book_holography_2009

сдвига и обусловила построение микроскопа по схеме с внеосевым опорным пучком. В качестве регистратора голографического поля разработчиками была выбрана ПЗС матрица PCO Sensicam em680, обладающая прекрасной светочувствительностью на рабочей длине волны. Ее квантовый выход составлял 20% на длине волны 193нм. Число элементов разрешения матрицы равно 1280 х 1024 при размере пикселя 8 х 8 мкм2. Угол падения опорной волны был выбран исходя из необходимости пространственного разделения нулевого и плюс-минус первого порядков дифракции. Кривизна опорного волнового фронта выбиралась примерно равной кривизне фронта объектной волны, что обеспечивало регистрацию безлинзовых Фурье – голограмм. Выбор именно такой схемы регистрации голограмм, по мнению разработчиков микроскопа, позволил существенно сократить число ложных восстановленных изображений, обусловленных дискретным характером записи голографического поля. Равная 0,34 числовая апертура объектного пучка обеспечивала в случае полной компенсации аберраций микроскопа его разрешающую способность в 0,35 мкм. Компенсация аберраций представляла собой сложную научно-техническую задачу. Дело в том, что низкое качество пучка, излучаемого эксимерным лазером, обуславливало необходимость использования пинхола – маленькой диафрагмы, диаметром 0,5 мкм, для формирования расходящегося опорного пучка. При этом высокая плотность энергии опорного пучка, составляющая в плоскости диафрагмы около 4 Дж/мм2, приводила к прогоранию диафрагмы и, как следствие этого, к нарушению структуры пучка. Использование опорного пучка с недетерминированным амплитудно-фазовым распределением, в свою очередь, приводило к появлению аберраций в восстанавливаемом изображении, обусловленных отличием параметров схемы записи голограммы от условий ее восстановления. Эти аберрации устранялись в виртуальном компьютерном пространстве в процессе цифрового восстановления и обработки изображений. Для этого, сначала записывалась голограмма покровного стекла без исследуемого образца, и с ее помощью считывалось распределение фазовых задержек в оптической системе микроскопа, соответствующих аберрациям его оптических элементов. Затем на основе известного распределения аберраций микроскопа формировалось математическое описание корректора, которое использовалось на стадии восстановления изображений исследуемого. Испытания микроскопа, проведенные в ходе регистрации и восстановления изображений субмикронной структуры процессора компьютера, показали достижение реальной разрешающей способности в 0,5 мкм в пределах пространства изображений 0,4 х 0,4 мм2.

80

К ограничениям рассмотренного метода цифровой голографической микроскопии следует отнести дифракционный предел разрешения, относительно низкую разрешающую способность современных ПЗС матриц и пространственное переналожение изображений, восстанавливаемых в различных порядках дифракции. Причем, в ряде случаев эти ограничения имеют различную направленность. Так, стремление уменьшения дифракционного предела разрешения обуславливает необходимость уменьшения расстояния между объектом и плоскостью регистрации голограммы. Последнее сопровождается расширением интервала регистрируемых пространственных частот и требованием увеличения необходимого разрешения ПЗС матрицы. Устранение переналожения изображений в процессе цифрового восстановления голограмм приводит, как правило, к потере части фазовой информации о восстанавливаемом изображении и поэтому не всегда приемлемо. Все вышеизложенное свидетельствует о чрезвычайной важности оптимального выбора геометрических параметров схем записи в методе цифровой голографической микроскопии.

Подводя итог рассмотрению метода голографии с электронной регистрацией и цифровым восстановлением голограмм можно сделать вывод о том, что синтез оптической голографии с современными цифровыми технологиями существенно упростил технологию голографического процесса и, тем самым, обеспечил возможность более широкого внедрения метода голографии в практику.

5.3. Голографические мультиплексоры для систем передачи данных со спектральным уплотнением

Потребность общества в передаче все больших объемов информации по волоконно-оптическим линиям связи приводит к необходимости постоянного повышения скорости передачи данных. Увеличение скорости не является единственно возможным путем повышения объемов передаваемой информации. Существует и другой, активно развиваемый в настоящее время, подход к этой проблеме, основанный на спектральном уплотнении передаваемой информации. Его суть сводится к созданию в волоконно-оптической линии связи нескольких эффективных каналов, каждый из которых работает на своей длине волны.

Реализация линий связи со спектральным уплотнением включает в себя спектральное мультиплексирование оптических каналов, осуществляемое путем сведения пучков излучения ряда пространственно разнесенных полупроводниковых лазеров,

81

генерирующих на различных частотах и модулируемых независимым образом, в одно общее волокно, и демультиплексирование, проводимое на выходе из волокна и заключающееся в пространственном разнесении

исоответствующей фокусировке излучения каждого из каналов.

Вволоконно-оптических линиях связи со спектральным уплотнением информации голограммные элементы используются, как правило, лишь в устройствах пространственного совмещения и

предназначенных для спектрального уплотнения информации, основаны на использовании голограммных (дифракционных) оптических элементов. По типу применяемых голограммных элементов описанные в литературе схемы мультиплексоров можно условно разделить на две

Характерными примерами таких устройств являются многокаскадные устройства, выполненные на базе планарных волноводов с голографическими системами ввода и вывода сигнала. В литературе описан демультиплексор, содержащий объемную брэгговскую отражательную решетку, записанную в толще оптического волокна так, чтобы ее страты располагаются перпендикулярно оси волокна. В другом устройстве решетка, вытравленная на боковой поверхности волокна, используется для вывода изучения из волокна с одновременным его спектральным демультиплексированием.

Вторую группу составляют работающие в свободном пространстве мультиплексоры на дискретных элементах. Характерным примером

использовании плоской голографической отражательной рельефной решетки с частотой 1800 мм-1 для пространственного совмещения, либо разделения спектральных каналов. Применение плоской решетки предопределило необходимость дополнения устройства двумя Фурье - преобразующими объективами, устанавливаемыми на его входе и выходе.

Во всех рассмотренных типах спектральных мультиплексоров голограммные элементы используются, как правило, лишь в качестве спектрального селектора. Вместе с тем использование принципов голографии позволяет, в общем случае, создать интегральный элемент, объединяющий в себе спектральный селектор, Фурье-объектив и устройство ввода (вывода) излучения в волокно.

82

5.4. Голографические метки идентификации.

Применение голограммных структур в системах идентификации является одним из наиболее значимых и известных применений голографии. Голограммы, наносимые на банкноты, паспорта и кредитные карты, как правило, сочетают в себе все наиболее значимые элементы (степени) защиты. Среди них: наличие кинетических эффектов, проявляющихся в изменении изображения при изменении угла наблюдения голограммы, формирование трехмерных изображений зарегистрированных объектов, радужная окраска изображений и т.д. Потребности в совершенствовании защитных технологий приводят не только к широкому использованию всех современных достижений голографии в производстве меток идентификации, но к стимулированию и постановке работ, направленных на разработку специальных типов голограмм, предназначаемых исключительно для целей аутентификации документов и изделий. Среди таких специальных типов голограмм можно выделить защищенные торговыми марками Кинеграмму

(Kinegram) и Экселграмму (Exelgram).

Кинеграмма была разработана специалистами швейцарской фирмы Landis & Gyr около двадцати лет назад. Это была первая голограмма, обладавшая кинетическим эффектом, позволявшим наблюдать изменяющееся двумерное изображение зарегистрированного объекта при изменении угла наблюдения голограммы. Отметим, что изображение, восстанавливаемое обычной физически зарегистрированной голограммой, трехмерное и, следовательно, реализуемая с ее помощью возможность наблюдения различных ракурсов объекта не может быть отнесена к кинетическому эффекту.

Экселграмма была разработана специалистами фирмы CSIRO. По своей сути, она представляет собой синтезированную на компьютере голограмму, отображенную на носителе с помощью электроннолучевого генератора изображений. Такие голограммы обладают высокой разрешающей способностью и прекрасным качеством восстановленных изображений, но, к сожалению, характеризуются относительно высокой стоимостью изготовления оригиналов.

Все перечисленные выше типы голограмм являются рельефнофазовыми голограммами, что обеспечивает относительно низкую стоимость их массового тиражирования. Более высокая стоимость производства и тиражирования отражательных объемных голограмм, зарегистрированных по методу Ю.Н. Денисюка, уже перестает быть сдерживающим фактором их использования в идентификационных документах. В качестве доказательств этого положения можно привести Идентиграммы (Identigram) – объемные отражательные голограммы на

83

фотополимерной пленке, вклеиваемые в немецкие паспорта и голограммы "Правильного изображения" (True Image) – цветные объемные отражательные голограммы, разработанные японской фирмой Dai Nippon для защиты торговых марок.

Устойчивость защитного сегмента мирового голографического рынка во многом определяется стойкостью голографических меток идентификации, т.е. сложностью их подделки, и конкурентоспособностью голографических методов защиты документов и изделий, по сравнению с другими современными защитными технологиями.

Помимо голограмм в защитных технологиях широкое применение находят специальные бумага, чернила и техника печати. Защита бумаги, как правило, осуществляется путем введения в нее водяных знаков, цветных волокон и других включений. Средства защиты, вводимые в

чернила, обычно заключаются в изменении цвета при изменении угла наблюдения рисунка или при изменении спектрального состава используемого освещения. Защитные возможности печати обычно состоят в использовании микропечати, невоспроизводимой обычными средствами тиражирования документов, и в скрытой фоновой печати, позволяющей скрыть текстовую информацию в рисунке, фотографии и т.д. Голографические технологии долгие годы успешно конкурировали с указанными способами защиты документов и изделий.

В настоящее же время ситуация сильно изменилась. Во-первых, существенно выросли знания, умение и возможности нелегальных производителей голограмм. Во-вторых, появились новые современные технологии, ничем не уступающие, а порой даже превосходящие по стойкости, используемые на сегодняшний день голографические способы идентификации. Среди них наиболее эффективными являются: внедрение в документ или на поверхность товара RFID чипов, несущих в себе большой объем закодированной информации, и "track & trace" технология, характеризующаяся отслеживанием всех перемещений товара или документа в процессе их реализации и использования. Основные преимущества этих технологий и их привлекательность для потребителей состоят в том, что они: позволяют наносить на документ или изделие индивидуальную информацию о серийном номере изделия, дате и месте его изготовления и т.д.; допускают считывание хранящейся на метках информации без использования каких – либо специальных устройств, за исключением обычных магнитных и оптических считывателей штрихкода; обеспечивают автоматическую проверку подлинности.

Для успешной конкуренции с этими технологиями голографических меток идентификации разработчики защитных

84

1.Введение в голографические метки персонифицированной информации, т.е. кодов изделий, или их серийных, заводских номеров. Пусть даже объем этой информации будет несколько ниже, чем у чипов.

2.Стандартизацию и унификацию защитных голограмм,

выпускаемых различными изготовителями.

3.Разработку и выпуск единых автоматизированных стандартизованных устройств проверки подлинности голографических меток, выпускаемых различными потребителями.

4.Обеспечение сравнимости стоимости изготовления поддельных

меток идентификации с величиной ущерба, наносимого при этом легальным производителям защищаемой продукции.

Решение этих основных задач позволит голографическим меткам идентификации вновь занять ключевые позиции на рынке защитных технологий. Основной же проблемой голографических меток идентификации, как и, в целом, всех защитных технологий, является обеспечение разумного компромисса между обеспечиваемой степенью защиты документов или изделий и стоимостью изготовления меток.

5.5. Солнечные энергетические установки с голограммными оптическими элементами в системах концентрации энергии

Одна из основных проблем использования солнечной энергии заключена в высокой стоимости кристаллического кремния, составляющего основу солнечных энергетических установок. С целью уменьшения размеров используемых полупроводниковых панелей в таких установках обычно применяются линзовые или зеркальные концентраторы энергии, позволяющие существенно уменьшить площадь кремниевых панелей без снижения объемов производимой электрической энергии. Такие концентраторы громоздки и их использование существенно ухудшает внешний вид крыш домов, использующих солнечные энергетические установки. С целью устранения этого недостатка солнечных энергетических установок американская компания Prism Solar Technologies, NY разработала и испытала солнечную батарею с голографическим концентратором, стоимость которой составляет лишь 25% от стоимости традиционных солнечных энергетических установок, что позволяет ей успешно конкурировать с электрическими генераторами на жидком топливе.

85

Помимо этого, голографическая технология позволила выполнить энергетическую установку в виде сверкающих на солнце плоских радужных панелей легко монтируемых на крышах домов или на их окнах. По сообщению президента компании Rick Lewandowski созданная ими энергетическая установка при той же электрической мощности, что и у традиционных установок на зеркальных или линзовых концентраторах, использует кремниевые панели, площадь которых составляет от 25 до 85% площади панелей в традиционных установках. Такой эффект достигается за счет использования голографических концентраторов солнечной энергии, фокусирующих излучение в несколько достаточно узких фокальных линий. Указанные голографические концентраторы представляют собой голограммные цилиндрические линзы, нанесенные на плоские стеклянные подложки. При этом голограммная структура одновременно выполняет функцию устройства ввода излучения в своеобразный планарный волновод, функции которого выполняет подложка голограммы. Фокусировка солнечного излучения в устройстве осуществляется в толще стеклянной подложки голограммы при многократных переотражениях света от ее поверхностей. За счет использования голографических концентраторов солнечной энергии разработчикам удалось снизить стоимость 1 Вт получаемой электроэнергии с 4,5$, характерных для традиционных солнечных панелей, до 1,5$. К концу 2006 года компания планирует привлечь еще 6млн долларов инвестиций и организовать массовое производство и продажу солнечных установок с голографическими концентраторами энергии. Ориентировочная розничная цена установок будет составлять 2,4 доллара за 1 Вт мощности.

Говоря о перспективности использования голограммных оптических элементов в концентраторах солнечной энергии, следует иметь в виду следующее. Действительно, голографические системы характеризуются меньшей, примерно равной 10, концентрирующей способностью, по сравнению с линзовыми или зеркальными системами, у которых данный параметр достигает 100. При этом этот недостаток голографических систем одновременно является и их достоинством, поскольку позволяет отказаться от включения в состав солнечной энергетической установки систем охлаждения кремниевых светочувствительных панелей, что также снижает стоимость установок. Кроме того, меньшая чувствительность голографических концентраторов к положению Солнца относительно горизонта позволяет отказаться и от систем слежения за Солнцем, являющихся непременным атрибутом традиционных солнечных энергетических установок. Немаловажное преимущество голограммных оптических элементов, используемых в качестве концентраторов солнечной энергии, состоит в возможности использования их спектральной селективности для

86

выделения наиболее эффективного для преобразования в электрическую энергию диапазона солнечного излучения и отсечения теплового излучения, обуславливающего необходимость отвода тепла от кремниевых фотоприемных панелей.

Следующий этап модернизации солнечной установки с голографическим концентратором, по сообщению Lewandowski, будет заключаться в переходе на концентраторы, состоящие из двух голограммных структур, наносимых на каждую из сторон подложки, что позволит еще больше снизить стоимость установки и довести ее до 1,5 долларов за 1 Вт в течение нескольких ближайших лет.

5.6. Голографические проекционные системы

Сообщается о выполненной недавно созданной английской компанией Light Blue Optics в сотрудничестве с Cambridge University Engineering Department, разработке компактного голографического проектора двумерных изображений, предназначаемого для встраивания в ноутбуки, мобильные телефоны и прочие портативные цифровые устройства. По информации специалистов компании им удалось преодолеть основные недостатки голографических проекционных систем, заключающиеся в их чрезвычайной сложности и, соответственно, высокой стоимости. Разработанное ими устройство состоит из микропроцессора, выполненного в виде одной микросхемы, несущей на своей поверхности работающий на отражение малогабаритный жидкокристаллический пространственный модулятор света с электронной адресацией и полупроводникового лазера. С помощью микропроцессора по поступающему на его вход стандартному композитному видеосигналу осуществляется расчет и отображение синтезированной голограммы, восстановление которой лазерным излучением приводит к формированию требуемого двумерного изображения на любом внешнем экране. Проекционный объектив в устройстве не используется, поскольку синтез голограммы осуществляется с учетом расстояния от проектора до экрана. Быстродействие процессора и пространственного модулятора света позволяет отображать не только статические изображения, но и видеофильмы со стандартной частотой смены кадров. Действующий макет описанного голографического проектора был недавно продемонстрирован в St John's Innovation Centre, Cambridge, UK. По оценкам присутствующих на демонстрации проектора экспертов формируемые с помощью проектора изображения отличались высокой четкостью и яркостью и вполне были пригодны для практического использования. Промышленный выпуск таких проекторов Light Blue

87

Optics планирует начать в ближайшие годы. В последующем предполагается на основе этого устройства разработка и выпуск проекционных систем для трехмерного цветного телевидения.

Применение голограммных оптических элементов в бытовой проекционной технике позволило фирме CLARO создать проекционную телевизионную систему с экраном, выполненным в виде фазового голографического рассеивателя. На вид рассеиватель представляет собой прозрачную стеклянную пластину размером 1,5 х 1,0 м2 и толщиной 10 мм. В ее центре, в зоне с размерами 814 х 610 мм2, нанесена фазовая объемная голограмма. Наблюдаемое на голографическом экране цветное двумерное изображение проецируется на него с помощью обычного цифрового проектора, устанавливаемого на расстоянии 1,5 метров за экраном. Взаимное расположение экрана и проектора выбрано таким, чтобы за счет угловой селективности голограммной структуры экрана обеспечить отсутствие в поле зрения зрителей нежелательных бликов и отражений. Голографическая телевизионная система Claro Holographic TV, состоящая из голографического экрана, проектора и специально разработанной акустической системы с прозрачными стеклянными рупорами коммерчески доступна и уже появилась на рынке. Ее цена составляет 25000 английских фунтов.

Другой, трехмерный, вариант голографической телевизионной системы разрабатывается в настоящее время немецкой компанией SeeReal. На выставке SID 2007 специалисты этой компании продемонстрировали прототип трехмерной голографической телевизионной системы с экраном 20 дюймов. Выбранные ими технические решения позволили обойти принципиальные трудности, обычно сопровождающие создателей голографических трехмерных дисплеев, а именно: чрезвычайно большое требуемое число и малый размер обрабатываемых пикселей, формирующих изображение голограммы, и большой объем требуемых вычислений. Специалисты компании SeeReal пошли по пути создания системы с вынесенным зрачком, что позволило обойти указанные выше проблемы за счет сведения до минимума числа возможных зрителей. В их устройстве, предназначенном для одного зрителя, каждая точка наблюдаемого трехмерного пространства формируется субголограммной, содержащей 8х8 пикселей. Чрезвычайно малый выходной зрачок устройства обусловил необходимость введения в его состав специальной сервисной системы, отслеживающей положение глаз зрителя. По прогнозам представителя компании Mark Thorsen в ближайшие годы они расширят число возможных зрителей их голографической системы и выйдут с нею на рынок. Необходимые для этого технические решения ими уже найдены.

88

5.7. Голографические системы кодирования информации, использующие пучки со случайным распределением фазы

Внастоящее время большинство голографических систем ограничения доступа и идентификации строится на основе рельефнофазовых голограмм, изготавливаемых методом тиснения. При этом интенсивное развитие цифровых технологий сканирования и печати обуславливает неуклонное снижение стойкости этих голограмм к копированию и фальсификации. Такое положение дел приводит к необходимости использования в рассматриваемых системах других типов голограмм, обеспечивающих принципиально более высокую степень защиты от подделок. Например, ими могут быть голограммы с протяженным опорным либо объектным источником, т.е. голограммы, получаемые с помощью пучков со случайным распределением фазы. В частности, B. Javidi и J.L. Horner предложили для устройств ограничения доступа и идентификации оптические системы, в которых кодирование информации осуществляется белым шумом с помощью двух матовых стекол, одно из которых устанавливается в плоскости входного транспаранта, а другое - в его Фурье плоскости. Процедура расшифровки закодированных таким способом изображений невозможна без использования обоих матовых стекол, использовавшихся на стадии кодирования. Закодированная подобным способом информация может быть зарегистрирована любым подходящим способом, в том числе и в виде голограммы.

Врассмотренных системах кодировке подвергается непосредственно само изображение шифруемого объекта. J.F. Heanue с коллегами предложил кодировать вместо самого изображения его голограмму, подобно тому, как это делается в голографических системах памяти с фазовым мультиплексированием информации. Суть его идеи заключается в фазовом кодировании опорного пучка лучей, осуществляемом с помощью комбинации случайного фазового рассеивателя и транспарантов с функциями пропускания, описываемыми ортогональными кодами. Такой способ шифрования изображений сохраняет высокую стойкость, характерную для случайного фазового кодирования информации, а также обеспечивает свойственные ортогональным кодам низкий уровень перекрестных помех и малый минимально необходимый объем библиотеки ключей. В качестве основного недостатка способа, существенно ограничивающего возможность его практической реализации, можно отметить чрезвычайно высокие, составляющие единицы микрометров, требования

квзаимному расположению голограммы и матовых стекол на стадии восстановления голограммы.

89