三維顯示技術(shù)

在人獲得的外界信息中，視覺信息占80%以上。長(zhǎng)期以來，表達(dá)可視信息的圖片、視頻等都是二維的。然而，現(xiàn)實(shí)世界是三維的，二維圖像在采集和顯示的過程中丟掉了實(shí)際事物大量、重要的第三維信息。這些二維圖像無法滿足人類大腦信息處理的習(xí)慣，人腦更需要獲取與現(xiàn)實(shí)事物完全一致的“全部信息”，即三維的信息。

作為下一代新型顯示技術(shù)，可以真實(shí)展現(xiàn)事物的三維立體顯示已成為世界各國(guó)大力發(fā)展的前沿科研領(lǐng)域。目前，較為成熟的三維顯示技術(shù)有分光立體顯示、體三維顯示和全息三維顯示三種類型。

分光立體顯示

在觀看物體時(shí)，眼睛視網(wǎng)膜接收到的兩幅有視差的圖像，經(jīng)過大腦復(fù)雜的綜合處理后，人就能區(qū)分物體不同區(qū)域的明暗、前后、遠(yuǎn)近，從而“看”到立體的物體?；陔p目視差原理的三維立體顯示稱為分光立體顯示，主要有兩種實(shí)現(xiàn)形式，一種是眼鏡式分光立體顯示，另一種是裸眼式分光立體顯示。

在基于偏振眼鏡的分光立體顯示中，偏振眼鏡兩個(gè)鏡片的光線偏振方向相互垂直，每個(gè)鏡片僅能通過與其偏振方向相同的光，因此進(jìn)入左右眼的是兩幅不同的圖像。該分光立體顯示系統(tǒng)的工作原理是，兩臺(tái)投影儀投射出的光束通過偏振片變成兩束偏振方向互相垂直的偏振光，光線分別進(jìn)入佩戴者的左右眼形成立體圖像，佩戴者就置身于立體視覺空間。頭盔立體顯示器、三維立體眼鏡、三維立體電影等都屬于眼鏡式分光立體顯示。

裸眼式分光立體顯示是通過計(jì)算機(jī)軟件將兩幅模仿左右眼拍攝的圖像處理合成眼睛可以直接觀看的自動(dòng)分光立體顯示，主要有光屏障式和微柱透鏡式兩種。光屏障式三維技術(shù)利用安置在背光模塊和液晶顯示（hquid crystal display，LCD）面板間的視差障壁，將左眼和右眼的可視畫面分開，觀者看到的兩幅具有視差的圖像經(jīng)大腦融合成三維影像。微柱透鏡式裸眼三維技術(shù)利用柱狀透鏡陣列實(shí)現(xiàn)裸眼三維。其原理是，在液晶顯示屏前加柱狀透鏡，使液晶屏的像平面位于透鏡的焦平面上，每個(gè)柱透鏡下的圖像像素被分成多個(gè)子像素，透鏡以不同的方向投影每個(gè)子像素，因此進(jìn)入左右眼的子像素不同，進(jìn)而產(chǎn)生視覺立體。裸眼式分光立體顯示的優(yōu)點(diǎn)是可裸眼直接觀看，不需要配戴任何三維立體眼鏡，缺點(diǎn)是觀看視角小、觀看距離有限。一般只能應(yīng)用于供單人觀看的手機(jī)、電腦等顯示。

總體來說，利用人為制造視差構(gòu)造的三維景象并不自然。分光立體顯示根據(jù)瞳距來選取兩幅視差圖，中國(guó)以6.2或6.3厘米作為基準(zhǔn)瞳距，歐美以6.5厘米為基準(zhǔn)瞳距。但實(shí)際上，每個(gè)人的瞳距都不相同，而且很多人的瞳距不在此范圍內(nèi)，所以無論佩戴眼鏡還是裸眼直接觀看分光立體顯示圖像都不怎么舒適。觀看時(shí)，觀看者的腦力負(fù)擔(dān)會(huì)加重，不宜長(zhǎng)時(shí)間觀看，嚴(yán)重者會(huì)在觀看一部立體電影后嘔吐，兒童瞳距小，更不宜觀看。

現(xiàn)有的技術(shù)還無法使分光立體顯示滿足所有人的觀看習(xí)慣，難以廣泛應(yīng)用。

體三維顯示

與基于雙目視差，欺騙大腦產(chǎn)生的三維立體效果相比，可以產(chǎn)生真實(shí)物理深度的真三維顯示技術(shù)更符合人眼觀看習(xí)慣，不會(huì)造成視覺疲勞，而且顯示的圖像更真實(shí)。體三維顯示是一種真三維顯示技術(shù)，它通過光學(xué)元器件的高速運(yùn)動(dòng)和高頻光投影等技術(shù)，將多幅二維圖像在一定空間里合成出富有真實(shí)立體感的三維立體影像。體三維顯示有掃描體顯示和固態(tài)體顯示兩種，前者以Perspecta體三維顯示器為代表，后者以DepthCube體三維顯示器為代表。

Perspecta采用的是柱面軸心旋轉(zhuǎn)外加空間投影的結(jié)構(gòu)。顯示一個(gè)物體的三維特征時(shí)，Perspecta首先通過軟件生成該物體的198張剖面圖，然后用高速投影儀快速連續(xù)地將各視角下的二維圖像投影到旋轉(zhuǎn)的二維屏幕上，觀看者在觀看時(shí)因視覺暫留作用，大腦中形成了具有真實(shí)立體感的三維影像。

DepthCube系統(tǒng)采用層疊液晶屏幕方式來實(shí)現(xiàn)三維顯示。DepthCube的顯示介質(zhì)由20個(gè)液晶屏層疊而成，每一個(gè)屏的分辨率為1024x748，屏與屏的間隔約為5毫米。這些特制屏體的液晶像素具有特殊的電控光學(xué)屬性，當(dāng)對(duì)某層液晶屏施加電壓時(shí)，該層像素的液晶體會(huì)像百葉窗葉面一樣平行于光束傳播方向，令照射該處的光束透過；而當(dāng)外加電壓為0時(shí)，液晶像素就變成不透明，從而對(duì)照射光束進(jìn)行漫反射，形成一個(gè)存在于該液晶屏層疊體中的立體像素，這種立體像素就是體素（voxel）。在任一時(shí)刻，19個(gè)液晶屏是透明的，只有1個(gè)屏不透明，DepthCube會(huì)在這20個(gè)屏上快速地切換顯示三維物體截面，從而構(gòu)成影像的縱深感。

然而，體三維顯示技術(shù)仍存在不少技術(shù)缺陷。掃描體三維顯示系統(tǒng)的高速旋轉(zhuǎn)裝置具有一定危險(xiǎn)性，且顯示效果有背景噪聲。固態(tài)體三維顯示器系統(tǒng)由于采用多層液晶面板結(jié)構(gòu)，會(huì)受到液晶面板透射率過?。ㄍ高^率小于10%）的影響，圖像亮度不夠理想。這些技術(shù)缺陷致使體三維顯示的效果不佳，人們又開始尋找更有發(fā)展前景的真三維顯示技術(shù)。

全息三維顯示

全息（holography）一詞來自希臘語，意思是全部圖像信息。全息三維顯示技術(shù)被認(rèn)為是目前最理想的真三維顯示技術(shù)。1947年，匈牙利物理學(xué)家伽博（D，Gabor）發(fā)明了全息照相法，當(dāng)時(shí)主要研究的是為提高電子顯微鏡性能的電子全息，直到1960年激光技術(shù)誕生后，光學(xué)全息技術(shù)研究才得以開展。1962年，第一張靜態(tài)三維全息圖問世，向世人展示了全息技術(shù)的三維顯示優(yōu)勢(shì)。1971年，伽博因發(fā)明和發(fā)展全息照相法獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在科幻電影中經(jīng)?？梢娙⑷S顯示技術(shù)。早在1970年代，電影《星球大戰(zhàn)》中就有全息三維顯示的場(chǎng)景。2009年，三維電影《阿凡達(dá)》上映引起轟動(dòng)，其震撼的三維效果帶給觀眾與眾不同的全新觀影體驗(yàn)，大家對(duì)三維顯示的關(guān)注和需求與日俱增，一時(shí)間，“全息影像”“全息顯示”“全像術(shù)”等名詞在各大媒體上大量出現(xiàn)。2009年，奧巴馬競(jìng)選美國(guó)總統(tǒng)時(shí)，美國(guó)有線電視新聞網(wǎng)（Cable News Network，CNN）的一段直播視頻聲稱已利用全息技術(shù)實(shí)現(xiàn)真三維顯示，觀眾都為之震驚。但是，全息專家隨后揭開真相：全息三維視頻顯示技術(shù)還沒有被真正開發(fā)出來，CNN所用的不可能是全息技術(shù)，只是普通的視頻處理技術(shù)。事實(shí)雖令人失望，卻反映了業(yè)界和社會(huì)對(duì)全息三維顯示的熱切盼望。

全息三維顯示技術(shù)利用兩束相干光，其中一束經(jīng)真實(shí)物體表面反射、攜帶了物體表面的強(qiáng)度和相位信息，另一束不攜帶任何信息，兩束光相互干涉形成一個(gè)復(fù)雜的全息光場(chǎng)，這個(gè)全息光場(chǎng)包含了物體表面的亮暗、景深等信息。但此全息光場(chǎng)無法將所包含的物體的三維信息再現(xiàn)出來，需要先進(jìn)行全息記錄，即將這些信息記錄在全息材料中形成全息圖。全息再現(xiàn)過程是利用讀出光照射全息圖，即通過光學(xué)衍射從全息材料中讀取出物體的全息三維立體圖像，進(jìn)行物體三維信息的重建。這種特殊的圖像記錄方式與傳統(tǒng)的二維圖像記錄方式完全不同，傳統(tǒng)的二維圖像記錄比如拍照只獲取了真實(shí)物體表面的強(qiáng)度信息，丟失了物體表面凸凹的相位信息，全息技術(shù)卻可以將強(qiáng)度信息和相位信息全部記錄和再現(xiàn)，提供人眼視覺系統(tǒng)所需的全部深度感知信息。

全息三維顯示有靜態(tài)和實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)兩種形式。

靜態(tài)全恩三維顯示

靜態(tài)全息三維顯示已獲得了長(zhǎng)足發(fā)展，目前多個(gè)國(guó)家掌握了高清晰、高分辨率、大視場(chǎng)全息圖打印技術(shù)。例如英國(guó)全息科學(xué)家制作的佛像全視差全息圖，觀察者在觀看全息圖時(shí)與觀看真實(shí)的佛像無異，可以從不同的角度看到佛像不同的面，好像佛像在畫框中。其實(shí)此全息圖只是一張厚度在2毫米左右的聚合物薄膜。

目前，全息圖制作技術(shù)最好、生產(chǎn)規(guī)模最大的公司當(dāng)屬美國(guó)的斑馬成像（zebra Imaging）公司。早在1990年代，該公司已經(jīng)向美國(guó)軍方提供了數(shù)萬張真三維軍事地圖。1999年，斑馬成像公司為福特汽車公司制作了面積為4.8米×1.2米、視場(chǎng)角超過100度、景深達(dá)1.8米的彩色合成全息圖。斑馬成像公司的技術(shù)團(tuán)隊(duì)主要由麻省理工學(xué)院（MIT）全息技術(shù)領(lǐng)域的科學(xué)家組成，全息圖打印的軟件和硬件系統(tǒng)都是自主研發(fā)，全息材料由美國(guó)杜邦公司提供。斑馬成像公司的產(chǎn)品具有分辨率高、視場(chǎng)大、立體感強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，占領(lǐng)了世界上絕大部分靜態(tài)全息三維顯示市場(chǎng)，廣泛應(yīng)用在大型展示、虛擬現(xiàn)實(shí)、生物醫(yī)學(xué)、軍事等領(lǐng)域。

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息三維顯示

實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息三維顯示主要的應(yīng)用領(lǐng)域是全息三維視頻顯示。商用空間光調(diào)制器（spatial light modulator）是一種視頻全息顯示器件，但其尺寸一般在1-2英寸，顯示的全息三維圖像非常小，且其像素尺寸過大，一般為幾個(gè)微米，無法承載高分辨率、超精細(xì)全息圖。最新試驗(yàn)結(jié)果是，利用24臺(tái)空間光調(diào)制器拼接所得到的三維視頻顯示尺寸不過只有幾英寸，如拳頭般大小，所以利用空間光調(diào)制器無法實(shí)現(xiàn)大尺寸、高清晰、強(qiáng)立體感的全息三維視頻顯示?？茖W(xué)家們又將目光瞄準(zhǔn)了基于全息材料實(shí)現(xiàn)的動(dòng)態(tài)全息三維顯示領(lǐng)域。

2010年，英國(guó)《自然》周刊發(fā)表了美國(guó)布蘭奇（P，A.Blanche）等人獲得的在近實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息材料中實(shí)現(xiàn)全息圖刷新時(shí)間為2秒的動(dòng)態(tài)全息顯示成果。2012年，日本的木梨健二（K.Kinashi）等人發(fā)表了全息圖刷新時(shí)間為0.2秒（刷新率為5赫）的準(zhǔn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息顯示結(jié)果。雖然這些成果還不是真正的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息顯示，無法達(dá)到全息視頻刷新的要求（即刷新時(shí)間小于0.04秒，刷新率大于25赫），但這些報(bào)道意味著，動(dòng)態(tài)全息三維顯示的研究已經(jīng)開始快速向前推進(jìn)，基于高刷新率全息材料的全息三維顯示器離我們將越來越近。

世界三維顯示產(chǎn)業(yè)進(jìn)展

作為信息領(lǐng)域的“核心支柱產(chǎn)業(yè)”之一，顯示產(chǎn)業(yè)是年產(chǎn)值超過1000億美元的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)。中國(guó)是世界最大的顯示終端生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)，顯示市場(chǎng)需求巨大。但目前顯示生產(chǎn)技術(shù)由日、韓等國(guó)壟斷，我國(guó)的顯示產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)受外國(guó)控制，生產(chǎn)成本居高不下，國(guó)家企業(yè)和消費(fèi)者都付出了高昂的代價(jià)，而且我國(guó)的顯示產(chǎn)業(yè)無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立發(fā)展，只能繼續(xù)依賴外國(guó)的技術(shù)。全息三維技術(shù)是中國(guó)顯示行業(yè)避開國(guó)外的技術(shù)封鎖，實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的方向之一，應(yīng)該會(huì)帶動(dòng)整個(gè)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

全息三維視頻顯示器屬于下一代三維顯示器，三維優(yōu)勢(shì)使其有望成為未來的主流顯示器。當(dāng)前的裸眼三維電視最多可以輸出40幅視圖，全息圖輸出的視圖則以千計(jì)，其三維顯示效果與目前靜態(tài)全息圖的再現(xiàn)效果類似，觀看者不會(huì)因視圖太少、觀看距離和角度受限產(chǎn)生不適感，因此較現(xiàn)有裸眼三維點(diǎn)顯示器有質(zhì)的飛越。斑馬成像公司2013年宣布投入350萬美元實(shí)行代號(hào)為ZMD的動(dòng)態(tài)全息三維顯示器的研究計(jì)劃。該公司有美國(guó)軍方的大力支持，并且在全息三維顯示領(lǐng)域處于行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者地位，具有絕對(duì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。斑馬成像公司的所有技術(shù)和材料都禁止向中國(guó)出售。為了在全息三維顯示領(lǐng)域占有一席之地，我國(guó)科學(xué)家正積極研制具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全息打印系統(tǒng)、全息圖存儲(chǔ)材料和全息三維視頻顯示器。

2012年，上海大學(xué)的高洪躍等人首次在光學(xué)材料中實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息顯示，全息圖刷新時(shí)間為2毫秒（每秒可刷新500幅全息圖）。所用的全息三維顯示材料的優(yōu)勢(shì)不僅在于其刷新速度快，還在于其是光一光調(diào)制，而非電一光調(diào)制，即不需要將基于此材料制成的全息三維顯示器進(jìn)行像素化，克服了現(xiàn)有空間光調(diào)制器的一些嚴(yán)重缺陷。此項(xiàng)超快全息顯示成果被國(guó)際信息顯示學(xué)會(huì)（Society Information Display）評(píng)為2012年顯示領(lǐng)域11大亮點(diǎn)技術(shù)之一。

上海大學(xué)應(yīng)用光學(xué)與精密測(cè)量實(shí)驗(yàn)室成功研發(fā)出世界第一臺(tái)全息三維電視機(jī)。目前，該研究團(tuán)隊(duì)正致力于優(yōu)化全息三維顯示屏的性能，希望實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息三維顯示效果與斑馬成像公司制作的靜態(tài)三維全息圖相當(dāng)，實(shí)現(xiàn)視頻刷新率大于25赫的動(dòng)態(tài)全息三維顯示。此外，基于超快液晶全息顯示材料，世界上尺寸最大的全息三維投影儀也已在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，其全息三維投影效果更清晰，立體感更強(qiáng)。

就目前來說，我國(guó)的全息產(chǎn)業(yè)相對(duì)落后，雖然實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全息三維顯示研究已經(jīng)具有國(guó)際領(lǐng)先水平，但實(shí)用產(chǎn)品開發(fā)環(huán)節(jié)較薄弱，要使全息真三維視頻顯示技術(shù)真正從實(shí)驗(yàn)室走出來，進(jìn)入到實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，不僅需要研究人員的不懈努力，還需要國(guó)家和地區(qū)的大力支持。我國(guó)全息三維顯示技術(shù)的研發(fā)任務(wù)任重而道遠(yuǎn)。