Una dimensión añadida en la tecnología de visualización

Si bien vemos en 3D, la mayoría de las imágenes existen solo en 2D. Incluso los intentos ingeniosos de realizar representaciones tridimensionales convincentes de objetos (estereoscopios de la era victoriana, anteojos con lentes verdes y rojos para películas B de la década de 1950, incluso imágenes holográficas sofisticadas) se esfuerzan por crear la ilusión de tres dimensiones en una imagen bidimensional. superficie.



Ahora Elizabeth Downing, una ex estudiante de ingeniería graduada de la Universidad de Stanford convertida en emprendedora, ha adoptado un enfoque completamente diferente al construir una pantalla 3D real. Aunque pequeña y rudimentaria, su invención de prueba de principio, un bloque de vidrio especial del tamaño de un terrón de azúcar, puede cobrar vida con colores danzantes que exhiben altura, ancho y, lo más importante, profundidad.

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Esta historia fue parte de nuestro número de mayo de 1997





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La nueva tecnología no crea una imagen que parece ser tridimensional, dice Downing, en realidad produce una imagen que se dibuja en tres dimensiones. Como resultado, impone pocas restricciones al ángulo de visión o al número de personas que pueden observar las imágenes al mismo tiempo. Además, las imágenes son emisoras, brillan en lugar de reflejarse, por lo que los espectadores pueden verlas fácilmente bajo la luz de una habitación normal sin gafas especiales o accesorios para la cabeza.

Las características únicas de la pantalla parecen hacerla natural para su uso potencial en, por ejemplo, sistemas de diagnóstico por imágenes médicas, juegos de arcade, herramientas de diseño asistido por computadora y monitores de control de tráfico aéreo. La pantalla también podría emplearse como una ayuda de visualización científica para analizar patrones climáticos, flujos de aire alrededor de una aeronave y otros conjuntos complejos de datos multidimensionales.

El dispositivo patentado, que ahora comercializa la nueva empresa de Downing, 3D Technology Laboratories de Mountain View, California, utiliza un par de láseres infrarrojos para excitar selectivamente partículas metálicas fluorescentes suspendidas en un cubo de vidrio transparente de 1,5 centímetros de lado. Cuando estos aditivos especiales de metales de tierras raras (también llamados dopantes) se mezclan en el vidrio fundido durante la fabricación, se distribuyen uniformemente por todo el vidrio como chispas de chocolate en una galleta, dice Downing. Cuando un punto dentro del vidrio solidificado se ilumina con luz infrarroja invisible, las pequeñas impurezas brillan intensamente.



La capacidad de visualizar datos volumétricos en tiempo real en forma tridimensional real ha sido el Santo Grial de los esfuerzos de desarrollo de pantallas durante décadas. Y aunque el concepto de representar objetos 3D en vidrio fluorescente se remonta al menos a mediados de la década de 1960, los investigadores de Battelle Laboratories en Columbus, Ohio, no lograron generar dos puntos débiles de luz dentro de un cristal de erbio hasta principios de la década de 1970. fluoruro de calcio dopado utilizando luz de alta intensidad de lámparas de xenón, similar a la generada por fuentes halógenas. Pero eso fue todo lo que consiguieron.

Al darse cuenta de que desde entonces había disponibles láseres económicos pero potentes y nuevos materiales ópticos, Downing, que trabajaba como ingeniero en equipos basados ​​en láser en el Centro de Tecnología de FMC Corp. en Santa Clara, California, creía que era el momento de desarrollar la tecnología. mano. Cuando llegó a Stanford para realizar más estudios de posgrado en 1988, continuó su investigación sobre pantallas 3D con Lambertus Hesselink, profesor de ingeniería eléctrica en la universidad, y recibió una subvención de la Marina de los EE. UU. De $ 350,000 y apoyo adicional de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa para continuar. el concepto.

El prototipo de pantalla que desarrolló se basa en un principio llamado conversión ascendente. Ciertos elementos de tierras raras exhiben este fenómeno al emitir luz visible cuando son golpeados en rápida sucesión por dos rayos láser infrarrojos de longitudes de onda determinadas. Ninguno de los dos rayos tiene energía suficiente para causar fluorescencia por sí mismo, explica Downing, pero la energía combinada de los dos puede hacer que un ión en el vidrio brille.

Cuando el ion, que normalmente permanece en su nivel de energía más bajo, absorbe energía del primer láser, hace una transición a una fase excitada intermedia, donde permanece por un corto tiempo. Cuando un ion en esta fase es golpeado por el segundo rayo láser, absorbe energía en la segunda longitud de onda, experimenta una transición a un estado aún más excitado y reemite la mayor parte de su exceso de energía como un solo fotón de luz visible a medida que se desintegra. de vuelta a su estado fundamental.



Para permitir que la pantalla prototipo produzca imágenes en color, Downing ensambló el pequeño cubo de vidrio a partir de tres capas de vidrio fluorado desarrollado para láseres de fibra óptica comerciales y amplificadores ópticos. Cada capa contiene iones que emiten uno de los tres colores primarios aditivos: una capa dopada con praesodimio se ilumina en rojo, otra con erbio se ilumina en verde y una tercera con thulio se ilumina en azul.

Downing asignó direcciones a puntos precisos en cada capa de vidrio. Luego, al programar un par de escáneres láser que tomó prestados de reproductores de discos ópticos, pudo dirigir los rayos láser vertical y horizontalmente, así como hacia atrás y hacia adelante a través del cubo. Al controlar exactamente dónde se cruzaban los dos rayos láser invisibles en el vidrio transparente, pudo iluminar un aditivo fluorescente de un color determinado, muy parecido a un haz de electrones que ilumina fósforos particulares en una pantalla de televisión en color, para producir la imagen deseada.

Cada punto de luz encendido, llamado elemento de volumen o vóxel, es como un bombardero de la Segunda Guerra Mundial atrapado en la intersección de dos haces de reflectores. Sin embargo, los vóxeles son pequeños. De hecho, los haces enfocados a un diámetro de 100 micrones, producen aproximadamente 300 vóxeles alrededor del perímetro de un círculo de un centímetro de diámetro.

robot corriendo por el bosque

La pantalla del prototipo inicial de Downing está compuesta por una pila de solo tres capas de vidrio individuales pegadas con un adhesivo ópticamente compatible para formar una estructura compuesta. Sin embargo, el inventor tiene la intención de construir un sistema de color 3D a mayor escala ensamblando muchas capas delgadas dopadas dispuestas en una secuencia repetida: rojo, azul, verde; rojo, azul, verde; y así sucesivamente, para permitir la creación de imágenes en color de alta resolución. De hecho, Downing ya ha comenzado a evaluar nuevos materiales de exhibición y ha comenzado a trabajar en su próximo proyecto (para el cual dice haber recibido fondos de capital de riesgo): construir una pantalla usando un cubo de vidrio de 6 pulgadas.

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