Computadoras Holográficas

1. Introducción

En la actualidad, se cuenta con hologramas generados por computadoras y de hologramas generados químicamente de la misma manera, por medio de la configuración de franjas, tienen la información de la forma y la estructura en que se esparce luz. Para observar este tipo de hologramas, también es necesario que se reconstruyan un haz de luz coherente proveniente de un láser. Algunos tipos de hologramas son de: Fresnel, Fraunhofer, Imagen, y de Fourier. En la actualidad, con el desarrollo de las computadoras y del software científico, y con la ayuda de algoritmos de transformadas discretas de Fourier o de Fresnel es posible diseñar fácilmente hologramas. A menudo, se usa el algoritmo de la transformada rápida de Fourier.
Los hologramas generados por computadora ayudan a producir frentes de onda con una amplitud diseñada y una cierta distribución de fase; las aplicaciones de dichos sistemas se aplican en exploración por láser, en filtros espaciales ópticos, en pruebas de superficies ópticas y sobre todo como memorias holográficas. Para realizar los hologramas de Fourier, se graba el patrón de interferencia entre dos haces provenientes de un láser. Uno llamado haz de referencia y otro que ilumina al objeto y pasa por una lente positiva (convexa) llamado haz objeto. El haz objeto que hace interferencia es la transformada de Fourier del objeto que se forma en el plano de frecuencias de la lente (o también conocido como plano de Fourier).

2. Objetivos

El objetivo principal del tema de Computadoras Holográficas, está basada en el reduccionismo que día a día se ve como influencia en el mundo moderno, especialmente en el mundo tecnológico, como por ejemplo podemos ver que el almacenamiento, en el pasado, un disco duro no podía almacenar mas de 1GB, hoy en día, esta capacidad se ve multiplicada por 1000, y en menor proporción de tamaño a los que se usaba anteriormente; otro ejemplo de la actualidad son las pantallas o monitores, que hoy en la actualidad se fabrican con tecnología LCD o LED, de tal modo la extinción de estos ya está escrita, debido a la evolución de la tecnología, en un futuro no muy lejano estaremos a merced de las computadoras holográficas en el espacio, ya seá por su bajo costo y mayores beneficios, en el cual no se necesitara el uso de componentes físicos, como ser: monitor, teclado, mouse, joystick, etc. Solo bastara un simple computador holográfico, basado en lo que actualmente conocemos como proyector holográfico.
Nuestra opinión personal es que el reduccionismo de la tecnología no morirá, pero sí se desarrollará la consciencia de que para resolver ciertos problemas existe la necesidad de recurrir a un paradigma más avanzado. De la misma manera que la Mecánica de Newton sigue aplicándose en la vida diaria en el 99% de las ocasiones, y la Relatividad sólo se reserva para casos complejos y especiales, el reduccionismo seguirá siendo útil en la mayoría de los casos, pero aquellos sistemas más interesantes y complejos se deberán analizar usando el paradigma holográfico. Después de todo, el universo no es un reloj de cuerda sino más bien un inmenso holograma.

3. Descripción

• Computadoras Holográficas

La holografía es una técnica avanzada de fotografía, que consiste en crear imágenes tridimensionales. Para esto se utiliza un rayo láser, que graba microscópicamente una película fotosensible. Ésta, al recibir la luz desde la perspectiva adecuada, proyecta una imagen en tres dimensiones.
La holografía fue inventada en el año 1947 por el físico húngaro Dennis Gabor, que recibió por esto el Premio Nobel de Física en 1971. Recibió la patente GB685286 por su invención. Sin embargo, se perfeccionó años más tarde con el desarrollo del láser, pues los hologramas de Gabor eran muy primitivos a causa de las fuentes de luz tan pobres que se utilizaban en sus tiempos.
Originalmente, Gabor sólo quería encontrar una manera para mejorar la resolución y definición de las imágenes del microscopio electrónico. Llamó a este proceso holografía, del griego holos, “completo”, ya que los hologramas mostraban un objeto completamente y no sólo una perspectiva.
Los primeros hologramas que verdaderamente representaban un objeto tridimensional bien definido fueron hechos por Emmett Leith y Juris Upatnieks, en Estados Unidos en 1963, y por Yuri Denisyuk en la Unión Soviética.
Uno de los avances más prometedores hechos recientemente ha sido su uso para los reproductores de DVD y otras aplicaciones. También se utiliza actualmente en tarjetas de crédito, billetes y discos compactos, además de su uso como símbolo de originalidad y seguridad.

• Pantallas Holográficas Interactivas

Las pantallas holográficas interactivas consisten en pantallas holográficas, es decir, pantallas que forman las imágenes a partir de la proyección de rayos de luz sobre un soporte de cristal ya sea opaco o transparente, y que a la vez permiten la interactividad, que consiste en dejar que el usuario pueda decidir qué es lo que quiere ver proyectado y modificarlo siempre que quiera con sus manos.

El sistema que usan las pantallas holográficas interactivas consta de tres componentes básicos:

Un proyector.
Un ordenador.
Dos films.

El funcionamiento es el siguiente: el ordenador envía al proyector la imagen a proyectar. El proyector al recibir la señal genera los rayos de luz que inciden sobre el film pantalla generando la imagen holográfica. Finalmente, cuando el usuario entra en contacto con la pantalla y le da instrucciones usando las manos como si fueran el ratón del ordenador, el film membrana táctil capta estos movimientos, genera los impulsos eléctricos correspondientes y los envía al ordenador. El ordenador interpreta los impulsos recibidos y modifica la imagen a proyectar de acuerdo con esta información.

4. Conclusiones

• El Reduccionismo

“La naturaleza de las cosas complejas se reduce a la suma de cosas más simples o fundamentales.”
Esta idea se llama “reduccionismo” y no ha sido hasta hace muy poco que se ha empezado a dudar de su veracidad, pues existen en la naturaleza algunos sistemas complejos que se niegan a ser llevados a sus partes fundamentales tan fácilmente. Entre ellos están los sistemas biológicos conocidos como seres vivos.
En términos técnicos, el reduccionismo nos dice que los sistemas son lineales, y que todos funcionan al modo de los mecanismos de relojería. Podemos ilustrarlo por la manera que un relojero determina como funcionan sus relojes, estudiando cada engranaje y cada piñón, sus torques y transmisiones, de tal forma que sumando sus efectos individuales comprende lo que hace la maquinaria entera. Basta mirar el plano de un reloj y mirar cada pieza para sumar sus efectos y saber cómo funcionará el sistema completo.
En efecto, hay en el universo una infinidad de sistemas que se comportan en forma lineal y que se adaptan fácilmente al reduccionismo. El método científico en sí mismo enseña a analizar las partes para entender el todo.
Sin embargo, existen fenómenos que se oponen fieramente al reduccionismo. De entre los más intrigantes son aquellos de la física de lo extremadamente pequeño. Cuando queremos comprender qué es un electrón, por ejemplo, nos damos cuenta que los fenómenos físicos pueden ser mucho más complejos de lo esperado y que las “partes elementales” de nuestro mundo de relojero parecieran tener propiedades mágicas.
Los fenómenos climáticos, entre otros, se rigen por matemáticas no lineales, que producen comportamientos denominados caóticos, que se niegan sistemáticamente a la aplicación del reduccionismo clásico y que están forzando a los científicos a estudiarlos con otro tipo de paradigmas y mentalidades más abiertas.
Finalmente, existe en el universo un sistema natural que es en extremo complejo y que nos oculta sus secretos porfiadamente. Se trata de un mecanismo no lineal en extremo, que nos se deja reducir a partes elementales. Es el objeto más complejo conocido en el universo y uno de sus productos es la conciencia. Se trata del cerebro humano.

• Un Mundo Holográfico

La invención de la holografía en 1947 por Dennis Gabor afectó profundamente la visión del mundo impuesta por el “reduccionismo”, pues los hologramas podían fraccionarse y cada una de sus partes todavía contenía información suficiente para reproducir la imagen completa. Se perdía resolución, por supuesto, pero el “todo” era claramente reconocible en función de una “parte”.
En la fotografía convencional se almacena un registro punto por punto de la intensidad y color de la luz. Si cortamos la fotografía con una tijera, la zona descartada se pierde para siempre y ya no la podemos recuperar del resto de la imagen. En un holograma, en cambio, lo que se graba no es sólo la intensidad sino que el patrón de interferencia de la luz incidente en cada punto de la imagen con respecto a un láser de referencia. Para hacerlo se usa un rayo de referencia que es combinado con la luz de la escena. Si ambos rayos provienen del mismo láser se crea una interferencia óptica debido a la superposición de ondas de luz. Ese patrón es almacenado en la placa holográfica.
Lo importante aquí es que la información que recibe el observador no está grabada en la placa en un punto único, sino que es toda la placa la cual registra los patrones de interferencias adecuados para reproducir la escena al ser iluminada por un láser, generando una imagen idéntica al original desde cualquier ángulo que se le mire. Ahora bien, si alguien decide cortar un holograma en trozos, cada uno de ellos seguirá reproduciendo la escena completa, sólo que a menor calidad.

• Hologramas Naturales

Desde hace mucho tiempo se sabe que el cuerpo humano también maneja su información de manera distribuida. Cada una de las células porta toda la información genética de un hombre. De manera un tanto misteriosa, el cuerpo se repara continuamente, activando porciones del código genético en ciertas células y no en otras. El control de toda esta actividad es claramente distribuido en todo el organismo, sin existir una unidad central que lo regule. Sistemas como el inmunológico y el nervioso, entre otros, se regulan a la manera de un holograma.

• Mecánica Cuántica

A principios del siglo veinte la ciencia comenzó a darse cuenta que la realidad era mucho más compleja de lo que nunca pensó. La idea que la materia estaba hecha de partículas mínimas se hizo trizas y con ello el reduccionismo sufrió un duro golpe. Trágicamente, este vino del análisis de una partícula que se suponía sólida y mínima: el electrón.
El electrón tiene un comportamiento esquivo. En ocasiones se comporta como una onda y en otras como una partícula. Para entender que era realmente, los físicos se vieron obligados a desarrollar nuevos modelos matemáticos que introdujeron conceptos sorprendentes. Hoy se sabe que un electrón en su órbita se comporta como “una onda de probabilidad”. Vale decir, no se encuentra en una ubicación precisa dentro de la misma y sólo conocemos la probabilidad de que se encuentre en cierto lugar.
Ahora bien, en el mundo cuántico los electrones no son bolitas minúsculas que se desplazan por las órbitas atómicas, sino más bien nubes de probabilidad que ocupan una región del espacio. Si el lector tiene problemas en entender este concepto, no se preocupe, pues no es el único, ya que ha sido un quebradero de cabezas para los mejores físicos del mundo por casi un siglo.
Lo que importa para el tema en cuestión es que los fenómenos cuánticos parecieran ser fenómenos distribuidos y no locales, que funcionan de manera similar a los hologramas y a las redes neuronales. No es extraño entonces que los científicos estén tratando de construir computadoras basadas en fenómenos cuánticos, con las cuales podrían un día imitar no sólo los fenómenos físicos sino que el funcionamiento del propio cerebro. Los computadores cuánticos funcionarían a velocidades inalcanzables por nuestras máquinas convencionales.

• La Hipótesis Holográfica

Todo este torbellino de ideas fue sintetizado por dos científicos notables. El primero fue el físico David Bohm, quien describió por primera vez el paradigma holográfico. Su pensamiento estaba en entera oposición al “reduccionismo” y la idea asociada de que el tiempo, el espacio y la materia son objetos independientes de su medición. Para Bohm, el mundo era complejo e interrelacionado: un objeto holístico al estilo de la metafísica de los místicos. Bohm, además, colaboró con el cirujano Karl Pribram en la elaboración de una teoría de la memoria humana, que la describe como una impresión holográfica. Finalmente Roger Penrose, afamado matemático inglés, en su libro “La Nueva Mente del Emperador” (1988) afirma que la consciencia humana depende de fenómenos cuánticos imposibles de imitar por las computadoras convencionales. Tales fenómenos cuánticos tienen un carácter definitivamente holográfico. De ser cierto, la búsqueda de la consciencia artificial que emprendieron los informáticos hace ya mucho tiempo, tendrá que esperar por el desarrollo de computadores cuánticos.
Finalmente, el desarrollo de la teoría de los agujeros negros, que con su apetito voraz son capaces de alterar la trama misma del espacio-tiempo, da pie a muchas teorías audaces de universos paralelos comunicados entre sí. Universos en racimos, que conviven en una continuidad espacio-temporal en un eterno presente. Todas las épocas serían contemporáneas en un presente infinito. Tales ideas están presentes entre las mentes inquietas del mundo científico y también literario. Ya en l941, en su antología “El jardín de senderos que se bifurcan”, Jorge Luis Borges publicó un cuento llamado “Tlön, Uqbar, Orbis Tertius”, en donde anuncia el descubrimiento de una enciclopedia que describiría un mundo con nuevas leyes físicas. Curiosamente, ese cuento fue la inspiración para la novela “La Segunda Enciclopedia de Tlön”, del escritor chileno Sergio Meier, quien llevó estos conceptos al extremo. En su novela, el autor nos sumerge en un mundo en apariencia extraño, donde las realidades son hologramas sintéticos de dimensiones cósmicas, Pudiera pensarse que se trata de una fantasía sin sustento alguno en la realidad, sin embargo Meier, versado en ciencia moderna, pudo llevar al arte una de las partes más bellas y desconocidas de la especulación científica moderna: el paradigma holográfico.

• ¿El Fin del Reduccionismo?

La existencia de sistemas distribuidos y no lineales, tales como las redes neurales naturales y artificiales, los fenómenos cuánticos y los hologramas, ha sido un gran problema para el dogma científico, ya que se trata de evidencia tangible de que el reduccionismo no se puede aplicar a todos los casos, pues hay sistemas que funcionan de manera distribuida y colaborativa, que no pueden ser estudiados sólo analizando sus partes por separado.

5. Anexos

Método de obtener imágenes fotográficas tridimensionales. Las imágenes se crean sin lente alguna, por lo que esta técnica también se denomina fotografía sin lente. Las grabaciones reciben el nombre de hologramas (en griego, holos, ‘todo’; gram, ‘mensaje o cosa escrita’). Los principios teóricos de la holografía fueron desarrollados por el físico británico de origen húngaro Dennis Gabor en 1947. La primera producción real de hologramas tuvo lugar a principios de los años sesenta una vez disponible el láser. A finales de los años ochenta se comenzó la fabricación de hologramas en color, así como de hologramas que cubrían desde la región del espectro de las microondas hasta los rayos X. También se crearon hologramas ultrasónicos utilizando ondas de sonido.
Un holograma se diferencia básicamente de una fotografía normal en que no sólo registra la distribución de intensidades de la luz reflejada, sino también la de fases. Es decir, la película es capaz de distinguir entre las ondas que inciden en la superficie fotosensible hallándose en su amplitud máxima, de aquellas que lo hacen con amplitud mínima. Esta capacidad para diferenciar ondas con fases distintas se logra interfiriendo un haz de referencia con las ondas reflejadas.
Así, en uno de los métodos de obtención de hologramas, el objeto se ilumina mediante un haz de luz coherente, un haz en el que todas las ondas se desplazan en fase entre sí y que se genera con un láser. En esencia, la forma del objeto determina el aspecto de los frentes de onda, es decir, la fase con la que la luz reflejada incide en cada uno de los puntos de la placa fotográfica. Parte de este mismo haz láser se refleja simultáneamente en un espejo o prisma y se dirige hacia la placa fotográfica; este haz se denomina haz de referencia. Los frentes de onda de este último, al no reflejarse en el objeto, permanecen paralelos respecto del plano y producen un patrón de interferencia con los frentes de onda de la luz reflejada por el objeto. Si éste es un punto, por ejemplo, los frentes de onda del haz reflejado serán esféricos; el patrón de interferencia producido en la película estarán entonces formados por círculos concéntricos, reduciéndose el espacio entre los círculos a medida que aumenta el radio.
El patrón de interferencia producido por un objeto más complicado también será mucho más complejo, por lo que la simple inspección del holograma resultante sólo descubrirá un complicado patrón de estructuras oscuras y claras que aparentemente no guardan ninguna relación con el objeto original. Sin embargo, si se contempla el holograma bajo luz coherente, se hará visible el objeto grabado; y si se contempla el holograma desde diferentes ángulos, el objeto también se ve desde distintos ángulos. El efecto tridimensional se consigue porque el holograma reconstruye en el espacio los frentes de onda que originalmente fueron creados por el objeto.
Este mecanismo se puede entender a la vista del ejemplo del holograma de un punto. La luz coherente que incide en los círculos concéntricos del holograma sufre una difracción sobre una rejilla de difracción. El ángulo del haz aumenta con la distancia respecto del centro de los anillos concéntricos, reconstruyendo así los frentes esféricos de onda, y el espectador percibe el punto en la misma ubicación relativa en la que se hallaba el punto real al construir el holograma. Los frentes de onda de los objetos más complejos se reconstruyen de la misma forma. La distribución de intensidades de la luz reflejada se registra en el grado de oscurecimiento de los patrones de interferencias de la película.

• Tipos de Hologramas

La holografía ha progresado de una manera impresionante y rápida debido a la gran cantidad de aplicaciones que se le están encontrando día a día. Los hologramas se pueden ahora hacer de muy diferentes maneras, pero todos con el mismo principio básico. Los principales tipos de hologramas son los siguientes:

a) Hologramas de Fresnel . Éstos son los hologramas más simples, tal cual se acaban de describir e la sección anterior. También son los hologramas más reales e impresionantes, pero tienen el problema de que sólo pueden ser observados con la luz de un láser.

b) Hologramas de reflexión . Los hologramas de reflexión, inventados por Y N. Denisyuk en la Unión Soviética, se diferencian de los de Fresnel en que el haz de referencia, a la hora de tomar el holograma, llega por detrás y no por el frente, como se muestra en la figura 39. La imagen de este tipo de hologramas tiene la enorme ventaja de que puede ser observada con una lámpara de tungsteno común y corriente. En cambio, durante la toma del holograma se requiere una gran estabilidad y ausencia de vibraciones, mucho mayor que con los hoogramas de Fresnel. Este tipo de holograma tiene mucho en común con el método de fotografía a color por medio de capas de interferencia, inventado en Francia en 1891 por Gabriel Lippmann, y por el cual obtuvo el premio Nobel en 1908.

c) Hologramas de plano imagen . Un holograma de plano imagen es aquel en el que el objeto se coloca sobre el plano del holograma. Naturalmente, el objeto no está físicamente colocado en ese plano, pues esto no sería posible. La imagen real del objeto, formada a su vez por una lente, espejo u otro holograma, es la que se coloca en el plano de la laca fotográfica. Al igual que los hologramas de reflexión, éstos también se pueden observar con una fuente luminosa ordinaria, aunque sí es necesario láser para su exposición.

d) Hologramas de arco iris . Estos hologramas fueron inventados por Stephen Benton, de la Polaroid Corporation, en 1969. Con estos hologramas no solamente se reproduce la imagen del objeto deseado, sino que además se reproduce la imagen real de una rendija horizontal sobre los ojos del observador. A través de esta imagen de la rendija que aparece flotando en el aire se observa el objeto holografiado, como se muestra en la figura 40. Naturalmente, esta rendija hace que se pierda la tridimensionalidad de la imagen si los ojos se colocan sobre una línea vertical, es decir, si el observador está acostado. Ésta no es una desventaja, pues generalmente el observador no está en esta posición durante la observación. Una segunda condición durante la toma de este tipo de hologramas es que el haz de referencia no esté colocado a un lado, sino abajo del objeto.

Este arreglo tiene la gran ventaja de que la imagen se puede observar iluminando el holograma con la luz blanca de una lámpara incandescente común. Durante la reconstrucción se forma una multitud de rendijas frente a los ojos del observador, todas ellas horizontales y paralelas entre sí, pero de diferentes colores, cada color a diferente altura. Según la altura a la que coloque el observador sus ojos, será la imagen de la rendija a través de la cual se observe, y por lo tanto esto definirá el color de la imagen observada. A esto se debe el nombre de holograma de arco iris.

e) Hologramas de color . Si se usan varios láseres de diferentes colores tanto durante la exposición como durante la observación, se pueden lograr hologramas en color. Desgraciadamente, las técnicas usadas para llevar a cabo estos hologramas son complicadas y caras. Además, la fidelidad de los colores no es muy alta.

f) Hologramas prensados. Estos hologramas son generalmente de plano imagen o de arco iris, a fin de hacerlos observables con luz blanca ordinaria. Sin embargo, el proceso para obtenerlos es diferente. En lugar de registrarlos sobre una placa fotográfica, se usa una capa de una resina fotosensible, llamada Fotoresist,depositada sobre una placa de vidrio. Con la exposición a la luz, la placa fotográfica se ennegrece. En cambio, la capa de Fotoresist se adelgaza en esos puntos. Este adelgazamiento, sin embargo, es suficiente para difractar la luz y poder producir la imagen. Dicho de otro modo, la información en el holograma no queda grabada como un Sistema de franjas de interferencia obscuras, sino como un sistema de surcos microscópicos.

El siguiente paso es recubrir el holograma de Fotoresist, mediante un proceso químico o por evaporación, de un metal, generalmente níquel. A continuación se separa el holograma, para que quede solamente la película metálica, con el holograma grabado en ella. El paso final es mediante un prensado con calor: imprimir este holograma grabado en la superficie del metal, sobre una película de plástico transparente. Este plástico es el holograma final.

Este proceso tiene la enorme ventaja de ser adecuado para producción de hologramas en muy grandes cantidades, pues una sola película metálica es suficiente para prensar miles de hologramas. Este tipo de hologramas es muy caro si se hace en pequeñas cantidades, pero es sumamente barato en grandes producciones.

g) Hologramas de computadora . Las franjas de interferencia que se obtienen con cualquier objeto imaginario o real se pueden calcular mediante una computadora. Una vez calculadas estas franjas, se pueden mostrar en una pantalla y luego fotografiar. Esta fotogralía sería un holograma sintético. Tiene la gran desventaja de que no es fácil representar objetos muy complicados con detalle. En cambio, la gran ventaja es que se puede representar cualquier objeto imaginario. Esta técnica se usa mucho para generar frentes de onda de una forma cualquiera, con alta precisión. Esto es muy útil en interferometría.

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Publicado el 25/01/2011 en Ingenieria de Sistemas. Añade a favoritos el enlace permanente. Deja un comentario.

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