Глава VII. Образы
страница №4
...ию, такие кристаллы еще не нашли применения в практической голографии.В глубину веществ
Современной голографии, основанной на применении лазеров, неизмеримо превосходящих по когерентности все другие источники света, всего восемь лет. Что же она уже может и что обещает в будущем?
Удивительно, но голография может успешно соревноваться с обычной фотографией, применяющей объективы, даже в ее коронной области - получении плоских черно-белых изображений. Возможности обычной фотографии ограничены в двух отношениях. Разрешающая способность, то есть способность воспроизвести раздельно две мелкие детали изображения, ограничивается и качеством объектива, и качеством фотоэмульсии. В лучшем случае изображение может содержать детали размером около сотой доли миллиметра. Иногда существенна и способность эмульсии воспроизводить градацию яркости объекта. Лучшие фотоматериалы позволяют воспроизводить не более ста ступеней между наиболее белым и наиболее темным участком изображения.
Разрешающая способность голограммы зависит главным образом от ее размера, который, в свою очередь, может быть ограничен свойствами источника света. Однако в настоящее время предел разрешающей способности голограммы определяется не этим, а свойствами фотоэмульсии, на которых фиксируется голограмма. Сейчас существуют фотоэмульсии с разрешающей способностью до 10 тысяч линий на один миллиметр. Их чувствительность очень мала, так что приемлемые длительности экспозиции могут быть достигнуты только при применении лазеров.
Для многих применений чрезвычайно важно, что при голографической записи каждая точка голограммы получает информацию одновременно о всех точках объекта. Затем при восстановлении изображения каждая точка голограммы участвует в формировании каждой точки изображения, а значит, любая точка изображения синтезируется при помощи всей голограммы. Именно благодаря этому голография может реализовать рекордную разрешающую способность и передать в сто раз более подробную градацию тонов, чем это возможно для двух соседних точек фотоэмульсии. Конечно, для того чтобы воспользоваться всем богатством полутонов, записанных на голограмме, не стоит и пытаться воссоздать изображение на фотобумаге. Мы уже знаем, что фотобумага не способна к этому, и весь выигрыш будет потерян. К сожалению, впредь до разработки новых фотоматериалов богатство полутонов, записанных на голограмме, может быть реализовано лишь в научных целях, когда изображение исследуется при помощи соответствующих фотоприемников.
Чем меньший кусок голограммы используется для восстановления изображения, тем беднее гамма яркости, тем меньше разрешающая способность. Однако даже очень малая часть голограммы способна образовать изображения всего объекта целиком, хотя эти изображения содержат все меньше деталей и становятся все более однотонными по мере уменьшения площади использованной голограммы.
Естественно считать, что ближе всего к фотографии примыкает кино и телевидение, и попытаться применить к ним методы голографии. Голографическое кино уже существует, правда, оно применяется пока лишь в исследовательской работе. Малая длительность вспышек лазеров, дающих гигантские импульсы, - несколько стомиллионных долей секунды - позволяет фиксировать мгновенное распределение и движение пылинок, капелек дождя и тумана в воздухе, твердых частичек в струе газов ракетных двигателей, пузырьков и мелких организмов в потоках воды. Прокручивая кадры голограммы в медленном темпе или даже останавливая их, можно подробно изучать объемное распределение важнейших деталей, производить точные измерения или другие наблюдения, недоступные в естественных быстротечных процессах.
На пути к созданию художественных голографических кинофильмов стоят чисто технические трудности, связанные с необходимостью применения сверхъярких лазеров и созданием специальных кинопленок. Преодоление их - вопрос времени.
Огромный объем информации, записанной на голограмме, сильно затрудняет ее передачу по телевизионному каналу. Расчет показывает, что для этого нужно увеличить полосу телевизионного канала в сотни раз. Такое возможно лишь при переходе телевидения по крайней мере в диапазон миллиметровых радиоволн, Но и в этом случае необходимо радикально уменьшить диаметр электронного пучка в приемных и передающих телевизионных трубках и усовершенствовать покрытие экранов трубок.
Однако уже зарубежные опыты передачи отдельного неподвижного голографического изображения показали необычайную помехоустойчивость системы. Изображение воспроизводилось с минимальными искажениями даже тогда, когда связь не нарушалась помехами лишь 10 процентов полного времени передачи!
Первые шаги голографии были связаны с микроскопом. Электронная микроскопия достигла высокого совершенства и без применения голографии. Это отчасти лишало голографию одного из стимулов развития в первые годы ее существования. Однако возможности реализации объемного изображения вновь привлекли лазерную голографию к задачам электронной микроскопии.
По-видимому, наибольшие перспективы голографического микроскопа лежат в области ультрафиолетовых и рентгеновских лучей, где невозможно применение линзовой техники. Ведь большинство материалов непрозрачны для коротких ультрафиолетовых лучей и практически не искривляют пути распространения рентгеновских лучей. Но пока не существует рентгеновского лазера. Нет достаточно мощных лазеров в диапазоне коротких ультрафиолетовых лучей. Поэтому реализация потенциальных преимуществ голографического микроскопа - дело будущего.
Наибольшее практическое применение голография получила в технике и в исследовательской работе. Например, при изготовлении точных деталей сложной формы - лопаток турбин, корабельных винтов и т.п. - контроль изделий занимает значительную часть времени, требует сложных приспособлений и высокой квалификации. Если лазерный свет, отраженный от изделия, пропустить через голограмму, полученную при помощи шаблона, то отступление размеров изделий на долю длины волны от размеров шаблона приведет к появлению на экране интерференционных полос. Число и расположение этих полос характеризуют отступление размеров изделий от расчетной величины. Особенно удобна возможность непрерывного визуального контроля для процесса окончательной доводки размеров изделия. Поверхность изделия вовсе не должна быть полированной, как при прежних методах оптического контроля.
Во многих случаях нет необходимости даже в изготовлении шаблона. Голограмму можно сделать просто по чертежу изделия или даже на основе математической формулы, описывающей форму поверхности изделия.
Пропуская лазерный свет, рассеиваемый какой-либо деталью работающей машины, через голограмму неподвижной детали, можно обнаружить вибрации и ничтожные деформации детали. И на деталь не надо действовать ничем, кроме света.
Голографические методы уже успешно применяются в звуковидении и радиолокации. Если предмет, погруженный в прозрачную жидкость, облучается потоком звуковых или ультразвуковых волн так, что рассеянные им волны попадают на поверхность жидкости, на ней возникает рябь. Если на поверхность одновременно попадает и волна, идущая непосредственно от источника, то рябь на поверхности превращается в систему неподвижных стоячих волн. Они содержат информацию о форме предмета и о механических свойствах его поверхности. Облучая эти стоячие волны светом лазера, можно увидеть глазами изображение объекта, скрытого в жидкости. Аналогично можно исследовать раковины и другие включения внутри металлических или цементных блоков и в других непрозрачных твердых телах.
Раскрытие образа
Наиболее распространенные радиолокаторы ощупывают пространство узким пучком радиоволн. Изображение цели на окружающем фоне воссоздается на трубке радиолокатора по точкам, подобно тому, как воспроизводится изображение в телевизоре.
В последнее время задачи радиолокации усложняются. Необходимо одновременно следить за многими целями, быстро перемещающимися в больших областях пространства. Обычный одноантенный радиолокатор достиг предела своих возможностей. Появились сложные многоэлементные системы. Чрезвычайно возрос объем поступающей информации. Методы голографии позволяют и здесь добиться хороших результатов.
Неисчерпаемые возможности голография открывает в области вычислительных машин и других систем накопления и обработки информации. Расчеты показывают, что плоская голограмма на пластинке размером 7 на 7 сантиметров вмещает 100 миллионов единиц информации, что соответствует библиотеке из 300 книг по 200 страниц каждая.
Объемная голограмма способна сосредоточить миллион миллионов единиц информации в одном кубическом сантиметре. Задача состоит в том, чтобы удобно и быстро осуществить такую запись и, что особенно сложно, быстро извлечь из этой массы нужную информацию.
Огромным преимуществом голографической записи является замена последовательного поиска, применяемого в других системах (перелистывание страниц, просмотр оглавления и библиографических карточек, прокручивание магнитных пленок), одновременным анализом всего блока памяти.
Например, метод, иногда называемый методом фантомных изображений, действует так. Информация, например страницы книги последовательно вводится в голограмму - блок памяти. При этом часть каждой страницы отводится для записи ключевых данных - например, название книги, автор, номер страницы. На стадии восстановления изображения луч лазера, направленный на голограмму, предварительно проходит через ключевую карточку - пластинку, на которой нанесены ключевые данные нужной страницы. На экране немедленно возникает изображение всей страницы. Существующая техника позволяет достаточно четко восстановить содержание страницы, даже если лишь 2 или 3 процента ее площади использовать в качестве ключа поиска. Это, конечно, значительно упрощает процесс. Но ученые хотят достичь много большего сжатия информации.
Более эффективным является метод, аналогичный ассоциативной памяти. Большой объем голографических систем памяти вместе с применением ассоциативной методики позволит в будущем создать машину для перевода, хранящую в "словаре" не отдельные слова, а целые фразы. В блок записывается информация о связи входного сигнала (например, определенной фразы русского языка) с выходным сигналом (соответствующим фразе иностранного языка). В выходной блок записываются лишь выходные данные, в нашем примере - множество иностранных фраз. На стадии восстановления информации выходной блок освещается лучом лазера, проходящим через блок памяти. При отсутствии входного сигнала на экране за выходным блоком имеется только слабое равномерное освещение. Если же, кроме опорного луча, на блок памяти падает вторая часть луча того же лазера, предварительно пропущенная через пленку, на которой записана русская фраза, то на экране немедленно появится ее иностранный эквивалент. Если соответственная русская фраза и ее иностранный эквивалент не были первоначально введены в систему, на экране не возникнет никакого изображения.
Пока такой машины не существует, но создание ее требует лишь преодоления технических трудностей. И можно создать в такой машине возможность приближенных переводов фраз, интересующих абонента, даже если эти фразы не были введены в ее память.
Методы, кратко описанные выше, позволяют производить не только быстрый поиск, но и обработку информации, например, осуществлять математические и логические операции, опознавать различные образы: разыскивать фотографии, на которых присутствует определенное лицо, или производить анализ крови или отпечатков пальцев, и многое другое.
В последнее время разработаны специфические методы голографии, позволяющие обходиться без источников когерентного излучения. Они представляют собой в некотором смысле возврат к липмановским фотографиям, но на более высоком уровне и без применения линз. В методе Липмана интерференционная структура возникала при взаимодействии некогерентного света, прошедшего через объект, с лучами того же света, отразившимися от зеркала, примыкающего к фотоэмульсии. В современной некогерентной голографии некогерентное излучение, прошедшее объект, расщепляется дифракционной решеткой. Два главных пучка, образованных решеткой, направляются на голограмму при помощи двух вспомогательных зеркал. Этот метод применим и к рентгеновским лучам, и даже к гамма-лучам в эффекте Мессбауэра.
Современная голография - дитя лазера. Она уже вышла из пеленок и стала средством быстрого прогресса науки и техники. Мы еще услышим о многих чудесах, превращенных голографией в реальность.
Мы увидим
Я познакомилась с Денисюком в марте 1971 года, когда он впервые присутствовал на собрании Академии наук после его избрания членом-корреспондентом.
- В наши дни многие придают чрезмерное значение вопросам приоритета, - сказал Денисюк. - Конечно, голографию придумал и впервые доказал ее осуществимость Габор. Но я рад, что узнал о его работах, когда сам уже сформулировал свой метод и получил свои результаты. Как знать, пойди я каноническим путем, начав с изучения литературы, не попал бы я в плен идей Габора и смог ли прийти к идее объемной голографии?
- Ведь подход у нас был близким, цели одинаковыми, - продолжал он, - а обнаружив в журнале готовое решение, поневоле размагничиваешься. Кто знает, прочитай я годом-двумя раньше статьи Габора, и объемную голографию пришлось бы придумывать другому, и, может быть, это произошло бы много позже. Насколько я знаю, Габор хорошо понимает различие между нашими направлениями и всегда ссылается на мои работы по объемной голографии. А я, конечно, всецело признаю его приоритет и его заслуги, так же как и заслуги Лейта в создании плоской лазерной голографии...
Впрочем, коснувшись вопросов истории, не следует забывать, что и у Денисюка и у Габора были предшественники. Габор указывает, что его метод возник, как модификация идеи У.Брэгга, крупнейшего специалиста по рентгеноструктурному анализу.
Но ни Габор, ни Денисюк ничего не знали о трудах польского физика Мечислава Вольфке, сформулировавшего принцип двухступенного восстановления изображения объекта, при котором используется дифракционная картина, образуемая этим объектом. Свою идею Вольфке, как и Габор, сформулировал применительно к рентгеновским лучам и проверил на опыте в видимом свете. Соответствующие публикации появились в 1920 году. Они опирались на теоретические работы автора, выполненные между 1911 и 1914 годами, причем эти исследования опирались на труды знаменитого иенского оптика Эрнста Аббе и его теорию микроскопа. Вольфке указывает, что к идее восстановления изображения подходил в 1913 году и Э.Хупка. Еще раз, не зная о предшественниках, подобную идею высказал в 1938 году Х.Берш.
Все они были пионерами, далеко опередившими возможности и даже потребности своего времени.
Меня же интересовал не только вопрос приоритета.
- Говорят, что голография - дитя лазера. Правильно ли? Ведь и вы и Габор получили свои голограммы до появления первых лазеров, - спрашиваю я.
- Тем не менее, это верно, - ответил Денисюк. - Без лазеров голография осталась бы интересным принципом, может быть, имеющим узкое применение в каких-то специальных исследованиях. Лазеры вдохнули в голографию новую жизнь. Открыли ей многочисленные пути в практику. Привлекли к ней внимание ученых и инженеров, да и всей читающей публики. Для меня голография не только область науки, но и основа для размышлений. Судите сами: стремление запечатлеть окружающий мир - одно из наиболее характерных проявлений разума. Обезьяна иногда пользуется палкой - простейшим орудием. Но только человек научился рисовать. Современным людям живопись кажется оторванной от практики, она выступает лишь как эстетическая ценность. Но в далекой древности люди отождествляли изображение с объектом. Рисунки имели магический смысл. Рисунок, живопись явились первым методом описания, а отчасти и познания окружающего мира. Этому методу не хватает точности, свойственной математике, но он вне конкуренции по непосредственному воздействию на наши чувства, на наши мысли. Мы не знаем, как мозг распознает образы, но самая совершенная электронная машина не может пока и в слабой степени приблизиться в этом к мозгу. Несомненно, что именно рисунки постепенно стали основой пиктографической письменности, а потом превратились в иероглифы и, наконец, в буквы современных алфавитов. Нет, конечно, голография не заменит письменность. Но она позволит достичь наиболее компактной записи больших объемов информации... Есть еще одна очень интересная область, примыкающая к голографии. Некоторые физиологи предполагают, что процесс формирования образов в коре головного мозга в чем-то аналогичен образованию голограммы. В самом деле, мозг очень устойчив против повреждений. Создается впечатление, что запоминание образа происходит в нем не локально, не в определенных клетках, а глобально - все или большинство нейронов участвуют одновременно в этих процессах. И, отсекая отдельные участки коры головного мозга, мы не уничтожаем полностью какую-то часть запомненного, а лишь уменьшаем количество деталей. Ведь и в мельчайшем осколке голограммы хранится образ всего объекта, но чем меньше оставшийся кусок голограммы, тем менее подробно воспроизводится объект. Конечно, аналогия не означает тождества. Но какую-то часть истины исследователю она, несомненно, дает.
- Юрий Николаевич, - сказала я, - известно, что животные не воспринимают фотографии. Собака узнает голос хозяина, записанный магнитофоном, но не реагирует на его портрет. Как она отнесется к его голографическому изображению?
- Не знаю, проводил ли кто-либо такой, опыт. Не сомневаюсь, что собака узнает хозяина по его голограмме. Фотография в значительной мере условна. Для ее восприятия нужен определенный уровень интеллекта, нужна тренировка. А голограмма дает полный и объективный образ объекта. Она решает даже более сложную задачу автоматического распознавания образов. Мы уже можем получать голографические портреты людей при вспышке лазера. Остается провести интересующий вас эксперимент... Мне кажется, - сказал в заключение Денисюк, - что создать объемное голографическое кино и телевидение труднее, чем решить многие чисто технические задачи. Но мы с вами еще успеем увидеть и то и другое.