Una dimensione aggiuntiva nella tecnologia di visualizzazione

Mentre vediamo in 3D, la maggior parte delle immagini esiste solo in 2D. Persino i tentativi intelligenti di realizzare rappresentazioni tridimensionali convincenti di oggetti - stereoscopi dell'epoca vittoriana, occhiali con lenti verdi e rosse per film di serie B degli anni '50, persino immagini olografiche sofisticate - si sforzano tutti di creare l'illusione di tre dimensioni su una superficie bidimensionale. superficie.

Ora Elizabeth Downing, un'ex studentessa di ingegneria laureata alla Stanford University diventata imprenditrice, ha adottato un approccio completamente diverso costruendo un vero display 3D. Sebbene piccola e rudimentale, la sua invenzione a prova di principio - un blocco di vetro speciale delle dimensioni di una zolletta di zucchero - può prendere vita con colori danzanti che mostrano altezza, larghezza e, soprattutto, profondità.

Questa storia faceva parte del nostro numero di maggio 1997

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La nuova tecnologia non crea un'immagine che sembra tridimensionale, dice Downing, in realtà produce un'immagine disegnata in tre dimensioni. Di conseguenza, pone poche restrizioni all'angolo di visione o al numero di persone che possono osservare le immagini contemporaneamente. Inoltre, le immagini sono emissive: brillano anziché riflettere, quindi gli spettatori possono vederle facilmente sotto la normale luce della stanza senza occhiali o copricapi speciali.

Le caratteristiche uniche del display sembrano renderlo naturale per un potenziale utilizzo, ad esempio, in sistemi di diagnostica per immagini medica, giochi arcade, strumenti di progettazione assistita da computer e monitor per il controllo del traffico aereo. Il display potrebbe anche essere impiegato come ausilio alla visualizzazione scientifica per analizzare i modelli meteorologici, i flussi d'aria intorno a un aereo e altri complessi set multidimensionali di dati.

Il dispositivo brevettato, ora commercializzato dalla nuova società di Downing, 3D Technology Laboratories di Mountain View, California, utilizza una coppia di laser a infrarossi per eccitare selettivamente particelle metalliche fluorescenti sospese in un cubo di vetro trasparente, che misura 1,5 centimetri di lato. Quando questi speciali additivi di metalli delle terre rare (chiamati anche droganti) vengono mescolati nel vetro fuso durante la produzione, si distribuiscono uniformemente in tutto il vetro come gocce di cioccolato in un biscotto, dice Downing. Quando un punto all'interno del vetro solidificato viene illuminato con luce infrarossa invisibile, le minuscole impurità si illuminano intensamente.

La capacità di visualizzare dati volumetrici in tempo reale in una vera forma tridimensionale è stata per decenni il Santo Graal degli sforzi di sviluppo del display. E mentre il concetto di rappresentazione di oggetti 3D in vetro fluorescente risale almeno alla metà degli anni '60, solo all'inizio degli anni '70 i ricercatori dei Battelle Laboratories di Columbus, Ohio, riuscirono a generare due deboli puntini di luce all'interno di un cristallo di erbio. fluoruro di calcio drogato utilizzando luce ad alta intensità da lampade allo xeno, simile a quella generata da sorgenti alogene. Ma questo era il più lontano possibile.

Rendendosi conto che da allora erano disponibili laser economici ma potenti e nuovi materiali ottici, Downing, lavorando come ingegnere su apparecchiature basate su laser presso il Technology Center di FMC Corp. a Santa Clara, in California, credeva che il momento di sviluppare la tecnologia fosse mano. Quando è venuta a Stanford per ulteriori studi universitari nel 1988, ha continuato la sua ricerca sui display 3D con Lambertus Hesselink, professore di ingegneria elettrica all'università, ricevendo una sovvenzione di $ 350.000 dalla US Navy e un supporto aggiuntivo dalla Defense Advanced Research Projects Agency per perseguire il concetto.

Il prototipo di display che ha sviluppato si basa su un principio chiamato upconversion. Alcuni elementi delle terre rare esibiscono questo fenomeno emettendo luce visibile quando colpiti in rapida successione da due raggi laser infrarossi di determinate lunghezze d'onda. Nessuno dei due raggi ha energia sufficiente per causare la fluorescenza da solo, spiega Downing, ma l'energia combinata dei due può far brillare uno ione nel vetro.

Quando lo ione, che normalmente rimane al suo livello energetico più basso, assorbe energia dal primo laser, passa ad una fase eccitata intermedia, dove rimane per un breve periodo. Quando uno ione in questa fase viene colpito dal secondo raggio laser assorbe energia alla seconda lunghezza d'onda, subisce una transizione verso uno stato ancora più eccitato e riemette la maggior parte della sua energia in eccesso come un singolo fotone di luce visibile mentre decade torna al suo stato fondamentale.

Per consentire al display del prototipo di produrre immagini a colori, Downing ha assemblato il piccolo cubo di vetro da tre strati di vetro al fluoro sviluppato per laser a fibra ottica e amplificatori ottici commerciali. Ogni strato contiene ioni che emettono uno dei tre colori primari additivi: uno strato drogato con praesodimio si illumina in rosso, un altro con erbio si illumina in verde e un terzo con tullio si illumina in blu.

Downing indirizzi assegnati a punti precisi su ogni strato di vetro. Quindi, programmando un paio di scanner laser che ha preso in prestito dai lettori di dischi ottici, è stata in grado di dirigere i raggi laser verticalmente e orizzontalmente, nonché avanti e indietro attraverso il cubo. Controllando esattamente dove i due raggi laser invisibili si incrociavano nel vetro trasparente, era in grado di illuminare un additivo fluorescente di un dato colore, proprio come un raggio di elettroni illumina particolari fosfori su uno schermo televisivo a colori, per produrre l'immagine desiderata.

Ogni punto di luce acceso, chiamato elemento volume, o voxel, è come un bombardiere della seconda guerra mondiale catturato nell'intersezione di due fasci di riflettori. Tuttavia, i voxel sono piccoli. Infatti, fasci focalizzati su un diametro di 100 micron, producono circa 300 voxel attorno al perimetro di un cerchio di un centimetro di diametro.

Il display nel prototipo iniziale di Downing è composto da una pila di soli tre singoli strati di vetro incollati insieme con un adesivo otticamente compatibile per formare una struttura composita. Tuttavia, l'inventore intende costruire un sistema di colori 3D su larga scala assemblando molti strati sottili drogati disposti in una sequenza ripetuta: rosso, blu, verde; rosso, blu, verde; e così via, per consentire la creazione di immagini a colori ad alta risoluzione. In effetti, Downing ha già iniziato a valutare nuovi materiali espositivi e ha iniziato a lavorare al suo prossimo progetto (per il quale afferma di aver ricevuto finanziamenti di capitale di rischio): costruire un display utilizzando un cubo di vetro da 6 pollici.

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