Le rêve d'un scientifique de projections 3D comme celles qu'il a vues il y a des années dans un film Star Wars a conduit à une nouvelle technologie pour créer des objets de table 3D animés en structurant la lumière.

La nouvelle technologie utilise des molécules photocommutatrices pour donner vie à des structures lumineuses 3D visibles à 360 degrés, dit le chimiste Alexander Lippert, Université Méthodiste du Sud, Dallas, qui a dirigé la recherche.

La méthode économique pour façonner la lumière en un nombre infini d'objets volumétriques serait utile dans une variété de domaines, de l'imagerie biomédicale, formation et ingénierie, à la télévision, films, jeux vidéo et plus.

"Notre idée était d'utiliser la chimie et des molécules spéciales de photocommutation pour créer un affichage 3D offrant une vue à 360 degrés, " dit Lippert. " Ce n'est pas un hologramme, c'est vraiment une lumière structurée en trois dimensions."

La clé de la technologie est une molécule qui bascule entre non fluorescent et fluorescent en réaction à la présence ou à l'absence de lumière ultraviolette.

La nouvelle technologie n'est pas un hologramme, et diffère des films 3D ou de la conception informatique 3D. Ce sont des écrans plats qui utilisent la disparité binoculaire ou la perspective linéaire pour faire apparaître les objets en trois dimensions alors qu'en fait ils n'ont que la hauteur et la largeur et n'ont pas un véritable profil de volume.

« Quand vous voyez un film en 3D, par exemple, c'est tromper votre cerveau pour voir en 3D en présentant deux images différentes à chaque œil, " a déclaré Lippert. " Notre affichage ne trompe pas votre cerveau - nous avons utilisé la chimie pour structurer la lumière en trois dimensions réelles, donc pas d'astuces, juste une vraie structure lumineuse tridimensionnelle. Nous l'appelons un affichage de colorant photoactivable par lumière numérique 3D, ou 3-D Light Pad pour faire court, et c'est beaucoup plus comme ce que nous voyons dans la vraie vie."

Au cœur de la technologie SMU 3-D Light Pad se trouve une molécule "photoswitch", qui peut passer d'incolore à fluorescent lorsqu'il est éclairé par un faisceau de lumière ultraviolette.

Les chercheurs ont découvert une innovation chimique pour régler le taux de décoloration thermique de la molécule du photocommutateur - son interrupteur marche-arrêt - en y ajoutant la triéthylamine à base d'amine chimique.

Maintenant, le ciel est la limite pour la nouvelle technologie SMU 3-D Light Pad, étant donné les nombreuses utilisations possibles, dit Lippert, un expert en fluorescence et chimiluminescence, utilisant la chimie pour explorer l'interaction entre la lumière et la matière.

Par exemple, les conférences téléphoniques pourraient ressembler davantage à des réunions en face à face avec des images volumétriques en 3D projetées sur des chaises. Les projets de construction et de fabrication pourraient bénéficier d'un premier rendu en 3D pour observer et discuter des informations spatiales en temps réel. Pour les militaires, les utilisations pourraient inclure des réplications tactiques en 3D des champs de bataille sur terre, dans l'air, sous l'eau ou même dans l'espace.

La 3-D volumétrique pourrait également profiter au domaine médical.

"Avec de vrais résultats 3D d'une IRM, les radiologues pourraient plus facilement reconnaître des anomalies telles que le cancer, " a déclaré Lippert. " Je pense que cela aurait un impact significatif sur la santé humaine, car une image 3D réelle peut fournir plus d'informations. "

Contrairement à l'impression 3D, la lumière structurée 3D volumétrique est facilement animée et modifiée pour s'adapter à un changement de conception. Aussi, plusieurs personnes peuvent visualiser simultanément différents côtés de l'affichage volumétrique, faire des parcs d'attractions, La publicité, Films 3D et jeux 3D plus réalistes, visuellement convaincant et divertissant.

Lippert et son équipe rendent compte de la nouvelle technologie et de la découverte qui l'ont rendue possible dans l'article « A volumetric tridimensional digital light photoactivatable dye display, " publié dans la revue Communication Nature .

Les co-auteurs sont Shreya K. Patel, auteur principal, et Jian Cao, les deux étudiants dans le département de chimie SMU.

Genèse d'une idée - inspiration cinématographique

L'idée de façonner la lumière en objets 3D animés volumétriques est venue de la fascination de Lippert pour le film "Star Wars". Plus précisément, il a été inspiré lorsque R2-D2 projetait un hologramme de la princesse Leia. L'intérêt de Lippert s'est poursuivi avec le holodeck dans "Star Trek:The Next Generation".

"Enfant, j'essayais de trouver un moyen d'inventer ça, " a déclaré Lippert. " Puis une fois que j'ai eu une formation en chimie des molécules qui interagissent avec la lumière, et une compréhension des photocommutateurs, il m'est finalement apparu que je pouvais prendre deux faisceaux de lumière et utiliser la chimie pour manipuler l'émission de lumière."

La clé de la nouvelle technologie a été de découvrir comment éteindre et allumer instantanément le photointerrupteur chimique, et générer des émissions lumineuses à partir de l'intersection de deux faisceaux lumineux différents dans une solution du colorant photoactivable, il a dit.

L'étudiant diplômé de la SMU en chimie, Jian Cao, a émis l'hypothèse que le photocommutateur activé s'éteindrait rapidement en ajoutant la base. Il avait raison.

"L'innovation chimique a été notre découverte qu'en ajoutant une goutte de triéthylamine, nous pourrions régler le taux de décoloration thermique pour qu'il passe instantanément d'une solution rose à une solution claire, " dit Lippert. " Sans socle, l'activation avec la lumière UV prend de quelques minutes à quelques heures pour disparaître et s'éteindre, ce qui est un problème si vous essayez de créer une image. Nous voulions que la vitesse de réaction avec la lumière UV soit très rapide, en le faisant s'allumer. Nous voulions également que le taux de décalage soit très rapide afin que l'image ne saigne pas."

Tapis lumineux 3-D SMU

En choisissant parmi divers colorants photoswitch, les chercheurs se sont installés sur les rhodamines N-phényl spirolactame. Cette classe particulière de colorants à base de rhodamine a été décrite pour la première fois à la fin des années 1970 et utilisée par W.E., lauréat du prix Nobel de l'Université de Stanford. Moerner.

Le colorant absorbe la lumière dans la région visible, le rendant approprié à la lumière fluorescente. Le faire briller avec des rayons UV, Plus précisément, déclenche une réaction photochimique et le force à s'ouvrir et à devenir fluorescent.

La désactivation du faisceau de lumière UV arrête la fluorescence, diminue la diffusion de la lumière, et rend la réaction réversible, idéale pour créer une image 3D animée qui s'allume et s'éteint.

"L'ajout de triéthylamine pour l'éteindre et l'allumer rapidement a été une découverte chimique clé que nous avons faite, " a déclaré Lippert.

Pour produire une image visible, ils avaient encore besoin d'une configuration pour structurer la lumière.

Structurer la lumière dans un présentoir de table

Les chercheurs ont commencé avec un dessus de la table, chambre d'imagerie en verre de quartz de 50 millimètres sur 50 millimètres sur 50 millimètres pour loger le photocommutateur et pour capturer la lumière.

A l'intérieur ils ont déployé un solvant liquide, dichlorométhane, comme matrice dans laquelle dissoudre la N-phényl spirolactame rhodamine, le solide, colorant blanc cristallin photocommutateur.

Ensuite, ils ont projeté des motifs dans la chambre pour structurer la lumière en deux dimensions. Ils ont utilisé un projecteur de traitement de la lumière numérique (DLP) du commerce acheté chez Best Buy pour diffuser la lumière visible.

Le projecteur DLP, qui réfléchit la lumière visible via un réseau de miroirs microscopiquement minuscules sur une puce semi-conductrice, projeté un faisceau de lumière verte en forme de carré. Pour la lumière UV, les chercheurs ont fait briller une série de barres lumineuses UV à partir d'un projecteur à diodes électroluminescentes de 385 nanomètres spécialement conçu du côté opposé.

Là où la lumière se croisait et se mélangeait dans la chambre, il y avait un motif de carrés bidimensionnels empilés à travers la chambre. Les jeux de filtres optimisés ont éliminé la lumière de fond bleue et n'ont laissé passer que la lumière rouge.

Pour obtenir une image 3D statique, ils ont modelé la lumière dans les deux sens, avec un triangle de l'UV et un triangle vert du visible, donnant une pyramide à l'intersection, dit Lippert.

De là, l'une des premières images 3D animées créées par les chercheurs était la mascotte SMU, Pérouse, une mustang de course.

"Pour Peruna, l'animation 3D en temps réel, Shreya Patel, étudiante de premier cycle à la SMU, a trouvé un moyen de diffuser une barre de lumière UV et de la maintenir stable, puis projetez avec le feu vert un film de la mustang en marche, " a déclaré Lippert.

Si longtemps Renaissance

Les images 3D d'aujourd'hui datent de la Renaissance italienne et de son principal architecte et ingénieur.

"Brunelleschi lors de son travail sur le baptistère de Saint-Jean a été le premier à utiliser la représentation mathématique de la perspective linéaire que nous appelons maintenant 3-D. C'est ainsi que les artistes ont utilisé des astuces visuelles pour donner à une image 2-D un aspect 3-D, " a déclaré Lippert. " Les lignes parallèles convergent vers un point de fuite et donnent une forte impression de 3-D. C'est une astuce utile, mais il est frappant de constater que nous utilisons toujours une technique vieille de 500 ans pour afficher des informations en 3D. »

La technologie SMU 3-D Light Pad, breveté en 2016, a un certain nombre d'avantages par rapport aux tentatives contemporaines d'autres pour créer un affichage volumétrique, mais qui n'ont pas émergé comme commercialement viables.

Certains d'entre eux ont été volumineux ou difficiles à aligner, tandis que d'autres utilisent des métaux des terres rares coûteux, ou compter sur des lasers de haute puissance qui sont à la fois coûteux et quelque peu dangereux.

Le SMU 3-D Light Pad utilise des puissances lumineuses plus faibles, qui sont non seulement moins chers mais plus sûrs. La matrice pour l'affichage est également économique, et il n'y a pas de pièces mobiles à fabriquer, maintenir ou s'effondrer.

Lippert et son équipe ont fabriqué le SMU 3-D Light Pad pour moins de 5 $, 000 grâce à une subvention du Conseil de recherche universitaire SMU.

"Pour un investissement vraiment modeste, nous avons fait quelque chose qui peut rivaliser avec 100 $ plus chers, 000 systèmes, " Lippert a déclaré. "Nous pensons que nous pouvons optimiser cela et le ramener à quelques milliers de dollars ou même moins."

Prochaine génération :SMU 3-D Light Pad 2.0

La qualité de résolution d'une photographie numérique 2-D est indiquée en pixels. Plus il y a de pixels, plus l'image est nette et de meilleure qualité. De la même manière, Les objets 3D sont mesurés en voxels, un pixel mais avec un volume. Le 3-D Light Pad actuel peut générer plus de 183, 000 voxels, et la simple mise à l'échelle de la taille du volume devrait augmenter le nombre de voxels en millions, égal au nombre de miroirs dans les matrices de micromiroirs DLP.

Pour leur affichage, les chercheurs du SMU voulaient la plus haute résolution possible, mesuré en termes d'espacement minimum entre deux quelconques des barres. Ils ont atteint 200 microns, ce qui se compare avantageusement à 100 microns pour un écran de télévision standard ou à 200 microns pour un projecteur.

L'objectif est maintenant de passer d'une cuve liquide de solvant pour l'affichage à un affichage de table cubique solide. Polymère optique, par exemple, pèserait à peu près le même poids qu'un téléviseur. Lippert joue également avec l'idée d'un présentoir aérosol.

Les chercheurs espèrent passer d'une image rouge monochrome à de vraies couleurs, basé sur le mélange de rouge, lumière verte et bleue. Ils travaillent à optimiser l'optique, moteur graphique, lentilles, la technologie des projecteurs et les molécules de photocommutation.

"Je pense que c'est un domaine très fascinant. Tout ce que nous voyons - toute la couleur que nous voyons - résulte de l'interaction de la lumière avec la matière, " a déclaré Lippert. " Les molécules d'un objet absorbent une longueur d'onde de lumière et nous voyons tout le reste qui est réfléchi. Alors quand on voit du bleu, c'est parce que l'objet absorbe toute la lumière rouge. Quoi de plus, ce sont en fait des molécules photocommutatrices dans nos yeux qui lancent le processus de traduction des différentes longueurs d'onde de la lumière dans l'expérience consciente de la couleur. C'est la chimie fondamentale et elle construit tout notre monde visuel. Être immergé dans la chimie tous les jours, c'est le filtre à travers lequel je vois tout."

La découverte SMU et les nouvelles technologies, Lippert a dit, parler du pouvoir d'encourager les jeunes enfants.

"Ils ne vont pas résoudre tous les problèmes du monde quand ils auront sept ans, ", a-t-il déclaré. "Mais les idées sont germées et si elles sont nourries au fur et à mesure que les enfants grandissent, elles peuvent réaliser des choses que nous n'aurions jamais cru possibles."