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HOLOGRAFIA

João Santos nº 69881, João Pedrosa nº 79833

Instituto Superior Técnico Av. Rovisco Pais, 1049-001 Lisboa, Portugal

joao.j.santos@tecnico.ulisboa.pt joaorpedrosa@tecnico.ulisboa.pt

ABSTRACT

Neste artigo começa-se por explicar o que é um holograma e referem-se as condições para ver o holograma como reprodução 3D de um objecto. A história da holografia é revista, desde a invenção dos primeiros hologramas até à actualidade. Apresentam-se os principais métodos para obter um holograma: Transmissão, Reflexão e Arco-Íris. É ainda feita uma breve comparação entre a holografia e a fotografia, e descritas as principais aplicações da holografia como segurança, aviação e armazenamento de dados. Analisa-se o impacto destas aplicações e da holografia em geral no mundo actual e apresenta-se uma projecção sobre o futuro da holografia. Palavra Chave — Holografia, Holograma, Imagem Tridimensional, Fotografia, transmissão, reflexão, arco-íris.

1. INTRODUÇÃO

O nome holografia vem do grego HOLOS: todo, inteiro; e GRAPHOS: sinal, escrita, pois é um método de registo "integral" com relevo e profundidade[1]. Um holograma é uma figura tridimensional obtida por registo, em película própria, dos efeitos da sobreposição de duas ondas (figura de interferência) provenientes de uma mesma fonte luminosa (raios laser), sendo uma onda directa e a outra reflectida pelo objecto (que se quer reproduzir) na película. O Laser é a fonte de luz necessária para a criação de uma inscrição microscópica criada de tal maneira que com a presença de luz adequada, a imagem integral de um objecto é projectada tridimensionalmente. Quando uma luz incide sobre o holograma, as imagens guardadas saltam para o espaço, isto é, forma-se uma imagem virtual que reconstitui o objecto a 3 dimensões. Devido à propriedade ondulatória da luz, é possível gerar imagens de objectos no espaço. O holograma é constituído por um filme no qual se fazem incidir dois feixes de raio laser. O primeiro é reflectido por um espelho e o segundo, pelo objecto que se deseja fotografar. O filme fica

impressionado pela figura de interferência dos dois feixes. Quando o holograma é iluminado com a luz coerente (com diferença de fase estável) do mesmo comprimento de onda usado na impressão, surge no filme uma imagem virtual do objecto holografado. O ângulo de observação da imagem coincide com o do objecto. Neste artigo, vamos dar a conhecer a história da holografia, como se produz holografia, os vários tipos de hologramas existentes, e também, o que pode ser o futuro nesta área.

2. HISTÓRIA DA HOLOGRAFIA

O conceito de holografia surgiu lado a lado com a fotografia. Ter possibilidade de produzir uma fotografia em 3D é algo absolutamente fascinante, e apesar de ainda não ser totalmente possível, já há bastante tempo se trabalha para isso. A holografia propriamente dita surgiu em 1947 às mãos de um cientista de nome Dennis Gabor quando este tentava melhorar a precisão de um microscópio electrónico. Foi este cientista que criou a palavra holograma, que deriva do grego Holos: todo, inteiro; e Graphos: sinal, escrita, pois é um método de registo completo com profundidade[2]. Este primeiro holograma era muito primitivo pois era produzido com uma luz filtrada de uma lâmpada a arco de mercúrio. A sua descoberta foi mais tarde posta em prática quando em 1960 o cientista norte-americano Theodore Maiman descobriu o Laser, que é a fonte ideal para produção de hologramas. Em 1962, dois engenheiros de seu nome Emmett Leith e Juris Upatnieks apresentam o primeiro Laser de uso prático e, utilizando a técnica descoberta por Gabor, realizaram os primeiros hologramas de grande qualidade a três dimensões. Também em 1962 em o físico Yuri N.Denisyuk, que anteriormente também havia descoberto uma técnica de holografia, embora sem reconhecimento, produz agora um holograma de reflexão com luz branca, i.e., que podia ser visto com luz de uma lâmpada normal.

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Em 1968, Stephen A. Benton, inventa a holografia de transmissão com luz branca, que além de poder ser vista com uma lâmpada normal oferece a possibilidade de gravar um holograma numa película de plástico. Esta técnica de gravação possibilita a reprodução em massa de hologramas. Corria o ano de 1972 quando Lloyd Cross combinou a técnica de Stephen Benton com a cinematografia para produzir imagens tridimensionais em movimento. Sequências de imagens de um objecto 2D .[3]

3. PRODUÇÃO DE HOLOGRAFIA

A holografia à semelhança da fotografia requer uma fonte de iluminação, uma película para registar o objecto e uma forma de revelação para que o objecto possa então ser visto, no caso do holograma, tridimensionalmente.

No entanto, a criação de um holograma é um processo mais trabalhoso, que utiliza feixes de raios laser para criar uma matriz com a informação do objecto, esta matriz fica registada numa película com características especiais por serem sensíveis à luz.

A inscrição feita na matriz é microscópica e em qualquer pedaço do holograma é recebida e registada a luz proveniente de todo o objecto. Deste modo, qualquer parte do holograma reproduz o objecto por inteiro. No entanto fá-lo apenas para uma única perspectiva, para obter uma imagem em 3D é necessário juntar todas as partes. Só assim é possível observar a imagem reconstruída de vários ângulos. Os feixes de raio laser têm origem num só que depois é dividido em dois, ambos atingem a película de holograma um é reflectido pelo objecto e o outro é reflectido por um espelho. Todos os espelhos utilizados em holografia são espelhos com reflexão na primeira face, ao contrário dos espelhos convencionais que são espelhados por trás. Existem várias técnicas de produção de hologramas: reflexão, transmissão e arco-íris.[4]

3.1. Holografia por reflexão

Na holografia por reflexão, o laser passa por uma lente, pela película de gravação e atinge o objecto. A lente espalha o feixe laser de modo a cobrir todo o objecto. O objecto reflecte o laser directamente para a película, esta é atingida pelo laser original na face oposta, criando-se a figura de interferência. Neste tipo de holograma, apenas a parte do objecto mais próxima ao filme será bem registada. Não existe flexibilidade para variar a iluminação do objecto, pois a mesma será sempre alinhada com o ângulo do feixe

de referência. Quando se pretende iluminar um objecto mais complexo, um feixe único de luz é insuficiente para se conseguirem resultados adequados. Além disso, não se pode controlar a razão entre as intensidades do feixe de referência e o feixe do objecto, factor importante para a obtenção de hologramas eficientes. Este holograma tem a vantagem de ter a sua imagem reconstruída com luz branca incoerente, permitindo a sua visualização com uma lâmpada incandescente comum, no entanto não é possível fazer cópias, o que o torna limitativo.[5]

Figura 1 - Holograma por Reflexão

3.2. Holografia por transmissão

A holografia por transmissão consiste na gravação de uma película com uma interferência entre dois feixes do mesmo laser, um vindo directamente do laser outro obtido por reflexão do objecto a registar. Para a imagem ser vista, faz-se incidir sobre a película um laser com as mesmas características e ângulo de incidência. São usados laser por estes serem monocromáticos (tem apenas uma única frequência), desta forma as ondas por ele emitidas avançam todas em fase. O laser comum possui um comprimento de coerência de apenas alguns centímetros, o que limita o volume do objecto a ser holografado com esta técnica. Por este motivo as zonas do objecto mais próximas da película ficam com melhor definição. A grande dificuldade está em distribuir uniformemente a luz sobre o objecto o que pode comprometer seriamente a sua iluminação.

Figura 2 - Holograma por transmissão

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3.3. Holografia por arco-íris

Os hologramas em arco-íris são criados a partir de uma holograma normal (transmissão ou reflexão) que é usado como objecto e um outro holograma criado com uma abertura. A abertura limita a perspectiva da imagem evitando a paralaxe. Este processo elimina a necessidade de luz coerente permitindo visualizar a imagem 3D com luz ambiente comum. Se o observador se mover no eixo vertical, embora não seja visível, a cor da imagem varre as cores do arco-íris.

Figura 3 - Holografia por Arco-Íris

4. FOTOGRAFIA VS HOLOGRAFIA

A fotografia e a holografia diferem bastante entre si, enquanto que a primeira é uma representação bidimensional de um objecto em que apenas é representada a intensidade da luz, na holografia tem informação acerca da profundidade, oferecendo portanto uma representação tridimensional. Uma fotografia para ser revelada requer um negativo, enquanto que num holograma não é necessário. Esta particularidade perdeu o seu interesse nos dias que correm com a introdução da fotografia digital. Quando uma fotografia é cortada a meio, cada parte mostra exactamente metade do cenário. Quando um holograma é cortado a meio, o cenário inteiro ainda pode ser visto em cada uma das metades. Tal acontece pois numa fotografia cada ponto representa a luz espalhada de um ponto do cenário, enquanto que num holograma, cada ponto do holograma contém informação da luz espalhada de todos os pontos do cenário. Num holograma, caso este seja repartido em partes, cada uma dessas partes contém informação acerca do holograma original como um todo, sendo por isso possível a sua reconstrução, enquanto que numa fotografia, a perda de apenas uma pequena parte resulta em destruição informação que não pode voltar a ser recuperada.

Um holograma tem uma capacidade muito maior de armazenamento de informação quando comparado com uma fotografia. Uma lente é necessária para gravar uma fotografia, enquanto que num holograma apenas a luz dispersada é utilizada. Uma fotografia pode ser vista numa panóplia de diferentes condições, enquanto que um holograma apenas pode ser visto quando existem as condições certas de iluminação.

5. APLICAÇÕES

A holografia é uma área que pode ser bastante explorada, pois ainda existem bastantes áreas pouco desenvolvidas. De seguida apresentam-se as aplicações mais comuns.

5.1. Etiquetas

Este tipo de hologramas é o mais observado pelo utilizador comum, e podem ser encontrados em notas, cartões e etiquetas, pois têm um custo de produção bastante baixo e oferecem simplicidade. São também muito vantajosos pois oferecem segurança contra falsificações. Este tipo de hologramas consiste na gravação dos mesmos em películas utilizando o método inventado por S.A. Benton em 1968. Conforme a luz incidente, estes hologramas mostram diferentes cores.

Figura 4 - Holograma de uma nota de 50 €

5.2. Head Up Display

Este tipo de dispositivos consistem em imagens geradas num ecrã transparente. Foram criados para a aviação, nomeadamente militar, e ainda hoje é essa a sua principal aplicação. Aqui, o objectivo é colocar diversas informações no ecrã, para que o piloto possa ter sempre essa informação no seu campo de visão, sem ter necessidade de desviar o olhar, não causando assim perda de atenção ao que se passa a sua frente.

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Esta tecnologia surgiu na década de 60 e foi utilizada em aviões de combate para os sistemas de mira e rapidamente se percebeu que melhorava o desempenho dos pilotos. No final dos anos 80 a tecnologia chegou à industria automóvel, apresentando informações acerca de velocidade e também outras informações acerca do veículo, no entanto nesta área ainda hoje é apenas utilizada nos modelos de gama alta

Figura 5 - Head Up Display num caça F-16

5.3. Televisão

Muitas especulações têm aparecido relativamente à televisão holográfica. Algumas experiências foram feitas mas os problemas persistem e são ainda basicamente dois. Em primeiro lugar, é necessário transmitir à frequência vídeo toda a informação necessárias para reproduzir o holograma num terminal de recepção. A largura de banda do sistema de transmissão deve ser gigantesca, pois um holograma contém muito mais informação do que uma simples cena bidimensional, o que se compreende facilmente por se tratar do registo não de uma única perspectiva mas de múltiplas perspectivas de objectos tridimensionais. Em segundo lugar, o holograma deve ser reconstruído no posto de recepção, com um feixe luminoso adequado. A tecnologia dos cristais líquidos e de outros dispositivos electro-ópticos ou magneto-ópticos não permite ainda a massificação de tais equipamentos[6][7].

5.4. Armazenamento de Dados

Ao aplicar hologramas para guardar informação é possível ter discos em que se atingem maiores densidades de dados. Isto é possível pois ao contrário das actuais tecnologias que apenas usam a superfície de um disco os hologramas usam todo o volume disponível. Para tal são usados 2 lasers, um com o sinal de dados (verde ou azul) e outro uma referência (vermelho). Quando ambos

se intersectam sobre o disco é gravado um holograma. Bastando fazer incidir depois o sinal referência nessa superfície para ler os dados lá guardados. O sinal de referência funciona como um “endereço” para obter os dados. Como se recupera um holograma que vai conter muitos dados que são assim lidos em paralelo conseguem-se obter boas velocidades de leitura. Isto é especialmente importante pois estamos a falar de discos que vão armazenar grandes quantidades de dados que têm de ser facilmente acessíveis. O formato HVD (Holographic Versatile Disc) é o formato em desenvolvimento pelo consórcio HSD constituído por vários construtores asiáticos (entre os quais a Fujifilm). O consórcio dedica-se a standardização (norma ISO) de discos e respectivas drives além de tentar resolver grande parte dos problemas de desenvolvimento. Espera-se que cada disco possa atingir os 3,9TB. A tecnologia usada permite que ambos os lasers se encontrem alinhados do mesmo lado do disco pois a sua combinação é feita com uma única lente. Este formato tem uma grande vantagem ao permitir a leitura de dados apenas com o hardware encontrado nos actuais leitores de DVD (para ler só preciso do laser vermelho). Isto acontece porque a tecnologia foi desenvolvida de modo a acrescentar uma camada de gravação holográfica por cima de um disco óptico convencional. O outro formato é o tapestry da InPhase Technologies. Este já se encontra à venda, tendo cada disco 300GB, 800GB ou mesmo 1,6TB e com as velocidades de leitura a subirem com o tamanho do disco (20, 80 e 120MB/s respectivamente). Também este formato aproveita lasers e um base semelhante á dos disco da tecnologia actual, DVD e Blu-ray. No entanto nem toda a sua óptica se encontra de um lado do disco. Esta característica permite no entanto variar o ângulo de incidência do sinal de referencia o que permite gravar vários hologramas no mesmo volume, aumentando assim a densidade de dados armazenados. A empresa anuncia ainda que os dados se mantêm em bom estado durante 50 anos, contra os 20 do Blu-ray. Actualmente o seu mercado são sistemas de backup/armazenamento de dados para empresas. Em ambos os formatos é oferecida encriptação óptica dos dados gravados através de hardware.

Figura 6 - Evolução dos discos holográficos

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6. A HOLOGRAFIA E O MUNDO ACTUAL

O maior impacto do hologramas vem como é de esperar dos mais desenvolvidos, ou seja, os hologramas de segurança. Estes permitem e maneira simples e barata garantir um bom nível de segurança contra falsificações. Estão presentes na maioria das embalagens de discos tanto de música como vídeo e até software. No entanto a verdadeira prova da sua eficácia em segurança pode ser vista no seu uso em cartões de crédito/débito, identificação e nas notas. A arte é também uma área que soube aproveitar os desenvolvimentos já existentes de modo a criar novos meios de expressão ao permitir a aceder a mais uma dimensão física na representação de imagens/objectos. Tanto museus como outras instituições podem recorrer a hologramas para ter uma representação mais realista/detalhada de objectos até então apenas descritos ou relatados em texto, ou fórmulas/equações. A outra tecnologia de hologramas com um desenvolvimento bastante bom são os Head-Up-Dispalys que começaram por revolucionar a aviação, onde já são hoje norma quer em aviões militares como civis. Permitem um rendimento muito grande dos pilotos ao permitirem aceder aos dados/instrumentos mais importantes sem necessidade de sair do campo visual do piloto. Actualmente já entram no sector automóvel mas ainda se encontram restritos aos modelos topo de gama. A holografia revela-se como uma técnica extraordinariamente eficiente para o registo fiel de objectos tridimensionais. A película holográfica, por sua vez, é um meio fácil de ser copiado e barato de se transportar quando se deseja utilizá-lo em demonstrações e exposições, permitindo uma maior democratização cultural ao se realizarem verdadeiros museus holográficos itinerantes.

7. FUTURO

É talvez no domínio dos materiais holográficos que se irão registar progressos mais significativos neste fim de milénio. da holografia a objectos estáticos ou a sequência de objectos estáticos. Uma área de evolução será́ seguramente a das memórias ópticas reutilizáveis, para aplicações digitais. Importa com efeito encontrar meios passiveis de acumular quantidades significativas de informação para utilizar como memórias de massa, desde que o utilizador possa, com rapidez, alterar o seu conteúdo. Os materiais magneto-ópticos surgem actualmente como os mais promissores, embora as exigências de reutilização continuem a levantar problemas. Refira-se que os materiais magneto-ópticos, com os quais se têm realizado protótipos de discos ópticos, têm sido sujeitos a gravações pontuais com feixes laser devidamente focados

Não está então em causa a utilização da codificação holográfica da informação tridimensional, pressuposto para o registo não de dados digitais mas sim de cenas tridimensionais, de bibliotecas de objectos ou de ambientes[7]. O outro grande campo em que é previsível, embora a um prazo mais longo, um aumento da utilização é a imagem e vídeo a 3D com hologramas. Os hologramas ainda estão nos domínio dos protótipos pois ainda utilizam muita informação e como tal exigem muita capacidade de processamento assim como o desenvolvimento dos lasers e restantes materiais usados para que se tornem mais baratos e simples. A quantidade de informação terá de ser resolvida através de codificações eficazes na compressão dos dados tridimensionais. Estes possuem mais uma dimensão que os tradicionais sinais de imagem e vídeo que terá de ser convenientemente explorada. Quanto aos materiais em si é natural que ao longo do tempo se desenvolvam e se tornem mais simples, eficazes e baratos, como acontece com qualquer tecnologia. O conceito de holografia associado a vídeo 3D poderá ser muito útil por exemplo para facilitar diagnósticos médicos em que uma melhor visualização de órgãos, cavidades ou outras partes do corpo a 3D podem revelar pormenores que actualmente não são tão visíveis. Esta mais valia também é válida para projecto/visualização de peças/objectos a 3D assim como conjuntos destes, por exemplo peças mecânicas. Uma vez que o mercado da holografia estará no grande consumo no futuro, as duas grandes áreas que deverão sofrer mais alterações face ao seu formato actual serão a publicidade e o entretenimento. Na publicidade claramente as 3 dimensões permitem captar mais atenção de cada pessoa e de mais pessoas, ou seja, assenta que nem uma luva no objectivos da publicidade ao passar a mensagem de maneira muito mais eficaz. No entretenimento trata-se de atingir uma maior telepresença ao dar mais realismo e detalhe á experiência proporcionada aos utilizadores.

8. CONCLUSÃO

A holografia é a técnica de criação de imagens tridimensionais através do uso de um filme fotográfico exposto a uma projecção laser. É de notar que o holograma difere da fotografia tradicional porque esta apenas grava a intensidade da luz reflectida pelo objecto, ao passo que o holograma grava também a fase. Importa ainda referir que os hologramas são uma excelente protecção contra a pirataria porque são difíceis de serem copiados. Desta forma a holografia não deve ser confundida simplesmente como mais uma forma de visualização de

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imagens em 3 dimensões, mas sim como um processo de se codificar uma informação visual e depois (através do laser) descodificá-la recriando "integralmente" esta mesma informação. Esta área terá um forte desenvolvimento no futuro, sendo uma área onde o investimento será seguramente muito forte dadas todas as suas possibilidades.

9. REFERÊNCIAS

[1] “Holografia – Wikipédia, a enciclopédia livre.” [Online]. Available: http://pt.wikipedia.org/wiki/Holografia. [Accessed: 10-Dec-2014].

[2] “History of the holography.” [Online]. Available: http://www.holography.ru/histeng.htm. [Accessed: 10-Dec-2014].

[3] The History and Development of Holography. Holophile.com.

[4] “Holography Concepts.” [Online]. Available: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/optmod/holcon.html. [Accessed: 10-Dec-2014].

[5] “Technology of the holography.” [Online]. Available: http://www.holography.ru/techeng.htm. [Accessed: 10-Dec-2014].

[6] MIT unveils holographic TV system. . [7] M. Rebord, “HOLOGRAFIA  : A Holografia permite

registar e utilizar as características tridimensionais reais,” pp. 18–34, 1983.

João Santos, nascido em Santarém, Portugal em Janeiro de 1992. Actualmente finalista do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores no Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa.

João Pedrosa, nascido em Santarém, Portugal em Julho de 1992. Actualmente finalista do Mestrado Integrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores no Instituto Superior Técnico, Universidade Técnica de Lisboa.