利用激光捕获微型粒子，竟可在空中显示3D全息图像

本文来自微信公众号“青亭网”（ID:qingtinwang），编辑：Esther，36氪经授权发布。

如何能塑造《星球大战》中的全息通话效果，无需显示屏就能在空气中显示图像？想象一下，在黑暗的空间中，如果打开手电筒，你可能会看到被照亮的灰尘粒子，即使没有显示屏，你也可以看到光线找到灰尘上并反射到人眼中的图像。那么，在空气中显示全息图像是否也能利用类似的原理呢？

近期，杨百翰大学电子全息实验室研发了一种通过激光束控制微型纤维素粒子，在空间中显示裸眼3D全息图像的无屏幕方案（Optical Trap Display），号称可在空间中显示全彩色全息图像。未来，在结合眼球追踪技术后，还可根据观察者的视角来动态调整深度和背景，模拟无限大的显示区域。

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。

据了解，该方案可显示静态的长焦画面，也可以显示动态全息图像。整个装置可以做到足够小，可显示的区域大小与装置大小成正比。此外，由于微型粒子移动速度足够快，它几乎可以同时显示独立的颜色和虚拟图像。

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。

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。

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。

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。

因此在2018年裸眼3D显示方案基础上，科研人员根据观察者的视角来动态调整图像深度，营造更大范围的显示观感。

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）。

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）。

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。

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。

相似的研究

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。

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。

苏赛克斯大学的方案的另一特点是，可同时利用声波来产生触觉反馈。科研人员表示：超声波可以在悬浮的粒子和体感反馈、声音模式之间快速切换，速度快到人体无法察觉，这样体验者就能够在看到全息影像的同时听到声音或者感受到触觉。

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。

不过，这个方案的显示区域同样受到装置体积的限制，如果结合杨百翰大学最新提出的方案，通过模拟远处深度来扩大人眼可感知的全息图像，或许可以得到进一步优化。

参考：

https://vrscout.com/news/researchers-use-laser-beams-to-create-holograms/

https://www.nature.com/articles/s41598-021-86495-6.pdf