De droom van een wetenschapper van 3D-projecties zoals hij jaren geleden in een Star Wars-film zag, heeft geleid tot nieuwe technologie voor het maken van geanimeerde 3D-tafelobjecten door licht te structureren.

De nieuwe technologie maakt gebruik van photoswitch-moleculen om 3D-lichtstructuren tot leven te brengen die vanaf 360 graden zichtbaar zijn. zegt chemicus Alexander Lippert, Zuidelijke Methodistische Universiteit, Dallas, die het onderzoek leidde.

De economische methode om licht in een oneindig aantal volumetrische objecten te vormen, zou op verschillende gebieden nuttig zijn, van biomedische beeldvorming, onderwijs en techniek, naar televisie, films, videogames en meer.

"Ons idee was om chemie en speciale photoswitch-moleculen te gebruiken om een ​​3D-scherm te maken dat een 360-gradenbeeld levert, ' zei Lippert. 'Het is geen hologram, het is echt driedimensionaal gestructureerd licht."

De sleutel tot de technologie is een molecuul dat schakelt tussen niet-fluorescerend en fluorescerend in reactie op de aan- of afwezigheid van ultraviolet licht.

De nieuwe technologie is geen hologram, en verschilt van 3D-films of 3D-computerontwerp. Dat zijn platte displays die binoculaire dispariteit of lineair perspectief gebruiken om objecten driedimensionaal te laten lijken, terwijl ze in feite alleen hoogte en breedte hebben en geen echt volumeprofiel hebben.

"Als je een 3D-film ziet, bijvoorbeeld, het bedriegt je hersenen om 3D te zien door twee verschillende beelden aan elk oog te presenteren, "Zei Lippert. "Ons scherm bedriegt je hersenen niet - we hebben chemie gebruikt om licht in drie werkelijke dimensies te structureren, dus geen trucjes, gewoon een echte driedimensionale lichtstructuur. We noemen het een 3D digitaal licht, fotoactiveerbaar kleurstofdisplay, of kortweg 3D Light Pad, en het lijkt veel meer op wat we in het echte leven zien."

Het hart van de SMU 3-D Light Pad-technologie is een "photoswitch"-molecuul, die kan overschakelen van kleurloos naar fluorescerend wanneer ze wordt beschenen met een straal ultraviolet licht.

De onderzoekers ontdekten een chemische innovatie voor het afstemmen van de snelheid van thermische vervaging van het fotoschakelaarmolecuul - de aan-uit-schakelaar - door er de chemische amine-base triethylamine aan toe te voegen.

Nu is de lucht de limiet voor de nieuwe SMU 3-D Light Pad-technologie, gezien de vele gebruiksmogelijkheden, zei Lippert, een expert in fluorescentie en chemiluminescentie - met behulp van chemie om de interactie tussen licht en materie te onderzoeken.

Bijvoorbeeld, conferentiegesprekken kunnen meer aanvoelen als persoonlijke ontmoetingen met volumetrische 3D-beelden die op stoelen worden geprojecteerd. Bouw- en fabricageprojecten kunnen baat hebben bij het eerst in 3D weergeven om realtime ruimtelijke informatie te observeren en te bespreken. Voor het leger, toepassingen kunnen onder meer tactische 3D-replicaties zijn van slagvelden op het land, in de lucht, onder water of zelfs in de ruimte.

Volumetrische 3D kan ook de medische sector ten goede komen.

"Met echte 3D-resultaten van een MRI, radiologen zouden sneller afwijkingen kunnen herkennen, zoals kanker, " zei Lippert. "Ik denk dat het een aanzienlijke impact zou hebben op de menselijke gezondheid, omdat een echt 3D-beeld meer informatie kan opleveren."

In tegenstelling tot 3D-printen, volumetrisch 3D gestructureerd licht kan gemakkelijk worden geanimeerd en gewijzigd om een ​​verandering in het ontwerp mogelijk te maken. Ook, meerdere mensen kunnen tegelijkertijd verschillende kanten van de volumetrische weergave bekijken, mogelijk pretparken maken, reclame, 3D-films en 3D-games levensechter, visueel aantrekkelijk en onderhoudend.

Lippert en zijn team rapporteren over de nieuwe technologie en de ontdekking die het mogelijk heeft gemaakt in het artikel "Een volumetrisch driedimensionaal digitaal licht, fotoactiveerbaar kleurstofdisplay, " gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

Co-auteurs zijn Shreya K. Patel, hoofdauteur, en Jian Cao, beide studenten van de SMU-afdeling Scheikunde.

Ontstaan ​​van een idee — filmische inspiratie

Het idee om licht om te vormen tot volumetrisch geanimeerde 3D-objecten kwam voort uit Lipperts fascinatie voor de film 'Star Wars'. Hij werd vooral geïnspireerd toen R2-D2 een hologram van prinses Leia projecteert. Lipperts interesse ging verder met het holodek in 'Star Trek:The Next Generation'.

"Als kind probeerde ik steeds een manier te bedenken om dit uit te vinden, ' zei Lippert. 'Toen ik een achtergrond had in chemische moleculen die interageren met licht, en een begrip van fotoschakelaars, het drong eindelijk tot me door dat ik twee lichtstralen kon nemen en chemie kon gebruiken om de emissie van licht te manipuleren."

De sleutel tot de nieuwe technologie was ontdekken hoe je de chemische fotoschakelaar onmiddellijk in- en uitschakelt, en het genereren van lichtemissies van de kruising van twee verschillende lichtstralen in een oplossing van de fotoactiveerbare kleurstof, hij zei.

SMU afgestudeerde student scheikunde Jian Cao veronderstelde dat de geactiveerde fotoschakelaar snel zou uitschakelen door de basis toe te voegen. Hij had gelijk.

"De chemische innovatie was onze ontdekking dat door één druppel triethylamine toe te voegen, we zouden de snelheid van thermische vervaging kunnen afstemmen, zodat het onmiddellijk van een roze oplossing naar een heldere oplossing gaat, ' zei Lippert. 'Zonder een basis, de activering met UV-licht duurt minuten tot uren om terug te vervagen en uit te schakelen, wat een probleem is als je een afbeelding probeert te maken. We wilden dat de reactiesnelheid met UV-licht erg snel zou zijn, waardoor het wordt ingeschakeld. We wilden ook dat de off-rate erg snel zou zijn, zodat het beeld niet bloedt."

SMU 3D-lichtkussen

Bij het kiezen uit verschillende photoswitch-kleurstoffen, de onderzoekers kozen voor N-fenyl-spirolactam-rhodamines. Die specifieke klasse van rhodaminekleurstoffen werd voor het eerst beschreven in de late jaren 1970 en gebruikt door de Nobelprijswinnende W.E. Moerner.

De kleurstof absorbeert licht in het zichtbare gebied, waardoor het geschikt is om licht te fluoresceren. Schitteren met UV-straling, specifiek, triggert een fotochemische reactie en dwingt het te openen en fluorescerend te worden.

Als u de UV-lichtstraal uitschakelt, wordt de fluorescentie uitgeschakeld, vermindert lichtverstrooiing, en maakt de reactie omkeerbaar - ideaal voor het maken van een geanimeerd 3D-beeld dat in- en uitgeschakeld wordt.

"Het toevoegen van triethylamine om het snel uit en aan te zetten was een belangrijke chemische ontdekking die we deden, ' zei Lippert.

Om een ​​zichtbaar beeld te produceren, hadden ze nog een opstelling nodig om het licht te structureren.

Licht structureren in een tafeldisplay

De onderzoekers begonnen met een op maat gemaakte, tafelblad, beeldkamer van kwartsglas 50 millimeter bij 50 millimeter bij 50 millimeter om de fotoschakelaar te huisvesten en licht op te vangen.

Binnen gebruikten ze een vloeibaar oplosmiddel, dichloormethaan, als de matrix waarin het N-fenyl spirolactam rhodamine moet worden opgelost, de vaste, witte kristallijne photoswitch kleurstof.

Vervolgens projecteerden ze patronen in de kamer om licht in twee dimensies te structureren. Ze gebruikten een kant-en-klare Digital Light Processing (DLP)-projector die bij Best Buy was gekocht voor het stralen van zichtbaar licht.

De DLP-projector, die zichtbaar licht reflecteert via een reeks microscopisch kleine spiegels op een halfgeleiderchip, projecteerde een straal groen licht in de vorm van een vierkant. Voor UV-licht, de onderzoekers schenen een reeks UV-lichtbalken van een speciaal gemaakte 385-nanometer Light-Emitting Diode-projector vanaf de andere kant.

Waar het licht elkaar kruiste en zich vermengde in de kamer, er werd een patroon van tweedimensionale vierkanten weergegeven die over de kamer waren gestapeld. Geoptimaliseerde filtersets elimineerden blauw achtergrondlicht en lieten alleen rood licht door.

Om een ​​statisch 3D-beeld te krijgen, ze vormden het licht in beide richtingen, met een driehoek van de UV en een groene driehoek van het zichtbare, het opleveren van een piramide op de kruising, zei Lippert.

Vanaf daar, een van de eerste geanimeerde 3D-afbeeldingen die de onderzoekers maakten, was de SMU-mascotte, Perúna, een race-mustang.

"Voor Peruna - realtime 3D-animatie - vond SMU-student Shreya Patel een manier om een ​​UV-lichtbalk te stralen en stabiel te houden, projecteer dan met het groene licht een filmpje van de rennende mustang, ' zei Lippert.

Zo lang Renaissance

De 3D-beelden van vandaag dateren uit de Italiaanse Renaissance en de toonaangevende architect en ingenieur.

"Brunelleschi was tijdens zijn werk aan het Baptisterium van St. John de eerste die de wiskundige weergave van lineair perspectief gebruikte die we nu 3D noemen. Dit is hoe kunstenaars visuele trucs gebruikten om een ​​2D-afbeelding er 3D uit te laten zien, Lippert zei. "Parallelle lijnen komen samen op een verdwijnpunt en geven een sterk gevoel van 3D. Het is een handige truc, maar het is opvallend dat we nog steeds een 500 jaar oude techniek gebruiken om 3D-informatie weer te geven."

De SMU 3-D Light Pad-technologie, gepatenteerd in 2016, heeft een aantal voordelen ten opzichte van hedendaagse pogingen van anderen om een ​​volumetrisch display te maken, maar die niet als commercieel levensvatbaar zijn gebleken.

Sommige daarvan waren omvangrijk of moeilijk uit te lijnen, terwijl anderen dure zeldzame aardmetalen gebruiken, of vertrouw op krachtige lasers die zowel duur als enigszins gevaarlijk zijn.

De SMU 3-D Light Pad maakt gebruik van lagere lichtsterktes, die niet alleen goedkoper, maar ook veiliger zijn. De matrix voor het display is ook zuinig, en er zijn geen bewegende delen om te fabriceren, onderhouden of afbreken.

Lippert en zijn team hebben de SMU 3-D Light Pad gefabriceerd voor minder dan $ 5, 000 via een subsidie ​​van de SMU University Research Council.

"Voor een heel bescheiden investering hebben we iets gedaan dat kan concurreren met de duurdere $ 100, 000 systemen, "Zei Lippert. "We denken dat we dit kunnen optimaliseren en het kunnen verlagen tot een paar duizend dollar of zelfs lager."

Volgende generatie:SMU 3-D Light Pad 2.0

De resolutiekwaliteit van een 2D digitale foto wordt uitgedrukt in pixels. Hoe meer pixels, hoe scherper en van hogere kwaliteit het beeld. evenzo, 3D-objecten worden gemeten in voxels - een pixel maar met volume. De huidige 3D Light Pad kan meer dan 183, 000 voxels, en eenvoudigweg het schalen van de volumegrootte zou het aantal voxels tot miljoenen moeten verhogen - gelijk aan het aantal spiegels in de DLP-microspiegelarrays.

Voor hun weergave, de SMU-onderzoekers wilden de hoogst mogelijke resolutie, gemeten in termen van de minimale afstand tussen twee van de staven. Ze bereikten 200 micron, wat gunstig afsteekt bij 100 micron voor een standaard tv-scherm of 200 micron voor een projector.

Het doel is nu om over te stappen van een vloeibaar vat met oplosmiddel voor het display naar een solide kubustafeldisplay. Optisch polymeer, bijvoorbeeld, zou ongeveer hetzelfde wegen als een tv-toestel. Lippert speelt ook met het idee van een aerosoldisplay.

De onderzoekers hopen uit te breiden van een monochroom rood beeld naar ware kleuren, gebaseerd op het mengen van rood, groen en blauw licht. Ze werken aan het optimaliseren van de optica, grafische motor, lenzen, projectortechnologie en photoswitch-moleculen.

"Ik vind het een heel fascinerend gebied. Alles wat we zien - alle kleuren die we zien - komt voort uit de interactie van licht met materie, Lippert zei. "De moleculen in een object absorberen een golflengte van licht en we zien de rest die wordt gereflecteerd. Dus als we blauw zien, het is omdat het object al het rode licht absorbeert. Bovendien, het zijn eigenlijk photoswitch-moleculen in onze ogen die het proces starten van het vertalen van verschillende golflengten van licht naar de bewuste ervaring van kleur. Dat is de fundamentele chemie en het bouwt onze hele visuele wereld op. Elke dag ondergedompeld worden in chemie - dat is het filter waar ik alles doorheen zie."

De ontdekking van de SMU en nieuwe technologie, Lippert zei, spreken over de kracht van het aanmoedigen van jonge kinderen.

"Ze gaan niet alle problemen van de wereld oplossen als ze zeven jaar oud zijn. " zei hij. "Maar ideeën worden gezaaid en als ze worden gekoesterd als kinderen opgroeien, kunnen ze dingen bereiken die we nooit voor mogelijk hadden gehouden."