Een extra dimensie in weergavetechnologie

Hoewel we in 3D zien, bestaan ​​de meeste afbeeldingen alleen in 2D. Zelfs slimme pogingen om overtuigende driedimensionale representaties van objecten te maken - stereoscopen uit het Victoriaanse tijdperk, brillen met groene en rode lenzen voor B-films uit de jaren 50, zelfs verfijnde holografische afbeeldingen - alles wordt in het werk gesteld om de illusie van drie dimensies te creëren op een tweedimensionale oppervlakte.

Nu heeft Elizabeth Downing, een voormalige afgestudeerde technische student aan de Stanford University die ondernemer is geworden, een heel andere benadering gekozen door een echt 3D-scherm te bouwen. Hoewel klein en rudimentair, kan haar 'proof-of-principle'-uitvinding - een blok speciaal glas ter grootte van een suikerklontje - tot leven komen met dansende kleuren die hoogte, breedte en, belangrijker nog, diepte vertonen.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van mei 1997

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

De nieuwe technologie creëert geen afbeelding die driedimensionaal lijkt, zegt Downing, maar produceert een afbeelding die in drie dimensies is getekend. Hierdoor legt het weinig beperkingen op aan de kijkhoek of het aantal mensen dat de beelden tegelijkertijd kan bekijken. Bovendien zijn de beelden emitterend - ze gloeien in plaats van reflecteren - zodat kijkers ze gemakkelijk kunnen zien onder gewoon kamerlicht zonder speciale bril of hoofddeksel.

De unieke kenmerken van het scherm lijken het een natuurlijke keuze te maken voor mogelijk gebruik in bijvoorbeeld medische diagnostische beeldvormingssystemen, arcade-spellen, computerondersteunde ontwerptools en luchtverkeersleidingsmonitoren. Het display kan ook worden gebruikt als hulpmiddel voor wetenschappelijke visualisatie voor het analyseren van weerpatronen, luchtstromen rond een vliegtuig en andere complexe multidimensionale gegevenssets.

Het gepatenteerde apparaat, dat nu op de markt wordt gebracht door het nieuwe bedrijf van Downing, 3D Technology Laboratories of Mountain View, Californië, maakt gebruik van een paar infraroodlasers om selectief fluorescerende metaaldeeltjes te exciteren die zijn opgehangen in een doorzichtige glazen kubus van 1,5 centimeter aan een kant. Wanneer deze speciale additieven van zeldzame aardmetalen (ook wel doteerstoffen genoemd) tijdens de productie in het gesmolten glas worden gemengd, verdelen ze zich gelijkmatig over het glas, zoals chocoladeschilfers in een koekje, zegt Downing. Wanneer een plek in het gestolde glas wordt verlicht met onzichtbaar infrarood licht, gloeien de kleine onzuiverheden helder op.

De mogelijkheid om realtime volumetrische gegevens in echte driedimensionale vorm te visualiseren, is al tientallen jaren de heilige graal van inspanningen op het gebied van display-ontwikkeling. En hoewel het concept van het afbeelden van 3D-objecten in fluorescerend glas minstens teruggaat tot het midden van de jaren zestig, slaagden onderzoekers van Battelle Laboratories in Columbus, Ohio er pas in het begin van de jaren zeventig in om twee vage lichtpunten te genereren in een kristal van erbium- gedoteerd calciumfluoride met behulp van licht van hoge intensiteit van xenonlampen, vergelijkbaar met dat van halogeenbronnen. Maar dat was voor zover ze kwamen.

Downing realiseerde zich dat er sindsdien goedkope maar krachtige lasers en nieuwe optische materialen beschikbaar waren gekomen. Hij werkte als ingenieur aan op laser gebaseerde apparatuur in het technologiecentrum van FMC Corp. hand. Toen ze in 1988 naar Stanford kwam voor verdere graduate studies, zette ze haar onderzoek naar 3D-schermen voort met Lambertus Hesselink, een professor in elektrotechniek aan de universiteit, en ontving een US Navy-beurs van $ 350.000 en aanvullende steun van het Defense Advanced Research Projects Agency om het concept.

Het prototype display dat ze ontwikkelde is gebaseerd op een principe genaamd upconversion. Bepaalde zeldzame-aarde-elementen vertonen dit fenomeen door zichtbaar licht uit te zenden wanneer ze snel achter elkaar worden geraakt door twee infrarode laserstralen van bepaalde golflengten. Geen van beide bundels heeft genoeg energie om zelf fluorescentie te veroorzaken, legt Downing uit, maar de gecombineerde energie van de twee kan een ion in het glas doen gloeien.

Wanneer het ion, dat normaal gesproken op zijn laagste energieniveau blijft, energie van de eerste laser absorbeert, maakt het een overgang naar een tussenliggende geëxciteerde fase, waar het voor een korte tijd blijft. Wanneer een ion in deze fase wordt geraakt door de tweede laserstraal, absorbeert het energie bij de tweede golflengte, ondergaat het een overgang naar een nog meer aangeslagen toestand en zendt het het grootste deel van zijn overtollige energie opnieuw uit als een enkel foton van zichtbaar licht terwijl het vervalt terug naar zijn grondtoestand.

Om het prototypedisplay in staat te stellen kleurenbeelden te produceren, assembleerde Downing de kleine glazen kubus uit drie lagen fluorideglas, ontwikkeld voor commerciële glasvezellasers en optische versterkers. Elke laag bevat ionen die een van de drie additieve primaire kleuren uitstralen - een laag die is gedoteerd met praesodymium gloeit rood, een andere met erbium gloeit groen en een derde met thullium gloeit blauw.

Toegewezen adressen neerslaan op precieze punten op elke glaslaag. Door een paar laserscanners te programmeren die ze van optische schijfspelers had geleend, kon ze de laserstralen zowel verticaal en horizontaal als achteruit en vooruit door de kubus richten. Door precies te bepalen waar de twee onzichtbare laserstralen elkaar kruisten in het transparante glas, was ze in staat om een ​​fluorescerend additief van een bepaalde kleur te verlichten - net zoals een elektronenstraal bepaalde fosforen op een kleurentelevisiescherm verlicht - om het gewenste beeld te produceren.

Elk ingeschakeld lichtpunt, een volume-element of voxel genoemd, is als een bommenwerper uit de Tweede Wereldoorlog gevangen in de kruising van twee zoeklichtstralen. Voxels zijn echter klein. In feite produceren bundels met een diameter van 100 micron ongeveer 300 voxels rond de omtrek van een cirkel met een diameter van één centimeter.

Het display in het eerste prototype van Downing bestaat uit een stapel van slechts drie afzonderlijke glaslagen die aan elkaar zijn gelijmd met een optisch compatibele lijm om een ​​composietstructuur te vormen. De uitvinder is echter van plan een 3D-kleurensysteem op grotere schaal te bouwen door veel dunne gedoteerde lagen samen te stellen die zijn gerangschikt in een herhaalde reeks - rood, blauw, groen; rood, blauw, groen; enzovoort, om het maken van kleurenafbeeldingen met een hoge resolutie mogelijk te maken. Downing is zelfs al begonnen met het evalueren van nieuwe displaymaterialen en is begonnen aan haar volgende project (waarvoor ze naar eigen zeggen durfkapitaalfinanciering heeft ontvangen): een display bouwen met een glazen kubus van 6 inch.

zich verstoppen