FACULTY OF APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF WEST BOHEMIA DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING CENTRE OF COMPUTER GRAPHICS AND VISUALIZATION Hologramy a holografie CZECH REPUBLIC Petr Lobaz katedra informatiky a výpočetní techniky Fakulta aplikovaných věd Západočeská univerzita v Plzni http://graphics.zcu.cz 17. března 2014
Co není holografie Star Wars: A New Hope Hologramy a holografie 2 / 35
Co není holografie Hatsune Miku Hologramy a holografie 3 / 35
Co není holografie cheoptics Cheoptics 360 TM Hologramy a holografie 4 / 35
Co není holografie 360 Light Field Display University of Southern California Hologramy a holografie 5 / 35
Co není holografie Plasma volumetric display Burton Inc. Hologramy a holografie 6 / 35
Prostorové vidění Y X Hologramy a holografie 7 / 35
Prostorové vidění Y X Hologramy a holografie 8 / 35
Prostorové vidění Y X Hologramy a holografie 9 / 35
Princip 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 Hologramy a holografie 10 / 35
Princip hologramu Vznik virtuálního obrazu osvětlení hologramu svazkem paprsků ohnuté paprsky se zdánlivě protínají v místě bodu difraktované paprsky rekonstrukční svazek hologram Hologramy a holografie 11 / 35
Princip 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 Hologramy a holografie 12 / 35
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 Hologramy a holografie 13 / 35
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 Hologramy a holografie 14 / 35
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 Hologramy a holografie 15 / 35
Hologram Uměle vypočtená holografická struktura 6144 6144 pixelů Velikost 4,3 4,3 cm 2 (rozlišení 3600 dpi ~ velikost pixelu 7 μm) Hologramy a holografie 16 / 35
Off-axis 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 Hologramy a holografie 17 / 35
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 Hologramy a holografie 18 / 35
Denisjukův hologram reflexní 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 Hologramy a holografie 19 / 35
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 Hologramy a holografie 20 / 35
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 Hologramy a holografie 21 / 35
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) Hologramy a holografie 22 / 35
3D zobrazení Ochrana kulturního dědictví výstavy / výzkum hologramů místo skutečných předmětů exponát je příliš křehký / vzácný souběžné výstavy na několika místech současný pohled na exponát z několika stran téměř dokonalý obraz exponátu v měřítku 1 : 1 interferometrické zkoumání mikrodeformací Hologramy a holografie 23 / 35
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) Hologramy a holografie 24 / 35
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 Hologramy a holografie 25 / 35
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 Hologramy a holografie 26 / 35
Holografický displej obyčejný displej s jemnými pixely v současnosti nejlepší cca 4 μm difrakce 7 pro rozumné 3D alespoň 1 μm difrakce 30 částečné řešení tracking očí uživatele (SeeReal GmbH) fotorefraktivní displeje klasická holografie s rychým bezprocesním materiálem v současnosti cca 0,5 fps (Nitto Denko Technical) Hologramy a holografie 27 / 35
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 Hologramy a holografie 28 / 35
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 Hologramy a holografie 29 / 35
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 Hologramy a holografie 30 / 35
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) Hologramy a holografie 31 / 35
Holografická paměť Základní princip dělič SLM hologram dělič hologram zrcátko zrcátko vícenásobný záznam na jeden hologram selektivní rekonstrukce změnou úhlu Hologramy a holografie 32 / 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 Hologramy a holografie 33 / 35
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 Hologramy a holografie 34 / 35
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 http://graphics.zcu.cz 17. března 2014
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 Hologramy a holografie 36 / 35
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 Hologramy a holografie 37 / 35