X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Построение 3D – голограммы в домашних условиях» - миф или реальность?
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Голография — одно из замечательных достижений современной науки и техники. Голограммы обладают уникальным свойством — восстанавливать полноценное объемное изображение реальных предметов. Может быть, не каждыйчеловекзнает,чтотакоеголограмма,нокаждыйбудетвосхищен,увидевее.
Простымисловами,голограмма—этомногослойнаявариацияизображения, каждый слой которой отражает свет по-своему. Голограмма — это трёх- мерная фотография, получаемая посредством интерференции двух лазерных лучей. У голографии и фотографии общие задачи: запись, хранение и воспроизведение зрительных объектов. Но изображения трехмерных голографических объектов в высшей степени похожи на реальные, т.к. голограмма позволяет точно воссоздать пространственную структуру рассеиваемого объектом световогополя.
В сети интернет предлагают «смастерить своими руками» 3D голографический проектор и создавать собственные голограммы дома. Данное предложение вызвало у меня интерес, однако у меня возник вопрос, является ли голограммой создаваемое объемное изображение?
НабазеМБОУГимназии №2япровелсоциологическоеисследование, в котором приняло участие 84 респондента различных возрастных групп. Данное исследование я организовал с помощью онлайн сервисаGoogle Form. По итогам исследования с уверенностью можно сказать, что данный вопрос актуален среди респондентов, ведь 77 % опрошенных выразили желание посетить мастер-класс по созданию 3D голографических изображенийвдомашнихусловиях.Приэтом34%участниковопросаниразуневидели голографических объектов, а 25% - не уверены в том, что увиденные ими когда-либообъемныеизображенияявляютсяголограммами.Сполнойинформациейподанномусоциологическомуисследованиювыможетеподробнееознакомится в приложении№1.
Гипотезой данной работы: стало предположение о том, что объемное изображение,построенноеприпомощи3d-голографическойпирамидынеявляется голограммой.
Целью данной работы стало изучение принципов, лежащих в основе работы голографического проектора (3D – голографической пирамиды), а также изучение свойств полученного объемного изображения.
Для выполнения данной цели, я поставил перед собой следующие задачи:
Расширитьзнанияпотеме«Волноваяоптика.Интерференцияидифракция света»
Изучить принципы голографии, познакомиться с разными видами голо- грамм;
Рассмотретьсуществующиепринципысозданиястереоскопического(трех- мерного)изображения;
Изготовить 3D-голографическуюпирамиду;
Рассмотреть физические принципы, лежащие в основе работы 3Dголографическихпроекторов;
Исследовать свойства полученного стереоскопическогоизображения.
Глава I Теоретическая часть
1.1 Интерференция и дифракция волн
В основе создания голограмм лежат интерференция и дифракция световых волн. Интерференция— взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких волн при определённых условиях ри их наложении друг на друга.
Термин «интерференция» введен в 1803 г. Томасом Юнгом, который впервые объяснил явление интерференции света. Юнг в процессе демонстрационного опыта получил интерференцию от двух щелевых источников света. От одного источника формировались два пучка света через щели S1 и S2, дальше пучки света падали на экран. Волны от щелей S1 и S2 были когерентными, поэтому на экране можно было наблюдать интерференционную картину: чередование светлых и темных полос.
Рис 1. Опыт Юнга
Дифракцией светаназывается явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показываетопыт,светприопределенныхусловияхможетзаходитьвобластьгеометрической тени. Если на пути параллельного светового пучкарасположено
круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачномэкране),тонаэкране,расположенномнадостаточнобольшомрасстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихсясветлыхитемныхколец.Еслипрепятствиеимеетлинейныйхарактер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.
Рис. 2 Дифракция
Рис.3 Дифракция света на круглом диске
В отличии от фотографии, на которой осуществляется запись распределения интенсивности на плоскости изображения, создаваемого на пластинке методами геометрической оптики, голограмма сохраняет информацию не только об интенсивности слагающих электромагнитное поле волн, но и их фазе. Это позволяет практически полностьювосстанавливатьэлектромагнитное поле, создаваемое голографируемым объектом ивызыватьзрительное ощущение реального объемного тела. В известном смыслеголограммааналогична зеркалу, продолжающему генерировать изображение послеуходасмотревшейся в него девушки. Производствовысококачественныхголограмм сталовозможнымпослесозданиялазеров-мощныхисточниковмонохроматическогоизлучения,способныхдаватьустойчивуюинтерференционнуюкар- тинудажеприбольшихразностяхходаинтерферирующихпучков.Призаписи голограммы фотографируется сложная интерференционнаякартина,возникающая при сложении идущей непосредственно от лазераплоскоймонохроматической волны ("опорной волны") с рассеяннойобъектом"предметной волны",фронтыкотороймогутпредставлятьсобойвесьмасложныеповерхности. Считывание проявленной голограммы осуществляется припомощитого же лазера. В результате дифракции опорной волны на сложномузоре,возникшем при фотографировании интерференционной картины возникаетдвесимметричныеволны,однаизкоторыхпрактическиидентичнапредметнойиформируетмнимоеизображениеобъекта.Втораяволнасоздает"инвертированное" изображение, которое в практических приложенияхстремятсяподавить. Внастоящеевремяширокоеиспользованиенашлитолстыеголограммы, со слоем фотоэмульсии, существенно превосходящим длину волнызаписывающего излучения. На такой голограмме регистрируется пространственная структура интерференционной картины. Такая трехмерная структура пропускает через себя только излучение с длиной волны, совпадающей с той, на ко- торой записывалась голограмма. Таким образом, для восстановления изображения толстой голограммой нет необходимости в освещениимонохроматическим источником: пластинка сама "выбирает" их белого светасоставляющую, на которой она создавалась. Комбинация из трех голограмм, записанных в красных, зеленых и синих лучах создает цветное объемной изображение объекта.
Видыголограмм
Главный принцип голографии заключается в том, что при интерференции двух световых волн при специальных условиях появляются максимумы и минимумы яркости света.
Для устойчивости полученной во времени картины пучки света должны быть когерентными, т.е. одинаковыми по длине волны, частоте и с постоянным сдвигом по фазе. При наложении таких волн образуется устойчивая во времени интерференционная картина, которую можно записать. Такие (когерентные) волны может излучать лазер.
Деннис Габор выдвинул такую идею получения голограмм: пучок когерентного света делят на два, один из которых направляют на фотопластинку, авторой–напредмет.Пучкиэтиназвалисоответственноопорнымипредметным. При их интерференции образуется интерференционная картина,кодирующая изображение, в котором сохранена информация о трёхмерном объекте. При освещении этой картины опорным пучком восстанавливается изображение объекта, которое зрительно невозможно отличить от реального, т.е. – голограмма.
Первые пропускающие голограммы были получены в 1962-ом году И. ЛейтомиЮ.Упатниексом.Недостаткомпропускающейголограммыявляется то, чтобы её увидеть, необходимо освещать картину пучком, точно таким же, как и опорный, и под таким жеуглом.
Для получения трёхмерных голограмм необходимо записывать голограмму в объёмной среде. В результате интерференции волн в толстослойной эмульсии образуются засвеченные плоскости. После проявления голограммы нанихпоявляютсясвоипочернения.Такобразуютсятакназываемыебрэгговские плоскости, способные частично отражать свет. В результате появляется трёхмерноеизображение.ВобъёмныхголограммахпометодуЮ.Н.Денисюка объектом является полученная предварительно пропускающая голограмма. Такаяголограммаполучиланазваниеотражательной,аопорныйипредметный пучки направляются на фотопластинку с обеих сторон. Причём опорныйлуч проходит через объект. Такую голограмму можно восстановить с помощью источника белого света. И голограмма восстановится в том цвете, в каком была записана. В этом заключается удобство таких голограмм.
Для записи цветных голограмм необходимо смешать красный, зелёный и синий цвета. Но технология записи цветных голограмм ещё не разработана и требует ещё многих экспериментов.
|
Рис.4. Запрись пропускающей голограммы |
Рис.5. Модель объемной голограммы |
Рис.6 запись отражающей голограммы |
Принципы создания стереоскопического изображения
Благодаря бинокулярному зрению человек «видит» предметы объемными. На сетчаткеглазаполучаетсяплоскоеизображение.Вголовноммозгеполучается соединение двух плоских картинок от правого глаза и левого глаза, и человек воспринимает изображение с различением цвета, глубины и т.д. Поэтому для получениястереоскопическогоизображениянадопровестисепарацию,т.е.от- делениеизображенийдлякаждогоглазаотдельно.Существуетнесколькоспособов разделения ракурсов изображения: анаглифный, затворный, поляризационный,растровый.
Самый простой и доступный – анаглифный метод: плоское изображение состоитиздвухсмещенныхракурсов,аразделяютсяэтиракурсыцветом.Просмотр таких изображений возможен через специальные очки с красным и сине-зеленым фильтрами. Недостатки этого способа заключаются в неполной цветоотдаче и долгий просмотр таких изображений утомляетглаза. Затворный метод основан на разделении ракурсов по времени: ракурсы поступают поочереднотоналевый,тонаправыйглаз.Просматриваютсятакиеизображения так же через специальные затворные очки. При таком способе получается хорошее разрешение изображений, но возможно появление эффекта «мерцания». Поляризационный метод прост в применении: изображения левого и правого ракурсов проецируются через поляризатор с вертикальнымнаправлением для одного ракурса и горизонтальным для другого. Однако есть недостатки у этого метода: дороговизна, т.к. нужен специальный экран, поляризаторы и специальныеочки, причем при смене угла просмотра исчезает ощущениеобъемности.Естьметод,которыйнетребуетспециальныхочков,эторастровыйметод. Растровыйметодпредусматриваетперемещениелучапоодной и той же траектории независимо от формируемого изображения. Видимое изображение на экране получается в результате изменения интенсивности луча при прохождении определенных участковэкрана.
Выводы теоретическогоисследования:
Если двумерная картинка стоит тысячи слов, тогда трехмерная стоит миллиона. С помощью голографии можно реконструировать трехмерную картинку,используяголограмму,иэтотпроцесснеимеетничегообщегостехнологией работы традиционных дисплеев. Несмотря на то, что голография была изобретенаболее70летназад,онаостаетсялучшимкандидатомнаполучение истинных 3D-дисплеев. Когда вы видите знаменитую личность, объемное изображение которой появляется на концерте или где-то еще, это не голо- граммы.Этотрюк,ивсвоейосновеголограмманеимеетснимничегообщего. Впервые он был продемонстрирован еще в 1800-х годах Джоном Пеппером, чтобы удивить ничего не подозревавших зрителей призраком, который появилсярядомсактерскойсценой.Вреальностиэтобылахитроумнаяиллюзия, поскольку между сценой и аудиторией было размещено стекло под углом. Сцена использовалась для отражения света от актера к аудитории, но так, чтобы она могла видеть сцену. Поскольку стекло эффективно прозрачно, людям казалось, что на сцене появился призрак. Большинство «голограмм», которые показывают по телевизору, всего лишь вариация трюка Пеппера с призраком.
Изображение при воспроизведении «голограммы» в так называемой голо- графической пирамиде должно воспроизводиться в проекциях с четырех сторон.Основнымдостоинствомданнойпирамидыявляетсято,чтомнимоеизображениевпирамидеможнонаблюдатьсбокуслюбойстороны.Свет,который исходит с экрана смартфона, падает на каждую грань пирамиды (рис.7) . Световые лучи на границе двух сред (воздуха и пленки) частично преломляются, частично отражаются. По закону отражения световых лучей можно сказать, что угол падения световых лучей будет равен углу их отражения. Если угол между гранями пирамиды и ее основанием будет составлять 45°, то отраженные лучи будут параллельны основанию. Поэтому на грани пирамиды будет возникать мнимое изображение, как будто оно "находится внутри". Конечно, можноиспользоватьвместопленкизеркала,новтакомслучаемынеувидим, что будет находиться за зеркалом и "голограмма" не сольется с реальностью.
Рис. 7. Ход лучей в «голографической пирамиде»
Основные выводы
Существуют «псевдообъемные» изображения, которые называют3d-изображениями или стереоизображениями. Ощущение объемностиполучается за счет особенности бинокулярного зрения человека. Плоские изображения представляются как разные ракурсы одного объекта, а отделение их происходитспомощьюцветныхфильтров(спектральногоразделения),поляризации разного направления, поочередной подачи изображений для правого и левого глаза и т.д.
Голограмма воспроизводит трехмерную копиюобъекта
Полученное в ходе эксперимента изображение голограммой не является, это изображение с иллюзиейобъемности;
название «3D голографический проектор» к таким устройствам применяетсяошибочно.
Глава II Экспериментальная часть
Создание 3D голографическойпирамиды.
Всетиинтернетможнонайтиинструкциипосозданию«3d-пирамидыдляголограмм». Создать такой проектор не сложно, для этого нужны следующие материалы: стекло (или пластик), стеклорез (или канцелярский нож), изолента (или клей для пластика,скотч).
Затем нужно сделать 4 детали в виде трапеции из стекла или пластика по размерам, указанным на чертеже (можно пропорционально уменьшить в 2 или 3раза):
Обклеить с помощь изоленты или скотча острые края каждой заготовки, затемспомощьютойжеизолентысклеитьмеждусобойвсе4полученные детали.
В итоге получится такаяпирамида-проектор.
Для того, чтобы проверить как работает такой приспособление необходимо специальное видео, которое можно найти в интернете или создать самим. Главная особенность такого видео в том, что экран разделен на 4 зоны, и одно и то же изображение проецируется накаждую грань пирамиды. На фотографиях в приложении №2 наблюдаемые в ходе эксперимента изображения.
Экспериментальное исследование полученного тереоскопическогоизображения
Поучится ли объемное изображение, если использовать только одну грань голографическойпирамиды?
Оказалось,чтоможновзятьпростостеклоинаклонитьегокнаблюдателюпод углом градусов 45 и получается «объемное»изображение.
Изучивлитературу,явыяснил,чтоподобныйпринципполучения«объемных» изображенийиспользовалсяфокусникамииназывалсяон«ПризракПеппера». Напротивзрителейустанавливалипрозрачноестеклоилипленкуподуглом45 градусов и на него проецировали изображение, создавался эффект «парения» предметов в воздухе или быстрого перемещения объектов впространстве.
Расчет увеличения изображения за счет изменения линейных размеров пирамиды.
Экспериментальные измерения показали, что при увеличении линейных размеров пирамиды в 5 раз, полученное 3D - изображение увеличивалось при- мерно в 6,5 раз, при увеличении размеров пирамиды в 3 раза - изображение увеличивалось в 3,9 раз.
Таким образом, я вывел алгоритм для расчета необходимых линейных размеров пирамиды:
Определиться с желаемым размером изображения (обозначим егоХ);
Найти коэффициент увеличения: