Holografia amadora - o começo da jornada

A segunda parte é sobre materiais fotográficos de iodetos de prata.

Eu quero falar sobre um dos meus interesses - holografia óptica. Não, isso não é sobre os hologramas mostrados em Guerra nas Estrelas, ou visíveis nas pirâmides nas telas de telefones celulares, não sobre a projeção no filme etc. Mas o que a Wikipedia fala no artigo correspondente e ainda melhor Versão em inglês (isso se aplica a todos os links para a Wikipedia no texto). Não entrarei em detalhes técnicos e na selva de equações (os processos são muito complicados, e dezenas de monografias volumosas e centenas de artigos foram escritos sobre o assunto), mas tentarei contar brevemente o que é a holografia óptica e como ela difere da fotografia em termos práticos, o que ela contém. tão interessante e como fazer o primeiro holograma real em casa. Embora o processo de gravação do holograma seja semelhante ao processo fotográfico analógico clássico, ele ainda apresenta várias diferenças visíveis: outros esquemas ópticos, sem necessidade de lente e, portanto, sem necessidade de foco, são utilizados materiais fotográficos com resolução muito mais alta, fontes de radiação monocromática e ausência de princípio. negativos e positivos, requisitos rigorosos para a ausência de vibrações, outras regras de composição de cenas e muitas outras. outro



Portanto, as cores clássicas (em preto e branco, tudo é igual, com apenas um canal de cores), analógico e digital, podem capturar apenas a amplitude das ondas de luz e, através da separação de cores, o comprimento de onda é indireto. Acontece uma imagem plana da cena estritamente de um ângulo e com cores, apenas com um sucesso ou outro, criando para a pessoa a ilusão das cores originais. Usar as propriedades da visão binocular e técnicas artísticas especiais pode dar algum volume à imagem, mas também de um ângulo, os sistemas digitais de VR não contam, estamos falando de um analógico puro.

O pouco conhecido processo de Lippmann , que explora o fenômeno da interferência da luz, registra diretamente e depois reproduz a composição espectral inicial da radiação. Devido à interferência na placa fotográfica, é capturada uma imagem complexa da interação de todas as ondas de luz que vieram da cena e, posteriormente, a difração na estrutura resultante restaura novamente essas ondas com exatamente o mesmo comprimento e amplitude proporcional. O resultado é uma imagem semelhante à fotográfica, mas com transmissão precisa do espectro de radiação sem envolver a separação de cores e outros truques. Por que esse método não substituiu a fotografia colorida tradicional, principalmente considerando que ela apareceu muito antes? Em primeiro lugar, alta complexidade: são necessários materiais fotográficos especiais de alta resolução, um espelho especial bem adjacente à emulsão fotográfica (mercúrio líquido foi originalmente usado), processamento químico especial, a imagem resultante é reproduzida apenas em determinados ângulos de iluminação e observação, etc. Em segundo lugar, e assim por diante. bem, obtidos por mistura de cores aditiva para uma pessoa são visualmente idênticos aos comprimentos de onda originais.

A holografia óptica, como o processo de Lippmann, explora o fenômeno da interferência e captura não apenas a intensidade, mas também a fase da onda de luz, que significa a direção da incidência de cada raio na cena que atinge o material fotográfico. As informações são registradas sobre o campo de luz , e não sobre a imagem criada pela lente, como na fotografia clássica. Portanto, a tecnologia foi chamada holografia, que é traduzida de outro grego como "completa" e "eu escrevo", ou seja, um registro completo, enquanto todas as informações sobre a luz incidente no meio de gravação são armazenadas. E, ao reproduzir, a imagem holográfica é obtida praticamente indistinguível da original no momento da gravação, apresentando muitos sinais de profundidade , permitindo visualizar o objeto capturado em diferentes ângulos dentro de um determinado ângulo (com paralaxe ao longo de um ou dois eixos). Se houver sombras, realces, reflexões, refrações, eles serão transmitidos com segurança, como um traçado de raios.
A propósito, existem câmeras plenópticas que implementam alguns dos recursos fornecidos pela holografia, mas ainda não receberam muita popularidade.

Por exemplo, um holograma colorido de muito sucesso (não o meu):


O alcance dinâmico da cena pode atingir fantásticos 1: 1 000 000. O holograma desempenha o papel de uma janela através da qual é possível observar a cena da forma em que estava no momento da gravação. Cada ponto do holograma carrega informações sobre todos os raios caídos de toda a cena. Portanto, ao dividir o holograma em várias partes, perderemos algumas informações sobre a cena, mas não na mesma extensão que no caso da fotografia clássica, se o holograma for alterado, será possível ver os objetos da cena que seriam completamente perdidos no caso de uma fotografia comum. Obviamente, o uso da holografia não se limita apenas à holografia e entretenimento artísticos, é o controle de materiais estruturais e processos tecnológicos, pesquisa científica e elementos ópticos holográficos e formas promissoras de armazenar informações, métodos de processamento de informações e muito mais. outro

Como o holograma é gravado? Como regra, isso requer dois feixes de luz coerentes , um de referência, vindo diretamente do laser e diretamente incidente no meio de gravação. O segundo é refletido nos objetos da cena e carrega informações sobre ele. São eles que interferem um com o outro, e o padrão resultante de franjas de interferência é fixado pelo material fotográfico. Então, devido à difração de apenas um feixe de referência na estrutura resultante, que geralmente não carrega nenhuma informação, o objeto (o segundo feixe) é restaurado e uma imagem da cena capturada é exibida. As informações da cena são codificadas com o feixe de referência atuando como uma chave e, em seguida, as informações codificadas são restauradas usando a mesma chave, um feixe com as mesmas propriedades da referência no momento da gravação.

Existem muitos tipos de hologramas e métodos para gravá-los. Os dois esquemas mais simples e intuitivos são o esquema de Leith-Upatnieks, que fornece hologramas de transmissão, nos quais o feixe de referência e o objeto caem sobre o material fotográfico de um lado. E o esquema de Denisyuk, que fornece hologramas refletivos quando os raios caem de lados diferentes. Os primeiros têm um brilho e um grau de realismo muito altos, têm requisitos um pouco mais baixos para a resolução de materiais fotográficos e resistência à vibração, mas é difícil obter uma imagem colorida com eles e, o mais importante, eles podem ser reproduzidos apenas com laser (os chamados hologramas de arco-íris são reproduzidos em luz branca, mas ainda não os consideraremos). O último pode ser reproduzido sob luz branca comum, o holograma corta independentemente os comprimentos de onda necessários da luz incidente e, ao gravar um holograma simultaneamente com três lasers, é possível obter uma imagem colorida. Ambos os métodos têm aplicação e são de fácil implementação, especialmente o segundo, para o qual basta colocar a placa fotográfica no objeto e iluminá-lo com um laser. Não vou inserir fotos de outras pessoas com esquemas aqui, que estão na Wikipedia, vou focar na parte prática. Observando apenas que, além da complexidade do processo, uma desvantagem é a necessidade de usar radiação altamente coerente e, portanto, monocromática, e também será necessário o uso de três fontes de radiação para gravar uma imagem colorida. E também, como no caso do processo de Lippmann, os hologramas durante a reprodução têm requisitos especiais de iluminação.

Também é possível calcular o padrão de difração em um computador e depois registrá-lo em material fotográfico, ou exibir o padrão de interferência calculado em uma tela holográfica, que atualmente está sendo encontrada no estágio dos primeiros protótipos, por exemplo, o projeto MIT . Mas, na prática, eles não recorrem a esses métodos, ainda estão em estágio de pesquisa científica, exceto os hologramas de Fourier, que são bem possíveis de imprimir em uma impressora comum, mas não causam muito entusiasmo. Hologramas de tamanhos grandes, com efeitos complexos, de objetos que não existem na realidade geralmente são criados de maneira híbrida, quando um raio laser de objeto passa através de um painel LCD que forma uma imagem de um dos ângulos e depois interfere no raio de referência em um material fotográfico holográfico. Ao fazer várias exposições com imagens diferentes, eles obtêm o chamado holograma multiplex. Um pouco de informação sobre hologramas digitais sintetizados está no artigo da Wikipedia.

O que é necessário para gravar uma imagem holográfica clássica e totalmente analógica - para criar um holograma óptico?

O primeiro. O mais importante, importante e complexo é a alta estabilidade mecânica de todas as estruturas, a completa ausência de movimentos, vibrações, mesmo da voz ou expansão térmica, sem mencionar a geladeira antiga no canto. Portanto, o objeto e o material fotográfico não devem ser deslocados um em relação ao outro em mais de ¼ da distância entre as bandas do padrão de difração durante o processo de gravação, mas é comparável ao comprimento de onda do laser de gravação. Um pouco mais precisamente, o período do padrão de interferência pode ser calculado pela fórmula: 2 * sin (θ / 2) / λ. Onde θ é o ângulo entre as vigas, λ é o comprimento de onda. Por exemplo, para um holograma de transmissão e um ângulo de incidência do feixe de 45 ° e um comprimento de onda do laser de 650 nm, o período do padrão de interferência será 2 * sin ((45 ° + 45 °) / 2) / (650 * 10 ^-6 ) ~ 2176 linhas / mm. Ou, para um holograma refletivo com um ângulo de incidência do feixe de referência de 45 ° e a incidência do feixe de objeto perpendicular à placa. Tomando o índice de refração do vidro igual a 1,6, obtemos o ângulo do feixe de referência após a refração igual a arcsin (sin (45 °) / 1,6) ~ 26,2 °, o ângulo entre os feixes será 180 - 26,2 = 153,8 °. O comprimento de onda do laser também deve ser ajustado levando em consideração o índice de refração, 650 / 1,6 = 406nm. O período do padrão de interferência será 2 * sin (153,8 / 2) / (406 * 10 ^-6 ) ~ 4798 linhas / mm.
Para isso, várias técnicas são utilizadas, desde o fato de colocarem objetos da cena diretamente no material fotográfico, ou material fotográfico nos objetos, até tabelas ópticas pesando centenas de quilos com suportes pneumáticos ativos. Os requisitos de vibração são bastante atenuados pelo uso de um laser pulsado, mas o próprio laser se torna a parte mais complexa e cara do sistema.

O segundo Materiais fotográficos especiais com alta resolução (de 1.000 a 5.000 linhas / mm e superior) e criados especificamente para corrigir o padrão de interferência usando vários esquemas. Tipos existentes de materiais de gravação:

1. Halogenetos de prata.
   Eles são muito semelhantes aos materiais fotográficos clássicos, possuem apenas uma resolução muito maior e são sensibilizados para os comprimentos de onda de lasers específicos.
   Vantagens: eles têm a mais alta sensibilidade, o que significa que exigem as exposições mais curtas e, como resultado, têm menos problemas com vibrações, além de facilitar o uso de lasers de baixa potência; usando uma combinação de corantes sensibilizantes, você pode obter materiais fotográficos para holografia em cores por analogia com a fotografia em cores; relativamente barato, pode ser facilmente comprado e até fabricado de forma independente. Eles podem ser usados ​​em conjunto com um laser pulsado que permite tirar fotos de objetos vivos e outros objetos em movimento, até a queda de água. Com a ajuda de técnicas especiais de processamento químico, a cor da imagem pode ser alterada em uma direção ou outra.
   Desvantagens: tenha um brilho relativamente baixo sem procedimentos adicionais de branqueamento; exigir exposição precisa à exposição e tratamento químico, o estágio de desenvolvimento é especialmente responsável; tem permissão limitada.
2. Gelatina bicromada.
   Vantagens: o brilho mais alto das imagens recebidas; baixo custo e facilidade de fabricação; simplicidade do processo de desenvolvimento; resolução extremamente alta.
   Desvantagens: sensibilidade muito baixa, principalmente sensível na região azul do espectro, em menor grau no verde, mudança de sensibilidade para a região vermelha e aumento da sensibilidade são muito complexas e requerem compostos químicos raros; alta higroscopicidade, é necessária a vedação completa da emulsão após o desenvolvimento.
3. Fotopolímeros.
   Vantagens: alto brilho das imagens recebidas; baixo custo e facilidade de fabricação (mas mais caro e mais complicado que a gelatina dicromada); não requer desenvolvimento; sensibilidade relativamente alta; como os halogenetos de prata, pode ser sensível a toda a região do espectro visível; tenha uma resolução bastante alta.
   Desvantagens: toxicidade dos componentes constituintes (relevante para a fabricação em casa); baixa retenção da imagem resultante em algumas receitas.
4. Cristais fotocrômicos e outros exóticos.
   Eles existem principalmente em laboratórios especializados nesse assunto.

No oeste, entre amadores e na prática comercial, a gelatina bicromada é a mais popular, devido ao baixo custo, alto brilho da imagem resultante e à disponibilidade de poderosos lasers verde e azul. No território da antiga URSS - halogeneto de prata, para o qual basta um pequeno laser de hélio-neon ou mesmo um simples ponteiro vermelho a laser. Para os primeiros experimentos, a maneira mais fácil de comprar e usar materiais fotopolímeros é sobre uma das marcas e será discutida abaixo. Os hologramas industriais (por exemplo, para proteger os produtos da falsificação) são feitos imprimindo em um filme plástico espelhado, mas também são pré-gravados com laser e passam por vários estágios de conversão nos chamados hologramas arco-íris.

O terceiro. O laser, como a mecânica, deve ser muito estável e os requisitos de estabilidade são extremamente altos. Antes de tudo, deve ser monomodo, como nos modos transversais (um único feixe de radiação), Eng. transversal único, TEM ₀₀ e longitudinal (uma frequência de radiação), eng. único longitudinal. Aqui está a descrição mais recente e você precisa procurar um laser adequado. Para a holografia, além do comprimento de onda, um parâmetro de radiação como a coerência temporal é extremamente importante. Em termos gerais, determina a estabilidade dos parâmetros de radiação no tempo, o tempo de atraso máximo possível de um feixe em relação a outro, no qual um padrão de interferência de contraste será observado. Como a velocidade da luz é muito alta, é mais conveniente manipular o comprimento da coerência (quanta luz viaja durante o tempo de coerência). A largura da linha da radiação laser está relacionada ao comprimento da coerência pela fórmula: central_length_wave ^ 2 / line_width. Portanto, para um comprimento de coerência de 10 cm, a largura da linha do laser para 650 nm deve ser 0,004 nm.

O comprimento da coerência do laser limita a profundidade máxima da cena do holograma, mas para esquemas diferentes de maneiras diferentes. Por exemplo, para o esquema de gravação de Denisyuk, onde o objeto está atrás da placa fotográfica, a diferença no deslocamento do objeto e do feixe de referência será aproximadamente a distância que o feixe passou da placa fotográfica para o objeto e vice-versa. E a profundidade máxima da cena é cerca da metade do comprimento da coerência. No caso do esquema de Leith-Upatnieks, tudo depende do método de iluminação, da presença e posição dos espelhos e do divisor de feixes, e é possível atingir a profundidade máxima da cena aproximadamente igual ao comprimento da coerência.

Felizmente, muitos tipos de lasers com a abordagem correta são capazes de fornecer as características necessárias, especialmente no campo de baixa potência. Muitos lasers de hélio-neon têm radiação com um comprimento de coerência de 15 a 20 cm, com uma potência de até dezenas de mW. Curiosamente, os ponteiros laser vermelhos mais baratos e os módulos de baixa potência de até 5 mW também são bastante adequados e podem produzir radiação com um comprimento de coerência de um centímetro a vários metros. Mas os ponteiros laser verde e azul geralmente não são adequados para algo mais do que gravar uma cena com moedas de vários milímetros de profundidade, mas aqui você precisa estudar cada instância individualmente, será um pouco menor. Em geral, uma revisão de lasers, sua escolha, métodos de fornecimento de energia e estabilização é um tópico para outro artigo bastante volumoso.

Prosseguimos diretamente para a parte prática. Para os primeiros experimentos, foi selecionado um conjunto pronto para experimentos no campo da holografia, incluindo um laser adequado com fonte de alimentação a bateria, placas holográficas de fotopolímero, algumas mecânicas, documentação, um objeto de teste na forma de um modelo de carro e outros objetos auxiliares como um chaveiro com um LED azul em como fonte de luz não-actínica (que não afeta os materiais fotográficos) - kit Litiholo Hologram com a adição da atualização Reflection.

Materiais fotográficos. Um fotopolímero com uma camada protetora em vidro óptico de 1,8 mm de espessura, a eficiência de difração declarada (algo como eficiência neste caso) é superior a 90%, sensibilidade na faixa de 400 a 690 nm, ou seja, hologramas de cores também podem ser registrados. Adequado para gravar hologramas transmissivos e refletivos.As placas fotográficas antes da exposição à cor violeta, após a irradiação com um laser nos locais mais iluminados, são descoloridas, a descoloração completa é realizada por luz branca brilhante, nenhum outro processo de desenvolvimento ou fixação é necessário.

Laser Um módulo a laser semicondutor de 638 nm com uma potência declarada de 5 mW, possui um resistor variável para ajustar a corrente e uma fonte de alimentação a bateria, declarada como adequada para holografia.

De acordo com as instruções completas, um circuito foi montado para registrar os hologramas de transmissão.



O laser foi pré-aquecido (deixado) por 15 minutos, e o espectro gerado foi verificado da maneira mais simples: uma folha de papel branco foi colocada atrás do laser e uma placa de vidro (por exemplo, uma lâmina de vidro) paralela à folha de papel a uma distância de 30 cm e perpendicular ao feixe para um microscópio ou placa fotográfica com uma camada sensível removida), um padrão de interferência claro, que consiste em listras claras e escuras, deve ser observado na folha, nos espaços escuros não deve haver pontos mais fracos faixas de luz, ea imagem em si deve ser estável no tempo e com o maior contraste possível. Se as bandas não são observadas, são deslocadas no tempo ou a imagem tem um contraste muito baixo, faz pouco sentido tentar gravar um holograma, é necessário alterar a corrente do laser,dê mais tempo para aquecer e / ou substituir o próprio laser. Se a imagem é clara e sem faixas intermediárias, podemos dizer que o comprimento da coerência não é menor que a espessura do coeficiente de refração da chapa * 2 *. Portanto, com uma espessura de vidro de 1,8 mm, esse número será de aproximadamente 5,5 mm; portanto, é melhor encontrar o vidro mais espesso ou um conjunto melhor de óculos de diferentes espessuras. Muito provavelmente, o comprimento da coerência será ainda maior, pois sem métodos instrumentais de medição, a avaliação do contraste é muito subjetiva. Mais precisamente, será possível dizer gravando um holograma ou usandoportanto, é melhor encontrar um vidro mais espesso ou melhor um conjunto de copos de espessuras diferentes. Muito provavelmente, a duração da coerência será ainda maior, pois sem métodos instrumentais de medição, a avaliação do contraste é muito subjetiva. Mais precisamente, será possível dizer gravando um holograma ou usandoportanto, é melhor encontrar um vidro mais espesso ou melhor um conjunto de copos de espessuras diferentes. Muito provavelmente, o comprimento da coerência será ainda maior, pois sem métodos instrumentais de medição, a avaliação do contraste é muito subjetiva. Mais precisamente, será possível dizer gravando um holograma ou usandoInterferômetro Michelson .



Em seguida, o holograma do objeto completo, o modelo do carro, foi registrado.



Infelizmente, a câmera não transmite a faixa dinâmica das imagens recebidas de brilho e volume. Ao vivo, quando você remove um objeto, você tem a sensação de que nada mudou, de que o objeto ainda está lá, apenas sua luminosidade muda um pouco, resta volume, reflexões, sombras, brilho e a possibilidade de alterar o ângulo de visão. A imagem aparece apenas à luz da radiação laser incidente no ângulo de incidência do feixe de referência.





A seguir, foi montado um esquema para registrar hologramas refletivos usando detalhes adicionais da atualização do Reflection, que são desprovidos da falha mencionada acima e são visíveis à luz branca.



Já é necessário construir uma torre para o laser, e não estamos falando de nenhuma parte do comprimento de onda. No entanto, esse requisito se aplica apenas à posição relativa do objeto e do material fotográfico, e a alguns elementos ópticos, o laser simplesmente não precisa sair francamente, e tudo ficará bem.



Os hologramas obtidos são visíveis à luz branca, as fontes pontuais com espectro contínuo, a luz solar ou a luz das lâmpadas de halogênio são mais adequadas e o ângulo de incidência do feixe de luz deve ser o mesmo da gravação. O coeficiente de reprodução de cores da fonte de luz é extremamente importante, pois um holograma refletivo cria uma imagem refletindo um certo intervalo de comprimentos de onda e pula o resto, e esse intervalo para o brilho máximo da imagem deve estar contido na luz por completo. Como a gravação é realizada por um laser vermelho, esse intervalo é vermelho-amarelo, a cor depende do ângulo de incidência da luz e a imagem é um pouco mais agradável do que o monocromático à luz da radiação laser.









Os hologramas acabaram, e isso mostra como é fácil começar (e para alguém terminar, se você não é viciado), desenvolver-se neste bastante popular no Ocidente, e quase esquecido no espaço pós-soviético, hobby que poderia muito bem se transformar em um canal profissional e comercial , por exemplo, a fabricação de hologramas personalizados. Também é um excelente tópico para atrair o interesse dos alunos em ciências, atividades em grupo e os primeiros trabalhos científicos, afetando e capaz de integrar muitas seções da física, engenharia, tecnologia, química, rádio eletrônica e tecnologia da informação.

Se o assunto for de interesse, tentarei escrever mais sobre mecânica, ótica, lasers, materiais fotográficos, inclusive caseiros etc. Também levarei em consideração todos os comentários e sugestões com prazer, complementarei o artigo com informações que estão faltando na opinião dos leitores.

Para um estudo mais aprofundado da questão, também posso recomendar as seguintes fontes:

• Holowiki
• Holographyforum
• holography.ru
• Holografia para os curiosos. Um livro para pesquisadores em idade escolar. A. A. Akilov, M.K. Shevtsov. M. Publishing Solutions, 2018.
• F. Unterseher, B. Schlesinger, J. Hansen. Manual de holografia: fazendo hologramas da maneira mais fácil. Ross Books; 3 edição, 2010.
• G. Saxby, S. Zacharovas. Holografia Prática. Imprensa CRC; 4 edição, 2015.
• G. Saxby. O Manual de Holografia Prática. Focal Pr, 1991.
• Ultra-Realistic Imaging: Advanced Techniques in Analogue and Digital Colour Holography. Hans Bjelkhagen, David Brotherton-Ratcliffe. CRC Press, 2013.
• Shoebox Holography: A Step-By-Step Guide to Making Holograms Using Inexpensive Semiconductor Diode Lasers. Frank DeFreitas, Steve Michael, Alan Rhody. Ross Books, 2000.
• Silver-Halide Recording Materials: For Holography And Their Processing. Hans I. Bjelkhagen. Springer; 2 edition, 2013.