全息显示技术如何实现应用突破？一文看尽全球最新技术动态

【内容目录】

武汉技术团队研发飞秒激光击穿空气形成3D影像

美国杨百翰大学基于激光控制粒子实现全息显示

美国Swave公司开发研制全息显示芯片

加拿大ARHT利用投影方式创造全息显示效果

索尼研发高透明度HOE全息显示方案

微美全息战略投资云视图研，5G全息教室打造元宇宙授课新模式

「狭缝镜阵列」的全息显示技术，研究登上计算机图形学顶会

【点睛】

全息显示或模拟全息效果显示技术具备沉浸感、拟真性和交互性等特点，在视听文化娱乐等众多领域具备广阔的发展与应用前景，与影视行业结合，可打破传统审美习惯和创作方法，为观众带来全新观影体验。

近年来，国内外技术团队和相关企业围绕显示技术、显示芯片和整体解决方案等持续开展全息影像技术研发。

随着未来全息显示的技术发展与应用推广，相关影像作品可借助其技术特性开创全新的观影与交互模式，融合增强现实（AR）、裸眼3D等表现形式和内容设计，可为沉浸式交互式内容体验注入全新动力，为元宇宙发展提供真实世界与虚拟世界的深度连接。

武汉技术团队研发飞秒激光击穿空气形成3D影像

近日，武汉东湖高新区虹拓超快激光联合实验室团队研制出高能量、高峰值功率飞秒激光器，通过诱导空气发光呈现3D图像，而无需银幕、水雾等媒介。

飞秒激光器峰值功率密度达百万兆瓦级，可将高峰值功率的飞秒激光聚焦，达到每平方厘米100太瓦极高强度后击穿空气，诱导形成发光等离子体，采用3D扫描器将激光束进行扫描，对发光点阵进行排列组合，在空中形成各种文字或图案，让观众全角度、无死角观看到3D图像。

▲飞秒激光形成3D文字

迄今为止，激光已被用于多种显示系统，但以投影显示为主，通常将激光投射到屏幕或水雾上，经漫反射后形成图像。相比传统激光显示，飞秒激光显示技术让空气成为主动发光体，不需要屏幕、水雾等，可将3D图像直接在空中呈现。

目前，该团队发布的飞秒激光显示图像均为单色。未来，研究团队将通过对飞秒激光脉冲时空分布进行复杂编辑和控制，精确调控体素的亮度、颜色及持续时间等特征参数，进一步提升飞秒激光器功率，实现超大幅面空中真实3D显示。

美国杨百翰大学基于激光控制粒子实现全息显示

美国杨百翰大学电子全息实验室近日研发了一种通过激光束控制微型纤维素粒子，在空间中显示裸眼3D全息图像的无屏幕方案（Optical Trap Display），可在空间中显示全彩色全息图像。未来，在结合眼球追踪技术后，还可根据观察者的视角来动态调整深度和背景，以模拟无限大的显示区域。

▲激光束点亮微型粒子形成图像

该方案的原理是，利用激光束拖拽微型粒子移动，与此同时激光束也会点亮微型粒子，基于人眼视觉暂留原理，当点亮的微型粒子高速移动时，便可模拟肉眼可见的立体全息图像。

该方案可显示静态长焦画面，也可以显示动态全息图像，可显示区域大小与装置大小成正比。此外，由于微型粒子移动速度足够快，它几乎可以同时显示多种颜色和虚拟图像。

两年前，英国布莱顿苏赛克斯大学的科研人员也曾研发类似的全息方案，不过与杨百翰大学激光捕获粒子方案不同的是，苏赛克斯大学利用超声波来控制1~2毫米直径的聚苯乙烯粒子。

▲利用超声波控制微粒移动

苏赛克斯大学超声波方案基于声悬浮原理，通过扬声器产生的超声波来控制微粒移动，刷新率可达100次/秒。光源采用LED照射，支持RGB全色彩显示。

该方案的另一特点是，可同时利用声波来产生触觉反馈。超声波可在悬浮粒子、体感反馈、声音模式之间快速切换，速度快到人体无法察觉，这样体验者就能够在看到全息影像的同时获取声音与触感。

美国Swave公司开发研制全息显示芯片

美国半导体公司Swave正在开发一种名为“Holographic eXtended Reality（HXR）”的全息显示技术及芯片，借助这项技术，Swave将能拍摄2D全息图，并从各个方向完全重建场景3D光波。

Swave微芯片采用CMOS技术制造，能生成亚½波长像素，像素尺寸小于220纳米，从而实现超高分辨率显示。

HXR小型芯片（0.5cm×0.5cm）面向轻型可穿戴设备，大型芯片（2cm×2cm）则面向高端全息显示器。Swave表示，HXR芯片尽管可用于传统AR/VR眼镜等头戴显示器，但其技术本身可在无头戴设备的情况下，实现高分辨率、沉浸式的3D显示，这恰恰突破了AR/VR/XR头戴显示的常见难题，如眼球追踪和焦点深度等。

该公司表示HXR微芯片的早期产品将于2023年上市。

加拿大ARHT利用投影方式创造全息显示效果

加拿大技术公司ARHT近日与流媒体平台派拉蒙+联合在英国伦敦举办《星际迷航》主题体验活动，通过ARHT的Holopresence显示系统，可在胶囊（Capsule）装置中将现场观众形象以类似“全息”效果显示出来。

▲《星际迷航》体验活动现场

该显示系统主要由投影设备、专用屏幕和多通道通信软件组成。

虚拟形象被显示在一个立方体（上图右侧）中，其背面和侧面装有黑色帘幕、正面装有专用屏幕，该屏幕是一种带有高增益反射涂层的尼龙网，透明且反光；投影设备位于立方体之外，面向屏幕；通常会在屏幕后方设有道具和地板照明，结合背面的黑色帘幕，形成一定程度的视觉景深效果。

ARHT并不是唯一一家提供此类显示技术的公司，同类技术已被应用于已故歌手演唱会等活动，投影设备从地面将画面投至反射表面。

索尼研发高透明度HOE全息显示方案

近年来索尼公司持续研发一种具有高透明度、高亮度的全息光学元件（Holographic Optical Element，HOE）显示方案，其外观是通透的圆柱体，中间可显示彩色全息图像，背景看起来几乎是透明的。圆柱全息屏尺寸约为100mm×180mm，最大亮度为1000cd/m2，适用于室内场景。

▲圆柱全息屏显示效果

研发高透明度显示屏面临多种挑战，尤其是如何平衡透明度和亮度。通常，透明度和亮度本质是一种权衡关系，屏幕透明度越高，图像就越暗，反之亦然。为解决这一问题，索尼采用HOE方案，即衍射全息光学元件，为透明薄膜添加光学功能。

HOE的原理类似于3D全息图像，即通过照亮胶片上记录的物光来重现全息图像。索尼的HOE方案通过漫射光作为物光，使用两个激光束（扩散光束和参考光束）照射感光聚合物薄膜，从而形成干涉条纹。薄膜中的材料根据干涉条纹中激光束强弱的位置而变化，形成不同的折射率，当具有与参考光束相同波长和入射角的照明光施加到胶片上时，会产生与物光束相同的再现光，而具有不同属性的光则会穿过薄膜。

▲显示结构

为进一步扩大透明屏的应用范围，索尼也在开发平板型透明屏显示器。最新系统原型采用更小投影模组，亮度可达3000cd/m2，透明度超过85%，即使在明亮的环境中也能实现高亮度图像显示。未来，这种平面HOE屏幕有望促进新型通信方式的发展，应用于收银台、线下金融咨询、实时字幕显示等场景。

微美全息战略投资云视图研，5G全息教室打造元宇宙授课新模式

AR全息投影是一种显示技术，它需要媒体，而且一定要实时进行，并能与人互动。我们把它的介质称为“全息介质”，它不可能凭空产生，这也是目前这项技术难以普及的原因。全息投影将图像投射到全息介质上，从而将3D效果呈现在人们面前。这项技术也被称为虚拟成像技术，现在很火的增强现实(AR)就应用在这项技术上。

通过AR展现出的动画、3D模型、视频等，可以在大屏幕上与观众或用户互动。随着科技的飞速发展，增强现实不再是遥不可及的技术。这种让虚拟场景更加逼真的交互方式受到越来越多企业的青睐，并应用于各个领域。作为下一代具代表性的人机交互体验方式，AR互动投影正以其自然交互的独特魅力吸引着各行业巨头的非常大的关注和投入。

此前获得全球首家全息AR上市公司微美全息（NASDAQ:WIMI）的战略投资的云视图研智能数字技术（深圳）有限公司专注于全息显示和计算机视觉领域，公司拥有强大的技术团队，公司成员绝大部分成员均是研发、产品开发或者全息工程设计人员，核心使命就是要将可感知的先进显示技术转化成能应用并推而广之的产业成果，截止目前公司已与中国联通、中国移动、中国电信全部形成了实质性合作伙伴关系，与国内数个教育信息化企业、通信技术公司、知名教育机构及重点高校均有“全息+”领域的技术业务输出。

5G为现有人工智能、虚拟现实等技术的应用发展提供广阔空间。想要利用好5G高速度、大容量、低延时等特征，其中云视图研打造的5G全息教室，深度挖掘沉浸式体验教学，打造逼真学习环境，发挥远程教育的作用，对个性化学习进行有效指导。配合三维教学交互平台，让老师在三维的情景下授课，让同学们在兴趣中学习，这样注意力才会集中，老师远程全息在线，一名老师同时可以教授多个校区的学生，教学效率当然也不在话下。

全息投影的老师具有高度真实、裸眼3D，虚拟呈现的特征，为了解决全息虚拟老师只能在黑乎乎的教室上课的问题，云视图研全息课堂创造性的利用了设备、环境、虚拟现实的技术特性解决了此弊端，优化了全息教室授课的学习效果，“老师看的清，学生记的明”实现了远程全息虚拟现实教学和学生听课的全方位互动。

云视图研通过全息技术紧跟时代创新，实时全息图像捕捉和三维全息模型通过5G边缘云算力赋能进行课堂优化。利用全息技术对传统教室做简易改造，全息老师+三维全息课件满足各种学科和人群学习需要，不仅提高了学习和教学的方便，通过全息课堂虚拟现实技术的三维交互仿真功能，改变了传统教的弊端让教室充满了技术性和未来感。

在5G全息远程教学场景中，我们完全能看到老师正站在浩瀚太空之中，为同学们手把手的拆解宇宙飞船，无需佩戴眼镜，多名学生可共同观看学习讨论，老师也可开展实时讲解。据此看来，云视图研的5G全息智慧课堂技术，有望成为虚拟仿真教学的新形式。

据了解，云视图是在成立之初获得了微美全息的战略投资，双方在全息技术研发与运用上具有高度的协同性，微美全息将和云视图研一起助力全息技术的创新研究与产业应用。

「狭缝镜阵列」的全息显示技术，研究登上计算机图形学顶会

同时为四个人显示不同牌面，互相看不到，也不需要穿戴特殊设备。

纸牌游戏，经常伴随着各种出千作弊的方式，从洗牌作弊、偷藏额外纸牌再到最简单的，偷看别人的牌…… 只有你想不到的，没有我做不到的。

在解决作弊问题的探索中，一种名叫 ReQTable 的技术是最雄心勃勃，也最令人敬畏的，它能够生成纸牌的全息图，看起来漂浮在每个玩家面前，每个人都从理论上无法看到其他人的手牌。通过增强现实技术，赌神的问题终于被科学方法解决了。

这或许会是未来的打牌标配：物理上看不到对方的手牌，看你怎么作弊？

此前，大多数把棋盘游戏和纸牌游戏数字化的尝试，通常会用一块巨大的触摸屏显示器当做桌面，让玩家们在其上进行游戏。这就是像 Arcade1Up 的 Infinity Game Table 这样的设备所采用的方法，虽然这可以确保没有人能在要输的时候可以挪动棋子，掀开底牌，但这种方法使得玩扑克这样的游戏变得更加困难，因为玩家需要用手盖住自己的牌。

Infinity Game Table 的解决方案是物理屏蔽，你可以将手牌放置在触摸屏上不可见的特定部分，而 ReQTable 的解决方案是使用最新的自定义显示技术。

ReQTable 由东京大学的研究人员开发，将在下周举行的计算机图形学顶会 Siggraph 2022 上正式亮相，它改进了一种被称为「狭缝镜阵列」的全息显示技术。其能够生成看起来像漂浮在目标观察者面前的半空中的图像，而无需特殊的眼镜。借助双面镜阵列，该技术可以生成一对全息图，可以从相对的两侧看到，在这种情况下，坐在桌旁的人可以看到他们已经发的牌，而坐在对面的人却只能看到通用的卡背。

这种方法的问题在于，双缝镜阵列（dual slit mirror array）传统上会产生杂散光（stray light）和重影（ghost image），玩家可以瞥见竞争对手的扑克牌。ReQTable 的研究解决了这个问题，并通过使用可选择性抑制特定频率的光的偏振器和视图控制薄膜来消除杂散光和重影，阻挡光在某些方向上的传播。

生成空中全息图的原始方法 ( a ) 会产生杂散光，将隐藏的扑克牌显示给其他玩家；而在 ReQTable ( b ) 中，杂散光被消除，扑克牌对每个玩家保持私密。

作为光源的双面显示器放置在双 SMA 下方。在这种情况下，来自双面显示器背面的光源为每个用户形成浮空图像。来自显示器的光线被第一偏振器线性偏振。接下来，形成重影的光线在双 SMA 中反射奇数次，使得它们的偏振方向发生了变化而不能通过第二个偏振片。相反，透射光线和形成空中图像的光线在双 SMA 中反射偶数次，偏振方向与重影的光线不同，可以通过第二偏光片。

虚拟现实的扑克游戏有趣地展示了改进版全息显示技术的强大之处，还有无数其他应用正在路上。或许有一天，电脑显示器会被办公桌自带的全息显示器所取代，而为 ReQTable 开发的技术可以允许多人共享同一张办公桌，同时保持各自的全息屏幕，彼此互不干扰。该技术还鼓励额外的人类互动，因为尽管全息物体似乎漂浮在桌子上的每个人面前，但他们仍然可以轻松地看到彼此并进行互动，而不必担心会撞倒任何东西。

更不用说，我们可以用它来玩非常高级的纸牌游戏了。