作者:晋楠 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2018/2/7 16:43:04
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物理学家创建《星战》三维投影
激光和粒子系统产生可在稀薄空气中漂移的三维动态图

 

    在科幻电影如《星战》系列影片中,三维光线投射无处不在。物理学家的最新投影技术可从各个方向看得见,达到最接近模仿科幻投影的水平。图片来源:Lucasfilm Ltd/Kobal

Daniel Smalley一直梦想构建科幻电影中充斥的三维全息图。但在2008年的电影《钢铁侠》中,看着发明家Tony Stark把双手幽灵般地穿过三维身体盔甲,Smalley意识到,他永远无法用目前标准的高科技三维展示——全息技术实现这一目标,因为Stark的手会挡住全息图的光源。“这刺激了我。”美国犹他州杨百翰大学物理学家Smalley说。他立即设法解决这个问题。

Smalley的团队采取了不同的方法——用一种被称为“立体显示”的技术创造移动的三维图像,观众可以从任何角度看到投影。一些物理学家说,这一技术比其他任何技术都更接近重现1977年电影《星战》中莱娅公主呼唤帮助的3D投影。“这是在做全息图永远不能做的事情,它会给你全方位的视角—— 一个莱娅公主式的展示,因为它不是全息图。”英国格拉斯哥大学光学物理学家Miles Padgett说。

近日,《自然》杂志描述的这一技术的工作原理更像是一种高速蚀刻素描:它利用一组几乎不可见的激光束传递的力量来捕捉单个粒子(一种叫作纤维素的植物纤维),并使其不均匀地加热。这使得研究人员能够来回推拉纤维素。第二组激光则会把红色、绿色和蓝色的可见光投射到粒子上,并在其穿过空间时照亮它。人类无法以每秒10幅的速度分辨图像,因此,如果粒子移动得足够快,它的轨迹就像一条实线——像在黑暗中移动的火花。如果图像变化得足够快,它似乎就会移动。这个显示屏可以覆盖在真实的物体上,观众可以在真实的空间里围绕它走动。

到目前为止,它所创建的图像仍很微小,只有几毫米宽。且由于产生移动图像需要较高的速度,因此现在只能创建出简单的线条图。研究小组已描绘出一幅移动的螺线图和一只蝴蝶的静态轮廓。

马萨诸塞州剑桥哈佛大学纳米技术研究专家William Wilson说,这项技术仍需要相当多的开发,现有简单的设计具有巨大的改进潜力。

“这是技术上的一个巨大胜利。”Padgett说,“我多希望它是我做的。”

与现有的三维显示技术相比,该方法有很多优势。全息技术通过让光穿过一个包含衍射光栅的二维屏幕来创造三维图像。光栅则会操纵光线的路径,通过这种方法它们会让图像产生深度感。艺术全息图可以是全彩的,也可以是真人大小的,但由于光线必须从二维平面中显现出来,其观看角度是有限的。又因为改变由于一定速度的衍射光栅具有挑战性,全息图也通常是静态的。

正如其名字暗示的那样,立体显示会在三维空间中重建一幅图像。现有大多数系统会将图像投射到一个快速旋转的二维屏幕上。而更复杂的显示,包括让Smalley获得启发的、由东京庆应大学研究人员所作的一些显示,则在三维空间中使用了超热等离子体。但目前这些显示只能使用一种颜色。其他的一些方法使用了增强现实的硬件,比如微软的HoloLens,它可以创造出真实世界三维图像的错觉。但Smalley说,这些需要专门的头盔,而且是数据密集型的。

最新的系统已经做出了比传统计算机屏幕更高分辨率的图像,达到每英寸1600点。但若要创建逼真的图像,则要有复杂的移动图像和更高的视觉化效果,物理学家仍需找到加速粒子运动并能同时控制其中若干粒子运动的方法。

Smalley说,他有办法解决这两个问题。他说:“如果我们在今后4年里能够取得像过去一样多恶成绩,那么我们将能成功地作出实用尺寸的显示。”

图森市亚利桑那州立大学光学物理学家Nasser Peyghambarian说,这项技术的一个缺点是很难摆脱投影幽灵般的、透明的特点。这是因为眼睛接收到的图像“背面”粒子的光线会和“正面”一样多。

最后还有一个问题,由于控制粒子的力量非常小,该系统很容易被破坏。这可能会妨碍军事应用,比如模拟训练士兵的三维战场,因为任何强风都可能让粒子脱离轨道。Smalley说,为了解决这一问题,该系统可被用于让光仅仅从暂时存在的粒子雾中散射出去。“你永远不可能在飓风中这么做。”他说,“但它依然可以在外面开展,这并没有超出想象的范围。”(晋楠编译)

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《自然》网站相关报道(英文)

 
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