Hologramy a holografie - Computer generated holography at the

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
Hologramy a holografie
2 / 35
Co není holografie
Hatsune Miku
Hologramy a holografie
3 / 35
Co není holografie
cheoptics
Cheoptics 360TM
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
Hologramy a holografie
X
7 / 35
Prostorové vidění
Y
Hologramy a holografie
X
8 / 35
Prostorové vidění
Y
Hologramy a holografie
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
Hologramy a holografie
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
Hologramy a holografie
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
Hologramy a holografie
=
=
=
=
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
záznam
Hologramy a holografie
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
Hologramy a holografie
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
Hologramy a holografie
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
záznam
Hologramy a holografie
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
rekonstrukce
20 / 35
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
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
Hologramy a holografie
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
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)
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
Hologramy a holografie
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)
Hologramy a holografie
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
záznam
Hologramy a holografie
rekonstrukce
36 / 35
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
rekonstrukce
37 / 35