Digitale Holografie
In der Digitalen Holografie werden Hologramme digital aufgezeichnet und numerisch rekonstruiert.
Prinzip
Die Digitale Holografie unterscheidet sich von der klassischen „analogen“ Holografie dadurch, dass das bei Beleuchtung eines Hologramms entstehende Wellenfeld nicht optisch rekonstruiert wird. Stattdessen wird das am Hologramm gebeugte Feld rechnerisch am Computer rekonstruiert. Die Rekonstruktion erfolgt durch numerische Berechnung mit dem Fresnel-Kirchhoffschen Beugungsintegral. Das Hologramm kann dabei entweder auf holografischem Filmmaterial vorliegen und dann digitalisiert werden<ref>LP Yaroslavskii, NS Merzlyakov: Methods of Digital Holography. Consultants Bureau, New York (1980)</ref> (diese Methode wird aber heute nicht mehr angewendet), oder es wird von vornherein mit einem elektronischen Sensor (zum Beispiel CCD) aufgenommen.<ref>U. Schnars, C. Falldorf, J. Watson, W. Jüptner: Digital Holography and Wavefront Sensing - Second Edition. Springer (2014)</ref> Man ersetzt beispielsweise bei der Aufnahme eines Transmissionshologramms (bei dem die Objektwelle und die Referenzwelle (Bezugswelle) von derselben Seite auf die Fotoplatte treffen) die Fotoplatte durch eine CCD- oder CMOS-Kamera, die in gleicher Weise die Interferenzerscheinungen und die Intensitätsverteilung aufnehmen kann. Das so aufgezeichnete Hologramm wird dann numerisch rekonstruiert.
Filme haben noch immer ein deutlich besseres Auflösungsvermögen als CCD- oder CMOS-Kameras. Zum Vergleich: Für die Holografie verwendete Filmmaterialien lösen bis zu einer Ortsfrequenz von 5000 Linienpaaren pro Millimeter auf. Dies entspricht einer „Pixelgröße“ von 0,1 Mikrometern. Dagegen haben CCD- oder CMOS-Kameras „nur“ eine Pixelgröße von einigen Mikrometern (Stand: Dezember 2020). Deshalb ist bei der Verwendung von CCD- oder CMOS-Sensoren der maximale Winkel zwischen Objekt- und Referenzwelle auf einige Grad beschränkt. Filme können dagegen große Objekte ohne Beschränkung des Winkels aufnehmen.
Anwendungen
In der Digitalen Holografie kann die Phase der Objektwellenfront direkt aus dem numerisch rekonstruierten Wellenfeld berechnet werden. Dadurch entfällt die in der Interferometrie sonst notwendige Berechnung der Phase aus mehreren, phasengeschobenen Interferogrammen (Phasenschiebeverfahren). Diese direkte Phasenberechnung wird vor allem in der holografischen Interferometrie<ref>Ulf Schnars: Direct phase determination in hologram interferometry with use of digitally recorded holograms. In: Journal of the Optical Society of America A. 11, 1994, S. 2011, {{#invoke:Vorlage:Handle|f|scheme=doi|class=plainlinks|parProblem=Problem|errCat=Wikipedia:Vorlagenfehler/Parameter:DOI|errClasses=error editoronly|errHide=1|errNS=0 4 10 100}}.</ref> und in der Mikroskopie genutzt.<ref>Kim, Myung K.: Digital Holographic Microscopy - Principles, Techniques, and Applications. Springer (2011)</ref> In der holografischen Interferometrie können Objektzustände (zum Beispiel unterschiedliche Lastzustände) so sehr einfach miteinander verglichen werden.
In der Mikroskopie werden Phasenobjekte direkt sichtbar. Die digitale holografische Mikroskopie (DHM) ersetzt daher zunehmend die klassische Phasenkontrastmikroskopie.
Ein weiterer Vorteil der Digitalen Holografie liegt in der Möglichkeit, aus einer einzigen Aufnahme (Hologramm) numerisch unterschiedliche Fokusebenen zu berechnen (numerisches Fokussieren). Dies wird zum Beispiel zur Sichtbarmachung von Partikeln in der Atmosphäre<ref> S. Raupach, H. J. Vössing, J. Curtius, S. Borrmann Digital crossed-beam holography for in situ imaging of atmospheric ice particles. in J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 8(9), 796 (2006)</ref>, zur Aufnahme von Mikroorganismen im Meerwasser<ref>H. Sun, D. C. Hendry, M. A. Player und J. Watson, In Situ Underwater Electronic Holographic Camera for Studies of Plankton. in IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol. 32, no. 2, pp. 373–382, April 2007, doi: 10.1109/JOE.2007.891891.</ref>, in der Zellbiologie<ref>D. Carl, B. Kemper, G. Wernicke und G. von Bally, Parameter-optimized digital holographic microscope for high-resolution living-cell analysis, Appl. Opt. 43, 6536–6544 (2004)</ref> oder in der Wolkenphysik eingesetzt. Bei diesen Anwendungen werden die Hologramme meistens mit der in-line-Technik aufgezeichnet. Hierbei ist keine separate Referenzwelle erforderlich, der ungebeugt durch das Objekt (zum Beispiel Partikelansammlung) hindurchtretende Teil der Beleuchtungswelle stellt die Referenzwelle dar, die Objektwelle wird durch die an den Partikeln gestreute Welle gebildet. Dadurch spielen die oben genannten Einschränkungen durch die im Vergleich zu Fotoplatten noch geringe Auflösung (Pixelgröße) der CCD- oder CMOS-Sensoren hier keine Rolle.
Einzelnachweise
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