Сборник технических статей

  • Увеличить размер шрифта
  • Размер шрифта по умолчанию
  • Уменьшить размер шрифта
Главная Оптика Синтезированные голограммы

Синтезированные голограммы

Печать

Голограммы, имеющие свойства, аналогичные оптически полученным голограммам, можно изготовить с помощью ЭВМ. Такие голограммы называют синтезированными голограммами. Машинный метод получения голограмм позволяет исследовать некоторые голографические явления путем их математического моделирования. При восстановлении синтезированных голограмм обычными методами получают оптические волны, которые реально не существуют, например, с их помощью можно визуализировать рассчитанные на ЭВМ двумерные и трехмерные математические функции.

Синтез голограммы включает обычно четыре этапа. На первом этапе рассчитывают параметры световой волны (амплитуда и фаза) при распространении ее от объекта к голограмме. При этом исходят из того, что объект, освещенный когерентным светом, может быть адекватно описан ограниченной совокупностью точек, рассеивающих свет. Второй этап состоит в том, что амплитуду и фазу кодируют с помощью действительной неотрицательной функции, графическое отображение которой и представляет собой синтезированную голограмму. Результирующая информация записывается в памяти вычислительной машины и на третьем этапе отображается на выходном устройстве ЭВМ — графопостроителе или электронно-лучевой трубке, что дает увеличенное изображение голограммы. Увеличение необходимо вследствие недостаточного разрешения печатных и отображающих устройств. На последнем — четвертом этапе полученный на ЭВМ рисунок голограммы уменьшается оптическим методом до размеров, соответствующих длине волны, использованной при расчете, и регистрируется фотографически в виде транспаранта (который представляет собой синтезированную голограмму). Если полученную таким образом голограмму осветить когерентным светом (от лазера), то восстановится изображение объекта.

В основном расчетные методы применяют для синтеза голограмм Фурье. Главная проблема здесь состоит в том, что расчет интерференционной картины, записанной на голограмме, занимает слишком много времени (даже для ЭВМ), поскольку голограмма несет в себе чрезвычайно большое количество информации. Машинное время и его стоимость ограничивают количество отсчетов (их общее количество и пространственную частоту) двумерного Фурье-образа объекта, каждый из которых состоит из значения амплитуды и фазы Фурье-образа в определенной точке. В свою очередь, например, ограничение пространственной частоты отсчетов приводит к уменьшению поля зрения или размеров регистрируемого объекта и его изображения. Ограничение же общего числа отсчетов ведет к ограничению размеров голограммы и, следовательно, ограничению дифракционного предела разрешения в восстановленном изображении.

Дальнейшее упрощение, используемое во многих методах синтеза голограмм, состоит в том, что для передачи амплитудных и фазовых соотношений используется ступенчатая функция. Предельным значением ступенчатой функции является бинарная функция, которая может принимать только два значения: либо ноль, либо единицу. Полученные таким образом синтезированные голограммы называются бинарными. Это упрощение позволяет совместить отображение рисунка голограммы с техническими данными большинства выходных устройств ЭВМ, так как многие графопостроители, стоящие на выходе вычислительных машин, в состоянии записывать лишь два предельных значения пропускания — единицу и нуль. При этом значительно облегчается последующая фоторегистрация уменьшенной голограммы, поскольку не нужно заботиться о линейности фотографического процесса. Бинарные голограммы характерируются меньшим уровнем шума, обусловленного зернистостью фотографического слоя. В тех местах голограммы, где рассеивающих частиц мало, прозрачность близка к единице, а на участках с нулевым пропусканием слоя имеет место полное поглощение, и рассеяние отсутствует. Следующее преимущество бинарных голограмм по сравнению с обычными голограммами (имеющими косинусоидальное пространственное почернение) заключается в том, что они имеют большую теоретическую эффективность и экспериментальные данные подтверждают это.

Структура синтезированной бинарной голограммы, которая формируется графопостроителем на реальной поверхности в виде матрицы, представляет собой элементарные ячейки прямоугольной формы, характеризуемые единичным пропусканием. Ширина ячейки постоянна, а ее длина определяется амплитудой света в данной точке дифракционной картины. Кроме того, каждая ячейка сдвинута относительно равновесного положения на расстояние, пропорциональное фазе волны. Так осуществляется кодирование световой волны.

Одной из наиболее перспективных областей применения синтезированных голограмм является пространственная фильтрация. ЭВМ позволяет оптимизировать процесс голографических пространственных фильтров, а иногда и существенно улучшить результаты, получаемые с их помощью. Другим перспективным направлением синтезированных голограмм является проверка асферических оптических поверхностей. Известно, что использование асферических поверхностей в оптических системах во многих случаях имеет определенные преимущества, но реализировать их удается редко из-за сложности изготовления и проверки асферических поверхностей.