En ekstra dimension inden for skærmteknologi

Mens vi ser i 3D, eksisterer de fleste billeder kun i 2D. Selv smarte forsøg på at lave overbevisende tredimensionelle repræsentationer af objekter - stereoskoper fra den viktorianske æra, briller med grønne og røde linser til 1950'ernes B-film, selv sofistikerede holografiske billeder - alt sammen anstrenger sig for at skabe illusionen om tre dimensioner på en todimensionel overflade.

Nu har Elizabeth Downing, en tidligere ingeniørstuderende ved Stanford University, som blev iværksætter, taget en helt anden tilgang ved at bygge en ægte 3D-skærm. Selvom den er lille og rudimentær, kan hendes principbevis-opfindelse – en blok af specielt glas i sukkerkubestørrelse – blive levende med dansende farver, der udviser højde, bredde og, vigtigst af alt, dybde.

Denne historie var en del af vores maj 1997-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Den nye teknologi skaber ikke et billede, der ser ud til at være tredimensionelt, siger Downing, det producerer faktisk et billede, der er tegnet i tre dimensioner. Som følge heraf sætter det få begrænsninger for synsvinklen eller antallet af personer, der kan observere billederne på samme tid. Desuden er billederne emissive - de lyser frem for at reflektere - så seerne nemt kan se dem under almindeligt rumlys uden specielle briller eller hovedbeklædning.

Displayets unikke egenskaber ser ud til at gøre det naturligt til potentiel brug i for eksempel medicinske billeddiagnostiske systemer, arkadespil, computerstøttede designværktøjer og flyvekontrolmonitorer. Displayet kunne også bruges som en videnskabelig visualiseringshjælp til at analysere vejrmønstre, luftstrømme omkring et fly og andre komplekse multidimensionelle datasæt.

Den patenterede enhed, der nu kommercialiseres af Downings nye virksomhed, 3D Technology Laboratories of Mountain View, Californien, bruger et par infrarøde lasere til selektivt at excitere fluorescerende metalliske partikler suspenderet i en klar glasterning, der måler 1,5 centimeter på en side. Når disse specielle sjældne jordarters metaladditiver (også kaldet dopingmidler) blandes i det smeltede glas under fremstillingen, fordeler de sig jævnt i hele glasset som chokoladechips i en småkage, siger Downing. Når en plet inde i det størknede glas oplyses med usynligt infrarødt lys, lyser de små urenheder klart.

Evnen til at visualisere volumetriske realtidsdata i ægte tredimensionel form har været den hellige gral af skærmudviklingsbestræbelser i årtier. Og mens konceptet med at afbilde 3D-objekter i fluorescerende glas i det mindste går tilbage til midten af ​​1960'erne, lykkedes det først i begyndelsen af ​​1970'erne for forskere ved Battelle Laboratories i Columbus, Ohio, at generere to svage lyspunkter inde i en krystal af erbium- doteret calciumfluorid ved hjælp af højintensitetslys fra xenonlamper, svarende til det, der genereres af halogenkilder. Men det var så langt, de nåede.

Da han indså, at billige, men kraftfulde lasere og nye optiske materialer siden var blevet tilgængelige, mente Downing, der arbejdede som ingeniør på laserbaseret udstyr ved FMC Corp.s teknologicenter i Santa Clara, Californien, at tiden til at udvikle teknologien var kl. hånd. Da hun kom til Stanford for yderligere kandidatstudier i 1988, fortsatte hun sin forskning i 3D-skærme med Lambertus Hesselink, en professor i elektroteknik ved universitetet, og modtog en US Navy-bevilling på $350.000 og yderligere støtte fra Defense Advanced Research Projects Agency til at forfølge konceptet.

Den prototypeskærm, hun udviklede, er baseret på et princip kaldet upconversion. Visse sjældne jordarters elementer udviser dette fænomen ved at udsende synligt lys, når de rammes hurtigt efter hinanden af ​​to infrarøde laserstråler med givne bølgelængder. Ingen af ​​strålerne har nok energi til at forårsage fluorescens i sig selv, forklarer Downing, men den kombinerede energi af de to kan få en ion i glasset til at gløde.

Når ionen, som normalt forbliver på sit laveste energiniveau, absorberer energi fra den første laser, laver den en overgang til en mellemexciteret fase, hvor den forbliver i kort tid. Når en ion i denne fase bliver ramt af den anden laserstråle, absorberer den energi ved den anden bølgelængde, gennemgår en overgang til en endnu mere exciteret tilstand og genudsender det meste af sin overskydende energi som en enkelt foton af synligt lys, mens den henfalder tilbage til sin grundtilstand.

For at gøre prototypen i stand til at producere farvebilleder, samlede Downing den lille glasterning af tre lag fluoridglas udviklet til kommercielle fiberoptiske lasere og optiske forstærkere. Hvert lag indeholder ioner, der udsender en af ​​de tre additive primærfarver - et lag doteret med praesodymium lyser rødt, et andet med erbium lyser grønt, og et tredje med thullium lyser blåt.

Downing tildelte adresser til præcise punkter på hvert glaslag. Ved at programmere et par laserscannere, hun lånte fra optiske diskafspillere, var hun i stand til at rette laserstrålerne lodret og vandret såvel som frem og tilbage gennem kuben. Ved at kontrollere nøjagtigt, hvor de to usynlige laserstråler krydsede i det gennemsigtige glas, var hun i stand til at oplyse et fluorescerende additiv af en given farve - meget ligesom en elektronstråle oplyser bestemte phosphorstoffer på en farve-tv-skærm - for at producere det ønskede billede.

Hvert tændt lyspunkt kaldet et volumenelement eller voxel-er som et bombefly fra Anden Verdenskrig fanget i skæringspunktet mellem to søgelysstråler. Voxels er dog små. Faktisk producerer stråler, der er fokuseret til en diameter på 100 mikron, omkring 300 voxels omkring omkredsen af ​​en cirkel en centimeter i diameter.

Displayet i Downings oprindelige prototype er sammensat af en stak af kun tre individuelle glaslag limet sammen med et optisk kompatibelt klæbemiddel for at danne en kompositstruktur. Opfinderen har imidlertid til hensigt at bygge et 3D-farvesystem i større skala ved at samle mange tynde doterede lag arrangeret i en gentagen sekvens - rød, blå, grøn; rød, blå, grøn; og så videre for at muliggøre oprettelse af farvebilleder i høj opløsning. Faktisk er Downing allerede begyndt at evaluere nye udstillingsmaterialer og er begyndt at arbejde på sit næste projekt (som hun siger, at hun har modtaget venturekapitalfinansiering for): at bygge en skærm ved hjælp af en 6-tommer glasterning.

skjule