Голографические методы получения изображения, основанные на штриховой стереографии

*.

Голография является одним из наиболее значительных, можно даже сказать, одним из удивительных достижений науки за последнюю четверть нашего века. Сама идея записи волнового фронта за счет эффектов интерференции и дифракции была высказана ныне лауреатом нобелевской премии Д. Табором ещё в 1947 г [1,2]. А практическая реализация идеи Габора на современном уровне была осуществлена в 1962 году российским физиком Ю. Н. Денисюком, [3,4,5] и американцами Е. Лейтом и Дж. Упатником [6,7], предложившими независимо друг от друга голо графические приёмы запи- * си и восстановления волнового фронта.

В настоящее время голография нашла м н ог о ч и с л е н н ы е применения как в научно-технических приложениях, гак и в изобразительной технике, переходя в ряде случаев грань, отделяющую ёе от искусства.

Среди научно-технических приложений голографии следует ¦ отметить ёе использование при исследовании бысгропротекающих.

• процессов, когда запись происходит при помощи импульсного излучения, а восстановление — излучением непрерывного лазера. Названный метод позволяет изучать процессы, длительность которых достигает десятков наносекунд.

Другое применение голографии — это голографическая интерферометрия. Преимущество голографической интерферометрии от обычной заключается в том, что в ней на один-два порядка снижается требование к качеству оптических элементов интерферометров, а область ёе применения впервые распространилась на изделия с произвольной кривизной и чистотой обработки поверхности.

Принципиально новым направлением голографии является голографическая оптика, позволившая получать компактные, гого- • ские и недорогие оптические элементы, во многих случаях не имеющие своего оптического аналога.

Голография дала новый импульс оптической обработке информации, в частности — распознаванию образов.

В изобразительной технике голография позволяет создать объёмные копии исторических реликвий, музейных экспонатов, произведений искусства и ювелирных изделий. Кроме этого она всё больше и больше используется в рекламном деле. ?

Наконец, в настоящее время возникло и развивается новое применение голограмм как оптических меток, защищающих от под- ¦ делок ответственных документов: удостоверения личности, визы, водительские удостоверения и т. д., а также ценные документы: акции, векселя, сертификаты и т. д. [8,9]. В связи с развитием рыночных отношений в нашей стране названое применение голографии приобретает особую значимость и актуальность.

Преимуществом оптических меток рассматриваемого типа яв- * ляется то обстоятельство, что их нельзя подделать на индивидуальном, кустарном уровне. Микроструктура голограммы, имеющая характерные размеры микрон и менее, не может быть повторена вручную или скопирована на полиграфическом оборудовании, например, ксероксе. После попытки такого копирования микроструктура пропадает и вместе с ней — характерная радужная окраска, образующаяся в результате дифракции света на этой микроструктуре. Таким образом, подделка на индивидуальном, кустарном уровне легко обнаруживается визуально.

Обсудим теперь кратко возможности и перспективы применения различных типов голограмм как оптических меток, препятствующих подделке ответственных документов и ценных бумаг.

В настоящее время известно несколько типов голограмм, которые можно использовать как оптические метки. Начнем краткое* обсуждение с голограммы, полученной по методу Ю. Н. Денисюка [3,4,5]. В названном методе интерференционную картину, составляющую микроструктуру голограммы, можно описать, в среднем, как набор плоскостей, отстоящих друг от друга на половину длины волны и параллельно плоскости регистрирующей среды. В результате такой регистрации в голограмме записывается информация о направлении распространения объектного волнового поля и его спектральном составе. Соответственно, при восстановлении волно- «вого фронта передаётся распределение цвета по объекту и, в зависимости ог условий освещения голограммы, восстанавливается либо «первоначальное, либо сопряжённое изображение.

Голограмму, записанную методом Ю. Н. Денисюка на фотоплёнку, можно было бы использовать для защиты документов и ценных бумаг от подделки. Но в настоящий момент такие голограммы не нашли пока широкого применения в данной сфере. Причина кроется в том что, время тиражирования и себестоимость их на * порядок больше по сравнению с радужной голограммой, в силу чего последние более конкурентно способны.

В пропускающих голограммах интерференционные полосы, составляющие их микроструктуру, расположены перпендикулярно поверхности регистрирующей среды, то есть на ней регистрируется как бы плоский срез объёмной интерференционной картины, образованной объектным и опорным волновыми полями. В результате этого при записи сохраняется информация о направлении распространения объектного поля, при этом первоначальное и сопряженное волновые поля восстанавливаю гея одновременно. Также одновременно восстанавливаются изображения, со отв етству ющие различным спектральным составляющим. Они отличаются по масштабу и локализации в пространстве, в результате чего суммарное изображение оказывается размытым. В отличие от голограммы Ю. Н.• Денисюка, пропускающие голограммы могут записываться, в част- ^ носги, в виде модуляции поверхностного рельефа, что обеспечило широкое распространение одной из разновидностей пропускающих голограмм — радужной голограммы, которую можно восстановить в белом свете. В радужных голограммах, предложенных С. Бентоном [10,11,12], в процессе записи значительно ограничивается спектр пространственных частот объектного волнового поля в вертикальном направлении. Такое дополнительное ограничение информации «о записанном объекте приводит к тому, что спекгры временных и пространственных частот при просмотре восстановленного изобра- * жения не перекрываются, и в плоскости наблюдения образуется только временной спектр освещающего излучения, имеющий вид радуги. Зрачок глаза наблюдателя вырезает узкий участок спектра, тем самым монохроматизирует восстановленное изображение, а смещение головы наблюдателя по вертикали приводит к изменению цвета изображения, воспринимаемого наблюдателем. Таким обра- * зом, происходит произвол в выборе цвета восстановленного изо* бражения. Радужная голограмма может быть записана в виде модуляции поверхностного рельефа регистрирующей среды и затем тиражироваться тиснением, то есть методом, близким к полиграфии [13,14]. Этим обусловлена их низкая себестоимость, которая позволяет широко применять радужные голограммы как оптические метки при защите ценных бумаг и документов от подделок, что и можно наблюдать в настоящий момент времени. Кроме этого, радужную голограмму можно использовать в рекламе и как иллюстрации в книгах, например, в учебниках, для изображения предметов искусства, живописи и т. д. Для создания многоцветного изображения можно также применять фотографию с несущей пространственной частотой и спекл-фотографию [15,16]. Информация о записанном объекте при этом уменьшается ещё больше, в результате чего вое-* станавливаются только плоское двухмерное изображение объекта,. которое тоже можно записать при помощи модуляции поверхностного рельефа регистрирующего слоя. Фотографии такого типа тоже широко используются при защите ценных бумаг и ответственных документов от подделок, так как на их основе можно получить многоцветные изображения, используя лазер генерирующий монохроматическое излучение.

Все классические методы записи радужных голограмм обще- • известны и достаточно полно описаны в научной литературе, поэтому любая оптическая метка, изготовленная на их основе, не мо- * жет служить надёжной защитой ценных бумаг и документов от поделок, так как технологически её изготовление общеизвестно. В настоящее время у нас и за рубежом образовались многочисленные малые предприятия, которые освоили процесс получения радужных голограмм, а остальные операции — изготовления никелевого штампа и тиснение на полимерные плёнки — выполняют по кооперации, г например, с заводами лазерных дисков и типографиями. Такие предприятия, как правило, выпускают различные голографические наклейки, эмблемы, сувениры, т. п. Вместе с этим, на таких малых предприятиях возможно наладить производство фальшивых защитных голограмм. В пользу этою говорит, например, такой факт, что на московском «Митинском» радио-рынке полулегально продают защитные голограммы для аудио — кассет. В связи с этим крупные фирмы, специализирующиеся в производстве таких голограмм, вынуждены постоянно вести дальнейшие разработки в данном направлении, которые бы сделали невозможным или по, крайней мере, значительно затруднили бы подделку оптических меток. Так, была разработана технология, в которой напыление алюминием, обеспечивающее наблюдение изображений, восстанавливаемых тисненными голограммами в отраженном излучении, была заменена напыле-* нием полимера, значительно отличающимся по показателю преломв ления от рельефоприёмного слоя [8]. В силу этого, часть освещающего излучения идёт на восстановление изображения, а часть — проходит голограмму насквозь и отражается от защищаемого документа. Если голограмма нанесена, например, на часть фотографии владельца документа и его порядковый номер, то при попытке интерференционного копирования эта информация также будет воспроизведена и сделает подделку бессмысленной.

Кроме того, была разработана технология записи голограмм в ультрафиолетовом излучении [9], при этом скопировать их с помо- * щью лазеров видимого диапазона в принципе невозможно. В голограммы вписывают также дополнительные микроизображения, восстанавливающиеся только при специальном освещении, чтобы затруднить в дальнейшем возможность их копирования.

В результате этого возникает своеобразное соревнование между производителями радужных голограмм и теми, кто стремится их * подделать. Следует отметить, что в настоящее время все известные виды голограмм достаточно полно описаны в научной литературе так, что квалифицированный. голографист в состоянии их повторить. Следовательно, своеобразное равновесие между теми, кто изготовляет оптические метки и теми, кто их подделывает в настоящий момент смещено в пользу последних. Изменить ситуацию в пользу изготовителей оптических меток возможно только разработкой новых видов голограмм. Так как без знания физических методов и соответствующих им оптических схем записи этих голограмм их повторение на основе только известных методов невозможно.

Исходя из этого целью нашей диссертационной работы была разработка новых физических принципов и соответствующих им. методов получения голограмм, позволяющих, с одной стороны, использовать технологию массового тиражирования, а с другой стороны — защищенных от подделки в связи с тем, что без знания этих принципов повторить такие голограммы на основе известных методов невозможно.

Теоретический анализ поставленной задачи проведен в рамках скалярной теории дифракции с использованием матемагического аппарата фурье-анализа. Соответствующие эксперименты проводи- # лись на серийной установке у иг-2 м и режущем плоттере «Студи о -8» управляемым компьютером. *.

Основными задачами, которые следовало решить для достижения поставленной цели, являлись: 1. Краткий обзор-анализ литературы;

2.Поиск физических принципов получения изображений, непрерывно перемещающихся или изменяющих свой масштаб при изменении направления наблюдения- «.

3.Разработка методов получения штриховых стереограмм, восста навливающих изображения, непрерывно изменяющие свой масштаб или непрерывно переходящие из одного изображения в другое при изменении угла наблюдения и методов автоматизации их изготовления;

4.Создание оптических аналогов штриховых стереограмм, в которых существенно повышена информационная ёмкость объекта;

5. Разработка оптических схем записи голограмм, восстанавливающих в белом свете изображения непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения.

6. Получение изображения типа радужного в реальном времени.

7.Разработка способа тиснения радужной голограммы на желатиновый слой фотографии. •.

Логическая последовательность решения поставленных задач в обусловили следующее построение диссертационной работы.

Во введении кратко излагается история вопроса, после чего даётся обоснование актуальности работы и фор мул ируются цель исследования и основные задачи, решаемые в работе. Во введении также кратко описывается структура диссертационной работы и приводятся научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор-анализ первых работ [17,18,19,20,21]. принципиально нового метода получения объёмного изображенияштриховой стереограммы. Он характеризуется тем, что полученное * на его основе изображение непрерывно перемещается при изменении угла наблюдения. Дано объяснение этого эффекта.

В первой главе описан новый тип штриховой стереограммы, который заключается в следующем: Замена окружностей, соответствующих в штриховой сгереограмме точкам предмета, на циклоиды позволяет получить изображение, непрерывно изменяющее свой 4 масштаб и (или) непрерывно преобразуется одно в другое в зависимости от закона смещения центра окружности, образующей циклоиду.

В первой главе показано, что недостатком штриховой стереографии является малая её информативность. Нами было показано, что от данного недостатка можно избавится путем создания оптического аналога штриховой стереограммы, в котором волновые поля, несущие информацию о каждой точке объекта, суммируются не по интенсивности, а по комплексной амплитуде. Проведены предварительные эксперименты, показавшие перспективность предложенного решения. Штриховая стереограмма выбрана в качестве аналога новой разновидности голограмм, в которой сохраняются преимущества прототипа — возможность получения непрерывно движущихся и изменяющихся изображений и сняты ограничения на информа-* тивность предмета и восстановленного изображения.

Во второй главе найдены импульсный отклик и передаточная функция когерентной оптической системы, аналогом которой является штриховая стереограмма.

Найдена также передаточная функция аксикона и показано, что на основе аксикона возможно создать когерентную оптическую систему, аналогом которой является штриховая стереограмма. Рассмотрена схема записи голограммы с внеосевым опорном пучком ,. восстанавливающая изображение, обладающее свойством плавно смещаться при изменении угла наблюдения.

Третьей главе предложен новый вид голограммы, восстанавливающей, при освещении её обычным белым светом, радужное изображение, непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения.

Предложен новый вид голограммы, восстанавливающей, при освещении её обычным белым светом, изображение, окрашенное по • вертикали во все цвета радуги и непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения.

Рассмотрена методика получения нового типа голограммы, объединяющей свойства голограммы Ю. Н. Денисюка и голограммы восстанавливающей изображение плавно смещающееся при изменении угла наблюдения.

Получены аналитические выражения для спектрального размытая и степени монохроматичности изображения, восстановленного голограммой, объединяющей в себе свойства голограмм Л. Кросса и восстанавливающей изображение, непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения.

Предложена методика получения изображений типа радужных в реальном времени.

Четвертая глава посвящена методу теснения радужной голов граммы на желатиновый слой фотографии, а также приводится анализ изображения, восстановленного названной голограммой.

В заключении сформулированы основные результаты работы и даны их оценки.

Выполненный объём работ позволяет вынести на защиту следующие научные положения:

1. Замена окружностей, соответствующих в штриховой стерео-, грамме точкам предмета, на циклоиды позволяет получить изображение, непрерывно изменяющее свой масштаб и (или) непрерывно * преобразующееся из одного в другое в зависимости от закона смещения центра кривизны циклоиды.

2. Предложенные нами и описанные в диссертационной работе когерентные оптические системы, позволяют получать голограммы, обладающие свойствами штриховой стереограммы, отличающиеся от своего аналога тем, что они обладают существенно большей ин- • формативной ёмкостью.

3. Способ получения цветных изображений, включающий получение изображения на черно-белом слайде, помещение его в оптическую систему и проецирование на диффузно отражающую или диффузно пропускающую поверхность через диспергирующий элемент, например, призму с такими диспергирующими свойствами, чтобы величина размытия в спектр светлых линий, составляющих информативную часть изображения, была меньше расстояния между ними.

4.Способ получения дополнительных радужных изображений на фотографии, заключающийся в её глянцевании с помощью плоских или цилиндрических поверхностей, на которых находится микрорельеф, представляющий собой голограмму реального объекта или абстрактного рисунка — орнамента.

4.3. ВЫВОДЫ.

1. Существенно улучшить качество оттеснённого микрорельефа на желатиновом слое фотографии можно осуществить, обрабатывая его ультрафиолетовым излучением по методике приведённой в этой главе.

2. Дифракционная эффективность тисненного микрорельефа зависит от качества матрицы и может составлять 40% от её дифракционной эффективности. Снижение дифракционной эффективности от тисненого микрорельефа не является отрицательной характеристикой данного способа, так как до по л нител ь, но е радужное изобра- * жение не должно мешать наблюдению основного изображения.

3. В результате работы над этой главой на защиту было вынесено следующее научное положение: «Способ получения дополнительных радужных изображений на фотографии, заключающийся в её глянцевании с помощью плоских или цилиндрических поверхностей, на которых находи тся микрорельеф, представляющий собой • голограмму реального объекта или абстрактного рисунка — орна.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Подводя итоги диссертационной работы, сформулируем кратко полученные в ней результаты следующим образом:

1 .Рассмотрен новый метод получения объёмного изображения названный в работах [17,18,19,20] штриховой стереографией. Штриховая стереограмма, изготовленная данным методом, восстанавливает изображение непрерывно перемещающееся при изменении угла наблюдения, а также две её новых разновидности, предложенные нами, восстанавливающие изображение, плавно изменяющее свой поперечный масштаб или (и) трансфор мирующееся одно в другое • при изменении угла наблюдения. После разработки технологии получения оптических меток на основе штриховой сгереограммы они в течение нескольких лет могут стать надежной защитой от подделки ответственных документов и ценных бумаг. Однако, через некоторое время, когда они получат достаточно широкое распространение, их дальнейшее применение может быть затруднено в связи с. тем, что присущие им характерные свойства, названные в первой главе, будут указывать изготовителям фальшивых дубликатов цен- * ных бумаг и документов на метод получения оптических меток, защищающих данный документ от подделки.

2.Нами были рассмотрены новые физические принципы, основанные на аналогии со штриховой стереографией и разработанные соответствующие им методы получения голограмм, позволяющих, с одной стороны, использовать технологию массового тиражирования, а с друг ой стороны — защищённых от подделки в связи с тем, что без знания этих принципов повторить такие голограммы на основе известных методов невозможно. Нами были предложены методы записи следующих голограмм: 1) голограммы, восстанавливающей радужное изображение в белом свете непрерывно смещающее-, ся при изменении угла наблюдения- 2) голограммы, восстанавли.

• вающей изображение размытое во все цвета радуги в вертикальном направлении в белом свете и непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения- 3) голограммы, объединяющей в себе свойства голограмм Ю. Н. Денисюка и голограммы, восстанавливающей изображение, непрерывно смещающееся при изменении угла наблюдения.

Полученные по данным методикам голограммы доказали перспективность их в применении в качестве оптических меток при защите от подделок ценных бумаг, ответственных документов и* промышленных изделий.

3. В настоящей диссертационной работе нами был предложен в первые метод тиснения радужных голограмм на желатиновый слой фотографии, защищенный патентом Р.Ф. № 2 106 762, позволяющий решить вопрос защиты средних — и малотиражных документов и изделий от подделки. Сущность данного способа заключа-. ется в следующем. После фотообработки невысушенную фотографию подвергают операции дубления, затем накатывают к плоской * поверхности, после чего проводят операцию сушки. На названную плоскую поверхность предварительно наносят микрорельеф, представляющий собой голографическую запись одномерного, двухмерного или трехмерного объекта изображения или абстрактного рисунка-орнамента. В соответствии с предложенным технологическим процессом мокрые фотографии подвергались дублению в 25% растворе хромовых квасцов в течение 10−20 минут. Затем к фотографии прижимали (накатывали) обычным фотографическим валиком никелевый штамп, предназначенный для производства тисценных радужных голограмм. После процесса сушки фотографий, с целью повышения их влагостойкости, они дополнительно дубились, ультрафиолетовым излучением. Во всех случаях использовался из.

• лучатель суммарной мощностью 0,25 Вт, расположенный на расстоянии 0,3 м от фотографии. Излучатель состоял из двух ламп, изменяя взаимное расположение которых, можно добиваться равномерной засветки фотографии.

4. Также нами был предложен новый способ получения цветных изображений, включающий получение изображения на черно-белом слайде, помещение его в оптическую систему и проецирова ние на диффузно отражающую или диффузно пропускающую поверхность через диспергирующий элемент, например, призму с та-* кими диспергирующими свойствами, чтобы величина размытия в спектр светлых линий, составляющих информативную часть изображения, была меньше расстояния между ними.

5. Следует в заключении отметить, что штриховая стереография как метод получения объемных изображений очень перспективна в применении в рекламе. Так, например, на его основе возможно. создать объёмные изображения размером в несколько десятков квадратных метров и для наблюдения которых не требуется специ- * альных средств. Такие изображения возможно получить при помощи штриховых стереограмм, изготовленных в виде щитов наружной рекламы, освещаемых солнечным светом, фарами проезжающих автомобилей или специальным прожектором. При помощи штриховой стерео! рам мы возможно создание различных витражей, которые можно рассматривать на отражение или пропускание. Если на прозрачной основе изготовить несколько кадров в виде штриховых стереограмм и рассматривать на пропускание так, чтобы чередование кадров соответствовало их чередованию в кино, то на этом принципе возможно создать объёмное кино. При этом следует решить вопрос о непрерывном смещении изображения при изменении, угла наблюдения, а также повысить информативность штриховых стереограмм.

Материалы диссертационной работы докладывались на следующих конференциях: 1) Научно — технической конференции «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» (Россия, Украина) Декабрь. Москва. 1996; 2) Международный Симпозиум «Информационная оптика. Научные основы и технологии» (Китай,.

•.

Мексика, США, Россия, Украина, Израиль, Япония, Германия) Август. 1997. Москва- 3) Школа — симпозиум «Когерентная оптика и • голография» Сентябрь. 1997. Ярославль- 4) Научная сессия МИФИ-99. Январь. 1999. Москва.

По теме диссертационной работы были опубликованы следующие материалы:

1.D.A. Artamonov. Sei. Appl. Photo., 1997, Vol. 39(3), pp. 243−246.

2. Артамонов Д. А. // Журн. науч. и прикл. фотографии. 1997. Т. 42. N 3. С. 27.

3. D. A. Artamonov, N. G. Vlasov, V.F. Koleiehuk, A. L Topimov. Sei. Appl. Photo., 1998, Vol. 39(5), pp. 459−462.

4. Артамонов Д. А., Власов Н. Г., Штанько A.E. // Когерентная оптика и голография: Труды XXV Школы — симпозиума. Ярославль: Изд-во Я ГПУ, 1997. С. 29−33.

5.. Артамонов Д. А., Власов Н. Г., Колейчук В. Ф. Топу нов А. И.// Журн. науч. и прикл. фотография. 1997.Т.42. № 5. С. 30−32.

6. Артамонов ДА., Власов Н. Г., Иванова С. Д. // НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-99. Сборник научных трудов. В 13 томах. Т. 3. М.:. МИФИ. 1999. С. 196−197.

7. D. A. Artamonov, N.G. Vlasov, S.E. Shtanko // Computer and Holographie Optics and Image Processing. SPIE. 1997. V. 3348 pp. 197−200.

8. Фотометрия и её метрологическое обеспечение. Тезисы докладов. ВНИИОФИ. Москва 1996.

9. Патент Р. Ф. на изобретение № 2 106 762. Способ получения цветных изображений / Д. А. Артамонов, Н. Г. Власов, А. Е. Штанько.

10. Решение о выдачи патента Р.Ф. на изобретение № 283 501. Спо-. со б глянцевания фотографий / Д. А. Артамонов, Н. Г. Власов, А. Е. Штанько.

Результаты, полученные в диссертационной работе, были внедрены в МГТУ «Сганкин», что подтверждено актом внедрения (см. Приложение).