Файл: Вьено, Ж. -Ш. Оптическая голография. Развитие и применение.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 14.10.2024

Просмотров: 55

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

162

Глава 7

получается для максимальной глубины модуляции на данной частоте, т. е. д л я близкой к единице видимости мпкрополос на голо­ грамме. Не останавливаясь на свойствах этих комплексных согла­ сованных фильтров, кратко охарактеризуем существующее поло­ жение, подчеркивая тот факт, что возможность получить голо­ грамму Фурье сразу д л я нескольких полос, способную оперировать одновременно с большим числом различных сигналов, дает следую­ щие преимущества: 1) восстановление изображений с заданным спектральным составом; 2) разработка специальной системы коди­ рования, в которой полосы опорных частот могли бы быть опре­ делены, например, исходя из размеров элементарных ячеек пра­ вильной или неправильной решетки; 3) распознавание трехмерных образов.

Ф И Л Ь Т Р А Ц ИЯ И КОДИРОВАНИЕ

ГОЛОГРАММАМИ

С ОПРЕДЕЛЕННОЙ ПОЛОСОЙ

ПРОПУСКАНИЯ

Здесь идет речь о двух существенно разных проблемах, которые тем не менее имеет смысл рассматривать параллельно, учитывая их сходное практическое осуществление.

Восстановление профильтрованного изображения (спектральная модификация)

Возьмем в качестве объекта радиальную решетку. Поскольку штрихи ее равномерно расходятся от центра к периферии, такая решетка перекрывает широкую область пространственных частот. Пусть мы хотим получить голограмму Фурье этой решетки, исполь­ зуя вместо точечного опорного источника экран с множеством круглых одинаковых отверстий. Полоса преимущественных прост­ ранственных частот в этом случае совпадает с первым дифракцион­ ным максимумом отдельно взятого одиночного отверстия (резуль­ тат будет таким же, если вместо распределения прозрачных отвер­ стий на непрозрачном фоне мы возьмем распределение непрозрач­ ных экранов на прозрачном фоне). На фиг. 117 показан результат восстановления отдельного участка решетки. Здесь можно сделать два замечания.

1. Такой эксперимент требует создания искусственных ди­ афрагм.

2. Вообще говоря, возникает большая потеря информации особенно вблизи нулей, которая может сильно ограничить возмож­ ности метода. Однако этот эффект можно компенсировать за счет использования источника, состоящего из набора элементарных диафрагм разных размеров, дифракционные максимумы которых

166

Глава

7

информационную

емкость коррелятора

— значит увеличить число

операций, производимых одновременно, при условии, что это со­ провождается надежным распознаванием откликов. Если фильтр

сохраняет

своп свойства при

суперпозиции нескольких

спектров

на одном

и том ж е его участке,

то это дает возможность

увеличить

его пропускную способность за счет увеличения числа каналов. Многоканальность в данном случае означает, что каждому сигналу

Ф и г .

119. Принципиальная схема

регистрации

многократного

фильтра-

голограммы: боковая и угловая модуляция, сочетание обоих методов.

S; соответствует свое согласование фильтра

и отклик C,;-

на

вы­

ходе

канала

і.

 

 

 

 

Исходя

нз вышесказанного,

можно по-разному готовить

мно­

гократные фильтры-голограммы:

1. Фотопластинка экспонируется N

раз, сигналы распределены по окружности. При этом используется угловая модуляция с постоянной частотой, угол между направлением (аксиальным) опорного пучка и волнами, дифрагированными N индивидуальными сигналами в N разных направлениях, остается постоянным. Получаем многократный фильтр, представляющий собой суперпозицию N первичных фильтров-голограмм. Такой многократный фильтр дает N пар откликов ( ± 1 ) в направлениях дифракции, совпадающих с образующими конусов с двойным углом при вершине. 2. Такой фильтр можно получить с помощью боковой модуляции. При этом осуществляют N последовательных экспози­ ций с разными углами между несущей волной и волнами, дифраги­ рованными N отдельными сигналами st, s;-, sft, с каждым нз которых связана определенная центральная частота. Комбинируя оба спо­ соба, получаем отклики в виде ряда концентрических окружностей

170

Глава 7

(фиг. 119). Такая система представляет собой многоканальный коррелятор, приспособленный для использования со сферической оптикой. 3. Всякий раз, когда сложный сигнал можно рассматри­ вать в виде суммы элементарных сигналов (слово, состоящее из букв), мы вправе надеяться, что можно будет наблюдать одновре­ менно корреляции отдельных элементов или подмножеств элемен­ тов. Эффективность системы зависит как от заполнения плоскости

^ a Ü 1 ^ у s у ір п

L LL JJuUU

I i

Я * Д Ü*0 ОНО 1*Т huh У*У P*S 3"*2F Ѵ*Ѵ Л*Л

Ц*Ь <>*3 з*д

Ф и г. 121. Фотометрическая регистрация профилей взаимной корреляции разных пар древнееврейских букв.

отклика корреляционными членами, так и от согласования фильтра с характеристическими полосами частот. Частный случай боковой модуляции с использованием этих эффектов показан на фиг. 120. На этом рисунке преимущественные направления дифракции филь­ тра-голограммы и функции входа взаимно ортогональны. Корре­ ляции, локализованные в точках пересечения направлений диф­ ракции с плоскостью отклика, образуют матрицу более или менее ярких точек, которые можно проанализировать с помощью решетки квадратичных детекторов небольшого размера (см. также фиг. 121).

Техника угловой модуляции, примененная к двенадцати разным словам, позволяет читать их (распознавать и определять их место­ положение в тексте) одновременно и в реальном масштабе времени (фиг. 122). В настоящее время потенциальные емкости фильтровголограмм далеко не используются. Коммерческие фотоэмульсии регистрируют до 3000 штрихов на 1 мм, что теоретически позволяет зарегистрировать тысячу миллиардов точек на пластинках боль­ ших размеров, которые начали производить в последние годы. Если даже считать разумной цифру десять миллионов, это уже дос-

Глава 8

Методы, основанные на оптической голографии

Одно из самых существенных свойств голограммы — возмож­ ность использования ее в качестве комплексного оптического эле­ мента — было широко прокомментировано в предыдущей главе. Из первых глав книги можно понять, что такой оптический компо­ нент может выступать во многих качествах. Мы видели голограммы, играющие роль линз, голограммы, отклоняющие пучки (эффект призмы), разлагающие свет в спектр, голограммы-дифракционные решетки, голограммы-селекторы и интерференционные фильтры (эффект Липпмана — Брэгга в цветной голографии) и т. д. Кроме того, размеры голограммы (простая фотопластинка или кусок фо­ топленки), ее вид (черно-белый или даже совершенно прозрачный диапозитив, если голограмма была «отбелена») облегчают получение голограммы и возможности работы с ней.

Голограмма тем не менее отличается от других оптических эле­ ментов тем, что ее почти всегда получают в специализированных оптических лабораториях в единственном экземпляре. Возможнос­ ти копирования голограмм ограниченны. Было бы естественно, если бы теоретики попытались рассчитывать голограммы исходя из заданного распределения амплитуд и фаз. Тогда можно было бы разрешить не только проблему их серийного, даже промышленного, производства, но и проблему получения голограмм объектов, ко­ торые реально не существуют (синтетические голограммы и «кинофор­ мы», рассчитанные электронно-вычислительной машиной).

Наконец, так как работа всякого элементарного оптического прибора определяется как геометрическими, так и волновыми свойствами видимого излучения, было бы естественно применить принципы голографии ко всему электромагнитному спектру и к другим волновым явлениям — механическим или акустическим и даже к пучкам электронов. Мы дадим в общих чертах представление о некоторых перспективах такого применения.

ГОЛОГРАФИЧЕСКИЕ РЕШЕТКИ — Ф И Л Ь Т Р Ы ВРЕМЕННЫХ ЧАСТОТ

Если в линейной среде зарегистрировать результаты интерфе­ ренции двух когерентных пучков, то получим синусоидальную решетку в том случае, когда интерферирующие волны плоские и

Методы, основанные на оптической голографии

175

закрепление, промывка, просушка), проводимые с фотоэмульсией,— все это ухудшает качество восстановленных спектров. Некоторые вещества, такие, как бихроматнзированный желатин, хорошо под­ ходят для приготовления отражающих решеток высокой разре­ шающей способности.Коэффициент отражения сильно повышается,

если покрыть поверхность решетки очень тонким

слоем

металла.

Мы у ж е указывали некоторые преимущества голографического

„ метода

изготовления

решеток:

возможность получения

решеток

больших

размеров,

создающих

волны с ошибкой,

меньшей, чем

À/4, отсутствие дефектов периодичности (духов), свойственных ре­ шеткам, изготовленным на делительных машинах (фиг. 126 и 127). Кроме того, следует упомянуть о возможности получать спектр на конечном расстоянии благодаря использованию линзовых свойств голографической решетки. Это представляет большой интерес, так как помогает избежать применения оптики, специально при­

способленной

для

исследуемой спектральной области (объективы

из флюорита

или

кварца).

Касаясь вклада голографии в спектральный анализ, следует напомнить о фурье-спектроскопии (гл. 6). Восстановление с помощью монохроматического источника дает столько изображений, сколько «длин волн» было использовано при регистрации. Так, для точечного или линейного объекта получаем монохроматический спектр. Наз­ вание «фурье-спектроскопия» свидетельствует о том, что фотоотпе­ чаток действительно содержит преобразование Фурье спектраль­ ного распределения объекта. Это соответствует в действительности идеальному случаю, когда спектральная чувствительность эмуль­ сии постоянна в исследуемой области. Применение этой техники представляет интерес для качественного анализа прерывистых (вспышка, искры) или невоспроизводимых источников (плазменные разряды).

НЕФОТОГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ РЕГИСТРАЦИИ ГОЛОГРАММ

В оптическом корреляторе фильтр-голограмма играл роль ас­ социативной памяти, емкость которой намного превосходит коли­ чество информации, необходимое для рассмотренных операций. В общем случае голографическая память интересна не только своей большой емкостью, но и высокой пропускной способностью1 . Фото-

1 Основным параметром служит не поверхность и не объем памяти, а полное число элементов информации, необходимое для процесса восстанов­ ления; эта потенциальная емкость связана с зерном эмульсин: для обычной голографической пластинки разрешение достигает 3000 линий на 1 мм, что существенно превосходит разрешение существующих электрооптических сис­

тем.

Очень

хороший

объектив разрешает несколько миллионов точек на

1 дм2 ,

тогда

как

на

пластинке такой

же площади можно зарегистрировать

(с учетом эффекта

близости зерен) 100

миллионов точек. Значит, с помощью

178

Глава S

методов, позволяющих восстанавливать изображения в видимом свете, то можно рассмотреть три типа регистрации, соответствую­ щих трем основным параметрам, характеризующим объект (с оп­ тической точки зрения). Эти параметры таковы: амплитуда или интенсивность, фаза или относительная разность хода лучей, при­ шедших к наблюдателю от разных элементов объекта, цвет.

Первый параметр

связан с коэффициентом пропускания,

отра­

жения или рассеяния

света объектом; второй — с вариациями по­

казателя преломления

или просто с толщиной. Что касается

цвета,

он представляет собой результат избирательного поглощения раз­ личных длин волн или интерференции. Последнее относится к ко­ герентной дифракции, которую используют в цветной голографии (гл. 4).

Задержимся немного на амплитудных голограммах, с тем чтобы отметить оригинальный способ Кальвара, в котором световое излу­ чение приводит к образованию микроскопических пузырьков, размеры которых меняются в зависимости от освещенности среды. При восстановлении эти пузырьки рассеивают свет и полученная голограмма обладает любопытным свойством в зависимости от освещения образовывать либо негатив, либо позитив.

Среди многих способов регистрации фазовых голограмм следует указать способ преобразования изменений освещенности в изменения толщины. Возьмем, например, тонкий термопластический диэлекттрический слой, в котором световое излучение создает фиксиро­ ванное распределение электрических зарядов. Если нагреть обра­ зец после регистрации, то вещество размягчится. Если поднести теперь к нему равномерно заряженную плоскую пластинку, вза­ имное притяжение или отталкивание зарядов создаст рельеф в тех местах термопластинки, которые прежде были освещены. Теперь достаточно его охладить, чтобы надолго сохранить отпечаток. Этот способ может представлять коммерческий интерес, если станет возможным изготовлять матрицу по оригиналу и размножать голо­ граммы, как грампластинки.

Однако невозможность повторного использования фотопластин­ ки является в некотором смысле неудобством. Преимущества маг­

нитофонной ленты

перед

грампластинкой

заставляют искать ана­

логичные

возможности

стирания и повторной регистрации

голо­

грамм в одной и той ж е среде. Эта проблема

может быть

разрешена

•с помощью фотохромных стекол (фиг. 128).

 

 

. ^

Возьмем кристалл фтористого кальция, содержащий

включения

самария и европия. При освещении его зеленым светом

(около

5000 À)

кристалл

меняет цвет, т. е. начинает поглощать

другие

длины волн. Падающая световая энергия, следовательно,

регистри- і

руется кристаллом

в виде вариаций окраски, и необходимость в

каком-либо проявлении отпадает. Поместив кристалл в пучок

.красного света (6000 À), можно восстановить высококачественное

Смотрите также файлы