Конспект урока стереоизображение и голография

Обновлено: 07.07.2024

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.

  1. Каждый глаз через свой окуляр наблюдает свое изображение с помощью стереоскопа.
  2. Изображение строится из чередующихся полосок, каждая из которых соответствует изображению, предназначенному для левого и правого глаза.
  3. 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

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

Голографический метод записи информации 1948 г., венгерский физик Деннис Габор Holos – полный grapho – пишу 1960 г. – бурное развитие с появлением лазеров Сначала получают голограмму Голограмма - интерференционная картина , возникающая на фотопластинке при сложении двух когерентных пучков света.

Запись голограммы Один из пучков света отражается от зеркала – опорный пучок, другой – от предмета – сигнальный (предметный) пучок. Эти пучки образуют на фотопластинке интерференционную картину – чередование светлых и темных пятен: где фазы опорной и предметной волн совпадали – прозрачные участки, где были в противофазе – темные. Голографическое изображение предмета не соответствует его внешнему виду.

Процесс получения изображения с помощью голограммы называют восстановлением Для восстановления голограммы на неё направляется опорный пучок когерентного света. Восстановление голограммы

Восстановление голограммы Опорный пучок в прозрачных местах голограммы воз-буждает колебания вторичных источни-ков , которые созда-ют в окружающем пространстве такую же картину волно-вых полей, какая была в сигнальном пучке от предмета. Изображение не отличимо от предмета

Голография с записью в трехмерной среде 1962 год, Юрий Николаевич Денисюк – российский физик

Физика процесса Предмет освещается монохроматическим когерентным источником. Свет, рассеянный объектом, интерфирируя с основным пучком, образует в пространстве вокруг предмета стоячие волны. В пучностях этой волны, где фазы опорной и сигнальной волн совпадают, в светочувствительной эмульсии выделятся серебро - создаются серебряные слои - зеркала с поверхностью сложной конфигурации, в точности повторяющей конфигурацию расположения в пространстве пучностей стоячих волн. Обычный свет, отражаясь от зеркал голограммы, изменит направление распространения. В максимумах интерференции направление распространения отраженных волн и распределение фаз будет таким же, как и у волн, отраженных объектом при экспонировании голограммы.

Как возникает стоячая волна

Голограмма-оптический эквивалент предмета Если при получении голограммы предмет осветить тремя когерентными источниками видимого света с различными длинами волн, то восстановленное белым светом изображение будет таким же цветным, как и предмет. Черно-белая голограмма дает цветное изображение! Голограмма-это материальная структура, отражающая свет так же как и реальный предмет. Голограмма - оптический эквивалент предмета.

Голография и цветы

Применение голографии Голографические изображения уникальных предметов Голографические фильмы Голографические микроскопы Голографические исследования вибраций и деформаций в узлах работающих машин Голографические исследования воздушных потоков в аэродинамических трубах

По теме: методические разработки, презентации и конспекты

Презентация по физике на тему: "Голография".

Данная перезентация используется как дополнительный материал при проведении факультативных занятий.


Элективный курс "Голография"

Элективный курс "Голография". Этот курс можно использовать как для 9 классов, так и 10.

Презентация на тему: " Основы формирования стереоизображений Боголепов Д.К. Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Факультет вычислительной математики." — Транскрипт:

1 Основы формирования стереоизображений Боголепов Д.К. Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского Факультет вычислительной математики и кибернетики, Нижний Новгород, Россия

2 2 Стереоизображение Стереоизображение – картина или видеоряд, использующий два отдельных изображения, позволяющих достичь стереоэффекта Стереоэффект (зрительный) – ощущение протяжённости пространства и рельефности, возникающие при рассматривании реальных объектов, стереопар, стереофотографий, стереоизображений и голограмм 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

3 3 Метод перекрестного взгляда… Метод параллельного и перекрестного взгляда: позволяет посмотреть стереокартинку без наличия какого-либо оборудования, стерео эффект достигается за счет фокусировки глаз мимо (дальше или ближе) изображения Метод на основе параллельного взгляда предпочтительнее, поскольку вызывает меньшее напряжение глаз 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений Метод пригоден только для просмотра относительно небольших изображений размером 6070 мм каждое, что обусловлено межзрачковым расстоянием человека

4 4 Метод перекрестного взгляда… 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений Стереопара для перекрестного просмотра

5 5 Метод перекрестного взгляда 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений Стереопара для перекрестного просмотра

6 6 Анаглифные очки… Анаглифные очки – это разноцветные очки, вместо линз у которых вставлены светофильтры CMY цветов 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений Дешёвый но достаточно эффективный метод, физически он не обеспечивает правильную передачу цветного стереоизображения, однако нервная система довольно хорошо интерпретирует его (наилучший эффект достигается для изображений в оттеках серого) Время адаптации около 30 секунд, после длительного использования на пропорциональный период нарушается цветовосприятие

7 7 Анаглифные очки… 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

8 8 Анаглифные очки 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

9 9 Затворные стереоочки Стереоочки с попеременным просветлением и затемнением каждого из своих окон синхронно с наличием и отсутствием на экране ракурса для соответствующего глаза 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений В подавляющем большинстве случаев в настоящее время в качестве коммутационных стереоочков применяются жидкокристаллические стереоочки. Существуют также беспроводные модели очков Данная технология позволяет передать полноцветное изображение, сильно снижают световой поток

10 10 Поляризационные стереоочки Очки имеют не цветовые фильтры, а поляризационные, с различной направленностью. Каждый глаз в таких очках получает нужное изображение Для получения стереоэффекта отдельные изображения для левого и правого глаза проектируются на один экран с различной поляризацией 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений Кроме понижения яркости и дороговизны недостатков не имеют. Обычно применяются в стереокинотеатрах

11 Практические вопросы построения стереоизображений

12 12 Сравнение различных анаглифов… Каким образом получить цвет анаглифа (r a, g a, b a ) на основе цвета левого (r 1, g 1, b 1 ) и правого (r 2, g 2, b 2 ) канала? Рассмотрим различные методы получения итогового цвета анаглифа 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

13 13 Сравнение различных анаглифов… True Anaglyph 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

14 14 Сравнение различных анаглифов… Gray Anaglyph 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

15 15 Сравнение различных анаглифов… Color Anaglyph 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

16 16 Сравнение различных анаглифов… Half Color Anaglyph 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

17 17 Сравнение различных анаглифов Optimized Anaglyph 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений +

18 18 Использование поляризационных очков… Стереомониторы: Zalman Trimon и iZ3D Первая матрица – обычная ЖК-панель, формирующая изображение. Вторая матрица, наложенная сверху на первую, поворачивает плоскость поляризации света, излучённого каждым пикселем, на заданный угол 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

19 19 Использование поляризационных очков… 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

20 20 Использование поляризационных очков… Использование двух проекторов 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

21 21 Использование поляризационных очков… Простейший способ использования двух проекторов: Разделить окно визуализации на две равные части Произвести рендеринг сцены с различных ракурсов, и вывести результат в соответствующие части Масштабировать окно на объединенный рабочий стол Для масштабирования окна на два монитора: Воспользоваться специальными настройками драйвера Воспользоваться универсальной утилитой Virtual Screen Maximizer [ ] Каждый экран получит уникальное изображение 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений

22 22 Использование поляризационных очков… 14 декабря 2009Основы формирования стереоизображений glViewport ( 0, 0, W/2, H ) // Moving Camera to Left Eye // Rendering Scene glViewport ( W/2, 0, W, H ) // Moving Camera to Right Eye // Rendering Scene

Читайте также: