英国大学裸眼3D新突破:空中立体成像,多模态声阱显示器

英国大学裸眼3D新突破:空中立体成像,多模态声阱显示器
2019年11月18日 14:30 新浪网 作者 尬聊科技史记

中国民商

为改革发声

为民企立言

多模态声阱显示器的原理基于声镊——利用声波控制细小物体的位置和运动的技术,该系统使用声波捕获一颗粒子,并用红、绿、蓝光照亮它,以控制粒子在显示器中行进时的颜色。

《星球大战》的意义,既是因其构建出一个宏大的世界观,也在于其在有限的技术条件下用想象力创造了一个童梦神话。3D 立体显示技术,就是其中重要的概念之一。尽管在各种舞台上,我们总能看到号称全息投影的演出,但实际上,都是利用被称为“佩珀尔幻象”的现象做到的,只能在特定角度观看。因而想利用声波光学原理去无死角呈现一个动态画面绝非易事。

此次英国科学家拿出的成果,并非在空气中进行展示,而更类似一种360度全息显示屏,不过难能可贵的是,其可以提供给用户触觉反馈,“科幻”意味十足。这项技术虽然远谈不上成熟,但其离我们的现实生活已经不再遥不可及。

在最新一期的 《科学》杂志上,来自英国布莱顿的萨塞克斯大学的研究人员介绍了一种多模态声阱显示器(Multimodal acoustic trap display,MATD),多模态声阱显示器被工业和信息化部列为《产业关键共性技术发展指南(2017年)》174项关键技术之一。其原理基于声镊——利用声波控制细小物体的位置和运动的技术,该系统使用声波捕获一颗粒子,并用红、绿、蓝光照亮它,以控制粒子在显示器中行进时的颜色。

英国大学裸眼3D新突破:空中立体成像,多模态声阱显示器

此种显示方式,与全息图、虚拟现实和立体镜等技术就全然不同。那些人们更熟悉的方法使用光的技巧来创造深度的幻觉,给人们带来逼真的效果。但全息图只能从某些特定角度看到,虚拟现实和立体透镜都需要戴头盔或者眼镜,而且所有这些技术都可能导致眼睛疲劳。

相比之下,使用激光、电场、雾投影或其他方法来创建真正的 3D 图像,可以让人凭肉眼从任何角度都能看到。这个系统以声学方式捕获粒子,并在快速扫描显示体积时用红、绿、蓝三种颜色的光对粒子进行照射,以控制其显示的颜色。同时,利用二次陷波器的分时复用、振幅调制和相位最小化方法,让 MATD 可以将听觉与触觉内容随着视觉显示一并呈现。

萨塞克斯大学工程与信息学院的访问学者平山隆二(Ryuji Hirayama,原来在日本东京科学大学工业科学与技术学院担任日本科学促进会(PD)研究员),也是论文的第一作者。演示了该显示系统在垂直和水平方向上操控的粒子速度,分别高达 8. 75 m/s 和 3. 75 m/s,其对粒子的操控能力要远优于此前展示的其他光学或声学方法的性能。

目前市面上已有的立体显示器通常是将 2D 图像转换为 3D 的。将光子投射在一块可以快速上下震动的屏幕上,它会创造一个无需特殊眼镜就能直接观看的 3D 图像。但由于这种显示设备复杂的机械零件结构,使其只能被锁在玻璃后,还无法找到除了在博物馆展示之外的合适应用。

这次的多模态声阱显示器实际上就是用声音来创建图像----制造声波并产生高压点的方法来固定和移动小物体。也是受《星球大战》中出现了“牵引光束”帮助帝国捕获“千年隼”的启发。

想要显示出稳定的图像,悬浮的小颗粒需要在不到十分之一秒的时间内创建每个图像帧。在此前的研究中,声悬浮往往更关注于如何将物体保持得尽可能稳定,运动速度则相对较慢。而此次研究创新在于,在粒子稳定之前就将其敲出,并专门为计算其移动路径而设计出一个程序,规划好粒子的每个新目标点。

英国的研究团队可以每秒改变焦点40000 次。粒子的速度能达到 8.75 米/秒,这让它们在跨越 2 毫米的空间时,就和瞬间移动差不多。而当粒子运动时,一个快速变化的 LED 会使其沐浴在光线中,从而产生颜色。

由于《星球大战》给人们带来的印象过于深刻,任何 3D 显示都不可避免地会被拿来与电影中的全息图像作比较。此次英国研究人员的突破,比以前类似的方法能创造出更大的图像,并结合了声音,这使得人们离重现(全息图像)更近了。

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