三维显示技术

在人获得的外界信息中，视觉信息占80%以上。长期以来，表达可视信息的图片、视频等都是二维的。然而，现实世界是三维的，二维图像在采集和显示的过程中丢掉了实际事物大量、重要的第三维信息。这些二维图像无法满足人类大脑信息处理的习惯，人脑更需要获取与现实事物完全一致的“全部信息”，即三维的信息。

作为下一代新型显示技术，可以真实展现事物的三维立体显示已成为世界各国大力发展的前沿科研领域。目前，较为成熟的三维显示技术有分光立体显示、体三维显示和全息三维显示三种类型。

分光立体显示

在观看物体时，眼睛视网膜接收到的两幅有视差的图像，经过大脑复杂的综合处理后，人就能区分物体不同区域的明暗、前后、远近，从而“看”到立体的物体。基于双目视差原理的三维立体显示称为分光立体显示，主要有两种实现形式，一种是眼镜式分光立体显示，另一种是裸眼式分光立体显示。

在基于偏振眼镜的分光立体显示中，偏振眼镜两个镜片的光线偏振方向相互垂直，每个镜片仅能通过与其偏振方向相同的光，因此进入左右眼的是两幅不同的图像。该分光立体显示系统的工作原理是，两台投影仪投射出的光束通过偏振片变成两束偏振方向互相垂直的偏振光，光线分别进入佩戴者的左右眼形成立体图像，佩戴者就置身于立体视觉空间。头盔立体显示器、三维立体眼镜、三维立体电影等都属于眼镜式分光立体显示。

裸眼式分光立体显示是通过计算机软件将两幅模仿左右眼拍摄的图像处理合成眼睛可以直接观看的自动分光立体显示，主要有光屏障式和微柱透镜式两种。光屏障式三维技术利用安置在背光模块和液晶显示（hquid crystal display，LCD）面板间的视差障壁，将左眼和右眼的可视画面分开，观者看到的两幅具有视差的图像经大脑融合成三维影像。微柱透镜式裸眼三维技术利用柱状透镜阵列实现裸眼三维。其原理是，在液晶显示屏前加柱状透镜，使液晶屏的像平面位于透镜的焦平面上，每个柱透镜下的图像像素被分成多个子像素，透镜以不同的方向投影每个子像素，因此进入左右眼的子像素不同，进而产生视觉立体。裸眼式分光立体显示的优点是可裸眼直接观看，不需要配戴任何三维立体眼镜，缺点是观看视角小、观看距离有限。一般只能应用于供单人观看的手机、电脑等显示。

总体来说，利用人为制造视差构造的三维景象并不自然。分光立体显示根据瞳距来选取两幅视差图，中国以6.2或6.3厘米作为基准瞳距，欧美以6.5厘米为基准瞳距。但实际上，每个人的瞳距都不相同，而且很多人的瞳距不在此范围内，所以无论佩戴眼镜还是裸眼直接观看分光立体显示图像都不怎么舒适。观看时，观看者的脑力负担会加重，不宜长时间观看，严重者会在观看一部立体电影后呕吐，儿童瞳距小，更不宜观看。

现有的技术还无法使分光立体显示满足所有人的观看习惯，难以广泛应用。

体三维显示

与基于双目视差，欺骗大脑产生的三维立体效果相比，可以产生真实物理深度的真三维显示技术更符合人眼观看习惯，不会造成视觉疲劳，而且显示的图像更真实。体三维显示是一种真三维显示技术，它通过光学元器件的高速运动和高频光投影等技术，将多幅二维图像在一定空间里合成出富有真实立体感的三维立体影像。体三维显示有扫描体显示和固态体显示两种，前者以Perspecta体三维显示器为代表，后者以DepthCube体三维显示器为代表。

Perspecta采用的是柱面轴心旋转外加空间投影的结构。显示一个物体的三维特征时，Perspecta首先通过软件生成该物体的198张剖面图，然后用高速投影仪快速连续地将各视角下的二维图像投影到旋转的二维屏幕上，观看者在观看时因视觉暂留作用，大脑中形成了具有真实立体感的三维影像。

DepthCube系统采用层叠液晶屏幕方式来实现三维显示。DepthCube的显示介质由20个液晶屏层叠而成，每一个屏的分辨率为1024x748，屏与屏的间隔约为5毫米。这些特制屏体的液晶像素具有特殊的电控光学属性，当对某层液晶屏施加电压时，该层像素的液晶体会像百叶窗叶面一样平行于光束传播方向，令照射该处的光束透过；而当外加电压为0时，液晶像素就变成不透明，从而对照射光束进行漫反射，形成一个存在于该液晶屏层叠体中的立体像素，这种立体像素就是体素（voxel）。在任一时刻，19个液晶屏是透明的，只有1个屏不透明，DepthCube会在这20个屏上快速地切换显示三维物体截面，从而构成影像的纵深感。

然而，体三维显示技术仍存在不少技术缺陷。扫描体三维显示系统的高速旋转装置具有一定危险性，且显示效果有背景噪声。固态体三维显示器系统由于采用多层液晶面板结构，会受到液晶面板透射率过小（透过率小于10%）的影响，图像亮度不够理想。这些技术缺陷致使体三维显示的效果不佳，人们又开始寻找更有发展前景的真三维显示技术。

全息三维显示

全息（holography）一词来自希腊语，意思是全部图像信息。全息三维显示技术被认为是目前最理想的真三维显示技术。1947年，匈牙利物理学家伽博（D，Gabor）发明了全息照相法，当时主要研究的是为提高电子显微镜性能的电子全息，直到1960年激光技术诞生后，光学全息技术研究才得以开展。1962年，第一张静态三维全息图问世，向世人展示了全息技术的三维显示优势。1971年，伽博因发明和发展全息照相法获得诺贝尔物理学奖。

在科幻电影中经常可见全息三维显示技术。早在1970年代，电影《星球大战》中就有全息三维显示的场景。2009年，三维电影《阿凡达》上映引起轰动，其震撼的三维效果带给观众与众不同的全新观影体验，大家对三维显示的关注和需求与日俱增，一时间，“全息影像”“全息显示”“全像术”等名词在各大媒体上大量出现。2009年，奥巴马竞选美国总统时，美国有线电视新闻网（Cable News Network，CNN）的一段直播视频声称已利用全息技术实现真三维显示，观众都为之震惊。但是，全息专家随后揭开真相：全息三维视频显示技术还没有被真正开发出来，CNN所用的不可能是全息技术，只是普通的视频处理技术。事实虽令人失望，却反映了业界和社会对全息三维显示的热切盼望。

全息三维显示技术利用两束相干光，其中一束经真实物体表面反射、携带了物体表面的强度和相位信息，另一束不携带任何信息，两束光相互干涉形成一个复杂的全息光场，这个全息光场包含了物体表面的亮暗、景深等信息。但此全息光场无法将所包含的物体的三维信息再现出来，需要先进行全息记录，即将这些信息记录在全息材料中形成全息图。全息再现过程是利用读出光照射全息图，即通过光学衍射从全息材料中读取出物体的全息三维立体图像，进行物体三维信息的重建。这种特殊的图像记录方式与传统的二维图像记录方式完全不同，传统的二维图像记录比如拍照只获取了真实物体表面的强度信息，丢失了物体表面凸凹的相位信息，全息技术却可以将强度信息和相位信息全部记录和再现，提供人眼视觉系统所需的全部深度感知信息。

全息三维显示有静态和实时动态两种形式。

静态全恩三维显示

静态全息三维显示已获得了长足发展，目前多个国家掌握了高清晰、高分辨率、大视场全息图打印技术。例如英国全息科学家制作的佛像全视差全息图，观察者在观看全息图时与观看真实的佛像无异，可以从不同的角度看到佛像不同的面，好像佛像在画框中。其实此全息图只是一张厚度在2毫米左右的聚合物薄膜。

目前，全息图制作技术最好、生产规模最大的公司当属美国的斑马成像（zebra Imaging）公司。早在1990年代，该公司已经向美国军方提供了数万张真三维军事地图。1999年，斑马成像公司为福特汽车公司制作了面积为4.8米×1.2米、视场角超过100度、景深达1.8米的彩色合成全息图。斑马成像公司的技术团队主要由麻省理工学院（MIT）全息技术领域的科学家组成，全息图打印的软件和硬件系统都是自主研发，全息材料由美国杜邦公司提供。斑马成像公司的产品具有分辨率高、视场大、立体感强等优势，占领了世界上绝大部分静态全息三维显示市场，广泛应用在大型展示、虚拟现实、生物医学、军事等领域。

实时动态全息三维显示

实时动态全息三维显示主要的应用领域是全息三维视频显示。商用空间光调制器（spatial light modulator）是一种视频全息显示器件，但其尺寸一般在1-2英寸，显示的全息三维图像非常小，且其像素尺寸过大，一般为几个微米，无法承载高分辨率、超精细全息图。最新试验结果是，利用24台空间光调制器拼接所得到的三维视频显示尺寸不过只有几英寸，如拳头般大小，所以利用空间光调制器无法实现大尺寸、高清晰、强立体感的全息三维视频显示。科学家们又将目光瞄准了基于全息材料实现的动态全息三维显示领域。

2010年，英国《自然》周刊发表了美国布兰奇（P，A.Blanche）等人获得的在近实时动态全息材料中实现全息图刷新时间为2秒的动态全息显示成果。2012年，日本的木梨健二（K.Kinashi）等人发表了全息图刷新时间为0.2秒（刷新率为5赫）的准实时动态全息显示结果。虽然这些成果还不是真正的实时动态全息显示，无法达到全息视频刷新的要求（即刷新时间小于0.04秒，刷新率大于25赫），但这些报道意味着，动态全息三维显示的研究已经开始快速向前推进，基于高刷新率全息材料的全息三维显示器离我们将越来越近。

世界三维显示产业进展

作为信息领域的“核心支柱产业”之一，显示产业是年产值超过1000亿美元的战略性新兴产业。中国是世界最大的显示终端生产和消费大国，显示市场需求巨大。但目前显示生产技术由日、韩等国垄断，我国的显示产业生产技术受外国控制，生产成本居高不下，国家企业和消费者都付出了高昂的代价，而且我国的显示产业无法实现独立发展，只能继续依赖外国的技术。全息三维技术是中国显示行业避开国外的技术封锁，实现“弯道超车”的方向之一，应该会带动整个产业的发展。

全息三维视频显示器属于下一代三维显示器，三维优势使其有望成为未来的主流显示器。当前的裸眼三维电视最多可以输出40幅视图，全息图输出的视图则以千计，其三维显示效果与目前静态全息图的再现效果类似，观看者不会因视图太少、观看距离和角度受限产生不适感，因此较现有裸眼三维点显示器有质的飞越。斑马成像公司2013年宣布投入350万美元实行代号为ZMD的动态全息三维显示器的研究计划。该公司有美国军方的大力支持，并且在全息三维显示领域处于行业领导者地位，具有绝对技术优势。斑马成像公司的所有技术和材料都禁止向中国出售。为了在全息三维显示领域占有一席之地，我国科学家正积极研制具有自主知识产权的全息打印系统、全息图存储材料和全息三维视频显示器。

2012年，上海大学的高洪跃等人首次在光学材料中实现了实时动态全息显示，全息图刷新时间为2毫秒（每秒可刷新500幅全息图）。所用的全息三维显示材料的优势不仅在于其刷新速度快，还在于其是光一光调制，而非电一光调制，即不需要将基于此材料制成的全息三维显示器进行像素化，克服了现有空间光调制器的一些严重缺陷。此项超快全息显示成果被国际信息显示学会（Society Information Display）评为2012年显示领域11大亮点技术之一。

上海大学应用光学与精密测量实验室成功研发出世界第一台全息三维电视机。目前，该研究团队正致力于优化全息三维显示屏的性能，希望实时动态全息三维显示效果与斑马成像公司制作的静态三维全息图相当，实现视频刷新率大于25赫的动态全息三维显示。此外，基于超快液晶全息显示材料，世界上尺寸最大的全息三维投影仪也已在实验室实现，其全息三维投影效果更清晰，立体感更强。

就目前来说，我国的全息产业相对落后，虽然实时动态全息三维显示研究已经具有国际领先水平，但实用产品开发环节较薄弱，要使全息真三维视频显示技术真正从实验室走出来，进入到实际应用领域，不仅需要研究人员的不懈努力，还需要国家和地区的大力支持。我国全息三维显示技术的研发任务任重而道远。