ЦВЕТНАЯ ГОЛОГРАФИЯ
В.Г.Толчин, Б.Г.Турухано
Рассмотрено понятие цвета и его приложение к цветной голографии. Далее дано развитие исследований по цветной голографии. Основное внимание уделяется экспериментальной методике записи многоцветных толстослойных типов голограмм, воспроизводящих натуральные цвета объекта при восстановлении в белом свете. Приведено цветное восстановление толстослойной голограммы, записанной в свете семиволнового импульсного лазера.
В в е д е н и е
Цветные голографические изображения позволяют наблюдателю воспроизводить объекты реального мира со всем богатством игры красок в истинной объемности. Для понимания процессов, разыгрывающихся при записи цветных голограмм, необходимо остановиться на классическом определении цвета. Международный осветительный Комитет (МОК) рекомендует считать цвет одной из характеристик света, как вида лучистой энергии, которую человек осознает посредством зрительного ощущения, возникающего из-за возбуждения сетчатки глаза. Кроме физиологического аспекта восприятия цвета, определяемого особенностями зрительного аппарата человека, цвет характеризуется спектральным составом света.
Поясним это на примере интерференционного фильтра, настроенного на длину волны 590 нм с полосой пропускания 10 нм. В солнечном свете фильтр воспринимаетоя оранжевый. Но если осветить фильтр двумя лазерами, гелий-неоновым с λ = 632,8 нм и аргоновым с λ = 514,4 нм, т.е. краевым и зеленым, фильтр будет восприниматься черным. Хотя известно, что смешением зеленого и красного света в нужной пропорции можно получить свет оранжевого цвета.
Для определения сложных цветов, образующихся в результате смешения двух и более простых МОК предложил диаграмму, представленную на рис.1. По периметру диаграммы, представляющей собой подковообразную кривую, расположены чистые спектральные цвета, а внутри кривой располагаются сложные, получаемые смешением простых.
Рис.1. Диаграмма цветности с указанными на ней
ab -линией для 2-х цветов и abc - треугольником для 5-х цветов гелий-неонового и аргонового лазеров.
Смешением двух цветов могут быть получены все цвета, расположенные на прямой, соединяющей эти цвета. Действительно, смешением простых зеленого и красного цветов можно получить сложный оранжевый. Смешивая 3 и более цветов получаем все цвета, лежащие внут-
ри треугольника или соответствующего многоугольника. Естественно, что это лишь качественное представление сложного вопроса цвета. Рассмотрение количественных характеристик выходит за рамки данной работы.
1.
Классификация цветных голограмм
Наиболее простым типом цветных голограмм можно считать голограммы, записанные на "тонких" слоях фотоэмульсии. Здесь возможны два вида голограми: двухцветные и многоцветные. Двухцветные записываются при использовании гелий-неонового и аргонового лазеров. Этот вид голограмм может давать, как указывалось выше, цвета, лежащие на прямой, соединяющей эти цвета (см.диаграмму).
Более широкую гамму цветов можно воспроизвести при использовании трех цветов. Из существующих лазеров удобно выбирать гелий-неоновый, дающий красный цвет (632,8 нм), и аргоновый с двумя цветами: зеленым (514,5 нм) и синим (476,5 нм). В этом случае можно получить все цвета, лежащие в треугольнике, показанном на диаграмме. Двух- и трехцветные голограммы были записаны по двухлучевой схеме Лейта и Упатниекса и исследованы в работах /1,2/.
Остановимся на особенностях записи и воспроизведения этих голограмм. К достоинствам их можно отнести:
1. Отсутствие влияния усадки эмульсии по толщине на цветопередачу восстановленного изображения, т.к. при симметричном падении пучков при записи интерференционные слои располагаются нормально к поверхности эмульсии.
2. Требования к разрешающей способности эмульсии также же как и при записи одноцветных голограмм.
Однако:
1. При воспроизведении голограмм требуется либо свет тех же лазеров, либо сложная система ахроматизации пучка при восстановлении в белом свете.
2. Угловая апертура записываемого объекта ограничена и зависит от угла голографирования, т.к. одновременно с пучком, воспроизводящим изображение в полном цвете, присутствуют пучки с различными комбинациями цветов от дифракции пучков на несоответствующих решетках. Например, дожное цветное изображение восстанавливается
при дифракции зеленого пучка аргонового лазера на несущей решетке, записанной в красном пучке гелий-неонового лазера. Появление восстановленных изображений в перекрестных цветах рассмотрено Манделем в работе /3/. Несложно составить все перекрестные цвета при записи голограмм в 17-цветах, учитывая, что дифракция пучка К-го цвета на своей решетке дает вклад в истинное изображение, а дифракция пучка К-го цвета на i-ой решетке в ложное изображение. В таблице 1 приведены сочетания цветов в истинных и ложных цветных изображениях при записи одно-, двух- и трехцветных голограмм при использовании пучков с длинами волн λ1, λ2 и λ3.
Таблица 1
|
Тип голограммы |
Сочетания цветов в ложных мнимых изображениях |
Мнимое изображение |
Действительное изображение |
Сочетания цветов в ложных действительных изображениях |
|
Одноцветная
Двухцветная
Трехцветная |
– – –
– λ2 λ1
λ 2λ3, λ1λ3, λ1λ2 |
λ 1
λ 1λ2
λ 1λ2λ3
|
λ '1
λ '1λ'2
λ '1λ'2λ'3 |
– – –
λ '1 λ'2 –λ'1λ'2, λ'1λ'3, λ'2 λ'3
|
Наиболее совершенным типом гологра
vм может служить объемная многоцветная голограмма, воспроизводящая изображение объекта в натуральных цветах при восстановлении ее в белом свете. Идея метода записи цветных голограмм в объемном фоточувствительном материале принадлежит Ю.Н.Денисюку /4/. Предложение Денисюка показано на рис.2. Предметная и опорные волны попадают ка эмульсию с противополовных сторон. В процессе записи голограммы образуются стоячие волны, которые ориентированы по биссектрисе угла между двумя волновыми фронтами. Если такую голограмму осветить опорной волной, то появится изображение объекта в исходном положении и в естественных цветах.
К положительным качествам толстослойных цветных голограмм можно отнести их способность восстанавливаться в белом свете квазиточечного источника. Однако, такой тип голограмм требует регис-
трирующих сред с высокой разрешающей способностью более 5000 мм
-1. Толстослойные голограммы чувствительны к усадке эмульсии, что приводит к сдвигу цветов изображения в коротковолновую часть спектра. Существующие высокоразрешающие эмульсии ограничены по толщине, в связи с чем при восстановлении происходит дисперсия цвета в пределах 100 Å при регистрации 10÷20 интерференционных слоев по толщине эмульсии /4/.
2. Запись импульных цветных толстослойных голограмм
Первые цветные гологоаммы с записью в толстослойной эмульсия выполнены в работах /5,6/. Авторы /5/ использовали при записи непрерывные лазеры: гелий-неоновый и аргоновый. Голографирование в непрерывных лазерах сопряжено с рядом трудностей:
1) из-за низкой чувствительности фотоматериалов большое
время экспозиции;
2) жесткие требования к вибростойкооти установки при записи
голограмм;
3) невозможность регистрации быстропротекающих процессов,
что представляет наибольший интерес в науке и технике.
Поэтому естественным желанием экспериментатора является переход к импульсной записи. В нашем эксперименте /6/ был применён импульсный ксеноновый лазер ЛГИ-37. Принципы конструирования, примененные в приборе, позволили получить следующие характеристики прибора:
1) мощность излучания 2,5 квт на всех семи линиях в одном
импульсе;
2) основные линии генерации фиолетовая (431 мм), две голубых (495,4, 500,8 мм), три зеленых (526, 535,5, 539,4 нм) и оранжевая , (595,5 нм);
3) частота повторения импульсов 0÷700 гц;
4) длительность импульса излучения 300нсек. Исходя из линий генерации, можно отобразить на диаграмме цветности многоугольник передачи цветов при записи голограмм, показанный на рис.3. Из рисунка видно, что многоугольник захватывает практически все натуральные цвета и в смысле цветопередачи изображения лазер ЛГИ-37 является перспективным.
Рис.2. К процессу записи и восстановления толстослойных
голограмм
Рис.3. Диаграмма цветности ХУ
z с линиями равной чистоты и многоугольником, показывающим излучаемые лазером ЛГИ-37 длины волн и возможность получения любого цвета внутри этого многоугольника.
В работе использовалась особомелкозернистая прозрачная амульсия ПЭ-1, характеризующаяся высокой разрешающей способностью.Эмульсия разработана Н.И.Кирилловым и Н.В.Васильевой. Пластинки позволяют записывать цветные объемные голограммы при использованим цветов от фиолетового до красного с необходимым разрешением более 5000 мм
-1. Кривая сенсибилизации подбиралесь соответственно мощности излучения лазера. Так, в кривой сенсибилизации имеется провал в области голубых и зеленых линий (см.рис.4) в соответствии с подъемом мощности этих линий в излучении лазера (рис.5). Светочувствительность фотопластинок ПЭ-1 составляет 5*10-5 дж/см2 для линии 632,8 ни, при условии их предварительной гиперсенсибилизации в растворе ТЭА. Прозрачность эмульсионного слоя уменьшает вредное рассеяние света, что позволяет получать высококачественные голограммы при записи их на встречных пучках. Размер зерен ПЭ-1 - 5÷6 нм.
Рис.4. Кривая сенсибилизации эмульсии ПЭ-1 для записи цветных голограмм.
Рис.5. Кривая распределения спектральной мощности лазера ЛГИ-37.
Запись цветных голограмы производилась по традиционной схеме Денисюка на встречных пучках. Оптическая схема установки показана на рис.6. Лазерный пучок после короткофокусного объектива очищался микродиафрагмой, а затем коллямировался длиннофокусным объективом. При больших размерах объекта длиннофокусный объектив не использовался. При настройке схемы находился блик от объекта и блик от голограммы, вместо которой устанавливалась стеклянная пластина; найденные блики разносились под углом с таким расчетом, чтобы при восстановлении блик от голограммы не мешал рассматриванию восстановленного изображения (рис.6). Микродиафрагма, устанавливаемая в фокусе короткофокусного объектива, прожигалась самим лазером. Отверстия диаметром 40÷50 мк достаточно высокого качества получались в фольге толщиной 0,1 мм.
Обрабатывались фотопластинки следующим образом. Предварительно они сенсиблизировались в растворе ТЭА и высушивались при нормальных условиях. После экспозиции эмульсионный слой замачивался в водной ванне - латенсифицировался. Проявление производилось в пирогаллоловом проявителе, и после промывки голограмма фиксиро-
Рис.6. Оптическая схема получения цветных голограмм во встречных пучках:
1 - лазер ЛГИ-37; 2,3,4 - система коллимации и очистки пучка; 5 - наблюдатель; 6 - фстопластинка; 7 - голографируемые объекты; 8 - направление блика от голограммы при восстановлении.
валась. При этом происходила естественная усадка эмульсии, что приводило к смещению цветности в коротковолновую часть спектра. При восстановлении в белом свете изображение было практически фиолетового цвета. Смещение устранялось купанием пластинок в расстворе ТЭА. Концентрация раствора подбиралась в зависимости от плотности почернения эмульсионного слоя. После этих операций голограмма позволяла восстановить натуральные цвета объекта. На фотографии приведено цветное восстановление голограммы, из которой видно, что цвета от зелёного до красного воспроизводятся удовлетворительно. Белый цвет на фотографии передан неудовлетворительно, но непосредственно на голограмне он просматривается достаточно явственно.
Голограмма записывалась за время 10 секунд при частоте лазера 500 гц. Никаких дополнительных мер для устранения вибраций не предпринималось, как это делается при записи цветных голограим в трехмерных средах при использование лазером непрерывного действия.
З а к л ю ч е н и е
Рассмотрим основные проблемы улучшения качества цветных объемных голограмм. Первой задачей является устранение окрашивания фотоэмульсии за счет обработки в пирогаллоловом проявителе. Проявляющийся коричневый оттенок искажает натуральную светопередачу, т.к. цветное изображение рассматривается через цветной светофильтр. Пути устранения этого явления могут быть следующие:
1. Разработка эмульсии с нейтральным окрашиванием после фотохимической обработки.
2. Устранение окраски специальными методами:
а) селективное подавление шумового цвета в спектре восстана-вливающего источника;
б) устранение окраски фотопластинок химическими методами. Нами использовался следующий прием. После обработки пластинки несколько часов засвечивались рассеянным белым светом, а затем выдерживались в закрепляющем растворе до нескольких десятков минут, что ослабляло шумовую окраску голограммы и практически устранялось вредное действие вуали.
Второй проблемой служит улучшение цветовой избирательности эмульсии. Современные особомелкозернистые эмульсии, изготовленные по рецепту Валенты, ПЭ-1, Ко
dаk-649f и др. имеют цветовую избирательность в пределах 100÷150 Å /7,8/.
Этот результат определяется толщиной эмульсионного слоя, которая у перечисленных эмульсий находится в пределах 10-30μк, поэтому увеличение толщины слоя представляет несомненный интерес.
И в заключение остановимся ча возможных применениях цветных объемных голограмм. Этот вид голограмм открывает широкие возможности при получении цветных портретов, в области изобразительной цветной голографии, при моделироваяии и подборе цвета в промышленности. Немаловажно использование цвета в технике оптической обработки информации, где механическое сканирование библиотеки фильтров можно заменить сканированием цвета, что позволит минимум на порядок увеличить емкость накопленной информации.
Л и т е р а т у р а
1. l.h.lin, k.s.pennington, g.w.stroke, a.e.labeyrie. bell.syst. tech.j., 45, 659, 1966.
2. В.
j.collier and k.s.pennington. appl.opt., 6, 1091, 1967.
3. l.mandel. jos
А, 55, 1697, 1965.
4. Ю.Н.Денисюк. ДАН СССР,
114, 1275, 1962.
5. j.upatnieks, j.marks, r.fedorowicz. appl.phys.lett., 8, 11, 286, 1966.
6. В.Г.Толчин, Б.Г.Турухано, Н.Турухано, В.Ф. Москаленко, Е.П.Остапченко, Ю.М.Цуканов, Н.В.Васильева, Н.И.Кириллов, С.В.Натансон. Проблемы голографии, Труды i Всесоюзной конференции по голографии, Тбилиси 23-26 мая , выпуск
iii, i972.
7. О.В.Андреева, В.И.Суханов. "Опт. и спектр.",
30, 786, 1971.
8. Н.В.Васильева, Н.И.Кириллов. Материалы Второй Всесоюзной школы по голографии, Ленинград, 299, 1971.
