激光全息技术在现代展览展示中的应用

刘 枭,杨洪鑫,林洪沂,温志伟,宋 硕

(1.厦门理工学院文化产业与旅游学院,福建 厦门 361024；2.厦门理工学院光电与通信工程学院,福建 厦门 361024)

1 引 言

随着新兴信息技术的迅猛发展,文化和艺术的创作、生产和传播方式的不断变化,人们对视觉效果的要求越来越高。在会展行业的不断发展和转型升级过程中,基于传统声光电技术的展览展示已无法充分满足观众需求,而借助信息通信技术、光学技术、计算机技术、景观设计、艺术展示的现代展览展示得到了快速发展[1-2]。以激光全息技术为代表的高科技展示技术逐渐在展览展示中发挥重要的作用[3]。全息技术通过精确“裁剪”光场,实现模拟具有运动视差和深度线索的真实立体场景,为用户提供裸眼立体视觉的增值体验[4]。借助激光全息技术,人们不仅突破了传统展览展示技术的时空局限,无需借助外部设备也能看到三维幻像,甚至还能徒手与三维图像进行互动,实现前所未有的沉浸式互动体验[2]。

激光全息技术具有互动性、即时性、沉浸性、故事性、技术性等优势。随着半导体激光光源、计算机运算速度、储存介质、空间光调制器等器件全面升级,未来激光全息技术价格成本呈现逐步下降的趋势,全息技术在各行业的普及与应用逐渐深入。从会展行业来看,全息技术已广泛应用于文物展览、舞台表演[5]、艺术展示、商业展览等等多种展览展示场合,以及展览中心、博物馆、博览会、科技馆、图书馆、档案馆、城市规划馆等会展场馆。

2 激光全息技术的基本原理

激光全息包括记录和再现两个过程。全息记录是利用激光的干涉特性,使三维物体表面的漫反射光和参考光发生干涉现象,形成明暗相间的干涉条纹,然后储存在光敏介质(CCD摄像机、胶片、光折变晶体[6]、光折变聚合物[7]、光致变色材料[8]等)中。这样静态或动态物体的全部光信息,即振幅信息(光强和强度信息)、相位信息(即深度信息)都会被记录下来[9]。全息再现是利用激光的衍射特性,采用一束特定的激光束照射储存介质,使其发生衍射效应,提取出振幅和相位信息,重现与原物体相同的三维图像。激光全息技术突破了传统的声光电的限制,可以形成对比度、清晰度、纵深度、临场感、立体感都很高的立体图像[10]。

随着计算机和显示技术的发展,传统的全息记录过程可以通过计算仿真来实现,即计算全息技术。计算全息技术首先通过数值计算获得复振幅波前的数学描述,然后将其编码成与显示介质相匹配的全息函数。在全息再现时,通过相干光照射显示介质,构建出物光信息。计算全息技术的优点有:1)简化记录过程,避免了实际的复杂的干涉过程,可以获得虚拟的干涉图像；2)摆脱传统光敏介质的限制,计算所得的数学全息图函数容易被储存、复制和传输；3)在光学处理和调控领域引入了计算和数字技术,推动了波前模式调控和全息技术的发展[11]；4)计算全息更适合与展览展示相结合,获得大视角、交互式、动态、彩色立体全息技术,提高展览展示水平。

3 现代激光全息技术

在现代会展业的发展过程中,显示技术的每一次变革和创新,都为展览展示提供了新的技术手段和表现方式。交互式、全彩、大视场等激光全息技术可以提供更为真实、震撼、自然、立体的艺术展示效果。

3.1 交互式全息技术

交互式全息技术将全息技术与手势控制技术相结合,实现了观众和立体全息图像之间的交互以及人机交互,在博物馆展品展示、商品展览、沉浸式艺术展等相关领域有广泛的应用[12]。

以博物馆为例,博物馆中的文物年代久远,珍贵脆弱,保护性要求较高。观众们也只能在固定地点观看这些文物。部分文物由于体积或重量过大,无法移动来全方位展示。有时,受展览空间限制或场馆临时修复等影响,一些无法供观众亲临参观。因此,有必要引入多样化技术手段,增加可展出的文物种类和数量,提升文物展示效果[13]。为了顺应这一趋势,谷歌推出了艺术与文化项目,该项目允许用户通过网络界面,轻松浏览来自70多个国家上千家博物馆的艺术品。此外,越来越多的知名文化遗产机构(如卢浮宫博物馆、华盛顿史密森国家自然历史博物馆、纽约大都会博物馆和那不勒斯国家考古博物馆)开始参与到数字文化遗产的管理活动中,推出基于网络的虚拟展览[14]。2016年7月,意大利学者将空间交互技术应用于博物馆展览(见图1),通过手势动作以无接触的方式实现抓取、滑动、放大、旋转全息立体图像(见图2),在那不勒斯国家考古博物馆举办的“Oltre il Visibile.I Campi Flegrei”文物展览中具体实践应用,引起强烈反响[15]。

3.2 彩色全息技术

作为最具潜力和应用前景的真彩立体显示技术之一,彩色全息技术为观众提供近似完美的全彩立体图像,其应用反映了激光技术发展的必然趋势。色彩是描述物体重要光学信息的一个关键参数。彩色全息技术的关键在于实现立体显示的同时,重构出与原始物体相同的彩色立体图像并呈现给观众[16]。彩色全息技术是利用颜色(红绿蓝三基色)叠加原理,构造出相应的显示系统,并通过控制光源的强度比和空间分布,重构彩色立体图像。彩色全息的核心构件是空间光调制器,通过计算机实现对光波阵面的时间和空间上的编程调制,改变光的振幅、相位和偏振来实现全彩景物的绘制与重构(见图3)[17]。

图1 交互式全息投影系统的主要组成部分[15]

图2 交互式全息旋转技术滑动[15]

图3 基于三基色的彩色全息[17]

2019年,杜克大学开发出一种新的多彩全息技术。该技术无需借助较大尺寸的光学元件,即可增强传统光学设备、智能手机、穿戴式设备的立体显示能力[18]。研究人员采用300 μm×300 μm二维全息波导结构的光栅波导耦合器(Grating Coupler)对图像编码,当红绿蓝三基色光照射该耦合器时,计算仿真可得到一幅全彩全息图(见图4)。此全息图可以通过增强现实装置,直接投射到人眼瞳孔中,形成彩色立体图像。彩色全息技术的难点在于将三种颜色合成,并精确“分解”出不同颜色,近而形成全彩图像；优势是无需分束镜、棱镜等分光元件,仅利用波导耦合器件将全息系统集成到便携式设备上,为增强现实显示或其他全息显示方式提供了一种更为简单、灵活、紧凑的一种技术方案。彩色全息技术也可以与已有的液晶显示技术进行合成,实现动态全息成像。

图4 基于光栅波导耦合器的彩色全息显示系统[18]

2020年,湖南大学采用超构表面器件和单片集成滤光微阵列实现了低串扰、大视场角、偏振不敏感的全色彩色全息(见图5)[19]。超构表面器件通过调整亚波长结构尺寸、形状与排列,来获得光波前的任意调控,其性能超过传统的折射元件,例如通过各向异性结构或者特定排布,平面超构器件可获得多光谱多路复用。

对于大多数全息技术来讲,相位重建不准确与视觉辐辏调节冲突,均会造成图像串扰,引起人眼视觉疲劳,这些问题是阻碍裸眼立体显示实际应用的主要障碍。针对上述问题,该团队采用变周期和变取向的超构表面光栅来调制光场相位的新技术,通过重构会聚光场视点,实现了无视觉疲劳、宽视场、全彩的三维显示。该系统简单紧凑,现已实现近动态显示(见图6),未来将应用于展览展示及便携式电子产品、立体电视、桌面显示器等设备[20]。

3.3 宽视角全息技术

计算全息技术发展至今,虽然取得了一定进展,但仍面临诸多挑战。如目前采用单光调制器再现全息图像的大小和视场角相对较小,在展览展示中无法完全满足大量观众多角度观察的需要,因此,增加视场角也是全息技术发展的重要方向之一[21]。

图5 集成超表面器件全彩立体全息显示[19]

计算全息技术的重要指标是成像大小和视场角,由光空间调制器的阵列大小、像素和光路决定,若要获得大尺寸、大视场的图像就需要大阵列的显示设备[21]。当入射光为632.8 nm时,若要获得30×30×30 cm3、视场角水平垂直方向均为30o的三维图像,则像素至少为1.2×1013,显然现阶段很难实现。目前美国Meadowlark公司仅能提供1920×1152 pixel纯振幅、1920×1200 pixel的纯相位液晶空间光调制器。

目前,增加视场角和再现图像大小的方法主要有:多块空间调制器拼接法[22]、单块光调制器时分复用法[23]、时分复用和空分复用两者结合法[24]、采用特殊光学器件法等[26]。

2012年,波兰学者提出了一种在水平和垂直方向都具有扩展视角的广角全息显示系统[25]。该显示器由分布在圆上的六个空间光调制器和一个用于时空复用的附加光调制器构成(见图7)。六个空间光调制器采用Wigner分布函数优化设计,呈现出最优化排布,附加空间光调制器与六个空间光调制器同步被放置在图像空间中。该系统实现了水平方向35.22o、垂直3.3o的大视场全息显示,数据的有效空间带宽积从1240万像素提高到5000万像素。波兰学者同时开发并实现了基于三块Nvidia显卡的软件解决方案,实现了快速同步显示。当直接观察单个调制器时,观察者只能看到重建视图的一小部分,且无法看到物体的整个高度。若要看清图像的其他部分,则需要更改观察位置,如图7(b)所示。当采用无缝拼接时,六张照片用一个角步长(6 °)拍摄,每一张对应于一对虚拟光调制器；这样可以增加垂直方向上的单目视场角,并在水平方向上获得较宽且连续的视角,观察者可以查看整个立体重建图像,获得轻松、舒适的观感体验,如图7(c)所示。

图6 动态彩色全息取样原型[20]

图7 广角全息显示系统

2014年,日本科研人员Sasaki也提出了一种使用16(4×4)块4 k×2 k反射型空间光调制器和时分复用技术来增加全息显示图像大小的新方法[26]。采用传统的方法产生的图像可扩展性有一个上限,该上限由图像读出部分的路径长度决定。而在该系统中,新设计的光学系统使得图像读出部分的路径长度仅为先前的一半,有效的减小了图像读出的空间,可以获得更大的彩色全息图像(见图8,图像设计值(图8a),NICT位于全息图平面后113 mm处,汽车的左前轮位于118 mm处,左后轮位于143 mm处,维纳斯雕像位于120 mm处。从正前方(图8(b)),右2.8度(图8(c))和左2.8度(图8(d))拍摄的照片[26])。光学系统由偏振分束器、半波片和偏振器三部分组成。该实验装置采用红绿蓝三基色(633、532、473 nm)激光光源的时分复用技术,获得了全视差全彩静态全息图片和动态刷新频率20 f/s的全息全彩视频再现,图像的对角线大小为85 mm(长74 mm、宽42 mm),观察视场角水平方向5.6°和垂直方向2.8°。

图8 Sasaki的全息实验结果

展览展示领域采用多块空间调制器拼接,虽然可以增加视场角,但是对多块空间调制器的无缝拼接技术要求较高,系统结构比较复杂,成本和技术要求较高,整体稳定性较差,因此,也限制了在某些低预算会展活动中的应用。

2020年,韩国科研人员开发了一款新颖的4 k高分辨率、大视场角、交互式动态全息超薄显示屏[27]。在光调制器前设置一个特殊的光束偏转背光单元(steering-back light unit),有效的扩大了视场角(见图9),获得了迄今为止最大视角的动态全息视频。其光束偏转背光单元包括一个相干背光元件和光束偏转元件,偏转元件可以将入射的相干光调整到所需要的角度。薄面板全息视频显示器的实验装置如图9所示:三色半导体激光器用做相干光源,当三色激光通过光束偏转元件和相干背光单元后,合成相干白光,产生的白光通过焦距为1 m的几何相位透镜导入到空间调制器上。一个10.1 in超高清晰度商用液晶显示器被用纯振幅光调制器,系统总厚度小于10厘米。传统的10.1 in 4 k平面液晶显示器,视角仅为0.6°,而采用此光束偏转背光单元,视场角增加了近30倍,而且全息视频处理器能够以每秒30帧的速度计算高质量全息图,实现了全息动态显示。此技术实用性较强,未来可以集成在移动设备中,为移动设备播放全息视频铺平了道路。

图9 光束偏转背光单元扩大视场角效果图及动态全息超薄显示屏

4 关键技术分析及发展

4.1 全息技术与展览展示的完美结合

实现全息技术与展览展示的完美结合是全息技术应用于会展业的理想目标。如何实现全息技术的完美展示,既让全息技术有机融入到展览展示,又不喧宾夺主,使观众完全被全息技术吸引而忽略产品本身,是技术人员需要考虑的关键问题[5,13]。激光全息在展览展示中的应用目标是:观众在欣赏展览展示技术创新的同时,从多角度体会到更多的艺术美感,享受技术创新带来的视觉享受[13]。科技工作者需要根据展览展示活动应用的不同场景,大胆创新,设计出适宜的全息系统。

4.2 光源的选择

激光作为相干光源,具有单色性好、亮度高、方向性好的优点,被广泛的应用于全息显示系统中,可以提供清晰、对比度高的显示效果。但是采用激光光源时,也会存在一定的问题。如人眼安全问题,激光全息对激光功率有严格的要求,需要考虑观众直视全息图时,对人眼安全的影响。

早期蓝光主要采用488 nm的氩离子激光器[28],随后采用473、456 nm的蓝光全固态激光器[26],目前随着GaN半导体激光器的发展,目前常用445 nm、450 nm、465 nm、467 nm、490 nm等半导体激光器[29]；而红光激光器,早期主要采用632.8 nm氦氖气体激光器、671 nm全固态激光器[30],随后逐渐被615、630、635、638 nm等半导体激光所取代[31]；而绿光激光器主要采用532 nm的全固态激光器或经近红外倍频(如554 nm)的绿光半导体激光器[32-33],目前直接输出红蓝半导体激光器已经成熟,而直接输出绿光的半导体激光器还不够成熟。2014年,德国Katrin Paschke指出,在一些激光全息中,绿光输出功率需要到瓦级,相干长度要大于50 m,且可以实现直接调制,目前倍频的半导体激光器是最佳的选择[34]。Katrin Paschke报道了基于分布布拉格反射型锥形半导体激光器腔外PPMgLN倍频的单频531.6 nm绿激光器,其线宽仅为13 pm,输出功率1.1 W。三基色半导体激光器性能可靠、节能、环保、体积小、寿命长,更适合用于激光全息。

4.3 散斑抑制

当激光用作照明光源时,总会出现散斑噪声,这会导致显示图像质量下降[35]。同样采用激光重构全息图时,散斑噪声也会影响全息图的成像质量。常用消除激光散斑的方法有三种:降低时间相干性、降低空间相干性、多个图像动态叠加[36]。Michal Makowski采用十种不同的初始相位分布,计算了同一物体的十个分离的全息函数,并获得了固定随机相位图的横向移动全息图[28]。此时,在信号信息相同的情况下,每一个图像在重构中具有不同的随机散斑噪声分布,然后通过光调制器合成,十个重构相位图实现快速时间顺序切换,获得时间积分,这样积分叠加可以有效的减少散斑噪声。这种时间相位积分的方法保留了物体的清晰度和空间分辨率,具有最低的计算复杂度,并且不需要额外的光学元件,结构简单,但缺点是需要非常高的帧速率设备,受限于动态全息技术。

4.4 关键器件的创新与发展

随着高速计算机、储存介质、空间光调制器等器件不断创新的发展,未来激光全息技术价格成本将会进一步降低,性能也会随之提高。用于展览展示领域的交互式、动态全息需要超快的信息采集能力、强大的立体空间显示能力和高准确度的手势辨别能力[15]。研究人员可以通过改进算法、采用专用图形处理器、开发可编程列阵等方法来优化计算；而获得大尺寸、大视角和高分辨率的全息图像,则需要性能优良(阵列尺寸大、像素面积小、填充率高、衍射效率大等)的空间光调制器或新颖的光束偏转背光单元[12,27]。

在交互式全息技术中,高准确度的手势辨别能力可以实现观众准确、舒适、自然、方便快捷的实时交互。在会展实际活动中,手势辨别会受到外界环境(如光线、背景、其他运动物体、肤色、其他观众手势)的影响,因此,要积极提高手势辨别的准确度和丰富手势动作命令[12]。

未来,人工智能、深度学习、机器视觉为全息数据采集提供了新的技术手段,而新材料和电子集成也为记录介质和光学元件的研发提供新的可能。

4.5 外围环境条件

全息视觉效果的质量主要受全息图像本身的质量(包括全息记录和全息再现)和无视觉、几何或发光干扰的外围环境两个因素的影响。全息系统受到所使用的会展场馆条件的制约,因此其环境条件需要严格控制。会展场馆的内部环境设施一旦搭建完成,不易被修改,因此,会增加辅助材料的方式减少对全息系统的干扰影响[13]。如全息系统内部空间加置内部遮罩、黑色和非反射的内部覆盖物,或在外部灯光设备上加置过滤片,均能有效抑制外界干扰光的影响。另外,全息系统周围的部分区域保持黑暗也可以有效地避免镜像、灯光或内部反射,提高全息再现像的质量。吴曼提出可以从展览空间、光环境、色彩空间三个方面设计展览馆内的环境,构建三维虚拟环境,取得了良好的效果[9]。

5 结 论

随着激光技术和会展业的融合发展,激光全息技术在展览展示领域将会有更广阔的应用前景。本文总结了交互式、全彩、宽视角等激光全息技术等在展览展示中的应用,并分析了激光全息技术所采用的关键技术以及未来研究和发展方向。激光全息技术有助于我国会展业转型升级和可持续发展,也为疫情常态化背景下会展活动的顺利开展提供了技术支持和服务保障。