Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii
Katedra Optoelektroniki i Systemów
Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Gdańsk 2006
Ćwiczenie 6. Badanie właściwości hologramów
Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona | 2 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami róŜnych typów hologramów.
2. Holografia
Holografia to rejestracja i odtwarzanie frontów falowych obiektów. W przeciwieństwie do fotografii, hologram odtwarza trójwymiarowy obraz obiektu. Hologram obiektu moŜna zarejestrować wyłącznie za pomocą światła laserowego. Odtworzenie obrazu z hologramu zwykle realizuje się równieŜ za pomocą światła laserowego (taką samą wiązką światła co przy rejestracji). Istnieją jednak pewne rodzaje hologramów, które odtwarzają obraz w świetle białym (jak np. hologram tęczowy).
W fotografii na kliszy fotograficznej rejestruje się płaski obraz obiektu, w holografii zaś na kliszy holograficznej zapisuje się prąŜki interferencyjne powstałe wskutek interferencji fali obiektu i fali odniesienia. Rekonstrukcja hologramu jest prosta gdyŜ, aby otrzymać trójwymiarowy obraz obiektu wystarczy hologram (wywołana i utrwalona klisza) oświetlić wiązką fali odniesienia, taką samą jak ta wykorzystana podczas rejestracji.
Na rys. 1 przedstawiono schematycznie zapis i rekonstrukcję hologramu obiektu, zaś rys. 2 pokazuje kształt prąŜków interferencyjnych zarejestrowanych w hologramie. Istnieje wiele rodzajów hologramów, zaleŜnie od sposobu rejestracji i odtwarzania oraz uŜytych materiałów holograficznych, itd.
W ćwiczeniu badane będą hologramy amplitudowe i fazowe.
Hologram amplitudowy to taki, w którym prąŜki interferencyjne zapisane są za pomocą zmiennej gęstości optycznej płyty holograficznej.
Rys. 1. Rejestracja hologramu a) i rekonstrukcja hologramu – powstanie obrazu pozornego b).
Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona | 3 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
Rys. 2. Przykładowa fotografia zarejestrowanych na hologramie prąŜków interferencyjnych.
Znaczy to, Ŝe prąŜki te powstają wskutek zaczerniania i rozjaśniania kliszy lub płyty, jak w zwykłej fotografii. Hologram amplitudowy moduluje amplitudę fali odniesienia podczas rekonstrukcji obrazu, a wydajność dyfrakcyjna, czyli stopień jasności obrazu, jest niewielka. Hologram fazowy jest przeźroczysty a prąŜki interferencyjne zapisane są w nim w postaci zmiany fazy płyty holograficznej (moŜe to być zmiana współczynnika załamania światła lub zmiana grubości płyty). Hologram fazowy ma bardzo duŜą wydajność dyfrakcyjną a odtwarzane obrazy są bardzo jasne.
Hologram tęczowy moŜna odtwarzać w świetle białym, otrzymuje się go poprzez dwukrotną rejestrację za pomocą lasera, z wykorzystaniem szczeliny. UŜycie szczeliny przy drugiej rejestracji hologramu umoŜliwia jego odtwarzanie i oglądanie w świetle białym, ale jednocześnie niweluje paralaksę pionową Hologram tęczowy jest więc trójwymiarowy tylko w kierunku poziomym.
Hologramy tęczowe są najbardziej rozpowszechnionymi i najbardziej znanymi hologramami. Stosuje się je na kartach kredytowych, identyfikatorach, biletach wstępu, itp., w celu zabezpieczenia przed fałszerstwem.
Hologram Fouriera jest zwykłym hologramem rejestrowanym i odtwarzanym światłem lasera ale zarejestrowany jest w nim nie obiekt lecz transformata Fouriera obiektu. Hologramy Fouriera odtwarzają obraz tylko wtedy, gdy po oświetleniu hologramu Fouriera wiązką odniesienia obraz będzie
Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona | 4 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
obserwowany w tylnej płaszczyźnie ogniskowej soczewki. Odtworzone obrazy są rzeczywiste i względem siebie sprzęŜone, rys. 3.
Rys. 3. Obraz odtworzony z hologramu Fouriera.
W ćwiczeniu będą badane właściwości hologramu Fouriera wykonanego techniką komputerową Do wykonania tego hologramu wykorzystano metodę Lohmanna graficznego zapisu amplitudy i fazy. Zasadę zapisu hologramu lohmannowskiego wyjaśnia rys. 4.
Rys. 4. Zasada kodowania amplitudy i fazy metodą Lohmanna a), fragment hologramu zakodowanego metodą Lohmanna b), komputerowy rysunek negatywu hologramu c).
a)
b) c)
Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona | 5 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
sektory o szerokości ∆νxx∆νy, zwane komórkami dyskretyzacji. KaŜdej próbce )
,
( x y
nm G n m
G = ∆ν ∆ν odpowiada jedna komórka dyskretyzacji o środku w punkcie próbkowania
y ym
x
xn n ν ν m ν
ν = ∆ = ∆ . Zbiór wszystkich kwadratowych komórek tworzy siatkę próbkowania.
Wartość amplitudy A i fazy nm ϕnm w danym punkcie próbkowania jest odwzorowana w postaci przeźroczystej prostokątnej apertury na nieprzeźroczystym tle. Wysokość apertury Wnm∆νy jest proporcjonalna do wartości amplitudy A , natomiast faza nm ϕnm jest określona wielkością przesunięcia
x
Pnm∆ν środka apertury względem środka komórki. Podczas odtwarzania hologramu lohmanowskiego pojawiają się obrazy w róŜnych rzędach dyfrakcyjnych, jak w siatce dyfrakcyjnej. Jest to spowodowane dyskretno-binarnym charakterem struktury hologramu Lohmanna.
Podczas wykonywania ćwiczenia oglądane będą obrazy pozorne i obrazy rzeczywiste odtwarzane z hologramów.
W wypadku obrazów pozornych hologram powinien być oświetlony rozszerzoną wiązką lasera. Obraz rzeczywisty moŜna zobaczyć tylko wówczas gdy hologram oświetli się nie rozszerzoną wiązką lasera i ekran obserwacyjny umieści się na drodze wiązki odtworzonej.
3. Zadania do wykonania
3.1. Odtwarzanie komputerowego hologramu Fouriera.
W układzie optycznym filtru przestrzennego zaobserwować:
• komputerowy zapis hologramu Fouriera, w kodzie Lohmanna,
• zrekonstruowany obraz holograficzny za pomocą soczewki realizującej transformatę Fouriera,
• wskazać zrekonstruowany obraz, obraz sprzęŜony oraz składową nieugiętą równieŜ niosącą informację o obiekcie,
• zwrócić uwagę na wyŜsze rzędy dyfrakcyjne powstające w tego typu hologramie.
Laboratorium optycznego przetwarzania informacji i holografii Strona | 6 Katedra Optoelektroniki i Systemów Elektronicznych, WETI, Politechnika Gdańska
3.2. Odtwarzanie obrazu pozornego hologramu amplitudowego i fazowego.
• Rozszerzoną wiązkę lasera oświetlić całą płaszczyznę hologramu,
• Obserwować obraz pozorny ortoskopowy hologramu, zwrócić uwagę na paralaksę pionową i poziomą hologramu.
3.3. Odtwarzanie obrazu rzeczywistego hologramu amplitudowego i fazowego.
• Nie rozszerzoną wiązką lasera oświetlić wybrany punkt hologramu.
• Na ekranie umieszczonym przed hologramem obserwować pseudoskopowy obraz rzeczywisty obiektu,
• Zmieniając miejsce oświetlenia hologramu zwrócić uwagę na zmianę perspektywy oglądanego obrazu.
3.4. Badanie holograficznej siatki dyfrakcyjnej.
Przebadać sposób odchylania wiązki laserowej przez holograficzne siatki dyfrakcyjne 600 linii/mm i 900 linii/mm.
3.5. Obserwacja hologramów tęczowych.
Zwrócić uwagę na obraz obiektu odtwarzany przez hologram tęczowy: obraz pozorny i rzeczywisty występują jednocześnie, ostrość obrazu w zaleŜności od odległości od płaszczyzny hologramu, barwy obrazu zaleŜne od miejsca odtworzonej szczeliny, w którą patrzymy, określić stopień paralaksy pionowej i poziomej odtworzonego obrazu.
Oznaczenia elementów optycznych na rysunkach:
FP – filtr przestrzenny, Sk – soczewka kolimująca, E – ekran,
O – obiekt (przeźrocze),
SF – soczewka realizująca transformatę Fouriera, So – soczewka realizująca obraz obiektu,
Sp – soczewka powiększająca obserwowany obraz.
