立體顯示是人類永恒追求的夢想（下）

丁守謙

1939年愛德旺·蘭德用兩部具有不同偏振光的放映機將左、右眼圖像同步地投射到屏幕上。左眼像是用垂直方向的偏振光，而右眼像是用水平方向的偏振光。然后戴上一副左、右眼各不相同的偏光眼鏡，使左眼偏光鏡只能通過垂直偏振光，故只能看左眼像；而右眼偏光鏡只能通過水平偏振光，故只能看到右眼像 （圖1）。故能看出立體像來，使人有身臨其境的感覺。

同年在紐約建成了立體電影院，引起極大的轟動。后來將垂直和水平偏振光分別改為正旋圓偏振光及反旋圓偏振光，這時戴著這種偏光眼鏡的人稍稍轉一點或偏一點不影響觀看效果。但由于偏光鏡片的透光率只有50%左右，立體圖像顯得較暗，必須在黑暗的電影院內才能放映。一方面是制作這樣的影片相當困難，因而片源缺乏。另一方面受電視沖擊也是一個原因。尤其是寬銀幕及特寬大屏幕出現以后，影響更大，立體影院也曾幾度沉浮，及至《阿凡達》的上演才開辟一個3D新紀元。新近由于LED（發光二極管）的亮度特別高，利用這種LED做成的屏有近10.3米的寬度，超清4K分辨率，可比投影屏的亮度提高10倍，而對比度提高500倍，電影的每一個細節將被清晰還原。現已有產品問世，放映技術又將面臨革命性的變革。

液晶快門眼鏡觀看立體電視

自從發明了黑白電視以后，按科學的發展進程必然是彩色電視，進而是高清晰電視，接著立體高清晰電視自然會提到議事日程。

上世紀90年代，隨著一項新技術即液晶快門發明使立體電視進入家庭成為可能。利用有源液晶，做成眼鏡片，當左眼液晶鏡片未加電壓時，則是透明的，這時屏幕上顯現的是左眼像，同時在右眼液晶鏡片加上電壓，則是不透明的，這時只有左眼看到左眼像。反之，當屏幕上接著放映右眼像時，這時右眼鏡片未加電壓而透明，而左眼鏡片因加有電壓不透明。于是保證右眼只能看到右眼像，滿足了立體成像必備條件之一。

在電視屏面上，就這樣一場放左眼像，下一場放右眼像，不斷地循環往復放下去，而所加電壓由電視機紅外線發射窗發出的紅外線傳遞到液晶眼鏡片上也同步地依次切換確定它們的開與閉（圖2）。現彩電的場頻為50（PAL制）-60（NTSC制）赫茲，故如保持液晶的開關速度和場頻一致且同步，則可以看到立體電視，但這時立體像的頻率只有一半為25或30赫茲，看起來有些閃爍，讓人難以忍受，后將場頻提高到100或120赫茲，甚至200或240赫茲，這種閃爍現象得以減輕或基本消除，情況變好。

當時所有彩電廠商都在生產這種立體電視。但由于觀看時要載上帶有小電池的液晶快門眼鏡，且價格昂貴。后來還出現一種立體電視，也是用偏振片眼鏡來觀看，這種眼鏡便宜的只需幾塊錢，而且十分輕便。但這時無論是左眼像或是右眼像，其垂直方向的清晰度均降低了一半。但有一個好處是和觀看普通彩電一樣不會感到閃爍。已購買立體彩電的家庭，新鮮了幾天之后，都不再看了。這是為什么呢？歸根到底是損失了原二維圖像的質量，例如無論是液晶快門還是偏振片其透光率只有50%左右，圖像變暗，彩色飽和度降低，沒那么鮮艷，易生串擾或閃爍，而且還需戴上一副立體眼鏡，價格還高不少，得不償失，所以時興一陣終究流行不起來。

隨機點圖立體畫

這里還不得不提到在上世紀90年代曾風靡世界的所謂“畫中畫”。可用所謂“對眼法”即將雙眼向鼻尖方向靠攏對畫面凝視一陣能看出隱藏其中的立體畫。它原出于貝爾實驗室的貝勒·朱爾茲于1960年研究出的隨機點立體圖形學。

起先的目的是用此來說明深度的成因，但過了幾近30年后才被物理學家、美學家及實業家利用其基本原理做成為具有市場價值的商品。如（圖3）用對眼法注視一陣即看出5只熊貓來，中間的那只熊貓是立體的，坐在草坪中央，蝴蝶處于最前端，兩邊各兩個熊貓依然是平面的，處于最遠端。這時你保持頭不動，眼不眨，將一個不透明的紙條完全蓋住最左邊的那只熊貓像，奇妙的事情就發生了，第二只熊貓原本是平面的，這時就變成立體了，與原先中間的那個熊貓的立體程度不相上下，這就是所謂的“誘導立體”。

反之，如將最右邊的那只熊貓用紙條蓋住，則右數第二只熊貓就變成立體熊貓了。這一新發現在擴大立體視場中很有用，我曾有專文論述。但風行了一陣以后現已較難找到。因它確實具有新奇性，但缺乏真正的美感，且給眼睛帶來太大的負擔。

全息攝影及全息成像

一種全新的方法即全息攝影及全息成像，其形成立體像的原理及方法則與上面談到有所不同，是真正裸眼的，可以從各個角度來觀看，簡直和觀看真正的事物一樣，可惜由于技術的難度太大，至于至今尚未完全實現。要想普及恐怕得要一二十年，這一方法卻是由另一著名事件而引起的。

電子顯微鏡發明后，由于電子波的波長比光波波長短得多，照理說觀看原子、分子應沒有問題，但謝爾赤證明“電子透鏡的球差不可能完全消除”，因此電子顯微鏡的分辨率大大地降低了。1948年英國的電子光學專家伽柏為了解決這一問題，于是別出心裁地想出了一種方法：用一個單色電子束（即它們的能量也即波長完全一致），讓它一分為二個波束，一束照在觀察物上后它的反射波束與另一波束在某平面上相交，就會出現一些干涉條紋圖，這就是他所謂的全息圖（Hologram），因它既記錄電子波的強度，也同時記錄了電子波的位相，也就是說記錄了該成像電子波的全部信息，故稱之為全息。而后再用單色光來照射此全息圖，光波就以原來的方式進行傳播（圖4）。

打一個形象化的比喻，正如悟空有定身術一般，它喝令一聲將光波成像過程中在某一平面處停下并記錄，然后一聲令下又可解除，按原先成像的路徑接著運行。后面再用一個具有負球差系數的光學透鏡來成像，這可用來抵消與生俱來的電子透鏡本身的正球差，從而獲得完美的放大圖像。但就當時的技術條件而言，這種單色的（即能量完全一致）電子束是難以獲得的。當時這種最先進的成像方法只是一種設想，無法做到。但到1962年激光發明后，利茲和烏帕尼克利用伽柏的這一思想實現了這種全息像。因為激光就是波長完全一樣且具有很高光強的單色光。我們所看到的不僅是一個立體像，而且還可從不同的方向進行觀察，就像觀察實物本身一樣。這當然是最理想的成像方式，人們對它寄予很大希望。由于伽柏提出了“全息術”而使他獲得諾貝爾獎的殊榮。但發展至今日，依然舉步維艱。由于成像條件特別苛刻，不允許有任何一點振動，且實現彩色及運動圖像方面遇到很大的困難，僅停留在試驗研究階段。如今尚只能在防偽商標中得到一點的應用。

后又有人在進行多路全息術的開發，將一個人或物放在一旋轉臺上，利用電影攝像機拍1000-2000千張像片，再通過激光使它變成彩虹全息片。將該片卷成圓筒狀，在中心偏下部分放一個小燈，于是形成一個360的全息像，你圍繞它從哪個位置都可以看出立體像。目前僅停留在試驗演示階段。

通過現有的大量文獻，尚可以找到各式各樣立體成像的方法，這里難以一一列舉，但人類追求完美的立體像的腳步永不會停止。總是在保留原有的優良基礎上更上一層樓，而不是以損失原有優良品質作為代價而獲得新的特質。唯愿有日新月異的優質VR、AR產生， 增添人類的風彩！