Физики разработали дисплей, который лучше голограммы
Будущее, в представлении многих, включает в себя голограммы. Однако они уже часть реальности.
Голограммы похожи на летающие автомобили: и те и другие уже как минимум полвека являются неотъемлемым атрибутом научной фантастики, о них постоянно говорят футуристы, хотя до сих пор встретить что-то подобное в реальной жизни шансов мало. Об этом сообщает Информатор Tech, ссылаясь на Meduza. Тем не менее, разработки в этих направлениях ведутся. На этой неделе японско-британская группа физиков представила новый тип трехмерных дисплеев. Они в определенном смысле даже удивительней голограмм, известных из фантастики - создаваемое изображение можно потрогать. Научный редактор Александр Ершов рассказал, какие существуют способы создания объемного изображения, и почему по отношению к последней представленной разработке корректней употреблять не термин «голограмма», а другое слово из научной фантастики - «левитация».
Что такое настоящая голография?
Прежде всего следует уточнить, что с голографией больше терминологической путаницы, чем, кажется, с любой другой технологией. Вообще голографией называют вполне конкретный метод получения трехмерного изображения, в основе которого - физическое явление интерференции, то есть взаимодействия электромагнитных волн света. Этот метод был изобретен в середине XX века венгеро-британским ученым Денешем Габором (получившим за это Нобелевскую премию по физике в 1971 году) и значительно усовершенствован советским физиком Юрием Денисюком.
Голограмма, таким образом, - это изображение, полученное с помощью этой технологии, и ничто иное. В реальности же этим словом сейчас обозначают почти все, что хотя бы отдаленно похоже на трехмерное изображение - даже когда на самом деле трехмерность это всего лишь иллюзия.
Как устроен новый дисплей?
Трехмерный дисплей, который сделали британские физики, голограммой в строгом смысле не является. Принцип работы этого дисплея основан на другой технологии, которую любят упоминать фантасты, - левитации. В данном случае речь идет об особой ее разновидности - акустической левитации, то есть парении тела в звуковых волнах.
Говоря об этом явлении, как и в случае голографии, надо упомянуть значительный вклад советских физиков. Теорию акустической левитации и весь математический аппарат, на который она до сих пор опирается, разработал в самом начале 1960-х годов Лев Петрович Горьков, физик-теоретик, ученик Ландау и близкий коллега Абрикосова и Гинзбурга.
Горьковские расчеты, которые в новой разработке используются для управления изображением, довольно сложные, но принцип акустической левитации объяснить совсем не трудно. Достаточно вспомнить, как движутся волны, если бросить в воду два камня на некотором расстоянии друг от друга. Колебания, идущие из двух точек, накладываются, в результате чего где-то на поверхности воды возникают пики, а где-то - впадины. Если колебания создать в замкнутом пространстве и их источником сделать не камни, а стенки сосуда, то эти пики и впадины можно зафиксировать - так на поверхности жидкости может сформироваться настоящий интерференционный ландшафт с горами и долинами.
Что такое акустическая левитация?
В мире звуковых волн все работает примерно так же, только картина становится трехмерной: пики в ней соответствуют областям с высоким давлением, а ямы - областям с низким давлением. И точно так же, как поплавок может прыгать и двигаться на поверхности воды под действием волн, небольшое легкое тело может перемещаться в воздухе под действием звуковых волн - секрет левитации заключается только в том, чтобы создать там достаточно крупные и статичные карманы низкого давления, где могло бы зафиксироваться это тело.
Упасть или улететь куда-то из кармана такому «воздушному поплавку» не даст высокое давление в окружающих этот карман областях воздуха. При помощи акустической установки можно заставить зависнуть в воздухе легкий шарик, притом не один, или небольшую каплю жидкости.
Акустическая левитация известна уже довольно давно, но пока ей не находили достойного применения, несмотря на всю красоту принципа. Когда-то звучали призывы использовать акустическую левитацию для манипуляции отдельными каплями жидкости в лаборатории, избавившись от пробирок и пипеток. Или даже предлагали проводить в таких зависших в воздухе каплях эксперименты по исследованию важных для медиков веществ. Впрочем, до сих пор ни одно из этих возможных направлений большой популярности не получило.
Новая работа британцев предлагает для акустической левитации более приземленное, но вполне достойное применение - создание трехмерных дисплеев. Основа такого устройства - можно сказать его физический пиксель - это простой полимерный шарик, который висит в акустическом поле. Поле это создается двумя акустическими решетками - они представляют собой набор вполне обычных, только маленьких ультразвуковых динамиков, расположенных двумя блоками сверху и снизу от той области, где должно появиться изображение.
Насколько качественной получается картинка?
Управляя звуком, который воспроизводят динамики, физики могут менять положение шарика. В новой работе перемещение «пикселя» с места на место происходит с рекордной для подобных установок скоростью - до 8 метров в секунду. Человеческий глаз такое движение маленького объекта воспринимает как смазанное, и именно за счет этого и формируется картинка. Если шарик двигается по кругу, наблюдатель видит просто висящее в воздухе кольцо, если движение идет по восьмерке - круг превращается в цифру.
Понятно, что этого недостаточно, чтобы получить хоть сколько-нибудь сложное изображение. Чтобы линии, которые возникают в результате движения шарика могли быть прерывистыми, а картинка - цветной, используется еще одно ухищрение: небольшой проектор, встроенный в один из углов установки. Он работает по принципу стробоскопа - освещает шарик короткими цветными вспышками, в результате чего, возникает висящее в воздухе полноцветное трехмерное изображение, способное (относительно) быстро меняться и двигаться.
Кинематографической частоты кадров пока добиться не удалось - дисплей может выдавать только 10 изображений в секунду, притом несложных. Если же требуется создать что-то более детальное, чем цветная пирамидка или куб, то потребуется существенно больше времени - порядка 20 секунд. На видео авторов разработки в качестве верха сложности показан цветное изображение Земли.
Что еще может трехмерный дисплей?
Одним изображением возможности дисплея не ограничиваются. Те же самые акустические блоки (16?16 динамиков каждый), которые используются для управления движением шарика, обеспечивают звуковой и осязательный эффекты.
Происходит это за счет тех же акустических волн, которые формируют зоны повышенного давления воздуха. Большую часть циклов своей работы ультразвуковые динамики работают на удержание шарика, а в некоторые моменты переключаются на создание «гаптических точек», которые можно ощутить как твердую поверхность при прикосновении.
Изображения можно не только коснуться, но и услышать, как оно (само!) звучит. Для этого на ультразвуковые волны, испускаемые динамиками, накладывается специально обработанная аудиозапись. В результате сложения колебаний динамиков из ультразвуковых решеток шарик сам становится источником нужных звуков. Частота, с которой работают ультразвуковые блоки, вполне достаточна для того, чтобы получить звук во всем диапазоне слышимости человеческого уха. Причем даже тогда, когда устройство одновременно воспроизводит и изображение, и тактильные ощущения.
Конечно, пока у британского дисплея довольно много ограничений. Помимо того, что картинки с высоким разрешением оно воспроизводит очень медленно, сам объем изображения тоже довольно маленький - достаточный, чтобы поиграть в голографические шахматы из «Звездных Войн», но маловат для воспроизведения, скажем, знаменитой сцены с акулой из фильма «Назад в будущее».
Еще одно ограничение устройства - необходимость в двух акустических решетках, расположенных снизу и сверху от области, где появляется изображение. Все-таки картинка в коробке, которую воспроизводит новое устройство, выглядит далеко не так впечатляюще, как огромные фигуры в воздухе из продолжения фильма Ридли Скотта «Бегущий по лезвию». Может быть, это ограничение в будущем можно будет снять, если установить решетки под углом друг к другу. Но возможности такой системы еще только предстоит продемонстрировать.
Есть ли более продвинутые технологии объемного изображения?
Сегодня недостатка в технологиях воспроизведения трехмерных изображений нет - их уже сейчас настолько много, что специалисты недавно даже провели специальный съезд, посвященный классификации всех существующих методов и выработке правильной терминологии (pdf) в этой области.
Недостаток имеется в реально работающих устройствах, которые хотя бы немного приближались бы к тому, что зрители не одно десятилетие наблюдают в фантастических фильмах и стоили бы при этом не целое состояние.
Самый простой и популярный метод - призрак Пеппера
То, что чаще всего появляется в новостях, и что медиа обычно называют «голограммой» - это метод, известный как призрак Пеппера. На самом деле получающееся таким методом изображение не является ни голограммой, ни вообще трехмерной картинкой. Суть этой техники в том, чтобы поставить между зрителем и сценой полупрозрачный экран, на который проецируется другое, призрачное изображение.
Этот метод, который завоевал свою популярность еще в XIX веке - его часто использовали, скажем, для создания тени отца Гамлета в театре. Сегодня он тоже используется для создания «голограмм». Например, для посмертных концертов с участием Тупака Шакура или Майкла Джексона. А еще - для представлений с участием зверей, которые в цирке не выступают. Сообщение о том, что немецкий цирк Ронкалли в 2019 году перешел от номеров с настоящими животными к представлениям с участием объемных изображений, стало настоящей сенсацией. При этом в технологическом плане цирковые «голограммы» от призрака Пеппера столетней давности отличались только тем, что фигуры на манеже возникали благодаря использованию кругового, а не плоского экрана, а вместо прячущегося под сценой актера с мощным источником света использовали 11 цветных проекторов.
Еще один метод, который к голографии отношения не имеет, но его с ней часто путают - дополненная реальность. 10 ноября во время открытия своего стадиона его применил аргентинский футбольный клуб «Эстудиантес». По арене прогулялся символ команды, трехмерный огнедышащий лев. И его тоже поначалу называли голограммой, хотя это всего лишь хороший образец дополненной реальности - вроде персонажей популярной три года назад игры Pokemon Go.
- SportsCenter (@SC_ESPN) 10 ноября 2019 г.
Самые доступные - движущиеся волюметрические дисплеи
Что касается методов, которые действительно создают трехмерное изображение (а не его иллюзию), то они делятся на два больших класса: те, в которых трехмерным является сам источник попадающего в глаз света (как шарик в британском экране), и те, где возникает трехмерная световая картина, но сам источник света может быть совершенно плоскими.
Первые - это волюметрические дисплеи, и к ним относится новая британская разработка, основанная на принципе акустической левитации. Вторые - это настоящая голография и некоторые другие похожие на нее технологии.
Самые близкие к реальному применению волюметрические дисплеи устроены проще всего: они используют некий ограниченный объем, где вращается полупрозрачное тело - спираль, плоскость, или набор диодов. После раскрутки на это тело проецируется изображение, в результате чего и получается трехмерная картинка.
Результат работы таких устройств довольно сильно похож на голограммы из фантастических фильмов, но потрогать их (по понятным причинам) не получится. Производит такие дисплеи, например, компания Voxon - ее Voxon VX1, формирующий изображение размером примерно с грампластинку, можно купить за 10 тысяч долларов.
Самые масштабные - дисплеи на лазерных вспышках
Совсем другой подход к волюметрическим дисплеям продемонстрировали еще в первой половине 2010-х годов ученые из Университета Токио. Так же как и в разработке британцев, у японских ученых изображение появляется в той же точке, где и источник света. Только вместо полимерного шарика этим источником является маленькая вспышка плазмы. Вспышка - это результат мгновенного нагрева очень ограниченного объема воздуха с помощью мощных, но коротких вспышек инфракрасного лазера. Сами лазерные лучи не видно, но в тех точках, где они фокусируются, появляется светящийся пиксель.
У технологии есть важный недостаток - получить цветное изображение таким образом не получится, окраска испускаемого вспышкой света зависит от состава воздуха, а не от природы лазеров. Однако есть у технологии и два значительных преимущества.
Во-первых, объем дисплея фактически ограничен только размером помещения - ученые уже пробовали запускать светящихся бабочек на улицах, и, за исключением низкой частоты обновления, выглядят они по-настоящему фантастическими.
Во-вторых, такие вспышки - несмотря на то, что в них возникает настоящая плазма - совершенно безопасны. Современные лазеры, которые используются для их получения, производят импульсы мощности, достаточной для появления разогретого светящегося воздуха, но длятся импульсы исключительно коротко - единицы фемтосекунд (миллиардная часть миллионной доли секунды), поэтому выделяющаяся энергия в такой вспышке очень невелика. Такие изображения можно даже трогать голыми руками - ученые уже использовали лазеры для создания микроскопических трехмерных «фей-святлячков», которые могут приземлятся прямо на палец. Ощущаются они как небольшое покалывание.
Эта технология - прямой конкурент акустической левитации, примененной британцами. Но раз окрас пиксельных фей контролировать невозможно, она пригодится лишь для имитации монохромного проектора R2-D2 из «Звездных войн». А вот для создания полноцветных «голографических шахмат» без акустической левитации не обойтись.
Узнать еще больше актуальных новостей из мира технологий и игр можно в нашем Telegram-канале, и на страничках в Facebook и Instagram.
