Wissenschaftler entwickeln Hologramme, die Sie berühren und hören können

• Forscher demonstrieren eine schwebende volumetrische Anzeige mit Ultraschallwellen.
• Das Hologramm bietet visuelle, hörbare und taktile 3D-Inhalte.
• Es verwendet Arrays von Ultraschallwandlern, die Schallwellen erzeugen, um eine winzige Polystyrolperle zu schweben und zu steuern.

Vorhandene holografische Displays können visuelle 3D-Inhalte erstellen, ohne dass eine Brille erforderlich ist, aber sie haben eine begrenzte Reaktionszeit und eine begrenzte Sichtbarkeit.

Jetzt haben Forscher der University of Sussex und der Tokyo University of Science animierte 3D-Hologramme entwickelt, die nicht nur visuelle, sondern auch hörbare und taktile 3D-Inhalte liefern.

Genauer gesagt haben sie eine schwebende volumetrische Anzeige unter Verwendung von Ultraschallwellen demonstriert. Es wird als multimodales akustisches Fallendisplay (MATD) bezeichnet. Das System fängt ein Partikel akustisch ein und beleuchtet es mit RGB-Licht, um seine Farbe zu steuern.

Die Einrichtung

Das Setup besteht aus zwei Arrays von Ultraschallwandlern, die Schallwellen erzeugen, um eine winzige, zwei Millimeter breite Polystyrolperle zu schweben und zu steuern.

Um gleichzeitig auditive und taktile Inhalte zu liefern, verwendet MATD Zeitmultiplexing mit einer sekundären Falle, Amplitudenmodulation und Phasenminimierung.

Die Perle bewegt sich mit Geschwindigkeiten von bis zu 3,75 m/s bzw. 8,75 m/s in horizontaler bzw. vertikaler Richtung und bietet überlegene Partikelmanipulationsfähigkeiten als bestehende optische oder akustische holographische Techniken.

Wenn LEDs rotes, grünes und blaues Licht auf die Perle leuchten, zeichnet sie die Form eines Objekts in drei Dimensionen nach. Während sich die Perle bewegt, taucht eine sich schnell ändernde LED das Display in Licht, um Farben zu erzeugen.

Da sich die Perle schneller bewegt, als das menschliche Auge verfolgen kann, sehen die Betrachter eine fertige dreidimensionale Form. Es gibt keine optische Täuschung (die das Gehirn dazu bringt, ein 2D-Objekt in ein 3D-Objekt zu übersetzen).

Und da das holografische Bild tatsächlich im 3D-Raum existiert, kann es ohne Qualitätseinbußen aus allen Blickwinkeln betrachtet werden. Noch wichtiger ist, dass die Technik die Augen nicht überanstrengt.

Referenz:Natur | DOI:10.1038/s41586-019-1739-5

Wandler erzeugen nicht nur einen visuellen Effekt, sondern lassen die Perle auch bei Frequenzen vibrieren, die Schallwellen erzeugen. Diese Schwingungen können abgestimmt werden, um Schallwellen über den gesamten Hörbereich zu erzeugen. Dies bedeutet, dass die sich bewegende Perle ein Bild eines sprechenden Gesichts erzeugen könnte, das auch als kleiner Lautsprecher funktionieren könnte, sodass das Gesicht auch sprach.

Es ist auch möglich, die Anzeige taktil zu machen, indem Ultraschallwellen erzeugt werden. Der Flügelschlag eines Schmetterlings könnte zum Beispiel gefühlt werden, wenn der Betrachter seine Hände nahe genug an das holografische Bild hält.

Bildnachweis:Natur 

Der in dieser Studie entwickelte Prototyp kann Bilder in einem 10 Zentimeter breiten Luftwürfel erzeugen. Zusammenfassend bringt es uns näher an volumetrische Displays und bietet eine vollständige sensorische Reproduktion virtueller Inhalte.

Wie geht es weiter?

In naher Zukunft können leistungsfähigere Wandler hergestellt werden, um größere Animationen zu erzeugen und mehrere Perlen zu verwenden, obwohl es schwierig sein wird, die Beleuchtung mehrerer Perlen gleichzeitig zu choreografieren.

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Die Technologie ermöglicht die Positionierung und Amplitudenmodulation von akustischen Fallen bei der Schallfeldfrequenz (40 kHz) und öffnet neue Türen für multimodale 3D-Darstellungen. Es bietet auch Möglichkeiten für die berührungslose Hochgeschwindigkeits-Manipulation von Materie mit Anwendungen in der Biomedizin und der computergestützten Fertigung.