ПРИНЦИПЫ ЗАПИСИ И НАБЛЮДЕНИЯ СТЕРЕОГОЛОГРАММ

И.П.Налимов, Ю.Н.Овечкис, А.X.Шакиров

Разработана классификация стереоголограмм по различным признакам, в том числе по типу формируемого изображения, по методу получения исходных стереограмм, по методу записи стереограмм на голографический носитель, кратности наложения изображений на один и тот же участок неверности голограммы, по способу наблюдения восстановленного голографического изображения. Подчеркивается актуальность разработки стереоголограмм как для непосредственного наблюдения, так и для проекции на голографический или линзорастровый экран.

Описана схема печати стереоголограмм по дискретным стереограммам, снятым в некогерентном свете. На созданной установке получены стереоголограммы с числом ракурсов от 20 до 100. Экспериментально найдены оптимальные параметры схемы печати я восстановления стереоголограмм.

1. Классификация стереогодограмм

Применение методов и схем голографического синтеза панорамных параллакостереограмм в кинотехнике и телевидении является перспективных направлением отображения объемной видеоинформации, Преимуществом голографического изображения перед обычным плоским или стереоскопическим является высокая достоверность, реализм, обусловленный широким динамическим диапазоном передачи градаций и удобством плавного оглядывания.

По типу изображения различают стереоголограммы параллаксные, в которых отсутствует объемная оптическая модель исходного пред мета, а эффект объемности создается лишь за счет параллакса плоских изображений, и стереоголограмма, воспроизводящие объемные модели предмета. В то время, как в параллаксных стереоголограммах

- 127 -

всегда в той или иной степени присутствует разрыв между аккомодацией и конвергенцией, в сгереоголограммах с объемными моделями этот разрыв отсутствует.

Исходные стереограмма для записи на голографический носитель при изготовлении параллаксных стереоголограмм получают четырьмя основными способами (та.бл.1).

1. Снимаются однообъективной камерой либо с объездом вокруг объекта, либо вращением объекта на поворотной платформе, либо проездом движущегося предмета мимо неподвижной камеры.

2. Снимаются многообъективной камерой одновременно все ракурсы.

3. Ракурсные снимки рассчитываются на ЭВМ, например, томограммы по результатам рентгеноскопических измерений.

4. Дискретные стереограммы с разными ракурсами могут быть объединены на одну поверхность фотослоя при помощи кодирующего линзового растра (метод панорамной параллакс-панорамограммы). Исходные материалы для объемных стереоголограмм получаются либо методом световых сечений /1/, либо методом интегральной фотографии /2/ (съемка с линзовым растром, как без объектива, так и с объективом). Возможен также смешанный способ, когда часть пространства фиксируется в виде параллаксных стереограмм, а часть - в виде объемных моделей.

Типа стереоголограмм соответствуют основным типам голограмм (табл.2). Стереоголограммы сфокусированных изображений отличаются тем, что транспаранты или их изображения располагаются вблизи плоскости голограммы. Стереоголограммы Фурье записываются в фокальной плоскости объектива и фиксируют не изображение, а его пространственный спектр. Стереоголограммы Френеля фиксируют изображение транспаранта в зоне Френеля. Кроме традиционных способов записи сгереоголограмм на встречных и сопутствующих пучках, возможен комбинированный способ, когда одна часть транспарантов записывается на встречных пучках, а другая часть (например, с другой стороны голограммы) на сопутствующих пучках,

Возможно изготовление стереоголограмм с многократным наложением всех стереограмм или всех ракурсов на одну и ту же поверхность голограммы. Можно раздробить поверхность стереоголограммы

- 128 -

Таблица

Классификация стереоголограмм по типу изображения в способу изготовления исходных стереотранспарантов

- 129 -

Таблица 2

Классификация стереоголограмм до типу голограмм и способу записи стереограмм на голограмму

- 130 -

на участи (случайной маской или линейчатым растром) и осуществлять запись каждой стереограммы на отдельный участок поверхности без наложения. Возможен промежуточный случай, когда отдельным группам изображений отводятся свои участки поверхности, но число наложений не равно, а меньше числа стереограмм (числа ракурсов).

Восстановление стереоголограмм можно осуществить на просвет и не отражение (табл.3). Стереоголограммы, восстанавливаемые на просвет, можно по аналогии с диапозитивами назвать голографическим диастереограммами (ГДС). Стереоголограммы, восстанавливаемые на отражение - голографическими эпистереограммами (ГЭС).

По способу наблюдения можно разделить стереоголограммы на три типа (табл.3). Стереоголограмму, предназначенные для непосредственного наблюдения, не требуют никаких вспомогательных средств. Поляризационные стереоголограммы требую для своего наблюдения очков с поляроидами. Стереоголограммы могут быть предназначены для проекции на экран.

Стереоголограмму для непосредственного наблюдения могут иметь плоскую или цилиндрическую форму. Плоские стереоголограммы - голографические стереофотографии (ГСФ), могут обладать одной сплошной зоной видения, 'или несколькими зонами видения, переход между которыми сопряжен со скачками параллакса. Многозонные ГСФ (аналогично стереооткрыткам) могут иметь повторяющиеся изображения в разных зонах или разные изображения (мигающие и варьирующиеся открытки).

Проекционные стереоголограммы можно наблюдать при восстановлении белым светом (.преимущественно это ГСИ и голограммы на встречных пучках), монохроматическим светом (например, голограмму Фурье), и поляризованным светом.

2. Дискретные дараллаусные стереогодогваммы

Дискретная параллаксная стереоголограмма представляет собой голограмму, но которую записано большое количество плоских изображений, параллакс которых меняется дискретно по определенному закону в горизонтальном и вертикальном направлении. Ниже рассматриваются стереоголограммы, у которых параллакс по вертикали не меняется.

- 131 -

Таблица 3

Классификация стереоголограмм по способу наблюдения

- 132 -

Объемность изображения, восстановленного с таких стереоголограмм, обусловлена эффектом параллакса при наблюдении сепарированных плоских изображений.

В настоящей работе исследовались методы получения и демонстрирования дискретных параллаксных стереоголограмм в направлении создания изображений типа ГЭФ для непосредственного наблюдения и голографических стереограмм (ГДС и ГЭС) для проекции на голографический экран. ГСФ отличаются расширенной зоной оглядывания изображения, тогда как проекционные стереоголограммы обладают ограниченным углом оглядывания, согласованным с размерами зрачка проекционного объектива.

Процесс получения исходного материала для голографической печати дискретных стереограмм состоит из пяти основных фаз.

Первая фаза - съемка оригинальной стереограммы и получение негатива. Обычно негатив является уникальным, представляет по каким-то причинам особую ценность и подлежит хранению. Чтобы избежать изнашивания и порчи этого материала, необходимо иметь его копию.

Вторая фаза - получение промежуточного позитива (леванды). Этот позитив со всеми предосторожностями, чтобы не повредить оригинального негатива, печатается в небольшом количестве экземпляров.

Третья фаза - получение контратипа с необходимым количеством экземпляров негативного материала.

Четвертая фаза - получение позитивного рабочего материала путем перепечатки контратипа на нужный для голографической печати. формат с оставлением расчетного количества разноракурсных транспарантов. На этой фазе осуществляется измерение контратипа, - контроль дефектов под микроскопом, приведение к требованиям предъявляемым к исходным материалам для голографической печати в части геометрических искажений, выравнивание горизонтальных и устранение вертикальных параллаксов, выбор нулевой точки.

Пятая фаза - печать исходного материала с контратипа. Когда с рабочим материалом проведены все измерения, становится ясным, какие кадры и как надо печатать с контратипа, в каком режиме экспонировать, как выставлять края рамки, нулевые точки, тогда можно печатать окончательно исходный материал, причем в таком

- 133 -

количестве экземпляров, которое нужно для многократного проведения голографической печати.

Синтез объемного изображения осуществляется путем голографической печати стереограмм под разными углами на один и тот же участок поверхности. Проекция плоских изображений на фотопластинку при голографической печати производится через объектив, апертура которого ограничена вертикальной щелью заданной небольшой ширины /3/. При восстановлении голограмму сопряженным пучком формируется изображение щели, ограничивающее область наблюдения изображения отдельного ракурса. Благодаря этому удается осуществить сепарацию разноракурсных изображений, что позволяет на основе эффекта параллакса наблюдать объемное изображение.

Для получения дискретных параллаксных стереоголограмм по этому методу была разработана установка, принцип действия которой по казан на рис.1. Стереограммы записывают на голограмму под разными углами. Угол падения опорного пучка остается постоянным (рис.1а).

При восстановлении сопряженным опорным пучком восстанавливаются действительные изображения зрачков объектива, которые формируют зону видения разных ракурсов. Из этих зон видения наблюдатель может рассматривать стереоскопическое изображение (рис.1б).

Голографическая печать на этой установке осуществлялась следующим образом (рис.2).

Исходный материал, записанный на пленке 35 мм со стандартным кинокадром, помещался в фильмовой канал. Фильмовой канал с объективом и щелью на единой платформе, неподвижно закреплялся на стенде. Углы падения предметных пучков на голограмму изменялись посредством вращения голограммы относительно оси, расположенной в плоскости голограммы и проходящей через ее центр параллельно малой стороне фотопластинки. Постоянство угла падения опорного пучка на голограмму обеспечивается с помощью зеркал 10 и 11, расположенных на оси вращения, причем одно из зеркал (10) располагается на неподвижном основании, а другое - закреплено вместе с голограммой. Кассета с голограммой и зеркало 11 располагаются на оси делительной головки ОДГ-10.

Угол 2 падения опорного пучка на голограмму может меняться в пределах от 35° до 60°. Размер щели на объективе может меняться

- 134 -

а)

б)

Рис.1. Схема получения синтезированных голограмм по способу Н.Хейга. а - схема записи, б) схема восстановления 1 - ОКГ, 2 - пленка со стереограммами, 3 - объектив, 4 - голограмма, 5 - опорный пучок.

- 135 -

Рис.2. Схема установки для получения синтезированных голограмм.

1 - ОКГ, 2 - полупрозрачное зеркало, 3 - коллиматор, 4 - зеркало, 5 - блок фильмового канала, 6 - блок сохранения a = const, 7 - голограма, 8 - ОДГ-10, 9 - щель.

- 136 -

от 0 до 25 мм.

Установка позволяет записывать голограммы как на сопутствующих, так и на встречных пучках. На этой установке печатались голограммы по дискретным стереограммам, полученным путем объезда по дуге. Число разноракурсных стереограмм, записанных на голограмму, менялось в пределах от 20 до 100. С целью поиска оптимальных пара метров процесса получения стереоголограмм менялась ширина щели и расстояние между центрами зон видения разных ракурсов. Шаг, на ко торый сдвигается щель при повороте, должен бить достаточно малям, чтобы не было значительных изменений параллакса в соседних изображениях, с другой стороны, шаг должен быть достаточно большим, чтобы свести до минимума число экспозиций голограммы /4/.

Экспериментально исследовалась зависимость визуально наблюдаемого качества изображения, плавности оглядывания и глубины рез кости от ряда параметров, в том числе шага изображения щели. Было замечено, что наилучшие результаты получаются при шаге изображений щели 7-8 мм.

Важным параметром схемы записей стереоголограммы, влияющим на качество стереоизображения, плавность его оглядывания, отсутствие струйчатости, является размер щели, формирующей зону видения каждого ракурса (рис.3). При рассматривании изображения может возникать так называемый эффект струйчатости. Следует отметить, что при статическом наблюдении этот эффект отсутствует. Но при движении поперек зоны видения появляются темные вертикальные полосы на фоне изображения. Исследовалось, как влияет на струйчатость запись, стереоголограмм с расположением щелей как вплотную друг к другу, так и с некоторым перекрытием. Оказалось, что при шаге, равном половине ширина щеми, струйчатость исчезла. При этом было замечено, что если глубина изображения не превышала 7 см, такое перекрытие изображений щелей не приводило к заметному уменьшению резкости не посредственно наблюдаемого стереоизображения.

При многократном экспонировании голограммы ее дифракционная 'эффективность снижалась. Однако при этом яркость восстановленного стереоизображения была весьма высока благодаря концентрации светового потока в ограниченной зоне видения. Вертикальный размер зона видения определяется апертурой печатающего объектива. При использовании

- 137 -

Рис.3. Схема формирования зон видения. R - опорный (восстанавливающий), Г - голограмма, 3 - зоны наблюдения.

- 138 -

объектива "Юпитер-9А", высота зоны видения составляла при мерно 3 см. При данной схеме проекционной оптической печати эта величина вряд ли может быть существенно увеличена, поскольку. светосила проекционного объектива не может превышать 1 : 1, а фокусное расстояние должно быть достаточно малым, чтобы обеспечить увеличение изображения о малого кадра пленки до размеров голограммы.

Так как вертикальный параллакс в данной системе отсутствует, этот факт можно использовать для существенного увеличения высоты зоны видения, за счет искусственного растягивания зоны. Это можно обеспечить путем использования протяженного в вертикальном направлении восстанавливающего источника или введением цилиндрической линзы в опорный пучок света при записи стереоголограммы. Выбор горизонтального размера зоны видения определяется назначением стереоголограммы. Если стереоголограмма предназначается для проекции на голографический экран, то полная ширина зоны видения должна соответствовать апертуре проекционного объектива /5/. Если стерео голограмма предназначена для непосредственного наблюдения, то ширина зоны определяется заданными условиями комфортности.

На разработанной установке были получены стереоголограммы с горизонтальным размером зоны видения от 130 мм до полуметра.

Полученные стереоголограммы, как для непосредственного наблюдения, так в для проекции на голографический экран, демонстрировались На XII Международном конгрессе УНИАТЕК (октябрь 1976 г.).

3. 3аключение

Разработка стереоголограмм является существенным шагом на пути максимального приближения зрительных образов к естественному восприятию информации о трехмерных объектах. Дискретные стереоголограммы найдут применение при создании плавно оглядываемых стереоизображений по серии плоских снимков в кино, изобразитель ной технике, медицине, биологии, в неразрушающем контроле качества изделий. В голографический кинофильм можно включить в виде стереоголограмм любые сгереоизображения, например, архивные кинодокументы, снимки, полученные в невидимом диапазоне излучений (инфракрасном, рентгеновском, акустическом, радио) или при

- 139 -

значительном изменении масштаба изображения (от микрообъектов до космических тел). Применение стереоголограмм в вычислительной технике для представления двухмерной информации с выхода ЭВМ в форме стереоизображения позволяет повысить информативность результатов и обеспечить принятие более точного решения. Совершенствование практических методов и аппаратуры получения объемного голографического изображения по дискретным стереограммам, снимаемым в белом свете обычной кинокамерой с движения, направлено на достижение кинематографического качества изображения, а также на получение изображений по качеству объемности (плавности оглядывания в горизонтальном направлении), приближающихся к голографическому.

Экспериментальное исследование голографической печати было направлено на определение требований к съемке оригинального кино фильма в подготовке исходного материала (в частности, по шагу съемки, плавности объезда, отсутствию вертикального параллакса), имеющих целью избежать искажений пространства при непосредствен ном наблюдении и при проекции на Г.Э. Исследовалось также влияние • многократного наложения стереограмм на одну поверхность голограммы на яркость (дифракционную эффективность) и качество изображения.

Литература

1. И.П.Налимов. Материалы VIII Всесоюзной школы по голографии. Л., 307-331, 1976.

2. Н.А.Валюс. Стереоскопия. М., изд-во АН СССР, стр.379, 1962.

3. Nigel D.Haig, Applical Optics N 2, 419-420 (1973).

4. П.Грегуш. Техника кино и телевидения, 11, 69-72, 1975.

5. В.Г.Комар, И.П.Налимов, Ю.Н.Овечкис, И.У.Федчук, А.Х.Шакиров. Техника кино и телевидения, № 1, 15-17, 1978.