激光三维凌空画师

作者： 记者 袁一雪

2014年11月14日 来源： 中国科学报

日本一家名为Burton的公司开发了一项新技术，

通过向稀薄的空气里发射激光而产生了立体图像。

　　三维显示技术（Three Dimensional，以下简称3D）发展到今天，更多的专业人士将注意力聚焦在投影技术和思路创新上。其实，在三维显示领域中，有一种技术一直被大多数人所忽视，那就是激光三维显示技术。

　　10月29日，据国外媒体报道，日本一家名为Burton的公司开发了一项新技术，通过向稀薄的空气里发射激光而产生了立体图像。这幅图像“凭空”浮动在空气中，时而是在空中不断翻飞、拍动翅膀的“蝴蝶”，时而化身为“苹果”，却始终浮动在空中。

　　神奇的激光三维图像

　　这并不是Burton公司第一次开发出这种技术，早在2006年它就开始研发出一款名为Aerial 3D的激光三维显示产品。Aerial 3D可以将3D的图像投影到空中或水中而无须依赖任何屏幕，从而实现裸眼3D。Burton称他们的这一激光系统是绝无仅有的。

　　Aerial 3D工作原理是利用激光灯让空气中的氧和氮的等离子体在空气中激发，以每秒50000点的速度投影出3D物体，帧速率为10~15帧每秒，Burton公司的核心技术就是激光灯发射装置。

　　今年，Burton公司发布的技术依然以Aerial 3D技术为基础。北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院副教授欧攀告诉《中国科学报》记者：“该技术是采用脉冲激光器作为光源，通过控制聚焦点在空间的位置变化来电离空气发光，从而产生3D显示的效果。”

　　换言之，它与放大镜把阳光聚焦于一点的方法一样。首先使用者先使用激光发射装置把强激光聚集到空中的一个小点，导致那里的温度骤然升高，瞬间将空气电离，发射出白光，看起来就像是一次微型爆炸和一个明亮的LED光源的结合体。

　　当光束每秒发射数百次，随着光束的移动，高亮白点便能“幻化”形成肉眼可见的基本三维图像。研究人员表示，该系统不仅对广告客户具有重要的价值，它在重大自然灾害期间，也可以用来发射警报和疏散警告，因为人们在白天和夜晚都能看到这种信号，并且无须任何屏幕。

　　Burton首席执行官木村秀树（Hideki Kimura）说：“一天24小时的任何时候我们都能开车前往灾区，协助发送重要信息。”他表示，这些图像将为那些无法接收到常规无线电信号的人提供信息。

　　另辟蹊径

　　日常生活中，最为大众熟识的3D显示技术恐怕就是3D电影了。当年，超人“飞出”屏幕的瞬间，震撼了不少初与3D技术“亲密接触”的观众。而今，观众只须戴上特制眼镜，屏幕上原本二维的图像便会立刻变成立体图像。人们不再思考是什么技术让电影变得立体，更不愿深究国内外3D技术差距的起因是什么。

　　而Burton公司的激光3D技术，再次唤醒人们对于3D技术的好奇心。

　　“现在3D的概念经常被滥用，这种让人看到具有深度的图像的技术可以被称为：立体显示技术。”北京理工大学光电信息技术与颜色科学研究所副教授翁冬冬在接受《中国科学报》记者采访时表示，“立体显示技术可以大致分为两大类，视差型立体显示技术和体三维显示技术。”

　　目前，全球绝大部分科研机构和商业企业都将精力投入视差型立体显示技术的研究，Burton公司所采用的技术属于体三维显示技术，而且其激光汇聚成像的方式具有很强的独特性。

　　对于视差型立体显示技术来说，其目的是通过让用户左右眼分别看到两张不同的图像（两张图像构成一个视差图像对）来产生立体感。翁冬冬解释说，我们通常在电影院看的3D电影就采用这样的技术。视差型立体显示技术既可以通过光的波长不同，让进入左眼与右眼画面不一样；也能够利用光的偏振态或是通过显示的时间差实现进入左右眼的图像不同。然而不论哪种方法，佩戴眼镜都会削弱图像的颜色或是亮度，影响观看者的视觉感受。

　　于是，技术人员开始追求另一种3D效果，即不戴眼镜，实现裸眼观察的3D显示。“这种技术利用光栅产生多个立体图像观察区域，由于左眼和右眼的观察位置不同，从而导致左右眼看到的内容不同，最后在人的视觉上产生3D的效果。”

　　“但是，通常在视差型三维显示中，用户从多种视觉深度通道获取的信息会产生相互矛盾，从而导致晕眩等不适现象。”具体来说：人的大脑判断物体深度的时候，往往根据近大远小的原则、辐辏变化、眼部肌肉的松紧程度等多种方法综合得出结论。但是对于视差型的三维显示技术，视差图像是被显示在了一个平面上，因为人的深度感觉主要由双眼辐辏的变化而产生，所以辐辏获得的深度信息与其他通道获得的深度信息就可能产生矛盾从而导致观看的不适感觉。

　　相对的，对于体三维显示技术，其目的是真正在三维空间中形成立体的图像基元，即体素（一般二维图像由像素构成，体三维显示的图像由体素构成）。由体素构成的立体图像真实存在于三维空间中，人在观察这种图像的时候，多个视觉深度获取通道之间是和谐的，所以不会产生观看视差型立体图像时的晕眩感。

　　为了形成体素，人们想了很多种方法，比如让屏幕高速旋转起来，让投影设备跟随屏幕一起旋转并投影，进而产生体三维显示的效果。

　　Burton公司的技术是一种非常独特的体素及体三维图像生成方法，这项技术是通过激光汇聚在空气中形成一个亮点，不是一般意义上的投影，也没有通过其他视差显示技术来欺骗眼睛。与它相似的技术，很早就应用在激光雕刻上。人们利用激光汇聚束，将激光打在玻璃内部，从而在透明玻璃的内部产生一个小气泡，这些气泡按照一定顺序排列，就可以在一块立方体的玻璃中形成美国的金门大桥，或者德国的科隆大教堂等三维立体图像。

　　“但如果激光束最终汇聚的地方不是玻璃内部，而是空气内部呢？就会产生Burton公司这项技术的效果。Burton公司只是将这种玻璃雕刻的技术进一步发扬光大，并将其应用到了空气中。”翁冬冬解释道，“激光汇聚在一点后的情况和太阳光的发光原理有些类似，通过激光束的汇集，让某一点空气达到很高的温度，瞬间‘点燃’空气，将其电离，从而使得该处空气形成一个发光点。”

　　安全性有待商榷

　　在Burton公司官网上，有这样一段视频，一个观察者佩戴着防护眼镜，近距离观看激光束打出的立体图案。翁冬冬说，之所以要佩戴防护眼镜就是要保护眼睛，防止被瞬间电离的空气伤害。“如果将这个集中出现的激光点打到人的身体上，人体就会被严重烧伤。”

　　不过，也不必太过担心，因为这项技术还有个软肋——距离。目前的投射范围是5米以内，也就是说5米以内的任何空中位置都可以被投射出一个类似LED的影像，然而超过这个距离就很难得到同样的效果了。

　　这是因为，“激光在空气中传播时，会因为空气中颗粒的散射而被衰减，无法打到更远的距离。”翁冬冬说。

　　Burton公司相关负责人表示，正在研究进一步扩大该技术的有效距离，下一步的目标是提高一倍的距离。