Il sogno di uno scienziato di proiezioni 3D come quelle che ha visto anni fa in un film di Star Wars ha portato a una nuova tecnologia per creare oggetti da tavolo animati in 3D strutturando la luce.

La nuova tecnologia utilizza molecole di fotointerruttore per dare vita a strutture luminose 3D visibili a 360 gradi, dice il chimico Alexander Lippert, Università metodista meridionale, Dallas, che ha condotto la ricerca.

Il metodo economico per modellare la luce in un numero infinito di oggetti volumetrici sarebbe utile in una varietà di campi, dall'imaging biomedico, istruzione e ingegneria, alla televisione, film, videogiochi e altro.

"La nostra idea era di utilizzare la chimica e speciali molecole di fotointerruttore per creare un display 3D che offrisse una vista a 360 gradi, " Disse Lippert. "Non è un ologramma, è davvero una luce strutturata in tre dimensioni."

La chiave della tecnologia è una molecola che passa da non fluorescente a fluorescente in reazione alla presenza o assenza di luce ultravioletta.

La nuova tecnologia non è un ologramma, e differisce dai film 3D o dal design del computer 3D. Questi sono schermi piatti che utilizzano la disparità binoculare o la prospettiva lineare per far apparire tridimensionali gli oggetti quando in realtà hanno solo altezza e larghezza e mancano di un vero profilo del volume.

"Quando vedi un film in 3D, Per esempio, sta ingannando il tuo cervello per vedere in 3D presentando due immagini diverse a ciascun occhio, " Ha detto Lippert. "Il nostro display non sta ingannando il tuo cervello:abbiamo usato la chimica per strutturare la luce in tre dimensioni reali, quindi niente trucchi, solo una vera struttura luminosa tridimensionale. Lo chiamiamo display a colorante fotoattivabile a luce digitale 3D, o 3-D Light Pad in breve, ed è molto più simile a ciò che vediamo nella vita reale".

Al centro della tecnologia SMU 3-D Light Pad c'è una molecola "fotointerruttore", che può passare da incolore a fluorescente quando brilla con un raggio di luce ultravioletta.

I ricercatori hanno scoperto un'innovazione chimica per regolare il tasso di sbiadimento termico della molecola del fotointerruttore, il suo interruttore on-off, aggiungendovi la trietilammina a base di ammina chimica.

Ora il cielo è il limite per la nuova tecnologia SMU 3-D Light Pad, visti i molteplici usi possibili, disse Lippert, un esperto in fluorescenza e chemiluminescenza, utilizzando la chimica per esplorare l'interazione tra luce e materia.

Per esempio, le chiamate in conferenza potrebbero sembrare più riunioni faccia a faccia con immagini 3D volumetriche proiettate su sedie. I progetti di costruzione e produzione potrebbero trarre vantaggio dal renderli prima in 3-D per osservare e discutere le informazioni spaziali in tempo reale. Per i militari, gli usi potrebbero includere repliche tattiche 3D di campi di battaglia a terra, nell'aria, sott'acqua o addirittura nello spazio.

Il 3-D volumetrico potrebbe anche avvantaggiare il campo medico.

"Con i risultati 3D reali di una risonanza magnetica, i radiologi potrebbero riconoscere più facilmente anomalie come il cancro, " Ha detto Lippert. "Penso che avrebbe un impatto significativo sulla salute umana perché un'immagine 3D reale può fornire più informazioni".

A differenza della stampa 3D, la luce strutturata 3D volumetrica è facilmente animata e modificata per adattarsi a un cambiamento nel design. Anche, più persone possono visualizzare contemporaneamente vari lati del display volumetrico, plausibilmente realizzare parchi di divertimento, pubblicità, Film 3D e giochi 3D più realistici, visivamente avvincente e divertente.

Lippert e il suo team riferiscono sulla nuova tecnologia e sulla scoperta che l'ha resa possibile nell'articolo "Un display a colorante fotoattivabile a luce digitale tridimensionale volumetrico, "pubblicato sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

I coautori sono Shreya K. Patel, autore principale, e Jian Cao, entrambi studenti del Dipartimento di Chimica SMU.

Genesi di un'idea:ispirazione cinematografica

L'idea di modellare la luce in oggetti 3D animati volumetrici è nata dal fascino infantile di Lippert per il film "Star Wars". Nello specifico è stato ispirato quando R2-D2 proietta un ologramma della Principessa Leia. L'interesse di Lippert è continuato con il ponte ologrammi in "Star Trek:The Next Generation".

"Da bambino ho continuato a cercare di pensare a un modo per inventare questo, " Disse Lippert. "Poi, una volta acquisita una formazione in chimica, le molecole che interagiscono con la luce, e una comprensione dei fotointerruttori, alla fine mi è venuto in mente che avrei potuto prendere due raggi di luce e usare la chimica per manipolare l'emissione di luce."

La chiave della nuova tecnologia è stata scoprire come spegnere e riaccendere il fotointerruttore chimico all'istante, e generare emissioni luminose dall'intersezione di due diversi fasci di luce in una soluzione del colorante fotoattivabile, Egli ha detto.

Lo studente laureato in chimica SMU Jian Cao ha ipotizzato che il fotointerruttore attivato si spegnesse rapidamente aggiungendo la base. Lui aveva ragione.

"L'innovazione chimica è stata la nostra scoperta che aggiungendo una goccia di trietilammina, potremmo regolare la velocità di dissolvenza termica in modo che passi istantaneamente da una soluzione rosa a una soluzione chiara, " Disse Lippert. "Senza una base, l'attivazione con luce UV impiega da minuti a ore per sbiadire e spegnersi, che è un problema se stai cercando di creare un'immagine. Volevamo che la velocità di reazione con la luce UV fosse molto veloce, facendolo accendere. Volevamo anche che lo sconto fosse molto veloce in modo che l'immagine non sanguinasse".

SMU 3-D Light Pad

Nella scelta tra i vari coloranti del fotointerruttore, i ricercatori hanno optato per le rodamine N-fenil spirolattame. Quella particolare classe di coloranti alla rodamina è stata descritta per la prima volta alla fine degli anni '70 e utilizzata dal premio Nobel W.E. della Stanford University. Moerner.

Il colorante assorbe la luce all'interno della regione visibile, rendendo appropriato per la luce fluorescente. Brillandolo con i raggi UV, nello specifico, innesca una reazione fotochimica e la costringe ad aprirsi e diventare fluorescente.

La disattivazione del raggio di luce UV interrompe la fluorescenza, diminuisce la diffusione della luce, e rende la reazione reversibile, ideale per creare un'immagine 3D animata che si accende e si spegne.

"L'aggiunta di trietilammina per spegnerla e accenderla rapidamente è stata una scoperta chimica chiave che abbiamo fatto, " ha detto Lippert.

Per produrre un'immagine visibile avevano ancora bisogno di una configurazione per strutturare la luce.

Luce strutturata in un display da tavolo

I ricercatori hanno iniziato con un su misura, da tavolo, camera di imaging in vetro di quarzo 50 millimetri per 50 millimetri per 50 millimetri per alloggiare il fotointerruttore e catturare la luce.

All'interno hanno dispiegato un solvente liquido, diclorometano, come matrice in cui sciogliere l'N-fenil spirolattame rodamina, il solido, colorante fotointerruttore cristallino bianco.

Successivamente hanno proiettato modelli nella camera per strutturare la luce in due dimensioni. Hanno usato un proiettore Digital Light Processing (DLP) standard acquistato da Best Buy per irradiare la luce visibile.

Il proiettore DLP, che riflette la luce visibile attraverso una serie di specchi microscopici su un chip semiconduttore, proiettato un raggio di luce verde a forma di quadrato. Per la luce UV, i ricercatori hanno fatto brillare una serie di barre di luce UV da un proiettore a diodi a emissione di luce da 385 nanometri appositamente realizzato dal lato opposto.

Dove la luce si intersecava e si mescolava nella camera, c'era uno schema di quadrati bidimensionali impilati nella camera. I set di filtri ottimizzati eliminano la luce di sfondo blu e lasciano passare solo la luce rossa.

Per ottenere un'immagine 3D statica, modellavano la luce in entrambe le direzioni, con un triangolo dall'UV e un triangolo verde dal visibile, producendo una piramide all'incrocio, disse Lippert.

Da li, una delle prime immagini animate 3D create dai ricercatori è stata la mascotte SMU, Perù, un mustang da corsa.

"Per Peruna, animazione 3D in tempo reale, lo studente universitario SMU Shreya Patel ha trovato un modo per irradiare una barra di luce UV e mantenerla stabile, poi proiettare con il via libera un filmato del mustang in corsa, " ha detto Lippert.

Così lungo Rinascimento

Le immagini 3D di oggi risalgono al Rinascimento italiano e al suo principale architetto e ingegnere.

"Brunelleschi durante il suo lavoro sul Battistero di San Giovanni è stato il primo a utilizzare la rappresentazione matematica della prospettiva lineare che ora chiamiamo 3-D. È così che gli artisti hanno usato trucchi visivi per far sembrare 3-D un'immagine 2-D, " Ha detto Lippert. "Le linee parallele convergono in un punto di fuga e danno un forte senso di 3-D. È un trucco utile, ma è sorprendente che stiamo ancora utilizzando una tecnica vecchia di 500 anni per visualizzare informazioni 3D".

La tecnologia SMU 3-D Light Pad, brevettato nel 2016, ha una serie di vantaggi rispetto ai tentativi contemporanei di altri di creare un display volumetrico ma che non sono emersi come commercialmente fattibili.

Alcuni di questi sono stati ingombranti o difficili da allineare, mentre altri usano costosi metalli delle terre rare, oppure affidati a laser ad alta potenza che sono sia costosi che alquanto pericolosi.

SMU 3-D Light Pad utilizza potenze luminose inferiori, che non sono solo più economici ma più sicuri. Anche la matrice per il display è economica, e non ci sono parti mobili da fabbricare, mantenere o abbattere.

Lippert e il suo team hanno fabbricato lo SMU 3-D Light Pad per meno di $ 5, 000 attraverso una borsa di studio del Consiglio di ricerca dell'Università SMU.

"Per un investimento davvero modesto abbiamo fatto qualcosa che può competere con $ 100 più costosi, 000 sistemi, " ha detto Lippert. "Pensiamo di poterlo ottimizzare e ridurlo a un paio di migliaia di dollari o anche meno".

Next Gen:SMU 3-D Light Pad 2.0

La qualità della risoluzione di una fotografia digitale 2D è espressa in pixel. Più pixel, più nitida e di qualità superiore è l'immagine. Allo stesso modo, Gli oggetti 3D sono misurati in voxel, un pixel ma con volume. L'attuale 3-D Light Pad può generare più di 183, 000 voxel, e il semplice ridimensionamento della dimensione del volume dovrebbe aumentare il numero di voxel in milioni, pari al numero di specchi negli array di microspecchi DLP.

Per la loro esposizione, i ricercatori della SMU volevano la massima risoluzione possibile, misurata in termini di distanza minima tra due barre qualsiasi. Hanno raggiunto i 200 micron, che si confronta favorevolmente con 100 micron per un display TV standard o 200 micron per un proiettore.

L'obiettivo ora è quello di passare da una vasca liquida di solvente per l'esposizione a un espositore da tavolo a cubo solido. polimero ottico, Per esempio, peserebbe più o meno come un televisore. Lippert gioca anche con l'idea di un display per aerosol.

I ricercatori sperano di passare da un'immagine rossa monocromatica a un colore reale, basato sulla miscelazione del rosso, luce verde e blu. Stanno lavorando per ottimizzare l'ottica, motore grafico, lenti a contatto, tecnologia del proiettore e molecole di fotointerruttore.

"Penso che sia un'area molto affascinante. Tutto ciò che vediamo, tutto il colore che vediamo, deriva dall'interazione della luce con la materia, " Ha detto Lippert. "Le molecole in un oggetto assorbono una lunghezza d'onda della luce e vediamo tutto il resto che viene riflesso. Quindi quando vediamo il blu, è perché l'oggetto assorbe tutta la luce rossa. Cosa c'è di più, in realtà sono le molecole del fotointerruttore nei nostri occhi che avviano il processo di traduzione delle diverse lunghezze d'onda della luce nell'esperienza cosciente del colore. Questa è la chimica fondamentale e costruisce il nostro intero mondo visivo. Essere immerso nella chimica ogni giorno, questo è il filtro attraverso il quale vedo tutto".

La scoperta della SMU e le nuove tecnologie, Lippert ha detto, parlare del potere di incoraggiare i bambini piccoli.

"Non risolveranno tutti i problemi del mondo quando avranno sette anni, " ha detto. "Ma le idee vengono seminate e se vengono coltivate mentre i bambini crescono possono ottenere cose che non avremmo mai pensato possibili".