По словам химика Александра Липперта из Южного методистского университета в Далласе, руководившего исследованием, новая технология использует молекулы фотопереключателя для создания трехмерных световых структур, которые можно рассматривать с 360 градусов.Экономичный метод преобразования света в бесконечное количество объемных объектов может быть полезен в самых разных областях, от биомедицинской визуализации, образования и инженерии до телевидения, фильмов, видеоигр и т. Д.«Наша идея заключалась в том, чтобы использовать химию и специальные молекулы фотопереключателей, чтобы создать трехмерный дисплей, обеспечивающий обзор в 360 градусов», — сказал Липперт. «Это не голограмма, это действительно трехмерно структурированный свет».Ключом к технологии является молекула, которая переключается между нефлуоресцентным и флуоресцентным светом в ответ на присутствие или отсутствие ультрафиолетового света.
Новая технология не является голограммой и отличается от трехмерных фильмов или трехмерного компьютерного дизайна. Это плоские дисплеи, которые используют бинокулярную диспаратность или линейную перспективу, чтобы объекты выглядели трехмерными, хотя на самом деле они имеют только высоту и ширину и не имеют истинного профиля объема.«Когда вы, например, смотрите трехмерный фильм, ваш мозг обманывает вас, чтобы увидеть трехмерное изображение, представляя каждому глазу два разных изображения», — сказал Липперт. «Наш дисплей не обманывает ваш мозг — мы использовали химию для структурирования света в трех реальных измерениях, поэтому никаких уловок, только настоящая трехмерная световая структура. Мы называем это трехмерным цифровым световым фотоактивируемым дисплеем с красителем или Для краткости 3-D Light Pad, и это больше похоже на то, что мы видим в реальной жизни ».
В основе технологии SMU 3-D Light Pad лежит молекула «фотопереключатель», которая может переключаться с бесцветной на флуоресцентную при освещении лучом ультрафиолетового света.Исследователи обнаружили химическое новшество для настройки скорости теплового затухания молекулы фотопереключателя — ее включения-выключения — путем добавления к ней химического аминного основания триэтиламина.«Теперь небо — это предел для новой технологии SMU 3-D Light Pad, учитывая множество возможных применений», — сказал Липперт, эксперт по флуоресценции и хемилюминесценции, — используя химию для изучения взаимодействия между светом и веществом.
Например, конференц-связь может быть больше похожа на личную встречу с объемными трехмерными изображениями, проецируемыми на стулья. Строительные и производственные проекты могут выиграть от визуализации их в первую очередь в 3-D для наблюдения и обсуждения пространственной информации в реальном времени. В вооруженных силах могут использоваться тактические трехмерные копии полей сражений на суше, в воздухе, под водой или даже в космосе.
Объемное трехмерное изображение также может принести пользу медицинской области.«С реальными трехмерными результатами МРТ рентгенологи могут легче распознать аномалии, такие как рак», — сказал Липперт. «Я думаю, что это окажет значительное влияние на здоровье человека, потому что реальное трехмерное изображение может предоставить больше информации».В отличие от трехмерной печати, объемный трехмерный структурированный свет легко анимируется и изменяется в соответствии с изменением дизайна.
Кроме того, несколько человек могут одновременно просматривать различные стороны объемного дисплея, что, возможно, делает парки развлечений, рекламу, трехмерные фильмы и трехмерные игры более реалистичными, визуально привлекательными и интересными.Липперт и его команда сообщают о новой технологии и открытии, сделавшем это возможным, в статье «Объемный трехмерный цифровой световой фотоактивируемый краситель», опубликованной в журнале Nature Communications. Технологии и созданные изображения можно просмотреть в этом видео, https://www.youtube.com/watch?v=HsexvB2696o.Соавторы — Шрея К. Патель, ведущий автор, и Цзянь Цао, студенты химического факультета СМУ.
Генезис идеи — кинематографическое вдохновениеИдея преобразовать свет в объемные анимированные трехмерные объекты возникла в детстве, когда Липперт увлекся фильмом «Звездные войны». В частности, он был вдохновлен, когда R2-D2 проецирует голограмму принцессы Леи.
Интерес Липперта продолжился в голодеке в «Звездном пути: Следующее поколение».«В детстве я пытался придумать способ изобрести это», — сказал Липперт. «Затем, когда я получил знания в области химии молекул, которые взаимодействуют со светом, и понимание фотопереключателей, меня наконец осенило, что я могу взять два луча света и использовать химию для управления излучением света».По его словам, ключом к новой технологии было открытие, как мгновенно включать и выключать химический фотопереключатель, а также генерировать световое излучение от пересечения двух разных световых лучей в растворе фотоактивируемого красителя.
Аспирант SMU по химии Цзянь Цао предположил, что активированный фотопереключатель быстро отключится при добавлении основания. Он был прав.«Химическая инновация была нашим открытием, что, добавив одну каплю триэтиламина, мы могли настроить скорость термического выцветания так, чтобы он мгновенно переходил от розового раствора к прозрачному», — сказал Липперт. «Без базы для активации УФ-светом требуется от нескольких минут до нескольких часов, чтобы снова исчезнуть и выключиться, что является проблемой, если вы пытаетесь создать изображение. Мы хотели, чтобы скорость реакции с УФ-светом была очень высокой, поэтому он включается.
Мы также хотели, чтобы скорость смещения была очень быстрой, чтобы изображение не расплывалось ".SMU 3-D Light PadВыбирая среди различных красителей для фотопереключателей, исследователи остановились на родаминах N-фенилспиролактама. Этот конкретный класс родаминовых красителей был впервые описан в конце 1970-х годов и использовался лауреатом Нобелевской премии Стэнфордского университета W.E.
Моернер.Краситель поглощает свет в видимой области, что делает его подходящим для флуоресценции. В частности, освещение его УФ-излучением вызывает фотохимическую реакцию и заставляет его открываться и становиться флуоресцентным.Отключение УФ-луча отключает флуоресценцию, уменьшает рассеяние света и делает реакцию обратимой — идеально для создания анимированного трехмерного изображения, которое включается и выключается.
«Добавление триэтиламина для быстрого выключения и быстрого включения было ключевым химическим открытием, которое мы сделали», — сказал Липперт.Чтобы получить видимое изображение, им все еще требовалась установка для структурирования света.Структурирование света в настольном дисплееИсследователи начали с изготовленной по индивидуальному заказу настольной камеры из кварцевого стекла размером 50 на 50 на 50 миллиметров, в которой размещался фотопереключатель и улавливался свет.
Внутри они использовали жидкий растворитель, дихлорметан, в качестве матрицы для растворения N-фенилспиролактама родамина, твердого белого кристаллического красителя фотопереключателя.Затем они спроецировали узоры в камеру, чтобы структурировать свет в двух измерениях.
Они использовали стандартный проектор с цифровой обработкой света (DLP), купленный в Best Buy, для излучения видимого света.Проектор DLP, который отражает видимый свет через массив микроскопически крошечных зеркал на полупроводниковом кристалле, проецирует луч зеленого света в форме квадрата. Что касается ультрафиолетового света, исследователи засветили серию полос ультрафиолетового света от специально изготовленного светоизлучающего диодного проектора с длиной волны 385 нанометров с противоположной стороны.
Там, где свет пересекался и смешивался в камере, был виден узор из двумерных квадратов, уложенных по всей камере. Оптимизированные наборы фильтров устраняют синий фоновый свет и пропускают только красный свет.По словам Липперта, чтобы получить статическое трехмерное изображение, они разместили свет в обоих направлениях: треугольник от УФ и зеленый треугольник от видимого, в результате получилась пирамида на пересечении.
Отсюда одним из первых анимированных трехмерных изображений, созданных исследователями, стал талисман SMU, Перуна, гоночный мустанг.«Для Перуны — трехмерная анимация в реальном времени — студентка SMU Шрейя Патель нашла способ направить полосу ультрафиолетового света и держать ее устойчивой, а затем спроецировать с зеленым светом фильм бегущего мустанга», — сказал Липперт.
Так долго ренессансСегодняшние трехмерные изображения относятся к эпохе итальянского Возрождения и его ведущему архитектору и инженеру.
«Брунеллески во время своей работы над Баптистерием Святого Иоанна был первым, кто использовал математическое представление линейной перспективы, которое мы теперь называем трехмерным. Вот как художники использовали визуальные приемы, чтобы сделать двухмерное изображение трехмерным, "Сказал Липперт. «Параллельные линии сходятся в точке схода и дают сильное ощущение трехмерности. Это полезный трюк, но поразительно, что мы все еще используем технику 500-летней давности для отображения трехмерной информации».
Технология SMU 3-D Light Pad, запатентованная в 2016 году, имеет ряд преимуществ по сравнению с современными попытками других разработчиков создать объемный дисплей, но они не стали коммерчески жизнеспособными.Некоторые из них были громоздкими или трудными для юстировки, в то время как другие используют дорогие редкоземельные металлы или полагаются на мощные лазеры, которые одновременно дороги и в некоторой степени опасны.
SMU 3-D Light Pad использует меньшую мощность света, что не только дешевле, но и безопаснее. Матрица для дисплея также экономична, и в ней нет движущихся частей, которые нужно изготовить, обслужить или сломать.
Липперт и его команда изготовили 3-D Light Pad SMU менее чем за 5000 долларов за счет гранта Исследовательского совета Университета SMU.«За действительно скромные инвестиции мы сделали то, что может конкурировать с более дорогими системами за 100 000 долларов», — сказал Липперт. «Мы думаем, что сможем это оптимизировать и снизить до пары тысяч долларов или даже ниже».
Следующее поколение: SMU 3-D Light Pad 2.0Качество разрешения двумерной цифровой фотографии указывается в пикселях. Чем больше пикселей, тем четче и качественнее изображение.
Точно так же трехмерные объекты измеряются в вокселях — пикселях, но с объемом. Текущая 3-D Light Pad может генерировать более 183 000 вокселей, и простое масштабирование размера объема должно увеличить количество вокселей до миллионов, что равно количеству зеркал в массивах микрозеркал DLP.Для своего дисплея исследователи SMU хотели максимально возможное разрешение, измеренное с точки зрения минимального расстояния между любыми двумя полосами.
Они достигли 200 микрон, что выгодно отличается от 100 микрон для стандартного телевизионного дисплея или 200 микрон для проектора.Теперь цель состоит в том, чтобы перейти от жидкой емкости с растворителем для дисплея к дисплею в виде твердого куба.
Оптический полимер, например, будет весить примерно столько же, сколько телевизор. Липперт также играет с идеей аэрозольного дисплея.
Исследователи надеются перейти от монохромного красного изображения к истинному цвету, основанному на смешении красного, зеленого и синего света. Они работают над оптимизацией оптики, графического движка, линз, проекторов и молекул фотопереключателей.«Я думаю, что это очень интересная область.
Все, что мы видим — весь цвет, который мы видим, — возникает в результате взаимодействия света с материей», — сказал Липперт. «Молекулы в объекте поглощают свет определенной длины, и мы видим все остальное, что отражается. Итак, когда мы видим синий, это потому, что объект поглощает весь красный свет.
Более того, на самом деле это молекулы фотопереключателя в наших глазах, которые начать процесс преобразования различных длин волн света в сознательное восприятие цвета. Это фундаментальная химия, и она строит весь наш визуальный мир. Ежедневное погружение в химию — это фильтр, через который я все вижу ».
Открытие SMU и новые технологии, сказал Липперт, говорят о силе поощрения маленьких детей.«Когда им исполнится семь лет, они не решат всех мировых проблем», — сказал он. «Но идеи рождаются, и если их взращивать по мере взросления детей, они могут достичь того, что мы никогда не считали возможным».