Голография.
Автор публикации: К. Зозырева, ученица 11Б класса
Индивидуальный проект на тему:"Голограмма - чудо современной оптики"
Работа ученицы 11 «Б» класса
Зозыревой Кристины
Руководитель: Козаева Т. А
Голограммы начинают всё чаще и чаще использовать в мире,
технологии создания голограммы развиваются с каждым днём. Голограммы
могут с легкостью захватить внимание людей, удивить их. С помощью
голограмм информация представляется нам в трёхмерном пространстве, и
она становится обозреваемой со всех сторон.
Мне очень сильно понравилась эта технология, к тому же, я уверен, что у неё
очень большие перспективы в будущем, поэтому я решил сам узнать
побольше об этой технологиии попробовать создать собственный
голографический проектор.
Найти применение голограммам в повседневной жизни и
создать голографический проектор.
1) изучить литературу о физических основах создания голограммы;
2) изучить информацию о материалах для создания голограммы;
3)создать голографический проектор;
Объект проектирования – голографический проектор.
Глава I. ПОНЯТИЕ О ГОЛОГРАФИИ
1.1 Что такое голография
ГОЛОГРАФИЯ (от греч. холос – полный и графо – пишу) – способ получения
объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме) при
помощи когерентного излучения лазера. Голограмма фиксирует не само
изображение предмета, а структуру отраженной от него световой волны (ее
амплитуду и фазу). Для получения голограммы необходимо, чтобы на
фотографическую пластинку одновременно попали два когерентных
световых пучка: предметный, отраженный от снимаемого объекта, и
опорный – приходящий непосредственно от лазера. Свет обоих пучков
интерферирует, создавая на пластинке чередование очень узких темных и
светлых полос – картину интерференции.
Голографический способ применим ко всем волнам: электромагнитным
(рентгеновским, световым, микроволновым), акустическим и сейсмическим
при условии, что они достаточно когерентны для создания требуемых
интерференционных картин. И действительно, голограммы были получены с
каждым из этих видов волн. Однако голографический способ, по-видимому,
наиболее пригоден в оптическом диапазоне электромагнитного спектра.
После создания лазеров оптическая голография получила быстрое развитие,
в то время как работа в более коротковолновом диапазоне тормозится
отсутствием источников когерентного излучения. Что касается другого конца
шкалы длин волн, то в настоящее время начинаются активные исследования
в области терагерцовой голографии, но сколько-нибудь значительных
результатов пока не получено. Поэтому наиболее значимо рассмотрение
видимого света и оптической голографии.
Голография — это следующая ступень регистрации визуальной информации,
позволяющая записывать и воспроизводить уже трехмерные изображения.
Голограммы объемны, а потому куда больше похожи на реальные объекты,
чем фотографии. Сейчас для их создания используются голографические
проекторы.
1.2 История голографии
Математическая теория голографии появилась значительно раньше её
практической реализации и стала неожиданным результатом работ
британского физика венгерского происхождения Денеша Габора по
совершенствованию рентгеновской микроскопии. Эти исследования,
начатые задолго до Габора Мечиславом Вольфке и Уильямом Брэггом,
имели целью совершенствование просвечивающего электронного
микроскопа. Технология Габора, в 1947 году запатентованная компанией
British Thomson-Houston, получила название «электронная голография», и до
настоящего времени используется в электронной микроскопии. «За
изобретение и развитие голографического принципа» Денеш Габор в 1971
году получил Нобелевскую премию по физике. Его первые голограммы,
изготовленные с помощью ртутной дуговой лампы, отличались крайне
низким качеством из-за недостаточной когерентности излучения. Развитие
оптической голографии стало возможно только после изобретения лазера в
1960 году.
Слово «голография» придумано самим изобретателем и составлено из
греческих слов др.-греч. ὅλος (всё) и γράφω (рисую, записываю), чтобы
подчеркнуть полную запись оптических свойств объект. В 1962 году, почти
сразу же после появления лазеров, одновременно в СССР и США начались
исследования о возможности записи изображения методом голографии. В
Советском Союзе работы велись в ГОИ им. Вавилова Юрием Денисюком, а в
США теорию Габора воплощали Эмметт Лейт и Юрис Упатниекс из
Мичиганского университета. Первая в истории лазерная голограмма,
изображающая игрушечные поезд и птицу, была создана в 1964 году Лейтом
и Упатниексом]. Советский и американские ученые вели исследования
независимо друг от друга, и их голограммы получены принципиально
различными способами. В США для записи изображения использовалась
технология, позднее получившая название «метод Лейта-Упатниекса». Этим
способом записываются так называемые «пропускающие» голограммы,
когда при воспроизведении изображение создается светом, проходящим
сквозь фотопластинку.
Советские исследования велись в ГОИ в другом направлении. Вместо
тонкослойных здесь использовались толстые фотоэмульсии, позволяющие
регистрировать кроме интерференции опорного и предметного пучков,
также цветовую составляющую света методом цветной фотографии
Липпмана. В 1968 году Геннадий Соболев получил первые голограммы,
выполненные по методу Денисюка, и не требующие для своего
воспроизведения когерентного излучения. Такие голограммы позднее
получили название «отражающих»: изображение восстанавливалось в
натуральных цветах отраженным от фотопластинки белым светом обычных
источников. Разработанная в СССР технология стала известна во всём мире
под названием «схема Денисюка», а полученные с её помощью голограммы
называются «объёмными», так как запись информации происходит во всём
объеме толстой фотоэмульсии.
Появление импульсных лазеров со сверхкоротким временем свечения
позволило делать голограммы движущихся объектов. В том же 1968 году
американцем Зибертом был записан первый голографический портрет.
Спустя год американец Стивен Бентон из Polaroid Research Laboratories
предложил еще один способ голографии, позднее получивший название
«радужной». Цветные голограммы, изготовленные по этой технологии на
пластике с металлической подложкой, видимы при обычном освещении.
Одним из главных достоинств метода Бентона стала доступность
тиражирования голограмм, которое тем не менее требует
высокотехнологичного оборудования и доступно только в промышленных
условиях. Это стало причиной широкого распространения защитных
голограмм в качестве средства подтверждения подлинности. В 1976 году на
международном конгрессе УНИАТЕК был продемонстрирован первый в мире
голографический 47-секундный кино ролик, изготовленный в НИКФИ под
руководством Виктора Комара.В 1977 году Ллойд Кросс изобрёл так
называемую «составную» или «мультиплексную» голограмму. Она
принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из
множества отдельных плоских ракурсов, созданных методом обычной
фотографии. Изначально технология предполагала киносъёмку объекта,
который поворачивают перед объективом работающей кинокамеры, а затем
отдельные кадрики проявленной киноплёнки записываются на узкие полосы
общей голограммы. Такая голограмма, в отличие от классической, не
содержит полной информации о световом поле объекта, и обладает
многоракурсностью лишь в горизонтальной плоскости, но съемка доступна
вне лаборатории, как для обычной фотографии. Более того, если в процессе
киносъемки объект движется, то при изменении ракурса, под которым
наблюдатель видит голограмму, это движение воспроизводится.
Мультиплексная голография считается наиболее простым и эффективным
способом перевода обычных стереограмм в голографическую форму.
1983 год
MasterCard и Visa стали первыми компаниями, которые использовали
радужную голограмму для защиты документов. С тех пор уже 30 лет
компании наносят на банковскую карту голограмму. Технология Бентона
гарантирует уникальность представленного объекта, что и сделало её
популярной в технологиях повышения безопасности.
1984 год
Журнал National Geographic опубликовал на обложке мартовского выпуска
рельефную радужную голограмму орла. Журнал стал первым крупным
международным изданием с голограммой на обложке. Тираж составил 11
млн экземпляров. Это стало ключевым событием в области коммерческой
голографии.
1986 год
Абрахам Секе предложил идею создания источника когерентного излучения
в приповерхностной области материала с помощью рентгеновского
излучения. Так как пространственное разрешение голографии зависит от
размера источника излучения, его отдаленности, то с помощью новой
техники стало возможным восстановить окружающие излучатель атомы в
реальном пространстве.
1988 год
Бартон предложил использовать этот метод для восстановления
трёхмерного изображения, основанный на использовании фурье-подобных
интегралов. Первое восстановление трехмерного изображения атома
провели в 1990 году.
1999 год
Литовская голографическая компания Geola запатентовала первый принтер
для цифровой печати цветных голограмм с помощью импульсного лазера.
2003 год
Лаборатория медиа Массачусетского технологического института начала
разработку электрооптической технологии, которая позволит графическому
процессору в ПК создавать голографические видеоизображения в режиме
реального времени с использованием недорогих экранов.
2005 год
Компании Optware and Maxell создали голографический многоцелевой диск,
который использует голографический слой для хранения данных до 3,9 ТБ.
Информация на диск записывается в виде голограммы с помощью красного
и зелёного лазерных лучей.
2013 год
Компания Philips совместно с RealView разработала голографическую
визуализацию для операции на сердце. Решение позволяет создавать «в
воздухе» трехмерное изображение с помощью ангиографа и ультразвуковой
кардиологической системы.
1.3 Физические принципы
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.
Здесь когерентный свет лазера разделяется на два пучка. Одним пучком
освещается объект, который необходимо зарегистрировать; свет,
отражающийся от объекта, падает на фотографическую пластинку или
другую фоточувствительную регистрирующую среду. Другой пучок,
называемый опорным, направляется зеркалом под некоторым углом на ту
же фотографическую пластинку, где его волновой фронт налагается на
волновой фронт, пришедший от объекта. В результате взаимного наложения
двух когерентных волновых фронтов возникает интерференционная картина,
которая и регистрируется на фотографической пластинке как изменения
плотности почернения – увеличение плотности почернения в тех местах, где
волновые фронты совпадают по фазе, и уменьшение плотности почернения
там, где они пришли не в фазе. Эта запись интерференционной картины и
называется голограммой.
1.4 Регистрирующие среды
Наиболее широкое распространение в качестве записывающей среды в
голографии получили желатино серебряный фотоматериалы, отличающиеся
хорошей сохраняемостью и универсальностью[43]. Голография крайне
требовательна к разрешающей способности, поскольку расстояние между
двумя максимумами интерференционной картины обладает тем же
порядком, что и длина волны света. У наиболее часто используемого в
голографии гелий-неонового лазера она составляет 632,8 нанометра. Для
второй гармоники неодимового лазера эта же величина равна 532
нанометра, а для аргонового лазера 514 или 488 нанометров, в целом
соответствуя 5 десятитысячным миллиметра. Чтобы получить чёткое
изображение картины интерференции, для отражательных голограмм
Денисюка требуются регистрирующие среды с разрешающей способностью
до 5000 линий на миллиметр[44]. Пропускающие голограммы допускают
меньшую четкость[45].
Регистрирующие среды подразделяются на плоские (двумерные) и
объёмные (трёхмерные или толстые). Для классификации используется
параметр, который иногда в литературе называют критерий Клейна:
где λ — длина волны;
d — толщина слоя;
n — средний показатель преломления слоя;
Λ — расстояние между интерференционными плоскостями.
Объемными (толстыми) голограммами считаются такие, у которых Q > 10. И
наоборот, голограмма считается тонкой (плоской), когда Q < 1.
ГЛАВА II. ПРИМЕНЕНИЕ ГОЛОГРАФИИ В
ПОВСЕДНЕВНОЙ ЖИЗНИ
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 – трехмерным.
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 передает 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.
2.1 Связь
При звонке по телефону мы лишь слушаем голос собеседника и лишь при
видеозвонке виден образ человека, но при этом это происходит не вживую,
даже нет ощущения присутствия. Присутствуют задержки соединения и
передачи данных, поэтому ты не увидишь все эмоции собеседника.
Но, внедрив технологию голографии у нас появится возможность по-
настоящему общаться с человеком, видеть его практически вживую, ощущать
его присутствие.
Так, например, в апреле 2017 года два крупнейших оператора Verizon (США)
и Korea Telecom (Южная Корея) совершили первый международный
голографический звонок с помощью технологии 5G. При звонке
формируются голограммы собеседника, которые полностью передают
эмоции и жестикуляцию пользователя. Во время теста голограмма
собеседника отражалась на экране экспериментального устройства.
Технология голографической коммуникации требует высокой пропускной
способности, поэтому пока что она возможна только в сетях 5G, которые в
10-100 раз быстрее существующих сетей
2.2 Образование
При помощи трёхмерных голограмм преподаватели и лекторы с другого
конца света могут одновременно выступать в разных частях мира и охватить
более широкую аудиторию, не тратя время на перелеты.
Например, в 2015 году нобелевский лауреат и профессор физики в
Стэнфордском университете Карл Виман выступил в Наньянском
технологическом университете (Сингапур), не покидая США. Подготовка и
настройка голографического дисплея заняла три недели. А планирование
презентации, включая тестирование интернет-скорости, — пять месяцев.
На Петербургском международном экономическом форуме НИУ «Высшая
школа экономики» создал для гостей мероприятия лекторий, в котором
выступали голографические проекции ученых университета. Преподаватели
рассказывали об «умных» городах, современных медиа и будущем планеты.
Также с помощью голографии можно создавать интерактивные модели для
обучения. В 2013 году Лондонский университет Святого Георгия представил
голограммы внутренних органов. В презентации показали трехмерные
изображения почек длиной четыре метра, череп и другие органы человека
2.3 Моделирование больших пространств
Чтобы спасатели нашли людей под обрушившимися зданиями или лавиной,
которым требуется помощь, спасатели должны разбирать всё, так как они не
знают их точного месторасположения, и при несвоевременной помощи
человек может погибнуть.
Но в будущем технологию голографии можно использовать для нахождения
и спасения жертв после катастроф.
В мае 2017 года учёные из Технологического университета Мюнхена
разработали метод получения трехмерных голограмм с помощью Wi-Fi-
роутера. Описанный в исследовании метод позволяет создавать копии
помещений, отображая предметы вокруг них
2.4 Голографическое телевидение
Технологии стереоскопического 3D изначально далеки от совершенства; по
сути, они просто обеспечивают иллюзию глубины картинки и к настоящему
трехмерному изображению имеют лишь отдаленное отношение. А вот
лазерная голография — это настоящее, серьезное 3D, которое позволяет
видеть объекты в любом ракурсе без использования специальных очков,
чего современные 3D-телевизоры не умеют. И вот, в ноябре 2010 г., американские ученые из Университета Аризоны
разработали способ получать трехмерные изображения движущихся
объектов в режиме реального времени (такие же, какие были показаны в
киноэпопее Джорджа Лукаса «Звездные войны»), причем для просмотра не
нужно специальное оборудование наподобие очков. Работа 20
исследователей была вынесена на обложку журнала «Nature», а коротко она
описана в пресс-релизе университета штата Аризоны.
Созданная учеными технология основана на использовании нового
фотореактивного материала, который позволяет обновлять голограммы
каждые две секунды. В итоге изображение изменяется достаточно быстро
для того, чтобы у наблюдателя создавалось ощущение, что он следит за
происходящим в реальном времени.
Для записи изображения используются несколько камер, которые «смотрят»
на объект под разными углами (чем больше камер, тем более четким и
реалистичным будет итоговая проекция). Полученная с камер информация
кодируется и выдается в форме коротких лазерных импульсов, которые
взаимодействуют с излучением другого лазера, работающего как «нулевой
уровень». Результат взаимодействия записывается на пластину, покрытую
фотореактивным полимером. Каждый импульс лазера соответствует
отдельному «хогелю» (сокращение от английского holographicpixel, что
означает «голографический пиксель») - то есть трехмерному пикселю.
Созданное голографическое изображение исчезает по прошествии
нескольких минут или секунд в зависимости от условий эксперимента. Новое
изображение, записываемое на ту же пластину, также полностью стирает
старый вариант.
Для воспроизведения записи необходим покрытый полимером 3D экран,
оснащенный описанной выше системой лазеров. Голографические
изображения можно передавать по интернету, если скорость соединения это
позволяет. Пока исследователи продемонстрировали свою технологию на
экране диагональю 10 дюймов (25,4 сантиметра), однако, по их словам, в
лаборатории уже был успешно проведен тест для 17-дюймового экрана (43,2
сантиметра).
А уже в декабре 2010 г. Компания «ZebraImaging» создала трехмерные
голографические карты (см. Приложение 5), доступные для просмотра без
каких бы то ни было очков. Трехмерные карты представляются в полном
цвете и достаточно высоком разрешении, чтобы рассмотреть даже самые
мелкие детали. И, конечно, рассматривать эти картинки можно под любым
углом из всего 360-градусного диапазона. Кроме того, система позволяет
создавать многослойные изображения, чтобы пользователь мог увидеть не
только, скажем, фасад здания, но и то, что находится внутри. Разработчики
заявляют, что могут создать любую 3d Картинку, и обойдется это в сумму от
одной до трех тысяч долларов. А широкому кругу потребителей данная
технология, по мнению «ZebraImaging», будет доступна примерно через
десять лет
2.5 Голографический проектор
Голограмма представляет собой объемное изображение, которое создается
при помощи лазера, способного воспроизводить изображение трехмерного
объекта. Ее по праву можно охарактеризовать как самую впечатляющую
технологию 3d-отображения. Голографический проектор – это
концептуальный прибор, который создает 3d в воздухе.
Голографический 3d проектор
Проектор голограмм предназначен для создания множества новейших 3d-
эффектов, среди которых можно назвать следующие:
голографические видеопроекции – для них используются прозрачные пленки
обратной видеопроекции. На них поступает поток видео, который проходит
через пленку. В результате получается эффект, будто бы видеоизображение
висит в воздухе. Таким невероятно оригинальным способом можно
разместить рекламную вывеску, видео-баннер;
видеоконференции – относятся к новейшим разработкам передачи
изображений и видео, которые максимально приближены к реальности.
Такая технология дает возможность организации видеоконференций и
обращений для деловых встреч и корпоративных мероприятий;
интерактивная голография – новейшее направление, которое представляет
собой создание эффекта прозрачной поверхности, висящей в воздухе. Таким
способом можно даже отображать видеоигры и производить «рисование в
воздухе».
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, изучив литературу и источники информации по теме
«Голограмма и ее применение» можно сделать следующие выводы:
1. 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.
3. Чудо оптики, голография, основано на физических явлениях – дифракции
и интерференции световых волн.
4. Голограмму можно создать с помощью линз и источника света даже в
домашних условиях.
Благодаря проведенной работе я изучила технологию создания голограмм и
создала свою собственную версию голограммы своими руками.
Познакомилась с историей создания голограмм, узнала, где используются
голограммы в нашей жизни.
Таким образом, выполнив данную работу, я узнала много нового о
голографии, разобралась в физических основах этого явления. Убедилась, что
голография – одно из самых перспективных направлений развития науки на
сегодняшний день, и совсем скоро голографические технологии войдут в
повседневную человеческую жизнь.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Электронные ресурсы:
1. Википедия, 2001. Свободная энциклопедия. Голография, 2006-
2020. Web: https://ru.wikipedia.org/wiki/Голография
2. ПостНаука, 2011. А. Путилин. Голография: история и применение,
2017.Web:https://postnauka.ru/faq/82396
3. vc.ru, 2004. К. Крецу. Когда голограммы войдут в повседневную жизнь,
2017. Web: https://vc.ru/future/26828-kogda-gologrammy-voydut-v-povsednevnuyu-
zhizn
4. Интернет-портал «Одарённые дети», 2010. С. Ахидова. Технологии создания
голограмм, 2017. Web: http://genius.pstu.ru/file.php/1/pupils_works_2017/Ahidova_
Sofja.pdf
5. Голография, 1999. С. П. Воробьёв. История голографии,
2003. Web: http://www.holography.ru/histrus.htm
6. Голография, 1999. С. П. Воробьёв. Физические основы,
2003. Web: http://www.holography.ru/physrus.htm
7.Rusbase, 1997. А. Франич. Как сделать объёмную голограмму с помощью
смартфона, 2016. Web:https://rb.ru/list/how-to-make-hologram/
8. Мультиурок, 2014. Н. С. Филяева. Исследовательская
работа «Голографическая Пирамида»,
2017. Web: https://multiurok.ru/files/issliedovatiel-skaia-rabota-310.html
