Hvordan blir det holografiske bildet registrert, og hvorfor ser vi noe?

1 Hvordan blir det holografiske bildet registrert, og hvorfor ser vi noe? Olav Skipnes Cand real

2 Innhold Hvordan blir det holografiske bildet registrert?... 3 Bildet av et punkt... 3 Interferens...4 For å forstå holografi, må en vite hva interferens er... 4 Illustrasjon av bølger: svarte og hvite ringer... 4 Interferensmønsteret som oppstår når to smale laserstråler møtes.... 5 Transmisjonshologram av et punktformet legeme... 7 Utvelgelse av farge i lamellene... 10 Endring av farge... 10 Opptak av enkelt refleksjonshologram... 10 Laser transmisjonshologrammet.... 11 Registrering av interferensmønsteret... 12 Refleksjonshologram hvor motivet stikker fram... 14

3 Hvordan blir det holografiske bildet registrert? Bildet av et punkt For å skjønne dét, må vi først se på hvordan bildet av en ting oppstår. De fleste ting er synlige fordi lys faller på dem, og at hvert punkt reflekterer det lyset som ikke blir absorbert (Bare få ting produserer lyset selv). Vi går ut ifra at objektet ikke er blankt, og at vi har en diffus refleksjon. Fra hvert punkt på motivet brer det seg da en kuleformet lysbølge med de fargene i seg som ikke ble absorbert. Hver enkelt av denne uendelige mengde av kulebølger fokuseres så av vår øyelinse og danner et bilde av punktet på netthinna. Summen av alle punktene som de enkelte kulebølgene gir opphav til, blir det flate bildet av gjenstanden på vår netthinne. Forstår vi dermed hvordan ett punkt blir avbildet, forstår vi også hvordan et helt legeme blir avbildet (resonnementet må bare gjentas uendelig mange ganger). For å forstå hvorfor det holografiske bildet oppstår, er det derfor nok å studere hvordan bildet av et punkt oppstår: Figur 1

4 Øverste del av figur 1 viser en kuleformet bølge av lys som kommer fra A. Kun bølgefrontenes form idét de når øyelinsa bestemmer hvor bildet blir fokusert på netthinna. Nederste del viser hvordan et speil kan gjenskape bølgefrontene fra øverste del, slik at lyset som når øyet blir det samme. Øyet vil derfor "se" punktet på samme sted, selv om det vitterlig ligger i B! Speilet skaper altså en illusjon! Denne illusjonen har vi vent oss til å leve med; vi opplever den mange ganger daglig når vi er på badet. Den vakre personen som står bak speilet, vet vi godt ikke står i naborommet og betrakter oss! Dette bekrefter altså at det er lysbølgens form idet den går inn i øynene våre, som bestemmer hva vi ser. Lysets forhistorie er uten betydning Interferens For å forstå holografi, må en vite hva interferens er. Når to bølger møtes("kolliderer"), ødelegger de ikke hverandre, men fortsetter etterpå, bortenfor "kollisjonsstedet" som om ingen ting skulle ha skjedd! Under møtet skjer det vi kaller superposisjon eller overlagring : Der hvor to bølgetopper møtes, oppstår i øyeblikket en bølgetopp med høyde lik summen at de møtende toppene. Der hvor bølgebunner fra begge bølgene er, vil resultatet være en ekstra dyp bølgebunn. Hvor bølgebunn møter bølgetopp, vil resultatet bli et svakt utslag. (hvis begge bølgene har like store utslag, vil resultatet bli null, utslokning). Hvis bølgene på vannet kommer fra to pinner som går regelmessig opp og ned, vil vi få en sammenhengende ringbølge ut fra de to kildene. Hvordan resultatet av overlagringen da vil arte seg, ser vi på figur 2. Mønstret som oppstår, kalles et interferensmønster, og det kjennetegnes ved at forsterkede stråler av bølger brer seg i de retningene hvor bølgetopper møter topper og bunner møter bunner. I de mellomliggende områdene får vi bare svake bølger, for der møtes bunner og topper! Hvis de to pinnene fortsetter å svinge i takt, blir mønsteret stabilt, hvis den ene blir litt forsinket, vil mønsteret skyve litt på seg sidelengs. Det samme finner vi også for lys, for lys har også bølgenatur Figur 2 Illustrasjon av bølger: svarte og hvite ringer For å illustrere slike bølger, bruker vi ofte konsentriske ringer. Er vi nært kilden, blir ringene krumme, er vi langt unna blir krummingen lite merkbar, og vi kan til en viss grad kalle bølgefrontene plane. På figurene blir alltid de mørke og lyse ringene tegnet like breie, og vi tenker oss at den mørke ringen er en bølgebunn, og den lyse en bølgetopp. En bølgetopp og en bølgebunn utgjør til sammen en bølgelengde. Figur 3 viser et Moire-mønster som oppstår når vi legger to transparenter med konsentriske

5 Figur 3 ringer oppå hverandre. Strengt tatt er dette et Moire-mønster siden ringene ikke er ordentlige bøler, men du vil som oftest oppleve at vi kaller det et interferensmønster. Vi ser vi får stråler med kraftige bølgedaler og bølgebunner slik som på det virkelige bildet av vannbølger. I mellom strålene har vi felter hvor bunner møter topper, og slik får utslokking. Interferensmønsteret som oppstår når to smale laserstråler møtes. Vi starter med en enkel figur som skal avsløre en fundamental lov som gjelder for dannelsen av det holografiske bildet. Det gjør vi ved å betrakte hva som skjer når to laserstråler møtes. Figur 4 illustrerer to laserstråler med plane fronter som kommer fra venstre, fra A og B, Figur 4

6 og skjærer på skrå inn over det samme området. De hvite rombene illustrerer derved bølgetopper, med svarte bølgebunner imellom. Som vi ser, får vi i dette tilfellet vannrette stråler av lys (det er der hvor de hvite rombene henger sammen som en kjede bortover). Imellom har vi intet lys (mørke, vannrette siksak-bånd). Resultatet av at to laserstråler møtes og overlagrer, er altså i dette tilfellet "flate skiver" av lys som brer seg vannrett mot høyre i en avstand av ca. 2 bølgelengder. I mellomrommet er det mørke. Setter vi en holografisk film med en emulsjonstykkelse på ca 7 µm inn i strålegangen, blir situasjonen som på figur 5: Figur 5 Rommet mellom de to vertikale, grønne stripene representerer omlag tykkelsen på en holografisk emulsjon (den delen av filmen som inneholder korn av sølvsalter). Kornene bli eksponert og svertet langs flatene med lys, og ikke i mellomrommene. Etter framkalling og bleiking, vil vanligvis resultatet være at det ligger igjen gjennomsiktige sølvsalter langs planene hvor lyset traff, og gelatinen alene i mellomrommene. De rødprikkede feltene i figur 5 viser hvor disse saltene blir liggende. Det er her helt avgjørende å innse at disse planene blir liggende slik at de halverer vinkelen mellom lysstrålene. Du må også minnes om at en glassrute som er like klar som lufta, likevel er synlig, til og med i vann! Grunnen til at vi ser den, er at lys reflekteres fra den. Og grunnen til at lyset reflekteres, er at glasset og den omgiende luft eller vann har ulik brytningsindeks. Det har også gelatin uten og med sølvsalter, og derfor vil lagene med sølvsalter opptre som halvgjennomskinnelige speil. Og da gjelder refleksjonslovene. I kortform kan den uttrykkes slik: Innfallsvinkel og refleksjonsvinkel er like.

7 Figur 6 I figur 6 er lysbølgene erstattet av to stråler (da er det enklere å bruke refleksjonsloven). De to som laget hologrammet, kom fra A og B. På grunn av at sølvlagene halverer vinkelen mellom strålene, ser vi at hvis vi etter framkallinga sender inn lys fra A mot D, vil noe reflekteres mot C. Sett fra C, vil det derfor også se ut som om lyset i B ble tent. Sender vi lys inn fra C mot B, vil det komme lys mot A. Hologrammet husker det andre lyset hvis vi tenner det ene; hologrammet tenner selv det andre lyset. Nå vil jo de ulike delene av bølgefronten fra A bli reflektert fra ulike lameller. Det blir derfor viktig at de strålene som kommer ut mot C fra de ulik lamellen er i fase. Ved å telle bølgelengder (striper), finner en lett ut at de ulike bølgedelene kommer ut med veilengdeforskjeller på et helt antall bølgelengder. Da vil de svinge i fase, og vi får virkelig en bølgefront som går mot C! En som står i C og observerer, vil derfor tro at det er laseren i B som er tent! (I tillegg til i A, som hun kanskje ikke ser imot). Transmisjonshologram av et punktformet legeme Turen er nå kommet til det enkleste motivet vi kan tenke oss; et punkt. Punktlegemet blir belyst med laser, og det reflekterer lys i mange retninger. I figur 7 har vi tegnet inn den delen av de kuleformede lysbølgene som treffer filmens emulsjon, som er tenkt plassert mellom de vertikale, grønne strekene. Vi har også tegnet inn en bølge med plane bølgefronter som kommer inn fra B til venstre. Når filmen blir truffet bare av den ene bølgen, skjønner vi at alle deler av den vil bli svertet like mye. Sender vi inn en bølge til, skjer det derimot noe interessant. Det er viktig at fotonene i denne bølgen svinger i takt med fotonene i den første (koherent lys), og dette ordner en ved at begge bølgene kommer fra den samme laseren (via en strålesplitter). De plane bølgefrontene er skapt ved at bølgen passerer en sterk linse i brennpunktet til et parabolsk speil. Det lyset som reflekteres fra speilet, får da plane bølgefronter. Dette lyset utgjør referansestrålen.

8 B Figur 7 Det er ikke så lett å se av denne figuren, men her blir strålene krumme linjer som går ganske så parallelt med emulsjonens overflater. Det ser du i figur 8 hvor lamellene er Figur 8

9 inntegnet. I figur 9 er filmen med lamellene vist alene. Det er da lettere å se, til tross for Figur 9 min skjelvende framføring av den tegnende musa. I figur 10 blir filmen belyst fra Figur 10

10 samme retning som det opprinnelige referanselyset. Mye av lyset vil da fortsette gjennom filmen (det er ikke tegnet inn), og noe blir reflektert i hver av lamellene. Ved refleksjonen får lyset retning som om det kommer fra den andre lyskilden under opptaket (punktet A). Alt det reflekterte lyset ser ut til å komme fra A, og vil altså være en kulebølge identisk med lyset som kom fra A under opptaket. En person til venstre for filmen vil altså se at punktet A lyser, selv om det ikke er tilfellet! Vi har fått et hologram av punktet A! Utvelgelse av farge i lamellene Det lyset som er tegnet inn i figur 10, er monokromatisk lys av samme type som laserens lys. Men siden lamellene her sitter så tett, og på tvers av lysets retning, vil det reflekterte lyset bestå av bølgefronter fra mange lameller som ligger bakenfor hverandre. Det gjør at det bare blir slikt lys, med akkurat denne bølgelengden som vil komme i fase ut av filmen. Bruker vi derfor hvitt lys med mange bølgelengder, vil fotoner som ikke har rett bølgelengde absorberes og bli til varme. Bildet av punktet vi ser i A vil derfor ha en farge som er lik den monokromatiske laserfargen. Derfor kan vi bruke vanlig hvitt lys når vi skal se et refleksjonshologram. Det er billig, og derfor er det refleksjonshologrammer du vil finne i de fleste holografiutstillinger rundt i verden. Endring av farge Lyset fra en vanlig HeNe-laser er rødt. I utstillinger vil du se at de fleste hologrammene er enten gule eller litt over mot det grønne. Det er der synet vårt er mest følsomt, og bildet vil da virke lysere. Dette skiftet i farge får en til ved å svelle filmen før eksponeringen. Når filmen er ferdig eksponert og framkalt, er stoffet som førte til svellingen borte, og da krymper filmen til opprinnelig tykkelse. Da blir det mindre avstand mellom lamellene, og filmen vil da via de multiple refleksjonene selektere lys av kortere bølgelengde, for eksempel grønt! Opptak av enkelt refleksjonshologram Figur 11 viser hvordan et slikt opptak kan foregå. Figur 11

11 Laserlyset går først gjennom en lukker, så et speil, før det treffer strålesplitteren, A. Dette kan være en enkel glassplate som reflekterer noe, slipper noe gjennom. Det lyset som slipper gjennom, treffer et speil og så en sterk linse, B, som sprer strålen så den kan belyse hele objektet, E (en hylleknagg?). Den strålen som reflekteres fra A, treffer først et speil før det treffer en sterk linse, B, som sprer den slik at den belyser hele filmen, D. I slike enkel oppsett ser vi at referanselyset kommer som kulebølger fra spredelinsa. Men det gjør ikke mye siden belysningen i utstillingsrommet nesten alltid vil komme fra en punktkilde ikke så langt unna. Slike førstegenerasjons refleksjonshologrammer vi nå har omtalt, vil alltid vise motivet på baksiden av filmen. Mange hologram av russiske museumsgjenstander er laget slik. Men i mange av hologrammene vil du se at motivet stikker ut, slik damehånden til Cartier gjorde! Dette er andregenerasjons refleksjonshologram, hvor en først lager et laser-transmisjonshologram. Dette snur en så i strålegangen, og lager et nytt hologram hvor referanselyset og lyset fra mor-hologrammet treffer filmen fra hver sin side. Da får vi et refleksjonshologram hvor motivet blir der vi ønsker. I resten av dette skrivet skal vi se på hvordan dette gjøres. Laser transmisjonshologrammet. Her må referanselyset og lyset fra motivet komme fra samme side av filmen. Dette er litt mer pjuklete å få til, siden en må belyse objektet med en separat stråle slik at det kaster lys inn mot filmen. Figur 12 Figur 12 viser hvordan dette kan gjøres, slik at det lyset som reflekteres fra koppen, kommer mot filmen fra samme side som referansestrålen. I et virkelig oppsett har en gjerne to stråler til å belyse objektet, og en lar referansestrålen reflekteres fra et hulspeil før det treffer filmen. Da får en plane bølgefronter, og kontroll med geometrien hvis en skal bruke dette hologrammet å lage refleksjonskopier av.

12 Registrering av interferensmønsteret Også her vil vi ta utgangspunkt i at vi ser et belyst legeme fordi det kaster kuleformede bølger ut dra hvert punkt på overflata. Vi vil derfor studere hvordan vi lager, og avspiller et hologram av et punkt. Lyset fra punktet A og referansestrålen må da komme inn mot filmen fra samme side, slik som i figur 13. Figur 13 På figuren har jeg tegnet inn med rødt der strålene går, og hvor vi får de halvgjennomskinnelige speilene etter framkalling og bleiking. Her ser vi at disse speilene står mye mer normalt til filmflaten enn i refleksjonshologrammet. Dette blir klarere i bilde 14, hvor referansestrålen ikke er tegnet inn. Når vi framkaller hologrammet, bleiker det, og belyser det med laser fra samme retning som referansestrålen, opplever vi det som er beskrevet i figur 14:

13 Figur 14 Laserstrålen kommer inn fra venstre, og mesteparten av lyset går tvers gjennom filmen. Men noe reflekteres. Ved første refleksjon inne i filmen, vil lyset få en retning som om den kom fra den andre lyskilden under opptaket, nemlig A. Den nederste strålen som er tegnet inn, reflekteres kun en gang, og vil komme ut av filmen som om den kom fra A. Den øverste inntegnede strålen blir reflektert 3 ganger før den kommer ut, og ved hver refleksjon bytter den opphav. Den vil også oppfattes som å komme fra A. En stråle som reflekteres to ganger før den kommer ut, vil ha samme retning som referanselyset, og ses kun hvis en titter opp mot referanselyset. En person som ikke ser inn i referanselyset, vil kun se at punktet A lyser. Hologrammet kalles et laser-transmisjons-hologram. "Laser" fordi det må belyses med laser, og "transmisjon" fordi lyset går gjennom filmen før det treffer øyet vårt. Hadde vi brukt lys med en annen bølgelengde ved betraktningen av hologrammet, ville vi fått et bilde av punktet litt ved siden av det opprinnelige. Dette fordi veilengdeforskjellen stadig må være et helt antall bølgelengder for å få sterkt lys. Med vanlig hvitt lampelys ville hver farge derfor lage sitt bilde litt forskjøvet i forhold til de andre. Resultatet ville derfor bli en regnbuefarget flekk. Et laser-transmisjons-hologram av et motiv vil derfor i vanlig lys bare gi et utflytende bilde i alle regnbuens farger. Det er få slike hologrammer som er utstilt rundt i verden. Det er dels fordi laseren er en kostbar lyskilde, og heller ikke helt ufarlig. Men nesten alle refleksjons-hologrammene vi finner i utstillinger, er kopiert av et mor-hologram, (master-hologram) og morhologrammene ar alle laser-transmisjons-hologram.

14 Refleksjonshologram hvor motivet stikker fram For å forstå hvordan slike andre generasjons refleksjonshologrammer lages, må vi se på hva som skjer hvis vi belyser et laser-transmisjons-hologram fra baksida, altså at laserlyset kommer inn fra motsatt retning av hva den gjorde under opptaket. Dette er vist på figur 15. Figur 15 Alt det reflekterte lyset vil fokuseres mot A. Men det vil ikke stoppe der, det fortsette på andre siden mot venstre. For et øye som ser mot filmen til venstre for A, vil lyset treffe øyet som en kulebølge med opphav i A. Personen vil altså se at punktet A lyser. Motivet som opprinnelig var på venstre side av filmen, vil betrakteren oppleve å være på framsiden igjen. Men perspektivet vil være pseudoskopisk, det vil si at hvis objektet var et ansikt, vil betrakteren se ansiktet fra innsiden. Hvis en nå stiller opp en ueksponert film litt til venstre for A, og belyser den med et referanselys fra venstre, vil lyset fra det holografiske objektet og referanselyset komme inn mot filmen fra hver sin sider, og danne et refleksjonshologram. Og der vil motivet være ortoskopisk, ikke pseudoskopisk, altså få normal utseende, og stikke fram fra filmen, like mye som A ligger til høyre fra filmen under opptaket! En bivirkning av dette er at motivet kun blir synlig så lenge du betrakter det gjennom det "vinduet" som "blir igjen" der masteren sto. Disse hologrammene slokner derfor ut når du går ut til siden. Det oppleves slik at vi ser refleksjonshologrammet gjennom et vindu som dannes der mor-hologrammet sto under opptaket. De russiske refleksjonshologrammene av museumsgjenstander (og nesten alle dikromathologrammer), som er tatt opp som i vårt første eksempel, slokner ikke plutselig ut. Det viser at de er første-generasjons refleksjonshologrammer!