Holografia – kolmiulotteinen valokuvaus

Herätkää!-lehden Englannin-kirjeenvaihtajalta

NIILLÄ, jotka kävivät Lontoon kuninkaallisessa taideakatemiassa maaliskuussa 1977, oli mahdollisuus tutustua uuteen ja kiehtovaan valokuvausmenetelmään, holografiaan, ”tämän vuosisadan valokuvausihmeeseen”. Näyttelyssä oli esillä ilmaan ripustettu vapaasti pyörivä puhelimen kolmiulotteinen kuva, joka oli siinä määrin luonnonmukainen, että katselijan olisi tehnyt mieli yrittää soittaa sillä.

Näyttelyllä, jonka tarkoituksena oli tutustuttaa yleisö lasersädetekniikkaan ja sen hauskoihin puoliin, oli sopiva nimi: ”Fantastinen valo”. Kuten vieraat tulivat tietämään, tavallisen valokuvapaperille syntyvän kaksiulotteisen kuvan asemesta holografialla kuvasta saadaan täysin kolmiulotteinen. Sinä voit jopa katsella sitä eri kulmista tai nähdä eri osia siitä.

Olet kenties kuullut puhuttavan ”holografiasta” tai ”hologrammeista” siinä yhteydessä, kun lasersäteitä on viime aikoina käytetty viihdetarkoituksiin. Laservaloin tehostetuissa viihde-esityksissä moniväristen lasersäteitten äkilliset, kieppuvat ja mutkittelevat liikkeet on tahdistettu musiikkiin, ja joskus käytetään erikoistehosteina kolmiulotteisia holografisia kuvia.

Holografian periaate

Sana ”holografia” kuvaa koko tapahtumasarjaa, sillä etuliite ”holo” merkitsee ’kokonaista’ tai ’täydellistä’. Holografialla kuva saadaan paljon täydellisempänä kuin tavallisella kameralla.

Voimme ymmärtää holografian perusperiaatteen vertaamalla sitä äänen tallentamiseen ja sen toistoon. Ajattele esimerkiksi sinfoniaorkesteria, joka soittaa klassillista musiikkia. Orkesterin eri soittimista lähtevät sävelet aikaansaavat yhdessä monimutkaisen äänikuvion. Tämä kuvio voidaan tietenkin tallentaa äänilevylle, niin että ääni on niin sanoaksemme ”tallessa” koodatussa muodossa (todellisuudessa levyn urien mutkittelussa). Kun levyä soitetaan, syntyvä äänikuvio vastaa alkuperäisiä orkesterin synnyttämiä säveliä. Ääniaallot on toistettu samanlaisina.

Vastaavasti holografia tallentaa valoaaltoja niin että ne voidaan myöhemmin toistaa eli muodostaa uudelleen. Katsokaamme miten se on mahdollista.

Mitä tarvitaan kaikkein ensimmäiseksi, jotta voitaisiin nähdä toinen ihminen, jokin maisema tai esine? Koska me emme voi nähdä pimeässä, tarvitaan auringosta tai jostakin muusta lähteestä tulevaa valoa. Itse asiassa jokainen pieni osa siitä esineestä, jota me katselemme, heijastaa valoa, mutta valon voimakkuus ja väri vaihtelee. Esine siis antaa mutkikkaan valokuvion samoin kuin orkesteri synnyttää sointikuvion. Me näemme esineen, kun tämä kuvio saapuu silmiimme ja aivot tulkitsevat sen.

Olettakaamme, että joku ystäväsi istuu sinua vastapäätä ja hänen synnyttämänsä valoaaltokuvio tallennetaan samaan tapaan kuin ääni tallennetaan äänilevylle. Ystäväsi nousee ja poistuu. ”Toistamalla” tämä ”valotallennus” voitaisiin luoda uudelleen täysin samanlainen silmin ja aivoin tunnistettava valokuvio, ja ihminen näyttäisi ilmaantuvan uudelleen. Lisäksi koska uudelleen synnytetty valo toistaa alkuperäisen valon (kuten on periaatteena äänentoistossakin), nähtävä kuva on täysin kolmiulotteinen täsmälleen samalla tavalla kuin oli tuo ihminen.

Tässä tavallinen valokuvaus ja holografia eroavatkin eniten toisistaan. Valokuvattaessa maisemasta tai ihmisestä syntyy taiteilijan maalauksen kaltainen kaksiulotteinen kuva, mutta holografia toistaa itse alkuperäisen valoaaltokuvion.

Miten hologrammi tehdään

Levyä, jolle valoaallot ”tallennetaan”, sanotaan ”hologrammiksi”. Se on pääosiltaan samanlaista kuin tavallinen kamerafilmi mutta parempilaatuista ja yleensä lasisen valokuvauslevyn muodossa.

Kuva 1 osoittaa, miten holografinen kuva eli hologrammi tehdään. Ensiksi laserista tuleva levitetty valonsäde jaetaan erikoispeilillä kahteen osaan. Toinen osa (jota sanotaan ”referenssisäteeksi”) menee suoraan valokuvauslevylle, samalla kun toinen osa valaisee sitä esinettä, josta hologrammi tehdään. Sen jälkeen myös esineestä heijastunut monimutkainen valokuvio tulee valokuvauslevylle. Valo siis tulee levylle kahdesta suunnasta ja tallentaa valokuvion levylle hyvin yksityiskohtaisesti.

Kuva 2 osoittaa, miten tallenne muutetaan takaisin kolmiulotteiseksi kuvaksi. Ensin levy kehitetään (kuten tavallinen kamerafilmi) ja esine nostetaan pois. Nyt valokuvauslevylle suunnataan yksivärinen valo. Valo läpäisee levyn, mutta nyt levyyn valotettaessa syntynyt kuvio muuttaa sen. Niinpä levystä tuleva valo toistaa täsmällisesti kohteesta tulleen alkuperäisen valon ja kohde näyttää ilmaantuvan uudelleen. Valokuvauslevy on katselijalle kuin ikkuna, josta esine näkyy aidosti kolmiulotteisena. Katselemalla esinettä eri suunnista ”ikkunan” kautta sen näkee eri kulmista. Kuva näyttää niin elävältä ja todelliselta, että katselijan tekee ehkä mieli ojentaa kätensä ja kosketella sitä, mutta tietenkään mitään ei ole olemassa!

Kiintoisia ominaisuuksia

Hologrammeilla ja niistä saatavilla kuvilla on monia erikoisia ja kiehtovia ominaisuuksia. Holografiassa hologrammilevy vastaa tavallisesta filmistä saatuja negatiiveja. Mutta eräissä suhteissa se on täysin erilainen. Jos sinulla esimerkiksi on mustavalkoisia negatiiveja ja pidät niitä valoa vasten, niin niissä näkyy kuva (todellisuudessa käänteisenä niin että tummat alueet ovat vaaleita ja päinvastoin). Jos pidät hologrammilevyä valoa vasten, huomaat, ettei siinä näy kerrassaan minkäänlaista kuvaa. Ainoastaan mikroskooppitutkimus voi paljastaa levystä asiaankuuluvaa informaatiota, mutta silloinkin vain viivojen, läiskien ja kiekuroitten säännöttömänä, sekavana kuviona.

Jos tavallisesta negatiivista turmeltuu osa tai se leikataan pois, on selvää, että se osa kuvasta on pilalla tai poissa negatiivista tehdyissä paperikuvissa. Mutta jos rikot lasisen hologrammilevyn, koet yllätyksen. Koko kuva voidaan muodostaa uudelleen mistä tahansa palasesta! Laatu voi kärsiä hieman riippuen palasen koosta. Silti kuva on aina täydellinen!

Hologrammeista syntyvän kolmiulotteisen kuvan luonnonmukaisuus ilmenee monin tavoin. Jos muutat katseluasentoasi ”ikkunan” (lasisen hologrammilevyn) edessä, kuvan perspektiivi muuttuu aivan samalla tavalla kuin jos katselisit alkuperäistä näkymää. Jos kuvassa on etualalla jotakin, mikä peittää kohteen taakseen, siirtämällä päätäsi sivulle voit katsoa sen ohi ja nähdä piilossa olleen kohteen. Huomaat myös, että silmiesi tarkennus muuttuu katsellessasi näkymässä lähellä tai etäällä olevia kohtia, ja silmälaseista on apua, jos olet likinäköinen!

Jos sanokaamme timanttisormuksesta otetaan hologrammi, syntyy mielenkiintoinen ilmiö. Holografisessa kuvassa valo välkehtii timantin viisteistä, ja välke vuoroin syttyy ja sammuu sitä mukaa kuin katselija liikuttaa päätään – täsmälleen kuin oikeassa timantissa!

Hologrammikuvalla on lyhyesti sanottuna kaikki aidon esineen nähtävät ominaisuudet.

Holografian kehitysvaiheita

Vaikka holografian perusperiaatteet ovat olleet tunnettuja yli 30 vuotta (Dennis Gabor keksi holografian vuonna 1948), niin vasta 1960-luvulla, jolloin keksittiin laserit, voitiin kunnolla osoittaa holografian tarjoamat mahdollisuudet. Laser kehittää yksiväristä, koossapysyvää eli ”koherenttia” valoa, ja yleensä tällainen valo on välttämätöntä tehtäessä hologrammeja kolmiulotteisista kohteista. Mutta lasereitten käytöstä on haittoja, kun ajatellaan holografian käytännön sovellutuksia. Ne ovat kalliita ja joissakin tapauksissa vaarallisia. Voitaisiinko niiden käyttöä mitenkään vähentää?

Venäläinen keksijä J. N. Denisjuk vei kehitystä tässä mielessä reippaasti eteenpäin. Hän sai merkittävän idean holografian yhdistämisestä erääseen värivalokuvausmenetelmään, jonka ranskalainen fyysikko Gabriel Lippmann oli keksinyt vuonna 1891. Denisjukin ideana on se, että vaikka lasereja yhä tarvitaankin hologrammien teossa (kuva 1), hologrammia katseltaessa (kuva 2) laser voidaan korvata tavallisella hehkulampulla. Edelleen käyttämällä hologrammien teossa kolmea laseria, joiden valo vastaa kolmea pääväriä (punaista, vihreätä ja sinistä), hologrammi antaa värillisen kuvan.

Sitten on olemassa yksi erikoinen menetelmä, jossa ei tarvitse lainkaan käyttää lasereita. Tällöin hologrammi tehdään lukuisista tavallisista valokuvista. Esimerkiksi ihminen voi istua hitaasti pyörivällä korokkeella, ja tavallinen elokuvakamera ottaa satoja kuvia tallentaen hänen ulkonäkönsä joka suunnasta. Sen jälkeen kuvat yhdistetään yhdeksi hologrammiksi, josta sitten voidaan katsella kolmiulotteista kuvaa. Menetelmä on mahdollistanut sen, että hologrammille voidaan jossakin määrin tallentaa liikkeitä; ihmisen voidaan nähdä liikuttavan kättään tai hymyilevän. Mieleen tulevat helposti elokuvan alkuajat, mutta tällä kertaa kuvat ovat todella kolmiulotteisia!

Käytännön sovellutuksia

Hologrammien teko ja katselu on kiehtovaa, mutta mitä käytännön sovellutuksia holografia on saanut?

Joku voisi heti ajatella kolmiulotteisia elokuvia ja kolmiulotteista televisiota, jotka holografia tekisi täysin luonnonmukaisiksi. Vaikka ehkä onkin periaatteessa mahdollista valmistaa sellainen järjestelmä, siihen tulee kulumaan vielä kauan. Ongelmana on hologrammilevyn valtava informaatiotiheys. 400 cm²:n hologrammilevylle mahtuu informaatiota yli 300000 kertaa niin paljon kuin yhteen liikkumattomaan televisiokuvaan. Nykyisillä televisiojärjestelmillä ei ole mitään mahdollisuuksia näin valtavan informaatiomäärän käsittelemiseen.

Tällä hetkellä holografia on saamassa sovellutuksia näyttö- ja mainosvälineenä. Eräs yhtiö, joka vastaa monista Lontoon metron mainostauluista, on ollut kiinnostunut hologrammien käytöstä mainostarkoituksiin. Ja tulevaisuuden myyntiedustaja voi hyvinkin kuljettaa mukanaan hologrammeja kömpelöitten tai raskaitten tuotteitten malleina.

Museoissa aarteita voidaan korvata tarkoilla holografisilla jäljennöksillä. Neuvostoliitto on ollut uranuurtajana tällä alalla, ja Leningradissa sijaitsevaan Eremitaašin museoon kootaan paraikaa hologrammeista kirjastoa, josta toiset museot voivat lainata niitä. Lähitulevaisuudessa kolmiulotteisista muotokuvista tulee epäilemättä tärkeä holografian sovellutus.

Holografialle on löytynyt merkittäviä sovellutuksia myös teollisuudessa ja tutkimustyössä. Esimerkiksi valmistettaessa autonmoottorien tarkkamittaisia sylintereitä virheettömästä sylinteristä voidaan tehdä hologrammi. Sen jälkeen holografinen kuva asetetaan tarkasti tuotantolinjalla olevien sylintereitten päälle, ja kaikki viat ja virheet paljastuvat heti tyypillisenä reunakuviona. Samoin voidaan havaita alle yhden mikronin suuruiset muotovirheet. (Mikroni on millimetrin tuhannesosa!)

Tutkimustyössä impulssilasereilla voidaan ottaa holografisia kuvia tapahtumista, jotka ovat liian nopeita ihmissilmälle. Holografiseen kameraan sovitetut impulssilaserit ovat kuin huipputehokkaita salamavalolaitteita, ja ne lähettävät vain hetkellisiä valoimpulsseja. Esimerkiksi rubiinilaser voi lähettää välähdyksen, joka kestää vain 0,00000003 sekuntia! Valonvälähdys vangitsee tehokkaasti tapahtuman, joka kestää alle sekunnin miljoonasosan, tai jähmettää jonkin erittäin nopeasti kiitävän esineen liikkeen. Tapahtuma voidaan nähdä uudelleen holografisesta kuvasta. Voidaan tutkia esimerkiksi koneitten tai soitinten värähtelyjä, ja menetelmä tarjoaa mahdollisuuksia nopeitten kemiallisten reaktioitten erittelyyn.

Holografia on edelleen melko kallista ja kömpelöä verrattuna tavalliseen valokuvaukseen. Joitakin rajoituksia on tällä hetkellä myös siinä, minkä kokoisia hologrammeja on mahdollista valmistaa. Sen sijaan että holografia korvaisi valokuvauksen, siitä on tullut tiettyjä erityisaloja hyödyttävä valokuvauksen kehittyneempi muoto. Se edustaa jälleen erästä luonnonlakien – todellisuudessa Luojan lakien – käyttöä ihmiskunnan hyödyksi ja iloksi. Kun holografiamenetelmä edelleen kehittyy ja halpenee, niin epäilemättä sille syntyy uusia käyttötarkoituksia, joiden vaikutus tuntuu meidän elämässämme nykyistä paljon enemmän.

[Kaaviot s. 13]

(Ks. painettu julkaisu)

Kuva 1

Laserista tuleva yksivärinen valo

Sädekimpun jakava peili

Referenssisäde

Valoaaltokuvio tulee levylle kahdesta suunnasta

HOLOGRAMMI

Lasilevy

Läpikuultava valokuvausemulsio

Kolmiulotteinen esine

[Kaavio]

Kuva 2

Laserista

HOLOGRAMMI

Kolmiulotteinen kuva

Silmä näkee kolmiulotteisen kuvan samanlaisena kuin kolmiulotteisen esineen