La segunda parte trata sobre materiales fotográficos de haluro de plata.Quiero hablar sobre uno de mis intereses: la holografía óptica. No, no se trata de los hologramas que se muestran en Star Wars, o visibles en las pirámides en las pantallas de los teléfonos móviles, no se trata de la proyección en la película, etc. Y de lo que Wikipedia habla en el
artículo correspondiente, y aún mejor en Versión en
inglés (esto se aplica a todos los enlaces a Wikipedia en el texto). No entraré en detalles técnicos y la jungla de ecuaciones (los procesos son muy complicados y se han escrito docenas de monografías voluminosas y cientos de artículos sobre el tema), pero trataré de decir muy brevemente qué es la holografía óptica y cómo se diferencia de la fotografía en términos prácticos, qué contiene tan interesante y cómo hacer el primer holograma real en casa. Aunque el proceso de grabación de holograma es similar al proceso fotográfico analógico clásico, todavía tiene una serie de diferencias notables: se utilizan otros esquemas ópticos, no se necesita lente y, por lo tanto, no es necesario enfocar, se utilizan materiales fotográficos con una resolución mucho más alta, fuentes de radiación monocromática y la ausencia de principios. negativos y positivos, requisitos estrictos para la ausencia de vibraciones, otras reglas para la composición de la escena y muchos otros. otro
Entonces, el color clásico (en blanco y negro, todo es igual, con un solo canal de color), tanto analógico como digital, puede capturar solo la amplitud de las ondas de luz, y a través de
la separación de colores, la longitud de onda es indirecta. Resulta una imagen plana de la escena estrictamente desde un ángulo y con colores, solo con un éxito u otro creando para la persona la ilusión de los colores originales. El uso de las propiedades de la visión binocular y las técnicas artísticas especiales pueden dar a la imagen algo de volumen, pero también desde un ángulo, los sistemas digitales de realidad
virtual no cuentan, estamos hablando de un análogo puro.
El poco conocido
proceso de Lippmann , que aprovecha el fenómeno
de la
interferencia de la luz, registra directamente y luego reproduce la composición espectral inicial de la radiación. Debido a la interferencia en la placa fotográfica, se captura una imagen compleja de la interacción de todas las ondas de luz que provienen de la escena, y luego la
difracción en la estructura resultante nuevamente restaura estas ondas con exactamente la misma longitud y amplitud proporcional. El resultado es una imagen similar a una fotográfica, pero con una transmisión precisa del espectro de radiación sin involucrar la separación de colores y otros trucos. ¿Por qué este método no reemplazó a la fotografía en color tradicional, especialmente teniendo en cuenta que apareció mucho antes? En primer lugar, alta complejidad: se necesitan materiales fotográficos especiales de alta resolución, un espejo especial muy cerca de la emulsión fotográfica (originalmente se utilizó mercurio líquido), procesamiento químico especial, la imagen resultante se reproduce solo a ciertos ángulos de iluminación y observación, etc. En segundo lugar, etc. bueno, obtenido mediante una mezcla de color aditiva para una persona es visualmente idéntico a las longitudes de onda originales.
La holografía óptica, como el proceso de Lippmann, explota el fenómeno de la interferencia y captura no solo la intensidad, sino también la fase de la onda de luz, lo que significa la dirección de incidencia de cada rayo en la escena que golpea el material fotográfico. Se registra información sobre el
campo de luz , y no sobre la imagen construida por la lente, como en la fotografía clásica. Por lo tanto, la tecnología se llamaba holografía, que se traduce de otro griego como "completa" y "escribo", es decir, un registro completo, mientras se almacena toda la información sobre el incidente de la luz en el medio de grabación. Y cuando se reproduce, la imagen holográfica se obtiene prácticamente indistinguible del original en el momento de la grabación, con muchos
signos de profundidad , lo que le permite ver el objeto capturado en diferentes ángulos dentro de un cierto ángulo (con
paralaje a lo largo de uno o dos ejes). Si hay sombras, reflejos, reflejos, refracciones, se transmitirán de manera confiable, como un trazado de rayos.
Por cierto, hay
cámaras pleópticas que implementan algunas de las características proporcionadas por la holografía, pero aún no han recibido mucha popularidad.
Por ejemplo, un holograma de color muy exitoso (no el mío):
El rango dinámico de la escena puede alcanzar fantásticos 1: 1 000 000. El holograma desempeña el papel de una ventana a través de la cual puede observar la escena en la forma en que estaba en el momento de la grabación. Cada punto del holograma lleva información sobre todos los rayos caídos de toda la escena. Por lo tanto, dividiendo el holograma en varias partes, perderemos parte de la información sobre la escena, pero no en la misma medida que en el caso de la fotografía clásica, si se cambia el holograma, será posible ver los objetos de la escena que se perderían por completo en el caso de una fotografía ordinaria. Por supuesto, el uso de la holografía no se limita solo a la holografía artística y al entretenimiento, sino que también es el control de materiales estructurales y procesos tecnológicos, y la investigación científica, y elementos ópticos holográficos, y formas prometedoras de almacenar información, y métodos de procesamiento de información, y mucho más. otro
¿Cómo se registra el holograma? Como regla, esto requiere dos haces de luz
coherentes , uno de referencia, que proviene directamente del láser y que incide directamente en el medio de grabación. El segundo se refleja en los objetos de la escena y lleva información al respecto. Son ellos quienes interfieren entre sí, y el patrón resultante de franjas de interferencia está fijado por material fotográfico. Luego, debido a la difracción de un solo haz de referencia en la estructura resultante, que generalmente no lleva ninguna información, el objeto (segundo haz) se restaura y aparece una imagen de la escena capturada. La información de la escena se codifica con el haz de referencia que actúa como una clave, luego la información codificada se restaura con la misma clave, un haz con las mismas propiedades que la referencia en el momento de la grabación.
Hay muchos tipos de hologramas y métodos para registrarlos, los dos esquemas más simples e intuitivos son el esquema de Leith-Upatnieks, que proporciona hologramas de transmisión, ya que tanto el haz de referencia como el objeto inciden en el material fotográfico desde un lado. Y el esquema de Denisyuk, que da hologramas reflectantes cuando los rayos caen de diferentes lados. Los primeros tienen un brillo y un grado de realismo muy altos, tienen requisitos ligeramente más bajos para la resolución de materiales fotográficos y resistencia a la vibración, pero es difícil obtener una imagen en color con ellos, y lo más importante, pueden reproducirse solo con un láser (los llamados hologramas del arco iris se reproducen en luz blanca, pero aún no los consideraremos). Este último puede reproducirse con luz blanca ordinaria, el holograma corta independientemente las longitudes de onda que necesita de la luz incidente, y al grabar un holograma simultáneamente con tres láseres, puede obtener una imagen en color. Ambos métodos tienen aplicación y se implementan fácilmente, especialmente el segundo, para el cual es suficiente colocar la placa fotográfica sobre el objeto e iluminarlo con un láser. No insertaré imágenes de otras personas con esquemas aquí, que están en Wikipedia, me centraré en la parte práctica. Solo teniendo en cuenta que, aparte de la complejidad del proceso, el inconveniente es la necesidad de usar radiación altamente coherente y, por lo tanto, monocromática, y también será necesario usar tres fuentes de radiación para grabar una imagen en color. Y también, como en el caso del proceso Lippmann, los hologramas durante la reproducción tienen requisitos especiales de iluminación.
También es posible calcular el patrón de difracción en una computadora y luego grabarlo en material fotográfico, o mostrar el patrón de interferencia calculado en una pantalla holográfica, que actualmente se encuentra en la etapa de los primeros prototipos, por ejemplo, el proyecto
MIT . Pero en la práctica, no recurren a tales métodos, todavía están en la etapa de investigación científica, a excepción de los hologramas de Fourier, que son bastante posibles de imprimir en una impresora ordinaria, pero no causan mucho entusiasmo. Los hologramas de gran tamaño, con efectos complejos, de objetos que no existen en la realidad, generalmente se crean de manera híbrida, cuando un rayo láser de un objeto pasa a través de un panel LCD que forma una imagen desde uno de los ángulos y luego interfiere con el rayo de referencia en un material fotográfico holográfico. Al hacer varias exposiciones con diferentes imágenes, obtienen el llamado holograma multiplex. Un poco de información sobre hologramas digitales sintetizados está en el
artículo de Wikipedia.
¿Qué se necesita para grabar una imagen holográfica clásica y completamente analógica, para crear un holograma óptico?
El primero Lo más importante, importante y complejo es la alta estabilidad mecánica de todas las estructuras, la ausencia total de movimientos, vibraciones, incluso de la voz o la expansión térmica, sin mencionar el viejo refrigerador en la esquina. Por lo tanto, el objeto y el material fotográfico no deben desplazarse entre sí más de ¼ de la distancia entre las bandas del patrón de difracción durante el proceso de grabación, pero es comparable a la longitud de onda del láser de grabación. De manera algo más precisa, el período del patrón de interferencia puede calcularse mediante la fórmula: 2 * sen (θ / 2) / λ. Donde θ es el ángulo entre los haces, λ es la longitud de onda. Por ejemplo, para un holograma de transmisión y ángulos de incidencia de haz de 45 °, y una longitud de onda láser de 650 nm, el período del patrón de interferencia será 2 * sen ((45 ° + 45 °) / 2) / (650 * 10
-6 ) ~ 2176 líneas / mm. O, para un holograma reflectante en un ángulo de incidencia del haz de referencia de 45 °, y la incidencia del haz del objeto perpendicular a la placa. Tomando el índice de refracción de vidrio igual a 1.6, obtenemos el ángulo del haz de referencia después de la refracción igual a arcsin (sin (45 °) / 1.6) ~ 26.2 °, el ángulo entre los haces será 180 - 26.2 = 153.8 °. La longitud de onda del láser también debe ajustarse teniendo en cuenta el índice de refracción, 650 / 1.6 = 406nm. El período del patrón de interferencia será 2 * sen (153.8 / 2) / (406 * 10
-6 ) ~ 4798 líneas / mm.
Para esto, se utilizan varias técnicas, desde el hecho de que colocan objetos de la escena directamente sobre el material fotográfico, o material fotográfico sobre los objetos, hasta mesas ópticas que pesan cientos de kilogramos con soportes neumáticos activos. Los requisitos de vibración se mitigan en gran medida mediante el uso de un láser pulsado, pero el láser en sí se convierte en la parte más compleja y costosa del sistema.
El segundo Materiales fotográficos especiales que tienen alta resolución (de 1,000 a 5,000 líneas / mm y más) y creados específicamente para arreglar el patrón de interferencia usando varios esquemas. Tipos de materiales de grabación existentes:
- Haluros de plata.
Son muy similares a los materiales fotográficos clásicos, solo tienen una resolución mucho más alta y están sensibilizados para las longitudes de onda de láseres específicos.
Ventajas: tienen la mayor sensibilidad, lo que significa que requieren el tiempo de exposición más corto y, como resultado, tienen menos problemas con las vibraciones y también facilitan el uso de láseres de baja potencia; utilizando una combinación de tintes sensibilizantes, puede obtener materiales fotográficos para holografía en color por analogía con fotografía en color; relativamente barato, puede comprarse fácilmente e incluso hacerse de forma independiente. Se pueden usar junto con un láser pulsado que le permite tomar imágenes de objetos vivos y otros objetos en movimiento, hasta el agua que cae. Con la ayuda de técnicas especiales de procesamiento químico, el color de la imagen se puede cambiar en una dirección u otra.
Desventajas: tienen un brillo relativamente bajo sin procedimientos de blanqueo adicionales; requieren exposición precisa y tratamiento químico, la etapa de desarrollo es especialmente responsable; tener permiso limitado - Gelatina Bicromada.
Ventajas: el brillo más alto de las imágenes recibidas; bajo costo y facilidad de fabricación; simplicidad del proceso de desarrollo; Muy alta resolución.
Desventajas: muy baja sensibilidad, principalmente sensible en la región azul del espectro, en menor medida en el verde, el cambio de sensibilidad a la región roja y una mayor sensibilidad son muy complejas y requieren compuestos químicos raros; alta higroscopicidad, se requiere un sellado completo de la emulsión después del desarrollo. - Fotopolímeros
Ventajas: alto brillo de las imágenes recibidas; bajo costo y facilidad de fabricación (pero más caro y más complicado que la gelatina dicromatizada); no requieren desarrollo; sensibilidad relativamente alta; pueden, como los haluros de plata, hacerse sensibles a toda la región del espectro visible; Tener una resolución bastante alta.
Desventajas: toxicidad de los componentes constituyentes (relevante para la fabricación en el hogar); mala retención de la imagen resultante en algunas recetas. - Cristales fotocrómicos y otros exóticos.
Existen principalmente en laboratorios especializados en esta materia.
En el oeste entre los aficionados y en la práctica comercial, la gelatina bicromatizada es la más popular, debido al bajo costo, el alto brillo de la imagen resultante y la disponibilidad de potentes láseres verdes y azules. En el territorio de la antigua URSS: haluro de plata, para el cual un pequeño láser de helio-neón o incluso un simple puntero láser rojo es suficiente. Para los primeros experimentos, la forma más fácil de comprar y usar materiales de fotopolímero es sobre una de las marcas y se analizará a continuación. Los hologramas industriales (por ejemplo, para proteger los productos de la falsificación) se hacen imprimiendo en una película de plástico espejo, pero también se graban previamente con un láser y pasan por varias etapas de conversión a los llamados hologramas del arco iris.
El tercero El láser, como la mecánica, debe ser muy estable y los requisitos de estabilidad son extremadamente altos. En primer lugar, debe ser monomodo, como en los
modos transversales (un solo haz de radiación), Eng. transversal simple, TEM
00 , y longitudinal (una frecuencia de radiación), Ing. solo longitudinal. Aquí está la descripción más reciente y debe buscar un láser adecuado. Para la holografía, además de la longitud de onda, un parámetro de radiación como
la coherencia temporal es extremadamente importante. En términos generales, determina la estabilidad de los parámetros de radiación en el tiempo, el tiempo de retraso máximo posible de un haz en relación con otro, en el que se observará un patrón de interferencia de contraste. Como la velocidad de la luz es muy alta, es más conveniente manipular la longitud de coherencia (cuánta luz viaja durante el tiempo de coherencia). El ancho de línea de la radiación láser está relacionado con la longitud de coherencia mediante la fórmula: central_length_wave ^ 2 / line_width. Entonces, para una longitud de coherencia de 10 cm, el ancho de línea del láser para 650 nm debe ser 0.004 nm.
La longitud de coherencia del láser limita la profundidad máxima de la escena del holograma, pero para diferentes esquemas de diferentes maneras. Por ejemplo, para el esquema de grabación de Denisyuk, donde el objeto está detrás de la placa fotográfica, la diferencia en el recorrido del objeto y el haz de referencia será aproximadamente la distancia que el haz pasó de la placa fotográfica al objeto y viceversa. Y la profundidad máxima de la escena es aproximadamente la mitad de la longitud de la coherencia. En el caso del esquema Leith-Upatnieks, todo depende del método de iluminación, la presencia y la posición de los espejos y el divisor de haz, y es bastante posible lograr una profundidad máxima de la escena aproximadamente igual a la longitud de coherencia.
Afortunadamente, bastantes tipos de láseres con el enfoque correcto pueden proporcionar las características requeridas, especialmente en el campo de baja potencia. Muchos láseres de helio-neón tienen radiación con una longitud de coherencia de 15-20 cm a una potencia de hasta decenas de mW. Por extraño que parezca, los punteros láser rojos más económicos y los módulos de baja potencia de hasta 5 mW también son bastante adecuados y pueden producir radiación con una longitud de coherencia de un centímetro a varios metros. Pero los punteros láser verde y azul a menudo no son adecuados para algo más que grabar una escena con monedas de unos pocos milímetros de profundidad, pero aquí debe estudiar cada instancia individualmente, será un poco más bajo. En general, una revisión de los láseres, su elección, métodos de suministro de energía y estabilización es un tema para otro artículo bastante voluminoso.
Procedemos directamente a la parte práctica. Para los primeros experimentos, se seleccionó un conjunto listo para experimentos en el campo de la holografía, que incluye un láser adecuado con una fuente de alimentación alimentada por batería, placas holográficas de fotopolímero, algunos elementos mecánicos, documentación, un objeto de prueba en forma de modelo de automóvil y otros objetos auxiliares como un llavero con un LED azul en como fuente de luz no actínica (que no afecta a los materiales fotográficos): kit de holograma Litiholo con la adición de la actualización Reflection.
Materiales fotográficos. Un fotopolímero con una capa protectora sobre vidrio óptico de 1,8 mm de espesor, la eficiencia de difracción declarada (algo así como la eficiencia en este caso) es más del 90%, la sensibilidad en el rango de 400 a 690 nm, es decir, también se pueden registrar hologramas de color. Adecuado para grabar hologramas transmisivos y reflexivos.
Las placas fotográficas antes de la exposición al color violeta, después de la decoloración con un láser en los lugares más iluminados, la decoloración completa se realiza con luz blanca brillante, no se requiere ningún otro desarrollo o procedimiento de fijación.Laser Un módulo láser semiconductor de 638 nm con una potencia declarada de 5 mW, tiene una resistencia variable para ajustar la corriente y una fuente de alimentación alimentada por batería, que se considera adecuada para la holografía.De acuerdo con las instrucciones completas, se ensambló un circuito para registrar hologramas de transmisión.
El láser fue precalentado (dejado encendido) durante 15 minutos, y el espectro generado se verificó de la manera más simple: se colocó una hoja de papel blanco detrás del láser y una placa de vidrio (por ejemplo, un portaobjetos de vidrio) paralela a la hoja de papel a una distancia de 30 cm y perpendicular al haz para un microscopio o placa fotográfica con una capa sensible eliminada), se debe observar un patrón de interferencia claro que consista en franjas claras y oscuras en la hoja, en los espacios oscuros no debe haber más débiles rayas claras, y la imagen en sí debe ser estable en el tiempo y tan contrastada como sea posible. Si no se observan las bandas, se desplazan en el tiempo, o la imagen tiene un contraste muy bajo, entonces tiene poco sentido intentar grabar un holograma, es necesario cambiar la corriente del láser,dé más tiempo para calentar y / o reemplazar el láser en sí. Si la imagen es clara y sin bandas intermedias, entonces podemos decir que la longitud de coherencia no es menor que el grosor de la placa * 2 * índice de refracción. Entonces, con un grosor de vidrio de 1.8 mm, este número será de aproximadamente 5.5 mm, por lo tanto, es mejor encontrar vidrio más grueso o un mejor conjunto de vasos de diferentes grosores. Lo más probable es que la longitud de coherencia sea aún mayor, ya que sin métodos instrumentales de medición, la evaluación del contraste es demasiado subjetiva. Más precisamente, será posible decir grabando un holograma o usandopor lo tanto, es mejor encontrar vidrio más grueso o mejor un juego de vasos de diferentes grosores. Lo más probable es que la longitud de coherencia sea aún mayor, ya que sin métodos instrumentales de medición, la evaluación del contraste es demasiado subjetiva. Más precisamente, será posible decir grabando un holograma o usandopor lo tanto, es mejor encontrar vidrio más grueso o mejor un juego de vasos de diferentes grosores. Lo más probable es que la longitud de coherencia sea aún mayor, ya que sin métodos instrumentales de medición, la evaluación del contraste es demasiado subjetiva. Más precisamente, será posible decir grabando un holograma o usandoInterferómetro Michelson .
Luego se grabó un holograma del objeto completo, el modelo del automóvil.
Desafortunadamente, la cámara no transmite el rango dinámico de las imágenes recibidas de su brillo y volumen. En vivo, cuando quita un objeto, crea la sensación de que nada ha cambiado, que el objeto todavía está allí, solo su iluminación cambia un poco, queda el volumen, los reflejos, las sombras, el resplandor y la posibilidad de cambiar el ángulo de visión. La imagen aparece solo a la luz de la radiación láser incidente en el ángulo de incidencia del haz de referencia.
A continuación se ensambló un esquema para grabar hologramas reflectantes utilizando detalles adicionales de la actualización Reflection, que carecen de la falla mencionada anteriormente y son visibles con luz blanca.
Aquí ya es necesario construir una torre para el láser, y no estamos hablando de ninguna ¼ parte de la longitud de onda. Sin embargo, este requisito se aplica solo a la posición relativa del objeto y el material fotográfico, y algunos elementos ópticos, el láser simplemente no tiene que colgar francamente, y todo estará bien.
Los hologramas obtenidos son visibles con luz blanca, las fuentes puntuales con un espectro continuo, la luz solar o la luz de las lámparas halógenas son las más adecuadas, y el ángulo de incidencia del haz de luz debe ser el mismo que cuando se graba. El coeficiente de reproducción cromática de la fuente de luz es extremadamente importante, ya que un holograma reflectante crea una imagen que refleja un cierto rango de longitudes de onda, y omite el resto, y este rango para el brillo máximo de la imagen debe estar contenido en la luz en su totalidad. Dado que la grabación se lleva a cabo con un láser rojo, este rango resulta ser rojo-amarillo, el color depende del ángulo de incidencia de la luz y la imagen es algo más agradable de ver que el monocromo a la luz de la radiación láser.
Los hologramas resultaron, y esto muestra lo fácil que es comenzar (y para que alguien termine, si no estás enganchado) a desarrollarse en este lugar bastante popular en Occidente, y casi olvidado en el espacio postsoviético, un pasatiempo que bien podría convertirse en un canal profesional y comercial. , por ejemplo, la fabricación de hologramas personalizados. También es un excelente tema para atraer el interés de los escolares en la ciencia, las actividades en círculo y los primeros trabajos científicos, que afectan y pueden integrar muchas secciones de física, ingeniería, tecnología, química, radioelectrónica y tecnología de la información.Si el tema es de interés, intentaré escribir más sobre mecánica, óptica, láser, materiales fotográficos, incluidos los hechos en casa, etc. También tomaré en cuenta todos los comentarios y sugerencias con gusto, y complementaré el artículo con información que falta en la opinión de los lectores.Para un estudio más profundo del problema, también puedo recomendar las siguientes fuentes:- Holowiki
- Foro de holografía
- holography.ru
- Holografía para los curiosos. Un libro para investigadores en edad escolar. A.A. Akilov, M.K. Shevtsov. M. Soluciones editoriales, 2018.
- F. Unterseher, B. Schlesinger, J. Hansen. Manual de holografía: hacer hologramas de manera fácil. Ross Books; 3a edición, 2010.
- G. Saxby, S. Zacharovas. Holografía práctica CRC Press; 4a edición, 2015.
- G. Saxby. El manual de la holografía práctica. Focal Pr, 1991.
- Imágenes ultrarrealistas: técnicas avanzadas en holografía de color analógica y digital. Hans Bjelkhagen, David Brotherton-Ratcliffe. CRC Press, 2013.
- Holografía Shoebox: una guía paso a paso para hacer hologramas con láser de diodo semiconductor económico. Frank DeFreitas, Steve Michael, Alan Rhody. Ross Books, 2000.
- Materiales de grabación de haluro de plata: para holografía y su procesamiento. Hans I. Bjelkhagen. Springer 2a edición, 2013.