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  • 科学家在为全息图研究多样化解决方案和光学系统

    全息图似乎随处可见,比如2012年的科切拉音乐节,已故说唱歌手图派克·夏库尔以全息图的形象与各位粉丝见面。微软HoloLens似乎更接近于《星际迷航》中的全息甲板,用户可以在增强现实环境中与3D物体进行交互。诸如Holoxica这样的初创公司可以创建出人类器官的数字3D全息图,帮助实现医疗可视化。

    虽然这些技术比“江湖术士的小把戏”更为惊人,但远远不及《星球大战》中所描述的全息图画面。真正的全息图技术仍然停留于科幻小说之中,但科学家在今年展示的技术让我们更加靠近这个全息未来。

    一组韩国科研团队日前在Nature
    Photonics上发表了一份研究,并表示他们开发的3D全息显示技术要比当前的技术优异2600倍。与此同时,由澳大利亚团队领衔的研究员在期刊《Optica》上表示,他们发明的迷你设备可以创建出目前最高质量的全息影像。

    科学家在为全息图研究多样化解决方案和光学系统

    全息术的涉及面很广,但最基本的是指记录物体散射光的摄影技术。这些被记录的光随后会以3D格式进行重现。全息摄影最初诞生于上世纪40年代,由物理博士丹尼斯·加博尔首次提出。他也在1971年获得了诺贝尔物理学将,以表彰他发明和发展了全息摄影。

    大部分的全息图都是静止图像,但科学家们正在研发更为动态的系统,把大量的信息嵌入至3D影像中。

    1. 多样化解决方案

    比方说韩国科学技术院的研究项目。

    我们创建动态高分辨率全息图的能力目前受限于所谓的波前相位调制器(wavefront
    modulator)。这些装置(如空间光调制器或数字微镜设备)可以控制光传播的方向。

    使用短焦距镜头的成像系统可以产生较大可视角度的图像,但尺寸较小;而长焦距系统可以产生更大的图像,但可视角度较小。目前最好的波前相位调制器技术仅能够产生可视角度为3度的一厘米图像。

    业界存在更好的可能解决方案,比如使用多个空间光调制器。但韩国科学技术院的团队提出了一个更简单的解决方案。

    韩国科学技术院的物理学教授朴勇根(音译)解释说:“这个问题…可以通过简单地插入漫射器解决。”他指出,由于漫射器可以漫射光线,图像大小和可视角度可以显着增加。

    但仍有一个问题需要解决:,漫射器会打乱光线。

    朴博士表示:“为了把漫射器作为‘全息透镜’,我们需要仔细校准每个漫射器的光学特性。所以,我们通过‘波前成形技术’提供关于朝向漫射器的入射光和出射光之间关系的信息。”

    朴博士的团队成功生成了增强的3D全息图像,可视角度为35度,长宽高皆为2厘米。

    他指出:“我们的方法可以提高图像尺寸、分辨率和可视角度,同时易于扩展。由于这种方法可以应用于任何现有的波前相位调制器,随着更好的波前相位调制器上市,它可以进一步提高图像质量。”

    朴博士表示,一旦成熟,该技术的短期应用包括用于汽车平视显示器或智能手机用户界面的全息投影。他说:“(全息图)将为我们带来新的信息获取体验,可以用比3D全息显示更少的像素实现。”

    如果你有兴趣,物理学家和科普作家Chris Lee在Ars Technica上深入解释了该系统的工作原理。

    2. 光学的新纪元

    与此同时,澳大利亚国立大学的物理学家介绍了一款由数百万个微小硅柱组成的装置,每个硅柱都比人类的头发薄500倍。这种透明材料能够操纵复杂的光线,项目负责人之一Sergey
    Kruk在新闻稿中写道:

    我们在纳米级别构造材料的能力可允许设备实现超越天然材料属性的新光学性能。我们创建的全息图证明了该技术的巨大潜能,具有广阔的用例。

    研究人员表示,他们是受诸如《星球大战》这样的科幻影片所启发。Kruk表示:“我们正按照曾经启发科幻小说作者的物理原理进行研究。”

    Kruk指出,这种新材料可能有一天会替代其他应用中更大和更重的镜片和棱镜。

    他说:“借助这种新材料,我们可以创建出具有相同功能的组件,但基本上十分轻量和平坦。这带来了非常多的应用,从进一步小型化消费者智能手机中的摄像头,到可以减少复杂卫星光学系统的尺寸和重量的空间技术。”

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