Голографические методы получения изображения, основанные на штриховой стереографии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН»

ч

1

На правах рукописи УДК 535.411:778.38 (043.3)

Артамонов Дмитрий Алексеевич

-»

Голографические методы получения изображения, основанные на

штриховой стереографии

Специальность 01.04.04. - Физическая электроника.

9

Диссертация

на соискание ученой степени ^

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель-доктор технических наук профессор Власов Н. Г.

Москва - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕ НИЕ ................................................................................4

ГЛАВА 1. ШТРИХОВАЯ СТЕРЕОГРАФИЯ

1.1 .Штриховая стереография..................................................15

1.2. Новые виды штриховых стереограмм................................26

1.3. Оптический аналог штриховой стереограммы ................33

1.4.Вывод ы...................................................................................37 ♦

ГЛАВА 2.ГОЛОГРАММА, АНАЛОГОМ КОТОРОЙ ЯВЛЯЕТСЯ ' ШТРИХОВАЯ СТЕРЕОГРАММА

2.1. Импульсный отклик и передаточная функция когерентной оптической системы...........................................................................38

2.2. Импульсный отклик и передаточная функция аксико-на..........................................................................................................43

2.3. Голограмма, восстанавливающая изображение предмета, плавно перемещающееся при изменении угла наблюдения..........50

2.4. Выводы................................................................................55

ГЛАВА 3. ВОССТАНОВЛЕНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЯ В БЕЛОМ СВЕТЕ, НЕПРЕРЫВНО СМЕЩАЮЩЕГОСЯ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ УГЛА НАБЛЮДЕНИЯ

3.1. Голограмма, восстанавливающая радужное изображение, непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения ......................'.........................................................................................56

3.2 Голограмма, восстанавливающая изображение, окрашенное во все цвета радуги по вертикали и непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения........................................................66

3.3.Голограмма Ю. Н. Денисюка, обладающая свойством восстанавливать изображение, непрерывно смещающееся при измене-* нии угла наблюдения..........................................................................15 щ

3.4. Получение изображения, аналогичного радужному, в реальном времени....................................................................................79

3.5. ВЫВОДЫ.............................................................................82

ГЛАВА 4. ПОЛУЧЕНИЕ ДОПОЛ НИТЕЛЬНОГО РАДУЖНОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ НА ФОТОГРАФИИ

4.1 .Тиснение радужной голограммы на желатиновый слой фо- * то графи и..............................................................................................83

4.2. Влияние светового дубления на процесс тиснения радуж- * ной голограммы на желатиновый слой фотографии........................87

4.3. Сравнительная оценка дифракционной эффективности ..90

4.4. Выводы................................................................................98

ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................. 99

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ..............................................................104

ПРИЛОЖЕНИЕ...............................................................................108 ♦

ВВЕДЕНИЕ

* *

Голография является одним из наиболее значительных, можно даже сказать, одним из удивительных достижений науки за последнюю четверть нашего века. Сама идея записи волнового фронта за счет эффектов интерференции и дифракции была высказана ныне лауреатом нобелевской премии Д. Табором ещё в 1947г [1,2]. А практическая реализация идеи Габора на современном уровне была осуществлена в 1962 году российским физиком Ю. Н. Денисюком , [3,4,5] и американцами Е. Лейтом и Дж. Упатником [6,7], предложившими независимо друг от друга голо графические приёмы запи- * си и восстановления волнового фронта.

В настоящее время голография нашла м н ог о ч и с л е н н ы е применения как в научно-технических приложениях, гак и в изобразительной технике, переходя в ряде случаев грань, отделяющую ёе от искусства.

Среди научно-технических приложений голографии следует ♦ отметить ёе использование при исследовании бысгропротекающих

•

процессов, когда запись происходит при помощи импульсного излучения, а восстановление - излучением непрерывного лазера. Названный метод позволяет изучать процессы, длительность которых достигает десятков наносекунд.

Другое применение голографии - это голографическая интерферометрия. Преимущество голографической интерферометрии от обычной заключается в том, что в ней на один-два порядка снижается требование к качеству оптических элементов интерферометров, а область ёе применения впервые распространилась на изделия с произвольной кривизной и чистотой обработки поверхности.

Принципиально новым направлением голографии является голографическая оптика, позволившая получать компактные, гого- • ские и недорогие оптические элементы, во многих случаях не имеющие своего оптического аналога.

Голография дала новый импульс оптической обработке информации, в частности - распознаванию образов.

В изобразительной технике голография позволяет создать объёмные копии исторических реликвий, музейных экспонатов, произведений искусства и ювелирных изделий. Кроме этого она всё больше и больше используется в рекламном деле. ¥

Наконец, в настоящее время возникло и развивается новое применение голограмм как оптических меток, защищающих от под- ♦ делок ответственных документов: удостоверения личности, визы, водительские удостоверения и т. д., а также ценные документы: акции, векселя, сертификаты и т. д. [8,9]. В связи с развитием рыночных отношений в нашей стране названое применение голографии приобретает особую значимость и актуальность.

Преимуществом оптических меток рассматриваемого типа яв- * ляется то обстоятельство, что их нельзя подделать на индивидуальном, кустарном уровне. Микроструктура голограммы, имеющая характерные размеры микрон и менее, не может быть повторена вручную или скопирована на полиграфическом оборудовании, например, ксероксе. После попытки такого копирования микроструктура пропадает и вместе с ней - характерная радужная окраска, образующаяся в результате дифракции света на этой микроструктуре. Таким образом, подделка на индивидуальном, кустарном уровне легко обнаруживается визуально.

Обсудим теперь кратко возможности и перспективы применения различных типов голограмм как оптических меток, препятствующих подделке ответственных документов и ценных бумаг.

В настоящее время известно несколько типов голограмм, которые можно использовать как оптические метки. Начнем краткое* обсуждение с голограммы, полученной по методу Ю. Н. Денисюка [3,4,5]. В названном методе интерференционную картину, составляющую микроструктуру голограммы, можно описать, в среднем, как набор плоскостей, отстоящих друг от друга на половину длины волны и параллельно плоскости регистрирующей среды. В результате такой регистрации в голограмме записывается информация о направлении распространения объектного волнового поля и его спектральном составе. Соответственно, при восстановлении волно- „ вого фронта передаётся распределение цвета по объекту и, в зависимости ог условий освещения голограммы, восстанавливается либо " первоначальное, либо сопряжённое изображение.

Голограмму, записанную методом Ю. Н. Денисюка на фотоплёнку, можно было бы использовать для защиты документов и ценных бумаг от подделки. Но в настоящий момент такие голограммы не нашли пока широкого применения в данной сфере. Причина кроется в том что, время тиражирования и себестоимость их на * порядок больше по сравнению с радужной голограммой, в силу чего последние более конкурентно способны.

В пропускающих голограммах интерференционные полосы, составляющие их микроструктуру, расположены перпендикулярно поверхности регистрирующей среды, то есть на ней регистрируется как бы плоский срез объёмной интерференционной картины, образованной объектным и опорным волновыми полями. В результате этого при записи сохраняется информация о направлении распространения объектного поля, при этом первоначальное и сопряженное волновые поля восстанавливаю гея одновременно. Также одновременно восстанавливаются изображения, со отв етству ющие различным спектральным составляющим. Они отличаются по масшта-

бу и локализации в пространстве, в результате чего суммарное изображение оказывается размытым. В отличие от голограммы Ю. Н.• Денисюка, пропускающие голограммы могут записываться, в част- ^ носги, в виде модуляции поверхностного рельефа, что обеспечило широкое распространение одной из разновидностей пропускающих голограмм - радужной голограммы, которую можно восстановить в белом свете. В радужных голограммах, предложенных С. Бентоном [10,11,12], в процессе записи значительно ограничивается спектр пространственных частот объектного волнового поля в вертикальном направлении. Такое дополнительное ограничение информации „ о записанном объекте приводит к тому, что спекгры временных и пространственных частот при просмотре восстановленного изобра- * жения не перекрываются, и в плоскости наблюдения образуется только временной спектр освещающего излучения, имеющий вид радуги. Зрачок глаза наблюдателя вырезает узкий участок спектра, тем самым монохроматизирует восстановленное изображение, а смещение головы наблюдателя по вертикали приводит к изменению цвета изображения, воспринимаемого наблюдателем. Таким обра- *

зом, происходит произвол в выборе цвета восстановленного изо*

бражения. Радужная голограмма может быть записана в виде модуляции поверхностного рельефа регистрирующей среды и затем тиражироваться тиснением, то есть методом, близким к полиграфии [13,14]. Этим обусловлена их низкая себестоимость, которая позволяет широко применять радужные голограммы как оптические метки при защите ценных бумаг и документов от подделок, что и можно наблюдать в настоящий момент времени. Кроме этого, радужную голограмму можно использовать в рекламе и как иллюстрации в книгах, например, в учебниках, для изображения предметов искусства, живописи и т.д. Для создания многоцветного изображения можно также применять фотографию с несущей пространственной

частотой и спекл-фотографию [15,16]. Информация о записанном объекте при этом уменьшается ещё больше, в результате чего вое-* станавливаются только плоское двухмерное изображение объекта,. которое тоже можно записать при помощи модуляции поверхностного рельефа регистрирующего слоя. Фотографии такого типа тоже широко используются при защите ценных бумаг и ответственных документов от подделок, так как на их основе можно получить многоцветные изображения, используя лазер генерирующий монохроматическое излучение.

Все классические методы записи радужных голограмм обще- • известны и достаточно полно описаны в научной литературе, поэтому любая оптическая метка, изготовленная на их основе, не мо- * жет служить надёжной защитой ценных бумаг и документов от поделок, так как технологически её изготовление общеизвестно. В настоящее время у нас и за рубежом образовались многочисленные малые предприятия, которые освоили процесс получения радужных голограмм, а остальные операции - изготовления никелевого штампа и тиснение на полимерные плёнки - выполняют по кооперации, г например, с заводами лазерных дисков и типографиями. Такие

*

предприятия, как правило, выпускают различные голографические наклейки, эмблемы, сувениры, т. п.. Вместе с этим, на таких малых предприятиях возможно наладить производство фальшивых защитных голограмм. В пользу этою говорит, например, такой факт, что на московском «Митинском» радио-рынке полулегально продают защитные голограммы для аудио - кассет. В связи с этим крупные фирмы, специализирующиеся в производстве таких голограмм, вынуждены постоянно вести дальнейшие разработки в данном направлении, которые бы сделали невозможным или по, крайней мере, значительно затруднили бы подделку оптических меток. Так, была разработана технология, в которой напыление алюминием, обеспе-

чивающее наблюдение изображений, восстанавливаемых тисненными голограммами в отраженном излучении, была заменена напыле-* нием полимера, значительно отличающимся по показателю прелом- в ления от рельефоприёмного слоя [8]. В силу этого, часть освещающего излучения идёт на восстановление изображения, а часть - проходит голограмму насквозь и отражается от защищаемого документа. Если голограмма нанесена, например, на часть фотографии владельца документа и его порядковый номер, то при попытке интерференционного копирования эта информация также будет воспроизведена и сделает подделку бессмысленной.

Кроме того, была разработана технология записи голограмм в ультрафиолетовом излучении [9], при этом скопировать их с помо- * щью лазеров видимого диапазона в принципе невозможно. В голограммы вписывают также дополнительные микроизображения, восстанавливающиеся только при специальном освещении, чтобы затруднить в дальнейшем возможность их копирования.

В результате этого возникает своеобразное соревнование между производителями радужных голограмм и теми, кто стремится их * подделать. Следует отметить, что в настоящее время все известные виды голограмм достаточно полно описаны в научной литературе так, что квалифицированный .голографист в состоянии их повторить. Следовательно, своеобразное равновесие между теми, кто изготовляет оптические метки и теми, кто их подделывает в настоящий момент смещено в пользу последних. Изменить ситуацию в пользу изготовителей оптических меток возможно только разработкой новых видов голограмм. Так как без знания физических методов и соответствующих им оптических схем записи этих голограмм их повторение на основе только известных методов невозможно.

Исходя из этого целью нашей диссертационной работы была разработка новых физических принципов и соответствующих им. методов получения голограмм, позволяющих, с одной стороны, использовать технологию массового тиражирования, а с другой стороны - защищенных от подделки в связи с тем, что без знания этих принципов повторить такие голограммы на основе известных методов невозможно.

Теоретический анализ поставленной задачи проведен в рамках скалярной теории дифракции с использованием матемагического аппарата фурье-анализа. Соответствующие эксперименты проводи- # лись на серийной установке у иг-2 м и режущем плоттере «Студи о -8» управляемым компьютером. *

Основными задачами, которые следовало решить для достижения поставленной цели, являлись: 1 .Краткий обзор-анализ литературы;

2.Поиск физических принципов получения изображений, непрерывно перемещающихся или изменяющих свой масштаб при изменении направления наблюдения; »

3.Разработка методов получения штриховых стереограмм, восста-

*

навливающих изображения, непрерывно изменяющие свой масштаб или непрерывно переходящие из одного изображения в другое при изменении угла наблюдения и методов автоматизации их изготовления;

4.Создание оптических аналогов штриховых стереограмм, в которых существенно повышена информационная ёмкость объекта;

5. Разработка оптических схем записи голограмм, восстанавливающих в белом свете изображения непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения.

6. Получение изображения типа радужного в реальном времени.

7.Разработка способа тиснения радужной голограммы на желатиновый слой фотографии. •

Логическая последовательность решения поставленных задач в обусловили следующее построение диссертационной работы.

Во введении кратко излагается история вопроса, после чего даётся обоснование актуальности работы и фор мул ируются цель исследования и основные задачи, решаемые в работе. Во введении также кратко описывается структура диссертационной работы и приводятся научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор-анализ первых работ [17,18,19,20,21]. принципиально нового метода получения объёмного изображения -штриховой стереограммы. Он характеризуется тем, что полученное * на его основе изображение непрерывно перемещается при изменении угла наблюдения. Дано объяснение этого эффекта.

В первой главе описан новый тип штриховой стереограммы, который заключается в следующем: Замена окружностей, соответствующих в штриховой сгереограмме точкам предмета, на циклоиды позволяет получить изображение, непрерывно изменяющее свой 4 масштаб и (или) непрерывно преобразуется одно в другое в зависимости от закона смещения центра окружности, образующей циклоиду.

В первой главе показано, что недостатком штриховой стереографии является малая её информативность. Нами было показано, что от данного недостатка можно избавится путем создания оптического аналога штриховой стереограммы, в котором волновые поля, несущие информацию о каждой точке объекта, суммируются не по интенсивности, а по комплексной амплитуде. Проведены предварительные эксперименты, показавшие перспективность предложенного решения. Штриховая стереограмма выбрана в качестве аналога новой разновидности голограмм, в которой сохраняются преиму-

щества прототипа - во