便携式3D全息投影装置设计研究

何悦菡 杨晓蕊

南京工业职业技术大学艺术设计学院 江苏南京 210000

全息投影技术也称虚拟成像技术，是利用干涉和衍射原理记录并再现被投影物体的虚拟三维图像的技术[1]。全息投影突破了传统声、光、电的局限，使信息传播不再转瞬即逝，在不需要展示实物的情况下便可实现产品三维立体图像的再现，给人们带来了全新的视觉体验[2]。

近年来，随着全息投影技术在视觉传达、展览展示、舞台美术等文化艺术领域的不断发展和广泛应用，各种新型数字全息技术应运而生。全息投影技术不仅能够呈现出静态和动态的虚拟场景，而且能使观众与虚拟场景进行交互，创造出穿越时空的视觉感受，形成令人印象深刻的效果，展现出独特的艺术形式。

全息投影技术最早是作为波前重现的概念，在1948年由英国人斯盖伯提出。1962年，美国人雷斯和阿帕特尼克斯将通信行业中“侧视雷达”理论应用到全息投影技术上，并发明了离轴全息技术[3]。到了20世纪90年代，研究人员开始使用CCD等光敏电子元件代替传统的感光胶片或新型光敏等介质记录全息图，通过电脑模拟光学衍射来呈现影像，这使得全息图的记录和再现真正实现了数字化[4]。目前全息投影在技术上还未能完全摆脱介质的束缚，主要是用白光来记录并再现全息投影图像[5]。随着经济的快速发展和互联网技术的突飞猛进，全息投影技术越来越成熟，应用领域也越来越广。

一、全息投影技术的应用

在国内，3D全息技术广泛应用于遗址公园、城市规划、博物展馆等场所，在舞台美术领域的应用则更为频繁，如2018年平昌冬奥会的“北京8分钟”，威尼斯双年展以故宫博物院为主导的“记忆与当代”节目等。

2020年，宋“潮”游乐园绍兴展《清明上河图3.0》，运用15台NEC PX753UL+高端工程投影机打造的长35米，高5米高清动态长卷，将文化、科技和艺术融为一体，在“动”与“静”之中让文物“活”起来，成为绍兴文旅融合的新范式。同年6月，珠海板樟山新增隧道正式启用，通车后打造了近400平方米的侧幕投影，将海洋特色元素融入珠海城市文化之中。

在博物馆展览中，可以用全息投影技术对精细手工艺品、微小的展品进行展示，让影像立体细致地再现于空中。观众不仅可以看到逼真的三维虚拟影像，还可以和虚拟影像互动。在科普教育领域，全息投影技术打造了虚拟3D世界中有空间深度的沉浸式学习体验，这种立体视觉效果所呈现的内容能更好地帮助青少年提高对科普知识的学习兴趣[6]。

二、便携式3D全息投影装置设计制作

目前市场上广泛应用的3D全息投影技术其实是一种伪全息投影技术，主要是根据佩珀尔幻象原理，利用透明全息膜作为介质，使得物体在透明全息膜中形成悬浮于空中的立体虚拟影像，让观众可以通过各个视角进行观察。而真全息是不依靠全息介质直接在空气中成像，这种技术产品成本颇高[7]。同时，大部分3D全息投影设备造型单一，体积大不便携带，显示屏幕也较厚重。根据前期市场调研和对主要消费人群的问卷调查，我们组建了跨专业的大学生创新创业团队，依托南京工业职业技术大学艺术设计学院3D打印虚拟仿真实训平台和艺术实训工坊，开展如何利用伪全息投影技术，设计制作便携式3D全息投影装置的研究工作。

3D全息投影装置的成像需要制作图片或视频文件，在前、后、左、右四个角度同时进行影像投影，倒金字塔形的全息投影膜由四个上底、下底、高的比例为1∶6∶3.5的等腰梯形组成。投影时利用空气密度形成的衍射原理，将投影设备放置在倒金字塔形全息投影膜的中心顶部，播放图片或视频文件投影从而产生立体影像。

(一)灯塔3D全息投影装置

研究项目的第一个方案偏重于外观设计，以灯塔为造型元素，配色为简洁大方的黑白构成，底座结构为稳固的四面体倒金字塔造型，对称而统一。上部投影支架和下部底座支架都可以灵活拆卸成片状板材，便于收纳。支架材料采用PVC塑料板材，金字塔状全息投影膜则采用3mm透明亚克力板，切割成四片相同的薄壳，用克立邦黏接剂黏接成型。使用时将全息视频播放屏幕向下放置于投影支架顶部，调整位置和金字塔结构中心对齐，即可观赏到生动形象的全息影像。

图1 灯塔造型投影装置

(二)磁悬浮3D全息投影装置

第二个装置设计方案利用磁力克服重力的磁悬浮技术，整体外观提取莲花基本造型元素进行仿生设计，底部采用几何切面的层叠结构，简洁美观而又对称稳固。花瓣造型的全息投影膜采用四个完全相同的带有圆柱形轴承的等腰梯形亚克力板，运用轴承结构与支架部分进行连接达到可翻折效果，当翻折到特定角度组合成金字塔状的全息投影屏。

支架组件包括与亚克力板连接的凹槽设计支架，放置投影素材的平台以及与磁悬浮台接触的磁铁底部，底座组件包括可收纳全息投影装置部分的收纳槽一面和用作磁悬浮平台的一面。整个装置色调以黑白为主，简约明快。支架和底座使用3D打印光敏树脂材料打印制作而成，底部加入超导体，体积小巧，翻折收纳后几乎不占空间，适合不同场合的产品展示或居家观赏使用。

图2 浮世白夜花全息投影装置

(三)榫卯结构3D全息投影装置

该装置设计融入了中国传统榫卯结构工艺，代替常用的钉子、螺丝等现代组装方式，以木质结构榫接而成，外观设计古朴典雅。在选择材料时，项目组分别实验了塑料和金属材质，结果表明塑料单过于单薄，而金属材料对于加工仪器和操作要求较高，木质材料有着自然美观的纹理且质轻、强度大，弹性和韧性比较好，在干燥条件下耐久性好，相对易于加工。

装置在保证遮光性的前提下在两侧采用梯形结构遮光板，能更清楚地观察全息影像的各个细节特征，也使得影像更为逼真。全息投影投膜也采用3mm透明亚克力板材质制作，在两边梯形遮光板的底部各自设有长方形卡槽，整体装置底部两侧各设有一个插销式榫卯结构，用于固定投影设备。

图3 榫卯结构全息投影装置

三、便携式3D全息投影装置设计创新性

(一)结构的创新性

经过市场调研，目前国内市场上的全息投影装置多用于展览展示以及舞台美术。由于装置设备的体积和重量都较大，结构也多为不可折叠的固定支架，运输和使用时会产生诸多不便，这使得全息投影产品难以得到普及。项目组根据产品使用情境和人因测试，尝试在结构上设计小巧且方便使用的便携式全息投影装置。

灯塔3D全息投影装置设计采用了四面体对称的稳固结构；浮世白夜花3D全息投影装置运用可翻折的轴承构造的投影屏，底部托架结合磁悬浮技术；榫卯结构3D全息投影装置作品在较大程度上是对古代榫卯家具的再现，对部分组件进行一定创新设计。项目实验的三个方案主要对便携式3D全息投影装置的外观造型设计进行创新，也在不同程度上对支架结构进行了探索。

(二)造型的多样性

随着产品更新换代的速度越来越快，制造业竞争不断加剧，产品设计中趣味性、娱乐性占据的比例也逐渐提高，对于产品造型的个性化需求也越来越多。项目小组不仅采用磁悬浮技术和传统木质榫卯元素对支架结构进行创新，造型设计上也突破了常规的四方柜体造型，融入仿生植物、中国传统文化等元素，在形式上带来了更多变化。传统榫卯结构与极简几何形造型结合，给人一种虚拟与现实并存的感觉。

三个产品方案配色以黑白和自然原木色为主，契合了现代快节奏生活下人们对简约自然风格的喜爱和追求。黑白配色是设计中的经典配色，也是电子产品的主流色彩。而原木配色素雅清爽，能营造温馨的空间氛围，呈现自然亲和的气质。后期的方案设计过程中，将进一步以提高产品审美品味为目标，探索外观造型的多样性，让消费者能够根据自己的喜好进行个性化定制，从而更深入地探索光影世界。

(三)材质的跨界

当前市场上的3D全息投影膜主要有半透明全息技术膜、透明全息膜、浅灰色投影全息膜、玻璃镜面全息膜等不同种类[8]。新型的电子技术可调整光源薄膜，不同的贴膜技术还可以控制全息膜的透明度，但这类产品价格都十分昂贵。根据大创项目的预算经费，项目组采用3mm透明亚克力板制作全息投影膜。亚克力板具有透光性能好、颜色纯正、平整坚固、使用寿命长等特点，能够大大降低制作成本，保证3D全息投影成像的清晰度。

在项目实践中，面对产品原型设计中的结构不完整、不确定的劣构问题，往往需要迭代反复，不断创建、测试、修改方案与模型。3D打印技术能够使设计方案快速成型，调整产品的外观造型，优化分析产品的复杂结构。项目组依托南京工业职业技术大学艺术设计学院3D打印虚拟仿真实训平台和艺术实训工坊，运用光固化3D打印技术、木加工技术等制作全息投影支架结构，极大地提高了学生的产品设计创新能力和学习积极性。

四、研究成果

我们将便携式3D全息投影装置设计制作引入大学生创新创业项目，专业导师从创新作品的关键技术指标和设计思路等方面进行指导，引导学生正确科学的研究思路；企业导师在产品结构、3D打印仪器操作等方面进行指导，双管齐下，助力学生顺利研制创新成果。

项目小组成员经过专业知识的学习和导师的指导参加了iCAN全国大学生创新创业大赛、“陶天下杯”江苏省大学生工业设计大赛、“挑战杯”全国大学生课外学术科技大赛、江苏省科普公益作品设计大赛等一系列大学生创新创业大赛，并取得了不俗的成绩。同时，在目标驱动下积极探索设计创新方法，申报并授权了一批实用新型和外观新型专利，在实践和科研上都取得了较大进步。

结语

3D全息投影技术通过模拟人体视、听等感受，给人们带来新颖逼真的体验，相比传统的二维平面展示有着交互性强、效率高、对产品信息化集成度高且传播更广的优势[9]。在艺术设计领域，这种全新的展示方式更利于表达设计概念，突出产品设计理念，更加具有个性和视觉冲击力。

为了更好地发展和普及3D全息投影技术，使其结构更合理、工艺更简化、材料更节省，项目小组进行了一系列便携式3D全息投影装置的创新性设计，以满足市场竞争和消费者的需求。随着手机高清全息投影芯片的投入使用，大规模利用3D全息影像技术进行日常社交活动也将成为可能，我们相信随着虚拟现实在生活家居和科普教育领域的普及，未来全息投影技术将不断地创新，使其成为生活的一个新方式和发展方向。