ЗАПИСЬ
И ВОССТАНОВЛЕНИЕ ЦВЕТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ В ГОЛОГРАФИИ, ФОТОГРАФИИ
С ПРОСТРАНСТВЕННОЙ НЕСУЩЕЙ И СПЕКЛ-ФОТОГРАФИИ
Н.Г.Власов,
Р.Б.Мацонашвили
В
работе рассмотрен ряд методов регистрации в восстановления
цветных изображений в голографии, фотографии с несущей пространственной
частотой и спекл-фотографии. В рассматриваемых методах при
восстановлении, а в ряде случаев и при записи используется
частично когерентное излучение; для регистрации применяется
черно-белая регистрирующая среда.
В
научной литературе и, в частности, в материалах 5-ой Школы
по голографии /1/ достаточно подробно обсуждалось получение
цветных восстановленных изображений либо для голограмм Е.Лейта,
когда когерентное лазерное излучение применяется х на стадии
записи, и на стадии восстановления, либо для голографии
Ю.Н.Денисюка, когда запись происходит в когерентном лазерном
излучении, а восстановление - при помощи обычных источников
белого света. В настоящей работе рассматривается передача
цвета оптическими методами, перечисленными в ее названии,
а точнее - теми из них, в которых на стадии восстановления,
а в ряде случаев – и в процессе записи, применяется частично
когерентное излучение. Названные методы объединяет также
то, что все они основаны на использовании несущей пространственной
частоты и, соответственно, запись и восстановление изображения
является двухступенчатым процессом.
Первым
из перечисленных методов была предложена фотография с несущей
пространственной частотой (Р.Вуд, 1899), уже упоминавшаяся
в вашем докладе на 6-ой школе и описанная достаточно подробно
в исторической справку /2/. Целью изобретения
-
14 -
Р.Вуда
являлось получение трехцветных фотографий на черно-белых
фотоэмульсиях. По его методике три черно-белых фотографии
объекта, на каждой из которых при фотографировании был выделен
светофильтрами один из цветов объекта (цветоделенные позитивы),
вторично фотографировались на одну и ту же фотопластинку,
каждая через различную дифракционную решетку, расположенную
вблизи плоскости фотопластинки. Период дифракционных решеток
отличался таким образом, чтобы при восстановлении в белом
свете в первом порядке дифракции каждая из трех совмещенных
фотографий восстанавливала, в частности, изображение выделенного
на ней цвета, а их смешение давало первоначальное распределение
цвета по объекту, наблюдаемое однако только по одному направлению
дифракции освещающего излучения.
Сравнение
фотографии Р.Вуда с фотографией Г.Липпмана, которая также
может считаться одной из разновидностей фотографии с несущей
пространственной частотой, показывает, что задача записи
и восстановления цветного изображения имеет два решения:
1
- получение цветоделенных позитивов и их последовательная
пересъемка на фотографию с несущей пространственной частотой;
2
- непосредственная запись на черно-белую фотоэмульсию цветного
изображения. Как будет видно из дальнейшего изложения, оба
этих варианта параллельно развиваются вплоть до настоящего
времени. Отметим, что дополнительной задачей, подробно рассмотренной
в /3/ и не обсуждаемой в данной работе, является тиражирование
записанной информации.
Вскоре
после появления первых работ было предложено изменять несущую
пространственную частоту не только по периоду, но в по ориентации
(см. обзор 2), что впоследствии было вторично предложено
в работе А.Ломана /4/, когда труды Р.Вуда по фотографии
с несущей пространственной частотой были основательно забыты.
Работа /4/ инициировала еще один цикл статей по данной тематике
/5-10/.
В
последние годы идеи записи двумерных цветных изображений
с использованием несущей пространственной частоты были вновь
обсуждены в варианте голографии сфокусированного изображения.
В /11/ для записи и восстановления цветного изображения
-
15 -
применяются
три разноцветных источника когерентного излучения, при восстановлении
изображения применяется пространственная фильтрация. В /12/
патентуется возможность получения ГСИ одноцветным гелий-неоновым
лазером с трех цветоделенных позитивов, записываемых последовательными
экспозициями с изменением между ними ориентации несущей
пространственной частоты. Как и в фотографии с несущей пространственной
частотой, при записи за счет изменения периода несущей для
восстановления достаточно одного источника белого света,
но необходимо применение оптической фильтрации для выделения
направления наблюдения, в котором сохраняется неискаженная
цветопередача. При записи с изменением ориентации пространственной
несущей восстановление ведется тремя источниками белого
света (в /12/ - неоновыми лампами высокого давления), каждый
из которых освещает голограмму сфокусированного изображения
через соответствующий светофильтр. Необходимость в пространственной
фильтрации в этом случае отпадает. Подробную методику записи
и восстановления цветных изображений с ГСИ и ссылки на последние
работы по этой тематике можно найти в /3/.
Сравнение
возможностей голографии сфокусированного изображения и фотографии
с несущей пространственной частотой для записи двумерных
цветных изображений показывает, что применение когерентного
излучения упростило технологию несущей пространственной
частоты в плоскости изображения. Однако, по нашему мнению,
это является преимуществом не столько голографии, сколько
лазерной техники. Действительно, располагая источником когерентного
лазерного излучения, несущую пространственную частоту в
плоскости изображения можно получить и без голографии, последовательно
записывая на фотопластинку цветоделенные позитивы, освещенные
двумя взаимокогерентными пучками лазерного излучения /13/.
Интерференция названных пучков, прошедших цветоделенный
позитив, образует в плоскости изображения несущую пространственную
частоту.
Общий
недостаток фотографии с несущей пространственной частотой
и голографии сфокусированного изображения в применении к
решению задачи регистрации и восстановления двумерных
-
16 -
цветных
изображений на черно-белом фотоматериале заключается в том,
что восстановленное изображение должно проектироваться и
наблюдаться на матовом стекле, а в ряде случаев подвергаться
пространственной фильтрации, что для некоторых применений
оказывается неудобным.
От
указанного недостатка свободны сравнительно недавно появившиеся
радужные голограммы (см. обзорный доклад /14/). Из радужных
голограмм можно восстанавливать изображение при освещении
их белым светом, и они обладают при записи на них двумерных
объектов-транспарантов свойствами диффузного рассеивателя
в горизонтальном направлении, что позволяет наблюдать все
восстановленное изображение одновременно без применения
дополнительных экранов типа матовых стекол. Плоскость пространственных
частот в радужных голограммах вынесена вперед и совпадает
с плоскостью наблюдения восстановленного изображения. Сама
фильтрация - в данном случае выбор нужного цвета изображения
осуществляется просто взаимным смещением по вертикали голограммы
и глаза наблюдателя. Запись цветных изображений одноцветным
лазером на радужные голограммы была предложена в /15/.
Если
отказаться от локализации восстановленного изображения в
пространстве вне плоскости фотопластинки, то можно осуществить
удобную схему записи плоских цветных изображений, являющуюся
промежуточной между фотографией Р.Вуда, радужной голографией
и голографией сфокусированного изображения (рис.1).
Рис.1.
1 - цилиндрическая линза; 2 - освещающий луч; 3 - узкая
линия на матовом стекле; 4 - матовое стекло, 5 - линза;
6 - голограмма; 7 - наблюдатель; 8 - опорный пучок,
-
17 -
Цилиндрическая
линза 1 фокусирует освещающий луч 2 в узкую линию 3 на матовом
стекле 4. Линза 5 переотображает линию 3 за голограмму 6
в положение 7 на такое расстояние от нее, на котором впоследствии
будет находиться наблюдатель. Полученная голограмма используется
затем (рис.2) как оптический элемент 1, освещаемый по направлению
2 (совпадающему с направлением распространения опорного
пучка (рис.1), когерентным излучением через цветоделенный
позитив 3 и интерференционно копируется на фотопластинку
4. При восстановлении изображения источник когерентного
излучения заменяется на источник белого света. Тогда восстановленное
изображение узкой горизонтальной щели в вертикальном направлении
разлагается в спектр. При соответствующем выборе взаимного
расположения копированной голограммы и головы наблюдателя
в его глаз попадает узкий участок спектра ж обеспечивает
необходимую окраску восстановленного изображения. Замена
дифракционных решеток в фотографии Р.Вуда на радужные голограммы,
полученные по схеме, представленной на рис.1, позволит получать
цветные двумерные изображения, которые можно наблюдать без
дополнительной оптической фильтрации и матовых экранов,
Рис.2.
-
18 -
В
/16,17/ для получения цветных двумерных изображений используется
спекл-фотография, которая в упрощенной трактовке может рассматриваться
как фотография со случайной несущей пространственной частотой.
В обоих работах спекл-фотографию получают по методике, предложенной
в /18,19/, фотографированием через частично заполненную
апертуру, содержащую два круговых или щелевых отверстия.
В /18/ изображение записывается тремя последовательными
экспозициями, между которыми изменяется длина волны когерентного
лазерного излучения и расположение круговых отверстий, вращающихся
вокруг оси оптической системы. Полученная спекл-фотография
близка к фотографии с несущей пространственной частотой
или к голограмме сфокусированного изображения, в которых
кодирование цвета осуществлялось изменением ориентации несущей
пространственной частоты. При восстановлении изображения
(также в когерентном излучении) для устранения ложных изображений
применяется оптическая фильтрация и светофильтры. Более
интересной представляется работа /19/, описывающая запись
и восстановление изображения в белом свете. Изображение
цветного объекта строится сначала вспомогательной оптической
системой на матовом стекле, а с него переснимается оптической
системой, содержащей два параллельных щелевых отверстия
шириной ℓ, разнесенных на расстояние a . При гаком
фотографировании в плоскости изображения возникает спекл-эффект
(условия его возникновения не обсуждаются авторами /19/),
причем период несущей пространственной частоты внутри элементов
спекл-структуры является функцией длины волны излучения
соответствующего участка объекта, что и позволяет записать
распределение цвета по объекту. Восстановление производится
источником коллимированного света. В плоскости пространственных
частот перенакладываются спектрально размытые щелевые изображения
апертуры, соответствующие различным участкам изображения
объекта. Щелевая диафрагма, помещенная в плоскости пространственных
частот, позволяет отсечь ненужные спектральные сопоставляющие
и восстановить первоначальное распределение цвета по объекту.
Найдем
соотношение между спектральным l /d l и пространственным
разрешением в спекл-фотографии, полученной методом /17/.
-
19 -
Как
известно, l /d l = mn, где m - порядок спектра;
n - число штрихов решетки, в данном случае - водном элементе
зарегистрированной спекл-структуры. Как показано, например
в /20/, n = a /ℓ и
l
/d l
= m·a /ℓ (1)
Ширина
щели ℓ определяет пространственное разрешение s
в направлении, перпендикулярном щели, поэтому выражение
(1) нетрудно привести к виду:
s
·l /d l
= m·const (2)
Таким
образом, произведение пространственного и спектрального
разрешения равно const, зависящей от параметров оптической
системы, и улучшение одного из этих параметров неизбежно
приводит к ухудшению другого.
Рассмотрим
подробнее случай, когда регистрация производится с помощью
оптической системы с фокусным расстоянием ¦ и диаметром
d, диафрагмированной двумя круговыми, а не прямоугольными,
как в /17/, диафрагмами диаметром d3/d3<<d/,
расположенными на краях апертуры оптической системы.
Спектральное
разрешение А = l /d l = mn. Так как дисперсионная
область D l =l /m, то для видимого света m=1.
n = r d-1, где r - размер отдельного
зерна спекл-структуры, d - период решетки (полос типа Юнга)
внутри спекла. r = j ·¦ , где j - угловое
разрешение оптической системы (j = 1,22l d-13).
Период
решетки d = 0,5l [sin(a /2)]-1, где
a - угол схождения интерферирующих пучков. Находим:
(3)
Отметим,
что для разрешения некоторой картины на диффузной поверхности
необходимо, чтобы j * @ 5j . В таблице приведены
некоторые результаты расчетов по формуле (3).
-
20 -
Таблица
|
¦
, мм
|
¦
/d
|
d3,
мм
|
j
*'
|
А
|
d
l
, Å
|
r
, мкм
|
d,
мкм
|
|
85
|
1,4
|
5,5
|
2'
|
14
|
390
|
51
|
3,5
|
|
180
|
1,4
|
5,5
|
2'
|
31
|
180
|
108
|
3,5
|
Регистрация
может производиться на пленку "Изопанхром 18", обладающую
высокой чувствительностью (~ 90 ед. ГОСТа) и разрешением
порядка 260 лин/мм. Отметим, что угловое разрешение j
* = 2' и спектральное разрешение d l = 180 Å
близки к соответствующим характеристикам глаза человека.
Вероятно,
более разумный компромисс между спектральным и пространственным
разрешением достигается при записи цветных изображений изменением
ориентации несущей пространственной частоты, как это делается,
в частности, в /17/. Для того, чтобы . при восстановлении
первые порядки дифракции в плоскости пространственных частот
были отделены от нулевого порядка, диаметр d3
отверстий в частично заполненной апертуре должен быть вдвое
меньше расстояния ме;ду центрами каждой пары отверстий.
Нетрудно подсчитать, что при выполнении такого условия объектив
с действующим диаметром d может быть маскирован тремя парами
отверстий d3 = d/3 или четырьмя парами отверстий
d3=d/4 (рис.3). и при ухудшении разрешения в
3(4) раза можно записать изображение в 3(4) длинах волн.
Рис.3.
Оптическая система, маскированная тремя (четырьмя) парами
отверстий.
-
21 -
Рассмотрим
возможность получения цветных изображений методом, объединяющим
достоинства /17,18/ сравнительно небольшую потерю разрешающей
способности и запись и восстановление изображения в белом
свете (рис.4). Объект 1 освещается источником белого света
2, причем в отличие от /18/ после источника расположен светофильтр
3. Объектив 4 создает изображение объекта 1 в плоскости
матового стекла 5, за которым устанавливается объектив 7,
диафрагмированный двумя идентичными круговыми отверстиями.
Изображение фокусируется на фотопластинку 8. Оптическая
схема собирается таким образом, чтобы для нее выполнялись
рассмотренные подробно в /21/ условия образования спекл-структуры
в плоскости изображения диффузно рассеивающего объекта при
частично когерентном освещении. Основное из них сводится
к тому, чтобы область пространственной когерентности в плоскости
матового стекла 5 разрешалась каждым из круговых участков,
открытых на объективе 7. Запись отдельных цветов, содержащихся
в объекте, происходит последовательными экспозициями, между
которыми меняется светофильтр 2 и вращается диафрагма 6,
содержащая два круговых отверстия. Если вблизи освещающего
источника нельзя поставить светофильтр, то диафрагма с двумя
круговыми отверстиями заменяется диафрагмой (см. рис.3),
в каждой паре отверстий которой находятся идентичные светофильтры.
Для того, чтобы временная когерентность волновых полей,
проходящих через соответствующие отверстия, не нарушалась,
светофильтры должны иметь вид плоскопараллельных пластинок
оптического качества. В этом случае запись спекл-фотографии
происходит однократной экспозицией.
Рис.4.
-
22 -
Заключение
Из
рассмотренных методов записи и восстановления цветных изображений
с помощью черно-белого регистрирующего материала наиболее
простым и перспективным для записи протяженных натуральных
сцен является, по-видимому, метод спекл-фотографии с несущей
пространственной частотой, так как он не требует лазерных
источников освещения на стадии записи и восстановления и
может обеспечить достаточное угловое и спектральное разрешение
в изображении объекта. Из рассмотренных схем записи оптимальными,
по-видимому, являются схема спекл-фотографии с источником
белого света, сменными светофильтрами и двумя круговыми
отверстиями, дифрагмирующими оптическую систему или близкая
к ней схема, в которой оптическая система дифрагмирована
набором пар круговых отверстий, закрытых узкозонными светофильтрами.
В названных методах спекл-фотографии появляется, однако,
спекл-шум. Хотя средний размер элементов его структуры в
несколько раз меньше минимальных деталей объекта, спекл-структура
может выявиться при больших увеличениях восстановленного
изображения.
Для
записи цветных изображений объектов небольшого размера или
для получения цветных изображений с помощью уже имеющихся
цветоделенных позитивов целесообразно, по-видимому, применение
методов когерентной оптики, позволяющих ввести регулярную
пространственную несущую и не зашумлять изображение спекл-структурой.
Литература
1.
В.Г.Толчин, Б.Г.Турухано. Материалы 5-ой Всесоюзной школы
по голографии, стр.345. Л., ЛИЯФ, 1973.
2.
k.biederman, opt.acta, 17, 631, 1970.
3.
Л.Н.Вагин, И.А.Михайлов, А.Ю.Ершов. ЖНИПФИК, 24, 421, 1979.
4.
j.d.apmitage, a.w.lolman, appl.opt., 4, 399, 1965.
5.
a.a.frisem, r.j.fedorowies, appl.opt, 5, 1967, 1966.
6.
p.p.mueller, appl. opt., 8, 267, 1969.
7.
p.c.henriques, o.b.parrent, e.l.boouche, Пат. США, кл.178-54
(02В 27/38, Н04 9/08) № 3573353,
-
23 -
заявл.18.12.67,
опубл. 06.04.71. (Э.И. "Фотокиноаппаратура, научная и прикладная
фотография" № 45, реф.131, 1971).
8.
m.graser , Пат.США, кл.350-162 (02В 27/38) № 35566639, заявл.07.11.67,
опубл.19.01.71 (Э.И. "Фотокиноаппаратура, научная и прикладная
фотография", № 40, реф.117, 1971).
9.
t.takai, t.jamazaki, Пат.США, кл.9, 5-12.21 (03В 33/14),
№ 3495518, заявл.27.07.66, опубл.17.02.70 (Э.И. "Фотокиноаппаратура,
научная и прикладная фотография", № 9, реф.23, 1971).
10.
h.heckscher, p.p.mueller, Англ.пат., кл. g27 (026 27/38)
№ 1272631, заявл.29.04.69, опубл.03.05.72 (Э.И. "Фотокиноаппаратура,
научная а прикладная фотография", № 1, реф.1, 1973.
11.
c.s.jh, appl.opt, 14, 438, 1975.
12.
b.r.clay, Пат.США, кл.350-3.5 (026 27/00), № 3695744, заявл.14.01.71,
опубл.03.10.72.
13.
o.brlnqdahl, josa, 62, 807, 1972.
14.
Н.Г.Власов, Р.В.Рябова, С.П.Семенов. Материала x Всесоюзной
школы по голографии, стр.42. Л., ЛИЯФ, 1978.
15.
Н.Г.Власов, .Р.В.Рябова, С.П.Семенов. ЖНИПФИК, 5, 384, 1977.
16.
e.e.sicre, h.boloqnini, m.gavatalia, appl,opt. 19, 3262,
1960.
17.
j.montilla, r.hernandee, optica Рuvа у aplicats, 12, 123,
1979.
18.
Н.Г.Власов, Ю.П.Пресняков, в сб. "Оптическая голография",
стр.51. Л., ЛДНТП, 1972.
19.
d.e.duffy, appl.opt., 11, 1778, 1972.
20.
М.Франсон. Оптика спеклов, "Мир", И., 1980.
21.
Н.Г.Власов, Р.Б.Мацонашвили, В.П.Пресняков, Б.М.Степанов.
Материалы xi Всесоюзной школы по голографии, стр.198. Л.,
ЛИЯФ, 1979.
