Praktische 3D-Displays mit Holografie und Lichtfeldtechnik

Während sich ein Großteil der Interaktion mit digitalen Inhalten per Tastatur und 2D-Touchpanels stattfindet, versprechen AR/VR-Verfahren neue Freiheiten. Sie haben aber andere Nachteile, die ein neuartiges Konzept beseitigen soll. 

Ein neuartiges Konzept addressiert visuelle Unzulänglichkeiten herkömmlicher 3D-Displays, ohne dass es dafür platzraubender Optik bedürfte. AR/VR-Geräte führen wegen ihres stereoskopischen oder auto-stereoskopischen Aufbaus oft zu Unwohlsein bei längerem Gebrauch. Vielversprechend erscheint vor diesem Hintergrund der Einsatz von Holographie oder Lichtfeldtechnologie. Beides erfordert aber zusätzliche Optiken, die Größe, Gewicht und Kosten dieser Displays nach oben treiben würden, was bislang dem Markterfolg entgegenstand.

Eine Forschergruppe in Japan und Belgien will nun eine Kombination von Holografie und Lichtfeldtechnik als eine Möglichkeit erproben, Größe und Kosten von bedienerfreundlicheren AR/VR-Geräten zu senken. Sie präsentieren ihre Arbeit am Frontiers in Optics Meeting der Optical Society (OSA), das vom 16. bis 20. September in Washington D.C. stattfindet. Einer der Schwerpunkte der Konferenz ist die Visualisierung mit Virtual und Augmented Reality.

Boaz Jessie Jackin vom National Institute of Information and Communication Technology in Japan, erklärt: „Objekte, die wir sehen, streuen Licht in verschiedene Richtungen mit unterschiedlicher Stärke. Dieses Licht ist durch die Objekteigenschaften wie Größe, Dicke, Entfernung, Farbe und Textur definiert. Das modulierte – gestreute – Licht wird dann vom menschlichen Auge wahrgenommen und seine charakteristischen Merkmale werden im menschlichen Gehirn rekonstruiert.“

Geräte mit der Fähigkeit, dasselbe modulierte Licht ohne die physische Anwesenheit des Objekts zu erzeugen, sind als echte 3D-Displays bekannt, was auch Holografie und Lichtfelddisplays einschließt. Alle Merkmale eines Objekts wirklichkeitsgetreu zu reproduzieren, sei sehr teuer, so Jackin. Die erforderliche Modulation werde erst numerisch berechnet und dann durch ein LCD in Lichtsignale verwandelt. Weitere optische Komponenten wie Linsen oder Spiegel fangen diese Signale auf.

Die zusätzlichen optischen Bauteile, üblicherweise aus Glas, spielen eine wichtige Rolle, weil sie die Leistung und Größe des Displays bestimmen. An dieser Stelle können holografische optische Komponenten den Unterschied ausmachen. „Ein holografisches optisches Element ist ein dünnes Plättchen aus lichtempfindlichem Material -- denken Sie an Film für das Fotografieren --, das die Funktionen zusätzlicher optischer Komponenten nachbilden kann“, sagt Jackin. Sie seien nicht unhandlich oder schwer und finden in kleineren Formfaktoren Platz. Die Herstellung habe sich als neue Herausforderung erwiesen, für die man aber eine Lösung gefunden habe.

Ein Hologramm aufzunehmen oder herzustellen, das die Funktion eines optischen Bauteils aus Glas nachbilden kann, erfordert, dass dieses optische Bauteil während der Aufnahme auch physisch vorhanden sein muss. Die Aufnahme ist ein analoger Prozess, der auf dem Einsatz von Laser und Film beruht, digitale Signale oder Informationen werden nicht benötigt. Für eine größere Zahl solcher Bauteile erweist sich die Aufnahme wegen des komplexen Aufbaus als wenig praktikabel und in den meisten Fällen als unmöglich.

Daher entschieden sich die Forscher für eine digitale Aufnahme des Hologramms und bezeichneten die Lösung als „digitally designed holographic optical element” (DDHOE). Der Prozess erübrigt die physische Anwesenheit optischer Komponenten bei der Aufnahme, währenddessen sich aber alle Funktionen dieser Komponenten aufnehmen lassen. Die Idee dahinter sei, das Hologramm mit allen optischen Funktionen, die aufzunehmen und nachzubilden sind, digital zu berechnen und sie optisch per LCD und Laser zu rekonstruieren. Das rekonstruierte optische Signal ähnele dem Licht, das andernfalls durch all jene optische Komponenten zusammen moduliert worden wäre. Das rekonstruierte Licht werde dann für die Aufnahme des endgültigen holografischen optischen Elements verwendet. Weil das rekonstruierte Licht alle optischen Merkmale habe, könne das auf dem lichtempfindlichen Film aufgezeichnete Hologramm das Licht mit all diesen Merkmalen modulieren. So lassen sich alle zusätzlichen Optiken durch einen einzigen holografischen Film ersetzen, erklärt Jackin.

Punkto reale Anwendung haben die Entwickler DDHOE bereits an einem Head-up-Lichtfeld-3D-Display getestet. Das System ist teiltransparent, so dass es sich auch für Augmented Reality eignet. Es arbeitet mit einem handelsüblichen 2D-Projektor, der eine Reihe von Multi-View-Bildern auf ein Mikrolinsen-Array auf einer Platte projiziert, typischerweise aus Glas oder Plastik. Die Platte empfängt das Licht vom Projektor und moduliert es, um die 3D-Bilder im Raum zu rekonstruieren, so dass der Betrachter das Bild durch die Mikrolinsen in 3D wahrnehmen kann.

Die Lichtstrahlen des 2D-Projektors laufen jedoch auseinander und müssen vor dem Auftreffen auf das Mikrolinsen-Array parallel ausgerichtet, kollimiert, werden, damit sich die 3D-Bilder im Raum genau rekonstruieren lassen. Diese Hürde konnten die Wissenschaftler mit ihrem Konzept meistern. Mit der Größe des Displays wächst auch die Größe der kollimierenden Sammellinse, was das System aufgrund des langen optischen Pfades oder der hohen Fertigungsansprüche unpraktikabel macht.

Die Lösung von Jackin und seinen Mitarbeitern umgeht die Notwendigkeit des Kollimierens durch die Einbindung dieser Funktion in das Mikrolinsen-Array selbst. Die Entwickler arbeiten an einem Head-up-3D-Dispay, das bald eine Alternative zu den aktuellen Modellen mit massiger Optik darstellen soll.

Video: http://www.osa.org/osaorg/media/FoundationImpact/OSA_Jackin_1.mp4

Bild: 1a) Ein DDHOE-Mikrolinsen-Array; 1b) 3D-Display-System mit 2D-Projektor und DDHOE; 1c) Eine am Rechner modellierte 3D-Szene mit einer Tiefenausdehnung von 6 cm; 1d) Eine 3D-Rekonstruktion der modellierten Szene, erfasst mit Kamera durch das DDHOE. Credit: Boaz Jessie Jackin.

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