Курсовая: Голография
Содержание
Вступление 3
1 Голография в измерительной технике 5
1.1 Применение голографии 5
1.2 Методы и средства голографии 12
2 Оптическая голография 14
2.1 Голография станционарных объектов 14
2.2 Методы галографии динамических объектов и нестанционарных
процессов 16
3 Голографические системы СВЧ диапазона. Системы
топографической регистрации с получением
восстановленного изображения в реальном масштабе времени 20
4 Заключение 24
5 Список использованных источников 25
Вступление
В 1948 г. английский ученый Д. Габор предложил метод записи и восстановления
волнового фронта, который назвал голографией (от греческого слова «голос»,
что означает весь).
Голографический метод записи волновых фронтов на фотопластинке (голограмме)
в отличие от фотографического, дающего только плоское изображение объекта,
дает полный образ объекта.
Активное развитие голографии началось с 1962—1963 гг. с появлением лазеров,
обеспечивающих возможность получения когерентного излучения, необходимого для
записи голограмм.
Д. Габор в 1971 г. за изобретение голографии был удостоен Нобелевской премии.
Ю.Н. Денисюку за предложенный метод записи голограмм и последующие работы в
области голографии в 1971 г. присуждена Ленинская премия. Столь высокая
оценка работ основоположников голографии свидетельствует о важности этой
отрасли науки и техники.
Голография возникла на базе двух технических наук: оптики и радиотехники.
В оптике наблюдают и изучают законы прохождения пространственных спектров и
образов объектов через оптические тракты.
Причем классическая оптика изучает линейные преобразования пространственных
образов (спектров) оптическими системами. В радиотехнике наблюдают и изучают
законы прохождения временных сигналов через радиотехнические тракты, в
которых, как правило, присутствуют преобразователи (модуляторы, детекторы,
корреляторы), совершающие нелинейные преобразования временных сигналов.
3
В голографии, как и в оптике, подвергаются обработке и наблюдению
пространственные спектры и образы объектов, но они проходят через тракты,
содержащие, как и в радиотехнике, нелинейные элементы, которые по своему
действию эквивалентны радиотехническим детекторам, модуляторам,
корреляторам.
Таким образом, голографический процесс аналогичен процессу
в радиотехническом передающем или приёмном тракте, в котором временные
сигналы, являющиеся функциями одной координаты времени, заменены на
пространственные образы, в общем случае зависящие также от времени, т. е.
являющиеся функциями трёх или четырёх координат. Уже только из этого
очевидны огромные возможности голографии, позволяющие воспроизвести
практически все известные в радиотехнике процессы, но с увеличением на три
единицы количества степеней свободы.
4
1 Голография в измерительной технике
1.1 Применения голографии
Голография — это метод записи волнового фронта, рассеянного объектом на
некотором регистраторе (например, на плоской фотопластинке), и последующего
восстановления записанного волнового фронта. Она позволяет получать с
помощью одного измерительного прибора, одновременно очень большую и, как
правило, непрерывную информацию об объекте измерения. В отличие от обычной
фотографии на фотопластинке (голограмме) записывается не изображение объекта,
а волновая картина рассеянного объектом света. Голограмма получается в
результате интерференции разделенного на две части монохроматического потока
электромагнитного (или акустического) излучения: рассеянного телеграфируемым
объектом и прямого (опорного) пучка, падающего на голограмму, минуя объект.
Интерференционная картина, зарегестрированная на проявленной фотопластинке в
результате сложения волновых фронтов, отображается на ней в виде
совокупности интерференционных полос с различной плотностью почернения.
Наибольшая плотность почернения соответствует волновым фронтам, пришедшим в
фазе (где поля складываются), а наименьшая — волновым фронтам, пришедшим в
противофазе. Таким образом, отображаемая на голограмме картина волновых
фронтов в общем случае не имеет сходства с реальным объектом и тем не менее
содержит информацию об объекте.
При восстановлении записанного на фотопластинке волнового поля голограмма
просвечивается только опорным лучом. В результате возникают два видимых
объемных изображения голографируемого объекта — мнимое и действительное. При
фотографировании мнимого изображения фотоаппарат можно фокусировать на
отдельные детали объекта, расположенные на различных расстояниях от
плоскости голограммы. Действительное изображение в различных его сечениях
может регистрироваться непосредственно на фотопластинку без применения
фотоаппарата.
5
Голограммы обладают рядом интересных свойств. Так, например, волна от каждой
точки диффузно отражающего объекта (либо прозрачного объекта, освещенного
через диффузный рассеиватель) распределяется по всей голограмме. Если такую
голограмму разбить на куски, то по любому из них можно восстановить
изображение всего объекта. Интересным свойством восстановленных
голографических изображений является возможность их взаимодействия с
реальными объектами, освещенными тем же источником, что и голограмма, либо с
другими голографичёскими изображениями. На этом свойстве основаны
голографическая интерферометрия, пространственная фильтрация и распознавание
образов . Не менее интересной является возможность регистрации ряда голограмм
на одну фотопластинку при помощи нескольких опорных пучков, падающих на нее
под различными углами. Вращая такую фотопластинку при восстановлении, можно
наблюдать десятки кадров быстро протекающих процессов.
Благодаря возможностям, свойственным голографии, голографический метод
находит многочисленные практические применения. Большинство этих применений
относится к технике измерений различных станцинарных и динамических
объектов. Из практических применений голографии в оптическом диапазоне частот
в первую очередь следует отметить объёмные измерения при помощи
стереоскопических и интерферометрических методов.
Стереоскопические методы позволяют определять, так же как это делается в
фотограмметрии, форму объекта по его объёмному голограческому изображению и
координаты характерных точек объекта. Такие измерения можно производить
методом «реальной марки», тоесть с помощью фотодатчика, автоматически
перемещающегося в области действительного изображения объекта. Для увеличения
точности и удобства измерения на поверхности объёмного изображения создают
систему линий путем последовательной записи на одной и той же пластинке двух
голограмм с незначительным различием в длине волны источника излучения либо с
двумя близкими по углу с сигнальными лучами.
6
Для этих же целей объект может быть помещен в сосуд, который поочередно
заполняют двумя различными газообразньми средами с заранее известными
показателями преломления.
Используя стереоскопические методы, можно по объемным голографическим
изображениям определять форму осколков взрыва, пузырей в газожидкостном
потоке, а также координаты их центров, следы треков в пузырьковых камерах,
обнаруживать патологические изменения внутреннего строения глаза человека по
его трехмерному изображению. При этом в отличие от обычных стереоскопических
изображений голографическое изображение может рассматриваться с различных
ракурсов, вплоть до получения полного изображения объекта с углом обзора
360°.
Голографические методы регистрации объемных изображений имеют особое значение
в микроскопической технике. Так как микроскоп с большим увеличением имеет
очень небольшую глубину поля зрения, с его помощью можно одновременно
наблюдать только небольшие участки сцены, которые находятся в
непосредственной близости от фокальной плоскости микроскопа. Для наблюдения
всей сцены по глубине необходимо производить перефокусировку микроскопа. Если
предметом изучения являются движущиеся микрообъекты, например живые
организмы в некотором объеме жидкости, то за время перефокусировки
микроскопа микроорганизмы могут переместиться в пределах сцены, что может
создать искаженное представление об изучаемых объектах , и их количестве.
Техника голографии позволяет преодолеть эту трудность. Для .этого необходимо
произвести голографирование изучаемой области через объектив микроскопа,
имеющий сравнительно большую глубину резкости, с помощью импульсного
источника излучения либо с помощью скоростной кинокамеры при непрерывном
излучений.
7
Полученные объемные изображения следует затем рассматривать через окуляр
микроскопа, который можно фокусировать на различные плоскости полученной
объемной картины «застывших микроорганизмов».
С помощью этого метода можно наблюдать жизнедеятельность;
различных простейших организмов, деление живых клеток и изучать свойства
жидкостей и газоз, содержащих примеси микроскопических частиц и др.
Голографическая интерферометрия имеет ряд преимуществ посравнению с
обычной интерферометрией. В голографическом интерферометре благодаря
возможности регистрации волновых фронтов в различные моменты времени
используется, как правило, один и тот же оптический тракт. Это позволяет
производить сравнение волновых фронтов от от реальных объектов с волновыми
фронтами, восстановленными с заранее полученных голограмм образцовых
объектов, либо сравнением волновых фронтов от одного и того же объекта,
полученных в различные моменты времени.
В классических интерферометрах используются два точно выравненных оптических
тракта, так как здесь интерференционная картина возникает только при
одновременном существовании обоих сравниваемых изображений. Голографический
интерферометр не только обладает всеми возможностями обычного интерферометра,
но имеет ряд новых. Так, например, методами голографической интерферометрии в
отличие от классической можно изучать деформации отражающих трехмерных
объектов сложной формы и объемные распределения различных физических
параметров внутри преломляющих (фазовых) объектов.
Для получения толографических интерферограмм используются в основном два
метода: метод двойной экспозиции и метод наблюдения интерферограмм в реальном
масштабе времени.
8
В методе двойной экспозиции на одной фотопластинке при неизменном опорном
пучке регистрируются две голограммы объекта: одна до приложения возмущающих
сил или до начала процесса и вторая через некоторый интервал времени после
приложения сил или начала процесса. Очевидно, что волновые фронты от участков
объектов, в которых не произошли изменения за время между экспозициями
(например, в неподвижных стенках сосуда), не создадут интерференционных
полос в восстановленном изображении объекта. Поэтому качество голографических
интерферограммы отличие от классической не зависит от качества прозрачных
стенок, за которыми происходит изучаемый процесс. Метод двойной экспозиции в
основном используется при изучении быстропротекающих процессов.
Метод наблюдения интерферограмм в реальном масштабе времени используется в
большинстве случаев при наблюдении сравнительно медленных процессов либо при
контроле с помощью одной голограммы серии стационарных объектов.
Способы реализации этого метода различны для двух типов объектов.
Дли непрозрачных (отражающих) объектов на фотопластинке регистрируют
голограмму начального состояния отражающего объекта. Фотопластинка при этом
обрабатывается на месте экспонирования. Если при тех же опорном и синальном
лучах наблюдать тот же отражающий объект через голограмму, то при изменении
формы объекта (от сжатия, нагрева и т. п.) наблюдатель увидит
интерференционную картину, возникающую в результате суперпозиции
восстановленного с голограммы волнового поля, формирующего мнимое изображение
объекта, и поля отражённого от реального объекта. По полученной
интерференционной картине можно вычислить распределение деформаций на
поверхности тракта, вызванных приложенными возмущающими силами.
9
Для прозрачных (преломляющих) объектов сначала голографируется ‹‹пустая»
сцена (без объекта), например: столик, освещенный сзади рассеянным светом от
матового стекла, кювета с водой и т. п. Фотопластинка, на которой
регистрируется поле сигнальной и опорной волны, появляется так же, как и в
первом случае, на месте экспонирования. Если теперь поставить на столик
прозрачный объект (например, стекляную плоскопараллельную пластинку) либо в
кювету с водой бросить кристалл соли, то через проявленную голограмму можно
наблюдать интерференционную картину, возникающую на фоне матового стекла. Эта
картина образуется в результате суперпозиции волнового поля, восстановленного
с голограммы и преломленного реальным объектом. По полученной
интерференционной картине можно вычислить распределение показателя
преломления внутри объекта. В наших примерах это позволяет оценить качество
(однородность) стеклянной пластинки либо пространственное распределение
плотности раствора в процессе растворения кристалла соли в воде.
Оба метода голографической интерферометрии находят широкое применение: при
измерениях пространственных распределений электронов, ионов и нейтральных
частиц в плазме, давления в струе газа или жидкости, в области взрыва,
распределения конвекционных потоков в жидкости при местном ее нагреве,
плотности при перемешивании различных жидкостей и явлении электролиза,
распределения плотности вещества в светящемся пламени и др.
С помощью указанных методов голографической интерферометрии можно также
создать новые объективные методы неразрушающего контроля качества изделий и
выявления скрытых дефектов. Так, например, фирма Optronics применила
голографическую интерферометрию для выявления незначительных дефектов внутри
автомобильной шины.
10
Способ контроля основан на методе последовательных экспозиций на одну
голограмму двух состояний автомобильной покрышки — первого в нормальном
состоянии и второго при ее подкачке слегка нагретым воздухом. Этот способ
контроля позволяет обнаруживать участки некачественной склейки резины на
глубине в 20 слоев от поверхности покрышки.
Та же фирма сконструировала голографическую установку массой более 10 т для
контроля качества швов крыльев самолета и сварки металлических листов с
сотовыми конструкциями размером до 2 м2. Этот же метод используется
для контроля лопаток турбин, сложных структур типа резина-металл, проверки
металлических цилиндров, для исследования деформаций, вызванных различиыми
механическими факторами (давлением или изгибом), и др.
Другим видом интерференционного сравнения различных состояний одного и того
же объекта является голографическая регистрация вибрирующих объектов методом
длительной однократной экспозиции. Действительно, при такой регистрации на
голограмме записывают все последовательные положения объекта. При этом на
восстановленном изображении образуется интерференционная картина,
соответствующая тем крайним положениям объекта, в которых во время экспозиции
он был неподвижен.
Прпменение голографической интерферометрии фазовых прозрачных объектов, в
особенности метода наблюдения в реальном времени,
очень перспективно для создания систем отбраковки различных изделии,
например оптических деталей. Исследования, связанные с отбраковкой и
контролем качества оптических стекол для зеркал резонаторов квантовых
генераторов, показали что в отличие от методов контроля качества стекол по
отражению и пропусканию, обычно применяемых на заводах-изготовителях и дающих
только интегральные сведения об образце, голографические методы позволяют
контролировать качество
стёкол дифференцированно по всей поверхности.
11
Эти методы могут быть также использованы для контроля однородности и толщины
тонких пленок, качества выращенных кристаллов и др.
Сочетая интерферометрию с методами голографической пространственной
фильтрации, принципиально можно осуществлять такие операции, как
отождествление изготовленных изделий с голографическими изображениями их
стандартных образцов, которые в свою очередь могут быть созданы путем
машинного голографического синтеза. На этих принципах возможно создание
поточных линий с непрерывным неразрушающим контролем качества и отбраковки
стекол, стекловолокна, оптических линз, различных прозрачных изделий, а также
в ряде случаев и отражающих объектов сложной формы.
В настоящее время перечисленные возможности голографии могут быть практически
реализованы с использованием излучения в широком диапазоне электромагнитных
и акустических волн. Это позволяет применить голографические методы измерений
для непрозрачных для света объектов и, в частности, методами акустической
голографии решить задачи объемной интроскопии применительно к контролю
различных металлических, керамических и других изделий. В сейсмических и
океанографических исследованиях и при изучении форватеров рек акустическая
голография открывает новые возможности обнару жения, определения
местонахождения и опознания различных объектов, слоев грунта и др. В
биологии и медицине акустическая голография позволяет вести исследования
различных биологических объектов, в том числе решать задачи диагностики
различных опухолевых заболеваний. При внутренних исследованиях человеческого
организма акустическая голография сможет обеспечить четкое восстановленное
изображение изучаемого объекта. Таким путем можно просматривать мягкие ткани,
кровеносные сосуды, внутренние органы и т. п., что невозможно сделать с
помощью рентгеновских исследований.
12
Применение методов голографии с использованием СВЧ диапазона открывает
дополнительные возможности исследований, недостижимых или труднодостижимых
при использовании оптической голографии.
Использование СВЧ диапазона даёт возможность голографирования в темноте и за
непрозрачными для света препятствиями (например, обнаружение скрытого
оружия), получения голограмм и интерферограмм больших сцен и крупномасштабных
процессов, таких, как реальный взрыв, пламя и т/д., телеграфирования на
относительно больших расстояниях от объекта и др.
Выше рассматривались различные возможности изучения объемных свойств
объектов по их голографическим изображениям или интер-
ферограммам. Следует отметить другое важное применение голографии,
а именно изучение с ее помощью амплитудных и фазовых распределений
на выходе источников излучения, например в раскрыве антенн,
по торцу лазера и т. п.
При использовании голографических интерферометров сдвига можно изучать
степень когерентности различных источников излучения, в том числе тепловых.
Для когерентных источников голография позволяет также осуществлять измерения
пространственной структуры мод и пространственного распределения
поляризационных характеристик электромагнитного поля ОКГ. Определение
перечисленных характеристик может быть выполнено путем непосредственной
обработки голограммы в плоскости сечения исследуемого поля. Таким методом
можно изучать не только собственное поле источника излучения, но и
искажения, вносимые в структуру поля различными элементами оптического или
СВЧ тракта.
Цель настоящего раздела — ознакомиться с кругом вопросов, изучением которых
занимаются множество учёных в России и за рубежом.
13
1.2. Методы и средства голографии
В настоящее время существует много голографических методов и схем, которые
могут быть использованы для решения широкого круга задач, возникающих в
процессе научных исследований и при решении конкретных технических проблем.
Состав комплекса голографической аппаратуры изображен на рисунке –1,там же
указаны назначения отдельных приборов и функциональные связи между ними.
Помимо приборов в комплекс включены также разработанные программы для
машинной обработки голографической информации на ЭВМ. Приведенный комплекс
голографических средств позволяет реализовать большинство методов получения и
обработки голографической информации для решения широкого круга практических
задач, подобных указанным в этих таблицах. Из общего комплекса, показанного
на рисунке -1, можно комплектовать частные комплексы голографических средств,
необходимые для решения конкретных задач.
|
Рисунок 1 – Состав комплекса голографической аппаратуры
14
2 Оптическая голография
2.1 Голографирование стационарных объектов
Рассмотрим простейшую голографическую схему, состоящую из источника излучения,
голографируемого стационарного объекта, регистрирующего элемента и размещенных
на рабочей плите оптических элементов для формирования опорного и сигнального
пучков. Такая схема представлена на рисунке – 2 где 1— источник излучения, 2
— элементы расширения излучения, 3 — светоделитель, 4, 5, 8, 9 —
отражатели, 6 – светофильтр, 7, 10 – поляризационные элементы, 11 –
станционарный объект, 12 – голографический регистратор.
Для получения голограм высокого качества необходимо, чтобы величина видности
(В) удовлетворяла условию:
В = В1 Вr Вw ³ 
(1)
где отдельные составляющие В1, Вr и Вw определяются соотношениями:
В1 = 
(2)
15
где значения I1 максимальное, а I2 минимальное излучение в зоне интерференции.
Вr = 
(3)
коэффициеннты А1 и g находятся эксперементально.
Вw - составляющая видности, определяемая спектральным составом
интерферирующих волн.
Неравенство (1) накладывает более жесткие ограничения на каждую составляющую
видности в отдельности.Выравниванием интенсивностей опорного и сигнального
пучков с помощью светофильтра 6 можно добиться соответствующего значения В
1. Установка заданной поляризации, в опорном и сигнальном пучках,а
следовательно, и выбор соответствующего значения Вr
производится с помощью поляризационных элементов 7и 10. При линейной
поляризации используемого излучения для этого применяют кристаллические
полуволновые пластинки. .Изменяя оптическую длину опорного пуч
ка перестановкой отражателей 4 и 5, необходимо добиться равенства
оптических длин интерферирующих пучков в центре регистратора, при
чем в качестве длины сигнального пучка выбирается оптическая длина
луча, проходящего через среднюю или наиболее ответственную точку
сцены, для которой в этом случае Вw = 1. Перемещая отражатель 8,
можно изменять угол схождения сигнального и опорного пучков приих падении на
регистрирующий элемент и тем самым изменять пространственную частоту
интерференционной картины на регистраторе.
16
2.2 Методы голографирования динамических объектов и нестационарных процессов
При голографировании динамических объектов и нестационарных процессов в
плоскости регистрации образуется нестационарная интерференционная картина.
Для регистрации этой картины необходимо применить стадиальные методы и схемы
голографирования. Один из таких методов, основанный на принципе
стробирования. Здесь перед регистрирующим элементом размещается
безынерциочный затвор, который открывается на некоторую долю периода каждый
раз при перемещении интерференционной картины на один период. Управлять
затвором можно сигналом с точечного детектора, расположенного в какой-либо
точке зоны интерференции, находящейся вне области действия затвора. Этот
метод голографирования, однако, пригоден только в случаях перемещения
объекта как целого, когда скорость перемещения интерференционных полос
одинакова по всей поверхности регистрирующего элемента.
Такое же ограничение имеет способ голографирования с обратной связью , в
котором в одном из потоков устанавливается элемент с управляемой оптической
длиной. Изменяя оптическую длину этого элемента в соответствии с бегом
интерференционной картины, ее можно останавливать на определенную часть
периода. Схема способа голографирования с обратной связью приведена на
рисунке 3. Синхронизация управляемого элемента с бегом интерференционной
картины осуществляется таким же образом, как и в предыдущем методе. Кроме
того, этот метод можно использовать для голографирования стационарных
объектов при наличии вибраций.
Более универсальным способом является импульсная голография.В этом способе
неподвижность интерференционной картины относительно регистратора
достигается сокращением времени экспозициидо такой величины, в течение
которой интерференционную картину можно считать неподвижной.
17
|
Рисунок 3 – Схема голографирования с обратной связью: 1 — лазер; 2 —
светоделитель; 3 — зеркало; 4 — пьезоэлектрический кристалл;
5 – короткофокусный объектив с точечной диафрагмой; 6 — фотопластинка;
7—линза; 8 — щелевая диафрагма; 9 — фотоумножитель; 10 —
электронный блок управления.
Рисунок 4 – Схема голографировапия с локальной опорной волной:
1—лазер; 2 — коллимирующая система; 3 — зеркало, поддерживаемое рукой;
4 — транспарант; 5 — светоделитель; 6 — линза; 7, 10 — зеркала; 8 —
плоскость изображения объекта; 9 — фотопластинка.
Этот способ нашел самое широкое применение при голографировании движущихся
объектов и нестациоцарных процессов. С его помощью удалось получить
голограммы живых объектов, падающих капель жидкости, вращающихся роторов,
летящей пули, движущихся частиц и т. д.
Следует отметить, что уменьшение времени экспозиций вызывает необходимость
увеличивать интенсивность излучения, чтобы сохранить энергию, необходимую дли
экспонирования. Поэтому импульсная голография возможна лишь при
использований достаточно мощных, обычно твердотельных, оптических квантовых
генераторов (ОКГ).
18
При длительностях импульсов (3 ¸ 5)×10-8 с, которые
обеспечиваются хорошо отработанной лазерной техникой (например, ОКГ на рубине с
пассивным затвором), можно производить голографическую регистрацию объектов,
перемещающихся со скоростями от нескольких метров до нескольких сотен метров в
секунду в зависимости от геометрии освещения и направления движения объекта.
Предложен ряд методов голографической регистрации быстродвижущихся объектов и
быстропротекающих процессов, основанных на преднамеренном изменении частоты
излучения в опорной или сигнальной волне. Это позволяет без существенного
укорочения длительности импульсов существующих ОКГ (примерно 10-8 с)
регистрировать объекты, движущиеся с большими скоростями.
Сущность метода голографирования с локальной опорной волной состоит в том,
что опорная волна формируется как часть сигнальной. Это приводит к
автоматической фазовой модуляции опорной полны. В случае, когда весь объект
находится в движении как целое, вся или любая часть сфокусированной опорной
волны может быть использована для регистрации голограммы. Если же часть
объекта перемещается по отношению к другим его частям, то, выделив с помощью
диафрагмы определенную часть опорной волны, можно наблюдать в реальном
времени интерференционные полосы, которые и определяют перемещение частей
объекта по отношению к части объекта, выделенной диафрагмой.
С помощью приведенной на рисунке 4 схемы удалось зарегистрировать голограмму
транспаранта, освещаемого с помощью находящегося в руках зеркала.
Рассматриваемый метод пригоден для голографической регистрации объектов,
имеющих малый разброс скоростей. Низкая интенсивность опорной волны в
значительной степени затрудняет применение этого метода.
19
3 Голографические системы СВЧ диапазона. Системы топографической регистрации
с получением восстановленного изображения в реальном масштабе времени
Проблема получения изображений, восстановленных по СВЧ голограммам в
реальном масштабе времени, представляет существенный интерес для многих
практических приложений, поэтому уже на ранних стадиях развития голографии
было предложено несколько систем, которые в принципе позволяют решить
поставленную задачу. Вероятно, первой из таких систем была система Росса. В
этой системе СВЧ излучение, рассеянное исследуемым объектом, поступает на
приемную матрицу. Каждый элемент этой матрицы связан с соответствующим
элементом в матрице модуляторов света, причем в качестве последних Росс
предлагал использовать электрооптические ячейки Керра. Матрица
электрооптических элементов модулирует излучение лазера в соответствии с
законом изменения интенсивности в плоскости приемной матрицы и создает таким
образом динамическую оптическую голограмму, по которой восстанавливается
изображение объекта.
Очевидно, можно предложить еще ряд систем подобного типа, которые будут
отличаться друг от друга принципиально только типом модулятора света:
акустические модуляторы, модуляторы на жидких кристаллах нематического типа,
механические и другие модуляторы.
Весьма перспективными являются системы пространственной временной модуляции
света при помощи электронного луча, т. е. системы, в которых используются
специальные электроннолучевые трубки (ЭЛТ). Эти системы могут применяться
непосредственно в тех случаях, когда скорости развития процесса малы по
отношению к скоростям развертки луча и коммутации регистрирующих элементов в
СВЧ матрице.
20
При этом перемещение луча по экрану ЭЛТ синхронизируется с переключением
элементов в регистрирующей СВЧ матрице, так что определенному положению луча
на экране соответствует определенное положение регистрирующего элемента
(приемного, передающего или «возмущающего») в СВЧ матрице. Интенсивность
электронного луча определяется величиной сигнала, получаемого в системе
регистрации СВЧ голограмм, например, с помощью приемников перемножителей и
т. д. Этот луч создает на экране, освещенном от когерентного источника света
и играющем роль модулятора, потенциальный рельеф, который преобразуется в
пропорциональное глубине этого, рельефа изменение коэффициента пропускания
или фазовой задержки. Таким образом осуществляется пространственно-
временная модуляция когерентного светового потока.
В качестве модулирующих сред в таких системах могут применяться
термопластики, кристаллы КДР, АДР, электрооптическая керамика.
В этих системах могут также применяться обычные ЭЛТ (с фосфорным экраном),
совмещенные с преобразователями некогерентного светового изображения в
фазовый или амплитудный рельеф на модуляторе когерентного света. Такое
преобразование может осуществляться при помощи жидких кристаллов и
термопластиков с подложкой из фотопроводника и других материалов.
Все рассмотренные варианты систем с визуализацией изображений в реальном
масштабе времени требуют для своей реализации источников когерентного света.
Однако возможно построение систем с получением изображений в реальном
масштабе времени и без использования таких источников. Сущность работы таких
систем заключается в том, что принятые СВЧ колебания преобразуются в
колебания другой природы, например в ультразвуковые колебания или СВЧ
колебания другого диапазона с сохранением амплитудно-фазовых соотношений,
затем восстанавливаются соответственно ультразвуковые или СВЧ изображения и
визуализируются без применения когерентных источников света.
21
Рисунок 5 – Схема голсграфической регистрации с получением восстановленного
изображения в реальном масштабе времени:
1 — генератор СВЧ колебаний частоты w1; 2—передающая антенна;
3 — объект; 4 — смеситель сдвига; 5 — опорный генератор первой
промежуточной частоты; 6 — полосовой фильтр с центральной частотой
wg1 =w1+W1; 7 — антенна опорного луча; 8 — приемная СВЧ матрица;
9 — многоканальный приемник; 10, 12 — смесители; 11 — полосовые фильтры;
13 — фазовращатели; 14 — полосовые фильтры с центральной частотой W
2;
15, 17 — ультразвуковые преобразователи; 16 — среда, в которой
может распространяться ультразвук; 18 — управляемые источники света;
19 — умножитель частоты, предназначенный для образования частоты второго
гетеродинирования.
22
По существу, в таких системах когерентный источник света заменяется
когерентным источником ультразвуковых или СВЧ колебаний. Сохранение
амплитудно-фазовых соотношений достигается за счет свойств квазилинейности
(линейности по отношению к комплексной амплитуде) супергетеродинных методов
приема. В случае перехода из одного диапазона СВЧ. в другой можно
использовать параметрические преобразователи. Рассмотрим такую схему
подробнее на примере системы с использованием ультразвуковых
преобразователей.
На рисунке 5 приведена структурная схема системы. В этой системе опорная волна
создается на частоте гетеродина wg1. Если продетектировать сигналы
на выходе 11, получим СВЧ голограмму. Но в устройстве рисунке 5 колебания с
выхода 11 попадают на смесители 12, где смешиваются с колебаниями
второго гетеродина wg1 который имитирует освещение голограммы при
восстановлении. Требуемый фронт восстанавливающей волны создается системой
фазовращателей 13. Полученные на выходе 12 сигналы преобразуются в
ультразвуковые сигналы и распространяются в среде 16, образуя в
некоторой плоскости ультразвуковое изображение исследуемого объекта, которое
может быть визуализировано каким-либо из известных методов. Для получения
изображения в реальном масштабе времени можно применить, например, систему
линейных преобразователей 17 ультразвуковых сигналов в электрические и затем
подать их на малоинерционные источники света 18.
23
4 Заключение
Голография — это метод записи волнового фронта, рассеянного объектом на
некотором регистраторе (например, на плоской фотопластинке), и последующего
восстановления записанного волнового фронта.
Активное развитие голографии началось с 1962—1963 гг. с появлением лазеров,
обеспечивающих возможность получения когерентного излучения, необходимого для
записи голограмм.
В настоящее время число опубликованных работ по голографии исчисляется
сотнями тысяч и непрерывно растет.
Голография стала популярной не только среди узкого круга специалистов в
данной области. Возможности голографии высоко оцениваются учеными и
инженерами различного профиля и широкой научной общественностью.
Голография открывает новые пути для исследований в различных областях
естествознания и совершенствования производственных процессов.
В настоящее время в России и за рубежом быстро увеличивается число
голографических разработок и ассигнований на эти работы.
Несомненно, и то что с развитием методов голографии появляются новые области
ее применения, появляются принципиально новые технологии базирующиеся на ней
(например, выставки алмазного фонда России, где вместо настоящих алмазов
выставляются их голограммы; так же во многих странах разрабатывается
“головизор” на основе голографии ).
24
5 Список использованных источников
1. Гинзбург В. М. Голография методы и аппаратура.- М.:Сов.Радио, 1974,376 с.
2. Островский Ю. И. Голографическая интерференция.- М.: Наука,
1977,376 с.
3. Сороко Л. М. Основы голографии и когерентной оптики.- М.: Наука,
1971, 616 с.
4. Строук Д. Введение в когерентную оптику и голографию. Пер. с англ.-
М.: Мир,1967, 320 с.
5. Гудмен Д. Введение в Фурье – оптику. Пер. с англ.- М.: Мир, 1970, 283с.
6. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Пер. с англ.- М.: Мир, 1970, 367 с.
7. Франсон М. Голография. Пер. с франц.- М.: Мир, 1972, 326 с.
8. Микаэлян А. Л. Голография. – М.: Знание, 1968, 345 с.
9. Островский Ю. И. Голография. – М.: Наука, 1970, 362 с.
10. Кок У. Лазеры в голографии. – М.: Мир, 1971, 287 с.
11. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. Пер с англ. – М.:
Мир, 1973, 421 с.
12. Вьено Ж., Смигельский П., Рейс Х.. Оптическая голография. Пер с франц. –
М.: Мир, 1973, 398 с.
13. Русинов М. М. Инженерная фотограмметрия. – М.: Недра, 1966, 230 с.
14. Ландау Л. Д., Лившиц Е. М. Теория поля. – М.: Наука, 1967, 337 с.
15. Марешаль А., Франсон М. Структура оптического изображения. Пер. с франц.
– М.: Мир, 1964, 276 с.
16. Васильев А. А. Теневые методы. – М.: Наука, 1968, 291 с.
17. Ярославский Л. П. Устройство ввода – вывода изображений. – М.: Энергия,
1968, 243 с.
18. Маршак И. С. Импульсные источники света. – М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963,
267 с.
25