全息投影

　　說起最早的全息術(shù)（Holography），大伙兒腦海中也許會不約而同浮現(xiàn)出科幻經(jīng)典巨作《星球大戰(zhàn)》中萊婭公主發(fā)出的求救片段。這部電影上映于1977年，在當(dāng)時有限的技術(shù)條件下，它用想象力和古早特效爲(wèi)人類創(chuàng)造了一個神話世界。而全息影像（Holographic display）作爲(wèi)其中極爲(wèi)重要的一個概念，直到四十多年後的今天，人類也還在追求探索和實現(xiàn)完善這項技術(shù)。

萊婭公主向盧克天行者和歐比旺發(fā)出求救全息影像， 來源：《星球大戰(zhàn)》

　　你也許會有疑問，全息投影技術(shù)（Front-projected holographic display）不是很早就有了嗎？關(guān)于嚴(yán)格意義上的全息來講，空氣即為物體成像的介質(zhì)。而現(xiàn)在我們在線日常所能接觸到的絕大部分“全息”，例如演唱會上已故歌手重回舞臺，其實是應(yīng)用了我們在線過往公衆(zhòng)號文章“‘全息術(shù)’帶你發(fā)現(xiàn)魔法世界的入口”中介紹過的佩珀爾幻象（Pepper’s Ghost）——這是一種“類全息投影技術(shù)”，需要借助全息膜、薄紗幕或霧氣等介質(zhì)，並且人們在某個特定角度才可以觀測到影像，因此它只是一個平面而非真正的360度立體圖像。

鄧麗君在舞臺上的全息投影， 來源：google

　　只是近期，《自然》和《科學(xué)》期刊同時在新聞版頭條報道了來自英國薩塞克斯大學(xué)（University of Sussex）研究人員介紹的一種多模態(tài)聲阱顯示器（Multimodal acoustic trap display，MATD），它有望讓科幻片中的全息影像變成現(xiàn)實。

MATD中的“全息”圖像， 來源：mittrchina.com

　　聲音與光驅(qū)動的“全息” 

　　MATD顯示設(shè)備並不複雜，只要敲擊一下鍵盤，就能讓一顆2mm寬的懸浮顆?！郾揭蚁┲樽樱ㄅ菽颍?/span>煥產(chǎn)生氣。研究員能操作白色的斑點使其跳躍起來，在空中懸停、盤旋；再點擊一下，小圓點就會在黑色的盒子里打轉(zhuǎn)形成一個發(fā)光的彩色蝴蝶，它甚至還會扇動翅子。

　　MATD裝置結(jié)構(gòu)， 來源：youtube

　　蝴蝶在半空中變形和飛舞的背後，是一個相對簡單的裝置：在懸浮的顆粒上下有兩個由256個微型揚聲器組成的細(xì)長陣列，通過聲懸浮來完成對粒子的移動控制。LED發(fā)出的紅色、綠色和藍(lán)色光打在粒子上，將其高速移動所留下的軌跡映射出來，形成了我們?nèi)庋鬯姷牟粩嘌葑兊?D圖像。這便是“視覺暫留”現(xiàn)象——因顯示系統(tǒng)在鉛直和水平方向上操控的粒子速度分別高達(dá)8.75m/s和3.75m/s，而其實際移動距離只有幾毫米到幾厘米，因此它的移動時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我們在線視神經(jīng)反應(yīng)需要的時間（約1/16秒，且針對不同頻率的光反應(yīng)時間會有一定差別），這個反應(yīng)時長造成了視覺圖像在大腦中的滯後現(xiàn)象。

　　高速移動的粒子繪制出的倒計時與笑臉圖像， 來源：youtube

　　蝴蝶和笑臉或其他圖案，就如此在空中被直接繪制出來，像用高速蝕刻機進行素描一樣。

　　聲懸浮

　　揚聲器陣又是如何靠聲音來控制微小粒子實體形成懸浮圖像的呢？聲懸浮（Acoustic levitation），是一種使用來自高強度聲波的聲輻射壓力，使物質(zhì)在重力作用下懸浮在空氣中的方法。

　　我們在線都知道聲音是一種波，它在空氣中傳播，同水波在水中傳播類似。不過水波是橫波，其振動方向與傳播方向鉛直；而聲波是縱波，其振動方向就在傳播方向上。聲波的連續(xù)振動使空氣分子不斷交替的壓縮和松懈，導(dǎo)致大氣壓敏捷産生起伏，而處在聲場中的物體就會受到壓強差産生的力的影響。

駐波， 來源：wikipedia

　　上圖中，紅色與藍(lán)色分別代表兩個完全雷同但傳播方向相反的波，黑色波是它們合成的結(jié)果。把紅藍(lán)兩列波的波幅相加，就産生了一條仿佛駐立在原地不動的波，這也是“駐波（Standing wave）”名稱的由來。

　　仔細(xì)觀察可以發(fā)現(xiàn)，黑色駐波上紅點位置的聲波振幅永遠(yuǎn)爲(wèi)零，因此理論上壓強也爲(wèi)零，這些地點叫作“波節(jié)”；而那些振幅最大的地點稱爲(wèi)“波腹”，兩個波節(jié)間的距離，正好是原來聲波波長的一半。用駐波來懸浮物體，就是當(dāng)波腹處産生的高壓強把物體推向低壓強區(qū)（波節(jié)）的力場，與懸浮粒子/水珠自身的重力達(dá)到平穩(wěn)時，就能夠使其停滯在空中。

　　移動速度逐步變快的粒子軌跡形成了MATD中的“全息”圖像， 來源：youtube

　　能觸碰到的懸浮蝴蝶

　　因爲(wèi)在MATD中快速移動著的粒子是輕盈但實體存在的物體，因此當(dāng)你試圖伸手觸碰它的時候能夠産生實際的觸感——“觸感的感覺就像用加壓空氣輕輕噴灑你的手?！?/span>研究員在采訪中說道。在演示了全部的顯示結(jié)果後，關(guān)掉顯示器，拍打著翅子的蝴蝶就消失了，留下了創(chuàng)造出它的珠子在顯示器底座上彈跳。