5.3. ЦВЕТНЫЕ ГОЛОГРАММЫ

У. Кэти

Цветными называют голограммы, способные воспроизводить цветные изображения. В сущности цветные голограммы — это мультиплексные голограммы, восстанавливающие перекрывающиеся изображения, каждое в своем цвете. Поэтому вопросы, рассматриваемые в настоящем параграфе, в значительной степени связаны с результатами, полученными в § 5.2. Как и в случае мультиплексных голограмм, возникают различные проблемы в зависимости от того, используются ли тонкие, т. е. поверхностные, голограммы или регистрирующая среда имеет заметную толщину. Голограммы, записанные на тонком материале, восстанавливают многократно повторяющиеся изображения, которые соответствуют многим дифракционным порядкам. Имеется несколько способов устранения нежелательных порядков. Голограммы, записанные в толстой среде, из-за усадки или набухания эмульсии могут не восстанавливаться освещением с исходной длиной волны. Если, например, рассматривать красные и белые изображения, то в противоположность черным и белым необходимо учитывать эффекты дисперсии. В случае голограммы сфокусированного изображения, поскольку расстояние между голограммой и голографируемым изображением оказывается более коротким, таких проблем возникает меньше. Прекрасный обзор многих работ, проводившихся на начальном этапе развития цветной голографии, можно найти в книге Кольера и др. [2].

5.3.1. Голограммы, восстанавливаемые в белом свете

Голограмма представляет собой закодированную дифракционную решетку. Следовательно, когда голограмма освещается белым светом, волны с большими длинами волн отклоняются сильнее от оси освещающей голограмму волны, чем волны с более короткими длинами волн. В результате этого восстановленное изображение смазывается. Такой эффект можно отчасти скомпенсировать, используя дифракционную решетку с шагом штриха, равным среднему периоду интерференционных полос на голограмме. Решетка взаимодействует с порядком дифракции на голограмме и вводит в свой —1-й порядок дифракции дисперсию обратного знака, компенсируя таким образом дисперсию голограммы (рис. 1). Влияние распространяющегося вдоль оси голограммы света нулевого порядка может быть устранено либо достаточным удалением решетки от голограммы [3], либо с помощью экрана типа жалюзи

Изложенные выше соображения применимы к тонким голограммам. Объемные голограммы обладают избирательностью по отношению к длине волны и будут отражать или пропускать только узкую полосу длин волн, обусловленную эффектом Брэгга.

Рис. 1. Компенсация дисперсии, создаваемой голограммой, дифракционной решеткой [3].

5.3.2. Тонкие голограммы

При записи цветной голограммы на тонкой регистрирующей среде для каждого цвета делается своя экспозиция. Таким образом, делается немного экспозиций, и здесь мы, как известно, не сталкиваемся с проблемой уменьшения дифракционной эффективности, однако еще имеют место эффекты, описанные в § 5.2. Наибольшую трудность создают перекрестные помехи.

Перекрестные помехи возникают, например, когда при записи голограммы используются две длины волны. Поскольку длины волн различны, пространственный период интерференционных полос в обоих голограммах будет разным, даже если в обоих случаях угол между опорной и объектной волнами будет одним и тем же, ибо расстояние между интерференционными полосами равно где угол между интерферирующими волнами. Если такая двухдлинноволновая голограмма освещается светом с двумя различными длинами волн, то каждая из волн восстановит две голограммы. Изображения, восстановленные первой волной при ее взаимодействии с двумя голограммами, будут смещены в пространстве относительно друг друга, поскольку каждая голограмма имеет отличные от друюй расстояния между интерференционными полосами. Аналогично вторая волна восстановит одно изображение в том месте, в котором оно перекрывается с изображением, восстановленным первой волной, а второе будет смещено. Рис. 2 иллюстрирует сказанное на примере волн красного и синего света. Изображения, обозначенные — это интересующие нас красное и синее изображения, которые, перекрываясь, образуют двухцветное изображение. Однако аналогичный ряд

сопряженных изображений существует и по другую сторону осевого распределения. Очевидно, что трехцветная голограмма имела бы девять изображений в той области, в которой на рис. 2 изображены четыре.

Рис. 2. Влияние освещения тонкой двухцветной голограммы, полученной на двух длинах волн: голограмма; освещающие волны соответственно красного и синего света; синее изображение, восстановленное при освещении голограммы, записанной в красном свете, синим светом; красное изображение, восстановленное при освещении голограммы, записанной в красном свете, красным светом; синее изображение, восстановленное при освещении голограммы, записанной в синем свете, синим светом; В — красное изображение, восстановленное при освещении голограммы, записанной в синем свете, красным светом.

5.3.2.1. Пространственная фильтрация

Чтобы получить двухцветное изображение, восстановленное с голограммы на рис. 2, с помощью линзы можно собрать все создаваемые голограммой волны и, поместив в задней фокальной плоскости линзы непрозрачный экран с отверстием, отфильтровать все нежелательные изображения, оставив только Этот метод лучше всего работает в случае двумерных или трехмерных объектов, ограниченных по глубине. Очевидно, что в этом случае разрешение, или спектр пространственных частот, изображения ограничивается размерами отверстия. Это ограничение нежелательно для голограмм, используемых с целью хранения данных, однако при формировании изображений [2, 4] разрешения порядка более чем достаточно.

5.3.2.2. Пространственное мультиплексирование

Голограммы, соответствующие отдельным цветам, можно записать на разных участках регистрирующей среды. Это можно сделать, например, поместив перед голограммой мозаичный светофильтр. Тогда за синим фильтром будут экспонироваться только те участки голограммы, которые соответствуют синему цвету объекта, а за красным — только красному цвету. При этом мы получим, что голограмма для синего цвета была как бы записана при

перекрытых определенных участках среды, а голограмма для красного цвета — на ранее неэкспонированных участках. При восстановлении голограмму следует освещать через мозаичные светофильтры, соответствующие определенным участкам полученной составной голограммы. В итоге мы должны иметь высококачественное цветное изображение без каких-либо дополнительных изображений, рассмотренных первоначально. Восстановление изображения с матрицы голограмм не представляет трудностей, если требуется проецировать на экран действительное изображение. Однако, чтобы обеспечить удовлетворительное наблюдение мнимого изображения, отдельные голограммы должны иметь небольшие размеры. В противном случае наблюдатель будет отвлекаться при разглядывании изображения, восстановленного с составной голограммы.

5.3.2.3. Кодированные опорные волны

С целью устранения нежелательных изображений можно использовать кодированные опорные волны призаписи тонких цветных голограмм. Один из методов кодирования опорных волн состоит в пропускании через рассеиватель света, содержащего длины волн, которые необходимы для записи голограммы. Однако, даже если все опорные волны проходят через один и тот же рассеиватель, создаваемые ими распределения амплитуд и фаз на голограмме будут отличаться друг от друга из-за разницы в длинах волн. Распределение амплитуд и фаз в каждой опорной волне оказывается приблизительно случайным и отличается от других. В случае когда рассеиватель остается на месте, а проявленная голограмма возвращается точно в свое исходное положение, каждая голограмма будет освещаться волной, соответствующей каждому цветному изображению, которое должно восстанавливаться. Вследствие этого все цветные изображения оказываются наложенными друг на друга. Помимо этого, каждая падающая волна освещает голограммы, записанные на других длинах волн. Как и в случае голограммы, записанной с протяженным опорным источником, результирующая восстановленная волна оказывается такой, как если бы изображение наблюдалось сквозь рассеиватель, вносящий фазовые сдвиги, идентичные разности фаз между опорной и освещающей голограмму волнами. При этом лишние, нежелательные изображения оказываются смазанными и образуют фоновый шум. Иногда это является большой помехой. Более серьезная проблема состоит в том, что относительные положения рассеивателя, голограммы и источника света при записи голограммы должны с высокой степенью точности поддерживаться и при восстановлении записанного изображения.

5.3.3. Объемные голограммы

Толстая, или объемная, голограмма может выполнять роль как фильтра, так и собственно голограммы. В § 5.2 мы показали, что голограмма, записанная в толстой среде, образует поверхности внутри такой регистрирующей среды, а не просто интерференционные полосы. Оптимальным углом освещения объемных голограмм является угол, совпадающий с тем, под которым падает опорная волна. Если за время с момента записи объемной голограммы до ее использования регистрирующая среда не меняет своей формы и не испытывает усадки и если она восстанавливается на той же самой длине волны, что и при освещении, то этот угол равен углу Брэгга. Дифракционная эффективность уменьшается не только при отклонении угла падения восстанавливающей волны от своего значения при записи, но также и при изменении длины волны восстанавливающего света. Таким образом, угол Брэгга определяется длиной волны и геометрией схемы записи. Изменение длины волны приводит к изменению угла, при котором все отраженные волны складываются в фазе. Этот эффект исключает появление лишних изображений, наблюдаемых в случае плоских цветных голограмм. Объемная голограмма будет только тогда восстанавливать изображение с высокой дифракционной эффективностью, когда она освещается под соответствующим углом светом с длиной волны, использованной при записи. Вопрос о восстановлении изображений с толстых отражательных голограмм мы подробно рассматривали в § 5.1.

Рис. 3. а — пропускающая голограмма (угол Брэгга мал); б - отражательная голограмма (угол Брэгга большой).

Объемные цветные голограммы бывают двух разных типов — пропускающие и отражательные в зависимости от того, восстанавливается ли голограмма в свете лазера, использованного при записи, или в белом свете. Причиной для такого разделения послужило то,

что при больших углах Брэгга допустимое отклонение длины волны при восстановлении становится очень малым. На рис. 3 показаны схемы освещения при восстановлении пропускающей и отражательной голограмм. Угол Брэгга 0в зависит от расстояния между отражающими поверхностями среднего значения показателя преломления и длины волны восстанавливающего света Отражающие поверхности располагаются параллельно биссектрисе угла между объектной и опорной волнами при записи. Следовательно, чтобы получить отражательную голограмму, опорную волну необходимо вводить с задней стороны регистрирующей среды. Из рис. 3 мы видим, что для получения всех отраженных волн в фазе требование к допустимым отклонениям расстояния между отражающими поверхностями, измеряемого в длинах волн, должно быть более жестким, когда свет отражается назад почти под прямым углом к поверхности. В зависимости от конкретной задачи это условие может играть как положительную, так и отрицательную роль.

Если предполагается освещать голограмму той же волной, которая использовалась при записи как опорная, то проще работать с пропускающими голограммами, поскольку они не столь критичны к юстировке. Напомним, что если угол освещения выбран неправильно, то дифракционная эффективность уменьшается. Она может также уменьшаться вследствие усадки регистрирующей среды в процессе фотохимической обработки. В случае отражательных голограмм усадка материала приводит к сильным изменениям величины однако она не оказывает существенного влияния на пропускающую голограмму, поскольку не является большой вдоль подложки, изготавливаемой обычно из стекла. Усадка затрудняет изменение угла освещения, так что условие Брэгга удовлетворяется одновременно для всех длин волн.

В случае, когда голограмма должна восстанавливаться в белом свете, желательно обеспечивать высокую селективность по длинам волн. Отражательная голограмма хорошо отражает только те длины волн, которые были использованы при ее записи, а волны других цветов она либо поглощает, либо пропускает (по крайней мере в том случае, когда угол освещения равен углу опорной волны при записи, а регистрирующая среда не имеет усадки). Если же материал подвергается усадке, то в направлении восстановленного изображения будет добавляться в фазе свет с другой длиной волны, вследствие чего цвет сместится в сторону синего. Если при этом угол освещения и угол наблюдения отличаются от угла Брэгга для длины волны записи, условие брэгговского падения будет выполняться при другой длине волны, что приведет к изменению цвета изображения. Чтобы получать восстановленное изображение в правильном цвете, необходимо не допускать усадки регистрирующей среды или поддерживать эмульсию в разбухшем состоянии и контролировать

угол зрения восстановленного изображения 15; см. также §9.1 настоящей книги].

Разумеется, если бы при записи голограммы использовалась лишь одна длина волны, то цвет изображения не имел бы значения.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)