A holografia é um método que utiliza técnicas de interferência de luz para registrar uma imagem de forma integral em 3D. O método consiste na gravação de imagens que viabilizam a reconstrução de cenas que proporcionam ao observador uma visão espacial, com uma experiência visual de profundidade sob múltiplos ângulos, semelhante à observação de objetos reais. O termo holografia quer dizer "escrita integral" também é conhecida por holograma, que quer dizer "registro inteiro" ou "registro integral", por se tratar de uma imagem registrada em 3D.
História thumb|Holograma quebrado em dois mostra mesma imagem em vistas diferentes. O holograma inteiro mostrava uma espécie de cubo, ao ser quebrado apresenta, em cada pedaço, um ângulo distinto do mesmo objeto Foi concebida teoricamente em 1948 pelo húngaro Dennis Gabor, vencedor do Prêmio Nobel de Física em 1971, e somente aplicada de forma prática após a invenção do LASER nos anos 60. Além de servir como forma de registro de imagens ela também é utilizada pela Física como uma sofisticada técnica para análise de materiais e armazenamento de dados.
Os nomes Holografia e Holograma vem do grego. Holos (todo, inteiro), graphos (escrita) e gramma (registro escrito, sinal); assim são praticamente sinônimos que expressam um método de registro, de "escrita integral" da informação visual, com relevo e profundidade.
Os hologramas possuem uma característica única: cada parte deles possui a informação do todo ("distributividade"). Assim, um pequeno pedaço de um holograma tem informações da imagem do mesmo holograma completo. Ela poderá ser vista na íntegra, mas a partir de um ângulo restrito. Uma comparação simplista pode ser feita com uma janela: se a cobrirmos, deixando um pequeno buraco na cobertura, permitiremos a um espectador continuar a observar a paisagem do outro lado, porém, por conta do buraco, de um ângulo muito restrito; mas ainda se conseguirá ver a paisagem.
Este conceito de registro "total ou integral", no qual cada parte possui a informações do todo, é utilizado em outras áreas, como na Neurologia e na Neuropsicologia, para explicar como o cérebro armazena as informações ou como a nossa memória funciona.
Desta forma, a holografia não deve ser considerada simplesmente como mais uma forma de visualização de imagens em três dimensões, mas sim como um processo de se codificar uma informação visual e depois (através do laser) decodificá-la, recriando "integralmente" esta mesma informação.
É importante notar que diversas formas de projeção de imagem são erroneamente chamadas de holográficas por resultarem em imagens que "aparentemente" estão no ar (projeções sobre telas transparentes, películas especiais, làminas de água ou óleo e mesmo sobre fumaça).
Na verdade, o sentido da holografia é o da reconstrução e da integralidade da imagem e não de uma impressão visual fantasmagórica que geralmente é em duas dimensões, mas "anunciada ou vendida" como sendo holográfica.
É importante notar que, até hoje, não existe uma forma de projeção de imagens no ar sem qualquer tipo suporte, seja ela holográfica ou não.
Propriedades Em termos físicos os hologramas têm propriedades diferentes de outros meios visuais como já citado acima, sendo as mais relevantes a "perspectiva", "associatividade" e a "distributividade", aqui explicadas brevemente.
Perspectiva Esta propriedade trata da possibilidade de observar o objeto representado pelo holograma de diferentes posições (diferentes ângulos) com profundidade (relevo). Quando observamos uma imagem holográfica, estamos na realidade vendo a frente de onda gerada pelo objeto, isto é vemos a "reconstrução" do objeto em luz e assim temos a impressão de estarmos na presença do próprio objeto, diferentemente das fotografias onde não há uma "reconstrução".
Associatividade O holograma é criado pela associação de duas ondas, sendo uma a onda que ilumina o holograma podendo ser perpendicular(O) ou paralela(R) ao mesmo. Estas duas ondas estão presentes durante a gravação, ondas R e S são ambas associadas ao holograma que elas geraram.
Distributividade Como explicado no início no holograma, a informação registrada está distribuída ao longo de toda sua superfície. No caso de uma fotografia a cobertura ou destruição de uma parte dela também cobre ou destrói parte da informação, fazendo com que a imagem deixe de ser completa. Com hologramas, especialmente com os de transmissão, isso não ocorre, a destruição ou cobertura parcial do mesmo não resulta em perda de informação, por ela estar distribuída em toda a sua superfície, o que são afetadas porém, são a qualidade e a resolução da imagem registrada, proporcionalmente a percentagem de área afetada. O relevo e a perspectiva também são reduzidos pela diminuição da "janela" de observação.
Método de Leith e Upatnieks thumb|Esquema da geração de uma holografia
Desde 1962, este método usa laser e lentes para abrir os raios e assim iluminar propriamente o objecto.
Divide-se o laser em dois feixes por meio de um espelho que reflete apenas parcialmente a luz. O primeiro raio ilumina o objecto e faz sua imagem chegar ao filme fotográfico; o outro é direcionado por um segundo espelho e incide diretamente sobre o filme. Há então um cruzamento dos dois raios sobre a superfície do filme (aquele com a imagem do objecto e o que atingiu diretamente) fazendo com que as ondas de luz interfiram umas nas outras. Onde as cristas das ondas se encontram, forma-se luz mais intensa; onde uma crista de um feixe encontra o intervalo de onda de outro, forma-se uma região escura. Esta sobreposição é possível porque o laser se propaga através de ondas paralelas e igualmente espaçadas. O resultado é codificação da luz que atingia o objecto resultando em uma imagem tridimensional que reproduz o objecto fielmente.
Porém ela só é vista quando se ilumina este filme com um laser. Para que esta imagem seja vista com a luz branca normal é preciso fazer todo processo novamente, só que desta vez substituindo o objecto pelo filme que já contém a imagem holográfica. Assim, coloca-se o filme exposto e revelado no lugar do objecto a ser holografado e um outro filme virgem que receberá a imagem através dos dois feixes. O resultado é um holograma visível sob a luz branca. Na verdade, pode-se considerar a holografia como uma "reconstrução luminosa do objecto" em três dimensões. A técnica de Gabor foi aperfeiçoada ao longo do tempo por outros cientistas como Stephen Benton, o que permitiu uma difusão da holografia fazendo com que fosse utilizada mais facilmente para ver pela luz branca e que pudesse ser estampada em plástico por transferência de relevo.
Yuri N. Denisyuk em 1958, época em que ainda não existia o laser, inventou em forma isolada a holografia em processo que ilumina ao material fotossensível com o feixe de referência do lado oposto ao feixe objeto, permitindo a iluminação pela luz branca, que resulta automaticamente filtrada em uma pequena banda monocromática.
Os hologramas podem ser reproduzidos em película fotográfica, películas plásticas especiais ou como resultado de um processo de relevo em superfícies metalizadas (por exemplo poliéster metalizado) gerando hologramas impressos ou "em relevo".
Holograma de Fourier Uma configuração de holograma muito usual é a do Holograma de Fourier, que consta em um holograma no qual as amplitudes complexas das ondas que interferem no mesmo são alteradas por meio da transformação de Fourier.Com isso temos uma mudança tanto nas amplitudes complexas dos objetos quanto nas ondas referenciais, para que isso aconteça são usados objetos com espessura limitada quase como uma transparência.
Para gravar um holograma de Fourier, a transparência do objeto deve ser colocada em frente ao plano focal da lente utilizada.Deve ser utilizada um feixe de luz monocromática como iluminação.Este mesmo feixe também deverá estar localizado em frente ao plano focal da lente.Com este procedimento temos a impressão do holograma em uma placa fotográfica que é localizada atrás do plano focal.
Podemos calcular a amplitude complexa na placa fotográfica, que é então localizada na parte de trás do plano focal da lente,pela equação abaixo se a amplitude complexa da onda que sai do plano do objeto é do tipo o(x,y).
O feixe de luz é também derivado de um ponto localizado em frente ao plano focal da lente. A amplitude complexa da onda que passa na placa fotográfica pode ser calculada com a fórmula a seguir, se δ(x+b, y) for a amplitude complexa do ponto falado neste parágrafo.
Estas duas ondas relatadas acima criam uma intensidade no padrão de interferência que é demonstrada pela equação a seguir:
Para reconstruir a imagem do holograma, é necessário que o holograma utilizado seja colocado em frente ao plano focal da lente como mostra a figura 1.2 e iluminar-lo com um feixe de luz monocromático.
Formulas matemáticas Para uma onda harmônica plana, tendo cossenos diretores,α, β e Y são representados pelas formulas:
Em geral é utilizado a formula abaixo para ondas de qualquer forma, sendo sempre harmônica, podendo ser representada pelo seu espectro angular de ondas planas:
Franjas de interferência Podemos representar os fatores dos objetos(o) e do referencial(r) a partir da equações abaixo:
No local do espaço onde estas ondas se encontram (superpõe), esta interferência acarreta no aparecimento de franjas brilhantes e escuras como é mostrado na figura abaixo:
Temos então uma nova intensidade que resulta:
Sendo que "o(x,y) e r(x,y)" são as amplitudes, que determinam a modulação das franjas,de ambas as ondas utilizadas e "θo(x,y) e θr(x,y)" suas fases, que designam o período e a orientação das mesmas.Logo, todas as franjas que são gravadas em uma placa tem as características de ambas as ondas também gravadas.
Técnica para a reprodução de hologramas Em várias ocasiões necessitamos de cópias de um holograma. Para tal fato acontecer temos algumas possibilidades,como por exemplo: iluminar o holograma com o conjugado da onda referencial. Esta onda pode então ser utilizada em conjunto com outra onda referencial para então criar uma segunda cópia do mesmo.É possível também que seja produzido a cópia que reconstrua uma imagem real ortoscópica,mas como também uma cópia com uma eficiência de difração melhorada.
Algumas técnicas de utilização para cópia de hologramas são apresentadas a seguir:
"Contact printing" Uma das técnicas mais fáceis para a produção de vários hologramas idênticos é pela utilização da "Contact Printing" no holograma original para um outro material fotossensível.Na cópia é então gravada o padrão de interferência formado pela luz difratada proveniente do holograma e a luz transmitida pelo mesmo, a iluminação deve estar adequada para produzir "franjas" de interferência com alta visibilidade.A interferência fica entre raios que são separados por uma distância "Δx"(representada na fórmula abaixo), isso apenas ocorre quando a luz é difratada com um ângulo "θ" .
Diferença de trajeto óptico entre os dois raios é encontrado por:
Com o intuito de se ter uma cópia com uma eficiência de difração boa é necessário um cuidado com a exposição e com as condições de transformação escolhidas para o holograma original.Estas escolhas devem se basear na amplitude da onda transmitida e na da onda difratada, as quais devem ser semelhantes.Também devemos cuidar com alguns aspectos da frente de onda na qual direção, a curvatura e o comprido de onda do referencial original devem ser mantidos no sistema de cópia.Temos também há a possibilidade de usar um fluido "indexmatching" entre o holograma e a cópia, com finalidade de eliminar "franjas de interferência espúrias" que são formada pela reflexão entre as duas superfícies.
Gravação em relevo - Holograma impresso Hologramas gravados em um "objeto foto resistivo" podem ser copiados pela técnica de gravação em relevo.