之所以媒體和大眾往往將兩者混為一談，是因為全息技術的確是很有前景的一項3D顯示技術，而且也是中學教科書中著重提到過的“未來”科技，才讓大家印象深刻(當年我就是因為這個，義無反顧地選擇了光學工程專業(yè))。但實際上除了全息之外，還有許多其他技術都可實現(xiàn)3D成像，與全息技術相比，各有利弊。甚至不少技術會先于全息技術發(fā)展起來，走入大家的生活。

　　另外，全息技術除了應用在3D成像，還廣泛用在測量、存儲、加密、防偽等各個方面，實際上大家日常生活中經(jīng)常見到的各種鐳射防偽商標，就是全息技術的一大應用。

　　理清楚了這兩者的關系，還是以成像的應用為例，從傳統(tǒng)全息術開始，先著重介紹一下全息技術的原理和發(fā)展。

　　1、傳統(tǒng)(光學)全息術

　　我們看一張照片，一般情況下可以根據(jù)物體之間的遮擋關系、近大遠小的經(jīng)驗和畫面中的陰影等信息來判斷物體的遠近，但沒有觀看真實物體時的立體感。這是由于使用相機進行拍攝時，記錄的只是物體的光強信息，而物體的深度信息是包含在相位當中的。

　　既然如此，是不是可以通過某種方式，將光線的強度信息和相位信息同時記錄下來呢?這就是“全息”思想的來源。所謂“全息”，其實是個科學上創(chuàng)造的名詞，本意上即指可以同時呈現(xiàn)強度和相位信息的技術，類似地，英文中會冠以“holo-”開頭，表達全息相關的名詞。

　　比較麻煩的一點就是，我們手中用來記錄光線的物質都只是對光強敏感，而不是對相位敏感。因此要一個方法，利用記錄光強的物質將相位的分布記錄下來。科學家們發(fā)現(xiàn)，光的干涉恰好可以滿足需求。

　　“干涉”對于非本專業(yè)人來說，是個比較難以理解的概念，至少在我讀高中的時候，許多同學都在質疑這是否違背能量守恒……為了讓大家簡單地理解這個概念，我來舉一個不太嚴謹?shù)睦印?/span>

　　有一天，小明同學在練習素描，于是在紙上快速地來回畫一條3cm長的線，如下圖所示。

　　小明的手速實在是太快了，若不是時空靜止，我們根本看不清他的筆尖到底在哪里，只能看到紙上有一條黑色的線。

　　這時小紅走了過來，對小明說，我們玩?zhèn)€游戲吧。于是兩個人以玩筆仙的姿勢，握住了這支筆。

　　最初小紅完全不用力，小明繼續(xù)以自己的節(jié)奏和力道來回畫著3cm長的線。接下來，小紅可以選擇任何時間開始以同樣的力道和節(jié)奏控制這支筆，會出現(xiàn)什么情況呢?

　　若是小紅開始發(fā)力的位置和方向恰好合適，那么最后兩個人的力道會合在一起，控制著這支筆畫著一條更長的線，最長可以達到6cm;

　　若是湊巧小紅和小明杠上了，兩個人以同樣的力道、相反的方向控制這支筆，那么最終這支筆不再移動，相當于線的長度變?yōu)?;

　　大多數(shù)時候都沒有這么巧，兩個人來回畫線的長度介于0-6cm之間。

　　總之，若是小明的動作確定下來，那么我們就可以通過最終線的長度來判斷小紅啟動時候的狀態(tài)。

　　回到問題當中，化學物質只能分辨光強的大小，那么給出一束確定的參考光束(例子中的小明)，就可以將物體光束的相位(例子中小紅啟動的狀態(tài))通過光強(相當于例子中畫線的長度)的方式記錄下來。

　　因此，全息圖像記錄的過程，可以用下面這張圖簡單概括。

　　參考光束和物體光束的干涉結果被底片干板記錄下來，顯影、定影之后就可以使用了。

　　復現(xiàn)的時候，只要保持參考光束不變照射在干板上，衍射后就可以還原出物體的樣子，而且由于具有深度信息，所以具有立體感，比如下圖：

　　轉個角度：

　　傳統(tǒng)全息術發(fā)明之后，其震撼的表現(xiàn)力讓大家非常興奮，若是去科技館的話，經(jīng)常會見到這樣的展品。我至今都記得自己第一次見到全息的獅子頭像時內(nèi)心的吶喊，細節(jié)栩栩如生，實在是太棒了。

　　從3D顯示的效果來說，傳統(tǒng)全息術的顯示效果還是非常棒的，但是難以實現(xiàn)動態(tài)顯示，而且干板價格比較昂貴，也不利于復制和傳播。

　　2、數(shù)字全息術

　　傳統(tǒng)全息術中干板價格貴、不利于傳播等類似的問題，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，于是發(fā)明了數(shù)碼相機，開啟了一個新的時代。后來的故事，大家都知道了……

　　總之，隨著數(shù)字式感光器件的發(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。

　　除了將干板換成CCD或者CMOS之外，數(shù)字全息圖的記錄過程與傳統(tǒng)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，所以可以用計算機進行處理，即便沒有參考光束，也可以用計算機計算出復現(xiàn)的圖像，進行研究。

　　數(shù)字全息術廣泛用于需要快速處理信息的物體三維信息測量記錄、加密、圖像識別等方面。除此之外，數(shù)字全息也常用于科研中進行顯微成像。

　　普通的光學顯微鏡無法讀取被觀察物體的三維信息，而數(shù)字全息顯微鏡可以在計算機中重建物體的3D模型，方便研究。

　　3、計算全息術

　　人類對便捷的追求是無止境的。在使用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，計算機的計算能力也越來越強大，何必還需要拍攝的過程呢?所以計算全息術應運而生。

　　所謂計算全息，其實就是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)學運算計算出來。這樣做有一個巨大的好處，那就是可以實現(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，物體復現(xiàn)有許多方法，這里簡單介紹三種。

　　(1)空間光調制器(SLM)

　　關于SLM來做全息顯示，之前在另一個問題中我曾經(jīng)講過。圖中亮晶晶那一小塊就是SLM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相位調制，也有一些SLM可以實現(xiàn)振幅的調制。

　　SLM由于像素點尺寸比光波長大很多，顯示的物體大小很受限制。但是由于SLM每個單元像素都可以實現(xiàn)獨立調整，所以很適合進行動態(tài)顯示。

　　(2)超表面(metasurface)全息

　　超表面是近年來的研究熱點，有各種各樣的形貌。例如用于全息顯示的超表面是由一系列的微納結構實現(xiàn)的，這些微納結構有著不同的尺寸或者轉角，可以對光場進行振幅和相位的調制。經(jīng)過計算編碼，將微納結構按照需求排布成全息圖，替代全息干板的作用。

　　上圖來自于2013年發(fā)表在權威刊物Nature Communications上的一篇文章，通過超表面實現(xiàn)了一個飛機圖像的3D顯示。

　　超表面全息一大優(yōu)勢在于單元像素點尺寸小于波長，因此可以實現(xiàn)放大很多倍的圖像顯示。

　　(3)打印全息圖

　　zebra imaging等公司將數(shù)字化場景計算出的全息圖通過特殊的打印技術打印到感光物質上，就可以得到近似于傳統(tǒng)全息術的顯示效果，非常震撼。

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