光束传送:全息技术的最新发展

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作者:
Anne Corning

最近,派拉蒙+星际峰会(Paramount+ Summit of Stars)活动在伦敦举行,参与者们能够登上《星际迷航:发现》(Star Trek: Discovery)电影中的传送平台,看到自己变成全息图像,被“光束传送”到附近的位置,全部体验由ARHT的HoloPresence™技术实现。从1979年面世的星球大战s原创电影中莱娅公主的首次亮相,到21世纪00年代钢铁侠少数派报告电影中基于手势的互动显示器,全息显示器一直是科幻小说的重要元素。现在,新的技术研究和产品开发成果正在使未来比以往任何时候都更加接近我们。

Iron Man 2 interactive hologram display

在2010年的电影《钢铁侠2》中,Robert Downy Jr.饰演的钢铁侠与空中全息显示器互动。(图片 © 漫威娱乐/华特迪士尼公司)

全息显示器技术

当前市场上,“全息图”一词适用于多种类型的3D图像,其中一些并非最纯粹技术意义上的真正全息图。传统的全息图采集3D图像,并将其显示在二维介质中。1 为了创建全息图,当光线从物体散射时,我们拍摄光线的图像(通常由多台相机和/或从多个角度拍摄),然后将物体的图像投影到一个看似三维的平面上。

许多全息显示器使用衍射图形修改光波阵面,并重新创建物体的图像。通常,使用空间光线调制器(SLM)设备、激光器或超发光LED(作为光源)将图像投射到LCoS显示表面上。2我们的钱包中甚至都可能存在全息图,这是因为信用卡和身份证通常将全息图用作安全功能——只需寻找虹彩图像或水印即可。

hologram image of eagle on credit care

信用卡上的安全全息图。

在电影中,用于显示漂浮在空中的莱娅公主全息图和类似的3D图像在技术上称为立体显示。这些都是真正的三维图像,具有接近360°的视角,使观看者能够四处走动,并通过肉眼看到物体的不同侧面,无需使用头戴式设备。立体显示通常利用光线散射、发射或吸收表面(如微小颗粒)创建,但大多可以在研究实验室中找到。举例来说,最近进行的一项研究利用声波使微粒悬浮,并在空气中移动,以追踪全息光路。3

在《星球大战》的启发下,来自杨百翰大学(Brigham Young University)的一个研究团队使用激光器“捕获”粒子,并创建全息图像。

与此同时,更广泛的全息图概念(指任何具有3D外观的图像)已在大众的想象中占据一席之地,创新者们正努力将这些未来主义的显示器推向市场,并提供卓越的用户体验。举例来说,来自中国北京航空航天大学的一个研究团队已开发出首款可提供宽广视角的全息显示器。

团队同时实施了两种不同的全息图生成方法:具有可调周期的可调谐液晶光栅,以扩宽视角;并对重构图像进行二次衍射,以增加图像尺寸。显示器系统包含“激光器、扩束器、分束器、空间光线调制器(SLM)、带有两个透镜的4f系统、滤光片、偏振光阀和信号控制器,以及可调谐液晶光栅”。4在实验中,系统可实现57.4°的视角,这是仅具有9°视角显示图像(图像尺寸<2 cm,人类观看者可能产生不适感)的标准SLM全息系统的六倍多。

全息盒实现亲临“活动现场”

在伦敦举行的《星际迷航》展示活动只是新型全息图示例之一,全息技术正超越娱乐领域,全面进入企业、教育和医疗市场。跟ARHT系统一样,这些设备依赖于盒子或“传送门”显示用户的实时图像。被拍摄对象由另一个位置的相机系统采集图像,然后实时传送给全息盒。举例来说,总部位于洛杉矶的Proto™(前身为Portl)可同时提供真人大小(7英尺高)和桌面版本的全息盒。同样,ARHT也提供全尺寸的全息盒和各种便携式显示器尺寸。

从技术上讲,这些盒子创建的是2D全息投影,而非真正的全息图(立体图像),但它们不会产生明显的时延,并且可以营造出活动现场效果。这一技术现已在实时通信(取代视频通话)以及企业应用(如讲座、演示和医疗咨询等)领域日益普及。

Hologram box_ARHT Capsule

远程主管人员通过ARHT CAPSULE平台主持团队会议。(图片© ARHT)

今年SXSW活动期间,Proto公司在“创意产业博览会(Creative Industries Expo)”上展示了开发的Epic全息交互平台,其口号是“如果无法亲自前往,那就通过光束将您传送到现场”。Proto公司的设备已经被中佛罗里达大学(University of Central Florida)卫生专业与科学学院用于实时“传送”一名来自澳大利亚的医生在佛罗里达校区教授学生。此外。这些“全息移动”设备还具有增强远程患者护理的潜力,例如:诊断帕金森病震颤,或者用于语音和语言病理学治疗。5 

与此同时,其他公司正在探索不同的平台,用于创建全息式3D成像和通信。例如,“谷歌公司正在测试一种带有摄像头和玻璃屏幕的展位,用户间可以在其中与各自真人大小的3D图像面对面聊天。微软公司则提供通过头戴式虚拟现实设备观看的全息图。”6

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Axiom Holographics 公司全息投影台投影的物体似乎从桌子表面上升到大约1米高的位置。(图© Axiom Holographics

伸手触摸:具有触摸灵敏度的交互式全息图

现在,市场上已出现可显示3D图像的触摸屏,2022年国际消费电子展(CES 2022)上就展示了此类产品,包括自动柜员机(ATM)、酒店登记亭、游戏显示器等。这些设备能够创造3D全息交互体验,但使用的是传统显示技术。

为了帮助我们更接近真正的交互式3D全息图未来,来自日本筑波大学(University of Tsukuba)的研究人员们正在研究有效的方法,用于创建不仅可漂浮在空中而且对触摸有响应的图像。他们的技术“使用发射超短光脉冲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,从而产生短暂的光斑或等离子体。系统通过在三个维度上快速调整激光焦点来渲染图像,每秒钟生成数千个发射点或体素”。7 

装置的昵称是“仙女灯”,能够投射出可安全触摸的微小心形、星星和仙女图案,其使用飞秒激光脉冲,脉冲具有高峰值强度,但对人类的危险远低于之前实验使用的纳秒激光脉冲。在一次演示中,系统在空中生成了复选框,用户可以通过用手指触摸进行选择。

然而,这个技术存在一个缺点。即使使用更安全的飞秒脉冲,但是用户在触摸图像时仍然会产生轻微的不适感,Ochiai将其描述为“就像触摸砂纸或遭遇静电冲击一样”。8

测量全息显示器的质量和准确性

过去30年以来,瑞淀光学系统一直处于开发与人眼视觉感知相匹配的亮度和色度测量精密系统的最前沿。瑞淀 ProMetric®成像亮度计和色度计 can be used to quantify and qualify everything from LEDs and displays可用于量化和评估各种各样的设备,包括LED、显示器、投影图像、NIR近红外激光发射器

举例来说,瑞淀与汽车制造商们合作开发出了3D增强现实head-up-display (AR HUD)投影测量解决方案。随着全息技术不断发展并走向市场商业化,瑞淀将会继续推出新的光学检测和显示器测量解决方案,以帮助产品制造商们确保其所生产设备的质量和准确性。

 

引用文献

  1. Armao, M., “Hopeful Scientists Bring Holograms to Life,” Discover Magazine, May/June 2022 Issue, online April 22, 2022.
  2. Chinnock, C., “The Status of 8K & Light Field/Holographic Development,” presented at Society for Information Display (SID) LA Chapter One-Day Symposium, Los Angeles, CA, March 25, 2021.
  3. Fushimi, T., et al. “Acoustophoretic volumetric displays using a fast-moving levitated particle,” Applied Physics Letters, 115, 06410, published online August 5, 2019. DOI: doi.org/10.1063/1.5113467
  4. Li, Y. et al. “Tunable liquid crystal grating based holographic 3D display system with wide viewing angle and large size,” Light: Science & Applications, Vol 11, June 21, 2022. DOI: 10.1038/s41377-022-00880-y
  5. Landi, H., “A look at the most interesting innovations at SXSW 2022: from holograms to the future of psychedelics,” Fierce Healthcare, March 18, 2022.
  6. Ha, K., “When Your Boss Becomes A Hologram,” Bloomberg, March 3, 2022. 
  7. Armao, M., “Hopeful Scientists Bring Holograms to Life,” Discover Magazine, May/June 2022 Issue, online April 22, 2022.
  8. Ibid.
     
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