Holografía

Proyecció que es percep en l'espai i introduïx presentacions en el 8.º Congrés de l'Innovació i Tecnologia Educativa en l'Institut Tecnològic i d'Estudis Superiors de Monterrey.

La holografía o visió gràfica és una tècnica alvançada de fotografia que consistix en crear imàgens tridimensionals basada en l'ocupació de la llum. Per a açò s'utilisa un raig làser que grava microscópicamente una película fotosensible. l'interferència que es produïx entre dos fas de llum coherents fa possible que la llum d'un d'estos es reflecte en l'objecte. Esta, en rebre una llum puntual des de la perspectiva adequada, proyecta una image en tres dimensions. Ademés, processades i allumenades de manera precisa, les imàgens poden aparéixer eixint-se dels seus llímits, cap a fòra o cap a dins del marc, i l'observador, sense tindre la necessitat de cap accessori, les pot vore sense discontinuïtats i variant les perspectives depenent de la seua posició. L'utilisació de les tècniques holográficas en sistemes de vídeo és un procés complex que supon un gran repte a nivell tecnològic. Si es poden resoldre estos reptes, es podria convertir en el sistema que s'utilisaria en una futura televisió tridimensional.

Visió històrica de la holografía

La holografía va ser inventada en 1948 pel físic hongarés Dennis Gabor, que va rebre per açò el premi Nobel de Física en 1971. Va rebre la palesa GB685286 per la seua invenció. No obstant, es va perfeccionar anys més vesprada en el desenroll del làser, puix els hologrames de Gabor eren molt primitius a causa de no haver-se perfeccionat lo suficient els seus aparats.

Originalment, Gabor solament volia trobar una manera per a millorar la resolució i definició de les imàgens del microscopi electrònic. Va plantejar un problema interessant: quan s'allumena una rendija en llum d'un sol color, s'obté una figura de franges que permet conéixer la forma i dimensions de la rendija. Gabor va descriure el procés d'descodificación de l'informació fotografiada, feya falta trobar la manera de registrar l'inclinament dels rajos de llum que aplegaven a la película fotogràfica. Va cridar a est processe «holografía», del grec «holos» (complet), ya que els hologrames mostraven un objecte completament i no solament una perspectiva.

Els primers hologrames que verdaderament representaven un objecte tridimensional ben definit varen ser fets per Emmett Leith i Juris Upatnieks en Estats Units en 1963, i per Yuri Denisyuk en l'Unió Soviètica.

Un dels alvanços més prometedors fets recentment ha segut el seu us per als reproductors de DVD i atres aplicacions. També s'utilisa actualment en targetes de crèdit, billets de banc, etiquetes de seguritat, embalages, certificats, passaports i documents d'identitat, aixina com discs compactes i atres productes, ademés del seu us com a símbol d'originalitat i seguritat.

Principi de funcionament d'un holograma

NOTA: Per a comprendre el principi de funcionament d'un holograma es descriu el gravat en un holograma fi d'una escena que només conté un punt que reflectix la llum. Esta descripció és solament esquemàtica i no respecta l'escala entre els objectes i la llongitut d'ona. Només servix per a comprendre el principi.

Gravat d'un holograma

Gravació d'un holograma

En l'image s'allumena l'escena en ones planes que vénen de l'esquerra. Una part de la llum es reflectix en el punt, representat com un círcul blanc. Solament està representada la llum reflectida cap a la dreta. Eixes ones esfèriques s'allunten del punt i es adicionan a les ones planes que allumenen l'escena. En els llocs a on les crestes coincidixen en crestes i les valls en valls hi haurà màxims d'amplitut. Simétricament, a on les crestes coincidixen en valls i les valls en crestes l'amplitut serà mínima. Hi ha llocs de l'espai a on sempre l'amplitut és màxima i llocs a on l'amplitut sempre és mínima.

La superfície d'una placa fotosensible ubicada en el lloc punteado de l'image estarà lo més exposta en a on l'amplitut és màxima i lo menys exposta en els llocs a on l'amplitut és mínima. Despuix d'un tractament adequat, les zones més expostes resultaran més transparents i les zones menys expostes més opaques.

És interessant senyalar, que si durant l'exposició, la placa es mou mija llongitut d'ona (un quarto de micrón), una bona part de les zones haurà passat de les més expostes a les menys expostes i el gravat de l'holograma haurà fracassat.

Gravat d'un holograma.

Observació de l'holograma

Allumenem l'holograma en ones planes que vénen de l'esquerra. La llum passa pels "espais" transparents de l'holograma i cada "espai" crea ones semiesfèriques que es propaguen cap a la dreta. En l'image a la dreta solament hem dibuixat la part interessant de la cresta de les ones. S'aclarix que les ones que ixen dels "espais" de la placa es adicionan per a donar front d'ona semiesfèrics similars als fronts produïts per la llum reflectida pel punt de l'escena. Un observador situat a la dreta de la placa veu llum que sembla eixir d'un punt situat en el lloc a on estava el punt de l'escena. Això és pel fet que l'holograma deixa passar la llum que té la "bona" fase en el "bon" lloc.

Observació d'un holograma

Objecte en lloc d'un punt únic

En realitat, la llum reflectida per una chicoteta part d'un objecte (el punt de l'eixemple precedent) és dèbil i solament pot contribuir a que zones de l'holograma siguen una miqueta més obscures o més clares. Això no impedix la formació de front d'ona semiesfèrics durant la llectura de l'holograma. L'observador trobarà solament, que el punt és poc lluent.

Un segon punt lluminós afig, al gravat de l'holograma, les seues pròpies zones una miqueta més clares o obscures. A l'observació, el segon joc de zones clares i obscures crea un atre conjunt de fronts d'ona que sembla originar-se de la posició a on es trobava el segon punt. Si el punt es trobava més llunt, se li "vorà" més llunt i viceversa. L'holograma grava l'informació tridimensional de la posició dels punts.

Un objecte gran no és una atra cosa que un conjunt de punts. Cada zona puntual de l'objecte crea zones més o menys grises que es adicionan en la placa. Cada conjunt de zones grises crea, a l'observació, ones semiesfèriques que semblen eixir de el "bon" lloc de l'espai: i aixina veem una image (virtual) de l'objecte.

En la pràctica, este tipo d'holograma —fi i en allumenat perpendicular— és poc utilisat, ya que les emulsions sensibles són més espesses que la llongitut d'ona. Ademés els hologrames en allumenat perpendicular donen també imàgens més reals (en el sentit òptic de la paraula) inoportunas en l'observació.

Eixemple d'holograma en un billet

Comparació en la fotografia

La holografía pot comprendre's millor si s'examinen les seues diferències en la fotografia ordinària:

• Un holograma representa una gravació d'informació relativa a la llum procedent de l'escena original dispersada en vàries direccions, en lloc d'en una sola, com en una fotografia. Açò permet vore l'escena des de distints ànguls, com si encara estiguera present.
• Una fotografia pot gravar-se en fonts de llum normals (llum solar o elèctrica), mentres que per a gravar un holograma es necessita un làser.
• En la fotografia es necessita un objectiu per a gravar l'image, mentres que en la holografía la llum de l'objecte es dispersa directament sobre el soport de gravació.

• Una gravació holográfica requerix un segon fes de llum (el fes de referència) que es dirigix al soport de gravació.
• Una fotografia pot vore's en una àmplia gama de condicions d'allumenament, mentres que els hologrames només poden vore's en formes molt específiques d'allumenament.
• Quan una fotografia es talla per la mitat, cada tros mostra la mitat de l'escena. Quan un holograma es talla per la mitat, en cada tros se seguix veent l'escena completa. Açò es deu a que, mentres que cada punt d'una fotografia només representa la llum dispersada des d'un únic punt de l'escena, cada punt d'una gravació holográfica inclou informació sobre la llum dispersada des de cada punt de l'escena. És com vore un carrer fòra d'una casa a través d'una finestra de 120 cm × 120 cm (4 peus × 4 peus) i després a través d'una finestra de 60 cm × 120 cm (2 peus × 4 peus). Es poden vore les mateixes coses a través de la finestra més chicoteta (movent el cap per a canviar l'àngul de visió), pero l'espectador pot vore més coses al mateix temps a través de la finestra de 120 cm (4 peus).
• Un estereograma fotogràfic és una representació bidimensional que pot produir un efecte tridimensional, pero només des d'un punt de vista, mentres que el ranc de visió reproduït d'un holograma afig moltes més senyals de percepció de la profunditat que estaven presents en l'escena original. El cervell humà reconeix estes senyals i les traduïx en la mateixa percepció d'una image tridimensional que quan es vea l'escena original.
• Una fotografia traça clarament el camp lluminós de l'escena original. La superfície de l'holograma revelat consistix en un patró molt fi, aparentment aleatori, que no sembla tindre cap relació en l'escena que va gravar.

Aplicacions

• En els reproductors DVD, en les targetes de crèdit, en els discs compactes i en els billets.
• Símbol d'originalitat i seguritat.
• Reproducció d'image i vídeo tridimensional: múltiples aplicacions en sectors com la televisió, el disseny industrial, la medicina, l'educació, l'investigació, les comunicacions...
• Concerts holográficos de Vocaloid.
• Patrimoni cultural.

Holograma de camp profunt de l'iglésia Santa cristina de Lena

Eixemples de dispositius holográficos

Cheoptics 360

El dispositiu "Cheoptics 360" desenrollat per les empreses viZoo i Ramboll és un sistema de vídeo holográfico. És un proyector de vídeo format per una piràmide invertida que és capaç de generar imàgens tridimensionals dins del seu espai de proyecció. L'image proyectada es veu totalment en 3D des de qualsevol àngul d'observació. Hi ha proyectores en cada extrem de l'aparat que es combinen per a generar l'image en el centre donant una sensació de total realisme a l'espectador, similar a l'image d'un holograma. Es poden proyectar imàgens des d'1,5 fins a 30 metros d'altura en qualsevol condició lumínica ambiental (interior o exterior). També permet reproduir vídeos de películes o des de l'ordenador personal.

Heliodisplay

Image del Heliodisplay

El Heliodisplay és una tecnologia creada per l'empresa IO2Technology que reproduïx hologrames en 2-D sense utilisar un mig físic com una pantalla. Permet proyectar una image estàtica o en moviment en l'aire en una certa calitat, d'unes 27 polzades. Proyecta imàgens en una capa de boira o gotes d'aigua que actuen com a pantalla, creant un efecte similar a un holograma flotant i interactiu, sense instalacions adicionals, segons la pròpia descripció de Heliodisplay.

Es pot descriure el dispositiu com una caixa que es pot enchufar a un conector USB, a una font de vídeo o d'image com pot ser un DVD o un ordenador personal, per eixemple. Utilisa aire normal per a funcionar. Lo que fa és convertir les propietats del reflex de l'aire.

Una atra característica important és que l'image generada és interactiva. Val dir que la sensació de l'image que es proyecta no és totalment tridimensional. La sensació 3D solament és frontal, ya que vista de costat l'image es veu plana.

MARK II

És un proyecte de vídeo holográfico que s'està desenrollant en el Massachusetts Institute of Technology (MIT) per un grup d'investigadors dirigits pel professor S. Benton.

Este sistema es basa en el càlcul per mig d'ordenador de les franges d'interferència que produirien imàgens sintètiques. En sintetisar estes franges per mig de complexos models matemàtics, es conseguix una reducció important en el número de mostres dels hologrames sintètics restringint el paralaje de moviment en les direccions en més interés. En este dispositiu, únicament es codifica l'informació de paralaje horisontal perque se supon que serà el moviment més realisat per l'espectador. En això, es reduïx el número de mostres de les franges d'interferència en un factor de 100.

El sistema es basa en la construcció de les imàgens per mig d'una exploració conjunta de varis fas làser que la seua amplitut es modula en concordancia en les franges d'interferències de l'holograma calculat prèviament. L'exploració es realisa per mig d'un conjunt de moduladors optoacústicos que agranen diferents franges horisontals de l'image. Es poden presentar imàgens de 150 x 75 x 150 mm, en un àngul de visió horisontal de 36 graus, i és capaç de mostrar una image per segon.

MARK III

El sistema denominat Mark III és una evolució dels dispositius holográficos desenrollats per el MIT durant la década dels 80. Els sistemes anteriors eren molt complexos i voluminosos i necessitaven hardware especialisat per a generar la senyal de vídeo. L'objectiu del proyecte és el de desenrollar un sistema de visualisació holográfico d'àmbit domèstic. Formarà imàgens monocromàtiques en 3D en unes dimensions similars al gaveta de Rubik.

Per a crear un vídeo holográfico, es deu produir un model tridimensional en temps real dels objectes dins d'una escena. A partir d'est, es calcula el patró de difracció necessari per a formar l'image. El processat és molt complex, pero s'ha optimisat per a que treballe en les targetes gràfiques domèstiques. La senyal de vídeo generat s'envia a un modulador de llum, que és, bàsicament una guia d'ones coberta d'un material piezoelèctric que segons la senyal rebuda es deforma més o menys. L'ona de llum està acompasada de diferents intensitat i freqüències. De proyectar-se sobre un cristal translúcido, les diferents ones interferixen generant un escena tridimensional. Este nou modulador permet emetre llum en vertical i horisontal, evitant aixina l'us de moltes lents i espills.

Interactive 360° Light Field Display

És un dispositiu de vídeo holográfico desenrollat en conjunt per Sony, Fake Space Lab i l'Universitat del Sur de Califòrnia, presentat en el SIGGRAPH 2007.

El sistema presentat consta d'un videoproyector d'alta velocitat, un espill rotatori cobert per un difusor holográfico i un circuit semiconductor FPGA (Field Programmable Gate Array), que s'encarrega de decodificar la senyal DVI. S'utilisa una targeta gràfica programable i estàndart que pugues renderizar més de 5000 imàgens per segon i proyectar vistes en 360 graus en separació d'1,25 graus. Algunes característiques:

• No requerix ulleres especials.
• És omnidireccional: visió en 3D en 360 graus.
• No reproduïx color.
• Permet la interactividad en l'image holográfica.

Vore també

• Òptica
• Univers holográfico
• Tridimensional
• Holografía digital
• Holografía dinàmica
• Holografía especular
• Pantalla moduladora interferométrica
• Panel SED
• Paper electrònic
• Autoestereoscopia
• Tomografía
• Realitat aumentada
• Dennis Gabor
• Emmett Leith
• Yuri Denisiuk

Bibliografia

• Lasers and holography: an introduction to coherent optics W. E. Kock, Dover Publications (1981), ISBN 978-0-486-24041-1
• Principles of holography H. M. Smith, Wiley (1976), ISBN 978-0-471-80341-6
• G. Berger et al., Digital Data Storage in a phase-encoded holograhic memory system: data quality and security, Proceedings of SPIE, Vol. 4988, p. 104-111 (2003)
• Holographic Visions: A History of New Science Sean F. Johnston, Oxford University Press (2006), ISBN 0-19-857122-4

Bibliografia adicional

• Lipson A., Lipson SG, Lipson H, Optical Physics, 2011, Cambridge University Press, ISBN 978-0-521-49345-1 (anglés)
• Three-Dimensional Imaging Techniques Takanori Okoshi, Nugara Press (2011), ISBN 978-0-9822251-4-1 (anglés)
• Holographic Microscopy of Phase Microscopic Objects: Theory and Practice Tatyana Tishko, Tishko Dmitry, Titar Vladimir, World Scientific (2010), ISBN 978-981-4289-54-2 (anglés)
• (2017) The Hologram: Principles and Techniques (en en), Wiley. doi:10.1002/9781119088929. OCLC 1000385946. ISBN 9781119088905.
• Jean Taboury, Holographie, Cours de l'École supérieure d'optique, 2002 (francés)
• Florence Weil, Optique physique : interférences, diffraction, holographie. Cours et exercices corrigés, Ellipses, 2005, 187 p. (francés)
• Nicolas A. A. Brun, Trois plaidoyers pour un art holographique, L'Harmattan, coll. "L'art en bref", Paris, 2008 (francés)

Enllaços externs

• Instruccions simples per a fer hologrames
• Vídeos holográficos
• Holografía aplicada a patrimoni cultural
• Discurs de Dennis Gabor "Holografía" en la cerimònia del Premi Nobel en 1971 (anglés)

Commons

• Wikimedia Commons alberga contingut multimèdia sobre Holografía.

Holografía en el Viccionari.