Eine zusätzliche Dimension in der Display-Technologie

Während wir in 3D sehen, existieren die meisten Bilder nur in 2D. Selbst clevere Versuche, überzeugende dreidimensionale Darstellungen von Objekten anzufertigen – Stereoskope aus der viktorianischen Ära, Brillen mit grünen und roten Linsen für B-Movies der 1950er Jahre, sogar ausgeklügelte holografische Bilder – alle bemühen sich, die Illusion von drei Dimensionen auf einem zweidimensionalen . zu erzeugen Oberfläche.



Jetzt hat Elizabeth Downing, eine ehemalige Ingenieurstudentin an der Stanford University, die zur Unternehmerin wurde, einen völlig anderen Ansatz verfolgt, indem sie ein echtes 3D-Display baute. Obwohl sie klein und rudimentär ist, kann ihre prinzipientreue Erfindung – ein zuckerwürfelgroßer Block aus Spezialglas – mit tanzenden Farben lebendig werden, die Höhe, Breite und vor allem Tiefe zeigen.

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Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Mai 1997





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Die neue Technologie erzeugt kein dreidimensional erscheinendes Bild, sagt Downing, sondern erzeugt tatsächlich ein dreidimensional gezeichnetes Bild. Dadurch werden der Betrachtungswinkel oder die Anzahl der Personen, die die Bilder gleichzeitig betrachten können, kaum eingeschränkt. Darüber hinaus sind die Bilder emittierend – sie leuchten eher als sie reflektieren –, sodass Betrachter sie unter normalem Raumlicht ohne spezielle Brille oder Kopfbedeckung leicht sehen können.

Die einzigartigen Eigenschaften des Displays scheinen eine natürliche Verwendung für beispielsweise medizinische diagnostische Bildgebungssysteme, Arcade-Spiele, computergestützte Designtools und Flugsicherungsmonitore zu sein. Das Display könnte auch als wissenschaftliche Visualisierungshilfe zum Analysieren von Wettermustern, Luftströmungen um ein Flugzeug und anderen komplexen mehrdimensionalen Datensätzen verwendet werden.

Das patentierte Gerät, das jetzt von Downings neuem Unternehmen 3D Technology Laboratories of Mountain View, Kalifornien, kommerzialisiert wird, verwendet ein Paar Infrarotlaser, um selektiv fluoreszierende Metallpartikel anzuregen, die in einem klaren Glaswürfel mit einer Seitenlänge von 1,5 Zentimetern schweben. Wenn diese speziellen Seltenerdmetall-Additive (auch Dotierstoffe genannt) während der Herstellung in das geschmolzene Glas gemischt werden, verteilen sie sich gleichmäßig im Glas wie Schokoladenstückchen in einem Keks, sagt Downing. Wenn ein Fleck im Inneren des erstarrten Glases mit unsichtbarem Infrarotlicht beleuchtet wird, leuchten die winzigen Verunreinigungen hell auf.



Die Möglichkeit, volumetrische Echtzeitdaten in echter dreidimensionaler Form zu visualisieren, ist seit Jahrzehnten der Heilige Gral der Display-Entwicklung. Und während das Konzept der Darstellung von 3D-Objekten in fluoreszierendem Glas mindestens bis in die Mitte der 1960er Jahre zurückreicht, gelang es Forschern der Battelle Laboratories in Columbus, Ohio erst Anfang der 1970er Jahre, zwei schwache Lichtpunkte in einem Erbium-Kristall zu erzeugen. dotiertes Calciumfluorid mit hochintensivem Licht von Xenonlampen, ähnlich dem, das von Halogenquellen erzeugt wird. Aber so weit waren sie gekommen.

Da Downing erkannte, dass seither kostengünstige, aber leistungsstarke Laser und neue optische Materialien verfügbar waren, war er der Ansicht, dass die Zeit für die Entwicklung der Technologie gekommen sei Hand. Als sie 1988 für ein weiterführendes Studium nach Stanford kam, setzte sie ihre Forschungen zu 3D-Displays bei Lambertus Hesselink, einem Professor für Elektrotechnik an der Universität, fort und erhielt ein Stipendium der US Navy in Höhe von 350.000 US-Dollar und zusätzliche Unterstützung von der Defense Advanced Research Projects Agency das Konzept.

Der von ihr entwickelte Display-Prototyp basiert auf einem Prinzip namens Upconversion. Bestimmte Seltenerdelemente zeigen dieses Phänomen, indem sie sichtbares Licht emittieren, wenn sie in schneller Folge von zwei Infrarotlaserstrahlen einer bestimmten Wellenlänge getroffen werden. Keiner der Strahlen hat genug Energie, um allein Fluoreszenz zu verursachen, erklärt Downing, aber die kombinierte Energie der beiden kann ein Ion im Glas zum Leuchten bringen.

Wenn das Ion, das normalerweise auf seinem niedrigsten Energieniveau verbleibt, Energie vom ersten Laser absorbiert, geht es in eine angeregte Zwischenphase über, in der es für kurze Zeit verweilt. Wenn ein Ion in dieser Phase vom zweiten Laserstrahl getroffen wird, absorbiert es Energie bei der zweiten Wellenlänge, geht in einen noch stärker angeregten Zustand über und gibt den größten Teil seiner überschüssigen Energie beim Zerfall als einzelnes Photon des sichtbaren Lichts wieder ab zurück in seinen Grundzustand.



Damit der Prototyp des Displays Farbbilder erzeugen kann, baute Downing den kleinen Glaswürfel aus drei Schichten Fluoridglas zusammen, der für kommerzielle faseroptische Laser und optische Verstärker entwickelt wurde. Jede Schicht enthält Ionen, die eine der drei additiven Primärfarben emittieren – eine mit Praesodym dotierte Schicht leuchtet rot, eine andere mit Erbium leuchtet grün und eine dritte mit Thullium leuchtet blau.

Downing zugewiesene Adressen an genauen Punkten auf jeder Glasschicht. Dann programmierte sie zwei Laserscanner, die sie sich von optischen Disk-Playern geliehen hatte, und war in der Lage, die Laserstrahlen vertikal und horizontal sowie vorwärts und rückwärts durch den Würfel zu lenken. Indem sie genau kontrollierte, wo sich die beiden unsichtbaren Laserstrahlen im transparenten Glas kreuzten, war sie in der Lage, einen fluoreszierenden Zusatz einer bestimmten Farbe zum Leuchten zu bringen – ähnlich wie ein Elektronenstrahl bestimmte Leuchtstoffe auf einem Farbfernsehbildschirm beleuchtet – um das gewünschte Bild zu erzeugen.

Jeder eingeschaltete Lichtpunkt, der als Volumenelement oder Voxel bezeichnet wird, ist wie ein Bomber aus dem Zweiten Weltkrieg, der im Schnittpunkt zweier Scheinwerferstrahlen gefangen wird. Voxel sind jedoch winzig. Tatsächlich erzeugen Strahlen, die auf einen Durchmesser von 100 Mikrometer fokussiert sind, ungefähr 300 Voxel um den Umfang eines Kreises von einem Zentimeter Durchmesser.

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Das Display in Downings erstem Prototyp besteht aus einem Stapel von nur drei einzelnen Glasschichten, die mit einem optisch kompatiblen Klebstoff zu einer Verbundstruktur verklebt sind. Der Erfinder beabsichtigt jedoch, ein 3D-Farbsystem in größerem Maßstab zu bauen, indem viele dünne dotierte Schichten zusammengebaut werden, die in einer wiederholten Folge angeordnet sind – rot, blau, grün; rot, blau, grün; und so weiter, um die Erstellung hochauflösender Farbbilder zu ermöglichen. Tatsächlich hat Downing bereits mit der Evaluierung neuer Displaymaterialien begonnen und mit der Arbeit an ihrem nächsten Projekt begonnen (für das sie laut eigenen Angaben Risikokapitalfinanzierung erhalten hat): den Bau eines Displays mit einem 6-Zoll-Glaswürfel.

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