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撰稿 | 凝光

自2009年3D電影《阿凡達》上映以來，3D顯示的概念被越來越多的人所熟知，各種科幻電影中出現的那些仿佛漂浮在空中的影像，常被大家稱為“全息顯示”。

十多年過去了，全息顯示的概念在國內被廣泛的傳播，尤其是在2015年春晚舞臺上， 4個李宇春同臺出現的場景更是令觀眾印象深刻。

由于全息顯示充滿科技感，很多商家在宣傳透明顯示和3D顯示的相關技術的時候都會加上一個“全息”的概念來吸引眼球。然而，你真的了解“全息”嗎？那些看似炫酷的“全息顯示”效果是如何實現的呢？

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圖1：全息藝術效果圖

其實，全息的概念從被提出至今已經有70多年的發展歷史，隨著全息從學術界逐漸“出圈”，不可避免的產生了一些概念上的混淆和誤解。很多人并沒有意識到，全息技術早就應用在我們的日常生活中，它們就藏在你的身份證、人民幣、以及各種防偽標簽中。

此外，目前全息技術發展至今，類型越來越多，甚至很多從事全息相關行業的人，也會“犯迷糊”，出現一些表述上的錯誤。因此，為了向公眾科普全息的正確概念，同時糾正全息相關行業人員的錯誤表述，尋找一個普遍、正確且全面的全息術定義是有意義的。

基于此，來自美國加州MetroLaser公司的聯合創始人以及研究總監James D. Trolinger以“The language of holography”為題在 Light: Advanced Manufacturing 上發表了綜述文章。

這篇文章考察了“全息術（holography）”這個專業名詞的起源和發展過程，從容易被普通大眾理解的角度解釋了全息術的定義，同時指出了全息顯示發展過程中在概念上的混淆和表述錯誤。

全息的概念最早可以追溯到1947年，英國物理學家Dennis Gabor為了提高電子顯微鏡的分辨率提出了全息術，當時發表的論文題目是“Microscopy by Reconstructed Wave-fronts”，即波前重建的顯微術。Gabor給它命名為“全息術”，意思是包含光波的全部信息。然而，由于當時激光器還沒有問世，Gabor的全息術研究被迫擱置。直到1956年，Emmett Leith、Juris Upatnieks和Yuri Denisyuk在不了解Gabor早期研究工作的情況下，創造了新型的全息術，解決了受到的限制問題。之后，伴隨著激光器的問世，全息技術取得了爆發式的進展，并成功的應用于顯示、成像、存儲、測量、光束操控等多個領域，成為現代光學領域的一個重要分支。

Yuri Denisyuk曾將全息術簡單描述為物體的“光學等價物”，但是這種等價物的定義同樣難以被普通人所理解。直到Adolph Lohman對光學全息術作出如下描述：“物體表面發出的光向前傳播，在某處被全息面攔了下來，光被‘凍結’在全息面中。當我們需要重建物體的像時，只需要適當的照亮全息面，‘凍結’在全息面上的光波就會被恢復，繼續向前傳播，形成圖像，就像光從來沒有被‘凍結’一樣。”

如今，全息術的類型越來越多，已經不僅僅限于傳統的光學全息術，還包括聲學全息術、數字全息術等等。這篇文章的作者根據全息術的應用型以及重要性，著重介紹了光學全息術和數字全息術兩種類型。

然而，這些全息領域的先驅者提出的都是光學全息術，并且都是基于一定的光學知識水平，例如光的干涉（名詞解釋>）和衍射（名詞解釋>），企圖利用這些原理向普通人講解全息幾乎是不可能的。因此，針對不同的人群，作者也將全息術定義的描述分為簡易版和專業版兩個版本。

光學全息術的定義

簡易版：參考Adolph Lohman的描述，我們可以將光學全息術當做一個可以記錄光波的“窗口”，物體的光波信息被凍結在窗口上，當我們對這個“窗口”進行適當的照明，它上面記錄的光波信息就會被解凍，“窗口”仿佛被打開，我們可以通過這個“窗口”觀察到后面空間中物體的3D影像，如果這個光學全息術工藝足夠精良，人眼是難以區分出原物體和它的3D影像的。

專業版：光學全息術是利用感光材料記錄物體光波和參考光波的干涉圖樣，在一定的條件下，利用光的衍射現象，可以通過參考光波照射干涉圖樣重建出原物體光波。

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圖2：光學全息術的記錄與重建過程

數字全息術的定義

簡易版：光學全息術這個“窗口”，制作起來十分復雜，工藝比較繁瑣，并且一旦制作成功，我們通過這個“窗口”所能看到的3D物體影像就被固定了，無法變化，因此，光學全息術就像一個靜止的3D世界的窗。而數字全息術得益于計算機的發展，使得“窗口”的制作不再復雜，并且“窗口”外的3D世界也能夠發生變化，一切變得生動起來。

專業版：在數字全息術中，被記錄信息以數字格式儲存在計算機中。記錄過程利用波陣面與數碼相機或傳感器上的參考波進行干涉，然后將波陣面的信息儲存在相機或計算機中。記錄過程的基本要求是，相機的像素必須足夠小。如下圖所示，被記錄物體被相干光照亮，并與數字傳感器上的參考光波混合，由此生成的干涉圖樣被計算機記錄下來。在重建過程，有兩種選擇。最常見的是，利用衍射和傳播方程對記錄的全息面進行計算分析，可以將波陣面傳播到虛擬空間的任何平面；然后，該平面的強度信息可以出現在顯示器上。通過這種方式，可以對重建的圖像進行電子掃描并逐面顯示。

其實，數字全息術可能近期是發展最快的全息術類型，每年有100多篇新成果發表。這可能是由于數字全息不需要昂貴的激光器、光學設備，所需要的只是一臺相對便宜的計算機。該技術使得全息計算的速度和成本比任何人想象的都要低。在科學和醫學領域，數字全息術正在徹底改變顯微鏡。

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圖3：數字全息術的記錄與重建過程

全息術的一般且全面的定義

目前全息術的類型很多，為了找到一個正確的且可用的最佳定義，James D. Trolinger廣泛征求了很多同行的意見。在這些意見中，幾乎每個人都有自己不同的定義，雖然很多都有失偏頗或不夠全面，具有很大的局限性，但大多數的意見都被作者采納并匯總在這篇文章中。從這些五花八門的定義中可以看出，目前想要在領域內對全息術的最佳定義達成一個普遍的共識是一個巨大的挑戰。近期James D. Trolinger還參加了一個全息領域內專家的研討會，依舊難以得出全息術統一的定義。

即便如此，James D. Trolinger認為，如果存在一個正確的且可用的全息術的最佳定義，那么這個定義應該包含以下幾種特征：

全息術包含記錄和重建兩個過程，其中記錄過程能夠捕獲并保存某種波（包括光波、聲波、雷達波、微波和x射線波）所需的所有信息（例如振幅和相位），重建過程能夠準確復制并重構原始波的傳播。
當一個物體的圖像是利用全息術重建出來時，它看起來是具有3D效果的。此外，如果這個物體本身具有一定的深度，那么我們可以觀察到它的圖像的側面，且圖像存在視差。
全息術并不僅僅適用于存儲和顯示3D圖像。
全息術本身并不是圖像，圖像也不是全息圖。
時變波的實時全息術可以對變化的波或者共軛波進行連續的記錄和重建。
并非所有的全息術都是記錄在照片或者感光材料上。
全息術的記錄材料并不受限，許多不同的材料都可以使記錄的信息儲存足夠長的時間。只要可以通過這種材料記錄并重建出原始波，都可以作為全息術的記錄材料。
在數字全息術中，全息記錄過程可以在計算機中創建、存儲、處理和分析，而不需要使用激光和光學平臺。
在數字全息術中，波陣面可以在計算機中重建、聚焦、濾波、投影以及數值干涉，就仿佛波陣面在物理空間中傳播一樣。
全息術中記錄的信息可以存儲在一個表面，或者是有體積的記錄材料，甚至是計算機中。
全息面可以存在于空氣/氣體中（在物理學中也稱為四波混合）。
全息光學元件（Holographic optical elements, HOE）可以替代并實現很多類型的光學元件功能，例如透鏡、反射鏡和分束鏡等。
全息術可以不使用激光、相干光甚至是任何類型的波來實現。（例如浮雕、蝕刻、計算全息和數字全息）
相位共軛鏡（Phase conjugate mirror）（名詞解釋>）也是一種全息術。
全息術并不是一定要顯示3D圖像，利用其它光學技術同樣可以顯示3D圖像和效果。
全息術應用范圍很廣，在以下所列出的場景中都可以應用：3D顯示、信息安全領域（信用卡、貨幣、護照、郵票、門票、文檔等）、廣告宣傳、肖像畫、藝術、干涉學、測量、信息處理（存儲、歸檔和檢索）、光學元件、可視化雷達、聲吶、超聲波、激光雷達、磁共振成像、計算機輔助斷層掃描和3D掃描、壓印母版、像差矯正。

綜上，James D. Trolinger給出了一個能夠涵蓋整個全息術領域的一般定義，如下：

全息術主要分為記錄和重建兩個過程，利用干涉衍射原理來記錄并存儲任何復波信息，包括光波、聲波、x射線以及無線電波等，并能夠準確復制并重建原始波的傳播過程。

這個定義適用于以下類型的全息術：

白光全息術（White Light Reflection holograms (Denisyuk holograms)）
同軸全息術（In-line holograms (Gabor holograms)）
離軸全息術（Off-axis holograms (Leith-Upatnieks holograms)）
波前合成（Synthetic wavefronts）
浮雕全息術（Embossed holograms）
全息投影（Cast holograms）
圖像的全息術（Holograms of photographs）
全息光學元件（Holographic optical elements）
全息光柵（Holographic gratings）
像平面全息術（Image plane holograms）
相位共軛鏡（Phase conjugate mirrors）
實時全息（Real time holograms）
數字全息（Digital holograms）
計算全息（Computer generated holograms）

非全息術的3D顯示技術

全息的概念之所以能夠“出圈”，被大眾所知，很大一部分原因是因為全息術在3D顯示技術上的應用。當你對身邊的朋友提到全息時，他們想到的不是嚴格的光學定義，而是曾在某些場景中看到的懸浮在空氣中的3D影像。當大部分人都接受了這個設定時，“全息”這個詞就被濫用了，只要是有震撼的3D視覺體驗的技術都可能被冠以“全息”之名。然而事實是，能實現3D顯示的技術有很多種，有些技術甚至早先于全息一個世紀就被發明出來。

下面是一些非全息的3D顯示技術的例子，它們常常被誤認為是全息術：

立體攝影和投影（Stereo photography and projection imagery）
佩珀爾幻象（Pepper’s ghost images）
蠅眼圖像（Fly’s eye images）
柱透鏡圖像（Lenticular photographs）
光場成像（Light field imaging）
虛擬現實（VR)
集成立體圖像（Integral photographs）

以上這些技術在3D顯示領域都很有效，有些效果看起來甚至比全息術還要好，但這些技術或多或少都存在一些限制。而全息術之所以被稱為理想的3D顯示技術之一，是因為全息術可以重建出3D物體所有的波前信息，從而完美符合人眼視覺特性。

全息的錯誤表述

然而，全息發展至今，即便是一些從事全息相關行業的人，有時也會對全息中的一些概念產生混淆，從而產生一些錯誤的表述，而這些錯誤的表述有些甚至會被全息的專家接受，這就導致了人們理解上的混亂。下面列舉一些常見的錯誤表述：

“他是一個全息圖”（He is a hologram）：一個人或一個人的形象不可能是全息圖，3D影像的效果也大概率不是利用全息的技術實現出來的。
“那個圖像是全息圖”（That image is a hologram）：全息術可以用來產生3D影像，但全息術本身并不是3D影像，而是記錄3D影像的媒介。
“重建物體”（Reconstruct the object）：物體本身不能重建，重建的是物體的3D影像。
“我會重建全息圖”（I will reconstruct the hologram）：全息圖不是被重建的，全息圖是被產生或構建的，然后被用來重建波陣面或物體的3D影像。只有一種例外的情況可以這樣表述，那就是全息圖已經存在，在其他地方被復制（重建），成為攜帶相同信息的另一個全息圖。這種錯誤表述比較難以糾正，許多全息領域的研究人員都經常會犯這種錯誤。