Amerikaanse hologramexperts maken driedimensionale afbeeldingen waar je omheen en tussendoor kunt lopen. Hun nieuwste versie van het volumetrische display kan met een optische truc ook grote voorwerpen projecteren.

De twee poppetjes in de video hieronder activeren hun lichtzwaarden. Groen voor Yoda, rood voor Darth Vader. Fans van de Star Wars-films zullen niet verbaasd zijn. Maar in tegenstelling tot in de films zijn de lichtzwaarden die de Amerikaanse onderzoeker Dan Smalley van de Brigham Young University in Utah maakt geen computeranimaties, noch hologrammen. ‘Wat je ziet is echt. Je kunt er omheen lopen en ze van alle kanten bekijken.’
 

Heel anders dan een hologram

Smalley maakt driedimensionale objecten die vrij in de lucht hangen, zogeheten volumetrische displays. Dat is iets heel anders dan een hologram, zegt de onderzoeker, die op de middelbare school al hologrammen maakte in zijn garage. ‘Holografie is niet perfect. Een hologram projecteer je op een vlak, je kunt dus nooit voorwerpen achter dat vlak laten zien. Er is een scène in de film Iron Man waar hij zijn hand in een 3D-projectie van een handschoen steekt. Dat kan niet met holografie.’
 

 

Driedimensionale beeldschermen

Smalley ging daarom op zoek naar een andere oplossing en kwam terecht bij volumetrische displays. Deze driedimensionale beeldschermen zijn niet helemaal nieuw. Je kunt ze zelfs kopen, zoals die van het bedrijf Voxon.

Ze zien er doorgaans uit als een aquarium waarin een object zich bevindt of scène zich afspeelt. Smalley wil af van het aquarium. ‘De magie is er wel af met een doos eromheen. Uiteindelijk wil je dat je interactie met het voorwerp kunt hebben, zoals de hand in de handschoen van Iron Man.’ Dat is niet eenvoudig, maar de optical trap display die Smalley en collega’s ontwikkelden is daar een van de mogelijke oplossingen voor.

 

Deeltjes met een laser vasthouden

Smalley en zijn team van het Electro-Holography Lab aan de Brigham Young University maakten in 2018 voor het eerst een optical trap display door kleine deeltjes van cellulose met een laser vast te houden en te bewegen. De details beschreven ze destijds in een artikel in het tijdschrift Nature, dat in hetzelfde tijdschrift geduid werd door een collega van Smalley (pdf-bestand).  

Schijn je met een andere laser licht op het deeltje, dan wordt dat weerkaatst en kun je het zien. Vervolgens verplaatsen ze het deeltje een stukje en schijnen ze er weer licht op. Doe je dat snel, meer dan tien keer per seconde, dan kunnen je ogen de afzonderlijke deeltjes niet meer zien en lijkt het of je een streep trekt.

Een deeltje vasthouden met een laser kan door fotoforese, dat ‘bewegen met licht’ betekent. Als je de materialen en de laser goed kiest, kun je daadwerkelijk een deeltje met licht een duwtje geven.
 


Grote objecten projecteren

De nieuwste doorontwikkeling van Smalley (persbericht) is een video met een maantje dat achter een huis verschijnt. Dat lijkt triviaal, maar de maan is natuurlijk te groot om echt te projecteren. De onderzoekers gebruikten daarom een optische truc die bewegingsparallax heet. Je hersenen vertalen de beelden als diepte, zodat het lijkt of de maan in het filmpje heel ver weg staat.

Dat is een doorbraak, want volumetrische displays zijn technisch en praktisch nog niet heel groot te maken. Die van Smalley zijn een kubieke centimeter. Met de nieuwe truc komen toepassingen weer een stapje dichterbij, zegt Smalley. Het nieuwste onderzoek werd in april in Scientific Reports gepubliceerd.

 

Holodeck

Het onderzoek is niet alleen maar cool. Met een volumetrisch display kun je voorwerpen veel beter bestuderen. Toepassingen liggen in het verschiet in beeldgeleide operaties, robotica maar ook in de sport, om bewegingen beter te kunnen bestuderen.

Uiteindelijk denkt Smalley dat we ook in videogesprekken tegen een driedimensionaal geprojecteerd hoofd aan zullen gaan praten. En dat is weer niet zo heel ver verwijderd van het Star Trek Holodeck, een fictief apparaat dat de karakters in staat stelde om interacties te hebben met virtuele omgevingen.

 

Meer deeltjes

De beelden die Smalley maakt zijn nog simpel. Dat komt doordat ze maar één deeltje manipuleren. Dat deeltje moet dus vrij snel door de ruimte bewegen om de hele scène te tekenen, wat zowel de grootte van het display beperkt als de details en kleur in het beeld.

Smalley: ‘Dit is slechts het bewijs dat het kan. We onderzoeken nu hoe we meerdere deeltjes tegelijk kunnen vasthouden zonder dat we meer of intensere lasers nodig hebben. Daarna moeten we zorgen dat de deeltjes makkelijk en snel vervangen kunnen worden. Ze waaien namelijk zo weg als je blaast of met je hand door het beeld gaat. Voor toepassingen moeten we verder zorgen dat de laser veilig is. De uv-laser met een golflengte van 405 nanometer die we nu gebruiken kan schadelijk zijn voor mensen. Misschien kunnen we een infraroodlaser gebruiken.’
 

Startup oprichten

Smalley schat dat al deze verbeteringen nog zo'n 12.000 manuren zullen kosten, voordat er een bruikbaar apparaat staat; dat zijn zes mensen die twee jaar werken. ‘We zijn op zoek naar financiering voor het inhuren van gespecialiseerde elektrotechnici, zodat niet enkel mijn studenten het werk hoeven doen. Daarnaast zoeken we investeerders om een startup op te richten.’

 

Tekst: Bastienne Wentzel
Afbeeldingen: Brigham Young University