Оцифровка голограмм

Supported by http://www.holography.ru
Игорь

Оцифровка голограмм

Post by Игорь »

Объясняю:
Настоящая голограмма (всякие дисплеи, которые требуют точного позиционирования головы или очков к голографии не имеют абсолютно никакого отношения) - это дифракционная решётка, которая воссоздаёт практически точную копию световой волны отражённой от (или прошедшей через) записанного на ней объекта.
Здесь обсуждают голограмму, которая получается путём расчёта этой решётки на компьютере и последующей "распечатки". Реально не существует ни одной голограммы сколько-нибудь сложного объекта, созданой таким образом.
holos

Оцифровка голограмм

Post by holos »

Уважаемые коллеги, вы конечно догадались, что я расписал только первую часть идеи по оцифровке голограммы. Вторую часть оставил "на закуску", потому, что, если с расчетом необходимого объема памяти все понятно и остается только поморщиться от его огромного размера, то для РЕАЛИЗАЦИИ управляемого транспаранта, или, как сейчас принято говорить, дисплея, нужны уже конкретные идеи по его конструктивному решению. Короче, поехали.

Наш объемный голографический дисплей должен иметь управление амплитудой или набегом фазы по всей своей толщине. Исходя из толщины реальной голограммы – 7 мкм и размера элементарной ячейки – 5 нм, получим, что дисплей должен содержать 1400 управляемых слоев!!! Нехило! И в каждом таком слое – слой с активным веществом (аналогично жидкому кристаллу в ж-к дисплеях), слой управления – сетка прозрачных электродов и полупроводниковых схем, обеспечивающих 256 состояний активного вещества в каждой ячейке, и вспомогательные слои, например, задающие поляризацию падающего света. Каков получается девайс ?! В нем ПОКА еще куда больше фантастики, чем реальности. Станислав Лем отдыхает.

И вот сейчас вы можете смело критиковать меня и мою идею, размахивая руками и выкрикивая нецензурные выражения в мой адрес. И, можете мне поверить, я не буду отбрыкиваться. Я буду полностью с вами согласен. Потому, что я наиграл ИДЕАЛЬНУЮ, НЕВЫПОЛНИМУЮ, но такую привлекательную идею – создание управляемого голографического транспаранта. Ее можно рассматривать, как некую исходную позицию для разработки уже вполне реализуемого устройства.

Что мы имеем на сегодня с миниатюризацией схем управления? Обратимся к передовому предприятию IT-индустрии – фирме Intel. В настоящее время она успешно освоила 45-нанометровый техпроцесс (микроархитектура Penryn) для своих процессоров Core 2 Extreme Edition. И этот техпроцесс есть не только банальное усложнение кристалла (цитирую UpGrade № 10 за этот год), но результат масштабного исследования, благодаря которому классические диэлектрики (такие, как оксид кремния), применяемые в микроэлектронике еще с конца 60-х годов прошлого века, были заменены принципиально новыми соединениями на основе редкоземельного металла гафния (Hf). Причем толщина напыляемых слоев диэлектрика в транзисторах не превышает нескольких атомов!!! Я представляю тот огромный объем научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, выполненных сотрудниками фирмы за короткий срок (а что, если эту работу тоже измерять в каких-нибудь петамыслях или эксаидеях?)
А что дальше? Интел уже проводит интенсивные исследования и планирует в 2009 году перейти на 32-х нанометровый техпроцесс (микроархитектура Nehalem). Процессоры будут работать еще быстрее, а их тепловыделение станет еще меньше.
На сегодня это технологический предел для размеров управляемых ячеек дисплея. Пока не густо!
Но можно при решении нашей задачи пойти по другому пути – пути минимизации пространственных частот (теорема Котельникова) и учета особенностей нашего зрения.

Вспомните проблемы, которые возникли у первых разработчиков телевидения (50-е, 60-е годы прошлого века). Сухая теория давала полосу частот для передачи телевизионного сигнала 25 мГц, немыслимая величина для того времени. И что же – разработчики вспомнили, что наши глаза воспринимают цвета (колбочки) с гораздо меньшим разрешением, чем яркостный сигнал (палочки), поэтому цветоразностные сигналы заняли полосу около 1 мГц. Потом учли инерционность нашего зрения и ввели так называемую черезстрочную развертку (interlis), когда кадры делятся на полукадры и они передаются со сдвигом на одну строку. Неизбежное мерцание экрана практически незаметно для хорошо настроенных телевизоров, хотя фактически кадровая развертка уменьшилась при этом до 25 Гц против требуемой 50 Гц (современные нормы требуют для дисплеев кадровую частоту не менее 75 Гц). Эти и еще несколько интереснейших решений позволили уменьшить ширину сигнала до 6,5 мГц – вполне приемлемую и для восприятия картинки и для передачи TV-сигнала по каналам связи. Такое изображение мы смотрим по сей день и не нарадуемся :)
Хотя уже сейчас на нас надвигается, медленно, но неизбежно, стандарт HDTV с поражающим качеством изображения (разрешение 1920*1080 точек против 625 строк в обычном телевидении, прогрессивная развертка, цифровая обработка цвета и т.д.). Ну, и какова же будет полоса частот для такого сигнала?
Gall

Оцифровка голограмм

Post by Gall »

Что касается требуемого объема передаваемых данных, то он еще меньше. В самом деле, для записи мастер-голограммы вполне достаточно одного двумерного слоя. Это значит, что в трехмерной голограмме слои по сути дублируют друг друга, выфильтровывая нужные волны, но не добавляя информации о самом изображении. Отсюда делаем два вывода: во-первых, передать информацию достаточно об одном слое, а во-вторых, слоев необязательно делать много (представим себе стопку двумерных голограмм с маленькими промежутками между ними - сколько минимум нужно голограмм в такой стопке, чтобы изображение в поле зрения было одно, если расстояние между ними достаточно велико - порядка длины волны?). Это уже больше обнадеживает.

Итак, достаточно передать двумерную "мастер-голограмму". Сколько информации потребуется? У ВРП 3000 линий на мм, положим 8 бит на пиксел (должно хватить и меньшего), получаем грубо говоря 100 мегабайт на квадратный сантиметр. Это в "сыром" виде. Оно наверняка очень хорошо жмется, раз в 10 как минимум, а может и в 50. На 2 мегабайта на см2 уже можно согласиться, не раздумывая.
holos

Оцифровка голограмм

Post by holos »

Все верно. Только такой незатейливый вопрос - нужна ли будет сама мастер-голограмма, если управление голографическим дисплеем (читай - отражающей голограммой) будет производиться от компьютера. От очень мощного компьютера, надо добавить. Ведь очень хочется иметь ДВИЖУЩЕЕСЯ объемное изображение, а это значит, потребуется обновление интерференционной картины по всем 1400 слоям с частотой 50 Гц :(
Gall

Оцифровка голограмм

Post by Gall »

Раз каждый слой несет информацию обо всем изображении, можно ведь от компьютера обновлять только один слой, самый глубокий, а остальные посадить, грубо говоря, на те же провода, чтобы на них почернения синхронно менялись. И делать их не 1400, а... надо посчитать, сколько, но на глазок кажется, что достаточно поставить примерно через полволны несколько штук. На это вся надежда.

Вот такая идея. Сделаем трехмерную голограмму сплошной гладкой поверхности. Получатся полосочки. Материал для записи возьмем такой, чтобы его можно было деформировать, и положим на матрицу маленьких пьезоэлементов, которые двигают отдельные точки перпендикулярно плоскости записи и формируют произвольную голограмму.

:ушел считать, рабочая ли идея:
holos

Оцифровка голограмм

Post by holos »

Вот, вот - насчет материала, который можно деформировать - не забудьте его хорошо запатентовать 10-20-ю сопровождающими патентами, ибо в этом веществе - вся соль идеи. И если все заработает, можно и на Нобелевскую подавать :roll:
Gall

Оцифровка голограмм

Post by Gall »

Тут немного обнадеживает то, что дисплеи на MEMSах делать умеют. Из кремния. На правах бреда: а если напылить туда мультислой двух диэлектриков с разным показателем преломления, мелкие такие ячеечки, которые могут двигаться... В общем, идея дисплея из ненаучной превращается в научную фантастику - это уже близко к существующим технологиям, а значит, не совсем невыполнимо. :)
holos

Оцифровка голограмм

Post by holos »

Ну, раз уж пошли такие наработки, формулирую основной пункт проекта ТЗ к научно-поисковой работе "Разработка управляемого голографического дисплея".

1. Базовые требования к активному материалу управляемой фазовой ячейки.
Материал ячейки должен быть прозрачным для падающего света и изменять свой коэффициент преломления под воздействием приложенного электрического напряжения или другого управляющего воздействия для изменения фазового набега проходящего света от нуля до 9 градусов с числом уровней градаций коэффициента преломления 256 в пределах толщины ячейки. Частота изменения управляющего воздействия не менее 50 Гц.

Небольшой комментарий к этим требованиям. От амплитудной голограммы я решительно отказался, т.к. теория Когельника дает максимальное значение ДЭ для толстых отражающих амплитудных голограмм всего 7,2% (читайте Кольера). Стоит ли копья ломать для такой низкой эффективности. Теоретический предел для толстых фазовых голограмм – 100%.
Фазовый набег в 9 градусов получается, если мы примем уровень дискретизации периода интерференционной картины в 40 значений, как я осмелился предположить в предыдущих заметках. При другом количестве расчетных значений параметров интерференционной картины, максимальный фазовый набег для элементарной ячейки будет другой. Напоминаю, что в предыдущих расчетах я использовал "экстремальные" параметры. Вполне возможно, что для реального прибора ситуация может быть гораздо проще.

Вот интересно, какие изменения значения коэффициента преломления и соответствующего фазового набега на периоде интерференционной картины получаются в обычных голограммах на ПФГ-03 или БХЖ? Когда-то на форуме задавали этот вопрос, но ответа не было. Если кто знает, поделитесь опытом :!:
holos

Оцифровка голограмм

Post by holos »

Вот написал требования, посмотрел на них как бы со стороны и заметил одну неопределенность.
Когда мысль варится в голове, у нее нет четких очертаний, нет конкретных формулировок. Вертятся образы (и очень даже подробные) и понятия, улавливаются причины и связи, но нет четких, однозначных определений, равно как и результатов размышления. Они, эти результаты и вообще, ОБЩЕПОНИМАЕМАЯ суть предмета размышления устаканиваются только на бумаге (особо одаренные могут это сделать и в устной форме, главное, успеть записать). В том смысле, что только письменное изложение отсекает многочисленные варианты трактовки, дает автору возможность найти логические ошибки, и может быть однозначно понято другими.
Так что, уважаемые коллеги, пишите чаще – подробно описывайте результаты экспериментов, обязательно с анализом полученных результатов и сами результаты переводите в ИЗМЕРЯЕМЫЕ величины, наброски расчетов превращайте в законченный отчет с формулами и графиками, и вы увидите, насколько полезнее и результативнее станет ваш труд.
Впрочем, я увлекся… Наверное, передалась торжественность последних дней.

Вот я написал "…фазовый набег должен быть 9 градусов…". А почему именно такой? Потому что я полагаю, что на весь период интерференционной картины (40 отчетов) фазовый набег должен быть 360 градусов. Так ли это? Такая разность фаз на период интерференционной картины получается автоматически при записи голограммы. Но в эмульсионном слое голограммы, прошедшей химико-фотографическую обработку происходят значительные изменения в структуре. Кристаллы бромистого серебра претерпевают двойное преобразование – сначала, при проявлении, в зерна металлического серебра, а потом, при отбеливании, опять в микрокристаллы бромистого (хлористого, йодистого) серебра. И эти микрокристаллы уже нечувствительны к свету. Значит, они имеют структуру, отличную от первоначальной. Хорошо бы в этом разобраться. Узнать, хотя бы, величину модуляции коэффициента преломления, чтобы понять, как происходит дифракция света на реальных голограммах. Но тут надо быть очень подкованным химиком, вооруженным первоклассным лабораторным оборудованием.

А что происходит в фотопластинках ПФГ-03, вообще не понятно. Они ведь не отбеливаются. Считается, что при таком специфическом проявлении, как в физическом проявителе ГП-3 (ГП-2 или OD-1), при интенсивном растворении кристаллов бромистого серебра роданидом аммония (гипосульфитом) образуются очень мелкие зерна серебра, размером около 10 нм. Такие зерна уже нельзя увидеть даже в электронный микроскоп (это говорят специалисты по синтезу эмульсий). Размер зерен оценивают по косвенным измерениям, в частности, по рассеянию света. Поэтому таким голограммам присвоили малопонятное определение "амплитудно-фазовые". Потому, что чисто амплитудные голограммы имеют ДЭ около 7%, фазовые – все 100 %, а голограммы на ПФГ-03 порядка 45-50%. Вот, поди и разберись, что к чему. Может быть, дифракция на такой мелкой структуре происходит как-то по особенному? Опять требуется квалифицированный химик, увешанный прецизионным оборудованием. Нужно узнать, а еще лучше, УВИДЕТЬ, что образуется в эмульсионном слое (страшно интересно!). Тогда и голографисты-теоретики смогут подключиться.

Подытоживая сказанное (написанное), хочу сформулировать такое условие.

Оптимальное экспонирование и химобработка голограмм должны приводить к фазовому набегу восстанавливающего пучка в 360 градусов на период интерференционной картины.

Это относится и к голографическому дисплею, только в этом случае экспонирование и химобработка отпадают. Требуется применение других, пока неизвестных, способов управления фазой восстанавливающего пучка.

Вроде, ничего нового я не сказал, только акцент обозначил. А может быть, это может стать неким критерием эффективности той или иной химобработки (при условии точного измерения фазового набега – и когда это будет?!). При невыполнении этого условия яркость голограмм должна уменьшаться.
Gall

Оцифровка голограмм

Post by Gall »

Не анализируя явление более подробно, я бы сказал, что 10-нанометровые зерна металла меняют диэлектрическую проницаемость среды, а значит и показатель преломления. Как побочный эффект, они увеличивают поглощение, поэтому чисто фазовой голограммы не получается.

10 нм - это наноразмеры. Может быть удастся заинтересовать нашу лабораторию. Есть рентгеновский микроанализатор и кое-что еще. Если эмульсия не слишком будет газить в вакууме, можно будет попробовать засветить фотопластинку, проявить физически и посмотреть, что там происходит, нашими методами.
Locked