Tredimensionell fotografering
Från ”Vakna!”:s korrespondent i Storbritannien
I MARS 1977 fick besökare på Royal Academy of Arts (engelska konstakademin) se en förevisning av en ny och fascinerande företeelse när det gäller fotografering, ett fotografiskt underverk från det tjugonde århundradet som kallas ”holografi”. Det som förevisades vid utställningen var en tredimensionell bild av en telefonapparat, som svävade fritt i tomma luften och som var så realistisk att det var förlåtligt om man försökte ringa på den.
Utställningen, som passande kallades ”Det mirakulösa ljuset”, var avsedd att väcka besökarnas förundran över den vetenskapligt avancerade tekniken när det gäller laserstrålar och över det nöje man kan få ut av dem. Besökarna fick inblick i hur man kan projicera en tredimensionell bild i naturlig storlek i tomma luften med hjälp av holografi i stället för att göra en bild på ett platt kort. Man kan faktiskt betrakta bilden ur olika vinklar och se skilda delar av den.
Du kanske har hört ordet ”holografi” eller ”hologram” i förbindelse med den användning som laserstrålar på senare tid fått när det gäller underhållning. I samband med underhållning med ljuseffekter, som man åstadkommer med hjälp av laserstrålar, komponerar man ihop musik och mångfärgade laserstrålar som virvlar omkring och snor runt och pilar av och an, och ibland använder man holografiska 3 D-bilder (tredimensionella bilder) för att få fram speciella effekter.
Hur det fungerar
Ordet ”holografi” används för att beskriva metoden, eftersom prefixet ”holo” betyder ”hel” eller ”fullständig”. Med holografi kan man ta bilder på ett mycket fullständigare sätt i jämförelse med en vanlig kamera.
Vi kan förstå den grundläggande principen för holografi, om vi gör en jämförelse med ljudinspelning och ljudåtergivning. Vi kan till exempel tänka oss en symfoniorkester som spelar ett stycke klassisk musik. De toner och musikljud som olika instrument frambringar ger upphov till ett sammansatt ljudmönster från orkestern. Detta mönster kan naturligtvis spelas in på skiva, och skivan ”lagrar” ljudet i kodad form (i själva verket som variationer i skivspåren). När man spelar upp skivan, frambringas ett ljudmönster som exakt liknar de ursprungliga tonerna från orkestern. Identiskt likadana ljudvågor har framalstrats på nytt.
På ett liknande sätt registrerar man med hjälp av holografi ljusvågor som kan återskapas på nytt. Låt oss undersöka hur detta är möjligt.
Vad är det i första hand som är inbegripet när man ser en annan människa, ett händelseförlopp eller ett föremål? Eftersom vi inte kan se i mörker, är det nödvändigt med ljus från solen eller från någon annan källa. I verkligheten är det så att varje liten del av ett föremål som vi betraktar återkastar ljuset, men i varierande mängd och i skiftande färg. På så sätt frambringas ett sammansatt ljusmönster som avges av föremålet, på samma sätt som ljud avges av orkestern. Vi ser föremålet när detta mönster når våra ögon och tolkas av hjärnan.
Låt oss anta att mönstret med ljusvågor som avges av en vän som sitter mitt emot dig uppfångas och registreras, eller ”lagras”, på samma sätt som grammofonskivan ”lagrar” ljudet. Din vän reser sig och går. Om man ”spelade upp” denna ”ljusinspelning”, skulle man kunna återskapa ett identiskt likadant ljusmönster, och på så sätt skulle det för ögat och hjärnan se ut som om samma person fanns där på nytt. Dessutom skulle den bild som framträder vara en 3 D-bild i full naturlig storlek och exakt lik personen själv, eftersom det återskapade ljuset i detalj liknar det ursprungliga ljuset (precis som i fallet med ljudåtergivning).
Detta är den avgörande skillnaden mellan fotografi och holografi. När man fotograferar, gör man en platt bild av en vy eller av en person, precis som när en konstnär gör en målning, men med holografi återger man det ursprungliga mönstret hos själva ljusvågorna.
Hur man gör ett hologram
Den ”skiva” på vilken ljusvågorna ”lagras” kallas ”hologram”. I stort sett liknar den filmen till en vanlig kamera, men den har högre kvalitet och består vanligtvis av en glasplatta med en fotografisk emulsion, en ”glasplåt”.
Figur 1 visar hur ljusupptagningen sker. En utvidgad ljusstråle från en laser sönderdelas först i två ljusstrålar av en speciell spegel. En ljusstråle (som kallas ”referensstrålen”) går direkt till glasplattan, medan den andra strålen belyser föremålet som skall holograferas. Det sammansatta ljusmönstret som reflekteras från föremålet träffar sedan också plattan. Ljus träffar alltså plattan från två håll och ger upphov till en mycket detaljerad registrering av mönstret, när det når plattan.
Figur 2 visar hur återgivningen av 3 D-bilden går till. Först framkallas plattan (precis som vid vanlig fotografering), och föremålet avlägsnas. En enda ljusstråle riktas nu mot plattan. Ljuset passerar genom plattan, men påverkas då av det mönster som finns inpräglat i plattan. Resultatet blir att det ljus som avges från plattan är exakt likadant som det ursprungliga ljuset som kom från föremålet, och därför ser det ut som om föremålet finns där igen. För betraktaren är plattan som ett fönster, genom vilket föremålet syns i naturlig djupdimension. Om man tittar genom ”fönstret” från olika riktningar, kan man se föremålet ur olika vinklar. Bilden ser så verklighetstrogen ut att betraktaren kan frestas att sträcka sig fram och röra vid den, men det finns naturligtvis ingenting där!
Intressanta egenskaper
Hologram och de bilder som de ger upphov till har många märkliga och fascinerande egenskaper. Inom holografin motsvarar hologramplattan de negativ man får av vanlig film. I vissa avseenden är den emellertid helt annorlunda. Om man till exempel tar några svartvita negativ och håller upp dem mot ljuset, ser man en bild på dem (i själva verket en omvänd bild — det som är mörkt i verkligheten är ljust på negativet och tvärtom). Om man håller hologramplattan mot ljuset, finner man att den inte alls har någon likhet med en bild. Det är bara i ett mikroskop man kan se något riktigt påtagligt, men även då ser man enbart mycket oregelbundna, obegripliga mönster med linjer, klumpar och vindlingar.
Om någon del av ett vanligt negativ förstörs eller klipps bort, kommer naturligtvis denna del av bilden att vara förstörd eller saknas på kort som framställs från negativet. Om du slår sönder glasplattan med hologrammet, kommer du emellertid att bli förvånad. Hela bilden kan återges med hjälp av vilken som helst av bitarna! Kvaliteten kommer att bli något försämrad beroende på bitarnas storlek. Men bilden kommer ändå alltid att vara fullständig!
Den verklighetstrogna 3 D-återgivningen av en bild från ett hologram visar sig på flera sätt. Om man byter position när man tittar genom ”fönstret” (hologramplattan av glas), ändrar sig perspektivet hos den återgivna bilden precis som det skulle göra om man betraktade den i verkligheten. Om någonting i förgrunden på bilden skymmer ett bakomvarande föremål, kan man se det skymda föremålet om man rör huvudet i sidled och tittar förbi hindret. Man kommer också att märka att ögonens inställning ändras, när man betraktar närbelägna och avlägsna punkter i bilden, och om man är närsynt är det bra att använda glasögon!
En intressant effekt visar sig om man till exempel holograferar en diamantring. På den holografiska bilden reflekterar diamantens fasetter ljusglitter, och detta skiftar allteftersom betraktaren rör på huvudet — det är precis som med den verkliga diamanten!
Kort sagt, den återgivna bilden har alla de visuella egenskaper som det verkliga föremålet har.
Några utvecklingsstadier
Fastän de grundläggande principerna för holografi har varit kända i mer än 30 år (holografin uppfanns av Dennis Gabor år 1948), var det inte förrän i samband med uppfinningen av lasrar på 1960-talet som man kunde påvisa holografins alla möjligheter. En laser är en källa som ger ett rent, regelbundet eller ”koherent” ljus, och i allmänhet är denna typ av ljus nödvändigt när man gör hologram av tredimensionella föremål. Det finns emellertid nackdelar med att använda lasrar, när det gäller den praktiska tillämpningen inom holografin. De är dyra och i somliga fall riskabla. Skulle man kunna begränsa användningen av dem på något sätt?
Ett stort framsteg i det avseendet gjordes av den ryske forskaren Yu. N. Denisyuk. Han fick den anmärkningsvärda idén att han skulle kombinera holografi med en typ av färgfotografi som uppfanns av den franske fysikern Gabriel Lippmann år 1891. Enligt Denisyuks idé behövs det fortfarande lasrar för att göra hologrammet (Figur 1), men vid återskapandet eller återgivningen (Figur 2) kan lasern ersättas av en vanlig glödlampa. Om man dessutom använder tre lasrar när man gör hologrammet, vilka motsvarar de tre grundfärgerna (rött, grönt och blått), ger hologrammet en bild med alla färger.
Det finns en ganska speciell metod som man kallar ”multiplexmetoden”, där man helt och hållet kan undvika att använda lasrar. Denna metod innebär att man framställer hologrammet med hjälp av ett stort antal vanliga fotografier. En person sitter till exempel på en långsamt roterande plattform, och en vanlig filmkamera tar hundratals bilder och registrerar på så sätt hans utseende från alla riktningar. Dessa bilder sammanställs sedan till ett enda hologram med vilket man kan återge en 3 D-bild. Denna metod har gjort det möjligt att i viss utsträckning registrera rörelse på hologrammet; man kan se hur en person rör handen eller ler. Det påminner om filmens första tid, men den här gången är det tredimensionellt.
Praktiska tillämpningar
Att framställa och betrakta hologram är fascinerande, men vilka praktiska tillämpningar har holografin?
Man kommer kanske omedelbart att tänka på 3 D-filmer och på televisionen, där holografin skulle kunna åstadkomma det yppersta i fråga om realism. Även om det i princip kan vara möjligt att få till stånd ett sådant system, ter det sig för närvarande avlägset. Problemet har att göra med den oerhörda mängden information som finns på hologramplattan. En hologramplatta på 200 kvadratmillimeter har en potentiell informationsmängd som är mer än 300.000 gånger så stor som en enda TV-stillbild. De nuvarande televisionssystemen förmår inte på långa vägar att klara av en sådan oerhörd mängd information.
För närvarande har holografin kommit till användning vid utställningar och inom reklamen. Ett företag som har ansvaret för många av affischtavlorna i tunnelbanan i London har visat intresse för användningen av hologram i reklamsyfte. Och i framtiden kan det mycket väl tänkas att försäljare medför hologram som varuprov när det gäller skrymmande eller tunga produkter.
På museer kan värdefulla utställningsföremål ersättas av holografiska kopior. Denna teknik har prövats i Sovjetunionen, och Eremitaget i Leningrad håller nu på med att göra i ordning ett bibliotek med hologram för utlåning till andra museer. Framställning av 3 D-porträtt kommer utan tvivel att bli ett stort användningsområde inom den närmaste framtiden.
Holografin har också funnit några viktiga användningsområden inom industri och forskning. När det till exempel gäller tillverkning av cylindrar med hög precision för bilmotorer, kan man göra ett hologram av ett perfekt exemplar. Den holografiska bilden passas sedan exakt in (överlagras) på de riktiga cylindrarna på tillverkningsbandet; alla skavanker och fel visar sig omedelbart i form av ett karakteristiskt fransigt mönster. Formavvikelser på mindre än en mikron kan upptäckas. (En mikron är en tusendels millimeter!)
Inom forskningen kan man genom att använda pulslasrar uppfånga händelseförlopp som är för snabba för ögat att uppfatta. Pulslasrar, som man monterar på en holografisk kamera på samma sätt som en blixtsnabb synkronblixt, avger ljusimpulser som bara varar ett ögonblick. En rubinlaser kan till exempel frambringa en blixt som bara varar 0,00000003 sekunder! Ljusblixten uppfångar effektivt ett händelseförlopp som pågår mindre än en milliondels sekund eller fryser rörelsen hos ett föremål som rör sig med oerhört stor hastighet. Händelseförloppet återges på den holografiska bilden. Man kan undersöka vibrationer hos föremål, till exempel maskiner eller musikinstrument, och denna metod erbjuder möjligheter att analysera snabba kemiska processer.
Holografi är fortfarande en ganska dyrbar och besvärlig metod i jämförelse med vanlig fotografering. För närvarande finns det också vissa begränsningar när det gäller hologrammets storlek. Holografi ersätter alltså inte fotografering, men den har gjort sig bemärkt som en avancerad form av fotografering, som man kan ha nytta av inom vissa speciella områden. Den är ett exempel på ytterligare en användning av naturlagarna — i själva verket Skaparens lagar — till nytta och glädje för mänskligheten. När man gjort ytterligare förbättringar av metoden, och när man nedbringat omkostnaderna, råder det inte något tvivel om att nya idéer kommer att födas när det gäller att utnyttja holografin, så att den påverkar vårt liv i mycket större utsträckning än den för närvarande gör.
[Diagram på sidan 13]
(För formaterad text, se publikationen)
Figur 1
Rent ljus från laserkälla
Stråldelarspegel
Referensstråle
Ett mönster av ljusvågor når plattan från två håll
HOLOGRAM
Glasplatta
3 D-föremål
Genomskinlig fotografisk emulsion
Figur 2
Från laser
HOLOGRAM
3 D-bild
ÖGAT: ser 3 D-bild som är identiskt lik 3 D-föremålet