剖析全息投影技术的前世今生

  • 发布时间2021-07-19
  • 作者光子晶体科技

    全息显示技术诞生于1947年,早期仅用于电子显微镜,20世纪60年代随在这激光技术与彩虹全息技术的产生,全息显示技术被发明。1969年,首项全息显示技术的专利申请诞生于美国,后得益于激光技术的和数字技术发展,全息显示技术才日趋完善以及逐渐应用。
 
    所谓“全息”,是一个完全来自于科学体系,而非物理世界中的概念。
 
剖析全息投影技术的前世今生
 
    对于传统的影像记录,比如照片拍摄来说,都是记录物体呈像的光强,得到的是包括颜色、轮廓等等信息的2D画面。而在光强之外,物体影像其实还有相位信息。相位信息记录了物体与观察视角间的距离、运动轨迹、空间关系等信息,如果能把这部分信息也通过技术留存下来,那么就相对的获得了物体的“全部信息”——也就是所谓“全息”。通过这种方式获得的静态或者动态呈像,就不是2D而是3D的了。
 
    全息技术最广泛的应用,就是全息投影。一般来说,全息投影的思路是通过光的干涉和衍射原理,来记录并再现物体的三维信息。1947年,英国物理学家丹尼斯·盖伯在研究增强电子显微镜性能手段时偶然发明了全息投影术,很快这项技术被申请了专利,并获得了1971年的诺贝尔物理学奖。
 
    最开始,全息投影被应用于电子显微技术中,作为一种科研手段存在。1960年激光被发现之后,投影技术本身得到了快速发展。更准确、抗干扰能力更强的投影出现了,全息投影也重新被提上了日程。但即使如此,全息投影的介质问题依旧没有得到很好的解决。因为激光必须要在某种介质上产生反射才能呈现信息,但全息投影要求介质本身配合立体空间。这样得到的结果不是介质太贵,就是观看效果不好。
 
    直到2001年全息膜问世,人类终于找到了能够获得相对清晰效果,同时成本低廉的全息投影介质。
 
    紧接着,全息投影迎来了应用化大潮。有意思的是,这种作为科学辅助手段而出现的技术,此后却与科学渐行渐远。更多是出现在展览、博物馆、舞台演出、时装秀上,作为给观众带来视觉震撼的一种手段。
 
    2010年,日本最著名的虚拟偶像初音在“大感谢祭”上使用全息投影技术亮相。虽然当时的技术还很薄弱,初音形象仅仅是停留在屏幕上却被立体化了。但从二次元冲到三次元载歌载舞的效果,还是狠狠冲击了一番宅男们的神经元。
 
    直到今天,我们已经可以在各种旅游景区、博物馆、典礼开幕式、演唱会,甚至机场和高级酒店的导航服务中看到全息投影的应用。
 
    可是即使应用场景如此之多,真正让亚洲人民永远乐此不疲的全息投影从来只有两种:一是让初音更真实,二是让邓丽君复活。这里面可能有些哲学问题值得深挖….
 
    全息投影应用的几种模式按下人民群众对偶像的热爱暂且不表,我们还是要继续认识全息投影本身。全息投影这东西,在芯片运算和激光呈像技术相继成熟后,今天面临的最大问题只有一个:介质。就像上面说的,激光会穿透空气而过,因此《钢铁侠》等电影里那种随随便便就投到空气中的全息投影在今天并不成熟。
 
    为了找到合适的全息投影介质,科学家和科技公司们可谓煞费苦心。在不懈的努力下,今天全息投影实现主要有三种方式:
 
    1、水雾投影。去一些旅游景区看过水幕电影的朋友应该对这项技术都不陌生。这是最简单也是成本最低的一种全息投影模式,将激光打在喷出的水雾上形成反射,从而展现出立体的全息影像。
 
    但这种技术的问题非常突出。那就是水雾的颗粒非常大,投影出的效果并不好。所以只能作为旅游景区借势营销,制造亦真亦幻效果的技术。另外笔者认为,站的太近容易被喷一身水也是这种技术无法广泛推广的关键所在。
 
    2、激光旋转投影。这种投影的应用更少,仅仅在科学馆等少数博物馆里才能见到。它的模式是利用高速旋转的镜面来反射激光,利用观众的视觉误差来制造全息效果。问题是这种技术推广起来很麻烦,高速旋转的仪器首先噪声很大,并且存在危险。而且介质与投射影像之间必须高度配合,很难在一台仪器上展现若干不同的影像,导致成本十分高昂。
 
    3、全息膜投影。今天使用最多的,就是全息膜投影。其原理是利用一层透明度很高的薄膜来反射出全息影像。搭配周围光线较暗,薄膜本身看不清,就有了所谓高仿全息的效果。
 
    最早的全息膜技术,是像屏幕一样将薄膜树立在观众正面。但这样的问题是薄膜容易被看出来,并且观众不能离开正面视角,否则马上穿帮。2010年时初音应用的就是这种技术,但目前已经很少使用了。
 
    如今更多的全息投影技术,都是将全息膜进行45°倾斜,通过底部或者顶部装置进行投影,在一块或者几块全息膜上折射。这样观看效果更加逼真,也可以在更大的角度观看到全息效果。
 
    非常知名的周杰伦演唱会上与邓丽君对唱,就是以这种技术完成的。但这种技术也不是没有瑕疵,比如投影区块必须要求暗光,一旦有白光干扰就会失真。并且模拟效果不够逼真,依旧存在色彩和像素上的问题。
 
    人类真正在心心念念的,其实还是空气中就能完成的全息投影。
 
    屏幕终结者:酝酿在未来的空气全息投影
 
    各种科幻电影中,都会提到一种东西:手表或者某种仪器中投射出一个大屏幕或者全息图像,然后就可以操作各种炫酷的科技,进行全息通话。
 
    这就是人类真正追求的全息投影。这种技术的特点,是不受白光干扰,随时在空气中成像,并可以模拟复杂的立体模型。一旦能够成真,那么人类恐怕将再也不需要屏幕。从泛屏幕阶段进入无屏幕阶段,绝对是人类科技历史的一次史诗级飞跃
 
    值得庆幸的是,这种美好的愿望并非白日做梦。今天这种空气投影已经开始了技术酝酿。一般来说解决方案有两种:一是通过空气中的电离作用制造光的折射,从而显示出全息投影效果;二是通过激光爆炸效应来制造全息呈像。
 
    据说美国的一些实验室中,已经可以做到不借用任何介质,单纯在空气中实现全息投影。也就是说这种技术不再停留于理论中,已经成了现实,但是目前的空气全息投影问题还非常严重。比如说像素少,颗粒感极大,并且只能够实现单一颜色的全息投射。当然,更重要的是成本高昂。
 
    无处不在的全息投影,虽然距离商业化还有遥远的距离。但是其发展速度已经足够惊人了。或许某一天,它将摆脱舞台技术的窠臼,突然炸裂式的闯进我们的生活。
 
    最后,关于日本的“黑科技”
 
    可以坚持看到这里的朋友,恭喜你终于等到了关于日本黑科技的部分。
 
    前面对于整个全息投影的科普,无非是想说明这项技术在现在和未来,都有广阔的商业空间,换句话说就是很值钱。但日本节目中复活邓丽君的这次黑科技可能未必….
 
    节目中所说的5D全息投影技术,是说在3D之外加入了动态和声音,这个说法本身就很欠推敲。而我们在观看视频的时候,会发现更多令人无法解释的事情。
 
    比如说上面的部分已经讲了,全息投影必须建立在有介质的基础上。想要介质看不出来,必须用暗光环境来掩盖,并且很少有全息投影可以360°观看。而节目中,邓丽君出场的环境是正常光源,且观众能从各个方面观看,都不太符合全息投影的常识。
 
    加上出场的邓丽君影像,最后出现了整体上下颤动的现象。并且整个影像在非常光洁的舞台上没有出现任何倒影,都不符合用激光投影到现场舞台的特征。
 
    虽然节目组没有公布技术细节,但从种种迹象来看,节目中的邓丽君影像应该是用后期技术加进去的。也就是电视节目中常用的虚拟植入技术。节目中的邓丽君影像与1986年作曲大赏的真人画面一模一样,也侧面证明了这点。
关键标签:全息显示