МУНИЦИПАЛЬНОЕ АВТОНОМНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ № 1 г. БЛАГОВЕЩЕНСКА»

Итоговый индивидуальный проект

Тема: «Оптическая голография в современной жизни человека»

Предметная область: «физика»

Выполнила: Бегун Ксения

Александровна,

ученица 9Г класса

МАОУ «Гимназия № 1

г.Благовещенска»

                          Руководитель: Юдина Татьяна Анатольевна,

 учитель физики

МАОУ «Гимназия № 1

г.Благовещенска»

                        г.Благовещенск – 2019г

Оглавление

Введение        4

I. Теоретическая часть

I.1. История голографии        5

I.2. Теория голографии        7

I.3. Принципы работы голографмческой пирамиды и её создание         8

I.4. Применение и реализация голограмм        9

I.5. Развитие голографии в будущем        10

II. Практическая часть        12

Заключение        14

Список литературы        15

ВВЕДЕНИЕ

Оптика — раздел физики, в котором изучаются оптическое излучение (свет), его распространение и явления, наблюдаемые при взаимодействии света с веществом, — относится к числу наиболее старых и хорошо освоенных областей науки. Интерес к оптическим явлениям понятен. Около 85% информации об окружающем мире человек получает через зрение. Оптические явления воспринимаются совершенным оптическим прибором — человеческим глазом, который является основным орудием познания мира. Оптические явления всегда наглядны и поддаются количественному анализу. Очень многие основополагающие понятия, такие, как интерференция, дифракция, поляризация  пришли в физику из оптики и в настоящее время широко используются в областях, далеких от оптики. Одним из таких разделов оптики является голография.

Цель проекта: Изучить феномен голографии с научной точки зрения и воссоздать псевдоголографическое  изображение с помощью четырехугольной усеченной призмы, собранной в домашних условиях.

Задачи проекта:

1.        Изучить теорию голографии

2.        Изучить принципы работы голографической пирамиды

3.        Создать голографическую пирамиду в домашних условиях

Актуальность

С развитием науки и техники человечество прошло путь от использования голографических изображений в кино и индустрии развлечений до создания полноценных голографических лекториев, в которых один человек может вести трансляцию с эффектом присутствия на многомиллионную аудиторию, находящуюся в разных концах света. Оцифровать разрушающиеся объекты культурного наследия для потомков, создать объемные изображения внутренних органов для будущих врачей - все это возможности голографии. Количество объектов дополненной реальности, которые окружают нас в повседневной жизни, растет с каждым днем. Чтобы взаимодействовать с этими объектами важно понимать их сущность и происхождение, знать как они работают. В своем проекте мы хотим исследовать истоки появления первых голографических изображений, понять принципы их работы и воссоздать собственное голографическое изображение в экспериментальных условиях.

I. Теоретическая часть

I.1. История голографии

Примерно до середины XX столетия казалось, что оптика как наука закончила развитие. Однако в последние десятилетия в этой области физики произошли революционные изменения, связанные как с открытием новых закономерностей (принципы квантового усиления, лазеры), так и с развитием идей, основанных на классических и хорошо проверенных представлениях. Здесь, прежде всего, имеется в виду голография,  которая значительно расширяет область практического использования волновых явлений и дает толчок теоретическим исследованиям.

Первая голограмма была получена в 1947 году Денешом Габором в ходе экспериментов по повышению разрешающей способности электронного микроскопа. Габор придумал само слово «голография», от греческого слова "holos" — «полный» и "graphe" — «пишу», которым хотел подчеркнуть полную запись оптических свойств объекта. Голограммы Габора отличались низким качеством, поскольку в качестве когерентного источника света Габор использовал единственно доступные ему газоразрядные лампы с очень узкими линиями в спектре испускания. Но это никак не уменьшает значения его работы, за которую автор получил Нобелевскую премию по физике в 1971 году.

Известный российский учёный Юрий Денисюк разработал метод записи отражающих 2-D голограмм на прозрачных фотопластинках, позволяющих записывать голограммы самого высокого качества.

В 1977 году Ллойд  Кросс, американский ученый,  создал мультиплексную голограмму – или, как мы говорим сегодня, изображение в 3-D формате. Такая голограмма принципиально отличается от всех остальных голограмм тем, что состоит из десятков или даже сотен отдельных плоских ракурсов, видимых под разными углами.

Мультиплексная голография превосходит по качеству все остальные способы создания объёмных изображений на основе отдельных ракурсов.

I.2. Теория голографии

Голография — это один из способов регистрации информации. С ее помощью можно записывать, а потом воспроизводить изображения трехмерных объектов, которые похоже на реальные.

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.

На экспонированной и проявленной, таким образом, пластинке отсутствует какое-либо изображение, однако его в зашифрованном виде содержит система интерференционных полос, и если голограмму просветить, как диапозитив, лазерным светом той же частоты, что была использована при записи, возникнет «восстановленная голограмма» – объемное изображение снятого предмета, словно висящего в пространстве. Меняя точку наблюдения, можно заглянуть за предметы на первом плане и увидеть детали, ранее скрытые от взгляда. Свет, проходя сквозь систему черно-белых полос голограммы, испытывает дифракцию и воспроизводит волновой фронт, исходивший от снятого предмета. Аналогичным образом лазерный луч, пропущенный сквозь отверстие очень малого диаметра, даст на фотопластинке, поставленной за отверстием, систему колец, так называемые «кольца Френеля». А световой пучок, проходящий сквозь их изображение - «зонную пластинку», сойдется в точку. Кольца Френеля представляют собой простейшую голограмму – голограмму точки.

I.3. Принципы работы

голографической пирамиды и ее создание

Для того чтобы изготовить голографическую картину своими руками, требуется современное дорогостоящее, труднодоступное оборудование.  Поэтому мною было решено изготовить мультиплексную 3D-голограмму с помощью самодельной пирамиды.

Голографическая пирамида - это устройство, которое позволяет создавать трёхмерные изображения внутри прозрачного визора - пирамиды. Принцип её действия основан на псевдоголографии - отражении изображения, созданного по специальной раскладке по количеству сторон пирамиды на черном фоне. Голографическая 3D-пирамида представляет собой проекционную поверхность, на которую проецируется созданное по специальной раскладке видео или изображение.

Пирамида дает плоское отображение действительных предметов, когда ее прозрачная поверхность преломляет попадающий на него свет, так получается эффект объемности. В голографической пирамиде можно продемонстрировать любой объект, предварительно спроектировав его в 3D.

Голограмма, которую мы получаем в собранной мною голографической установке, представляет собой четыре плоских изображения одного объекта, созданные с четырех различных сторон. Эти четыре изображения, попадая в одну точку, воспринимаются человеческим глазом как единое объемное изображение. Процесс получения одного из этих четырех изображений аналогичен процессу получения изображения в плоском зеркале.

Большинство зеркал делают из листов стекла, задняя сторона которых покрыта тонким слоем отражающих материалов или металлов, в том числе серебра. Мы видим все вокруг, потому что световые волны отражаются от объектов и попадают нам в глаза, создавая образы, которые распознает наш мозг. Но такое двойное отражение создает странный эффект – все кажется повернутым в обратную сторону. Если мы, например, поднесем к зеркалу раскрытую книгу, то увидим напечатанный в ней текст не слева направо, а, наоборот, справа налево. Таким же образом создается голограмма: четыре части видео отражаются в четырех гранях призмы, сливаясь в одно объемное изображение. Наилучшего качества изображения можно достичь, когда голограмма рассматривается в затемненном помещении.

В сети Интернет я нашла несколько готовых видео, обработанных с помощью компьютерных программ для создания мультиплексных голограмм и представляющих собой четыре изображения одного объекта с разных сторон. Изображения для голограммы должны быть исключительно на черном фоне.

I.4. Применение и реализация голограмм

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. 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 стали довольно обыденной вещью: они не только экспонируются на выставках, но и продаются в сувенирных ларьках. Начинают появляться объемные книжные иллюстрации.

Разновидность пропускающих голограмм, изобретенных американцем Стивеном Бентоном, называют радужными, потому что трехмерные изображения на таких голограммах наблюдаются на фоне радуги. Они ориентированы на массовое производство. Их используют в рекламе, из них делают акцизные марки, пломбы сохранности. Вообще радужные голограммы используют для защиты от подделок, потому что мошенники пока плохо освоили метод голографии (в отличие от полиграфического способа нанесения рисунков).

I.5. Развитие голографии в будущем

Активнее всего развивается область голографии, связанная с head-up дисплеями. Их устанавливают в шлемах, самолетах, автомобилях (технологии HMD (head-mounted дисплей) — это размещение дисплея непосредственно на голове зрителя или лобовом стекле автомобиля или самолета — это HUD (Head-Up Display).   Когда человека полностью изолируют от окружающей обстановки — это дисплеи VR, виртуальной реальности (virtual reality). Голографические дисплеи уже делают для пилотов, чтобы датчики целеуказания находились перед глазами. Но их конструируют на базе объемной оптики и обычного плоского зеркального бим-сплиттера. Это громоздкая система, и на новом этапе разрабатываются более простые конструкции, которые можно было бы применять и в быту.

Есть разработки дисплея для автомобилей с голографическим и оптическим бим-сплиттером. Такой дисплей прозрачный и наклеивается на лобовое стекло. Сейчас изображение монохромное, но скоро появится и многоцветное. Габаритную и точную оптику заменяют голограммами, чтобы снизить финальную стоимость изделия, к тому же это гораздо безопаснее.

II. Практическая часть

Цель: Собрать голографическую пирамиду и продемонстрировать её работу за счет показа псевдоголографического изображения с заранее подготовленным видео контентом

Оборудование: Органическое стекло, прозрачный клей, на основе цианоакрилатов, в качестве проекционного аппарата был использован школьный планшет.

Ход работы:

Пирамида состоит из четырех идентичных друг-другу частей в форме трапеции. Размер оснований  трапеции зависит от длин сторон источника видеоизображения и от формата этого видеоизображения. А по закону отражения света в плоском зеркале:

1. Лучи — падающий и отражённый, а также перпендикуляр к отражающей поверхности, проведённый в точку падения, лежат в одной плоскости.

2. Угол отражения равен углу падения.

По этому закону, проводим следущие расчеты для того, чтобы изображение проецировалось под углом  90 °:

Из этого следует что угол наклона пирамиды относительно источника изображения должен составлять 45 °. Далее из имеющихся данных составляем схему для конструирования пирамиды:

Затем переносим получившеюся схему на органическое стекло, вырезаем и склеиваем.

Вывод: Мы изучили и объяснили способ создания голографических пирамид, спроектировали и собрали собственный образец, продемонстрировали его работу.

Заключение

В ходе выполнения проектной работы мы изучили историю появления голографии, принципы создания голографического изображения, направления развития голографии в будущем. А также выяснили,  что голограмма является крайне перспективным носителем информации. Голографические технологии внедряются в различных отраслях, в частности в машиностроении, телевидении, связи. Выполнили своими руками псевдоголографическую модель в домашних условиях и продемонстрировали ее работу.

Список литературы

Андреева О.В., Парамонов А.А., Андреева Н.В. Прикладная голография. Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, 2008 г. С.-152.

Алексеев В.Е. Малгаров И.И. Самодельная голографическая 3D пирамида. Юный ученый № 4, 2016 г. С.107-109

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

Слабко В.В. Принципы голографии. Соросовский обозревательный журнал № 7, 1997 г. С.-87-94.

Технологии экранов псевдоголографии.  https://habr.com/ru/post/158231/  Электронный ресурс. Дата обращения 20.09.2019 г.