Hologramy a holografie

FACULTY OF APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF WEST BOHEMIA

DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING CENTRE OF COMPUTER GRAPHICS AND VISUALIZATION

Hologramy a holografie

3/=(ġ 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


2 / 35

Co není holografie

Hatsune Miku


3 / 35

Co není holografie cheoptics

Cheoptics 360TM


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

7 / 35


Y


X

8 / 35


Y


X

9 / 35

Princip hologramu Difrakce světla • závisí na frekvenci f vzoru úhel výstupních paprsků: mřížková rovnice sin θvýst = mλf + sin θvst m = +1 m=0 m = –1

difraktované paprsky laser nízkofrekvenční vzor

propuštěný paprsek laser

θvst = 0 Hologramy a holografie

vysokofrekvenční vzor

θ výst

m = +1 m=0 m = –1 10 / 35

Princip hologramu Vznik virtuálního obrazu • osvětlení hologramu svazkem paprsků • ohnuté paprsky se zdánlivě protínají v místě bodu

difraktované paprsky laser

rekonstrukční svazek


hologram

11 / 35

Princip hologramu Vznik reálného obrazu • úhel výstupních paprsků: sin θvýst = mλf + sin θvst • pro m = –1 se paprsky skutečně protínají • obraz typicky s převrácenou hloubkou difraktované paprsky laser

virtuální obraz


hologram

reálný obraz

12 / 35

Interference d

rozložení světla na stínítku: interferenční vzor

+θA –θB

d = λ / (sin θA – sin θB) příklad:

λ θA θB ⇒ d


= = = =

0,5 μm 45° –45° 0,35 μm 13 / 35

Rovnice sin θ • mřížková rovnice: interferenční rovnice: sin θvýst = mλ/d + sin θvst d = λ / (sin θA – sin θB) • po úpravě: sin θvýst = m(sin θA – sin θB) + sin θvst • příklad: m = +1, sin θB = sin θvst ⇒ sin θvýst = sin θA x θB

θA

z

záznam Hologramy a holografie

θvst

φ θvýst výst

z

rekonstrukce 14 / 35

Hologram • objektová vlna: θobj (= θA), λ = λref • referenční vlna: θref (= θB), λ = λref • rekonstrukční vlna: θrek (= θvst) , λ = λrek

θobj1 z θobj2

θref


θrek

virtuální obraz

θvýst1 z θvýst2

rekonstrukce m = +1

θrek

θvýst1 z θvýst2

rekonstrukce m = –1

reálný obraz 15 / 35

Hologram

Uměle vypočtená holografická struktura 6144 × 6144 pixelů Velikost 4,3 × 4,3 cm2 (rozlišení 3600 dpi ~ velikost pixelu 7 μm) Hologramy a holografie

16 / 35

Off-axis hologram dělič

• transmisní laser • ref. vlna θref ≈ 45° referenční ⇒ reálný obraz neexistuje vlna • viditelný v laserovém světle zrcátko • velká hloubka obrazu θref

θobj1 z θobj2 záznam


θrek

virtuální obraz

θvýst1 z θvýst2

rekonstrukce m = +1

obj. v. hologram

θrek

θvýst1

z

θvýst2 rekonstrukce m = –1 17 / 35

Off-axis hologram • hologram: „okno“ do jiného světa • zlomek hologramu obsahuje zrcátko neúplnou laser informaci osvětlovací o celém vlna objektu

zrcátko laser

obj. v.

osvětlovací vlna

hologram

zrcátko

obj. v. hologram

zrcátko


18 / 35

Denisjukův hologram • • • • •

reflexní viditelný v bílém světle menší hloubka obrazu jednodušší optika horší možnosti vyladění ref

las

er

obj. v. ref. v.

hologram

rek

obj


obj

rekonstrukce

virtuální obraz

19 / 35

Transferový hologram • • • •

„hologram hologramu“ (reflexní i transmisní) objekt může být v rovině hologramu omezená paralaxa pozorovatelné pod jednobarevným světlem rekonstrukce

ref

rek

obj

obj

obj

rek

záznam záznam Hologramy a holografie

rek


Holografická interferometrie • záznam klasického off-axis hologramu • současné sledování skutečného a iluzorního (rekonstruovaného předmětu) • jakýkoliv rozdíl ⇒ interference ⇒ struktura proužků Hologramy a holografie

referenční vlna objektová vlna

hologram

r

lase

zrcátko

rekonstrukční vlna

hologram

r

lase

zrcátko

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


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

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


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)


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) Hologramy a holografie

11 μm

DMD čip fy Texas Instruments 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 Zebra Imaging ZScape motion display optická paměť 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 laser


čočka

dělič

čočka

vzorek zrcátko

30 / 35

Metrologie povrchu • počítačová analýza digitálního hologramu vzorku • vypočtená fáze odpovídá detailům povrchu clonka čočka

čočka

vzorek

dělič

laser

dělič

dělič zrcátko kamera záznam fáze

rekonstrukce fáze (Jüptner, Schnars: Digital Holography)


31 / 35

Holografická paměť Základní princip dělič

SLM hologram

laser

dělič

hologram

laser

zrcátko

laser

vícenásobný záznam na jeden hologram Hologramy a holografie

zrcátko

laser

selektivní rekonstrukce změnou úhlu 32 / 35

Holografická paměť Praktické použití (téměř) • prostorový modulátor světla (SLM) A: data • SLM B: adresa dělič

SLM A

laser SLM B laser

vícenásobný záznam na jeden hologram Hologramy a holografie

dělič

hologram

hologram

laser SLM B laser

selektivní rekonstrukce změnou vlny 33 / 35

Holografické šifrování • SLM A: data, SLM B: klíč • rekonstrukce chybným klíčem: nečitelný výstup dělič laser

obj. v. ref. v.

hologram

laser

hrbolaté zrcátko

hologram

základní princip dělič

dělič

SLM A

laser

SLM B dešifrování správným klíčem

hologram laser

SLM B šifrování Hologramy a holografie

dešifrování chybným klíčem 34 / 35

FACULTY OF APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF WEST BOHEMIA

DEPARTMENT OF COMPUTER SCIENCE AND ENGINEERING CENTRE OF COMPUTER GRAPHICS AND VISUALIZATION

Otázky?

3/=(ġ 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 rek

obj

obj

rek

obj

záznam ref



Holografický stereogram • • • •

reflexní i transmisní záznam několika primárních hologramů každý obraz viditelný pod svým úhlem animace / změna modelu / syntetický objekt ref rekonstrukce rek

obj

obj

rek

obj

ref obj záznam Hologramy a holografie

záznam


Hologramy a holografie

Recommend Documents