Способ записи и восстановления изобразительных голограмм

Изобретение относится к способам записи и восстановления синтезированных изобразительных голограмм, представляющих собой двумерный массив из элементарных голограмм, каждую из которых записывают путем интерференции пары референтного и сигнального пучков, пересекающихся под некоторым углом, согласованным с углом наблюдения восстановленного изображения. Способ позволяет наблюдать восстановленное изображение с любых ракурсов. Каждую из элементарных голограмм записывают путем интерференции сигнального и совокупности референтных пучков, которые располагают на воображаемой конической поверхности непрерывно относительно друг друга, при этом референтные пучки сводят в одну точку регистрирующей среды. При восстановлении голограммы используют пучок лучей от точечного источника белого света, угол падения которого изменяют в азимутальном направлении в пределах 2π радиан. Для формирования совокупности референтных пучков используют аксикон - кольцевую дифракционную решетку. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к области оптической голографии. Наиболее близкой отраслью применения являются средства изобразительной голографии, в частности топографические принтеры [1, Brotherton-Ratcliffe David, Florian Michel Robert, Rodin Alexy, Grichine Mikhail. Holographic printer // PCT Patent 2001/045943. Publication Date: 2001-06-28], которые предназначены для формирования синтезированных изобразительных голограмм, представляющих собой двумерный массив из элементарных голограмм (holopixels). Согласно [1] каждую из элементарных голограмм записывают путем интерференции пары референтного R и сигнального S пучков, пересекающихся под некоторым углом, согласованным с углом наблюдения восстановленного изображения. Причем направление распространения сигнального пучка обычно выбирают близким к углу нормального падения на плоскость регистрирующей среды, направление распространения референтного пучка выбирают навстречу сигнальному пучку, а угол их пересечения согласуют с углом наблюдения восстановленного изображения. Предполагается, что сигнальный, референтный, восстанавливающий и восстановленный из голограммы пучки лежат в одной меридиональной плоскости М (Фиг.1), причем угол падения восстанавливающего пучка в этой плоскости удовлетворяет условию Брэгга для объемных голограмм [2, Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell System Technical Journal. - 1969. - V.48, N.9. - P.2909-2947], а значения угла падения восстанавливающего пучка в тангенциальном направлении (т.е. в плоскости YOZ, перпендикулярной меридиональной плоскости) и в азимутальном направлении (т.е. при вращении плоскости М вокруг оси Z, перпендикулярной плоскости голограммы H) равны нулю.

На практике для наблюдения восстановленного изображения с различных сторон (ракурсов) часто рассматривают изобразительную голограмму под углом падения восстанавливающего пучка, отличающимся от угла падения референтного пучка при записи голограммы, в том числе с изменением его значения в азимутальном направлении путем вращения голограммы вокруг оси OZ, как изображено на Фиг.2, в пределах 2π радиан.

В этом случае, как показано в [3, Hyunkwon Shin, Myeongkyu Lee Holographic angle multiplexing combined with peristrophic multiplexing in a photorefractive LiNb03 crystal // Optics Communications. - 2007. - 269. - P.299-303], дифракционная эффективность η объемной отражательной голограммы, характеризующая яркость восстановленного изображения и выражающаяся формулой η=tanh²(νcosψ₀), где ν - фазовый набег восстанвливающей волны, проходящей сквозь голограмму, ψ₀ - величина азимутального угла падения восстанавливающего пучка, будет меняться в зависимости от его значений. На Фиг.3 приведен пример такой зависимости при разных значениях параметра ν. Видно, что при ψ₀=0 дифракционная эффективность (ДЭ) максимальна, а при отклонении от этого значения ДЭ резко уменьшается, и при обращается в нуль, независимо от величины параметра ν.

Известен способ записи и восстановления изобразительных голограмм [1], представляющих собой двумерный массив из элементарных голограмм (holopixels). Согласно одному из вариантов этого способа одну из элементарных голограмм записывают на одном из участков регистрирующей среды путем интерференции пары референтного R и сигнального S₁ пучков, располагающихся по разные стороны регистрирующей среды и пересекающихся под некоторым фиксированным углом θ в меридиональной плоскости и азимутальным углом ψ₀=0. Следующую элементарную голограмму записывают на другом, соседнем, участке регистрирующей среды путем ее перемещения и интерференции пары референтного R и сигнального S₂ пучков, пересекающихся под тем же самым углом θ в меридиональной плоскости и азимутальным углом ψ₀=0.

Для достижения максимальной яркости изображения, восстановленного из таких изобразительных голограмм, необходимо для всех элементарных голограмм обеспечить значение углов падения восстанавливающих пучков, идентичное значениям углов референтных пучков при записи голограммы. Это можно реализовать с помощью направленного под необходимым углом относительно голограммы пучка параллельных световых лучей, например, от прожектора или от солнца.

На практике (на выставках, в аудиториях или небольших помещениях) для восстановления голограмм обычно используются источники белого света с расходящимися лучами (так называемые точечные источники света с переменным значением углов θ и ψ). В этом случае не соблюдается требование совпадения углов падения референтных пучков при записи голограмм в соответствии со способом [1] и восстанавливающих пучков одновременно для всех элементарных голограмм, что приводит к снижению яркости восстановленных изображений некоторых из них и появлению аберраций (искажений) этих изображений. Кроме того, при изменении углов падения восстанавливающих лучей в тангенциальном и азимутальном направлениях, возникающем при наблюдении восстановленного изображения с различных ракурсов, степень несовпадения этих углов увеличивается, поэтому яркость восстановленного изображения значительно уменьшается, а аберрации усиливаются. Таким образом, описанный в [1] способ записи и восстановления изобразительных голограмм имеет существенные недостатки.

Известен способ записи и восстановления изобразительных голограмм [4, Klug Michael Anthony, Holzbach Mark Evan, Ferdman Alejandro Jose. Method and apparatus for recording one-step, full-color, full-parallax, holographic stereograms // USA Patent # 7813018. Publication Date: 2010-10-12], являющийся прототипом заявляемого изобретения. Согласно этому способу одну из элементарных голограмм записывают на одном из участков регистрирующей среды путем интерференции пары референтного R₁ и сигнального S₁ пучков, располагающихся по разные стороны регистрирующей среды и пересекающихся под некоторым углом с параметрами θ₁ в меридиональной плоскости и ψ₁ в азимутальном направлении в соответствии с углами расходимости лучей точечного восстанавливающего источника. Следующую элементарную голограмму записывают на другом, соседнем, участке регистрирующей среды путем ее перемещения и интерференции пары референтного R₂ и сигнального S₂ пучков, пересекающихся под углом с параметрами θ₂ в меридиональной плоскости и ψ₂ в азимутальном направлении в соответствии с углами расходимости лучей точечного восстанавливающего источника. Изменение параметров θ и Ψ обеспечивают с помощью специального оптического устройства.

Этот способ записи и восстановления изобразительных голограмм не обеспечивает одинаковых значений яркости восстановленных изображений одновременно всех элементарных голограмм при изменении значения азимутального угла восстанавливающего точечного источника в случае рассматривания голограммы с различных ракурсов, поскольку значения азимутального угла восстанавливающего и референтного пучков для них оказываются разными (в частности, ψ₀≠ψ₁ и ψ₀≠ψ₂). Поэтому указанный способ записи изобразительных голограмм имеет недостаток.

Предлагаемый способ записи и восстановления изобразительных голограмм, основанный на формировании массива элементарных голограмм на поверхности регистрирующей среды путем интерференции референтного и сигнального пучков, располагающихся по разные стороны регистрирующей среды и пересекающихся под некоторым углом, устраняет этот недостаток и обеспечивает одинаковое значение яркости восстановленных изображений всех элементарных голограмм при произвольном значении азимутального угла восстанавливающего пучка.

Технический результат достигается за счет того, что каждую из элементарных голограмм записывают путем интерференции сигнального и совокупности референтных пучков, эти референтные пучки располагают на воображаемой конической поверхности непрерывно относительно друг друга (Фиг.4), при этом референтные пучки сводят в одну точку регистрирующей среды. При восстановлении голограммы используют пучок лучей от точечного источника белого света, угол падения которого изменяют в азимутальном направлении в пределах 2π радиан для наблюдения восстановленного изображения с любого ракурса.

Заявляемый способ записи голограмм проверен экспериментально. Оптическая схема экспериментальной установки изображена на Фиг.5. Здесь 1 - лазер, 2 - светоделитель, 3 - тракт сигнального пучка, 4 - тракт референтного пучка, включающий устройство 5 уравнивания длины оптического пути сигнального и референтного пучков, 6 - дифракционный аксикон (дифракционная кольцевая решетка [5, I.A.Mikhaltsova, V.I.Nalivaiko, and I.S.Soldatenkov. Kino form axicons. // Optik. 1984. - Vol.67. - P.267-278]), 7 - объектив, 8 - диафрагма, блокирующая пучок нулевого порядка дифракции на аксиконе, 9 - объектив, 10 - регистрирующая среда.

Пучок света от лазера 1 направлялся на светоделитель 2, с помощью которого формировались тракт сигнального пучка 3 и тракт референтного пучка 4. Расположенное по ходу луча света устройство 5 содержало четыре плоских зеркала, установленных на определенном расстоянии друг от друга так, что выравнивались длины оптического пути сигнального и референтного пучков. Далее пучок света направлялся на дифракционный аксикон (кольцевую дифракционную решетку) 6, на выходе которой образуются пучки нулевого и первого порядков дифракции, после объектива 7 пучок нулевого порядка дифракции блокировался диафрагмой 8, а пучок первого порядка дифракции трансформировался в распределение света в виде кольца (Фиг.6), которое после объектива 9 преобразовывалось в совокупность референтных пучков, располагавшихся на воображаемой конической поверхности непрерывно относительно друг друга и сходящихся в плоскости регистрирующей среды 10. Навстречу совокупности референтных пучков направлялся сигнальный пучок 3 и в объеме регистрирующей среды, в качестве которой использовался толстослойный голографический фотополимерный материал, формировалась отражательная голограмма. Полученная голограмма освещалась с помощью точечного источника белого света, при этом направление падения восстанавливающего пучка света варьировалось в азимутальном направлении, а яркость восстановленного изображения наблюдалась визуально, а также измерялась с помощью спектрометра, и оставалась постоянной при изменении значения азимутального угла ψ₀ восстанавливающего пучка в пределах 2π радиан. Кроме того, дифракционная эффективность (ДЭ) η₁ полученной голограммы сравнивалась с ДЭ η₀ эталонной объемной отражательной голограммы, полученной путем интерференции двух плоских волн, направленных навстречу друг другу. Эти величины оказались равными соответственно 40% и 60%, что демонстрирует возможность получения высокой ДЭ голограмм, записываемых в соответствии с заявляемым способом.

Таким образом, эксперименты подтвердили работоспособность заявляемого способа записи и восстановления изобразительных голограмм.

1. Способ записи и восстановления изобразительных голограмм, основанный на формировании массива элементарных голограмм на поверхности регистрирующей среды путем интерференции референтного и сигнального пучков, располагающихся по разные стороны регистрирующей среды и пересекающихся под некоторым углом, отличающийся тем, что каждую из элементарных голограмм записывают путем интерференции сигнального и совокупности референтных пучков, эти референтные пучки располагают на воображаемой конической поверхности непрерывно относительно друг друга, при этом референтные пучки сводят в одну точку регистрирующей среды, при восстановлении голограммы используют пучок лучей от точечного источника белого света, угол падения которого изменяют в азимутальном направлении в пределах 2π радиан для наблюдения восстановленного изображения с любого ракурса.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для формирования совокупности референтных пучков, расположенных на воображаемой конической поверхности, используют дифракционный элемент аксикон (кольцевую дифракционную решетку).