Nova técnica de holografia tridimensional é testada com resultados promissores

Nova técnica de holografia tridimensional é testada com resultados promissores

Imagine poder criar estruturas de luz tridimensionais capazes de retratar objetos e cenas realistas que podem ser vistos por usuários sob praticamente qualquer ângulo. Embora possa soar ficção científica, com larga exploração em filmes futuristas (quem não se lembra da princesa Leia, de Star Wars, em um projetor?), pesquisadores vinculados ao grupo liderado pelo professor Leonardo André Ambrosio, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC-USP), em colaboração com cientistas e engenheiros da Faculdade de Engenharia Elétrica e de Computação (FEEC) da Universidade Estadual de Campinas (Unicamp), e da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) da Universidade de Harvard (EUA), acabam de trazer a ideia mais próxima da realidade através de um método inovador e promissor em holografia tridimensional.

O trabalho, publicado no último dia 10 de abril na renomada revista científica Nature Photonics, é o primeiro a propor o uso de filamentos de luz altamente controláveis que podem ser cascateados paralelamente entre si, compondo padrões espaciais bidimensionais – folhas de luz – que são subsequentemente empilhados compondo cenas tridimensionais. “O grande diferencial da proposta reside no fato de que, ao contrário das técnicas tradicionais, aqui a luz é arranjada em planos perpendiculares, e não paralelos, ao do display óptico”, explica Ambrosio.


Montagem de folhas de luz holográficas em 2D para construir cenas volumétricas (3D) – Imagem: Nature Photonics

Os filamentos de luz, conhecidos na literatura como ‘ondas congeladas’ (do inglês, frozen waves), baseiam-se em feixes especiais (conhecidos como feixes de Bessel) para gerar padrões de intensidade arbitrários na direção de propagação. Tais feixes possuem a capacidade de resistirem aos efeitos da difração por longas distâncias, sendo inclusive capazes de se autorreconstruírem após passarem por um obstáculo.

Segundo o professor Michel Zamboni Rached, da FEEC/Unicamp, coautor do trabalho e formulador do arcabouço teórico das frozen waves, “aproveitando-se das propriedades não difrativas dos feixes de Bessel, as frozen waves permitem estruturar a luz em escalas espaciais micrométricas, milimétricas e centimétricas, ao longo do próprio eixo de propagação, e já vinham sendo explorados em aplicações específicas, tais como em aprisionamento óptico de partículas micrométricas e guiamento de átomos. Estender o conceito para duas e três dimensões é realmente um passo importante e necessário para alavancar novas aplicações em óptica e fotônica”, complementa Rached.

O conceito teórico das folhas de luz, originalmente apresentado pelo grupo do professor Ambrósio, da EESC-USP, adiciona um grau de liberdade a mais e, segundo o próprio pesquisador, “abre uma ampla frente de novas pesquisas em imagens e impressão 2D e 3D, micromanipulação de partículas, displays 3D e, claro, em holografia, foco da presente pesquisa. Através da aproximação controlada de filamentos de luz, pode-se conceber cenas espacialmente complexas e de alta resolução, não apenas monocromáticas, mas também policromáticas, por exemplo, usando sistemas de laser RGB”, compara o professor da EESC.


Prof. Leonardo (ao centro) e os alunos de pós-graduação Vinicius e Jhonas.

Além disso, mesmo em materiais absorventes, onde a luz convencionalmente sofreria atenuação durante a propagação, é possível, até certo ponto, manter as cenas tridimensionais desejadas sem perda de resolução ou nitidez. “As folhas de luz podem ser utilizadas em pinças ópticas holográficas, com a vantagem de permitir o controle dinâmico dos pontos de aprisionamento em múltiplos planos, todos paralelos entre si e ao eixo de propagação”, informa o estudante de doutorado Vinicius Soares de Angelis, da EESC.

Trata-se de uma nova tecnologia que não se limita à formação de padrões de intensidade constantes no espaço. Nas palavras do estudante de mestrado Jhonas Olivati de Sarro, também ligado à EESC, “ao alterarmos o padrão da luz incidente com cadência e varredura adequadas, é possível dar a ideia de movimento à cena e criar vídeos de luz tridimensionais, sem abrir mão das propriedades dos feixes não difrativos”.

Uma grande desvantagem dos métodos tradicionais em holografia é a perda de resolução axial das imagens geradas. Isso ocorre porque a luz é organizada em planos paralelos e que se distanciam entre si à medida que nos afastamos do observador. Isso faz com que as camadas mais distantes do usuário se tornam mais difíceis de serem vistas. A nova técnica, todavia, supera esta limitação e fornece sensação contínua de profundidade porque permite ao usuário enxergar toda a extensão das folhas de luz.

“Ao fazermos isso, resolvemos o problema de percepção de profundidade que tradicionalmente afeta a holografia”, afirma Ahmed Dorrah, pós-doutorando e responsável por conduzir os experimentos junto ao laboratório de óptica do grupo do professor Federico Capasso, da SEAS (Harvard).

“Esta pesquisa aproveita de forma inovadora os moduladores espaciais de luz , uma tecnologia amplamente utilizada e comercialmente estabelecida, para moldar a luz à medida que ela se propaga, criando uma classe inteiramente nova de hologramas”, lembrou o professor Capasso, que liderou a equipe na montagem e realização de todos os testes práticos. “Prevejo que este método de holografia terá impacto em realidade virtual e aumentada, imagens biológicas, displays volumétricos, interações humano-computador, ferramentas educacionais interativas e muito mais”, prevê o pesquisador de Harvard.

As tratativas para a proteção da propriedade intelectual já foram iniciadas e a equipe envolvida na pesquisa agora busca oportunidades para exploração comercial. A lista de autores do estudo inclui o professor Leonardo André Ambrosio, o estudante de doutorado Vinicius Soares de Angelis e o estudante de mestrado Jhonas Olivati de Sarro, todos da EESC/USP; o professor Michel Zamboni Rached, da FEEC/Unicamp; o professor Federico Capasso, o pós-doutorando Ahmed Dorrah e o estudante de graduação Priyanuj Bordoloi, todos da SEAS/Universidade de Harvard.

O trabalho foi financiado pelas seguintes entidades: Natural Sciences and Engineering Research Council of CanadaOffice of Naval Research, com vínculo ao programa MURIAir Force Office of Scientific Research; Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP); e Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq).

 

Por Alexandre Milanetti / Ex-Libris

História de ex-aluna da USP: a engenheira de software que desenvolve satélites no Inpe

Participe do evento dia 14 de abril, quando Maria de Fátima Mattiello Francisco revelará detalhes de sua trajetória desde a graduação em Ciências da Computação no ICMC até a atuação em projetos de desenvolvimento de nanossatélites e de engenharia de sistemas espaciais

As séries e filmes de televisão que consumimos podem ter grande influência em nossas escolhas. Para muitos, é a partir desses conteúdos que se conhece e tem acesso a conhecimentos diversos, alguns que podem até inspirar a futura profissão. Esse é o caso de Maria de Fátima Mattiello Francisco, a engenheira de software que escolheu trabalhar com pesquisas espaciais um pouco graças às séries televisivas sobre o tema.

Formada em Ciências de Computação pelo Instituto de Ciências Matemáticas e de Computação (ICMC) da USP, em São Carlos, Fátima é, atualmente, coordenadora de ensino, pesquisa e extensão no Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Inpe), além de atuar na Pós-Graduação em Engenharia e Tecnologia Espacial, curso oferecido pela instituição. A ex-aluna do ICMC já trabalhou em projetos de engenharia de sistemas espaciais, como especialista em sistemas de solo e conceito de operação de satélites, e também na verificação e validação de sistemas intensivos em software.

Coordenando projetos de desenvolvimento de nanossatélites no Inpe, em parceria com universidades brasileiras e estrangeiras, Fátima tem muitas histórias para contar e fará isso durante um evento, dia 14 de abril, a partir das 16 horas, no auditório Fernão Stella de Rodrigues Germano do ICMC. A iniciativa também será transmitida ao vivo pelo canal ICMC TV no YouTube.

O evento é parte do ciclo de palestras Alumni – Campus USP São Carlos… trajetórias que inspiram, que compõem a programação para celebrar os 70 anos da Escola de Engenharia de São Carlos (EESC). O ciclo tem o objetivo de motivar os atuais estudantes por meio de exemplos de sucesso profissional de ex-alunas e ex-alunos, além de estreitar laços entre as diferentes gerações de estudantes que passaram ou estão na USP.

Com periodicidade bimensal, a proposta envolve egressos das cinco unidades do campus da USP, em São Carlos, e o local de cada palestra é a unidade onde o estudante se formou. Com o tema O protagonismo do software na engenharia de satélites do Inpe, Fátima revelará, no dia 14 de abril, detalhes de sua trajetória desde a graduação no ICMC, e explicará por que a engenharia de satélites é, hoje, estreitamente ligada à área de desenvolvimento de software. O evento é coordenado pelo professor José Marcos Alves, da EESC, em parceria com a professora Kalinka Castelo Branco, do ICMC.

Antes da palestra no ICMC, Fátima estará, na manhã de 14 de abril, com estudantes da escola estadual João Batista Gasparin, em São Carlos, para falar sobre As mulheres no espaço e nas carreiras relacionadas ao setor espacial.

Sobre o Inpe – Ligado ao Ministério da Ciência, Tecnologia e Inovações (MCTI), o Inpe foi criado em 1961 para realizar atividades e estudos desde a origem do Universo a aplicações da ciência, como nas questões de desflorestamento das matas. O instituto é um centro de referência internacional em pesquisas de ciências espaciais e atmosféricas, engenharia espacial, meteorologia, observação da Terra por imagens de satélite e estudos de mudanças climáticas.

São centenas de colaboradores que trabalham diariamente para expandir a capacidade científica e tecnológica do Brasil, muitos deles formados na USP em diferentes áreas e unidades de ensino e pesquisa. Fátima entrou no Inpe para fazer mestrado em Telecomunicações e Sistemas Espaciais, logo após se formar na USP em 1980. Inicialmente, seu trabalho no Inpe estava relacionado com a operação de satélites e controle, ficando muitos anos na divisão de sistemas de solo. No doutorado, enveredou para verificação e validação de sistemas espaciais intensivos em softwares. Para conhecer mais sobre essa história, basta acessar a reportagem Da USP São Carlos às pesquisas espaciais, a trajetória de quem desenvolve satélites, publicada pelo Jornal da USP.

Texto: Denise Casatti e Laura Gazana, da Assessoria de Comunicação do ICMC-USP

Com informações da EESC e do Jornal da USP

Mais informações

Sobre o ciclo de palestras Alumni – Campus USP São Carlos… trajetórias que inspiram:
http://www.saocarlos.usp.br/eesc-abre-ciclo-de-palestras-inspiradoras-com-profissionais-de-sucesso/
Leia a reportagem do Jornal da USP:
https://jornal.usp.br/universidade/da-usp-sao-carlos-as-pesquisas-espaciais-a-trajetoria-de-quem-desenvolve-satelites/

Dúvidas? Escreva para jma@sc.usp.br