Praktische 3D-Anzeige generiert durch Holographie und Lichtfeldtechnologie

• Eine neue Methode würde die visuellen Verzerrungen in 3D-Displays ohne zusätzliche schwerere Optik entfernen.
• Das System erzeugt ein klares 3D-Bild im Raum, das es für AR-Anwendungen geeignet macht.

Wir interagieren hauptsächlich mit digitalen Inhalten über Tastaturen und 2D-Touchpanels. Technologien wie Virtual Reality (VR) und Augmented Reality (AR) versprechen jedoch heutzutage mehr Freiheit von diesen Einschränkungen.

VR/AR-Geräte haben ihre eigenen Nachteile, zum Beispiel die Tendenz, aufgrund ihres stereoskopiebasierten Designs Augenermüdung, Schwindel und Reisekrankheit hervorzurufen. Eine längere Nutzung dieser Geräte kann das Gefühl von Übelkeit und Verzerrung verstärken, was auch als VR-Krankheit bekannt ist.

Um diese Einschränkungen zu überwinden, haben Forscher in Belgien und Japan begonnen, eine Kombination aus Holographie- und Lichtfeldtechnologie zu erforschen. Obwohl dies zusätzliche Ausrüstung erfordert, haben sie versucht, die Größe und die Kosten gering zu halten, damit sie einen kommerziellen Erfolg erzielen können.

Wie es funktioniert?

Die Eigenschaften von Objekten (wie Größe, Farbe, Textur, Höhe, Entfernung) werden durch das von ihnen in verschiedene Richtungen mit unterschiedlichen Intensitäten gestreute Licht definiert. Das menschliche Auge sieht diese modulierten Strahlen und sendet Signale an das Gehirn, wo diese charakteristischen Merkmale wiederhergestellt werden.

Echte 3D-Displays wie Holographie- und Lichtfeld-Anzeigegeräte können dieselben modulierten Strahlen erzeugen, ohne dass ein tatsächliches Objekt vorhanden ist. Die genaue Rekonstruktion aller Objektmerkmale ist jedoch ein kostspieliger Prozess.

Deshalb berechneten die Forscher zunächst die erforderliche Modulation und wandelten die Daten dann mit einem LCD in Lichtsignale um. Diese Signale werden weiter an andere optische Instrumente wie Strahlvereiniger, Spiegel und Linsen gespeist.

Sie entwickelten ein holografisches optisches Element mit einer dünnen Schicht aus lichtempfindlichem Element, das in der Lage ist, Aufgaben mehrerer optischer Module zu replizieren. Es besteht hauptsächlich aus Glas, das die Qualität und Leistung des Displays bestimmt.

Um mehrere optische Komponenten auf einmal aufzuzeichnen/zu drucken, entwickelte das Team eine Methode namens Digitally Designed Holographic Optical Element (kurz für DDHOE). Dieses Verfahren kann alle charakteristischen Merkmale verschiedener optischer Komponenten erfassen, ohne dass dort reale Komponenten physisch vorhanden sein müssen.

Quelle:The Optical Society 

Grundsätzlich geht es darum, das Hologramm aller Komponentenmerkmale zu vermessen und gemeinsam mit Laser und LCD optisch nachzubilden. Die endgültigen optischen Signale ähneln dem gleichen Licht, das von allen tatsächlichen Komponenten zusammen moduliert wird. Das aufgezeichnete Hologramm wird schließlich auf die dünne Schicht des lichtempfindlichen Materials projiziert.

(a) DDHOE-Linsen-Array, (c) computergenerierte 3D-Szene, (d) Endgültiges 3D-Bild | Bildnachweis: Boaz Jessie Jackin

Das Team hat diese Technik bereits an einem Head-up-Lichtfeld-3D-Display getestet. Da es sich um ein durchsichtiges System handelt, das 3D-Bilder/Videos ausgibt, könnte die Technologie eine Vielzahl von Anwendungen in AR haben.

Um Multi-View-Bilder auf einem Glas (Mikrolinsen-Array-Film) anzuzeigen, verwendet das System einen herkömmlichen 2D-Projektor. Dieser dünne Film moduliert das vom Projektor kommende Licht und erzeugt das Bild in 3D im Raum.

Wie unterscheidet es sich von anderen Methoden?

Bei herkömmlichen Techniken wird Licht vom Projektor gestreut, bevor es auf das Mikrolinsenarray trifft. Dadurch wird das endgültige 3D-Bild im Raum verzerrt. Um dies zu beheben, müssen Sie die Projektorlichter in einen parallelen Strahl kollimieren.

Wenn Sie jedoch ein größeres Display wünschen, müssen Sie die Größe der Kollimationslinsen erhöhen, was die Kosten der Komponenten erhöht – der Hauptgrund dafür, dass diese Techniken keinen kommerziellen Erfolg erzielt haben.

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Das neue Verfahren hingegen integriert die Kollimationsfunktionen auf dem Mikrolinsenarray selbst, indem es mit DDHOE hergestellt wird. Dies macht schwerere Kollimationsoptiken überflüssig. Forscher glauben, dass ihre Technik bald die bestehenden Modelle ersetzen wird, die sperrige optische Komponenten verwenden.