Голография — это метод записи волнового фронта, рассеянного объектом на некотором регистраторе (например, на плоской фотопластинке), и последующего восстановления записанного волнового фрон. Она позволяет получать с помощью одного измерительного прибора, одновременно очень большую и, как правило, непрерывную информацию об объекте измерения. В отличие от обычной фотографии на фотопластинке (голограмме) записывается не изображение объекта, а волновая картина рассеянного объектом света. Голограмма получается в результате интерференции разделенного на две части монохроматического потока электромагнитного (или акустического) излучения: рассеянного телеграфируемым объектом и прямого (опорного) пуч, падающего на голограмму, минуя объект.

Интерференционная картина, зарегестрированная на проявленной фотопластинке в результате сложения волновых фронтов, отображается на ней в виде совокупности интерференционных полос с различной плотностью почернения. Наибольшая плотность почернения соответствует волновым фронтам, пришедшим в фазе (где поля складываются), а наименьшая — волновым фронтам, пришедшим в противофазе. Таким образом, отображаемая на голограмме картина волновых фронтов в общем случае не имеет сходства с реальным объектом и тем не менее содержит информацию об объекте.

При восстановлении записанного на фотопластинке волнового поля голограмма просвечивается только опорным лучом. В резуль возникают два видимых объемных изображения голографируемого объекта — мнимое и действительное. При фотографировании мнимые изображения фотоаппарата можно фокусировать на отдельные детали объекта, расположенные на различных расстояниях от него в плоскости голограммы. Действительное изображение в различных его сечениях может регистрироваться непосредственно на фотопластинку без при­менения фотоаппарата.

Свойства голограмм.
- В любую точку плоской голограммы «по Габору» попадает свет, отраженный от всех точек предмета. Это означает, что любой, самый маленький ее участок содержит зрительную информацию обо всем предмете. Голограмму можно разбить на несколько кусков, и каждый будет полностью воспроизводить первоначальное изображение. Отпечаток голограммы, где черные полосы стали прозрачными и наоборот, дает то же изображение, что исходная голограмма. Ни фотография, ни голограмма «по Денисюку» таким свойством не обладает.
- Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения (геометрический коэффициент увеличения k_r). Если запись ведется излучением длиной волны l₁, а восстановление – кратной ему l₂ > l₁, изображение станет больше в k = l₂/l₁ раз (волновой коэффициент увеличения k_b). Полное увеличение (рис.1) равно произведению обоих коэффициентов; например, для рентгеновского микроскопа (l₁ = 10^-2 мкм, l₂ = 0,5 мкм) с k_r = 200 полное увеличение k = 10⁶.

- Если на одну пластинку записать несколько голограмм, используя разные, но не кратные, длины волн, все они могут быть считаны независимо при помощи лазеров с соответствующим излучением. Таким же образом можно записать и полноцветное изображение.
- Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера и даже вручную. Так, зонную пластинку Френеля нетрудно начертить, получив простейшую голограмму одной точки, но чем сложнее объект, тем более запутанной становится такая искусственная голограмма.

Для воспроизведения объемного изображения голограмма помещается под излучение лазера той же длины волны, которая использовалась при записи голограммы. Зеркальный экран освещается потоком опорного света лазера и отраженного от голограммы. Происходит сложение этих волн, обратное тому сложению, которое производилось при записи голограммы, и на экране возникает объемное изображение объекта. Разумеется, при перемещении оператора по дуге около экрана его глаза не смогут увидеть больше того, что "увидел", то есть просканировал ранее, лазер − изометрическую проекцию объекта. Однако оператору не потребуется стереоскопических очков, как при использовании стереоскопических установок.
Возможно большое увеличение масштаба изображения, для чего не требуется сложная оптическая система. Увеличение достигается кратным изменением частоты волн, излучаемых считывающим лазером. Благодаря этому возможно голографическое увеличение.

Отметим, что первоначальная идея Д. Габора (1947 г) применения голографии и получения первой интерференционной картины в проходящем свете была направлена на повышение разрешающей способности электронных микроскопов. Согласно предложению Д. Габора повышение разрешающей способности электронного микроскопа возможно, если записывать голограмму в электронном пучке, а восстанавливать с помощью световой волны. Такой путь, к сожалению, привёл к ряду не разрешимых для того времени технических трудностей и не был реализован на практике. Дальнейшие исследования в области возможностей получения голографического увеличения показали, что голографическое увеличение имеет разное значение для продольного и поперечного направлений на поверхности изображаемого объекта, что может привести к искаженному восприятию восстанавливаемого изображения объекта. В некоторых областях прикладной физики и техники голографическое увеличение, несмотря на отмеченный недостаток, нашло применение для решения задач немасштабного оптического моделирования протекания процессов и работы различных устройств сверхвысокочастотной техники, оптоэлектроники и фотоники.

Локальный характер регистрации информации в голографии сфокусированных изображений позволяет проводить восстановление в белом свете. При этом отдельные спектральные составляющие восстанавливающего пучка реконструируют на "тонкой" голограмме разноцветные изображения, которые благодаря пространственной дисперсии наблюдаются под разными углами к оси голограммы. Восстановленная картина, попадающая в апертуру наблюдательной системы, представляет собой спектрально окрашенное изображение объекта.

Таким образом, применение метода сфокусированных изображений в голографической эндоскопии позволяет: уменьшить влияние сжатия размеров голограммы на качество восстанавливаемого изображения за счет уплотнения записи, уменьшить габариты голографического устройства, производить просмотр голограммы в белом свете.

Наиболее широкое применение голография находит в науке и технике. Голографическими методами контролируют точность изготовления изделий сложной формы, исследуют их деформации и вибрации. Для этого деталь, подлежащую контролю, облучают светом лазера, и отраженный свет пропускают сквозь голограмму эталонного образца. При отклонении размеров от эталонных, искажении формы и появлении поверхностных напряжений возникают полосы интерференции, число и расположение которых характеризует степень отличия изделия от образца или величину деформаций. Аналогичным образом исследуют обтекание тел потоками жидкости и газа: голограммы позволяют не только увидеть в них вихри и области уплотнений, но и оценить их интенсивность.

Голографическими методами можно распознавать образы, т.е. искать объекты, идентичные заданному, среди множества других, похожих на него. Такими объектами могут быть геометрические фигуры, фотографии людей, буквы или слова, отпечатки пальцев и т.д. На пути лазерного луча устанавливают сначала кадр, на котором может находиться искомый объект, а за ним – голограмму этого объекта. Появление яркого пятна на выходе говорит, что объект в кадре присутствует. Такая оптическая фильтрация может производиться автоматически и с большой скоростью.

Методами акустической голографии удается получать объемные изображения предметов в мутной воде, где обычная оптика бессильна.

Традиционное применение объемного голографического изображения высокого качества относится также к сфере культуры, образования для создания макетов оригиналов памятников культуры и искусства. Еще одна сфера применения объемного голографического изображения высокого качества тренажёры для обучения пилотирования самолётов, космических кораблей и овладения навыками работы в сложных условиях.

Получение голографического изображения высокого качества вместе с голографической интерферометрией нашло своё применение в картографии для создания на картах земной поверхности линий одного уровня (топографической сетки). Эта же методика может быть применена для контроля отклонения профиля поверхности от заданной формы. Для этой цели используется запись голограммы объекта либо с помощью двух близко расположенных источников (рисунок 1), либо по методу двойной экспозиции регистрируются две голограммы от одного источника, занимающего разные положения в пространстве.
 

При рассмотрении полученной интерференционной картины она представляется испещрённой тёмными и светлыми полосами, соответствующими гиперболам одинаковой разности хода, точки которых определяются одной из линий равного уровня.

Другой способ получения линий одного уровня основан на записи интерферограммы объекта с помощью опорного источника, в спектре колебаний которого имеются две спектральные составляющие. При освещении полученной голограммы волной, одной из частот, используемых при её записи, возникнут два изображения, волновые фронты которых будут интерферировать. В результате интерференции на поверхности голографируемого объекта будут видны линии одинакового уровня, в соответствии со сказанным выше.

Кроме того, голографическое объёмное изображение высокого качества используется для изучения объёмной структуры меняющихся во времени объектов. Объёмное изображение высокого качества применяется, например, для исследования трёхмерной структуры живых микробиологических объектов, для изучения распределения частиц по размерам в аэрозолях и других задачах прикладной физики. Для получения трёхмерного изображения меняющегося во времени трёхмерного объекта используется импульсный лазер с малой длительностью импульсов. Подвижный объект при записи его голограммы как бы становится неподвижным. Однако, получающаяся голограмма позволяет исследовать весь объём объекта и последовательно изучить эволюцию объекта во времени. Использование для этих целей оптических систем с большой глубиной резкости влечёт за собой необходимость постоянной перестройки фокуса для исследования объёмной структуры объекта. Наблюдение за меняющимся во времени объектом во всём занимаемом им объёме с помощью оптических систем с большой глубиной резкости вообще становится невозможным, поскольку в каждый момент времени может наблюдаться только одно сечение объекта, а информация о других сечениях может быть получена только в другой момент времени. Из-за эволюции объекта во времени результаты таких наблюдений, очевидно, могут составить лишь приближённое представление о реальных изменениях, имеющих место в объёме изучаемого объекта с течением времени.

Рассмотрим второй этап голографического процесса − восстановление изображения, записанного на голограмме.

На этом этапе проявленная фотопластинка − голограмма освещается опорной световой волной E_y^* падающей на поверхность голограммы под зеркальным углом по отношению к направлению волны, используемой для получения голограммы (рис. 1):

 

В результате явления дифракции на голограмме освещающей её волны E_y^* в приближении Кирхгофа за голограммой образуется распределение комплексных амплитуд E_out, которое соответствует сумме трёх волновых фронтов (рисунок 1):

Где  − константы пропорциональности, зависящие от физико-химических свойств материала фотопластинки, процесса её проявления и записи голограммы, в конечном счёте, определяющие интенсивности волновых фронтов E_y^*, E_d^*, E_rd, распространяющихся за голограммой:
E_y^* − волновой фронт, освещающий голограмму;
E_d^* − волновой фронт, соответствующий мнимому изображению предмета;
E_rd − волновой фронт, который можно трактовать, как соответствующий действительному изображению предмета, промодулированному волной, используемой для освещения голограммы. Помимо мнимого изображения с голограммы получается и действительное, но оно размещается в стороне и не мешает наблюдению мнимого.

Малогабаритные микроволноводные устройства получения голограмм для эндоскопии. Исследования в области микроволноводной оптики и голографии подтвердили возможность выполнения голографического устройства, монтирующегося непосредственно в дистальной части эндоскопического прибора, без транспортировки изображения (неизбежно связанного с потерей качества). Наиболее целесообразно с точки зрения сокращения габаритов устройства применение схемы Лейта получения рефлекторных голограмм, где имеется значительная свобода в выборе места размещения двухканального разветвителя и в прокладке микроволноводов (рисунок 1а).

Миниатюрное голографическое устройство по двухлучевой схеме для дистальной части эндоскопа может быть выполнено и с одним микроволноводным каналом (рисунок 1б). Это оправдано в схемах на многомодовых волноводах, так как позволяет идентифицировать амплитудно-фазовые и поляризационные характеристики объектного и опорного пучков. Кроме того, улучшаются условия их интерференции и повышается качество голограмм. Оптимальный угол "сбивки" Θ опорного и объектного пучков составляет около 40° при соотношении интенсивностей пучков 2 : 1 и при равенстве путей объектного и опорного пучков. Для выравнивания оптических путей пучков в особо малогабаритных голографических схемах с одним микроволноводом применяют три поворотных зеркала.