Superspektralfotografi – att visa det ovisbara

Skriven av

Människans syn är aningen begränsad. Vi kan bara se färger i våglängder mellan 700 och 450 nanometer och vi ser dem som rött, grönt och blått, vilket de ju inte alls är.

Världen runt omkring oss är full av strålning i olika våglängder, av vilka vi bara kan se en försvinnande liten del. Med huden kan vi känna ytterligare en del, nämligen långvågigt infrarött som värme och kortvågigt UV genom att huden blir brun, men det kan inte heller kallas att ”se”. Vi är i stort sett lurade på större delen av världen.

Multispektrala bilder från världsrymden visar att det finns mycket mer att se, men väldigt få har utrustning för att göra sådana bilder här på jorden.

Jag vill sätta igång alla läsares fantasi och få en debatt om hur man skulle kunna återge hela, fulla spektrum för våra ögon. Låt oss bre på och kalla detta för superspektralfotografi (SSF). Det skulle kunna bli grunden till en ny konstform och ett nytt sätt för vetenskapen att skaffa sig, och återge, en holistisk bild av världen, som innefattar alla våglängder.

Vilken utrustning?

Ett träd fotograferat i infrarött ljus. Bild: Dschwen, CC BY-SA 2.5

Vad ska man ha för att kunna utföra SSF? En vanlig digitalkamera är begränsad med filter så att CCD-arrayen bara nås av det synliga ljuset, även om CCDn klarar av någonstans från kortvågigt infrarött och en bit upp i det ultravioletta. Glaset i objektivet sätter andra gränser för transmissionen. Skaffar man sig ett objektiv i kvarts, sk UV-objektiv (både Nikkor och Hasselblad har) kan man få med UV-ljus i bilden men problemet är att CCD-arrayen redan har röda, gröna och blå färgfilter pålimmade på fotodioderna varför UV- och IR-ljuset kommer att påverka alla dessa i varierande grad. Kameran kan inte dela upp ljuset i våglängder på något meningsfullt sätt. Resultatet blir de surrealistiska naturbilderna där gräs är ljusgrönt, växtlighet vit och himlen är mörkröd. Det är knappast användbart om man vill återge ett bredare spektrum korrekt.

Man skulle behöva en hel uppsättning kameror monterade på samma stativ, som klarar var sin del av spektrum, terahertzkamera, röntgenkamera, värmekamera, vanlig kamera med mera.

Olika våglängdsområden

Det elektromagnetiska spektrumet är oändligt mycket bredare än det lilla smala område vi kan se med våra ögon. Det som kan vara intressant att återge med SSF kan antas börja vid mellanvågen ungefär (100 meters våglängd) och sluta vid hård röntgenstrålning (0,001 nanometer). Man kan bara gissa hur detta breda område skulle visualiseras för våra ”fattiga” ögon, men mitt första antagande är att man helt enkelt sprider ut vårt synliga område till att omfatta hela spektrum. Radiovågor skulle då se ut som rött, medan vår synliga värld skulle återges i olika schatteringar av grönt och röntgenstrålning skulle hamna i det violetta området. På något sätt är jag inte tillfreds med att hela vår synliga värld bara blir till grönt, så det måste finnas bättre sätt att göra det.

Falskfärgning

Låt oss gå igenom våglängdsområdena för att se vad som finns att se. Det finns ingenting att ”se” för ögat, så de infångade våglängderna måste ges en synlig färg. Detta kallas falskfärgning. Det kan göras på ett mer eller mindre lyckat sätt. Min konklusion i slutet av artikeln belyser behovet av en helt ny typ av falskfärgning.

Radio

Antag att vi kunde se radiovågor. Då skulle instrumentlandningssystemet på Arlanda se ut så här. De vertikala gula strålarna är avståndsmarkörer (marker), medan de lutande gula radiostrålarna anger hur flygplanet ska glida för att landa korrekt (glideslope). I förgrunden syns den ”gröna” strålningen från en VOR, en radiofyr (VHF Omnidirectional Ranging). I mitten står Arlanda Radar och bara vräker ut högenergetisk ”vit” strålning.

En mobiltelefon skulle se ut som en diffust lysande campinglampa ungefär, medan till exempel Nackasändaren skulle se ut som en enorm superstrålkastare som belyste hela omnejden dag som natt. En superlampa som syns ända från Nacka till Södertälje. Mobilmasterna skulle vara svaga små fyrar i jämförelse.

Mikrovågor

På webbplatsen Chromoscope kan du se Vintegatan uttryckt i olika våglängder. Vintergatan är en fantastisk mikrovågsstrålare, som här återges i våglängdsområdet 27 GHz – 1 THz, såsom den syns med ESAs rymdteleskop Planck. Hade vi haft mikrovågskänsliga ögon hade natthimlen varit betydligt ljusare än den är idag och molnen skulle inte synas för mikrovågor går tvärs igenom dem.

http://www.esa.int/spaceinimages/Images/2010/07/The_microwave_sky_as_seen_by_Planck

Terahertzvågor

Strax ovanför teleskopet Plancks område kommer de ny-intressanta terahertzvågorna där exempelvis människor strålar i flera våglängdsband. Kroppen lyser som en glödlampa. Det finns kameror som kan återge bilder i detta våglängdsområde men de är hemskt dyra. Bandet används för detektering av sprängämnen hos flygpassagerare, eftersom sprängämnen fungerar som ”filter” för olika våglängder i terahertzbandet. Kläder, eller som i bilden ovan, tidningspapper, fungerar däremot inte som filter eller utgör väldigt dåliga filter varför terahertzkamerorna ser människokroppen naken och den dolda kniven klart och tydligt. Människokroppens egen strålning kan användas för att hitta människor som hamnat under en snölavin, till exempel.

Långvågigt infrarött, FIR LWIR

Våglängder från 7,5-13 mikrometer (Far Infrared, LWIR) återges av FLIRs värmekamera för långvågsbandet på det här sättet. Bilden visar en Formel 1-bil som spinner runt på asfalten. Utblåset från motorn lyser klart, för det är varmt. Det är även slitbanan på bakdäcken för den har nötts mot asfalten. Asfalten har blivit varm av de varma däcken. Det är lite ljummet inuti framdäcken, bromsskivorna lyser. Värmekameran slår ihop all inkommen energi, tar ett medelvärde på inkommande strålning i våglängdsområdet som den är känslig för (vilket bestäms av de inbyggda filtren) och visar intensiteten som färgfördelning. Den kan inte dela upp IR-strålningen spektralt. Allt handlar bara om “mycket” eller “litet” inom det tillgängliga våglängdsområdet, som är valt så det ger bra respons för vardagstemperaturer.

Kortvågigt infrarött, NIR

Segelbåtstävlingen Lidingö runt drar massor av helt vita båtar, mitt i vintern, eller? Nej, men bilden är tagen av undertecknad med Kodaks High Speed Infrared-film och ett Wratten 87B-filter. Växtlighet blir vit i NIR (Near Infrared) och vatten blir svart. Segelbåtar och segel blir mestadels vita för de är blanka och reflekterar infrarött bra. Hus och dylikt behåller ungefär sin reflektans i NIR och ser tämligen vanliga ut.

Infraröd färgfilm

Infraröd färgfilm var tidigare ett sätt att delvis skilja de infraröda våglängderna åt. Infraröd färgfilm exponeras med ett filter som bara släpper igenom grönt, rött och kortvågigt infrarött (NIR) varpå filmen förflyttar färgerna upp i det synliga området. Den har ungefär samma passband som den svartvita infraröda filmen.

Ultraviolett

Luften släpper igenom ultraviolett strålning från cirka 400 nanometer upp till kanske 150 nanometer och inom detta område går det att fotografera. Man antar att eftersom insekter och fåglar kan se ultraviolett ljus så har blommorna anpassat sig därefter. Maskrosen som återges här är helt gul för en människa, valigt slätt och tråkigt gul i synligt ljus. I UV-ljus uppvisar den en sk bullseye, en ”röd” markering i mitten och tydliga markeringar som liknar landningsbanor runt omkring, för att det ska vara lättare för insekterna att pollinera den. Givetvis är den inte ”röd” utan reflekterar bara mindre ultraviolett än de ”vita” kronbladen runt omkring.

Röntgen

Det enda sätt vi känner till att se något i röntgen här på Jorden är att genomlysa objektet med röntgenstrålning och återge bilden som blir resultatet, i synligt ljus. Här har jag falskfärgat två olika slätröntgenbilder, en av mina händer och en av ett tangentbord, och lagt ovanpå varandra. Sådana konstgrepp måste man ta till för att kunna skilja ut föremål i en röntgenbild.

Däremot finns det automatiska metoder att visa röntgengenomsläpplighet inom ett väldigt stort område, och falskfärga bilden för att skillnaderna ska vara lättare att se. All personal som ska arbeta med bagageröntgen får lära sig att skilja olika föremål åt. Bilden ovan kommer från grundkursen. Du ser den gängse pistolen, fyra tennisbollar fyllda med sprängmedel, en bärbar stereo, skor med hålfotsinlägg och en avlång sprayburk med detonator (svart). Röntgenapparaten har flera olika känslighetslägen samtidigt, så att metall (som är svårgenomsläpplig) kan färgas blå, medan exempelvis plast och organiska material färgas orange. Det som är där emellan, som vätskor och gel, visas grönt.

Bilderna visar inte röntgenstrålning indelad i olika våglängder eller olika hård strålning på något sätt omvandlad till olika färger. Det finns det ingen enkelt tillgänglig utrustning för. Det optimala skulle vara en kamera som kan se röntgenstrålning som kommer från naturen, som reflekteras på byggnader och mark och hur den far tvärs igenom annat, som växter och människor. Det skulle kräva att man på något sätt kunde fokusera röntgen och det kan man bara svårligen. Den far helst tvärs igenom alla typer av linskonstruktioner.

Kortare våglängder

Naturligtvis finns det strålning av kortare våglängd än sjukhusröntgen, som skulle vara intressant att kunna se. Kosmisk strålning, som når oss hela tiden, till exempel. Man tänker sig att himlen då och så skulle lysas upp av ett supernovautbrott, eller att pulsarernas väldiga röntgensvansar skulle kunna lysa upp vår natthimmel nog så romantiskt som stjärnorna gör dag.

Du ser säkert att det råder väldiga glapp i vår nuvarande förmåga att återge det elektromagnetiska spektrumet. Glapp som borde fyllas ut för att man ska få en fullödig bild.

Annan strålning

Vi står på randen till en ny form av astronomi: gravitationsastronomin. I och med att gravitationsteleskopen LIGO Livingston, LIGO Hanford och Virgo i Pisa har visat sig fungera och börjat detektera system av svarta hål som strålar ut gravitationsvågor, har Einsteins teori om detta besannats. Man kan konstatera att det finns många källor till gravitationsvågor i universum och vågorna rör sig mot oss med ljusets hastighet. Gravitationskartor och gravitationsastronomi kommer inom kort att bli ytterligare ett sätt att betrakta universum.

Neutrinoobservationer

Neutriner är uråldriga partiklar som strömmar in mot Jorden från alla håll. De har dels sitt ursprung i Big Bang, och dels skapas de hela tiden i stjärnor, supernovor, kärnreaktorer och partikelacceleratorer. Neutriner är lömska partiklar som är mycket svåra att detektera, eftersom de far tvärs igenom allt, inklusive hela Jorden. Men man kan detektera dem och rita en neutrinokarta över universum. Den ser i huvudsak ut som kartor över andra kosmiska strålkällor, eftersom neutrinerna huvudsakligen kommer från stjärnor som strålar annan strålning också.

Försök till SSF-blandningar

För att få en superspektral bild, måste man lägga olika lager av bilder, tagna i olika våglängdsband på varandra och blanda dem, utan att lagrens identitet förstörs eller att man blandar bort korten på något annat sätt. Astronomerna gör sitt bästa.

Den här enorma rökbollen är resterna av en supernovaexplosion på behörigt avstånd i rymden. Men vänta nu, det är något fel på den här bilden. Kalle Ankas fotografiska expedition? Nej, men ”Tychos supernovarest” är omgiven av ett rött och ett blått skal. Det brukar nebulosor inte vara. I själva verket är det här en multispektral bild av SN 1572 där det gulaktiga, själva röken, är gaser som lyser i det synliga området. Dessa är fotograferade med ett 3,5 meters optiskt teleskop. Den blå ringen är chockvågen efter supernovaexplosionen som fortsätter att röra sig utåt. Vågfronten är flera miljoner grader varm och strålar därför i röntgen, som fotograferats med röntgenteleskopet Chandra och här avbildats i blått. Kvar finns en del gas som har kallnat så mycket att den bara strålar i infrarött. Det återges som röd färg och har fotograferats av rymdteleskopet Spitzer. Bilderna har sedan lagts ihop. Kul, men inte tillräckligt.

Här har undertecknad varit på KTH och fotograferat en sk hot plate på viken man lägger det nya halvledarmaterialet kiselkarbid och värmer upp det till 600 grader för att se om det fortfarande fungerar. Det gör det. Alldeles utmärkt. Men så här varm är värmeplattan inte, utan jag tog en synlig bild och en infraröd och lade ihop dem i Photoshop och falskfärgade den infraröda till orange. Med denna kombination ville jag framhäva hur varm värmeplattan i bilden är. Men du ser en falsk bild.

https://www.sweclockers.com/artikel/23100-kiselkarbid-som-halvledare

För alla de strålrädda elallergikerna har jag gjort ett försök att kombinera en bild tagen i synligt ljus från toppen av Katarinahissen i Stockholm, med egna renderingar av elektromagnetisk strålning i olika våglängder, allt från TV-sändare, över mobiltelefoner och kommunikationsradio, upp till Wifi-nät på 2,4 och 5 GHz. Röntgen återges i magenta och kommer dels från röntgenhimlen och dels ur berggrunden. Nu börjar vi närma oss någonting vettigt, där naturen ser ut som naturen brukar se ut, men många andra våglängder är också klart urskiljbara. Men detta är bara ett primitivt delresultat.

Konstfotografi med blandade färger

Bild: Ashley Pomeroy, CC BY 3.0

Genom att plocka bort infrarödfiltret i en digitalkamera kan man låta IR få övertaget över de andra färgerna och skapa intressanta motiv (eftersom IR delvis aktiverar alla de tre delfärgrna), men det är som sagt en ovetenskaplig, osann återgivning. Dessutom tvingas man växla röd och blå kanal i den slutliga bilden för att himlen ska se blå ut, som vi är vana vid. Igen stöter man på ett av problemen med falskfärgning som berördes initialt. Man vill att bilden ska vara igenkännelig, men blir tvungen att trixa med våglängderna och förlorar en del av den vetenskapliga sanningen.

Debatt kring ny vetenskap

Nu inbjuder jag alla att fundera på hur superspektralfotografering ska gå till.

  1. Hur skulle man kunna fotografera eller avbilda ännu fler våglängder från ett motiv?
  2. Hur skulle man bära sig åt för att fokusera korrekt, t ex röntgen?
  3. Hur kan man återge dem alla på en och samma bild?
  4. Vilken utrustning skulle behövas?

Bilder av alla våglängder måste på något sätt klämmas ihop till en bild som kan återges i synligt ljus. Betraktar man det elektromagnetiska spektrumet kommer vår synliga värld att hamna någonstans i grönt och det tilltalar mig inte riktigt. Människor ska helst inte se ut som gröna vålnader. Det måste finnas bättre lösningar. Samtidigt måste man kunna skilja våglängderna och fenomenen åt, så att bildens olika delar får en mening. Färgskalan måste få någon sorts betydelse. Det måste gå att se att en radioantenn strålar något annat än en varm ugn, till exempel.

Jag har ingen aning om den slutliga utformningen av denna nya vetenskap, men håll med om att den skulle ge oss ett helt nytt sätt att se på världen!

Låt oss se på världen i ett förklarande, nytt sken!

Läs mer, eller framför allt, titta mer

Fullspektrumfoto: https://en.wikipedia.org/wiki/Full-spectrum_photography

Multispektralt foto: https://en.wikipedia.org/wiki/Multispectral_image

Hyperspektralt foto: https://en.wikipedia.org/wiki/Hyperspectral_imaging

Infrarött foto: https://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_photography

Falskfärgning: https://en.wikipedia.org/wiki/False_color

Snygga infraröda bilder: http://www.natureblink.com/ir-compact.htm, http://psdcollector.blogspot.se/2011/01/digital-infrared-photography-25-great.html

Den medicinsk-tekniske fotografen arbetar i olika våglängder: http://www.teknikaliteter.se/2017/11/06/den-medicinsk-tekniske-fotografen/

Universum i olika våglängder: http://www.chromoscope.net/

Märken på artiklar:
Artikelkategorier:
Astronomi · Bildbehandling · Foto · Mätteknik · Optik · Radar · Radio · Rymdforskning · Vetenskap

Lämna en kommentar

E-postadressen publiceras inte. Obligatoriska fält är märkta *