Auf dem Weg zum Holodeck: Forscher haben eine Methode entwickelt, die Hologrammen und holografischen Videos eine nie erreichte Tiefenschärfe verleiht. Möglich wird dies, weil die Wellenfront der Projektionen so anpasst wird, dass optische Störeffekte zwischen den Bildebenen ausbleiben. Im Experiment gelangen so 3D-Projektionen mit bis zu 1.000 Bildebenen und einem realistischen 3D-Eindruck aus allen Perspektiven, wie die Forscher im Fachmagazin „Nature Photonics“ berichten.
Hologramme nutzen die Wellennatur des Lichts, um einer Projektion räumliche Tiefe zu verleihen. Dabei verschiebt das Abtasten des abzubildenden Objekts die Phase eines Laserstrahls und führt bei Vereinigung mit einem Referenzstrahl zu einem Interferenzmuster. In diesem sind die Tiefeninformationen als Phasenverschiebungen kodiert und werden in ein holografisches Bild umgewandelt. Inzwischen lassen sich solche Hologramme sogar schon rein digital und als 3D-Video erzeugen, die Phasenverschiebung wird dabei mit speziellen Programmen errechnet.
Wellen-Manipulation beseitigt Störeffekt
Das Problem nur: Von alltagstauglichen Hologrammen oder gar Holodecks wie in der Serie „Star Trek“ sind bisherige Hologramm-Technologien noch weit entfernt. „Die verfügbaren Methoden können nur Bilder mit wenigen Tiefenstufen, in einem engen Sichtfeld oder mit sehr niedriger Auflösung erzeugen“, erklären Ghaith Makey von der Bilkent Universität in Ankara und seine Kollegen. Einer der Gründe dafür sind Störeffekte zwischen den einzelnen Bildern der Projektion: Die Wellen der einzelnen Tiefenstufen überlagern sich und machen das Bild unscharf.
Jetzt jedoch haben Makey dieses Problem gelöst. Sie nutzten mathematische Berechnungen, um Wellenfronten der einzelnen Projektionen so zu verändern, dass auf der Hologrammebene ein scharfes, störungsfreies 3D-Bild entsteht. „Wir addieren eine Phase zur Wellenfront des Quell-Hologramms, die sie auf jeder Fokusebene plan werden lassen“, erklären die Forscher. „Das beseitigt die gegenseitigen Störeffekte, ohne dass man zusätzliche Optiken benötigt.“
Tausend Bildebenen auf einmal
Mit dieser Technik gelang es den Forschern, die bisher erreichte Auflösung, Größe und Tiefenschärfe digitaler Hologramme zu übertreffen. „Wir haben Fresnel-Hologramme erzeugt, die ohne Störeffekte große, helle und dynamische 3D-Projektionen mit 1.000 gleichzeitig erzeugten Bildebenen besitzen“, berichten Makey und sein Team. Das erhöhe das bisher Erreichbare um das Hundertfache. Neben praktischen Experimenten führten sie auch Simulationen durch, um die Möglichkeiten der Technik auszuloten.
Dabei erzeugten die Wissenschaftler unter anderem Hologramme von Buchstaben, Gebäuden und auch von einem 90 Zentimeter großen 3D-Raumschiff, das von allen Seiten in korrekter Perspektive zu sehen war, wie sie berichten. Um die Machbarkeit ihrer Hologramme auch mit günstiger Alltagstechnik zu demonstrieren, nutzten sie in einem weiteren Experiment den grünen Laser und die Flüssigkristall-Linse eines marktüblichen Projektors – und auch das ergab ein tiefenscharfes Hologramm.
Einfache Version des Holodecks bald machbar
„Unsere Technologie funktioniert in Echtzeit und wird den Weg zu einer dynamischen 3D-Video-Holografie ebnen“, sagt Makey. „Bald könnte es damit sogar möglich sein, die einfache Version eines Holodecks zu erzeugen.“ Denn wie die Forscher erklären, ist ihre Methode auf alle holografischen Medien anwendbar und kann selbst mit der heutigen Computertechnologie schon für holografische Videoprojektionen eingesetzt werden.
„Das Beste ist, dass die Grenzen unseres Verfahrens noch lange nicht erreicht sind“, betonen Makey und sein Team. „Die Zahl und Qualität der darstellbaren Bildebenen steigt mit der Auflösung der holografischen Medien.“ Schon jetzt sehen sie Anwendungen unter anderem für die medizinische 3D-Visualisierung, in der Überwachung der Luftfahrt oder der Mikroskopie. (Nature Photonics, 2019; doi: 10.1038/s41566-019-0393-7)
Quelle: Bilkent University Faculty of Science
