Стереоизображение и голография доклад

Обновлено: 16.05.2024

Коломийчук Вероника Григорьевна

Оптика - раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом. Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь прежде всего имеется в виду голография, которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям.
Как средство отображения реальной действительности, голограмма обладает уникальным свойством: в отличие от фотографии, создающей плоское изображение, голографическое изображение может воспроизводить точную трехмерную копию оригинального объекта. Такое изображение со множеством ракурсов, изменяющихся с изменением точки наблюдения, обладает удивительной реалистичностью и зачастую неотличимо от реального объекта.
Голография – метод получения объемного изображения объекта, путем регистрации и последующего восстановления волн. Волны могут быть любые – световые, рентгеновкие, акустические и т.п. Голограмма является записью интерференционной картины.

Любой голографический метод состоит из двух этапов.

1. Вначале получают (записывают) голограмму – интерференционную картину, возникающую на фотопластинке при сложении двух когерентных пучков света. На фотопластинке образуется интерференционная картина, представляющая собой чередование светлых и темных пятен. Голографическое изображение не соответствует его внешнему виду.
2. Для восстановления голограммы ее освещают таким же когерентным излучением. Поскольку голограмма представляет сложную интерференционную картину, то на ее прозрачных и непрозрачных участках происходит дифракция когерентного излучения, и в результате получается изображение.

Основные свойства голограмм

Эти свойства связаны именно с тем, что на голограммах фиксируются не только амплитуды, но и фазы волн. Практически на каждую точку поверхности пластинки падает излучение, отраженное от всех точек предмета. Это означает, что любая, даже маленькая часть содержит зрительную информацию о всем предмете.

2 . Голографическое изображение можно увеличить на стадии восстановления. Когда голограмму записывают параллельным световым пучком, а восстанавливают расходящимся, изображение увеличивается пропорционально углу расхождения. (Это свойство используется в рентгеновских голографических микроскопах).

3 . 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.

4 . Голограмму можно рассчитать и нарисовать при помощи компьютера и даже вручную. Можно создавать голограммы, на которых изображены предметы, не существующие в реальности. Достаточно компьютеру задать форму объекта и длину волны падающего на него света. По этим данным компьютер рисует картину интерференции отраженных лучей. Пропустив световой пучок сквозь искусственную голограмму, можно увидеть объемное изображение придуманного предмета.

Следовательно, голография позволяет записывать, хранить, обрабатывать и быстро преобразовывать огромное количество данных. Эти особенности голографии используют для решения многих технических и научных проблем.

Хотя мы считаем, что голография интересна больше возможностями для 3D-дисплеев, в целом у нее есть возможность применения во многих сферах. Вот несколько примеров:

Стереоэффект – эффект, связанный с объёмным восприятием изображения.

Голография – метод получения объёмного изображения на основе интерференции волн.

Голограмма – носитель объёмного изображения (голографическая пластинка).

Бинокулярное зрение – зрение двумя глазами, обеспечивающее объёмность изображения.

Стереоизображение – картина или видеоряд, использующий два отдельных изображения, позволяющих достичь стереоэффекта.

Анализатор – поляризационный фильтр, пропускающий свет только с определенной плоскостью поляризации.

Основная и дополнительная литература по теме урока:

Естествознание. 11 класс: Учебник для общеобразоват. организаций: базовый уровень под ред. И.Ю. Алексашиной. – 3-е изд. – М.: Просвещение, 2017. – §40, С. 94-97.

Физика. 11 класс [Текст]: учебник для общеобразоват. учреждений: базовый уровень; профильный уровень/А.В. Грачев, В.А. Погожев, А.М. Салецкий и др.- М.: Вентана-Граф, 2018. – 464 с.

Теоретический материал для самостоятельного изучения

С древнейших времен человек научился создавать искусственные изображения. Ранние произведения искусств не передавали объёмную форму предметов и их расположение в пространстве. Постепенно мастерство росло и художники научились воспроизводить перспективу, которая позволила запечатлевать на плоскости любые объекты так, как мы видим их в натуре. И все же изображения на всех картинах и фотографиях плоские.

Почему же искусственное изображение отличается от естественного? Чтобы понять это, достаточно посмотреть на мир одним глазом. Именно зрение двумя глазами обеспечивает объемность изображения и позволяет судить о том, какой предмет находится ближе к нам, а какой дальше. Объемное зрение называется бинокулярным зрением.

Восприятие окружающих предметов объёмными объясняется очень просто: Изображения, воспринимаемые правым и левым глазом, немного различаются.

Стереоэффектом называют эффект, связанный с объёмным восприятием изображения.

Для восприятия стереоэффекта используют три способа. Рассмотрим их.

Каждый глаз через свой окуляр наблюдает свое изображение с помощью стереоскопа.
Изображение строится из чередующихся полосок, каждая из которых соответствует изображению, предназначенному для левого и правого глаза.
Третий способ основан на свойствах поляризационного света. В этом случае изображения совмещаются на одном экране, однако каждое из изображений светится поляризованным в определенной плоскости светом. Оси поляризации для левого и правого глаза взаимно перпендикулярны. Просмотр изображений происходит через специальные очки, стекла которых являются анализаторами, пропускающими свет только с определенной плоскостью поляризации. В результате каждый глаз видит только одно свое изображение. Этот способ используют в стереокинотеатрах.

В наши дни каждый слышал о 3D фильмах, для просмотра которых используются специальные 3D очки.

В интернете можно увидеть большое количество стереограмм, т.е. картинок, представляющих собой, на первый взгляд, абстрактные изображения. Чтобы увидеть объемное изображение, необходимо сфокусировать взгляд за плоскостью рисунка таким образом, чтобы изображения для левого и правого глаз совпали. Приблизьтесь к монитору близко-близко и медленно отодвигаясь, увидите, как преобразится картинка.

Развитие технологий, связанных с волновой оптикой позволило разработать еще более совершенный способ создания стереоскопического изображения – голографию. Еще при развитии волновой оптики в работах Гюйгенса и Френеля был сформулирован принцип, называемый в настоящее время по их именам (принцип Гюйгенса-Френеля). В соответствии с ним, волна, приходящая от какого-либо объекта, может быть представлена как интерференция волн от каждой из точек объекта.

Метод получения объемного изображения на основе интерференции волн называется голографией, а носитель объемного изображения (фотографическая пластинка) – голограммой.

Рассмотрим принцип ее создания.

Волна от лазерного источника падает на полупрозрачное зеркало B. Часть волны отражается и попадает на фотопластинку C. Эта часть волны называется опорной волной. Вторая часть волны проходит сквозь зеркало и падает на фотографируемый объект A. Отраженная от объекта волна – информационная волна, также падает на фотопластинку. В области фотопластинки происходит интерференция опорной и информационной волн. В результате этой интерференции какие-то области фотопластинки будут освещены более ярко, а какие-то менее ярко. Эта интерференционная картина и фиксируется фотопластинкой, как обычная фотография. Голографическое изображение получается настолько реальным, что позволяет даже заглянуть внутрь предмета и за него. Развитие голографии стало возможным после создания мощных лазерных источников.

Таким образом, на уроке мы узнали, что восприятие объемного (стереоскопического) изображения основано на бинокулярном зрении. Чтобы получить искусственное стереоизображение необходимо предоставить воспринимать каждому глазу свое, предварительно сформированное изображение. Голография представляет собой способ создания объемного изображения на основе явления интерференции волн.

Примеры и разбор решения заданий тренировочного модуля:

Текст задания 1.:

Варианты ответа: анализаторами, бинокулярными, дифракции, дисперсии, поляризации.

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов): анализаторами, поляризации.

Текст задания 2.:

К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

бинокулярный оптический прибор для раздельного наблюдения каждым глазом своего изображения стереопары, позволяющий оптически совместить два изображения и сформировать при их рассматривании единый стереоскопический образ.

способность восприятия объектов или стереоскопических изображений двумя глазами, дающая наиболее правильное представление о рельефности объектов или их изображений, а также о глубине видимого или воспроизводимого пространства.

процесс воссоздания зрительным аппаратом человека, обладающего стереоскопическим зрением, трехмерной пространственной картины из двух двумерных сетчаточных изображений

Правильный вариант/варианты (или правильные комбинации вариантов):

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Голография и Голограмма

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Голография — одно из интереснейших и завораживающих достижений современной науки и техники. Это метод получения объемного изображения. Как следствие г олограмма — это продукт голографии.

Голограммы обладают уникальным свойством. Они дают нам возможность увидеть объемное изображение предметов. Конечно, не каждый человек знает, что такое голограмма. Но я уверен, что любой из нас, увидев её будет в неописуемом восторге.

Актуальность выбранной темы. Выбранная мной тема является актуальной, так как у голографии определенно есть будущее. Главным образом оно заключается в визуальных развлечениях, в создании трехмерных сцен. Человек сможет реально видеть объекты и людей, смотреть спектакли. При этом всё что будет происходить вокруг него будет лишь так называемой иллюзией, объёмной картинкой. В недалеком будущем будет широко использоваться трехмерное голографическое телевидение. Также предстоит широкое использование 3D-голографической визуализации для проведения операций в области кардиохирургии и других направлений медицины.

Объект исследования – голограмма.

Предмет исследования – свойства голограмм и их применение.

Цель исследования:

понять, что такое голограмма и как она образуется

с помощью обычных мыльных пузырей и лазерного диска понаблюдать свойство интерференции света

доказать, что, используя обычную усеченную четырёхугольную пирамиду, можно получить объемную голограмму

Задачи исследования:

Изучить литературу по теме

Описать схему образования голограммы

Изучить историю появления голограмм

Описать свойства голограмм

Изучить практическое применение голограмм

Проверить на практике один из методов получения голограмм

Понаблюдать явление интерференции световых волн

Гипотеза – если установить усечённую четырёхугольную пирамиду на экран с видеоизображением, то в центре пирамиды образуется объемная голограмма.

Методы исследования:

Изучение специальной литературы

Обобщение и систематизация материала по данной теме

Глава 1. Понятия и история голографии и голограммы.

Определение понятия голографии и голограммы.

Голограмма — это многослойная вариация изображения. Каждый слой такого изображения отражает свет по-своему. Другими словами, это фотография, создающая при соответствующем освещении трёхмерное изображение.

История появления голографии и голограммы.

Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 году первую голограмму. Сам термин – голограмма был придуман также Деннисом Габором. Открытие голографии было им сделано в ходе экспериментов по увеличению разрешающей способности электронного микроскопа. Первые голограммы были получены при помощи ртутной лампы. Их качество было очень низким и о них надолго забыли. За открытие голограммы Габор получил Нобелевскую премию в 1971 году.

Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как в результате фундаментальных исследований по квантовой электронике, которые были выполнены советскими физиками-академиками Басовым и Прохоровым и американским ученым Таунсом, в 1960 году был создан первый лазер. В этом же году профессором Маймамом был сконструирован импульсный лазер на рубине (рубин – кристалл розового цвета). Это система (в отличие от непрерывного лазера) дает мощные и короткие, длительностью всего в несколько наносекунд, лазерные импульсы. Они позволяют фиксировать на голограмме подвижные объекты. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера в 1967 году.

В 1962 году американскими учеными Эмметом Лейтом и Юрисом Упатниексом была получена первая объемная голограмма. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях во всем мире.

Первые высококачественные лазерные голограммы, или как их еще называют 3 d голограммы, были получены советским физиком Юрием Николаевичем Денисюком в 1968 году. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком.

В настоящее время голография продолжает активно развиваться, и с каждым годом в этой области появляются новые интересные решения. Нет сомнения, что в будущем изобразительной голографии предстоит занять в жизни людей еще более значительное место.

Глава 2. Принцип формирования голограммы.

Получение голограммы стало возможным благодаря двум свойствам световых волн:

2 .1. Интерференция

Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.

Другими словами интерференция - это такое свойство световых волн, при котором две волны света накладываются друг на друга. Интерференцию могут испытывать только когерентные волны.

2.2. Когерентные волны

Когерентные волны – это так называемые синхронные, или согласованные волны. У когерентных волн одинаковая частота (одинаковая длина волны), при этом волны всегда идут так, что разность их фаз в любой точке пространства остается постоянной. Для наглядности можно привести простой пример: если взять график синуса, или простыми словами волнистую линию, далее скопировать её и поместить одну линию под другой, то это и будут две когерентные волны (рис.1). При наложении друг на друга такие волны будут усиливать (или ослаблять) интенсивность света друг от друга. Для наилучшего понимания усиления эффекта от наложения двух волн можно привести простой пример: когда вы прыгаете на батуте и высота вашего прыжка в определенный момент начинает совпадать с высотой раскачки батутной сетки, Вас начинает отталкивать от сетки батута с двойной силой.

С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.

2.3. Дифракция

Дифракция – это одно из свойств волн, которое очень похоже на интерференцию, но с добавлением неких условий. Э то некая совокупность явлений, которые наблюдаются при распространении света в среде с резкими неоднородностями, простыми словами - это огибание препятствий световыми волнами. Дифракция – это частный случай интерференции.

2.4. Схема получения голограммы

Описание схемы

Лазером подается луч на делитель. После деления один поток световой волны уходит через линзу на зеркало и отражаясь от зеркала попадает на фотопластинку. Такие световые волны называются опорными. Другой поток световой волны уходит через линзу на второе зеркало, отражается от него, попадает на объект и далее, отражаясь от объекта также попадает на фотопластинку. Такие световые волны называются объектными.

Два потока световых волн объединяясь на фотопластинке образуют голографический объект.

Фотопластинка – небольшая стеклянная пластинка, с одной стороны покрытая светочувствительным слоем, на котором фиксируется изображение.

Светочувствительный слой – это специальная эмульсия, которая наносится на поверхность пластинки, изменяет свои свойства по воздействием определенных излучений.

Глава 3. 3 D голограмма и ее применение.

Технологии развиваются семимильными шагами и повсеместное изобретение различных роботов уже норма. Другое дело – голограммы. Вроде бы не так давно на свет появились 2D-модели, а им на замену уже пришли полноценные 3D-прототипы.

Современная 3 d голограмма – это, по сути, трёхмерная проекция объемного изображения конкретного предмета. 3D-голограмма уверенно осваивает самые различные сферы человеческой деятельности. Примеров тому множество. Один из них – голограммы в воздухе. Это голографические модели, масштаб которых полностью соответствует реальному объекту и 3D-пирамиды. На презентациях, конференциях, выставках и прочих мероприятиях различного уровня все чаще используются пространственные голограммы, которые создаются с помощью голографических проекторов. Простейший 3D-проектор можно сделать своими руками из обычного смартфона.

В ряду новейших технологий передачи информации – видеоконференции и интерактивная голография, формирующая эффект висящей в воздухе прозрачной поверхности.

Ниже приведу области применения 3 D голограмм.

Применение голограмм в медицине.

Не так давно технология 3D-голографической визуализации, разработанная для проведения операций на сердце, успешно прошла клинические испытания.

Такие интерактивные трехмерные изображения можно делать в режиме реального времени на базе данных, полученных при помощи ангиографа и ультразвуковой кардиологической системы

Применение трехмерных изображений поможет в проведении малоинвазивных операций на сердце и не только.

По мнению разработчиков, 3D-голограммы позволят сделать новый шаг в развитии визуализации в кардиохирургии, и потребность в данной технологии будет дальше только расти.

Применение голограмм в телевидении.

Направление трехмерного телевизионного изображения вовсю развивается для тех, кому эта технология нравится и подходит.

Исследователь Дэниэл Смолли из MIT Media Lab недавно предложил недорогую технологию для истинно голографического телевидения, основанную на использовании оптического чипа. Первые поколения голографических телевизоров уже существуют. Японские эксперты считают, что голографическое телевидение станет мейнстримом до 2020 года и предлагают транслировать Чемпионат мира по футболу 2022 в таком формате.

Применение голограмм в процессе обучения и в презентациях.

Уникальные возможность трехмерных голограмм – показывать объект на 360 градусов и позволять человеку взаимодействовать с ним: крутить, увеличивать и уменьшать, смотреть меню, изучать план здания. Всё это делает процесс демонстрации и обучения более интерактивным, глубоким и интересным.

Применение голограмм в рекламе.

Использование новых технологий может стать достаточно интересным способом привлечения потребителя. Так, бельгийский оператор связи устроил необычную рекламную акцию, а сотне счастливчиков еще и подарил 6-метровую голографическую 3D-статую в городе.

Применение голограмм в шоу-бизнесе.

Использование голографии в шоу-бизнесе уже не ново. Можно почти со 100% вероятностью сказать, что в ближайшее время коммерческое использование этой технологии будет приобретать глобальные масштабы.

Концерты голографических музыкантов и спектакли легендарных театральных актеров со временем станут одним из распространенных и популярных видов развлечений. Эксперты говорят, что в скором времени голограммы станут показывать, например, в ночных клубах – в блоках льда и облаках водяного пара.

Применение голограмм в развлечениях.

Благодаря развитию современных технологий, возникают совершенно новые и уникальные виды развлечений. Например, лотерея Hololoto, которая предлагает инновационную, запатентованную лотерейную систему, действующую на основе голографических технологий, создающих трехмерную визуализацию. Это позволяет объединить неповторимые образы персонажей, проводящих тираж и постоянно развивающиеся миры сказочных локаций с невероятной графикой и динамичной игрой.

Применение голограмм в мобильных технологиях.

Уже разработана технология, которая позволяет воспроизводить трехмерные изображения на экранах мобильных устройств.

Практическая часть.

Наблюдение интерференции света на мыльных пузырях.

Для того чтобы увидеть свойство интерференции, я взял обычные мыльные пузыри и выдул несколько штук.

Все мы с Вами знаем, что, если внимательно посмотреть на мыльные пузыри, они не просто прозрачные, они переливаются различными цветами, это и есть интерференция света. В верхней и нижней части пузырей образовались интерференционные кольца. Образовавшиеся кольца окрашены в спектральные цвета.

Спектральные цвета – это семь цветов, на которые условно разделяют спектр видимого излучения (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), так называемые цвета радуги. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. В тонких пленках мыльных пузырей наблюдается явление интерференции света. Лучи, отраженные от верхней и нижней поверхности пленки интерферируют, в результате в отраженном свете наблюдается устойчивая интерференционная картина. Поскольку геометрическое место максимумов интерференции для различных длин волн различно, то картина становится окрашенной. Пузыри имеют радужную окраску из-за явления интерференции световых волн, попадающих на внешнюю и внутреннюю оболочку пузыря.

Наблюдение интерференции и дифракции света на лазерном диске.

Лазерный диск является хорошим примером для наглядности свойств интерференции и дифракции.

На лазерном диске расположено огромное количество очень маленьких бороздок. Если мы начнем поворачивать диск в разные стороны, то мы с Вами будем наблюдать интерференционную картину. Диск начнет переливаться различными спектральными цветами. Яркость спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок. Поверхность диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света.

Создание голограммы с помощью смартфона.

Для того чтобы воспроизвести голограмму на своём смартфоне, мне необходимо было сделать усечённую пирамиду из прозрачного материала.

Для этого я взял лист прозрачной обложки для переплёта и вырезал четыре одинаковые детали – трапеции.

Затем я склеил получившиеся детали между собой скотчем. У меня получилась усеченная четырёхугольная пирамида.

Усеченная четырёхугольная пирамида

Надо сказать, что получить голограмму с первого раза у меня не получилось. Пришлось деталь подгонять по размерам. Таким образом я сделал пять таких пирамид чтобы добиться желаемого результата.

Затем я установил полученный объект на смартфон, включил воспроизведение ролика и получил объёмную голограмму.

Суть техники создания голограммы с помощью смартфона состоит в трансляции сразу четырех изображений на слегка усеченную четырехугольную пирамиду, поставленную вершиной вниз на экран смартфона. При проигрывании специально подготовленного ролика на экране телефона, изображение отражается от всех четырёх граней пирамиды и создается полная иллюзия парящего в воздухе объекта. Суть пирамидальной голограммы в том, что каждое из изображений проецируется на свою грань, а при просмотре наблюдатель видит сразу все четыре изображения, которые сводятся в единую трехмерную картинку гранями пирамиды.

В начале своей исследовательской работы я поставил себе задачи – разобраться в том, что такое голограмма, какими свойствами она обладает, где применяется. Также стояла задача понаблюдать на практике за свойствами световых волн – интерференцией и дифракцией и воспроизвести трёхмерную голограмму при помощи своего смартфона.

В ходе изучения специальной литературы я выяснил, что такое голограмма, где она может быть использована и чем может быть полезна людям. Я узнал какими свойствами обладают световые волны и провёл несколько наблюдений и экспериментов, связанных со световыми волнами и голограммой.

Проведенные мной наблюдения и эксперимент помогли мне убедиться в правильности выдвинутой мной гипотезы: если установить усечённую четырёхугольную пирамиду на экран с видеоизображением, то в центре пирамиды образуется объемная голограмма.

Таким образом, задачи исследовательской работы решены, поставленная цель достигнута.

Список используемой литературы

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

Описание презентации по отдельным слайдам:

Стереоизображение и голография.

Цель: Дать понятие голографии, основных принципов получения голографических изображений на основе волновой физики. Объяснить принципы получения стереоизображений.

Бинокулярное зрение восприятие окружающих предметов двумя глазами (от лат. bi — два, осulus — глаз)

Эффекты бинокулярного зрения

Голография Сущность идеи состояла в фиксации полной информации о предмете, причем информации не только об амплитуде, но и о фазе световой волны. Голография - одно из замечательных достижений современной науки и техники.

Когда родилась идея? Идеи и принципы голографии сформулировал в 1948 г. венгерский физик Деннис Габор. Как это иногда бывает в науке, идея голографии родилась при разработке совсем другой проблемы — усовершенствования электронного микроскопа.

Уникальное свойство голографии Голограммы обладают уникальным свойством - восстанавливать полноценное объемное изображение реальных предметов.

Уникальное свойство голографии Название происходит от греческих слов holos - полный и grapho - пишу, что означает полную запись изображения.

Принцип голографии Голографический метод записи информации использует важнейшее свойство лазерного излучения — его когерентность Световая волна при отражении от объекта изменяет не только амплитуду, но и фазу в соответствии со свойствами поверхности объекта в данной точке.

Принцип голографии Голография основывается на двух физических явлениях — дифракции и интерференции световых волн. Интерференционная картина (чередование тёмных и светлых полос или пятен), возникающая в результате взаимодействия сигнальной и опорной волн, содержит полную информацию об амплитуде и фазе сигнальной волны, то есть об объекте. Зафиксированная на светочувствительной поверхности интерференционная картина после проявления называется Голограммой.

Принцип голографии Для того чтобы увидеть изображение предмета, голограмму необходимо просветить той же опорной волной, которая использовалась при её получении. В простейшем случае - интерференции двух плоских волн (двух параллельных пучков) - голограмма представляет собой обычную дифракционную решётку. Если рассматривать голограмму в микроскоп, то в простейшем случае видна система чередующихся светлых и тёмных полос.

Голографический метод записи информации Голографический метод получения изображения предмета состоит из двух этапов. Сначала получают голограмму — интерференционную картину, возникающую на фотопластинке при сложении Двух когерентных пучков света. Один из них отражается от зеркала (опорный пучок), другой — от предмета (сигнальный, или предметный, пучок). Эти пучки света образуют на фотопластинке интерференционную картину.

Голография с записью в трехмерной среде В 1962 г. российский физик Юрий Николаевич Денисюк предложил интересный и перспективный метод голографии с записью в трехмерной среде.

Изобразительная голография Голограммы незаменимы при изготовлении высококачественных репродукций произведений скульптуры, музейных экспонатов и т.д. ; В то же время, возможность создания объемных изображений открывает новые направления в искусстве - изобразительную голографию и оптический дизайн. Голограммы широко используются в сувенирной продукции и в качестве украшений, а также в рекламе.

Голография — это один из способов регистрации информации. С ее помощью можно записывать, а потом воспроизводить изображения трехмерных объектов, которые похожи на реальные.

Как записывают голограммы

Свет — это волновой процесс. И Габор заметил, что кроме амплитуды на фотопластинке можно регистрировать еще и фазу света. Чтобы записать голограмму, нужно разделить пучок света на две части, предметную и опорную волну, и зафиксировать их интерференцию. Но это было трудно сделать до того, как появился хороший источник света — лазер. Он обладает свойством когерентности, то есть предсказуемостью не только амплитуды, но и фазы. Когерентность лазера позволила записывать голограммы на обычных фотографических материалах.

В 1962 году американские физики Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс предложили использовать для записи голограмм лазер, луч которого делится на две части и с помощью зеркал направляется на объект и регистрирующую среду. И объектная, и опорная волна попадает на фотопластину с одной стороны — так формируется пропускающая голограмма. Чтобы ее восстановить, нужен источник света с той же длиной волны, на которой производилась запись. Чаще всего для этого используют луч того же лазера.

Советский физик Юрий Денисюк примерно в то же время предложил записывать отражательные голограммы в трехмерной регистрирующей среде. При этом луч лазера расширяется линзой и направляется на фотопластинку, за которой стоит регистрируемый объект. Часть луча, проходя через специальную прозрачную фотопластину, формирует опорную волну, а отраженный от предмета свет формирует объектную волну. Так записывается отражательная голограмма, или голограмма Денисюка, ее видно при свете солнца или лампы, потому что в голограмму как бы встроен селектор длин волн, он выбирает из всего спектра именно ту длину волны, которая была использована при записи.

Разновидность пропускающих голограмм, изобретенных американцем Стивеном Бентоном, называют радужными, потому что трехмерные изображения на таких голограммах наблюдаются на фоне радуги. Они ориентированы на массовое производство. Их используют в рекламе, из них делают акцизные марки, пломбы сохранности. Вообще радужные голограммы используют для защиты от подделок, потому что мошенники пока плохо освоили метод голографии (в отличие от полиграфического способа нанесения рисунков).

Где используют голографию

Голографию применяют в спектроскопии — это область исследования, которая регистрирует спектры электромагнитного излучения различных веществ. Так определяют вещества, изучают их температуру и плотность. Один из основных инструментов спектроскопии — дифракционная решетка, поверхность, на которую нанесено большое количество щелей или выступов. Их обычно нарезали на специальных машинах механически, алмазным резцом. Но сейчас их записывают голографическим способом. Если задать определенный угол схождения опорной и предметной волны от точечных источников, а в месте пересечения поставить регистрирующую среду — запишется голограмма, а после проявления образуется рельеф. Это и есть дифракционная решетка, полученная при помощи лазера, а не нарезанная механически.

Важное применение голографии — уплотнение информации для волоконных линий связи. Это позволяет пропускать больше каналов связи по волокну, что увеличивает скорость передачи данных.

Голографические дисплеи

Голографические дисплеи пока существуют только в лабораториях. В ФИАН мы занимаемся дисплеями и линзами, которые могут применяться в head-mounted дисплеях — на шлемах.

Похожая разработка — это очки от Google. Основной элемент Google Glass — это бим-сплиттер, оптический кубик, который комбинирует внешнюю окружающую обстановку с локальным отображением информации на микродисплее. У него диагональ связана с полем, которое мы хотим увидеть: чем больше поле, которое мы хотим увидеть, тем больше кубик. Угол обзора очков от Google мал и неудобен — всего 12 градусов.

Голографическая линза, с одной стороны, позволяет отображать информацию в гораздо большем угле, больше 60 градусов. С другой стороны, голографический дисплей прозрачный и плоский, его можно использовать в виде наклейки на обычные очки. Технологии позволяют отправлять дополнительную информацию человеку непосредственно в зрачок с достаточно миниатюрных устройств. Такие голограммы воспроизводятся только определенной группой волн, для всех остальных она будет прозрачной, при этом мертвые зоны минимальны.

Адаптивный 3D-дисплей

Еще одна разработка в области голографии связана с адаптивными 3D-дисплеями. Традиционно экран в кинотеатрах, показывающих трехмерное кино, стационарно закреплен и никак не учитывает движение зрителей, условия освещения и качество информации. Чтобы такие системы работали для произвольного положения зрителей, они должны быть адаптивны. Большая проблема для 3D-дисплеев или многоракурсных дисплеев — это подвижность зрителя.

Наша лаборатория занималась исследованиями трехмерных дисплеев, и в 2010 году мы получили грант на более глубокое изучение новых схем дисплеев. В результате мы предложили патент на адаптивный дисплей, в котором оптическая система в процессе отображения информации должна была меняться. То есть у каждого зрителя появляется свой персональный представитель в этом трехмерном мире.

Представьте, что у вас есть некая ситуационная комната, в которой есть экран. За ним располагается роботизированная система отображения информации для людей, где каждый элемент работает только на одного человека в зрительном зале. Или если несколько человек работают над проектом, у каждого из них на экране отображается разная информация в зависимости от ракурса.

Современные стереокинотеатры устроены по более простому принципу: там для каждого предусмотрены очки или жестко закрепленное положение человека. А когда человек смещается, изображение перемещается вместе с ним. Но на самом деле поворачивание объекта 3D за зрителем создает ложное ощущение, потому что вы знаете, что изображение, в отличие от вас, не двигается. Из-за этого появляется головная боль, потому что мозг протестует против неестественного отображения трехмерного изображения на экране. Чтобы этого не было, нужно динамическое, адаптивное отображение информации.

Как будет развиваться голография

Активнее всего развивается область голографии, связанная с head-up дисплеями. Их устанавливают в шлемах, самолетах, автомобилях (для понимания: технологии HMD (head-mountedдисплей) — это когда дисплей размещается непосредственно на голове зрителя; когда на лобовом стекле автомобиля или самолета — это HUD (Head-Up Display), а когда человека полностью изолируют от окружающей обстановки — это дисплеи VR, виртуальной реальности (virtual reality)). Голографические дисплеи уже делают для пилотов, чтобы датчики и целеуказания находились перед глазами. Но их конструируют на базе объемной оптики и обычного плоского зеркального бим-сплиттера. Это громоздкая система, и на новом этапе разрабатываются более простые конструкции, которые можно было бы применять и в быту.

Есть разработки дисплея для автомобилей с голографическим и оптическим бим-сплиттером. Такой дисплей прозрачный и наклеивается на лобовое стекло. Сейчас изображение монохромное, но скоро появится и многоцветное. Габаритную и точную оптику заменяют голограммами, чтобы снизить финальную стоимость изделия, к тому же это гораздо безопаснее.

Сейчас нет ничего более прозрачного, чем голограммы. Им уступают даже полупрозрачные зеркала и многозеркальные системы. Хотя они технологически более приспособлены для массового производства, но их стоимость гораздо выше. Поэтому, вероятно, в течение пары лет голографические дисплеи запустят в массовое производство — такие разработки сейчас ведутся. Почти все производители стараются сделать устройства компактными, и наблюдается довольно интенсивная конкуренция, ведь голографические оптические элементы разрабатываются многими фирмами и институтами — это, кстати, свидетельствует о том, что изобретение голографии, которой чуть больше полувека, стало неотъемлемой частью общечеловеческих фундаментальных знаний.

Читайте также: