一談到全息顯示，大家默認想到的就是光學全息方案，比如需要將光投射到某樣東西上，比如視網膜，或是煙霧等介質上，才能成像。市面上一些常見的2D、3D全息方案，如全息風扇、Voxon全息系統等等，分別採用高速移動的條狀光源或是平面介質，利用人眼視覺暫留特性來實現全息顯示。
這些方案的一個明顯特徵是，通常都需要一層透明保護罩，為了外界因素打斷光源/介質的高速運動。也就是說，很難將這種全息技術與周圍的環境融合，因為周圍的物體可能會對它們產生干擾。
與之對應的，還有聲全息方案，它的特點是利用了聲波駐波原理，通過控制三維空間的聲場來實現「聲懸浮全息顯示」
。當然，如你所想這對環境要求苛刻，必須是乾淨的空白場景。
為了改善這種局限，英國倫敦大學學院（UCL）的科研人員開發了一種基於高速移動粒子的聲全息方案，最大的特點就是可以在靠近實體物品很近的地方移動，在顯示區域內甚至可以擺放實物道具，不需要用保護罩阻隔全息粒子，實現全息數字內容和真實物體的融合顯示。值得注意的是，UCL升級了微型粒子全息方案的刷新率，每秒可刷新超1萬次。
用聲波高速控制粒子
實際上，科研人員們已經探索基於聲波粒子的全息方案多年，在2019年就曾報道英國蘇塞克斯大學在研發這種技術。利用聲波控制粒子的原理很簡單，就是微型粒子作為介質，將光源投射到粒子上進行顯示。其好處是，介質體積更小、更靈活，同時還能融合聲音和觸覺反饋。後來在2021年，美國楊百翰大學也研發了類似的技術，不過他們的方案基於光泳原理，即用強光照射氣溶膠等微型粒子來進行移動，此外還計劃結合眼球追蹤技術，進一步擴大顯示區域。
由於全息顯示方案通常基於真空的環境、自成一體，全息顯示設備不可以和其他物體重疊，以避免干擾粒子的運動路徑，因此以無法實現的虛實融合效果。比如Gatebox等更常見的全息顯示智能音箱，只能在有限的顯示區域渲染全息圖像，不能和周圍的人和空間實現互動。而在聲波方案中，任何物理對象都可能會扭曲聲場，聲波傳播被阻擋後，懸浮在空中的粒子會落下，影響全息的顯示效果。
於是，UCL科研人員在此基礎上進行升級，研發了一種全新的聲學全息方案，正確控制了全息顯示方案的聲場，即使顯示區域和其他部分的物體重疊，也不受干擾。從演示影片來看，該方案顯示的全息水滴竟然可以落在場景中的仙人掌模型上。此外，也可以在牆壁、汽車儀錶板等界面上顯示。這項全新的方案將全息圖像引入到物理空間中，裸眼3D圖像也可以跟物理模型實現互動，就像是真實存在於空間中那樣。
升級方案
簡單來講，這項方案比之前的技術具有更好的虛實融合能力。全息圖像不僅可以接觸物理模型，位於物理模型之上，還可以在物理模型下方通過。如果快速旋轉全息螢幕，甚至還可以模擬有容積感的3D圖像。
其原理是，利用每個全息粒子的兩個控制點來計算出最佳的全息圖像，然後在場景分布物體的過程中，修改BEM來獲取實時的投射矩陣。據悉，BEM又叫邊界元法（Boundary Element Method），通常可用於聲學建模，分析聲波輻射方向。
科研人員表示：這項全息方案通過實時計算附近物體的位置，來實現全息粒子飄浮和移動，並顯示3D裸眼全息圖像。
細節方面，該方案利用兩個步驟來懸浮粒子（採用不同的材質，如聚苯乙烯珠、水和織物）：1）計算出打開不同揚聲器時，聲波路徑的實時變化，以及聲波在環境中觸碰到物體表面時的反彈；2）尋找一種快速關閉、打開揚聲器的方案，可在聲波分散後，依然將粒子保持在半空中。在分布了物理模型的環境中，依然可以通過解算器來創建多個聲學陷阱，允許粒子在這些陷阱中固定，還可以懸浮由四個粒子固定的輕質植物，用來捕獲光學投影，顯示AR效果。
結構設計方面，科研人員將聲波傳感器置於頂部，物理模型則放在桌面上，控制點介於二者之間。系統會通過這三個位置進行計算，以定位全息圖像的運動。為了避免聲波路徑受到干擾，科研人員將聲波揚聲器的數量增加至256個，並採用軟體來獨立控制每個揚聲器。通過特殊的程序，揚聲器系統可協同工作，確保聲波控制的粒子運動不受周圍物體干擾。如果部分聲波被阻擋，那麼其他的聲波就會通過重定向來取代被阻擋的聲波。
在驗證實驗中，科研人員將3D列印的兔子模型作為干擾對象，發現該方案是可行的。不管兔子擺放在哪裡，全息粒子都可以飄浮在兔子周圍。此外，還測試用水滴、織物來代替粒子，即使將水滴懸浮在搖晃的一杯水上，系統也能正常工作。
未來，科研人員看好這項技術在多個場景的應用，比如：AR/VR顯示、裸眼3D可視化，可用於沉浸式主題公園、遊樂場、博物館等線下娛樂場景。值得注意的是，該方案還可以通過鍵盤、手勢等方式進行操作，實現人機交互。
此外，這項技術也可以應用於3D列印工藝，比如允許3D列印出更複雜的多材料物體。原理是通過非接觸式3D列印工藝，同時使用多種材料，從任何方向進行列印，從而取代傳統的逐層列印方式，實現更精密的多材料製造。參考：techxplore
