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Diffraktive optische Elemente sind Glasträger, auf die durch [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]] [[Gefüge (Werkstoffkunde)|Mikrostruktur]]en aufgebracht werden. In ihnen kommt es durch unterschiedliche [[ | Diffraktive optische Elemente sind Glasträger, auf die durch [[Fotolithografie (Halbleitertechnik)|Fotolithografie]] [[Gefüge (Werkstoffkunde)|Mikrostruktur]]en aufgebracht werden. In ihnen kommt es durch unterschiedliche [[Optischer Weg|optische Weglängen]] der Teilstrahlen zu [[Phasenmodulation]]en, wodurch [[Interferenz (Physik)|Interferenz]]muster entstehen. Zusätzlich wird durch konstruktive und destruktive Überlagerung die [[Amplitude]] moduliert. So lassen sich durch geschickte Auslegung die [[Intensität (Physik)|Intensität]]smuster in einem Laserstrahl manipulieren. DOEs können zwei Aufgaben erfüllen: sie können einen Laserstrahl formen ({{enS|''beam shaping''}}) oder in mehrere Teilstrahlen zerlegen (engl. {{lang|en|''beam splitting''}}). | ||
Die Mikrostruktur im DOE kann den Strahl durch den [[Brechungsindex]] oder durch Höhenmodulation formen. Gute Bauelemente erreichen dabei [[Wirkungsgrad]]e von 80–99 % und [[Transmission (Physik)|Transmission]]sgrade von 95–99 %. | Die Mikrostruktur im DOE kann den Strahl durch den [[Brechungsindex]] oder durch Höhenmodulation formen. Gute Bauelemente erreichen dabei [[Wirkungsgrad]]e von 80–99 % und [[Transmission (Physik)|Transmission]]sgrade von 95–99 %. | ||
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Diffraktive optische Elemente finden inzwischen zahlreich Anwendung in verschiedensten Bereichen, unter anderem in [[Fototechnik]], [[Medizin]], [[Fahrzeugtechnik]], [[Multimedia]]bereiche, [[Bildverarbeitung]], [[Lichtschnitt]]messung, sowie als Sicherheitstechniken bei [[Urkunde|Dokumentenpapieren]]. DOEs können mittlerweile in solch hoher Qualität hergestellt werden, dass sie mit Hochleistungslasern für industrielle Anwendungen eingesetzt werden. Hier werden sie hauptsächlich zur Strahlformung und Strahlteilung eingesetzt. | Diffraktive optische Elemente finden inzwischen zahlreich Anwendung in verschiedensten Bereichen, unter anderem in [[Fototechnik]], [[Medizin]], [[Fahrzeugtechnik]], [[Multimedia]]bereiche, [[Bildverarbeitung]], [[Lichtschnitt]]messung, sowie als Sicherheitstechniken bei [[Urkunde|Dokumentenpapieren]]. DOEs können mittlerweile in solch hoher Qualität hergestellt werden, dass sie mit Hochleistungslasern für industrielle Anwendungen eingesetzt werden. Hier werden sie hauptsächlich zur Strahlformung und Strahlteilung eingesetzt. | ||
<!-- [[Bild:Logo-DOE1.jpg|mini|Die Abbildung zeigt einen Glaswafer mit DOEs die per Mikrostrukturierung hergestellt wurden.]] --> | <!-- [[Bild:Logo-DOE1.jpg|mini|Die Abbildung zeigt einen Glaswafer mit DOEs die per Mikrostrukturierung hergestellt wurden.]] --> | ||
=== Medizin === | |||
Im Bereich der Linsenchirurgie des Auges (OP der Katarakt bzw. grauen Stars; refraktiver Linsentausch bei Alterssichtigkeit) werden Intraokularlinsen mit diffraktiven Optiken eingesetzt. Damit soll ein Sehen auf verschiedene Distanzen ermöglicht werden („Brillenunabhängigkeit“). | |||
Durch eingeschliffene Ringe mit unterschiedlich hohen „Gitterzacken“ im Profil der Linse bzw. unterschiedlicher räumlicher Anordnung der diffraktiven Ringe werden unterschiedliche Nahpunkte zusätzlich zum Fernfokus erzeugt bzw. ein kontinuierlicheres Sehen von Ferne zumindest bis in den Intermediärbereich (PC-Arbeit). Letzteres wird z. B. durch ein sogenanntes Echelettegitter bewirkt. Linsen, die zum Fernpunkt noch Intermediärpunkt und Nahpunkt abbilden, werden Multifokallinsen genannt; Linsen, die von Fern bis Intermediär abbilden, werden als EDoF IOL („enhanced Depth of Focus“) bezeichnet. | |||
=== Fertigungstechnik === | === Fertigungstechnik === | ||
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DOEs haben einige Vorteile gegenüber der Strahlformung durch Masken: | DOEs haben einige Vorteile gegenüber der Strahlformung durch Masken: | ||
*Strahlteile mit zu geringer Intensität werden nicht einfach durch eine Maske ausgeblendet, sondern die Intensität des Strahls wird durch das DOE gleichmäßig verteilt. Dadurch kann die Strahlenergie fast vollständig ausgenutzt werden. | * Strahlteile mit zu geringer Intensität werden nicht einfach durch eine Maske ausgeblendet, sondern die Intensität des Strahls wird durch das DOE gleichmäßig verteilt. Dadurch kann die Strahlenergie fast vollständig ausgenutzt werden. | ||
*Der Strahl kann auf Durchmesser fokussiert werden, bei denen mit einer Maske bereits Beugungserscheinungen auftreten würden, die die Strahlqualität reduzieren. | * Der Strahl kann auf Durchmesser fokussiert werden, bei denen mit einer Maske bereits Beugungserscheinungen auftreten würden, die die Strahlqualität reduzieren. | ||
*Das Gesamtsystem kann einfacher gehalten werden, weil das DOE die Aufgaben mehrerer konventioneller optischer Bauelemente übernehmen kann. | * Das Gesamtsystem kann einfacher gehalten werden, weil das DOE die Aufgaben mehrerer konventioneller optischer Bauelemente übernehmen kann. | ||
Das einfachere Gesamtsystem ist aber gleichzeitig auch ein Nachteil, da die eingesetzten diffraktiven optischen Elemente für einen spezielleren Zweck gefertigt sind als herkömmliche Optiken. Dadurch sind sie teurer und auch nicht so flexibel einsetzbar wie konventionelle Bauteile. | Das einfachere Gesamtsystem ist aber gleichzeitig auch ein Nachteil, da die eingesetzten diffraktiven optischen Elemente für einen spezielleren Zweck gefertigt sind als herkömmliche Optiken. Dadurch sind sie teurer und auch nicht so flexibel einsetzbar wie konventionelle Bauteile. | ||
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Seit geraumer Zeit wird diese Technik bei Kunststoffgeldscheinen als [[Sicherheitsmerkmal]] angewendet. [[Banknote]]n folgender Länder besitzen bereits dieses Sicherheitsmerkmal: | Seit geraumer Zeit wird diese Technik bei Kunststoffgeldscheinen als [[Sicherheitsmerkmal]] angewendet. [[Banknote]]n folgender Länder besitzen bereits dieses Sicherheitsmerkmal: | ||
*[[Brunei]]: Die Banknoten wurden ausgegeben aus Anlass des 58. Geburtstages seiner Majestät [[Sultan]] Sir Muda [[Hassanal Bolkiah]]. Als DOE ist HB50 bzw. HB100 zu sehen; das HB steht für Hassanal Bolkiah. | * [[Brunei]]: Die Banknoten wurden ausgegeben aus Anlass des 58. Geburtstages seiner Majestät [[Sultan]] Sir Muda [[Hassanal Bolkiah]]. Als DOE ist HB50 bzw. HB100 zu sehen; das HB steht für Hassanal Bolkiah. | ||
**50 [[ | ** 50 [[Brunei-Dollar]] vom 15. Juli 2004 | ||
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*[[Vietnam]]: Als DOE sind Ornamente bzw. VN, was für Việt Nam steht, zu sehen. | * [[Vietnam]]: Als DOE sind Ornamente bzw. VN, was für Việt Nam steht, zu sehen. | ||
**50.000 [[Vietnamesischer Đồng|Đồng]] vom 17. Dezember 2003 | ** 50.000 [[Vietnamesischer Đồng|Đồng]] vom 17. Dezember 2003 | ||
**100.000 Đồng vom 1. September 2004 | ** 100.000 Đồng vom 1. September 2004 | ||
**500.000 Đồng vom 17. Dezember 2003 | ** 500.000 Đồng vom 17. Dezember 2003 | ||
*[[Papua-Neuguinea]] | * [[Papua-Neuguinea]] | ||
**100 [[Kina]] vom 21. November 2005 | ** 100 [[Kina]] vom 21. November 2005 | ||
=== Computer-generierte Hologramme === | === Computer-generierte Hologramme === | ||
Computer-generierte [[Hologramm]]e werden in der Technik zunehmend eingesetzt, um diverse Aufgaben zu erfüllen: | Computer-generierte [[Hologramm]]e werden in der Technik zunehmend eingesetzt, um diverse Aufgaben zu erfüllen: Abbildung von Alignmentstrukturen, Herstellung von nichtlinearen Linsen, Formung von Strahlverteilungen (Beamshaper), Logo-Darstellung in der Lasertechnik. | ||
Abbildung von Alignmentstrukturen, Herstellung von nichtlinearen Linsen, Formung von Strahlverteilungen (Beamshaper), Logo-Darstellung in der Lasertechnik. | |||
=== Fotografie === | === Fotografie === | ||
Diffraktive optische Elemente werden in einzelnen [[Objektiv (Optik)|Objektiven]] (Nikon PF-Objektive und Canon DO-Objektive mit „Mehrfachbeugungsglied“) für [[Spiegelreflexkamera]]s eingesetzt. Ziel ist die Minimierung chromatischer Aberrationen bei gleichzeitig kompakterer und leichterer Konstruktion der Objektive. | Diffraktive optische Elemente werden in einzelnen [[Objektiv (Optik)|Objektiven]] (Nikon PF-Objektive und Canon DO-Objektive mit „Mehrfachbeugungsglied“) für [[Spiegelreflexkamera]]s eingesetzt. Ziel ist die Minimierung [[Chromatische Aberration|chromatischer Aberrationen]] bei gleichzeitig kompakterer und leichterer Konstruktion der Objektive. | ||
== Siehe auch == | == Siehe auch == | ||
*[[Fresnel-Zonenplatte]] | * [[Fresnel-Zonenplatte]] | ||
*[[Photonensieb]] | * [[Photonensieb]] | ||
== Weblinks == | == Weblinks == | ||
* [ | * [https://www.lasercomponents.com/fileadmin/user_upload/home/Datasheets/lc/publications/strahl-matrix.pdf Diffraktive optische Elemente in industriellen Anwendungen] – Fachaufsatz zu DOEs – Design der Elemente, Herstellungsverfahren, Anwendungsbereiche (PDF-Datei; 306 kB) | ||
* [http://www.laseropto.de/fileadmin/pdf/fachaufsaetze/photonik_2004_04_50.pdf Hybride diffraktive refraktive Linsen] (PDF-Datei; 296 kB) | * [http://www.laseropto.de/fileadmin/pdf/fachaufsaetze/photonik_2004_04_50.pdf Hybride diffraktive refraktive Linsen] (PDF-Datei; 296 kB) | ||
Diffraktive optische Elemente (abgekürzt DOE) sind optische Elemente zur Formung eines Lichtstrahls, häufig in Form eines Laserstrahls. Das physikalische Prinzip ist die Beugung (auch Diffraktion genannt) an einem optischen Gitter.
Diffraktive optische Elemente sind Glasträger, auf die durch Fotolithografie Mikrostrukturen aufgebracht werden. In ihnen kommt es durch unterschiedliche optische Weglängen der Teilstrahlen zu Phasenmodulationen, wodurch Interferenzmuster entstehen. Zusätzlich wird durch konstruktive und destruktive Überlagerung die Amplitude moduliert. So lassen sich durch geschickte Auslegung die Intensitätsmuster in einem Laserstrahl manipulieren. DOEs können zwei Aufgaben erfüllen: sie können einen Laserstrahl formen (englisch beam shaping) oder in mehrere Teilstrahlen zerlegen (engl. {{Modul:Vorlage:lang}} Modul:Multilingual:149: attempt to index field 'data' (a nil value)).
Die Mikrostruktur im DOE kann den Strahl durch den Brechungsindex oder durch Höhenmodulation formen. Gute Bauelemente erreichen dabei Wirkungsgrade von 80–99 % und Transmissionsgrade von 95–99 %.
Diffraktive optische Elemente finden inzwischen zahlreich Anwendung in verschiedensten Bereichen, unter anderem in Fototechnik, Medizin, Fahrzeugtechnik, Multimediabereiche, Bildverarbeitung, Lichtschnittmessung, sowie als Sicherheitstechniken bei Dokumentenpapieren. DOEs können mittlerweile in solch hoher Qualität hergestellt werden, dass sie mit Hochleistungslasern für industrielle Anwendungen eingesetzt werden. Hier werden sie hauptsächlich zur Strahlformung und Strahlteilung eingesetzt.
Im Bereich der Linsenchirurgie des Auges (OP der Katarakt bzw. grauen Stars; refraktiver Linsentausch bei Alterssichtigkeit) werden Intraokularlinsen mit diffraktiven Optiken eingesetzt. Damit soll ein Sehen auf verschiedene Distanzen ermöglicht werden („Brillenunabhängigkeit“). Durch eingeschliffene Ringe mit unterschiedlich hohen „Gitterzacken“ im Profil der Linse bzw. unterschiedlicher räumlicher Anordnung der diffraktiven Ringe werden unterschiedliche Nahpunkte zusätzlich zum Fernfokus erzeugt bzw. ein kontinuierlicheres Sehen von Ferne zumindest bis in den Intermediärbereich (PC-Arbeit). Letzteres wird z. B. durch ein sogenanntes Echelettegitter bewirkt. Linsen, die zum Fernpunkt noch Intermediärpunkt und Nahpunkt abbilden, werden Multifokallinsen genannt; Linsen, die von Fern bis Intermediär abbilden, werden als EDoF IOL („enhanced Depth of Focus“) bezeichnet.
In der Fertigungstechnik werden DOEs an Stelle von konventionellen refraktiven Linsen eingesetzt, um die Intensitätsverteilung zu modulieren. Die normale Verteilung der Strahlintensität eines Laserstrahls über den Strahldurchmesser ist in etwa gleich dem einer Gauß'schen Glockenkurve. Dies ist für einige Fertigungsprozesse (z. B. Laserbohren) ungünstig, da am Rand des Strahls die Intensität zur Bildung von Plasma nicht ausreicht, das zum Laserbohren durch Verdampfen nötig ist. Stattdessen erwärmt der reduzierte Energieanteil das Material und führt zu Schmelzbädern, die die Qualität der Bohrung reduzieren. Deshalb benötigt man eine möglichst gleichmäßige Intensitätsverteilung über den gesamten Strahldurchmesser. Diffraktive optische Elemente können genau dies leisten, da sie vielfältige Intensitätsverteilungen erzeugen können.
DOEs haben einige Vorteile gegenüber der Strahlformung durch Masken:
Das einfachere Gesamtsystem ist aber gleichzeitig auch ein Nachteil, da die eingesetzten diffraktiven optischen Elemente für einen spezielleren Zweck gefertigt sind als herkömmliche Optiken. Dadurch sind sie teurer und auch nicht so flexibel einsetzbar wie konventionelle Bauteile.
Ein hyalisches Fenster ist das durchsichtige Feld auf einem Kunststoffgeldschein. Die Fenster, die für das diffraktive optische Element vorgesehen sind, weisen einen optisch milchigen Film auf. Dieser sichtbare Film ist eine Mikrostruktur, die nur mit einem Laser entschlüsselt werden kann. Es können auch erhabene Zahlen, Buchstaben oder Warenzeichen im hyalischen Fenster auftreten, die aber keinerlei DOE-Funktionen haben.
Mittels dieser Technik ist es möglich, Logos, das Nominal einer Banknote, Warenzeichen usw. in eine Trägerfolie einzuarbeiten. Was bei Papier als Wasserzeichen bekannt wurde, wird hier per Laserstrahl auf eine Fläche projiziert. Die Herstellung eines diffraktiven optischen Elements ist ebenso aufwändig wie ein Wasserzeichen und bisher als sehr fälschungssicher zu betrachten.
Das DOE-Bild kann mit einfachen Hilfsmitteln sichtbar gemacht werden: Mit einem handelsüblichen Laserpointer projiziert man einen Laserstrahl auf eine ebene weiße Wand. In den Laserstrahl hält man den Kunststoffgeldschein so, dass der Strahl durch das milchige hyalische Fenster fällt. Durch leichtes Hin- und Herbewegen sollte ein klares Bild auf der Wand sichtbar werden.
Seit geraumer Zeit wird diese Technik bei Kunststoffgeldscheinen als Sicherheitsmerkmal angewendet. Banknoten folgender Länder besitzen bereits dieses Sicherheitsmerkmal:
Computer-generierte Hologramme werden in der Technik zunehmend eingesetzt, um diverse Aufgaben zu erfüllen: Abbildung von Alignmentstrukturen, Herstellung von nichtlinearen Linsen, Formung von Strahlverteilungen (Beamshaper), Logo-Darstellung in der Lasertechnik.
Diffraktive optische Elemente werden in einzelnen Objektiven (Nikon PF-Objektive und Canon DO-Objektive mit „Mehrfachbeugungsglied“) für Spiegelreflexkameras eingesetzt. Ziel ist die Minimierung chromatischer Aberrationen bei gleichzeitig kompakterer und leichterer Konstruktion der Objektive.