Голографичечские оптические элементы

Голографические мультипликаторы с пространственным разделением волнового фронта содержат растр голографических элементов, каждый из которых строит изображение предмета с полем, равным единичному изображению - одному модулю. В них разделение волнового фронта, распространяющегося от объекта, осуществляется входными зрачками этих элементов, причем в каждый зрачок попадает только часть волнового фронта. Каждый элемент растра - осевая голографическая линза, концентрические кольца которой образуются в результате интерференции сферического и плоского волновых фронтов. Преимущества такого мультипликатора - идентичность элементов растра, высокая разрешающая способность (особенно в центре), простота получения больших полей изображений - определяются числом мультиплицирующих элементов.

Голографические мультипликаторы с угловым делением волнового фронта содержат голограмму, представляющую собой единый мультиплицирующий элемент и обеспечивающую формирование множества микроизображений за счет дифракции на структуре голограммы световой волны, распространяющейся от объекта. При этом каждое отдельное микроизображение строится волновым фронтом, образованным всей площадью голограммы. Эти мультипликаторы бывают дух типов: на голограммах Френеля и голограммах Фурье (рис.13, рис.14).

Рис.13.  Изготовление и работа мультипликатора на голограмме Френеля.

При регистрации голограмм Френеля используют набор когерентных точечных источников и опорный источник. В результате их интерференции на фотопластинке получают голограмму точечных источников - мультиплицирующий элемент, представляющий собой набор внеосевых голографических линз, "вложенных" в одну апертуру.

Рис.14. Работа голографического мультипликатора на голограмме Фурье.

Голографические мультипликаторы Фурье могут быть выполнены по схеме со сходящейся волной и по схеме с мультиплицирующим элементом в плоской волне. Вторая схема предпочтительнее, ее и рассмотрим (рис.14). Образование изображения в системе может быть представлено как процесс двойной дифракции. Первая дифракция происходит на объекте 2, освещаемом плоской монохроматической волной, образуемой когерентным источником света 1. Объект 2 расположен в передней фокальной плоскости объектива 3, который образует в своей задней фокальной плоскости 4 пространственный спектр объекта. В плоскости голограммы 4, которая одновременно является передней фокальной плоскостью второго объектива 5, находится мультиплицирующий элемент, представляющий собой голограмму набора точечных источников, число и расположение которых соответствуют желаемому числу и расположению размноженных изображений. В плоскости 4 имеем произведение двух спектров Фурье: объекта и набора точечных источников. Второй объектив 5 осуществляет также преобразование Фурье (обратное) объекта в своей фокальной плоскости. Поэтому в плоскости изображения 6 имеем, совокупность изображений исходного объекта, причем линейное увеличение системы γ и размер изображений определяются соотношением фокусов объективов системы .

В качестве мультиплицирующего элемента 4 могут быть использованы две скрещенные дифракционные решетки, обеспечивающие равенство интенсивности света, дифрагированного в нулевой и несколько боковых порядков.

4. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ КОМПЕНСАТОРЫ

Данный тип ГОЭ применяют для коррекции оптических изображений. Голографические компенсаторы позволяют реализовать метод коррекции изображений, основанный на использовании сопряженной волны, образующей действительное изображение объекта (рис.15.). При совмещении действительного изображения искажающего элемента с самим этим элементом происходит восстановление первоначальной формы световой волны и получается неискаженное изображение наблюдаемого объекта. Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа матового стекла или турбулентная атмосфера.

Рис.15. Изготовление и работа голографического компенсатора.

Поясним суть метода на примере коррекции линзовых аберраций. На этапе изготовления голографического компенсатора на фотопленке Ф получают голограмму искажающего элемента аберрационной линзы Л. При компенсации аберраций голограмму Г располагают по отношению к линзе в том же положении, как и при регистрации, и через нее наблюдают искаженное изображение объекта. Свет от объекта О дифрагирует на голограмме, и волна соответствующего порядка формирует свободное от аберраций изображение объекта. При освещении голограммы объектной волной от монохроматического источника В, искаженной линзой Л, восстановится изображение опорного источника Р. Если же объектная волна дополнительно искажена объектом, расположенным перед аберрационной линзой Л, то и в восстанавливающую волну вносятся такие же искажения и наблюдатель увидит изображение объекта.

5. ГОЛОГРАФИЧЕСКИЙ МИКРОСКОП

Двухступенчатый метод голографии впервые позволил создать микроскоп, регистрирующий не только амплитуду, но и фазу световой волны, рассеянной объектом. Появление такого микроскопа открыло новые возможности исследования микрообъектов, недостижимые известными методами классической микроскопии.

В безлинзовом микроскопе достичь увеличения можно, применяя разные длины волн или разные радиусы кривизны на стадиях получения голограмм и восстановления волнового фронта.

Схема голографического микроскопа с прямой голографической записью волновых фронтов приведена на рис.16. Объект 2 помещается в расходящийся лазерный пучок. Полученная дифракционная картина фиксируется вместе с когерентным фоном на фотопластинке на расстоянии от объекта.

Рис.16. Запись и восстановление увеличенного изображения в голографическом микроскопе с прямой записью.

Увеличение восстановленного изображения определяется выражением

-1, где , - длины волн источников излучения при записи и восстановлении; - расстояние от исследуемого объекта до плоскости голограммы; , - расстояния от точечных диафрагм до плоскости голограммы соответственно в схемах записи и восстановления. Знак "-" относится к действительному изображению, знак "+" - к мнимому.

Если применяются коллимированные опорный и восстанавливающий пучки ( =   = ∞), то микроскоп работает с единичным увеличением. При использовании коллимированного пучка только на стадии восстановления ( = ∞) увеличение микроскопа не зависит от соотношения длин волн при записи и восстановлении и обусловлено только первой стадией процесса.

При = ∞ увеличение -1 и достигает больших значений для действительного изображения при = . При = увеличение -1 и зависит только от соотношения длин волн при записи и восстановлении. Следовательно, увеличение безлинзового голографического микроскопа определяется соотношением длин волн и кривизной волновых фронтов, используемых при записи и восстановлении, и может легко регулироваться. Однако при этом получаемые изображения сопровождаются значительными аберрациями, что необходимо учитывать в безлинзовой голографической микроскопии. И именно здесь целесообразно применять методы согласованной фильтрации.

Несомненными преимуществами обладает голографический микроскоп с предварительным увеличением (рис.17.). Полупрозрачный объект 5 помещают на предметном стекле и освещают расположенным вплотную к нему конденсором 4 светом лазера 1. Объектив микроскопа 6 создает увеличенное действительное изображение объекта, регистрируемое вместе с опорным пучком на голограмме 8, помещаемой между объективом и окуляром 9.

Рис.17. Схема голографического микроскопа с предварительным увеличением.

Объектив и фокусирующую линзу 10 подбирают так, чтобы обеспечить максимальное совпадение кривизны создаваемых ими волновых фронтов при заданном угле падения на голограмму для уменьшения пространственной частоты регистрируемой интерференционной структуры. Угол между опорными и предметными пучками выбирают достаточно малым из тех же соображений. Восстановленное изображение изучается через окуляр микроскопа, который можно перестраивать по глубине и перемещать по полю зарегистрированного изображения. Подобная схема микроскопа обеспечивает достижение разрешения около 1 мкм.

Можно сравнить две схемы голографического микроскопа. Недостатками схемы прямой регистрации можно назвать высокие требования к разрешающей способности регистрирующей среды и сильное влияние пятнистой структуры на качество изображения. В голографической схеме с использованием микрообъектива для создания увеличенного изображения предмета требования к разрешающей способности минимальны, но поле зрения и глубина регистрируемого пространства определяются свойствами применяемого микрообъектива и весьма малы.

6. ЦВЕТНЫЕ ГОЛОГРАММЫ

Задача цветной голографии состоит в восстановлении трехмерного изображения, цвет которого был бы близок к цвету исходного объекта, освещенного обычным светом. В этом направлении были сделаны важные шаги, однако до сих пор остаются нерешенными как колориметрические проблемы, так и проблемы, связанные с дифракционным построением изображения.

Колориметрические трудности обусловлены тем, что для освещения объекта приходится использовать свет лазера, а не солнечный свет или свет ламп накаливания. Чтобы пояснить это положение, рассмотрим особенно трудный объект – узкополосный (100) интерференционный фильтр с максимумом пропускания при 5900 . При рассматривании в солнечном свете этот фильтр кажется оранжевым. Предположим, что мы освещаем фильтр комбинацией из двух линий – 6328 гелий-неонового лазера и 5145 аргонового лазера. Если смешать их в нужной пропорции, то эти две линии могут достаточно близко аппроксимировать цвет фильтра. Однако в каких бы пропорциях мы ни смешивали эти линии при освещении фильтра, мы всегда получим один и тот же результат: фильтр остается черным, так как пропускает свет только в области 5850-5950 . Чтобы достичь результатов, близких к получающимся при освещении белым светом, требуется создать лазер, излучающий много линий, перекрывающих широкую область видимого спектра. Хотя в настоящее время и имеется  достаточно широкий выбор лазерных линий, запись голограммы в свете более чем трех дискретных длин волн представляется непрактичной.

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.

Цвет любой точки голографического изображения определяется спектральным распределением мощности света, исходящего из этой точки. Если ограничиться рассмотрением некоторых из более распространенных методов получения голограмм, то можно предложить следующую классификацию голографических изображений:

1. Монохроматические изображения: спектр каждой точки изображения представляет собой узкую спектральную зону около одной центральной длины волны.
2. Ахроматические изображения: спектр каждой точки содержит почти равную мощность на всех длинах волн в видимой области спектра.
3. Многоцветные изображения: спектр меняется от точки к точке.

Наиболее распространенными являются монохроматические изображения: они восстанавливаются с помощью голограмм, записанных на одной лазерной линии. Чтобы восстановить предметную волну, обычно освещают голограмму светом с исходной длинной волны. Если допустимы изменения масштаба и некоторые аберрации, то можно использовать свет с другой длинной волны. В тех случаях, когда применение лазерного освещения может оказаться опасным, лазер заменяют менее когерентным узкополосным источником с малой площадью излучателя. Это приводит к некоторому падения разрешения, что не очень существенно при использовании голограммы в изобразительных целях. Отражательные голограммы, зарегистрированные в монохроматическом свете, можно при восстановлении освещать белым светом. В этом случае голограмма сама отфильтровывает узкую спектральную полосу, в которой было зарегистрировано изображение.

Ахроматические голографические изображения могут наблюдаться лишь в строго определенных условиях, несоблюдение таких условий приводит к уменьшению глубины отображаемого пространства.

При получении голограмм, позволяющих восстанавливать монохроматические или ахроматические изображения, используется монохроматический свет. Такие голограммы представляют собой записи единственной интерференционной картины. Если необходимо восстановить цветное изображение цветного объекта, то как предметный, так и опорный пучки должны содержать излучения нескольких длин волн. Компоненты предметной и опорной волн, которые имеют разную длину волны, не могут образовать картину стоячих волн, необходимую для записи голограмм. Их электрические векторы осциллируют с разной частотой, и при их сложении и возведении в квадрат соответствующее распределение интенсивности не содержит интерференционного члена. С другой стороны, компонент предметной и опорной волн, которой имеют одну и ту же длину волны, могут интерферировать, образуя голограмму, ее можно рассматривать как наложение независимых голограмм, число которых равно числу спектральных компонент при их записи.

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.18).