李雨蒙

大銀幕上最經(jīng)典的一幕科幻場景，就是《星球大戰(zhàn)》中機器人R2-D2在空氣中呈現(xiàn)了莉亞公主的3D全息圖。幾十年來，科學家們一直在研究如何能夠創(chuàng)造出一種從各個角度都能看到的“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微小且復雜的屏幕，由LG主導的韓國團隊創(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)在有一項新科技——利用粉塵粒子作為最小屏幕實現(xiàn)3D投影，讓這一場景離現(xiàn)實更近了一步。

美國楊百翰大學的Daniel Smalley和同事設計了一種自由空間立體顯示平臺——Optical Trap Display光學陷阱顯示，通過它3D物體可以在真實空間中再現(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的3D投影，新技術在快速打印出圖像的同時，也可以實現(xiàn)快速擦除。

事實上，這里的理論基礎是光泳現(xiàn)象。光泳是指空氣中的微?？杀粡姽馐倏v的現(xiàn)象。這項新技術做出的3D圖像就像一張高速蝕刻的草圖：在整個裝置中，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行操縱；第二組激光束將紅、綠、藍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?！斑@和夜晚的時候你在空中揮舞熒光棒畫出你的名字沒什么不同?！盨malley說道，“我們明白這只是一個點的運動，但如果速度夠快，我們的眼睛就會看到一條連貫的實線?！?/p>

“很少有立體圖像可以在被精確操控的同時仍然自由漂浮在空中?！白龀鲆粋€勉強能看的‘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此項研究的英國德比大學的物理學家和工程師巴里·布倫德爾評論道。如今，Smalley的團隊用單顆粒子和幾束低成本激光的精確操控實現(xiàn)了立體圖像的自由漂浮。

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

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

布倫德爾對此表示贊同：“這就是這一技術的潛力所在?！?/p>

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

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

算上所有應用的全息技術，這項新技術是復制星球大戰(zhàn)場景最為逼真接近的一項。演示視頻中，一只小巧的由光產(chǎn)生的3D蝴蝶，在科學家指尖翩然起舞。它和我們在星戰(zhàn)中看到的很像，但這種技術卻和全息完全不一樣。你可以在任何角度看到它，包括后面，而全息則無法達到。它就如同光的3D打印產(chǎn)品，在散射和移動的共同作用下，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)，一個未來派小說中的虛幻場景，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，它也可以被認為是一種“光的3D打印機”，在自由空間中產(chǎn)生一個3D圖像，具有很大的色域，從精細的細節(jié)和較低的顯示點。研究人員利用這種3D打印機，已經(jīng)“印制”了蝴蝶、棱鏡以及楊百翰大學的?；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，但這項研究仍然非常重要，這是第一次使用光學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定角度觀測的特點，這種被稱為“體積圖像”（volumetric images）。

體積圖像技術產(chǎn)生的圖像可供360度觀察，其原理是通過激光捕獲一個粒子并牽引其高速移動從而創(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，并被用來培訓醫(yī)生或航空管制員。

Smalley認為，這種方式創(chuàng)建的圖像永遠不會像電影里看到的那樣真實，但仍舊可以帶來醫(yī)學影像和其他領域的變革。他表示：“如果能得到一個高分辨率的核磁共振圖像數(shù)據(jù)，就可以使用這個顯示器展示血管的橫切面。”目前這些圖像還相當粗糙，很可能是因為受到激光移動粒子速度的限制。

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，因為視頻會捕獲一些人眼看不到的閃爍。這項研究現(xiàn)在的目標是將物體放大，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》網(wǎng)站

（責任編輯 姜懿翀）