УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ ИЗОБРАЗИТЕЛЬНЫХ ГОЛОГРАММ

Предлагаемое устройство записи изобразительных голограмм, заявляемое в качестве полезной модели, относится к области оптической голографии, конкретно - к устройствам записи изобразительных голограмм, в частности, синтезированных, образованных из массива элементарных голограмм.
Технология изготовления изобразительных голограмм непрерывно развивается. На раннем этапе использовались простые устройства записи изобразительных голограмм по методу известного ученого Ю.Н.Денисюка. Например, известно устройство для записи голограмм [1, Смирнов В.Б., Жусъ Г.В. «Устройство для записи голограмм» //Авторское свидетельство СССР, №1428060, Бюллетень изобретений, 1989, №19, с.293], содержащее лазер, расширитель лазерного пучк9а, фотопластинку, объект голографирования, размещенные на жестко скрепленной металлической конструкции.
Такие устройства не позволяли получать голограммы виртуальных объектов (синтезируемых с помощью компьютеров), или реальных объектов, размеры которых значительно превышали размеры фотопластинки.
Эти недостатки принципиально отсутствуют в устройствах записи синтезированных голограмм, так называемых голографических стереограмм (в другой терминологии - мультиплексных голограмм). Известны устройства записи подобных голограмм, например [2, Toshio Hondo et al. "Three-dimensional multiplex hologram" //US Patent, 5216528, 1993 г.] или [3, Бондарев Л.А., Куракин С.В., Одинокое С.Б., Лушников Д.С.«Стенд для производства радужных мультиплексных голограмм» // Патент RU, №2216759, 2003 г.]. Голографическая стереограмма, изготовленная с помощью этих устройств, представляет собой массив элементарных «щелевых» голограмм, в каждую из которых записывается изображение определенного ракурса трехмерного объекта. Устройства записи мультиплексных голограмм содержат в предметной ветви (в другой терминологии - сигнальном канале) фотографическую пленку с изображениями ракурсов объекта [2] или пространственный модулятор света, на котором отображаются эти ракурсы [3], цилиндрические линзы для формирования одномерных (щелевидных) распределений света предметной волны на поверхности регистрирующей среды, перемещающейся в направлении, перпендикулярном ориентации цилиндрических линз. Опорные волны (в другой терминологии - референтные волны), необходимые для регистрации голограмм, также имеют вид одномерных распределений света и формируются с помощью другого набора цилиндрических линз. В результате работы такого устройства получают голографическую стереограмму с одномерным (горизонтальным) параллаксом.
Принципиальным недостатком описанных устройств является невозможность получения изображений с двухмерным параллаксом из-за использования лишь цилиндрических линз в предметной и опорной ветвях схемы записи голограмм.
В следующем поколении устройств записи голографических стереограмм этот недостаток устранен. Так, например, в устройстве [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], голографическая стереограмма представляет собой двухмерный массив элементарных голограмм, формируемых с помощью сферических линз, содержащих определенную информацию о двухмерных ракурсах трехмерного реального или синтезированного в компьютере объекта голографирования, и обеспечивающих двумерный параллакс.
Несмотря на значительные усовершенствования, данное устройство и ему подобные имеют существенный недостаток, заключающийся в невозможности наблюдения восстановленного изображения в широком диапазоне азимутальных углов падения восстанавливающей волны из-за известного эффекта угловой селективности объемных голографических решеток, т.е. зависимости дифракционной эффективности голограммы от угла падения восстанавливающего пучка [5, Kogelnik H. "Coupled wave theory for thick hologram gratings" // The Bell System Technical Journal, 1969, V.48, N.9, p.2909-2947]. Это обстоятельство ухудшает условия комфортного наблюдения восстановленного изображения.
Указанный недостаток устранен в предложенном автором способе записи и восстановления изобразительных голограмм [5, Пен Е.Ф. «Способ записи и восстановления изобразительных голограмм» // Заявка РФ №2011125201/28(037164), 2011 г. Решение о выдаче патента от 20.08.2012 г.], основанном на формировании объемных отражательных голограмм в регистрирующей среде путем интерференции сигнального и совокупности референтных пучков, располагающихся на воображаемой конической поверхности непрерывно друг за другом. Для формирования такой совокупности референтных пучков, используют, в частности, дифракционный элемент аксикон (кольцевую дифракционную решетку).
Одним из возможных вариантов реализации данного способа является оптическая система, схема которой приведена в описании заявки [5], и выбранная прототипом в предлагаемом устройстве. В этой схеме для формирования предложенной в [5] совокупности референтных пучков в канале референтного пучка между устройством выравнивания оптических длин сигнального и референтного пучков и регистрирующей средой последовательно по ходу референтного луча расположены дифракционный аксикон, первый объектив, диафрагма, второй объектив. Четыре элемента (аксикон, первый и второй объективы, регистрирующая среда) расположены по так называемой оптической схеме «4F» (т.е. они располагаются на расстоянии F относительно друг друга, где F - фокусное расстояние объективов). Недостатками данного устройства являются большие габариты устройства, необходимость сборки и юстировки отдельных элементов. Например, в экспериментах использовались объективы с F=50 мм, соответственно размер основной части оптической системы формирования совокупности референтных пучков составлял 200 мм. Наличие многих юстировок ириводиг к увеличению суммарной погрешности (чего?)
Указанные недостатки устраняются в предлагаемом устройстве, также выполненном согласно способу, предложенному в [5], но отличающимся тем, что функции перечисленных выше отдельно расположенных оптических элементов выполняет предложенный автором один оптический элемент, представляющий собой цилиндр из оптически прозрачного материала с отражающей (относительно внутреннего пространства цилиндра) образующей поверхностью, на входной (по ходу луча) торцевой поверхности которого нанесена кольцевая дифракционная решетка (дифракционный аксикон), а на другой торцевой поверхности нанесена блокирующая диафрагма. Геометрические и оптические параметры цилиндра и аксикона связаны следующим соотношением:
где D и Н - соответственно диаметр и высота цилиндра, α - угол между оптической осью и конусом пучков света 1-го порядка дифракции на дифракционном аксиконе.
Диафрагма может быть изготовлена из разнообразных непрозрачных материалов (например, металлических пленок) и нанесена непосредственно на соответствующую торцевую поверхность цилиндра, а ее диаметр должен быть равен диаметру пучка нулевого порядка дифракции. Дифракционный аксикон может быть выполнен непосредственно на входной торцевой поверхности цилиндра с помощью светочувствительной среды, нанесенной на эту поверхность, и средств высокоразрешающей фотолитографии или прямой лазерной записи на специализированном круговом фотопостроителе [6, В.П.Коронкевич, А.Г.Полещук, А.Г.Седухин, Г.А.Ленкова. ЛАЗЕРНЫЕ интерферометрические и дифракционные системы // Компьютерная оптика, 2010, том 34, №1, с.4-23.].
Схема предлагаемого устройства записи изобразительных голограмм показана на Фиг.1, где 1 - лазер, 2 - светоделитель, 3 - канал сигнального пучка, 4 - канал референтного пучка, включающий устройство 5 выравнивания длин оптических путей сигнального и референтного пучков, 6 - монолитный оптический элемент, представляет собой цилиндр 7 из оптически прозрачного материала с отражающей (относительно внутреннего пространства цилиндра) образующей поверхностью. На входной (по ходу луча) торцевой поверхности цилиндра нанесена кольцевая дифракционная решетка 8 (дифракционный аксикон), а на другой торцевой поверхности нанесена непрозрачная диафрагма 9, блокирующая пучок нулевого порядка дифракции от аксикона, 10 - регистрирующая среда.
Устройство работает следующим образом: пучок лазера 1 направляется на светоделитель 2, расщепляется на два пучка, направляемые соответственно в канал сигнального пучка 3 и канал референтного пучка 4. Референтный пучок проходит через устройство выравнивания длин оптических путей, состоящее из четырех зеркал, направляется на монолитный оптический элемент 6, содержащий цилиндр 7 из оптически прозрачного материала, обладающего показателем преломления n. В результате дифракции света на аксиконе образуется конус референтных пучков, распространяющихся внутри цилиндра под некоторым углом α, эти пучки отражаются от образующей поверхности цилиндра и направляются к выходной торцевой поверхности цилиндра, после преломления света на которой референтные пучки сходятся под некоторым углом β (см. фиг.2) в одно пятно на поверхности регистрирующей среды 10, где интерферируют с сигнальным пучком 3. Пучок нулевого порядка дифракции света на кольцевой дифракционной решетке блокируется диафрагмой 9.
0
На фиг.2 изображена схема монолитного оптического элемента с более подробным описанием, цифровые обозначения элементов такие же, как на фиг.1. Здесь L - расстояние от выходного торца цилиндра до регистрирующей среды, n=1.514 (показатель преломления стекла марки К8 для длины волны света 655 нм), предполагается также, что этот цилиндр окружен воздухом с показателем преломления n=1. Величина (L+H) характеризует габариты основной части оптической системы формирования совокупности референтных пучков.
Указанные параметры цилиндра и аксикона связаны следующими соотношениями:
.
В экспериментальном образце круговой дифракционной решетки α=14°. Тогда, например, при L=10 мм, диаметр цилиндра D=8 мм, а его высота Н=16 мм, что иллюстрирует малые габариты заявляемого устройства. С другой стороны, положим, как в прототипе, H=F=50 мм, тогда при α=14° диаметр цилиндра D=25 мм, а расстояние L=31 мм. Таким образом, величина (L+H)=81 мм, что в два раза меньше, чем габариты рассматриваемой части устройства записи изобразительных голограмм в прототипе.
В общем случае отражение конуса пучков света внутри цилиндра можно обеспечить за счет зеркальной (относительно внутреннего пространства цилиндра) образующей поверхности, которая может быть изготовлена путем напыления или осаждения тонкого слоя металла, например алюминия. Однако на практике отражение конуса пучков света внутри цилиндра будет обеспечиваться и без зеркальной поверхности за счет известного эффекта полного внутреннего отражения света [7, Борн М., Вольф Э. Основы оптики // Изд. 2-е. Перевод с англ. М., «Наука», 1973. 713 с.], которое наблюдается в нашем случае при условии
,
т.е. при n=1.514 должно быть обеспечено условие α<48.5°. На практике для дифракционных аксиконов, в том числе использованного нами, значение а существенно меньше.