|· 本文来自“我是科学家”·|
很多人对悬浮裸眼3D的最初印象，大概都源自一些影视作品。如著名的《星战》系列中，就经常会出现“3D悬浮视频会议”和空中影像资料的镜头。
“帮帮我，欧比-旺·克诺比。你是我唯一的希望。”《星战4》中出现的莱娅公主以3D影像向欧比旺寻求帮助的场景。图片来源：《星战4》
多年来，优秀的科学家和技术宅们，一直在不断努力去推动悬浮3D这个超难黑科技的发展。如今，这项技术已经渐渐走出荧幕，来到人们身边。
以《星战》中女神名字命名的莱娅3D公司。图片来源：LEAI官网
怎样才算真正的裸眼悬浮3D？
那么，怎样才算上的是真正的悬浮裸眼3D呢？
它不是这样借助“栅栏”实现的的“伪3D”动画，
图片来源：《海绵宝宝》
不是需要佩戴3D眼镜才能观看的3D电影，
图片来源：图虫创意
也不是只有简单图像的全息影像，
图片来源：图虫创意
更无需要借助VR设备或手机特殊软件，
这是AR增强现实。图片来源: microsoft
而是下面这种，立体的，无需借助任工具用裸眼就可以观看的，悬浮在空中的影像。
莱雅公司用激光器打出来的3D悬浮。图片来源: gfycat.com
没错，3D、悬浮、裸眼的成像技术构成了真正的3D悬浮影像。正如你在《星战》里看到的那种。
人眼如何看到悬浮3D？
人类所看到的世界是立体的，这是因为我们的两只眼睛所看到的世界有轻微的差别。我们的大脑将这两个不一样的图像结合起来，自动对看到的画面生成一个3D模型。
需要眼镜的3D显示就是这个原理：最简单的3D电影，眼镜的两个镜片偏振的方向（或者滤光器）不同，从而使两个镜片同时能有不同的成像。高档一些的3D电视眼镜中的快速闪烁的开关，能与屏幕上的图像同步变换，使两个眼睛看到的图像不同。
那如果我们不想戴眼镜就看到3D效果呢？其实道理还是一样，只是这项任务需要交给显示器来完成。显示器上一个像素点给出的不同的光，要分别有很强的方向性，一束光指向左眼，一束光指向右眼，这样子，这样两只眼睛就会看到不同图像。这样的像素点越多，实现的裸眼3D效果也就越好。
a只有两个视觉区，三个出射方向，观众只有在一个位置可以得到左右眼不同的图像。b只有两个视觉区，更多的出射方向，观众在特定的几个位置可以得到左右眼不同的图像。c有n多个视觉区，观众无论站在哪里，双眼得到的图像都是不一样的。图片来源：参考文献［1,2］。
实现裸眼悬浮3D的三种不同方式
2013年，Fattal等人在《自然》杂志上发表了一项可以实现无眼镜3D显示的方法——多视图自动立体3D显示技术。
他们用波导把光导入微型衍射光栅，从而使特定的光打到特定的方向，以此来输入不同视觉区的图像数据。这个设计当时可以打出14个视觉区，预期最高可以做到64个视觉区。这样的视觉区越多，人们看到的3D图像的像素也就越高。[3]
以透明六边形玻璃作为波导，将RGB（红绿蓝）三种光从不同方向入射到波导中。通过光学设计不同的单位衍射光栅（以一个RGB像素点为最小单位），使三种光线在每一个单元上都有折有不一样的折射角。图片来源：参考文献［3］
这种设计最后的效果图。图片来源：参考文献［3］
后来的LEIA公司用的就是这种技术，也就是前文那张绿色悬浮影像的原型。这种技术相比别的无眼镜3D的好处，是可以做成携带式设备。用这种方法做的悬浮的3D无眼镜显示，叫衍射光场背光技术（diffractive lightfield backlighting，DLB），也是LEIA公司的知名专利。
LEIA的DLB技术：分别由DLB模块，LED edge lighting和LCD面板组成。图片来源：LEIA官网
除此以外，还有其他种类的无眼镜悬浮3D技术——例如比较有名的双凸透镜或微柱透镜3D技术（lenticular arrays display）。它的原理是在液晶显示屏的前面加上一层柱状透镜，通过对光路的改变，透镜就能以不同的方向投影每个液晶显示屏上的像素点，于是双眼从不同的角度观看显示屏，可以看到不同的图像。这个技术需要依靠液晶显示屏，分辨率做不大，视觉区数量也有限。
3D TV，图片来源：Dimenco官网
Dimenco 公司的lenticular arrays 3D技术示意图，透镜能够把左右眼图像分别折射到双眼所在的位置。图片来源：Dimenco官网
还有就是光屏障式3D技术（parallax-barrier system），也被称为视差屏障或视差障栅技术，夏普3D手机和任天堂3DS采用的都是这项技术。
这一技术需要有一个开关液晶屏幕（LCD），然后用液晶层和偏振层制造出一系列间隔为十几个微米的光栅条纹。对于左眼，光栅条纹会遮挡右眼应该看到的图像，反之亦然（如下图）。这个是目前产业化力度最大的技术，不过亮度很低，分辨率也很低，而且难以做成可携带设备。
任天堂3DS游戏机，图片来源：任天堂官网
Parallax-barrier system光屏障式3D技术，R与L分别对应右眼和左眼的显示图像。图片来源：维基百科
LEIA公司的这种多视图自动立体3D显示技术（Multiview autostereoscopic 3D displays），仍旧是目前最受关注的，因为这种技术可以做到便携设备上，也可以做到很小，同时分辨率很高。但是由于3D影像对目前分辨率要求远超于2D，所以对数据量以及激光器的功能的需求也就更大，这是目前还未解决的难题。
裸眼悬浮3D成像的未来
裸眼悬浮3D成像不仅仅是为了满足阿宅们对于超强影视效果的追求，更重要的意义在于它能够提升人们对数字立体空间的应用，比如利用高分辨率的核磁共振成像数据，可以构成微小复杂的脑、神经、血管3D医疗成像，从而提升诊断效率。
总之，《星战》同款显示技术离我们已经不再遥远，相信过不多久，人们就会看到飘在空中的同款3D莱娅女神。裸眼悬浮3D技术也有可能为显示，医疗检测，手机等行业注入新的血液。开发新技术的意义总是远超于目标本身。
LEIA黑科技：指尖上的蝴蝶，图片来源：LEIA官网
“朝你的梦想加快速度迈步吧！” 图片来源：新浪博客
本文由「驻波」公众号供稿，感谢yoyo、博的评审及修改意见。
（编辑：Yuki）
参考文献：
- Dodgson, N. A. Appl. Opt. 35, 1705–1710 (1996)
- Dodgson, N.A., 2013. Optical devices: 3D without the glasses. Nature, 495(7441), p.316.
- Fattal, D. Nature 495, 348–351 (2013)