O sonho de um cientista de projeções 3-D como as que viu anos atrás em um filme de Star Wars levou a uma nova tecnologia para fazer objetos de mesa animados em 3-D por meio da estruturação de luz.

A nova tecnologia usa moléculas de photoswitch para dar vida a estruturas de luz 3-D que podem ser vistas em 360 graus, diz o químico Alexander Lippert, Southern Methodist University, Dallas, quem liderou a pesquisa.

O método econômico para moldar a luz em um número infinito de objetos volumétricos seria útil em uma variedade de campos, de imagens biomédicas, educação e engenharia, para a TV, filmes, videogames e muito mais.

"Nossa ideia era usar química e moléculas especiais do photoswitch para fazer uma tela 3-D que proporcionasse uma visão de 360 ​​graus, "Lippert disse." Não é um holograma, é realmente uma luz estruturada tridimensionalmente. "

A chave para a tecnologia é uma molécula que alterna entre não fluorescente e fluorescente em reação à presença ou ausência de luz ultravioleta.

A nova tecnologia não é um holograma, e difere de filmes 3-D ou design de computador 3-D. Essas são telas planas que usam disparidade binocular ou perspectiva linear para fazer os objetos parecerem tridimensionais quando na verdade eles têm apenas altura e largura e não têm um perfil de volume real.

"Quando você vê um filme 3-D, por exemplo, é enganar seu cérebro para ver 3-D, apresentando duas imagens diferentes para cada olho, "Lippert disse." Nossa exibição não está enganando seu cérebro - usamos a química para estruturar a luz em três dimensões reais, então sem truques, apenas uma estrutura de luz tridimensional real. Nós o chamamos de visor de corante fotoativável com luz digital 3-D, ou 3-D Light Pad para abreviar, e é muito mais parecido com o que vemos na vida real. "

No coração da tecnologia SMU 3-D Light Pad está uma molécula "photoswitch", que pode mudar de incolor para fluorescente quando iluminada com um feixe de luz ultravioleta.

Os pesquisadores descobriram uma inovação química para ajustar a taxa de desbotamento térmico da molécula do photoswitch - seu botão liga-desliga - adicionando a ela a base química de amina trietilamina.

Agora o céu é o limite para a nova tecnologia SMU 3-D Light Pad, dados os muitos usos possíveis, disse Lippert, um especialista em fluorescência e quimioluminescência - usando química para explorar a interação entre luz e matéria.

Por exemplo, as teleconferências podem ser mais parecidas com reuniões cara a cara com imagens volumétricas 3D projetadas em cadeiras. Projetos de construção e manufatura poderiam se beneficiar de renderizá-los primeiro em 3-D para observar e discutir informações espaciais em tempo real. Para os militares, usos podem incluir replicações 3-D táticas de campos de batalha em terra, no ar, debaixo d'água ou mesmo no espaço.

O 3-D volumétrico também pode beneficiar o campo médico.

"Com resultados 3D reais de uma ressonância magnética, radiologistas poderiam reconhecer mais facilmente anormalidades como câncer, "Lippert disse." Eu acho que teria um impacto significativo na saúde humana porque uma imagem 3D real pode fornecer mais informações. "

Ao contrário da impressão 3D, luz volumétrica 3-D estruturada é facilmente animada e alterada para acomodar uma mudança no design. Também, várias pessoas podem ver simultaneamente vários lados da tela volumétrica, concebivelmente fazendo parques de diversões, anúncio, Filmes 3-D e jogos 3-D mais realistas, visualmente atraente e divertido.

Lippert e sua equipe relatam a nova tecnologia e a descoberta que a tornou possível no artigo "Um visor de corante fotoativável com luz digital tridimensional volumétrica, "publicado no jornal Nature Communications .

Os co-autores são Shreya K. Patel, autor principal, e Jian Cao, ambos alunos do Departamento de Química da SMU.

Gênese de uma ideia - inspiração cinematográfica

A ideia de transformar a luz em objetos 3D animados volumétricos veio da fascinação infantil de Lippert pelo filme "Guerra nas Estrelas". Especificamente, ele se inspirou quando R2-D2 projeta um holograma da Princesa Leia. O interesse de Lippert continuou com o holodeck em "Star Trek:The Next Generation".

"Quando criança, tentei pensar em uma maneira de inventar isso, "Lippert disse." Então, uma vez que eu tive uma formação em moléculas químicas que interagem com a luz, e uma compreensão dos photoswitches, finalmente me dei conta de que poderia pegar dois feixes de luz e usar a química para manipular a emissão de luz. "

A chave para a nova tecnologia foi descobrir como desligar e ligar o fotointerruptor químico instantaneamente, e gerar emissões de luz a partir da interseção de dois feixes de luz diferentes em uma solução do corante fotoativável, ele disse.

O aluno de pós-graduação em química da SMU, Jian Cao, hipotetizou que o photoswitch ativado se desligaria rapidamente ao adicionar a base. Ele estava certo.

"A inovação química foi nossa descoberta de que, ao adicionar uma gota de trietilamina, poderíamos ajustar a taxa de desbotamento térmico para que passe instantaneamente de uma solução rosa para uma solução clara, "Lippert disse." Sem uma base, a ativação com luz ultravioleta leva de minutos a horas para desaparecer e desligar, o que é um problema se você está tentando fazer uma imagem. Queríamos que a taxa de reação com a luz ultravioleta fosse muito rápida, fazendo-o ligar. Também queríamos que a taxa de desconto fosse muito rápida para que a imagem não sangrasse. "

SMU 3-D Light Pad

Ao escolher entre vários corantes photoswitch, os pesquisadores decidiram usar N-fenil espirolactama rodaminas. Essa classe particular de corantes rodamina foi descrita pela primeira vez no final da década de 1970 e usada pelo ganhador do prêmio Nobel da Universidade de Stanford W.E. Moerner.

O corante absorve luz na região visível, tornando-o apropriado para fluorescência. Brilhando com radiação UV, especificamente, desencadeia uma reação fotoquímica e força a abertura e a fluorescência.

Desligar o feixe de luz UV desliga a fluorescência, diminui a dispersão de luz, e torna a reação reversível - ideal para criar uma imagem 3D animada que liga e desliga.

"Adicionar trietilamina para desligá-lo e ligá-lo rapidamente foi uma descoberta química importante que fizemos, "Lippert disse.

Para produzir uma imagem visível, eles ainda precisavam de uma configuração para estruturar a luz.

Estruturação de luz em um display de mesa

Os pesquisadores começaram com um modelo personalizado, tampo da mesa, câmara de imagem de vidro de quartzo 50 milímetros por 50 milímetros por 50 milímetros para alojar o photoswitch e para capturar a luz.

Dentro, eles implantaram um solvente líquido, diclorometano, como a matriz na qual dissolver a N-fenil espirolactama rodamina, o sólido, corante fotossensível branco e cristalino.

Em seguida, eles projetaram padrões na câmara para estruturar a luz em duas dimensões. Eles usaram um projetor de processamento de luz digital (DLP) comercializado na Best Buy para transmitir luz visível.

O projetor DLP, que reflete a luz visível por meio de uma série de espelhos microscopicamente minúsculos em um chip semicondutor, projetou um feixe de luz verde em forma de quadrado. Para luz ultravioleta, os pesquisadores iluminaram uma série de barras de luz ultravioleta de um projetor de Diodo Emissor de Luz de 385 nanômetros feito especialmente no lado oposto.

Onde a luz se cruzou e se misturou na câmara, foi exibido um padrão de quadrados bidimensionais empilhados pela câmara. Os conjuntos de filtros otimizados eliminaram a luz de fundo azul e permitiram que apenas a luz vermelha passasse.

Para obter uma imagem 3D estática, eles padronizaram a luz em ambas as direções, com um triângulo do UV e um triângulo verde do visível, produzindo uma pirâmide na interseção, Lippert disse.

De lá, uma das primeiras imagens 3D animadas que os pesquisadores criaram foi o mascote SMU, Peruna, um mustang de corrida.

"Para Peruna - animação 3D em tempo real - a estudante de graduação da SMU Shreya Patel encontrou uma maneira de enviar uma barra de luz ultravioleta e mantê-la estável, em seguida, projete com a luz verde um filme do mustang correndo, "Lippert disse.

Tão longo Renascimento

As imagens em 3-D atuais datam do Renascimento italiano e de seu arquiteto e engenheiro renomado.

"Brunelleschi, durante seu trabalho no Batistério de São João, foi o primeiro a usar a representação matemática da perspectiva linear que agora chamamos de 3-D. Foi assim que os artistas usaram truques visuais para fazer uma imagem 2-D parecer 3-D, "Lippert disse." Linhas paralelas convergem em um ponto de fuga e dão uma forte sensação de 3-D. É um truque útil, mas é surpreendente que ainda usemos uma técnica de 500 anos para exibir informações 3-D. "

A tecnologia SMU 3-D Light Pad, patenteado em 2016, tem uma série de vantagens sobre as tentativas contemporâneas de outros de criar uma tela volumétrica, mas que não se mostraram comercialmente viáveis.

Alguns deles eram volumosos ou difíceis de alinhar, enquanto outros usam metais de terras raras caros, ou dependem de lasers de alta potência que são caros e um tanto perigosos.

O SMU 3-D Light Pad usa potências de luz mais baixas, que não são apenas mais baratos, mas também mais seguros. A matriz da tela também é econômica, e não há peças móveis para fabricar, manter ou quebrar.

Lippert e sua equipe fabricaram o SMU 3-D Light Pad por menos de US $ 5, 000 através de uma bolsa do Conselho de Pesquisa da Universidade SMU.

"Por um investimento realmente modesto, fizemos algo que pode competir com US $ 100 mais caros, 000 sistemas, "Lippert disse." Achamos que podemos otimizar isso e reduzir para alguns milhares de dólares ou até menos. "

Próxima geração:SMU 3-D Light Pad 2.0

A qualidade da resolução de uma fotografia digital 2-D é expressa em pixels. Quanto mais pixels, mais nítida e de melhor qualidade será a imagem. De forma similar, Os objetos 3-D são medidos em voxels - um pixel, mas com volume. O Light Pad 3-D atual pode gerar mais de 183, 000 voxels, e simplesmente dimensionar o tamanho do volume deve aumentar o número de voxels em milhões - igual ao número de espelhos nas matrizes de microespelhos DLP.

Para sua exibição, os pesquisadores da SMU queriam a maior resolução possível, medido em termos do espaçamento mínimo entre quaisquer duas das barras. Eles alcançaram 200 mícrons, que se compara favoravelmente a 100 mícrons para uma tela de TV padrão ou 200 mícrons para um projetor.

O objetivo agora é mudar de uma cuba de solvente líquido para a exibição em uma exibição de mesa de cubo sólido. Polímero óptico, por exemplo, pesaria quase o mesmo que um aparelho de TV. Lippert também brinca com a ideia de um display de aerossol.

Os pesquisadores esperam expandir de uma imagem monocromática vermelha para uma cor verdadeira, com base na mistura de vermelho, luz verde e azul. Eles estão trabalhando para otimizar a ótica, motor gráfico, lentes, tecnologia de projetor e moléculas de photoswitch.

"Acho que é uma área muito fascinante. Tudo o que vemos - todas as cores que vemos - surge da interação da luz com a matéria, "Lippert disse." As moléculas em um objeto estão absorvendo um comprimento de onda de luz e vemos todo o resto que é refletido. Então, quando vemos o azul, é porque o objeto está absorvendo toda a luz vermelha. O que mais, na verdade, são as moléculas do photoswitch em nossos olhos que iniciam o processo de tradução de diferentes comprimentos de onda de luz na experiência consciente da cor. Essa é a química fundamental e constrói todo o nosso mundo visual. Estar imerso em química todos os dias - esse é o filtro pelo qual estou vendo tudo. "

A descoberta SMU e nova tecnologia, Lippert disse, fale sobre o poder de encorajar crianças pequenas.

"Eles não vão resolver todos os problemas do mundo quando tiverem sete anos, ", disse ele." Mas as ideias são semeadas e se forem nutridas à medida que as crianças crescem, podem alcançar coisas que nunca pensamos ser possíveis. "