El sueño de un científico de proyecciones en 3-D como las que vio hace años en una película de Star Wars ha llevado a una nueva tecnología para hacer objetos de mesa animados en 3D mediante la estructuración de la luz.

La nueva tecnología utiliza moléculas de interruptor fotográfico para dar vida a estructuras de luz 3-D que se pueden ver desde 360 ​​grados. dice el químico Alexander Lippert, Universidad Metodista del Sur, Dallas, quien dirigió la investigación.

El método económico para dar forma a la luz en un número infinito de objetos volumétricos sería útil en una variedad de campos, a partir de imágenes biomédicas, educación e ingeniería, a la TV, películas, videojuegos y más.

"Nuestra idea era utilizar la química y moléculas especiales de interruptor de fotos para crear una pantalla 3D que ofreciera una vista de 360 ​​grados, "Dijo Lippert." No es un holograma, es realmente una luz estructurada en tres dimensiones ".

La clave de la tecnología es una molécula que cambia entre no fluorescente y fluorescente en reacción a la presencia o ausencia de luz ultravioleta.

La nueva tecnología no es un holograma, y difiere de las películas en 3D o del diseño de computadora en 3D. Esas son pantallas planas que utilizan la disparidad binocular o la perspectiva lineal para hacer que los objetos parezcan tridimensionales cuando en realidad solo tienen altura y ancho y carecen de un perfil de volumen real.

"Cuando ves una película en 3-D, por ejemplo, está engañando a tu cerebro para que vea 3-D al presentar dos imágenes diferentes a cada ojo, "Dijo Lippert." Nuestra pantalla no está engañando a su cerebro; hemos utilizado la química para estructurar la luz en tres dimensiones reales, así que no hay trucos, solo una estructura de luz tridimensional real. Lo llamamos una pantalla de tinte fotoactivable de luz digital 3-D, o 3-D Light Pad para abreviar, y es mucho más parecido a lo que vemos en la vida real ".

En el corazón de la tecnología SMU 3-D Light Pad se encuentra una molécula de "interruptor fotográfico", que puede cambiar de incoloro a fluorescente cuando se ilumina con un rayo de luz ultravioleta.

Los investigadores descubrieron una innovación química para ajustar la velocidad de desvanecimiento térmico de la molécula del interruptor fotoeléctrico, su interruptor de encendido y apagado, al agregarle la base de amina química trietilamina.

Ahora el cielo es el límite para la nueva tecnología SMU 3-D Light Pad, dados los muchos usos posibles, dijo Lippert, experto en fluorescencia y quimioluminiscencia, utilizando la química para explorar la interacción entre la luz y la materia.

Por ejemplo, las conferencias telefónicas podrían parecer más reuniones cara a cara con imágenes volumétricas tridimensionales proyectadas en sillas. Los proyectos de construcción y fabricación podrían beneficiarse de representarlos primero en 3-D para observar y discutir información espacial en tiempo real. Para los militares Los usos podrían incluir réplicas tácticas en 3-D de campos de batalla en tierra, en el aire, bajo el agua o incluso en el espacio.

La 3D volumétrica también podría beneficiar al campo médico.

"Con resultados reales en 3D de una resonancia magnética, Los radiólogos podrían reconocer más fácilmente anomalías como el cáncer, ", Dijo Lippert." Creo que tendría un impacto significativo en la salud humana porque una imagen real en 3-D puede proporcionar más información ".

A diferencia de la impresión 3D, La luz volumétrica estructurada en 3-D se anima y altera fácilmente para adaptarse a un cambio de diseño. También, varias personas pueden ver simultáneamente varios lados de la pantalla volumétrica, concebiblemente haciendo parques de atracciones, publicidad, Películas en 3D y juegos en 3D más realistas, visualmente atractivo y entretenido.

Lippert y su equipo informan sobre la nueva tecnología y el descubrimiento que la hizo posible en el artículo "Una pantalla de colorante fotoactivable de luz digital tridimensional volumétrica, "publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza .

Los coautores son Shreya K. Patel, autor principal, y Jian Cao, ambos estudiantes del Departamento de Química de SMU.

Génesis de una idea:inspiración cinematográfica

La idea de dar forma a la luz en objetos tridimensionales animados volumétricos surgió de la fascinación infantil de Lippert por la película "Star Wars". Específicamente, se inspiró cuando R2-D2 proyecta un holograma de la princesa Leia. El interés de Lippert continuó con la holocubierta en "Star Trek:The Next Generation".

"Cuando era niño, intentaba pensar en una forma de inventar esto, "Dijo Lippert." Luego, una vez que obtuve experiencia en química de moléculas que interactúan con la luz, y comprensión de los fotomontajes, finalmente me di cuenta de que podía tomar dos rayos de luz y usar la química para manipular la emisión de luz ".

La clave de la nueva tecnología fue descubrir cómo apagar y encender el interruptor fotográfico químico al instante, y generar emisiones de luz a partir de la intersección de dos haces de luz diferentes en una solución del tinte fotoactivable, él dijo.

El estudiante graduado de química de SMU, Jian Cao, planteó la hipótesis de que el interruptor de fotos activado se apagaría rápidamente al agregar la base. Él estaba en lo correcto.

"La innovación química fue nuestro descubrimiento de que al agregar una gota de trietilamina, Podríamos ajustar la tasa de desvanecimiento térmico para que pase instantáneamente de una solución rosa a una solución transparente, "Dijo Lippert." Sin una base, la activación con luz ultravioleta tarda de minutos a horas en desaparecer y apagarse, que es un problema si estás intentando hacer una imagen. Queríamos que la velocidad de reacción con la luz ultravioleta fuera muy rápida, haciendo que se encienda. También queríamos que la velocidad fuera muy rápida para que la imagen no se sangrara ".

Almohadilla de luz SMU 3-D

Al elegir entre varios tintes de fotocélula, los investigadores se decidieron por las rodaminas de N-fenil espirolactama. Esa clase particular de tintes de rodamina se describió por primera vez a fines de la década de 1970 y fue utilizada por W.E., ganador del premio Nobel de la Universidad de Stanford. Moerner.

El tinte absorbe la luz dentro de la región visible, haciéndolo apropiado para la luz fluorescente. Brillándolo con radiación ultravioleta, específicamente, desencadena una reacción fotoquímica y la obliga a abrirse y volverse fluorescente.

Al apagar el haz de luz ultravioleta se apaga la fluorescencia, disminuye la dispersión de la luz, y hace que la reacción sea reversible, ideal para crear una imagen 3D animada que se enciende y apaga.

"Agregar trietilamina para apagarlo y encenderlo rápidamente fue un descubrimiento químico clave que hicimos, "Dijo Lippert.

Para producir una imagen visible, todavía necesitaban una configuración para estructurar la luz.

Estructuración de la luz en una pantalla de sobremesa

Los investigadores comenzaron con un mesa, Cámara de imágenes de vidrio de cuarzo de 50 milímetros por 50 milímetros por 50 milímetros para albergar el interruptor fotográfico y capturar la luz.

Dentro desplegaron un solvente líquido, diclorometano, como la matriz en la que disolver la rodamina N-fenil espirolactama, el sólido tinte blanco cristalino para photoswitch.

A continuación, proyectaron patrones en la cámara para estructurar la luz en dos dimensiones. Utilizaron un proyector de procesamiento de luz digital (DLP) estándar comprado en Best Buy para emitir luz visible.

El proyector DLP, que refleja la luz visible a través de una matriz de espejos microscópicamente diminutos en un chip semiconductor, proyectó un rayo de luz verde en forma de cuadrado. Para luz ultravioleta, los investigadores iluminaron una serie de barras de luz ultravioleta de un proyector de diodo emisor de luz de 385 nanómetros especialmente fabricado desde el lado opuesto.

Donde la luz se cruzó y se mezcló en la cámara, se mostró un patrón de cuadrados bidimensionales apilados a lo largo de la cámara. Los conjuntos de filtros optimizados eliminaron la luz de fondo azul y permitieron que solo pasara la luz roja.

Para obtener una imagen 3D estática, modelaron la luz en ambas direcciones, con un triángulo del UV y un triángulo verde del visible, produciendo una pirámide en la intersección, Dijo Lippert.

Desde allí, una de las primeras imágenes animadas en 3-D que crearon los investigadores fue la mascota SMU, Peruna, un mustang de carreras.

"Para Peruna (animación 3D en tiempo real), el estudiante de pregrado de SMU, Shreya Patel, encontró una manera de emitir una barra de luz ultravioleta y mantenerla estable, luego proyecta con luz verde una película del mustang corriendo, "Dijo Lippert.

Hasta luego Renacimiento

Las imágenes tridimensionales actuales datan del Renacimiento italiano y de su arquitecto e ingeniero líder.

"Brunelleschi, durante su trabajo en el Baptisterio de San Juan, fue el primero en utilizar la representación matemática de la perspectiva lineal que ahora llamamos 3-D. Así es como los artistas utilizaron trucos visuales para hacer que una imagen 2-D pareciera 3-D, "Dijo Lippert." Las líneas paralelas convergen en un punto de fuga y dan una fuerte sensación de 3-D. Es un truco útil, pero llama la atención que todavía estamos usando una técnica de 500 años para mostrar información en 3-D ".

La tecnología SMU 3-D Light Pad, patentado en 2016, tiene una serie de ventajas sobre los intentos contemporáneos de otros para crear una pantalla volumétrica, pero que no han surgido como comercialmente viables.

Algunos de ellos han sido voluminosos o difíciles de alinear, mientras que otros usan costosos metales de tierras raras, o confiar en láseres de alta potencia que son caros y algo peligrosos.

La almohadilla de luz SMU 3-D usa poderes de luz más bajos, que no solo son más baratos sino más seguros. La matriz para la pantalla también es económica, y no hay partes móviles para fabricar, mantener o descomponer.

Lippert y su equipo fabricaron el SMU 3-D Light Pad por menos de $ 5, 000 a través de una subvención del Consejo de Investigación de la Universidad SMU.

"Por una inversión realmente modesta, hemos hecho algo que puede competir con $ 100 más costosos, 000 sistemas, ", Dijo Lippert." Creemos que podemos optimizar esto y reducirlo a un par de miles de dólares o incluso menos ".

Próxima generación:SMU 3-D Light Pad 2.0

La calidad de resolución de una fotografía digital 2-D se expresa en píxeles. Cuantos más píxeles, cuanto más nítida y de mayor calidad es la imagen. Similar, Los objetos tridimensionales se miden en vóxeles:un píxel pero con volumen. La almohadilla de luz 3-D actual puede generar más de 183, 000 vóxeles, y simplemente escalar el tamaño del volumen debería aumentar el número de vóxeles en millones, igual al número de espejos en las matrices de microespejos DLP.

Para su exhibición, los investigadores de SMU querían la mayor resolución posible, medido en términos del espacio mínimo entre dos barras. Alcanzaron 200 micrones, que se compara favorablemente con 100 micrones para una pantalla de TV estándar o 200 micrones para un proyector.

El objetivo ahora es pasar de una cubeta líquida de disolvente para la pantalla a una pantalla de mesa de cubos sólidos. Polímero óptico, por ejemplo, pesaría aproximadamente lo mismo que un televisor. Lippert también juega con la idea de una exhibición de aerosoles.

Los investigadores esperan expandirse de una imagen monocromática roja a color verdadero, basado en mezclar rojo, luz verde y azul. Están trabajando para optimizar la óptica, motor gráfico, lentes, tecnología de proyector y moléculas de interruptor fotográfico.

"Creo que es un área muy fascinante. Todo lo que vemos, todo el color que vemos, surge de la interacción de la luz con la materia, "Dijo Lippert." Las moléculas en un objeto están absorbiendo una longitud de onda de luz y vemos todo el resto que se refleja. Entonces, cuando vemos azul es porque el objeto está absorbiendo toda la luz roja. Y lo que es más, en realidad, son las moléculas de fototransmisión en nuestros ojos las que inician el proceso de traducir diferentes longitudes de onda de luz en la experiencia consciente del color. Esa es la química fundamental y construye todo nuestro mundo visual. Estar inmerso en la química todos los días, ese es el filtro por el que veo todo ".

El descubrimiento de SMU y la nueva tecnología, Lippert dijo:hable del poder de animar a los niños pequeños.

"No van a resolver todos los problemas del mundo cuando tengan siete años, ", dijo." Pero las ideas se siembran y si se nutren a medida que los niños crecen, pueden lograr cosas que nunca creímos posibles ".