Отличие фотографии от голограммы

Введение

Техника фотографирования и голографирования достигла высокого уровня, и их научное и практическое значение в настоящее время огромно. Возможность широкого использования голограмм и различной голографической продукции, обусловлена большими достижениями в науке и технологии, основными стадиями которых являются схемы регистрации голограмм, процессы и материалы записи голограмм-оригиналов и способы их тиражирования. Для наблюдения широкого класса голограмм можно использовать полихроматические маломощные источники света типа ламп накаливания и ламп дневного света, что позволяет применять голограммы в изделиях бытового и рекламного назначения, таких как этикетки, значки, сувениры, иллюстрации в полиграфических изданиях, слайды для диапроекторов объемного изображения и др.

Историческая аналогия

1. Этапом, способствующим массовому распространению фотографии, был переход к разделенному негативно-позитивному процессу, позволявшему получать с фотопластинок конечное фотоизображение на бумаге, обладающей диффузным характером рассеяния и обеспечивающей комфортные условия наблюдения изображения. Аналогично в изобразительной голографии при портретных съемках отдельно записывается оригинал-голограмма, а затем производится интерференционное копирование голограмм.

2. Далее в фотографии был осуществлен переход к фиксации негативного изображения на пленку с последующим изменением масштаба изображения с помощью фотоувеличителя для получения позитивного отпечатка на фотобумаге. В этой части голографии еще предстоит пройти свой путь, хотя запись голограмм на фотопленку уже не экзотика.

3. Наконец, следующим этапом в становлении фотографии явился серийный выпуск пленочных материалов и фотоаппаратов, налаженный Дж. Истменом и организация его фирмой (Кодак) системы фотографического сервиса для массового потребителя. Именно этот этап привел к созданию современной высокорентабельной системы фотографического бизнеса. В области голографии рентабельное производство пока удалось создать только для радужной голографии, но в части получения копий она скорее ближе по технологии к полиграфии, чем к фотографии.

Даже такой беглый анализ развития фотографии и голографии, показывает необходимость комплексного подхода при создании рентабельного голографического бизнеса и, одновременно проясняет причины коммерческого неуспеха усилий отдельных отечественных групп и лабораторий в этой области.

В технологии изготовления голограмм используются последние достижения оптики, квантовой радиофизики, микроэлектроники, оптоэлектроники, химии и физики различных светочувствительных материалов, полиграфии и т.п. Высокая наукоемкость голографической технологии создает большие трудности при организации серийного производства и требует значительных капиталовложений. Тем не менее, судя по зарубежному опыту, эти трудности вполне преодолимы и конечная голографическая продукция имеет относительно низкую стоимость, что способствует широкому использованию голограмм и обеспечивает хорошую рентабельность производства в целом. Необходимо также учитывать, что развитие голографии как области оптики еще далеко от завершения и постоянно возникающие новые результаты позволят расширять производство как по ассортименту, так и по качеству.

На рубеже веков изобразительная голография достигла высокого технического совершенства. Образцы голограмм производят, как правило, неизгладимое впечатление на зрителей. Но, тем не менее, она еще не стала массовой и, тем более, не является частью художественной культуры общества. В развитии изобразительной голографии наблюдается глубокая аналогия с историческим ходом совершенствования художественной фотографии. Известно, что первым массовым фотопроцессом была дагеротипия, позволявшая получать на поверхности металлической пластинки фотоизображения, наблюдаемые под ограниченным углом зрения и при специальных условиях освещения. Современные изобразительные голограммы, получаемые по схемам Ю.Н. Денисюка или С. Бентона, также требуют специальных источников освещения и фиксированного направления наблюдения. С физической точки зрения голография является развитием липпмановского способа цветной фотографии, где кодирование цвета осуществлялось за счет формирования объемных интерференционных структур в фотоэмульсии.

Почему мы видим фотографию плоской, а голограмму — объёмной?

Сначала определим, каким образом мы ощущаем объём. Каждая точка предмета отражает свет во все стороны, поэтому мы можем видеть её, а также и весь предмет с разных сторон. Левый глаз видит предмет с более левого ракурса, а правый — с более правого. Два изображения с разных ракурсов от каждого глаза обрабатываются мозгом и он нам дает ощущение объёма предмета. Закройте один глаз, и вы увидите предмет плоским; теперь об объёме предметов можно догадаться лишь по вторичным признакам — падающим теням и тому, как мы фокусируем хрусталик глаза на то или иное расстояние.

Теперь подумаем, как предмет оказывается на фотографии. На фотоплёнку с помощью линзы фокусируется световой фронт, рассеиваемый предметом (каждой его точкой). Замечу, что точно также хрусталик глаза фокусирует рассеиваемый световой фронт на глазное дно. После фокусировки рассеянный световой фронт превращается в направленный. То есть световые лучи, идущие от каждой точки предмета во все стороны, теперь идут только в одном направлении — каждый на свою точку фотоплёнки. На фотопленке появляется световой рисунок, в котором мы узнаем изображение предмета. Рисунок фиксируется фоточувствительным слоем пленки, и теперь его можно спроецировать на фотобумагу и зафиксировать на ней. Каждый глаз, смотрящий на фотографию получит одну и ту же картинку, и мозг нам выдаст, что предмет плоский.

Почему же голограмма даёт нам ощущение объёма? Потому что она полностью моделирует падающий на неё при записи световой фронт, рассеиваемый предметом. Каждая точка голограммы запоминает все попадающие на неё лучи, рассеиваемые всеми точками предмета (а не только сфокусированные, как при обычной фотосъёмке), которые потом и воспроизводятся ею. При определённой подсветке голограммы за счёт явления дифракции возобновляется весь световой фронт, шедший от предмета и уже ничем от него не отличается. А раз световые фронты теперь совпадают, то каждый глаз снова видит изображение с разных ракурсов.

В отличие от фотографий, записанная голограмма позволяет воспроизвести абсолютно точную копию волны, рассеянной объектом — эта волна при записи голограммы называется объектной или рабочей. При этом сохраняется не только информация об амплитуде каждой точки падающего на пластику волнового фронта (распределении освещенности по объекту), но и сведения о распределении фазы в нем (то есть о расстоянии от каждой точки объекта до плоскости регистрации). В результате сохраняется (и ее можно в любой момент воспроизвести!) абсолютно вся информация, которую мы получаем видя этот объект при его жизни. 

фотография голограмма объемность оптический

Свойства голограмм

Голографическое изображение отличается от фотографии не только своей объемностью, но и еще несколькими важными свойствами.

1. Полнота записи информации. На носителе в принципе записывается вся информация о пространственной структуре объекта, его спектральных (цветовых) свойствах и о временной динамике изменения объекта. Таким образом, голограмма позволяет теоретически записать всю информацию, которой пользуется зрительный анализатор человека для ориентации в окружающей среде.

2. Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения (геометрический коэффициент увеличения k_г). Если запись ведется излучением длиной волны λ₁, а восстановление – кратной ему λ₂ > λ₁, изображение станет больше в k = λ₂/λ₁ раз (волновой коэффициент увеличения k_в). Полное увеличение равно произведению обоих коэффициентов; например, для рентгеновского микроскопа (λ₁ = 10^–2 мкм, λ₂ = 0,5 мкм) с k_г = 200 полное увеличение k = 10⁶.

3. Если на одну пластинку записать несколько голограмм, используя разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны независимо при помощи лазеров с соответствующим излучением. Таким же образом можно записать и полноцветное изображение.

4. Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера и даже вручную. Так, зонную пластинку Френеля нетрудно начертить, получив простейшую голограмму одной точки, но чем сложнее объект, тем более запутанной становится такая искусственная голограмма.

5. Распределенность записи. В любую точку плоской голограммы «по Габору» попадает свет, отраженный от всех точек предмета. Голограмму можно разбить на несколько кусков, и каждый будет полностью воспроизводить первоначальное изображение. Каждая малая часть голограммы содержит информацию о комплексе пространственно - цветовых параметров всего объекта. При этом, чем большая часть голограммы используется для реконструкции объекта, тем точнее (детальнее) он восстанавливается. Следовательно, каждый малый кусочек голограммы содержит нечеткое представление обо всем объекте в целом.Отпечаток голограммы, где черные полосы стали прозрачными и наоборот, дает то же изображение, что исходная голограмма. Ни фотография, ни голограмма «по Денисюку» таким свойством не обладает.

6. Эквивалентность голограммы и объекта. Согласно современному естествознанию объекты проявляются в мире через их взаимодействие в виде различных полей. Если воспроизвести в динамике весь комплекс полей, рассеянных объектом, то для стороннего наблюдателя возникший образ будет неотличим от самого объекта, то есть возникает как бы материальная копия объекта. Это копия будет тем более точна, чем полнее записывается и используется при воспроизведении голограммы весь объем рассеянного объектом излучения. Принцип, что голограмма в пределе эквивалентна или является материальной копией объекта, был сформулирован в первых работах Ю.Н. Денисюка [1963 г.].

В отличие от фотографий и стереограмм голограмма способна воспроизвести абсолютно точную копию волны, рассеянной объектом, за счет чего и достигается стопроцентная сохранность информации. Фотография, как известно, создает лишь плоское, двухмерное изображение, голограмма же может воспроизводить точную трехмерную копию изображаемого. Исключением являются разве что источники света, например, электрическая лампа: ее на голограмме не видно — а все потому, что снимаемый объект должен быть освещен лазерным светом, ибо только он один и фиксируется на голограмме.

Еще одно маленькое неудобство — в отличие от фотографий и картин для созерцания голографических чудес необходим опять-таки источник света (все та же лампа), в противном случае нашим глазам предстает размытое изображение.

Голографическое изображение обладает удивительной реалистичностью и зачастую неотличимо от реального объекта. На голограммах очень хорошо смотрятся рельефные вещи. Очень хорошо передается фактура всех фрагментов таких экспонатов, как иконы. К вопросу о динамическом диапазоне голограммы и фотографии. Фотография, к сожалению, не хочет иллюстрировать высокую яркость блестящих зон металлической статуэтки. На реальной голограмме этот блеск очень яркий. Но что интересно - при рассмотрении этой фотографии возникает полное впечатление, что на ней снят реальный металлический объект, а не его световая иллюзия. Реалистичность дополняется невозможным в фотографии и даже в живописи диапазоном яркости. Фотограф и художник ограничены в своих экспериментах с яркостью — ничего более яркого, чем незакрашенный лист бумаги, они позволить себе не могут. На голографическом изображении яркие места формируются за счет света, приходящего со всей поверхности голограммы. Перенаправлением света с темных участков достигается удивительная реальность передачи водяных капель, стеклышек и прочих прозрачных предметов, в реальности наделенных большим динамическим диапазоном яркости. И те приемы, что даются фотохудожникам и живописцам ценой большого опыта и изрядного мастерства, голограмма фиксирует без малейших искажений. Также особенно удаются голографические изображения прозрачных объектов. К примеру, через голограмму линзы можно просматривать увеличенное изображение расположенных за ней объектов.

Наиболее широкое применение голография находит в науке и технике. Голографическими методами контролируют точность изготовления изделий сложной формы, исследуют их деформации и вибрации. Для этого деталь, подлежащую контролю, облучают светом лазера, и отраженный свет пропускают сквозь голограмму эталонного образца. При отклонении размеров от эталонных, искажении формы и появлении поверхностных напряжений возникают полосы интерференции, число и расположение которых характеризует степень отличия изделия от образца или величину деформаций. Аналогичным образом исследуют обтекание тел потоками жидкости и газа: голограммы позволяют не только увидеть в них вихри и области уплотнений, но и оценить их интенсивность.

Голографическими методами можно распознавать образы, т.е. искать объекты, идентичные заданному, среди множества других, похожих на него. Такими объектами могут быть геометрические фигуры, фотографии людей, буквы или слова, отпечатки пальцев и т.д. На пути лазерного луча устанавливают сначала кадр, на котором может находиться искомый объект, а за ним – голограмму этого объекта. Появление яркого пятна на выходе говорит, что объект в кадре присутствует. Такая оптическая фильтрация может производиться автоматически и с большой скоростью.

Объемные голограммы или голограммы Денисюка широко используются в музейных выставках экспонатов, представляющих историческую или культурную ценность, хищение или порча которых могли бы стать невосполнимой утратой. Такие голограммы реально передают не только объем экспоната, но и его цвет, создавая полную зрительную иллюзию оригинала. Как уже отмечалось, эти голограммы можно рассматривать в некогерентном свете и дополнительного лазерного освещения музейных экспозиций не требуется.

Свойства фотографии

Техника фотографирования достигла высокого уровня, и научное и практическое значение фотографии в настоящее время огромно. Нет сомнения в том, что она сохранит свое значение и в будущем как превосходное и простое средство регистрации важнейшей информации, доступной оптическим методам наблюдения.

Для получения фотографии какого-либо несамосветящегося объекта его освещают и, используя оптическую систему (объектив, сферическое зеркало), формируют действительное изображение предмета на фотопластинке (пленке), которую затем проявляют и фиксируют.

Однако, несмотря на высокое развитие инструментальной оптики и фотографической техники, возможности фотографии в некоторых отношениях ограничены. Рассмотрим вкратце ограничения, присущие этому традиционному методу записи оптической информации:

1. Для получения изображения объекта на экране или на фотопластинке необходима оптическая система.

2. Оптическая система формирует изображение трехмерного объекта на плоском экране или фотопластинке, причем в оптимальных условиях при этом находятся только те точки объекта, которые лежат в одной определённой плоскости, перпендикулярной к оптической оси системы.

3. Полученное на экране или фотопластинке изображение не дает возможности обозреть объект с различных сторон, как это происходит при непосредственном его наблюдении. Другими словами, при фотографической регистрации утрачивается объемность объекта.

4. На каждом участке поверхности фотопластинки фиксируется информация лишь об определенной детали объекта, поэтому с помощью части негатива нельзя наблюдать полное изображение предмета.

5. На этом негативе нецелесообразно фиксировать изображения нескольких объектов, если эти изображения перекрываются: информация об одном объекте помешает восприятию информации о другом объекте.

Вывод

Беглый анализ развития фотографии и голографии, показывает необходимость комплексного подхода при создании рентабельного голографического бизнеса и, одновременно проясняет причины коммерческого неуспеха усилий отдельных отечественных групп и лабораторий в этой области. Значимость голографии не ограничивается областью ее практического приложения. Важнейшее значение голографии заключается в возникновении и развитии идей принципиально новых, в изучении явлений, которые в природе, как правило, не встречаются. Голография - это мир, от начала и до конца созданный человеческим разумом и яркое подтверждение его неограниченных возможностей. С физической точки зрения голография является развитием липпмановского способа цветной фотографии, где кодирование цвета осуществлялось за счет формирования объемных интерференционных структур в фотоэмульсии. Для развития методов изобразительной голографии необходимо решать целый комплекс научно-технологических проблем, тем не менее, ключевыми все-таки остаются проблемы организационно-финансовые и художественные. До тех пор пока голографические средства не начнут использоваться реально в искусстве и дизайне и не появятся организаторы голографического бизнеса масштаба Дж. Истмена, вряд ли следует ожидать дальнейших больших успехов в этой области.

Список литературы

• Трофимова Т. И. Курс физики: Учеб. Пособие для вузов.- 6-е изд., стер. – М.: Высшая школа., 2000.-542с.: ил.

• http://nature.web.ru/

• Элементарный учебник физики: учебное пособие. В 3-х т./Под редакцией Г. С. Ландсберга. Т. III. Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика. – 10-е изд., перераб.- М.: Наука., 1986.-656с.

• Демидов В.Е. Пойманное пространство. М., «Знание», 1982

• Пирожников Л.Б. Что такое голография? М., «Московский рабочий», 1983

• Ландсберг Г. С «Общий курс физики: оптика.» - М: «Наука.»,1976 г.