Как создаются голографические объемные изображения

Рассмотренные примеры записи голограммы и восстановления изображения, поясняющие основные принципы голографии, были основаны на использовании направленного света лазера, освещающего объект. Освещение предмета плоской или сферической волной обладает рядом недостатков, поэтому на более позднем этапе развития голографии было предложено освещать предмет диффузным светом. Для этого между световым пучком от лазера, направленным на предмет, и самим предметом устанавливают прозрачный, диффузно рассеивающий экран, например матовое стекло. Опорный пучок направляют на фотопластинку по схеме, изображенной на рис. 40.

Голограмма, полученная при диффузном освещении предмета, обладает замечательными свойствами, главным из которых является то, что на каждую точку голограммы падает свет от всех точек предмета. Из этого следует, что при восстановлении можно видеть полное мнимое изображение предмета, используя любую точку голограммы. При восстановлении изображения с голограммы становится возможным наблюдать изображение предмета в разных ракурсах. Смысл этого явления поясняется схемой на рис. 43.

Суть регистрации трехмерного изображения па голограмме удобно рассматривать, ссылаясь на интегральную пластинку Липпмана, но нельзя ее считать аналогом голограммы.

Пусть достаточно большая по формату интегральная пластинка Липпмана 1 (рис. 43, а) установлена на некотором расстоянии от предметов 2, а линзы растра обращены к предметам. Тогда в каждой элементарной ячейке интегральной пластинки на фотопленке может быть зарегистрировано полное изображение этих предметов. Вид каждого элементарного изображения будет зависеть от пространственного положения ячейки относительно снимаемых предметов.

Так, например, в ячейке 3, расположенной в левом верхнем углу пластинки, будет изображение, показанное на рис. 43, б сверху. Нетрудно видеть, что предметы рассматриваются слева и немного сверху.

Рис. 43. Схема, поясняющая принцип возникновения объемного голографического изображения: а - схема получения и наблюдения объемного, предмета с помощью интегральной пластинки; б - два изображения объекта, фиксируемые противоположными ячейками интегральной пластинки. Аналогичные по ракурсам изображения регистрируются и голограммой, но без такой явной локализации, как на интегральной пластинке

В то же время в ячейке 4, расположенной в правом нижнем углу пластинки, изображение будет на рис. 43, б внизу. Здесь уже иная конфигурация предметов, определяемая низкой точкой наблюдения, расположенной правее предыдущей на ширину пластинки.

Различие этих изображений нетрудно понять, поскольку каждая ячейка интегральной пластинки аналогична маленькому фотоаппарату, который собирает оптическую информацию со всех точек снимаемого предмета. Все остальные ячейки, разумеется, регистрируют различные промежуточные виды снимаемого сюжета, как это было бы при изменении положения фотоаппарата относительно предметов. Если мы будем поочередно рассматривать все микроизображения этой интегральной пластинки (например, через микроскоп), то заметим, что по горизонтали изображения имеют различный горизонтальный параллакс. Если двигаться по вертикали, можно заметить вертикальный параллакс.

Два изображения на рис. 43, б отличаются одновременно как горизонтальным, так и вертикальным параллаксом, т. е. все как в действительности.

Теперь представим, что пластинка 1 не интегральная, а голограмма, освещаемая лучом лазера, причем эта голограмма была записана при диффузном освещении тех же предметов, которые были расположены точно так, как показано на рис. 43, а.

Тогда, как и в предыдущих примерах, на месте предметов (уже убранных после съемки) возникает мнимое изображение, каждый элементарный участок этой голограммы содержит всю информацию о предметах, но она уже не выглядит так, как показано на рис. 43, б, а представлена в виде сложнейшей дифракционной решетки, состоящей из непрозрачных точек и прозрачных щелей между ними.

Диаметр элементарного участка голограммы, с которого можно восстановить полное изображение предмета, может быть равным 2 - 3 мм. Такой небольшой участок аналогичен по размерам одному кадрику интегральной пластинки, который тоже содержит полное изображение предмета. Поскольку полный формат голограммы или интегральной пластинки обычно в сотни раз больше указанного размера элементарной площадки, можно считать, что и голограмма и интегральная пластинка содержат в среднем до 10 000 ракурсов изображений одного и того же предмета, сфотографированного с десяти тысяч точек зрения.

Есть, однако, существенное различие. В интегральной пластинке каждый из десяти тысяч кадриков отделен четкой границей от соседних кадриков, а на голограмме никаких границ между элементарными участками нет. Понятие элементарного участка весьма условно.

При освещении лучом лазера голограммы все ракурсы изображения из десяти тысяч восстанавливаются в виде единого волнового фронта, но наблюдатель не видит их все сразу.

Посмотрим теперь на голограмму одним глазом, как показано стрелкой 3. В этом случае мы увидим мнимое изображение сверху (рис. 43, б), так как элементарный участок голограммы в точке 3 зафиксировал при голографировании вид предметов с этой же верхней и левой точки зрения.

Посмотрим теперь на голограмму, как показано стрелкой 4. Мы увидим мнимое изображение таким, каким оно было на рис. 43, б снизу.

Из сказанного следует, что способность голограммы малой своей частью восстанавливать полное изображение объекта позволяет видеть мнимое изображение в разных ракурсах, пользуясь для наблюдения только малой частью голограммы.

Если теперь посмотрим на голограмму двумя глазами, как показано стрелками 5 и 6, то каждый глаз будет видеть мнимое изображение, восстанавливаемое различными элементарными участками голограммы. Эти изображения являются плоскими, поскольку они создаются маленькими участками голограммы, но эти плоские изображения различаются из-за горизонтального параллакса, т. е. составляют стереопару, и в сознании наблюдателя возникает ощущение объемности предметов [22].

Именно так голограмма создает объемные изображения, которые отличаются исключительной реалистичностью, поскольку при любом положении глаз человека относительно голограммы всегда находятся два элементарных участка, создающих стереопару на сетчатке его глаз и ощущение объемности предмета. Это ощущение объемности усиливается еще и наличием вертикального параллакса, чего нет в стереоизображениях с параллакс-панорамограммой.

Сильнейшим фактором усиления ощущения объемности является присутствие очень плавного динамического стереоэффекта, т. е. смены точек наблюдения при движении головы наблюдателя относительно голограммы.

Как известно, одна голограмма может содержать информацию, зашифрованную в конфигурации ее дифракционных щелей, о десятке тысяч ракурсов одного и того же предмета. Сам принцип восстановления волнового фронта светового излучения, идентичного волновому фронту, который создает сам объемный предмет, подтверждает это. Действительно, если перед нами реальный объемный предмет, мы можем по своему желанию взглянуть на него только один раз и увидим его в одном ракурсе. Если мы захотим, можем посмотреть на него с двух, трех, десяти позиции. Именно так, например, рассматривают хорошую скульптуру в музее. А если скрупулезно отметить все возможные виды находящейся перед нами реальной скульптуры, то можно найти многие тысячи таких видов. Следовательно, реальный предмет обеспечивает практически неограниченное количество ракурсов, причем эта свобода выбора и плавность смены ракурсов усиливают ощущение объемности, что стало чуть ли не обязательным условием объемного видения.

Голограмма является единственным способом имитации процесса объемного видения, который обеспечивает нам аналогичную возможность.

При наблюдении мнимого изображения наблюдатель воспринимает правым и левым глазом лучи, формируемые различными участками голограммы. Таким образом, каждый глаз наблюдателя воспринимает изображение объекта с разных точек зрения. Правым глазом он видит объект чуть справа, а левым глазом - чуть слева. В результате на сетчатках его глаз образуются диспаратные изображения. Получив по нервным каналам информацию об этих изображениях, мозг производит соответствующую обработку информации (как показано на рис. 2, см. также [2]) и создает в сознании наблюдателя ощущение объемности данного предмета. При изменении позиции наблюдения голограммы изображения, воспринимаемые глазами, будут сформированы лучами, проходящими уже через другие участки голограммы. На сетчатках его глаз образуется новая стереопара и он увидит объемный предмет в новом ракурсе.

Смена ракурсов наблюдения голографического изображения не ограничена какой-либо цифрой, как и в случае рассматривания реального предмета. Именно это обстоятельство является причиной исключительно сильного ощущения объемности, во много раз превосходящей то, что возможно при растровой стереофотографии.

Однако читатель, по-видимому, заметил, что сам принцип возникновения объемного изображения в голографии ничуть не отличается от обычной стереофотографии. В конечном итоге процесс объемного видения сводится к одному и тому же: правый глаз наблюдателя видит только правое изображение (это один участок голограммы), а левый глаз - только левое изображение (это другой, соседний участок голограммы). То же самое было и в стереоскопах XIX века, только там был зафиксирован один единственный ракурс и тем самым была уничтожена свобода выбора ракурса и, следовательно, существенно снижен стереоэффект.