3D观看方式：全息显示技术的进步

“帮帮我，Obi-Wan Kenobi。你是我唯一的希望。” 1977年，“星球大战”系列电影通过这些话首次向观众展现了莱娅公主的全息图像，这可能是历史上最著名的全息摄影。然而，这并不是真正的三维（3D）全息摄影，投影是电影特效魔法的产物，只是胶片上的图像，因为3D全息技术当时尚未诞生。但自那时起，“星球大战风格”的3D全息摄影概念为技术开发人员开发曾经看起来似乎“遥不可及”的全息显示器树立了标杆。

 

 

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最近，我们似乎离成功不远了。全息技术的进步以及高速/高时延5G网络的出现意味着您在未来数年内将可能在自己的客厅中拥有一部模仿科幻小说的全息电话。举例来说：

• Vodaphone使用5G网络在英国进行了实时全息通话。他们将一名站在曼彻斯特的人员的3D图像传输到伦敦以外的头戴式VR设备，同时将该人员的图像投影到现场观众面前的舞台上。
• Verizon和韩国电信也使用5G网络使首尔的一名员工能够与新泽西州一名员工的3D全息图像进行实时对话。

2D和3D全息技术发展历史

全息图理论（最初称为波前重建）是匈牙利物理学家Dennis Gabor基于他在电子显微镜领域的研究成果于20世纪40年代最早发展起来的。 他使用希腊语holos（意为“整体”）和gramma（意为“消息”）为他的思想命名。然而，由于当时可用的光源不具备足够的“相干性”，因此当时无法构建该技术。相干光源是单色的，是从单个点以单个波长发出的。在20世纪60年代，激光的发展终于使创建全息图成为可能。

E密歇根大学的Emmet Leith和Juris Upatnieks提出了一种创建3D全息图的方法，自那时起，该方法已成为标准设备设置，其使用“连续波激光器、用于引导激光的光学设备（镜头、反射镜和分束器）、胶卷支架以及进行曝光的隔离台。稳定性绝对必不可少，因为在数分钟甚至数秒钟的曝光过程中，即使小至四分之一光波长的移动也可能会完全破坏全息图。Leith和Upatnieks开发的基本离轴技术仍然是全息方法论的主要内容。” ¹

 

3D显示器发展时间线，指出了重大事件，其中，x轴表示年份，y轴表示公众关注度。（图片 来源）

创建全息图

全息图利用光衍射来创建图像。在普通摄影中，镜头用于聚焦在图像上，然后将图像（被视为反射光）的亮区、暗区和彩色区域记录在胶片或数字传感器上。相比之下，全息摄影术是一种在光波从物体上反弹时记录光波形状的摄影技术。

当光波相遇时，它们会相互干扰（与您将两个小卵石扔进池塘后水波纹相互干扰的方式相同）。然后记录该光波干涉图样（光场）以形成全息图。由于激光产生纯净的相干光线，因此我们可以准确记录光波干涉图样，并基于这些图样重新创建3D图像。

从本质上讲，全息图是这样产生的：首先将一束激光一分为二，其中一束激光照射到物体上（物体激光束），然后散射到摄影板上，而另一束激光则直接射向该摄影板上（ 参照激光束）。全息图像衍生自两个光束之间的差异。

 

全息照相基本设置。（图片 来源）

三维（3D）挑战

然而，尽管标准全息图像在外观上是三维的，但它们本质上仍是二维的，因为它们是在显示监视器的平面屏幕上观看的，或者投影到墙壁、玻璃板等平面上。观看者必须直接（或者在有限的视角范围内）看向平面才能观看投影。尽管图像显示为三维，但从技术上讲，它是3D投影，而不是全息图像。

事实证明，创建3D全息图“是一项极具挑战性的工作，其中将根据光衍射对3D场景进行编码，然后转换为全息图的条纹图样，接着进一步转换为空间光调制器（SLM）信号，并实时显示” ²。在过去40年中，开发人员一直受到莱娅公主全息图像的启发，创建了可以投影到稀薄空气中的真实3D全息图（也称为“立体图像”），凭借360度的视觉维度，其可以从四面八方观看。

除了采集和投影从现实世界图像中获取的3D全息图时遇到的光学挑战之外，行业在创建可以3D全息形式观看的计算机生成内容方面也面临挑战。虽然可以使用3D物体的数学模型，比如点云算法和基于多边形的算法³，但它们给任何全息投影设备进行实时处理带来了巨大的计算量。

 

用于合成计算机生成全息图（CGH）的两种方法示例：点云模型（上图，使用苹果图像）和基于多边形的模型（下图，海豚图像）。（图片来源）

全息投影和显示器

传统投影仪的工作原理是使光线通过挡住部分光线的图形图像，从而产生投影图像的阴影和色彩。全息投影仪在光线穿过记录的干涉图样时通过折射创建图像。光线照射通过平面干涉图样（如上所示，记录在全息摄影板上）产生具有三维质量的图像，但仍然是平面的。

为了投影真实的3D图像，可以使用旋转镜系统。该技术由南加州大学创新技术研究所的研究人员最先开发，其使用高速视频投影仪，将其瞄准连接反射镜的旋转平台、全息摄影漫射器和用于解码数字图像的硬件⁴。由于反射镜快速旋转 ，它可以全方位反射，从而使观看者可以从任何角度观看三维图像。

USC ICT交互式360°光场自动立体视觉3D显示器演示。

全息干涉图样仅适用于一种颜色，因为干涉图样是使用单一的光波长记录的。为了创建彩色全息图，必须使用不同的光波长记录多个干涉图样，然后全息投影仪使用彩色激光照射各自颜色的相应干涉图样。

全息图像可以投影到玻璃、有机玻璃或者更多非常规的“屏幕”上，比如半透明网甚至是烟云上⁵。当然，视频、电影、游戏和AR / VR应用中出现的全息图则是显示在用于该内容的任何设备或显示屏上，无论是电视机还是一副智能眼镜。无论显示介质的投影如何，所显示的3D图像都可以使用全息摄影方法采集，也可以完全是计算机生成的内容

3D全息技术最新发展状况

3D全息技术的潜力使各行各业的人们为之兴奋，包括电视、游戏、医学成像、计算机辅助设计、自动化机器人系统、空中交通管制、教育和文化遗产、传播3。3D交互式视觉和远程通信的发展前景十分诱人。

从技术上讲，尽管看起来可能很真实，但当前市场上的许多“全息图”仍然是显示在2D表面上的3D图像。举例来说，即使在观看者感知的3D环境中看起来是3D图像（并且可以与之交互），但虚拟现实应用中的全息图仍然是2D元素，因为它是在头戴式VR设备的平板显示屏上观看的。但真正的3D全息图正在出现。全息科学已经发展到可提供全动态视差（垂直和水平），聚焦在不同的深度（提供所有深度线索），并可以由拥有独特视角和宽视角范围的多名观看者观看。

从创意上来说，无论使用哪种技术，我们今天看到的许多全息图像应用都非常令人兴奋，并且十分逼真。目前已经出现了许多应用，包括信用卡和驾照上的全息标记、产品包装上的认证贴纸、最新的OLED透明电视屏幕原型等。

同时，业界正在探索新技术的传播，将其作为创建3D立体图像的方法。举例来说：

• 布里汉姆杨大学（Brigham Young University）的物理学家Daniel Smalley开发了一种方法，根据他的描述，该方法并不太像全息图，而更像是“高速蚀刻草图” ⁶。它利用不可见激光束的力量来操纵纤维素颗粒，通过超高速移动来创建图像。但从消费者使用的角度而言，这项技术尚不具备足够的安全性。
• 韩国科学家找到了一种通过在现成的LCD显示屏后面放置覆盖有微小针孔的钛膜来生产3D全息显示器的方法⁷。
• 日本公司Aerial Burton使用等离子技术创建了3D触摸敏感光点图案⁸。

如果您想亲眼观看一些最新的全息图，请查看来自《趣味工程学》（Interesting Engineering）的这个全息图集合，其中包括2D和新兴3D技术图像组合。

测量全息显示器的质量和准确性

二十多年来，Radiant Vision Systems一直使用能够模拟人类视觉感知的高精度系统来测量亮度和色度。Radiant的ProMetric®成像亮度计和色度计可用于量化和评估LEDs、显示器、投影图像和 近红外激光发射器的质量。举例来说，我们与汽车制造商合作来测量3D增强现实平视显示器（HUD）投影。Radiant一直站在显示器及其他领域亮度测量的最前沿。 当全息显示器准备进入市场时，我们期待了解如何测量它们的特性。

 

引用文献

1. 1. 全息术：Virtual Gallery
2. Sainov, V.C., Stoykova, E.V 等，“Trends in development of dynamic holographic displays”， SPIE Digital Library，2006年6月9日。
3. Stoykova, E., Kang, H.等，“3D Capture and 3D Contents Generation for Holographic Imaging”，《全息材料和光学系统》第8章， Intech： 2017年。DOI: 10.5772/65904
4. Jones, A. 等, “Rendering for an Interactive 360 Light Field Display”，SIGGRAPH 2007年会议文献。
5. Neverovich, M., “How Does Holographic Projection Work?，Hypervsn，2019年4月22日。
6. Gibney, E., “Physicist creates Star Wars-style 3D projections—just don’t call them holograms”，《自然》（Nature），2018年1月24日。
7. “Park, J., Lee, K.和 Park, Y., “Ultrathin wide-angle large-area digital 3D holographic display using a non-periodic photon sieve”，《自然通信》（Nature Communications）10，文章编号： #1304，2019年3月21日。
8. Kerrigan, S., "13 Hologram Projections Around the World That Are More Than Just a Pretty Display”，《趣味工程学》（Interesting Engineering），2018年5月17日 。