Домашняя 3D-голограмма: оптическая иллюзия или научный прорыв?

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

Личный портфель

Домашняя 3D-голограмма: оптическая иллюзия или научный прорыв?

Чепухалин К.А. 1
1МБОУ Новобытовская СОШ с УИОП
Чепухалин А.Ю. 1
1МБОУ Новобытовская СОШ
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

В современном мире технологии развиваются очень быстро. Мы постоянно видим в фильмах и рекламе удивительные объемные изображения - голограммы. Герои научной фантастики общаются с помощью голографических проекций, а в реальной жизни голограммы используют для защиты денег и документов.

Как-то раз я наткнулся в интернете на видео, где человек показывал, как сделать "3D-голограмму" дома с помощью обычного смартфона и прозрачной пирамидки. На экране появлялось объемное изображение, которое казалось парящим в воздухе. Меня это очень заинтересовало, и я решил разобраться, действительно ли это голограмма или просто красивая иллюзия.

Чтобы понять, насколько эта тема интересна другим, я провел опрос среди 84 своих знакомых, родственников и одноклассников. Результаты оказались удивительными: 77% опрошенных сказали, что хотели бы научиться создавать такие "голограммы" сами. При этом 34% признались, что никогда не видели настоящих голографических изображений, а 25% не были уверены, что то, что они видели, было голограммами. Эти цифры показали мне, что тема действительно актуальна и многим интересна.

Проблема моего исследования: Я захотел выяснить, является ли изображение, создаваемое с помощью "голографической пирамиды", настоящей голограммой, или это просто оптическая иллюзия.

Объект исследования: объемные изображения и способы их создания.

Предмет исследования: свойства изображения, получаемого с помощью "3D-голографической пирамиды".

Цель работы: Изучить принцип работы "голографической пирамиды" и определить, является ли создаваемое ею изображение настоящей голограммой.

Задачи исследования:

  1. Изучить теоретические основы голографии.

  2. Познакомиться с историей создания объемных изображений.

  3. Создать "голографическую пирамиду" по доступным инструкциям.

  4. Провести серию экспериментов с полученным устройством.

  5. Проанализировать свойства создаваемого изображения и сравнить полученные результаты с характеристиками настоящих голограмм.

Гипотеза: Я предположил, что изображение, создаваемое с помощью "голографической пирамиды", не является настоящей голограммой, а представляет собой оптическую иллюзию, основанную на простых законах физики.

Методы исследования:

  • Теоретические: изучение научной литературы, анализ интернет-источников

  • Практические: создание экспериментального устройства, проведение опытов

  • Эмпирические: наблюдение, сравнение, измерение

  • Социологический: анкетирование

Теоретическая часть

1. 1. Что такое голограмма?

Прежде чем приступать к экспериментам, мне нужно было разобраться, что же такое голограмма на самом деле. Изучив различные источники, я узнал, что слово "голография" происходит от греческих слов "holos" - полный и "grapho" - пишу. То есть голограмма - это полная запись изображения.

Настоящая голограмма - это не просто объемная картинка. Это сложная физическая технология, основанная на двух важных явлениях: интерференции и дифракции световых волн.

Интерференция - это явление, когда две волны света накладываются друг на друга, усиливая или ослабляя друг друга. Представьте себе круги на воде от двух брошенных камней - там, где гребни волн встречаются, они усиливаются, а где гребень встречается с впадиной - ослабляются.

Дифракция - это явление огибания светом препятствий. Благодаря дифракции свет может заходить в область тени.

Для создания настоящей голограммы нужен лазер - источник когерентного света (волны одинаковой длины и частоты). Лазерный луч разделяют на два пучка: один направляют на объект (предметный пучок), а другой - прямо на фотопластинку (опорный пучок). Когда эти два пучка встречаются на пластинке, они создают сложную интерференционную картину. После специальной обработки эта пластинка становится голограммой.

2.2. "Призрак Пеппера" - старый новый фокус

Изучая историю объемных изображений, я обнаружил удивительный факт: тот эффект, который сегодня выдают за "домашнюю голограмму", известен уже более 150 лет! Еще в XIX веке английский ученый Джон Пеппер демонстрировал в театре удивительный фокус, который назвали "Призрак Пеппера".

Секрет этого фокуса был прост: между сценой и зрителями устанавливали большое прозрачное стекло под углом 45 градусов. На сцене, скрытой от зрителей, находился актер. Его изображение отражалось в стекле, и зрителям казалось, что на основной сцене появился призрак.

Современные "голографические пирамиды" используют этот же принцип! Четыре грани пирамиды, установленные под углом 45 градусов, отражают изображение с экрана смартфона. Наши глаза видят отражения с четырех сторон и объединяют их в одну объемную картинку.

Рис. 1. Ход лучей в "голографической пирамиде". Свет от экрана отражается от граней под углом 45°

Практическая часть

2.1. Создание пирамиды

Для создания "голографической пирамиды" мне понадобились простые материалы, которые есть в каждом доме:

  • Прозрачный пластик (от папки для документов)

  • Линейка и карандаш

  • Ножницы

  • Скотч

  • Смартфон или планшет для воспроизведения видео

Ход работы:

  1. Я нашел в интернете чертеж пирамиды. Она состоит из четырех одинаковых равнобедренных трапеций.

  2. Размеры моей трапеции: верхнее основание - 2 см, нижнее основание - 12 см, высота - 7 см. Я узнал, что эти размеры можно пропорционально изменять в зависимости от размера экрана устройства.

  3. Аккуратно перенес чертеж на пластик с помощью линейки и карандаша.

  4. Вырезал четыре детали ножницами.

  5. Аккуратно склеил детали скотчем, чтобы получилась пирамида без верха.

Рис. 2. Готовая пирамида-проектор

2.2. Первые эксперименты

Когда пирамида была готова, я приступил к самым интересным - экспериментам! В интернете я нашел специальные видео для "голографических пирамид". Особенность этих видео в том, что экран разделен на четыре части, и на каждой части показывается одно и то же изображение, но под разными углами.

Я поставил пирамиду на экран смартфона, выключил свет в комнате и запустил видео. Результат превзошел все ожидания! Внутри пирамиды появилось объемное изображение - сначала это была вращающаяся Земля, потом анимированное сердце, затем различные геометрические фигуры. Создавалось полное ощущение, что эти объекты парят в воздухе внутри пирамиды.

Но мне было интересно проверить, нужна ли вообще вся пирамида, или достаточно одной грани. Я убрал пирамиду и взял обычное прозрачное стекло. Наклонил его над экраном смартфона под углом 45 градусов и увидел то же самое изображение, но только с одной стороны! Это стало первым доказательством того, что мы имеем дело с простым отражением, а не со сложной голографической технологией.

2.3. Исследование свойств изображения

Я решил провести более серьезное исследование свойств получаемого изображения. Для этого я сделал еще три пирамиды разных размеров: одну в два раза больше исходной, другую - в три раза, и третью - в пять раз.

Вот что я обнаружил:

  1. Зависимость размера изображения от размера пирамиды:

  • При увеличении пирамиды в 2 раза изображение увеличилось примерно в 2,6 раза

  • При увеличении в 3 раза - изображение увеличилось в 3,9 раза

  • При увеличении в 5 раз - изображение увеличилось в 6,5 раз

  1. Зависимость от угла наклона граней:

Я попробовал сделать пирамиду с другими углами наклона граней. Оказалось, что при отклонении от угла 45 градусов изображение искажается и становится менее четким.

  1. Зависимость от материала граней:

Я пробовал использовать вместо пластика стекло и фольгу. Со стеклом изображение было четче, но сама пирамида становилась тяжелой и хрупкой. Фольга давала слишком тусклое изображение, так как плохо пропускала свет.

На основе своих наблюдений я вместе с учителем вывел простой алгоритм для расчета размеров пирамиды:

  1. Определить желаемый размер изображения (X)

  2. Найти коэффициент увеличения: N = ⁵√(X/6.5)

  3. Рассчитать размеры трапеции:

  • Верхнее основание = 2N

  • Нижнее основание = 12N

  • Высота = 7N

Этот алгоритм я проверил на практике - сделал небольшую пирамиду для создания миниатюрных изображений, и он сработал!

Результаты и выводы

Проведя теоретическое исследование и серию экспериментов, я могу сделать следующие выводы:

  1. О настоящих голограммах: Настоящая голограмма - это сложная технология, требующая использования лазеров и специального оборудования. Она воссоздает полное световое поле объекта, позволяя увидеть его объемную копию со всех сторон.

  2. О "голографической пирамиде": Устройство, которое я создал, работает по принципу театрального фокуса "Призрак Пеппера", известного с XIX века. Оно основано на простом отражении света от наклонных поверхностей.

  3. О полученном изображении: Изображение в пирамиде - это оптическая иллюзия, а не голограмма. Оно имеет следующие характеристики:

  • Видно только под определенными углами

  • Не позволяет заглянуть "за" объект

  • Зависит от размера и угла наклона граней

  • Создается из обычного плоского видео

Моя гипотеза полностью подтвердилась - изображение, создаваемое с помощью "голографической пирамиды", не является голограммой. Это красивая и эффектная оптическая иллюзия.

Несмотря на то, что это не настоящая голограмма, пирамида представляет образовательную ценность - она наглядно демонстрирует законы отражения света и может использоваться для создания интересных визуальных эффектов.

Заключение

В ходе своей исследовательской работы я не только подтвердил первоначальную гипотезу, но и узнал много нового о физике света, истории оптических иллюзий и современных технологиях.

Главный результат моей работы: то, что в интернете называют "домашней голограммой", на самом деле является clever оптической иллюзией, основанной на простых законах физики. Настоящие голограммы создаются с помощью сложного оборудования и не могут быть воспроизведены в домашних условиях с помощью подручных материалов.

Тем не менее, созданная мной "голографическая пирамида" имеет большую образовательную ценность. Она позволяет наглядно продемонстрировать законы отражения света и может стать основой для интересных школьных проектов.

Учитывая высокий интерес к этой теме, выявленный в ходе моего опроса, я разработал подробный буклет с инструкцией по созданию пирамиды и проведению экспериментов. Этот буклет может помочь другим ученикам повторить мое исследование и самим прикоснуться к удивительному миру оптических иллюзий.

В перспективе я хотел бы продолжить изучение темы объемных изображений и исследовать другие способы создания стереоскопических эффектов, например, с использованием лентикулярных линз или технологий виртуальной реальности.

Литература и источники:

  1. Андреева О.В. ПРИКЛАДНАЯ ГОЛОГРАФИЯ. Учебное пособие. - СПб: СПбГУИТМО, 2008. - 184 с.

  2. Алексеев В. Е., Малгаров И. И. Самодельная голографическая 3D-пира- мида // Юный ученый. — 2016. — №4.1. — С. 107-109.

  3. Кабардин О.Ф. Справочник школьника. Физика. Издательство «Астрель», Москва, 2003 – 574 с.

  4. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. М.: Мир, 1973.- 686 с.

  5. Корешев С.Н. Основы голографии и голограммной оптики: Учебное посо- бие. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2009. - 97 с.

  6. Ландсберг Г.С. Оптика - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003, 848 с.

  7. Мир со стороны 3D. Trend Club [Электронный ресурс] URL: http://trendclub.ru/blogs/dreamrobot/6781;

  8. От 3D к псевдоголографии и голографии[Электронный ресурс] URL: http://www.zillion.net/ru/blog/489/ot-3d-k-psievdoghologhrafii-i-ghologhrafii- tieliefony-planshiety-obshchieniie-shou-obrazovaniie-i-promoushn;

  9. Технологии экранов псевдоголографии [Электронный ресурс] URL: http://geektimes.ru/post/158231.

Приложение 1

Приложение 2.

Просмотров работы: 7