利用激光捕獲微型粒子,竟可在空中顯示3D全息圖像

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如何能塑造《星球大戰》中的全息通話效果,無需顯示屏就能在空氣中顯示圖像?想象一下,在黑暗的空間中,如果打開手電筒,你可能會看到被照亮的灰塵粒子,即使沒有顯示屏,你也可以看到光線找到灰塵上并反射到人眼中的圖像。那么,在空氣中顯示全息圖像是否也能利用類似的原理呢?

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近期,楊百翰大學電子全息實驗室研發了一種通過激光束控制微型纖維素粒子,在空間中顯示裸眼3D全息圖像的無屏幕方案(Optical Trap Display),號稱可在空間中顯示全彩色全息圖像。未來,在結合眼球追蹤技術后,還可根據觀察者的視角來動態調整深度和背景,模擬無限大的顯示區域。

據悉該方案的原理是,利用激光束拖拽微型粒子移動,與此同時激光束也會點亮微型粒子,由于人眼的視覺暫留原理,當點亮的微型粒子高速移動時,便可模擬肉眼可見的立體全息圖像。實際上,與Voxon等裸眼3D全息方案類似,不過并非采用高速移動的平面,而是進一步將顯示單元縮小為微型粒子,好處是更加靈活且支持多色彩顯示。

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據了解,該方案可顯示靜態的長焦畫面,也可以顯示動態全息圖像。整個裝置可以做到足夠小,可顯示的區域大小與裝置大小成正比。此外,由于微型粒子移動速度足夠快,它幾乎可以同時顯示獨立的顏色和虛擬圖像。
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考慮到該顯示方案基于高速移動的粒子,其顯示的全息圖像將具有實際的體積,也就是說如果用手觸碰可能會干擾全息顯示。為了探索3D全息的交互方式,科研人員模擬了全息簡筆畫人物在手指表面行走的效果。

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另外,由于該方案的顯示區域大小與裝置大小成正比,為了顯示更多內容而不增加裝置體積,科研人員通過追蹤觀察者的注視點,來動態模擬全息圖像在更遠距離的觀感(透視投影),營造一種在顯示區域外顯示全息圖像的效果,理論上可模擬無限遠的顯示距離和范圍。此外,也可以利用注視點追蹤和運動視差原理,根據視角變化實時改變畫面,讓現實區域看起來比實際更大,未來甚至可能模擬在房間外、窗外顯示全息圖像的效果。

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據青亭網了解,楊百翰大學電子全息實驗室從2018年就開始嘗試用激光控制微粒來顯示3D全息圖像,就像是傳統顯示屏通過多個發光的像素形成圖像,楊百翰的3D全息方案通過高速移動的單顆粒子來顯示/填補全息圖像,利用人眼的視覺暫留原理,看起來就像是由多顆粒子組成全息圖像的效果。

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細節方面,利用激光移動微粒的方案基于粒子的光泳原理,即:當懸浮在氣體(氣溶膠)或液體中的小粒子,被強光照射時,會開始往原理光源的方式移動,出現這種狀況的原因與光照產生不均勻溫度分布有關。而在楊百翰大學研發的方案中,科研人員則利用激光來捕獲纖維素粒子,通過光泳原理來控制粒子移動。

目前,楊百翰大學研發的3D全息顯示方案的可顯示體積約為1立方厘米,為了保持穩定的顯示效果,微粒在這個1立方厘米空間中需要每秒重復運動10次以上(指的是每一秒內,微粒通過矢量路徑,走完完整全息圖像像素點的次數。),人眼才不會識別粒子運動。除此之外,如何在1立方厘米空間中盡可能顯示更多內容,也是需要解決的問題。

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因此在2018年裸眼3D顯示方案基礎上,科研人員根據觀察者的視角來動態調整圖像深度,營造更大范圍的顯示觀感。

科研人員表示:基于光泳原理的激光捕獲粒子方案可靈活模擬不同體積的圖像,理論上講可顯示比1立方厘米更大的全息圖像,不過顯示區域越大,設備體積也越大。因此參考電影原理,通過包含3D線索的平面背景來暗示深度,比如向遠處延伸的路(遠景透視線索)、山與山之間的遮擋(遮擋線索)、山的淡出(環境線索,模擬更遠的距離和更大的空間)。

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此外,在當代戲劇場景中,也曾通過投影來模擬遠處的背景,形成視差效果。由于遠處的背景足夠遠,因此不會觸發人眼聚焦(視覺輻輳調節)。

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因此,科研人員將同樣的原理應用于光泳全息方案中,在前景渲染3D立體全息圖像,而在背景通過非立體全息圖像模擬遠處的深度,并稱之為透視投影。為了進一步優化背景圖像的立體感,科研人員提出采用兩組支持各向異性散射的粒子來模擬雙目視差,減少立體視覺調節沖突。

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當然,除了模擬更大顯示范圍外,也可以通過增加激光捕獲的纖維粒子數量、改變粒子材質、尺寸、結構等方面來豐富3D全息圖像。接下來,科研人員計劃在該方案中加入遮擋、散焦等效果,進一步優化3D全息的逼真感。

相似的研究

兩年前,英國布萊頓蘇賽克斯大學的科研人員也曾研發類似的全息方案,不過與楊百翰大學的激光捕獲粒子方案不同的是,蘇賽克斯大學利用超聲波來控制1-2毫米直徑的聚苯乙烯粒子,而不是用激光直接捕獲和控制粒子。

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據悉,該方案基于聲懸浮原理,通過揚聲器產生的超聲波來控制微粒移動,刷新率可達100次/秒。而光源方面,則采用LED照射,支持RGB全色彩顯示。

蘇賽克斯大學的方案的另一特點是,可同時利用聲波來產生觸覺反饋??蒲腥藛T表示:超聲波可以在懸浮的粒子和體感反饋、聲音模式之間快速切換,速度快到人體無法察覺,這樣體驗者就能夠在看到全息影像的同時聽到聲音或者感受到觸覺。

據體驗者稱,如果將手放進該方案的超聲波范圍內,可感受到類似于溫柔的空氣流動。

不過,這個方案的顯示區域同樣受到裝置體積的限制,如果結合楊百翰大學最新提出的方案,通過模擬遠處深度來擴大人眼可感知的全息圖像,或許可以得到進一步優化。參考:VRScout,BYU

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