Голографія

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Голограма як захисний елемент посвідчення особи (Німеччина)

Гологра́фія (від грецького Όλοςholos — повний + γραφήgraphe — запис) — набір технологій для точного запису, відтворення і переформатування хвильових полів. Це — спосіб одержання об'ємних зображень предметів на фотопластинці (голограми) за допомогою когерентного випромінювання лазера. Голограма фіксує не саме зображення предмета, а структуру відбитої від нього світлової хвилі (її амплітуду та фазу). Для отримання голограми необхідно, щоб на фотографічну пластинку одночасно потрапили два когерентних світлових пучки: предметний, відбитий від об'єкта та опорний — що приходить безпосередньо від лазера. Світло обох пучків інтерферує, створюючи на пластинці чергування дуже вузьких темних і світлих смуг — інтерференційну картину.

Голограми діляться на кілька видів, кожен з яких відповідає різним вимогам виробників. З-D-голограми здатні передавати тривимірний ефект і глибину реальної моделі. При створенні даного виду голограм завжди використовують модель в масштабі 1: 1. Таким чином, при сильному направленому промені світла буде створений приголомшливий оптичний ефект.

На відміну від З-D-голограм, 2-D-голограми засновані на двомірної графіки та здатні містити всю інформацію в одній площині. Такі голограми не вимагають сильного джерела світла і мають діамантовий блиск. 2-D / 3-D-голограми засновані на двох або трьох наборах двомірної графіки і відрізняються тим, що вся інформація розташована в двох і більш площинах зображення, які створюють ефект перспективи. Даний вид голограм є найбільш популярним за рахунок чітких контурів малюнка і світних фарб, які видно в різних умовах освітлення.

Крім того, існують цифрові голограми — Digital Image. Вони відрізняються тим, що зображення створюється на комп'ютері і грунтується на одному рівні. Таке зображення складається з растрових точок і дозволяє створювати ефект руху, а також передавати специфічну гру фарб. Ще одним видом голограм, заснованих на одній площині, є геліограмми. Вони базуються на лінійній графіці і дозволяють створити комбінацію графічних елементів з ефектом руху.

Повністю комп'ютерною технологією створення голограм є Trustseal. Дана оптична захисна структура дозволяє досягти найбільш чіткого і яскравого зображення, а також забезпечує більшу кількість всіляких оптичних ефектів, що значно підвищує ступінь захисту. Такі зображення можуть бути кольоровими і можуть змінювати відтінки при повороті в різні сторони по всіх осях. Графічна інформація такого роду перетворюється в голографічному процесі, як в одноколірну, так і в багатобарвну. Певні кольори видно в залежності від кута зору під час розгляду голограми. При направленому світлі краю і кольору голограми стають чіткими і світлими, а при звичайному освітленні кольору втрачають свій контраст.

  • 2-канальне зображення являє собою два накладених один на одного малюнка. Таким методом досягає такої оптичний ефект, при якому в залежності від кута зору видно лише один з двох мотивів. Крім 2-канального, може бути трьох і більше канальне зображення.
  • Сепарація фарб є збільшенням одночасно видимих ​​фарб і затенений, що посилює графічне і просторове вплив голограми.
  • Окантовка кольорових ділянок голограми може бути підкреслена використанням контрастів (наприклад, чорна окантовка без дифракційної структури).
  • Призматичні компоненти дають лінзовий ефект, який створюється при зміні кута нахилу. Підробка такого комплексу практично неможлива.
  • Мікротекст може бути помітний тільки за допомогою лупи.
  • Нанотексти є дуже дрібним і теж може бути помітний тільки за допомогою лупи. Такий метод застосовується тільки для Trustseal. Також як і картина в сірих тонах, яка створює будь-яке зображення в різних відтінках лише сірого кольору.
  • Прихована інформація може бути зчитана тільки спеціальними приладами з УФ, ІК або лазерним освітленням.

Фізичні принципи[ред.ред. код]

Розсіяні об'єктом хвилі характеризуються амплітудою і фазою. Реєстрація амплітуди хвиль не становить труднощів; звичайна фотографічна плівка реєструє амплітуду, перетворюючи її значення у відповідне почорніння фотографічної емульсії. Фазові співвідношення стають доступними для реєстрації за допомогою інтерференції, що перетворює фазові співвідношення у відповідні амплітудні. Інтерференція виникає, коли в деякій області простору складаються кілька електромагнітних хвиль, частоти яких з дуже високим ступенем точності збігаються. Коли записують голограму, в певній області простору складають дві хвилі: одна з них йде безпосередньо від джерела (опорна хвиля), а інша відбивається від об'єкта запису (об'єктна хвиля). У цій же області розміщують фотопластинку (або інший реєструючий матеріал), в результаті на цій пластинці виникає складна картина смуг потемніння, які відповідають розподілу електромагнітної енергії (картині інтерференції) у цій області простору. Якщо тепер цю пластинку висвітлити хвилею, близької до опорної, то вона перетворює цю хвилю в хвилю, близьку до об'єктної. Таким чином, ми будемо бачити (з тим або іншим ступенем точності) таке ж світло, що відбивалося б від об'єкта запису.

Джерела світла[ред.ред. код]

Голограма є записом інтерференційної картини, тому важливо, щоб довжини хвиль (частоти) об'єктного і опорного променів з максимальною точністю збігалися один з одним, і різниця їх фаз не змінювалася протягом усього часу запису (інакше на пластинці не запишеться чіткої картини інтерференції). Тому джерела світла повинні випромінювати електромагнітне випромінювання з дуже стабільною довжиною хвилі в достатній для запису часовому діапазоні.

Вкрай зручним джерелом світла є лазер. До винаходу лазерів голографія практично не розвивалася (замість лазера використовували дуже вузькі лінії в спектрі випускання газорозрядних ламп, що дуже ускладнює експеримент). На сьогоднішній день голографія пред'являє одні з найжорсткіших вимог до когерентності лазерів.

Найчастіше когерентність прийнято характеризувати довжиною когерентності — тієї різниці оптичних шляхів двох хвиль, при якій контраст інтерференційної картини зменшується в два рази в порівнянні з інтерференційною картиною, яку дають хвилі, що пройшли від джерела однакову відстань. Для різних лазерів довжина когерентності може становити від часток міліметра (потужні лазери, призначені для зварювання, різання та інших застосувань, невимогливих до цього параметру) до сотень і більше метрів (спеціальні, так звані одночастотні лазери).

Історія[ред.ред. код]

Метод запропоновано у 1948 р. Деннісом Габором, він же застосував термін голограма. За цей винахід він одержав Нобелівську премію.

Голографія почала бурхливо розвиватися та набула велике практичне значення після того, як в результаті фундаментальних досліджень з квантової електроніки, виконаних радянськими фізиками — академіками М. Г. Басовим і О. М. Прохоровим — і американським ученим Чарльзом Таунсом, в 1960 р. був створений перший лазер. У тому ж році професором Т.Майманом був сконструйований імпульсний лазер на рубіні. Ця система (на відміну від безперервного лазера) дає потужні і короткі, тривалістю в кілька наносекунд (10-9 сек), лазерні імпульси, що дозволяють фіксувати на голограмі рухомі об'єкти. Перший портрет людини був знятий з допомогою рубінового лазера в 1967 році.

Початок образотворчої голографії було покладено роботами Емметта Лейт і Юріс Упатніекса з Мічіганського Технологічного Інституту (США), що одержали в 1962 р. першу об'ємну голограму, що відновлюється в лазерному світлі. Схема запису голограм, запропонована цими вченими, тепер використовується в голографічних лабораторіях у всьому світі.

Вирішальне значення для розвитку образотворчої голографії мали роботи академіка Ю.Н. Денисюка, виконані в 60-70-х роках. Він вперше отримав голограми, що дозволяють відтворювати об'ємні зображення в звичайному, білому світлі. Практично вся сучасна образотворча голографія базується на методах, запропонованих Денисюком.

Перші високоякісні голограми за методом Ю. Н. Денисюка були виконані в 1968 р. в СРСР — Г. А. Соболєва та Д. А. Стаселько, а в США — Л. Зіберт.

В 1969 р. Стівен Бентоніт з Polaroid Research Laboratories (США) виготовив голограму, видиму в звичайному білому світлі. Голограми, винайдені Бентоніт, були названі райдужними, оскільки вони переливаються всіма кольорами веселки, з яких складається біле світло. Відкриття Бентоніт дало змогу розпочати масове виробництво недорогих голограм шляхом «штампування» інтерференційних картин на пластик. Голограми саме такого типу застосовуються для захисту від підробок документів, банківських карток і т. д. Завдяки Бентоніт голографія здобула популярність в широких верствах суспільства.

У 1977 р. Ллойд Кросс отримав мультиплексну голограму, що складається з безлічі звичайних фотографій об'єкта, знятих з багатьох точок зору, що лежать в горизонтальній площині. При переміщенні такої голограми в полі зору можна побачити всі зазняті кадри.

З середини 70-х років ведуться розробки систем голографічного кінематографа. У Росії значні успіхи в цьому напрямку були досягнуті фахівцями Науково-дослідного кіно-фото інституту (НІКФІ) в Москві під керівництвом В. Г. Комара. голографія продовжує активно розвиватися, і з кожним роком в цій області з'являються нові цікаві рішення.

Динамічна голографія[ред.ред. код]

Це область голографії, у якій розглядаються перетворення когерентних хвиль (пучків), що відбуваються в самому процесі їх запису. У звичайній (статичній) голографії процес запису призводить до виникнення в реєструючому середовищі прихованого зображення, що не впливає на записуючі пучки. Лише після прояву середовище набуває властивостей голограми, що змінює параметри проходячого через неї зчитувального пучка. Це дозволяє відновлювати записані зображення нерухомих стаціонарних об'єктів. У динамічні голографії в якості реєструючих середовищ використовуються речовини, в яких запис зображення (тобто зміна показника заломлення або коефціцєнта поглинання поглинання відповідно до розподілу інтенсивності інтерференційної картини) відбувається безпосередньо під впливом записуваного пучка без проявлення. Тому записуючі пучки відчувають зміни, викликані створеною (записаною) ними ж голограмою (зворотний зв'язок). Процеси запису і зчитування відбуваються одночасно і взаємопов'язано, що обумовлює перетворення первинних хвиль.

Тобто, така голографія базується на взаємодії кількох когерентих хвиль, що виникає при їх проходжені через нелінійне середовище через обернений звязок між хвилями що записують та голограмою, що записується ними.

Схема запису Лейта — Упатнієкс[ред.ред. код]

У цій схемі запису промінь лазера поділяється спеціальним пристроєм, дільником (у простому випадку в ролі дільника може виступати будь-який шматок скла), на два. Після цього промені за допомогою лінз розширюються і за допомогою дзеркал направляються на об'єкт і реєструючу середовище (наприклад, фотопластинку). Обидві хвилі (об'єктна і опорна) падають на пластинку з одного боку. За такої схеми запису формується пропускна голограма, що вимагає для свого відновлення джерела світла з тією ж довжиною хвилі, на якій проводився запис, в ідеалі — лазера .

Схема запису Денисюка[ред.ред. код]

У 1962 р. радянський фізик Юрій Миколайович Денисюк запропонував перспективний метод голографії із записом в тривимірному середовищі. У цій схемі промінь лазера розширюється лінзою і прямує дзеркалом на фотопластинку. Частина променя, що пройшла через неї, висвітлює об'єкт. Відбите від об'єкта світло формує об'єктну хвилю. Як видно, об'єктна і опорна хвилі падають на пластинку з різних сторін (т. н. Схема на зустрічних пучках). У цій схемі записується відображуюча голограма, яка самостійно вирізає з суцільного спектра вузьку ділянку (ділянки) і відображає тільки його (таким чином виконуючи роль світлофільтру). Завдяки цьому, зображення голограми видно в звичайному білому світі сонця або лампи. Спочатку голограма вирізає ту довжину хвилі, на якій її записували (проте в процесі обробки і при зберіганні голограми емульсія може змінювати свою товщину, при цьому змінюється і довжина хвилі), що дозволяє записати на одну платівку три голограми одного об'єкта червоним, зеленим і синім лазерами, отримали у результаті одну кольорову голограму, яку практично неможливо відрізнити від самого об'єкта.

Ця схема відрізняється граничною простотою і в разі застосування напівпровідникового лазера (що має вкрай малі розміри і дає розбіжний пучок без застосування лінз ) зводиться до одного лише лазеру і деякої основи, на якою закріплюється лазер, пластинка і об'єкт. Саме такі схеми застосовуються при записі аматорських голограм .

Реєструючі середовища[ред.ред. код]

Голографія вкрай вимоглива до роздільної здатності фотоматеріалів. Відстань між двома максимумами інтерференційної картини того ж порядку, що і довжина хвилі лазера, а остання найчастіше становить 632,8 нм для гелій-неонового лазера, 532 нм для неодимового лазера на другій гармоніці, 514 нм і 488 нм для даної операції. Таким чином, це величина порядку 0.0005 мм. Щоб отримати чітке зображення картини інтерференції, потрібні були реєструючі середовища з роздільною здатністю до 6000 ліній на міліметр (при записі за схемою на зустрічних пучках з кутом сходження променів 180 °).

Реєструючі середовища поділяються на плоскі (двовимірні) і об'ємні (тривимірні або товсті). Для класифікації використовується параметр, який іноді в літературі називають критерій Клейна  :

Q= \frac {2\pi\lambda d}{n \Lambda^2},

  • λ - довжина хвилі;
  • D — товщина шару;
  • N — середній коефіцієнт заломлення шару;
  • Λ — відстань між інтерференційними площинами.

Об'ємними (товстими) голограмами вважаються такі, у яких Q > 10. І навпаки, голограма вважається тонкою (плоскою), коли Q < 1.

Галогенсеребряні фотоматеріали[ред.ред. код]

Основним фотоматеріалом для запису голограм є спеціальні фотопластинки на основі традиційного броміду срібла. За рахунок спеціальних присадок та спеціального механізму прояву вдалося досягти роздільної здатності більше 5000 ліній на міліметр, однак за це доводиться платити вкрай низькою чутливістю пластинки і вузьким спектральним діапазоном (точно підібраним під випромінювання лазера). Чутливість пластинок настільки низька, що їх можна виставити на кілька секунд під пряме сонячне світло без ризику засвічення.

Крім того, іноді застосовуються фотопластинки на основі біхромованої желатини , які володіють ще більшою роздільною здатністю, дозволяють записувати дуже яскраві голограми (до 90% спадного світла перетворюється в зображення), проте вони ще менш чутливі, причому вони чутливі тільки в області коротких хвиль (синій і, меншою мірою, зелений ділянки спектра).

Деякі схеми запису дозволяють писати і на пластинках з меншою роздільною здатністю, навіть на звичайних фотоплівках з дозволом близько 100 ліній на міліметр, однак ці схеми мають масу обмежень і не забезпечують високої якості зображення.

Фотохромниє кристали[ред.ред. код]

Поряд з фотографічними дрібнозернистими галогенсрібними середовищами, застосовуються так звані фотохромні середовища, що змінюють спектр поглинання під дією записуючого світла.

KCl[ред.ред. код]

Одними з ефективних серед фотохромних кристалів є лужно-галоїдні кристали, з яких найкращі результати були отримані на адитивно забарвлених кристалах хлориду калію (KCl). Голограми, записані на таких кристалах, досягають 40% відносної дифракційної ефективності при теоретично можливою в даному середовищі 60%. При цьому голограми в даному матеріалі вельми товсті (товщиною до декількох міліметрів, і можуть в принципі досягати одиниць сантиметрів). Голографічний запис в адитивно забарвлених кристалах KCl базується на фототермічному F-X перетворенні центрів забарвлення , тобто фактичної коалесценції одиночних аніонних вакансій в більші кластерні утворення розміром десятки нанометрів. При цьому голографічний запис в таких кристалах реверсивний (оборотній) і дуже стійкий за часом.

Також можливий голографічний запис за допомогою легування кристалів відповідної домішкою. Можливо використовувати для цієї мети ефект компенсаційного впливу введених в АТ KCl катіонних (іони Са++) і аніонних (іони ОН) домішок на процес фототермічного перетворення F-центрів. Показано, що просвітлення при цьому в максимумі смуги поглинання F- центрів досягає 90% і не супроводжується утворенням центрів, які обумовлюють поглинання у видимій області спектра. Розроблено механізм такого впливу, заснований на фотохімічних реакціях, кінцеві продукти яких поглинають в УФ-діапазоні. Обгрунтовано, що ключову роль в розглянутому явищі відіграють бівакансіі і комплекси Са++ (ОН) 2 — катіонна вакансія. На основі отриманих результатів розроблена нова фотохромна система для формування голограм, заснована на ефекті компенсації впливу катіонних і аніонних домішок.

Сегнетоелектричні кристали[ред.ред. код]

При голографічного запису, як реєструючого середовища, так само широко використовуються сегнетоелектричні кристали. В основному це ніобат літію — LiNbO3. Явище зміни показника заломлення під дією світла викликано електрооптичним ефектом. При запису голограм сегнетоелектричні кристали володіють тими ж перевагами, що і фотохромні матеріали. Крім того, після безлічі циклів "запис — стирання " не спостерігається ефекту втоми. Оскільки одержувані голограми є фазовими, їх дифракційна ефективність може бути на порядок вище, ніж у голограм на фотохромних матеріалах.

Однак, ці кристали володіють недоліками властивими фотохромним матеріалам. Основною проблемою в даному випадку є нестабільність голограми, що не фіксується на відміну від звичайних фотошарів. Інша складність полягає в низькій величині голографічної чутливості.

Голографічні фотополімерні матеріали[ред.ред. код]

Інтенсивно розробляються реєструючі середовища на базі голографічних фотополімерних матеріалів, що представляють собою багатокомпонентну суміш органічних речовин, нанесену у вигляді аморфної плівки товщиною 10-150 мкм на скляну або плівкову підкладку. Фотополімерні плівки менш дорогі ніж кристали ніобіту літію, менш громіздкі і мають по суті велику величину зміни коефіцієнта заломлення, що призводить до більших значень дифракційної ефективності та більшої яскравості голограми. Однак, з іншого боку ніобат літію, через його товщину, здатний зберігати великі обсяги інформації, ніж фотополімерні плівки товщина яких обмежена.

Оскільки фотополімери не володіють зернистою будовою, то роздільна здатність такого матеріалу достатня для надщільного запису інформації. Чутливість фотополімера порівнянна з чутливістю фотохромних кристалів. Записані голограми є фазовими, що дозволяє отримувати високу дифракційну ефективність. Такі матеріали дозволяють зберігати інформацію тривалий час, стійкі до впливу температур, а також відрізняються поліпшеними оптичними характеристиками.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

Посилання[ред.ред. код]