Голографія (від греч.(грецький) hólos — весь, повний і ...графія ), метод здобуття об'ємного зображення об'єкту, заснований на інтерференції хвиль. Ідея Р. була вперше висловлена Д. Габором (Великобританія, 1948), проте технічна реалізація методу виявилася надзвичайно складною і Г. не набула поширення. Лише з появою лазерів відкрилися багаточисельні і всілякі можливості практичного використання Р. в радіоелектроніці, оптику, фізику і різних областях техніки.
Принцип Р. Зазвичай для здобуття зображення якого-небудь об'єкту фотографічним методом користуються фотоапаратом, який фіксує на фотопластині випромінювання, що розсіюється об'єктом. Кожна точка об'єкту в цьому випадку є центром розсіяння падаючого світла; вона посилає в простір сферичну світлову хвилю, що розходиться, яка фокусується за допомогою об'єктиву в невелику плямочку на світлочутливій поверхні фотопластини. Оскільки відбивна здатність об'єкту міняється від крапки до крапки, то інтенсивність світла, падаючого на відповідні ділянки фотопластини, виявляється різною. Тому на фотопластині виникає зображення об'єкту. Це зображення складається з тих, що виходять на кожному ділянці світлочутливої поверхні зображень відповідних точок об'єкту. При цьому тривимірні об'єкти реєструються у вигляді плоских двомірних зображень.
В процесі фотографування на фотопластині фіксується лише розподіл інтенсивності, тобто амплітуди електромагнітної хвилі, відбитої від об'єкту (інтенсивність пропорційна квадрату амплітуди). Проте світлова хвиля при віддзеркаленні від об'єкту змінює не лише амплітуду але і фазу відповідно до властивостей поверхні об'єкту в даній крапці.
Р. дозволяє отримати повнішу інформацію про об'єкт, оскільки є процесом реєстрації на фотопластині не лише амплітуд, але і фаз світлових хвиль, розсіяних об'єктом. Для цього на фотопластину одночасно з хвилею, розсіяною об'єктом (сигнальна хвиля), необхідно направити допоміжну хвилю, що йде від того ж джерела світла (лазера), з фіксованою амплітудою і фазою (опорна хвиля, мал. 1 ).
Інтерференційна картина (чергування темних і світлих смуг або плям), що виникає в результаті взаємодії сигнальної і опорної хвиль, містить повну інформацію про амплітуду і фазу сигнальної хвилі, тобто про об'єкт. Зафіксована на світлочутливій поверхні інтерференційна картина після прояву називається Голограмою. Якщо розглядати голограму в мікроскоп, то в простому випадку видно система світлих і темних смуг, що чергуються ( мал. 2 ). Інтерференційний узор реальних об'єктів вельми складний.
Для того, щоб побачити зображення предмету, голограму необхідно прояснити тією ж опорною хвилею, яка використовувалася при її здобутті. У простому випадку — інтерференції двох плоских хвиль (двох паралельних пучків) — голограма є звичайною дифракційні грати . Плоска хвиля, падаючи на таку голограму, частково проходіт крізь неї, зберігаючи колишній напрям, а частково унаслідок дифракції перетвориться в дві вторинні плоскі хвилі, що поширюються під кутом q ( мал. 3 ). Кут q пов'язаний з кроком грат d і довжиною світлової хвилі l формулою:
Як видно з малюнка, хвиля, яка йде «вниз», є як би продовженням сигнальної хвилі, що використалася при зйомці голограми ( мал. 1 ). Тому вона нічим не відрізняється від хвилі, що йде від об'єкту при безпосередньому його спостереженні. Таким чином, при просвічуванні голограми відновлюється та ж сама хвиля, яка виходила від об'єкту. В результаті цього спостерігач що дивиться крізь голограму, побачить уявне зображення об'єкту в тому місці, де об'єкт знаходився при зйомці. Хвиля, що йде «вгору» ( мал. 3 ), також містить інформацію про об'єкт і утворює його дійсне зображення.
Голограма крапки. Хай світло від лазера падає на точковий об'єкт А і на плоский відбивач, який створює опорну хвилю ( мал. 4 ). Розсіяна від точкового об'єкту хвиля і опорна хвиля падають на фоточутливий шар, на якому реєструється інтерференційна картина. Голограма в цьому випадку утворюється в результаті інтерференції сферичної сигнальної хвилі з плоскою опорною хвилею і є системою концентричних темних і світлих кілець. Оскільки відстань між інтерференційними кільцями рівна, те чергування світлих і темних кілець стає частішим при наближенні до нижнього краю голограми ( мал. 5 ).
При просвічуванні голограми плоскою опорною хвилею в результаті дифракції виникають дві сферичні хвилі. Ці хвилі формують дійсне і уявне зображення точки А , які можна спостерігати під різними кутами ( мал. 5 ). Сферична хвиля I , що розходиться, створює уявне зображення A'' і спостерігач, що сприймає цю хвилю, бачить відновлене зображення A'' за голограмою в тому ж місці, де знаходився реальний об'єкт А . Друга сферична хвиля //, що сходиться, створює дійсне зображення об'єкту А" , яке розташоване перед голограмою.
Об'ємність голографічних зображень. Повторюючи приведені міркування для кожної з точок об'єкту, що полягає, наприклад, з 4 крапок, можна переконатися, що інтерференційна картина, яка фіксується на голограмі міститиме повну інформацію про всіх 4 крапках. При просвічуванні голограми опорним променем з'являться 2 зображення — уявне і дійсне, причому обидва зображення сприйматимуться спостерігачем як об'ємні.
Уявне зображення спостерігається, якщо дивитися крізь голограму, як у вікно ( мал. 6 ). Дійсно, в положеннях би , в , г ми побачимо крапку 1, а в положеннях в , г , д — крапку 3; у, положеннях в , г спостерігач побачить одночасно крапки 1, 3 і крапки 2, 4, які розташовані між ними, тобто весь об'єкт. Якщо спостерігач переводить погляд з крапки 2 на крапку 3 (або 4), він повинен змінити фокусування очей, а якщо спостерігач змінить своє місце, наприклад від в до г , то зміниться і перспектива зображення. Більш того, в деяких положеннях спостерігач не побачить крапки 4, оскільки вона буде затулена крапкою 2 об'єкти, розташованою ближче до спостерігача. Таким чином, голографічне зображення є об'ємним, причому зорове сприйняття цього зображення нічим не відрізняється від сприйняття вихідного об'єкту. Фотографуючи уявне зображення, можна, залежно від місця розташування фотоапарата і його фокусування, зафіксувати всі ці особливості на знімках ( мал. 7 ). Експериментально такі голограми вперше отримали амер.(американський) фізики Е. Лейтс і Ю. Упатнієкс в 1962.
Дійсне зображення також тривимірно і володіє всіма згаданими властивостями; воно як би висить перед голограмою, але спостерігати його декілька важче.
Властивості голограм. Голографічне зображення крапки є собою пляма, діаметр d якого рівний:, де D — розмір голограми, l — довжина хвилі, Н — відстань об'єкту до голограми. Величина d характеризує роздільну здатність голографічного зображення, тобто розрізнюваність 2 близьких точок об'єкту. Одна з чудових властивостей голограми полягає в тому, що кожна її ділянка містить інформацію про весь об'єкт і тому дозволяє відновити повне зображення об'єкту (при зменшенні розміру голограми D погіршується лише роздільна здатність зображення). Наслідком цього є висока надійність зберігання інформації, записаної у вигляді голограми.
При просвічуванні голограм можна змінити довжину опорної хвилі l. В цьому випадку спостерігаються 2 зображення, але на іншій відстані H'' від голограми, визначуваному формулою:
Здесь Н — відстань між об'єктом і голограмою при зйомці, l 1 — довжина опорної хвилі при зйомці, а l 2 — при перегляді голограми. В такий спосіб можна візуалізувати (зробити видимими) зображення об'єктів, записуваних у вигляді голограм, отриманих за допомогою радіохвиль або інфрачервоного, ультрафіолетового і рентгенівського випромінювань.
При перегляді голограм можна міняти не лише довжину опорної хвилі, але і її хвилевий фронт. Освітлюючи, наприклад, голограму сферичною хвилею, що розходиться, можна спостерігати збільшене зображення предмету. На цьому заснований пристрій голографічного мікроскопа.
Можливості Р. істотно розширюються, якщо голограму записувати на толстослойной емульсії, що було вперше запропоноване Ю.Н. Денісюком (СРСР, 1962). В цьому випадку інтерференційна картина виходить тривимірною, завдяки чому голограма набуває нових властивостей. Зокрема, така голограма дозволяє спостерігати зображення об'єкту при освітленні її немонохроматичним (білим) світлом.
Можна отримати кольорове голографічне зображення предмету, якщо при виготовленні голограми використовувати 3 монохроматичних лазера, випромінюючих різні довжини хвиль (наприклад, синій, жовтий і червоний промені). В цьому випадку запис може вироблятися на звичайну емульсію, і голограма на вигляд не відрізнятиметься від звичайної чорно-білої. Кольорове зображення предмету спостерігається при одночасному освітленні голограми 3 опорними хвилями, відповідними вказаним кольорам.
Якість голографічних зображень залежить від монохроматичності випромінювання лазерів і роздільної здатності фотоматеріалів, використовуваних при здобутті голограм. Якщо спектр випромінювання лазера широкий, то при зйомці голограми кожній певній довжині хвилі цього спектру відповідатиме свій інтерференційний узор і результуюча інтерференційна картина буде нечіткою і розмитою. Тому при виготовленні голограм застосовуються лазери з дуже вузькою спектральною лінією випромінювання.
Якість інтерференційної картини визначається також роздільною здатністю фотоматеріалу, тобто числом інтерференційних ліній, яке можна фіксувати на 1 мм . Чим більше це число, тим краще якість відновленого зображення. У зв'язку з цим в Р. застосовуються фотоматеріали, що мають високий дозвіл (1000 ліній на 1 мм і більш).
Найбільш часто використовувані фотографічні емульсії є суспензією світлочутливих зерен, розташованих на деякій відстані один від одного. Дискретна структура фотоемульсій приводить до того, що на голограмі записується не безперервний розподіл яскравості інтерференційної картини, а лише її «уривки». Це створює світловий фон, оскільки при просвічуванні голограми світло розсівається на проявлених зернах. У зв'язку з цим ведуться широкі пошуки беззерністих фотоматеріалів, які, крім того, дозволяли б виробляти стирання і повторний запис інформації, що дуже важливе для ряду голографічних вживань. Вже отримані перші голограми на мелкодоменних магнітних плівках, фотохромних стеклах і плівках, на кристалах і на інших матеріалах.
На якість голографічних зображень впливають також умови зйомки. При використанні лазерів безперервного випромінювання час експозиції міняється від долий секунди до десятків хвилин (залежно від розмірів об'єкту і голограми). Протягом цього часу недопустимі які-небудь зсуви об'єкту, фотопластин і оптичних елементів схеми на відстані, порівнянні з довжиною хвилі l. Інакше інтерференційна картина буде змащена. Ці труднощі виключаються при використанні імпульсних лазерів, що забезпечують потужне світлове випромінювання протягом дуже коротких проміжків часу (до 10 -9 сік ). При такому малому часі експозиції легко отримувати голограми об'єктів, рухомих з швидкостями порядка 1000 м/сек ( мал. 8 ).
Вживання Р. Імпульсна Р. відкриває можливість фіксувати і аналізувати швидко, протікаючі процеси. Великий інтерес, наприклад, для ядерної фізики і фізики елементарних часток представляє вивчення слідів (треків) часток в трекових камерах. Для цієї мети доки застосовується стереоскопічна зйомка. Голографічні методи виявляються тут вельми ефективними, оскільки вони дозволяють зафіксувати інформацію про весь об'єм камери. При відновленні можна розглядати зображення в різних перетинах камери, що дозволяє легко розділити треки, відповідні різним часткам. Число часток, що реєструються на голограмі, може бути дуже великим (порядка 1000). Аналогічно можна вивчати динаміку розподілу неоднородностей в туманах, рідинах і інших прозорих середовищах.
Перспективне вживання імпульсною Р. в інтерферометрії. На одній і тій же фотопластині в різні моменти часу записуються 2 голограми досліджуваного об'єкту. При відновленні обидві хвилі, що несуть інформацію про об'єкт, накладаються один на одного. Якщо за час між експозиціями з об'єктом сталися які-небудь зміни, то на відновленому зображенні з'являється система інтерференційних смуг. Розшифровувавши отриману інтерференційну картину, можна визначити зміни, що сталися. Цей метод дозволяє вимірювати дуже невеликі (порядку доль мкм ) деформації об'єктів із складною формою поверхні, обумовлені вібрацією, нагріванням і тому подібне Його можна використовувати також для неруйнівного контролю виробів, для дослідження вибухів, ударних хвиль що утворюються, наприклад, при польоті кулі ( мал. 8 ), для вивчення потоків газу в надзвуковому соплі, для дослідження плазми і так далі
Вживання Р. відкриває принципову можливість створення об'ємного кольорового телебачення . Дійсно, голограму об'єкту можна зафіксувати на світлочутливій поверхні передавальної телевізійної трубки, а потім передати її радіо- або оптичному каналу. На приймальному кінці голограму можна відновити, записавши її, наприклад, на світлочутливій плівці. Це дозволить спостерігати тривимірне зображення об'єкту. Реалізація такої системи навіть для спеціальних вживань доки пов'язана з великими технічними труднощами (роздільна здатність телевізійних передавальних трубок дуже низька, що утрудняє відновлення об'ємних зображень; відсутні досить потужні лазери видимого діапазону, які необхідні для здобуття голограм реальних об'єктів, і т. п.).
Методи Р. відкривають можливість створення нових систем пам'яті, що представляють великий інтерес для прогресу обчислювальної техніки . Р. дозволяє реалізувати щільність запису порядку 10 7 —10 8 двійкових одиниць інформації на 1 см 2 світлочутливої поверхні, що на декілька порядків вище, ніж в існуючих систем пам'яті. Крім того, голографічний запис характеризується високою надійністю; вихід з буд невеликих ділянок голограми приводить лише до деякого погіршення якості відтворення (див. вищий). Голографічні пристрої пам'яті з великою ємкістю були запропоновані в 1966 А. Л. Мікаеляном і В. І. Бобріневим (СРСР). Вони засновані на записі великого числа голограм на одну і ту ж поверхню (або об'єм) фотоматеріалу. Для того, щоб зображення не накладалися один на одного, при записі кожного з них змінюють кут падіння опорної хвилі на світлочутливий шар ( мал. 9 ). Опорний промінь, перш ніж попасти на голограму, проходіт через систему, що відхиляє, яка встановлює напрям опорного променя відповідно до введеної в неї адреси. Кожній адресі відповідає свій напрям опорного променя. Сигнальний промінь ділиться на n каналів, в кожен з яких включений модулятор М. Прі наявності напруги, що управляє, він пропускає промінь лазера, а за відсутності напруги стає непрозорим. На виході модуляторів виникає комбінація n променів, які разом з опорним променем записуються у вигляді голограми. При накопиченні інформації в пристрої, що запам'ятовує, на адресний вхід подаються по черзі всі адреси, а на сигнальний — відповідні числа.
При прочитуванні інформації система, що відхиляє, встановлює кут падіння прочитуючого опорного променя, відповідний заданій адресі, і голограма формує зображення у вигляді системи яскравих крапок, кількість і взаємне розташування яких визначається комбінацією включених при записі модуляторів. Це зображення проектується на систему фотоприймачів, на виході яких сигнали дають лічене число. Вже удалося записати послідовно до 1000 голограм 32-розрядних чисел на ділянці поверхні з діаметром ок. 2 мм .
Інший варіант голографічного пристрою, що запам'ятовує, дозволяє записувати великі кількості чисел, які заздалегідь перетворяться в матриці-транспаранти ( мал. 10 ). Кожна матриця записується у вигляді голограми на невеликій ділянці фотопластини (порядка 1—2 мм ). Перемикання світивши з однієї голограми на іншу здійснюється двокоординатною системою відхилення, причому при будь-яких кутах відхилення опорний і сигнальні промені поєднані на голограмі. При прочитуванні інформації кожна голограма освітлює опорним променем, поновлюючим зображення відповідної матриці ( мал. 10 ). Це зображення падає на мозаїку фотодіодів, сполучених так, щоб можна було вибрати будь-яке число з відновленої матриці. Час прочитування довільного числа визначається потужністю лазера і чутливістю фотодіодів і може бути зроблене дуже малим (10 -7 —10 -8 сік ). Ємкість голографічних систем пам'яті при довільній вибірці інформації з високою швидкістю може досягати 10 9 двійкових одиниць.
Перспективна можливість використання принципів Р. для створення спеціальних обчислювальних пристроїв, в яких проводяться ті або інші математичні операції над інформацією, записаною у вигляді голограми. Найбільша увага при цьому приділяється створенню пристроїв для пошуку заданої інформації і пізнання образів. Термін «пізнання» означає порівняння зображень 2 об'єктів і встановлення відповідності між ними. Такі пристрої можуть застосовуватися для автоматичного читання інформації, для класифікації різних об'єктів, для дешифровки складних зображень і так далі Можливість пізнання образів заснована на властивості голограм відновлювати зображення об'єкту лише в тому випадку, якщо прочитуючий пучок світла збігається формою з опорним променем, що використався при зйомці. Хай, наприклад, є голограма, на якій записана інтерференція між світлом точкового джерела і світлом, що пройшло через транспарант з буквою «Т» ( мал. 11 ). Якщо потім голограму освітлювати світлом, що проходить через транспарант, на якому записані різні букви, то лише в разі тієї ж букви «Т» ми побачимо зображення яскравої крапки. Така голограма є своєрідним фільтром, за допомогою якого можна, наприклад, встановити наявність букви «Т» в якому-небудь складному тексті і швидко визначити число цих букв.(буквально) Цей спосіб був, зокрема, випробуваний для пізнання відбитків пальців. Для одного з восьми схожих відбитків був виготовлений голографічний фільтр, за допомогою якого вироблялося пізнання в розглянутій вище установці. Фотографічні копії всіх відбитків послідовно вводилися в схему, і спостерігалося зображення в плоскості пізнання. Виявилось, що яскрава крапка виникала лише в одному випадку, що говорить про високу вибірковість даного методу. Поважно відзначити, що досить упевнене пізнання відбувається і у тому випадку, коли є лише частина відбитку. Наприклад, за наявності половини відбитку яскравість зображення крапки зменшується всього на 10%. Експериментально встановлено, що пізнання природних об'єктів складної форми (наприклад, відбитків пальців) відбувається надійніше, ніж знаків, букв або простих фігур. Наприклад, при пізнанні букв можливі помилки по схожості зображення (Про і З, П і Е і ін.).
Із застосуванням Р. для пізнання образів тісно зв'язано використання її для кодування інформації. В цьому випадку при зйомці голограми в каналі опорного променя встановлюється спеціальний елемент (наприклад, дифузне скло), що створює складну форму хвилевого фронту. Щоб спостерігати відновлене зображення, необхідно використовувати ту ж саму опорну хвилю. Це виявляється можливим лише при використанні того ж екземпляра дифузного скла, який застосовувався при зйомці голограми. Висока міра кодування пов'язана з тим, що опорний промінь, що пройшов через дифузне скло, перетворюється на протяжне монохроматичне джерело світла, яке є набором великого числа точкових випромінювачів, що мають певне співвідношення амплітуд і фаз. Тому вірогідність того, що різні екземпляри дифузних стекол будуть однаковими у вказаному сенсі, надзвичайно мала. Великий інтерес представляє вживання Р. для формування заданих хвилевих фронтів. Відомо, наприклад, що оптичні об'єктиви не можуть бути зроблені ідеальними і завжди вносять спотворення до формованих ними зображень. Для кожного об'єктиву можна виготовити голограму, що коректує ці спотворення. З удосконаленням техніки Р. виявиться можливою реалізація спеціальних «голографічних об'єктивів», що є набором заздалегідь виготовлених голограм, замінюючих лінзові об'єктиви і вільних від аберації оптичних систем .
Голографічний метод застосовний також у випадках звукових і ультразвукових хвиль. Якщо на об'єкт, поміщений в непрозору рідину, впливати звуковим генератором, то на поверхні рідини можна створити звукову голограму ( мал. 12 ). Для цього необхідне допоміжне джерело звуку, що створює опорну хвилю. Якщо звукову голограму, що утворюється в результаті інтерференції звукових хвиль (опорной і сигнальною), освітити лазером, то можна побачити об'ємне зображення предмету. Голографічне «звукобачення» важливе, зокрема, для досліджень внутрішніх органів тварин і людей.
Літ.: Лейт Е. і Упатнієкс Ю., Фотографування за допомогою лазерів, «Успіхи фізичних наук», 1965, т. 87, ст 3; Сороко Л. М., Голографія і інтерференційна обробка інформації, там же, 1966, т. 90, ст 1; Мікаелян А. Л., Голографія, М., 1968; Гудмен Д., Введення в Фур'є-оптику, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1970.
