[科普中國(guó)]-走出電影來(lái)到人間的裸眼懸浮3D，竟能如此酷炫！

作者：何處遣肥唐

編輯：Yuki

很多人對(duì)懸浮裸眼3D的最初印象，大概都源自一些影視作品。如著名的《星戰(zhàn)》系列中，就經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)“3D懸浮視頻會(huì)議”和空中影像資料的鏡頭。

（“幫幫我，歐比-旺·克諾比。你是我唯一的希望?！薄缎菓?zhàn)4》中出現(xiàn)的萊婭公主以3D影像向歐比旺尋求幫助的場(chǎng)景。圖片來(lái)源：《星戰(zhàn)4》）

多年來(lái)，優(yōu)秀的科學(xué)家和技術(shù)宅們，一直在不斷努力去推動(dòng)懸浮3D這個(gè)超難黑科技的發(fā)展。如今，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)漸漸走出熒幕，來(lái)到人們身邊。

（以《星戰(zhàn)》中女神名字命名的萊婭3D公司。圖片來(lái)源：LEAI官網(wǎng)）

怎樣才算真正的裸眼懸浮3D？ 那么，怎樣才算上的是真正的懸浮裸眼3D呢？

它 不是這樣借助“柵欄”實(shí)現(xiàn)的的“偽3D”動(dòng)畫，

（圖片來(lái)源：《海綿寶寶》）

不是需要佩戴3D眼鏡才能觀看的3D電影，

（圖片來(lái)源：圖蟲創(chuàng)意）

也不是只有簡(jiǎn)單圖像的全息影像，

（圖片來(lái)源：圖蟲創(chuàng)意）

更無(wú)需要借助VR設(shè)備或手機(jī)特殊軟件，

（這是AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。 圖片來(lái)源: microsoft）而是下面這種， 立體的，無(wú)需借助任工具用裸眼就可以觀看的，懸浮在空中的影像。

（萊雅公司用激光器打出來(lái)的3D懸浮。 圖片來(lái)源: gfycat.com）

沒(méi)錯(cuò)，3D、懸浮、裸眼的成像技術(shù)構(gòu)成了真正的3D懸浮影像。正如你在《星戰(zhàn)》里看到的那種。

人眼如何看到懸浮3D？ 人類所看到的世界是立體的，這是因?yàn)槲? 們的兩只眼睛所看到的世界有輕微的差別。 我們的大腦將這兩個(gè)不一樣的圖像結(jié)合起來(lái)，自動(dòng)對(duì)看到的畫面生成一個(gè)3D模型。

需要眼鏡的3D顯示就是這個(gè)原理：最簡(jiǎn)單的3D電影，眼鏡的兩個(gè)鏡片偏振的方向（或者濾光器）不同，從而使兩個(gè)鏡片同時(shí)能有不同的成像。高檔一些的3D電視眼鏡中的快速閃爍的開關(guān)，能與屏幕上的圖像同步變換，使兩個(gè)眼睛看到的圖像不同。

那如果我們不想戴眼鏡就看到3D效果呢？其實(shí)道理還是一樣，只是這項(xiàng)任務(wù)需要交給顯示器來(lái)完成。顯示器上一個(gè)像素點(diǎn)給出的不同的光，要分別有很強(qiáng)的方向性，一束光指向左眼，一束光指向右眼，這樣子，這樣兩只眼睛就會(huì)看到不同圖像。這樣的像素點(diǎn)越多，實(shí)現(xiàn)的裸眼3D效果也就越好。

（a只有兩個(gè)視覺(jué)區(qū)，三個(gè)出射方向，觀眾只有在一個(gè)位置可以得到左右眼不同的圖像。b只有兩個(gè)視覺(jué)區(qū)，更多的出射方向，觀眾在特定的幾個(gè)位置可以得到左右眼不同的圖像。c有n多個(gè)視覺(jué)區(qū)，觀眾無(wú)論站在哪里，雙眼得到的圖像都是不一樣的。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)［1,2］。）

實(shí)現(xiàn)裸眼懸浮3D的三種不同方式 2013年，F(xiàn)attal等人在《自然》雜志上發(fā)表了一項(xiàng)可以實(shí)現(xiàn)無(wú)眼鏡3D顯示的方法—— 多視圖自動(dòng)立體3D顯示技術(shù) 。

他們用波導(dǎo)把光導(dǎo)入微型衍射光柵，從而使特定的光打到特定的方向，以此來(lái)輸入不同視覺(jué)區(qū)的圖像數(shù)據(jù)。這個(gè)設(shè)計(jì)當(dāng)時(shí)可以打出14個(gè)視覺(jué)區(qū)，預(yù)期最高可以做到64個(gè)視覺(jué)區(qū)。這樣的視覺(jué)區(qū)越多，人們看到的3D圖像的像素也就越高。 [3]

（以透明六邊形玻璃作為波導(dǎo)，將RGB（紅綠藍(lán)）三種光從不同方向入射到波導(dǎo)中。通過(guò)光學(xué)設(shè)計(jì)不同的單位衍射光柵（以一個(gè)RGB像素點(diǎn)為最小單位），使三種光線在每一個(gè)單元上都有折有不一樣的折射角。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)［3］）

（這種設(shè)計(jì)最后的效果圖。圖片來(lái)源：參考文獻(xiàn)［3］）

后來(lái)的LEIA公司用的就是這種技術(shù)，也就是前文那張綠色懸浮影像的原型。這種技術(shù)相比別的無(wú)眼鏡3D的好處，是可以做成攜帶式設(shè)備。用這種方法做的懸浮的3D無(wú)眼鏡顯示，叫 衍射光場(chǎng)背光技術(shù) （diffractive lightfield backlighting，DLB），也是LEIA公司的知名專利。

（LEIA的DLB技術(shù)：分別由DLB模塊，LED edge lighting和LCD面板組成。圖片來(lái)源：LEIA官網(wǎng)）

除此以外，還有其他種類的無(wú)眼鏡懸浮3D技術(shù)——例如比較有名的 雙凸透鏡或微柱透鏡3D技術(shù) （lenticular arrays display）。它的原理是在液晶顯示屏的前面加上一層柱狀透鏡，通過(guò)對(duì)光路的改變，透鏡就能以不同的方向投影每個(gè)液晶顯示屏上的像素點(diǎn)，于是雙眼從不同的角度觀看顯示屏，可以看到不同的圖像。這個(gè)技術(shù)需要依靠液晶顯示屏，分辨率做不大，視覺(jué)區(qū)數(shù)量也有限。

（3D TV，圖片來(lái)源：Dimenco官網(wǎng)）

（Dimenco 公司的lenticular arrays 3D技術(shù)示意圖，透鏡能夠把左右眼圖像分別折射到雙眼所在的位置。圖片來(lái)源：Dimenco官網(wǎng)）

還有就是 光屏障式3D技術(shù) （parallax-barrier system），也被稱為視差屏障或視差障柵技術(shù)，夏普3D手機(jī)和任天堂3DS采用的都是這項(xiàng)技術(shù)。

這一技術(shù)需要有一個(gè)開關(guān)液晶屏幕（LCD），然后用液晶層和偏振層制造出一系列間隔為十幾個(gè)微米的光柵條紋。對(duì)于左眼，光柵條紋會(huì)遮擋右眼應(yīng)該看到的圖像，反之亦然（如下圖）。這個(gè)是目前產(chǎn)業(yè)化力度最大的技術(shù)，不過(guò)亮度很低，分辨率也很低，而且難以做成可攜帶設(shè)備。

（任天堂3DS游戲機(jī)，圖片來(lái)源：任天堂官網(wǎng)）

（Parallax-barrier system光屏障式3D技術(shù)，R與L分別對(duì)應(yīng)右眼和左眼的顯示圖像。圖片來(lái)源：維基百科）

LEIA公司的這種多視圖自動(dòng)立體3D顯示技術(shù)（Multiview autostereoscopic 3D displays），仍舊是目前最受關(guān)注的，因?yàn)檫@種技術(shù)可以做到便攜設(shè)備上，也可以做到很小，同時(shí)分辨率很高。但是由于3D影像對(duì)目前分辨率要求遠(yuǎn)超于2D，所以對(duì)數(shù)據(jù)量以及激光器的功能的需求也就更大，這是目前還未解決的難題。

裸眼懸浮3D成像的未來(lái) 裸眼懸浮3D成像不僅僅是為了滿足阿宅們對(duì)于超強(qiáng)影視效果的追求， 更重要的意義在于它能夠提升人們對(duì)數(shù)字立體空間的應(yīng)用， 比如利用高分辨率的核磁共振成像數(shù)據(jù)，可以構(gòu)成微小復(fù)雜的腦、神經(jīng)、血管3D醫(yī)療成像，從而提升診斷效率。

總之，《星戰(zhàn)》同款顯示技術(shù)離我們已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)，相信過(guò)不多久，人們就會(huì)看到飄在空中的同款3D萊婭女神。裸眼懸浮3D技術(shù)也有可能為顯示，醫(yī)療檢測(cè)，手機(jī)等行業(yè)注入新的血液。開發(fā)新技術(shù)的意義總是遠(yuǎn)超于目標(biāo)本身。

（LEIA黑科技：指尖上的蝴蝶，圖片來(lái)源：LEIA官網(wǎng)）

（“朝你的夢(mèng)想加快速度邁步吧！” 圖片來(lái)源：新浪博客）

本文由「駐波」公眾號(hào)供稿，感謝yoyo、博的評(píng)審及修改意見。

作者名片

排版：小爽

題圖來(lái) 源： LEIA官網(wǎng)

參考文獻(xiàn)：

[1] Dodgson, N. A. Appl. Opt. 35, 1705–1710 (1996)

[2] Dodgson, N.A., 2013. Optical devices: 3D without the glasses. Nature, 495(7441), p.316.

[3] Fattal, D. Nature 495, 348–351 (2013)