全息膜技术：重构人类视觉体验
■逯心一 姚家宁
某智能汽车的设计概念图上，汽车挡风玻璃可以生成虚拟的3D导航信息，驾驶员无需低头即可获取关键信息。资料图片
你是否留意过这样的新闻：在一场虚拟歌手助唱的演唱会上，虚拟歌手配合真人乐队与现场观众一起互动，带来一场精彩的视觉盛宴；在某智能汽车上，其挡风玻璃可以生成虚拟的3D导航箭头和碰撞预警标识，使驾驶员无需低头即可获取关键信息……
这一切的背后，都离不开一种名叫“全息膜”的材料。借助全息膜技术，虚拟歌手助唱的演唱会实现了逼真的舞台效果，车载显示系统提高了智能驾驶的交互性和安全性。
据悉，德国的德莎公司和卡尔·蔡司公司近期签署了一份战略合作协议，旨在共同开发大幅面的全息膜技术，重点应用于汽车挡风玻璃的透明显示。这种挡风玻璃借助全息膜技术，未来不仅可以实现导航箭头直接“贴合”路面，实时显示限速和交通标志，还可以突出标记行人和障碍物等，大大提高用户的观感体验和行车安全。
那么，如此神奇的全息膜究竟是何物？它还能给我们带来哪些新奇的体验？本期，让我们为你揭开全息膜材料的神秘面纱。
“加工利用”光源，重塑显示空间
从本质上说，全息膜是一种基于全息成像原理制成的薄膜材料。
将这种薄膜材料贴在玻璃上，人们会看到一种神奇的现象——玻璃变成了“透明屏幕”。人们透过玻璃，既能看到外面的真实世界，又能看到叠加在一旁的虚拟图像。肉眼看去，这些虚拟图像浮在空中，科幻感十足。
这种神奇的现象离不开其背后的科学原理——光的衍射。
实验中，利用光的衍射原理，科学家通过精确计算研制出全息膜材料，使光线按照预设的动作排列组合，进而使人们透过全息膜，看到眼前出现的立体图像。
受益于这种独特的工作原理，全息膜在光学方面展现出了高分辨率、宽视角和低能耗的优异特性。
一方面，全息膜的工作原理是对光源进行“加工利用”而非主动发光，因此在节能方面具有先天优势，特别适合需要长时间运行的显示场景；另一方面，全息膜的视角范围可达120度以上，远超传统立体显示技术，这使得多人同时观看成为可能；此外，全息膜的可塑性使其可以附着在玻璃、塑料甚至柔性基底上，实现大规模制造，满足可穿戴设备的多样化需求……
目前，全息膜材料主要分为反射式、透射式和复合式3类。
反射式全息膜就像一面特殊的镜子，通过反射环境光形成影像，其特点是亮度高、色彩鲜艳，适用于艺术装饰、安全防伪等静态展示的情景中。
透射式全息膜则更像是一个透明的投影幕布。它允许光线从材料背面穿过并在正面形成影像，从而实现动态影像显示。这种类型的全息膜主要应用于汽车挡风玻璃、AR设备等。
目前最为先进的复合式全息膜则结合了反射和透射两种特性，通过集成光电元件实现交互功能。值得注意的是，随着超表面技术和超材料技术的发展，复合式全息膜正在突破传统光学限制，向更轻薄、更高分辨率的方向演进。
近些年，材料科学的进步也推动了全息膜的“进化”，让它在多个领域大放光彩。例如，研究人员通过引入等离子体共振效应和量子点技术，显著提升全息膜的色域范围和亮度表现，提高了全息膜的显示质量。
源于灵光一现，发展方兴未艾
全息膜的诞生，源于一个充满科学想象力的瞬间。
1947年的一天，匈牙利物理学家丹尼斯·加博尔，正在研究如何改进电子显微镜分辨率的课题。研究中，他遇到了一个瓶颈问题——色像差导致图像模糊。
多次试验后，丹尼斯灵光一现：如果先记录被物体散射的电子波信息，再用光学方法重现图像，这是否可行？
为了验证猜想的可行性，丹尼斯再次一头扎进实验室。在没有激光的年代，丹尼斯只能使用水银灯作为光源，通过滤光片获得勉强可用的单色光。
时间到了第二年，在简陋的暗房里，他用显微镜镜头和照相干板搭建起原始装置，成功记录下了历史上第一张全息图——一张写着“Gabor 1948”的透明胶片。
不过，受限于缺少复杂的激光系统和稳定的光学平台，当时全息膜的应用范围极为有限。
直到1960年，伴随着激光器的发明，该技术才迎来第一次发展高潮。不过在保存全息图方面，科研人员仍然面临巨大挑战。
20世纪80年代，全息膜迎来了关键技术的突破。随着光致聚合物材料的开发，全息图的制作开始摆脱银盐材料的束缚。这一时期，美国军方资助了全息显示技术的研究，探索其在战场可视化中的应用。
20世纪90年代，计算机生成全息术（CGH）的出现，彻底改变了全息图的制作方式。利用该技术，数字内容可以直接转换为全息图案，为全息膜的产业化发展铺平了道路。
进入21世纪，纳米压印技术的成熟和光学薄膜制备工艺的进步，提升了全息膜材料的光学性能，进一步加速了全息膜的发展进程。目前，超表面全息技术已将全息膜的厚度降低到纳米级别，同时实现了前所未有的光学效率。
自2010年后，多家显示行业巨头开始布局全息膜技术。例如，日本旭硝子公司和美国杜邦公司相继推出了商用全息膜产品；又如，中国多家企业通过自主创新，在全息膜量产工艺上取得突破。
全息膜的发展方兴未艾，正在进入快速迭代期。目前，全球全息膜市场已形成完整产业链，根据市场研究机构的数据显示，2023年全球全息膜市场规模已突破50亿美元，预计到2030年，将一直保持年均25%以上的增长率。
推动产业创新，应用潜力巨大
如今，全息膜材料已在多个领域展示较大应用潜力。
——医疗健康领域。
在医院的手术室，借助术前CT/MRI数据生成3D全息模型，医生们可以利用特殊头显设备，将肿瘤与血管网络投射到真实解剖位置，并通过悬浮在患者头部上方的全息影像帮助切除脑肿瘤。当手术刀接近关键血管时，全息影像会自动泛起红色波纹预警，进而提高手术安全性。
目前，这项技术已经投入实际应用。数据显示，采用该技术的脑部手术定位误差小于0.3毫米，手术时间与之前相比缩短40%。
——娱乐与消费电子领域。
用全息膜打造裸眼3D广告橱窗、举行虚拟歌手演唱会等，已经展现出巨大的商机。随着微纳光学技术和柔性显示技术的成熟，全息膜未来将更轻薄、更廉价，这也推动了其在智能手机、AR眼镜等设备上的使用。例如，未来的折叠屏手机或将采用超薄全息膜，人们在展开屏幕时，就能看到投射在眼前的悬浮影像，更加沉浸地体验视频通话、游戏和导航等。
——军事应用领域。
2022年，美国陆军已开始着手部署战术全息沙盘。借助全息膜材料，他们将卫星影像、无人机侦察和AI分析数据融合成1∶1比例的立体战场模型。作战人员可直接用手“拨开”全息地形查看地下工事结构，预测导弹轨迹。测试显示，在全息膜技术的辅助下，指挥决策速度提升60%，友军误伤事件减少45%。
英国BAE系统开发的数字迷彩，则通过纳米级全息膜材料实现了装备的动态光学伪装。全息膜材料附着在坦克表面，可实时投射周围环境影像。
法国未来战士头盔显示系统，也集成全息夜视和透视功能。借助该头盔，士兵可实现360度战场环境透视，看穿墙壁显示热源动向，获得制胜先机。
不过，当前全息膜技术虽然具有独特的视觉呈现效果并逐步走进实际应用，但仍有一些技术难点需要解决。
首先，为了实现高质量的全息效果，全息膜材料需要具备极高的光学性能和精细的微观结构。这使得选择和加工原材料的过程非常苛刻，增加了整体成本。
其次，全息膜的使用环境也有较大限制。全息膜的显示效果依赖环境中光线的角度和强度，在光线不足或光线过强的场景下，全息影像的清晰度和色彩表现会大打折扣。例如，在户外强光环境下，全息膜的影像可能难以辨识，而在暗光环境中又可能需要额外的照明设备支持。
再次，全息膜的耐用性和稳定性问题也不容忽视。全息膜材料容易受到物理刮擦、湿气或温度变化的影响，长期使用后可能出现褪色、变形或光学性能下降的情况。尤其是在户外应用中，紫外线辐射和极端天气条件会加速材料老化，缩短其使用寿命。
未来已来，唯变不变。从消费电子设备的沉浸式3D显示到智能汽车的安全导航，再到军事领域的战场态势感知，全息膜技术使信息呈现更直观、交互更自然，正在推动多行业创新，成为新的发展风口。
展望未来，相信随着技术成熟、成本降低以及瓶颈问题的攻克，全息膜有望像触摸屏一样普及，成为下一代显示技术的重要载体材料，重塑人机交互方式，为人类感知世界打开一扇新的大门。
