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全息技术最新分析（全息技术的原理及应用解析）

菜鸡 • 9 8 月, 2022 7:21 下午 • 掘金笔记

自2009年3D电影《阿凡达》上映以来，3D显示的概念被越来越多的人所熟知，各种科幻电影中出现的那些仿佛漂浮在空中的影像，常被大家称为“全息显示”。

十多年过去了，全息显示的概念在国内被广泛的传播，尤其是在2015年春晚舞台上， 4个李宇春同台出现的场景更是令观众印象深刻。

由于全息显示充满科技感，很多商家在宣传透明显示和3D显示的相关技术的时候都会加上一个“全息”的概念来吸引眼球。然而，你真的了解“全息”吗？那些看似炫酷的“全息显示”效果是如何实现的呢？

图1：全息艺术效果图

其实，全息的概念从被提出至今已经有70多年的发展历史，随着全息从学术界逐渐“出圈”，不可避免的产生了一些概念上的混淆和误解。很多人并没有意识到，全息技术早就应用在我们的日常生活中，它们就藏在你的身份证、人民币、以及各种防伪标签中。

此外，目前全息技术发展至今，类型越来越多，甚至很多从事全息相关行业的人，也会“犯迷糊”，出现一些表述上的错误。因此，为了向公众科普全息的正确概念，同时纠正全息相关行业人员的错误表述，寻找一个普遍、正确且全面的全息术定义是有意义的。

基于此，来自美国加州MetroLaser公司的联合创始人以及研究总监James D. Trolinger以“The language of holography”为题在 Light: Advanced Manufacturing 上发表了综述文章。

这篇文章考察了“全息术（holography）”这个专业名词的起源和发展过程，从容易被普通大众理解的角度解释了全息术的定义，同时指出了全息显示发展过程中在概念上的混淆和表述错误。

全息的概念最早可以追溯到1947年，英国物理学家Dennis Gabor为了提高电子显微镜的分辨率提出了全息术，当时发表的论文题目是“Microscopy by Reconstructed Wave-fronts”，即波前重建的显微术。Gabor给它命名为“全息术”，意思是包含光波的全部信息。然而，由于当时激光器还没有问世，Gabor的全息术研究被迫搁置。直到1956年，Emmett Leith、Juris Upatnieks和Yuri Denisyuk在不了解Gabor早期研究工作的情况下，创造了新型的全息术，解决了受到的限制问题。之后，伴随着激光器的问世，全息技术取得了爆发式的进展，并成功的应用于显示、成像、存储、测量、光束操控等多个领域，成为现代光学领域的一个重要分支。

Yuri Denisyuk曾将全息术简单描述为物体的“光学等价物”，但是这种等价物的定义同样难以被普通人所理解。直到Adolph Lohman对光学全息术作出如下描述：“物体表面发出的光向前传播，在某处被全息面拦了下来，光被‘冻结’在全息面中。当我们需要重建物体的像时，只需要适当的照亮全息面，‘冻结’在全息面上的光波就会被恢复，继续向前传播，形成图像，就像光从来没有被‘冻结’一样。”

如今，全息术的类型越来越多，已经不仅仅限于传统的光学全息术，还包括声学全息术、数字全息术等等。这篇文章的作者根据全息术的应用型以及重要性，着重介绍了光学全息术和数字全息术两种类型。

然而，这些全息领域的先驱者提出的都是光学全息术，并且都是基于一定的光学知识水平，例如光的干涉（名词解释>）和衍射（名词解释>），企图利用这些原理向普通人讲解全息几乎是不可能的。因此，针对不同的人群，作者也将全息术定义的描述分为简易版和专业版两个版本。

光学全息术的定义

简易版：参考Adolph Lohman的描述，我们可以将光学全息术当做一个可以记录光波的“窗口”，物体的光波信息被冻结在窗口上，当我们对这个“窗口”进行适当的照明，它上面记录的光波信息就会被解冻，“窗口”仿佛被打开，我们可以通过这个“窗口”观察到后面空间中物体的3D影像，如果这个光学全息术工艺足够精良，人眼是难以区分出原物体和它的3D影像的。

专业版：光学全息术是利用感光材料记录物体光波和参考光波的干涉图样，在一定的条件下，利用光的衍射现象，可以通过参考光波照射干涉图样重建出原物体光波。

图2：光学全息术的记录与重建过程

数字全息术的定义

简易版：光学全息术这个“窗口”，制作起来十分复杂，工艺比较繁琐，并且一旦制作成功，我们通过这个“窗口”所能看到的3D物体影像就被固定了，无法变化，因此，光学全息术就像一个静止的3D世界的窗。而数字全息术得益于计算机的发展，使得“窗口”的制作不再复杂，并且“窗口”外的3D世界也能够发生变化，一切变得生动起来。

专业版：在数字全息术中，被记录信息以数字格式储存在计算机中。记录过程利用波阵面与数码相机或传感器上的参考波进行干涉，然后将波阵面的信息储存在相机或计算机中。记录过程的基本要求是，相机的像素必须足够小。如下图所示，被记录物体被相干光照亮，并与数字传感器上的参考光波混合，由此生成的干涉图样被计算机记录下来。在重建过程，有两种选择。最常见的是，利用衍射和传播方程对记录的全息面进行计算分析，可以将波阵面传播到虚拟空间的任何平面；然后，该平面的强度信息可以出现在显示器上。通过这种方式，可以对重建的图像进行电子扫描并逐面显示。

其实，数字全息术可能近期是发展最快的全息术类型，每年有100多篇新成果发表。这可能是由于数字全息不需要昂贵的激光器、光学设备，所需要的只是一台相对便宜的计算机。该技术使得全息计算的速度和成本比任何人想象的都要低。在科学和医学领域，数字全息术正在彻底改变显微镜。

图3：数字全息术的记录与重建过程

全息术的一般且全面的定义

目前全息术的类型很多，为了找到一个正确的且可用的最佳定义，James D. Trolinger广泛征求了很多同行的意见。在这些意见中，几乎每个人都有自己不同的定义，虽然很多都有失偏颇或不够全面，具有很大的局限性，但大多数的意见都被作者采纳并汇总在这篇文章中。从这些五花八门的定义中可以看出，目前想要在领域内对全息术的最佳定义达成一个普遍的共识是一个巨大的挑战。近期James D. Trolinger还参加了一个全息领域内专家的研讨会，依旧难以得出全息术统一的定义。

即便如此，James D. Trolinger认为，如果存在一个正确的且可用的全息术的最佳定义，那么这个定义应该包含以下几种特征：

全息术包含记录和重建两个过程，其中记录过程能够捕获并保存某种波（包括光波、声波、雷达波、微波和x射线波）所需的所有信息（例如振幅和相位），重建过程能够准确复制并重构原始波的传播。
当一个物体的图像是利用全息术重建出来时，它看起来是具有3D效果的。此外，如果这个物体本身具有一定的深度，那么我们可以观察到它的图像的侧面，且图像存在视差。
全息术并不仅仅适用于存储和显示3D图像。
全息术本身并不是图像，图像也不是全息图。
时变波的实时全息术可以对变化的波或者共轭波进行连续的记录和重建。
并非所有的全息术都是记录在照片或者感光材料上。
全息术的记录材料并不受限，许多不同的材料都可以使记录的信息储存足够长的时间。只要可以通过这种材料记录并重建出原始波，都可以作为全息术的记录材料。
在数字全息术中，全息记录过程可以在计算机中创建、存储、处理和分析，而不需要使用激光和光学平台。
在数字全息术中，波阵面可以在计算机中重建、聚焦、滤波、投影以及数值干涉，就仿佛波阵面在物理空间中传播一样。
全息术中记录的信息可以存储在一个表面，或者是有体积的记录材料，甚至是计算机中。
全息面可以存在于空气/气体中（在物理学中也称为四波混合）。
全息光学元件（Holographic optical elements, HOE）可以替代并实现很多类型的光学元件功能，例如透镜、反射镜和分束镜等。
全息术可以不使用激光、相干光甚至是任何类型的波来实现。（例如浮雕、蚀刻、计算全息和数字全息）
相位共轭镜（Phase conjugate mirror）（名词解释>）也是一种全息术。

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全息术并不是一定要显示3D图像，利用其它光学技术同样可以显示3D图像和效果。
全息术应用范围很广，在以下所列出的场景中都可以应用：3D显示、信息安全领域（信用卡、货币、护照、邮票、门票、文档等）、广告宣传、肖像画、艺术、干涉学、测量、信息处理（存储、归档和检索）、光学元件、可视化雷达、声呐、超声波、激光雷达、磁共振成像、计算机辅助断层扫描和3D扫描、压印母版、像差矫正。

综上，James D. Trolinger给出了一个能够涵盖整个全息术领域的一般定义，如下：

全息术主要分为记录和重建两个过程，利用干涉衍射原理来记录并存储任何复波信息，包括光波、声波、x射线以及无线电波等，并能够准确复制并重建原始波的传播过程。

这个定义适用于以下类型的全息术：

白光全息术（White Light Reflection holograms (Denisyuk holograms)）
同轴全息术（In-line holograms (Gabor holograms)）
离轴全息术（Off-axis holograms (Leith-Upatnieks holograms)）
波前合成（Synthetic wavefronts）
浮雕全息术（Embossed holograms）
全息投影（Cast holograms）
图像的全息术（Holograms of photographs）
全息光学元件（Holographic optical elements）
全息光栅（Holographic gratings）
像平面全息术（Image plane holograms）
相位共轭镜（Phase conjugate mirrors）
实时全息（Real time holograms）
数字全息（Digital holograms）
计算全息（Computer generated holograms）

非全息术的3D显示技术

全息的概念之所以能够“出圈”，被大众所知，很大一部分原因是因为全息术在3D显示技术上的应用。当你对身边的朋友提到全息时，他们想到的不是严格的光学定义，而是曾在某些场景中看到的悬浮在空气中的3D影像。当大部分人都接受了这个设定时，“全息”这个词就被滥用了，只要是有震撼的3D视觉体验的技术都可能被冠以“全息”之名。然而事实是，能实现3D显示的技术有很多种，有些技术甚至早先于全息一个世纪就被发明出来。

下面是一些非全息的3D显示技术的例子，它们常常被误认为是全息术：

立体摄影和投影（Stereo photography and projection imagery）
佩珀尔幻象（Pepper’s ghost images）
蝇眼图像（Fly’s eye images）
柱透镜图像（Lenticular photographs）
光场成像（Light field imaging）
虚拟现实（VR)
集成立体图像（Integral photographs）

以上这些技术在3D显示领域都很有效，有些效果看起来甚至比全息术还要好，但这些技术或多或少都存在一些限制。而全息术之所以被称为理想的3D显示技术之一，是因为全息术可以重建出3D物体所有的波前信息，从而完美符合人眼视觉特性。

全息的错误表述

然而，全息发展至今，即便是一些从事全息相关行业的人，有时也会对全息中的一些概念产生混淆，从而产生一些错误的表述，而这些错误的表述有些甚至会被全息的专家接受，这就导致了人们理解上的混乱。下面列举一些常见的错误表述：

“他是一个全息图”（He is a hologram）：一个人或一个人的形象不可能是全息图，3D影像的效果也大概率不是利用全息的技术实现出来的。
“那个图像是全息图”（That image is a hologram）：全息术可以用来产生3D影像，但全息术本身并不是3D影像，而是记录3D影像的媒介。
“重建物体”（Reconstruct the object）：物体本身不能重建，重建的是物体的3D影像。
“我会重建全息图”（I will reconstruct the hologram）：全息图不是被重建的，全息图是被产生或构建的，然后被用来重建波阵面或物体的3D影像。只有一种例外的情况可以这样表述，那就是全息图已经存在，在其他地方被复制（重建），成为携带相同信息的另一个全息图。这种错误表述比较难以纠正，许多全息领域的研究人员都经常会犯这种错误。