Holografia

De Viquipèdia
Dreceres ràpides: navegació, cerca
Exemple d'holografia.

L'holografia o dispositiu hologràfic és una tècnica avançada de fotografia, que consisteix en crear imatges sobre suport pla que per il·lusió òptica semblen ser tridimensionals. Per fer-ho s'utilitza un raig làser que grava microscòpicament una pel·lícula fotosensible. De la interferència que es produeix entre dos feixos de llum coherents quan la llum d'un dels feixos es reflecteix en l'objecte. Quan la pel·lícula rep la llum des d'una perspectiva adequada es projecta una imatge en tres dimensions. A més, processades i il·luminades de forma adequada, les imatges poden aparèixer sortint-se dels seus límits, enfora o endins del marc, i l'observador, sense necessitat de cap accessori, les pot veure sense discontinuïtats i variant les perspectives depenent de la seva posició. La utilització de les tècniques hologràfiques en sistemes de vídeo és un procés complex que suposa un repte a nivell tecnològic. Si es poden resoldre aquests reptes es podria convertir en el sistema que s'utilitzaria en una futura televisió tridimensional.

Visió històrica de l'holografia[modifica | modifica el codi]

L'holografia va ser un descobriment del físic hongarès Dennis Gabor l'any 1947. L'origen de la seva investigació era trobar una millora en la resolució i definició de les imatges del microscopi electrònic. El descobriment va ser un inesperat resultat de la recerca per millorar els microscopi electrònic, en què Gabor va plantejar un problema interessant: quan s'il·lumina una escletxa amb llum d'un sol color, s'obté una figura de franges que permet conèixer la forma i dimensions de l'escletxa. Gabor va descriure el procés de descodificació de la informació fotografiada: calia trobar la manera de registrar la inclinació dels rajos de llum que arriben a la pel·lícula fotogràfica. Per la seva contribució teòrica a les tècniques hologràfiques va rebre el Premi Nobel de Física l'any 1971.

Els hologrames de Gabor eren molt pobres a causa de les fonts de llum que utilitzava. La tècnica es va millorar any més tard amb el desenvolupament del làser i amb l'aportació d'altres investigadors durant els anys 60 com Emmett Leith i Juris Upatnieks (EUA) o Yuri Denisyuk (URSS). Van ser els primers en utilitzar l'holograma per registrar imatges en tres dimensions utilitzant fonts de llum làser.

Fonament teòric[modifica | modifica el codi]

Gravació[modifica | modifica el codi]

Un cop s'ha processat la pel·lícula, si s'il·lumina de nou amb el feix de referència, la difracció de la franja model sobre la pel·lícula reconstrueix el feix l'objecte original tant en intensitat com en fase. A causa d'això, la imatge que apareix és tridimensional; l'observador pot canviar el seu punt de vista i veure la imatge rotar exactament com ho faria l'objecte original.

La llum emesa per un làser es descompon en dos feixos utilitzant un mirall semitransparent. Un dels feixos il·lumina el negatiu fotogràfic de forma directa. El feix objecte il·lumina l'objecte o escena d'interès i la llum reflectada i difractada es dirigeix cap al negatiu on se superposa amb la llum del primer làser. La superposició entre els dos feixos sobre el negatiu produeix la impressió d'un trama de franges d'interferència. Sobre el negatiu ha quedat registrat informació d'amplitud i fase de l'escena captada.Esquema del procés de gravació:

Gravació

Reconstrucció[modifica | modifica el codi]

Per la reconstrucció d'una imatge tridimensional cal il·luminar el registre hologràfic amb un raig làser amb les mateixes característiques que el feix de referència. La llum del feix es divideix en dos feixos, formant un el feix de referència i l'altre il·luminant l'objecte per formar el feix de l'objecte. El làser és utilitzat perquè la coherència dels feixos permet que es produeixi la interferència. Esquema del procés de reconstrucció:

Reconstrucció

La diferència entre l'holografia i la fotografia s'entén millor si es considera què és, de fet, una fotografia en blanc i negre: una recopilació punt per punt de la intensitat dels rajos de llum que formen una imatge. Cada punt de la fotografia recull només una cosa, la intensitat de l'ona de llum que ilumina aquell punt particular. En el cas d'una fotografia en color es recull una mica més d'informació (en efecte, la imatge s'emmagatzema tres vegades vista des de tres filtres de color diferents) de forma que a més de la intensitat es fa una reconstrucció de la longitud d'ona de la llum.

Tanmateix, la llum que produeix una escena real no es caracteritza només per la seva amplitud i longitud d'ona, sinó que també hem de tenir en compte la fase. En una fotografia, la fase de la llum provinent de l'objecte es perd. En un holograma, l'amplitud i la fase de la llum (normalment a una determinada longitud d'ona) queden gravades. Quan es reconstrueix la imatge, la llum provinent de l'holograma és idèntica a la que provenia de l'objecte, de forma que obtenim una perfecta imatge tridimensional (encara que normalment és monocromàtic, els hologrames en color són possibles).

Per gravar la fase d'una ona de llum a cada punt d'una imatge, l'holografia utilitza un feix de referència que es combina amb la llum provinent de l'objecte (el feix de l'objecte). La interferència entre el feix de referència i el feix de l'objecte, degut a la superposició de les ones de llum, produeix una sèrie de franges de diferents intensitats que poden ser gravades en una pel·lícula fotogràfica estàndard. Aquestes franges formen una mena de xarxa de difracció a la pel·lícula.

Com que es necessita interferència entre el feix de referència i el feix de l'objecte, tipicament s'utilitza un làser per produir-la. La llum del làser és dividida en dos feixos, un formant el feix de referència i l'altre il·luminant l'objecte per formar el feix de l'objecte. S'utilitza el làser perquè la coherència dels feixos permet que es produeixi la interferència, tot i que els primers hologrames es van fer amb altres fonts de llum coherent (molt menys apropiades) com ara làmpares d'arc de mercuri.

La longitud de coherència del feix determina la profunditat màxima que pot tenir la imatge. Un làser típicament té una longitud de coherència d'uns quants centímetres, suficient per un holograma profund. Els punters làser tendeixen a tenir menys longitud de coherència i van ser considerats massa petits per fer holografia. S'ha demostrat que això era incorrecte, i s'han fet hologrames amb aquest tipus de làser amb èxit.

Es poden fer diversos tipus d'hologrames. Els primers varen ser hologrames anomenats de transmissió, els quals són vistos quan s'il·lumina a través d'ells amb un làser. Més tard es va inventar hologrames de transmissió que es poden veure quan són il·luminats amb llum blanca i que veiem habitualment en targetes de crèdit, CD’s, etc. Aquest tipus d'hologrames acostuma a incorporar una placa reflectant al darrere per tal de proporcionar la llum "del darrere" per reconstruir les imatges. Un segon tipus d'hologrames comprèn els de reflexió, en què la llum prové de la mateixa banda on es troba l'observador.

Un dels avenços més prometedors en la curta història de l'holografia ha estat la producció en massa de lasers de baix cost utilitzats en gravadores de DVD i per a altres aplicacions, a vegades també útils per a l'holografia. Aquests lasers barats, compactes, en estat solid poden substituir o complementar els cars làsers de gas que s'utilitzaven antigament per a fer els hologrames, i estan col·laborant a fer l'holografia més accessible.

El repte actual de l'holografia consisteix a poder registrar hologràficament amb llum blanca, ja que ja s'ha aconseguit projectar sobre una pantalla amb llum d'aquest tipus però encara no s'han pogut crear hologrames.

Exemple d'holograma

Un dispositiu hologràfic (o holographic display, de l'anglès) és aquell que utilitza els principis de l'holografia per reproduir imatges tridimensionals o pseudo-tridimensionals. És una tecnologia que no necesita d'aparells externs de visió per reproduir imatges tridimensionals com poden ser ulleres o cascs especials.

Altres sistemes de reproducció d'imatges tridimensionals són els sistemes esteroscòpics o els dispositius volumètrics.

Aplicacions[modifica | modifica el codi]

  • A reproductors DVD,targetes de crèdit,discos compactes,billets.
  • Símbol d'originalitat i seguretat.
  • Reproducció d'imatge i video tridimensional: múltiples aplicacions en sectors com la televisió,el disseny industrial,la medicina,l'educació,la investigació,les comunicacions

Exemples de dispositius hologràfics[modifica | modifica el codi]

El següent apartat mostrarà informació sobre diferents exemples que es poden trobar en l'actualitat de dispositius hologràfics.

Cheoptics 360[modifica | modifica el codi]

El dispositiu "Cheoptics 360" desenvolupat per les empreses viZoo i Ramboll és un sistema de video hologràfic. És un projector de vídeo format per una pirámide invertida que és capaç de generar imatges tridimensionals dins del seu espai de projecció. La imatge projectada es veu totalment en 3D des de qualsevol angle d'observació. Hi ha projectors a cada extrem de l'aparell que es combinen per generar la imatge al centre i dona una sensació de total realisme a l'espectador. Es poden proyectar imatges des de 1,5 fins a 30 metres d'alçada amb qualsevol condició lumínica ambiental (interior o exterior). També permet reproduir videos de pel·lícules o des d'ordinador personal.

Heliodisplay[modifica | modifica el codi]

Imatge de l'Heliodisplay

L'Heliodisplay és una tecnologia creada per l'empresa IO2Technology que reprodueix hologrames en 2-D sense utilitzar un medi físic com una pantalla. Permet projectar una imatge estàtica o en moviment en l'aire una certa qualitat d'unes 27 polzades sense requerir medis alternatius com fum o aigua i pot ser utilitzat en qualsevol entorn sense instal·lacions adicionals.

Es pot descriure el dispositiu com una caixa que es pot connectar a través d'un connector USB a una font de video o d'imatge com pot ser un DVD o un ordinador personal per exemple. Utilitza aire normal per funcionar. El que fa és convertir les propietats del reflex de l'aire. L'aire és capturat, convertit instantàniament i tornat a expulsar. La imatge es projecta sobre l'aire convertit.

Una altra característica important es que la imatge generada és interactiva. Cal dir que la sensació de la imatge que es projecta no és totalment tridimensional. La sensació 3D només és frontal ja que vist de costat la imatge es veu plana.

Mark II[modifica | modifica el codi]

És un projecte de vídeo hologràfic que s'està desenvolupant[1] al Massachusetts Institute of Technology (MIT) per un grup d'investigadors dirigits pel professor S. Benton.

Aquest sistema es basa en el càlcul mitjançant ordinador de les franges d'interferència que produirien imatges sintètiques. Al sintetitzar aquestes franges mitjançant complexos models matemàtics s'aconsegueix una reducció important en el nombre de mostres dels hologrames sintètics restringint el parallax de moviment a les direccions amb més interès. En aquest dispositiu únicament es codifica la informació de parallax horitzontal perquè se suposa que serà el moviment més realitzat per l'espectador. Amb això es redueix el nombre de mostres de de les franges d'interferència en un factor de 100.

El sistema es basa en la construcció de les imatges mitjançant una exploració conjunta de diversos feixos làser l'amplitud de les quals es modula amb concordança amb les franges d'interferències de l'holograma calculat prèviament. L'exploració es realitza mitjançant un conjunt de moduladors acústic-òptics que escombren diferents franges horitzontals de la imatge. Es poden presentar imatges de 150x75x150 mm amb un angle de visió horitzontal de 36 graus i és capaç de mostrar una imatge per segon.

Mark III[modifica | modifica el codi]

El sistema denominat Mark III és una evolució dels dispositius hologràfics desenvolupats pel MIT durant la dècada dels 80. Els sistemes anteriors eren molt complexos i voluminosos i necessitaven maquinari especialitzat per generar el senyal de vídeo. L'objectiu del projecte és el de desenvolupar un sistema de visualització hologràfic d'àmbit domèstic. Formarà imatges monocromàtiques en 3D amb unes dimensions similars al cub de Rubik.

Per crear un video hologràfic s'ha de produir un model tridimensional en temps real dels objectes dins d'una escena. A partir d'aquest, es calcula el patró de difracció necessari per formar la imatge. El processat és molt complex, però s'ha optimitzat perquè treballi amb les targetes gràfiques domèstiques. El senyal de video generat s'envia a un modulador de llum, que és, bàsicament una guia d'ones coberta d'un material pizelèctric, que segons el senyal rebut es deforma més o menys. L'ona de llum està compassada de diferents intensitats i freqüències. Al projectarse sobre un cristall translúcid les diferents ones interfereixen generant un escena tridimensional. Aquest nou modulador permet emetre llum en vertical i horitzontal evitant així l'ús de moltes lents i miralls.

Interactive 360º Light Field Display[modifica | modifica el codi]

És un dispositiu de video hologràfic desenvolupat en conjunt per Sony, Fake Space Lab i la Universitat del Sur de Califòrnia presentat al SIGGRAPH 2007.

El sistema presentat consta d'un videoprojector d'alta velocitat, un mirall rotatori cobert per un difusor hologràfic i un circuit semiconductor FPGA (Field Programmable Gate Array) que s'encarrega de descodificar el senyal DVI. S'utilitza una targeta gràfica programable i estàndard que pot renderitzar més de 5000 imatges per segon i projectar vistes en 360 graus amb separació de 1,25 graus. Algunes característiques:

Vegeu també[modifica | modifica el codi]

Referències[modifica | modifica el codi]

  1. «The Mark-II Holographic Video Display: A Scaled up Design» (en anglès). MIT. [Consulta: 27/2/2013].

Bibliografia[modifica | modifica el codi]

  • Francesc Tarrés. Sistemas audiovisuales – 1- Televisión analógica y digital.Edicions UPC

Enllaços externs[modifica | modifica el codi]

A Wikimedia Commons hi ha contingut multimèdia relatiu a: Holografia