3-D-Display

Dies ist kein Hologramm

Von Ulf von Rauchhaupt
 - 09:00

Am 5. März 1977 nahm der Komponist John Williams mit dem London Symphony Orchestra die ersten Takes der Filmmusik zu „Star Wars“ auf, zuletzt eine Passage mit dem Titel „The Hologram“. Im Film erklingt sie zum ersten Mal an der Stelle, an welcher der mülltonnenförmige Roboter R2D2 plötzlich ein komplett dreidimensionales Bewegtbild der schönen Prinzessin Leia in die Luft projiziert.

Vier Jahrzehnte später ist auch das immer noch Science-Fiction. Nun aber berichten in der Zeitschrift „Nature“ Ingenieure um David Smalley von der Brigham Young University in Utah, wie es ihnen gelang, tatsächlich dreidimensionale Farbbilder zu erzeugen, darunter ein zwar nur fünf Zentimeter großes, aber extrem hoch aufgelöstes Bild der Erde. Auch bewegte Animationen haben Smalley und Kollegen erzeugt (siehe Video weiter unten in diesem Artikel). „Das war unser Ziel“, sagt er. „Wir wollten einen Prinzessin-Leia-Projektor realisieren.“

Volumetrie statt Holographie

Mit Hologrammen geht das nicht. Zwar erzeugt Holographie ebenfalls dreidimensionale Abbildungen – und bereits 1971 wurde ihr Erfinder dafür mit dem Nobelpreis geehrt. Doch ein Hologramm speichert seine Bildinformation in einer zweidimensionalen Struktur. Nur dass diese das Licht auf eine Weise zum Auge schickt, die unser Gehirn glauben macht, es käme von einem dreidimensionalen Gegenstand. Daher sind Hologramme nur unter bestimmten Blickwinkeln sichtbar, nie von allen Seiten.

Verfahren, die das Licht tatsächlich einem dreidimensionalen Raumbereich entspringen lassen, heißen volumetrisch. Die einfachste Form der Volumetrie projiziert geeignet gewählte Umrisse des darzustellenden Objekts auf einen zweidimensionalen transparenten Schirm, der rasch genug rotiert oder sich durch den Raum bewegt, damit sich die Umrisslinien für das Auge zur dreidimensionalen Fläche ergänzen. Bevor es Laser und Computersteuerungen gab, konnte man so nur einfachste geometrische Körper darstellen. Heute aber lassen sich Strahlen ebenso schnell wie exakt steuern und so ihre Fokuspunkte durch den Raum bewegen. Findet das in einem Medium statt, das an solchen Punkten aufleuchtet, kann man damit dreidimensionale Strukturen nachzeichnen.

Nebel-Illusionen und Plasmapunkte

Als Medium dient zum Beispiel Nebel, Caesiumdampf oder auch nur Luft, was jedes Mal andere Beschränkungen mit sich bringt. Nebel erlaubt nur recht grobe Bilder, und damit operierende Systeme, wie sie etwa bei Bühnenshows zum Einsatz kommen, sind nicht wirklich volumetrisch, da sie den 3-D-Effekt mittels zweidimensionaler Projektionen nur vortäuschen. Caesiumdampf hingegen muss in einer Glaskugel eingeschlossen bleiben, und in bloßer Luft lässt sich ein Bildpunkt per Laser nur als kleine Plasmaentladung erzeugen, also als etwas Ähnliches wie ein Blitz. Eine japanische Firma bietet ein solches System an, das allerdings weniger Bilder als Anordnungen bläulich glimmender Punkte in die Luft malt.

Beleuchtete Kügelchen im Traktorstrahl

Auch der 3-D-Projektor aus Utah definiert seine Bildpunkte mit einem beweglichen Laserstrahl. Allerdings dient der nicht dazu, die Luft punktuell aufleuchten zu lassen, sondern dazu, ein wenige Mikrometer großes Zellulosekügelchen zu steuern. Möglich ist das dank eines Photophorese genannten Effektes, der auch den sogenannten Lichtmühlen zugrunde liegt: Das Laserlicht erwärmt die Luft vor der beleuchteten Seite des Teilchens, so dass ihre Moleküle dort mehr Impuls auf das Teilchen übertragen als auf der unbeleuchteten Seite.

Durch geschickte Nutzung optischer Effekte kann Smalley das Lichtfeld seines Lasers an einem Punkt im Strahl so gestalten, dass Teilchen über Stunden hinweg gefangen bleiben und sich gezielt durch den Raum bugsieren lassen. Geschieht das für das menschliche Auge rasch genug – und wird das Teilchen zugleich mit Licht passender Farbe beleuchtet –, lässt sich damit jede dreidimensionale Figur nachzeichnen.

Auch Strukturen, die den Betrachter (oder zum Beispiel dessen Hand) umgeben, sind auf diese Weise darstellbar, was die Technik zum Beispiel für medizinische Zwecke interessant macht, etwa beim Planen und Üben von Operationen. Zumindest im Prinzip. Praktisch ist man nicht zuletzt dadurch beschränkt, dass bislang nur jeweils ein Teilchen mit dem Laser-Traktorstrahl festgehalten werden kann. Das hoch aufgelöste Bild der Erdkugel aufzubauen dauerte damit volle 20 Sekunden, eine Belichtungszeit wie in den Gründerjahren der Fotografie.

Der nächste Schritt ist daher, mehrere und schließlich viele Teilchen gleichzeitig fliegen zu lassen, am besten einen dichten zweidimensionalen Schwarm, so dass jede Partikel nur noch entlang einer Linie bewegt und beleuchtet werden muss. Dafür und für die Erzeugung von Bildern, die mehr als ein paar Zentimeter groß sind, gilt es aber noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten. Und manche Grenzen der Technik sind jetzt schon absehbar. So werden die Teilchenbewegungen von Luftströmungen gestört, was einen Einsatz außerhalb geschlossener Räume vielleicht für immer verhindert. Leichte Brisen wie sie Atem oder Handbewegungen erzeugen, vermögen die Kügelchen indes noch nicht aus dem Griff des Laserstrahls hinauszuwehen.

Eine andere Frage ist die der Sicherheit. Smalleys Steuerlaser arbeitet auf der gleichen violetten Wellenlänge, die auch in Bluray-Abspielgeräten zum Einsatz kommt. In den aktuellen Versuchen ist die benutzte Laserleistung von bis zu 100 Milliwatt stärker als alles, was bei Laserpointern erlaubt ist. „Das von den Teilchen gestreute Licht ist unbedenklich“, sagt Smalley. „Aber wenn jemand seinen Kopf in das Darstellungsvolumen steckt, läuft er Gefahr, den Laserfokus ins Auge zu bekommen.“ Damit dürften die Benutzer, auch wenn sie keine 3-D-Brillen brauchen, immer gezwungen sein, die Bilder durch Laser-Schutzbrillen zu betrachten.

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Erklärvideo3D-Projektionen wie in Star Wars

Und auch an der geisterhaften Transparenz der Abbildungen wird sich kaum etwas ändern lassen. Bilder, die man mit dem Original verwechseln könnte wie auf dem Holodeck in der Fernsehserie „Star Trek, The Next Generation“, wird es auch mit der Methode aus Utah nicht geben, ganz zu schweigen vom holographischen Bordarzt der „Voyager“. Der durchscheinenden Prinzessin Leia aber käme man mit dem Verfahren tatsächlich nahe. Es heißt übrigens „Optical Trap Display“. Doch das muss man sich kaum merken. Inoffiziell dürfte es wohl immer beim „Prinzessin-Leia-Projektor“ bleiben.

Quelle: F.A.S.
Ulf von Rauchhaupt
verantwortlich für das Ressort „Wissenschaft“ der Frankfurter Allgemeinen Sonntagszeitung.
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