光影交错间 全息技术是如何一步步发展成今天这样的？

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[编者按]本文作者是中国科学院光学工程博士蜗牛君。

首先，应该明确的是，全息和3d显示不存在谁包含谁的问题，但是它们有两个重叠的概念。

媒体和公众之所以经常混淆二者，是因为全息技术确实是一种很有前途的3d显示技术，也是中学课本中强调的“未来”技术，给每个人都留下了深刻的印象(这就是为什么我毫不犹豫地选择了光学工程)。但事实上，除了全息术，还有许多其他技术可以实现三维成像。与全息照相术相比，每种技术都有其优缺点。甚至许多技术将先于全息技术发展，并进入每个人的生活。

此外，除了3d成像，全息技术还广泛应用于测量、存储、加密、防伪等方面。事实上，我们日常生活中经常看到的各种激光防伪商标是全息技术的一个主要应用。

澄清了两者之间的关系。以成像应用为例，从传统全息术入手，着重介绍全息术的原理和发展。

1.传统(光学)全息照相当我们看照片时，我们通常可以根据物体之间的遮挡关系、远近的体验以及照片中的阴影来判断物体的距离，但是我们看真实物体时没有立体的印象。这是因为当用照相机拍摄时，仅记录物体的光强度信息，并且物体的深度信息被包括在相位中。

在这种情况下，我们能以某种方式同时记录光的强度信息和相位信息吗？这就是“全息术”的起源。所谓的“全息术”实际上是科学创造的一个术语，它最初指的是能够同时呈现强度和相位信息的技术。同样，在英语中，“全息”开始表达全息相关术语。

问题是，我们手中用来记录光的材料只对光强敏感，对相位不敏感。因此，需要一种通过使用记录光强度的材料来记录相位分布的方法。科学家发现光的干涉正好可以满足需求。

“干扰”对非专业学生来说是一个困难的概念。至少在我上高中时，许多学生质疑它是否违反了节能...为了让每个人都简单地理解这个概念，让我给你一个不太严格的例子。

一天，小明在练习素描，所以他很快在纸上画了一条3厘米长的线，如下图所示。

小明的手速太快了。如果不是因为空，我们看不到他笔尖的确切位置，只能在纸上看到一条黑线。

然后小红走过来对小明说，我们来玩个游戏。于是这两个人举着笔，做了个打笔仙的手势。

起初小红一点也不努力，但小明继续用自己的节奏和力量来回画着一条3厘米长的线。接下来，小红可以选择在任何时候以相同的力度和节奏开始控制笔。会发生什么？

如果小红发力的位置和方向恰到好处，那么最后两个人的力量就会汇合在一起，控制这一划划一条更长的线，最长可达6厘米；

如果正好小红和小明在吧台上，两个人用相同的力度和相反的方向控制笔，那么笔就不会再动了，相当于线的长度变成了0；

大多数时候，这并不是巧合。两个人来回画的线的长度在0-6厘米之间。

总之，如果小明的动作是确定的，那么我们可以通过最后一行的长度来判断小红的出发状态。

回到这个问题，化学物质只能区分光强度的大小，所以给定一个确定的参考光束(在这个例子中是小明)，物体光束的相位(在这个例子中是小红开始的状态)可以通过光强度(相当于这个例子中画出的线的长度)来记录。

因此，全息图像记录的过程可以用下图来简要概括。

参考光束和目标光束的干涉结果由负干板记录，并在显影和固定后可以使用。

再现时，只要参考光束照射在干板上，物体的外观就可以在衍射后恢复，并且由于深度信息，它具有三维感，如下图所示:

旋转一个角度:

传统全息术发明后，其令人震惊的表现力让每个人都非常激动。如果你去科技馆，你会经常看到这样的展品。我仍然记得我第一次看到全息狮子头时内心的哭泣。细节很生动，真的很棒。

从3d显示效果来看，传统的全息术仍然很好，但是很难实现动态显示，而且干板价格昂贵，不利于复制和传播。

2.数字全息术在传统全息术中，类似的问题如昂贵的干版和不利的透射也存在于传统的胶片摄影中。为了解决这些问题，柯达发明了数码相机，开创了一个新时代。每个人都知道后面的故事...

总之，随着数码感光设备的发展，科学家们已经意识到，正如数码相机取代胶片相机一样，为什么不用ccd或cmos代替干版呢？

于是数字全息术诞生了。

数字全息的记录过程与传统全息没有什么不同，只是干板被电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体代替。然而，因为记录的信息是数字化的，它可以被计算机处理。即使没有参考光束，再现的图像也可以通过计算机进行计算研究。

数字全息广泛应用于需要快速处理信息的物体的三维信息的测量、记录、加密和图像识别。此外，数字全息术经常用于科学研究中的显微成像。

普通光学显微镜不能读取被观察物体的三维信息，而数字全息显微镜可以在计算机上重建物体的三维模型，便于研究。

3.计算全息术对方便的追求是无止境的。在用感光设备代替全息干版后，科学家们想，既然光学计算理论已经足够成熟，而且计算机的计算能力也越来越强大，为什么还需要拍摄过程呢？因此，计算全息术应运而生。

所谓的计算全息术，实际上是抛弃了干涉图的记录过程，通过计算机的数学运算直接计算光场的分布。这有一个很大的优点，那就是它可以实现任何物体的全息显示，即使这个物体在现实中并不存在。因此，许多产品的防伪标识可以通过这种方式实现。

就3d显示而言，有许多方法可以再现物体，这里简单介绍其中的三种。

(1)空光调制器)

我以前在另一个问题中谈到过用于全息显示的slm。图中闪亮的一块是slm工作区，其上分布着微米级的像素，每个像素可以提供独立的相位调制，有些slm可以实现幅度调制。

计算出的全息图加载在上面，然后用参考光束照射，就可以再现立体图像。下图是使用slm实现的。

因为空间光调制器的像素尺寸比光波的像素尺寸大得多，所以显示对象的尺寸是有限的。但是，slm的每一个单位像素都可以独立调整，所以它适合动态显示。

(2)亚表面全息术

超表面是近年来的研究热点，具有多种形态。例如，用于全息显示的超表面由一系列具有不同尺寸或旋转角度的微纳结构实现，这些微纳结构可以调制光场的振幅和相位。经过计算和编码，将微纳结构按要求排列成全息图，取代全息干版。

上图来自2013年发表在权威杂志《自然通讯》上的一篇文章，这篇文章通过超级表面实现了飞机图像的三维显示。

超表面全息术的优点之一是单位像素尺寸小于波长，因此可以实现多次放大的图像显示。

(3)印刷全息图

Zebraimaging等公司通过特殊的印刷技术在感光材料上印刷从数字场景计算出来的全息图，可以得到类似传统全息术的显示效果，非常令人震惊。

有关相关视频，请参见zebraimaging。

这种技术可以帮助工程师实时观察物体和城市街道的细节，但它不能实现动态显示，而且价格昂贵。

总之，全息术的核心是有一个记录物体相位的全息图，它可以通过衍射再现物体。这种全息图可以用干板、ccd/cmos干涉法记录，甚至可以通过计算机数学运算获得。如果没有全息图，严格来说，就不能称之为全息显示。

然而，如前所述，3d显示的范围很广，许多其他技术也很优秀。今后我们将有机会向您一一介绍。