裸眼3D显示技术－全息

裸眼3D显示技术－全息

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全息的英文是holo-graphy，前缀holo来源于希腊语“holos”，意思是“整体的”、“完整的”，国内译为“全息”,即“完全的信息”的意思。

由于全息能够记录物体的全部信息，且能够实现真正的裸眼3D显示，因此，现在很多产品的宣传用语都借用“全息”两字，例如“全息手机”、“全息眼镜”等，其实“全息手机”、“全息眼镜”并非采用了全息技术，它们声称的“全息”更多地是想表达能够显示完整的三维立体图像。例如“全息手机”是采用利用视线追踪的双目视差3D显示技术；“全息眼镜”是采用了虚拟现实的增强现实技术。

之所以媒体和大众往往将3D显示技术与全息混为一谈，是因为全息技术的确是很有前景的3D显示技术，而且也是科普资料中着重提到过的“未来”科技，让大家印象深刻。实质上，3D显示只是全息技术的一部分应用。全息3D显示是一种真正的裸眼3D显示技术，不需要借助任何外部设备（例如眼镜）就可以观看到3D图像，是一种真正的3D显示技术。

一、全息到底是什么

下面我们追根溯源，从全息技术的发明说起，来看看什么是全息。

全息技术是英国科学家Dennis Gabor于1948年发明的，其利用光的干涉原理，同时记录物光波的振幅和位相，由于光波的位相反映了物体的深度信息，因此重建记录的物光波时，物体的深度信息也被重建，从而能够呈现三维物体的像。全息成像包括两步，一是记录过程，二是再现过程。其原理图如下图所示。

在全息技术的记录过程中，携带物体信息的物光波和参考光波在记录面干涉，记录面记录的是干涉条纹，该干涉条纹就是我们通常叫的全息图，这张全息图中包含了三维物体的振幅和相位信息。在全息技术的再现（重建）过程，采用再现光波（一般采用与参考光波相同的光波）照射全息图，人眼在某个视角就能够看到与真实物体相同的再现三维物体。

全息技术具有高冗余度记录物体信息、空间波前再现以及重建物体深度信息的特点。基于全息技术的这些特点，全息技术逐渐发展为全息显示、全息存储、全息测量等不同的技术分支。能够再现立体的三维图像是全息显示的重要特征。

二、全息3D显示技术的应用领域

由于全息技术能够再现裸眼3D图像，被广泛应用于防伪安全、展览展示、存储、医疗、动态显示等领域。

1、防伪安全

由于全息图是一些密度极高的光栅，仿制比较困难，即使同一个人两次也无法制造完全相同的全息图。全息图的这种特性决定了其能够起到防伪作用。到目前为止，全息防伪技术到已经发展到第四代，从最初的仅能激光再现的全息防伪图到全息技术与其他加密技术的结合的新型加密图像全息防伪技术，全息防伪技术已被广泛应用于货币、产品包装、机要证券等领域。

作为世界上防伪技术最先进的欧元，其中也采用了全息标识作为防伪特征之一。5、10、20欧元正面右边贴有全息薄膜条，变换角度观察可以看到明亮的欧元符号和面额数字；50、100、200、500欧元正面的右下角贴有全息薄膜块，变换角度观察可以看到明亮的主景图案和面额数字。

2、展览展示

全息图由于能够显示3D图像，被广泛应用于展品展示、军事地图等领域。美国Zebra Imaging公司为Ford汽车制作了全息展示图亮相底特律车展，艳惊世界。下图是从不同角度观看Ford汽车全息图的效果。

美国Zebra Imaging公司开发出了静态全息地图，从2006年以来，Zebra Imaging已为美军提供了13000张全息地图。全息显示技术能够提供更加精密、包含更多细节、实时的地图信息，其在现代战争的情报数据分析、战场态势显示、战役战术规划与决策等领域将得到更多应用。

3、医疗

利用全息技术与医疗诊断手术相结合能够使“平淡无奇”的医学成像也要“凹凸有致”了。大多数生物医学成像技术需要医生通过CT扫描仪，核磁共振成像仪，超声仪或其它装置收集2D图像数据才能创建3D可视图。过程繁琐、耗时，精确度差强人意，不能如实反映病患的器官或组织状态，从而影响医生的诊断。全息技术是实现真实的三维图像的记录和再现的技术，好像有个真实的物体在那里一样。运用全息技术，病患身体部位或器官的完整3D图像能够实时创建，医生可以对其移动、放大、操控。

4、全息电视

早在2007年，美国的麻省理工大学和德国的SEEREAL公司分别发布了全息视频显示器样机，分别是美国麻省理工大学的全息视频显示器MarkIII和德国SeeReal的使用三维全息摄影技术的立体显示器。这种全息显示器由于具有裸眼3D的特点而备受瞩目，被看作未来电视的发展方向。

三、从专利数据看全息3D显示技术的发展

全息技术在防伪、展览展示、医疗、电视上的应用都是属于全息显示技术的具体应用。虽然全息技术发明于20世纪40年代，但是直到20世纪60年代激光光源的出现，全息技术才得以真正发展。激光是一种单色的强光，是制作全息图的理想光源。下图是从1960－2015年全息显示技术的全球申请量变化图（数据截止到2015年底，由于2014、2015年部分专利未公开造成后两年数据下滑严重）。

从图中可以明显看出，全息显示技术总体上呈震荡上升的趋势，这与全息技术在探索中不断成熟的技术特点相关。在全息技术发展史上有两个里程碑的事件：一是1969年，S.A.Benton发明了彩虹全息术；二是1994年Schnars和Jüptner利用CCD直接记录并用计算机数值再现菲涅尔全息图。彩虹全息术最大的特点是能够白光再现，不管是在自然光或者白炽灯下都能够再现全息图。彩虹全息术的这种特点突破了全息术再现光源的局限性，使得全息图的再现条件更加自由，从而扩展了全息技术的应用空间，特别是在安全、显示等领域的应用。计算机再现全息术实现了全息术与数字技术的完美结合，也使人们看到了数字时代全息术应用的广阔前景。

目前，德国的SEEREAL作为全球最领先的全息显示技术企业有一整套全息显示的理念，下图是视瑞尔的总体设计思路：

传统意义上的全息再现如图（a）所示，可以形成较大的观察区域，而SEEREAL发现，在这个大的观察区域中，除了进入瞳孔的两个视窗之外的区域，其余区域均不能被观测到，属于被浪费的信息。基于此，SEEREAL提出，仅计算对两眼视窗区域有贡献的全息图信息，并藉由眼球追踪技术追踪眼球位置，从而使观看者享受真正的全息立体图像，如图（b）。这样做一方面减少了运算的数据量，另一方面对空间光调制器像素的衍射角要求减少，使得全息图像的大小不仅仅依赖于像素间距，从而使像素面积得以适当扩大。SEEREAL的这种设计思路很巧妙地克服了目前空间调制器分辨率和数据处理能力对全息显示发展的制约。

SEEREAL基于自己独特的设计思路，对整套全息显示设备进行了全方面的专利保护。上图仅示例性地说明了SEEREAL对全息显示设备各部件进行的专利布局。

除了SEEREAL的研发思路，目前很多国际著名研究机构例如美国的麻省理工学院，英国的剑桥大学等都致力于对作为全息显示器的空间光调制器本身进行改进，希望从根本上解决制约全息显示技术发展的最根本的技术障碍。

我们期待这些技术能够尽快走出实验室，为我们带来最为舒适、愉悦的3D观感。

原网站：http://www.toutiao.com/i6340114315487478274/