Energiewezens of stofjes?
De invasie van de lichtbollen
door Jan Willem Nienhuys – Skepter 18.4 (2005)
In het kielzog van de aandacht voor het medium Robbert van den Broeke ontving Skepsis veel vragen over zogeheten lichtbollen: ronde witte, soms halfdoorzichtige schijfjes die op foto’s staan, zonder dat men dergelijke objecten zag tijdens het maken van de foto.
DE verklaring hiervoor is tamelijk eenvoudig, en zowel allerlei groepen die zich met spokenjacht bezighouden als de firma Fuji leggen het op hun websites uit. In het Engels worden deze lichtbollen orbs genoemd, mocht u er op internet naar willen zoeken. De verklaring is in één woord: stof.
Dat vereist natuurlijk nog wel wat toelichting. Als een stofje op vijf centimeter voor de lens van de camera zweeft, en het licht van de flits opvangt, krijgt het honderdmaal zoveel licht als wanneer het op een halve meter afstand van de camera is. Van het licht dat het stofje vervolgens uitstraalt naar de camera, komt ook weer honderd maal zoveel het toestel binnen. Dat is een grote hoeveelheid licht.
Omdat het stofje dichtbij is, wordt het onscherp afgebeeld. De camera zal doorgaans zijn ingesteld op een afstand veel verder dan vijf centimeter. De lens vormt wel een beeldpunt, maar dat ligt een flink eind achter de lichtgevoelige laag van de camera. De van het stofje afkomstige bundel stralen die in dat beeldpunt zouden zijn samengekomen als de gevoelige laag er niet was, produceren een vlek op die laag. Die vlek heeft de vorm van het diafragma. Dat is meestal rond, maar soms ook vijf- of zeshoekig, en ruitvormige komen ook wel voor.
Hoe dichter het stofje bij de lens is, des te groter is de vlek. Normaal zou je zo’n vlek helemaal niet zien, maar omdat het stofje dat dichtbij de lens is, ook dichtbij de flits zit, en erdoor verlicht wordt, en daarom zo’n grote hoeveelheid licht terugstraalt, zie je een duidelijke vlek. Bij benadering geldt de regel: de diameter van de vlek is omgekeerd evenredig met de afstand tot de lens. Bij sommige camera’s wordt het licht van de flits door de naar voren geschoven lens gedeeltelijk afgeschermd, zodat echt grote bollen niet overal op de foto kunnen voorkomen.
Allerlei kleine dingen in de lucht kunnen de rol van stofje vervullen. In het bijzonder kunnen regen- en mistdruppels, sneeuwkristallen en stuifmeel (en hoofdroos) hetzelfde effect oproepen. Waterdruppels zijn zeer effectief, want omdat ze zo klein en rond zijn, worden ze niet egaal verlicht, maar weerkaatsen ze het licht als een kleine bolle spiegel, waardoor ze wat de camera betreft uiterst kleine felle lichtpuntjes opleveren. Veel stof is nogal donker en reflecteert niet zo goed, maar water reflecteert prima.
Voor wie zelf wil experimenteren heb ik een eenvoudig recept. Neem een schone droge doek, en wrijf daar een mespuntje of zo van een of ander fijn poeder in: maizena, poedersuiker of iets anders dat u interessant lijkt. Sla deze doek krachtig boven uw hoofd uit, wacht enkele seconden, en neem een foto met digitale camera met flits. Als u te kort wacht, krijgt u een zware sneeuwbui op uw schermpje, maar met wat langer wachten komt het fijnste deel van het poeder voorbij, dat langzamer naar beneden valt. Een alternatief is met een plantenspuit een waternevel maken.
Gezellige feestjes
Sommige mensen betwijfelen of er veel stof in hun woning is. Nu is het maken van een stofvrije omgeving iets waar producenten van computerchips veel geld voor over hebben. De stofjes waar het om gaat, zijn aan de grote kant en zijn, denk ik, doorgaans aan het vallen als ze gefotografeerd worden. Zelfs de meest ijverige huisvrouw of -man zal weten dat als je geen stof afneemt of stofzuigt, er na een tijdje overal een dun laagje stof ligt. Dat is natuurlijk van boven naar beneden gevallen, en dat is een proces dat altijd en overal aan de gang is. Dat stof is onder meer afkomstig van slijtende kleren en ander textiel, en van mensen en zoogdieren die vrijwel permanent een stroom van vele miljoenen minuscule huidschilfers en haardeeltjes produceren. Zelfs verlaten spinnenwebben boven in een kamer zitten na verloop van tijd vol stof. Wie allergisch is voor katten of honden, reageert op in de lucht zwevende huidpartikeltjes van zulke dieren. Wie allergisch is voor ‘huisstof’, reageert in feite op de uitwerpselen van de huisstofmijt die van menselijke huidschilfertjes leeft. Tijdens werkzaamheden als behang verwijderen, muurtjes doorbreken, stucadoren en andere ‘droge’ bouwactiviteiten wordt ook veel stof geproduceerd. Als de zon naar binnen valt door een kleine opening in een verder donkere kamer, kan men in die smalle bundel vaak het stof onophoudelijk zien ronddwarrelen. Stof is trouwens niet alleen binnen maar ook buiten, en onze neus fungeert duidelijk mede als stoffilter.
Dat stof wordt binnenshuis in grote hoeveelheden in de lucht gebracht als er mensen in beweging zijn, of er op een andere manier lucht in wervelende beweging gebracht wordt. Vandaar dat foto’s van feestjes en andere gezellige bijeenkomsten vaak door lichtbollen bedorven worden.
Niet iedereen heeft last van deze lichtbollen. Het is goed mogelijk dat het per camera verschilt. Het gaat erom dat de camera een flitser heeft die stofjes dicht bij de lens goed kan aanlichten. Verder is een korte brandpuntsafstand ook handig, want als een partikeltje op vijf tot tien centimeter een beeldvullende bol oplevert, zie je er niets van. Iets op korte afstand moet nog steeds ‘bijna een punt’ kunnen opleveren. Deze condities worden ook door sommige analoge camera’s vervuld, maar moderne digitale camera’s hebben een brandpuntsafstand van nog geen twee centimeter, omdat de CCD-chip typisch maar zeven millimeter breed is.
Prijs
Het meest opvallende aan de lichtbollen is dat het vaak geen egale ‘transparante’ schijfjes zijn, maar dat ze een ringenstructuur vertonen. Soms ziet men alleen de buitenste ring maar met enig geluk ziet men meerdere ringen. Dat wekt de suggestie dat het iets met interferentie te maken heeft en dat is ook zo. Deze ringen zijn de zogenaamde fresnelringen. In universitaire leerboeken over optica worden die besproken. In dit geval gaat het om fresnelringen die men krijgt als een bolvormige golf een ondoordringbaar scherm met een rond gat erin ontmoet, en dan daarachter niet al te ver daar vandaan opgevangen wordt op een vlak. In dit geval is het ronde gat het diafragma van de camera, en het vlak is het gevoelige vlak van de camera.
De gebruikelijke theorie van fresnelringen gaat uit van een golf die in een punt aan de ene kant van het scherm ontstaat, en niet al te ver weg aan de andere kant wordt opgevangen. Een golf die de lens gepasseerd is en als het ware naar het beeldpunt convergeert is een variatie op dit idee. Hoeveel ringen er zijn en hoe ver ze uit elkaar liggen hangt van een aantal factoren af, onder meer de oppervlakte van de opening van het diafragma en de golflengte van het licht. De details zijn te ingewikkeld om hier uit te leggen.
Andere toepassingen van de theorie van Augustin Jean Fresnel (1788-1827) zijn wat er gebeurt in en rond de schaduw van een ronde schijf die door een puntbron wordt verlicht. Fresnel, oorspronkelijk een civiel ingenieur in dienst van Napoleon, was vanaf 1814 geïnteresseerd in licht, maar wist niet veel van de toen populaire deeltjestheorie van het licht, en van de meer buitenissige golftheorie van Huygens wist hij ook niets, en evenmin was hij op de hoogte van de beroemde tweespletenproef van de Engelse arts Thomas Young (1773-1829) in 1802. Fresnel ontwikkelde al experimenterende geheel zelfstandig een golftheorie van licht. In 1819 stuurde hij een artikel in voor een prijsvraag over de diffractie van licht.
De commissie geloofde, evenals de meeste wetenschappers toen, in Newtons deeltjestheorie van het licht. De wiskundige Poisson constateerde dat er achter zo’n ronde schijf midden in de schaduw een verlicht punt moest zijn volgens de theorie van Fresnel. Dat was natuurlijk volstrekte onzin, en Arago, de voorzitter van de commissie, ondernam proeven om met deze voorspelling Fresnels theorie te weerleggen. Ook toen waren er wetenschappers die volslagen maffe ideeën serieus doorrekenden en de proef op de som namen! Tot hun verbazing klopte het. Dat was een grote opsteker voor de golftheorie en Fresnel kreeg de prijs. (In tegenstelling tot wat sommigen denken, veranderen wetenschappers wel degelijk van mening als een fatsoenlijke proef ze ongelijk geeft.)
De moraal van dit verhaal is, dat als uw foto bedorven is door zo’n lichtbol, maar u kunt de ringen zien, dan staat u persoonlijk zogezegd oog in oog met een belangrijk keerpunt in de geschiedenis van de theorie van het licht. Fresnel had later trouwens nog meer correcte ideeën waar eerst niemand aan wou, namelijk dat de lichtgolfjes in tegenstelling tot geluidsgolven heen en weer gaan ten opzichte van de voortplantingsrichting.
Nu is de vraag eigenlijk waarom men niet altijd ringen ziet. Daar weet ik het antwoord niet goed op. Door de constructie van de camera kunnen de ringen zo dicht op elkaar zitten dat men ze niet ziet, of alleen een suggestie van een eerste ring. Op sommige foto’s ziet men de ringen pas als men flink uitvergroot met de zoomfunctie van de computer. Men ziet ze ook vaak alleen als de achtergrond donker is. Dat suggereert dat het ligt aan de beperkte mogelijkheden van de camera om helderheidsverschillen op kleine schaal weer te geven. Verder hangt de spatiëring van het ringenpatroon af van de golflengte, en omdat licht eigenlijk bestaat uit golflengten tussen 0,8 en 0,4 micrometer, lopen de ringen van de verschillende kleuren door elkaar. Dit effect kan verhevigd worden door het jpeg-algoritme dat de informatie van de pixels omzet in een bestand. Dat algoritme verdoezelt namelijk snelle kleurafwisselingen in het beeld, omdat het oog die toch niet ziet, en dit een grote geheugenbesparing oplevert. Ten slotte hoeft het deeltje niet echt klein te zijn, en dat kan er ook toe leiden dat het ringenpatroon wordt uitgesmeerd. Voor zover ik weet zijn bij analoge camera’s nooit van die fresnelringen gezien. Dat is niet zo vreemd, want die hebben een veel grotere fysieke brandpuntsafstand, en dan zitten de ringen dichter opeengepakt.
Lachebekje
Soms ziet men nog andere ‘structuren’ over dat ringenpatroon heen. Die worden veroorzaakt worden door viezigheid op de lens: waterdruppeltjes (als men men met een plantenspuit heeft gespeeld, zoals op de eerste foto bij dit artikel) of gewoon stof. Zulke obstructies op de lens zijn te zien op de ‘projecties van de diafragmaopening’ die de lichtbollen in feite zijn. Ik heb (op suggestie van Roeland Heeck) de achterzijde van een naainaald gebruikt om een reproduceerbare lichtbol te maken. Ongerechtigheden op de lens geven dan allerlei effecten. Men moet bedenken dat de bundel lichtstralen die van het stofje uitgaat en het diafragma passeert maar een klein deel van de voorzijde van de lens passeert. Een zoomlens van een camera is een samengestelde lens en bepaald niet te vergelijken met de dunne lens met verwaarloosbare dikte uit de schooloptica, waarvan het diafragma ongeveer samenvalt met de rand van de lens. Als de stralengang van die bundel onderbroken wordt door stofjes op de lens, dan produceren die een donkerder plek in de lichtbol, met alweer fresnelringen erom heen. Een klein druppeltje vloeistof op de lens produceert juist een wit puntje met een donkere zone eromheen. Overigens ziet men ook afwijkingen van het zuivere ringenpatroon bij een helemaal schone lens. Wat die betreft geef ik de lezer in overweging dat als de lensoppervlakte niet helemaal zuiver van vorm is, maar afwijkingen van een fractie van een golflengte van licht heeft (zeg een tienduizendste millimeter), dit al te zien moet zijn aan zulke onscherpe afbeeldingen van lichtpuntjes.
Wanneer er twee donkere puntjes in zo’n lichtbol zitten, dan kan men er makkelijk een gezichtje in zien, een soort van lachebekje. Wie tegenwerpt dat hij of zij altijd met een schone lens fotografeert, moet bedenken dat in omstandigheden waarin er veel stof is, bijvoorbeeld doordat men dat expres in de lucht brengt, het heel goed mogelijk is dat er zich ook stof aan de lens hecht.
De menselijke geest zit nu eenmaal zo in elkaar dat men makkelijk overal menselijke gedaanten in ziet, en in het bijzonder gezichten. Dat is de bron voor heiligengestalten in pizza’s of uitgeslagen muren en het mannetje in de maan, maar het bevordert ook dat men ‘gezichtjes’ in lichtbollen ziet. De naam voor deze menselijke eigenschap is pareidolia.
Extra opmerkingen voor de website
1. Een uitvoerige uitleg (4000 woorden, 10 plaatjes) van de de hand van dr. Bruce Maccabee is te vinden op diens website. Het verschijnsel van fresnelringen en andere patroontjes in dit soort vlekken staat daar niet in uitgelegd.
2. Fresnels naam is ook verbonden aan zogeheten fresnellenzen: min of meer vlakke platen met ringenpatroon erop die als lens werken (ook voor gebruik in vuurtorens). Dit heeft niets te maken met het hierboven beschreven interferentieverschijnsel.
3. De twee foto’s aan het begin van dit artikel zijn met verschillende camera’s op verschillende locaties gemaakt. Op de linkerfoto ziet men opvallend gedemonstreerd dat de ‘lichtbol’ om de een of andere reden de helderheid van de achtergrond op een merkwaardige manier kan modificeren.
4. De standaardverwijzing naar de optische theorie is: Optics door Eugene Hecht, met bijdragen van Alfred Zajac (eerste druk 1974, vele latere uitgaven). Dit bevat een afbeelding met fresnelringenpatronen (zonder lens vervaardigd, met ‘diafragma’s’ van oplopende afmetingen). Deze afbeelding staat hieronder gereproduceerd.
