从借助眼镜到裸眼全息，挥手就是3D影像

图片来源 @视觉中国

文 | 根新未来

对 3D 成像技术的追求自古有之，因为那实在是个太吸引人的世界，也是人们对于更真实、更饱满体验的本能追求。

考古发现，当时的古埃及人通过对人物形象进行从头到脚两次 90° 转向的画法造型使人物具有立体、厚重的饱和感，以求达到人物形象的真实再现。文艺复兴时期，绘画透视和雕塑艺术的研究与实践成果，使得人们对三维成像技术的探索有了一个飞跃。

到了现代，3D 显示技术更是成为人们接受外部信息的重要手段之一，3D 显示技术能再现场景的三维信息，提供场景的更为全面、丰富的信息，也能给人们带来更加新奇和独特的感受，比如 3D 数字电影。

现在，3D 显示技术仍在向前发展，而与 3D 电影所使用的 3D 显示技术又有所不同，这一次，人们将摆脱对于 " 外力 " ——比如 3D 眼镜的借助。届时，人们将真正走向自由 3D 显示，进而享受一个全然立体的世界。

摆脱对眼镜的借助

近年，随着电子技术、显示技术，以及网络技术的发展，带动了 3D 产品的大量普及，3D 显示技术作为一种新兴的显示技术逐渐改变人们认知世界的方式。尤其是伴随着《阿凡达》等多部 3D 影片在全球热映，人们对 3D 显示的认知率更是迅速攀升，进而也全面催化了火爆的 3D 显示市场。

而所谓的 3D 显示，其实正是利用了我们人眼所看到世界的轻微差别。3D 立体感是人眼视觉的重要功能之一，人双眼的平均瞳距约为 65 mm，当两眼从稍微不同的两个角度去观察客观三维世界的景物时，与观察者不同距离的景物由于光学投影的原因会在左、右两眼视网膜上形成不同的位置的像，因此能够辨别物体远近，产生立体的视觉。

这种两眼视网膜上位置差就称为双眼视差，它反映了客观景物的深度。人眼的深度感即立体感就是因为有了这个视差，再经大脑加工而形成的。

双眼视差分为运动视差和静态视差，人的左右眼能分别看到左右眼图像时，就是静态视差，而运动视差是当人移动时人的左右眼仍能够看到左右眼各自的立体图像。静态视差和运动视差的效果可以通过将多视角和头部追踪 3D 显示相结合而产生。当两幅具有视差的左右图像进入双眼后，人两眼会分别看到左右两幅不同的图像，这样具有立体视觉的立体分像就形成了。

实际上，这也是目前的 3D 显示技术原理，就是利用人眼左右分别接收不同画面，然后大脑经过对图像信息进行叠加重生，构成一个具有前 - 后、上 - 下、左 - 右、远 - 近等立体方向效果的影像。

需要 3D 眼镜也是这个原因：眼镜的两个镜片偏振的方向（或者滤光器）不同，因此，两个镜片同时能有不同的成像。一些的 3D 眼镜中的快速闪烁的开关，还能与屏幕上的图像同步变换，使两个眼睛看到的图像不同。

尽管眼镜式 3D 显示技术已经是目前较成熟的 3D 显示技术，但眼镜毕竟还是带来了诸多不便，而且也影响观瞻，于是，人们开始思考如何将眼镜摘掉。裸眼 3D 技术就此兴起。

与眼镜式 3D 显示技术将成像交给镜片不同，这项任务在裸眼 3D 技术中则交给了显示器来完成。显示器上一个像素点给出的不同的光，要分别有很强的方向性，一束光指向左眼，一束光指向右眼，这样两只眼睛就会看到不同图像。而这样的像素点越多，实现的裸眼 3D 效果也就越好。

基于视差的裸眼式无须佩戴任何特制眼镜或仪器，克服了戴眼镜观看带来的不方便和不舒适，可以说，裸眼式 3D 技术最大的优势便是摆脱了眼镜的束缚。

不过，裸眼 3D 显示技术的缺点也非常明显：人们在观看屏幕时，必须位于一定的范围内才能观察到立体画面，若距离屏幕位置太远，或观察角度太大，则 3D 效果并不明显。此外，若离屏幕距离太近，人会有明显的头晕现象，因此，裸眼 3D 显示技术暂时还不适合在小尺寸显示器上使用。

全息才是真正的三维图像

当然，摆脱对外力的借助还只是走向自由 3D 显示技术的第一步。

如前所述，人类之所以能感受到立体感，是由于人类的双眼观察物体是横向的，两眼之间有的观察角度略有差异，图像经神经中枢的融合反射及视觉心理反应便产生了三维立体感。因此，根据这个原理，可以将 3D 显示技术分为两种：一种是利用人眼的视差特性产生立体感；另一种，就是在空间显示真实的 3D 立体影像——基于全息影像技术的立体成像。

实际上，许多科幻电影里都出现了全息影像一般的场景。在《星球大战》系列电影中，角色们在相隔几个星系的距离下，能够通过全息影像进行实时语音通讯；在《钢铁侠》中，钢铁侠大手一挥，空气中便凭空出现了一些立体影像。

全息，即全部信息，全息影像是真正的三维立体影像，人们不需要佩戴立体眼镜或其他任何的辅助设备，就可以在不同的角度裸眼观看影像。

1947 年，英国人丹尼斯盖博（Dennis Gabor）在研究电子显微镜的过程中，提出了全息摄影术（Holography）这样一种全新的成像概念，并获得了诺贝尔奖。全息术的成像利用了光的干涉原理，以条纹形式记录物体发射的特定光波，并在特殊条件下使其重现，形成逼真的三维图像，这幅图像记录了物体的振幅、相位、亮度、外形分布等信息，所以称之为全息术，意为包含了全部信息。

不过，在当时的条件下，全息图像的成像质量很差，只是采用水银灯记录全息信息，但由于水银灯的性能太差，无法分离同轴全息衍射波，因此大量的科学家花费了十年的时间却没有使这一技术有很大进展。

1962 年，美国人雷斯和阿帕特尼克斯在基本全息术的基础上，将通信行业中 " 侧视雷达 " 理论应用在全息术上，发明了离轴全息技术，带动全息技术进入了全新的发展阶段。这一技术采用离轴光记录全息图像，然后利用离轴再现光得到三个空间相互分离的衍射分量，可以清晰的观察到所需的图像，有效克服了全息图成像质量差的问题。

1969 年，本顿发明了彩虹全息术，能在白炽灯光下观察到明亮的立体成像。其基本特征是，在适当的位置加入一个一定宽度的狭缝，限制再现光波以降低像的色模糊，根据人眼水平排列的特性，牺牲垂直方向物体信息，保留水平方向物体信息，从而降低对光源的要求。彩虹全息术的发明，带动全息术进入了第三个发展阶段。传统全息技术采用卤化银等材料制成感光胶片，完成全息图像信。

20 世纪 60 年代末期，古德曼和劳伦斯等人提出了新的全息概念———数字全息技术，开创了精确全息技术的时代。到了 90 年代，随着高分辨率 CCD 的出现，人们开始用 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，并用数字方式通过电脑模拟光学衍射来呈现影像，使得全息图的记录和再现真正实现了数字化。

全息三维显示技术的优点是真实感较强，显示的物体跟原物体完全相同，其产生的深度感在心理感受方面也比较强烈。也就是说，人们观看全息像时会得到与观看原物时完全相同的视觉效果，其中包括各种位置视差，这也是全息三维显示的理论依据。从这种意义上来说，全息才是真正的三维图像。

一个全息的未来

显然，在诸多的三维显示技术中，全息技术的 3D 显示是极其特别的存在，它在全息记录材料上记录的是物光波的振幅和位相信息，全息图再现的是物光波，而不是一对或几对立体图像。此外，用全息方法也可实现体视三维图像显示，它的特点是观察时无须其他光学器件辅助。

并且，全息学的原理适用于各种形式的波动，如 X 射线、微波、声波、电子波等。只要这些波动在形成干涉花样时具有足够的相干性即可。

不过，真正的全息成像如今还没有真正进入应用阶段。其实，目前我们所能看到的关于全息 3D 的应用，大多运用的是一种伪装的全息技术——即全息投影。真正的全息影像可以不通过过任何介质，从地平线上的空气中就能显示出来影像，而且观看角度可以随意变换，体验者能够从三维立体的画面之中穿梭自如。

如果能把全息技术应用到电影技术上，那么真正的 3D 电影将脱离银屏在立体三维空间中上演，并且完全摘掉偏振眼镜，实现裸眼 3D 技术。可以想象，如今，随着全息技术的日渐成熟，全息 3D 走进电影院已经指日可待。

全息技术在投影方面可以应用在各种展示场合，一切需要展示的东西都可以用到全息投影。比如，医疗方面，激光全息技术首先在眼科疾病诊治的应用中获得了成功，一张全息照片提供的信息相当于 480 张普通眼底照片所提供的信息。

在眼科疾病的诊断过程中，利用激光全息成像技术可以提供整个眼睛的三维立体图像，并可以用显微镜对整个眼睛图像的不同进行逐层观察和研究。也可以利用激光全息成像技术提供眼睛各个部位单独的三维立体图像以做深入的检查。

另外，全息技术的成熟，还将带来前所未有的交互体验。运用全息技术可以虚拟出一个键盘，同时运用激光传感技术让我们能够在虚拟的键盘上进行操作。

除光学全息外，当前，红外、微波和超声全息技术也在快速发展，这些全息技术在军事侦察和监视上都具有重要意义。比如，一般的雷达只能探测到目标方位、距离等，而全息照相则能给出目标的立体形象，这对于及时识别飞机、舰艇等有极大作用，因此也备受人们的重视。

超声全息照相能再现潜伏于水下物体的三维图样，因此可用来进行水下侦察和监视。由于对可见光不透明的物体，往往对超声波透明，因此超声全息可用于水下的军事行动，也可用于医疗透视以及工业无损检测等。

除用光波产生全息图外，已发展到可用计算机产生全息图。全息图用途很广，可作成各种薄膜型光学元件，如各种透镜、光栅、滤波器等，可在空间重叠，十分紧凑、轻巧，适合于宇宙飞行使用。使用全息图存储资料，具有容量大、易提取、抗污损等优点。

3D 显示的未来总是越来越灵活，也是越来越逼真的，这不仅将给人们带来许多独特的体验，更为医疗检测、军事应用等带来新的发展。