En forskares dröm om 3D-projektioner som de som han såg för flera år sedan i en Star Wars-film har lett till ny teknik för att göra animerade 3D-bordsobjekt genom att strukturera ljus.

Den nya tekniken använder fotoswitchmolekyler för att levandegöra 3D-ljusstrukturer som är synliga från 360 grader, säger kemisten Alexander Lippert, Southern Methodist University, Dallas, som ledde forskningen.

Den ekonomiska metoden för att forma ljus till ett oändligt antal volymetriska objekt skulle vara användbart inom en mängd olika områden, från biomedicinsk bildbehandling, utbildning och teknik, till tv, filmer, videospel och mer.

"Vår idé var att använda kemi och speciella fotoväxlingsmolekyler för att göra en 3D-skärm som ger en 360-gradersvy, "Lippert sa." Det är inte ett hologram, det är verkligen tredimensionellt strukturerat ljus. "

Nyckeln till tekniken är en molekyl som växlar mellan icke-fluorescerande och fluorescerande i reaktion på närvaro eller frånvaro av ultraviolett ljus.

Den nya tekniken är inte ett hologram, och skiljer sig från 3D-filmer eller 3D-datordesign. Det är platta skärmar som använder binokulär disparitet eller linjärt perspektiv för att få objekt att framstå som tredimensionella när de i själva verket bara har höjd och bredd och saknar en verklig volymprofil.

"När du ser en 3D-film, till exempel, det lurar din hjärna att se 3D genom att presentera två olika bilder för varje öga, " sa Lippert. "Vår display lurar inte din hjärna – vi har använt kemi för att strukturera ljus i tre faktiska dimensioner, så inga knep, bara en riktig tredimensionell ljusstruktur. Vi kallar det en 3D digital ljusfotoaktiverbar färgämnesdisplay, eller 3-D Light Pad för kort, och det är mycket mer som det vi ser i verkligheten. "

I hjärtat av SMU 3-D Light Pad-tekniken är en "photoswitch"-molekyl, som kan växla från färglös till fluorescerande när den lyser med en stråle av ultraviolett ljus.

Forskarna upptäckte en kemisk innovation för att justera fotoswitchmolekylens termiska blekningshastighet-dess avstängningsbrytare-genom att lägga till den kemiska aminbasen trietylamin.

Nu är himlen gränsen för den nya SMU 3-D Light Pad-tekniken, med tanke på de många möjliga användningsområdena, sa Lippert, en expert på fluorescens och kemiluminescens - använder kemi för att utforska interaktionen mellan ljus och materia.

Till exempel, konferenssamtal kunde kännas mer som möten ansikte mot ansikte med volymetriska 3D-bilder projicerade på stolar. Bygg- och tillverkningsprojekt kan gynnas av att göra dem först i 3D för att observera och diskutera rumslig information i realtid. För militären, användningsområden kan innefatta taktiska 3D-replikationer av slagfält på land, i luften, under vatten eller till och med i rymden.

Volumetrisk 3-D kan också gynna det medicinska området.

"Med riktiga 3D-resultat av en MRT, radiologer kunde lättare känna igen abnormiteter som cancer, " sa Lippert. "Jag tror att det skulle ha en betydande inverkan på människors hälsa eftersom en faktisk 3-D-bild kan ge mer information."

Till skillnad från 3D-utskrift, volymetriskt 3D-strukturerat ljus kan enkelt animeras och ändras för att rymma en förändring i designen. Också, flera personer kan samtidigt se olika sidor av volymetrisk display, tänkbart göra nöjesparker, reklam, 3D-filmer och 3D-spel mer verklighetstrogna, visuellt övertygande och underhållande.

Lippert och hans team rapporterar om den nya tekniken och upptäckten som gjorde det möjligt i artikeln "En volymetrisk tredimensionell digital ljusfotoaktiverbar färgskärm, " publicerad i tidskriften Naturkommunikation .

Medförfattare är Shreya K.Patel, huvud författare, och Jian Cao, båda studenterna vid SMU Institutionen för kemi.

En idés ursprung - filmisk inspiration

Idén att forma ljus till volymetriska animerade 3D-objekt kom från Lipperts barndomsfascination för filmen "Star Wars". Specifikt inspirerades han när R2-D2 projekterar ett hologram av prinsessan Leia. Lipperts intresse fortsatte med holodecket i "Star Trek:The Next Generation".

"Som liten försökte jag hela tiden tänka på ett sätt att uppfinna detta, "Lippert sa." När jag väl fick en bakgrund inom kemimolekyler som interagerar med ljus, och förståelse för fotoswitchar, Det gick till slut upp för mig att jag kunde ta två ljusstrålar och använda kemi för att manipulera ljusemissionen."

Nyckeln till den nya tekniken var att upptäcka hur man stänger av och sätter på den kemiska fotoswitchen direkt, och generera ljusutsläpp från skärningspunkten mellan två olika ljusstrålar i en lösning av det fotoaktiverbara färgämnet, han sa.

SMU doktorand i kemi Jian Cao antog att den aktiverade fotobrytaren skulle stängas av snabbt genom att lägga till basen. Han hade rätt.

"Den kemiska innovationen var vår upptäckt att genom att tillsätta en droppe trietylamin, vi kunde ställa in termisk blekning så att den omedelbart går från en rosa lösning till en klar lösning, "Lippert sa." Utan en bas, aktiveringen med UV -ljus tar minuter till timmar att blekna och stängas av, vilket är ett problem om du försöker göra en bild. Vi ville att reaktionshastigheten med UV -ljus skulle vara mycket snabb, få den att slås på. Vi ville också att off-rate skulle vara väldigt snabb så att bilden inte blöder. "

SMU 3-D Light Pad

När du väljer bland olika färgbrytare för foton, forskarna bosatte sig på N-fenylspirolaktam-rodaminer. Den specifika klassen rhodaminfärgämnen beskrevs först i slutet av 1970-talet och utnyttjades av Stanford Universitets Nobelprisvinnande W.E. Moerner.

Färgämnet absorberar ljus i det synliga området, vilket gör det lämpligt att fluorescera ljus. Lyser med UV -strålning, specifikt, utlöser en fotokemisk reaktion och tvingar den att öppna sig och bli fluorescerande.

Att stänga av UV-ljusstrålen stänger av fluorescensen, minskar ljusspridning, och gör reaktionen reversibel-perfekt för att skapa en animerad 3D-bild som slås på och av.

"Att lägga till trietylamin för att stänga av och slå på snabbt var en viktig kemisk upptäckt som vi gjorde, sa Lippert.

För att få fram en synlig bild behövde de fortfarande en installation för att strukturera ljuset.

Strukturljus i en bordsdisplay

Forskarna började med en specialbyggd, bordsskiva, Kvartsglasbildkammare 50 millimeter gånger 50 millimeter gånger 50 millimeter för att hysa fotobrytaren och för att fånga ljus.

Inuti använde de ett flytande lösningsmedel, diklormetan, som matrisen för att lösa N-fenylspirolaktam-rodamin, det fasta, vitt kristallint fotoväxelfärgämne.

Därefter projicerade de mönster i kammaren för att strukturera ljus i två dimensioner. De använde en projektor från Digital Light Processing (DLP) som köptes på Best Buy för bestrålning av synligt ljus.

DLP -projektorn, som reflekterar synligt ljus via en rad mikroskopiskt små speglar på ett halvledarchip, projicerade en stråle av grönt ljus i form av en kvadrat. För UV -ljus, forskarna lyste en serie UV-ljusstänger från en specialtillverkad 385-nanometer Light-Emitting Diode-projektor från motsatt sida.

Där ljuset skärs och blandas i kammaren, det visades ett mönster av tvådimensionella rutor staplade över kammaren. Optimerade filteruppsättningar eliminerade blå bakgrundsljus och tillät endast rött ljus att passera.

För att få en statisk 3D-bild, de mönstrade ljuset i båda riktningarna, med en triangel från UV och en grön triangel från det synliga, ger en pyramid i korsningen, sa Lippert.

Därifrån, en av de första animerade 3D-bilderna forskarna skapade var SMU-maskoten, Peruna, en racing mustang.

"För Peruna – realtids 3D-animation – hittade SMU-studenten Shreya Patel ett sätt att stråla ut en UV-ljusbar och hålla den stadig, projicera sedan med grönt ljus en film av mustangen som körs, sa Lippert.

Så lång renässans

Dagens 3D-bilder dateras till den italienska renässansen och dess ledande arkitekt och ingenjör.

"Brunelleschi under sitt arbete med Johannes dopkapellet var den första att använda den matematiska representationen av linjärt perspektiv som vi nu kallar 3-D. Det är så konstnärer använde visuella knep för att få en 2-D-bild att se 3-D, "Lippert sa." Parallella linjer konvergerar vid en försvinnande punkt och ger en stark känsla av 3D. Det är ett användbart knep, men det är slående att vi fortfarande använder en 500 år gammal teknik för att visa 3D-information."

SMU 3-D Light Pad-tekniken, patenterad 2016, har ett antal fördelar jämfört med andras samtida försök att skapa en volymetrisk display men som inte har visat sig vara kommersiellt gångbara.

Några av dem har varit skrymmande eller svåra att justera, medan andra använder dyra sällsynta jordartsmetaller, eller lita på kraftfulla lasrar som är både dyra och något farliga.

SMU 3-D Light Pad använder lägre ljuskrafter, som inte bara är billigare utan också säkrare. Matrisen för displayen är också ekonomisk, och det finns inga rörliga delar att tillverka, underhålla eller bryta ner.

Lippert och hans team tillverkade SMU 3-D Light Pad för under $ 5, 000 genom ett anslag från SMU University Research Council.

"För en riktigt blygsam investering har vi gjort något som kan konkurrera med dyrare $ 100, 000 system, "Lippert sa." Vi tror att vi kan optimera detta och få ner det till ett par tusen dollar eller ännu lägre. "

Nästa generation:SMU 3-D Light Pad 2.0

Upplösningskvaliteten för ett 2-D digitalt fotografi anges i pixlar. Ju fler pixlar, desto skarpare och högre kvalitet. Liknande, 3D-objekt mäts i voxel-en pixel men med volym. Den nuvarande 3-D Light Pad kan generera mer än 183, 000 voxlar, och helt enkelt skalning av volymstorleken bör öka antalet voxlar till miljoner - lika med antalet speglar i DLP -mikromirror.

För deras visning, SMU -forskarna ville ha högsta möjliga upplösning, mätt i termer av minimiavståndet mellan två av staplarna. De uppnådde 200 mikron, vilket jämför sig positivt med 100 mikron för en vanlig TV -skärm eller 200 mikron för en projektor.

Målet är nu att flytta bort från ett flytande kärl med lösningsmedel för displayen till en solid kubbordsdisplay. Optisk polymer, till exempel, skulle väga ungefär samma som en TV-apparat. Lippert leker också med tanken på en aerosoldisplay.

Forskarna hoppas kunna expandera från en svartvit röd bild till äkta färg, baserat på att blanda rött, grönt och blått ljus. De arbetar för att optimera optiken, grafikmotor, linser, projektorteknik och fotoväxlingsmolekyler.

"Jag tycker att det är ett mycket fascinerande område. Allt vi ser - all färg vi ser - härrör från ljusets interaktion med materia, "Lippert sa." Molekylerna i ett objekt absorberar en våglängd av ljus och vi ser allt annat som reflekteras. Så när vi ser blått, det är för att objektet absorberar allt rött ljus. Vad mer, det är faktiskt fotoswitchmolekyler i våra ögon som startar processen med att översätta olika våglängder av ljus till den medvetna färgen. Det är den grundläggande kemin och den bygger hela vår visuella värld. Att vara nedsänkt i kemi varje dag - det är filtret som jag ser allt igenom. "

SMU -upptäckten och ny teknik, Lippert sa, tala om kraften att uppmuntra små barn.

"De kommer inte att lösa alla världens problem när de är sju år, "men han får idéer och om de får näring när barn växer upp kan de uppnå saker som vi aldrig trodde var möjliga."