Holography

Introdução

Holografia é a ciência e a prática de criar hologramas, que são normalmente codificações de campos de luz, em vez de imagens formadas por uma lente. Ao longo da sua história de 60 anos, a Holografia permitiu novas introspecções sobre a natureza da luz e tem contribuído para aplicações inovadoras, muitas das quais não relacionadas com a óptica. Este artigo explora técnicas holográficas usadas para resolver problemas específicos numa variedade de campos, com especial foco sobre o estado e processo de desenvolvimento, vantagens, desvantagens e aplicações de Holografia existentes e emergentes[1][6].


História

Em 1912, Max von Laue demonstrou a difracção de raios-x através de uma estrutura de cristal de sulfato de cobre. Os resultados experimentais foram então formulados em 1913 por pai e filho, William Henry Bragg e William Lawrence Bragg, na lei de Bragg de difracção (2dsin(teta) = N*lambda). Esta equação explica porque é que as faces de cristais refletem feixes de raios-X a certos ângulos de incidência (teta). A variável d é a distância entre camadas atómicas num cristal, e a variável lambda é o comprimento de onda do feixe de raios-X incidente; n é um inteiro. Usando esta relação redes de difracção é possível controlar o ângulo de luz deflectida e separar diferentes comprimentos de onda de luz. O passo chave no desenvolvimento de imagens holográficas foi a utilização de um feixe de referência para codificar uma onda por meio de sobreposição com outra (para gravar o padrão de interferência). Este processo de "dupla difracção" foi proposto por Denis Gabor em 1948, numa tentativa de melhorar o desenho do microscópio de raios-x (electrões). As experiências de Gabor foram limitadas a ondas ópticas que viajam perto do eixo óptico (raios paraxiais) e, portanto, quando utilizado para a Holografia, o feixe de reconstrução seria coincidente com a imagem, e, portanto, iria brilhar diretamente nos olhos do observador. Emmett Leith e Juris Upatnieks (Universidade do Michigan), reconheceram que a Holografia poderia ser usada como um meio de visualização 3D, desenvolvendo a técnica off-axis que pôs em prática a teoria desenvolvida por Dennis Gabor. O resultado foi a primeira transmissão laser de um holograma e um objecto tridimensional (comboio de brincar e pássaro). O potencial da Holografia foi reconhecido no momento da publicação dos resultados, causando grande alarido de volta do tema, e valendo a Dennis Gabor o Prémio Nobel da Física em 1971 e o título de “Pai da Holografia”. Existem dois tipos gerais de hologramas: hologramas de reflexão e de transmissão. Diferem apenas no aspecto de que nos primeiros o feixe de laser – feixe referência – “vem” de um lado do holograma, enquanto que o feixe de luz proveniente do objecto – feixe objecto – “vem” do outro lado do holograma. O holograma de reflexão foi desenvolvido por Yuri Denisyuk (1927-2006), que utilizou um único feixe para iluminar o objeto e ser a referência deste mesmo. O processo de Denisyuk segue a cor e as práticas de gravação fotográfica espacial de Lippmann, que foram criadas em superfícies de metal polido. Gabriel Lippmann (1845-1921) alegou ter inventado um método de registo fotográfico com cor e forneceu uma explicação científica de como a estrutura gravava e, em seguida, poderia reconstruir padrões de ondas estacionárias, ou seja, os comprimentos de onda específicos de que é constituída uma imagem colorida[2][3][4][5].


Duas fotografias de um holograma tiradas de um único ângulo.

Tecnologia

O que é um holograma?

Um holograma é uma estrutura física que “desvia” (difracta) luz numa imagem. O termo "holograma" pode referir-se tanto ao material que foi codificado como à imagem resultante. A imagem holográfica pode ser vista olhando para uma impressão holográfica iluminada ou emitindo um laser através de um holograma e projetar a imagem numa tela[4].


Como Funciona?

A Holografia baseia-se no princípio de interferência. Um holograma capta o padrão de interferência entre dois ou mais feixes de luz coerente (por exemplo, luz laser). Este padrão de interferência está intimamente relacionado com a fase da luz interveniente. Se a fase mudar (mudando, por exemplo, a distância a que está um dos lasers), o padrão altera-se! Para fazer um holograma faz-se interferir luz laser e luz proveniente de um objecto (que se quer gravar). A luz proveniente do laser é dividida em dois feixes, sendo um dos feixes (feixe objecto), utilizado para iluminar o objecto. A luz reflectida e dispersa pelo objecto e a luz proveniente do segundo feire (feixe referência) é depois recolhida simultaneamente pela superfície onde se vai registar o holograma[4][5][6].


Visualização

Ao analisar um holograma, é possível observar que a imagem muda quando nos movemos à sua volta, quase como se estivéssemos a olhar de uma janela para uma paisagem. Isto é porque a Holografia grava a “paisagem” através de uma área de perspectiva. A janela de visualização de um holograma também pode ser dividida para gravar várias perspectivas diferentes, sendo que este processo é conhecido como multiplexagem espacial, e pode ser usado para capturar a animação e/ou criar um cenário holográfico a partir de uma sequência de imagens de 2-D[4][7].


Principais Aplicações

Armazenamento de Dados

A possibilidade de armazenar grandes quantidades de informação num meio é de grande importância, para armazenamento e processamento de informação ou de imagens. O meio de gravação tem de converter o padrão de interferência original num elemento óptico que modifica ou a amplitude ou a fase de um feixe de luz incidente, em proporção à intensidade do campo de luz original. Na área da tecnologia da informação testa-se o uso de hologramas como uma forma "ótica" de armazenamento de dados, que permite armazenar uma alta densidade de informações em cristais ou foto-polímeros. Enquanto que nos aparelhos de DVD atuais (incluindo o Blu-Ray e o extinto HD-DVD) lêem e gravam as informações no disco numa ou mais camadas através de um sistema que altera o foco do raio laser, foi criado um novo disco onde o raio é dividido, alterado e recombinado de modo a criar padrões de interferência. Estes padrões na verdade são pequenos hologramas gravados por toda a camada sensível do disco, que ocupam um espaço muito pequeno. Assim pode-se gravar uma densidade enorme de informação chegando ao patamar dos Terabytes de informação num único disco. Isto equivale a uma capacidade de armazenamento 800 vezes maior do que a de um DVD normal. Esta tecnologia tem o nome de Holographic Versatile Disc (HVD)[8][9][10].


Óptica

Os hologramas também podem ser usados para direccionar a luz, que tem diversas aplicações comerciais, como em design e projeção de vídeos em ecrãs. Esta propriedade foi incorporada no processo de criação de hologramas por artistas. Rudie Berkhout criou hologramas espacialmente dinâmicos usando vários elementos ópticos holográficos para moldar a luz em imagens abstratas dinâmicas. O trabalho de Berkhout explora a paisagem óptica em relação à natureza cósmica do campo de percepção: "Eu gosto do trabalho a oscilar entre paisagem e pintura abstrata, desafiando os telespectadores e “abanar” a sua percepção usual do mundo."[4][11]


Segurança

Todos nós já os tivemos ou interagimos com eles, mesmo que nunca nos tenhamos apercebido. Hologramas de segurança são etiquetas com um holograma impresso por razões de segurança de venda. Hologramas de segurança são muito difíceis de falsificar, pois são replicados a partir de um holograma mestre que requer equipamento caro, especializado e tecnologicamente avançado. São amplamente utilizados em várias notas de todo o mundo. São também usados em passaportes, crédito e cartões de banco, bem como produtos de qualidade[12].

Arte

Trabalho com Cores

O holograma difracta a luz numa imagem. Como descrito anteriormente, a transmissão e reflexão hologramas variam neste aspecto: Enquanto que o holograma de reflexão reconstrói apenas comprimentos de onda (cores) seleccionados, o holograma de transmissão difracta todos os comprimentos de onda da luz com que é iluminado. O holograma não altera o comprimento de onda (cores) da luz, mas controla onde os diferentes comprimentos de onda são difractados. As várias cores de uma imagem holográfica são então produzidas selecionando e combinando as cores espectrais difractadas. Com um holograma de reflexão, através da manipulação do processamento químico, a estrutura holográfica pode ser expandida ou reduzida alterando a cor da imagem reconstruída. Hologramas de reflexão de “Pseudo-cor” podem ser criados através de várias exposições, entre as quais a emulsão é inchada ou encolhida para mudar o espaçamento registrado e, portanto, de cor, uma técnica que tem sido amplamente utilizada por John Kaufman e Iñaki Beguiristain. Hologramas de transmissão no entanto tem um uma qualidade visual diferente e a cor é controlada pela geometria, em vez de química. Quando iluminado com uma fonte de luz branca, o holograma de transmissão vai difractar todos os comprimentos de onda de luz na imagem. No entanto, como os comprimentos de onda vermelhos são mais longos, eles são mais deflectidos que os comprimentos de onda azul , logo a imagem terá manchas de cor - a luz multi-espectro espalha-se numa imagem de arco-íris[4].


John Kaufman, Canted Fragment, 1994

Laser

A gravação de um holograma requer que o padrão de interferência do feixe de referência e a iluminação sejam estacionários durante a exposição. Por esta razão hologramas são tradicionalmente feitos de esculturas estáticas em mesas de vibração isoladas. Um impulso laser produz um flash de luz ultra curto, congelando assim o movimento e permitindo hologramas de indivíduos vivos[1].

Interferometria

Como o processo de gravação holográfico é dependente do padrão de interferência entre as ondas ópticas, a imagem holográfica é a forma comparativa entre estas ondas. Interferometria holográfica utiliza essa propriedade para detectar pequenas variações na forma, com aplicações em testes industriais não-destrutivos. Sally Weber usou uma técnica de interferometria holográfica - um impulso laser duplo - para mostrar os movimentos de respiração e sangue sob a pele[4][13].


Multiplexagem

A multiplexagem é uma técnica de gravação de várias exposições holográficas em toda a superfície do holograma mestre. Lloyd Cruz desenvolveu um processo de uma etapa de gravação de hologramas multiplexados em 1972, utilizando uma sequência de quadros de filme para fazer um holograma cilíndrico em que a imagem aparece no centro. O processo combina técnicas cinematográficas e holográficas para exibir um loop curto de uma imagem animada. Fazendo girar o cilindro é possível observar a imagem animada. Adotando uma abordagem fotográfica para multiplexagem Patrick Boyd, um outro artista, fez uma série de hologramas multiplexados no início dos anos 90, usando um processo de animação com slides de imagem e stencils sobre o holograma: ”O trabalho é essencialmente uma experiência interactiva para o espectador, mas durante o qual ele permanece no controlo, decidindo por si mesmo a velocidade com que a imagem é revelada e explorada, frame por frame." Ao dividir a janela de exposição holográfica em regiões pequenas, múltiplas imagens de 2-D podem ser utilizadas para sintetizar uma cena 3D ou gravar uma animação[14].


Dot-Matrix

É uma técnica de construção de uma imagem de difracção de 'pixels'. Cada área é registada com uma geometria especial, que refrata a luz por um ângulo correspondente. A luz que ilumina é desviada em espectros de cor divergentes. A imagem é uma telha de cores o que significa que as imagens são muito brilhantes, mas não têm nformações de profundidade 3D. Hologramas matriciais têm sido utilizados como um meio de decorativo, chamado “Arquitectura de Luz, definido por 'Michael Bleyenberg: “Planear e construir ambientes além da percepção e experiência quotidiana, sem utilizar material sólido, mas apenas luz efémera”[1][4][15][16][17].

Computadores

Em hologramas gerados digitalmente, o padrão de cada pixel é calculado e registado no holograma. Há um número de maneiras diferentes de fazer hologramas digitais em que as pequenas regiões do filme, denominado «voxels 'ou' Hogels ', estão expostos ao padrão pré-calculado, por exemplo, usando um modulador de luz espacial (SLM) ou litografia por feixe de electrões. Em sistemas mais antigos, estes Hogels eram perceptíveis fazendo com que a superfície do holograma parecesse pixelizada[4][18][19].


Holografia vs Fotografia

A Holografia é a ciência de produzir hologramas; é uma forma de fotografia que permite uma imagem ser gravada em três dimensões. A técnica de Holografia também pode ser usada para armazenar opticamente, recuperar, e processar informação. Fotografia é a ciência, a arte e a prática de criar imagens duradouras registando luz ou outra radiação eletromagnética, quer por via electrónica, através de um sensor de imagem, ou quimicamente por meio de um material sensível à luz, como um filme fotográfico. Ao contrário da fotografia, que apenas permite registar as diferentes intensidades de luz proveniente do cenário fotografado, os hologramas registam também a fase da radiação luminosa proveniente do objecto. Nesta fase está contida a informação sobre a posição relativa de cada ponto do objecto iluminado, permitindo reconstruir uma imagem com informação tridimensional.
Outras diferenças incluem:
1. Se o holograma é dividido em partes, cada parte é capaz de reconstruir o objeto inteiro. Mas na fotografia, a destruição nem que seja de uma muito pequena porção de negativos ou fotografia resulta numa perda irreparável de informações.
2. A Holografia tem uma elevada capacidade de informação, em comparação com a fotografia[1][20].

Holografia em Portugal

Onde surgiu?

As primeiras atividades realizadas sobre a Holografia, em Portugal, surgiram com o professor Olivério Soares que, após ter terminado o seu doutoramento, iniciou a sua atividade na área dos lasers no final da década de 70, e início da década de 80. Deste modo, a Universidade do Porto tornou-se a pioneira, em Portugal, no desenvolvimento de atividades sobre a Holografia[21].


Made in Portugal

Com o evoluir dos equipamentos de impressão gráfica, facilmente se consegue fazer uma fraca, mas em certas situações suficiente, falsificação de um documento, por exemplo bilhete de espectáculo, certificado de autenticidade, etc. As propriedades dos hologramas fazem com que estes dificilmente sejam falsificados pelos meios normalmente utilizados pelos falsários. A necessidade de um laboratório de óptica com equipamento muito dispendioso e técnicos altamente especializados, confere aos hologramas as características ideais de um elemento de segurança: difícil de executar e difícil de imitar. Existem também, em Portugal (desde 1996) um laboratório de criação de hologramas para segurança, no INETI, e uma fábrica de reprodução em massa dos mesmos, na INCM (Imprensa Nacional Casa da Moeda), que constituem os únicos locais de produção de hologramas de segurança na Península Ibérica. Trabalhando em conjunto, estas duas instituições produziram muitos dos hologramas que podemos observar no nosso dia-a-dia, como por exemplo as cassetes de vídeo e áudio, certificados de inspecção periódica, a nova carta de condução, o passaporte, selos de correio, bilhetes de espectáculos, acções, etiqueta do Queijo da Serra, passes de transportes colectivos e muitos outros. A colaboração de uma instituição de investigação como o INETI, onde as valências técnico-científicas nas áreas da óptica e dos materiais são uma mais valia, com a INCM, cuja imagem, qualidade e segurança com que produz os documentos mais variados, permite ter no holograma uma forma de aumentar a segurança desses mesmos documentos[22].


Problemas

Existem dois problemas que “assombram” a tecnologia holográfica e que necessitam de resolução nos dias de hoje:

1. Desenvolver imagens claras sem efeitos colaterais

- Uma imagem criada por um display estereoscópico (uma das maneiras mais populares para criar imagens 3D) cria a ilusão de 3D, fornecendo disparidade binocular; no entanto, o sistema visual humano ainda vê uma superfície plana de pixels, resultando em conflitos que podem levar à fadiga ocular, dores de cabeça e náuseas. Como se vê, não é particularmente divertido.

2. Preços de componentes muito elevados

- Apesar de os preços dos componentes caírem bastante nas últimas duas décadas, os preços ainda são relativamente caros. O preço de criar um Tupac Shakur holográfico para o festival de Coachella, em 2012, custou de entre US $ 100.000 e $ 400.000, e a empresa por trás da tecnologia mais tarde entrou em falência. A acessibilidade é a chave para a rapidez com que são adotadas tecnologias e os custos das componentes são um dos principais motores para a acessibilidade dos mesmos[23].

Futuro

Medicina

O setor médico está, geralmente, na vanguarda da implementação tecnológica. Qualquer inovação que tem o potencial de conduzir à melhoria das operações médicas e melhor atendimento aos pacientes é susceptível de implementação. Enquanto que algumas implementações terão efeitos mais amplos e duradouros do que outros, a tecnologia continua a estimular a compreensão e tratamento progressivo neste domínio essencial. As tecnologias 3D estão a chamar a atenção significativa pelo seu potencial emocionante. Os benefícios demonstrados e previstos de tecnologias de visualização 3D, imagens, software e impressão em pesquisa e assistência médica estão a ajudar a revolucionar a ciência. A sua aplicação generalizada promete estimular novas estratégias para identificar e diagnosticar as condições do paciente e administração de cuidados médicos, tornando os processos complexos em dezenas de campos especializados mais seguros, mais eficientes e mais bem informados. A Holografia 3D, em particular, está a aumentar a compreensão visual do corpo humano. A tecnologias 3D possui a capacidade de mostrar partes do corpo humano de uma forma mais realista. Além disso, os hologramas são interativos, permitindo que os médicos não só estudem imagens do corpo, mas que o façam facilmente e de várias perspectivas. Estas características beneficiam a pesquisa, os esforços de diagnóstico e os tratamentos[24][25].


Entretenimento

Há um mercado definitivo para concertos holográficos no futuro. Seria possível assistir a concertos de Elvis Presley, The Beatles, Biggie Smalls, James Brown ou Freddy Mercury. É expectável que nos próximos anos possamos ver gradualmente o aparecimento destes eventos[26].

Tecnologia

A indústria chinesa de smartphones têm vindo a desfrutar de crescimento rápido no próprio país nos últimos dois anos, com boa qualidade e bons preços. O primeiro smartphone holográfico do mundo foi lançado em Julho de 2014 em Pequim, por uma empresa chinesa Takee Technology, abrindo portas para uma nova gama de produtos que acreditam ser o futuro da tecnologia moderna. O Takee Um (nome do aparelho) pode usar a câmera frontal permite captar o movimento dos olhos do utilizador, permitindo-lhe ver o efeito 3D a partir de diferentes pontos de vista. Quando uma shell é adicionada ao aparelho, quatro câmeras extra podem captar o movimento dos dedos do utilizador, permitindo controlo pelo ar. Futuramente, empresas como a Apple ou Samsung já expressaram vontade de investir nesta nova corrente tecnológica, de modo a tornar a tecnologia holográfica mais acessível ao público[27].


Considerações Finais

A tecnologia holográfica tem, como se pôde observar neste artigo, aplicações infinitas que vão muito para além do que a mente humana possa imaginar. Não se aplica apenas ao domínio da arte ou da comunicação empresarial, extendendo-se a áreas como segurança, educação e planeamento. A tecnologia holográfica tende cada vez mais para se tornar parte integrante das sociedades humanas, e continuará a evoluir até ser algo indispensável no nosso dia a dia, contribuindo para a simplificação do nosso trabalho e das nossas vidas.


Diogo Rosa

Nasceu a 12 Abril de 1990 a sua residência localiza-se em Ourém. Em 2009 entrou para o Instituto Superior Técnico para frequentar o curso de Engenharia de Redes de Comunicações. No mestrado optou pela àrea de Cloud Computing.

Gonçalo Mateus

Nasceu a 17 Junho de 1991 a sua residência localiza-se em Lisboa. Em 2009 entrou para o Instituto Superior Técnico para frequentar o curso de Engenharia de Redes de Comunicações. No mestrado optou pela àrea de Gestão de Redes.