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光泳陷阱立体显示

发布时间:2022-04-06 14:29:49 浏览量:1574 作者:LY.Young 光学前沿

摘要

自由空间立体显示器,或在空间中创建发光图像点的显示器,是最类似于流行小说中三维显示器的技术。这种显示器能够在“稀薄的空气”中产生几乎从任何方向都可以看到并且不会被剪裁的图像。相比之下,全息图像点只有处于从衍射二维 面出发,并在观察者的眼睛处结束的线上时才可见。无论全息图的构图、分辨率或方向如何,这种被描述为“裁剪(clipping)”或“渐晕(vignetting)”的限制都会存在。裁剪的实际效果是必须像电视一样观看全息图。也就是说,对于有限尺寸的全息图,可实现的最佳面内视角是围绕显示表面有360°。然而,任何单个图像点周围的最大视角都小于 360°,并且随着图像点远离全息显示表面而迅速减小。而自由空间立体显示器在任何深度的每个图像点周围都具有360° 的平面内视角。裁剪几乎排除了与未来三维显示器相关的几乎所有显示几何特性,包括长焦投影、高沙盘和环绕观察者或其它物理对象的图像。这些困难的出现是因为全息图形成了与散射表面分离的点。相反,立体显示器可具有与图像点位于同一位置的散射表面。术语“立体显示”用于描述“允许从物理体积内的一组局部和特定区域产生、吸收或散射可见辐射”的设备。美国光学学会的显示技术技术小组提出了对这个定义的改进,它指明立体显示器具有与光散射(或吸收和生成)表面位于同一位置的图像点。这种微妙的区别突出了立体显示器的雕塑般的物理性和如何产生其呈现“深度而不是深度线索”的独特能力。在立体系统中,我们知道只有三种这样的显示器已在自由空间中得到成功演示:诱导等离子体显示器(induced plasma display)、改进的空气显示器和声学悬浮显示器。等离子显示器尚未展示RGB颜色或自由空间中的遮挡。改进的空气显示器和声悬浮显示器目前依赖的机制过于粗糙或过于惯性,都无法直接与全息术竞争。

正文


光泳陷阱立体显示


技术背

自由空间立体显示器,或在空间中创建发光图像点的显示器,是最类似于流行小说中三维显示器的技术。这种显示器能够在“稀薄的空气”中产生几乎从任何方向都可以看到并且不会被剪裁的图像。相比之下,全息图像点只有处于从衍射二维 面出发,并在观察者的眼睛处结束的线上时才可见。无论全息图的构图、分辨率或方向如何,这种被描述为“裁剪(clipping)”或“渐晕(vignetting)”的限制都会存在。裁剪的实际效果是必须像电视一样观看全息图。也就是说,对于有限尺寸的全息图,可实现的最佳面内视角是围绕显示表面有360°。然而,任何单个图像点周围的最大视角都小于 360°,并且随着图像点远离全息显示表面而迅速减小。而自由空间立体显示器在任何深度的每个图像点周围都具有360° 的平面内视角。裁剪几乎排除了与未来三维显示器相关的几乎所有显示几何特性,包括长焦投影、高沙盘和环绕观察者或其它物理对象的图像。这些困难的出现是因为全息图形成了与散射表面分离的点。相反,立体显示器可具有与图像点位于同一位置的散射表面。术语“立体显示”用于描述“允许从物理体积内的一组局部和特定区域产生、吸收或散射可见辐射”的设备。美国光学学会的显示技术技术小组提出了对这个定义的改进,它指明立体显示器具有与光散射(或吸收和生成)表面位于同一位置的图像点。这种微妙的区别突出了立体显示器的雕塑般的物理性和如何产生其呈现“深度而不是深度线索”的独特能力。在立体系统中,我们知道只有三种这样的显示器已在自由空间中得到成功演示:诱导等离子体显示器(induced plasma dISPlay)、改进的空气显示器和声学悬浮显示器。等离子显示器尚未展示RGB颜色或自由空间中的遮挡。改进的空气显示器和声悬浮显示器目前依赖的机制过于粗糙或过于惯性,都无法直接与全息术竞争。


技术要点:

基于此,美国杨百翰大学的D.E.Smalley等人提出了一种光泳陷阱立体显示技术,它使用视觉暂留在自由空间中产生具有10微米图像点的全彩色图形。其工作原理是首先在由球面像差像散像差产生的光阱中分离纤维素颗粒。然后通过显示立体扫描陷阱和粒子,同时用共线红色、绿色和蓝色光照射。从而得到自由空间中的三维图像,且具有大色域、精细细节和低散斑的特点。这种显示平台能够产生目前无法通过全息和光场技术获得的图像几何特性(长焦投影、高沙盘和“环绕”显示等)。

图1. a, 低能见度捕获粒子并使用它来扫描体积。由此产生的悬浮光机械系统被RGB激光照明。当粒子扫描体积时,通过视觉暂留方法形成图像。b,早期光阱图像的照片。c, 视觉暂留图像。该图像中的粒子被扫描得足够快


实验结果:

图2. 悬浮光机产生的3D打印光图像


图3.图像的彩色和分辨率质量实例


光泳图像


粒子运动


参考文献:Smalley, D., Nygaard, E., Squire, K. et al. A photophoretic-trap volumetric display. Nature 553, 486–490 (2018).
DOI:https://doi.org/10.1038/nature25176


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