Holografia – trójwymiarowa fotografia

Holografia – trójwymiarowa fotografia
Mgr inŜ. Aneta Michałkiewicz
Laser - Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation
wzmacnianie światła poprzez wymuszenie emisji
promieniowania. W laserze wytwarzana jest wąska wiązka
światła o tej samej długości i fazie (światło spójne), która
moŜe przebywać duŜe odległości bez rozpraszania i skupiać w
sobie niezwykle duŜą gęstość energii.
Amplituda - Maksymalna rozpiętość drgań pomiędzy
połoŜeniami równowagi. W ruchu falowym jest wysokością
grzbietu (lub głębokością doliny).
Faza - Parametr charakterystyczny dla ruchu drgającego np. fali.
Dwie fale są w jednakowej fazie, jeŜeli ich wierzchołki i
doliny są zgodne. W przeciwnym wypadku są przesunięte w fazie.
Spójność fal (koherencja) - zdolność do dawania trwałych
efektów interferencyjnych; dwie wiązki fal są spójne jeśli mają
tę samą częstotliwość i stałą róŜnicę faz; źródło światła
spójnego stanowią źródła punktowe oraz lasery.
Interferencja - zjawisko nakładania się na siebie dwu lub
więcej ruchów falowych. Interferencja zachodzi zarówno dla fal
świetlnych, jak i dźwiękowych.
Interferencja
Holografia optyczna
greckie holos – cały
grapho – piszę
Mieczysław Wolfke (1883 – 1947)
Pionier i prekursor prac w dziedzinie holografii
W 1920 opracował teoretyczne podstawy i dokonał rozbicia procesu
wytwarzania obrazów na dwie oddzielne fazy.
RozwaŜał moŜliwość wykorzystania interferencji do zapisu
informacji, tworząc teoretyczne podstawy dzisiejszej holografii.
Holografia optyczna
Dennis Gabor (1900 – 1979) węgierski fizyk
Nagroda Nobla w fizyce w 1971 za wynalezienie
i rozwinięcie metody holografii
Podstawy teoretyczne opracował w 1947
roku,
Produkcja hologramów była moŜliwa dopiero
od czasu wynalezienia lasera w 1960 r.
Holografia optyczna
„Dokonując tego, stałem na ramionach
dwóch wielkich fizyków – Williama L.
Bragga i Fritsa Zernikego. (...) Nie
wiedziałem wówczas - podobnie jak Bragg
– Ŝe Mieczysław Wolfke zaproponował tę
metodę w 1920 r., nie podejmując
jednakŜe próby jej doświadczalnej
realizacji”.
Dennis Gabor
podczas wykładu przy
odbieraniu Nagrody
Nobla w 1971
Holografia a fotografia
Fotografia
Zapisanie jedynie
natęŜenia światła
odbitego od obiektu
(amplituda) dając na
błonie obszary jasne i
ciemne
Na kliszy fotograficznej
w powiększeniu widać
jedynie jasne i ciemne
punkty
Holografia
Hologram rejestruje
amplitudę i fazę
promieniowania tworząc
wzorzec interferencyjny
zapisany na
wysokorozdzielczej
emulsji
Wzór ten wygląda pod
bardzo duŜym
powiększeniem jak
zestaw prąŜków
wzajemnie
nakładających się na
siebie
Holografia a fotografia
• ☺ Głębia
• Paralaksa (moŜliwość
oglądania róŜnych widoków
wirtualnego obrazu w
zaleŜności od kąta pod
jakim patrzymy na
hologram)
• Regulacja umiejscowienia
przestrzeni w hologramie
Proces holograficzny
Rejestracja
hologramu
Rekonstrukcja
hologramu
Hologramy transmisyjne
Hologramy transmisyjne (Emmett Leith i Juris
Upatnieks, 1962 r. na uniwersytecie Michigan)
laser do zapisu i do oglądania
zarejestrowanego obrazu,
bardzo duŜą głębię (teoretycznie
nawet do 4 metrów)
obraz jest ostry i wyraźny na
całej długości
Hologramy transmisyjne
„Pociąg i ptak” – pierwszy hologram zrobiony w
1964 przez Emmetta Leitha and Jurisa
Upatnieksa z University of Michigan
Hologramy odbiciowe
Hologramy odbiciowe (Jurij Denisyuk, 1962 r.)
laser do zapisu
moŜna oglądać pod zwykłym
światłem białym
dobra głębia
obraz jest ostry i wyraźny na
pewnej odległości
Hologramy tęczowe
Hologramy tęczowe (dr. Steven Benton, w 1968
r., lab. Firmy POLAROID)
laser do zapisu
moŜna oglądać pod zwykłym światłem
białym
produkowane masowo i spotykamy
je najczęściej w postaci znaków
towarowych
mała głębia (do 5 cm)
Hologramy tęczowe
Interferometria holograficzna
Cyfrowa drukarka holograficzna
1. Stworzenie projektu 3D (przy pomocy np. 3D Max, Maya)
2. Modulacja wiązki przez SLM
3. Zapis na płycie (kliszy) holograficznej piksel po pikselu
NaleŜy zwrócić uwagę na:
- Drogę pokonywaną przez wiązki (muszą być równe sobie z
dokładnością do długości koherencji wiązki lasera)
- Stosunek intensywności wiązek
Comp
M6
Klisza
holograficzna Kostka
Światłodzieląca
Wiązka przedmiotowa
M5
- Wielkości hologramu
- Rozdzielczości
SLM-LCoS
M1
LASER
Płytka
Światłodzieląca
M3
M2
M4
Wiązka odniesienia
Szybkość
„drukowania” zaleŜy
od:
Drukowanie hologramu
1m x 1.4m trwa
kilkanaście godzin
Cyfrowa drukarka holograficzna
Cyfrowa drukarka holograficzna
Holografia cyfrowa
Holografia cyfrowa
faza
(A0,ϕ
ϕ 0)
(Hi,ψ
ψ i)
(2C-Hi-1,ψ
ψ)
(H,2C-ψ
ψi-1)
amplituda
(Ai,ϕ
ϕ)
Holografia cyfrowa
Płyta holograficzna
rozdzielczość 5000 l/mm
Kamera CCD – 150-200 l/mm
Mikrointerferogram cyfrowy
Holografia cyfrowa
Odtworzenie fazy i amplitudy
OBIEKT
INTENSYWNOŚĆ
I ( n, m ) =
[Re{b' (n, m)}]2 + [Im{b' (n, m)}]2
Rekonstrukcja
FAZA
Φ(n, m) = arctan
Im{b' (n, m)}
Re{b' (n, m)}
Optoelektroniczna rekonstrukcja
Cyfrowa interferometria holograficzna (CIH)
ϕ (n, m) = arctan
Im[b' (n, m)]
Re[b' (n, m)]
Im{b'2 (n, m)b'1* (n, m)}
∆φ (n, m) = ϕ1 (n, m) − ϕ 2 (n, m) =
Re{b'2 (n, m)b'1* (n, m)}
Wyznaczanie kształtu
Metody:
- dwóch źródeł
- dwóch długości fali
- z cieczą immersyjną
A1
A2
y
Powierzchnie
interferencyjne
Powierzchnie
interferencyjne
Obiekt
x
Obserwator
Zastosowania
w2 − w1 =
λ (∆φl + ∆φr )
4π cos(α ) + 4π
u 2 − u1 =
λ (∆φl − ∆φr )
4π sin(α )
Obiekt: mikromemebrana
krzemowa
ObciąŜenie: ciśnienie w
zakresie 0.1 – 0.7 kPa z
krokiem 0.1 kPa
Zastosowania
SEM
faza mod. 2π
Hologram of the
mirror-like surface
Przemieszczenia
P.Ferraro et al. “Compensation of the inherent wave front curvature in digital …….”
Applied Optics, 42(11), 1936-1946, (2003).
Zastosowania
Zastosowania
Zastosowania
Pamięci holograficzne
Zalety
☺ bezpośrednia rejestracja na CCD daje moŜliwość
manipulacji
☺ rzeczywisty obraz 3D, jeŜeli wystarczająco duŜa
apertura
☺ bezpośredni dostęp do fazy i amplitudy obiektu
☺ Nowe moŜliwości wykorzystania HC do zdalnych
interaktywnych pomiarów
Wady
Mała rozdzielczość, wielkość i szybkość matryc CCD
i LCD
ograniczona wielkość przedmiotu
konsumpcja czasu do rekonstrukcji numerycznej
słaba jakość zrekonstruowanych hologramów
kłopoty z kolorowymi obiektami
Większość problemów związana jest z
wielkością piksela zarówno kamer jak i
przestrzennych modulatorów światła
Linki
http://universal-hologram.com
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/HBASE/optmod/holog2.html
http://www.lynceetec.com
http://www.geola.com/
http://www.inphase-technologies.com/
Dziękuję za uwagę