Hello Holodoc – holografische Displays

Wäre es nicht eine feine Sache, den Monitor vom Schreibtisch zu entfernen oder den Fernseher von der Wohnzimmerwand und Objekte und Filme frei schwebend in der Luft betrachten zu können?

Das klingt wie Science-Fiction, aber es ist vielleicht nicht mehr so weit von der Wirklichkeit entfernt, wie man meinen könnte. Aber während wir 3D-Fernseher und Kinos schon gut kennen ist die dort verwendete Technik doch im Grunde recht simpel und nicht wirklich dreidimensional. Es wird lediglich jedem Auge ein eigenes Bild gezeigt, und jedes Bild zeigt die Szene aus einer etwas unterschiedlichen Perspektive. Wird zum Trennen der Bilder eine Brille eingesetzt, dann entweder in der Art, dass sie abwechselnd das eine oder andere Glas abdunkelt (aktiv) oder es wird mit polarisiertem Licht gearbeitet und die Gläser lassen jeweils nur eine Polarisationsrichtung hindurch. Ohne Brille setzt man in der Regel ein Linsenraster vor dem Display ein, das dafür sorgt, dass jedes Auge nur das Bild sieht, das für die jeweilige Seite bestimmt ist. Hierbei kann es zu Diskrepanzen kommen, zwischen Bildinformationen und Schätzungen, die unser Gehirn automatisch anstellt, was zu Kopfschmerzen oder Schwindel führen kann. Und so schick das auch aussieht, es ist doch weit vom Holodeck entfernt.

Ein neuer Ansatz könnte dies radikal ändern: die Lichtfeldtechnik. Seit einiger Zeit schon ist die Lichtfeldkamera des Unternehmens Lytro, Inc. auf dem Markt und nimmt Bilder auf, in denen sich im Nachhinein der Fokuspunkt setzen lässt. Die Idee dahinter ist, dass man nicht einfach nur einen Sensor hinter eine Linse setzt und registriert, welches Pixel wie viel Licht aufnimmt, sondern einen Detektor verwendet, der auch die Richtung aus der ein Lichtstrahl kommt, bestimmen kann. So erhält man nicht nur Farb- und Helligkeitsinformationen, sondern kann den Aufbau des Bildes beschreiben und aus diesen Daten berechnen, wie das Bild in jeder beliebigen Schärfentiefe aussehen muss.

Jeder Lichtstrahl (und wenn die zu betrachtenden Objekte groß genug sind, kann man den Wellencharakter des Lichts vernachlässigen) kann durch seine Ausgangsposition im Raum sowie seinen Winkel in horizontaler und vertikaler Richtung beschrieben werden. Bei einem Display, oder einem Sensor kann man noch eine Koordinate streichen, denn der Ausgangsraum bzw. der Empfangsbereich ist dann flach. Man hat dann einen 4-Dimensionalen Raum (x- und y-Koordinate und die beiden Winkel), in dem sich die Bildinformation wiederfindet. 

Baut man nun ein Display, das diese Lichtstrahlen so aussenden kann, wie sie von der Lichtfeldkamera aufgenommen wurden, dann ergäbe das ein tatsächlich holografisches Bild. Es könnte vom menschlichen Auge betrachten werden, wie einen richtigen Gegenstand - denn ob die Lichtstrahlen von einem realen Objekt kommen, oder aus einer künstlichen Lichtquelle spielt ja keine Rolle. 

Entwickler bei Hewlett Packard haben genau das gemacht und ihre Arbeit im März 2013 der Öffentlichkeit vorgestellt. Das Display ist noch nicht sehr groß, aber es projiziert sein Bild in bis zu 200 Richtungen gleichzeitig und die einzelnen Bildrichtungen stehen weniger ais einen Millimeter auseinander. Eine Nachverfolgung des Beobachters ist so nicht mehr erforderlich, quasi beliebig viele Personen können das Display gleichzeitig betrachten (beschränkt ist die Zahl nur durch die Größe der Köpfe, die sich über der Anzeige drängen).

Das Display ist nur wenige Zentimeter groß, aber Objekte scheinen bis zu einem Zentimeter hinein, bzw. herauszuragen und das fast völlig unabhängig vom Betrachtungswinkel. Die geringe Größe macht dieses Display natürlich ideal für Smartphones. Bis wir uns einen Lichtfeldprojektor ins Wohnzimmer stellen, wird es wohl noch ein wenig dauern. 

So richtig holografisch ist das aber noch nicht, insbesondere funktionieren Holografien ganz anders als die Lichtfeldtechnik. In einem Hologramm werden nicht Eigenschaften individueller Lichtstrahlen gespeichert, sondern Interferenzmuster in einer zweidimensionalen Ebene. Man bestrahlt ein Objekt mit kohärentem Licht (Laserlicht, mit parallelen Lichtstrahlen gleicher Wellenlänge) und zeichnet das Muster, das sich aus der Überlagerung des reflektierten Lichts mit den ungestörten Photonen ergibt. Diese Aufzeichnung kann analog auf lichtempfindlicher Folie geschehen oder digital. Beleuchtet man das Hologramm später wieder mit kohärentem Licht, zeigt sich wieder ein dreidimensionales Bild des ursprünglichen Gegenstands.

Das Problem war, dass kohärentes Licht immer nur eine Farbe hat (identische Wellenlänge), damit bekam man auch nur monochromatische Bilder, doch inzwischen gibt es Möglichkeiten auf Hologramme mit weißem Licht (also einer Mischung aus vielen Wellenlängen) aufzuzeichnen.

Seit etwa zwanzig Jahren arbeiten verschiedene Laboratorien an der Entwicklung von elektro-holografischen Displays, wobei das Display hier ein Muster erzeugen muss, welches dem Interferenzmuster entspricht. Die Datenmengen, die hier verarbeitet werden müssen sind jedoch enorm und für eine 60-cm-Diagonale braucht es pro Bild etwa 1 Terabyte an Daten. Was daran liegt, dass der Pixelabstand für die gewünschte Überlagerung unterhalb der Wellenlänge des Photons liegen muss, also um einen Faktor 100 oder kleiner, als bei heutigen LCD-Displays.

Mit Erfindung der diskreten holografischen Elemente (den Hogels) konnte dieser Aufwand deutlich reduziert werden. Jedes Hogel emittiert bereits eine zusammengesetzte Wellenfront und vereinfacht die Berechnung und die benötigte Bandbreite enorm, allerdings mit Abstrichen bei der Bildqualität.

2005 hat Zebra Imaging, Inc. (Austin, Texas) ein holografisches Display mit einer Diagonale von 45°cm vorgestellt und es können bis zu 10 Bildwechsel pro Sekunde dargestellt werden (vorberechnet). 

Sowohl Lichtfeld, als auch Hologramm haben Vor- und Nachteile. Das Lichtfeld zum Beispiel wird immer eine diskrete Abbildung sein (festgelegte Richtungen, in welche das Bild projiziert wird) und es gibt keine wirklichen Tiefeninformationen (eine Dimension fällt ja weg). Auf der anderen Seite kann man mit einem Hologramm keine Filme drehen, es gibt Artefakte und mit natürlichem Licht sind auch keine Aufzeichnungen möglich. 

An der ETH Zürich versucht man deshalb beide Verfahren zu kombinieren, um die Vorteile nutzen zu können, ohne dass die Nachteile ins Gewicht fallen. 

Grob gesagt ist die Idee dabei, das Lichtfeld zu nehmen, um die Szene aufzuzeichnen und daraus ein Interferenzmuster für ein holografisches Display zu konstruieren. Eine Schwierigkeit dabei ist die Rekonstruktion der Tiefeninformation, aber wenn man einige nebeneinander liegende Lichtstrahlen nimmt, kann man diese aus dem leicht verschobenen Betrachtungswinkel berechnen. Der Übergang von einzelnen Strahlen zu Wellen würde im Hologramm zu Ringbildung führen, aber wenn man die Lichtfeldinformation von einem Punkt zum nächsten überblendet, kann man diese Artefakte gut reduzieren. Andere Bildfehler korrigiert man mit der richtigen Wahl der Wellenlänge, einer größeren Anzahl an Hologrammen und Filtern, so dass das endgültige Hologramm doch eine vergleichbare Auflösung hat, wie das ursprüngliche Lichtfeld. 

Es wird wohl keine weiteren 20 Jahre dauern, bis wir echte holografische Monitore haben. Aber verschwinden dann die Bildschirme? Leider nicht, denn die Bilder müssen auch mit dem besten Holografen immer noch von irgendwoher kommen.


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BeitragvonDatumAntworten Letzte Antwort
Eine erste AnwendungNico08.06.2015
18:44 Uhr
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