繼上次跟各位介紹VOXON的體積3D顯示器後，這次要帶大家來看的是由英國薩塞克斯大學(University of Sussex)開發的MATD技術！這項技術的3D影像除了能裸視以外，竟然還有觸覺？究竟是怎麼做到的，讓我們一起看看吧！
體積3D顯示原理
雖然體積3D顯示原理在《神奇的裸眼3D顯示！Voxon體積3D顯示器解密！》這碗雞湯解釋過，但第一次聽到的人可能還是相當陌生，所以在這邊簡單介紹一下。
體積式3D顯示相較其他3D顯示最大不同就是像素真實位於空間某點，並透過像素點構成的3D區域來成像，具有跟現實3D物體一樣的顯示特性。常見方法是透過屏幕高速往返，並配合屏幕每個時刻所在的不同位置來投射2D影像，利用視覺暫留達到3D顯示效果，如圖1所示。
MATD原理解密
MATD裝置構造
MATD為 Multimodal Acoustic Trap Display的縮寫，可翻成多模態聲阱顯示。該裝置除了上下各有16 x 16的超音波揚聲器矩陣以外，還有LED照明裝置跟控制用的FPGA板，如圖2所示。相較VOXON移動透明屏幕來顯像，MATD的移動對象僅是一顆半徑1mm的保麗龍小球，配合高速移動的小球在不同時刻下的位置投射影像，便能顯示3D影像。
超音波懸浮原理
超音波懸浮(Ultrasonic Levitation)顧名思義就是用超音波讓物體懸浮，背後原理就是大家高中學過的駐波(Standing Wave)。駐波由兩個反向傳播的相等波組成，最大的特色就是各個質點都在原地做簡諧運動，振幅為0的地方稱為波節[3]。
當超音波揚聲器距離為發射聲波波長的n/2倍時就會形成駐波。由於波節上有著穩定的聲壓，只要聲壓足以抵銷小球重量，就能讓小球懸浮，如圖3所示。
MATD顯示技術
了解超音波懸浮後，相信各位應該都能猜出小球怎麼高速移動。
藉由控制超音波揚聲器陣列，讓小球所在波節位置高速移動，便能讓小球跟著移動。文獻也有提到單純顯示的狀況下，小球水平移動速度最高可達3.75m/s；若加上聲音與觸覺效果，水平移動速度最高為2.5m/s。
至於觸覺回饋同樣是利用超音波形成的駐波實現。除了讓小球高速移動的駐波以外，MATD裝置還會製造第二駐波，為了避免干擾小球，第二駐波位置不會與小球運動範圍重疊。因此，藉由第二駐波的聲壓就能讓使用者產生觸覺，像是與影像互動一般。
下方是有關MATD的介紹，也可以參考看看喔！
主廚結語
相較VOXON已經開始販售的3D顯示器產品，這次介紹的MATD雖然處於研究階段，但概念與技術本身卻相當有趣。如果未來3D顯示不再只有視覺，就連聽覺與觸覺也能滿足的話，那一定相當令人期待！
參考文獻
- Jason Geng, A volumetric 3D display based on a DLP projection engine, Displays 2013, 34(1), 39-48
- Ryuji Hirayama et al., A volumetric display for visual, tactile and audio presentation using acoustic trapping, Nature 2019, 575, 320–323
- Standing wave, https://en.wikipedia.org/wiki/Standing_wave, wikipedia
- DuyangZang et al, Acoustic levitation of liquid drops: Dynamics, manipulation and phase transitions, Advances in Colloid and Interface Science 2017, 243, 77-85