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Holographie (Holography)
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Holographie (Holography)

TORIma Akademie — Optische Technologie

Holography

Holographie (Holography)

Holographie ist eine Technik, die es ermöglicht, eine Wellenfront aufzuzeichnen und später zu rekonstruieren. Es ist vor allem als Methode zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder bekannt,…

Holographie ist eine Methode zur Erfassung und anschließenden Rekonstruktion einer Wellenfront. Während es in erster Linie für seine Fähigkeit bekannt ist, dreidimensionale Bilder zu erzeugen, erstrecken sich seine Anwendungen auch weitreichend auf Bereiche wie Datenspeicherung, Mikroskopie und Interferometrie. Grundsätzlich ist die Erstellung eines Hologramms für jede Wellenart möglich.

Holographie ist eine Technik, die es ermöglicht, eine Wellenfront aufzuzeichnen und später zu rekonstruieren. Es ist vor allem als Methode zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder bekannt und hat eine Vielzahl weiterer Anwendungen, darunter Datenspeicherung, Mikroskopie und Interferometrie. Grundsätzlich ist es möglich, für jede Art von Welle ein Hologramm zu erstellen.

Ein Hologramm stellt ein aufgezeichnetes Interferenzmuster dar, das durch Beugung ein dreidimensionales Lichtfeld nachbilden kann. Im weiteren Sinne dient es der Registrierung jedes Wellenfronttyps, der sich als Interferenzmuster manifestiert. Hologramme können durch die Aufnahme von Licht aus einer tatsächlichen Umgebung entstehen oder rechnerisch synthetisiert werden. In diesem Fall werden sie als computergenerierte Hologramme bezeichnet, die virtuelle Objekte oder Szenarien darstellen können. Die optische Holographie erfordert eine Laserbeleuchtung zur Aufnahme des Lichtfeldes. Das resultierende rekonstruierte Lichtfeld ergibt ein Bild mit der für die ursprüngliche Szene charakteristischen Tiefe und Parallaxe. Normalerweise erscheint ein Hologramm undeutlich, wenn es unter diffuser Umgebungsbeleuchtung betrachtet wird. Bei entsprechender Beleuchtung beugt das Interferenzmuster jedoch das Licht, um das ursprüngliche Lichtfeld präzise zu reproduzieren, wobei die eingebetteten Objekte visuelle Tiefenmerkmale aufweisen, einschließlich Parallaxe und Perspektive, die sich dynamisch an variierende Betrachtungswinkel anpassen. Dies impliziert, dass unterschiedliche Betrachtungsperspektiven des Bildes ähnlichen Winkeln entsprechen, aus denen das Motiv ursprünglich beobachtet wurde.

Die herkömmliche Methode zur Erzeugung eines Hologramms beinhaltet die Überlagerung einer zweiten Wellenfront, die als Referenzstrahl bezeichnet wird, auf die Wellenfront von primärem Interesse. Dieser Prozess erzeugt ein Interferenzmuster, das anschließend auf einem physischen Substrat aufgezeichnet wird. Bei späterer Beleuchtung dieses aufgezeichneten Interferenzmusters durch die Referenzwellenfront kommt es zu einer Beugung, wodurch die ursprüngliche Wellenfront rekonstruiert wird. Während aus Hologrammen abgeleitete dreidimensionale Bilder häufig mit Nicht-Laser-Lichtquellen beobachtet werden können, gehen bei praktischen Anwendungen häufig erhebliche Kompromisse bei der Bildqualität einher, sodass beim Betrachten keine Laserbeleuchtung erforderlich ist.

Computergenerierte Hologramme werden durch digitale Simulation und Kombination zweier Wellenfronten erzeugt, was zu einem Interferenzmusterbild führt. Dieses Bild kann anschließend auf eine Maske oder einen Film übertragen und mit einer geeigneten Lichtquelle beleuchtet werden, um die beabsichtigte Wellenfront zu rekonstruieren. Ein alternativer Ansatz besteht darin, das Interferenzmusterbild direkt auf einem dynamischen holografischen Display darzustellen.

Bei holografischen Porträts kommt häufig eine nicht-holografische Zwischenbildtechnik zum Einsatz. Diese Strategie verringert die Notwendigkeit gefährlicher gepulster Hochleistungslaser, die andernfalls für die optische Immobilisierung sich bewegender Objekte mit der Präzision, die der hoch bewegungsempfindliche holografische Aufzeichnungsprozess erfordert, unverzichtbar wären. Historisch gesehen erforderten frühe holografische Methoden den Einsatz leistungsstarker und kostspieliger Laser. Die heutige Verfügbarkeit von massenproduzierten, kostengünstigen Laserdioden, die üblicherweise in Geräte wie DVD-Recorder und verschiedene andere Anwendungen integriert sind, hat jedoch ihre Verwendung bei der Hologrammerstellung ermöglicht. Diese Entwicklung hat die Zugänglichkeit der Holographie für Forscher mit begrenztem Budget, Künstler und engagierte Enthusiasten erheblich verbessert.

Während die meisten produzierten Hologramme statische Objekte darstellen, umfassen die laufenden Fortschritte die Entwicklung von Systemen, die in der Lage sind, dynamische Szenen auf holographischen Displays darzustellen.

Die Etymologie des Begriffs Holographie geht auf die griechischen Wörter ὅλος (holos), was „ganz“ bedeutet, und γραφή (graphē), was „Schreiben“ oder „Zeichnen“ bedeutet.

Verlauf

Die Holographie wurde 1948 vom ungarisch-britischen Physiker Dennis Gabor konzipiert, dessen ursprüngliches Ziel darin bestand, die Bildauflösung von Elektronenmikroskopen zu verbessern. Gabors grundlegende Arbeit stützte sich auf frühere Pionierbeiträge in der Röntgenmikroskopie von Forschern wie Mieczysław Wolfke im Jahr 1920 und William Lawrence Bragg im Jahr 1939. Die Entwicklung der Holographie war ein unerwartetes Ergebnis von Gabors Untersuchungen zu Verbesserungen des Elektronenmikroskops bei der British Thomson-Houston Company (BTH) in Rugby, England, die im Dezember 1947 zu einer Patentanmeldung führten (Patent GB685286). Das Verfahren findet in seiner ursprünglichen Form weiterhin Anwendung in der Elektronenmikroskopie und wird dort als Elektronenholographie bezeichnet. In Anerkennung seiner „Erfindung und Entwicklung der holographischen Methode“ erhielt Gabor 1971 den Nobelpreis für Physik.

Bedeutende Fortschritte in der optischen Holographie blieben bis zum Aufkommen des Lasers im Jahr 1960 weitgehend unerreicht. Dieser technologische Durchbruch ermöglichte 1962 die Schaffung der ersten funktionalen optischen Hologramme, die in der Lage waren, dreidimensionale Objekte aufzuzeichnen, eine Leistung, die unabhängig voneinander von Juri Denisjuk in der Sowjetunion und von Emmett Leith und Juris Upatnieks an der University of Michigan in den Vereinigten Staaten vollbracht wurde.

Frühe optische Hologramme nutzten fotografische Silberhalogenidemulsionen als Aufzeichnungsmedium. Ihre Effizienz war jedoch begrenzt, da das resultierende Beugungsgitter einen erheblichen Teil des einfallenden Lichts absorbierte. Um dies zu überwinden, wurden verschiedene Techniken entwickelt, um Variationen in der Transmission in Änderungen im Brechungsindex umzuwandeln, ein Prozess, der als „Bleichen“ bezeichnet wird und so die Erstellung wesentlich effizienterer Hologramme ermöglicht.

Stephen Benton hat die Holographie erheblich weiterentwickelt, indem er eine Methode zur Herstellung von Hologrammen entwickelt hat, die unter natürlichem Licht sichtbar sind, anstatt dass Laser erforderlich sind. Diese Innovationen werden allgemein als Regenbogenhologramme bezeichnet.

Grundlegende Konzepte der Holographie

Die Holographie ist eine Methode zur Erfassung und anschließenden Rekonstruktion von Lichtfeldern. Typischerweise entsteht ein Lichtfeld durch Streuung einer Lichtquelle an verschiedenen Objekten. Dieser Vorgang ähnelt in gewisser Weise der Tonaufzeichnung, bei der ein von vibrierenden Einheiten wie Musikinstrumenten oder Stimmbändern erzeugtes Schallfeld für die spätere Wiedergabe ohne Anwesenheit der Originalquelle kodiert wird. Dennoch weist die Holographie eine engere Analogie zur Ambisonic-Tonaufzeichnung auf, die die Wiedergabe eines Schallfeldes aus jedem gewünschten Hörwinkel ermöglicht.

Lasersysteme

In der Laserholographie erfordert die Aufzeichnung eines Hologramms eine kohärente Laserlichtquelle. Obwohl verschiedene Konfigurationen und mehrere Hologrammtypen möglich sind, basieren alle Methoden grundsätzlich auf der Wechselwirkung von Licht, das sich aus unterschiedlichen Richtungen ausbreitet. Diese Wechselwirkung erzeugt ein mikroskopisches Interferenzmuster, das dann von einer Platte, einem Film oder einem anderen geeigneten Aufzeichnungsmedium fotografisch erfasst wird.

Bei einem gängigen holografischen Aufbau wird ein Laserstrahl in zwei verschiedene Komponenten aufgeteilt: den Objektstrahl und den Referenzstrahl. Über eine Linse wird der Objektstrahl aufgeweitet und anschließend zur Beleuchtung des Motivs gelenkt. Das Aufzeichnungsmedium ist so positioniert, dass es das vom Motiv reflektierte oder gestreute Licht auffängt. In Anbetracht der Tatsache, dass die Peripherie des Mediums letztendlich als Sichtöffnung für das Motiv fungiert, ist seine Platzierung strategisch festgelegt. Gleichzeitig wird auch der Referenzstrahl aufgeweitet und so ausgerichtet, dass er direkt auf das Aufzeichnungsmedium trifft, wo er kohärent mit dem vom Objekt ausgehenden Licht interagiert, um das erforderliche Interferenzmuster zu bilden.

Ähnlich wie bei der herkömmlichen Fotografie erfordert die Holographie eine angemessene Belichtungsdauer, um das Aufnahmemedium richtig zu beeinflussen. Ein entscheidender Unterschied zur herkömmlichen Fotografie ist jedoch die Forderung nach absoluter Unbeweglichkeit zwischen Lichtquelle, optischen Komponenten, Aufnahmemedium und Motiv während der Belichtung. Diese Stabilität muss innerhalb von etwa einem Viertel der Wellenlänge des Lichts aufrechterhalten werden; andernfalls verschwimmt das Interferenzmuster und das Hologramm wird fehlerhaft. Bei belebten Objekten oder bestimmten instabilen Materialien kann diese Präzision nur durch die Anwendung eines außergewöhnlich intensiven und kurzen Laserpulses erreicht werden, eine gefährliche Methode, die selten außerhalb spezialisierter wissenschaftlicher und industrieller Laborumgebungen eingesetzt wird. In der Regel liegen die Belichtungszeiten zwischen mehreren Sekunden und mehreren Minuten, wobei ein kontinuierlich arbeitender Laser mit deutlich geringerer Leistung verwendet wird.

Holographische Ausrüstung

Hologramme können erzeugt werden, indem ein Teil eines Lichtstrahls direkt auf das Aufzeichnungsmedium gerichtet wird, während gleichzeitig mit dem verbleibenden Teil ein Objekt beleuchtet wird, sodass auch etwas Streulicht das Medium erreicht. Eine anpassungsfähigere Konfiguration für die holografische Aufzeichnung besteht jedoch darin, den Laserstrahl durch eine Reihe optischer Komponenten zu leiten, die seine Eigenschaften verändern. Die erste Komponente in dieser Sequenz ist ein Strahlteiler, der den einfallenden Strahl in zwei identische Strahlen teilt, die sich jeweils in eine bestimmte Richtung ausbreiten:

Als holografisches Aufzeichnungsmedium eignen sich verschiedene Materialien. Am häufigsten wird ein Film verwendet, der einem konventionellen Fotofilm (insbesondere einer Silberhalogenid-Fotoemulsion) sehr ähnelt, sich jedoch durch deutlich kleinere lichtreaktive Körner auszeichnet, idealerweise mit Durchmessern unter 20 nm. Diese Eigenschaft ermöglicht die hohe Auflösung, die für holografische Anwendungen unerlässlich ist. Eine Schicht dieses Aufzeichnungsmediums, beispielsweise Silberhalogenid, wird typischerweise auf einem transparenten Substrat befestigt, das meist aus Glas besteht, aber auch aus Kunststoff bestehen kann.

Holographisches Verfahren

Beim Erreichen des Aufzeichnungsmediums kreuzen sich die Lichtwellen der beiden Laserstrahlen und erzeugen ein Interferenzmuster. Dieses spezifische Muster wird anschließend auf das Aufzeichnungsmedium gedruckt. Das resultierende Muster erscheint zufällig, da es die Interaktion zwischen dem Licht der Szene und der ursprünglichen Lichtquelle und nicht der Lichtquelle selbst kodiert. Folglich fungiert dieses Interferenzmuster als codierte Darstellung der Szene und erfordert die ursprüngliche Lichtquelle als spezifischen Schlüssel zum Abrufen des Inhalts.

Der erforderliche Schlüssel wird anschließend bereitgestellt, indem ein Laser, der mit dem bei der Aufzeichnung des Hologramms verwendeten identisch ist, auf den entwickelten Film gerichtet wird. Während dieser Strahl das Hologramm beleuchtet, wird er durch das Oberflächenmuster des Hologramms gebeugt. Dieser Prozess rekonstruiert ein Lichtfeld, das das ursprünglich von der Szene erzeugte und auf das holografische Medium gestreute Lichtfeld präzise nachbildet.

Vergleichende Analyse mit Fotografie

Holographie lässt sich umfassender verstehen, wenn man ihre Unterschiede zur konventionellen Fotografie untersucht.

Physik der Holographie

Um den holographischen Prozess umfassend zu verstehen, ist ein Verständnis von Interferenz und Beugung unerlässlich. Interferenz tritt auf, wenn sich eine oder mehrere Wellenfronten überlagern, während Beugung auftritt, wenn eine Wellenfront mit einem Hindernis interagiert. Die anschließende Erklärung der holographischen Rekonstruktion erfolgt ausschließlich anhand der Prinzipien der Interferenz und Beugung. Obwohl etwas vereinfacht, bietet dieser Bericht eine ausreichend genaue Konzeptualisierung der holographischen Operation.

Ebene Wellenfronten

Ebene Wellenfronten

Ein Beugungsgitter stellt eine Struktur dar, die durch ein periodisches Muster gekennzeichnet ist. Ein einfaches Beispiel ist eine Metallplatte mit regelmäßig verteilten Schlitzen. Wenn eine Lichtwelle auf ein solches Gitter trifft, wird sie in mehrere gebeugte Wellen zerlegt, deren Richtungsvektoren durch den Abstand des Gitters und die Wellenlänge des einfallenden Lichts bestimmt werden.

Um ein Basishologramm zu erstellen, werden zwei ebene Wellen, die von einer identischen Lichtquelle stammen, auf einem holografischen Aufzeichnungsmedium überlagert. Ihre Interferenz erzeugt ein lineares Streifenmuster, das durch eine sinusförmige Intensitätsschwankung über das Medium gekennzeichnet ist. Die Trennung dieser Streifen hängt vom Winkel zwischen den beiden Wellen und der Wellenlänge des Lichts ab.

Das resultierende aufgezeichnete Lichtmuster fungiert als Beugungsgitter. Bei Beleuchtung mit nur einer der ursprünglichen Wellen wird beobachtet, dass eine gebeugte Welle genau im Winkel des ursprünglichen Einfalls der zweiten Welle entsteht und so deren „Rekonstruktion“ erreicht. Folglich handelt es sich bei diesem aufgezeichneten Lichtmuster um eine holographische Aufzeichnung im Einklang mit der vorstehenden Definition.

Punktquellen

Wenn ein Aufzeichnungsmedium einer Punktquelle und einer senkrecht einfallenden ebenen Welle ausgesetzt wird, manifestiert sich das erzeugte Muster als sinusförmige Zonenplatte. Diese Konfiguration verhält sich wie eine negative Fresnel-Linse, deren Brennweite dem Abstand zwischen der Punktquelle und der Aufnahmeebene entspricht.

Die Beleuchtung einer negativen Linse durch eine ebene Wellenfront führt dazu, dass sich die Wellenfront zu einer Welle ausdehnt, die scheinbar vom Brennpunkt der Linse abweicht. Wenn das aufgezeichnete Muster anschließend von der anfänglichen ebenen Welle beleuchtet wird, wird daher ein Teil des Lichts in einen divergierenden Strahl gebeugt, der die ursprüngliche sphärische Welle nachbildet. Dieser Prozess erzeugt effektiv eine holographische Aufzeichnung der Punktquelle.

Sollte die ebene Welle während der Aufzeichnungsphase in einem schrägen Winkel auf das Aufzeichnungsmedium treffen, wird das resultierende Muster komplexer. Dennoch behält es bei Beleuchtung im ursprünglichen Einfallswinkel seine Funktion als Negativlinse.

Komplexe Objekte

Um ein Hologramm eines komplexen Objekts zu erzeugen, wird ein Laserstrahl zunächst in zwei unterschiedliche Lichtstrahlen aufgeteilt. Ein Strahl bestrahlt das Objekt und bewirkt, dass es Licht auf das Aufzeichnungsmedium streut. Basierend auf der Beugungstheorie fungiert jeder Punkt innerhalb des Objekts als einzelne Punktlichtquelle, was bedeutet, dass das Aufzeichnungsmedium effektiv von einer Reihe von Punktquellen beleuchtet wird, die sich in unterschiedlichen Abständen von ihm befinden.

Der zweite Strahl, der als Referenzstrahl bezeichnet wird, beleuchtet das Aufzeichnungsmedium direkt. Jede von einer Punktquelle ausgehende Welle interferiert mit diesem Referenzstrahl und erzeugt dadurch eine ausgeprägte sinusförmige Zonenplatte innerhalb des Aufzeichnungsmediums. Das kumulative Muster ist die Überlagerung all dieser einzelnen „Zonenplatten“, die zusammen ein zufälliges, gesprenkeltes Erscheinungsbild ergeben.

Bei der Beleuchtung des Hologramms durch den ursprünglichen Referenzstrahl rekonstruiert jede einzelne Zonenplatte die spezifische Objektwelle, die für ihre Entstehung verantwortlich ist. Diese einzelnen Wellenfronten verschmelzen dann und rekonstruieren den gesamten Objektstrahl. Folglich nimmt der Betrachter eine Wellenfront wahr, die nicht von der Wellenfront zu unterscheiden ist, die vom Objekt auf das Aufzeichnungsmedium gestreut wird, wodurch die Illusion entsteht, dass das Objekt auch nach seiner physischen Entfernung vorhanden bleibt.

Anwendungen

Kunst

Von Anfang an erkannten Künstler das künstlerische Potenzial der Holographie und suchten Zugang zu wissenschaftlichen Labors, um ihre Kreationen zu produzieren. Holografische Kunst entsteht häufig aus der Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern und Künstlern, obwohl sich einige Praktiker der Holografie sowohl als Künstler als auch als Wissenschaftler bezeichnen.

Salvador Dalí behauptete seine Pionierrolle bei der künstlerischen Anwendung der Holografie. Während er unbestreitbar der erste und bekannteste Surrealist war, der sich mit dem Medium beschäftigte, gingen seiner New Yorker Hologrammausstellung 1972 holografische Kunstausstellungen in der Cranbrook Academy of Art in Michigan im Jahr 1968 und in der Finch College Gallery in New York im Jahr 1970 voraus, wobei letztere die Aufmerksamkeit der nationalen Medien erregte. Gleichzeitig begann Margaret Benyon in Großbritannien Ende der 1960er Jahre mit der Nutzung der Holographie als künstlerisches Medium und gipfelte 1969 in einer Einzelausstellung in der Kunstgalerie der University of Nottingham. 1970 folgte eine Einzelpräsentation in der Lisson Gallery in London, die als „erste Londoner Ausstellung für Hologramme und stereoskopische Gemälde“ beworben wurde.

In den 1970er Jahren entstanden zahlreiche Kunstateliers und Bildungseinrichtungen, die jeweils einen eigenen methodischen Ansatz zur Holographie verfolgten. Prominente Beispiele waren die von Lloyd Cross gegründete San Francisco School of Holography; Das Museum of Holography in New York, gegründet von Rosemary (Posy) H. Jackson; das Royal College of Art in London; und die Lake Forest College Symposiums, einberufen von Tung Jeong. Während diese frühen Einrichtungen nicht mehr in Betrieb sind, bieten zeitgenössische Institutionen wie das Center for the Holographic Arts in New York und das HOLOcenter in Seoul Künstlern Orte, an denen sie ihre Kreationen entwickeln und ausstellen können.

In den 1980er Jahren kam es zu einer bedeutenden Verbreitung der Holographie als aufstrebendes künstlerisches Medium, die maßgeblich durch zahlreiche Praktiker gefördert wurde, darunter Harriet Casdin-Silver (USA), Dieter Jung (Deutschland) und Moysés Baumstein (Brasilien). Diese Künstler versuchten gemeinsam, eine eigene künstlerische „Sprache“ für dreidimensionale holografische Werke zu etablieren, die über bloße Reproduktionen von Skulpturen oder Objekten hinausging. In Brasilien beispielsweise nutzten mehrere konkrete Dichter – Augusto de Campos, Décio Pignatari, Julio Plaza und José Wagner Garcia in Zusammenarbeit mit Moysés Baumstein – die Holographie als neuartiges Ausdrucksmittel und als Methode zur Wiederbelebung der konkreten Poesie.

Eine engagierte, wenn auch kleine Kohorte zeitgenössischer Künstler integriert weiterhin holographische Elemente in ihre kreativen Praktiken. Diese Künstler beschäftigen sich oft mit innovativen holografischen Methoden; Beispielsweise nutzte Matt Brand das computergestützte Spiegeldesign, um die Bildverzerrung zu mildern, die der Spiegelholographie innewohnt.

Sowohl das MIT Museum als auch Jonathan Ross unterhalten umfangreiche Holographiesammlungen, ergänzt durch Online-Kataloge mit Kunsthologrammen.

Datenspeicher

Die holografische Datenspeicherung stellt eine Methode dar, mit der Informationen in hoher Dichte in kristallinen oder photopolymeren Materialien gespeichert werden können. Angesichts der weit verbreiteten Integration von Speichergeräten in zahlreiche elektronische Produkte ist die Fähigkeit, erhebliche Datenmengen auf einem bestimmten Medium zu speichern, von entscheidender Bedeutung. Da sich bestehende Speichertechnologien, am Beispiel von Blu-ray-Discs, ihren theoretischen Grenzen der Datendichte nähern (beschränkt durch die beugungsbegrenzten Abmessungen von Schreibstrahlen), erweist sich die holografische Speicherung als vielversprechender Kandidat für die nachfolgende Generation vorherrschender Speichermedien. Ein wesentlicher Vorteil dieses Speicherparadigmas besteht darin, dass das gesamte Volumen des Aufzeichnungsmediums genutzt wird und nicht nur dessen Oberfläche. Zeitgenössische Spatial Light Modulators (SLMs) sind in der Lage, etwa 1000 verschiedene Bilder pro Sekunde bei einer Auflösung von 1024 x 1024 Bit zu erzeugen und ermöglichen so eine Schreibgeschwindigkeit von etwa einem Gigabit pro Sekunde.

Im Jahr 2005 entwickelten Unternehmen wie Optware und Maxell eine 120-mm-Disc mit einer holografischen Schicht zur Datenspeicherung, die eine potenzielle Kapazität von 3,9 TB bietet. Dieses Format wurde als Holographic Versatile Disc bezeichnet. Bis September 2014 waren jedoch keine kommerziellen Produkte mit dieser Technologie veröffentlicht worden.

InPhase Technologies, ein weiteres Unternehmen, war mit der Entwicklung eines Konkurrenzformats beschäftigt; Allerdings meldete das Unternehmen im Jahr 2011 Insolvenz an, was zur Übernahme aller seiner Vermögenswerte durch Akonia Holographics, LLC führte.

Obwohl zahlreiche holografische Datenspeicherparadigmen in der Vergangenheit eine „seitenbasierte“ Speicherung verwendeten, bei der jedes aufgezeichnete Hologramm ein erhebliches Datenvolumen kapselt, haben aktuelle Untersuchungen zu „Mikrohologrammen“ in Submikrometergröße mehrere vielversprechende dreidimensionale optische Datenspeicherlösungen hervorgebracht. Auch wenn diese spezielle Datenspeicherungsmethode möglicherweise nicht die hohen Datenraten erreicht, die für seitenbasierte Speicherung charakteristisch sind, weist sie bei der kommerziellen Implementierung erheblich geringere Toleranzen, technologische Komplexität und Produktionskosten auf.

Dynamische Holographie

Bei der statischen Holographie werden die Prozesse des Aufzeichnens, Entwickelns und Rekonstruierens nacheinander durchgeführt und gipfeln in der Erstellung eines permanenten Hologramms.

Umgekehrt gibt es bestimmte holographische Materialien, die einen Entwicklungsprozess überflüssig machen und eine schnelle Hologrammaufzeichnung ermöglichen. Diese Fähigkeit erleichtert die Anwendung der Holographie zur Ausführung verschiedener elementarer Operationen vollständig optisch. Zu den beispielhaften Anwendungen dieser Echtzeit-Hologramme gehören phasenkonjugierte Spiegel (die die „Zeitumkehr“ von Licht ermöglichen), optische Cache-Speicher, Bildverarbeitung (z. B. Mustererkennung für dynamische Bilder) und optische Datenverarbeitung.

Dynamische Hologramme ermöglichen aufgrund ihres parallelen Betriebs über ein gesamtes Bild hinweg die Verarbeitung hochvolumiger Informationen, die Terabit pro Sekunde erreichen. Diese Fähigkeit zur parallelen Verarbeitung verringert die relativ lange Aufzeichnungszeit, die im Vergleich zu den hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten elektronischer Computer typischerweise in der Größenordnung von Mikrosekunden liegt. Allerdings weist die optische Verarbeitung mittels dynamischer Hologramme eine geringere Flexibilität als elektronische Verfahren auf, da die Operationen immer das gesamte Bild umfassen müssen und sich grundsätzlich auf Multiplikation oder Phasenkonjugation beschränken. Umgekehrt führen optische Systeme problemlos Additionen und Fourier-Transformationen in linearen Materialien durch, wobei letzteres mit einer einfachen Linse erreicht wird, wodurch spezifische Anwendungen wie optische Bildvergleichsgeräte ermöglicht werden.

Die Entwicklung neuartiger nichtlinearer optischer Materialien für die dynamische Holographie stellt ein dynamisches Forschungsgebiet dar. Während überwiegend photorefraktive Kristalle verwendet werden, wurden Hologramme auch erfolgreich in einer Vielzahl von Substanzen erzeugt, darunter Halbleiter, Halbleiter-Heterostrukturen (z. B. Quantentöpfe), Atomdämpfe, Gase, Plasmen und sogar Flüssigkeiten.

Eine besonders vielversprechende Anwendung stellt die optische Phasenkonjugation dar, die die Beseitigung von Wellenfrontverzerrungen ermöglicht, die durch einen Lichtstrahl entstehen, der ein aberrierendes Medium durchquert. Dies wird dadurch erreicht, dass der Strahl durch das identische Medium mit konjugierter Phase erneut übertragen wird. Eine solche Fähigkeit erweist sich in Kontexten wie der optischen Kommunikation im Freiraum als wertvoll, wo sie die Auswirkungen atmosphärischer Turbulenzen abschwächen kann, das Phänomen, das für das scheinbare Funkeln des Sternenlichts verantwortlich ist.

Amateuranwendungen

Seit den Anfängen der Holographie haben zahlreiche Praktiker ihre möglichen Anwendungen untersucht und ihre Kreationen der Öffentlichkeit präsentiert.

1971 gründete Lloyd Cross die San Francisco School of Holography, wo er Amateure in der Hologrammerstellung unter Verwendung nur eines bescheidenen (normalerweise 5 mW) Helium-Neon-Lasers und kostengünstiger, selbst hergestellter Geräte unterrichtete. Traditionell ging man davon aus, dass die Holographie einen kostspieligen Aufbau eines optischen Tisches aus Metall erfordert, um alle Komponenten stabil zu befestigen und Vibrationen zu unterdrücken, die Interferenzstreifen beeinträchtigen und die Qualität des Hologramms beeinträchtigen könnten. Die innovative, kostengünstige Lösung von Cross umfasste einen Sandkasten, der aus einer Stützmauer aus Schlackenblöcken auf einem Sperrholzsockel bestand, von Stapeln gebrauchter Reifen getragen wurde, um ihn von Bodenvibrationen zu isolieren, und mit gewaschenem Sand gefüllt war, um Staub zu entfernen. Der Laser war fest an der Betonblockwand befestigt. Spiegel und Grundlinsen, die zum Lenken, Teilen und Aufweiten des Laserstrahls unerlässlich sind, wurden an kurzen PVC-Rohrabschnitten befestigt, die an präzisen Positionen in den Sand eingebracht wurden. Sowohl das Motiv als auch der Fotoplattenhalter wurden in dieser Sandbox auf ähnliche Weise unterstützt. Der Holograph löschte die Raumbeleuchtung, blockierte den Laserstrahl in der Nähe seines Ursprungs mit einem kleinen relaisgesteuerten Verschluss, legte bei Dunkelheit eine Fotoplatte in die Halterung, verließ den Raum, ließ einige Minuten Zeit zur Stabilisierung und leitete dann die Belichtung durch Fernaktivierung des Laserverschlusses ein.

1979 gründete Jason Sapan die Holographic Studios in New York City. Seit seiner Gründung war das Studio maßgeblich an der Produktion zahlreicher Hologramme für einen vielfältigen Kundenkreis beteiligt, darunter sowohl Künstler als auch Unternehmen. Sapan selbst wurde als „letzter professioneller Holograph New Yorks“ bezeichnet.

Eine beträchtliche Anzahl dieser Holographen widmete ihre Bemühungen anschließend der Erstellung von Kunsthologrammen. Im Jahr 1983 verfasste Fred Unterseher, Mitbegründer der San Francisco School of Holography und angesehener holografischer Künstler, das Holography Handbook. Diese zugängliche Veröffentlichung diente als praktischer Leitfaden für die heimische Hologrammproduktion, zog dadurch eine neue Generation von Holographen an und verbreitete unkomplizierte Techniken für die Verwendung der damals vorherrschenden AGFA-Silberhalogenid-Aufzeichnungsmaterialien.

Im Jahr 2000 veröffentlichte Frank DeFreitas das Shoebox Holography Book und machte damit die Verwendung kostengünstiger Laserpointer bei zahlreichen Hobbyanwendern bekannt. Die gängige Meinung war, dass die spezifischen Eigenschaften von Halbleiterlaserdioden sie für holografische Anwendungen unpraktisch machten. Empirische Experimente deckten jedoch nicht nur den Irrtum dieser Annahme auf, sondern zeigten auch, dass einige Dioden eine Kohärenzlänge aufwiesen, die deutlich über der von herkömmlichen Helium-Neon-Gaslasern lag. Dieser Fortschritt erwies sich für Amateurpraktiker als entscheidend, da die Kosten für rote Laserdioden von mehreren hundert Dollar in den frühen 1980er Jahren auf etwa 5 Dollar gesunken waren, nachdem sie ab Mitte der 1980er Jahre als Komponenten aus CD- und später auch DVD-Playern weit verbreitet auf dem Markt erhältlich waren. Infolgedessen zählt die weltweite Gemeinschaft von Amateur-Holographen mittlerweile Tausende.

Ende des Jahres 2000 wurden holografische Kits mit erschwinglichen Laserpointerdioden auf dem Mainstream-Verbrauchermarkt erhältlich. Diese Kits erleichterten die Erstellung verschiedener Hologrammtypen durch Studenten, Pädagogen und Bastler, machten spezielle Geräte überflüssig und entwickelten sich 2005 zu beliebten Verbraucherprodukten. Die anschließende Einführung von holografischen Kits mit sich selbst entwickelnden Platten im Jahr 2003 rationalisierte den Prozess weiter und ermöglichte Hobbyisten die Herstellung von Hologrammen ohne die Komplexität der nasschemischen Verarbeitung.

Im Jahr 2006 wurde eine beträchtliche Menge an holografischem Grün in Überschussqualität verfügbar Laser (Coherent C315) machten die Holographie aus dichromatischer Gelatine (DCG) für Amateurpraktiker zugänglich. Die holografische Gemeinschaft zeigte sich erstaunt über die bemerkenswerte Empfindlichkeit von DCG gegenüber grünem Licht. Frühere Annahmen gingen davon aus, dass eine solche Sensitivität entweder vernachlässigbar wäre oder gänzlich fehlte. Als Reaktion darauf entwickelte Jeff Blyth die G307-Formulierung von DCG, die seine Geschwindigkeit und Empfindlichkeit bei Verwendung mit diesen neuartigen Lasern verbesserte.

Kodak und Agfa, zuvor die wichtigsten Hersteller von Silberhalogenidplatten und -filmen in Holographiequalität, haben sich aus diesem Marktsegment zurückgezogen. Obwohl andere Hersteller diese Versorgungslücke teilweise geschlossen haben, synthetisiert mittlerweile eine beträchtliche Anzahl von Amateur-Holographen ihre eigenen Materialien. Zu den bevorzugten Formulierungen gehören dichromatische Gelatine, mit Methylenblau sensibilisierte dichromatische Gelatine und Silberhalogenidpräparate unter Verwendung der Diffusionsmethode. Jeff Blyth hat präzise Methoden zur Herstellung dieser Materialien in bescheidenen Labor- oder häuslichen Umgebungen verbreitet.

Eine spezialisierte Kohorte von Amateur-Enthusiasten beschäftigt sich sogar mit der Konstruktion maßgeschneiderter gepulster Laser, um Hologramme von belebten Subjekten und anderen instabilen oder dynamischen Objekten zu erzeugen.

Holographische Interferometrie

Holographische Interferometrie (HI) ist eine Methode zur präzisen Quantifizierung sowohl statischer als auch dynamischer Verschiebungen von Objekten mit optisch rauen Oberflächen, wodurch optische interferometrische Präzision erreicht wird, insbesondere auf Bruchteile einer Lichtwellenlänge. Darüber hinaus erleichtert HI die Erkennung von Variationen der optischen Weglänge in transparenten Medien und ermöglicht so die Visualisierung und Analyse von Phänomenen wie dem Flüssigkeitsfluss. Darüber hinaus eignet sich diese Technik zur Erzeugung von Konturen, die die Oberflächenmorphologie beschreiben oder Isodosenbereiche in der Strahlungsdosimetrie definieren.

Diese Technik hat umfangreiche Anwendung bei der Messung von Spannung, Dehnung und Vibration in technischen Strukturen gefunden.

Interferometrische Mikroskopie

Ein Hologramm speichert Informationen zur Amplitude und Phase eines optischen Feldes. Mehrere Hologramme können gemeinsam Daten über eine identische Lichtverteilung speichern, selbst wenn sie in verschiedene Richtungen abgestrahlt werden. Die numerische Analyse dieser Hologramme ermöglicht die Emulation einer großen numerischen Apertur und verbessert somit die Auflösungsmöglichkeiten der optischen Mikroskopie. Diese spezielle Technik wird als interferometrische Mikroskopie bezeichnet. Zeitgenössische Fortschritte in der interferometrischen Mikroskopie haben das Erreichen einer Auflösung ermöglicht, die sich der Viertelwellenlängengrenze nähert.

Sensoren und Biosensoren

Hologramme werden aus modifizierten Materialien hergestellt, die so konzipiert sind, dass sie mit bestimmten Molekülen interagieren und dadurch Veränderungen in der Streifenperiodizität oder dem Brechungsindex hervorrufen, was wiederum die Farbe der holografischen Reflexion verändert.

Sicherheitsanwendungen

Hologramme erfüllen eine entscheidende Sicherheitsfunktion, da ihre Replikation von einem Master kostspielige, spezialisierte und technologisch hochentwickelte Ausrüstung erfordert, was es schwierig macht, sie zu fälschen. Ihre Anwendung ist in zahlreichen Währungen weit verbreitet, einschließlich der brasilianischen 20-, 50- und 100-Reais-Banknoten; Britische 5-, 10-, 20- und 50-Pfund-Noten; Südkoreanische 5.000-, 10.000- und 50.000-Won-Scheine; Japanische 5000- und 10.000-Yen-Scheine; Indische 50-, 100- und 500-Rupien-Banknoten; und alle aktuellen Banknoten des kanadischen Dollars, der kroatischen Kuna, der dänischen Krone und des Euro. Darüber hinaus werden Hologramme in Kredit- und Bankkarten, Reisepässe, Ausweise, Bücher, Lebensmittelverpackungen, DVDs und Sportgeräte integriert. Diese Hologramme manifestieren sich in verschiedenen Formaten, von Klebestreifen, die auf die Verpackung von schnelllebigen Konsumgütern laminiert sind, bis hin zu holografischen Etiketten auf elektronischen Produkten. Sie enthalten häufig Text- oder Bildelemente, um Identitäten zu schützen und authentische Artikel von Fälschungen zu unterscheiden.

Holografische Scanner werden in Postämtern, großen Versandunternehmen und automatisierten Fördersystemen eingesetzt, um die dreidimensionalen Abmessungen von Paketen zu ermitteln. Diese Scanner werden häufig mit Kontrollwaagen kombiniert und ermöglichen so das automatisierte Vorverpacken bestimmter Mengen, wie sie beispielsweise für LKW- oder Paletten-Massentransporte erforderlich sind. Darüber hinaus fungieren in Elastomeren hergestellte Hologramme als Spannungs-Dehnungs-Reporter; Aufgrund ihrer Elastizität und Kompressibilität korrelieren ausgeübter Druck und Kraft mit der reflektierten Wellenlänge und beeinflussen so ihre Farbe. Die Technik der Holographie zeigt auch Wirksamkeit in der Strahlendosimetrie.

Hochsicherheitskennzeichen

Hochsicherheitshologramme sind auf Kfz-Kennzeichen anwendbar, auch auf denen von Autos und Motorrädern. Seit April 2019 sind in bestimmten Regionen Indiens holografische Nummernschilder für Fahrzeuge vorgeschrieben, um die Identifizierung und Sicherheit zu verbessern, insbesondere bei Fahrzeugdiebstählen. Diese Nummernschilder speichern elektronische Fahrzeugdaten und verfügen über eine eindeutige Identifikationsnummer und einen Echtheitsaufkleber.

Holographie unter Verwendung anderer Wellentypen

Grundsätzlich können Hologramme für jede Art von Welle erzeugt werden.

Bei der Elektronenholographie werden holographische Techniken auf Elektronenwellen anstelle von Lichtwellen angewendet. Dennis Gabor hat diese Methode entwickelt, um die Auflösung zu verbessern und die Aberrationen, die Transmissionselektronenmikroskopen innewohnen, abzuschwächen. Derzeit wird es häufig zur Untersuchung elektrischer und magnetischer Felder in dünnen Filmen eingesetzt, da diese Felder eine Phasenverschiebung in der interferierenden Welle, die die Probe durchquert, induzieren können. Die Grundprinzipien der Elektronenholographie sind auch auf die Interferenzlithographie übertragbar.

Die akustische Holographie ermöglicht die Erstellung von Klangkarten für ein Objekt. Bei diesem Prozess werden zahlreiche Messungen des akustischen Feldes in unmittelbarer Nähe des Objekts durchgeführt, die dann digital verarbeitet werden, um die „Bilder“ des Objekts zu rekonstruieren.

Die Atomholographie ist aus Fortschritten bei den grundlegenden Komponenten der Atomoptik entstanden. Die Integration von Fresnel-Beugungslinsen und Atomspiegeln stellt einen logischen Fortschritt in der Physik und Anwendung von Atomstrahlen dar. Jüngste Innovationen, insbesondere Atomspiegel und geriffelte Spiegel, haben die erforderlichen Werkzeuge zur Erzeugung von Atomhologrammen bereitgestellt, obwohl diese noch nicht kommerzialisiert wurden.

Neutronenstrahlholographie wurde verwendet, um die inneren Strukturen fester Objekte sichtbar zu machen.

Röntgenhologramme werden mit Synchrotronen oder Freie-Elektronen-Röntgenlasern als Strahlungsquellen hergestellt, wobei pixelige Detektoren wie CCDs als Aufzeichnungsmedium dienen. Die holographische Rekonstruktion wird anschließend durch rechnerische Methoden gewonnen. Aufgrund der kürzeren Wellenlänge von Röntgenstrahlen im Vergleich zu sichtbarem Licht ermöglicht diese Technik die Abbildung von Objekten mit überlegener räumlicher Auflösung. Da Freie-Elektronen-Laser darüber hinaus intensive, kohärente und ultrakurze Röntgenpulse im Femtosekundenbereich liefern können, wurde die Röntgenholographie zur Aufzeichnung ultraschneller dynamischer Prozesse eingesetzt.

Missverständnisse der Holographie

Zahlreiche Illusionen, die sich als dreidimensionale Bilder präsentieren, im Raum zu schweben scheinen oder andere oberflächliche Ähnlichkeiten aufweisen, wurden fälschlicherweise als Hologramme identifiziert. Dazu gehören Effekte, die durch Lentikulardruck, irisierenden Foliendruck, Bubblegrams, die Pepper's Ghost-Illusion (und ihre zeitgenössischen Varianten wie den Musion Eyeliner), Tomographie und volumetrische Darstellungen erzeugt werden. Solche trügerischen Illusionen werden manchmal als „Fauxlographie“ bezeichnet.

Die Pepper's Ghost-Technik wird überwiegend in 3D-Displays eingesetzt, die oft als „holografisch“ vermarktet oder beschrieben werden. Während bei der ursprünglichen Theaterillusion physische Objekte und Darsteller außerhalb der Bühne zum Einsatz kamen, ersetzen zeitgenössische Versionen das Quellobjekt durch einen digitalen Bildschirm und rendern Bilder mithilfe von 3D-Computergrafiken, um die erforderlichen Tiefenhinweise zu liefern. Allerdings können Reflexionen zweidimensionaler Bilder im Vergleich zu echten dreidimensionalen Objekten einen geringeren Realismus aufweisen. Umgekehrt kann die Rückprojektion realistischer Bilder auf halbtransparente Bildschirme einen identischen Illusionseffekt erzielen. Prominente Beispiele für digitale Peppers Geisterillusionen sind virtuelle „Live“-Auftritte der Gorillaz (bei den MTV Europe Music Awards 2005 und den 48. Grammy Awards), Tupac Shakurs Auftritt beim Coachella Valley Music and Arts Festival 2012, der schwedischen Supergroup ABBA, der amerikanischen Rockgruppe Kiss und verschiedene Anwendungen mit Hatsune Miku und anderen singenden Vocaloid-Synthesizern.

Holographie unterscheidet sich grundlegend von Specular Holographie, wobei letztere eine Methode zur Erzeugung dreidimensionaler Bilder durch Manipulation der Bewegung von Spiegelreflexionen auf einer zweidimensionalen Ebene ist. Diese Technik basiert auf der reflektierenden oder refraktiven Manipulation von Lichtstrahlenbündeln und beruht nicht auf Interferenz- und Beugungsphänomenen.

Taktile Hologramme

In Belletristik

Holographie wird seit den späten 1970er Jahren in verschiedenen Medien, darunter Filmen, Romanen und Fernsehen, vor allem im Science-Fiction-Genre ausführlich erwähnt. Science-Fiction-Autoren übernahmen weit verbreitete Missverständnisse über die Holographie, die von übermäßig eifrigen Wissenschaftlern und Unternehmern verbreitet worden waren, die versuchten, das Konzept zu kommerzialisieren. Dies schürte in der Folge überhöhte Erwartungen der Öffentlichkeit an die Fähigkeiten der Holographie, was größtenteils auf ihre unrealistischen Darstellungen in den meisten fiktionalen Werken zurückzuführen ist, wo sie als vollständig dreidimensionale Computerprojektionen dargestellt werden, die gelegentlich durch Kraftfelder fühlbar gemacht werden. Anschauliche Beispiele für solche Darstellungen sind das Hologramm von Prinzessin Leia in Star Wars, Arnold Rimmer aus Red Dwarf (später aus Festigkeitsgründen in „hartes Licht“ umgewandelt) sowie das Holodeck und das Emergency Medical Hologramm aus Star Trek.

Die Holografie hat zahlreiche Videospiele mit Science-Fiction-Elementen inspiriert. In vielen Titeln wurde fiktive holografische Technologie eingesetzt, um reale Fehlinterpretationen hinsichtlich der möglichen militärischen Anwendungen von Hologrammen widerzuspiegeln, beispielhaft dargestellt durch die „Mirage-Panzer“ in Command & Conquer: Red Alert 2, die sich als Bäume tarnen können. Spielercharaktere können in Spielen wie Halo: Reach und Crysis 2 holografische Lockvögel einsetzen, um Gegner zu desorientieren und abzulenken. Die Starcraft-Geisteragentin Nova verfügt über „Holo-Köder“ als eine ihrer drei Hauptfähigkeiten in Heroes of the Storm.

Dennoch haben fiktive Darstellungen von Hologrammen technologische Fortschritte in anderen Bereichen angeregt, beispielsweise in der erweiterten Realität, die darauf abzielen, die in der Fiktion dargestellten Fähigkeiten durch alternative Methoden zu realisieren.

Referenzen

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Bibliographie

Çavkanî: Arşîva TORÎma Akademî

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Was ist Holographie?

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