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立体显示是人类永恒追求的梦

来源:通信产业网  作者:丁守谦  投稿时间:2018-04-13

  1939年爱德旺·兰德用两部具有不同偏振光的放映机将左、右眼图像同步地投射到屏幕上。左眼像是用垂直方向的偏振光,而右眼像是用水平方向的偏振光。然后戴上一副左、右眼各不相同的偏光眼镜,使左眼偏光镜只能通过垂直偏振光,故只能看左眼像;而右眼偏光镜只能通过水平偏振光,故只能看到右眼像 (图1)。故能看出立体像来,使人有身临其境的感觉。
 

  同年在纽约建成了立体电影院,引起极大的轰动。后来将垂直和水平偏振光分别改为正旋圆偏振光及反旋圆偏振光,这时戴着这种偏光眼镜的人稍稍转一点或偏一点不影响观看效果。但由于偏光镜片的透光率只有50%左右,立体图像显得较暗,必须在黑暗的电影院内才能放映。一方面是制作这样的影片相当困难,因而片源缺乏。另一方面受电视冲击也是一个原因。尤其是宽银幕及特宽大屏幕出现以后,影响更大,立体影院也曾几度沉浮,及至《阿凡达》的上演才开辟一个3D新纪元。新近由于LED(发光二极管)的亮度特别高,利用这种LED做成的屏有近10.3米的宽度,超清4K分辨率,可比投影屏的亮度提高10倍,而对比度提高500倍,电影的每一个细节将被清晰还原。现已有产品问世,放映技术又将面临革命性的变革。
 

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  液晶快门眼镜观看立体电视
 

  自从发明了黑白电视以后,按科学的发展进程必然是彩色电视,进而是高清晰电视,接着立体高清晰电视自然会提到议事日程。
 

  上世纪90年代,随着一项新技术即液晶快门发明使立体电视进入家庭成为可能。利用有源液晶,做成眼镜片,当左眼液晶镜片未加电压时,则是透明的,这时屏幕上显现的是左眼像,同时在右眼液晶镜片加上电压,则是不透明的,这时只有左眼看到左眼像。反之,当屏幕上接着放映右眼像时,这时右眼镜片未加电压而透明,而左眼镜片因加有电压不透明。于是保证右眼只能看到右眼像,满足了立体成像必备条件之一。
 

  在电视屏面上,就这样一场放左眼像,下一场放右眼像,不断地循环往复放下去,而所加电压由电视机红外线发射窗发出的红外线传递到液晶眼镜片上也同步地依次切换确定它们的开与闭(图2)。现彩电的场频为50(PAL制)-60(NTSC制)赫兹,故如保持液晶的开关速度和场频一致且同步,则可以看到立体电视,但这时立体像的频率只有一半为25或30赫兹,看起来有些闪烁,让人难以忍受,后将场频提高到100或120赫兹,甚至200或240赫兹,这种闪烁现象得以减轻或基本消除,情况变好。


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  当时所有彩电厂商都在生产这种立体电视。但由于观看时要载上带有小电池的液晶快门眼镜,且价格昂贵。后来还出现一种立体电视,也是用偏振片眼镜来观看,这种眼镜便宜的只需几块钱,而且十分轻便。但这时无论是左眼像或是右眼像,其垂直方向的清晰度均降低了一半。但有一个好处是和观看普通彩电一样不会感到闪烁。已购买立体彩电的家庭,新鲜了几天之后,都不再看了。这是为什么呢?归根到底是损失了原二维图像的质量,例如无论是液晶快门还是偏振片其透光率只有50%左右,图像变暗,彩色饱和度降低,没那么鲜艳,易生串扰或闪烁,而且还需戴上一副立体眼镜,价格还高不少,得不偿失,所以时兴一阵终究流行不起来。
 

  随机点图立体画
 

  这里还不得不提到在上世纪90年代曾风靡世界的所谓“画中画”。可用所谓“对眼法”即将双眼向鼻尖方向靠拢对画面凝视一阵能看出隐藏其中的立体画。它原出于贝尔实验室的贝勒·朱尔兹于1960年研究出的随机点立体图形学。
 

  起先的目的是用此来说明深度的成因,但过了几近30年后才被物理学家、美学家及实业家利用其基本原理做成为具有市场价值的商品。如(图3)用对眼法注视一阵即看出5只熊猫来,中间的那只熊猫是立体的,坐在草坪中央,蝴蝶处于最前端,两边各两个熊猫依然是平面的,处于最远端。这时你保持头不动,眼不眨,将一个不透明的纸条完全盖住最左边的那只熊猫像,奇妙的事情就发生了,第二只熊猫原本是平面的,这时就变成立体了,与原先中间的那个熊猫的立体程度不相上下,这就是所谓的“诱导立体”。
 

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  反之,如将最右边的那只熊猫用纸条盖住,则右数第二只熊猫就变成立体熊猫了。这一新发现在扩大立体视场中很有用,我曾有专文论述。但风行了一阵以后现已较难找到。因它确实具有新奇性,但缺乏真正的美感,且给眼睛带来太大的负担。
 

  全息摄影及全息成像
 

  一种全新的方法即全息摄影及全息成像,其形成立体像的原理及方法则与上面谈到有所不同,是真正裸眼的,可以从各个角度来观看,简直和观看真正的事物一样,可惜由于技术的难度太大,至于至今尚未完全实现。要想普及恐怕得要一二十年,这一方法却是由另一著名事件而引起的。
 

  电子显微镜发明后,由于电子波的波长比光波波长短得多,照理说观看原子、分子应没有问题,但谢尔赤证明“电子透镜的球差不可能完全消除”,因此电子显微镜的分辨率大大地降低了。1948年英国的电子光学专家伽柏为了解决这一问题,于是别出心裁地想出了一种方法:用一个单色电子束(即它们的能量也即波长完全一致),让它一分为二个波束,一束照在观察物上后它的反射波束与另一波束在某平面上相交,就会出现一些干涉条纹图,这就是他所谓的全息图(Hologram),因它既记录电子波的强度,也同时记录了电子波的位相,也就是说记录了该成像电子波的全部信息,故称之为全息。而后再用单色光来照射此全息图,光波就以原来的方式进行传播(图4)。


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  打一个形象化的比喻,正如悟空有定身术一般,它喝令一声将光波成像过程中在某一平面处停下并记录,然后一声令下又可解除,按原先成像的路径接着运行。后面再用一个具有负球差系数的光学透镜来成像,这可用来抵消与生俱来的电子透镜本身的正球差,从而获得完美的放大图像。但就当时的技术条件而言,这种单色的(即能量完全一致)电子束是难以获得的。当时这种最先进的成像方法只是一种设想,无法做到。但到1962年激光发明后,利兹和乌帕尼克利用伽柏的这一思想实现了这种全息像。因为激光就是波长完全一样且具有很高光强的单色光。我们所看到的不仅是一个立体像,而且还可从不同的方向进行观察,就像观察实物本身一样。这当然是最理想的成像方式,人们对它寄予很大希望。由于伽柏提出了“全息术”而使他获得诺贝尔奖的殊荣。但发展至今日,依然举步维艰。由于成像条件特别苛刻,不允许有任何一点振动,且实现彩色及运动图像方面遇到很大的困难,仅停留在试验研究阶段。如今尚只能在防伪商标中得到一点的应用。
 

  后又有人在进行多路全息术的开发,将一个人或物放在一旋转台上,利用电影摄像机拍1000-2000千张像片,再通过激光使它变成彩虹全息片。将该片卷成圆筒状,在中心偏下部分放一个小灯,于是形成一个360的全息像,你围绕它从哪个位置都可以看出立体像。目前仅停留在试验演示阶段。
 

  通过现有的大量文献,尚可以找到各式各样立体成像的方法,这里难以一一列举,但人类追求完美的立体像的脚步永不会停止。总是在保留原有的优良基础上更上一层楼,而不是以损失原有优良品质作为代价而获得新的特质。唯愿有日新月异的优质VR、AR产生, 增添人类的风彩!

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