RU2472201C1

RU2472201C1 - Method of recording and reconstruction of image holograms

Info

Publication number: RU2472201C1
Application number: RU2011125201/28A
Authority: RU
Inventors: Евгений Фёдорович Пен
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения РАН
Priority date: 2011-06-17
Filing date: 2011-06-17
Publication date: 2013-01-10

Abstract

FIELD: printing industry.

SUBSTANCE: each elementary hologram is recorded by the interference of signal and a set of reference beams which are placed on an imaginary conical surface continuously with respect to each other, and the reference beams are converged of the recording medium. When reconstruction of the hologram a beam of rays from a point source of white light is used, which angle of incidence is changed in the azimuthal direction in the range of 2π radians. For formation of a set of reference beams axicon - circular diffraction grid is used.

EFFECT: method enables to observe the reconstructed image from any angles.

2 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области оптической голографии. Наиболее близкой отраслью применения являются средства изобразительной голографии, в частности топографические принтеры [1, Brotherton-Ratcliffe David, Florian Michel Robert, Rodin Alexy, Grichine Mikhail. Holographic printer // PCT Patent 2001/045943. Publication Date: 2001-06-28], которые предназначены для формирования синтезированных изобразительных голограмм, представляющих собой двумерный массив из элементарных голограмм (holopixels). Согласно [1] каждую из элементарных голограмм записывают путем интерференции пары референтного R и сигнального S пучков, пересекающихся под некоторым углом, согласованным с углом наблюдения восстановленного изображения. Причем направление распространения сигнального пучка обычно выбирают близким к углу нормального падения на плоскость регистрирующей среды, направление распространения референтного пучка выбирают навстречу сигнальному пучку, а угол их пересечения согласуют с углом наблюдения восстановленного изображения. Предполагается, что сигнальный, референтный, восстанавливающий и восстановленный из голограммы пучки лежат в одной меридиональной плоскости М (Фиг.1), причем угол падения восстанавливающего пучка в этой плоскости удовлетворяет условию Брэгга для объемных голограмм [2, Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell System Technical Journal. - 1969. - V.48, N.9. - P.2909-2947], а значения угла падения восстанавливающего пучка в тангенциальном направлении (т.е. в плоскости YOZ, перпендикулярной меридиональной плоскости) и в азимутальном направлении (т.е. при вращении плоскости М вокруг оси Z, перпендикулярной плоскости голограммы H) равны нулю.The invention relates to the field of optical holography. The closest applications are graphic holography, in particular topographic printers [1, Brotherton-Ratcliffe David, Florian Michel Robert, Rodin Alexy, Grichine Mikhail. Holographic printer // PCT Patent 2001/045943. Publication Date: 2001-06-28], which are intended for the formation of synthesized graphic holograms, which are a two-dimensional array of elementary holograms (holopixels). According to [1], each of the elementary holograms is recorded by interference of a pair of reference R and signal S beams intersecting at a certain angle, consistent with the viewing angle of the reconstructed image. Moreover, the direction of propagation of the signal beam is usually chosen close to the angle of normal incidence on the plane of the recording medium, the direction of propagation of the reference beam is chosen towards the signal beam, and the angle of their intersection is coordinated with the viewing angle of the reconstructed image. It is assumed that the signal, reference, reconstructing and reconstructed from the hologram beams lie in the same meridional plane M (Figure 1), and the angle of incidence of the reconstructing beam in this plane satisfies the Bragg condition for volume holograms [2, Kogelnik H. Coupled wave theory for thick hologram gratings // The Bell System Technical Journal. - 1969. - V.48, N.9. - P.2909-2947], and the values of the angle of incidence of the regenerating beam in the tangential direction (ie, in the YOZ plane perpendicular to the meridional plane) and in the azimuthal direction (ie, when the M plane rotates around the Z axis perpendicular to the hologram plane H) are equal to zero.

На практике для наблюдения восстановленного изображения с различных сторон (ракурсов) часто рассматривают изобразительную голограмму под углом падения восстанавливающего пучка, отличающимся от угла падения референтного пучка при записи голограммы, в том числе с изменением его значения в азимутальном направлении путем вращения голограммы вокруг оси OZ, как изображено на Фиг.2, в пределах 2π радиан.In practice, to observe the reconstructed image from different sides (angles), a visual hologram is often considered at an incidence angle of the recovery beam different from the angle of incidence of the reference beam when recording a hologram, including changing its value in the azimuthal direction by rotating the hologram around the OZ axis, as depicted in FIG. 2, within 2π radians.

В этом случае, как показано в [3, Hyunkwon Shin, Myeongkyu Lee Holographic angle multiplexing combined with peristrophic multiplexing in a photorefractive LiNb03 crystal // Optics Communications. - 2007. - 269. - P.299-303], дифракционная эффективность η объемной отражательной голограммы, характеризующая яркость восстановленного изображения и выражающаяся формулой η=tanh²(νcosψ₀), где ν - фазовый набег восстанвливающей волны, проходящей сквозь голограмму, ψ₀ - величина азимутального угла падения восстанавливающего пучка, будет меняться в зависимости от его значений. На Фиг.3 приведен пример такой зависимости при разных значениях параметра ν. Видно, что при ψ₀=0 дифракционная эффективность (ДЭ) максимальна, а при отклонении от этого значения ДЭ резко уменьшается, и при

обращается в нуль, независимо от величины параметра ν.In this case, as shown in [3, Hyunkwon Shin, Myeongkyu Lee Holographic angle multiplexing combined with peristrophic multiplexing in a photorefractive LiNb03 crystal // Optics Communications. - 2007. - 269. - P.299-303], diffraction efficiency η of the volume reflective hologram, which characterizes the brightness of the reconstructed image and is expressed by the formula η = tanh ² (νcosψ ₀ ), where ν is the phase incursion of the recovery wave passing through the hologram, ψ ₀ - the azimuthal angle of incidence of the regenerating beam will vary depending on its values. Figure 3 shows an example of such a dependence for different values of the parameter ν. It can be seen that at ψ ₀ = 0 the diffraction efficiency (DE) is maximum, and when deviating from this value, DE sharply decreases, and at

vanishes, regardless of the value of the parameter ν.

Известен способ записи и восстановления изобразительных голограмм [1], представляющих собой двумерный массив из элементарных голограмм (holopixels). Согласно одному из вариантов этого способа одну из элементарных голограмм записывают на одном из участков регистрирующей среды путем интерференции пары референтного R и сигнального S₁ пучков, располагающихся по разные стороны регистрирующей среды и пересекающихся под некоторым фиксированным углом θ в меридиональной плоскости и азимутальным углом ψ₀=0. Следующую элементарную голограмму записывают на другом, соседнем, участке регистрирующей среды путем ее перемещения и интерференции пары референтного R и сигнального S₂ пучков, пересекающихся под тем же самым углом θ в меридиональной плоскости и азимутальным углом ψ₀=0.A known method of recording and restoring graphic holograms [1], which is a two-dimensional array of elementary holograms (holopixels). According to one variant of this method, one of the elementary holograms is recorded on one of the sections of the recording medium by interference of a pair of reference R and signal S ₁ beams located on opposite sides of the recording medium and intersecting at a certain fixed angle θ in the meridional plane and azimuthal angle ψ ₀ = 0. The next elementary hologram is recorded on another, neighboring, section of the recording medium by moving it and interfering the pair of reference R and signal S ₂ beams intersecting at the same angle θ in the meridional plane and azimuthal angle ψ ₀ = 0.

Для достижения максимальной яркости изображения, восстановленного из таких изобразительных голограмм, необходимо для всех элементарных голограмм обеспечить значение углов падения восстанавливающих пучков, идентичное значениям углов референтных пучков при записи голограммы. Это можно реализовать с помощью направленного под необходимым углом относительно голограммы пучка параллельных световых лучей, например, от прожектора или от солнца.To achieve maximum brightness of the image reconstructed from such fine holograms, it is necessary for all elementary holograms to provide the value of the angles of incidence of the regenerating beams identical to the angles of the reference beams when recording the hologram. This can be realized using a beam of parallel light rays directed at a necessary angle relative to the hologram, for example, from a searchlight or from the sun.

На практике (на выставках, в аудиториях или небольших помещениях) для восстановления голограмм обычно используются источники белого света с расходящимися лучами (так называемые точечные источники света с переменным значением углов θ и ψ). В этом случае не соблюдается требование совпадения углов падения референтных пучков при записи голограмм в соответствии со способом [1] и восстанавливающих пучков одновременно для всех элементарных голограмм, что приводит к снижению яркости восстановленных изображений некоторых из них и появлению аберраций (искажений) этих изображений. Кроме того, при изменении углов падения восстанавливающих лучей в тангенциальном и азимутальном направлениях, возникающем при наблюдении восстановленного изображения с различных ракурсов, степень несовпадения этих углов увеличивается, поэтому яркость восстановленного изображения значительно уменьшается, а аберрации усиливаются. Таким образом, описанный в [1] способ записи и восстановления изобразительных голограмм имеет существенные недостатки.In practice (at exhibitions, in classrooms or in small rooms), holograms are usually restored using white light sources with diverging rays (the so-called point light sources with variable angles θ and ψ). In this case, the requirement of coincidence of the incidence angles of the reference beams when recording holograms in accordance with the method of [1] and the recovering beams simultaneously for all elementary holograms is not met, which leads to a decrease in the brightness of the reconstructed images of some of them and the appearance of aberrations (distortions) of these images. In addition, when changing the angles of incidence of the regenerating rays in the tangential and azimuthal directions, which occurs when observing the reconstructed image from different angles, the degree of mismatch of these angles increases, so the brightness of the reconstructed image is significantly reduced, and the aberrations are enhanced. Thus, the method for recording and restoring fine holograms described in [1] has significant drawbacks.

Известен способ записи и восстановления изобразительных голограмм [4, Klug Michael Anthony, Holzbach Mark Evan, Ferdman Alejandro Jose. Method and apparatus for recording one-step, full-color, full-parallax, holographic stereograms // USA Patent # 7813018. Publication Date: 2010-10-12], являющийся прототипом заявляемого изобретения. Согласно этому способу одну из элементарных голограмм записывают на одном из участков регистрирующей среды путем интерференции пары референтного R₁ и сигнального S₁ пучков, располагающихся по разные стороны регистрирующей среды и пересекающихся под некоторым углом с параметрами θ₁ в меридиональной плоскости и ψ₁ в азимутальном направлении в соответствии с углами расходимости лучей точечного восстанавливающего источника. Следующую элементарную голограмму записывают на другом, соседнем, участке регистрирующей среды путем ее перемещения и интерференции пары референтного R₂ и сигнального S₂ пучков, пересекающихся под углом с параметрами θ₂ в меридиональной плоскости и ψ₂ в азимутальном направлении в соответствии с углами расходимости лучей точечного восстанавливающего источника. Изменение параметров θ и Ψ обеспечивают с помощью специального оптического устройства.There is a method of recording and restoring fine holograms [4, Klug Michael Anthony, Holzbach Mark Evan, Ferdman Alejandro Jose. Method and apparatus for recording one-step, full-color, full-parallax, holographic stereograms // USA Patent # 7813018. Publication Date: 2010-10-12], which is the prototype of the claimed invention. According to this method, one of the elementary holograms is recorded on one of the sections of the recording medium by interference of a pair of reference R ₁ and signal S ₁ beams located on opposite sides of the recording medium and intersecting at some angle with parameters θ ₁ in the meridional plane and ψ ₁ in the azimuthal direction in accordance with the angles of divergence of the rays of a point reducing source. The next elementary hologram is recorded on another, neighboring, section of the recording medium by moving it and interfering with the pair of reference R ₂ and signal S ₂ beams intersecting at an angle with parameters θ ₂ in the meridional plane and ψ ₂ in the azimuthal direction in accordance with the angles of divergence of the rays of the point regenerating source. Changing the parameters θ and Ψ provide using a special optical device.

Этот способ записи и восстановления изобразительных голограмм не обеспечивает одинаковых значений яркости восстановленных изображений одновременно всех элементарных голограмм при изменении значения азимутального угла восстанавливающего точечного источника в случае рассматривания голограммы с различных ракурсов, поскольку значения азимутального угла восстанавливающего и референтного пучков для них оказываются разными (в частности, ψ₀≠ψ₁ и ψ₀≠ψ₂). Поэтому указанный способ записи изобразительных голограмм имеет недостаток.This method of recording and reconstructing image holograms does not provide the same brightness values of the reconstructed images at the same time for all elementary holograms when changing the azimuthal angle of the reconstructing point source when viewing the hologram from different angles, since the azimuthal angles of the reconstructing and reference beams for them turn out to be different (in particular, ψ ₀ ≠ ψ ₁ and ψ ₀ ≠ ψ ₂ ). Therefore, this method of recording fine holograms has a drawback.

Предлагаемый способ записи и восстановления изобразительных голограмм, основанный на формировании массива элементарных голограмм на поверхности регистрирующей среды путем интерференции референтного и сигнального пучков, располагающихся по разные стороны регистрирующей среды и пересекающихся под некоторым углом, устраняет этот недостаток и обеспечивает одинаковое значение яркости восстановленных изображений всех элементарных голограмм при произвольном значении азимутального угла восстанавливающего пучка.The proposed method for recording and restoring graphic holograms, based on the formation of an array of elementary holograms on the surface of the recording medium by interference of the reference and signal beams located on opposite sides of the recording medium and intersecting at a certain angle, eliminates this drawback and provides the same brightness value of the restored images of all elementary holograms at an arbitrary value of the azimuthal angle of the recovery beam.

Технический результат достигается за счет того, что каждую из элементарных голограмм записывают путем интерференции сигнального и совокупности референтных пучков, эти референтные пучки располагают на воображаемой конической поверхности непрерывно относительно друг друга (Фиг.4), при этом референтные пучки сводят в одну точку регистрирующей среды. При восстановлении голограммы используют пучок лучей от точечного источника белого света, угол падения которого изменяют в азимутальном направлении в пределах 2π радиан для наблюдения восстановленного изображения с любого ракурса.The technical result is achieved due to the fact that each of the elementary holograms is recorded by interference of the signal and the set of reference beams, these reference beams are placed on an imaginary conical surface continuously relative to each other (Figure 4), while the reference beams are brought to one point of the recording medium. When restoring a hologram, a beam of rays from a point source of white light is used, the angle of incidence of which is changed in the azimuthal direction within 2π radians to observe the reconstructed image from any angle.

Заявляемый способ записи голограмм проверен экспериментально. Оптическая схема экспериментальной установки изображена на Фиг.5. Здесь 1 - лазер, 2 - светоделитель, 3 - тракт сигнального пучка, 4 - тракт референтного пучка, включающий устройство 5 уравнивания длины оптического пути сигнального и референтного пучков, 6 - дифракционный аксикон (дифракционная кольцевая решетка [5, I.A.Mikhaltsova, V.I.Nalivaiko, and I.S.Soldatenkov. Kino form axicons. // Optik. 1984. - Vol.67. - P.267-278]), 7 - объектив, 8 - диафрагма, блокирующая пучок нулевого порядка дифракции на аксиконе, 9 - объектив, 10 - регистрирующая среда.The inventive method of recording holograms tested experimentally. The optical design of the experimental setup is shown in FIG. 5. Here 1 is a laser, 2 is a beam splitter, 3 is a signal beam path, 4 is a reference beam path, including a device 5 for equalizing the optical path length of the signal and reference beams, 6 is a diffraction axicon (diffraction ring grating [5, IAMikhaltsova, VINalivaiko, and ISSoldatenkov. Kino form axicons. // Optik. 1984. - Vol.67. - P.267-278]), 7 - lens, 8 - diaphragm blocking the zero-order diffraction beam on the axicon, 9 - lens, 10 - recording medium.

Пучок света от лазера 1 направлялся на светоделитель 2, с помощью которого формировались тракт сигнального пучка 3 и тракт референтного пучка 4. Расположенное по ходу луча света устройство 5 содержало четыре плоских зеркала, установленных на определенном расстоянии друг от друга так, что выравнивались длины оптического пути сигнального и референтного пучков. Далее пучок света направлялся на дифракционный аксикон (кольцевую дифракционную решетку) 6, на выходе которой образуются пучки нулевого и первого порядков дифракции, после объектива 7 пучок нулевого порядка дифракции блокировался диафрагмой 8, а пучок первого порядка дифракции трансформировался в распределение света в виде кольца (Фиг.6), которое после объектива 9 преобразовывалось в совокупность референтных пучков, располагавшихся на воображаемой конической поверхности непрерывно относительно друг друга и сходящихся в плоскости регистрирующей среды 10. Навстречу совокупности референтных пучков направлялся сигнальный пучок 3 и в объеме регистрирующей среды, в качестве которой использовался толстослойный голографический фотополимерный материал, формировалась отражательная голограмма. Полученная голограмма освещалась с помощью точечного источника белого света, при этом направление падения восстанавливающего пучка света варьировалось в азимутальном направлении, а яркость восстановленного изображения наблюдалась визуально, а также измерялась с помощью спектрометра, и оставалась постоянной при изменении значения азимутального угла ψ₀ восстанавливающего пучка в пределах 2π радиан. Кроме того, дифракционная эффективность (ДЭ) η₁ полученной голограммы сравнивалась с ДЭ η₀ эталонной объемной отражательной голограммы, полученной путем интерференции двух плоских волн, направленных навстречу друг другу. Эти величины оказались равными соответственно 40% и 60%, что демонстрирует возможность получения высокой ДЭ голограмм, записываемых в соответствии с заявляемым способом.The beam of light from the laser 1 was directed to a beam splitter 2, with the help of which a signal beam path 3 and a reference beam path 4 were formed. The device 5 located along the path of the light beam contained four flat mirrors mounted at a certain distance from each other so that the optical path lengths were aligned signal and reference beams. Next, the light beam was directed to the diffraction axicon (ring diffraction grating) 6, at the output of which beams of zero and first diffraction orders were formed, after lens 7, the zero-order diffraction beam was blocked by aperture 8, and the first-order diffraction beam was transformed into a light distribution in the form of a ring (Fig. .6), which after lens 9 was transformed into a set of reference beams located continuously on an imaginary conical surface relative to each other and converging in the plane of riruyuschey medium 10. Towards the plurality of reference beams directed signal beam 3 and in the bulk of the recording medium, which has been used as thick-layer holographic photopolymer material formed reflection hologram. The resulting hologram was illuminated using a point source of white light, while the direction of incidence of the recovering light beam was varied in the azimuthal direction, and the brightness of the reconstructed image was observed visually, and was also measured using a spectrometer, and remained constant when the azimuthal angle ψ _{0 of the} recovering beam changed within 2π radians. In addition, the diffraction efficiency (DE) η _{1 of the} obtained hologram was compared with the DE η _{0 of the} reference volume reflective hologram obtained by interference of two plane waves directed towards each other. These values turned out to be equal to 40% and 60%, respectively, which demonstrates the possibility of obtaining high DE holograms recorded in accordance with the claimed method.

Таким образом, эксперименты подтвердили работоспособность заявляемого способа записи и восстановления изобразительных голограмм.Thus, the experiments confirmed the efficiency of the proposed method of recording and restoration of fine holograms.

Claims

1. A method of recording and restoring graphic holograms based on the formation of an array of elementary holograms on the surface of the recording medium by interference of the reference and signal beams located on opposite sides of the recording medium and intersecting at a certain angle, characterized in that each of the elementary holograms is recorded by signal interference and a set of reference beams, these reference beams are placed on an imaginary conical surface continuously relative to each other, while the reference beams are brought to one point of the recording medium, when restoring the hologram, a beam of rays from a point source of white light is used, the angle of incidence of which is changed in the azimuthal direction within 2π radians to observe the reconstructed image from any angle.

2. The method according to claim 1, characterized in that for the formation of a set of reference beams located on an imaginary conical surface, use the axicon diffraction element (annular diffraction grating).