Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

Jugend forscht
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Junge Wissenschaft 85 // 2010
3 Hologrammtypen
3.1 Transmissionshologramme
Transmissionshologramme sind Hologramme,
bei deren Aufnahme Objektund
Referenzstrahl von derselben Seite
auf den Film treffen. Es entstehen Hologramme,
welche nur mit Laserlicht
wiedergegeben werden können. Somit
werden Farbverzerrungen vermieden, die
zur Unkenntlichkeit führen. Wegen der
intensiven Lichtquelle des Lasers und
wegen der flachen Struktur der Hologramme
sind Transmissionshologramme
besonders tiefenscharf.
3.2 Denisyuk-Weißlichthologramme
Die nach ihrem Erfinder benannten
Hologramme können mit weißem, also
vielfarbigem Licht rekonstruiert werden.
Denisyuk-Weißlichthologramme
(DW-Hologramme) sind Reflexionshologramme.
Man betrachtet also bei der
Rekonstruktion die Reflexion eines Teils
der Lichtquelle, die folglich auf der gleichen
Seite des Films sein muss. Bei der
Aufnahme muss dafür der Objektstrahl
von entgegen gesetzter Seite auf den Film
fallen. Die Filme müssen im Verhältnis
zur Lichtwellenlänge dick sein, damit ein
reflexionsstarkes Gitter entstehen kann.
Die für diese Arbeit verwendeten Filme
sind mit ca. 7μm für die meisten Anwendungen
dick genug.
Die Rekonstruktion funktioniert analog
zu der der Transmissionshologramme,
beruht aber auf Beugung bei Reflexion
und nicht bei Transmission.
Eine Welle wird reflektiert, wenn das
Kristallgitter oder hier das Holografiegitter
die Bragg-Bedingung n λ = 2d · sin(γ)
mit: n = eine beliebige natürliche Zahl;
λ = Wellenlänge des reflektierten Lichts;
d = Abstand der Gitterebenen; γ = Winkel
zwischen Gitteroberfläche und ein/
ausfallendem Strahl) erfüllt. Die Reflexion
ist folglich an eine bestimmte Wellenlänge
und einen bestimmten Winkel des
einfallenden Lichts geknüpft.
Daher sind Reflexionshologramme (mit
zunehmender Dicke verstärkt) farb- und
winkelselektiv und können unter weißem
Licht betrachtet werden. Das rekonstruierte
Bild entsteht aus der Reflexion
derjenigen Wellen, die die richtige Frequenz
haben und im richtigen Winkel
auftreffen. Ausschlaggebend für die unterschiedliche
Reflexion der selektierten
Wellen an unterschiedlichen Stellen des
Hologramms sind die Abstände der Gitterebenen
in dem entwickelten Film und
deren Ausrichtung.
3.3 Masterhologramme
Über mehrstufige Verfahren kann man
darstellende Hologramme aufnehmen,
die besondere Effekte erzielen. Man
nennt sie Stufenhologramme. Der erste
Schritt für die Aufnahme von Stufenhologrammen
ist immer die Erzeugung
eines Masterhologrammes oder kurz Masters.
Dazu nimmt man ein Transmissionshologramm
auf. Beleuchtet man es
mit einem Laser, wird die Objektwelle
rekonstruiert.
Dreht man es um, so erhält man ein reelles
pseudoskopisches Bild. Beide Bilder
können von einem neuen Film aufgefangen
werden. Meist wird aber das reelle,
pseudoskopische Bild weiterverwendet,
welches man auch auf einem Mattschirm
sehen kann. Bei der Aufnahme muss die
spätere Verwendung bereits bei der Anordnung
des Objekts und der Position
des Films berücksichtigt werden, damit
keine Doppelbelichtungen an einigen
Filmteilen entstehen. Auch Reflexionshologramme
können als Master verwendet
werden.
3.4 Bildebenenhologramme
Das wichtigste Stufenhologramm ist
das Bildebenenhologramm (BE-Hologramm).
Bei ihm liegt das Objekt bei der
Rekonstruktion teilweise vor, in und hinter
der Bildebene. Die Lage des Objektes
ist besonders unnatürlich und dadurch
bemerkenswert.
Um ein BE-Hologramm aufzunehmen,
rekonstruiert man das pseudoskopische,
also reelle Bild eines Masters und stellt
den Film, auf dem man das BE-Hologramm
aufnehmen möchte, direkt in
das Bild. Entfernt man den Film bei der
Aufnahme weiter vom Master, erfolgt
die Rekonstruktion vor/über dem Film;
rückt man ihn näher ran, bleibt das Bild
hinter dem Film.
Bildebenenhologramme sind meist
Weißlicht-Reflexionshologramme. Das
bedeutet, bei der Aufnahme treffen Referenzstrahl
und Objektstrahl von verschiedenen
Seiten auf den Film und das
fertige Hologramm kann wie ein DW-
Hologramm (vgl. 3.2) betrachtet werden.
4 Holografisch-Optische-Elemente
(HOE)
HOE sind „optische Funktionen realisierende
Hologramme“ [13]. Das einfallende
Licht wird von Hologrammen
in solch komplexer Weise beeinflusst,
wie man es sonst von keinem Medium
kennt. Diese Eigenschaften können für
die Technik, Arbeitswelt und Architektur
in optischen Bauteilen genutzt werden.
Da HOE nicht optisch brechen sondern
beugen, gehören sie zu den Diffraktiven-
Optischen-Elementen (DOE).
4.1 Vorteile der HOE
HOE sind eine wichtige Errungenschaft
der Physik, weil man mit ihnen prinzipiell
alle Wellenerscheinungen beeinflussen
kann. Auf Röntgenstrahlung haben Glaslinsen
beispielsweise keine nennenswerte
Wirkung, weil für diese hochenergetische
Strahlung alle durchdringbaren Materialien
eine Brechzahl nahe Eins haben.
HOE hingegen wurden bereits erfolgreich
für Röntgenstrahlung eingesetzt.
Verfügt das Aufnahmemedium über genügend
Auflösung, kann man mehrere
Hologramme auf einem Film aufnehmen,
die unter verschiedenen Rekonstruktionswinkeln
wirken. So kann man
ein Bauteil konstruieren, welches mehrere
Funktionen gleichzeitig erfüllt. Dies
ist für einige enge Strahlführungen die
einzige Lösung und entspricht den wachsenden
Anforderungen an kompakte Systeme
in der Technik.
HOE sind sehr kostengünstig in der Produktion,
robust und nicht störungsanfällig.
Sie zeichnen sich auch dadurch aus, dass
sie sehr flach sind und somit kaum Platz
einnehmen. Komplexere HOE lassen
sich meist mit dem gleichen Aufwand
herstellen wie einfache.
HOE sind sehr stark abhängig von den
optischen Bedingungen, so dass es sich
für einfache Anwendungen nach wie vor
lohnt, herkömmliche Glaslinsen mit einer
standardisierten Brennweite zu verwenden.
Werden jedoch komplexe und spezifische
Elemente für eine bestimmte Anwendung
benötigt, so ist die Herstellung von
HOE lohnenswert. Einige Effekte wie
Mehrfachstrahlteilung oder an Winkel
gekoppelte Funktionsselektion können
nur mit HOE erzielt werden.