今生到来世——三维立体显示技术发展概况

穿戴式立体显示

穿戴式立体显示涵盖了两种技术：一是助视式立体显示，二是头盔式显示。其中，助视式立体显示技术需借助辅助眼镜来实现3D观看，其工作原理基于双目视差，从而给大脑带来立体感受。依据助视式立体设备的光学分解原理差异，我们可以将其划分为分色3D显示、偏振光3D显示以及快门3D显示三大类别，而这三种显示技术各自对应图6展示的三种不同类型的立体眼镜。

图6 分色、偏振光和快门立体眼镜

3D显示技术，依据分色原理，将立体眼镜的两片镜片分别制作成两种相互补色的镜片，以此将具有双眼视差的一对立体图像以对应的互补色共同呈现。借助分色3D眼镜的滤光效果，观众得以感知到立体图像。分色3D眼镜的种类繁多，涵盖了红/青互补色、品红/绿互补色以及青/黄互补色等多种类型。这种分色3D显示技术的优势在于其制作成本较低，且使用起来十分便捷。该技术的不足之处在于眼镜对光线进行过滤，导致颜色出现严重失真，从而显著影响了观看效果，这使得该技术难以在商业领域得到广泛应用。

电影院里，3D显示系统一般由一块投影幕和两个偏振投影机构成。这两个投影机各自向银幕投射出左右视差图像，这些图像具有不同的偏振光。得益于投影屏幕的漫反射特性，偏振光的方向得以保持不变。观众只需戴上相应的偏光眼镜，就能确保右眼看到右视差图像，左眼看到左视差图像，进而产生准确的立体视觉效果。偏振光3D显示技术目前得到了广泛的运用，涵盖了电影院、家庭以及各类娱乐场所等多个领域。这种技术的一大优势在于它不会导致色彩失真，然而，它的主要不足之处在于当偏振光穿过偏振眼镜时，亮度会出现一定程度的降低。

快门3D显示设备能够以极高的刷新率交替展示左右视差图像，而快门眼镜则能根据显示设备的刷新率调节左右镜片的透光与遮光，以此确保观众享受到舒适的3D体验。这种显示技术的优势在于其出色的视觉效果，然而，其不足之处在于快门眼镜的成本相对较高。

头盔式三维显示技术将显示装置嵌入于佩戴式设备之中，借助波导或透镜将三维图像投射至使用者眼前。根据其应用领域的差异，此类技术可分为增强现实显示和虚拟现实显示两大类。其中，增强现实显示技术能够将三维信息与实际环境实现无缝融合，谷歌眼镜便是此类技术的典型代表，如图7(a)所示。虚拟现实技术的显示方式，能够让观众深入体验到全沉浸式的三维虚拟环境，其中，虚拟现实头盔是该技术的典型代表，如图7(b)部分所示。

图7增强现实眼镜与虚拟现实头盔

全息显示

全息显示技术能够重现实际的三维空间场景，这一技术最早由英籍匈牙利科学家D.在1948年提出。然而，由于当时光源的相干性不佳，全息技术的发展遭遇了重重障碍。直至激光的出现，以及离轴全息图制作方法的提出，全息技术才实现了突破性的飞跃。全息技术包括拍摄和再现两个实验步骤。在拍摄阶段，通过光的干涉现象，将物场信息以干涉条纹的形式存储在记录介质表面，如图8(a)所展示。而在重现阶段，则运用光的衍射原理，将还原光投射至干涉条纹，从而恢复原始物场，如图8(b)所示。目前，全息显示技术已广泛应用于产品展示、商标防伪以及干涉测量等多个领域。

图8 全息技术的基本原理图(a)记录过程(b)再现过程

时代进步推动计算机技术不断提升，相应地，记录全息图的材料也在持续更新，进而使得全息技术取得了显著的发展。美国斑马公司在数码静态全息图的制作领域处于全球的领先地位，1998年，该公司成功研发了全球首台数码全息打印机，并运用杜邦公司生产的光聚合物材料，制作出了色彩真实、视角宽广、具有全视差效果的反射式全息图。斑马公司已被美国国防部纳入旗下，这家企业专注于卫星遥感技术和电子沙盘三维立体显示的研究工作。

图9 斑马公司的全息照片

美国某研究团队对可更新的动态三维全息技术进行了开创性的研究。他们在2008年2月，选用了一种全新的全息记录介质，通过数码全息打印技术，在短短几分钟内便制作出了一张尺寸为4英寸×4英寸的数码全息图。这张全息图能够保存数小时之久，而当再次按照相同步骤写入新的图像时，原始的全息图便会被更新。经过深入研究，该团队于2010年成功实现了在2秒内传输包含16个视角的单色立体图像，但这一成就受到限制。这是因为大尺寸全息照片的制作过程相当复杂，对工艺条件要求严格，且动态效果的实现尤为困难，这导致全息技术在三维显示领域的应用受到了显著制约。

体3D显示

体3D显示技术通过在空间中呈现真实的体像素点来创造立体效果，这种方式使得众多观众能够从各个角度观察到同一立体物体不同面的细节。此外，该技术充分考虑了人眼的聚散与调节功能，从而有效避免了观看者产生视觉上的疲劳。依据成像原理的差异，我们可以将体三维显示技术区分为静态三维体显示和动态扫描三维体显示两大类，具体可参照图10进行了解。

公司推出的显示器是静态体三维显示领域的佼佼者，如图10(a)所示。该显示器由高速投影仪和多个平面光学元件构成。在这些多平面的光学元件中，嵌入了20片液晶散射屏，且这些散射屏彼此之间保持了一定的间隔。高速投影设备将一连串二维图像投射至这二十块液晶扩散屏幕，通过调整投影仪与扩散屏幕间的同步机制，实现不同层次的屏幕上呈现不同的二维图像切片。借助人眼对图像的短暂记忆特性，观众能够体验到逼真的三维视觉效果。此技术的优势在于无需高速旋转部件，系统构造稳固，运行时无噪音。因为液晶散射屏的数量有限，并且这些屏幕之间有间隔，所以该系统的体像素间距较大，这会使得静态体三维显示系统的空间分辨率较低，进而影响到立体感的流畅性。

美国某公司在2002年推出了代表动态扫描体三维显示技术的3D立体显示器屏，如图10(b)所示。这款3D立体显示器能够实现实时的3D数据传输和显示，还配备了相应的应用操作接口。目前，这套系统已在医学图像分析领域实现了商品化推广。该立体显示器由分辨率极高的投影仪和旋转屏组合而成。在该系统内，计算机首先将三维模型细分为198个部分（这些部分能够拼凑成一个完整的球形），接着通过调整投影内容与旋转屏幕的转动保持一致，借助人眼的视觉暂留特性，最终呈现出一个完整的3D画面。该系统包含的体像素数量超过一亿，同时具备360度的观赏视野和180度的俯仰视角。

图10 体显示设备(a) 3D显示器(b) 3D显示器

体三维显示技术的显示深度受限于设备的大小，无法随意改变。同时，该技术仅能确定体像素点的空间坐标，却无法操控这些点的发光方向。因此，通过该技术呈现的3D物体之间缺乏遮挡效果，使得所呈现的内容显得半透明。目前，要运用体三维显示技术来构建复杂的3D场景还存在一定难度，这项技术目前还处在不断发展和探索的过程中。

光栅立体显示

光栅立体显示技术涵盖了两种主要形式：一是狭缝式光栅立体显示，二是柱透镜式光栅立体显示。

图2展示了基于狭缝光栅技术的裸眼3D显示设备结构，该设备主要由二维液晶显示屏和狭缝光栅两个部分构成。通过在二维显示器上嵌入多个视角的图像编码数据，能够使不同视差的图像在空间的不同位置上形成图像，进而达到裸眼3D的观看效果。在3D显示过程中，狭缝光栅可视为由交替排列的透光条和遮光条共同构成。为了确保分光效率，遮光条一般采用黑色，故而狭缝光栅亦常被称作黑光栅。这种光栅可以通过在玻璃表面进行间隔式的印刷来制造，相较于其他裸眼立体显示用的光学元件，其设计理念更为简便，且生产成本相对较低。

图11 狭缝光栅裸眼立体显示器结构示意图

通过调整狭缝光栅透光条和遮光条的尺寸，以及精确控制2D液晶显示器与狭缝光栅之间的空间间隔，我们能够有效调节裸眼3D显示设备的观看距离和视角间距等关键参数，进而确保观众能够准确欣赏到立体视觉差异。

图4展示了基于柱透镜光栅技术的裸眼3D显示设备结构，该设备由二维液晶显示屏和柱透镜光栅两部分构成。其工作原理与狭缝光栅立体显示器相似，均是在二维显示面板上对视差图像进行不同角度的编码，从而实现立体效果。柱透镜光栅是由众多结构一致的柱面透镜平行排列形成的。柱面透镜一般使用透明介质材料制成，故在处理2D图像的调制编码过程中，对光线不会造成阻碍。与狭缝光栅相比，利用柱透镜光栅实现的裸眼3D显示，其亮度优势尤为明显。

图12 柱透镜光栅裸眼立体显示器结构示意图

目前，柱透镜光栅立体显示器在全球范围内受到了广泛的普及，其中颇具代表性的企业有欧洲的飞利浦以及另一家公司、韩国的三星以及美国的DTI公司等。伴随着我国硬件技术的进步与制造工艺的提升，诸如超多维、易维视、卓美华视等众多本土企业也陆续投身于光栅立体显示器的研发和生产领域。图13是易维视公司为不同场合设计的不同尺寸立体显示设备。

图13展示了各式各样的光栅立体显示设备，包括一款85寸的立体广告机，一款55寸的家用立体电视，以及一款10寸的立体平板。

那便是3D技术的过往与现在，展望未来，3D技术将迎来更为深入的发展与广泛应用。随着时代的演进，科技的不断前行，我们满怀期待，期待3D技术为人们带来更加丰富的视觉享受与全新的体验！