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利用激光捕获微型粒子，竟可在空中显示3D全息图
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摘要：据体验者称，如果将手放进该方案的超声波范围内，可感受到类似于温柔的空气流动。 当然，除了模拟更大显示范围外，也可以通过增加激光捕获的纤维粒子数量、改变粒子材质、尺寸
据体验者称，如果将手放进该方案的超声波范围内，可感受到类似于温柔的空气流动。
当然，除了模拟更大显示范围外，也可以通过增加激光捕获的纤维粒子数量、改变粒子材质、尺寸、结构等方面来丰富3D全息图像。接下来，科研人员计划在该方案中加入遮挡、散焦等效果，进一步优化3D全息的逼真感。
据悉该方案的原理是，利用激光束拖拽微型粒子移动，与此同时激光束也会点亮微型粒子，由于人眼的视觉暂留原理，当点亮的微型粒子高速移动时，便可模拟肉眼可见的立体全息图像。实际上，与Voxon等裸眼3D全息方案类似，不过并非采用高速移动的平面，而是进一步将显示单元缩小为微型粒子，好处是更加灵活且支持多色彩显示。
两年前，英国布莱顿苏赛克斯大学的科研人员也曾研发类似的全息方案，不过与杨百翰大学的激光捕获粒子方案不同的是，苏赛克斯大学利用超声波来控制1-2毫米直径的聚苯乙烯粒子，而不是用激光直接捕获和控制粒子。
因此，科研人员将同样的原理应用于光泳全息方案中，在前景渲染3D立体全息图像，而在背景通过非立体全息图像模拟远处的深度，并称之为透视投影。为了进一步优化背景图像的立体感，科研人员提出采用两组支持各向异性散射的粒子来模拟双目视差，减少立体视觉调节冲突。
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此外，在当代戏剧场景中，也曾通过投影来模拟远处的背景，形成视差效果。由于远处的背景足够远，因此不会触发人眼聚焦（视觉辐辏调节）。
目前，杨百翰大学研发的3D全息显示方案的可显示体积约为1立方厘米，为了保持稳定的显示效果，微粒在这个1立方厘米空间中需要每秒重复运动10次以上（指的是每一秒内，微粒通过矢量路径，走完完整全息图像像素点的次数。），人眼才不会识别粒子运动。除此之外，如何在1立方厘米空间中尽可能显示更多内容，也是需要解决的问题。
细节方面，利用激光移动微粒的方案基于粒子的光泳原理，即：当悬浮在气体（气溶胶）或液体中的小粒子，被强光照射时，会开始往原理光源的方式移动，出现这种状况的原因与光照产生不均匀温度分布有关。而在杨百翰大学研发的方案中，科研人员则利用激光来捕获纤维素粒子，通过光泳原理来控制粒子移动。
考虑到该显示方案基于高速移动的粒子，其显示的全息图像将具有实际的体积，也就是说如果用手触碰可能会干扰全息显示。为了探索3D全息的交互方式，科研人员模拟了全息简笔画人物在手指表面行走的效果。
科研人员表示：基于光泳原理的激光捕获粒子方案可灵活模拟不同体积的图像，理论上讲可显示比1立方厘米更大的全息图像，不过显示区域越大，设备体积也越大。因此参考电影原理，通过包含3D线索的平面背景来暗示深度，比如向远处延伸的路（远景透视线索）、山与山之间的遮挡（遮挡线索）、山的淡出（环境线索，模拟更远的距离和更大的空间）。
另外，由于该方案的显示区域大小与装置大小成正比，为了显示更多内容而不增加装置体积，科研人员通过追踪观察者的注视点，来动态模拟全息图像在更远距离的观感（透视投影），营造一种在显示区域外显示全息图像的效果，理论上可模拟无限远的显示距离和范围。此外，也可以利用注视点追踪和运动视差原理，根据视角变化实时改变画面，让现实区域看起来比实际更大，未来甚至可能模拟在房间外、窗外显示全息图像的效果。
据悉，该方案基于声悬浮原理，通过扬声器产生的超声波来控制微粒移动，刷新率可达100次/秒。而光源方面，则采用LED照射，支持RGB全色彩显示。
据青亭网了解，杨百翰大学电子全息实验室从2018年就开始尝试用激光控制微粒来显示3D全息图像，就像是传统显示屏通过多个发光的像素形成图像，杨百翰的3D全息方案通过高速移动的单颗粒子来显示/填补全息图像，利用人眼的视觉暂留原理，看起来就像是由多颗粒子组成全息图像的效果。
文章来源：《强激光与粒子束》 网址: http://www.qjgylzsgw.cn/zonghexinwen/2022/0909/683.html
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