Оптическая голография Лекция 7

1. Оптическая голография

Лекция 7

2. Содержание лекции

Голограммная линза
Голограммные дифракционные
решетки
Голограммные мультипликаторы
Голограммные фильтры
Голограммные компенсаторы
2

3. Голограммная линза

›
›
Известно, что свойства линзы проявляют зонные пластинки
(решетки).
Зонная пластинка Френеля состоит из чередующихся светлых и
темных колец, которые ограничены окружностями с радиусами
›
Если nλ<<zf , то совокупность окружностей, которым
соответствуют четные n, можно рассматривать как зонную
пластину, имеющую двойное фокусное расстояние 2zf,
совокупность окружностей с n кратным 3 – как пластинку с
утроенным фокусным расстоянием и т.д.
›
Такая пластинка Френеля с прямоугольным радиальным
распределением почернения может выполнять функцию
изображающего оптического элемента. Недостаток ее –
возникновение большего числа изображений, расположенных на
оси.
3

4. Голограммная линза

Схема получения голографической линзы (а)
и построения изображения (б)
4

5. Голограммная линза

›
›
›
При построении изображения предмета Т, помещенного в
восстанавливающий пучок С, возникают основное изображение Ipдействительное, и вторичное Ik – мнимое. Если повернуть
голограмму на 180о, то характер изображений изменится.
Голографическая линза – это оптический элемент с двумя
фокусными расстояниями: для основного (fp) и сопряженного (fk)
изображений. Положениядвух изображений связаны следующей
формулой
Как видим, это выражение не зависит от положения источника
сферической волны при получении и определяется только
положением предмета Т относительно голографической линзы.
5

6. Голограммные дифракционные решетки

Отличия голограммных решеток
-В случае тонкой рельефно фазовой голограммы ДЭ голограммной
решетки ниже и не превышает 34%
-Для получения высокой ДЭ можно использовать объемные решетки
или схемы записи типа Шеридона.
-Частота штрихов голограммной решетки от 100 до ескольких тысяч
штр/мм, нарезной от 30 до 10 000 штр/мм.
›Голограммные решетки обладают меньшим уровнем рассеяния света
за счет одновременной регистрации катрины, отсутствия износа резца,
пропуска штрихов или ошибок механизма.
›Голограммные решетки могут быть выполнены на поверхности любой
формы
›В случае голограммной решетки легче изменять форму штрихов для
коррекции аберраций
›Размеры голограммных решеток могут достигать >400 мм
6

7. Голограммные дифракционные решетки

Схема записи и работы вогнутой голограммной решетки
7

8. Голограммные дифракционные решетки

Спектрограф с плоским полем – оптическая схема (вверху)
и фокусировочные кривые (внизу) – для классической решетки (а),
при коррекции дефокусировки(b), дефокусировки и астигматизма (c)
8

9. Голограммные дифракционные решетки

Монохроматор с простым вращением
9

10. Голограммные мультипликаторы

›
Мультипликация - размножение изображений.Оноприменяется при
использовании группового метода изготовления изделий, в
многоканальных системах обработки информации, также для
системы хранения и размножения информации и др.
›
Голографические мультипликаторы с пространственным
разделением волнового фронта содержат растр голографических
элементов, каждый из которых строит изображение предмета. ВФ
разделяется зрачками элементов
›
Каждый элемент растра – осевая голографическая линза,
концентрическиекольца которой образуются в результате
интерференции сферического иплоского волновых фронтов. Растр
получают последовательной записью голограмм одного и того же
точечногоисточника, образованного микрообъективом.
›
Преимущества– идентичность элементов растра,высокая
разрешающая способность, простота получения больших ПЗ.
10

11. Голограммные мультипликаторы

›
Голографические мультипликаторы с угловым делением
волнового фронта содержат голограмму, представляющую собой
единый мультиплицирующий элемент и обеспечивающую
формирование множества микроизображений за счет дифракции
на структуре голограммы световой волны, распространяющейся
от объекта. При этом каждое отдельное микроизображение
строится волновым фронтом, образованным всей площадью
голограммы. Эти мультипликаторы бывают дух типов: на
голограммах Френеля и голограммах Фурье.
11

12. Голограммные мультипликаторы

›
При получении голограмм Френеля используют набор
когерентных точечных источников и опорный источник. В
результате их интерференции на фотопластинке получаем
голограмму точечных источников – мультиплицирующий
элемент, представляющий собой набор внеосевых
голографических линз, «вложенных» в одну апертуру.
12

13. Голограммные мультипликаторы

›
Голографические мультипликаторы Фурье действуют по принципу
двойной дифракции.
›
Первая дифракция происходит на объекте 2, освещаемом плоской
монохроматической волной, образуемой когерентным источником света 1.
Объект 2 расположен в передней фокальной плоскости объектива 3,
который образует в своей задней фокальной плоскости 4 пространственный
спектр объекта. В плоскости голограммы 4, которая одновременно является
передней фокальной плоскостью второго объектива 5, находится
мультиплицирующий элемент, представляющий собой голограмму набора
точечных источников, число и расположение которых соответствует
желаемому числу и расположению размноженных изображений. В
плоскости 4 имеем произведение двух спектров Фурье: объекта и набора
точечных источников. Второй объектив 5 осуществляет обратное
преобразования Фурье .
›
В плоскости изображения 6 имеем совокупность изображенийисходного
объекта, причем линейное увеличение системы и размер изображений
определяются соотношением фокусов объектов системы β=f2/f1.
13

14. Голограммные мультипликаторы

Работа голографического мультипликатора на голограмме Фурье
14

15. Голограммные фильтры

›
Метод распознавания образов с помщью голограмм основан на
преобразовании сигнала, несущего информацию об объекте, в
спектр частот исходного сигнала, который подвергают
дальнейшей обработке (фильтрации) с помощью частотных
фильтров, пропускающих лишь излучение определенных частот.
›
Оптический сигнал, как распределение амплитуд и фаз объектной
волны, может быть разложен на частотные составляющие, но не
временные (как в радио), а пространственные, которые можно
непосредственно наблюдать на экране.
15

16. Голограммные фильтры

›
Линза Л раскладывает изображения на пространственные частоты
– независимые гармоники. Причем большей пространственной
частоте решетки соответствует больший угол отклонения
›
Эти лучи фокусируются линзой Л2 в точку, удаленную от центра
плоскости 2 .
›
›
При вращении и масштабировнии транспаранта изменяется
пространственный спектр, при смещении – остается неизменным.
Если за плоскостью 2 на фокусном расстоянии поместить вторую
линзу Л2, осуществляющую обратное преобразование Фурье, то в
плоскости 3 построится перевернутое изображение транспаранта.
Помещая в частотную плоскость 2 пространственные фильтры,
можно те или иные частоты спектра транспаранта. В результате
можно из всего изображения транспаранта выделить только
определенные детали.
16

17. Голограммные фильтры

Схема согласованной фильтрации оптического сигнала
17

18. Голограммные фильтры

›
Голограммные фильтры
Голографический способ получения согласованного
пространственного фильтра позволяет сохранить фазовую
информацию об объекте, по которому он изготовлен, и резко
снизить уровень паразитных световых сигналов.
›
В частотной плоскости 2 образуется образ транспаранта и в
результате интерференции с когерентным фоном от оптического
клипа К образуется голограмма Фурье, являющаяся оптимальным
пространственным фильтром. Такой фильтр обладает свойством
распознавать тот транспарант, с которого фильтр был изготовлен.
›
Для этого транспарант помещается в фокальную плоскость Л1 слева,
а в частотной плоскости 2 устанавливается голографический
пространственный фильтр. При освещении транспаранта
когерентным сетом в 0-м порядке можно наблюдать изображение
транспаранта, а в 1-м (А или В) – яркие пятна опознавания,
координаты которых соответствуют распределению по
транспаранту тех его деталей, с которых снят фильтр.
18

19. Голограммные фильтры

Схема получения голографического согласованного фильтра
19

20. Голограммные фильтры

›
›
›
›
›
›
Селективные свойства объемных голограмм можно использовать
для создания узкополосных голограммных фильтров – УГФ или
Notch – фильтров
Такой фильтр представляет собой отражательную толстую
голограмму с макисмумом эффективности около расчетной длины
волны
Типичный коэффициент пропускания на подавляемой длине
волны – менее 10-6
Ширина полосы – 10-20 нм
Крутизна спектральной характеристики
4-9 нм
Фильтры широко используются в лазерной спектроскопии, в
первую очередь в спектроскопии комбинационного рассеяния.
20

21. Голограммные фильтры

Общий вид Notch-фильтра (слева) и
его спектральная характеристика (справа) с характерной полосой подавления
21

22. Голограммные фильтры

Соотношение толщины и
изменения
показателя
преломления
для
различных
фильтров
(вверху)
И
отстройка
полосы
поглощения голограммного
фильтра при
повороте
голограммного
фильтра
(внизу)
22

23. Голограммные компенсаторы

›
Голографический компенсаторы позволяют реализовать метод
коррекции изображений, основанный на использовании
сопряженной волны, образующий действительное изображение
объекта.
›
При совмещении действительного изображения искажающего
элемента с самим этим элементом происходит восстановление
первоначальной формы световой волны и получается искаженной
изображение наблюдаемого объекта.
›
Искажающим элементом может быть линза, рассеиватель типа
матового стекла или турбулентная атмосфера.
23

24. Голограммные компенсаторы

›
›
›
На этапе изготовления компенсатора получают голограмму
искажающего элемента – аберрационной линзы Л.
При компенсации аберраций голограмму Г располагают по
отношению к линзе в том же положении, как и при регистрации, и
через те наблюдают искаженное изображение объекта. Тогда свет
от объекта О дифрагирует на голограмме и волна
соответствующего порядка формирует свободное от аберраций
изображение объекта О’.
При освещении голограммы объектной волной от
монохроматического источника В, искаженной линзой Л,
восстановится изображение опорного источника Р. Если же
объектная волна дополнительно искажена объектом О,
расположенным перед аберрационной линзой Л, то и в
восстанавливающую волну вносятся такие же искажения, и
наблюдатель увидит изображение объекта О.
24

25. Голограммные компенсаторы

Изготовление и работа голографического компенсатора
25

26. Литература

1.
С.Н. Корешев, Основы голографии и голограммной оптики.
– СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. – 97 с.
2.
Андреева О.В. ПРИКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЯ. Учебное
пособие. –СПб: СПбГУИТМО, 2008. – 184 с.
3.
Денежкин Е.Н. Оптическая голография: Учебное пособие. –
Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2002. – 93 с.
4.
DIFFRACTION GRATING: HANDBOOK Christopher Palmer, Erwin
Loewen NEWPORT CORPORATION, 2005
5.
Беляков, Павлычева Спектральные приборы Изд-во КГТУ –
Казань - 2004
26