最小粒子實(shí)現(xiàn)的3D投影

李雨蒙

大銀幕上最經(jīng)典的一幕科幻場(chǎng)景，就是《星球大戰(zhàn)》中機(jī)器人R2-D2在空氣中呈現(xiàn)了莉亞公主的3D全息圖。幾十年來，科學(xué)家們一直在研究如何能夠創(chuàng)造出一種從各個(gè)角度都能看到的“全息影像”。到目前為止，我們所看到的唯一真正的彩色全息影像來自一個(gè)微小且復(fù)雜的屏幕，由LG主導(dǎo)的韓國(guó)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建，而其余的所謂“全息影像”只不過是基于佩伯爾幻像原理的虛像?，F(xiàn)在有一項(xiàng)新科技——利用粉塵粒子作為最小屏幕實(shí)現(xiàn)3D投影，讓這一場(chǎng)景離現(xiàn)實(shí)更近了一步。

美國(guó)楊百翰大學(xué)的Daniel Smalley和同事設(shè)計(jì)了一種自由空間立體顯示平臺(tái)——Optical Trap Display光學(xué)陷阱顯示，通過它3D物體可以在真實(shí)空間中再現(xiàn)，而且不用佩戴任何眼鏡，就能從任何角度觀看。Smalley等研究人員利用在空氣中肉眼近乎難以察覺的雜質(zhì)，創(chuàng)造出比全息圖像更加真實(shí)的3D投影，新技術(shù)在快速打印出圖像的同時(shí)，也可以實(shí)現(xiàn)快速擦除。

事實(shí)上，這里的理論基礎(chǔ)是光泳現(xiàn)象。光泳是指空氣中的微?？杀粡?qiáng)光束操縱的現(xiàn)象。這項(xiàng)新技術(shù)做出的3D圖像就像一張高速蝕刻的草圖：在整個(gè)裝置中，第一組激光束幾乎不可見，被用于捕獲并加熱一枚纖維素粒子，使研究人員能夠?qū)αＷ舆M(jìn)行操縱；第二組激光束將紅、綠、藍(lán)三種可見光按比例投射到粒子上，使它發(fā)光。

通過快速移動(dòng)被捕獲的粒子，研究人員能夠在空中揮舞出一些立體形狀，從觀察者的角度來看就成為一張完整的圖像。“這和夜晚的時(shí)候你在空中揮舞熒光棒畫出你的名字沒什么不同。”Smalley說道，“我們明白這只是一個(gè)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，但如果速度夠快，我們的眼睛就會(huì)看到一條連貫的實(shí)線?！?/p>

“很少有立體圖像可以在被精確操控的同時(shí)仍然自由漂浮在空中?！白龀鲆粋€(gè)勉強(qiáng)能看的‘立體圖像并不難，而做出真正漂浮著的立體圖像很難——人們已經(jīng)為此付出了上百年的努力?！辈⑽磪⑴c此項(xiàng)研究的英國(guó)德比大學(xué)的物理學(xué)家和工程師巴里·布倫德爾評(píng)論道。如今，Smalley的團(tuán)隊(duì)用單顆粒子和幾束低成本激光的精確操控實(shí)現(xiàn)了立體圖像的自由漂浮。

最初，他和研究團(tuán)隊(duì)還曾擔(dān)心由于重力的影響，粒子發(fā)生下落導(dǎo)致無法維持所要呈現(xiàn)的圖像。后來他們發(fā)現(xiàn)這一擔(dān)心是多余的，利用激光的能量可以改變粒子周圍的氣壓，最終實(shí)現(xiàn)了粒子的穩(wěn)定快速移動(dòng)。

一幅地球的照片需要花將近20秒才能完全創(chuàng)造出來，而且只能被長(zhǎng)時(shí)間曝光相機(jī)捕捉到。到目前為止，Smalley團(tuán)隊(duì)做出的圖像都很小，只有幾厘米寬，小到可以懸停在指尖上。Smalley認(rèn)為這一問題可以通過使用一面粒子同時(shí)移動(dòng)來克服，而不是依靠單顆粒子來完成所有工作。

布倫德爾對(duì)此表示贊同：“這就是這一技術(shù)的潛力所在。”

羅切斯特大學(xué)的Curtis Broadbent 看到這一研究表示：“他們的做法真的太酷了，可以從各個(gè)角度去觀察，打破了全息技術(shù)觀察角度的局限?！?/p>

而為了創(chuàng)造出更逼真的畫面、更復(fù)雜的動(dòng)態(tài)圖像和更強(qiáng)大的視覺效果，物理學(xué)家不僅需要找到同時(shí)控制許多個(gè)粒子的方法，還需要能夠加速粒子的運(yùn)動(dòng)。Smalley表示，他對(duì)如何解決這兩個(gè)問題已經(jīng)有了自己的想法，他說：“我認(rèn)為，如果在未來4年內(nèi)我們能取得與之前同樣多的進(jìn)展，就能成功做出足夠大尺寸的3D圖像?！?/p>

算上所有應(yīng)用的全息技術(shù)，這項(xiàng)新技術(shù)是復(fù)制星球大戰(zhàn)場(chǎng)景最為逼真接近的一項(xiàng)。演示視頻中，一只小巧的由光產(chǎn)生的3D蝴蝶，在科學(xué)家指尖翩然起舞。它和我們?cè)谛菓?zhàn)中看到的很像，但這種技術(shù)卻和全息完全不一樣。你可以在任何角度看到它，包括后面，而全息則無法達(dá)到。它就如同光的3D打印產(chǎn)品，在散射和移動(dòng)的共同作用下，形成了3D圖像。盡管它現(xiàn)在還很微小，也不容易捕捉，可是我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，一個(gè)未來派小說中的虛幻場(chǎng)景，已經(jīng)來到了我們身邊。

這無疑是一種光顯示系統(tǒng)，但Smalley說，它也可以被認(rèn)為是一種“光的3D打印機(jī)”，在自由空間中產(chǎn)生一個(gè)3D圖像，具有很大的色域，從精細(xì)的細(xì)節(jié)和較低的顯示點(diǎn)。研究人員利用這種3D打印機(jī)，已經(jīng)“印制”了蝴蝶、棱鏡以及楊百翰大學(xué)的?；蘸褪直郗h(huán)。

Smalley表示：“雖然之前其他研究者已經(jīng)創(chuàng)造了類似莉亞的投影，但這項(xiàng)研究仍然非常重要，這是第一次使用光學(xué)陷波和激光有效地創(chuàng)建立體圖像，我們正在提供一種制作體積圖像的方法，可以創(chuàng)建我們未來想象的圖像?！辈煌谌⑼队爸荒軓臏y(cè)定角度觀測(cè)的特點(diǎn)，這種被稱為“體積圖像”（volumetric images）。

體積圖像技術(shù)產(chǎn)生的圖像可供360度觀察，其原理是通過激光捕獲一個(gè)粒子并牽引其高速移動(dòng)從而創(chuàng)建圖像。千萬別小看這些低成本激光器，它們繪出的圖像分辨率高達(dá)1600。在未來，這些指尖的蝴蝶將擁有更大的體積，并被用來培訓(xùn)醫(yī)生或航空管制員。

Smalley認(rèn)為，這種方式創(chuàng)建的圖像永遠(yuǎn)不會(huì)像電影里看到的那樣真實(shí)，但仍舊可以帶來醫(yī)學(xué)影像和其他領(lǐng)域的變革。他表示：“如果能得到一個(gè)高分辨率的核磁共振圖像數(shù)據(jù)，就可以使用這個(gè)顯示器展示血管的橫切面?！蹦壳斑@些圖像還相當(dāng)粗糙，很可能是因?yàn)槭艿郊す庖苿?dòng)粒子速度的限制。

此外，這些圖像也很微小，因此這一研究還有很長(zhǎng)的路要走。公平地說，這些圖像親眼所見的效果比在視頻上更好，因?yàn)橐曨l會(huì)捕獲一些人眼看不到的閃爍。這項(xiàng)研究現(xiàn)在的目標(biāo)是將物體放大，創(chuàng)造更大的圖像，并解決其他方面的難題。

編編譯自《自然》雜志《物理學(xué)》網(wǎng)站

（責(zé)任編輯 姜懿翀）