星之光|全息技術(shù)漫談

　　熱愛(ài)音樂(lè)的小伙伴可能都記得這樣一幕，在2014年美國(guó)某大型音樂(lè)盛典上，流行天王邁克爾杰克遜成功立體“復(fù)活”，并且?guī)?lái)了一段勁歌熱舞，其逼真程度讓現(xiàn)場(chǎng)的觀眾為之沸騰。在國(guó)內(nèi)春晚以及大型演唱會(huì)的舞臺(tái)上，也經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)真實(shí)人物與投影出的虛擬人物同臺(tái)演出的場(chǎng)景，讓觀眾印象深刻。

　　許多媒體在報(bào)道這項(xiàng)技術(shù)時(shí)，會(huì)冠以“全息”一詞。但嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)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(lái)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(shí)候，往往可以根據(jù)物體之間的部分遮擋關(guān)系、近大遠(yuǎn)小透視關(guān)系以及陰影狀態(tài)等信息來(lái)直觀判斷出物體的遠(yuǎn)近，但往往沒(méi)有觀看現(xiàn)實(shí)世界中物體時(shí)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(qiáng)弱明暗，這是光的強(qiáng)度信息。除此之外，通過(guò)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(shí)接收到光的強(qiáng)度信息和深度信息，物理才具有立體感。通過(guò)手機(jī)拍照等獲得的靜態(tài)畫(huà)面只能存儲(chǔ)光強(qiáng)信息，所以人眼無(wú)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(shí)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(chǎng)的相位直接相關(guān)，那么我們能否通過(guò)一種特定的方式，將光場(chǎng)的強(qiáng)度信息和相位信息進(jìn)行同時(shí)記錄呢？這就是“全息”思想的來(lái)源。所謂“全息”一詞，其實(shí)是科學(xué)家創(chuàng)造的名詞，本意上是指可以同時(shí)記錄與呈現(xiàn)強(qiáng)度和相位信息的技術(shù)。類似地，英文中會(huì)冠以“holo-”的詞頭，來(lái)表達(dá)全息相關(guān)的名詞。

　　這個(gè)想法非常棒，但實(shí)際操作起來(lái)卻困難重重。因?yàn)闊o(wú)論是感光的化學(xué)材料，還是CCD等電子感光器件，都只是對(duì)光的強(qiáng)度敏感，而對(duì)相位不敏感。因此科學(xué)家需要?jiǎng)?chuàng)造出一種方法，利用記錄光強(qiáng)的方式將相位間接記錄下來(lái)?？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(zhǔn)確定義，對(duì)于沒(méi)有接受過(guò)物理學(xué)的人來(lái)說(shuō)，是個(gè)難以理解的概念，因此我們借助生活中常見(jiàn)的繩波來(lái)進(jìn)行介紹。

　　當(dāng)我們握住長(zhǎng)繩的一端，并上下反復(fù)揮動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)繩上會(huì)出現(xiàn)一系列的波，即為繩波。如果對(duì)面也有一個(gè)人握住繩子的另一端上下?lián)]動(dòng)，那么兩個(gè)人產(chǎn)生的繩波在傳播過(guò)程中就會(huì)相遇。相遇時(shí)，若是兩個(gè)波的方向一致，那么此處的幅度就會(huì)增加；若是兩個(gè)波的方向相反，那么波的幅度就會(huì)減小。這就是波的干涉的基本思想。因此若是兩個(gè)人中的其中一個(gè)人一直以相等的頻率和振幅揮動(dòng)，那么通過(guò)繩波疊加后的狀態(tài)，我們就可以得知對(duì)面另一個(gè)人的揮動(dòng)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(hào)光，然后將兩者疊加起來(lái)，我們就可以通過(guò)干涉后光場(chǎng)的強(qiáng)度分布，來(lái)記錄信號(hào)光的強(qiáng)度和相位分布了。

　　因此，全息圖像記錄的過(guò)程，可以用下面這張圖簡(jiǎn)單概括。

　　干涉結(jié)果被底片干板等化學(xué)材料記錄下來(lái)，再經(jīng)過(guò)顯影、定影等過(guò)程之后，就可以使用了。

　　要想通過(guò)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(qiáng)烈，比如下圖就是光學(xué)全息的一個(gè)實(shí)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(huì)見(jiàn)到這樣的展品。但是干板價(jià)格比較昂貴，難以實(shí)現(xiàn)動(dòng)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(wèn)題，其實(shí)在傳統(tǒng)膠片攝影中也同樣存在。當(dāng)年柯達(dá)為了解決這些問(wèn)題，發(fā)明了數(shù)碼相機(jī)，開(kāi)啟了一個(gè)新的時(shí)代。但后來(lái)柯達(dá)竟因?yàn)樵跀?shù)字時(shí)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(shí)到，就如同數(shù)碼相機(jī)取代膠片相機(jī)一樣，為何不用CCD或者CMOS來(lái)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(guò)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(guò)程與傳統(tǒng)光學(xué)全息術(shù)沒(méi)有區(qū)別。不過(guò)由于記錄下來(lái)的信息是數(shù)字化的，因此可以方便地用計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)數(shù)學(xué)算法計(jì)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(cè)量記錄、加密、圖像識(shí)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(bǔ)了普通光學(xué)顯微鏡無(wú)法直接讀取被觀察物體的三維信息的不足。

　　3、計(jì)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(jì)算理論已經(jīng)足夠成熟，何必還需要拍攝的過(guò)程呢？所以計(jì)算全息術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

　　所謂的計(jì)算全息，其實(shí)就是徹底拋開(kāi)了干涉圖的記錄過(guò)程，直接將光場(chǎng)分布使用計(jì)算機(jī)通過(guò)數(shù)學(xué)理論計(jì)算出來(lái)。這樣做有一個(gè)巨大的好處，可以突破現(xiàn)實(shí)世界物體的限制，實(shí)現(xiàn)任意物體的全息顯示，即便這個(gè)物體在現(xiàn)實(shí)中并不存在。因此許多產(chǎn)品的防偽標(biāo)識(shí)都可以使用這種方式來(lái)實(shí)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(jiǎn)單介紹兩種。

　?。?）空間光調(diào)制器（SLM）

　　圖中長(zhǎng)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(jí)的像素點(diǎn)，每個(gè)像素點(diǎn)都可以提供獨(dú)立的光場(chǎng)調(diào)制。

　　將通過(guò)數(shù)學(xué)理論計(jì)算出來(lái)的全息圖加載到SLM上，然后使用參考光束進(jìn)行照射，就可以復(fù)現(xiàn)出設(shè)計(jì)的立體圖像。例如下圖是使用SLM實(shí)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(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)制，所以很適合進(jìn)行全息圖的動(dòng)態(tài)顯示。但是SLM由于單個(gè)像素點(diǎn)的尺寸比光波長(zhǎng)大很多，所以視場(chǎng)角非常小，顯示的物體大小也很受限制。

　　（2）超表面（metasurface）全息

　　超表面是近年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，是最近十余年來(lái)光學(xué)領(lǐng)域發(fā)展的重要分支，是實(shí)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(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過(guò)研究發(fā)展了一種基于表面等離子體超表面的計(jì)算全息顯示技術(shù)。該計(jì)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(wàn)個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)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(chǎng)可以覆蓋整個(gè)空間。同時(shí)，這些納米孔的獨(dú)特排布方式可使整個(gè)可見(jiàn)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(jí)干擾和不同顏色圖像之間的串?dāng)_問(wèn)題，極大提高了顯示圖像的信噪比，未來(lái)有望應(yīng)用于大視場(chǎng)三維全息顯示、信息加密、虛擬現(xiàn)實(shí)等多個(gè)領(lǐng)域。這項(xiàng)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(cè)量、存儲(chǔ)、加密、防偽等各個(gè)方面，相信未來(lái)隨著理論的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，“全息”會(huì)更深入地走向千家萬(wàn)戶，成為人們生活的一部分。