Monitore mit Kathodenstrahlröhren ebenso wie Flachdisplays bieten Bilder räumlicher Objekte und Szenen lediglich zweidimensional dar. Eine Tiefeninformation erhält der Betrachter nur durch die Wiedergabe entfernungsabhängiger Farbunterschiede und Schattierungen, die bei computergenerierten Bildern für jeden Bildpunkt aufwendig zu berechnen sind; scheinbares Drehen der dargestellten Szene – tatsächlich werden Bilder in rascher Folge neu berechnet – verstärkt den plastischen Eindruck.

Mehr Tiefe geben Stereo-Verfahren, die jedem Auge ein leicht versetztes Bild präsentieren und mit diesem Parallaxe genannten Winkelunterschied die physiologische Basis räumlichen Sehens nachahmen. (Farbverläufe und Schattierungen ebenso wie die räumliche Interpretation von Linienverläufen geben dem auswertenden Gehirn zusätzliche Informationen, die es anhand von Erfahrungen bewertet.)

Doch auch solche Stereo-Bilder lassen sich nur aus einem beschränkten Winkel betrachten; ein Herumgehen um den dargestellten Gegenstand erlauben sie nicht. Eine entsprechende Simulation – etwa im Rahmen virtueller Welten – erfordert die aufwendige Neuberechnung der Szenen in Echtzeit.

Eine wirklich räumliche Darstellung läßt sich eben nur dann erreichen, wenn ein Bild auch tatsächlich dreidimensional projiziert wird. Schon in den vierziger Jahren versuchte man, durch vor- und zurückschwingende Projektionsflächen innerhalb von Bildröhren solche Tiefeninformation zu erzeugen; das Verfahren war aber insbesondere aufgrund der Vakuumbedingungen technisch zu aufwendig. Auch der Ansatz, in einem beispielsweise gasgefüllten Raum an den Kreuzungspunkten zweier Laserstrahlen Fluoreszenz zu erzeugen, erbrachte in den siebziger Jahren keine verwertbaren Ergebnisse. Weitere Verfahren, die keine breite Anwendung fanden, waren der oszillierende Hohlspiegel, als Lautsprechermembran realisiert, sowie rotierende Matrizen von Leuchtdioden. Mittlerweile lassen sich auch Hologramme mittels Computer berechnen und ausgeben; die Video-Holographie ist aber enorm rechenaufwendig und steht noch am Anfang ihrer Entwicklung.

Vor etwa zwölf Jahren wurde die Arbeitsgruppe "Jugend forscht" des Vincent-Lübeck-Gymnasiums in Stade unter Leitung des Studiendirektors und Diplom-Physikers Knut Langhans durch einen Fachaufsatz angeregt, ein 3D-Display zu bauen, in welchem Laserpulse Leuchtpunkte auf einer rotierenden Wendel erzeugen; weil diese Mattscheibe halbtransparent ist, vermag man sie von allen Seiten zu betrachten. Ein Mitglied dieser Gruppe, Detlef Bahr, schrieb darüber später eine Maschinenbau-Diplomarbeit am Institut für Flugführung der Technischen Universität Braunschweig. Wesentliche Beiträge zur Steuerungs-Software des im vergangenen Jahr erstmals auf der Messe "Laser 95" präsentierten Prototyps wurden und werden von der nach wie vor bestehenden Arbeitsgruppe geleistet (1994 bezog sie neue Räume – die Stadt Stade stellte eine sanierte alte Mühle als Forschungs- und Kommunikationszentrum für Jugendliche zur Verfügung).

Entsprechend der Schraubenform ist der Bildraum zylinderförmig. In kartesischen Koordinaten wird jedes Pixel durch sein Lot auf die Grundfläche (x- beziehungsweise y-Koordinate) sowie den Abstand zwischen Grundfläche und Wendel (z-Koordinate) festgelegt. Die ersten beiden lassen sich derzeit über verstellbare Spiegel einstellen, die den Laserstrahl ablenken, letztere durch den zeitlichen Abstand zwischen dem Aussenden und dem Auftreffen des Laserpulses auf die mit 1200 Umdrehungen pro Minute rotierende Mattscheibe (Bild 1). Dem Steuerrechner ist der aktuelle Drehwinkel der Wendel stets bekannt, so daß er zu ermitteln vermag, welche z-Koordinaten sich von einer Bildzeile in der x-y-Ebene aus ansteuern lassen beziehungsweise welche verdeckt sind.

Ein flimmerfreies Bild bedarf mindestens 15mal pro Sekunde der Projektion sämtlicher Pixel. Die Schaltfrequenz der Galvanometer-Spiegel erlaubt gegenwärtig, in einem Kubus von 20 Zentimetern Kantenlänge lediglich Vektorgraphiken oder Raster mit nicht mehr als 20 mal 20 mal 20 Punkten darzustellen. Künftig soll ein Laser-TV-Projektionssystem die Spiegel ersetzen, um Raster mit der doppelten Auflösung pro Kante zu verwirklichen. Ob dann aber der bisherige Personal Computer mit 486er Prozessor zur Steuerung ausreicht, bleibt abzuwarten.

Die Farbe der Pixel wird – wie bei Monitoren üblich – durch Mischung von Rot, Grün und Blau erzeugt; Rot erhält man mit kommerziellen Laserdioden, deren Licht durch Frequenzverdopplung grün wird. Problematisch ist die blaue Farbe, die man zur Zeit nur mit großvolumigen Gaslasern zu erzeugen vermag. Die Lichtintensität wird über einen elektrooptischen Modulator für jeden Bildpunkt eingestellt.

Entsprechend der Forschungsrichtung des Braunschweiger Instituts denkt man zunächst an den Einsatz in der Flugführung: Auf einem großen 3D-Display könnten Fluglotsen wesentlich besser als bislang die Positionen ein- und abfliegender Maschinen kontrollieren. Prinzipiell eignet sich das System aber auch für ästhetische Bilder zu Werbezwecken (Bild 2), die Darstellung von Molekülstrukturen, dreidimensionalen Geländemodellen oder Tomographiedaten. Eine Weiterentwicklung wird das Team Anfang dieses Jahres auf der Messe Photonics West '96 in San Jose (Kalifornien) präsentieren.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 1 / 1996, Seite 24
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