Fotografie in drie dimensies

Door Ontwaakt!-correspondent op de Britse Eilanden

PERSONEN die in maart 1977 de tentoonstelling van de Royal Academy of Arts in Londen bezochten, zagen daar een nieuw en fascinerend concept in de fotografie gedemonstreerd, een twintigste-eeuws fotografisch wonder dat „holografie” wordt genoemd. De bezoekers kregen een zwevend driedimensionaal beeld van een telefoon te zien, dat in het niets hing en zo realistisch was dat u zich niets had hoeven verwijten als u geprobeerd had ermee op te bellen.

De tentoonstelling, die was opgezet om het publiek een indruk te geven van de wetenschappelijke en de speelse aspecten van laserstralen, droeg de passende naam „Fantastisch Licht”. De bezoekers leerden er dat bij holografie het beeld niet op een vlakke foto staat, maar in volledig driedimensionale vorm in de ruimte is geprojecteerd. U kunt er werkelijk vanuit verschillende richtingen naar kijken ten einde er verschillende delen van te zien.

Misschien hebt u wel eens het woord „holografie” of „hologram” horen vallen in verband met de recente aanwending van laserstralen in de amusementswereld. In licht-shows die met laserstralen werken, wordt bij muziek een heel spel van wervelende, plotseling te voorschijn schietende, dansende laserstralen van verschillende kleuren gecomponeerd, en soms worden hierbij driedimensionale holografische beelden gebruikt om speciale effecten te bereiken.

Het principe

Men beschrijft het procédé met het woord „holografie”, omdat het voorvoegsel „holo” de betekenis heeft van „volkomen” of „volledig”. Holografie legt het beeld op een veel vollediger manier vast dan met een gewone camera mogelijk is.

Wij kunnen het principe van holografie begrijpen door het te vergelijken met het opnemen en weergeven van geluid. Neem bijvoorbeeld een symfonieorkest dat een stuk klassieke muziek speelt. De door de verschillende instrumenten voortgebrachte tonen en klanken resulteren erin dat er van het orkest als geheel een ingewikkeld geluidspatroon uitgaat. Dit patroon kan natuurlijk op de plaat worden vastgelegd, en de plaat bewaart dan het geluid in gecodeerde vorm (in de praktijk door de variaties in de groef). Wanneer de plaat wordt afgespeeld, wordt een geluidspatroon voortgebracht dat de oorspronkelijke, van het orkest afkomstige tonen weer opnieuw tot leven brengt. Er zijn identieke geluidsgolven geregenereerd.

Op een soortgelijke manier legt holografie lichtgolven vast om deze zelfde lichtgolven later opnieuw te kunnen vormen. Laten wij eens zien hoe dit mogelijk is.

Wat is er in de allereerste plaats voor nodig om iemand anders, of een tafereel of een voorwerp te zien? Daar wij in het donker niets zien, moeten wij licht hebben van de zon of van een andere lichtbron. Elk millimetertje van een voorwerp waarnaar wij kijken, weerkaatst licht, maar in verschillende mate en in verschillende kleuren. Aldus wordt een ingewikkeld lichtpatroon voortgebracht dat van dat voorwerp afstraalt, net als bij het van het orkest afkomstige geluid. Wij zien het voorwerp wanneer dit patroon onze ogen bereikt en door de hersenen wordt geïnterpreteerd.

Laten wij eens veronderstellen dat het patroon van lichtgolven, afkomstig van een vriend die tegenover u zit, wordt onderschept en vastgelegd, of „bewaard”, op een soortgelijke wijze als de grammofoonplaat het geluid „bewaarde”. Uw vriend staat op en vertrekt. Bij het „terugspelen” van deze „lichtopname” zou het identieke lichtpatroon kunnen worden geregenereerd en aldus zou het voor het oog en voor de hersenen lijken of de persoon opnieuw verschijnt. Bovendien is het beeld dat wordt waargenomen, volledig driedimensionaal volkomen gelijk aan de persoon, omdat het geregenereerde licht een exacte kopie is van het oorspronkelijke licht (net als in het geval van het reproduceren van geluid).

Dit is het essentiële verschil tussen fotografie en holografie. De fotograaf maakt een vlakke afbeelding van een tafereel of een persoon, zoals ook een schilderij een afbeelding in het platte vlak is, maar bij holografie wordt het oorspronkelijke patroon van de lichtgolven zelf gereconstrueerd.

Het maken van een hologram

De plaat waarop de lichtgolven worden „bewaard”, staat bekend als het „hologram”. Dit is wat het filmpje is voor een gewone camera, maar dan van veel betere kwaliteit en over het algemeen in de vorm van een fotografische plaat, gemaakt van glas.

Figuur 1 laat zien hoe het opnemen in zijn werk gaat. Een verbrede bundel laserlicht wordt eerst door een speciale spiegel in tweeën gesplitst. Eén deel (de „referentiegolf” genoemd) valt direct op de fotografische plaat, terwijl het andere deel het voorwerp belicht waarvan het hologram moet worden gemaakt. Vervolgens beweegt ook het ingewikkelde patroon van licht dat door het voorwerp wordt gereflecteerd, zich naar de fotografische plaat. Op deze manier valt er op de plaat licht dat afkomstig is uit twee richtingen, met als resultaat dat op de plaat een zeer gedetailleerde opname van het patroon wordt geproduceerd.

Figuur 2 laat zien hoe het „terugspelen” in zijn werk gaat en het driedimensionale beeld wordt gevormd. De plaat wordt eerst ontwikkeld (zoals in de gewone fotografie) en het voorwerp wordt verwijderd. Nu wordt er één enkele lichtbundel op de plaat gericht. Het licht gaat door de plaat heen, maar terwijl het dat doet, wordt het door het in de plaat vastgelegde patroon gemodificeerd. Het resultaat is dat het doorgelaten licht een exacte reproduktie is van het oorspronkelijke licht dat van het voorwerp afkomstig was, en dus lijkt het voorwerp opnieuw te verschijnen. Voor de waarnemer is de fotografische plaat net een raam waardoorheen hij het voorwerp in al zijn diepte kan aanschouwen. Door vanuit verschillende richtingen door het „raam” te kijken, wordt het voorwerp vanuit verschillende hoeken gezien. Het beeld is zo realistisch dat de waarnemer de neiging heeft zijn hand uit te steken en het aan te raken, maar natuurlijk is er niets!

Interessante eigenschappen

Hologrammen en de beelden die ze opleveren, hebben vele merkwaardige en fascinerende eigenschappen. De holografische plaat is in de holografie het equivalent van de negatieven die van een gewone film verkregen worden. Maar in bepaalde opzichten zijn er toch grote verschillen. Als u bijvoorbeeld een of ander zwart-witnegatief bij de hand hebt en dat tegen het licht houdt, zult u bemerken dat het beeld erop te zien is (zij het in omgekeerde vorm — de donkere gebieden zijn licht en de lichte gebieden zijn donker). Houd de holografische plaat tegen het licht en u zult er niets op kunnen ontdekken dat ook maar enigszins op een beeld lijkt. Alleen onder een microscoop vindt u de informatie waar het om gaat, maar ook dan nog slechts als een hoogst onregelmatig, onbegrijpelijk patroon van lijnen, vlekken en spiralen.

Wordt een deel van een gewoon negatief beschadigd of afgesneden, dan is dat deel van de foto uiteraard verloren en zullen de afdrukken van dat negatief iets missen. Wanneer u echter de glasplaat met het hologram erop in stukken laat vallen, wacht u een verrassing. Met behulp van elk van de stukken kan het hele beeld worden gereconstrueerd! De kwaliteit zal er iets onder geleden hebben, afhankelijk van de grootte van het stuk. Niettemin zal het beeld altijd volledig zijn!

Het driedimensionale realisme van het beeld dat door een hologram wordt gevormd, doet zich op verscheidene manieren gelden. Kijkt u steeds vanuit een andere hoek door het „raam” (de glasplaat met het hologram), dan verandert het perspectief van het beeld op dezelfde manier als dat het zou veranderen wanneer u naar het originele tafereel keek. Als iets op de voorgrond van het beeld een voorwerp erachter aan het oog onttrekt, kunt u door uw hoofd naar opzij te bewegen, erlangs kijken en het aanvankelijk afgedekte voorwerp zien. U zult ook bemerken dat uw ogen zich verschillend instellen naargelang u naar dichtbij- of verafgelegen punten in het tafereel kijkt, en dat als u bijziend bent, uw bril uitkomst zal bieden!

Een interessant effect wordt verkregen als er een hologram wordt gemaakt van laten wij zeggen, een diamanten ring. In het holografische beeld ziet u de schitteringen van het aan de facetten weerkaatste licht, en deze lichtschitteringen verschijnen en verdwijnen als u uw hoofd beweegt — precies als bij de echte diamant!

Kort gezegd, de reconstructie heeft alle visuele eigenschappen van het werkelijke voorwerp.

Enkele ontwikkelingen

Hoewel de principes van holografie al meer dan dertig jaar bekend zijn (holografie werd in 1948 uitgevonden door Dennis Gabor), konden pas met de uitvinding van de laser in 1960 alle mogelijkheden van holografie in de praktijk worden gedemonstreerd. Een laser is een bron van onvermengd, regelmatig ofte wel „coherent” licht en in het algemeen is dit soort van licht noodzakelijk om hologrammen van driedimensionale voorwerpen op te nemen. Het gebruik van lasers heeft echter nadelen wanneer het op praktische toepassingen van holografie aankomt. Ze zijn duur en in sommige gevallen gevaarlijk. Zou hun gebruik op de een of andere manier tot een minimum teruggebracht kunnen worden?

Een belangrijke vooruitgang op dit gebied werd geboekt door de Russische onderzoeker Yu. N. Denisyuk. Hij kwam op het opmerkelijke idee om holografie te combineren met een vorm van kleurenfotografie die in 1891 door de Franse natuurkundige Gabriël Lippmann was uitgevonden. Hoewel er bij de methode van Denisyuk voor het opnemen van een hologram (Figuur 1) nog steeds lasers nodig zijn, kan bij de reconstructie, het „terugspelen”, (Figuur 2) de laser vervangen worden door een gewone gloeilamp. Verder levert het hologram een volledig gekleurd beeld op wanneer bij het opnemen gebruik wordt gemaakt van drie lasers, overeenkomend met de drie grondkleuren rood, groen en blauw.

Er is één bijzondere manier, die bekendstaat als de multiplex-techniek, waarbij het gebruik van lasers helemaal kan worden vermeden. Bij deze methode wordt het hologram samengesteld uit een groot aantal gewone foto’s. Bijvoorbeeld, een persoon zit op een langzaam draaiend platform en een gewone filmcamera neemt honderden foto’s van hem zodat zijn beeld van alle kanten wordt opgenomen. Die foto’s worden dan tot één enkel hologram samengevoegd waarmee vervolgens een driedimensionaal beeld kan worden gereconstrueerd. Deze techniek heeft het mogelijk gemaakt een bepaalde mate van beweging in het hologram vast te leggen; u kunt een persoon zijn hand zien bewegen of zien glimlachen. Het heeft wel wat weg van de begintijd van de bewegende film, maar ditmaal is het echt driedimensionaal!

Praktische toepassingen

Het maken en bekijken van hologrammen is fascinerend, maar wat voor praktische toepassingen biedt holografie eigenlijk?

Wellicht zou men onmiddellijk aan driedimensionale films en televisiebeelden denken, waarin holografie het realistische karakter van de beelden zou vervolmaken. Hoewel het in principe wellicht mogelijk is om zo iets te vervaardigen, ligt de realisatie ervan toch nog wel ver in de toekomst. De moeilijkheid is gelegen in de enorme hoeveelheid informatie die de holografische plaat bevat. Een holografische plaat van twee bij twee decimeter kan 300.000 maal zo veel informatie bevatten als één enkel stilstaand televisiebeeld. De huidige televisiesystemen zijn bij lange na niet in staat om zulke geweldige hoeveelheden informatie te verwerken.

Thans wordt holografie toegepast als medium om dingen te tonen en te adverteren. Een firma die vele van de aanplakborden in de Londense ondergrondse verzorgt, heeft zijn belangstelling uitgesproken voor het gebruik van hologrammen voor advertentiedoeleinden. En de vertegenwoordiger van de toekomst zou best eens hologrammen bij zich kunnen hebben om omvangrijke of zware produkten te tonen.

In musea kunnen kunstschatten vervangen worden door holografische reprodukties. Deze techniek is voor het eerst toegepast in de U.S.S.R., en de Hermitage, een museum complex in Leningrad, werkt nu aan de opbouw van een bibliotheek van hologrammen die aan andere musea kunnen worden uitgeleend. Het vervaardigen van driedimensionale portretten zal in de nabije toekomst ongetwijfeld een belangrijke toepassing zijn.

Holografie heeft ook in industrie en research enkele belangrijke toepassingen gevonden. Zo kan bijvoorbeeld bij de produktie van cilinders voor auto’s waarbij slechts een kleine tolerantie toegestaan is, een hologram worden gemaakt van een perfect exemplaar. Het holografische beeld wordt dan precies op de echte, van de lopende band komende cilinders geprojecteerd, en eventuele gebreken en onvolkomenheden treden onmiddellijk aan het licht als een karakteristiek lijnenpatroon. Afwijkingen in de vorm van minder dan één micron kunnen aldus worden ontdekt. (Een micron is één miljoenste van een meter!)

Bij wetenschappelijk onderzoek kunnen gebeurtenissen die zo snel plaatsvinden dat het oog ze niet meer kan waarnemen, op de holografische plaat worden vastgelegd door gebruik te maken van gepulste lasers. Zulke gepulste lasers, die als een superflitsapparaat op de holografische camera zijn bevestigd, geven lichtpulsen af die slechts zeer kort duren. Een robijnlaser bijvoorbeeld kan een flits afgeven die slechts 0,00000003 seconde duurt! De lichtflits legt een gebeurtenis vast die in minder dan een miljoenste van een seconde plaatsvindt, of bevriest de beweging van een buitengewoon snel bewegend voorwerp. De gebeurtenis wordt in het holografische beeld opnieuw tot leven gebracht. Zo kunnen trillingen in voorwerpen, zoals machines of muziekinstrumenten, worden bestudeerd, terwijl de methode ook mogelijkheden biedt voor het analyseren van snelle chemische reacties.

Holografie is nog tamelijk kostbaar en omslachtig vergeleken met gewone fotografie. Ook zijn er thans nog enkele beperkingen wat betreft de grootte van de hologrammen die kunnen worden gemaakt. Dus in plaats van fotografie te vervangen, is holografie naar voren getreden als een zeer moderne vorm van fotografie die op bepaalde speciale gebieden gebruikt kan worden. Holografie vertegenwoordigt weer een gebruik van natuurwetten — feitelijk wetten van de Schepper — tot voordeel en vreugde van de mensheid. Als het proces nog verder verbeterd wordt en men de kosten nog meer weet te drukken, zullen er ongetwijfeld nieuwe ideeën worden geboren waardoor holografie ons leven veel sterker zal gaan beïnvloeden dan thans het geval is.

[Diagrammen op blz. 25]

(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)

Figuur 1

zuiver licht van laser

halfdoorlatende spiegel

bundel

Uit twee richtingen komt een patroon van lichtgolven bij de plaat

HOLOGRAM

glasplaat

3-D-voorwerp

transparante fotografische emulsie

[Diagram]

Figuur 2

van laser

HOLOGRAM

3-D-beeld

Oog: ziet een 3-D-beeld dat identiek is aan het 3-D-voorwerp