2. Трехмерная фотография

Создание лазера в первую очередь является созданием нового источника видимого излучения. В качестве такого источника он открывает уникальные возможности для показа изображений. «Именно в области визуальной индикации лазер найдет одно из самых важных применений», — писал пионер лазерной техники Артур Шавлов [108].

Свойства и получение лазерных голограмм, дающих трехмерные изображения, обсуждались подробно в ряде обзоров [3, 11, 13, 16—18]. Отметим здесь два основных преимущества голографических изображений перед обычными фотографическими; 1) при голографировании предмета не надо фокусировать лучи, следовательно, нет опасности получить размытое изображение из-за недостаточной фокусировки; 2) голограмма регистрирует весь предмет одинаково четко по всей глубине. Этого нельзя добиться никакими фотографическими ухищрениями. Кроме того, преимуществом голографии является и то обстоятельство, что нелинейность фоторегистрации не влияет на качество передачи тонов. Даже используя для записи голограммы самую контрастную эмульсию, можно восстановить тоновое изображение.

Качество получаемых на лазере трехмерных изображений уже сейчас столь высоко, что Габор имел основание для полушутливого утверждения [33]: «Чтобы получить такие картинки с помощью ртутной дуговой лампы, мне потребовалось бы так

сколлимировать ее излучение, что экспозиция заняла бы время с момента открытия голографии в 1947 г. до сегодняшнего дня».

Развитие этого направления шло по линии усовершенствования известной методики [25, 71], особенно импульсной голографии на рубиновом лазере [20, 21, 59]. Кроме того, в рамках этого направления продемонстрирован ряд новых приложений голографии: так, она использована для подводной съемки [48, 63], для изготовления трехмерных контурных карт [54, 55] и для восстановления диаграмм направленности антенн СВЧ [2].

Исторически первым практическим применением голографии следует считать дисдрометр. Эта установка [32, 102] предназначена для исследования быстро движушихся частиц, взвешенных в атмосфере, например капель дождя или тумана, снежинок, кристалликов льда и аэрозолей размером от 3 до 3000 мкм. Обычная фотография не позволяет держать в фокусе каждую движущуюся частицу в течение такого времени, которое соответствует необходимой экспозиции. Фотографическим методом невозможно зарегистрировать все частицы некоторого объема сразу и с одинаковой резкостью. Дисдрометр устраняет эти трудности. Рубиновый лазер мощностью с модулированной добротностью освещает движущиеся частицы в объеме до 5000 см в течение 20 нсек. «Замороженное» на голограмме трехмерное распределение частиц можно затем последовательно просматривать с помощью непрерывного лазера, например гелий-неонового.

Разрабатывается портативный вариант установки [73], который позволит регистрировать структуру облаков прямо с борта самолета, что даст возможность предсказывать туманы и искусственно воздействовать на них.

Неожиданным оказалось, что дисдрометр может найти гораздо более широкое применение, чем предполагалось вначале. Фирма «Technical Operation», изготовившая три первых образца диодрометра, получила свыше 400 запросов об этой установке [74]. Среди множества возможных применений можно назвать: контроль загрязнений воздуха, контроль турбулентных жидких струй, изучение динамики аэрозолей, анализ смазочных составов, наблюдение процессов во внутренних объемах паровых турбин, изучение роста и распада капель тумана, контроль и анализ медицинских аэрозолей, фотографирование следов .в трековой камере.

Последнее применение облегчит труд экспериментаторов, занимающихся измерением следов в пузырьковой камере и камере Вильсона. Сейчас для восстановления геометрии траекторий и определения кинематики процессов при высоких энергиях используется стереосъемка и электронные вычислительные

машины. Апостериорная обработка трехмерных голографических изображений позволит сократить объем вычислительной работы.

Кроме того, голография позволит увеличить фокальную глубину фотографий в трековой камере [125]. Однако здесь на пути исследователей встает ряд трудностей. Во-первых, поскольку углы достигают 45°, приходится брать фотоэмульсии высокого разрешения, которые малочувствительны. Во-вторых, в камере Вильсона с частотой циклов расширения 30 раз/мин осложняется сам процесс голографической съемки. В-третьих, сильное магнитное поле камеры вызывает фарадеево вращение плоскости поляризации, что ухудшает контрастность видимости интерференционных полос. Наконец, яркость и контрастность восстановленных треков невелики.

Для преодоления последнего затруднения в работе [10] было предложено прибегнуть к восстановлению изображений с фазовых голограмм. Экспериментально продемонстрирована возможность восстановления изображений фазовых объектов (типа пузырей в стекле) в объемах, сравнительно протяженных по лучу зрения. Для наблюдения трехмерных фазовых объектов, восстановленных с голограммы, можно использовать методы шлирен-фотографии

Если речь идет о голографировании мелких прозрачных (как в трековой камере) или непрозрачных объектов, заключенных в большой объем, то можно применить фраунгоферовские голограммы [30]. Фотопластинку располагают в ближней зоне большой апертуры, которая одновременно является дальней зоной для мелких частиц. Тогда на голограмме регистрируется интерференционная картина фраунгоферовской дифракции на частицах. При восстановлении изображений с таких голограмм в дальней зоне частиц мнимое изображение отсутствует.

Для целей демонстрации больших объемных изображений разработан ряд голографических установок [56, 60, 117] с углом обзора предмета, достигающим 360°. Опорный пучок создается выпуклым коническим (рис. 2) или сферическим зеркалом. После голографирования предмет убирается, а на его месте наблюдатель видит через пленку восстановленное изображение, которое можно рассматривать под любым углом. Трудности связаны с изготовлением неплоского зеркала, а также с юстировкой. Поскольку здесь наиболее наглядно проявляются достоинства трехмерного голографического изображения, установки подобного типа найдут широкое применение в рекламном деле и для демонстрации иллюстраций на лекциях.

Используя мощные лазерные импульсы малой длительности, можно «замораживать» быстропеременные процессы во всем исследуемом объеме, а затем сколь угодно долго изучать

трехмерное изображение, восстановленное непрерывным лазером. Недостаточная пока когерентность рубиновых лазеров вынуждает в настоящее время принимать специальные меры: пространственное согласование — выравнивание оптических длин опорного и предметного пучков [20, 21] и селекцию продольных мод [59]. Чтобы записывать голографические изображения больших предметов на малые голограммы с помощью лазера небольшой мощности, можно использовать линзы, помещая их между предметом и голограммой.

Рис. 2. Голографическая установка с углом осмотра предмета, равным круговая голограмма; 2 — коническая поверхность зеркала; 3 — предмет; 4 — когерентное освещение.

Следует подчеркнуть, что проблема импульсного голографирования больших объемов (свыше 5000 см) и больших однородных поверхностей пока не решена, так как отсутствуют необходимые для этого лазеры.

В обычных условиях глаза человека являются незаменимым инструментом визуального исследования трехмерных объектов. Там, где условия для визуального наблюдения отсутствуют — в подводных условиях, внутри сложных установок, — действенную помощь может оказать голография. Проведены эксперименты по голографированию микроорганизмов в аквариуме с морской водой [63]. Запись проводилась рубиновым лазером с экспозицией 60 нсек. При восстановлении с помощью гелий-неонового лазера микроскоп фокусировался на различных плоскостях трехмерной сцены. Если изготовить набор голограмм на большой глубине моря, то можно изучить реальное поведение глубоководных организмов в их нормальном окружении, например их взаимную и световую ориентацию.

Другой вид подводной голографии описан в работе [48]. Цель исследования — анализ акустических вибраций подводных объектов. Схема эксперимента показана на рис. 3.

Любопытно, что для создания опорного пучка использовалось отражение от стенки аквариума с водой.

Голография предоставляет необычную возможность трехмерного видения в звуковых [49] и радиоволнах [31, 64—66]). Простая идея такой визуализации основана на том, что интерференционные картины различных волновых полей тождественны друг другу, если длины волн одинаковы. Однако, вообще говоря, для наблюдения неискаженного трехмерного изображения равенство длин волн необязательно. Если запись проведена с помощью излучения с большой длиной волны а восстановление с помощью светового излучения с малой длиной волны то масштабный переход — уменьшение начальной голограммы раз — также позволит сохранить трехмерность при восстановлении.

Рис. 3. Схема подводной голографии. 1 — лазерный свет; 2 — диафрагма; 3 — стенка аквариума, дающая опорный пучок; 4 - предмет; 5- голограмма.

Звуко- и радиовидение в таком варианте требуют многоэлементных приемников высокого разрешения и перевода полученных голограмм в оптические голограммы, которые можно будет просветить лазером и восстановить изображение, «увиденное» звуком или радиоволнами. Возможно, для ультразвука таким приемником может служить пьезокерамическая мозаика (например, керамика на основе титаиата бария) со считыванием электронным лучом и индикацией на экране телевизора. Для радиоволн нужны специальные многоэлементные антенные решетки.

В некоторых случаях можно обойтись без фиксирования звуковой голограммы. Об оригинальном методе звуковидения сообщается в статье [93]. Ультразвуковые датчики и предмет погружены в воду (рис. 4). На поверхности воды образуется рябь

в результате интерференции прямого и предметного пучков ультразвука. Облучая лазером эту интерференционную картину, можно сразу же восстановить изображение предмета. Изображения трехмерных предметов будут искажаться из-за неравенства длины волны света и ультразвука, но, регулируя фокусное расстояние телескопа, можно по очереди рассматривать различные сечения трехмерного объекта.

Рис. 4. Схема трехмерного звуковидения под водой с голографической визуализацией. 1 — ультразвуковые датчики, погруженные в воду; 2 — предмет; 3 — ультразвуковая голограмма на поверхности воды; лазерный свет; 4 — телескопический приемник; 5 — восстановленное изображение.

Этот метод найдет применение для наблюдений в непрозрачной воде, а также в других океанографических исследованиях. Кроме того, есть надежда, что в будущем исследователи смогут видеть внутренние органы живых людей. На основе этого же метода предполагается осуществить контроль работы внутренних узлов герметизированных блоков электронного оборудования. Однако во всех этих случаях исследуемый объект необходимо помещать в жидкость. Пока основная трудность — получение опорного пучка ультразвука, обладающего достаточной сферичностью.

Радиовидение с использованием «синтетических» голограмм было осуществлено в работе [31]. Френелевская картина изготавливалась постепенно путем механического сканирования зондом в плоскости голограммы габоровского типа. Уменьшенная фотография осциллограммы при облучении гелий-неоновым лазером восстанавливала исходный предмет. Поскольку см, а , то восстановленное изображение было очень мало, и при его наблюдении параллакс отсутствовал. Для его увеличения предлагается склеивать много маленьких голограмм [66]. Тогда объект будет виден таким, как будто его рассматривают через множество маленьких отверстий в экране. Как полагает автор, на этом принципе сможет работать голографическое телевидение в радиоволнах.

Другое интересное применение радиовидения описано в статье [121]. Предлагается использовать голографический принцип для картографирования поверхности планеты с борта космического корабля, облетающего эту планету. Планету и корабль освещает наземный СВЧ-источник. Вдоль трассы корабля, играющей роль одномерной голограммы регистрируется интерференция прямой волны и волны, рассеянной от планеты в направлении полета. Из этих радарных карт можно получить информацию о структуре поверхности, которую не дают обычные РЛС или оптические методы. Например, получение радарной карты Венеры — чуть ли не единственный способ ее исследования. Только прямое приземление может дать больше сведений. Система подобного типа разрабатывается НАСА для космических исследований [76]. Аналогичные бортовые системы, предназначенные для военных самолетов тактической разведки, разрабатываются фирмой «Perkin-Elmer» [75]. Предполагается также записывать радарные карты на фотопленке, чтобы затем наблюдать восстановленное изображение в когерентном свете. Для быстрого восстановления изображений, голографированных в невидимых лучах, фирма разрабатывает двумерный пространственный модулятор света. Такой модулятор позволит визуально наблюдать изображения, восстановленные с помощью переданных по радиоканалам ИК- или СВЧ-голограмм.

Оригинальный метод изготовления трехмерных контурных карт и макетов изделий описан в работах [54, 55]. С этой целью предлагается освещать предмет либо двуми коллимированными когерентными пучками с малым углом между ними, либо одним пучком, содержащим излучение двух слегка различных частот (например, аргоновый лазер с С полученной голограммы одночастотным пучком можно восстановить изображение, контурные линии на котором свидетельствуют о дальности

расположения тех или иных деталей (если голограмма была расположена под прямым углом к пучку).

Измерение диаграммы паправленности СВЧ-антенны (особенно большой) вызывает затруднения, так как при таких измерениях приходится удаляться на значительные расстояния от антенны. Вместо этого предложено [2] измерять распределение СВЧ-поля на относительно малом расстоянии от антенны и изготавливать с помощью голографии оптическую модель этого поля. Восстановленное с голограммы оптическое изображение можно с помощью линзы превратить в некоторой плоскости в диаграмму направленности. В статье обоснована возможность масштабных переходов от СВЧ-голограмм в оптический диапазон и приведены результаты измерения диаграмм направленности в 3 см диапазоне зондовым и голографическим методами.

Голография открывает возможность создания трехмерных изображений объектов, которые еще не удавалось наблюдать, а также «синтетических» предметов [92]. Например, на ЭВМ можно пересчитать рентгенограмму неизвестной сложной молекулы белка таким образом, чтобы получить его голограмму, а не изображение, способное дать лишь плоскую индикацию. Затем бинарную голограмму — набор черно-белых линий — можно вычертить на листе бумаги и уменьшить фотографически. Теперь такую синтетическую голограмму нужно просветить лазером и восстановить объемное изображение молекулы. Экспериментальное получение синтетических голограмм описано в работе [46]. Способ изготовления синтетических голограмм для имитации трехмерных предметов рассмотрен в работе [110]. Светящийся конец волокна механически перемещался в пространстве, и на каждой позиции его изображение регистрировалось на голограмме, благодаря чему при восстановлении возникал куб, состоящий из 120 светящихся точек. Вопросы создания и обработки голограмм на цифровых вычислительных машинах рассмотрены в работе [57].