· формування опорної хвилі і зчитування голограми;
· детектування об'єктної хвилі, формування зображення об'єкта.
Яким чином можна здійснити реалізацію голографічного процесу запису і зчитування інформації? Це:
· Повністю фізичний експеримент.
· Повністю чисельний експеримент - розрахунок всіх етапів голографічного процесу з використанням масиву чисел і методів математичної обробки.
· Отримання голограм у фізичному експерименті – зчитування і обробка методами цифрової голографії
· Отримання голограм методами цифрової голографії (синтез голограм) – зчитування і обробка у фізичному експерименті
· Різноманітне поєднання на різних етапах голографічного процесу методів фізичного і чисельного експерименту.
Технічні труднощі при здійсненні голографічного процесу за допомогою ЕОМ, пов'язані з виконанням наступних операцій:
· Введення зображення об'єкта (або голограми) в ЕОМ.
· Виконання обчислювальної процедури над інформацією, що вводиться.
· Виведення зображення об'єкта або голограми з ЕОМ.
Поняття «Цифрова голографія» вимагає введення поняття «Цифрова голограма». В даний час під терміном «цифрова голограма» розуміють голограму, структура якої розрахована з використанням чисельних методів; даний термін має ряд синонімів: синтезована голограма, комп'ютерна голограма, штучна голограма, кожен з яких має деякі специфічні особливості і області застосування, так що в даний час не можна повноцінно замінити один термін іншим без збитку розуміння конкретного наукового контексту.
Отримання цифрових голограм включають наступні основні етапи.
1. Введення ділянки зображення голографування в ЕОМ.
2. Обчислення амплітудного і фазового спектрів зображення за допомогою певних алгоритмів
3. Виконання підготовчих процедур, залежних від вибраного алгоритму видачі цифрової голограми з ЕОМ.
4. Видача голограми на друк в певному масштабі.
5. Зміна отриманої голограми до заданих розмірів.
Надалі відновлення початкового зображення за його цифровою голограмою може проводитися як обчислювальними, так і оптичними (фізичними) методами.
Розглянемо як приклад цифрових голограм (синтезованих, комп'ютерних і так далі), отримання синтезованих голограм Фурье простих об'єктів-транспарантів за схемою, приведеною на рис.1. При цьому зв'язок координат в площині предмета і площині голограми представлений на рис.2.
Рис.1. Принципова схема запису голограм Фурье об'єктів-транспарантів
Рис.2. Звязок координат опорного джерела, площини предмета (П) і площини голограми (Г) при проведенні синтезу голограм Фурье об'єктів-транспарантів
Положення предмета-транспаранта в площині (П) і вид його двійкової голограми Фурье представлені на рис.3–6 для різних положень предмета-точки і різних предметів транспарантів: точки, трикутної фігури, букви «С».
| 
|
| Рис.3. Положення крапки і двійкова голограма крапки
| Рис.4. Положення крапки і її двійкова голограма
|
|  
|
| Рис.5. Зображення трикутника і його двійкова голограма
| Рис.6. Зображення букви «С» і її двійкова голограма
|
Відновлення зображення предмета по синтезованій голограмі проводиться за оптичною схемою, зображеною на рис.7.
Рис.7. Принципова схема зчитування голограми при використанні синтезованої голограми Фурье в якості фільтра
Перспективи використання синтезованих голограм прогнозуються фахівцями у наступних напрямах:
· Математичне моделювання характеру процесів запису голограм і зв'язку параметрів реєструючого середовища з умовами запису голограм
· Отримання голограм-транспарантів із заданими параметрами і дифракційними характеристиками
· Чисельні експерименти з формування голограм і фізичні експерименти по їх зчитуванню
Один з методів цифрової голографії включає проведення наступних етапів отримання цифрової голограми:
1. Формування інтерференційної структури фізичним способом
2. Введення даних (розподіл інтенсивності в отриманій інтерференційній структурі) в ЕОМ
3. Обробка масиву чисел і коректування голограми (інтерференційної структури)
4. Зчитування голограми – відновлення зображення
Оптична схема установки для отримання голограм за даною методикою, представлена на рис.8. Результати зчитування – на рис.9. За допомогою перетворення Френеля формувалися 4 зображення, які потім оброблялися методом фазового зсуву.
Рис.8. Оптична схема експериментальної установки для запису голограм із заданими фазовими зсувами
Рис.9. Зображення об'єкта (б, в, г), відновлене за допомогою цифрової голограми (а) - чисельне відновлення зображення об'єкта: а – початкова голограма; б – зображення, відновлене по стандартній схемі; в – придушення нульового порядку; г – зображення, відновлене за допомогою голограми, скоректованої методом фазового зсуву (чотирикроковий квадратурний алгоритм)
Можливість отримання кольорових зображень об'єкта за рахунок використання декількох різних довжин хвиль записуючого випромінювання при запису цифрових голограм ілюструє рис.10.
Рис.10. Оптична схема установки для запису цифрових голограм при використанні двох довжин хвиль
Теоретичні розробки в області цифрової голографії [наприклад, зокрема в області цифрової мікроскопії, дозволили створити унікальні за своїми характеристиками прилади, серед яких цифровий голографічний безлинзовый мікроскоп Numerical Vision LDHM-4 (рис.11). Цифровий мікроскоп, на відміну від класичного оптичного, не містить об'єктивів, має можливість додатково отримувати розподіл фази хвилі в площині об'єкту і реконструювати по отриманій фазі розподіл висоти. Настроювання на різкість здійснюється спеціалізованим програмним забезпеченням необмежене число разів після отримання знімка цифрової голограми.
Такий мікроскоп може мати широкі перспективи науково-технічного застосування:
• вимірювання висоти об'єктів з нанометровим розділенням;
• дослідження біологічних об'єктів;
• контроль стану біочіпів;
• кишенькові системи визначення достовірності захисних голограм і документів;
• контроль товщини напилення або глибини канавок;
• збирання, юстирування і контроль якості мікромеханічних систем.
Рис.11. Безлінзовий цифровий голографічний мікроскоп Numerical Vision LDHM-4
На завершення слід зазначити перспективні напрями розвитку цифрової голографії і технічні засоби, що їх забезпечують.
Перспективні напрями розвитку цифрової голографії:
• Отримання заданих (оптимальних) голографічних фільтрів для систем оптичної просторової фільтрації.
• Відновлення зображень з голограм, отриманих неоптичними засобами (акустичними, радіолокаціями і ін.).
• Візуалізація умовних зображень неіснуючих предметів (наприклад, розрахованих двовимірних і тривимірних математичних функцій).
• Метрологічний контроль і діагностика: компенсація аберації в оптичних системах і оцінка характеристик хвильових функцій.
• Науково-технічні розробки в області «захисної голографії» -технології і апаратура для отримання і зчитування голограм з прихованим і кодованим зображенням, призначених для захисту від підробок і фальсифікації документів і товарів.
• Цифрова образотворча голографія - отримання кольорових об'ємних зображень сцен і об'єктів, синтезованих за допомогою комп'ютерних програм, шляхом створення композиційних піксельних голограм з подальшою реєстрацією на матеріальному носієві.
Технічні засоби розвитку цифрової голографії:
• Обчислювальні методи
• Засоби і методи введення і виведення оптичної інформації при використанні обчислювальної техніки.
• Методи побудови тривимірних моделей об'єктів, заданих своїм математичним описом (наприклад, метод пошарового лазерного спікання порошкоподібних матеріалів).
• Швидкодіючі алгоритми комп'ютерної обробки масиву чисел (цифрових голограм) в реальному часі для дослідження динамічних об'єктів.
