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 crear objetos animados en 3D de mesa mediante la estructuración de la luz.
La nueva tecnología utiliza moléculas de fotoconmutadores para dar vida a estructuras de luz tridimensionales que son visibles desde 360 grados, dice el químico Alexander Lippert, de la Universidad Metodista del Sur, Dallas, que 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, desde imágenes biomédicas, educación e ingeniería, hasta TV, películas, videojuegos y más.
"Nuestra idea era utilizar la química y las moléculas especiales del fotoconmutador para hacer una pantalla tridimensional que ofrezca una vista de 360 grados", dijo Lippert. "No es un holograma, es realmente una luz estructurada tridimensionalmente".
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 el 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 yancho y falta un verdadero perfil de volumen.
"Cuando ves una película en 3-D, por ejemplo, está engañando a tu cerebro ver en 3-D presentando dos imágenes diferentes para cada ojo", dijo Lippert. "Nuestra pantalla no está engañando a tu cerebro, hemosusamos la química para estructurar la luz en tres dimensiones reales, por lo que no hay trucos, solo una estructura de luz tridimensional real. Lo llamamos una pantalla de tinte fotoactivable con luz digital 3-D, o 3-D Light Pad para abreviar, y es mucho más comolo que vemos en la vida real "
En el corazón de la tecnología SMU 3-D Light Pad hay una molécula de "fotoswitch", que puede cambiar de incoloro a fluorescente cuando se ilumina con un haz de luz ultravioleta.
Los investigadores descubrieron una innovación química para ajustar la tasa de desvanecimiento térmico de la molécula del fotoconmutador, su interruptor de encendido y apagado, al agregarle la trietilamina base de amina química.
Ahora el cielo es el límite para la nueva tecnología SMU 3-D Light Pad, dados los muchos usos posibles, dijo Lippert, un experto en fluorescencia y quimioluminiscencia, usando química para explorar la interacción entre la luz y la materia.
Por ejemplo, las llamadas en conferencia podrían sentirse más como reuniones cara a cara con imágenes tridimensionales volumétricas proyectadas en las sillas. Los proyectos de construcción y fabricación podrían beneficiarse al presentarlos primero en 3-D para observar y discutir información espacial en tiempo realPara los militares, los usos podrían incluir replicaciones tácticas en 3-D de campos de batalla en tierra, en el aire, bajo el agua o incluso en el espacio.
3-D volumétrico también podría beneficiar al campo médico.
"Con resultados tridimensionales reales de una resonancia magnética, los radiólogos podrían reconocer más fácilmente las anomalías como el cáncer", dijo Lippert. "Creo que tendría un impacto significativo en la salud humana porque una imagen tridimensional real puede proporcionar más información"
A diferencia de la impresión tridimensional, la luz estructurada tridimensional volumétrica se anima y altera fácilmente para adaptarse a un cambio en el diseño. Además, varias personas pueden ver simultáneamente varios lados de la pantalla volumétrica, posiblemente haciendo parques de atracciones, publicidad, películas tridimensionalesy juegos 3-D más realistas, visualmente atractivos y entretenidos.
Lippert y su equipo informan sobre la nueva tecnología y el descubrimiento que lo hizo posible en el artículo "Una pantalla volumétrica tridimensional de luz digital fotoactivable", publicado en la revista Comunicaciones de la naturaleza . La tecnología y las imágenes generadas se pueden ver en este video http://www.youtube.com/watch?v=HsexvB2696o .
Los coautores son Shreya K. Patel, autora principal y Jian Cao, ambos estudiantes del Departamento de Química de SMU.
Génesis de una idea - inspiración cinematográfica
La idea de transformar la luz en objetos tridimensionales animados volumétricos surgió de la fascinación infantil de Lippert con la película "Star Wars". Específicamente se inspiró cuando R2-D2 proyecta un holograma de la princesa Leia. El interés de Lippert continuó con el holodeck en "Star Trek: La próxima generación "
"Cuando era niño seguía tratando de pensar en una forma de inventar esto", dijo Lippert. "Luego, una vez que obtuve experiencia en moléculas químicas que interactúan con la luz y comprendí los fotointerruptores, finalmente me di cuenta de que yopodría tomar dos haces de luz y usar la química para manipular la emisión de luz ".
La clave de la nueva tecnología fue descubrir cómo apagar y encender instantáneamente el fotoconmutador químico y generar emisiones de luz desde la intersección de dos haces de luz diferentes en una solución del tinte fotoactivable, dijo.
El estudiante graduado en química de SMU, Jian Cao, planteó la hipótesis de que el interruptor fotográfico activado se apagaría rápidamente al agregar la base. Tenía razón.
"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 rosada a una solución clara", dijo Lippert. "Sin una base, la activacióncon la luz ultravioleta, la desvanecimiento y el apagado de la pantalla tardan de minutos a horas, lo cual es un problema si está tratando de hacer una imagen. Queríamos que la velocidad de reacción con la luz ultravioleta fuera muy rápida, haciendo que se encienda.la tasa de desactivación es muy rápida para que la imagen no sangre "
SMU almohadilla de luz 3-D
Al elegir entre varios tintes de fotoswitch, los investigadores se decidieron por las rodaminas de N-fenil espirolactama. Esa clase particular de tintes de rodamina fue descrita por primera vez a fines de la década de 1970 y fue utilizada por WE Moerner, ganador del premio Nobel de la Universidad de Stanford.
El tinte absorbe la luz dentro de la región visible, por lo que es apropiado para fluorescer la luz. El brillo con radiación UV, específicamente, desencadena una reacción fotoquímica y la obliga a abrirse y volverse fluorescente.
Apagar el haz de luz UV apaga la fluorescencia, disminuye la dispersión de la luz y hace que la reacción sea reversible, ideal para crear una imagen animada en 3D 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 aún necesitaban una configuración para estructurar la luz.
Estructurando la luz en una pantalla de mesa
Los investigadores comenzaron con una cámara de imagen de vidrio de cuarzo de sobremesa hecha a medida de 50 milímetros por 50 milímetros por 50 milímetros para albergar el interruptor de fotos y capturar la luz.
En el interior, desplegaron un disolvente líquido, diclorometano, como la matriz en la que se disolvió la rodamina de N-fenil espirolactama, el colorante sólido, blanco y cristalino del fotoconmutador.
Luego proyectaron patrones en la cámara para estructurar la luz en dos dimensiones. Utilizaron un proyector de procesamiento de luz digital DLP disponible en Best Buy para emitir luz visible.
El proyector DLP, que refleja la luz visible a través de una serie de espejos microscópicamente pequeños en un chip semiconductor, proyectó un haz de luz verde en forma de cuadrado. Para la luz ultravioleta, los investigadores arrojaron una serie de barras de luz ultravioleta desde unproyector de diodo emisor de luz de 385 nanómetros especialmente hecho desde el lado opuesto.
Cuando la luz se cruzó y se mezcló en la cámara, se mostró un patrón de cuadrados bidimensionales apilados a través 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 estática en 3-D, modelaron la luz en ambas direcciones, con un triángulo desde el UV y un triángulo verde desde el visible, produciendo una pirámide en la intersección, dijo Lippert.
A partir de ahí, una de las primeras imágenes animadas en 3-D que crearon los investigadores fue la mascota de SMU, Peruna, un mustang de carreras.
"Para Peruna - animación en 3-D en tiempo real - la estudiante de pregrado de SMU Shreya Patel encontró una manera de emitir una barra de luz UV y mantenerla estable, luego proyectar con la luz verde una película del mustang corriendo", Lippertdijo.
Adiós renacimiento
Las imágenes tridimensionales de hoy datan del Renacimiento italiano y su principal arquitecto e ingeniero.
"Brunelleschi durante su trabajo en el Baptisterio de San Juan fue el primero en usar la representación matemática de la perspectiva lineal que ahora llamamos 3-D. Así es como los artistas usaron trucos visuales para hacer que una imagen en 2-D parezca 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 es sorprendente que todavía usemos una técnica de 500 años para mostrar información en 3-D."
La tecnología SMU 3-D Light Pad, patentada en 2016, tiene una serie de ventajas sobre los intentos contemporáneos de otros de 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 metales caros de tierras raras, o dependen de láseres de alta potencia que son caros y algo peligrosos.
La almohadilla de luz SMU 3-D utiliza potencias de luz más bajas, que no solo son más baratas sino más seguras. La matriz para la pantalla también es económica y no hay piezas 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 SMU University Research Council.
"Para una inversión realmente modesta, hemos hecho algo que puede competir con sistemas más caros de $ 100,000", dijo Lippert. "Creemos que podemos optimizar esto y reducirlo a un par de miles de dólares o incluso más bajo".
Próxima generación: SMU 3-D Light Pad 2.0
La calidad de resolución de una fotografía digital en 2-D se indica en píxeles. Cuantos más píxeles, más nítida y de mayor calidad sea la imagen. Del mismo modo, los objetos en 3D se miden en vóxeles, un píxel pero con volumen.La almohadilla de luz tridimensional puede generar más de 183,000 voxels, y simplemente escalar el tamaño del volumen debería aumentar la cantidad de voxels a millones, igual a la cantidad de espejos en las matrices de microespejos DLP.
Para su visualización, los investigadores de SMU querían la resolución más alta posible, medida en términos del espacio mínimo entre cualquiera de las dos barras. Alcanzaron 200 micras, que se compara favorablemente con 100 micras para una pantalla de TV estándar o 200 micras para unaproyector.
El objetivo ahora es alejarse de una tina líquida de solvente para la pantalla a una pantalla de mesa de cubo sólido. El polímero óptico, por ejemplo, pesaría aproximadamente lo mismo que un televisor. Lippert también juega con la idea de un aerosolmonitor.
Los investigadores esperan expandirse de una imagen roja monocromática a un color verdadero, basado en la mezcla de luz roja, verde y azul. Están trabajando para optimizar la óptica, el motor de gráficos, las lentes, la tecnología del proyector y las moléculas del 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 nosotrosvemos todo lo demás que se refleja. Entonces, cuando vemos azul, es porque el objeto está absorbiendo toda la luz roja. Además, en realidad son las moléculas del fotoconmutador en nuestros ojos las que comienzan el proceso de traducir diferentes longitudes de onda de luz a la experiencia consciente decolor. 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 estoy viendo todo ".
El descubrimiento de SMU y las nuevas tecnologías, dijo Lippert, hablan del poder de alentar 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 pensamos que fueran posibles".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad Metodista del Sur . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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