李雨蒙

大银幕上最经典的一幕科幻场景，就是《星球大战》中机器人R2-D2在空气中呈现了莉亚公主的3D全息图。几十年来，科学家们一直在研究如何能够创造出一种从各个角度都能看到的“全息影像”。到目前为止，我们所看到的唯一真正的彩色全息影像来自一个微小且复杂的屏幕，由LG主导的韩国团队创建，而其余的所谓“全息影像”只不过是基于佩伯尔幻像原理的虚像。现在有一项新科技——利用粉尘粒子作为最小屏幕实现3D投影，让这一场景离现实更近了一步。

美国杨百翰大学的Daniel Smalley和同事设计了一种自由空间立体显示平台——Optical Trap Display光学陷阱显示，通过它3D物体可以在真实空间中再现，而且不用佩戴任何眼镜，就能从任何角度观看。Smalley等研究人員利用在空气中肉眼近乎难以察觉的杂质，创造出比全息图像更加真实的3D投影，新技术在快速打印出图像的同时，也可以实现快速擦除。

事实上，这里的理论基础是光泳现象。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3D图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。”Smalley说道，“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。”

“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。”并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·布伦德尔评论道。如今，Smalley的团队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。

最初，他和研究团队还曾担心由于重力的影响，粒子发生下落导致无法维持所要呈现的图像。后来他们发现这一担心是多余的，利用激光的能量可以改变粒子周围的气压，最终实现了粒子的稳定快速移动。

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，Smalley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。Smalley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。”

罗切斯特大学的Curtis Broadbent 看到这一研究表示：“他们的做法真的太酷了，可以从各个角度去观察，打破了全息技术观察角度的局限。”

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。Smalley表示，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3D图像。”

算上所有应用的全息技术，这项新技术是复制星球大战场景最为逼真接近的一项。演示视频中，一只小巧的由光产生的3D蝴蝶，在科学家指尖翩然起舞。它和我们在星战中看到的很像，但这种技术却和全息完全不一样。你可以在任何角度看到它，包括后面，而全息则无法达到。它就如同光的3D打印产品，在散射和移动的共同作用下，形成了3D图像。尽管它现在还很微小，也不容易捕捉，可是我们欣喜地发现，一个未来派小说中的虚幻场景，已经来到了我们身边。

这无疑是一种光显示系统，但Smalley说，它也可以被认为是一种“光的3D打印机”，在自由空间中产生一个3D图像，具有很大的色域，从精细的细节和较低的显示点。研究人员利用这种3D打印机，已经“印制”了蝴蝶、棱镜以及杨百翰大学的校徽和手臂环。

Smalley表示：“虽然之前其他研究者已经创造了类似莉亚的投影，但这项研究仍然非常重要，这是第一次使用光学陷波和激光有效地创建立体图像，我们正在提供一种制作体积图像的方法，可以创建我们未来想象的图像。”不同于全息投影只能从测定角度观测的特点，这种被称为“体积图像”（volumetric images）。

体积图像技术产生的图像可供360度观察，其原理是通过激光捕获一个粒子并牵引其高速移动从而创建图像。千万别小看这些低成本激光器，它们绘出的图像分辨率高达1600。在未来，这些指尖的蝴蝶将拥有更大的体积，并被用来培训医生或航空管制员。

Smalley认为，这种方式创建的图像永远不会像电影里看到的那样真实，但仍旧可以带来医学影像和其他领域的变革。他表示：“如果能得到一个高分辨率的核磁共振图像数据，就可以使用这个显示器展示血管的横切面。”目前这些图像还相当粗糙，很可能是因为受到激光移动粒子速度的限制。

此外，这些图像也很微小，因此这一研究还有很长的路要走。公平地说，这些图像亲眼所见的效果比在视频上更好，因为视频会捕获一些人眼看不到的闪烁。这项研究现在的目标是将物体放大，创造更大的图像，并解决其他方面的难题。

编编译自《自然》杂志《物理学》网站

（责任编辑 姜懿翀）