光影交错间，全息技术是如何一步步发展成今天这样的？

【编者按】本文作者@看风景的蜗牛君，中科院光学工程博士。

首先要明确一点，全息和3D显示不存在谁包含谁的问题，他们是有交叉的两个概念。

之所以媒体和大众往往将两者混为一谈，是因为全息技术的确是很有前景的一项3D显示技术，而且也是中学教科书中着重提到过的“未来”科技，才让大家印象深刻（当年我就是因为这个，义无反顾地选择了光学工程专业）。但实际上除了全息之外，还有许多其他技术都可实现3D成像，与全息技术相比，各有利弊。甚至不少技术会先于全息技术发展起来，走入大家的生活。

另外，全息技术除了应用在3D成像，还广泛用在测量、存储、加密、防伪等各个方面，实际上大家日常生活中经常见到的各种镭射防伪商标，就是全息技术的一大应用。

理清楚了这两者的关系，还是以成像的应用为例，从传统全息术开始，先着重介绍一下全息技术的原理和发展。

我们看一张照片，一般情况下可以根据物体之间的遮挡关系、近大远小的经验和画面中的阴影等信息来判断物体的远近，但没有观看真实物体时的立体感。这是由于使用相机进行拍摄时，记录的只是物体的光强信息，而物体的深度信息是包含在相位当中的。

既然如此，是不是可以通过某种方式，将光线的强度信息和相位信息同时记录下来呢？这就是“全息”思想的来源。所谓“全息”，其实是个科学上创造的名词，本意上即指可以同时呈现强度和相位信息的技术，类似地，英文中会冠以“holo-”开头，表达全息相关的名词。

比较麻烦的一点就是，我们手中用来记录光线的物质都只是对光强敏感，而不是对相位敏感。因此要一个方法，利用记录光强的物质将相位的分布记录下来。科学家们发现，光的干涉恰好可以满足需求。

“干涉”对于非本专业人来说，是个比较难以理解的概念，至少在我读高中的时候，许多同学都在质疑这是否违背能量守恒……为了让大家简单地理解这个概念，我来举一个不太严谨的例子。

有一天，小明同学在练习素描，于是在纸上快速地来回画一条3cm长的线，如下图所示。

小明的手速实在是太快了，若不是时空静止，我们根本看不清他的笔尖到底在哪里，只能看到纸上有一条黑色的线。

这时小红走了过来，对小明说，我们玩个游戏吧。于是两个人以玩笔仙的姿势，握住了这支笔。

最初小红完全不用力，小明继续以自己的节奏和力道来回画着3cm长的线。接下来，小红可以选择任何时间开始以同样的力道和节奏控制这支笔，会出现什么情况呢？

若是小红开始发力的位置和方向恰好合适，那么最后两个人的力道会合在一起，控制着这支笔画着一条更长的线，最长可以达到6cm；

若是凑巧小红和小明杠上了，两个人以同样的力道、相反的方向控制这支笔，那么最终这支笔不再移动，相当于线的长度变为0；

大多数时候都没有这么巧，两个人来回画线的长度介于0-6cm之间。

总之，若是小明的动作确定下来，那么我们就可以通过最终线的长度来判断小红启动时候的状态。

回到问题当中，化学物质只能分辨光强的大小，那么给出一束确定的参考光束（例子中的小明），就可以将物体光束的相位（例子中小红启动的状态）通过光强（相当于例子中画线的长度）的方式记录下来。

因此，全息图像记录的过程，可以用下面这张图简单概括。

参考光束和物体光束的干涉结果被底片干板记录下来，显影、定影之后就可以使用了。

复现的时候，只要保持参考光束不变照射在干板上，衍射后就可以还原出物体的样子，而且由于具有深度信息，所以具有立体感，比如下图：

转个角度：

传统全息术发明之后，其震撼的表现力让大家非常兴奋，若是去科技馆的话，经常会见到这样的展品。我至今都记得自己第一次见到全息的狮子头像时内心的呐喊，细节栩栩如生，实在是太棒了。

从3D显示的效果来说，传统全息术的显示效果还是非常棒的，但是难以实现动态显示，而且干板价格比较昂贵，也不利于复制和传播。

传统全息术中干板价格贵、不利于传播等类似的问题，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，于是发明了数码相机，开启了一个新的时代。后来的故事，大家都知道了……

总之，随着数字式感光器件的发展，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。

除了将干板换成CCD或者CMOS之外，数字全息图的记录过程与传统全息术没有区别。不过由于记录下来的信息是数字化的，所以可以用计算机进行处理，即便没有参考光束，也可以用计算机计算出复现的图像，进行研究。

数字全息术广泛用于需要快速处理信息的物体三维信息测量记录、加密、图像识别等方面。除此之外，数字全息也常用于科研中进行显微成像。

（编辑：云计算网_泰州站长网）

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