星之光|全息技术漫谈

　　热爱音乐的小伙伴可能都记得这样一幕，在2014年美国某大型音乐盛典上，流行天王迈克尔杰克逊成功立体“复活”，并且带来了一段劲歌热舞，其逼真程度让现场的观众为之沸腾。在国内春晚以及大型演唱会的舞台上，也经常会出现真实人物与投影出的虚拟人物同台演出的场景，让观众印象深刻。

　　许多媒体在报道这项技术时，会冠以“全息”一词。但严格意义上来说，这项技术叫做“幻影成像技术”，是3D显示技术的一种，并不是真正意义上的全息技术。

　　那么真正的全息究竟是什么呢？今天我们就来梳理一下全息技术的原理和发展历史。

　　1、传统光学全息术

　　当我们看到一张照片的时候，往往可以根据物体之间的部分遮挡关系、近大远小透视关系以及阴影状态等信息来直观判断出物体的远近，但往往没有观看现实世界中物体时的立体感。

　　“光”作为自然界的一种客观存在，包含着众多信息。首先人的肉眼能够直接感知光的强弱明暗，这是光的强度信息。除此之外，通过高中物理学习大家知道，光也是一种波，它的相位还包含着深度信息。只有同时接收到光的强度信息和深度信息，物理才具有立体感。通过手机拍照等获得的静态画面只能存储光强信息，所以人眼无法获得立体感。如何才能让被记录的物体“跃然纸上”呢？那就需要光的深度信息也能同时被掌握和呈现。这也正是“全息”思想的内涵。

　　既然深度信息与光场的相位直接相关，那么我们能否通过一种特定的方式，将光场的强度信息和相位信息进行同时记录呢？这就是“全息”思想的来源。所谓“全息”一词，其实是科学家创造的名词，本意上是指可以同时记录与呈现强度和相位信息的技术。类似地，英文中会冠以“holo-”的词头，来表达全息相关的名词。

　　这个想法非常棒，但实际操作起来却困难重重。因为无论是感光的化学材料，还是CCD等电子感光器件，都只是对光的强度敏感，而对相位不敏感。因此科学家需要创造出一种方法，利用记录光强的方式将相位间接记录下来。科学家们发现，光的干涉恰好可以满足需求。

　　“干涉”一词的准确定义，对于没有接受过物理学的人来说，是个难以理解的概念，因此我们借助生活中常见的绳波来进行介绍。

　　当我们握住长绳的一端，并上下反复挥动时，长绳上会出现一系列的波，即为绳波。如果对面也有一个人握住绳子的另一端上下挥动，那么两个人产生的绳波在传播过程中就会相遇。相遇时，若是两个波的方向一致，那么此处的幅度就会增加；若是两个波的方向相反，那么波的幅度就会减小。这就是波的干涉的基本思想。因此若是两个人中的其中一个人一直以相等的频率和振幅挥动，那么通过绳波叠加后的状态，我们就可以得知对面另一个人的挥动频率和振幅。

　　类似的思路，若是我们将一束已知频率和振幅的参考光束作为载波，将携带物体信息的光束作为信号光，然后将两者叠加起来，我们就可以通过干涉后光场的强度分布，来记录信号光的强度和相位分布了。

　　因此，全息图像记录的过程，可以用下面这张图简单概括。

　　干涉结果被底片干板等化学材料记录下来，再经过显影、定影等过程之后，就可以使用了。

　　要想通过此全息图重现物体，只要将参考光束再次照射在干板上，衍射出的图形就可以还原出物体的原始模样，立体感非常强烈，比如下图就是光学全息的一个实例：

　　传统的光学全息术发明之后，其令人震撼的表现力让大家非常兴奋，因此若是去科技馆的话，经常会见到这样的展品。但是干板价格比较昂贵，难以实现动态显示，也不利于复制和传播。

　　2、数字全息术

　　上述传统全息术中类似的问题，其实在传统胶片摄影中也同样存在。当年柯达为了解决这些问题，发明了数码相机，开启了一个新的时代。但后来柯达竟因为在数字时代发展缓慢最终走向末路，不禁令人唏嘘感慨。

　　总之，随着数字式阵列感光器件的发展，科学家意识到，就如同数码相机取代胶片相机一样，为何不用CCD或者CMOS来取代干板呢？

　　于是数字全息术就诞生了。与传统光学全息的过程相比，除了将干板等化学感光物质换成CCD或者CMOS之外，数字全息图的记录过程与传统光学全息术没有区别。不过由于记录下来的信息是数字化的，因此可以方便地用计算机进行处理，通过数学算法计算出复现的图像。

　　数字全息术广泛用于物体的三维信息测量记录、加密、图像识别等领域。除此之外，数字全息还常用于立体显微成像。弥补了普通光学显微镜无法直接读取被观察物体的三维信息的不足。

　　3、计算全息术

　　在使用CCD/CMOS等数字感光器件替代全息干板之后，科学家又想到，既然光学计算理论已经足够成熟，何必还需要拍摄的过程呢？所以计算全息术应运而生。

　　所谓的计算全息，其实就是彻底抛开了干涉图的记录过程，直接将光场分布使用计算机通过数学理论计算出来。这样做有一个巨大的好处，可以突破现实世界物体的限制，实现任意物体的全息显示，即便这个物体在现实中并不存在。因此许多产品的防伪标识都可以使用这种方式来实现。

　　具体到3D显示领域，物体的复现有许多方法，这里简单介绍两种。

　　（1）空间光调制器（SLM）

　　图中长方形的那一小块就是SLM的工作区域，上面分布着微米量级的像素点，每个像素点都可以提供独立的光场调制。

　　将通过数学理论计算出来的全息图加载到SLM上，然后使用参考光束进行照射，就可以复现出设计的立体图像。例如下图是使用SLM实现的效果。

　　由于SLM单元像素往往是液晶等电控装置，因此可以实现动态调制，所以很适合进行全息图的动态显示。但是SLM由于单个像素点的尺寸比光波长大很多，所以视场角非常小，显示的物体大小也很受限制。

　　（2）超表面（metasurface）全息

　　超表面是近年来光学领域的研究热点，是最近十余年来光学领域发展的重要分支，是实现超衍射成像、光刻和显示方面极具潜力的技术途径。中国科学院光电技术研究所微细加工光学技术国家重点实验室通过研究发展了一种基于表面等离子体超表面的计算全息显示技术。该计算全息显示技术的核心器件为一层厚度仅为几十到百纳米的金属薄膜，薄膜上有数千万个独立设计的纳米孔结构，像元尺寸最小仅为200nm×200nm，因此投影全息视场可以覆盖整个空间。同时，这些纳米孔的独特排布方式可使整个可见光波段消色差,为全色域真三维全息成像奠定了基础。此外，它还突破了传统技术存在的零级干扰和不同颜色图像之间的串扰问题，极大提高了显示图像的信噪比，未来有望应用于大视场三维全息显示、信息加密、虚拟现实等多个领域。这项成果发表在Science子刊Science Advances上。

　　除了3D显示领域，全息技术还广泛用在测量、存储、加密、防伪等各个方面，相信未来随着理论的发展和技术的进步，“全息”会更深入地走向千家万户，成为人们生活的一部分。