激光氣泡立體成像技術：裸眼可看、顏色可變！

導讀

日本宇都宮大學的科研人員開發了一種全新顯示器，它使用了一種立體氣泡顯示技術，創建彩色多變的三維圖像。研究人員在光學會極具影響力的研究雜誌《光學設計》中，發表了這項技術的論文。

概念圖

（圖片來源：宇都宮大學）

研究簡介

這項技術使用了「三維立體顯示技術」，它利用激光在立體屏幕內形成微小的氣泡，從而創建三維影像。觀測者可以從各個角度，觀察在柱狀顯示器中的三維圖像，而且無需三維眼鏡或者頭盔。

文章的首作者 Kota Kumagai 說：

「創建全彩色、可更新的立體顯示技術是極具挑戰性的，因為具有不同顏色的許多「三維像素點」，或者說「立體像素」，必須經過成形加工才能變成立體圖像。在我們的顯示器中，微氣泡立體像素，是由聚焦的「飛秒激光脈衝」在液體中三維形成。這種泡沫圖形的顏色，可隨著照明光的顏色而發生改變。」

技術原理

實驗裝置圖

（圖片來源：宇都宮大學）

當來自「飛秒激光器」的多個光子在光線聚焦的點上被吸收時，會出現一種多光子吸收的現象，從而創建了這種新型顯示器的氣泡。

研究人員利用多光子吸收現象，通過將激光的聚焦點移動到液體試管「屏幕」的不同部分，在非常精確的位置上製造氣泡。高粘性、濃密的，液體保護的氣泡一旦形成，便會立即上升至液體的頂部。

當研究人員從外部光源例如鹵素燈或大功率LED散射出光線照射時，這些氣泡圖形會變成可視的。研究人員通過切換照明LED的光線顏色，從而製造了單色圖像，它具有白、紅、藍和綠幾種顏色。

研究人員並不是一個一個地創建氣泡，而是使用了一種計算機生成的全息圖來形成三維模式的激光，控制微氣泡立體像素的顏色和形狀。這種方案也增加了微氣泡的光量，讓圖像更明亮。

效果演示

在論文中，研究人員通過創建一個美人魚的二維氣泡圖像、一個三維兔子圖像、一個具有四種顏色的二維海豚圖像，分別展示了他們的技術。

（圖片來源：宇都宮大學）

他們也展示了依賴於激光輻射能量的微氣泡的形成過程，以及通過改變照射液體的激光脈衝數量而改變對比度。

應用領域

儘管這項新研究是概念性的，但是未來這項技術將帶來全彩色、可更新的立體顯示技術。這種類型的顯示器可用於藝術或者博物館展品，讓觀察者可以從不同角度觀察顯示器。他們也可以構建手術前解剖圖幫助醫生觀察病人的，或者用于軍事任務對於地形和建築進行研究。

Kumagai 說：

「這種立體氣泡顯示器最適合於公共設施，例如博物館或者水族館，因為現有的系統很大很昂貴。然而，未來，我們希望改進激光源和光學設備的尺寸和成本，從而創建更小的系統，並且足夠廉價，以方便普通人的使用。」

未來展望

Kumagai 說：

「我們的氣泡圖形具有寬視角，可進行刷新和彩色處理。儘管我們第一個立體平面圖形只是毫米級的規模，但是我們向著可更新、全色彩的立體圖像邁出了第一步。」

研究人員現在正在開發一種使用液體內部的光束系統，使得氣泡破滅，改變或者清除圖像。他們也在研究新方法以形成更大的圖形，但是需要克服由液體屏幕、玻璃液和空氣的折射率失配引起的球面像差。

參考資料

【1】https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-4-3-298&id=360332

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