熱愛(ài)音樂(lè )的小伙伴可能都記得這樣一幕，在2014年美國某大型音樂(lè )盛典上，流行天王邁克爾杰克遜成功立體“復活”，并且帶來(lái)了一段勁歌熱舞，其逼真程度讓現場(chǎng)的觀(guān)眾為之沸騰。在國內春晚以及大型演唱會(huì )的舞臺上，也經(jīng)常會(huì )出現真實(shí)人物與投影出的虛擬人物同臺演出的場(chǎng)景，讓觀(guān)眾印象深刻。

　　許多媒體在報道這項技術(shù)時(shí)，會(huì )冠以“全息”一詞。但嚴格意義上來(lái)說(shuō)，這項技術(shù)叫做“幻影成像技術(shù)”，是3D顯示技術(shù)的一種，并不是真正意義上的全息技術(shù)。

　　那么真正的全息究竟是什么呢？今天我們就來(lái)梳理一下全息技術(shù)的原理和發(fā)展歷史。

　　1、傳統光學(xué)全息術(shù)

　　當我們看到一張照片的時(shí)候，往往可以根據物體之間的部分遮擋關(guān)系、近大遠小透視關(guān)系以及陰影狀態(tài)等信息來(lái)直觀(guān)判斷出物體的遠近，但往往沒(méi)有觀(guān)看現實(shí)世界中物體時(shí)的立體感。

　　“光”作為自然界的一種客觀(guān)存在，包含著(zhù)眾多信息。首先人的肉眼能夠直接感知光的強弱明暗，這是光的強度信息。除此之外，通過(guò)高中物理學(xué)習大家知道，光也是一種波，它的相位還包含著(zhù)深度信息。只有同時(shí)接收到光的強度信息和深度信息，物理才具有立體感。通過(guò)手機拍照等獲得的靜態(tài)畫(huà)面只能存儲光強信息，所以人眼無(wú)法獲得立體感。如何才能讓被記錄的物體“躍然紙上”呢？那就需要光的深度信息也能同時(shí)被掌握和呈現。這也正是“全息”思想的內涵。

　　既然深度信息與光場(chǎng)的相位直接相關(guān)，那么我們能否通過(guò)一種特定的方式，將光場(chǎng)的強度信息和相位信息進(jìn)行同時(shí)記錄呢？這就是“全息”思想的來(lái)源。所謂“全息”一詞，其實(shí)是科學(xué)家創(chuàng )造的名詞，本意上是指可以同時(shí)記錄與呈現強度和相位信息的技術(shù)。類(lèi)似地，英文中會(huì )冠以“holo-”的詞頭，來(lái)表達全息相關(guān)的名詞。

　　這個(gè)想法非常棒，但實(shí)際操作起來(lái)卻困難重重。因為無(wú)論是感光的化學(xué)材料，還是CCD等電子感光器件，都只是對光的強度敏感，而對相位不敏感。因此科學(xué)家需要創(chuàng )造出一種方法，利用記錄光強的方式將相位間接記錄下來(lái)。科學(xué)家們發(fā)現，光的干涉恰好可以滿(mǎn)足需求。

　　“干涉”一詞的準確定義，對于沒(méi)有接受過(guò)物理學(xué)的人來(lái)說(shuō)，是個(gè)難以理解的概念，因此我們借助生活中常見(jiàn)的繩波來(lái)進(jìn)行介紹。

　　當我們握住長(cháng)繩的一端，并上下反復揮動(dòng)時(shí)，長(cháng)繩上會(huì )出現一系列的波，即為繩波。如果對面也有一個(gè)人握住繩子的另一端上下?lián)]動(dòng)，那么兩個(gè)人產(chǎn)生的繩波在傳播過(guò)程中就會(huì )相遇。相遇時(shí)，若是兩個(gè)波的方向一致，那么此處的幅度就會(huì )增加；若是兩個(gè)波的方向相反，那么波的幅度就會(huì )減小。這就是波的干涉的基本思想。因此若是兩個(gè)人中的其中一個(gè)人一直以相等的頻率和振幅揮動(dòng)，那么通過(guò)繩波疊加后的狀態(tài)，我們就可以得知對面另一個(gè)人的揮動(dòng)頻率和振幅。

　　類(lèi)似的思路，若是我們將一束已知頻率和振幅的參考光束作為載波，將攜帶物體信息的光束作為信號光，然后將兩者疊加起來(lái)，我們就可以通過(guò)干涉后光場(chǎng)的強度分布，來(lái)記錄信號光的強度和相位分布了。

　　因此，全息圖像記錄的過(guò)程，可以用下面這張圖簡(jiǎn)單概括。

　　干涉結果被底片干板等化學(xué)材料記錄下來(lái)，再經(jīng)過(guò)顯影、定影等過(guò)程之后，就可以使用了。

　　要想通過(guò)此全息圖重現物體，只要將參考光束再次照射在干板上，衍射出的圖形就可以還原出物體的原始模樣，立體感非常強烈，比如下圖就是光學(xué)全息的一個(gè)實(shí)例：

　　傳統的光學(xué)全息術(shù)發(fā)明之后，其令人震撼的表現力讓大家非常興奮，因此若是去科技館的話(huà)，經(jīng)常會(huì )見(jiàn)到這樣的展品。但是干板價(jià)格比較昂貴，難以實(shí)現動(dòng)態(tài)顯示，也不利于復制和傳播。

　　2、數字全息術(shù)

　　上述傳統全息術(shù)中類(lèi)似的問(wèn)題，其實(shí)在傳統膠片攝影中也同樣存在。當年柯達為了解決這些問(wèn)題，發(fā)明了數碼相機，開(kāi)啟了一個(gè)新的時(shí)代。但后來(lái)柯達竟因為在數字時(shí)代發(fā)展緩慢最終走向末路，不禁令人唏噓感慨。

　　總之，隨著(zhù)數字式陣列感光器件的發(fā)展，科學(xué)家意識到，就如同數碼相機取代膠片相機一樣，為何不用CCD或者CMOS來(lái)取代干板呢？

　　于是數字全息術(shù)就誕生了。與傳統光學(xué)全息的過(guò)程相比，除了將干板等化學(xué)感光物質(zhì)換成CCD或者CMOS之外，數字全息圖的記錄過(guò)程與傳統光學(xué)全息術(shù)沒(méi)有區別。不過(guò)由于記錄下來(lái)的信息是數字化的，因此可以方便地用計算機進(jìn)行處理，通過(guò)數學(xué)算法計算出復現的圖像。

　　數字全息術(shù)廣泛用于物體的三維信息測量記錄、加密、圖像識別等領(lǐng)域。除此之外，數字全息還常用于立體顯微成像。彌補了普通光學(xué)顯微鏡無(wú)法直接讀取被觀(guān)察物體的三維信息的不足。

　　3、計算全息術(shù)

　　在使用CCD/CMOS等數字感光器件替代全息干板之后，科學(xué)家又想到，既然光學(xué)計算理論已經(jīng)足夠成熟，何必還需要拍攝的過(guò)程呢？所以計算全息術(shù)應運而生。

　　所謂的計算全息，其實(shí)就是徹底拋開(kāi)了干涉圖的記錄過(guò)程，直接將光場(chǎng)分布使用計算機通過(guò)數學(xué)理論計算出來(lái)。這樣做有一個(gè)巨大的好處，可以突破現實(shí)世界物體的限制，實(shí)現任意物體的全息顯示，即便這個(gè)物體在現實(shí)中并不存在。因此許多產(chǎn)品的防偽標識都可以使用這種方式來(lái)實(shí)現。

　　具體到3D顯示領(lǐng)域，物體的復現有許多方法，這里簡(jiǎn)單介紹兩種。

　　（1）空間光調制器（SLM）

　　圖中長(cháng)方形的那一小塊就是SLM的工作區域，上面分布著(zhù)微米量級的像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)都可以提供獨立的光場(chǎng)調制。

　　將通過(guò)數學(xué)理論計算出來(lái)的全息圖加載到SLM上，然后使用參考光束進(jìn)行照射，就可以復現出設計的立體圖像。例如下圖是使用SLM實(shí)現的效果。

　　由于SLM單元像素往往是液晶等電控裝置，因此可以實(shí)現動(dòng)態(tài)調制，所以很適合進(jìn)行全息圖的動(dòng)態(tài)顯示。但是SLM由于單個(gè)像素點(diǎn)的尺寸比光波長(cháng)大很多，所以視場(chǎng)角非常小，顯示的物體大小也很受限制。

　　（2）超表面（metasurface）全息

　　超表面是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是最近十余年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要分支，是實(shí)現超衍射成像、光刻和顯示方面極具潛力的技術(shù)途徑。中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所微細加工光學(xué)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室通過(guò)研究發(fā)展了一種基于表面等離子體超表面的計算全息顯示技術(shù)。該計算全息顯示技術(shù)的核心器件為一層厚度僅為幾十到百納米的金屬薄膜，薄膜上有數千萬(wàn)個(gè)獨立設計的納米孔結構，像元尺寸最小僅為200nm×200nm，因此投影全息視場(chǎng)可以覆蓋整個(gè)空間。同時(shí)，這些納米孔的獨特排布方式可使整個(gè)可見(jiàn)光波段消色差,為全色域真三維全息成像奠定了基礎。此外，它還突破了傳統技術(shù)存在的零級干擾和不同顏色圖像之間的串擾問(wèn)題，極大提高了顯示圖像的信噪比，未來(lái)有望應用于大視場(chǎng)三維全息顯示、信息加密、虛擬現實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域。這項成果發(fā)表在Science子刊Science Advances上。

　　除了3D顯示領(lǐng)域，全息技術(shù)還廣泛用在測量、存儲、加密、防偽等各個(gè)方面，相信未來(lái)隨著(zhù)理論的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，“全息”會(huì )更深入地走向千家萬(wàn)戶(hù)，成為人們生活的一部分。