В фотографии регистрируется распределение интенсивности световых волн в двумерной проекции изображения объекта на плоскости фотоснимка. Однако, информация об объемности объекта заложена не только в амплитуде, но и в фазе световых волн, распространяющихся от точек регистрируемого объекта. Поэтому, под каким углом мы ни рассматривали бы фотографию, мы не видим новых ракурсов. Не можем увидеть также предметы, расположенные на заднем плане и скрытые впереди стоящими. Перспектива на фотографии видна лишь по изменению относительных размеров предметов и четкости их изображения. Итак, фотография, на первый взгляд являющаяся объективным способом регистрации изображений, при детальном рассмотрении дает весьма субъективную информацию, рассчитанную на восприятие человеческим глазом. Недостатки фотографии в полной мере компенсируются принципиально новым методом регистрации изображений, получившим название голография.

Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интереференции световых волн. Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того, чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени.Такие согласованные волны называются когерентными. Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм. Обычные источники света не обладают достаточной степенью когерентности для использования в голографии. Поэтому решающее значение для ее развития имело изобретение в 1960 г. оптического квантового генератора или лазера - удивительного источника излучения, обладающего необходимой степенью когерентности и могущего излучать строго одну длину волны. Деннис Габор, изучая проблему записи изображения, выдвинул замечательную идею. Сущность ее реализации заключается в следующем. Если пучок когерентного света разделить на два и осветить регистрируемый объект только одной частью пучка, направив вторую часть на фотографическую пластинку, то лучи, отраженные от объекта, будут интерферировать с лучами, попадающими непосредственно на пластину от источника света. Пучок света, падающий на пластину, назвали опорным, а пучок, отраженный или прошедший через объект, предметным. Учитывая, что эти пучки получены из одного источника излучения, можно быть уверенным в том, что они когерентны. В данном случае интерференционная картина, образующаяся на пластинке, будет устойчива во времени, т.е. образуется изображение стоячей волны.--> Голограмма формирует реальное объемное изображение, в отличие от фотографии и даже от таких подделок под объемность, как стереограммы. Реальность состоит в том, что голограмму можно наблюдать с разных точек, наблюдая части объекта или сцены, которые были скрыты при наблюдении с другой точки зрения. В этом смысле голографическое изображение ведет себя полностью как реальный объект. Особенно хорошо это иллюстрируют голографические изображения прозрачных объектов, например, голограмма линзы полностью сохраняет все свойства реальной линзы, и поэтому через изображение линзы можно просматривать увеличенное изображение расположенных за ней объектов. Правда, на голограмме не могут быть отображены самосветящиеся объекты, например, электрическая лампа. Это следует из самой технологии голографии - снимаемый объект должен быть освещен лазерным светом, и только этот свет фиксируется на голограмме.

1-й этап - Запись пропускающей голограммы

Пучок лазера 1 делится на два полупрозрачным зеркалом 2. Первый пучок, называемый сигнальным, направляется зеркалом 3, расширяется линзой 4 и освещает объект 7. Второй пучок, называемый опорным, так же направляется зеркалом 3, расширяется линзой 4 и падает непосредственно на фотопластинку 8. Фотопластинка регистрирует картину интерференции между опорным пучком света и светом, отраженным от объекта. Картина интерференции – это мельчайшие перепады интенсивности света с периодом менее 1 микрона.

Импульсный лазер позволяет записывать на голограмму любые объекты, например, делать портреты людей, снимать домашних животных и т. д. После обычной фотохимической обработки фотопластинки получается пропускающая голограмма (голограмма Лейта-Упатниекса). Если осветить такую голограмму лазерным пучком света, можно увидеть объемное изображение объекта. В обычном белом свете пропускающая голограмма изображение не восстанавливает и поэтому требуется ее копирование на отражающую голограмму.

2-й этап - Запись отражающей голограммы

На второй стадии пропускающую голограмму 9 освещают восстанавли-вающим пучком 6, направленным противоположно опорному пучку при записи голограммы. В этом случае голограмма восстанавливает так называемое «действительное» изображение 7, которое располагается в пространстве перед голограммой на том же месте, где находился объект. В этом месте помещают фотопластинку 8, которая регистрирует интерференционную картину двух пучков света – опорного 5 и пучка, создающего действительное изображение объекта. Так как пучки приходят с разных сторон фотопластинки, на ней регистрируется отражающая голограмма (голограмма Денисюка), которая может восстанавливать объемное изображение в обычном, белом свете. Регулируя расстояние между пропускающей голограммой и фотопластинкой, можно менять положение изображения, располагая его за плоскостью голограммы и даже перед ней!

Согласно закону невзаимозаместимости , при очень короткой экспозиции чувствительность фотопластинок заметно падает. Это непосредственно касается записи голограмм импульсным лазером на неодиме, длительность импульса которого составляет порядка 20 нсек. В результате приходится либо увеличивать энергию импульса, либо использовать неоптимальное проявление, приводящее к повышенным шумам в изображении. Для устранения этого нежелательного явления можно использовать известный в фотографии эффект латенсификации . Эффект заключается в усилении скрытого изображения слабой и длительной засветкой фотопластинки некогерентным светом сразу после записи голограммы. При этом происходит увеличение центров скрытого изображения до размеров, характерных для нормальной экспозиции. Примечательно, что воздействие такой слабой засветки на неэкспонированную фотопластинку не приводит к появлению какой-либо заметной плотности почернения при проявлении.

Формат DV Cam . Достоинства. Недостатки. Применение.

Высокие темпы внедрения цифровой техники в нашу жизнь в значительной степени предопределило появление несколько лет назад устройств, созданных на базе компрессии DV. Высокое качество изображения, взаимная совместимость оборудования разных производителей, доступность по цене - вот те главные обстоятельства, которые послужили причиной выбора миллионов людей в пользу нового стандарта.

Формат DVCAM, впервые представленный фирмой Sony в 1996 году, является профессиональным вариантом стандартного формата DV. В формате DVCAM используется 8-битная цифровая компонентная запись со сжатием 5:1 и соотношением частот дискретизации 4:1:1 (для сигнала 525/60) или 4:2:0 (для сигнала 625/50). Уникальный алгоритм сжатия изображения обеспечивает высокое качество изображения и возможность многократной перезаписи без ухудшения качества. При записи яркостного и цветоразностных сигналов используются 8-бит квантование и частоты дискретизации 13,5 и 6,75 МГц соответственно. Записываемый поток видеоданных 24,948 Мбит/с, общий записываемый поток 41,85 Мбит/с. Минимальная длина волны записи 0,488 мкм, что соответствует продольной плотности записи 4098 бит/мм.

DVCAM фирмы Sony имеет по существу те же параметры записи на ленту, что и DV, но шаг и ширина дорожек увеличены до 15 микрон (вместо 10 микрон у DV). Шаг дорожки зависит от скорости, с которой лента движется относительно головок, и с углом, под которым дорожка записывается поперек ленты. Ширина дорожки - это реальная ширина записи дорожки на ленте. У DVCAM нет предохранительной полосы между дорожками, поэтому ширина дорожки совпадает с шагом. С увеличением ширины дорожки сокращается продолжительность записи на лентах равной длины, но и снижается влияние пропусков, поскольку каждый кадр записывается на большей площади ленты. Большинство устройств DVCAM могут воспроизводить только DV и DVCAM, однако новая дека Sony DSR-2000 будет воспроизводить и DVCPRO.

Звук сигнал 48 кГц/16 бит.

Своим высоким качественным и эксплуатационным показателям аппараты DVCAM во многом обязаны замечательным свойствам металлизированной ленты AME (Advanced Metal Evaporated – «улучшенная металлонапыленная»), разработанной Sony.

ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЙ БИЛЕТ №7

Современные тенденции в области техно­логий голографической защиты направле­ны на использование комбинированных методов и средств защиты, причем чем дальше отстоят друг от друга защитные элементы (методы) в технологическом от­ношении, тем труднее задача для будуще­го злоумышленника. Исходя из этой кон­цепции, можно сформулировать опреде­ленные требования к уровню (степени) защищенности:

уровень защищенности голограммы должен соответствовать ее назначению, (высокий уровень для более ответствен­ного применения метки);

степени голографической защиты должны выполняться по различным техно­логиям так, чтобы их нельзя было воспро­извести в рамках обычного голографического процесса;

идентификация подлинности голог­раммы должна представлять собой много­ступенчатую процедуру, в которой каж­дый из наблюдателей опознает свой за­щитный элемент или группу элементов;

набор защитных элементов должен включать в себя: степени защиты, опозна­ваемые неосведомленным наблюдателем на уровне впечатления; степени защиты, предназначенные для различных уровней осведомленности наблюдателя, а также степени защиты с автоматической иденти­фикацией, не зависящей от квалификации и осведомленности наблюдателя.

В зависимости от применяемых техно­логий изготовления голограммы делятся на:

физические,

мультиплексные,

синтези­рованные.

При изготовлении физических голограмм используют натурный объект.

Получение мультиплексных голограмм основано на технологии многоракурсной съемки физических голограмм.

Синтези­рованные голограммы - это результат математических расчетов голографического поля и прямого его рисования тем или иным способом на соответствующим носителе. В радужных голограммах изображение за счет частоты и угловой ориентации дифракционных решеток. Эти решетки могут создаваться путем прямого рисования сфокусированным электронным или оптическим лучом. Для этого существуют специальные ус­тановки, например, электронно-лучевой литограф. В последнее время большое распространение получили установки, которые позволяют получать радужные картинки, состоящие из большого коли­чества точек, размером 10-15 мкм. Каж­дая точка представляет собой простей­шую дифракционную решетку.

Сочета­ние вышеперечисленных способов запи­си картинок в одном изображении полу­чило название комбинированного .

Существует иная классификация го­лограмм по способу их изготовления. Она включает в себя три типа:

аналоговый - при изготовлении используется оптический стол (большая металлическая плита, которая устанав­ливается на специальных балансирую­щих элементах для достижения макси­мальной точности в создании оптичес­кой схемы для записи), соответствую­щий лазер.

электронный - запись голографического изображения на матрице произво­дится электронным пучком по заранее составленной компьютерной программе (кстати, мультиплексные голограммы являются одним из результатов элект­ронного способа).

комбинированный - включает эле­менты производства двух других способов.

Таблица 13.2

Примеры отдельных методов голографической защиты

Инновационные технологии в производстве товарных знаков и этикетки

Голографические технологии уже сравнительно давно внедрены в область защиты и идентификации документов, упаковок и этикеток. Они, в отличие от оптически неизменяемых и легко подделываемых путем репродуцирования защитных элементов, обеспечивают возможность получения преломляемых световыми лучами оптически изменяемых изобразительных элементов. Эти технологии носят название OVID, что означает «optically variable image devices – средства с оптически изменяемыми изображениями». Потребителя привлекают высокое качество изображения, а также возможность в течение длительного времени предотвращать фальсификацию защищаемых изделий. Ему для этого предлагается целый ряд оригинальных решений, которые не только обеспечивают высокую степень надежности, но и привлекательный вид продукции.

Для изготовления продуктов DOVID имеется ряд возможностей. Самая простая из них – механический перенос структур. Для этого могут быть изготовлены мало привлекательные геометрические структуры, часто используемые в упаковочном производстве.

Точечная матрица с изображением основана на дифракционных, преломляющих свет, точках изображения, вводимых одна за другой в фоторезист, посредством двух накладывающихся в фокусе лазерных лучей. Путем компьютерного синхронизированного экспонирования и одновременного перемещения фоторезиста возможно записать изображение на поверхности фотографического материала аналогично записи на матричном принтере. Здесь речь идет еще не о голографической технике, а о взаимном наложении лазерных лучей. Полученное изображение не является трехмерным и имеет относительно невысокое разрешение, а поэтому способ имеет ограниченное применение в защитной технике.

Способ маскирующей интерференционной голографии также находит применение в технике защиты этикеток. В то время как в предыдущем способе два лазерных луча образуют одну маленькую точку, этот способ требует области наложения обоих лазерных лучей, протяжение которой превышает величину будущего изображения. Посредством очень близкого наложения маскирующего слоя на фоторезист становится возможным создать четко обозначенную площадь изображения. Путем повторного экспонирования последовательности точно расположенных фотографических масок, содержащих соответствующие компоненты изображения при одновременном изменении направления лучей получают двумерное дифракционное изображение. Здесь можно воспроизводить как цветные, так и перемещающиеся сюжеты.

Способ электронно-лучевой литографии включает ту же технологию, что и способ точечной матрицы. Существенное же различие состоит в использовании электронного луча для экспонирования голографической пластины. Этим способом описывается по отдельности каждая полоска, что обеспечивает большую техническую гибкость и точность. Но его реализация требует много времени.

Классическая трехмерная голография – это техника оптической физики как части волновой оптики. В отличие от предыдущих методов, здесь возможно получение действительного трехмерного изображения на двухмерном носителе. Здесь можно получить всю оптическую информацию об объекте. В этой технологии запись производится на специальную голографическую пленку, которая дает возможность записи трехмерного изображения.

Голограмма может содержать больше одного изобразительного элемента. Например, защитная голограмма для области банкнот включает до 50 элементов изображения или цветных элементов, которые размещаются в различных слоях. Комбинация ярких переливчатых изображений DOVID со свойствами классической радужной тисненой голограммы создает не только очень эффективную защиту от фальсификации, а также благодаря своему эстетичному виду привлекает внимание потребителя и обеспечивает его повторное распознавание.

Для повышения защиты от фальсификации используются комбинации разных голографических методов защиты. Чаще всего применяются сочетания матричного лазерного интерференционного способа с классической голограммой.

Для массового производства используются копировальные способы на фоторезист . При изготовлениитисненых голограмм на него экспонируется радужная копия. На этом высокоразрешающем материале получается голографическая интерференционная структура с поверхностным рельефом, который в последующем формуется гальваническим путем и переносится на никелевую матрицу. Эти матрицы служат инструментами для тиснения в машинах, где с помощью нагрева и давления на пленочном материале образуется рельеф глубиной менее 0,0005 мм. Далее этот материал используется для создания защищенного голографического изображения.

Голограммы различной структуры сегодня уже используются достаточно широко при изготовлении банкнот, кредитных карточек, защиты товаров, как гарантия подлинности ценных бумаг. Также голография находит широкое применение для защиты марок. Снабженные голограммами этикетки часто применяются для идентификации, а также как знак подлинности товара. Есть все основания считать, что голографические способы защиты будут находить все более широкое применение в производстве и использовании этикеток.

В область внедрения новейших технологий изготовления и использования этикеток хорошие перспективы имеют такие технологии как использование радиочастот (RF) ,электромагнетика (EM) иакустомагнетика АМ , которые интенсивно развиваются и имеют хорошие шансы использования, в частности, в этикеточном производстве.

Одним из новых способов идентификации продукции по этикеткам является международная нормированная 13,56-мегагерцовая технология радиочастотной идентификация RFID (Radio Frequency Identification) . Проведенные рыночные исследования показали хорошие перспективы ее внедрения на рынке. Эта технология особенно пригодна для особых случаев применения, как, например, в области логистики и транспортировки товаров, а также входного контроля и опознания. Хорошие шансы для внедрения имеет технология так называемых интеллектуальных этикеток с интегрированным транспондером (приемопередатчиком на интегральных схемах).

Для массового применения технологии особенно привлекают ее надежность и доступность по стоимости. Известный производитель машин и устройств для обработки бумаги фирма Bielomatic уже разработала полностью новую концепцию машин. Будущие интеллектуальные электронные бумажные продукты как билеты (Smart-Ticket), этикетки (SmartLabels) и т. п. могут изготавливаться большими тиражами рационально и с возможностью контроля при интеграции с ними специального оборудования.

Технология RFID основывается на передаче данных посредством радиоволн. Записывающее/считывающее устройство передает энергию на антенну в электромагнитном поле с интегрированной микросхемой (чипом). Обмен данными и энергией осуществляется в двустороннем их взаимодействии. Этим самым обеспечивается быстрый и надежный обмен данными. В настоящее время обмен информацией может осуществляться на расстояние в пределах 1 метра. Комбинация антенна/чип может быть, например, встроена в карту или в любую оболочку.

Транспондерная техника по сравнению с другими системами идентификации, как, например, штриховые коды, имеет значительные преимущества. Так, данные могут считываться без визуального контакта, устройство для записи данных может перепрограммироваться, а благодаря антиконфликтным механизмам одновременно можно выполнять считывание нескольких транспондерных карт. В наиболее распространенных системах каждый транспондер имеет 32-битовый серийный номер и накопитель пользователя емкостью 256 бит. Современные транспондеры могут быть без проблем интегрированы в этикетки, а в дополнение к этому они могут быть запечатаны. Что касается области логистики, то с помощьютранспондерных этикеток быстро и надежно считывающими устройствами могут опознаваться контейнеры с товарами, проводиться идентификация продуктов или определяться места их хранения на складе. При этом совершенно исключаются ошибки ручного ввода данных или считывания загрязненных штриховых кодов.

Для маркировки товаров или любого типа упаковки используются самоклеящиеся голографические этикетки иликомбинированные этикетки (полиграфия + голографический элемент) . Любая этикетка может быть выполнена на разрушающейся основе, т.е. быть пломбой, что гарантирует защиту от вторичного использования или несанкционированного вскрытия. Для термоусадочных колпачков поставляется голографическая ленточка.

Самоклеящиеся голографические этикетки. Если выпуск продукции с голограммами разовый, а тираж составляет от нескольких десятков до нескольких тысяч, то наиболее целесообразно, просто и экономически выгодно наклеивать голограммы вручную, не забыв запланировать на эту операцию дополнительное время. Один человек, в зависимости от типа, размера, конфигурации голограммы, точности позиционирования на поверхность изделия и других параметров может наклеить в среднем не более 500 голограмм в час, т. е. в течение рабочего дня ‑ примерно 4 тысяч.

В тех случаях, когда тираж голограмм составляет несколько тысяч и голографические этикетки необходимо приклеить на готовые изделия, также можно обойтись ручным трудом. В этом случае работу по наклейке голограмм выполняет не один человек, а несколько. Можно также использовать этикетировочные пистолеты, если позволяет продукция.

Когда голографические самоклеящиеся этикетки используются в больших количествах и их тираж составляет миллионы штук, многие производители продукции ставят в технологическую линию этикетировочные автоматы, которые широко представлены отечественными и зарубежными моделями. При запуске этого оборудования учитывают специфику поверхности, на которую в дальнейшем будет наноситься голограмма, в т. ч. ее характер (плоская или криволинейная); часто требуется нанести голограмму на угол, т. е. изогнуть под прямым углом.

Спектр материалов, на которые наклеиваются голограммы, очень широк: бумага, кожа, дерево, пластик и т. д.

Производительность этикетировочного оборудования обычно рассчитывается в зависимости от объемов производства продукции плюс некоторый запас в случае увеличения объемов продаж.

(от греч. холос – полный и графо – пишу) – способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при помощи когерентного (см . КОГЕРЕНТНОСТЬ) излучения лазера. Голограмма фиксирует не само изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее амплитуду и фазу). Для получения голограммы необходимо, чтобы на фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и опорный – приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и светлых полос – картину интерференции.

На экспонированной таким образом и проявленной пластинке отсутствует какое-либо изображение, однако его в зашифрованном виде содержит система интерференционных полос, и если голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет «восстановленная голограмма» – объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве. Меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предметы на первом плане и увидеть детали, ранее скрытые от взгляда, Свет, проходя сквозь систему черно-белых полос голограммы, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета (см . КОЛЕБАНИЯ И ВОЛНЫ). Аналогичным образом лазерный луч, пропущенный сквозь отверстие очень малого диаметра, даст на фотопластинке, поставленной за отверстием, систему колец (так называемые «кольца Френеля»). А световой пучок, проходящий сквозь их изображение («зонную пластинку»), сойдется в точку. Кольца Френеля представляют собой простейшую голограмму – голограмму точки.

Голографию изобрел (и придумал название) английский физик Деннис Габор в 1947, исследуя законы построения изображений в оптике и работая над совершенствованием электронного микроскопа. Он пришел к выводу, что зарегистрировать полное изображение предмета можно без объектива, используя только пучок когерентного монохроматичного света. Первые голограммы были получены им при помощи ртутной лампы, из спектра излучения которой «вырезалась» очень узкая полоса частот. Диаметр пучка составлял 1–2 микрона, а время экспозиции – несколько часов. Между источником света и фотопластинкой помещался либо прозрачный объект, либо предмет небольшого размера, так что излучение источника выполняло одновременно функции и предметного, и опорного пучков. Поэтому при восстановлении голограммы возникали сразу два изображения на одной линии, которые создавали взаимные помехи при регистрации. Все это делало невозможным практическое применение голографии, и о ней надолго забыли.

После появления мощного источника когерентного света – лазера интерес к голографии вспыхнул вновь. В 1962 американские оптики и радиофизики Эммет Лейт и Дж. Юрис Упатниекс усовершенствовали схему Габора, разделив предметный и опорный пучки, которые стали теперь пересекаться непосредственно перед фотопластинкой. Это позволило, во-первых, голографировать непрозрачные предметы сложной формы, а во-вторых, разнести восстановленные изображения в пространстве. Схема Лейта – Упатниекса стала основой современных голографических установок.

В это же время на голографические методы записи изображения обратил внимание российский физик Юрий Николаевич Денисюк. Он создал принципиально новый способ записи голограмм в толстом слое фотографической эмульсии. Предметный и опорный пучки приходят к пластинке с разных сторон и интерферируют. В объеме ее эмульсионного слоя на разной высоте в областях максимумов интерференции возникают микроскопические пятна почернения. Падающий на проявленную голограмму свет отражается от них и, интерферируя, формирует восстановленное изображения предмета. При этом из голограммы выходят только свет, частота которого равна частоте записывающего лазерного излучения, а все остальные частоты автоматически подавляются. Объемную голограмму восстанавливают обычным белым светом, получая монохромное изображение.

В своей работе Ю.Денисюк опирался на способ получения цветных фотографических изображений, разработанный французским физиком Габриэлем Липпманом в 1891. Луч света из объектива его фотоаппарата попадал на пластинку, залитую с обратной стороны ртутью (ее слой служил зеркалом). Отраженные световые волны интерферировали с падающими, создавая в толще фотографической эмульсии стоячие волны. В местах их пучностей возникали области почернения – отражающие поверхности, каждая из которых отражала свет только «своего» цвета. Изображение было цветным, но не объемным.

Современная технология позволяет копировать объемные голограммы «по Денисюку» типографским способом. Для этого голограмму получают в особом светочувствительном материале – фоторезисте. После экспонирования материал обрабатывают растворителем, который смывает его слой до зон почернения. Образуется микрорельеф, с которого снимают отпечаток – матрицу. При помощи этой матрицы в пластическом материала печатают копии голографического рельефа, покрывают их слоем металла и прозрачной защитной пленкой. Таким способом изготавливают защитные марки на упаковках пищевых продуктов и документах. Подделать их практически невозможно.

Голографические изображения можно получать при помощи любых когерентных волн, например, акустических, возбужденных в жидкости синхронно работающими вибраторами. Интерференция звуковых волн создает на поверхности жидкости рябь, с которой эту акустическую голограмму восстанавливают лазерным лучом.

Демидов В.Е. Пойманное пространство. М., «Знание», 1982
Пирожников Л.Б. Что такое голография? М., «Московский рабочий», 1983
Транковский С.Д.Книга о лазерах. М., «Детская литература», 1988

Псевдоголография и голография для общения: технологии телеприсутствия

Скоро можно будет разговаривать с трехмерными образами своих коллег и друзей почти так же, как в «Стар Треке». Уже в наши дни делать это позволяет псевдоголографическая технология TeleHuman, которую разработала научно-исследовательская группа профессора Роэла Вертегаала из лаборатории Human Media Lab при канадском университете Queen"s University. Создатели технологии называют ее « стерео-Skype » . TeleHuman позволяет людям, находящимся в разных концах света, пообщаться с трехмерным образом собеседника, стоя друг перед другом. «Зачем Skype, если вы можете поговорить с 3D -голографическим образом собеседника в полный рост?» - спрашивает профессор Вертегаал. Что об этом думают в Skype и 300 млн пользователей Skype , можно только догадываться. (Вспоминается старый и не очень цензурный анекдот про «Старик-отец решил разделить наследство между тремя сыновьями. "Ничего себе", - сказал четвертый сын»). В общем, от Skype логично ожидать особого интереса к технологиям трехмерного телеприсутствия.

Как это устроено? Оказывается, технология не так сложна, как можно было бы подумать, об этом говорит сама команда в пресс-релизе. состоит из нескольких 3D-камер с сенсорами движения Microsoft Kinect, акрилового цилиндрического дисплея высотой 1,8 м, 3D-проектора и выпуклого зеркала. Два человека в разных географических точках стоят перед своими цилиндрическими порталами-подами. 3D-камеры с контроллерами движений Microsoft Kinect, установленные по верху цилиндра, снимают человека, непрерывно конвертируют данные в изображение и в режиме реального времени передают полноразмерную трехмерную картинку на цилиндрический дисплей собеседника. Голограмму цилиндрический портал пока не показывает. Это только экран, но он способен показать человека на 360 градусов - при желании собеседника можно увидеть сбоку и со спины.

Иллюстрация и видео: Human Media Lab

1. Благодаря объемному «зрению», 3D-камеры с контроллерами движений Microsoft Kinect передают трехмерный образ собеседника в движении в режиме реального времени. 2. 3D-проектор создает трехмерный образ собеседника на цилиндрическом дисплее. 3. При этом возникает иллюзия, что в центре портала сформирована голограмма собеседника , хотя на самом деле голограммы эта технология не создает.

Помимо псевдоголографии, ожидается энергичное развитие технологии непосредственно голографического телеприсутствия в коммуникационном контексте. Почти все для этого уже готово. Исследование IBM показало, что 3000 опрошенных техноэкспертов уверены: голографические звонки - технология, которая выйдет на рынок в ближайшие пять лет. Возможно, о ней активно заговорят уже в 2014 году. В частности, над технологией голографических звонков работает польская компания Leia Display Systems.

Голография (от греч. hólos - весь, полный и...графия)

метод получения объёмного изображения объекта, основанный на интерференции волн. Идея Г. была впервые высказана Д. Габор ом (Великобритания, 1948), однако техническая реализация метода оказалась чрезвычайно сложной и Г. не получила распространения. Только с появлением лазеров открылись многочисленные и разнообразные возможности практического использования Г. в радиоэлектронике, оптике, физике и различных областях техники.

Принцип Г. Обычно для получения изображения какого-либо объекта фотографическим методом пользуются фотоаппаратом, который фиксирует на фотопластинке излучение, рассеиваемое объектом. Каждая точка объекта в этом случае является центром рассеяния падающего света; она посылает в пространство расходящуюся сферическую световую волну, которая фокусируется с помощью объектива в небольшое пятнышко на светочувствительной поверхности фотопластинки. Так как отражательная способность объекта меняется от точки к точке, то интенсивность света, падающего на соответствующие участки фотопластинки, оказывается различной. Поэтому на фотопластинке возникает изображение объекта. Это изображение складывается из получающихся на каждом участке светочувствительной поверхности изображений соответствующих точек объекта. При этом трёхмерные объекты регистрируются в виде плоских двухмерных изображений.

В процессе фотографирования на фотопластинке фиксируется лишь распределение интенсивности, то есть амплитуды электромагнитной волны, отражённой от объекта (интенсивность пропорциональна квадрату амплитуды). Однако световая волна при отражении от объекта изменяет не только амплитуду, но и фазу в соответствии со свойствами поверхности объекта в данной точке.

Г. позволяет получить более полную информацию об объекте, так как представляет собой процесс регистрации на фотопластинке не только амплитуд, но и фаз световых волн, рассеянных объектом. Для этого на фотопластинку одновременно с волной, рассеянной объектом (сигнальная волна), необходимо направить вспомогательную волну, идущую от того же источника света (лазера), с фиксированной амплитудой и фазой (опорная волна, рис. 1 ).

Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, то есть об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется Голограммой. Если рассматривать голограмму в микроскоп, то в простейшем случае видна система чередующихся светлых и тёмных полос (рис. 2 ). Интерференционный узор реальных объектов весьма сложен.

Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же опорной волной, которая использовалась при её получении. В простейшем случае - интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) - голограмма представляет собой обычную дифракционную решётку (См. Дифракционная решётка). Плоская волна, падая на такую голограмму, частично проходит сквозь неё, сохраняя прежнее направление, а частично вследствие дифракции (См. Дифракция) преобразуется в две вторичные плоские волны, распространяющиеся под углом θ (рис. 3 ). Угол θ связан с шагом решётки d и длиной световой волны λ формулой:

Как видно из рисунка, волна, которая идёт «вниз», является как бы продолжением сигнальной волны, использовавшейся при съёмке голограммы (рис. 1 ). Поэтому она ничем не отличается от волны, идущей от объекта при непосредственном его наблюдении. Таким образом, при просвечивании голограммы восстанавливается та же самая волна, которая исходила от объекта. В результате этого наблюдатель, смотрящий сквозь голограмму, увидит мнимое изображение объекта в том месте, где объект находился при съёмке. Волна, идущая «вверх» (рис. 3 ), также содержит информацию об объекте и образует его действительное изображение.

Голограмма точки. Пусть свет от лазера падает на точечный объект А и на плоский отражатель, который создаёт опорную волну (рис. 4 ). Рассеянная от точечного объекта волна и опорная волна падают на фоточувствительный слой, на котором регистрируется интерференционная картина. Голограмма в этом случае образуется в результате интерференции сферической сигнальной волны с плоской опорной волной и представляет собой систему концентрических тёмных и светлых колец. Поскольку расстояние между интерференционными кольцами равно рис. 5 ).

При просвечивании голограммы плоской опорной волной в результате дифракции возникают две сферические волны. Эти волны формируют действительное и мнимое изображения точки А , которые можно наблюдать под различными углами (рис. 5 ). Расходящаяся сферическая волна I создаёт мнимое изображение A" и наблюдатель, воспринимающий эту волну, видит восстановленное изображение A" за голограммой в том же месте, где находился реальный объект А . Вторая сходящаяся сферическая волна // создаёт действительное изображение объекта А" , которое расположено перед голограммой.

Объёмность голографических изображений. Повторяя приведённые рассуждения для каждой из точек объекта, состоящего, например, из 4 точек, можно убедиться, что интерференционная картина, которая фиксируется на голограмме, будет содержать полную информацию о всех 4 точках. При просвечивании голограммы опорным лучом появятся 2 изображения - мнимое и действительное, причём оба изображения будут восприниматься наблюдателем как объёмные.

Мнимое изображение наблюдается, если смотреть сквозь голограмму, как в окно (рис. 6 ). Действительно, в положениях б , в , г мы увидим точку 1, а в положениях в , г , д - точку 3; в, положениях в , г наблюдатель увидит одновременно точки 1, 3 и точки 2, 4, которые расположены между ними, то есть весь объект. Если наблюдатель переводит взгляд с точки 2 на точку 3 (или 4), он должен изменить фокусировку глаз, а если наблюдатель переменит своё место, например от в к г , то изменится и перспектива изображения. Более того, в некоторых положениях наблюдатель не увидит точки 4, так как она будет заслонена точкой 2 объекта, расположенной ближе к наблюдателю. Таким образом, голографическое изображение является объёмным, причём зрительное восприятие этого изображения ничем не отличается от восприятия исходного объекта. Фотографируя мнимое изображение, можно, в зависимости от места расположения фотоаппарата и его фокусировки, зафиксировать все эти особенности на снимках (рис. 7 ). Экспериментально такие голограммы впервые получили амер. физики Э. Лэйтс и Ю. Упатниекс в 1962.

Действительное изображение также трёхмерно и обладает всеми упомянутыми свойствами; оно как бы висит перед голограммой, но наблюдать его несколько труднее.

Свойства голограмм. Голографическое изображение точки представляет собой собой пятно, диаметр δ которого равен: D - размер голограммы, λ - длина волны, Н - расстояние объекта до голограммы. Величина δ характеризует разрешающую способность голографического изображения, то есть различимость 2 близких точек объекта. Одно из замечательных свойств голограммы состоит в том, что каждый её участок содержит информацию обо всём объекте и поэтому позволяет восстановить полное изображение объекта (при уменьшении размера голограммы D ухудшается лишь разрешающая способность изображения). Следствием этого является высокая надёжность хранения информации, записанной в виде голограммы.

При просвечивании голограмм можно изменить длину опорной волны λ. В этом случае наблюдаются 2 изображения, но на другом расстоянии H" от голограммы, определяемом формулой:

Здесь Н - расстояние между объектом и голограммой при съёмке, λ 1 - длина опорной волны при съёмке, а λ 2 - при просмотре голограммы. Таким способом можно визуализировать (сделать видимыми) изображения объектов, записываемых в виде голограмм, полученных с помощью радиоволн или инфракрасного, ультрафиолетового и рентгеновского излучений.

При просмотре голограмм можно менять не только длину опорной волны, но и её волновой фронт. Освещая, например, голограмму расходящейся сферической волной, можно наблюдать увеличенное изображение предмета. На этом основано устройство голографического микроскопа.

Возможности Г. существенно расширяются, если голограмму записывать на толстослойной эмульсии, что было впервые предложено Ю.Н. Денисюком (СССР, 1962). В этом случае интерференционная картина получается трёхмерной, благодаря чему голограмма приобретает новые свойства. В частности, такая голограмма позволяет наблюдать изображение объекта при освещении её немонохроматическим (белым) светом.

Можно получить цветное голографическое изображение предмета, если при изготовлении голограммы использовать 3 монохроматических лазера, излучающие разные длины волн (например, синий, жёлтый и красный лучи). В этом случае запись может производиться на обычную эмульсию, и голограмма по внешнему виду не будет отличаться от обычной черно-белой. Цветное изображение предмета наблюдается при одновременном освещении голограммы 3 опорными волнами, соответствующими указанным цветам.

Качество голографических изображений зависит от монохроматичности излучения лазеров и разрешающей способности фотоматериалов, используемых при получении голограмм. Если спектр излучения лазера широкий, то при съёмке голограммы каждой определённой длине волны этого спектра будет соответствовать свой интерференционный узор и результирующая интерференционная картина будет нечёткой и размытой. Поэтому при изготовлении голограмм применяются лазеры с очень узкой спектральной линией излучения.

Качество интерференционной картины определяется также разрешающей способностью фотоматериала, то есть числом интерференционных линий, которое можно фиксировать на 1 мм . Чем больше это число, тем лучше качество восстановленного изображения. В связи с этим в Г. применяются фотоматериалы, имеющие высокое разрешение (1000 линий на 1 мм и более).

Наиболее часто используемые фотографические эмульсии представляют собой взвесь светочувствительных зёрен, расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Дискретная структура фотоэмульсий приводит к тому, что на голограмме записывается не непрерывное распределение яркости интерференционной картины, а лишь её «отрывки». Это создаёт световой фон, поскольку при просвечивании голограммы свет рассеивается на проявленных зёрнах. В связи с этим ведутся широкие поиски беззернистых фотоматериалов, которые, кроме того, позволяли бы производить стирание и повторную запись информации, что очень важно для ряда голографических применений. Уже получены первые голограммы на мелкодоменных магнитных плёнках, фотохромных стеклах и плёнках, на кристаллах и на других материалах.

На качество голографических изображений влияют также условия съёмки. При использовании лазеров непрерывного излучения время экспозиции меняется от долей секунды до десятков минут (в зависимости от размеров объекта и голограммы). В течение этого времени недопустимы какие-либо смещения объекта, фотопластинок и оптических элементов схемы на расстояния, сравнимые с длиной волны λ. В противном случае интерференционная картина будет смазана. Эти трудности исключаются при использовании импульсных лазеров, обеспечивающих мощное световое излучение в течение очень коротких промежутков времени (до 10 -9 сек ). При таком малом времени экспозиции легко получать голограммы объектов, движущихся со скоростями порядка 1000 м/сек (рис. 8 ).

Применение Г. Импульсная Г. открывает возможность фиксировать и анализировать быстро, протекающие процессы. Большой интерес, например, для ядерной физики и физики элементарных частиц представляет изучение следов (треков) частиц в трековых камерах. Для этой цели пока применяется стереоскопическая съёмка. Голографические методы оказываются здесь весьма эффективными, поскольку они позволяют зафиксировать информацию о всём объёме камеры. При восстановлении можно рассматривать изображение в различных сечениях камеры, что позволяет легко разделить треки, соответствующие разным частицам. Число частиц, регистрируемых на голограмме, может быть очень большим (порядка 1000). Аналогично можно изучать динамику распределения неоднородностей в туманах, жидкостях и других прозрачных средах.

Перспективно применение импульсной Г. в интерферометрии. На одной и той же фотопластинке в различные моменты времени записываются 2 голограммы исследуемого объекта. При восстановлении обе волны, несущие информацию об объекте, накладываются друг на друга. Если за время между экспозициями с объектом произошли какие-либо изменения, то на восстановленном изображении появляется система интерференционных полос. Расшифровывая полученную интерференционную картину, можно определить происшедшие изменения. Этот метод позволяет измерять очень небольшие (порядка долей мкм ) деформации объектов со сложной формой поверхности, обусловленные вибрацией, нагреванием и т. п. Его можно использовать также для неразрушающего контроля изделий, для исследования Взрыв ов, ударных волн (См. Ударная волна), образующихся, например, при полёте пули (рис. 8 ), для изучения потоков газа в сверхзвуковом сопле, для исследования плазмы (См. Плазма) и т. д.

Применение Г. открывает принципиальную возможность создания объёмного цветного телевидения (См. Цветное телевидение). Действительно, голограмму объекта можно зафиксировать на светочувствительной поверхности передающей телевизионной трубки (См. Передающая телевизионная трубка), а затем передать её по радио- или оптическому каналу. На приёмном конце голограмму можно восстановить, записав её, например, на светочувствительной плёнке. Это позволит наблюдать трёхмерное изображение объекта. Реализация такой системы даже для специальных применений пока связана с большими техническими трудностями (разрешающая способность телевизионных передающих трубок очень низка, что затрудняет восстановление объёмных изображений; отсутствуют достаточно мощные лазеры видимого диапазона, которые необходимы для получения голограмм реальных объектов, и т. п.).

Методы Г. открывают возможность создания новых систем памяти, представляющих большой интерес для прогресса вычислительной техники (См. Вычислительная техника). Г. позволяет реализовать плотность записи порядка 10 7 -10 8 двоичных единиц (См. Двоичные единицы) информации на 1 см 2 светочувствительной поверхности, что на несколько порядков выше, чем у существующих систем памяти. Кроме того, голографическая запись характеризуется высокой надёжностью; выход из строя небольших участков голограммы приводит лишь к некоторому ухудшению качества воспроизведения (см. выше). Голографические устройства памяти с большой ёмкостью были предложены в 1966 А. Л. Микаэляном и В. И. Бобриневым (СССР). Они основаны на записи большого числа голограмм на одну и ту же поверхность (или объём) фотоматериала. Для того чтобы изображения не накладывались друг на друга, при записи каждого из них изменяют угол падения опорной волны на светочувствительный слой (рис. 9 ). Опорный луч, прежде чем попасть на голограмму, проходит через отклоняющую систему, которая устанавливает направление опорного луча в соответствии с введённым в неё адресом. Каждому адресу соответствует своё направление опорного луча. Сигнальный луч делится на n каналов, в каждый из которых включен модулятор М. При наличии управляющего напряжения он пропускает луч лазера, а при отсутствии напряжения становится непрозрачным. На выходе модуляторов возникает комбинация n лучей, которые вместе с опорным лучом записываются в виде голограммы. При накоплении информации в запоминающем устройстве на адресный вход подаются поочерёдно все адреса, а на сигнальный - соответствующие числа.

При считывании информации отклоняющая система устанавливает угол падения считывающего опорного луча, соответствующий заданному адресу, и голограмма формирует изображение в виде системы ярких точек, количество и взаимное расположение которых определяется комбинацией включенных при записи модуляторов. Это изображение проецируется на систему фотоприёмников, на выходе которых сигналы дают считанное число. Уже удалось записать последовательно до 1000 голограмм 32-разрядных чисел на участке поверхности с диаметром ок. 2 мм .

Другой вариант голографического запоминающего устройства позволяет записывать большие количества чисел, которые предварительно преобразуются в матрицы-транспаранты (рис. 10 ). Каждая матрица записывается в виде голограммы на небольшом участке фотопластинки (порядка 1-2 мм ). Переключение луча с одной голограммы на другую осуществляется двухкоординатной системой отклонения, причём при любых углах отклонения опорный и сигнальные лучи совмещены на голограмме. При считывании информации каждая голограмма освещается опорным лучом, восстанавливающим изображение соответствующей матрицы (рис. 10 ). Это изображение падает на мозаику фотодиодов, соединённых таким образом, чтобы можно было выбрать любое число из восстановленной матрицы. Время считывания произвольного числа определяется мощностью лазера и чувствительностью фотодиодов и может быть сделано очень малым (10 -7 -10 -8 сек ). Ёмкость голографических систем памяти при произвольной выборке информации с высокой скоростью может достигать 10 9 двоичных единиц.

Перспективна возможность использования принципов Г. для создания специальных вычислительных устройств, в которых проводятся те или иные математические операции над информацией, записанной в виде голограммы. Наибольшее внимание при этом уделяется созданию устройств для поиска заданной информации и опознавания образов. Термин «опознавание» означает сравнение изображений 2 объектов и установление соответствия между ними. Такие устройства могут применяться для автоматического чтения информации, для классификации различных объектов, для дешифровки сложных изображений и т. д. Возможность опознавания образов основана на свойстве голограмм восстанавливать изображение объекта только в том случае, если считывающий пучок света совпадает по форме с опорным лучом, использовавшимся при съёмке. Пусть, например, имеется голограмма, на которой записана интерференция между светом точечного источника и светом, прошедшим через транспарант с буквой «Т» (рис. 11 ). Если затем голограмму освещать светом, проходящим через транспарант, на котором записаны разные буквы, то только в случае той же буквы «Т» мы увидим изображение яркой точки. Такая голограмма является своеобразным фильтром, с помощью которого можно, например, установить наличие буквы «Т» в каком-либо сложном тексте и быстро определить число этих букв. Этот способ был, в частности, опробован для опознавания отпечатков пальцев. Для одного из восьми сходных отпечатков был изготовлен голографический фильтр, с помощью которого производилось опознавание в рассмотренной выше установке. Фотографические копии всех отпечатков последовательно вводились в схему, и наблюдалось изображение в плоскости опознавания. Оказалось, что яркая точка возникала только в одном случае, что говорит о высокой избирательности данного метода. Важно отметить, что достаточно уверенное опознавание происходит и в том случае, когда имеется лишь часть отпечатка. Например, при наличии половины отпечатка яркость изображения точки уменьшается всего на 10%. Экспериментально установлено, что опознавание естественных объектов сложной формы (например, отпечатков пальцев) происходит более надёжно, чем знаков, букв или простых фигур. Например, при опознавании букв возможны ошибки по сходности начертания (О и С, П и Е и др.).

С применением Г. для опознавания образов тесно связано использование её для кодирования информации. В этом случае при съёмке голограммы в канале опорного луча устанавливается специальный элемент (например, диффузное стекло), создающий сложную форму волнового фронта. Чтобы наблюдать восстановленное изображение, необходимо использовать ту же самую опорную волну. Это оказывается возможным только при использовании того же экземпляра диффузного стекла, который применялся при съёмке голограммы. Высокая степень кодирования связана с тем, что опорный луч, прошедший через диффузное стекло, превращается в протяжённый монохроматический источник света, который является набором большого числа точечных излучателей, имеющих определённое соотношение амплитуд и фаз. Поэтому вероятность того, что различные экземпляры диффузных стекол будут одинаковыми в указанном смысле, чрезвычайно мала. Большой интерес представляет применение Г. для формирования заданных волновых фронтов. Известно, например, что оптические объективы не могут быть сделаны идеальными и всегда вносят искажения в формируемые ими изображения. Для каждого объектива можно изготовить голограмму, корректирующую эти искажения. С усовершенствованием техники Г. окажется возможной реализация специальных «голографических объективов», представляющих собой набор заранее изготовленных голограмм, заменяющих линзовые объективы и свободных от аберраций оптических систем (См. Аберрации оптических систем).

Голографический метод применим также в случаях звуковых и ультразвуковых волн. Если на объект, помещенный в непрозрачную жидкость, воздействовать звуковым генератором, то на поверхности жидкости можно создать звуковую голограмму (рис. 12 ). Для этого необходим вспомогательный источник звука, создающий опорную волну. Если звуковую голограмму, образующуюся в результате интерференции звуковых волн (опорной и сигнальной), осветить лазером, то можно увидеть объёмное изображение предмета. Голографическое «звуковидение» важно, в частности, для исследований внутренних органов животных и людей.

Лит.: Лэйт Э. и Упатниекс Ю., Фотографирование с помощью лазеров, «Успехи физических наук», 1965, т. 87, в. 3; Сороко Л. М., Голография и интерференционная обработка информации, там же, 1966, т. 90, в. 1; Микаэлян А. Л., Голография, М., 1968; Гудмен Д., Введение в Фурье-оптику, пер. с англ., М., 1970.

А. Л. Микаэлян.

Рис. 5. Действительное А" и мнимое A" изображения точки А; Н - расстояние от объекта до голограммы.