充满希望的科学家让全息图栩栩如生

本文最初刊载于我们2022年5月/6月的刊物，标题为“全息投影的希望”。点击此处订阅以阅读更多此类文章。

“救救我，欧比旺·克诺比。你是我的唯一希望，”莉亚公主的一段苍白、闪烁的影像，通过忠实的机器人R2-D2投影出来，恳求道。在1977年的第一部《星球大战》电影的标志性场景中，英雄们克诺比和卢克·天行者被三维显示所吸引，这个显示在他们面前显现，仿佛一个迷你莉亚就出现在房间里。

对于科幻迷来说，“全息图”这个词常常会让人联想到漂浮的投影，这些投影向角色展示互动信息，帮助他们在一个未来世界中导航。近年来，屏幕上出现了各种版本的概念，从《钢铁侠》这样的超级英雄电影到Netflix的《黑镜》系列。在文学作品中，它们早在艾萨克·阿西莫夫1942年的小说《基地》中就已出现，其中一个角色的预录视频信息以3D投影的形式播放。

虽然现有的将人工影像投影到真实环境中的技术——从头戴式设备到舞台大小的投影系统——可以创造出引人注目的3D体验，但它们普遍未能达到电影制作人和未来主义者设想的交互式、自由漂浮的影像。尽管如此，研究人员和科技公司目前正在开发他们希望有一天能实现科幻小说承诺的显示系统。

剧透警告：今天的解决方案在技术上并非全息图。这是因为传统的全息术涉及到在二维介质上记录三维图像。

全息图最初是作为鬼魅般的红或绿色的无生命物体图像出现的，现在常被用作安全特征——想想信用卡上的闪亮标签或各种身份证上的虹彩水印，例如。在其早期，全息术通常通过将激光束分成两束，然后将其中一束射向物体，再将两束重新组合，从而在感光胶片上压印出干涉图案来实现。匈牙利物理学家丹尼斯·盖博在20世纪40年代使用电子束开发了这项技术，这比激光的出现早了十多年。

但是，正如丹尼尔·斯吗利，杨百翰大学（BYU）的电气与计算机工程副教授所说，由于传统全息图必须通过信用卡或照相板等平面进行观察，因此无法使用传统全息术在空气中创建类似莉亚的图像。取而代之的是，产生空中3D图形的设备，其中光散射图像点分布在空间中，通常被归类为体积显示器。“与看电视一样，你可以把它看作是一个喷泉，你可以绕着它走，而且不必盯着屏幕就能看到图像，”斯吗利说。

尽管这些空中成像系统仍处于早期开发阶段，但斯吗利和其他技术专家设想了一个不久的将来，自由漂浮的3D投影将被广泛用于视频聊天、医学成像和紧急显示。

为了在现实世界中重现类似莉亚的图像，斯吗利的BYU团队开创了一种技术，将激光与尘埃大小的纤维素颗粒配对，以产生似乎漂浮的图像。

斯吗利说，包含低能量“孔洞”的激光束可以用来捕获粒子并将其拖过空气。通过在粒子沿着预定路径划过时用红色、绿色和蓝色光束照亮它，系统就可以在空中渲染出彩色图形。图像每秒重绘至少10次，从而产生连贯的图像错觉。换句话说，“我们足够快地移动火花棒，使其看起来像一条连续的线，”斯吗利说。

该团队已经制作了缩略图大小的蝴蝶、宇宙飞船甚至莉亚公主的肖像。斯吗利说，通过同时捕获和扫描许多粒子，该系统可以被放大。此外，通过控制粒子在某些方向上如何反射光，图像本身可以做得更实。他说，通过控制每个图像点上的光散射方式，该技术还可以为不同视角的观众提供不同的体验。“房间里的每个人，即使看着同一片空间，也可能看到完全不同的东西，”斯吗利说。他补充说，一个足够先进的设备有一天可以做到，比如，让一个孩子把他的家庭作业投影出来——同时一个父母正在进行视频通话，另一个父母在同一个空间玩游戏。

虽然其他使用激光的技术——以及一些使用声波的技术——提供了有趣的可能，但生成图像需要物理物质被照亮。太平洋地区的一组研究人员将科幻概念推进一步，仅使用光来创建空中图像。

想象一下：你在星期六早上睡醒时，设备发出闹钟声。你迷迷糊糊地翻了个身，看到“SNOOZE”这个词投影在设备上方的空中。你伸手触摸虚拟按钮，指尖传来一丝轻微的触感——然后你又沉沉睡去。

日本筑波大学的研究人员正在研究一项可能使这种情况成为现实的技术。该团队由副教授Yoichi Ochiai领导，他们使用发出超短脉冲光的激光在空中创建图形。高强度光束可以通过电离分解空气分子，产生短暂的光点，即等离子体。该系统通过在三维空间中快速调整激光的焦点来渲染图像，每秒生成数千个发射点，即体素。

该技术的一个早期版本使用了纳秒激光脉冲，它有一个不幸的副作用，会灼伤人体皮肤。Ochiai说，他称之为“仙女灯”的装置采用了更短的飞秒激光脉冲，尽管峰值强度很高，但危险性要小得多。该系统投影出的微小心形、星星和仙女不仅可以安全触摸，而且对接触有反应。在一项演示中，这个桌面系统投影出一个可以通过手指填充的复选框。“感觉有点像砂纸或静电冲击，”Ochiai说。

Ochiai说，除了在增强现实中的应用——例如浮动的键盘——该系统的触觉特性还可以用来创造一种空中盲文。他还设想了大规模的紧急显示器，可以高高地投射在城市上空，向居民发出自然灾害警报或指示逃生路线。虽然最初的图像只有立方厘米大小，但Ochiai说，该系统的可扩展性取决于光学设备的尺寸和功率。他表示，大型系统目前价格昂贵，并且随着数百万美元的价格标签下降，使用等离子体绘制图像的技术很可能在未来10到20年内变得更加可行。

尽管基于激光的方法仍处于起步阶段，但研究团体和私营公司都开发了各种基于屏幕的显示器来生成3D图像。其中许多被称为全息图，尽管它们通常依赖于其他技术，如偏光眼镜、近眼显示器或堆叠的LCD屏幕。

IKIN，一家总部位于圣迭戈的初创公司，正致力于通过一种连接到智能手机的新设备来创建三维显示器。这款名为RYZ（发音为“rise”）的配件拥有一个专利镜头，公司创始人兼首席技术官Taylor Scott解释道。对于通过端口观看的观众来说，彩色物体会出现在真实世界的背景中。

该设备利用先进的AI算法，能够锁定用户的眼睛和其他线索，不仅模拟立体深度，还能将来自背景环境的光子与投射到用户视网膜的光融合。Scott说，这种“加性处理”允许系统实时不断地调整图像，以补偿图像后面物体的亮度和颜色。

“我们追踪你周围的环境，并利用已经进入你眼睛的光来创造我们想要的图像，”Scott说，他补充说，与大多数需要眼镜的系统和舞台表演不同，该设备可以在白天使用。用户可以通过触摸玻璃状窗口来操纵高分辨率的深度场，并且根据设备的位置，多个用户可以从不同的视角查看图像。

Scott预见到这项技术有无数的应用，从沉浸式视频通信到先进的医学成像技术，如脑部扫描和超声心动图。软件开发者将能够为该设备创建内容，而RYZ应用程序将使用户能够玩游戏并将他们现有的数字图像和视频转换为深度场。“我们正在让消费者能够回顾他们所有的回忆，并在全息图中重温它们，”Scott说。

尽管物理定律很可能在短期内阻止技术人员生成类似莉亚的投影，但体积显示技术的进步肯定会把越来越多的引人入胜的方法带入主流。

例如，你可能会在电子游戏中看到这项技术。虽然IKIN努力避免被局限于游戏领域，但电子游戏是这家初创公司的基因。Scott是一位狂热的游戏玩家；事实上，制造这个显示设备的初衷是他渴望沉浸在他最喜欢的电视游戏之一的世界中。“我发明这个系统的原因就是我想玩全息版的《塞尔达传说》，”Scott说。“我爱塞尔达。”