VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Голография и Голограмма
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Голография — одно из интереснейших и завораживающих достижений современной науки и техники. Это метод получения объемного изображения. Как следствие голограмма — это продукт голографии.
Голограммы обладают уникальным свойством. Они дают нам возможность увидеть объемное изображение предметов. Конечно, не каждый человек знает, что такое голограмма. Но я уверен, что любой из нас, увидев её будет в неописуемом восторге.
Актуальность выбранной темы. Выбранная мной тема является актуальной, так как у голографии определенно есть будущее. Главным образом оно заключается в визуальных развлечениях, в создании трехмерных сцен. Человек сможет реально видеть объекты и людей, смотреть спектакли. При этом всё что будет происходить вокруг него будет лишь так называемой иллюзией, объёмной картинкой. В недалеком будущем будет широко использоваться трехмерное голографическое телевидение. Также предстоит широкое использование 3D-голографической визуализации для проведения операций в области кардиохирургии и других направлений медицины.
Объект исследования – голограмма.
Предмет исследования – свойства голограмм и их применение.
Цель исследования:
понять, что такое голограмма и как она образуется
с помощью обычных мыльных пузырей и лазерного диска понаблюдать свойство интерференции света
доказать, что, используя обычную усеченную четырёхугольную пирамиду, можно получить объемную голограмму
Задачи исследования:
Изучить литературу по теме
Описать схему образования голограммы
Изучить историю появления голограмм
Описать свойства голограмм
Изучить практическое применение голограмм
Проверить на практике один из методов получения голограмм
Понаблюдать явление интерференции световых волн
Гипотеза – если установить усечённую четырёхугольную пирамиду на экран с видеоизображением, то в центре пирамиды образуется объемная голограмма.
Методы исследования:
Изучение специальной литературы
Обобщение и систематизация материала по данной теме
Наблюдение
Проведение эксперимента
Глава 1. Понятия и история голографии и голограммы.
Определение понятия голографии и голограммы.
Голография — происходит от греческого слова «холос», что означает – полный и слова «графо», что означает – пишу. Простыми словами - это один из способов регистрации информации, который основан на интерференции света. По-другому, это способ получения объемных изображений предметов на фотопластинке (голограмме). Это особая технология фотографирования. С ее помощью можно записывать, а потом воспроизводить изображения трехмерных объектов, которые похожи на реальные.
Голограмма — это многослойная вариация изображения. Каждый слой такого изображения отражает свет по-своему. Другими словами, это фотография, создающая при соответствующем освещении трёхмерное изображение.
История появления голографии и голограммы.
Основоположником голографии является профессор государственного колледжа в Лондоне Деннис Габор, получивший в 1947 году первую голограмму. Сам термин – голограмма был придуман также Деннисом Габором. Открытие голографии было им сделано в ходе экспериментов по увеличению разрешающей способности электронного микроскопа. Первые голограммы были получены при помощи ртутной лампы. Их качество было очень низким и о них надолго забыли. За открытие голограммы Габор получил Нобелевскую премию в 1971 году.
Голография начала бурно развиваться и приобрела большое практическое значение после того, как в результате фундаментальных исследований по квантовой электронике, которые были выполнены советскими физиками-академиками Басовым и Прохоровым и американским ученым Таунсом, в 1960 году был создан первый лазер. В этом же году профессором Маймамом был сконструирован импульсный лазер на рубине (рубин – кристалл розового цвета). Это система (в отличие от непрерывного лазера) дает мощные и короткие, длительностью всего в несколько наносекунд, лазерные импульсы. Они позволяют фиксировать на голограмме подвижные объекты. Первый портрет человека был снят с помощью рубинового лазера в 1967 году.
В 1962 году американскими учеными Эмметом Лейтом и Юрисом Упатниексом была получена первая объемная голограмма. Схема записи голограмм, предложенная этими учеными, теперь используется в голографических лабораториях во всем мире.
Первые высококачественные лазерные голограммы, или как их еще называют 3d голограммы, были получены советским физиком Юрием Николаевичем Денисюком в 1968 году. Практически вся современная изобразительная голография базируется на методах, предложенных Денисюком.
В настоящее время голография продолжает активно развиваться, и с каждым годом в этой области появляются новые интересные решения. Нет сомнения, что в будущем изобразительной голографии предстоит занять в жизни людей еще более значительное место.
Глава 2. Принцип формирования голограммы.
Получение голограммы стало возможным благодаря двум свойствам световых волн:
Интерференции;
Дифракции.
2.1. Интерференция
Интерференция – одно из ярких проявлений волновой природы света. Это интересное и красивое явление наблюдается при наложении двух или нескольких световых пучков. Интенсивность света в области перекрывания пучков имеет характер чередующихся светлых и темных полос, причем в максимумах интенсивность больше, а в минимумах меньше суммы интенсивностей пучков. При использовании белого света интерференционные полосы оказываются окрашенными в различные цвета спектра.
Другими словами интерференция - это такое свойство световых волн, при котором две волны света накладываются друг на друга. Интерференцию могут испытывать только когерентные волны.
2.2. Когерентные волны
Когерентные волны – это так называемые синхронные, или согласованные волны. У когерентных волн одинаковая частота (одинаковая длина волны), при этом волны всегда идут так, что разность их фаз в любой точке пространства остается постоянной. Для наглядности можно привести простой пример: если взять график синуса, или простыми словами волнистую линию, далее скопировать её и поместить одну линию под другой, то это и будут две когерентные волны (рис.1). При наложении друг на друга такие волны будут усиливать (или ослаблять) интенсивность света друг от друга. Для наилучшего понимания усиления эффекта от наложения двух волн можно привести простой пример: когда вы прыгаете на батуте и высота вашего прыжка в определенный момент начинает совпадать с высотой раскачки батутной сетки, Вас начинает отталкивать от сетки батута с двойной силой.
Рисунок 1
Приведу еще один пример когерентных волн: необходимо взять обычную лампочку, загородить ее непрозрачной ширмой и в ширме вырезать две одинаковые дырки. Эти две дырки и будут 0источниками двух когерентных волн света. Вот такие две волны и будут интерферировать. Именно это явление, вместе с прилагательным «когерентные» перед словом «волны» и называется интерференцией.
С интерференционными явлениями мы сталкиваемся довольно часто: цвета масляных пятен на асфальте, окраска замерзающих оконных стекол, причудливые цветные рисунки на крыльях некоторых бабочек и жуков – все это проявление интерференции света.
2.3. Дифракция
Дифракция – это одно из свойств волн, которое очень похоже на интерференцию, но с добавлением неких условий. Это некая совокупность явлений, которые наблюдаются при распространении света в среде с резкими неоднородностями, простыми словами - это огибание препятствий световыми волнами. Дифракция – это частный случай интерференции.
2.4. Схема получения голограммы
Описание схемы
Лазером подается луч на делитель. После деления один поток световой волны уходит через линзу на зеркало и отражаясь от зеркала попадает на фотопластинку. Такие световые волны называются опорными. Другой поток световой волны уходит через линзу на второе зеркало, отражается от него, попадает на объект и далее, отражаясь от объекта также попадает на фотопластинку. Такие световые волны называются объектными.
Два потока световых волн объединяясь на фотопластинке образуют голографический объект.
Фотопластинка – небольшая стеклянная пластинка, с одной стороны покрытая светочувствительным слоем, на котором фиксируется изображение.
Светочувствительный слой – это специальная эмульсия, которая наносится на поверхность пластинки, изменяет свои свойства по воздействием определенных излучений.
Аналогичный процесс происходит и на обычной фотопленке. Однако для воспроизведения изображения с нее требуется распечатка на фотобумаге, тогда как с голограммой все происходит несколько иначе. В данном случае для воспроизведения «портрета» объекта достаточно «осветить» фотопластину волной, близкой к опорной, которая преобразует ее в близкую к объектной волну. В результате мы увидим почти точное отражение самого объекта при отсутствии его в пространстве.
Глава 3. 3D голограмма и ее применение.
Технологии развиваются семимильными шагами и повсеместное изобретение различных роботов уже норма. Другое дело – голограммы. Вроде бы не так давно на свет появились 2D-модели, а им на замену уже пришли полноценные 3D-прототипы.
Современная 3d голограмма – это, по сути, трёхмерная проекция объемного изображения конкретного предмета. 3D-голограмма уверенно осваивает самые различные сферы человеческой деятельности. Примеров тому множество. Один из них – голограммы в воздухе. Это голографические модели, масштаб которых полностью соответствует реальному объекту и 3D-пирамиды. На презентациях, конференциях, выставках и прочих мероприятиях различного уровня все чаще используются пространственные голограммы, которые создаются с помощью голографических проекторов. Простейший 3D-проектор можно сделать своими руками из обычного смартфона.
Современные модели проекторов способны создавать огромное число 3D-эффектов. Среди них голографические видеопроекции, создаваемые благодаря использованию прозрачных пленок обратной видеопроекции. Видеопоток, проходя через них, создает изображение, буквально «парящее» в воздухе.
В ряду новейших технологий передачи информации – видеоконференции и интерактивная голография, формирующая эффект висящей в воздухе прозрачной поверхности.
Возможности голографических проекторов по мере развития современных технологий постоянно расширяются, а качество изображений улучшается. Они становятся доступнее и компактнее. Сегодня на вечеринках и в ночных клубах можно встретить лазерные голографические мини-проекторы, создающие сложные лазерные «рисунки», которые сочетаются с дымовыми эффектами.
Ниже приведу области применения 3D голограмм.
Применение голограмм в медицине.
Не так давно технология 3D-голографической визуализации, разработанная для проведения операций на сердце, успешно прошла клинические испытания.
Такие интерактивные трехмерные изображения можно делать в режиме реального времени на базе данных, полученных при помощи ангиографа и ультразвуковой кардиологической системы
Кардиолог может во всех деталях изучать и рассматривать голограмму сердца, «парящую» в воздухе, прямо во время проведения малоинвазивной операции (такая операция подразумевает минимизацию области вмешательства в организм и степени травмирования тканей). При этом ему не понадобятся специальные очки.
Применение трехмерных изображений поможет в проведении малоинвазивных операций на сердце и не только.
По мнению разработчиков, 3D-голограммы позволят сделать новый шаг в развитии визуализации в кардиохирургии, и потребность в данной технологии будет дальше только расти.
Применение голограмм в телевидении.
Направление трехмерного телевизионного изображения вовсю развивается для тех, кому эта технология нравится и подходит.
Исследователь Дэниэл Смолли из MIT Media Lab недавно предложил недорогую технологию для истинно голографического телевидения, основанную на использовании оптического чипа. Первые поколения голографических телевизоров уже существуют. Японские эксперты считают, что голографическое телевидение станет мейнстримом до 2020 года и предлагают транслировать Чемпионат мира по футболу 2022 в таком формате.
Не так давно премьер Турции выступил перед сторонниками в виде 3D-голограммы – «голографический премьер», возвышаясь над залом и растворяясь в пространстве.
Применение голограмм в процессе обучения и в презентациях.
Уникальные возможность трехмерных голограмм – показывать объект на 360 градусов и позволять человеку взаимодействовать с ним: крутить, увеличивать и уменьшать, смотреть меню, изучать план здания. Всё это делает процесс демонстрации и обучения более интерактивным, глубоким и интересным.
Применение голограмм в рекламе.
Использование новых технологий может стать достаточно интересным способом привлечения потребителя. Так, бельгийский оператор связи устроил необычную рекламную акцию, а сотне счастливчиков еще и подарил 6-метровую голографическую 3D-статую в городе.
Применение голограмм в шоу-бизнесе.
Использование голографии в шоу-бизнесе уже не ново. Можно почти со 100% вероятностью сказать, что в ближайшее время коммерческое использование этой технологии будет приобретать глобальные масштабы.
Концерты голографических музыкантов и спектакли легендарных театральных актеров со временем станут одним из распространенных и популярных видов развлечений. Эксперты говорят, что в скором времени голограммы станут показывать, например, в ночных клубах – в блоках льда и облаках водяного пара.
Применение голограмм в развлечениях.
Благодаря развитию современных технологий, возникают совершенно новые и уникальные виды развлечений. Например, лотерея Hololoto, которая предлагает инновационную, запатентованную лотерейную систему, действующую на основе голографических технологий, создающих трехмерную визуализацию. Это позволяет объединить неповторимые образы персонажей, проводящих тираж и постоянно развивающиеся миры сказочных локаций с невероятной графикой и динамичной игрой.
Применение голограмм в мобильных технологиях.
Уже разработана технология, которая позволяет воспроизводить трехмерные изображения на экранах мобильных устройств.
Дисплей, разработанный в HP Labs, позволяет увидеть трехмерные изображения и видео без использования очков и движущихся элементов. Эффект достигается за счет нанесения на поверхность пластика, используемого в обычных LCD, наноструктурированных канавок, образующих «направленные пиксели». Каждый такой пиксель включает в себя три группы канавок, посылающие в определенную сторону красный, синий или зеленый свет. Таким образом, зритель может видеть изображение, меняющееся в зависимости от того, с какой точки посмотреть на экран. На данный момент разработчикам удалось создать неподвижные изображения, которыми можно любоваться с 200 различных позиций, и объемные видеоролики, включающие в себя кадры для 64 точек зрения.
Практическая часть.
Наблюдение интерференции света на мыльных пузырях.
Для того чтобы увидеть свойство интерференции, я взял обычные мыльные пузыри и выдул несколько штук.
Все мы с Вами знаем, что, если внимательно посмотреть на мыльные пузыри, они не просто прозрачные, они переливаются различными цветами, это и есть интерференция света. В верхней и нижней части пузырей образовались интерференционные кольца. Образовавшиеся кольца окрашены в спектральные цвета.
Спектральные цвета – это семь цветов, на которые условно разделяют спектр видимого излучения (красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый), так называемые цвета радуги. Верхний край каждого светлого кольца имеет синий цвет, нижний – красный. В тонких пленках мыльных пузырей наблюдается явление интерференции света. Лучи, отраженные от верхней и нижней поверхности пленки интерферируют, в результате в отраженном свете наблюдается устойчивая интерференционная картина. Поскольку геометрическое место максимумов интерференции для различных длин волн различно, то картина становится окрашенной. Пузыри имеют радужную окраску из-за явления интерференции световых волн, попадающих на внешнюю и внутреннюю оболочку пузыря.
Наблюдение интерференции и дифракции света на лазерном диске.
Лазерный диск является хорошим примером для наглядности свойств интерференции и дифракции.
На лазерном диске расположено огромное количество очень маленьких бороздок. Если мы начнем поворачивать диск в разные стороны, то мы с Вами будем наблюдать интерференционную картину. Диск начнет переливаться различными спектральными цветами. Яркость спектров зависит от частоты нанесенных на диск бороздок. Поверхность диска представляет собой спиральную дорожку с шагом соизмеримым с длиной волны видимого света.
Создание голограммы с помощью смартфона.
Для того чтобы воспроизвести голограмму на своём смартфоне, мне необходимо было сделать усечённую пирамиду из прозрачного материала.
Для этого я взял лист прозрачной обложки для переплёта и вырезал четыре одинаковые детали – трапеции.
Затем я склеил получившиеся детали между собой скотчем. У меня получилась усеченная четырёхугольная пирамида.
Усеченная четырёхугольная пирамида
Надо сказать, что получить голограмму с первого раза у меня не получилось. Пришлось деталь подгонять по размерам. Таким образом я сделал пять таких пирамид чтобы добиться желаемого результата.
Затем я установил полученный объект на смартфон, включил воспроизведение ролика и получил объёмную голограмму.
Суть техники создания голограммы с помощью смартфона состоит в трансляции сразу четырех изображений на слегка усеченную четырехугольную пирамиду, поставленную вершиной вниз на экран смартфона. При проигрывании специально подготовленного ролика на экране телефона, изображение отражается от всех четырёх граней пирамиды и создается полная иллюзия парящего в воздухе объекта. Суть пирамидальной голограммы в том, что каждое из изображений проецируется на свою грань, а при просмотре наблюдатель видит сразу все четыре изображения, которые сводятся в единую трехмерную картинку гранями пирамиды.
Заключение
В начале своей исследовательской работы я поставил себе задачи – разобраться в том, что такое голограмма, какими свойствами она обладает, где применяется. Также стояла задача понаблюдать на практике за свойствами световых волн – интерференцией и дифракцией и воспроизвести трёхмерную голограмму при помощи своего смартфона.
В ходе изучения специальной литературы я выяснил, что такое голограмма, где она может быть использована и чем может быть полезна людям. Я узнал какими свойствами обладают световые волны и провёл несколько наблюдений и экспериментов, связанных со световыми волнами и голограммой.
Проведенные мной наблюдения и эксперимент помогли мне убедиться в правильности выдвинутой мной гипотезы: если установить усечённую четырёхугольную пирамиду на экран с видеоизображением, то в центре пирамиды образуется объемная голограмма.
Таким образом, задачи исследовательской работы решены, поставленная цель достигнута.
Список используемой литературы
hi-news.ru, 27.02.2018 год
ru.wikipedia.org
https://ria.ru, 16:26 10.05.2017
https://postnauka.ru, 22 NOVEMBER 2017, Андрей Путилин
https://robo-hunter.com/news/8-primenenii-3d-gologrammi-uje-seichas
Техкульт, новости высоких технологий, 19 апреля 2018 год, Александр Агеев, https://www.techcult.ru/technology/5215
http://www.holography.ru/histrus.htm, Голография, виртуальная галерея
https://questions-physics.ru/optika/interferentsiya_svetovih_voln.html
http://hi-news.ru/technology/gologrammy-v-naturalnuyu-velichinu-voploshhayutsya-v-zhizn.html (дата обращения 24.04.2014)
http://4pda.ru/2014/01/16/135915/ (дата обращения 04.05.2014)