Schnell schaltbare Flüssigkristalle für 3D-Displays

Um mit einer zweidimensionalen Darstellung einen räumlichen Eindruck beim Betrachter zu erzeugen, müssen immer zwei leicht unterschiedliche Varianten eines Bildes erzeugt werden. Nach einer langen Entwicklung seit den 1920er Jahren hat sich heute zumindest im Kino die 3D-Technologie mit Polarisations-Brillen durchgesetzt. Und wer ganz auf die Brille verzichten will, kann unter vielen großflächigen 3D-Fernsehern wählen. Doch noch schrecken hohe Preise und mangelnde Filmangebote viele Kunden ab. Etwas dynamischer entwickelt sich „3D" dagegen im Markt der Spielekonsolen. Und genau für dieses Segment wollen nun Entwickler vom Hewlett-Packard Forschungszentrum in Kalifornien mit einer neuen Technologie für kleine Displays das dreidimensionale Sehen weiter verbessern. Mit ihren ersten Prototypen gelang es ihnen, bewegte 3D-Sequenzen selbst aus verschiedenen Blickwinkeln und -abständen in hoher Auflösung ohne Störungen sichtbar zu machen.

„Unsere brillenlose 3D-Technologie mit kleinen Pixeln und weitem Sichtbereich ist gerade für mobile Anwendungen interessant“, sagt David Fattal vom Forschungszentrum des Elektronikkonzerns Hewlett-Packard in Palo Alto. Denn bei bereits verfügbaren Displays schwankt die Qualität der dreidimensionalen Bilder stark, wenn der Betrachter seinen Kopf dreht oder den Blickabstand verändert. Um dieses Problem zu lösen, statteten Fattal und Kollegen ihr 3D-Display mit geschickt angeordneten Lichtleitern für die LED-Hintergrundbeleuchtung und einem elektronisch regelbaren Areal aus winzigen und schnell schaltbaren Beugungsgittern auf der Basis von Flüssigkristallen aus. Mit beiden Modulen erreichten sie eine Bildauflösung von 50 Pixeln pro Zentimeter bei bis zu 30 Bildern pro Sekunde. Dabei konnte ein Betrachter sowohl den Abstand als auch den Winkel zwischen Display und Augen beliebig ohne Einbußen der 3D-Bildqualität verändern.

Wie bei allen 3D-Display-Technologien werden Stereobilder unter Beachtung des waagerechten Augenabstands von 63 Millimetern erzeugt. Erst im Gehirn des Betrachters entsteht aus diesen Stereobildern das dreidimensionale Gesamtbild. Das Ziel von Displayforscher Fattal war nun, unabhängig von Abstand und Blickwinkel immer ein zueinander genau passendes Bildpaar für den fehlerfreien 3D-Eindruck erzeugen zu können. Das gelang mit einer durchsichtigen Schicht, auf der die Forscher gut eine halbe Million Flüssigkristall-Pixel (720 × 720) mit je einem Durchmesser von zwölf Mikrometern anordneten. Durch diese Beugungspixel lenkten die Forscher über einen Lichtleiter das mit Leuchtdioden erzeugte Hintergrundlicht. Je nach elektronischer Regelung der Flüssigkristalle entstand eine Vielzahl von Bildvarianten, zusätzlich aufgeteilt in die drei Grundfarben eines Monitors, rot, grün und blau. Unabhängig von Blickwinkel und Entfernung fiel auf die Augen eines Betrachters immer ein exakt zueinander passendes Bilderpaar für jede einzelne Farbe. Alle Stereobilder zusammen bildeten die Grundlage für ein räumliches, farbiges Gesamtbild.

Mit ihren ersten Prototypen dieser sogenannten autostereoskopischen Multiview-3D-Displays erreichten Fattal und Kollegen, dass sich der Betrachter innerhalb eines Winkels von 90 Grad bis zu einem Meter vom Display entfernt frei bewegen konnte. Dabei erzeugte das Display vorerst nur Bilder für insgesamt 14 Blickrichtungen. Allein die große Anzahl der Beugungspixel würde jedoch optimierte Stereobilder für bis zu 64 Blickrichtungen ermöglichen. Dieses Ziel hofft Fattal mit einer verbesserten, elektronischen Steuerung der Flüssigkristalle pro Beugungspixel bald zu erreichen. Parallel wollen die Forscher den Blickwinkel für fehlerfreie 3D-Bilder erweitern. Theoretisch sei sogar der komplette Halbraum von 180 Grad möglich. Auch die Auflösung des 3D-Displays will Fattal mit einer effizienteren Steuerung der Beugungspixel erhöhen. Damit könnten diese Displays sehr nahe an die Qualität von Hologrammen heranreichen, die ebenfalls von allen Seiten betrachtet dreidimensional erscheinen aber bisher nur gut für Standbilder und kaum für Videos geeignet sind.

Bis diese neuartigen 3D-Displays in erste Smartphone oder Spielekonsolen eingebaut werden könnten, sind jedoch noch einige Hürden zu überwinden. So muss noch eine verlässliche und robuste Fertigung konzipiert werden, um große Stückzahlen zu günstigen Preisen herstellen zu können. Mit einigen Jahren Entwicklungszeit ist durchaus zu rechnen. Es ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass auch andere 3D-Display-Technologien, die ohne Brille auskommen, sich ebenfalls weiterentwickeln. Welche Technologie sich schließlich durchsetzen wird, ist heute noch nicht absehbar. Beste Chancen wird der Ansatz haben, der störungsfreie 3D-Videosequenzen mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung für einen möglichst weiten Betrachtungsraum vor dem Display bietet. Bleiben zudem die Produktionskosten überschaubar, könnte – nach dem Erfolg bei Kinofilmen – das bisher mäßige Interesse an 3D-Projektionen zuhause oder auf dem Smartphone deutlich größer werden.

Jan Oliver Löfken

PH