全新三维成像技术：我们离科幻故事里的立体投影又近了一步

最新技术做出的图像可从各个方向观察，类似于科幻电影中的三维影像。来源：nature.com

《自然》杂志发表物理学家最新研发的“立体显示平台”，能向空中投放从各角度都可观察的三维动态图像。

编译 | 施怿

审校 | 吴非

《星球大战》系列科幻电影中的三维投影装置。来源：Lucasfilm Ltd

我们还没有会飞的汽车、脑机接口和能与人对话的人工智能，不过，一项更为经典的科幻技术已经近在咫尺：科学家最新研发的激光粒子系统投射出了自由漂浮在空中的三维影像。

真正的三维成像

本周《自然》杂志介绍了美国杨百翰大学的物理学家和工程师丹尼尔·斯莫利（Daniel Smalley）及其同事研发的自由空间立体显示平台（free-space volumetric display），不同于图像只在特定角度范围内可见的全息技术，这一新技术能够生成全方位的立体图像，与以往的任何技术相比都更接近科幻电影中常见的立体投影。

研究人员利用了一种被称为“光学陷阱显示”（optical trap display）的新技术，其理论基础是光泳现象（photophoresis）。光泳是指空气中的微粒可被强光束操纵的现象。这项新技术做出的三维影像就像一张高速蚀刻的草图：在整个装置中，第一组激光束几乎不可见，被用于捕获并加热一枚纤维素粒子，使研究人员能够对粒子进行操纵；第二组激光束将红、绿、蓝三种可见光按比例投射到粒子上，使它发光。通过快速移动被捕获的粒子，研究人员能够在空中挥舞出一些立体形状，从观察者的角度来看就成为一张完整的图像。“这和夜晚的时候你在空中挥舞荧光棒画出你的名字没什么不同，”斯莫利说，“我们明白这只是一个点的运动，但如果速度够快，我们的眼睛就会看到一条连贯的实线。”

来源：Nature.com

过去的一个多世纪以来，科学家们一直希望创造出真正的三维影像，并已经取得了一系列进展。大多数现有的成像系统通过将图像投射到快速旋转的二维屏幕上来创造出立体的物体影像，并不是真正的三维图像。而更复杂一些的，比如东京庆应大学的研究人员发明的、在三维空间中使用超高温等离子体球的成像系统，也只能显示出单一的颜色。其他方法则需要借助增强现实的硬件，比如微软的全息透镜：虽然能创造出真实的三维图像，但需要使用专门的头盔。

很少有立体图像可以在被精确操控的同时仍然自由漂浮在空中。“做出一个勉强能看的‘立体图像’并不难，而做出真正漂浮着的立体图像很难——人们已经为此付出了上百年的努力。”未参与此项研究的英国德比大学的物理学家和工程师巴里·布伦德尔（Barry Blundell）评论说。如今，斯莫利的团队不仅用单颗粒子和几束低成本激光的精确操控实现了立体图像的自由漂浮，做出了蝴蝶轮廓、大学标志等简单的立体图像；还实现了高达1600dpi的高分辨率，投影出了立体的照片。

视频来源：Nature

迷你版的未来

新三维成像技术就像是“3D打印”：发光的微小粒子以极快的速度用运动轨迹创造出视觉图像。哈佛大学纳米技术研究员威廉·威尔森（William Wilson）评论说，这项新技术还需要大量的开发：它设计简单，仍具有巨大的改进潜力。

指尖上的三维成像蝴蝶投影 来源：Smalley Holography Group/nature.com

例如，一幅地球的照片需要花将近20秒才能完全创造出来，而且只能被长时间曝光相机捕捉到。到目前为止，斯莫利团队做出的图像都很小，只有几厘米宽，小到可以悬停在指尖上。斯莫利认为这一问题可以通过使用一面粒子同时移动来克服，而不是依靠单颗粒子来完成所有工作。布伦德尔对此表示赞同：“这就是这一技术的潜力所在。”

而为了创造出更逼真的画面，更复杂的动态图像和更强大的视觉效果，物理学家不仅需要找到同时控制许多个粒子的方法，还需要能够加速粒子的运动。斯莫利说，他对如何解决这两个问题已经有了自己的想法，他说：“我认为，如果在未来4年内我们能取得与之前同样多的进展，就能成功做出足够大尺寸的三维图像。”

或许我们还不能指望用改进后的新技术打赢星球大战或者跟外星人交流，但这些三维图像有望被用来训练医疗专业人员完成高难度手术，也可以被用于航空领域：为空中交通管制员提供更精确、更直观的机场附近的飞机航线图。