В 1962 г в результате поиска способа устранения двойного изображения, которое присутствовало в осевых голограммах Денеша Габора, Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс, предложили метод, по которому были созданы первые внеосевые пропускающие голограммы [1]. В отличие от схемы Д. Габора, объектный и опорный пучки предлагалось пространственно разделить, направив опорный пучок под некоторым углом к предметному. Данный метод позволил решить проблему двойного изображения, а также убрать наложение непродифрагировавшего луча на изображение объекта.
В 1963 г. с помощью внеосевой схемы Э. Лейта и Ю. Упатниекса были получены первые объемные голографические изображения, созданные с применением лазерных источников с достаточной пространственной когерентностью. Полученные объемные изображения дали начало изобразительной голографии.

Рис. 1 Первая пропускающая (монохромная) изобразительная голограмма Э. Лейта и Ю. Упатниекса 1963 г.

Методы получения цветной пропускающей голограммы сталкиваются с проблемами, которых удалось избежать, введя внеосевую запись. Если осветить объект и фотопластину в схеме записи цветной пропускающей голограммы смешанным RGB излучением от трех лазерных источников, то на фотопластине будут записаны три отдельных дифракционных решетки для трех длин волн. В отличие от объемных голограмм, записанных по контрнаправленной схеме Ю. Денисюка , и обладающих спектральной селективностью, пропускающие голограммы будут восстанавливать одновременно все RGB компоненты. Это приведет к тому, что при восстановлении появится ряд тройных изображений, так как каждая из трех дифракционных решеток, записанных на такой голограмме будет восстанавливать по три RGB компоненты, что в итоге приведет к размытию и не позволит получить качественное цветное изображение объекта.
Одним из способов борьбы с тройными цветными изображениями, является метод пространственного разделения цветовых составляющих опорного пучка, при котором его RGB компоненты падают на фотопластину под разными углами. Это приводит к тому, что для разных длин волн создаются разные условия восстановления, что позволяет устранить двойные изображения.
Каждая из цветных просветных дифракционных решеток, в объемной среде, восстанавливает максимальную яркость записанного изображения, согласно закону Брегга, только при точном пространственно - угловом совпадении опорного и восстанавливающего источников [2]. В случае, когда каждая цветовая компонента голограммы записывается под своим пространственным углом, условия оптимального восстановления для одной компоненты выполняется только для одной длины волны и не выполняется для других. Это позволяет восстановить одновременно три одиночных R G B составляющих, которые вместе формируют слитное цветное изображение.
К недостаткам данного метода следует отнести то, что для восстановления цветного изображения требуются три лазерных источника точно тех длин волн, которые участвовали в записи голограммы, а также необходимость точного пространственного совпадения положения опорных и восстанавливающих RGB пучков.

Схема эксперимента

В основе схемы лежит принцип пространственного разделения RGB компонентов опорного пучка. Это достигается путем ввода в схему каждой цветовой компоненты с разницей угла падения в 90 градусов по оси Z (ось Z - перпендикуляр к фотопластине).

Рис. 2 RGB компоненты опорного и объектного пучков

На рис.2 показана схема размещения опорных источников разнесенных между собой на 90 град. Все RGB источники находятся на одинаковом расстоянии r от центра фотопластины, при этом угол наклона к перпендикуляру плоскости фотопластины составляет 56 град. Объектный пучок создается путем предварительного смешивания RGB составляющих. Объектный пучок освещают объект съемки и излучение, отраженное от объекта, падает на фотопластину вместе с опорными R,G,B пучками и происходит взаимная интерференция, каждого цвета. Данная схема позволяет выполнить условия пространственного разделения для RGB составляющих опорного пучка и записать качественную, цветную пропускающую голограмму.

Рис. 3 Оптическая схема записи цветной пропускающей голограммы.

На рис.3 показана оптическая схема формирования трех опорных R,G,B пучков, а также смешанного предметного RGB пучка. Излучение от трех лазерных источников (532нм, 640нм, 457нм) проходит через полуволновую пластину, 3, основная задача которой менять угол плоскости поляризации лазерного излучения,. Полуволновая пластина закреплена в оправу, позволяющую вручную менять угол вращения 0-360 град, поперек оптической оси. Вращение плоскости поляризации необходимо для регулировки доли прошедшего и отраженного света в поляризационном кубе 5,. Поляризационный куб делит излучение на опорную и объектную ветви, а меняя плоскость поляризации, мы можем настраивать соотношение интенсивностей опорного и объектного пучков. Соотношение интенсивностей опорный/объектный составляет 1/0.5 – 1/0.25. Измерения интенсивности производятся в плоскости фотопластины со стороны эмульсии.
Объектная ветвь после поляризационного куба направляется через ряд зеркал 1 на узлы спектральной фильтрации 6, в которых происходит пространственная фильтрация , искажений внесенных оптическими элементами и расширение пучка для освещения всей площади фотопластины.
Для получения равной интенсивности R,G,B компонент производится регулировка размеров пятна для каждой из цветных составляющих. В зависимости от исходной расходимости лазерного источника, это достигается либо введением в ветвь специального регулируемого телескопа 4, либо подвижкой лазерного источника на необходимое продольное удаление вдоль оптической оси.
Опорная ветвь, после прохождения поляризационного куба попадает на систему сведения в единый RGB пучок, в котором используются два дихроичных, зеркала 7 для R,B компонентов. Дихроичные зеркала отражают только одну длину волны и свободно пропускают все остальные. Поэтому R зеркало отражает падающий красный луч, свободно пропуская зеленый. На выходе получается RG смесь (желтый) которая в свою очередь свободно проходит сквозь дихроичное зеркало B в котором добавляется синяя компонента. В результате на выходе системы получается RGB пучок, который с помощью зеркал и узла чистки освещает объект съемки. Следует отметить, что для освещения объекта съемки не обязательно применять узел спектральной фильтрации, а достаточно поставить матовый рассеиватель, который будет освещать объект, с чуть большими световыми потерями, что не скажется на результате при использовании достаточно мощных лазерных источников.

3d Визуализация схемы записи цветной пропускающей голограммы.

Схема восстановления

Схема восстановления цветной пропускающей голограммы (рис.4) отличается от схемы записи только отсутствием объектной ветви. С помощью полуволновых пластин осуществляется необходимый цветовой баланс голограммы, а «излишек» лазерного излучения направляется на черные поглотители (8).

Рис. 4 Схема восстановления цветной  пропускающей голограммы. 

Описанная схема записи и восстановления была реализована на стенде цветной голографической установки лаборатории Continuum и дала высококачественное RGB изображение с отличной цветопередачей и глубиной сцены (рис 5, 6).

Рис. 5 Объекты (освещенные для записи) 

Рис. 6 Восстановленное изображение

Практическое применение метода записи и восстановления цветных голографических изображений методом Э. Лейта и Ю. Упатниекса, всегда было ограничено сложностью способа восстановления, требующего применения трех лазерных источников. Однако, в связи с прогрессивным развитием производства полупроводниковых лазеров, эта задача сегодня может быть решена очень простым и экономически рентабельным способом.
К плюсам использования метода просветного восстановления, можно отнести почти полное отсутствие изменения цветопередачи в зависимости от условий хранения голограммы. Для цветных отражательных голограмм, незначительное изменение толщины фотослоя (вследствие усадки или набухания) приводит к смещению длины волны селективного отражения и как следствию к нарушению цветопередачи реального объекта. Для пропускающих голограмм этот фактор не является значимым.
Кроме того, для просветных голограмм требования к основным голографическим характеристикам фотоматериала существенно ниже, чем для отражательных. Это позволяет применять для записи более дешевые фотоматериалы с сохранением качества восстановленного изображения.
К особенностям восприятия глазом изображения, восстановленного лазерным излучением, следует отнести наличие спекл-шум (структура) – зернистость , возникающая из-за особенностей зрения человека освещенных когерентными источниками света. С этой проблемой можно бороться, введя в лазерные осветители диффузные, подвижные рассеиватели, убирающие пространственную когерентность излучения.

Список Литературы

1. LEITH E.N., UPATNIEKS J., Journ. Opt. Soc. Amer., 52, 1123 (1962) Восстановленные волновые фронты и теория связи.
2. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография: Пер. с англ. Под ред. Островского Ю.И. М.: Мир, 1973. 686 с.

Дополнения