HOLOGRAFİ ve

UYGULAMALARI

Necati Ecevit23-30-Haziran 2009

Gebze Yüksek Teknolji EnstitüsüGYTE

İçerik

● Giriş● Görme Modeli●Holografinin tarihi

Holografinin Temelleri - Holografik Kayıt, Holografik görüntü oluşturma Kayıt Malzemeleri Gümüş Halidler, Fotoresist, Fototrefractive Kristaller,

Sıvı Kristal, Fotopolimerler, TermoplastiklerHologram TipleriGenlik, Faz, Geçirgen, Yansıma, Gökkuşağı, Uygulamaları: Sanatsal, Güvenlik, Holografik optik

elemanlar, Interferometrik

DERS-1

İçerik

Sayısal HolografiBilgisayarla Hesaplanan Hologramlar

Fourier OptikDiffractive Optical Elemalar, Holografik Optik

Elemanlar (DOE, HOE)Konumsal Işık Modülatorleri (SLM)Optiksel olmayan Hologramlar Elektron, akustik, atom holografileriUygulamaları: 3D Görüntüleme, Optik cımbız, 3D

Video

DERS-2

Görme Modeli:Ibn al-Haytham (Alhazen, ~965–1039)

Greek'ler (Euiclid, BC 300, Ptolemy, 83-168 AD) gözlerden çıkan ışık ışınları ile nesneleri görebileceğimizi belirten teori geliştirdiler

al-Haytam ise; güneşin ışık ışınları ile; çok küçük ışık parçacık akılarının dosdoğru hareket ederek, nesnelerden gözlerimize yansıyarak görüntüyü oluşturduğunu açıklayan ilk bilim adamıdır.

http://en.wikipedia.org/wiki/Ibn_al-Haytham

Modern Optiğin BabasıKitab al-Manazir (Book of Optics) (1011 to 1021 yıllarında yazmıştır)

Bir cismi 3-Boyutlu nasıl Görürüz

Her göz, 3-boyutlu bir cismin farklı açılardan 2-boyutlu görüntüsünü algılar ve beyinde birleştirilerek uzaklık algısı oluşturulur. (triangulation)

Bu basit mantıkla; ışığın sadece hareket yönlerini aynen tekrar oluşturabilirsek 3-boyutlu görüntü yapabiliriz.

Holografiyi diğer fotoğrafik kayıt yöntemlerinden ayıran farkıda budur.

Işığın hareket yönü ve tekrar oluşturma ne demektir?Işık nedir? Hayali parçacıkmı ( foton), dalgamı:Kuvantum mekaniğine göre bugün kabul edildiği üzere ne dalgadır ne de parçacıktır, hibrid bir olasılık vardır.

Bu derste biz ışığın dalga özelliğini kullanacağız, klasik model. Bu dalgaların genellikle belirli kısımlarının normalini kullanmak yeterli olur. Bu normaller ışık-ışınlarına çok benzerler. Çünkü dalganın enerji akışı bu ışınların yönündedir (bazı kristaller dışında)

Dolaylı olarak dalgalardan bahettiğimiz halde genellikle ışın gösterimlerini kullanabiliriz, en azında dalga cephesinin yönü için.

Dalga cephelerenin yönü iki gözümüze girer, karşılaştırılır ve uzaklık hissi oluşur, dolayısı ile “ışın” gösterimi şimdilik genellikle yeterli olacaktır

Occam's Razor: ( deneysel yaklaşım ) William Ockham (c. 1285–1349)Bir bilgiyi, veriyi,olayı açıklamak için birden fazla yol varsa en az teorik varsayım gerektireni seç.

3-boyutlu görüntülemenin temel konusu:

cisime çarparak yansıyan ışık ışınlarının yönünün, cisimle ile gözlemci arası arasına yerleştirilmiş bir yüzeye kaydedilmesi ve burdan bu yönlerin tekrar oluşturulmasıdır.

Eğer bu ışınların yönlerini ve şiddetlerini doğru şekilde oluşturabilirsek ve bu hayali yüzeye baktığımızda yüzeyin arkasında cismi aynen 3-boyutlu olarak görebiliriz.

Bu kaydettiğimiz yüzey aslında bir çeşit “hafıza penceresidir”.

Işınların yönünün kaydedilmesi

Klasik Optik Yöntem: Integral Görüntü

Autosterographic görüntü

Integral Görüntü

Sinek gözü mercek matrisi

Tavuskuşu Tüyü, (Optical Structure Laboratory at the Rowland Institute at Harvard.)

Gabriel Lippmann Fotoğraf Tekniği1908'de Nobel ödülü: girişim yöntemiyle renkli fotoğraf yapma tekniği, renk bilgisinin kaydedilmesi.

http://nobelprize.org/nobel_prizes/physics/articles/biedermann/

Bragg düzlemlerinden ışığın kırınımı

Holografinin Başlangıcı

- Dennis Gabor (1900-1979)Elektron mikroskoplarının manyetik merceklerinin hatalarını gidermek için uğraşıyordu, çünkü bu mercekler noktasal nesnelerden gelen küresel elektron dalgaların şeklini bozuyordu. Elektron dalgalarının şeklini kaydedip bunu özel bir camdan elde edilmiş optiksel dalgalarla düzeltmeyi umuyordu. Bunu yapabilmesi için elektron dalga cephesinin şeklini ve genliğinini/şiddetini ( fazını, yerel yönünü) kaydedebilmesi gerekiyordu. Bunu 1948-de 2-demet kullanarak kayıt yaptı.Kullandığı ışık demetlerinin eşfazlı olmaması (Civa lambası ~ 1mm) Gabor “holografi” sinin (Greek: holos, graphos; “whole” “message”; Tam Kayıt) gelişinmini sınırlandırmıştır.O yıllarda Gabor, holografinin 3-boyutlu görüntü teknolojisi olarak kullanılabileceğini düşünemeşti. Fazla derin ve net görüntü oluşturamamıştır (on-line holografi).

1971 Fizik Nobel Ödülü

Holografinin Başlangıcı

- Emmett Leith, Juris Upatnieks : Gabor ile aynı yıllarda SAR (Syntethic Aperture Radar), side-looking radar'lar üzerine çalışıyorlardı. Uçuş yolundan elde edilen görüntü film şeritlerini civa lambası kullanarak karmaşık mercek sistemlerinden geçirerek, “görüntü-işleme”, resimleri oldukça çok detaylı görürler. Daha sonra yaptıkları işin aslında daha genel olarak Gabor'un holografisi olduğunu kabul ederler.

1962'lerde düşük güçlü ticari He-Ne lazerlerinin ortaya çıkması ile (ilk He-Ne gaz lazereri,Ali Javan, 1960) Leith ve Upatnieks fikirlerini 3-boyutlu masaüstü nesnelerinin hologramını çekerek denediler ve ilk hologramlarını OSA'nın 1964'teki toplantısında sundular.

Leith : 1979 National Medal of Science Madalyası verildi, (Jimmy Carter)

- Y. N. Denisyuk (1962): Lippman'ın renkli fotoğraf tekniği ile Gabor'un holografisini birleştirerek lazer ile kaydedilen ve ilk defa normal beyaz ışıkla görüleblilen “beyaz-ışık yansıma holgramı”, “Lippmann hologramı” keşfetti.

- Dr. Stephon A. Benton (1968):“Beyaz-ışık geçirgen hologramını” holografik televizyon konusunda araştırma yaparken (Polaroid Research Lab.) buldu, (Gökkuşağı hologramı).

- Lyod Cross (1972): Beyaz-ışık geçirgen holografi ile bilinen sinema kayıt tekniğini birleştirerek hareketli 3-boyutlu sinema yapmıştır.

Denisyuk

Holografinin Gelişimi

Bunların sonucunda uzun vadede neler oldu?

- Gabor'un dalga cephesinin kaydı ve tekrar oluşturma yöntemi yeni bir fikirdi, ancak, elektron mikroskoplarının merceklerine uygulanması sadece ileri optik kitaplarında kaldı.- Leith-Upatieks 1963'te ilk defa lazer ile hologram kaydederek 3-boyutlu görütüler elde ettiler. Bu teknoloji 1971'de Gabor'un kendisinin hologramının çekilmesiyle doruğa ulaştı.

- 3-Boyutlu görüntüler, hologramlar, o zamanlarda pek ticari başarı elde edemedi, fakat, başka bir uygulama alanında;- Hologram ile, herhangi bir şekildeki dalga cephesinin girişim yöntemi ile karşılaştırabilir hale geldi, sadece mercek ve aynaların değil. “holografik interferometri” uygulamları arttı.1971'den sonra holografik interferometri deformasyonların ve titreşimlerin analizi için standart bir ölçüm teknolojisi haline geldi.- Günümüzde, holografi, Gabor'un on-line, Leith'in off-line hologram tekniklerini sayısal kayıt ve hızlı bilgisayar teknolojileride kullanılarak, Gabor'un o zamanlar başaramadığı hologramın uygulama alanlarını genişletmiştir: Genel optik elamanlar, kırınım ağları, holografik X-ışını mercekleri, hibrid kırınımsal optik elamanlar, optiksel görüntü tanıma ve daha nice uygulamalar....- Bilgisayarla tasarlanıp üretilen hologramlar, optik veya mekanik yüzeylerin bozukluklarını matematiksel olarak olması gereken dalga cephesine göre kalibre etmek için ve karmaşık optik sistemlerde, CD-player'de kullanılmaktadır.....

Bugün sadece etiket hologramları, ticari başarı etmiştir; pasaportların, paraların, kimlik kartlarının, markalı ürünlerin sahteciliğe karşı korunmasında geniş bir şekilde kullanılmaktadır.

Araştırmacılar, çok hızlı paralel giriş ve çıkış yapabilen yüksek kapasiteli küçük kübik kristallerle “holografik hafıza” yapmaya uğraşmaktadırlar, 3D-Ekranler, 3D-televizyon, 3D-optik bağlantı elemanları,v.b..

Micro, nano parcaçıkları holografik yöntemlerle yönlendirme, hareket ettirme için çalışmaktadırlar.

Yeni holografik kayıt ortamları, filmler, elektro-optik kayıt ortamları LCD, fotorefraktif kristaller, fotopolimerler .....

Bunların sonucunda uzun vadede neler oldu?

c=1

l c=cc

c=Işık hızı

Eşfaz-zamanı

Eşfaz-uzunluğu

l c=2

Lazer (Gauss):

Lazerler: 20cm-1000m.

Beyaz ışıklar: 1-5µm.

Eşfaz Uzunluğu (Coherency)Işık kaynağının fazının sabit olduğu zaman aralığı

Holografik Yön kaydı

Holografi, kayıt yüzeyi olarak bilinen fotografik film malzemelerini kullanır. Emulsiyonlarındaki Gümüş-Halide kristallerinin boyutu ~10-50nm, ve ASA' sı da ~0.001'dir. Bu fotografik filmler aslında ışığın yönüne duyarlı değildir; holografik kayıt yöntemi ışığın yönünü dolaylı olarak kaydeder- İkinci bir ışıkta, belirlii bir açıda kayıt ortamını pozlar ilkiyle beraber. İki ışık kaynağıda bir birbirine göre eşfazlı olmalı ( coherent), yani fazları kilitlenmiş, ve dalgaboyları aynı olmalı. Pratik olarak bunun anlamı ışık kaynakları aynı lazerden çıkmalı. Nesne ve Referans demetinin kesiştiği bölgelerde iki demet arasındaki açıya bağlı olarak girişim desenleri oluşur bu girişim deseninin şiddeti de film üzerine kaydedilir (~ 1000 çizgi/mm). Film pozlandıktan ve banyo yapıldıktan sonra film (hologram) aydınlatılırsa nesne demetlerinin ışın yönleri bu girişim saçaklarından kırınıma uğrayarak oluşturulur.

Nesne demeti

Referans demeti

Aydınlatma demeti

Holografik Kayıt

3-boyutlu nesne

Referans dalgası, Er

Kayıt ortamı,H

nesne dalgası, Eo

I≈∣E rEo∣2= I r I oE r

*EoE r Eo*

θr, θo

x

zy

o

Holografik Görüntü Oluşturma

3-boyutlu Hayali nesne görüntüsü E

+1

Aydınlatma dalgası, Er

Kayıt ortamı, H

E r t≈E r I r I o I rOE r2Eo

*

3-boyutlu Gerçek nesne görüntüsü, E

-1

E0

Eo x , y , t =aox , y 20c

sin 21 to x , y

E r x , y , t =K 20 c

sin 21 t−21x sinr

I t x , y=Kao2 x , y2K ao x , ycos o x , y−

21xsinr

Nesne dalgası

Referans dalgası

Girişim deseni

Referans ve nesne şiddetleri Holografik terim

K=I rI o

HOLOGRAM KAYDI

t g x , y =1K1

I t x , yt 0−

t g x , y = KK1

t 0− 1K1

ao2x , y

2 KK1 aox , y cosox , y −

2 x sin r

HOLOGRAM FILME KAYDEDİLDİ

Kayıt ortamı

: Filmin karakteristik özelliği

=

HOLOGRAMIN AYDINLATILMASI

E a x , y , t =sin 22 t−22x sina

E h x , y , t =t g x , y E a x , y , t

E0 x , y , t = KK1

t0−sin 22 t−22x sina

1K1

ao2 x , y sin 22 t−

22x sina

E1 x , y , t = KK1

ao x , ysin 22 t−o x , y 22x sinr−

22x sin a

E−1 x , y , t = KK1

ao x , ysin 22 to x , y −22x sinr−

22x sin a

Eğer: 2=1,a=rE1 x , y , t = sabit ao x , ysin 21 t−ox , y

Hayali görüntü, filmin arkasında

E−1 x , y , t = sabit ao x , y sin 21 t−−ox , y −41x sinr

Gerçek görüntü, filmin önündeE0 x , y , t : DC terim, aydınlatma yönünde

E0

E-1

E+1

ErHologram

c , m=m o−ra

Hologramdan Çıkan Dalgalar

Girişim

d= sin 1−sin2

f=sin1−sin 2

Uzaysal frekans (cizgi/mm)

t x , y=ab sin 2 f x

Kırınım

sino ,m=mdsinin

sino ,m=m fsinin

Kırınım Verimliliği(Fourier analizi)

(S. Benton)

Kırınım Verimliliği

Silver-Halide Filmlerin Elektron mikroskop görüntüleri

Hologram Kayıt geometrileri

Raymond K. Kostuk

Hologram Kayıt Geometrileri

Denisyuk, Yansıma Hologramı

Denisyuk, Görüntünün oluşturulması

Denisyuk hologramı

Head Up DisplaysSELEX Sensor and Airborne Systems

Mimari UygulamalarıChristo G. Stojanoff,RWTH-Aachen University and Holotec GmbH, Germany

NanoMaker, www.nanomaker.com

e-beam lithography

Holografik Kırınım Ağı

Smart hologramsJeff Blyth, materials, 2004www.holographer.org

Smart holograms, AlkolmetreJeff Blyth, materialsjeff@biotech.cam.ac.uk

Deep UV Holografik Kırınım ağlarıM. Helgert.. Diffractive Optics 2003, Oxford, UKa frequency-quadrupled NdYAG laser (Sony, UW-1020 @266nm, CW)

Kırınım Teorisi

Helmhotz DenklemiRayleigh-Sommerfeld Denklemi

Fresnel Integral

Fourier Integral

Kırınım Teorisi

Ivan Vartaniants, HASYLAB, DESY, Hamburg, Germany

1D-Fotonik KristallerMervi Hirvonen, Matter, geometry and electromagnetics

Multilayer, chitin plates (refracting index n = 1.52) About 20 layers of chitin, each of thickness 204 nmChitin layers are separated by very thin layers of air.

3D-Fotonik Kristaller

Megan Fikse, PRISM Research, 2005

Faz Modüle eden SLM

EA-SLM, Holoeye

OA-SLM, Hamamatsu

=dn 2n=ne−no

LC-Phase Modulator

Sayısal Hologram Yöntemleri

Introduction to CGH

● Basic stages in the synthesis of CGH– Find mathematical model for the object and usage– Compute the mathematical hologram (or amplitude and phase distribution)– Encode samples of the mathematical hologram– Record the hologram on the physical medium

Mathematicalmodel

Complexamplitude Computing mathematical

hologramUsagemodel Computer

DA conversion

Encoding

Recording

y

x

v

u(ui,v

i)r

zi 00

θref

Ref

H u , v=∑x=0

oW−1

∑y=0

oH−1

cosobj−ref ref=2 sin ref v

obj=2 ∣r ui , v i , x i , yi , zi∣

∣r ui , v i , x i , yi , z i∣=xi−ui2 yi−vi2z i

2

(xi,y

i)

u ,v x , y

Hologram hesaplanması

Günther Wernicke,Laboratory for Coherent Optics, Humboldt University Berlin

Sayısal Hologram Kaydı CCD 768x570x8, nesne: şeffaf telefon resmi

Sayısal hologramın bilgisayarda görüntülenmesi,( nesne: letraset çıkarma telefon resmi )

FAZ modülasyonu

1,4,10 döngü, GSA

Demet-Şekillendirme E.G. Abramochkin, 2006

Manipulation and assembly of nanowires with holographic optical traps

Ritesh Agarwal, Kosta Ladavac, Yael Roichman, Guiha Yu,, Charles M. Lieber, and David G. GrierDepartment of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA 02138Department of Physics and Center for Soft Matter Research, New York University, New York, NY 10003Division of Engineering and Applied Science, Harvard University, Cambridge, MA 02138

- G. Lippmann, "La photographie des couleurs," Comptes Rendues des Scéances de l'Académie des Sciences, Paris, 112, pp. 274-275, (1891).

- G. Lippmann, "Sur la théorie de la photographie des couleurs simples et composées par la méthode intérférentielle," J. de Physique 3, 97-107, (1894).

- Gabor D, “A new microscopic principle”, Nature, 161 777, (1948)- Gabor D “Microscopy by reconstructed wavefronts”, Proc. Phys. Soc. Am.197 454, (1949).

- Denisyuk, YN “Photographic reconstruction of the optical properties of anobject in its own scattered radiation field”. 1948. Soviet Physics – Doklady, 7543-5, (1962).

- Leith, EN, Upatnieks, J, “Wavefront Reconstruction with Continuous ToneObjects”, J. Opt. Soc. Am. 53, (1963).

E.N. Leith and J. Upatnieks, "Photography by Laser," Scientific American 212, pp. 24-35, 1965.

Tarihi Referans Makaleler:

- R.J. Collier, C.B. Burkhardt, and L.H. Lin, Optical Holography, AcademicPress, San Diego, 1971

- H. Kogelnik, “Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings,” BellSystem Technical Journal 48, 2909-2947 (1969).

- J.D. Gaskill, Linear Systems, Fourier Transforms, and Optics, John Wiley& Sons, New York, 1978 (ISBN 0-471-29288-5)

- J.W. Goodman text, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Book Co., New York, 2nd Edn. 1996,

Referanslar