Popular science
Photographic equipment
Physics
DIY
Lazers
March 21

Любительская голография — начало пути

From Sandbox
Вторая часть про галогенсеребряные фотоматериалы.

Хочу рассказать об одном из своих интересов – оптической голографии. Нет, это про не те голограммы, что показаны в «Звёздных войнах», или видны в пирамидках на экранах мобильных телефонов, не про проекцию на плёнке и т. п. А то, о чём рассказывает Википедия в соответствующей статье, а ещё лучше в англоязычном варианте (это касается всех ссылок на Википедию по тексту). Не буду вдаваться в технические подробности и дебри уравнений (происходящие процессы очень сложны, и по теме написаны десятки объёмных монографий и сотни статей), а попробую очень кратко рассказать, что такое оптическая голография и чем она отличается от фотографии в практическом плане, что в ней такого интересного и каким образом можно в домашних условиях изготовить первую настоящую голограмму. Хоть процесс записи голограмм и похож на классический аналоговый фотографический процесс, но всё же он имеет ряд заметных отличий: другие оптические схемы, не нужен объектив, и соответственно нет необходимости в фокусировке, используются фотографические материалы со значительно большим разрешением, монохроматические источники излучения, принципиальное отсутствие негатива и позитива, строгие требования к отсутствию вибраций, иные правила композиции сцены и мн. др.



Итак, классическая цветная (в чёрно-белой всё также, только с одним каналом цвета) фотография, как аналоговая, так и цифровая, способна фиксировать только амплитуду световых волн, и посредством цветоделения опосредованно длину волны. Получается плоское изображение сцены строго с одного ракурса и с цветами, только с тем или иным успехом создающими для человека иллюзию исходных цветов. Использование свойств бинокулярного зрения и особых художественных приёмов может придать изображению некоторый объём, но также лишь с одного ракурса, цифровые VR системы не в счёт, речь про чистый аналог.

Малоизвестный процесс Липпмана, эксплуатируя явление интерференции света, непосредственно регистрирует, а затем воспроизводит исходный спектральный состав излучения. Вследствие интерференции на фотопластинке запечатлевается сложная картина взаимодействия всех пришедших от сцены световых волн, а в последствии дифракция на получившейся структуре снова восстанавливает эти волны в точности с той же длиной и пропорциональной амплитудой. Получается изображение аналогичное фотографическому, но с точной передачей спектра излучения без привлечения цветоделения и иных ухищрений. Почему же данный способ не вытеснил традиционную цветную фотографию, особенно учитывая, что он появился задолго до неё? Во-первых, высокая сложность: необходимы специальные высокоразрешающие фотоматериалы, особое плотно прилегающее к фотографической эмульсии зеркало (изначально использовалась жидкая ртуть), специальная химическая обработка, полученное изображение воспроизводится только под определёнными углами освещения и наблюдения, и пр. Во-вторых, и так хорошо, получаемые аддитивным смешением цвета́ для человека визуально тождественны исходным длинам волн.

Оптическая голография, также, как и процесс Липпмана эксплуатирует явление интерференции и фиксирует не только интенсивность, но и фазу световой волны, а значит направление падения каждого луча в сцене попавшего на фотографический материал. Происходит запись информации о световом поле, а не об изображении построенном объективом, как в классической фотографии. Потому технология и была названа голографией, что с др.-греческого переводится как «полный» и «пишу», т. е. полная запись, при этом сохраняется вся информация о падающем на регистрирующую среду свете. И при воспроизведении голографическое изображение получается практически неотличимо от оригинального в момент записи, несущее в себе множество признаков глубины, позволяющее рассмотреть запечатлённый объект в разных ракурсах в пределах некоторого угла (имеющее параллакс по одной или двум осям). Если есть тени, блики, отражения, преломления, то они достоверно передадутся, такая себе трассировка лучей.
К слову, существуют пленоптические камеры, реализующие некоторые возможности предоставляемые голографией, но они не получили пока особого распространения.

Для примера, очень удачная цветная голограмма (не моя):


Динамический диапазон сцены может достигать фантастических 1:1 000 000. Голограмма играет роль окна, через которое можно наблюдать сцену в том виде, в котором она была на момент записи. Каждая точка голограммы несёт в себе информацию о всех упавших лучах от всей сцены. Потому разделив голограмму на несколько частей мы потеряем часть информации о сцене, но не в таком объёме, как в случае классической фотографии, в случае голограммы изменив ракурс возможно удастся увидеть объекты сцены, которые были бы полностью потеряны в случае обыкновенной фотографии. Конечно, применение голографии не ограничивается только художественной голографией и развлечениями, это и контроль конструкционных материалов и технологических процессов, и научные исследования, и голографические оптические элементы, и перспективные способы хранения информации, и методы обработки информации и мн. др.

Как же происходит запись голограммы? Как правило для этого требуется два когерентных пучка света, один опорный, идёт непосредственно от лазера и непосредственно падает на регистрирующую среду. Второй отражается от объектов сцены и несёт информацию о ней. Именно они и интерферируют между собой, а полученная картина интерференционных полос фиксируется фотографическим материалом. Затем благодаря дифракции на полученной структуре только одного опорного пучка, не несущего обычно никакой информации, происходит восстановление объектного (второго пучка) и возникает изображение запечатлённой сцены. Происходит кодирование информации о сцене с участием опорного пучка выступающего в роли ключа, затем восстановление закодированной информации с использованием того-же ключа, пучка с такими же свойствами, как и у опорного в момент записи.

Существует множество видов голограмм и способов их записи, две наиболее простых и наглядных схемы это – схема Лейта-Упатниекса, дающая пропускающие голограммы, в ней и опорный пучок и объектный падают на фотоматериал с одной стороны. И схема Денисюка, дающая отражающие голограммы, когда пучки падают с разных сторон. Первые имеют очень высокую яркость и степень реализма, имеют несколько меньшие требования к разрешающей способности фотоматериалов и виброустойчивости, однако с ними сложно получить цветное изображение, а самое главное, что они могут быть воспроизведены только с помощью лазера (так называемые радужные голограммы воспроизводятся белым светом, но их пока рассматривать не будем). Вторые могут быть воспроизведены в обычном белом свете, голограмма самостоятельно вырезает из падающего света нужные ей длины волн, и при записи голограммы одновременно тремя лазерами можно получить цветное изображение. Оба способа имеют применение и легко реализуются, особенно второй, для которого достаточно положить фотопластинку на объект и осветить со стороны пластинки лазером. Не буду сюда вставлять чужие картинки со схемами, кои есть в той же Википедии, сосредоточусь на практической части. Отметив только, что недостатком кроме сложности процесса является необходимость использования высоко когерентного, а значит монохроматического излучения, и для записи цветного изображения также будет необходимо использовать три источника излучения. А также, как и в случае процесса Липпмана у голограмм при воспроизведении особые требования к освещению.

Также существует возможность рассчитать дифракционную картину на ЭВМ и затем записать её на фотоматериал, или отобразить рассчитанную интерференционную картину на голографическом дисплее, которые в данный момент находят на стадии ранних прототипов, например проект MIT. Но на практике к таким способам не прибегают, они пока находятся в стадии научных исследований, кроме фурье-голограмм, которые вполне реально напечатать на обыкновенном принтере, но они особого восторга не вызывают. Голограммы крупных размеров, со сложными эффектами, объектов не существующих в реальности обычно создаются гибридным способом, когда объектный лазерный пучок проходит через LCD панель, которая формирует изображение с одного из ракурсов, и затем интерферирует с опорным пучком на голографическом фотоматериале. Делая несколько экспозиций с разными изображениями получают так называемую мультиплексную голограмму. Немного информации о цифровых синтезированных голограммах есть в статье Википедии.

Что же необходимо для записи классического, полностью аналогового голографического изображения – создания оптической голограммы?

Первое. Самое главное, важное и сложное – высокая механическая стабильность всех конструкций, полное отсутствие любых движений, вибраций, даже от голоса или теплового расширения, не говоря уж про старый холодильник в углу. Так объект и фотоматериал не должны в процессе записи смещаться друг относительно друга более чем на ¼ часть расстояния между полосами дифракционной картины, а оно сопоставимо с длиной волны записывающего лазера. Несколько точнее период интерференционной картины может быть рассчитан по формуле: 2 * sin(θ /2 ) / λ. Где θ — угол между пучками, λ — длина волны. Например, для пропускающей голограммы и углах падения пучков 45°, и длине волны лазера 650нм период интерференционной картины составит 2 * sin ((45° + 45°) / 2) / (650 * 10-6) ~ 2176 лин./мм. Или, для отражательной голограммы при угле падения опорного пучка 45°, и падении объектного пучка перпендикулярно пластинке. Принимая коэффициент преломления стекла равным 1.6, получим угол опорного пучка после преломления равный arcsin(sin(45°) / 1.6) ~ 26.2°, угол между пучками составит 180 — 26.2 = 153.8°. Длина волны лазера также должна быть скорректирована с учётом коэффициента преломления, 650 / 1.6 = 406нм. Период интерференционной картины составит 2 * sin (153.8 / 2) / (406 * 10-6) ~ 4798 лин./мм.
Для этого используются различные приёмы, от того, что кладут объекты сцены непосредственно на фотоматериал, или фотоматериал на объекты, до оптических столов весом сотни килограмм с активными пневматическими опорами. Требования по вибрациям значительно смягчаются при использовании импульсного лазера, но при этом сам лазер становится самой сложной и дорогостоящей частью системы.

Второе. Специальные фотоматериалы, имеющие высокое разрешение (от 1 000 до 5 000 лин./мм и выше) и созданные специально для фиксирования интерференционной картины с использованием тех или иных схем. Существующие виды регистрирующих материалов:

  1. Галогенсеребряные.
    Очень похожи на классические фотоматериалы, только имеют значительно более высокое разрешение и сенсибилизированы для длин волн конкретных лазеров.
    Преимущества: обладают самой высокой чувствительностью, а значит требуют самые короткие экспозиции, и в следствие этого имеют меньше проблем с вибрациями, а также позволяют легко использовать лазеры небольшой мощности; с помощью комбинации сенсибилизирующих красителей можно получить фотоматериалы для цветной голографии по аналогии с цветной фотографией; относительно не дороги, могут быть легко приобретены и даже изготовлены самостоятельно. Могут использоваться совместно с импульсным лазером позволяющим делать снимки живых и иных подвижных объектов, вплоть до падающей воды. С помощью особых приёмов химобработки цвет изображения может быть смещён в ту или иную сторону.
    Недостатки: имеют относительно низкую яркость без дополнительных процедур отбеливания; требуют точной выдержки экспозиции и химическую обработку, особенно ответственен этап проявления; имеют ограниченное разрешение.
  2. Бихромированная желатина.
    Преимущества: самая высокая яркость получаемых изображений; дешевизна и простота изготовления; простота процедуры проявки; крайне высокое разрешение.
    Недостатки: очень низкая чувствительность, в основном чувствительна в синей области спектра, в меньшей степени в зелёной, сдвиг чувствительности в красную область и повышение чувствительности очень сложны и требуют редких химических соединений; высокая гигроскопичность, требуется полная герметизация эмульсии после проявления.
  3. Фотополимеры.
    Преимущества: высокая яркость получаемых изображений; дешевизна и простота изготовления (но дороже и сложнее бихромированной желатины); не требуют проявки; относительно высокая чувствительность; могут быть, так же, как и галогенсеребряные, изготовлены чувствительными ко всей области видимого спектра; имеют довольно высокое разрешение.
    Недостатки: токсичность входящих в них компонентов (актуально при изготовлении в домашних условиях); плохая сохраняемость полученного изображения у некоторых рецептур.
  4. Фотохромные кристаллы и прочая экзотика.
    Существуют в основном в специализирующихся на данном вопросе лабораториях.

На западе у любителей и в коммерческой практике наибольшей популярностью пользуется бихромированная желатина, в следствие дешевизны, высокой яркости получаемого изображения, доступности мощных зелёных и голубых лазеров. На территории же бывшего СССР – галогенсеребряные, для которых достаточно небольшого гелий-неонового лазера или даже простой красной лазерной указки. Для первых экспериментов проще всего приобрести и использовать фотополимерные материалы, про одну из марок и пойдёт речь ниже. Промышленные голограммы (например, для защиты продукции от подделки) изготавливаются методом оттиска на зеркальной пластиковой плёнке, но предварительно они также записываются с помощью лазера и проходят несколько стадий преобразования до так называемых радужных голограмм.

Третье. Лазер также, как и механика, должен быть очень стабильным, причём требования к стабильности крайне высоки. В первую очередь он должен быть одномодовым, как по поперечным модам (один единственный пучок излучения), англ. single transverse, TEM00, так и по продольным (одна частота излучения), англ. single longitudinal. Вот по последней характеристике и нужно искать подходящий лазер. Для голографии кроме длины волны крайне важен такой параметр излучения, как временна́я когерентность. В общих чертах он определяет стабильность параметров излучения во времени, максимально возможное время отставания одного луча по отношению к другому, при котором будет наблюдаться конрастная интерференционная картина. Так как скорость света очень высока, то удобнее манипулировать длиной когерентности (сколько свет проходит за время когерентности). Ширина линии лазерного излучения связана с длиной когерентности по формуле: центральная_длина_волны^2 / ширина_линии. Так для длины когерентности в 10 см ширина линии лазера для 650 нм должна составлять 0.004 нм.

Длина когерентности лазера ограничивает максимальную глубину сцены голограммы, но для разных схем по разному. Например, для схемы записи Денисюка, где объект находится за фотопластинкой, разница хода объектного и опорного пучка приблизительно составит расстояние которое прошел луч от фотопластинки до объекта и обратно. И максимальная глубина сцены составит примерно половину длины когерентности. В случае схемы Лейта-Упатниекса всё зависит от способа освещения, наличия и положения зеркал и светоделительной пластинки, и вполне можно добиться максимальной глубины сцены приблизительно равной длине когерентности.

К счастью, довольно много видов лазеров при правильном подходе способны дать требуемые характеристики, особенно в области малых мощностей. Так многие гелий-неоновые лазеры имеют излучение с длиной когерентности 15-20 см при мощности до десятков мВт. Как это ни странно, большинство недорогих красных лазерных указок и маломощных модулей до 5 мВт также вполне пригодны, и могут давать излучение с длиной когерентности от сантиметра до нескольких метров. А вот зелёные и синие лазерные указки часто не пригодны для чего-то большего чем для запись сцены с монетами в несколько миллиметров глубиной, но тут нужно изучать каждый экземпляр в отдельности, про это будет немного ниже. В общем, обзор лазеров, их выбор, способы питания и стабилизации – это тема для ещё одной, довольно объёмной статьи.

Перейдём непосредственно к практической части. Для первых экспериментов был выбран готовый набор для экспериментов в области голографии, включающий в себя подходящий лазер с блоком питания на батарейках, фотополимерные голографические пластинки, некоторую механику, документацию, тестовый объект в виде модели автомобиля, и другие вспомогательные объекты вроде брелока с синим светодиодом в качестве источника неактиничного (не влияющего на фотоматериалы) свет – Litiholo Hologram kit c дополнением Reflection upgrade.

Фотоматериалы. Фотополимер с защитным слоем на оптическом стекле толщиной 1.8 мм, заявленная дифракционная эффективность (что-то вроде КПД в данном случае) более 90%, чувствительность в диапазоне от 400 до 690 нм, т. е. можно записывать и цветные голограммы. Подходят, как для записи пропускающих, так и отражательных голограмм. Фотопластинки до экспонирования фиолетового цвета, после облучения лазером в наиболее освещённых местах обесцвечиваются, полное обесцвечивание производится ярким белым светом, никакой другой процедуры проявления или фиксирования не требуется.

Лазер. Полупроводниковый лазерный модуль 638 нм с заявленной мощностью 5 мВт, имеет переменный резистор для точной настройки тока и блок питания на батарейках, заявлен как пригодный для голографии.

В соответствии с комплектной инструкцией была собрана схема для записи пропускающих голограмм.



Лазер был предварительно прогрет (оставлен во включенном состоянии) в течении 15 минут, а генерируемый спектр проверен самым простым способом: за лазером устанавливается лист белой бумаги, а перед ним параллельно бумажному листу на расстоянии 30 см и перпендикулярно лучу стеклянная пластинка (например, предметное стекло для микроскопа или фотопластинка с удалённым чувствительным слоем), на листе должна наблюдаться чёткая интерференционная картина состоящая из светлых и тёмных полос, в тёмных промежутках должны отсутствовать более слабые светлые полосы, а сама картина должна быть стабильной во времени и как можно более контрастной. Если полосы не наблюдаются, смещаются во времени, или картина имеет очень низкую контрастность, то не имеет особого смысла пытаться записать голограмму, необходимо изменить ток лазера, дать ещё времени на прогрев и/или заменить сам лазер. Если картина чёткая и без промежуточных полос, то можно говорить о том, что длина когерентности не меньше чем толщина_пластинки * 2 * коэффициент_преломления. Так при толщине стекла 1.8 мм это число составит примерно 5.5 мм, потому лучше найти стекло потолще или лучше набор стёкол разной толщины. Скорее всего длина когерентности будет даже больше, так как без инструментальных способов измерения оценка контрастности слишком субъективна. Точнее можно будет сказать записав голограмму или воспользовавшись интерферометром Майкельсона.



Затем была произведена запись голограммы комплектного объекта, модели автомобиля.



К сожалению, камера не передаёт динамического диапазона получаемых изображений их яркости и объёма. Вживую, когда убираешь объект создаётся ощущение, что ничего не изменилось, что объект всё там же, только немного изменяется его освещённость, остаётся объём, отражения, тени, блики и возможность изменения угла наблюдения. Изображение проявляется только в свете лазерного излучения падающего под углом падения опорного пучка.





Следующей была собрана схема для записи отражательных голограмм с помощью дополнительных деталей из Reflection upgrade, которые лишены выше озвученного недостатка и видны в белом свете.



Тут уже необходимо сооружать башню для лазера, и ни о какой ¼ части длины волны речь не идёт. Однако это требование распространяется только на взаимное расположение объекта и фотоматериала, и некоторых оптических элементов, лазер просто не должен откровенно болтаться, и всё будет хорошо.



Полученные голограммы видны в белом свете, лучше всего подходят точечные источники с непрерывным спектром, солнечный свет или свет от галогенных ламп, а угол падения светового пучка должен быть тем же, что и при записи. Коэффициент цветопередачи источника освещения крайне важен, так как отражательная голограмма создаёт изображение отражая некоторый диапазон длин волн, а остальные пропускает, и этот самый диапазон для максимальной яркости изображения должен содержаться в свете в полном объёме. Так как запись ведётся красным лазером, то этот диапазон получается красно-желтым, цвет зависит от угла падения света, и изображение получается несколько приятнее на вид, чем монохромное в свете лазерного излучения.









Голограммы получились, и это показывает, как легко можно начать (а для кого-то и закончить, если не зацепило) развиваться в этом довольно популярном на западе, и практически забытом на пост советском пространстве увлечении, которое вполне может перейти в профессиональное и коммерческое русло, например изготовление изобразительных голограмм на заказ. Также это отличная тема для привлечения интереса школьников к наукам, кружковой деятельности, первых научных работ, затрагивающая и способная интегрировать множество разделов физики, техники, технологии, химии, радиоэлектроники, информационных технологий.

Если тема вызовет интерес, то постараюсь ещё написать про механику, оптику, лазеры, фотоматериалы, в том числе самодельные и т. д. Также с удовольствием учту все замечания и пожелания, дополню статью недостающей по мнению читателей информацией.

Для более глубокого изучения вопроса также могу порекомендовать следующие источники:

  • HoloWiki
  • Holographyforum
  • holography.ru
  • Голография для любознательных. Книга для научных сотрудников школьного возраста. А. А. Акилов, М. К. Шевцов. М. Издательские решения, 2018.
  • F. Unterseher, B. Schlesinger, J. Hansen. Holography Handbook: Making Holograms the Easy Way. Ross Books; 3 edition, 2010.
  • G. Saxby, S. Zacharovas. Practical Holography. CRC Press; 4 edition, 2015.
  • G. Saxby. The Manual of Practical Holography. Focal Pr, 1991.
  • Ultra-Realistic Imaging: Advanced Techniques in Analogue and Digital Colour Holography. Hans Bjelkhagen, David Brotherton-Ratcliffe. CRC Press, 2013.
  • Shoebox Holography: A Step-By-Step Guide to Making Holograms Using Inexpensive Semiconductor Diode Lasers. Frank DeFreitas, Steve Michael, Alan Rhody. Ross Books, 2000.
  • Silver-Halide Recording Materials: For Holography And Their Processing. Hans I. Bjelkhagen. Springer; 2 edition, 2013.
+149
25.6k 154
Comments 127
Top of the day