Способ получения и восстановления оптических голограмм и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к технической физике и может найти применение при создании средств голографической репрографии для документальной инфорации с высокими показателями по плотности записи с максимально упрощенной схемой восстановления при многотерминальном информационном обеспечении пользователей. Сущность: в способе записи и восстановления голограмм производят наложенную запись двух интерференционных картин последовательно во времени на комплексно-сопряженных несущих частотах опорного пучка при различном расположении записываемого транспаранта вдоль оптической оси объектива записи, а после восстановления первой записи из пучка света нулевого порядка формируют комплексно-сопряженный пучок света и направляют на выход второй записи. В состав устройства для получения оптических голограмм дополнительно введен второй опорный канал, а в состав устройства для восстановления голограмм - блок формирования комплексно-сопряженного пучка света. 2 с.п. и 23.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к технической физике и может найти применение при создании средств голографической репрографии для документальной информации с высокими показателями по плотности записи с максимально упрощенной схемой восстановления при мнготерминальном информационном обеспечении пользователей.

Практически все известные средства голографической репрографии основываются на классическом способе получения оптических голограмм за счет регистрации интерференционной картины оптического Фурье-образа записываемого транспаранта, формируемого с помощью объектива записи, с опорным когерентным пучком и использовании при восстановлении голограмм энергии копии опорного пучка [1] . Устройство для получения оптических голограмм включает в свой состав оптически последовательно связанные лазер, затвор, светоделитель, микрообъектив записи и фотопластину, вход которой также оптически связан через отражающие элементы опорного канала с вторым выходом светоделителя. Путем дискретного пространственного позиционирования фотопластины в ходе записи образуется двумерная матрица оптических голограмм. Устройство для восстановления произвольных записей содержит в своем составе оптически связанные лазер, матрицу оптических голограмм с блоком выборки и пространственный анализатор изображений. Часть энергии светового пучка лазера дифрагирует на интерференционных решетках восстанавливаемой оптической голограммы и строит в плоскости анализатора изображение информационной страницы.

Недостатком данного способа получения и восстановления оптических голограмм, а также устройство для реализации способа являются их относительно низкие информационные и энергетические характеристики при восстановлении за счет формирования только одного информационного канала, который невозможно использовать, например, одновременно для ознакомления человека-оператора и получения копии восстанавливаемого документа.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ получения и восстановления оптических голограмм [2], основанный на регистрации интерференционной картины оптического Фурье-образа записываемого транспаранта, формируемого с помощью объектива записи, с опорным когерентным пучком и использовании при восстановлении энергии пучка света нулевого порядка для формирования сопряженного пучка света. Суть данного способа заключается в том, что за счет формирования сопряженного пучка света из пучка нулевого порядка обращают волновой фронт объектного пучка, который использовался на этапе получения оптической голограммы. В результате такого двойного восстановления формируют второй информационный канал, который используют для целей получения микрокопий.

Устройство-прототип для получения оптических голограмм практически идентично устройству-аналогу. В состав устройства-прототипа для восстановления оптических голограмм входят расположенные на одной оптической оси восстанавливающего пучка света лазер, матрица оптических голограмм и отражающий элемент, а на оптической оси информационных с одной стороны от матрицы оптических голограмм - диффузный экран, а с другой стороны - объектив и блок регистрации (в дальнейшем для общности описания технических решений диффузный экран и блок регистрации будем называть соответственно первым и вторым пространственным анализаторами изображений).

Запись странично-ориентированных матриц оптических голограмм осуществляется за счет шагового перемещения фотопластины и синхронной смены транспарантов. В промежутках времени между сдвигом фотопластины производится экспозиция интерференционной картины опорного пучка и светового Фурье-образа записываемого транспаранта. При восстановлении оптической голограммы часть света дифрагирует на ее интерференционных решетках и строит в плоскости первого анализатора изображений (в плоскости диффузного экрана) двумерную страницу информации. Оставшаяся же часть света - пучок нулевого порядка, не меняя фронта и направления своего распространения, попадает на отражающий элемент и освещает голограмму с обратной стороны. Вновь часть света дифрагирует на интерференционных решетках голограммы и образует второй информационный канал за счет обращения волнового фронта объектного пучка, использованного на этапе получения голограммы. Для получения сфокусированного изображения восстанавливаемого документа в плоскости анализатора (блока регистрации) обязательно требуется использование объектива воспроизведения.

Наличие объектива в устройствах восстановления подобного типа является недостатком известного способа в силу сложности его аппаратурной реализации. Этот негативный фактор особенно сильно проявляется при создании многотерминальной сети пользователей, например в системах обеспечения научно-технической информацией, конструкторской документацией и т.п.

Целью изобретения является увеличение числа выходных каналов и упрощение технической реализации восстановления изображений.

Цель достигается тем, что в способе получения оптических голограмм, заключающемся в регистрации на фотоносителе интерференционной картины взаимодействия опорного когерентного пучка света с объектным когерентным пучком света, несущим формируемый объективом записи Фурье-образ транспаранта, размещенного в первом пространственном положении относительно объектива записи, после регистрации интерференционной картины изменяют фазовую составляющую объектного пучка света перемещением транспаранта во второе пространственное положение относительно объектива записи и производят дополнительную регистрацию интерференционной картины, образованной в плоскости фотоносителя взаимодействием комплексно-сопряженного опорного когерентного пучка света с объектным когерентным пучком света, несущим Фурье-образ транспаранта, размещенного во втором пространственном положении относительно объектива записи. Кроме того, в одном варианте при регистрации интерференционной картины транспарант размещают перед объективом записи на расстоянии f < l₁ < 2f, а при дополнительной регистрации транспарант размещают за объективом записи на расстоянии 0 < l₂ < f, где f - фокусное расстояние объектива записи. Во втором варианте при регистрации интерференционной картины транспарант размещают перед объективом записи на расстоянии f < l₁ < 2f, а при дополнительной регистрации размещают транспарант перед объективом записи на расстоянии 0 < <l < f.

В способе восстановления оптических голограмм, основанном на использовании энергии пучка света нулевого порядка, после восстановления первой оптической голограммы из пучка света нулевого порядка формируют комплексно-сопряженный пучок света и направляют на выход второй оптической голограммы.

В устройство для получения оптических голограмм, содержащее оптически последовательно связанные лазер, затвор, светоделитель, микрообъектив, транспарант, объектив записи и фотопластину, вход которой также оптически связан через отражающие элементы опорного канала с вторым выходом светоделителя, введены отражающие элементы второго опорного канала, а светоделитель установлен на поворотной платформе с приводом.

В устройство для восстановления оптических голограмм, содержащее расположенные на оптической оси восстанавливающего пучка света лазер и оптическую голограмму, а на оптической оси информационных каналов по обе стороны от оптической голограммы - первый и второй пространственные анализаторы изображений, между оптической голограммой и первым пространственным анализатором изображения установлен блок формирования комплексно-сопряженного пучка света, выход и вход которого оптически связаны с выходами оптической голограммы.

Введение операции наложенной регистрации двух интерференционных картин последовательно во времени на комплексно-сопряженных несущих частотах опорного пучка при различном расположении записываемого транспаранта вдоль оптической оси объектива записи, а также введение операции повторного восстановления оптической голограммы пучком нулевого порядка обеспечивают голографическим записям свойство формирования двух информационных каналов с полноформатным или микроизображениями без использования вспомогательных оптических средств. Таким образом, заявленное решение соответствует критерию "существенные отличия", так как введенные существенные признаки не обнаружены в известных источниках информации, а отличительные признаки в совокупности обеспечивают новые свойства способов и устройств.

Повышение информативности голографических записей достигнуто за счет придания голограммам свойств линз, позволяющих восстанавливать изображения документа с увеличенным или уменьшенным масштабом без применения вспомогательной оптики. Последнее обстоятельство обеспечивает упрощение технической реализации восстановления изображений, что приносит ощутимый эффект при создании многотерминальных систем информационного обеспечения.

На фиг. 1, 2 показана структурно-функциональная схема устройства получения оптических голограмм для реализации способа по пп. 1 и 2 формулы изобретения; на фиг. 3, 4 - структурно-функциональная схема устройства получения оптических голограмм для реализации способа по пп. 1 и 3 формулы изобретения; на фиг. 5 - структурно-функциональная схема устройства восстановления оптических голограмм в полноформатном масштабе и в виде микроизображения по разным информационным каналам; на фиг. 6 - структурно-функциональная схема устройства восстановления оптических голограмм в полноформатном масштабе по двум информационным каналам.

Суть предложенного способа заключается в том, что в процессе регистрации в объеме фотопластины формируются наложенные друг на друга оптические голограммы на комплексно-сопряженных несущих частотах с индивидуальной фазовой составляющей в объектном пучке. Учет этой особенности придает записываемым голограммам свойство линз, позволяющее восстанавливать изображения документа с увеличенным или уменьшенным масштабом без применения вспомогательной оптики. Выбор геометрии объектного канала и пространственных несущих частот в опорном канале обеспечивает возможность формирования двух информационных каналов за счет последовательного восстановления наложенных записей в различных направлениях. Рассмотрим эти возможности на примерах предложенных устройств.

Устройство для получения оптических голограмм (см. фиг. 1-4) содержит оптически связанные лазер 1, затвор 2, светоделитель 3, микрообъектив 4, транспарант 5, объектив 6 записи и фотопластину 7. Второй выход светоделителя 3 также оптически связан с фотопластиной 7 через отражающие элементы 8₁ или 8₂. Кроме того, светоделитель 3 установлен на поворотной платформе 9 с приводом 10. Светоделитель 3, микрообъектив 4, транспарант 5 и объектив 6 записи составляют объектный канал записи оптической голограммы. В состав опорных каналов входят по два отражающих элемента 8₁ и 8₂. Юстировкой последних добиваются смещения оптических осей объектного и двух опорных каналов на фотопластине 7. В состав предложенных устройств входит также блок управления, осуществляющий временную синхронизацию работой всех компонент устройства, который для упрощения схем на фиг. 1 - 6 опущен.

В состав устройства для восстановления оптических голограмм (см. фиг. 5 и 6) входят расположенные на оптической оси восстанавливающего пучка света лазер 11, оптическая голограмма 12 и блок 13 формирования комплексно-сопряженного пучка света, а на оптической оси информационных каналов по обе стороны от оптической голограммы 12 - первый 14 и второй 15 пространственные анализаторы изображений.

Работа каждого из устройств для получения оптических голограмм состоит из двух тактов с поочередным участием опорных каналов. В исходном состоянии затвор 2 выключен, а поворотная платформа 9 с помощью привода 10 переводится на работу первого опорного канала (фиг. 1). Транспарант 5 устанавливают в положение на расстоянии f < l₁ < 2f. После выполнения данных операций затвор 2 переводится в открытое состояние. При этом сформированные с помощью светоделителя 3 два пучка света с определенным соотношением интенсивностей поступают в объектный и опорный каналы. В объектном канале пучок расширяется микрообъективом 4 для равномерного освещения всей аппаратуры транспаранта 5 с записываемым изображением. Когерентный свет дифрагирует на информационных элементах транспаранта 5 и с помощью объектива 6 записи образует в плоскости фотопластины 7 световой Фурье-образ записываемой страницы информации. По мере дальнейшего прохождения дифрагированные волны восстанавливают изображение транспаранта 5 в плоскости на расстоянии Р₁ = М_л1f от фотопластины 6 с масштабом линейного увеличения M_л1 = В место формирования светового Фурье-образа на фотопластине 7 направляется через отражающие элементы 8₁ и опорный пучок. В результате когерентного взаимодействия двух пучков света образуется интерференционная картина, которая в течение фиксированного отрезка времени регистрируется на фотопластине 7 в виде оптической голограммы. На этом первый такт работы устройства заканчивается. Важным свойством записанной голограммы является то, что для ее воспроизведения с увеличенным масштабом М_л1 без использования вспомогательной оптики требуется всего лишь копия опорного пучка.

Во втором такте работы устройства поворотная платформа 9 переводится на работу второго опорного канала (см. фиг. 2), а транспарант 5 устанавливается между объективом 6 записи и фотопластиной 7. Вновь включается затвор 2 и повторно на том же участке фотопластины 7 осуществляется запись оптической голограммы той же страницы информации, но с другой (комплексно-сопряженной) ориентацией опорного пучка. Причем, в силу расположения транспаранта 5 за объективом 6 записи на расстоянии 0 < l₂ < f воспроизведение действительного изображения без использования оптических компонент возможно лишь при считывании оптической голограммы сопряженным коллимированным пучком относительно опорного пучка. Масштаб воспроизводимого изображения будет в точности соответствовать размерам записываемого транспаранта 5.

Функционирование второго варианта устройства получения оптических голограмм (см. фиг. 3, 4) в точности повторяет работу первого варианта с тем лишь отличием, что при регистрации второй наложенной голограммы транспарант 5 помещается вновь перед объективом 6 записи, но на расстоянии 0 < l₂ < f. В результате этого вторая голографическая запись может быть воспроизведена без использования вспомогательной оптики с масштабом линейного увеличения M_л2 = - в пространстве предметов только при считывании сопряженным коллимированным пучком относительно второго опорного пучка.

После химической обработки из фотопластины 7 образуется вещественная оптическая голограмма 12, которую стационарно устанавливают (см. фиг. 5 и 6) в устройстве для восстановления. При этом часть падающего света лазера 11 с мощностью Р_I = η P_R дифрагирует на интерференционных решетках оптической голограммы, восстанавливая волновой фронт информационного пучка в выходной плоскости. Здесь P_R - мощность восстанавливающего пучка света на входе голограммы с дифракционной эффективностью η. Дифрагированные пучки света строят в плоскости первого пространственного анализатора 14 (например, в плоскости диффузного экрана) изображение документа в полноформатном масштабе. Оставшаяся часть света - пучок нулевого порядка, не меняя фронта и направления своего распространения, поступает на вход блока 13 формирования комплексно-сопряженного пучка света. То обстоятельство, что пучок нулевого порядка на выходе голограммы имеет тот же фронт, что и входной восстанавливающий пучок, позволяет использовать его энергию для повторного восстановления второй наложенной голограммы. При прохождении света в системе зеркал блока 13 пучок света нулевого порядка приобретает комплексно-сопряженную ориентацию и падает на голограмму с ее обратной стороны. Вновь пучок света мощностью Р₀₁ = P_R(1 - η - ζ), где ζ - суммарный коэффициент потерь в схеме, освещая вторую из наложенных оптических голограмм и строит с ее противоположной стороны изображение той же страницы информации. Причем, в зависимости от выбранного варианта геометрии объектного канала масштаб воспроизводимого изображения в плоскости второго пространственного анализатора 15 может быть уменьшенным (см. фиг. 5) или полноформатным (см. фиг. 6). В первом случае второй информационный канал целесообразно использовать для получения микрокопий документов, а во втором - для получения полноформатных копий.

Таким образом, предложенные способы регистрации и восстановления характеризуются повышенной информативностью оптических голограмм и обеспечивают упрощение технической реализации их восстановления. Эффект особенно ощутим при создании многотерминальных систем информационного обеспечения в масштабе отдельных регионов страны.

Формула изобретения

1. Способ получения и восстановления оптических голограмм, заключающийся в регистрации на фотоносителе интерференционной картины взаимодействия опорного когерентного пучка света с объектным когерентным пучком света, несущим формируемый объективом записи фурье-образ транспаранта, размещенного в первом пространственном положении относительно объектива записи, и использовании при считывании энергии пучка нулевого порядка, отличающийся тем, что, с целью увеличения выходных информационных каналов и упрощения технической реализации восстановления информации, после регистрации интерференционной картины изменяют фазовую составляющую объектного пучка света перемещением транспаранта во второе пространственное положение относительно объектива записи и производят дополнительную регистрацию интерференционной картины, образованной в плоскости фотоносителя взаимодействием комплексно-сопряженного опорного когерентного пучка света с объектным когерентным пучком света, несущим фурье-образ транспаранта, размещенного во втором пространственном положении относительно объектива записи, а после восстановления оптической голограммы из пучка света нулевого порядка формируют комплексно-сопряженный пучок света и направляют на выход второй оптической голограммы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при регистрации интерференционной картины транспарант размещен перед объективом записи на расстоянии f < l₁ < 2 f, а при дополнительной регистрации - на расстоянии о < l₂ < f, где f - фокусное расстояние объектива записи.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что при регистрации интерференционной картины транспарант размещают перед объективом записи на расстоянии f < l₁ < 2f, а при дополнительной регистрации - на расстоянии 0 < l₂ < f, где f - фокусное расстояние объектива записи.

5. Устройство для получения и восстановления оптических голограмм, содержащее оптически последовательно связанные лазер, затвор, светоделитель для формирования объектного и опорного каналов, микрообъектив, транспарант, объектив записи, установленные в объектном канале, и фотопластину, вход которой также оптически связан через отражающие элементы опорного канала с вторым выходом светоделителя, отличающееся тем, что, с целью увеличения выходных информационных каналов и упрощения технической реализации, в состав устройства введены отражающие элементы для формирования второго опорного канала, при этом транспарант выполнен с возможностью изменения своего пространственного положения относительно объектива записи, а светоделитель установлен на поворотной платформе с приводом, между оптической голограммой и первым пространственным анализатором изображения установлен блок формирования комплексно-сопряженного пучка света, вход и выход которого оптически связаны с выходами оптической голограммы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6