В истории науки есть события, которые на многие десятки, а иногда сотни лет опережают время. Голография, как наука, могла бы появиться на шестьдесят лет раньше. Но этого не случилось, несмотря на то, что учеными XIX века был возведен основательный фундамент, как в области теории, так и практики.
В 1892 году Габриэль Липпман опубликовал результаты собственных опытов, связанных с регистрацией цветного изображения на черно–белых фотоматериалах. Как выяснилось 70 лет спустя, талантливым ученым–изобретателем был сделан огромный вклад в развитие голографии.
Принцип записи цветных изображений Липпмана заключался в том, что картина интерференции стоячих световых волн ограниченной когерентности записывалась на фоточувствительной эмульсии в виде сфокусированного изображения. За эту работу Габриэль Липпман был удостоен Нобелевской премии. Постараемся разобраться, как он это делал.
Примечание: Если две синусоидальные волны с одинаковой частотой, неизменной разностью фаз, распространяются с одной скоростью, накладываясь друг на друга, создают интерференционную картину, их называют когерентными.
Когерентные волны, с постоянным периодом и фазой. Волны достигают противоположной стенки бассейна, отражаются и бегут обратно. В результате наложения друг на друга бегущих по поверхности бассейна волн, мы получим удивительную картину. Гребни будут подниматься и опускаться, но бега их мы не увидим. И самое интересное, между гребнями окажутся точки, которые не будут ни подниматься, ни опускаться относительно уровня воды в спокойном бассейне. Это явление называют стоячими волнами, а эффект, вызывающий это явление, – интерференцией
Свет – это тоже волна, только электромагнитная. И в случае со светом будет наблюдаться аналогичная картина..
Допустим, что световая волна прошла сквозь прозрачную фотоэмульсию, затем отразилась от некоторой поверхности и направилась обратно
Должна возникнуть та же картина, что и в бассейне. Там, где расположены неподвижные узлы стоячей волны, будет всегда темнота, а там, где «эфир» колеблется – будет свет. И самое главное, если электромагнитная «зебра» останется неподвижной, картину стоячих световых волн можно зафиксировать в фоточувствительной эмульсии.
После химической обработки фотопластинка, по мнению Липпмана, должна была восстанавливать отраженную волну той же частоты, какая использовалась при записи интерферограммы. Так, если в некоторую область фотоэмульсии попадает зеленый свет, то «зеркальце», записанное в этой точке, должно отражать только зеленую длину волны. Получается, что каждая точка сфокусированного изображения отражала световую волну той длины, посредством которой была записана картина стоячих волн. Липпман успешно получил прогнозируемый результат.
Невзрачные в пасмурную погоду, но вспыхивающие радугой на открытом солнце крылья тропических бабочек, хитиновые пластинки насекомых и яркие перья некоторых птиц не содержат красителей. Здесь цвет создается за счет дифракции Брэгга на многослойных биологически воспроизведенных структурах.
Свет солнца или электрической лампочки, отраженный от объектов, имеет очень малую когерентность, а точнее, длину когерентности. Область интерференции для такого излучения ограничится разностью хода лучей порядка нескольких микрометров. Другими словами, стоячие световые волны, отраженные от какой–либо поверхности, будут наблюдаться в области, сравнимой с толщиной фотоэмульсии. Липпман, понимая это, придумал в 1892 году оригинальную схему записи интерференционной картины световых волн с ограниченной когерентностью.
Для создания цветного изображения гениальным изобретателем использовалась фотографическая камера со светосильным объективом (3). Липпман сконструировал оригинальную кассету для стеклянных фотопластинок (1) со светочувствительной эмульсией очень высокого разрешения. Фотопластинка прижималась к задней стенке кассеты через тонкую резиновую прокладку (2), образуя герметичную полость, в которую из небольшого резервуара (4) перед съемкой заливалась ртуть. Фотоэмульсия во время регистрации соприкасается с жидкой ртутью, которая являлась идеально прилегающим зеркалом.
После экспозиции, которая длилась 3 – 5 минут, ртуть снова выливалась в резервуар, а фотопластинка заменялась на новую.
Надо заметить, что использование ртути и ее солей в методе Липпмана создавало серьезную угрозу здоровью экспериментаторов в силу губительного воздействия её паров на человеческий организм.
При рассматривании фотографий Липпмана в свете «белого» точечного источника наблюдатель мог видеть действительное изображение объектива в виде яркого пятна, скользящего по эмульсионной поверхности проявленной фотопластинки. В рассеянном же свете, действительное изображение диафрагмы «расплывалось» до размеров всего фотоснимка, что позволяло зрителю рассматривать цветную интерференционную фотографию достаточно комфортно.
Для удобства демонстрации своих фотоснимков, Липпман наклеивал со стороны эмульсии тонкую стеклянную призму, которая убирала блик от источника света, восстанавливавшего цветное изображение, и предохраняла фотографию от механических повреждений.
Современники часто критиковали Липпмана за сложность предложенного метода. Его фотоснимки было невозможно рассматривать нескольким зрителям одновременно, а также производить копирование, как в обычной фотографии. Тем не менее, технология изготовления высокоразрешающих эмульсий, рецепты физических проявителей и тонкости фотохимической обработки голограмм мало изменились с 1892 года.
Габриэль Липпман, сам того не подозревая, создал первую в мире цветную отражательную голограмму сфокусированного изображения задолго до изобретения голографического метода. До сих пор технологии, предложенные Габриэлем Липпманом, используются в производстве и обработке голографических высокоразрешающих фотоматериалов.
Липпман и его изобретения
Герой нашего сегодняшнего повествования – Габриэль Липпман. Внезапно, не немец, а французский еврей. Родился он в Люксембурге в 1845 году в местечке Буневег (Bouneweg, ныне район Люксембурга), где его отец Исайя Липпман рулил семейной фабрикой по производству перчаток в бывшем монастыре. В 1848 году семья вернулась в Париж, где Липпман после домашнего обучения у матери Мириам Розы (в девичестве Леви) поступил в Лицей Наполеона. Запомнился он невнимательным учеником, заинтересованным в первую очередь в математике. Высшее образование он получил в Высшей нормальной школе. На входе он провалил экзамен, дававший право на обучение на учителя, и пошел в физики. Там Липпман проявил себя недисциплинированным студентом, занятым только тем, что ему самому интересно.
После работы в Германии с 1872 по 1875 год Липпман защитил с отличием диссертацию о взаимосвязи между электрическими и капиллярными явлениями, произведшую фурор в научном мире, сначала в Гейдельберге, потом в Париже. Одним из его изобретений в ходе этой работы оказался капиллярный электрометр, на основе которого впоследствии была разработана электрокардиография. В капиллярной трубке столбик ртути реагирует на малую разность потенциалов значительным перемещением за счет изменения своего поверхностного натяжения, что позволяет измерять напряжения до милливольта. Карьера Липпмана после этого пошла в гору – кафедра в Парижском университете, потом в Сорбонне, членство в академии наук…
Продолжая свои исследования капиллярных явлений, Габриэль Липпман обнаружил, что деформация капли ртути создавала разность потенциалов. На ее основе в 1881 году Липпманом был предсказан обратный пьезоэлектрический эффект – деформация определенных кристаллов под действием приложенного к ним электрического поля, найденный в 1882 году Пьером Кюри. Еще одними из его изобретений стал целостат – прибор, фиксирующий направление обзора выбранной точки небесной сферы, учитывая вращение Земли,и уранограф – прибор для получения фотографий неба с нанесенной координатной сеткой. Также Липпман приложился к метрологии, разработав метод сравнения близких периодов колебаний маятников.
Но современников Липпмана больше всего интересовали его изобретения в области фотографии – цветная и интегральная фотографии. Свою технологию создания цветной фотографии Липпман разработал, пытаясь получить фотографию солнечного спектра. 2 февраля 1891 года он объявил об успехе. К апрелю 1892 году удалось получить фотографии витража, флагов, натюрморта и попугая. В 1894 и 1906 годах метод был им опубликован.
Любопытно, что один из методов получения голограмм – голограммы Денисюка – очень похож на цветную фотографию Липпмана. Отличие заключается в использовании лазера, за счет высокой когерентности излучения создающего стоячие волны на более обширных пространствах от отражателя.
В 1908 году Липпман разработал теорию интегральной фотографии. Идея состояла в использовании плоского массива из близко расположенных маленьких сферических линз для фотографирования сцены как будто из множества близко расположенных точек. Просмотр фотографий через такую же систему линз позволял собрать одно общее изображение. Это позволяет воссоздать трехмерность оригинальной сцены со сдвигами перспективы при передвижении наблюдателя. Сейчас аналогичный принцип используется в разработке пленоптических камер и микроскопов (они же камеры светового поля). В 1908 году проверить теоретические выкладки Липпмана было попросту невозможно: не было нужных материалов для изготовления массива линз. Первые попытки практической реализации его теории – это уже 1920-е годы, Эжен Эстанав использовал тогда стеклянные стэнхоуповские линзы, а Луи Люмьер, младший из братьев Люмьер, создателей кинематографии и первой массовой цветной фотографии, работал с целлулоидом. Отсюда произросли современные подходы к лентикулярной печати и тому подобным способам получения трехмерного изображения.
Умер Габриэль Липпман в 1921 году, возвращаясь из поездки в Канаду, на борту парохода. По иронии судьбы, эксперименты, принесшие ему Нобелевскую премию и мировую славу, остались лишь любопытным курьезом. Только сейчас эти идеи начинают получать практическое применение.