En extra dimension i displayteknik

Medan vi ser i 3D, finns de flesta bilder bara i 2D. Även smarta försök att göra övertygande tredimensionella representationer av objekt - stereoskop från viktoriansk tid, glasögon med gröna och röda linser för 1950-talets B-filmer, till och med sofistikerade holografiska bilder - allt anstränger sig för att skapa en illusion av tre dimensioner på en tvådimensionell yta.

Nu har Elizabeth Downing, en före detta ingenjörsstudent vid Stanford University som blev entreprenör, tagit ett helt annat tillvägagångssätt genom att bygga en äkta 3D-skärm. Även om hon är liten och rudimentär, kan hennes proof-of-princip uppfinning – ett sockerbitsformat block av speciellt glas – bli levande med dansande färger som uppvisar höjd, bredd och, viktigast av allt, djup.

Den här historien var en del av vårt majnummer 1997

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Den nya tekniken skapar inte en bild som verkar vara tredimensionell, säger Downing, den producerar faktiskt en bild som är ritad i tre dimensioner. Som ett resultat sätter det få begränsningar för betraktningsvinkeln eller antalet personer som kan observera bilderna samtidigt. Dessutom är bilderna emitterande - de lyser snarare än reflekterar - så att tittare lätt kan se dem i vanligt rumsljus utan speciella glasögon eller huvudbonader.

Displayens unika egenskaper verkar göra den naturlig för potentiell användning i till exempel medicinska diagnostiska bildsystem, arkadspel, datorstödda designverktyg och flygkontrollmonitorer. Displayen kan också användas som ett vetenskapligt visualiseringshjälpmedel för att analysera vädermönster, luftflöden runt ett flygplan och andra komplexa flerdimensionella datauppsättningar.

Den patenterade enheten, som nu kommersialiseras av Downings nya företag, 3D Technology Laboratories i Mountain View, Kalifornien, använder ett par infraröda lasrar för att selektivt excitera fluorescerande metallpartiklar suspenderade i en klar glaskub, som mäter 1,5 centimeter på en sida. När dessa speciella sällsynta jordartsmetalltillsatser (även kallade dopämnen) blandas in i det smälta glaset under tillverkningen, fördelar de sig jämnt i glaset som chokladbitar i en kaka, säger Downing. När en fläck inuti det stelnade glaset är upplyst med osynligt infrarött ljus lyser de små föroreningarna starkt.

Möjligheten att visualisera volymetrisk data i realtid i äkta tredimensionell form har varit den heliga gralen för visningsutvecklingsansträngningar i decennier. Och även om konceptet med att avbilda 3D-objekt i fluorescerande glas går tillbaka åtminstone till mitten av 1960-talet, lyckades forskare vid Battelle Laboratories i Columbus, Ohio, inte förrän i början av 1970-talet generera två svaga prickar av ljus inuti en kristall av erbium- dopad kalciumfluorid med högintensivt ljus från xenonlampor, liknande det som genereras av halogenkällor. Men det var så långt de kom.

När Downing insåg att billiga men kraftfulla lasrar och nya optiska material sedan dess hade blivit tillgängliga, trodde Downing, som arbetade som ingenjör på laserbaserad utrustning vid FMC Corps Technology Center i Santa Clara, Kalifornien, att tiden för att utveckla tekniken var kl. hand. När hon kom till Stanford för vidare forskarstudier 1988 fortsatte hon sin forskning om 3D-skärmar med Lambertus Hesselink, professor i elektroteknik vid universitetet, och fick ett anslag på 350 000 USD från US Navy och ytterligare stöd från Defense Advanced Research Projects Agency för att fortsätta konceptet.

Prototypskärmen hon utvecklade bygger på en princip som kallas uppkonvertering. Vissa sällsynta jordartsmetaller uppvisar detta fenomen genom att sända ut synligt ljus när de träffas i snabb följd av två infraröda laserstrålar med givna våglängder. Ingen av strålarna har tillräckligt med energi för att orsaka fluorescens i sig själv, förklarar Downing, men den kombinerade energin av de två kan få en jon i glaset att glöda.

När jonen, som normalt ligger kvar på sin lägsta energinivå, absorberar energi från den första lasern gör den en övergång till en mellanexciterad fas, där den stannar en kort stund. När en jon i denna fas träffas av den andra laserstrålen absorberar den energi vid den andra våglängden, genomgår en övergång till ett ännu mer exciterat tillstånd och återutsänder det mesta av sin överskottsenergi som en enda foton av synligt ljus när den sönderfaller tillbaka till sitt grundtillstånd.

För att göra det möjligt för prototypskärmen att producera färgbilder, satte Downing ihop den lilla glaskuben av tre lager av fluoridglas som utvecklats för kommersiella fiberoptiska lasrar och optiska förstärkare. Varje lager innehåller joner som avger en av de tre additiva primärfärgerna - ett lager dopat med praesodymium lyser rött, ett annat med erbium lyser grönt och ett tredje med thullium lyser blått.

Downing tilldelade adresser till exakta punkter på varje glaslager. Sedan genom att programmera ett par laserskannrar som hon lånade från optiska skivspelare kunde hon rikta laserstrålarna vertikalt och horisontellt såväl som bakåt och framåt genom kuben. Genom att kontrollera exakt var de två osynliga laserstrålarna korsade i det genomskinliga glaset, kunde hon lysa upp en fluorescerande tillsats av en given färg - ungefär som en elektronstråle lyser upp speciella fosforer på en färg-TV-skärm - för att producera den önskade bilden.

Varje tändpunkt av ljus som kallas ett volymelement eller voxel-är som ett bombplan från andra världskriget som fångas i skärningspunkten mellan två strålkastarstrålar. Men voxlar är små. Faktum är att strålar fokuserade till en diameter på 100 mikron producerar ungefär 300 voxlar runt omkretsen av en cirkel som är en centimeter i diameter.

Displayen i Downings ursprungliga prototyp är sammansatt av en stapel av endast tre individuella glasskikt limmade ihop med ett optiskt kompatibelt lim för att bilda en kompositstruktur. Emellertid avser uppfinnaren att bygga ett 3D-färgsystem i större skala genom att sätta ihop många tunna dopade lager arrangerade i en upprepad sekvens-röd, blå, grön; röd, blå, grön; och så vidare för att möjliggöra skapandet av högupplösta färgbilder. I själva verket har Downing redan börjat utvärdera nytt visningsmaterial och har påbörjat arbetet med sitt nästa projekt (för vilket hon säger att hon har fått riskkapitalfinansiering): att bygga en skärm med en 6-tums glaskub.

Dölj