Holorama – Ologrammi e Olografia

Intro

Di recente hanno fatto un sacco di scalpore le nuove tecnologie 3D cinematografiche, che ci permettono di gustare come mai prima d’ora film come Avatar. Quello che la maggior parte delle persone ignora è che in effetti si tratta di un 3D percepito, ma non effettivo. Le immagini rimangono bidimensionali, e l’effetto 3D è ottenuto tramite la sovrapposizione di due differenti set di fotogrammi “sfalsati” tra loro, che se visualizzati con gli opportuni occhialini, restituiscono la sensazione di profondità al nostro occhio. In pratica si gioca sulle capacità interpretative del nostro cervello in fatto di immagini, tant’è che alla fine della visione, e anche durante la stessa, le sensazioni che si provano possono anche provocare fastidio negli osservatori più sensibili. Tuttavia la teoria per creare delle immagini che siano effettivamente volumetriche e tridimensionali esiste… Benvenuti nel mondo della olografia

Onda Su Onda

Interferenza di due onde

Il termine olografia deriva dal greco hólos, “tutto”, e grafē, “disegnare”. Sin dal nome si intuisce che, differentemente da quanto accade nella fotografia, un ologramma è in grado di riprodurre un oggetto da tutti i possibili punti di vista. Premetto subito che siamo ben lontani dall’aver sviluppato un sistema di display volumetrici in grado di generare immagini olografiche arbitrarie, e per ora siamo vincolati a riprodurre esclusivamente immagini statiche registrate in precedenza. È anche vero che ora come ora l’interesse principale per l’olografia risiede nella capacità di queste tecniche di incrementare incredibilmente la capacità di immagazzinamento dei supporti di memorizzazione ottica: una memoria olografica potrebbe sfruttare letteralmente una dimensione spaziale in più per immagazzinare i dati, essendo in grado di utilizzare l’intero volume della cella di memoria anziché la sola superficie.
I principi che stanno dietro alle tecniche olografiche sono fondamentalmente due. Il primo, l’interferenza delle onde elettromagnetiche, stabilisce che la sovrapposizione di due o più onde elettromagnetiche dà origine ad una terza onda, somma delle prime due. Il secondo è la diffrazione, che stabilisce le regole secondo le quali la luce curva o meno incontrando ostacoli sul proprio cammino. Mentre in una fotografia si registra una mappa di intensità della luce (tot punti di tal colore e intensità) da un unico punto di vista (quello della macchina fotografica), l’ologramma registra quello che viene definito speckle pattern di interferenza. All’atto pratico, un fascio di luce coerente (ovvero in cui tutte le onde elettromagnetiche hanno all’incirca tutte la stessa frequenza e quindi differenza di fase costante, come in un laser) viene diviso in due parti separate. Una di queste (il fascio di illuminazione) incide sull’oggetto che si vorrà poi riprodurre, e rimbalzando da esso impressiona il mezzo di registrazione (che può essere anche una lastra fotografica).

Registrazione dell'immagine olografica (click per ingrandire)

Nello stesso momento, la lastra viene impressionata anche dal secondo fascio, detto “di riferimento”, cosicché in effetti a venir registrata è l’interferenza risultante dall’interazione dei due fasci. L’ologramma consiste nel pattern di interferenza apparentemente casuale che rimane impresso sulla lastra fotografica. Se l’ologramma viene a sua volta reilluminato con una sorgente di luce uguale a quella usata per registrarlo, un osservatore osserverà l’immagine dell’oggetto come se esso fosse effettivamente ancora presente, e il suo punto di vista varierà a seconda della posizione di osservazione. Quindi in un ologramma, piuttosto che registrare la luce che viene diffusa da un oggetto, si memorizzano le informazioni riguardo a come la luce viene diffusa dall’oggetto stesso, in modo tale da poter ricreare la luce come se venisse effettivamente diffusa dall’oggetto in questione. Sotto questo punto di vista l’olografia è effettivamente l’analogo ottico della registrazione dei suoni: le registrazioni acustiche (compresi i file digitali) non contengono altro che l’onda sonora derivante dall’interferenza delle varie onde che compongono il suono di una canzone, e che potete anche osservare tranquillamente tramite qualsiasi programma di riproduzione musicale, tipo WinAMP o iTunes.
Visto ad occhio nudo, un ologramma non è altro che un insieme di punti più chiari e punti più scuri, del tutto analogo ad esempio a quel che potete vedere quando illuminate una parete bianca con un laser: quel che si vede non è un illuminazione uniforme, bensì un pattern (lo speckle) analogo a quello che potete osservare in una delle immagini qua attorno. Una delle proprietà particolari dell’ologramma consiste fondamentalmente nel fatto che ogni punto dello stesso contiene le informazioni sulla luce proveniente dall’intero oggetto, per cui è in linea teorica possibile rompere l’ologramma ed osservare l’oggetto riprodotto interamente da ogni singolo pezzo, non importa quanto grande esso sia. Se immaginiamo che l’ologramma sia una finestra sull’oggetto, allora ogni singolo pezzo consiste in una parte della finestra, dalla quale è ancora possibile osservare tutto anche se il resto dell’apertura viene oscurato. Per contro, al diminuire delle dimensioni dell’ologramma si perde in risoluzione (la capacità di un sistema di distinguere due punti vicini tra loro) a causa della diffrazione, che provoca l’allargamento del fascio di luce ed è tanto più intensa quanto le dimensioni dell’ostacolo che la luce incontra approssimano la lunghezza d’onda della luce stessa. Immaginate di dover misurare una strada lunga 10 chilometri e una lunga 10 metri utilizzando come unità di misura il metro: nel primo caso avrete una precisione di una parte su diecimila, nel secondo di una parte su dieci, anche se la vostra unità di misura (che equivale alla luce che utilizzate nel riprodurre l’ologramma) non cambia.

Gli Utilizzi

Gli ologrammi hanno attualmente trovato una grande varietà di utilizzi, tutti molto meno fantascientifici (purtroppo) di quel che si può pensare. Le batterie dei cellulari e in generale gli oggetti che richiedono un bollino che ne certifichi l’originalità (compresa la cartamoneta) oramai impiegano tutti piccoli ologrammi, che rappresentano la parte più difficile da riprodurre da parte di un eventuale falsario, in quanto vengono replicati a partire da una matrice master che per la realizzazione richiede macchinari costosi, non in commercio e tecniche particolari.
L’uso che sicuramente sta assorbendo la maggior parte delle risorse in termini di ricerca è sicuramente l’olografia applicata ai dispositivi di memorizzazione di massa: il dispositivo di memorizzazione ottica finora più capiente, il blu-ray, ha raggiunto il massimo teorico dovuto alla diffrazione, per cui l’holographic data storage si candida per la prossima generazione di dischi ottici multimediali (commercializzato con il nome poco fantasioso di Holographic Versatile Disc). In pratica non si sarà più limitati all’utilizzo della sola superficie di un disco, ma dell’intero suo volume. Con le opportune ricerche nel campo dei materiali tipo fotocristalli e fotopolimeri, si pensa di raggiungere velocità di scrittura nell’ordine del gigabit al secondo, e di lettura attorno al terabit, con un disco delle dimensioni analoghe ad un CD/DVD/Blu-Ray dalla capacità di circa 4 Terabyte. In un mondo in cui si ragiona ancora in termini di gigabyte, un balzo di ben tre ordini di grandezza nelle capacità di lettura, scrittura e immagazzinamento è decisamente notevole, specie se si pensa che la tecnologia per realizzare tutto questo, sebbene acerba, è già presente nel mondo. Lo sviluppo dell’olografia dinamica, in cui le immagini non vengono registrate permanentemente ma possono essere sovrascritte, permette inoltre di trasferire alle memorie tipo ram e cache gli analoghi vantaggi in termini di velocità e capienza che l’olografia statica garantisce ai supporti ottici. Insomma, non siamo ancora ai livelli trekkiani, con gli holodecks in grado di riprodurre fedelmente qualsiasi paesaggio si desideri (anche se devo ancora capire come si possa camminare per chilometri e chilometri in una stanza grossa come una palestra… Alla faccia del jogging), ma non manca molto al momento in cui potremo andare a prendere l’HVD ad alta risoluzione dell’ultimo blockbuster di Cameron o di Scott e godercelo dal nostro display volumetrico spaparanzati in poltrona.

Alla prossima!

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