Multicolor-Holografie für extrem kompakte 3D-Displays

Wissenschaftler haben ein neues Konzept für die mehrfarbige Holografie entwickelt. Damit könnten sich 3D-Farbdisplays für Augmented-Reality-Brillen, Smartphones oder HUDs ohne voluminöse optische Bauteile fertigen lassen.

Die Wissenschaftler der Duke University haben in der Zeitschrift Optica, einem Organ der Optical Society, dargelegt, wie sich ein mehrfarbiges Bild auf ein 300 x 300 Micrometer messendes Hologramm in einer sehr dünnen lichtleitenden 2D-Wellenleiterstruktur kodiert haben. Das computergenerierte Hologramm erzeugt komplexe mehrfarbige holografische Bilder, wenn der Gitterkoppler mit rotem, grünen oder blauem Licht angestrahlt wird.

Das Hologramm könne direkt in Augmented-Reality-Brillen geprägt werden, um auf diese Weise ein Bild ohne voluminöse Linsen, Strahlteiler oder Prismen ins Auge zu projizieren, so Daniel L. Marks, ein Forscher der Entwicklergruppe. Zudem könne man damit ein 3D-Bild vom Smartphone auf eine Wand oder eine Oberfläche in der Nähe projizieren.

Das neue Verfahren kodiert Hologramme in einem Material, dass mit integrierten photonischen Bauelementen kompatibel ist. Somit lassen sich die holografischen Bauteile leicht in großen Mengen fertigen, und zwar mit den für Computerchips gängigen Herstellungsmethoden. Die holografischen Elemente lassen sich in winzige, chip-basierende Bauteile einbinden, die darüber hinaus auch die Lichtquellen für das Erzeugen der 3D-Bilder beherbergen.

Aus eins mach drei

Das neue Verfahren für mehrfarbige Holografie beruht auf computer-generierten Hologrammen. Im Unterschied zur traditionellen Holografie, die ein physisches Objekt und Laserstrahlen benötigt, um das Interferenzmuster herzustellen, damit ein holografisches Bild entsteht, erzeugt hier der Computer die Interferenzmuster digital. Derartige Hologramme liefern zwar hoch aufgelöste, aber oft nur einfarbige 3D-Bilder. Die Duke-Forscher haben daher ein Gitter und ein binäres Hologrtamm ein einem Wellenleiter aus lichtempfindlichem Material, einem Fotolack, entwickelt. Sie haben eine Möglichkeit gefunden, die Interferenzmuster für die Farben Rot, Grün und Blau in einem einzigen binären Hologramm-Muster zu integrieren.

Es habe sich als schwierig erwiesen, die Farben zu kombinieren und sie dann präzise zu trennen, um ein vollfarbiges Bild zu gewinnen, sagt Zhiqin Huang, Hauptautor des Papers. „Mit unserem Konzept passiert das alles in einem Schritt auf einer einzigen Oberfläche ohne Strahlteiler oder Prismen.“ Daher empfehle sich das Verfahren für die Integration in tragbare Geräte.

Das holografische Bauelement wurde in der Wellenleiterstruktur hergestellt. Andere Versuche, mehrfarbige Hologramme zu erzeugen, haben auf den Wellenleiter verzichtet, was die Integration in einem Bauteil erschwere, führt David R. Smith aus, Leiter des Entwicklerteams. „Unser Entwurf bietet eine einfachere und flexiblere Integration mit einem Formfaktor, der für Augmented Reality und andere Displays klein genug ist.“

Farbbilder in einem Schritt

Die Wissenschaftler nutzten ihr neues Verfahren, um Interferenzmuster für die statischen, mehrfarbigen Hologramme eines Apfels, einer Blume und eines Vogels zu kodieren. Die sich daraus ergebenden holografischen Bilder entsprachen den Theorien. Obwohl die Forscher nur sehr kleine Hologramme zu Demonstrationszwecken erstellt haben, halten sie doch auch eine Skalierung auf größere Displays für denkbar. Zudem soll sich das Konzept nach ihren Angaben auch in bestehende Technologien, wie jener für LC-Displays, einbinden lassen, um so dynamische Bilder erzeugen zu können. Derzeit arbeiten die Wissenschaftler an Lösungen, die Lichtverluste beim Kodieren verringern sollen

Bild: Für mehrfarbige Hologramme haben die Wissenschaftler einen Gitterkoppler und ein binäres Hologramm in einer sehr dünnen Wellenleiterstruktur erstellt. Die resultierende Anordnung kombiniert die Farben und separiert sie dann präzise, sodass vollfarbige Bilder entstehen. Credit: Zhiqin Huang, Duke University

Paper: Z. Huang, D. L. Marks, D. R. Smith, “Out-of-Plane Computer-Generated Multicolor Waveguide Holography,” Optica, 6, 2, 119-124 (2019).

DOI: https://doi.org/10.1364/OPTICA.6.000119

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