Leuchtdioden

3D-Displays aus Leuchtdioden

In den vergangenen Jahren wurden immer komplexere Techniken entwickelt, um Fernsehbilder oder Kinofilme dreidimensional darzustellen. Leuchtdioden könnten den Weg für echte 3D-Bilder ebnen. Zwei Schüler erklären, wie sie in einem Schulprojekt die Displays der Zukunft gebaut haben.

Der Versuch, die eigene Umwelt realitätsgetreu abzubilden, erfolgte zunächst durch die Malerei, später durch die Fotografie und mündet heute in der Darstellung virtueller Welten auf den Computerbildschirmen. All diese Techniken haben gemein, dass die Objekte aus unserer dreidimensionalen Welt auf einer zweidimensionalen Fläche abgebildet werden müssen. Die räumliche Information der Bilder geht also verloren. 

ROTATING FELIX
ROTATING FELIX

Um dennoch beim Betrachter den Eindruck zu erzeugen, er sähe ein dreidimensionales Objekt, werden Techniken wie optische Verzerrung oder Schattierung verwendet. In den letzten Jahren wurden zudem immer komplexere Techniken entwickelt, um Fernsehbilder oder Kinofilme dreidimensional erscheinen zu lassen: Indem zwei leicht unterschiedliche Bilder erzeugt werden, von denen jedes Auge nur eines wahrnimmt, entsteht im Kopf des Betrachters der Eindruck eines räumlichen Bildes. Diese Techniken sind jedoch häufig auf bestimmte Blickrichtungen beschränkt. 

Ein anderer Ansatz zur Darstellung dreidimensionaler Bilder ist das volumetrische Display. Anstatt ein dreidimensionales Objekt auf eine zweidimensionale Fläche zu projizieren und durch technische Hilfsmittel räumlich erscheinen zu lassen, wird hier das Bild in einen dreidimensionalen Raum projiziert. Es wird also eine exakte virtuelle Kopie des Originals angefertigt. Diese Technik hat den entscheidenden Vorteil, dass keine Hilfsmittel wie das Verzerren von Bildlinien oder das Schattieren mehr nötig sind, wodurch Bildinformationen verloren gehen. Der dreidimensionale Raum, in dem das räumliche Bild erzeugt wird, wird als Projektionsvolumen bezeichnet. 

Umsetzung eines 3D-Displays 

Das Projektionsvolumen für ein volumetrisches Display muss zwei verschiedene Anforderungen erfüllen: Zum einen muss es lichtdurchlässig sein, sodass die dargestellten Bilder wahrgenommen werden können. Zum anderen müssen Elemente enthalten sein, durch die Lichtpunkte und damit letztlich Bilder erzeugt werden können. Im Rahmen eines Schülerprojekts forschen wir an verschiedenen Ansätzen, solche volumetrischen Displays mit Leuchtdioden (LEDs) umzusetzen. Dabei sollen die einzelnen Bildpunkte des Bildes direkt im Displayvolumen durch die LEDs erzeugt werden. 

Steuerung der LEDs
Steuerung der LEDs

Ein viel versprechender Prototyp ist ROTATING FELIX, ein rotierendes aktives volumetrisches Display. Dafür haben wir zunächst ein zweidimensionales Display – ähnlich dem eines Computerdisplays – aus LEDs konstruiert, das in einem Acrylglaszylinder rotiert. Dadurch wird jeder Punkt innerhalb des Zylinders zu einem bestimmten Zeitpunkt vom LED-Display durchstreift. Indem die einzelnen LEDs zum richtigen Zeitpunkt angeschaltet werden, können also einzelne Bildpunkte überall innerhalb des Zylinders erzeugt werden. Der Trick dabei: Das LED-Display dreht sich 20 Mal pro Sekunde innerhalb des Projektionsvolumens – diese Rotation ist so schnell, dass es für den Betrachter erscheint, als stünde ein durchsichtiger Zylinder frei in der Luft – die Rotation selbst bleibt unsichtbar. 

Wenn eine LED angeschaltet bleibt, während das Display rotiert, entsteht für den Betrachter ein Ring. Damit einzelne Bildpunkte erzeugt werden können, die möglichst wenig zu Kreisbögen verzerrt werden, werden die LEDs in unserem Experiment nur jeweils rund 0,144 Millisekunden angeschaltet. Pro Umlauf können so etwa 347 einzelne Bilder gezeigt werden, die zusammengenommen den Eindruck eines dreidimensionalen Objekts entstehen lassen. Ein Nachteil dieses Displaytyps besteht darin, dass alle Datensignale und die Stromversorgung über die Achse zum rotierenden Oberbau geleitet werden müssen. Aufgrund der hohen Drehzahlen wird die Übertragung der Signale teilweise gestört. Auch wirken enorme Fliehkräfte auf die einzelnen Bauteile. 

Mehrfarbige Version des L3D FELIX
Mehrfarbige Version des L3D FELIX

Bei einem weiteren Prototypen namens L3D FELIX besteht das Projektionsvolumen selbst aus LEDs. Diese sind in einer dreidimensionalen Gitterstruktur angeordnet, wobei die LEDs jeweils die Eckpunkte kleiner Würfel bilden. Mit diesem Aufbau haben wir mehrere volumetrische Displays realisiert, wovon das größte aus insgesamt 4096 (16 x 16 x 16) weißen LEDs besteht. Die Idee eines derartigen Displayvolumens ist schon relativ alt: 1956 ließ sich Martin Ruderfer eine ähnliche Konstruktion mit Glühlampen in den USA patentieren. Mit der Entwicklung der LEDs wurde dieses Design wiederbelebt. 

Unser neuestes 3D-Display der L3D-FELIX-Reihe ist fähig, mehrfarbige Bilder anzuzeigen. Dazu verwenden wir RGB-Leuchtdioden für das Projektionsvolumen, in denen eine rote, eine grüne und eine blaue LED in einem gemeinsamen Gehäuse verbaut sind. Durch das gleichzeitige Aktivieren der LEDs mit verschiedener Intensität können beliebige Farben erzeugt werden. Für beide Prototypen haben wir eine Computerschnittstelle mit einem Simulator entwickelt. Mit diesem lassen sich dreidimensionale Bilder am Computer erstellen und in Echtzeit in den volumetrischen Displays ausgeben. 

Zukunft der LED-Displays

Durch den statischen Gitteraufbau ist L3D FELIX im Vergleich zu ROTATING FELIX einfacher zu steuern und weniger fehleranfällig. Allerdings ist dieser Aufbau bei Geräten mit sehr vielen Bildpunkten problematisch, da das Gitter bei steigender Größe durch die schiere Anzahl an Drähten und LEDs undurchsichtig wird. Organische Leuchtdioden (OLEDs) könnten dieses Problem jedoch lösen: Sie unterscheiden sich nur wenig von normalen LEDs, bestehen jedoch aus anderen Materialien und lassen sich flexibel verbauen. 

L3D FELIX und Steuersoftware
L3D FELIX und Steuersoftware

Diese Eigenschaften ermöglichen es, transparente Platten herzustellen, in denen bereits LEDs und Steuerungsdrähte enthalten sind. Stapelt man nun mehrere solcher OLED-Platten hintereinander, entsteht ein volumetrisches Display ähnlich wie L3D FELIX. Allerdings sind diese Platten zurzeit noch nicht weit genug entwickelt und nur teilweise transparent.  

Sobald die Technik der volumetrischen Displays ausgereift ist, gibt es eine ganze Fülle von Anwendungsmöglichkeiten für volumetrische Displays. In der Medizin und Sicherheitstechnik werden Daten bereits dreidimensional erfasst, die bisher jedoch auf zweidimensionalen Bildschirmen wiedergegeben werden müssen. Dazu zählen unter anderem bildgebende Verfahren in der diagnostischen Medizin wie die Kernspin- und Magnetresonanztomografie oder die Flugsicherung. Auch für die Unterhaltungsindustrie sind volumetrische Displays interessant. LED-Würfel wie L3D FELIX werden schon heute in kleineren Versionen – häufig mit 64 LEDs – als Dekoartikel verkauft und erfreuen sich großer Beliebtheit.