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Articulo de referencia

Holografía

Dos fotografías de un mismo holograma tomadas desde diferentes puntos de vista. La holografía es una técnica que permite registrar un frente de onda y reconstruirlo posteriormen...

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Dos fotografías de un mismo holograma tomadas desde diferentes puntos de vista.

La holografía es una técnica que permite registrar un frente de onda y reconstruirlo posteriormente. Es conocida principalmente como método para generar imágenes tridimensionales y tiene una amplia gama de otros usos, como el almacenamiento de datos, la microscopía y la interferometría . En principio, es posible crear un holograma para cualquier tipo de onda . [ 1 ]

Un holograma es una grabación de un patrón de interferencia que puede reproducir un campo de luz 3D mediante difracción . En términos generales, un holograma es una grabación de cualquier tipo de frente de onda en forma de patrón de interferencia. Puede crearse capturando la luz de una escena real o generarse mediante un ordenador, en cuyo caso se denomina holograma generado por ordenador , que puede mostrar objetos o escenas virtuales. La holografía óptica requiere luz láser para registrar el campo de luz. El campo de luz reproducido puede generar una imagen que posee la profundidad y la paralaje de la escena original. [ 2 ] Un holograma suele ser ininteligible cuando se observa bajo luz ambiental difusa . Cuando se ilumina adecuadamente, el patrón de interferencia difracta la luz en una reproducción precisa del campo de luz original, y los objetos que se encontraban en él exhiben indicios visuales de profundidad, como paralaje y perspectiva, que cambian de forma realista con los diferentes ángulos de visión. Es decir, la imagen vista desde diferentes ángulos muestra el mismo sujeto que se ve desde ángulos similares. [ 3 ]

Tradicionalmente, un holograma se genera superponiendo un segundo frente de onda, conocido como haz de referencia, sobre el frente de onda de interés. Esto genera un patrón de interferencia, que luego se captura en un medio físico. Cuando el patrón de interferencia registrado se ilumina posteriormente con el segundo frente de onda, se difracta para recrear el frente de onda original. [ 4 ] La imagen 3D de un holograma a menudo se puede visualizar con luz no láser. Sin embargo, en la práctica, se suelen hacer concesiones importantes en la calidad de la imagen para eliminar la necesidad de iluminación láser para visualizar el holograma.

Un holograma generado por computadora se crea mediante el modelado digital y la combinación de dos frentes de onda para generar una imagen de patrón de interferencia. Esta imagen se puede imprimir en una máscara o película e iluminar con una fuente de luz adecuada para reconstruir el frente de onda deseado. [ 4 ] Alternativamente, la imagen del patrón de interferencia se puede mostrar directamente en una pantalla holográfica dinámica. [ 5 ]

La fotografía holográfica suele recurrir a un procedimiento de imagen intermedio no holográfico para evitar los peligrosos láseres pulsados ​​de alta potencia necesarios para "congelar" ópticamente sujetos en movimiento con la precisión que exige el proceso de grabación holográfica, extremadamente sensible al movimiento. La holografía inicial requería láseres de alta potencia y costosos. Actualmente, se pueden utilizar diodos láser de bajo costo y producción masiva , como los que se encuentran en las grabadoras de DVD y en otras aplicaciones comunes, para crear hologramas. Esto ha hecho que la holografía sea mucho más accesible para investigadores, artistas y aficionados con presupuestos limitados.

La mayoría de los hologramas producidos son de objetos estáticos, pero actualmente se están desarrollando sistemas para mostrar escenas cambiantes en pantallas holográficas dinámicas. [ 6 ] [ 7 ]

Etimología

La palabra holografía proviene de las palabras griegas ὅλος ( holos ; "entero") y γραφή ( graphē ; " escritura " o " dibujo ").

Historia

Introducción a la holografía (película educativa de 1972)

El físico húngaro - británico Dennis Gabor inventó la holografía en 1948 mientras buscaba una manera de mejorar la resolución de imagen en microscopios electrónicos . [ 8 ] [ 9 ] [ 10 ] El trabajo de Gabor se basó en el trabajo pionero en el campo de la microscopía de rayos X realizado por otros científicos, incluidos Mieczysław Wolfke en 1920 y William Lawrence Bragg en 1939. [ 11 ] La formulación de la holografía fue un resultado inesperado de la investigación de Gabor para mejorar los microscopios electrónicos en la British Thomson-Houston Company (BTH) en Rugby , Inglaterra, y la compañía solicitó una patente en diciembre de 1947 (patente GB685286). La técnica, tal como fue inventada originalmente, todavía se utiliza en microscopía electrónica, donde se conoce como holografía electrónica . Gabor recibió el Premio Nobel de Física en 1971 "por su invención y desarrollo del método holográfico". [ 12 ]

Texto simétrico horizontal, de Dieter Jung

La holografía óptica no experimentó un verdadero avance hasta el desarrollo del láser en 1960. El desarrollo del láser permitió la creación de los primeros hologramas ópticos prácticos que registraban objetos 3D en 1962 por Yuri Denisyuk en la Unión Soviética [ 13 ] y por Emmett Leith y Juris Upatnieks en la Universidad de Michigan , EE. UU. [ 14 ].

Los primeros hologramas ópticos utilizaban emulsiones fotográficas de haluro de plata como medio de grabación. No eran muy eficientes, ya que la rejilla de difracción resultante absorbía gran parte de la luz incidente. Se desarrollaron diversos métodos para convertir la variación en la transmisión en una variación en el índice de refracción (conocido como "blanqueo"), lo que permitió producir hologramas mucho más eficientes. [ 15 ] [ 16 ] [ 17 ]

Stephen Benton realizó un importante avance en el campo de la holografía al inventar un método para crear hologramas que pueden visualizarse con luz natural en lugar de láseres. Estos se denominan hologramas arcoíris . [ 10 ]

Conceptos básicos de holografía

Grabación de un holograma
Reconstrucción de un holograma
Esta es una fotografía de una pequeña parte de un holograma de transmisión sin blanquear, visto a través de un microscopio. El holograma registró la imagen de una furgoneta y un coche de juguete. Es imposible discernir el sujeto del holograma a partir de este patrón, del mismo modo que no es posible identificar la música grabada mirando la superficie de un CD . La información holográfica se registra mediante el patrón de moteado .

La holografía es una técnica para registrar y reconstruir campos de luz. [ 18 ] : Sección 1 Un campo de luz es generalmente el resultado de una fuente de luz dispersada por objetos. La holografía puede considerarse similar a la grabación de sonido , donde un campo sonoro creado por materia vibrante como instrumentos musicales o cuerdas vocales , se codifica de tal manera que puede reproducirse posteriormente, sin la presencia de la materia vibrante original. [ 19 ] Sin embargo, es aún más similar a la grabación de sonido Ambisonic , en la que cualquier ángulo de escucha de un campo sonoro puede reproducirse en la reproducción.

Clasificación

Según las normas nacionales rusas GOST R 59321.1-2021, la holografía se divide en tres ramas principales según el método de registro y reconstrucción del frente de onda: [ 20 ]

  • Holografía analógica : el holograma se graba en un material fotosensible físico (placa fotográfica, fotopolímero, etc.) y se reconstruye ópticamente iluminando el holograma revelado con el haz de referencia. [ 21 ]
  • Holografía digital : el patrón de interferencia es capturado por un sensor electrónico (cámara CCD o CMOS) y el frente de onda se reconstruye numéricamente utilizando algoritmos que modelan el proceso de difracción. [ 22 ]
  • Holografía computarizada (o holografía generada por computadora): el patrón de interferencia holográfica se sintetiza mediante una computadora sin necesidad de una etapa de grabación física. El patrón de franjas resultante se puede imprimir o visualizar en un modulador de luz espacial para reconstruir el frente de onda deseado. [ 22 ]

Láser

En la holografía láser, el holograma se graba utilizando una fuente de luz láser en fase. Se pueden usar diversas configuraciones y crear varios tipos de hologramas, pero todos implican la interacción de luz proveniente de diferentes direcciones, que produce un patrón de interferencia microscópico que una placa , película u otro soporte registra fotográficamente .

En una configuración común, el haz láser se divide en dos: uno conocido como haz objeto y otro como haz de referencia . El haz objeto se expande al pasarlo a través de una lente y se utiliza para iluminar el sujeto. El soporte de grabación se ubica en el punto donde esta luz, tras ser reflejada o dispersada por el sujeto, incidirá sobre él. Los bordes del soporte servirán, en última instancia, como una ventana a través de la cual se observa al sujeto, por lo que su ubicación se elige teniendo esto en cuenta. El haz de referencia se expande y se dirige directamente al soporte, donde interactúa con la luz proveniente del sujeto para crear el patrón de interferencia deseado.

Al igual que la fotografía convencional, la holografía requiere un tiempo de exposición adecuado para afectar correctamente el medio de grabación. A diferencia de la fotografía convencional, durante la exposición la fuente de luz, los elementos ópticos, el medio de grabación y el sujeto deben permanecer inmóviles entre sí, con una precisión de aproximadamente un cuarto de la longitud de onda de la luz, o el patrón de interferencia se desenfocará y el holograma se dañará. Con sujetos vivos y algunos materiales inestables, esto solo es posible si se utiliza un pulso de luz láser muy intenso y extremadamente breve, un procedimiento peligroso que rara vez se realiza fuera de los laboratorios científicos e industriales. Lo habitual son exposiciones de varios segundos a varios minutos, utilizando un láser de baja potencia que funciona de forma continua.

Aparato

Se puede crear un holograma dirigiendo parte del haz de luz directamente al medio de grabación y la otra parte hacia el objeto, de manera que parte de la luz dispersa caiga sobre el medio de grabación. Una configuración más flexible para grabar un holograma requiere que el haz láser se dirija a través de una serie de elementos que lo modifican de diferentes maneras. El primer elemento es un divisor de haz que lo divide en dos haces idénticos, cada uno dirigido en una dirección diferente:

  • Un haz (conocido como "haz de iluminación" o "haz de objeto") se dispersa mediante lentes y se dirige hacia la escena mediante espejos . Parte de la luz dispersada (reflejada) por la escena incide entonces sobre el soporte de grabación.
  • El segundo haz (conocido como "haz de referencia") también se dispersa mediante el uso de lentes, pero se dirige de manera que no entre en contacto con la escena, sino que viaje directamente sobre el medio de grabación.

Se pueden utilizar diversos materiales como soporte de grabación. Uno de los más comunes es una película muy similar a la fotográfica ( emulsión fotográfica de haluro de plata ), pero con granos fotosensibles mucho más pequeños (preferiblemente con diámetros inferiores a 20  nm), lo que le permite alcanzar la resolución mucho mayor que requieren los hologramas. Una capa de este soporte de grabación (por ejemplo, haluro de plata ) se adhiere a un sustrato transparente, que suele ser de vidrio, aunque también puede ser de plástico.

Proceso

Cuando los dos haces láser alcanzan el medio de grabación, sus ondas de luz se cruzan e interfieren entre sí. Este patrón de interferencia queda impreso en el medio. El patrón en sí parece aleatorio, ya que representa la forma en que la luz de la escena interfirió con la fuente de luz original, pero no la fuente de luz original en sí. El patrón de interferencia puede considerarse una versión codificada de la escena, que requiere una clave específica —la fuente de luz original— para visualizar su contenido.

Esta clave faltante se obtiene posteriormente al proyectar un láser, idéntico al utilizado para grabar el holograma, sobre la película revelada. Cuando este haz ilumina el holograma, se difracta por el patrón de su superficie. Esto produce un campo de luz idéntico al generado originalmente por la escena y se dispersa sobre el holograma.

Comparación con la fotografía

La holografía puede entenderse mejor examinando sus diferencias con la fotografía ordinaria :

  • Un holograma representa una grabación de la información sobre la luz proveniente de la escena original, dispersa en diversas direcciones en lugar de provenir de una sola, como en una fotografía. Esto permite visualizar la escena desde distintos ángulos, como si aún estuviera presente.
  • Una fotografía se puede tomar utilizando fuentes de luz normales (luz solar o iluminación eléctrica), mientras que para grabar un holograma se requiere un láser.
  • En fotografía se necesita una lente para registrar la imagen, mientras que en holografía, la luz del objeto se dispersa directamente sobre el medio de grabación.
  • Para realizar una grabación holográfica se requiere que un segundo haz de luz (el haz de referencia) se dirija hacia el medio de grabación.
  • Una fotografía puede verse en una amplia gama de condiciones de iluminación, mientras que los hologramas solo pueden verse con formas de iluminación muy específicas.
  • Cuando una fotografía se corta por la mitad, cada pieza muestra la mitad de la escena. En cambio, cuando un holograma se corta por la mitad, la escena completa aún se puede apreciar en cada pieza. Esto se debe a que, mientras que cada punto en una fotografía solo representa la luz dispersada desde un único punto de la escena, cada punto en una grabación holográfica incluye información sobre la luz dispersada desde todos los puntos de la escena. Es como mirar una calle frente a una casa a través de una ventana grande y luego a través de una ventana más pequeña. Se pueden ver las mismas cosas a través de la ventana pequeña (moviendo la cabeza para cambiar el ángulo de visión), pero el observador puede ver más a la vez a través de la ventana grande.
  • Un estereograma fotográfico es una representación bidimensional que puede producir un efecto tridimensional, pero solo desde un punto de vista. En cambio, el rango de visualización reproducido de un holograma añade muchas más claves de percepción de profundidad que las presentes en la escena original. Estas claves son reconocidas por el cerebro humano y se traducen en la misma percepción de una imagen tridimensional que cuando se observaba la escena original.
  • Una fotografía muestra claramente el campo de luz de la escena original. La superficie del holograma revelado consiste en un patrón muy fino, aparentemente aleatorio, que no parece guardar relación alguna con la escena que registró.

Física de la holografía

Para comprender mejor el proceso, es necesario entender la interferencia y la difracción. La interferencia se produce cuando uno o más frentes de onda se superponen. La difracción se produce cuando un frente de onda incide sobre un objeto. El proceso de reconstrucción holográfica se explica a continuación únicamente en términos de interferencia y difracción. Si bien es una explicación simplificada, es lo suficientemente precisa como para comprender el funcionamiento del proceso holográfico.

Para quienes no estén familiarizados con estos conceptos, conviene leer esos artículos antes de continuar leyendo este.

frentes de onda planos

Una red de difracción es una estructura con un patrón repetitivo. Un ejemplo sencillo es una placa metálica con ranuras cortadas a intervalos regulares. Una onda de luz que incide sobre la red se divide en varias ondas; la dirección de estas ondas difractadas viene determinada por la separación entre las ranuras de la red y la longitud de onda de la luz.

Se puede crear un holograma sencillo superponiendo dos ondas planas provenientes de la misma fuente de luz sobre un soporte de grabación holográfica. Las dos ondas interfieren, generando un patrón de franjas rectilíneas cuya intensidad varía sinusoidalmente a lo largo del soporte. El espaciado de las franjas está determinado por el ángulo entre las dos ondas y por la longitud de onda de la luz.

El patrón de luz registrado es una red de difracción. Al iluminarlo con una sola de las ondas utilizadas para crearlo, se observa que una de las ondas difractadas emerge con el mismo ángulo de incidencia que la segunda onda, de modo que esta última ha sido «reconstruida». Por lo tanto, el patrón de luz registrado constituye una grabación holográfica, tal como se definió anteriormente.

Fuentes puntuales

placa de zona sinusoidal

Si el medio de grabación se ilumina con una fuente puntual y una onda plana de incidencia normal, el patrón resultante es una placa de zona sinusoidal , que actúa como una lente de Fresnel negativa cuya distancia focal es igual a la separación entre la fuente puntual y el plano de grabación.

Cuando un frente de onda plano ilumina una lente negativa, se expande formando una onda que parece divergir del punto focal de la lente. De este modo, al iluminar el patrón grabado con la onda plana original, parte de la luz se difracta en un haz divergente equivalente a la onda esférica original; así se crea una grabación holográfica de la fuente puntual.

Cuando la onda plana incide en un ángulo no normal en el momento de la grabación, el patrón formado es más complejo, pero sigue actuando como una lente negativa si se ilumina en el ángulo original.

objetos complejos

Para grabar un holograma de un objeto complejo, un rayo láser se divide primero en dos haces de luz. Un haz ilumina el objeto, que luego dispersa la luz sobre el medio de grabación. Según la teoría de la difracción, cada punto del objeto actúa como una fuente puntual de luz, por lo que el medio de grabación puede considerarse iluminado por un conjunto de fuentes puntuales situadas a diferentes distancias del mismo.

El segundo haz (de referencia) ilumina directamente el medio de grabación. Cada onda puntual interfiere con el haz de referencia, generando su propia placa de zona sinusoidal en el medio de grabación. El patrón resultante es la suma de todas estas placas de zona, que se combinan para producir un patrón aleatorio ( moteado ), como se observa en la fotografía superior.

Cuando el holograma es iluminado por el haz de referencia original, cada una de las placas de zona individuales reconstruye la onda del objeto que la produjo, y estos frentes de onda individuales se combinan para reconstruir el haz completo del objeto. El observador percibe un frente de onda idéntico al que se dispersó desde el objeto hacia el medio de grabación, de modo que parece que el objeto sigue en su lugar aunque haya sido retirado.

Holografía digital y computarizada

Holografía digital

En la holografía digital, el material fotosensible tradicional se reemplaza por un sensor electrónico, como una cámara CCD o CMOS , que registra el patrón de interferencia entre el objeto y las ondas de referencia como una imagen digital. [ 22 ] El frente de onda complejo (amplitud y fase) se reconstruye numéricamente simulando la propagación de la luz mediante la teoría de la difracción escalar, por ejemplo, a través de la transformada de Fresnel, el método del espectro angular o el método de convolución. Esto permite capturar todo el campo óptico en una sola exposición y reenfocar digitalmente la imagen posteriormente, una capacidad ausente en la holografía analógica clásica.

Existen numerosos algoritmos para extraer la fase y la amplitud del holograma grabado. El método de transformada de Fourier, el más extendido, funciona aislando uno de los lóbulos laterales en el espectro de frecuencia espacial de un holograma fuera del eje, lo que permite la adquisición en tiempo real a partir de un único fotograma, aunque a costa de descartar parte de la señal. [ 23 ] [ 24 ] Por el contrario, la familia de algoritmos de mínimos cuadrados locales para la recuperación de ondas complejas trata la reconstrucción como un problema inverso y recupera la amplitud compleja completa incorporando información previa sobre la onda de referencia o el ruido, lo que suele resultar en una fidelidad y un contraste superiores. [ 25 ] [ 26 ] [ 27 ]

La información sobre el frente de onda también se puede medir sin un haz de referencia independiente mediante técnicas de recuperación de fase , donde la fase se recupera a partir de una secuencia de mediciones de intensidad registradas en diferentes planos. Una comparación experimental de 2014 de métodos holográficos e iterativos de recuperación de fase reveló que el enfoque holográfico proporcionaba un alto contraste sin artefactos de borde, mientras que los métodos iterativos lograban un menor error cuadrático medio normalizado a costa de artefactos de difracción de borde. [ 28 ]

Holografía generada por computadora

La holografía generada por computadora (CGH) es la síntesis numérica de un patrón de interferencia sin necesidad de un objeto físico o un haz de referencia. El campo complejo de un objeto virtual se calcula matemáticamente, y el patrón de franjas resultante se proyecta sobre una transparencia, un modulador espacial de luz (SLM) o se fabrica mediante litografía. [ 22 ] Al iluminarse, la CGH reconstruye el frente de onda deseado, produciendo una imagen tridimensional de un objeto sintético. La CGH se utiliza ampliamente en la conformación de haces, pinzas ópticas, pantallas tridimensionales y óptica adaptativa.

Aplicaciones

Arte

Desde sus inicios, los artistas vislumbraron el potencial de la holografía como medio de expresión y obtuvieron acceso a laboratorios científicos para crear sus obras. El arte holográfico suele ser fruto de la colaboración entre científicos y artistas, si bien algunos hológrafos se consideran a sí mismos tanto artistas como científicos.

Salvador Dalí afirmó haber sido el primero en emplear la holografía artísticamente. Ciertamente fue el primer y más conocido surrealista en hacerlo, pero la exposición de hologramas de Dalí en Nueva York en 1972 había sido precedida por la exposición de arte holográfico que se celebró en la Academia de Arte Cranbrook en Michigan en 1968 y por la de la galería del Finch College en Nueva York en 1970, que atrajo la atención de los medios nacionales. [ 29 ] En Gran Bretaña, Margaret Benyon comenzó a utilizar la holografía como medio artístico a finales de la década de 1960 y tuvo una exposición individual en la galería de arte de la Universidad de Nottingham en 1969. [ 30 ] A esta le siguió en 1970 una exposición individual en la Galería Lisson en Londres, que se anunció como la "primera exposición londinense de hologramas y pinturas estereoscópicas". [ 31 ]

Durante la década de 1970, se establecieron varios estudios y escuelas de arte, cada uno con su propio enfoque de la holografía. Cabe destacar la Escuela de Holografía de San Francisco, fundada por Lloyd Cross ; el Museo de Holografía de Nueva York, fundado por Rosemary (Posy) H. Jackson; el Royal College of Art de Londres; y los Simposios del Lake Forest College, organizados por Tung Jeong . [ 32 ] Ninguno de estos estudios existe ya; sin embargo, existe el Centro de Artes Holográficas de Nueva York [ 33 ] y el HOLOcenter de Seúl, que ofrece a los artistas un espacio para crear y exhibir su obra.

Durante la década de 1980, muchos artistas que trabajaban con holografía contribuyeron a la difusión de este llamado "nuevo medio" en el mundo del arte, como Harriet Casdin-Silver de Estados Unidos, Dieter Jung de Alemania y Moysés Baumstein de Brasil , cada uno buscando un "lenguaje" propio para usar con la obra tridimensional, evitando la simple reproducción holográfica de una escultura u objeto. Por ejemplo, en Brasil, muchos poetas concretos (Augusto de Campos, Décio Pignatari, Julio Plaza y José Wagner García, asociado con Moysés Baumstein ) encontraron en la holografía una forma de expresarse y de renovar la poesía concreta .

Un pequeño pero activo grupo de artistas aún integra elementos holográficos en su trabajo. [ 34 ] Algunos están asociados con técnicas holográficas novedosas; por ejemplo, el artista Matt Brand [ 35 ] empleó el diseño de espejos computacionales para eliminar la distorsión de la imagen de la holografía especular .

El Museo del MIT [ 36 ] y Jonathan Ross [ 37 ] tienen extensas colecciones de holografía y catálogos en línea de hologramas artísticos.

Almacenamiento de datos

El almacenamiento holográfico de datos es una técnica que permite almacenar información a alta densidad dentro de cristales o fotopolímeros. La capacidad de almacenar grandes cantidades de información en algún tipo de soporte es de suma importancia, dado que muchos productos electrónicos incorporan dispositivos de almacenamiento. A medida que las técnicas de almacenamiento actuales, como el disco Blu-ray, alcanzan el límite de la densidad de datos posible (debido al tamaño limitado por difracción de los haces de escritura), el almacenamiento holográfico tiene el potencial de convertirse en la próxima generación de soportes de almacenamiento populares. La ventaja de este tipo de almacenamiento de datos radica en que se utiliza el volumen del soporte de grabación en lugar de solo la superficie. Los SLM disponibles actualmente pueden producir alrededor de 1000 imágenes diferentes por segundo con una resolución de 1024 × 1024 bits, lo que resultaría en una velocidad de escritura de aproximadamente un gigabit por segundo . [ 38 ]

En 2005, empresas como Optware y Maxell produjeron un  disco de 120 mm que utiliza una capa holográfica para almacenar datos con una capacidad potencial de 3,9 TB , un formato denominado Disco Versátil Holográfico . Hasta septiembre de 2014, no se había lanzado ningún producto comercial. 

Otra empresa, InPhase Technologies , estaba desarrollando un formato de la competencia, pero quebró en 2011 y todos sus activos fueron vendidos a Akonia Holographics, LLC.

Si bien muchos modelos de almacenamiento de datos holográficos han utilizado almacenamiento basado en páginas, donde cada holograma grabado contiene una gran cantidad de datos, investigaciones más recientes sobre el uso de microhologramas de tamaño submicrométrico han dado como resultado varias soluciones potenciales de almacenamiento de datos ópticos 3D . Aunque este enfoque de almacenamiento de datos no puede alcanzar las altas tasas de transferencia de datos del almacenamiento basado en páginas, las tolerancias, los obstáculos tecnológicos y el costo de producción de un producto comercial son significativamente menores.

Holografía dinámica

En la holografía estática, la grabación, el revelado y la reconstrucción se producen de forma secuencial, dando como resultado un holograma permanente.

También existen materiales holográficos que no requieren proceso de revelado y pueden grabar un holograma en muy poco tiempo. Esto permite utilizar la holografía para realizar operaciones sencillas de forma totalmente óptica. Algunos ejemplos de aplicaciones de estos hologramas en tiempo real incluyen espejos de fase conjugada (inversión temporal de la luz), memorias caché ópticas, procesamiento de imágenes (reconocimiento de patrones en imágenes variables en el tiempo) y computación óptica .

La cantidad de información procesada puede ser muy alta (terabits/s), ya que la operación se realiza en paralelo sobre la imagen completa. Esto compensa el hecho de que el tiempo de grabación, del orden de un microsegundo , sigue siendo muy largo en comparación con el tiempo de procesamiento de un ordenador electrónico. El procesamiento óptico realizado por un holograma dinámico también es mucho menos flexible que el procesamiento electrónico. Por un lado, la operación debe realizarse siempre sobre la imagen completa, y por otro, la operación que puede realizar un holograma es básicamente una multiplicación o una conjugación de fase. En óptica, la suma y la transformada de Fourier ya se realizan fácilmente en materiales lineales, esta última simplemente mediante una lente. Esto permite algunas aplicaciones, como un dispositivo que compara imágenes de forma óptica. [ 39 ]

La búsqueda de nuevos materiales ópticos no lineales para la holografía dinámica es un área de investigación activa. Los materiales más comunes son los cristales fotorrefractivos , pero en semiconductores o heteroestructuras semiconductoras (como pozos cuánticos ), vapores y gases atómicos, plasmas e incluso líquidos, ha sido posible generar hologramas.

Una aplicación particularmente prometedora es la conjugación de fase óptica . Permite eliminar las distorsiones del frente de onda que sufre un haz de luz al atravesar un medio aberrante, al devolverlo a través del mismo medio con una fase conjugada. Esto resulta útil, por ejemplo, en las comunicaciones ópticas en el espacio libre para compensar la turbulencia atmosférica (el fenómeno que produce el centelleo de la luz estelar).

Uso por aficionados

Paz al alcance de la mano , un holograma DCG de Denisyuk realizado por el aficionado Dave Battin.

Desde los inicios de la holografía, muchos holografistas han explorado sus usos y los han mostrado al público.

En 1971, Lloyd Cross abrió la Escuela de Holografía de San Francisco y enseñó a aficionados a crear hologramas utilizando únicamente un pequeño láser de helio-neón  (normalmente de 5 mW) y equipos caseros económicos. Se creía que la holografía requería una costosa mesa óptica metálica para fijar todos los elementos y amortiguar las vibraciones que pudieran distorsionar las franjas de interferencia y arruinar el holograma. La alternativa casera de Cross consistía en una caja de arena construida con un muro de contención de bloques de hormigón sobre una base de madera contrachapada, sostenida por pilas de neumáticos viejos para aislarla de las vibraciones del suelo y rellena de arena lavada para eliminar el polvo. El láser se montó de forma segura sobre el muro de bloques de hormigón. Los espejos y las lentes simples necesarias para dirigir, dividir y expandir el haz láser se fijaron a pequeños trozos de tubo de PVC, que se clavaron en la arena en los puntos deseados. El sujeto y el portaplacas fotográficos se sujetaron de forma similar dentro de la caja de arena. El hológrafo apagó la luz de la habitación, bloqueó el rayo láser cerca de su fuente mediante un pequeño obturador controlado por relé , colocó una placa en el soporte en la oscuridad, salió de la habitación, esperó unos minutos para que todo se estabilizara y, a continuación, realizó la exposición accionando a distancia el obturador láser.

En 1979, Jason Sapan abrió los Holographic Studios en la ciudad de Nueva York . Desde entonces, han participado en la producción de numerosos hologramas para diversos artistas y empresas. [ 40 ] Sapan ha sido descrito como el "último holografista profesional de Nueva York".

Muchos de estos holografistas se dedicaron posteriormente a la creación de hologramas artísticos. En 1983, Fred Unterseher, cofundador de la Escuela de Holografía de San Francisco y reconocido artista holográfico, publicó el Manual de Holografía , una guía práctica para crear hologramas en casa. Esto atrajo a una nueva generación de holografistas y proporcionó métodos sencillos para utilizar los materiales de grabación de haluro de plata AGFA, disponibles en aquel entonces .

En el año 2000, Frank DeFreitas publicó el libro "Shoebox Holography Book" e introdujo el uso de punteros láser económicos a innumerables aficionados . Durante muchos años, se había asumido que ciertas características de los diodos láser semiconductores los hacían prácticamente inútiles para crear hologramas, pero cuando finalmente se sometieron a pruebas prácticas, se descubrió que no solo era falso, sino que algunos proporcionaban una longitud de coherencia mucho mayor que la de los láseres de gas helio-neón tradicionales. Este fue un avance muy importante para los aficionados, ya que el precio de los diodos láser rojos había bajado de cientos de dólares a principios de la década de 1980 a unos 5 dólares después de que entraran en el mercado masivo como un componente extraído de los reproductores de CD y, posteriormente, de los reproductores de DVD a partir de mediados de la década de 1980. Ahora, existen miles de aficionados a la holografía en todo el mundo.

A finales del año 2000, los kits de holografía con diodos láser de bajo costo se popularizaron en el mercado de consumo. Estos kits permitieron a estudiantes, profesores y aficionados crear diversos tipos de hologramas sin necesidad de equipos especializados, y se convirtieron en regalos populares en 2005. [ 41 ] La introducción de kits de holografía con placas de auto-revelado en 2003 hizo posible que los aficionados crearan hologramas sin la molestia del procesamiento químico húmedo. [ 42 ]

En 2006, una gran cantidad de láseres verdes de calidad holográfica (Coherent C315) excedentes estuvieron disponibles, lo que puso la holografía con gelatina dicromada (DCG) al alcance de los aficionados. La comunidad holográfica se sorprendió por la asombrosa sensibilidad de la DCG a la luz verde. Se había asumido que esta sensibilidad sería insignificante o inexistente. Jeff Blyth respondió con la formulación G307 de la DCG para aumentar la velocidad y la sensibilidad a estos nuevos láseres. [ 43 ]

Kodak y Agfa, los antiguos principales proveedores de placas y películas de haluro de plata para holografía, ya no están en el mercado. Si bien otros fabricantes han ayudado a cubrir el vacío, muchos aficionados ahora elaboran sus propios materiales. Las formulaciones preferidas son la gelatina dicromada, la gelatina dicromada sensibilizada con azul de metileno y las preparaciones de haluro de plata por difusión. Jeff Blyth ha publicado métodos muy precisos para elaborarlas en un pequeño laboratorio o garaje. [ 44 ]

Un pequeño grupo de aficionados incluso está construyendo sus propios láseres pulsados ​​para crear hologramas de sujetos vivos y otros objetos inestables o en movimiento. [ 45 ]

Interferometría holográfica

La interferometría holográfica (IH) es una técnica que permite medir desplazamientos estáticos y dinámicos de objetos con superficies ópticamente rugosas con precisión interferométrica óptica (es decir, a fracciones de longitud de onda de luz). [ 46 ] [ 47 ] También se puede utilizar para detectar variaciones en la longitud del camino óptico en medios transparentes, lo que permite, por ejemplo, visualizar y analizar el flujo de fluidos. Asimismo, se puede utilizar para generar contornos que representen la forma de la superficie o las regiones de isodosis en dosimetría de radiación. [ 48 ]

Se ha utilizado ampliamente para medir la tensión, la deformación y la vibración en estructuras de ingeniería.

microscopía interferométrica

El holograma conserva la información sobre la amplitud y la fase del campo. Varios hologramas pueden almacenar información sobre la misma distribución de luz, emitida en diversas direcciones. El análisis numérico de dichos hologramas permite emular una gran apertura numérica , lo que, a su vez, posibilita la mejora de la resolución de la microscopía óptica . La técnica correspondiente se denomina microscopía interferométrica . Los recientes avances en microscopía interferométrica permiten alcanzar el límite de resolución de un cuarto de longitud de onda. [ 49 ]

Sensores o biosensores

El holograma se crea con un material modificado que interactúa con ciertas moléculas generando un cambio en la periodicidad de las franjas o en el índice de refracción, y por lo tanto, en el color de la reflexión holográfica. [ 50 ] [ 51 ]

Seguridad

El identigrama como elemento de seguridad en un documento de identidad alemán.
Holograma de Dove utilizado en algunas tarjetas de crédito

Los hologramas se utilizan comúnmente por motivos de seguridad, ya que se replican a partir de un holograma maestro que requiere equipos costosos, especializados y tecnológicamente avanzados, lo que dificulta su falsificación. Se utilizan ampliamente en muchas monedas , como los billetes brasileños de 20, 50 y 100 reales; los billetes británicos de 5, 10, 20 y 50 libras; los billetes surcoreanos de 5000, 10 000 y 50 000 wones; los billetes japoneses de 5000 y 10 000 yenes; los billetes indios de 50, 100 y 500 rupias; y todos los billetes en circulación del dólar canadiense , la kuna croata , la corona danesa y el euro . También se pueden encontrar en tarjetas de crédito y débito , así como en pasaportes , documentos de identidad, libros , envases de alimentos, DVD y artículos deportivos. Estos hologramas se presentan en diversas formas, desde tiras adhesivas laminadas en envases de productos de consumo masivo hasta etiquetas holográficas en productos electrónicos . Suelen contener elementos textuales o pictóricos para proteger la identidad y distinguir los artículos auténticos de las falsificaciones .

Los escáneres holográficos se utilizan en oficinas de correos, grandes empresas de transporte y sistemas de cintas transportadoras automatizadas para determinar el tamaño tridimensional de un paquete. A menudo se utilizan junto con básculas de control para permitir el preembalaje automatizado de volúmenes determinados, como un camión o un palé para el envío de mercancías a granel. Los hologramas producidos en elastómeros pueden utilizarse como indicadores de tensión-deformación debido a su elasticidad y compresibilidad; la presión y la fuerza aplicadas se correlacionan con la longitud de onda reflejada y, por lo tanto, con su color. [ 52 ] La técnica de holografía también puede utilizarse eficazmente para la dosimetría de radiación. [ 53 ] [ 54 ]

Matrículas de alta seguridad

Los hologramas de alta seguridad pueden utilizarse en las matrículas de vehículos como automóviles y motocicletas. Desde abril de 2019, las matrículas holográficas son obligatorias en algunas zonas de la India para facilitar la identificación y la seguridad, especialmente en casos de robo de vehículos. Estas matrículas contienen datos electrónicos de los vehículos, un número de identificación único y una pegatina que indica su autenticidad. [ 55 ]

Holografía mediante otros tipos de ondas

En principio, es posible crear un holograma para cualquier onda .

La holografía electrónica es la aplicación de técnicas holográficas a ondas electrónicas en lugar de ondas de luz. Fue inventada por Dennis Gabor para mejorar la resolución y evitar las aberraciones del microscopio electrónico de transmisión . Actualmente se utiliza comúnmente para estudiar campos eléctricos y magnéticos en películas delgadas, ya que estos campos pueden modificar la fase de la onda interferente que atraviesa la muestra. [ 56 ] El principio de la holografía electrónica también se puede aplicar a la litografía de interferencia . [ 57 ]

La holografía acústica permite generar mapas sonoros de un objeto. Se realizan mediciones del campo acústico en numerosos puntos cercanos al objeto. Estas mediciones se procesan digitalmente para producir las "imágenes" del objeto. [ 58 ]

La holografía atómica ha evolucionado a partir del desarrollo de los elementos básicos de la óptica atómica . Con la lente de difracción de Fresnel y los espejos atómicos, la holografía atómica representa un paso natural en el desarrollo de la física (y las aplicaciones) de los haces atómicos. Los avances recientes, incluidos los espejos atómicos y, especialmente, los espejos estriados, han proporcionado las herramientas necesarias para la creación de hologramas atómicos, [ 59 ] aunque dichos hologramas aún no se han comercializado.

La holografía por haz de neutrones se ha utilizado para ver el interior de objetos sólidos. [ 60 ]

Los hologramas con rayos X se generan utilizando sincrotrones o láseres de electrones libres de rayos X como fuentes de radiación y detectores pixelados como CCD como medio de grabación. [ 61 ] La reconstrucción se obtiene mediante cálculo. Debido a la menor longitud de onda de los rayos X en comparación con la luz visible, este enfoque permite obtener imágenes de objetos con mayor resolución espacial. [ 62 ] Como los láseres de electrones libres pueden proporcionar pulsos de rayos X ultracortos en el rango de femtosegundos que son intensos y coherentes, la holografía de rayos X se ha utilizado para capturar procesos dinámicos ultrarrápidos. [ 63 ] [ 64 ] [ 65 ]

Hologramas falsos

Una ilusión del fantasma de Pepper hecha con un tronco de plástico transparente.

Prácticamente toda ilusión de una imagen que parece tridimensional, que parece flotar en el espacio o que presenta otras semejanzas vagas, ha sido erróneamente etiquetada como holograma, incluyendo efectos producidos por impresión lenticular , impresión con lámina iridiscente , bubblegrams , la ilusión del fantasma de Pepper (o variantes modernas como el delineador de ojos Musion ), tomografía y pantallas volumétricas . [ 66 ] [ 67 ] Estas ilusiones se han denominado "falsa fotografía". [ 68 ] [ 69 ]

La técnica del fantasma de Pepper es más frecuente en pantallas 3D que afirman ser (o se denominan) "holográficas". Mientras que la ilusión original, utilizada en el teatro, involucraba objetos y personas físicas reales, ubicadas fuera del escenario, las variantes modernas reemplazan el objeto fuente con una pantalla digital, que muestra imágenes generadas con gráficos 3D por computadora para proporcionar las pistas de profundidad necesarias . El reflejo de imágenes planas puede parecer menos realista que el de un objeto 3D real. Alternativamente, la retroproyección de imágenes realistas en pantallas semitransparentes puede crear la misma ilusión. Ejemplos notables de ilusiones digitales del fantasma de Pepper incluyen actuaciones virtuales "en vivo" de Gorillaz (en los MTV Europe Music Awards de 2005 y los 48º Premios Grammy ), la de Tupac Shakur en el Festival de Música y Artes de Coachella Valley en 2012, [ 70 ] el supergrupo sueco ABBA , [ 71 ] el grupo de rock estadounidense Kiss , [ 72 ] y Hatsune Miku y otras aplicaciones de sintetizador de canto Vocaloid . [ 73 ] [ 74 ] [ 75 ] [ 76 ] [ 77 ]

La holografía se distingue de la holografía especular , que es una técnica para crear imágenes tridimensionales controlando el movimiento de las especularesidades en una superficie bidimensional. [ 78 ] Funciona manipulando de forma reflectiva o refractiva haces de rayos de luz, no mediante interferencia y difracción.

Hologramas táctiles

En la ficción

La holografía ha sido ampliamente mencionada en películas, novelas y televisión, generalmente en ciencia ficción , desde finales de la década de 1970. [ 79 ] Los escritores de ciencia ficción absorbieron las leyendas urbanas que rodeaban la holografía, difundidas por científicos y empresarios demasiado entusiastas que intentaban comercializar la idea. [ 79 ] Esto tuvo el efecto de generar expectativas excesivas en el público sobre la capacidad de la holografía, debido a las representaciones poco realistas de la misma en la mayoría de las obras de ficción, donde se la presenta como proyecciones informáticas tridimensionales completas que a veces son táctiles mediante el uso de campos de fuerza . [ 79 ] Ejemplos de este tipo de representación incluyen el holograma de la Princesa Leia en Star Wars , Arnold Rimmer de Red Dwarf , quien posteriormente fue convertido en "luz sólida" para hacerlo sólido, y el Holodeck y el Holograma Médico de Emergencia de Star Trek . [ 79 ]

La holografía ha servido de inspiración para muchos videojuegos con elementos de ciencia ficción. En muchos títulos, la tecnología holográfica ficticia se ha utilizado para reflejar representaciones erróneas de la vida real sobre el posible uso militar de los hologramas, como los "tanques espejismo" en Command & Conquer: Red Alert 2 que pueden disfrazarse de árboles. [ 80 ] Los personajes del jugador pueden usar señuelos holográficos en juegos como Halo: Reach y Crysis 2 para confundir y distraer al enemigo. [ 80 ]

Sin embargo, las representaciones ficticias de hologramas han inspirado avances tecnológicos en otros campos, como la realidad aumentada , que prometen cumplir las representaciones ficticias de hologramas por otros medios. [ 81 ]

Véase también

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Bibliografía

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Lecturas adicionales

  • Láseres y holografía: una introducción a la óptica coherente, WE Kock, Dover Publications (1981), ISBN 978-0-486-24041-1
  • Principios de holografía HM Smith, Wiley (1976), ISBN 978-0-471-80341-6
  • G. Berger et al., Almacenamiento de datos digitales en un sistema de memoria holográfica codificada por fase: calidad y seguridad de los datos , Actas de SPIE, Vol. 4988, págs.  104–111 (2003)
  • Visiones holográficas: una historia de la nueva ciencia, de Sean F. Johnston, Oxford University Press (2006), ISBN 0-19-857122-4
  • Saxby, Graham (2003). Holografía práctica, tercera edición . Taylor and Francis. ISBN 978-0-7503-0912-7.
  • Técnicas de imagen tridimensional Takanori Okoshi, Atara Press (2011), ISBN 978-0-9822251-4-1
  • Microscopía holográfica de objetos microscópicos de fase: teoría y práctica. Tatyana Tishko, Tishko Dmitry, Titar Vladimir, World Scientific (2010), ISBN 978-981-4289-54-2
  • Richardson, Martin J.; Wiltshire, John D. (2017). Richardson, Martin J.; Wiltshire, John D. (eds.). El holograma: principios y técnicas . Wiley. Bibcode : 2017hpt..book.....R . doi : 10.1002/9781119088929 . ISBN 978-1-119-08890-5OCLC 1000385946 .​ 
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    • " Holografía, Conferencia Nobel 1948-1971 ", 11 de diciembre de 1971, por Dennis Gabor
  • " Cómo funcionan los hologramas ", How Stuff Works, por Tracy V. Wilson, 30 de agosto de 2023
  • "¡ ¡¡Creando hologramas reales!!! " en YouTube por The Thought Emporium, 19 de noviembre de 2020
  • "¿ Cómo son posibles los hologramas? " en YouTube por Grant Sanderson, 3Blue1Brown , 5 de octubre de 2024