Способ получения голограмм и устройство для его осуществления

03 1/06 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ГОЛОГРАММ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) 1. Способ получения голограмм, включающий формирование объектной волны с заданным состоянием поляризации и ее регистрацию, отличающийся тем, что объектную волну линейно поляризуют, поворачивают плоскость ее поляризации на углы, соответствующие распределению фаз в объектной волне, выделяют одно из направлений колебаний электрического вектора объектной волны и регистрируют объектную волну с выделенным направлением колебаний электрического вектора. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что полученную голограмму дополнительно уменьшают в М раз,М/1, гдеи 1 - соответственно постоянная вращения и толщина оптически активной среды,усредненное расстояние от объекта до голограммы,- коэффициент, определяемый условиями конкретного эксперимента,- длина волны восстанавливающего излучения. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что после формирования объектной волны увеличивают расходимость лучей, рассеянных каждой точкой объекта. 4. Способ по п. 1 или пп. 1, 3, отличающийся тем, что перед регистрацией голограммы уменьшают расходимость лучей, рассеянных каждой точкой объекта. 2438 1 5. Устройство для получения голограмм, включающее поляризационную систему и систему регистрации,отличающееся тем, что поляризационная система выполнена в виде линейного поляризатора, а между поляризационной системой и системой регистрации последовательно установлены оптически активная среда и второй линейный поляризатор. 6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что в качестве оптически активной среды использована стопа плоскопараллельных пластинок из жидкого кристалла, обладающего способностью вращать плоскость поляризации проходящего света.(56) 1. Ключников А.С. Радиооптика и голография.-Минск Университетское, 1989.-С. 77-87. 2.. .., . 9,1, 1992.-Р. 70-83 (прототип). 3. Сивухин Д.В Курс общей физики. Оптика.-М. Наука, 1980.-С. 574. Изобретение относится к области технической физики и может найти применение, например, при создании профилометров, измерительных приборов для неразрушающего контроля, микроскопов, различных типов видеокамер, т.е. в различных областях науки и техники, где используются голографические методы. После открытия в 1947 г. Д.Габором голография пережила несколько периодов быстрого развития и спада. Несмотря на первые оптимистические прогнозы, голография до сих пор не нашла достаточно широкого применения. Очевидно, что причиной этого во многом являются жесткие требования, предъявляемые к условиям получения голограмм, а именно, высокая когерентность источника света, отсутствие вибраций и др. В настоящее время усилия многих ученых направлены на то, чтобы уменьшить эти требования и решить проблему получения голограмм в белом свете. Известен способ получения голограмм, включающий формирование объектной и опорной волн, пространственное совмещение объектной и опорной волн и регистрацию полученной интерференционной картины 1. Устройство для реализации данного способа содержит источник когерентного излучения, оптические системы для формирования объектных и опорных волн, систему регистрации 1. Однако, этот способ сложен, не технологичен и требует сложного оборудования (когерентный источник излучения, система виброзащиты). Известен способ получения голограмм, включающий формирование объектной волны, поляризованной по кругу, разделение объектной волны на две линейно ортогонально поляризованные составляющие, создание между этими составляющими разности фаз в зависимости от распределения фаз в объектной волне, сведение ортогонально поляризованных колебаний двух составляющих объектной волны в одну плоскость и регистрацию полученной интерференционной картины 2. Устройство для получения голограмм, реализующее данный способ, включает последовательно расположенные поляризационную систему, представляющую собой круговой поляризатор, состоящую из линейного поляризатора и фазовой четвертьволновой кристаллической пластинки, интерференционнополяризационную систему, состоящую из двулучепреломляющего одноосного кристалла и второго кругового поляризатора, и систему регистрации. Данный способ позволяет значительно снизить требования к когерентности используемого излучения,однако, он также основан на интерференции волн и реализуется с помощью интерференционной системы,осуществляющей разделение волн по амплитуде. Это обуславливает сложность способа и требует для его реализации сложного, дорогостоящего оборудования. Задачей изобретения является получение голограмм путем создания и установления зависимости углов поворота плоскости поляризации объектного волнового поля от его распределения фаз. Для решения данной задачи в способе получения голограмм, включающем формирование объектной волны с заданным состоянием поляризации и ее регистрацию, объектную волну линейно поляризуют, поворачивают плоскость ее поляризации на углы, соответствующие распределению фаз в объектной волне, выделяют одно из направлений колебаний электрического вектора объектной волны и регистрируют объектную волну с выделенным направлением колебаний электрического вектора. Для сохранения реального масштаба изображения при оптическом восстановлении полученной голограммы с помощью излучения с длиной волны , голограмму после ее регистрации уменьшают в М раз, М где- соответственно постоянная вращения и толщина оптически активной среды- усредненное расстояние от объекта до голограммы- коэффициент, определяемый условиями конкретного эксперимента. Уменьшение голограммы можно получить непосредственно в процессе ее регистрации путем уменьшения расходимости лучей, рассеянных каждой точкой объекта, после прохождения ими оптически активной среды. Кроме этого, для повышения информативности голограммы, перед прохождением через оптически активную среду расходимость лучей, рассеянных каждой точкой объекта, можно увеличить с помощью соответствующей оптической системы. В устройстве для получения голограмм, содержащем поляризационную систему и систему регистрации,поляризационная система представляет собой линейный поляризатор, а между поляризационной системой и системой регистрации расположены последовательно оптически активная среда и второй линейный поляризатор. В качестве оптически активной среды может быть использована стопа плоскопараллельных пластинок из жидкого кристалла, обладающего способностью вращать плоскость поляризации проходящего через него света. Рассмотрим более подробно сущность изобретения. Используем традиционную модель, т.е. предположим,что объект состоит из набора точечных рассеивателей, каждый из которых излучает сферическую волну. Излучение от каждой точки объекта линейно поляризуют и пропускают через оптически активную среду. Пусть оптически активная среда имеет вид плоскопараллельной пластинки. Рассмотрим прохождение сферической волны от произвольной точки объекта через пластинку из оптически активной среды. Плоскость поляризации луча, падающего нормально к грани пластинки, поворачивается на определенный угол, пропорциональный толщине оптически активной среды. Для остальных лучей, идущих под углом к нормали, плоскость поляризации поворачивается на большие углы, пропорциональные углам падения. При этом геометрическим местом точек для лучей, имеющих одинаковые углы поворота плоскости поляризации, в плоскости регистрации,являются окружности. Второй линейный поляризатор, называемый анализатором, выделяет определенное направление колебаний. В результате этого в плоскости регистрации получим чередующиеся темные и светлые окружности (кольца), причем угол поворота плоскости поляризации лучей, формирующих темные окружности,отличается от угла поворота плоскости поляризации лучей, формирующих соседнюю светлую окружность (и наоборот) на . Полученная система колец от каждой отдельной точки объекта представляет собой габоровскую зонную решетку, т.е. голограмму точки, как и в прототипе, однако, в отличие от традиционных способов, в том числе и прототипа, получена она без использования явления интерференции. Суперпозиция таких зонных решеток от всех точек объекта есть голограмма объекта 2. Восстановление такой голограммы может осуществляться с помощью методов, используемых для восстановления голограмм, полученных известным способом 2, как численно, так и оптически. Заявляемое устройство для реализации данного способа является более простым по сравнению с прототипом,т.к. вместо круговых поляризаторов, состоящих из линейных поляризаторов и четвертьволновых фазовых кристаллических пластинок, используются линейные поляризаторы. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для реализации способа, где 1, 2 - линейные поляризаторы, 3 - оптически активная среда, 4 - система регистрации голограмм, 0 - голографируемый объект. На фиг.2 представлена схема ориентации поляризаторов и плоскостей поляризации волн, где 1 и 2 - направления колебаний, пропускаемые поляризатором и анализатороми - направления колебаний волн при распространении вдоль оси (1 0 ) и под углом 1. Объект 0 (прозрачный или непрозрачный) освещается световой волной. Отраженная от объекта (или прошедшая через объект) волна проходит через поляризатор 1, оптически активную среду 3, анализатор 2 и регистрируется с помощью системы регистрации 4. Рассмотрим излучение, рассеянное отдельной точкой объекта, например В(х 0, у 0, 0). Если пренебречь преломлением, то 1 - 2 и длина путив оптически активной среде 3 будет равна(1), где 1 - угол падения луча на пластинку из оптически активной среды 2 - угол преломления- толщина пластинки. Соответственно плоскость поляризации волны после прохождения расстоянияразвернется на угол(2), где- постоянная вращения данной оптически активной среды. Величину интенсивности, соответствующую повороту плоскости поляризации на угол а, на приемной плоскости системы регистрации 4 можно определить по формуле (см. фиг. 2) 22 1- 2(3),где А - вещественная амплитуда волны, рассеянной точкой В 1, 2 - углы, определяющие ориентацию поляризатора 1 и анализатора 2 (1 и 2 на фиг.2). Углы, отсчитываемые по часовой стрелке, принимаются положительными, а против - отрицательными. В том случае, если поляризатор и анализатор параллельны, т.е. 12, то А 2 2 . Пусть анализатор повернут на такой угол 2, при котором для луча, падающего нормально на пластинку с оптически активной средой (10), наблюдается максимальная величина интенсивности. Очевидно, что этот угол должен удовлетворять соотношению (см. фиг.2) 0 - 01 - 2(4),где 0 - есть угол поворота плоскости поляризации нормально падающего луча 0 - число поворотов плоскости поляризации волны напри прохождении через оптически активную среду. При этом распределение интенсивности (3) на приемной плоскости системы регистрации будет иметь вид 22(-0) Согласно выражению (6), интенсивность в плоскости регистрации является функцией угла падения света 1. Следовательно, распределение интенсивности (6) представляет собой картину из чередующихся темных и светлых колец. Подставив в (6) значение, 22 где- расстояние от точки объекта до плоскости регистрации- радиус колец, получим Это выражение представляет собой зонную решетку Габора, т.е. осевую голограмму точки объекта. Приведем для сравнения распределение интенсивности в обычной осевой голограмме точки, полученной путем интерференции сферической волны, рассеянной точкой, с плоской опорной волной Из сравнения (7) и (8) видно, что эти выражения отличаются лишь масштабным множителем, пропорциональным /. Следует отметить, что на такой же множитель отличается от голограммы, получаемой при использовании обычной когерентной голографии, и голограмма точки, полученная с помощью прототипа. Суперпозиция зонных решеток, т.е. распределений (7) от каждой точки объекта, является голограммой объекта 2 где- поверхность объекта. С учетом рефракции выражение (9) можно записать в виде где- показатель преломления оптически активной среды. При произвольном значении интенсивности для нормально падающих на пластинку лучей (10) и при параллельно установленных поляризаторе и анализаторе ( 1 2) выражение (10) примет вид 4 Для получения голограммы, как отмечалось выше, объектную волну, рассеянную объектом 0, линейно поляризуют путем пропускания через линейный поляризатор 1, далее пропускают через оптически активную среду 3. При этом происходит поворот плоскости поляризации составляющих объектной волны, рассеянных различными точками объекта, в зависимости от пространственного расположения данных точек. То есть, после прохождения оптически активной среды, совокупность различных углов поворота плоскости поляризации объектной волны содержит информацию о распределении фаз в объектной волне. Для того, чтобы выделить и зарегистрировать эту информацию, объектную волну пропускают через второй линейный поляризатор 2. В результате этого, на приемной плоскости системы регистрации 4 формируется распределение интенсивности(9), представляющее суперпозицию голограмм (7) всех точек объекта. В качестве системы регистрации могут использоваться фотографические системы на фотоматериалах,термопластике, видеокамера и т.д. Восстановление голограммы, также как и в прототипе, может осуществляться различными способами. Например,голограмма с помощью видеокамеры вводится в компьютер, который восстанавливает ее численно путем определения координат точек объекта из выражения (9), (10) или (11). Оптическое восстановление может осуществляться путем освещения голограммы, зарегистрированной,например, на фотоматериале, когерентной световой волной. При этом, как отмечено выше, для устранения масштабных искажений, голограмму перед восстановлением желательно уменьшить в М раз, где М/. Уменьшить голограмму можно, например, с помощью оптической проекционной системы. При этом, для , изображение, восстановленное с такой уменьшенной голограммы, будет полностью тождественно объекту. Это также можно сделать непосредственно при регистрации голограммы, с помощью оптической системы, в качестве которой можно использовать, например, положительную линзу или объектив. Перед прохождением оптически активной среды расходимость лучей, рассеянных каждой точкой объекта, можно увеличить с помощью оптической системы, в качестве которой может быть использована, например, отрицательная линза или дифракционный элемент. При этом для каждой точки объекта увеличится разность углов поворота плоскости поляризации после прохождения оптически активной среды между лучом, параллельным оптической оси, и лучом, рассеянным под максимальным углом, который еще попадает в данное устройство. Это приводит к увеличению для каждой точки объекта числа соответствующих колец в зонной решетке на голограмме, т.е. к увеличению информативности голограммы, ее разрешающей способности, улучшению качества восстановленного изображения. После прохождения оптически активной среды эту расходимость можно уменьшить, как отмечено выше, с помощью оптической системы (например, положительной линзы или объектива). Поскольку в заявляемом способе голограмма получена без использования явления интерференции, требования к когерентности используемых для ее получения световых волн значительно снижаются. Данный способ является действительно некогерентным способом получения голограмм. Монохроматичность используемого излучения определяется лишь дисперсией применяемой оптически активной среды. Очевидно, что разрешающая способность данного способа определяется величиной вращательной способности используемой оптически активной среды. Как известно, вращательная способность некоторых оптически активных веществ, например, жидких кристаллов, достигает 40000 град/мм 3, что делает перспективным использование их для получения голограмм с помощью данного способа. Поскольку толщина пластинок из жидкого кристалла мала, то для ее увеличения возможно использовать стопу из пластинок жидкого кристалла. Очевидно, что, 5 2438 1 чем больше будет величина вращательной способности жидкого кристалла и суммарная толщина активной среды, тем выше будет разрешающая способность полученной голограммы. оставитель В.А. Тугбаев Редактор В.Н. Позняк Корректор Т.Н. Никитина Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.