從幻想走向現實的全息技術

余重秀

從經典的《星球大戰(zhàn)》到《鋼鐵俠》，立體全息影像在很多科幻電影中以特效的形式呈現給觀眾。影片中的人物可以跟在空氣中形成的三維影像進行交流互動，不僅帶來了震撼的視覺效果，也引發(fā)了人們對未來技術的憧憬。那么電影當中的這種技術距離我們的現實生活到底有多遠呢？

全息攝影的奧秘

全息，顧名思義指自然界的人或物的散射或發(fā)射光的全部信息（包括光波的振幅和相位信息）。全息攝影則是一種真正意義上的三維成像技術，普通攝影只能記錄光某個方向的強度（或振幅）信息，而全息攝影利用了光的干涉和衍射原理，不僅能夠記錄光的強度，還能記錄光從哪里發(fā)出，朝哪個方向發(fā)射的信息（即相位信息）。從不同的角度去觀看全息照片，看到的圖像內容是不一樣的，跟觀看真實物體的感受一樣。因此，全息攝影是發(fā)展成為三維立體顯示非常有效的方法之一。

普通攝影術基于透鏡成像原理，在自然環(huán)境下即能拍攝成像。而全息攝影術需要利用特殊的光源（一般采用激光），記錄物體發(fā)出的散射光。記錄的時候將激光束分為兩束，一束直接投射到記錄介質上，稱為參考光束;另一束光束投射到目標物體上，經過物體表面的散射作用形成物光束。讓物光束投射在記錄介質的同一區(qū)域上，它與參考光束在記錄介質上產生干涉疊加，形成干涉條紋，再經過處理之后，就得到一張全息照片。

再現物體像的時候，需要用一束激光照射到全息照片上。當這束激光的波長和傳播方向與參考光束完全一樣時，就還原了物體原來的光場。我們從不同角度觀看，可以觀看到物體的不同側面，就跟看到真實的物體一樣。

全息攝影的記錄材質也與普通攝影不同。傳統(tǒng)光學全息采用鹵化銀、重鉻酸鹽明膠和光致抗蝕劑等制成感光膠片來記錄全息圖，全息圖需要經過后續(xù)的顯影、定影、漂洗、烘干等處理，顯得煩瑣而費時。近些年來，出現了光導熱塑料、光致聚合物、光折變晶體等新型光敏材料，不僅能省去繁瑣的化學處理，而且存儲信息的容量和衍射效率得以提高。

更加便利的數字全息技術

全息照片實質上是一種干涉圖樣，利用數字技術可以在計算機中模擬出光場的干涉、衍射過程，直接“計算”出這種干涉圖樣，于是在20世紀60年代末形成了數字全息技術。這種技術既可以免去嚴苛的光學記錄實驗環(huán)境，又能模擬實際上并不存在的各種物體，故具有明顯的簡易性與靈活性。數字全息技術把光學與電子學技術有效地結合在一起，發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，展現出新的發(fā)展前景。

第一代全息照片需要使用激光記錄和再現出原始的三維物體像。第二代全息照片只需要使用激光記錄，而用白光再現立體像，放寬了觀看全息照片的條件，如反射全息、像面全息、彩虹全息、模壓全息等就是這樣。數字全息技術用光敏電子成像器件（如電荷耦合器件CCD）代替感光材料，能夠更加方便、快捷地記錄全息圖。數字全息圖是采用光調制器件（如空間光調制器SLM）或在計算機中來模擬全息圖的光學再現過程的，再現一張全息圖時，從不同角度可以看到物體不同的側面或者顏色的變化。

“打不碎”的全息照片

全息照片有一個非常有趣的現象，即照片的碎片可再現完整的物體圖像，并不會因為照片的破碎而失去像的完整性。普通攝影中，物體跟普通照片是點對點的對應關系，普通照片上一個小區(qū)域（或像素）只記錄了一個物點發(fā)出的一個方向的強度信息。但在全息攝影中，由于全息照片的特殊記錄方法，物體跟全息照片是點對體積的對應關系，全息照片上的每個像素都記錄了物體上各點發(fā)出的光線信息。

全息技術的各種應用

全息技術已在人們的生活、文化教育、生產實踐和科學研究中發(fā)揮著重要作用。利用全息照片的藝術性和可觀賞性，產生了全息藝術品、全息商標、全息郵票、全息博物館，利用全息圖的高科技特點產生了全息防偽，用于商品、錢幣、證件等防偽。近年來又在發(fā)展全息電視、全息電影等三維立體顯示技術。在世界各地都有各種各樣的全息產品和應用。

1987年，我國發(fā)行了一枚全息郵折，這一年是丁卯年（兔年），在四方連郵折上有三只小兔子的全息立體照片。從不同的角度觀看，可以看到小兔子的正面、側面等不同的影像，確實可以用栩栩如生來形容了。

2010年4月21日，美國財政部和聯邦儲備局共同發(fā)布了發(fā)行新版100美元的設計方案，他們采用全息防偽技術，在美鈔上設置了安全線。

全息博物館，顧名思義是用全息照片代替實物在博物館內展覽。目前，美國、英國等國家的一些城市就有全息博物館，他們把一些稀世珍寶拍成全息照片，以減少文物損壞、被盜等安全隱患。

全息投影技術目前在產品展覽、發(fā)布會、舞臺節(jié)目、酒吧娛樂等場合得到了較為廣泛的應用，它還能對虛擬的景物成像，成為虛擬成像技術之一。利用這種技術可以產生立體的空中幻像，還可以使幻像與表演者產生互動，形成一種共同表演的錯覺，產生令人震撼的演出效果。

全息技術的進一步發(fā)展

1948年，英籍匈牙利科學家蓋博發(fā)明了全息術，之后它的發(fā)展已經歷了半個多世紀，相繼產生了多種全息，如透射全息、反射透射、像面全息、彩虹全息、白光再現全息、真彩色全息、動態(tài)全息、計算全息、數字全息等等，它的實現技術也越來越多、越來越成熟。全息立體顯示走出了實驗室，已經服務于人類社會。

近年來，全息技術在大尺寸、高分辨率、真彩色、實時動態(tài)等關鍵技術上取得了一些突破。麻省理工學院空間成像研究組成功研制了三款全息立體視頻顯示系統(tǒng)，能夠以每秒20幀的速率顯示真彩色立體全息視頻。德國SeeReal技術公司研發(fā)了20英寸的單色立體全息顯示裝置。英國QinetiQ公司利用超級計算機，通過計算的方式得到計算全息圖，實現高分辨率的全息立體顯示。

由于全息攝影術的實驗條件嚴格，而數字全息術受計算機速率與顯示載體的限制，立體全息視頻在走向千家萬戶的實用方面仍然差強人意，于是“偽全息”等裸眼立體顯示技術應運而生。與全息顯示在空間中再現物體的實像不同，“偽全息”主要模仿人眼立體視覺原理使觀眾感知到物體的立體感。立體視覺原理是指人的雙眼在觀看同一場景時，由于左右眼之間存在一定間距，左右眼視網膜上的成像來自于不同視角，左右視點圖像之間存在著細微的差異。大腦皮層通過對兩幅圖像進行融合，提取出場景中的深度信息，從而感受到立體效果。目前裸眼立體顯示已經能達到較高的分辨率，正在逐步走向大眾。

智能全息投影儀走進日常生活

2014年底，一款名為Bleen的智能全息投影儀研發(fā)成功，科幻電影中天馬行空的想象似乎真的變?yōu)榱爽F實。Bleen的外形像是一顆蛋，重5.5千克。它能直接在其上方的空中投射出3D影像，這種360°的投影具有光影和空間質量的實感，十分生動逼真，影像最高可達到2.5米。除了投影能力外，Bleen還配備有動態(tài)傳感器和光傳感器等，可以探測環(huán)境或動作的變化，并根據這些變化實時地改變投射、變幻的內容。這種全息投影不需要戴上任何3D眼鏡，就能觀賞，人們甚至還能與投射的人物角色產生互動。在家里配備這樣一款全息投影儀，是不是很酷呢？