Создание голограммы

XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Создание голограммы

Тищенко М.И. 1
1МАОУ СОШ №25
Белова А.А. 1
1МАОУ СОШ №25
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность: В современном мире мы все чаще сталкиваемся с голографией. Голограммы представляют собой технологию визуализации, которая вызывает большой интерес и впечатление у зрителей. Они могут создать уникальные 3D-образы, и это делает их привлекательными для различных сфер применения. Голограммы используются в развлекательной индустрии, на выставках, в рекламе и даже в медицине. Голограммы становятся все более доступными и удобными для использования. Благодаря быстрому развитию технологий, таких как проекционные системы, материалы и программное обеспечение, создание и отображение голограмм становится более простым и эффективным. Это позволяет расширить область применения голограмм и делает их более доступными для широкой аудитории. Голограммы могут быть использованы в различных сферах. Например, они могут быть внедрены в образовательные учреждения для создания интерактивных уроков и лекций. Голография также может использоваться в торговле и розничной продаже, позволяя создавать привлекательные витринные дизайны и визуализации продуктов. Кроме того, голограммы имеют потенциал для использования в сфере виртуальной и дополненной реальности. Они могут стать новым способом взаимодействия с цифровым контентом, добавляя глубину и реалистичность виртуальным мирам и приложениям. Это может открыть новые возможности в области развлечений, обучения, архитектуры и многих других сфер.

Цель: создать голографическое изображение и найти для него применение в жизни.

Задачи для достижения поставленной цели:

1) исследовать материал о физических основах создания трехмерного изображения;

2) сравнить разные способы создания голограмм;

3) создать голограмму;

4) выявить, насколько полезна голография в современном мире.

Гипотеза: Развитие голографической технологии позволит создавать более реалистичные и впечатляющие 3D-изображения, которые смогут хранить большое количество информации и будут полезны в различных сферах, включая развлекательную индустрию, медицину, образование и рекламу.

Методы:

  1. Теоретические:

  • изучение и анализ литературы по данной теме;

  • сравнение различных способов создания голограммы.

  1. Практические:

  • расчет и измерения, проводимые при создании голографии;

  • создание голограммы

  • описание достоинств созданной голограммы.

Практическая значимость проекта: для голограммы, созданной мной, можно найти множество применений.

  1. Декоративное использование: голограммы могут использоваться как украшение в интерьере дома. Они создают эффектную визуальную картину и могут стать центральным элементом в дизайне комнаты.

  2. Образовательные цели: голограммы могут использоваться для обучения и визуализации сложных концепций. Например, с помощью голограммы можно продемонстрировать трехмерные модели планет солнечной системы или анатомической структуры тела.

  3. Создание оригинального подарка: голограмма может стать оригинальным и значимым подарком для близких. На ней можно изобразить специальное сообщение, фотографии или видео, которые будут напоминать о вас или о тех, кому подарок адресован.

  4. Дополненная реальность: голограммы могут быть использованы совместно с технологией дополненной реальности, чтобы создать интерактивные и вовлекающие виртуальные сцены и персонажей в домашней среде.

Это лишь несколько примеров использования голограммы. Они открывают возможности для творчества и насыщают домашнюю среду новыми визуальными впечатлениями

Глава 1

1.1 Физические принципы голографии

Голография - это технология создания и воспроизведения трехмерных изображений, которые могут быть видны без использования специальных очков или устройств. Термин "голография" происходит от греческого слова "голос" (голос) и "графеин" (писать), что можно перевести как "писать с помощью света". Результат же записи называется голограммой. Всюду далее под голографией подразумеваем голографию оптическую, хотя голографический метод практически применим ко всем видам волн: электронным, рентгеновским, световым, акустическим, сейсмическим и т.д.

Голографическое изображение создается путем записи и воспроизведения интерференционных узоров света, в отличие от обычной фотографии, которая записывает только интенсивность света, производит информацию о фазе световых волн. Это позволяет создавать трехмерные изображения, которые имеют глубину и объемные характеристики.

Основой голографии являются дифракция и интерференция.

Дифракция – это отклонение света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствия.

Интерференция волн - это явление, возникающее при сложении двух волн, вследствие которого наблюдается усиление или ослабление результирующих колебаний в различных точках пространства. ( Приложение 1, рис. 1)

Физическая идея заключается в том, что при наложении двух световых пучков при определенных условиях образуется интерференционная картина, что означает наличие максимальной и минимальной интенсивности света в пространстве (подобно тому, как две системы волн на воде создают чередующиеся пики и впадины амплитуды волн при пересечении). Чтобы эта интерференционная картина была стабильной в течение необходимого времени наблюдения и могла быть записана, две световые волны должны быть когерентными, то есть согласованными по фазе, и по времени. Когда волны встречаются в фазе, они складываются друг с другом и образуют волну с амплитудой, равной сумме их амплитуд. Если они встречаются в противофазе, они будут гасить друг друга. Между этими двумя крайними положениями наблюдаются различные ситуации сложения волн. Результатом сложения двух когерентных волн всегда будет стоячая волна. То есть интерференционная картина будет стабильна во времени. [1] Это явление лежит в основе получения и восстановления голограмм.

Образование и восстановление голограмм.

Выбирая термин «голография» для изобретенного способа записи, Габор подчеркнул, что регистрация как фазовой, так и амплитудной информации обеспечивает более полное описание световой волны. Информация о фазе сохраняется в интерференционной картине при двухлучевой интерференции. Таким образом, для того, чтобы получить голограмму, когерентный свет, идущий от лазера, необходимо разделить на два пучка, один из которых освещает объект, а другой служит опорным.

В качестве опорной волны, как правило, используются немодулированные волны со сферическими или плоскими фронтами. Опорный пучок направляется таким образом, чтобы он пересекся со светом, прошедшим через объект или отраженным от объекта. Если оба пучка когерентны, то интерференционная картина образуется во всем объеме, в котором перекрываются пучки. Помещенная в область перекрытия светочувствительная среда претерпевает изменения под воздействием световой энергии. После окончания экспозиции и соответствующей обработки для перевода этих изменений в вариации оптического пропускания получается голограмма.

Если очень тонкая светочувствительная среда помещена в область интерференции и проэкспонирована, на ней зарегистрируются линии пересечения этих поверхностей с плоскостью эмульсии. В случае толстой среды регистрируются сами контурные поверхности. В первом случае голограмма называется плоской, так как ее свойства подобны свойствам плоских дифракционных решеток. Во втором случае голограмма обладает свойствами объемной дифракционной решетки и называется объемной.

Наблюдатель, видящий волну, идентичную исходной предметной волне, совершенно естественно воспринимает её как бы исходящей от мнимого изображения предмета, расположенного там, где ранее находился предмет. С другой стороны, если обратить опорный пучок так, что все лучи обращенного пучка будут направлены противоположно лучам первоначального опорного пучка, то такой сопряженный пучок, освещающий обратную сторону голограммы, создаст действительное изображение предмета в месте первоначального расположения предмета. ( Приложение 1, рис. 2)

Поскольку свет сходится к изображению, то действительное изображение может быть непосредственно зарегистрировано фотопластиной или фотоприемником без применения линз. При этом голограмма действует не только как регистрирующая, но и как проекционная система, дающая при освещении опорной волной изображение исходного предмета, без помощи добавочных линз.[3]

1.2 Свойства голограммы

  1. Уникальной особенностью голограммы является способность каждого ее фрагмента хранить информацию о всем объекте или его освещенной поверхности. Это означает, что если голограмма будет разделена на несколько частей, каждая из них все равно будет содержать полное изображение объекта. Однако качество восстановленного изображения может быть немного хуже.

  2. Замечательным свойством голограммы является возможность создания объемного изображения объекта. Это достигается благодаря регистрации на голограмме фазовых и амплитудных характеристик пространственной структуры волн. Фаза кодируется относительной плотностью, а амплитуда – контрастом интерференционной картины. Эта регистрация позволяет получить информацию о расстояниях до различных точек объекта, что отсутствует в обычных фотографиях. При наблюдении и фотографировании голограммы заметен параллакс и глубина резкости изображения.

  3. Допустимость регистрации на одной фотопластинке последовательно нескольких изображений различных объектов, причем каждое из них восстанавливается без особых помех и независимо от других.

  4. Другим интересным аспектом голограмм является возможность их наблюдения при различных длинах волн. Например, голограмма может быть записана при использовании коротких волн, а затем восстановлена и просмотрена в видимом диапазоне. Это позволяет получить значительное увеличение изображения. Однако, стоит отметить, что при таком процессе возможно искажение изображения.[6]

1.3 Типы голограмм

Основные голографические схемы, используемые для регистрации голограмм, названы, как правило, либо по имени авторов - схема Габора, схема Денисюка и т.д., либо по специфическим особенностям геометрии оптической схемы - осевая схема и т.п.

  • Двухмерная голограмма представляет собой набор дифракционных решеток, различающихся частотой и углом наклона штрихов. В отличие от трехмерной голограммы, двумерная голограмма не имеет объемности и не изменяет свое изображение при изменении точки обзора. Двумерные голограммы могут быть созданы различными способами, включая использование лазеров, интерференции света и компьютерной графики. Они обычно состоят из множества мельчайших точек или линий, которые вместе создают визуальное изображение. Двумерные голограммы широко используются в различных областях, таких как искусство, научные исследования, реклама и развлечения. Они могут быть применены для создания уникальных и привлекательных визуальных эффектов, а также для аутентификации и защиты документов и товаров от подделок.

  • Пропускающие и отражательные голограммы являются двумя основными типами двумерных голограмм. Пропускающая голограмма - это голограмма, которая создает изображение путем пропускания света через набор мельчайших точек или линий, которые изменяют фазу и направление света. При просмотре пропускающей голограммы свет проходит через голограмму и отображает изображение на прозрачной или полупрозрачной поверхности. Отражательная голограмма - это голограмма, которая создает изображение путем отражения света от поверхности голограммы. В этом случае, свет, падающий на голограмму, отражается от линий или точек, создавая определенный уровень отражения, который формирует изображение. Оба типа голограмм используются для создания эффекта трехмерности на плоской поверхности. Однако, пропускающие голограммы могут быть более прозрачными и иметь более насыщенные цвета, в то время как отражательные голограммы могут быть более отражательными и иметь высокую яркость.

  • Голограмма Франеля - это специальный тип голограммы, который был разработан французским ученым Жаном Баптистом Леонаром Франелем. Этот тип голограммы использует разностное вмешательство волн. В голограмме Франеля объект или сцена записывается путем перекрестного источника освещения и двухболиометрии. Таким образом, каждая точка на объекте записывается с использованием двух разных путей света. Затем свет интерферирует, создавая разности в фазах, которые регистрируются на фотопластинке или другом фоточувствительном материале. Особенностью голограммы Франеля является возможность просмотра голограммы без использования специальных источников света или лазера. Изображение можно просматривать при естественном освещении или с помощью простого монохромного источника света, такого как лампа накаливания. Это наиболее простой способ регистрации голограмм, так как он позволяет получать голограмму и затем восстанавливать волновой фронт без использования линз или каких-либо других оптических устройств. Это самый распространенный тип голограмм. Собственно, все свойства голограмм Лейта и Упатиекса – это свойства внеосевых голограмм Френеля, в случае же осевой голографии Френеля мы приходим к голограмме Габора.[2]

Глава 2

2.1 Материалы и оборудование

После изучения литературы я приступила к подготовке создания голограммы.

Для создания голограммы нужно приобрести: голографические пластинки, фиксатор, проявитель, кюветы 2шт, лазерный модуль, зеленый светодиод, батарейка-кнопка, батарейный отсек, батарейки АА 2шт, самоклейная лента. ( Приложение 2, рис. 1)

2.2 Подготовка

2.2.1 Изготовление растворов проявителя и фиксажа

Мной были использованы покупные реактивы из готового набора химических соединений. Растворитель состоит из метилфенидона, гидрохинона, безводного сульфита натрия, гидроксида натрия, роданида аммония. В случае неиспользования процедуры отбеливания после проявления рекомендуется провести процедуру фиксирования. Для этого подходит любой тиосульфатный фотографический закрепитель (фиксаж).

Готовим растворы в кюветах, либо в кюветах. Посуду для приема пищи не используем. При работе с реактивами надеваем перчатки. Работаем в местах отдаленных от мест приема пищи.

Для изготовления раствора в емкость наливаем 250 мл воды. Используем чистую воду не выше комнатной температуры. Высыпаем в воду по очереди проявители, тщательно размешивая палочкой комки. В дой-паке проявитель может храниться полгода.

Для подготовки фиксажа в емкость наливаем 250 мл воды, высыпаем реактив и размешиваем до полного растворения. Переливаем в дой-пак. Фиксаж является многоразовым раствором.

2.2.2 Подготовка помещения

Необходимо помещение, полностью изолированное от внешнего света. Например, ванная комната без окон. Крайне желательно, чтобы была хорошая вентиляция. Нужно добиться отсутствия утечек света, даже свет, проходящий через щели дверного проема, может испортить результат. Если не получается получить темное помещение днем, придется дождаться темного времени суток.[4]

Перед применением проявитель нужно развести водой в пропорции 1:3. К 40 мл проявителя наливаем 120 мл чистой воды. Фиксаж наливаем на глаз.

Далее нужно подготовить безопасный свет. Свет нельзя направлять на пластинки, только на стены или потолок.

К помещению для записи голограмм основных требований два:

  • Полное затмение

  • Исключение любых вибраций. Запись голограмм нужно проводить либо на прочно закрепленном столе, либо на полу. Любые вибрации могут полностью испортить результат. Необходимо исключить или минимизировать эти факты. Для большей надежности можно соорудить виброизоляционный стенд: кафельную плиту, толстую фанеру или доску положить на губки для мытья посуды. Вместо плиты можно использовать ящик с песком, сахаром или солью.

Запись голограмм осуществляется только с помощью использования лазера. Необходимо заранее его подготовить.

  • От лазера откручиваем линзу, чтобы свет был рассеянным.

  • Вставляем лазер в прищепку.

  • Насыпаем в кружку песок, сахар или соль.

  • Вставляем прищепку в песок/сахар/соль в кружке, направляем свет лазера так, чтобы он светил под углом к поверхности. В дальнейшем нужно будет регулировать его в небольших пределах.

  • Вращаем вокруг оси лазер так, чтобы область, им освещаемая, была ориентирована. ( Приложение 2, рис. 2)

2.2.3Выбор предметов и дополнительные приготовления.

Остается выбрать, что именно записывать. Так как малейшие вибрации легко портят голограмму, для записи не подойдут предметы из бумаги или пенопласта, мягкие и легкие игрушки, легко деформирующиеся предметы

Нужно использовать предметы из металла, камня, тяжелого пластика, дерева. Например, монеты, статуэтки, фигурки из киндера, конструкторы Лего. Предметы желательно использовать светлые. Так как они отражают больше света, голограмма получится ярче. Также важен размер. Голограмма записывается в натуральную величину, поэтому записываемая композиция будет размером примерно 6х6 см, Подойдет несколько монет, медали. [5]

Дополнительные приготовления.

Последнее, что нужно сделать перед записью голограммы - научиться определять, с какой стороны у пластинок светочувствительная эмульсия. Делается это только при зеленом свете. Для этого достаточно подышать на пластинку. Та сторона, которая запотевает - без эмульсии, это чистое стекло.
Сторона, которая не запотевает - на ней эмульсия.

2.3 Изготовление голограммы

Я записала голограмму по схеме Денисюка..

Дополнительно мне потребовались стопки монет, которые играли в роли опоры для пластинки.

Я расположила на жестком основании опоры и между ними положила предмет. Опоры должны быть как можно меньшей высоты, чтобы между фотопластиной и предметом было минимальное расстояние. Нужно, учесть что верх голограммы находится со стороны лазера.

Рядом с предметами я установила лазер. Направила его свет так, чтобы он падал под углом 34 градуса к горизонтали (можно измерить на глаз, точного соответствия не требуется) и равномерно освещал композицию. От лазера до предметов должно быть 15-20 см. Если не хватает высоты кружки, можно поместить ее на перевернутую глубокую тарелку или вазу.

Конструкцию с лазером накрыла коробкой так, чтобы она полностью перекрыла свет от лазера. Убедилась, что все установлено прочно, и не сдвигается. Нигде нет люфта. Выключила весь свет и оставила только зеленый свет!

Достала голографическую пластинку из свертка. Эмульсия довольно хрупкая, поэтому пластинку нужно брать только за края. Пластинку положила на опоры так, чтобы сторона с эмульсией оказалась внизу. На торец, который ближе к лазеру нужно наклеить черную полоску из самоклейки. Это нужно, чтобы свет лазера не попадал в стекло через боковую грань, что чревато появлением паразитных радужных полос.

Схема готова! После этого можно переходить к записи голограммы

Включила лазер. Нужно подождать, пока он проработает 5 минут. Так лазер хорошо прогреется и излучение будет более стабильным. Заняла устойчивое положение рядом с нашей схемой. В процессе записи нельзя двигаться и делать сильные выдохи. Рекомендуется подождать около минуты, чтобы все вибрации наверняка затухли.

Далее аккуратно подняла книгу на пару сантиметров над поверхностью, так, чтобы она продолжала блокировать полностью луч лазера! Подождала еще 30 секунд, пока не затихли вибрации. После этого спокойным движением подняла книгу так, чтобы свет лазера попал на пластинку и предмет. Отсчитала 15 секунд. В процессе записи нельзя двигаться и говорить!

Когда время экспозиции подошло к концу, уверенным движением опустила книгу, блокируя свет лазера.

Запись завершена! Можно выключить питание лазера и перейти к проявке.

При работе с растворами обязательно нужно надеть перчатки.

Весь процесс состоит из 4 этапов: проявка - фиксаж - промывка - сушка.

Проявка (в безопасном зеленом свете)

Я положила пластинку в проявитель эмульсией вверх. Время проявки зависит от температуры: 18 °C - 10 минут; 22 °C - 7 минут; 26 °C - 5 минут.

В моем случае прошло 7,5 минут.

В процессе проявки периодически покачивала кювету. Для надежности рекомендуется вообще выключать зеленый свет, или закрыть кювету чем-то непрозрачным.

Фиксаж (в безопасном зеленом свете). После проявки аккуратно, за края, перекладываю пластинку в фиксаж.. Оставляю в фиксаже на 1-2 минуты.

Промывка

Теперь можно включить обычный свет. Если все сделано правильно, голограмма будет иметь желто-коричневый оттенок. Достаю пластинку из фиксажа и промываю в холодной проточной воде 1-2 минуты. Запрещено использовать теплую и горячую воду, она просто смывает эмульсию! Напор должен быть слабым, чтобы не повредить эмульсию. После этого окончательно промываю в чистой/фильтрованной/ дистилированной воде. Это важно и нужно, чтобы не было разводов на пластинке.

Сушка

Аккуратно отряхиваю пластину, держа за края. Прислоняю к чему-то вертикальному так, чтобы эмульсия оказалась внизу. Так на нее попадет меньше пыли.
Поверхность эмульсии должна оказаться гладкой, без разводов. Голограмма готова! Теперь, наконец, можно увидеть изображение на ней!

Просмотр голограммы

Нужно помнить, что эмульсия по-прежнему хрупкая, пластинку берем только за края! Для просмотра необходим точечный источник света: фонарик телефона, Солнце, небольшая настольная лампа. Располагаем пластинку эмульсией от себя, источник должен быть чуть выше голограммы (примерно в том месте, где располагался лазер при записи). И тогда можно будет увидеть объемное изображение! Чтобы картинку было лучше видно, рекомендуется протирать стекло от разводов микрофиброй.. (Приложение 2, рис. 3)

Заключение

Благодаря проведенной работе я изучила технологию создания голограмм и создала голограмму своими руками. Узнала, где используются голограммы в нашей жизни.

Голограмма в домашних условиях может стать прекрасным дополнением к интерьеру и создать уникальную атмосферу в помещении. Она становится центром внимания и вызывает восторг у гостей. Такая технология позволяет создать впечатляющие визуальные эффекты, которые ранее были доступны только на больших киноэкранах или на специальных мероприятиях.

С использованием голограммы дома можно создать уникальные презентации. Она также может использоваться для отображения фотографий и видеоизображений, что делает ее идеальным инструментом для сохранения воспоминаний и создания атмосферы.

Важным применением голограммы в домашней жизни является использование ее в образовательных целях. Позволяя визуализировать сложные концепции и явления, голограмма может помочь стимулировать интерес и понимание важных тем. Она может использоваться для обучения, исследования или развлечения, делая образовательный процесс более интерактивным и увлекательным.

В целом, голограмма в домашних условиях имеет огромный потенциал и может быть использована для различных целей. Она не только позволяет создавать уникальные визуальные эффекты, но и обогащает нашу домашнюю жизнь, делая ее более интересной, эффективной и запоминающейся.

Список литературы

  1. Корешев С. Н. Основы голографии и голограммной оптики //Учебное пособие./СН Корешев-СПб: СПб ГУ ИТМО. – 2009. – Т. 98.

  2. Любительская голография. https://habr.com/ru/articles/448050/

  3. Перминов А. В., Файзрахманова И. С. Прикладная голография. Курс лекций //Учеб. пособие. Пермь: ПНИПУ. – 2017.

  4. Технология голографии. http://www.holography.ru/techrus.htm

  5. Федоров Ц. Голография. – 1989.

  6. Физика от Побединского – голограмма. http://physfrompobed.ru/holo/

Приложение 1

Рисунок 1. Интерференция от двух когерентных источников света. Опыт Юнга

Рисунок 2. Схема записи и просмотра голограммы

Приложение 2

Рисунок 1. Материалы

Рисунок 2. Установка

Рисунок 3.

Просмотров работы: 43