CC BY
38
УДК 004.9
Мешалкин А. Ю., Лошманский К. С., Казак В. О.
КОМПЬЮТЕРНЫЙ СИНТЕЗ ГОЛОГРАММ И ИХ ЗАПИСЬ НА СВЕТОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ РЕГИСТРИРУЮЩИЕ СРЕДЫ
Институт прикладной физики, Кишинев, Молдова
Аннотация. Предложен метод компьютерного синтеза голограмм Френеля и их запись на светочувствительные регистрирующие среды, основанный на использовании пространственного модулятора света. Компьютерный синтез голограмм основан на численном моделировании с применением двумерного преобразования Фурье к изображениям объектного и опорного пучков, включающих амплитудную и фазовую составляющие. Разработанный метод позволяет также провести обратную операцию - восстановление синтезированной голограммы с получением оригинального амплитудного и фазового изображения. Сравнение экспериментально восстановленного изображения записанной голограммы и смоделированного восстановленного изображения позволяют сделать вывод о возможности практического использования предлагаемого метода для записи голограмм объектов.
Ключевые слова: цифровая голография, компьютерный синтез голограмм, запись фазовых голограмм, светочувствительные регистрирующие среды.
Развитие информационных технологий и вычислительной техники обусловливают перманентный рост интереса исследователей к синтезированным и цифровым голограммам. Под синтезированными голограммами обычно понимаются рассчитанные с помощью компьютера и отображенные на носителе голограммы, предназначенные для непосредственного физического восстановления в когерентном излучении. Синтезированная голограмма представляется в виде цифрового изображения, которое с помощью пространственного модулятора света непосредственно проецируется на голографический носитель; после экспонирования в носителе формируется дифракционная структура с желаемыми характеристиками, обеспечивающими восстановление изображения исходного объекта. Преимущество компьютерного синтеза голограмм заключается в отсутствии необходимости использования интерференционных схем голографической записи, что позволяет существенно упрощает всю систему в целом.
В качестве объекта для создания голограмм использовали амплитудный объект - текст «MD». Задавая такие параметры как дистанцию распространения луча от объекта до плоскости регистрации, длину волны записывающего излучения и угол схождения лучей (объектного и опорного) получали голограмму в виде двумерной картины с интерференционными полосами различной интенсивности. В качестве алгоритма распространения изображения использовали метод распространения углового спектра плоских волн (angular spectrum method). Моделирование разработанных алгоритмов синтеза и восстановления голограмм проводили в среде программирования Matlab.
На рис. 1 показан графический объект, из которого формировалась голограмма, и синтезированная голограмма изображения объекта после распространения до плоскости регистрации (z=100 мм).
Формирование синтезированных голограмм в результате интерференции объектной и опорной
Рис. 1. Графический объект, из которого формировалась голограмма, и синтезированная голограмма объекта после распространения до плоскости регистрации (г=100 мм)
Научные стремления. Выпуск 26
волн после распространения объектного луча получали по внеосевой схеме регистрации, в качестве опорного луча использовали плоский волновой фронт с интенсивностью, равной средней интенсивности объектного пучка [1]. Синтезированная голограмма представляет собой матрицу элементов различной интенсивности, от 0 до 255, где 0 - соответствует нулевой интенсивности, 255 - максимальной интенсивности. На рис. 2 показана сформированная голограмма, и увеличенный участок этой голограммы.
Для записи синтезированной голограммы на регистрирующую среду использовался одно-частотный БР88 лазер 532 нм, 100 мВт и жидкокристаллический пространственный модуля-
тор света ЬС 2002 (Но1оеуе). Модулятор работает на основе прозрачной ЖК-панели (ЬС) с разрешением 800 х 600 пикселей и размером пикселя 32 мкм. Модулятор осуществляет фазовую и амплитудную модуляции в зависимости от конфигурации системы. В нашем случае мы использовали фазовую модуляцию света. Фазовый сдвиг, который обеспечивает модулятор составляет 2тг на 450 нм, около 1.8 п на 532 нм и примерно 1 к на 800 нм. Перевод изображения на регистрирующую среду осуществлялся с помощью телескопической системы 4Е На рис. 3 показана оптическая схема записи синтезированных голограмм на регистрирующую среду с помощью пространственного модулятора света.
Рис. 3. Оптическая схема записи синтезированных голограмм на многослойную структуру. МО - микрообъектив, РН - точечная диафрагма (pinhole), L - линзы, SLM - пространственный модулятор света, S - регистрирующая среда
На модулятор подавали изображение синтезированной голограммы, которое переносилось и записывалось в виде рельефно-фазовой картины на регистрирующую среду [2, 3]. В качестве регистрирующей среды для записи синтезированных голограмм использовали многослойную структуру Ав^-Бе [4].
Следующим этапом было моделирование численными методами восстановленной дифракционной картины из синтезированной голограммы. Одним из самых известных методов восстановления цифровых голограмм, является алгоритм двой-
ного преобразования Фурье с фильтрацией в частотной плоскости. Полученная синтезированная голограмма была восстановлена данным методом с получением общей картины дифракции. Далее синтезированная голограмма были записаны на регистрирующую среду на базе халькогенидных стекол. После записи голограммы дифракцию света на записанном образце наблюдали в проходящем свете с помощью красного лазера (А,=650 нм, Р=5м-Вт). Смоделированная и реально-полученная дифракционная картина записанной голограммы «МБ» показаны на рис. 4.
а
б
Рис. 4. Смоделированная (а) и реально-полученная (б) дифракционная картина записанной голограммы «MD»
Список использованных источников
1. Cazac V., Meshalkin A., Achimova Е., Abashkin V., et.al. Surface relief and refractive index gratings patterned in chalcogenide glasses and studied by off-axis digital holography. Applied Optics. 2018. Vol. 57. Issue 3. pp. 507-513.
2. Achimova E., Stronski A., Abaskin V., Meshalkin A., et.al. Direct surface relief formation on As2S3-Se nanomultilayers in dependence on polarization states of recording beams. Optical Materials. 2015. Vol. 47. pp. 566-572.
3. Stronski, A.; Achimova, E.; Paiuk, O.; Meshalkin, A.; et. al. Holographic and e-beam image recording in Ge5As37S58-Se nanomultilayer structures. Nanoscale Research Letters, 2016, 11(39), 1-7.
4. Meshalkin, A. Y. Reversible polarization recording in As2S3-Se multilayer nanostructures. Surf. Engin. Appl. Electrochem. 2018. Vol. 54. p. 407^14.
Meshalkin A., Loshmanski K., Kazak V.
COMPUTER SYNTHESIS OF HOLOGRAMS AND THEIR RECORDING ON PHOTOSENSITIVE RECORDING MEDIA
Institute of Applied Physics, Chisinau, Moldova
Summary. A method for the computer synthesis of Fresnel holograms and their recording on photosensitive recording media based on the use of a spatial light modulator is proposed. Computer synthesis of holograms is based on numerical modeling using the two-dimensional Fourier transform to images of the object and reference beams, including the amplitude and phase components. The developed method also allows for the inverse operation — reconstruction of the synthesized hologram with obtaining the original amplitude and phase image. Comparison of the experimentally reconstructed image of the recorded hologram and the simulated reconstructed image allows us to conclude that it is possible to practically use the proposed method for recording holograms of objects.
Keywords: digital holography, computer synthesis of hologram, phase hologram recording, photosensitive recording media.
