Bionik: Technik nach dem Vorbild der Natur - Junge Wissenschaft

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Jugend forscht 46 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.
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