Optische Tarnung

Unsichtbarkeit ist jener Zustand, in dem ein Gegenstand, eine Substanz oder eine Strahlung für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar ist.

Unsichtbar im transzendenten Sinn sind auch übernatürliche Dinge und die meisten geistigen Vorgänge; sie können jedoch einer Erkenntnis zugänglich sein.

Bei der Unsichtbarkeit im engeren Sinne handelt es sich um physikalische Umgebungsbedingungen, unter denen ein normalerweise sichtbarer Gegenstand für Menschen nicht mehr erkennbar ist.

Einfache Beispiele

• Elektromagnetische Wellen mit anderen Wellenlängen als das sichtbare Licht sind unsichtbar, aber auch sichtbares Licht bleibt unsichtbar, wenn es nicht in das Auge eines Betrachters fällt.
• Farblose Gase, wie beispielsweise die Luft, sind aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit elektromagnetischen Wellen des Lichts unsichtbar.
• Schnell bewegte Gegenstände, wie z. B. Pistolenkugeln, sind aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit unsichtbar.
• Kleine Objekte, wie z. B. Mikroorganismen, sind aufgrund ihrer geringen Größe unsichtbar.
• Weit entfernte Objekte, wie z. B. Galaxien, sind aufgrund ihrer großen Entfernung, und auch aufgrund ihrer geringen scheinbaren Helligkeit unsichtbar.

Die letzten beiden Beispiele für die Unsichtbarkeit beruhen vorwiegend auf dem Auflösungsvermögen des menschlichen Auges von rund einem Millimeter Größe bei 3,5 m Abstand (Winkel von einer Bogenminute).

Durchsichtige Objekte, die man in Flüssigkeiten mit ähnlicher Brechzahl einbettet (optische Immersion), werden unsichtbar. Bei der Anwendung in der Mikroskopie werden zu diesem Zweck die Glasflächen mit Öl bedeckt, um die Grenzflächenreflexion zu vermindern. In der Natur befinden sich die meisten durchsichtigen Lebewesen im Wasser, wo sie aufgrund des geringen Brechzahlunterschiedes nahezu unsichtbar sind. Nimmt man diese Lebewesen aus dem Wasser heraus, dann sind sie deutlich erkennbar, weil nun ein großer Brechzahlunterschied zur Luft entstanden ist.

Eine weitere Ursache für Unsichtbarkeit ist eine zu geringe Helligkeit, wie unter anderem in der Nacht. Auch in einer Umgebung, die mit einem lichtstreuenden Nebel oder Rauch ausgefüllt ist, sind die Gegenstände unsichtbar.

Viele Lebewesen, und auch gelegentlich der Mensch, versuchen ihre Unsichtbarkeit zielgerichtet herbei zu führen.

Um einen Gegenstand unsichtbar zu machen, genügt es nicht immer, zu verhindern, dass Licht von diesem Gegenstand zum Beobachter gelangt. Wenn sich dieser Gegenstand hinter einem anderen Gegenstand befindet, dann ist er zwar unsichtbar, aber man sieht dann den anderen Gegenstand davor. Wenn dieser Gegenstand völlig schwarz ist, dann gelangt zwar kein Licht von ihm zum Beobachter, aber er verdeckt einen Teil des Hintergrundes, sofern dieser nicht auch völlig schwarz ist. Falls ein Gegenstand genau die gleiche Farbe und Helligkeit wie seine Umgebung und sein Hintergrund hat, beispielsweise ein Tarnanzug, dann ist er nahezu unsichtbar.

Die Mollusken beherrschen alle diese Methoden der Tarnung besser als wir. Kraken können das Aussehen des Hintergrundes besser als jeder menschliche Tarnanzug simulieren. Der Gallertkalmar ist nahezu durchsichtig, und der Waffenkalmar hat an der Unterseite Leuchtorgane, die seine dunkle Silhouette vor der Wasseroberfläche überstrahlen können.

Unsichtbarkeit mit Mikro-Kamera-Projektoren

Unsichtbarkeit durch Hintergrundbild

Die Übertragung des Hintergrundbildes auf die Vorderseite eines Gegenstandes führt zu seiner Unsichtbarkeit.

Es wurde auch der Vorschlag gemacht, dass man vor dem unsichtbar zu machenden Gegenstand einen Flachbildschirm mit hoher Leuchtdichte aufstellt, und hinter dem Gegenstand eine Farbvideokamera, die das Bild des Hintergrundes an den Bildschirm übermittelt. Es ist klar, dass bei hellem Sonnenschein dieser Bildschirm mit der Leuchtdichte große Probleme hätte.

Bei differenzierteren Hintergrundbildern stellt sich dann noch die Frage nach dem Blickwinkel, und auch ob eher Weitwinkel- oder Tele-Objektiv für die Kamera günstig wäre. Natürlich könnte man einen hoch auflösenden Bildschirm auch mit richtungs-selektiven Mikro-Kugel-Linsen überziehen, was aber höhere Kosten verursachen würde. Das Ziel einer solchen Maßnahme ist, jeden Blickwinkel mit dem passenden Hintergrundbild zu versorgen. Ein bereits realisiertes Beispiel dafür sind jene Stereobilder, die mit Mikro-Zylinder-Linsen erzeugt werden.

Unsichtbarkeit mit Kamera-Projektoren

Die Unsichtbarkeit mit Mikro-Kameras die zugleich auch Mikro-Projektoren sind:

Die zwölf blauen Kreise stellen die Mikro-Kamera-Projektoren dar, in der Realität werden aber einige Hunderttausend davon benötigt. Die schwarzen Linien außen stellen die Lichtstrahlen dar. Die grünen Linien innen stellen die Zuordnung der Bildsignale dar, aber keineswegs ein Drahtgeflecht, das die Kameraprojektoren verbindet.

Die Mikro-Kamera-Projektoren sollten plan-konvexe Linsen besitzen, die nach außen flach und nach innen gewölbt sind, denn nach außen gewölbte Linsen würden einander bei streifendem Lichteinfall gegenseitig stören.

Diese Technologie ist momentan noch nicht realisierbar, aber versuchen wir sie dennoch durchzurechnen: Das Auflösungsvermögen des menschlichen Auges beträgt bei 10 m Abstand 3 mm, und unser System soll bei Abständen die größer sind als 10 m funktionieren. Daraus folgt, dass die Mikro-Kameraprojektoren 3 mm groß sein dürfen. Das unsichtbar zu machende Objekt soll vorerst ein Quadrat von 90 cm Kantenlänge sein. Daraus folgt, dass man 900 / 3 = 300 Kamera-Projektoren pro Bildzeile benötigt, und insgesamt 300 · 300 = 90.000 Kameraprojektoren verwenden muss. Innerhalb der Kamera-Projektoren haben 300 CCD-LED-Pixel insgesamt 3 mm Platz, sie dürfen daher 3 / 300 = 0,01 mm groß sein, müssen aber dreifarbig sein. Das bedeutet, dass auf einer Fläche von 0,01 mm · 0,01 mm sechs Bereiche existieren müssen, drei CCD-Sensoren und drei LED-Leuchtflächen, jeweils für Rot, Grün, und Blau. Das lässt sich schon mit der heutigen Chiptechnologie problemlos herstellen, wie sie in Digitalkameras verwendet wird.

Damit das Licht der LED-Leuchtflächen die CCD-Sensoren nicht erreichen und stören kann, könnte man Trennflächen zwischen ihnen errichten, aber aus Platzgründen, wegen der Lichtbeugung, der Lichtstreuung, und der Grenzflächenreflexion wäre das keine gute Methode. Besser wäre eine zeitliche Trennung. 1/20 Sekunde = 50 ms (Millisekunden) (allerdings hat dies den Nachteil dass das Objekt seine eigenen Schatten, die man bei ausreichender Intensität der LEDs nicht sieht, wiedergibt, wenn man durch das Objekt hindurch auf sie blickt.) 50 ms = 20 ms CCD aktiv + 5 ms Pause + 20 ms LED aktiv + 5 ms Pause, und wieder von vorne. Falls man aus technischen Gründen keine zeitliche Trennung durchführen will, sondern kontinuierlich arbeiten will, dann könnte man die Mikrokameras und die Mikroprojektoren neben einander in getrennten Mikrogehäusen anordnen. Ideal wäre eine halbkugelige Form für die Abbildungsebene der Kamera-Projektoren. Jedoch bestehen Halbleiterchips aus Monokristallen, die sich nur für ebene Flächen eignen. Als Kompromiss könnte man die Form eines Würfels wählen, der parallel zu zwei seiner gegenüber liegenden Flächen halbiert ist.

Ein großes Problem stellt die Leuchtdichte dar. Jedes Pixel betreut ein paralleles Lichtbündel von 3 mm Durchmesser. Das bedeutet, dass die Leuchtdichte jedes Pixels 90.000-mal so hoch sein muss, wie die Leuchtdichte im Lichtbündel. In der Blickrichtung zur Sonne werden die CCD-Sensoren wahrscheinlich beschädigt und die LED-Leuchtflächen werden es nicht verhindern können, dass man bei Sonne einen Schatten wirft.

In fernerer Zukunft könnte man diese Probleme mit der Photonik lösen. Schon heute existieren Lichtleiterfasern, die durch den Laser-Effekt das eintretende Licht aktiv verstärken können. Dann hat man nur noch das kleine Problem, wie man 8.100.000.000 rund ein Meter lange Lichtleiterfasern in den Innenraum von 90 cm Durchmesser stopft. Den korrekten Anschluss dieser Lichtleiterfasern sollte man von Mikrorobotern durchführen lassen. Im Prinzip gilt hier das grüne Verdrahtungsschema im Inneren des oben stehenden Bildes. Bei all dem sollte man nicht vergessen, dass man auch noch Platz für die Energieversorgung und den Passagier benötigt, denn sonst macht sich das Gerät nur selbst unsichtbar.

Bei der elektronischen Methode benötigt man eine gewaltige Rechenleistung, um die 90.000 · 90.000 = 8.100.000.000 (acht Milliarden) anfallenden Bildsignale zwanzigmal in der Sekunde immer genau in der Verlängerung der Lichtstrahlen weiter zu leiten. Hier könnte ein massiv paralleles Prozessornetzwerk weiter helfen. Dazu kommt noch, dass wir in der Praxis eigentlich nicht nur ein Quadrat von 90 cm Kantenlänge vorliegen haben, sondern einen Würfel von 90 cm Kantenlänge, was den Faktor sechs ergibt. Die Verwendung einer Kugelform würde bei gleichem Volumen ein wenig Oberfläche einsparen. Ein solches System, in dem noch keine Person Platz hätte, würde außerdem eine sehr große Energiemenge verbrauchen.

Unsichtbarkeit mit photonischen Kristallen

Brechung-Reflexion-Brechung

Eine theoretisch vorstellbare Möglichkeit einer Rundum-Unsichtbarkeit könnte auf der Basis von Brechung-Reflexion-Brechung beruhen. Eine Hohlkugel aus photonischen Kristallen (Metamaterialien) und Materialien mit negativer Brechzahl (linkshändige Materialien) mit dem für diese üblichen exotischen Brechungs- und Reflexionsverhalten könnte das aus allen Raumrichtungen kommende Licht geordnet umleiten. Die Hohlkugel aus photonischen Kristallen sollte aus allen Raumrichtungen dieselben optischen Eigenschaften haben, und die Lichtstrahlen könnten einander ungehindert überkreuzen, weil die Photonen zu den Bosonen gehören. An Stelle der Hohlkugel könnte man für die ersten Versuche einen Hohlzylinder mit senkrecht stehender Achse verwenden, der dann aus allen waagrechten Blickrichtungen unsichtbar wäre.

Kontinuierlich variierende Brechzahl

Im Oktober 2006 gelang es Wissenschaftlern erstmals, eine Tarnkappe herzustellen. Dabei wurden Mikrowellen um einen Ring herumgelenkt, der aus mehreren Lagen Kupferdraht und Glasfaserfolien bestand, sodass dieser die Strahlung nicht reflektierte und im entsprechenden elektromagnetischen Bereich teilweise unsichtbar erschien. Sichtbares Licht konnte jedoch noch nicht abgelenkt werden. Das Verfahren funktioniert bisher nur auf einer Ebene und nicht mit dreidimensionalen Objekten. [1] [2].

Unsichtbarkeit mit Spiegeln

Unsichtbarkeitsgerät, Animation

Unsichtbarkeit mit Spiegeln, Prinzip

Optimierung des 4-Spiegelsystems

Unsichtbarkeitsgerät, drei Ansichten

Viel einfacher als die Rundum-Unsichtbarkeit lässt sich die Unsichtbarkeit für nur eine Blickrichtung realisieren.

Bei dieser Anwendung ist es günstig, wenn die Spiegel, ähnlich wie jene von Overhead-Projektoren auf der Vorderseite verspiegelt sind. Dadurch vermeidet man störende Mehrfach-Reflexionen an der Glasoberfläche. Für eine seitenrichtige Darstellung des Bildes ist immer eine gerade Anzahl von Spiegeln erforderlich (diese Regel gilt nur für Planspiegel).

Das Problem bei der Unsichtbarkeit mit Spiegeln ist, dass man die Spiegel so anordnen muss, dass sie selbst kaum zu sehen sind. Bei der Verwendung von vier Planspiegeln nach der Art eines doppelten Periskops ist immer noch ein Planspiegel von der Rückseite her zu sehen. Bei der Verwendung von drei Planspiegeln steht das Bild des Hintergrundes auf dem Kopf.

Mit vier Planspiegeln kann man das Bild des Hintergrundes um den unsichtbar zu machenden Gegenstand im Zick-Zack herum leiten, wobei zwei unsichtbare Zonen entstehen. Der Flächenbedarf eines 4-Spiegelsystems ist dann am geringsten, wenn die beiden schrägen Spiegel (in den Bildern links und rechts zu sehen) um 30 Winkelgrade gegen die Lichtstrahlen geneigt sind. Die beiden Hilfsspiegel (in den Bildern oben und unten zu sehen) müssen immer parallel zu den Lichtstrahlen ausgerichtet sein, und sollten auch möglichst dünn sein. Weitere Informationen findet man in der Bildbeschreibung der Optimierung des 4-Spiegelsystems.

Unsichtbarkeit mit Spiegeln

Mit zwei parabolischen Zylinderspiegeln und einem schmalen Planspiegel wird das Bild des Hintergrundes um den unsichtbar zu machenden Gegenstand herum geleitet, so dass er zumindest aus einer Richtung unsichtbar ist. Große parabolische Zylinderspiegel sind allerdings relativ teuer, und das Gesamtsystem scheint stark abhängig vom Blickwinkel zu sein. Der in der Brennlinie der beiden parabolischen Zylinderspiegel liegende Planspiegel, und auch seine beiden Stützen, sollten möglichst dünn sein.

Unsichtbarkeit mit Linsen

Unsichtbarkeit mit Fresnel-Zylinder-Linsen

Unsichtbarkeit mit Zylinder-Linsen

Da für das Unsichtbar-Machen große Linsen benötigt werden, kann man um Gewicht zu sparen Fresnellinsen verwenden. Eine Zylinderlinse besteht aus Teilflächen eines Zylindermantels, und bündelt das Licht auf eine Brennlinie. In dieser Brennlinie befindet sich ein schmaler Planspiegel, der das Licht zu einer zweiten Fresnel-Zylinder-Linse reflektiert. Um zwei getrennte unsichtbare Zonen zu vermeiden, werden zwei halbierte Fresnel-Zylinder-Linsen verwendet.

Im Gegensatz zu anderen Methoden der Unsichtbarkeit ist diese Methode relativ platzsparend. Alle Bauteile stellen die Wandung eines Quaders dar, und die Hälfte des Innenraumes ist unsichtbar. Auch hier gilt, dass aus einem bestimmten Blickwinkel nur noch der Hintergrund des Objektes, aber nicht das Objekt selbst gesehen werden kann.

Zur technischen Realisierung: Das Licht aller blauen Muffel-Tiere geht durch die Brennlinie unterhalb des Bildes der roten Muffel-Tiere. Die roten Muffel-Tiere am oberen Bildrand entstehen durch die sphärische (hier: zylindrische) Aberration. Diese könnte durch die Beschneidung der Linsen entfernt werden.

Unsichtbarkeit durch Gravitation

Schwerkrafteinfluss auf Licht

Starke Gravitationsfelder, wie sie in der Nähe von Neutronensternen und schwarzen Löchern vorkommen, können das Licht so stark ablenken, dass der verursachende Himmelskörper unsichtbar wird. Auf der Erde kann man so starke Gravitationsfelder deshalb nicht erzeugen, weil man dazu riesige Massen auf extrem hohe Dichte komprimieren müsste.

Falls das in fernster Zukunft dennoch gelingen sollte, dann hätte man ein durch seine starke Gravitationswirkung und durch seine Hawking-Strahlung sehr gefährliches kleines Schwarzes Loch erzeugt. In harmloser Weise verändert auch das Gravitationsfeld unserer Sonne die scheinbaren Positionen benachbarter Sterne (siehe Zeichnung „Schwerkrafteinfluss auf Licht“). Man könnte also überspitzt behaupten, dass diese Sterne an ihrem wirklichen Ort unsichtbar sind. Dies trifft auch für andere Phänomene der Astronomie zu, z.B. durch die Aberration und die Astronomische Refraktion.

Wie sehen Unsichtbare?

Hoimar von Ditfurth und andere behaupten, dass jemand, der unsichtbar ist, auch seine Umgebung nicht sehen könnte. Tatsächlich haben auch völlig durchsichtige Tiere dunkle Augen, die das Licht absorbieren können.

Bei der Unsichtbarkeit mit Spiegeln kann man dieses Problem dadurch lösen, dass man einen kleinen Teilbereich der Spiegel zu weniger als zehn Prozent teildurchlässig gestaltet, ähnlich wie die kleinen Spiegel an manchen Wohnungstüren. Diese Methode funktioniert dann besonders gut, wenn der unsichtbare Innenraum ansonsten völlig dunkel ist. Bei der oben abgebildeten Vier-Planspiegel-Zick-Zack-Methode existieren einige Flächen, an denen man problemlos lichtdichte Lüftungsgitter anbringen kann, ähnlich denen, die man in Filmprojektoren verwendet.

Bei der Unsichtbarkeit mit großen Kameras und Bildschirmen aus Mikro-Kugel-Linsen-Projektoren sehen die Kameras durch die Zwischenräume zwischen den Mikro-Kugel-Linsen-Projektoren hinaus. Der poröse Bildschirm liegt, ähnlich der Blende einer Kamera, völlig im unscharfen Bereich des Kameraobjektivs und danach kann man die Bildsignale auch mühelos auf die Innenbildschirme abzweigen. Bei der Unsichtbarkeit mit Mikro-Kameras, die zugleich auch Mikro-Projektoren sind, müssen die Mikro-Kameras nicht mehr zwischen den Mikro-Projektoren hinaus sehen. Außerdem werden die einfallenden Lichtstrahlen bei diesem System auch genauer nach ihrem Einfallsort erfasst. Die Zwischenräume zwischen den Mikro-Kugel-Linsen dienen auch als Zu- und Abluftöffnungen, um das Gesamtsystem zu kühlen.

Um zu verhindern, dass sich der poröse Bildschirm vor der Ansaugöffnung mit Staubpartikeln bedeckt, kann man die Richtung des Luftstroms periodisch umkehren, um den Staub abzuwerfen.

Jedoch kann man die entstehende Warmluftsäule mit einer Infrarotkamera sehen, denn die Unsichtbarkeit mit Kameras und Bildschirmen benötigt große Energiemengen.

Kultur und Philosophie

Abstrakte Vorstellungen und Konzepte

(Für das menschliche Auge) unsichtbare Phänomene sind abstrakte Konzepte wie Gefühle und Gedanken, z. B. Unendlichkeit, also Dinge, von denen man sich nicht oder nur durch Metaphern eine bildliche Vorstellung machen kann.

Philosophie

Der Philosoph Platon unterschied zwischen der äußeren Oberfläche der Dinge und ihrem abstrahiertem Wesen, den Ideen.

Mythen

Griechische Götter konnten unsichtbar auf der Erde wandeln, ebenso die Geister. In germanischen Sagen machen sich die Zwergenkönige Alberich und Laurin mit Hilfe einer Tarnkappe unsichtbar.

Kunst

Die Abstrakte Malerei versucht unsichtbare abstrakte, z. B. gedankliche, Strukturen zu visualisieren, die Konzeptkunst arbeitet mit den unsichtbaren Bedeutungen hinter den visuellen Oberflächen.

Unsichtbarkeit in Literatur und Film

Unsichtbarkeit ist seit jeher ein anziehendes Thema der SciFi-und Fantasie-Kultur. Am bekanntesten ist hier H. G. Wells Roman Der Unsichtbare, der häufig als Grundlage für andere Verarbeitungen des Themas fungiert. The Invisible Man war eine beliebte TV-Serie mit einem unsichtbaren Helden. Invisible Girl ist Mitglied der Superheldengruppe Die Fantastischen Vier. Geschichten über unsichtbare Menschen thematisieren häufig auch den moralischen Verfall dieser, wie zum Beispiel den des Ringträgers in Der Herr der Ringe von J. R. R. Tolkien. 1996 erschien eine britische Kinderserie namens Unsichtbar.

Siehe auch

• Sichtbarkeit, Sicht, Sinnesorgan, Täuschung.
• Bildübertragung ist ein wichtiger Teil der Unsichtbarkeit.
• Tarnung benutzt die gleichen Prinzipien wie die Unsichtbarkeit.
• Optische Camouflage, Stealth
• Auch Optische Täuschungen können Details unsichtbar machen.

Weblinks

• Mit Mikro-Zylinder-Linsen erzeugte Stereobilder
• www.wissenschaft.de: Wie Harry Potters Zaubermantel funktioniert - Forscher: Schutzhülle aus Metamaterialien kann Objekte unsichtbar machen (Mai 2006)
• www.wissenschaft.de: Ein kleines Stück Unsichtbarkeit
• Radar Unsichtbarkeit
• Engineers create 'optical cloaking' design for invisibility