2.11. ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ

Одинаковая природа световых и радиоволн дает принципиальную возможность получения видимых изображений объектов, облучаемых радиоволнами. Один из методов радиоголографии, называемый «квазиоптическим», состоит в том, что радиоволны, отраженные от объекта, фокусируются линзой на матрице датчиков в виде уменьшенного радиоизображения объекта. Пропорционально интенсивности поля, падающего на датчики, на их выходах формируются сигналы, которые после усиления подаются на индикатор для воспроизведения изображения, сфокусированного на матрице. Поскольку каждому датчику соответствует определенная точка на индикаторе, причем освещенность ее определяется величиной сигнала на выходе датчика. Следовательно, сфокусированное на матрице датчиков радиоизображение объекта воспроизводится на экране индикатора в виде различных градаций яркости точек экрана. Это приводит к трансформации радиоизображения в оптическое. Проведенные исследования этого метода показали, что он приемлем для субмиллиметрового и миллиметрового диапазона радиоволн [34].

По отраженным от объектов радиосигналам, принятым в различных точках пространства и в различные моменты времени, можно формировать голограммы с синтезированными аппаратурами, размеры которых во много раз превосходят размеры антенн, используемых для приема сигналов. А вот по голограмме с синтезированными апертурами, сформированными в диапазоне радиоволн, можно получать видимые изображения объектов с высокой разрешающей способностью.

Все это привело к тому, что возникло направление,

называемое радиоголографиеи, т. е. голографичё-скими методами обработки информации в радиодиапазоне. Этими вопросами у нас в стране занимаются видные ученые - Л. Д. Бахрах, А. П. Курочкин, Г. С. Сафронов и А. П. Сафронова [35].

Справедливости ради можно отметить, что некоторые основные принципы голографического метода (использование опорной волны, спектральные преобразования и т. п.) в том или ином виде применялись в радиотехнике и ранее. Но сознательное и последовательное применение принципов голографии, техники оптической обработки стимулировало решение ряда важных задач: моделирование электромагнитных полей радиодиапазона, преобразование полей одной области пространства в поля другой области, определение структуры полей, радиовидение и т. п. Решение этих задач существенно упрощает и удешевляет разработку и испытание сложных радиотехнических устройств. Моделирование антенн в оптическом диапазоне, в частности немасштабное моделирование, позволяет избежать громоздкого макетирования антенни различных рассеивающих объектов. Развитые на основе голографических принципов методы преобразования полей позволяют испытывать различные электродинамиче-; ские устройства и антенны в ближней зоне, не прибегая к созданию дорогостоящих больших полигонов.

Принципы оптической голографии могут быть распространены и на ультразвуковые колебания. На рис. 38 приведена схема установки акустической голографии. Объект в виде буквы прозвучивается ультразвуковыми колебаниями. В плоскости звукового изображения перемещается сканирующий приемник, измеряющий диафрагированную звуковую волну. Поскольку звуковой приемник измеряет непосредственно амплитуду звуковой волны (в противоположность оптическим приемникам, измеряющим интенсивность), опорная волна непосредственно снимается со звукового генератора и в виде электрических сигналов пересылается в приемник. Таким образом, отдельный опорный луч не нужен. Голограмма состоит из электрического сигнала, характеризующего интенсивность интерферирующего акустического распределения в зависимости от положения. Сигнал может воспроизводиться с помощью только электронных устройств.

Рис. 38. Схема установки акустической голографии

Акустическая голография может быть использована при обнаружении и измерениях объектов, погруженных в непрозрачные жидкости. На рис. 39 показано, как в одном из реализованных методов звуковая волна «освещает», точнее прозвучивает объект в жидкости. Возникают опорная и объектная волны, образуемые двумя генераторами акустических сигналов. Обе волны интерферируют на свободной поверхности жидкости. Голограмма является отпечатком ряби, возникающей на поверхности. Воспроизведение может осуществляться с помощью лазерного луча, отраженного от этой ряби. Воспроизводящий луч фотографируется на фотопластинку. Эта процедура создает изображение объекта, погруженного в жидкость.

Успехи в развитии лазеров, обеспечивающих мощное излучение в течение очень коротких промежутков времени, сделали возможным голографирование движущихся объектов, что представляет большой практический интерес. Импульсная голография (а в ее развитии большая заслуга принадлежит Д. И. Стаселько, сотруднику

Рис. 39. Схема установки для получения голограммы объекта, погруженного в жидкость

Государственного оптического института) открывает возможность фиксировать и анализировать быстропротекающие процессы, например, изучение следов частиц в трековых камерах. Обычно раньше для этой цели использовали стереоскопическую съемку, которая позволяет зафиксировать всего несколько десятков следов, причем с невысокой глубиной резкости. Методы же голографии оказываются более эффективными так как они позволяют записать информацию во всем объеме камеры. При восстановлении голографической записи можно рассматривать изображение в различных сечениях, что позволяет легко разделить треки, соответствующие различным частицам. Аналогичным образом можно изучать динамику распределения неоднородностей в туманах, жидкостях и других средах.

Голографический метод в принципе позволяет воспроизвести с неподвижного экрана изображение движущегося предмета. Причем изображение получается объемным и цветным (хотя сама пленка серая). Голография действительно способна создать изображение, не отличающееся от оригинала, создающее полную иллюзию

действительности изображаемой сцены. Однако при этом имеется ряд серьезных проблем. К научно-техническим проблемам относятся трудности создания голограмм больших размеров, которые были бы еще к тому же и динамическими. Поэтому создание голографического кинематографа еще нерешенная проблема. Экспериментальная система позволила создать первый голографнческий кинофильм в несколько десятков секунд, который демонстрировался в октябре 1976 года в Москве на Международном конгрессе по кинематографии. Но с тех пор прошло более десяти лет, а до промышленного голографического кинематографа еще далеко, и это хорошо знакомо читателям периодики. В основу первой экспериментальной установки была положена та же идея, что используется обычным кино. Сцена при съемке освещалась короткими импульсами излучения трехцветного лазера. Импульсы следовали синхронно с частотой смены кадра и регистрировались на движущейся пленке в виде последовательности голограмм. Для того чтобы снизить требования к источникам света, используемым на стадии проекции фильма, изображение сцены фокусировалось на поверхности пленки с помощью объектива с большим входным зрачком. Проекция объемного изображения осуществлялась следующим образом. Пленка с кадрами-голограммами восстанавливалась трехцветным излучением газоразрядной лампы, и восстановленное изображение проецировалось через тот же объектив, а также через специальный экран каждому из зрителей, сидящих в зале. Основная особенность системы проекции связана с устройством экрана. Экран в этом случае не диффузный, а представляет собой громадный оптический элемент, действующий подобно множеству вогнутых зеркал, каждое из которых проецирует изображение объектива проекционного аппарата на одного из зрителей. Смотря через изображение проекционного объектива, как через окно, зритель видит объемное изображение сцены.

Ю. Н. Денисюк высказал следующие соображения по развитию профессионального кинематографа. По его мнению, сцена действия должна регистрироваться методами обычной фотографии через линзовый растр — периодическую систему объективов, каждый из которых формирует свое собственное маленькое изображение сцены. Голография будет использоваться, по-видимому, только для того, чтобы записать систему таких

изображении в компактном виде на кинопленку. При этом следует учитывать, что поскольку изображения, созданные различными объективами растра, мало отличаются друг от друга, то для записи информации, содержащейся в этих изображениях, потребуется не очень большая площадь кадра (или полоса частот в случае телевидения). На основании записанной таким образом информации будут синтезироваться объемные изображения, проекция которых в зал будет осуществляться с помощью экранов, аналогичных разработанным для системы экспериментального кинематографа [36].

Рассмотренные направления применения голографии лишь часть из того, что более полно перечислено в табл. 17.

Таблица 17 (см. скан) Направления применения голографии

Вот один из примеров практического использования голографии [37]. Группой ученых физико-технического института им. А. Ф. Иоффе АН СССР разработана портативная голографическая установка, которая использовалась в космосе. Вся установка расположена в объеме, сочлененном с виброустойчивым остовом, крытым специальным кожухом.

Система виброзащиты обеспечивает надежную работу. Можно вести запись голограммы, держа установку на руках. Масса установки , она вполне умещается в портфеле и потребляет всего 60 Вт энергии. К прибору относятся две приставки, с помощью которых осуществляются две схемы записи голограммы. Одна из них — с йнеосевым опорным пучком (по схеме Лейта и Упатниекса), вторая — в которой опорный и объектный лучи направлены навстречу друг другу (схема Ю. Н. Денисюка). В приборе исследовались процессы в «реальном времени». Это позволяло наблюдать, что происходит с объектом. Для этого на укрепленную в приставке фотопластинку экспонировалась голограмма начального состояния объекта. Специальным образом пластинку можно проявлять на месте, не изменяя ее исходного положения. На проявленную голограмму накладывалась голограмма состоянии, которое, соответствовало текущему моменту наблюдения. Наложение давало интерференционную картину. Все полученные голограммы и интерферограммы передавались на видеокочтрольное устройство и записывались на видеомагнитофон. Таким образом возникала возможность наблюдать прохождение процесса как на станции в космосе, так и на Земле [37].

На первом этапе эксперимента в марте 1981 года проверялось, возможен ли обмен голографической информацией между станцией «Салют-6» и Центром управления полетами. Для этой цели по телевизионному каналу передавались доставленные в космос увеличенные голограммы тестовых объектов. На земле они переснимались с видеоконтрольного устройства и с них восстанавливались исходные изображения. Аналогично информация передавалась и в обратном направлении. Эксперименты показали, что по телеканалу полностью передается только низкочастотная часть голографической информации. После проведенных доработок прибора эксперименты продолжались. Были выбраны для экспонирования объекты и. процессы. В частности, была выбрана стеклянная пластинка, имитирующая иллюминатор станции с микродефектами наружной поверхности. Экспонировались также внутренние детали голографической установки. Эти работы "развеяли сомнения относительно возможности голографирования в космических условиях. Впервые были получены в космосе голограммы плоских и объемных объектов с вполне удовлетворительным качеством изображения.

Впоследствии установка использовалась как инструмент для исследований. Изучалось растворение в воде кристалла поваренной соли, что важно для технологических процессов, а также в биологии и медицине. Выяснилось, что процесс растворения существенно замедлен [37].

На станции «Салют-7» проводились такие эксперименты: участие

в получении биологически чистых веществ, а также совершенствование испытанных голографических методов и расширение диапазона их использования. Работы были выполнены А. Березовым, Л. Поповым, С. Савицкой. Затем были проведены эксперименты по изучению тепло- и массопереноса в жидкой среде в условиях невесомости. Наблюдения проводились в «реальном времени». Такой режим включает проявление фотопластинок и в ходе эксперимента — процесс, который крайне усложняетси в условиях невесомости (под действием сил поверхностного натяжения вода собирается в шарики и плохо смачивает поверхность). В. Ляхов и А. Александров получили ряд голограмм, с помощью которых была решена основная задача опыта: найти оптимальный режим, в котором следует проводить наблюдения за процессами тепло- и массопереноса.

Голография, как явление, позволяет в принципе регистрировать и воспроизводить волновые поля объектов, движущихся с большими скоростями (вплоть до релятивистских), при этом воспроизводится амплитуда, фаза, спектральный состав и поляризация излучения. Развиваются методы, дающие возможность записать изменение параметров излучения во времени. Свойство голограммы формировать обращенные (сопряженные) волны находит важное применение для компенсации влияния оптических неоднородностей сред. Процессы, протекающие в трехмерной голограмме, как показано Ю. Н. Денисюком, в некоторых отношениях родственны процессам мышления и могут быть в дальнейшем использованы для их имитации. На основе трехмерной голограммы может быть создана сверхплотная оптическая память. Одним из новых научно-технических достижений стала компьютерная томография (метод плоских сечений), позволяющая получать скрытые от глаза сечения внутренних органов человеческого тела, сечения, получаемые при компьютерном синтезировании их рентгеновских и акустических изображений. Думается, что сочетание этого метода с голографией, т. е. синтез объемных изображений органов (головной мозг и т. п.), последовательное освобождение их (путем голографической обработки изображений) от закрывающих их тканей, должно предоставить еще большие возможности.

Таким образом, подводя итоги сказанному о развитии голографии и ее применения, можно отметить, что голографический метод записи информации является наиболее полным среди всех методов, известных ранее. Поэтому нет ничего удивительного в том, что голография

может найти широкое применение во многих областях науки и техники: для передачи и обработки информации, в кибернетике, вычислительной технике, в технологии и приборостроении.