8.4.8. Другие голографические системы

8.4.8.1. Голографический контроль вогнутых и выпуклых поверхностей

Традиционные методы контроля качества оптических вогнутых и выпуклых поверхностей основаны на сравнении эталонной и контролируемой поверхностей с помощью колец Ньютона. Этот метод обычно считается быстрым и удобным, но необходимость физического контакта между двумя поверхностями может привести к царапинам и деформации поверхности. Кроме того, контролируемая стеклянная поверхность должна быть не только тщательно отполирована, но и иметь товарный вид. Поэтому дефекты, вызываемые процессом контактной проверки, делают этот метод слишком дорогостоящим.

Метод голографического контроля был разработан в 1970 г. [54]. В этом методе сначала получают голограмму эталонной стеклянной поверхности, а затем эту голограмму снова помещают на ее

первоначальное место в системе. Теперь можно производить сравнение неизвестной стеклянной поверхности с восстановленным изображением эталонного стекла. Любые несовершенства или деформации испытуемой стеклянной поверхности проявятся в реальном времени в виде интерференционных полос.

Рис. 27. Схема голографической установки для контроля вогнутых поверхностей.

На рис. 27 показана схема голографической установки для контроля вогнутых поверхностей. В этой системе телескоп соответствующей кратности расширяет и коллимирует лазерный пучок. Коллимированный пучок проходит через светоделитель 50/50; одна половина этого пучка освещает испытуемую деталь, а другая направляется с помощью зеркала на голограмму. Этот последний пучок играет роль опорного пучка. Процесс контроля начинается с того момента, когда голограмма эталонной детали возвращается на свое первоначальное место. Точное положение голограммы устанавливается юстировкой по картине интерференции с эталонной деталью. Юстировка производится до тех пор, пока интерференционная картина не станет нулевым полем. После этого мнимое изображение, восстановленное с голограммы, готово для сравнения с любой аналогичной поверхностью. Сравнение испытуемой детали можно проводить во время полировки или шлифовки стеклянной

поверхности. Поскольку этот метод не приводит к каким-либо контактам с испытуемой деталью, в процессе контроля любые повреждения поверхности исключены.

Рис. 28. (см. скан) Схема голографической установки для контроля выпуклых поверхностей.

Схема голографической установки для контроля выпуклых поверхностей приведена на рис. 28. Здесь опять используется телескоп для расширения и коллимирования пучка, освещающего испытуемую поверхность. Принцип и порядок проведения операций при испытании точно такие же, как и в случае контроля вогнутых поверхностей.

Для контроля оптических элементов можно также применять голограммы, синтезированные на ЭВМ. Показанная на рис. 29 схема интерферометра Тваймана — Грина для контроля оптических поверхностей была усовершенствована введением голограммы, синтезированной на ЭВМ [42]. С помощью ЭВМ на фотопластинке можно

Рис. 29. Модифицированный интерферометр Тваймана — Грина для голографического контроля больших поверхностей. (Согласно Мак-Говерну и Вайанту [42].)

Рис. 30. Интерферометр с зонной пластинкой Френеля. (Согласно Бродер-Берстайну и Малакара-Гернандецу [11].)

синтезировать голограммы точек, соответствующих проектируемой испытуемой поверхности. Это эквивалентно получению исходной голограммы эталонной поверхности. Синтезированная на ЭВМ голограмма помещается в опорный пучок таким образом, чтобы можно было сравнивать изображение, восстановленное с нее, с изображением испытуемой поверхности.

Модифицированный метод Тваймана — Грина для измерения фазы интерференционной картины с точностью до можно усовершенствовать, применяя самосканирующую фотодиодную матрицу, состоящую из 1024 элементов, и Для обычных

испытаний эту систему можно автоматизировать, однако конструкция ее оказывается очень сложной. На рис. 30 показана схема другой системы голографической интерферометрии, которая позволяет контролировать большие оптические элементы с помощью маленьких голограмм. В этой системе коллимированным пучком лазера освещается зонная пластинка Френеля [11]. В изображение зонной пластинки Френеля помещается фотопластинка. Если поверхность исследуемого зеркала точно сферическая, то это изображение также должно быть зонной пластинкой Френеля. После проявления фотопластинка становится голограммой и помещается на свое исходное место. Теперь можно производить сравнение контролируемой поверхности с восстановленным волновым фронтом.

Все только что рассмотренные системы голографического контроля имеют два свойственных им преимущества: они являются неконтактными и, следовательно, неразрушающими для исследуемых оптических элементов. Эти системы можно использовать для выявления неправильности оптической поверхности в самом начале полировки, что снижает стоимость изготовления различных деталей.

8.4.8.2. Голографический видеодиск

Видеомагнитофонные ленты применяются в телевизионной промышленности в течение многих лет. По сравнению с голографическими системами видеозаписи эти ленты относительно дороги для массового размножения, занимают значительный объем, их срок службы невелик, а функции не столь многосторонни.

Ханнан [24] продемонстрировал систему голографической записи, которая может записывать и считывать видеоинформацию в виде последовательности голограмм (система Holotape). Каждая голограмма представляет собой запись одного неподвижного кадра движущейся картины. Как видео-, так и звуковая информация запоминаются в виде поверхностного рельефа, которые можно размножить прессованием на термопластической ленте. Пленка, используемая для получения записи в системе Holatape, представляет собой по существу стандартную -миллиметровую кинопленку, два смежных кадра которой содержат кодированную информацию о цвете (цветности) и о черно-белом изображении (освещенности) объекта. На рис. 31 представлена схема записывающей аппаратуры системы RCA Holotape.

Фирмы «Zenith» [26] и «Philips» [161 разработали независимо друг от друга новые диски для видеозаписи, аналогичные по размерам грампластинкам. В обеих системах видеоинформация записывается как последовательность коротких бороздок или углублений переменной длины и частоты повторения. В системе частота повторения и средняя длина углубления определяют

сигнал освещенности, в то время как сигналы кодированного цвета (цветности) и звука модулируют длину углубления. В системе Philips применяется непрозрачный диск с углублениями, выдавленными с обеих сторон. Воспроизведение записи осуществляется небольшим Не — Ые-лазером мощностью Отраженный пучок света модулируется отклонениями света при дифракции на углублении.

Рис. 31. Схема устройства для записи голограмм в системе Holotape. Освещающая плоская волна и объектный пучок получены за счет расширения лазерного пучка. Полевая линза увеличивает эффективность освещенности матрицы точечных отверстий и управляет ее изображением в зоне Френеля, что необходимо для высокой скорости выборки. Размеры даны в миллиметрах. (Согласно Ханнану и др.

Свет попадает на детектор и преобразуется в электрический сигнал, который затем декодируется. Система Zenith во многом аналогична системе за исключением лишь того, что в ней применяется прозрачный диск и воспроизведение осуществляется проходящим светом от -лазера мощностью Поскольку при воспроизведении используется небольшая глубина поля фокусированного лазерного пучка, для записи можно использовать обе стороны диска. Для воспроизведения второй стороны диска достаточно просто изменить плоскость фокусировки светового пятна. Чтобы получить хорошие результаты, видеопроигрыватели как системы так и системы Zenith должны удовлетворять следующим четырем требованиям:

1) скорость вращения диска должна поддерживаться постоянной (для проигрывателя системы ;

2) в режиме считывания сфокусированный лазерный пучок должен оставаться на поверхности диска (для системы Zenith глубина поля составляет

3) пучок света должен оставаться в центре линии слежения, даже если линия слежения проходит не по окружности или отверстие диска не центровано и имеет неправильные размеры

(проигрыватель должен работать правильно даже в том случае, когда общее отклонение дорожки от идеального положения достигает

4) полная считывающая оптическая система должна двигаться по радиусу поперек записи со скоростью, при которой движение вперед осуществляется без помощи непрерывной бороздки или других механических направляющих на диске проигрывателя.

Оптические видеодиски систем Philips и Zenith являются лучшими среди других механических видеодисков, поскольку в них воспроизведение записи осуществляется неконтактным способом. Благодаря этому удлиняется срок службы углублений и дисков, а также уменьшаются шумы при воспроизведении, связанные с наличием царапин. Однако имеется одна проблема, свойственная обеим системам, — это необходимость точной фокусировки и управление слежением за записью. Хотя в системах Zenith и Philips проблемы оптической фокусировки и слежения как будто решены, тем не менее стоимость сложных сервомеханизмов и, следовательно, самих систем проигрывания до сих пор остается довольно высокой. В системе использующей голографическую запись, удалось избежать этих проблем слежения и оптической фокусировки. Однако в этой системе кадр изображения представляет собой множество голограмм, записанных на участке площадью (которая удваивается для цветного изображения). Кроме того, тиражирование с ленты на ленту требует большего времени и является более дорогим, чем метод тиражирования с диска на диск. Ниже мы опишем метод видеозаписи, в котором для достижения высшей плотности записи применяются голограммы Фурье, с тем чтобы объединить преимущества голографической записи системы (отсутствие проблем слежения и оптической фокусировки) с высокой плотностью записи и дешевым тиражированием оптического видеодиска.

а. Голография с использованием случайных фазовых выборок. Голограммы Фурье высокого качества и высокой плотности записи можно получить, если система имеет: 1) высокую избыточность, 2) высокую дифракционную эффективность, 3) малый шум (зернистости), 4) высокое разрешение и 5) точность воспроизведения градаций яркости. Для того чтобы удовлетворить первому условию, голограмма должна регистрироваться точно в плоскости преобразования Фурье. Второе условие требует равномерного распределения энергии по ограниченной площади голограммы. Третье условие выполняется, если почти вся энергия света заключена в ограниченной площади голограммы. Для удовлетворения четвертого условия размеры голограммы должны соответствовать ширине полосы пространственных частот регистрируемой информации. Наконец, пятое условие требует, чтобы передаточная функция всего процесса

получения голограммы была постоянной для всего диапазона изменения интенсивности в широком пучке.

В попытке удовлетворить этим условиям и с целью получения голограмм высокого качества и с высокой плотностью записи было опробовано несколько методов. Одним из наиболее эффективных оказался метод дефокусировки, при котором голограмма регистрируется на некотором расстоянии от плоскости точного преобразования Фурье. Этот метод полезен при выполнении условий 2—5, но он не обеспечивает высокой избыточности. Кроме того, ему свойственны недостатки, а именно площадь регистрации оказывается больше дифракционно-ограниченной, а степень расфокусировки меняется в зависимости от вида регистрируемой информации. Для того чтобы в методе дефокусировки получить хорошую избыточность, был разработан метод записи многими пучками, но он также приводит к увеличению площади регистрации.

С другой стороны, доказано, что метод случайного сдвига фазы полезен при получении высококачественных голограмм с высокой плотностью записи, содержащих цифровую информацию при дифракционно-ограниченных размерах. В этом методе случайные фазы добавляются к каждому пучку и пучок фокусируется в плоскости точного преобразования Фурье [56—58].

Голография случайной выборки фаз является обобщением метода случайного фазового сдвига. Она объединяет в себе как метод сдвига фаз, так и метод выборок.

Рис. 32. Схема, поясняющая основную идею метода случайной выборки фаз,

На рис. 32 представлена основная схема метода случайной выборки фаз. В этой схеме видеоинформация, сетка выборок и фазосдвигающая пластинка тесно прижаты друг к другу и установлены на пути светового пучка, который, проходя через эти элементы, фокусируется на регистрирующей среде, помещенной в плоскости точного преобразования Фурье. Видеоинформация с помощью сетки выборок делится на большое число выборочных точек. Затем к каждой выборочной точке

фазосдвигающей пластинкой добавляется случайная фаза. Этот метод включает в себя три основных принципа: 1) теорему отсчетов, 2) критерий Рэлея и 3) принцип случайного блуждания. Обсудим эти принципы.

Принцип 1. Метод выборок позволяет разделить видеоинформацию на большое число выборочных точек. При этом в плоскости голограммы исключается обычно большая величина низкочастотных составляющих видеоинформации. Существенные составляющие информации размываются по площади, определяемой диаметром точек выборки. Это приводит к избыточности информации.

Расстояние между выборочными точками определяется из необходимости сохранить качество изображения и ширину полосы частот голограммы. Иными словами, это расстояние должно быть равно ширине линии требуемого разрешения, которая по теореме отсчетов равна половине разрешаемой пространственной частоты.

Принцип 2. С помощью голографии Фурье можно получить минимальный размер голограммы или максимальную плотность записи, имеющей идеальную избыточность записи. Диаметр голограммы связан с диаметром отверстия выборки критерием Рэлея. При этом энергия света, несущего информацию, заключена в ограниченную площадь голограммы. В восстановленном изображении, когда голограмма освещается пучком, диаметр которого почти совпадает с диаметром голограммы, отсутствует какой-либо спекл-шум.

Принцип 3. Для получения голограммы с высокой дифракционной эффективностью и высокой точностью воспроизведения градаций яркости необходимо равномерно распределять энергию света по ограниченной площади голограммы. Применяя фазосдвигающую пластинку, можно устранить пик спектра световой энергии, появляющийся на голограмме из-за корреляции между различными пучками, отфильтрованными отверстиями выборки.

Мацумура [44] сообщил, что, используя случайные сдвиги фазы, можно также существенно уменьшить макрозернистость, обусловленную царапинами и пылью на линзах, и, кроме того, ослабить интерференционные полосы, вызванные светом, отраженным от оптических поверхностей. Этот спекл-шум представляет собой одну из важнейших проблем, связанных с шумом в когерентных системах формирования изображения. Можно получить восстановленное изображение с высокой эффективностью и высоким отношением сигнал/шум, задавая в пространстве случайное распределение фазы в проходящем свете. Это связано с тем, что свет, дифрагировавший от объекта, освещенного через фазосдвигающую пластинку, распределяется равномерно по регистрирующей среде. Это позволяет максимально использовать динамический диапазон регистрирующей среды.

б. Проигрыватель голографического видеодиска. Рассмотрим систему проигрывателя голографического видеодиска на конкретном

примере. На диске диаметром можно разместить голограмм, каждая из которых записывает кодированные звук, яркость и цветность на небольшой площади диаметром около Интерференция между соседними и восстановленными изображениями исключается за счет тщательного выбора углов падения трех световых волн, несущих информацию, в осесимметричных направлениях.

Восстановленные изображения фокусируются на датчиках изображения (таких, как твердотельная матрица), выходные сигналы которых обрабатываются и воспроизводятся на телевизионном мониторе. В этом случае отсутствует необходимость в прецизионных фокусировке и слежении. Механические допуски для юстировки лежат в пределах от 10 до 100 мкм, что в 100 раз превышает допуски, необходимые для дисков с последовательной во времени записью.