Hologramm

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Reflexionshologramm (ca. 13cm × 10cm) einer ausgestopften Maus, fotografiert aus zwei unterschiedlichen Winkeln.

Das holographische Element Identigram^® als Sicherheitsmerkmal im deutschen Personalausweis

Als Hologramm (griech. holos für ganz, vollständig, gramma für Botschaft, Nachricht, Zeichen) bezeichnet man eine – in der Regel mittels kohärentem Laserlicht hergestellte – fotografische Aufnahme, die nach Ausarbeitung und Beleuchtung mit gleichartigem Licht ein echtes dreidimensionales Abbild des Ursprungsgegenstandes wiedergibt. Geprägt wurde der Begriff 1947 von dem ungarischen Forscher Dennis Gábor, der einen Weg zur Verbesserung von Elektronenmikroskopen suchte. Die Motive scheinen bei der Betrachtung frei im Raum zu schweben. Bei seitlichen Bewegungen kann dabei auch um ein Objekt herumgesehen werden und es entsteht ein vollständig dreidimensionaler Eindruck bei beidäugiger Betrachtung.

Besonderheiten

Aufnahme

Schematische Darstellung des Aufnahmeverfahrens

Holografien sind fixierte Abbilder von stehenden Licht-Wellen, oder besser Beugungsgitter. Nicht das Objekt wird fotografisch festgehalten, sondern nur ein statisches Interferenzmuster des Objektes und einer Eingangswelle. Hologramme können am besten mit Hilfe des Wellenmodells des Lichtes erklärt werden. Zum Verständnis des Holografieprinzips können die Strukturen, die eine Wasserwelle am Sandboden hinterlässt, herangezogen werden (nicht am Strand, wo die Welle aus- und zurückläuft. Das sind dann bereits mehrere Wellen). Der Sand bleibt nur an Stellen liegen, bei denen der lokale Wasserstrom gering ist. Bei einer Einzelwelle kommt es daher zu keiner Ausbildung eines Musters, bei zwei gleich bleibenden Wellen mit gleicher Frequenz bildet sich ein Wellenmuster aus Sand aus. Wird nun eine Erzeugungswelle „abgeschaltet“, beugt das „Sandgitter“ die verbleibende Welle, so dass die abgeschaltete Welle rückläufig wiederentsteht. Der Sand am Boden ist hier das Analogon des Hologramms.

Als Bildträger werden bei der Erstaufnahme (Masterhologramm) in der Regel fotochemisch behandelte Glasplatten verwendet. Für das Aufnehmen eines Hologramms verwendet man einen Laserstrahl (kohärenter Lichtstrahl), der mittels eines Strahlteilers in einen Referenz- und einen Gegenstandsstrahl aufgeteilt wird.

Voraussetzungen für die Aufzeichnung von Hologrammen ist die zeitliche und räumliche Stabilität der durch die Überlagerung der Wellenfelder ausgebildeten Interferenzmuster. Die aufzuzeichnenden Objekte dürfen sich während der manchmal Minuten dauernden Belichtungszeit nicht bewegen. Um ein Hologramm aufnehmen zu können, müssen deshalb die Teile der Aufnahmeapparatur und das Objekt räumlich fixiert werden. Meist wird der komplette holographische Aufbau oder zumindest Teile davon auf einen schwingungsfreien Tisch montiert. Solch ein Tisch besitzt eine große Masse, oft mehrere Tonnen Beton oder schwere Steinplatten, auf mechanisch oder pneumatisch gedämpften Füßen.

Wiedergabe

Nach der Entwicklung zeigt die Fotoplatte ein charakteristisches Interferenzmuster. Bestrahlt man nun dieses Hologramm mit einer Punktlichtquelle (Laserstrahl, Halogenspot o.ä.) unter dem gleichem Winkel, unter dem der Referenzstrahl bei der Aufnahme einfiel, so wird diese Punktlichtquelle durch das Interferenzmuster so gebeugt, dass hinter dem Bildträger ein Wellenfeld erzeugt wird, das dem Wellenfeld bei der Aufnahme exakt gleicht. Für das Auge entsteht dabei der Eindruck, dass das Objekt, wie beleuchtet durch den ursprünglichen Gegenstandstrahl, frei im Raum hinter oder vor der Fotoplatte stehen würde. Die gesamte tiefen-räumliche Information über das Motiv wird dabei wieder hergestellt.

Verteilung der Information

Jeder Punkt des abgebildeten Objektes hinterlässt seine „Spuren“ im Wellenmuster des gesamten holografischen Bildträgers. Wenn also ein Hologramm zerteilt wird, kommt bei der Rekonstruktion noch immer das ganze Bild zustande. Das Aufteilen des Hologramms in einzelne Stücke führt lediglich zu einer Verschlechterung der Auflösung des Bildes und zu einer Verringerung des ansehbaren räumlichen Bildwinkels.

Sonstiges

Das erste veröffentlichte Hologramm zeigte einen Spielzeugzug und einen Vogel und wurde 1963 von den amerikanischen Forschern Emmet Leith und Juris Upatnieks von der University of Michigan erzeugt.

Das kleinste Hologramm der Welt konnten kanadische Forscher von einem einzelnen Wasserstoffatom, umgeben von mehreren Sauerstoffatomen, aufnehmen. Mit dieser Methode eröffnet sich ein neues Feld für die Untersuchung von neuen Materialien oder komplexen biologischen Strukturen.

Hologrammtypen

Auflichthologramm oder Reflexionshologramm

Die Hologramme werden unter reflektierendem Licht betrachtet. Das heißt, der Betrachter und die Quelle befinden sich auf der gleichen Seite des Hologramms. In der Regel erfolgt die Aufnahme mit leicht divergentem Licht, weil dann die Wiedergabe mit einer Punktlichtquelle (wie sie ja in der Praxis normalerweise vorliegt) erfolgen kann. Der Kontrast von Reflexionshologrammen ist am besten, wenn von hinten kein Licht durchscheinen kann. Deswegen sind Reflexionshologramme oft von hinten schwarz eingefärbt. Der räumliche Eindruck von Reflexionshologrammen ist meistens schlechter als der von Durchlichthologrammen.

Durchlichthologramm oder Transmissionshologramm

Beim Durchtritt durch das Hologramm erzeugt die Referenzwelle hinter dem Hologramm die Objektwelle (das Bild). Der Hologramm-Träger muss daher transparent sein.

Weißlichthologramm

Weißlichthologramme sind eine Variante der (normalen) monochromatischen Hologramme. Für ihre Rekonstruktion ist kein Laserlicht notwendig. Ein Tiefengitter (Bragg-Gitter) „wählt“ aus dem weißen Licht die „passende“ Wellenlänge für die Rekonstruktion des Bildes aus. Solche Hologramme sind jedoch in der Herstellung sehr viel aufwändiger. Aus ihnen kann man Prägehologramme erstellen, die als Sicherheitsmerkmal auf vielen Banknoten, Dokumenten und Kreditkarten zu finden sind.

Computergeneriertes Hologramm (CGH)

Für einfache Objektwellen kann mittels Computer für eine bekannte Referenzwelle das Hologramm berechnet werden. Die berechnete Struktur wird dann z.B. mittels Elektronenstrahlbelichter in eine fotoempfindliche Schicht geschrieben. Technische Anwendung findet das CGH zum Beispiel bei der interferometrischen Prüfung asphärischer Linsen ^[1].

Ebenso existieren bereits dynamisch veränderliche Holografie-Displays, die ein Phasengitter darstellen, welches durch geeignete Beleuchtung beliebige Wellenformen und damit dreidimensionale Bilder erzeugen kann.

Hologramme frei im Raum

Zur Umsetzung solcher Hologramme könnten gekreuzte oder genau fokussierte Laser-Strahlen zum Einsatz kommen, die in kleinen Bereichen die Atome der Luft anregen und damit zum Leuchten bringen. Geschähe dies schnell und präzise genug an vielen Stellen im Raum, so entstünde ein Bild in der Luft. Das abgebildete Objekt wäre von allen Seiten zu betrachten. Bei hoher Lichtausbeute und hoher Auflösung der Laser wäre ein sehr realistisches Abbild denkbar, aber die Berechnung und Ansteuerung, erst recht mit Farbdarstellung, ist sehr aufwändig.

Einen einfacheren Weg beschreitet die Firma IO2 Technology mit ihrem Heliodisplay. Hier wird die Vision des frei im Raum stehenden Hologramms durch Reflexion an „modifizierter“ Luft erreicht. Allerdings ist das Bild nur in einem Blickwinkel von 150° zu sehen und daher nicht dreidimensional.

Auf der CeBIT 2006 wurde ein räumliches Projektionssystem vom japanischen „National Institute of Advanced Industrial Science and Technology“ ^{[2] [3]} vorgestellt, bei dem ein pulsierender Laser Plasma-Entladungen von bis zu 100 Punkten pro Sekunde (100 Hz) erzeugen kann. Diese Punkte können schon zu einfachen Grafiken zusammengesetzt werden ^[4]. Im April 2008 stellte das AIST ein verbessertes System vor, das 1000 Punkte pro Sekunde in einem Raum von 1/8 Kubikmeter erzeugen kann^[5].

Siehe auch

• Holografie
• Kinegramm
• Weißlichtholografie
• Interferenz
• Stereoskopie

Einzelnachweise

1. ↑ Institut für Technische Optik - Interferometrie und Diffraktive Optik
2. ↑ AIST
3. ↑ http://www.aist.go.jp/aist_e/latest_research/2006/20060210/20060210.html
4. ↑ Bericht auf heise.de
5. ↑ http://www.aist.go.jp/aist_e/aist_today/2008_27/hot_line/hot_line_20_2.html

Literatur

• Joseph E. Kasper, Steven A. Feller : The complete book of holograms - how they work and how to make them.Dover Publ., Mineola 2001, ISBN 0-486-41580-5

Weblinks

• Holographie-Online.de - Wissenswertes und Anleitungen zum Selbermachen