Techniklexikon

Holographie

Von Denis Gabor zur Anwendungsreife entwickeltes und 1947/48 von ihm vorgestelltes optisches Abbildungsverfahren, das das Objekt auf einem flächigen Bildträger scheinbar dreidimensional wiedergibt. Die Hologramm genannte Abbildung wirkt wie ein Fenster, hinter dem sich das Objekt befindet. Anders als bei der Photographie werden hier die vom beleuchteten Objekt in den Raum ausgestrahlten Wellen mit den Informationen über Form und Farbe des Gegenstandes direkt gespeichert. Das gelingt in Form eines Interferenzbildes (Interferenz), das dadurch zustande kommt, daß ein Laserstrahl (Laser) zunächst über einen Spiegel aufgeteilt wird. Ein Teilstrahl trifft das Objekt und wird von diesem als Streulicht reflektiert. Der zweiteTeilstrahl trifft unbeeinflußt durch das Objekt als Referenzstrahl auf einer Photoplatte mit dem gestreuten Licht zusammen. Die dabei durch Interferenz entstehende räumliche Lichtverteilung wird auf dem photochemisch behandelten Hologramm fixiert und läßt bei Beleuchtung mit der Referenzwelle das abgebildete Objekt räumlich in Erscheinung treten. In der Fotografietechnik: (griech. holos = ganz) Das Wesensmerkmal der Holographie, dem sie ihren Namen verdankt, ist die Möglichkeit von Aufnahme und Wiedergabe eines dreidimensionalen, körperlichen Bildes. Sie unterscheidet sich jedoch gravierend von der normalen Fotografie: Die Aufnahme eines Objektes erfolgt bei streng monochromatischem, kohärentem (phasengleich schwingendem) Laserlicht ohne Objektiv und Kamera auf eine fotografische Platte. Sie zeigt nach der Belichtung und Entwicklung keine Abbildung des Objektes, sondern lediglich ein wirres, vom Auge nicht auflösbares Wellenmuster im Mikrometerbereich, welches durch die Interferenz von Bezugswelle (Licht, das direkt vom Laser kommt) und Objektwelle (vom Motiv reflektiertes Licht) auf dem Film entstanden ist. Die Wiedergabe des räumlichen Bildes erfolgt im umgekehrten Sinne: Das Hologramm wird wiederum mit Laserlicht durchstrahlt, wobei die Lichtstrahlen, entsprechend dem Interferenzmuster auf dem Film, gebeugt werden. Schaut der Betrachter (unter beliebigem Blickwinkel) durch das Hologramm hindurch, so ergeben die vom Auge aufgefangenen gebeugten Lichtstrahlen ein virtuelles, dreidimensionales Bild, das hinter dem Hologramm zu liegen scheint. Da bei der holographischen Aufnahme eines Gegenstandes die von einem Objektpunkt kommenden Lichtstrahlen sich nach allen Seiten gleichmäßig ausbreiten, da sie außerdem durch kein optisches System gebündelt werden und somit auf die gesamte fotografische Schicht gelangen, enthält jeder noch so kleine Teil des Hologramms die »Bildinformation« aller Objektpunkte. Dieses Phänomen bewirkt, daß aus jedem Teilstück des Hologramms das ganze räumliche Bild rekonstruiert werden kann. Die Holographie kann für Wissenschaft und Technik nicht hoch genug eingeschätzt werden (u. a. für die Datenverarbeitung). Der große technische Aufwand macht die uneingeschränkte Anwendung in der allgemeinen Fotografie jedoch nur in Ausnahmefällen möglich. Laserphysik und -technik

Die Holographie ist ein Verfahren zur Aufzeichnung von kohärenten Wellenfeldern nach Frequenz, Amplitude und Phase und im weiteren Sinne der gesamte Bereich in Physik und Technik, der sich mit der Aufnahme, Speicherung, Verarbeitung und Wiedergabe von Phasen-Informationen beschäftigt, die eine dreidimensionale Abbildung eines untersuchten Objekts ermöglichen. Sie wird meistens mit sichtbarem Licht durchgeführt. Der Grund hierfür ist vor allem die kurze Wellenlänge des sichtbaren Lichts gegenüber z.B. Mikrowellen, die in höheren erreichbaren Auflösungen resultiert, bei gleichzeitiger Verfügbarkeit einer geeigneten kohärenten Lichtquelle, dem Laser.

Während Hologramme im Alltag vor allem mit Kunstobjekten oder den Kennzeichnungen auf Chequekarten und Geldscheinen in Verbindung gebracht werden (wobei letztere keine Hologramme im eigentlichen Sinne sind, aber auf dem Prinzip der Holographie beruhen), liegt die enorme Bedeutung der Holographie heute in wissenschaftlich-technischen Anwendungen (holographische Interferometrie, holographische optische Elemente). Die Nutzung zur Datenspeicherung ist wegen der Packungsdichte und der Unempfindlichkeit gegen mechanische Zerstörung in Entwicklung; die industrielle Umsetzung dieses Datenspeichers scheiterte bisher jedoch am komplizierten Aufnahmesystem und den relativ ungeeigneten holographischen Materialien. Schliesslich ist auch die hochauflösende Abbildung kleinster Objekte durch Holographie interessant, weil ein Hologramm keine eingeschränkte Schärfentiefe besitzt.

Prinzip

In der Holographie wird bei der Aufnahme eines Hologramms mit einer Strahlungsquelle (meist einem Laser) eine kohärente, monochromatische Welle erzeugt, die in eine Referenz- und eine Objektwelle geteilt wird ([11]Abb. 1 oben). Letztere wird vom Objekt gestreut und mit der ungestreuten Referenzwelle auf dem zu belichtenden holographischen Material zur Interferenz gebracht, so dass sich ein der Phaseninformation der Objektwelle entsprechendes Interferenzmuster bildet. Beleuchtet man das entwickelte Hologramm mit einer identischen Referenzwelle, so wird aus dem im Hologramm gespeicherten Interferenzmuster das ursprüngliche Wellenfeld rekonstruiert ([12]Abb. 1 unten). Hierbei erscheint einem Betrachter in der Verlängerung der aus dem Hologramm austretenden Strahlenbündel ein virtuelles Bild des Objekts am ursprünglichen Ort. Da das gesamte aufgenommene Wellenfeld wiederhergestellt wird, kann man den Beobachtungspunkt innerhalb des Wellenfeldes verändern und das aufgenommene Objekt (im Gegensatz zur Photographie) aus verschiedenen Richtungen ansehen. Ein weiterer bedeutender Unterschied zu zweidimensionalen Aufnahmen liegt in der »Informationsverteilung« im Hologramm: Bei der Belichtung wird jeder beleuchtete Punkt des Objekts Licht auf die gesamte Oberfläche des holographischen Materials streuen, so dass in jedem Teil des entstehenden Hologramms Informationen über das gesamte sichtbare Objekt enthalten sind. Der dritte wichtige Unterschied zur Photographie liegt im Fehlen eines Schärfentiefebereichs, ausserhalb dessen die Abbildung unscharf wird: Bei der holographischen Aufnahme wird das gesamte Objekt gleichmässig abgebildet, so dass ein Betrachter jeden Teil des Hologramms scharf wahrnehmen wird, auf den er seine Augen »scharfstellt«.

Wichtige Voraussetzung für die Holographie ist eine kohärente Strahlungsquelle, meist ein schmalbandiger Laser mit sichtbarer Emissionslinie, und eine extrem hohe Anforderung an die mechanische Stabilität des gesamten Aufbaus - Objekt, optische Elemente und holographische Platte dürfen sich nicht um mehr als ein Viertel der verwendeten Wellenlänge, also höchstens etwa 150 nm (!), gegeneinander verschieben.

Holographie-Typen

Die erste entwickelte Form, die Gabor-In-Line Holographie, bei der sich das Objekt auf der Achse zwischen Strahlungsquelle und holographischer Platte befindet, konnte sich wegen einer ganzen Reihe von Nachteilen nicht durchsetzen. Da sie mit Quecksilberdampflampen als Strahlungsquelle betrieben wurde, waren ihre Möglichkeiten aufgrund der geringen Kohärenzlängen und relativ schlechten erreichbaren Monochromasie sehr eingeschränkt. Ausserdem sind für den Betrachter zwei virtuelle Bilder zu sehen, sowohl das gewünschte, dem Objekt entsprechende orthoskopische Bild als auch ein störendes, perspektivisch invertiertes, pseudoskopisches Bild ([13]Abb. 2).

Mit der Entwicklung des Lasers ergab sich die Möglichkeit zur Seitenband-Holographie (auch Off-Line-Holographie), bei der der Objektstrahl vom Gegenstand reflektiert wird und das Licht der Referenzwelle nicht senkrecht, sondern unter dem Brewster-Winkel (Brewstersches Gesetz) auf die holographische Platte einfällt ([14]Abb. 3 und [15]Abb. 4). Auf diese Weise wird eine Blendung des Betrachters vermieden, und es können beliebige, auch nicht-transparente Objekte abgebildet werden. Aber auch die Seitenband-Holographie erlaubt die Rekonstruktion des Hologramms nur mit monochromatischem Licht, weil unterschiedliche Wellenlängen unterschiedlich stark am Interferenzmuster gebeugt werden. Wünschenswert ist jedoch - insbesondere für künstlerische oder kommerzielle Hologramme - die mögliche Beleuchtung mit weissem Licht, was zur Entwicklung der Methoden der Display-Holographie geführt hat. So wurde 1969 das Konzept des Benton- oder Regenbogen-Hologramms entwickelt, wobei zuerst ein Master-Hologramm nach der Seitenband-Methode angefertigt wird, von dem dann Kopien hergestellt werden. Hierzu wird das Master-Hologramm mit einem Referenzstrahl beleuchtet und am Ort des entstehenden reellen Bildes des Objekts die holographische Platte für die zu erstellende Kopie positioniert. Zusätzlich wird eine schmale Schlitzblende zwischen Master und Kopie aufgestellt und die Kopie mit einem eigenen Referenzstrahl beleuchtet, der mit dem reellen Bild am Ort der Kopie interferiert. Wird diese Kopie mit dem Referenzstrahl beleuchtet, dann entsteht ein Abbild des originalen Objekts und der Schlitzblende, so dass das Objekt im Kopie-Hologramm von einem Beobachter immer nur durch diesen virtuellen Schlitz beobachtet werden kann. Bei der Beleuchtung aus derselben Richtung, aber mit einer anderen Wellenlänge verschiebt sich dieser Schlitz aufgrund der veränderten Beugungswinkel, und dieselbe Perspektive des Objekts ist nun aus einer anderen Höhe mit einer anderen Farbe zu betrachten (was dem Regenbogen-Hologramm seinen Namen gab). Während die vertikale holographische Wirkung somit verloren gegangen ist, bleibt sie aber horizontal, entlang des Schlitzes, erhalten, und bei der Beleuchtung mit Weisslicht sieht der Betrachter ein reduziertes Hologramm, dessen Farbe sich bei einer vertikalen und dessen Perspektive sich bei einer horizontalen Änderung seines Standpunktes ändert ([16]Abb. 5).

Eine Weiterentwicklung des Regenbogen-Hologramms ist das Multiplex-Hologramm. Hierzu werden mit einer normalen photographischen Kamera bewegte Objekte oder Rundumsichten starrer Objekte aufgenommen, die dann später mit einem geeigneten Laserprojektor als Standbilder auf eine Mattscheibe projiziert werden. Von diesen Standbildern werden nach dem Prinzip des Regenbogen-Hologramms mittels einer vertikalen Schlitzblende nebeneinander Abbilder auf dem Hologramm produziert, so dass man unterschiedliche (Stand-)Bilder sieht, wenn man den horizontalen Blickwinkel verändert. Diese Multiplex-Hologramme sind keine Hologramme im eigentlichen Sinn mehr, da sie nicht die dreidimensionale Information über ein Objekt beinhalten, sondern lediglich unabhängige Bilder bei unterschiedlichen Betrachtungsrichtungen zeigen. Bei geeignet abgebildeten Rundumsichten kann dies trotzdem zu einem räumlichen Eindruck führen, da das linke und das rechte Auge unterschiedliche Perspektiven desselben - scheinbar dreidimensionalen - Objektes sehen. In diesem Fall spricht man von einem holographischen Stereogramm, wie es inzwischen auf den meisten Cheque- und Kreditkarten zu finden ist. Der grosse Vorteil der Multiplex-Methode ist, dass man normale photographische Aufnahmen oder sogar computergenerierte Bilder verwenden und bearbeiten und dann unterschiedlichste Aufnahmen in einer standardisierten Prozedur zu Stereogrammen kombinieren kann.

Aus einer Kombination der Methoden der Holographie und der Röntgen-Diffraktometrie ist die Röntgen-Holographie entstanden, die wegen der wesentlich kürzeren Wellenlänge von Röntgenstrahlen (10^-8 bis 10^-12 m) eine grössere Auflösung als die optische Holographie erlaubt. Ziel ist hier die kristallographische Untersuchung von Festkörpern bis hin zur dynamischen dreidimensionalen Abbildung der Position einzelner Atome bei Phasenübergängen in einem Kristallgitter. Allerdings gibt es zur Zeit nur wenige geeignete Quellen für kohärente Röntgenstrahlung von ausreichender Intensität und Brillanz.

Weitere holographische Methoden sind die Mikrowellen-Holographie und die akustische Holographie, die Ultraschall statt elektromagnetischer Strahlung zur Erstellung des Interferenzbildes eines Objekts verwendet. Aufgrund der wesentlich grösseren Wellenlänge sind hier die erreichbaren Auflösungen wesentlich geringer als bei der optischen Holographie.

 

 

Holographie 1: Schematischer Aufbau zur Aufnahme (oben) und Rekonstruktion (unten) eines Hologramms.

 

Holographie 2: Orthoskopisches und pseudoskopisches Bild bei der Gabor-In-Line Holographie

 

Holographie 3: Schematischer Aufbau der Hologramm-Belichtung in der Seitenband-Holographie.

 

Holographie 4: Rekonstruktion des Seitenband-Hologramms.

 

Holographie 5: Weisslichtrekonstruktion eines Regenbogenhologramms. Die den verschiedenen Farben entsprechenden Bilder des Objektes sind aus verschiedenen vertikalen Richtungen zu beobachten.