熱愛音樂的小伙伴可能都記得這樣一幕，在2014年美國某大型音樂盛典上,，流行天王邁克爾杰克遜成功立體“復活”,，并且?guī)砹艘欢蝿鸥锜嵛瑁浔普娉潭茸尙F(xiàn)場的觀眾為之沸騰,。在國內(nèi)春晚以及大型演唱會的舞臺上,，也經(jīng)常會出現(xiàn)真實人物與投影出的虛擬人物同臺演出的場景，讓觀眾印象深刻,。

許多媒體在報道這項技術時,，會冠以“全息”一詞。但嚴格意義上來說,，這項技術叫做“幻影成像技術”,，是3D顯示技術的一種，并不是真正意義上的全息技術,。

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

1,、傳統(tǒng)光學全息術

當我們看到一張照片的時候,，往往可以根據(jù)物體之間的部分遮擋關系、近大遠小透視關系以及陰影狀態(tài)等信息來直觀判斷出物體的遠近,，但往往沒有觀看現(xiàn)實世界中物體時的立體感,。

“光”作為自然界的一種客觀存在，包含著眾多信息,。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,，通過高中物理學習大家知道,，光也是一種波，它的相位還包含著深度信息,。只有同時接收到光的強度信息和深度信息,，物理才具有立體感,。通過手機拍照等獲得的靜態(tài)畫面只能存儲光強信息，所以人眼無法獲得立體感,。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被掌握和呈現(xiàn)。這也正是“全息”思想的內(nèi)涵,。

既然深度信息與光場的相位直接相關,，那么我們能否通過一種特定的方式，將光場的強度信息和相位信息進行同時記錄呢,？這就是“全息”思想的來源,。所謂“全息”一詞，其實是科學家創(chuàng)造的名詞,，本意上是指可以同時記錄與呈現(xiàn)強度和相位信息的技術,。類似地，英文中會冠以“holo-”的詞頭,，來表達全息相關的名詞,。

這個想法非常棒，但實際操作起來卻困難重重,。因為無論是感光的化學材料,，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,?？茖W家們發(fā)現(xiàn)，光的干涉恰好可以滿足需求,。

“干涉”一詞的準確定義,，對于沒有接受過物理學的人來說，是個難以理解的概念,，因此我們借助生活中常見的繩波來進行介紹,。

圖1 繩波

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

類似的思路，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，我們就可以通過干涉后光場的強度分布,，來記錄信號光的強度和相位分布了,。

因此，全息圖像記錄的過程,，可以用下面這張圖簡單概括,。

圖2 傳統(tǒng)光學全息實驗原理

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

要想通過此全息圖重現(xiàn)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,，比如下圖就是光學全息的一個實例：

圖3 光學全息實例

傳統(tǒng)的光學全息術發(fā)明之后,，其令人震撼的表現(xiàn)力讓大家非常興奮，因此若是去科技館的話,，經(jīng)常會見到這樣的展品,。但是干板價格比較昂貴，難以實現(xiàn)動態(tài)顯示,，也不利于復制和傳播,。

2、數(shù)字全息術

上述傳統(tǒng)全息術中類似的問題,，其實在傳統(tǒng)膠片攝影中也同樣存在,。當年柯達為了解決這些問題，發(fā)明了數(shù)碼相機,，開啟了一個新的時代,。但后來柯達竟因為在數(shù)字時代發(fā)展緩慢最終走向末路，不禁令人唏噓感慨。

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

于是數(shù)字全息術就誕生了。與傳統(tǒng)光學全息的過程相比,，除了將干板等化學感光物質換成CCD或者CMOS之外,，數(shù)字全息圖的記錄過程與傳統(tǒng)光學全息術沒有區(qū)別。不過由于記錄下來的信息是數(shù)字化的,，因此可以方便地用計算機進行處理,，通過數(shù)學算法計算出復現(xiàn)的圖像。

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

圖4 數(shù)字全息顯微系統(tǒng)

3,、計算全息術

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

所謂的計算全息,，其實就是徹底拋開了干涉圖的記錄過程,，直接將光場分布使用計算機通過數(shù)學理論計算出來。這樣做有一個巨大的好處,，可以突破現(xiàn)實世界物體的限制,，實現(xiàn)任意物體的全息顯示，即便這個物體在現(xiàn)實中并不存在,。因此許多產(chǎn)品的防偽標識都可以使用這種方式來實現(xiàn),。

具體到3D顯示領域，物體的復現(xiàn)有許多方法,，這里簡單介紹兩種,。

（1）空間光調(diào)制器（SLM）

圖5 空間光調(diào)制器

圖中長方形的那一小塊就是SLM的工作區(qū)域，上面分布著微米量級的像素點,，每個像素點都可以提供獨立的光場調(diào)制,。

將通過數(shù)學理論計算出來的全息圖加載到SLM上,，然后使用參考光束進行照射，就可以復現(xiàn)出設計的立體圖像,。例如下圖是使用SLM實現(xiàn)的效果,。

圖6 SLM實現(xiàn)的全息顯示

由于SLM單元像素往往是液晶等電控裝置，因此可以實現(xiàn)動態(tài)調(diào)制,，所以很適合進行全息圖的動態(tài)顯示,。但是SLM由于單個像素點的尺寸比光波長大很多,，所以視場角非常小,，顯示的物體大小也很受限制。

（2）超表面（metasurface）全息

超表面是近年來光學領域的研究熱點,，是最近十余年來光學領域發(fā)展的重要分支,，是實現(xiàn)超衍射成像、光刻和顯示方面極具潛力的技術途徑,。中國科學院光電技術研究所微細加工光學技術國家重點實驗室通過研究發(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,。該計算全息顯示技術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(shù)千萬個獨立設計的納米孔結構,，像元尺寸最小僅為200nm×200nm,，因此投影全息視場可以覆蓋整個空間。同時,，這些納米孔的獨特排布方式可使整個可見光波段消色差,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(tǒng)技術存在的零級干擾和不同顏色圖像之間的串擾問題,，極大提高了顯示圖像的信噪比,，未來有望應用于大視場三維全息顯示、信息加密,、虛擬現(xiàn)實等多個領域,。這項成果發(fā)表在 Science 子刊 Science Advances 上。

圖7 光電所團隊通過超表面器件實現(xiàn)的全息成像

除了3D顯示領域,，全息技術還廣泛用在測量,、存儲、加密,、防偽等各個方面,，相信未來隨著理論的發(fā)展和技術的進步，“全息”會更深入地走向千家萬戶,，成為人們生活的一部分,。

作者系中國科學院光電技術研究所微細加工光學技術國家重點實驗室的科研人員