Новый метод получения изображений Денниса Габора

В 1927 году Габор окончил Высшее техническое училище в Берлине и поступил на службу в лабораторию фирмы «Сименс», производящей электронную технику. В числе выполненных там работ было изобретение кварцевой ртутной лампы. Вскоре после прихода Гитлера к власти в 1933 г., по истечении срока контракта с «Сименс и Хальске» Габор вернулся в Венгрию. Работая внештатным сотрудником лаборатории Научно-исследовательского института электронных ламп Тунгсрама, он создал новый тип флуоресцентной лампы, названной им плазменной. Не имея возможности продавать патент на свое изобретение в Венгрии, Габор решил эмигрировать в Англию. Там ему удалось найти место в компании «Бритиш Томсон-Хьюстон» (БТХ), в которой он проработал с 1934 по 1948 г. В 1946 году Деннис Габор получил британское подданство. Работая над катодной системой электронно—лучевой трубки, он изобретает магнитную линзу. При этом ученый почти вплотную подходит к изобретению электронного микроскопа. Хотя электронный микроскоп появился позже, после работ физиков Буша и Вольфа, но именно эта работа стимулировала Габора к созданию принципиально нового метода записи изображений.

Иллюстрация к патенту Д. Габора по восстановлению волнового фронта

В 1947 году им было сделано научное открытие, которое первоначально восприняли просто как очередное доказательство волновых свойств света, но впоследствии оказалось, что оно более фундаментально. Именно тогда была открыта голография. Габор сообщил о разработанном методе только узкому кругу специалистов. Им было введено понятие и разъяснена сущность нового процесса, состоящего из двух этапов – формирования изображения и его восстановления. Процесс получения и восстановления трехмерных изображений стали называть по предложению Денниса Габора и Джорджа Строука, с которым он работал, голографическим процессом, а возникший впоследствии раздел физики, занимающийся изучением этих процессов, голографией. Однако идеи Габора надолго остались нереализованными. Открытия никто не замечал, о нем не знали, не было и практических результатов.

Схема записи Деннисом Габором первой глограммы.

1 – ртутная лампа; 2 – светофильтр; 3 – конденсорная линза; 4 – диафрагма; 5 – прозрачный объект; 6 – фотопластинка

Габор на стадии исследований изготовил несколько примитивных голограмм фазовых (светопреломляющих и прозрачных) объектов. При записи голограммы он фиксировал структуру интерференции волн монохроматического источника света и света, рассеянного фазовым объектом, помещенным перед фотопластинкой. Для получения высокого контраста интерференционной картины Габор использовал одну из самых ярких линий спектра излучения ртутной лампы.

После проявления и отбеливания фотопластинка восстанавливала трехмерное изображение объекта. Результат был впечатляющий, но мог взволновать только ученых.

К сожалению, на голограмме можно было видеть и мнимое, и действительное изображения, и восстанавливающий источник света одновременно

Для того чтобы понять, как происходит запись и восстановление голограммы, рассмотрим самый простой пример – голограмму точки.

Запись голограммы точечного объекта

Восстановление голографического изображения

Рассеянная точечным объектом сферическая (см. рис. «Запись») и плоская референтная волна попадают на фоточувствительный слой, в котором записывается картина интерференции сходящихся лучей.

Интерференционная картина на голограмме точки

Расстояние между соседними интерференционными кольцами (d) равно:

d = ? /2*sin (?/2)

где ? – длина записывающей волны;

? – угол между интерферирующими лучами.

Интерференционную картину, записанную на фотопластинке, можно назвать голограммой. Если рассматривать маленькие участки этой голограммы, например в точках (1) или (2), то можно с уверенностью назвать их элементарными дифракционными решетками. При освещении миниатюрных элементов голограммы монохромной световой волной, подобной референтной, возникает множество новых волновых фронтов – порядков дифракции. Углы дифракции при этом, окажутся такими же, какими были углы схождения лучей во время записи голограммы.

? = ?; где (?₁) и (?₂) – углы дифракции в точках (1) и (2).

Два симметричных дифракционных порядка в точках (1) и (2) формируют действительное и мнимое изображения точки (О_б). Если продолжить направления дифракционных порядков, возникших в точках (1) и (2) нашей голограммы до их пересечения, то получим координаты мнимого и действительного изображений точки (О_б). Возникшая в результате дифракции на голограммной структуре сферическая волна (см. рисунок «Восстановление»), создает мнимое изображение точки (А_i) и наблюдатель видит это изображение за голограммой. Вторая сходящаяся сферическая волна создает действительное изображение точки (А_d), которое расположено перед голограммой.

Восстановление изображения голограммой происходит благодаря тому, что интерференция и дифракция инвариантны. Эти два явления описываются практически одинаковыми уравнениями. Вспомним уравнение дифракционной решетки:

sin (?) = n?/2d;

где n = +1; 0; -1 (см. рис. «Восстановление»)

Обратите внимание на зависимость углов дифракции от длины волны (?) в приведенной формуле. Восстановление голографического изображения волной, отличающейся частотой от использованной при записи, приведет к изменению формы и положения объекта в пространстве.

Результат сложения интерференционных картин от множества точек материального тела будет обладать всеми вышеперечисленными свойствами. Голограмму протяженного объекта можно рассматривать как суперпозицию (сумму) элементарных голограмм множества геометрических точек, составляющих объект. Это и является принципом голографии, который предложил в 1947 году Деннис Габор.

Джордж Строук демонстрирует голограмму

В 1964 г. Профессором Мичиганского университета Джорджем Строуком, соавтором самого термина голография, а также автором многих принципиальных работ, выполненных совместно с Габором, был прочитан первый курс лекций по голографии. В 1966 г. Он также выпустил первую монографию, в которой были изложены основы теории голографии. Книга была переведена на русский язык уже в следующем году и вышла в свет под названием «Введение в когерентную оптику и голографию».

Определения

Изображение оптическое – картина, получаемая в результате прохождения через оптическую систему лучей, распространяющихся от объекта, и воспроизводящая его контуры и детали. Основой зрительного восприятия предмета является его оптическое изображение, спроецированное на сетчатку глаза.

Действительное изображение (оптическое) – создается сходящимися пучками лучей в точках их пересечения. Если в плоскости пересечения лучей поместить экран (фотопленку, регистрирующую среду любого типа), то можно на нем наблюдать оптическое действительное изображение.

Мнимое изображение (оптическое), формируется лучами, которые при выходе из оптической системы расходятся, но их можно мысленно продолжить в противоположную сторону и они соберутся в точках пересечения. Совокупность таких точек называют мнимым изображением, так как оно способно играть роль объекта по отношению к другой оптической системе (например, глазу), преобразующей его в действительное изображение. Особенностью изображений объекта, формируемых с помощью голограммы, является то, что действительное изображение объекта является псевдоскопическим, а мнимое – ортоскопическим.

Ортоскопическое изображение объекта – изображение, соответствующее реальному объекту. В голографическом эксперименте мнимое изображение представляет собой обычное ортоскопическое изображение.

Псевдоскопическое изображение объекта – изображение, в котором наблюдатель видит вместо выпуклостей – вогнутости, и наоборот. Действительное изображение объекта, сформированное голограммой, является псевдоскопическим.

Объектная (предметная) волна – одна из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммы, в которой содержится информация, предназначенная для воспроизведения или преобразования. Обычно объектная волна формируется излучением, прошедшим через объект, либо отраженным от него.

Опорная (референтная) волна – одна из волн, образующих интерференционную картину при получении голограммы, которая обычно используется для восстановления объектной волны. Как правило, опорная волна имеет простую и легко воспроизводимую форму, например, плоскую или сферическую.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.