Une dimension supplémentaire dans la technologie d'affichage

Alors que nous voyons en 3D, la plupart des images n'existent qu'en 2D. Même des tentatives intelligentes pour faire des représentations tridimensionnelles convaincantes d'objets - des stéréoscopes de l'ère victorienne, des lunettes à lentilles vertes et rouges pour les films B des années 1950, même des images holographiques sophistiquées - tout s'efforce de créer l'illusion de trois dimensions sur un plan bidimensionnel. surface.

Maintenant, Elizabeth Downing, une ancienne étudiante en ingénierie diplômée de l'Université de Stanford devenue entrepreneure, a adopté une approche complètement différente en créant un véritable écran 3D. Bien que petite et rudimentaire, son invention de preuve de principe - un bloc de verre spécial de la taille d'un cube de sucre - peut prendre vie avec des couleurs dansantes qui présentent la hauteur, la largeur et, surtout, la profondeur.

Cette histoire faisait partie de notre numéro de mai 1997

• Voir le reste du numéro
• S'abonner

La nouvelle technologie ne crée pas une image qui semble être en trois dimensions, dit Downing, elle produit en fait une image qui est dessinée en trois dimensions. En conséquence, il impose peu de restrictions sur l'angle de vision ou le nombre de personnes pouvant observer les images en même temps. De plus, les images sont émissives - elles brillent plutôt que de se refléter - de sorte que les téléspectateurs peuvent facilement les voir sous la lumière ordinaire d'une pièce sans lunettes ni casques spéciaux.

Les caractéristiques uniques de l'écran semblent le rendre naturel pour une utilisation potentielle, par exemple, dans les systèmes d'imagerie de diagnostic médical, les jeux d'arcade, les outils de conception assistée par ordinateur et les moniteurs de contrôle du trafic aérien. L'affichage pourrait également être utilisé comme aide à la visualisation scientifique pour analyser les modèles météorologiques, les flux d'air autour d'un avion et d'autres ensembles de données multidimensionnelles complexes.

Le dispositif breveté, actuellement commercialisé par la nouvelle société de Downing, 3D Technology Laboratories de Mountain View, en Californie, utilise une paire de lasers infrarouges pour exciter sélectivement des particules métalliques fluorescentes suspendues dans un cube de verre transparent, mesurant 1,5 centimètre de côté. Lorsque ces additifs spéciaux de terres rares (également appelés dopants) sont mélangés au verre fondu pendant la fabrication, ils se répartissent uniformément dans le verre comme des pépites de chocolat dans un biscuit, explique Downing. Lorsqu'un point à l'intérieur du verre solidifié est éclairé par une lumière infrarouge invisible, les minuscules impuretés brillent intensément.

La capacité de visualiser des données volumétriques en temps réel sous une véritable forme tridimensionnelle a été le Saint Graal des efforts de développement d'affichage pendant des décennies. Et tandis que le concept de représentation d'objets 3D dans du verre fluorescent remonte au moins au milieu des années 1960, ce n'est qu'au début des années 1970 que les chercheurs des laboratoires Battelle à Columbus, Ohio, ont réussi à générer deux faibles points de lumière à l'intérieur d'un cristal d'erbium. dopé au fluorure de calcium en utilisant une lumière à haute intensité provenant de lampes au xénon, similaire à celle générée par des sources halogènes. Mais c'était tout ce qu'ils allaient.

Réalisant que des lasers peu coûteux mais puissants et de nouveaux matériaux optiques étaient depuis devenus disponibles, Downing, travaillant comme ingénieur sur des équipements laser au centre technologique de FMC Corp. à Santa Clara, en Californie, a estimé que le moment de développer la technologie était venu main. Lorsqu'elle est venue à Stanford pour poursuivre ses études supérieures en 1988, elle a poursuivi ses recherches sur les écrans 3D avec Lambertus Hesselink, professeur de génie électrique à l'université, recevant une subvention de 350 000 $ US Navy et un soutien supplémentaire de la Defense Advanced Research Projects Agency pour poursuivre le concept.

Le prototype d'affichage qu'elle a développé est basé sur un principe appelé conversion ascendante. Certains éléments de terres rares présentent ce phénomène en émettant de la lumière visible lorsqu'ils sont frappés en succession rapide par deux faisceaux laser infrarouges de longueurs d'onde données. Aucun des deux faisceaux n'a assez d'énergie pour provoquer la fluorescence par lui-même, explique Downing, mais l'énergie combinée des deux peut faire briller un ion dans le verre.

Lorsque l'ion, qui reste normalement à son niveau d'énergie le plus bas, absorbe l'énergie du premier laser, il effectue une transition vers une phase excitée intermédiaire, où il reste pendant une courte période. Lorsqu'un ion dans cette phase est frappé par le deuxième faisceau laser, il absorbe de l'énergie à la deuxième longueur d'onde, subit une transition vers un état encore plus excité et réémet la majeure partie de son énergie excédentaire sous la forme d'un seul photon de lumière visible lors de sa désintégration. revenir à son état fondamental.

Pour permettre au prototype d'affichage de produire des images en couleur, Downing a assemblé le petit cube de verre à partir de trois couches de verre fluoré développé pour les lasers à fibre optique et les amplificateurs optiques commerciaux. Chaque couche contient des ions qui émettent l'une des trois couleurs primaires additives : une couche dopée avec du praesodyme brille en rouge, une autre avec de l'erbium brille en vert et une troisième avec du thullium brille en bleu.

Downing a attribué des adresses à des points précis sur chaque couche de verre. Ensuite, en programmant une paire de scanners laser qu'elle a empruntés à des lecteurs de disques optiques, elle a pu diriger les faisceaux laser verticalement et horizontalement ainsi qu'en arrière et en avant à travers le cube. En contrôlant exactement où les deux faisceaux laser invisibles se croisaient dans le verre transparent, elle a pu éclairer un additif fluorescent d'une couleur donnée - un peu comme un faisceau d'électrons éclaire des phosphores particuliers sur un écran de télévision couleur - pour produire l'image souhaitée.

Chaque point lumineux allumé, appelé élément de volume, ou voxel, ressemble à un bombardier de la Seconde Guerre mondiale pris à l'intersection de deux faisceaux de projecteurs. Cependant, les voxels sont minuscules. En fait, des faisceaux focalisés sur un diamètre de 100 microns, produisent environ 300 voxels autour du périmètre d'un cercle d'un centimètre de diamètre.

L'écran du prototype initial de Downing est composé d'un empilement de seulement trois couches de verre individuelles collées ensemble avec un adhésif optiquement compatible pour former une structure composite. Cependant, l'inventeur entend construire un système de couleurs 3D à plus grande échelle en assemblant de nombreuses couches minces dopées disposées selon une séquence répétée - rouge, bleu, vert ; rouge, bleu, vert; et ainsi de suite pour permettre la création d'images couleur haute résolution. En fait, Downing a déjà commencé à évaluer de nouveaux matériaux d'affichage et a commencé à travailler sur son prochain projet (pour lequel elle dit avoir reçu un financement en capital-risque) : la construction d'un écran à l'aide d'un cube de verre de 6 pouces.

cacher