L'olografia (dal greco antico holos, "tutto", e grafè, "scrittura", con il significato letterale di "descrivere tutto") è una tecnica ottica che permette di registrare e ricostruire un campo d'onda. A differenza della fotografia tradizionale, che cattura esclusivamente l'intensità della luce, l'olografia registra sia l'ampiezza che la fase dell'onda diffratta da un oggetto. Sebbene in linea di principio possa essere applicata a qualsiasi tipo di onda, l'olografia ottica è la più nota e si basa sull'interferenza delle onde luminose.
La creazione di un ologramma avviene illuminando un oggetto con una sorgente di luce coerente (laser). Sulla superficie di un supporto sensibile, come una lastra fotografica, viene registrato un finissimo intreccio di frange di interferenza generato dalla sovrapposizione di due onde: il raggio di riferimento (emesso direttamente dalla sorgente laser) e l'onda riflessa o diffratta dall'oggetto. È anche possibile generare ologrammi virtuali (Computer-Generated Holograms) calcolati da un computer a partire da immagini di sintesi 3D, senza la necessità di un oggetto fisico reale.
In fase di restituzione, se osservato sotto la normale luce diffusa, il modello di interferenza appare incomprensibile. Tuttavia, se illuminato correttamente dal raggio di riferimento originale (o, con ovvi compromessi qualitativi, da luce non coerente), l'ologramma agisce come un reticolo di diffrazione. Questo processo ricrea il fronte d'onda originale, riproducendo accuratamente il campo luminoso. L'immagine risultante, chiamata ologramma (o immagine di memoria), offre una riproduzione autostereoscopica estremamente precisa. I soggetti sembrano fluttuare liberamente nello spazio, mantenendo intatti gli indizi visivi di profondità, prospettiva ed effetto di parallasse. Quest'ultimo fa sì che, muovendosi lateralmente o guardando con entrambi gli occhi, l'immagine appaia diversa in base all'angolo di visione, restituendo la sensazione di osservare l'oggetto reale.
L'olografia non ha sostituito la stereofotografia tradizionale a causa delle complessità tecniche: la registrazione è complessa e richiede solitamente rigide condizioni di laboratorio. La ritrattistica olografica, ad esempio, è ostacolata dall'intolleranza al minimo movimento durante la registrazione; per "congelare" soggetti animati servirebbero laser a impulsi ad altissima potenza e potenzialmente pericolosi, motivo per cui si ricorre spesso a procedure di imaging intermedie non olografiche. Inoltre, sebbene siano in via di sviluppo sistemi per display olografici dinamici, la maggior parte degli ologrammi attuali raffigura soggetti statici.
Storia
La teoria matematica dell'olografia ha preceduto di gran lunga la sua realizzazione pratica. Già nel 1920 il fisico polacco Mieczysław Wolfke tentò di suddividere l'immagine microscopica in due fasi (creando prima un'immagine intermedia con i raggi X per poi osservarla con luce normale), ma fallì a causa di difficoltà sperimentali, seguito poi dagli studi di William Lawrence Bragg nel 1939.
La vera e propria olografia nacque come risultato inaspettato delle ricerche del fisico ungherese-britannico Dennis Gabor (Deneš Gabor). Nel 1947, mentre cercava un modo per migliorare la risoluzione dei microscopi elettronici per conto della British Thomson-Houston Company (BTH), formulò il principio dell'olografia, che l'azienda brevettò nel dicembre dello stesso anno. Gabor coniò il termine unendo le parole greche ὅλος (tutto) e γράφω (scrivo/disegno) per sottolineare la registrazione completa delle proprietà ottiche di un oggetto. Questa tecnica originale è ancora oggi utilizzata ed è nota come "olografia elettronica".
I primi tentativi ottici di Gabor, tuttavia, furono deludenti. Utilizzando il metodo "in-line" (con tutti gli elementi allineati e un solo raggio di luce), registrò una diapositiva di 2 mm² con i nomi dei fisici Huygens, Young e Fresnel. Essendo costretto a usare una lampada a vapori di mercurio con un filtro colorato e un foro stenopeico per aumentare la coerenza della luce, subì un enorme calo di intensità. Il risultato finale presentava macchie scure e, soprattutto, era disturbato da una seconda immagine sovrapposta (detta immagine reale o pseudoscopica) che mostrava le curvature dell'oggetto invertite (da concave a convesse e viceversa). Insoddisfatto, Gabor abbandonò il campo tra il 1949 e il 1951.
Lo sviluppo dell'olografia ottica rimase bloccato fino al 1960, anno in cui Theodore Maiman inventò il laser (nello specifico, a rubino), in grado di fornire una fonte di luce altamente coerente. Questo diede il via a un periodo noto come "esplosione olografica", che durò dal 1963 fino alla metà degli anni '80.
In questo periodo, scienziati sovietici e statunitensi condussero ricerche in modo indipendente. Negli Stati Uniti, Emmett Leith e Juris Upatnieks dell'Università del Michigan risolsero il problema della doppia immagine di Gabor introducendo la tecnica a due fasci, separando il raggio dell'oggetto da quello di riferimento. Nel 1964 realizzarono il primo ologramma laser ("Train and Bird"), creando ologrammi "a trasmissione" (che creano l'immagine quando la luce passa attraverso la lastra).
Contemporaneamente, in Unione Sovietica, Yuri Denisyuk (e in seguito Gennady Sobolev nel 1968) lavorava con spesse emulsioni fotografiche per registrare anche le componenti cromatiche secondo il metodo fotografico di Lippmann. Svilupparono i cosiddetti ologrammi "a riflessione" o "volumetrici" (il cui schema prese il nome di "metodo Denisyuk"), che permettevano di ripristinare l'immagine nei suoi colori naturali venendo illuminati dalla luce bianca di fonti ordinarie, senza bisogno di radiazioni coerenti.
Per aver gettato le basi teoriche di tutto questo, Dennis Gabor fu insignito del Premio Nobel per la Fisica nel 1971.
A partire dalla metà degli anni '60, le innovazioni si susseguirono rapidamente:
1965: Karl A. Stetson, Robert L. Powell e altri inventano l'interferometria olografica.
1967-1968: L'introduzione dei laser a impulsi ultracorti permise di registrare oggetti in movimento, portando l'americano Siebert a creare il primo ritratto olografico di una persona.
1968: Stephen A. Benton inventa l'olografia a trasmissione "arcobaleno". Realizzati su plastica con un retro metallico, questi ologrammi sono visibili in luce naturale.
1976: Al congresso UNIATEC, viene mostrato il primo filmato olografico di 47 secondi, realizzato dal NIKFI sotto la direzione di Viktor Komar.
1977: Lloyd Cross inventa l'ologramma "multiplex" (o composito): unendo strette strisce di singoli fotogrammi cinematografici bidimensionali scattati in sequenza, riuscì a creare un'illusione 3D che, pur mancando di informazioni complete sul campo luminoso, permette di riprodurre il movimento dell'oggetto spostando l'angolo di osservazione orizzontale.
1978: Nils Abramson inventa l'olografia Light-in-Flight.
Parallelamente, avanzò l'olografia digitale e sintetica. Dal 1967 scienziati come B. R. Brown, Adolf Lohmann, Joseph W. Goodman e R. W. Lawrence iniziarono a generare e registrare ologrammi con computer e sensori d'immagine (Vidicon). Nel 1972 il team sovietico Kronrod-Merzlyakov-Yaroslavskii digitalizzò lastre fotografiche ricostruendole al PC, fino ad arrivare al 1993, quando Ulf Schnars e Werner Jüptner registrarono ologrammi di oggetti macroscopici direttamente con sensori CCD. Nel 1999 è iniziato lo sviluppo delle memorie olografiche.
I primi supporti di registrazione ottica erano emulsioni fotografiche agli alogenuri d'argento. Inizialmente erano poco efficienti perché il reticolo di diffrazione assorbiva molta luce incidente; in seguito furono sviluppati metodi di "sbiancamento" (bleaching) che convertivano la variazione di trasmissione in una variazione dell'indice di rifrazione, rendendoli molto più prestanti. Tuttavia, alla fine dell'esplosione olografica, aziende come Kodak, Agfa e Ilford smisero di produrre queste lastre, rendendole quasi introvabili.
Nonostante il declino delle lastre all'argento, l'invenzione di Benton (ologramma arcobaleno) si rivelò fondamentale: pur richiedendo attrezzature industriali complesse per la produzione di massa, rese il processo di duplicazione accessibile su larga scala. Per questo motivo, dagli anni '90 in poi, l'ologramma ha trovato il suo maggiore utilizzo commerciale come certificato di autenticità e sistema di sicurezza su imballaggi di prodotti, libri, banconote e carte d'identità.
L'avvento dei diodi laser a basso costo, come quelli usati nei lettori DVD, ha abbattuto i costi e reso l'olografia accessibile anche ad artisti, hobbisti e ricercatori con budget limitati. Oggi questa tecnologia trova larghissimo impiego non solo per la creazione di elementi di sicurezza sui documenti o per la memorizzazione di dati informatici, ma anche in ambiti altamente scientifici. È utilizzata in spettroscopia, fotogrammetria, microscopia e nella metrologia (interferometria olografica) per misurare microscopiche deformazioni delle superfici. Infine, elementi ottici generati olograficamente, come le lenti diffrattive, sono diventati componenti chiave nei moderni strumenti ottici.
Registrazione dell'immagine olografica. La sorgente emette il laser che incontra uno specchio semitrasparente, dividendosi. Solo uno dei due fasci incontrerà il soggetto prima che questi possano interferire e imprimere l'ologramma sulla lastra.
La registrazione di un ologramma si basa sul fenomeno dell'interferenza ottica. Il raggio emesso da un laser viene diviso in due da uno specchio semitrasparente (beam-splitter). Per ragioni pratiche, i due raggi ottenuti vengono allargati utilizzando lenti di altissima qualità superficiale (beam expander), sebbene l'olografia di per sé non richieda lenti per la messa a fuoco dell'immagine.
I due fasci assumono percorsi e ruoli differenti:
Fascio (o onda) oggetto: Diretto verso il soggetto da riprendere. La luce colpisce l'oggetto e viene riflessa e diffusa verso il supporto di registrazione.
Fascio (o onda) di riferimento: Indirizzato direttamente verso il supporto, senza mai entrare in contatto con l'oggetto.
Sulla lastra fotografica, i due fronti d'onda si sovrappongono e interferiscono. Dal punto di vista fisico, ogni punto dell'oggetto agisce come una sorgente puntiforme di luce che, interferendo con il fascio di riferimento, crea sulla lastra una sorta di "piastra a zone di Fresnel" sinusoidale. La somma di tutte queste micro-strutture genera un reticolo di diffrazione estremamente complesso.
Il supporto di registrazione è solitamente una lastra di vetro o plastica ricoperta da un'emulsione fotografica ad alogenuro d'argento con grana finissima (diametro inferiore a 20 nm), capace di risolvere tra le 3000 e le 5000 linee per millimetro.
Un requisito fondamentale in questa fase è la stabilità spaziale e temporale assoluta. Durante l'esposizione, che può durare da alcuni secondi a vari minuti, i componenti ottici e il soggetto devono rimanere immobili con una tolleranza inferiore a un quarto della lunghezza d'onda della luce utilizzata. Per evitare che le vibrazioni rovinino il pattern di interferenza, si usano pesanti tavoli ottici ammortizzati (in acciaio o pietra). In alternativa, per soggetti vivi o instabili, si impiegano laser a impulsi estremamente brevi, tecnica però complessa e per lo più confinata ai laboratori.
Processo di ricostruzione (lettura)
Dopo lo sviluppo chimico, la lastra si presenta con una superficie caratterizzata da un microscopico pattern casuale (speckle), da cui è impossibile intuire l'immagine originale a occhio nudo.
Per rivelare l'immagine, la lastra necessita della giusta illuminazione: inviando si di essa l'onda di riferimento originale con lo stesso angolo di incidenza, il reticolo di diffrazione devia la luce ricostruendo punto per punto il fronte d'onda dell'oggetto.
L'osservatore vedrà l'oggetto dietro o davanti alla lastra esattamente come se guardasse attraverso una finestra, potendo muovere la testa per osservarlo da angolazioni diverse. A causa dell'utilizzo di laser monocromatici, generalmente le immagini olografiche non restituiscono i colori originali della scena.
Classificazioni e tipologie
Secondo gli standard (es. il russo GOST R 59321.1-2021), l'olografia si divide in tre rami:
Analogica: Registrazione su supporto fisico fotosensibile e ricostruzione ottica.
Digitale: Il pattern di interferenza è catturato da un sensore elettronico (CCD/CMOS) e il fronte d'onda è ricostruito numericamente tramite algoritmi.
Computazionale (Computer-Generated Holography): Il reticolo è calcolato da un computer senza registrazione fisica (studiata fin dal 1973 da IBM e rivoluzionata nel 2009 grazie ai poli di ricerca francesi CEA, LETI e Soitec che ne hanno permesso l'elaborazione in tempo reale) e riprodotto su modulatori spaziali di luce.
In base alla visualizzazione, gli ologrammi fisici si dividono inoltre in:
Ologrammi per trasmissione: Il laser e l'osservatore si trovano sui lati opposti della lastra.
Ologrammi per riflessione: L'immagine viene osservata dallo stesso lato della fonte di luce. Un esempio comune sono gli ologrammi di sicurezza (WLTO) sulle carte di credito, progettati per essere visibili riflettendo la luce bianca ambientale o la luce solare, che risulta sufficientemente direttiva per ologrammi con poca profondità.
Descrizione matematica
Questo capitolo presuppone la conoscenza della descrizione delle onde e dell'uso dei numeri complessi. Tuttavia, può essere tralasciato senza perdere il contesto generale.
L'intensità del campo elettrico di un'onda luminosa può essere descritta dalla funzione complessa . Qui è l'ampiezza reale (il modulo di ), è la fase e indica l'unità immaginaria. In alternativa, per la descrizione può essere utilizzata anche l'intensità del campo magnetico. Nel seguito, indica l'intensità del campo dell'onda oggetto sul piano della lastra fotografica, mentre indica l'intensità del campo dell'onda di riferimento. ed sono funzioni delle coordinate spaziali , ma per semplificare la notazione questa dipendenza viene omessa. L'intensità della sovrapposizione dell'onda oggetto e dell'onda di riferimento è descritta matematicamente dal quadrato del modulo della somma di ed :
L'asterisco indica il complesso coniugato. La lastra fotografica viene esposta a questa intensità luminosa. Dopo lo sviluppo della lastra fotografica, questa prende il nome di ologramma. La trasmissione (distribuzione dell'annerimento) dell'ologramma è proporzionale all'intensità durante la registrazione:
Dove è una costante che dipende dal tempo di esposizione.
Per la ricostruzione, l'ologramma viene ora illuminato con l'onda di riferimento. Ne risulta
L'onda utilizzata per la ricostruzione non deve necessariamente essere identica a quella impiegata per la registrazione. Tuttavia, se si modificano la lunghezza d'onda o il punto sorgente dell'onda di riferimento, si generano delle distorsioni.
I tre termini nell'ultima equazione possono essere interpretati come segue:
Il primo termine è l'onda di riferimento moltiplicata per un fattore costante, che viene trasmessa attraverso l'ologramma senza subire diffrazione. Questo termine è anche noto come ordine zero di diffrazione.
Il secondo termine, a meno di un fattore reale costante, è l'onda oggetto ricostruita . Questo genera l'immagine virtuale.
Il terzo termine produce un'onda oggetto a fase coniugata . I fronti d'onda non divergono dalla posizione dell'oggetto, ma convergono verso un'immagine reale. A differenza della formazione dell'immagine con una lente, le informazioni di profondità nell'immagine reale sono invertite. Questa inversione tra primo piano e sfondo è chiamata pseudoscopia, mentre l'immagine virtuale è definita ortoscopica. L'immagine reale risulta anche leggermente distorta rispetto all'immagine virtuale; ciò si evince dal prefattore complesso di (poiché è complesso, a differenza di ). È tuttavia possibile generare un'immagine reale priva di distorsioni utilizzando, sia per la registrazione che per la ricostruzione, un'onda di riferimento piana che incide perpendicolarmente sull'ologramma.
Nell'olografia fuori asse (off-axis), tutti e tre i termini sono separati spazialmente, in modo che non si sovrappongano.
Un ologramma è una registrazione bidimensionale dell'interferenza tra il fronte d'onda dell'oggetto e l'onda di riferimento nel piano dell'ologramma. Come mostrato, il fronte d'onda dell'oggetto viene ricostruito completamente durante la fase di ricostruzione. Ciò significa che tutte le informazioni tridimensionali sul fronte d'onda proveniente dall'oggetto vengono rese nuovamente disponibili.
Questa derivazione matematica si trova in forma simile in vari libri di testo, si veda ad esempio Hariharan.
Peculiarità e applicazioni
Una delle caratteristiche più affascinanti dell'olografia, che la distanzia nettamente dalla fotografia convenzionale, è la distribuzione dell'informazione: poiché ogni punto della lastra registra la luce diffusa dall'intera scena, se si taglia a metà un ologramma, ogni singolo frammento conterrà ancora l'immagine completa dell'oggetto. L'unica conseguenza sarà una diminuzione della risoluzione e un restringimento dell'angolo di visuale (come guardare lo stesso panorama da una finestra più piccola).
Oltre all'impatto visivo, le tecniche olografiche si stanno espandendo nel campo dell'informatica. Sono infatti in fase avanzata di studio, con prototipi già realizzati da aziende come Maxell, Optware, Fujifilm e CMC Magnetics, sistemi per la creazione di supporti di memorizzazione di massa olografici ad altissima capacità. L'olografia ha utilizzi anche in ambito metrologico, e consente misure di spostamento a tutto campo con una precisione dell'ordine di grandezza della lunghezza d'onda del raggio utilizzato (tipicamente frazioni di micron per la luce visibile). La tecnica utilizzata si chiama interferometria olografica, e si basa sulla sovrapposizione (anche in tempo reale) dell'ologramma di un oggetto in stato di riposo e in stato deformato: ne nascono frange di interferenza macroscopiche (visibili a occhio nudo) la cui conta consente di risalire allo spostamento da misurare.
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