激光全息技術在現代展覽展示中的應用

劉 梟,楊洪鑫,林洪沂,溫志偉,宋 碩

(1.廈門理工學院文化產業與旅游學院,福建 廈門 361024；2.廈門理工學院光電與通信工程學院,福建 廈門 361024)

1 引 言

隨著新興信息技術的迅猛發展,文化和藝術的創作、生產和傳播方式的不斷變化,人們對視覺效果的要求越來越高。在會展行業的不斷發展和轉型升級過程中,基于傳統聲光電技術的展覽展示已無法充分滿足觀眾需求,而借助信息通信技術、光學技術、計算機技術、景觀設計、藝術展示的現代展覽展示得到了快速發展[1-2]。以激光全息技術為代表的高科技展示技術逐漸在展覽展示中發揮重要的作用[3]。全息技術通過精確“裁剪”光場,實現模擬具有運動視差和深度線索的真實立體場景,為用戶提供裸眼立體視覺的增值體驗[4]。借助激光全息技術,人們不僅突破了傳統展覽展示技術的時空局限,無需借助外部設備也能看到三維幻像,甚至還能徒手與三維圖像進行互動,實現前所未有的沉浸式互動體驗[2]。

激光全息技術具有互動性、即時性、沉浸性、故事性、技術性等優勢。隨著半導體激光光源、計算機運算速度、儲存介質、空間光調制器等器件全面升級,未來激光全息技術價格成本呈現逐步下降的趨勢,全息技術在各行業的普及與應用逐漸深入。從會展行業來看,全息技術已廣泛應用于文物展覽、舞臺表演[5]、藝術展示、商業展覽等等多種展覽展示場合,以及展覽中心、博物館、博覽會、科技館、圖書館、檔案館、城市規劃館等會展場館。

2 激光全息技術的基本原理

激光全息包括記錄和再現兩個過程。全息記錄是利用激光的干涉特性,使三維物體表面的漫反射光和參考光發生干涉現象,形成明暗相間的干涉條紋,然后儲存在光敏介質(CCD攝像機、膠片、光折變晶體[6]、光折變聚合物[7]、光致變色材料[8]等)中。這樣靜態或動態物體的全部光信息,即振幅信息(光強和強度信息)、相位信息(即深度信息)都會被記錄下來[9]。全息再現是利用激光的衍射特性,采用一束特定的激光束照射儲存介質,使其發生衍射效應,提取出振幅和相位信息,重現與原物體相同的三維圖像。激光全息技術突破了傳統的聲光電的限制,可以形成對比度、清晰度、縱深度、臨場感、立體感都很高的立體圖像[10]。

隨著計算機和顯示技術的發展,傳統的全息記錄過程可以通過計算仿真來實現,即計算全息技術。計算全息技術首先通過數值計算獲得復振幅波前的數學描述,然后將其編碼成與顯示介質相匹配的全息函數。在全息再現時,通過相干光照射顯示介質,構建出物光信息。計算全息技術的優點有:1)簡化記錄過程,避免了實際的復雜的干涉過程,可以獲得虛擬的干涉圖像；2)擺脫傳統光敏介質的限制,計算所得的數學全息圖函數容易被儲存、復制和傳輸；3)在光學處理和調控領域引入了計算和數字技術,推動了波前模式調控和全息技術的發展[11]；4)計算全息更適合與展覽展示相結合,獲得大視角、交互式、動態、彩色立體全息技術,提高展覽展示水平。

3 現代激光全息技術

在現代會展業的發展過程中,顯示技術的每一次變革和創新,都為展覽展示提供了新的技術手段和表現方式。交互式、全彩、大視場等激光全息技術可以提供更為真實、震撼、自然、立體的藝術展示效果。

3.1 交互式全息技術

交互式全息技術將全息技術與手勢控制技術相結合,實現了觀眾和立體全息圖像之間的交互以及人機交互,在博物館展品展示、商品展覽、沉浸式藝術展等相關領域有廣泛的應用[12]。

以博物館為例,博物館中的文物年代久遠,珍貴脆弱,保護性要求較高。觀眾們也只能在固定地點觀看這些文物。部分文物由于體積或重量過大,無法移動來全方位展示。有時,受展覽空間限制或場館臨時修復等影響,一些無法供觀眾親臨參觀。因此,有必要引入多樣化技術手段,增加可展出的文物種類和數量,提升文物展示效果[13]。為了順應這一趨勢,谷歌推出了藝術與文化項目,該項目允許用戶通過網絡界面,輕松瀏覽來自70多個國家上千家博物館的藝術品。此外,越來越多的知名文化遺產機構(如盧浮宮博物館、華盛頓史密森國家自然歷史博物館、紐約大都會博物館和那不勒斯國家考古博物館)開始參與到數字文化遺產的管理活動中,推出基于網絡的虛擬展覽[14]。2016年7月,意大利學者將空間交互技術應用于博物館展覽(見圖1),通過手勢動作以無接觸的方式實現抓取、滑動、放大、旋轉全息立體圖像(見圖2),在那不勒斯國家考古博物館舉辦的“Oltre il Visibile.I Campi Flegrei”文物展覽中具體實踐應用,引起強烈反響[15]。

3.2 彩色全息技術

作為最具潛力和應用前景的真彩立體顯示技術之一,彩色全息技術為觀眾提供近似完美的全彩立體圖像,其應用反映了激光技術發展的必然趨勢。色彩是描述物體重要光學信息的一個關鍵參數。彩色全息技術的關鍵在于實現立體顯示的同時,重構出與原始物體相同的彩色立體圖像并呈現給觀眾[16]。彩色全息技術是利用顏色(紅綠藍三基色)疊加原理,構造出相應的顯示系統,并通過控制光源的強度比和空間分布,重構彩色立體圖像。彩色全息的核心構件是空間光調制器,通過計算機實現對光波陣面的時間和空間上的編程調制,改變光的振幅、相位和偏振來實現全彩景物的繪制與重構(見圖3)[17]。

圖1 交互式全息投影系統的主要組成部分[15]

圖2 交互式全息旋轉技術滑動[15]

圖3 基于三基色的彩色全息[17]

2019年,杜克大學開發出一種新的多彩全息技術。該技術無需借助較大尺寸的光學元件,即可增強傳統光學設備、智能手機、穿戴式設備的立體顯示能力[18]。研究人員采用300 μm×300 μm二維全息波導結構的光柵波導耦合器(Grating Coupler)對圖像編碼,當紅綠藍三基色光照射該耦合器時,計算仿真可得到一幅全彩全息圖(見圖4)。此全息圖可以通過增強現實裝置,直接投射到人眼瞳孔中,形成彩色立體圖像。彩色全息技術的難點在于將三種顏色合成,并精確“分解”出不同顏色,近而形成全彩圖像；優勢是無需分束鏡、棱鏡等分光元件,僅利用波導耦合器件將全息系統集成到便攜式設備上,為增強現實顯示或其他全息顯示方式提供了一種更為簡單、靈活、緊湊的一種技術方案。彩色全息技術也可以與已有的液晶顯示技術進行合成,實現動態全息成像。

圖4 基于光柵波導耦合器的彩色全息顯示系統[18]

2020年,湖南大學采用超構表面器件和單片集成濾光微陣列實現了低串擾、大視場角、偏振不敏感的全色彩色全息(見圖5)[19]。超構表面器件通過調整亞波長結構尺寸、形狀與排列,來獲得光波前的任意調控,其性能超過傳統的折射元件,例如通過各向異性結構或者特定排布,平面超構器件可獲得多光譜多路復用。

對于大多數全息技術來講,相位重建不準確與視覺輻輳調節沖突,均會造成圖像串擾,引起人眼視覺疲勞,這些問題是阻礙裸眼立體顯示實際應用的主要障礙。針對上述問題,該團隊采用變周期和變取向的超構表面光柵來調制光場相位的新技術,通過重構會聚光場視點,實現了無視覺疲勞、寬視場、全彩的三維顯示。該系統簡單緊湊,現已實現近動態顯示(見圖6),未來將應用于展覽展示及便攜式電子產品、立體電視、桌面顯示器等設備[20]。

3.3 寬視角全息技術

計算全息技術發展至今,雖然取得了一定進展,但仍面臨諸多挑戰。如目前采用單光調制器再現全息圖像的大小和視場角相對較小,在展覽展示中無法完全滿足大量觀眾多角度觀察的需要,因此,增加視場角也是全息技術發展的重要方向之一[21]。

圖5 集成超表面器件全彩立體全息顯示[19]

計算全息技術的重要指標是成像大小和視場角,由光空間調制器的陣列大小、像素和光路決定,若要獲得大尺寸、大視場的圖像就需要大陣列的顯示設備[21]。當入射光為632.8 nm時,若要獲得30×30×30 cm3、視場角水平垂直方向均為30o的三維圖像,則像素至少為1.2×1013,顯然現階段很難實現。目前美國Meadowlark公司僅能提供1920×1152 pixel純振幅、1920×1200 pixel的純相位液晶空間光調制器。

目前,增加視場角和再現圖像大小的方法主要有:多塊空間調制器拼接法[22]、單塊光調制器時分復用法[23]、時分復用和空分復用兩者結合法[24]、采用特殊光學器件法等[26]。

2012年,波蘭學者提出了一種在水平和垂直方向都具有擴展視角的廣角全息顯示系統[25]。該顯示器由分布在圓上的六個空間光調制器和一個用于時空復用的附加光調制器構成(見圖7)。六個空間光調制器采用Wigner分布函數優化設計,呈現出最優化排布,附加空間光調制器與六個空間光調制器同步被放置在圖像空間中。該系統實現了水平方向35.22o、垂直3.3o的大視場全息顯示,數據的有效空間帶寬積從1240萬像素提高到5000萬像素。波蘭學者同時開發并實現了基于三塊Nvidia顯卡的軟件解決方案,實現了快速同步顯示。當直接觀察單個調制器時,觀察者只能看到重建視圖的一小部分,且無法看到物體的整個高度。若要看清圖像的其他部分,則需要更改觀察位置,如圖7(b)所示。當采用無縫拼接時,六張照片用一個角步長(6 °)拍攝,每一張對應于一對虛擬光調制器；這樣可以增加垂直方向上的單目視場角,并在水平方向上獲得較寬且連續的視角,觀察者可以查看整個立體重建圖像,獲得輕松、舒適的觀感體驗,如圖7(c)所示。

圖6 動態彩色全息取樣原型[20]

圖7 廣角全息顯示系統

2014年,日本科研人員Sasaki也提出了一種使用16(4×4)塊4 k×2 k反射型空間光調制器和時分復用技術來增加全息顯示圖像大小的新方法[26]。采用傳統的方法產生的圖像可擴展性有一個上限,該上限由圖像讀出部分的路徑長度決定。而在該系統中,新設計的光學系統使得圖像讀出部分的路徑長度僅為先前的一半,有效的減小了圖像讀出的空間,可以獲得更大的彩色全息圖像(見圖8,圖像設計值(圖8a),NICT位于全息圖平面后113 mm處,汽車的左前輪位于118 mm處,左后輪位于143 mm處,維納斯雕像位于120 mm處。從正前方(圖8(b)),右2.8度(圖8(c))和左2.8度(圖8(d))拍攝的照片[26])。光學系統由偏振分束器、半波片和偏振器三部分組成。該實驗裝置采用紅綠藍三基色(633、532、473 nm)激光光源的時分復用技術,獲得了全視差全彩靜態全息圖片和動態刷新頻率20 f/s的全息全彩視頻再現,圖像的對角線大小為85 mm(長74 mm、寬42 mm),觀察視場角水平方向5.6°和垂直方向2.8°。

圖8 Sasaki的全息實驗結果

展覽展示領域采用多塊空間調制器拼接,雖然可以增加視場角,但是對多塊空間調制器的無縫拼接技術要求較高,系統結構比較復雜,成本和技術要求較高,整體穩定性較差,因此,也限制了在某些低預算會展活動中的應用。

2020年,韓國科研人員開發了一款新穎的4 k高分辨率、大視場角、交互式動態全息超薄顯示屏[27]。在光調制器前設置一個特殊的光束偏轉背光單元(steering-back light unit),有效的擴大了視場角(見圖9),獲得了迄今為止最大視角的動態全息視頻。其光束偏轉背光單元包括一個相干背光元件和光束偏轉元件,偏轉元件可以將入射的相干光調整到所需要的角度。薄面板全息視頻顯示器的實驗裝置如圖9所示:三色半導體激光器用做相干光源,當三色激光通過光束偏轉元件和相干背光單元后,合成相干白光,產生的白光通過焦距為1 m的幾何相位透鏡導入到空間調制器上。一個10.1 in超高清晰度商用液晶顯示器被用純振幅光調制器,系統總厚度小于10厘米。傳統的10.1 in 4 k平面液晶顯示器,視角僅為0.6°,而采用此光束偏轉背光單元,視場角增加了近30倍,而且全息視頻處理器能夠以每秒30幀的速度計算高質量全息圖,實現了全息動態顯示。此技術實用性較強,未來可以集成在移動設備中,為移動設備播放全息視頻鋪平了道路。

圖9 光束偏轉背光單元擴大視場角效果圖及動態全息超薄顯示屏

4 關鍵技術分析及發展

4.1 全息技術與展覽展示的完美結合

實現全息技術與展覽展示的完美結合是全息技術應用于會展業的理想目標。如何實現全息技術的完美展示,既讓全息技術有機融入到展覽展示,又不喧賓奪主,使觀眾完全被全息技術吸引而忽略產品本身,是技術人員需要考慮的關鍵問題[5,13]。激光全息在展覽展示中的應用目標是:觀眾在欣賞展覽展示技術創新的同時,從多角度體會到更多的藝術美感,享受技術創新帶來的視覺享受[13]。科技工作者需要根據展覽展示活動應用的不同場景,大膽創新,設計出適宜的全息系統。

4.2 光源的選擇

激光作為相干光源,具有單色性好、亮度高、方向性好的優點,被廣泛的應用于全息顯示系統中,可以提供清晰、對比度高的顯示效果。但是采用激光光源時,也會存在一定的問題。如人眼安全問題,激光全息對激光功率有嚴格的要求,需要考慮觀眾直視全息圖時,對人眼安全的影響。

早期藍光主要采用488 nm的氬離子激光器[28],隨后采用473、456 nm的藍光全固態激光器[26],目前隨著GaN半導體激光器的發展,目前常用445 nm、450 nm、465 nm、467 nm、490 nm等半導體激光器[29]；而紅光激光器,早期主要采用632.8 nm氦氖氣體激光器、671 nm全固態激光器[30],隨后逐漸被615、630、635、638 nm等半導體激光所取代[31]；而綠光激光器主要采用532 nm的全固態激光器或經近紅外倍頻(如554 nm)的綠光半導體激光器[32-33],目前直接輸出紅藍半導體激光器已經成熟,而直接輸出綠光的半導體激光器還不夠成熟。2014年,德國Katrin Paschke指出,在一些激光全息中,綠光輸出功率需要到瓦級,相干長度要大于50 m,且可以實現直接調制,目前倍頻的半導體激光器是最佳的選擇[34]。Katrin Paschke報道了基于分布布拉格反射型錐形半導體激光器腔外PPMgLN倍頻的單頻531.6 nm綠激光器,其線寬僅為13 pm,輸出功率1.1 W。三基色半導體激光器性能可靠、節能、環保、體積小、壽命長,更適合用于激光全息。

4.3 散斑抑制

當激光用作照明光源時,總會出現散斑噪聲,這會導致顯示圖像質量下降[35]。同樣采用激光重構全息圖時,散斑噪聲也會影響全息圖的成像質量。常用消除激光散斑的方法有三種:降低時間相干性、降低空間相干性、多個圖像動態疊加[36]。Michal Makowski采用十種不同的初始相位分布,計算了同一物體的十個分離的全息函數,并獲得了固定隨機相位圖的橫向移動全息圖[28]。此時,在信號信息相同的情況下,每一個圖像在重構中具有不同的隨機散斑噪聲分布,然后通過光調制器合成,十個重構相位圖實現快速時間順序切換,獲得時間積分,這樣積分疊加可以有效的減少散斑噪聲。這種時間相位積分的方法保留了物體的清晰度和空間分辨率,具有最低的計算復雜度,并且不需要額外的光學元件,結構簡單,但缺點是需要非常高的幀速率設備,受限于動態全息技術。

4.4 關鍵器件的創新與發展

隨著高速計算機、儲存介質、空間光調制器等器件不斷創新的發展,未來激光全息技術價格成本將會進一步降低,性能也會隨之提高。用于展覽展示領域的交互式、動態全息需要超快的信息采集能力、強大的立體空間顯示能力和高準確度的手勢辨別能力[15]。研究人員可以通過改進算法、采用專用圖形處理器、開發可編程列陣等方法來優化計算；而獲得大尺寸、大視角和高分辨率的全息圖像,則需要性能優良(陣列尺寸大、像素面積小、填充率高、衍射效率大等)的空間光調制器或新穎的光束偏轉背光單元[12,27]。

在交互式全息技術中,高準確度的手勢辨別能力可以實現觀眾準確、舒適、自然、方便快捷的實時交互。在會展實際活動中,手勢辨別會受到外界環境(如光線、背景、其他運動物體、膚色、其他觀眾手勢)的影響,因此,要積極提高手勢辨別的準確度和豐富手勢動作命令[12]。

未來,人工智能、深度學習、機器視覺為全息數據采集提供了新的技術手段,而新材料和電子集成也為記錄介質和光學元件的研發提供新的可能。

4.5 外圍環境條件

全息視覺效果的質量主要受全息圖像本身的質量(包括全息記錄和全息再現)和無視覺、幾何或發光干擾的外圍環境兩個因素的影響。全息系統受到所使用的會展場館條件的制約,因此其環境條件需要嚴格控制。會展場館的內部環境設施一旦搭建完成,不易被修改,因此,會增加輔助材料的方式減少對全息系統的干擾影響[13]。如全息系統內部空間加置內部遮罩、黑色和非反射的內部覆蓋物,或在外部燈光設備上加置過濾片,均能有效抑制外界干擾光的影響。另外,全息系統周圍的部分區域保持黑暗也可以有效地避免鏡像、燈光或內部反射,提高全息再現像的質量。吳曼提出可以從展覽空間、光環境、色彩空間三個方面設計展覽館內的環境,構建三維虛擬環境,取得了良好的效果[9]。

5 結 論

隨著激光技術和會展業的融合發展,激光全息技術在展覽展示領域將會有更廣闊的應用前景。本文總結了交互式、全彩、寬視角等激光全息技術等在展覽展示中的應用,并分析了激光全息技術所采用的關鍵技術以及未來研究和發展方向。激光全息技術有助于我國會展業轉型升級和可持續發展,也為疫情常態化背景下會展活動的順利開展提供了技術支持和服務保障。