Estoy en la sala de un museo y pienso: “Me gusta esa escultura que estoy viendo”. Debo corregirme. En realidad, lo que estoy viendo no es la escultura, es la luz que viene de ella. De hecho, si se ilumina con fuentes de color diferentes, la escultura cambia de color, y si no se ilumina, sencillamente no la vemos. Además, cuando cambio de posición, veo diferentes perspectivas de la misma.

La escultura nos ha gustado tanto que hemos decidido fotografiarla. Al observar la foto, nos damos cuenta de que le falta algo: la fotografía es capaz de registrar muy bien todo lo relacionado con las intensidades sobre la superficie de la escultura vista desde la cámara, pero no ofrece la sensación volumétrica natural de su distribución en el espacio. ¿Existe alguna forma de registrar esa información que falta? La respuesta es la holografía.

La holografía, según la RAE, es una "técnica fotográfica que, mediante iluminación por láser, permite obtener imágenes tridimensionales (espaciales) en color". Es una disciplina bien establecida que fue introducida por Denis Gabor en 1947. En esencia, consiste en grabar en una superficie de registro las amplitudes y las fases de las ondas de luz que llegan desde un objeto, mediante un fenómeno bien conocido en física denominado interferencia.

El holograma respeta la información que nuestro sistema visual utiliza para extraer información de la profundidad de una escena o un objeto. Y, en una situación ideal, en la que todos los elementos de esta tecnología se comportaran de manera perfecta, no podríamos distinguir si lo que observamos es real o una representación de esa realidad.

Aplicaciones

Desde sus inicios, los hologramas han suscitado interés en diversos ámbitos: la posibilidad de ver e interactuar con una escena tridimensional virtual ha sido siempre muy seductora para el cine, todos recordamos la escena de la princesa Leia en ‘La Guerra de las Galaxias’ o el Holodeck que aparece en la serie ‘Star-Trek’.

Pero las aplicaciones de la holografía van más allá de estos ejemplos. El comportamiento interferencial de la luz permite realizar medidas de altísima precisión y de forma no intrusiva. Así, podemos medir variaciones por debajo de la milésima de milímetro o temperaturas en gases encerrados en burbujas que pueden alcanzar temperaturas de cientos de grados. Para ello se superponen dos ondas del objeto a medir: la que hemos guardado en un holograma y la que nos ofrece el objeto en sí. Las diferencias entre ambas ondas indican las deformaciones o variaciones térmicas que ha sufrido.

También encontramos hologramas en aplicaciones relacionadas con la seguridad: todos podemos observar en un billete de cinco euros una banda plateada en la que aparece el holograma de Europa o el símbolo del euro.

Sin embargo, muchas de esas cosas que pensamos que son holografía –ya sean cantantes fallecidos sobre un escenario o imágenes vistas con gafas especiales–, realmente no lo son.

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Normalmente se confunden con los hologramas los resultados de visiones de imágenes obtenidas con diferentes dispositivos que permiten generar sensaciones espaciales tridimensionales. Por ejemplo, el proyector holográfico Cheoptics 360, la pantalla basada en aire Heliodisplay, el ‘display’ 3D Interactive 360º Light Field Display, …

Mientras esas técnicas requieren una pantalla, más o menos detectable –de cristal, traslúcida, de aire, agua, humo, paneles…– sobre la que la luz incide y se refleja o se transmite de cara al observador, en el caso de la holografía no es necesario que exista nada: la visión es tan natural como cuando miramos la realidad, que no tiene pantallas. Esto no significa, que no existan dispositivos que sirvan para almacenar un holograma y transportarlo. Es el caso de los hologramas analógicos que todos hemos podido ver en alguna exposición.

Resumiendo, un holograma es una grabación de un mundo real o sintético en un medio de registro que almacena un patrón de interferencia. Cuando está adecuadamente iluminado, el patrón de interferencia difracta la luz creando una reproducción precisa del campo de luz original, y los objetos que estaban en él exhiben señales de profundidad, tales como paralaje, convergencia, acomodación y perspectiva, que cambian de manera realista con los diferentes ángulos de visión con los que se mire el holograma. Por eso las imágenes que observamos de los hologramas no solo ofrecen la ilusión de profundidad natural, sino que son verdaderamente tridimensionales.

Grupo de Tecnología Óptica Láser, I3A-Universidad de Zaragoza (TOL-I3A-UZ)

Cómo hacer y ver un holograma analógico

Para hacer el holograma de un objeto se requiere una fuente de luz láser, que es coherente (la luz solar o de una bombilla no lo son), a partir de la cual se generan dos ondas: la primera debe iluminar el objeto y dirigirse hacia la superficie de registro, y la segunda debe incidir directamente sobre dicha superficie. De esta manera ambas ondas se suman de forma coherente, o lo que es lo mismo, interfieren sobre la superficie de registro. Dicho patrón de interferencia es el holograma.

F. J. Serón, A. Blesa y J. A. Magallón

La superficie de registro guarda el patrón de interferencias que se crea sobre ella mediante alguna propiedad que caracterice al medio fotosensible expresado o bien mediante variaciones de opacidades o índices de refracción. Posteriormente y mediante un proceso de revelado, el holograma queda registrado en la placa. El resultado es una distribución de valores de estas propiedades proporcionales a las definidas por el patrón de interferencia al que ha sido expuesto el medio. Las variaciones de intensidad de estos patrones tienen dimensiones en el rango de milésimas de milímetro (como el tamaño de la longitud de onda de la luz láser que estamos utilizando).

Serón, Blesa y Magallón

Lo último que hay que hacer para poder ver (reconstruir) el holograma, es iluminar dicha placa adecuadamente. Esta onda de iluminación (su amplitud, su fase o ambas), al atravesar la placa de registro, incorpora en ella la información de las amplitudes y/o fases grabadas. Matemáticamente equivale a una multiplicación de la onda de iluminación por el valor en cada punto guardado en la placa de registro. Para entender este fenómeno de iluminación debemos acudir al comportamiento difractivo de la luz; que explica muy bien cómo interactúa con un conjunto de elementos interferenciales del tamaño del orden de su longitud de onda. El resultado final de esta composición genera varias ondas diferentes: además de la onda de iluminación también se consigue recuperar la misma onda que ha emitido el objeto real durante el proceso de registro.

Grupo TOL-I3A-UZ

En una situación ideal, en la que todos los elementos indicados se comportaran de manera perfecta, no podríamos distinguir si lo que observamos es real o una representación de esa realidad.

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Cómo hacer y ver un holograma digital

El proceso de registro de un holograma analógico busca guardar el patrón de interferencias, pero ¿podríamos calcularlo? Este es el objetivo de la holografía digital, ‘hologramas generados por computador’ –conocidos como CGH de sus siglas en inglés–.

F. J. Serón, A. Blesa y J. A. Magallón

Se trata de modelar y simular el fenómeno físico, es decir, calcular los valores relevantes de la onda de un objeto que llega al plano del holograma y guardarlos en un fichero para presentarlos, posteriormente en un ‘display’ (especial), que es iluminado por una fuente de luz coherente. El proceso de visualización es equivalente al descrito para los hologramas analógicos. Pero el pequeño problema es que por el momento no existen dispositivos físicos que sean capaces de reproducir los hologramas digitales espacialmente. Si existieran, lo que se mostraría es lo mismo que hay en la escena real y el ojo lo podría observar flotando en el espacio.

Primeros pasos

Para almacenar en un soporte físico toda la información de un holograma, hay posibilidad de utilizar medios de registro analógicos, mediante placas fotosensibles, o bien ficheros digitales. En la actualidad, los medios analógicos tienen unas prestaciones claramente superiores a los medios digitales en cuanto a calidad y tamaño de imagen. La tecnología de sensores y ‘displays’ aún no ha alcanzado la densidad de integración necesaria para grabar los patrones de interferencia de escenas complejas.

Por otra parte, los medios de registro digital son más flexibles y permiten generar hologramas de objetos virtuales. Se pueden generar hologramas sintéticos por computador, pero su calidad todavía dista de ser comparable con la calidad que ofrecen los hologramas analógicos.

Es como ocurrió en el cine con las escenas hechas con ordenador. En 1982 se estrenó la magnífica película ‘Tron’, en la que veíamos por primera vez un gran conjunto de escenas sintéticas, generadas mediante un computador, donde aparecían integrados los protagonistas de la película. Aunque el coste fue mayor que los beneficios, destacó entre el resto de las producciones por un motivo: incluía en el mundo real, de forma explícita, escenarios que no existían. Si vemos esta película con los ojos de 2022, su estética nos parecerá muy simple. Cualquier película actual, incluso de presupuesto modesto, tiene escenas sintéticas calculadas por un computador de una calidad muy superior y casi indistinguibles de las escenas reales filmadas.

En la actualidad, la holografía digital (los CGH) tiene un grado de madurez similar al de este ejemplo. Por el momento los problemas tienen que ver con el tamaño de los ‘displays’ para visualizar los hologramas sintéticos, que todavía son muy pequeños y ofrecen poca resolución. Pero no todo son desventajas. Mientras los medios de registro analógico no permiten modificar el holograma, los ‘displays’ que permiten visualizar los CGH se pueden comportar dinámicamente; esto es, el holograma puede ser dinámico.

En la actualidad es muy difícil discernir entre una fotografía de una escena real y otra generada sintéticamente. ¿Ocurrirá lo mismo con la holografía? Al igual que pasó en la fotografía, los medios de registro digital están mejorando para alcanzar y superar en calidad a los medios de registro analógicos una vez resueltas las restricciones tecnológicas actuales. Si ello se consigue, la imagen holográfica podría llegar a ser la tecnología de visualización natural del mañana.

En el futuro, cuando vaya al museo puede que le surja la pregunta: ¿estaré viendo la escultura o una imagen holográfica de la escultura?

Francisco José Serón Arbeloa, Alfonso Blesa Gascón y Juan Antonio Magallón Lacarta Profesores del Grupo de Informática Gráfica Avanzada de la Universidad de Zaragoza

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