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volumetrisches Display für 3-D Bilder
10.01.2018
Im allerersten Star Wars-Film aus dem Jahr 1977 projizierte der Roboter R2D2 einen dreidimensionalen Hilferuf von Prinzessin Leia vor den Augen von Luke Skywalker und Obi-Wan Kenobi.
Die Projektion ließ sich von allen Seiten betrachten. Damit unterscheidet sie sich grundlegend von herkömmlichen 3D-Filme, die mit Spezialbrille nur unter einem engen Blickwinkel einen räumlichen Eindruck vermitteln.
Diese verbüffende Science-Fiction-Idee setzten nun amerikanische Wissenschaftler mit einem volumetrischen Display in die Realität um. Wie sie in der Fachzeitschrift „Nature“ berichten, fingen sie dazu ein Mikrometer kleines Kügelchen aus Zellulose in einer optischen Falle ein. In hoher Taktrate mit sichtbarem Licht beleuchtet, entstand ein von allen Seiten betrachtbares, dreidimensionales Bild.
„Dieses Display funktioniert wie ein 3D-Drucker für Licht“, erklären die Erfinder. „Mit kleinen Partikeln drucken wir quasi ein Objekt in den freien Raum.“ Dazu baute Smalley mit seinen Kollegen eine optische Falle, in der ein wenige Mikrometer durchmessendes Zellulose-Kügelchen mit einem für das menschliche Auge unsichtbaren Laserstrahl festgehalten wurde. Die Position des Kügelchens ließ sich über die Steuerung des Laserstrahls verändern. Als Antrieb wirkte die Temperaturdifferenz zwischen der angestrahlten, wärmeren Vorderseite und der abgeschatteten, kühleren Rückseite des Kügelchens. Dieses Phänomen wird auch Photophorese genannt.
Das Erfinder-Team konnte das Kügelchen mit einer Geschwindigkeit von bis zu knapp zwei Metern pro Sekunde durch einen etwa ein zehntel Liter großen Raumbereich kontrolliert steuern. Parallel beleuchtete er es mit schnell getakteten Laserpulsen im sichtbaren Spektralbereich, so dass es auf Wunsch rotes, grünes oder blaues Licht reflektierte. Mit einer Taktrate von 13 Bildern pro Sekunde baute sich das dreidimensionale Bild – etwa von einer Spirale oder einem Schmetterling – fast flackerfrei auf. Jeder Bildpunkt maß dabei etwa zehn Mikrometer; genug, um selbst detaillierte Strukturen anzeigen zu können.
Mit ihrem Prototyp eines volumetrischen Displays konnten die Forscher das Zellulose-Kügelchen eine gute Stunde in der photophoretischen Falle festhalten. In weiteren Versuchen sollen mehrere Kügelchen zeitgleich bewegt und kontrolliert in verschiedenen Farben beleuchtet werden können. Parallel planen Smalley und Kollegen, die Taktrate der Laserbeleuchtung deutlich zu erhöhen. Damit ließen sich dann nicht nur einzelne Farbbilder, sondern ganze volumetrische Filmsequenzen wie im Star Wars Film realisieren.