HOLOGRAFİ ve UYGULAMALARI

Transkript

1 HOLOGRAFİ ve UYGULAMALARI Necati Ecevit Haziran 2009 Gebze Yüksek Teknolji Enstitüsü GYTE

2 İçerik DERS-1 Giriş Görme Modeli Holografinin tarihi Holografinin Temelleri - Holografik Kayıt, Holografik görüntü oluşturma Kayıt Malzemeleri Gümüş Halidler, Fotoresist, Fototrefractive Kristaller, Sıvı Kristal, Fotopolimerler, Termoplastikler Hologram Tipleri Genlik, Faz, Geçirgen, Yansıma, Gökkuşağı, Uygulamaları: Sanatsal, Güvenlik, Holografik optik elemanlar, Interferometrik

3 İçerik DERS-2 Sayısal Holografi Bilgisayarla Hesaplanan Hologramlar Fourier Optik Diffractive Optical Elemalar, Holografik Optik Elemanlar (DOE, HOE) Konumsal Işık Modülatorleri (SLM) Optiksel olmayan Hologramlar Elektron, akustik, atom holografileri Uygulamaları: 3D Görüntüleme, Optik cımbız, 3D Video

4 Görme Modeli: Ibn al-haytham (Alhazen, ~ ) Modern Optiğin Babası Kitab al-manazir (Book of Optics) (1011 to 1021 yıllarında yazmıştır) Greek'ler (Euiclid, BC 300, Ptolemy, 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.

5 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.

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

7 Işınların yönünün kaydedilmesi 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.

8 Klasik Optik Yöntem: Integral Görüntü Autosterographic görüntü

9 Integral Görüntü Sinek gözü mercek matrisi

10 Gabriel Lippmann Fotoğraf Tekniği 1908'de Nobel ödülü: girişim yöntemiyle renkli fotoğraf yapma tekniği, renk bilgisinin kaydedilmesi. Tavuskuşu Tüyü, (Optical Structure Laboratory at the Rowland Institute at Harvard.) Bragg düzlemlerinden ışığın kırınımı

11 Holografinin Başlangıcı - Dennis Gabor ( ) 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 2demet 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) Fizik Nobel Ödülü

12 Holografinin Başlangıcı - Emmett Leith, Juris Upatnieks : Gabor ile aynı yıllarda SAR (Syntethic Aperture Radar), sidelooking 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)

13 Holografinin Gelişimi Denisyuk - 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.

14 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...

15 Bunların sonucunda uzun vadede neler oldu? 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...

16 Eşfaz Uzunluğu (Coherency) Işık kaynağının fazının sabit olduğu zaman aralığı Işık hızı Eşfaz-zamanı c= 1 c = Eşfaz-uzunluğu l c =c c Lazer (Gauss): 2 l c= Lazerler: 20cm-1000m. Beyaz ışıklar: 1-5µm.

17 Holografik Yön kaydı Holografi, kayıt yüzeyi olarak bilinen fotografik film malzemelerini kullanır. Emulsiyonlarındaki GümüşHalide 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 kaydederikinci 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

18 Holografik Kayıt x o 3-boyutlu nesne y z θr, θo nesne dalgası, Eo Kayıt ortamı,h 2 * * I E r E o = I r I o E r E o E r E o Referans dalgası, Er

19 3-boyutlu Gerçek nesne görüntüsü, E-1 Holografik Görüntü Oluşturma 3-boyutlu Hayali nesne görüntüsü E+1 Kayıt ortamı, H E0 Aydınlatma dalgası, Er E r t E r I r I o I r O E 2r E *o

20 Nesne dalgası E o x, y, t =a o x, y Referans dalgası 2 sin 2 1 t o x, y 0 c 2 2 E r x, y, t = K sin 2 1 t x sin r 1 0 c Girişim deseni 2 I t x, y = K a o x, y 2 K a o x, y cos o x, y Referans ve nesne şiddetleri Holografik terim Ir K= Io 2 x sin r 1

21 HOLOGRAM KAYDI = Kayıt ortamı : Filmin karakteristik özelliği 1 t g x, y = I t x, y t 0 K 1 K 1 t g x, y = t 0 a 2o x, y K 1 K 1 2 K a x, y cos x, y 2 x sin o o r K 1 HOLOGRAM FILME KAYDEDİLDİ

22 HOLOGRAMIN AYDINLATILMASI E a x, y, t =sin 2 2 t 2 x sin a 2 E h x, y,t =t g x, y E a x, y, t K 2 t 0 sin 2 2 t x sin a K a 2o x, y sin 2 2 t x sin a K 1 2 E 0 x, y, t = E 1 x, y, t = K a x, y sin 2 t x, y 2 x sin 2 x sin o 2 o r a K K 2 2 E 1 x, y, t = a o x, y sin 2 2 t o x, y x sin r x sin a K 1 2 2

23 Hologramdan Çıkan Dalgalar Eğer: 2 = 1, a = r E 1 x, y, t = sabit a o x, y sin 2 1 t o x, y Hayali görüntü, filmin arkasında E 1 x, y,t = sabit a o x, y sin 2 1 t o x, y E 0 x, y,t : DC terim, aydınlatma yönünde 4 x sin r 1 Gerçek görüntü, filmin önünde E-1 E0 E+1 Er Hologram c, m=m o r a

24 Girişim d= sin 1 sin 2 sin 1 sin 2 f= Uzaysal frekans (cizgi/mm) t x, y =a b sin 2 f x

25 Kırınım sin o, m =m sin in d sin o, m =m f sin in

26 Kırınım Verimliliği (Fourier analizi) (S. Benton)

27 Kırınım Verimliliği

28 Silver-Halide Filmlerin Elektron mikroskop görüntüleri

29

30

31

32

33 Hologram Kayıt geometrileri Hologram Kayıt Geometrileri Raymond K. Kostuk

34 Denisyuk, Yansıma Hologramı Denisyuk, Görüntünün oluşturulması

35 Denisyuk hologramı

36 Head Up Displays SELEX Sensor and Airborne Systems

37 Mimari Uygulamaları Christo G. Stojanoff, RWTH-Aachen University and Holotec GmbH, Germany

38

39

40 e-beam lithography NanoMaker,

41 Holografik Kırınım Ağı

42 Smart holograms Jeff Blyth, materials,

43 Smart holograms, Alkolmetre Jeff Blyth, materials

44 Deep UV Holografik Kırınım ağları M. Helgert.. Diffractive Optics 2003, Oxford, UK a frequency-quadrupled NdYAG laser (Sony, CW)

45 Kırınım Teorisi Helmhotz Denklemi Rayleigh-Sommerfeld Denklemi

46 Kırınım Teorisi Fresnel Integral Fourier Integral

47 Ivan Vartaniants, HASYLAB, DESY, Hamburg, Germany

48

49

50

51 1D-Fotonik Kristaller Mervi Hirvonen, Matter, geometry and electromagnetics Multilayer, chitin plates (refracting index n = 1.52) About 20 layers of chitin, each of thickness 204 nm Chitin layers are separated by very thin layers of air.

52 3D-Fotonik Kristaller

53 Megan Fikse, PRISM Research, 2005

54 Faz Modüle eden SLM

55

56

57 EA-SLM, Holoeye

58 OA-SLM, Hamamatsu

59 LC-Phase Modulator 2 =d n n=ne n o

60 Sayısal Hologram Yöntemleri

61 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 Mathematical model Usage model DA conversion Complex amplitude Computing mathematical hologram Computer Encoding Recording

62 Hologram hesaplanması y θref r (xi,yi) Ref v (ui,vi) u x 0 zi 0 x, y u, v ow 1 oh 1 H u, v = x=0 y=0 cos obj ref 2 ref = sin ref v 2 obj = r u i, v i, x i, yi, z i r u i, v i, x i, yi, z i = xi u i yi vi z i 2 2 2

63 Günther Wernicke,Laboratory for Coherent Optics, Humboldt University Berlin

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

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

66

67

68

69 FAZ modülasyonu

70 Demet-Şekillendirme E.G. Abramochkin, ,4,10 döngü, GSA

71 Manipulation and assembly of nanowires with holographic optical traps Ritesh Agarwal, Kosta Ladavac, Yael Roichman, Guiha Yu,, Charles M. Lieber, and David G. Grier Department of Chemistry and Chemical Biology, Harvard University, Cambridge, MA Department of Physics and Center for Soft Matter Research, New York University, New York, NY Division of Engineering and Applied Science, Harvard University, Cambridge, MA 02138

72

73

74

75

76

77

78

79

80

81 Tarihi Referans Makaleler: - G. Lippmann, "La photographie des couleurs," Comptes Rendues des Scéances de l'académie des Sciences, Paris, 112, pp , (1891). - G. Lippmann, "Sur la théorie de la photographie des couleurs simples et composées par la méthode intérférentielle," J. de Physique 3, , (1894). - Gabor D, A new microscopic principle, Nature, , (1948) - Gabor D Microscopy by reconstructed wavefronts, Proc. Phys. Soc. Am , (1949). - Denisyuk, YN Photographic reconstruction of the optical properties of an object in its own scattered radiation field Soviet Physics Doklady, , (1962). - Leith, EN, Upatnieks, J, Wavefront Reconstruction with Continuous Tone Objects, J. Opt. Soc. Am. 53, (1963). E.N. Leith and J. Upatnieks, "Photography by Laser," Scientific American 212, pp , 1965.

82 Referanslar - R.J. Collier, C.B. Burkhardt, and L.H. Lin, Optical Holography, Academic Press, San Diego, H. Kogelnik, Coupled Wave Theory for Thick Hologram Gratings, Bell System Technical Journal 48, (1969). - J.D. Gaskill, Linear Systems, Fourier Transforms, and Optics, John Wiley & Sons, New York, 1978 (ISBN ) - J.W. Goodman text, Introduction to Fourier Optics, McGraw-Hill Book Co., New York, 2nd Edn. 1996,