比全息更好的3D投影，仅靠尘埃就能实现

如果你是一个科幻电影迷，一定不会不知道《星球大战》这部经典的荧屏科幻大片。还记得那个萌萌哒的 R2-D2 机器人和美丽的莱雅公主么？电影中有这么一幕：R2-D2 利用激光束炫酷地把莱雅公主的形象投射到了稀薄的空气中 (“当时的我都惊呆了”），而今天科学家们把想象向现实又推近了一步。

最近，发表在 1 月 24 日的《自然》杂志上的一项研究表明，科学家们已经想出了如何操纵空气中几乎看不见的尘埃粒子，这些粒子就像是一个个极小的屏幕，利用它们可以制作出比常规的全息更真实、更清晰的三维图像。这项研究的主要作者，杨百翰大学的电气工程教授 Daniel Smalley 表示，这项新技术能够在空间中“打印”出图象，并可以实现快速的擦除。

图 | Daniel Smalley 教授与他的学生

其实早在一个多世纪前，科学家们就已经开始试图创造 3D 投影或物体三维体显示器，并取得了不同程度的进展。其中一些显示工作是将有序切片图像快速的投影到一个旋转的玻璃片，给人一个完整的三维物体的印象；或者将图像投射到雾或尘埃的云层上。然而，很少有显示器可以精确控制尘埃并使图象可以稳定的漂浮在空气中。英国德比大学的物理学家、工程师 BarryBlundell(未参与此项工作) 表示：“制作一个能工作的体显示器很容易，但很难将其性能做的良好，这正是为什么这项研究已经进行了 100 年的原因。”

图 | 将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像

相对于常规的全息投影，虽然我们看到的是一个三维图像，但是其本质是通过一个个的二维平面构成；而这一新技术可以说是 2D 到 3D 的转变，它将图像直接从立体空间里呈现了出来。利用此项新技术，科学家们投影出了一只可在指尖上“舞蹈”的小蝴蝶，并且也模仿出了一张与星球大战场景里类似的图片 (一个研究者的全息图)。相比其他全息图技术，这项新技术全息出的图象可以说与星球大战里的炫酷场景最为相似。

图 | 投影出来的蝴蝶与该研究中的一名研究者形象

这一新技术的亮点就在于它打破了全息技术观察角度的局限，使得人们能从各个角度清晰的看到被投影出来的图象。即便是全息技术领域的相互竞争的同行也被这一技术给帅到圈粉，罗切斯特大学的 Curtis Broadbent 看到这一研究表示：“他们的做法真的太酷了。现在你可以从各个角度去观察，而利用全息技术是不可能实现的。”

图 | 科幻作品中的可以用来移动飞船的牵引光束

Smalley 教授说到：“这些微小的颗粒由激光进行控制，类似于科幻片《星际迷航》中用光束来牵引飞船一样。”不过，给他启发的是有钱任性的“钢铁侠”托尼斯塔克的标志性的全息操作，但其实电影中的全息在现实生活中是不可能发生的，因为斯塔克的手臂会阻挡光路破坏掉图像。

新方法在技术上利用激光改变粒子周围的环境因素的扰动影响，从而实现对粒子的捕获与移动。Smalley 教授表示他一开始也担心由于重力的影响会使得粒子发生下落以致无法维持住所要呈现的图像。不过这一担心是多余的，他发现利用激光的能量可以改变粒子周围的气压，最终实现了粒子的稳定快速移动。具体来说，研究人员利用由透镜控制方向的不可见的紫外激光，捕获了一个纤维素粒子，并将其快速的在空间中移动。随后利用其他的彩色激光照亮快速移动的粒子使其可见。由于粒子的速度足够的快，因而就能够在空间中画出所需的图形，相对于观察者来说，他们只会看到这些轨迹形成的单一的图像。
Smalley 解释道：“这就好比夜晚，你用闪光灯，在空中划出你的名字一样。虽然我们知道它只是一个点，但如果它走得够快，就能骗过我们的眼睛，只在眼睛里融合出一个图象。”

图 | 新技术原理图，利用紫外激光将粒子捕获移动，再利用有色光源对粒子进行照射，最终形成 3D 图象(RGB 光源，z 方向的倾斜放置的透镜，分色镜，扫描设备，束缚激光构成的捕获粒子势井，粒子，散射光，观察者，进行 3D 成像，束缚激光)

图 | 实验中的粒子在高速移动中画出的图形 Y

研究小组还制作了更高分辨率的图像，不过这些图像需要更多的激光运动，因此需要更多的时间来制作。例如，一张地球的照片花了将近 20 秒的时间，所以只有长时间曝光的相机才能捕捉到它。所有的高分辨率图像都不到 3 厘米宽，小到可以悬停在指尖。对于高质量图象的显示问题，Smalley 教授表示，可以通过一个同时运动的多粒子平面来克服。

图 | 指尖上的地球

Smalley 教授之前的导师，麻省理工学院的 Michael Bove 教授评价到:“其他版本的体显示使用的是更大的‘屏幕’，而且一旦你的手指插进去，你的手指就会被砍掉。”

现在，Smalley 教授所能投影的图像还比较小，呈现的体积大概是儿童午餐盒的 1.5 倍。他接下来的工作是投影出更大的体积的图像，希望有朝一日这一新技术可以应用到现实，融入到人们的日常生活。

也许在不久的将来，当医生需要把导管穿过大脑或心脏的血管时，利用这一技术就可以给出高分辨率的动脉截面全息图来指导医生进行手术。而老师在课堂上只需打开投影仪就可以给学生展示我们生存的星球的任何细节。

参考：

https://phys.org/news/2018-01-holograms-d-thin-air.html

http://www.sciencemag.org/news/2018/01/princess-leia-holograms-one-step-closer-reality

https://www.nature.com/articles/nature25176

文章来源:科学网