2009年电影“阿凡达”在全球掀起一股3D热潮，“阿凡达”在片中大量运用3D特效，创造出令人惊叹的视觉效果，全球票房成绩亮眼，因此让3D技术再度成为话题。然而随技术的突破以及消费者需求改变，须要配戴眼镜才能观看的3D技术，已满足不了市场的需求，消费者现在期待的是“裸视3D”。

  然而，早期市场上多数的裸视3D显示，系以平面显示器为基础，在其表明上进行光学处理以产生立体影像，如平行遮罩(Parallax Barrier)及柱状透镜(Lenticular Lens)技术，相较于真实世界的立体视觉，其视域仍不足，立体效果受到许多限制，例如观看距离受限以及跨视域所产生不正确的立体感，让观赏者无法产生自然的立体视觉，这使得裸视3D产品一直没办法打开市场；反而是某些以“全像(大陆称全息)投影技术”为号召的技术，在特定的应用中创造了极为吸睛的视觉效果，例如在歌手演唱会、时装秀、已逝名人纪念会场等，近几年来屡见不鲜，而且往往都能吸引媒体大肆报导，达到最好的宣传效果。我们将这些技术通称为漂浮影像技术。

  这些号称3D或全像的飘浮影像技术，其实原理格外的简单，不需复杂的全像理论，只要基本的光学观念就能够理解。所以我们藉由这篇文章剖析这其中的奥秘，让有兴趣的读者下次再看到相关的报导时，有更深一层的认识。不过这些技术并非线D影像，对于有兴趣再深入探索线D漂浮影像技术的读者，我们也简单的介绍尚在开发中的技术，可做为读者探索的起点。

  谈到漂浮影像技术，最直接联想到的就是全像技术。全像影像技术已有六十几年的历史了，以底片纪录的全像术影像只有静态，而现在不只有全像术能够产生漂浮影像了。科技日新月异，如今动态3D漂浮影像的技术，能以近乎即时的速度更新。所以近几年来，数位科技结合展场、剧场、演唱会等，将演出场合会当做研发场所，不断推陈出新，极力吸引观众目光，结合科技所制造出的表演效果，确实也达到吸睛的目的。

  现在的观众，看演唱会除了听歌，也重视视觉上的享受，演出者除在造型上也为演出效果费尽心思，如台湾流行歌手周杰伦在2010年演唱会，就以金字塔立体浮空影像作为演唱会的开场。2013年周杰伦再度攻蛋，演唱会中又使用3D技术重现邓丽君风采，上演穿越时空与邓丽君一起合唱的桥段。在第23届的金曲奖，也以3D技术让以故的帽子天后凤飞飞，风华重现舞台，栩栩如生的影像，都是以浮空投影技术所达成。日本甚至还打造了“全像虚拟歌手--初音未来”，2012年还曾来台开演唱会，演唱会上与真实乐手现场演出，吸引大批粉丝争相朝圣，虚拟偶像的魅力，毫不逊色真实歌手。而在欧美的时装秀中，也曾大玩“浮空投影”技术，让真人模特儿与全像模特儿交错走秀，达到虚实合一的炫丽效果。

  过去传统形式的商品展示方式，逐渐被动态广告取代，只是目前多使用平面面板，未来则看好与3D漂浮影像特效结合，希望藉由虚拟的全视域影像显示方式，达到吸引消费的人的目光进而驻足了解甚至提升购买该商品的欲望。图1是以投影系统建构的四面360度全视角漂浮影像显示装置，此架构颇适合商品展示等应用。

  前面提到了好几个应用浮空投影技术的实例，都成功营造了炫目、令人惊叹的视觉效果。只是这些是怎么样才能做到的？这些线D影像吗？事实上这些技术所形成的影像不是静态的3D实物投影，都是动态2D投影漂浮平面影像，并非线D。

  然而为什么这些影像看起来似乎真的有立体感呢？这是因为漂浮加上动态效果形成的错觉。线D影像能呈现物体的各个面向，影像本身就具有深度差，观赏者改变角度会看到影像的不同面向，而且影像是漂浮在萤幕(窗口)的前面，能引发观赏者想用手碰触或抓取影像的好奇心，在好奇心的驱使之下，可想而知，只能碰触到空气。

  和3D影像比起来，漂浮的平面影像没办法从不同方向看到物体的不同视角，而且当观看角度与影像平面的夹角越大，影像会因为变形而显得越扁，这一点刚好可拿来判断漂浮影像是2D影像还是3D影像。如图2左是3D影像，从任何角度看都是正确比例，而且不同角度能够正常的看到物体的不同视角；图2右是2D影像，从任何角度看影像都一样，而且角度越倾斜，看到的影像被压缩得越扁。

  说到3D显示、浮空影像或全像术，很多人心中浮现的，都是期望影像可随时随地任意出现在自由空间中的特殊效果，例如走在路上也可以每时每刻与远方朋友聊天，而对方影像就浮现在你的身前，在会议中会议桌上方空间就能浮现讨论中的物品(图3)。不过这显然与光线只能直线行进的物理现象相违背。

  图3想像中浮在会议桌上方空间的车子图片来自：br>

  现在就来谈谈各种浮空影像技术的原理，首先我们简单说明一下为何光线中的想像没办法实现。就用图4手机上的机器人举例说明，对机器人头上一个点(图中的X点)而言，手机所发出的是光线A，但在眼睛位置如果要看到它，所需要的是光线B。显然的，除非光线能够在该点的位置来个大转弯，否则光线B是无法存在的，也就是眼睛是看不到该点的。现在市面上有许多号称是全像或全息的3D影像显示技术，先不论实现动态全像显示所需的关键元件--次微米级画素的大面积相位调制器，仍远非目前技术所能制作，即使有这样的元件，仍无法逃脱光线直进所赋予的基本物理限制。

  目前仍有许多科学家正在研究怎么样于自由空间中显示影像的技术，其中之一是利用汽幕，也就是在所要显示影像的空间喷射蒸气，当光线打在蒸气上时，光线在小水滴中的折射和全反射作用可以产生往各个方向的光线中的光线B。然而这种方法有两个主要的问题，一是喷雾设备无法符合随时随地使用的条件，二是此法仅适用平面型的汽幕和2D的影像，是因为若使用3D汽幕，光线在到达后方之前，会先被前方的蒸气散射，以致无法聚焦于后方产生该处的光点。目前有FogScreen和Heliodisplay两家公司有这类产品，且都是2D影像。

  另一种不需要汽幕就可以在自由空间产生影像的方法，是使用高功率的红外线雷射光进行扫描，红外线雷射所聚焦的地方因为单位体积内的包含的能量极高，会使空气产生游离现象并爆发出可见光点，藉由雷射快速扫描产生的光点组合成所要显示的影像。这种方法确实可以在自由空间呈现线D的影像，但是因为安全性的因素，实用性并不高。

  除了这两种方法之外，目前市面上常见的浮空影像技术，如文中所提到的例子，都没提供图4中光线B的功能，因此更没有“随时随地”、“自由空间”的特性，这些常跃上媒体版面的技术，通常是使用反射镜、透镜、半穿透萤幕等，再藉由适当的遮蔽和环境光线D影像漂浮在空间中的感觉，但实际上影像通常是2D，且后面通常有庞大体积的物件存在，只是被巧妙地隐藏了。

  这些常见的技术大略可以分成三大类，分别为纱幕式、虚像成像式、实像成像式。以下分别说明这三种技术的原理。

  这种方式其实和一般的投影机投影没什么两样，只是萤幕改成具有微小散射特性的透明纱幕，因为其具有散射功能，投射在上面的影像会有部分光线被往四面八方散射，让观众看到，也因为纱幕的透明度很高，观众又可以透过纱幕看到后面的所有景物，所以感觉上好像影像就浮在半空中一样，但因为投射在平面纱幕上，所以是2D影像。

  这种方式必须防止观众发现纱幕的存在，故除了投影光线之外还须避免有其他光线打在纱幕上，较适用于室内的舞台表演，或夜间的户外演唱会等。对户外使用而言，还一定要注意风不可太大，否则如果纱幕较大时很容易看到影像随风摇摆的现象。

  这种方式的成像原理基本上就和你照镜子一样，影像呈现在镜子后面，但光线并没有到达影像的位置，因此是虚像。但为了看起来有浮在空中的效果，通常使用半穿透半反射的镜子，让人除了看到反射的虚像之外，也像纱幕式一样可以同时看到后方的背景。

  利用这种原理的产品常见的主要有两种，一种是应用于舞台，仅用一片半穿透半反射镜(图5)。这种方法和纱幕比起来，好处是可以呈现虚实互动的特殊效果，因为其虚像所呈现的位置和真实人物很接近，还可以是重叠的。通常舞台的空间至少有数米甚至一二十米，很难有这么大片的玻璃镜片，即使有，架设这么大玻璃镜片也是浩大且危险的工程，因此通常会使用半穿透半反射的薄膜来取代。

  另一种是用来做可移动式的展示系统，通常会做成金字塔或倒金字塔形状，所以要四片或三片半穿透半反射镜，如果系统小，影像来源可使用面板来显示；如果系统较大，则通常采取像舞台应用的方式，使用投影机和萤幕来显示。观众从四个面(或三面)都能够正常的看到展示的影像。这一类的系统，因为是使用面板或投影机和萤幕作为影像来源，所以也只能呈现2D影像。

  实像成像的好处是影像可以浮出成像元件的外面，不像前面介绍的虚像成像式，影像一定是在半穿透半反射镜的后面，这个特性让观众直接与影像互动成为可能，因而增加了展示方式的丰富性和趣味性。

  要做实像成像，成像的光学元件就不能再用简单的平面镜片了，而一定要使用弧面反射镜，或光学透镜，而且所使用的反射镜或透镜尺寸都必须够大，否则可观赏的角度将非常小，甚至有可能出现绝对没角度可看到完整影像的问题。

  利用实像成像原理的浮空影像展式系统的构造大致如图6所示，其中左边的图是使用光学透镜，右边的图则是使用弧面反射镜。使用弧面反射镜的好处是光的路径可以重叠，因此系统体积可以缩小，但亮度则必须做某些牺牲。使用光学透镜则体积较大但亮度较佳，不过大型光学透镜的价格不斐且重量颇重，通常会以Fresnel透镜取代，代价是影像品质会有所下降。

  如同前面谈到的，实像成像可以产生浮出成像元件外面的影像，让观众可以直接碰触影像和影像互动，增加了很多应用的可能性。可惜的是它除了目前仅有动态2D影像之外，它的影像占总系统体积的比率相当低也是主要缺点，也就是要呈现一个小影像即需要庞大体积的系统。

  以上介绍的不管是舞台应用还是移动展示应用，虽然确实有影像漂浮的效果，但却不是3D影像，只是漂浮的2D影像罢了，观众无法从不同角度看到不同影像视角，而且只要角度稍大就会看到影像变扁了。

  那么，现在是否有线D漂浮影像显示的产品呢？在不违反“光线直进”的原则下还是有的，例如现在市面上可以买到一种由上下两个凹面反射镜组成的系统，上面的反射镜中心镂空一个圆孔，买的时候会附送一个小猪模型，把小猪放在下面反射镜的底部，用大约45度的角度看时，上方反射镜镂空处会浮现小猪的影像，这也是实像成像的方式，而且是线D影像，可惜是静态的。这种方式只要用一片小面板取代小猪，也可用来显示动态影像，但影像就会变成仅是平平摊在镂空开口处的2D影像了。

  至于线D浮空影像，目前也有有关技术在开发中，例如所谓的体积形3D显示器(Volumetric 3D Display)，如美国Actuality System公司开发出应用于3D医疗影像显示的产品；它的主要构造包括一个快速旋转的萤幕和一台快速投影机，两者配合在1/30秒中快速投影出影像的200个不同角度切面，组合成立体影像。

  体积形3D显示器可以呈现360度视角的漂浮影像，但因为它需要快速旋转的萤幕，难以避免会产生震动、噪音和不稳定影像，而影像的放大也因为受限于机械构件的惯性而有其极限。此外，影像位于萤幕扫过的空间，观众不可能伸手碰触影像直接和它互动，限制了其在多媒体、娱乐、广告等消费性需求的应用机会。

  全像技术理论上可以产生360度可碰触的漂浮影像，但需要次微米级画素的大面积相位调变元件，目前技术在微型面板能够达到3?4微米的画素，在大型面板的画素则至少仍有数十至数百微米等级，距离实现360度全像显示仍有很长的路要走。

  不过现在还有一种技术也能轻松实现位于可碰触空间的360度漂浮影像，是所谓光场显示技术。光场显示技术其实历史非常悠久，可追朔到西元1908年Gabriel Lippmann所提出的积分影像(Integral Photography)技术，其基础原理是利用光线的交会来产生物点，众多物点在组成物体的影像。目前有日本国家资通讯技术研究所(NICT)、美国南加大(USC)、以及日本HolyMine公司等使用不相同的萤幕和技术，分别开发出360度漂浮影像光场显示器的原型。其中NICT使用的是静止的锥状萤幕，USC用倾斜45度的旋转单向扩散萤幕，HolyMine则是使用平面旋转单向扩散萤幕。这些系统的详细作法和原理较为复杂，限于篇幅不在这里介绍。这些系统目前都还有些缺点，例如NICT的系统影像较小且模糊，USC系统还是不能伸手碰触影像，HolyMine和USC的系统都有震动、噪音的问题，不过可以看出来，要中短期内实现360度可碰触的3D漂浮影像显示系统，光场显示技术应该是较可能的方式。

  这几年常见于媒体的浮空投影技术，已经验证了它对于观众的吸引力，可惜的是这些通常以舞台及光与影包装的技术，其实只是呈现漂浮的平面影像，没有线D影像可从不同角度看到人物不同面向的视觉效果。除此之外，这些技术的影像通常还隐藏在玻璃屏幕之后，只可远观不可把玩，又或者影像太小、可观赏角度太小等，限制了它的应用场域。

  3D漂浮影像技术，目前有两大课题须要突破，一是要呈现近距离的线D影像，二是突破大多数虚像漂浮影像只能看不能碰触的缺点，若能做到这两点，再结合手势辨识技术创造互动效果，势必可为广大购买的人带来全新的感受。还有浮空投影技术的运用，目前在环境上仍有些限制，主题的周遭不能太亮，但又不能暗到看不清楚，常须不断调整角度、光线，耗费时间也花大钱，这也是未来须要改善的技术问题。

  浮空投影之所以吸引人，就在于它能跳脱一般3D显示器的框架限制，而且能搭配活动主轴制造效果，能在观众面前呈现令人意想不到的视觉震撼。创造视觉震撼，得花大把钞票，尽管如此，国内外的表演对科技的应用仍然趋之若鹜。投影科技与娱乐之结合已成趋势，未来这种技术在广告，展览、娱乐、会议，甚至教育和医疗上，预期将会有广泛的应用。

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