Willkommen!!! / 3D Displays / SOLIDFELIX / Wissenschaftlicher Hintergrund

Wissenschaftlicher Hintergrund

Die Idee
Technik und Wissenschaft hegen seit jeher den Wunsch, unsere Welt nicht nur dreidimensional zu erfassen, sondern auch in natürlicher Geometrie wiederzugeben. Heute wünscht man sich eine solche Darstellung entsprechend moderner Mensch-Maschine-Kommunikation, in Echtzeit, interaktiv, farbig. Bisher behelfen wir uns größtenteils mit quasi-3D-Darstellungen auf flächigen Displays. In unserem Projekt befassen wir uns nun mit der Wiedergabe dreidimensionaler Bilder in sog. volumetrischen Displays, die das Bild in ein räumlich begrenztes Volumen projizieren, so dass es von allen Seiten ohne Sehhilfe zu betrachten ist.

Einleitung
Bei echten 3D-Displays gibt es Systeme mit bewegter Projektionsfläche und statische Festkörperdisplays, die räumliche Bilder ohne Projektionsfläche erzeugen. Statische 3D-Festkörperdisplays sind den 3D-Displays mit bewegter Projektionsfläche insbesondere darin überlegen, dass bei ihnen keine „tote Zonen“’ und „versteckte Zonen“ auftreten können[2]. In den „toten Zonen“ eines 3D-Displays ist es nicht möglich Lichtpunkte zu erzeugen. „Versteckte Zonen“ sind Bereiche, in denen das Bild unter bestimmten Sichtwinkeln durch Bestandteile des Displays verdeckt wird.
Das Displayvolumen bei unserem SOLIDFELIX-3D-Display besteht aus einem transparenten Material, das mit bestimmten Ionen dotiert ist. Das von uns realisierte statische Display basiert auf der Fluoreszenzanregung mit IR-Lasern. Durch gezielte Anregung mit einem oder mehrerer IR-Lasern entsteht in deren Fokus sichtbares Licht. Hierbei unterscheidet man die Anregung mit einer einzigen Laserfrequenz und die Anregung mit mehreren Lasern verschiedener Frequenz. Diese Technik wurde von den französischen Erfindern Luzy und Dupuis bereits in ihrem Patent von 1912 beschrieben[3]. Damals war eine Realisierung allerdings mangels Technik noch nicht möglich.
Anhand von Scannereinheiten wird der Laser-Fokus, der das Voxel (Volumen Pixel) erzeugt, durch das Displayvolumen bewegt. Bei genügend großer Geschwindigkeit können auf diese Weise ganze Bilder gezeichnet werden.
Die erste Realisierung eines 3D-Displays mit Fluoreszenzanregung durch zwei IR-Lasern verschiedener Wellenlänge gelang 1989 Elizabeth A. Downing (www.3dtl.com) [4]. Sie konnte das im Kreuzungspunkt der Laser entstehende Voxel mit Scannern schnell genug durch das Displaymedium bewegen und so ein räumliches Bild generieren.

Theorie der Fluoreszenzanregung

OFTS-Upconversion mit einer festen Frequenz
Bestimmte Stoffe lassen sich mit einem monofrequenten IR-Laser zur Fluoreszenz anregen. Dabei werden Hüllelektronen in einem kollektiven Prozess vom Grundniveau E₀ auf ein höheres Energieniveau E₁ angehoben (Bild 1). Hier verweilt es für eine sehr kurze Zeit t₁ (mittlere Verweildauer). Wenn das Elektron innerhalb t₁ erneut angeregt wird, kann es auf ein noch höheres Energieniveau E₃ wechseln. (E₃ kann auch durch simultane Absorption zweier Photonen erreicht werden, ohne dass E₁ real existiert [5]). Durch einen spontanen Energiesprung der Elektronen von E₃ nach E₀ wird sichtbares Licht emittiert. Dieser Prozess wird als One-Frequency-Two-Step-Upconversion (OFTS-Upconversion) bezeichnet.

TFTS-Upconversion mit zwei verschiedenen Frequenzen
Es gibt Stoffe, bei denen eine Fluoreszenzanregung auch mit zwei IR-Lasern unterschiedlicher Frequenz gelingt: Die Hüllelektronen werden durch ein erstes Photon von E₀ auf E₁ angehoben (Bild 2). Da eine weitere Anhebung auf ein noch höheres Niveau mit diesem Laser nicht möglich ist, entsteht durch diesen Prozess noch keine sichtbare Fluoreszenz. E₃ kann erst erreicht werden, wenn innerhalb der mittleren Verweildauer ein passendes zweites Photon mit anderer Wellenlänge einfällt. Der spontane Übergang von E₃ nach E₀ liefert auch hier sichtbare Fluoreszenz. Dieser Prozess wird als Two-Frequency-Two-Step-Upconversion (TFTS-Upconversion) bezeichnet. Je nach Lage der Energieniveaus der optisch aktiven Medien werden Laser mit passenden Wellenlängen benötigt. Es ist möglich Fluoreszenzlicht unterschiedlicher Farben für mehrfarbige 3D-Festkörperdisplays.

Phononenergie
In der Regel wird beim spontanen Übergang vom höheren Energieniveau in den Grundzustand nicht die gesamte Energie als sichtbares Licht abgegeben, sondern vielmehr ein Teil der Energie in Form einer Gitterschwingung als so genanntes Phonon (Bild 1 und 2). Dadurch wird nicht die gesamte Energie genutzt, sondern trägt makroskopisch auch zur Erwärmen des Mediums bei. Um nicht den größten Teil der Energie eines angeregten Zustands in Form von Phononen zu verlieren, müssen die Trägermaterialien extrem niedrige Phononenergien besitzen. Als sehr effizient haben sich dabei Low-Phonon-Gläser, wie z.B. ZBLAN-Glas, erwiesen[6].

Der Projektverlauf
Der erste Schritt auf dem Weg zur Realisierung eines echten 3D-Displays bestand darin, zu untersuchen, wie man in einem mit Er³⁺ dotierten Material mit zwei IR-Lasern die Erbium Ionen so anregt, dass sichtbares Licht entsteht. Mit unserem ersten Versuchsaufbau in dem wir einen Lichtpunkt in einem sehr kleinen Kristall einen Lichtpunkt (Voxel) erzeugten (Bild 3) bewiesen wir diese Aussage. In den folgenden Versuchsreihen haben wir uns auf die Fluoreszenzanregung mit zwei verschiedenen Frequenz (TFTS-Upconversion) konzentriert, da für der Anregung mit einer festen Frequenz Komponenten nötig waren, die wir zu dem Zeitpunkt noch nicht zur Verfügung hatten.
Als nächstes wurde untersucht, ob man das Voxel im Kreuzungspunkt beider Laser geeignet durch das Projektionsvolumen bewegen kann. Es stellte sich als schwierig heraus, definierte Kreuzungspunkte zu erhalten, wenn beide Laserstrahlen unabhängig voneinander gleichzeitig abgelenkt wurden. Daher wurde eine Idee von M.R. Brown [7] aus dem Jahre 1969 aufgegriffen, bei der sich in einem Projektionsvolumen eine Lichtebene mit einem Laserstrahl kreuzt (Bild 4).
Dazu wurden zahlreiche Versuche mit verschiedenen Trägermaterialien durchgeführt, wobei versucht wurde ein Material zu finden, welches möglichst alle folgenden Eigenschaften besaß:

Keine Absorption der IR-Strahlung, denn der Laser soll die Dotierung anregen,

Keine Absorption sichtbaren Lichts, denn die Voxel sollen zu sehen sein,

Herstellbarkeit in möglichst großen, homogenen Blöcken,

Geringe Phononenergie, denn die zugeführte IR-Energie soll als sichtbares Fluoreszenzlicht abgegeben werden,

Isotropie, so dass sich das Licht gleichmäßig in alle Raumrichtungen ausbreiten kann

Wir haben u. a. Versuche mit CaF₂ und mit YLiF₄ gemacht und konnten verschieden farbige Fluoreszenz erzeugen (Bild 5 und 6). Außerdem wurden die Auswirkungen verschiedener Dotierungen betrachtet und wir konnten feststellen, dass die Helligkeit bis zu einem bestimmten Grad mit der Dotierung steigt. Für den jetzigen Aufbau ist eine Dotierung von 0,5mol% optimal, da bei höheren Dotierungen zu viel ungewollte OFTS-Upconvesion auftritt. Besonders auf diesem Gebiet haben wir mit unserem Partner Dr. Caspary von der TU Braunschweig zusammen gearbeitet. Mit seiner Hilfe konnten wir z.B. ZBLAN-Glas-Proben mit verschiedenen Dotierungen auf die Helligkeit ihrer Fluoreszenz testen. Auf diese Weise erlangten wir die benötigten Informationen um jetzt einen ZBLAN-Glasblock mit 3cm Kantenlänge einsetzen zu können.
Auch in der Theorie gelang es uns zu zeigen, dass die Realisierung eines 3D-Displays auf der Basis der Fluoreszenz möglich ist. Es wurden Rechnungen angestellt, mit deren Hilfe man die nötigen Leistungen der Laser und die der Fluoreszenz bestimmte. Auch auf diesem Gebiet unterstützte uns Dr. Caspary mit entsprechendem Know-How.
Auf diesem Wege sind wir zu unserem aktuellen Versuchsaufbau gekommen, der einem funktionstüchtigen 3D-Display entspricht.

Aufbau und Entwicklungsstand
Bild 7 zeigt eine Aufsicht auf den ca. 30 cm mal 40 cm großen experimentellen Aufbau. Der Strahl einer 1475nm-Laserdiode wird von einer Ablenkeinheit in x– und y-Richtung abgelenkt und dringt anschließen in das Displayvolumen ein. Der Pfad dieses Laserstrahls ist in Bild 7 als rote Linie dargestellt. Eine 850nm-Laserdiode sendet einen vertikal aufgefächerten Laserstrahl aus (hier grün eingezeichnet), der von einem vertikal drehbaren Spiegel (Z-Scanner) ebenfalls in das Projektionsvolumen abgelenkt wird. Über die Regelungsplatine AP-Z wird der Z-Scanner so angesteuert, dass der aufgefächerte Laserstrahl das Projektionsvolumen, welches zur Zeit aus einem ZBLAN-Glasblock mit einer Kantenlänge von etwa 3cm besteht, periodisch überstreicht, sodass im Zusammenspiel beider Ablenkeinheiten definierte dreidimensionale Bilder entstehen (Bild 8 und 9).

Ergebnisse
Neben dem umfangreichen Wissen, das wir über die einzelnen, speziellen Details zur Umsetzung eines 3D-Festkörperdisplays gewannen, konnten wir sowohl in der Praxis, als auch in der Theorie zeigen, dass die Realisierung eines echten 3D-Displays auf der Basis der Fluoreszenzanregung möglich und realistisch ist.

Literaturhinweise:
1. D. Bahr, Entwicklung eines Systems zur Informationsdarstellung in drei physikalischen Dimensionen, Diplomarbeit, TU Braunschweig, 1992
2. K. Langhans, D. Bezecny, D. Homann, D. Bahr, Krischan Oltmann, Klaas Oltmann, C. Guill, E. Rieper, G. Ardey, FELIX 3D Display: An Interactive Tool for Volumetric Imaging, Stereoscopic Display and Virtual Reality Systems IX, Proc. SPIE Vol. 4660, San José, CA, 2002
3. Luzy, Dupuis, Procédé pour Obtenir des Projections en Relief, französisches Patent 461.600, 1912
4. E.A. Downing, Three dimensional image generating apparatus having a phosphor chamber, US-Patent 4.870.485, 1989
5. Dugay, Giordmaine, Rentzepis, Display system using two-photon fluorescent materials, US-Tatent 3.541.542, 1970
6. Downing, Akella, Hesselink, Macfarlane, Klein, Evans, Photonics West Conference Feb. 1995
7. Brown, Waters, Three-dimensional visual display systems, US-Patent 3.474.248, 1969

-->

Bild 1