Holografie pro střední školy

Transkript

1 FACULTY OF APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF WEST BOHEMIA DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING CENTRE OF COMPUTER GRAPHICS AND VISUALIZATION Holografie pro střední školy CZECH REPUBLIC Petr Lobaz katedra informatiky a výpočetní techniky Fakulta aplikovaných věd Západočeská univerzita v Plzni dubna 2014

2 Výroba hologramu citlivý materiál objekt Holografie pro střední školy 2 / 37

3 Výroba hologramu vyvolávání začátek bělení konec bělení Holografie pro střední školy 3 / 37

4 Výroba hologramu Holografie pro střední školy 4 / 37

5 Co není holografie Star Wars: A New Hope Holografie pro střední školy 5 / 37

6 Co není holografie Hatsune Miku Holografie pro střední školy 6 / 37

7 Co není holografie cheoptics Cheoptics 360 TM Holografie pro střední školy 7 / 37

8 Co není holografie 360 Light Field Display University of Southern California Holografie pro střední školy 8 / 37

9 Co není holografie Plasma volumetric display Burton Inc. Holografie pro střední školy 9 / 37

10 Prostorové vidění Y X Holografie pro střední školy 10 / 37

13 Princip reflexního hologramu interference referenčního a odraženého objektového světla vyžaduje interferenční vzor místa s totální konstruktivní nebo destruktivní interferencí referenční vlna r 1 hologram objektová vlna r 2 R O Holografie pro střední školy 13 / 37

14 Princip reflexního hologramu konstruktivní interference: r 1 r 2 = nλ destruktivní interference: r 1 r 2 = (2n + 1) λ / 2 tvoří plochy rotačního hyperboloidu, ohniska O, R rozteč míst konstruktivní interference: λ / 2 extrémní citlivost na vibrace, pohyb záznam míst konstruktivní interference zčernání míst fotografického filmu tvorba polopropustných zrcátek nasvícení hologramu z bodu R odraz paprsků, jako by vycházely z bodu O Holografie pro střední školy 14 / 37

15 Transmisní hologram též nazývaný Leith-Upatnieksův historicky první 3D hologram (1963) přímo vychází z principu holografie (Dennis Gabor, 1948) pozorování (rekonstrukce) záznam osvětlovací vlna zrcátko hologram referenční vlna dělič zrcátko objektová vlna hologram zrcátko rekonstruovaná objektová vlna Holografie pro střední školy 15 / 37

16 Princip transmisního hologramu Difrakce světla závisí na frekvenci f vzoru úhel výstupních paprsků: mřížková rovnice sin θ výst = mλf + sin θ vst difraktované paprsky nízkofrekvenční vzor m = +1 m = 0 m = 1 θ vst = 0 propuštěný paprsek vysokofrekvenční vzor θ výst m = +1 m = 0 m = 1 Holografie pro střední školy 16 / 37

17 Princip transmisního hologramu Vznik virtuálního obrazu osvětlení hologramu svazkem paprsků ohnuté paprsky se zdánlivě protínají v místě bodu difraktované paprsky rekonstrukční svazek hologram Holografie pro střední školy 17 / 37

18 Princip transmisního hologramu Vznik reálného obrazu úhel výstupních paprsků: sin θ výst = mλf + sin θ vst pro m = 1 se paprsky skutečně protínají obraz typicky s převrácenou hloubkou difraktované paprsky virtuální obraz hologram reálný obraz Holografie pro střední školy 18 / 37

19 Interference d rozložení světla na stínítku: interferenční vzor +θ A θ B d = λ / (sin θ A sin θ B ) příklad: λ = 0,5 μm θ A = 45 θ B = 45 d = 0,35 μm Holografie pro střední školy 19 / 37

20 Rovnice sin θ mřížková rovnice: interferenční rovnice: sin θ výst = mλ/d + sin θ vst d = λ / (sin θ A sin θ B ) po úpravě: sin θ výst = m(sin θ A sin θ B ) + sin θ vst příklad: m = +1, sin θ B = sin θ vst sin θ výst = sin θ A x θ B θ A z θ vst φ výst θ výst z záznam rekonstrukce Holografie pro střední školy 20 / 37

21 Transmisní hologram objektová vlna: θ obj (= θ A ), λ = λ ref referenční vlna: θ ref (= θ B ), λ = λ ref rekonstrukční vlna: θ rek (= θ vst ), λ = λ rek θ obj1 θ výst1 θ výst1 θ ref z θ rek z θ rek z θ obj2 θ výst2 θ výst2 záznam virtuální obraz rekonstrukce m = +1 rekonstrukce m = 1 reálný obraz Holografie pro střední školy 21 / 37

22 Transmisní hologram Uměle vypočtená holografická struktura pixelů Velikost 4,3 4,3 cm 2 (rozlišení 3600 dpi ~ velikost pixelu 7 μm) Holografie pro střední školy 22 / 37

23 Off-axis transmisní hologram transmisní ref. vlna θ ref 45 reálný obraz neexistuje viditelný v ovém světle velká hloubka obrazu referenční vlna dělič zrcátko obj. v. hologram θ ref θ obj1 θrek θ výst1 θ rek θ výst1 z z z θ obj2 θ výst2 θ výst2 záznam virtuální obraz rekonstrukce m = +1 rekonstrukce m = 1 Holografie pro střední školy 23 / 37

24 Reflexní hologram též Denisjukův (1962) viditelný v bílém světle menší hloubka obrazu jednodušší optika horší možnosti vyladění ref. v. hologram obj. v. ref rek obj obj záznam rekonstrukce virtuální obraz Holografie pro střední školy 24 / 37

25 3D zobrazení výstavy / výzkum hologramů místo skutečných předmětů předmět je příliš křehký / vzácný souběžné výstavy na několika místech současný pohled na předmět z několika stran téměř dokonalý obraz předmětu v měřítku 1 : 1 pozorování hologramu namísto předmětu v nebezpečném prostředí prohlížení hologramu mikroskopem (původní preparát už nemusí existovat) Holografie pro střední školy 25 / 37

26 3D zobrazení Holografický stereogram vstupem série fotografií snadné a levné pořízení, exteriér/interiér možnost syntetických fotografií, animace, laboratorní výroba klasickým postupem lze i plnobarevně pozorovatelné pod bílým světlem Holografický stereogram (Geola Digital) Holografie pro střední školy 26 / 37

27 Holografická interferometrie záznam klasického off-axis hologramu současné sledování skutečného a iluzorního (rekonstruovaného předmětu) jakýkoliv rozdíl interference struktura proužků hologram hologram referenční vlna objektová vlna rekonstrukční vlna zrcátko zrcátko Holografie pro střední školy 27 / 37

28 Vibrometrie pohyb předmětu větší než λ / 4 holografický záznam nevznikne využití: detekce klidných a vibrujících částí předmětu Molin and Stetson, Institute of Optical Research, Stockholm (1971) Holografie pro střední školy 28 / 37

29 Ochrana proti padělání difraktivní vlastnosti má i hrbolatý povrch výroba mnoha kopií hologramu lisováním + aplikace na předmět poměrně drahé a nedostupné doplnění skrytých prvků obtížné padělání nasvícený holografický materiál holografický materiál po speciálním vyvolání pokovení hologramu a výroba raznice ražba reliéfu do fólie Holografie pro střední školy 29 / 37

30 Digitální holografie místo světlocitlivého materiálu elektronický snímač místo pozorování hologramu numerická simulace, následně počítačová analýza obrazu alternativně: výpočet holografické struktury neexistujícího předmětu zobrazení holografické struktury na holografickém displeji Holografie pro střední školy 30 / 37

31 Holografický displej obyčejný displej s jemnými pixely v současnosti nejlepší cca 4 μm difrakce 7 pro rozumné 3D alespoň 1 μm difrakce 30 fotorefraktivní displeje klasická holografie s rychým bezprocesním materiálem Holografie pro střední školy 31 / 37

32 Holografická mikroskopie klasická: zkoumání hologramu místo skutečného vzorku digitální: záznam digitálního hologramu a jeho pozdější počítačové zkoumání kamera zrcátko dělič mikroskopový objektiv clonka čočka dělič čočka vzorek čočka zrcátko Holografie pro střední školy 32 / 37

33 Metrologie povrchu počítačová analýza digitálního hologramu vzorku vypočtená fáze odpovídá detailům povrchu clonka čočka dělič vzorek čočka dělič dělič zrcátko kamera záznam fáze rekonstrukce fáze (Jüptner, Schnars: Digital Holography) Holografie pro střední školy 33 / 37

34 Holografická paměť Základní princip dělič SLM hologram dělič hologram zrcátko zrcátko vícenásobný záznam na jeden hologram selektivní rekonstrukce změnou úhlu Holografie pro střední školy 34 / 37

35 Holografická paměť Praktické použití (téměř) prostorový modulátor světla (SLM) A: data SLM B: adresa dělič SLM A hologram dělič hologram SLM B SLM B vícenásobný záznam na jeden hologram selektivní rekonstrukce změnou vlny Holografie pro střední školy 35 / 37

36 Holografické šifrování SLM A: data, SLM B: klíč rekonstrukce chybným klíčem: nečitelný výstup dělič ref. v. obj. v. dělič hologram hrbolaté zrcátko základní princip hologram SLM B dešifrování správným klíčem dělič SLM A hologram SLM B šifrování dešifrování chybným klíčem Holografie pro střední školy 36 / 37

37 FACULTY OF APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF WEST BOHEMIA DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING CENTRE OF COMPUTER GRAPHICS AND VISUALIZATION Otázky? CZECH REPUBLIC Petr Lobaz katedra informatiky a výpočetní techniky Fakulta aplikovaných věd Západočeská univerzita v Plzni dubna 2014

38 Off-axis hologram hologram: okno do jiného světa zlomek hologramu obsahuje neúplnou informaci o celém objektu osvětlovací vlna zrcátko zrcátko osvětlovací vlna zrcátko zrcátko obj. v. hologram obj. v. hologram Holografie pro střední školy 38 / 37

39 Transferový hologram hologram hologramu (reflexní i transmisní) objekt může být v rovině hologramu omezená paralaxa pozorovatelné pod jednobarevným světlem ref rekonstrukce obj obj rek rek obj záznam rek záznam rekonstrukce Holografie pro střední školy 39 / 37

40 Bentonův hologram transmisní, viditelný v bílém světle primární hologram úzký proužek pouze horizontální paralaxa místo vertikální paralaxy změna barvy ref rekonstrukce obj obj rek rek obj záznam ref záznam rekonstrukce Holografie pro střední školy 40 / 37

41 Holografický stereogram reflexní i transmisní záznam několika primárních hologramů každý obraz viditelný pod svým úhlem animace / změna modelu / syntetický objekt ref rekonstrukce obj obj rek rek obj obj ref záznam záznam rekonstrukce Holografie pro střední školy 41 / 37

42 Digitální holografie Laboratorní holografické displeje základem DMD čipy (z DLP projektorů), fázové modulátory světla nebo akusto-optické modulátory: (Bilkent University, MIT Media Lab, ) založené na dočasné optické fotorefraktivní paměti (University of Arizona) 11 μm DMD čip fy Texas Instruments Holografie pro střední školy 42 / 37

43 Digitální holografie Komerční displeje ve vývoji Zebra Imaging SeeReal Technologies prostorové modulátory světla + sledování uživatelových očí SeeReal Visio 20 QinetiQ prostorový modulátor světla + dočasná optická paměť Zebra Imaging ZScape motion display Holografie pro střední školy 43 / 37