在2024年中国科学技术大学的毕业典礼上，一款“空中成像提词器”的创新技术惊艳亮相，助力校长完成了无纸化的流畅演讲，不仅赢得了现场师生的热烈掌声，更将无介质空中悬浮成像这一前沿科技概念从专业领域推向了公众视野，这一技术成果展现了我国在虚拟现实领域尖端科技探索的又一重要进展。
无介质空中悬浮成像是一种无需任何物理屏幕即可在空气中形成三维立体影像的先进显示技术。与常规透明显示如抬头显示器（HUD）或基于佩珀尔幻象（Pepper's ghost）实现的光学错觉技术不同，其不仅呈现出悬浮影像，而且可以进行穿透式交互。该技术基于微纳结构光场调控基本原理，通过无源光波导阵列器件—负折射平板透镜，精准控制光线的入射、折射和反射，将发散光线在空中重新汇聚，形成无需任何介质承载的实像。此次展示的由我国科研团队研发的成果，核心在于自研的光学成像材料与计算机图形学、图像处理、高精度控制和算法模型等系统集成，不仅能实现虚拟三维模型或场景的悬浮展示，更能实现无实物接触的直接交互。同时，创新负折射平板透镜的结构工艺，在两片基板玻璃中间布局相互正交的两层光波导阵列，使每层光波导阵列呈精密百叶窗设置，确保耦入光线产生精确双重反射，实现空中无畸变、高清晰的虚拟图像。与传统的液晶显示器（LCD）、有机发光二极管（OLED）、激光投影等显示方式相比，空中交互式悬浮成像最大的颠覆性亮点在于，不仅无需依赖屏幕或其他介质即可观看，还可以通过手势实现直接操控关联设备，这一裸眼视觉引导的非接触式交互操作，高效直观易用，具有高立体感、高互动性、高扩展性等技术特点，极大地提升了用户体验。
19世纪末，英国电影先驱威廉姆・弗莱斯・格林发明了立体电影装置。与此同时，法国科学家发明了集成摄影技术，分别从场景呈现和内容获取开创了3D立体显示的先河。20世纪50年代，立体电影迎来了短暂的黄金时代。美国电影《阿凡达》让立体电影发展到又一个高峰。然而，百年来发展多聚焦于电影制作与观影体验，并未真正带来显示技术的进步和应用场景的创新。2005年，韩国首尔国立大学利用菲涅尔单透镜，搭建了显示视角仅为30°的悬浮成像系统，但因悬浮器件像差抑制能力差，成像面畸变严重。2014年，日本发明了逆反射悬浮成像技术，可以实现超90°的悬浮成像视角，但由于受逆反射系数的限制，画面清晰度很低，目前仅应用于数字标牌和展览展示。即便如此，上述关键核心技术均未公开开源，属于各国长远布局、相互封闭的前沿技术领域。
经过多年发展，中国悬浮成像产业已崛起为全球关键力量，在微纳结构多参数模型构建、高分子矩阵涂布、空间光场视觉检测和高精度空间交互传感等关键技术领域均取得重大突破，实现了从跟跑到领跑的飞跃。2016年，中国科研团队创新性地采用光波导阵列技术，超越传统菲涅尔透镜与逆反射技术的局限，率先实现高质量、宽画幅、大视角、无畸变及无色散的空中成像。同时，研发的点对点强交互传感技术，成功解决了空间光场显示中的成像质量差、器件制备难、交互波动大等难题，技术水平已经进入全球第一阵营，处于全球领先地位。
无介质空中悬浮成像技术，作为数字时代显示技术的前沿探索，具有独特的实用性和创新性。它打破了屏幕限制，实现非接触式交互，能够满足多元化需求，具有巨大应用潜力和革新意义。
在医疗领域，无介质空中悬浮成像技术的无接触操作特性尤为显著，能有效解决触摸按键可能导致的交叉感染问题，优化术中操作流程，减少设备对气流的干扰，从而显著提升了手术室的工作效率和院感防控水平。目前，该技术已广泛应用于解放军总医院、阜外医院等全国数百家医院，成为行业升级的重要驱动力。在智能座舱领域，通过二者深度融合，不仅能替代传统中控台显示方式，增强科技感和未来感，还能通过减少驾驶员视线转移，有效提升行车安全，为汽车产业的智能化升级开辟了新路径。同时，在特种行业领域，无介质空中悬浮成像集成产品凭借其防尘、防爆、防静电及防指纹等特性，为特殊环境下的作业提供了更为安全可靠的解决方案，有效降低了安全风险。
除此之外，无介质空中悬浮成像技术的发展，对于国家安全、科技创新及产业升级具有重要战略意义。它推动了上下游关联企业生态圈的构建，促进了传统玻璃、终端设备等生产厂家与软件服务商的紧密合作，激发了整个产业的创新活力。同时，通过自主研发和技术突破，我国不仅打破了国际技术封锁，更在全球新型显示技术领域占据了领先地位。其一，在核心基材研发方面取得重大突破。成功攻克超薄高折射率光学玻璃、超低收缩环氧粘结剂等关键材料的自研难题，这些材料曾长期被美日等国际光学巨头所垄断，不仅打破了国外技术垄断，更为我国在全球显示技术竞争中赢得了主动权。其二，实现了产业配套依赖的突破。通过自主创新，成功实现核心光学元件生产检测所需的高速减薄机、真空蒸镀机、激光退火等关键设备及系统化技术的国产化替代，在降本增效的同时，还增强了我国在全球显示产业链中的话语权。其三，量产工艺瓶颈的突破。实现微纳结构工艺制程的快速迭代，不仅大幅提升了生产效率与产品良率，还抢占了产业发展的先机。
无介质空中悬浮成像技术虽前景广阔，但也面临技术瓶颈、市场认知不足及产业链协同缺失等挑战。面对上述问题，可以从以下方面加以探索解决。一是强化政策支撑，完善产业体系。制定针对无介质空中悬浮成像技术的专项政策，加大资金、技术、人才、数据等要素的投入，优化产业融合发展环境，为技术发展提供坚实的政策保障。二是加速技术供给，突破核心技术瓶颈。依托国家战略科技力量和行业领军企业，加快前沿技术和颠覆性技术的研发，打造原创技术策源地，推动技术瓶颈的突破。三是培育经营主体，激发创新活力。加大对企业的资金支持力度，设立相关孵化基金，培育一批重大项目、产业及创新团队，推动产业做大做强做优。四是前瞻布局多元场景，促进产业应用。设立龙头企业技术机构，提供产业技术整体解决方案，提升前瞻需求预测能力。同时，支持创新城市和示范区开展前沿技术试验，设立试点示范项目先行探索，培育新型产业形态，拓宽技术应用场景。
文章来源：《学习时报》2024年7月17日第6版
本期编辑：董大伟
