Holografik Teknoloji hakkında konuşmakOrijinal
Müziksever arkadaşlar böyle bir sahneyi hatırlarlar.2014 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nde düzenlenen büyük çaplı bir müzik festivalinde pop kralı Michael Jackson başarılı bir şekilde üç boyutlu olarak "diriltildi" ve seyirciyi duygulandıran canlı bir şarkı ve dans getirdi. olay yerinde kaynar. Çin'deki Bahar Şenliği Galası ve büyük ölçekli konserler sahnesinde, genellikle gerçek karakterlerin sahneleri ve aynı sahnede performans gösteren sanal karakterlerin sahneleri vardır ve bunlar seyirciyi derinden etkiler.
Birçok medya bu teknoloji hakkında haber yaparken "holografik" terimini kullanacak. Ancak kesin olarak söylemek gerekirse, bu teknolojiye gerçek anlamda bir holografik teknoloji değil, bir tür 3D görüntüleme teknolojisi olan "hayalet görüntüleme teknolojisi" denir.
Peki holografi tam olarak nedir? Bugün holografik teknolojinin ilke ve gelişim tarihini ele alacağız.
1. Geleneksel optik holografi
Bir fotoğraf gördüğümüzde, nesneler arasındaki kısmi tıkanıklık ilişkisi, yakın ve uzak arasındaki perspektif ilişkisi ve gölge durumu gibi bilgilere göre nesnenin mesafesini genellikle sezgisel olarak yargılayabiliriz, ancak çoğu zaman nesneleri görmeyiz. gerçek dünyada Stereoskopik.
Doğada nesnel bir varlık olan "ışık" pek çok bilgi içerir. Öncelikle insan gözü, ışığın yoğunluk bilgisi olan ışığın yoğunluğunu doğrudan algılayabilir. Ayrıca lise fiziği öğrenimi sayesinde herkes ışığın da bir dalga olduğunu ve evresinin derinlik bilgisi içerdiğini bilir. Fizik, ancak ışığın yoğunluk bilgisi ve derinlik bilgisi aynı anda alındığında üç boyutlu bir duyuya sahip olabilir. Cep telefonları ile fotoğraf çekilerek elde edilen statik görüntüler sadece ışık şiddeti bilgisini depolayabildiğinden insan gözü üç boyutlu bir algı elde edemez. Kaydedilen nesneleri nasıl "kağıt üzerinde canlı" hale getirebiliriz? Bu, ışığın derinlik bilgisinin aynı anda kavranmasını ve sunulmasını gerektirir. Bu tam olarak "holografik" düşüncenin çağrışımıdır.
Derinlik bilgisi ışık alanının fazı ile doğrudan ilgili olduğu için, ışık alanının yoğunluk bilgisi ile faz bilgisini aynı anda belirli bir şekilde kaydedebilir miyiz? "Holografik" fikri buradan geliyor. Sözde "holografi", aslında, yoğunluk ve faz bilgilerini aynı anda kaydedebilen ve sunabilen bir teknolojiye atıfta bulunan bilim adamları tarafından icat edilen bir terimdir. Benzer şekilde, "holo-" öneki, holografik ilişkili isimleri ifade etmek için İngilizce'de kullanılır.
Bu harika bir fikir, ancak pratikte uygulanması zor. Çünkü ister ışığa duyarlı bir kimyasal malzeme olsun, ister CCD gibi elektronik ışığa duyarlı bir cihaz olsun, faza değil, yalnızca ışığın yoğunluğuna duyarlıdır. Bu yüzden bilim adamlarının ışığın yoğunluğunu kaydederek fazı dolaylı olarak kaydetmenin bir yolunu yaratmaları gerekiyordu. Bilim adamları, ışığın girişiminin tam da bunu yaptığını buldular.
"Girişim" kelimesinin kesin tanımı fizik almamış olanlar için zor bir kavramdır, bu yüzden hayatta yaygın olan ip dalgalarının yardımıyla tanıtacağız.
Şekil 1 Halat dalgası
Uzun ipin bir ucunu tutup tekrar tekrar aşağı yukarı salladığımızda uzun ipin üzerinde bir dizi dalga yani ip dalgaları belirecektir. Karşı tarafta ipin diğer ucunu tutan ve aşağı yukarı sallayan bir kişi varsa, iki kişinin oluşturduğu ip dalgaları yayılma sürecinde buluşacaktır. Buluştuklarında iki dalga aynı yönde ise buradaki genlik artacak, iki dalga zıt yönlerde ise dalgaların genliği azalacaktır. Bu, dalga girişiminin temel fikridir. Bu nedenle, iki kişiden biri aynı frekans ve genlikte dalgalanıyorsa, o zaman halat dalgalarının üst üste gelmesi durumu ile karşı taraftaki diğer kişinin frekansını ve genliğini bilebiliriz.
Benzer şekilde, taşıyıcı olarak frekansı ve genliği bilinen bir referans ışını ve sinyal ışığı olarak nesne bilgisini taşıyan ışın kullanır ve ardından ikisini üst üste bindirirsek, ışık alanının yoğunluk dağılımını kullanabiliriz. Girişim elde etmek için Sinyal ışığının yoğunluğu ve faz dağılımı kaydedildi.
Bu nedenle holografik görüntü kaydetme süreci aşağıdaki resim ile kısaca özetlenebilir.
Şekil 2 Geleneksel optik holografi deneyinin prensibi
Girişim sonuçları, negatif filmin kuru plakası gibi kimyasal malzemeler tarafından kaydedilir ve geliştirme, sabitleme ve diğer işlemlerden sonra kullanılabilir.
Nesneyi bu hologram aracılığıyla yeniden üretmek için, referans ışını kuru plaka üzerinde tekrar ışınlandığı sürece, kırınım deseni nesnenin orijinal görünümünü geri yükleyebilir ve stereoskopik etki çok güçlüdür.Örneğin, aşağıdaki şekil bir optik holografi örneği:
Şekil 3 Optik holografi örneği
Geleneksel optik holografinin icadından sonra, şok edici anlatımı herkesi çok heyecanlandırdı, bu yüzden Bilim ve Teknoloji Müzesi'ne giderseniz bu tür sergileri sık sık görürsünüz. Bununla birlikte, kuru tahtanın fiyatı nispeten pahalıdır, dinamik gösterim elde etmek zordur ve çoğaltma ve yayma için elverişli değildir.
2. Dijital holografi
Yukarıda bahsedilen geleneksel holografideki benzer problemler, geleneksel film fotoğrafçılığında da mevcuttur. Kodak bu sorunları çözmek için dijital kamerayı icat etti ve yeni bir çağ açtı. Ama sonra Kodak, dijital çağda insanların derin bir nefes almasına neden olan yavaş gelişmesi nedeniyle sona erdi.
Kısacası, dijital dizi ışığa duyarlı cihazların geliştirilmesiyle, bilim adamları, dijital kameraların film kameralarının yerini alması gibi, kuru plakaları değiştirmek için neden CCD veya CMOS kullanmadıklarını fark ettiler?
Ve böylece dijital holografi doğdu. Geleneksel optik holografi işlemiyle karşılaştırıldığında, dijital holografinin kayıt işlemi, kuru plakalar gibi kimyasal ışığa duyarlı malzemelerin CCD veya CMOS ile değiştirilmesi dışında geleneksel optik holografiden farklı değildir. Ancak kaydedilen bilgiler dijital olduğu için bilgisayar tarafından kolayca işlenebilir ve çoğaltılan bir görüntü matematiksel bir algoritma ile hesaplanabilir.
Dijital holografi, üç boyutlu bilgi ölçümü ve kaydı, şifreleme ve nesnelerin görüntü tanıma alanlarında yaygın olarak kullanılmaktadır. Ayrıca dijital holografi, stereomikroskopik görüntülemede de yaygın olarak kullanılmaktadır. Sıradan optik mikroskopların gözlenen nesnenin üç boyutlu bilgisini doğrudan okuyamamaları eksikliğini giderir.
Şekil 4 Dijital holografik mikroskop sistemi
3. Hesaplamalı holografi
Holografik kuru plakayı CCD/CMOS gibi dijital ışığa duyarlı cihazlarla değiştirdikten sonra bilim adamları, optik hesaplama teorisi yeterince olgun olduğuna göre, neden çekim sürecine ihtiyacımız olduğunu düşündüler? Böylece hesaplamalı holografi ortaya çıktı.
Sözde hesaplamalı holografi, aslında, interferogramın kayıt sürecini tamamen terk eder ve matematiksel teori aracılığıyla ışık alanı dağılımını hesaplamak için bilgisayarı doğrudan kullanır. Bunu yapmanın, gerçek dünyadaki nesnelerin sınırlarını aşmak ve nesne gerçekte var olmasa bile herhangi bir nesnenin holografik görüntüsünü mümkün kılmak gibi büyük bir faydası vardır. Bu nedenle birçok ürünün sahteciliğe karşı kimlik tespiti bu şekilde gerçekleştirilebilir.
3D görüntüleme alanına özgü olarak, nesnelerin çoğaltılması için birçok yöntem vardır ve bunlardan ikisi burada kısaca tanıtılmaktadır.
(1) Mekansal Işık Modülatörü (SLM)
Şekil 5 Mekansal ışık modülatörü
Şekildeki küçük dikdörtgen SLM'nin çalışma alanıdır ve üzerinde mikron ölçekli pikseller dağılmıştır ve her piksel bağımsız ışık alan modülasyonu sağlayabilir.
Tasarlanan stereo görüntü, matematiksel teori ile hesaplanan hologramın SLM'ye yüklenmesi ve ardından referans ışını ile ışınlanmasıyla yeniden üretilebilir. Örneğin, aşağıdaki şekil SLM kullanılarak elde edilen etkidir.
Şekil 6 SLM tarafından gerçekleştirilen holografik gösterim
SLM birim pikselleri genellikle sıvı kristaller gibi elektronik olarak kontrol edilen cihazlar olduğundan dinamik modülasyon elde edebilirler, bu nedenle hologramlar için çok uygundurlar. dinamik ekran . Ancak tek bir pikselin boyutu ışığın dalga boyundan çok daha büyük olduğu için SLM çok küçük bir görüş alanına sahiptir ve görüntülenen nesnenin boyutu da çok sınırlıdır.
(2) Metasurface holografisi
Metasurface, son yıllarda optik alanında bir araştırma noktası ve son on yılda optik alanının gelişiminin önemli bir dalıdır. Çin Bilimler Akademisi, Optoelektronik Teknoloji Enstitüsü, Mikrofabrikasyon Optik Teknolojisinin Devlet Anahtar Laboratuvarı, araştırma yoluyla yüzey plazmon meta yüzeylerine dayanan bir hesaplamalı holografik görüntüleme teknolojisi geliştirdi. Hesaplamalı holografik görüntüleme teknolojisinin temel aygıtı, yalnızca onlarca ila yüzlerce nanometre kalınlığında bir metal filmdir.Film üzerinde on milyonlarca bağımsız olarak tasarlanmış nanogözenek yapısı vardır.Minimum piksel boyutu yalnızca 200nm × 200nm'dir.Bu nedenle, projeksiyon holografisi Görüş alanı tüm alanı kapsayabilir. Aynı zamanda, bu nanogözeneklerin benzersiz düzenlemesi, tüm görünür ışık bandını akromatik hale getirerek, tam renkli gam gerçek 3D holografik görüntüleme için temel oluşturabilir. Ayrıca, geleneksel teknolojilerde bulunan farklı renkli görüntüler arasında sıfır dereceli girişim ve karışma sorunlarını da ortadan kaldırarak, gösterilen görüntülerin sinyal-gürültü oranını büyük ölçüde iyileştirir ve geniş alanlı 3D holografiklere uygulanması beklenir. görüntüleme, bilgi şifreleme ve gelecekte sanal gerçeklik ve diğer birçok alan. Sonuçlar, Science'ın bir yan kuruluşu olan Science Advances'te yayınlandı.
Şekil 7 Optoelektronik Enstitüsü ekibi tarafından metasurface cihazları aracılığıyla gerçekleştirilen holografik görüntüleme
3D görüntüleme alanına ek olarak, holografik teknoloji de yaygın olarak kullanılmaktadır. Ölçüm, depolama, şifreleme, sahteciliğe karşı koruma Her yönüyle, gelecekte teorinin gelişmesi ve teknolojik ilerleme ile holografinin binlerce hanenin derinliklerine ineceğine ve insanların hayatlarının bir parçası olacağına inanıyorum.
Yazar bölümü Optoelektronik Teknoloji Enstitüsü, Çin Bilimler Akademisi Devlet Anahtar Mikrofabrikasyon Optik Teknolojisi Laboratuvarı'ndaki Araştırmacılar
