Поняття про голографію

Фотографія. Явища інтерференції й дифракції світла можуть бути використані для одержання об'ємних образів предметів, що принципово відрізняються від тих, які виходять при звичайному фотографуванні.

При звичайному фотографуванні світло, відбите від окремих точок освітленого об'єкта, фокусується за допомогою об'єктива в точках на поверхні фотоплівки.

Зображення точок, неоднаково віддалених від об'єктива, виходять також на різних відстанях від об'єктиву. Іншими словами, якщо предмет є тривимірним, об’ємним, то і його зображення виходить об'ємним. Але тому що це зображення фіксується на плоскій фотоплівці (фотоемульсія має товщину всього 6-25 мкм), то чітким виходить зображення тільки частини точок предмета, на які було здійснено наведення на різкість. Інші точки об'ємного зображення, розташовані ближче або далі, дають на фотоплівці нечіткі, розмиті плями. Правда, зі зменшенням розмірів діафрагми глибина різкості може бути збільшена, але це дається ціною втрати світла та збільшенням експозиції.

Чому ж, розглядаючи фотографію, ми все-таки одержуємо враження про просторове розташування предметів?

Відчуття об'ємності на плоскій фотографії створюється перспективою й тінями від бічного освітлення предметів, а також «звичкою» бачити об'ємні предмети плоскими. Річ у тому, що оптична система ока й фотоапарата однакові (лінза – фотопластинка, кришталик – сітківка). Розглядаючи об'ємний предмет або його фотографію, ми одержуємо на сітківці ока однакові «плоскі» зображення. Мозок людини «звик» розпізнавати об'ємні предмети через їхні плоскі зображення.

Але об'ємний об’єкт і його фотографія все-таки мають істотні розходження відносно їх сприйняття зором. Дійсно, зміщуючись відносно предмету, можна заглянути за нього й побачити, як він виглядає збоку, позаду й що за ним знаходиться. Це переконує спостерігача в тому, що перед ним розташований реальний предмет. Зміщення ж відносно фотографії ніяких додаткових подробиць про предмети, які зображені на ній, не дає.

Таким чином, звичайна фотографія є досить умовним зображенням об'ємного предмета. У цьому зображенні бракує значної частини тієї інформації про предмет, яку можна одержати при безпосередньому розгляданні предмета.

Чим же викликана ця втрата інформації при фотографуванні? Річ у тому, що фотопластинка реєструє тільки освітленість, тобто амплітуду світлових хвиль, відбитих від різних точок предмета. Чим яскравіша точка предмета, тим світліше зображення цієї точки на позитиві. У той же час світлова хвиля в цій точці простору характеризується не тільки амплітудою, але й фазою коливань. А на почорніння фотопластинки фаза коливань не впливає.

Можна сказати, що на фотопластинці не фіксується форма хвильової поверхні, що являє собою поверхню рівних фаз. І виходить, що фотографія не несе ніякої об'єктивної інформації про відстань до різних точок об'ємного об'єкту зйомки. Адже форма хвильової поверхні, що досягає спостерігача або фотопластинки, залежить саме від цих відстаней.

Якби на фотопластинці вдалося зафіксувати не тільки амплітуду світлових хвиль, розсіюваних предметом, але і їхню фазу, то при розгляді такої фотографії, що розсіює світло точно так само, як і об'єкт, спостерігач не зміг би відрізнити її від об'єкта.

Голографія. Вперше більш повну, ніж у звичайній фотографії, реєстрацію розсіяного предметом світла вдалося одержати в 1948 р. англійському фізикові Д. Габору. Він назвав запропонований ним спосіб голографією (від грецького «голос» – цілий, увесь).

У чому ж сутність голографічного методу одержання зображення? Для одержання голограми використовуються широкі пучки когерентного світла. Один із шляхів одержання голограми полягає в наступному:

Широкий пучок когерентного світла розділяється на дві частини. Одна група променів досягає фотопластинки після відбивання від об'єкта. Це сигнальний пучок. Інша досягає фотопластинки після відбивання від плоского дзеркала. Це опорний пучок (рис.2.44). У результаті накладання цих двох груп когерентних хвиль на фотопластинці утвориться інтерференційна картина. Фотографія цієї картини, отримана після обробки фотопластинки, називається голограмою.

Голограма містить інформацію не тільки про амплітуду хвиль, як звичайна фотографія, ще в ній закладені дані й про їхню фазу, тобто про форму хвильових поверхонь. Дійсно, у тих місцях фотопластинки, де фази опорних і сигнальних хвиль збігаються, їхні амплітуди складаються, і результуюча освітленість у таких місцях буде більше тієї, яку кожна із хвиль створює окремо. Після позитивної обробки фотопластинка в таких місцях буде більш прозора, ніж у тих місцях, у яких обидві хвилі прибувають зі зсувом по фазі.

Якщо для деяких точок фази хвиль виявляться протилежними, а їх амплітуди однаковими, то після обробки ці точки будуть чорними, непрозорими. Таким чином, явище інтерференції, перетворюючи фазові співвідношення між хвилями в співвідношення амплітуд, дозволяє зафіксувати на фотопластинці фазові співвідношення між хвилями у вигляді відповідних змін прозорості. Пряма фотографічна реєстрація фазових співвідношень хвиль неможлива, тому що фотопластинка реагує тільки на розходження в освітленості, тобто на розходження в амплітудах коливань.

Характерно, що на відміну від звичайної фотографії при голографіч­ному способі запису зображення не засто­совуються ні лінзи, ні інші пристрої, що формують зображення. Кожна точка об'єкту, відбиваючи світло, посилає його на всю голограму, і кожна точка голограми одержує світло від усього об'єкту.

Отже, голограма предмета – це складний інтерференційний візерунок з нерівномірно розташованих інтерференційних ліній, що виникають при взаємодії сигнальної хвилі складної форми із плоскою опорною хвилею. Вона містить у собі повну інформацію як про амплітуди, так і про фази хвиль, відбитих від об'єкту.

Але голограма не є фотографічним зображенням об'єкту. Розглядаючи її, зовсім неможливо догадатися, що на ній зображено. Яким же засобом можна витягти з голограми оптичну інформацію, що міститься в ній, про об'єкт?

Процес одержання зображення за допомогою голограми називається відновленням. Процес відновлення голограми дуже простий.

Рис.2.45 Схема відновлення голограм

Направимо на голограму точно таким же засобом, як при її одержанні, опорний пучок когерентного світла (рис.2.45). Через неї пройдуть тільки ті ділянки опорної хвилі, які перебувають у фазі із сигнальною хвилею світла, розсіяного об'єктом при одержанні голограми. А ділянки опорної хвилі, що відрізняються по фазі від сигнальної хвилі об'єкта, будуть поглинатися (або відбиватися) непрозорими місцями голограми. Таким чином, при проходженні опорної хвилі крізь голограму з неї виключається все те, чого не було в сигнальній хвилі від об'єкта, і зберігається все те, що в ній було. У результаті відтворюється точно такий же розподіл фаз і амплітуд, що був у сигнальному пучку, який розсіяно об'єктом.

Все це відбувається відповідно до принципу Гюйгенса-Френеля. Опорний пучок, падаючи на голограму, збуджує у прозорих її місцях коливання вторинних джерел. Амплітуди цих коливань пропорційні амплітудам сигнальних хвиль у цих точках і фази їх збігаються. За принципом Гюйгенса-Френеля вторинні джерела створюють у навколишньому просторі таку ж картину хвильових полів, яка була в сигнальному пучку від предмета.

Точний збіг відновленого хвильового фронту із сигнальним (який падав на фотопластинку під час виготовлення голограми) призводить до того, що сприйняте оком зображення за зовнішнім виглядом таке ж, як предмет.

Дата добавления: 2015-06-04