Evaluation of the applicability of Benton's holography for heterogeneities visualization of phase objects.pdf Сформулируем понятие «фазовые объекты», опираясь на определение, данное Максом Борном и Эмилем Вольфом в их основополагающей работе [1]. Согласно их трактовке, фазовые объекты - это объекты, которые изменяют только фазу падающего излучения, но не амплитуду; они практически не поглощают световые волны. Так как регистрирующие приборы фиксируют изменение интенсивности света, то визуализация неоднородностей таких объектов часто затруднена. В голографии под фазовыми объектами понимаются любые объекты, меняющие только фазу падающего на них света, при этом изменениями амплитуды можно пренебречь. Голограмма Бентона - голограмма сфокусированного изображения, допускающая восстановление источником излучения со сплошным спектром, т.е. источником белого света, например, лампой накаливания [2, 3]. Это возможно за счет ограничения спектра пространственных частот в одном (как правило, вертикальном) направлении путем пропускания излучения от объекта через узкую и длинную горизонтальную щель. На первом этапе объект записывается на первичную голограмму (голограмму Френеля [4, 5]). На втором этапе с первичной голограммы восстанавливают действительное изображение, при этом голограмму закрывают экраном со щелью. Тогда изображение будет восстанавливаться только с узкой полоски на голограмме. Это изображение записывается на итоговую голограмму. При восстановлении итоговой голограммы белым светом будет восстанавливаться и изображение щели, которое будет занимать разное положение в пространстве для различных длин волн, образуя сплошную радужную полосу. Глаз наблюдателя, помещенный в область восстановленного изображения щели, вырезает из этого спектра одну составляющую, поэтому наблюдатель видит изображение объекта, восстановленное светом определенной длины волны. При смещении глаз наблюдателя по вертикали цвет изображения меняется, при смещении по горизонтали объект можно рассматривать с разных сторон (горизонтальный параллакс). Поэтому голограммы Бентона называют радужными или голограммами с ограничением спектра пространственных частот. Голографические методы довольно часто используются при построении оптических схем в целях неразрушающего контроля самых разных изделий [6-8]. Основным их недостатком является качественный характер информации, получаемой от объекта. Получение количественной информации нередко требует сложных вычислений и применения дорогостоящих устройств [9-11], что не всегда оправдано. Однако иногда, например, на первом этапе визуальной отбраковки изделий, такие методы могут быть весьма полезны. Радужную голограмму можно записать без объекта, т.е. записать только щель. Тогда при восстановлении наблюдатель (в области восстановленного изображения щели) будет видеть чистое волновое поле, без объекта (цвет меняется при смещении глаз по вертикали). Фазовый объект, помещенный в волновое поле, восстановленное радужной голограммой, искажает это поле. В этом случае объект размещается сразу за голограммой, которая работает как оптический элемент. Лучи, прошедшие через объект, отклоняются от направлений, которые имели бы эти лучи, если бы объекта не было. Эти отклонения обусловлены преломляющими свойствами объекта, зависящими от формы его поверхности и показателя преломления (т.е. от его однородности). Если в восстановленном радужной голограммой волновом поле нет объекта, то наблюдатель видит яркий светящийся фон, цвет которого меняется от фиолетового до красного при смещении по вертикали глаз наблюдателя, но одинаков во всех точках поля для каждого фиксированного положения наблюдателя. Если же в восстановленном голограммой поле находится фазовый объект, то вносимые им искажения проявляются в изменении цвета объекта по сравнению с цветом фона (там, где нет объекта) для каждого фиксированного положения глаз наблюдателя. В качестве пояснения рассмотрим рис. 1. Объект 3 имеет произвольную форму, обозначен стрелкой для упрощения рисунка. Пусть сначала объект отсутствует. Зафиксируем положение глаз наблюдателя, например, в точке А2, при котором в отсутствие объекта наблюдатель видит однородное светящееся поле зеленого цвета. В присутствии объекта направление преломленного луча изменится на некоторый угол , величина которого зависит от преломляющих свойств фазового объекта. Тогда «зеленый» луч придет уже не в точку А2, а в точку А1. Аналогично все лучи, прошедшие через объект, создадут в плоскости наблюдения радугу, смещенную относительно радуги, созданной светом, не прошедшим через объект. Поэтому цвет объекта будет отличаться от цвета фона. Рис. 1. Схема для оценки угловой чувствительности: 1 - источник белого света; 2 - радужная голограмма; 3 - объект; 4 - плоскость наблюдения; А1 - точка, в которую попадает преломленный объектом луч; А2 - точка, в которую попадает луч в отсутствие объекта Если однородный прозрачный фазовый объект имеет не слишком сложную форму поверхности, то при наблюдении такого объекта вышеописанным способом он будет выглядеть окрашенным однородно или с плавными переходами от одного оттенка радуги к другому. Если же имеются вкрапления внутри объекта, резко отличающиеся по показателю преломления от его основного материала, или изгибы, неровности на поверхности объекта, то соответствующие области будут выделены цветом, отличающимся от цвета прилегающих участков объекта. Таким образом, преломляющие свойства фазового объекта однозначно связаны с его цветом, который определяется той составляющей спектра, которую вырезает зрачок глаза наблюдателя из «размазанного» в радугу изображения щели. Изменения же показателя преломления приводят к смещению этой радуги в пространстве, поэтому наблюдатель будет видеть неоднородности, цвет которых отличается от цвета объекта. Из этого следуют некоторые практические применения описанного эффекта, связанные с возможностью контроля вариаций показателя преломления и формы фазовых объектов. Так, любые неоднородности или изгибы поверхности пропускающего свет объекта, освещенного, как показано на рис. 1, будут выделены цветом. Отметим, что для зеркально отражающих фазовых объектов данный эффект также имеет место, только схема в этом случае должна быть построена так, чтобы обеспечить освещение объекта не на просвет, а на отражение и, конечно, в этом случае нет смысла говорить о показателе преломления, а только о контроле формы поверхности. Чувствительность такого метода зависит от порога цветоразличения человеческого глаза, т.е. от минимальной разности длин волн , цвета которых глаз еще различает. Общий вид зависимости порога цветоразличения известен [12, 13]. Пренебрегая резким увеличением на краях спектра, для оценки чувствительности метода можно считать значение равным 5 нм. Оценим угловую чувствительность, т.е. угол (рис. 1), соответствующий минимальной разности длин волн . Длина участка радуги , соответствующая порогу цветоразличения , будет равна (рис. 1) , (1) где l - расстояние от объекта до плоскости наблюдения 4; r - длина преломленного луча. Для данной оценки мы считаем, что объект помещен так близко к голограмме, как это возможно. Поэтому расстоянием от объекта до голограммы и толщиной объекта пренебрегаем по сравнению с расстоянием l. Тогда . (2) Если обозначить интервал длин волн видимого спектра , а длину радуги по вертикали (в направлении разложения в спектр) обозначить b, то . Подставим это значение в (2): . (3) Оценим значение для типичных параметров схем записи и восстановления голограмм с ограничением спектра пространственных частот. Плоскость наблюдения находится обычно на расстоянии наилучшего зрения, поэтому , а угол между направлениями объектной и опорной волн (определяющий угол обзора) , тогда . Длина радуги в вертикальном направлении в этом случае , что подтверждается экспериментами, описанными в работе [14]. Интервал длин волн видимого спектра , а, как сказано выше, порог цветоразличения . Тогда угловая чувствительность . Таким образом, угловая чувствительность невысока, по этому показателю данный метод существенно уступает теневому и поляризационному методам [15-20], но выигрывает в простоте настройки оптической схемы и, как следствие, дает выигрыш во времени. Поэтому данный метод может быть полезен на первом этапе грубой отбраковки изделий, удовлетворяющих приведенному выше определению фазового объекта, который меняет фазу падающего излучения, но не меняет его амплитуду. Например, это могут быть разного рода оптические элементы - линзы, плоскопараллельные пластины и т.п. Этап грубой отбраковки подразумевает необходимость быстро отсеять изделия с неоднородностями и напряжениями или с отклонениями от заданной формы поверхности. При этом качество изделия контролируется визуально, не прибегая к использованию сложных приборов и методик, что, безусловно, является главным достоинством описанного метода.

Скачать электронную версию публикации