"Элиза сидела на скамеечке из зеркального
стекла и рассматривала книжку с картинками,
за которую было отдано пол королевства…"
                                                 Ганс Христиан Андерсен

С незапамятных времен люди стремились запечатлеть наш мир во всех его ипостасях. Что двигало человеком, который рисовал сраженного стрелой оленя на закопченных сводах гулкой пещеры? Трудно сказать.
Но вспомним Андерсена…

Еще в древности человек упорно искал возможность  отобразить третье и четвертое измерения на скупой двумерной плоскости. Художники и ученые изобретали самые фантастические способы для того, что бы как можно полнее и объемнее запечатлеть действительность. И вот наступил день, когда фотография - самый реалистический способ сохранения изображений побледнела перед новым открытием.

Итак, начнем с истории. Девятнадцатый век готовил прорыв.

- исследование волновой природы света Френелем - 1821
- появление фотографии в виде первого дагеротипа - 1839
- реализация первой цветной фотографии Липманом в методе регистрации трехмерных дифракционных структур вместе с фотографическим изображением  - 1892
- разработка принципов интегральной объемной фотографии тем же автором  - 1908

А дальше и пошло, и поехало!

В середине двадцатого века (1947 год) Денис Габор, английский физик (венгр по происхождению), занимаясь поисками способа повышения резкости изображений электронного микроскопа, открыл поистине новый способ записи изображений - голографию.

Если фотография означает буквально светопись, то голография - полная запись.

Габор изготовил несколько примитивных голограмм фазовых (светопреломляющих и прозрачных) объектов.

При записи голограммы он фиксировал структуру интерференции волн монохроматического источника света и света, рассеянного фазовым объектом, помещенным перед фотопластиной. Для получения высокого контраста интерференционной картины Габор использовал одну из самых ярких линий спектра излучения  ртутной лампы.

После проявления и отбеливания фотопластинка восстанавливала трехмерное изображение этого объекта. Результат был ошеломляющий, но мог взволновать пока только ученых. К сожалению, на голограмме можно было видеть и мнимое, и действительное изображения, и восстанавливающий источник света одновременно, что мешало комфортному восприятию трехмерной сцены. Эти первые голограммы Габора назывались осевыми.

Примерно в это же время свои первые голограммы получил в Советском Союзе молодой аспирант Юрий Дениcюк. Но способ их записи он позаимствовал у Липмана. Хоть эти голограммы так же, как и у Габора в силу низкой когерентности (монохроматичности) источников были осевыми, но в исполнении Денисюка свет интерферировал во встречном направлении.

Эта схема записи, когда фотопластина с прозрачной фотоэмульсией устанавливается между объектом и источником света до сих пор называется "запись голограммы во встречных пучках" или схемой Денисюка. Результат тогда мало кого впечатлил.

Картина интерференции фронтов световых волн, бегущих навстречу друг другу позволяла фиксировать не только амплитуду и фазу волнового фронта (информацию о трехмерной сцене), но и частоту (цвет) волны. Это открывало перспективу записи цветных голограмм и восстановления их источниками "белого" цвета.

 

В 1960 году появились лазеры - удивительные источники излучения высокой когерентности.

 

С применением лазеров опыты Габора и Денисюка можно было повторить с большим эффектом. Результат не заставил себя долго ждать.

В 1961 году на одной из фотовыставок  ученые Лейт и Упатниекс в присущей американцам манере устроили, сенсацию.  Они показали трехмерное изображение шахматной доски, записанное на плоской фотопластинке.

Это была первая внеосевая голограмма. Но качество ее способно было потрясти видавших всякое.

Когерентность лазеров теперь позволяла разделить направления падения на фотопластину интерферирующих лучей опорного источника и волнового фронта, отраженного от объекта.

Наблюдать трехмерную сцену, парящую за куском прозрачного стекла (имейте в виду, что голограмма отбеливалась), было сверх границ нашего сознания. Люди пытались нащупать фантом, изображение которого ничем не отличалось от  материального оригинала.

Мало того, изображение, восстановленное с голограммы можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только его положение относительно фотопластины (например, можно вынести объект перед голограммой), но и сам тип голограммы.

Можно было сначала  изготовить голограмму-оригинал по схеме Лейта - Упатниекса, а затем получить копию, парящую перед голограммой, записанную во встречных пучках (способ Денисюка).  Голограммы второго типа позволяли использовать для восстановления трехмерного изображения не дорогостоящие и сложные в эксплуатации лазеры, а свет солнца или ламп накаливания.

 

Голограмма лазерного луча, отражающегося от зеркал.
Автор - Александр Акилов

Так сенсация породила настоящий бум в области изобразительной голографии. Художники начали творить настоящие шедевры, открывая новые изобразительные возможности "полной записи".

Выставки, галереи, каталоги. Затем разработали новые фотоматериалы и технологии, экономичные лазеры и различные схемы записи голограмм. Голограммы появились в виде этикеток, открыток, защитных печатей, сувениров…

Так продолжалось бы бесконечно, если бы не ряд осложняющих моментов в технологии  изобразительной голографии. Свет лазеров для регистрации трехмерных сцен - удовольствие дорогое.

Виктор Григорьевич Комар, наш замечательный соотечественник, посягнул было на голографический кинематограф. Он практически решил все технические стороны записи и воспроизведения трехмерной картинки в четвертом измерении, но дальше впечатляющего демонстрационного аттракциона не ушел.

И тут пора вспомнить гениального Липмана, с его интегральной фотографией. Это не только некая альтернатива голограмме, не требующая дорогих импульсных лазеров, но и компромиссный путь в настоящую изобразительную голографию.

Давайте вспомним, в чем заключена природа стереозрения. 
Мы с Вами имеем пару глаз, расположенных на расстоянии друг от друга примерно в 65 миллиметров.

И каждый глаз видит чуть-чуть  разную картину. Левому глазу дано видеть то, что спрятано за объектом слева для правого глаза, а правый получает обратное преимущество.  Благодаря параллаксу мы можем довольно точно определить расстояния до различных точек сцены. Но параллакс - не единственный механизм стереозрения. Наши глаза направлены на рассматриваемый объект под разными углами, и хрусталик сфокусирован  на рассматриваемом объекте, а не на заднем плане. Это еще два канала информации о пространстве сцены. И не дай бог  что - то здесь нарушить! Наш мозг сразу заподозрит обман. Поэтому стереоскопы, стереопроекция на растровые экраны,  поляризационные очки, и другие изобретения стереофотографии не дают комфортного и реалистичного восприятия трехмерной сцены. Здесь голография - вне конкуренции.
Но вернемся к Липману.

Он предложил фотографировать сцену матрицей из огромного количества миниатюрных (до 1 мм в диаметре) микрообъективов. Каждая точка такой фотографии фиксировала свой параллакс, а множество точек этой фотографии могла восстановить трехмерную картину сцены. Практически получить совершенные интегральные фотографии удалось много лет спустя, советским ученым из ГОИ. (Этой технологией успешно занимался последнее время Б.К. Рожков).

К недостаткам интегральной фотографии можно отнести тот факт, что изображение, получаемое таким способом, было псевдоскопическим, т.е. вывернутым наизнанку и располагалось впереди фотографии. Для устранения псевдоскопии необходимо было изготавливать копию интегральной фотографии тем же интегральным методом, что снижало качество изображения и значительно усложняло процесс.

Но синтез принципов интегральной фотографии и голографии  позволил найти эффективный способ записи трехмерных изображений.

Представьте себе забор из тонких металлических прутьев. Промежутки в этом заборе равны расстоянию между зрачками наших глаз. Если мы приблизимся к такому забору вплотную, то сможем сквозь пару соседних просветов наблюдать трехмерную картину сада. Перемещаясь вдоль нашего вымышленного "забора", мы сможем оглядывать сцену с разных сторон.

А теперь заменим просветы в заборе зонами, через которые мы сможем увидеть соответствующий фотографический ракурс нашей трехмерной сцены. Восприятие в этом случае пространства будет адекватным реальности, мы сможем видеть сад во всей его трехмерной красе. Чем уже промежутки между ракурсами, тем реалистичней ощущение пространства.

Установим на тележке, движущейся по рельсам вдоль нашего гипотетического забора, цифровую фотокамеру и будем фиксировать кадр за кадром через небольшие промежутки пути трехмерную сцену друзы опят.

Таким образом, мы сможем зафиксировать все ракурсы, необходимые для восприятия трехмерного пространства сцены.

Затем изготовим  серию крупноформатных слайдов конечного множества ракурсов нашей сцены, и будем последовательно, меняя слайды-ракурсы в прецизионном держателе проекционного экрана, записывать их (согласно вышеприведенной схеме) на широкую полосу голографической пленки в виде узких вертикальных голограмм.

Глядя сквозь голографический "заборчик" можно получить полное впечатление о пространстве сцены. Но разглядывать такие фотографии в свете лазера - удовольствие дорогое.

Для устранения этого неудобства остается все голографические полоски-ракурсы скопировать на голографическую фотопластину, которая должна быть расположена  именно в том месте, где на первом этапе синтеза последовательно размещались слайды-ракурсы.

 

(Помните, что голографическое изображение можно записать снова на голограмму, будь-то,  мы имеем дело с реальным объектом.)

Для чего же понадобилось устраивать двухступенчатый процесс изготовления мультиплексной  голограммы?

Дело в том, что последовательно впечатывать ракурсы на всю площадь голограммы не эффективно, в этом случае яркость изображения будет падать пропорционально корню квадратному из числа экспозиций.  Если это сделать единовременно, результат будет более качественным. К тому же, изображения каждого ракурса можно считать сфокусированным в плоскости голограммы, а это означает, что протяженность восстанавливающего источника света не будет сильно влиять на резкость восстановленного изображения. (Для настоящих трехмерных голограмм  необходимость приближения  восстанавливающего источника к точечному тем больше, чем больше глубина записанной на этой голограмме сцены, в противном случае, удаленные предметы окажутся размытыми.)

Подобный способ записи трехмерных сцен имеет ряд замечательных преимуществ, которыми не обладает ни интегральная фотография, ни голограмма:
- можно масштабировать трехмерное изображение без искажения пространства
- наблюдение трехмерной сцены в свете обычной лампы накаливания
- становится возможной регистрация натурных сцен в естественном освещении и самосветящихся объектов.
- мультиплексная голограмма может быть записана в цвете
- возможна регистрация движения элементов сцены
- лазеры используются только в процессе синтеза
- использование голографических оптических элементов (ГОЭ) вместо крупногабаритной асферической оптики существенно снижает стоимость оборудования
- использование цифровых технологий позволяет полностью автоматизировать процесс синтеза мультиплексной голограммы и исключить фотопечать серии ракурсов.

Пройдет немного времени, и трехмерные фотографические иллюстрации помогут нам лучше рассмотреть наш многоликий, полный удивительных парадоксов и явлений мир, а фотохудожники получат новое изобразительное средство.

Если у Вас возникли вопросы или потребность в продолжении этой темы, пишите мне akilov@inbox.ru

Автором были проведены эксперименты и исследования в области технологической оптимизации процесса синтеза многоракурсных мультиплексных голограмм и получены положительные результаты. Разработаны способы синтеза крупноформатной голографической оптической системы, позволяющей значительно снизить мощность когерентного излучения лазеров, использующихся в процессе синтеза.

Тем, кого заинтересовала эта тема, советую посмотреть следующую информацию

http://www.iro.yar.ru:8101/partners/ocdu/tv/DTV/HOLO/katalog.html