Проект. Марыгин. Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа 12 Индивидуальный проект

Название	Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение Средняя общеобразовательная школа 12 Индивидуальный проект
Анкор	Проект
Дата	10.04.2023
Размер	0.94 Mb.
Формат файла
Имя файла	Марыгин.docx
Тип	Документы #1050500

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №12»

Индивидуальный проект

по физике:

3D-голограмма

Выполнил:

обучающийся 11 класса

Марыгин Максим

Руководитель:

учитель физики

Уфимский Р.В.

Лиски

2023

Введение 3

Глава 1. История создания и физические принципы голограммы 4

1.1 История голограммы 4

1.2 Что такое голограмма? 4

1.3 Исследование голограммы. 4

1.4 Физические принципы голографии 5

Глава 2. Конструирование голографической пирамиды 6

2.1 Применение голограмм 7

Вывод 10

Список литературы 11

Введение

Голограмма — это оптический клон объекта. В отличие от фотографии, голограмма трехмерна, так как фиксирует объем объекта и изменение перспективы при взгляде с разных углов.

Голограмму часто путают с 3D–изображением. Но 3D-изображение выглядит объемно только с одной точки обзора, а голограмма — с любой. Голограммы и 3D-изображения создаются принципиально по-разному: для получения 3D-картинки готовят два изображения (для правого и левого глаза) и соединяют их. Благодаря стереоэффекту мозг воспринимает такое изображение как объемное. А голограммы создают, записывая с помощью лазера структуру отраженной от объекта волны. Этот метод называется «голография».

Актуальность проекта заключается в том, что в современном мире все чаще возникает необходимость создания трехмерных сцен и визуальных развлечений. В недалеком будущем будет широко использоваться трехмерное голографическое телевидение. Также предстоит широкое использование 3D-голографической визуализации для проведения операций в медицине.

Таким образом, нами в качестве объекта исследования будет рассматриваться получение 3D-голограммы с помощью устройства изготовленного из подручных материалов.

В качестве предмета исследования служит принцип 3D-голографической визуализации.

Целью проекта сконструировать устройство для демонстрации 3D-голограммы.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

изучить физические принципы работы 3D-голограммы;
сравнить качество голограмм полученных с помощью проекторов сделанных из различных материалов.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы исследования:

экспериментальная работа поискового характера по выяснению существующих устройств, для демонстрации 3D-голограмм;
экспериментальная работа по созданию устройств, для демонстрации 3D-голограммы из различных материалов.

Практическая значимость работы заключается в том, что в современном мире 3D-голограмма позволяет осуществлять эффект присутствия какого-либо объекта в тех местах в которых это необходимо в данный момент.

Глава 1. История создания и физические принципы голограммы

1.1 История голограммы

Первая голограмма была получена в 1947 году Деннисом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Он же придумал само слово «голография», которым хотел подчеркнуть полную запись оптических свойств объекта. К сожалению, его голограммы отличались низким качеством, поскольку в качестве когерентного источника света Д. Габор использовал единственно доступные ему газоразрядные лампы с очень узкими линиями в спектре испускания. Но это ни коим образом не умаляет значения его работы, за которую автор получил Нобелевскую премию по физике в 1971 году.

После революционного изобретения в 1960 году рубиново-красного (длина волны 694 нм) и гелий-неонового (длина волны 633 нм) лазеров, голография начала интенсивно развиваться. Уже через пару лет известный российский учёный Юрий Денисюк разработал метод записи отражающих 2-D голограмм на прозрачных фотопластинках, позволяющих записывать голограммы самого высокого качества. Таким образом, голография была изобретена русским физиком Ю. Денисюком в 1968 году. Она является одной из интереснейших областей использования излучения лазеров.

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

1.2 Что такое голограмма?

Голограмма является записью интерференционной картины, поэтому важно, чтобы длины волн (частоты) объектного и опорного лучей с максимальной точностью совпадали друг с другом, и разность их фаз не менялась в течение всего времени записи (иначе на пластинке не запишется чёткой картины интерференции). Поэтому источники света должны испускать электромагнитное излучение с очень стабильной длиной волны в достаточном для записи временном диапазоне.

1.3 Исследование голограммы.

В 1967 году рубиновым лазером был записан первый голографический портрет. В результате длительной работы в 1968 году Юрий Николаевич Денисюк получил высококачественные (до этого времени отсутствие необходимых фотоматериалов мешало получению высокого качества) голограммы, которые восстанавливали изображение, отражая белый свет. Для этого им была разработана своя собственная схема записи голограмм. Эта схема называется схемой Денисюка, а полученные с её помощью голограммы называются голограммами Денисюка.

1.4 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.

Глава 2. Конструирование голографической пирамиды

Для начала нам надо подготовить инструменты для проектирования голографической пирамиды. Для этого будем использовать канцелярский нож, скотч, крышку от коробки CD-диска, линейку и маркер. Сначала рисуем схему из чего будет состоять наша пирамида.

Рис.1 Чертёж грани пирамиды

После этого маркером отмечаем на пластике контур фигуры и вырезаем его. Должно получится 4 одинаковые трапеции высотой 7см, длиной 12см.

Рис.2 Грани пирамид

После соединяем их между собой скотчем и собираем призму.

Рис.3 Собранная голографическая пирамида

Затем находим на видеохостинге «YouTube» видео для 3D голограммы, включаем его и ставим нашу пирамиду по центру экрана вверх дном.

2.1 Применение голограмм

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. Голограммы музейных редкостей уже сделались довольно обычной вещью: они не только экспонируются на выставках, но и продаются в сувенирных ларьках. Начинают появляться, хотя и очень редко, объемные книжные иллюстрации. А голографическое кино и телевидение, несмотря на многолетние исследования и экспериментальные съемки, возникнет, видимо, нескоро. Ни для кого не секрет, что в медицине давно используются аппараты УЗИ, позволяющие при помощи звука увидеть внутренние органы человека. Однако изображение, полученное таким образом, будет двумерным. А при использовании голограммы – трёхмерным. Одним из наиболее реальных и перспективных направлений развития голографии является именно телемедицина. Хирурги из разных стран по всему миру смогут использовать технологию для трехмерного наблюдения за проведением операций в реальном времени и принимать участие в операции. Вся система будет полностью автоматизирована и будет контролироваться компьютером. Одним из последних достижений голографического кинематографа стало изобретение в феврале 2011 г. новой системы голографического телевидения, которая захватывает изображение движущегося объекта и в реальном времени передаёт его через Интернет на голографический дисплей. Картинка пока обладает низким разрешением, но это именно голограмма, а не простое стереоскопическое изображение. В мире набирают популярность концерты голограмм. Вместо настоящих артистов на сцене – точная копия, созданная дизайнерами и инженерами. Неподдельным остается восторг зрителей: технологии уже на таком уровне, что кумиры как живые.

Хотя, очевидно, было бы привлекательно заменить обычную двумерную фотографию и видео голографической 3D-визуализацией, строгие требования, характерные для голографических методов, все еще сильно ограничивают диапазон практических применений. Даже после десятилетий развития мы, похоже, далеки от использования голографических цветных 3D-фотографий в потребительских приложениях или высококачественных объемных дисплеях. Тем не менее, некоторые приложения уже установлены; некоторые примеры:

Существуют защитные голограммы, например, для паспортов, удостоверений личности и кредитных карт, которые, по сути, используются для того, чтобы существенно затруднить изготовление убедительных нелегальных копий, поскольку требуемую технологию копирования трудно приобрести и дорого, а детали требуемой голограммы трудно измерить.
Несмотря на типичные недостатки изображения, голограммы могут быть привлекательными как произведения искусства.
В исследовательских целях голографические изображения крошечных объектов можно создавать не только с помощью света, но и с помощью когерентных рентгеновских лучей, которые можно генерировать с помощью лазеров на свободных электронах.

В будущем голография может использоваться для хранения данных высокой плотности. В отличие от используемых в настоящее время оптических носителей информации, где используется только тонкий двумерный слой, голографические запоминающие устройства могут хранить данные в 3D-формате, потенциально достигая огромных объемов при довольно ограниченных объемах. Однако разработка практических реализаций остается серьезной проблемой.

Общение

Расстояние перестает быть препятствием для общения. Доказательство тому — знаменитый видеозвонок между главами американской компании Verizon и корейской Korea Telecom, совершенный в 2017 году. Пообщаться генеральные директора смогли при помощи сети 5G, которая отличается высокой пропускной способностью. Звонок примечателен еще и тем, что собеседники видели голограммы друг друга.

Дистанционное обучение

Дистанционное образование набрало большую популярность в период пандемии, но существенных успехов в этой сфере удалось достичь еще до коронавируса. Так, в 2015 году профессор физики Стэнфордского университета Карл Виман смог выступить в Наньянском технологическом университете в Сингапуре. Примечательно, что для этого нобелевскому лауреату даже не пришлось покидать США. Выступление профессора транслировали при помощи голограммы.

Голография может создать полную иллюзию личного присутствия лектора на занятии, что позитивно скажется на успеваемости. К тому же голограмму можно транслировать сразу в нескольких университетах. Это позволит охватить большую аудиторию и сэкономить время преподавательского состава.

Развлечения

У нас уже была новость о немецком цирке, заменившем настоящих животных голограммами. Также с помощью голограмм можно создавать виртуальные копии предметов искусства или даже внедрять в музеи цифровых экскурсоводов. В пример можно привести электронного экскурсовода Нюшу из Музея истории Костромского края.

В последние годы популярность набирают голографические шоу и даже полноценные концерты с участием цифровых звезд.

Вывод

Изучив различные источники можно сделать следующие выводы:

Голограмма – это объемное изображение, создаваемое с помощью лазера, воспроизводящего изображение трехмерного объекта.
Голография была изобретена русским физиком Ю. Денисюком в 1968 году. Она является одной из интереснейших областей использования излучения лазеров.
Голография основана на физических явлениях – дифракции и интерференции световых волн.
Голограмму можно создать даже в домашних условиях.
Собрав модель голограммы можно на практике изучить принципы её работы

Список литературы

https://obuchonok.ru/node/7019
https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoe-tvorchestvo/2020/02/16/proekt-po-fizike-gologramma
https://www.techcult.ru/technology/5215-chto-takoe-gologramma
https://hitecher.com/ru/articles/kak-rabotaet-gologramma
https://ru.wikipedia.org/wiki/Голография
Денисюк Ю.Н. Об отображении оптических свойств объекта в волновом поле рассеянного им излучения- Диссертация на соискание степени к. физ-мат. наук, 1963 г.
Денисюк Ю.Н. Принципы голографии (Лекции). -Ленинград. - 1979.- 125 с.
Островский Ю.И., Бутусов М.М., Островская Г.В. Голографическая интерферометрия. — М.: Наука. 1977. — 339 с.