Большой интерес представляет мультиплексная голограмма, синтезированная из последовательного ряда фотографических ракурсов. Этот способ записи стереоизображений изобрел Ллойд Кросс в 1972 году. Чтобы понять, что такое мультиплексная голограмма, обратимся ко второму гениальному изобретению Габриэля Липпмана, предвосхитившего в конце XIX века многие открытия в области голографии.
Он предложил фотографировать сцену матрицей из огромного количества миниатюрных (до 1 мм в диаметре) микрообъективов. Каждая точка такой фотографии фиксирует свой независимый ракурс, а множество точек матрицы благодаря линзовому растру позволяют восстановить целостную трехмерную картину сцены.
Практически получить высококачественные интегральные фотографии удалось только много лет спустя после теоретического изобретения метода. К недостаткам интегральной фотографии можно отнести то обстоятельство, что изображение при восстановлении получается псевдоскопическим, т. е. вывернутым наизнанку и расположенным перед плоскостью растра. Для устранения этого недостатка производят копирование интегральной фотографии тем же интегральным методом, что, безусловно, усложняет процесс.
Интегральная фотография в методе голографической записи ракурсов позволила найти очень эффективный и удобный способ регистрации трехмерных изображений.
Представьте себе забор из тонких металлических прутьев. Промежутки в этом заборе равны диаметру зрачков наших глаз. Сквозь ряды просветов зритель сможет рассматривать всю сцену с разных сторон.
Установим на тележке, движущейся по рельсам вдоль нашего гипотетического забора, фотокамеру и будем фиксировать кадр за кадром трехмерную картину сада. Заменим просветы в заборе голографическими зонами, на которых последовательно записаны двумерные фотографические ракурсы. Вспомним одно из важных свойств голограммы: даже малая ее часть в некоторых случаях может восстанавливать изображение всего объекта, каждого ракурса сцены. Восприятие пространства при просмотре сквозь «голографический заборчик» будет трехмерным. Чем уже промежутки между ракурсами, тем реалистичней ощущение пространства.
Для устранения этого неудобства надо изготовить отражательную копию, которую можно рассматривать уже в свете обычной лампочки. При изготовлении отражательной копии, изображения восстановленных с голографических полосок ракурсов совмещают с плоскостью фотопластинки, и таким образом записывают еще одну голограмму. Это делается для того, чтобы угловые размеры восстанавливающего источника света меньше влияли на четкость трехмерного изображения. Сфокусированные голографические изображения выглядят резкими даже при диффузном освещении. Для восстановления глубоких сцен, безусловно, потребуется «точечный источник», в противном случае, удаленные от плоскости голограммы предметы будут казаться немного размытыми.
Для чего же понадобилось устраивать двухступенчатый процесс изготовления мультиплексной голограммы? Не проще ли ракурс за ракурсом последовательно записывать сразу на всю поверхность фотопластинки?
Дело в том, что последовательная запись ракурсов на всю поверхность голограммы возможна, но не эффективна. Яркость конечного изображения при такой записи упадет (в лучшем случае) пропорционально корню квадратному из числа экспозиций. А экспозиций может быть и сто, и триста. Эффективность голограммы при этом уменьшится в десятки раз! Если же произвести запись всех полосок–ракурсов в процессе копирования одновременно, то яркость синтезированного изображения будет достаточно высокой.
Описанный способ изготовления мультиплексных голограмм имеет ряд замечательных преимуществ, которыми не обладает ни интегральная фотография, ни классическая голограмма:
· на мультиплексной голограмме можно записать очень много ракурсов и получить объемное изображение сцены с очень высоким разрешением;
· возможность пропорционального масштабирования трехмерного изображения;
· регистрация сцен производится в некогерентном освещении;
· появляется возможность создавать трехмерные изображения с помощью компьютерной графики.
Голографические принтеры
Существует еще один очень интересный метод записи мультиплексных голограмм, состоящих из миниатюрных элементов, которые называют голопикселями. Голопиксели – это крохотные фурье–образы ракурсов синтезированной голограммы, полученные из кадров многоракурсной съемки трехмерной сцены. Метод основан на том же принципе, что и интегральная фотография Липпмана. Элементы оптического растра Липпмана заменяются миниатюрными голограммами диаметром 0,5 мм, имитирующими работу фотографического линзового растра.
Для того, что бы понять, как происходит голографическая печать, представьте мысленно, что мы разрежем на крохотные квадратики все кадры многоракурсной съемки. Затем соберем новые матрицы из первых, вторых, третьих и так далее элементов ракурсов. Изображения матриц, построенные на компьютере, воспроизводят на жидкокристаллическом мониторе (3), расположенном в фокальной плоскости объектива (2). Лазерный пучок света, прошедший через жидкокристаллический модулятор, фокусируется объективом (2) на фоточувствительной эмульсии (4) в пятно диаметром около 0,5 мм. С обратной стороны фотоэмульсии в записываемую точку направляют узкий опорный лазерный пучок (5) того же диаметра. Таким образом, происходит последовательная запись множества голопикселей, соответствующих каждой точке синтезированной отражательной голограммы.
Синтез дисплея обычно осуществляют тремя лазерами с излучением красного, зеленого и синего цвета. Точно совмещая на фотоэмульсии цветоделенные голопиксели, получают полноцветное объемное изображение.
В установке используются три импульсных лазера с красным (R), синим (B) и зеленым (G) излучением. Каждый лазерный луч разделяется полупрозрачным зеркалом (1) на две составляющие. Одна составляющая формирует объектный пучок и направляется призмами (2) и (3) в расширитель, состоящий из линз (4) и (5). Расширенный пучок лазерного света проходит через цифровой LCD модулятор (6). Короткофокусный объектив (7) собирает модулированный пучок света в маленькое пятно диаметром от 1 до 0,5 мм. Второй луч отражается от полупрозрачного зеркала (1) в сторону зеркала (10), которое направляет его в ту же самую точку (но с обратной стороны) фоточувствительного материала, в область синтезированного объективом (7) голопикселя.
Голографический фотоматериал по мере печати голопикселей перемещается от точки к точке в горизонтальном направлении, и перематывается с подающей бобины (8) на приемную (9) в момент перехода на новую строку. Таким образом, происходит цифровая печать мультиплексных голографических дисплеев.
Голографический принтер работает практически так же, как и все струйные принтеры. В отличие от них, лазерный принтер в каждой точке фотоматериала записывает миниатюрную Фурье-голограмму, синтезированную компьютером из элементов горизонтальных ракурсов сцены.
Для таких голограмм практически не существует ограничения в размерах, т.к. их можно изготавливать и собирать по частям. Но тут уже возникают трудности с источниками восстановления таких голограмм. Рассматривать напечатанные голографические дисплеи желательно с достаточно большого расстояния. Вблизи наш глаз начинает различать «пикселизацию».
Важное достоинство этой технологии заключается в том, что процесс синтеза одноступенчатый и не требует последующего копирования с целью получения отражательной голограммы.
Синтезированные из фотографических ракурсов цветные голографические дисплеи производят такие фирмы, как: “Geola” (Вильнюс, Литва), «ZebraImaging» (США), «Голографическая студия Ива Женте» (Бордо, Франция), отечественное предпрятие «SmirnHolo» и другие.
Фотохудожники благодаря существованию этого метода сегодня получают фантастические возможности для создания своих произведений в трех измерениях с помощью компьютеров.
О проблемах цифровой голографии.
Стереоэффект ощущается наиболее ярко, когда в сцене зритель видит мельчайшие детали фактуры и широкий диапазон яркостей. Особенно это актуально для цветного изображения. При записи голографической 3D стереограммы весьма важно, что бы все детали оказались в области резко передаваемого пространства. Очень часто при съемке глубокой сцены передний или задний планы оказываются не достаточно резкими. Это обстоятельство значительно ухудшает качество стерео восприятия.
С целью повышения глубины резко передаваемого пространства при съемке используют максимальное диафрагмирование объектива, илисветочувствительную матрицу малого размера совместно с короткофокусной оптикой. Но и этого часто бывает недостаточно. Можно записывать стереограмму с помощью двух матриц. Одна из них фокусируется на переднем плане сцены, а вторая на заднем. Методом стейкинга при обработке ракурсного ряда можно вдвое увеличить глубину резко передаваемого пространства и улучшить качество восприятия стереоизображения. По причине исчезновения мельчайших деталей трехмерной сцены в процессе голографической печати методом, предложенным фирмой GEOLA в 1999 году, объемные формы только угадываются при перемещении зрителя относительно стереодисплея, но не воспринимаются так же естественно, как в реальной жизни и при рассматривании аналоговых голограмм.
Для тех, кто интересуется вопросом, как восприятие пространства на мультиплексной голограмме зависит от разрешения деталей и фактур, поясню:
Если межглазное расстояние выразить через (Вгл ≈ 65мм.), аккомодацию глаз (А) - в диоптриях, а расстояние до сцены (Za) в миллиметрах, то можно вывести формулу, которая выражает естественную связь угла конвергенции в радианах и аккомодацию глаз:
β = (Вгл)*(А)/1000 (1)
Продифференцировав формулу (1) по координате глубины (Z), получим выражение, позволяющее вычислить предельное количество различаемых глазом планов по глубине сцены.
dZ = -dα*Z²/(Bгл), (2)
Используя уравнение (2) и значения предельного углового разрешения глаза, величины стереобазы, а так же оптической силы хрусталика, обнаружим, что среднестатистический наблюдатель невооруженным глазом способен в реальности различить около 250 планов.
Причина неудовлетворительного качества стереоопсиса при наблюдении цифровых голограмм кроется в заметном для глаз зрителя размереголопикселя или как еще называют, хогеля. Даже предельно малый размер хогеля 0,25х0,25 мм разрушает процесс стереоопсиса. Можно подставить в формулу (2) угловой размер хогеля, при рассматривании дисплея с расстояния наилучшего видения и вычислить количество различаемых глазом планов.
Голографические стереограммы, получаемые по двухступенчатому процессу, имеют площадь двумерного элемента на мастер-голограмме порядка 200 мм2. Это вполне достойная площадь для воспроизведения качественного изображения каждого ракурса. Площадь записанного Фурье образа интегральной голограммы заметно влияет на четкость картинки и широту передаваемых тонов, что весьма важно! В результате двухступенчатого синтеза мультиплексной голограммы зритель не увидит исходных хогелей, так как "полоски ракурсов" первой голограммы располагаются в плоскости зрачков.
Цилиндрические голограммы Ллойда Кросса.
Представьте выставочный зал, в котором вместо экспонатов стоят колонны из прозрачного пластика. Вспыхивает свет подвешенных под потолком миниатюрных прожекторов, и внутри цилиндров появляются предметы, настолько реальные, что кажется, они вот–вот упадут на пол. Это не строки из фантастического рассказа, а впечатления, полученные от рассматривания цилиндрической мультиплексной голограммы.
Посмотрите примеры цветных голограмм, синтезированных на компьютере и напечатанных на трехцветном голографическом принтере Владимиром Кузнецовым из Новосибирска в 2023 гду:
Если вам интересен этот материал, дорогие читатели, подписывайтесь и публикуйте свои вопросы в комментариях. Мы вам непременно ответим.