3D-Bilder mit Rundum-Ansicht

  • 25. January 2018

Neuer Prototyp eines volumetrischen Displays kommt ohne Brille aus.

Dreidimen­sionale Projek­tionen, die von allen Seiten betrachtet werden können, exis­tieren nicht nur in Science-Fiction-Filmen wie Star Wars oder Iron Man. In einem Labor der Brigham Young Univer­sity in Provo, Utah, konstru­ierten ameri­kanische Wissen­schaftler nun ein volume­trisches Display, das erste 3D-Bilder quasi in den freien Raum proji­zierte. Dazu fingen sie ein Mikro­meter kleines Kügel­chen aus Zellu­lose in einer optischen Falle ein. In hoher Taktrate mit sicht­barem Licht beleuchtet, entstand ein von allen Seiten betracht­bares, dreidimen­sionales Bild.

Abb.: Ohne Spezialbrille können dreidimensionale Bilder eines neuen volumetrischen Displays von allen Seiten betrachtet werden. (Bild: D. Smalley Lab, Brigham Young Univ.)

Abb.: Ohne Spezialbrille können dreidimensionale Bilder eines neuen volumetrischen Displays von allen Seiten betrachtet werden. (Bild: D. Smalley Lab, Brigham Young Univ.)

Daniel Smalley und seine Kollegen betonen, dass es sich bei ihrem Prototyp nicht um eine geschickte Nutzung von Holo­grammen handelt. Denn der räum­liche Eindruck entstand nicht unter einem engen Blick­winkel wie bei herkömm­lichen 3D-Filmen. Vielmehr ließ sich die Projektion ohne Spezial­brille und Qualitäts­verlust von allen Seiten betrachten. „Dieses Display funk­tioniert wie ein 3D-Drucker für Licht“, sagt Smalley. „Mit kleinen Partikeln drucken wir quasi ein Objekt in den freien Raum“, erklärt er das Grund­prinzip seines volume­trischen Displays.

Für ihren Prototyp nutzten Smalley und Kollegen eine optische Falle, in der ein wenige Mikro­meter durch­messendes Zellulose-Kügel­chen mit einem für das mensch­liche Auge unsicht­baren Laserstrahl (Wellen­länge 405 Nanometer) festge­halten wurde. Die Position des Kügel­chens ließ sich über die Steuerung des Laser­strahls verändern. Als Antrieb wirkte die Temperatur­differenz zwischen der ange­strahlten, wärmeren Vorder­seite und der abge­schatteten, kühleren Rückseite des Kügel­chens. Über diesen photo­phore­tischen Effekt ließ sich das Kügel­chen beliebig im freien Raum hin und her bewegen.

Abb.: In diesem Video erklärt Daniel Smalley die Details des volumetrischen Displays. (Bild: Producer Julie Walker, Cinematographer Brian Wilcox, Editor Hannah Hansen)

Mit dem Laser­strahl steuerten die Forscher das Kügel­chen mit einer Geschwin­digkeit von bis zu knapp zwei Metern pro Sekunde durch einen etwa ein zehntel Liter großen Raum­bereich. Mit seiner matt­weißen Färbung diente es als winzige Projektions­fläche für jeden einzelnen Bildpunkt der dreidimen­sionalen Projek­tion. Dazu wurde es mit schnell getak­teten Laser­pulsen im sicht­baren Spektral­bereich beleuchtet, so dass es auf Wunsch rotes, grünes oder blaues Licht reflek­tierte. Mit einer Taktrate von 13 Bild­punkten pro Sekunde baute sich das dreidi­mensionale Bild fast flacker­frei auf.

Jeder Bildpunkt maß dabei etwa zehn Mikro­meter. Damit erreichte Smalley eine hohe Bildauf­lösung von 1600 Punkten pro Zoll. Das war fili­gran genug, um selbst detail­lierte Strukturen anzeigen zu können. In ersten Test­läufen erschufen die Forscher über die kontrol­lierte Flugbahn des Zellulose-Kügel­chens einfache Bilder wie etwa von einer Spirale, den Umrissen eines Schmetter­lings oder der Silhuette einer Comic-Figur. Pro Projektions­versuch konnten sie die Position und Beleuchtung des Kügelchens eine gute Stunde lang kontrol­lieren.

Abb.: Über die Beleuchtung eines Zellulose-Kügelchens mit hoher Taktrate entsteht ein dreidimensionales Bild im freien Raum. (Bild: D. Smalley Lab, Brigham Young Univ.)

Abb.: Über die Beleuchtung eines Zellulose-Kügelchens mit hoher Taktrate entsteht ein dreidimensionales Bild im freien Raum. (Bild: D. Smalley Lab, Brigham Young Univ.)

Noch waren die 3D-Projek­tionen mit einigen Milli­metern Durch­messer allerdings sehr klein. Doch in weiteren Versuchen könnte der Projektions­raum dieses Displays weiter vergrößert werden. Für die weitere Ent­wicklung schlägt Smalley vor, sogar mehrere Kügel­chen zeitgleich kontrolliert mit mehreren Lasern zu bewegen und in verschie­denen Farben zu beleuchten. Gelingt es zusätz­lich, die Taktrate der Laser­beleuchtung deutlich zu erhöhen, ließen sich nicht nur einzelne Farb­bilder, sondern ganze volu­metrische, mehrfarbige Film­sequenzen rea­lisieren.

In der Fachwelt erregte dieses volume­trische Display bereits großes Interesse. „Dieser Ansatz könnte die Grundlage für die nächste Gene­ration von volume­trischen Displays sein“, schreibt Barry G. Blundell von der Univer­sity of Derby in einem die Studie beglei­tenden Kommentar. Miles Padgett, Physiker an der Univer­sity of Glasgow, bezeichnet das Display sogar als techno­logischen Triumph. Dank des relativen einfachen Aufbaus dieses Displays rechnen die Experten mit einem großen Potenzial für weitere Verbes­serungen.

Jan Oliver Löfken

JOL

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