一、“全息”的诞生

“全息”翻译自英语“Holography/Hologram”，其中“Holos”是希腊语“全部”的意思。Holography/Hologram（全息术/全息图）是匈牙利裔英国物理学家Dennis Gabor在1948年发明的，这篇开山之作发表在Nature上[1]。

Dennis Gabor

匈牙利裔英国物理学家丹尼斯•伽博（Dennis Gabor）； 1947年，专利授权（英国 GB685286）； 1948年，Nature发表 （Vol. 16）[1]; 1949年，Proc. R. Soc. Lond. A发表，并起名“Hologram(全息图)”（Vol. 197）[2]； 1971，诺贝尔物理学奖。

值得说的一个小细节：虽然这个idea是1948年公开发表的, 但“Hologram”这个名字却是次年发表在Proc. R. Soc. Lond. A上的文章中起的，文章名为“Microscopy by reconstructed wave-fronts”[2]。

上图为该文中有关起名字的一段话，翻译过来就是：由于本文需要经常使用发散的相干照明下的衍射图，因此为它引入一个特殊的名称，以将其与衍射图样本身区分开，它被认为是一个复函数。 “全息图(Hologram)”这个名称并非没有道理，因为照片包含重建物体所需的全部信息，可以是二维或三维。

全息技术第一步是利用干涉原理记录物体光波信息，即拍摄过程：被拍摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束；另一部分激光作为参考光束射到全息底片上，和物光束叠加产生干涉，把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度，从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来[1]。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后，便成为一张全息图，或称全息照片；其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息，这是成象过程：全息图犹如一个复杂的光栅，在相干激光照射下，一张线性记录的正弦型全息图的衍射光波一般可给出两个象，即原始象（又称初始象）和共轭象。再现的图像立体感强，具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息，故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像，通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像，而且能互不干扰地分别显示出来。

特点优势

1、 再造出来的立体影像有利于保存珍贵的艺术品资料进行收藏。

2、 拍摄时每一点都记录在全息片的任何一点上，就算照片损坏也关系不大。

3、 全息照片的景物立体感强，形象逼真，借助激光器可以在各种展览会上进行展示，会得到非常好的效果。

技术种类

投影技术一共分为三种：

1、空气投影和交互技术：这是美国麻省名叫Chad Dyne的29岁理工研究生发明的，是显示技术上的一个里程碑，它可以在气流形成的墙上投影出具有交互功能的图像。 此技术来源海市蜃楼的原理，将图像投射在水蒸气上，由于分子震动不均衡，可以形成层次和立体感很强的图像。

2、激光束技术：是日本Science and Technology公司发明了一种可以用激光束来投射实体的3D影像，这种技术是利用氮气和氧气在空气中散开时，混合成的气体变成灼热的浆状物质，并在空气中形成一个短暂的3D图像。这种方法主要是不断在空气中进行小型爆破来实现的。

3、360度全息显示：它是由南加利福尼亚大学创新科技研究院的研究人员当前宣布他们成功研制的，这种技术是将图像投影在一种高速旋转的镜子上从而实现三维图像，只是会有些危险。

毫不夸张的说全息技术它包含了未来，谁最先使用这项技术，谁就最先走入未来的先进技术行列。全息投影技术是全息摄影技术的逆向展示，本质上是通过在空气或者特殊的立体镜片上形成立体的影像。不同于平面银幕投影仅仅在二维表面通过透视、阴影等效果实现立体感，全息投影技术是真正呈现3D的影像，可以从360°的任何角度观看影像的不同侧面。

全息学的原理适用于各种形式的波动，如X射线、微波、声波、电子波等，只要这些波动在形成干涉花样时具有足够的相干性即可。光学全息术可望在立体电影、电视、展览、显微术、干涉度量学、投影光刻、军事侦察监视、水下探测、金属内部探测、保存珍贵的历史文物、艺术品、信息存储、遥感，研究和记录物理状态变化极快的瞬时现象、瞬时过程（如爆炸和燃烧）等各个方面获得广泛应用[3]  。

二、“全息”的原理

2.1 为什么叫“全息” 

2.1.1 振幅（强度）信息就是哪里亮哪里暗：

通常我们所说的照相（拍照，摄影）是指，根据几何光学成像原理，将空间物体成像在一个平面上，然后记录下该平面上光波的振幅（强度）。如下简易示意图，用相机拍蜡烛火焰，得到的就是物光波的振幅信息（哪里亮，哪里暗）。

2.1.2 波前（相位）信息就是哪里高哪里低：

其实除了振幅，物光波还有波前，波前中就包含了物体的相位信息（哪里高哪里低）。

关于波前（相位）的理解可以参考：

如果把蜡烛火焰的相位信息画出来会是什么样呢？

蜡烛火焰相位图：包裹（左），解包裹（右）

上图摘自一篇文章[3]，右边的那个就是蜡烛的相位信息，颜色越亮表示越高，颜色越暗表示越低。（至于左图那么多“褶皱”是什么？ 可以参考 [3]，如果大家有兴趣，改天可以单独介绍一下“褶皱”。）

2.1.3 既有振幅（强度）信息又有波前（相位）信息就叫“全息”：

如果能够记录物光波的振幅和相位，并在一定条件下再现，就可以看到包含物体强度和相位的三维像。所以， 叫“全息”，即“全部的信息”，即“强度和相位”。

2.2 如何实现“全息”

速读版： 相位信息无法直接保存在照片中; 引入参考光波与物光波产生干涉，把相位信息保存在条纹中; 用参考光波照射全息图，就可以再现（衍射）出物光波。

2.2.1 相位信息无法直接保存在照片中：

保存强度信息很简单，随便找个相机拍张照片就行了。那相位信息呢？ 为什么相位信息不能直接记录在照片中呢？ 

物光波的复振幅表达形式是这样的（光学书籍中都会有这个知识点）:

O(x,y)=O_0 (x,y)exp⁡[iφ_0 (x,y)]

光强的表达式是这样的：

算到最后，相位项怎么不见了（意味着物光波的强度里没有相位这一项了）？ 因为：

2.2.2 引入参考光波与物光波产生干涉，把相位信息保存在条纹中：

既然物光波的相位不能直接保存，那就找一个已知强度和相位信息的参考光波（平面光波）和它放到一起，是不是就可以了呢？

这时，我们得到的照片（全息图）是什么样子？

经过多次放大后，可以看到黑白相间的条纹，相位信息就被保存在了条纹的形状中。强度信息本身就已经包含在全息图中了，体现为条纹本身的亮暗分布（并非条纹形状）。

为什么全息图中有相位信息呢？ 找一束平面光波作为参考：

把物光波和参考光波叠加到一起，复合光波的强度表达式是这样的：

2.2.3 用参考光波照射全息图，便可再现（衍射）出物光波：

这时你凑上去看，就能看到蜡烛的三维信息了。

要知道，再现出来的的光波场和蜡烛本身的光波场是一模一样的，所以你看到的和真实的蜡烛火焰是一样的（只是摸不到罢了）。

关于全息图重建的数字方法可以参考：

三、“全息”的主要应用

3.1 相位和形貌的测量（显微）

很大很大的一个领域，这个主要针对看起来透明的东西（比如细胞，生物组织，流场等），和那些需要知道表面形貌的东西（芯片，MEMS等）。 

3.2 全息存储

使用全息图存储文字或图片信息：不同偏振态，不同波长，不同角度的信息可以同时保存在一张全息图中，所以特点就是大容量，高密度。 但是对振动和环境光的干扰太敏感，目前还没有大规模应用。

3.3 全息干涉计量

简单讲就是，样品变化前，测一次相位A，样品变化后，再测一次相位B，两次得到的相位相减就可以得到样品的变化情况，实现无损检测（变形，损伤等等）。

3.4 全息显示

这个大家最熟悉了吧，上一节讲的这张图就是最最简单的全息显示。

这种最多看到180度（实际上远远不止180度），要想360度还原物体，最笨的方案就是拍多个角度，然后按各自角度重现物光波，如下图：

当然，这种成现的是虚像。 也可以成实像，并将它投射在平面或者立体的介质上，人眼可以直接看到一个真实的像，如果介质是气体你的手还可以穿过这个“真实”的像。

还有一点，加上不同波长的光波再现，就能看到彩色的再现像。 

四、“全息”的识别

速读版： 佩珀尔幻象（非全息）； 旋转LED显示技术（非全息）； 3D渲染（非全息）； “全息”手机后壳？“全息”颜色（非全息）？ 识别方法：如果显示过程中，使用了全息图（条纹状的干涉图）就可以基本断定是“全息”。

“全息显示”≠“3D显示”，不是所有的3D显示都可以挂上“全息”的名号。说一说那些被误以为是“全息”的3D显示技术

佩珀尔幻象： 

如下图，物体“A”和物体“B”，一个在玻璃的侧边，一个在玻璃的后边，你在玻璃的正前方会同时看到“A”和“B”。

佩珀尔幻象的原理

如果还不是很明白，再看看这张照片，小轿车怎么跑到房子里面去了：

还有，手机上放一个梯形玻璃：

很多打着“全息”旗号的大型舞台表演（具体的就不点名了）用到的都是佩珀尔幻象，和全息没有任何关系。

2. 旋转LED显示技术[4](看着像裹了一圈LED的风扇，转起来后会有3D视觉效果)：

这种技术利用了视觉暂留[5]原理，通过LED的高速旋转来实现平面成像，但由于LED灯条在旋转时并非密不透风，观察者依然可以看到灯条后的物体，从而让观察者感觉画面悬浮在空中，实现类似3D的效果。有人叫他“3D全息风扇屏”，但这个也和“全息”没有任何关系。

3. 3D渲染（后期人为加的3D效果，是一种视频处理手段，现实中看不到）：

忍不住说一句，这个大概率是渲染的，

4. “全息”手机后壳？“全息”颜色？

只是在表面刻了光波长大小的光栅（高低起伏的坑），光栅对环境光的散射，看起来五颜六色。

参考文献

1.https://doi.org/10.1038/161777a0

2.https://doi.org/10.1098/rspa.1949.0075

3.https://doi.org/10.1364/OE.27.015100

4.【专利】卢卫强，一种3D旋转全彩显示器[P] :中国, 209029029U，2019-06-25

5.百度百科： 

https://baike.baidu.com/item/%E8%A7%86%E8%A7%89%E6%9A%82%E7%95%99/5125149?fr=aladdin