Как создаются голографические цветные изображения

Голографическое изображение, восстановленное в лучах лазера, имеет один чистый цвет. В большинстве экспериментов это красно-оранжевый цвет, т. е. цвет монохроматического излучения данного лазера.

Известно, что для получения белого и всех остальных цветов достаточно трех цветов, называемых основными или первичными: красного, зеленого и сине-фиолетового [2].

Цветные световые пучки трех основных цветов попадают в наши глаза независимо друг от друга и, раздражая различные элементы сетчатки, вызывают ощущение того или иного Цветового оттенка.

Такой способ оптического смешения цветов, получаемый как бы сложением основных цветов, называется аддитивным, или слагательным.

Примером аддитивного смешения может служить современное цветное телевидение, где на экране кинескопа имеются три люминофора, способных испускать три основных цвета красный, зеленый и синий. Благодаря этому экран цветного телевизора показывает нам одновременно три изображения - красное, зеленое и синее, причем на самом экране они не смешиваются, а попав на сетчатку глаза и раздражая в определенной пропорции три типа рецепторов, вызывают в сознании человека ощущения многоцветного изображения с множеством оттенков.

По аналогии с цветным телевизором можно создать и цветное голографическое изображение. Для этого следует соединить в одном и том же месте три монохроматических голографических изображения, а именно: красное, зеленое и синее. Рассматривая эти три наложенные друг на друга изображения в основных цветах, мы увидим многоцветное изображение.

Схема получения многоцветной голограммы [23] приведена на рис. 44. Лазер 1 излучает красный свет, лазер 2 - синий и зеленый. С помощью полупрозрачного зеркала 3 оба световых пучка совмещаются в пространстве и направляются в систему линз 4, расширяющих пучок до нужного сечения. Таким образом, объект 5 и зеркало 6 освещаются одновременно тремя основными цветами излучения. На фотопластинку 7 падает предметный пучок трех цветов и опорный пучок трех цветов, причем интерференция происходит независимо в трех участках спектра. На этой голограмме образуются три дифракционные решетки, каждая из которых должна взаимодействовать со своим цветом излучения.

Рис. 44. Схема, поясняющая принцип регистрации голограммы для получения цветного голографического изображения. Для его восстановления необходимы эти же три лазера, т. е. три когерентных цветных луча

Для восстановления волнового фронта, т. е. цветного изображения, необходимо использовать тот же комплекс лазеров. При этом красный свет дифрагирует на "красной" решетке и создает красное изображение предмета; зеленый свет дифрагирует на "зеленой" решетке и дает зеленое изображение предмета; синий свет дифрагирует на "синей" решетке и дает синее изображение предмета. Объединяясь в одной плоскости, эти три независимо существующие изображения дают многоцветное изображение.

Однако красный свет дифрагирует также на "зеленой" и "синей" решетках и дает еще два изображения красного цвета, несколько отличающихся размеров и смещенных относительно основного многоцветного изображения. Аналогично дифрагируют на "чужих" решетках синие и зеленые лучи, благодаря чему помимо многоцветного изображения образуется еще шесть дополнительных одноцветных (трех цветов) изображений, искаженных по размерам и смещенных различным образом. Эти шесть изображений могут накладываться друг на друга или на основное цветное изображение, поэтому схему на рис. 44 следует рассматривать только как иллюстрацию метода.

На этапе восстановления изображения голограмма Ю. Н. Денисюка с толстой эмульсией обладает большим преимуществом перед тонкослойной голограммой, рассмотренной выше. Ложные изображения полностью устраняются, а при восстановлении уже не нужны три лазера. Пространственная дифракционная решетка Липпмана выделяет из белого света лампы накаливания или дневного света использованные при записи голограммы три монохроматические волны основных цветов - красного, зеленого и синего, заменяя лазеры.

Таким образом, при помощи объемной среды регистрации в голограмме Денисюка можно получить цветное голографическое изображение. Однако и в этом случае регистрация цветного изображения должна выполняться по схеме, аналогичной приведенной на рис. 44, т. е. с помощью трех основных цветов излучения.

Чтобы оценить возможность получения цветного голографического изображения, удовлетворяющего современным требованиям, рассмотрим схему, показанную на рис. 45. Лазер 1 дает красное излучение, лазер 2 - синее и зеленое; затем с помощью полупрозрачного зеркала 3 лучи совмещаются в пространстве и направляются на линзы 4, где сечение пучка расширяется. После этого трехцветный пучок разделяется на два пучка полупрозрачным зеркалом 5. Один из этих пучков освещает предмет 6, и отраженные от него лучи создают предметный пучок, падающий на фотопластинку 7 с одной стороны. С другой стороны на эту же пластинку падает опорный пучок, отраженный от зеркала 8 и выделенный из основного пучка полупрозрачным зеркалом 5.

Рис. 45. Схема, поясняющая принцип регистрации голограммы в толстослойной эмульсии для получения цветного голографического изображения. Для восстановления этого изображения достаточно белого света

Если предположить, что регистрация голограммы выполняется по схеме Денисюка, а восстановление изображения будет производиться в белом свете, то нетрудно понять, что результирующая цветопередача, т. е. точность воспроизведения цвета оригинала, будет заложена при регистрации голограммы.

Каким образом можно влиять на цветопередачу? Во-первых, длины волн излучения лазеров должны быть выбраны правильно, т. е. соответствовать трем основным цветам. Во-вторых, необходимо иметь возможность плавно и независимо друг от друга изменять вклад каждой цветной компоненты в суммарное изображение.

Известно, что основные цвета избраны не произвольно, а в соответствии со спектральной чувствительностью трех типов рецепторов, имеющихся в сетчатке глаза человека. В работе [2] приведены кривые цветовой чувствительности глаза, причем максимум чувствительности красного цвета соответствует длине волны порядка 0,58 мкм, т. е. максимум относится к оранжевому цвету. "Зеленый" максимум соответствует λ=0,54 мкм, а "синий" максимум соответствует λ=0,45 мкм.

В соответствии с этим, для записи цветных голограмм нужно было бы иметь лазеры с излучением аналогичных длин волн. Однако газовый лазер с наперед заданной длиной волны излучения пока не создан. Ниже приведены существующие лазеры, приближающиеся по виду излучения к основным цветам.

Таблица 1 [11]

Из табл. 1 видно, что уже при подборе триады излучений начинается нарушение цветопередачи из-за того, что не существует лазеров, излучающих свет основных цветов. К тому же разброс мощности излучения существующих лазеров весьма велик.

На практике сейчас применяют для цветного голографирования два лазера [22, 23]: 1) гелий-неоновый с λ=0,63 мкм, т. е. красный; 2) аргоновый с λ₁=0,51 мкм (зеленый) и λ₁=0,49 мкм (синий).

Второе условие получения правильной цветопередачи требует плавного изменения мощности излучения каждого лазера, причем необходима независимая регулировка каждой цветовой компоненты, т. е. мощности данного цвета. Это более трудная задача, в настоящее время еще практически не решенная.

В целом современная голографическая техника не обеспечивает возможности коррекции цветопередачи цветного изображения, поэтому все полученные экспериментаторами цветные голографические изображения имеют, как правило, какой-то доминирующий цвет [24].

Однако есть еще дополнительный фактор, усугубляющий трудности воспроизведения правильных цветов. После проявления фотопластинки, фиксирования, промывки и сушки происходит усадка желатиновой эмульсии, причем усадка достигает 15 - 20%. В результате этого отражающие плоскости объемной дифракционной решетки Липпмана сближаются и начинают выделять из белого света гораздо более короткую волну, чем нужно. В связи с этим неизбежно появление синего оттенка цветного изображения. Для компенсации этой усадки предложено промывать голограмму в растворе триэтаноламина [23].

Итак, хорошее по цветопередаче цветное изображение с газовыми лазерами создать весьма трудно из-за приближенного соответствия имеющихся излучений трем основным цветам, невозможности плавно управлять мощностью излучения лазеров и существенного изменения цвета из-за усадки желатина. Однако все эти недостатки, пожалуй, не являются главными, поскольку основным препятствием к практическому применению цветной голографии с использованием газовых лазеров является слишком сложная техника записи голограмм, которая будет рассмотрена ниже.

Цветные голографические изображения могут быть получены и с помощью импульсных лазеров, когда съемка производится моментально. Однако в настоящее время имеется только рубиновый импульсный лазер, дающий красное излучение. Более сложным путем можно получить импульсы зеленого излучения, а лазер синего излучения, по-видимому, еще не создан.