КОМПАКТНОЕ УСТРОЙСТВО ЗАПИСИ ИЗОБРАЗИТЕЛЬНЫХ ГОЛОГРАММ
COMPACT DEVICE FOR RECORDING PICTURE HOLOGRAMS

Изобретение 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., Жусь Г.В. «Устройство для записи голограмм» //Авторское свидетельство СССР, №1428060, Бюллетень изобретений, 1989, №19, с. 293], содержащее лазер, расширитель лазерного пучка, 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 Honda et al. "Three-dimensional multiplex hologram" //USA Patent, 5216528, Publication Date: 1993; 3, Бондарев Л.А., Куракин С.В., Одиноков С.Б., Лушников Д.С. «Стенд для производства радужных мультиплексных голограмм» //Патент RU, №2216759, 2003] и значительно усовершенствованные в последнее время устройства, например [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 в этом случае представляет собой двухмерный массив большого количества элементарных голограмм, содержащих определенную информацию о двухмерных ракурсах трехмерного реального или синтезированного в компьютере объекта голографирования, и обеспечивающих его двумерный параллакс, в отличие от стереограмм [3] с одномерным параллаксом.
Современные устройства записи голографических стереограмм (в другой терминологии часто называемые как голографические принтеры или просто голопринтеры [5, Masahiro Yamaguchi, Nagaaki Ohyama, and Toshio Honda. Holographic three-dimensional printer: new method//APPLIED OPTICS, 1992, Vol.31, No.2, p.217-222]) представляют в настоящее время громоздкие устройства с габаритами в несколько кубических метров, со сложной оптической схемой, требующие постоянного контроля состояния юстировок оптико-механических элементов [4]. Новый подход к практической реализации голопринтеров, заключающийся в применении элементов волноводной оптики, предложен в [6, ПУТИЛИН А.Н., БОРОДИН Ю.П., КОПЕНКИН С.С. Голограммы на полном внутреннем отражении в осветительных элементах схем записи синтезированных 3D стереограмм // ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ ПО ФОТОНИКЕ И ИНФОРМАЦИОННОЙ ОПТИКЕ: Сборник научных трудов. М.: НИЯУ МИФИ, 2012, стр. 204-205] и [7, Kyungsuk P. Pyun, Audrey N. Putilin and Alexander V. Morozov. Integrated optical means for micro holograms recording// Proc. of SPIE, 2012, Vol.8280, p.82800L], [8, Kyungsuk P. Pyun and Chilsung Choi and Alexander V. Morozov and Sunil Kim and Jungkwuen An. Compact holographic printer using RGB waveguide holographic optical elements //Proc. of SPIE, 2013, Vol.8616, p.86160R].
Использование волноводных планарных оптических элементов в голографических устройствах известно. Например, в [9, Horst Kiemle. Holographic storage device // USA Patent, 4005394. Publication Date: 1977-12-25] с помощью таких элементов отражают и направляют сигнальный и референтный пучки света в голографическом запоминающем устройстве и добиваются уменьшения габаритов устройства, жесткости конструкции, устранения многих юстировок оптико-механических элементов.
Устройство [6] является новым техническим решением актуальной задачи создания компактного голопринтера с улучшенными свойствами: компактность, сокращение количества юстировок оптико-механических элементов, снижение эксплуатационных расходов и т.п.
Отметим, что успешно осуществляется поэтапная экспериментальная реализация таких устройств [8]. Функциональная оптическая схема рассматриваемого устройства (Фиг. 1) содержит лазер, светоделитель (H1), формирующий опорный пучок R (в другой терминологии - референтный) и освещающий пучок предметной волны S; планарные волноводные оптические элементы (ПВ) каналов предметного и референтного пучков; оптические элементы формирования светового распределения предметной волны, а именно - пространственный модулятор света (SLM), коллиматор (H2), Фурье-линзу (H3); формирователь опорного пучка (H4) в виде голографической дифракционной решетки; а также топографический регистрирующий материал (RM). Термин хогель, обозначающий одну из элементарных голограмм двумерного массива таких голограмм, имеет происхождение от слов holographic pixel. По составу однотипных функциональных блоков, а также технологии их изготовления рассмотренное устройство является наиболее близким к предлагаемому.
Несмотря на очевидные достоинства, устройство [6] имеет 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 [10, 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 может быть устранен при использовании предложенного автором способа записи и восстановления изобразительных голограмм [11, Пен Е.Ф. «Способ записи и восстановления изобразительных голограмм» //Патент РФ №2472201, опубликован 10.01.2013], основанного 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, при экспериментальной апробации использован, в частности, дифракционный элемент аксикон (кольцевая дифракционная решетка).
Одним из возможных вариантов реализации данного способа является устройство, предложенное в [12, Пен Е.Ф. Устройство записи изобразительных голограмм. Положительное решение от 28.03.2013 по заявке №2012152215/28(083185)]. В этом устройстве в референтном канале расположен монолитный оптический элемент, который заменяет функциональный блок, состоящий из нескольких элементов: дифракционный аксикон, первый объектив, диафрагму, второй объектив, формирующих необходимую совокупность референтных пучков.
Заявляемое компактное устройство записи изобразительных голограмм, содержащее лазер, светоделитель, каналы сигнального и референтного пучков, включающие волноводные и дифракционные оптические элементы, отличается тем, что в выходной части канала референтного пучка установлен монолитный оптический элемент, выполненный в виде цилиндра из оптически прозрачного материала с отражающей относительно внутреннего пространства цилиндра образующей поверхностью, на входной по ходу луча торцевой поверхности которого нанесен дифракционный аксикон, а на другой торцевой поверхности нанесена блокирующая диафрагма.
Функциональная оптическая схема заявляемого компактного устройства записи изобразительных голограмм показана на Фиг. 2, где 1 - лазер, 2 - светоделитель, 3 - призмы, отражающие свет за счет эффекта полного внутреннего отражения, 4 - планарные световоды со свободным линейным распространением света, 5 - оптический блок, содержащий расширитель и коллиматор лазерного пучка, пространственный модулятор света и Фурье-объектив, 6 - монолитный оптический элемент в соответствии с полезной моделью [12], выполненный в виде цилиндра из оптически прозрачного материала с отражающей относительно внутреннего пространства цилиндра образующей поверхностью, на входной по ходу луча торцевой поверхности которого нанесен дифракционный аксикон, а на другой торцевой поверхности нанесена блокирующая диафрагма; 7 - регистрирующая среда. Отметим, что на Фиг. 2 элементы 2-4, выделенные цветом, а также оптический блок 5 и элемент 6 для наглядности изображены как установленные раздельно, в то время как на практике все эти элементы могут быть смонтированы монолитно, например, путем оптического склеивания.
Устройство работает следующим образом: пучок лазера 1 посредством светоделителя 2 расщепляют на два пучка, с помощью призм 3 и планарных световодов 4 направляют в сигнальный и референтный каналы. В сигнальном канале (оптический блок 5) световой пучок расширяют и коллимируют, тем самым создают освещающую волну, которую направляют на пространственный модулятор света, формирующий ракурсы регистрируемого изображения, далее сигнальная волна фокусируется с помощью Фурье-объектива в плоскость регистрирующей среды в световое пятно с размерами в доли миллиметров. Монолитный оптический блок 6 в референтном канале в отличие от ранее известных устройств формирует референтную волну в виде совокупности световых пучков, располагающихся на воображаемой конической поверхности, и сходящихся в том же самом месте, что и сигнальная волна в световое пятно в доли миллиметров. В результате интерференции сигнальной и референтной волн образуется одна из элементарных голограмм, далее регистрирующая среда перемещается на расстояние, равное диаметру элементарной голограммы, изменяется информация в пространственном модуляторе света и регистрируется следующая элементарная голограмма. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирован весь массив элементарных голограмм, содержащих информацию обо всех ракурсах синтезируемого изображения.
Новизна предлагаемого устройства заключается в использовании оригинального монолитного оптического элемента для получения референтной волны в виде совокупности световых пучков, располагающихся на воображаемой конической поверхности непрерывно друг за другом, что обеспечивает возможность наблюдения восстановленного изображения под любым углом падения восстанавливающей волны. Данный элемент органично сочетается с другими компактными планарными оптическими элементами голопринтера, не требует юстировок, тем самым повышается надежность работы устройства, облегчаются условия его эксплуатации.