Объемное видение (голография)

Явление отображения оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения

Союзником электроники в решении многих задач научно-технической революции стала молодая наука голография (от греческого "голос" - полный, "графо" - пишу). Фундаментальное открытие в этой области принадлежит советскому ученому, ныне заведующему лабораторией голографии Ленинградского государственного оптического института, члену-корреспонденту АН СССР Ю. Н. Денисюку.

До сих пор фотография и кино превращали объемный, трехмерный мир в плоское изображение. Ю. Н. Денисюк разработал принципиально новый метод получения и воспроизведения трехмерных голограмм, т. е. оптических эквивалентов объекта, которые отражают свет так же, как и оригинал. Это стало возможным благодаря открытию ранее неизвестного явления-отображения трехмерных оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения.

"Голография, - рассказывает автор открытия, - могла бы появиться лет на 300 раньше, будь у людей такой источник света, как лазеры. Во всяком случае, уже три столетия назад ученые догадывались, что мы живем среди волновых полей и каждый предмет виден человеческому глазу лишь потому, что он отражает световые волны. Если зафиксировать полную картину этого отражения и воспроизвести ее потом, когда предмета уже не будет, глаз не заметит никаких изменений".

Объемное изображение предметов, полностью отражающее все их признаки, основано на интерференции световых волн. Слово "голограмма" появилось в научном лексиконе в 1948 г. Его ввел в обиход американский физик Д. Габор, впервые попытавшийся записать волновое поле. Ныне под термином "голограмма" физики подразумевают как запись световых полей, так и всестороннюю запись сведений об объектах, позволяющую видеть их в объемном и как бы зеркальном изображении.

Задумывались ли вы над тем, почему природа наделила человека и животных парой глаз? Может быть, для "страховки", на случай потери одного из них? Ничуть не бывало. Оказывается, два глаза нужны нам потому, что мы обитаем в трехмерном пространстве и, чтобы правильно в нем ориентироваться, должны ощущать его объемность, определять величину предметов и расстояние между ними.

Когда мы рассматриваем обычную фотографию, мы восполняем потерю объемности только за счет воображения. Животные, не обладающие фантазией, плоские изображения просто не воспринимают. Существуют стереокамеры - спаренные фотоаппараты с двумя объективами, находящимися один от другого на расстоянии, равном промежутку между зрачками. Стереокамера снимает одновременно два изображения: одно как бы воспринятое левым глазом, другое - правым. С помощью стереоскопа или стереопроектора мы видим каждое из них тем глазом, для которого оно предназначено. "Складываясь" в мозгу, эти изображения создают объемную картину.

Но обычные стереопары лишены совершенства. Зритель как бы привязан к точке, откуда производилась съемка. Если реальный объект можно рассматривать с разных сторон, то здесь он предстает застывшим, закостеневшим под определенным углом зрения. Другое дело - зеркало, где перед нашим взором предстает натуральное пространство с расположенными в нем предметами. Можно ли закрепить зеркальное объемное отображение надолго? Да, можно. Так отвечает на этот вопрос открытие Ю. Н. Денискжа.

Идея получения пространственных изображений способом записи световых волн без преломляющих оптических приборов высказывалась давно. Однако она считалась практически неосуществимой. И все же аспирант Ю. Н. Денисюк в 1958 г. взялся за решение этой проблемы. Он подготовил диссертацию "Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного излучения". А через четыре года, в 1962 г., молодой ученый опубликовал сущность открытой им возможности фиксировать стоячие волны, возникающие впереди освещаемого предмета, и получать объемное изображение в трехмерной среде.

Что же такое "стоячие" волны, и как они образуются? Известно, что свет, как любое электромагнитное излучение, распространяется волнами. Волны, идущие от источника света, определенным образом взаимодействуют со встречными световыми волнами, отраженными какими-либо предметами. При совпадении гребней волн по фазе образуется так называемая стоячая волна. Амплитуда этой волны соответственно увеличивается. Если гребни волн находятся в противофазе, волны гасят друг друга. Таким образом, между источником света и предметом образуются участки большей и меньшей освещенности, не видимые простым глазом. Но фотоэмульсия может их зафиксировать. Для этого фотопластинку для получения голограммы необходимо поставить перед предметом так, чтобы она оказалась в зоне стоячих волн.

Метод, разработанный Ю. Н. Денискжом на основе собственного открытия, изменил устои фотографии. Автор открытия экспериментально доказал, что на ничем не защищенной сверхвысокочувствительной фотопластинке, помещенной под прямые лучи источника света, остается изображение предмета, расположенного за ней.

В последние годы Ю. Н. Денисюк использовал в своих опытах самые совершенные средства квантовой электроники. Между квантовым генератором и предметом в темноте устанавливается фотопластинка и производится световой "выстрел". Затем следует обычная в фотографии химическая обработка снимка. В процессе проявления в эмульсии образуется фотографический осадок, плотность которого в точности повторяет структуру волнового поля во время экспозиции.

При осмотре фотопластинки (голограммы) на первый взгляд кажется, что на ней нет никаких изображений. Но если направить на нее луч квантового генератора, солнечный луч или свет от электрической лампочки, она отразит их так же, как и зафиксированный ею предмет: мы увидим объемное натуральное изображение оригинала.

Все дело в том, что изображение, записанное на пластинку, в корне отличается от обычного фотографического. На пластинке зафиксированы отраженные предметом световые волны. Как бы замороженные, они каждый раз оживают под лучом света. Этот застывший на стекле волновой узор содержит гораздо больше сведений об объекте, чем обычная фотография. По сравнению с голограммой фотоснимок кажется лишь мертвым слепком с предмета. Фотография доносит до нас информацию о распределении освещенности объекта. На голограмме помимо этого записаны данные о его форме, даже о его невидимой стороне.

Все достигнуто благодаря тому, что волновое поле удалось зафиксировать не только поперек эмульсионного слоя, как раньше, но и по глубине. Теперь для фиксации изображения стало возможно применять толстые эмульсии, которые прежде считались непригодными.

Подавляющую часть информации об окружающей нас действительности мы получаем через световые поля, а голограмма позволяет регистрировать эти поля с необычайной точностью. Открытие Ю. Н. Денисюком неизвестного ранее явления в оптике и изобретенный им метод голографии, за что он был удостоен Ленинской премии 1970 г., получили широкое признание во всем мире. Они чрезвычайно важны для исследований космоса, вычислительной техники, объемного кино и телевидения, машиностроения, медицины и других областей науки и техники.

Описанное открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 88 с приоритетом от 1 февраля 1962 г. Автору открытия выдан диплом со следующей формулой открытия:

"Установлено ранее неизвестное явление возникновения пространственного неискаженного цветного изображения объекта при отражении излучения от трехмерного элемента прозрачной материальной среды, в которой распределение плотности вещества соответствует распространению интенсивности поля стоячих, волн, образующихся вокруг объекта при рассеянии на нем излучения".

На основе открытия был сделан ряд изобретений, на которые Ю. Н. Денисюку выданы авторские свидетельства. На базе этих изобретений разработаны методы исследования деформаций деталей в машиностроении, контроля поверхностей деталей сложной формы, выполнения объемных портретов, изготовления дифракционных решеток и многие другие. В павильоне "Машиностроение" ВДНХ можно познакомиться с оптическим квантовым генератором ЛГ-36. Экскурсоводы называют его фотографом-иллюзионистом. С помощью голографии вместо привычного плоского изображения он воссоздает объемное.

Уже изобретен голографический микроскоп с колоссальным увеличением. Близка к реализации и рентгеновская микроскопия. Коэффициент усиления голографиче-ского рентгеновского микроскопа ожидается близким к миллиону, что даст возможность заглянуть в глубь живой клетки.

В Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР проведены успешные эксперименты, подтвердившие возможность создания цветных проекционных телевизоров с лазерным кинескопом. Изучается возможность получения эффекта объемности.

Голография откроет следующую страницу перед теорией распознавания образов. Содержащая в зашифрованном виде множество зрительных образов, голограмма будет сравниваться с голограммой-эталоном путем последовательного просвечивания когерентным лучом. Если среди образов отыщется искомый, на выходном кадре вспыхнет яркая точка. Поиск и распознавание образов голографическим способом будут вестись с колоссальной скоростью - в десятки тысяч раз быстрее, чем с помощью электронно-вычислительных машин.

Высказывается предположение, что между толстослойной голограммой и мозгом можно провести своеобразную аналогию. Накопление зрительных образов в голограмме чем-то напоминает механизм памяти. Значит, голография интересна не только как инструментальный метод, но и как одно из возможных направлений моделирования деятельности мозга.

Голография открывает перспективу создания оптической памяти невероятно большой емкости. На одной голограмме можно записать информацию, хранящуюся в огромной библиотеке. Голографические методы записи информации дают технике память совершенно нового типа, более похожую на человеческую, чем на машинную. Можно сделать так, что проекция на голограмму одних образов будет вызывать появление других, связанных с первыми (ассоциативная память). Не исключено, что голография может сыграть решающую роль в создании искусственного интеллекта в целях познания нашего восприятия.

В океанографических исследованиях может найти применение так называемое звуковидение - акустический вариант голографии. Предполагают, что с помощью голографии можно визуально наблюдать внутренние органы человека и животных. В случае удачи медицина получит новое средство диагностики, значительно превосходящее по эффективности рентген.

Специалисты надеются научиться осуществлять голо-графическую запись, облучая объект не только видимым светом, но и радиоволнами, звуком, ультразвуком, Ш. Д. Какичашвили (Институт кибернетики АН Грузинской ССР) удалось успешно провести эсперимент по звуковой голографии. Появилась реальная возможность рассматривать предмет изнутри. Широкий выбор волн для записи информации на голограммах позволит видеть сквозь непрозрачные тела, слышать через безвоздушное пространство, проникать взором в микромир, запечатлевать мгновенные состояния быстротекущих процессов, осуществлять бесконтактный неразрушающий контроль поверхностей.

Пути развития и взаимного обогащения оптики и радиоэлектроники свидетельствуют о том, что синтез этих наук - оптоэлектроника - станет базой информационной техники будущего. Сбывается пророческое изречение И. Ньютона: "Природа любит превращения, она как бы услаждается ими. Почему бы ей не превращать свет в тела и тела в свет..."

Явление направленного разветвления электромагнитной энергии в линиях с замедленными волнами

Одна из наиболее актуальных проблем современных областей науки и техники, связанных с передачей, обработкой и использованием информации, - повышение быстродействия, точности и надежности информационных систем. К эффективным способам ее решения относится переход на многоканальную работу, распределение всех операций параллельно по многим каналам. Это позволяет одновременно вести передачу, накопление и обработку потоков и массивов информации, что резко сокращает операционные затраты времени, повышает быстродействие системы, обеспечивает на ее выходе возможность статистического усреднения аппаратных ошибок, т. е. увеличивает ее точность и надежность. Дополнительные перспективы открываются перед системой при введении в схему каналов контроля точности обработки.

Переход на все более короткие участки спектра электромагнитных колебаний, вплоть до диапазона видимого света, открывает путь не только увеличению информационной емкости каналов, но и переходу от одно- и двухмерных систем обработки к трехмерным системам. Примером может служить голография.

Главный тормоз быстродействия и точности современных радиотехнических систем - их громоздкость и сложность. Особенна сложно обстоит дело с миниатюризацией в области субмиллиметрового и оптического диапазонов волн. Традиционные методы геометрической оптики здесь малоэффективны. Выход найден в замене устройств классической оптики волноводными элементами и в построении систем передачи и переработки сигналов на новых принципах, свойственных радиофизике.

Это было подготовлено советскими и зарубежными фундаментальными исследованиями последнего десятилетия в области сверхвысокочастотных (СВЧ) диэлектрических волноводов и функциональных узлов и созданием интегральной и волоконной оптики. Произошел качественный скачок, позволивший решать специфические задачи оптики едиными радиофизическими методами. В результате родилось новое научное направление, занимающееся разработкой и изучением микроволновод-ных линий, функциональных узлов и сложных оптических схем - радиооптика. До настоящего времени эта область техники заимствовала, в значительной степени компилятивно, методы СВЧ, свойственные технике диэлектрических волноводов, и методы классической оптики.

Доктор технических наук Д. И. Мировицкий, профессор Н. Н. Евтихиев, инженер В. Ф. Дубровин из Московского института радиотехники, электроники и автоматики и кандидат технических наук В. Ф. Взятышев из Московского энергетического института обнаружили ранее неизвестное явление направленного разветвления электромагнитной энергии в линиях с замедленными волнами. Открытие явления, не имеющего прямых аналогов ни в СВЧ-технике, ни в классической оптике, позволило объективно подойти к решению комплекса задач многоканальной передачи и обработки сигналов.

"Физическая природа открытого явления, - рассказывает Д. И. Мировицкий, - сводится к образованию двух раздельных систем парциальных волн в области пересечения линий передачи (волноводов), что приводит к направленному разделению потока передаваемой энергии для развилки диэлектрического волновода. Особенность нового явления - сильная однонаправленная связь на весьма малом участке, не достижимая никакими другими известными методами, хорошее согласование и малые отражения волн от этого участка, а также постоянство коэффициента связи в широком диапазоне волн.

Описанное явление находит все большее применение. На его основе создан комплекс приборов для определения свойств твердых и жидких материалов и веществ, для диагностики плазмы, оперативной корректировки многих производственно-технологических процессов. Разработана широкая номенклатура элементов и функциональных узлов на диэлектрических волноводах, обладающих высокими эксплуатационными характеристиками.

К замечательным свойствам диэлектрических волноводов- линий передачи замедленных волн - относится однозначная связь рабочей частоты, геометрических размеров поперечного сечения и относительной диэлектрической проницаемости материала. Если нужно уменьшить размеры сечения волновода, достаточно соответственно увеличить диэлектрическую проницаемость (т. е. электрическую "жесткость") материала. При таких трансформациях волноводов особенности распространения энергии остаются неизменными.

С помощью подобных трансформаций были решены две противоположные задачи -миниатюризации аппаратуры в длинноволновом участке СВЧ и, напротив, увеличения ее размеров в коротковолновом участке (субмиллиметры и видимый свет) до удобных в технологическом и конструктивном отношении. Разработанные на базе открытого явления функциональные узлы позволили по-новому подойти к проблеме создания когерентно-оптической и голографической аппаратуры, что резко расширило возможность ее применения. В данном слу-чае аппаратура полностью основывается на диэлектрических микроволноводах, для управления пучками света используются чисто радиооптические принципы. Такие оптика и голография, в отличие от реализуемых на устройствах классической оптики, получили название интегральных. Интегрально-голографические установки и стенды миниатюрны, просты в настройке и эксплуатации, хорошо защищены от внешних воздействий и вибрационных, световых и других помех".

На принципах открытия авторами создано около 20 изобретений. Ряд из них патентуется за границей.

Описанное открытие зарегистрировано под № 79 с приоритетом от 27 апреля 1959 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление направленного и согласованного в широком диапазоне, частот разветвления энергии электромагнитных волн при распространении их в соединениях из сходящихся и пересекающихся под острым углом диэлектрических волноводов или подобных им замедляющих линий".