Исследователи Московского политехнического университета разработают новую оптическую схему регистрации цифровых голограмм. Основным элементом такой схемы является сканирующий интерферометр с подвижным зеркалом. Исследование нацелено на разработку оригинального устройства перемещения и точного позиционирования подвижного зеркала.
Фото: Evie S / unsplash.com
Фото: Evie S / unsplash.com
На исследование было получено 3 млн руб. от Российского фонда фундаментальных исследований — по конкурсу «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми научными группами». Руководителем проекта «Оптическая схема регистрации гиперспектральных голограмм» стал доктор физико-математических наук Сергей Каленков. Профессор Московского политеха Сергей Каленков является признанным специалистом в области когерентной оптики и обработки оптической информации. Проект рассчитан на два года. По условию конкурса авторский коллектив должен включать не менее трети молодых ученых.
Настоящий проект является продолжением исследований по цифровой гиперспектральной голографии, в частности проекта «Гиперспектральная голография биообъектов в некогерентном свете», который был успешно завершен в 2020 году.
В этом проекте исследовались биологические объекты методами гиперспектральной голографии. Результаты этих исследований опубликованы в шести статьях в журналах, индексируемых системой Scopus. Кроме того, эти результаты были представлены на конференциях: «Голоэкспо» (РФ), Международный симпозиум по оптике (РФ), Digital Holography & 3-D Imaging (Европа), Photonics West (США).
Главное отличие цифровой голографии от фотографии состоит в том, что цифровая голограмма сохраняет информацию не только о распределении интенсивности изображения объекта, но и о волновом фронте светового поля, поступающего на матрицу регистрации. «Что такое волновой фронт? Рассмотрим простейший пример»,— объясняет Сергей Каленков.— Пусть вы с помощью лупы выжигаете на дереве, для этого фокусируете на куске дерева маленькое пятно. Это пятно есть распределение интенсивности солнечного света. Но солнечный свет после прохождения стеклянной лупы «приобретает» форму сходящейся сферической волны, в этом случае мы можем сказать, что световая волна имеет сферический волновой фронт. Если свет пропустить через более сложный прозрачный объект, то на регистраторе — цифровой матрице регистрации — будет сложное распределение интенсивности, но информация о волновом фронте будет утрачена».
В голографической схеме регистрации изображения к предметному полю световой волны «подмешивают» еще одну волну — опорную волну — и таким образом регистрируют распределение интенсивности интерференционной картины предметной и опорной волн. Она и содержит полную информацию о волновом фронте. Это и есть самая главная фишка голографии. Знание волнового фронта дает информацию о сцене — о том, какой предмет находится дальше или ближе к наблюдателю. То есть волновой фронт позволяет определить объемные характеристики сцены, на которой расположены разные предметы, или форму одного предмета, если «сцена» состоит из одного предмета. Поскольку речь идет о цифровой голографии, то, разумеется, распределение интенсивности светового поля и форма волнового фронта определяется путем определенных вычислительных алгоритмов.
Обычно цифровые голограммы записываются в когерентном свете, то есть в свете лазерного источника, что имеет ряд существенных недостатков, к числу которых относятся оптические шумы, так называемые спеклы, неизбежно присутствующие в лазерном свете. Одна из важных и актуальных проблем голографической микроскопии является регистрация голограмм в различных цветах. Традиционно для этой цели регистрируют голограммы в свете перестраиваемого лазера, но и эта технология не лишена известных недостатков.
В серии публикаций авторского коллектива начиная с 2013 года впервые предложено и экспериментально подтверждено новое направление в цифровой оптике, а именно запись гиперспектральных голограмм микрообъектов в некогерентном (белом) свете, основанное на принципах и технике фурье-спектроскопии. Предложенная техника как раз и позволяет получать цифровые голограммы объектов в различных цветах — гиперспектральные голограммы. Поскольку гиперспектральные голограммы записываются в некогерентном излучении, то это открывает возможность актуальных и практически важных применений этого метода, например, в исследовании биообъектов в терагерцевом и дальнем инфракрасном диапазонах, так как в этих диапазонах отсутствуют достаточно дешевые и доступные источники когерентного излучения.
Работы исследователей по гиперспектральной голографии поддержаны многочисленными грантами Российского фонда фундаментальных исследований и грантами Российского научного фонда.