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Praktisches holografisches Video
Die Tyrannei der zweidimensionalen Computer- und Fernsehbildschirme könnte bald vorbei sein. Ein Team von MIT-Forschern hat einen Weg vorgeschlagen, ein holografisches Videosystem zu entwickeln, das mit Computerhardware für Verbraucher funktioniert, wie zum Beispiel PCs mit Grafikkarten und Spielkonsolen. Das Display, so die Forscher, wird klein genug sein, um es in ein Unterhaltungszentrum zu integrieren, eine Auflösung so gut wie ein herkömmliches analoges Fernsehen bieten und nur ein paar hundert Dollar kosten.
Praktische Holographie: Der Modulator wandelt ein Videosignal (vom schwarzen Kabel unten) in eine Schwingung um. Wenn Laserlicht durch den Modulator geleitet wird, verändern die Schwingungen die Helligkeit und Frequenz des Lichts. Das veränderte Licht wird dann auf einen Bildschirm gestrahlt und die unterschiedlichen Intensitäten und Frequenzen erzeugen ein dreidimensionales Hologramm.
Ein holografisches Videodisplay könnte eine weitere Möglichkeit bieten, medizinische Bilder wie MRTs und CT-Scans sowie komplexe, mehrdimensionale Daten und Designs für Möbel und Autos anzuzeigen, sagt V. Michael Bove Jr ., Direktor des Unterhaltungselektronikprogramms CELab am MIT. Und das System wäre eine natürliche Lösung für die Darstellung von Videospielen und virtuellen Welten. Die meisten Spiele haben jetzt ausgeklügelte dreidimensionale Modelle, die tief in ihrer Software sitzen, aber man sieht sie nicht, weil [die Bilder] als zweidimensionales Bild gerendert werden, sagt Bove.
Das neue System namens Mark III ist die dritte Generation (nach Mark I und Mark II) der vom MIT entwickelten holografischen Videodisplays, die bis in die späten 1980er Jahre zurückreichen. Diese früheren Systeme waren laut, pingelig, erforderten spezielle Computerhardware, um ein Videosignal zu erzeugen, und die Arbeit mit ihnen war eine allgemeine Qual, sagt Bove. Vor einigen Jahren fragte er sich, ob er ein laborbasiertes holografisches Anzeigesystem, das Zehntausende von Dollar kostete, in ein erschwingliches Verbraucherprodukt verwandeln könnte.
So haben Bove und sein Team Mark III entwickelt – voraussichtlich innerhalb weniger Monate fertiggestellt – das auf den früheren Systemen basiert, aber drei wesentliche Unterschiede aufweist. Erstens, erklärt Bove, verarbeitet das neue System dreidimensionale Bilder auf einem Standard-Grafikprozessor und nicht auf spezieller Hardware. Es stelle sich heraus, dass die Grafikkarten, die in High-End-PCs und Spielekonsolen zu finden sind, gut für die Art der Bildverarbeitung geeignet sind, die zum Erstellen eines Hologramms erforderlich ist. Zweitens hat sein Team ein Gerät namens akusto-optischer Modulator neu entwickelt, das häufig in Telekommunikationssystemen zu finden ist, um Licht von Lasern zu lenken, um das Hologramm zu bilden. Der neue Modulator hat eine höhere Bandbreite, was zu einem hochauflösenden Hologramm führt, und ist kostengünstiger als die in Mark II verwendeten. Drittens haben die Forscher einige der klobigen optischen Komponenten eliminiert, die die Marks I und II so groß wie ein Esszimmertisch gemacht haben.
Um ein holografisches Video zu erstellen, erstellt eine Software laut Bove ein dreidimensionales Echtzeitmodell der Objekte innerhalb einer Szene. Für eine MRT eines schlagenden Herzens verwendet die Software also eine Sammlung von Zahlen, die die Position aller Punkte auf der Herzoberfläche in allen drei Dimensionen beschreiben. Mit einem solchen Modell berechnet die Software, wie Laser das Licht projizieren müssen, um ein Hologramm zu erstellen. Im Wesentlichen erstellt die Software eine Blaupause für die nachfolgenden Laser, die aus der Grundlage aller Hologramme besteht: ein Beugungsmuster, das entsteht, wenn sich Lichtwellen gegenseitig beeinflussen.
Für ein Hologramm, das aus einer einzigen Farbe besteht, wird nur ein Beugungsmuster berechnet, sagt Bove, aber um ein Vollfarbbild zu erstellen, müssen drei verschiedene Muster erstellt werden, eines für jede der additiven Primärfarben: Rot, Blau und Grün. Die Berechnung besteht darin, ein dreidimensionales Modell zu rendern, die Beugungsmuster zu erzeugen und ein Videosignal zu erzeugen, was alles mit handelsüblicher Hardware durchgeführt werden kann.
Dann, sagt Bove, wird das holografische Videosignal an einen Lichtmodulator gesendet, der aus einem Wellenleiter besteht – aus einem Material namens Lithiumniobat – durch den Licht wandert, der von einem piezoelektrischen Material bedeckt ist, das das Videosignal in Schwingungen umwandelt. Das Videosignal ändert die Form des piezoelektrischen Materials, wodurch sich die Eigenschaften des Lichts ändern, das sich durch den Wellenleiter bewegt. Die emittierte Lichtwelle setzt sich somit aus verschiedenen Intensitäten und Frequenzen zusammen, die bei Projektion auf eine beschlagene Glasscheibe eine dreidimensionale Szenerie nachbilden. Da dieser neuartige Modulator Licht sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung emittieren kann, kann er auch dazu beitragen, einige Spiegel und Linsen zu eliminieren, die frühere Generationen von Displays sperrig machten.
Während sich das Projekt in der Endphase der Fertigstellung befindet, hat es das Potenzial, holografische Videos zugänglicher zu machen. Ich bin fasziniert von den Möglichkeiten, die [die Forscher] zeigen, sagt Harold Garner , Professor für Biochemie und Innere Medizin am Southwestern Medical Center der University of Texas in Dallas. Garner hat ein holografisches System entwickelt, um speziell medizinische Bilder wie MRTs zu betrachten. Ich freue mich sehr auf eine echte Gerätevorführung.
Während seine Expertise in holografischen Bildern für die Medizin liegt, glaubt Garner, dass die Menschen mehr als nur hochauflösende Displays von ihren Fernsehern und Computermonitoren verlangen und schließlich auch dreidimensionale Videos wollen. Es ist nur eine Frage der Zeit, sagt er. Aber was es schwierig macht, fügt Garner hinzu, ist, dass die Verbraucher größere und hellere Bilder verlangen und Forscher weit davon entfernt sind, hochauflösende 60-Zoll-Hologramme zu liefern. Aufgrund des Verbrauchergeschmacks müssen Sie möglicherweise die kommerziellen Anwendungen für diese Technologie auswählen, sagt Garner.
Bove und sein Team haben derzeit eine vierte Generation von Systemen am Start, die ein Bild in der Größe eines Desktop-PC-Monitors anzeigen können; Im Gegensatz dazu sind die Displays des aktuellen Systems nur etwa so groß wie ein Zauberwürfel. Außerdem kann das aktuelle Display nur monochromatische Hologramme darstellen, aber die vierte Generation wird eine vollständige Farbpalette haben, sagt Bove.