Holografía
Introducción
Podemos decir que la holografía es una técnica de formación de imágenes tridimensionales a partir de un soporte plano, que pueden ser vistas sin necesidad de ningún accesorio para el observador, y donde este puede moverse alrededor del soporte viendo al objeto, sin discontinuidades, dentro de un ángulo por donde se le ofrecen todas las perspectivas. Para la producción de dichas imágenes tridimensionales se utilizan rayos de luz láser.Definimos un holograma como una imagen tridimensional registrada por medio de rayos láser. Procesada e iluminada adecuadamente, la imagen además de en tres dimensiones, aparece saliendo de sus limites, hacia afuera y/o hacia dentro de su marco y permite ver la imagen en relieve.
Breve Historia
En 1891, Gabriel Lippmann presentó un proceso que lo llevó al premio Nóbel de 1908, la "Fotografia Lippmann", que permitía que una placa fotográfica registrase los colores de una foto. Al agregar la posibilidad de que la luz se reflejase inmediatamente después de atravesar la placa, Lippmann creaba figuras de interferencia donde la longitud de onda de la luz quedaba registrada, y se autorreproducía al iluminarla después con luz blanca.
La holografía fue oficialmente descrita en 1947 por su inventor, el húngaro Dennis Gabor, quien llegó a la solución de un problema interesante: se trataba de que, iluminando una rendija con luz de un color único (luz verde de una lámpara de mercurio) se obtiene una figura de franjas que permite conocer la forma y dimensiones de la rendija. Ese proceso de decodificación de la información fotografiada fue resuelto por Gabor pues planteó el mismo problema intentando mejorar la óptica de los microscopios electrónicos. Faltaba algo para registrar la inclinación de los rayos que llegan a la película fotográfica. Adicionando junto con la luz del objeto un haz de la misma luz sobre la película, que llamó de "haz de referencia", creó la técnica. Se complementan así con perfección dos fenómenos físicos: la interferencia y la difracción. Pero la holografía solamente fue reconocida como gran invención en 1962 cuando, al disponerse de luz láser, se pudieron hacer imágenes grandes, nítidas, y con gran campo para la visión, mostrando diferentes puntos de vista. Gabor, ingeniero eléctrico, recibió el premio Nobel de Física en 1971. En 1958 el físico ruso Y.N. Denisyuk, intentó crear imagenes tridimensionales, basado en la técnica de Lippmann y desconociendo la de Gabor. Consistía en agregar un haz de referencia por detrás de la placa. Que solamente fue reconocida en 1962, cuando la holografía fue noticia, y entonces la técnica de Denisyuk quedó como la primera que podía permitir la visualización de imágenes holográficas con luz blanca.
Fundamentos Matemáticos
La fotografía ordinaria es capaz de reproducir una imagen bidimensional, obtenida enfocando la luz reflejada por un objeto sobre una placa fotográfica que registra la intensidad de luz que recibe. De esta forma, el mapa bidimensional, una vez revelado, reconstruye la imagen correspondiente al plano enfocado.La holografía puede dividirse en dos fases. La primera de ellas tiene por objeto la obtención de un registro del frente de onda, llamado holograma, y la segunda en la reproducción del frente de onda original en ausencia de los objetos que lo originaron.
La obtención del holograma se realiza se la siguiente manera: Se ilumina un objeto con una fuente de luz y se hace interferir el haz reflejado con otro colimado y coherente. El frente resultante se hace incidir sobre una placa fotográfica, obteniéndose, tras el revelado, una distribución del coeficiente de transmisión que es función de la intensidad del campo registrado.
La intensidad que llega a la placa se obtiene en función de la intensidad del frente reflejado por el objeto, de la del haz de referencia y de sus fases y a partir de ellos se obtiene el coeficiente de transmisión del holograma. Una vez obtenido el holograma se coloca bajo el mismo haz de referencia. En muchas ocasiones el haz utilizado en la reproducción del holograma no es el mismo que el empleado en su grabació
Formación de un Holograma
Ondas luminosas
La holografía está íntimamente asociada a la naturaleza ondulatoria de la luz.
Cuando al menos dos ondas se cruzan estas producen interferencias entre ellas Con la luz ocurre algo semejante. Fue eso lo que observó el físico ingles Thomas Young en 1802, a través de la experiencia esquematizada en la figura 2-A. La luz de una lámpara es forzada a pasar a través de una abertura estrecha (F1).La luz emergente de esta primera abertura atraviesa enseguida otras dos rendijas (F2 yF3), a una pequeña distancia una de otra, yendo a proyectarse en una pantalla. Surge en la pantalla un patrón de líneas alternativamente claras y oscuras (Fig. 2-B). Los puntos donde interfieren las ondas provenientes de las dos aberturas dan origen a manchas luminosas en la pantalla. Los puntos donde la interferencia hace reducir o incluso anular la intensidad de la luz corresponde a áreas negras en la pantalla. La holografía consiste precisamente en el registro, en un material adecuado, de patrones de interferencia entre dos haces de luz. En cualquier caso una buena calidad de imagen solo es posible si es utilizada luz proveniente de un láser debido a que un láser produce luz coherente, es decir, ondas luminosas con la misma longitud de onda y “en fase”.
Creación del holograma
La luz proveniente del láser es separada en dos haces: el haz de referencia (R) y el haz que pasa por el objeto (O). El primero es simplemente proyectado en la película holográfica, a través de un espejo y una lente. El otro haz es diseccionado hacia el objeto, de forma que la luz difundida por este sea también proyectada en la película.Así, como se ve en la figura 3-A, la luz proveniente del haz R va a interferir con la luz del haz O, después de que esta haya sido difundida por el objeto que queremos holografiar. Al alcanzar la película fotográfica, esta registra el patrón da interferencia de los dos haces. Cuando la película es revelada, tiene la apariencia de una figura compleja de franjas claras y oscuras, y poco o nada se asemeja al objeto holografiado.
Ahora, si iluminamos la película holográfica de modo que sea atravesada por la luz láser de referencia, incidiendo en la misma dirección del haz de referencia original (figura 3-B), sale del holograma un haz de luz idéntico al haz que fue difundido por el objeto durante la producción del holograma. Así un observador ve una imagen que es una réplica tridimensional del objeto.El hecho de que la imagen reconstruida con un holograma sea tridimensional, muestra que este contiene más información sobre un objeto que una fotografía vulgar. Una fotografía común registra solo las variaciones de intensidad de la luz reflejada por un objeto. Un holograma registra no solo variaciones de intensidad sino también de fase en función de la profundidad del objeto. Se establece así la necesidad de usar un haz láser: solo con un haz coherente es posible tener una fase de referencia bien definida.
Tipos de hologramas
Existen, básicamente, dos tipos de hologramas, los de reflexión como el descrito en la explicación de la creación del holograma y los de transmisión, de estos últimos se derivan los de transmisión de luz blanca y de arco iris.Hologramas de Reflexión
La imagen holográfica de un objeto se reconstruye iluminando el holograma con una fuente de luz blanca puntual, o eventualmente con una fuente de luz láser, ubicada delante del holograma, del lado del observador y en un determinado y preciso ángulo. La imagen holográfica se visualiza proyectada detrás del holograma como imagen virtual del objeto. En determinadas condiciones de procesamiento y según las características del objeto, puede visualizarse delante del holograma, proyectándose en el espacio próximo al mismo, como imagen real.Hologramas de Transmisión
La imagen holográfica de un objeto se reconstruye iluminando el holograma solamente con una fuente de luz láser ubicada detrás del mismo y en un determinado y preciso ángulo. La imagen holográfica se visualiza proyectada detrás del holograma, como imagen virtual, pudiendo en este caso estar a diferentes profundidades de campo en relación al mismo. Según el tipo de procesamiento la imagen holográfica puede visualizarse proyectada delante del holograma, flotando en un espacio alejado del mismo, como una imagen real.Hologramas de Transmisión de Luz Blanca
La imagen holográfica del objeto se reconstruye iluminando el holograma con una fuente de luz blanca puntual ubicada detrás del mismo y en un determinado y preciso ángulo. Las cualidades de la visualización de la imagen holográfica son las mismas que las de un holograma de transmisión, solamente que se realiza con una fuente de luz blanca puntual. Una diferencia es que según sea la modalidad del procesamiento holográfico, la imagen puede visualizarse parte proyectada delante del holograma, como imagen real, y parte proyectada detrás, como imagen virtual. Son los Hologramas en Plano de Imagen.Hologramas Arco Iris
os Hologramas Arco Iris constituyen un tipo particular de los de transmisión de luz blanca. La imagen holográfica del objeto se reconstruye iluminando el holograma con una fuente de luz blanca puntual, ubicada detrás del mismo. La diferencia consiste en que observando la imagen holográfica de derecha a izquierda en un eje horizontal se perciben todas sus cualidades, tridimensionalidad, profundidad de campo y paralaje, mientras que observándola de arriba a abajo, en un eje vertical, la imagen holográfica pierde su paralaje, percibiéndose un cambio en sus sucesivos colores espectrales. De allí su alusión al arco iris. Las imágenes reconstruidas pueden ser virtuales, reales o en plano de imagen (parte reales y parte virtuales).Las fuentes de luces puntuales utilizadas para la visualización de la imagen holográfica pueden ser halógenas de diferentes ángulos de abertura e intensidades, y últimamente las fuentes que provee la innovadora tecnología LED (Lighting Emited Diode). Para las fuentes de luz láser se utilizan, de diferentes intensidades y colores, siendo actualmente las más adecuadas las fuentes de Diodo-Láser, porque poseen propiedades de tamaño compacto, regulación de ángulo de emisión, alta eficiencia y vida útil.
Aplicaciones holográficas actuales
Hologramas como soporte de información
Una de las aplicaciones con mayor aceptación de la holografía será como soporte de almacenamiento de información. Igual que al producir un DVD (Vídeo Disco Digital), en las técnicas de almacenamiento holográficas se emplean láseres que “escriben” la información en un polímero fotosensible, pero a diferencia del DVD, en el que los datos se almacenan en la superficie, la holografía utiliza para ello todo el volumen del material de almacenamiento. Los laboratorios de investigación están perfeccionando sus polímeros especiales para adecuarlos a la producción de soportes de datos con capacidades de hasta 1.6 terabites (1.600 gigabites). Este gigantesco volumen de datos, equivalente a 360 DVD actuales, corresponde a 780 millones de páginas DIN-A4 escritas, lo que equivale a los fondos de una gran biblioteca con unos cuatro millones de libros.Cheoptics 360
El "Cheoptics 360" creado por la compañía danesa Ramboll junto a viZoo es un proyector holográfico formado por una pirámide invertida capaz de generar imágenes tridimensionales dentro de su espacio de proyección, haciendo que la imagen proyectada se vea totalmente en 3D desde cualquiera de los ángulos desde los que la miremos. Los cuatro lados de la pirámide están fabricados de un material transparente para que el público pueda ver a través de ella por todas partes y puede reproducir imágenes de vídeo y gráficos generados por ordenador. Esto se produce a través de la creación de reflejos en la superficie y reflexiones. La propia pirámide se utiliza como una especie de prisma que reúne la luz de cuatro proyecciones de vídeo en una imagen sólida. Los hologramas generados son de reflexión, lo que brinda la sensación de que las imágenes están flotando en el aire.Interactive 360º Light Field Display
Es un dispositivo de vídeo holográfico desarrollado en conjunto por Sony, Fake Space Lab y la Universidad del Sur de California, presentado en el SIGGRAPH 2007.
El sistema presentado consta de un vídeo proyector, un espejo giratorio cubierto por un difusor holográfico y circuitería FPGA (Field Programmable Gate Array) para decodificar las señales de vídeo DVI. Se utiliza una tarjeta estándar de gráficos programables para renderizar más de 5.000 imágenes por segundo de los gráficos 3D interactivos y proyectar vistas en 360 grados con una separación de 1,25 grados y hasta 20 actualizaciones por segundo. Dicha técnica de proyección permite que las imágenes se puedan ver correctamente tanto desde arriba como desde un punto relativamente alejado si estos parámetros son conocidos y permite la interactividad con las imágenes holográficas mediante un sistema de seguimiento para medir la altura del observador y la distancia. Por el momento esta técnica no permite sin embargo mostrar imágenes en color pero si permite ver los hologramas sin gafas y sin ningún tipo de hardware especial.MARK III
Un equipo de investigadores del MIT ha propuesto una manera de hacer un sistema de vídeo holográfico que trabaja con equipos informáticos para los consumidores, tales como PCs con tarjetas gráficas y las consolas de juego. La pantalla, dicen los investigadores, será lo suficientemente pequeña como para añadir un centro de entretenimiento, proporciona una resolución tan buena como una televisión analógica estándar, y cuesta sólo un par de cientos de dólares. Este sistema es la tercera generación después de MARK I y MARK II los cuales necesitaban complejos sistemas de Hardware sin embargo esta tercera generación presenta tres cambios importantes con respecto a sus sucesoras.
En primer lugar, el nuevo sistema procesa las imágenes tridimensionales en un procesador gráfico estándar en lugar de en hardware especializado con lo que, las tarjetas gráficas que se encuentran en PCs de gama alta y consolas de videojuegos servirían para crear los hologramas. En segundo lugar, se ha rediseñado un gadget llamado modulador acusto-óptica para dirigir la luz del láser en la formación del holograma. El nuevo modulador tiene un mayor ancho de banda, lo que lo convierte en un holograma de alta resolución, y es menos costoso que los usados en Mark II. En tercer lugar, los investigadores han eliminado algunos de los componentes ópticos anticuados que hizo que MARK I y II fueran del tamaño de una mesa del comedor.
Para crear un vídeo holográfico, el software produce a tiempo real, el modelo tridimensional de los objetos dentro de una escena. El software utiliza un conjunto de números que describen la posición de todos los puntos en la superficie de los objetos en las tres dimensiones. Después el software calcula la cantidad de rayos láser que necesita para proyectar la luz y crear el holograma. En esencia, el software crea un modelo para los láseres a seguir, que consiste en la base de todos los hologramas: un patrón de difracción, que ocurre cuando las ondas de luz interfieren entre sí.Heliodisplay
El Heliodisplay creado y comercializado por IO2 modifica el aire sobre su proyector para crear una imagen de cierta calidad de unas 27 pulgadas. La gran novedad es que el sistema no requiere de medios alternativos para proyectar la imagen, como humo o agua, y puede ser usado en cualquier entorno sin instalaciones adicionales. Este dispositivo usa un método multicapa para crear una fina micro proyección en la cual la luz es transmitida para crear imágenes visibles en 3D que puedes tocar y atravesar sin ningún riesgo. Adquirir este innovador dispositivo de 35 cm de diámetro y 2.2 metros de alto en la actualidad (2010) costaría alrededor de 58.000 dólares.SeeLinder
Científicos japoneses de la universidad de Tokyo han desarrollado un cilindro, bautizado como SeeLinder, de 20 centímetros de diámetro y 25 centímetros de altura, en el que son recibidas las imágenes captadas por una cámara que gira a gran velocidad alrededor de un objeto, reproduciendo así una imagen de 360º. Su estructura esta formada por dos cilindros, uno exterior que tiene una serie de ranuras que gira rápidamente y otro interior que gira más lentamente en sentido contrario con una serie de matrices LED de una sola dimensión en su superficie. Los costes de producción, de uno de los cilindros utilizados, rozan los 100.000 dólares, aunque los inventores japoneses, Susumu Tachi y Tomohiro Endo, esperan que desciendan mucho en caso de que se produzcan de manera masiva. El mayor inconveniente de dicha tecnología se basa en que por el momento solo puede mostrar imágenes estáticas.Comunicación a tiempo real
Un equipo de investigadores de la Universidad de Arizona (UA), en Estados Unidos, liderados por el especialista en óptica y láser, Nasser Peyghambarian, ha creado un dispositivo de telepresencia holográfica que permite ver imágenes tridimensionales en movimiento, sin necesidad de que el usuario lleve gafas 3D ni otros aparatos auxiliares.
Hace dos años, Nasser Peyghambarian y sus colaboradores idearon una película holográfica basada en polímeros que era potencialmente mucho más barata que los materiales convencionales, y también más fácil de extender en grandes áreas pero los investigadores solo fueron capaces de escribir una nueva imagen cada 4 minutos lo que apenas se acercaba a una imagen en movimiento.
Proyectar las imágenes en movimiento ha sido posible gracias a una pantalla que compone el núcleo del sistema y que está compuesta de un novedoso material: un polímero fotorrefractivo que renueva los hologramas cada dos segundos. Esta renovación es lo que permite actualizar las imágenes casi a tiempo real. crear un vídeo holográfico, el software produce a tiempo real, el modelo tridimensional de los objetos dentro de una escena. El software utiliza un conjunto de números que describen la posición de todos los puntos en la superficie de los objetos en las tres dimensiones. Después el software calcula la cantidad de rayos láser que necesita para proyectar la luz y crear el holograma. En esencia, el software crea un modelo para los láseres a seguir, que consiste en la base de todos los hologramas: un patrón de difracción, que ocurre cuando las ondas de luz interfieren entre sí.
El proceso de funcionamiento del dispositivo comienza con una serie de cámaras ordenadas en un semicírculo alrededor del objetivo que registran las imágenes del objeto cada una desde una perspectiva distinta (cuantas más cámaras se usen, más refinada será la presentación holográfica final). La información recogida por las cámaras es codificada en un haz láser de pulso rápido, que interfiere con otro haz que sirve como referencia. El patrón de interferencia resultante es registrado en el polímero fotorrefractivo antes mencionado, en el que se crea y almacena la imagen. Cada pulso del láser registra un “hogel” en el polímero. Cada hogel, versión tridimensional del píxel, es una parte del holograma, una de las unidades básicas que conforman la imagen.
Las aplicaciones de este descubrimiento van desde reuniones a distancia como a la publicidad, mapas...
