голография. Физические принципы голографии
 Скачать 31.64 Kb.
|
|
Оглавление Введение 1. Физические принципы голографии. 2. История голографии. 3. Способы получения голограмм. 4. Виды голографического оборудования. 4.1 Голографическое оборудование MAX3D-Z7. 4.2 Голографическое оборудование DM 60Z. 4.3 Голографическое оборудование Holo HR-42. 5. Голография в производстве. 5.1 Голография в медицине. 5.2 Голография в спектроскопии. 5.3 Голография в рекламных акциях. 6. Практическая работа. 6.1 Конструирование голографической пирамиды. 6.2 Демонстрация голографической пирамиды и голограммы. Заключение Список использованных источников Введение Проблема данного исследования носит актуальный характер в современных условиях. Об этом свидетельствует частое изучение поднятых вопросов. Тема "Голография" изучается на стыке сразу нескольких взаимосвязанных дисциплин. Для современного состояния науки характерен переход к глобальному рассмотрению проблем тематики "Голография". Вопросам исследования посвящено множество работ. В основном материал, изложенный в учебной литературе, носит общий характер, а в многочисленных монографиях по данной тематике рассмотрены более узкие вопросы проблемы "Голография". Однако, требуется учет современных условий при исследовании проблематики обозначенной темы. Высокая значимость и недостаточная практическая разработанность проблемы "Голография" определяют несомненную новизну данного исследования. Дальнейшее внимание к вопросу о проблеме "Голография" необходимо в целях более глубокого и обоснованного разрешения частных актуальных проблем тематики данного исследования. Актуальность настоящей работы обусловлена, с одной стороны, большим интересом к теме "Голография" в современной науке, с другой стороны, ее недостаточной разработанностью. Рассмотрение вопросов, связанных с данной тематикой носит как теоретическую, так и практическую значимость. В современном, быстро развивающемся мире все чаще человеку нужно отобразить объект в трех измерениях для более легкого понимания информации, объем которой постоянно растет. Будь то авиадиспетчер, врач или антрополог - всем поможет голография. Трехмерное изображение воздушного пространства в реальном времени упростит задачу авиадиспетчеру, поможет врачу без операций и облучения пациента осмотреть внутренности и поставить диагноз, упростит антропологу восстановление внешности по черепу. Тем не менее в наши дни мало кто представляет, что такое голография и где она может найти применение. Голография - одно из наиболее перспективных направлений визуализации трехмерных объектов. Методы голографии (запись голограммы в трехмерных средах, цветное и панорамное голографирование и т.д.) находят все большее развитие. Она может применяться в ЭВМ с голографической памятью, голографическом электронном микроскопе, голографическом кино и телевидении, голографической интерферометрии и т.д. Термин «голография» был предложен английским ученым Д. Габором, который в 1947 г. получил первую голограмму. Сейчас этот термин у всех на слуху, а метод голографии находит широкое применение в разных областях науки, и, вполне возможно, что вскоре он войдет в повседневную жизнь. Тем не менее, в наши дни мало кто (исключая, конечно, специалистов) представляет, что такое голография и где она может (или не может) найти применение. Массовая печать и научно-фантастическая литература часто преподносят голографию в довольно искаженном, неверном свете. Нередко они создают неправильное представление об этом методе. Увиденная впервые голограмма завораживает, но физическое объяснение того, как она работает, производит не меньшее впечатление. Только после этого начинаешь понимать, как потенциальные возможности, так и пределы применимости голографии – не только сегодня, но и в будущем. Поэтому, я поставила перед собой задачу: разобраться в том, что такое голография, каковы физические основы этого метода, чем голограмма отличается от фотографии. Особенное внимание хотелось бы уделить вопросам применения и развития голографии, ведь голографические технологии – это технологии будущего. Физические принципы голографии Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции световых волн. Интерференция – явление наложения двух (или нескольких) волн, в результате которого наблюдается их взаимное усиление или ослабление. Дифракция – явление, наблюдаемое при отклонении волн от прямолинейного распространения на краях препятствия. Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть, в пространстве возникают максимумы и минимумы интерференции. Для того чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для записи голограммы, эти две световых волны должны быть когерентными. Однако, процесс записи голограммы достаточно сложен и трудоемок. Если фотопластинка или объект во время экспозиции немного двигались (хотя бы на величину полуволны) или на линзах были пылинки или царапины, картина интерференции будет смазана, а это значит, что голограммы мы просто не получим. Для экспозиций порядка минуты мы должны обеспечить высокую стабильность схемы. Это первейшее условие получения голограмм с помощью маломощных лазеров. Поэтому, первой задачей является конструкция «голографического стола». Второй не менее важный момент: частота световой волны должна оставаться постоянной, иначе мы получим не стоячие, а бегущие волны интерференции. Картинку в этом случае зафиксировать так же не удастся. Поэтому для записи голограмм нужны лазеры – источники когерентного излучения. Каждая точка фотоэмульсии будет фиксировать сложнейшую паутину интерференционной картины. Если осветить проявленную эмульсию светом того же источника, голограмма восстановит причудливую форму светового фронта, который при записи голограммы отражался от реального объекта. Голограммы, записанные по этой схеме можно восстанавливать источником белого света. Голография основывается на двух физических явлениях - дифракции и интерференции световых волн. Физическая идея состоит в том, что при наложении двух световых пучков, при определенных условиях возникает интерференционная картина, то есть в пространстве возникают максимумы и минимумы интенсивности света (это подобно тому, как две системы волн на воде при пересечении образуют чередующиеся максимумы и минимумы амплитуды волн). Для того чтобы эта интерференционная картина была устойчивой в течение времени, необходимого для наблюдения, и ее можно было записать, эти две световых волны должны быть согласованы в пространстве и во времени. Такие согласованные волны называются когерентными. Если волны встречаются в фазе, то они складываются друг с другом и дают результирующую волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если же они встречаются в противофазе, то будут гасить одна другую. Между двумя этими крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результирующая сложения двух когерентных волн будет всегда стоячей волной. То есть интерференционная картина будет устойчива во времени. Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм. Основоположником голографии является профессор Лондонского колледжа Деннис Габор. Занимаясь поисками способа повышениярезкости изображений электронного микроскопа, он открыл новый способ записи изображений - голографию. При записи голограммы Денеш Габор использовал ртутную лампу. После проявления и отбеливания фотопластинка восстанавливала трехмерное изображение объекта. Результат был ошеломляющий, но мог взволновать пока только ученых, т. к. на голограмме можно было видеть мнимое, действительное изображения и восстанавливающий источник света одновременно, то мешало нормальному восприятию голограмм. Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как советскими физиками Н.Г. Басовым и А.М. Прохоровым в 1960 г. был создан первый лазер. В том же году профессором Т. Маймамом был сконструирован импульсный лазер на рубине. Эта система (в отличие от непрерывного лазера) дает мощные и короткие, длительностью в несколько наносекунд, лазерные импульсы, позволяющие фиксировать на голограмме подвижные объекты. Начало изобразительной голографии было положено работами Эмметта Лейта и Юриса Упатниекса из Мичиганского Технологического Института в США. В 1962 г. Они получили первую объемную пропускающую голограмму, восстанавливаемую в лазерном свете. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях во всем мире. Решающее значение для развития изобразительной голографии имели работы академика Ю.Н. Денисюка. Он впервые получил отражательные голограммы, позволяющие воспроизводить объемные изображения в обычном, белом свете. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Ю. Н. Денисюком. Первые высококачественные голограммы по этому методу были выполнены в 1968 году в СССР - Г.А. Соболевым и Д.А. Стаселько, а в США - Л. Зибертом. В 1969 году Стивен Бентон из Polaroid Recearch Laboratories (США) изготовил пропускающую голограмму, видимую в обычном белом свете. Голограммы, изобретенные Бентоном, были названы радужными, так как они переливаются всеми цветами радуги, из которых состоит белый свет. Способы получения голограмм Схема записи Денисюка. В этой схеме луч расширяется линзой и зеркалом направляется на фотопластинку. Часть луча, прошедшая через неё, освещает объект. Отраженный от объекта свет формирует объектную волну. Как видно, объектная и опорная волны падают на пластинку с разных сторон. В результате их наложения и возникает интерференционная картина. При такой схеме записи формируется пропускающая голограмма, требующая для своего восстановления источника света с той же длиной волны, на которой производилась запись, в идеале — лазера. Интересно, что изображение, восстановленное с голограммы можно было записать на другую голограмму, при этом изменив не только его положение относительно фотопластины (например, можно вынести объект перед голограммой), но и сам тип голограммы. Схема Лейта и Упатниекса своим названием интерферирующих пучков. В настоящее время при регистрации голограмм подчеркивает исторический приоритет авторов в применении вне осевого расположения используют вне осевой схемы с самым различным расположением интерферирующих пучков. Виды голографического оборудования Голографическое оборудование представляет собой вентилятор со светодиодным дисплеем, на котором можно отображать красивые трехмерные голограммы. Вы можете использовать 3D голографический проектор для всех видов рекламы, с которой вы действительно сможете выделиться среди однообразных витрин. Голографический эффект- непривычное шоу для потребителя, которое не останется незамеченным. Благодаря новейшим технологиям голографической визуализации, голографический проектор подходит для торговых центров, кинотеатров, ресторанов и других мест, чтобы привлечь внимание клиентов. Устройство портативно, т.е. можно легко менять место его расположения, что является несомненным плюсом. Характеристики голографического проектора MAX3D-Z7, голографического дисплея: Размер вывода изображения: 42*42 см Разрешение: 224*224px Источник света: LED RGB Срок жизни LED: 100,000 часов Питание: 16,8 V 2A (AC100-240 V 50/60Hz) Мощность: 20 Вт Поддерживаемые форматы: JMP4, AVI, RMVB, MKV, JPG, GIF Сборка видео-стен из нескольких приборов Режимы управления: Wifi с PC, Android и Iphone SD карта в комплекте: 8 Gb Применение голографического проектора: в магазине, кафе, ресторане, закусочной, в кинотеатре, на выставке, в аэропорту. Голографическое оборудование DM 60Z 3.2 Описание голографического проектора, голографическоговентилятора DM 60Z: Диаметр голограммы 56 сантиметров. Большая рабочая область для вывода 3D-голограммы. 4-лопостная конструкция. Высокая яркость, насыщенность. Загрузка видео-контента осуществляется через беспроводную связь Wi-Fi с компьютера и смартфона! Современные насыщенные светодиоды LEDs RGBY имеют большой ресурс работы - 80 000 часов! Высокое разрешение голографического дисплея: 612*612px. Характеристики голографического проектора, голографического вентилятора DM 60Z: Размер вывода изображения: 56*56 см Разрешение: 612*612px Встроенный модуль WI-FI Источник света: 30,000 часов Питание: 12V, 5A (AC100-220V, 50/60HZ) Мощность: 45W Поддерживаемые форматы： JPG, GIF, MP4, AVI, RMVB, MPEG, Сборка видео-стен из нескольких приборов Регулировка уровня яркости Режимы управления: PC, Память: карта SD 8Gb Акриловый защитный кожух опционально Комплектация голографического дисплея DM 60Z: коробка с голографическим проектором, инструкция, адаптер питания 220v, крепления к стене. Проекция в воздухе: Голографическое оборудование Holo HR-42 Описание голографического проектора Holo HR-42 Голограмма имеет диаметр 42 см. Данная голограмма имеет самую высокую плотность пикселей и самое высокое разрешение 640*640 px. В комплекте поставляется многофункциональный пульт дистанционного управления. Голография в медицине Принцип не слишком нов, зато способ использования, несомненно, новаторский. Сегодня в одном из крупных исследовательских центров Израиля разработана методика, которая позволяет 6 голограмму такого органа, как сердце в формате 3D, непосредственно во время проведения хирургического вмешательства. Как объясняет врач Эльшанан Брукхаймер, “операционное поле всегда ограничено. Здесь же мы видим практически любой анатомический орган, как он связан с другими, мы видим все, что происходит, в том числе можем предугадать и последствия наших действий. Таким образом, мы эту методику можем использовать и в качестве тренажера, и во время проведения медицинских манипуляций. Требуемые сведения компьютер, который транслирует происходящее, получает от анализа, проводящийся либо с помощью ультразвуковых волн, либо с помощью томографа. С учетом данных составляется голограмма, используя специальное программное обеспечение, после чего она с помощью проектора передается на носитель. Как утверждают практикующие хирурги, подобная методика поможет улучшить качество проводимых операций. “Вообще хирург действует не только на основе полученных знаний и имеющегося у него опыта, есть важный фактор, как интуиция. И вот нам дается возможность в данном случае проверять наши догадки и наши сомнения с помощью голограммы”, – замечает профессор-кардиолог- Эйнат Бирк. В медицине голографию применяют как метод интроскопии или внутри видения, основанный на зависимости условий отражения и поглощения электромагнитных волн телами, в частности, от длины волны. Голография в спектроскопии Этот метод, который можно назвать голографической спектроскопией, имеет несомненно перспективы усовершенствования. Поскольку разрешающая способность метода лимитируется трудностями записи на одной интерферограмме большого числа линий, нужны интерферометры, создающие большие изменения разности хода в пределах поля зрения. Для регистрации интерферограммы с большой пространственной частотой необходимы регистрирующие среды с большой разрешающей способностью они, как известно, обладают низкой чувствительностью. Применение лазеров в аналитическом приборостроении принципиально позволяет разрабатывать анализаторы, использующие голографический метод спектроскопии. Если прибор с когерентным источником света снабдить устройством для записи голограмм и специализированным вычислительным устройством для их обработки, то можно будет проводить не только качественный, но и количественный анализ многокомпонентных систем. Возможность качественного анализа веществ по их ИК-спектрам с помощью устройства с голограммной памятью описана в работе [37]. Если дополнительно записать и ввести в память устройства голограммы градировочные значения каждого компонента анализируемой среды, то затем, вычисляя меры близости исследуемой голограммы с градировочной, можно проводить и количественный анализ веществ. Рассеянное излучение обычно собирается конденсором и направляется в щель монохроматора под углом 90° к падающему на образец лучу, как на рис. ХП.9, хотя в принципе могут использоваться схемы, работающие под углами 180 или 45°, а также на просвет (0°). В спектроскопии КР большое значение имеет устранение паразитного рассеянного излучения и флуоресценции образцов. Отчасти проблема решается применением фильтров и двойной или большей монохроматизацией с помощью нескольких, иногда сменных дифракционных решеток. В перспективе значительное увеличение отношения сигнала к шуму может быть достигнуто использованием последней новинки в технике спектроскопии КР — голографических решеток. Разрешение, достигаемое новейшими КР-спектрометрами с голографическими решетками, составляет 0,2—0,3 см (здесь его предпочитают выражать в величинах Ау). Голография в рекламных акциях Виртуальная реальность сегодня перестает быть чем-то на грани фантастики. Не обошли 3D-технологии и сферу рекламы. Голографические инсталляции не только привлекают внимание, но и выводят рекламу на совершенно другой уровень. Виртуальная реальность сегодня перестает быть чем-то на грани фантастики. Не обошли 3D-технологии и сферу рекламы. Голографические инсталляции не только привлекают внимание, но и выводят рекламу на совершенно другой уровень. Несмотря на то, что голографической рекламе пока что исполнилось всего несколько лет, эту новинку довольно быстро подхватили ветераны рынка товаров и услуг. Одной из первых инновационную рекламную кампанию в Амстердаме запустили Nike. Виртуальную версию последней модели кроссовок разместили в обычном стеклянном лайтбоксе. В специальном кубе обувь вращалась и гнулась в разные стороны, чтобы продемонстрировать гибкость кроссовок. Классика жанра в голографической рекламе – стеклянная пирамида, внутри голограммой. Которой размещают реальный или виртуальный предмет с двигающейся То же самое и здесь: глаз видит спроецированную картинку на пленке, но он также видит предметы перед экраном и за ним, в тех местах, где экран темный. Глаз автоматически переводит фокус и посылает сигнал в мозг. В результате, зритель видит голограмму. По словам представителей Stagedesign, видео-голограмма может быть полезна в темное время суток магазинам и бутикам, витрины которых расположены в людных местах, компаниям, которые позиционируют свой брэнд как «хай-тек», «инновационный», «легкий» - они могут использовать ее на презентациях, запусках проектов, в рекламных и PR-акциях. Также она может заинтересовать табачные и алкогольные компании, которые ищут новые, нестандартные способы продвижения своих брэндов. Голограмму можно использовать как альтернативный способ отображения информации, рекламных роликов в кинотеатрах, кафе и клубах, где есть места с частичным затемнением. В качестве голограммы, по словам специалистов Stagedesign, хорошо будет смотреться любой объект, который можно смоделировать в 3D- логотип, автомобиль, ювелирные украшения, бутылка, пачка сигарет, косметика, игрушка и т.д. Смоделировать можно и человека в полный рост. Эффект видео-голограммы можно увидеть в голливудских фильмах про будущее, например, «Звездные войны» или «Особое мнение». В США эта технология активно используется и в рекламной индустрии. Можно добавить голограмме интерактивность, - рассказывает Максим Моисеев. - Это дает очень хорошие результаты, если Transscreen™ установлен в публичном месте. Голограмма может реагировать на проходящего человека, на прикосновение, даже на табачный дым. Также можно использовать Transscreen™ и при ярком общем свете, например, на выставках. Иллюзия трехмерности при этом, конечно не получится, но будет интересный эффект прозрачного экрана, как в фильме Спилберга «Minority Report», - поясняет генеральный директор Stagedesign. - Кстати, для съемок использовалась как раз пленка Transscreen™». Для просветных голограмм типа 3 можно использовать задний свет, наиболее качественное изображение получается при освещении лазером. Голограммы на бихромате желатины. Это объемное изображение, возникающее на прозрачном стекле, очень эффектно смотрится при небольшом лазерном освещении сзади. Обладает очень высокой яркостью – как бы светится. Для освещения голограмм пп.1, 2 обычно используется галогенная лампочка, размещаемая над голограммой – яркость изображения зависит только от яркости лампы. В принципе, лампа может быть скрыта в конструкции самого рекламируемого изделия. Заключение До того, как мне досталась тема для исследовательской работы, я смутно представлял себе, что это такое. Меня заинтересовало само слово «Голография»: оно было мне знакомо, но точного определения дать я был не в состоянии. Даже представить не мог, что данная тема окажется настолько увлекательной и интересной! Само понятие «голография» появилось сравнительно недавно, в 50-х годах XX века, но за это время она достигла стремительных успехов. Все начиналось с создания плоских голографических картинок, затем появились объемные, и вот совсем недавно, в конце 2010 – начале 2011 гг., американскими учеными была разработана система голографического телевидения! Кто бы мог подумать, что совсем скоро во время просмотра кинофильма мы будем видеть не плоскую картинку, а объемные движущиеся персонажи! И эта технология станет доступна для просмотра не только в кинотеатрах, но и в обычных домашних условиях, т. к. объемное голографическое изображение можно видеть без наличия специальных очков! В то время как технологии голографического телевидения еще только начинают развиваться, голография уже широко применяется для защиты от подделок документов, лицензий, банкнот, а также различных потребительских товаров. Голографическое изображение сложно подделать, тем более что голографические технологии постоянно развиваются. В качестве заключения также необходимо указать, что наряду с рядом практических задач, решенных методами голографической проекции, существует целый спектр проблем, решение которых методами голографии является задачей будущего. В основном это связано, что общая картина этого явления пока еще далека от завершения. И дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм. Вполне вероятно, что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому, как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И наконец, прецедент объединения голографии и нелинейной оптики в динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенно новых направлений. Таким образом, выполнив данную работу, я узнал много нового о голографии, разобрался в физических основах этого явления, понял, почему мы видим фотографию плоской, а голограмму объемной. Я убедился, что голография – одно из самых перспективных направлений развития науки на сегодняшний день, и совсем скоро голографические технологии войдут в повседневную человеческую жизнь. В качестве заключения также необходимо указать, что наряду с рядом практических задач, решенных методами голографической проекции, существует целый спектр проблем, решение которых методами голографии является задачей будущего. В основном это связано, что общая картина этого явления пока еще далека от завершения. И дело здесь не только в том, что в ряде случаев мы не знаем полностью набор отображающих свойств некоторых видов голограмм. Есть все основания считать, что будут открыты новые неожиданные оптические свойства голограмм. Вполне вероятно, что ряд новых эффектов будет обнаружен при применении светочувствительных материалов, обладающих специфическими свойствами, подобно тому, как применение резонансных и поляризационных сред открыло возможность записи временных и поляризационных характеристик волновых полей. И наконец, прецедент объединения голографии и нелинейной оптики в динамическую голографию показывает, что внесение идей голографии в смежные с ней области знаний может привести к появлению совершенно новых направлений. |