星之光|全息技術(shù)漫談

　　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(fù)活”，并且?guī)砹艘欢蝿鸥锜嵛?，其逼真程度讓現(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(shù)時，會冠以“全息”一詞。但嚴格意義上來說，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？今天我們就來梳理一下全息技術(shù)的原理和發(fā)展歷史。

　　1、傳統(tǒng)光學(xué)全息術(shù)

　　當(dāng)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(guān)系、近大遠小透視關(guān)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(xué)習(xí)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(guān)，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(xué)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(shù)。類似地，英文中會冠以“holo-”的詞頭，來表達全息相關(guān)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(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?？茖W(xué)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(xué)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。

　　當(dāng)我們握住長繩的一端，并上下反復(fù)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。

　　干涉結(jié)果被底片干板等化學(xué)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(xué)全息的一個實例：

　　傳統(tǒng)的光學(xué)全息術(shù)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(fù)制和傳播。

　　2、數(shù)字全息術(shù)

　　上述傳統(tǒng)全息術(shù)中類似的問題，其實在傳統(tǒng)膠片攝影中也同樣存在。當(dāng)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(xué)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(shù)就誕生了。與傳統(tǒng)光學(xué)全息的過程相比，除了將干板等化學(xué)感光物質(zhì)換成CCD或者CMOS之外，數(shù)字全息圖的記錄過程與傳統(tǒng)光學(xué)全息術(shù)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(xué)算法計算出復(fù)現(xiàn)的圖像。

　　數(shù)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(shù)字全息還常用于立體顯微成像。彌補了普通光學(xué)顯微鏡無法直接讀取被觀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(shù)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程呢？所以計算全息術(shù)應(yīng)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(xué)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(lǐng)域，物體的復(fù)現(xiàn)有許多方法，這里簡單介紹兩種。

　?。?）空間光調(diào)制器（SLM）

　　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(xué)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(fù)現(xiàn)出設(shè)計的立體圖像。例如下圖是使用SLM實現(xiàn)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。

　?。?）超表面（metasurface）全息

　　超表面是近年來光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點，是最近十余年來光學(xué)領(lǐng)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(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(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(shù)千萬個獨立設(shè)計的納米孔結(jié)構(gòu)，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(chǔ)。此外，它還突破了傳統(tǒng)技術(shù)存在的零級干擾和不同顏色圖像之間的串?dāng)_問題，極大提高了顯示圖像的信噪比，未來有望應(yīng)用于大視場三維全息顯示、信息加密、虛擬現(xiàn)實等多個領(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、防偽等各個方面，相信未來隨著理論的發(fā)展和技術(shù)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。