全息显示｜解密光场实验室全息显示技术SolidLight

    CINNO Research产业资讯，长期以来，全息视频的梦想一直是科幻小说的主要内容——《星球大战》中R2-D2显示的莱娅公主形象、《星际迷航：下一代》中的全息甲板，以及《回到未来II》是其中三个典型例子。现在，这种近乎幻想的显示效果将走进现实，而且其显示原理一点也不会违反物理定律。实现这一全息视屏显示的公司叫做光场实验室（Light Field Lab），它是一家来自美国硅谷的初创公司。该公司开发了世界上第一种真正的全息数字显示技术。

    根据外媒Techhive报道，这个技术它不是2012年在科切拉音乐会舞台上用来复活Tupac Shakur的技术——这是一种被称作Pepper's Ghost的显示技术，已经存在了将近160年，其原理是使用烟雾和镜子来反射2D悬浮图像。另外，它肯定也不是三星、索尼、Looking Glass和Stream TV等公司多年来一直在展示的自动立体式3D技术。该技术原理上向用户的每只眼睛呈现一幅独立的2D图像，只要用户处在正确的位置就可以看到一幅3D影像。不过，这种技术有时会因为视觉辐辏-调节冲突（Vergence-AccommodationConflict）引起用户的头晕和恶心，同样，这一问题也一直困扰着眼镜式3D设备和头戴式显示设备的应用。

    光场实验室成立于2017年，它们开发了一项名为SolidLight的技术，该技术可以准确复制光在现实世界中的行为。实际上，当用户观察现实世界中的物体时，来自太阳或其他光源的光会从物体的许多不同点向许多不同方向反射，其中一些会进入用户的眼睛（见图 1a）。当用户在物体周围移动时，不同的光线——或者更准确地说，波前（Wavefront）——进入他们的眼睛，这时用户就能看到不同视角下的画面。另外，其后方的物体对象会以不同的方式被阻挡（遮挡）。

图1a.现实生活中，光线从物体的不同位置向不同方向反射，其中一些光进入你的眼睛

    基于此理，如果设计者可以在没有真实物理对象的情况下，依旧能够生成从许多不同位置向许多不同方向反射的光波前，那么他们就能够以全息显示的方式再现上述对象（见图1b）。这就是SolidLight技术所做的工作，而传统的立体显示技术做不到，传统3D技术在显示画面时，所有的光都来自同一个平面。即使每只眼睛都处于一个稍微偏移的画面观看位置，它显示的也只是图像，而不是3D的物体对象——这些技术无论如何都不能实现真正的全息显示效果。

    图1b.光场实验室的SolidLight技术可以重现用户在现实生活中看到的相同光波前，这意味着用户所看到的物体和真实对象几乎一样

    这里至关重要的是，光场实验室的Solidlight技术解决了包括尺度(Scale)、密度和计算在内的很多瓶颈问题。实际上，要有效地形成一个真正的全息物体对象，设计者需要生成和控制数百或数千亿个波前的方向和幅度，这里的波前对应于2D显示器上的像素。请记住，4K显示器具有830万像素，而最先进的8K显示器也才只有3300万像素，这些和SolidLight生成的每平方米100亿像素简直不能比！

    更重要的是，设计者要实现的场景要以无数波前的形式同时出现，这时用户的眼睛才可以随时关注场景中的任何一点，就像在现实生活中一样，而用户没有关注的区域会表现出离焦的模糊状态，这也和我们现实生活中所感受的情况一样。除此之外，真实世界中光的所有属性——反射、折射、衍射等也都要被完全再现。最重要的是，这些过程的实现不需要特殊的眼镜、头部追踪或其他配件。

    图2. SolidLight显示面板由光源（在此图中表现为光子阵列和幅度调制平面组合的一个单元）和一个光学相位引导器（PhaseGuide）组成。它们结合在一起就可以重新创建与实际物体相对应的光波前，因为视觉上没有差异，用户将无法区分画面和真实物体对象。

    Layer-Cake技术

    那光场实验室是如何做到上述过程的呢？凭借已经授权的300多项专利技术。该技术对应的硬件是一种具有三层基本组件的模块化SolidLight Surface视频墙。其中，第一层是基于硅的发光器件相控阵列，该公司称之为“纳米粒子聚合物”，当然该公司也没有具体说明这些设备是什么，不过显然，它不是LED阵列，它们的密度甚至比Micro-LED面板还要高得多。另外，这一层还包括了提供强大处理能力的电子设备。

    作为第二层的中间层是一个幅度调制平面，顾名思义，它在电子设备的控制下调制来自光子阵列的光波前幅度。与光子阵列一样，光调制器阵列由单独可控的亚微米或纳米粒子组成。该层的功能时调节最后一层发出的波前；如果我们具体去看幅度调制平面的光输出，那只会是一堆噪声。

图3. 一个桌面版本的Solidlight面板可以在表面形成3D图像

    最后一层是PhaseGuide调制平面，它是一个静态光学层，需要与其他层协同设计，进而让投影对象聚焦。这些组件的精确光学特性可由客户配置——例如，他们是否希望物体位于屏幕前两英尺、屏幕后或其他地方？

    上述基本显示硬件是一个无边框的子模块，尺寸超过6x4英寸，分辨率为16,000x10,000像素- 在大约27平方英寸中包含1.6亿像素！15个子模块可以融合形成一个方形模块化面板，边长约半米，拥有惊人的25亿像素，也就是每平方米100亿像素。当然，用户也可以平铺多个面板以创建几乎任何尺寸的SolidLIght Surface 视频墙，这和其他模块化LED视频墙系统一样。据该公司称，与Micro-LED显示器不一样的是，发光元件（像素）的精确放置没有问题，其“巨量转移”过程在软件中就可以完成。

    最后，几乎任何来自CGI系统（如Unity、Unreal、Maya、Blender或任何具有深度信息的）的3D场景数据都可以由SolidLight的WaveTracer软件实时渲染，而无需“预处理”。编码的矢量化光子信号类似于杜比全景声矢量化空间音频信号。该系统甚至可以合成2D图像中的深度信息。

    如果要用普通的视频术语介绍，SolidLight可以以每秒60帧画面的速度显示10位色深的画面。如果客户比较在乎显示的帧速，光场实验室还可以进一步优化，以更高的帧速率运行。另外，它还可以使用较慢的速率来构造运动模糊画面以获得艺术效果。