Optische Physik

“ Wow, das ist erstaunlich“, war zumindest die Reaktion eines Besuchers auf die letztjährige Summer Science Exhibition in der Royal Society in London. Ihre Begeisterung war nicht in erster Linie auf die Anwesenheit der Königin zurückzuführen, die die Ausstellung zuvor im Rahmen der Feierlichkeiten zum 350-jährigen Bestehen der Gesellschaft eröffnet hatte. Vielmehr war ihre Aufregung auf die neuesten Flüssigkristallanzeigen zurückzuführen, die von Sharp Laboratories in Oxford ausgestellt wurden. Die Zuschauer konnten bewegte Bilder in 3D auf einem Laptop ansehen – ohne spezielle Brille. Sie konnten sehen, wie Tauben auf dem Markusplatz in Venedig gefüttert wurden, wobei die Vögel anscheinend von ihren Schultern herabstiegen, oder sie konnten sich einem 3D-Abenteuer hingeben, während sie die Bösen im interaktiven Computerspiel Quake verfolgten.

Das brillenfreie 3D-Display, das in der Royal Society ausgestellt wurde, war nur das jüngste Beispiel für die Revolution der Flüssigkristallanzeigen, mit denen bewegte Bilder von Mobiltelefonen und 46-Zoll-Flachbildfernsehern bis hin zu tragbaren elektronischen Spielen und dem iPad und anderen Tablet-Geräten angezeigt werden können. Es ist jedoch erstaunlich zu glauben, dass erst vor 40 Jahren das Schlüsselpatent eingereicht wurde, das die Geburt der modernen Flüssigkristallanzeige markierte – eine Technologie, die so erfolgreich ist, dass ihr Akronym LCD auch von Nichtwissenschaftlern sofort erkannt wird. Obwohl organische Leuchtdioden (OLEDs), Plasmen und „elektronische Tinte“ auch die Natur des modernen Displays verändern, sind es die bemerkenswerten Eigenschaften von Flüssigkristallen, die heute an der Spitze der 3D-Display-Technologie stehen.

Bildgebung in 3D

Das Betrachten von Bildern in 3D ohne Brille ist eine wirklich erstaunliche Erfahrung, aber schauen wir uns zunächst an, wie dies zu anderen 3D-Bildgebungstechniken passt. Es gibt drei Haupttechniken – stereoskopisch, holographisch und volumetrisch –, die alle nach den gleichen Prinzipien arbeiten, unabhängig davon, ob der Bildschirm Flüssigkristalle, Plasmen oder OLEDs verwendet. Sie haben jeweils Vor- und Nachteile in Bezug auf Realismus, Komplexität, Größe und Kosten, aber die kommerziell rentabelste Methode, die in der Masse der 3D-Fernseher verwendet wird, die die Hauptstraße im Sturm erobern, besteht darin, jedem unserer Augen eine andere Perspektive eines Bildes zu zeigen. Diese „stereoskopische“ Technik ahmt die reale Welt nach, in der jedes Auge eine andere Perspektive sieht und das Gehirn die beiden Bilder zu einer 3D-Wahrnehmung der Umgebung „verschmilzt“ (Abbildung 1a).

Die Aufgabe, Bilder für das linke und rechte Auge getrennt darzustellen, wurde im Laufe der Jahre auf vielfältige Weise in Angriff genommen. Der Ansatz, der bereits in den 1950er Jahren in Kinos erprobt wurde, sieht vor, dass der Benutzer eine Brille mit separaten roten und blauen Gläsern auf dem linken bzw. rechten Auge trägt. Die Idee dabei ist, dass ein Bild in rote, grüne und blaue Kanäle aufgeteilt wird, wobei das linke Auge nur das rote Bild und das rechte Auge nur die grünen und blauen Bilder sieht.

Neuere Systeme verzichten auf farbige Linsen und verwenden stattdessen Brillen, die abwechselnd Licht für jedes Auge durchlassen und blockieren. Mit anderen Worten, die Linsen fungieren als „optische Verschlüsse“, so dass zu jedem Zeitpunkt ein Auge ein Standbild sehen kann, das andere jedoch nicht. Wenn wir die aufeinanderfolgenden Standbilder eines Films L1, R1, L2, R2, L3, R3 usw. beschriften, sieht das linke Auge nur die „L-Szenen“ und das rechte Auge sieht nur die „R-Szenen“. Diese Gläser erfordern ein bisschen Elektronik, damit sie funktionieren, während die Szenen selbst bei Frequenzen von typischerweise 120 Hz oder 240 Hz aktualisiert werden. (Ein alternativer Ansatz, der bei Projektionsbildschirmen in Pubs zum Ansehen von Sport üblich ist, besteht darin, dass die L- und R-Szenen mit unterschiedlichen Polarisationen angezeigt werden, was erfordert, dass der Benutzer eine dunkle Brille trägt, die Linsen mit unterschiedlichen Polarisationen enthält.)

Die mit diesem stereoskopischen Ansatz erzeugten Bilder können mit überraschendem Realismus aus dem Bildschirm springen. Stereoskopische Bilder sind jedoch nicht perfekt, da alle Objekte in ihnen unabhängig von ihrer beabsichtigten 3D-Position fokussiert sind. In der realen Welt hingegen stehen unterschiedliche Tiefen eines 3D-Bildes an unterschiedlichen Positionen im Fokus. Eine Technik zum Erstellen von 3D-Bildern, die den Fokus korrekt behandelt, ist die Holographie (Abbildung 1b). Hologramme werden erzeugt, indem in einem lichtempfindlichen Material das Interferenzmuster aufgezeichnet wird, das entsteht, wenn kohärentes reflektiertes Licht von einem Objekt mit einem kohärenten Referenzstrahl derselben Wellenlänge überlappt. Das Muster wird als Änderung der Absorption, des Brechungsindex oder der Dicke des lichtempfindlichen Materials gespeichert und eine Kopie des Objekts kann durch Beleuchten des Musters mit einem ausgelesenen Laser wiederhergestellt werden. Ein 3D-Hologramm ist im Wesentlichen wie ein Stapel hochauflösender 2D-Bilder, wobei jedes Bild eine andere Bildebene darstellt.

Der große Vorteil eines 3D-Hologramms besteht darin, dass die Wahrnehmung der Dreidimensionalität des Betrachters insgesamt ist, da der Betrachter den Fokus seiner Augen anpassen muss, um von einem Objekt in der Nähe der Vorderseite der Szene zu einem Objekt auf der Rückseite zu wechseln. Leider erfordert das Erstellen und Steuern von optischen Wellenfronten mit ausreichender Präzision, um realistische holographische Bilder zu erzeugen, Displays mit Pixeldichten, die typischerweise tausende Male höher sind als in den heutigen kommerziellen LCDs, sowie erstaunliche Mengen an Computerverarbeitungsleistung, um die benötigten Datenmengen zu verarbeiten. Obwohl ihre Bilder überlegen sind, sind weitere technische Innovationen erforderlich, bevor holographische Displays zur kommerziellen Realität werden.

Stereoskopie beruht im Gegensatz dazu auf der Tatsache, dass unser Gehirn gut darin ist, Tiefe von unserem rechten und linken Auge mit unterschiedlichen Perspektiven eines Bildes abzuleiten. In der Praxis bedeutet dies, dass ein stereoskopisches Display ein 3D-Bild mit nur der doppelten Datenmenge erstellen kann, die ein „normales“ Display benötigt, um ein 2D-Bild zu erstellen.

Der dritte Ansatz zur Herstellung von 3D-Displays besteht darin, auf herkömmliche 2D-Pixel zu verzichten, die in einer Ebene angeordnet sind, und stattdessen 3D, volumetrische Pixel oder „Voxel“ zu verwenden. Eine Möglichkeit, solche Voxel zu erzeugen, besteht darin, Projektoren zu verwenden, die auf einen sich drehenden Bildschirm scheinen (Abbildung 1c). Durch die Synchronisierung der Projektoren mit der Leinwand kann Licht an jeder Position innerhalb des zylindrischen Volumens, das es herausfegt, von der Leinwand reflektiert werden. Obwohl volumetrische Displays einen starken 3D-Eindruck erzeugen können, besteht ein Haken darin, dass sich das in das Volumen des Displays projizierte Licht frei in diesem Raum ausbreiten kann. Dies kann Gegenstände transparent machen, wobei Objekte, die angeblich hinter anderen verborgen sind, dazu neigen, durch die vorderen zu „schimmern“. Volumetrische Displays neigen auch dazu, ziemlich sperrig zu sein.

Brillenfreie Stereoskopie

Bisher haben wir brillenbasierte stereoskopische 3D-Displays beschrieben, aber jeder möchte die Brille ganz abschaffen. Dies ist ein aktives Forschungsgebiet, das wahrscheinlich von jedem großen Pharmaunternehmen verfolgt wird und aus dem jetzt neue Konsumgüter hervorgehen. Nintendo zum Beispiel hat bereits seine brillenfreie Nintendo 3DS-Spielekonsole herausgebracht, während 3D-Mobiltelefone bei Sharp erhältlich sind.

Alle diese brillenfreien Displays basieren auf Stereoskopie und die Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass unterschiedliche Bilder auf jedes Auge gerichtet sind. Es gibt drei Hauptmethoden, um dies zu erreichen, von denen jede ihre eigenen Vor- und Nachteile hat, je nachdem, wofür sie verwendet werden könnte. Der gebräuchlichste Ansatz ist, dass der Benutzer in einer festen Position vor dem Bildschirm sitzen muss, und dies wird beispielsweise auf dem Nintendo 3DS, dem LYNX 3D SH-03C-Mobiltelefon von Sharp und im Display auf der Rückseite der W3 3D-Kamera von Fujifilm verwendet. Der nächste Ansatz besteht darin, dass das Display die Betrachtungsposition des Benutzers verfolgt, und obwohl derzeit keine Produkte auf dem Markt sind, die dies verwenden, wurden in den letzten Jahren Prototypendesigns auf Branchenausstellungen gezeigt. Die letzte Wende ist „Multi View“, die bereits in einigen brillenfreien 3D-Fernsehern zu finden ist, obwohl sie noch keinen großen Einzug in den Markt gehalten haben, zum Teil, weil es nicht einfach ist, Multi-View-3D zu erzeugen, ohne die Rundfunkstandards zu ändern.

Bei der „Fixed-Position“-Methode wird davon ausgegangen, dass der Benutzer das Display frontal betrachtet, sodass sein Blick um 90° zum Display selbst gerichtet ist (Abbildung 1a) – eine Annahme, die für die meisten mobilen Geräte gilt. Das Bild wird in winzige Streifen L, R, L, R, L, R getrennt, wobei alle L-Bilder an das linke Auge und alle R-Bilder an das rechte Auge mittels einer physikalischen Vorrichtung gesendet werden, die als „Parallaxenbarriere“ bekannt ist (Abbildung 2). Diese Technik, die seit fast 70 Jahren bekannt ist, könnte natürlich auf alle Bilder angewendet werden – seien es Fotos oder Gemälde – nicht nur auf ein LCD-Display, vorausgesetzt natürlich, dass die linken und rechten Bilder in linke und rechte Bildstreifen interlaced werden können, um mit der Parallaxenbarriere zu arbeiten.

Ein Nachteil der Parallaxenbarriere besteht darin, dass, da jedes Auge nur die Hälfte der Pixel sehen darf, Licht, das sich in die „falsche“ Richtung bewegt – d. H. Von einem L–Streifen zum rechten Auge oder vom R-Streifen zum linken Auge – von der Barriere absorbiert wird. Dadurch wird die Intensität des Displays um etwa die Hälfte reduziert und die Auflösung verringert. In der Praxis bedeutet dies, dass bei Verwendung des Displays im herkömmlichen 2D-Modus die Parallaxenbarriere entfernt werden sollte. In den meisten 3D-Displays, wie dem 3D-Mobiltelefon von Sharp, wird dies erreicht, indem die Barriere aus einer Flüssigkristallschicht hergestellt wird, die elektrisch ein- oder ausgeschaltet werden kann.

Es wäre natürlich viel effizienter, auf eine Parallaxenbarriere zu verzichten und stattdessen Linsen zu verwenden, die transparent sind, um das L- und R-Licht auf das entsprechende Auge umzuleiten. Tatsächlich haben Forscher bereits hochwertige Zylinderlinsen mit Flüssigkristallen entwickelt, die genau das können. Das Prinzip ist einfach: Da der Brechungsindex von Flüssigkristallen mit der Spannung variiert, können Linsen aus diesen Materialien beim Anlegen einer Spannung „eingeschaltet“ und beim Entfernen der Spannung „ausgeschaltet“ werden. Diese zylindrischen Flüssigkristalllinsen treten an die Stelle der Parallaxenbarriere und lenken das Licht in die richtige Richtung (Abbildung 3). Diese Technologie wird wahrscheinlich die Effizienz von brillenfreien 3D-Displays in Zukunft verdoppeln, und viele Unternehmen sind dafür bekannt, aktiv daran zu forschen.

Ein Nachteil der Parallaxentechnologie besteht darin, dass der Benutzer in einer bestimmten Position relativ zum Bildschirm sitzen muss. Die „Tracked Viewing Position“ -Technik hingegen ermöglicht es, 3D-Bildschirme ohne Brille aus jedem Winkel zu betrachten, indem die Kopfposition des Benutzers verfolgt wird. Dies könnte beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein Laptop mit einer nach vorne gerichteten Webkamera ausgestattet wird, um den Standort des Gesichts und der Augen des Benutzers zu identifizieren. Tatsächlich ist diese Technologie bereits in vielen Digitalkameras verbreitet, die auf der Hauptstraße verkauft werden, um sicherzustellen, dass ein Gesicht automatisch zum Mittelpunkt des Fokus wird. Alles, was dann für eine brillenfreie 3D-Betrachtung benötigt wird, ist eine automatisch einstellbare Parallaxenbarriere, die den Winkel ändern kann, in dem die linken und rechten Bilder gesehen werden. Die Kamera kann dann die Position des Benutzers identifizieren, während die Parallaxenbarriere die linke und rechte Perspektive in den entsprechenden Winkel lenkt.

Diese Anpassung kann mit Hilfe von Face-Tracking-Algorithmen durchgeführt werden, die auf Bildverarbeitungschips geschrieben sind, die sehr effizient arbeiten, was bedeutet, dass nicht zu viel Rechenleistung benötigt wird. Die Kamera kann auch überwachen, wie weit ein Benutzer vom Bildschirm entfernt sitzt, und die Bilder entsprechend anpassen. In der Praxis kann sich der Betrachter bis zu 30 cm vom idealen Betrachtungsabstand entfernen, während seine Bewegung von Seite zu Seite auf etwa ± 30 ° von der Normalen begrenzt ist. Die Unterbringung von mehr als einem Benutzer ist grundsätzlich möglich, die Komplexität des Systems wird jedoch erheblich erhöht. Der andere Vorteil des verfolgten Betrachtungspositionssystems besteht nicht nur darin, dass sich der Betrachter frei bewegen kann, sondern auch darin, dass der Blickwinkel entsprechend der Position des Benutzers angepasst werden kann, wenn das Bild zufällig von einer computergenerierten Szene stammt. Zum Beispiel könnte sich ein Betrachter buchstäblich an der Seite eines Objekts (z. B. eines Würfels) umsehen, um zuvor unsichtbare Gesichter davon in Sicht zu bringen.

Die dritte Methode zur Erzeugung von brillenfreiem 3D – Multi-View – zielt darauf ab, mit einer Vielzahl von Betrachtungspositionen und mehreren Betrachtern zu arbeiten. Dazu gibt das Display nicht nur zwei Perspektiven aus, sondern typischerweise acht oder mehr. Der Benutzer kann dann seine Augen positionieren, um die Perspektiven 1 und 3 oder 2 und 4 usw. zu sehen, sodass der 3D-Effekt aus einer Vielzahl von Winkeln erzielt werden kann. Ein Multi-View-System mit beispielsweise acht Ansichten erfordert eine achtmal höhere Auflösung als ein 2D-System, und es ist ein gewisses Maß an Einfallsreichtum erforderlich, um die acht Ansichten zu synthetisieren oder in der verfügbaren Fernsehbandbreite zu übertragen. Dennoch ist diese Technologie wohl der stärkste Anwärter für brillenfreies 3D-Fernsehen, wobei Philips und Toshiba bereits einen Multi-View-Fernseher auf den Markt gebracht haben.

Schneller Vorlauf

Wie bereits erwähnt, hat Sharp bereits einen Flüssigkristallbildschirm auf einem seiner Mobiltelefone entworfen und gebaut, der als schaltbare Parallaxenbarriere fungiert. Zusammen mit einem herkömmlichen Flüssigkristalldisplay mit stereoskopischen Eingangsdaten liefert dieses System hochwertige brillenfreie 3D-Bilder. Die elektronische Medienbranche hat jedoch eine Zukunftsvision, in der 3D-Displays nicht nur ein Nischenprodukt, sondern ein wesentlicher Bestandteil des modernen Lebens sind. Das bedeutet, dass Heimkinosysteme 3D-Filme zeigen, Computerspiele in einer immersiven 3D-Umgebung gespielt werden und Urlaubsfotos mit Tiefe präsentiert werden.

Wir können daher erwarten, dass eine Vielzahl von 3D-Generierungsmethoden für die verschiedenen Anwendungen verfügbar wird, und innerhalb jeder Methode können wir verbesserte optische Technologien und neue verwandte Technologien erwarten, wie z. B. solche, die 3D-Interaktion ermöglichen. Es ist sehr wahrscheinlich, dass alle diese Vorrichtungen die besonderen elektrooptischen Eigenschaften von Flüssigkristallen ausnutzen werden. Die Produkte, die im vergangenen Sommer auf der Royal Society Exhibition ausgestellt wurden und in diesem Jahr bereits auf den Markt kommen, sind nur der Anfang.