Синтезированные голограммы

2. Кодирование комплексной амплитуды

     Комплексная амплитуда света, излучаемого объектом, в плоскости голограммы может  кодироваться различными способами:

• С помощью бинарной системы, когда распределение амплитуды и фазы света, испускаемого объектом, в плоскости голограммы представлено размерами и расположением черных и белых пятен. Полученная голограмма не похожа на экспериментальную, но картина дифракции на ней практически такая же. Такие голограммы называют бинарными.
• Суммируя комплексную амплитуду света, испускаемого объектом, с некоторой другой комплексной амплитудой (когерентный фон), ПК находит результирующую интенсивность. Еe вариации и формируют структуру голограммы точно так же, как и в реальном эксперименте.
• Умножают функцию, описывающую фазу волны, испускаемого объектом, в плоскости голограммы на функцию, которая обращает фазу волны в нуль всякий раз, когда она проходит через значение 2π. Это может быть осуществлено ПК и полученная голограмма даст единственное изображение объекта. Голограмма такого типа называет «киноформ».

     Возможности ПК все же ограниченны. Вышеуказанные  расчеты могут быть выполнены  лишь для конечного числа точек. Объект задан координатами определенного  числа своих точек и амплитудами  колебаний, испускаемого этими точками. Расчет комплексной амплитуды в  плоскости голограммы осуществляется тоже для некоторого определенного  числа точек, которое по меньшей мере равно числу заданных точек объекта.

3.2.1 Бинарные Фурье-голограммы.

     Рассмотрим  в качестве примера получение  бинарной синтезированной голограммы, описанное Ломаном.

     В обычной голограмме фазы регистрируются с помощью когерентного фона. В  плоскости голограммы колебания, испускаемые  объектом, интерферируют с колебаниями  когерентного фона. Изменения фаз  волн, испускаемых объектом, преобразуются  в изменения интенсивности, которые  регистрируются на фотопластинке. Непрерывное  поле интенсивности нельзя воспроизвести  механически, но можно заменить его  большим количеством элементов, каждый из которых имеет определенные размеры и положение. После проявления фотопластинки бинарная голограмма ведет себя как непрозрачный экран  с большим количеством отверстий, имеющих определённые размеры и  расположенных определенным образом. Естественно предположить, что амплитуда  света, проходящего через данный участок голограммы, пропорциональна  размерам отверстия. Что касается фазы, то она определяется положением отверстия. Всякое смещение отверстия по отношению к своему теоретическому (регулярному) положению, вносит изменение фазы.

     Рассмотрим  какой-нибудь объект, например букву А (рис 4). Сделаем его дискретным, т.е. заменим непрерывные линии, образующие объект, большим количеством точек, расположенных, однако, так близко одна от другой, что бы глаз воспринимал линии непрерывными как и прежде. ПК выполнит фурье-преобразование объекта, расположенного в плоскости yz.

     Рис 4. Схема расчета  бинарной голограммы объекта А.

     Само преобразование Фурье тоже дискретно, так как его рассчитывают для некоторого числа точек, по меньшей мере равного числу точек объекта. Для этого разбивают плоскость ηξ на квадратные клетки, число которых обычно равно числу точек объекта, для которого мы выполняем фурье-преобразование. В каждой точке есть небольшой черный прямоугольник на белом фоне. Размеры прямоугольника пропорциональны амплитуде в рассматриваемой точке, фаза же зависит от положение прямоугольника относительно центра клетки. Все множество маленьких черных прямоугольников нанесено на лист белой бумаги печатающим устройством . Если сфотографировать его на фотопластинку, то после проявления получим бинарную голограмму, которая представляет собой непрозрачный объект с множеством маленьких прямоугольных отверстий, расположенных там, где находились черные прямоугольники. Осветим полученную таким образом голограмму параллельным пучком света, нормальным к плоскости голограммы (рис 5). 

     Рис 5. Восстановление изображений синтезированной бинарной голограммой.

     В точке F, лежащей на оси падающего пучка, смещение отверстий не сказывается. Поэтому мы наблюдаем в точке F изображение точечного источника. Мы не можем этого утверждать относительно направления θ, в котором находится максимум первого порядка. Угол θ = λ / ξ соответствует периоду ξ₀ повторения клеток. Максимум первого порядка восстанавливает изображение объекта, как, впрочем и симметричный ему максимум.

     Из  самой бинарной структуры голограммы следует что она дает также максимумы более высоких порядков. Восстановленные ими изображения показаны на рис 5 серым цветом. Следует отметить, что бинарный характер голограммы исключает трудности, связанные с необходимостью работы в переделах линейного участка характеристической кривой фотоэмульсии. 
 

3.2.2 Голограмма с градациями интенсивности. Киноформ

     После того, как ПК определил значение комплексной амплитуды света, испускаемого объектом, в плоскости голограммы, он может сложить ее с вспомогательной  комплексной амплитудой, которая  играет роль опорного сигнала. ПК рассчитывает результирующую интенсивность, распределение  которой можно воспроизвести  на печатающем устройстве или на экране монитора. Структура полученного  изображения тем ближе к структуре  реальной голограммы, чем больше разрешение печатающего устройства или монитора. Фотография полученного изображения  и есть голограмма.

     Все голограммы восстанавливают два  изображения объекта – действительное и мнимое. Голограммы типа «киноформ» восстанавливают только одно изображение. Это представляет тем больший интерес, что весь световой поток концентрируется на этом изображении.

     Пусть мы получили с помощью ПК чертеж с таким распределением почернения, что после отбеливания его  негатива возникло такое распределение  толщины эмульсии, как в линзе  Френеля (рис.6 ). Последняя есть плоская линза, толщина которой меняется так, что изменяет фазу проходящей сковзь нее волны в пределах от 0 до 2π. Можно считать линзу Френеля голограммой точечного объекта. Осветив ее параллельным пучком света, мы получим, очевидно, только одно изображение источника в точке F. Можно обобщить это на случай протяженного объекта. Тогда получается голограмма, называемая киноформ, которая ведет себя как суперпозиция линз Френеля и восстанавливает только одно, действительное или мнимое изображение объекта.

     Рис 5. Линза Френеля как прототип киноформа. 
 
 
 
 

3. Запись  и восстановление голограммы

     Устройства  для записи голограмм на выходе ПК преобразуют цифровой сигнал, поступающий  из процессора, в фотографический  или иной отпечаток. Практически все устройства для записи голограмм являются сканирующими устройствами, т.е. осуществляют запись отсчет за отсчетом. Они могут быть устройствами с электромеханической или электронной разверткой. Электромеханическая развертка позволяет обеспечить лучшее качество растра и регистрирующей апертуры, получать голограммы с большим количеством элементов. Устройства с электронной разверткой обладают большим быстродействием и гибкостью в управлении с ПК.

     Устройства  записи с электромеханической разверткой являются чаще всего устройствами барабанного  типа, либо имеют плоский стол, перемещаемый шаговыми двигателями. Они обычно дают на выходе фотонегатив или фотоотпечаток. Экспонирование светочувствительного слоя осуществляется лазерным светодиодом, яркость свечения модулируется сигналами с ПК. Цветные отпечатки в таких устройствах получаются в три прохода сканирования последовательной экспозицией фотопленки через красный, синий и зеленый светофильтр. В качестве модулируемого источника освещения используется специальные источники белого света.

     Устройства  с электронной развёрткой в большинстве  используют развертку типа «бегущий луч» на экране монитора с модуляцией луча по интенсивности либо по длительности экспозиции сигнала.

           Рис. 3.1 Устройство с электростатической записью 

     Процесс наблюдения и восстановления синтезированных  голограмм можно описать схемами, показанными на рис. 3.2 (а – схема  восстановления для документирования, б – схема восстановления для визуального наблюдения). На рис 3.2, а: 1 – лазер, 2- микрообъектив, 3 – диафрагма, 4 – линза, образует коллиматор; 5 – голограмма, 6- восстанавливающая линза, 7- полупрозрачное зеркало, 8 – фотоаппарат, 9 – приемная телевизионная камера, 10 – телевизионный монитор.

     Рис 3.2 Схемы восстановления синтезированных голограмм.

     Линза 6 осуществляет аналоговое интегральное преобразование волнового фронта, промодулированного голограммой по амплитуде и фазе. Таким образом голограмма, полученная с помощью дискретных преобразование Фурье и Френеля, подвергается аналоговому преобразованию Фурье и Френеля. 
 
 

     4. Применение синтезированных голограмм

     4.1 Системы голографической памяти

       Насущная  необходимость  увеличения  объема  хранимой информации  и  увеличения  скорости  адресного   доступа  к  ней обусловливают   перманентное  совершенствование   запоминающих устройств,  в   том  числе  и  наиболее  распространенных  из  них - оптических  дисковых  систем  памяти.  Так   до  середины 90-х  годов  на  рынке  безраздельно  господствовали  действующие  в  ближнем   ИК диапазоне  системы  памяти  на CD-RW дисках,  позволяющие  на  диске диаметром 120 мм  записать  до 1 Гбайта  информации.  Им  на  смену пришли  системы на  дисках DVD-RAM и DVD-RW, работающие практически в том же диапазоне длин волн и позволяющие за счет более совершенных оптической  системы и алгоритма обработки сигнала увеличить объем хранимой информации до 4 Гбайт. В настоящее время рынок завоевывает третья  генерация оптических  дисковых  систем памяти,  называемая DVD BR  "blue – ray" (голубой луч). Она отличается от предыдущего поколения существенно более короткой длиной волны используемого  излучения,  составляющей 405 нм,  что позволяет, сохранив се преимущества используемых в DVD системах алгоритмов обработки игналов,  довести объем информации,  сохраняемой на одностороннем диске диаметром 120 мм, до 100 Гбайт. Конкурирующей с DVD BR  разновидностью этой генерации систем оптической памяти является HD-DVD (DVD система повышенной плотности), позволяющая на одном оптическом диске стандартного размера хранить до 45 Гбайт.

     На  этом  практически  исчерпываются  все  возможности  повышения плотности  записи  информации  в  однослойном  и  многослойном рельефно-фазовом  виде.  Правда  фирма Iomega недавно объявила  о создании 800-гигабайтного формата оптических дисков, названного ими Articulated Optical DVD", однако образцов использующих этот формат систем  памяти  пока  представлено  не  было,  не  были  опубликованы  и принципы построения подобных систем.

       Израильская компания Mempile разработала технологию TeraDisc, которая позволяет записать  на  диск,  изготовленный из  полимера, сходного с плексигласом, до терабайта данных. Об этом пишет издание Computerworld.  На  новых дисках  можно будет хранить до 250 тысяч песен в формате mp3, 40 фильмов в HD- или 115 в DVD-качестве. Для работы с информацией в технологии TeraDisc используются два лазера, один  из  которых отслеживает местонахождение нужных  данных,  а другой производит чтение и запись. Ожидается, что дисководы TeraDisc появятся  в продаже в ближайшее время и будут стоить  от  трех  до четырех тысяч долларов. Они смогут читать 500-гигабайтные болванки. Болванка объемом в 700 гигабайт будет стоить 30 долларов. Еще через несколько лет разработчики  обещают уместить  на  диске 5 терабайт данных.  Разработать новые,  гораздо более вместительные носители информации  пытаются  не  только  в Mempile. Японская  компания TDK работает  над технологией,  которая позволит  уместить  на  болванке  до 200  гигабайт  данных.  Британская Plasmon активно разрабатывает технологию UDO, благодаря которой на диски помещается 60 гигабайт.    Дальнейший  прогресс  в разработке  дисковых  систем  оптической памяти  разработчики  связывают с использованием  метода  оптической голографии,  позволяющего  использовать  не  только  поверхность,  но  и весь объем диска. По теоретическим оценкам использование объемной голографической записи  позволит  довести плотность хранения информации на дисках до величины в 1 Тбит/см3.    Идея  использования метода  голографии  для создания  систем хранения  информации  была  опубликована  Питером ван  Херденом, сотрудником компании  Поляроид,  еще в 1963 году.  В качестве физического предела плотности хранения  информации  в голографических системах  им  была  определена  плотность в 1 бит/λ3.

       Голографические  запоминающие  устройства (ГЗУ) записывают и  считывают  информацию,  представляемую  в  виде  двумерных  растров  битов – масок  с  отверстиями,  называемых  страницами.  Последние  представляют  собой  высококачественные  бинарные  оптические изображения.  Такой  параллельный  способ  представления  информации позволяет  реализовывать высокие скорости  при ее обмене, достигающие гигабита  в секунду, при малом времени  доступа, не превышающем 1 мс. Данные в ГЗУ, как правило, распределяются по объему регистрирующей среды,  в то  время,  как в магнитных и простых оптических  системах памяти  они хранятся  на  поверхности носителя.  Потенциально достижимая  при использовании всего объема  регистрирующей  среды плотность хранения информации в ГЗУ превышает 1011 бит/см3.