反射式膽固醇液晶電子紙! Color E-paper

傳統的液晶雖然漂亮, 但是因為高耗能, 所以現在的電子書選擇了利用E-Ink種只有切換時需要耗能的顯示技術. E-Ink利用電泳來驅動色素粒子所以沒有電壓時粒子是穩定的. 傳統的液晶螢幕一直需要電壓來維持分子的排列. 但其實有另一類的液晶種類稱為膽固醇液晶, 可以有雙穩態, 也就是分子排列有兩種穩定的狀態, 只有切換的時候需要提供電場. 這類的分子在不同的排列下就如同不同的晶格, 可以反射特定的波長. 下面的影片是展示利用三層這樣的結構做出來的彩色電子紙. 這種技術一樣有低耗能的優點, 之前的產品因為切換慢對比也不好, 所以競爭力不大. 現在廠商似乎已經漸漸克服缺點. 這類的技術除了電子紙還能用在窗戶或電子商標上.


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星際大戰裡的技術-動態全像3D! Hologram 3D Star Wars

全像技術是利用干涉的方式重建光的波前跟強度, 發明了很久也很多改進, 雖然不用戴眼鏡也可以看到各種角度的3D影像, 但是在目前的3D顯示器上沒法實用, 一個原因是在沒有參考物的物理的光學資訊下, 電腦計算干涉圖案非常耗時, 另一個原因是全像片是一種固定的照片, 沒有辦法顯示動態. 第一個問題在電腦進步下已經慢慢有進展. 這影片是說展示現在的材料技術是怎克服動態顯示的困難. 新一代的材料利用可重複寫入的動態底片, 原理是把感光的材料放在一對透明電極之間, 當加上電壓又同時受光的時就可以改變局部的分子排列讓折射率改變. 然後利用掃描的脈衝雷射就可以把想要的干涉圖形一次一次寫入這樣的材料. 變成可以改變內容的全像影像, 目前可以做到大約一秒一次上下的更新 雖然慢不過比起以往已經是大幅的進步. 要顯示的時候只要打LED的燈光, 就可以讓立體的影像出現. 動態的3D全像影片或許離實現的時候不遠了!

學術文獻
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雷射投影機! Compact laser projector

現在主要有兩種類型的投影機, 一種利用液晶的光閥, 一種利用微機電的小鏡子光開關. 兩種的共通點是在光源上都是利用一般非同調光源照明還有利用鏡頭來對焦投影. 這樣的機制讓投影的畫面只能在一個平面上清楚呈現. 這影片介紹利用掃描雷射來當做成像的機制. 雷射掃描在很多地方有應用, 像是共扼焦顯微鏡或是舞台燈光效果. 不同於一般的應用只使用單色雷射, 這投影機利用三種顏色的雷色光, 利用別對強度調變然後旋轉鏡子使雷射掃到每一個畫素, 就可以控制每一個畫素的顏色. 因為利用掃描成像, 所以沒有對焦位置的問題, 使得投影出來的畫面在曲面上也一樣清楚. 另一個優點是傳統利用均勻光源跟光閥的投影機只能利用到部分的光強度. 而這種利用對個別雷射的強度調變, 光源強度直接就是影像的強度, 所以沒有額外的耗損, 或許在省能上有優勢.

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微快門顯示器! MEMS Shutter Display

液晶螢幕的基本原理是利用液晶的偏光性來控制背光源通過不同顏色的濾片後, 光透出銀幕的強度. 因為這樣的設計,光在經過不同顏色濾片後就剩的不多, 加上液晶利用極化來控制光, 只能讓部分有正確偏振方向的光通過, 本身也損失很多光強度. 漸漸液晶的耗電變成手持性裝置電力上限制的主要來源. 這影片介紹利用微機電的快門控制來克服這問題. 這種新的螢幕在背光的設計是利用三種不同顏色的LED循序發光, 光利用反射通道通引導到螢幕上的光開口窗, 然後利用微小的快門來控制每一開口的每一瞬間光可以透出的量. 所以就是不同顏色的光在不同的時間發出, 然後用微快門來控制光量, 利用人眼的暫留就可以合成不同顏色. 這樣一來就不需要濾片, 所以光損小很多, 控制光強的方式也不只限制偏振光, 能讓不同的偏振態的光都透出. 整體來說可以讓光能的使用變的很有效率, 所以比起液晶變的很省電. 另外這種設計也可以以光快門作為反射螢幕的開關, 所以也可以變成類似電子的用途. 其實利用微機電來做螢幕還有不同的設計, 再過幾年技術成熟了, 說不定可以跟液晶在不同的應用上加以互補.


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半透式螢幕! See-Through Display and Film Display

半透式螢幕跟一般螢幕的不同在於可以同時接收螢幕跟背後的訊息, 之前介紹過的頭戴式顯示器就是一個例子. 不過在以往, 這樣的顯示必須要利用半反射鏡跟微投影機來達成, 所以在體積上有限制,不能做的太小, 用途也受限. 過去一般的平面顯示器需要背光源所以無法做成透明式的. 現在發展的自發光顯示器因為像素本身可發光不需要背光, 所以只要控制電子線路的粗細跟像素的大小跟發光程度, 就可以做成半透明式的螢幕. 這影片就是日本廠商所展出的OLED半透式OLED顯示器.目前的透光率約50-60%, 以後預期可以到達80%. 這樣螢幕可以用在手機上讓邊走邊看螢幕的人安全一些, 或是結合AR讓相關的資訊重疊在面對的對象.


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變色分子共晶-用光來作功! Converts Light into Mechanical Work

不同種型態的能量轉變常常可以發展出新的裝置. 光變成電已經很常見, 不管是像機還是太陽能電池都是, 不過要從光直接變成機械功, 目前知道的例子還不多. 最常見的一類是輻射計radiometer, 就是在一個小瓶子裡照光會轉動的小葉片. 這原理是因為照光後熱跟溫度差讓氣體流動而產生轉動(不過常被誤會是光壓). 這種方式是利用流體跟固體介面的表面能量的溫度依存性, 有點像是表面張力在溫度下的應用. 不過除了這類以外, 因為光還可以直接跟分子作用, 改變分子的結構, 所以理論上光應該可以直接讓分子的變形來產生功. 以往這類的變形不太可能用, 因為個別分子的尺度太小了, 幾乎沒有實用價值. 這影片是利用光變色分子(二芳基乙烯衍生物)跟 perfluoronaphthalene的共晶來達到大尺度的變形. 當照光之後光變色分子會產生光環化反應, 使分子變形. 這樣的變形會讓共晶的的結構改變. 影片中展示的就是利用這樣的機制, 讓一個一小片共晶材料彎來彎去. 這種光變成機械變形的方式,因為產生的力跟變形都很大. 應該有很多利用的空間!
學術文獻
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用身體舞動遊戲! Kinect in Tokyo Game Show 2010

人機介面的發展讓電腦能更融入生活, 雖然很多學術研究有進展...不過也許最大的進步會從遊戲公司開始. 像是Wii帶動了使用加速規在各種場合的使用, 這次的主角是Microsoft的 Kinect控制裝置所代表的身體控制. 這影片是上週在東京電玩展展出的 Kinect 遊戲玩的實況, 看了都很想玩. 這種技術可以偵測身體的運動然後把這樣的動作做為輸入的裝置, 也就是說, 身體全體的運動資訊都可以做為輸入的介面. 所以很多可能的遊戲方式都可以實現, 像是跳舞或是運動, 可以更加融入遊戲. 這技術主要偵測物體的運動方式是利用附加著裝置打出眼睛看不到的雷射光斑, 然後這些光斑就變成空間中可以偵測的標記, 當這些光班隨著人體運動而改變反射位置的時候, 就可以利用影像分析找出物體運動跟光班位置大小變化的關係. 這種技術解決了要辨識空間中特定形狀或是需要預先標記這兩種做法會面臨到的問題, 很聰明利用雷射光斑的特性作為辨識標的. 這樣的技術一但普及, 可以預期很多人跟機器或是電腦的互動可以變的更多樣化. 期待這樣技術從遊戲開始普及!


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雷射遠端驅動的直昇機! Lasercopter

如何在不需要電線情況下把能量提供給電子裝置除了省掉惱人的電線, 在一些特別的場合,像是RFID或是未來的電動交通工具也有不同可能的應用, 目前在一些小行動裝置上也已經有產品. 現在短距離的傳輸大概都是利用線圈跟電感的方式. 不過這樣的方式並不適用長距離的傳輸. 特別像是遠端的衛星或是無人飛機. 這些裝置上能源都是很珍貴的資源, 如果能遠端供電會幫這些裝置提供更多使用上的彈性. 這影片介紹展示利用雷射來對一台模型直昇機提供能源. 方式就是利用太能能電池把雷射的光能轉換成電能. 這樣的構想其實在很久以前就被提出來, 不過這種傳輸方式主要必須面對電能轉成雷射的耗損,跟太陽能轉電能的效率這雙重耗損. 以往這兩個過程都不太有效率, 所以沒人去實現. 不過最近在半導體雷射跟太陽能電池都有很大的進步, 這樣的過程變成有利用的價值. 這影片是利用聚紅外的半導體雷射陣列去然後驅動一台大約300克的模型直昇機幾個小時. 雖然真正的遠距離傳送還必須克服大氣對光的干擾, 不過最少展示了這樣的機制在目前已經可行了.


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史考特的實現: 視網膜投影銀幕! display onto the retina

看過七龍珠的朋友應該知道史考特就是那個可以看戰鬥力的裝置, 現在日本有廠商做出原型了(不過當然看不到戰鬥力..). 過去銀幕的成像大概都是在眼睛外面先成像一次, 然後眼睛再利用角膜跟水晶體在視網膜成像. 不過這種穿戴式的投影螢幕因為空間小的的關係, 在可以看到眼睛前方的斜角半反射鏡上不成像, 而是直接在視網膜成像, 也因為這樣的關係只要控制像的發散角度就可以模擬成像的位置. 所以眼睛看起來的像是在一公尺的位置, 大約16吋大小的透明螢幕. 其實這樣控制成像位置的原理跟光學儀器可以控制眼睛透過目鏡看到顯微鏡影像或是望遠鏡影像的感覺位置是很類似的, 不過現在投影最後的階段是由一片半反射鏡來達成. 這種裝置應該有很多有趣的應用, 有可能可以改變接收資訊的方式, 現在的技術很容易做到遠方連線, 然後投影合適的資訊出來或是做成AR的應用. 或許有一天人會開始帶著史考特一邊看真實的世界, 一邊看著另一種資訊.


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光彈立體觸控螢幕! Soft touch-panel using LCD and photoelasticity

因為電腦的計算能力已經達到某種程度, 所以越來越多的電腦技術革新是在人機的互動介面上. 像觸控螢幕這樣的技術就得到很多的關注. 傳統的觸控是利用表面的電學性質例如電阻或是電容效應來偵測觸控的位置. 但是感受壓力其實還有更多選擇. 這影片介紹利用立體材料的光彈性質(photoelasticity) 來偵測各種觸覺壓力. 因為液晶螢幕的光已經是經過一片偏光膜, 是有方向性的偏光, 如果外加另外一片偏光板可以讓螢幕看起來都是暗的. 這時候如果在兩個偏光膜中間加上一些透明的彈性物質, 因為在受壓之後, 彈性物質的內的分子會受到應力的擠壓拉扯而變形進而變成有偏光性, 這樣一來, 本來在由一對偏光片阻隔的光就又可以通過偏光片了. 這樣的原理其實跟偏光顯微鏡測應力一模一樣. 所以只要利用偵測透過光的強度就可以知道光彈物質上所受力的相對大小. 影片展示把光彈物質做成臉的模樣, 只要可以偵測應力, 就可以即時跟使用者互動. 當然也可以做成各種不同的模型做各種有趣的互動. 這影片另外一個重要的技術是把偵測用的攝影機做在螢幕的下方, 應該有另外一種控制偏光的方式, 不過細節就沒有公開了.


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寫出奈米碳管彈簧! UV-DW (Ultraviolet-Assisted Direct-Write) fabrication of a microspring

之前介紹過複合材料, 利用高分子跟碳纖維來自己動手作成零件. 這次要介紹的是利用CNC機器跟光的幫助, 直接設計出小的奈米碳管高分子複合彈簧. 原理很簡單就是把碳管跟感光高分子的混合物從寫頭擠壓出來, 然後即時用紫外光照射使之硬化(影片中那些管子就是提供UV的光纖）.　 因為碳管有很高的材料強度, 固化之後,　碳管被高分子緊緊結合, 整體的材料強度就會比一般光硬化高分子來的好.　這種技術可以做出很特別形狀的物體,　應該合適用來做一些特別的元件,其實這樣的光固化寫出技術在之前有用再像是做列印浮雕或是簡單的３D列印, 現在因為UV　LED的發展很快, 類似的技術也可以用廉價的方式達成, 不在需要昂貴的水銀燈. 這次用了奈米碳管複合材料應該會讓這種直接寫出光硬化的技術因為材料強度的增加而有更廣泛的用途.

學術文獻
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用聲音來看! Seeing with sound

眼睛是靈魂之窗, 現在也很多研究在看看要怎麼幫助視覺障礙的朋友能有更好的生活品質. 除了發展中的電子視網膜以外, 其實另一類的做法就是把視覺的資訊投影到其他的感官感覺上.　有不少研究顯示, 視覺喪失的人在其他的感官上會比較突出, 這種轉換感覺接收路徑的方式也應該很有發展的空間. 這影片是介紹利用眼鏡上小型的攝影機跟即時的影像處理, 電腦可以即時把影像的資訊轉換成聲音. 這樣一來看不見的人就可以根據聽到的聲音來對環境有多一點了解. 當然這樣的技術會干擾本來的聽覺, 或許要經過訓練還有找到比較不容易干擾的方式才可能實用. 當然影像理本身也要夠好, 才能讓電腦判斷的正確. 另外這種把視覺資訊投影在其他感官的接受上不一定只能限於聽覺. 身體很多位置的觸覺其實也很靈敏,　也常常沒有在利用有很多空閒時間. 如果能善加利用,　應該能更能讓周圍的資訊藉由電腦的幫助而被即時察知.


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用光來上色 Agile fashion

小時候應該有些朋友有玩過夜光玩具, 就是在光照射之後可以放在暗暗的地方然後看到淡淡的光. 這種現象是因為磷光被短長的光激發, 然後可以慢慢跳回基態, 有些材料的回覆過程可以到幾個小時. 現在有有就人員利用這種概念提出用光上色的設計. 因為每次的激發都會消退, 所以也就是說可以為同個物品更換不同的顏色. 根據影片上介紹, 利用在表面的塗料跟驗鈔筆的指外光就可以替模型上色. 這樣的技術或許在某些展示場合, 或是想要暫時性上色, 又或是暗暗的場所的裝飾有用.


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無介質3D投影! Top 3D Display for Multiple Users

之前有介紹過一種如真的3D投影, 可以在什麼都沒有空間投影出立體的影像. 當初有提到那種技術是利用成對的凹面鏡來進行實物投影, 也就是說必須要有一個真實的東西在. 這次介紹的技術連實物都不用了, 可以直接用投影機來投出. 原理是利用很多台的投影機在不同的空間角度成像. 在空間中一般的感知成像位置有兩種方式, 一個是利用介質散射源來定義物體, 另一個是利用成像的光線來反追回實像或是虛像. 這影片介紹的技術有利用到一個特殊的椎狀光柵, 用途是把不同投影機的提供的像, 投影到空間中, 每個像都可以成像, 不過只能在有限的角度大小. 同時利用多台投影機就可以提供不同角度的成像. 所以看起來就像是在沒有散射的介質下投影出3D的影像. 當然這技術的缺點就是成像的角度有限, 看看有多少台投影機. 另外就是目前的影像品質還不好. 不過或許將來改進以後, 可以投影整場真的立體的足球賽也說不定!


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彩色手勢套的妙用! Hand control

現在不管是電腦或是遊樂器都在進行一場輸入革命, 希望程式可以直接讀取人的自然動作來跟程度互動, 而手勢的辨識就是其中之一. 一般的手勢辨識分成兩種, 一種是利用辨識特徵來重建骨架, 這種類似傳統的粒子追蹤程式. 另一種是利用整體外型來猜可能的手勢, 再利用資料庫比對找到最符合的姿勢. 這兩種各有難度, 前者比較需要辨識固定特徵部位, 後者需要足夠的資料庫跟計算時間. 這影片是展示利用顏色來幫助電腦辨識. 因為有了顏色,程式可以容易辨別應該是什麼樣的姿勢, 只要跟既定的資料庫比對就可以找出詳細的對應姿勢. 經由這樣的技術, 只要一台webcam就可以把手部的動作直接重現在電腦上. 不管是用手語輸入或是操控虛擬物體都變的很方便. 這樣的技術或許不久會應更到更多的地方, 以後說不定大家都開始比手畫腳的使用程式了!


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轉一下換個顏色! Rotating photonic crystals

光子晶體利用週期性的結構來控制光的傳播行為, 但是傳統的光學晶體因為利用固定的膠體粒子或是固體結構來影響控制光, 所以並不具有動態調節的功能. 這影片展出一種利用超順磁小粒子(內層是Fe3O4, 外層是silica) 組合成的複合粒子, 可以利用外加磁場來控制光. 製作方式是把粒子放入可聚合的樹酯小液滴後經由自我組裝形成特殊的週期性結構, 再利用UV引起樹酯聚合把這樣的結構固定下來. 這種做好的複合粒子在受到磁場影響時, 會改變複合粒子的方向, 也就是可以動態改變光子學晶體跟光的相對入射角度, 所以就能動態的調節光. 這影片展出利用施加不同的方向的磁場讓光的顏色改變的過程.

學術文獻
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MIT科學家發表可讓網路快千百倍的新技術

http://www.opticsinfobase.org/abstract.cfm?uri=JOCN-1-3-B81
http://www.ithome.com.tw/itadm/article.php?c=62102

Vincent Chan設計出一種名為「流量開關」（flow switching）的方法，讓光纖傳輸網際網路流量時，不需經過光電轉換就可以對所傳輸的資料做路由，因此有機會讓目前的網際網路傳輸加快一百到一千倍。

麻省理工學院（MIT）電子工程暨電腦科學教授Vincent Chan帶領的研究團隊發明一種方式，可望加快網際網路傳輸速度100至1000倍。

該團隊指出，光纖線路是全球網際網路的傳輸核心，但光纖所傳輸的資料必須從光學訊號轉為電子訊號，才能存到記憶體，設備才能讀取資料判斷該資料該往哪個節點傳送，再度把資料由電子訊號轉換成為光學訊號並加以傳輸。這中間光電轉換與光纖傳輸相較之下，顯得非常消耗時間。

Vincent Chan設計出一種名為「流量開關」（flow switching）的方法，讓光纖傳輸網際網路流量時，不需經過光電轉換就可以對所傳輸的資料做路由，因此有機會讓目前的網際網路傳輸加快一百到一千倍。而且省去光電轉換意味著這個路由設備可能比以往更便宜。

「流量開關」利用光纖可以多頻共同傳輸的特色，將特殊目的地的資料集中到特定頻率來傳送，因此接收端不需要做光電轉換便可將這些訊號直接傳輸到下一個節點。由於頻寬規劃都只考慮到最後傳輸目的，這種技術非常適合光纖骨幹做大容量傳輸使用。但限制頻率等同於固定傳輸的頻寬，如此一來整條光纖的頻寬極可能被浪費，Vincent Chan團隊在該技術中會不斷的調整所用的頻寬，以免頻寬遭浪費。

Vincent Chan表示，他將開設一家公司，在美國設置一個測試網路，藉以推銷他的架構與設計。Vincent Chan一直與路由器廠商協調新的網路架構與設備，並希望主要的ISP與路由設備廠商可以與他合作

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超解析度照片技術! Super-resolution images from blurry snaps

以往的照片解析度, 往往決定在鏡頭的好壞跟感光元件的解析度. 其實有另外一類的軟體可以幫助一般的畫面得到更好的解析度. 不同於傳統的影像處理利用內插, 除了讓畫面變的平滑外 對細節常常沒有幫助. 這類的新的超解析度技術是利用多張照片來合成出一張高解析度的照片. 原理其實並不難, 其實每張照片中的每個畫素裡都記載著比這畫素更小的影像的部分資訊. 但是這樣的資訊在單一照片並沒有辦法被提出來. 如果有很多張同個影像略為不同的照片, 就可以經由計算把這樣的資訊提取出來. 有點像是對某一個謎題猜謎, 雖然每次猜都不能給出答案, 但是問多次後, 就可以經由問題來推測出可能的答案一樣. 這影片是展示利用低解析度的月亮照片合成較高解析度的月亮照片.


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眼外水晶體- 電子變焦眼鏡! Pixel Optics

眼睛聚焦所需要的屈光度大部分由角膜提供, 但是因為角膜是不能變焦的, 剩下所需要屈光度控制的功能就由水晶體所提供. 但是人在老化之後, 水晶體變焦的功能就會慢慢喪失. 所以在老年人身上, 常常需要雙焦點的眼鏡來幫眼睛看近跟看遠, 而這樣的眼鏡使用起來並不方便. 現在有一家公司快要開始販賣可以在鏡片上變焦的眼鏡了. 以往鏡片的功能都是由鏡片外型所決定, 看看是凹是凸, 但是這樣的眼鏡只能有固定屈光度. 這家公司利用做在眼鏡上的許多環狀透明電極來控制液晶分子的排列. 可以使液晶分子的排列產生像是環狀平面放大鏡那樣的週期性光學結構,類似菲涅耳透鏡（Fresnel len）那樣. 利用這樣的結構, 只要短短的幾個微米的距離, 就可以利用電壓產生各種透鏡的效果. 這電控光學元件做在眼鏡的中間, 不啟動就像一般的鏡片一樣, 而當看不清楚的時候, 只要摸一下眼鏡或是設定自動開啟的模式就可以看到清楚的畫面了. 這樣的技術因為要做在眼鏡上所以難度很高, 以往的嘗試都沒有真的商業化. 如果這種技術成熟了, 或許各類的光學對焦元件都可以用的上喔!


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球型顯示器! Panorama Ball Vision

顯示器一定是要平面的嗎? 看看這顆球, 整個球面都是螢幕! 原理是利用高速旋轉的LED條, 在視覺殘留下就變成球型的顯示器. 雖然沒有太多的原理創新, 當作電腦螢幕可能也並不好用, 可是做成像是地球儀還是門口的展示招牌確實很有抓住眼光的效果!


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