激光气泡立体成像技术：裸眼可看、颜色可变！
导读
日本宇都宫大学的科研人员开发了一种全新显示器，它使用了一种立体气泡显示技术，创建彩色多变的三维图像。研究人员在光学会极具影响力的研究杂志《光学设计》中，发表了这项技术的论文。
概念图
（图片来源：宇都宫大学）
研究简介
这项技术使用了「三维立体显示技术」，它利用激光在立体屏幕内形成微小的气泡，从而创建三维影像。观测者可以从各个角度，观察在柱状显示器中的三维图像，而且无需三维眼镜或者头盔。
“创建全彩色、可更新的立体显示技术是极具挑战性的，因为具有不同颜色的许多「三维像素点」，或者说「立体像素」，必须经过成形加工才能变成立体图像。在我们的显示器中，微气泡立体像素，是由聚焦的「飞秒激光脉冲」在液体中三维形成。这种泡沫图形的颜色，可随着照明光的颜色而发生改变。”
技术原理
实验装置图
（图片来源：宇都宫大学）
当来自「飞秒激光器」的多个光子在光线聚焦的点上被吸收时，会出现一种多光子吸收的现象，从而创建了这种新型显示器的气泡。
研究人员利用多光子吸收现象，通过将激光的聚焦点移动到液体试管“屏幕”的不同部分，在非常精确的位置上制造气泡。高粘性、浓密的，液体保护的气泡一旦形成，便会立即上升至液体的顶部。
当研究人员从外部光源例如卤素灯或大功率LED散射出光线照射时，这些气泡图形会变成可视的。研究人员通过切换照明LED的光线颜色，从而制造了单色图像，它具有白、红、蓝和绿几种颜色。
研究人员并不是一个一个地创建气泡，而是使用了一种计算机生成的全息图来形成三维模式的激光，控制微气泡立体像素的颜色和形状。这种方案也增加了微气泡的光量，让图像更明亮。
效果演示
在论文中，研究人员通过创建一个美人鱼的二维气泡图像、一个三维兔子图像、一个具有四种颜色的二维海豚图像，分别展示了他们的技术。
（图片来源：宇都宫大学）
（图片来源：宇都宫大学）
（图片来源：宇都宫大学）
他们也展示了依赖于激光辐射能量的微气泡的形成过程，以及通过改变照射液体的激光脉冲数量而改变对比度。
应用领域
尽管这项新研究是概念性的，但是未来这项技术将带来全彩色、可更新的立体显示技术。这种类型的显示器可用于艺术或者博物馆展品，让观察者可以从不同角度观察显示器。他们也可以构建手术前解剖图帮助医生观察病人的，或者用于军事任务对于地形和建筑进行研究。
Kumagai 说：
“这种立体气泡显示器最适合于公共设施，例如博物馆或者水族馆，因为现有的系统很大很昂贵。然而，未来，我们希望改进激光源和光学设备的尺寸和成本，从而创建更小的系统，并且足够廉价，以方便普通人的使用。”
未来展望
Kumagai 说：
“我们的气泡图形具有宽视角，可进行刷新和彩色处理。尽管我们第一个立体平面图形只是毫米级的规模，但是我们向着可更新、全色彩的立体图像迈出了第一步。”
研究人员现在正在开发一种使用液体内部的光束系统，使得气泡破灭，改变或者清除图像。他们也在研究新方法以形成更大的图形，但是需要克服由液体屏幕、玻璃液和空气的折射率失配引起的球面像差。
参考资料
【1】https://www.osapublishing.org/optica/fulltext.cfm?uri=optica-4-3-298&id=360332
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