Dodatkowy wymiar w technologii wyświetlania

Chociaż widzimy w 3D, większość zdjęć istnieje tylko w 2D. Nawet sprytne próby stworzenia przekonujących trójwymiarowych reprezentacji obiektów — stereoskopy z epoki wiktoriańskiej, okulary z zielonymi i czerwonymi soczewkami do filmów klasy B z lat 50. powierzchnia.

Teraz Elizabeth Downing, była studentka inżynierii na Uniwersytecie Stanforda, która stała się przedsiębiorcą, przyjęła zupełnie inne podejście, budując prawdziwy wyświetlacz 3D. Choć mały i szczątkowy, jej wynalazek dowodu słuszności zasad – blok specjalnego szkła wielkości kostki cukru – może ożywić tańczące kolory, które wykazują wysokość, szerokość i, co najważniejsze, głębokość.

Ta historia była częścią naszego wydania z maja 1997 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Nowa technologia nie tworzy obrazu, który wydaje się być trójwymiarowy, mówi Downing, w rzeczywistości tworzy obraz narysowany w trzech wymiarach. W efekcie nakłada kilka ograniczeń na kąt widzenia czy liczbę osób, które mogą jednocześnie oglądać obrazy. Co więcej, obrazy są emisyjne — raczej świecą niż odbijają — dzięki czemu widzowie mogą je łatwo zobaczyć w zwykłym świetle pokojowym bez specjalnych okularów lub nakryć głowy.

Unikalne cechy wyświetlacza sprawiają, że jest on naturalny do potencjalnego wykorzystania na przykład w medycznych systemach diagnostycznych-obrazowych, grach zręcznościowych, narzędziach komputerowego wspomagania projektowania i monitorach do kontroli ruchu lotniczego. Wyświetlacz można również wykorzystać jako pomoc naukowo-wizualizacyjną do analizowania wzorców pogodowych, przepływów powietrza wokół samolotu i innych złożonych wielowymiarowych zestawów danych.

Opatentowane urządzenie, obecnie komercjalizowane przez nową firmę Downinga, 3D Technology Laboratories z Mountain View w Kalifornii, wykorzystuje parę laserów na podczerwień do selektywnego wzbudzania fluorescencyjnych cząstek metalicznych zawieszonych w przezroczystej szklanej kostce o boku 1,5 centymetra. Downing mówi, że kiedy te specjalne dodatki z metali ziem rzadkich (zwane również domieszkami) zostaną zmieszane ze stopionym szkłem podczas produkcji, rozprowadzają się one równomiernie po całym szkle, jak wiórki czekoladowe w ciastku. Kiedy punkt wewnątrz zestalonego szkła jest oświetlony niewidzialnym światłem podczerwonym, drobne zanieczyszczenia świecą jasno.

Możliwość wizualizacji danych wolumetrycznych w czasie rzeczywistym w prawdziwie trójwymiarowej formie była przez dziesięciolecia Świętym Graalem prac nad rozwojem wyświetlaczy. I chociaż koncepcja przedstawiania obiektów 3D w szkle fluorescencyjnym sięga co najmniej połowy lat 60., dopiero na początku lat 70. badaczom z Battelle Laboratories w Columbus w stanie Ohio udało się wygenerować dwie słabe kropki światła wewnątrz kryształu erbu. domieszkowany fluorek wapnia przy użyciu światła o dużym natężeniu z lamp ksenonowych, podobnego do generowanego przez źródła halogenowe. Ale to było tak daleko, jak dotarli.

Zdając sobie sprawę, że od tego czasu dostępne stały się niedrogie, ale potężne lasery i nowe materiały optyczne, Downing, pracując jako inżynier sprzętu laserowego w Centrum Technologicznym FMC Corp. w Santa Clara w Kalifornii, uważał, że nadszedł czas na opracowanie technologii. ręka. Kiedy w 1988 roku przyjechała do Stanford na dalsze studia magisterskie, kontynuowała badania nad wyświetlaczami 3D z Lambertusem Hesselinkiem, profesorem elektrotechniki na uniwersytecie, otrzymując grant US Navy w wysokości 350 000 USD i dodatkowe wsparcie od Agencji Zaawansowanych Projektów Badawczych Obrony. Koncepcja.

Opracowany przez nią prototyp wyświetlacza opiera się na zasadzie zwanej konwersją w górę. Pewne pierwiastki ziem rzadkich wykazują to zjawisko, emitując światło widzialne po uderzeniu w krótkich odstępach czasu przez dwie podczerwone wiązki laserowe o danych długościach fal. Żadna wiązka nie ma wystarczającej energii, aby sama wywoływać fluorescencję, wyjaśnia Downing, ale połączona energia tych dwóch może spowodować świecenie jonu w szkle.

Gdy jon, który normalnie pozostaje na najniższym poziomie energii, absorbuje energię z pierwszego lasera, przechodzi do pośredniej fazy wzbudzonej, w której pozostaje przez krótki czas. Kiedy jon w tej fazie zostanie uderzony przez drugą wiązkę lasera, absorbuje energię o drugiej długości fali, przechodzi przejście do jeszcze bardziej wzbudzonego stanu i ponownie emituje większość swojej nadwyżki energii jako pojedynczy foton światła widzialnego podczas rozpadu z powrotem do stanu podstawowego.

Aby umożliwić prototypowemu wyświetlaczowi tworzenie kolorowych obrazów, Downing zmontował mały szklany sześcian z trzech warstw szkła fluorkowego opracowanego dla komercyjnych laserów światłowodowych i wzmacniaczy optycznych. Każda warstwa zawiera jony, które emitują jeden z trzech dodatkowych kolorów podstawowych – warstwa domieszkowana praezodymem świeci na czerwono, druga z erbem świeci na zielono, a trzecia z tulem świeci na niebiesko.

Downing przypisał adresy do precyzyjnych punktów na każdej warstwie szkła. Następnie, programując parę skanerów laserowych, które pożyczyła od odtwarzaczy dysków optycznych, była w stanie skierować wiązki laserowe w pionie i poziomie, a także do tyłu i do przodu przez sześcian. Kontrolując dokładnie miejsce przecięcia się dwóch niewidzialnych wiązek laserowych w przezroczystym szkle, była w stanie oświetlić dodatek fluorescencyjny o określonym kolorze — podobnie jak wiązka elektronów oświetla poszczególne luminofory na ekranie telewizora kolorowego — w celu uzyskania pożądanego obrazu.

Każdy włączony punkt światła – zwany elementem głośności lub wokselem – jest jak bombowiec z czasów II wojny światowej złapany na skrzyżowaniu dwóch wiązek reflektorów. Jednak woksele są malutkie. W rzeczywistości wiązki skupione na średnicy 100 mikronów wytwarzają około 300 wokseli na obwodzie koła o średnicy jednego centymetra.

Wyświetlacz w początkowym prototypie Downinga składa się ze stosu tylko trzech pojedynczych warstw szkła sklejonych ze sobą za pomocą optycznie kompatybilnego kleju w celu utworzenia struktury kompozytowej. Jednak wynalazca zamierza zbudować system kolorów 3D na większą skalę, łącząc wiele cienkich domieszkowanych warstw ułożonych w powtarzającej się sekwencji - czerwony, niebieski, zielony; czerwony, niebieski, zielony; i tak dalej, aby umożliwić tworzenie kolorowych obrazów o wysokiej rozdzielczości. W rzeczywistości Downing zaczęła już oceniać nowe materiały ekspozycyjne i rozpoczęła pracę nad swoim kolejnym projektem (na który, jak twierdzi, otrzymała dofinansowanie z kapitału wysokiego ryzyka): zbudowaniem ekspozytora przy użyciu 6-calowego szklanego sześcianu.

ukryć