美國羅徹斯特大學(University of Rochester)的研究人員在最新一期《Optica》期刊中發表有關隱形斗篷的突破性進展。在這篇題為「數位組合隱形斗篷」(digital integral cloak)的論文中,研究人員在所要隱藏的物體兩側分別設置了一台掃描相機以及覆蓋微透鏡陣列的LCD顯示器,並結合了可執行於其間的光線追蹤演算法。

該業經驗證可行的概念證實可騙過人眼,讓人眼看到的是隱形物體的背後,就像光線直接通過這個「看不見」的物體一樣。因此,這種隱形斗篷可在背景改變時重新配置,透過相機再次掃描背景區域而更新輸入,並以光線追蹤演算法計算在LCD上的正確顯示渲染,讓每個微透鏡都能以正確的方向重新導向正確的顏色(數學計算必須考慮隱藏區域的深度)。

20160525 cloack NT01P1 圖1:數位組合隱形斗篷的橫截面顯示2個平行的2D表面,以及幾道光線樣本。輸入「表面」(透鏡陣列與模板)擷取輸入光線,而輸出表面則以僅穿過環境空間(點線)般的方式顯示光線。位於微透鏡焦點平面上的超畫素(superpixel)收集與透鏡相同位置的光線。這些光線隨即在空間上分離成為畫素,使得一個射線角(或視角)映射至一個畫素。而顯示(輸入)與該機制相反。

接著,這些輕薄、平行的半圓柱形微透鏡可重新創造出多個背景影像,讓觀看者無論在哪個位置都可看到完美「假象」——這比以往的2D渲染方式有了更大的進展,就像在背景嵌入海報一樣。

由於該驗證概念實驗僅使用一台相機來掃描背景,因此,每當背景改變時,該校博士生Joseph Choi與其指導教授John Howell就得花費幾分鐘的時間進行掃描、處理以及更新螢幕上的影像。

但在將來,Choi打算用光感測器的透鏡陣列覆蓋於隱形物體的一側,另一側則安裝各方向均可顯示正確畫素的適形透鏡顯示器,因此就能表現出物體彷彿不存在的背景。不過,固定的設置僅適用於物體形狀不發生變化的情況,光感測器的幾何形狀與空間位置均需在數學模型中納入考慮,以計算出哪些畫素饋入輸出顯示中。

為了進一步擴展此概念,研究人員的結論是斗篷表面能夠以所謂的超畫素進行分離——這種超畫素可偵測與發射多個不連續的光線位置與角度。結合足夠的運算能力,這種數位斗篷還能即時作用於任何的物體形狀,實現可穿戴與可變形的斗篷。Choi認為,隨著顯示解析度不斷增加以及軟性感測器技術日益微縮,最終可望使這種建置成為現實。

20160525 cloack NT01P2 圖2:理想的球形對稱斗篷概念是全方向性的——光線(實線箭頭)可進入與離開斗篷。虛線箭頭表示光線如何在斗篷內移動(因為物體是隱形的)。

羅徹斯特大學研究人員開發的數位斗篷目前已在專利申請中,期望與業界合作進一步推動這項研究實現商用化。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Toward a digitally reconfigurable optical cloak,by Julien Happich)