Holografie für 3D-Fernsehen

Wer künftig vor dem Fernseher sitzt, dem begegnen die Helden der Filme zum Greifen nah, dreidimensional und mitten im Raum. Ganz ohne lästige Spezialbrille und mit besserer Schärfe und Tiefenwirkung, als dies bisher möglich ist. Das jedenfalls ist die Vision von Elektronikkonzernen wie LG aus Südkorea. Um sie Realität werden zu lassen, hat sich das Unternehmen mit hochkarätigen Forschungsinstitutionen zusammengetan, die die hierfür benötigte spezielle Lasertechnologie entwickeln. In dem Projekt DisKo, das von der Koreanischen Regierung zunächst von 2012 bis 2015 finanziert wird, kooperiert LG unter Leitung des Korea Electronics Technology Institute (KETI) mit dem koreanischen Unternehmen QSI und dem Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH), das weltweit führend ist in der Technologie von kompakten Dioden­laser­systemen.

Den Technologiesprung im 3D-Effekt soll Holografie möglich machen. Mit diesem Abbildungs­verfahren lassen sich auch Abstände im Raum bestimmen, indem registriert wird, in welcher Phase seiner Wellenbewegung das Licht auf ein Objekt trifft. Das funktioniert aber nur mit sehr gutem Laserlicht, weil nur dieses die nötige Kohärenz besitzt, seine Lichtwellen also auch in großer Entfernung von der Quelle alle noch im erforderlichen Gleichtakt schwingen. „Dafür werden möglichst kompakte und leistungsstarke Laser gebraucht, die eine sehr gute Strahlqualität haben und eine schmale spektrale Bandbreite“, sagt Katrin Paschke, die Projektleiterin von Seiten des FBH. „Alle diese Eigenschaften unter einen Hut zu bekommen, ist gar nicht so einfach, noch dazu bei drei verschiedenen Lasertypen.“ Denn für das Fernsehen braucht man sogenannte RGB-Lichtquellen in Rot, Grün und Blau. Und noch ist die Laser-Technologie nicht für alle diese Farben gleich weit entwickelt.

Für die Anforderungen klein, kompakt und leistungsstark sind Halbleiterlaser das Maß der Dinge. Sie werden als wenige Quadratmillimeter kleine Chips hergestellt, in denen leitende und halbleitende Materialien übereinander geschichtet sind. Das Laserlicht selbst entsteht in der aktiven Laserschicht; darüber befinden sich geätzte Gräben, um den Strahl zu formen. Für die 3D-Fernseher gilt es, Strahlqualität und Kohärenzlänge noch weiter zu verbessern, wobei letzteres gleichbedeutend ist mit einer Reduzierung der spektralen Bandbreite. Um dies zu erreichen, arbeiten die Forscher mit einem Trick: Sie nutzen ein Gitter, das als Wellenlängenfilter operiert und so eine bestimmte Wellenlänge verstärkt und die anderen unterdrückt. Um den Laseraufbau möglichst kompakt zu halten, wird auch das Gitter in die Schichtstruktur des Lasers geätzt. „Bei Rot sind wir am FBH weltweit die ersten, die diese Art von Laserchip gut herstellen können“, sagt Paschke.

Prinzipiell sind mit diesen Lasern sehr hohe Leistungen möglich, die allerdings auch zu einer Belastung für das Material werden können: es droht zu schmelzen. „Also erzeugen wir weniger Leistung im Laser selbst und verstärken diese dafür mit einem nachgeschalteten Verstärker, ebenfalls ein Halbleiterkristall“, erläutert Katrin Paschke. Ein Mikroisolator zwischen Laser und Verstärker sorgt außerdem dafür, das an weiteren optischen Elementen wie Linsen rückgestreute Strahlung blockiert wird, um die spektrale Qualität nicht zu zerstören. Der Laserchip für das 3D-Fernsehen kommt gerade fertig aus der Prozesstechnik und wird nun ausgiebig getestet, ebenso der Verstärker. Später soll alles in einem Ensemble von der Größe einer Streichholzschachtel Platz finden.

„Für grünes und blaues Licht sind Halbleiter immer noch eine komplexe Angelegenheit“, betont Paschke. Um auch bei diesem höherfrequenten Licht die gewünschte Qualität zu erzielen, nutzen die Forscher für diese beiden Spektralbereiche die sogenannte Frequenzverdopplung. Hierbei erzeugt das beschriebene Lasersystem Licht der halben Frequenz, das dann einen speziellen Kristall passiert, wobei sich die Frequenz verdoppelt.

Bis die FBH-Laser ihren Dienst in den neuartigen 3D-Fernsehern versehen, dürften noch einige Jahre vergehen. Um den enormen Rechenaufwand, den die Holografie benötigt, im Rahmen zu halten, soll nicht das gesamte Bild in ein Hologramm umgesetzt werden, sondern nur der Bildausschnitt, den ein Zuseher gerade betrachtet. Wohin er schaut, registrieren Kameras, so dass die Zuschauerzahl zunächst auf fünf beschränkt sein wird.

FBH / PH