Голограммы

Санкт-Петербургский  Государственный Технологический Университет Растительных Полимеров

__________________________________________________________________  

Кафедра ТЦКМ

Реферат

Тема реферата:

«Голограммы»

                                                                                                                Выполнил студент   114 группы ХТФ:                                                                            
                                                                     Иванова Юлия                                                                            
                                                    Приняла: Коваленко М.В.                                                                            
                                                              Роспись________

                                                              Санкт-Петербург

                                                             2012

Содержание:

1)    Введение;

2)    Что такое голограмма;

3)    История голографии;

4)    Суть явления голографии;

5)    Голограммы. Общие сведения;

6)    Виды голограмм;

7)    Применение  голографии;

8)    Заключение;

9)    Литература.

Введение

Возможности применения голографии сделали ее одной из важнейших областей современной оптики. Она позволяет поставить простые, элегантные и перспективные эксперименты. Восстановление цветных трехмерных изображений, дающих полное ощущение объемности, - одна из самых ярких и впечатляющих ее возможностей.

Не следует забывать о замечательных результатах, достигнутых с помощью голографии во многих других областях, особенно в интерфорометрии, где она позволяет наблюдать интерференцию волн, зарегистрированных в разные моменты времени.

Естественно, что фундаментальные законы оптики при этом не затрагиваются, так как при каждой регистрации на фотопластинку падает свет, прошедший сквозь объект, и когерентная опорная волна. Амплитуда света, прошедшего сквозь негатив, линейно зависит от первоначальной освещенности, которая связана   произведением комплексной амплитуды света, прошедшего сквозь объект, на амплитуду когерентного фона.

Что такое голограмма?

Голограмма в переводе с греческого языка означает «полная запись». В отличие от фотографии, голограмма содержит всю объемную и энергетическую информацию о предмете.

Голограмма — это регистрация полного волнового поля объекта на фоточувствительном материале в виде микрорельефного изображения. При падении света на микрорельеф происходит явление дифракции, заставляющее изображение на голограмме переливаться всеми цветами радуги, что и дало название радужным голограммам. Способ регистрации голограмм и последующего восстановления изображения основан на явлении интерференции света. Размеры единичных элементов голографического микрорельефа сравнимы с длиной волны излучения лазера - долями микрон, что в пересчете на количество точек на дюйм составляет около 250000 dpi. Даже самая совершенная множительная и полиграфическая техника не способна воспроизвести такое разрешение. Вот почему голограммы сегодня в мире являются наиболее эффективным визуальным средством защиты от подделки.

Современные методы организации высокотехнологичного производства, уникальные специалисты, дорогостоящее оборудование, строгая конфиденциальность позволяют избежать копирования продукции компаний-заказчиков.

Эффективная защита товаров и документов от подделок возможна благодаря введению последовательной нумерации, микро шрифтов, скрытого изображения или текста, различимых только с помощью специального оборудования.

Радужные голограммы и голографическая упаковка — это стиль жизни, показатель качества и отражение успеха.

История голографии

Первая голограмма была получена в 1947 году (задолго до изобретения лазеров) Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же придумал само слово "голография", которым он подчеркнул полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством. Получить качественную голограмму без когерентного источника света невозможно.После создания в 1960 году красных рубинового (длина волны 694 нм, работает в импульсном режиме) и гелий-неонового (длина волны 633 нм, работает непрерывно) лазеров, голография начала интенсивно развиваться.В 1962 году была создана классическая схема записи голограмм Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института (голограммы Лейта-Упатниекса) ^[3] , в которой записываются пропускающие голограммы (при восстановлении голограммы свет пропускают через фотопластинку, хотя на практике некоторая часть света от неё отражается и также создаёт изображение, видимое с противоположной стороны). В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет.

В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

В 1977 году Ллойд Кросс создал так называемую мультиплексную голограмму. Она принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из множества (от десятков до сотен) отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами. Такая голограмма, естественно, не содержит полную информацию об объекте, кроме того, она, как правило, не имеет вертикального параллакса (т.е. нельзя посмотреть на объект сверху и снизу), но зато размеры записываемого объекта не ограничены длиной когерентности лазера (которая редко превышает несколько метров, а чаще всего составляет всего несколько десятков сантиметров) и размерами фотопластинки. Мало того, можно создать мультиплексную голограмму объекта, которого вовсе не существует! Например, нарисовав выдуманный объект с множества различных ракурсов. Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов (например, линзовые растры), однако она всё равно далека от традиционных методов голографии по реалистичности.

Суть явления голографии

Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, можно восстановить картину волнового поля, образованного электромагнитной волной, в любой момент времени и в любой точке пространства. Для этого надо записать распределение амплитуд и фаз волн (в данном случае световых) на произвольной поверхности или ее части, охватывающей источник волн. Иными словами, чтобы «заморозить» электромагнитные волны во всем пространстве, достаточно «заморозить» их только на некоторой поверхности.

Как восстановить в пространстве световую волну, т. е. «разморозить» ее? Для этого надо задать параметры, характеризующие среду. Предположим, нужно восстановить плоскую волну. Для этого мы должны задать для любой плоскости равномерно распределенные источники колебаний с определенной начальной фазой. Элементарные источники колебаний должны находиться на поверхности, перпендикулярной направлению распространения волн. Но это те обязательно. Все будет зависеть от типа волн. Возьмем для примера сферические волны, излучаемые точечным источником. Зададим в качестве поверхности, на которой «замораживаются» волны, сферу с центром в источнике. Амплитуды и фазы элементарных источников волн будут одинаковыми для всей поверхности. В случае с круговыми волнами при «замораживании» световых волн надо расположить элементарные источники колебаний с одинаковой фазой и амплитудой на концентрических окружностях.

Иными словами, мы должны зарегистрировать на некоторой поверхности мгновенные картины линий постоянной фазы в виде чередующихся прозрачных и непрозрачных областей. В этом нам помогает интерференция: мы получаем интерференционную картину, состоящую из светлых, (прозрачных) и темных (непрозрачных) полос. Интерференция и есть способ сравнения пространственной структуры двух пучков света. Вначале происходит их сравнение, а затем — регистрация их на фотопластинку.

Откуда возникли оба эти пучка и что они собой представляли в опытах Габора? Один пучок отражался от освещенного предмета и падал на фотопластинку. Он являл собой определенную комбинацию волн, конфигурация которых зависела от формы предмета. Она могла быть как очень простой, так и очень сложной. Другой пучок имел простую конфигурацию. Чаще всего он состоял из плоских волн. Создавался он когерентным источником света и назывался опорной волной. Второй пучок служил в качестве эталона. Он также падал на фотопластинку.

Оба световых пучка пересекались вблизи этой пластинки. При пересечении они интерферировали между собой, образуя области усиления или ослабления, чередующиеся по определенному закону во времени и пространстве. В результате интерференции получалась интерферограмма в виде чередующихся светлых и темных полос— неподвижная интерференционная картина.

Неподвижность интерференционной картины в пространстве обеспечивалась опорной (эталонной) волной. Это она «останавливала» («замораживала») световую волну.

Чтобы восстановить изображение предмета, достаточно осветить голограмму только опорным пучком, используемым при записи. Этот способ регистрации волнового поля ценен тем, что допускает простое восстановление исходной волны. Как только мы направляем на голограмму опорную волну, использованную при записи, за голограммой восстанавливается («размораживается») исходное волновое поле предмета. Согласно принципу Гюйгенса — Френеля, восстановлением мы обязаны эквивалентным источникам, образованным светлыми местами интерференционной картины. По этой причине волны «размораживаются», и наблюдатель видит пространственное изображение предмета.

Итак, можно сделать вывод о том, что голография— это фотографический метод. Но он существенно отличается от метода классической фотографии. Это радикально иной, двухступенчатый метод. В отличие от обычной фотографии изображения, которые получаются при восстановлении записанного на голограмме, полностью неотличимы от изображений реального предмета. Голография позволяет воспроизвести в пространстве действительную картину электромагнитных волн, т.е. волновую картину предмета тогда, когда самого предмета уже нет.

Голограммы. Общие сведения

1. Регистрирующие среды и их применение

В этом разделе мы рассмотрим общие характеристики материалов, применимые почти к любой среде, а не конкретные голографические среды Во- первых, мы отметим важную роль, которую играет в голографической среде, глубина записи. Во-вторых, рассмотрим два класса голограмм, на которые они делятся по способу освещения обработанной голограммы, отражательные и пропускающие. И наконец, отметим тот факт, что некоторые голограммы не регистрируются, а синтезируются с помощью ЭВМ.

2. Толщина среды

Если при регистрации интерференционных полос используется только поверхность регистрирующей среды, то получаются тонкие плоские или поверхностные голограммы Важным моментом является не сама величина толщины регистрирующей среды, а влияние, которое она оказывает; даже если среда толстая, но запись по глубине не используется, результат оказывается таким же, как от тонкой среды. Мы имеем толстую, или объемную, голограмму в том случае, когда трехмерная интерференционная картина регистрируется и используется по всей глубине слоя среды. Именно использование объема регистрирующей среды позволяет нам восстанавливать только одно изображение вместо основного и сопряженного ему изображений.

3. Отражение и пропускание

Между отражением и пропусканием имеется относительно простое различие. В одном случае свет, используемый для освещения голограммы при восстановлении волнового фронта, отражается от среды в виде волнового фронта изображения, а в другом свет проходит через голограмму. В случае работы на отражение теряется обычно меньше света

4. Синтез голограмм на ЭВМ

В этом случае в ЭВМ вводятся параметры, описывающие объект, и она вычисляет объектную волну. Опорная волна может складываться с объектной математически, и результат, получаемый на графопостроителе, должен быть аналогом оптической записи. В общем случае этого не делается, но голограмма, синтезированная на ЭВМ, будучи воспроизведенной на графопостроителе, представляет собой систему прозрачных апертур, закодированную таким образом, чтобы дать искомую волну изображения.

5. Конфигурация

Под конфигурацией мы понимаем все то, что связано с положением объекта, применением линз для формирования изображения или выполнения преобразования Фурье над объектной волной, структурой опорной волны, с формой поверхности и способами экспонирования голографического материала.

6. Свойства объектной волны

В общем случае, если объект расположен близко к голографическому записывающему устройству, регистрируется то, что называется голограммой Френеля. Если объект мал и находится всего лишь в нескольких сантиметрах от голограммы, мы все же получим то, что называется голограммой Фраунгофера.

Если объект располагается очень близко к голограмме или изображение объекта формируется в непосредственной близости голографическому записывающему устройству, мы получаем голограмму сфокусированного изображения. Поскольку в этом случае восстановленное изображение располагается вблизи от голограммы, лучи света разных длин волн не смогут разойтись на большой угол, прежде чем будет сформировано изображение. Это означает, что для освещения голограммы можно применять источник, имеющий широкий спектр излучения. Это свойство делает голограмму сфокусированного изображения особенно полезной при использовании в дисплеях. Если, для того чтобы в плоскости регистрации голограммы получить двумерный пространственный Фурье-образ распределения амплитуд и фаз объектной волны, используется линза, то получаем голограмму Фурье. В случае когда рассеивающий объект и точечный опорный источник находятся на одинаковом расстоянии регистрирующей среды, мы имеем голограмму квази–Фурье.

7. Свойства опорной волны

Влияние формы опорной волны гораздо сильнее, чем это кажется на первый взгляд. От опорной волны зависят положение и размер изображения, его поле зрения и разрешение; она определяет разрешение, которым должен обладать регистрирующий материал.

Если точечный источник опорной волны расположен на том же расстоянии от голограммы, что и объект, то голограмма имеет почти те же свойства, что и голограмма Фурье. Поэтому такую голограмму можно назвать голограммой квази-Фурье. От положения точечного источника опорной волны зависят и другие параметры. Конечное разрешение записывающего устройства накладывает ограничения на поле зрения изображения, ёго разрешение или на то и другое вместе. Выбирая положение точечного источника опорной волны, можно найти компромиссное решение между пределами, ограничивающими поле зрения и разрешение изображения. Если источник находится в области объекта, то мы получаем максимальное разрешение ценой ограниченного поля зрения. Если же источник расположен на бесконечности (плоская опорная волна), то „мы имеем максимальное поле зрения и невысокое разрешение. Если точечный источник опорной волны поместить между объектом и бесконечностью вдали от голограммы, то мы получим промежуточные значения поля зрения и разрешения изображения

8. Регистрирующий материал и конфигурация

В качестве регистрирующего материала, как правило, употребляется плоская фотографическая эмульсия, которая экспонируется одновременно и целиком.

Регистрирующий материал может быть термопластиком, тогда говорят о термопластической голограмме. Записываются фотохромные и бихромат-желатинные голограммы. Почти любая среда, способная записать изображения, может применяться для регистрации голограммы. Если регистрирующий материал отличается от фотоэмульсии, то его название используется для того, чтобы определять тип голограммы.

Некоторые виды голограмм

1. Мультикомплексные голограммы

Мультикомплексной называют такую голограмму, на которой одновременно записано много изображений, либо раздельно записаны отдельные части одного изображения, либо единственное изображение записано несколько раз.

2. Пространственное мультиплексирование

При решении задачи хранения данных для записи многих голаграмм можно использовать единственную фотопластинку или какой-либо иной материал, причем каждая голограмма может независимо восстанавливать изображения записанных на ней данных. При этом голограммы могут образовывать решетку типа шахматного поля, а для считывания изображения с каждой голограммы лазерный луч сканирует по решетке.

Встречается и другой способ пространственного разделения голограммы, когда одна и та же объектная волна или волна от одного и того же объекта, но с разных ракурсов записывается на голограмме в виде полос. В первом случае полосковая голограмма просто повторно записывается много раз, так чтобы можно было восстановить изображение со всей голограммы. Второй случай имеет место при записи синтезированных голограмм для целей отображения информации.

3. Цветные голограммы

Цветными называют голограммы, способные воспроизводить цветные изображения. В сущности, цветные голограммы — это мультиплексные голограммы, восстанавливающие перекрывающиеся изображения, каждое в своем цвете. Как и в случае мультиплексных голограмм, возникают различные проблемы в зависимости от того используются ли тонкие, т. е. поверхностные, голограммы или регистрирующая среда имеет заметную толщину. Голограммы, записанные на тонком материале, восстанавливают многократно повторяющиеся изображения, которые соответствуют многим дифракционным порядкам. Голограммы, записанные в толстой среде из-за усадки или набухания эмульсии могут не восстанавливаться освещением с исходной длиной волны. Если, например, рассматривать красные и белые изображения, то в противоположность черным и белым необходимо учитывать эффекты дисперсии. В случае голограммы сфокусированного изображения, поскольку расстояние между голограммой и телеграфируемым изображением; оказывается более коротким, таких проблем возникает меньше.

4. Голограммы, восстанавливаемые в белом свете

Голограмма представляет собой закодированную дифракционную решетку.

Следовательно, когда голограмма освещается белым светом, волны с большими длинами волн отклоняются сильнее от оси освещающей голограмму волны, чем волны с более короткими длинами волн. В результате этого восстановленное изображение; смазывается. Такой эффект можно отчасти скомпенсировать, используя дифракционную решетку с шагом штриха, равным среднему периоду интерференционных полос на голограмме. Изложенные выше соображения применимы к тонким голограммам. Объемные голограммы обладают избирательностью по отношению к длине волны и будут отражать или пропускать только узкую полосу длин волн, обусловленную эффектом Брэгга.

5. Объемная голограмма

В качестве объемной голограммы можно использовать саму ультразвуковую волну в жидкости, бегущую или стоячую. Уплотнения и разрежения жидкости сопровождаются изменениями 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.

6. Радужная  голограмма

2-D голограмма представляет собой набор участков с разными цветовыми эффектами. При изменении угла поворота голограммы последовательно изменяются цвета.

3-D голограмма — «объемная» голограмма, на которой  присутствуют эффекты разноцветных объемных планов. При повороте голограммы в горизонтальной плоскости планы «скользят» относительной друг друга и основы, создавая оптический эффект.

HoloTransmit — голограмма на прозрачной основе. Применение прозрачных составов позволяет наносить голограммы на документы, не закрывая их для визуального просмотра, но предотвращая контактный доступ к ним и возможность копирования (например: печать и подпись руководителя).

Комбинированная этикетка — голограмма любого типа на бумажном носителе, включающая порядковый номер, штрих-код и другую впечатываемую полиграфическую информацию.

Применение голографии

Голографический  метод  записи  волнового   фронта   находит   широкое

применение в различных областях  науки  и  техники  и  имеет  перспективы  в будущем. Перечислим лишь некоторые из них. Голограмму можно  использовать  в качестве комплексного оптического элемента. Такой оптический  элемент  может выступать во многих  качествах.  Известны  голограммы,  играющие  роль  линз (голограмма   —    зонная    решетка),    разлагающие    свет    в    спектр(голограммы—дифракционные   решетки),   интерференционные   фильтры    (слои Липпмана) и т. д. Голографические дифракционные решетки содержат свыше  5000 полос на 1 мм.

Метод  голографии  позволяет  записывать  на  заданном  малом участке фотоэмульсии (особенно толстослойной) в 100—400 раз  больше  страниц

печатного  текста,  чем   методы   обычной   микрофотографии.   На обычную

фотопластинку размером 32-32 мм2 можно записать 1024 голограммы,  каждая  из которых занимает площадь  в  один  квадратный  миллиметр. 

Одна  голограмма — страница книги, одна пластинка — целая большая книга. Многообещающим  является  применение  голографии   при   распознавании образов и символов,  что  позволит  создать  читающие  автоматы,  обладающие большой надежностью.  Голографические  устройства  с   использованием   звуковых   радиоволн совместно  со  световыми  волнами   дадут   возможность   видеть   предметы,

рассеивающие звуковые или радиоволны (звуко- и радиовидение).Метод голографической интерферометрии позволяет исследовать  изменения

(например, деформацию), происшедшие в  наблюдаемом  объекте  под  каким-либо внешним  действием.  В  основе  регистрации  таких  малых  деформаций  лежит явление интерференции двух волн, существовавших в  разные  моменты  времени. Как можно осуществить интерференцию таких волн? Для этого на одну  и  ту  же фотопластинку регистрируют две голограммы, полученные от одного  и  того  же исследуемого объекта в разные  моменты  времени.  Малейшее  изменение  формы объекта из-за деформации в промежутке  между  двумя  регистрациями  изменяет фазу предметной волны.

Следовательно, если в промежуток времени между  двумя экспозициями  (важно,  чтобы  фотопластинка  не   сдвинулась   между   двумя экспозициями) произошли  какие-то  деформации,  то  при просвечивании  этих голограмм  увидим  изображение  объекта, перерезанное   интерференционными полосами, по форме которых можно судить  о  характере  деформации.  Точность измерения этого метода весьма  высокая:  он  позволяет  измерить  деформации порядка  десятой  доли  микрона.  Возможности  контроля  размеров,  формы  и качества обработки сложных деталей с помощью голографии сделают  этот  метод  наиболее ценным в производстве.

Ценность голографической интерферометрии заключается еще и в том,  что

она позволяет  при  любых  относительных  измерениях  обойтись  без  эталона сравнения,  например  при  деформации  поверхности,  перемещении  из  одного состояния в другое или  при  сжатии  исходное  и  конечное  состояния  могут служить эталонами друг относительно друга.

Заключение

     

Таким образом, согласованные усилия  многих  исследователей  позволили

накопить ряд сведений и фактов о свойствах трехмерных  голограмм.  За  этими на первый взгляд разрозненными фактами достаточно  отчетливо  вырисовывается то единое явление природы, которое  лежит  в  их  основе. Оказывается,  что материализованная   объемная    картина    волн  интенсивности    способна воспроизводить волновое поле со всеми его параметрами —  амплитудой,  фазой, спектральным составом, состоянием поляризации  и  даже  с  изменениями  этих параметров по времен.

Однако общая картина этого явления пока еще далека  от  завершения.  И

дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем  полностью  набор

отображающих  свойств  некоторых   видов  голограмм.  Есть   все   основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства  голограмм. Вполне вероятно, Что ряд  новых  эффектов  будет  обнаружен  при  применении светочувствительных  материалов,   обладающих   специфическими   свойствами, подобно тому  как применение  резонансных  и  поляризационных  сред  открыло возможность  записи  временных  и  поляризационных  характеристик   волновых полей. И наконец, прецедент объединения голографии  и  нелинейной  оптики  в

динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии  в  смежные с  ней  области  знаний  может  привести  к   появлению   совершенно   новых

направлений.

 

Литература

1)«Принципы голографии», В.В. Слабко, 1997г. pereplet/ 

2) Оптика. Учебное пособие для вузов. М., “Высшая школа”, 1977г.

3) Введение в когерентную оптику и голографию: Учеб. пособие для физ.- мат. фак. пед. ин-тов.-Минск: Выш. шк.,1985.-144 с. Шепелевич В. В.

4) http://traditio-ru.org/wiki/

5) http://www.ref.by/refs/88/38173/1.html