Техника и материалы голографии

Для оценки применимости голографического метода как средства стереоскопии рассмотрим кратко технику Голографирования с газовыми лазерами. Газовые лазеры непрерывного излучения, как видно из табл. 1, имеют относительно малую мощность, поэтому длительность экспонирования в их пучках составляет от минуты и до десятков минут.

В то же время из самого принципа голографии следует, что фазовые сдвиги между интерферирующими пучками должны определяться только конфигурацией предмета. Однако возможен фазовый сдвиг за счет смещения деталей голографической установки. Конечно, такой сдвиг не песет полезной информации и является помехой, поскольку он изменяет картину интерференции. Когда смещение деталей достигает λ/2, интерференцированная картина полностью размывается, т. е. получение голограммы становится невозможным.

Это предъявляет особенно жесткие требования к стабильности положения тех оптических деталей, через которые свет проходит или от которых он отражается. Отражающие и рассеивающие свет оптические детали (включая и предмет съемки), как правило, не должны смещаться более чем на λ/8- Для примера возьмем среднюю длину волны -зеленую с λ=0,54 мкм. Тогда допустимое смещение будет 0,0675 мкм. Это исчезающе малая величина, и обеспечить такую стабильность чрезвычайно трудно.

Причины смещения относятся к двум категориям: тепловые явления и механические явления [24].

Тепловые явления. Обычно фотопластинку устанавливают незадолго до регистрации голограммы. Прикосновение пальцев экспериментатора вызывает местное повышение температуры и деформацию желатины вследствие ее расширения. Такие же деформации возникают в любых деталях голографической установки, к которым прикасаются руки человека перед съемкой. Следовательно, необходимо дождаться установления теплового равновесия и только потом приступить к голографированию.

Турбулентность воздуха вызывает случайные локальные изменения его показателя преломления, что приводит к дополнительным изменениям фазы и меняет картину интерференции. Турбулентность воздуха может быть вызвана также присутствием экспериментатора возле установки.

Чтобы устранить такие возмущения, желательно поместить установку внутрь достаточно изолированный камеры.

Механические явления. После закрепления деталей и поддерживающих элементов на рабочем столе форма их меняется также за счет созданных внутренних напряжений и колебаний. Следовательно, надо также ждать, пока наступит статическое равновесие всей установки.

Очень трудно исключить влияние внешних ударов и вибраций, возбуждаемых уличным движением, работой каких-либо механизмов и т. д. Эти сотрясения передаются рабочему столу через землю и даже через воздух.

Чтобы снизить вибрации до указанной величины (¹/₈λ), детали установки обычно располагают на массивной гранитной, бетонной или стальной плите, которая, в свою очередь, покоится на накачанных автомобильных камерах. Предложено использовать разметочные плиты, выпускаемые нашей промышленностью. Такая плита весит около тонны, причем ее можно разместить на автомобильных камерах.

Голографический стол, описанный в [25], делают из стального каркаса, который с обшивкой весит 500 кг. Рабочая плита размещается на крышке, сделанной из 40-мм досок. Рабочая плита представляет собой заполненный бетоном короб, сделанный из 2-мм стали. Размер короба 2×1×0,1 м. После заливки бетоном короба на него кладут сверху 6-мм стальной лист. Весит такая плита 500 кг. Между каркасом и крышкой лежат три сообщающиеся автомобильные камеры с давлением 0,3+0,4 атм.

Все изложенные трудности отпадают, если в качестве источника излучения использовать импульсный лазер. Тем не менее применение таких лазеров в голографии не получило пока большого распространения из-за небольшой длины когерентности, низкого качества изображения, сложности запуска и высокой стоимости этой установки [24].

Читателю, усвоившему основные принципы голографии, не нужно доказывать, что для регистрации голограммы необходима светочувствительная эмульсия с чрезвычайно высокой разрешающей способностью, поскольку размеры элементов на голограмме соизмеримы с длиной волны света.

В обычной фотографии длина волны не имеет решающего значения для регистрации изображения, поскольку почернение эмульсии пропорционально суммарной энергии многих длин волн, получаемой ею во время экспозиции. В голографии необходимо считаться с длиной волны, поскольку она имеет уже прямое отношение к регистрации изображения. В то же время спектральные характеристик светочувствительной эмульсии играют очень важную роль, так как все лазеры испускают монохроматические пучки и максимум чувствительности эмульсии по возможности должен совпадать с длиной волны излучения лазера.

В то время как в обычной фотографии достаточно иметь разрешающую способность 50÷100 лин/мм, в голографии требуется 15004÷3000 лин/мм, т. е. почти в 30 раз больше. Для регистрации голограмм в толстослойной светочувствительной эмульсии применяют слои с разрешающей способностью до 5000 лин/мм.

Таким образом, первой важнейшей для голографии характеристикой эмульсии является ее разрешающая способность, причем требуются фантастические, с позиций обычной фотографии, значения.

Вторая важная для голографии характеристика - светочувствительность эмульсии, которая меняется обратно пропорционально ее разрешающей способности, т. е. первая и вторая характеристики находятся в противоречии, порождающем значительные трудности.

Очевидно, поступиться разрешающей способностью нельзя, так как голограмма не получится вообще. Тогда следует примириться с низкой светочувствительностью, которая обусловливает необходимость применения мощных лазеров или длительного экспонирования. Газовые лазеры, как известно, обладают низкой мощностью, поэтому их использование связано с исключительно высокими требованиями к температурной и механической стабильности. Даже если использовать "простой" голографический стол [25], желательно всячески уменьшать экспозицию, чтобы снизить вероятность того, что какой-то непредвиденный механический удар превысит стабилизирующие возможности голографического стола и испортит голограмму.

В книге [23] приведена таблица с перечнем имеющихся голографических фотопластинок и фотопленок.

Третья важная характеристика-спектральная чувствительность. В книге [22] приведены графики спектральной чувствительности некоторых эмульсионных слоев. Из них только пленка "Кодак 649F" имеет равномерную чувствительность по всему видимому спектру. Другие пленки имеют относительно узкие зоны чувствительности, что требует точного подбора длины волны, излучаемой лазером при работе с той или иной эмульсией.

Рассмотренные три характеристики не исчерпывают всех специфических требований голографии. Так, необходимо, чтобы неравномерность толщины фотопластинки не превышала половины длины волны. Это относится и к толщине эмульсионного слоя и стеклянной подложки. Наличие большей неравномерности порождает крупномасштабный шум. Очевидно, такие условия требуют исключительной тщательности в изготовлении фотопластинок, что в конечном итоге существенно увеличивает их стоимость. Кроме того, за счет флюктуации прозрачности желатинового слоя а также за счет зернистости появляется мелкомасштабный шум, в результате чего мелкие детали не передаются на восстановленном изображении. При химической обработке изменяется плотность эмульсии, что также ухудшает качество изображения.

В итоге можно отметить, что голография требует решения множества сложнейших проблем в части фотоматериалов, не известных в классической фотографии.