Голограммы сфокусированных изображений

Рис. Процесс воспроизведения голограммы

4.6.3 Создание голограмм

Для записи информации на носитель используются процессы кристаллизации и аморфизации в слоях аморфной системы теллур - мышьяк - германий. Пленка предварительно закристаллизовывается с помощью инжекционного лазера. Запись информации происходит вследствие быстро протекающего, порядка 10-4с, процесса аморфизации в тех участках, куда попадает луч лазера. При этом скорость записи ограничивается лишь быстродействием лазера, а не скоростью протекания процессов в пленке.

Стирание записанной информации может осуществляться двумя способами: продвижением носителя (подложки с пленкой) под слабым лучом инжекционного лазера или нагреванием всей пленки до температуры 393 К. В таблице приведены некоторые технические характеристики лазерной системы голографического ЗУ.

Длина волны излучения лазера для пленок рассматриваемой системы особой роли не играет. Частота записи информации инжекционным лазером порядка 106 бит/с. При использовании соответствующей техники достигнута плотность записи 107 бит/см2.

Ограничения, накладываемые на допустимое число обратимых циклов, носят механический характер из-за растрескивания пленки и отслоения ее от подложки. Стирание информации на отдельных участках пленки затруднительно, так как при селективном нагреве лазерным лучом происходит процесс испарения. В связи с этим разрабатываются новые принципы стирания, в том числе с использованием защитных покрытий из окисла кремния.

Рассмотрим процесс создания голограммы - голографического изображения какого-нибудь объемного объекта. В обычной черно-белой фотографии на фотоносителе фиксируется только интенсивность света, отражаемого объектом, и отсутствуют сведения о фазе приходящего на носитель светового луча. В отличие от обычной фотографии на голограмме записывается интерференционная картина, образованная наложением опорного светового луча и луча, отраженного от объекта. При этом на голограмме фиксируется информация, как об амплитуде, так и о фазе световых волн, отраженных от объекта.

Стереоскопичность зрения человека. Т. е. способность воспринимать глубину пространства и оценивать относительное расположение предметов в пространстве, объясняется тем, что изображения расположенного в трехмерном пространстве рассматриваемого объемного объекта, поступающие на сетчатку правого и левого глаза, неодинаковы, так как получены с разных точек зрения, отстоящих друг от друга на расстояние между центрами зрачков. Сочетание этих двух изображений называется стереопарой. Существуют разные способы получения объемного восприятия стереопар. На основе воспроизведения на специальном экране стереопар, полученных при съемке кинокадров, было создано стереокино

В лазерных голографических установках используется одно из свойств лазерного луча - когерентность световых волн, т. е. равенство фаз монохроматических волн Объект освещается сканирующим лазерным лучом Сканирование осуществляется с помощью отклоняющей системы, представляющей собой решетку вращающихся призматических полупрозрачных зеркал Когерентные линейно поляризованные в одной плоскости волны достигают разноудаленные части объекта в разных фазах .

Носитель освещается опорным когерентным светом; на него также направляются и отраженные волны. В зависимости от соотношения фаз опорных и отраженных световых волн происходит усиление в 4 раза (когда волны находятся в фазе) и ослабление в 4 раза (когда они в противофазе) интенсивности света, достигающего носитель. При других значениях разностей фаз получаются промежуточные значения интенсивности поступающего на носитель света. В результате на носителе образуются светлые, затемненные и темные пятна, складывающиеся в интерференционную картину, даже отдаленно не напоминающую объект и регистрируемую на рабочем слое носителя.

4.7 Голографические ЗУ двоичной информации

При использовании голографии для хранения двоичной информации носителем является плоскость, называемая транспарантом, на которой двоичные данные фиксируются в виде темных и светлых участков. Плоскость транспаранта иначе называют формирователем страниц, поскольку на ней обычно размещается одна страница данных. В зависимости от используемого типа носителя на основе принципов голографии могут создаваться как постоянные, так и оперативные ЗУ. Структурная схема гологра-фического ПЗУ приведена на рис. 9.6 (электронная часть схемы ЗУ для простоты не показана). При считывании луч лазера с помощью быстродействующей отклоняющей системы попадает на одну из множества голограмм (на рисунке их девять), расположенных на носителе. Информация, записанная на голограмме, воспроизводится матрицей фотоэлементов. Обычно такая матрица составляется из интегральных полупроводниковых фоторезисторов по одному на каждый двоичный разряд информации.

Рис. Структурная схема голаграфического ПЗУ в режиме считывания

Получение голограмм для ПЗУ производится в два этапа. Сначала изготавливается транспарант в виде прозрачной пластинки носителя, на которую наносится матрица световых пятен (на рис. их всего девять). Затем набор таких транспарантов используется на втором этапе - для записи голограмм. Голографическая запись производится по стандартной двулучевой схеме с пространственной частотой интерференционной картины 1000 - 1600 линий на 1 мм. Голограмма одновременно играет роль как носителя информации, так и оптической системы формирования изображения при считывании благодаря присущим ей дифракционным свойствам. Другое преимущество связано с тем, что для голографических ЗУ снижаются требования к пространственной точности записи данных по сравнению с оптическими ЗУ, в которых точность определяется допуском на расположение каждого элемента (бита) на носителе. Величина допуска должна составлять малую долю от размеров участка оптического носителя, соответствующего одному двоичному разряду. Что касается голографической записи, то здесь допуск должен составлять малую долю от размеров, соответствующих одному разряду не на носителе, а на плоскости считывания, где эти размеры на два-три порядка больше.

Важнейшим достоинством голографической записи является то, что информация, соответствующая каждому двоичному разряду данных, распределена по всей площади голограммы. Поэтому те или иные дефекты носителя, неравномерность освещения и даже значительные повреждения носителя не приводят к потере данных, а лишь ухудшают отношение сигнал/шум.

Для создания голографического ОЗУ необходимо иметь обратимый голографический носитель, который позволял бы производить неоднократные циклы записи-стирания. Для записи на халькогенидных пленках требуется та же мощность, что и для записи на пленках магнитооптических материалов, однако в первом случае отношение сигнал/шум при считывании существенно выше и, кроме того, не требуется использования поляризованного света. К сожалению, обратимые носители еще не достигли такого уровня характеристик, который позволил бы осуществить их широкое применение для создания голографических ОЗУ. Несмотря на эти сложности уже созданы образцы голографических ОЗУ: фирмой Energy Conversion Devices разработан метод обратимой записи и считывания информации на аморфных пленках систем германий - теллур и селен - теллур с помощью аргонно-криптонового лазера с энергией 10-8Дж. Достигнута плотность записи, на два порядка превышающая плотность записи информации на магнитном диске при возможности повторения нескольких тысяч циклов запись-считывание-стирание. Разрешающая способность, в зависимости от состава стекла, составляет до 500 линий на 1 мм.

Следует отметить такое важное для некоторых применений свойство голографической техники, как невозможность воспроизведения информации в случае, если не известна длина волны лазера, применявшегося при записи, что позволит надежно защитить информацию от несанкционированного доступа.

Глава 5. Цифровые голограммы и алгоритм их синтеза на компьютере

5.1 Цифровая голография

Цифровой голографией называется метод получения и восстановления голограмм, при котором основная роль отводится компьютеру. Роль компьютера заключается в расчете распределения коэффициента прозрачности или преломления по полю голограммы, которое затем записывается в оптической запоминающей среде. С помощью компьютера рассчитывается и восстанавливается изображение, которое записано на такой синтезированной голограмме и которое можно было бы получить оптическим путем.

Имеется ряд веских оснований для такого синтеза голограмм и, в частности, то обстоятельство, что геометрические размеры голографического объекта в этом случае не ограничиваются такими факторами, как когерентность освещения, вибрация или турбулентность воздуха, и появляется возможность исследовать путем моделирования некоторые голографические эффекты.

Еще более существенным моментом, стимулирующим синтез голограмм с помощью компьютеров, является возможность создать оптический волновой фронт для такого объекта, который физически не существует. Потребность в формировании волнового фронта, соответствующего объекту, определяемому расчетным путем, возникает в любом случае, когда требуется визуально отобразить в трех измерениях результаты того или иного трехмерного исследования, например, при моделировании разрабатываемых конструкций. Иногда волновой фронт от синтезированной голограммы может служить интерференционным эталоном для контроля сложной оптической поверхности в процессе ее обработки. Другая область применения таких голограмм связана с экспериментами по пространственной фильтрации. В некоторых случаях изготовить фильтр с заданной функцией оптическими методами бывает затруднительно, в то же время компьютер решает подобные задачи сравнительно легко.

5.2 Общая процедура изготовления синтезированной голограммы

Для того чтобы получить синтезированную голограмму, поступают следующим образом:

Задавшись объектом, голограмму которого нужно получить, рассчитывают с помощью компьютера комплексную амплитуду испускаемого им света в плоскости, находящейся на определенном расстоянии от него. Эта плоскость будет плоскостью голограммы.

Рассчитанная таким образом комплексная амплитуда кодируется так, чтобы она была действительной и положительной функцией. Например, производят сложение амплитуды света, испускаемого объектом, с какой-нибудь комплексной амплитудой, которая играет роль когерентного фона. Результирующая интенсивность будет в этом случае действительной и положительной функцией. Соответствующее устройство, управляемое компьютером, изображает графически распределение значений этой функции в некоторой плоскости. Это может быть, например, электронно-лучевая трубка, печатающее устройство и т.п. Полученный чертеж фотографируется; негатив и представляет собой синтетическую голограмму. Для того, чтобы голограмма хорошо дифрагировала свет, нужно, чтобы структура чертежа была достаточно тонкой. Поэтому обычно фотографируют чертеж со значительным уменьшением.

Для формирования голограммы применяются компьютерные дисплеи, штриховые печатающие устройства, плоттеры. Этап фотографического уменьшения, разумеется, может быть исключен, если применить специальные выходные устройства, позволяющие осуществить непосредственную запись голограммы требуемого размера. Быстродействие современных компьютеров достаточно для расчета синтетической голограммы, идентичной голограмме, полученной при записи интерференционной картины, созданной реальным объектом. Тем не менее, в большинстве случаев рассчитываются голограммы, где отсутствуют полутона и вся голограмма состоит из светлых участков (апертур) на черном фоне. Такая голограмма называется бинарной. Бинарную голограмму с помощью компьютера можно рассчитать и построить в увеличенном масштабе за несколько минут.

Фотографическое уменьшение и репродуцирование бинарных голограмм легче и более точно, чем серых голограмм. На качество бинарной голограммы совершенно не влияют нелинейные фотографические эффекты, поэтому в процессе фотоуменьшения бинарных голограмм требуется значительно менее строгий контроль величины экспозиции и режима проявления.

Другое преимущество бинарной голограммы в сравнении с серой голограммой состоит в том, что она направляет на восстанавливаемое изображение большую часть из падающего на нее света. Если в обычной голограмме светоотдача, или эффективность, равна 6,2%, то светоотдача бинарной голограммы достигает 10%. Помимо более высокой светоотдачи преимущество бинарной голограммы состоит в том, что при восстановлении возникает меньше шумов от света, рассеянного зернистой структурой фотоэмульсии. Бинарная голограмма может быть вычерчена плоттером. Восстановленное с бинарной голограммы в когерентном свете изображение имеет все свойства изображения, получаемого с обычной голограммы.

Бинарные голограммы являются эффективным промежуточным звеном, позволяющим осуществлять связь между цифровой и оптической формами представления информации. Один из методов цифровой голографии позволяет получать голограммы, которые при восстановлении падающий на голограмму свет направляют на создание одного изображения, т.е. имеют эффективность около 100%.