2 идет по двум каналам. С помощью зеркала 3 и расширительной линзы 4 формируется опорный пучок, падающий на фотопластинку 6. Расширительная линза 7 формирует пучок, освещающий объект 9. Отраженный от объекта пучок падает на фотопластинку с той же стороны, что и опорный.

Пропускающую голограмму можно  получить с использованием линзы, формирующей  уменьшенное изображение в пространстве. Если фотопластинку поместить в  плоскость, сопряженную с любым  сечением объекта, например центральным  или соответствующим переднему  плану, и осветить пластинку опорным  пучком, то на ней будет зарегистрирована пропускающая голограмма сфокусированного изображения. Так можно изготавливать  изобразительные голограммы в виде слайдов. В голографическом кинематографе  эта схема является основой для  получения голографических кинокадров.

Голограммы, полученные в свете  лазера с одной длиной волны, воспроизводят  монохромные изображения. Для получения  цветных голограмм, правильно воспроизводящих  в едином изображении детали объекта  разного цвета, необходимо регистрировать и затем воспроизводить в простейшем случае три цветооделенных изображения объекта, например красное, зеленое и синее.

Желательно изготавливать цветные  голограммы на цветных однослойных  полихроматических голографических  фотоматериалах. В этом случае экспонирование ведется одновременно в трех длинах волн, как показано на схеме для  съемки отражательной голограммы .

 
Рис. Запись пропускающей изобразительной голограммы.

 

Здесь 1a-1в - лазеры, излучающие свет в красной, зеленой и синей частях спектра, 2a-2в - оптические элементы, позволяющие совместить излучение трех лазеров в одном пучке, 3 - зеркало, 4 - линза, расширяющая суммарный пучок света лазеров, 5 - фотопластинка, 6 - объект.

При съемке цветной пропускающей голограммы объект освещается тремя лазерами. Далее возможны два случая: во-первых, когда опорные пучки трех цветов суммируются и падают на фотопластинку  под одним и тем же углом, во-вторых, опорные пучки направляются на фотопластинку  под разными углами.

 
Рис. Запись отражательной цветной голограммы

 

В случае однослойного материала независимо от схемы съемки наблюдается существенное снижение дифракционной эффективности  и отношения сигнал/шум, что ограничивает их использование.

Для записи высококачественных цветных  голограмм применяют способ последовательной регистрации трех отдельных 

цветных голограмм. Для этого по одной из схем последовательно получают частичные голограммы на различных  пластинках с фотослоями, чувствительными  к зеленому, красному и синему свету.

 

 
Рис. Схема записи пропускающей цветной голограммы без разделения (б) и с разделением (а) опорных пучков в пространстве.

 

Другой способ - изготовление частичных  голограмм в отдельных слоях  многослойного фотоматериала на одной подложке. Каждый слой сенсибилизируется  к одному участку спектра, причем зелено- и красночувствительные слои десенсибилизируются к синей  зоне спектра. Последнее относится  как к съемке отражательных, так  и пропускающих голограмм.

Важно, чтобы при воспроизведении  цветного изображения из трех частей не возникло ложных изображений из-за дифракции света разных длин волн на разноименных голограммных структурах.

При восстановлении цветных голограмм  на достаточно толстых слоях подавление ложных изображений обеспечивается спектральной селективностью, что позволяет  использовать для восстановления изображения  источник белого света. В случае пропускающей голограммы нет возможности обеспечить спектральную селективность, поэтому  для устранения ложных изображений  используют угловую селективность  голограмм (для чего при записи опорные  пучки заводятся под разными  углами).

Для всех схем получения цветных  голограмм имеются следующие  общие требования:

Необходимо точное соблюдение взаимного  углового расположения источников света  и голограммы в процессах съемки и восстановления.

Процесс обработки и условия  хранения голограммы не должны приводить  к изменениям толщины слоев частичных  голограмм.

При большой глубине объектов съемки эти требования становятся достаточно жесткими.

Теперь необходимо сказать несколько  слов о технике воспроизведения  голографических изображений.

Демонстрирование изобразительных  голограмм должно обеспечивать комфортность и естественность восприятия зрителем. Качество изображения хорошей голограммы (без видимых дефектов, с высокой  яркостью, малым уровнем шумов, с  правильно расположенными и освещенными  при съемке объектами) определяется параметрами восстанавливающего источника  света: длиной волны и спектром излучения, формой пучка, интенсивностью и правильным расположением источника света и голограммы.

На практике даже толстослойная  эмульсия не полностью селективна, и для устранения хроматизма, проявляющегося, как правило, в виде цветных ореолов, и получения глубоких монохромных изображений применяют светофильтры. Особенно целесообразно использовать ртутные лампы с малым телом свечения, большой яркостью и линейчатым спектром. Часто используют свет диапроектора.

Для восстановления пропускающей голограммы требуется источник света с высокой  монохроматичностью, чаще всего - лазер. Но при использовании последнего приходится либо смириться с присущим лазерному излучению пятнистым шумом (спеклами), либо как-то с ним бороться.

Большинство объектов в естественных условиях освещаются сверху. Поэтому  при рассматривании голографического изображения объекта он воспринимается естественно, если тени и блики на нем зарегистрированы в процессе освещения при съемке сверху под  острым углом. Подходящие углы близки к углу Брюстера. Восстанавливающий источник при этом может быть укреплен на потолке, на стене высоко под потолком, на специальной стойке или в подвесе. Восстанавливающий пучок, падающий на голограмму, не должен перекрываться головой или корпусом зрителя, который может подойти близко к голограмме для рассматривания мелких деталей предметов, особенно произведений искусства (рис).