Голограм а фія (від грец. H ó los - весь, повний і ... графія ), Метод отримання об'ємного зображення об'єкта, заснований на інтерференції хвиль. Ідея Г. була вперше висловлена Д. Габором (Великобританія, 1948), проте технічна реалізація методу виявилася надзвичайно складною і Г. не набула поширення. Тільки з появою лазерів відкрилися численні і різноманітні можливості практичного використання Р. в радіоелектроніці, оптиці, фізиці і різних областях техніки.
Принцип Г. Зазвичай для отримання зображення будь-якого об'єкта фотографічним методом користуються фотоапаратом, який фіксує на фотопластинці випромінювання, що розсіюється об'єктом. Кожна точка об'єкта в цьому випадку є центром розсіювання падаючого світла; вона посилає в простір розходиться в різні боки сферичну світлову хвилю, яка фокусується за допомогою об'єктиву в невелика плямочка на світлочутливої поверхні фотопластинки. Так як відбивна здатність об'єкта змінюється від точки до точки, то інтенсивність світла, що падає на відповідні ділянки фотопластинки, виявляється різною. Тому на фотопластинці виникає зображення об'єкта. Це зображення складається з виходять на кожній ділянці світлочутливої поверхні зображень відповідних точок об'єкта. При цьому тривимірні об'єкти реєструються у вигляді плоских двомірних зображень.
В процесі фотографування на фотопластинці фіксується лише розподіл інтенсивності, тобто амплітуди електромагнітної хвилі, відбитої від об'єкта (інтенсивність пропорційна квадрату амплітуди). Однак світлова хвиля при віддзеркаленні від об'єкту змінює не тільки амплітуду, але і фазу відповідно до властивостей поверхні об'єкта в даній точці.
Г. дозволяє отримати більш повну інформацію про об'єкт, тому що являє собою процес реєстрації на фотопластинці не тільки амплітуд, але і фаз світлових хвиль, розсіяних об'єктом. Для цього на фотопластинку одночасно з хвилею, розсіяною об'єктом (сигнальна хвиля), необхідно направити допоміжну хвилю, що йде від того ж джерела світла (лазера), з фіксованою амплітудою і фазою (опорна хвиля, рис. 1).
Інтерференційна картина (чергування темних і світлих смуг або плям), що виникає в результаті взаємодії сигнальної і опорної хвиль, містить повну інформацію про амплітуду і фазі сигнальної хвилі, тобто про об'єкт. Зафіксована на світлочутливої поверхні інтерференційна картина після прояву називається голограмою. Якщо розглядати голограму в мікроскоп, то в найпростішому випадку видно система чергуються світлих і темних смуг (рис. 2). Інтерференційний візерунок реальних об'єктів вельми складний.
Для того щоб побачити зображення предмета, голограму необхідно прояснити тією ж опорною хвилею, яка використовувалася при її отриманні. У найпростішому випадку - інтерференції двох плоских хвиль (двох паралельних пучків) - голограма є звичайною дифракційну решітку . Плоска хвиля, падаючи на таку голограму, частково проходить крізь неї, зберігаючи колишній напрям, а частково внаслідок дифракції перетвориться в дві вторинні плоскі хвилі, що поширюються під кутом q (рис. 3). Кут q пов'язаний з кроком решітки d і довжиною світлової хвилі l формулою:
Як видно з малюнка, хвиля, яка йде «вниз», є як би продовженням сигнальної хвилі, що використовувалася при зйомці голограми (рис. 1). Тому вона нічим не відрізняється від хвилі, що йде від об'єкта при безпосередньому його спостереженні. Таким чином, при просвічуванні голограми відновлюється та ж сама хвиля, яка виходила від об'єкта. В результаті цього спостерігач, що дивиться крізь голограму, побачить уявне зображення об'єкта в тому місці, де об'єкт знаходився при зйомці. Хвиля, що йде «нагору» (рис. 3), також містить інформацію про об'єкт і утворює його дійсне зображення.
Голограма точки. Нехай світло від лазера падає на точковий об'єкт А і на плоский відбивач, який створює опорну хвилю (рис. 4). Розсіяна від точкового об'єкта хвиля і опорна хвиля падають на фоточутливий шар, на якому реєструється інтерференційна картина. Голограма в цьому випадку утворюється в результаті інтерференції сферичної сигнальної хвилі з плоскою опорною хвилею і являє собою систему концентричних темних і світлих кілець. Оскільки відстань між інтерференційними кільцями одно 
, То чергування світлих і темних кілець стає частішим при наближенні до нижнього краю голограми (рис. 5).
При просвічуванні голограми плоскою опорною хвилею в результаті дифракції виникають дві сферичні хвилі. Ці хвилі формують дійсне і уявне зображення точки А, які можна спостерігати під різними кутами (рис. 5). Розходиться сферична хвиля I створює уявне зображення A 'і спостерігач, що сприймає цю хвилю, бачить відновлене зображення A' за голограмою в тому ж місці, де знаходився реальний об'єкт А. Друга сходиться сферична хвиля // створює дійсне зображення об'єкта А ", яке розташоване перед голограмою.
Об'ємність голографічних зображень. Повторюючи наведені міркування для кожної з точок об'єкта, що складається, наприклад, з 4 точок, можна переконатися, що інтерференційна картина, яка фіксується на голограмі, буде містити повну інформацію про всіх 4 точках. При просвічуванні голограми опорним променем з'являться 2 зображення - уявне і дійсне, причому обидва зображення сприйматимуться спостерігачем як об'ємні.
Уявне зображення спостерігається, якщо дивитися крізь голограму, як у вікно (рис. 6). Дійсно, в положеннях б, в, г ми побачимо крапку 1, а в положеннях в, г, д - точку 3; в, положеннях в, г спостерігач побачить одночасно крапки 1, 3 і точки 2, 4, які розташовані між ними, тобто весь об'єкт. Якщо спостерігач переводить погляд з точки 2 на точку 3 (або 4), він повинен змінити фокусування очей, а якщо спостерігач змінить своє місце, наприклад від в до г, то зміниться і перспектива зображення. Більш того, в деяких положеннях спостерігач не побачить крапки 4, так як вона буде закрита точкою 2 об'єкти, розташованої ближче до спостерігача. Таким чином, голографічне зображення є об'ємним, причому зорове сприйняття цього зображення нічим не відрізняється від сприйняття вихідного об'єкту. Фотографуючи уявне зображення, можна, в залежності від місця розташування фотоапарата і його фокусування, зафіксувати всі ці особливості на знімках (рис. 7). Експериментально такі голограми вперше отримали амер. фізики Е. Лейтс і Ю. Упатнієкс в 1962.
Дійсне зображення також тривимірно і володіє всіма згаданими властивостями; воно ніби висить перед голограмою, але спостерігати його дещо складніше.
Властивості голограм. Голографічне зображення точки являє собою собою пляма, діаметр d якого дорівнює: 
, Де D - розмір голограми, l - довжина хвилі, Н - відстань об'єкту до голограми. Величина d характеризує роздільну здатність голографічного зображення, тобто розрізнення 2 близьких точок об'єкту. Одне з чудових властивостей голограми полягає в тому, що кожен її ділянку містить інформацію про все об'єкті і тому дозволяє відновити повне зображення об'єкта (при зменшенні розміру голограми D погіршується лише роздільна здатність зображення). Наслідком цього є висока надійність зберігання інформації, записаної у вигляді голограми.
При просвічуванні голограм можна змінити довжину опорної хвилі l. У цьому випадку спостерігаються 2 зображення, але на іншій відстані H 'від голограми, що визначається формулою:
Тут Н - відстань між об'єктом і голограмою при зйомці, l 1 - довжина опорної хвилі при зйомці, а l 2 - при перегляді голограми. Таким способом можна візуалізувати (зробити видимими) зображення об'єктів, записуваних у вигляді голограм, отриманих за допомогою радіохвиль або інфрачервоного, ультрафіолетового та рентгенівського випромінювань.
При перегляді голограм можна міняти не тільки довжину опорної хвилі, але і її хвилевий фронт. Висвітлюючи, наприклад, голограму розходиться сферичної хвилею, можна спостерігати збільшене зображення предмета. На цьому заснований пристрій голографічного мікроскопа.
Можливості Г. істотно розширюються, якщо голограму записувати на толстослойной емульсії, що було вперше запропоновано Ю.Н. Денисюком (СРСР, 1962). В цьому випадку інтерференційна картина виходить тривимірною, завдяки чому голограма набуває нових властивостей. Зокрема, така голограма дозволяє спостерігати зображення об'єкту при освітленні її немонохроматичним (білим) світлом.
Можна отримати кольорове голографічне зображення предмета, якщо при виготовленні голограми використовувати 3 монохроматичних лазера, що випромінюють різні довжини хвиль (наприклад, синій, жовтий і червоний промені). У цьому випадку запис може проводитися на звичайну емульсію, і голограма на вигляд не відрізнятиметься від звичайної чорно-білої. Кольорове зображення предмета спостерігається при одночасному освітленні голограми 3 опорними хвилями, відповідними вказаним кольорам.
Якість голографічних зображень залежить від монохроматичности випромінювання лазерів і роздільної здатності фотоматеріалів, що використовуються при отриманні голограм. Якщо спектр випромінювання лазера широкий, то при зйомці голограми кожної певній довжині хвилі цього спектру відповідатиме свій інтерференційний узор і результуюча інтерференційна картина буде нечіткою і розмитою. Тому при виготовленні голограм застосовуються лазери з дуже вузькою спектральної лінією випромінювання.
Якість інтерференційної картини визначається також роздільною здатністю фотоматеріалу, тобто числом інтерференційних ліній, яке можна фіксувати на 1 мм. Чим більше це число, тим краще якість відновленого зображення. У зв'язку з цим в Р. застосовуються фотоматеріали, що мають високий дозвіл (1000 ліній на 1 мм і більше).
Найбільш часто використовувані фотографічні емульсії є суспензією світлочутливих зерен, розташованих на деякій відстані один від одного. Дискретна структура фотоемульсій призводить до того, що на голограмі записується не наскрізною розподіл яскравості інтерференційної картини, а лише її «уривки». Це створює світловий фон, оскільки при просвічуванні голограми світло розсіюється на проявлених зернах. У зв'язку з цим ведуться широкі пошуки беззерністих фотоматеріалів, які, крім того, дозволяли б виробляти стирання і повторний запис інформації, що дуже важливо для ряду голографічних застосувань. Вже отримані перші голограми на мелкодоменних магнітних плівках, фотохромних стеклах і плівках, на кристалах і на інших матеріалах.
На якість голографічних зображень впливають також умови зйомки. При використанні лазерів безперервного випромінювання час експозиції міняється від часток секунди до десятків хвилин (в залежності від розмірів об'єкта і голограми). Протягом цього часу недопустимі будь-які зміщення об'єкта, фотопластинок і оптичних елементів схеми на відстані, порівнянні з довжиною хвилі l. В іншому випадку інтерференційна картина буде змазана. Ці труднощі виключаються при використанні імпульсних лазерів, що забезпечують потужне світлове випромінювання протягом дуже коротких проміжків часу (до 10-9 сек). При такому малому часу експозиції легко отримувати голограми об'єктів, що рухаються зі швидкостями близько 1000 м / сек (рис. 8).
Застосування Г. Імпульсна Г. відкриває можливість фіксувати і аналізувати швидко, що протікають процеси. Великий інтерес, наприклад, для ядерної фізики і фізики елементарних часток представляє вивчення слідів (треків) часток в трекових камерах. Для цієї мети поки застосовується стереоскопічний зйомка. Голографічні методи виявляються тут вельми ефективними, оскільки вони дозволяють зафіксувати інформацію про всьому об'ємі камери. При відновленні можна розглядати зображення в різних перетинах камери, що дозволяє легко розділити треки, що відповідають різним часткам. Число часток, що реєструються на голограмі, може бути дуже великим (близько 1000). Аналогічно можна вивчати динаміку розподілу неоднорідностей в туманах, рідинах і інших прозорих середовищах.
Перспективно застосування імпульсної Г. в интерферометрии. На одній і тій же фотоплатівці в різні моменти часу записуються 2 голограми досліджуваного об'єкта. При відновленні обидві хвилі, що несуть інформацію про об'єкт, накладаються один на одного. Якщо за час між експозиціями з об'єктом сталися які-небудь зміни, то на відновленому зображенні з'являється система інтерференційних смуг. Розшифровуючи отриману інтерференційну картину, можна визначити зміни, що відбулися. Цей метод дозволяє вимірювати дуже невеликі (порядку доль мкм) деформації об'єктів із складною формою поверхні, обумовлені вібрацією, нагріванням і т. П. Його можна використовувати також для неруйнівного контролю виробів, для дослідження вибухів , ударних хвиль , Що утворюються, наприклад, при польоті кулі (рис. 8), для вивчення потоків газу в надзвуковому соплі, для дослідження плазми і т.д.
Застосування Г. відкриває принципову можливість створення об'ємного кольорового телебачення . Дійсно, голограму об'єкту можна зафіксувати на світлочутливої поверхні передавальної телевізійної трубки , А потім передати її по радіо або оптичному каналу. На приймальному кінці голограму можна відновити, записавши її, наприклад, на світлочутливої плівці. Це дозволить спостерігати тривимірне зображення об'єкта. Реалізація такої системи навіть для спеціальних застосувань поки пов'язана з великими технічними труднощами (роздільна здатність телевізійних передавальних трубок дуже низька, що утрудняє відновлення об'ємних зображень; відсутні досить потужні лазери видимого діапазону, які необхідні для отримання голограм реальних об'єктів, і т. П.).
Методи Г. відкривають можливість створення нових систем пам'яті, що представляють великий інтерес для прогресу обчислювальної техніки . Г. дозволяє реалізувати щільність запису порядку 107-108 двійкових одиниць інформації на 1 см2 світлочутливої поверхні, що на кілька порядків вище, ніж у існуючих систем пам'яті. Крім того, голографічний запис характеризується високою надійністю; вихід з ладу невеликих ділянок голограми приводить лише до деякого погіршення якості відтворення (див. вище). Голографічні пристрої пам'яті з великою ємкістю були запропоновані в 1966 А. Л. Мікаеляном і В. І. Бобріневим (СРСР). Вони засновані на записі великого числа голограм на одну і ту ж поверхню (або об'єм) фотоматеріалу. Для того щоб зображення не накладалися один на одного, при запису кожного з них змінюють кут падіння опорної хвилі на світлочутливий шар (рис. 9). Опорний промінь, перш ніж потрапити на голограму, проходить через відхиляє систему, яка встановлює напрям опорного променя відповідно до введеним в неї адресою. Для кожної адреси відповідає свій напрямок опорного променя. Сигнальний промінь ділиться на n каналів, в кожен з яких включений модулятор М. При наявності напруги, що управляє він пропускає промінь лазера, а при відсутності напруги стає непрозорим. На виході модуляторів виникає комбінація n променів, які разом з опорним променем записуються у вигляді голограми. При накопиченні інформації в пристрої на адресний вхід подаються по черзі всі адреси, а на сигнальний - відповідні числа.
При зчитуванні інформації відхиляє встановлює кут падіння зчитувального опорного променя, відповідний заданій адресі, і голограма формує зображення у вигляді системи яскравих крапок, кількість і взаємне розташування яких визначається комбінацією включених при записі модуляторів. Це зображення проектується на систему фотоприймачів, на виході яких сигнали дають зовсiм небагато. Уже вдалося записати послідовно до 1000 голограм 32-розрядних чисел на ділянці поверхні з діаметром ок. 2 мм.
Інший варіант голографічного пристрою, что запам'ятовує дозволяє запісуваті Великі кількості чисел, Які Попередньо превращаются в матриці-транспаранти (рис. 10). Кожна матриця запісується у виде голограм на невелікій ділянці фотопластинки (около 1-2 мм). Перемикань променя з одного голограм на іншу здійснюється двухкоординатной системою відхилення, причому при будь-якіх Кутах відхилення опорний и сігнальні Промені поєднані на голограмі. При зчітуванні информации Кожна голограми вісвітлюється опорним Променя, что відновлює зображення відповідної матриці (рис. 10). Це зображення падає на мозаїку фотодіодів, сполучення таким чином, щоб можна Було вібрато будь-яке число з відновленої матриці. Час зчитування довільного числа визначається потужністю лазера і чутливістю фотодіодів і може бути зроблено дуже малим (10-7-10 -8 сек). Ємність голографічних систем пам'яті при довільній вибірці інформації з високою швидкістю може досягати 109 двійкових одиниць.
Перспективна можливість використання принципів Р. для створення спеціальних обчислювальних пристроїв, в яких проводяться ті чи інші математичні операції над інформацією, записаною у вигляді голограми. Найбільшу увагу при цьому приділяється створенню пристроїв для пошуку заданої інформації і пізнання образів. Термін «впізнання» означає порівняння зображень 2 об'єктів і встановлення відповідності між ними. Такі пристрої можуть застосовуватися для автоматичного читання інформації, для класифікації різних об'єктів, для дешифрування складних зображень і т. Д. Можливість розпізнавання образів заснована на властивості голограм відновлювати зображення об'єкта тільки в тому випадку, якщо зчитує пучок світла збігається за формою з опорним променем, що використовувалися при зйомці. Нехай, наприклад, є голограма, на якій записана інтерференція між світлом точкового джерела і світлом, які пройшли через транспарант з буквою «Т» (рис. 11). Якщо потім голограму освітлювати світлом, що проходить через транспарант, на якому записані різні букви, то тільки в разі тієї ж букви «Т» ми побачимо зображення яскравої крапки. Така голограма є своєрідним фільтром, за допомогою якого можна, наприклад, встановити наявність букви «Т» в будь-якому складному тексті і швидко визначити число цих букв. Цей спосіб був, зокрема, випробуваний для впізнання відбитків пальців. Для одного з восьми подібних відбитків був виготовлений голографічний фільтр, за допомогою якого проводилося впізнання в розглянутої вище установці. Фотографічні копії всіх відбитків послідовно вводилися в схему, і спостерігалося зображення в площині впізнання. Виявилося, що яскрава точка виникала тільки в одному випадку, що говорить про високу вибірковості даного методу. Важливо відзначити, що досить впевнене розпізнавання відбувається і в тому випадку, коли є лише частина відбитку. Наприклад, при наявності половини відбитку яскравість зображення точки зменшується всього на 10%. Експериментально встановлено, що упізнання природних об'єктів складної форми (наприклад, відбитків пальців) відбувається більш надійно, ніж знаків, букв або простих фігур. Наприклад, при впізнанні букв можливі помилки по схожості зображення (Про і З, П і Е і ін.).
Із застосуванням Г. для впізнання образів тісно пов'язане використання її для кодування інформації. В цьому випадку при зйомці голограми в каналі опорного променя встановлюється спеціальний елемент (наприклад, дифузне скло), що створює складну форму хвильового фронту. Щоб спостерігати відновлене зображення, необхідно використовувати ту ж саму опорну хвилю. Це виявляється можливим тільки при використанні того ж екземпляра дифузного скла, який застосовувався при зйомці голограми. Високий ступінь кодування пов'язана з тим, що опорний промінь, що пройшов через дифузне скло, перетворюється в протяжний монохроматический джерело світла, який є набором великого числа точкових випромінювачів, що мають певне співвідношення амплітуд і фаз. Тому ймовірність того, що різні екземпляри дифузних стекол будуть однаковими в зазначеному сенсі, надзвичайно мала. Великий інтерес представляє застосування Г. для формування заданих хвилевих фронтів. Відомо, наприклад, що оптичні об'єктиви не можуть бути зроблені ідеальними і завжди вносять спотворення в сформовані ними зображення. Для кожного об'єктива можна виготовити голограму, що коректує ці спотворення. З удосконаленням техніки Р. виявиться можливою реалізація спеціальних «голографічних об'єктивів», що представляють собою набір заздалегідь виготовлених голограм, які вигідно відрізняються лінзові об'єктиви і вільних від аберацій оптичних систем .
Голографічний метод можна застосовувати також у випадках звукових і ультразвукових хвиль. Якщо на об'єкт, поміщений в непрозору рідину, впливати звуковим генератором, то на поверхні рідини можна створити звукову голограму (рис. 12). Для цього необхідний допоміжний джерело звуку, що створює опорну хвилю. Якщо звукову голограму, що утворюється в результаті інтерференції звукових хвиль (опорної і сигнальної), висвітлити лазером, то можна побачити об'ємне зображення предмета. Голографічне «звукобачення» важливо, зокрема, для досліджень внутрішніх органів тварин і людей.
Літ .: Лейт Е. і Упатнієкс Ю., Фотографування за допомогою лазерів, «Успіхи фізичних наук», 1965, т. 87, ст. 3; Сороко Л. М., Голографія і інтерференційна обробка інформації, там же, 1966, т. 90, ст. 1; Мікаелян А. Л., Голографія, М., 1968; Гудмен Д., Введення в Фур'є-оптику, пров. з англ., М., 1970.
А. Л. Мікаелян.
Мал. 1. Отримання голограми в разі інтерференції двох плоских світлових хвиль (опорної і сигнальної): q - кут між напрямами поширення опорної і сигнальної хвиль; d - відстань між сусідніми темними смужками картини.
Мал. 11. Голографічне упізнання образів.
Мал. 10. Вгорі - транспарант (матриця) голографічного пристрою, що запам'ятовує; внизу - зображення матриці.
Мал. 3. Відновлення зображень за допомогою голограми.
Мал. 7в. Одна з фотогоафій мнимого голографічного зображення шахових фігур при різних точках зйомки.
Мал. 5. Справжнє А "і уявне A 'зображення точки А; Н - відстань від об'єкта до голограми.
Мал. 9. Голографічне пристрій; M1, M2, ..., Mn - модулятори.
Мал. 7а. Одна з фотографій уявного голографічного зображення шахових фігур при різних точках зйомки.
Мал. 7б. Одна з фотографій уявного голографічного зображення шахових фігур при різних точках зйомки.
Мал. 4. Здобуття голограми точкового об'єкта.
Мал. 6. Голограми об'єкту, що складається з чотирьох точок.
Мал. 12. Голографічне звукобачення.
Мал. 8. Голографічне зображення кулі, що летить.
Мал. 2. Структура голограми, видима в мікроскоп.
