Голографический коучинг - Голография. Реконструкция изображения объекта

Оглавление:

По принципу Гюйгена-Френеля можно воссоздать изображение волнового поля, формирующего электромагнитную волну в любой точке пространства и в любое время. Для этого необходимо записать распределение амплитуд и фаз волн (в данном случае световых волн) на любой поверхности или ее части, покрывающей источник волн. Другими словами, чтобы «заморозить» электромагнитные волны во всем пространстве, достаточно «заморозить» их только на определенной поверхности.

Как восстановить, то есть «разморозить» световую волну в космосе? Для этого необходимо задать параметры, характеризующие среду. Предположим, нам нужно восстановить плоскую волну. Для этого необходимо указать равномерно распределенные источники вибраций с заданной начальной фазой для каждой плоскости. Элементарные источники вибраций должны располагаться на поверхности, перпендикулярной направлению распространения волн. Однако это не является обязательным. Все зависит от природы волн. Возьмем в качестве примера сферические волны, излучаемые от точечного источника. Поставим сферу с центром от источника в виде поверхности, на которой «застывают» волны. Амплитуды и фазы источников элементарных волн будут одинаковыми для всей поверхности. Для круговых волн «замораживания» световых волн требуется размещение элементарных источников вибраций с одинаковой фазой и амплитудой на концентрических кругах.

Другими словами, необходимо регистрировать мгновенные закономерности постоянных фазовых линий на поверхности в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных областей. В этом нам помогает интерференция: мы получаем интерференционную картину, состоящую из светлой (прозрачной) и темной (непрозрачной) полос. Помехи — это способ сравнить пространственную структуру двух световых пучков. Сначала идет сравнение, а затем регистрация на фотопластинке.

Откуда взялись эти два луча и что они представляли в экспериментах Габора? Один луч отражался от освещаемого объекта и падал на фотопластинку. Это была особая комбинация волн, конфигурация которых зависела от формы объекта. Это может быть как очень просто, так и очень сложно. Другой луч имел простую конфигурацию. Большую часть времени это были плоские волны. Она производилась источником когерентного света и называлась эталонной волной. Второй луч служил в качестве ориентира. Он также упал на фотопластинку.

Оба световых луча были пересечены рядом с этой пластиной. В точке пересечения они накладывались друг на друга и образовывали области усиления или затухания, которые чередовались во времени и пространстве по определенному закону. Интерференция создает интерферограмму в виде чередующихся светлых и темных полос — стационарную интерференционную картину.

Неподвижность интерференционной картины в пространстве обеспечивалась опорной (эталонной) волной. Это то, что «остановило» («заморозило») световую волну.

Для восстановления изображения объекта достаточно осветить голограмму только опорным пучком, используемым для записи. Такой способ регистрации волнового поля ценен тем, что позволяет легко восстановить исходную волну. Как только мы посылаем на голограмму опорную волну, использованную при записи, исходное волновое поле объекта за голограммой восстанавливается («разморожено»). По принципу Гюйгена-Френеля мы обязаны восстановить эквивалентные источники, образованные световыми точками интерференционной картины. По этой причине волны «размораживаются», и наблюдатель видит пространственное изображение объекта.

Из этого можно сделать вывод, что голография является фотографическим методом. Но это существенно отличается от метода классической фотографии. Это радикально другой, двухэтапный метод. В отличие от обычной фотографии, изображения, полученные при восстановлении фотографии на голограмме, полностью неотличимы от изображений реального объекта. Голография позволяет воспроизвести реальное изображение электромагнитных волн в пространстве, то есть волновое изображение объекта, когда самого объекта уже не существует.

Голография. Реконструкция изображения объекта

Лазерный луч, расширенный простым оптическим прибором, направлен одновременно на интересующий объект и на зеркало. Опорная волна, отраженная зеркалом, и световая волна, рассеянная объектом, падают на обычную фотопластинку, на которой регистрируется результирующая сложная интерференционная картина. После соответствующей экспозиции разрабатывается фотопластинка, в результате чего получается так называемая голограмма — интерференционное изображение, регистрируемое на фотопластинке и формируемое путем наложения опорных и объектных волн. Голограмма выглядит как просто подсвеченная пластинка, если не обращать внимания на определенные кольца и пятна, которые образуются при дифракции света от частиц пыли и не имеют никакого отношения к информации об объекте.

Чтобы воссоздать волновое поле объекта и таким образом получить его трехмерное изображение, голограмма помещается в то же место, где находилась фотопластинка, когда была сделана фотография, а затем голограмма освещается пучком света от того же лазера под тем же самым углом, под которым была сделана фотография. Это приводит к дифракции опорной волны на голограмме, и мы видим «воображаемое» изображение со всеми свойствами, присущими самому объекту (распределение света остается таким же, как и в объекте). Нам кажется, что это настолько реально, что иногда мы даже чувствуем желание потрогать объект. Это, конечно, невозможно, так как в этом случае изображение формируется голографической копией волны, рассеянной объектом во время записи голограммы.

Голограмма производит точно такую же волну, как и сам объект. В дополнение к воображаемому изображению появляется и реальное изображение объекта, которое при просмотре справа от голограммы имеет рельеф, противоположный рельефу самого объекта. В этом случае трудно наблюдать за реальным изображением невооруженным глазом. Если голограмма подсвечивается противоположным опорным пучком так, чтобы все лучи голограммы были противоположны лучам исходного опорного пучка, то в месте исходного положения объекта, доступного для наблюдения невооруженным глазом, формируется реальное изображение. Он может быть зарегистрирован на фотопластинке без использования объективов.

В данном разделе мы рассмотрим общие свойства материалов, применимые практически к любой среде, а не к конкретным голографическим средам. Во-первых, мы отметим важную роль, которую играет глубина записи в голографической среде. Во-вторых, мы рассмотрим два класса голограмм, на которые они разделены по способу освещения обработанной голограммы: отражающей и трансмиссивной. Наконец, обратите внимание, что некоторые голограммы не записываются, а синтезируются с помощью компьютера.

Когда для записи интерференционных полос используется только поверхность носителя записи, получают тонкие плоские или поверхностные голограммы. Важным моментом является не толщина самого носителя, а эффект, который он производит; даже если носитель толстый, но глубина записи не используется, результат будет таким же, как и при использовании тонкого носителя. У нас есть толстая или объемная голограмма, когда трехмерная интерференционная картина записывается и используется по всей глубине слоя среды. Именно использование объема носителя записи позволяет восстановить только одно изображение вместо основного и сопряженных.

Существует относительно простое различие между отражением и передачей. В одном случае свет, используемый для освещения голограммы при реконструкции волнового фронта, отражается от среды как волновой фронт изображения, в другом случае свет проходит через голограмму. В режиме отражения обычно теряется меньше света.

Синтез голограмм на компьютере

В этом случае в компьютер вводятся параметры, описывающие объект, и он вычисляет волну объекта. Опорная волна может быть математически добавлена к волне объекта, а результат на голограммном плоттере должен быть аналогом оптической записи. Обычно это не делается, но синтезированная на компьютере голограмма, при воспроизведении на графической машине, представляет собой систему прозрачных апертур, закодированных для того, чтобы дать желаемую волну изображения.

Под конфигурацией мы понимаем все, что связано с положением объекта, использованием линз для формирования изображения или выполнением преобразования Фурье над волной объекта, структурой опорной волны, формой поверхности и способом экспонирования голографического материала.

В общем, если объект находится в непосредственной близости от голографического диктофона, то записывается так называемая френелевская голограмма. Если объект маленький и находится всего в нескольких сантиметрах от голограммы, мы все равно получим то, что называется голограммой Фраунгофера.

Если объект находится очень близко к голограмме или изображение объекта формируется в непосредственной близости от голографического регистратора, мы получаем сфокусированную голограмму. Так как в этом случае воссозданное изображение находится в непосредственной близости от голограммы, световые лучи различных длин волн не могут отделяться под большим углом до формирования изображения. Это означает, что для освещения голограммы можно использовать источник с широким диапазоном излучения. Это свойство делает сфокусированную голограмму изображения особенно полезной для использования в дисплеях. Если линза используется для получения двумерного пространственного изображения Фурье амплитуды и фазового распределения волны объекта в плоскости регистрации голограммы, то мы получаем голограмму Фурье. В случае, когда рассеивающий объект и точечный опорный источник находятся на одинаковом расстоянии от записывающей среды, мы получаем квазиголограмму Фурье.

Влияние опорной формы волны намного сильнее, чем кажется на первый взгляд. Опорная волна определяет положение и размер изображения, его поле зрения и разрешение; она определяет разрешение, которое должен иметь записывающий материал.

Если точечный источник опорной волны расположен на таком же расстоянии от голограммы, что и объект, то голограмма обладает почти такими же свойствами, как и голограмма Фурье. Поэтому такую голограмму можно назвать квази-голограммой Фурье. Другие параметры также зависят от положения точечного источника опорной волны. Конечное разрешение записывающего устройства накладывает ограничения на поле зрения изображения, его разрешение или и то, и другое. Выбрав положение источника опорной волны, можно достичь компромисса между ограничениями поля зрения и разрешением изображения. Если источник находится в области объекта, то мы получаем максимальное разрешение за счет ограниченного поля зрения. Если источник находится на бесконечности (плоская опорная волна), то «мы имеем максимальное поле зрения и низкое разрешение». Если точечный источник опорной волны находится между объектом и бесконечностью вдали от голограммы, то мы получаем промежуточные значения поля зрения и разрешения изображения

Как правило, в качестве записывающего материала используется плоская фотоэмульсия, которая экспонируется одновременно и целиком.

Материалом для записи может быть термопластик, в этом случае речь идет о термопластичной голограмме. Записываются фотохромные и бихромат-желатиновые голограммы. Для записи голограммы можно использовать практически любой носитель, способный записывать изображения. Если записывающий носитель отличается от фотоэмульсии, его название используется для идентификации типа голограммы.

Многосложная голограмма — это голограмма, в которой одновременно записывается много изображений, или отдельные части одного изображения записываются отдельно, или одно изображение записывается несколько раз.

Пространственное мультиплексирование

При решении проблемы хранения данных можно использовать одну фотопластинку или другой материал для записи многих голограмм, причем каждая голограмма может самостоятельно воссоздавать изображения записанных на ней данных. В этом случае голограммы могут образовывать решетку шахматного типа, а лазерный луч сканирует вдоль решетки для считывания изображения с каждой голограммы.

Существует и другой метод пространственного разделения голограммы, когда на голограмме в виде полос записывается одна и та же волна объекта или волна от одного и того же объекта, но с разных ракурсов. В первом случае полосчатая голограмма просто перезаписывается много раз, так что можно восстановить изображение со всей голограммы. Второй случай происходит, когда синтезированные голограммы записываются для отображения.

Под композитными голограммами мы понимаем голограммы, которые формируют изображения, состоящие из отдельных частей, каждая из которых была записана независимо друг от друга.

К голограммам, записанным с помощью сканирующего источника света, относятся такие голограммы, при регистрации которых использовался либо пучок сканирующего света для освещения объекта, либо сканирующий опорный пучок для освещения голограммы.

Иногда поперечное сечение пучка, освещающего объект, уменьшается настолько, что он уже не может осветить весь объект сразу, а должен сканироваться объектом. В результате образуется многоэкспозиционная голограмма, в которой отдельно фиксируется изображение каждого освещенного пучком сечения объекта.

Если размер объекта большой, то можно сузить освещающий объект пучок и заставить его сканировать объект так, чтобы волна объекта большей яркости падала на голограмму. Это позволит сократить время экспозиции, необходимое для записи голограммы той части объекта, о которой идет речь. Общая экспозиция не может быть уменьшена.

Недостатком использования сканирующей голографической системы, помимо необходимости использования более сложного оборудования, является также снижение эффективности дифракции голограммы. Это снижение связано с увеличением: фоновой экспозиции, которая возникает при записи с несколькими экспозициями.

В случае сканирования опорного пучка объект освещается полностью, но опорный пучок сканирует голограмму. Следовательно, можно увеличить общую интенсивность светового воздействия на часть голограммы и сократить время экспозиции на части голограммы. Это дает возможность голографировать объекты, которые движутся в ограниченных пределах. Однако такой мет приводит к снижению дифракционной эффективности, что связано с увеличением энергии опорного пучка по отношению к объекту

Цветные голограммы — это голограммы, способные воспроизводить цветные изображения. По сути, цветные голограммы — это мультиплексные голограммы, которые воссоздают перекрывающиеся изображения, каждая из которых имеет свой цвет. Как и в случае мультиплексных голограмм, возникают различные проблемы в зависимости от того, используются ли тонкие, т.е. поверхностные, голограммы, или же носитель записи имеет заметную толщину. Голограммы, записанные на тонком материале, реконструируют повторяющиеся изображения, соответствующие многим дифракционным порядкам. Голограммы, записанные на толстых носителях из-за усадки или набухания эмульсии, не могут быть восстановлены освещением на исходной длине волны. Если, например, учитываются красные и белые изображения, а не черно-белые, то необходимо учитывать дисперсионные эффекты. В случае сфокусированной голограммы, так как расстояние между голограммой и телеграфируемым изображением кажется короче, таких проблем меньше.

Голограмма — это закодированная дифракционная решетка.

Следовательно, когда голограмма освещается белым светом, волны с большей длиной волны отклоняются от оси освещающей голограммы больше, чем волны с более короткой длиной волны. В результате воссозданное изображение получается размытым. Этот эффект можно частично компенсировать с помощью дифракционной решетки, шаг которой равен среднему периоду интерференционных полос на голограмме. Вышеприведенные соображения относятся к тонким голограммам. Объемные голограммы обладают селективностью по длинам волн и благодаря эффекту Брэгга будут отражать или проходить только через узкую полосу волн.

Трехмерная фотография

Голограммы могут записывать излучение, рассеянное объектом. На рисунке показаны схемы записи голограмм с углом охвата 360°. Однако можно записать голограмму с таким покрытием и с обычным (не круговым) освещением. Для этого необходимо сделать много экспозиций, каждый раз поворачивая объект на небольшой угол и освещая каждую экспозицию узкой вертикальной полосой голограммы.

Трехмерные свойства изображений, реконструированных с помощью голограмм, можно использовать в рекламе, демонстрации лекций, при построении художественных панорам, создании копий художественных произведений и записи голографических портретов. При получении голографического портрета человека требуется такое короткое время экспозиции, чтобы структура голограммы не размывалась из-за смещений освещаемой поверхности. Это требует увеличения мощности лазера, используемого для создания голограммы. В то же время не следует забывать о максимально допустимой концентрации энергии на поверхности сетчатки человеческого глаза. Выходом из этой ситуации является подсветка лица с помощью широкоформатных рассеивающих экранов.

Действительные изображения, которые формируются голограммами, могут быть использованы в ряде технологических процессов. Просвечивая голограммы мощным лазером, можно делать сложные узоры на обрабатываемых поверхностях. В частности, голограммы уже используются для бесконтактного покрытия микроэлектронных схем. Основные преимущества голографических методов перед традиционными контактными или проекционными — достижение практически безаберрационного изображения на большом поле. Предел разрешения голограммы может достигать долей длины волны света. На изображение практически не влияют частицы пыли, осажденные на голограмме, царапины и другие дефекты, тогда как для контактных или проекционных фотомасс это приводит к дефектам.

Другим применением голограммы в технологии является ее использование в качестве объектива. Фокусирующие свойства зональных решеток известны давно. Однако применение решеток было ограничено трудностями их производства. Зональные голографические решетки — голограммы точечного источника — легко изготавливаются и, несомненно, пригодились бы в лазерной технологии. Например, голографические линзы используются для изготовления отверстий диаметром до 14 мкм в танталовой пленке, осажденной на стекло. Голографические решетки вообще не имеют ошибок, присущих обычным решеткам, нарезанным на делительной машине.

Проблема визуализации акустических полей была успешно решена с помощью голографии. Она имеет большое прикладное значение. Возможные области применения звуковой голографии — дефектоскопия, изучение рельефа морского дна, гидролокационная навигация, поиск минералов, изучение структуры земной коры и др.

Ультразвуковая голография имеет особое значение для медицинской диагностики.

Регистрация звуковых голограмм производится таким образом, что запись позволяет проводить оптическую реставрацию. Для этого используются следующие методы:

Сигнал от ультразвукового приемника (микрофона, пьезоэлемента и т.д.) модулирует световой поток, который формирует оптическую голограмму. Возможны различные модификации такой схемы. На рисунке показан вариант такой схемы, когда сигнал сканирующего приемника контролирует яркость прикрепленной к нему точечной лампочки. В других схемах сигнал от приемника подается в катодную лучевую трубку. Развертывание выполняется синхронно с движением сенсора, а голограмма фотографируется с экрана трубки. Возможны как однолучевая, так и двухлучевая варианты звуковой голографии. Однако электрический сигнал от звукового генератора, добавляемый к сигналу датчика, может играть роль эталонного звукового луча.

Деформация поверхности жидкости под действием звукового давления

Преимущество данного метода заключается в том, что он позволяет проводить оптическое восстановление полученной отражающей голограммы одновременно с ее формированием и, таким образом, наблюдать за процессом в реальном времени. Поверхность жидкости была покрыта термопластичной пленкой, которая была деформирована ультразвуковой волной, затем охлаждена и использована в дальнейшем в качестве фазовой оптической голограммы.

Сама ультразвуковая волна в жидкости, как бегущая, так и стоящая, может быть использована в качестве объемной голограммы. Уплотнения и разрежения жидкости сопровождаются изменением ее показателя преломления. Таким образом, звуковая волна представляет собой трехмерную фазовую голограмму. В результате на такой голограмме можно получить в реальном времени световую копию ультразвуковой волны.

Идея голографических носителей заключается в том, чтобы записывать информацию лазерным лучом на трехмерную подложку, а не на несколько гигабайт, такие носители потенциально могли бы хранить терабайты данных на носителе размером не больше компакт-диска. Голографические данные могут считываться с очень высокой скоростью.

На ранних стадиях разработки основной задачей было создание модуляторов пространственного света (модуляторов пространственного света). К настоящему времени технология этих устройств достаточно развита, и самой сложной задачей был выбор носителя информации. В январе 2001 года компания Lucent сообщила о создании носителя, способного выдержать до 1000 циклов перезаписи без ущерба для безопасности данных и скорости доступа к ним. Носитель напоминает прозрачный компакт-диск. По данным Imation, первые голографические диски смогут хранить до 125 Гб информации, а скорость передачи данных составит до 30 Мб/с.

Технология получения фотографических голограмм, реконструируемых в белом свете, была разработана в середине 60-х годов, но до сих пор по масштабам распространения и объемам производства голография не приблизилась к уровню традиционной фотографии (за исключением рельефных радужных голограмм). Это связано с рядом технических трудностей, присущих современной технологии съемки и тиражирования пиктографических голограмм. В частности, в настоящее время в большинстве случаев для записи мастер-голограмм используются лазеры непрерывного излучения, которые накладывают жесткие ограничения на условия съемки (необходимость повышенной виброизоляции, стабильная температура и другие параметры окружающей среды). Эти трудности многократно возрастают с увеличением формата голограммы. Поэтому светоотражающие голограммы, особенно крупноформатные, до сих пор являются уникальной продукцией и производятся только в специализированных лабораториях с участием высококвалифицированных специалистов.

Кроме того, с помощью лазеров с непрерывным излучением принципиально невозможно сделать голографические изображения живых объектов, например, портретов людей. В настоящее время для получения мастер-голограмм живых объектов используются импульсные лазеры на рубиновом или неодимовом стекле с последующим интерференционным копированием. Однако монохромность таких голографических изображений и полная реалистичность деталей делают их «безжизненными», «замороженными», что часто производит отталкивающее впечатление.

При копировании таких голограмм с помощью лазеров непрерывного излучения возникают искажения масштаба, связанные с разницей длин волн лазеров, используемых при съемке оригиналов и их копировании.

На странице курсовые работы по менеджменту вы найдете много готовых тем для курсовых по предмету «Менеджмент».

Здесь темы рефератов по менеджменту

Читайте дополнительные лекции: